KR20070020393A - 프로젝션 디스플레이용 스크린 및 프로젝션 디스플레이시스템 광학계 - Google Patents

Abstract

(과제) 확산광강도 분포 특성의 임의 제어가 가능하고, 또한 확산 각도 영역이 특정한 각도 영역에서의 입사광에 대하여 변화되지 않는 확산 필름 및 출사 방향 변환 효율이 높고, 출사 방향 변환 각도에 한계가 없는 광출사 방향 변환 소자를 실현하고, 박형 고품위 프로젝션 디스플레이를 제공한다.

(해결 수단) 인접 상호간의 굴절률이 상이한 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 층이, 필름 두께 방향에 대해서 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 경사 각도의 방향으로 연재하는 구조, 또는 굴절률 분포형의 광도파로를 이루는 층이, 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 길이에서 필름 두께 방향에 평행 또는 경사해서 연재하는 구조를 갖는 확산 필름으로 이루어지는 스크린을 제공한다. 또한, 확산 필름과, 인접 상호간에서 굴절률이 상이한 스텝 인덱스형 및/또는 굴절률 분포형의 광도파로를 이루는 층이 필름 두께 방향에 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 광출사 방향 변환 필름으로 이루어진 스크린을 제공한다.

Description

프로젝션 디스플레이용 스크린 및 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계{PROJECTION DISPLAY-USE SCREEN AND PROJECTION DISPLAY SYSTEM OPTICAL SYSTEM}

본 발명은 프로젝션 디스플레이용 스크린에 관한 것이고, 특히 제작이 간편할 수 있고, 제작 비용이 저렴하고, 또한 고품위한 화상 표시 특성을 갖는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린 및 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계에 관한 것이다.

프로젝션 디스플레이용 스크린에 관한 종래 기술로서, 특정한 각도 영역내에서의 입사광을 특정한 각도 영역내에 확산시키는 확산 필름(예를 들면 문헌 1 '오키다 등 : 스미또모 카가쿠 1991-I,p.37-48' 참조)로 이루어지는 리어 프로젝션 디스플레이용 스크린이 존재한다(예를 들면 특허문헌 2 '국제 공개 제 WO 2004/034145 호 공보' 참조).

이 스크린은, 종래 일반적으로 이용되고 있는 프레넬 스크린, 렌티큘러 렌 즈, 및 확산 필름으로 이루어지는 스크린과 상이하고, 도 10에 도시하는 바와 같이 특정한 각도 영역내에서의 입사광을 특정한 각도 영역내에 확산시키는 확산 필름만으로 되기 때문에 구조가 간단해서 저비용화가 용이하며, 그리고 도 11에 도시하는 바와 같이 확산광강도부 분포 특성이 특정한 각도 영역내에서의 입사광에 대하여 거의 균일해서 화면내 휘도의 변화가 적다고 하는 매우 유용한 특징을 구비하고 있다.

한편, 리어 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계를 박형화하기 위해서는, 예를 들면 도 31에 도시하는 바와 같이, 프로젝터(20)를 스크린 광축(10A)상에 배치하는 것은 아니고, 스크린 광축(10A)으로부터 어긋난 위치에 배치하고, 스크린(10)에 경사 방향으로부터 프로젝터 광을 입사시킬 필요가 있다. 스크린(10)에 경사로부터 입사한 프로젝터 광의 대부분은, 일반적으로 관찰자가 존재하는 스크린 정면 방향이 아니라, 프로젝터 광의 직진 투과 방향으로 강하게 확산하기 때문에, 상기 박형화를 달성하기 위해서는, 경사 방향으로부터 스크린에 입사하는 프로젝터 광의 출사 방향을 정면 방향으로 변환하는 것이 매우 중요하게 된다.

이러한 프로젝터 광의 방향 변환을 실행하기 위해서, 종래에 예를 들면 도 32에 도시하는 바와 같이, 경사 방향으로부터 입사해 오는 프로젝터 광(20A)을 프리즘(30)에 통과시키고, 프리즘 계면에 있어서의 굴절(40) 및 전반사(50)중 어느 한쪽 또는 양쪽을 이용함으로써 출사 방향을 변환하는 기술이 알려져 있다(예를 들면 문헌 3 'Shikama,S.et.al., SID, 02Digest, p.1250-1253' 참조).

발명의 요약

프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서는, 그 확산광강도 분포 특성의 임의 제어가 가능한 것이 매우 중요해서, 전술의 스크린에 있어서 그 특성을 실현함에 있어서 중요한 역할을 다하는 확산 필름의 원리에 관해서, 입사광의 회절에 의한 확산 모델이 제안되어 있다(문헌 1 참조). 그래서, 그 모델을 이용하여 확산광강도 분포 특성을 명확히 기술하는 것은 가능하지 않고, 확산광강도 분포 특성의 임의 제어는 실현되지 않고 있다.

전술의 프리즘을 이용한 스크린(문헌 3 참조)에서는, 프리즘이 갖는 복잡한 계면에 있어서 프로젝터 광의 미광(迷光, stray light)이 발생해 화상에 고스트(ghost)가 생긴다고 하는 문제, 및 계면에 있어서 외광이 그 입사측(관찰자측)으로 반사(후방 반사) 되어 콘트라스트비가 저하한다고 하는 문제를 갖고 있다. 또한, 가공 정밀도의 문제로 프리즘의 각이 둥글게 되고, 이 때문에 프리즘의 코너의 부분에서 프로젝터 광이 확산해 출사 방향 변환 효율이 저하함으로써 프로젝터 광 이용 효율이 낮다고 하는 문제, 및 경사 입사에서는 주로 프리즘의 코너의 부분에 프로젝터 광이 닿는 것에서부터 출사 방향 변환 효율이 입사 각도에 의존하기 때문에 실질적으로 출사 방향 변환 각도에 한계가 존재한다고 하는 문제가 있다.

여기에서, 출사 방향 변환 효율(또는 광출사 방향 변환 효율)은, 광출사 방향 변환 필름에 대해 어떤 각도 또는 각도 영역에서 입사한 광과, 어떤 각도 또는 각도 영역에 출사하는 광의 강도의 비이며, 입사 및 출사의 각도 또는 각도 영역은 일반적으로 프로젝터 광입사 각도와 스크린 확산 특성에 의해 결정된다. 또한, 출사 방향 변환 각도는 직진 투과 방향과 광출사 방향 변환 소자로부터의 출사 방향 의 차의 절대값이다.

여기에서, 본 발명은 확산광강도 분포 특성의 임의 제어가 가능하고, 또한 확산 각도 영역이 특정한 각도 영역에서의 입사광에 대하여 변화되지 않는 확산 필름의 실현을 목표로 하고, 이것을 스크린으로서 이용한 고품위 프로젝션 디스플레이 시스템의 제공을 목표로 했다. 또한, 본 발명은, 복잡한 계면에 기인하는 화상의 고스트나 콘트라스트비의 저하를 생기게 하는 일이 없이, 또한 출사 방향 변환 효율이 높고, 출사 방향 변환 각도에 한계를 갖지 않는 광출사 방향 변환 소자의 실현을 목표로 해서 그것을 스크린으로서 이용한 박형 고품위 프로젝션 디스플레이의 제공을 목표로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토한 결과, 광도파로의 원리를 이용하고, 입사광의 전파 방향을, 면내 방향에 층상에 적층시킨 평판 도파로내에서 변화시키는 것으로,

1) 확산광강도 분포 특성의 임의 제어가 가능하다,

2) 확산 각도 영역이 특정한 각도 영역에서의 입사광에 대하여 변화되지 않는다,

3) 입사광 흐려짐(blur)이 적다,

4) 높은 투과율 및 낮은 후방 산란을 실현한다,

5) 입사광의 편광이 유지된다,

라고 하는 뛰어난 특성을 실현하는 확산 필름의 구조에 생각이 도달했다.

또한, 광도파로의 원리를 이용하고, 입사광의 전파 방향을, 면내 방향에 층 상에 적층시킨 만곡한 광도파로내에서 변화시키는 것으로,

6) 미광에 의한 화상의 고스트가 생기지 않는다,

7) 후방 반사가 적다,

8) 광출사 방향 변환 효율이 높다,

9) 출사 방향 변환 각도에 한계를 갖지 않는다,

10) 입사광의 편광이 유지된다,

라고 하는 뛰어난 특성을 실현하는 광출사 방향 변환 필름의 구조에 생각이 도달했다.

즉, 본 발명은 이하와 같다.

본 발명 (1)은, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서, 상기 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이, 필름 면내의 한 방향에 나란한 줄무늬를 형성하고, 필름 두께 방향에 대하여 소정의 각도 범위에 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 경사 각도의 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (2)는, 입사광 확산 각도 영역으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서, 상기 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이, 필름 면내의 한 방향에 나란한 줄무늬를 형성하고, 필름 두께 방향에 대하여 소정의 각도 범위에 1 또는 2 이상의 피크를 포함해 해당 피크 이외는 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 경사 각도의 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (3)은, 본 발명 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 확산 필름의 구조는, 필름 두께(L) 및 줄무늬의 폭의 최대값(ymax)의 사이에 L≥10 ×ymax를 이루는 관계가 성립하는 구조인 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (4)는, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서, 상기 확산 필름은, 필름 두께 방향의 일 부위에, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이, 소정의 범위에 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 길이를 갖고서 필름 두께 방향 또는 해당 방향으로부터 경사진 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (5)는, 상기 확산 필름의 구조는, 상기 광도파로의 굴절률 분포가 그레디언트 인덱스형이며, 층의 경사 각도(θ), 층 길이의 최대값(Lzmax), 최소값(Lzmin) 및 광도파로의 피치(P)의 사이에 Lzmax-Lzmin≥(P/2) ×cosθ를 이루는 관계가 성립하는 구조인 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (6)은, 입사광 확산 각도 영역으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서, 상기 확산 필름은 본 발명 (1) 내지 (3)중 어느 하나에 이용되는 확산 필 름과 동일 구조의 부분과, 본 발명 (4) 또는 (5)에 이용되는 확산 필름과 동일 구조의 부분이 필름 두께 방향 또는 필름 면내 방향에 혼재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (7)은, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서, 상기 확산 필름은 본 발명 (1) 내지 (3)중 어느 하나에 이용되는 확산 필름의 구조와, 본 발명 (4) 또는 (5)에 이용되는 확산 필름의 구조가 융합해서 이루는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 프로젝션 디스플레이용 스크린이다.

본 발명 (8)은, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (9)는, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 필름은, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두 께 방향에 대하여 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (10)은, 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 필름은, 본 발명 (8)에 있어서의 구조와, 본 발명 (9)에 있어서의 구조가 필름 두께 방향 및 필름 면내 방향중 어느 한쪽 또는 양쪽에 혼재한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (11)은, 본 발명 (8) 내지 (10)중 어느 하나에 있어서, 상기 확산 필름의 입사광 확산 각도 영역과 상기 광출사 방향 변환 필름의 출사 각도 영역이 매칭하는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (12)는, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하고, 그 층 경사 각도가 대략 톱 해트형으로 분포하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (13)은, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하고, 그 층 길이가 대략 톱 해트형으로 분포하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (14)는, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서, 상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 본 발명 (12)에 있어서의 구조와, 본 발명 (13)에 있어서의 구조가 필름 두께 방향 및 필름 면내 방향의 어느 한쪽 또는 양쪽에 혼재한 구조, 또는 본 발명 (12)에 있어서의 구조와 본 발명 (13)에 있어서의 구조가 융합한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린이다.

본 발명 (15)는, 본 발명 (8) 내지 (14)중 어느 하나에 있어서 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린과, 이 스크린에의 입사광을 발광하는 프로젝터를 포함하며, 상기 프로젝터의 프로젝터 개구 및 배치가 상기 스크린의 입사 각도 영역과 매칭되어서 구성되는 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계이다.

본 발명 (16)은, 본 발명 (15)에 있어서, 상기 프로젝터로부터의 발광을 반사해서 상기 스크린에 입사시키는 반사경을 더 구비하고, 상기 반사경의 배치가 상 기 스크린의 입사 각도 영역과 매칭되어서 구성되는 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계이다.

발명의 효과

본 발명 (1) 내지 (7)에 의하면,

1) 확산광강도 분포 특성의 임의 제어가 가능하다,

2) 확산 각도 영역이 특정한 각도 영역에서의 입사광에 대하여 변화되지 않는다,

3) 입사광의 흐려짐이 적다,

4) 높은 투과율 및 낮은 후방 산란을 실현한다,

5) 입사광의 편광이 유지된다,

라고 하는 뛰어난 특성을 구비한 프로젝션 디스플레이용 스크린을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명 (8) 내지 (14)에 의하면,

6) 미광에 의한 화상의 고스트가 생기지 않는다,

7) 후방 반사가 적다,

8) 광출사 방향 변환 효율이 높다,

9) 출사 방향 변환 각도에 한계를 갖지 않는다,

10) 입사광의 편광이 유지된다,

라고 하는 뛰어난 특성을 실현하는 광출사 방향 변환 필름 및 광출사 방향 변환 확산 필름을 실현하는 것이 가능하고, 또한, 본 발명 (15) 또는 (16)에 의하 면, 그것을 스크린으로서 이용하고, 프로젝터 및 반사경의 배치, 프로젝터의 개구를 스크린의 개구에 맞추는 것에 의해 고품위 박형 프로젝션 디스플레이를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은 필름(1)의 일 예를 나타내는 모식도,

도 2는 필름(1)의 층 경사 각도를 도시하는 모식도,

도 3은 필름(1)의 층 경사 각도가 소정의 범위에 한결 같은 모양으로 분포한 상태를 도시하는 분포도,

도 4는 필름(1)의 입사각과 출사각의 관계를 도시하는 광강도 분포도,

도 5는 필름(2)의 일 예를 나타내는 모식도,

도 6은 도 5의 요점부를 확대해서 도시하는 필름 두께 방향의 단면도,

도 7은 층 두께 방향으로 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포 함수의 예를 나타내는 도면,

도 8은 필름(2)의 층 길이가 소정의 범위에 한결 같은 모양으로 분포한 상태를 도시하는 분포도,

도 9는 필름(2)의 입사각과 출사각의 관계를 도시하는 광강도 분포도,

도 10은 특정의 각도 영역내에서의 입사광을 특정의 각도 영역내에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 리어 프로젝션 디스플레이용 스크린의 개념도,

