KR100396128B1 - 액정표시장치 - Google Patents

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KR100396128B1
KR100396128B1 KR1019990003445A KR19990003445A KR100396128B1 KR 100396128 B1 KR100396128 B1 KR 100396128B1 KR 1019990003445 A KR1019990003445 A KR 1019990003445A KR 19990003445 A KR19990003445 A KR 19990003445A KR 100396128 B1 KR100396128 B1 KR 100396128B1
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fresnel lens
liquid crystal
light
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유끼오이가하마
모또히꼬후꾸하라
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후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 셰이딩층(shading layer)을 갖는 프레넬 렌즈 및 확대한 프레넬 렌즈를 포함하는 액정 표시장치등의 표시장치에 관한 것으로서, 적어도 1개의 영상변조기, 수직의 실상을 형성하기 위하여 상기 적어도 1개의 영상변조기로부터 광을 수신하는 집중투과요소의 어레이, 평탄면과 주기적인 능선부를 갖는 형태면을 구비하는 본체를 포함하고, 집중투과요소의 어레이로부터 프레넬 렌즈의 형태면에 광이 입사되도록 배치된 프레넬 렌즈, 집중투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈를 경유하여 상기 적어도 1개의 영상변조기로부터 광을 수신하는 화면, 및 한 세트에서 인접세트로 광이 이탈되는 것을 방지하기 위하여 2개의 인접한 세트의 액정표시판, 집중투과요소의 어레이 및 프레넬 렌즈사이의 화면에 또는 그 근처에 배치된 구획부로 구성되는 표시장치를 제공함으로써, 렌즈의 분해능(MTF) 변화 및 두꺼운 렌즈구조를 해결하고, 더욱이 50%이상의 분해능을 갖도록 할 수 있으며, 액정표시판에서의 불연속적인 영상으로 부터 연속적인 멀티디스플레이를 얻을 수 있어, 결과적으로 양호한 영상을 갖는 액정표시장치를 실현할 수 있다.

Description

액정표시장치 {LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 셰이딩층(shading layer)을 갖는 프레넬 렌즈 및 확대한 프레넬 렌즈를 포함하는 액정 표시장치등의 표시장치에 관한 것이다.
액정 표시장치는 비교적 얇은구조를 가져 많은 분야에 사용되었다. 최근에는, 화면이 보다 큰 투사식 액정 표시장치가 개발되었다. 이 전형적인 투사식 액정표시 장치는 화면에 확대한 영상을 투사하는 투사렌즈를 포함한다. 또한, 영상을 확대하기 위하여 투사렌즈와는 다른 광학요소도 사용할 수도 있다.
예를들면, 일본 특개평 5-188340호에는 액정 표시판, 액정 표시판에 의해 생성된 영상을 확대하는 프레넬 렌즈, 및 화면을 포함하는 투사식 액정 표시장치가 개시되어 있다. 이 경우에는, 액정 표시장치도 집중 투과요소의 어레이와 화면을 포함한다. 각각의 집중 투과요소의 어레이는 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직의 실상을 형성하도록 채용되며, 각 프레넬 렌즈는 집중 투과요소의 어레이에서의 영상을 확대하는 역활을 한다.
집중 투과요소는 직경 1㎜∼2㎜의 투명로드(rod)의 형태로 플라스틱 또는 유리로 제조되므로, 굴절율이 각각의 투명로드에 있어 그 방사상 방향으로 변화한다. 그 굴절율의 분포와 길이를 적절히 설정함으로써, 각각의 집중 투과요소를 사용하여 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직의 실상을 형성할 수가 있다. 다수의 집중 투과요소는 라인 또는 평면으로 배열한 요소의 단면과 서로 밀접한 관계로 배열되어 있어서, 집중투과요소의 어레이 또는 로우(row)를 형성한다. 집중투과요소의 어레이는 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직상의 실상을 형성하기 위한 영상장치로서 사용될 수가 있다. 집중 투과요소의 어레이를 사용하는 영상장치는 통상의 구면렌즈와 비교하여 초점거리가 매우 짧고 광성능이 라인 또는 평면에서 균일하여 렌즈들간의 거리 조정이 필요하지 않다는 이점이 있다.
그러나, 집중 투과요소의 어레이를 영상장치로서 사용하는 경우에는, 각각의 집중 투과요소가 요소의 거리를 변화시켜 배율을 변화시킬 수 있더라도 영상의 배율을 변화시킬 수가 없다. 이것은 각각의 집중 투과요소에 의해 형성된 확대 영상이 어레이에서 일치되지 않게 중첩되어 정상 영상을 형성할 수 없기 때문이다. 따라서, 집중 투과요소의 어레이는 실물크기의 영상장치로서만 사용될 수가 있어, 집중 투과요소의 어레이 이외에 확대수단을 제공하는 것이 필요하다.
