KR20120026134A - 광각 투사 렌즈 및 투사 디스플레이 장치용 광학 엔진 - Google Patents

광각 투사 렌즈 및 투사 디스플레이 장치용 광학 엔진 Download PDF

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KR20120026134A
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어네스토 엠 쥬니어 로드리게즈
페트리샤 엠. 후게스
윌리암 이. 하우셀터
카이 창 루
스티븐 쥐. 사섹
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광각 투사 렌즈는 다양한 적용예를 위해 짧은 투사 거리의 정면 투사 디스플레이 시스템에 사용하기 위한 광학 엔진 내에 합체된다. 정면 투사 디스플레이 장치는 조명 시스템, 화상형성 시스템 및 광각 투사 렌즈를 포함한다. 광각 투사 렌즈는 적어도 하나의 비구면 표면을 가지며 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 그룹을 포함한다. 광각 투사 렌즈는 적어도 45도의 절반 시야각에서 사실상 왜곡이 없는 화상을 출력한다. 예컨대, 제1 렌즈 그룹이 조망 스크린으로부터 1미터 이하의 거리에 위치될 때, 출력 화상은 대각선으로 약 40인치보다 큰 크기를 가지며 사실상 키스톤 보정이 필요하지 않다. 다른 태양에서, 광학 엔진은 벽걸이형 투사 시스템, 멀티미디어 시스템, 소형 통합 모니터 시스템 및 휴대용 투사 유닛 내에서 구현될 수 있다.

Description

광각 투사 렌즈 및 투사 디스플레이 장치용 광학 엔진 {WIDE-ANGLE PROJECTION LENS AND OPTICAL ENGINE FOR A PROJECTION DISPLAY DEVICE}
본 발명은 다양한 적용예를 위해 짧은 투사 거리의 정면 투사 디스플레이 시스템에 사용하기 위한 광학 엔진 내에 합체된 광각 투사 렌즈에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 극단의 비축 화상 형성을 허용하며 사실상 왜곡이 없으며 키스톤 보정이 거의 필요없는 화상을 형성하는 광각 투사 렌즈를 제공하는 투사 장치에 관한 것이다.
전자장치 또는 비디오 디스플레이 시스템은 비디오 또는 전자식 화상을 나타낼 수 있는 장치이다. 가정용 엔터테인먼트, 광고, 비디오 컨퍼런스 또는 그룹 컨퍼런스에 사용된다면, 적절한 디스플레이 장치에 대한 요구가 존재한다.
적절한 디스플레이 장치를 결정하도록 소비자가 사용하는 인자들 중 하나는 화상 품질이다. 일반적으로, 품질은 화상 해상도 및 화상 컬러 등의 인자에 의해 질적으로 결정될 수 있다. 큰 픽쳐 크기를 갖는 디스플레이 장치에 대한 소비자들의 요구가 있을수록, 화상 품질은 손상될 수 있다. 전형적으로, 큰 픽쳐 크기는 스크린의 대각선을 따라 측정할 때 약 40인치의 스크린 크기를 초과하는 것이다.
많은 디스플레이 장치가 오늘날 정면 투사 시스템의 시장에서 입수 가능하더라도, 다른 장치를 개발할 필요가 계속 존재한다.
본 발명의 일 실시예는 정면 투사 디스플레이 장치에 사용하기 위한 광각 투사 렌즈를 포함한다. 디스플레이 장치는 조명 시스템, 화상형성 시스템 및 광각 투사 렌즈를 포함한다. 광각 투사 렌즈는 적어도 하나의 비구면 표면을 가지며 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 그룹을 포함한다. 광각 투사 렌즈는 적어도 45도의 절반 시야각에서 사실상 왜곡이 없는 화상을 출력한다. 예컨대, 제1 렌즈 그룹이 조망 스크린으로부터 일정한 거리에 위치될 때, 출력 화상 크기(대각선)에 대한 이 거리의 비는 약 1.8-2 내지 1이다. 출력 화상은 대각선으로 약 25인치보다 큰 크기를 가질 수 있다. 또한, 바람직한 태양에서, 장치는 사실상 키스톤 보정이 필요하지 않다.
본 발명의 다른 태양에서, 광학 엔진은 벽걸이형 투사 시스템, 멀티미디어 시스템, 소형 통합 모니터 시스템 및 휴대용 투사 유닛 내에서 구현될 수 있다.
본 발명의 광학 시스템은 짧은 투사 거리의 극단의 비축 정면 투사 시스템이다. "투사 거리"라는 용어는 투사 스크린으로부터 투사 렌즈까지의 수직선에 의해 정의된 거리를 의미한다. "짧은 투사 거리"라는 어구는 1미터보다 짧은 거리를 의미한다. "극단의 비축"이라는 용어는 투사된 화상이 45도보다 큰 각도로 경계가 정해지는 것을 의미한다. 또한, 투사 장치는 사실상 왜곡이 없는 화상을 투사한다. 사실상 왜곡이 없는 것은 2%보다 크지 않은 왜곡을 의미한다. 바람직한 태양에서, 왜곡은 1% 이하, 가장 바람직하게는 0.5% 이하이다. 이들 왜곡 값에서, 적어도 대부분의 화상형성 적용예에 대해, 전자식 왜곡 보정이 필요하지 않다. 본 명세서에서, "약"이라는 용어는 모든 숫자 값을 변경하는 것으로 가정된다.
본 발명의 상기 요약은 각각의 도시된 실시예 또는 본 발명의 모든 실시예를 설명하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 특히 이들 실시예를 예시한다.
도1은 본 발명에 사용될 수 있는 예시적인 광학 엔진의 개략도이다.
도2는 본 발명에 사용될 수 있는 예시적인 투사 광학계의 개략도이다.
도3은 예시적인 광학 엔진을 이용하는 벽걸이형 투사 시스템의 개략도이다.