도 11은 도 10의 스크린의 확산 특성을 도시하는 광강도 분포도,

도 12a는 필름(3)의 일 예를 나타내는 모식도,

도 12b는 필름(4)의 일 예를 나타내는 모식도,

도 12c는 필름(5)의 일 예를 나타내는 모식도,

도 13은 본 발명에 이용하는 확산 필름의 입사측 부분의 층 경사 각도 분포의 측정 결과의 예를 나타내는 그래프,

도 14는 필름(1)의 모델식 도출(導出)의 설명도,

도 15는 필름(1)의 모델식 도출의 설명도,

도 16은 그레디언트 인덱스형 광도파로의 굴절률 분포를 도시한 도면,

도 17은 그레디언트 인덱스형 광도파로내의 광의 전파를 도시한 도면,

도 18은 NA의 계산 방법의 설명도,

도 19는 그레디언트 인덱스형 광도파로의 광축이 필름면의 법선과 각도(θ) 경사한 경우의 NA의 계산 방법의 설명도,

도 20은 실시예 1에 이용한 확산 필름의 구조 및 확산 특성의 설명도,

도 21은 실시예 2에 이용한 확산 필름의 구조 및 확산 특성의 설명도,

도 22는 본 발명의 스크린의 일 예 및 그것을 이용한 리어 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계의 일 예를 나타내는 측단면 모식도,

도 23은 만곡한 광도파로 어레이가 스텝 인덱스형일 경우의 광출사 방향 변환 필름의 예를 나타내는 모식도,

도 24는 각도의 부호와 회전 방향과의 대응시킴의 설명도,

도 25는 만곡한 광도파로 어레이가 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴 절률 분포를 갖는 형일 경우의 광출사 방향 변환 필름의 예를 나타내는 모식도,

도 26은 스텝 인덱스형의 광도파로 어레이와, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로 어레이가, (a) 필름 두께 방향에 혼재하는 예 및 (b) 필름 면내 방향에 혼재하는 예를 나타내는 모식도,

도 27은 NA에 대응하는 각도 범위와, 렌즈의 직경, 초점 거리, 결상 배율, 결상 위치와의 관계를 도시하는 설명도,

도 28은 단계 인덱스 광도파로 곡선 구조 모델의 설명도,

도 29는 도 7의 모델이 필름중에 형성한 상태를 도시하는 설명도,

도 30은 도 7의 모델이 필름중에 형성한 상태를 도시하는 설명도,

도 31은 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계의 박형화에 관한 설명도,

도 32은 프리즘을 이용한 종래 기술로 개념도,

도 33은 박형 리어 프로젝션 디스플레이 시스템의 예를 나타내는 (a) 측면도 및 (b) 평면도,

도 34는 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 정의 설명도,

도 35는 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내의 NA를 결정하는 각도의 도출을 도시하는 설명도,

도 36은 그레디언트 인덱스형의 구부러짐 도파로의 굽혀진 선 근사 모델의 설명도,

도 37은 도 36의 모델이 필름중에 형성한 상태를 도시하는 설명도,

도 38은 그레디언트 인덱스형 구부러짐 도파로의 출사측에서 상하 대칭인 NA 를 발현되게 하는 광축의 각도 해석의 설명도,

도 39는 그레디언트 인덱스형 구부러짐 도파로의 굽혀진 선 근사 모델의 곡률 반경을 도시하는 설명도,

도 40은 포물선형 이외에 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포의 예를 나타내는 설명도,

도 41은 실시예 3에 이용한 광학 필름의 개요(a)와, 상기 광학 필름으로 제작한 구부러짐 도파로를 이용하여 출사 방향을 변환시키는 실험 요령(b)을 도시하는 설명도,

도 42는 필름의 두께의 산출 방법을 도시하는 설명도.

부호의 설명

1 : 층(만곡한 광도파로=구부러짐 도파로)

1_A : 층(코어) 1_B : 층(클래드)

1_C : 층(층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 층)

2 : 광출사 방향 변환 필름 2_X : 잔부(광도파로 이외의 필름 부분)

3 : 확산 필름

4, 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, 4_L : 직선형 그레디언트 광도파로

5, 6, 7, 8, 15, 16, 17, 18 : 광선

9 : 광학 필름 9₁, 9₂ : 층

9_A : 광학 필름편 10 : 스크린

10A : 스크린 광축 11 : 광원

11₁ : 입사광 11₂ : 출사광

12 : 투명 매체 20 : 프로젝터(광학 엔진)

20A : 프로젝터 광 21 : 물체(화상 표시 패널)

30 : 프리즘 40 : 굴절

50 : 전반사 51 : 필름(1)

51₁ : 층(코어) 51₂ : 층(클래드)

52 : 필름(2) 52₁ : 층

53 : 필름(3) 54 : 필름(4)

53₁, 54₁ : 필름(1)과 동일 구조의 부분

53₂, 54₂ : 필름(2)과 동일 구조의 부분

55 : 필름(5)

55_A : 필름(1)의 구조와 필름(2)의 구조가 융합해서 되는 구조

60 : 확산 필름(산란 필름) 61 : 보호판

62 : 프로젝터 M1, M3 : 미러

M2 : 비구면 미러

본 발명에 있어서, 광학계를 기술하는 각도에 대해서는, 도 24에 도시하는 바와 같이, 기준 방향(예를 들면 수평 방향(z방향))의 각도를 0°로 하고, 기준 방향으로부터 좌회전 방향(반시계 회전)의 각도를 정(+), 우회전 방향(시계 회전)의 각도를 부(-)라고 한다.

<본 발명 (1) 내지 (7)에 대해서>

우선, 본 발명 (1) 내지 (3)에 있어서의 확산 필름(필름(1))에 대해서 설명한다.

도 1은 필름(1)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 필름((1)51)은 이하에 언급하는 구조를 갖는 것으로, 입사광 확산 각도 영역(θin)으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역(θout)에 확산시킬 수 있다. 또한, 필름((1)51)의 두께(L)의 방향에 평행하게 z축으로 취하고, z축에 수직한 면내에서 서로 직교하는 x축, y축으로 한다.

필름((1)51)은 인접 상호간에서 상이한 굴절률 n₁, n₂(n>n₂)를 갖는 층(51₁, 51₂)이 필름 면내(xy 면내)의 한 방향으로 교대에 나란한 줄무늬(줄무늬의 폭 y₁, y₂)을 형성하고, 필름 두께 방향(z방향)에 대하여 평균 경사 각도(θ)의 방향으로 연재하는 구조를 갖는다. 여기에서, 입사광을 균일하게 확산시키기 위한 층(51₁, 51₂)의 줄무늬의 폭(y₁, y₂)의 조건은 필름((1)51)의 두께(L)를 이용하여 아래와 같이 나타낸다.

층 경사 각도(θ_L)는, z축에 관한 층 경계의 경사 각도에서 정의되어, 도 2에 도시하는 바와 같이, 필름((1)51)의 두께 방향 위치에 의해 최소 경사 각도(θ-Δθmax)로부터 최대 경사 각도(θ+Δθmax)에 걸쳐서의 범위내에서 변화된다. 여기에서, θ는 평균 경사 각도, Δθmax는 θ_L의 격차 범위의 1/2이다.

이때, 광의 로스를 없애기 위한 평균 경사 각도(θ)의 조건은 굴절률(n₁)을 이용하여 아래와 같이 나타낸다.

상기와 같은 구조를 갖는 필름((1)51)내의 각 층은 스텝 인덱스형 광도파로와 동등하다. 이러한 층에서는, 입사광을 균일하게 확산시키기 위한 층 경사 각도의 분포 조건은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 층 경사 각도(θ_L)의 존재 확률이 소정의 범위 ((θ-Δθm_ax)~(θ+Δθmax))에서 톱 해트형(직사각형 파형상)으로 분포한다는 것이다. 다만, 실제로는 완전한 톱 해트형이라고 하는 것은 곤란하기 때문에, 본 발명에서는 층 경사 각도의 소정의 범위에서의 존재 확률이, 그 분포 곡선에 있어서, 평탄역부의 존재 확률이 그 평균값의 ±40% 이내에서 불균형을 이루는 것, 및 융기부와 함몰부의 각 변역폭이 분포 곡선 전체의 최우(最尤) 반값 폭의 ±30% 이내에서 불균형을 이루는 것을 허용하고, 대략 톱 해트형으로 분포하는 것으로 규정했다.

또한, 실제로는 소정의 범위내에서의 층 경사 각도의 대략 톱 해트형의 분포에 1개 또는 2개 이상의 피크(peak)가 혼재할 경우가 있지만, 이 존재 확률의 피크값이 피크를 제외한 평균값의 1000% 이하이면 본 발명의 효과에의 악영향은 작으므로, 이러한 경우도 본 발명에 포함시켰다. 또한, 피크 개수는 5개 정도 이하인 것이 바람직하다.

확산광강도의 일관성은 층 경사 각도 존재 확률 뿐만 아니라 층 길이에도 의존하고, 층이 길게 되는 만큼 입사광은 다중 반사를 되풀이 하는 것에 의해 균일한 확산광강도 분포 특성을 얻을 수 있다. 이 때문에 필름 두께(L)가 50×ymax를 초과하는 것과 같은 두꺼운 필름에서는 상기 허용 범위는 더욱 커진다. 여기서 ymax는 y₁과 y₂중 어느 하나가 큰쪽이다.

이상의 조건을 만족하는 필름(1)에서는, 이것에 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광은 출사광 확산 각도 영역에 대략 동일한 광강도로 확산된다.

여기에서, 입사광 확산 각도 영역(θin)은 이하의 식으로 표시된다.

또한, Max{a, b}는 a와 b중 큰 쪽을 나타내고, Min{a, b}은 a와 b중 작은 쪽을 나타낸다(이하 동일하다).

또한, 출사광 확산 각도 영역(θout)은 아래와 같이 표시된다.

이상의 입사각과 출사각의 관계를 도 4에 도시한다.

상기 각도(θ₁', θ₁", θ₂', θ₁₂")는 음과 같이 해서 도출된다.

필름(1)은 스텝 인덱스형의 광도파로(이하, 간단히 도파로라고 한다)가 1차원적 어레이를 이루고, 층 구조를 구성하고 있는 것이며, 이 층의 방향이 불균형을 갖고 있는 필름이다. 층의 평균 방향을 θ라고 하고, 이 θ를 중심으로 ±Δθmax만 불균형한 모델을 고려한다. 이 모델에서 층 경사 각도의 분포가 (θ-Δθmax)~(θ+Δθmax)의 사이에서 균일하게 불균형인 경우, (θ-Δθmax)에서 결정되는 임계각과, (θ+Δθmax)에서 결정되는 임계각의 사이의 각도의 광선은 다중 반사를 반복하고, 이 사이의 각도를 일정하게 매립되어 가는 것으로 된다. 이 메카니즘은, 반사면이 직선이 아니라 곡선으로 구성되어, 어떤 방향으로부터 입사한 평면파(광선)가 곡면파(반사면이 2차 곡선으로 구성되었을 경우 구면파)로 변환되어, 임계각을 넘는 각도로 되면 그 이상 반사가 거의 일어나지 않고, 입사 방향에는 의존하지 않는 톱 해트적인 확산 특성이 발현하는 것이다. 이 톱 해트 특성을 결정하는 것이 (θ-Δθmax)에서 결정되는 임계각과, (θ+Δθmax)에서 결정되는 임계각이다.

층 경사 각도(θ-Δθmax)에서 결정되는 임계각에는, 도파로의 상측과 하측의 2통과가 있고, 마찬가지로 층 경사 각도(θ+Δθmax)에서 결정되는 임계각에도 도파로의 상측과 하측의 2통과가 있기 때문에, 합 4 통과의 각도가 존재하게 된다.

우선, 층 경사 각도(θ+Δθmax)의 경우에 대해서 도출을 실행한다. 공기의 굴절률을 n_air, 코어(51₁)의 굴절률을 n₁, 클래드(51₂)의 굴절률을 n₂(n₁>n₂)이라고 해서, 도 14의 입사측의 필름 계면에서 스넬의 법칙을 적용하면, 다음식이 얻어진다.

다음에, 코어(51₁)에 들어간 광이 클래드(51₂)와의 상측의 계면에서 전반사하는 한계 각도, 즉 임계각은 다음식으로 주어진다.

식(A1), (A2)에 의해 다음식을 얻을 수 있다.

다음에, 도파로의 하측의 계면에서 결정되는 각의 도출을 실행한다. 도 15의 입사측의 필름 계면에 스넬의 법칙을 적용하면, 다음식을 얻을 수 있다.

다음에, 코어(51₁)에 들어간 광이 클래드(51₂)와의 하측의 계면에서 전반사하는 한계 각도(임계각)는 다음식으로 주어진다.

식(A4), (A5)에 의해 다음식을 얻을 수 있다.

이상이, 층 경사 각도( θ+Δθmax)의 경우의 상측, 하측의 코어/클래드 계면에서 결정되는 각(θ₁'와 θ₂')의 도출이다.

마찬가지로, 층 경사 각도( θ-Δθmax)의 경우, 식(A3), (A6)에 있어서 (θ+Δθmax)을 (θ-Δθmax)에 치환하고, 다음식을 얻을 수 있다.

따라서, 4개의 각도의 도출이 완료된다.

필름(1)에서는 층 경사 각도의 존재 확률에 의하여 출사광의 확산광강도 분포 특성이 결정된다. 상기 예에서는 입사광을 톱 해트적인 광강도 분포에서 확산시키기 위해서, 도 3과 같이 층 경사 각도의 존재 확률을 톱 해트형으로 분포하는 것이라고 했지만, 동일한 물리법칙에 따른 의논에 의해 존재 확률을 대략 톱 해트형(사다리꼴형 등을 포함하는)으로 분포하는 것 같이 변화시키는 것으로, 톱 해트적인 것 이외(예를 들면 사다리꼴형, 가우스분포형 등)의 원하는 확산광강도 분포 특성을 얻는 것이 가능하다.

또한, 도 1 및 도 2의 예에서는 두께 방향에만 층 경사 각도가 불균형을 이루고, 면내 방향에는 층 경사 각도에 불균형을 갖지 않는 필름을 도시했지만, 두께 방향 뿐만 아니라 면내 방향에도 층 경사 각도를 불균형으로 하거나, 또는 면내 방향에만 층 경사 각도를 불균형으로 하고, 상기 예와 동일한 물리법칙에 따른 의논에 의하여 층 경사 각도 존재 확률을 변화시키는 것으로, 원하는 확산광강도 분포 특성을 얻는 것이 가능하다.

