KR100601708B1

KR100601708B1 - 반사형 콜리메이터를 구비한 조명장치 및 이를 채용한화상투사장치

Info

Publication number: KR100601708B1
Application number: KR1020040094193A
Authority: KR
Inventors: 이계훈; 김대식; 김수군
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-07-18
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: NL1030170A1; JP2006147536A; CN1776478A; US7350930B2; JP4703338B2; US20060104065A1; NL1030170C2; KR20060053757A; CN100414346C

Abstract

개시된 조명장치는, 포물면 형태의 반사면과 서로 교차되는 입광부와 출광부를 구비하는 리플렉터와, 입광부를 통하여 반사면으로 광을 조사하는 광원과, 리플렉터와 광원 사이에 개재되어 광원의 상이 반사면의 초점에 맞히도록 하는 광원편위보상수단과, 출광부의 개구각보다 작은 방사각도를 갖는 광의 적어도 일부를 반사면으로 안내하는 광경로변경수단을 포함한다.

Description

반사형 콜리메이터를 구비한 조명장치 및 이를 채용한 화상투사장치{Illumunation unit having reflection type collimator and projection display using the same}

도 1과 도 2는 렌즈에 의한 광이용효율의 저하를 설명하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 조명장치의 일 실시예를 도시한 단면도.

도 4는 광경로변경수단의 작용을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 조명장치의 다른 실시예를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 화상투사장치의 일 실시예를 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10......광원 11......LED

20......리플렉터 21......반사면

22......입광부 24......출광부

26......주축 30, 30a......렌즈

31, 31a......곡면 40, 40a......경사면

100......조명유닛 200......광변조소자

300......투사렌즈유닛 401a, 401b......다이크로익 필터

402......콘덴싱렌즈유닛 403......인테그레이터

404......릴레이렌즈유닛 405......TIR프리즘

본 발명은 광을 콜리메이팅시켜 조사하는 조명장치 및 이를 채용한 화상투사장치에 관한 것이다.

조명장치는 광원으로부터 방출되는 광을 조명대상체에 유효하게 조사될 수 있는 각도범위로 효율적으로 콜리메이팅시키기 위하여 렌즈를 비롯한 다양한 형태의 콜리메이터를 채용하고 있다.

일 예로서, 화상투사장치는 광변조소자를 조명하기 위한 조명장치를 구비한다. 조명장치의 광원으로서는 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프 등이 사용된다. 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프는 그 크기가 매우 커서 조명유닛이 대형화되는 문제점이 있다. 또한, 이들 램프는 그 수명이 기껏해야 수 천 시간 정도이다. 그러므로, 가정용으로 사용되는 경우에 램프를 자주 교환하여야 하는 불편함이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광원으로서 상대적으로 수명이 긴 LED 등의 소형광원을 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

LED는 일반적으로 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프에 비해 광량이 적다. 따라서, 화상투사장치의 광원으로서는 다수의 LED가 어레이화된 LED 어레이가 사용된다. 광을 집광하기 위하여는 일반적으로 렌즈를 사용하는데, 이 경우에 광효율이 저하되는 문제점이 있다.

도 1과 도 2를 참조하면서 광효율의 저하를 보다 상세히 설명한다. 근축영역에서는 상의 크기와 각도와의 곱이 보존된다. 따라서, LED의 발광면적과 발광각도의 입체각과의 곱이 보존량이 되며, 이를 에텐듀(etendue)라 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 LED를 사용하는 경우, LED의 발광면적(Φ_L)과 입체각(U_L)과의 곱은 광변조소자의 발광면적(Φ_P)과 입체각(U_P)과의 곱과 같도록 할 수 있다.

