KR20060090701A - 프레넬 렌즈 및 투과형 스크린 및 이들을 이용한 배면투사형 디스플레이 장치 - Google Patents

프레넬 렌즈 및 투과형 스크린 및 이들을 이용한 배면투사형 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20060090701A
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fresnel
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다까시 아베
스스무 다까하시
다까오 도모노
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도판 인사츠 가부시키가이샤
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Abstract

이 배면 투사형 디스플레이 장치는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되고, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 위치하는 프레넬 렌즈 시트와, 광확산판을 갖는 투과형 스크린과, 상기 투과형 스크린에 영상을 투사 가능한 프로젝터와, 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린 사이에 반사경을 구비하고, 상기 반사경이 프로젝터와 상기 투과형 스크린의 대략 중간 위치에 설치되어 있다.
프레넬면, 라이즈면, 광확산판, 프로젝터, 투과형 스크린

Description

프레넬 렌즈 및 투과형 스크린 및 이들을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치{FRESNEL LENS, TRANSMISSION SCREEN, AND REAR PROJECTION-TYPE DISPLAY DEVICE USING THE LENS AND THE SCREEN}
본 발명은 투과형 스크린에 이용하는 프레넬 렌즈 시트 및 투과형 스크린, 이들을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본원은, 2003년 10월 14일에 출원된 일본 특허 출원 제2003-353272호 공보에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터 프로젝션 스크린의 하나로서, 리어 프로젝션 스크린이 일반적으로 이용되고 있다. 이 리어 프로젝션 스크린을 이용한 텔레비전은, 통상 광원, 영상 표시체, 투영 렌즈를 구비한 프로젝터로부터 투영되는 영상광이 프레넬 렌즈를 갖는 프레넬 렌즈 시트, 렌티큘러 렌즈를 갖는 렌티큘러 렌즈 시트를 거쳐서 관찰자에게 도달하도록 구성되어 있다.
프로젝션 텔레비전용 스크린은, 일반적으로 수평 방향으로 널리 확산되고, 수직 방향으로는 수평 방향보다 좁게 확산되는 광학 기능이 요구되고 있으므로, 수평 방향의 확산은 렌티큘러 렌즈가, 수직 방향의 확산은 광확산제가 분산된 광확산판이나 광확산 시트가 이용되는 경우가 많다.
리어 프로젝션 텔레비전에 대표되는 배면 투사형 디스플레이 장치에서는 프로젝터에 CRT(음극 선관)나 액정 프로젝터가 대부분 사용되고 있고, 또한 최근에는 프로젝터용으로 디지털 미러 디바이스(DMD) 등의 많은 새로운 디바이스가 개발되고 있다.
특히, 이 액정이나 DMD를 이용한 프로젝터는 CRT를 이용한 3투사계(3관식)에 비해 하나의 투사계로 좋으므로, 장치 내의 배치 공간이 작고, 또한 중량도 작아, 광학계가 더 심플해지므로, 고해상도 화상화에도 유리하여 널리 사용되도록 되어 있었다.
최근의 배면 투사형 디스플레이 장치는 대화면화와 함께 고해상도의 화상이나, 넓은 범위에서 동일 색도가 밝은 화상이 관찰 가능한 광확산성 스크린의 요구도 많고, 또한 그것들을 구비한 장치의 박형화도 요구되고 있다.
특히, 종래부터 배면 투사형 디스플레이 장치에 사용되는 프레넬 렌즈 시트의 특성에 의해 스크린과 프로젝터 사이의 거리가 결정되므로, 배면 투사형 디스플레이 장치의 두께는 현행과 다른 방식, 예를 들어 액정 디스플레이 텔레비전이나 플라즈마 디스플레이 텔레비전에 비해 커, 한층 박형화의 요구가 증가하고 있다.
종래, 배면 투사형 디스플레이 장치에서 박형화를 시도한 방법을 몇 가지 이하로 나타낸다. 프레넬 렌즈가 형성된 프레넬 렌즈 시트의 이면에 프리즘 구조를 설치하고, 그 반사광을 통상보다도 간격을 좁게 하여 설치한 메인 미러로 반사시키고, 다시 프레넬 렌즈로 광선을 입사시켜 관찰자측으로 광선을 유도하는 방식에 의해 배면 투사형 디스플레이 장치 전체를 얇게 하는 방식이다(예를 들어, 하기의 특 허문헌 1, 2 참조).
이 방식은 광의 편광이나 전반사를 교묘하게 이용함으로써 광 이용 효율을 유지하는 것이 가능하지만, 구성하는 스크린이 증가해 버리므로, 미광이 발생하기 쉽고, 또한 비용면에서도 불리하다.
또한, 투사 광학계와 미러 사이에 평면/구면/비구면의 미러를 배치하고, 투사 거리를 짧게 하는 방식은 공지이지만, 배면 투사형 디스플레이 장치를 구성하는 부품이 증가하고, 또한 요구되는 조립 정밀도가 지수 함수적으로 증가하게 되는 어려움을 함께 갖고 있다(예를 들어, 하기의 특허문헌 3, 4 참조).
