KR100818857B1 - 프레넬 광학 소자 및 투사형 표시 장치 - Google Patents

프레넬 광학 소자 및 투사형 표시 장치 Download PDF

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Abstract

프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a) 중, 다른 프레넬 프리즘(12)으로 차단되어 프로젝터(1)로부터 광선이 직접 조사되지 않는 비입사면(12c)의 반사면(12b)에 대한 각도 τ´가, 프리즘 선단각 τ과는 상이하게 구성한다. 이에 따라, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있다.

Description

프레넬 광학 소자 및 투사형 표시 장치{FRESNEL OPTICAL ELEMENT AND PROJECTION DISPLAY DEVICE}
본 발명은 프로젝터 등의 발광체로부터 조사된 광선을 소정의 방향으로 반사시키는 프레넬 광학 소자와, 그 프레넬 광학 소자에 의해 반사된 광선을 결상해서 표시하는 투사형 표시 장치에 관한 것이다.
프레넬 광학 소자는, 프로젝터 등의 발광체로부터 조사된 광선을 굴절시키는 굴절면과, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면(基盤面)에 톱니 형상으로 복수개 배치되어 있다.
그 프레넬 프리즘에 있어서, 면의 앞뒤에서 굴절률이 상이한 굴절면과, 면의 앞뒤에서 굴절률이 상이한 기반의 출사면에서는, 프레넬 반사의 법칙에 의해, 각각의 면을 다 투과할 수 없는 광선이 일부 발생한다. 각각의 면의 굴절률에 의존하지만, 약 5% 정도의 광선이 투과하지 못한다.
예를 들면, 발광체로부터 조사된 광선 중, 굴절면을 투과하지 않고서 반사된 광선이나 기반의 출사면에 의해 반사된 광선(이하, 불요광(不要光; unnecessary light)이라 함)은, 복수의 프레넬 프리즘에 있어서 굴절이나 반사를 반복하면서 상이한 장소로 전파됨으로써, 프레넬 프리즘의 반사면에 의해 반사된 광선(이하, 신호광이라 함)과는 상이한 위치에서 출사되는 경우가 있다.
이와 같은 불요광이 관측자의 시야 방향으로 출사된 경우, 신호광과 동일한 영상을 나타내는 고스트 상(ghost image)이 관측자에게 인식되기 때문에, 투사형 표시 장치의 콘트라스트비가 현저하게 열화하게 된다.
그래서, 종래의 프레넬 광학 소자는, 프레넬 프리즘의 반사면의 각도를 적절한 조건으로 조정함으로써, 고스트 상의 기원으로 되는 기반의 출사면에 의해 반사된 광선의 각도를, 발광체로부터 조사된 광선의 각도보다 커지도록 제어하고, 불요광이 관측자의 시야 방향으로 출사되지 않도록 하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
또한, 이와 같은 프레넬 광학 소자는, 대형 선반으로 가공한 금형에 대해서 수지 재료를 유입시킴으로써, 레플리카(replica) 성형하는 것이 공지이다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2002-196413호 공보(단락 번호 [0011]~[0019], 도 1)
종래의 프레넬 광학 소자는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 기반의 출사면에 의해 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있지만, 굴절면을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 경우가 있는 등의 과제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 굴절면을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 프레넬 광학 소자를 얻는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고스트 상의 표시를 방지할 수 있는 투사형 표시 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명에 따른 프레넬 광학 소자는, 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 비입사면의 반사면에 대한 각도가, 그 굴절면과 반사면이 이루는 프리즘 선단각과는 상이하게 한 것이다.
이에 따라서, 굴절면을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 모식도,
도 5는 프레넬 프리즘(12)에 대한 광선의 입사각을 나타내는 설명도,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 다른 투사형 표시 장치를 나타내는 구성 도,
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 9는 프레넬 프리즘(12)에 대한 광선의 입사각을 나타내는 설명도,
도 10은 고스트 저감 효과(광선 추적 수치 계산 결과)를 나타내는 설명도,
도 11은 고스트 저감 효과(광선 추적 수치 계산 결과)를 나타내는 설명도,
도 12는 광선의 광로를 나타내는 설명도,
도 13은 광선의 광로를 나타내는 설명도,
도 14는 본 발명의 실시예 4에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 15는 본 발명의 실시예 5에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 16은 본 발명의 실시예 6에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 17은 프레넬 프리즘(12)의 프리즘 선단각을 나타내는 설명도,
도 18은 고스트 저감 효과(광선 추적 수치 계산 결과)를 나타내는 설명도,
도 19는 본 발명의 실시예 7에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 20은 본 발명의 실시예 8에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 21은 본 발명의 실시예 9에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 22는 본 발명의 실시예 10에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 23은 본 발명의 실시예 11에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 24는 본 발명의 실시예 11에 따른 다른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 25는 본 발명의 실시예 11에 따른 다른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 26은 본 발명의 실시예 12에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 27은 본 발명의 실시예 13에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 28은 본 발명의 실시예 14에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도,
도 29는 전반사 프리즘을 상사(相似) 축소해서, 비입사면을 스크린면과 평행하게 하고 있는 예를 나타내는 설명도,
도 30은 광선의 입사각 θ0와 전반사 프리즘의 입사면의 각도 ξ와의 관계를 나타내는 설명도,
도 31은 광선의 입사각 θ0과 한계 프리즘 정각(apex angle) τmax과의 관계를 나타내는 설명도,
도 32는 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 효율과의 관계를 나타내는 설명도,
도 33은 광선의 입사각 θ0과 전반사프리즘의 상사 축소 비율 l과의 관계를 나타내는 설명도,
도 34는 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l과의 관계를 나타내는 설명도,
도 35는 관측 결과 등을 나타내는 설명도,
도 36은 스크린 법선으로부터의 관측 결과를 나타내는 설명도,
도 37은 하향 경사 약 60°로부터의 관측 결과를 나타내는 설명도,
도 38은 (a)와 (c)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 39는 (a)와 (c)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 40은 (a)와 (b)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 41은 (a)와 (d)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 42는 입사각이 θ0=75°일 때의 관측 결과를 나타내는 설명도,
도 43은 (a)와 (c)와 (d)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 44는 (a)와 (b)와 (c)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 45는 (a)와 (b)와 (c)와 (d)의 방책을 조합한 예를 나타내는 설명도,
도 46은 반사 평면 미러(4)에 의한 반사예를 나타내는 설명도,
도 47은 반사 평면 미러(4)에 의해 비스듬하게 반사시킨 예를 나타내는 설명도,
도 48은 결상 표시판(3)의 형성예를 나타내는 설명도,
도 49는 결상 표시판(3)의 형성예를 나타내는 설명도,
도 50은 본 발명의 실시예 18에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도,
도 51은 조정 기구(29)를 나타내는 사시도,
도 52는 본 발명의 실시예 18에 따른 투사형 표시 장치의 광로를 나타내는 설명도,
도 53은 스크린의 휘어짐과, 그에 따르는 화상의 변화를 설명하는 설명도,
도 54는 휘어진 스크린(26´)에 격자 모양을 표시시킨 상태를 나타내는 설명도,
도 55는 스크린이 보강판에 의해 보강되고 있는 상태를 나타내는 설명도,
도 56은 본 발명의 실시예 20에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도,
도 57은 먼지의 영향을 나타내는 설명도,
도 58은 스크린(26)이 내부 응력을 갖는 부재(41)를 거쳐서 하우징(27)에 부착되어 있는 상태를 나타내는 설명도,
도 59는 본 발명의 실시예 22에 따른 투사형 표시 장치의 광로를 나타내는 설명도,
도 60은 본 발명의 실시예 23에 따른 투사형 표시 장치의 내부 회로를 나타내는 구성도,
도 61은 본 발명의 실시예 24에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도,
도 62는 도 61의 주요부 확대도,
도 63은 본 발명의 실시예 24에 따른 다른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도,
도 64는 본 발명의 실시예 24에 따른 다른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도.
실시예
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대해서, 첨부 도면에 따라서 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도이다.
도면에 있어서, 발광체인 프로젝터(1)는 화상 투영용 광선을 프레넬 광학 소자(2)에 조사한다.
프레넬 광학 소자(2)는 프로젝터(1)로부터 조사되는 광선을 결상 표시판(3)에 유도하는 기능을 갖고 있으며, 프레넬 광학 소자(2)는 프로젝터(1)로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면과, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면에 톱니 형상으로 복수개 배치된 구성이다.
결상 표시판(3)은 프레넬 광학 소자(2)의 반사면에 의해 반사된 광선을 결상하는 결상 수단을 구성하고, 결상 표시판(3)은 예를 들면 프레넬 광학 소자(2)의 반사면에 의해 반사된 광선의 퍼짐(spread)을 제어하는 렌치큘라 렌즈(lenticular lens)와 광선을 산란시키는 투과형 확산판으로 구성되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 구성도로서, 도면에 있어서 기반(11)은 광선을 투과시키는 시트 형상의 박판이며, 기반(11) 의 기반면(11a)에는 복수의 프레넬 프리즘(12)이 톱니 형상으로 배치되어 있다.
프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)은 프로젝터(1)로부터 조사되는 광선을 굴절시키고, 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)은 굴절면(12a)에 의해 굴절된 광선을 반사시킨다. 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)에 의해 반사된 광선이 기반(11)의 출사면(11b)으로부터 결상 표시판(3)에 출사된다.
프레넬 프리즘(12)의 비입사면(12c)은 다른 프레넬 프리즘(12)으로 차단되어 프로젝터(1)로부터 광선이 직접 조사되지 않는 굴절면(12a)의 일부로서, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도가, 굴절면(12a)과 반사면(12b)이 이루는 프리즘 선단각과는 상이하게 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 프레넬 광학 소자를 나타내는 모식도이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
통상, 톱니 형상 프리즘은 삼각형 PEG가 주기(간격) m으로 연속해서 늘어서 있지만, 여기서는 설명의 간단화를 위해서, 프리즘의 상사(相似) 축소 비율을 l(단, l≤1)로서 설명한다(l=1의 경우, 프리즘은 연속 형상으로 한줄로 줄지어 이어짐).
프로젝터(1)로부터 조사된 광선(L1, L2)은 도 4에 나타내는 바와 같이 도면 중 좌측으로부터 입사되고, 반사면(12b)에 의해 반사된 광선(이하, 신호광이라 함)이 도면 중 우측으로부터 출사되고 있다. 단, 광선(L1)은 프레넬 프리즘(12)의 선단 E에 입사되고, 광선(L2)은 도면 중 하측의 프레넬 프리즘(12)의 선단 E´를 스 쳐서 굴절면(12a)의 우단 U에 입사되고 있는 것으로 한다.
여기서, 프레넬 프리즘(12)의 프리즘 선단각(PEG)이 τ, 반사면(12b)의 경사각(GPE)이 α, 프레넬 프리즘(12)의 내부 굴절률이 n1, 프레넬 프리즘(12)의 외부 굴절률이 n0라고 하면, 신호광의 출사 각도 θref1는 이하의 관계식으로 표현된다.
Figure 112006041884117-pct00001
식 (1)에 있어서, 각도 α에 대해서 풀면, 관계식은 이하와 같이 된다.
Figure 112006041884117-pct00002
프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에서의 굴절률 n1은 매질에 의해 정해지고, 장소마다 매질을 바꾸는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에, 굴절률 n1이 일정하다고 한다. 한편, 외부의 굴절률 n0은 통상 공기이며, 이를 바꿀 수 없는 것은 말할 필요도 없다. 이상으로부터 반사면(12b)의 기울기를 나타내는 함수 α는, 출사 각도 θref1와 선단각 τ의 두 개의 자유도로 함수형이 결정되는 입사각의 함수로 된다.
그러나, 신호광의 출사 각도 θref1는 스크린 법선 방향(관측자의 시야 방향)과 일치하지 않으면, 관측자가 화상을 볼 수 없어, 스크린의 의미를 갖지 못하기 때문에, 실제로는 거의 자유도가 없다(자유도는 기껏해야 수 °).
마찬가지로, 프리즘 선단각 τ은 통상, 프레넬 프리즘(12)의 모형으로 되는 금형 가공에 이용하는, 절삭용 바이트(cutting tool)의 선단 각도와 동등하기 때문에, 스크린을 구성하는 복수의 프레넬 프리즘에 있어서 일정한 경우가 많다.
