KR20130035333A - 반사 장치 및 이를 구비한 빔 프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 빔 프로젝터의 투사 광학계로부터 입사된 광을 외부 스크린에 반사하여 투사하기 위한 반사 장치는, 상기 투사 광학계로부터 입사된 광을 제2 미러로 반사하기 위한 제1 미러와; 상기 제1 미러로부터 반사된 광이 직접 그 표면에 입사되며, 상기 입사된 광을 상기 스크린으로 반사하기 위한 제2 미러를 포함한다.

Description

반사 장치 및 이를 구비한 빔 프로젝터{REFLECTION APPARATUS AND BEAM PROJECTOR HAVING THE SAME}

본 발명은 빔 프로젝터에 관한 것으로서, 특히 바닥 투사형 빔 프로젝터 및 이를 위한 반사 장치에 관한 것이다.

종래에는 실내에 고정 설치되어 사용되는 빔 프로젝터가 주류를 이루었으나, 최근에는 가방에 들어갈 정도의 크기를 갖는 포켓 빔 프로젝터라고 칭하는 소형 빔 프로젝터가 상품화되고 있다. 또한, 10cc 이하의 크기를 갖는 피코 빔 프로젝터 모듈이라고 칭하는 빔 프로젝터도 소개된 바 있다.

바닥 투사형 빔 프로젝터는, 실내 또는 실외의 바닥면을 스크린으로 하여, 확대된 영상을 상기 바닥면에 결상하는 빔 프로젝터이다.

종래에는 휴대용 바닥 투사형 빔 프로젝터는 확대된 영상을 바닥면에 결상하기 위해서, 별도의 미러를 사용하지 않고 투사 광학계를 높은 곳에서 바닥면을 향해 투사하거나, 미러 1장을 이용하여 바닥면에 결상하였다.

종래에 확대된 상을 바닥면에 결상하기 위해 별도의 미러를 사용하지 않는 경우는 바닥면에 투사된 영상의 크기를 증가시키기 위해 투사 광학계의 배율을 많이 증가시켜서 위치를 낮추거나, 투사 광학계를 바닥면으로부터 과도하게 이격시켜야 한다는 문제점이 있다.

또한, 미러 1장을 이용하여 바닥면에 결상하는 경우는 미러에 의해 반사된 빔이 투사 광학계 또는 상기 투사 광학계를 지지하는 기구물과 간섭되는 것(즉, 상기 반사된 빔이 가려지는 것)을 방지하기 위해 투사 광학계와 미러의 근접 배치가 어렵고, 원하는 영상의 크기를 얻기 위해서는 투사 광학계의 출사각을 크게 설계해야 하므로, 이에 수반하여 미러의 크기가 커져서 빔 프로젝터의 크기가 증가하는 문제점이 있다.

본 발명의 특정 실시 예들의 목적은 종래기술과 관련된 문제점들 및/또는 단점들 중의 적어도 하나를 적어도 부분적으로 해결, 경감 또는 제거하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 큰 영상을 투사하면서 초소형으로 바닥 투사가 가능한 휴대용 빔 프로젝터를 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 빔 프로젝터의 투사 광학계로부터 입사된 광을 외부 스크린에 반사하여 투사하기 위한 반사 장치는, 상기 투사 광학계로부터 입사된 광을 제2 미러로 반사하기 위한 제1 미러와; 상기 제1 미러로부터 반사된 광이 직접 그 표면에 입사되며, 상기 입사된 광을 상기 스크린으로 반사하기 위한 제2 미러를 포함한다.

본 발명은 제1 및 제2 미러를 구비한 반사 장치를 이용함으로써 큰 영상을 투영하면서 반사 장치의 크기를 작게 설계할 수 있으므로 초소형 빔 프로젝터를 제공할 수 있으며, 상시 휴대하고 다닐 수 있는 바닥 투사형 빔 프로젝터의 구조에 적합한 특징을 제공한다는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시 예에 따른 휴대용 빔 프로젝터의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 반사 장치의 일 구성 예를 나타내는 도면,
도 3은 도 1에 도시된 투사 광학계의 상세 구성을 나타내는 도면,
도 4는 제1 및 제2 전단 미러가 닫힌 상태로 배치된 경우를 예시하는 도면,
도 5 내지 도 7은 반사 장치의 다양한 구성을 나타내는 도면들,
도 8 내지 도 10은 반사 장치의 이동 장치를 예시하는 도면들,
도 11은 반사 장치의 다른 이동 장치를 예시하는 도면,
도 12는 조명 광학계의 일 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 바람직한 제2 실시 예에 따른 소형 프로젝터의 기본적인 구성을 나타내는 도면,
도 14는 광선 추적 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 15는 프리즘을 상세히 나타낸 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대용 빔 프로젝터의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 반사 장치의 일 구성 예를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 투사 광학계의 상세 구성을 나타내는 도면이다.

상기 빔 프로젝터는 조명 광학계(200)와, 표시 소자(300)와, 투사 광학계(400)와, 반사 장치(100)를 포함한다.

상기 조명 광학계(200)는 적어도 하나의 광원과 상기 광원으로부터 입사된 광을 조절하여 상기 표시 소자(300)를 균일하게 조명하기 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함한다.

상기 표시 소자(300)는 상기 조명 광학계(200)로부터 입사된 광을 픽셀 단위로 반사하여 영상을 형성한다.

