KR20100083546A - 모아레가 개선된 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백라이트 유닛 등의 광학 장치에 사용되는 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법에 관한 것으로, 식 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈 시트를 제공한다. 이때 상기 식에서, A는 상기 렌티큘러 렌즈의 높이를 결정하는 상수이고, B는 상기 가우시안 함수의 중심 폭을 결정하는 상수이다.

또한, 본 발명은 렌티큘러 렌즈 시트의 설계를 위한 기본 환경 및 광학 성능 목표치를 설정하는 제1단계; 렌즈식을 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 설정하는 제2단계; 상기 렌즈식의 A 및 B 값을 변화시키면서 대입하여 얻어진 각각의 렌즈식으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌즈들이 연속적으로 배열된 렌티큘러 렌즈 시트의 광학 성능을 측정하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 측정된 광학 성능이 기설정된 목표치에 가장 근접한 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈식을 설계식으로 결정하는 제4단계를 포함하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법을 제공한다.

본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트를 적용하면 급격한 휘도 감소 없이 모아레를 효과적으로 개선할 수 있다.

렌티큘러, lenticular, 모아레, moire

Description

모아레가 개선된 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법 {LENTICULAR LENS SHEET HAVING A IMPROVED MOIRE AND METHOD FOR DESIGNING THE SAME}

본 발명은 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급격한 휘도 감소 없이 모아레를 개선할 수 있도록 가우시안 분포 함수의 형태의 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법에 관한 것이다.

렌티큘러 렌즈 시트는 일정한 방향으로 빛을 집광시키는 기능을 수행하는 집광용 광학 필름으로, 최근 프리즘 시트와 더불어 LCD 백라이트 유닛 등에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 렌티큘러 렌즈 시트는 표면에 일방향으로 연장된 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 피치를 갖는 작은 실린더형 렌즈 구조물이 주기적으로 배열되어 있다.

도 2에는 종래의 렌티큘러 렌즈 시트가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 렌티큘러 렌즈 시트는 그 일면에 원추형 단면을 갖는 렌즈 구조물이 연속적으로 배열되어 있다. 이러한 종래의 렌티큘러 렌즈 시트는 일반적으로 식 1과 같은 곡률반경(r)과 원추 상수(k)에 의해 표시되는 원추형 렌즈식을 이용하여 설계된다.

(식 1)

여기서, x와 y는 단일 렌즈 형상 내의 좌표로, x는 렌즈 중앙으로부터의 거리, y는 렌즈 마루로부터의 거리로 정의된다.

종래의 렌티큘러 렌즈 시트는 상기와 같은 원추형 렌즈식의 곡률반경 r값과 원추 상수 k값을 변화시키면서 시뮬레이션을 통해 최적 광학 성능을 나타내는 r값과 k값을 찾은 다음, 그 렌즈식(식 1)에 의해 렌즈 구조물의 단면 형상을 설계하는 방법으로 제조된다.

그런데 이와 같은 렌티큘러 렌즈 시트는 주기적인 배열을 갖기 때문에, 다른 주기적인 배열을 갖는 광학 시트나 일정한 주기의 화소 패턴을 갖는 LCD 패널과 겹쳐지면 기하학적인 간섭에 의해 모아레 현상이 나타날 수 있다.

모아레(Moire)는 두 개 이상의 주기적인 패턴이 겹쳐졌을 때 발생하는 간섭 패턴을 일컫는 것으로, 도 1에 모아레 현상을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비슷한 주기의 명암 패턴을 갖는 두 개의 필름 마스 크가 겹쳐지게 되면, 오른쪽과 같이 새로운 명암 패턴이 생성되며, 이러한 명암 패턴을 모아레라고 한다. 이와 같은 모아레 현상이 발생하게 되면, 디스플레이되는 영상에 불필요한 패턴이 생성되기 때문에 화질이 떨어지게 된다.