또한, 프레넬 렌즈를 복수(선형 타입을 포함함) 조합하거나, 프레넬 렌즈의 주변부를 직사각형으로 절취하여 스크린으로 함으로써, 화면 중심으로부터 광축을 어긋나게 하는 방식이 있지만, 스크린의 구성 매수가 많아지거나(예를 들어, 하기의 특허문헌 5 참조), 대구경비(소 F/No.)의 프레넬 렌즈가 필요하게 되므로(예를 들어, 하기의 특허문헌 6 참조) 실용에는 불편하다.
전반사 구조를 갖는 프레넬 렌즈를 이용하는 것도 제안되어 있다(예를 들어, 하기의 특허문헌 7, 8, 9, 10 참조).
이들 방법에서는, 표면의 물리적 형상이 복잡해질 뿐만 아니라, 반사를 사용하므로 각도 공차가 엄격해지는 경우도 있고, 가공성ㆍ생산성이 나빠, 종래의 프레넬 렌즈와 동등한 생산성을 얻기 위해서는 곤란함을 수반하는 것이 명백해졌다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평8-336091호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평8-339033호 공보
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2002-57963호 공보
특허문헌 4 : 일본 특허 공개 평9-281904호 공보
특허문헌 5 : 일본 특허 공개 평11-160790호 공보
특허문헌 6 : 일본 특허 공개 제2001-108937호 공보
특허문헌 7 : 일본 특허 공개 제2001-337206호 공보
특허문헌 8 : 일본 특허 공개 제2002-90888호 공보
특허문헌 9 : 일본 특허 공개 제2003-114481호 공보
특허문헌 10 : 일본 특허 공개 제2003-149744호 공보
현재의 배면 투사형 디스플레이 장치는 광학적 성능을 포함한 장치로서의 성능 향상과 동시에, 복잡한 구조나 기구를 추가하는 것은 아니며, 가능한 한 단순한 구조로 박형화와 고성능화, 나아가서는 저비용화의 실현이 요구되고 있고, 상기한 바와 같이 특히 박형화가 늦어지고 있다.
이 배면 투사형 디스플레이 장치의 박형화를 저지하고 있는 큰 요인의 하나로, 스크린을 구성하는 프레넬 렌즈에 대한 투사 거리를 작게 할 수 없는 문제가 있다.
프레넬 렌즈의 제법에서는, 금형을 제작하여 그 형틀에 의해 렌즈를 제조하지만, 그 금형의 제작에 이용하는 절삭용 바이트의 형상, 절삭 조건 등의 제약에 따르는 것이 크다. 결과적으로는, 광선의 굴절에 이용하는 프레넬면의 경사 각도(프레넬각)가 스크린면에 대해 약 60°정도라는 것이 지금까지의 한계였다.
여기에 본 발명자는 착안하여, 투사 거리를 짧게 하기 위해서는 이 각도를 크게 하는 것이 효과적인 것을 발견하였다.
다른 하나의 요인으로서는, 배면 투사형 디스플레이 장치의 구조상, 프로젝터로부터의 투사광을 스크린에 반사하여 투영시키기 위해 필요 불가결한 메인 미러의 배치가 있다. 특히, 프로젝터의 위치에도 관계가 있지만, 이 메인 미러에 경각을 부여할 필요가 있고, 최대 45도 정도가 되므로, 그 기울이기 위한 공간이 그대로 배면 투사형 디스플레이 장치의 두께의 증가가 되어 버리기 때문이다.
그래서, 본 발명에서는 상기한 과제를 해결하기 위해, 배면 투사형 디스플레이 장치의 박형화를 방해하는 요인이 된, 프레넬 렌즈 시트와 프로젝터 사이의 거리를 단축할 수 있는 프레넬 렌즈의 형상, 및 프레넬 렌즈 시트의 오프 센터를 단체에서의 실현, 또는 프로젝터로부터 투영된 화상광의 프레넬 렌즈나 광확산판의 반사에 의한 프로젝터 근방에의 복귀광으로부터 발생하는 투과형 스크린 상의 미광의 해소가 가능한 프레넬 렌즈 및 투과형 스크린 및 이들을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 금형의 작성 방법과, 렌즈 성형 방법의 양면으로부터 다시 살펴보아, 큰 프레넬각을 갖는 프레넬 렌즈 시트를 얻었다.
본 발명의 프레넬 렌즈 시트는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어 이루어지는 프레넬 렌즈 시트이며,
상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고, 상기 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 상기 프레넬면의 경사 각도가 상기 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하여 상기 프레넬 렌즈 시트는 상기 프레넬면의 경사의 각도가 77도 이상인 영역을 갖는다.
본 발명의 프레넬 렌즈 시트에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 프레넬 렌즈 시트에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈의 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 프레넬 렌즈 시트는 경성 및 취성이 다른 재료를 2층 이상 적층함으로써 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 투과형 스크린은 프레넬 렌즈 시트와, 광확산판을 갖는 투과형 스크린이며,
상기 프레넬 렌즈 시트에는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고, 상기 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 상기 프레넬면의 경사의 각도가 상기 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하여 상기 프레넬 렌즈 시트는 상기 프레넬면의 경사의 각도가 77도 이상인 영역을 갖는다.
