KR101965457B1 - 오토스테레오스코픽 디스플레이를 위한 미세복제된 필름 - Google Patents

오토스테레오스코픽 디스플레이를 위한 미세복제된 필름 Download PDF

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마이클 제이 사이코라
로버트 엘 브로트
존 씨 슐츠
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Abstract

미세복제에 의해 제작될 수 있으며 오토스테레오스코픽 백라이트 또는 디스플레이에서 사용하기에 적합한 광학적 광 방향전환 필름은 대향하는 제1 구조화된 표면 및 제2 구조화된 표면을 포함한다. 제1 구조화된 표면은 렌티큘러 특징부들을 포함하고 제2 구조화된 표면은 프리즈매틱 특징부들을 포함한다. 일부 경우에, 적어도 제1 프리즈매틱 특징부가 필름 평면에 수직인 필름의 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제1 프리즘 광학 축을 가진다. 일부 경우에, 적어도 제1 렌티큘러 특징부가 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제1 렌티큘러 광학 축을 가진다. 일부 경우에, 필름은 필름의 중앙 부분에서 중앙 필름 캘리퍼(두께)를 가지고 필름의 제1 에지 부분에서 에지 필름 캘리퍼를 가지며, 중앙 필름 캘리퍼는 에지 필름 캘리퍼보다 크다.

Description

오토스테레오스코픽 디스플레이를 위한 미세복제된 필름{Microreplicated Film For Autostereoscopic Displays}
본 발명은 일반적으로 오토스테레오스코픽 디스플레이(autostereoscopic display)들에서 사용하기 위한 미세복제된 광학 필름들, 및 그러한 필름들을 포함하는 물품들 및 시스템들, 그리고 그러한 필름들과 관련된 방법들에 관한 것이다.
입체 디스플레이(stereoscopic display)는 보통 개개의 좌안 및 우안 시점(viewpoint)으로부터 시차(parallax)를 갖는 이미지들을 관찰자에게 제공한다. 관찰자의 양안에 시차 이미지들을 제공하여 입체 뷰잉(stereoscopic viewing) 경험을 생성하는 몇몇 기술들이 있다. 제1 기술에서, 관찰자는 교번하는 좌/우 이미지 디스플레이와 동기하여 관찰자의 눈으로부터 광을 차단시키거나 투과시키는 한 쌍의 셔터 또는 3차원("3D") 안경을 이용한다. 제2 기술에서, 우안 이미지 및 좌안 이미지가 교번하여 디스플레이되고 관찰자의 각각의 눈을 향해 지향되지만, 3D 안경이 사용되지 않는다. 이러한 제2 기술은 오토스테레오스코픽으로 지칭되며, 관찰자가 임의의 유형의 특수 안경을 착용할 필요가 없기 때문에 3D 뷰잉에 유리하다.
오토스테레오스코픽 디스플레이는 전형적으로 디스플레이 패널, 특별히 설계된 백라이트, 및 백라이트와 디스플레이 패널 사이에 배치된 특별히 설계된 광 방향전환 광학 필름(light redirecting optical film)을 포함한다. 백라이트는 디스플레이 패널과 공칭적으로 동일한 크기의 광 출력 영역을 갖는 도광체(light guide)를 제공한다. 도광체의 대향 에지들을 따라 배치된 광원들에 교번하여 에너지가 공급되어, 도광체의 출력 영역이 광을 2개의 상이한 크게 경사진 각도들로 교번하여 방출하게 한다. 도광체에 의해 방출되는 이러한 광은 광 방향전환 필름(때때로 본 명세서에서 3D 필름으로도 지칭됨)에 의해 도중차단(intercept)되고, 이 광 방향전환 필름은 상이한 두 유형의 방출된 광을 교번하는 광의 빔(beam)들로 변환시키며, 이 광의 빔들 중 하나는 관찰자의 우안으로 지향되고 이 광의 빔들 중 다른 것은 관찰자의 좌안으로 지향된다. LCD 패널과 같은 전자적으로 어드레스 가능한(addressable) 디스플레이 패널을 광 방향전환 필름과 관찰자 사이에 배치하는 것, 그리고 교번하는 광 빔들과 동기하여 교번하는 우안 이미지 및 좌안 이미지를 나타내도록 LCD 패널을 제어하는 것은 관찰자가 3차원 이미지를 인지할 수 있게 한다.
오토스테레오스코픽 디스플레이 응용들에서 개선된 성능을 제공할 수 있고/있거나 고유한 광학 및/또는 기계적 설계 특징들을 갖는 광학적 광 방향전환 (3D) 필름들의 군을 개발하였다. 일부 경우에, 필름들은 프리즈매틱(prismatic) 특징부들을 포함하며, 프리즈매틱 특징부들의 광학 축들은 필름의 두께 축에 대해 틸트(tilt)되어 있다. 필름들은 또한 복합 곡률(compound curvature)의 렌티큘러 특징부들을 포함할 수 있으며, 렌티큘러 특징부들의 광학 축들은 두께 축에 대해 틸트되어 있다. 프리즈매틱 특징부들 및/또는 렌티큘러 특징부들의 틸트 각도(tilt angle)들은 바람직하게는 필름의 표면에 걸쳐 특징부 또는 특징부들의 그룹마다 변하는바, 예를 들어, 필름의 한 에지에서 한 방향으로 최대 틸트를 갖고, 필름의 중앙 부분에서 적은 틸트를 갖거나 틸트를 갖지 않고, 그리고 필름의 대향 에지에서 대향 방향으로 최대 틸트를 갖는다. 프리즈매틱 특징부들과 렌티큘러 특징부들의 일대일 대응이 만들어지도록 프리즈매틱 특징부들이 렌티큘러 특징부들과 쌍을 이룰 수 있다. 일부 경우에, 제1 렌티큘러 특징부가 제1 프리즈매틱 특징부와 쌍을 이룰 수 있고, 렌티큘러 특징부가 각도 α만큼 틸트될 수 있고 프리즈매틱 특징부가 각도 β만큼 틸트될 수 있으며, 여기서 0 < |β| < |α|이고, 바람직하게는 |β| 는 약 |α|/2이다.
일부 경우에, 광학적 광 방향전환 필름들은 필름의 작동 영역(working area)에 걸쳐 변하는 필름 캘리퍼(caliper) 또는 두께를 가지는바, 예를 들어, 필름 두께가 필름의 중앙 부분에서 필름의 하나의 에지 또는 두 에지들과 상이할 수 있다(예를 들어, 더 두꺼울 수 있다). 렌티큘러 특징부들의 더 큰 틸트 각도들이 더 작은 필름 두께들에 대응하고 (틸트를 갖지 않는 렌티큘러 특징부들을 포함하는) 렌티큘러 특징부들의 더 작은 틸트 각도들이 더 큰 필름 두께들에 대응하도록, 필름 두께 프로파일이, 구조화된 필름 표면 상의 렌티큘러 특징부들의 틸트와 연관될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서는 다른 것들 중에서도, 오토스테레오스코픽 디스플레이들 및 백라이트들에서 사용하기에 적합한 광 방향전환 필름들 - 필름들은 필름 평면을 정의하며 대향하는 제1 구조화된 표면 및 제2 구조화된 표면을 가짐 - 을 기술한다. 제1 구조화된 표면은 렌티큘러 특징부들, 예를 들어, 평행하는 선형의 또는 신장된(elongated) 렌티큘러 구조들의 어레이를 포함하고, 제2 구조화된 표면은 프리즈매틱 특징부들, 예를 들어, 평행하는 선형의 또는 신장된 프리즈매틱 구조들의 어레이를 포함한다. 프리즈매틱 특징부들 각각이 프리즘 광학 축을 가질 수 있고, 프리즈매틱 특징부들 중 제1 프리즈매틱 특징부가 필름의 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제1 프리즘 광학 축을 가질 수 있으며, 이 두께 축은 필름 평면에 수직이다. 렌티큘러 특징부들은 본 명세서에서 종종 렌즈들로 지칭될 수 있고, 프리즈매틱 특징부들은 본 명세서에서 종종 프리즘들로 지칭된다.
렌티큘러 특징부들은 각각 평면내 렌티큘러 축(in-plane lenticular axis)에 평행하여 연장될 수 있고, 프리즈매틱 특징부들은 각각 평면내 프리즈매틱 축(prismatic axis)에 평행하여 연장될 수 있다. 프리즈매틱 축은 제1 프리즘 광학 축에 수직일 수 있다. 일부 경우에, 평면내 프리즈매틱 축 및 평면내 렌티큘러 축이 서로에 대해 평행할 수 있다. 일부 경우에, 제1 프리즘 광학 축이 두께 축에 대하여 각도 β로 틸트될 수 있고, β는, 예를 들어, -30도 내지 +30도의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 경우에, 프리즈매틱 특징부들 중 제2 프리즈매틱 특징부가 두께 축에 실질적으로 평행인 제2 프리즘 광학 축을 가질 수 있다. 일부 경우에, 프리즈매틱 특징부들 중 제3 프리즈매틱 특징부가 두께 축에 대해 틸트된 제3 프리즘 광학 축을 가질 수 있고, 제1 프리즘 광학 축의 틸트가 제3 프리즘 광학 축의 틸트에 대해 반대의 극성으로 되어 있을 수 있다. 더욱이, 제2 프리즈매틱 특징부가 제1 프리즈매틱 특징부와 제3 프리즈매틱 특징부 사이에 배치될 수 있다.
일부 경우에, 렌티큘러 특징부들은 복합 곡률을 가질 수 있고, 렌티큘러 특징부들 각각이 렌티큘러 광학 축(lenticular optical axis)을 가질 수 있으며, 이 렌티큘러 광학 축은 또한 렌티큘러 특징부의 대칭 축일 수 있다. 렌티큘러 특징부들 중 제1 렌티큘러 특징부는 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제1 렌티큘러 광학 축을 가질 수 있다. 제1 렌티큘러 광학 축은 두께 축에 대해 각도 α로 틸트되어 있을 수 있고, α는 -30도 내지 +30도의 범위 내에 있을 수 있다. 렌티큘러 특징부들 중 제2 렌티큘러 특징부가 두께 축에 실질적으로 평행인 제2 렌티큘러 광학 축을 가질 수 있다. 더욱이, 렌티큘러 특징부들 중 제3 렌티큘러 특징부가 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제3 렌즈 렌티큘러 광학 축을 가질 수 있고, 제1 렌티큘러 광학 축의 틸트가 제3 렌티큘러 광학 축의 틸트에 대해 대향 극성으로 되어있을 수 있다. 그러한 제2 렌티큘러 특징부는 제1 렌티큘러 특징부와 제3 렌티큘러 특징부 사이에 배치될 수 있다. 제1 렌티큘러 특징부는 제1 프리즈매틱 특징부와 쌍을 이룰 수 있고, 제1 프리즘 광학 축이 두께 축에 대해 각도 β로 틸트되어 있을 수 있고, 제1 렌티큘러 광학 축이 두께 축에 대해 각도 α로 틸트되어 있을 수 있으며, 그리고 β의 크기는 0보다 크지만 α의 크기보다 작을 수 있다. 일부 경우에 β의 크기가 α의 크기의 약 절반일 수 있다.
오토스테레오스코픽 백라이트에서 사용하기에 적합한 광 방향전환 필름들 - 이러한 필름들은 필름 평면을 정의하며 대향하는 제1 구조화된 표면 및 제2 구조화된 표면을 가짐 - 이 또한 기술된다. 제1 구조화된 표면은 렌티큘러 특징부들을 포함하고 제2 구조화된 표면은 프리즈매틱 특징부들을 포함한다. 필름은 필름의 중앙 부분에서 중앙 필름 두께 또는 캘리퍼를 가지고 필름의 제1 에지 부분에서 제1 에지 필름 두께를 가지며, 중앙 필름 두께는 제1 에지 필름 두께보다 크다. 렌티큘러 특징부들이 각각 평면내 렌티큘러 축에 평행하여 연장될 수 있고, 필름 두께가 평면내 렌티큘러 축에 수직인 주어진 평면내 축을 따라 변할 수 있다. 필름 두께는 주어진 평면내 축을 따라 필름의 중앙 부분으로부터 필름의 제1 에지 부분까지 단조적으로 감소할 수 있다. 필름은 또한 제1 에지 부분에 대향하는 제2 에지 부분을 가질 수 있고, 필름 두께는 또한 주어진 평면내 축을 따라 필름의 중앙 부분으로부터 필름의 제2 에지 부분까지 단조적으로 감소할 수 있다. 다른 두께 프로파일들, 예를 들어, 필름의 중앙 부분으로부터 필름의 주어진 에지 부분까지 단조적이지 않은 방식으로 변하는 두께들이 또한 고려된다는 것에 주목하여야 한다.
일부 경우에, 프리즈매틱 특징부들 각각이 프리즘 광학 축을 가질 수 있고, 프리즈매틱 특징부들 중 제1 프리즈매틱 특징부가 필름의 두께 축 - 두께 축은 필름 평면에 수직임 - 에 대해 틸트되어 있는 제1 프리즘 광학 축을 가질 수 있다. 렌티큘러 특징부들은 복합 곡률을 가질 수 있고, 렌티큘러 특징부들 각각이 렌티큘러 광학 축을 가질 수 있으며, 렌티큘러 특징부들 중 제1 렌티큘러 특징부가 필름의 두께 축에 대해 틸트되어 있는 제1 렌티큘러 광학 축을 가질 수 있다.
관련된 방법들, 시스템들 및 물품들이 또한 논의된다. 개시된 필름들은 바람직하게는 고 부피(예를 들어, 롤-투-롤(roll-to-roll)) 제조 방법들과 호환된다. 구조화된 필름 표면들은 공지된 미세복제 기법들을 사용하여, 예를 들어, 중합체 필름을 엠보싱 또는 열성형함으로써, 또는 계속적인 주조-및-경화 처리를 사용하여 제작될 수 있다.
본 출원의 이들 태양 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기의 개요는 청구된 기술적 요지를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 그 기술적 요지는 절차를 수행하는 동안 보정될 수도 있는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 한정된다.
<도 1a 및 도 1b>
도 1a 및 도 1b는 백라이트를 포함하는 3D 오토스테레오스코픽 디스플레이 장치의 개략적인 측면도이며, 디스플레이 장치는 우안 및 좌안에 상이한 이미지들을 제공할 수 있다.
<도 2>
도 2는 예시적인 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스의 개략적인 측면도이다.
<도 3>
도 3은 도광체의 개략적인 사시도이며, 도광체의 2개의 주 표면들 상의 예시적인 표면 구조를 과장된 방식으로 도시한다.
<도 3a 및 도 3b>
도 3a 및 도 3b는 도 3의 도광체의 개략적인 측면도를 도시한다.
<도 4a>
도 4a는 3D 광 방향전환 필름의 개략적인 단면도이다.
<도 4b>
도 4b는 또 다른 3D 광 방향전환 필름의 개략적인 단면도이다.