다수개의 LED를 어레이화하여 사용하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 LED 어레이의 발광면적(∑Φ_L)이 하나의 LED를 사용하는 경우의 발광면적(Φ_L)보다 커지게 된다. 이 때 LED와 LED 어레이의 발광각도의 입체각(U_L)이 동일하고 광변조소자의 면적(Φ_P)은 동일하다. 따라서, 에턴듀가 보존되기 위해서는 LED 어레이를 사용하는 경우에 광변조소자의 발광각도의 입체각(U_P')은 하나의 LED를 사용하는 경우에 비해 커지게 된다. 투사렌즈에 의하여 유효하게 투사될 수 있는 각도는 U_P이므로 U_P보다 큰 각도범위의 광은 투사렌즈에 의하여 유효하게 투사되지 못한다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같은 손실이 발생되어 광효율을 저하시키게 되며, 결과적으로 화상투사장치의 밝기는 LED 어레이에 사용되는 LED의 개수의 증가에도 불구하고 상승폭이 제한된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 광원으로부터 방사되는 광을 효율적으로 콜리메이팅시킬 수 있도록 개선된 조명장치 및 이를 채 용한 화상투사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조명장치는, 포물면 형태의 반사면과, 서로 교차되는 입광부와 출광부를 구비하는 리플렉터; 상기 입광부를 통하여 상기 반사면으로 광을 조사하는 광원; 상기 리플렉터와 상기 광원 사이에 개재되어 상기 광원의 상이 상기 반사면의 초점에 맞히도록 하는 광원편위보상수단; 상기 출광부의 개구각보다 작은 방사각도를 갖는 광의 적어도 일부를 상기 반사면으로 안내하는 광경로변경수단;을 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화상투사장치는, 복수의 광을 조사하는 복수의 조명유닛과, 상기 복수의 조명유닛으로부터 입사된 복수의 광을 화상데이터에 맞추어 순차적으로 변조하는 광변조소자와, 상기 광변조소자로부터 출사된 복수의 광을 확대 투사하는 투사렌즈유닛을 포함하며, 상기 조명유닛은, 포물면 형태의 반사면과, 서로 교차되는 입광부와 출광부를 구비하는 리플렉터; 상기 입광부를 통하여 상기 반사면으로 광을 조사하는 광원; 상기 리플렉터와 상기 광원 사이에 개재되어 상기 광원의 상이 상기 반사면의 초점에 맞히도록 하는 광원편위보상수단; 상기 출광부의 개구각보다 작은 방사각도를 갖는 광의 적어도 일부를 상기 반사면으로 안내하는 광경로변경수단;을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 광원은 상기 반사면의 초점에 위치되며, 상기 광원편위보상수단은 중심이 상기 반사면의 초점에 위치되는 구면렌즈를 포함한다. 일 실시예로서, 상기 광경로변경수단은 상기 구면렌즈의 상기 출광부 쪽의 일부를 경사지 게 자름으로써 형성되는 경사면을 포함한다.

일 실시예로서, 상기 광원의 광축은 상기 반사면의 주축과 수직이다.

일 실시예로서, 상기 반사면은 원추계수(K)는 -0.4 내지 -2.5 범위의 비구면이다.

일 실시예로서, 상기 광원은 하나 이상의 LED를 포함한다.

이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 조명장치의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 도 3을 보면, 조명유닛은 광원(10)와 리플렉터(20)를 포함한다. 리플렉터(20)는 반사면(21)과, 입광부(22)와, 출광부(24)를 구비한다. 입광부(22)와 출광부(24)는 각각 서로 다른 방향에서 반사면(21)과 대면되며, 서로 교차된다. 반사면(21)은 포물면 형태이다. 여기서, 포물면 형태라 함은 원추계수(conic coefficient) K = -1인 엄밀한 포물면 만을 의미하는 것은 아니다. 적어도 본 명세서에서 사용되는 반사면(21)은 K가 -0.4 내지 -2.5 범위, 바람직하게는 -0.7 내지 -1.6 범위의 비구면을 의미한다. 반사면(21)의 K값은 광원(10)로부터 방사되는 광을 조명하고자 하는 대상체에 유효하게 조명될 수 있는 방사각도 범위로 콜리메이팅시키기 위하여 상기의 범위 내에서 적절히 선정될 수 있다. 이하에서는, K = -1인 반사면(21)을 예로써 설명한다.

광원(10)은 예를 들면 하나 이상의 LED(11)를 사용할 수 있다. 광원(10)은 입광부(22)를 통하여 반사면(21)으로 광을 조사한다. 반사면(21)에 의한 콜리메이 팅효과를 높이기 위하여는 광원(10)은 반사면(21)의 초점(F)에 위치되어야 한다. 다시 말하면, 광원(10)은 LED(11)가 반사면(21)의 초점(F)에 위치되도록 설치되어야 한다. 그런데, 광원(10)의 형상이나 리플렉터(20)의 형상 등의 제약에 의하여 광원(10)을 반사면(21)의 초점(F)에 위치시킬 수 없는 경우가 발생될 수 있다.

이와 같은 광원(10)의 초점(F)에 대한 위치편위를 보상하기 위하여, 조명장치는 광원(10)의 상이 초점(F)에 맺히도록 하는 광원편위보상수단을 더 구비한다. 도 3에는 광원편위보상수단의 일 예로서, 투광체로 된 렌즈(30)가 도시되어 있다. 광원(10)으로부터 방사된 광은 렌즈(30)를 통과하여 반사면(21)으로 입사된다. 렌즈(30)의 곡면(31)은 반사면(21)으로 입사되는 광의 연장선(도 3의 점선)이 반사면(21)의 초점(F)에 모이기에 적절한 구면 또는 비구면이다. 이와 같은 구성에 의하여 광원(10)이 마치 반사면(21)의 초점(F)에 위치되어 광을 조사하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 광은 반사면(21)에서 반사되어 거의 주축(26)과 나란한 평행광으로 콜리메이팅된다. 광은 출광부(24)로 출사된다. 엄밀하게 말하여 광원(10)은 점광원이 될 수 없다. 따라서, "거의 평행광"이란, 광원(10)이 사실상 면광원이므로 모든 광이 초점(F)에서 방출되는 것이 아니기 때문에 광이 완전한 평행광이 되지는 않는다는 것을 의미한다. 상술한 실시예에서는 광원(10)이 그 광축(13)이 주축(26)과 거의 수직되도록 배치되지만, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