특히, 종래의 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈 구조물은 도 2에 도시된 바와 같이, 골 부분의 곡률 변화가 정점(peak) 부분의 곡률변화에 비해 상대적으로 크기 때문에, 렌즈 구조물들의 경계면(골 부분)에 첨점이 발생하게 된다. 이와 같이 렌즈 구조물들이 만나는 골 부분에 첨점이 형성되면, 골 부분으로 입사된 빛은 투과되기 보다는 반사되기 쉽다. 또한, 빛이 렌즈의 골 부분을 투과할 경우에도 투과된 빛이 인접한 렌즈로 재입사되어 리사이클될 가능성이 높다. 이에 비해 렌즈의 정점 부근으로 입사된 빛은 상대적으로 높은 비율로 투과되게 된다(도 4 참조). 따라서, 렌즈의 정점 부근과 골 부근에서 빛의 투과량에 차이가 발생하게 되며, 이러한 투과량 차이에 의해 주기적인 명암 패턴이 발생하게 된다. 이러한 명암 패턴은 모아레를 발생시키는 원인이 된다.

따라서, 이러한 모아레의 발생을 최소화할 수 있는 렌티큘러 렌즈 시트를 개발하기 위한 노력들이 시도되고 있다. 종래에는 모아레를 회피하기 위해 함께 사용되는 다른 광학 시트나 패널 패턴의 주기를 고려하여 렌즈 구조물의 피치를 모아레를 최소화할 수 있게 조절하는 방법이나, 또는 렌즈 구조물의 주기 또는 높이를 단위 렌즈 별로 다르게 설정하거나, 변조하여 주기성을 없애는 방법 등이 사용되어 왔다.

그러나, 전자의 방법은 함께 사용되는 광학 시트나 패널이 달라지면 사용할 수 없다는 문제가 있으며, 후자의 경우는 제작 공정의 난이도가 높고, 렌즈 표면이 곡면으로 형성되는 렌티큘러 렌즈의 경우, 피치나 높이를 임의로 변조할 경우 빛에 노출되는 렌즈의 곡면 형상이 변하면서 급격한 휘도 감소가 나타날 수 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 렌티큘러 렌즈의 단면 형상을 모아레 발생에 취약한 원추형 곡면 구조 대신 가우시안 함수 분포 형태로 형성함으로써, 급격한 휘도 변화 없이 모아레를 획기적으로 개선할 수 있는 렌티큘러 렌즈 시트 및 그 설계 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은 식 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈들을 포함하여 이루어지는 렌티큘러 렌즈 시트를 제공한다. 이때 상기 식에서, A는 상기 렌티큘러 렌즈의 높이를 결정하는 상수이고, B는 상기 가우시안 함수의 중심 폭을 결정하는 상수이다.

한편, 상기 A는 5㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하며, 상기 B는 1㎛² 내지 60000㎛²인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 렌티큘러 렌즈 시트의 설계를 위한 기본 환경 및 광학 성능 목표치를 설정하는 제1단계; 렌즈식을 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 설정하는 제2단계; 상기 렌즈식의 A 및 B 값을 변화시키면서 대입하여 얻어진 각각의 렌즈식으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈들이 연속적으로 배열된 렌티큘러 렌즈 시트의 광학 성능을 측정하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 측정된 광학 성능이 기설정된 목표치에 가장 근접한 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈식을 설계식으로 결정하는 제4단계를 포함하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법을 제공한다.

이때 상기 렌티큘러 렌즈 시트의 설계를 위한 기본 환경은, 적용되는 액정 표시 장치, 광원의 타입, 광원의 개수, 광학 필름의 매수, 렌즈 형성 재료 및 이들의 조합 등의 조건으로 이루어질 수 있으며, 상기 광학 성능 목표치에는 목적하는 중심 휘도값의 범위, 시야각의 범위, 사이드 로브의 범위, 전체 휘도값의 범위, 투과율의 범위, 반사율의 범위 및 이들의 조합 등이 포함된다.

한편, 상기 제3단계에서 상기 A는 5㎛ 내지 500㎛ 의 범위 내에서 변화되는 것이 바람직하며, 상기 B는 1㎛² 내지 60000㎛² 의 범위 내에서 변화되는 것이 바람직하다.