<도 5>
도 5는 예시적인 광 방향전환 필름의 렌티큘러 특징부의 개략적인 측면 또는 단면도이며, 렌티큘러 특징부는 복합 곡률 및 대칭 축을 가진다.
<도 6a 및 도 6b>
도 6a 및 도 6b는 복합 곡률을 갖는 렌티큘러 특징부들을 포함하는 광 방향전환 필름들의 개략적인 측면 또는 단면도이다.
<도 7>
도 7은 예시적인 광 방향전환 필름의 렌티큘러 특징부가 어떻게 회전 또는 틸트될 수 있는지 보여주는 개략적인 측면 또는 단면도이다.
<도 8>
도 8은 예시적인 광 방향전환 필름의 프리즈매틱 특징부가 어떻게 회전 또는 틸트될 수 있는지 보여주는 개략적인 측면 또는 단면도이다.
<도 9a>
도 9a는 하나의 렌티큘러/프리즈매틱 특징부 쌍을 보여주는 광 방향전환 필름의 일부분의 개략적인 측면 또는 단면도이고, 렌티큘러 특징부도 프리즈매틱 특징부도 틸트되어 있지 않다.
<도 9b>
도 9b는 도 9a의 렌티큘러/프리즈매틱 특징부 쌍의 개략적인 측면 또는 단면도이나, 여기서는 렌티큘러 특징부가 회전 또는 틸트되었다.
<도 9c>
도 9c는 도 9a의 렌티큘러/프리즈매틱 특징부 쌍의 개략적인 측면 또는 단면도이나, 여기서는 프리즈매틱 특징부가 회전 또는 틸트되었다.
<도 9d>
도 9d는 도 9a의 렌티큘러/프리즈매틱 특징부 쌍의 개략적인 측면 또는 단면도이나, 여기서는 렌티큘러 특징부와 프리즈매틱 특징부 둘 모두가 회전 또는 틸트되었다.
<도 10>
도 10은 렌티큘러 특징부와 프리즈매틱 특징부가 틸트되어 있는 광 방향전환 필름의 일부분의 개략적인 측면 또는 단면도이다.
<도 11 및 도 12>
도 11 및 도 12는 틸트된 렌티큘러 특징부들을 포함하는 광 방향전환 필름들의 개략적인 측면 또는 단면도이며, 틸트의 양이 필름의 작동 영역에 걸쳐 어떻게 변하는지를 보여준다.
<도 13>
도 13은 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스(peak vertex)들 및 대응하는 프리즈매틱 특징부들의 프리즘 버텍스들만을 보여주는, 광 방향전환 필름의 개략적인 측면 또는 단면 도면이며, 필름의 두께 또는 캘리퍼가 필름의 작동 영역에 걸쳐 어떻게 변하는지를 보여준다.
<도 14>
도 14는 오토스테레오스코픽 백라이트 시스템에서 광 방향전환 필름의 일부분으로부터 방출되는 광에 대한 모델링된 래디언스(radiance) 대 관측 각도의 그래프이며, 광 방향전환 필름 부분은 복합 곡률을 갖는 동일한 렌티큘러 특징부들을 가지고 또한 대응하는 동일한 프리즈매틱 특징부들을 가지며, 렌티큘러 특징부들은 틸트를 갖지 않고(α = 0) 프리즈매틱 특징부들 또한 틸트를 갖지 않는다(β = 0).
<도 14a 내지 도 14i>
도 14a 내지 도 14i는 도 14의 것과 유사한 모델링된 래디언스의 그래프이나, 상이한 틸트 각도 α 및 β 값들에 대한 것이다.
<도 15>
도 15는 오토스테레오스코픽 백라이트 시스템에서 광 방향전환 필름의 일부분으로부터 방출되는 광에 대한 모델링된 래디언스 대 관측 각도의 그래프이며, 광 방향전환 필름 부분은 단순(일정) 곡률을 갖는 동일한 렌티큘러 특징부들을 가지고 또한 대응하는 동일한 프리즈매틱 특징부들을 가지며, 렌티큘러 특징부들은 틸트를 갖지 않고(α = 0) 프리즈매틱 특징부들 또한 틸트를 갖지 않는다(β = 0).
<도 15a 내지 도 15c>
도 15a 내지 도 15c는 도 15의 것과 유사한 모델링된 래디언스의 그래프이나, 상이한 틸트 각도 값들 α 및 β 에 대한 것이다.
도면에 있어서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
위에서 요약된 설계 특징들을 논의함이 없이 오토스테레오스코픽 시스템들 및 물품들(예를 들어, 도 1a 내지 도 4b 참조)에 대해 기술하는 것으로 시작하기로 한다. 그러한 특징들은 이 상세한 설명 부분에서 추후에 더욱 충분하게 기술된다. 읽는이는 본 출원이, 본 명세서에 개시된 임의의 주어진 실시예의 설계 특징들 중 임의의 것이 본 명세서에 개시된 임의의 다른 실시예의 임의의 설계 특징들과 조합될 수 있다는 것을 고려하고 있음을 이해할 것이다.
이어서, 도 1a 및 도 1b로 돌아가면, 백라이트형 오토스테레오스코픽 3D 디스플레이(110)의 일부 전형적인 구성요소들뿐만 아니라 기본적인 작동이 도시되어 있다. 간단히 말하자면, 좌안(LE) 및 우안(RE)을 갖는 관찰자가 디스플레이(110)를 관찰하고, 디스플레이의 구성 및 작동에 의해 3차원 이미지를 인지한다. 디스플레이는 설명의 용이함을 위해 직교(Cartesian) x-y-z 좌표계의 맥락에서 도시되어 있지만, 읽는이는 이것이 예를 들어 공칭적으로 평탄한 디스플레이들, 백라이트들, 또는 도광체들로 본 발명을 제한하지 않음을 이해할 것이다.
디스플레이(110)는 패널의 활성 또는 작동 영역을 정의하는 매트릭스(matrix)로 배열된 개개의 픽셀들을 갖는 액정 패널(112)을 포함하며, 픽셀들은 제어기(도시되지 않음)에 의해 개별적으로 어드레스 가능하다. 제어기는, 임의의 원하는 이미지를, 바람직하게는 유색 또는 RGB(적색-녹색-청색) 서브-픽셀 포맷으로 패널(112)의 활성 영역에 형성하도록 패널(112)로 제어 신호들을 송신한다. 디스플레이(110)에는 이 이미지를 관찰자가 인지할 수 있게 만들기 위한, 도면 부호 114로 개괄적으로 도시된, 백라이트가 제공된다. 백라이트(114)는 편광기(116), 3D 광 방향전환 필름(118), 도광체(120), 제1 광원 조립체 및 제2 광원 조립체(각각 122, 124), 및 후방 반사기(126)를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부, 예를 들어 후방 반사기(126) 및/또는 편광기(116)는 시스템 요건들 및 설계 상세사항들에 따라 생략될 수 있고, 다른 광 관리 필름들 또는 구성요소들, 예를 들어 편광 필름들(반사 편광 필름들을 포함함), 미러 필름들, 확산 필름들, 다층 광학 필름들, 윈도우 필름들, 지연 필름들(retarder films), 프리즈매틱 휘도 향상 필름들, 및 다른 미세구조화된 필름들 또는 비-미세구조화된 필름들이 시스템 설계자에 의해 적절한 것으로 여겨지는 바에 따라 시스템에 부가될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들, 예를 들어 편광기(116) 및/또는 방향전환 필름(118)은 백라이트(114)의 일부가 아닌 패널(112)의 일부인 것으로 간주될 수 있거나, 백라이트(114)의 일부도 아니고 패널(112)의 일부도 아닌 것으로 간주될 수 있다.
도광체(120)는 백라이트(114)의 핵심 부분이다. 도광체는 도시된 바와 같이 제1 주 표면 및 제2 주 표면(120a, 120b)과, 제1 측부 표면 및 제2 측부 표면(120c, 120d)을 갖는다. 도광체는 바람직하게는 순차적이거나 교번하는 방식으로 광원 조립체들(122, 124)로부터 측부 표면들(120c, 120d)을 통해 광을 수광하고, 이 조립체들 각각로부터의 광이, 다수의 반사를 통해, 적어도 패널(112)의 작동 영역에 대응하는 도광체의 확장된 영역에 걸쳐 확산되게 한다. 소정의 광원 조립체로부터의 광이 도광체의 길이를 횡단할 때, 광의 일부가 도광체의 전방 또는 상부 표면(주 표면(120a))으로부터 추출된다. 이러한 추출된 광은 전형적으로 크게 경사져, 예를 들어 공기 중에서 측정될 때 수직 방향(normal direction)(z-축)으로부터 약 70도에서 휘도가 피크에 달하거나, 50도 내지 80도 초과, 또는 60도 내지 80도 초과의 전형적인 범위에서 피크 휘도를 갖는다. 이러한 크게 경사진 광은, 도광체(120)로부터 출사하는 크게 경사진 광을 시스템의 광학 축에 더 가깝게, 즉 z-축에 더 가깝게 지향되도록 방향전환시키는 방식으로 미세구조화되어 있는 방향전환 필름(118)에 의해 도중차단(intercept)된다.
도광체(120)의 설계로 인해, 조립체(124)로부터 유래하는 광은 도 1a 및 도 1b의 시점(perspective)으로부터 좌측 방향(+y 방향에 더 가까움)으로 크게 경사진 각도에서 도광체의 표면(120a)으로부터 출사하는 한편, 조립체(122)로부터 유래하는 광은 동일 시점으로부터 우측 방향(-y 방향에 더 가까움)으로 크게 경사진 각도에서 표면(120a)으로부터 출사한다. 방향전환 필름(118)은 조립체(124)로부터 유래하는 경사진 광을 광선들(130a)에 대체로 대응하는 방향들로, 즉 관찰자의 우안(RE)을 향해 방향전환시키도록 설계된다. 방향전환 필름(118)은 또한 조립체(122)로부터 유래하는 경사진 광을 광선들(132a)에 대체로 대응하는 방향들로, 즉 관찰자의 좌안(LE)을 향해 방향전환시킨다.
도 1a 및 도 1b는 2개의 상이한 시점(point in time)들에서 디스플레이(110)를 도시하고 있다. 도 1a에서, 광원 조립체(124)에는 에너지가 공급되고(켜짐) 광원 조립체(122)에는 에너지가 공급되지 않으며(즉, 광원 조립체가 꺼짐), 도 1b에서, 광원 조립체(122)에는 에너지가 공급되고 광원 조립체(124)에는 에너지가 공급되지 않는다. 디스플레이는 바람직하게는 이들 2개의 조명 상태들 사이에서 교번하도록 제어된다. 그 교번하는 조명과 동기하여, 제어기는 패널(112)이 조립체(124)에 에너지가 공급될 때 우안 이미지를, 그리고 조립체(122)에 에너지가 공급될 때 좌안 이미지를 디스플레이하게 한다. 우안 이미지(및 조립체(124))와 좌안 이미지(및 조립체(122)) 사이의 신속한 동기 전환, 예를 들어 적어도 90 ㎐, 또는 100 ㎐, 또는 110 ㎐, 또는 120 ㎐ 또는 그 초과의 전환 주파수는 관찰자에게 임의의 특수 안경을 착용할 것을 요구함이 없이 관찰자가 안정된 3D 비디오 이미지를 인지할 수 있게 한다.
디스플레이(110)의 작동시, 우안 이미지가 디스플레이되고 있는 동안에 백라이트로부터의 광이 좌안(LE)에 도달하면, 그리고/또는 좌안 이미지가 디스플레이되고 있는 동안에 백라이트로부터의 광이 우안(RE)에 도달하면, 크로스토크가 발생한다. 3D 관찰 경험을 저하시키는 그러한 크로스토크가 도 1a에 광선(130b)으로, 그리고 도 1b에 광선(132b)으로 도시되어 있다.
예시적인 도광체들은 중합체 또는 유리와 같은 적합한 광-투과성 재료로 구성된다. 도광체는 비교적 강성이거나 가요성일 수 있고, 도광체는 비교적 얇거나(예를 들어, 필름의 형태) 두꺼울 수 있다. 도광체는 평면 뷰에서 실질적으로 직사각형 형상을 가질 수 있으나(예를 들어, 도 3의 사시도 참조), 직사각형이 아닌 형상들 또한 사용될 수 있다. 도광체의 후방 또는 후부 주 표면(도 1a 및 1b의 표면(120b) 참조)은 바람직하게는 복수의 추출 요소들을 포함하도록 형상화되며, 선형 렌티큘러 특징부들, 또는 선형 프리즘 특징부들과 같은 특징부들이 유용하다. 2010년 12월 16일자로 출원된 일반 양도된(commonly assigned) 미국 특허 출원 제12/969,995호, "Duel Orientation Autostereoscopic Backlight and Display"(대리인 관리번호 66857US002)에서 논의된 것과 같이 다른 배향들이 또한 고려될 수 있으나, 선형 프리즘들이 후부 주 표면에서 사용되는 경우에, 선형 프리즘들 각각은 도면에 도시된 x-축에 평행한 측부 표면들(120c, 120d)에 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 선형 프리즘 특징부들은 후방 주 표면(표면(120b) 참조)이 광을 실질적으로 방향전환(예를 들어, 반사, 추출 등)시키게 하는 한편, 전방 주 표면(표면(120a) 참조)이 광을 실질적으로 투과시키게 한다. 일부 경우에, 후방 주 표면 상의 또는 후방 주 표면에 인접한 고 반사성 표면은 전방 주 표면을 통해 백라이트로부터의 광을 방향전환시키는 데 도움을 준다. 도광체의 전방 주 표면은 실질적으로 편평할 수 있지만, 바람직하게는 수직 방향으로, 즉, 도 3의 x-z 평면으로 광을 확산시키는 렌티큘러 특징부, 프리즈매틱 특징부, 또는 유사한 특징부들과 같은 광 확산 요소들을 갖도록 구조화된다. 오토스테레오스코픽 백라이트들에서 사용하기에 적합한 도광체들에 관한 추가의 설계 세부사항들은 미국 특허 제7,210,836호(사사가와(Sasagawa) 등) 및 미국 특허 출원 공개 제2009/0316058호(호이징가(Huizinga) 등)에서 찾아볼 수 있다. 미국 특허 출원 공개 제2008/0084519호(브링햄(Brigham) 등) 및 제2010/0128187호(브로트(Brott) 등)가 또한 참조된다.
