KR20200007465A - 영상 투사 장치 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 영상 투사 장치는 패널(panel)부와, 상기 패널부로부터 광선을 전달받아서 굴절시키는 투사 광학계와, 상기 투사 광학계로부터 상기 굴절된 광선을 전달받아서 반사시키는 반사부와, 상기 반사부로부터 상기 반사된 광선을 전달받아서 상기 반사된 광선에 따른 상(像)을 표시하는 스크린부를 포함한다. 상기 패널부, 상기 투사 광학계, 상기 반사부 및 상기 스크린부는 상기 패널부로부터 상기 투사 광학계를 거쳐 상기 반사부까지 소정의 직선축을 따라 측정된 거리가, 상기 반사부로부터 상기 스크린부까지 상기 직선축을 따라 측정된 거리보다 길도록 배치된다.

Description

영상 투사 장치{IMAGE PROJECTION APPARATUS}

본 발명은 영상 투사 장치에 대한 것이다.

영상 투사 장치 중 하나인 빔 프로젝터는 자신으로부터 일정 거리 떨어져 있는 스크린 상에 영상을 확대하여 투사하는 장치이다. 빔 프로젝터는 영상을 이루는 광선을 생성하는 광원(光源), 광원을 전달받아서 영상을 생성하는 패널(panel), 광원과 패널 사이에 위치하여 광원으로부터 방사된 광선을 패널에 집중시켜 패널에 영상이 생성되도록 하는 조명 광학계, 패널과 스크린 사이에 위치하여 패널의 영상을 확대하여 스크린에 투사하는 투사 광학계 등을 포함할 수 있다.

이와 같은 빔 프로젝터는 학교, 회사, 가정 등 다양한 장소에서 강의, 프리젠테이션, 동영상 시청 등의 여러 목적을 위해 널리 사용되고 있다. 또한, 빔 프로젝터의 사용이 일반화됨에 따라, 최근에는 휴대가 가능할 정도로 작은 초소형의 빔 프로젝터에 대한 수요도 증가하고 있다.

도 1 및 2는 텔레센트릭(telecentric) 방식의 광학계를 도시한 도면이다. 텔레센트릭 방식의 광학계는 패널 상의 각 위치에서의 주광선(主光線)이 패널의 법선(法線)과 이루는 각도(chief ray angle, 이하 CRA)가 0으로 수렴하도록 설계된 것을 특징으로 한다. 도 1 및 2를 참조하면, 패널(30)은 각각 복수의 렌즈(11, 21)를 포함하는 조명 광학계(10)와 투사 광학계(20) 사이에 존재한다. 이러한 패널(30)에 입사되는 복수의 광선속 중 주광선(主光線, 40)에 해당하는 것들은, 도면에 도시된 바와 같이 패널(30)의 표면에 거의 수직한 상태로 입사 및 방사된다.

한국공개특허공보, 제 10-2013-0019191호 (2013.02.26. 공개)

최근에는 초근거리에서도 투사 가능한, 즉 투사거리가 일반적인 프로젝터보다 짧은 프로젝터에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 프로젝터의 경우, 비점수차 보정이나 색수차 보정이 성능에 큰 영향을 미치게 된다.

이에, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 투사거리가 짧은 경우에도 비점수차 보정 내지 색수차 보정의 효과를 일정 수준 이상으로 가질 수 있고, 또한 일정 수준 이상의 결상 배율을 확보할 수 있는 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.

일 실시예에 따른 영상 투사 장치는 패널(panel)부와, 상기 패널부로부터 광선을 전달받아서 굴절시키는 투사 광학계와, 상기 투사 광학계로부터 상기 굴절된 광선을 전달받아서 반사시키는 반사부와, 상기 반사부로부터 상기 반사된 광선을 전달받아서 상기 반사된 광선에 따른 상(像)을 표시하는 스크린부를 포함한다. 상기 패널부, 상기 투사 광학계, 상기 반사부 및 상기 스크린부는 상기 패널부로부터 상기 투사 광학계를 거쳐 상기 반사부까지 소정의 직선축을 따라 측정된 거리가, 상기 반사부로부터 상기 스크린부까지 상기 직선축을 따라 측정된 거리보다 길도록 배치된다.