본 발명의 투과형 스크린에 있어서는, 상기 광확산판이 간유리, 필터 혹은 광확산 입자 등을 함유하는 확산판, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 1방향을 향해 배열되어 있는 렌티큘러 시트, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 2방향을 향해 교차하도록 동일면 상에 배열되어 있는 크로스 렌티큘러 시트, 프리즘 어레이를 갖는 렌즈 시트, 단위 렌즈가 2차원적으로 배열된 마이크로 렌즈 구조를 갖는 렌즈 시트 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 투과형 스크린에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 투과형 스크린에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈 시트의 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 투과형 스크린에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈 시트가 경성 및 취성이 다른 재료가 2층 이상 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치는 프레넬 렌즈 시트와 광확산판을 갖는 투과형 스크린과, 상기 투과형 스크린에 영상을 투사 가능한 프로젝터와, 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린 사이에 설치된 반사경을 구비하는 배면 투사형 디스플레이 장치이며, 상기 프레넬 렌즈 시트에는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고, 상기 반사경은 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린의 대략 중간 위치에 설치되어 있다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 반사경의 상기 투과형 스크린에 대한 설치 각도가 5도 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 프로젝터가 상기 투과형 스크린에 대해 영상이 비스듬히 투사되도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 광확산판이 간유리, 필터 혹은 광확산 입자 등을 함유하는 확산판, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 1방향을 향해 배열되어 있는 렌티큘러 시트, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 2방향을 향해 교차하도록 동일면 상에 배열되어 있는 크로스 렌티큘러 시트, 프리즘 어레이를 갖는 렌즈 시트, 단위 렌즈가 2차원적으로 배열된 마이크로 렌즈 구조를 갖는 렌즈 시트 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 반사경의 반사면이 비구면 및/또는 비대칭의 곡면인 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈 시트 중 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 있어서는, 상기 프레넬 렌즈 시트가 경성 및 취성이 다른 재료가 2층 이상 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 구성에 따르면, 동심원 형상으로 형성되어 이루어지는 프레넬 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 프레넬 렌즈 시트의 외측에 위치하는 것과, 프레넬 렌즈의 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 프레넬면의 경사 각도가 프레넬 렌즈의 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하여, 프레넬 렌즈 시트는 프레넬면의 경사의 각도가 77도 이상인 영역을 갖는 것으로 함으로써, 프레넬 렌즈 시트와 프로젝터 사이의 투사 거리, 즉 메인 미러인 평면 반사경과의 거리가 단축되고, 또한 프로젝터의 배치에 배면 투사형 디스플레이 장치의 스크린 하부의 공간을 이용하는 것이 가능하고, 또한 렌즈 성형에 의해 동심원 형상으로 형성되는 원형의 프레넬 렌즈 시트 원판으로부터 절취하는 직사각형의 프레넬 렌즈 시트의 2면 취하기가 가능해지는 이점을 갖는다.
또한, 프로젝터와 투과형 스크린 사이의 대략 중간 위치에 설치된 평면 반사경의 설치 각도를 투과형 스크린에 대해 5도 이상 기울어지게 함으로써, 스크린으로의 투사 영상의 프로젝터 근방으로의 복귀광에 의한 스크린 상의 미광의 발생을 방지할 수 있어, 부품이나 공정수를 추가하는 일 없이, 또한 박형화의 이점을 손상시키는 일 없이 고품질의 투사 화상을 표시하는 것이 가능한 배면 투사형 디스플레이 장치를 얻을 수 있다.
도1은 본 발명의 투과형 스크린을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치의 일 구성예를 나타내는 구성도.
도2는 본 발명의 프레넬 렌즈 시트의 일부분의 단면을 모식적으로 도시한 단면도.
도3은 본 발명의 프레넬 렌즈 시트의 렌즈면의 부분 확대 단면도.
도4는 본 발명의 프레넬 렌즈 시트의 개요를 도시한 평면도.
도5는 본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치의 구성도.
도6은 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이의 시산(試算)에 있어서 규정한 프레넬 렌즈로의 입사 광선 및 출사 광선의 각도를 나타내는 단면도.
도7은 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.53으로 하였을 때의 프레넬각과 1.27 m(50 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
도8은 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.55로 하였을 때의 프레넬각과 1.27 m(50 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.53으로 하였을 때의 프레넬각과 1.52 m(60 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
도1O은 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.55로 하였을 때의 프레넬각과 1.52 m(60 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
도11은 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.53으로 하였을 때의 프레넬각과 1.78 m(70 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
도12는 프레넬 렌즈 시트의 굴절률을 1.55로 하였을 때의 프레넬각과 1.78 m(70 in)형 배면 투사형 디스플레이 장치의 안길이와의 관계를 나타내는 그래프.
[부호의 설명]
1, 11 : 투과형 스크린
2, 12 : 프레넬 렌즈 시트
2a : 유리 기판
2b : 프레넬 렌즈
3, 13 : 광확산판
4, 14 : 평면 반사경
5, 5', 15, 15' : 프로젝터
6, 16 : 프레넬각
7 : 프레넬 렌즈의 동심원 구조의 중심
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명한다.
