KR970009135B1 - 광투과 스크린을 이용하는 표시 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Description

광투과 스크린을 이용하는 표시 장치 및 그 제조방법

제1도는 후면 투사 스크린으로서 확산 스크린을 이용하는 종래의 후면 투사 표시장치를 보여주는 개략도이다.

제2도는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 후면 투사 스크린을 이용하여 대응하는 효과가 어떻게 달성될 수 있는지를 보여주는 개략도이다.

제3도는 애퍼쳐 마스크(apertured mask)를 통과하는 광에 대한 표면의 노출을 보여주는 개략도이다.

제4도는 본 발명을 구체화하는 장치를 제조하는 경우에 이용될 수 있는, 회절에 의한 표면의 조명강도의 변화를 보여주는 그래프이다.

제5도는 불투명한 층의 연부에 인접하는 광에 대한 표면의 노출을 보여주는 개략도이다.

제6도는 불투명한 장애물(bar)에 의해 부분적으로 차단된 광에 의해 조사되는 표면의, 상기 장해물의 아래에서의, 조명의 변화를 보여주는, 제5도와 유사한, 개략도이다.

제7도는 중합체의, 중합화를 초래시키는, 노광에 대한 굴절률의 변화를 보여주는 그래프이다.

제8도는 구배 굴절률 렌즈의 형태를 보여주는 개략도이다.

제9도는 구배 굴절률 렌즈에 대한 다양한 이미지 조건을 보여주는 도면이다.

제10도는 구배 굴절률 렌즈에 적용된 수용(acceptance) 각도의 개념을 보여주는 도면.

제11도는 본 발명을 구체화하는 표시기용 마이크로 렌즈 스크린의 제조를 보여주는 도면이다.

제12도는 본 발명을 구체화하는 표시기에서의 광의 정미(正味; net)의 편향을 확보하기 위하여, 구배 굴절률 렌즈가 또한 광 파이프(light pipe)로 작용하도록 어떻게 구성될 수 있는지를 보여주는 도면이다.

제13도는 2개의 활성층을 포함하는 후면 투사 스크린을 보여주는 도면이다.

본 발명은 텔레비죤 수상기, 비디오 모니터, VDU 등에 사용되는, 광투과용 후면 투사(back-projection) 스크린을 이용하는 표시 장치에 관한 것이다.

텔레비죤 수상기의 크기, 중량 및 체적을 감소시키려고 하는 관점에서, 텔레비죤 스크린용으로 종래의 음극선관(cathod ray tube; c.r.t)대신에 액정 표시기(LCD)를 사용하는 것에 대한 관심이 증대되고 있다. 실제로, LCD 스크린을 이용하여 여러 가지 소형 텔레비죤 수상기들이 성공적으로 제조되어 왔다. 그러나, 지금까지는 LCD의 형태로 대각선의 길이가 약 5인치 이상인 텔레비죤 스크린을 상업적으로 생산할 수 없었다.

또한, 실용적인 최대의 c.r.t형 텔레비죤 수상관보다 상당히 큰 표시 스크린을 제공하기 위하여, 최근에는 c.r.t형 텔레비죤 표시고아 함께 후면 투사 스크린을 사용하는 것에 대한 관심을 보여 왔다.

본 발명의 목적은, 용인될 수 없을 정도까지 장치의 크기, 중량 또는 복잡성을 전체적으로 증대시키지 않고서도 액정표시 스크린 또는 종래의 c.r.t 스크린의 외견상의 크기를 증대시키고 액정 표시기 또는 그에 대응하는 크기의 c.r.t 수상관을 제조하는 경우에 수반되는 기술적 문제를 회피할 수 있는 수단을 제공하여, 개선된 표시장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시태양에 의하면, 대상(對象)스크린(object screen), 후면 투사 이미지(image)스크린, 및 대상 스크린의 이미지를 후면 투사 이미지 스크린상에 투사하도록 배치된 투사 장치를 포함하는 표시 장치가 제공되어 있으며, 이 경우에 상기 후면 투사 이미지 스크린은 일체로된 구배(勾配)굴절률 마이크로렌즈의 어레이(array)로 형성된 투명 재료(transparent material)의 시이트를 포함한다.

