KR20070101791A

KR20070101791A - 프레넬 렌즈, 프리즘 어레이, 배면 투사형 표시 장치 및조명 장치

Info

Publication number: KR20070101791A
Application number: KR1020070035790A
Authority: KR
Inventors: 야스후미 오가와
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2007-10-17
Also published as: JP2007286183A; US20070285773A1; EP1845393A2; TW200745614A; CN101055322A

Abstract

본 발명의 과제는 최저 입사 각도가 비교적 작은 광학계의 광선을 프레넬 렌즈에 입사시키는 경우에도 출사 주광선에 비교적 가까운 각도에서 출사되는 미광을 억제하고, 또한 프레넬 렌즈용 금형의 가공이나 프레넬 렌즈의 성형을 비교적 용이하게 한다.

입사광을 굴절면(7a)에서 굴절시키고, 굴절면(7a)으로부터의 굴절광을 반사면(7b)에서 출사면측으로 반사하는 프리즘(7)을 입사면측에 복수 배열한 프레넬 렌즈에 있어서, 적어도 일부 영역에서 이웃하는 프리즘(7)끼리의 굴절면(7a)과 반사면(7b) 사이에 간격을 둔 간격 조정면(7d)을 형성한다.

굴절면, 반사면, 조정면, 프레넬 렌즈, 투영 렌즈, 투과형 스크린

Description

프레넬 렌즈, 프리즘 어레이, 배면 투사형 표시 장치 및 조명 장치 {FRESNEL LENS, PRISM ARRAY, REAR PROJECTION DISPLAY APPARATUS, AND ILLUMINATING APPARATUS}

도1은 굴절형의 프레넬 렌즈의 단면 구조를 도시하는 도면.

도2는 반사형의 프레넬 렌즈의 단면 구조를 도시하는 도면.

도3은 반사형의 프레넬 렌즈에 있어서의 미광의 발생을 나타내는 도면.

도4는 본 발명을 적용한 배면 투사형 표시 장치의 광학계를 나타내는 도면.

도5는 도4의 프레넬 렌즈의 구조를 도시하는 단면도.

도6은 간격 조정면을 갖는 프리즘에서의 반사광의 진행 방향을 통상의 삼각 형상의 프리즘의 경우와 대비하여 나타내는 도면.

도7은 간격 조정면의 조정에 의한 프리즘의 피치나 높이의 변경의 모습을 예시하는 도면.

도8은 간격 조정면에 안티 글래어 처리를 실시한 예 및 곡률을 부여한 예를 도시하는 도면.

도9는 확산층을 형성한 틴트 처리 기판을 이용한 예를 도시하는 도면.

도10은 다각 형상의 프리즘에 의한 누출광의 방지의 모습을 나타내는 도면.

도11은 본 발명을 적용한 조명 장치의 광학계를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 영상 광원

2 : 투영 렌즈

3 : 투영 미러

4 : 투과형 스크린

5 : 프레넬 렌즈

6 : 렌티큘러 렌즈

7 : 프리즘

7a : 굴절면

7b : 반사면

7c : 출사면

7d : 간격 조정면

7e : 형상 조정면

8 : 기판

9 : 확산층

10 : 틴트 처리 기판

11 : 광원

12 : 투영 렌즈

13 : 배면 미러

14 : 프레넬 렌즈

15 : 타겟

[문헌 1] 국제 공개 번호 WO 2002/027399의 팜플렛

본 발명은, 광원으로부터 사출된 광선을 편향하는 프레넬 렌즈 및 프리즘 어레이와, 프레넬 렌즈 또는 프리즘 어레이를 이용한 배면 투사형 표시 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.

광원으로부터 사출된 광선을 편향하는 기능을 갖는 광학 부품으로서, 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이가 알려져 있다.

프레넬 렌즈나 프리즘 어레이는, 예를 들어 배면 투사형 표시 장치(리어 프로젝션 디스플레이)에 있어서, 투과형 스크린의 구성 요소로서 이용되고 있다. 배면 투사형 표시 장치는 주지한 바와 같이, CRT, LCD 소자, DLP(Digital Light Processing) 소자 또는 레이저 등의 영상 광원으로부터 출사한 영상광을 확대하여 투과형 스크린에 배면으로부터 투사하고, 투과형 스크린의 정면측으로부터 화상을 보도록 한 것이다.

