KR101197984B1 - 세 그룹을 갖는 광각 투사 렌즈 - Google Patents

세 그룹을 갖는 광각 투사 렌즈 Download PDF

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Abstract

광각 투사 렌즈는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는, 음의 굴절력의 제1 렌즈 그룹을 포함한다. 광각 투사 렌즈는 적어도 약 45도의 절반 시야각에서 화상을 출력할 수 있고, 화상은 실질적으로 왜곡이 없고, 키스톤 보정을 필요로 하지 않거나 거의 필요로 하지 않는다. 광각 투사 렌즈는 후방 투사 또는 전방 투사 디스플레이 장치로 실시될 수 있는 광학 엔진의 일부가 될 수 있다.
광각 투사 렌즈, 굴절력, 절반 시야각, 전방 투사 디스플레이 장치, 광학 엔진

Description

세 그룹을 갖는 광각 투사 렌즈{WIDE ANGLE PROJECTION LENS HAVING THREE GROUPS}
본 발명은 짧은 투사거리 용도에 사용하기 위한 투사 렌즈 및 디스플레이 장치에 관한 것이다. 특히, 투사 렌즈는 예를 들어 교육적, 상업적, 가정용 사용을 위한 멀티미디어 및 디스플레이 용도를 위한 전방 투사 및 후방 투사 디스플레이 시스템 양자 모두에 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 극도의 비축(off-axis) 화상 생성을 허용하고, 실질적으로 왜곡이 없고, 키스톤 보정(keystone correction)이 거의 필요 없는 화상을 생성하는 광각 투사 렌즈를 제공하는 투사 장치에 관한 것이다.
전자장치 또는 비디오 디스플레이 시스템은 비디오 또는 전자식 발생 화상을 나타낼 수 있는 장치이다. 가정용 엔터테인먼트, 광고, 비디오 회의 또는 그룹 회의 중 어느 곳에 사용되든지, 적절한 디스플레이 장치에 대한 요구가 존재한다.
화질은 소비자가 적절한 디스플레이 장치를 결정하는데 사용하는 인자 중 하나이다. 일반적으로, 화질은 화상 해상도 및 화상 컬러와 같은 인자에 의해 질적으로 결정될 수 있다. 큰 화면 크기를 갖는 디스플레이 장치에 대한 소비자들의 요구가 있을수록, 화질은 손상될 수 있다. 통상적으로, 큰 화면 크기는 스크린의 대각선을 따라 측정할 때 약 40 인치 화면 크기를 초과하는 것이다.
많은 디스플레이 장치가 오늘날의 시장에서 입수 가능하지만, 다른 장치를 개발할 필요가 계속 존재한다.
일 실시예에 따르면, 광각 투사 렌즈는 (a) 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 음의 굴절력의 제1 렌즈 그룹과, (b) 실질적으로 0의 굴절력의 제2 렌즈 그룹과, (c) 양의 굴절력의 제3 렌즈 그룹을 포함한다. "실질적으로 0의 굴절력"이라는 용어는 3% 미만의 렌즈 굴절력을 의미한다. 투사 렌즈는 이후의 세 가지 조건을 만족하는데, 조건(1)은 F1/F 비율의 절대값이 4.0 미만(즉, ｜F1/F｜< 4.0)이고, 조건(2)는 F2/F 비율의 절대값이 50보다 크고(즉,｜F2/F｜> 50), 조건(3)은 F3/F 비율의 절대값이 3.5 미만(즉,｜F3/F｜< 3.5)이다. 이들 조건에서, F는 광각 투사 렌즈의 초점 길이이다. F1은 제1 렌즈 그룹의 초점 길이이다. F2는 제2 렌즈 그룹의 초점 길이이다. F3는 제3 렌즈 그룹의 초점 길이이다. 투사 렌즈의 구경 조리개는 제2 렌즈 그룹 내부에 또는 인접하여 놓인다. 선행 문장에서, "인접"이라는 용어는 제2 렌즈 그룹의 마지막 렌즈 요소의 제2 표면에 대한 구경 조리개의 거리와 투사 렌즈 트랙의 거리에 대한 비가 약 1/65인 것을 의미한다. 제3 렌즈 그룹은 렌즈가 화상 공간에서 대략 텔레센트릭(telecentric)인 것을 의미하는, 렌즈로부터 조리개를 멀리 화상 형성하도록 배열된다. 광각 투사 렌즈는 후방 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광각 투사 렌즈는 투사 디스플레이 시스템의 전방에서 또한 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 디스플레이 장치는 조사 시스템, 화상 형성 시스템 및 투사 광학계를 포함하는 광학 엔진을 포함한다. 