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KR0138743B1 - 배면투사방식 텔레비젼용 투사렌즈시스템 - Google Patents

배면투사방식 텔레비젼용 투사렌즈시스템

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KR0138743B1
KR0138743B1 KR1019920019859A KR920019859A KR0138743B1 KR 0138743 B1 KR0138743 B1 KR 0138743B1 KR 1019920019859 A KR1019920019859 A KR 1019920019859A KR 920019859 A KR920019859 A KR 920019859A KR 0138743 B1 KR0138743 B1 KR 0138743B1
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projection
optical power
lens system
aspherical
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김동하
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윤종용
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Abstract

본 발명은 배면투사방식 텔레비전용 투사렌즈시스템에 관한 것으로, 적어도 한 면이 비구면이고, 중심부는 거의 옵티컬파워가 없고 주변부는 약한 양의 옵티컬파워를 갖는 제 1렌즈; 강한 양의 옵티컬파워를 가지며 적어도 한면이 비구면이고 양면볼록형상인 제 2렌즈; 강한 음의 옵티컬파워를 가지며 적어도 한면이 비구면이고 양면오목형상인 제 3렌즈; 강한 양의 옵티컬파워를 가지며 적어도 한면이 비구면이고 양면볼록형상인 제 4렌즈; 및 약한 음의 옵티컬파워를 가지며 적어도 한면이 비구면이고 초승달(meniscus)형상인 제 5렌즈를 포함한다. 이러한 투사렌즈시스템은 소요되는 렌즈의 수를 종래 보다 적게 하면서도 보다 밝은 화상과 충분한 화각을 확보할 수 있으며 색수차조정이 용이하다.

