KR20100087314A - 곡면 광학 필터 - Google Patents

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Abstract

곡면 편광 필터 및 이러한 필터의 제조 방법이 본 발명에 개시되어 있다. 대표적인 방법은 미리 정해진 배향에서 평면 편광층을 평면 위상지연기층에 적층하는 것 및 곡면 필터를 생성하도록 적층물을 굽히는 것을 포함한다. 위상지연기층의 변형은 응력 유발 복굴절을 야기하고, 위상지연기의 미리 정해진 배향은 응력 유발 복굴절을 실질적으로 보정한다. 몇몇 실시예에서, 미리 정하는 것은 수학적 모델에 기초한다. 몇몇 다른 실시예에서, 미리 정하는 것은 실험 데이터에 기초한다.

Description

곡면 광학 필터{CURVED OPTICAL FILTERS}
본 명세서는 일반적으로 광학 필터에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 입체 영상(stereoscopic image) 또는 비입체 영상(non-stereoscopic image)을 보기 위한 곡면 광학 필터에 관한 것이다.
입체 영상화는 3차원(3-D) 시각 정보를 기록하거나 영상 내에 깊이감에 대한 착시 현상을 생성하는 것을 수반한다. 뇌에 깊이감에 대한 인식을 생성하기 위한 하나의 쉬운 방법은, 양쪽 눈이 양안시(binocular vision)로 자연스럽게 수용하는 원근감에 유사한 최소의 편차를 갖고 동일한 물체의 두 개의 원근감을 나타내는 두 개의 상이한 영상을 관찰자의 눈에 제공하는 것이다. 많은 광학 시스템들은 이 방법을 이용하여 입체 영상을 디스플레이한다. 깊이감에 대한 착시 현상은 사진, 영화, 비디오 게임, 또는 다른 2차원(2-D) 영상에서 생성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 응력 유발 복굴절을 보정하거나 최소화하는 곡면 광학 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
입체 영상 및 비입체 영상용 안경은 별도의 롤형 필름 원단(roll stock)으로부터 위상지연기 필름(retarder film)[예컨대, 사분 파장판(QWP: quarter wave plate)] 및 편광 필름을 적층함으로써 제조된 저비용의 광학 필터를 포함할 수 있다. 롤형 필름 원단으로부터의 위상지연기 필름을 롤형 필름 원단으로부터의 편광 필름에 적층하는 것은, 소망의 광학 특성을 허용하는 적절한 배향으로 필름을 절단하고, 정렬하며, 적층하는 것을 포함한다. 이러한 공정의 최종 결과는 평면 광학 필터이다.
본 명세서에는 곡면 형상을 갖는 광학 필터가 개시되어 있다. 이 광학 필터는 편광층 및 이 편광층에 미리 정해진 각도로 적층된 위상지연기층을 포함하는데, 이 위상지연기층 및 편광층은 곡면 형상으로 굴곡된다. 위상지연기층은 응력 유발 복굴절을 갖고, 미리 정해진 각도는 실질적으로 응력 유발 복굴절을 보정하며 소망의 배향으로 위상지연기층의 광축을 배치한다. 일실시예에서, 위상지연기층은 QWP이다. 또 다른 실시예에서, 위상지연기층은 다층 위상지연기 스택이다. 또 다른 실시예에서, 편광층은 위상지연기층의 내부층에 배치되고 추가의 비복굴절층은 위상지연기층의 외부 표면에 적층된다. 다른 구성도 가능하다.
또한, 본 발명은 소망의 배향으로 위상지연 축(retardation axis)을 갖는 곡면 필터의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 광축을 갖는 평면 위상지연기 필름 및 평면 편광 필름을 제공하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 평면 위상지연기 필름이 평면 편광 필름에 적층될 각도를 미리 정하고, 미리 정해진 각도로 평면 위상지연기 필름과 평면 편광 필름을 적층하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 적층된 위상지연기 필름 및 편광 필름을 굴곡시키는 것을 포함하고, 이로써 응력이 위상지연기 필름에 가해지고, 응력은 위상지연기 필름에 응력 유발 복굴절을 야기한다. 미리 정해진 각도는 실질적으로 응력 유발 복굴절을 보정하고 위상지연기 필름의 광축이 소망의 배향으로 되게 한다.
또한, 본 발명은 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 접합하기 위한 곡면을 제공할 수 있는 곡면 드럼을 포함하는 곡면 광학 필름의 적층 장치를 제공한다. 또한, 본 발명의 장치는 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 곡면 드럼에 공급할 수 있는 적어도 두 개의 공급기, 제1 광학 필름 또는 제2 광학 필름의 표면에 접착제를 도포할 수 있는 코팅 장치, 및 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름에 압력을 가하고 제1 광학 필름과 제2 광학 필름을 적층할 수 있는 가압 롤러를 포함한다. 이러한 장치를 이용하는 필터의 제조 방법을 또한 본 명세서에서 제공하고 있다.
본 발명에 따르면, 응력 유발 복굴절을 보정하거나 최소화하는 곡면 광학 필터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 평면 편광 필터의 개략적인 사시도이다.
도 1b는 곡면 편광 필터의 개략적인 사시도이다.
도 1c는 소망의 배향으로 광축을 갖는 곡면 편광 필터의 개략적인 사시도이다.