또한, 도 1 및 도 2의 예에서는 필름면을 평면이라고 했지만, 필름면이 곡면일 경우에 관해서도, 곡면을 미소한 평면의 집합으로 생각하는 것과 마찬가지로 취급하는 것이 가능하다. 또한, 도 1 및 도 2의 예에서는 층을 2종류라고 하고 있지만, 3 종류 이상의 층을 갖는 구조이여도 마찬가지로 취급할 수 있다.

다음에, 본 발명 (4) 및 (5)에 있어서의 확산 필름(필름(2))에 대해서 설명한다. 도 5는 필름(2)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 또한, 도 5의 요점부를 확대해서 도 6에 도시한다. 필름((2)52)은 이하에 말하는 구조를 갖는 것으로, 입사광 확산 각도 영역(θin)으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역(θout)으로 확산시킬 수 있다. 또한, 필름((2)52)의 두께(L)의 방향에 평행으로 z축을 잡고, z축에 수직한 면내에서 서로 직교하는 x축, y축을 잡았다.

필름((2)52)은 필름 두께 방향의 일 부위에, z방향과 경사 각도(θ)(필름(1)의 평균 경사 각도와 동일한 기호(θ)를 이용함)를 이루는 계면에서 구획된 두께(b₁)의 층(52₁)이 y방향으로 복수 중복된 구조를 갖는다. 층(52₁)은 층 두께 방향으로 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이룬다. 또한, 층(52₁) 이외의 필름(2) 부분은 일정한 굴절률(n_g)을 갖는다. 여기에서, 입사광을 균일하게 확산시키기 위한 층의 두께(b₁)의 조건은 필름(2)의 두께(L)를 이용하여, L≥10×b₁로 되는 식으로 나타낸다.

z방향에 관한 층(521)의 상호 계면의 각도(층의 각도)(θ)는 0°(층(52₁)의 연장 방향이 필름면에 수직)이여도 좋다. 층(52₁)의 층 길이(필름 두께 방향의 길이)를 Lzmin~Lzmax라고 한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, z축, y축을 x축의 주위에 각도(θ)만큼 회전시킨 것을 a축, b축이라고 한다. 즉, b축은 층의 두께 방향에 평행하고, a축은 b축과 x축에 수직이다.

층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포 함수의 예로서는, 도 7에 도시하는 것과 같은 것을 들 수 있다. 도 7a는 다음식에서 나타내는 굴절률 분포를 갖는 그레디언트 인덱스형 광도파로에 해당한다.

계수 ····(6)

여기서, 입사광을 균일하게 확산시키기 위한 층 길이의 조건은 층 경사 각도(θ), 층 길이의 최대값(Lzmax), 최소값(Lzmin) 및 광도파로의 피치(P)를 이용하여 다음식으로 나타낸다.

이 때, 층 길이의 존재 확률은 도 8에 도시하는 바와 같이 톱 해트형으로 분포하는 것이 이상이지만, 실제로는 완전한 톱 해트형이라고 하는 것은 곤란하므로, 본 발명에서는, Lzmin~Lzmax의 범위에서의 층 길이의 존재 확률이, 그 분포 곡선에 있어서, 평탄역부의 존재 확률이 그 평균값의 ±40% 이내에서 불균형을 이루는 것, 및 융기부와 함몰부의 각 변역폭이 분포 곡선 전체의 최우(最尤) 반값 폭의 ±30% 이내에서 불균형을 이루는 것을 허용하고, 대략 톱 해트형으로 분포하는 것으로 규정했다.

이상의 조건을 만족하는 필름(2)에서는, 이것에 입사광 확산 각도 영역으로부터 입사한 광은 출사광 확산 각도 영역에 대략 일정한 광강도에서 확산된다.

여기에서, 입사광 확산 각도 영역(θin)은 이하의 식으로 나타낸다.

또한, 출사광 확산 각도 영역(θout)은 아래와 같이 나타낸다.

이상의 입사각과 출사각의 관계를 도 9에 도시한다.

도 7a의 굴절률 분포를 가지는 그레디언트 인덱스형 광도파로에 입사한 광은 도파로 내부에 있어서,

의 범위에서 진행 방향을 바꾸면서 전파함으로써, 층 길이의 존재 확률의 상이에 의해 확산광강도 분포 특성이 결정된다.

상술한 바와 같이, 필름(2)의 일 형태에서는, 그레디언트 인덱스형 광도파로가 어레이 구조를 이루고, 광도파로의 길이 방향의 위치에 의해 광의 전파 방향이 상이하기 때문에, 도파로의 길이가 불균형을 이루고 있을 경우 도파로마다의 출사 단면에서의 출사 각도가 변화되고, 광의 확산이 발현된다. 이 때문에 도파로 내부에서의 전파 방향의 변화가 도파로 길이에 대하여 선형일 때, 길이의 불균형이 균일한 것에 의해 톱 해트적인 광의 확산 특성이 실현한다.

여기에서, 이 메카니즘을 해석하는 식의 도출과 설명을 실행한다.

우선, 광도파로의 하나에 착안한다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 광도파로의 중심으로부터 대칭으로, 굴절률 분포 함수가 다음 2차 함수의 식(B1)으로 주어진다고 한다.

여기서, n₁은 중심축상의 굴절률, A는 굴절률 분포 정수, r은 중심으로부터의 거리이다. 광도파로의 두께 방향의 양 계면 위치 좌표 ±b₁/2에서의 굴절률을 n₂라고 하면, A=(8/b₁ ²) ×(n₁-n₂)/n₁ 이다.

도 17에 도시하는 바와 같이, 그레디언트 인덱스형 광도파로의 중심으로 z축을 잡고, 광의 입사면의 위치를 z=z₁이라고 한다. 이 z축으로부터의 거리가 r이다. 광의 입사면의 위치에서의 z축으로부터의 거리를 r₁, 이 위치에서의 광도파로내의 광선의 방향을, r₁ ^*=dr₁/dz=tanθ₁이라고 한다. 마찬가지로, 광의 출사면에 있어서도, 그 위치를 z=z₂라고 하고 z축으로부터의 거리를 r₂, 이 위치에서의 광도파로내의 광선의 방향을, r₂ ^*=dr₂/dz=tanθ₂이라고 한다.

광입사면의 광선의 위치와 방향을 나타내는 벡터(입력 벡터)[r₁,r₁ ^*]와 광출사면의 광선의 위치와 방향을 나타내는 벡터(출력 벡터)[r₂,r₂ ^*]의 사이에는 다음식(B2)의 관계가 성립된다.

[수1]

식(B2)은 광의 입사 위치(r₁)와 그 위치에서의 광선의 방향(r₁ ^*)에 상관없이, 어떤 일정의 거리만 z축 방향에 진행하면, z축으로부터의 거리와 그 위치에서의 광선의 방향이 주기적으로 원의 상태에 되돌아오는 것을 의미하고 있다. 이 주기적으로 원의 상태로 되돌아오는 z축 방향의 거리가 그레디언트 인덱스형 광도파로의 피치(P)이다. 간단하기 때문에 입사면의 위치를 z₁=0이라고 하면, 식(B2)은 다음식(B3)이 된다.

[식2]

식(B3)에 의해 피치(P)를 구한다. 식(B3)중의 2×2행렬의 성분은 sin과 cos의 함수이기 때문에, √A×z₂가 2π변화하면 광선의 위치와 방향이 원래로 돌아가기 때문에, 피치(P)는 다음식에 의해 구한다.

따라서,

다음에, 개구수(NA : NumericaI Aperture)의 계산을 실행한다. 이 NA는 그레디언트 인덱스형 광도파로를 전파할 수 있는 광선과 광축과의 각도중 최대의 각도에서 주어진다. NA를 구하기 위해서, 도 18에 도시하는 바와 같이, 그레디언트 인덱스형 광도파로의 길이(z₂)를 P/4라고 하고, 입사 광선을 z₁=0의 면으로 광선 위치 r₁=b₁/2(광도파로의 두께 방향의 단), 광선 방향을 광축과 평행이라고 한다(r₁ ^*=dr₁/dz=tanθ₁=0).

따라서, 입력 벡터[r₁,r₁ ^*]는 다음식(B6)이 된다. 한편, 출력 벡터[r₂, r₂ ^*]는 그레디언트 인덱스형 광도파로의 길이 z₂=P/4에서, 입사광이 광축과 평행하기 때문 r₂=0이 되므로, 다음식(B7)에서 주어진다. 식(B5)에 의해 P=2π/√A를 이용하면, z₂=P/4는 다음식(B8)이 된다. 여기에서, 식(B6), (B7), (B8)을 식(B3)에 대입하고, 정리하면 다음식(B9)이 된다.

[수3]

식(B9)에 의해, 광도파로내에서의 출사면에 있어서의 광축과의 각도(θ_NA0)는 다음식에 의해 주어진다.

따라서, 식(B10)에 의해, θ_NA0를 정의 값이라고 하면, θ_NA0는 다음식으로 주어진다.

이 광의 공기층에의 출사각(θ'_NA0)는 광축상의 출사면에 스넬의 법칙을 적용하고, 다음식의 관계를 만족한다.

여기서, n_air는 공기의 굴절률이다.

식(B11), (B12)에 의해, 이 그레디언트 인덱스형 광도파로의 NA는 다음식으로 주어진다.

따라서, 그레디언트 인덱스형 광도파로 길이의 불균형 Lzmax-Lzmin이 P/2보다 크고, 균일하게 불균형한 경우, 식(B13)에서 주어지는 NA의 각도 ±θ'_NA0내에서 톱 해트적인 광의 확산이 발현되게 된다.

이상의 해석은, 그레디언트 인덱스형 광도파로의 광축이 필름면의 법선과 일치하고 있을 경우에 관한 것이다.

다음에, 광축이 필름면의 법선과 각도(θ)만 경사시킨 경우의 해석을 실행한다. 도 19에 도시하는 바와 같이, 필름내에서 θ만큼 경사한 그레디언트 인덱스형 광도파로가 존재하면, 광도파로의 입사측과 출사측에, 동일한 꼭지각의 프리즘이 역방향으로 설치된 광학계가 된다. 이 광학계의 NA를 구하면, θ만큼 경사진 그레디언트 인덱스형 광도파로에 의해 구성되는 필름의 톱 해트 특성을 기술할 수 있다.

도 19에 도시하는 광학계는 입사측과 출사측이 동일 구조이므로, 출사측에서 해석한다. 도 19중의 θ_NA0는 식(B11)에서 주어지는 것이다. 그레디언트 인덱스형 광도파로의 광축과, 출사측 프리즘과의 경계부에 스넬의 법칙을 적용하고, 다음식을 얻는다.

여기서, n_g는 프리즘의 굴절률이다.

다음에, 상측으로 진행하는 광선₁에 착안하고, 이 광선이 프리즘으로부터 공기층에 출사하는 경계에 스넬의 법칙을 적용하고, 다음식을 얻는다.

다음에, 하측에 진행하는 광선에 착안하고, 프리즘으로부터 공기층에 출사하는 경계에 스넬의 법칙을 적용하고, 다음식을 얻는다.

식(B11)의 θ_NA0를 (B14)식에 대입하고, sinθ_g1을 구하고, 다음식을 얻는다.

n_air=1.0으로서, 식(B15), (B16)에 의해 θ_NA1와 θ_NA2를 구하면 각각 다음식으로서 주어진다.

따라서, 이 광학계는 입사측과 출사측은 동일 구조이므로, 입출력의 NA의 각도는 각각 다음식으로 된다.

광도파로내의 광이 구부러지는 각은, 광축이 θ 경사하고 있으므로, θ-θ_NA0~θ+θ_NA0로 된다. 이것에 식(B11)의 θ_NA0를 대입하면 다음식을 얻을 수 있다.

또한, 광축이 θ경사하고 있기 때문에, 불균형의 길이는 0=0°의 때의 cosθ배로 변하기 때문에, Lzmax-Lzmin은 다음식으로 주어진다.

이상에서, 필름(2)의 층이 도 7a의 굴절률 분포를 갖는 것에 관한 식의 도출 및 설명을 종료한다.

한편, 도 7b의 굴절률 분포는 그레디언트 인덱스형 광도파로의 그것과는 얼마쯤 상이하지만, 이것도 층 두께 방향에 집광 능력(입사광을 층 내부에 남기려고 하는 집광 능력)을 발현될 수 있으므로, 그레디언트 인덱스형 광도파로의 경우와 마찬가지로 취급할 수 있고, 층 길이의 존재 확률을 변화시키는 것으로, 원하는 확산광강도 분포 특성을 얻는 것이 가능하다.

또한, 필름의 장소마다에 다른 굴절률 분포를 갖는 그레디언트 인덱스형 광도파로가 형성되었을 경우라도, 마찬가지로 취급하는 것이 가능하다.

필름(2)에서는 층 내부에서의 광의 전파 방향과 층 길이의 존재 확률에 의하여 출사광의 확산광강도 분포 특성이 결정된다. 상기 예에서는 입사광을 톱 해트적인 광강도 분포에서 확산시키기 위해서 층 길이의 존재 확률을 톱 해트형으로 분포하는 것이라고 했지만, 동일한 물리법칙에 따른 의논에 의하여 층 내부의 굴절률 분포 및 존재 확률의 어느 한쪽 또는 양쪽을 변화시키는 것으로, 톱 해트적인 것 이외(예를 들면 사다리꼴형, 가우스 분포형 등)의 원하는 확산광강도 분포 특성을 얻는 것이 가능하다.

또한, 도 5, 도 6의 예에서는 층 경사 각도에 불균형을 갖지 않는 필름을 도시했지만, 면내 방향에서 층 경사 각도를 불균형으로 하여, 필름(1)의 경우와 동일하게 층 경사 각도 존재 확률을 변화시키는 것으로, 원하는 확산광강도 분포 특성을 얻는 것이 가능하다.

또한, 도 5, 도 6의 예에서는 필름면을 평면이라고 했지만, 필름면이 곡면일 경우에 관해서도, 곡면을 미소한 평면의 집합이라고 생각하는 것과 마찬가지로 취급하는 것이 가능하다.

또한, 도 5, 도 6의 예에서는, 인접하는 층이 접촉할 경우를 도시했지만, 인접하는 층이 다소 분리되어 있을 경우라도 마찬가지로 취급할 수 있다. 단지, 이 경우는, 입사광의 일부는 층 내부를 전파하지 않고 필름(2) 내부의 굴절률 일정(n_g)의 부분을 진행하기 때문에, 직진 투과광의 비율이 커진다.