또한, 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이는, 예를 들어 타겟에 광을 조사하거나, 스크린이나 벽에 영상이나 광을 투사하는 조명 장치에 있어서도 광원으로부터 사출된 광선을 편향하기 위해 이용되고 있다.

프레넬 렌즈나 프리즘 어레이에는 굴절형, 반사형의 2종류의 것이 존재한다. 굴절형은, 도1에 도시한 바와 같이 미소한 삼각 형상의 프리즘(51)을 출사면측(광원과는 반대측)에 복수 배열하여(프레넬 렌즈에서는 동심원 형상으로 배열하고, 프리즘 어레이에서는 종횡으로 매트릭스 형상으로 배열하여), 프리즘(51)의 출사면(51a)의 굴절을 이용하여 광선의 각도를 조정하는 것이다. 한편, 반사형은, 도2에 도시한 바와 같이 미소한 삼각 형상의 프리즘(52)을 입사면측(광원측)에 복수 배열하고, 그 굴절면(52a)에서 굴절시킨 입사광을 반사면(52b)에서 출사면측으로 반사함으로써 광선의 각도를 조정하는 것이다.

굴절형의 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이에는 입사 광선의 입사각(도1의 α)이 커지면 입사면에서의 반사에 의한 손실이 커지고, 투과율이 떨어지는 특성이 있다. 따라서, 일반적으로, 입사각이 큰 경우에는 반사형의 프레넬 렌즈 또는 프리즘 어레이가 이용된다. 그러나, 반사형의 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이는 최저 입사각이 어느 정도 크지 않으면, 프리즘의 굴절면이나 출사면에서 반사된 광선의 일부가 프레넬 렌즈 내부에서 반사나 굴절을 반복함으로써 도3에 도시한 바와 같이 미광이 발생한다. 특히 주광선에 가까운 각도로 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이로부터 출사되는 미광은 주광선과 분리되는 것이 어렵기 때문에 문제가 되고 있다.

이와 같이, 굴절형은 광선의 입사 각도가 큰 영역이 있는 시스템에서는 이용할 수 없고, 반사형은 광선의 입사 각도가 작은 영역이 있는 시스템에서는 이용할 수 없기 때문에, 그 사이의 영역에서 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이를 사용하고자 하는 경우, 굴절형, 반사형 모두 사용할 수 없다.

종래, 굴절형과 전반사형 사이의 영역에서 사용할 수 있는 프레넬 렌즈로서는, 예를 들어 입사면측에 굴절면과 반사면을 모두 갖는 하이브리드 타입의 프레넬 렌즈가 제안되어 있었다(문헌 1).

그러나, 상기 문헌 1에 기재된 하이브리드 타입의 프레넬 렌즈는, 프리즘 형상이 복잡하기 때문에 금형의 가공이 어렵거나, 금형 가공용 바이트의 선단각이 작기 때문에 가공시에 치핑 등을 일으켜 가공 성공률이 낮다는 문제가 있다. 또한, 입사면 등의 각 면에서 발생한 반사광의 방향을 의도적으로 조정하고 있지 않으므로, 이 반사광이 프레넬 렌즈 내부에서 반사나 굴절을 반복한 후 미광으로서 출사됨으로써, 배면 투사형 표시 장치의 경우에는 다중상(고스트)이 발생하여 화질을 열화시킬 가능성이 있다.

본 발명은 상술한 점에 비추어, 반사형 프레넬 렌즈나 반사형 프리즘 어레이를 이용하는 배면 투사형 표시 장치나 조명 장치에 있어서, 광선의 최저 입사 각도가 비교적 작은 경우에도 미광을 억제하고, 또한 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이를 금형으로 제조하는 경우에 있어서는, 금형의 가공을 비교적 용이하게 하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 프레넬 렌즈는, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 이 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열한 프레넬 렌즈에 있어서, 적어도 일부의 영역 에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성된 간격 조정면을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 반사형의 프레넬 렌즈에 따르면, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격을 둠으로써, 굴절면에서 일부 반사된 광선의 진행 방향을 제어하여, 주광선에 가까운 각도에서 미광이 출사되는 것을 회피할 수 있다. 이에 의해, 최저 입사 각도가 비교적 작은 광선이 입사한 경우에도 주광선에 가까운 각도로 출사되는 미광을 억제할 수 있다.

