KR20180121099A

KR20180121099A - 초단초점 영상 투사 장치

Info

Publication number: KR20180121099A
Application number: KR1020170055384A
Authority: KR
Inventors: 신동엽; 임국찬; 이학순; 신승민; 배용우; 정구익; 유재황; 전진수
Original assignee: 에스케이텔레콤 주식회사
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-11-07
Also published as: KR102070954B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치는, 광원으로부터 생성된 광선에 영상 정보를 부여하는 패널부 및 상기 광선이 스크린까지 진행하는 경로 상에 위치하여, 스크린까지의 투사거리가 변화함에 따라 상기 광선 중 상기 패널부의 한 점에서 방사된 것은 상기 스크린 상에 도달할 때 상기 스크린 상의 한 점으로 수렴하도록 상기 광선의 경로를 조절하는 구동 렌즈부를 포함하며, 상기 구동 렌즈부는, 서로 부호가 다른 굴절능을 갖는 복수의 렌즈를 포함하되, 상기 광선이 상기 구동 렌즈부의 복수의 렌즈를 순차적으로 통과하도록 배치될 수 있다.

Description

초단초점 영상 투사 장치 {APPARATUS FOR PROJECTING IMAGE WITH ULTRA-SHORT THROW}

본 발명은 가까운 거리에서도 대형 스크린에 영상을 투사할 수 있는 초단초점(ultra-short throw, UST) 영상 투사 장치에 관한 것이다.

빔 프로젝터(beam projector)는 자신으로부터 일정 거리 떨어져 있는 스크린 상에 영상을 투영해서 표시하는 장치이다. 빔 프로젝터는 영상을 이루는 광선을 생성하는 광원(光源), 광원에 의해 생성된 광선에 영상 정보를 부여하는 패널(panel), 영상 정보를 공간 상으로 투영하는 하나 이상의 렌즈로 이루어진 렌즈부 등을 포함할 수 있다.

전술한 패널은 광원으로부터 생성된 광선에 영상을 부여하지만, 결상 광학의 관점에서 보면 패널에서 생성된 영상이 스크린으로 확대되어 투영되므로, 패널에서 광선이 방사된다고 도식할 수 있다.

일반적인 빔 프로젝터의 경우, 대형 스크린에 큰 크기의 영상을 형성하기 위해서는 긴 투사거리가 필요하며, 빔 프로젝터와 스크린 사이의 투사거리로 인한 넓은 공간으로 사람이 지나갈 때에는 영상이 가려지는 등의 문제가 있다. 이에 큰 값의 화각(畵角, angle of view)을 가짐으로써, 스크린 가까이에서도 큰 영상을 투사할 수 있는 초단초점 빔 프로젝터에 대한 수요가 증대되고 있다.

초단초점 빔 프로젝터 역시 구동 렌즈부의 위치를 조절함으로써 스크린에 투사되는 영상의 선명도를 조절할 수 있다. 전술한 바와 같이, 초단초점 빔 프로젝터는 영상 투사 시에 스크린과의 거리가 매우 가깝기 때문에, 초점 심도의 문제로 구동 렌즈부의 위치 조절을 종래의 빔 프로젝터에 비해 보다 정밀하게 할 필요가 있다. 또한, 구동 렌즈부에 포함된 렌즈들의 특성에 오차가 발생하면, 그 오차의 값이 매우 작다 해도 투사되는 영상의 품질에 매우 큰 영향을 끼친다.

한편, 광원으로부터 방사되는 광선은 그 자체로 에너지를 갖기 때문에, 영상이 투사되는 동안 광선을 계속적으로 통과시키는 구동 렌즈부의 렌즈는 광선의 에너지에 의해 온도가 상승하고, 결과적으로 그 특성이 변하게 된다. 이러한 특성의 변화는 영상의 품질 저하를 야기하며, 특히 초단초점 빔 프로젝터에서는 전술한 바와 같이 이러한 품질 저하의 정도가 더욱 심할 수 있다.