또한, 도 5, 도 6의 예에서는 한쪽의 측의 필름면을 입사측이라고 했지만, 그 반대측의 필름면을 입사측이라고 했을 경우라도 마찬가지로 취급할 수 있다.

다음에, 본 발명 (6) 및 (7)에 있어서의 확산 필름(필름(3), 필름(4), 필름(5))에 대해서 설명한다. 이들은 필름(1)의 구조와 필름(2)의 구조와가 조합된 구조를 갖는다.

도 12a는 필름(3)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 도 12a에 표시되는 것 같이, 필름((3)53)은 필름(1)과 동일 구조의 부분(53₁)과 필름(2)과 동일 구조의 부분(53₂)이 필름 두께 방향에 혼재하는 구조를 갖는 것이다.

도 12b는 필름(4)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 도 12b에 표시되는 것 같이, 필름((4)54)은 필름(1)과 동일 구조의 부분(54₁)과 필름(2)과 동일 구조의 부분(54₂)이 필름 면내 방향에 혼재하는 구조를 갖는 것이다.

도 12c는 필름(5)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 도 12c에 표시되는 것 같이, 필름((5)55)은 필름(1)의 구조와 필름(2)의 구조가 융합해서 되는 구조(55_A)를 갖는 것이다.

도 12에 예시한 어느쪽의 확산 필름에 있어서도, 각각 필름(1), 필름(2)에 분해해서 취급할 수 있고, 입사광 확산 각도 영역은 각각의 필름의 중합에 의해 도출된다.

<본 발명 (8) 내지 (16)에 대해서>

다음에, 본 발명 (8) 내지 (16)에 대해서 설명한다.

리어 프로젝션 디스플레이 시스템(생략해서 리어 프로)에서는, 시스템을 박형으로 하기 위해서, 예를 들면 도 33에 도시하는 바와 같이, 광학 엔진(프로젝터)(20)을 스크린(10)의 하측에 배치하고, 거울 등(미러(M1, M3), 비구면 미러(M2))에 의해 광의 방향을 바꾸고, 스크린(10)의 하측으로부터 스크린 법선에 대하여 경사 방향으로부터의 결상을 이용하고 있다. 따라서, 이대로는 광의 에너지의 중심 방향이 스크린 상측에 향한 확산 특성이 되기 때문에, 종래 도 32에 도시한 것과 같이 프리즘(30)(프리즘 시트)을 이용하여, 광강도의 중심 방향을 스크린의 법선 방향을 향하는 것이 일반적이다.

그러나, 프리즘 시트를 이용하면, 박형 리어 프로의 경우, 굴절형과 반사형을 병용함에 의한 특성의 불균형이나, 장소에 의해 다른 프리즘 형상에 의한 제조의 곤란함이 있다.

이것에 대하여, 본 발명에서는, 종래의 프리즘 시트 대신에, 도 22에 도시하는 바와 같이, 광도파로 어레이를 이루는 복수의 층(1)이 필름 면내 방향에 줄무늬형상으로 나란하게 되고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 광출사 방향 변환 필름(2)을 이용한다. 또한, 도면부호(3)는 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름이며, 이 확산 필름(3)과 광출사 방향 변환 필름(2)으로 스크린(10)이 구성된다.

광출사 방향 변환 필름(2)내의 광도파로(1)는 스텝 인덱스형의 광도파로, 또는 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형(예를 들면 그레디언트 인덱스형)의 광도파로이다.

도 23은 만곡한 광도파로 어레이가 스텝 인덱스형일 경우의 광출사 방향 변환 필름의 예를 나타내는 모식도이다. 광도파로(1)를 이루는 굴절률(n₁)의 층(코어)(1_A)과 굴절률(n₂)의 층(클래드)(1_B)(n₁>n₂)이 필름 면내 방향으로 서로 상이하게 적층되어 있다. 2_x는 잔부(광도파로(1) 이외의 필름 부분)이다. 층(1_A, 1_B)의 경계는 필름면의 법선에 대하여 입사측에서 θ_bend-in, 출사측에서 θ_bend-out의 각도만큼 경사되어 있다. 이러한 스텝 인덱스형의 광도파로에서는, 코어(1_A)에 입사한 광선(8)이 층 경계에서 전반사하면서 코어(1_A)내를 광도파로(1)의 굽힘에 따라서 전파하고, 광강도의 중심 방향을 θ_bend-out에 의해 결정되는 원하는 방향(예를 들면 필름면의 법선 방향)으로서 출사하는 것과 같이 설계할 수 있다.

도 25는 만곡한 광도파로 어레이가 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형일 경우의 광출사 방향 변환 필름의 예를 나타내는 모식도이다. 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 층(1_C)이 필름 면내 방향에 적층해서 광도파로 어레이를 이루고 있다. 2_X는 잔부(광도파로(1) 이외의 필름 부분)이다. 층(1_C)의 경계는 필름면의 법선에 대하여 입사측에서 θ_bend-in, 출사측에서 θ_bend-out의 각도만큼 경사져 있다. 이러한 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로에서는, 층(1_C)에 입사한 광선(8)이 층 경계간을 진폭이라고 하는 파형을 그리는 것과 같이 굴절하면서 층(1_C)내를 광도파로(1)의 굽힙부를 따라 전파하고, 광강도의 중심 방향을 θ_bend-out에 의해 결정되는 원하는 방향(예를 들면 필름면의 법선 방향)으로서 출사하는 것과 같이 설계할 수 있다.

1장의 광출사 방향 변환 필름에는, 스텝 인덱스형, 및 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형중, 어느 하나의 형의 광도파로만이 존재해도 좋고, 또한 양 형의 광도파로가 필름 면내 방향, 필름 두께 방향의 어느 한쪽 또는 양쪽에 혼재해도 좋다. 또한, 도 26에는 스텝 인덱스형의 광도파로 어레이와, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로 어레이가, (a) 필름 두께 방향에 혼재하는 예, 및 (b) 필름 면내 방향에 혼재하는 예를 나타냈다.

또한, 본 발명 (8) 내지 (16)의 개시중의 도면 및 해석에서는 모두 필름중에 층을 형성하지 않는 잔부(2_X)를 갖는 예를 나타내고 있지만, 이것은 광출사 방향 변환 특성에 직접 기여하지 않는 부분이며, 잔부(2_X)가 없는 구조, 또는 한쪽만에 존재하는 구조이여도 마찬가지로 광출사 방향 변환 특성을 발현한다. 이 경우도 이하에 도시하는 해석과 동일하게 층 내부에 있어서의 광의 전파를 생각하고, 출사시에 있어서의 잔부(2_X)에서의 굴절을 계산하는 것으로 마찬가지로 취급하는 것이 가능하다. 또한, 도면에서는 잔부(2_X)는 층 두께 방향 단면이 삼각형상이며, 그 1변이 필름의 공기 계면이라고 하고 있지만, 상기와 같은 이유에 의해 이외의 구조(예를 들면 잔부(2_X)가 매우 크고, 필름의 두께 방향의 일부에 있어서 층의 존재하지 않는 영역이 존재하는 등)이여도 마찬가지로 취급하는 것이 가능하다.

이와 같이 구성된 스크린에서는, 광학 엔진으로부터의 광을 만곡한 광도파로내에서 반사 혹은 굴절시키면서, 광강도의 중심 방향을 θ_bend-out에 의해 결정되는 소망의 방향(예를 들면, 스크린 법선 방향)으로 향할 수 있다. 이것에 의하면, 종래의 프리즘 시트와 같은, 굴절형과 반사형을 병용함에 의한 특성의 불균형이나, 장소에 의해 상이한 프리즘 형상에 의한 제조의 곤란은 없어지고,

6) 미광에 의한 화상의 고스트가 생기지 않는다,

7) 후방 반사가 적다,

8) 광출사 방향 변환 효율이 높다,

9) 출사 방향 변환 각도에 한계를 갖지 않는다,

10) 입사광의 편광이 유지된다,

라고 하는 뛰어난 특성을 실현하는 광출사 방향 변환 필름을 실현할 수 있다.

다만, 광출사 방향 변환 필름의 출사 각도 영역이, 확산 필름의 입사광 확산 각도 영역과 매칭되지 않으면, 프로젝터 광의 일부가 관찰자의 존재하는 방향으로 확산되지 않고, 프로젝터 광 이용 효율이 저하하기 때문에, 이들의 각도 영역은 매칭하고 있는 것이 바람직하고, 적어도 광출사 방향 변환 필름의 출사 각도 영역(θ_out)의 50%가 확산 필름 입사 각도 영역(θ_bend-in)에 포함되어 있을 필요가 있다.

또한, 광출사 방향 변환 필름으로 조합시켜서 이용하는 확산 필름으로서는, 특히 한정하지 않지만, 본 발명 (1) 내지 (7)중 어느 하나에 이용하는 확산 필름이 바람직하다.

또한, 상기 광출사 방향 변환 필름은 스텝 인덱스형의 광도파로의 층 경사 각도 및/또는 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로의 층 길이를 대략 톱 해트형으로 분포시킴으로써, 대략 톱 해트형의 확산광강도 특성을 갖게 한 광출사 방향 변환 확산 필름으로 할 수 있다.

이 광출사 방향 변환 확산 필름은 본 발명 (1) 내지 (7)에 이용하는 확산 필름에 있어서, 해당 확산 필름내의 광도파로를 만곡시킨 형태의 것에 해당한다.

1장의 광출사 방향 변환 확산 필름에는, 스텝 인덱스형, 및 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형중 어느 하나의 형의 광도파로만이 존재해도 좋고, 또한 양 형의 광도파로가 필름 면내 방향, 필름 두께 방향의 어느 하나 또는 양쪽에 혼재해도 좋다.

또한, 1장의 광출사 방향 변환 확산 필름은, 상기 양 형의 광도파로가 융합한 구조를 갖는 것이라도 좋다. 이 구조는, 층내의 굴절률 분포가 스텝 인덱스형의 굴절률 분포 함수와 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포 함수중 어느 하나이며, 층 경사 각도와 층 길이가 대략 톱 해트형의 격차 분포를 갖는 만곡층으로 이루어지는 구조이다.

이 광출사 방향 변환 확산 필름은 입사광을 광도파로내에서 구부러지게 하면서 확산시키는 기능을 가지기 때문에, 이것을 상기 광출사 방향 변환 필름(확산 기능의 없는 광출사 방향 변환 필름) 대신에 사용하는 것에 의해, 별단의 확산 필름을 이용할 필요가 없어지고, 스크린을 이 광출사 방향 변환 확산 필름만으로 구성 할 수 있다.

본 발명 (8) 내지 (14)의 스크린에 있어서, 광출사 방향 변환 필름 또는 광출사 방향 변환 확산 필름내의 광도파로를 이루는 각 층의 두께는, 이것이 지나치게 크면 해상도가 높은 화상을 전파할 수 없기 때문에, 일반적인 프로젝션 디스플레이 투사 화상의 화소의 크기로부터 고려해서, 500㎛보다도 작은 것이 바람직하다.

또한, 광출사 방향 변환 필름 또는 광출사 방향 변환 확산 필름의 필름면은 평면으로 한정되지 않고, 곡면이여도 좋다. 곡면의 경우는 이것을 미소한 평면의 집합이라고 고려하여 마찬가지로 취급할 수 있기 때문이다.

본 발명 (8) 내지 (14)의 스크린을 이용하여 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계를 구성할 경우, 광학 엔진과의 개구(=개구수 ; Numerical Aperture ; 약호 ; NA)의 매칭이 중요하다. 광학 엔진의 NA는, 예를 들면 리어 프로젝션 디스플레이의 경우에 대해서 도 22에 도시되는 것과 같이, 광학 엔진(20)의 렌즈의 직경, 초점 거리, 결상 배율, 결상 위치에 의해 결정되는 스크린 후방으로부터의 입력 광선의 각도 범위를 2θ₂(=2×θ₂)라고 하면, NA=sinθ₂으로 정의된다.

또한, 실제의 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계에서는, 예를 들면 도 33에 표시되는 것과 같이, 광학 엔진과 스크린과의 사이에 반사경이나 렌즈 등의 광학 소자가 배치되어 있을 경우가 많지만, 그 경우에는 그 광학계를 도 22 혹은 도 27과 같이 1장의 렌즈만을 이용한 광학적으로 등가인 형태로 변환한 도면에 있어서 동일하게 정의된다.

도 27에 도시하는 바와 같이, 직경(d), 초점 거리(f)의 렌즈의 후방의 거리(a)의 위치에 위치된 길이(S₁)의 물체(프로젝션 디스플레이에 있어서는 예를 들면 액정, DMD 등의 화상 표시 패널)(21)로부터 나온 광이 렌즈를 통해서 렌즈 전방의, 1/a+1/b=1/f를 만족하는 거리(b)의 위치에 결상된 것으로 하면, 그 상의 길이(S₂)는, S₂/S₁=b/a를 만족하고, 또한 렌즈 중심축으로부터 상의 하단, 상단까지의 거리를 각각 l₁, l₂, 렌즈 상단과 상 하단, 렌즈 하단과 상 상단을 연결하는 직선이 각각 렌즈 중심축과 이루는 각도를 θ₀, θ₁ 라고 하면, NA에 대응하는 각도 범위 2θ₂는 다음식으로 나타낸다.

이 각도 범위 2θ₂의 광의 모두를 만곡한 광도파로(이하, 구부러짐 도파로로 한다)에서 구부릴 수 없으면, 스크린의 광의 이용 효율이 저하할 뿐만 아니라, 구부러짐 도파로로부터 빠져나간 광은 화상의 해상도의 저하로 이어진다. 따라서, 스크린 후방으로부터의 입력 광선의 각도 범위 2θ₂와, 구부러짐 도파로의 NA에 대응하는 각도 범위와의 매칭은 프로젝션 디스플레이 시스템 광학계의 설계상 극히 중요한 것이 된다.

여기에서, 구부러짐 도파로의 NA의 이론적 도출에 대해서 이하에 상술한다.