굴절면에서 일부 반사된 광선의 진행 방향은 간격 조정면의 폭을 조정함으로써 어느 정도 임의로 제어할 수 있다. 그리고, 이 간격 조정면의 폭을 조정함으로써, 굴절면의 각도나 반사면의 각도를 바꾸지 않고, 프리즘의 피치나 높이를 변경할 수 있다.

그리고, 이 간격 조정면의 폭의 조정에 의해 피치에 대한 프리즘의 높이를 낮게 함으로써, 프리즘의 금형의 가공시의 가공량을 줄일 수 있으므로, 가공 장치 및 금형 가공용 바이트에 걸리는 부담을 경감시키거나, 가공 시간을 단축하거나, 금형 작성의 성공률이나 마무리를 좋게 할 수 있다. 이에 의해, 금형의 가공이 비교적 용이해진다.

또한, 이와 같이 프리즘의 높이를 낮게 함으로써 금형의 홈을 얕게 할 수 있으므로, 금형으로부터 복사 금형을 만들거나 제품으로서의 프레넬 렌즈를 만들 때에, 금형에의 실리콘이나 수지의 충전이 용이해지는 동시에, 이형시의 저항을 작게 할 수 있다.

다음에, 본 발명에 관한 프리즘 어레이는, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 이 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열한 반사형의 프리즘 어레이에 있어서, 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부의 사이에 간격이 형성된 간격 조정면을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 반사형의 프리즘 어레이에 따르면, 전술한 본 발명에 관한 프레넬 렌즈에 대해 설명한 것과 모두 동일하게 하여, 최저 입사 각도가 비교적 작은 광학계에 이용한 경우에도 미광을 억제할 수 있는 동시에 프리즘의 금형의 가공이 비교적 용이해진다.

다음에, 본 발명에 관한 배면 투사형 표시 장치는, 영상광을 출사하는 영상 광원과, 이 영상광이 배면으로부터 투사되는 투과형 스크린을 포함하는 배면 투사형 표시 장치에 있어서, 이 투과형 스크린에, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 이 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열한 프레넬 렌즈(또는, 이러한 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열한 프리즘 어레이)가 이용되고 있고, 이 프레넬 렌즈(또는 프리즘 어레이)는 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 배면 투사형 표시 장치는 전술한 본 발명에 관한 프레넬 렌즈 또는 프리즘 어레이를 투과형 스크린에 이용한 것이고, 광선의 최저 입사 각도가 비교적 작은 경우에도 미광을 억제할 수 있으므로, 다중상(고스트)의 발생을 억제할 수 있 다. 또한, 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이용의 프리즘의 제조가 비교적 용이해진다.

다음에, 본 발명에 관한 조명 장치는, 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 타겟에 조사하기 위한 프레넬 렌즈(또는 프리즘 어레이)를 포함하는 조명 장치에 있어서, 이 프레넬 렌즈는, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 이 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열하고 있고, 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는(또는, 이 프리즘 어레이는 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열하고 있고, 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 놓여져 있음) 것을 특징으로 한다.

이 조명 장치는, 광원으로부터의 출사광을 전술한 본 발명에 관한 프레넬 렌즈 또는 프리즘 어레이에 의해 편향하여 타겟에 조사하도록 하는 것이고, 입사 각도가 비교적 작은 광선을 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이에 입사시키는 경우에도 미광을 억제할 수 있으므로, 타겟에 미광이 조사되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이용 프리즘의 제조가 비교적 용이해진다.

[배면 투사형 표시 장치에의 적용예]

이하, 본 발명을 도면을 이용하여 구체적으로 설명한다. 처음에, 본 발명을 적용한 배면 투사형 표시 장치(리어 프로젝션 디스플레이)에 대해 설명한다. 도4는, 본 발명을 적용한 배면 투사형 표시 장치의 광학계의 개요를 나타내는 도면이 다. 영상 광원(1)은 예를 들어 CRT, LCD 소자, DLP(Digital Light Processing) 소자 또는 레이저로 이루어져 있고, 도시하지 않은 영상 신호 처리 장치로부터의 영상 데이터에 따라서 구동되어 영상광을 출사한다.