렌즈(30)로부터 출사되는 광 중에서 반사면(21)의 초점(F)을 기준으로 하여 출광부(24)의 개구각(B)보다 작은 방사각도의 광(L1)은 반사면(21)에 입사되지 않 고 바로 출광부(24)를 통하여 방출된다. 따라서, 이러한 광(L1)은 콜리메이팅되지 않는다. 이와 같이, 콜리메이팅되지 않은 광(L1)은 대상체를 조명하기 위하여 유효하게 사용되지 못하고 손실된다. 따라서, 광이용효율이 낮아진다.

이와 같은 손실광(L1)을 줄이기 위하여 본 실시예의 조명장치는 출광부(24)의 개구각(B)보다 작은 반사각도의 광을 반사면(21)으로 입사시키기 위한 광경로변경수단을 구비한다. 도 3에는 광경로변경수단의 일 예로서, 렌즈(30)를 일부 자름으로써 형성되는 경사면(40)이 도시되어 있다. 광원(10)으로부터 출사된 광(L2)은 렌즈(30)로 입사되고, 경사면(40)을 통하여 출사된다. 이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 렌즈(30)의 굴절률과 렌즈(30)와 반사면(21) 사이의 매질(예를 들면 공기)의 굴절률 차이로 인하여 광(L2)은 경사면(40)을 통과하면서 굴절되어 그 경로가 변경된다. 예를 들어 렌즈(30)의 굴절률을 약 1.5, 공기의 굴절률을 약 1이라 하면, 광(L2)는 경사면(40)의 법선(L4)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절된다. 굴절된 광(L3)은 반사면(21)으로 입사된다. 이와 같은 구성에 의하여, 반사면(21)에 의하여 콜리메이팅되는 광량을 증가시켜 광이용효율을 향상시킬 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 조명장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5를 보면, 광원(10)은 반사면(21)의 초점(F)에 위치된다. 광원편위보상수단의 일 예인 렌즈(30a)의 곡면(31a)은 중심이 초점(F)에 위치되는 구면이다. 광경로변경수단의 일 예인 경사면(40a)은 렌즈(30a)를 경사지게 자름으로써 형성된다. 이와 같은 구성에 의하여, 도 3과 도 4에서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조명장치에 따르면, 광원편위보상수단을 더 구비함으로써 조명장치의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광경로변경수단을 더 구비함으로써 광이용효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 다수의 LED를 채용한 광원(10)을 사용하는 경우에 렌즈를 이용하지 않고 반사면(21)을 이용하여 광을 콜리메이팅시키기 때문에 도 1과 도 2에서 설명한 바와 같은 광이용효율의 저하없이 높은 효율로 광을 콜리메이팅시킬 수 있다. 또한, 다수의 LED를 채용한 광원(10)을 사용함으로써 조명장치의 소형화가 가능하다.

이하에서는, 상술한 조명장치를 적용한 화상투사장치에 관하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 화상투사장치의 일 실시예를 도시한 구성도이다. 도 8을 보면, 조명유닛(100R,100G,100B), 광변조소자(200), 투사렌즈유닛(300)가 도시되어 있다. 조명유닛(100R,100G,100B)은 각각 적색(R:red), 녹색(G:green), 청색(B:blue)광을 방출한다. 각 조명유닛(100R,100G,100B)은 예를 들면 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같은 구성을 갖는다. 광변조소자(200)는 각 조명유닛(100R,100G,100B)으로부터 순차적으로 방출되는 적색(R:red), 녹색(G:green), 청색(B:blue)광을 화상데이터에 맞추어 순차적으로 변조한다. 본 실시예의 화상투사장치는 하나의 반사형 광변조소자(200)를 사용하는 단판식 화상투사장치이다. 광변조소자(200)로서는 예를 들면 DMD(digital micromirror device)가 사용될 수 있다.