일본 특개소 58-33526호와 61-12249호에는 집중 투과요소의 어레이와 집중 투과요소의 어레이의 입구측 또는 출구측상에 배치된 확대수단으로서 볼록렌즈와 오목렌즈를 포함하는 영상장치가 개시되어 있다. 볼록렌즈 또는 오목렌즈는 원하는 배율을 실현하기 위하여 1개의 렌즈 또는 다수개의 렌즈성분의 복합렌즈를 가질 수가 있다. 그러나, 이 영상장치는 액정 표시장치내에 확대장치로 사용되는 경우에, 렌즈의 분해능이 중앙부분에서 주변영역까지 변화하는 문제점이 있다.
분해능 MTF가 4(1 p/㎜), 즉 밀리미터당 4쌍의 흑백 스포트(spot)의 조건하에 50%이상인 경우에 양호한 영상이 얻어짐을 알았다. 그러나, 상술한 종래기술에서 50%이상의 분해능 MTF을 갖는 영상을 확립하는 것이 어렵다. 50%이상의 분해능 MTF을 확보하기 위하여는 광이 액정 표시판의 수직선에 대하여 약 10°의 각도로 액정 표시판의 주변영역을 투과하는 것이 필요하다. 주변영역에서 각도가 작을 수록 장치의 배율이 더 작아진다. 그 결과, 집중 투과요소의 어레이는 그것만으로 얇은 구조를 갖는 액정 표시장치를 제공할 수가 있더라도, 볼록렌즈 또는 오목렌즈를 집중 투과요소의 어레이와 사용하는 겅우에 얇은 구조를 갖는 액정 표시장치를 실현하는 것이 가능치 않다.
그러므로, 집중 투과요소의 어레이와 사용될 수 있고 얇은 구조를 갖는 액정 표시장치를 실현할 수 있는 확대요소가 요망된다. 집중 투과요소와 함께 프레넬렌즈를 사용하는 것은 상술한 일본 특개평 5-188340호에 개시되어 있지만, 이 종래기술에는 프레넬 렌즈를 사용하는 방식이 설명되어 있지 않다. 본 발명자는 확대요소로서 프레넬 렌즈를 사용하면 양호한 결과를 얻을 수 있음을 최근에 알았다.
더우기, 액정 표시장치에 있어서는, 화면의 주변영역에서의 영상의 휘도가 화면의 중앙영역에서의 영상의 휘도에 비하여 감소되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 광이 프레넬 렌즈의 형태면에 입사되도록 구성된 프레넬 렌즈를 적절히 배치하여 얇은 구조를 갖는 표시 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 화면의 휘도를 개선시킨 표시장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 양상에 의하면, 평탄면과 각 능선부가 평탄면에 거의 평행하게 연장되어 있는 편평한 융기부와 편평한 융기부에서 평탄면쪽으로 연장되어 있는 적어도 1개의 경사면을 포함하는 주기적인 능선부를 갖는 형태면을 구비하는 본체, 및 각 능선부의 평편한 융기부에 형성된 셰이딩층으로 구성되는 프레넬렌즈가 제공되어 있다.
바람직하게는, 편평한 융기부는 능선부의 위치에 따라 변화하는 폭을 갖는다. 이 경우에는, 적어도 1개의 경사면은 광이 주로 본체에 입사되도록 편평한 융기부의 일측에 배치된 주 경사면과 주 경사면에서 평편한 융기부의 타측에 배치된 부경사면으로 구성되어 있다.
바람직하게는, 편평한 융기부의 폭은 다음같은 관계식에 의해 결정된다.
여기서, d는 편평한 융기부의 폭, p는 융기부간의 간격, r은 축에 대하여 주경사면에서 본체에 입사된 주광선의 각도, θ1은 평탄면에 대한 주경사면의 각도, θ2는 축에 대한 부경사면의 각도이다.
본 발명의 다른 양상에 의하면, 적어도 1개의 영상 변조기, 수직의 실상을 형성하기 위하여 상기 적어도 1개의 영상 변조기에서 광을 수신하는 집중 투광요소의 어레이, 평탄면과 주기적인 능선부를 갖는 형태면을 갖는 본체를 포함하고 광이 집중 투과요소의 어레이에서 프레넬 렌즈를 형태면에 입사되도록 배치되어 있는 프레넬 렌즈, 및 집중 투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈를 통하여 상기 적어도 1개의 영상 변조기에서 광을 수신하는 화면으로 구성되는 표시장치가 제공되어 있다.
바람직하게는, 각 능선부는 평탄면에 거의 평행하게 연장되는 편평한 융기부와 편평한 융기부에서 평탄면쪽으로 연장되는 적어도 1개의 경사면을 포함하고 각 능선부의 편평한 융기부에는 셰이딩층이 형성되어 있다.