[제1 실시 형태]
도1에 본 발명의 투과형 스크린(1)을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 일 구성예를 나타낸다. 배면 투사형 디스플레이 장치(10)는 주로 광학계가 프레넬 렌즈 시트(2)와 광확산판(3)으로 이루어지는 투과형 스크린(1)과, 투과형 스크린(1)에 영상을 투사하는 프로젝터(5)와, 투과형 스크린(1)과 프로젝터(5)의 대략 중간 위치에 배치되어 있는 평면 반사경(4)에 의해 구성되어 있고, 프로젝터(5)로부터 투영된 화상광을 평면 반사경(4)(메인 미러)에 의해 투과형 스크린(1)을 향해 반사시켜 투과형 스크린 상에 투사하여, 대면에 위치하는 관찰자가 영상을 볼 수 있다.
프로젝터(5)는 투과형 스크린(1)에 대해 영상이 비스듬히 투사되도록 배치되어 있다. 프로젝터(5)를 이와 같이 배치하면, 투과형 스크린(1)에는 영상이 사다리꼴로 변형되어 투영되지만, 프로젝터(5)에는 영상이 사다리꼴로 변형되지 않도록 보정 기능이 부여되어 있다.
또, 도면 중 점선으로 나타낸 프로젝터(5') 및 광선은 평면 반사경(4)을 설치하지 않고, 직접 투과형 스크린(1)에 영상을 투사하는 경우의 배치예를 나타낸 것이다.
다음에, 이 투과형 스크린(1)을 구성하는 프레넬 렌즈 시트(2)에 대해 설명한다.
도2는 프레넬 렌즈 시트(2)의 일부분의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 프레넬 렌즈 시트(2)는 건축용 유리나 플로트 등의 유리 기판(2a)과, 이 유리 기판(2a) 상에 형성된 메타크릴스틸렌(MS) 수지나 폴리카보네이트(PC) 수지로 된 프레넬 렌즈(2b)로 이루어지는 2층 구조를 갖고 있다. 유리 기판(2a)과 프레넬 렌즈(2b)는 재질의 차이로부터 경성나 취성이 달라, 프레넬 렌즈 시트(2)의 강성을 유리 기판(2a)이 담당하고，스크린 파손시에 있어서의 유리 기판(2a)의 비산을 방지하는 역할을 프레넬 렌즈(2b)가 담당하고 있다.
프레넬 렌즈(2b)에는 광선 투과면이 되는 프레넬면(2c)과, 광선 비투과면이 되는 라이즈면(2d)이 교대로 형성된 동심원 형상의 렌즈 패턴을 갖고 있다. 본 발명에서는, 여기에 도시한 동심원 형상의 프리즘에 있어서의 각도(상기 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 상기 프레넬면의 각도, 즉 프레넬각)(6)가 투과형 스크린(1)으로의 투사 거리를 결정하는 데 중요한 요소로 되어 있다.
종래에는 프레넬 렌즈 가공 기계의 기구 상의 제약, 혹은 제품 수율 등 프레넬 렌즈 시트의 양산성 형상의 제약보다 프레넬각을 크게 하는 것에 한계가 있고, 특히 최대 60도 전후로 해 왔으므로, 리어 프로젝션 스크린을 사용한 배면 투사형 디스플레이 장치의 박형화에 방해되고 있었던 것은 알려지지 않았다.
그래서, 본 발명에서는 프레넬 렌즈의 가공 조건을 다시 살펴봄으로써 프레 넬각을 크게 한 프레넬 렌즈(2b)를 제조할 수 있는 것을 발견하고, 또한 그 프레넬각을 77도 이상으로 한 경우에 투과형 스크린(1)에 대해 매우 낮은 각도로 투사 화상광을 입사시키는 것을 가능하게 하였다. 즉, 프레넬 렌즈 시트(2)의 광축의 오프셋 배치에 의한 낮은 각도에 의한 투사 화상광이 라이즈면(2d)에 입사하지 않고 프레넬면(2c)에 입사하는 것이 가능해지고, 투과형 스크린(1)에 있어서의 고품질의 화상을 얻을 수 있다.
하기의 표는 본 발명의 프레넬 렌즈 시트(2)에 있어서의 프레넬 렌즈의 프레넬각(6)을 나타낸 표이다.
윤대(輪帶 : zone) 위치는 프레넬 렌즈 시트(2)의 광학 중심으로부터의 반경을 백분률로 나타내고 있고, 그 위치에서의 프레넬각을 나타내고 있다. 하기의 표에서는 최외주가 80도에 이르는 형상으로 되어 있다.
[표 1]
윤대 위치 프레넬각*
0 ％ 0.0
21 ％ 48.0
50 ％ 68.5
71 ％ 73.9
100 ％ 80.0
* 단위 : 도
도3은 본 발명의 프레넬 렌즈 시트의 렌즈면의 단면도이다. 우측이 프레넬 렌즈 시트 중심측이고, 좌측이 외주측이다. 이 도3의 우측 하측으로부터 투사 화상광이 입사하고, 프레넬면(도면 중 프리즘 좌변의 면)에 있어서의 입사광의 굴절을 경유하여 도3의 상방으로 광선이 사출한다.