[스텝 인덱스형의 구부러짐 도파로의 NA]

도 28에 스텝 인덱스 광도파로 곡선 구조 모델을 도시한다. 구부러짐 도파로를 이루는 굴절률(n₁)의 층(코어)(1_A)과, n₁보다도 작은 굴절률(n₂)의 층(클래드)(1_B)이 서로 상이하게 적층한 구조이다. 코어(1_A)에 대해서, 두께를 y₁, 곡률 중심을 O, 내주측 경계면의 곡률 반경을 r₀라고 한다. 모델에서는, 입출력의 NA를 이해하기 쉽게 하기 위해서, 광도파로의 곡선 구조부(C부)의 입구와 출구에 미소 길이(Δ_z)의 직선 구조부(L부)를 부가했다. 광도파로의 외부는 굴절률(n_air)의 공기층이다.

광선(5, 6)은 C부의 코어(1_A)를 전파할 수 있는 광선의 모드이다. 이 2개의 모드는 C부의 코어(1_A)의 클래드(1_B)와의 외주측 경계면(외주 경계)에서 임계각(θ_C), C부의 코어(1_A)의 클래드(1_B)와의 내주측 경계면(내주 경계)에서 θ_C+θ_r에서, 전반사해서 전파해 가는 모드이다. 광선(5)은 C부의 입구와 출구의 외주 경계에 있어서 임계각(θ_C)에서 전반사하고, 광선(6)은 C부의 입구와 출구의 내주 경계에 있어서 θ_C+θ_r에서 전반사해서 전파한다.

광선(5)이 외주 경계의 입구와 출구에서 정확한 임계각에서 전반사했을 경우, 공기층에 출사하는 각은, 도면의 θ_in1, θ_out1 이다. 위치가 조금 어긋났을 경우, 출입구 정확한 위치에서 전반사가 일어나지 않기 때문에, -θ_in1, -θ_out1로 된다. 따라서, 광선(5)의 모드의 NA는 ±θ_in1、±θ_out1에서 결정된다. 동일한 의논을 광선(6)의 모드에 대해서 실행하면, 해당 모드의 NA는 ±θ_in2、±θ_out2에서 결정된다고 말할 수 있다.

여기서 광선(5)에 착안해 본다. 도면에서는 + θ_in1에서 입사해 오는 광선을 도시하고 있지만, -θ_in1에서 외주 경계 입구로 입사해 오는 광을 생각해 본다(Δz는 무한소(無限小)). 외주 경계 입구로 입사한 이 광은 C부의 코어내를 전파할 수 있지만, 입사 위치를 외주 경계로부터 내주 경계로 이동시키면, 내주 경계에 있어서 임계각(θ_C)에서 전반사해 가는 것으로 되고, 외주 경계에 도달한 때에는 임계각(θ_C)보다 작은 각에서 외주 경계에 입사하고, 광은 이미 전반사하지 않고 클래드로 굴절해 버린다. 따라서, 광선(5)에 있어서 출입구의 외주 경계 위치의 NA는 ±θ_in1, ±θ_out1에서 결정되지만, 내주로 향함에 따라서 NA는 감소하고, 내주 경계 위치에서는 광선(6)의 NA를 결정하는 각 ±θ_in2、±θ_out2와 일치한다. 따라서, 이 곡선 구조의 도파로를 안전하게 전파할 수 있는 NA는 광선(6)의 각 ±θ_in2、±θ_out2에서 결정된다고 말할 수 있다. 따라서, 스크린 설계에서는 이 각에서 의논한다.

다음에, 도 28에 의해, 이 각 ±θ_in2、±θ_out2의 도출을 실행한다. 도 25의 △OAB에 대하여 정현 정리를 적용하고, 다음식을 얻는다.

θ_C는 임계각이므로, 코어, 클래드의 굴절률(n₁, n₂)을 이용하고, 다음식을 얻는다.

식(1-1),(1-2)에 의해 다음식을 얻는다.

따라서, 점(B)에서 전반사하고 있는 광선(6)의 공기층과 광도파로와의 계면에는 다음식의 스넬의 법칙이 성립한다.

식(1-3),(1-4)에 의해, θ_in2(=θ_out2)는 다음식으로 주어진다.

따라서, 도 25에 도시하는 스텝 인덱스 광도파로 곡선 구조 모델을 입력 위치에 상관없이 안전하게 전파할 수 있는 광의 광축에 관한 입출력 각(_NAstep)은 식(1-5)에 의해 다음식으로 얻어진다.

다음에, 도 28의 모델이 굴절률(n_g)의 필름의 내부에 형성되었을 경우의 NA를 구한다. 출력측은 필름면에 수직이기 때문에, 식(1-5)의 ±θ_out2가 출력의 NA를 결정한다. 입력측은 도 23, 도 25, 도 26에서의 잔부(2_x) 상당의 굴절률(n_g)의 프리즘(P부)이 부가되는 것으로 된다. 이러한 상태를 도 29 및 도 30에 도시한다. 도 29에서는 C부의 출입구의 내주 경계에서 전반사하고 있는 광선(6)을, 도 30에서는 전반사하지 않는 광선(7)을 도시했다. 또한, 이해하기 쉽도록, 도 29의 C부의 출입구에 길이(Δz)의 L부를 부가했다. 실제로는 Δz→0으로 생각해도 좋다.

우선, 도 29의 θ_in4는 광선(6)에 대해서 공기층과 P부와의 경계면에 스넬의 법칙을 적용하고, 다음식으로 나타낸다.

θ_in3은 도 28에 있어서 n_air 대신에 n_g로 한 경우의 θ_in2에 해당하므로, 식(1-5)의 n_air를 n_r로 바꾸는 것에 의해 다음식으로 나타낸다.

식(1-7),(1-8)에 의해 다음식을 얻을 수 있다.

다음에, 도 30의 θ_in5를 구한다. 이것은 식(1-7),(1-9)의 θ_bend의 앞의 부호를 바꾸면 좋으므로, 식(1-7),(1-9)에 대하여 다음 2개의 식이 성립한다.

따라서, 정리하면 스텝 인덱스 광도파로 곡선 구조 모델 필름의 입사측의 NA를 결정하는 각(θ_NAstepin)과 출사측의 NA를 결정하는 각(θ_NAstepout)은 다음 2개의 식으로 주어진다.

한편, 도 29, 도 30에 의해, -θ_in4≥-90°, θ_in5≤90°이기 때문에, 식(1-9),(1-11)에 의해, 입사측의 층 경사 각도(θ_bend(θ_bend-in로 기재한다))의 조건은 다음 식으로 나타낸다.

여기에서, R_in은 입사면 부근의 코어 두께 중심부의 곡률 반경(=r₀+y₁/2)이다.

그런데, 도 28에 있어서, ｜θ_C+θ_r｜ > π/2이라면, 광선(5)이 내주 경계에서 전반사하는 것이 가능하지 않기 때문에, ｜θ_C+θ_r｜ ≤π/2이 모델의 전제 조건이며, 이 조건과 식(1-3)으로부터 r₀≤n₂/(n₁-n₂)×y₁이다. 따라서, 구부러짐 도파로의 코어 두께 중심부의 곡률 반경은 다음식에서 주어지는 최소 곡률 반경(_minstep) 이상으로 할 필요가 있다.

이상에 의해, 스텝 인덱스형의 구부러짐 도파로에서는 입사 각도 영역(θ_in-min ~ θ_in-max)내의 입사각에서 굽어서 도파로에 입사한 광은 그 전파 방향을 구부러짐 도파로내에서 서서히 변화시키고, 출사 각도 영역(θ_out-min ~ θ_out-max) 내의 하나의 출사각에서 출사한다. 여기에, θ_in-min, θ_in-max, θ_out-min, θ_out-max는 다음 식으로 주어진다.

상기 도 28 내지 도 30의 모델은 모든 광로에 대한 도파로 입구로부터 출구까지의 각각의 층 경계를 각도에 급격한 변화가 없는 곡선이라고 하고 있다. 이 경우, 입사광은 확산되지 않고 출사 방향만이 변환된다. 한편, 본 발명에서는, 상기 층 경계를 각도가 급격하게 변화되는 곡선이라고 할 수 있고, 그 경우 입사광의 반사 방향을 층 내부에서 변화시키고, 입사광의 진행 방향을 변환하면서 확산시키는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 있어서 특별한 설명 없이 "곡률 반경을 장소에 의해 변동시키고 입사광을 확산시킨"다고 한 경우에는 층 경사 각도가 급격하게 변화되는 곡선일 경우를 가리키고, 층 경사 각도의 급격한 변화와는 적어도 0.01deg./㎛ 이상의 층 경사 각도의 변화이다.

[그레디언트 인덱스형의 구부러짐 도파로의 NA]

본 발명자들의 이론 해석에 의하면, 그레디언트 인덱스형의 구부러짐 도파로의 곡선을 굽혀진 선에서 근사했을 때, 그 근사에 의한 곡률 반경의 오차는 구부러짐 도파로의 폭(층 두께) 중심부의 굴절률이 일반적인 광도파로의 코어 값과 가까운 1.55일 때, 기껏해야 1.3%정도로 작다. 따라서, 이하에서는 굽혀진 선 근사 모델을 이용하여 NA의 도출을 실행한다.

굽혀진 선 근사 모델에 있어서의 직선부는 도 34에 도시하는 것과 같은, 층 두께 방향의 굴절률 분포가 2차 곡선:

에서 나타내는 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로(4)이다. 여기에서, r은 층 두께 중심으로부터의 거리, n₁은 중심축상의 굴절률이다. A는 굴절률 분포 정수이며, n₁, 층 두께 y₁, 층 두께 단의 굴절률 n₂에 의해 다음식으로 표시된다.

도시와 같이 도파로의 길이를 z, 입력 광선, 출력 광선의 위치를 r₁, r₂, 각 위치에서의 도파로내에서의 광선의 방향을 r₁ ^*=dr₁/dz=tanθ_in, r₂ ^*=dr₂/dz=tanθ_out 라고 하면, 입력 광선, 출력 광선의 위치와 방향을 나타내는 벡터[r₁, r₁ ^*], [r₂, r₂ ^*]의 사이에는 다음식이 성립된다.

[수5]

식(2-3)에 있어서, 2×2의 행렬 항이 단위 행렬인 경우, 입력 광선과 출력 광선에서 [위치, 방향] 벡터가 동일하게 된다. 이 때의 길이(z)의 최소해는 도파로의 피치(P)라고 하면, 행렬 항의 요소가 사인, 코사인의 함수이기 때문에, 다음 식으로 표시된다.

이 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 NA를 정하는 각도는, 해당 도파로를 전파할 수 있는 광선과 광축(z축)과의 각도중 최대의 각도에서 주어진다. 이 최대의 각도는 도 35에 도시하는 바와 같이, 도파로의 길이가 P/4, 입력 광선, 출력 광선의 [위치, 방향] 벡터가 [±y₁/2, 0], [0, r₂ ^*]인 경우에 있어서의 출력 광선과 광축과의 각도(θ_NA0(y₁이 +의 때 부, -의 때 정))에 해당한다. 이 각도(θ_NA0)는 식(2-3)에 r₂=0, r₁=-y₁/2, r₁ ^*=0, Z=P/4=π/(2×√A)를 대입하고, r₂ ^*(=tanθ_NA0)에 있어서 해석하는 것에 의해, 다음식으로 나타낸다.

도 36에 굽혀진 선 근사 모델을 도시한다. 이것은, 상술의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로가 길이 P/2의 위치에서 각도(θ_NA0)n(n은 0.5 이상의 실수))만큼 굽혀지고, 또한 광축 방향에 P/2만큼 진행한 위치에서 또 θ_NA0/n만큼 굽혀지는 구조가 반복되는 굽혀진 선형 그레디언트 인덱스 광도파로에 의해 그레디언트 인덱스형의 구부러짐 도파로를 근사한 것이다. 도면중의 광선(15, 16, 17, 18)은 이 굽혀진 선형 광도파로를 전파할 수 있는 대표적인 광선의 모드를 도시하고 있다. 또한, n이 0.5 미만인 경우는, 광이 도파로 외부로 나가버리기 때문에, 모델의 대상으로부터 제외한다.

광선(17)은 1번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로(4₁)(이하, 광도파로(4₁)이라고 함)의 광축과 평행에 광축의 위치에 입사한 광에서, 이 광은 광도파로(4₁)내를 직진하고, P/2 진행한 위치에서 -θ_NA0/n만큼 경사진 2번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로(4₂)(이하, 광도파로(4₂)라고 함)에 입사하게 된다. 따라서, 광도파로(4₂)에의 입사각은 θ_NA0/n이 된다. 각 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 길이는 P/2이므로, 광도파로(4₂)의 출사각은 광도파로(4₂)의 광축에 대하여 -θ_NA0/n이 된다. 3번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로(4₃)(이하, 광도파로(4₃)라고 함)는 2번째에 대하여 -θ_NA0/n만 경사져 있기 때문에, 광도파로(4₃)로의 광선(7)의 입사각은 0°이 되고, 광선(17)은 광도파로(4₃)내를 직진하게 된다. 즉, 광선(17)은 홀수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내를 직진하고, 짝수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내에서는 광축에 대한 입사각 : + θ_NA0/n으로부터 출사각 : -θ_NA0/n까지 진행 방향을 바꾸어서 굽혀지게 된다. 한편, 광선(16)은 광선(17)의 홀수번째와 짝수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내의 상태를 교체한 모드를 도시하고 있다.

이 굽혀진 선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 NA를 정하는 광선은 광선(15)과 광선(18)이다.

광선(15)은 광도파로(41)를 전파할 수 있는 최대 입사각의 광선이다. 따라서, 광도파로(4₁)에의 도파로내의 입사각은 θ_NA0 이다. 각 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 길이는 P/2이므로, 광선(15)의 광도파로(4₁)의 출사각은 -θ_NA0 로 된다. 광도파로(4₂)는 광도파로(4₁)에 대하여 -θ_NA0/n 만큼 경사져 있기 때문에, 광선(15)의, 광도파로(4₂)의 광축에 관한 입사각은 -(1-1/n)×θ_NA0 로 된다. 이 입사각의 절대치 : ｜(1-1/n)×θ_NA0｜ 는 θ_NA0보다 작기 때문에, 광선(15)은 광도파로(4₂)내를 전파할 수 있다. 광도파로(4₂)의 길이도 P/2이므로, 광도파로(4₂)의 광축에 관한 출사각은, (1-1/n)×θ_NA0 이 된다. 다음번째의 광도파로(4₃)는 광도파로(4₂)에 대하여 -θ_NA0/n 만큼 경사져 있기 때문에, 광도파로(4₃)에 관한 광선(15)의 입사각은 θ_NA0이 되고, 광도파로(4₁)내의 광의 전파 상태와 동일하게 된다. 따라서, 광선(15)은 홀수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내에서는 입사각 : θ_NA0으로부터 출사각 : -θ_NA0 로 방향을 바꾸고, 짝수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내에서는 입사각 : -(1-1n)×θ_NA0로부터 출사각 : (1-1/n)×θ_NA0로 방향을 바꾸고, 전파해 가는 모드이다. 즉, 광선(15)에서 도시한 모드는 홀수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내에서 전파할 수 있는 최대의 입사각이 되어 있는 모드이다. 한편, 광선(18)은 광선(15)의 홀수번째와 짝수번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내의 상태를 교체한 모드를 도시하고 있다. 따라서, 이 굽혀진 선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 NA는, 광선(15)의 입사각 및 출사각과, 광선(18)의 입사각 및 출사각의 사이의 각에 의해 결정된다.