바람직하게는, 편평한 융기부는 능선부의 위치에 따라 변화하는 폭을 갖는다. 바람직하게는, 적어도 1개의 경사면은 광이 주로 본체에 입사되도록 편평한 융기부의 일측에 배치된 주경사면과 주 경사면에서 편평한 융기부의 타측에 배치된 부경사면으로 구성된다.
바람직하게는, 적어도 1개의 영상 변조기는 다수개의 액정 표시판과 집중 투과요소의 어레이로 구성되고, 프레넬 렌즈는 각 액정 표시판에 배치된다. 바람직하게는, 4세트의 액정 표시판, 집중 투과요소의 어레이 및 프레넬 렌즈는 각 세트를 직사각형 영역의 각 1/4부분에 배치된 상태로 배치되고, 화면은 1세트의 액정 표시판, 집중 투과요소의 어레이 및 프레넬 렌즈에서 영상을 수신하는데 필요한 표시영역의 4배 이상의 전체 표시영역을 갖는다.
바람직하게는, 광이 하나의 세트에 인접한 세트로 산란되는 것을 방지하기 위하여 2개의 인접한 세트의 액정 표시판, 집중 투과요소의 어레이, 프레넬 렌즈 사이의 화면에 또는 그 근처에 구획부를 배열한다.
바람직하게는, 화면은 소정의 표시영역을 갖고, 상기 적어도 1개의 영상 변조기는 주표시영역이 집중 투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈를 통하여 소정의 표시영역에 영상을 형성하고 주변 보상영역이 집중 투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈를 통하여 소정의 표시영역의 바로 외측에 영상을 형성하도록 배치된 주표시 영역과 주변보상영역을 갖는다. 바람직하게는, 상기 적어도 1개의 영상 변조기의 주변 보상영역은 주변 보상영역의 근처의 적어도 1개의 영상 변조기의 주표시 영역에서 전달된 영상의 부분과 거의 동일한 영상을 제공하도록 제어된다.
바람직하게는, 2개의 인접한 액정표시판 사이에서, 상기 1개의 액정 표시판의 주변 보상영역은 상기 1개의 액정 표시판의 주변 보상영역 근처의 인접한 액정 표시판의 주표시 영역에서 전달된 영상의 부분과 거의 동일한 영상을 제공하도록 제어된다.
본 발명의 또 다른 양상에 의하면, 적어도 1개의 영상 변조기, 상기 적어도 1개의 영상 변조기에 의해 출력된 영상을 확대하는 광학렌즈, 상기 적어도 1개의영상 변조기에서 상기 광학렌즈를 통하여 영상을 수신하고, 소정의 표시영역을 갖는 화면으로 구성되고, 상기 적어도 1개의 영상 변조기는 주표시영역이 상기 광학렌즈를 통하여 소정의 표시영역에 영상을 형성하고 주변보상영역이 상기 광학렌즈를 통하여 소정의 표시영역의 바로 외측에 영상을 형성하도록 배치된 주표시영역과 주변보상영역을 갖는 표시장치가 제공되어 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 액정 표시장치의 단면도.
도2는 도1의 4개의 액정 표시장치의 구성을 도시한 평면도.
도3a 내지 도3c는 도1의 집중투과요소중의 하나의 특징을 도시한 도.
도4는 집중투과요소의 광전파를 도시한 도.
도5는 대상물제와 동일한 크기를 갖는 수직상의 실상의 형성을 도시한 도.
도6은 도1의 집중투과요소의 배열의 사시도.
도7은 영상면 및 분해능의 감소방법을 도시한 도.
도8은 도1의 프레넬 렌즈의 단면도.
도9는 도8의 프레넬 렌즈의 부분평면도.
도10은 도8 및 도9의 프레넬 렌즈의 부분의 단면도.
도11은 종래의 프레넬 렌즈의 단면도.
도12는 도10에서의 프레넬 렌즈의 형태면의 능선부(ridge)의 편평한 융기부(crest)에 셰이딩층(shading layer)의 폭을 산출하는 몇가지 치수 특성을 보인도.
도13은 액정 표시판의 변경예의 평면도.
도14는 액정 표시판의 주요 표시영역과 주변 보상영역에 의해 생성된 화상을도시한 도.
도15는 인접한 2개의 액정 표시판에 의해 생성된 화면에의 영상을 도시한 도.
도16은 도15의 액정 표시판의 주요 표시영역과 주변보상영역의 영상에 의해 생성된 화상을 도시한 도.
도17은 도13의 구성과 같은 액정 표시장치 단면도.
도18은 주요 표시영역과 주변 보상영역에서 화면까지의 발광경로를 도시한 단면도.
도19는 화면에의 영상 성분을 도시한 평면도.