본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트는 렌즈 구조물의 형상을 가우시안 함수 형태로 설계하여 렌즈의 주기 및 형태가 일정하게 유지되기 때문에, 집광 성능이 크게 훼손되지 않으며, 렌즈의 골과 정점 사이의 휘도 차이가 적어 모아레가 개선되는 효과를 가진다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

렌즈 표면이 곡면으로 이루어진 렌티큘러 렌즈 시트의 경우, 상기한 바와 같이, 모아레를 개선하기 위해 주기 또는 높이를 변화시키거나, 주기 또는 높이 등을 변조할 경우 집광 효율 및 휘도가 급격하게 감소될 수 있다. 이에 본 발명자들은 휘도의 급격한 저하 없이 모아레를 개선하기 위한 방안에 대한 연구를 거듭한 결과, 종래에 사용되던 원추형 렌즈식 대신 f(x)=Aexp{-x²/B}으로 표시되는 가우시안 함수의 렌즈식을 사용하여 렌티큘러 렌즈 구조물을 형성하면 집광 성능을 유지하면서도 모아레를 효과적으로 개선할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트는 렌즈 구조물의 단면이 하기 (식 2)과 같은 가우시안 함수에 의해 표시되는 것을 그 특징으로 한다.

f(x)=A×exp{-x²/B} (식 2)

이때 상기 식에서, A는 상기 렌티큘러 렌즈의 높이를 결정하는 상수이고, B는 상기 가우시안 분포 함수의 중심 폭을 결정하는 상수이다.

한편, 렌티큘러 렌즈의 높이는 렌즈의 골에서 렌즈의 정점(peak)까지의 거리를 말하며, 가우시안 분포 함수의 중심 폭은 렌즈의 정점에서 렌즈의 높이의 37%만큼 낮아진 위치에서의 렌즈 폭을 말한다.

상기 A와 B 값은 즉 적용되는 장치의 종류, 광원의 종류, 함께 사용되는 다른 광학 필름들의 구성 등과 같은 렌티큘러 렌즈 시트가 사용되는 환경 및 원하는 시야각 범위, 휘도 범위와 같은 목적하는 광학 성능치 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있으며, 백라이트 유닛의 집광 필름으로 사용될 경우에는 일반적으로 상기 A는 5㎛ 내지 500㎛ 정도, 상기 B는 1㎛² 내지 60000㎛² 정도인 것이 바람직하다.

도 3에는 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트는 가우시안 함수 형태의 단면을 갖는 렌즈 구조물로 이루어져 있기 때문에, 렌즈 면에서의 곡률 변화가 완만하게 발생하며, 렌즈 구조물들 간의 경계면에 첨점이 형성되지 않는다.

도 5에는 이와 같은 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 광 거동이 도시되 어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트는 렌즈의 골 부근의 곡률 변화가 완만하기 때문에, 골 부분의 빛의 반사 및 리사이클 현상이 감소되고 투과량이 증가하게 된다. 그 결과 렌즈의 정점과 골 부근의 휘도 차이가 감소하여 명암 패턴이 약하게 나타나게 되기 때문에 모아레가 개선된다. 또한, 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트의 경우, 렌즈의 주기성이 그대로 유지되기 때문에 급격한 휘도 감소가 발생하지 않는다.

다음으로 본 발명의 렌티큘러 렌즈의 설계 방법을 설명한다.

본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈 구조물 설계 방법은 기본 환경 및 광학 성능 목표치를 설정하는 제1단계, 렌즈식을 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 설정하는 제2단계, 상기 렌즈식의 A 및 B 값을 변화시키면서 대입하고, 이에 의해 도출되는 렌즈식에 의해 설계되는 렌티큘러 렌즈 시트의 광학 성능을 측정하는 제3단계 및 상기 제3단계에서 측정된 광학 성능과 기설정된 목표치를 비교하여 목표치에 가장 근접한 광학성능을 갖는 A 및 B 값을 갖는 렌즈식을 설계식으로 결정하는 제4단계를 포함하여 이루어진다.