또한, 최근에는 기존의 유리(glass) 렌즈 대신 가볍고 잘 깨지지 않는 합성 수지(plastic) 렌즈가 빔 프로젝터에 이용되는 경우가 많다. 하지만 합성 수지 렌즈는 내열성이 유리 렌즈에 비해 낮다는 단점으로 인해 온도 변화에 더욱 민감하므로, 합성 수지 렌즈를 사용하는 빔 프로젝터의 경우 전술한 영상 품질 저하의 문제가 더욱 심각하게 대두될 수 있다.

한국공개특허공보, 제 10-2014-0137445호 (2014.12.02. 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가까운 거리에서도 큰 크기의 영상을 스크린에 투사할 수 있으며, 장시간의 사용에 따른 렌즈의 특성 변화로 인한 영상 품질 저하를 최소화할 수 있는 초단초점 영상 투사 장치를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치는, 광선을 방사하여 스크린에 영상을 투사하는 패널부 및 상기 광선이 상기 스크린까지 진행하는 경로 상에 위치하여, 상기 광선 중 상기 패널부의 한 점에서 방사된 것은 상기 스크린 상에 도달할 때 상기 스크린 상의 한 점으로 수렴하도록 상기 광선의 경로를 조절하는 구동 렌즈부를 포함하며, 상기 구동 렌즈부는, 서로 부호가 다른 굴절능을 갖는 두 개의 구동 렌즈를 포함하되, 상기 광선이 상기 두 개의 구동 렌즈를 순차적으로 통과하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 영상 투사 장치의 구성 중 광선의 경로를 변화시킴으로써 영상의 품질을 조절하는 구동 렌즈부가 두 개의 구동 렌즈를 포함하도록 하되, 이들 구동 렌즈 각각의 굴절능이 서로 반대의 부호를 갖도록 할 수 있다. 이에 따라, 광선 통과에 따른 온도 상승 등의 외부적 요인으로 인해 구동 렌즈 각각의 굴절능이 변한다 해도, 구동 렌즈들끼리 서로의 굴절능의 변화량을 상쇄시킬 수 있으므로 전체 구동 렌즈부의 굴절능의 변화가 최소화되며, 영상의 품질이 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 시스템의 전반적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 구동 렌즈부를 도시한 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치에서 발생할 수 있는 영상 왜곡에 대해 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 시스템의 전반적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1의 영상 투사 시스템(10)은 작은 크기의 패널(panel)로부터 출력되는 영상을 크게 확대하여 사람들에게 보여주기 위한 시스템으로, 영상 투사 장치(100)와 스크린(200)을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 도 1의 영상 투사 시스템(10)는 본 발명의 일 실시예에 불과하므로, 도 1을 통해 본 발명의 사상이 한정 해석되는 것은 아니며, 도시된 것 외의 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다.

영상 투사 장치(100)는 스크린(200)에 투사됨으로써 스크린(200) 상에 영상을 형성하기 위한 광선(111)을 방사할 수 있다. 그러면 스크린(200) 상의 서로 다른 위치에 입사된 여러 다발의 광선(111)에 의해, 스크린(200) 상에 크게 확대된 영상이 형성된다. 스크린(200)은 그 위에 영상을 형성하기 위해 따로 제작될 수도 있지만, 건물의 내벽 등을 스크린(200)으로서 사용하는 것도 가능할 것이다.

영상 투사 장치(100) 내의 작은 크기의 패널로부터 출력되는 작은 크기의 영상을 크기가 큰 스크린(200)에 확대하여 투사하기 위해, 영상 투사 장치(100)는 광선(111)의 경로를 적절히 조절할 필요가 있다. 이에, 영상 투사 장치(100)는 렌즈와 반사경 등을 포함하는 광학계(optical system)을 포함할 수 있으며, 영상 투사 장치(100)의 자세한 구성에 대해서는 도 2를 참조하여 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다. 도 2에서는, 편의상 오프셋(offset)이 100%인 상태를 도식화하였다. 도 2의 영상 투사 장치(100)는 패널부(110), 구동 렌즈부(120), 굴절부(130), 반사부(140) 및 편광 빔 스플리터(polarized beam splitter, PBS, 150)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 도 2의 영상 투사 장치(100)는 본 발명의 일 실시예에 불과하므로, 도 2를 통해 본 발명의 사상이 한정 해석되는 것은 아니며, 도시된 것 외의 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다.