도 2는 곡면 필터에 대해 위상지연기 각도 조정과 원통 곡면 반경과의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 다양한 필터의 광학 성능을 도시하는 그래프이다.
도 4는 복합곡률을 갖는 곡면 편광 필터의 개략적인 사시도이다.
도 5는 곡면 편광 필터의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 6은 적층 장치의 실시예의 개략도이다.
도 7은 입체 영상을 보기 위한 만곡 필터를 구비한 안경을 포함하는 디스플레이 시스템이다.
3차원 영상을 제공하는 하나의 기법은, 상이한 편광으로 각 눈에 대한 구속된 빛을 인코딩하는 것이다. 이러한 기법은 서로 반대되는 손잡이성(handedness)을 갖는 수직 선형 편광 상태, 또는 원형 편광 상태를 이용하는 것을 포함한다. 원형 편광 3차원 영상 시스템을 이용하여 입체 화면을 나타내기 위해서, 두 개의 영상이 서로 반대되는 손잡이성의 원형 편광 필터를 통해 동일한 스크린에 투사되어 중첩된다. 관찰자는 분석기로서 작용하는 서로 반대되는 손잡이성의 한 쌍의 원형 편광기(CP: circular polarizer)를 포함하는 안경을 착용한다. 좌측 원형 편광 빛이 우측의 분석기에 의해 차단되는 반면에, 우측 원형 평광 빛은 좌측의 분석기에 의해 차단된다. 그 결과는 관찰자가 그의 머리를 기울이고도 편광 인코딩 및 디코딩의 품질을 저하시키지 않을 수 있다는 점을 제외하고, 선형 편광 안경을 이용하여 보는 입체 영상과 유사하다.
본 출원인에게 양도된 Lenny Lipton의 미국 특허 제4,792,850호(이로 인해 본 명세서에 참조로서 포함된다)는 영상 프로젝터에 의해 디스플레이되는 좌측 영상 및 우측 영상화로 동기하여 좌측 손잡이성과 우측 손잡이성 간에 교반하는 전자 구동 원형 편광기를 개시하고 있다. 또한, 직시형 디스플레이(direct view display)가 상이한 눈에 대한 편광 상태를 인코딩하는데, 예컨대, 직시형 디스플레이의 교번하는 픽셀들이 상이한 편광 상태의 빛을 제공할 수 있다. 교번하는 우안/좌안 영상을 제공하는 또 다른 방법은 편광 스위치를 이용하여 영상을 능동적으로 인코딩하는 싱글 디스플레이 또는 프로젝터를 이용하는 것이다. 이러한 기법의 예가, 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제11/424,087호(발명의 명칭: 색지움 편광 스위치, 2006년 6월 14일 출원)에 개시되어 있다(이로 인해 본 명세서에 참조로서 포함된다).
3차원 정보를 편광으로 인코딩하는 것 대신에, 좌안 영상 및 우안 영상이 미국 특허 출원 제10/576,707호에서 Maximus 등에 의해 개시된 것과 같은 별개의 파장 대역으로 인코딩될 수 있다. 그러면, 안경을 이용하여, 각 눈에 적절한 파장을 선택적으로 필터링한다. Maximus 등에 의해 개시된 바와 같이, 이러한 필터링은 다이크로익 필터(dichroic filter)를 이용하여 실시될 수 있지만, 그러한 필터링을 편광 간섭을 이용하여 실시할 수도 있다.
게다가, 편광 간섭에 의한 빛의 선택적인 필터링은 시력을 향상시키고 및/또는 유해 광선으로부터 눈을 보호하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 이러한 필터링은 선글라스, 색상 보정 안경, 또는 보호 안경에서 이용될 수 있다. 입사광의 선택적인 필터링은 가시 광선 및 비가시 광선을 포함하는 임의의 소망하는 분광 투과율을 제공할 수 있다. 필터링 구조는 다층 편광 구조를 포함할 수 있고 저렴한 적층물을 형성하도록 다이 커팅된 시트 적층제를 제작함으로써 형성될 수 있다. 선택적인 필터링을 제공할 수 있는 장치의 일실시예는 위상지연기 스택이 사이에 끼여 있는 한 쌍의 편광 요소를 포함한다. 이러한 안경의 더 상세한 구성은, 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제7,106,509호에 기술되어 있다(이로 인해 본 명세서에 참조로서 포함된다).
편광 인코딩을 이용하여 동영상을 시청하기 위해서, 시청자는 편광 필터를 구비한 페이퍼 프레임 또는 플라스틱 프레임 안경을 착용한다. 이러한 안경의 필터는 일반적으로 트리아세틸셀룰로오스(TAC)에 의해 봉입된 편광 필름에 위상지연기 필름을 접착제를 이용하여 적층함으로써 제조된다. 몇몇 실시예에서, 위상지연기 필름은 QWP일 수 있고, 적층에 이용되는 접착제는 감압성 접착제(PSA: pressure sensitive adhesive)이다. 다른 실시예에서, 위상지연기 필름은 반파장판(HWP: half wave plate)일 수 있다. 이러한 시청용 안경은 평면 필터를 이용하고 있다.