도20은 화면에의 몇가지 영상요소를 도시한 평면도.
도21은 화면에의 주변 영역에서의 영상의 휘도감소 방법을 도시한 도.
도1과 도2는 본 발명에 의한 액정 표시장치 10을 도시한 것이다. 액정 표시장치 10은 직사각형 영역의 각 1/4부분에 배치되는 4개의 액정표시판 12를 포함한다. 각 액정표시판 12는 유효 표시영역 12a와 유효 표시영역 12a 주변의 비표시영역 12b를 포함하고, 비표시영역 12b는 구동회로등을 액정을 구동하는 판에 부착하기 위해 필요한 것이다. 따라서, 영상은 비표시영역 12b에 형성되지 않고 불연속 영상은 4개의 액정 표시판 12를 직접 보는 경우에 형성된다. 본 실시형태는 확대요소를 제공함으로써, 4개의 액정 표시판 12에서의 불연속 영상으로 부터 연속적인 멀티디스플레이를 얻을 수가 있다.
도1에 있어서, 액정표시장치 10은 액정표시판 12의 후면측에의 백라이트(back light)14, 및 각 액정표시판 12의 전면측에의 집중 투과요소의 어레이 16을 포함한다. 집중 투과요소의 어레이 16의 각각의 영역은 유효 표시영역 12a의 영역보다도 크지만, 비표시영역 12b를 포함하는 액정 표시판 12의 전체영역 보다도 작다. 각각의 집중 투과요소의 어레이 16은 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직의 실상, 즉 액정 표시판 12에 의해 형성된 영상을 형성할 수가 있다.
액정 표시장치 10은 각각의 집중 투과요소의 어레이 16의 출력측에 프레넬 렌즈 18을 포함한다. 각 프레넬 렌즈 18은 도8 및 도9에 도시한 바와같이 평탄면 18a와 단면이 톱니형태로 동심상으로 주기적인 능선부 19를 갖는 형태면 18b를 구비하는 투명체를 포함한다. 본 발명에 있어서, 프레넬 렌즈 18은 프레넬 렌즈 18의 형태면 18b에 주로 광이 입사되도록 배치된다. 도1의 구성에 있어서, 형태면 18b는 어레이 16에 대향하여 있다. 평탄면 18a는 발광측에 배치된다.
또한, 액정 표시장치 10은 프레넬 렌즈 18의 전면측에 화면 프레넬 렌즈 20을 갖는 화면 22를 포함한다. 프레넬 렌즈 18에서의 발광빔은 인접한 프레넬 넬즈 18에서의 발광빔이 불연속 없이 화면 22에 부딪히도록 화면 22쪽으로 분기하여 전해진다.
그러므로, 화면 22를 바라보는 사람은 액정 표시판 12의 비표시영역 12b를 볼 수가 없다. 이 액정표시판 12는 영상 변조수단의 일예이고, 광을 합체하는 다른 유형의 영상변조수단을 사용할 수가 있다.
어레이 16은 다수개의 집중 투과요소 16a로 구성되고 이 집중 투과요소 16a의 한개의 특징이 도3a-도3c에 도시되어 있다. 집중 투과요소 16a는 직경 1㎜∼2㎜의 투명로드의 형태로 플라스틱이나 유리로 제조된다. 집중 투과요소 16a의 굴절율은 도3c에 도시한 바와 같이 방사상 방향으로 그 본체가 변화한다. 굴절율 n(r)의 분포는 다음의 2차 함수로 표현된다.
여기서, r은 수직축에서의 거리, n0는 수직축에 대한 굴절율, g는 굴절율의 분포상수이다.
광은 도4에 도시한 바와같이, 그 단면에서 집중 투과요소 16a에 입사되어 광이 집중 투과요소 16a를 투과하면서 굴절율이 보다 높은 부분쪽으로 구부러지므로, 광은 주기적으로 지그재그 형상의 경로를 따라 전진하게 된다. 사이클 p는 p=2π/g로 표현된다. 집중 투과요소 16a의 길이 z를 p/2＜z＜3p/4의 관계식에서 선택하면, 도5에 도시한 바와같이 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직의 실상을 형성할 수가 있다. 거리 L은 대상물체와 영상사이의 거리이다.