패널부(110)는 광원(光源, 미도시)에 의해 생성된 광선(111)에, 스크린(200) 상에 투사할 영상을 부여할 수 있다. 이를 결상 광학의 관점에서 보면 패널부(110)에서 생성된 영상이 스크린(200)으로 확대되어 투영되므로, 패널부(110)에서 광선(111)이 방사되고, 방사된 광선(111)에 의해 스크린(200)에 영상이 투사된다고 도식할 수 있다.

이러한 패널부(110)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD)와 같은 장치를 통해 구현될 수 있다. 패널부(110)에서 출력된 광선이 이루는 영상은 스크린(200)에 확대되어 투사되므로, 패널부(110)를 축소측, 스크린(200)을 확대측이라 칭할 수도 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 패널부(110) 상의 한 점으로부터 방사된 서로 다른 광선속(光線束) 중 주광선(主光線)은, 패널부(110)에 수직한 직선을 따라 방사될 수 있다. 즉, 패널부(110)와 스크린(200) 사이에 존재하는 광학 시스템은 텔레센트릭(telecentric)한 특징을 가질 수 있다. 이러한 특징에 의하면, 광원의 균일한 구현이 용이하며 통상의 광원과 굴절부(130)의 결합 시 광원에서의 에너지 손실 역시 적다는 장점을 가질 수 있게 된다.

패널부(110)로부터 방사된 광선(111)은 편광 빔 스플리터(150), 굴절부(130), 구동 렌즈부(120) 및 반사부(140)를 차례로 거쳐 스크린(200)에 도달할 수 있다. 패널부(110) 상의 한 점으로부터 방사된 서로 다른 광선속은, 스크린(200)에 도달하기 전까지는 서로 다른 경로로 진행할 수 있지만, 스크린(200)에 도달할 때에는 선명한 영상의 형성을 위해 스크린(200) 상의 한 점으로 수렴할 필요가 있다.

이와 같은 수렴 조건이 만족되는 경우를 가리켜, 영상 투사 장치(100)의 "초점이 맞았다"고 표현할 수 있으며, 초점이 맞지 않는 경우는 영상의 선명도가 저하된다. 이와 같이 초점이 맞는 조건은 영상 투사 장치(100)와 스크린(200) 사이의 거리에 따라 각기 다르므로, 영상 투사 장치(100)와 스크린(200) 간의 거리가 달라지면 초점을 새로 맞출 필요가 있다. 이 때, 초점을 맞추기 위해 구동 렌즈부(120)를 이용할 수 있다.

도 2와 같이, 구동 렌즈부(120)는 굴절부(130)와 반사부(140) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 구동 렌즈부(120)는 굴절부(130)에 의해 굴절되어 경로가 조절된 광선(111)이 입사되면, 상기 입사된 광선(111)이 스크린(200) 상에 선명한 영상을 형성하도록 광선(111)을 재차 굴절시킬 수 있다. 이 때 광선(111)의 경로 조절을 위해서, 구동 렌즈부(120)와 굴절부(130)로 이루어진 광학계의 광축(optical axis, 131)과 평행한 경로를 따라, 일반적으로는 패널부(110)에 수직한 경로를 따라 구동 렌즈부(120)를 앞뒤로 움직일 수 있으며, 결과적으로 영상 투사 장치(100)의 초점을 맞출 수 있다.