본 출원에서 개시하는 바와 같은 위상지연기는 유한 임펄스 응답(FIR: finite impulse response) 필터 기법을 이용하여 설계된 N개의 선형 위상지연기를 포함할 수 있고, N개의 위상지연기의 입펄스 응답은 편광 임펄스 입력으로부터 적어도 N+1개의 출력 임펄스를 생성한다. 따라서, 중성 편광기들 사이에 위상지연기 스택을 배치하는 것은 FIR 필터를 형성하고, 이러한 FIR 필터는 표준 신호 처리 방법을 이용하여 설계될 수 있다. 각 응답 출력 임펄스의 진폭은 위상지연기 및 분석 편광기의 배향에 의해 결정된다. 개시하는 위상지연기 스택의 설계 기법에 대한 보다 상세한 사항은 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제7,106,509호 및 미국 특허 출원 제09/754,091호에 기술되어 있다(역시 이로 인해 본 명세서에서 참조로서 포함된다).
일반적으로, 위상지연기 및 편광기에 대한 소자 원료 필름은 평면적 기하학적 형상을 갖는다. 그러나, 곡면 필터를 갖는 안경을 제조하는 것이 광학적 개선 및 미관적 향상 모두를 위해 바람직하다. 소자 원료 필름의 적층에 이어 원통형 곡률 또는 복합곡률을 갖는 구조를 형성하도록 필터를 성형하는 것은 소자 필름에 허용될 수 없는 변형을 유발할 수 있다. 이러한 변형은 복굴절을 유발하거나 소망의 고유 복굴절을 변형시키고 필터의 성능을 저하시킨다.
Kawaki 등의 미국 특허 제5,051,209호는 선형 편광 요소를 채택한 편광 안경 제조 방법을 개시하고 있다. Kawaki의 방법은 복굴절을 제거하도록 편광 요소의 전면에 있는 복굴절 폴리카보네이트 층을 어닐링하거나 편광 축에 평행한 매우 큰 위상지연(retardance)을 갖도록 그 층들을 "초연신(super stretching)"시키는 것을 수반한다. 편광기는 폴리머의 복굴절을 효과적으로 감춘다. 미국 특허 제6,177,032호에서, Smith 등은 개개의 기능 층들을 미리 성형한 후에 최종 필터를 조립하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 편광기 앞의 층들의 복굴절을 어닐링에 의해 변경한다.
CP가 위상지연기 스택 필터와 함께 이용될 때와 같이, 특정 위상지연(retardation) 및 위상지연기 각도가 요구될 때, 상기한 방법 중 어느 것도 허용될 수 없다. 따라서, 응력 유발 복굴절이 보정되거나 최소화된, 위상지연기 기반 편광 필터를 채용한 곡면 필터에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
곡면 광학 필터 및 이 필터의 제조 방법에 대한 예시적인 실시예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 이하에 설명할 것이다. 상세하게는, 필터의 위상지연기 층에서 변형 유발 변화를 보정하거나 최소화시키는 다양한 방법 및 장치를 개시할 것이다.
도 1a는 편광기(106)에 적층된 위상지연기 층(104)을 갖는 평면 필터(100)를 도시한다. 위상지연기 층(104)은 축(120)을 따라 광축(112)을 갖고 편광 층(106)은 축(122)을 따라 광축(114)을 갖는다. 도시한 실시예에서, 위상지연기 층(104)은 QWP이지만, 다른 실시예에서, 위상지연기 층(104)은 반파장판(HWP) 또는 본 명세서에서 설명한 임의의 위상지연기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가적인 광학 소자가 평면 필터(100)에 추가될 수 있다. 예컨대, 평면 필터(100)는 더 양호한 구조적 지지를 제공하도록 기판 층을 더 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 위상지연기 층(104)과 편광 층(106)의 순서가 반대로 될 수 있다. 필터(100)의 구조는 다양한 설계 요건을 만족하도록 달리할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1b의 실시예에서, 필터(100)는 필터(100)의 단부(102)에서 당김으로써 곡면 필터(101)를 형성하도록 제1 굽힘 축(미도시)을 중심으로 굴곡된다. 이러한 원통형 필터(101)는 소망의 곡면 형상을 유지하도록 안경 프레임에 장착될 수 있다. 다른 실시예에서, 필터(101)가 복합곡률을 갖도록 다수의 굽힘 축을 중심으로 굴곡될 수 있음을 이해하여야 한다. 몇몇 실시예에서, 당업계에 공지된 열성형 공정을 이용하여 소망의 곡면 형상을 유지할 수도 있다. 일실시예에서, 필터(101)는 제1 굽힘 축 및 제2 굽힘 축을 중심으로 굴곡되어, 복합곡률을 유지하도록 열성형 공정을 거친다.
필터(100)의 한정된 두께 때문에, 압축 응력(110)이 편광층(106)에 가해지는 반면에 인장 응력(108)이 위상지연기 층(104)에 가해진다. 양 층에서, 응력(108, 110)의 방향은 원통형 필터의 곡률에 대한 접선 방향이고, 각 응력의 크기는 곡면 필터(101)의 표면에 걸쳐 균일하다.
변형 복굴절을 나타내는 재료를 연신하거나 굽는 것의 광학적 효과를 변형 률 텐서
Figure pct00001
를 이용하여 편리하게 설명할 수 있다.