상기 표시 소자(300)는 픽셀 단위로 영상을 표시하며, 상기 표시 소자(300)는 기설정된 해상도에 대응하는 픽셀 소자들(320)을 구비하고, 상기 픽셀 소자들(320)의 온/오프 구동을 통해 영상을 표시한다. 본 예에서는, 상기 표시 소자(300)로서 MxN(예를 들어, 1280x720, 854x480 등) 행렬 구조로 배열된 마이크로 미러들을 포함하는 DMD(Digital Micro-Mirror Device)와 같은 소형 평판형 표시 소자를 사용한다. 상기 각 마이크로 미러는 구동 신호에 따라 온 상태에 대응하는 위치와 오프 상태에 대응하는 위치로 회전하며, 온 상태일 때 스크린(예를 들어, 바닥면)에 표시될 수 있는 각도로 입사한 광을 반사하고, 오프 상태일 때 스크린에 표시되지 않는 각도로 입사한 광을 반사한다. 즉, 오프 상태의 마이크로 미러로부터 반사된 광은 상기 투사 광학계(400)를 통과하여 외부로 출사되지 않고, 온 상태의 마이크로 미러로부터 반사된 광은 상기 투사 광학계(400)를 통과하여 외부로 출사된다. 상기 표시 소자(300)는 상기 픽셀 소자들(320)에 구동 신호를 제공하는 회로기판(310)과, 상기 회로기판(310) 위에 탑재된 픽셀 소자들(320)과, 상기 픽셀 소자들(320)을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 커버 글라스(330)와, 상기 회로기판(310)의 노출된 상면을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 밀봉층(340)을 포함한다.

상기 투사 광학계(400)는 광축(405)을 갖고, 필드 렌즈(field lens, 410)와, 투사 렌즈(projection lens, 420)를 포함한다. 상기 필드 렌즈(410)와, 투사 렌즈(420)는 상기 광축(405)상에 정렬된다. 통상적으로 광축은 이를 중심으로 해당 광학 소자를 회전시켜도 광학적으로 변동이 없는 축을 말한다. 광축상에 정렬된다는 것은 해당 광학계를 구성하는 광학 소자의 곡률 중심이 상기 광축상에 위치하거나, 광학 소자의 대칭점(즉, 대칭 중심) 또는 중심점이 상기 광축상에 위치하는 것을 의미한다.

상기 필드 렌즈(410)는 상기 조명 광학계(200)로부터 광을 수신하고, 상기 광이 상기 표시 소자(300)에 균일한 각도로 입사하도록 한다. 또한, 상기 필드 렌즈(410)는 상기 표시 소자(300)로부터 반사된 광을 수신하고, 상기 광의 빔 면적을 감소시켜서 출력한다. 상기 표시 소자(300)로부터 반사된 광은 그 빔 면적(beam spot size)이 크기 때문에, 상기 투사 렌즈(420)로 전달되지 못하는 광으로 인한 광손실이 클 수 있다. 상기 필드 렌즈(410)는 상기 표시 소자(300)로부터 반사된 광을 집광하여 그 빔 면적을 줄임으로써, 상기 투사 렌즈(420)에 최대한 많은 양의 광이 전달되도록 한다.

상기 투사 렌즈(420)는 상기 필드 렌즈(410)로부터 상기 빔 면적이 조절된 광을 수신하고, 스크린상에 상기 광의 초점이 형성되도록 한다. 즉, 상기 투사 렌즈(420)는 자동 또는 수동으로 이동됨으로써 그 초점 거리의 조절이 가능하고, 상기 표시 소자(300)상에 표시되는 영상을 스크린상에 확대하여 표시한다.

하기 표 1은 상기 투사 광학계(400)를 구성하는 광학 소자들의 수치 데이터를 나타낸다. 하기 표 1은, 제i 광학면(Si)의 곡률 반경, 제i 광학면의 두께 또는 공기 간격(또는, 제i 광학면에서 제(i+1) 광학면까지의 거리)인 D, 제i 광학면의 d 선(587.5618㎚)에서의 굴절률인 N, 제i 광학면의 아베수인 V를 나타낸다. 또한, 곡률반경 및 두께의 단위는 ㎜이다. 광학면의 번호 i는 반사 장치(100) 측에서 표시 소자(300) 측으로 차례로 붙인 것이다.

Surface number	Radius of curvature (mm)	between surfaces	D (mm)	N	V
1	-2.50	1-2	1.30	1.5311	55.80
2	-4.65	2-3	0.10	1.0000
3	13.00	3-4	1.78	1.5311	55.80
4	-4.84	4-5	1.99	1.0000
5	7.56	5-6	0.97	6.3200	23.00
6	3.07	6-7	1.88	1.0000
7		7-8	2.50	1.6204	60.34
8	-8.12	8-9	8.04	1.0000
9	10.80	9-10	3.00	1.6584	50.85
10	40.80	10-11	0.60	1.0000
11		11-12	0.65	1.5069	63.10
12		12- 표시 소자	0.71	1.0000

상기 표 1에서, 제1 내지 제6 광학면(S1~S6)은 비구면이고, 해당 광학면이 평면인 경우는 곡률 반경이 기재되어 있지 않고, 공기의 굴절률은 1이다.

비구면 정의식은 하기 수학식 1로 표시된다.

상기 수학식 1에서, z는 광학면의 중심(또는 정점)으로부터 광축(405)에 따른 거리, h는 광축(405)에 수직인 방향으로의 거리, c는 광학면의 중심에서의 곡률(곡률반경의 역수), k는 코닉 계수(conic coefficient), A, B, C, D, E, F 및 G(=0)는 비구면 계수들을 나타낸다.

상기 표 1의 각 비구면에 대한 비구면 계수들을 예시하고 있다.

Aspheric parameters
Surface	k	A	B	C	D	E	F
1	-0.5868604	0.02061595	-0.001949	0.00021047	-1.59E-05	7.49E-07	-1.28E-08
2	-1.16E+00	1.06E-02	-0.000804	4.41E-05	-3.03E-06	8.95E-08	2.92E-10
3	-1.72E+00	-3.78E-03	0.0002273	-5.05E-06	-2.94E-06	3.28E-07	-1.69E-08
4	-5.72E-01	6.52E-05	0.0001916	-2.90E-05	1.84E-06	-2.62E-08	-4.35E-09
5	-2.58E-01	-1.65E-03	0.0001027	-9.10E-06	7.09E-07	-2.79E-08	4.08E-10
6	-8.46E-01	-7.19E-03	0.0004096	-2.58E-05	1.35E-06	-4.42E-08	6.09E-10

이하, 광학면의 형태에 대한 설명은 상기 표 1을 기준으로 하고 있으나, 상기 투사 광학계를 구성하는 각 렌즈의 광학면은 구면이거나 비구면일 수 있다.