영상 광원(1)으로부터 출사된 영상광은 복수의 렌즈를 조합한 투영 렌즈(2)로 확대되어 투영 미러(3)에 입사한다. 그리고, 투영 미러(3)에 의해 반사ㆍ확대되어 투과형 스크린(4)으로 배면으로부터 투사되고, 투과형 스크린(4)로부터 관측자로 출사된다.

투과형 스크린(4)은 광원측[투영 미러(3)의 측]에 프레넬 렌즈(5)가 설치되고, 관측자측에 렌티큘러 렌즈(6)가 설치된 구조를 하고 있다. 프레넬 렌즈(5)는 광원으로부터 출사된 방사형의 광선을 평행광화하는 기능을 갖는다. 렌티큘러 렌즈(6)는 입사광을 편향시킴으로써 시야각을 확대하는 기능을 갖는다.

이 투과형 스크린(4)은 프레넬 렌즈(5)의 구조에 특징을 갖고 있다. 도5는 이 프레넬 렌즈(5)의 구조를 도시하는 단면도이다. 프레넬 렌즈(5)는 광의 입사측(광원측)에 미소한 프리즘(7)을 동심원 형상으로 복수 배열한 반사형의 프레넬 렌즈이다. 프리즘(7)의 형상은 프레넬 렌즈(5)의 전체면에 걸쳐서 입사광을 굴절시키는 굴절면(제1 면)(7a)과, 굴절면(7a)으로부터의 굴절광을 출사측을 향해 반사하는 반사면(제2 면)(7b)과, 반사면(7b)으로부터의 반사광을 출사하는 출사면(제3 면)(7c)을 갖는 동시에, 이웃하는 프리즘(7)끼리의 굴절면(7a)과 반사면(7b)과의 골부에 간격을 두기 위한 간격 조정면(제4 면)(7d)을 갖고 있다.

도6은 이와 같은 간격 조정면을 형성한 프리즘에 있어서의 반사광의 진행 방 향[도6의 (b)]을, 통상의 삼각 형상의 프리즘의 경우[도6의 (a)]와 대비하여 나타내는 도면이다.

프레넬 렌즈에 입사하는 영상광의 각도는 스크린의 높이 위치(도4의 상하 방향의 위치)에 따라 다르지만, 통상의 삼각 형상의 프리즘에서는 입사 광선의 각도에 따라서는 입사면에서 반사된 광선이 프레넬 렌즈 내부에서 반사나 굴절을 반복하게 된다. 도6의 (a)에는 프리즘의 굴절면에서 일부 반사된 광선이 프리즘의 골부에 있어서 상하의 2방향으로 반사하는 모습을 나타내고 있다. 이 중 상방향으로 반사된 광은, 프레넬 렌즈 내부에서 반사나 굴절을 반복함으로써, 도3에 도시한 바와 같이 미광이 되어 주광선에 가까운 각도로 프레넬 렌즈로부터 출사되어 버린다. 이와 같은 주광선에 가까운 각도의 미광은 주광선과 분리하는 것이 어렵고, 또한 관측자에게 보이기 쉽기 때문에 다중상(고스트)이 발생하여 화질을 열화시키는 요인이 된다.

이에 대해, 간격 조정면을 형성한 프리즘에서는 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격을 둠으로써, 굴절면이나 출사면에서 반사된 광선의 일부의 진행 방향을 제어하여, 주광선에 가까운 각도로 미광이 출사되는 것을 회피할 수 있다. 도6의 (b)에는, 도6의 (a)와 마찬가지로 굴절면에서 반사된 광선이 다시 프리즘에서 반사되지 않고, 주광선에 대해 큰 각도가 부여된 상태에서 프레넬 렌즈의 하방으로 빠지는 모습을 나타내고 있다.

이와 같이, 이 프레넬 렌즈(5)에 따르면, 최저 입사 각도가 비교적 작은 광학계의 광선이 입사한 경우에도 미광을 억제할 수 있다. 따라서, 도4의 배면 투사 형 표시 장치에서는, 투영 미러(3)로부터 비교적 작은 입사 각도로 영상광을 투과형 스크린(4)에 투사하는 경우에도 다중상(고스트)의 발생을 억제할 수 있다.