바람직하게는, 상기 후면 투사 스크린이 투명 플라스틱 시이트이며, 이 경우에 상기 일체로된 구배 굴절률 렌즈는 광중합 가능한 수지로 이루어지는 선택적인 구배 형식의 중합화에 의해 형성되어지고, 그러한 중합화는 제조시 투명 플라스틱 시이트의 영역에 걸친 상기 시이트의 노광(露光)량을 대응적으로 변화시킴으로써 생기게 된다.

후면 투사 이미지 스크린을 만드는 바람직한 방법은 구배 굴절률 렌즈의 형태로 상기 마이크로렌즈 또는 소형 렌즈(lenslet)를 제공하도록 굴절률의 국부 변화를 지니는 재료를 기층상에 제공하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, 자외선 광에 노출되는 경우에 상기 구배 굴절률 렌즈를 제공하는 방식으로 선택적으로 중합화되고 단량체(monomer)의 형태로 상기 기층에 도포되는 화합물을 이용하는 것이 바람직하며, 이 경우에 단량체의 층은 이 층의 표면에 걸친 점(spot) 어레이의 각 점에서 자외선 광에 최초로 노출되어 결과적으로 생기는 상기 재료의 중합화에 의한 바람직한 마이크로렌즈를 제공하고, 상기 재료는 차후 자외선 광에 의한 차폐(blanket) 노출을 받아 완전히 중합화된다.

상기 마이크로렌즈의 영역내에서 굴절률의 변화를 높이기 위하여, 상기 재료는 선택적인 노광 및 차폐 노광의 중간에 연화(軟化)온도까지 가열되는 것이 더욱 바람직스럽다.

본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 전술된 바와 같이 마이크로렌즈 어레이를 합체하고 있는 광투과 시이트, 2가지의 광학 이미지의 공급원 또는 각각의 공급원 및 광을 상기 공급원으로부터 상기 시이트의 한 측부로 향하게 하도록 배치된 수단을 포함하는 3차원 표시 장치로서, 양안(兩眼)의 시력을 지니고 있으며, 상기 마이크로렌즈 어레이에 관하여 미리 결정된 위치 또는 각이 진 방향으로 눈의 위치를 정한 사람에 의해 상기 광투과 시이트가 그의 타측부로부터 보여지는 경우에, 한 측의 눈은 상기 마이크로렌즈 어레이중 하나씩 걸른 마이크로렌즈로 구성되는 제1세트의 마이크로렌즈로부터 광을 받는 반면에 타측의 눈은 상기 마이크로렌즈 어레이중 나머지 렌즈로 구성되는 보족(補足)적인 제2세트의 마이크로렌즈로부터 광을 받고, 결과적으로는 각각의눈이 상기 스크린의 범위내에서 상기 2가지 이미지 각각을 감지함으로써, 상기 2가지 이미지가 사람의 두눈에 의해 감지되는 3차원 장면(scene)의 각각의 이미지와 일치할 경우, 상기 마이크로렌즈 어레이를 지니는 광투과 시이트를 보는 사람이 상기 마이크로렌즈 어레이의 영역내에서 대응하는 3차원 이미지를 감지하도록 구성된 3차원 표시장치가 제공되어있다.

상기 광투과 시이트는, 각각의 마이크로렌즈 또는 소형 렌즈가 단순한 수속(收束)렌즈(converging lens) 및 얇은 프리즘의 효과를 조합하여, 일련의 마이크로렌즈가 이러한 마이크로렌즈를 투과하는 광을 좌우로 편향시키게 배열되도록 형성되는 것이 바람직스럽다. 이는 광투과 시이트 표면의 국부 성형에 의해 성취될 수 있다. 마지막으로 언급된 성질의 광투과 시이트는 예컨대, 보족 형상의 표면을 가지는 마스터(master) 주형 또는 다이(die)상에서 또는 그의 내부에서 적절한 플라스틱 재료를 주조, 성형 또는 압축 성형함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 각각의 마이크로렌즈의 최소한 수속(收束) 효과는 맨처음 언급된 본 발명의 실시 태양에 따라 광투과 시이트의 굴절률의 국부 변화에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 전술된 바와 같이, 광투과 시이트는 어떤 조건하에서(가능하면 적절한 현상(development)처리를 수반함) 노광에 의해 변화될 수 있는 굴절률을 지니는 중합 물질로 만들어질 수 있다. 본 명세서에서 광중합체로 언급되는 그러한 매체는, 사진 기술, 예컨대 광섬유 면판(fiber optic face plate) 또는 사진 마이크로도트(photographic microdot) 스크린과 같은 적절한 마스터를 사용하는 광학적인 접촉 처리에 의해 그 내부에 기록될 수 있다.