도 5는 프레넬 프리즘(12)에 대한 광선의 입사각을 3가지 도시하고 있으며, 상기 이유에 의해 선단각(PEG)인 τ와, 신호광의 출사 각도 θref1를 일정하게 하면, 각도 α는 식 (2)로부터, 입사각의 함수로 되어 일의적으로 결정된다.
이상으로부터, 프레넬 프리즘(12)을 구성하는 삼각형의 두 개의 각도 α, τ가 결정되므로, 삼각형의 내각(內角)의 합으로부터 나머지의 각도도 결정된다.
따라서, 프레넬 프리즘(12)의 형상은 일의적으로 결정된다(상사 변형의 크기를 제외함).
이상을 총합하면, 반사면(12b)의 기울기를 나타내는 함수 α의 두 개의 자유도는 거의 없는 것과 동등하고, 프리즘 선단각 τ도 통상 일정하기 때문에, 「면의 기울기」를 제어함으로써, 고스트 상의 기원으로 되는 불요광의 각도를 제어하는 것은 현실적으로는 어렵다.
여기서, 도 3의 광로에 착안하면, 프레넬 프리즘(12)을 구성하는 각 면 중, 프로젝터(1)로부터 출사하는 광선이 입사하고 나서 출사할 때까지, 광로에 기여하는 부분(굴절면(12a)과 반사면(12b)은 광로에 기여함)과, 광로에 기여하지 않는 부분(비입사면(12c)은 다른 프레넬 프리즘(12)의 셰이드(shade)로 되기 때문에, 프로젝터(1)로부터 광선이 직접 입사하지 않고, 광로에 기여하지 않음. 또한, 반사 면(12b)의 일부인 면 VP도, 비입사면(12c)에 의해 굴절된 광선이 조사되지 않기 때문에, 광로에 기여하지 않음)이 존재한다는 것을 알 수 있다.
이 기여하는 부분을 유효면, 기여하지 않는 부분을 무효면이라고 정의하면, 유효면 부분은 반드시 필요하지만, 무효면 부분은 있어도 없어도 문제없다.
따라서, 「면의 각도」에 설계상의 자유도가 거의 없기 때문에, 이 실시예 1에서는, 「프리즘의 형상」에 자유도를 부가함으로써 불요광의 방향을 제어한다.
구체적으로는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 일부를 비입사면(12c)과 같이 형성하지 않고, 그 굴절면(12a)을 도 4의 EUG와 같이 형성한 경우(도 3의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 2번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 조사된 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 점선 부분(면 UG)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 1에서는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 우단 U와 무효 부분인 면 V´P´의 좌단 V´를 연결함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하면, 상기와 같은 불요광은 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)에서는 굴절면(12a)이나 비입사면(12c)에 부딪히지 않고, 그대로 투과해서 위에서 5번째의 프레넬 프리즘(12)에 들어가기 때문에, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)이나 비입사면(12c)에 의해 불요광이 반사되지 않고, 불요광은 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 3의 예에서는, 오른쪽 아래 방향으로 출사됨).
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 1에서는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a) 중, 다른 프레넬 프리즘(12)으로 차단되어 프로젝터(1)로부터 광선이 직접 입사하지 않는 비입사면(12c)의 반사면(12b)에 대한 각도 τ´가, 프리즘 선단각 τ과 상이하게 구성했기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
따라서, 상기 프레넬 광학 소자(2)를 탑재하고 있는 투사형 표시 장치에서는, 고스트 상의 표시를 방지할 수 있다는 효과를 나타낸다.
또한, 이 실시예 1에서는, 프로젝터(1)로부터 출사된 광선이 프레넬 광학 소자(2)에 입사되는 것에 대해서 나타냈지만, 투사형 표시 장치의 심도(depth)를 작게 하기 위해서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 프로젝터(1)로부터 출사된 광선을 반사하는 반사 평면 미러(4)를 탑재하여, 반사 평면 미러(4)에 의해 반사된 광선이 프레넬 광학 소자(2)에 입사되도록 해도 무방하다. 이 경우, 프로젝터(1)와 반사 평면 미러(4)가 발광체를 구성한다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 우단 U와, 무효 부분인 면 V´P´의 좌단 V´를 연결함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 7에 나타내는 바와 같이, 복수의 프레넬 프리즘(12)이 배치되어 있는 기반면(11a)과 평행하게 비입사면(12c)을 형성하도록 해도 된다.
프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 일부를 비입사면(12c)과 같이 형성하지 않고, 그 굴절면(12a)을 도 4의 EUG와 같이 형성한 경우(도 7의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 입사한 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 6번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 점선 부분(면 UG)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 2에서는, 복수의 프레넬 프리즘(12)이 배치되어 있는 기반면(11a)과 평행하게 비입사면(12c)을 형성함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하면, 상기와 같은 불요광은 위에서 6번째의 프레넬 프리즘(12)에서는 굴절면(12a)이나 비입사면(12c)에 부딪히지 않고, 그대로 투과해서 위에서 7번째의 프레넬 프리즘(12)에 들어가기 때문에, 위에서 6번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)이나 비입사면(12c)에 의해 불요광이 반사되지 않고, 불요광은 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 7의 예에서는, 오른쪽 아래 방향으로 출사됨).
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 2에 따르면, 복수의 프레넬 프리즘(12)이 배치되어 있는 기반면(11a)과 평행하게 비입사면(12c)을 형성하도록 구성했기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으 로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 3)
상기 실시예 2에서는, 복수의 프레넬 프리즘(12)이 배치되어 있는 기반면(11a)과 평행하게 비입사면(12c)을 형성하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 8에 나타내는 바와 같이, 프레넬 프리즘(12)(점선 부분)을 모두 작성하지 않더라도, 실선 부분만을 작성함으로써, 도 7의 프레넬 프리즘(12)과 상사한 프레넬 프리즘(12)을 형성할 수 있다.
도 9는 복수의 프레넬 프리즘(12)의 주기(간격)를 바꾸지 않고 프리즘의 비율을 상사하게 축소(비율 l<1)한 경우(선단각 τ을 45°로 일정, 광선 출사각 θrefl이 0°로 일정한 경우)의 광선의 입사각을 3가지 도시하고 있으며, 프리즘의 비율을 상사하게 축소하더라도 도 5와 등가의 기능을 갖는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 10 및 도 11은 고스트 저감 효과(광선 추적 수치 계산 결과)를 나타내는 설명으로서, 특히, 도 10은 비입사면(12c)이 형성되어 있지 않은 경우(도 8 의 점선과 같이 형성되어 있는 경우)를 나타내고, 도 11은 비입사면(12c)이 형성되어 있는 경우를 나타내고 있다.
고스트 상은 관측자가 보는 방향으로 출사하는 불요광이며, 고스트 상의 출사 위치는, 기반(11)의 두께나, 배면의 반사 평면 미러(4) 등(도 6을 참조), 광로로 되는 매질의 두께에 의해 거의 결정된다. 프레넬 프리즘(12)의 신호광의 광로 는 IN으로부터 들어간 광선이 OUT1로 출사되는 것이다.
그러나, 출사면에서 투과할 수 없었던 나머지의 프레넬 반사 성분이나, 입사면에서 투과할 수 없었던 나머지의 프레넬 반사 성분은, 광로에 흡수체가 존재하지 않으면, 에너지 보존 법칙으로부터 반드시 발생한다.
고스트 상 A는, 스크린 기반의 두께에 대응하는 두께 A에 비례해서, 떨어진 위치(거리 A)로부터 보는 방향 OUT2로 출사된다(도 10을 참조).
또한, 고스트 상 B는, 배면의 반사 평면 미러(4)까지의 두께 B에 비례해서, 떨어진 위치(거리 B)로부터 보는 방향 OUT3´로 출사된다(도 10을 참조).
이에 반해서, 비입사면(12c)이 형성되어 있는 경우, 도 11에 도시하는 바와 같이, 신호광은 변화하지 않고서 OUT1로 출사되지만, 불요광의 출사 위치가 변화되어, 불요광은 관측자가 보지 않는 방향 OUT4로 출사된다.
구체적으로는, 다음과 같다.
대향하는 평면에 입사된 광선은, 도 12에 나타내는 바와 같이, 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라서 매질 중에서 굴절하여 각도를 변경하지만, 출사 평면에 의해 재차 굴절하여, 결국 원래의 각도를 보존한 채로 출사한다는 특징을 갖고 있다.
이는, 입사한 광선이 병행 이동해서 출사한다고 생각할 수 있기 때문에, 입사면에서 투과할 수 없었던 나머지의 프레넬 반사 성분에 의해 평면에 입사한 성분은, 병행 이동해서 스크린면으로부터 출사한다(도 11의 OUT4에 상당).
또한, 출사면에서 투과할 수 없었던 나머지의 프레넬 반사 성분이나, 입사면 에서 투과할 수 없었던 나머지의 프레넬 반사 성분이, 복수의 프레넬 프리즘(12)을 전파해서 스크린면에 입사한 경우를 생각하면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 대향하는 평면에서 전반사 조건을 만족한 경우, 그 광속은 매질 내에 갇히게 된다(도 11의 OUT5에 상당).
또한, 전반사 프리즘의 상사 비율 l은, 제조 공차 등으로 인해 앞쪽의 프리즘이 결여된 경우에 대비하여, 앞쪽의 프리즘에 입사해야 할 신호광을 구제할 수 있도록, 약간 여유를 갖게 해서 크게 설정해도 된다.
또한, 전반사 프리즘의 상사 비율 l을 작게 하면, 프리즘의 높이가 작아지기 때문에, 금형 가공 시간이 단축되는 효과를 나타낸다.
전반사 프리즘의 상사 비율 l을 작게 하면, 프리즘의 높이가 작아지기 때문에, 프레넬 프리즘의 모형으로 되는 금형의 가공에 이용하는, 절삭용 바이트의 선단부의 마모가 적어져, 금형 가공의 정밀도가 향상하는 효과를 나타낸다.
제조 공차의 관계로 인해 가공시에 금형의 융기(crest)(프리즘의 골짜기(trough)) 부분이 구부러지는 경우가 있다. 이것이 있으면, 프레넬 프리즘을 금형으로부터 이형(離型)할 때에 줄무늬 형상의 문제점을 초래할 경우가 있다.
그러나, 전반사 프리즘의 상사 비율 l을 작게 하면, 프리즘과 프리즘이 평면으로 나란히 늘어서 있기 때문에, 금형의 융기 부분이 존재하지 않아, 줄무늬 형상의 문제점을 발생시키지 않는 효과를 나타낸다.
전반사 프리즘의 상사 비율 l을 작게 하면, 프리즘의 높이가 작아지기 때문에, 금형으로부터 떨어지기 쉬워, 수율이 좋아지는 효과를 나타낸다.
이상으로부터, 가공 시간, 문제점, 수율 등이 개선되기 때문에, 비용을 삭감하는 효과를 나타낸다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 우단 U와, 무효 부분인 면 V´P´의 좌단 V´를 연결함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 14에 나타내는 바와 같이, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 작아지도록 형성해도 된다.
구체적으로는, 프레넬 프리즘(12)의 하면인 굴절면(12a)과 비입사면(12c)이 도 4의 면 EUT로 되도록 형성한다.
프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 일부를 비입사면(12c)과 같이 형성하지 않고, 그 굴절면(12a)을 도 4의 EUG와 같이 형성한 경우(도 14의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 2번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 조사된 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 점선 부분(면 UG)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 4에서는, 프레넬 프리즘(12)의 하면이 도 4의 면 EUT로 되도록 형성함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선 단각 τ보다 작아지도록 형성하면, 상기와 같은 불요광은 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 비입사면(12c)에 의해 반사되어 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 14의 예에서는, 오른쪽 위 방향으로 출사됨). 따라서, 이 실시예 4에서는, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´를 작게 할수록, 보다 위의 방향으로 출사시킬 수 있다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 4에 따르면, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 작아지도록 형성했기 때문에, 예를 들면 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 5)
상기 실시예 1에서는, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)의 우단 U와, 무효 부분인 면 V´P´의 좌단 V´를 연결함으로써, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 15에 나타내는 바와 같이, 프로젝터(1)나 반사 평면 미러(4)로부터 광선이 직접 입사하지 않는 비입사면에 보조 프리즘(12d)을 형성하도록 해도 무방하다.
구체적으로는, 프레넬 프리즘(12)의 무효면 부분(도 4의 UGP´V´)에, 신호광 E´U를 방해하지 않도록 새로운 보조적인 프리즘을 부가한다. 도 15에서는 스크린 기반(11)에 수직으로 깎아지른 듯이 솟아 있는 형상예를 나타내고 있다.
