기하광학의 원리를 이용한 LCD프로젝터의 설계

본문내용

간격으로 선을 그어주어 빛이 얼마나 일정한 부분으로 투시되는지를 알아보는데 사용하였다.
그림 2-29와 같이 초점거리를 알아보고자 하는 렌즈에 레이저 포인터로 평행광을 일정하게 직선으로 투사해준다. (a)와 같이 초점이 맞지 않았을 경우에는 빛을 입사시켜준 방향으로 빛이 퍼지게 되는데 반해, (b)와 같이 초점이 어느 정도 맞게 되는 경우에는 초점판의 한 점으로 수렴하게 되는 것을 볼 수 있게 된다.
이렇게 구해본 프레넬 렌즈의 초점거리는 각각 33cm와 35cm로 측정되었다. 여기서 초점거리가 의미하는 바는 배율을 나타낸다는 것인데, 위의 이론을 이용해 구해보면
가 된다. 즉, 아크릴 판을 프레넬 렌즈 양면에 대어 주어도 렌즈 사양에는 크게 영향을 미치지 않게 되는 것을 발견할 수 있다. 그럼 처음에 설계해 놓은 도면대로 LCD프로젝터를 설계할 수 있게 된다.
②가투사
설계한대로 프로젝터를 바로 만들 수도 있겠지만, 본인이 계산한 이론값과 실제치에 다소 차이가 날 수 있으므로 시험적으로 투사를 해보게 된다. 프로젝터라는 것이 대형화면을 구사하기 위한 장치이기 때문에 조그마한 차이에도 자신이 원하는 화면과 크게 차이가 날 수 있으므로 꼭 가투사를 해보자.
설계도를 기준으로 광원과 LCD와의 거리는 17cm로 맞추어주고, 광원을 쏘아준다. 위와 같이 가투사시 램프에 환기장치를 하지 않을 경우에는 가투사 시간을 5분 내로 하기를 추천한다. 많은 빛과 함께 엄청난 열을 내보내기 때문에 자칫 오랜 시간 냉각장치가 없는 상태로 빛을 밝혀줄 경우 램프의 수명에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
투사렌즈를 제외하고 가투사 한 것이 그림 2-31의 화면이다. LCD에 표시된 화면이 전혀 나타나지 않음을 볼 수 있다. 기하광학에서 배운 공식을 통해 유도해보자.
이 음수값이 나오므로 상이 맺히지 않게 된다. 이를 보정하기 위해 투사렌즈를 추가하여 가투사를 하게 되는데, 투사렌즈로부터 스크린까지의 거리는 약 450cm이다. 그렇다면 스크린에 상을 맺기 위해 투사렌즈의 초점거리가 어느 정도 되어야 하는지 알아보자.
따라서 가변렌즈의 초점거리가 27.360cm정도로 조절하면 405cm떨어진 거리의 스크린에 초점을 맺을 수 있게 된다. 하지만, 위 계산식은 얇은 렌즈의 조합일 경우의 계산이기 때문에 실제로 27.360cm로 초점거리를 맞추었을 때는 초점이 잘 맞지 않고 실제, 35cm로 조절하니 그림 2-32처럼 초점을 맺게 되었다.
이렇게 가투사시 확대된 화면을 볼 수 있는데, 그럼 이 거리에서 얼마나 확대된 것인지 계산을 해보자.
이론상으로 이렇게 배치했을 경우 16.5배 확대되는 것으로 계산된다. 7인치 LCD를 설치했을 경우 약 110인치의 화면을 얻을 수 있다는 뜻이다. 하지만 실제 측정해본 결과 약 13배의 확대 효과를 볼 수 있었다.
③ 제작