광중합체를 이용하는 전술된 기법은 기록 재료의 굴절률에 있어서의 본질적인 체적적 변화에 관련이 있다.

체적 효과를 이용하고 광중합체를 사용하여 마이크로렌즈 스크린을 형성하는 전술된 방법을 구배 굴절률렌즈(graded refractive index lenses; G.R.I.N.S.)를 제조하는 공정과 유사하다. 이 방법에 의해 형성된 실질적으로 관형(管形)인 마이크로렌즈는 보는 사람의 눈에 의해 요구되는 방향으로 광의 도달을 제어하도록 배향되어 있는 것이 바람직하다. 그러므로, 작은 광원으로부터의 확대된 이미지를 보는 경우에, 중앙의 핫 스포트(hot spot)의 효과를 야기시키는 스크린의 방향성의 문제를 극복하는 것이 제안되고 있다. 그러한 방향성의 제어는 스크린 제조시에 레이져 광원을 사용하여 기록 광선의 방향을 조정함으로써 성취될 수 있다.

전술된 바와같이, 예컨대 광학 이미지 기술 또는 전자 비임 기술 등을 사용하여 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 데에는 기타의 기술을 사용할 수 있다.

표시 장치는, 텔레비죤 수상기, 비디오 모니터 또는 전자 비임 기술 등을 사용하여 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 데에는 기타의 기술을 사용할 수 있다.

표시 장치는 텔레비죤 수상기, 비디오 모니터 또는 VDU 등의 스크린을 형성하는 고 분해능(high-resolution)의 액정 표시기를 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 표시 장치는, 종래의 가정용 텔레비죤 수상기에서 사용되고 있는 것과 비교하여 비교적 작은 사이즈의 선명한 c.r.t 표시관을 포함할 수 있다. 그러나, 본원 발명을 후술함에 있어서, 설명의 편의상, 광학 이미지가 발생하는 표시 장치의 스크린은, 이러한 스크린을 마이크로렌즈의 스크린과 구별하도록 LCD 스크린으로 언급된다. 상기 마이크로렌즈 또는 소형 렌즈의 어레이를 지니는 상기 스크린은, 예를들면 몇인치 거리만큼 LCD 스크린의 전방에 이격되어 있으나, 사용될 수 있는 라이트 폴딩(light-folding)기술(이하 참조)을 고려하는 평행 평면내에 반드시 있는 것이 아니다. 이 스크린은, 스크린상의 마이크로렌즈 어레이와 관련하여 편의상 본 명세서에서는 마이크로렌즈 스크린으로서 언급된다. LCD 스크린과 마이크로렌즈 스크린 사이에는 실제로 상기 마이크로렌즈 스크린의 평면내에 LCD 스크린의 실재 이미지(real image)를 형성하는 광학 장치가 삽입되어 있다. 그 광학 장치는, LCD 스크린과 마이크로렌즈 스크린사이의 소망의 한정된 간격과 관련하여 광학적인 관점에서 LCD 스크린으로부터의 물리적 거리보다 실제로 더 먼 외관상 거리에 마이크로렌즈를 효과적으로 배치하기 위하여, 예컨대 반사경 또는 내부반사 프리즘 등을 합체하는 라이트 폴딩 기술을 이용하는 것이 바람직하다. 그러므로, 예커대, 대각선 치수가 3인치이고 마이크로렌즈 스크린 후방에 간격이 3인치 이격되어 있는 LCD 스크린의 경우, 보는 사람에 의해 감지되는 이미지는, 대각선 치수가 13인치인 마이크로렌즈 스크린의 평면내에서 LCD 스크린의 이미지와 외관상의 사이즈면에서 일치하도록 구성하는 것이 가능하다.