도4a 내지 도4c는 도3의 투사 시스템의 벽걸이 유닛의 상세도이다.
도5a 및 도5b는 예시적인 벽걸이 유닛의 폐쇄 위치와 개방 위치의 각각의 설계를 도시한다.
도6은 예시적인 광학 엔진을 이용하는 예시적인 통합 멀티미디어 시스템의 개략도이다.
도7a 내지 도7d는 도6의 멀티미디어 시스템의 상세도를 도시한다.
도8a 및 도8b는 멀티미디어 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도9a 및 도9b는 멀티미디어 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다.
도10a는 예시적인 광학 엔진을 이용하는 소형 통합 모니터 시스템의 개략도이고, 도10b 내지 도10d는 소형 통합 모니터 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도11a 및 도11b는 다른 실시예에 따른 휴대용 투사 유닛의 각각 전방 및 후방 사시도이다.
도12a 내지 도12c는 휴대용 투사 유닛을 위한 다른 설계의 상이한 도면이다.
도13은 예시적 광학 엔진과 종래의 정면 투사기에 의해 달성되는 짧은 투사 거리를 도시한다.
이들 도면은 비례적으로 도시되지 않으며 예시하는 것이기만 하다. 본 발명이 다양한 변형예와 다른 형태로 수정될 수 있더라도, 그 세부사항은 도면에 예로서 도시되며 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시예로 제한하려는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 모든 변형예, 등가물 및 변경예를 포함하는 것이다.
＜실시예＞
본 발명은 멀티미디어용 짧은 투사 거리의 정면 투사 디스플레이 시스템과 벽 디스플레이 응용예에 사용하기 위한 투사 디스플레이 장치에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 설명된 광학 엔진은 예컨대 통합 멀티미디어 시스템, 벽걸이형 투사 시스템, 휴대용 투사 유닛 및 모니터 시스템에 사용하도록 된 정면 투사 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 광학 엔진은 사실상 왜곡이 없으며 사실상 키스톤 보정(keystone correction)을 필요로 하지 않는다.
도1은 조명 시스템(12 또는 12')과, 화상형성 시스템(14)과, 초점맞춤 기구(15)와, 투사 광학계(16)의 부품 중 하나 이상을 갖는 예시적인 광학 엔진(10)의 개략도이다. 2가지 상이한 조명 시스템(12, 12')이 도시되더라도, 전형적으로 하나만이 사용된다. 조명 시스템이 도면부호 12로 도시된 위치에 놓일 대, 사용된 이미저(imager)는 반사식 이미저이다. 반대로, 조명 시스템이 도면부호 12'로 도시된 위치에 놓일 때, 사용된 이미저는 투과식 이미저이다. 광학 엔진은 투사 스크린(18) 또는 조망 표면 상에 화상을 생성한다. 뷰어(viewer)와 광학 엔진이 투사 스크린의 동일측에 있기 때문에, 도1은 광학 엔진(10)을 사용하는 정면 투사 디스플레이 시스템을 도시한다. 광학 엔진 내의 각각의 요소는 이하에 상세히 논의된다.
조명 시스템(12, 12')은 램프 유닛, (적외선 광 및/또는 자외선 광 소거 필터 등의) 필터, 컬러 분리 수단 및 적분기를 포함할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 램프 유닛은 반사기와 램프를 포함한다. 상업적으로 입수 가능한 적절한 램프는 (ⅰ) 네덜란드 아인트호벤 소재의 필립스 세미컨덕터스(Philips Semiconductors)로부터의 타원 반사기를 사용하는 필립스 UHP형 램프 유닛과, (ⅱ) 독일 뮌헨 소재의 오스람 게엠베하(OSRAM GmBH)로부터의 오스람 P-VIP 250 램프 유닛을 포함한다. 다른 적절한 램프와 램프 유닛 구성이 본 발명에 사용될 수 있다. 예컨대, 금속 할로겐화물 램프 또는 텅스텐 할로겐 램프 또는 발광 다이오드(LED)가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 필터, 컬러 휠 및 적분기의 유형은 중요하지 않다. 일 예시적인 실시예에서, 컬러 분리 수단은 이미저의 광원 내의 스피닝 레드/그린/블루(RGB) 컬러 순차 디스크이다. 상업적으로 입수 가능한 예시적인 컬러 휠은 리히텐슈타인 발처스 소재의 유낵시스 발처스, 엘티디(UNAXIS Balzers, LTD)로부터의 유낵시스 RGBW 컬러 휠이다. 액정 RGB 컬러 순차 셔터도 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 예시적인 적분기는 유낵시스 발처스 엘티디로부터의 중공 터널형 적분기이다.
화상형성 시스템(14)은 이미저를 포함할 수 있고, 전형적으로 종래의 전자장치도 포함할 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 유용한 반사식 이미저는 미국 텍사스주 달라스 소재의 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)로부터 입수 가능한 대각선 치수가 약 22 mm인 XGA 디지털 마이크로미러 장치(DMD)이다. 선택적으로, 투과식 또는 반사식 액정 디스플레이가 이미저로 사용될 수 있다. 예시적인 광학 엔진 실시예에서, 이미저의 표면은 투사 스크린의 표면에 대해 사실상 평행하게 위치 결정될 수 있다.
초점맞춤 기구(15)는 손에 의해 수동으로 또는 전자 조작 기구의 사용을 통해 조절될 수 있는 (도시되지 않은) 활주식 또는 나사식 장착부 상에 이하에 설명되는 렌즈 중 하나 이상을 장착함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 가변 초점 렌즈 또는 줌 렌즈에 의해 초점이 맞춰질 수 있다. 선택적으로, 광학 엔진(10)과 조망 스크린(18) 사이에 성립된 소정의 고정 위치를 갖는 투사 유닛에는 사용자 초점맞춤이 요구되지 않는다.