Description

배면투사방식 텔레비전용 투사렌즈시스템(Projection Lenses for Rear Type Projection Television)
제 1도는 본 발명에 의한 투사렌즈시스템의 일 실시예를 나타내는 렌즈배치도,
제 2도는 제 1도의 투사렌즈시스템에 대한 광경로 예시도,
제 3도는 제 1도의 렌즈시스템의 설계데이타,
제 4도는 본 발명에 의한 투사렌즈시스템에 의한 색수차보정그래프,
제 5도는 본 발명에 의한 투사렌즈시스템의 다른 실시예를 나타내는 렌즈배치도,
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 광축 11 : 전면유리
L1~ L5: 제 1 내지 제 5렌즈 12 : 냉각수단
본 발명은 배면투사방식 텔레비전(rear type projection television)에 사용되는 투사렌즈시스템에 관한 것으로, 특히 렌즈 수를 감소시키고 색수차의 보정이 가능한 투사렌즈시스템에 관한 것이다.
일반적으로 프로젝션TV는, CRT(cathode ray tube)로 부터 방출되는 적(red) ·녹(green)·청(blue) 광(light)을 다수개의 투사렌즈를 사용하여 CRT 스크린에 확대투사한다. 투사방식으로는, CRT스크린의 전면에 화상을 투사하여 그 CRT스크린면에서 반사되는 화상을 시청하는 전면투사방식과, CRT스크린면의 배면에 화상을 투사하여 CRT스크린을 투과한 화상을 시청하는 배면투사방식이 있다.
이 두가지 방식 중 배면투사방식을 사용하는 프로젝션TV는 스크린에 들어오는 광이 반사되지 않고 투과되므로, 주위환경이 밝은 경우에도 선명한 화상을 제공할 수 있어서 선호된다. 프로젝션TV는 투사시스템의 깊이를 가능한한 작게 하면서, 투사배율(projection magnification)을 크게 하기 위해 보다 넓은 화각(field-angle)을 필요로 한다. 또한, 프로젝션TV는 스크린에 밝은 화상을 형성시키기 위해서 렌즈의 밝기값(F number=개구거리/유효촛점거리)이 작을 필요가 있다. 그리고, 스크린중심과 그 주변간의 광량차이가 되도록 적어야 하며, 적·녹·청 광의 파장이 각각 서로 상이함으로써 발생하는 색수차(chromatic aberration)를 보정할 필요가 있다.
이러한 필요성을 충족시키기 위하여 몇가지의 투사렌즈시스템이 개발되어 있다. 그러나, 종래의 투사렌즈시스템에서는 중심의 위치하는 하나의 렌즈가 렌즈시스템의 옵티컬파워(Optical Power)의 대부분을 차지한다. 여기서,옵티컬파워는 빛이 광원으로부터 촛점으로 모이는 경우 그 정도를 양의 값(positive value)으로 표시하고, 빛이 광원으로부터 확산되는 경우 그 정도를 음의 값(negative value)으로 표시한다. 하나의 렌즈가 전체 옵티컬파워의 대부분을 차지함에 따라, 화상은 비교적 밝게 유지되나, 반면에, 주변광량비(peripheral light quantity ratio), 즉 스크린중앙부의 광량에 대한 주변부의 광량 비가 낮으므로(예를 들어 21% 이하) 스크린 주변부가 상대적으로 어두웠다. 또한, 색수차보정이 미흡하여 보다 양호한 상형성이 어려웠다. 그리고, 유리렌즈의 면을 구면으로 설계하기 때문에, 수차보정을 위해 6개 이상의 렌즈를 사용하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 투사렌즈시스템에 소요되는 렌즈의 수를 줄이고, 보다 밝은 화상을 형성하면서도 높은 주변광량비를 유지하며, 보다 넓은 화각을 갖고, 그리고 색수차의 보정을 보다 효과적으로 수행하기 위한 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, CRT스크린에 직각인 광축을 따라 순차적으로 배열된 다수의 렌즈를 갖는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템에 있어서, 적어도 한 면이 비구면이고, 중심부는 거의 옵티컬파워가 없고, 주변부는 약한 양의 옵티컬파워를 갖는 제 1 렌즈; 강한 양의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면볼록(bi-convex)형상인 제 2렌즈; 강한 음의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면오목(bi-concave)형상인 제 3렌즈; 강한 양의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면볼록형상인 제 4렌즈; 및 약한 음의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 초승달(meniscus) 형상인 제 5렌즈를 포함하는 투사렌즈시스템에 의하여 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
제 1도는 본 발명에 의한 투사렌즈시스템의 일 실시예를 나타내며, 제 2도는 제 1도의 투사렌즈시스템의 광경로를 나타낸다. 제 1도의 투사렌즈시스템은, 반사거울(도시되지 않음)로 부터 CRT스크린 쪽으로 광축(10)을 따라 차례로 배열된 제 1렌즈 내지 제 5렌즈(L1, L2, L3, L4, L5)를 갖는다.
제 1도의 투사렌즈시스템의 사양이 후에 상술한 표 1A 내지 1C에 나타나 있다. 이러한 투사렌즈시스템은 CRT의 발열에 의한 렌즈의 변형이나 상형성 능력(image formation capability)를 저하를 방지하기 위하여 CRT 전면유리(11)와 제 5렌즈(L5)사이에 냉각수단(12)을 구비한다. 이 냉각수단(12)은 제 5렌즈(L5)와 거의 동일한 굴절률을 갖는 냉매로 채워진다.
제 1렌즈(L1)는, 적어도 한 면이 비구면이고, 광축을 중심으로 한 중심부는 옵티컬파워가 거의 없고, 주변부는 약한 양의 옵티컬파워를 가지도록 설계된다. 제 1렌즈(L1)는 구면수차(spherical aberration), 코마수차(coma aberration) 및 비점수차(oblique astigmatism)를 보정한다.
제 2렌즈(L2)는 강한 양의 옵티컬파워를 가지고, 적어도 한면이 비구면인 양면볼록(bi-convex)형상이며, 낮은 분산값을 갖는 유리렌즈이다. 제 3렌즈(L3)는 강한 음의 옵티컬파워를 가지고, 적어도 한면이 비구면인 양면 오목(bi-concave)형상이며, 높은 분산값을 갖는 유리렌즈이다. 제 2 렌즈(L2)와 제 3렌즈(L3)는 주로 색수차를 보정하는 역할을 하며 일부 코마수차와 비점수차도 보정한다. 또한, 제 2렌즈(L2)와 제 3렌즈(L3)간의 굴절 및 분산은 다음과 같은 관계가 있다.
｜N2-N3｜ 〉0.13 .............................. (1)
｜V2-V3｜ 〉25.0 .............................. (2)
여기서, N2는 제 2렌즈의 굴절률,
N3는 제 3렌즈의 굴절률.