Figure pct00002
의 고유벡터(
Figure pct00003
1,
Figure pct00004
2,
Figure pct00005
3)가 유전 텐서의 주축(흔히 잘못하여 광축이라 불림)에 평행하다. 복굴절(△n)은 고유값(
Figure pct00006
)의 크기 차이에 비례하고, 위상지연은 두께 d의 균일한 필름의 경우 필름의 두께에 걸친 △n의 적분(△n·d)과 동일하다. 선형 탄성을 나타내는 재료의 경우, 순차적인 연신 작업은 개개의 작업마다 변형률 텐서를 더하는 것과 동일하다:
Figure pct00007
(1)
X축에 평행한 방향으로 위상지연 Γ 및 느린 축(slow axis)을 갖는 연신 폴리머 위상지연기 필름의 변형률 텐서는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00008
(2)
여기서 K는 변형률 광학 계수이고 d는 필름 두께이다. 편의상 그에 대한 직교 방향의 변형은 무시한다, 즉 유도가 일반적인 것으로 보일 수 있지만, 푸아송 비(Poisson ratio)를 0으로 한다. 명백하게는, X축에 평행한 연신은 위상지연을 증가시키는 반면에 X축에 수직한 연신은 위상지연을 감소시킨다는 점을 알 수 있다. 그러나, 연신이 X축에 대하여 45°의 각도로 행해진다면, 추가의 변형률 텐서는 다음과 같다:
Figure pct00009
(3)
이 때,
Figure pct00010
의 고유값은:
Figure pct00011
(4)
Figure pct00012
1의 배향은:
Figure pct00013
(5)
식(5)를 ε＂≫ Γ/(d · K)로 하여 전개할 때, 광축으로부터 45°로 약간 추가로 연신되는 경우에, 위상지연기 배향의 변화는 ε＂의 일차방정식임을 알 수 있다. 반대로, 식(4)는 △n에 대해 풀면 위상지연의 변화는 동일한 범위에서 ε＂의 이차 방정식을 이루고 있음을 볼 수 있다.
상기 논의를 근거로, 위상지연기 광축에 평행하거나 직교하는 연신은 광축 배향은 안정적으로 유지하면서 단지 위상지연의 크기를 변화시킨다는 점이 명백하다. 반대로, 광축에 대해 45°로의 연신은 비교적 작은 변형에 대해 광축을 회전시킨다.
다시 도 1b를 참조하면, 편광축(122)은 변형 방향에 평행하고, 그에 따라, 그 축의 배향이 안정적으로 유지된다. 그러나, 인장 응력(108)은 식(4)에 따른 리타던스의 증가뿐만 아니라 θ(식 5)만큼 위상지연기 축(112)의 평면 내 회전(in-plane rotation)을 야기한다. 위상지연기 축(112)은 축(124)를 따라 배향된다. 위상지연기 축(112)의 인 플레인 회전 때문에, 필터(101)는 원형 편광 광 대신에 타원형 편광 광을 생성하고, 좌안 영상과 우안 영상 간의 구분을 저하시킨다.
도 1c를 참조하면, 필름의 표면에 걸쳐 연신이 크기와 방향 모두에서 균일할 때, 리타던스와 광축 배향 모두의 변화를 예측할 수 있고 초기 리타던스와 필름의 배향을 조절함으로써 변화를 보정할 수 있다. 따라서, 큰 변형률 광학 계수를 갖는 폴리카보네이트와 같은 재료가 이용될 수 있다. 도 1c에 도시한 실시예에서, 위상지연기층과 편광층이 미리 정해진 각도로 적층되어 위상지연기 필름 내의 응력 유발 복굴절을 보정하고 축(120)으로 표시한 것과 같은 소망의 배향으로 위상지연기 축을 배치한다.
X축에 대하여 θ의 각도로 배향된 주변형률 방향을 갖는 크기 ε의 균일한 변형률이 존재할 때 X축에 평행한 리타던스 Γ를 생성하기 위해서,
Figure pct00014
(6)
의 초기 리타던스가
Figure pct00015
(7)
로 배향되어야 함을 알 수 있다.
식(6) 및 식(7)은 변형률, 리타던스, 및 리타던스 배향의 차이를 고려하기 위해 다층 스택에서 각 층에 대해 개별적으로 적용된다. 소망의 리타던스가 0일 때, 명백한 답이 도출된다. 식(6) 및 식(7)은 초기 리타던스가 변형에 의해 유발된 리타던스를 정확하게 상쇄시키도록 선택되는 직관적인 결과로 풀이된다.
이러한 결론은 또한 편광 요소로 확대될 수 있다. 편광 필름의 폴리머 매트릭스가 크게 연신될 수 있어서 앞서 설명한 추가의 변형에 대한 가정이 적용될 수 없을 것 같다. 그러나, 대칭성은 동일하게 유지되는데, 편광 축의 배향은 평행(또는 직교 방향) 연신하에서는 안정적으로 유지될 것이지만, 연신이 편광 축에 대해 45°로 발생한다면 회전될 수 있다. 결과적으로, 임의의 예상되는 변형률의 주성분에 대해 평행하거나 직교하게 편광 축을 배향시키는 것이 바람직하다.