여기에서 다음에, 이 NA를 구한다. 굽혀진 선 모델을 구성하고 있는 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 수를 자연수 k로 하면, k번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 광축은 1번째의 그것에 대하여, 다음식에서 나타내는 각 θ_bend 만큼 굽혀 있는 것으로 된다.

k번째의 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로내의 출사측(NA)을 정하는 각(θ_NA0(k))은 도 36에 의해 다음식으로 나타낸다.

식(2-7)에 식(2-6)을 대입하고 다음식을 얻는다.

식(2-6), (2-7), (2-8)에 의해 나타내는 각의 중에 자연수(k)가 있기 때문에, 이산적인 각도 정의가 되어 있지만, 도 36의 굽혀진 선 근사 모델은 실제의 필름내에 존재하는 구부러짐 도파로의 근사이며, 도 36의 굽혀진 선 근사 모델의 곡률 중심에서 모델을 모델 전체를 연속적으로 회전해도, 모델의 NA는 변화되지 않고, NA는 곡률 반경과, 식(2-1)에서 나타내는 굴절률 분포 함수(n(r))에 의해 결정된다. 따라서, 식(2-7)중의 θ_bend는 이산적인 값이 아니고, 연속적인 값으로 취급해도 좋다. θ_bend를 연속적인 값이라고 했을 경우의 굽혀진 선 근사 모델의 광도파로내의 NA를 정하는 각(θ_NA1)은 다음식으로 주어진다.

도 36의 모델이 필름중에 형성되었을 경우, 우측의 출사부에 도 37에 도시하는 바와 같이, 도 23, 도 25, 도 26에서의 잔부(2_x) 상당의, 굴절률(n_g), 꼭지각(θ_bend)의 프리즘(P부)이 부가되는 것으로 된다.

광선(18)에 대해서, 광도파로(4₄) 출사단과 P부와의 계면, 및 P부와 공기층(굴절률 : n_air)과의 계면에 스넬의 법칙을 적용하면, 다음 2개의 식을 얻을 수 있다.

식(2-10), (2-11)에 의해, θ_out1은 다음식으로 주어진다.

마찬가지의 해석을 광선(15)에 대해서 실행하면, 이하의 2개의 식을 얻을 수 있다.

식(2-13), (2-14)에 의해, θ_out2는 다음식으로 주어진다.

식(2-12), (2-15)에 의해, 출사측의 NA는 다음식의 θ_NAout에 의해 결정된다.

입사측의 NA는 식(2-12), (2-15)의 θ_bend=0°로 하고, 식(2-12)의 θ_out1를 θ_in1로 변환하고, (2-15)식의 θ_out2를 θ_in2로 변환하여 얻을 수 있는 다음 2개의 식을 이용하여 기술된다.

식(2-17), (2-18)에 의해, 입사측의 NA는 다음식의 θ_NAin에 의해 결정된다.

도 36의 모델에서는, 광의 입출력 각도가 도 22의 리어 프로젝션 디스플레이 시스템과 역으로 되어 있지만, 식(2-12), (2-15), (2-16)에 있어서 각도(θ)의 첨자의 out를 in으로 바꾸면 입력측의 각도가 도 22의 시스템과 일치하는 이하의 3개의 식이 성립한다.

출사측에 관해서는, 식(2-17), (2-18), (2-19)에 의해 도 22의 시스템에 합친 이하의 3개의 식이 성립한다.

식(2-19A)은 광도파로의 광축을 스크린 법선 방향까지 굽히면, 상하 비대칭한 출사측(NA)으로 되는 것을 의미한다. 여기에서, 다음에 출사측에서 상하 대칭인 NA를 발현되게 하기 위한, 출사측의 광도파로의 광축의 각도(θ_axis)를 해석에 의해 구한다.

도 38은 출사측 최후의 광도파로(직선형 그레디언트 인덱스 광도파로)(4_L)가 광축의 각도(θ_axis)에서 종료하고 있는 부분을 도시하고 있다. 출력(NA)은 광선(15, 18)의 사이의 각에서 결정된다. 따라서, 도면에서 θ_out3=θ_out4이 될 때의 θ_axis가 구하는 광축의 각도이다.

θ_out3는 광선(18)에 대해서 광도파로 출사면과 P부와의 계면에서 성립하는 식(2-20) 및 P부와 공기층과의 계면에서 성립하는 식(2-21)에 의해 식(2-22)으로 나타낸다.

θ_out4는 광선(15)에 대해서 광도파로 출사면과 P부와의 계면에서 성립하는 식(2-23) 및 P부와 공기층과의 계면에서 성립하는 식(2-24)에 의해, 식(2-25)으로 나타낸다.

따라서, 식(2-22)과 식(2-25)을 등치(等置)함으로써 구하는 θ_axis는 다음식으로 나타낸다.

식(2-26)의 성립하에서의 출사측(NA)을 정하는 각은 식(2-26)을 식(2-22) 또는 식(2-25)에 대입함으로써 다음식으로 나타낸다. 또한, 구하는 각을 θ'_out3=θ'_out4라고 했다.

따라서, 구하는 상하 대칭 출사측(NA)을 정하는 각은 식(2-27)에 의해 다음식이 된다.

다음에, 이 모델의 곡률 반경의 도출을 실행한다. 도 39에 도시하는 바와 같이 이 굽혀진 선 근사 모델에서는, 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로(4₁, 4₂, 4₃, …)의 길이(P/2)의 각 선분의 수직 이등분선의 교점(O)을 곡률 중심이라고 하고, 곡률 중심(O)으로부터 각 광도파로(4₁, 4₂, 4₃, …)의 길이 및 두께의 중심점까지의 거리를 곡률 반경(R)(동일 도면에 의해, R=r₀+y₁/2)이라고 한다. 동 도면에 있어서, 꼭지각 θ_NA0/(2×n)의 직각 삼각형에 착안하면, 다음식이 성립한다.

식(2-29)에 의해 곡률 반경(R)은 다음식으로 주어진다.

즉, 굽혀진 선 근사 모델의 구성요소인 직선형 그레디언트 인덱스 광도파로의 θ_NA0와 P를 정하고, 굽혀지는 각도(굽힘 상태)를 정하는 n(0.5 이상의 실수)을 정하면, 식(2-30)에 의해 곡률 반경이 결정된다. 최소 곡률 반경(R_min)은, n=0.5의 경우이며, 식(2-30)에 n=0.5를 대입한 식과, 식(2-4), (2-5)로부터 다음식으로 주어진다.

이 경우에 굽혀진 선 근사 모델의 오차가 최대가 된다. 한편, 상세한 도출 과정의 설명은 할애(割愛)하지만, 동일한 두께와 굴절률 분포를 갖는 부드럽게 굽혀진 그레디언트형 광도파로(곡선 구조 모델)의 최소 곡률 반경(R_min)은 다음식으로 주어진다.

식(2-31), (2-32)에 의해, R_min(정밀해 상당)와 R_min(근사해 상당)과의 오차 인자는 π/(2×n₁)이며, 이것에 일반적인 광도파로의 코어 값에 가까운 n₁=1.55를 대입하면, 이 오차 인자의 값은 1.0134이다. 따라서, 엄밀해에 대한 근사해의 오차는 기껏해야 1.3% 이내이며, 굽혀진 선 근사 모델은 곡선 구조 모델의 충분히 양호한 근사라고 기술한다.

그런데, 광의 입사각은 필름면의 법선에 대하여 -90° 내지 90°의 범위내에 있기 때문에, 식(2-16A)에 있어서, θ_in2≥-90°, θ_in1≤90°이며, 이 제약과 식(2-12A), (2-15A)로부터, 입사면 부근의 층 경사 각도(θ_{bena -in})의 조건은, 입사면 부근에서의 층 곡률 반경(R_in), 층 내부에서의 전파 각도(θ_NA0) 및 광 전파의 피치(P)를 이용하여, 아래와 같이 나타낸다.

또한, 광의 출사 각도 필름면의 법선에 대하여 -90° 내지 90°의 범위내에 있기 때문에, 식(2-16)에 있어서, θ_out2≥-90 °, θ_out1≤90°이며, 이 제약과 식(2-12), (2-15)로부터, 입사면 부근의 층 경사 각도 θ_bend-out의 조건은 입사면 부근에서의 층곡률 반경(R_out), 층 내부에서의 전파 각도(θ_NA0) 및 광전파의 피치(P)를 이용하여, 아래와 같이 나타낸다.

또한, 필름내의 층의 곡률 반경은 식(2-32)의 값이 하한이 된다.

이상에 의해, 그레디언트 인덱스형의 구부러짐 도파로에서는, 입사 각도 영역(θ_in-min ~ θ_in-max)내의 일 입사각에서 구부러짐 도파로에 입사한 광은, 그 전파 방향을 구부러짐 도파로내에서 서서히 변화시키고, 출사 각도 영역(θ_out-min ~ θ_out-max)내의 일 출사각에서 출사한다. 여기에, θ_in-min, θ_in-max, θ_out-min, θ_out-max은 다음식으로 주어진다.

[수6]

상기 도 34 내지 도 39의 모델에서는, 복수의 층의 길이가 동일한 경우를 상정하고 있다. 이 경우, 입사광은 확산되지 않고 출사 방향만 변환된다. 한편, 본 발명에서는, 층의 길이를 층마다에 불균형으로 할 수도 있고, 그 경우, 층 출사시의 출사 방향을 층마다에 변화시키는 것으로, 입사광의 변환 방향을 변환하면서 확산시키는 것이 가능하다.

또한, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로는 그레디언트 인덱스형과 같은 포물선형의 굴절률 분포를 가지는 것 이외에도, 예를 들면 도 40에 도시하는 것과 같은 대략 사다리꼴형의 굴절률 분포를 가지는 것 등, 다종 다양으로 존재할 수 있지만, 어느 것이나 입사광을 층 내부에 모아서 전파시킬 수 있는 것인 이상, 그레디언트 인덱스형과 마찬가지의 출사 방향 변환 특성을 얻는 것이 가능하다.

여기서, 스텝 인덱스형, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형과 함께, 곡률 반경은 도파로 입구로부터 출구까지 일정일 필요는 없고, 도파로의 평균적 경사 각도가 0.01deg./㎛ 미만과 완만하게 변화되고 있을 경우에 있어서도 동일한 광출사 방향 변환 효과를 얻는 것이 가능하다. 스텝 인덱스형에 있어서 층 경사 각도가 0.01deg./㎛ 이상과 급격으로 변화되었을 경우에 대해서는 전술한 바와 같이 스텝 인덱스형의 광출사 방향 변환 확산 필름이 되고, 또한 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형에 있어서 층 경사 각도가 0.01deg./㎛ 이상과 급격으로 변화되었을 경우에 대해서는 후술의 "스텝 인덱스형과 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형이 융합한 구조"를 갖는 광출사 방향 변환 확산 필름이 된다.

또한, 도 23에 도시하는 스텝 인덱스형, 도 25에 도시하는 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형과 함께, 도면에서는 인접하는 층이 접촉하고 있지만, 인접하는 층이 다소 떨어져 있어도 상기와 같이 취급할 수 있다. 단지 이 경우는 출사 방향 변환 효율이 다소 저하하는 것으로 고려된다.

또한, 광출사 방향 변환 필름에 관해서, 스텝 인덱스형의 광도파로 어레이와, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로 어레이가 두께 방향에 혼재할 경우(도 26a), 또는 광출사 방향 변환 확산 필름에 관해서, 스텝 인덱스형의 광도파로 어레이와, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로 어레이가 면내 방향에 혼재할 경우(도 26b) 또는 양 형이 융합한 구조의 광도파로 어레이의 경우에 있어서의 입사 각도 영역과 출사 각도 영역은 각각의 형에 대해서 도출한 것을 서로 중첩시키는 것에 의해 구할 수 있다.

[광학 엔진과의 NA 매칭]

다음에, 본 발명의 스크린을 이루는 광출사 방향 변환 필름 또는 광출사 방향 변환 확산 필름과 광학 엔진과의 NA 매칭에 대해서 설명한다.

스크린 개구 각도(θ_s)는 스크린 최소 개구 각도(θ_s-min)와 스크린 최대 개구각도(θ_s-max)를 이용하여, θ_s=θ_s-max-θ_{s- min} 으로 정의된다. 광학 엔진의 NA와의 매칭을 잡아서 프로젝터 광출사 방향을 관찰자의 방향으로 변환하기 위해서는, θ_s는 도 22, 도 27에 있어서의 2θ₂ 이상이 아니면 안된다. 즉, 그 조건은 전술의 식(0-1), (0-2), (0-3)에 의해, 아래와 같이 나타낸다.

여기서, 등호의 경우가 매칭한 상태에 해당한다. 상기 θ_s-min-θ_s-max는 각각 본 발명의 필름의 입사 각도 영역의 하한(θ_in-min) 및 상한 (θ_in-max)에 동등하다. 이들은 스텝 인덱스형의 경우, 식(1-17), (1-18)에서 주어지고, 그레디언트 인덱스형의 경우, 식(2-39), (2-40)에서 주어진다.

또한, 스텝 인덱스형의 광도파로 어레이와, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로 어레이가 혼재할 경우는, 상기 θ_{s- max} 로서 양 형의 입사 각도 영역의 상한중 적은 쪽을 채용하고, 한편 상기 θ_{s- min} 로서는 양 형의 하한중 큰 쪽을 채용하는 것이 좋다. 즉, 스텝 인덱스형의 광도파로의 입사 각도 영역의 하한, 상한을 θ_{STEPin -min}, θ_{STEPin -max} 라고 하고, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로의 입사 각도 영역의 하한, 상한을 θ_{GRADin -min}, θ_{GRADin -max} 라고 하면, 다음식을 만족하는 것과 같이 설계하는 것이 바람직하다.