예시적인 광 방향전환 필름들(3D 필름들)은 필름의 주 표면들 둘 모두 위에 구조화된 특징부 또는 다면형(faceted) 특징부를 갖는다. 관찰자를 향하는 전방 주 표면은 선형 렌티큘러 특징부들을 포함할 수 있다. 이 렌티큘러 특징부들은 바람직하게는 만곡되거나 일 단면 평면에서 렌즈 형상이고, 그리고 직교 단면 평면에서 편평하거나 일자형일 수 있다. 도광체를 향해 있는 필름의 후방 주 표면은 선형 프리즈매틱 특징부들을 포함할 수 있다. 선형 프리즈매틱 특징부들은 바람직하게는 서로 평행하고, 필름의 전방 표면 상의 선형 렌티큘러 특징부들에 평행할 수 있지만, 다른 배향들이 또한 가능하다. 대부분의 경우에, 방향전환 필름은 방향전환 필름의 선형 렌티큘러 특징부 또는 프리즈매틱 특징부가 도광체의 후방 주 표면 위의 프리즈매틱 특징부들에 평행하도록 배향될 수 있으나, 위에서 참조된 계류중인 미국 특허 출원 '995(대리인 관리번호 66857US002)에서 논의된 것과 같이 다른 배향들이 또한 사용될 수 있다. 방향전환 필름들의 렌티큘러 특징부 및 프리즈매틱 특징부는 도광체의 전방 주 표면에 의해 방출되는 크게 경사진 광이 관찰자가 디스플레이된 이미지 내 깊이를 인지할 수 있게 하는 적절한 각도들에서 방출되는, 더 축방향으로 지향된 광으로 변환되도록 설계된다. 예시적인 방향전환 필름의 추가의 설계 세부 사항들을 하기의 문헌들 중 하나 이상에서 찾아볼 수 있다: 미국 특허 제7,210,836호(사사가와 등), 및 미국 특허 출원 공개 제2005/0052750호(킹 등), 제2008/0084519호(브리검(Brigham) 등), 및 제2009/0316058호(호이징가(Huizinga) 등).
다른 오토스테레오스코픽 디스플레이(200)가 도 2에 도시되어 있다. 디스플레이(200)는 디스플레이 패널(220), 예를 들어 액정 디스플레이(LCD) 패널, 및 액정 디스플레이 패널(220)에 광을 제공하도록 위치된 백라이트(230)를 포함한다. 디스플레이 패널(220)은 2개의 패널들 또는 플레이트들(220a, 220c) 사이에 개재된 액정 재료의 내부 픽셀화된 층(220b)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 백라이트(230)는 하나 이상의 도광체(250), 하나 이상의 우안 이미지 광원(232), 예를 들어 고상 광원(solid state light source), 및 하나 이상의 좌안 이미지 광원(234), 예를 들어 고상 광원을 포함한다. 제1 광원 및 제2 광원(232, 234) 각각은 오프(OFF) 상태 - 이 동안에 광원(232, 234)은 광 출력을 전혀 생성하지 않거나 매우 적은 광 출력을 생성함 - 와 온(ON) 상태 - 이 동안에 광원(232, 234)은 인간의 눈으로는 감지할 수 없는 속도로, 예를 들어 눈당 30 ㎐ 이상 또는 바람직하게는 눈당 60 ㎐ 이상의 속도로 상당한 광 출력을 생성함 - 사이에서 반복적으로 전환될 수 있다.
광원들(232, 234)은 무기(inorganic) 고상 광원, 예를 들어 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드일 수 있고/있거나, 유기 발광 다이오드(OLED)일 수 있다. 광 추출 특징부들(299), 예를 들어 프리즘, 렌티큘러 특징부, 백색 점(white dot), 헤이즈 코팅(haze coating) 및/또는 다른 특징부들이 도광체(250)의 하나 표면 또는 두 표면들(251, 252) 모두 위에 배치될 수 있다. 양면형 광 방향전환 광학 필름(240)이, 본 명세서에 더 상세하게 기술되는 바와 같이, 액정 디스플레이 패널(220)과 도광체(250) 사이에 배치된다. 양면형 광학 필름(240)은 도광체(250)로부터 먼 쪽으로 배향된 광학 필름(240)의 표면 상의 렌즈들(242)(선형 렌티큘러 구조물 또는 특징부)을 포함한다. 각각의 렌즈들(242)은 도광체(250)를 향해 배향된 광학 필름(240)의 표면 상의 대응하는 프리즘(241)(선형 프리즈매틱 구조물 또는 특징부)에 정합된다. 일반적으로, 렌즈들 및 프리즘들의 피치에 대한 치수는, 예를 들어 디스플레이(200) 내의 무아레 패턴(
Figure 112013091310316-pct00001
)의 제거 또는 감소의 결과를 가져올 피치를 선택함으로써 결정될 수 있다. 렌즈 및 프리즘 피치는 또한 제조가능성에 기초해 결정될 수 있다. LCD 패널은 다양한 픽셀 피치를 갖도록 제조되기 때문에, LCD 패널의 다양한 픽셀 피치를 수용하도록 광학 필름의 피치를 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 오토스테레오스코픽 광 방향전환 광학 필름(240)의 유용한 피치 범위는, 예를 들어 약 10 마이크로미터 내지 약 140 마이크로미터이다.
디스플레이(200)는 임의의 유용한 형상 또는 구성을 가질 수 있다. 많은 실시예에서, 액정 디스플레이 패널(220) 및/또는 도광체(250)는 직사각형 또는 정사각형 형상을 갖는다. 그러나, 일부 실시예에서, 액정 디스플레이 패널(220) 및/또는 도광체(250)는 4개 초과의 면들을 갖고/갖거나 만곡된 형상을 가질 수 있다. 도광체(250)의 표면들(251, 252)은 실질적으로 평행할 수 있거나, 도광체(250)는 웨지(wedge)-형상일 수 있다. 일부 경우에, 대응 광원들을 갖는 2개의 웨지-형상의 도광체가 사용될 수 있다.
동기화 구동 요소(260)가 우안 이미지 광원 및 좌안 이미지 광원(232, 234)과, 액정 디스플레이 패널(220)에 전기적으로 연결된다. 동기화 구동 요소(260)는, 이미지 프레임들이 액정 디스플레이 패널(220)에 제공되어 이미지를 생성할 때, 우안 이미지 광원(232) 및 좌안 이미지 광원(234)의 활성화 및 비활성화를 동기화한다. 이미지는 예를 들어 정지 이미지 시퀀스, 비디오 스트림, 및/또는 렌더링된 컴퓨터 그래픽일 수 있다. 이미지 소스(image source)(270)가 동기화 구동 요소(260)에 연결되고, 이미지 프레임들(예를 들어, 우안 이미지 및 좌안 이미지)을 액정 디스플레이 패널(220)에 제공한다.
액정 디스플레이 패널(220)은 임의의 유용한 투과성 액정 디스플레이 패널일 수 있다. 많은 실시예에서, 액정 디스플레이 패널(220)은 16 밀리초 미만, 또는 10 밀리초 미만, 또는 5 밀리초 미만, 또는 3 밀리초 미만의 프레임 응답 시간을 갖는다. 적절한 프레임 응답 시간을 갖는 구매가능한 투과성 액정 디스플레이 패널은, 예를 들어 도시바 마츠시타 디스플레이(Toshiba Matsushita Display, TMD) 광학 보상 휨(optically compensated bend, OCB) 모드 패널 LTA090A220F(일본 소재의 도시바 마츠시타 디스플레이 테크놀로지 컴퍼니, 엘티디.(Toshiba Matsushita Display Technology Co., Ltd.))를 포함한다.
도광체(250)는 우안 이미지 광원(232)에 인접한 제1 광 입력면(231) 및 좌안 이미지 광원(234)에 인접한 대향하는 제2 광 입력면(233)을 포함한다. 제1 도광체 표면(251)이 제1 면(231)과 제2 면(233) 사이에서 연장된다. 제1 표면(251)의 반대편의 제2 도광체 표면(252)이 제1 면(231)과 제2 면(233) 사이에서 연장된다. 광은 도광체(250)의 어느 하나의 표면(251, 252)으로부터 반사되거나 방출될 수 있지만, 일반적으로 광은 표면(252)으로부터 방출되고 표면(251)으로부터 반사된다. 많은 실시예에서, 제2 표면(252)을 통해 나오는 광을 방향전환시키는 데 도움이 되기 위해 고 반사성 표면이 제1 표면(251) 상에 또는 이에 인접하여 있다.
일부 실시예에서, 제1 도광체 표면(251)은 복수의 추출 요소들(299), 예를 들어 프리즘들, 렌티큘러 특징부들, 백색 점들, 헤이즈 코팅들, 및/또는 다른 특징부들을 포함한다. 추출 특징부들의 종축은 제1 측면(231) 및 제2 측면(233)에 실질적으로 평행하거나 양면형 광학 필름(240)의 프리즘들 및 렌즈들에 실질적으로 평행한 방향으로 연장될 수 있거나, 추출 특징부는 다른 각도들로 배열될 수 있다.
광원들(232, 234)은 각각의 광원(232, 234)의 광 출력이 예를 들어 눈당 30 ㎐ 이상 또는 바람직하게는 눈당 60 ㎐ 이상의 속도로 ON(비교적 높은 광 출력)으로부터 OFF(광 출력이 전혀 없거나 무시해도 좋을 정도)로 변조될 수 있는 임의의 유용한 광원일 수 있다. 많은 실시예에서, 광원들(232, 234)은, 니치아(Nichia) NSSW020B(일본 소재의 니치아 케미칼 인더스트리즈, 엘티디.(Nichia Chemical Industries, Ltd.))와 같은 복수의 LED들이다. 일부 실시예에서, 광원들(232, 234)은 복수의 레이저 다이오드들 또는 OLED들을 포함한다. 광원들(232, 234)은 적색, 청색, 및/또는 녹색과 같은 임의의 수의 가시 광 파장들, 또는 예를 들어 백색 광을 생성하기 위한 파장들의 범위 또는 조합들을 방출할 수 있다.
도광체(250)는 광원들이 도광체(250)의 양 측면에 인접해 있는 광학적으로 투명한 재료의 단일 층, 또는 각각의 층마다 하나의 광원을 갖는, 광을 원하는 방향으로 선택적으로 추출하는 광학적으로 투명한 재료의 2개(이상)의 층들일 수 있다.
이미지 소스(270)는 예를 들어 비디오 소스 또는 컴퓨터 렌더링된 그래픽 소스와 같은 이미지 프레임들(예를 들어, 우안 이미지들 및 좌안 이미지들)을 제공할 수 있는 임의의 유용한 이미지 소스일 수 있다. 많은 실시예에서, 비디오 소스는 50 내지 60 ㎐ 또는 100 내지 120 ㎐ 또는 그 초과의 이미지 프레임들을 제공할 수 있다.
컴퓨터 렌더링된 그래픽 소스는 게임 컨텐츠, 의료 영상 컨텐츠, CAD(computer aided design) 컨텐츠 등을 제공할 수 있다. 컴퓨터 렌더링된 그래픽 소스는, 예를 들어 엔비디아(Nvidia) FX5200 그래픽 카드, 엔비디아 지포스(GeForce) 9750 GTX 그래픽 카드, 또는 랩톱 컴퓨터(laptop computer)와 같은 모바일 솔루션(mobile solution)들에 대해서는 엔비디아 지포스 GO 7900 GS 그래픽 카드와 같은 그래픽 처리 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터 렌더링된 그래픽 소스는 또한, 예를 들어 오픈지엘(OpenGL), 다이렉트엑스(DirectX), 또는 엔비디아 독점(proprietary) 3D 스테레오 드라이버(stereo driver)와 같은 적절한 스테레오 드라이버 소프트웨어를 포함할 수 있다.
이미지 소스(270)는 비디오 컨텐츠를 제공할 수 있다. 이미지 소스는 예를 들어 엔비디아 쿼드로(Quadro) FX1400 그래픽 카드와 같은 그래픽 처리 유닛을 포함할 수 있다. 비디오 소스는 또한, 예를 들어 오픈지엘, 다이렉트엑스, 또는 엔비디아 독점 3D 스테레오 드라이버와 같은 적절한 스테레오 드라이버 소프트웨어를 포함할 수 있다.
동기화 구동 요소(260)는 비디오 또는 렌더링된 컴퓨터 그래픽을 생성하도록 예를 들어 30 ㎐ 또는 바람직하게는 60 ㎐ 또는 그 초과의 속도로 액정 디스플레이 패널(220)에 제공된 이미지 프레임들과, 우안 이미지 광원(232) 및 좌안 이미지 광원(234)의 활성화 및 비활성화(즉, 광 출력 변조)를 동기화하는 것을 제공하는 임의의 유용한 구동 요소를 포함할 수 있다. 동기화 구동 요소(260)는 예를 들어 주문형 광원 구동 전자 장치에 결합된 웨스타(Westar) VP-7 비디오 어댑터(미국 미주리주 세인트 찰스 소재의 웨스타 디스플레이 테크놀로지스, 인크.(Westar Display Technologies, Inc.))와 같은 비디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
도 3은 개시된 백라이트들 중 일부에 사용하기에 적합할 수 있는 예시적인 도광체(312)의 개략적인 사시도를 도시한다. 이 도면은 도광체(312)의 2개의 주 표면들 상의 예시적인 표면 구조물을 과장된 방식으로 도시하지만, 도광체의 에지 또는 경계에 대한 구조화된 표면(들)의 다른 배향들이 유익할 수 있다. 도광체의 개략 측면도가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도광체(312)는 제1 주 표면(312a) - 이로부터 광이 디스플레이 패널 및/또는 관찰자를 향해 추출됨 -, 제1 주 표면의 반대편의 제2 주 표면(312b), 및 본 명세서의 다른 곳에서 논의되는 바와 같이 좌측-빔-방출 부분 시준된(partially collimated) 광원 및 우측-빔-방출 부분 시준된 광원을 위한 광 주입 표면들로서의 역할을 할 수 있는 측부 표면들(312c, 312d)을 포함한다. 예를 들어, 하나의 광원 조립체는 도광체(312)로부터 방출된 좌안 빔을 제공하도록 측부 표면(312c)을 따라 위치될 수 있고, 유사한 조립체가 도광체(312)로부터 방출되는 우안 빔을 제공하도록 측부 표면(312d)을 따라 위치될 수 있다.