즉, 구동 렌즈부(120)는 영상 투사 장치(100)의 광학적 특성을 조절하는 기능을 수행하는 바, 고정되어 있는 굴절부(130)에 비해 보다 정교한 기능을 수행한다고 말할 수 있다. 이에 따라, 구동 렌즈부(120)의 구동 렌즈(121, 122)는 일반적으로 구면 렌즈로 구현되는 굴절부(130)의 렌즈들과는 달리, 비구면 렌즈로서 제작될 수 있다. 비구면 렌즈는 구면 렌즈에서 나타날 수 있는 구면 수차(spherical aberration) 등의 수차를 최소화할 수 있다는 장점을 가지나, 가공이 어려워 제작비가 비싸기 때문에 영상 투사 장치(100)의 모든 렌즈에 적용하기에는 무리가 있을 수 있다.

이에, 영상 투사 장치(100)의 광학적 특성을 조절하는 구동 렌즈부(120)의 구동 렌즈(121, 122)만을 비구면 렌즈로 제작할 수 있으며, 이를 통해 영상 투사 장치(100)의 수차 보정 등 광학적 특성 최적화를 용이하게 수행함으로써, 스크린(200) 상에 왜곡이 적고 선명한 영상이 투사되도록 할 수 있다. 또한, 구동 렌즈(121, 122)로서 합성 수지(plastic) 렌즈를 채용함으로써, 비구면 렌즈로 구현되는 구동 렌즈(121, 122)의 형상을 보다 수차 보정이 유리하도록 설계 및 가공할 수 있다.

한편, 영상 투사 장치(100)를 장시간에 걸쳐 사용할 경우, 광선(111)에 의한 온도 상승으로 인해 렌즈의 굴절능 등 영상 투사 장치(100)의 광학적 특성이 변할 수 있음은 전술한 바와 같다. 이는 스크린(200) 상에 투사되는 영상의 품질 저하를 야기할 수 있다. 더욱이, 합성 수지 렌즈를 이용하여 구현될 수 있으며, 영상 투사 장치(100)의 광학적 특성을 조절하는 기능을 수행하는 구동 렌즈부(120)에 대해서는 이러한 광학적 특성의 변화가 더욱 치명적일 수 있다.

렌즈의 가장 중요한 광학적 특성으로는 굴절능(refractive power)을 들 수 있다. 굴절능은 렌즈의 초점 거리(focal length)의 역수와 같은 값을 갖는데, 굴절능의 부호는 굴절의 방향을, 굴절능의 절댓값은 굴절의 정도를 각각 나타낼 수 있다. 예컨대, 서로 평행하게 입사한 광선이 렌즈 통과 후 하나의 초점으로 수렴할 경우(예시적으로, 볼록렌즈), 해당 렌즈는 양의 굴절능을 갖는다고 할 수 있으며, 반대로 렌즈 통과 후 발산할 경우에는 음의 굴절능을 갖는다고 할 수 있다. 굴절능의 절댓값은 수렴 혹은 발산의 정도를 나타낼 수 있다.

이러한 굴절능은 전술한 바와 같이 렌즈의 온도에 따라 변할 수 있다. 이러한 굴절능 변동으로 인한 문제를 해결하고자, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(100)에서는, 구동 렌즈부(120)가 광축(131)을 따라 나란히 배열된 두 개의 구동 렌즈(121, 122)를 포함할 수 있다. 이 때, 구동 렌즈(121, 122) 중 하나는 양의 굴절능을, 나머지 하나는 음의 굴절능을 각각 갖도록 할 수 있다.

렌즈 두 개의 합계 굴절능은 각 렌즈 간의 간격에 비례한 일정한 수학식량을 고려해야 하지만, 그 간격이 아주 작다고 가정하면, 각 렌즈의 굴절능의 합으로 표현될 수 있다. 이와 관련하여, 예컨대 -10mm^-1의 굴절능을 갖는 구동 렌즈부(120)가 필요할 경우, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 1 구동 렌즈(121)의 굴절능을 -100mm^-1으로, 제 2 구동 렌즈(122)의 굴절능을 90mm^- ¹으로 설정할 수 있을 것이다.