스크린(18)은 예컨대 미국 특허 제6,179,426호에 설명된 바와 같이 구성된 복수의 프레넬 요소인 다중층 재료를 포함할 수 있다. 스크린은 스크린의 정면에 수평으로 위치한 뷰어를 수용하도록 수평 방향으로 퍼진 광 분포를 제어하도록 설계될 수 있다. 스크린의 다른 실시예는 모두가 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수 가능한 다중층 필름 기술, 이중 휘도 향상 필름(DBEF) 기술 또는 VIKUITI™ 기술을 포함할 수 있다. 선택적으로, 생성된 화상은 임의의 표면, 예컨대 벽 또는 다른 구조부, 또는 표준 조망 스크린 상에서 볼 수 있다.
도2는 광학 엔진(10)의 광각 투사 렌즈의 예시적인 실시예를 도시한다. 도2의 투사 렌즈는 스크린측에서부터 제1 렌즈 그룹(G1), 제2 렌즈 그룹(G2) 및 제3 렌즈 그룹(G3)의 순차적인 순서로 3개의 렌즈 그룹을 포함한다. "스크린측"이라는 용어는 투사 스크린에 가장 가까운 투사 렌즈의 측을 의미한다. 3개의 렌즈 그룹은 이하에 상세히 논의된다. 본 명세서의 설명이 주어진 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 렌즈 요소의 수보다 적거나 같거나 또는 많은 수를 갖는 다른 구성을 포함하는 투사 렌즈(16)의 다른 구성이 이용될 수 있다.
도2의 예시적인 투사 렌즈는 스크린측에서부터 번호가 매겨진 3개의 렌즈 그룹 내에 총 11개의 요소를 포함한다. 제1 렌즈 그룹(G1)은 스크린측으로부터 순서대로 음의 굴절력의 제1 렌즈 요소(L1)와, 제2 표면 상에 비구면 표면을 갖는 제2 렌즈 요소(L2)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, G1은 음의 굴절력을 갖는다. G1 내의 F1/F의 비는 -3.5 ＜ F1/F ＜ -2.3일 수 있다. 제2 렌즈 그룹(G2)은 종래의 접착제를 사용하여 함께 고정 또는 접합된 L3 내지 L5를 포함하는 3개의 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, G2는 사실상 0의 굴절력을 갖는다. 다른 실시예에서, G2는 굴절력이 약간 양일 수 있다. 다른 실시예에서, 굴절력이 약간 음일 수 있다. G2 내의 F2/F의 비는 -95 ＜ F2/F ＜ -86일 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 구경 조리개는 제2 렌즈 그룹(G2) 내에 또는 부근에 놓인다. 제3 렌즈 그룹(G3)은 L6 내지 L11를 포함하는 6개의 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, G3는 양의 반사력을 갖는다. G3 내의 F3/F의 비는 2.5 ＜ F3/F ＜ 3.2일 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 프리즘은 L11의 우측, 즉 투사 스크린으로부터 가장 멀리 놓인다. 상기 설명에서, F는 광각 투사 렌즈의 초점 길이이고, F1은 제1 렌즈 그룹의 초점 길이이고, F2는 제2 렌즈 그룹의 초점 길이이고, F3는 제3 렌즈 그룹의 초점 길이이다.
더욱 상세하게는, 제1 렌즈 그룹(G1)은 바람직하게는 음의 굴절력을 갖는다. 제1 실시예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 복수의 렌즈 요소를 포함한다. 예컨대, 스크린에 가장 가까이 놓인 제1 렌즈 요소(L1)는 3개의 렌즈 그룹 내의 모든 렌즈 중에 가장 큰 직경을 가질 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 제1 렌즈 그룹 내의 제1 렌즈 요소(L1)는 큰 시역에서, 즉 스크린의 방향에서 45도보다 큰, 바람직하게는 50도보다 큰, 그리고 가장 바람직하게는 55도인 절반 시야각에서, 사실상 왜곡없이 화상을 투사하도록 충분히 큰 직경을 갖는다.
다른 예시적인 실시예에서, 제1 렌즈 그룹 내의 제1 렌즈 요소(L1)는 60 mm보다 크고 75 mm보다 작은 직경을 갖는다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 제1 렌즈 그룹의 제1 렌즈 요소는 약 70 mm의 직경을 갖는다. 따라서, 투사 장치 내에서 구현될 때, 제1 렌즈 요소는 약 110도 내지 약 120도의 시역을 제공할 수 있다.
도2의 실시예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 제2 렌즈 요소(L2)를 더 포함한다. 본 예시적인 실시예의 비구면 표면은 여전히 큰 시역을 제공하면서 왜곡 효과를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 일 태양에서, 제2 렌즈 요소는 폴리메틸 메트아크릴레이트(PMMA) 등의 굴절률이 약 1.49이고 아베 수(Abbe number)가 약 57.2인 광학 폴리머로 제조될 수 있다. 비구면 표면의 형상은 이하의 방정식에 의해 정의될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, Z는 시스템의 광학축으로부터의 거리(r)에서 표면 처짐, c는 광학축에서의 렌즈의 곡률(1/mm), r은 방사 좌표계(mm), k는 코닉 상수, α2는 제곱항의 계수, α4는 4제곱항의 계수, α6은 6제곱항의 계수, α8은 8제곱항의 계수, α10은 10제곱항의 계수이다.
다른 실시예에서, 제1 렌즈 그룹의 제1 요소의 제2 표면은 제1 렌즈 그룹 내의 제2 렌즈 요소의 제1 표면의 곡률 반경과 사실상 동일한 곡률 반경을 갖는다.
일 실시예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 2개의 메니스커스 형상의 겹쳐진 렌즈 요소를 포함하는데, 제1 메니스커스 형상의 요소는 글래스로 제조되고 제2 메니스커스 형상의 요소는 플라스틱 요소 상에 두께가 조절된 플라스틱으로 제조된다. PMMA 등의 플라스틱이 사용될 수 있다. 2개의 요소는 투사 렌즈의 전체 유효 초점 길이에 대한 제1 요소의 제2 표면과 제2 요소의 제1 표면 사이의 거리의 비가 1/175가 되도록 이격된다.