도광체의 후방 주 표면(312b)은 바람직하게는 도 3a에 가장 잘 도시된 프리즘 구조물들(310)의 선형 어레이를 제공하도록 기계가공되거나, 성형되거나, 달리 형성된다. 이들 프리즘 구조물들은 도광체의 길이를 따라 전파하는 광의 적절한 부분을 반사시켜, 프리즈매틱 광 방향전환 필름과 같은 하나 이상의 개재하는 광 관리 필름에 의해 반사된 광이 전방 주 표면(312a)으로부터 공기 중으로 그리고 전방으로 디스플레이 패널 및/또는 관찰자로 굴절될 수 있게 하도록, 그리고 그러한 반사된 광이 도광체의 길이를 따라 비교적 균일하게 전방 주 표면으로부터 추출되게 하도록 설계된다. 표면(312b)은 알루미늄과 같은 반사성 필름으로 코팅될 수 있거나, 표면은 그러한 반사성 코팅을 갖지 않을 수 있다. 임의의 그러한 반사성 코팅의 부존재시, 도광체를 통과하는 임의의 하향-전파 광을 반사하여 그러한 광이 도광체 내로 그리고 이를 통해 다시 반사되게 하기 위해 별개의 후방 반사기가 표면(312b)에 근접하게 제공될 수 있다. 바람직하게는, 프리즘 구조물은 도광체의 총 두께에 비해 얕은 깊이(311), 및 도광체의 길이에 비해 작은 폭(313)을 갖는다. 도광체는 바람직하게는 아크릴 중합체, 예를 들어 스파테크 폴리캐스트(Spartech Polycast) 재료와 같은 저 산란성을 갖는 임의의 투명한 광학 재료로 제조될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 도광체는 셀-캐스트(cell-cast) 아크릴과 같은 아크릴 재료로 제조될 수 있고, 1.4 ㎜의 총 두께 및 y-축을 따른 140 ㎜의 길이를 가질 수 있으며, 프리즘은 약 172도의 프리즘 꼭지각(apex angle)에 대응하는, 2.9 마이크로미터의 깊이(311) 및 81.6 마이크로미터의 폭(313)을 가질 수 있다. 읽는이는 이들 값이 단지 예시적인 것이며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 이해할 것이다.
도광체의 전방 주 표면(312a)은 바람직하게는 서로 평행하고 y-축과 같은 평면내 렌티큘러 축에 평행한 렌티큘러 구조물들 또는 특징부들(320)의 선형 어레이를 제공하도록 기계 가공 , 성형 또는 달리 형성된다. 한편, 프리즘 구조물들(310)은 서로 평행하고, 프리즘 구조물들(310)이 따라 연장되는 x-축과 같은 평면내 프리즈매틱 축에 평행할 수 있다. 렌티큘러 구조물들은 전방 주 표면을 통해 도광체의 밖으로 나오는 광에 대해 x-축을 따른 각방향 확산을 향상시키도록, 그리고 원하는 경우 전방 주 표면으로부터의 반사에 의해 도광체 내에 남아 있는 광에 대해 x-축을 따른 공간 확산을 제한하도록 형상화되고 배향될 수 있다. 일부 경우에, 렌티큘러 구조물들(320)은 도광체의 총 두께에 비해 얕은 깊이(321), 및 도광체의 폭에 비해 작은 폭(323)을 가질 수 있다. 일부 경우에, 렌티큘러 구조물들은 도 3b에 도시된 바와 같이 비교적 강하게 만곡될 수 있고, 한편 다른 경우에 렌티큘러 구조물들이 더 약하게 만곡될 수 있다. 일 실시예에서, 도광체는 셀-캐스트 아크릴로 제조될 수 있고, 0.76 ㎜의 총 두께, y-축을 따른 141 ㎜의 길이, 및 x-축을 따른 66 ㎜의 폭을 가질 수 있으며, 렌티큘러 구조물들(320)은 예를 들어 35.6 마이크로미터의 반경, 32.8 마이크로미터의 깊이(321), 및 72.6 ㎜의 폭(323)을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 프리즘 구조물들(310)은 2.9 마이크로미터의 깊이(311), 81.6 마이크로미터의 폭(313), 및 약 172도의 프리즘 꼭지각을 가질 수 있다. 다시 말하지만, 읽는이는 이들 실시예들이 단지 예시적인 것이며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 렌티큘러 구조물들 이외의 구조물들이 도광체의 전방 주 표면에서 사용될 수 있다.
도 4a에, 오토스테레오스코픽 디스플레이 시스템들에서 사용하기 위한 예시적인 3D 광 방향전환 필름(400)이 도시되어 있다. 필름(400)은 대향하는 제1 표면 및 제2 표면(420, 430)을 갖는 웨브(410) 기판을 포함한다. 이들 제1 표면 및 제2 표면(420, 430)에 적용된 것은, 각각 제1 미세복제된 구조물 및 제2 미세복제된 구조물(425, 435)이다. 제1 미세복제된 구조물(425)은 유효 직경이 약 142 마이크로미터인 원통형 렌즈들일 수 있는 복수의 아치형 또는 렌티큘러 특징부들(426)을 포함하지만, 다른 직경들이 또한 사용될 수 있다. 제2 미세복제된 구조물(435)은 복수의 톱니형 또는 피라미드형 프리즈매틱 특징부들(436)을 포함한다.
도시된 예에서, 제1 특징부 및 제2 특징부(426, 436)는 동일한 피치 또는 반복 주기(P)를 가지며, 예를 들어 제1 특징부의 주기가 약 150 마이크로미터일 수 있고, 제2 특징부의 반복 주기가 동일할 수 있다. 전형적으로, 제1 특징부와 제2 특징부의 주기의 비(ratio)는 정수비(또는 그 역)이지만, 다른 조합들이 허용가능하다. 도시된 특징부들은 평면내 x-축을 따라 부정 길이(indefinite length) 를 갖는다.
도시된 예에서, 대향하는 미세복제된 특징부들(426, 326)이 쌍을 이루거나 매칭되어 복수의 광학 요소들(440)을 형성한다. 각각의 광학 요소(440)의 성능은 각각의 대향하는 특징부들(429, 439)의 정렬의 함수이다. 따라서, 렌티큘러 특징부와 프리즈매틱 특징부의 정밀 정렬 또는 정합(registration)이 선호될 수 있다. 주어진 프리즈매틱 특징부가 광학 요소를 형성하기 위하여 렌티큘러 특징부들 중 주어진 렌티큘러 특징부와 정렬 또는 매칭될 수 있다하더라도, 이것이, 아래로부터 그러한 프리즈매틱 특징부로 진입하는 모든 광이 프리즈매틱 특징부와 쌍을 이룬 특정 렌티큘러 특징부에만 충돌하도록 어떻게든지 그 광학 요소로 한정된다는 것을 암시하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것에 주목하도록 한다. 반대로, 아래로부터 그러한 프리즈매틱 특징부로 진입하는 일부 광선들은 다른 광학 요소들에 속한 렌티큘러 특징부들 및 프리즈매틱 특징부들로 필름을 통해 굴절 및 반사에 의해 전파될 수 있다.
일부 경우에 있어서 필름(400)은 제1 랜드 부분 및 제2 랜드 부분(427, 437)을 포함할 수 있다. 랜드 부분들은 기판 표면들(420, 430)과 개개의 각각의 특징부의 최하부(즉, 골(valley)들(428, 438)) 사이의 물질층들로서 고려될 수 있다. 제1 랜드 부분(427)은 렌즈 측에서 적어도 약 2 마이크로미터 두께일 수 있고 제2 랜드 부분(437)은 프리즘 측에서 적어도 약 2 마이크로미터 두께일 수 있다. 랜드 부분들은 특징부들이 웨브에 대해 양호한 접착성을 갖도록 도울 수 있고 또한 복제 정확도(replication fidelity)에 도움을 줄 수 있다. 두 랜드 부분들 모두의 두께의 합은 예를 들어 0 내지 50 마이크미터의 범위, 바람직하게는 5 내지 15 마이크로미터의 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 각각의 랜드 부분의 두께는 광학적 안정성 고려, 제조 안정성 고려, 및 환경적 안정성 고려가 균형을 이루도록 필요에 따라 개별적으로 조정될 수 있다.
필름(400)은 웨브의 대향 표면들 상에 정밀하게 정렬된 미세복제된 구조물들을 생성하기 위한 장치 및 방법을 사용하여 제조될 수 있으며, 이 장치 및 방법들은 미국 특허 제7,224,529호 (킹 등)에 상세하게 기재되어 있다. 일부 경우에서, 필름(400)은 적합한 두께(예를 들어, 124 마이크로미터(0.0049 인치) 두께)의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만들어진 웨브를 사용하여 제작될 수 있다. 다른 웨브 재료들, 예를 들어, 폴리카보네이트 또는 다른 적합한 광 투과성 중합체들이 또한 사용될 수 있다.
도 4b에, 오토스테레오스코픽 디스플레이 시스템에서 사용하기에 적합한 또 다른 3D 광 방향전환 필름(450)이 도시되어 있다. 원통형 렌즈들(454)(렌티큘러 특징부들)의 그룹이 필름(450)의 일 측에 형성되고, 삼각형 프리즘들(452)(프리즈매틱 특징부들)의 그룹이 다른 측에 형성된다. 이러한 실시예에서, 프리즘들(452)의 중심간 간격 또는 피치는 원통형 렌즈들의 피치보다 크도록 의도적으로 만들어져, 각각의 프리즘의 꼭지점으로부터 각각의 대응 원통형 렌즈의 코어로 그린 중심선들(456)이 필름(450) 위의 공간의 특정 영역에서 모이거나 만나게 한다. 예를 들어, 특정 영역은 필름(450) 또는 연관된 디스플레이의 중심 섹션의 20 내지 100 cm 위 또는 전방의 영역일 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같은 광 방향전환 필름의 추가적인 세부사항들은 일본 공개 제2005-266293호(아키마사(Akimasa) 등)에서 찾아볼 수 있다.
또 다른 3D 광 방향전환 필름 설계들이 2009년 12월 21일자로 출원된, 공동 양도된 미국 특허 출원 제12/643,503호(대리인 관리번호 65935US002) "오토스테레오스코피를 가능하게 하는 광학 필름들(Optical Films Enabling Autostereoscopy)"에 기재되어 있다. 본 출원은, 다른 것들 보다도, 광학 필름의 제1 표면 상에 배치된 소위 "원통형" 렌즈들, 및 광학 필름의 제2 표면 상에 배치된 프리즘들을 포함하고, 제1 표면 상의 각각의 렌즈가 제2 표면 상의 프리즘에 정합되는 양면형 광학 필름들을 개시하고 있다. 이 출원은 또한 광학 필름의 제1 표면 상에 배치된 렌즈들, 및 광학 필름의 제2 표면 상에 배치된 프리즘들을 포함하고, 제1 표면 상의 렌즈들의 회전이 제1 표면 상의 위치에 따라 달라지고 제1 표면 상의 각각의 렌즈가 제2 표면 상의 프리즘에 정합되는 양면형 광학 필름들을 개시한다.
도 5에는, 예시적인 광 방향전환 필름의 렌티큘러 특징부(511)의 개략적인 측면 또는 단면도가 도시된다. 특징부(511)는 도면의 평면 내부로 그리고 바깥으로, 즉, y-축을 따라, 선형적으로 연장되는 것으로 가정되고, 특징부의 길이를 따라 x-z 평면의 단면에서 아치형 또는 만곡된 표면(512)을 유지하는 것으로 가정된다. (읽는이는 도 5 내지 도 13에 도시된 직교 x-y-z 기준 축들이 도 1a 내지 도 4b에서 사용된 것들과 상이하다는 것을 인식할 것이나, 하나의 기준 좌표계(또는 그것의 축)을 다른 것과 비교하기 위하여 단순한 변환이 사용될 수 있다.) 렌티큘러 특징부(511)는 위에서 언급된 "원통형" 유형인바, 즉, 이것은 복합 곡률을 가지며, 이는 아치형 표면(512)의 곡률이 표면 위의 상이한 위치들에서 상이하다는 것을 의미한다. 복합 곡률은 단순 곡률과 구분될 수 있으며, 여기서 아치형 표면은 그것의 직원기둥(right cicular cylinder) 또는 단면의 경우에서와 같이, 그 전체 표면을 따라 일정한 곡률을 가진다. 복합적으로 만곡된(compoundly-curved) 아치형 표면(512)은 구조물의 상부 또는 중앙 부분에 버텍스(V)를 갖는다. 버텍스(V)의 부근(512a)의 표면(512)의 형상은 도시된 것과 같이 그 중심이 C1인 원(516a)에 대응하는 곡률반경(R1)을 가진다. 그러나, 표면(512)을 따라 주변부(512b)로 진행함에 따라, 표면(512)의 주변부(512b)가 그 중심이 C2인 원(516b)에 대응하는 곡률반경(R2)를 가지도록, 표면의 곡률이 바람직하게는 연속적인 또는 점진적인 방식으로 변한다. 예시적인 실시예들에서, 특정한 수차(aberration)를 감소시키기 위하여, 렌티큘러 특징부의 주변부들에서의 곡률반경이 버택스에서의 곡률반경보다 커서, R2 > R1가 된다. 또한 예시적인 실시예들에서, 렌티큘러 특징부 및 아치형 표면(512)은 미러 대칭, 예를 들어 버텍스(V) 및 지점(C1)을 통과하는 평면 또는 라인(514)에 대해 미러 대칭을 보여준다. 라인(514)은 따라서 렌티큘러 특징부(511)의 그리고 아치형 표면(512)의 대칭 축 및 광학 축인 것으로 고려될 수 있다. 부분(512b)에 대향하는 표면(512)의 주변부(512c)는 부분(512b)과 동일한 곡률(R2)을 가질 수 있으며, 여기서 부분(512c)의 곡률은 도시된 것과 같이 지점(C3)에 중심을 둔다. 표면(512)이 라인(514)에 대해 미러 대칭을 가지는 경우에, 지점들(C2, C3)이 또한 라인(514)에 대해 대칭적으로 배치된다.
도 5에 도시된 것과 같은 복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부들은 도 6a 및 도 6b에 개략적으로 도시된 것과 같은 3D 광 방향전환 필름들 내에 포함될 수 있다. 그러한 도면들에서, 각각이 하나의 렌티큘러 특징부 및 하나의 프리즈매틱 특징부를 갖는 광학 요소들을 구비한 필름을 제공하기 위하여, 필름의 일 구조화된 표면의 렌티큘러 특징부들(렌즈들)이 필름의 대향하는 구조화된 표면의 프리즈매틱 특징부들(프리즘들)과 일대일 대응으로 매칭되거나 쌍을 이루는 것으로 도시된다. 비교적 적은 개수의 렌티큘러 특징부들, 프리즈매틱 특징부들, 및 광학 요소들이 도 6a 및 6b에 도시되어 있으나, 읽는이는 실제 3D 광학 필름이 이들 도면에 도시된 것보다 일반적으로 더 많은 광학 요소들을 가질 것이라는 것을 이해할 것이다.
도 6a는 렌즈/프리즘 쌍들(611a/612a, 611b/612b, 611c/612c, 611d/612d, 611e/612e, 611f/612f, 611g/612g, 611h/612h, 및 611i/612i.)에 대응하는 광학 요소들을 갖는 3D 광 방향전환 필름(615)을 개략적으로 도시한다. 렌즈들(611a-611i)은 도 5에 도시된 것과 같은 또는 임의의 다른 적합한 형상의 복합 곡률을 가진다. 렌즈의 버텍스(도 5의 버텍스(V) 참조)를 나타내기 위하여 각각의 렌즈 위에 어두운 원들 또는 점들이 도시되었다. 필름(615)의 하나의 구조화된 표면 위의 각각의 렌즈(611a-611i)가 필름(615)의 대향하는 구조화된 표면 위의 대응하는 프리즘(612a-612i)에 정합된다. 인접하는 렌즈들의 버텍스들 사이의 거리가 PL로 표기되어 있고, 렌즈들의 피치로 고려될 수 있다. 인접하는 프리즘들의 버텍스들 사이의 거리가 PP로 표기되어 있고, 프리즘들의 피치로 고려될 수 있다. 도 6a의 실시예에서, 파라미터 PL 및 PP는 필름(615)의 작동 영역에 걸쳐 일정하고, PL은 PP와 실질적으로 동일하다. 렌즈들(611a-611i) 및 프리즘들(612a-612i) 둘 모두는 연속적(contiguous)이다. 필름(615)의 광학 요소들 또는 렌즈/프리즘 쌍들의 단면은 실질적으로 균일한바, 즉, x-축을 따라 쌍마다 실질적으로 달라지지 않는다.