도6은 집중 투과요소 16a가 라인 또는 평면으로 배치된 그 단면과 서로 밀접한 관계로 배치되어 어레이 16을 형성한다는 것을 보인 것이다. 대상물체와 동일한 크기를 갖는 수직의 실상은 어레이 16에 의해 형성될 수가 있다. 집중 투과요소 16a의 어레이 16을 사용하는 영상장치는 초점거리가 매우 짧고 광학성능이 라인 또는 평면에서 균일하다는 이점을 제공한다. 그러나, 집중 투과요소의 어레이 16의 길이를 변화시키는 경우에는 각각의 집중 투과요소 16a가 배율을 변화시키는 것이 가능하더라도 집중 투과요소 16a의 어레이 16은 대상물체에 대하여 영상의 배율을 변화시키는 것이 가능하지가 않다. 이것은 각각의 집중 투과요소 16a에 의해 형성된 확대영상이 어레이 16에 불일치하게 중첩되어 정상영상이 어레이 16에 형성되지 않기 때문이다. 따라서, 집중 투과요소 16a의 어레이 16은 실물크기의 영상장치로서만 사용될 수가 있고 확대수단으로서 프레넬 렌즈18을 사용한다.
실시형태에 있어서, 액정표시판 12의 유효영역 12a의 면적은 211.2㎜×158.4㎜이며, 필요한 배율(유효영역 12a의 면적과 유효영역 12a의 면적에 의해 분리된 비유효 영역 12의 면적의 합계값)은 1.09이다. 집중 투과요소 16a에 대하여, 굴절율 n은 1.507, 굴절율의 분포상수 g는 0.1847, 길이 z는 18.89㎜, 직경은 1.18㎜이다. 확대 프레넬 렌즈 18은 굴절율이 1.494인 아크릴로 구성되고 중심곡률(cuy)이 -0.00813668, 2차 상수가 -0.775202×10-8, 3차 상수가 0.318549×10-13, 4차 상수가 -0.720974×10-19, 5차 상수가 -0.717576×10-25인 곡률반경을 갖는다. 프레넬 렌즈 18의 수직선에 대하여 프레넬 렌즈 18의 최외주 위치에서의 발광의 각도(AEP)는 28.3°이다. 화면 프레넬 렌즈 20은 다양한 각도로 확대 프레넬 렌즈 18에서의 발광빔을 평행한 광빔으로 변환하는 역활을 하고, 굴절율이 1.537인 MS로 구성된다.
이 예에서의 분해능 MTF는 다음의 표에 표시되어 있다.
AEP(°) MTF (%)
2 (l p/mm) 4 (/ p/mm)
28.3 89.7 64.0
다른 실시형태에 있어서, 프레넬 렌즈 18의 최외주 위치에서의 발광각도(AEP)가 변화되도록 프레넬 렌즈 18의 형태면 18b의 형상이 변화된다. 각도(AEP)를 변화시키면서 분해능 MTF를 검사한다. 이 예에 있어서, 집중 투과요소 16a의 굴절율 n은 1.505, 굴절율의 분포상수 g는 0.1847, 길이 z는 18.895㎜, 거리 L은 20㎜이다. 프레넬 렌즈 18의 두께는 2㎜이고 굴절율은 1.494이다. 프레넬 렌즈 18은 집중 투과요소 16a의 어레이 16을 접촉하도록 배치된다. 이 구성에 있어서, 프레넬 렌즈 18의 곡률은 프레넬 렌즈 18의 광축에 평행한 광빔(이하, 주광빔이라고 함)이 각도(AEP)에서 프레넬 레즈 18의 최외주 위치에서 발산하고 초점이 프레넬 렌즈 18의 중심을 통과하는 라인상의 위치에 있도록 포물선 형상으로 설정된다. 이 예에서의 분해능 MTF는 다음의 표에 표시되어 있다. 형태면 18b가 광입사측에 있고 평탄면 18a가 광 투사측에 있음을 주목하여야 한다.
AEP (°) MTF (%)
2 (/ p/mm) 4 (l p/㎜)
10 99.7 98.9
20 98.1 92.7
30 88.7 61.1
40 88.9 61.5
이 표에서 알 수 있는 바와 같이, MTF에 대해 얻어진 수치 40°의 각도(AEP)에서도 만족스러운 것이다. 이 결과는 형태면 18b가 광입사측에 있고 평탄면이 광투사측에 있는 구성으로 얻어진 것이다.
그러나, 영상이 평탄면에 실제 형성되지만, 영상면은 다소 구부려 진다. 따라서, 초점이 프레넬 렌즈 18의 중심을 통과하는 라인상의 위치에 있으면, 주변위치에서의 MTF의 값을 감소시킬 수도 있다. 상기 표에 있어서, 초점이 프레넬 렌즈 18의 중심을 통과하는 라인상의 위치에 있으면, 주변위치에서의 MTF의 값을 감소시킬 수도 있다. 상기 표에 있어서, 초점이 프레넬 렌즈 18의 중심을 통과하는 라인상의 위치에 있는 경우에 10∼30°의 각도(AEP)에서의 MTF값을 얻었지만, 프레넬 렌즈 18의 중심에서의 MTF의 값이 프레넬 렌즈 18의 최외주 위치에서의 MTF의 값과 동일하도록 초점을 조정한 경우에 40°의 각도(AEP)에서의 MTF의 값을 얻었다.
