KR20120131359A - 릴레이 렌즈들이 생략된 영상투사장치 - Google Patents

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Abstract

영상투사장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영상투사장치는, 조명광을 생성하는 조명유닛; 상기 조명광을 수신하여 전반사하는 제1 프리즘; 상기 제1 프리즘으로부터 전반사된 조명광을 수신하여 반사시키는 반사미러; 상기 반사미러로부터 반사된 조명광으로부터 영상을 형성하는 영상형성유닛; 및 상기 영상형성유닛에 의해 형성된 영상을 스크린을 향해 전반사시키는 제2 프리즘;을 포함한다.

Description

릴레이 렌즈들이 생략된 영상투사장치{IMAGE PROJECTION APPARATUS NOT PROVIDED WITH RELAY LENS}
본 발명은 영상투사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 조명광을 영상형성유닛(예로써, DMD 패널)으로 안내하기 위한 한 쌍의 프리즘을 구비한 영상투사장치에 관한 것이다.
영상투사장치(Image Projection Apparatus)는 조명유닛에서 생성된 조명광을 영상 정보를 지닌 영상으로 변환한 후 스크린에 확대 투사하는 장치이다.
일 유형의 영상투사장치는, 조명광을 생성하는 조명유닛, 상기 조명광을 균일화하는 광균일화 유닛(예로써, 라이트 터널(light tunnel) 또는 플라이 아이 렌즈(fly eye lens)), 균일화된 조명광의 조명 면적을 적절한 크기로 조절하는 릴레이 렌즈들(relay lens), 상기 릴레이 렌즈를 통과한 조명광의 경로를 변환하는 한 쌍의 프리즘, 상기 프리즘에 의해 안내된 조명광을 영상으로 변환하는 영상형성유닛(예로써, DMD 패널) 및 상기 영상을 스크린 상으로 확대 투사하는 투사렌즈유닛을 포함한다.
상기 한 쌍의 프리즘은 조명광을 영상형성유닛으로 전반사시키는 제1 프리즘 및 상기 영상형성유닛에 의해 형성된 영상을 상기 투사렌즈유닛으로 안내하는 제2 프리즘으로 구성된다. 여기서 제1 프리즘은 전반사면을 갖지만 제2 프리즘은 전반사면을 갖지 않는데, 이는 후술할 본 발명의 특징과 구별되는 것이므로 주목할 필요가 있다.
전술한 유형의 영상투사장치에서 조명유닛, 광균일화 유닛 및 릴레이 렌즈들은 실질적으로 영상투사장치의 길이 방향을 따라 일렬로 배치된다. 이러한 영상투사장치의 경우 그 길이 방향을 따라 배치된 부품수가 비교적 많기 때문에 길이 방향에서 영상투사장치를 축소 설계하기가 용이하지 않다. 따라서, 그러한 유형의 영상투사장치는 소형화 설계가 요구되는 휴대폰이나 피코 프로젝터(pico prjector)에의 적용에 특히 부적합한 측면이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 길이 방향을 따라 배열된 부품수가 감소됨으로써 소형화 설계 요구를 충족할 수 있는 영상투사장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 프리즘으로부터 전반사된 조명광을 수신하여 반사시키는 반사미러; 상기 반사미러로부터 반사된 조명광으로부터 영상을 형성하는 영상형성유닛; 및 상기 영상형성유닛에 의해 형성된 영상을 스크린을 향해 전반사시키는 제2 프리즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상투사장치를 제공한다.
상기 반사미러로부터 반사된 조명광이 상기 영상형성유닛의 유효 면적에 대응되게 확대 또는 축소되도록, 상기 반사미러의 반사면은 곡률을 가질 수 있다.
상기 반사미러의 반사면은 오목면일 수 있다.
상기 제1 프리즘은 상기 조명광을 전반사시키는 제1 전반사면을 가지며, 상기 제2 프리즘은 상기 영상을 전반사시키는 제2 전반사면을 가질 수 있다.