도 6b는 렌즈/프리즘 쌍들(621a/622a, 621b/622b, 621c/622c, 621d/622d, 621e/622e, 621f/622f, 621g/622g, 621h/622h, 및 621i/622i)에 대응하는 광학 요소들을 갖는 3D 광 방향전환 필름(625)을 개략적으로 도시한다. 렌즈들(621a-621i)은 도 5에 도시된 것과 같은 또는 임의의 다른 적합한 형상의 복합 곡률을 가진다. 렌즈의 버텍스를 나타내기 위해 각각의 렌즈에 대해 어두운 원들 또는 점들이 다시 그려졌다. 필름(625)의 하나의 구조화된 표면 위의 각각의 렌즈(621a-621i)가 필름(625)의 대향하는 구조화된 표면 위의 대응하는 프리즘(622a-622i)에 다시 정합되나, 대응하는 렌즈들 및 프리즘들의 정렬은 필름의 작동 영역에 걸쳐 변한다. 인접하는 렌즈들의 버텍스들 사이의 거리가 PL로 표기되어 있고, 렌즈들의 피치로 고려될 수 있다. 인접하는 프리즘들의 버텍스들 사이의 거리가 PP로 표기되어 있고, 프리즘들의 피치로 고려될 수 있다. 도 6b의 실시예에서, 파라미터 PL 및 PP는 필름(615)의 작동 영역에 걸쳐 일정하나, PL은 PP보다 작다. 이는 프리즘들을 그들의 대응하는 렌즈들로부터 상이한 양만큼 오프셋되게 한다. 필름의 중앙 부분에서, 렌즈(621e)의 버턱스가 대응하는 프리즘(622e)의 버텍스와 실질적으로 정렬된다. PL과 PP의 차로 인하여, 바로 이웃하는 렌즈/프리즘 쌍(621e/622e)인 렌즈/프리즘 쌍들(621d/622d, 621f/622f)은 PP와 PL 사이의 차의 절반만큼 오프셋되는 렌즈들 및 프리즘들을 갖는다. 렌즈/프리즘 쌍들(621c/622c, 621g/622g, 621b/622b, 621h/622h, 621a/622a, 621i/622i)에서 렌즈들 및 프리즘들 사이의 오프셋은, 이 예에서 정렬된 렌즈/프리즘 쌍(621e/622e)인 시작 지점으로부터의 거리의 함수로서 x 축을 따라 양 방향으로 증가한다.
도 6b(및 하기의 도 11 및 도 12)는 z-축에 대하여 정밀 정렬되어 있는 하나의 렌즈/프리즘 쌍만을 도시하나, 읽는이는 임의의 개수의 정렬된 렌즈/프리즘 쌍들을 포함하거나 정렬된 렌즈/프리즘 쌍들을 포함하지 않는 광학 필름들이 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 복수의 정렬된 렌즈/프리즘 쌍들의 경우에, 필름들은 렌즈 피치와는 상이한 프리즘 피치를 가질 수 있으며, 따라서 각각의 정렬된 렌즈/프리즘 쌍으로부터의 거리에 따라 증가하는 렌즈들과 프리즘들 사이의 오프셋을 야기한다. 일부 경우에, 정렬된 렌즈/프리즘 쌍들이 3D 필름의 중앙(또한 오토스테레오스코픽 백라이트 및 디스플레이의 중앙에 대응함)에 배열될 수 있어, 정렬된 렌즈/프리즘 쌍의 대향 면들에서 발생하는 렌즈들과 프리즘들 사이의 증가하는 오프셋이 광 출력을 광학 필름으로부터 디스플레이의 중앙 축 또는 뷰잉 축을 향해 조준하는 기능을 하도록 할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 실선으로 도시된 것들을 포함하여, 본 명세서에 기술된 일부 3D 광 방향전환 필름들은 광학 필름의 양 면들 위에 연속적인 렌티큘러 특징부 및 프리즈매틱 특징부를 가진다. 필름의 양 면들 위의 연속적인 특징부들은, 그러나, 몇가지 단점들을 가질 수 있다. 렌즈들과 기판 사이, 및/또는 프리즘들과 기판 사이의 얇은 랜드의 두께는 필름의 옵틱에 의해 결정되나, 예리한 코너부 또는 너무 작은 랜드 두께는 종종 박리(delamination)를 야기할 수 있다. 추가로, 광 방향전환 필름 상의 특징부들의 체적 및 구조의 차이가 필름 뒤틀림을 악화시킬 수 있다. 광학적 관점에서, 연속적인 특징부들을 갖는 광 방향전환 필름은 또한 요구될 수 있는 것보다 더 넓은 수평 뷰잉 범위를 가질 수 있다. 이러한 이유로, 비-연속적(non-contiguous) 프리즘들 및/또는 렌즈들을 제공하기 위하여 프리즘들 및/또는 렌즈들 사이에 간극부(interruption)들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 광 방향전환 필름들의 오토스테레오스코픽 광학 효과들이 부분적으로 프리즘들의 피크들에 의존하므로, 3D 광 방향전환 필름들은 프리즘들 비-연속적이도록 프리즘들의 베이스들 사이에 간극부들을 포함할 수 있다. 이것이 도 6a에 도시되며, 여기서 편평화된 부분들(635)이 v-형 부분들(634)을 대체할 수 있고, 도 6b에서 편평화된 부분들(645)이 v-형 부분들(644)을 대체할 수 있다. 프리즘들과 기판 사이의 간극부들에서 천이의 급격함(sharpness)을 감소시키기 위하여 간극부들 근처의 프리즘들의 형상이 조정될 수 있다. 예를 들어, 필름의 기계적 안정성을 개선하기 위하여, 깨짐(cracking) 및 박리를 방지하기 위하여, 그리고/또는 필름 휨을 감소시키기 위하여 급격한 천이보다는 만곡된 천이가 사용될 수 있다.
본 출원에서, 우리는 하나 이상의 렌티큘러 특징부들, 하나 이상의 프리즈매틱 특징부들, 또는 이 둘 모두가 필름의 두께 축에 대해 틸트될 수 있는 3D 광 방향전환 필름들을 기술한다. 이러한 유형의 특징부들의 하나 또는 둘 모두를 틸트 또는 회전시킬 수 있는 유연성은 고유한 성능 특성들을 갖는 3D 필름들의 설계 및 제조를 가능하게 한다. 예를 들어, 더 넓은 토우-인 각도 범위를 갖는 3D 필름들이 제조될 수 있다. 이와 관련하여 토우-인 각도는 필름에 의해 투과되는 광에 대한 경사광(oblique light) 전파의 각도를 지칭하며, 예를 들어, 도 4b의 수렴 광선들(converging light rays)을 참조한다. 증가된 토우-인 각도들은 더 짧은 뷰잉 거리 및/또는 더 긴 디스플레이(및 필름) 크기들을 가능하게 한다. 새로운 3D 필름들이 또한 높은 토우-인 각도들에서 더욱 선예한 스테레오에지(sharper stereoedge)들을 제공할 수 있다. 이와 관련하여 스테레오에지는 뷰잉 각도의 함수로서 좌안 광 빔으로부터 우안 광빔으로의 빠른 천이, 또는 그 역을 지칭한다.
도 7에서는, 따라서, 틸트된 렌티큘러 특징부(711')를 생성하기 위하여 예시적인 광 방향전환 필름의 렌티큘러 특징부(711)가 어떻게 틸트 또는 회전될 수 있는지를 보여준다. 광 방향전환 필름 - 렌티큘러 특징부(711)(또는 렌티큘러 특징부(711'))가 이 광 방향전환 필름의 일부임 - 은 x-y 평면에 평행한 필름 평면내에서 연장되는 것으로 가정된다. 광 방향전환 필름의 두께 축은 따라서 z-축에 평행한 것으로 가정된다. 렌티큘러 특징부(711)는 도면의 평면 내부로 그리고 바깥으로, 즉, y-축을 따라, 선형적으로 연장되는 것으로 가정되고, 특징부(711)의 길이를 따라 x-z 평면의 단면에서 아치형 또는 만곡된 표면(712)을 유지하는 것으로 가정된다. 렌티큘러 특징부(711)는 위에서 논의된 것과 같이 복합 곡률을 갖는다. 복합적으로 만곡된(compoundly-curved) 아치형 표면(712)은 구조물의 상부 또는 중앙 부분(712a)에 버텍스(V)를 갖는다. 표면(712)의 형상은 버텍스(V)의 부근에서 곡률반경(R1)(지점(C)에 중심을 둠)을 가질 수 있고, 표면의 주변부들에서 상이한 곡률반경(R2)를 가질 수 있다. 바람직하게는, R2 > R1이다. 아치형 표면(712)은 또한 바람직하게는 버텍스(V) 및 지점(C)을 통과하는 평면 또는 선(714)에 대해 미러 대칭을 보여준다. 선(714)은 따라서 렌티큘러 특징부(711)의 그리고 아치형 표면(712)의 대칭 축 및 광학 축인 것으로 고려될 수 있다. 광학 축(714)은 기준 좌표 시스템의 z-축에 대해 평행하다.
특징부(711)의 틸트된 대응부는, 광학 축(714) 상에 놓인 지점(P)에 대한 특징부(711)의 단순한 회전에 의해 정의될 수 있다. (이 회전은 더욱 정확히는 지점(P)을 통과하며 y-축에 평행한 회전축에 대해 발생하는 것으로 설명될 수 있다.) 이 지점에 대해 각도 α만큼 특징부를 회전시킴으로써, 틸트된 또는 회전된 렌티큘러 특징부(711')가 제작된다. 렌티큘러 특징부(711')는 회전을 제외하고는, 표면(712)과 실질적으로 동일한 아치형 표면(712')을 갖는다. 아치형 표면(712')은 따라서 표면(712)과 동일한 방식으로 복합적으로 만곡되고, 주축(pivot) 지점(P)을 통과하는 틸트된 대칭 축 또는 광학 축(714')을 갖는다.
렌티큘러 특징부의 회전 또는 틸트는 틸트된 렌티큘러 특징부(711')에 대한 두 개의 상이한 유형의 버텍스들을 구분되게 한다. 틸트된 표면(712')은 틸트된 대칭 축(714')과 표면(712')의 교차지점에 의해 정의되는 버텍스(SV)를 갖는다. 이 버텍스(SV)는 아치형 표면(712')의 대칭 버텍스인 것으로 고려될 수 있고, 이 대칭 버텍스는 지점(P)에 대해 표면(712)의 본래 버텍스(V)의 각도 α만큼의 회전에 대응한다. 틸트된 표면(712')은 또한, 도 7에 PV로 표기된, 고려되는 또 다른 버텍스를 가진다. 버텍스(PV)는 아치형 표면(712')의 피크 버텍스, 즉, 도 7의 관점에서 "가장 높은", 또는, 더욱 일반적으로는, 기준 평면(RP)으로부터 가장 큰 수직 거리에 배치된 표면(712') 상의 지점인 것으로 고려될 수 있다. 기준 평면(RP)은 x-y 평면에 평행하며, 따라서 광 방향전환 필름 - 렌티큘러 특징부(711')가 이 광 방향전환 필름의 일부임 - 의 평면에 평행한다. 버텍스(PV)의 물리적 의의는, 광 방향전환 필름이, 렌티큘러 구조화된 표면이 위를 향하고 프리즈매틱 구조화된 표면이 아래를 향한 상태로 편평하게 놓일 때, 버텍스(PV)가 렌티큘러 특징부(711')의 가장 높은 또는 최외측 지점이라는 것이다. PV가 소정의 렌티큘러 특징부의 아치형 표면 위의 최외측 지점이므로, 틸트된 렌티큘러 특징부 부근의 3D 광 방향전환 필름의 전체적인 두께 또는 캘리퍼를 결정하는 것은 피크 버텍스(PV)이고 대칭 버텍스(SV)가 아니다. (틸트되지 않은 렌티큘러 특징부의 경우에, PV 버텍스와 SV 버텍스가 단일 버텍스(V)로 퇴화(degeneration)된다.) 도 7에서 사용된 특정 기하구조들에 대해, PV로부터 기준 평면까지의 거리가 V로부터 기준 평면까지의 거리보다 작으므로, 지점(P)에 대한 렌티큘러 특징부의 회전이 기준 평면(RP) 위의 렌티큘러 특징부의 높이 감소를 초래하는 것에 주목하도록 한다. 필름 캘리퍼 및 렌티큘러 특징부들의 틸트와 필름 캘리퍼의 관계에 대한 더 많은 논의가 하기에 제공된다.
본 출원은 렌티큘러 특징부(들)만이 아니라 프리즈매틱 특징부(들) 또한 필름의 두께 축에 대해 틸트될 수 있는 3D 광 방향전환 필름들을 기술한다. 도 8에서는, 따라서, 틸트된 프리즈매틱 특징부(821')를 생성하기 위하여 예시적인 광 방향전환 필름의 프리즈매틱 특징부(821)가 어떻게 틸트 또는 회전될 수 있는지를 보여준다. 광 방향전환 필름 - 프리즈매틱 특징부(821)(또는 프리즈매틱 특징부(821'))는 광 방향전환 필름의 부분임 - 은 x-y 평면에 평행한 필름면에서 연장되는 것으로 가정된다. 광 방향전환 필름의 두께 축은 따라서 z-축에 평행한 것으로 가정된다. 프리즈매틱 특징부(821)는 도면의 평면 내부로 그리고 바깥으로, 즉, y-축을 따라, 선형적으로 연장되는 것으로 가정되고, 특징부(821)의 길이를 따라 단면에서 동일한 V-형 프리즘 표면(822)을 유지하는 것으로 가정된다. V-형 표면(822)은 프리즘의 버텍스(V)에서의 예각 끼인각(acute included angle)(표기되지 않음)에 의해 특징지어진다. 표면(822)은 끼인 프리즘 각을 양분하고 버텍스(V)를 통과하는 면 또는 선(824)에 대해 미러 대칭을 보여준다. 선(824)은 따라서 프리즈매틱 특징부(821)의 그리고 프리즘 표면(822)의 대칭 축 및 광학 축인 것으로 고려될 수 있다.