도 3을 참고하면, 상기 투사 광학계(400)를 구성하는 투사 렌즈(420)는 반사 장치(100) 측으로부터 표시 소자(300) 측으로 차례로 배치된 제1 및 제4 렌즈(422, 424, 426, 428)를 포함한다.

상기 제1 렌즈(422)는 모두 표시 소자(300) 측으로 볼록한 제1 및 제2 광학면(S1, S2)을 갖고, 제1 및 제2 광학면(S1, S2)의 각각은 비구면이다.

상기 제2 렌즈(424)는 양면 볼록한 제3 및 제4 광학면(S3, S4)을 갖고, 제3 및 제4 광학면(S3, S4)의 각각은 비구면이다. 상기 제1 및 제2 렌즈(422, 424)의 조합으로서 2매 접합 렌즈를 사용할 수도 있다.

상기 제3 렌즈(426)는 모두 반사 장치(100) 측으로 볼록한 제5 및 제6 광학면(S5, S6)을 갖고, 제5 및 제6 광학면(S5, S6)의 각각은 비구면이다.

상기 제4 렌즈(428)는 평면-볼록한 제7 및 제8 광학면(S7, S8)을 갖고, 제8 광학면(S7, S8)은 구면이다. 상기 제3 및 제4 렌즈(426, 428)의 조합으로서 2매 접합 렌즈를 사용할 수 있다. 본 예와 다르게, 상기 제4 렌즈(428)의 적어도 한 광학면이 비구면일 수 있다.

상기 투사 광학계(400)를 구성하는 필드 렌즈(410)는 1매의 렌즈로 구성되며, 상기 필드 렌즈(410)는 모두 반사 장치(100) 측으로 볼록한 제9 및 제10 광학면(S9, S10)을 갖고, 제9 및 제10 광학면(S9, S10)의 각각은 구면이다. 본 예와 다르게, 상기 필드 렌즈(410)의 적어도 한 광학면이 비구면일 수 있다.

상기 반사 장치(100)는 상기 투사 광학계(400)로부터 광을 수신하고, 상기 광을 스크린 측으로 반사함으로써 스크린상에 영상을 형성한다. 상기 반사 장치(100)는 제1 전단 미러(110), 제2 전단 미러(120) 및 회전축(130)을 포함한다. 이하, 후단 및 전단과 같은 용어는 상기 표시 소자(300)로부터 상기 반사 장치(100)로 진행하는 방향에 따른다. 상기 반사 장치(100)는 상기 프로젝터의 전단(또는 전면)에 위치한다.

상기 제1 전단 미러(110)는 상기 투사 광학계(400)의 광축(405)(또는 광축의 연장선)이 그 제1 반사면(112)을 지나도록 상기 광축(405)을 따라 상기 투사 광학계(400)의 전면으로부터 이격되어 배치된다. 즉, 상기 제1 전단 미러(110)의 제1 반사면(112)(즉, 외측 표면)은 상기 투사 광학계(400)의 전면(즉, 제1 광학면)과 대면한다. 본 예에서, 제1 반사면(112)과 상기 투사 광학계(400)의 전면이 대면한다는 의미는 상기 투사 광학계(400)로부터 광축(405)을 따라 출사된 광이 직접 입사될 수 있도록 배치된다는 의미이다. 상기 제1 반사면(112)은 구면 또는 비구면일 수 있다. 바람직하게는, 상기 투사 광학계(400)의 광축(405)(또는 광축의 연장선)은 상기 제1 반사면(112)의 중심을 지날 수 있다. 상기 제1 전단 미러(110)는 상기 투사 광학계(400)로부터 입사된 광을 상기 제2 전단 미러(120) 측으로 반사한다.

도 2를 참고하면, 상기 제1 전단 미러(110)는 제1 기판(111)과, 상기 제1 기판(111)의 표면에 적층된 제1 반사층(113)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 반사층(113)의 외측 표면이 제1 반사면(112)에 해당한다. 선택적으로 상기 제1 반사층(113)의 표면에 투명한 제1 보호층을 더 적층할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 전단 미러(110)는 배면이 평면이고 전면이 구면 또는 비구면이거나, 배면 및 전면이 모두 평면인 기판(예를 들어, 유리)에 반사도가 높은(90% 이상이고, 바람직하게는 99% 이상) 유전체층 또는 금속층을 증착한 구조를 가질 수 있다.

본 예와 다르게, 상기 제1 전단 미러(110)는 제1 기판과, 상기 제1 기판의 일 표면에 해당하는 반사면(112)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 기판은 금속 재질로 이루어지고, 상기 제1 기판의 표면은 반사면의 특성을 가질 수 있도록 미세하게 연마된다.

상기 제2 전단 미러(120)는 상기 투사 광학계(400)의 광축(405)(또는 광축의 연장선)이 그 제2 반사면(122)을 지나지 않도록 상기 투사 광학계(400)로부터 이격되어 배치된다. 또한, 즉, 상기 제2 전단 미러(120)의 제2 반사면(122)(즉, 외측 표면)은 상기 투사 광학계(400)의 전면(즉, 제1 광학면)과 대면하지 않고, 상기 제1 반사면(112)과도 대면하지 않는다. 상기 제2 반사면(122)은 상기 제1 반사면(112)의 끝단과 근접한 위치의 제1 끝단으로부터 상기 광축(405)으로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 상기 제2 반사면(122)은 구면 또는 비구면일 수 있다.