외부 위상지연기 층(104)에서의 인장 응력(108)이 내부 편광층(106)에서의 압축 응력(110)과 균형을 이룰 수 있도록 원통형 필터(101)의 역학적 구조를 분석적으로 또는 수치적으로 모델링할 수 있다. 필터(101)의 층에 대한 탄성 상수를 알고 있다면, 인장 응력(108)에 대해 풀고 식(6) 및 식(7)을 이용하여 응력 유발 복굴절을 보정할 초기 리타던스 및 위상지연기 배향을 계산하고 미리 정할 수 있다. 미리 정해진 오프셋 각도(128)로 위상지연기층 및 편광층을 적층함으로써, 위상지연기층(104)의 광축(112)이 곡면 필터(101)의 굽힘 및 응력 유발 복굴절에 기인하여 도 1c에 도시한 것처럼 축(126)부터 소망의 축(120)까지 회전할 것이다.
실제로, 상이한 곡률 반지름으로 위상지연기 필름에서의 변화를 간단히 측정하고 응력 복굴절을 보정할 오프셋 각도에 대해 룩업 테이블(look-up table) 또는 그래프를 생성하는 것이 흔히 더 편리하다. 적은 변형을 위해 리타던스에 대한 2차 보정(quadratic correction)에 기인하여, 동일한 위상지연 필름이 단지 적층 중에 필름 배향을 조절함으로써 광범위한 곡률에 대해 이용될 수 있다.
CP 필터에 대한 예시적인 룩업 그래프를 도 2에 도시하고 있다. CP 필터의 다양한 반지름이 x축을 따라 도시되어 있고, 응력 유발 복굴절을 보정하는 상응하는 오프셋 각도가 y축을 따라 도시되어 있다. 다양한 곡률 반지름을 갖는 CP 필터를 빠져 나가는 빛의 타원율을 측정함으로써 데이터를 얻었다. 광축 배향에 대한 분석적인 표현이 굴곡 필터에서의 광축 배향과 이를 보정하기 위한 오프셋 각도를 결정하는데 이용되었다. 큰 곡률 반지름의 경우, 오프셋 각도가 0으로 간다. 매우 작은 반지름 곡선의 경우, 리타던스의 변화가 상당히 중요하게 됨에 따라 결과적으로 상기 관계가 깨지게 된다. 본 명세서에서 개시한 원리에 따라 유사한 룩업 그래프가 다른 유형의 필터를 위해 생성될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 다양한 필터의 광학 성능을 도시하는 그래프이다. 사전에 조사하지 않은 필터의 성능에 비하여 응력 유발 복굴절을 보정하도록 조절된 필터의 개선된 성능이 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 기준 필터와 대비하여 두 개의 상이한 필터에 대해 얻어진 일련의 스펙트럼을 도시한다. 제1 필터는 위상지연기에 대해 (사전 조절을 하지 않은채로) 45°광축 배향으로 제작되며, 제2 필터는 8 cm의 곡률 반경에 대해 도 2에서의 절단 각도 오프셋을 이용하여 사전에 조절되었다. 평면 형태에서, 제1 필터는 가시광 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 0.2% 이하의 누출을 야기한 반면에, 제2 필터는 예상한 바와 같이 훨씬 많은 양의 누출을 야기하였다. 8 cm의 곡률 반경으로 굴곡시킨 경우, 제1 필터는 전체 스펙트럼에 걸쳐 0.4% 보다 높은 누출을 야기하였다(보정에 대한 필요성 증가). 제2 필터는, 8cm의 곡률 반경에 의해 거의 제1 필터가 평면 형태로 이루어질 때만큼 양호한 성능을 보였다.
초기 리타던스 및 위상지연기 배향을 조절하는 것 외에도, 응력 유발 복굴절은 최적의 재료 특성을 갖는 위상지연기 필름을 이용함으로써 역시 감소시킬 수 있다. 연신 방향에 관계 없이, 초기 리타던스의 크기가 증가할 때 유발된 변형의 효과가 감소한다. 따라서, 최종 구조에서 유발된 변형의 효과를 줄이기 위해서 K·d·ε＂양에 비해 가능한 한 큰 초기 리타던스를 이용하는 것이 유리하다. 따라서, 필름의 두께 d 및/또는 변형률 광학 계수 K를 최소화하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 리타던스와 광축 배향의 대략 1%의 균일성을 유지하기 위해 K·d·ε＂/Γ 비율이 0.01 미만인 것이 바람직하다.
임의의 상당한 변형에 대한 상기 규정을 만족시키는 것은 폴리카보네이트의 비교적 높은 변형률 광학 계수 때문에 폴리카보네이트계 위상지연 필름에 대해서는 어렵다. 따라서, 이러한 필름을 이용하는 경우, 보다 얇은 필름 원료를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 폴리카보네이트 위상지연기 필름이 대략 60 ㎛의 두께를 갖는 경우에, 두께를 12 ㎛로 감소시키는 것만으로 단지 변형률 광학 안정성을 5배 만큼 증가시킨다. 그러한 얇은 필름은 제조 설비에서 처리하기가 곤란할 수 있고, 임의의 솔벤트 용접 또는 다른 적층 공정 중에 쉽게 손상될 수 있다. 셀룰로오스 디 아세테이트 또는 환형 올레핀 코폴리머(COC: cyclic olefin copolymer) 위상지연기 필름과 같은 광학 플라스틱을 이용함으로써 내변형성을 개선할 수 있다. 이러한 재료의 변형률 광학 계수가 폴리카보네이트의 변형률 광학 계수보다 대략 10배 작고, 이에 따라, 더 두꺼운 기판을 이용할 수 있음으로써 응력 유발 복굴절을 최소화시키면서, 제조를 용이하게 할 수 있다. 예시적 실시예는 상표명 Arton®으로 제조되고 있는 COC계 필름이다. 이러한 재료는 훌륭한 광학적 투명성, 균일한 복굴절, 및 다양한 용례에서 열성형할 수 있기에 충분히 작은 변형률 광학 계수를 갖는다.