이 프레넬 렌즈 시트를 이용하여 광확산판과 함께 투과형 스크린을 구성하고, 각종 투과 실험을 행한 결과, 투과형 스크린(1)에 대해 매우 낮은 각도로 투사 화상광을 입사시키는 것이 가능한 등, 상기한 효과를 확인할 수 있었다.
또, 광확산판(3)은 간유리, 필터, 광확산 미립자 등을 투명 합성 수지에 혼련한 확산판, 반원 기둥 형상의 볼록 원통형 렌즈를 소정의 1방향을 향해 소정의 피치로 배열한 렌티큘러 시트, 마찬가지로 반원 기둥 형상의 볼록 원통형 렌즈를 소정의 2방향을 향해 교차시켜 양방향 모두 소정의 피치로 동일면 상에 배열한 크로스 렌티큘러 시트, 프리즘 어레이, 마이크로 렌즈 구조를 갖는 스크린에 사용 가능한 단위 렌즈 형상인 렌즈 시트 등이며, 투과형 스크린의 용도에 따라서 적절하게 선정할 수 있다. 특히, 광확산판(3)에 크로스 렌티큘러 시트를 채용하면, 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이를 짧게 할 수 있는 동시에, 화면의 종방향으로 시야의 확대를 도모할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈 구조를 갖는 렌즈 시트를 채용하면, 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이를 짧게 할 수 있는 것에 부가하여, 전 방위적으로 시야의 확대를 도모할 수 있다.
렌즈 시트는 광학용 투명 수지로 구성함으로써, 렌즈 혹은 프리즘으로서 기능한다. 이 광학용 투명 수지에는 광학 생산상, 각종 성형 기술의 응용하기 쉬운 투명 합성 수지 시트가 바람직하다.
투명 합성 수지로서는 폴리메타크릴산메틸 등의 아크릴 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴스틸렌 공중합체 수지, 스틸렌 수지, 폴리염화비닐 수지 등이 있다.
또한, 광확산 미립자는 구 형상, 특히 진구 형상이 바람직하고, 아크릴계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리아미드계 수지 등의 유기 고분자, 또는 실리카 등의 무기 화합물을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서의 과제 해결 중 다른 하나의 요소인 프레넬 렌즈 시트(2)의 동심원 형상으로 형성된 프레넬 렌즈의 중심인 프레넬 렌즈 시트의 광축 오프셋 배치에 대해 설명한다.
도4에 도시한 바와 같이 배면 투사형 디스플레이 장치(10)에 사용하는 투과형 스크린(1) 상의 화상 투영 영역 밖에 프레넬 렌즈의 광축[즉, 동심원 구조의 중심(7)]을 배치함으로써, 프레넬각이 0도에 가까워짐에 따른 프레넬 렌즈의 가공이 곤란해지는 동심원 구조의 중심을 화상 투사 영역의 외측으로 함으로써 투과형 스크린에 그 부분을 사용하지 않으므로, 사용하지 않는 영역의 프레넬 렌즈 가공의 정밀도는 요구되지 않기 때문에, 프레넬 렌즈의 가공상의 불균일을 의식할 필요가 없고, 결과적으로 가공이 용이해진다.
또한, 종래의 프레넬 렌즈 시트에서는 광축이 투과형 스크린에 사용하는 영역에 존재하므로, 1매의 프레넬 렌즈 시트의 원판으로부터의 2면 취하기가 불가능했지만, 프레넬 렌즈 시트의 중심(7)을 포함하지 않는 프레넬 렌즈 시트로 절취함으로써 1매의 프레넬 렌즈 시트의 원판으로부터 직사각형의 프레넬 렌즈 시트의 2면 취하기가 가능해져 프레넬 렌즈 시트의 제조 효율이 향상된다.
이와 같이 프레넬 렌즈 동심원 구조의 중심(7)을 오프셋하고, 또한 77도 이상의 프레넬각의 프레넬 렌즈로 구성되는 투과형 스크린에 대해 평면 반사판(4)을 적절하게 배치함으로써 프로젝터를 스크린의 하부에 배치하는 것이 가능해지고, 배면 투사형 디스플레이 장치의 박형화에도 매우 유효한 배치로 하는 것이 가능해진다.
그런데, 프레넬 렌즈 시트(2)에는 프레넬 렌즈(2b)의 입사면측에 저굴절률층을 설치해도 좋다. 본 실시 형태의 프레넬 렌즈 시트(2)에서는 프레넬 렌즈(2b)의 입사면측에 기판(2a)이 설치되어 있으므로, 저굴절률층은 기판(2a)의 입사면에 설치되게 된다. 저굴절률층을 설치함으로써, 의도하지 않은 방향으로의 난반사를 방지하여 투과 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또, 저굴절률층은 프레넬 렌즈(2b)의 출사면측에 설치해도 좋고, 입사면측, 출사면측의 양쪽에 설치해도 좋다.