상기 제2 전단 미러(120)는 상기 제1 전단 미러(110)로부터 직접 입사된 광을 스크린 측으로 반사한다. 이때, 직접 입사된다는 의미는 상기 제1 전단 미러(110)로부터 반사된 광이 다른 반사 수단이나 굴절 수단을 거치지 않고(즉, 추가의 반사나 굴절 없이) 단지 공기층만을 거쳐서 상기 제2 전단 미러(120)에 입사된다는 것이다.

도 2를 참고하면, 상기 제2 전단 미러(120)는 제2 기판(121)과, 상기 제2 기판(121)의 표면에 적층된 제2 반사층(123)을 포함한다. 이때, 상기 제2 반사층(123)의 외측 표면이 제2 반사면(122)에 해당한다. 선택적으로 상기 제2 반사층(123)의 표면에 제2 보호층을 적층할 수도 있다. 상기 제2 전단 미러(120)는 배면이 평면이고 전면이 구면 또는 비구면이거나, 배면 및 전면이 모두 평면인 기판(예를 들어, 유리)에 반사도가 높은(90% 이상이고, 바람직하게는 99% 이상) 유전체층 또는 금속층을 증착한 구조를 가질 수 있다.

본 예와 다르게, 상기 제2 전단 미러(120)는 제2 기판과, 상기 제2 기판의 일 표면에 해당하는 반사면(122)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 기판은 금속 재질로 이루어지고, 상기 제2 기판의 표면은 반사면의 특성을 가질 수 있도록 미세하게 연마된다.

본 예와 다르게, 상기 제1 및 제2 반사면(112, 122)은 연속적으로 연장될 수도 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 전단 미러(110, 120)는 단일 재질의 공통의 기판을 공유하며, 상기 제1 및 제2 반사면(112, 122)은 상기 공통 기판의 연마된 표면을 기능적으로 구분한 것이거나, 상기 공통 기판에 적층된 반사도가 높은 유전체층 또는 금속층의 표면을 기능적으로 구분한 것일 수 있다.

상기 제1 및 제2 반사면(112, 122)은 다양한 면 형태들의 조합으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 비구면 및 오목면의 조합, 비구면 및 볼록면의 조합, 비구면 및 평면의 조합, 평면 및 비구면의 조합 등으로 구현될 수 있다.

상기 회전축(130)은 상기 제1 및 제2 전단 미러(110, 120)의 대면하는 끝단들과 연결되며, 상기 제1 및 제2 전단 미러(110, 120) 중 어느 하나 또는 각각이 상기 회전축(130)을 기준으로 회전하도록 한다. 예를 들어, 상기 회전축(130)은 통상의 폴더형 휴대폰에 적용되는 힌지 구조를 가질 수 있다.

도 4는 상기 제1 및 제2 전단 미러가 닫힌 상태로 배치된 경우를 예시한다.

상기 회전축(130)으로 인해, 상기 제1 및 제2 전단 미러(110, 120)는 닫힌(또는 접힌) 상태 또는 열린(또는 펼쳐진) 상태로 배치될 수 있다. 닫힌 상태에서 상기 제1 및 제2 반사면(112, 122)은 서로 대면하고, 열린 상태에서 상기 제1 및 제2 반사면(112, 122)은 서로 대면하지 않는다.

전술한 바와 같이,　본 발명의 반사 장치(100)는 두 개의 미러, 즉 제1 및 제2 전단 미러(110, 120)를 구비하며, 투사 광학계(400)와 제1 전단 미러(110)를 상대적으로 근접하게 위치시키고, 제1 전단 미러(110)에서 반사된 광이 제2 전단 미러(120)로 직접 입사하도록 한다. 이때 제1 전단 미러(110)가 투사 광학계(400)와 근접하게 위치하므로, 제1 전단 미러(110)의 크기를 최소화할 수 있게 되며, 제1 전단 미러(110)의 배율은 제2 전단 미러(120)의 크기를 고려하여 설계할 수 있다. 또한, 제2 전단 미러(120)의 배율은 스크린에 투사하고자 하는 영상의 크기에 맞게 조절하여 설계함으로써 초소형 빔 프로젝터를 구현할 수 있다.

본 발명의 반사 장치는 다양하게 구성될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 반사 장치의 다양한 구성을 나타내는 도면들이다. 도 5에 도시된 반사 장치(100a)에서, 제1 전단 미러(110)는 투명한 제1 보호층(114)을 구비하고, 제2 전단 미러(120)도 투명한 제2 보호층(124)을 구비한다. 각 보호층(114, 124)에서는 입사된 광의 굴절이 일어난다. 도 6에 도시된 반사 장치(100b)에서, 제1 전단 미러(110)는 투명한 제1 보호층(114)을 구비하고, 제2 전단 미러(120)는 제2 보호층을 구비하지 않는다. 도 7에 도시된 반사 장치(100c)에서, 제1 전단 미러(110)는 제1 보호층을 구비하지 않고, 제2 전단 미러(120)는 제2 보호층(124)을 구비한다.

예를 들어, 도 5를 보면, 투사 광학계(400)로부터 출사된 광은 제1 보호층(114)에 의해 굴절된 후 제1 반사면(112)에 입사하고, 제1 반사면(112)에 의해 반사된 광은 제2 보호층(124)에 의해 굴절된 후 제2 반사면(122)에 입사한다. 상기 제2 반사면(122)에 의해 반사된 광은 스크린에 투사된다.

상기 빔 프로젝터는 상기 반사 장치(100)를 상기 투사 광학계(400)의 광축을 따라 이동시키기 위한 다양한 이동 장치를 구비할 수 있다.

도 8 내지 도 10은 반사 장치의 이동 장치를 예시하는 도면들이다. 투사 광학계(400)의 측단과 반사 장치(100)의 측단은 가이드(500)에 의해 지지된다. 도 8은 빔 프로젝터를 휴대하여 보관할 때, 투사 광학계(400)와 반사 장치(100)를 근접하게 배치한 경우를 나타낸다. 이때, 상기 반사 장치(100)는 닫힌 상태에 있다. 도 9는 상기 빔 프로젝터를 사용하고자 할 때, 상기 가이드(500)를 따라 상방 화살표(510) 방향으로 상기 반사 장치(100)를 상기 투사 광학계(400)로부터 후퇴시키는 것을 나타낸다. 이후, 상기 반사 장치(100)는 열린 상태에 있도록 변경된다.