이와 같이 해서, 프레넬 프리즘(12)의 무효면 부분에 새로운 보조 프리 즘(12d)을 부가하면, 프레넬 프리즘(12)의 형상에 자유도를 부가할 수 있기 때문에, 예를 들면, 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에서의 프레넬 반사 성분이 앞쪽의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)에 입사하여, 굴절을 반복하면서 떨어진 장소로 전파되더라도, 관측자가 보는 방향으로부터 빗나가게 할 수 있다.
단, 보조 프리즘(12d)을 부가하기 위해서는 금형을 2회 가공할 필요가 있다. 예를 들면, 모든 프레넬 프리즘(12)을 다 판 후에, 보조 프리즘(12d)을 파도록 하면, 제조 공차로 인해 위치 어긋남이 일어나기 쉽기 때문에, 프레넬 프리즘(12)과 보조 프리즘(12d)을 교대로 파는 것이 바람직하다. 또한, 교대로 팜으로써, 프레넬 프리즘(12)의 골짜기의 가공시에 발생하는 핀(fin)을 깎아내는 것이 가능해져, 수지에 의한 금형 전사가 용이해진다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 5에 따르면, 프로젝터(1)나 반사 평면 미러(4)로부터 광선이 직접 입사하지 않는 비입사면에 보조 프리즘(12d)을 형성하도록 구성했기 때문에, 예를 들면 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 6)
상기 실시예 1에서는, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 16에 나타내는 바와 같이, 기반면(11a)의 영역 1에는, 프리즘 선단각이 τ1인 프레넬 프리즘(12)을 배치하고, 기반면(11a)의 영역 2에는, 프리즘 선단각이 τ2인 프레넬 프리즘(12)을 배치하도록 해도 된다.
프리즘 선단각 τ은, 통상, 프레넬 프리즘(12)의 모형으로 되는 금형 가공 바이트의 선단 각도로 결정되기 때문에, 스크린 전면에 있어서 일정한 경우가 많지만, 금형의 파는 방법을 연구하여, 예를 들면 2회 파거나, 왕복 움직임(to-and-fro movements)으로 바이트의 기울기를 변경해서 파거나 함으로써, 프리즘 선단각 τ을 장소마다 바꾸는 것은 가능하다.
도 17은 동일한 입사각ㆍ출사각으로, 주기를 바꾸지 않고서 프리즘 선단각 τ을 45~51°로 하고 있는 예이며, 동일한 입사각에 있어서도 선단각을 변경함으로써, 프레넬 프리즘(12) 면의 기울기나 크기가 바뀌는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 16에 나타내는 바와 같이, 기반면(11a)의 영역 1에는, 프리즘 선단각이 τ1인 프레넬 프리즘(12)을 배치하고, 기반면(11a)의 영역 2에는, 프리즘 선단각이 τ2인 프레넬 프리즘(12)을 배치하면, 불요광의 광로가 변화된다. 도 16에서는 프레넬 프리즘(12)의 선단각을 τ2로 바꿈으로써 불요광이 도면 왼쪽 아래의 보이지 않는 방향으로 제어되고 있다.
이와 같이 프리즘 선단각 τ을 장소마다 다른 영역과는 상이한 각도로 변경함으로써, 프레넬 프리즘(12)의 형상에 자유도를 부가할 수 있기 때문에, 신호광에 영향을 주지 않고 불요광의 방향을 제어할 수 있다.
도 18은 고스트 저감 효과를 나타내는 광선 추적 수치 계산 결과로서, 프리즘 선단각 τ을 53°로 변경한 계산예이다.
도 18에 나타내는 바와 같이, 불요광은 관측자가 보지 않는 방향 OUT6으로 출사된다. 또한, 불요광은 OUT7로부터도 출사되지만, 이 불요광은 입사 광선보다 급준한 각도로 반사 평면 미러(4)에 되돌아간다. 따라서, 고스트 상의 발생이 억제된다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 6에 따르면, 굴절면(12a)과 반사면(12b)이 이루는 프리즘 선단각 τ이 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)이 기반면(11a)에 혼재하도록 구성했기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 이 실시예 6과 같이, 프리즘 선단각 τ이 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 혼재시키는 동시에, 상기 실시예 1과 같이, 반사면(12b)에 대한 비입사면(12c)의 각도 τ´가 프리즘 선단각 τ보다 커지도록 형성해도 된다.
(실시예 7)
상기 실시예 6에서는, 굴절면(12a)과 반사면(12b)이 이루는 프리즘 선단각 τ이 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)이 기반면(11a)에 혼재하고 있는 것에 대해서 나타냈지만, 도 19에 나타내는 바와 같이, 선단 부분의 일부가 빠져 있는 프레넬 프리즘(이가 빠진 프레넬 프리즘)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 해도 된다.
선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)만을 전면에 배치하는 경우(도 19의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 3번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 조사된 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 5번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 7에서는, 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 하고 있기 때문에, 상기와 같은 불요광은 위에서 4번째에 배치되어 있는 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)에는 입사되지 않고, 그대로 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 19의 예에서는, 왼쪽 아래 방향으로 출사됨).
또한, 프레넬 프리즘(12)의 선단 부분은 신호광의 광로 위에 있으며, 이가 빠지기 때문에, 신호광이 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)에 입사되지 않는 경우가 있지만, 그와 같은 신호광은 하나 위의 프레넬 프리즘(12)에 입사되어 구제된다. 따라서, 선단 부분의 삭제는 신호광을 구제할 수 있는 범위에서 실행하도록 하면 된다.
또한, 도 19에서는, 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)이 하나 간격으로 형성되어 있지만, 전술한 신호광을 구제할 수 있는 범위이면, 2개 간격이나 3개 간격, 혹은, 그 이상 간격으로 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)이 형성되어 있어도 무방하다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 7에 따르면, 선단 부분의 일부가 빠져 있는 프레넬 프리즘(이가 빠진 프레넬 프리즘)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 혼재하도록 구성했기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 8)
상기 실시예 7에서는, 선단 부분의 일부가 빠져 있는 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 20에 나타내는 바와 같이, 선단 부분의 전부가 빠져 있는 프레넬 프리즘(12)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 해도 된다. 즉, 프레넬 프리즘(12)을 1개 간격으로 솎아내어, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 띄엄띄엄 배치하도록 해도 무방하다.
선단 부분이 결락되어 있지 않은 프레넬 프리즘(12)만을 연속적으로 배치하는 경우(도 20의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 3번째의 프레넬 프리즘(12)(점선의 프레넬 프리즘(12)도 포함해서 위에서 3번째)의 굴절면(12a)에 입사한 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 5번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 8에서는, 프레넬 프리즘(12)을 1개 간격으로 솎아내고 있기 때문에, 상기와 같은 불요광은 위에서 4번째에 배치되어 있는 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)(점선의 프레넬 프리즘(12))에는 입사되지 않고, 그대로 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 20의 예에서는, 왼쪽 아래 방향으로 출사됨).
또한, 프레넬 프리즘(12)의 선단 부분은 신호광의 광로 위에 있어, 프레넬 프리즘(12)이 솎아내어져 있지 않으면, 당해 프레넬 프리즘(12)에 입사되는 신호광은, 프리즘 선단각 τ이 입사각 θ에 대해서 충분히 작은 경우, 하나 위의 프레넬 프리즘(12)에 입사되어 구제된다. 따라서, 선단 부분의 삭제는 신호광을 구제할 수 있는 범위에서 실행하도록 하면 된다.
또한, 도 20에서는, 프레넬 프리즘(12)이 1개 간격으로 솎아내져 있지만, 전술한 신호광의 구제가 가능한 범위이면, 2개 간격이나 3개 간격, 혹은, 그 이상 간격으로 프레넬 프리즘(12)이 솎아내어져 있어도 무방하다.
또한, 도 20의 형상은 프리즘의 상사 배율을 제외하고(주기 m이 상이한 것을 제외하고), 도 7이나 도 8의 형상에 포함된다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 8에 따르면, 선단 부분의 전부가 빠져 있는 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 구성했기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 9)
상기 실시예 7에서는, 선단 부분의 일부가 빠져 있는 이가 빠진 프레넬 프리즘(12)과, 선단 부분이 빠져 있지 않은 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 21에 나타내는 바와 같이, 기반면(11a)에 대한 프리즘 높이가 H1(제 1 높이)인 프레넬 프리즘(12)과, 프리즘 높이가 H1보다 낮은 H2(제 2 높이)인 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 해도 된다.
프리즘 높이 H1의 프레넬 프리즘(12)만을 연속적으로 배치하는 경우(도 21의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 2번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 입사한 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측의 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 9에서는, 프리즘 높이 H1의 프레넬 프리즘(12)과 프리즘 높이 H2의 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 하고 있기 때문에, 상기와 같은 불요광은 위에서 3번째에 배치되어 있는 프리즘 높이 H2의 프레넬 프리즘(12)에는 입사되지 않고, 그대로 관측자가 보지 않는 방향으로 출사된다(도 21의 예에서는, 왼쪽 아래 방향으로 출사됨).
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 9에 따르면, 프리즘 높이 H1의 프레넬 프리즘(12)과 프리즘 높이 H2의 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 교대로 배치하도록 구성하고 있기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 10)
상기 실시예 9에서는, 프리즘 높이 H1의 프레넬 프리즘(12)과 프리즘 높이 H2의 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11)에 교대로 배치하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 22에 나타내는 바와 같이, 기반면(11a)에 대한 기울기가 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 혼재해서 배치하도록 해도 무방하다.
즉, 신호광과 불요광은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 광선이 경유하는 매질 중의 광로 길이가 상이하고, 신호광의 광로에 비해서 불요광의 광로가 길다는 특징을 갖고 있다.
따라서, 광로가 길면 길수록, 광선은 면의 편차의 영향을 받는다. 또한, 반사는 반사면의 각도 변화(Δθ)에 대해서, 반사광의 방향 변화는 2×Δθ로 되는 관계가 있기 때문에, 불요광의 편차는 두 배의 영향을 받는다. 이 광로 길이 차를 이용하여, 광로 길이가 짧은 신호광에 비해서, 광로 길이가 긴 불요광의 광속을 넓힘으로써, 신호광의 확산 이상으로 불요광을 확산시키면, 표시 화상의 콘트라스트비를 향상시킬 수 있다.
도 22의 예에서는, 기반면(11a)의 법선에 대한 기울기가 φ1인 프레넬 프리즘(12), 기울기가 φ2인 프레넬 프리즘(12), 기울기가 φ3인 프레넬 프리즘(12)이 순서대로 배치되어 있다. 단, 도 22의 예에서는, φ3<φ1<φ2이다.
기울기 φ1의 프레넬 프리즘(12)만을 연속적으로 배치하는 경우(도 22의 점선을 참조), 예를 들면, 위에서 2번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 조사된 광선의 일부가 그 굴절면(12a)에 의해 반사되면, 그 반사광인 불요광은 하측 프레넬 프리즘(12)의 반사면(12b)과 굴절면(12a)에 의해 굴절을 반복하면서 전파되고, 예를 들면, 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 의해 반사되어 관측자가 보는 방향으로 출사되는 경우가 있다.
그러나, 이 실시예 10에서는, 기울기가 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 혼재해서 배치하도록 하고 있기 때문에, 상기와 같은 불요광은 위에서 4번째의 프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12a)에 의해 반사되더라도, 관측자가 보지 않는 방향으로 출사시킬 수 있다(도 22의 예에서는, 오른쪽 위 방향으로 출사됨). 또한, 기반면(11a)에 대한 기울기 φ3이 작을수록, 보다 위 방향으로 출사시킬 수 있다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 10에 따르면, 기울기가 서로 상이한 프레넬 프리즘(12)을 기반면(11a)에 혼재해서 배치하도록 구성하고 있기 때문에, 예를 들면, 굴절면(12a)을 투과하지 않고서 반사된 광선이 불요광으로서, 관측자의 시야 방향으로 출사되는 상황을 회피할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 11)
상기 실시예 1에 있어서, 프레넬 프리즘(12)에는 광로에 기여하는 유효면 부분과, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분(예를 들면, 도 4의 면 VP, 비입사면(12c) 등)이 존재하는 것을 나타냈지만, 도 23에 나타내는 바와 같이, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분이나, 반사면(12b)에 광선을 흡수하는 광흡수층(13)을 부가하도록 해도 무방하다. 예를 들면, 광흡수 부재로서는, 검은색의 염료(VALIFAST BLACK 3810, 아진계 함금 염료)나, 크레용 등의 재료로 이루어지는 안료를 이용해서 부가한다.