온도에 따른 렌즈의 굴절능의 변화는, 굴절능의 부호에 따라 그 경향이 다르다. 즉, 양의 굴절능을 갖는 렌즈와, 음의 굴절능을 갖는 렌즈 간에는 변화의 경향성이 다르다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 렌즈부(120)의 온도가 상승한다 해도, 두 개의 구동 렌즈(121, 122) 간에 굴절능의 변화량이 서로 상쇄되므로, 전체 구동 렌즈부(120)의 굴절능의 변화는 최소화될 수 있다.

한편, 본 발명의 구동 렌즈부(120)는 두 개의 구동 렌즈(121, 122)만을 포함할 수 있는 것은 아니며, 서로 다른 부호의 굴절능을 갖는 두 개의 구동 렌즈로 이루어진 구동 렌즈의 쌍을 복수 개 포함할 수 있다. 이에 따라, 구동 렌즈부(120)는 총 짝수 개의 구동 렌즈를 포함할 수 있다. 즉, 두 개의 구동 렌즈(121, 122)를 포함하는 구동 렌즈부(120)는 설명의 편의를 위해 가정한 본 발명의 일 실시예일 뿐이므로, 이에 의해 본 발명의 사상이 제한적으로 해석되지는 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 구동 렌즈부를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 구동 렌즈부(120)는 광축(131) 상에 나란히 정렬된 제 1 구동 렌즈(121)와 제 2 구동 렌즈(122)를 포함하도록 구현될 수 있다. 이 때, 반사부(140)에 가까운 측에 제 1 구동 렌즈(121)가, 패널부(110) 혹은 굴절부(130)에 가까운 측에 제 2 구동 렌즈(122)가 각각 위치하도록 할 수 있다. 따라서, 광선(111)은 제 2 구동 렌즈(122)와 제 1 구동 렌즈(121)를 순차적으로 통과하게 된다.

제 1 구동 렌즈(121)와 제 2 구동 렌즈(122)의 합계 굴절능, 즉 전체 구동 렌즈부(120)의 굴절능은 음의 값을 갖도록 설정될 수 있다. 특히, 상대적으로 스크린(200) 쪽에 가까운 제 1 구동 렌즈(121)의 굴절능이 음의 값을 갖도록 설정될 수 있으며, 이에 따라 제 2 구동 렌즈(122)의 굴절능은 양의 값을 갖되, 그 절대값은 제 1 구동 렌즈(121)의 굴절능의 절대값보다 작도록 설정될 수 있을 것이다. 이와 같이 제 1 구동 렌즈(121)와 제 2 구동 렌즈(122)의 굴절능을 설정하면, 비점수차(astigmatism) 등의 광학 수차를 보정하기가 더욱 쉬워진다.

한편, 제 1 구동 렌즈(121)의 초점 거리(f₁)와 제 2 구동 렌즈(122)의 초점 거리(f₂)는 다음과 같은 수학식 1을 만족하도록 설정될 수 있다.

이 경우, 굴절능과 초점 거리가 서로 역수 관계임을 고려하면, 제 1 구동 렌즈(121)의 굴절능(Φ₁)과 제 2 구동 렌즈(122)의 굴절능(Φ₂)은 다음과 같은 수학식 2를 만족할 수 있다.

상기 수학식 2는 제 1 구동 렌즈(121)의 굴절능의 크기에 대한 제 2 구동 렌즈(122)의 굴절능의 크기의 비율이 0.4에서 1.6 사이의 범위에 있다는 것을 의미한다. 수학식 2에서는 굴절능의 비율의 범위의 하한과 상한으로 0.4와 1.6을 각각 설정하였지만, 상기 하한과 상한의 값은 수학식 2에서 설정한 바에 반드시 한정되는 것은 아니다.

