KR20030008312A - 프로젝션 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무 편광된 백색광을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 나오는 빛을 평행광으로 만들어 주는 포물경과, 상기 빛 중 광축으로부터 멀리 떨어진 빛만을 반사하여 광원으로 돌려보내는 평면 반사경으로 이루어지는 램프시스템과; 상기 램프시스템으로부터 나온 빛을 이미저에 균일한 밝기를 가지며 조사되도록 빛을 균일하게 만드는 플라이아이 렌즈 및 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 빛을 이미저에 도달하게 하는 릴레이 렌즈계와; 상기 릴레이 렌즈계로부터 나온 빛을 R, G, B성분 각각으로 색을 분리 합성하는 색분리/합성계; 및 상기 색분리/합성계에서 분리되어 투사되는 빛의 R, G, B성분 각각에 대응하는 이미지를 제공하는 이미저 및 투사계로 구성된 프로젝션 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 신뢰성을 유지하면서도 집광효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

프로젝션 엔진{Projection engine}

본 발명은 프로젝션 엔진(projection engine)의 광학계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 광학계의 조명계에 관한 것으로서 집광효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 프로젝션 엔진의 광학계는 크게 조명계와 투사계로 나눌 수 있는데, 상기 조명계는 램프(lamp)로부터 나온 빛을 집광하여 작은 크기의 이미저(imager)에 균일하게 비춰주는 것이며 상기 투사계는 이미저의 화상을 크게 확대하여 스크린에 결상시키는 역할을 한다.

프로젝션 엔진의 조명계에서 가장 중요한 성능은 광원으로부터 나오는 빛을 얼마나 효율적으로 이미저에 집광시키느냐는 것이다. 이러한 능력을 집광효율이라 하는데 상기 집광효율은 이론적인 한계를 가지고 있다. 즉, 광원이 점광원일 경우에는 이론적으로 광원으로부터 나오는 모든 빛을 모을 수 있지만 실제로 점광원은 존재하지 않기 때문에 모든 광원은 면적 또는 체적을 가지게 되며, 따라서 상기와 같은 체적 또는 면적에 따라 집광 효율이 결정된다.

프로젝션 엔진의 광원으로는 주로 아크 램프(arc lamp)가 사용된다. 이런 아크 램프는 아크 사이에서 일어나는 방전현상에 의해 빛을 내게 되는데 이때 광원은 아크 사이의 갭(arc gap)만큼의 체적을 갖는 광원이 된다.

그런데, 일반적으로 점광원에 가까울수록, 즉 아크 갭이 작을수록 집광효율이 높아진다. 그러나 아크 갭을 무한정 작게 만드는 것은 매우 어려운데, 그 이유는 아크 갭이 작아지면 아크에서 에너지 밀도가 높아져서 아크의 손상이 빨라지고 그 결과 램프의 수명이 짧아지기 때문이다. 현재 선진 램프 제조 업체들의 경우에도 상기 아크 갭이 약 1.3mm정도가 된다.

이론적인 집광효율을 계산하기 위해 흔히 사용되는 것이 에텐두(Etendue)이다. 광원의 면적과 입체각에 관련된 값인 에텐두(Etendue)는 빛의 진행 방향에 수직한 면적과 상기 빛이 입사되는 솔리드 앵글(solid angle)의 곱으로 나타낸 물리적 의미의 값으로서, 텔레센트릭(telecentric)한 광학계에서는 다음의 수학식에 의해 계산될 수 있다.

<수학식 1>

여기서 A는 광원의 면적을 의미하며, f/#는 F넘버라고도 하며 입사 동의 직경에 대한 상당 초점거리의 비를 나타낸다.

일반적으로 프로젝션 엔진에서는 작은 이미저를 사용하는 경우가 유리하다.작은 이미저를 사용하면 이미저 자체의 원가가 낮아질 뿐 아니라 광학 부품의 크기가 작아지고 성능이 높아지기 때문이다. 또한 마찬가지 이유로 f/#가 큰 프로젝션 엔진이 유리하다. 따라서 조명계는 작은 면적에 큰 f/#를 갖도록 조명해야 하지만, 상술한 바와 같이 광원의 에텐두가 제한되어 있으므로 프로젝션 시스템이 요구하는 만큼 작은 면적에 작은 입체각으로 집광할 수 없는 문제점이 발생하게 된다. 이것이 광원의 에텐두에 의해서 제한되는 집광효율의 한계이며, 실제로 시스템은 이론적 효율을 넘을 수 없게 된다.

프로젝션 엔진에서 시스템의 에텐두는 시스템에 사용되는 LCD 크기와 투사렌즈의 f/#에 의해서 결정되는 것으로서 LCD의 면적에 비례하고, f/#의 제곱에 반비례하는 성질을 수학식 1을 통해 알 수 있다.