예시적인 실시예에서, 제2 형상의 요소는 전체적으로 사실상 균일한 두께를 갖는 비구형 렌즈(예컨대, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 렌즈)를 포함한다. 이러한 돔형상의 설계는 열적 문제를 감소시킬 수 있고 간단한 제조방법을 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 하나의 통합된 요소를 형성하도록 함께 성형된 2개의 성형 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 성형 요소는 글래스 요소를 포함할 수 있고 제2 성형 요소는 제1 성형 요소의 제2 표면 상에 성형된 플라스틱(예컨대, PMMA) 요소를 포함할 수 있다.
다른 변경예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 단일 요소(예컨대, 단일 글래스 요소)를 포함할 수 있는데, 단일 요소의 제1 표면, 제2 표면 또는 양 표면 상에 비구면 표면이 형성된다.
다른 예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)은 사실상 0의 굴절력을 가질 수 있다. 제2 렌즈 그룹은 복수의 렌즈 요소로 형성될 수 있다. 투사 렌즈(16)의 구경 조리개는 제2 렌즈 그룹 내에 또는 부근에 놓일 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 도2를 참조하면, 구경 조리개는 약 L5에 제공된다.
예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹 내의 모든 렌즈 요소는 구면 표면을 가질 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)은 구면 수차와 코마를 제어하는 것을 돕도록 접합된 삼중 렌즈를 포함한다. G1 내의 렌즈 요소와 G2 내의 렌즈 요소 사이의 축상 이격거리는 원하는 대로 변화될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)은 긴 유효 초점 길이를 제공한다. 또한, 예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹을 구성하는 요소는 글래스로 형성된다.
다른 실시예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)에 이중 렌즈가 사용될 수 있다. 이러한 변경 실시예에서, 이중 렌즈 중 하나 또는 모두는 비구면 표면을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 제3 렌즈 그룹(G3)은 양의 굴절력을 가질 수 있고 이러한 렌즈 그룹 내의 모든 렌즈 요소는 구면 표면을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제3 렌즈 그룹(G3)은 컬러 수차 보정(예컨대, 일차 및 이차 분산 보상)을 제공한다. 예컨대, 렌즈(L7, L8, L10, L11)는 동일한 글래스 재료, 예컨대 MP 52를 포함할 수 있다. 선택적으로, 다른 글래스도 이용될 수 있다.
프리즘(예컨대, 도시되지 않은 TIR 프리즘)은 예컨대 스크린측으로부터 가장 먼 위치에 제3 렌즈 그룹(G3)과 이미저(14) 사이에 배치될 수 있다. 선택적으로, 시계 렌즈가 이용될 수 있다.
예로서, 도2에 도시된 실시예에 대해, 이하의 표1은 스크린측으로부터 순서대로 표면 숫자를 나열하고[표면 1이 제1 렌즈 요소(L1)의 스크린측에 가장 가까운 표면임], 각각의 표면의 광학 축 부근의 곡률(c; 1/mm), 표면들 사이의 축상 이격거리(D; mm), 및 글래스 유형도 지시된다. 본 분야의 당업자는 글래스 유형으로부터 재료의 굴절률과 아베 수를 결정할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 표면 0은 대상 표면 또는 투사 스크린의 표면이다. 본 실시예에서, 광각 투사 렌즈는 8.8 mm의 전체 유효 초점 길이와, 스크린측의 방향에서 55도의 절반 시야각을 가지며, F/2.8에서 작동된다. 제1 렌즈 그룹(G1)은 -25.4 mm의 유효 초점 길이를 갖고, 제2 렌즈 그룹(G2)은 -800 mm의 유효 초점 길이를 갖고, 제3 렌즈 그룹(G3)은 23.5 mm의 유효 초점 길이를 갖는다. 투사 렌즈는 본 예시적인 실시예에서 130 mm의 총 트랙을 갖는다.
도2의 실시예에 대해, 제1 렌즈 그룹 내의 제2 렌즈 요소의 제2 표면(표1에서 표면 4로 표시됨)은 상기 방정식 Ⅰ에 의해 결정되는 바와 같이 비구형이며, 계수는 이하의 값을 갖는다. c = 0.0901, k = -0.8938, α2 = 0; α4 = 1.99 x 10-5, α6 = -7.468 x 10-8, α8 = 3.523 x 10-10, α10 = -5.970 x 10-13. 도2의 실시예의 광각 투사 렌즈는 130 mm의 총 트랙 거리를 갖는다. 본 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 정면 투사 디스플레이 적용예 등의 특정 적용예에서, 소형 투사 렌즈가 되어 전체 광학 엔진의 공간 요구조건을 최소화하기 때문에, 짧은 총 트랙 거리를 갖는 것이 유리할 수 있다.
[표1]
Figure pct00002
이하의 표2 및 표3은 도2의 실시예에 대한 일반적인 렌즈 데이터와 표면 데이터 요약을 나열한다.