일 실시예에 따르면, 초근거리에서도 비점수차 내지 색수차의 보정이 효과적으로 이루어질 수 있는, 따라서 초근거리에서도 투사 가능한 영상 투사 장치의 제공이 가능하다.

도 1 및 2는 텔레센트릭(telecentric) 방식의 광학계를 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 투사 광학계의 구성을 패널부 및 반사부와 함께 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 반사부의 면 형상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 영상 투사 장치의 구성을 예시적으로 도시한 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 3은 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다. 다만, 도 3에 도시된 것은 예시적인 것에 불과하므로, 도 3를 통해 본 발명의 사상이 한정 해석되는 것은 아니며, 따라서 영상 투사 장치(1000)는 도시된 것 외의 다른 구성 요소를 추가로 포함하거나, 도시된 구성 요소 중 일부를 포함하지 않을 수 있다.

도 3을 참조하면, 영상 투사 장치(1000)는 패널부(110), 투사 광학계(120), 반사부(130) 및 스크린부(140)를 포함한다. 또한, 도 3에는 도시되지 않았지만, 영상 투사 장치(1000)는 전원부, 전원부로부터 전원을 공급받아서 광선을 발생시키는 LED와 같은 광원부, 광원부로부터 광선을 전달받아서 상기 패널부(110)에서 상이 형성되도록 조사하는 복수의 렌즈로 구성되는 조명 광학계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 패널부(110) 및 스크린부(140) 그 자체는 공지된 구성이므로 이들 각각에 대한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 투사 광학계(120)는 도 4에서, 반사부(130)에 관한 것은 도 5에서 자세하게 설명하기로 한다.

이하에서는 전술한 영상 투사 장치(1000)에서 상(像)이 형성되는 과정에 대해 살펴본다. 전원부로부터 전원을 공급받은 광원부는 광선을 발생시키고, 발생된 광선은 조명 광학계를 거쳐 패널부(110)로 전달되어서 상을 형성한다. 패널부(110)에서 상을 형성한 광선은 투사 광학계(120)를 거쳐 반사부(130)로 전달되어서 반사되고, 반사부(130)에서 반사된 광선은 스크린부(140)로 전달된다. 그러면, 스크린부(140)에는 상이 형성된다.

이 때, 영상 투사 장치(1000)는 프로젝터이므로, 패널부(110)에 형성된 상에 비해 스크린부(140)에 형성된 상의 크기가 크다. 이에, 도 3에 도시된 것과 같이, 패널부(110)는 '축소측'이라 지칭될 수 있고 스크린부(140)는 '확대측'이라고 지칭될 수 있다.

이하에서는 영상 투사 장치(1000)의 각 구성요소가 배치되는 위치에 대해, 패널부(110)를 기준으로 살펴보도록 한다.

먼저, 전술한 전원부, 광원부 및 조명 광학계는 도면에는 도시되지 않았지만 도 3의 패널부(110) 부근에 배치될 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다.

투사 광학계(120)는 소정의 직선축(도 3에서는 y축)을 따라(직선축에 평행한 방향으로), 패널부(110)로부터 제1 거리(도 3에 도시)만큼 이격된 위치에 배치된다.

반사부(130)는 전술한 y축을 따라, 패널부(110)로부터 제2 거리(도 3에 도시)만큼 이격된 위치에 배치된다. 이 때 제2 거리는 제1 거리보다 길다.

스크린부(140)는 전술한 y축을 따라, 패널부(110)로부터 제3 거리(도 3에 도시)만큼 이격된 위치에 배치된다. 이 때 제3 거리는 제2 거리보단 짧다. 따라서, y축을 따라 반사부(130)로부터 스크린부(140)까지 이격된 거리인 제4 거리(도 3에 도시)는 전술한 제2 거리보다 짧다.