상기 제1 전반사면과 상기 제2 전반사면은 에어갭을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.
상기 제2 전반사면은 상기 영상을 구성하는 온-빔들은 전반사시키되 상기 영상을 구성하지 않는 오프-빔들은 굴절시키는 것일 수 있다.
상기 반사미러와 상기 영상형성유닛은 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.
상기 조명유닛과 상기 제1 프리즘 사이에 배치되며, 상기 조명유닛으로부터 조사된 조명광의 세기를 균일화하는 광균일화 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 프리즘으로부터 전반사된 영상을 상기 스크린을 향해 확대 투사하는 투사렌즈유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 광균일화 유닛과 상기 투사렌즈유닛은 상기 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.
상기 영상형성유닛은 DMD 패널일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상투사장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 영상투사장치에 구비된 조명유닛의 평면도이다.
도 3은 도 1의 영상투사장치에 구비된 한 쌍의 프리즘, 영상형성유닛 및 반사미러를 확대 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 영상투사장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상투사장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 영상투사장치에 구비된 조명유닛의 평면도이며, 도 3은 도 1의 영상투사장치에 구비된 한 쌍의 프리즘, 영상형성유닛 및 반사미러를 확대 도시한 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 영상투사장치(100)는, 조명유닛(110)과, 광균일화 유닛(120)과, 제1 프리즘(130)과, 반사미러(140)와, 영상형성유닛(150)과, 제2 프리즘(160)과, 투사렌즈유닛(170)과, 스크린(180)을 포함한다.
상기 조명유닛(110)은 영상 형성에 사용될 조명광을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 조명유닛(110)은, 제1 조명유닛(111), 제2 조명유닛(112), 제3 조명유닛(113), 및 이색필터유닛(114: dichroic filter unit)을 포함한다.
제1 조명유닛(111)은 적색광을 생성하는 제1 LED 광원(111a) 및 한 쌍의 광콜렉터(111b, 111c)를 포함한다. 제1 LED 광원(111a)에서 생성된 적색 LED 광은 한 쌍의 광콜렉터(111b, 111c)에 의해 집속된 후 이색필터유닛(114)을 향해 조사된다. 이후 적색 LED 광은 이색필터유닛(114)의 제1 이색필터(114a)에 의해 광균일화 유닛(120, 도 1 참조)을 향해 반사된다. 여기서 제1 이색필터(114a)는 오로지 적색광 만을 반사하며 그 외의 광들은 모두 투과하는 특성을 지닌 필터이다.
제2 조명유닛(112)은 청색광을 생성하는 제2 LED 광원(112a) 및 한 쌍의 광콜렉터(112b, 112c)를 포함한다. 제2 LED 광원(112a)에서 생성된 청색 LED 광은 한 쌍의 광콜렉터(112b, 112c)에 의해 집속된 후 이색필터유닛(114)을 향해 조사된다. 이후 청색 LED 광은 이색필터유닛(114)의 제2 이색필터(114b)에 의해 광균일화 유닛(120)을 향해 반사된다. 여기서 제2 이색필터(114b)는 오로지 청색광 만을 반사하며 그 이외의 광들은 모두 투과하는 특성을 지닌 필터이다.
제3 조명유닛(113)은 녹색광을 생성하는 제3 LED 광원(113a) 및 한 쌍의 광콜렉터(113b, 113c)를 포함한다. 제3 LED 광원(113a)에서 생성된 녹색 LED 광은 한 쌍의 콜렉터(113b, 113c)에 의해 집속된 후 이색필터유닛(114)을 향해 조사된다. 이색필터유닛(114)의 제1 및 제2 이색필터(114a, 114b)는 공통적으로 녹색광을 투과시키므로, 제3 LED 광원(113a)에 의해 생성된 녹색 LED 광은 이색필터유닛(114)에서 반사됨 없이 광균일화 유닛(120)을 향해 조사될 수 있다.