투사 광학계는 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 음의 굴절력의 제1 렌즈 그룹을 포함한다. 투사 광학계는 적어도 약 45도의 절반 시야각에서 화상을 출력하며, 화상은 실질적으로 왜곡이 없다. 출력 화상은 대각선으로 약 25인치 이상의 크기를 가질 수 있다. 또한, 양호한 태양에서, 장치는 실질적으로 키스톤 보정의 필요가 없다. 또한, 투사 장치는 실질적으로 왜곡이 없는 화상을 투사한다. 실질적으로 왜곡이 없는 것은 왜곡이 2%보다 크지 않은 것을 의미한다. 양호한 태양에서, 왜곡은 1% 이하, 가장 바람직하게는 0.5% 이하이다. 이들 왜곡 값에서, 적어도 대부분의 화상형성 용도에 대해, 전자식 왜곡 보정을 필요로 하지 않는다.
다른 실시예에서, 후방 투사 디스플레이 장치는 광학 엔진을 포함하고, 광학 엔진은 (a) 조사 시스템과, (b) 화상 형성 시스템 및 (c) 투사 렌즈를 포함하고, 투사 렌즈는 유효 초점 길이의 약 두 배보다 큰 후방 초점 길이와, 약 F/3.1 이하 값 이하의 속력을 갖는다. 투사 렌즈는 실질적으로 왜곡이 없고, 키스톤 보정의 필요도 없는 화상을 발생시킨다. 후방 투사 디스플레이 장치는 캐비넷과, 화상을 수용하도록 캐비넷에 의해 지지되는 스크린과, 광학 엔진을 수납하기 위한 기부를 더 포함한다.
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.
도3A 및 도3B는 예시적인 실시예에 따른 후방 투사 디스플레이 장치의 측면도 및 등각도를 각각 도시한다.
이들 도면은 비례적으로 도시되지 않으며 예시만을 목적으로 한다. 본 발명이 다양한 변형예와 다른 형태로 수정될 수 있더라도, 그 세부사항은 도면에 예로서 도시되며 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시예로 제한하는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범주 내에 있는 모든 변형예, 등가물 및 변경예를 포함하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예는 짧은 투사거리 용도에 사용하기 위한 투사 렌즈 및 디스플레이 장치를 제공한다. 특히, 투사 렌즈는 예를 들어 교육적, 상업적, 가정용 사용을 위한 멀티미디어 및 디스플레이 용도를 위한 전방 투사와 후방 투사 디스플레이 시스템 양자 모두에 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 극도의 비축 화상 생성을 허용하고, 실질적으로 왜곡이 없고, 키스톤 보정을 거의 필요로 하지 않는 화상을 생성하는 광각 투사 렌즈를 제공하는 투사 장치에 관한 것이다.
도1은 조사 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 개략적 대표도이다. 2가지 상이한 조사 시스템(12, 12')이 도시되었지만, 통상적으로 하나만이 사용된다. 조사 시스템이 도면부호 12로 도시된 위치에 놓일 때, 사용된 이미저(imager)는 반사식 이미저이다. 반대로, 조사 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. 도3A 및 도3B는 광학 엔진(110)을 사용하는 후방 투사 디스플레이 시스템을 도시한다. 광학 엔진 내의 각각의 요소는 이하에 상세히 논의된다.
조사 시스템(12, 12')은 램프 유닛과, (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 램프 및 램프 유닛 구성이 본 발명에 사용될 수 있다. 예를 들어, 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 셔터가 본 발명의 실시예에 또한 사용될 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 예시적인 적분기는 유낵시스 발처스 엘티디로부터의 중공 터널형 적분기이다.