여기서, 제2 거리는 '전장 거리'로 지칭되고, 제4 거리는 반사부(130)에서 반사된 광선이 스크린부(140)까지 투사되는 거리라는 점에서 '투사 거리'라고 지칭된다. 이를 기초로 살펴보면, 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)에서는, 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 작다. 이는, 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 작음에도 불구하고, 즉 초근거리에서 투사함에도 불구하고 영상 투사 장치(1000)의 다양한 구성들, 예컨대 투사 광학계(120) 내지 반사부(130)에 의해 상(像) 제대로 맺힐 수 있음을 의미한다 즉, 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)는 초근거리에서도 투사 가능한 장치이다.

아울러, 도 3을 참조하여서, 반사부(130)로부터 스크린부(140)의 상단까지의 광로의 길이를 제1 길이라고 정의(도 3에 도시됨)하고 반사부(130)로부터 스크린부(140)의 하단까지의 광로의 길이를 제2 길이라고 정의하자(도 3에 도시됨). 일반적인 프로젝터의 경우 반사부로부터 스크린부까지의 거리가 패널부로부터 반사부까지의 거리보다 상대적으로 훨씬 길다. 즉, 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 크다. 따라서, 이러한 일반적인 프로젝터에서의 제1 길이(도 3에 도시된 것을 참조)에 대한 일반적인 프로젝터에서의 제2 길이(도 3에 도시된 것을 참조)의 비율은 1보다 작지만 거의 1에 가까운 값을 가질 수 있다.

그러나, 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)의 경우 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 작다. 따라서, 제1 길이에 대한 제2 길이의 비율이 일반적인 프로젝터보다 작은 값을 갖는다.

한편, 결상 배율은 Reduction Ratio(RED)라고도 지칭되는데, 확대측에서 형성된 영상(상)의 높이에 대한 축소측에서 형성된 영상(상)의 높이의 비율로 연산된다. 도 3을 참조하면, 제2 높이(도 3에 도시됨)에 대한 제1 높이(도 3에 도시됨)의 비율이 결상 배율이다. 일반적인 프로젝터의 결상 배율은 0.02 이하인 반면, 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)의 결상 배율은 0.04보다 크다. 이는, 결상 배율이 일반적인 프로젝터보다 큰 값을 가짐에도 불구하고 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)에서는 상(像)이 제대로 맺힐 수 있음을 의미한다.

한편, 전술한 바와 같이 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)는 초근거리에서 투사함에도 불구하고 상(像)이 제대로 맺힐 수 있는 장치이다. 이는 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)에서는 초근거리에서 투사함에도 불구하고 비점수차 내지 색수차의 보정이 효과적으로 이루어진다는 것을 의미하는데, 이는 도 3에 도시된 투사 광학계(120)와 반사부(130)를 통해 가능하다. 이하에서는 이 중 투사 광학계(120)에 대해 보다 자세하게 살펴보기로 한다.

도 4는 도 3에 도시된 투사 광학계(120)의 구성을 패널부(110) 및 반사부(130)와 함께 도시한 도면이다. 다만, 도 4는 예시적인 것에 불과하므로, 투사 광학계(120)의 구성이 도 4에 도시된 것으로 한정 해석되는 것은 아니다.

도 4를 참조하면, 투사 광학계(120)는 적어도 하나의 비구면 렌즈(122) 또는 적어도 하나의 매니스커스(meniscus) 렌즈(121)를 포함한다. 매니스커스 렌즈(121)는 비구면 렌즈(122)에 비해, 패널부(110)로부터 측정된 거리가 더 먼 쪽(도 4에서는 y축에 평행한 방향을 따라 측정된 거리)에 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 비구면 렌즈(122)와 매니스커스 렌즈(121)는 투사 거리에 따른 결상 배율을 향상시킬 수 있으며, 비점수차 보정에도 효과적인 역할을 할 수 있다. 특히, 매니스커스 렌즈(121)가 적어도 3개 포함될 경우 이들은 소정의 직선축(도 4에서는 y축)을 따라 연속적으로 인접 배치될 수 있는데, 이 경우 투사 거리에 따른 결상 배율의 향상 효과가 극대화될 수 있다.