이처럼 제1 내지 제3 조명유닛(111, 112, 113)에서 발생된 적색, 청색 및 녹색 LED 광들은 모두 광균일화 유닛(120, 도 1 참조)을 향해 조사되므로, 광균일화 유닛(120)에 입사되는 조명광은 적색, 청색 및 녹색 LED 광들이 혼합된 상태를 갖게 된다.
본 실시예에서 조명유닛(110)은 LED 광원들(111a, 112a, 113a)을 포함하는 것으로 예시되었지만, 대안적인 다른 실시예들에서 조명유닛(110)은 백색광을 발생시키는 램프(예로써, 아크 램프, 할로겐 램프 등)로 구비될 수도 있다.
상기 광균일화 유닛(120)은 조명유닛(110)에 의해 생성된 조명광의 광 강도를 균일화는 플라이 아이 렌즈(fly eye lens)로 구성된다. 따라서 조명광은 광균일화 유닛(120)에 의해 균일한 광 강도를 가진 면광(surface light)이 될 수 있다. 대안적인 다른 실시예들에서 광균일화 유닛(120)로서 플라이 아이 렌즈 대신 라이트 터널(light tunnel)이 구비될 수도 있다.
상기 제1 프리즘(130)은 광균일화 유닛(120)을 통과한 조명광을 반사미러(140)를 향해 전반사시킨다. 이에 제1 프리즘(130)은 조명광을 내부 전반사하는 제1 전반사면(131)을 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 프리즘(130)과 제2 프리즘(160) 사이에는 에어갭(aig gap: G)이 형성된다. 스넬의 법칙(Snell's law)에 따르면 제1 전반사면(131)은 제1 프리즘(130)의 굴절률과 공기의 굴절률에 의해 결정되는 임계각(θ1)을 갖는다. 그리고, 조명광은 임계각(θ1)보다 더 큰 입사각(α)으로 제1 전반사면(131)에 입사된다. 따라서 제1 전반사면(131)에 입사되는 조명광은 반사미러(140)를 향해 전반사된다.
상기 반사미러(140)는 제1 프리즘(130) 및 제2 프리즘(160)을 사이에 두고 영상형성유닛(150)와 대향 배치되어, 제1 프리즘(130)에 의해 전반사된 조명광을 영상형성유닛(150)을 향해 반사시킨다.
반사미러(140)는 일정 곡률을 가진 반사면(141)을 갖는다. 즉 반사미러(140)의 반사면(141)은 곡면 형태이다. 본 실시예에서 반사미러(140)는 일종의 오목 거울이며, 따라서 상기 반사면(141)은 오목면(concave suface)이다. 하지만 대안적인 다른 실시예들에서 반사미러(140)의 반사면(141)은 볼록면(convex surface)일 수도 있다.
반사미러(140)가 곡면인 반사면(141)을 구비하며, 조명광은 반사미러(140)를 통해 확대 또는 축소될 수 있다. 따라서, 영상형성유닛(150)에 대한 반사미러(140)의 상대적인 위치를 적절히 설정함으로써, 조명광은 반사미러(140)를 통해 영상형성유닛(150)의 유효 면적에 적합한 크기로 확대 또는 축소될 수 있다.
종래 기술에 따른 영상투사장치의 경우, 조명광의 조명 면적을 적절히 조절하기 위해 광균일화 유닛과 제1 프리즘 사이에 복수의 릴레이 렌즈들(relay lens)이 배치된다. 하지만, 본 실시예에 따른 영상투사장치(100)의 경우, 반사미러(140)가 릴레이 렌즈들의 역할을 수행하므로 종래의 릴레이 렌즈들이 생략될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 영상투사장치(100)의 대부분의 부품들은 영상투사장치(100)의 길이 방향(X 방향)으로 배열되어 있다. 따라서 영상투사장치(100)의 소형화 설계를 위하여 길이 방향(X)으로 배열된 부품들의 수를 감소시키는 것이 특히 요구된다.