화상형성 시스템(14)은 이미저를 포함할 수 있고, 통상적으로 종래의 전자장치를 또한 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 실질적으로 평행하게 위치설정될 수 있다.
소정의 실시예에서, 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. 예를 들어, 가변 초점 렌즈 또는 줌 렌즈에 의해 초점이 맞춰질 수 있다. 이와 달리, 광학 엔진(10)과 조망 스크린(18) 사이에 성립된 소정의 고정 위치를 갖는 투사 유닛 및 후방 투사 용도에는 사용자 초점맞춤이 요구되지 않는다.
소정의 실시예에서, 스크린(18)은 예를 들어 미국 특허 제6,179,426호에 설 명된 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 변경예는 모두가 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴파니(3M Company)로부터 입수 가능한 다중층 필름 기술, 이중 휘도 향상 필름(DBEF) 기술 또는 VIKUITI™ 기술을 포함할 수 있다. 선택적으로, 발생된 화상은 임의의 표면, 예를 들어 벽 또는 다른 구조부, 또는 표준 조망 스크린 상에서 볼 수 있다.
도2는 광학 엔진(10)의 광각 투사 광학계(본 명세서에서는 "투사 렌즈" 또는 "광각 투사 렌즈"로 또한 언급됨)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도2의 투사 렌즈는 (출력측 또는 스크린측에서부터 식별된 바와 같이) 제1 렌즈 그룹(G1)과, 제2 렌즈 그룹(G2) 및 제3 렌즈 그룹(G3)의 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 채용될 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 (L5)를 포함하는 3개의 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, G2는 실질적으로 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) 내부에 또는 인접하여 놓인다. 제3 렌즈 그룹(G3)은 (L6) 내지 (L11)을 포함하는 6개의 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, G3는 양의 굴절력을 갖는다. G3 내의 F3/F의 비는 2.5 < F3/F < 3.2일 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 프리즘은 L11의 우측, 즉 전방 투사 용도의 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. 예를 들어, 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 약 55도인 절반 시야각에서, 실질적으 로 왜곡 없이 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 실시될 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)와 같이 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 있고,
Figure 112007068528189-pct00001
방정식 Ⅰ
여기서, Z는 시스템의 광학축으로부터의 거리(r)에서 표면 처짐, c는 광학 축에서의 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 실질적으로 동일한 곡률 반경을 갖는 다.
일 실시예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 2개의 메니스커스 형상의 겹쳐진 렌즈요소를 포함하는데, 제1 메니스커스 형상의 요소는 글래스로 제조되고 제2 메니스커스 형상의 요소는 플라스틱 요소 상에 두께가 조절된 플라스틱으로 제조된다. PMMA와 같은 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 실질적으로 균일한 두께를 갖는 비구형 렌즈(예를 들어, 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 렌즈)를 포함한다. 이러한 돔 형상의 설계는 열적 문제를 감소시킬 수 있고, 간단한 제조방법을 제공할 수 있다.
변경예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 하나의 통합된 요소를 형성하도록 함께 성형된 2개의 성형 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 성형 요소는 글래스 요소를 포함할 수 있고, 제2 성형 요소는 제1 성형 요소의 제2 표면 상에 성형된 플라스틱(예를 들어, PMMA) 요소를 포함할 수 있다.
다른 변경예에서, 제1 렌즈 그룹(G1)은 단일 요소(예를 들어, 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 실질적으로 0의 굴절력을 가질 수 있다. 제2 렌즈 그룹은 복수의 렌즈 요소로 형성될 수 있다. 투사 렌 즈(16)의 구경 조리개는 제2 렌즈 그룹 내부에 또는 인접하여 놓일 수 있다. 예를 들어, 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 변경될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)은 긴 유효 초점 길이를 제공한다. 또한, 예시적인 실시예에서, 제2 렌즈 그룹을 구성하는 요소는 글래스로 형성된다.