마이크로렌즈 스크린의 기능은, 어떤 영화 촬영 기술에서 사용되는 바와같은 연마 글라스(ground glass)와 같은 반투명 재료로 만들어지는 후면 투사 스크린의 기능 도는 리플렉스 카메라(reflex camera)의 초점 스크린(focusing screen)의 기능과 유사하다. 이와같이 공지된 장치에 있어서, 반투명한 스크린의 각각의 부분은 실제로는 광을 모든 방향으로 산란시키고 또한 실질적으로 미산란 상태로 그러한 부분에 들어가는 대부분의 광을 투과시킴으로써, 그 결과 공지된 비네팅(vignetting) 또는 핫 스포트(hot spot) 효과, 즉, 스크린의 중심으로부터 연부로의 이미지의 감지 조명 강도의 저하를 초래시킨다. 또한, 이와같이 공지된 장치는, 이미지가 가시화되어야 할 요구가 존재하지 않는 방향으로 이미지를 형성하는 광의 상당 부분이 산란되어, 광이 소비되는 부가적인 단점을 가진다. 더욱이, 그러한 종래의 장치에서는 스크린상의 이미지에 초점 번짐현상(blossoming 또는 fuzziness)이 존재한다. 텔레비죤 수상기 등의 LCD 스크린상에 확대된 이미지를 제공하도록 후면 투사 기술과 관련하여 그와같은 종래의 반투명 스크린이 사용되는 경우에, 그러한 결함이 현저하게 나타난다. 이들 결함은, 본 발명을 구체화하는 표시장치에서 마이크로렌즈 어레이의 적합한 구성에 의해 회피될 수 있다.

그러므로, LCD 스크린의 폭 및 높이에 걸쳐 균일한 휘도를 지니는 LCD 스크린상의 이미지에 대하여 상기 스크린에 대한 비교적 좁은 시각 영역내에 위치한 스크린을 보는 사람에게는, 마이크로렌즈 스크린의 평면내에 형성된 해당 이미지가 마이크로렌즈 스크린의 폭 및 높이에 걸쳐 균일한 휘도를 지니지만, 무시할 수 있는 광량이 마이크로렌즈 스크린으로부터 상기 시각 영역외의 장소로 지나가도록 구성하는 것이 가능하다. 마이크로렌즈상의 이미지의 크기와 관련한 마이크로렌즈 스크린으로부터의 통상적인 시각 거리에서, 시각 영역의 폭 및 높이가 단지 1피트 또는 2피트가 될 수 있도록 구성하는 것이 가능하다.

본 발명의 기초가 되는 원리 및 바람직한 실시예의 특징은 첨부도면을 참고로 이하 더 상세하게 기술되어 있다.

예를들어, 제1도를 참고하면, 그 도면에는 텔레비죤 수상관과 같은 대상 스크린(41)의 실재 이미지를 연마 글라스 스크린과 같은 종래의 확산 스크린(42)상에 투사하는 이미지 장치(40)가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 대상 스크린상에 입사하는 어떤 광선(A,B,C,D)에 대해서, 상기 대상 스크린의 타면으로부터 한다발의 산란 광선이 방출된다. 이러한 산란 광선의 방출 지점에서 본래의 광선(A,B,C 또는 D)에 대하여 P로 표시되어 있다. 관찰자는 확산 각도가 좁은 중앙 방사선을 주로 봄으로써 이미지의 중앙부분에서의 가시적인 핫 스포트(hot spot)를 경험한다. 이러한 중앙의 핫 스포트는 연마 글라스 형태의 극단적으로 단순화된 확산기의 특징이다.

제2도는, 비교를 목적으로, 제1도의 종래의 확산 스크린이 마이크로렌즈(M)의 어레이를 지니는 스크린(44)으로 교체되어 있는 상태를 도시하고 있다. 각각의 마이크로렌즈(M)는 입사광을 그 어레이의 평면 근처에 있는 초점으로 향하게 한다. 그러므로, 관찰자는 그 어레이를 확산 표면으로서 본다. 그러한 구성은, 광학 장치가 마이크로렌즈 스크린상에 LCD 또는 c.r.t 텔레비죤 수상 스크린의 실제의 확대 이미지를 형성하는 텔레비죤 표시 장치를 제공하는데 사용될 수 있다.