[표2]
Figure pct00003
[표3]
Figure pct00004
상기 표들에 제공된 데이터는 일 예를 나타내는 것으로 본 명세서에 설명된 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
전술된 광학 엔진은 다양한 정면 투사 적용예에 이용될 수 있다. 예컨대, 도3은 전술된 예시적인 광학 엔진을 이용하는 일 예시적인 실시예의 벽걸이형 투사 시스템의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 전술된 바와 같은 광학 엔진을 포함하는 투사기 벽걸이 유닛(100)은 종래의 장착 볼트 등을 사용하여 벽 또는 다른 구조부(102)에 장착될 수 있다. 도3에 도시된 유닛(100)은 폐쇄 위치에 있다. 작동될 때, 이동 가능한 부재(예컨대, 활주 트레이, 활주 아암, 나사식 로드 등)는 화상을 볼 수 있는 스크린(105)으로부터 일정 거리에서 유닛(100)으로부터 나온다. 스크린(105)은 전술된 바와 같은 방식으로 구성될 수 있다. 스크린(105)은 선택적으로 미국 특허 제6,179,426호에 도시된 바와 같이 디지털 화이트보드로서 구성될 수 있다. 다른 변경예에서, 스크린(105)은 필름 투사기에 통상적으로 사용되는 등의 풀 다운(pull-down) 스크린으로 구성될 수 있다. 풀 다운 스크린은 벽걸이 유닛(100)에 장착될 수 있거나 또는 벽에 별도로 부착될 수 있다. 선택적으로, 벽걸이 유닛(100)은 스크린(105)으로부터 상이한 벽(예컨대, 측벽)에 장착될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광학 엔진의 큰 시역으로 인해, 유닛(100)은 짧은 투사 거리에서 큰 화상 크기를 제공한다. 도13은 전술된 바와 같은 예시적인 광학 엔진을 포함하는 투사 유닛(50)과 종래의 투사기(75) 사이의 예시적인 비교를 도시한다. 도13에 도시된 바와 같이, 예시적인 광학 엔진[여기서는 테이블 상부 투사기(50) 내에 구현됨]은 60 인치의 화상 크기(대각선으로 측정)를 생성하도록 조망 스크린 또는 표면으로부터 비교적 짧은 거리(예컨대, 27 내지 33 인치)에 위치될 수 있다. 따라서, 일 예시적인 실시예에서, 화상 크기(대각선, 4 x 3 포맷)에 대한 조망 스크린으로부터의 거리의 비는 약 1.8-2.2 내지 1일 수 있다. 도13에 도시된 바와 같이, 대조적으로, 종래의 투사 시스템(75)은 화상 크기(대각선, 4 x 3 포맷)에 대한 조망 스크린으로부터의 거리의 비가 약 0.7-0.9 내지 1이다. "4 x 3 포맷"과 "16 x 9 포맷"이라는 용어는 화상 폭 대 화상 높이에 의해 측정된 종래의 화상 포맷을 말한다.
예컨대, 약 40 인치(대각선, 4 x 3 포맷)의 화상 크기에 대해, 광학 엔진은 스크린으로부터 약 18 내지 22 인치의 거리에 위치된다. 60 인치(대각선, 4 x 3 포맷) 화상 크기에 대해, 광학 엔진은 스크린으로부터 약 27 내지 33 인치의 거리에 위치된다. 물론, 본 명세서에 설명된 예시적인 광학 엔진은 극단의 비축 위치에서 비교적 짧은 투사 거리를 사용하여 필요한 경우 60 인치(대각선, 4 x 3 포맷)보다 큰 화상 크기를 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 화상 크기는 적어도 약 25 인치이다.
또한, 광학 엔진은 왜곡을 감소시키면서 키스톤 보정이 거의 필요하지 않거나 필요하지 않도록 설계된다. 예컨대, 투사된 화상에 대한 왜곡 값은 2% 이하, 바람직하게는 1.0% 이하, 더욱 바람직하게는 0.5% 이하일 수 있다[예컨대, 왜곡(d)은 d = (H - h)/h * 100에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 h는 근축 화상 높이이고, H는 실제 화상 높이이다]. 일 예시적인 실시예에서, 광학 엔진은 4 x 3 포맷을 갖는 화상을 제공할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 광학 엔진은 16 x 9 포맷 등의 상이한 스크린 포맷을 제공하도록 적절한 이미저에 의해 구현될 수 있다.
선택적으로, 광학 엔진은 보정 회로(예컨대, 종래의 와프 칩)에 의해 구현될 수 있는데, 이는 짧은 투사 거리에서도 충분한 화상 품질을 나타낼 수 있다.
도4a, 도4b 및 도4c는 예시적인 투사 유닛(100)의 상세도를 도시한다. 도4a는 유닛(100)의 평면도이다. 유닛(100)은 전체 중량을 감소시키도록 알루미늄, 마그네슘 및/또는 플라스틱 복합재 등의 금속 및/또는 경량의 재료로 구성될 수 있다. 유닛은 약 24 내지 36 인치의 전체 폭(W1)을 가질 수 있다. 광학 엔진(110)은 이동 가능한 부재 또는 트레이(112) 내에 있을 수 있으며, 약 12 내지 16 인치의 폭(W2)을 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 모든 투사 시스템의 물리적인 치수는 예시적인 것이며 제한하려는 것은 아니다.
고정된 위치 또는 조절 가능한 위치로 병진 운동하는 나사식 로드에 결합된 트레이(112) 등의 종래의 병진 운동 기구를 사용하여 트레이(112)에 이동이 제공될 수 있다. 사용시 위치될 때(즉, 개방 위치) 광학 화상이 스크린(105) 등의 스크린 상에 화상을 투사하도록 광학 엔진(110)이 위치 결정된다. 또한, 유닛(100)은 스피커(118), (도시되지 않은) 입출력 잭 및 (도시되지 않은) 제어 패널 등의 다른 시청각 부품을 더 포함할 수 있다. 이러한 케이블이 뷰어에게 보이지 않게 하도록 (광학 엔진에 전력 및 화상 신호를 제공하도록) 다른 케이블은 유닛(100)의 후방 단부를 통해 벽으로 연장될 수 있다.