도 4는 복수의 굽힘 축을 중심으로 굴곡되어 복합곡률을 갖도록 구성된 곡면 필터(200)의 개략도이다. 필터(200)는 편광층(204)에 적층된 위상지연기 층(202)을 포함한다. 필터(200)는 기판층(206)을 더 포함한다. 복합곡률은 열성형 공정을 이용하여 유지될 수 있다. 일실시예에서, 열성형 공정은 기판 층에 열을 가하는 것을 포함한다. 필터(200)의 굽힘으로부터 야기된 응력 복굴절의 효과를 최소화하기 위해서, 위상지연기 층(202)은 바람직하게는 0.001 내지 0.025의 범위에 있는 변형률 광학 계수를 갖는 재료로 이루어진다. 위상지연기 층의 두께는 바람직하게는 50 내지 120 미크론이다. 예시적 실시예에서, 위상지연기 층(202)은 환형 올레핀 블럭 코폴리머로 이루어진다. 위상지연기 층은 K·d·ε＂/Γ 비율이 대략 0.01 미만이도록 다른 재료로 이루어질 수 있고 다양한 두께를 갖는다.
도 5는 곡면 편광 필터(300)의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다. 곡면 필터(300)는 광축(306)을 갖는 편광층(314), 광축(304)을 갖는 위상지연기층(316), 및 비복굴절 역학적 구조층(318)을 포함한다. 역학적 구조층(318)은 위상지연기층(216)이 사이에 끼이도록 추가되어 위상지연기층(316)에서 변형이 균형을 이루게 한다. 몇몇 실시예에서, 역학적 구조층(318)은 네거티브 c 플레이트를 포함할 수 있다. 역학적 구조층(318)의 두께 및 탄성계수는 바람직하게는 압축 응력(310)과 균형을 이루는 인장 응력(312)을 가하여 위상지연기층(316)에서의 응력 유발 복굴절을 최소화시키도록 선택된다. 또한, 역학적 구조층(318)의 변형률 광학 계수는 바람직하게는 인장 응력(312)이 최소의 추가 평면 내 복굴절을 가할 만큼 충분히 작다. 대표 실시예에서, 편광층(314)은 TAC에 봉입된 편광기를 포함할 수 있고, 역학적 구조층(318)에서 TAC의 균등한 두께에 의해 역학적으로 충분히 균형을 이룰 것이다. 결과적으로, 위상지연기층(316)의 광축(304)의 배향은 응력 유발 복굴절로 영향받지 않을 것이다.
도 6은 곡면 필터를 제작하는 동시에 곡면 필터 부품에 변형을 최소화하는 적층 장치(400)의 실시예의 개략적인 도면이다. 적층 장치(400)는 제1 광학 필름(402) 및 제2 광학 필름(404)을 정합하기 위해 곡면 표면을 제공할 수 있는 곡면 드럼(406)을 포함한다. 드럼(406)의 반지름은 완성된 안경의 반지름에 대응하는 것이 바람직하다. 예시적 실시예에서, 제1 광학 필름(402)은 편광 필름이고, 제2 광학 필름(404)은 QWP 필름과 같은 위상지연기 필름이다. 또 다른 대표 실시예에서, 제2 광학 필름(404)은 제1 광학 필름(402)에 대하여 45°로 배향된 QWP 필름이다. 적층 장치(400)는 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 곡면 드럼(406)에 공급할 수 있는 적어도 두 개의 공급기(412) 및 제1 광학 필름 또는 제2 광학 필름의 표면에 접착제를 도포할 수 있는 코팅 장치(414)를 더 포함한다. 적층 장치(400)의 가압 롤러(410)는 제1 광학 필름(402) 및 제2 광학 필름(404)에 압력을 가하여 이들을 적층할 수 있다.
작동시에, 제1 광학 필름(402) 및 제2 광학 필름(404)을 적층하기 위해서, 각 필름은 각 필름의 상이한 곡률 반지름에 적합하도록 상이한 비율로 드럼에 공급된다. 필름(402, 404)들은 내부 응력을 완화시켜 영역(408)을 통해 한정된 시간 동안 드럼 표면상에서 이동한다. 가압 롤러(410)는 필름(402, 404)에 압력을 가하여, 접착제가 필름(402, 404) 사이에 접합부를 형성하게 함으로써 적층 공정을 완성한다.