조명유닛(100R,100G,100B)으로부터 순차적으로 출사되는 적색(R:red), 녹색(G:green), 청색(B:blue)광은 다이크로익 필터(401a)(401b)에 의하여 공통의 광경로로 안내되어 인테그레이터(403)로 입사된다. 다이크로익 필터(401a)는 적색(R)광을 반사시키고 나머지 광은 투과시킨다. 다이크로익 필터(401b)는 청색(B)광을 반 사시키고 나머지 광은 투과시킨다. 인테그레이터(403)는 균일한 광강도를 갖는 면광을 형성한다. 인테그레이터(403)로서는, 사각단면을 가진 글래스로드 또는 내부 반사면을 가진 광터널이 채용될 수 있다. 콘덴싱렌즈유닛(402)는 광을 집광시켜 인테그레이터(403)로 입사시킨다. 인테그레이터(403)로부터 출사된 광은 TIR(total internal reflection)프리즘(405)을 거쳐 광변조소자(200)로 입사된다. 릴레이렌즈유닛(404)은 인테그레이터(403)로부터 출사되는 광을 광변조소자(200)의 개구에 맞추어 확대 또는 축소한다. 광변조소자(200)는 적색(R:red), 녹색(G:green), 청색(B:blue)광을 화상정보에 대응되게 순차적으로 변조시킨다. 변조된 광은 TIR프리즘(405)에 의하여 투사렌즈유닛(300)으로 안내된다. 투사렌즈유닛(300)은 변조된 광을 스크린(S)에 확대투사한다.

상술한 바와 같은 화상투사장치에 따르면 광원편위보상수단을 더 구비하는 조명유닛을 채용함으로써 조명유닛 및 화상투사장치의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광경로변경수단을 더 구비하는 조명유닛을 채용함으로써 광이용효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 포물면 형태의 반사면(21)을 이용하여 광을 콜리메이팅시킴으로써 다수의 LED를 채용한 광원(10)을 채용하는 경우에도 광손실을 감소 내지 방지할 수 있다. 따라서, 화상투사장치의 밝기를 향상시킬 수 있다. 또한, 다수의 LED를 채용한 광원(10)을 사용함으로써 소형화된 화상투사장치의 구현이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 조명유닛 및 이를 채용한 화상투사장치에 의하면, 광이용효율을 향상시킬 수 있으며, 소형화된 조명장치 및 화상투사장치의 구현이 가능하다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims

포물면 형태의 반사면과, 서로 교차되는 입광부와 출광부를 구비하는 리플렉터;

상기 입광부를 통하여 상기 반사면으로 광을 조사하는 광원;

상기 리플렉터와 상기 광원 사이에 개재되어 상기 광원의 상이 상기 반사면의 초점에 맞히도록 하는 광원편위보상수단;

상기 출광부의 개구각보다 작은 방사각도를 갖는 광의 적어도 일부를 상기 반사면으로 안내하는 광경로변경수단;을 포함하는 조명장치.
제1항에 있어서,

상기 광원은 상기 반사면의 초점에 위치되며,

상기 광원편위보상수단은 중심이 상기 반사면의 초점에 위치되는 구면렌즈인 것을 특징으로 하는 조명장치.
제2항에 있어서,

상기 광경로변경수단은 상기 구면렌즈의 상기 출광부 쪽의 일부를 경사지게 자름으로써 형성되는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광원의 광축은 상기 반사면의 주축과 수직한 것을 특징으로 하는 조명장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반사면은 원추계수(K)는 -0.4 내지 -2.5 범위의 비구면인 것을 특징으로 하는 조명장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광원은 하나 이상의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
복수의 광을 조사하는 복수의 조명유닛과, 상기 복수의 조명유닛으로부터 입사된 복수의 광을 화상데이터에 맞추어 순차적으로 변조하는 광변조소자와, 상기 광변조소자로부터 출사된 복수의 광을 확대 투사하는 투사렌즈유닛을 포함하며, 상기 조명유닛은,

포물면 형태의 반사면과, 서로 교차되는 입광부와 출광부를 구비하는 리플렉터;

상기 입광부를 통하여 상기 반사면으로 광을 조사하는 광원;

상기 리플렉터와 상기 광원 사이에 개재되어 상기 광원의 상이 상기 반사면의 초점에 맞히도록 하는 광원편위보상수단;

상기 출광부의 개구각보다 작은 방사각도를 갖는 광의 적어도 일부를 상기 반사면으로 안내하는 광경로변경수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제7항에 있어서,

광원은 상기 반사면의 초점에 위치되며,

상기 광원편위보상수단은 중심이 상기 반사면의 초점에 위치되는 구면렌즈인 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제8항에 있어서,

상기 광경로변경수단은 상기 구면렌즈의 상기 출광부 쪽의 일부를 경사지게 자름으로써 형성되는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광원의 광축은 상기 반사면의 주축과 수직한 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반사면은 원추계수(K)는 -0.4 내지 -2.5 범위의 비구면인 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광원은 하나 이상의 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.