이와 같이, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광흡수층(13)을 부가한 경우, 도 23에 나타내는 바와 같이, 불요광이 굴절면(12a)에 부딪히더라도, 그 굴절면(12a)의 광흡수층(13)에 흡수되어, 관측자가 보는 방향으로 출사되지 않게 된다.
또한, 광이 투과하는 굴절면(12a)에 광흡수층(13)이 있으면, 광강도가 감소하지만, 반사면(12b)에 광흡수층(13)이 있더라도, 반사면(12b)의 전반사는 경계면의 굴절률차에만 의존하기 때문에, 광흡수의 영향이 없고, 그 때문에 반사면(12b)에 광흡수층(13)을 부가해도 된다. 덧붙여서 말하면, 불요광이 반사면(12b)을 투과할 때에는, 광흡수층(13)에 의해 광강도가 감소하기 때문에, 고스트 상의 억제에 기여한다.
여기서, 광흡수층(13)의 부가 방법이지만, 예를 들면, 프레넬 프리즘(12)의 경사면 전체에 광을 부딪히면 건조하게 풀(glue)을 도포하고, 그 후 신호광을 프레넬 프리즘(12)에 조사하여, 광로에 기여하는 유효면 부분의 풀을 건조시킨다.
그리고, 광흡수층(13)을 도포함으로써, 풀이 건조해 있지 않은 무효면 부분에만 광흡수층(13)을 정착시키도록 한다.
그 밖의 광흡수층(13)의 부가 방법으로서는, 예를 들면, 프레넬 프리즘(12)의 골짜기 사이 부분에 광흡수층(13)을 부가하면 되기 때문에, 차광층의 형성은 프레넬 프리즘 단부(端部)를 광흡수 재료 중에 침지하여, 모세관 작용에 의해 충전한 후, 건조ㆍ경화하여 제작해도 된다.
또한, 프레넬 프리즘(12)의 입사면 부분인 굴절면(12a)만 광흡수층(13)이 없으면 되기 때문에, 프레넬 프리즘(12)의 경사면 전체에 광흡수층(13)을 도포한 후, 날 형상(knife-like)의 지그로 경사면을 문질러, 광흡수층(13)을 닦아내도록 해도 된다.
이 실시예 11에 있어서의 광흡수층(13)을 부가하는 기술은 상기 실시예 1~10 중 어느 하나에 적용하더라도, 고스트 상의 억제 효과를 높일 수 있지만, 도 24는 상기 실시예 1(도 3)에 적용한 경우를 나타내고 있다.
도 24의 예에서는, 비입사면(12c)에 광흡수층(13)을 부가함으로써, 예를 들면, 기반(11)의 출사면(11b)에 의해 반사된 복귀 광이나, 반사면(12b)에 의해 반사된 복귀 광 등이 비입사면(12c)의 광흡수층(13)에 흡수되어, 고스트 상의 억제 효과가 높아진다.
또한, 도 25는 상기 실시예 2, 3(도 7 , 도 8)에 적용한 경우를 나타내고 있다.
도 25의 예에서는, 기반면(11a)과 수평한 비입사면(12c)에 광흡수층(13)을 부가함으로써, 예를 들면, 기반(11)의 출사면(11b)에 의해 반사된 복귀 광이나, 굴절면(12a)에 의해 반사된 광선 등이 비입사면(12c)의 광흡수층(13)에 흡수되어, 고스트 상의 억제 효과가 높아진다.
(실시예 12)
상기 실시예 11에서는, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광선을 흡수하는 광흡수층(13)을 부가하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 26에 나타내는 바와 같이, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분(예를 들면, 도 4의 면 VP , 비입사면 (12c) 등)에 광선을 확산시키는 광확산층(14)을 부가하도록 해도 된다. 예를 들면, 공지의 샌드블라스트법(sandblast method) 등에 의해, 조면(粗面) 가공을 실시함으로써, 광확산층(14)을 부가한다.
광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광흡수층(13)을 부가하는 대신에, 광확산층(14)을 부가하는 경우, 불요광이 광확산층(14)에 의해 확산되기 때문에, 단위 방향 당의 광강도가 저감되어(관측자가 보는 방향의 광강도가 저감됨), 고스트 상의 억제 효과가 높아진다.
또한, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광선을 흡수하는 광흡수층(13)을 부가하는 기술은, 상기 실시예 1~11 중 어느 하나에 적용해도 된다.
(실시예 13)
상기 실시예 11에서는, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광선을 흡수하 는 광흡수층(13)을 부가하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 27에 나타내는 바와 같이, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광선을 흡수하는 광흡수 물질을 첨가하도록 해도 된다. 예를 들면, 플라스틱 등의 반투명 부재를 이용하여 프레넬 프리즘(12)을 형성한다.
신호광과 불요광은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 광선이 경유하는 매질 중의 광로 길이가 상이하고, 신호광의 광로에 비해서, 불요광의 광로가 길다는 특징을 갖고 있다.
따라서, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광선을 흡수하는 광흡수 물질을 첨가하면, 신호광 강도의 저감 이상으로 불요광의 강도가 저감하기 때문에, 콘트라스트비를 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광흡수 물질을 첨가하는 기술은, 상기 실시예 1~12 중 어느 하나에 적용해도 된다.
(실시예 14)
상기 실시예 12에서는, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광선을 확산시키는 광확산층(14)을 부가하는 것에 대해서 나타냈지만, 도 28에 나타내는 바와 같이, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광선을 확산하는 광확산 물질을 첨가하도록 해도 된다. 확산재로서는, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리에스테르 수지계 입자, 스틸렌계 또는 아크릴계 가교 입자, 혹은, 실리콘 수지계 입자 등을 이용해도 무방하다.
신호광과 불요광은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 광선이 경유하는 매질 중의 광로 길이가 상이하고, 신호광의 광로에 비해서 불요광의 광로가 길다는 특징을 갖고 있다.
따라서, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광선을 확산하는 광확산 물질을 첨가하면, 신호광의 확산 이상으로 불요광이 확산하기 때문에, 콘트라스트비를 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 프레넬 프리즘(12)의 매체에 광확산 물질을 첨가하는 기술은, 상기 실시예 1~12 중 어느 하나에 적용해도 된다.
(실시예 15)
상기 실시예 11에서는, 광로에 기여하지 않는 무효면 부분에 광선을 흡수하는 광흡수층(13)을 부가하는 것에 대해서 나타냈지만, 굴절면(12a) 또는 출사면(11b) 중 적어도 한쪽에 AR(Anti-Reflection) 코팅 처리를 실시하도록 해도 무방하다.
즉, 광선은 입사면과 출사면에 있어서, 프레넬 반사의 법칙을 만족하기 때문에, 각각의 면을 다 투과할 수 없는 일부 광선이 존재하는 것은 상술했지만, 이 반사 광선이 고스트 상의 기원으로 되기 때문에, 계면에서의 투과율을 향상시킴으로써, 신호광의 효율이 향상하여 고스트 상이 저감한다.
그래서, 이 실시예 15에서는, 굴절면(12a), 출사면(11b), 혹은, 그 양면에 단층 또는 다층의 AR 코팅 처리를 실시함으로써, 광선의 위상을 제어하여 반사광선 의 양을 줄임으로써, 투과 광선을 늘리고, 고스트의 기원으로 되는 불요광을 줄이도록 하고 있다.
또한, AR 코팅 처리는, 코팅 용액이 가득 차 있는 수조에 스크린을 담그고, 끌어올림 속도를 제어함으로써 막두께의 제어를 실행하는 액침지식이나, 진공조에서 증착하는 방식 등으로 실행한다.
또한, 이 실시예 15에 있어서의 AR 코팅 처리를 실시하는 기술은, 상기 실시예 1~14 중 어느 하나에 적용해도 된다.
(실시예 16)
이미 상술한 바와 같이, 고스트 상의 출사 위치는 경유하는 광로의 광학 두께에 비례한다.
스크린 기반만의 광로에 있어서는 스크린 기반의 두께, 배면에 있는 반사 평면 미러(4)를 경유하는 광로에 있어서는 스크린과 반사 평면 미러(4)의 거리에 비례한다.
적어도 전자에 있어서는, 기반(11)을 극한까지 얇게(d→0) 하면, 출사 위치 어긋남은 2dㆍtanθ에 비례하기 때문에, 출사 위치 어긋남은 0으로 된다.
실제로는, 스크린 위에 확대된 라이트 밸브(화소)의 절반, 혹은, 그보다 얇게 하면, 고스트 상은 화소와 겹쳐서 표시되기 때문에, 관측자에게는 고스트 상이라고는 인식되지 않아, 신호로서 재이용이 가능해진다.
또한, 이 실시예 16에 있어서의 기반(11)의 두께를 화소의 절반 이하로 하는 기술은, 상기 실시예 1~15 중 어느 하나에 적용해도 된다.
(실시예 17)
상기 실시예에서는, 불요광을 저감하기 위해서 연구하고 있는 것에 대해서 나타내고 있다.
구체적으로는, 하기의 (a), (b), (c) 또는 (d)의 방책을 실시함으로써 불요광의 저감을 도모하고 있지만, (a)의 방책을 기본으로 해서, (b), (c), (d)의 방책 중 어느 하나, 혹은, 전부를 조합해도 무방한 것은 말할 필요도 없다.
(a) 전반사 프리즘을 상사 축소하여, 비입사면(12c)을 스크린면과 평행하게 한다(도 29를 참조).
(b) 비입사면(12c)을 조면으로 한다. 또는, 비입사면(12c)에 광확산 기능을 부가한다.
(c) 프리즘 선단각 τ을 스크린면 위의 위치에 따라서 바꾼다.
(d) 프리즘의 선단 부분의 일부를 빠뜨린다.
처음으로, 조합의 기본으로 되는 (a)의 방책에 대해서 언급한다.
도 30은 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 입사면의 각도 ξ(프레넬 프리즘(12)의 굴절면(12b)의 각도 ξ)와의 관계를 나타내는 설명도이다.
즉, 도 30은 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1. 0, 매질의 굴절률이 n1=1.55인 경우의 계산예로서, 가로축에 입사각 θ0, 세로축에 입사면의 각도 ξ(=π-τ-α)를 표시하고 있다.
전반사 프레넬 프리즘의 자유도는, 식 (2)로부터 명백한 바와 같이, 프리즘 선단각 τ뿐이며, 도 30에는 프리즘 선단각이 τ=38~65°인 예를 나타내고 있다.
도 30으로부터, 입사면의 각도 ξ와 입사각 θ0은 프리즘 선단각 τ과 관계없이, 비례 관계에 있는 것을 알 수 있다. 즉, 입사면의 각도 ξ는 프리즘 선단각 τ이 일정한 조건 하에서는, 입사각 θ0이 작은 중심에 가까운 쪽(도 2의 예에서는, 프레넬 광학 소자(2)의 중앙 아래쪽)으로부터, 입사각 θ0이 큰 먼 쪽(도 2의 예에서는, 프레넬 광학 소자(2)의 네 모서리 쪽)을 향해서 커지는 것을 알 수 있다.
또한, 프레넬 프리즘(12)의 제조법의 형편상, 프레넬 프리즘(12)이 뒤로 젖혀진 형태로 되면, 상기 금형에 자외선 등으로 대표되는 광경화 수지 등을 유입시켜, 자외선 조사 등으로 굳힌 수지를 빼낼 수 없다.
예를 들면, 전반사 프레넬 프리즘의 경우, 입사면의 각도 ξ가 π/2보다 커지면, 금형에 유입시킨 광경화 수지를 금형으로부터 이형하는 것이 어려워진다.
일반적으로 전반사 프리즘에서는, 입사면의 각도 ξ가 입사각 θ0에 비례하기 때문에(도 30을 참조), 입사각 θ0의 최대값으로부터 한계 프리즘 정각(apex angle) τmax이 구해진다.
하기의 식 (3)은 이 조건을 나타내고 있다. 현실적으로는 프리즘을 이형할 수 있는 조건으로서, 식 (3)을 만족할 필요가 있다.
Figure 112006041983476-pct00069
도 31은 광선의 입사각 θ0과 한계 프리즘 정각 τmax과의 관계를 나타내는 설명도이다.
즉, 도 31은 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향)±5°, 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55인 경우의 계산예로서, 가로축에 입사각 θ0, 세로축에 한계 프리즘 정각 τmax을 표시하고 있다.