굴절면에서 일부 반사된 광선의 진행 방향은 이 간격 조정면의 폭을 조정함으로써 어느 정도 임의로 제어할 수 있다. 그리고, 간격 조정면의 폭을 조정함으로써, 굴절면의 각도나 반사면의 각도를 바꾸지 않고 프리즘의 피치나 높이를 변경할 수 있다.

도7은 간격 조정면의 폭의 조정에 의한 프리즘의 피치나 높이의 변경의 모습을 예시하는 도면이다. 도7의 (a)에는, 간격 조정면(7d)의 두께를 바꾸지 않고 그 폭을 넓게 함으로써(도면의 좌측 → 우측), 프리즘(7)의 피치를 넓게 한 모습을 도시하고 있다. 도7의 (b)에는, 간격 조정면(7d)을 두껍게 함으로써(도면의 좌측 → 우측), 프리즘(7)의 높이[간격 조정면(7d)으로부터 프리즘의 꼭지점까지의 높이]를 낮게 한 모습을 나타내고 있다.

예를 들어 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 프리즘의 높이를 낮게 함으로써, 프리즘의 금형의 가공시의 가공량을 줄일 수 있으므로, 가공 장치 및 금형 가공용 바이트에 걸리는 부담을 경감시키거나, 가공 시간을 단축시키거나, 금형 작성의 성공률이나 마무리를 좋게 할 수 있다. 이에 의해, 금형의 가공이 비교적 용이해진다.

또한, 이와 같이 프리즘의 높이를 낮게 함으로써 금형의 홈을 얕게 할 수 있으므로, 금형으로부터 복사 금형을 만들거나 제품으로서의 프레넬 렌즈를 만들 때에 금형에의 실리콘이나 수지의 충전이 용이해지는 동시에, 이형시의 저항을 작게 할 수 있다.

다음에, 이상에 설명한 프레넬 렌즈(5)의 구조에 대한 바람직한 변경예를 몇 가지 예로 든다. 도8의 (a)에는, 간격 조정면(7d)에 면 거칠기를 갖게 함으로써(미세한 요철을 부여함) AG(안티 글래어) 처리를 실시한 예를 나타내고 있다. 이와 같이 AG 처리를 실시함으로써, 굴절면에서 일부 반사된 광선이 간격 조정면(7d)에 입사한 경우에도, 그 광이 확산되어 특정 방향으로 출사되지 않게 되므로, 고스트를 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

도8의 (a)에는 간격 조정면(7d) 자체에 AG 처리를 실시한 예를 나타냈지만, 간격 조정면(7d) 상에 AG층(바인더의 표면에 입자를 배치함으로써, 적절한 면 거칠기를 갖게 한 층)을 형성해도 좋다.

혹은 또한, 간격 조정면(7d) 상에 AR(안티 리플렉션)층을 형성해도 좋다. 그에 의해, 굴절면이나 출사면에서 반사된 광선의 일부가 간격 조정면(7d)에 입사한 경우에도, 간격 조정면(7d)에서의 반사량이 적기 때문에, 한층 더 미광이 발생하는 것을 억제할 수 있게 된다. 또한, AG층의 기능과 AR층의 기능을 함께 갖는 층을 간격 조정면(7d) 상에 형성해도 좋다.

도8의 (b)는 간격 조정면(7d)을 평면이 아닌 곡률이 부여된 볼록 형상의 면으로 한 예를 나타내고 있다. 이와 같이 간격 조정면(7d)을 자유 곡면으로 함으로써, 굴절면이나 출사면에서 반사된 광선의 일부가 간격 조정면(7d)에 입사한 경우에도, 그 광이 산란되어 특정 방향으로 출사되기 어려워지므로, 역시 고스트를 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

도9의 (a)에는, 프리즘(7)과 기판(8) 사이에 확산층(9)을 형성한 예를 나타내고 있다. 미광은 일반적으로 주광선보다도 긴 광로를 지나가므로, 이와 같이 확산층을 형성함으로써 미광을 주광선보다도 크게 확산시킬 수 있다. 이에 의해, 미광을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

도9의 (b)에는, 기판으로서 틴트 처리 기판(흑색의 투명 수지 기판)(10)을 이용한 예를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 미광은 일반적으로 주광선보다도 긴 광로를 지나가므로, 이와 같이 틴트 처리 기판을 이용함으로써 미광을 주광선보다도 크게 감쇠시킬 수 있다. 이에 의해, 미광을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

도9의 (b)에는 틴트 처리 기판을 이용한 예를 나타냈지만, 프리즘 쪽이 틴트 처리된 것을 이용하도록 하거나, 기판과 프리즘의 양쪽에 틴트 처리된 것을 이용하도록 해도 좋다.