상기 수학식 2는, 제 1 구동 렌즈(121)와 제 2 구동 렌즈(122) 중 어느 하나의 굴절능이 다른 하나의 굴절능에 비해 극단적으로 작거나 크지 않음을 의미한다. 만일 두 구동 렌즈(121, 122)의 굴절능이 수학식 2를 만족하지 않는다면, 서로 간의 굴절능의 차이가 매우 크기 때문에, 온도 변화에 따른 한 구동 렌즈의 굴절능의 변화와 다른 구동 렌즈의 굴절능의 변화가 서로 효과적으로 상쇄되지 않을 것이다. 즉, 상기 수학식 2와 관련된 특징은 전체 구동 렌즈부(120)의 굴절능의 변화를 최소화하기 위한 본 발명의 핵심적 구성을 더욱 확실히 보장하기 위한 것이라 할 수 있다.

지금까지 도 2 및 3을 참조하여 설명된 구동 렌즈부(120)를 통과한 광선(111)은, 반사부(140)에 의해 반사되어 스크린(200)에 도달할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반사부(140)는 반사면이 평면인 평면 반사경(141)과, 반사면이 오목한 형태의 곡면인 곡면 반사경(142)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 광선(111)은 평면 반사경(141)과 곡면 반사경(142)에 의해 순차적으로 반사되어 영상 투사 장치(100) 외부의 스크린(200)에 도달할 수 있다.

곡면 반사경(142)의 반사면(143)은, 반사면(143)에 수직한 법선(法線, normal line) 중 곡면 반사경(142)의 초점을 지나는 법선에 대해 회전 대칭을 이루는 회전 대칭 반사면으로 형성될 수 있다. 이러한 회전 대칭 반사면과 대조되는 개념으로서 자유 곡면으로 이루어진 회전 비대칭 반사면을 들 수 있는데, 회전 비대칭 반사면은보다 많은 광학 수차를 효과적으로 보정할 수 있으나, 곡면의 형상의 오차량(제조 공차)에 의한 화상의 성능 변화가 비대칭적으로 발생하여 제조가 어렵다는 단점이 존재한다.

이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(100)는 회전 대칭 반사면으로 형성된 반사면(143)을 갖는, 오목 거울 형태의 곡면 반사경(142)을 채용함으로써, 반사면(143)을 보다 쉽게 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(100)중 반사부(140)로 방사되는 최확대측의 렌즈를 비구면 렌즈로 채용함으로써 왜곡 수차를 보정하여, 회전 대칭 반사면으로 형성된 반사면(143)으로도 넓은 광각을 확보할 수 있다.

도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 투사 장치에서 발생할 수 있는 영상 왜곡에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 4 및 5와 관련된 본 발명의 특징에 대해 설명하기 전에, 우선 영상의 왜곡이라는 개념에 대해 살펴보도록 한다. 영상의 왜곡이란, 이상적인 광학계를 통과할 경우 스크린에 투사될 영상(즉, 일반적으로는 패널로부터 출력된 영상과 동일한 모양의 영상)과, 실제로 스크린에 투사된 영상 간의 차이를 가리키는 개념으로, 광학 기술 분야의 통상의 기술자에게 익숙한 개념이다.

물론 영상의 왜곡은 존재하지 않는 것이 바람직하나, 광학계는 다수의 렌즈에 의해 구성되는 복잡한 시스템이기 때문에, 광학계에 허용된 크기, 렌즈 개수, 재료 및 공정 비용 등의 조건을 만족하면서 영상의 왜곡이 존재하지 않는 광학계를 구현하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서, 현실에서의 광학계는 일정량의 왜곡이 필연적으로 존재한다고 여겨지는 것이 일반적이다. 영상의 각 부분에서의 왜곡의 값은 서로 달리 나타날 수 있는데, 영상의 특정 부분의 왜곡의 값은 실제 영상에서 해당 부분의 위치와 광학계의 광축 사이의 거리에서, 이상적인 영상에서 해당 부분의 위치와 광학계의 광축 사이의 거리를 뺀 값으로 정의될 수 있다. 여기서의 광축은 오프셋(offset)을 고려하지 않은 굴절부 렌즈의 회전 대칭의 축을 의미한다.