V2는 제 2렌즈의 분산값,
V3는 제 3렌즈의 분산값.
제 4렌즈(L4)는 강한 양의 옵티컬파워를 가지고, 적어도 한면이 비구면인 양면볼록(bi-convex)형상이며, 렌즈시스템의 옵티컬파워의 대부분들을 담당하며, 각 CRT의 적·녹·청의 파장에 따른 페츠발수차합(Petzval Aberration Sum)의 변화를 최소화하기 위해 다음 식 (3)과 같은 낮은 분산값을 갖는 유리렌즈이다.
V4〉50.0 .................................. (3)
여기서 V4는 제 4렌즈의 값(Abbe-number).
제 5렌즈(L5)는 약한 음의 옵티컬파워를 가지고, 양면 모두 비구면인 초승달 형상(meniscus form)의 플라스틱렌즈이며, 낮은 굴절률을 갖는다. 또한, 제 5렌즈(L5)는 냉각수단(12)의 앞에 밀착되어 부착되고, 냉각수단(12)의 냉매는 제 5렌즈(L5)와 거의 동일한 굴절률을 갖는다. 제 5렌즈(L5)와 냉각수단(12)이 하나로 결합되어, 강한 음의 옵티컬파워를 가짐으로써, 상면만곡(curvature of field)과 왜곡수차(distortaion aberration)를 보정한다.
이러한 투사렌즈시스템에서, 제 2렌즈 내지 제 4렌즈(L2,L3,L4)의 그룹 옵티컬파워(group optical power)와 제 3렌즈(L3)의 옵티컬파워는 다음 식(4),(5)을 만족한다.
1.0〈 KP/KO〈1.3 ................................. (4)
0.9〈｜K3/K0｜〈 1.4 ................................. (5)
여기서, KO는 전체렌즈의 옵티컬파워,
KP는 제 2렌즈 내지 제 4렌즈의 그룹옵티컬파워,
K3는 제 3렌즈의 옵티컬파워.
이와같은 제 1렌즈(L1) 내지 제 5렌즈(L5)로 이루어지는 투사렌즈시스템의 사양에 관한 데이타가 표 1A 내지 1C에 나타나 있다.
표 1A에서 두께(thickness)란 광축상에서 각 렌즈의 일 굴절면으로부터 다른 굴절면까지의 거리를 가리키며, 반경(redius)이란 각 렌즈표면의 반경을 의미하고, 표면(surface)이란 각 렌즈의 전후면을 말하며 제 1렌즈 내지 제 5렌즈의 표면을 S1,S2..., S10로 나타내고, Nd는 굴절률(refractive index)을, Vd는 분산값(Abbe-Number)을 나타낸다.
한편, 비구면렌즈를 설계하기 위해 필요한 표면세그값(Surface sag value) Z는 다음 식(6)에 의해 결정된다........ (6)
식(6)에서, K는 각 비구면의 원추상수(conic constant)이고, R은 각 면의 반경(radius)이고, S는 광축으로부터 임의의 반경거리위치인 반개구거리(Semi aperture distance)이고, A 내지 J는 비구면계수(aspherical coefficients)이다. 각 면의 반경(R)은 표 1A에 나타나 있고, 원추상수(K) 및 비구면계수(A~J)는 표 1B에 나타나 있다.
표 1C는 표 1A 및 표 1B와 같은 데이타를 갖는 투사렌즈시스템의 성능을 나타낸다. 표 1C도에서 알 수 있는 바와같이, 상술한 사양을 갖는 투사렌즈시스템은 양호한 화면밝기와 화각을 제공한다. 또한, 시스템의 모든 렌즈가 비구면이므로 비축수차(non-axis aberration)의 보정이 용이하고, 이에 따라 투사렌즈시스템은 70% 이상의 투사각과 29% 이상의 주변광량비를 유지할 수 있다. 따라서, 투사렌즈시스템의 투사거리가 짧게 됨으로써, 이 시스템의 깊이를 보다 작게 할 수 있다. 그리고, 공간주파수(Spatial Frequeny) 6LP/mm에서 50% 이상, 2LP/mm에서 85% 이상의 MTF(Modulation Transfer Function)값을 각각 얻을 수 있으므로, 수평해상도 1000본(samples) 이상의 고화질TV에 응용이 가능하다.
한편, 일반적으로 CRT의 형광면은 정확한 단색파장의 광을 방출하지 않는다. 예를 들어, 녹색형광체에서 방출되는 녹색광의 파장은 적색광 및 청색광의 파장영역까지 펼쳐져 있다. 따라서, 보다 나은 화상을 얻기 위해서는 적·녹·청광의 파장차이에 따른 초점거리의 변화에 대응하여 보정이 필요하다. 이에 따라, 제 1도의 실시예에서는 강한 양의 옵티컬파워와 낮은 분산값을 갖는 제 2렌즈(L2)와, 강한 음의 옵티컬파워와 높은 분산값을 갖는 제 3렌즈(L3)를 구비함으로써, 넓은 영역의 파장을 갖는 빛의 색수차를 포함한 고차수차를 보정한다.
제 3도는 제 1도의 투사렌즈시스템에 의해 보정된 색수차를 나타내는 그래프이다. 밝기값(F-number)이 1.1이 되도록 개구거리(Aperture)를 정하고, 화각(Field Angle)이 20.0도인 투사렌즈시스템에 파장이 각각 611.0nm, 545.0nm, 450.0nm인 적색,녹색,청색과을 투사하는 경우, 가로색수차(Lateral Chromatic Aberration)가 -0.1500mm와 +0.1500mm를 넘지 않는 매우 양호한 상태로 보정되었음을 알 수 있다.
한편, 제 1도의 실시예는 투사거리의 변화에 대한 초점조정을 위해 제 4렌즈(L4)와 제 5렌즈(L5)간의 거리(d45)가 가변되며, 이에 이한 비축수차를 보정하기 위해 제 1렌즈(L1)와 제 2렌즈(L2)간의 거리(d12)도 가변된다.
또한, 투사렌즈시스템은 CRT에서 방출되는 비교적 고온의 열로 인해 렌즈의 내부온도가 약 35℃ 내지 40℃ 까지 상승한다. 이와 같은 렌즈 내부온도의 상승은 렌즈의 촛점거리에 심각한 영향을 미치며, 상형성 능력을 저하시킨다. 이와 같이 열로 인한 상형성 능력의 저하를 막기 위하여, 제 1도의 실시예에서는 강한 옵티컬파워를 갖는 제 2 내지 제 4렌즈(L2, L3, L4)를 모두 유리렌즈로 구비하였다. 반면에, 약한 옵티컬파워를 갖는 제 1 렌즈 및 제 5렌즈(L1, L5)는 양산 및 원가절감을 위해 플라스틱계열의 재질로 설계하였다.
제 4도는 본 발명에 의한 투사렌즈시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 제 4도의 투사렌즈시스템은 제 1도의 투사렌즈시스템과 마찬가지로 5개의 렌즈(L1~L5)를 포함한다. 제 4도의 투사렌즈시스템의 사양은 표 4A 및 표 4B에 나타나 있으며, 그 성능은 표 4C에 나타나 있다. 제 4도의 투사렌즈시스템의 상형성원리는 제 1도의 투사렌즈시스템과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템은 밝기값(F-number) 1.1이하의 밝은 화면을 형성함과 아울러 29% 이상의 높은 주변광량비와 70°이상의 넓은 화각을 갖는다. 또한, 본 발명에 의한 투사렌즈시스템 CRT형광체에서 방출되는 광의 여러가지 상이한 파장으로 인한 색수차를 보정하도록, 렌즈들의 적어도 한 면을 비구면으로 설계함으로써, 시스템의 전체렌즈 수를 감소시킨다.