또한, 프레넬 렌즈 시트(2)에는 프레넬 렌즈(2b)의 입사면측에 대전 방지층을 설치해도 좋다. 또, 본 실시 형태의 프레넬 렌즈 시트(2)에서는 프레넬 렌즈(2b)의 입사면측에 기판(2a)이 설치되어 있으므로, 대전 방지층은 기판(2a)의 입사면에 설치되게 된다. 대전 방지층을 설치함으로써, 디스플레이 장치 내부를 방진하여 영상 품질의 향상을 도모할 수 있다. 또, 대전 방지층은 프레넬 렌즈(2b)의 입사면측, 출사면측의 양쪽에 설치해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는 프레넬 렌즈 시트(2)를 건축용 유리나 플로트 등의 유리 기판(2a)과, 메타크릴스틸렌(MS) 수지나 폴리카보네이트(PC) 수지로 된 프레넬 렌즈(2b)의 2층 구조로 하였지만, 경성 및 취성이 다른 이종 재료를 3층 혹은 그 이상 적층함으로써 프레넬 렌즈 시트를 구성해도 좋다.
또한, 평면 반사경(4) 대신에, 반사면이 평면이 아닌 비구형의 곡면인 반사 경을 이용해도 좋다. 이와 같은 반사경을 이용함으로써, 투과형 스크린(1)에 대해 영상이 비스듬히 투사되도록 프로젝터(5)를 배치한 경우에, 프로젝터(5)의 보정 기능을 사용하지 않아도 영상이 사다리꼴로 변형되지 않도록 보정할 수 있다. 게다가, 프로젝터(5)의 보정 기능과 비구면의 반사경을 병용하여, 프로젝터(5)의 투과형 스크린(5)에 대한 투사 각도를 종래 이상으로 낮게(각도를 작게) 할 수 있고, 이에 의해 디스플레이 장치의 박형화를 도모할 수 있다. 또, 반사경은 비구면 또는 대칭이라도 좋고, 비구면 또는 비대칭이라도 좋다.
[제2 실시 형태]
도5에 본 발명의 투과형 스크린(1)을 이용한 배면 투사형 디스플레이 장치(20)의 다른 하나의 구성예를 나타낸다. 배면 투사형 디스플레이 장치(10)는 주로 광학계가 프레넬 렌즈 시트(12)와 광확산판(13)으로 이루어지는 투과형 스크린(11)과, 투과형 스크린(11)에 영상을 투사하는 프로젝터(15)와, 투과형 스크린(11)과 프로젝터(15)의 대략 중간 위치에 배치되어 있는 평면 반사경(14)에 의해 구성되고, 평면 반사경(14)에 경각을 마련하여 설치한 경우의 개념도를 도시하고 있다.
여기서, 도면 중 점선으로 나타낸 프로젝터(15') 및 광선은 평면 반사경(14)을 설치하지 않고 직접 투과형 스크린(11)에 영상을 투사하는 경우의 배치를 나타낸 것이다.
도1에 있어서, 프로젝터(5)의 위치를 투과형 스크린(1)의 중심 위치로부터 어긋나게 하여 프로젝터(5)로부터 투과형 스크린(1)에 대한 수선이 투과형 스크 린(1)의 면 밖에 설치되는 경우에는, 프로젝터(5)와 투과형 스크린(1)의 위치가 간섭하지 않으므로, 투과형 스크린(1)에 대해 평행하게 평면 반사판(4)을 설치하는 경우가 많다. 이는 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 박형화에도 유리하지만, 프로젝터(5)로부터 화상광을 투영하였을 때, 프레넬 렌즈(2)나 확산판(3)의 반사 등으로부터의 프로젝터(5) 근방에의 복귀광에 의해 투과형 스크린(1) 상에 미광이 발생하는 경우가 있다.
이는 확산판에 의한 반사광이 주원인이고, 종래의 광학계의 구성에서는 용이하게 제거하는 것은 곤란하였다. 그래서, 이 미광의 영향을 받지 않기 위해서는, 평면 반사판(14)의 설치 각도(16)를 투과형 스크린(11)에 대해 5도 이상으로 함으로써, 프로젝터(5)의 투영 거리에 따라서 프로젝터(5)의 광축과 프레넬 렌즈(2)의 광축의 간격이 넓어지게 된다. 예를 들어, 스크린의 대각의 길이가 1.27 m(50 in)인 투과형 스크린(1)에서는 설치 각도(16)가 0도인 경우와 설치 각도(16)가 5도인 경우를 비교하면, 18.7 ㎜만큼 간격이 넓어지고, 마찬가지로 1.78 m(70 in)의 투과형 스크린(1)에서는 설치 각도(16)가 0도인 경우와 설치 각도(16)가 5도인 경우를 비교하면, 33.3 ㎜만큼 간격이 넓어진다. 이와 같이, 프로젝터(5)와 평면 반사판(14)의 간격이 넓어지면, 상기한 문제점에 대한 억지 효과가 현저하게 나타나는 것이 판명되었다.
특히 전술한 프레넬 렌즈의 동심원 구조를 스크린 상으로부터 어긋나게 하여 그 중심인 광축이 스크린 상의 영역에 없고, 또한 77도 이상의 프레넬각으로 한 프레넬 렌즈 시트로 구성되는 투과형 스크린(11)에 대해 평면 반사판(14)의 설치 각 도(16)를 5도 이상으로 함으로써, 프로젝터(15)로부터 투영된 화상광의 프레넬 렌즈(12)나 확산판(13)의 반사 등으로부터의 프로젝터(15) 근방으로의 복귀광에 의해 투과형 스크린(1) 상에 미광이 발생하게 되는 문제는 없어, 보다 고품질의 화상이 투과형 스크린(11)을 통해 볼 수 있다.