예를 들면, 입사각 θ0가 최대 60°인 경우, 출사 각도 θref1=0°에서 한계 프리즘 정각 τmax=35.6°, 마찬가지의 조건에서 70°인 경우, 한계 프리즘 정각 τmax=38.6°로 된다.
도 32는 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 효율과의 관계를 나타내는 설명도이다.
즉, 도 32는 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55인 경우의 계산예로서, 가로축에 입사각 θ0, 세로축에 전반사 프레넬 프리즘의 이상적인 효율(입사광 에너지에 대한 스크린 법선 방향으로 출사하는 광에너지)을 표시하고 있다.
이 경우, 전반사 프레넬 프리즘의 자유도는, 식 (2)로부터 명백한 바와 같 이, 프리즘 선단각 τ뿐이며, 도 32에서는 프리즘 선단각이 τ=38~65°인 예를 나타내고 있다.
입사각 θ0이 작은 위치에 배치되어 있는 프레넬 프리즘(12)에서는, 프리즘 선단각 τ이 작을수록, 효율이 좋은 것을 알 수 있다.
또한, 프리즘 선단각 τ=38°인 예에서는, 입사각 θ0=68° 이상에서 프리즘을 이형할 수 있는 조건인 식 (3)을 만족하지 않는다.
즉, 제조법 상의 난이도가 높아, 현실적으로는 만들기 어렵기 때문에, 여기서는 억지로 효율을 0으로 표현하고 있다.
즉, 반대로, 입사각 θ0이 큰 위치에 배치되어 있는 프레넬 프리즘(12)에서는, 프리즘 선단각 τ이 클수록 효율이 좋은 것을 알 수 있다.
이상으로부터, 전반사 프레넬 프리즘은, 전반사 프레넬 프리즘의 효율(도 32)과 프리즘을 이형할 수 있는 조건인 식 (3)을 만족하는 범위에서, 프리즘 선단각 τ의 자유도를 갖는다. 프리즘의 선단각 τ은 사용하는 입사각 θ0에 따라서 38~65°의 범위에서 임의로 선택할 수 있다.
입사각 사용 범위가 예를 들면 45°<θ0<60°이면 프리즘 선단각 τ=38°, 60°<θ0<80°이면 프리즘 선단각 τ=42~65°의 임의의 값을 선택할 수 있다.
통상, 프리즘 선단각 τ을 일정한 채로 가공하는 일이 많지만, 상기의 범위 내에서 임의의 입사각 θ0에서 프리즘 선단각 τ을 바꾸어도 무방하다.
예를 들면, 스크린 하부와 스크린 상부에서 프리즘 선단각 τ을 바꾸거나, 스크린 중간부만 프리즘 선단각 τ을 바꾸거나 해도 무방하다.
전반사 프리즘은 입사각 θ0이 커지면, 그 프리즘의 선단 부분만 사용한다. 그래서, 프리즘을 사용하는 영역만 만드는 것을 생각한다.
도 33은 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l과의 관계를 나타내는 설명도이다.
즉, 도 33은 출사 각도가 θref1=0(스크린의 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55인 경우의 계산예로서, 가로축에 입사각 θ0, 세로축에 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l을 표시하고 있다. 단, l의 의미이지만, 프리즘을 모두 만드는(상사 축소하지 않음) 경우에는 l=1.0, 절반만 만드는 경우는 l=0.5로 된다. 도 33에서는 프리즘 선단각이 τ=38~65°인 예를 나타내고 있다.
도 33으로부터, 프리즘 선단각이 τ=45°, 입사각이 θ0=70°에서는, 전반사 프리즘의 상사 축소 비율이 l=0.4로 된다.
입사각 θ0이 작은 위치의 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l이 크고, 입사각 θ0이 큰 위치의 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l이 작아진다.
즉, 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l은, 프리즘 선단각 τ이 일정한 조건 하에서는, 입사각 θ0가 작은 중심에 가까운 쪽(도 2의 예에서는, 프레넬 광학 소 자(2)의 중앙 아래쪽)으로부터, 입사각 θ0가 큰 먼 쪽(도 2의 예에서는, 프레넬 광학 소자(2)의 네 모서리 쪽)을 향해서 작아지는 것을 알 수 있다.
실제로는, 제조법 상의 형편에 따라 설계값 대로는 불가능하기 때문에, 가공 공차가 필요하게 된다.
그래서, 프리즘을 사용하는 영역에 부가해서 가공의 공차만큼의 마진을 포함하여, 전반사 프리즘을 크게 만드는 것을 생각한다.
도 34는 광선의 입사각 θ0과 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l과의 관계를 나타내는 설명도이다.
즉, 도 34는 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55, 프리즘 선단각이 τ=45°인 경우의 계산예로서, 가로축에 입사각 θ0, 세로축에 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l을 표시하고 있다.
또한, Ex. 0은 마진 없음, Ex. 1은 마진 작음, Ex. 2는 마진 큼을 표시하고 있다.
실제로는, 입사각 θ0이 대략 75°에서, 상기 전반사 프레넬 프리즘을 시작(試作)하고 있고, 구체적으로는, 프리즘의 주기(피치 m)를 112㎛와 156㎛의 2종류로 시작하고 있다.
프리즘의 실제 높이는 프리즘의 피치에 비례하기 때문에, 피치로 규격화한 값(전반사 프리즘 비율 l)으로 나타내고 있다. 이번에는 l=1.0~0.2의 범위에서 시작하고 있다.
여기서, 전반사 프리즘은 스크린 위치에서 입사각 θ0이 상이하기 때문에, 각 위치에서 프리즘의 각도, 전반사 프리즘 비율이 상이하다.
측정은 투사 광학계와 전반사 프레넬 프리즘과 렌치큘라 렌즈 스크린을 이용하여, 목시(目視; visual observation)와 휘도계로 행하고 있다. 도 35는 그 결과를 나타내고 있다.
상사 축소하지 않는(l=1.0) 공지의 전반사 프레넬 프리즘에서는, 법선 방향으로부터의 관측에서, 검은 배경에 대한 흰색 창 표시에 있어서, 상이 스크린 두께의 약 2배 떨어진 위치에 불요광이 발생하고 있다(도 10의 불요광 OUT2에 상당).
마진 없음(Ex. 0)에서는, 전반사 프리즘을 사용하는 영역이 충분히 만들어져 있지 않았기 때문에, 전반사 프레넬 프리즘으로서의 기능이 불충분하게 되고, 그 결과로서, 스크린 법선 방향으로부터의 관측에서, 전체 흰색 표시에 있어서 흑백의 줄무늬가 보이고 있다.
또한, 스크법선 방향으로부터의 관측에서, 검은 배경에 대한 흰색 창 표시에 있어서, 입사광의 일부가 그대로 위로 빠져나가서 관측되는 불요광이 발생하고 있다(도 10의 불요광 OUT2와는 상이한 문제점).
마진 작음(Ex. 1), 마진 큼(Ex. 2)에 있어서는, 상기의 문제점은 관측할 수 없고, 모두 양호한 결과가 얻어지고 있다.
또한, 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l의 관계식은, 전반사 프레넬 프리즘의 주기 m으로 규격화하고 있기 때문에, 프리즘의 주기(피치 m)에는 의존하지 않는다.
실제로, 피치 m은 m=112㎛와 m=156㎛로 시작하고 있지만, 모두 양호한 결과가 얻어지고 있다.
특히 언급하고 있지 않지만, 프레넬 프리즘의 피치 m을 화면 위의 화소보다도 가늘게 하면, 해상도가 높은 화상을 표시할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
특히, 도 10의 불요광 OUT2에 주목해서 측정하고 있고(도 35의 검은 배경, 흰색 표시에 상당), 도 36 및 도 37은 입사각이 θ0=75°인 결과를 나타내고 있다.
도 36은 스크린 법선으로부터의 관측 결과이며, 도 37은 하향 경사 약 60°로부터의 관측 결과이다.
종래예의 전반사 프레넬 프리즘에서는, 프레넬 광학 소자(2)와 기반(11)의 총두께의 약 2배(도 10, 거리 A) 정도 떨어진 위치에 불요광(도 10 의 OUT2)이, 콘트라스트비로 155:1 정도의 강도로 보이지만, 전반사 프리즘을 작게 만드는(Ex. 0~2) 것에 의해, 도 11의 불요광 OUT4와 같이 광로가 바뀌어, 정면으로부터 불요광을 인식할 수 없게 된다(>673:1).
광로가 바뀌었기 때문에, 하향 경사 방향에서 보면 불요광을 인식할 수 있지만, 스크린 정면으로부터 하향 경사 60° 방향에는, 통상, 관측자가 없기 때문에 문제로 되지 않는다.
이상에서 기본적인 (a)의 방책에 대해서 설명했으므로, 이하, (a)~(d)의 방책의 조합에 대해서 언급한다.
도 38은 (a)와 (c)의 방책을 조합한 예로서, 스크린의 위치, 즉 입사각 θ0에 따라서 프리즘 선단각 τ을 바꾸면서, 전반사 프리즘을 상사 축소한 것이다.
예를 들면, 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55, 입사각이 θ0=70°인 경우, 프리즘 선단각이 τ=45°일 때, 도 10의 불요광 OUT2가 발생하지만, 프리즘 선단각을 τ=53°로 바꿈으로써, 도 10의 불요광 OUT2가 도 18의 불요광 OUT6과 같이 광로가 변화한다.
한편, 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l을 작게 하면(약 l=0.4), 도 10의 불요광 OUT2가 도 11의 불요광 OUT4와 같이 광로가 변화한다.
예를 들면, 제조법 상의 형편에 따라 상사 축소 비율 l을 불요광의 완전 제거에 이를 때까지 충분히 작게 할 수 없는 경우, 이와 같은 조합으로 정면 방향으로 나오는 불요광 OUT2의 저감을 행하는 것이 것이 가능해진다.
도 39는 (a)와 (c)의 방책을 조합한 예로서, 스크린의 위치, 즉 입사각 θ0에 따라서 프리즘 선단각 τ을 바꾸면서, 전반사 프리즘을 상사 축소한 것이다.
단, 출사 각도를 θref1=0(스크린 법선 방향)으로 하고 있지만, 목적에 따라서 스크린 중심 방향으로 약간 기울여도 된다. 예를 들면, 광축에 가까운 쪽에서 출사 각도 θref1>0, 중심 부근에서 θref1>0, 먼 쪽에서 출사 각도 θref1<0으로 해도 무방하다.
도 39에서는, 광선의 출사 각도 θref1를 스크린 상부에서 대략 평행하게 하향하고, 스크린 하부에서 대략 평행하게 상향으로 설정하고 있다.
도 40은 (a)와 (d)의 방책을 조합한 예로서, 비입사면(12c)에 조면이 실시되거나, 혹은 비입사면(12c)이 광확산 기능을 구비하고 있는 것이다.
전반사 프리즘을 상사 축소하면, 도 10의 불요광 OUT2가 도 11의 불요광 OUT4와 같이 관측자가 보지 않는 방향으로 광로가 변화된다.
또한, 이 불요광 OUT4는 프레넬 광학 소자(2)와 기반(11)의 총두께 A에 비례해서 확산하여 퍼지기 때문에, 불요광을 보다 눈에 띄기 어렵게 하는 것이 가능해진다.
실제로, 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.53, 프리즘 선단각이 τ=45°, 피치가 m=112㎛인 경우에서, 비입사면(12c)에 조면을 실시한 것을 시작하고 있다. 이를 Ex. 3으로 하고, 그 관측 결과를 도 36 및 도 37에 나타내고 있다.
전반사 프리즘을 작게 만들고 있기 때문에, 광로가 하향으로 변화해서 불요광이 나오기 때문에, 스크린 법선 방향으로부터는 불요광이 보이지 않게 되어 있지만(도 36을 참조), 하향 경사 방향으로부터 보면 불요광을 인식할 수 있다(도 37을 참조).
스크린 정면으로부터 하향 경사 60° 방향에는, 통상, 관측자가 없기 때문에 문제로는 되지 않지만, 비입사면을 조면으로 한 것(Ex. 3)에서는, 불요광이 확산해서 퍼지기 때문에, 하향 경사 방향으로부터 보더라도 불요광을 인식할 수 없게 되어 있다.
도 41은 (a)와 (d)의 방책을 조합한 예로서, 예를 들면, 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.55, 입사각이 θ0=70°, 프리즘 선단각이 τ=45°인 경우에서, 전반사 프리즘의 상사 축소 비율 l에 여유를 갖게 하여, 조금 크게(약 l=0.5) 설정해 두고, 여유분만큼 프리즘의 선단 부분을 약 l=0.1로 주어지는 형상만큼 삭제함으로써 불요광을 저감하는 것이 가능해진다.