상기 어레이내의 각각의 마이크로렌즈는 장소에 따라서 얇은 프리즘 및 렌즈 자체의 효과를 조합하도록 형성될 수 있으며, 본 명세서에서 마이크로렌즈 및 소형 렌즈(lenslet)라는 용어는 그러한 효과적인 조합을 포함하는 것과 같은 넓은 의미로 사용된다고 이해될 것이다.

관찰자에게 텔레비죤 스크린이 13제곱 인치로 되도록 보이는 것이 바람직한 스크린의 소망의 외관 면적, 예컨대 13제곱 인치 면적에 걸쳐 마이크로렌즈 스크린이 확장되는 것이 이해될 것이다. 이러한 표시 장치가 작동시에, 관찰자의 관점에서 LCD 스크린이 마이크로렌즈 어레이를 지니는 시이트상에 보다 큰 규모로 효과적으로 맵(map)화되도록 고안되어 있기 때문에, 스크린상의 각각의 점(보다 정확히 말하면, 픽셀(pixel))이 마이크로렌즈 스크린 영역에서의 대응 장소에 있는 대응점(보다 정확히 말하면, 확대된 픽셀)을 인식하여, 관찰자는 확대된 LCD 스크린을 보게 된다.

이상의 기법에 의하면, 마이크로렌즈의 구성이 요소의 규칙적인 위치 배정을 제공할 수 있게 한다. 전체적으로 규칙적인 어레이는 감지된 이미지내로 어떠한 입상(granularity)(일종의 가시적인 노이즈(noise)로서 간주될 수 있음도 도입시키지 않는다. 소형 렌즈의 위치를 규칙적으로 함에 기인한 입상의 감소에 의해, 그와 같은 투사 이미지의 노이즈 및 선명도가 현저하게 개선되며, 발명을 구체화하는 표시 장치에서는, 관찰자의 관점에서, 가시화된 스크린에 걸쳐 균일한 휘도의 이미지를 징명(澄明)하게 하는 장점을 가지는바, 그럼에도 불구하고 그 이미지는 선명하다. 그러나, 과도한 규칙성에 의해, 사실상 2차원 저주파 회절 격자의 구조에 기인하는 회절 효과가 생길 수 있다(과도한 규칙성에 의해 특히 컬러 TV에서는 모아레 효과(Moire effect)가 생길 가능성이 있다). 회절 및 모아레 문제는, 전체적으로 규칙적인 어레이에 조절된 불규칙성(randomness)을 주입함으로써 회피될 수 있다. 또한, 마이크로렌즈 스크린에, 마이크로렌즈 어레이에 대한 부가물로서 릴리프(relief) 이미지 모스 아이(moth-eye) 표면을 설치하여, 마이크로렌즈 스크린으로부터의 미광(迷光; stray light) 반사를 대단히 감소시킬 수 있다.

본 발명을 구체화하는 표시 장치에 사용되는 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 몇가지 방법이 더욱 자세하게 후술될 것이다.

하기에 고려되는 방법에 있어서, 사진 또는 유사한 기술이 마이크로렌즈 스크린의 제조에 사용된다.

지금까지 2가지 해결 방법이 고려됐던바, 그중 첫번째 해결 방법은 한 표면상에, 렌즈를 형성하는 볼록한 원형 영역의 어레이를 가지는 투명 시이트를 궁극적으로 제조하는 것을 목표로 한다. 이 해결 방법은 릴리프 이미지 해결 방법으로서 언급된다. 이 해결 방법은 지지체상의 포토-레지스트(photo-resist)층이 몇가지 종류의 스크린을 통해서 선택적으로 노광되는 이미 공지된 기술을 이용할 수 있다. 고려된 두번째 해결 방법은, 축들이 마이크로렌즈 스크린의 평면에 수직 또는 거의 수직으로 연장하는, 효과적으로는 관형 또는 원통형인 렌즈로서 마이크로렌즈들을 형성하기 위하여 가변의 굴절 재료를 사용하는 것이다. 그러한 렌즈들의 성질 및 특성이 더욱 자세히 후술된다. 이 해결방법은, 역시 몇가지 종류의 스크린을 통해서 광중합체를 선택적으로 노광시키는 기술을 이용할 수 있다. 고려된 이들 두가지 해결방법에 있어서, 중요한 특징은, 관련된 사진 또는 준(準) 사진적인 기술에서, 용이하게 이행될 수 있는 방법으로, 각각의 마이크로렌즈 어레이에 상응하는 영역에 걸쳐 미리 결정된 변화의 노광을 제공하는 것이다.