이상의 의논은 프로젝터 광을 유효하게 이용하는 이상적인 것이지만, 실제의 리어 프로젝션 디스플레이에 있어서도 개구수(NA)로 광학 엔진으로부터 출사한 광의 적어도 50% 이상이 θ_min~θ_max의 범위로부터 스크린에 입사해야만 한다.

<본 발명에 이용하는 필름의 제조 방법에 대해서>

다음에, 본 발명 (1) 내지 (7)에 사용하는 확산 필름의 제조 방법에 대해서 기술한다.

이 확산 필름은 상이한 굴절률을 갖는 적어도 2종류의 광중합 가능한 모노머(monomer) 또는 오리고머로 이루어지는 혼합물에 2방향 이상의 방향으로부터 광을 조사해 경화시키는 것으로 얻을 수 있다. 이 광의 조사 조건은 본 발명의 요건이 만족하는 적정 조건이라고 하지만, 이 적정 조건은 실험에서 결정된다.

여기에서, 광중합 가능한 모노머 또는 오리고머는, 분자내에 아크릴로일기, 메타아크릴로일기, 비닐기 등의 중합 가능한 기를 1개 이상 갖는 모노머 또는 오리고머이다. 이것들 화합물의 복수의 혼합물을 기판상에 도포하거나, 또는 셀중에 봉입해 막형상으로 하고, 2방향 이상의 방향으로부터 광을 조사하면서 서서히 경화시킨다.

조사하는 광은 모노머 또는 오리고머를 함유하는 조성물을 경화시키는 것이면 어떤 파장이어도 무방하고, 예를 들면 가시 광선 및 자외선 등이 잘 이용할 수 있다.

자외선은 수은 램프나 메탈할라이드 램프 등을 이용하여 조사되지만, 막대 형상 램프를 이용한 경우는 그 조사 조건을 조정하는 것에 의해, 생성한 시트 형상의 경화물에 광원의 장축과 단축 방향에 대하여 이방성을 발현되게 하고, 광원의 장축 방향을 축으로서 회전시켰을 경우만 광을 확산시킬 수 있다.

2방향 이상의 방향으로부터의 광은, 경화시의 경화 시료 표면에 관한 광의 입사 각도를 바꾸기 위해서 이용할 수 있다. 인접하는 2개의 광원으로부터 시료에 입사하는 각도차가 50° 이상일 경우, 확산 필름의 확산 각도 영역이 좁아져버리기 때문에, 50° 이내, 바람직하게는 30° 이내이다.

다음에, 본 발명 (8) 내지 (14)에 이용하는 만곡한 도파로 어레이 구조를 갖는 필름의 제조 방법에 대해서 기술한다.

이 필름은 상이한 굴절률을 갖는 적어도 2종류의 광중합 가능한 모노머 또는 오리고머로 이루어지는 혼합물에 광을 조사하고, 경화시키는 것으로, 만곡하지 않는 도파로 구조를 제작하고, 그것을 물리적으로 만곡시키는 것으로 얻을 수 있다.

여기에서, 광중합 가능한 모노머 혹은 오리고머는 분자내에 아크릴로일기, 메타아크릴로일기, 비닐기 등의 중합 가능한 기를 1개 이상 갖는 모노머 또는 오리고머이다. 이것들 화합물의 복수의 혼합물을 기판상에 도포하거나, 또는 셀중에 봉입해 막형상으로 하여, 광을 조사하면서 서서히 경화시킨다.

조사하는 광은 모노머 또는 오리고머를 함유하는 조성물을 경화시키는 것이면 어떤 파장이어도 무방하고, 예를 들면 가시 광선 및 자외선 등이 잘 이용할 수 있다.

자외선은 수은 램프나 메탈할라이드 램프 등을 이용하여 조사되지만, 막대 형상 램프를 이용한 경우는 그 조사 조건을 조정하는 것에 의해, 생성한 시트 형상의 경화물에 광원의 장축과 단축 방향에 대하여 이방성을 발현되게 하고, 광원의 장축 방향을 축으로서 회전시켰을 경우에만 광을 확산시킬 수 있다.

이렇게 하여 만들어진 필름은 스텝 인덱스형의 광도파로와 층 두께 방향으로 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 형의 광도파로가 융합한 구조를 갖는다.

이 필름을 유기용제에 침지해서 부드럽게 하고, 물리적으로 힘으로 가하는 것으로, 만곡하지 않고 있었던 도파로 구조를 만곡시켜, 본 발명 (8) 내지 (16)에 이용하는 만곡한 도파로 어레이 구조를 갖는 필름으로 하는 것이 가능하다. 상기 유기용제는 필름이 갖는 도파로 구조를 손상시키는 일이 없이 부드럽게 하는 것이라면, 어느 것이라도 좋다.

실시예 1

실시예 1에 이용한 확산 필름은 필름(1)에 해당하고, 도 20에 도시하는 바와 같이, 구조적으로는 입사측 부분과 출사측 부분으로 나뉘어져 있다. 입사측 부분은 y방향에 교대에 적층한 2종의 층의 굴절률(n₁)과 굴절률(n₂)의 차가 비교적 작고, 층 경사 각도의 불균형이 크며, 스텝 인덱스형 광도파로에 해당하는 층 어레이로 된다. 한편, 출사측 부분은 y방향에 교대에 적층한 2종의 층의 굴절률(n₁)과 굴절률(n₂)의 차가 비교적 크고, 층 경사 각도의 불균형이 거의 없고, 그 층 경사 각도는 필름의 법선에 대하여 -3°이며, 스텝 인덱스형 광도파로에 해당하는 층 어레이로 된다. 또한, 이 확산 필름은 ymax=4㎛, L=300㎛이며, 본 발명 (3)의 요건(L≥10×ymax)을 만족하고 있다.

입사측 부분의 굴절률은 n₁=1.5325, n₂=1.5275, 굴절률차 Δn=n₁-n₂=0.005, 층 경사 각도의 분포는 도 13에 측정 결과의 예를 나타내고, 도 20에 그 개요를 도시하는 바와 같이, 0° 내지 +6.5°의 대략 균일한 불균형의 제 1 성분과, 0°에 집중적으로 존재하는 제 2 성분과의 2요소로 된다. 도 13 및 도 20에 있어서의 층 경사 각도의 "빈도"가 전술의 "존재 확률"에 해당한다. 톱 해트적인 확산 특성을 실현하고 있는 것이 제 1 성분이며, 제 2 성분이 측정 결과의 피크를 형성하고 있다.

확산 특성을 기술하는 식(1) 내지 (4)에, 입사측 부분의 파라메타 θ+Δθmax=6.5°, θ-Δθmax=0°, n₁=1.5325, n₂=1.5275를 대입하고, θ₁', θ₁", θ₂', θ₂"를 계산하면, θ₁'=17.2°, θ₁"=7.11°, θ₂'=2.87°, θ₂"=-7.11°이 된다. 따라서, 식(5)에 의해, 이 입사측 부분의 출사광 확산 각도 영역(θ_out)은, -7.11°≤θ_out≤17.2°가 된다. 따라서, 제 1 성분에 의해, -7.11°≤θ_in≤17.2°의 범위로 입사한 광은 -7.11°≤θ_out≤17.2°의 범위에 대략 한결 같은 모양으로 확산하게 된다.

다음에, 이 광이 출사측 부분의 층 어레이에 입사하게 된다. 출사측 부분의 굴절률은 n₁=1.55, n₂=1.51, 굴절률차 Δn=n₁-n₂=0.04이며, 층 경사 각도는 -3°에서 거의 불균형은 없다.

입사측 부분에서 -7.11°≤θ_out≤17.2°의 범위에 대략 한결 같은 모양으로 확산한 광은 출사측 부분을 이루는 n₁=1.55의 스텝 인덱스형 광도파로에 포획되고, 다중 반사를 반복하게 된다. 출사측 부분의 내부에서는 -4.58°≤θ_in≤11.0°의 한결 같은 모양으로 확산한 광이 되고, 층 경사 각도가 -3°이므로, -4.58°≤θ_in≤-3°과, -3°≤θ_in≤11.0°의 각도 범위의 광이 -3°을 중심으로 대칭으로 전반사를 반복해 가게 된다. 단지, -3°≤θ_in≤11.0 °의 각도 범위의 광중, 전반사할 수 있는 각도 범위는 n₁=1.55, n₂=1.51에 의해, -3°≤θ_in≤10.0°의 범위의 광이다. 따라서, 출사측 부분의 내부에서는, -16.0°≤θ_in≤11.0°의 각도 범위에서 대략 한결 같은 모양으로 확산하게 된다. 이 범위의 광이 공기층으로 출사하면, -25.4°≤θ_out≤17.2 °의 각도 범위에서 대략 한결 같은 모양으로 확산하게 된다. 이것은, 측정 결과와 대략 일치한다.

다음에, 광의 피크에 대해서 해석한다. 입사측 부분의 층 경사 각도의 분포에 있어서, 0°의 곳에 빈도의 피크가 존재하기 때문에, 0° 입사의 경우, 그 입사광은 이 피크의 영향에서 0°인 채로 입사측 부분을 빠져 간다. 이 빠진 광이 출사측 부분에 들어가면, -3°의 층에서 전반사하고, 홀수회 반사했을 경우 -6° 방향으로, 짝수회 반사했을 경우 0° 방향으로 진행하는 것으로 되고, 0°와 -6°의 광이 생긴다. 이것이 공기층에 나가면, 0°와 -9.32°의 방향으로 진행하는 것으로 되고, 측정 결과에 있어서 0°와 -9.32°로 피크가 생기고 있다.

실시예 2

실시예 2로 이용한 확산 필름은 필름(3)에 해당하고, 도 21에 도시하는 바와 같이, 구조적으로는 입사측 부분과 출사측 부분으로 나뉘어져 있다. 입사측 부분은 그레디언트 인덱스형의 층 어레이로 구성되고, 출사측 부분은 스텝 인덱스형의 층 어레이로 구성되어 있다. 또한, 이 확산 필름은 그 자체로서는 실시예 1의 그것과 같은 것이지만, 이 실시예 2에서는 확산 필름의 입사측 부분이 상술의 그레디언트 인덱스형의 모델에도 적합하고, 해당 모델에 의해도 그 확산 특성을 잘 기술할 수 있는 것을 도시한다.

입사측 부분의 층 어레이는, 도파로의 광축이 도 13의 측정 예에 도시하는 바와 같이 불균형되어 있다. 또한, 광축이 불균형되어 있는 것은 광축과 필름면의 법선과 이루는 각도(도 13의 층 경사 각도에 상당)에 불균형이 있는 것을 의미한다. 각각의 도파로내의 굴절률 분포 함수는 식(6)으로 나타내는 파라볼릭한 분포 함수이며, 파라메타는 b₁=2㎛, n₁=1.5325, n₂=1.5275이다. 따라서, 식(9)에 의해, A=6.525×10⁹이며, (8)식에 의해 P/2=38.89㎛이다. 광축의 불균형은 0° 내지 6.5°이므로, 식(7)은 θ=0°에서 성립하면 좋고, 즉 Lzmax-Lzmin≥38.89㎛이다. 본 실시예에서는 Lzmax-Lzmin은 도 21에 도시하는 바와 같이 40㎛ 정도이므로, 입사광을 균일하게 확산시킬 수 있다. 본 실시예의 확산 필름에서는, 광축이 0° 내지 6.5°의 범위에 불균형이 있지만, 톱 해트적인 확산 특성의 에지부를 정하는 것은 0°와 6.5°의 도파로이므로, 0°와 6.5°의 해석을 실행한다.

우선, 6.5°의 도파로에 대해서 해석한다. 도파로 내부에서는 식(15)에 의해 유도되는 범위에서 광은 구불구불한 것으로 된다. 따라서, 이 도파로에 의한 확산 각은 -0.557° 내지 13.56°이다. n₁=n_g 라고 하면, 이 확산 광이 출사측 부분을 하는 스텝 인덱스형의 층 어레이로 입사하게 된다. 출사측 부분의 파라메타는 n₁=1.55, n₂=1.51, 굴절률차 Δn=n₁-n₂=0.04 이며, 층 경사 각도는 -3°에서 거의 불균형은 없다.

입사측 부분에서 -0.557° 내지 13.56°의 범위에 한결 같은 모양으로 확산한 광은 출사측 부분의 n₁=1.55의 스텝 인덱스형 광도파로에 포획되고, 다중 반사를 반복하게 된다. 출사측 부분의 내부에서는 광은 -0.551° 내지 13.4°의 한결 같은 모양으로 확산한 광이 되고, 층 경사 각도가 -3°이므로, -3°를 중심으로 대칭으로 전반사를 반복해 가게 된다. 단지, -0.551° 내지 13.4°의 각도 범위의 광중 전반사할 수 있는 각도 범위의 광은 n₁=1.55, n₂=1.51에 의해, -0.551° 내지 10°의 각도 범위만이다. 따라서, 출사측 부분의 내부에서는, -16.0° 내지 -5.45°, -0.551° 내지 13.4°의 각도 범위에서 한결 같은 모양으로 확산하게 된다. -5.45° 내지 0.551°의 사이에는 광이 없지만, 0° 내지 6.5°의 그레디언트 인덱스형 광도파로가 매립되기 때문에, -16° 내지 13.4°의 각도 범위에서 한결 같은 모양으로 확산한다. 이 광이 공기층으로 출사하면, -25.4° 내지 21.1°의 각도 범위에서 한결 같은 모양으로 확산하게 된다.

입사측 부분의 그레디언트 인덱스형 도파로가 0°의 경우에 관해서도 동일하게 해석하면, 출사측 부분을 나간 광은 -20.4° 내지 10.9°의 각도 범위에서 한결 같은 모양으로 확산하게 된다. 따라서, -25.4° 내지 21.1°의 사이에 포함되어 있고, 0° 내지 6.5°의 사이에서 광축의 불균형인 그레디언트 인덱스형 광도파로의 층 어레이에서 구성된 입사측 부분과 스텝 인덱스형 광도파로의 층 어레이에서 구성된 출사측 부분과의 적층 모델에서는, -25.4° 내지 21.1°의 각도 범위에서 한결 같은 모양으로 광을 확산시키게 된다.