특징부(821)의 틸트된 대응부는 주어진 지점(편이를 위해 프리즘 버텍스(V)로 선택함)에 대한 특징부(821)의 단순한 회전에 의해 정의될 수 있다. (이 회전은 더욱 정확히는 프리즘 버텍스 통과하며 y-축에 평행한 회전축에 대해 발생하는 것으로 설명될 수 있다.) 특징부를 각도 β만큼 회전시킴으로써, 틸트된 또는 회전된 프리즈매틱 특징부(821')가 생성된다. 프리즈매틱 특징부(821')는 회전을 제외하고는, 표면(822)과 실질적으로 동일한 V-형 프리즘 표면(822')을 갖는다. V-형 표면(822')은 따라서 표면(822)과 동일한 끼인각을 가지며, 프리즘 버텍스(V)를 통과하는 대칭 축 또는 광학 축(824')을 갖는다. 프리즘 버텍스(V)가 주축 지점으로서 사용되었으므로, 그것은 틸트되지 않은 프리즈매틱 특징부(821)와 틸트된 프리즈매틱 특징부(821') 사이에서 공유된다.
도 9a는 필름의 하나의 광학 요소(910a)를 보여주는 광 방향전환 필름의 일부분의 개략적인 측면 또는 단면도이고, 이 광학 요소는 하나의 렌티큘러 특징부(911)와 하나의 프리즈매틱 특징부(921)의 매칭된 쌍을 갖는다. 광학 요소(910a)는 이것을 그 이웃 광학 요소들로부터 구분시키는 경계들(936)을 갖는 것으로 고려될 수 있으며, 한편 필름의 다른 부분들로부터의 광이 그러한 경계들을 자유롭게 횡단하고 예를 들어, 반사 또는 굴절에 의해 하나의 광학 요소로부터 다른 광학요소로 자유롭게 전파된다는 것이 또한 인식된다. 광학 요소(910a)의 실시예에서, 렌티큘러 특징부도 프리즈매틱 특징부도 필름의 두께 축(z-축)에 대해 틸트되지 않는다. 렌티큘러 특징부(911)는 버텍스(V) 부근에서의 곡률이 그 중심이 C인 원에 대응하는 아치형 표면(912)을 갖는다. 바람직하게는, 이 표면(912)은 위에서 논의된 것과 같은 복합 곡률을 갖는다. 특징부(911)는 따라서 렌티큘러 버텍스(V) 및 곡률의 축 중심(C)을 통과하는 대칭 축 및 광학 축(914)을 갖는다. 렌티큘러 특징부에 부가하여, 광학 요소는 또한 렌티큘러 특징부(911)와 적어도 공칭적으로 정합되고 따라서 쌍을 이루는 프리즈매틱 특징부(921)를 갖는다. 프리즈매틱 특징부(921)는 프리즘 버텍스(Vprism)에서의 끼인각, 및 프리즘 버텍스를 통과하고 끼인 프리즘 각을 양분하는 대칭 축 또는 광학 축(924)에 의해 특징지어지는 V-형 프리즘 표면(922)을 갖는다. 이 실시예에서, 프리즘 광학 축(924)은 렌티큘러 광학 축(914)과 일치하고, 이들 축들은 필름의 z-축 또는 두께 축에 평행하고 선택적으로 또한 이와 일치한다.
도 9a의 3D 필름의 프리즘들 및 렌즈들은 필요에 따라 연속적 또는 비-연속적일 수 있다. 예를 들어, 인접한 프리즘들이 연속적이고 프리즘들 사이의 v-형 부분들(934)에 의해 특징지어질 수 있거나, 또는 이들이 비-연속적이고 프리즘들 사이의 편평화된 부분들(935)에 의해 특징지어질 수 있다. 프리즘들 사이의 천이의 급격함을 감소시키기 위하여 경계 영역들에서 프리즘들의 형상이 조정될 수 있다.
상기의 도 4a 및 하기의 도 10에서 보인 것과 같이, 광 방향전환 필름 - 광학 요소(910a)가 이 광 방향전환 필름의 일부임 - 이 적층된 구조(layered construction)를 가질 수 있거나, 또는 필름이 단일의 구조(unitary construction)를 가지고 하나의 재료로 제작될 수 있다. 물론, 필름의 광학 성능은 궁극적으로 구조화된 표면들의 형상 또는 기하구조에만 의존하는 것이 아니라 광 투과성 재료(들)의 굴절률(굴절률들)에 또한 의존한다.
도 9b는 렌티큘러 특징부(911)가 프리즘의 버텍스(Vprism)에 대해 각도 α만큼 회전된 것을 제외하고 광학 요소(910a)와 유사할 수 있는 광학 요소(910b)를 도시한다. 본래의 회전되지 않은 렌티큘러 특징부(911)가 참조를 위해 대시 선을 사용하여 도면에 포함된다. 결과적인 틸트된 렌티큘러 특징부(911')는 대칭 버텍스(SV) 및 피크 버텍스(PV)를 갖는 아치형 표면(912')을 갖는다. 표면(912')은 z-축 및 프리즘 광학 축(924)을 각도 α로 교차시키는 대칭 축 또는 광학 축(914')을 갖는다. 틸트된 렌티큘러 특징부의 광학 축(914')은 또한 버텍스(SV) 및 만곡부(C')의 축 중심만을 통과하는 것이 아니라, 프리즘 버텍스(Vprism) 또한 통과한다. 대안적인 실시예들에서, 틸트된 렌티큘러 특징부의 광학 축이 프리즘 버텍스를 통과하지 않도록 틸트된 렌티큘러 특징부가 x-방향 및/또는 z-방향을 따라 이동 또는 시프트될 수 있다.
도 9c는 프리즈매틱 특징부(921)가 프리즘의 버텍스(Vprism)에 대해 각도 β만큼 회전된 것을 제외하고 광학 요소(910a)와 유사할 수 있는 광학 요소(910c)를 도시한다. 본래의 회전되지 않은 프리즈매틱 특징부(921)가 참조를 위해 대시 선을 사용하여 도면에 포함된다. 결과적인 틸트된 프리즈매틱 특징부(921')는 회전을 제외하고는 표면(922)(도 9a)과 실질적으로 동일한 V-형 표면(922')을 가진다. 표면(922')은 각도 β로 z-축 및 렌티큘러 광학 축(914)을 교차하는 대칭 축 및 광학 축(924')을 가진다. V-형 프리즘 표면(922')은 프리즘 표면(922)과 동일한 끼인각을 가진다. 회전된 프리즈매틱 특징부(921')는 지점(Vprism)에 대한 회전으로 인하여 회전되지 않은 프리즘과 동일한 버텍스(Vprism)를 공유하나, 대안적인 실시예들에서, 틸트된 프리즘의 버텍스가 본래의 틸트되지 않은 프리즘의 버텍스에 비해 (도 9c의 관점에서) 더 높이, 더 낮게, 좌측에 및/또는 우측에 있도록, 틸트된 프리즈매틱 특징부가 x-방향 및/또는 z-방향을 따라 이동 또는 시프트될 수 있다.
도 9d는 렌티큘러 특징부(911)가 프리즘의 버텍스(Vprism)에 대해 각도 α만큼 회전되었고 프리즈매틱 특징부(921)가 프리즘의 버텍스(Vprism)에 대해 각도 β만큼 회전된 것을 제외하고는, 광학 요소(910a)와 유사할 수 있는 광학 요소(910d)를 도시한다. 본래의, 회전되지 않은 렌티큘러 특징부(911), 및 본래의, 회전되지 않은 프리즈매틱 특징부(921)가 참조를 위하여 대시 선을 사용하여 도면에 포함된다. 결과적인 틸트된 렌티큘러 특징부(911')는 도 9b와 관련하여 위에서 기술된 것과 같은, 아치형 표면(912'), 대칭 축(SV), 피크 버텍스(PV), 곡률의 축 중심(C'), 및 광학 축을 가질 수 있다. 틸트된 프리즈매틱 특징부(921')는 도 9c와 관련하여 위에서 기술된 것과 같은, V-형 프리즘 표면(922'), 버텍스(Vprism), 및 광학 축(924')을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 대안적인 실시예들에서, 틸트된 프리즘의 버텍스가 본래의 틸트되지 않은 프리즘의 버텍스에 비해 (도 9d의 관점에서) 더 높게, 더 낮게, 좌측에 및/또는 우측에 있도록, 틸트된 프리즈매틱 특징부가 x-방향 및/또는 z-방향을 따라 이동 또는 시프트될 수 있다.
틸트된 렌티큘러 특징부들 및 틸트된 프리즈매틱 특징부들 둘 모두를 갖는 광학 요소들에 대해 수행된 설계 조사들은 각도 α 및 β 를 0 < |β| < |α|이도록 배열하는 것이 유익하다는 것을 밝혀내었다. 일부 경우에, α 및 β를 |β| - |α|/2도록 선택하는 것이 더 유익하다. 예를 들어, 0.4 |α| ≤ |β| ≤ 0.6 |α| 이다. 이와 관련하여 추가의 정보가 하기에 제공된다.
x-y 평면에 평행하여 연장되는 3D 광 방향전환 필름(1010)의 일부분이 도 10에 도시된다. 이 도면에서, 하나의 렌티큘러 특징부(1011)가 표기되어 있고 하나의 프리즈매틱 특징부(1021)가 표기되어 있으며, 이들 특징부들(1011, 1021)은 서로 공칭적으로 정합되어 있고 따라서 쌍을 이루어 필름의 광학 요소를 형성한다. 이 실시예에서, 두 특징부들(1011, 1021) 모두가 필름(1010)의 두께 축(즉, 도면에서 z-축)에 대해 틸트되나, 이들은 관계식 0 < |β| < |α|을 만족시키는 상이한 양들만큼 틸트된다. 렌티큘러 특징부(1011)는 대칭 버텍스(SV), 피크 버텍스(PV), 및 광학 축(1014)의 대칭 축을 가진다. 프리즈매틱 특징부는 V-형 프리즘 표면(1022), 버텍스(Vprism), 및 대칭 축 또는 광학 축(1024)을 가진다. 렌티큘러 특징부의 광학 축(1014)은 각도 α만큼 틸트된다. 프리즈매틱 특징부의 광학 축은 각도 β만큼 틸트된다. 그리고, 각도 β는 각도 α의 대략 절반이다. 프리즈매틱 특징부(1021)에 대하여 렌티큘러 특징부(1011)의 틸트 및 배치의 정도는, 렌티큘러 특징부의 광학 축이 프리즘의 버텍스(Vprism)를 통과하거나 그 근처에 있도록 선택되었다.
필름(1010)의 각각의 렌티큘러 특징부 및 각각의 프리즈매틱 특징부는 도면의 평면 내부로 그리고 외부로 즉, y-축을 따라 연장되는 것으로 가정된다. 일 실시예에서, 필름(1010)의 상부 구조화된 표면을 형성하는 렌티큘러 특징부들은 필름의 표면을 따라, 즉, 도 10에서 x-축을 따라 렌티큘러 특징부(또는 특징부들의 그룹) 마다 변하는 틸트 양을 가진다. 유사하게, 필름(1010)의 하부 구조화된 표면을 형성하는 프리즈매틱 특징부들은 필름의 표면을 따라, 즉, x-축을 따라 프리즈매틱 특징부(또는 특징부들의 그룹) 마다 변하는 틸트 양을 가진다. 예를 들어, 도 10에 도시된 3D 필름(1010)의 부분은 (도 10의 관점에서) 필름의 좌측 에지 근처에 배치될 수 있고, 3D 필름(1010)의 중앙 부분은 도면의 우측으로 멀리 배치될 수 있다. 이 경우에, 렌티큘러 특징부들의 틸트의 양 α는 우측으로 이동함에 따라 더 큰 값들로부터 더 작은 값들로 단조적으로 진행할 수 있으며, 틸트 각도 α는 필름의 중앙에서 매우 작거나 실질적으로 0이고, 그리고 우측으로(필름의 중앙으로부터 (도 10의 관점에서) 필름의 우측 에지로) 계속 진행함에 따라 틸트의 양이 이후 더 작은 값들로부터 더 큰 값들로(그러나, 반대 극성으로, 예를 들어, 시계방향 회전이 아닌 반시계방향 회전으로) 단조적으로 진행할 수 있다. 유사하게, 프리즈매틱 특징부들의 틸트의 양 β가 또한 우측으로 이동함에 따라 더 큰 값들로부터 더 작은 값들로 단조적으로 진행할 수 있으며, 틸트 각도 β는 필름의 중앙에서 0이고, 그리고 우측으로(필름의 중앙으로부터 필름의 우측 에지로) 계속 진행함에 따라 틸트의 양이 이후 더 작은 값들로부터 더 큰 값들로(그러나, 반대의 극성으로, 예를 들어, 시계방향 회전이 아닌 반시계방향 회전으로) 단조적으로 진행할 수 있다. 이러한 실시예에서, 렌티큘러 특징부들 대 프리즈매틱 특징부들의 일-대-일 쌍이 유지될 수 있으며, 각각의 광학 요소가 관계식 0 < |β| < |α| 및 |β| - |α|/2를 만족한다.
필름의 중앙 부분으로부터 필름의 소정의 에지 부분으로의 단조 함수(monotonic function)들 외에, 두께 프로파일, 및 틸트 각도들의 순서들이 또한 고려된다. 그러한 다른 함수들은 불연속 함수들 및 역행 함수(retrograde function)들, 예를 들어, 구간별 단조적(piecewise monotonic)인 함수들이거나 또는 이 함수들을 포함할 수 있다. 이웃하는 광학 요소들의 제1 그룹은, 예를 들어, (α 및/또는 β의) 동일한 틸트 값들 및 동일한 두께를 가질 수 있으나, 이들 값들 및/또는 그 두께는 제1 그룹에 인접한 다른 광학 요소들의 그룹의 것들과 상이할 수 있다. 일부 경우에, 필름에 걸쳐 틸트 각도들의 두께 프로파일 및/또는 순서들을 나타내는 함수들은 불규칙성, 예를 들어, 랜덤한 변화, 주기적인 변화, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는바, 이는 예를 들어, 결함 숨김(defect hiding) 또는 안티--아웃(anti-wetout)과 같은 시각적 아티팩트들을 감소시키는데에 유익할 수 있다.
도 10은, 렌티큘러 특징부들의 층이 내부 필름의 일 주 표면 위에 형성되었으며 프리즘 특징부들의 층이 내부 필름의 대향 주 표면 위에 형성된 내부 (예를 들어, 편평한) 필름으로 구성된 3D 필름(1010)을 도시한다. 3D 필름(1010)의 부분의 전체적인 두께 또는 캘리퍼는 "t"로 표기되어 있다. 이 두께(t)는 구성요소 두께들(ta, tb, tc, td 및 te)로 이루어진 것으로 도시되며, 여기서 ta는 렌티큘러 특징부(1011)의 높이 또는 두께이고, tb는 렌티큘러 층의 랜드 두께이고, tc는 내부 필름의 두께이고, td는 프리즈매틱 층의 랜드 두께이고, 그리고 te는 프리즈매틱 특징부(1021)의 높이 또는 두께이다. 전체적인 두께 또는 캘리퍼(t)가 대칭 버텍스(SV)가 아닌 틸트된 렌즈 특징부(1011)의 피크 버텍스(PV)의 위치에 기반한다는 것에 주목하여야 한다. 본 명세서의 다른부분에서 언급된 바와 같이, 도 10의 것과 같은 광 방향전환 필름은 단일 구성일 수 있으며 하나의 광 투과성 재료로 이루어질 수 있다.