이렇게 가투사를 하고 이론치와 관측치와의 차이점을 비교해가며, 내가 원하는 배율의 범위 조정, 배치를 완전히 정하게 되면, 빛의 확산을 박고 광원에서 나오는 열을 잘 분산시켜줄 수 있는 케이스를 만들게 된다. 여기서 주의해야 할 부분은 전원이 두 개가 들어가게 되므로 배선에 신경을 써야하고, 특히 높은 열을 내는 기기이기 때문에 열을 잘 분산시켜줄 수 있는 구조로 설계해야 하는 것이 중요하다. 케이스의 재질도 열을 잘 분산시켜줄 수 있는 알루미늄과 같은 재질을 사용하면 더욱 효율적이면서도 장기간 사용할 수 있다.
보통 그림 2-33의 왼쪽 그림과 같이 투박한 모양이 나오지만, 수차례 설계 및 제작을 하고 노력을 하면 오른쪽과 같이 판매되는 제품 못지않은 디자인과 크기를 구현할 수도 있게 된다.
Ⅲ. 결론
멀티미디어 시대를 통해 각광받는 디스플레이 중 하나인 LCD프로젝터의 구조에 대한 호기심에서 출발한 본 논문은 기하광학의 기초적인 내용을 통해 프로젝터의 구동원리와 직접 만들어볼 수 있는 프로젝터를 설계해 보았다. 이론적인 계산을 하고, 그를 통한 프로젝터의 설계를 해 봄으로써 기하광학의 원리에 대해서 다시금 정리하는 기회를 갖게 되었다.
본인이 만들어본 프로젝터뿐만 아니라 모든 프로젝터가 공통적으로는 영화 등을 감상하기에는 좋지만 일반 TV 프로그램을 보기에는 적합하지 않은 부분이 있다. 게다가 HD급이 아닌 일반 방송 프로그램을 프로젝터로 보면 고화질이 아니기 때문에 쉽게 눈도 피로하다. 이는 아직 고화질의 LCD패널을 구할 수 없기 때문이다. 이처럼 직접 제작을 함에 있어서 본인이 요구하는 사양에 맞추기에는 부품 조달이 무척 힘들었다. 또한 DLP프로젝터 제작도 관심이 있었으나, DMD칩을 구하는 방법이 무척이나 어려워서 DLP프로젝터의 제작과 광학적인 해석을 해보지 못한 부분이 아쉬움으로 남는다. 또한 계산적인 부분에서 간단한 공식만을 사용한 부분 역시 아쉬움으로 남고, 얇은 렌즈와 두꺼운 렌즈가 같이 조합되어 있을 때의 정확한 식을 구해내지 못한 것 역시 아쉬움으로 남는다. LCD프로젝터도 광학기기의 조합이기 때문에 여러 가지 수차의 관계를 무시할 수는 없을 것인데, 이 부분에 대해서는 고려해 볼만한 여유를 가지지 못했기 때문일 것이다. 앞으로도 꾸준하게 공부해 광학프로그램을 이용한 수차의 분석 및 계산을 해보고 싶다.
기하광학에서 배운 기초이론을 중심으로 실생활에 유용하게 사용할 수 있는 제품을 만들 수 있다는 부분에서 의의를 둘 수 있을 것이다. 또한 이러한 AV(Audio & Video)기기에 관심을 가지는 후배들에게 물리학을 재미있게 접하는 방법을 제시하는 길이 되기도 할 수 있다는 점 또한 의미 있는 일이 될 수 있을 것이다.
참고문헌
액정 프로젝터의 광학계(2000), 특허기술정보센터
실용신안 20-2003-0025585, 광학 장치, 광학 유닛 및 프로젝터
특허 10-2002-7011207, 조명 광학계 및 그것을 이용한 프로젝터
디스플레이 공학Ⅰ, 청범 출판사
디스플레이 공학Ⅱ, 청범 출판사
그림으로 보는 광전자공학의 기초, 도서출판 세화
참고사이트
http://www.diypro.net
http://projector4you.co.kr/
http://zdnet.co.kr
http://zzics.com

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LCD,   프로젝터,   프로젝터원리,   백라이트,   프레넬 렌즈,   광경로,   램프