다음의 표는 평탄면 18a가 광입사측에 있고 형태면 18b가 광투사측에 있고 다른 조건은 상기 예와 같은 경우에 얻어진 분해능 MTF에 관한 시험결과를 표시한것이다. 이 결과는 형태면 18b가 광입사측에 있고 평탄면 18a가 광투사측에 있는 경우에 얻어진 분해능 MTF와 비교된다.
AEP(°) MFF(%)
2 (l p/㎜) 4 (/ p/mm)
10 95.8 84.0
12 90.8 65.0
13 86.9 55.4
14 81.6 41.5
15 76.1 28.8
20 26.6 5.5
화면 관찰에 의한 평가법에 의하면, MTF의 값이 4(1 p/㎜)의 조건에서 50%이상일때 생성된 화상이 양호함을 알았다. 따라서, 이 비교시험에 있어서는, 13°이하의 각도(AEP)가 만족스럽지만 프레넬 렌즈의 곡률은 이 범위에 제한된다고 말할 수가 있다.
본 발명자는 평탄면 18a가 광입사측에 있고 형태면 18b가 광투사측에 있을때 분해능 MTF가 감소되는 이유를 분석하기 위해 더 시도하였다.
도7에 도시한 바와같이, 프레넬 렌즈 18의 중심에서 그 주변으로 위치가 변위되고, 파선 F로 표시한 바와같이 화면 22에 대하여 영상면이 왜곡됨에 따라 프레넬 렌즈 18의 초점길이가 더 짧게됨을 알 수가 있다. 도7에 있어서, 집중 투과요소 16a의 어레이 16과 프레넬 렌즈 18을 도시하였지만, 프레넬 렌즈 18은 형태면 18b가 광투사측에 있도록 배치되어 있다.
왜곡된 영상면의 분석시에, 주광빔에 대하여 동일한 각도를 주광빔의 어느 한측에 주광빔에 입사되는 광빔 30과 31사이의 각도(AIM)를 주시한다. 프레넬 렌즈 18에 광이 입사되는 경우에는 광빔 30과 31사이의 각도(AIM)은 더 작게 되고, 광입사측에의 표면에 관계없이 광이 프레넬 렌즈 18에서 투사하는 경우에는각도(AIM)은 더 크게된다. 이러한 경향은 입사광 또는 합체광 및 입사면 또는 투사면이 크게 됨에 따라 더 커진다. 즉, 이 경향은 형태면 18b에 대하여 더 커진다. 따라서, 광이 형태면 18b에서 투사되는 구성에 있어서 광빔 30과 31사이의 각도(AIM)이 더 크게되고, 각도(AIM)이 더 크게됨에 따라 영상이 화면 22에서 먼쪽에 형성되어, 그 결과 분해능 MTF가 감소된다. 광이 평탄면 18a에서 투사되는 구성에 있어서는 각도(AIM)은 그렇게 크게되지는 않는다. 이 경우에 있어서는, 화면 22에 영상을 형성하는 것이 가능하다.
도10은 도1의 프레넬 렌즈 18의 상세도이다. 상술한 바와같이, 프레넬 렌즈 18은 평탄면 18a와 동심상으로 주기적인 능선부 19를 갖는 형태면 18b를 갖는다. 각 능선부 19는 평탄면 18a에 거의 평행하게 연장되는 편평한 융기부(crest)19a와 편평한 융기부 19a에서 평탄면 18a쪽으로 연장되는 경사면 19b를 포함한다. 도10의 평탄면 18a에 수직한부면 19c는 경사면 19b에서 편평한 융기부 19a의 대향측에 배치된다. 각 능선부 19의 편평한 융기부 19a에는 셰이딩층 19d가 평탄면 18a에 평행하므로 프린팅에 의해 용이하게 형성된다.
도11은 능선부 19를 갖는 종래의 프레넬 렌즈 18을 도시한 것이다. 도10의 편평한 융기부 19a는 도10의 능선부 19의 정점을 절단함으로써 형성됨을 알 수가 있다. 도11에 도시한 종래의 프레넬 렌즈 18에 있어서는, 고스트(ghost)를 포함하는 빔을 산란시키는 문제점이 있다. 즉, 부면 19c 근처의 위치의 경사면 19b에 광 S가 입사되면, 광 S는 부면 19c에 의해 반사되어 그 경로를 제어되지 않는 방향으로 변화시킴으로써 고스트를 유발시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 셰이딩층 19d를 형성한다.
도8에서 알 수 있는 바와같이, 능선부 19의 형상 또는 경사는 능선부 19의 위치에 따라 변화하고, 편평한 융기부 19a가 이 능선부 19의 위치에 따라 변화하는 폭을 갖는 것이 바람직하다.