도 10은 또한 필름(1010)의 다양한 특징적인 횡 치수(transverse dimension)들을 도시한다. 거리(d1)는, 예를 들어, 인접한 렌즈들 또는 렌티큘러 특징부들의 대칭 버텍스들 사이의 최단 거리를 나타낸다. 대칭 버텍스들은 x-y 면에 대해 상이한 높이들 또는 상이한 수직 거리들에 놓일 수 있으므로, 인접한 렌즈들이 상이한 각도 α로 틸트되면 하나의 대칭 버텍스를 다른 대칭 버텍스에 연결하는 선 세그먼트가 필름의 평면(x-y 평면)에 평행하지 않을 수 있음에 주목하여야 한다. 거리(d2)는 인접한 렌즈들 또는 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스들 사이의 최단 거리를 나타낸다. 다시, 인접한 렌즈들이 상이한 각도들 α로 틸트되면, 하나의 피크 버텍스를 다른 피크 버텍스에 연결하는 선 세그먼트가 필름의 평면(x-y 평면)에 평행하지 않을 수 있다. 거리(d3)는 인접한 프리즘들의 버텍스들 사이의 최단 거리를 나타낸다. 예시적인 실시예들에서, 렌즈들의 틸트 각도가 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 작동 영역에 걸쳐 변하도록 조정될 수 있다하더라도, 거리(d1)는 필름의 작동 영역에 걸쳐, 예를 들어, x-축을 따라 필름의 일 에지로부터 필름의 중앙까지 그리고 필름의 대향 에지까지 일정하게 유지될 수 있다. 게다가, 프리즘들의 틸트 각도가 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 것과 같이 작동 영역에 걸쳐 변하도록 조정될 수 있다하더라도, 거리(d3)가 또한 필름의 작동 영역에 걸쳐 일정하게 유지될 수 있다. 게다가, 대안적인 실시예들에서, 틸트된 프리즘이의 버텍스가 도 10에 도시된 그것의 위치에 비해 더 높게, 더 낮게, 좌측에 그리고/또는 우측에 있도록, 틸트된 프리즘이 x-방향 및/또는 z-방향을 따라 이동 또는 시프트될 수 있다.
도 11 및 12는 틸트됨과 아울러 복합적으로 만곡되어 있는 렌티큘러 특징부들을 포함하는 3D 방향전환 필름들의 개략적인 측면 또는 단면도들로서, 틸트의 양이 필름의 작동 영역에 걸쳐 어떻게 변하도록 조정될 수 있는지를 보여준다. 이들 실시예들에서, 구조화된 표면들 및 개별 렌티큘러 특징부 및 프리즈매틱 특징부는 도면의 평면 내부로 또는 외부로, 즉, 기준 좌표들의 y-축을 따라 연장되는 것으로 가정된다. 비교적 적은 개수의 렌티큘러 특징부들, 프리즈매틱 특징부들, 및 광학 요소들이 도 11 및 도 12에 도시되어 있으나, 읽는이는 실제 3D 광학 필름이 일반적으로 이들 도면들에 도시된 것보다 더 많은 광학 요소들을 가질 것임을 이해할 것이다.
도 11은 렌즈/프리즘 쌍들(1111a/1121a, 1111b/1121b, 1111c/1121c, 1111d/1121d, 1111e/1121e, 1111f/1121f, 1111g/1121g, 1111h/1121h, 및 1111i/1121i)에 대응하는 광학 요소들을 갖는 예시적인 3D 광 방향전환 필름(1110)을 개략적으로 도시한다. 렌즈들(1111a-1111i)은 도 5 및 도 7에 도시된 것과 같은, 또는 임의의 다른 적합한 형상의 복합 곡률을 가진다. 렌즈의 대칭 버텍스를 나타내기 위하여 각각의 렌즈 위에 어두운 원들 및 점들이 도시되었다(도 7의 대칭 버텍스(SV) 참조). 각각의 대칭 버텍스를 통과하는 대시선은 렌즈에 대응하는 대칭 축 또는 광학 축을 나타낸다. 필름(1110)의 하나의 구조화된 표면 위의 각각의 렌즈가 필름의 대향하는 구조화된 표면 위의 대응하는 프리즘에 정합된다. 어두운 원들 또는 점들은 또한 도 11의 각각의 프리즘의 버텍스 위에 도시되었으며, 이 프리즘들은 본 명세서의 다른곳에 기술된 바와 같이 틸트되거나 틸트되지 않을 수 있다. 각각의 렌즈의 광학 축이 그것의 대응하는 프리즘의 버텍스를 통과하도록 필름(1110)이 조정된다. 게다가, 렌즈들의 광학 축들이 각도α4, α3, α2, α1, α0, -α1, - α2, - α3, 및 - α4으로 보인것과 같이 정연한 순서에 따라 틸트된다 이 순서로, 필름의 좌측 에지로부터 필름의 중앙으로 이동함에 따라 렌티큘러 특징부들의 틸트의 양(α)이더 큰 값들로부터 더 작은 값들로 단조적으로 진행하며, 틸트 α = α0는 필름의 중앙에서 매우 작거나 실질적으로 0이고, 필름의 중앙으로부터 필름의 우측 에지로 진행함에 따라 틸트의 양은 이후에 더 작은 값들로부터 더 큰 값들로(그러나, 반대 극성으로) 단조적으로 진행한다.
도 12는 도 11의 필름과 유사한 예시적인 3D 광 방향전환 필름(1210)을 개략적으로 보여주나, 여기서는 광학 요소들 중 일부에 대한 렌즈들이 그 대응 프리즘에 대해 어느 정도 오프셋되도록 렌즈-대-렌즈 거리 대 프리즘-대-프리즘 거리의 비율이 변하였다. 필름(1210)은 따라서 렌즈/프리즘 쌍들(1211a/1221a, 1211b/1221b, 1211c/1221c, 1211d/1221d, 1211e/1221e, 1211f/1221f, 1211g/1221g, 1211h/1221h, 및 1211i/1221i)에 대응하는 광학 요소들을 갖는다. 렌즈들(1111a-1111i)과 유사하게, 렌즈들(1211a-1211i)은 복합 곡률을 가지며, 렌즈들의 대칭 버텍스를 나타내기 위하여 어두운 원들 또는 점들이 각각의 렌즈 위에 그려졌다. 대시 선은 각각의 대칭 버텍스를 다시 통과하여 대응하는 렌즈의 대칭 축 또는 광학 축을 나타낸다. 광학 요소들 중 일부의 오프셋에도 불구하고, 필름(1210)의 하나의 구조화된 표면 위의 각각의 렌즈는 필름의 대향하는 구조화된 표면 위의 대응하는 프리즘에 정합된다. 어두운 원들 또는 점들이 또한 도 12의 각각의 프리즘의 버텍스 위에 그려졌으며, 이 프리즘들은 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같이 틸트되거나 틸트되지 않을 수 있다. 필름(1210)은 틸트된 각각의 렌즈(즉, 렌즈(1221e)를 제외하고 도면에 도시된 모든 렌즈들)의 광학 축이 그것의 대응하는 프리즘의 버텍스를 통과하지 않도록 조정된다. 게다가, 렌즈들의 광학 축들은 위에 기술된 정연한 순서, 즉, 각도 α4, α3, α2, α1, α0, -α1, - α2, - α3, 및 - α4의 순서에 따라 틸트된다.
도 13은 3D 광 방향전환 필름(1310)의 개략적인 측면 또는 단면 표현으로서, 이 개략도는 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스(PV)들 및 대응하는 프리즈매틱 특징부들의 프리즘 버텍스(Vprism)들만을 도시하며, 필름의 두께 또는 캘리퍼가 필름의 작동 영역을 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 필름(1310)은 x-y 평면에 평행한 필름 평면에 놓이며, 선형 렌티큘러 특징부들의 제1 구조화된 표면을 가지고, 선형 프리즈매틱 특징부들의 제2 구조화된 표면을 가지며, 프리즈매틱 특징부들과 렌티큘러 특징부들의 일대일 대응이 이루어지도록 렌티큘러 특징부들이 프리즈매틱 특징부들과 쌍을 이루고, 하나의 렌티큘러 특징부와 하나의 프리즈매틱 특징부의 각 쌍이 광학 요소로서 지칭된다. 렌티큘러 특징부들 각각은 복합 곡률, 광학 축, 대칭 버텍스, 및 피크 버텍스를 가진다. 도시된 바와 같이, 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스들은 필름의 좌측 에지 또는 부분(1302)으로부터, 필름의 중앙 부분(1301)으로, 필름의 우측 에지 또는 부분(1303)으로, PVa, PVb, PVc, …, PVj, …, PVs의 순서로 표기되어 있다. 유사하게, 프리즈매틱 특징부들의 버텍스들이 대응하는 방식으로 Vprisma, Vprismb, …, Vprismj, …, Vprismm, …, Vprismr, 및 Vprisms의 순서로 표기되어 있다. 따라서, 예를 들어, 필름(1310)의 최좌측 광학 요소는 PVa 및 Vprisma을 포함하고, 필름의 중앙에 있는 광학 요소는 PVj 및 Vprismj를 포함하고, 그리고 필름의 최우측 광학 요소는 PVs 및 Vprisms을 포함한다. 도 11의 필름과 유사하게, 필름(1310)은 각각의 렌티큘러 특징부의 광학 축이 그것의 대응하는 프리즈매틱 특징부의 버텍스를 통과하도록 조정된다. 또한, 렌티큘러 특징부들의 광학 축들(대표적인 광학 축들(1314a, 1314j, 및 1314s)을 참조)은 정연한 순서에 따라 틸트되며, 이에 의해, 필름의 좌측 부분(1302)으로부터 필름의 중앙 부분(1301)으로 이동함에 따라 렌티큘러 특징부들의 틸트의 양(α)이 더 큰 값들로부터 더 작은 값들로 단조적으로 진행하며, 틸트 각도(α)는 중앙 부분에서 매우 작거나 실질적으로 0이고, 필름의 중앙 부분(1301)로부터 필름의 우측 부분(1303)으로 진행함에 따라 틸트의 양이 이후에 더 작은 값들로부터 더 큰 값들로(그러나 반대의 극성으로) 단조적으로 진행한다. 프리즈매틱 특징부들은 바람직하게는, 도 9d에 도시된 바와 같이, 그들의 대응하는 렌티큘러 특징부들의 틸트 양에 비례하는 양만큼 틸트된다. 대안적으로, 필름(1310)의 프리즈매틱 특징부들은, 도 9b에 도시된 바와 같이 틸트되지 않을 수 있다.
틸트 각도들의 순서 및 필름의 중앙 부분으로부터 각각의 에지 부분으로의 두께 프로파일은 도 13에서 단조적인 것으로 가정되나, 위에서 논의된 바와 같이 다른 비-단조적 함수들이 또한 사용될 수 있다.
3D 필름(1310)은 바람직하게는 소정의 렌티큘러 특징부의 대칭 버텍스로부터 그것의 대응하는 프리즈매틱 특징부의 버텍스까지의 거리가 모든 광학 요소들에 대해 실질적으로 동일하도록 설계된다. 이는 필름의 작동 영역에 걸쳐 광학 요소들 모두에 대해 양호한 광학 성능을 보장한다. 그러나, (i) 필름의 상이한 위치들에서 렌티큘러 특징부들이 상이한 양으로 틸트되고, (ii) 렌티큘러 특징부들이 동일한 복합적으로 만곡된 형상을 가지고, 그리고 (iii) 필름 평면 위의 복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부의 피크 버텍스의 높이가 틸트 각도가 증가함에 따라 감소하므로, 광학적 설계는 도 13에 도시된 피크 버텍스들 및 프리즘 버텍스들의 프로파일을 생성한다. 프리즘 버텍스들은 필름 평면에 평행한 평면 내에 유지되나, 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스들은 필름(1310)의 중앙 부분(1301)에서 가장 높고 필름(1310)의 좌측 부분(1302) 및 우측 부분(1303)에서 가장 낮은 엔벨로프(envelope) 또는 만곡을 따른다. 이는 결과적으로 필름의 중앙 부분(1301)에서 최대(t1)이며, 필름의 에지들, 즉, 좌측 부분(1302) 및 우측 부분(1303)에서 최소(t2)인 전체 필름 두께 또는 캘리퍼가 되게한다.
도 13의 것에 대안적인 실시예에서, 렌티큘러 특징부들 및 프리즈매틱 특징부들은 렌티큘러 특징부의 대칭 버텍스와 그것의 대응하는 프리즈매틱 특징부의 버텍스 사이에서 일정한 거리를 유지하는 방식으로 z-축을 따라 시프트될 수 있으며, 여기서 필름의 중앙에서보다 필름의 에지들에서 더 많은 시프트가 발생한다. 결과적인 3D 필름은 도 13의 것과 동일한 정연한 순서에 따라 렌티큘러 특징부들을 틸트하는 것을 여전히 포함하나, 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스들이 모두 필름 평면에 평행한 평면 내에 놓이도록 제조될 수 있으며, 한편 프리즘 버텍스들은 필름의 중앙 부분에서 가장 낮고 필름의 에지들에서 가장 높은 엔벨로프 또는 만곡을 따른다. 이는 다시 결과적으로 필름의 중앙 부분에서 최대(t1)이며 필름의 에지들에서 최소(t2)인 전체 필름 두께 또는 캘리퍼가 되게한다. 관련된 대안적인 실시예에서, 렌티큘러 및 프리즈매틱 특징부의 시프팅은, 결과적으로 렌티큘러 특징부들의 피크 버텍스들도 프리즈매틱 특징부들의 피크 버텍스들도 모두 한 면에 놓이지 않고, 오히려, 버텍스들의 세트들이 필름의 중앙에 있는 필름 평면으로부터 구부러져 나오는 엔벨로프 또는 만곡을 따를 수 있게 하는 방식으로 행해질 수 있다. 이 실시예 또한 결과적으로 필름의 중앙 부분에서 최대(t1)이며 필름의 에지들에서 최소(t2)인 전체 필름 두께 또는 캘리퍼가 되게한다.
모델링된 실시예들[MODELED EXAMPLES]
위에 언급된 바와 같이, 회전된 또는 틸트된 렌티큘러 특징부들 뿐만 아니라 회전된 또는 틸트된 프리즈매틱 특징부들을 자유롭게 포함할 수 있는 3D 필름 설계들이, 증가된 토우-인 각도들 및 높은 토우-인 각도들에서 더욱 선예한 스테레오에지들을 포함하는 다수의 잠재적인 성능 이점들을 제공할 수 있다는 것을 알게되었다.