상기 제1단계는 렌티큘러 렌즈 설계에 요구되는 기본 정보를 입력하는 단계로, 상기 기본 환경 설정은 렌티큘러 렌즈 시트가 사용될 액정표시장치의 종류, 광 원의 타입, 광원의 개수, 함께 사용되는 다른 광학 필름의 구성 및 렌티큘러 렌즈 시트의 재질 등에 관한 정보를 설정하는 것을 말한다.

또한, 상기 광학 성능 목표치는 설계자가 목적하는 광학 성능치를 의미하는 것으로, 목적하는 중심 휘도값의 범위, 시야각의 범위, 사이드 로브의 범위, 전체 휘도값의 범위, 투과율의 범위, 반사율의 범위 등으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 렌티큘러 렌즈의 단면 형상을 나타내는 렌즈식으로 f(x)=A×exp{-x²/B}을 설정한다(제2단계). 이때 상기 식에서 A 및 B는 상기에 기재된 것과 동일하다. 즉, A는 렌티큘러 렌즈 구조물의 높이를 결정하는 상수이고, B는 상기 렌티큘러 렌즈 구조물의 중심 폭을 결정하는 상수이다.

본 발명의 렌티큘러 렌즈 설계 방법은, 이와 같이 종래의 원추형 렌즈식 대신, 곡률 변화가 완만한 가우시안 함수인 f(x)=A×exp{-x²/B}을 렌즈식으로 사용하기 때문에, 렌즈 골 부근과 정점 부근의 휘도 차이가 줄어들며, 그 결과 본 발명의 설계 방법을 이용해 렌티큘러 렌즈 시트를 제조할 경우, 모아레를 획기적으로 개선할 수 있다.

다음으로, 상기 A 및 B의 값을 변화시키면서 대입하여 형성되는 각각의 렌즈식으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌즈 구조물들로 이루어진 렌티큘러 렌즈 시트의 광학 성능을 측정한다(제3단계).

본 단계는 최적화된 상수값을 찾기 위한 것으로, 이때 상기 광학 성능 측정은 시뮬레이션을 통해 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 레이-트레이싱 프로그램(Ray-tracing program) 등을 이용한 시뮬레이션을 통해 이루어질 수 있다.

한편, 이때 상기 A값은 5㎛ 내지 500㎛ 의 범위 내에서 변화되는 것이 바람직하며, 상기 B값은 1㎛² 내지 60000㎛² 의 범위 내에서 변화되는 것이 바람직하다. A값 및 B값의 범위가 너무 넓으면 trial 개수가 지나치게 많아지기 때문이다.

그런 다음, 상기 제3단계에서 측정된 광학 성능이 기설정된 목표치에 가장 근접한 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈식을 설계식으로 결정한다(제4단계).

상기와 같은 과정을 거쳐 설계식이 확정되면, 레이저 가공, 바이트 가공 등을 이용하여, 상기 설계식으로 표시되는 단면 형상을 갖고, 일방향으로 연장된 렌즈 구조물을 금형에 연속적으로 음각한다. 그런 다음 상기 금형에 필름 기재로 사용되는 고분자 수지 등을 주입하고 경화시키는 방법 등으로 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트를 제조할 수 있다. 금형을 이용한 렌티큘러 렌즈 시트의 제조 방법은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더 자세히 설명한다.

[비교예]

곡률 반경(r)이 약 93㎛이고, 원뿔형 상수(k) 값이 약 -0.4이며, 렌즈 피치가 200㎛인 타원형의 단면을 갖는 렌티큘러 렌즈 시트의 수평 시야각 휘도 및 수직 시야각 휘도를 레이 트레이싱 프로그램(Ray-tracing program)을 이용한 시뮬레이션을 통해 측정하였다. 측정 결과는 도 6 에 도시하였다.

또한, 레이-트레이싱 프로그램을 통해 상기 렌티큘러 렌즈 시트의 명암 패턴을 측정하였다. 측정 결과는 도 8에 도시하였으며, 이때 명암 패턴의 최대 휘도차는 4.6×10⁵으로 나타났다.

이때, 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.

1. 광원으로 약 28mm의 간격으로 배열된 16개의 CCFL 램프로 이루어진 TV용 직하형 백라이트 유닛을 사용.