선단 컷에 의한 신호광의 효율은 선단 컷 부분(12e)의 각도에 의존하고, 입사 광선으로부터 본 선단 컷 부분(12e)의 예상되는 면적분만큼 저감한다.
그래서, 선단 컷은 선단 컷 부분(12e)의 각도가 입사각 θ0과 대략 평행하게 되도록 하면 바람직하다.
실제로는, 선단 컷 부분(12e)은 금형을 가공하는 바이트의 선단을 컷팅하면 간단하게 할 수 있으므로, 컷팅량은 스크린 상부 및 하부에서 일정한 경우가 많다.
또한, 의도적으로 선단부를 컷팅하지 않더라도, 선단 부분이 스쳐서 마모하거나, 제조법의 형편상, 금형에 수지를 유입하여 성형하는 단계에서 둥글게 되거나 하는 경우가 많다.
실제로, 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향), 공기의 굴절률이 n0=1.0, 매질의 굴절률이 n1=1.53, 프리즘 선단각이 τ=45°, 피치가 m=156㎛인 경우에서, 전반사 프리즘의 선단을 컷팅한 것을 시작하고 있다.
그 측정은 투사 광학계와 전반사 프레넬 프리즘과 렌치큘라 렌즈 스크린을 이용하여, 목시와 휘도계로 행하고 있다. 도 42는 그 관측 결과를 나타내고 있다.
전반사 프리즘 비율의 마진 작음(Ex. 1)에 있어서, 전반사 프리즘 비율로 l=0.02(=2%)만큼, 전반사 프리즘의 선단을 삭제하고 있지만, 신호광으로의 악영향은 보이지 않고, 양호한 결과가 얻어지고 있다.
도 43은 (a)와 (c)와 (d)의 방책을 조합한 예로서, 스크린의 위치, 즉 입사각 θ0에 따라서 프리즘 선단각 τ을 바꾸면서, 선단 부분을 컷팅한 것이다.
도 44는 (a)와 (b)와 (c)의 방책을 조합한 예로서, 스크린의 위치, 즉 입사각 θ0에 따라서 프리즘 선단각 τ을 바꾸면서, 비입사면(12c)에 조면을 마련하고 있다.
도 45는 (a)와 (b)와 (c)와 (d)의 방책을 조합한 예로서, 스크린의 위치, 즉 입사각 θ0에 따라서 프리즘 선단각 τ을 바꾸면서, 선단 부분을 컷팅하고, 비입사면(12c)에 조면을 마련하고 있다.
도 39, 도 43~도 45에 있어서, 작은 입사각 θ1의 스크린 하부에서는 전반사 프리즘 비율 l1이 상대적으로 크고, 반대로 큰 입사각 θ2의 스크린 상부에서는 전반사 프리즘 비율 l2가 상대적으로 작아지고 있다(l2<l1).
또한, 입사면의 각도 ξ는 출사 각도가 θref1=0(스크린 법선 방향)에서 일정하고, 또한 프리즘 선단각 τ이 일정한 조건 하에서는, 작은 입사각 θ1의 중심에 가까운 쪽으로부터, 큰 입사각 θ2의 먼 쪽을 향해서 커진다(ξ2>ξ1).
도 39, 도 43~도 45의 도중의 광로를 반사 평면 미러(4)에 의해 반사시켜도 된다.
도 46은 도 45를 반사시킨 것을 나타내고 있다.
이와 같이, 광로를 구부림으로써 심도를 작게 하는 것이 가능해진다.
도 46에서는, 스크린면에 대략 평행하게 반사 평면 미러(4)를 배치하고 있지만, 비스듬하게 반사시켜도 무방하다.
도 47은 비스듬하게 반사시킨 것을 나타내고 있다.
본 명세서에서는, 프레넬 프리즘(2)을 동심원 형상으로 배치하고 있는 것에 대해서 나타내고 있지만, 프레넬 프리즘(2)을 선 형상으로 배치하고 있어도 된다.
또한, 동심원의 중심은 화면 밖에 배치되어 있어도 된다.
전반사 프레넬 프리즘의 관측면 측에는, 전반사 프레넬 프리즘을 투과한 신호광의 배광(配光)을 제어, 구체적으로는, 관측자가 보기 쉽도록 광을 퍼지게 하는 기능을 갖는 결상 표시판(3)(예를 들면, 렌치큘라 렌즈 스크린)을 구비하는 것이 바람직하다.
렌치큘라 렌즈 스크린은 배광을 제어하는 광학 소자로서, 확산판, 비즈 스크린, 단면이 반원, 반타원, 혹은 2차 이상의 비구면 형상을 구비한 1차원 방향으로 긴 렌즈, 가로 세로로 곡률이 상이한 단면이 반원, 반타원, 혹은 2차 이상의 비구면 형상을 구비한 2차원으로 배치된 렌즈, 혹은 단면이 사다리꼴 형상인 반사형 광학 소자가 복수개 배치된 것이면 된다.
또한, 렌치큘라 렌즈 스크린은, 예를 들면 광원 측에 렌즈, 관측자 측에 확산판과 같은, 상기 광학 요소의 조합으로 구성되어 있어도 된다.
또한, 외광의 영향을 저감하기 위해서, 상기 광학 요소에 부가하여, 광흡수층을 비(非)렌즈부에 형성해도 된다. 또한, 동일한 목적을 위해서 표면에 광의 반사를 저감시키는 AR층을 구비하고 있어도 무방하다.
또한, 눈에 보이는 번쩍임을 억제하기 위한 안티 글레어(anti-glare)층이나, 정전기에 의한 먼지 부착을 방지하기 위한 대전 방지층, 표면을 보호하기 위한 하드 코팅(hard coating)층을 마련해도 된다.
또한, 전반사 프레넬 렌즈 및 렌치큘라 렌즈 스크린을 알기 쉽게 하기 위해서, 각각 독립된 구성을 나타내고 있지만, 이들을 하나의 요소로서 구성해도 된다.
도 48에는 결상 표시판(3)으로서, 광원 측에 렌즈(3a)를 마련하고, 비렌즈부에 광흡수층(3b)을 형성하며, 관측자 측에 확산판(3c)을 마련한 구성을 나타내고 있다. 본 구성에 있어서, 파선으로 나타내는 불요광은 최종적으로 광흡수층(3b)에 의해 흡수되기 때문에, 관측자에게는 보이지 않는다. 즉, 불요광이 없는 양질의 화상을 표시할 수 있다고 할 수 있다.
도 49에서는, 결상 표시판(3)으로서, 단면이 사다리꼴 형상인 반사형 광학 소자(3d), 광흡수부(3e) 및 확산판(3f)을 마련하고 있다. 본 구성도 파선으로 나 타낸 불요광을 효율적으로 제거할 수 있다.
이에 부가하여, 하우징, 유지 기구, 스크린 보강재, 공조, 광원, 조명 광학계, 투사 광학계, 광로 벤딩 미러, 광학계 유지ㆍ조정 기구, 스피커, 텔레비전 테이블, 리모콘, 제어 회로, 전원, 색보정, 기하학 보정 중 어느 하나를 구성요소로 가지고 있어도 무방하다.
(실시예 18)
도 50은 본 발명의 실시예 18에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도로서, 도면에 있어서, 광원인 램프(21)는 광을 출사한다. 광학계인 광학부(22)는 램프(21)로부터 출사된 광을 균일하게 하는 조명 광학계와, 그 조명 광학계에 의해 균일하게 된 광을 착색하는 컬러 휠과, 그 컬러 휠에 의해 착색된 광을 강도 변조하여 화상을 생성하는 라이트 밸브와, 그 라이트 밸브에 의해 생성된 화상을 반사부(23)에 투영하는 렌즈가 일체화되어 있다. 반사부(23)는 광학부(22)에 의해 투영된 화상을 반사한다.
전기 회로(24)는 시스템의 제어 정보나 화상 정보에 따라서 광학부(22)의 라이트 밸브 등을 제어하고, 또한, 음성 신호를 스피커로 출력하는 등의 처리를 실시한다.
또한, 램프(21), 광학부(22), 반사부(23) 및 전기 회로(24)로, 발광체인 프로젝터(1)가 구성되어 있다.
본 구성에서는 단판식(單板式) 라이트 밸브로 구성하고 있지만, 3판식 라이 트 밸브를 사용하는 경우는, 컬러 휠 대신에 색 분리 합성 광학계를 이용해서 구성하면 된다. 또한, 본 구성에서는 광원으로 램프(21)를 이용하고 있지만, 램프(21) 대신에 LED나 레이저를 광원으로서 이용해도 무방하다.
반사 미러(25)는 반사부(23)에 의해 반사된 화상(광선)을 스크린(26) 방향으로 반사시킨다.
스크린(26)은 프레넬 광학 소자(2)(상기 실시예 1~17에서 나타내고 있는 어느 하나의 프레넬 광학 소자)와 결상 표시판(3)으로 구성되어 있다. 단, 스크린(26)은 평면도나 보호의 강화를 위해서, 보강판으로 보강되어 있는 경우가 있다.
하우징(27)은 스크린(26)을 고정하고, 또한, 광학부(22) 등으로 이루어지는 프로젝터(1)를 수납한다. 단, 하우징(27)은 스크린(26)을 평면에 고정하지 않으면 화상이 일그러지기 때문에, 정밀도가 높은 고강성의 부재로 성형되어 있다.
또한, 하우징(27)의 내부는 램프(21), 광학부(22) 및 반사부(23)로부터 새어나오는 광(미광(迷光))을 흡수하도록, 광흡수재(흑색 도료 등)가 마련되어 있다. 특히, 미광의 확산을 방지하기 위해서는 프로젝터(1)의 전체를 차광하는 커버를 마련)하는 것이 큰 효과를 나타낸다.
광학 플레이트(28)는 광학부(22) 및 반사부(23)가 스크린(26) 하부의 대략 중앙 부분에 위치하도록 재치하고, 램프(21)가 스크린(26) 하부의 우단에 위치하도록 재치하고 있다.
조정 기구(29)는 스크린(26)과 광학 플레이트(28)의 상대적인 위치 관계나 기울기 관계를 조정한다.
투사형 표시 장치의 박형화를 도모하기 위해서, 광학계의 광로 설계 이외에, 전기 회로(24)나 램프(21) 등의 배치를 적절하게 할 필요가 있다.
이 실시예 18에서는, 도 50에 나타내는 바와 같이, 스크린(26) 하부의 중심 부근에 반사부(23)를 배치하고 있다.
이에 따라, 광학부(22)에 의해 투영된 화상이 중심 부근에 위치하고 있는 반사부(23)에 의해 반사되고, 그 화상이 반사 미러(25)로 반사되어, 위쪽의 스크린(26) 방향으로 향하는 광로를 취하기 때문에, 스크린(26) 하부의 좌단이나 우단에는 광로가 존재하지 않는다. 따라서, 비교적 통합된 공간이 스크린(26) 하부의 좌우단 부근에 존재한다.
그래서, 이 실시예 18에서는, 스크린(26)의 정면에서 보아서 좌단에 전기 회로(24)를 배치하고, 또한, 우단에 램프(21)를 배치함으로써, 장치의 박형화를 도모하고 있다.
또한, 일그러짐이나 블러링(blurring)이 없는 화상을 표시하기 위해서는, 램프(21), 광학부(22) 및 반사부(23)의 위치를 매우 정확하게 설치할 필요가 있어, 램프(21), 광학부(22) 및 반사부(23)를 광학 플레이트(28) 상에 고착하고 있다.
이 광학 플레이트(28)에는 위치 및 기울기를 조정하는 조정 기구(29)가 부가되어 있고, 조정 기구(29)가 광학 플레이트(28)와 스크린(26)의 상대적인 위치 관계나 기울기 관계를 조정한다.
조정 기구(29)로서는, 예를 들면, 도 51에 나타내는 바와 같은 6축 조정 기구로 이루어지고, 광학 플레이트(28)의 X축 및 Y축 방향의 이동, 광학 플레이 트(28)의 회전, 광학 플레이트(28)의 높이를 조정할 수 있다.
여기서, 박형의 투사형 표시 장치를 구성하기 위해서, 도 52에 나타내는 바와 같이, 광학부(22) 및 반사부(23)로부터 출사된 광이 스크린(26)에 대해서 비스듬하게 급준한 각도로 입사하도록 하고 있다.