본 실시예의 영상투사장치(100)에서는 릴레이 렌즈들이 생략됨으로써 길이 방향(X 방향)으로 배열된 영상투사장치(100)의 부품수가 감소되며 따라서 영상투사장치(100)의 소형화 요구가 충족될 수 있다. 더욱이, 릴레이 렌즈는 통상 복수의 개수로 구비되므로, 릴레이 렌즈의 생략은 장치(100)의 소형화에 크게 기여할 수 있다.
한편, 릴레이 렌즈의 역할을 대체하는 반사미러(140)가 추가되지만, 반사미러(140)는 영상투사장치(100)의 Y 방향(두께 또는 폭 방향)으로 배치되므로 반사미러(140)에 의해 영상투사장치(100)의 길이 방향 크기가 증대되지는 않는다. 따라서 반사미러(140)는 영상투사장치(100)의 소형화 설계에 대해 큰 제약으로 작용하지 않는다.
상기 영상형성유닛(150)은 반사미러(140)로부터 반사된 조명광을 영상으로 변환한 후 제2 프리즘(160)을 향해 반사시킨다. 본 실시예에서 영상형성유닛(150)은 수 많은 마이크로 미러(micro mirror)들을 포함한 DMD 패널로서 구비되며, 여기서 각각의 마이크로 미러는 하나의 화소(pixel)에 대응한다. 각각의 마이크로 미러는 영상 신호에 따른 회동에 의해 온(On) 또는 오프(Off) 상태로 배치될 수 있다. 따라서 각각의 마이크로 미러는 온 상태에서 온-빔(on-beam)을 생성하며 오프 상태에서는 오프-빔(off-beam)을 생성한다. 그리고 다수의 마이크로 미러들로부터 생성된 온-빔들이 모여 하나의 영상을 구성하게 된다.
상기 제2 프리즘(160)은 영상형성유닛(150)에서 형성된 영상을 투사렌즈유닛(160, 도 1 참조)을 향해 전반사시킨다. 따라서 제2 프리즘(160)은 영상을 전반사시키기 위한 제2 전반사면(161)을 갖는다. 제2 프리즘(160)의 제2 전반사면(161)은 에어갭(G)을 사이에 두고 전술한 제1 프리즘(130)의 제1 전반사면(131)과 대향 배치된다. 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라, 제2 전반사면(161)은 제2 프리즘(160)의 굴절률과 공기의 굴절률에 의해 결정되는 임계각(θ2)을 갖는다.
도 3을 참조하면, 영상형성유닛(150)으로부터 생성된 온-빔들(LON)은 제2 프리즘(160)의 임계각(θ2)보다 큰 입사각(β1)으로 제2 프리즘(160)의 제2 전반사면(161)에 입사된다. 따라서 영상을 구성하는 온-빔들(LON)은 투사렌즈유닛(170)을 향해 전반사될 수 있다. 반면, 영상형성유닛(150)으로부터 생성된 오프-빔들(LOFF)은 제2 프리즘(160)의 임계각(θ2)보다 작은 입사각(β2)으로 제2 프리즘(160)의 제2 전반사면(161)에 입사된다. 따라서 영상을 구성하지 않는 오프-빔들(LOFF)은 제2 프리즘(160)의 제2 전반사면(161)에서 굴절됨으로써 투사렌즈유닛(170) 쪽으로 진행하지 않게 된다.
본 실시예에서 제2 프리즘(160)은 제1 프리즘(130)과 동일한 재질을 갖는다. 따라서 제2 프리즘(160)의 임계각(θ2)은 제1 프리즘(130)의 임계각(θ1)과 같다. 대안적인 다른 실시예에서, 제1 프리즘(130)의 재질과 제2 프리즘(160)의 재질이 서로 다를 수 있으며, 따라서 제1 프리즘(130)의 임계각(θ1)과 제2 프리즘(160)의 임계각(θ2)이 서로 다를 수도 있다.