본 명세서에서 개시된 곡면 필터는, 본 명세서에서 개시된 소정 영상 시스템에 의해서 표시되는 입체 영상 또는 비입체 영상을 시청하기 위한 다양한 안경에 포함될 수 있다. 예컨대, 도 7에 도시한 디스플레이 시스템(600)은 프로젝션 스크린(602), 및 두 개의 곡면 필터(606, 608)를 갖는 편광 필터 안경(604)을 포함할 수 있다. 입체 3D 영상은 편광 필터 안경(604)과 함께, 좌측 및 우측 원근 영상을 순차적으로 디스플레이하는 하나의 편광 유지 시스템(602)를 이용하여 관찰된다. 몇몇 실시예에서, 곡면 필터(606, 608)는 교호 직교 편광을 갖는다. 몇몇 특정 실시예에서, 곡면 필터(606, 608)는 서로 반대되는 손잡이성의 원형 편광 광을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 편광 유지 스크린(602)은 직시형 스크린이다.
본 발명의 사상 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 본 발명을 다른 특정한 형태로 구현할 수 있음을 당업자가 이해할 것이다. 임의의 개시된 실시예는 도시 및/또는 설명한 하나 또는 여러 개의 다른 실시예와 결합될 수 있다. 이는 또한 하나 또는 그 이상의 실시예 특성에 대하여 가능하다. 본 명세서에서 설명하고 청구한 단계들은 주어진 순서로 실행될 필요가 없다. 상기 단계들은 적어도 소정 범위에서, 임의의 다른 순서로 실시될 수 있다.
또한, 다양한 리타던스 및 광축 값이 모든 층의 기계적 특성과 필터의 접착성에 민감하게 의존하고 있음을 당업자가 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에서 개시한 원형 편광기는 유사한 결과를 수행하도록 다양한 다른 디스플레이 부품과 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시한 실시예는 모든점에서 예시적이고 한정적이지 않음을 고려하여야 한다. 본 발명의 범위는 앞선 설명보다는 오히려 첨부한 청구범위로 나타나며, 등가의 범위 및 의미 내에 있는 모든 변화가 포함되도록 의도된다.
추가로, 본 명세서에서 있어서의 섹션들의 표제는 37 CFR §1.77의 제안을 준수한다거나, 체계화를 위한 표식을 제공하기 위한 것이다. 그러한 표제는 본 명세서로부터 비롯될 수 있는 임의의 청구항들에 기재되는 발명을 한정한다거나 규정하지는 않을 것이다. 구체적으로 예를 들자면, 소정 표제가 "기술 분야"를 지칭하지만, 소위 말하는 발명 분야를 설명하기 위해 그러한 표제의 섹션에서 선택한 어구에 의해 청구항들이 한정되어서는 안될 것이다. 또한, "배경 기술"에서의 기술 설명은 어떠한 기술이 본 명세서 내의 임의의 발명에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다. 또한 "발명의 개요"도 청구항들에 기재할 발명의 특징을 기술하는 것으로 간주되어서는 안될 것이다. 또한, 본 명세서 내에서 "발명"에 대해 단수 형태로의 언급이 본 명세서 내에 단지 하나의 신규성만이 존재함을 논하는 데에 이용되어서는 안될 것이다. 본 명세서에 따른 다수의 청구항들의 한정 사항에 따라 다수의 발명이 기술될 수 있으며, 이에 따라 그러한 청구항들이 이에 의해 보호되는 본 발명 및 그 등가물을 정의한다. 어떠한 경우라도, 그러한 청구항들의 범위는 본 명세서에 비추어 그 가치에 따라 고려되어야 하며 본 명세서에 기재된 표제에 의해 제한되어서는 안될 것이다.
100: 필터 101: 곡면 필터
102: 단부 104: 위상지연기층
106: 편광층 108, 110: 응력
112: 위상지연기 축 122: 편광 축
200: 필터 202: 위상지연기층
204: 편광층 206: 기판층
300: 필터 304, 306: 광축
310: 압축 응력 312: 인장 응력
314: 편광층 316: 위상지연기층
318: 역학적 구조층 400: 적층 장치
402: 제1 광학 필름 404: 제2 광학 필름
406: 곡면 드럼 410: 가압 롤러
414: 코팅 장치 600: 디스플레이 시스템
602: 프로젝션 스크린 604: 편광 필러 안경
606, 608: 곡면 필터

Claims (29)

  1. 소망의 배향으로 위상지연 축(retardation axis)을 갖는 곡면 필터의 제조 방법으로서,
    광축을 갖는 평면 위상지연기 필름(planar retarder film)을 제공하는 것;
    평면 편광 필름을 제공하는 것;
    상기 평면 위상지연기 필름이 상기 평면 편광 필름에 적층되는 각도를 미리 정하는 것;
    미리 정해진 각도로 상기 평면 위상지연기 필름과 평면 편광 필름을 적층하는 것;
    적층된 위상지연기 필름과 편광 필름을 굽히는 것
    을 포함하고, 상기 굽히는 것에 의해 응력이 상기 평면 위상지연기 필름에 가해지고, 응력은 상기 평면 위상지연기 필름에 응력 유발 복굴절이 야기되며, 상기 미리 정해진 각도는 실질적으로 상기 응력 유발 복굴절을 보정하고 상기 평면 위상지연기 필름의 광축이 소망의 배향을 갖게 하는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 각도는 수학적 모델을 이용하여 결정되는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 각도는 그래프 또는 표를 이용하여 결정되고, 이 그래프 또는 표는 미리 정해진 각도에 대한 곡면 필터의 반지름들 간의 상관 관계를 제공하는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 평면 위상지연기 필름은 사분 파장판(quater-wave plate)을 포함하는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 평면 위상지연기 필름은 다층 위상지연기 스택을 포함하는 것은 곡면 필터의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 평면 위상지연기 필름은 환형 올레핀 블럭 코폴리머 또는 셀룰로오스 디아세테이트로 이루어지는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 비복굴절 필름을 상기 평면 위상지연기 필름에 적층하는 것을 더 포함하고, 상기 평면 위상지연기 필름은 상기 비복굴절 필름과 편광 필름 사이에 적층되는 것인 곡면 필터의 제조 방법.