도10의 (b)에는, 프리즘(7)의 형상을 굴절면(7a)과 출사면(7c) 사이에 또한 형상 조정면(제5 면)(7e)을 갖는 다각 형상으로 한 예를 나타내고 있다. 이 형상 조정면은 다음의 (1) 내지 (5)와 같이 이용할 수 있다.

(1) 형상 조정면의 길이나 각도를 바꿈으로써, 프리즘의 피치나 프리즘의 선단각에 상관없이, 출사면에 대한 굴절면이나 반사면의 각도를 임의로 조정할 수 있다. 즉, 이 형상 조정면을 프리즘의 형상을 조정하는 면으로서 이용함으로써, 굴절면이나 반사면의 설계의 자유도가 높아진다.

이에 의해, 프레넬 렌즈에의 광선의 입사각이 작은 경우에도, 그것에 대응하여 굴절면의 각도를 조정하는(굴절면에서 일부 반사된 광선이 미광이 되지 않는 각 도로 조정하는) 것이 용이해지므로, 미광을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

또한, 반사면의 각도를 임의로 조정하는 것이 용이해지므로, 프레넬 렌즈로부터의 출사하는 광선의 각도를 임의로 조정할 수 있게 된다.

(2) 형상 조정면의 길이나 각도를 바꿈으로써, 굴절면이나 반사면의 각도를 바꾸는 일 없이, 프리즘의 피치나 프리즘의 높이를 임의로 설정할 수 있다.

(3) 일반적으로, 반사형의 프레넬 렌즈에서는 광선의 입사각이 작거나, 프레넬 렌즈 전체가 기울어지거나 프리즘이 기울어지면, 입사광이 프리즘의 굴절면에서 굴절된 후 반사면에 접촉하지 않은 상태에서 프레넬 렌즈 내를 빠져 나오게 되는 일이 있다. 도10의 (a)에는 이러한 누출광을 예시하고 있다.

이 광의 누출은, 프리즘의 피치나 프리즘의 높이를 조정함으로써, 반사면 중 실제로 반사에 이용하는 영역을 좁히고, 마진을 갖게 함으로써 방지할 수 있지만, 3각 형상의 프리즘의 경우에는 설계의 자유도가 낮으므로 용이하지 않다. 이에 대해 형상 조정면을 갖는 다각 형상의 프리즘에서는, 설계 자유도가 증가하고, 보다 마진을 가진 프레넬 렌즈의 설계를 행할 수 있으므로, 이 광의 누출을 방지하는 것이 용이해진다. 전술한 도10의 (b)에는, 이 광의 누출을 방지하도록 설계한 다각 형상의 프리즘의 예를 나타내고 있다.

(4) 프리즘에 임의의 각도의 누출 구배를 갖게 하도록 형상 조정면의 각도를 설정할 수 있으므로, 프리즘의 금형의 제작이 용이해지는 동시에, 이 금형으로부터의 성형품의 취출도 용이해진다.

(5) 프리즘 성형용 금형을 가공할 때에는, 그 산의 선단 부분(성형품의 골의 부분)이 구부러지게 되는 문제가 많이 발생한다. 이와 같은 금형으로 성형한 프리즘을 이용한 프레넬 렌즈에는, 프리즘의 반사면의 일부의 각도가 어긋나 버리거나, 구부러진 부분에 의해 광선이 트랩되므로, 반사광이 미광이 되거나, 광선이 방해되어 영상에 줄이 보이므로 화질이 열화되어 버리는 문제가 있다. 프리즘의 피치나 프리즘의 높이를 조정함으로써, 반사면 중 실제로 반사에 이용하는 영역을 좁히도록(각도가 어긋난 영역을 이용하지 않음) 하면, 금형의 산의 선단 부분이 다소 구부러져 있어도 반사광에 영향을 주지 않으므로, 이 미광이나 줄을 회피할 수 있지만, 3각 형상의 프리즘의 경우에는 설계의 자유도가 낮기 때문에 용이하지 않다. 이에 대해, 형상 조정면을 갖는 다각 형상의 프리즘에서는 설계 자유도가 증가하고, 보다 마진을 갖은 프레넬 렌즈의 설계를 행할 수 있으므로, 금형의 마무리 상태가 다소 나빠도, 이 미광이나 줄을 회피하여 화질의 열화를 방지하는 것이 용이해진다.