도 10은 상기 열린 상태의 반사 장치(100)를 하방 화살표(520) 방향으로 상기 가이드(500)를 따라 상기 투사 광학계(400) 측으로 전진시켜서, 상기 반사 장치(100)와 투사 광학계(400)가 기설정된 간격을 유지하도록 하는 것을 나타내며, 사용자는 이러한 배치 상태에서 상기 빔 프로젝터를 사용하게 된다.

도 11은 반사 장치의 다른 이동 장치를 예시하는 도면이다. 상기 이동 장치는 투사 광학계(400)를 지지하는 제1 지지부(610)와, 반사 장치(100)를 지지하는 제2 지지부(620)와, 상기 제2 지지부(620)를 이동 가능하게 지지하는 가이드(630)를 구비한다. 상기 제2 지지부(620)는 상기 반사 장치(100)를 지지한 상태로 상기 가이드(630)를 따라 상하방 화살표(640) 방향으로 이동 가능하다.

도 12는 상기 조명 광학계(200)의 일 예를 나타내는 도면이다.

상기 조명 광학계(200)는 제1 보조 광축(205)과 제2 보조 광축(207)을 갖고, 제1 및 제2 광원(210, 240)과, 제1 내지 제4 시준화 렌즈(collimating lens, 220, 230, 250, 260)와, 필터(270)와, 등화 렌즈(equalization lens, 280)와, 집광 렌즈(condensing lens, 290)와, 중간 미러(295)를 포함한다. 상기 제2 광원(240)과 제3 및 제4 시준화 렌즈(250, 260)는 상기 제2 보조 광축(207)상에 정렬되고, 상기 조명 광학계(200)의 나머지 광학 소자들은 상기 제1 보조 광축(205)상에 정렬된다. 본 예에서, 그 출력광들이 혼합되어 백색광을 생성할 수 있는 복수의 광원을 사용하는 것으로 예시하고 있으나, 다양한 색상의 광을 출력하는 하나의 광원(예를 들어, 파장 가변형 광원)을 사용할 수도 있고, 또는 3원색에 따른 3개의 광원을 사용할 수도 있고, 컬러 필터와 함께 백색 광원을 사용할 수도 있다.

상기 제1 광원(210)은 제1 보조 광축(205)을 따라 진행하는 제1 원색광을 출력한다. 예를 들어, 상기 제1 광원(210)으로는 녹색광을 출력하는 LED를 사용할 수 있다. 본 예에서, 상기 제1 광원(210)은 상기 제1 보조 광축(205)을 중심으로 소정 각도로 발산하는 제1 원색광을 출력한다. 이와 다르게, 상기 제1 광원(210)에 시준화 렌즈가 통합되어 있을 수 있고, 이러한 경우에 상기 제1 시준화 렌즈를 제거하여도 된다.

상기 제1 및 제2 시준화 렌즈(220, 230)는 상기 제1 광원(210)으로부터 발산하는 제1 원색광을 수신하고, 상기 제1 원색광을 시준화(즉, 평행화)하여 출력한다. 이때, 시준화는 광의 발산각을 감소시키는 것을 말하고, 이상적으로는 광이 수렴하거나 발산하지 않고 평행하게 진행하도록 만드는 것을 말한다. 상기 제1 광원(210)에서 출력되는 제1 원색광은 일 방향으로 발산할 수 있고, 이러한 경우에 상기 각 시준화 렌즈로서 적어도 한 면이 비구면인 렌즈를 사용할 수 있다. 본 예에서, 상기 제1 광원(210)으로부터 출력된 제1 원색광의 점진적 시준화(즉, 제1 및 제2 시준화 렌즈(220, 230)가 제1 원색광을 점진적으로 평행화함), 또는 서로 수직인 2방향에서의 분할적 시준화(즉, 제1 시준화 렌즈(210)가 제1 원색광을 제1 방향(예를 들어, Y축 방향)에서 시준화하고, 제2 시준화 렌즈(230)가 제1 원색광을 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(예를 들어, Z축 방향)에서 시준화함)를 위해 한 쌍을 이루는 제1 및 제2 시준화 렌즈(220, 230)를 사용하고 있으나, 하나의 시준화 렌즈를 사용할 수도 있다. Z축은 투사 광학계(400)의 광축(405)과 일치한다.

상기 제2 광원(240)은 보조 광축(207)을 따라 진행하는 제2 및 제3 원색광을 출력한다. 예를 들어, 상기 제2 광원(240)으로는 적색광 및 청색광을 출력하는 하나 또는 2개의 LED를 사용할 수 있다.

상기 제3 및 제4 시준화 렌즈(250, 260)는 상기 제2 광원(240)으로부터 발산하는 제2 및 제3 원색광을 수신하고, 상기 제2 및 제3 원색광을 시준화하여 출력한다.

본 예와 다르게, 제2 및 제 3 원색광원이 별도로 존재할 수 있고, 이 경우 각각의 시준화 렌즈가 각각의 원색광원 앞에 존재할 수 있다. 예를 들어 제2 보조 광축(207)에 놓인 제3 원색광원에 대해서는 투과하고 제2 보조 광축(207)과 거의 수직으로 놓임과 동시에 제1 보조 광축(205)과 거의 나란한 방향에 놓인 제2 원색광원에 대해서는 반사하는 또 하나의 필터가 제 1 보조 광축(205)에 놓인 필터(270) 앞(즉, 제2 보조 광축(207)상에서 제3 원색광원과 상기 필터(270)의 사이에 위치함)에 위치할 수 있다.