도4b에 도시된 바와 같이, 유닛(100)은 약 6 내지 10 인치의 높이(H)를 가질 수 있다. 또한, 유닛(100)은 약 14 내지 20 인치의 폐쇄 길이(L1)를 가지며, 여기서 광학 엔진(110)을 내장하는 이동 가능한 트레이가 약 6 내지 20 인치의 길이(L2)만큼 외부로 연장되어 스크린 상에 투사될 화상의 크기에 따라 약 20 내지 40 인치의 전체 길이(L)를 제공할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 이동 가능한 트레이(112)는 2개 이상의 상이한 고정된 위치 또는 조절 가능한 위치로 외부로 연장되어, 스크린 상에 2개 이상의 상이한 화상 크기를 제공할 수 있다. 사용자에 의한 초점맞춤이 선택적으로 제공될 수 있다.
예컨대, 40 인치의 대각선 화상 크기에 대해 스크린으로부터 약 18 내지 22 인치의 거리에 광학 엔진이 위치될 수 있고, 60 인치의 대각선 화상 크기에 대해 스크린으로부터 약 27 내지 33 인치의 거리에 광학 엔진이 위치될 수 있다.
또한, 유닛(100)은 추가 전자장치(115), 공냉식 부품, 전원 및/또는 초점맞춤 기구(들)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이들 추가 부품은 유닛(100)의 본체와 트레이(112)에 걸쳐 분포되어 작동시 부하 효과를 최소화한다. 도4c는 개방 위치에 있는 유닛(100)의 개략 측면도를 제공한다.
도5a 및 도5b는 도4a 내지 도4c에 대해 전술된 바와 유사한 벽걸이 유닛(100)의 예시적인 설계를 폐쇄 위치(도5a 참조)와 개방 위치(도5b 참조)에서 도시한다. 도5b에 도시된 바와 같이, 광학 엔진의 극단의 비축 화상형성 능력으로 인해, 광학 엔진 트레이(112)의 연장거리가 종래의 오버헤드 투사기에서보다 짧은 거리로 유지될 수 있다. 사용시, 조작자는 화상 유닛을 하나 이상의 설정 스크린 크기로 활성화할 수 있다. 그 다음, 활주 트레이가 활성화되고 선택된 화상 크기에 대응하여 스크린으로부터의 설정 거리에 광학 엔진을 위치 결정한다. 초점맞춤은 조작자에 의해 수동으로, 원격 제어 장치를 사용하여 또는 종래의 자동 초점맞춤 기구에 의해 자동으로 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 도6은 전술된 예시적인 광학 엔진을 이용하는 예시적인 통합 멀티미디어 시스템(200)의 개략도이다. 멀티미디어 시스템(200)은 멀티미디어 장치(예컨대, 컴퓨터, DVD 플레이어, CD 플레이어, VCR 플레이어, 케이블/위성/텔레비전 수신기, 스피커 등)를 포함할 수 있다. 또한, 예시적인 광학 엔진은 이동 가능한 부재(예컨대, 활주 트레이)(212) 내에 있을 수 있다. 활주 트레이는 스크린(205) 상에 보이는 화상 크기에 따라 하나 이상의 위치에 위치될 수 있다. 케이블은 필요한 경우 멀티미디어 시스템(200)의 후방 단부를 통해 벽으로 연장될 수 있다.
도7a 내지 도7d는 예시적인 멀티미디어 시스템(200)의 상세도를 도시한다. 예시적인 멀티미디어 시스템(200)의 평면도가 도7a에 도시된다. 멀티미디어 시스템(200)의 본체는 알루미늄, 마그네슘 및/또는 플라스틱 복합재 등의 금속 및/또는 경량의 재료로 구성될 수 있다. 시스템(200)은 약 24 내지 36 인치의 전체 폭(W1)을 가질 수 있다. 광학 엔진(210)은 이동 가능한 부재 또는 트레이(212) 내에 있을 수 있으며, 약 12 내지 16 인치의 폭(W2)을 가질 수 있다. 광학 엔진(210)은 사용시 위치될 때(예컨대, 개방 위치) 광학 화상이 스크린(205) 등의 스크린 상에 화상을 투사하도록 트레이(212)에 의해 위치 결정된다. 또한, 트레이(212)는 보드, 밸러스트, 구동 회로 및/또는 다른 전자 부품을 포함할 수 있는 전자 유닛(214)을 내장할 수 있다. 또한, 멀티미디어 시스템(200)은 스피커(218)를 더 포함할 수 있다.
도7b는 활주 트레이(212)와 시청각 부품 구획(220)을 포함하는 멀티미디어 시스템(200)의 후방도를 도시한다. 또한, 별도의 구획 내에 있을 수 있는 약 14 내지 20 인치의 폭(W3)을 갖는 전원 및/또는 제어 전자장치(215)가 광학 엔진(210)에 결합될 수 있다. 커넥터 포트(227)가 제공될 수도 있다.
도7c는 예시적인 멀티미디어 시스템(200)의 측면도이다. 유닛의 높이(H)는 약 30 내지 40 인치일 수 있고, 주요 멀티미디어 부품의 깊이(D)는 약 16 내지 24 인치일 수 있다. 또한, 멀티미디어 시스템(200)은 약 14 내지 24 인치의 폐쇄 길이(L1)를 갖는데, 광학 엔진(210)을 내장하는 이동 가능한 트레이가 약 4 내지 20 인치의 길이(L2)만큼 외부로 연장되어 스크린 상에 투사될 화상의 크기에 따라 약 20 내지 40 인치의 전체 길이(L)를 제공할 수 있다.
도7d는 멀티미디어 시스템(200)의 사시도를 도시하는데, 여기서 컴퓨터, DVD 플레이어, CD 플레이어, VCR 플레이어, 케이블/위성/텔레비전 수신기 등의 하나 이상의 A/V 부품(225)이 구획(220) 내에 있을 수 있다.