또한, 동일한 광량을 내고 있는 램프의 경우 아크 갭에 따라 집광할 수 있는 빛의 량인 광량이 달라지게 되는데, 도1에 도시된 바와 같이 아크 갭이 1.3mm인 램프의 경우 에텐두가 작은 시스템에서 램프 광량의 50%이상을 집광할 수 없는 반면, 아크 갭이 1.0mm로 줄어들게 되면 동일한 시스템에서도 에텐두가 60%이상이 되도록 광량을 집광할 수 있게 된다.

도1에서 종축의 집광 광량(Collectable Lumens)은 조명계의 다른 모든 요소가 충분하게 구비된 경우 집광할 수 있는 한계가 되기 때문에, 프로젝션 시스템을 밝게 만들기 위해서는 시스템 에텐두를 늘리든지, 아니면 아크 갭이 더 작은 램프를 사용하든지 해야 한다.

그러나 시스템의 에텐두는 작아질수록 유리한데, 그 이유는 LCD가 작아져야만 가격이 낮고 생산성이 좋아지며 시스템도 소형화 가능해지기 때문이다. 또한 f/#가 커질 경우 투사렌즈의 성능이 좋아지고 광 부품의 콘트라스트(contrast)가 좋아진다. 결국 프로젝션 시스템의 성능은 밝기를 제외하고는 모든 면에서 에텐두가 작은 시스템이 유리하다. 그러한 이유로 작은 에텐두를 유지하면서 시스템의 밝기를 올리는 것이 매우 중요한 기술이 된다.

즉, 작은 에텐두에서 시스템의 밝기를 높이기 위해 아크 갭이 작은 램프를 사용할 수 있는데, 이는 동일한 에텐두에 동일한 밝기의 램프를 사용하는 경우 아크 갭이 작을 수록 집광효율이 높아져 시스템이 밝아질 수 있기 때문이다.

그러나 아크 갭이 작은 램프는 아크에서의 에너지 밀도가 높아져서 전극의소모가 빨라지고 램프 수명에 치명적인 영향을 준다.

따라서 프로젝션 시스템의 아크 갭을 줄이면서도 수명을 유지시키는 것이 램프 기술에서 가장 핵심적인 요소가 되는 것이다. 현재까지 램프기술은 대략 1.0~1.3mm 아크 갭에 수명 10,000시간을 가장 이상적인 것으로 보고 있다.

이하 도2에 도시된 바와 같이 구성되는 종래 기술의 조명계를 설명하고자 한다. 램프의 벌브(1)로부터 나오는 빛은 포물경(2)에서 반사되어 평행광이 된다. 그러나 아크가 점광원이 아니기 때문에 평행이 아닌 빛들이 나타나게 되며, 초점거리가 7mm이고 아크 갭이 1.3mm인 램프의 경우 0°±3°정도의 각 분포를 가지게 된다. 플라이아이 렌즈(3:Flyeye lens)의 초점거리에 따라 조명계의 수용각(Acceptable Angle)이 결정된다. 그리고 시스템의 f/#와 이미저(6)로 사용되는 LCD 크기에 의해서 릴레이 렌즈(4:Relay lens)의 조리개의 크기(Stop size)가 결정된다. 결국 램프로부터 나오는 빛은 플라이아이 렌즈의 수용각 안에 들어오고, 릴레이 렌즈의 입사동 직경안으로 들어가는 빛만 LCD에 도달하게 된다. 플라이아이 렌즈의 수용각을 크게 하면 릴레이 렌즈의 입사동 직경의 크기가 줄어들기 때문에 LCD에 도달하는 광량에는 차이가 없다.

램프로부터 나오는 빛은 일정한 크기와 각 분포를 가지고 있다. 아크의 크기가 일정할 때 반사경(Reflector)을 사용하여 크기와 각 분포를 바꿀 수 있지만 에텐두는 변하지 않는다. 즉 초점거리가 작은 반사경을 사용하면 크기는 작아지지만 각분포는 커지고, 초점거리가 긴 반사경을 사용하면 크기는 커지지만 각분포는 0°에 가까워진다. 따라서 일반적인 반사경을 사용하는 경우 아크의 크기에 의해서정의되어 있는 광원의 에텐두는 변하지 않으며 프로젝션 시스템에 의해서 제한되는 집광 효율을 넘어설 수 없다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결함으로써, 광원의 에텐두를 작게 만드는 효과를 발생시켜 집광효율을 높일 수 있는 프로젝션 엔진의 조명계를 구성하는 것을 목적으로 하는 것으로 이를 위해 반사경의 구조를 변경하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 아크 갭에 따른 에텐두와 집광광량의 관계를 나타내는 그래프,