상기 필터(270)는 상기 제4 시준화 렌즈(260)로부터 입력된 제2 및 제3 원색광을 반사하여 상기 제1 보조 광축(205)을 따라 진행하도록 하며, 상기 제2 시준화 렌즈(230)로부터 입력된 제1 원색광을 그대로 투과시킨다. 상기 필터(270)는 상기 제1 보조 광축(205)과 45도의 각도를 이루도록 배치될 수 있으며, 상기 제2 및 제3 원색광을 90도의 각도로 반사할 수 있다. 그러나 필터(270)가 제1 보조 광축(205)과 항상 45도의 각도로 배치되어야 하는 것은 아니고, 이는 하나의 예에 불과함에 주의하여야 한다. 바람직하게는, 상기 필터(270)로서 파장에 따라 투과 또는 반사를 선택적으로 수행하는 파장 선택 필터(wavelength selective filter)(또는 색선별 필터(dichroic filter))나 프리즘을 사용하거나, 빔 스플리터(beam splitter), 하프 미러(half mirror) 등의 파장 무의존성 필터를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 파장선택성 필터는 유리 기판 상에 다수의 박막을 증착함으로써 구현될 수 있다. 상기 필터(270)에 의해 상기 제1 내지 제3 원색광은 동일한 제1 보조 광축(205)을 따라 진행하게 된다.

상기 등화 렌즈(280)는 상기 필터(270)로부터 입력된 광을 세기 등화하여 출력한다. 즉, 상기 등화 렌즈(280)는 Y-Z 평면상에서 상기 광의 세기 분포를 균일하게 한다. 상기 등화 렌즈(280)로는 통상의 파리눈 렌즈(fly eye lens)를 사용할 수 있다. 상기 등화 렌즈(280)에 의해 상기 광의 가로세로비(aspect ratio)가 표시 소자(300)의 것과 정합되고, 색 균일도가 향상된다.

상기 집광 렌즈(290)는 상기 등화 렌즈(280)로부터 입력된 광이 상기 표시 소자(300)의 표면상에 집속되도록 만든다.

상기 중간 미러(295)는 상기 집광 렌즈(290)로부터 상기 집속된 광을 수신하고, 상기 광을 상기 표시 소자(300) 측으로 반사한다. 상기 중간 미러(295)는 기판 상에 반사도가 높은 유전체층 또는 금속층을 증착한 구조를 가질 수 있다. 도 12에 점선으로 표시된 바와 같이, 상기 중간 미러(295)의 적어도 하나의 모서리는 직각이 아닌 각도로 절단되어 사면 처리될 수 있다.

도 13은 본 발명의 바람직한 제2 실시 예에 따른 소형 프로젝터의 기본적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 14는 광선 추적 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 15는 프리즘을 상세히 나타낸 도면이다. 상기 프로젝터는 표시 소자를 조명하는 조명 광학계(200)와, 상기 조명 광학계(200)로부터의 광을 픽셀 단위로 반사하여 영상을 형성하는 표시 소자(300)와, 상기 표시 소자(300)로부터 반사된 광을 외부 스크린으로 투사하는 투사 광학계(700)를 포함한다.

상기 조명 광학계(200)는 적어도 하나의 광원과 상기 광원으로부터 입사된 광을 조절하여 상기 표시 소자(300)를 균일하게 조명하기 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함한다.

상기 표시 소자(300)는 상기 조명 광학계(100)로부터 입사된 광을 픽셀 단위로 반사하여 영상을 형성한다.

상기 투사 광학계(700)는 광축(705)을 갖고, 제1 내지 제3 렌즈군(G1, G2, G3)과, 제1 전단 미러(110a) 및 제2 전단 미러(120a)를 구비한 반사 장치(100d)를 포함한다. 렌즈군이란 용어는 렌즈뿐만 아니라 광을 굴절시키는 능력을 갖는 적어도 하나의 광학 소자의 집합을 지칭하기 위해 사용된다.

본 발명에서는, 표시 소자(300)와, 제1 렌즈(710)를 포함하는 제1 렌즈군(G1)과, 제2 렌즈군(G2)을 구성하는 제2 내지 제6 렌즈(720~728)는 상기 광축(705)상에 정렬되고, 제2 렌즈군(G2)을 구성하는 제7 렌즈(740)와, 제8 렌즈(750)를 포함하는 제3 렌즈군(G3)과, 반사 장치(100d)가 비축 정렬된다. 이때, 비축 정렬된다는 것은 상기 광축(705) 또는 그 연장선이 해당 광학 소자를 관통하지만, 상기 광학 소자의 중심축이 상기 광축(705)과 일치하지 않는 것을 말한다. 프리즘(730)의 경우에는 그 전체 높이의 절반에 해당하는 지점에 광축(705)이 위치한다.

하기 표 3 및 4는 상기 투사 광학계(700)를 구성하는 광학 소자들의 수치 데이터를 나타낸다. 표 3은 제1 전단 미러(110a)(즉, 제1 반사면)와 광축(705)이 이루는 각도 θm이 15도인 경우를 나타내고, 표 4는 제1 전단 미러(110a)와 광축(705)이 이루는 각도 θm이 32도인 경우를 나타낸다. 광학면의 번호 i는 표시 소자(300) 측에서 반사 장치(100d) 측으로 차례로 붙인 것이다.

상기 표 1에서, 제1, 5, 7 및 8 렌즈(710, 726, 740, 750)는 양면 비구면 렌즈이고, 제1 및 제2 전단 미러(110a, 120a)의 각 반사면도 비구면이며, 해당 광학면이 평면인 경우는 곡률 반경이 무한대이고, 공기의 굴절률은 1이다. 비구면에 대한 곡률반경은 상기 비구면의 중심에서 측정된 값을 나타낸다.

하기 표 5는 상기 표 3의 각 비구면에 대한 비구면 계수들을 예시하고, 하기 표 6은 상기 표 4의 각 비구면에 대한 비구면 계수들을 예시한다.