도10의 (b)에는 형상 조정면을 평면으로 한 예를 나타냈지만, 간격 조정면에 대해 도8의 (a)에 도시한 바와 같은 AG 처리를 형상 조정면에 실시해도 좋다. 그에 의해, 형상 조정면에 광선이 입사한 경우에도, 그 광이 확산되어 특정 방향으로 출사되지 않게 되므로, 미광을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

혹은 또한, 형상 조정면을 간격 조정면에 대해 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 자유 곡면으로 해도 좋다. 그에 의해, 형상 조정면에 광선이 입사한 경우에도, 그 광이 산란되어 특정 방향으로 토출되기 어려워지므로, 역시 미광을 보다 한층 억제할 수 있게 된다.

[조명 장치에의 적용예]

다음에, 본 발명을 적용한 조명 장치에 대해 설명한다. 도11은 본 발명을 적용한 조명 장치의 광학계의 개요를 나타내는 도면이다. 광원(11)은 DLP 소자, LCD, MEMS 소자 또는 레이저 스캐닝 등에 의해 만들어진 영상광을 출사하는 것(혹은, 복수색의 광원으로부터의 광, 단색 광원으로부터의 광, 자외선 또는 적외선을 출사하는 것)이다.

광원(11)으로부터 출사된 광은 복수의 렌즈를 조합한(혹은 단렌즈로 이루어짐) 투영 렌즈(12)에 의해 확대되어 배면 미러(13)에 입사한다. 배면 미러(13)는 1매 또는 복수매의 평면 미러 또는 비구면 미러로 이루어져 있고, 입사광을 반사함으로써, 좁은 공간에서 광로를 모으거나, 입사광을 임의의 방향으로 편향하는 역할을 한다.

배면 미러(13)에서 반사된 광은 프레넬 렌즈(14)에 입사하고, 프레넬 렌즈(14)에 의해 편향되어 타겟(15)에 조사된다. 또한, 투영 렌즈(12)나 배면 미러(13)는 경우에 따라서는 생략해도 좋다.

프레넬 렌즈(14)는 도5에 나타낸 바와 같은 구조의 반사형 프레넬 렌즈이다(또한, 도8 내지 도10에 변경예로서 나타낸 구조를 채용하는 것이 보다 바람직함). 따라서, 이 프레넬 렌즈(14)는 상기 동등한 이유에 의해, 최저 입사 각도가 비교적 작은 광학계의 광선이 입사한 경우에도 주광선에 가까운 각도로 출사되는 미광을 억제할 수 있으므로, 타겟(15)에 미광이 조사되는 것을 회피할 수 있다. 또한, 상기 동등한 이유로부터, 프레넬 렌즈(14)용 금형의 가공이나 프레넬 렌즈의 성형이 비교적 용이해진다. 프레넬 렌즈(14)를 손상이나 먼지 등으로부터 보호할 필요가 있는 경우에는, 프레넬 렌즈(14)의 앞에 커버 렌즈를 설치해도 좋다. 또한, 이 커버 렌즈에 플라이 아이 렌즈, 렌티큘러 렌즈, 프레넬 렌즈, 프리즘 어레이와 같은 광학 특성을 갖게 해도 좋다.

또한, 이상에 설명한 배면 투사형 표시 장치나 조명 장치에서는 광선을 편향하기 위해 반사형 프레넬 렌즈를 이용하고 있다. 그러나, 반사형 프레넬 렌즈와 동일하게 광선을 편향하는 기능을 갖는 광학 부품인 반사형 프리즘 어레이(광의 입사면측에 미소한 프리즘을 매트릭스 형상으로 복수 배열한 것)를 배면 투사형 표시 장치나 조명 장치에 이용하고, 그 반사형 프리즘 어레이에 있어서 도5에 도시한 바와 같이 프리즘에 간격 조정면을 형성하도록(또한, 도8 내지 도10에 변경예로서 나타낸 구조를 채용함) 해도 좋다.