본 발명은 동심원 형상으로 형성되어 이루어지는 프레넬 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 프레넬 렌즈 시트의 외측에 위치하는 것과, 프레넬 렌즈의 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하는 렌즈 패턴의 프레넬면의 프레넬각이 광축에 대해 77도 이상이 되는 영역을 갖게 함으로써, 프레넬 렌즈 시트와 프로젝터 사이의 투사 거리, 즉 메인 미러인 평면 반사경과의 거리를 단축할 수 있고, 이에 의해 배면 투사형 디스플레이 장치의 두께의 박형화가 가능해진다.
또한 프레넬 렌즈의 광축을 프레넬 렌즈 시트의 외측에 위치시킴으로써, 원형의 프레넬 렌즈 시트 원판으로부터 절취되는 직사각형의 프레넬 렌즈 시트의 2면 취하기가 가능해져 생산 효율이 향상된다.
또한, 프로젝터와 투과형 스크린 사이의 대략 중간 위치에 설치된 평면 반사의 설치 각도를 투과형 스크린에 대해 5도 이상 기울어지게 함으로써, 스크린에의 투사 영상의 프로젝터 근방으로의 복귀광에 의한 스크린 상의 미광의 발생을 방지할 수 있으므로, 고품질의 투사 화상을 표시하는 것이 가능한 배면 투사형 디스플레이 장치를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서 실시된 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(두께)의 시산에 대해 설명한다. 이 시산에 있어서는, 도6에 도시한 바와 같이 프레넬각 을, 프레넬 렌즈 시트(2)의 평탄면의 법선(광축에 평행함)과, 평탄면에 입사하는 광선이 이루는 각도를 θ1(기지), 프레넬 렌즈 시트(2)의 평탄면의 법선과, 평탄면으로부터 사출하는 광선이 이루는 각도를 θ2(기지), 프레넬 렌즈 시트(2)의 평탄면의 법선과, 프레넬면으로부터 사출하는 광선이 이루는 각도를 θ3(기지)이라 하였다. 또한, 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률을 n, 투과형 스크린(1)의 세로 길이를 h, 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이를 W라 하였다.
또한, 안길이(W)는 프로젝터(15)의 투영 거리의 1/2로 하고, 프레넬 렌즈(2b)로부터는 광축에 평행한 광선이 사출하는 것으로 하고(즉, θ3 ＝ 0), 프레넬 렌즈 시트(2)의 광학 중심은 프레넬 렌즈 시트(2)의 하부 모서리로부터 투과형 스크린(1)의 세로 길이의 10 ％만큼 비어져 나온 위치에 존재하는 것으로 하였다.
상기한 전제를 기초로, 이하의 계산을 실시하여 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)를 산출하였다.
우선, n, h, φ의 값을 적절하게 결정하고, 계속해서 하기의 수학식에 각각의 값을 대입하여 θ1을 산출하였다.
[수학식 1]
Figure 112006024930165-PCT00001
[수학식 2]
Figure 112006024930165-PCT00002
그리고, 하기의 수학식에 θ1의 값을 대입하여 W를 산출하였다.
[수학식 3]
Figure 112006024930165-PCT00003
도7에는 투과형 스크린(1)의 대각의 길이를 1.27 m(50 in), 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.53으로 한 후에, 프레넬각(φ)을 변화시켜 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)가 어떻게 변화되는지를 시산한 결과를 나타낸다. 또, 투과형 스크린(1)의 세로 길이(h)는 투과형 스크린(1)의 종횡비(기지)를 기초로 하여 결정된다. 또한, 도8에는 같은 시산을, 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.55로 한 후에 행한 결과를 나타낸다.
도9에는 투과형 스크린(1)의 대각의 길이를 1.52 m(60 in), 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.53으로 한 후에, 프레넬각(φ)을 변화시켜 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)가 어떻게 변화되는지를 시산한 결과를 나타낸다. 또한, 도10에는 같은 시산을, 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.55로 한 후에 행한 결과를 나타낸다.
도11에는 투과형 스크린(1)의 대각의 길이를 1.78 m(70 in), 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.53으로 한 후에, 프레넬각(φ)을 변화시켜 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)가 어떻게 변화되는지를 시산한 결과를 나타낸다. 또한, 도12에는 같은 시산을, 프레넬 렌즈 시트(2)의 굴절률(n)을 1.55로 한 후에 행한 결과를 나타낸다.
도7, 도8의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 프레넬각(φ)이 77도일 때, 1.27 m(50 in) 사이즈의 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)는, n ＝ 1.53에서는 135 ㎜, n ＝ 1.55에서는 106 ㎜가 된다.
도9, 도10의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 프레넬각(φ)이 77도일 때, 1.52 m(60 in) 사이즈의 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)는 n ＝ 1.53에서는 162 ㎜, n ＝ 1.55에서는 126 ㎜가 된다.