이하, 광학면의 형태에 대한 설명은 상기 표 3 및 4를 기준으로 하고 있으나, 상기 투사 광학계(700)를 구성하는 각 광학 소자의 광학면은 구면이거나 비구면일 수 있다.

상기 제1 렌즈군(G1)은 제1 렌즈(710)를 포함하고, 양의 굴절력(power)을 갖는다. 상기 제1 렌즈(710)는 조명 광학계(200)로부터 광을 수신하고, 상기 광이 상기 표시 소자(300)에 균일한 각도로 입사되도록 한다. 이때, 상기 제1 렌즈(710)는 오버필(overfill)을 감안하여 상기 광이 표시 소자(300)로 정합되도록 한다. 즉, 상기 제1 렌즈 (710)는 상기 표시 패널(300)의 픽셀 소자들이 차지하는 면적과 동일하거나 그보다 큰 면적에 상기 반사된 광이 입사되도록 한다. 또한, 상기 제1 렌즈(710)는 상기 표시 소자(300)로부터 반사된 광을 수신하고, 상기 광의 빔 면적을 감소시켜서 출력한다.

상기 제1 렌즈(710)는 표시 소자(300)로부터 반사 장치(100d)를 향하는 방향을 기준으로 할 때 오목-볼록한 제4 및 제5 광학면(S4, S5)을 갖고, 제4 및 제5 광학면(S4, S5)의 각각은 비구면이다.

상기 제2 렌즈군(G2)은 제2 내지 제7 렌즈(720~728, 740)와, 프리즘(730)을 포함하고, 양의 굴절력을 갖는다. 상기 제2 렌즈군(G2)은 프리즘(730)을 이용하여 광경로를 변경하며, 조리개면을 포함하고 있어 전체 광량을 제어하는 역할을 한다. 이때, 광경로를 변경한다는 의미는 광축을 따라(광축과 일치하도록) 진행하는 주광선이 광축과 기설정된 각도(즉, 경사 또는 틸트)를 이루면서 진행하도록 함을 의미한다. 이러한 광경로의 변경(즉, 주광선의 진행 경로 변경)은 통상적으로 프리즘 또는 미러에 의해 발생한다. 예를 들어, 평면 미러에 45도로 입사된 광은 다시 45도로 반사되므로, 상기 평면 미러에 의해 광경로는 90도 변경된다. 도시되지 않았으나, 제5 렌즈(726)의 후단 광학면의 면적과 일치하는 개구 면적을 갖는 조리개가 상기 제4 렌즈(724) 및 제5 렌즈(726)의 사이에 위치된다.

제2 렌즈(720)는 오목-볼록한 제6 및 제7 광학면(S6, S7)을 갖고, 제6 및 제7 광학면(S6, S7)의 각각은 구면이다.

제3 렌즈(722)는 양면 볼록한 제8 및 제9 광학면(S8, S9)을 갖고, 제8 및 제9 광학면(S8, S9)의 각각은 구면이다. 이때, 상기 제3 및 제4 렌즈(722, 724)는 2매 접합 렌즈를 이루고, 상기 제3 및 제4 렌즈(722, 724)의 접합된 광학면들은 서로 동일한 곡률을 갖기 때문에, 상기 표 3 및 4에는 제3 렌즈(722)의 후단 광학면의 데이터가 생략되어 있다.

제4 렌즈(724)는 양면 오목한 제9 및 제10 광학면(S9, S10)을 갖고, 제9 및 제10 광학면(S9, S10)의 각각은 구면이다.

제5 렌즈(726)는 볼록-오목한 제11 및 제12 광학면(S11, S12)을 갖고, 제11 및 제12 광학면(S11, S12)의 각각은 비구면이다.

상기 제6 렌즈(728)는 양면 볼록한 제13 및 제14 광학면(S13, S14)을 갖고, 제13 및 제14 광학면(S13, S14)의 각각은 구면이다.

도 15는 상기 프리즘(730)을 상세히 나타낸 도면이다.

상기 프리즘(730)은 대체로 사다리꼴의 형태를 가지며, 상기 프리즘(730)은 동일한 재질로 형성된 후반부(732) 및 전반부(734)를 접합하여 형성될 수 있다. 또는, 상기 프리즘(730)은 사출 공정 등을 통해 후속의 접합 공정을 필요로 하지 않는 일체로 형성될 수 있다. 상기 프리즘(730)의 서로 평행하지 않은 후단 빗변(730a)과 광축(705)이 이루는 각도(즉, 후단 빗변(730a)의 경사도)는 전단 빗변(730b)의 경사도보다 크다. 표 1에서, 후단 빗변(730a), 접합면(730e) 및 전단 빗변(730b)은 제15 내지 제17 광학면(S15, S16, S17)에 각각 대응된다.

본 예에서, 상기 프리즘(730)은 사다리꼴의 형태를 가지며, 어느 한 빗변에 대하여 윗변(730c)의 내각과 밑변(730d)의 내각의 합은 180도를 이룬다(즉, θ1+θ3=180°, θ2+θ4=180°). 상기 프리즘(730)은 단일 재질로 이루어진다. 예를 들어, 상기 프리즘(430)의 윗변(730c)의 내각들은 102.5도 및 100.7도일 수 있다.

상기 프리즘(730)은 광경로를 변경하고, 이로 인해 발생하는 수차 및 왜곡은 제7 및 제8 렌즈(740, 750)에 의해 제거될 수 있다.

상기 제7 렌즈(740)는 오목-볼록한 제18 및 제19 광학면(S18, S19)을 갖고, 제18 및 제19 광학면(S18, S19)의 각각은 비구면이다. 상기 제7 렌즈(740)의 중심축은 광축(705)으로부터 기설정된 거리만큼 이격된다. 상기 제7 렌즈(740)는 상기 프리즘(730)을 투과한 광을 굴절시켜서 광축(705)과 기설정된 각도를 이루면서 진행하도록 한다. 즉, 상기 제7 렌즈(740)는 광경로를 변경시키는 기능을 하며, 다르게 말하자면 광축(705)을 따라(광축과 일치하도록) 진행하는 주광선이 광축과 기설정된 각도를 이루면서 진행하도록 한다.