도8a 및 도8b는 다른 예시적인 실시예의 멀티미디어 시스템(250)을 도시한다. 이러한 다른 실시예에서, 예시적인 광학 엔진(260)은 전술된 바와 같은 이동 가능한 부재 또는 활주 트레이 유닛(262) 내에 있을 수 있다. 또한, 멀티미디어 시스템(250)은 (도시되지 않은) 종래의 피봇 또는 회전 가능 클램핑/체결 기구를 통해 멀티미디어 시스템 본체에 부착되는 스크린 유닛(255)을 포함할 수 있다. 또한, 멀티미디어 시스템(250)의 더 나은 휴대성을 허용하도록 휠 또는 롤러(257)가 제공될 수 있다. 화상형성 시스템의 전체 작동은 전술된 바와 유사할 수 있다. 또한, 멀티미디어 시스템은 전술된 바와 같은 컴퓨터, DVD 플레이어, CD 플레이어, VCR 플레이어, 케이블/위성/텔레비전 수신기 등의 하나 이상의 A/V 부품을 내장할 수 있다. 도8a에서 스크린 유닛(255)은 작동을 위해 개방되는 반면, 도8b에서 스크린 유닛(255)은 폐쇄 및 회전 위치에 위치된다.
도9a 및 도9b는 본 발명의 멀티미디어/홈 시어터 시스템(300)의 또 다른 변경예를 도시한다. 이러한 다른 실시예에서, 전술된 바와 같은 광학 엔진(310)은 타워 구조부(306) 내에 내장된다. 구조부는 (도시되지 않은) 스크린에 대해 일정 각도와 스크린으로부터 짧은 거리에 위치될 수 있다. 화상은 도9b에 도시된 바와 같은 타워 구조부의 후방측을 통한 출력이다. 타워는 전술된 바와 같은 A/V 부품을 포함할 수 있고 멀티미디어 센터 또는 홈 시어터로서 작동할 수 있다. 스피커(318)는 타워 유닛의 일부일 수 있거나 도9a에 도시된 바와 같이 별도로 제공될 수 있다. 화상형성 시스템의 전체 작동은 전술된 바와 유사할 수 있다.
도10a는 본 발명의 소형 통합 모니터 시스템(400)의 광학 엔진의 또 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 전술된 바와 유사한 광학 엔진(410)은 기부 유닛(406) 내에 내장된다. 스크린(405)은 기부 유닛(406)에 부착될 수 있다. 선택적으로, 스크린(405)은 기부 유닛(406)으로부터 탈거될 수 있다. 다른 변경 실시예에서, 광학 엔진(410)은 벽 또는 다른 구조부 상에 화상을 투사할 수 있다. 기부 유닛(406)은 제어 보드, 밸러스트, 냉각 부품, 구동 회로 및/또는 다른 전자 부품을 포함할 수 있다. 선택적으로, 기부 유닛(406)은 개인용 컴퓨터 부품(마더보드, 디스크 드라이브, 비디오/사운드 카드 등)을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 기부(206)는 모니터 시스템을 (도시되지 않은) 독립형 또는 랩탑 컴퓨터에 접속하도록 접속부 및/또는 어댑터를 포함할 수 있다.
도10b 내지 도10d는 소형 통합 모니터 시스템(450)의 다른 구성을 도시한다. 도10b에서, 광학 엔진(460)과, 기부 유닛(406)에 대해 전술된 전자 부품 중 하나 이상을 포함하는 기부 유닛(456)은 기부 유닛(456)에 결합된 스크린(455) 상에 화상을 투사한다. 본 변경 실시예에서, 스크린(455)은 회전 장착부(454)를 통해 기부 유닛(456)에 결합된다. 본 회전 장착부는 사용 위치(도10b 참조) 또는 비사용 위치(도10d 참조)를 포함하는 다양한 위치에 스크린을 위치시킬 수 있다. 도10c는 기부 유닛(406)에 대해 전술된 바와 유사한 방식으로 작동할 수 있는 기부 유닛(456)의 상부 사시도를 도시한다.
도10a 및 도10b에 도시된 실시예에서, 화상 크기는 적어도 25 인치(대각선), 바람직하게는 대각선으로 약 30 인치 이상일 수 있어서, 유사한 크기의 LCD와 플라즈마 스크린에 대해 낮은 비용의 변경예를 제공한다. 본 발명의 짧은 투사 거리의 극단의 비축 광학 엔진은 30 인치 대각선 화상 크기를 생성하도록 조망 스크린 또는 표면으로부터 약 13 내지 17 인치의 거리에 위치될 수 있다. 따라서, 필요한 데스크 공간이 감소되어, 원격 키보드(430) 등의 추가적인 부품에 대한 충분한 공간을 허용한다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 휴대용 투사 유닛(500)의 또 다른 변경 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 전술된 바와 유사한 광학 엔진(510)은 소형의 휴대용 구조부 또는 도킹 스테이션(551) 내에 내장될 수 있다. 휴대용 유닛(500)은 (도시되지 않은) 조망 스크린으로부터 짧은 거리에 테이블 상부 표면 상에 위치될 수 있고 대각선으로 적어도 40 인치의 화상 크기를 제공할 수 있다. 선택적으로, 유닛(500)은 수동 초점맞춤부(515)와 스피커(518)를 제공할 수도 있다. 시청각 부품 및/또는 도킹 스테이션에 케이블 연결하기 위해 포트(525)가 제공된다. 또한, 유닛(500)에는 더 나은 휴대성을 위해 핸들(519)이 제공될 수 있다. 화상형성 시스템의 전체 작동은 전술된 바와 유사할 수 있다.