한편, 투사 광학계(120)에 복수 개의 비구면 렌즈(122)가 포함될 경우, 이들 비구면 렌즈(122)들의 초점 거리 및 절대값은 아래와 같은 관계를 가질 수 있다. 물론, 실시예에 따라 매니스커스 렌즈(121) 또한 아래와 같은 관계를 가질 수도 있으나, 이하에서는 비구면 렌즈(122)가 아래와 같은 관계를 갖는 것을 전제로 한다.

- 복수 개의 렌즈 중 인접 배치된 렌즈 2개 씩을 하나의 쌍으로 본다는 전제에서,

- 동일한 쌍을 구성하는 렌즈들끼리의 초점 거리의 부호는 서로 반대임

- 동일한 쌍을 구성하는 렌즈들끼리의 초점 거리의 절대값 간의 차이는, 쌍을 이루는 렌즈 중 어느 하나의 렌즈의 초점 거리의 절대값 기준으로 10% 이내의 값을 가짐

예컨대, 도 4에 도시된 것과 같이 투사 광학계(120)를 구성하는 렌즈들은 다음과 같이 쌍을 이룰 수 있으며, 이 때 각 쌍의 초점 거리와 부호는 다음과 같을 수 있다.

(G3,G4) = (-10.3, 10.7)

(G5,G6) = (4.4,-5.7)

(G7,G8) = (7.0,-7.1)

(G9,G8) = (3.2,-3.5)

투사 광학계(120)를 구성하는 렌즈들이 전술한 관계에 따른 초점 거리와 부호를 갖도록 구성될 경우, 투사 거리에 따른 결상 배율의 향상 효과가 극대화될 수 있으며, 또한 색수차 또한 효과적으로 보정될 수 있다.

다음으로, 반사부(130)에 대해 살펴보도록 한다.

도 5는 도 3에 도시된 반사부(130)의 면 형상을 예시적으로 도시한 도면이다. 다만, 도 5는 예시적인 것에 불과하므로, 반사부(130)의 면 형상이 도 5에 도시된 것으로 한정 해석되는 것은 아니다.

도 5를 참조하면, 반사부(130)는 소정 곡률의 곡면(sag)을 갖는다. 도 5에 도시된 제2 축을 기준으로 반사부(130)의 각 지점까지의 거리를 측정하여 보면, 측정된 각 거리는 도 5에 도시된 제1 축을 기준으로 선대칭을 이룬다. 아울러, 측정된 각 거리는 다음과 같은 수학식 1에 의해 표시 내지 연산될 수 있다.

아울러, 위의 수학식 1에서 각 파라미터는 다음과 같이 정의될 수 있다.

- z : 제1 축과 평행한 Sag값

- c : 곡률(curvature)

- k : conic constant

- r : radial distance (sqrt(x^2+y^2))

- ARn : r^n 의 계수 (1<= n <= 30)

이러한 곡률의 곡면을 갖는 반사부(130)는 '회전 대칭'이라고 지칭된다. 반사부(130)가 회전 대칭일 경우, 투사 거리에 따른 결상 배율의 향상 효과가 극대화될 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)의 구성을 예시적으로 도시한 도면이다. 다만, 도 6은 예시적인 것에 불과하므로, 영상 투사 장치(1000)의 구성이 도 6에 도시된 것으로 한정 해석되는 것은 아니다.