  8. 곡면 형상의 광학 필터로서,
    위상지연기층 및 편광층을 포함하고,
    상기 위상지연기층 및 편광층은 복합곡률을 갖도록 구성되는 것인 광학 필터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 위상지연기층은 변형률 광학 계수(strain optic coefficient)가 0.001 내지 0.025 사이에 있는 재료로 이루어지는 것인 광학 필터.
  10. 제8항에 있어서, 상기 위상지연기층은 50 내지 120 미크론의 두께를 갖는 것인 광학 필터.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광학 필터는 열성형되는 것인 광학 필터.
  12. 곡면 형상의 광학 필터로서,
    편광층; 및
    미리 정해진 각도로 상기 편광층에 적층된 위상지연기층
    을 포함하고, 상기 위상지연기층 및 편광층은 곡면 형상으로 굴곡되고,
    상기 위상지연기층은 응력 유발 복굴절을 갖게 되고, 또한 상기 미리 정해진 각도는 실질적으로 응력 유발 복굴절을 보정하며 소망의 배향으로 상기 위상지연기층의 광축을 배치하는 것인 광학 필터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 편광층의 외부 표면은 상기 위상지연기층의 내부 표면에 적층되는 것인 광학 필터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 위상지연기층의 외부 표면에 적층되는 비복굴절 층을 더 포함하고, 이 비복굴절층은 상기 위상지연기층에서의 응력 유발 복굴절을 보정하도록 작용할 수 있는 것인 광학 필터.
  15. 제12항에 있어서, 상기 위상지연기층의 외부 표면은 상기 편광층의 내부 표면에 적층되는 것인 광학 필터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 위상지연기층의 내부 표면에 적층되는 비복굴절층을 더 포함하고, 이 비복굴절층은 상기 위상지연기층의 응력 유발 복굴절을 보정하도록 작용할 수 있는 것인 광학 필터.
  17. 제12항에 있어서, 상기 편광층과 위상지연기층은 감압성 접착제에 의해 적층되는 것인 광학 필터.
  18. 제12항에 있어서, 상기 위상지연기층은 다층 위상지연기 스택을 포함하는 것인 광학 필터.
  19. 제12항에 있어서, 상기 위상지연기층은 사분 파장판을 포함하는 것인 광학 필터.
  20. 제12항에 있어서, 상기 평면 위상지연기 필름은 환형 올레핀 블럭 코폴리머 또는 셀룰로오스 디아세테이트로 이루어지는 것인 광학 필터.
  21. 곡면 광학 필터의 제조 방법으로서,
    곡면을 갖는 드럼을 마련하는 것;
    제1 광학 필름을 제1 속도로 드럼의 곡면에 공급하는 것;
    제2 광학 필름을 제2 속도로 상기 제1 광학 필름의 외부 표면에 공급하는 것;
    상기 제1 광학 필름의 외부 표면 또는 상기 제2 광학 필름의 내부 표면을 접착제로 코팅하는 것;
    상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름이 공급될 때 드럼을 회전시키는 것; 및
    가압 롤러를 이용하여 상기 제1 광학 필름과 제2 광학 필름을 함께 적층하는 것
    을 포함하는 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름은 상이한 각도로 드럼에 공급되는 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 드럼 및 곡면 필터의 내부 표면은 동일한 곡률을 갖는 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 제1 광학 필름은 편광기인 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 제1 광학 필름은 위상지연기인 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 제1 광학 필름은 편광기이고 제2 광학 필름은 위상지연기인 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  27. 제21항에 있어서, 상기 접착제는 감압성 접착제인 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도보다 더 빠른 것인 곡면 광학 필터의 제조 방법.
  29. 곡면 광학 필름의 적층 장치로서,
    제1 광학 필름 및 제2 광학 필름을 접합하기 위한 곡면을 제공할 수 있는 곡면 드럼;
    상기 제1 광학 필름 및 상기 제2 광학 필름을 상기 곡면 드럼에 공급할 수 있는 적어도 두 개의 공급기;
    상기 제1 광학 필름 또는 제2 광학 필름에 접착제를 도포할 수 있는 코팅 장치; 및
    상기 제1 광학 필름 및 제2 광학 필름에 대하여 압력을 가하고 상기 제1 광학 필름과 제2 광학 필름을 적층할 수 있는 가압 롤러
    를 포함하는 것인 곡면 광학 필름의 적층 장치.
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