도12에 도시한 바와같이, 부면 19c는 프레넬 렌즈 18의 구성 때문에 평탄면 18a에 대하여 경사질 수도 있다. 명백한 바와같이, 편평한 융기부 19a의 일측에 배치된 주경사면 19b는 광이 주로 주경사면 19b에서 프레넬 렌즈 18의 본체에 입사되도록 구성되며, 부경사면 19c는 주경사면 19b에서 편평한 융기부 19a의 타측에 배치된다.
바람직하게는, 편평한 융기부 19a의 폭은 다음의 관계식으로 결정된다.
여기서, d는 편평한 융기부 19a의 폭, p는 능선부 19의 간격, r은 축에 대하여 주경사면 19a에서 본체에 입사되는 주광선의 각도, θ1은 평탄면 18a에 대한 주경사면 19b의 각도, θ2는 프레넬 렌즈 18의 축에 대한 부경사면 19c의 각도이다.
도13, 도17 및 도18은 4개 세트의 액정표시판 12, 집중투과요소 16a의 어레이 16과 프레넬 렌즈 18, 및 화면 22를 포함하는 액정표시장치 10의 변경예를 도시한 것이다. 4개 세트는 직사각형영역내의 각 1/4부분에 배치되어 있다. 화면 22는 한세트의 액정표시판 12, 집중투과요소 어레이 16과 프레넬렌즈 18에서 영상을 수신하는데 필요한 소정의 표시영역 22p의 4배이상의 전체표시 영역을 갖는다.즉, 화면 22는 각 액정표시판 12에 대하여 소정의 표시영역 22p를 갖는다.
광이 한 세트로 부터 인접한 세트로 산란되는 것을 방지하기 위하여, 2개의 인접한 세트의 액정표시판 12, 집중투과요소의 어레이 16과 프레넬 렌즈 18사이의 화면 22에 또는 그 근처에 구획부 26을 배치한다.
각 액정표시판 12는 도2에 의하여 설명한 바와같이, 유효표시영역 12a와 유효표시영역 12a주변의 비표시영역 12b를 포함한다. 이 유효표시영역 12a는 주표시영역 12x와 주변보상영역 12y로 더 분할된다. 주표시영역 12x는 집중투과요소의 어레이 15와 프레넬 렌즈 18을 통하여 소정의 표시영역 22p에 영상을 형성한다. 주변보상영역 12y는 집중투과요소의 어레이 16과 프레넬 렌즈 18을 통하여 소정의 표시영역 22p의 바로 외측에 영상을 형성한다. 즉, 주변보상영역 12y는 화면 22에 실상의 형성에 기여하지 않지만, 액정표시판 12의 주변영역에서의 휘도의 손실을 보상한다. 예로서, 유효표시영역 12a는 640×480화소를 포함하고, 주표시영역 12x는 620×465화소를 포함한다.
도14에 도시한 바와같이, 액정표시판 12의 주변보상영역 12y는 주변보상영역 12y 근처의 액정표시판 12의 주표시영역 12x에서 전달된 영상의 부분 I1과 거의 동일한 영상 I1를 제공하도록 제어된다.
도15와 도16에 교체적으로 도시한 바와같이, 액정표시판 12의 주변보상영역 12y는 상기 1개의 액정표시판 12의 주변보상영역 12y 근처의 인접한 액정표시판 12의 주표시영역 12x에서 전달된 영상의 부분 I1와 거의 동일한 영상 I2를 제공하도록 제어된다.
도19는 화면 22에의 영상의 영상의 요소 50을 도시한 것이다. 요소 50은 몇개의 광빔이 초점을 맞추지만, 사실상 광빔은 확대 프레넬 렌즈 18의 수차(aberration)에 의하여 임의 영역 51에 산란할 수도 있는 포인트(point)이어야 한다. 따라서, 요소 50의 휘도를 감소시킬 수가 있다. 도20은 산란영역 51, 51a, 51b, 51c, 및 51d를 갖는 요소 50, 50a, 50b, 50c, 및 50d를 도시한 것이다. 요소 50은 다른 요소 50a, 50b, 50c, 및 50d에서 광을 수신하여, 요소 50의 휘도를 어느정도 보상할 수도 있다. 도21은 주변보상영역 12y를 형성하지 않는 경우의 화면 22의 주변부분을 도시한 것이다. 화면 22의 주변부분에는 산란영역 51, 51a, 51b, 51c, 및 51d를 갖는 요소 50, 50a, 50b, 50c, 및 50d가 형성되어 있지만, 소정의 표시영역 22p외측에 과잉의 광성분이 없기 때문에 이들 요소의 휘도는 보상될 수가 없다.