도 4는 다양한 크기의 스크린을 이용하여 영상의 왜곡을 측정한 결과를 나타낸다. 도 4의 (A), (B), (C)의 그래프는 각각 33인치, 53인치, 106인치 스크린을 이용하여 영상의 왜곡을 측정한 결과이며, 스크린의 크기 증가에 따라 투사 거리 역시 그에 비례하여 증가하였다. 영상의 특정 부분의 왜곡의 값은, 편의상 왜곡의 값 그 자체가 아닌, 이상적인 영상에서 해당 부분의 위치와 광학계의 광축 사이의 거리에 대한 왜곡의 값의 비율로서 나타내었다.

측정 결과를 살펴보면, 영상의 각 부분에서의 왜곡의 값은 광축으로부터의 거리의 함수로 표현될 수 있으며, 투사 거리 등의 조건이 변화하면 왜곡의 값을 나타내는 함수 역시 변하게 된다. 즉, 도 4의 측정 결과는 모든 경우에 있어서 왜곡을 없앨 수 있는 해결책을 구하는 것이 사실상 불가능하다는 것을 뒷받침할 수 있다.

도 5는 전술한 바와 같은 왜곡이 일어난 스크린 상의 영상을 나타내기 위한 도면이다. 도 5의 왜곡된 영상들은, 이상적인 광학계를 통과했다면 직사각형의 형상을 가졌을 것으로 가정하도록 한다. 또한, 편의상 광학계의 오프셋(offset)은 0인 것으로 가정하도록 하며, 따라서 영상의 중심은 광학계의 광축이 연장된 직선과 스크린이 만나는 점에서 형성될 것이다.

도 5의 (A)는 이른바 양(positive)의 왜곡이 일어난 영상(210)을 나타낸 것으로, 영상(210)의 이상적인 형상인 직사각형의 꼭지점(바람직하게는 위쪽 꼭지점)에 해당하는 제 1 지점(211)의 왜곡의 값이, 직사각형의 변(바람직하게는 위쪽 변)의 중점에 해당하는 제 2 지점(212)의 왜곡의 값보다 큰 경우에 해당한다. 이에 반해, 도 5의 (B)는 이른바 음(negative)의 왜곡이 일어난 영상(210)을 나타낸 것으로, 제 1 지점(211)의 왜곡의 값이 제 2 지점(212)의 왜곡의 값보다 작은 경우에 해당한다. 다만, 왜곡의 값의 크기, 즉 절대값은 (A)와 (B) 모두에 있어서 광축과 만나는 영상의 중심(213)에 상대적으로 먼 제 1 지점(211)이 더 클 수 있다.

전술한 두 가지 타입의 왜곡 중에서, 영상의 시청자는 일반적으로 끝이 뾰족한 도 5의 (A)와 같은 양의 왜곡에 더 민감하게 반응한다. 이에, 왜곡을 완벽하게 없앨 수 없다면, 시청자가 보다 자연스럽다고 느낄 수 있는 도 5의 (B)와 같은 음의 왜곡이 스크린에 투사된 영상에서 유지되도록 함으로써, 시청자의 거부감을 최소화할 수 있을 것이다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예의 영상 투사 장치(100)는, 이상적으로는 직사각형 형상을 갖는 영상이 스크린(200)에 투사될 때, 스크린(200) 상에서 직사각형의 꼭지점에 대응되는 부분의 왜곡의 값이, 직사각형의 변의 중점에 대응되는 부분의 왜곡의 값보다 작도록 광선(111)의 경로를 조절할 수 있을 것이다. 단, 영상 투사 장치(100) 측에서의 왜곡의 양상은 스크린(200) 상에서 발생하는 왜곡의 양상과는 반대이다. 따라서 영상 투사 장치(100) 측에서는 광선(111)중 직사각형의 꼭지점에 대응되는 부분을 나타내는 광선의 왜곡의 값이, 직사각형의 변의 중점에 대응되는 부분을 나타내는 광선의 왜곡의 값보다 크도록 할 수 있을 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광선 통과에 따른 온도 상승 등의 외부적 요인으로 인해 구동 렌즈 각각의 굴절능이 변한다 해도, 구동 렌즈들끼리 서로의 굴절능의 변화량을 상쇄시킬 수 있으므로 전체 구동 렌즈부의 굴절능의 변화가 최소화되며, 투사 거리의 변화에 따라 스크린의 사이즈가 변화될 때에도 왜곡의 대체적인 형태가 유지되며, 이로 인해 영상의 품질이 유지될 수 있다.