도 52에서, 실선은 소망하는 화상을 얻기 위해서, 조정 기구(29)가 광학 플레이트(28)의 위치나 기울기를 조정한 후의 상태를 나타내고, 파선은 조정 전의 상태를 나타내고 있다.
파선의 화살표가 나타내는 광로와 같이, 광학 플레이트(28)의 위치나 기울기가 다소 조정되어 있지 않은 경우에도, 스크린(26)으로의 입사각이 심한 스크린(26)의 상단부에서는 큰 위치 어긋남이 발생한다. 이 때문에, 박형의 투사형 표시 장치에서는, 높은 정밀도의 조정 기구(29)가 필요하게 된다.
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 18에 따르면, 스크린(26) 하부의 대략 중앙 부분에 광학부(22) 및 반사부(23)를 배치하고, 스크린(26) 하부의 우단 또는 좌단에 램프(21) 및 전기 회로(24)를 배치하도록 구성했으므로, 투사형 표시 장치의 박형화를 도모할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 이 실시예 18에 따르면, 스크린(26)에 대한 광학 플레이트(28)의 상대적인 위치 및 각도를 조정하는 조정 기구(29)를 구비하도록 구성했으므로, 일그러짐이나 블러링이 없는 화상을 표시할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 19)
이 실시예 19에서는, 스크린(26)의 평면도를 확보하기 위해서 연구하고 있는 점에 대해서 설명한다.
도 53은 스크린(26)의 휘어짐과, 그에 따르는 화상의 변화를 설명하는 설명도이다. 도면에 있어서, 26´는 휘어진 스크린을 나타내고 있다.
도 53의 실선은 휘어짐이 없는 평면도가 높은 스크린(26)인 경우의 광로를 나타내고, 도 53의 파선은 휘어진 스크린(26´)인 경우의 광로를 나타내고 있다.
도면으로부터 명백한 바와 같이, 휘어진 스크린(26´)의 경우, 관측자는 정규 위치와는 상이한 위치에 이미지(이 경우, 도면 중의 검은 원)가 보이게 된다.
도 54는 휘어진 스크린(26´)에서 생기는 화상의 일그러짐 상태를 이해하기 쉽게 하기 위해서, 휘어진 스크린(26´)에 격자 모양을 표시시킨 상태를 나타내고 있다.
가령 스크린(26´)이 1㎜ 휘어지고, 스크린(26´)으로의 입사각이 70°인 경우, 화면 위의 어긋남은 1㎜×tan(70°)=2.74㎜로 되어, 휘어짐에 대한 감도가 약 3배로 된다.
예를 들면, 1화소가 1㎜로 투영되고 있는 디스플레이의 경우, 휘어짐의 영향을 1화소 이내로 억제하기 위해서는, 감도가 3배인 경우, 0.33㎜ 정도로 휘어짐을 억제할 필요가 있다. 대화면의 휘어짐을 상기의 범위로 억제하기 위해서는, 유리 등의 평면도가 높은 고강성의 기반(11)에 프레넬 프리즘(12)을 배치하면 된다. 또는, 유리판 또는 합성 수지판을 보강재로 하여, 도 55에 도시하는 바와 같이, 스크 린(26)의 프레넬 프리즘(12)을 따르게 하도록 하면, 평면도를 확보할 수 있다.
(실시예 20)
도 56은 본 발명의 실시예 20에 따른 투사형 표시 장치를 나타내는 사시도로서, 도면에 있어서, 도 50과 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타내므로 설명을 생략한다.
환기 팬(31)은 흡기구(32)로부터 하우징(27) 내부로 공기를 흡입하는 한편, 하우징(27) 내부의 공기를 배기한다. 흡기구(32)에는 방진 필터가 부착되어 있다. 또한, 환기 팬(31) 및 흡기구(32)로 환기 수단이 구성되어 있다.
하우징(27) 내부 온도 변화나 습도 변화가 심한 경우, 스크린(26)도 온도 변화나 습도 변화에 따라서 신축하는 양이 커진다.
온도 또는 습도가 높아져, 스크린(26)의 신장이 현저해지면, 하우징(27)이 높은 정밀도나 고강성이더라도 스크린(26)의 휘어짐이 발생하여, 앞서 설명한 화상의 일그러짐이 발생해 버린다.
그래서, 이 실시예 20에서는, 하우징(27) 내부의 온도 변화나 습도 변화를 억제하기 위해서, 환기 팬(31)이 하우징(27) 내부를 환기하도록 하고 있다.
또한, 더욱 높은 건조 상태로 하기 위해서, 건조재를 삽입해도 된다. 수송시와 같이 극도로 변화하는 환경에 대해서는, 수송용 외부 상자와 하우징 사이에 건조재를 넣으면, 수송 후의 언팩킹(unpacking)시의 휘어짐 잔류를 억제할 수 있다.
또는, 수송중에 외기와 접촉하지 않도록, 기밀이 취해지는 밀봉 커버를 하우징에 마련함으로써, 건조재를 삽입하지 않고 휘어짐을 억제할 수 있다.
또한, 환기 팬(31)이 흡기구(32)로부터 공기를 흡입할 때, 미세한 먼지를 흡입하지 않도록 하기 위해서, 흡기구(32)에는 방진 필터를 부착하고 있다.
이에 따라, 스크린(26)으로의 먼지의 부착을 방지하여, 먼지 부착에 따른 화상의 결여를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 스크린(26)으로의 입사각이 심하기 때문에, 작은 먼지이더라도 스크린(26)에 부착하면 크게 확대된다.
도 57은 먼지의 영향을 나타내는 설명도이고, 도 33은 스크린(26)에 수직으로 입사하는 광속을 나타내고, 도 34는 스크린(26)에 급준한 각도로 입사하는 광속을 나타내고 있다.
또한, 33s는 광속(33)이 스크린(26)에 부착한 먼지(35)에 의해 생기는 그림자를 나타내고, 34s는 광속(34)이 스크린(26)에 부착한 먼지(35)에 의해 생기는 그림자를 나타내고 있다.
도면으로부터 명백한 바와 같이, 그림자(34s)는 그림자(33s)보다 몇 배 커진다. 이와 같이, 박형의 투사형 표시 장치에서는, 스크린(26)에 먼지가 부착하지 않도록, 방진 기능을 갖게 하는 것은 중요하다고 할 수 있다.
(실시예 21)
상기 실시예 18에서는, 하우징(27)이 정밀도가 높은 고강성의 부재로 성형되 고, 스크린(26)이 하우징(27)에 부착되어 있는 것에 대해서 나타냈지만, 도 58에 나타내는 바와 같이, 스크린(26)이 내부 응력을 갖는 부재(41)를 거쳐서 하우징(27)에 부착되어 있어도 무방하다.
이와 같이, 내부 응력을 갖는 부재(41)를 거쳐서, 스크린(26)을 하우징(27)에 부착하는 경우, 스크린(26)의 앞면에 텐션(tension)을 부여하여, 휘어짐을 억제할 수 있다.
텐션 기구로서, 스크린(26)의 가장자리에 고착한 부재(41)에 응력을 부여하면서, 스크린(26)을 하우징(27)에 고착하는 방법이 있다.
또한, 부재(41)로서, 고무 등의 탄성체를 이용함으로써, 텐션을 부여할 수 있다.
텐션 기구를 이용할 때에는, 스크린(26)이 단체(單體)이고 강체(剛體)일 필요가 없기 때문에, 스크린(26)을 얇은 시트 형상으로 구성하는 것도 가능하게 된다.
(실시예 22)
상기 실시예 18에서는, 광학부(22) 및 반사부(23)가 광학 플레이트(28)에 재치되어 있는 것에 대해서 나타냈지만, 도 59에 나타내는 바와 같이, 광학부(22) 옆에 리모콘의 수광 소자(42)를 배치하도록 해도 된다.
즉, 광학부(22)에 의해 투영된 화상(광선)은, 도면의 파선이 나타내는 바와 같이, 반사부(23)에 의해 반사된 후, 반사 미러(25)로 반사되어 스크린(26)에 이른 다.
이에 따라, 관측자는 스크린(26)에 도달한 화상(광선)을 볼 수 있지만, 관측자가 가지는 리모콘으로부터 나오는 광(적외선)을 스크린(26) 방향으로 향하게 하면, 도면의 실선이 나타내는 바와 같이, 관측자에게 도달한 광로와 완전히 반대의 광로를 따라 간다.
이 때문에, 광학부(22) 부근에 리모콘의 수광 소자(42)를 설치하면, 고감도로 리모콘의 나오는 광을 수광할 수 있다.
(실시예 23)
도 60은 본 발명의 실시예 23에 따른 투사형 표시 장치의 내부 회로를 나타내는 구성도로서, 도면에 있어서, 도 50과 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타내므로 설명을 생략한다.
전기 회로(24)의 RF 회로(50)는 안테나에 의해 수신된 전파로부터 음성 신호와 비디오 신호를 추출한다.
전기 회로(24)의 음성 신호 처리부(51)는 RF 회로(50)에 의해 추출된 음성 신호에 대한 공지의 음성 신호 처리를 실시하고, 스피커(52)로부터 음성을 출력시킨다.
전기 회로(24)의 비디오 신호 처리부(53)는 RF 회로(50)에 의해 추출된 비디오 신호에 대한 공지의 비디오 신호 처리를 실시한다. 단, 비디오 신호 처리부(53)는 스크린(26)(결상 표시판(3))의 결상면의 일그러짐을 보정하는 기하학적 보정 회로(기하학적 보정 수단)나, 그 결상면의 색을 보정하는 색보정 회로(색보정 수단)를 구비하고 있다.
램프 제어부(54)는 비디오 신호 처리부(53)의 지시 하에, 램프(21)로부터 출사되는 광을 제어한다.
컬러 제어부(55)는 비디오 신호 처리부(53)에 있어서의 색 보정 회로의 지시하에, 광학부(22)의 컬러 휠을 제어한다. 단, 3판식 라이트 밸브로 구성한 장치에서는, 색제어가 각 라이트 밸브에 의해 행해지기 때문에 컬러 휠을 필요로 하지 않는다.
라이트 밸브 제어부(56)는 비디오 신호 처리부(53)에 있어서의 기하학적 보정 회로의 지시 하에, 광학부(22)의 라이트 밸브를 제어한다.
다음에, 동작에 대해서 설명한다.
안테나 또는 외부로부터 입력된 전파는 RF 회로(50)로 출력되고, RF 회로(50)가 당해 전파로부터 음성 신호와 비디오 신호를 추출한다.
음성 신호 처리부(51)는 RF 회로(50)에 의해 추출된 음성 신호에 대한 공지의 음성 신호 처리를 실시한다.
이에 따라, 스피커(52)로부터 음성이 출력되고, 음성이 관측자의 귀에 도달한다.
비디오 신호 처리부(53)는 RF 회로(50)에 의해 추출된 비디오 신호에 대한 공지의 비디오 신호 처리를 실시하여, 램프 제어부(54), 컬러 제어부(55) 및 라이트 밸브 제어부(56)를 제어한다.
램프 제어부(54)는 비디오 신호 처리부(53)의 지시 하에, 램프(21)로부터 출사되는 광을 제어한다.
램프(21)로부터 출사된 광은, 광학부(22)의 조명 광학계에 의해 균일화된 후, 컬러 제어부(55)의 지시 하에, 컬러 휠에 의해 필요에 따라서 착색된다. 단, 3판식 라이트 밸브가 이용되고 있는 경우, 컬러 휠 대신에 색분리 광학계가 이용된다.
또한, 컬러 휠에 의해 착색된 광은 라이트 밸브 제어부(56)의 지시 하에, 라이트 밸브에 의해 강도 변조되어 화상이 생성된다.
라이트 밸브에 의해 생성된 화상은 렌즈에 의해 반사부(23)에 투영된다.
반사부(23)는 광학부(22)로부터 화상의 투영을 받으면, 그 화상을 반사한다.
반사 미러(25)는 반사부(23)에 의해 반사된 화상(광선)을 스크린(26) 방향으로 반사시킨다.
스크린(26)은 프레넬 광학 소자(2)와 결상 표시판(3)으로 구성되어 있으므로, 프레넬 광학 소자(2)가 반사 미러(25)로부터 반사된 광선을 법선 방향으로 구부려서, 그 광선을 결상 표시판(3)에 결상한다.
이에 따라, 관측자의 눈에 화상이 도달한다.