도18에 도시한 바와같이, 주변보상영역 12y는 소정의 표시영역 22p외측에 광을 발생시켜 실상의 형성에 기여하지 않지만, 주변보상영역 12y에서의 발광은 화면 22의 주변부분에 감소된 휘도를 보상하는 산란광 성분을 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본원발명은 주경사면과 부경사면으로 이루어진 프레넬렌즈에 셰이딩층을 형성시켜, 종래 프레넬렌즈에서 발생되는 문제점, 즉 주경사면에 빔이 입사되면 빔은 다시 부경사면에 의해 반사되어 그 경로는 제어되지 않는 방향으로 변화되어 고스트(ghost)가 유발되는 현상을 방지할 수가 있다.
또한, 이러한 프레넬렌즈를 집중투과요소의 어레이와 함께 사용함으로써 발생되는 문제점, 즉 렌즈의 분해능(MTF) 변화 및 두꺼운 렌즈구조를 해결하고, 더욱이 50%이상의 분해능을 갖도록 할 수 있으며, 액정표시판에서의 불연속적인 영상으로 부터 연속적인 멀티디스플레이를 얻을 수 있어, 결과적으로 양호한 영상을 갖는 액정표시장치를 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 2개의 영상변조기,
    수직의 실상을 형성하기 위한 집중투과요소의 2개의 어레이로서, 하나의 어레이는 상기 하나의 영상변조기로부터 광을 수신하고, 다른 하나의 어레이는 다른 하나의 영상변조기로부터 광을 수신하도록 구성된 집중투과요소의 2개의 어레이,
    평탄면과 주기적인 능선부를 갖는 형태면을 구비하는 본체를 각각 포함하는 2개의 프레넬 렌즈로서, 각각의 프레넬 렌즈는 집중투과요소의 상기 2개의 어레이중 선택된 어레이로부터 상기 2개의 프레넬 렌즈중 대응하는 프레넬 렌즈의 형태면에 광이 입사되도록 배치되는 구성으로 된 2개의 프레넬 렌즈,
    집중투과요소의 상기 2개의 어레이와 상기 2개의 프레넬 렌즈를 경유하여 상기 2개의 영상변조기로부터 광을 수신하는 화면, 및
    한 세트에서 인접세트로 광이 이탈되는 것을 방지하기 위하여 인접한 세트의 제1 및 제2 영상변조기, 집중투과요소의 상기 2개의 어레이 및 상기 2개의 프레넬 렌즈사이의 화면에 배치된 구획부로 구성되는 표시장치.
  2. 제 1항에 있어서, 각 주기적 능선부는 평탄면에 거의 평행하게 연장되는 편평한 융기부와 편평한 융기부에서 각 능선부의 융기부쪽으로 연장되는 적어도 1개의 경사면을 포함하고, 적어도 1개의 경사면은 편평한 융기부의 일측에 배치되고 주경사면과 주경사면으로부터 본체에 광이 주로 입사되도록 형성되는 주경사면과 주경사면으로부터 편평한 융기부의 타측에 배치되는 부경사면으로 구성되는 표시장치.
  3. 제 2항에 있어서, 편평한 융기부의 폭은 다음 관계식
    (여기서, d는 평편한 융기부의 폭, p는 능선부의 간격, r은 축에 대하여 주경사면에서 본체로 입사된 주광선의 각도, θ1은 평탄면에 대한 주경사면의 각도, θ2는 축에 대한 부경사면의 각도)
    으로 결정되는 표시장치.
  4. 제 1항에 있어서, 화면은 소정의 표시영역을 갖고,
    상기 2개의 영상변조기의 각각은 주표시영역이 집중투과 요소와 프레넬 렌즈를 경유하여 소정의 표시영역에 영상을 형성하도록 배치되고 주변보상영역이 집중투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈를 경유하여 소정의 표시영역의 바로 외측에 영상을 형성하도록 배치된 주표시영역과 주변보상영역을 가지며, 상기 2개의 영상변조기의 주변보상영역이 주변보상영역 근처의 상기 2개의 영상변조기의 주표시영역으로부터 전달된 영상의 부분과 거의 동일한 영상을 제공하도록 제어되는 표시장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 2개의 영상변조기의 각각은 다수의 액정표시판으로 구성되고, 집중투과요소의 어레이와 프레넬 렌즈가 액정표시판마다 배치되는 표시장치.
  6. 제 5항에 있어서, 4개의 세트의 액정표시판, 집중투과요소의 어레이 및 프레넬 렌즈는 각 세트가 직사각형 영역의 각 1/4부분에 배치되는 상태로 배치되어 화면이 1개 세트의 액정표시판, 집중투과요소의 어레이 및 프레넬 렌즈로부터 영상을 수신 하는데 필요한 표시영역보다 4배 큰 전체 표시영역을 갖는 표시장치.
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