상기 투사렌즈유닛(170)은 제1 프리즘(130) 및 제2 프리즘(160)을 사이에 두고 전술한 광균일화 유닛(120, 도 1 참조)과 대향 배치된다. 그리하여 투사렌즈유닛(170)은 제2 프리즘(160)으로부터 반사된 영상을 스크린(180) 상에 확대 투사한다. 자세히 도시되지 않았으나, 투사렌즈유닛(170)은 영상 확대를 위해 광 경로를 따라 배열된 다수의 렌즈들을 포함한다.
상기 스크린(180)은 투사렌즈유닛(170)에 의해 확대된 영상이 맺혀지는 부품에 해당한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상투사장치(100)는 제1 전반사면(131)을 가진 제1 프리즘(130) 및 제2 전반사면(161)을 가진 제2 프리짐(160)을 구비한 광학 구조를 갖는다.
이러한 광학 구조에 의해, 영상형성유닛(150)의 유효 면적의 크기에 맞게 조명광의 조명 면적을 확대 또는 축소하는 반사미러(140)가 적용될 수 있다. 이러한 반사미러(140)가 종래의 릴레이 렌즈들의 기능을 수행하므로, 종래의 릴레이 렌즈들이 생략될 수 있다.
그 결과 본 실시예의 영상투사장치(100)는 종래의 영상투사장치들에 비해 길이 방향 크기가 상대적으로 축소될 수 있으며, 그로 인해 본 실시예의 영상투사장치(100)는 소형화 설계 요구를 충족할 수 있다.
100 : 영상투사장치 110 : 조명유닛
111 : 제1 조명유닛 111a : 제1 LED 광원
112 : 제2 조명유닛 112a : 제2 LED 광원
113 : 제3 조명유닛 113a : 제3 LED 광원
114 : 이색필터유닛 120 : 광균일화 유닛
130 : 제1 프리즘 131 : 제1 전반사면
140 : 반사미러 150 : 영상형성유닛
160 : 제2 프리즘 161 : 제2 전반사면
170 : 투사렌즈유닛 180 : 스크린

Claims (11)

  1. 조명광을 생성하는 조명유닛;
    상기 조명광을 수신하여 전반사하는 제1 프리즘;
    상기 제1 프리즘으로부터 전반사된 조명광을 수신하여 반사시키는 반사미러;
    상기 반사미러로부터 반사된 조명광으로부터 영상을 형성하는 영상형성유닛; 및
    상기 영상형성유닛에 의해 형성된 영상을 스크린을 향해 전반사시키는 제2 프리즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사미러로부터 반사된 조명광이 상기 영상형성유닛의 유효 면적에 대응되게 확대 또는 축소되도록, 상기 반사미러의 반사면은 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반사미러의 반사면은 오목면인 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 프리즘은 상기 조명광을 전반사시키는 제1 전반사면을 가지며, 상기 제2 프리즘은 상기 영상을 전반사시키는 제2 전반사면을 갖는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 전반사면과 상기 제2 전반사면은 에어갭을 사이에 두고 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 전반사면은 상기 영상을 구성하는 온-빔들은 전반사시키되 상기 영상을 구성하지 않는 오프-빔들은 굴절시키는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사미러와 상기 영상형성유닛은 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘을 사이에 두고 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 조명유닛과 상기 제1 프리즘 사이에 배치되며, 상기 조명유닛으로부터 조사된 조명광의 세기를 균일화하는 광균일화 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 프리즘으로부터 전반사된 영상을 상기 스크린을 향해 확대 투사하는 투사렌즈유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광균일화 유닛과 상기 투사렌즈유닛은 상기 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 사이에 두고 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 영상형성유닛은 DMD 패널인 것을 특징으로 하는 영상투사장치.
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