전술된 바와 같이, 휴대용 투사 유닛은 도킹 스테이션 내에 장착되도록 구성될 수 있다. 도킹 스테이션은 기부를 포함할 수 있다. 선택적으로, 도킹 스테이션은 신축식 아암과 가요성 아암 등의 연장 가능한 아암을 포함할 수도 있다. 예시적인 태양에서, 기부는 휴대용일 수 있거나 또는 벽 또는 천장 등의 표면에 고정식으로 부착될 수 있다. 또한, 도킹 스테이션은 투사 유닛 또는 모듈과 (도시되지 않은) 컴퓨터 사이의 통신과, 유선 또는 무선 네트워크 접속을 위한 접속부를 제공하도록 투사 유닛 또는 모듈, 통신 와이어 또는 라인에 전력을 공급하도록 전원을 포함할 수 있다. 유무선 네트워크 접속부는 무엇보다도 중심 관리 제어 기능을 제공하여 중심 오피스가 투사 장치의 사용을 모니터링하게 할 수 있다. 네트워크 접속부는 기반 네트워크에 대한 액세스를 제공하여 네트워크에 있는 파일의 표시 및 이에 대한 프리젠터 액세스를 허용할 수도 있다. 네트워크 접속부는 프리젠터가 애드혹(ad hoc) 모드에서 로컬 컴퓨터로부터 프리젠테이션 그래픽스 등의 정보를 수신할 수 있게 한다. 투사 유닛/모듈은 도킹 스테이션과의 통신을 위한 인터페이스를 구비한 포트를 포함할 수 있다. 신축식 아암과 가요성 아암이 예시적이더라도, 본 분야의 당업자는 연장 아암에 대한 다른 설계가 있다는 것을 알 것이다.
도12a 내지 도12c는 휴대용 정면 투사 유닛(550)에 대한 다른 설계를 도시한다. 도12a에서, 휴대용 투사 유닛(550)은 사시도로 도시되는 한편, 도12b는 정면도를 도시하고 도12c는 투사 유닛(550)의 평면도를 도시한다. 휴대용 유닛(550)은 (도시되지 않은) 조망 스크린으로부터 짧은 거리에 테이블 상부 표면 상에 위치될 수 있고 적어도 대각선 40 인치의 화상 크기를 제공할 수 있다. 선택적으로, 유닛(500)은 수동 초점맞춤부(565)를 제공할 수도 있다. 화상형성 시스템의 전체 작동은 전술된 바와 유사하다.
본 발명의 화상형성 시스템은 다양한 정면 투사 실시예에서 짧은 거리로부터 그리고 극단의 비축 위치에서 큰 화상 크기를 제공하도록 설계된다. 또한, 본 명세서에 설명된 광학 엔진은 사실상 왜곡이 없으며 키스톤 보정이 거의 필요없다.
본 분야의 당업자는 본 발명이 다양한 상이한 광학 부품과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명이 예시적인 바람직한 실시예를 참조하여 설명되더라도, 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명되고 도시된 실시예는 예시적인 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 범위에 따라 다른 변경 및 변형이 이루어질 수 있다.
10: 광학 엔진
12, 12': 조명 시스템
14: 화상형성 시스템
15: 초점맞춤 기구
16: 투사 렌즈
18: 투사 스크린

Claims (7)

  1. 음의 굴절력을 가지며 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 제1 렌즈 그룹을 포함하며,
    적어도 45도의 절반 시야각에서 2% 미만의 왜곡을 갖는 화상을 출력하는,
    정면 투사 디스플레이 장치 내에 사용하기 위한 광각 투사 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    사실상 0의 굴절력을 가지며 구경 조리개가 제2 렌즈 그룹 내에, 제1 및 제2 렌즈 그룹 사이에 또는 제2 및 제3 렌즈 그룹 사이에 놓이는 제2 렌즈 그룹, 및
    양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 그룹을 더 포함하며,
    이하의 조건 (1) 내지 (3)이 만족되며,
    ｜F1/F｜ ＜ 4.0 조건 (1)
    ｜F2/F｜ ＞ 50 조건 (2)
    ｜F3/F｜ ＜ 3.5 조건 (3)이며,
    여기서 F는 광각 투사 렌즈의 초점 길이, F1은 제1 렌즈 그룹의 초점 길이, F2는 제2 렌즈 그룹의 초점 길이, F3는 제3 렌즈 그룹의 초점 길이인, 광각 투사 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 렌즈 그룹은 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소 및 비구면 표면을 갖는 제2 렌즈 요소를 포함하며, 투사 광학계의 초점 길이에 대한 제1 렌즈 그룹의 초점 길이의 비(F1/F)는 -3.5 ＜ F1/F ＜ -2.3의 관계를 갖는, 광각 투사 렌즈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 렌즈 요소를 포함하고 제1 렌즈 그룹에 인접하여 배치된 제2 렌즈 그룹을 더 포함하며, 제2 렌즈 그룹은 사실상 0의 굴절력을 가지며, 투사 광학계의 초점 길이에 대한 제2 렌즈 그룹의 초점 길이의 비(F2/F)는 -95 ＜ F2/F ＜ -86의 관계를 갖는, 광각 투사 렌즈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 양의 굴절력을 가지며 제2 렌즈 그룹에 인접하여 배치된 복수의 렌즈 요소를 포함하는 제3 렌즈 그룹을 더 포함하며, 투사 광학계의 초점 길이에 대한 제3 렌즈 그룹의 초점 길이의 비(F3/F)는 2.5 ＜ F3/F ＜ 3.2의 관계를 갖는, 광각 투사 렌즈.
  6. 제1항 또는 제2항의 광각 투사 렌즈를 포함하는 광학 엔진을 포함하며,
    광학 엔진은 조명 시스템과 화상형성 시스템을 더 포함하고, 투사 렌즈는 2% 미만의 왜곡을 갖고 키스톤 보정이 필요하지 않은 화상을 생성하며, 광학 엔진은 정면 투사 디스플레이 장치 내의 투사 헤드의 일부인, 정면 투사 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서, 조망 표면 및 광학 엔진을 지지하는 이동 가능한 부재를 더 포함하며, 이동 가능한 부재는 조망 표면으로부터 제1 거리에서 연장 가능한, 정면 투사 디스플레이 장치.
KR1020127002043A 2003-12-05 2004-12-03 광각 투사 렌즈 및 투사 디스플레이 장치용 광학 엔진 KR20120026134A (ko)

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