단, 스크린(26)에는, 약간의 착색(coloring)이나 광의 투과 효율 분포 등이 있기 때문에, 컬러 제어부(55) 및 라이트 밸브 제어부(56)가, 비디오 신호 처리부(53) 내의 색보정 회로의 지시 하에, 규격에 적합하도록 적절히 색보정을 실시하여, 적절한 색으로 균일하게 표시할 수 있도록 하고 있다.
또한, 설치 장소에 따라서는, 밝은 장소, 어두운 장소, 색이 칠해진 조명이 있는 장소 등, 여러 가지의 조건이 상정되기 때문에, 리모콘 또는 조작 버튼에 의해서 보정의 정도를 조절할 수 있으면, 여러 가지의 환경에 대응할 수 있는 적응성이 높은 장치를 실현할 수 있다.
또한, 엄격한 온도ㆍ습도 환경에서는, 스크린(26)의 휘어짐도 생길 가능성이 있고, 이 경우에는, 라이트 밸브 제어부(56)가, 비디오 신호 처리부(53) 내의 기하학적 보정 회로의 지시 하에, 전기적으로 화상의 일그러짐을 보정하도록 하고 있다.
또한, 상기의 색보정이나 기하학적 보정은, 예를 들면 하기의 문헌에 개시되어 있는 공지의 보정 방법을 사용하면 되고, 여기서는, 보정 방법의 구체적인 내용은 생략한다.
ㆍ색보정의 보정 방법→국제 공개 99/55074
ㆍ기하학적 보정의 보정 방법→일본 특허 공개 제2004-153322호 공보
이상에서 명백한 바와 같이, 이 실시예 23에 따르면, 스크린(26)의 결상면의 일그러짐을 보정하는 기하학적 보정 회로를 구비하도록 구성했으므로, 스크린(26)의 결상면의 일그러짐을 해소할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 이 실시예 23에 따르면, 스크린(26)의 결상면의 색을 보정하는 색보정 회로를 구비하도록 구성했으므로, 균일한 색 표시를 실현할 수 있는 효과를 나타낸다.
(실시예 24)
상기 실시예 18에서는, 스크린(26)에 대한 광학 플레이트(28)의 상대적인 위치 및 각도를 조정하는 조정 기구(29)를 구비하고 있는 것에 대해서 나타냈지만, 도 61 및 도 62에 나타내는 바와 같이, 스크린(26)을 고정하고 있는 하우징(27)의 각도를 조정하는 조정 기구(전동 틸팅(tilting) 기구(61), 전동 회전 기구(62))를 구비하도록 해도 된다.
도 61 및 도 62에 나타내는 바와 같이, 디스플레이의 베이스(60)에 전동 틸팅 기구(61) 및 전동 회전 기구(62)를 마련하면, 시야 특성을 최대한으로 활용할 수 있다.
즉, 통상, 디스플레이의 밝기는 스크린(26)의 법선 방향이 가장 밝게 설계되어 있다. 이 때문에, 법선 방향으로부터 벗어난 위치에서 시청하는 경우에는, 밝기가 떨어진 상태에서 시청하게 된다. 특히, 디스플레이의 상하 방향의 광의 출사 각도에 대한 광의 출사 강도 분포(이후, 지향성 분포)는 좌우 방향의 지향성 분포보다 좁게 설정되는 것이 일반적이다.
이 실시예 24에서는, 전동 틸팅 기구(61)가 마련되어 있으므로, 전동 틸팅 기구(61)를 이용하여 틸팅 조절을 실시함으로써, 법선 방향으로부터 벗어난 위치에서 시청하는 경우에도, 화면의 밝기가 확보된 화상을 볼 수 있게 된다.
특히, 리모콘의 신호를 받아서, 전동 틸팅 기구(61)나 전동 회전 기구(62)가 동작하는 구성에서는, 관측자의 편리성이 현격히 향상한다.
상기 실시예 18~24에서는, 반사 미러(25)가 마련되어 있는 박형의 투사형 표 시 장치에 대해서 설명했지만, 도 63 및 도 64에 나타내는 바와 같이, 반사 미러(25)가 마련되어 있지 않은 박형의 투사형 표시 장치에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예 18~24에서는, 광학 플레이트(28)에 반사부(23)가 마련되어 있는 것에 대해서 나타냈지만, 반사부(23)가 하우징(27)에 고착되어 있어도 무방하다. 마찬가지로, 도 63의 반사부(23)도 하우징(27)에 고착되어 있어도 무방하다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 프레넬 광학 소자는, 프로젝터 등의 발광체로부터 조사된 광선을 소정의 방향으로 반사시킬 때, 굴절면의 일부에서 광선이 반사함으로써 생기는 불요광이 관측자의 방향으로 출사되는 것을 방지하여, 고스트 상의 표시를 회피할 필요가 있는 투사형 표시 장치에 이용하는 데 적합하다.

Claims (63)

  1. 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면과, 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면(基盤面)측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에서 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고,
    상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도는, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이한 것
    을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    반사면에 대한 비입사면의 각도를 프리즘 선단각보다 크게 한 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    복수의 프레넬 프리즘이 배치되어 있는 기반면과 평행하게 비입사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    반사면에 대한 비입사면의 각도를 프리즘 선단각보다 작게 한 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 비입사면에 보조 프리즘이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    광선을 흡수하는 광흡수 부재, 또는, 광선을 확산시키는 광확산 부재를 이용하여 비입사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    광선을 흡수하는 광흡수 물질, 또는, 광선을 확산시키는 광확산 물질이 프레넬 프리즘의 매체에 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    프레넬 프리즘의 굴절면, 또는, 반사면에 의해 반사된 광선을 출사하는 프레넬 프리즘의 출사면 중 적어도 한쪽은 AR 코팅 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    기반의 두께는 화소 크기의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
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  30. 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면과, 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고, 상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도가, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이하도록 프레넬 프리즘이 형성되고, 또한, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각이 서로 상이한 프레넬 프리즘이 상기 기반면에 혼재하고 있는 것
    을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  31. 광선을 조사하는 발광체와, 상기 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면을 갖고, 또한, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자와, 상기 프레넬 프리즘의 반사면에 의해 반사된 광선을 결상하는 결상 수단을 구비한 투사형 표시 장치에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고, 상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도는, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이한 프레넬 광학 소자를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
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  36. 광선을 조사하는 발광체와, 상기 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면을 갖고, 또한, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자와, 상기 프레넬 프리즘의 반사면에 의해 반사된 광선을 결상하는 결상 수단을 구비한 투사형 표시 장치에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고, 상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도가, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이한 프레넬 광학 소자를 이용하고, 또한, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각이 상이한 다른 프레넬 프리즘이 상기 기반면에 혼재하고 있는 프레넬 광학 소자를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  37. 제 3 항에 있어서,
    발광체로부터 조사되는 광선의 입사각이 큰 위치에 배치되는 프레넬 프리즘의 굴절면의 각도는, 그 광선의 입사각이 작은 위치에 배치되는 프레넬 프리즘의 굴절면의 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  38. 제 37 항에 있어서,
    프레넬 프리즘의 굴절면의 각도는 30° 이상 90° 이하인 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  39. 제 3 항에 있어서,
    발광체로부터 조사되는 광선의 입사각이 큰 위치의 전반사 프리즘의 상사(相似) 비율은, 그 광선의 입사각이 작은 위치의 전반사 프리즘의 상사 비율보다 작은 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  40. 제 39 항에 있어서,
    전반사 프리즘의 상사 비율은 0.1 이상 1 이하인 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  41. 제 3 항에 있어서,
    비입사면이 광선을 확산시키는 광확산 기능을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  42. 제 3 항에 있어서,
    프레넬 프리즘의 프리즘 선단각은 38° 이상 65° 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  43. 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면과, 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면과 반사면이 교차해서 이루어지는 선단 부분의 일부가 입사광선과 대략 평행하게 빠져 있는 것
    을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  44. 제 43 항에 있어서,
    선단 부분의 일부는, 전반사 프리즘의 상사 비율로 0~0.1의 범위에서 빠져 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  45. 제 3 항에 있어서,
    프레넬 프리즘은 동심원 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  46. 제 3 항에 있어서,
    프레넬 프리즘의 피치는 화면의 화소보다 작은 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  47. 제 31 항에 있어서,
    광을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터 출사된 광으로부터 화상을 생성하고, 그 화상을 나타내는 광선을 프레넬 광학 소자에 조사하는 광학계와, 상기 광학계에 의해 생성되는 화상을 제어하는 전기 회로로 발광체가 구성되어, 상기 프레넬 광학 소자 및 결상 수단으로 이루어지는 스크린 하부의 대략 중앙 부분에 상기 광학계가 배치되고, 상기 스크린 하부의 우단 또는 좌단에 상기 광원 및 상기 전기 회로가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  48. 제 47 항에 있어서,
    스크린에 대한 광학계의 상대적인 위치 및 각도를 조정하는 조정 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  49. 제 31 항에 있어서,
    프레넬 광학 소자의 프레넬 프리즘은 유리제의 기반에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  50. 제 31 항에 있어서,
    프레넬 광학 소자 및 결상 수단으로 이루어지는 스크린은 합성 수지판으로 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  51. 제 31 항에 있어서,
    프레넬 광학 소자 및 결상 수단으로 이루어지는 스크린은 유리판으로 보강되 어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  52. 제 31 항에 있어서,
    발광체, 프레넬 광학 소자 및 결상 수단을 수납하고 있는 하우징의 내부를 환기하는 환기 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  53. 제 52 항에 있어서,
    환기 수단의 흡기구에 방진 필터가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  54. 제 31 항에 있어서,
    프레넬 광학 소자 및 결상 수단으로 이루어지는 스크린은 내부 응력을 갖는 부재를 거쳐서 하우징에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  55. 제 47 항에 있어서,
    광학계 옆에 리모콘의 수광 소자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사 형 표시 장치.
  56. 제 31 항에 있어서,
    결상 수단에 있어서의 결상면의 일그러짐을 보정하는 기하학적 보정 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  57. 제 31 항에 있어서,
    결상 수단에 있어서의 결상면의 색을 보정하는 색보정 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  58. 제 31 항에 있어서,
    스크린을 고정하고 있는 하우징의 각도를 조정하는 조정 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  59. 제 58 항에 있어서,
    리모콘에 의해 하우징의 각도를 지정하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  60. 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면과, 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 상기 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에서 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고,
    상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도가, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이하도록 상기 프레넬 프리즘이 형성되고, 또한, 상기 프레넬 프리즘의 굴절면과 반사면이 교차해서 이루어지는 선단 부분의 일부가 입사광선과 대략 평행하게 빠져 있는 것
    을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  61. 제 60 항에 있어서,
    선단 부분의 일부는, 전반사 프리즘의 상사 비율로 0~0.1의 범위에서 빠져 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
  62. 광선을 조사하는 발광체와, 상기 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면을 갖고, 또한, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자와, 상기 프레넬 프리즘의 반사면에 의해 반사된 광선을 결상하는 결상 수단을 구비한 투사형 표시 장치에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면과 반사면이 교차해서 이루어지는 선단 부분의 일부가 입사광선과 대략 평행하게 빠져 있는 프레넬 광학 소자를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  63. 광선을 조사하는 발광체와, 상기 발광체로부터 조사되는 광선을 굴절시키는 굴절면을 갖고, 또한, 그 굴절면에 의해 굴절된 광선을 기반면측으로 반사시키는 반사면을 갖는 프레넬 프리즘이 기반면의 발광체측에 톱니 형상으로 복수 배치된 프레넬 광학 소자와, 상기 프레넬 프리즘의 반사면에 의해 반사된 광선을 결상하는 결상 수단을 구비한 투사형 표시 장치에 있어서,
    상기 프레넬 프리즘의 굴절면 중, 다른 프레넬 프리즘으로 차단되어 상기 발광체로부터 광선이 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부와, 인접하는 상기 반사면 중 상기 굴절면에 의해 굴절된 광선에 직접 조사되지 않는 부분의 전부 혹은 일부를 연결한 비입사면을 마련하고,
    상기 비입사면의 상기 반사면에 대한 각도가, 상기 굴절면과 상기 반사면이 이루는 프리즘 선단각과 상이한 프레넬 광학 소자를 이용하고, 또한, 상기 프레넬 프리즘의 굴절면과 반사면이 교차해서 이루어지는 선단 부분의 일부가 입사광선과 대략 평행하게 빠져 있는 프레넬 광학 소자를 이용하는 것
    을 특징으로 하는 프레넬 광학 소자.
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