도 2는 종래기술의 프로젝션 엔진을 나타내는 도면,

도 3은 본 발명의 프로젝션 엔진을 나타내는 도면,

도 4a는 본 발명에 따른 반사경의 정면도이며 도 4b는 프로젝션 엔진 조명계를 나타내는 단면도,

도 5는 종래기술 및 본 발명에 따른 프로젝션 엔진의 조명계에 의한 빛의 경로를 비교하여 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 램프 벌브 2 : 포물경

3 : 플라이 렌즈 4 : 릴레이 렌즈

5 : 색분리 합성계 6 : 이미저

10 : 반사경

본 발명에서는 도3에 도시된 바와 같이, 포물경(2) 앞에 반사경(10)으로서 리트로 미러(retro-mirror)를 배치하여 램프로부터 나오는 빛의 일부를 다시 아크로 돌려보냄으로써, 조명계의 집광효율을 높이는 것을 목적으로 하는 것으로써, 중앙부가 뚫려있는 평면경 형태인 반사경(10)은 램프로부터 플라이아이 렌즈(3)로 들어가는 빛의 크기를 줄여주는 역할을 한다.

도4에서와 같이, 구멍 뚫린 평면경의 형태인 반사경이 포물경(2)의 앞에 놓이게 되면 포물경(2)에 부딪힌 후 반사되어 나오는 빛 중에서 경로1의 광축으로부터 멀리 떨어진 빛이 반사경에 도달하게 된다. 반사경에 도달한 빛은 다시 반사되어 아크로 되돌아가게 되고 포물경(2)에 반사되어 광축에 가까운 빛이 되어 경로2의 빛과 함께 반사경(10)의 구멍을 통과하게 된다. 즉, 반사경(10)을 사용함으로써 릴레이 렌즈(4)의 입사동 직경을 통과하지 못하는 광축으로부터 멀리 떨어진 빛들을 사용할 수 있게 된다.

반사경의 구멍 크기는 릴레이 렌즈의 입사동 직경 크기와 동일하게 또는 약간 크게 만들어서 광축으로부터 멀리 떨어져 있어서 입사동 직경으로 들어가지 못하던 경로1의 빛만을 제어하게 되고 경로2와 같은 다른 빛에는 아무 영향도 미치지 않는다.

일반적으로 프로젝션 엔진은 크게 조명계, 색분리/합성계, 이미저 및 투사계로 이루어지게 되는데, 본 발명에서의 프로젝션 엔진의 조명계는 도4에 도시된 바와 같이, 무 편광된 백색광을 조사하는 광원으로서 아크로 이루어진 램프벌브와, 상기 램프벌브로부터 나오는 빛 중 광축으로부터 멀리 떨어진 빛만을 반사하여 아크로 돌려보내는 역할을 하는 반사경 및 상기 램프벌브로부터 나오는 빛과 상기 반사경에서 반사되어 되돌아온 빛을 평행광으로 만들어주는 포물경으로 이루어지게 되는데 특히, 상기 조명계의 반사경은 중앙부위가 천공된 평판 형태로 되어, 상기 조명계를 이루는 반사경의 천공부 크기가 상기 투사계를 이루는 릴레이 렌즈의 입사동 직경에 비하여 약간 크거나 같은 것을 특징으로 하기 때문에, 광축으로부터 멀리 떨어져 있는 빛, 즉 상기 투사계를 이루는 릴레이 렌즈의 입사동 직경으로 들어가지 못하는 빛만을 제어할 뿐 다른 빛에는 영향을 미치지 않게 된다.

또한, 상기 램프벌브를 포함하는 램프 시스템으로부터 나온 빛을 이미저에 균일한 밝기를 가지며 조사되도록 빛을 균일하게 만드는 플라이아이 렌즈 및 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 빛을 투사하는 릴레이 렌즈계로 구성된다.

이 밖에, 상기 색분리/합성계는 상기 릴레이 렌즈계로부터 나온 빛의 R, G, B성분 각각으로 색을 분리 합성하며, 상기 이미저는 색분리/합성계에서 분리되어투사되는 빛의 R, G, B성분 각각에 대응하는 이미지를 제공한다.

본 발명에 적용한 설계 예는 표1과 같이 나타낼 수 있는데, 이는 종래의 초점거리 7mm, 아크 갭 1.3mm 램프를 사용하고 시스템의 에텐두가 작아서 램프로부터 나오는 빛을 50%이상 집광할 수 없었던 프로젝션 시스템과 비교할 때 집광효율의 상승을 기대할 수 있다.