2. 상기 백라이트 유닛 상부에 두께 2 mm이고 헤이즈(Haze)가 80%인 폴리스타이렌 재질의 확산판 및 확산필름이 적층되고, 그 위에 렌티큘러 렌즈 시트이 적층됨. 이때 상기 렌티큘러 렌즈의 연장 방향이 CCFL 광원의 연장 방향과 평행함.

[실시예]

단면 형상이 f(x)=66×exp{-x²/4962}으로 표시되고, 피치가 200㎛인 렌티큘러 렌즈들로 이루어진 렌티큘러 렌즈 시트의 수평 시야각 휘도 및 수직 시야각 휘 도를 비교예와 동일한 시뮬레이션 조건에서 측정하였다. 측정 결과는 도 7에 도시하였다.

또한, 레이-트레이싱 프로그램을 통해 상기 렌티큘러 렌즈 시트의 명암 패턴을 측정하였다. 측정 결과는 도 9에 도시하였으며, 이때 최대 휘도차는 1.5×10⁵으로 나타났다.

도 6 및 7에 의해, 비교예의 렌티큘러 렌즈 시트와 실시예의 렌티큘러 렌즈 시트의 휘도차가 거의 없음을 알 수 있다. 그러나 실시예의 경우 명암 패턴의 최대 휘도차가 비교예에 비해 작으며, 도 8 및 도9에 도시된 바와 같이, 실시예의 경우 모아레로 인한 줄무늬가 비교예에 비해 훨씬 개선된 것을 알 수 있다.

도 1은 모아레 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 종래의 렌티큘러 렌즈 시트를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 종래의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 광 거동을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 광 거동을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 비교예의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 휘도 분포를 보여주는 그래프이다.

도 7은 실시예의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 휘도 분포를 보여주는 그래프이다.

도 8은 비교예의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 명암 패턴의 세기 변화를 보여주는 도면이다.

도 9는 실시예의 렌티큘러 렌즈 시트에서의 명암 패턴의 세기 변화를 보여주는 도면이다.

Claims (8)

1. 식 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈 구조물들을 포함하는 렌티큘러 렌즈 시트.

   이때 상기 식에서,

   A는 상기 렌티큘러 렌즈의 높이를 결정하는 상수이고,

   B는 상기 가우시안 함수의 중심 폭을 결정하는 상수임.
2. 제1항에 있어서,

   상기 A는 5㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트.
3. 제1항에 있어서,

   상기 B는 1㎛² 내지 60000㎛²인 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트.
4. 렌티큘러 렌즈 시트 설계를 위한 기본 환경 및 광학 성능 목표치를 설정하는 제1단계;

   렌즈식을 f(x)=A×exp{-x²/B}으로 설정하는 제2단계;

   상기 렌즈식의 A 및 B 값을 변화시키면서 대입하여 얻어진 각각의 렌즈식으로 표시되는 단면 형상을 갖는 렌티큘러 렌즈들로 이루어진 렌티큘러 렌즈 시트의 광학 성능을 측정하는 제3단계; 및

   상기 제3단계에서 측정된 광학 성능이 기설정된 목표치에 가장 근접한 렌티큘러 렌즈 시트의 렌즈식을 설계식으로 결정하는 제4단계를 포함하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 렌티큘러 렌즈 시트 설계를 위한 기본 환경은 적용되는 액정 표시 장치, 광원의 타입, 광원의 개수, 광학 필름의 매수, 렌즈 형성 재료 및 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 광학 성능 목표치는 목적하는 중심 휘도값의 범위, 시야각의 범위, 사이드 로브의 범위, 전체 휘도값의 범위, 투과율의 범위, 반사율의 범위 및 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 제3단계에서 상기 A는 5㎛ 내지 500㎛ 의 범위 내에서 변화되는 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법.
8. 제4항에 있어서,

   상기 제3단계에서 상기 B는 1㎛² 내지 60000㎛² 의 범위 내에서 변화되는 것을 특징으로 하는 렌티큘러 렌즈 시트의 설계 방법.

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