다음에, 광의 피크에 대해서 해석한다. 입사측 부분의 도파로의 광축의 불균형 분포에 있어서, 0°의 곳에 빈도의 피크가 존재하기 때문에, 0°의 도파로의 사이에 간극이 있으면 빠져나가는 광이 존재한다. 이 광은 0° 입사의 경우, 그대로 출사측 부분에 입사하게 된다. 출사측 부분의 층은 -3° 경사하고 있으므로, -3°의 층에서 전반사하고, 홀수회 반사했을 경우 -6° 방향으로, 짝수회 반사했을 경우 0° 방향에 진행하는 것으로 되고, 0°와 -6°의 광이 생긴다. 이것이 공기층으로 나가면, 0°와 -9.32°의 방향으로 진행하는 것으로 되고, 측정 결과에 있어서 0°와 -9.32°에 피크가 생기고 있다.

실시예 3

실시예 3에서는, 도 41a에 도시하는 바와 같이, 굴절률이 상이한 층(9₁)과 층(9₂)이 면내 방향에 교대에 겹쳐서 배열한 구조를 갖는 광학 필름(9)으로부터 취한 광학 필름편(9A)을 도 41b에 도시하는 바와 같이 굽혀서 배치함으로써, 본 발명에 이용하는 광출사 방향 변환 확산 필름의 구부러짐 도파로 구조와 광학적으로 등일한 구조를 실현했다. 각 층의 두께는 2㎛이다. 각 층은 층 경계 국소 곡률 반경을 불균형으로 한 스텝 인덱스형의 광도파로와, 층 길이를 불균형으로 한 그레디언트 인덱스형의 광도파로가 융합한 구조를 가지고, 층 두께 중심부에 있어서의 굴절률이 층(9₁)에서는 1.55, 층(9₂)에서는 1.51이다. 또한, 공기 계면에서의 전반사를 막기 위해서, 도 41b에 도시하는 바와 같이, 구부러진 광학 필름편(9A)의 주변을 굴절률 1.6의 투명 매체(12)로 채웠다. 곡률 반경은 최소의 층에서도 4㎝와, 식(1-16)의 R_minstep 및 식(2-32)의 R_min의 어느 하나와 비교해도 충분히 크게 했다.

이렇게 하여 구부려서 배치한 광학 필름편(9A)에, 그 일단면측에서 광원(11)을 이용하여 광(입사광(11₁)을 입사시키는 실험을 실행하고, 이 광이 타단면측으로부터 출사광(11₂)으로서 출사하는 것을 확인했다. 출사광(11₂)의 광강도와 입사광(11₁)의 광강도와 대략 동등했다.

실시예 4

실시예 4에서는 도 33에 도시한 실제의 박형 리어 프로젝션 디스플레이 시스템에 본 발명 (8)에 해당하는 스크린(스텝 인덱스형의 광출사 방향 변환 필름 + 확산 필름)을 적용할 경우의 광출사 방향 변환 필름과 광학 엔진과의 NA 매칭을 실행하는 설계의 구체 예를 나타낸다.

실제의 시스템의 미러(M1, M3)와 비구면 미러(M2)를 제거해서 전개한 광학계는 도 27의 것으로 된다.

실제의 시스템에서는 도 33에 도시하는 바와 같이, 광은 스크린(10)의 뒤에서 미러(M1, M2) 및 비구면 미러(M2)에 의해 3회 방향을 바꾸고, 광학 엔진(20) 출력 광은 직전의 미러(M1)로 횡으로 구부릴 수 있다. 실제의 시스템의 깊이(미러(M3)와 스크린(10)의 면간 거리)를 20㎝, 스크린(10)의 높이를 1m, 렌즈와 미러(M1)의 중심사이 거리를 40㎝라고 하면, 도 27의 전개 광학계에서는 b=20㎝×3+40㎝=1m, S₂=1m이다. DMD 칩으로 이루어지는 화상 표시 패널(21)의 세로 길이(=도 27의 S₁)를 2.5㎝라고 하면, 배율 S₂/S₁=1m/2.5㎝=40=b/a=1m/a에 의해, a=2.5㎝이며, 1/a+1/b=1/f에 의해, 렌즈의 초점 거리 f=2.44㎝이다. 렌즈 구경(d)은 2.4㎝이라고 했다. l₁=30㎝라고 하면, l₂=l₁+S₂=130cm이다.

이것으로, 광학계의 파라메타가 결정되었으므로, 식(0-2), (0-3)에 의해, 도 27의 θ₁, θ₀은 θ₁=52.474°, θ₀=16.066°이 된다. 광학계의 시스템의 출력(NA)을 정하는 각(θ_opt)의 범위는, θ₀ 이상 θ₁ 이하이다. 이 범위와 광출사 방향 변환 필름의 입력 각도 범위가 일치하면 NA 매칭이 성립한다.

스텝 인덱스형의 광출사 방향 변환 필름의 입력 각도 범위는, 식(1-12)에 의해, θ_in4 이상 θ_in5 이하이기 때문에, NA 매칭 성립 조건은 θ_{in4 =} θ₀=16.066°, θ_in5=θ₁=52.474°이다.

다음에, θ_bend(θ_bend-in에 해당)를 계산한다. θ_bend는 식(1-9)의 -θ_in4를 +θ_in4로 한 식과 식(1-11)으로부터 도출되는 다음식에서 계산된다.

이 식을 이용하여, θ_in4, θ_in5를 상기 각 값으로 하고, n_g=1.5, n_air=1.0으로 해서 계산하면, θ_bend=21.275°이 된다.

다음에, 구부러짐 도파로의 곡률 반경을 계산한다. 이 계산에서는, 식(1-n)을 변형해서 얻을 수 있는 다음식 :

에 θ_in5, θ_bend, n_g, n_air, n₁, n₂, y₁(광도파로의 폭=층의 두께)의 값에 넣어서 r₀를 계산하고, R=r₀+y₁/2에 의해, 곡률 반경을 구한다. θ_in5, θ_bend, n_g, n_air를 상기 각 값으로 하고, n₁=1.55, n₂=1.51, y₁=4㎛로 해서 r₀를 구하면, r₀=401.617㎛이 된다. 따라서, 곡률 반경은 R=r₀+y₁/2=403.617㎛이 된다.

또한, 필름의 두께(t_f)는, G_bend를 이용하면 도 42에 의해 (r₀+y₁)×Sinθ_bend이므로, t_f=(r₀+y₁)×Sinθ_bend=147.2㎛이다.

한편, 출력측의 NA는 식(1-5)에서 결정되므로, 동 식에서 위에서 구한 r₀와 그 밖의 파라메타를 대입하면 θ_out2=16.084°이 된다. 따라서 식(1-6)에 의해, 출력측(NA)을 정하는 각의 범위는 -16.084°≤θ_NAstep≤+16.084°이 된다.

실시예 5

실시예 5에서는 실시예 4와 동일한 박형 리어 프로젝션 디스플레이 시스템에 본 발명 (9)에 해당하는 스크린(그레디언트 인덱스형의 광출사 방향 변환 필름 + 확산 필름)을 적용할 경우의 광출사 방향 변환 필름과 광학 엔진의 NA 매칭을 실행하는 설계의 구체예를 나타낸다.

광학계의 시스템의 출력(NA)을 정하는 각(θ_opt)의 범위는, 실시예 4와 같은 θ₀(=16.066°) 이상 θ₁(=52.474°) 이하이다. 이 범위와 광출사 방향 변환 필름의 입력 각도 범위가 일치하면 NA 매칭이 성립한다.

그레디언트 인덱스형의 광출사 방향 변환 필름의 입력 각도 범위는 식(2-16A)에 의해, θ_in2 이상 θ_in1 이하이기 때문에, NA 매칭 성립 조건은 θ_in2=θ₀=16.066°, θ_in1=θ₁=52.474°이다.

다음에, θ_bend(θ_{bned -in}에 해당)를 계산한다. θ_bend는 식(2-12A)을 변형해서 되는 다음식에서 계산된다.

여기서, θ_NA0는 식(2-5) : θ_NA0=tan^-1(n₁×√A×y₁/2)에서 계산되고, 식(2-5)중의 A는 식(2-2) : A=(8/y₁ ²)×(n₁-n₂)/n₁에서 계산된다.

식(2-2)에 y₁=4㎛, n₁=1.55, n₂=1.51을 대입하면, A=1.290×10¹⁰이 된다. 이 A값 및 상기 y₁, n₁ 값을 식(2-5)에 대입하면, θ_NA0=19.397°이 된다. 여기에서, 이 θ_NA0 값, 상기 θ_in1, n₁ 값 및 n_g=1.5, n_air=1.0을 식(2-12B)에 대입하고, θ_bend=11.848°이 결정된다.

다음에, n을 결정한다. n은 식(2-15A)을 변형해서 되는 다음식을 이용하여 계산된다.

식(2-15B)에 이 식중의 파라메타 대응 분의 상기 각 값을 대입하고, n=1.0646이 결정된다.

다음에, 구부러짐 도파로의 곡률 반경을 계산한다. 이 계산에서는, 식(2-4) : P=2×π/√A에 상기 A 값을 대입하고, P=55.32㎛을 얻고, 이 P 값과 상기 θ_NA0, n 값을 식(2-30) : R=r₀+y₁/2=(P/4)/tan(θ_NA0/(2×n))에 대입하고, 곡률 반경 R=86.247㎛이 결정된다.

또한, 필름의 두께(t_f)는 θ_bend를 이용하면 도 42에 의해 (r₀+y₁)×Sinθ_bend이므로, t_f=(r₀+y₁)×Sinθ_bend=18.1185㎛(단 θ_bend-out=0°의 경우)이다.

한편, 출력측(NA)은 상하 대칭 출력에서 설계한다. 출력측 광축 각도(θ_axis(=θ_bend-out))는 식(2-26)에, 이 식중의 파라메타 대응분의 상기 각 값을 대입하는 것에 의해, θ_axis(=θ_bend-out)=9.4273°이 된다. 따라서, 식(2-27)에 의해, θ'_out3 = θ'_out4 = 16.084°로 된다. 따라서, 식(2-28)에 의해, 이 광출사 방향 변환 필름의 상하 대상 출력(NA)을 정하는 각의 범위는 -16.084°≤θ_NAout≤16.084°가 된다.

본 발명은 리어(또는 프론트) 프로젝션 디스플레이용 스크린의 설계 및 제조에 이용할 수 있다.

Claims (16)

1. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서,

   상기 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이, 필름 면내의 한 방향에 나란한 줄무늬를 형성하고, 필름 두께 방향에 대하여 소정의 각도 범위에 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 경사 각도의 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
2. 입사광 확산 각도 영역으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서,

   상기 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이, 필름 면내의 한 방향에 나란한 줄무늬를 형성하고, 필름 두께 방향에 대하여 소정의 각도 범위에 1 또는 2 이상의 피크를 포함해 해당 피크 이외는 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 경사 각도의 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 확산 필름의 구조는, 필름 두께(L) 및 줄무늬의 폭의 최대값(ymax)이 다음식, L≥10 ×ymax을 만족하는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
4. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서,

   상기 확산 필름은, 필름 두께 방향의 일 부위에, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이, 소정의 범위에 대략 톱 해트형으로 분포하는 층 길이를 갖고서 필름 두께 방향 또는 해당 방향으로부터 경사진 방향으로 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 확산 필름의 구조는, 상기 광도파로의 굴절률 분포가 그레디언트 인덱스형이며, 층의 경사 각도(θ), 층 길이의 최대값(Lzmax), 최소값(Lzmin) 및 광도파로의 피치(P)가 다음식, Lzmax-Lzmin≥(P/2) ×cosθ를 만족하는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
6. 입사광 확산 각도 영역으로부터 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산 시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서,

   상기 확산 필름은 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 기재된 확산 필름과 동일 구조의 부분과, 제 4 항 또는 제 5 항에 기재된 확산 필름과 동일 구조의 부분이 필름 두께 방향 또는 필름 면내 방향에 혼재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
7. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름으로 이루어지는 프로젝션 디스플레이용 스크린에 있어서,

   상기 확산 필름은 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나에 기재된 확산 필름의 구조와, 제 4 항 또는 제 5 항에 기재된 확산 필름의 구조가 융합해서 이루는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   프로젝션 디스플레이용 스크린.
8. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

   상기 광출사 방향 변환 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 것을 특징 으로 하는

   광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
9. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

   상기 광출사 방향 변환 필름은, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

   광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
10. 입사광 확산 각도 영역에서 입사한 광을 출사광 확산 각도 영역에 확산시키는 확산 필름과, 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 출사시키는 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

    상기 광출사 방향 변환 필름은, 제 8 항에 기재된 구조와, 제 9 항에 기재된 구조가 필름 두께 방향 및 필름 면내 방향중 어느 한쪽 또는 양쪽에 혼재한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

    광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
11. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 확산 필름의 입사광 확산 각도 영역과 상기 광출사 방향 변환 필름의 출사 각도 영역이 매칭하는 것을 특징으로 하는

    광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
12. 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

    상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 인접 상호간에서 상이한 굴절률을 갖고서 복수의 스텝 인덱스형 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하고, 그 층 경사 각도가 대략 톱 해트형으로 분포하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

    광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
13. 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

    상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 층 두께 방향에 집광 능력을 발현하는 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 이루는 복수의 층이 필름 면내 방향에 줄무늬형상에 나란하고, 필름 두께 방향에 대하여 만곡해서 연재하고, 그 층 길이가 대략 톱 해트형으로 분포하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

    광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
14. 경사 방향으로부터 입사한 광을 정면 방향에 확산 출사시키는 광출사 방향 변환 확산 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린에 있어서,

    상기 광출사 방향 변환 확산 필름은, 제 12 항에 기재된 구조와, 제 13 항에 기재된 구조가 필름 두께 방향 및 필름 면내 방향의 어느 한쪽 또는 양쪽에 혼재한 구조, 또는 제 12 항에 기재된 구조와 제 13 항에 기재된 구조가 융합한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

    광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린.
15. 제 8 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 기재된 광출사 방향 변환 기능을 갖는 필름을 이용한 스크린과, 이 스크린에의 입사광을 발광하는 프로젝터를 포함하며, 상기 프로젝터의 프로젝터 개구 및 배치가 상기 스크린의 입사 각도 영역과 매칭되어서 구성되는

    프로젝션 디스플레이 시스템 광학계.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 프로젝터로부터의 발광을 반사해서 상기 스크린에 입사시키는 반사경을 더 구비하고, 상기 반사경의 배치가 상기 스크린의 입사 각도 영역과 매칭되어서 구성되는

    프로젝션 디스플레이 시스템 광학계.

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