변경예에서, 제2 렌즈 그룹(G2)에 이중 렌즈가 사용될 수 있다. 이러한 변경예에서, 이중 렌즈 중 하나 또는 양자 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(예를 들어, 일차 및 이차 분산 보상)을 제공한다. 예를 들어, 렌즈(L7, L8, L10, L11)는 동일한 글래스 재료, 예를 들어 MP 52를 포함할 수 있다. 선택적으로, 다른 글래스도 이용될 수 있다.
프리즘(예를 들어, 도시되지 않은 TIR 프리즘)은 예를 들어 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 출력 또는 스크린측으로부터 순서대로 표면 숫자를 나열하고(표면 1이 제1 렌즈 요소(L1)의 스크린측에 가 장 가까운 표면임), 각각의 표면의 광학 축 부근의 곡률(c)(1/mm)과, 표면들 사이의 축상 이격거리(D)(mm) 및 글래스 유형이 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, 출력 또는 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 갖는데, 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 10-13이다. 도2의 실시예의 광각 투사 렌즈는 130 mm의 총 트랙 거리를 갖는다. 본 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 정면 투사 및 후방 투사 디스플레이 용도 등의 특정 용도에서, 소형 투사 렌즈가 되어 전체 광학 엔진의 공간 요구조건을 최소화하기 때문에, 짧은 총 트랙 거리를 갖는 것이 유리할 수 있다.
[표1]
Figure 112007068528189-pct00002
이하의 표2 및 표3은 도2의 실시예에 대한 일반적인 렌즈 데이터와 표면 데이터 요약을 나열한다.
[표2]
Figure 112007068528189-pct00003
[표3]
Figure 112007068528189-pct00004
상기 표들에 제공된 데이터는 일 예를 나타내는 것으로, 본 명세서에 설명된 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니다.
상술된 광학 엔진은 다양한 투사 용도에 이용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 전방 투사 적요예는 그 전체 내용이 참조로 병합되는 관련 특허 적용예 제 11/003,252호에 설명된다.
예시적인 후방 투사 용도에서, 도3A 및 도3B는 후방 투사 디스플레이 장치(100)의 측면도 및 등각도를 각각 도시한다. 예시적인 실시예에서, 디스플레이 장치(100)는 상술된 광학 엔진(10)과 유사한 광학 엔진(110)을 포함하고, 광학 엔 진(110)은 상술된 투사 광학계(16)와 유사한 광각 투사 렌즈를 포함한다.
후방 투사 디스플레이 장치(100)는 기부(102)와, 캐비넷(104) 및 스크린(106)을 포함한다. 도3A 및 도3B에 도시된 바와 같이, 후방 투사 디스플레이 장치는 후방 투사 텔레비전으로 실시될 수 있다. 다른 실시예는 한 명 이상의 뷰어에게 큰(예를 들어, 대각선 치수가 40 인치 이상) 화상을 나타낼 수 있는 상업적이고 교육적인 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
기부(102)는 전원 공급 장치와, 제어 전자 장치와, 오디오 부품 및 커넥터 패널(간략함을 위해 도시 생략) 뿐만 아니라 광학 엔진(110)과, 광학 엔진(110)과 결합될 수 있는 하나 이상의 부품을 수납할 수 있다. 기부(102)는 디스플레이 장치(100)를 위한 구조적인 지지를 제공하도록 또한 구성될 수 있다. 또한, 광학 엔진(110)의 설계에 따라, 기부는 캐비넷(104)에 수납되는, 광학 엔진(110)으로부터 투사된 화상을 스크린(106)으로 유도할 수 있는 거울(112)과 같은 반사면 및/또는, 반사면 또는 거울(114)과 같은 추가의 반사면 또는 표면을 더 포함할 수 있다. 후방 투사 디스플레이 장치(100)에 사용되는 반사면(112, 114)(또는 거울)은 예를 들어, 제1 표면 거울, 반사 프레넬(fresnel)면(또는 표면) 또는 다른 고 반사 재료로 구성될 수 있다. 본 기술분야의 당업자들에게 주어진 본 설명이 명백한 바와 같이, 하나 이상의 반사면은 스크린(106)으로 투사된 화상을 제공하도록 본 명세서에 설명된 광학 엔진과 이용될 수 있다.