10: 영상 투사 시스템
100: 영상 투사 장치
110: 패널부
120: 구동 렌즈부
130: 굴절부
140: 반사부
150: 편광 빔 스플리터
200: 스크린

Claims

광선을 방사하여 스크린에 영상을 투사하는 패널부; 및
상기 광선이 상기 스크린까지 진행하는 경로 상에 위치하여, 상기 광선 중 상기 패널부의 한 점에서 방사된 것은 상기 스크린 상에 도달할 때 상기 스크린 상의 한 점으로 수렴하도록 상기 광선의 경로를 조절하는 구동 렌즈부를 포함하며,
상기 구동 렌즈부는, 서로 부호가 다른 굴절능을 갖는 두 개의 구동 렌즈를 포함하되, 상기 광선이 상기 두 개의 구동 렌즈를 순차적으로 통과하도록 배치되는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 구동 렌즈부의 전체적인 굴절능은 음의 값을 갖는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 구동 렌즈부는, 상기 두 개의 구동 렌즈 중 음의(negative) 굴절능을 갖는 구동 렌즈가, 다른 구동 렌즈보다 상기 패널부로부터 상대적으로 먼 곳에 배치되는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 두 개의 구동 렌즈 중 양의 굴절능을 가진 구동 렌즈의 굴절능을 Φ₁, 음의 굴절능을 가진 구동 렌즈의 굴절능을 Φ₂라 할 때, 상기 Φ₁ 및 상기 Φ₂에 대해 "0.4≤|Φ₂/Φ₁|≤1.6"의 조건이 만족되는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 두 개의 구동 렌즈는, 합성 수지(plastic) 렌즈인
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패널부와 상기 구동 렌즈부 사이에서 상기 광선을 굴절시켜 상기 광선의 경로를 조절하는 하나 이상의 렌즈를 포함하는 굴절부를 더 포함하는
영상 투사 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 구동 렌즈부는, 상기 굴절부의 광축과 평행한 경로를 따라 움직임으로써, 상기 광선의 경로를 조절하는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 영상 투사 장치는, 왜곡이 존재하지 않을 경우 상기 영상이 직사각형 형상을 갖는다고 할 때, 상기 영상에서 상기 직사각형의 꼭지점에 대응되는 부분의 왜곡의 값이, 상기 영상에서 상기 직사각형의 변의 중점에 대응되는 부분의 왜곡의 값보다 작도록, 상기 광선의 경로를 조절하는
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
반사면이 곡면인 곡면 반사경을 포함하는 반사부를 더 포함하며,
상기 곡면 반사경은, 상기 구동 렌즈부를 통과한 상기 광선이 상기 반사면에 의해 반사되어 상기 스크린에 도달하도록 하는
영상 투사 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 반사면은, 양의 굴절능을 갖는 오목한 반사면이며, 상기 곡면 반사경의 초점을 지나는 상기 반사면의 법선에 대해 회전 대칭을 이루는 회전 대칭 반사면인
영상 투사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 패널부의 한 점에서 방사되는 광선은 복수의 광선속을 포함하고, 상기 복수의 광선속 중 주광선(主光線)은 상기 패널부에 수직한 직선을 따라 방사되는
영상 투사 장치.