또한, 이상의 예에서는, 도5에 도시한 바와 같이 프리즘 자체에 간격 조정면을 형성하고 있지만, 다른 예로서, 이러한 간격 조정면을 형성하고 있지 않은 프리즘을 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면 사이에 간격을 두고 기판에 배열하도록(기판면에 간격 조정면으로서의 역할을 갖게 함) 해도 좋다.

또한, 이상의 예에서는, 프레넬 렌즈의 전체면에 걸쳐서 프리즘에 간격 조정면을 형성하고 있지만, 프레넬 렌즈의 일부 영역(예를 들어 입사각이 특정한 범위 내에 있는 영역)에서만 프리즘에 간격 조정면을 형성하도록 해도 좋다.

또한, 본 발명에 관한 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이는 배면 투사형 표시 장치 및 조명 장치에 있어서 이용할 뿐만 아니라, 광선을 편향할 필요가 있는 모든 곳에서 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배면 투사형 표시 장치, 조명 장치 등의 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이를 이용하는 장치에 있어서, 최저 입사 각도가 비교적 작은 광학계의 광선을 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이에 입사시키는 경우에도 주광선에 가까운 각도로 출사되는 미광을 억제할 수 있고, 또한 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이용 금형의 가공이나, 프레넬 렌즈나 프리즘 어레이의 성형이 비교적 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열한 프레넬 렌즈에 있어서,

적어도 일부의 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성된 간격 조정면을 갖는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제1항에 있어서, 입사광을 굴절시키는 굴절면과, 굴절광을 출사면측으로 반사시키는 반사면과, 반사광을 출사하는 출사면과, 굴절면과 프리즘 근원부 사이에 또한 형상 조정면으로서 별도의 면을 갖는 다각 형상의 프리즘이, 이웃하는 프리즘끼리의 상기 형상 조정면과 반사면의 근원부 사이에 간격을 두고 배열되어 상기 간격 조정면을 갖는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제2항에 있어서, 상기 형상 조정면에 곡률이 부여되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제2항에 있어서, 상기 형상 조정면에 안티 글래어 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제1항에 있어서, 상기 간격 조정면에 안티 글래어 처리나, 안티 리플렉션 처리나, 안티 글래어 처리와 안티 리플렉션 처리의 기능을 함께 갖는 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제1항에 있어서, 상기 간격 조정면에 곡률이 부여된 면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제1항에 있어서, 프레넬 렌즈의 기판에 확산층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
제1항에 있어서, 프리즘, 기판 중 어느 한쪽, 또는 양쪽이 흑색의 투명한 재질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
입사광을 굴절면에서, 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열한 프리즘 어레이에 있어서,

적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성된 간격 조정면을 갖는 것을 특징으로 하는 프리즘 어레이.
영상광을 출사하는 영상 광원과, 상기 영상광이 배면으로부터 투사되는 투과 형 스크린을 포함하는 배면 투사형 표시 장치에 있어서,

상기 투과형 스크린에, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열한 프레넬 렌즈가 이용되고 있고,

상기 프레넬 렌즈는 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배면 투사형 표시 장치.
영상광을 출사하는 영상 광원과, 상기 영상광이 배면으로부터 투사되는 투과형 스크린을 포함하는 배면 투사형 표시 장치에 있어서,

상기 투과형 스크린에, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열한 프리즘 어레이가 이용되고 있고,

상기 프리즘 어레이는, 적어도 일부의 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배면 투사형 표시 장치.
광원과, 상기 광원으로부터의 출사광을 타겟에 조사하기 위한 프레넬 렌즈를 포함하는 조명 장치에 있어서,

상기 프레넬 렌즈는, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터 의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 복수 배열하고 있고, 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
광원과, 상기 광원으로부터의 출사광을 타겟에 조사하기 위한 프리즘 어레이를 포함하는 조명 장치에 있어서,

상기 프리즘 어레이는, 입사광을 굴절면에서 굴절시키고, 상기 굴절면으로부터의 굴절광을 반사면에서 출사면측으로 반사하는 프리즘을 입사면측에 매트릭스 형상으로 복수 배열하고 있고, 적어도 일부 영역에서, 이웃하는 프리즘끼리의 굴절면과 반사면의 근원부 사이에 간격이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.