캐비넷(104)은 상술된 바와 같이 하나 이상의 반사면을 수납하도록 구성될 수 있다. 또한, 캐비넷(104)은 4×3 포멧 또는 16×9 포멧과 같이 하나 이상의 다 른 화상 포멧을 제공하도록 구성될 수 있는 조망 스크린(106)을 지지할 수 있다.
투사된 화상을 수용하는 스크린(106)은 투사된 화상 크기 및 포멧을 기초로 하여 크기 및 형상이 변경될 수 있다(예를 들어, 도3A에 도시된 예시적인 가상선 참조). 스크린 구조에 관하여, 예를 들어 스크린(106)은 예를 들어 미국 특허 제6,179,426호에 설명된 바와 같이 구성된 복수의 프레스넬(Fresnel) 요소와 같은 다중층 재료를 포함할 수도 있다. 스크린은 스크린에 수평으로 위치된 뷰어를 수용하도록 수평 방향으로 퍼진 광 분포를 제어하도록 설계될 수 있다. 스크린의 변경예는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴파니로부터 입수 가능한 다중층 필름 기술, 이중 휘도 향상 필름(DBEF) 기술 또는 VIKUITI™ 기술을 포함할 수도 있다.
상술된 바와 같이, 광학 엔진(110)은 도1과 관련하여 상술된 광학 엔진(10)과 유사한 방식으로 구성될 수 있고, 상술된 투사 렌즈(16)와 유사한 광각 투사 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 광학 엔진(110)은 상술된 것과 유사한 조사 시스템 및 화상 형성 시스템을 포함할 수 있고, 다른 기부 및 캐비넷 설계를 수용하도록 구조적으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 광학 엔진(110)은 이용된 이미저 또는 조사 시스템에 따라서 V형 타입 레이아웃, U형 타입 레이아웃 또는 L형 타입 레이아웃을 가질 수 있다. 광각/짧은 투사 타입 광학 엔진(110)은 큰 시역에서 즉, 45도보다 큰, 바람직하게는 50도보다 큰, 그리고 가장 바람직하게는 약 55도인 절반 시야각에서 화상을 제공할 수 있으므로, 캐비넷(104)의 깊이(x)는 종래의 후방 투사 디스플레이 장치의 깊이 로부터 감소될 수 있다. 예를 들어, 캐비넷(104)의 깊이(x)는 약 5 인치 내지 약 15 인지, 바람직하게는 약 7 인치 내지 약 12 인치, 그리고 가장 바람직하게는 약 7 인치 내지 약 10 인치일 수 있다. 주어진 본 발명으로 이해될 수 있는 바와 같이, 캐비넷(104)의 깊이(x)는 스크린 대각선 크기 및 화상 포멧과 같은 인자를 기초로하여 변경될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 광학 엔진(110)은 예를 들어, DLP, LCD 또는 LCOS 기술을 이용하는 화상 형성 장치 또는 이미저를 포함할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 광학 엔진은 4×3 포멧을 가진 화상을 제공할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 광학 엔진은 16×9 포멧과 같은 다른 스크린 포멧을 제공하도록 적절한 이미저로 실시될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 조사 시스템은 예를 들어, 상술된 것과 유사한 방식으로 램프 유닛(예를 들어, 아크 램프 또는 다른 형태의 램프)으로 구성될 수 있다. 이와 달리, 광학 엔진(110)의 조사 시스템은 레이저 기반 또는 LED 기반 시스템과 같은 고형 상태 시스템을 이용할 수 있다.
이와 달리, 광학 엔진은 심지어 더 짧은 투사 거리에서도 충분한 화질을 생성할 수 있는 보정 회로(예를 들어, 종래의 랩 칩(wrap chip))로 실시될 수 있다.
또한, 광학 엔진은 왜곡을 감소시키면서 키스톤 보정이 필요 하지 않거나 또는 거의 필요 없도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 투사된 화상에 대한 왜곡 값은 2% 이하, 바람직하게는 1.0% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 이하(예를 들어, 왜곡(d)이 d=(H-h)/h*100으로 결정되고, h는 근축(paraxial) 화상 높이이고, H는 실제 화상 높이) 일 수 있다.