도 6을 참조하면, 영상 투사 장치(1000)는 패널부(110), 반사부(130) 및 스크린부(140)를 포함한다. 또한, 영상 투사 장치(1000)는 도 6에는 도시되지 않았지만 프로젝터에 일반적으로 구비되는 구성들, 예컨대 전술한 전원부, 광원부, 투사 광학계(도 3에 도시된 것과 동일한) 및 조명 광학계를 포함할 수 있다. 아울러, 영상 투사 장치(1000)는 전술한 구성들이 실장되는 케이스(200)를 포함할 수 있다. 이 때, 케이스(200) 중 일부(300)는 투명 재질로 형성되어서 빈 공간(310)을 형성할 수 있으며, 스크린부(140)는 이러한 빈 공간(310) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 사용자는 이러한 투명 재질의 케이스(300)를 통해 스크린부(140) 및 이러한 스크린부(140)에 형성된 상(像)을 인식할 수 있다.

상(像)이 형성되는 과정을 살펴보면, 패널부(110)에서 상을 형성한 광선은 도 6에는 도시되지 않았지만 투사 광학계를 거쳐서 반사부(130)로 전달되고, 반사부(130)에서 반사된 광선은 스크린부(140)에서 상을 형성한다.

이 때, 이러한 영상 투사 장치(1000)의 경우 전술한 바와 같이 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 작다. 이는, 전장 거리에 대한 투사 거리의 비율이 1보다 작음에도 불구하고, 즉 초근거리에서 투사함에도 불구하고 영상 투사 장치(1000)에 상(像)이 제대로 맺힐 수 있음을 의미한다 즉, 일 실시예에 따른 영상 투사 장치(1000)는 초근거리에서도 투사 가능한 장치이다.

아울러, 영상 투사 장치(1000)가 초근거리에서 투사함에도 불구하고, 이러한 영상 투사 장치(1000)에서는 비점수차 내지 색수차의 보정이 효과적으로 이루어질 수 있다.

뿐만 아니라, 이러한 영상 투사 장치(1000)의 결상 배율은 일반적인 프로젝터보다 큰 값을 가짐에도 불구하고, 해당 영상 투사 장치(1000)는 상(像)을 제대로 형성할 수 있다.

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.

일 실시예에 따르면, 초근거리에서도 투사 가능한 영상 투사 장치의 제공이 가능하다.

1000: 영상 투사 장치

Claims (6)

1. 패널(panel)부와,
   상기 패널부로부터 광선을 전달받아서 굴절시키는 투사 광학계와,
   상기 투사 광학계로부터 상기 굴절된 광선을 전달받아서 반사시키는 반사부와,
   상기 반사부로부터 상기 반사된 광선을 전달받아서 상기 반사된 광선에 따른 상(像)을 표시하는 스크린부를 포함하며,
   상기 패널부, 상기 투사 광학계, 상기 반사부 및 상기 스크린부는,
   상기 패널부로부터 상기 투사 광학계를 거쳐 상기 반사부까지 소정의 직선축을 따라 측정된 거리가, 상기 반사부로부터 상기 스크린부까지 상기 직선축을 따라 측정된 거리보다 길도록 배치되는
   영상 투사 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 투사 광학계는,
   적어도 하나의 비구면 렌즈 및 적어도 두 개의 매니스커스(meniscus) 렌즈를 포함하는
   영상 투사 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 적어도 두 개의 매니스커스 렌즈는,
   상기 직선축을 따라 상기 패널부로부터 측정된 거리가 상기 적어도 하나의 비구면 렌즈보다 먼 곳에 배치되는
   영상 투사 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 투사 광학계는,
   상기 직선축을 따라 연속적으로 인접 배치된 적어도 세 개의 매니스커스 렌즈를 포함하는
   영상 투사 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 투사 광학계는 적어도 한 쌍의 렌즈를 포함하되,
   상기 쌍을 구성하는 렌즈들끼리는,
   초점 거리의 부호가 반대이면서, 쌍을 구성하는 렌즈 중 어느 하나의 렌즈의 초점 거리의 절대값에 대비한 상기 초점 거리의 절대값 간의 차이의 비율이 10% 이내인
   영상 투사 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 반사부의 곡면은,
   회전 대칭인
   영상 투사 장치.

Images