도11, 도12의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 프레넬각(φ)이 77도일 때, 1.78 m(70 in) 사이즈의 배면 투사형 디스플레이 장치(10)의 안길이(W)는, n ＝ 1.53에서는 189 ㎜, n ＝ 1.55에서는 148 ㎜가 된다.
상기한 어느 쪽의 경우에도, 프레넬각(φ)이 77도 미만에서는 안길이(W)는 일차 함수적인 변화밖에 나타내고 있지 않지만, 프레넬각(φ)이 77도 이상이 되면, 안길이(W)가 이차 함수적으로 변화되어 극단적으로 짧아지는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 일은 없다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 일은 없고, 첨부한 청구항의 범위에 의해서만 한정된다.
본 발명은 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되고, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 위치하는 프레넬 렌즈 시트와, 광확 산판을 갖는 투과형 스크린과, 상기 투과형 스크린에 영상을 투사 가능한 프로젝터와, 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린 사이에 반사경을 구비하고, 상기 반사경이 프로젝터와 상기 투과형 스크린의 대략 중간 위치에 설치되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본 발명의 배면 투사형 디스플레이 장치에 따르면, 스크린에의 투사 영상의 프로젝터 근방으로의 복귀광에 의한 스크린 상의 미광의 발생을 방지할 수 있어, 부품이나 공정수를 추가하는 일 없이, 또한 박형화의 이점을 손상시키는 일 없이 고품질의 투사 화상을 표시하는 것이 가능한 배면 투사형 디스플레이 장치를 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어 이루어지는 프레넬 렌즈 시트이며,
    상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고, 상기 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 상기 프레넬면의 경사의 각도가 상기 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하여 상기 프레넬 렌즈 시트는 상기 프레넬면의 경사의 각도가 77도 이상인 영역을 갖는 프레넬 렌즈 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되어 있는 프레넬 렌즈 시트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 중 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되어 있는 프레넬 렌즈 시트.
  4. 제1항에 있어서, 경성 및 취성이 다른 재료를 2층 이상 적층함으로써 구성되어 있는 프레넬 렌즈 시트.
  5. 프레넬 렌즈 시트와, 광확산판을 갖는 투과형 스크린이며,
    상기 프레넬 렌즈 시트에는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고, 상기 광축에 수직으로 교차하는 평면에 대한 상기 프레넬면의 경사의 각도가 상기 광축으로부터 주변을 향해 점점 증가하여 상기 프레넬 렌즈 시트는 상기 프레넬면의 경사의 각도가 77도 이상인 영역을 갖는 투과형 스크린.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광확산판은 간유리, 필터 혹은 광확산 입자 등을 함유하는 확산판, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 1방향을 향해 배열되어 있는 렌티큘러 시트, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 2방향을 향해 교차하도록 동일면 상에 배열되어 있는 크로스 렌티큘러 시트, 프리즘 어레이를 갖는 렌즈 시트, 단위 렌즈가 2차원적으로 배열된 마이크로 렌즈 구조를 갖는 렌즈 시트 중 어느 하나인 투과형 스크린.
  7. 제5항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되어 있는 투과형 스크린.
  8. 제5항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시트 중 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되어 있는 투과형 스크린.
  9. 제5항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시트는 경성 및 취성이 다른 재료가 2층 이상 적층되어 있는 투과형 스크린.
  10. 프레넬 렌즈 시트와 광확산판을 갖는 투과형 스크린과, 상기 투과형 스크린에 영상을 투사 가능한 프로젝터와, 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린 사이에 설치된 반사경을 구비하는 배면 투사형 디스플레이 장치이며,
    상기 프레넬 렌즈 시트에는 광선 투과면이 되는 프레넬면과 광선 비투과면이 되는 라이즈면을 갖는 렌즈 패턴이 동심원 형상으로 형성되어, 상기 렌즈 패턴의 중심인 프레넬 렌즈의 광축이 상기 프레넬 렌즈 시트의 외측에 배치되고,
    상기 반사경은 상기 프로젝터와 상기 투과형 스크린의 대략 중간 위치에 설치되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반사경의 상기 투과형 스크린에 대한 설치 각도가 5도 이상인 배면 투사형 디스플레이 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 프로젝터는 상기 투과형 스크린에 대해 영상이 비스듬히 투사되도록 배치되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 광확산판은 간유리, 필터 혹은 광확산 입자 등을 함유하는 확산판, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 1방향을 향해 배열되어 있는 렌티큘러 시트, 복수의 볼록 원통형 렌즈가 소정의 2방향을 향해 교차하도록 동일면 상에 배열되어 있는 크로스 렌티큘러 시트, 프리즘 어레이를 갖는 렌즈 시트, 단위 렌즈가 2차원적으로 배열된 마이크로 렌즈 구조를 갖는 렌즈 시트 중 어느 하나인 배면 투사형 디스플레이 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 반사경의 반사면은 비구면 및/또는 비대칭의 곡면인 배면 투사형 디스플레이 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈의 입사면측 및/또는 출사면측에 저굴절률층이 설치되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시트 중 적어도 입사면측에 대전 방지층이 설치되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치.
  17. 제10항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시트는 경성 및 취성이 다른 재료가 2층 이상 적층되어 있는 배면 투사형 디스플레이 장치.
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