본 예시적인 광학 엔진으로는, 덜 복잡한 TIR 부품이 이용될 수 있음으로써, 저렴한 비용, 얇은 캐비넷, 후방 투사 디스플레이 장치 설계가 달성될 수 있다. 더 큰 크기(예를 들어, (대각선으로) 40 인치 보다 큰) 화상은 디스플레이 캐비넷을 상대적으로 얇게 유지하면서, 더 짧은 거리 및 극도의 비축 위치로부터 달성될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 광학 엔진은 실질적으로 왜곡이 없고, 키스톤 보정을 필요로 하지 않는다.
변경예에서, 후방 투사 디스플레이 장치는 벽 장착 또는 천장 현수식 실시예를 위해 설계될 수 있고, 기부 섹션은 광학 엔진 및 다른 전자 장치를 수납하도록 실시되고, 스탠드로 장치를 지지할 필요가 없다.
본 분야의 당업자는 본 발명이 다양한 다른 광학 부품과 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명이 예시적인 바람직한 실시예를 참조하여 설명되지만, 본 발명은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 설명되고 도시된 실시예는 예시적인 것이고, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 범주에 따라 다른 변경 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (26)

  1. (a) 적어도 하나의 비구면 표면을 갖는 음의 굴절력의 제1 렌즈 그룹과,
    (b) 구경 조리개가 내부에 또는 인접하여 놓이는, 렌즈 굴절력이 3% 미만인 제2 렌즈 그룹과,
    (c) 양의 굴절력의 제3 렌즈 그룹을 포함하고,
    이하의 조건 (1) 내지 (3)을 만족시키는 광각 투사 렌즈.
    ｜F1/F｜ < 4.0 조건 (1)
    ｜F2/F｜ > 50 조건 (2)
    ｜F3/F｜ < 3.5 조건 (3)
    여기서, F는 광각 투사 렌즈의 초점 길이이고, F1은 제1 렌즈 그룹의 초점 길이이고, F2는 제2 렌즈 그룹의 초점 길이이며, F3은 제3 렌즈 그룹의 초점 길이임.
  2. 제1항에 있어서, 후방 투사 디스플레이 시스템과 병합되는 광각 투사 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 제1 렌즈 그룹은 제1 및 제2 렌즈 요소를 포함하고, 제2 렌 즈 요소는 제2 표면에서 비구면 표면을 포함하는 광각 투사 렌즈.
  4. 제1항에 있어서, F/#은 F/2.8 이하인 광각 투사 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 제1 렌즈 그룹은 제1 및 제2 렌즈 요소를 포함하고, 제1 요소의 제2 표면은 제2 렌즈 요소의 제1 표면의 곡률 반경과 동일한 곡률 반경을 갖는 광각 투사 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 조건(1)은 -3.5 < F1/F < -2.3이고, 조건(2)는 -95 < F2/F < -86이며, 조건(3)은 2.5 < F3/F < 3.2인 광각 투사 렌즈.
  7. 조사 시스템과, 화상 형성 시스템과, 제1항의 광각 투사 렌즈를 포함하고, 광각 투사 렌즈는 적어도 45°의 절반 시야각에서 화상을 출력하고, 화상은 왜곡이 2% 이하인, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
  8. 제7항에 있어서, 광각 투사 렌즈는 적어도 50°의 절반 시야각에서 화상을 출력하는, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
  9. 제8항에 있어서, 광각 투사 렌즈는 적어도 55°의 절반 시야각에서 화상을 출력하는, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
  10. 제7항에 있어서, 제1 렌즈 그룹은 제1 및 제2 표면 중 적어도 하나 상에 비구면 표면이 형성된 단일 요소를 포함하는, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
  11. 제7항에 있어서, 제1 렌즈 그룹은 음의 굴절력의 제1 렌즈 요소와, 전체적으로 균일한 두께의 제2 렌즈 요소를 포함하는, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
  12. 제7항에 있어서, 화상 보정 회로를 더 포함하는, 디스플레이 장치용 광학 엔진.
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