상기 제3 렌즈군(G3)은 제8 렌즈(750)를 포함하고, 음의 굴절력을 갖는다. 상기 제8 렌즈(750)는 오목-볼록한 제20 및 제21 광학면(S20, S21)을 갖고, 제20 및 제21 광학면(S20, S21)의 각각은 비구면이다. 상기 제8 렌즈(750)는 상기 제7 렌즈(740)를 투과한 주광선과 광축(705)이 이루는 각도를 증가시킨다. 즉, 상기 제7 렌즈(740)와 마찬가지로, 상기 제8 렌즈(750)는 광경로를 변경시키는 기능을 하며, 주광선의 경사각을 더욱 증가시킨다. 또한, 상기 제8 렌즈(750)의 중심축은 광축(705)으로부터 기설정된 거리만큼 이격된다.

상기 반사 장치(100d)는 상기 투사 광학계(700)로부터 광을 수신하고, 상기 광을 스크린 측으로 반사함으로써 스크린상에 영상을 형성한다. 상기 반사 장치(100d)는 제1 전단 미러(110a) 및 제2 전단 미러(120a)를 포함한다. 상기 반사 장치(100)는 상기 프로젝터의 전단(또는 전면)에 위치한다.

상기 제1 전단 미러(110a)는 상기 투사 광학계(700)의 광축(705)(또는 광축의 연장선)과 교차하도록 상기 광축(705)을 따라 상기 투사 광학계(700)의 전면으로부터 이격되어 배치된다. 즉, 상기 제1 전단 미러(110a)는 상기 투사 광학계(700)의 전면(즉, 제21 광학면)과 대면한다. 상기 제1 전단 미러(110a)의 표면(또는, 제1 반사면)은 구면 또는 비구면일 수 있다. 표 3에서, 상기 제1 반사면은 제22 광학면에 해당한다. 상기 제1 전단 미러(110a)는 상기 투사 광학계(700)로부터 입사된 광을 상기 제2 전단 미러(120a) 측으로 반사한다. 상기 제1 전단 미러(110a)는 광축(705)과 기설정된 각도를 이루며, 바람직하게는, 상기 제1 전단 미러(110a)의 경사각 θm은 15도~32도의 범위 내로 설정된다.

상기 제2 전단 미러(120a)는 상기 투사 광학계(700)의 광축(705)(또는 광축의 연장선)이 그 제2 반사면(즉, 그 표면)을 지나지 않도록 상기 투사 광학계(700)로부터 이격되어 배치된다. 상기 제2 반사면(122)은 구면 또는 비구면일 수 있다. 또한, 즉, 상기 제2 전단 미러(120a)는 상기 투사 광학계(700)의 전면(즉, 제21 광학면)과 대면하지 않고, 상기 제1 반사면과도 대면하지 않는다. 상기 제2 전단 미러(120a)는 상기 제1 전단 미러(110a)의 끝단과 근접한 위치의 제1 끝단으로부터 상기 광축(705)으로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 상기 제2 전단 미러(120a)는 상기 제1 전단 미러(110a)와 기설정된 각도를 이루며, 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 전단 미러(110a, 120a)의 사잇각 θn은 96도~106도의 범위 내로 설정된다. 상기 제2 전단 미러(120a)는 상기 제1 전단 미러(110a)로부터 직접 입사된 광을 스크린 측으로 반사한다. 표 3에서, 상기 제2 반사면은 제23 광학면에 해당한다.

상기 투사 광학계(700)의 각 렌즈군은 초점 조절을 위해 이동할 수 있다.

예를 들어, 상기 반사 장치(100d)를 고정하고 각 렌즈군을 동시에 이동하거나, 각 렌즈군을 고정하고 반사 장치(100d)를 이동하거나, 제1 렌즈군(G1) 및 반사 장치(100d)를 고정하고 제2 및 제3 렌즈군(G2, G3)을 서로 반대 방향으로 동시에 이동할 수 있다.

100: 반사 장치, 200: 조명 광학계, 300: 표시 소자, 400: 투사 광학계

Claims (9)

1. 빔 프로젝터의 투사 광학계로부터 입사된 광을 외부 스크린에 반사하여 투사하기 위한 반사 장치에 있어서,
   상기 투사 광학계로부터 입사된 광을 제2 미러로 반사하기 위한 제1 미러와;
   상기 제1 미러로부터 반사된 광이 직접 그 표면에 입사되며, 상기 입사된 광을 상기 스크린으로 반사하기 위한 제2 미러를 포함함을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 미러는 상기 투사 광학계로부터 입사된 광을 상기 투사 광학계의 광축에 수직인 방향으로 반사하고,
   상기 제2 미러는 상기 제1 미러로부터 입사된 광을 상기 광축과 평행한 방향으로 반사하는 것을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 미러 각각은,
   기판과;
   상기 기판의 표면에 적층된 반사층을 포함함을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 미러 각각은,
   상기 반사층에 적층된 투명한 보호층을 더 포함함을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 미러와 연결된 회전축을 더 포함하며,
   상기 제1 및 제2 미러 중 적어도 하나는 상기 회전축을 기준으로 회전함을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 미러의 반사면들은 비구면 및 오목면의 조합, 비구면 및 볼록면의 조합, 비구면 및 평면의 조합 및 평면 및 비구면의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 미러와 상기 투사 광학계의 광축이 이루는 각도는 15도에서 32도까지의 범위 내에 있음을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 미러의 사잇각은 96도에서 106도까지의 범위 내에 있음을 특징으로 하는 빔 프로젝터용 반사 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 반사 장치를 포함하는 빔 프로젝터.

Images