다양한 3D 광 방향전환 필름 설계들, 또는 그러한 필름들의 부분들이 상업적으로 이용가능한 광학 설계 소프트웨어, 즉, 람다 리서치 코포레이션(Lambda Research Corporation)으로부터 입수가능한 트레이스프로 엑스퍼트(TracePro Expert (버전 6.0.0))를 이용하여 모델링되고 평가되었다. 모델링된 실시예들에서, 도 10의 것과 유사한 3-층 구조: 내부 편평 필름(flat film), 내부 필름의 하나의 주 표면 위에 배치된 모델링된 렌티큘러 층, 및 내부 필름의 대향하는 주 표면 위에 배치된 모델링된 프리즈매틱 층이 가정되었다. 편평 내부 필름은 76.2 마이크로미터(3 밀리)의 두께, 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 필름과 일치하는 1.67의 굴절률을 가지는 것으로 가정되었다. 프리즘 층 및 렌티큘러 층 둘 모두는 1.51의 굴절률을 가지는 것으로 가정되었으며, 이 굴절률은 응용을 위한 적절한 물리적 특성들을 제공하는 경화된 재료를 생성하는 모노머(들), 올리고머(들) 및 광개시제(들)로 구성된 경화된 혼합 아크릴레이트 층과 일치한다. 프리즈매틱 특징부들은 서로 연속적인 것으로 가정되었는바, 즉 편평화된 부분들이 아닌 v-형 부분들에 의해 분리되는 것으로 가정되었다. 프리즈매틱 특징부들은 또한 프리즘 버텍스에서 60도의 끼인각을 갖는 것으로 가정되었다. 렌티큘러 특징부들은 종종 복합 곡률을 갖는 것으로 가정되었으며, 다른 때에는 59 마이크로미터의 곡률반경을 갖는 단순 곡률을 가지는 것으로 가정되었다. 복합 곡률은, 렌티큘러 특징부들에서 사용될 때, 59 마이크로미터의 축 곡률반경, 및 렌티큘러 특징부의 외측 부분들 또는 골들(예를 들어, 도 4의 골(428)을 참조)에서 대략 59.9 마이크로미터의 반경으로의 곡률 변화를 가정하였다. 렌티큘러 특징부의 외측 부분들의 곡률 중심들(도 5에서 지점(C2, C3)을 참조)은 축 곡률 중심에 비해 대략 1.7 마이크로미터 더 낮으며(도 5에서 -z방향으로 1.7 마이크로미터) 측방향으로 0.03 마이크로미터 이동된(렌즈의 양의(+x) 측에 대해 - x 방향으로 0.03 마이크로미터(도 5의 지점(C2) 참조), 그리고 렌즈의 음(-x)의 측에 대해 +x 방향으로 0.03 마이크로미터(도 5의 지점(C3) 참조)) 지점들에 배치되었다. 프리즈매틱 특징부들의 피치는 78 마이크로미터인것으로 가정되었으며, 렌티큘러 특징부들의 피치 또한 78 마이크로미터이었다. 모델링된 필름을 이루는 세 개의 구분되는 층들 각각은 등방성이며 동질적(homogeneous)인 것으로 가정되었다. α = β = 0을 포함하는 다양한 회전 각도들((렌티큘러 특징부들에 대해) α 및 (프리즈매틱 특징부들에 대해) β)이 모델링되었고, 모든 경우에, 회전 각도들(α 및 β)은 추가적인 병진 이동(translational movement) 없이 프리즘의 버텍스를 중심으로 회전하는 것으로 가정되었다.
모델을 단순화 하고 오토스테레오스코픽 백라이트의 설계와 연관된 불필요한 문제들을 피하기 위하여, 단일 프리즘 버텍스의 대향 측면들 위에 모델링 툴을 이용하여 개별적으로 "에너지 공급(energize)"될 수 있는 두 개의 단선(short line) 광원들을 정의함으로써 상이한 광원들이 개별적으로 조명되는 것(도 1a 및 도 1b, 아이템(122, 124) 참조)이 모델링되었다. 제1 단선 광원은 소정 (단일) 프리즘의 버텍스로부터 소정 프리즘의 일 측의 인접한 프리즘의 버텍스로 확산되었다. 제2 단선 광원은 소정 (단일) 프리즘의 버텍스로부터 소정 프리즘의 대향 측의 인접한 프리즘의 버텍스로 확산되었다. 제1 단선 광원으로부터 유래하는 광선들을 트레이스하는 것은 에너지가 공급되고 있는 하나의 광원(예를 들어, 도 1a의 아이템(124))을 시뮬레이션할 수 있게 하며, 제2 단선 광원으로부터 유래하는 광선들을 트레이스하는 것은 에너지가 공급되고 있는 다른 광원(도 1b의 아이템(122))을 시뮬레이션할 수 있게 한다. 단선 광원들 각각은 z-축에 대해 70도의 평균 전파 방향을 가지고 소정 (단일) 프리즘으로 향하는, 20도의 소스 반각(half angle)의, 랜덤 그리드 가우시안 빔(random grid Gaussian beam)으로 모델링되었다. 만(10,000)개의 광선들이, 광선 분할 특징(ray splitting feature)을 끈 상태로, 이들 단선 광원들 각각에 대해 트레이스되었고, 광선들 모두는 모델링된 필름 시스템을 통해 트레이스되었으며 데이터가 수집 및 분석되었다. 데이터는 트레이스프로 소프트웨어 내의 극성 아이소 칸델라 플롯(polar iso candela plot)으로부터 취해졌다. 이 데이터는 이후 컴퓨터 스프레드시트(Microsoft™ Excel)로 임포트되었고 복사 강도를 W/(sr ㎡)) 단위의 래디언스로 변환하기 위하여 각도의 코사인값으로 나누어졌다. 그 결과는 모델링된 각각의 3D 필름 기하구조에 대한 시뮬레이션된 광 빔 분포들의 쌍이었다. 각각의 시뮬레이션된 광 빔 - 하나는 3D 필름으로부터 방출된 것과 같은 좌안 빔 "L"을 나타내며 다른 것은 3D 필름으로부터 방출된 것과 같은 우안 빔 "R"을 나타냄 - 은 래디언스 대 z-축에 대한 도 단위의 관측 각도였다.
이 모델링을 수행하는 과정에서, 상이한 3D 광 방향전환 필름 설계들의 광선 트레이스 플롯들이 관측될 수 있었고, 소정의 양 α만큼 회전된 소정의 렌티큘러 특징부에 대해 상이한 양 β만큼 프리즈매틱 특징부들을 틸트하는 효과가 관측될 수 있었다. 광선 트레이스 플롯들로부터, 프리즈매틱 특징부들의 특정 회전(β)들에 대해, 단선 광원으로부터 소정 (단일) 프리즈매틱 특징부로 주입된 광의 대부분이, (동일한 광학 요소의 일부로서) 소정 프리즈매틱 특징부와 연관된 렌티큘러 특징부를 "지나칠(miss)"것이고, 그 대신에 다른 광학 요소들로 전파되고 많은 경우에 크로스토크에 대응하는 각도들에서 3D 필름으로부터 나올 것임이 관측되었다. 이는, 예를 들어, 프리즘 회전 각도 β = 0도 및 회전 각도 α = 15도를 갖는 복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부들을 사용하는 3D 필름 실시예에 대해 관측되었고, 또한 동일한, 그러나 β = 15도인 3D 필름 실시예에 대해서 관측되었다. 프리즈매틱 특징부들의 다른 회전(β)들에 대해, 실질적으로 더 적은 광이 소정 (단일) 프리즈매틱 특징부와 연관된 렌티큘러 특징부를 "지나치는" 것으로 관측되었으며, 크로스토크를 구성하는 실질적으로 더 적은 광이 광선 트레이스 플롯들에서 관측되었다. 이는, 예를 들어, 프리즘 회전 각도 β = 7.5도 및 회전 각도 α = 15도를 갖는 복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부들을 사용하는 3D 필름 실시예에 대해 관측되었다.
모델링 정보의 제1 세트가 모델링을 위해 위에서 기술된 복합 곡률을 갖는 렌티큘러 특징부들을 이용한 3D 필름 설계들에 대해 생성되었다. 이 모델링 세트에서의 초기 설계에서, 렌티큘러 특징부들 및 프리즈매틱 특징부들 둘 모두는 회전 또는 틸트를 갖지 않는 것으로 가정되었으며, 즉, α = β = 0이다. 이 3D 필름 설계를 위한 모델링 결과들이 도 14에 도시되며, 여기서 "L"은 3D 필름으로부터 방출된 좌안 빔을 나타내고 "R"은 3D 필름으로부터 방출된 우안 빔을 나타낸다. 이후 이 설계의 상이한 변경들이 모델링되었고, 여기서 변경된 유일한 파라미터들은 회전 각도들 (복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부들에 대해) α 및 (프리즈매틱 특징부들에 대해) β이다. 이 결과들이 도 14a 내지 도 14i에 도시되어 있으며, 여기서 각각의 특정한 실시예에 대한 α 및 β에 사용된 값들이 각각의 그래프에 표기되어 있고, 계산된 좌안 및 우안 빔이 플롯되어 있다.
도 14a 내지 도 14i를 비교함으로써, 프리즘을 회전시킨 효과가 관찰된다. 프리즘이 렌티큘러 특징부의 회전 각도에 비해 너무 적게 또는 너무 많이 회전될 때, 스테레오 로브(stereo lobe)들이 왜곡된다. 스테레오에지는 또한 광원들(예를 들어, 좌측 광원 대 우측 광원)의 측면성(sideness)에 따라 열화(degrade)된다. 프리즘이 렌티큘러 특징부의 각도의 약 절반으로 회전될 때, 스테레오에지의 선예도(sharpness)가 내내 유지되며, 스퓨리어스 피크(spurious peak)들이 최소화될 수 있다.
모델링 정보의 제2 세트가 이후 모델링을 위해 위에서 기술된 단순 곡률을 갖는 렌티큘러 특징부들을 이용한 3D 필름 설계들에 대해 생성되었다. 이 모델링 세트에서의 초기 설계에서, 렌티큘러 특징부들 및 프리즈매틱 특징부들 둘 모두는 회전 또는 틸트를 갖지 않는 것으로 가정되었으며, 즉, α = β = 0이다. 이 3D 필름 설계를 위한 모델링 결과들이 도 15에 도시되며, 여기서 "L"은 다시, 3D 필름으로부터 방출된 좌안 빔을 나타내고, "R"은 다시, 3D 필름으로부터 방출된 우안 빔을 나타낸다. 이후 이 설계의 상이한 변경들이 모델링되었고, 여기서 변경된 유일한 파라미터들은 회전 각도들 - (복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부들에 대해) α 및 (프리즈매틱 특징부들에 대해) β - 이다. 이 결과들이 도 15a 내지 도 15c에 도시되어 있으며, 여기서 각각의 특정한 실시예에 대한 α 및 β에 사용된 값들이 각각의 그래프에 표기되어 있고, 계산된 좌안 및 우안 빔이 플롯되어 있다.
도 15a, 15b, 15c와 도 14d, 14e, 14f를 비교함으로써, 단순 만곡된 렌티큘러 특징부에 비하여 복합적으로 만곡된 렌티큘러 특징부를 사용하는 효과들이 관찰된다. 단순 만곡된 렌티큘러 특징부는 회전 각도들이 더 커짐에 따라 필름의 광학 성능에 대해 더욱 해로운 효과들을 갖는 구면 수차를 가진다. 좌안 빔 "L"의 스테레오에지가 또한 회전 각도들이 더 커짐에 따라 열화된다. 이러한 부정적인 효과들에도 불구하고, 광을 토우-인하기 위하여 단순 만곡된 렌티큘러 특징부들을 사용하는 3D 필름 설계는, 회전된 또는 틸트된 프리즈매틱 특징부들을 포함함으로써 더욱 개선된다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양, 물리적 특성 등을 표현하는 모든 수는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 그에 따라, 반대로 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 기술되는 수치적 파라미터는 본 출원의 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.
본 명세서에 사용되는 용어 "미세 구조" 또는 "미세 구조화"는 1 밀리미터 미만인 적어도 하나의 치수를 갖는 표면 릴리프 특징부 (surface relief feature)를 말한다. 다수의 실시예들에서, 표면 릴리프 특징부는 50 나노미터 내지 500 마이크로미터의 범위인 적어도 하나의 치수를 갖는다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 자명하게 될 것이며, 본 발명이 본 명세서에 나타낸 예시적인 실시예들로 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 오토스테레오스코픽 백라이트에 사용하도록 구성된 광 방향전환 필름으로서,
    필름은 평면을 정의하고, 평면을 따라 대향하는 제1 구조화된 표면 및 제2 구조화된 표면을 구비하고, 제1 구조화된 표면은 렌티큘러(lenticular) 특징부들을 포함하고, 제2 구조화된 표면은 프리즈매틱(prismatic) 특징부들을 포함하고, 프리즈매틱 특징부들 각각이 프리즘 광학 축을 갖고, 프리즈매틱 특징부들은 제1의 복수의 프리즈매틱 특징부를 포함하고, 제1의 복수의 프리즈매틱 특징부 중 제1 프리즈매틱 특징부는 평면에 수직인 필름의 두께 축에 대하여 틸트되어 있는 제1 프리즘 광학 축을 갖고, 프리즈매틱 특징부들 중 제2 프리즈매틱 특징부는 두께 축에 실질적으로 평행한 제2 프리즘 광학 축을 갖고, 제1의 복수의 프리즈매틱 특징부는 제1의 복수의 프리즈매틱 특징부 중 제1 프리즈매틱 특징부에서의 더 큰 값으로부터 제2 프리즈매틱 특징부에서의 더 작은 값으로 필름에 걸쳐 변하는 각각의 틸트 양을 갖도록 정렬되어 있고, 제2 프리즈매틱 특징부는 필름의 중앙에 위치하고,
    프리즈매틱 특징부들과 렌티큘러 특징부들의 일대일 대응이 만들어지도록 프리즈매틱 특징부들이 렌티큘러 특징부들과 쌍을 이루고,
    렌티큘러 특징부는 각도 α만큼 틸트되고, 프리즈매틱 특징부는 각도 β만큼 틸트되며, 0.4 |α| ≤ |β| ≤ 0.6 |α| 인, 필름.
  2. 제1항에 있어서, 렌티큘러 특징부들 각각이 평면내 렌티큘러 축(in-plane lenticular axis)에 평행하여 연장되고, 프리즈매틱 특징부들 각각이 평면내 프리즈매틱 축(in-plane prismatic axis)에 평행하여 연장되고, 평면내 프리즈매틱 축이 제2 프리즘 광학 축에 수직인, 필름.
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