<표 1>

	수용각	릴레이 렌즈의입사동 직경	집광효율
종래구조	±4.1°	22.4mm	44%
본 발명에 따른 구조(구멍 22.4mm의 반사경)	±4.1°	22.4mm	49%

결과적으로 본 발명과 같이 동일한 램프를 사용하여 더 많은 광량을 모을 수 있는 이득이 있다.

더 많은 광량을 모을 수 있다는 것은, 우선 프로젝션 시스템의 화면이 밝아지게 되면 대형화면이 가능해지며, 아크 갭이 줄어들지 않아도 광원의 에텐두를 줄이는 효과를 만들 수 있기 때문에 아크 갭이 큰 램프를 사용할 수 있게 되어 램프 수명이 길어질 수 있다. 부가적으로, 광원의 에텐두가 작아지는 효과는 작은 이미저에서도 밝은 화면을 얻을 수 있기 때문에, 작은 이미저를 사용한 프로젝션 시스템을 가능하게 한다. 작은 이미저는 싼 가격으로 대량 생산할 수 있어 프로젝션 시스템의 가격이 현저히 낮아질 수 있다.

또한, 광원의 에텐두가 줄어드는 효과 때문에 큰 f/#에서도 밝은 화면을 얻을 수 있으므로, f/#가 큰 프로젝션 시스템이 가능하다. 시스템의 f/#가 커지게되면 모든 광학부품에 유리해 진다. 즉 모든 프리즘류와 렌즈류에서 더 좋은 성능을 가지게 된다. 기존의 시스템에서는 밝기 때문에 f/#를 크게 하지 못했지만 본 발명을 적용하게 되면 f/#를 크게 할 수 있게 되고, 따라서 모든 광학부품의 성능이 월등히 좋아지게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에서의 반사경은 평면경 형태이므로 제작하기 용이하고 프로젝션 시스템에 적용하기 쉽다. 즉 곡률이 없기 때문에 위치에 상관없이 기울기만 없으면 안정적인 성능을 낼 수 있게 되므로 신뢰성이 향상된다.

또한, 본 발명에서는 프로젝션 시스템의 가격뿐만 아니라 대부분의 기본적인 성능을 좌우하는 램프 시스템을 보다 효율적으로 개선함으로써 프로젝션 시스템의 근본적인 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.

Claims (8)

1. 무 편광된 백색광을 조사하는 광원과;

   상기 광원으로부터 나오는 빛 중 광축으로부터 멀리 떨어진 빛만을 반사하여 광원으로 돌려보내는 반사경;및

   상기 광원으로부터 나오는 빛 및 상기 반사경에서 반사되어 되돌아온 빛을 평행광으로 만들어 주는 포물경;

   으로 이루어지는 조명계를 갖는 프로젝션 엔진.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사경은 중앙부위가 천공된 평판 형태로 된 것을 특징으로 하는 조명계를 갖는 프로젝션 엔진.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 아크로 이루어진 램프 벌브로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명계를 갖는 프로젝션 엔진.
4. 무 편광된 백색광을 조사하는 광원과,

   상기 광원으로부터 나오는 빛 중 광축으로부터 멀리 떨어진 빛만을 반사하여 광원으로 돌려보내는 반사경 및

   상기 광원으로부터 나오는 빛 및 상기 반사경에서 반사되어 되돌아온 빛을 평행광으로 만들어주는 포물경으로 이루어지는 램프시스템과;

   상기 램프시스템으로부터 나온 빛을 이미저에 균일한 밝기를 가지며 조사되도록 빛을 균일하게 만드는 플라이아이 렌즈 및 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 빛을 이미저에 도달하게 하는 릴레이 렌즈계와;

   상기 렌즈계로부터 나온 빛의 R, G, B성분 각각으로 색을 분리 합성하는 색분리/합성계와;

   상기 색분리/합성계에서 분리되어 투사되는 빛의 R, G, B성분 각각에 대응하는 이미지를 제공하는 이미저 및

   상기 이미저로부터 나온 빛을 스크린으로 투사하여 상이 형성되도록 하는 투사렌즈계로 구성된 프로젝션 엔진.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 조명계의 반사경은 중앙부위가 천공된 평판 형태로 된 것을 특징으로 하는 프로젝션 엔진.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 조명계를 이루는 반사경의 천공부 크기는 상기 렌즈계를 이루는 릴레이 렌즈의 입사동 직경에 비하여 약간 크거나 같은 것을 특징으로 하는 프로젝션 엔진.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 조명계를 이루는 반사경의 천공부 크기는 광축으로부터 멀리 떨어져 상기 렌즈계를 이루는 릴레이 렌즈의 입사동 직경으로 들어가지 못하는 빛만을 제어할 뿐 다른 빛에는 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 하는 프로젝션 엔진.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 광원은 아크로 이루어진 램프 벌브로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명계를 갖는 프로젝션 엔진.