Claims (9)

  1. CRT스크린에 직각인 광축을 따라 순차적으로 배열된 다수의 렌즈를 갖는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템에 있어서,
    적어도 한 면이 비구면이고, 중심부는 거의 옵티컬파워가 없고, 주변부는 약한 양의 옵티컬파워를 갖는 제 1렌즈;
    강한 양의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면볼록(bi-convex)형상인 제 2렌즈;
    강한 음의 옴지컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면오목(bi-concave)형상인 제 3렌즈;
    강한 양의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 양면볼록 형상인 제 4렌즈; 및
    약한 음의 옵티컬파워를 가지며, 적어도 한면이 비구면이고, 초승달(meniscus) 형상인 제 5렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1렌즈 내지 제 5렌즈의 중심으로 상기 광축이 통과하는 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 5렌즈와 CRT의 형광면사이에, 제 5렌즈와 거의 동일한 굴절률을 갖는 냉매가 채워진 냉각수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 3렌즈의 옵티컬파워는 상기 투사렌즈시스템의 전체 옵티컬파워의 대부분을 차지하는 것을 특징으로 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전체 옵티컬파워(KO)에 대한 상기 제 3렌즈(L3)의 옵티컬파워(K3)비의 절대값(｜K3/K0｜)은 0.9보다 크고 1.4보다 작은 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2렌즈의 굴절률(N2)과 제 3렌즈의 굴절률(N3)간의 차이 절대값은 0.13 보다 큰 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 2렌즈의 분산값(V2)과 제 3렌즈의 분산값(V3)간의 차이 절대값은 25.0 보다 큰 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 4렌즈의 분산값(V4)은 50.0 보다 큰 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 4렌즈와 제 5렌즈간의 거리 및 제 1렌즈와 제 2렌즈간의 거리는 상관으로 가변되는 것을 특징으로 하는 배면투사방식TV용 투사렌즈시스템.
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