가변의 굴절률을 나타내는 중합 재료는 이미 공지되어 있으며 본 명세서에서는 광중합체로서 언급된다. 그러므로, 예를들어, 아크릴아미드 단량체의 중합화는, 예컨대 레이저광과 같은 광에 노출시킴으로써 촉진될수 있음이 공지되어있다. 그러므로, 예컨대, 적절한 결합제(binder)내에 분산되어 있으며 기층에 피복물로서 도포되는 관련 단량체로 구성되는 층을 노광시킴으로써 광중합체에 홀로그램(hologram)을 생성하는 것이 알려져 있는 바, 이 경우 단량체의 중합화의 정도는 상기 피복물에서의 광도에 의존한다. 중합 재료의 굴절률이 중합화의 정도에 따라 변동하기 때문에, 굴절률의 국부변화는 노광중의 조명의 국부변화의 제어에 의해 발생될 수 있다. 이러한 특성을 갖는 한가지 공지된 재료는 아크릴아미드 단량체를 기초로 한다. 이러한 단량체의 중합화는 예컨대 UV 레이저광과 같은 자외선광에 노출시킴으로써, 또는, 입수가능한 가시광선 레이저, 또는, 다른 고강도 광원에 의해 발생된 파장의 가시광선에 의해 상기 단량체를 중합화시킬 수 있는 표백가능한 증감제(增感劑; sensitizer)를 단량체 피복물에 혼입시킴으로써 촉진될 수 있는 바, 이 경우, 상기 증감제는 그후 중합화에 이어 표백단계에 의해 완전히 표백되거나, 엠.제이.쥬디 및 제이.제이.로빌라드에 의한 논문 고효율로 페이즈 홀로그램을 기록하기 위한 가변 굴절률 재료의 광증감(광통신(optics communication)-1975년 1월호-Vol.13, No.1에 게재됨)에 개시된 바와같이, 가시 스펙트럼의 파장의 광을 흡수하도록 자외선 광에 노출시킴과 동시에, 그러한 파장의 광, 예컨대 레이저광에 피복물을 선택적으로 노출시킴으로써 일시적으로 활성화될 수 있는 광호변성(光互變性; photochromic) 증감제를 단량체 피복물에 혼입시킴으로써 완전히 표백된다. 그러므로, 예를들어, 사용되는 가변 굴절률 재료는 전술된 문헌에 기재되어 있는 바와같이(노출전에), 아크릴아미드 단량체, 폴리비닐 알콜 결합제, 조촉매(助觸媒; promoter)로서의 트리에탄올아민 및 광호변성 증감제로서의 인돌리노 스피로피란을 포함하는 필름(film)의 형태로 형성될 수 있다.

후술되는 바와같이, 어떤 조건이 관측되면 각각의 렌즈의 영역에 걸친 각각의 감광재료의 노출에 대한 필요한 단계적 변화는 매우 간단한 형태의 스크린과 관련된 회절 효과를 사용하여 성취될 수 있다고 기대된다. 그러므로, 예를들면, 규칙적인 어레이에 다수의 완전히 불투명한 원형 도트(dot)를 지니는 투명 스크린을 효과적으로 포함하는 스크린이 사용될 수 있거나, 그 반대로 원형의 투명 구멍의 어레이를 지니는 불투명 스크린이 사용될 수 있다.

그러나, 토명 구멍으로부터의 회절광을 조사하면, 회절에 의한 한계가 그 방법의 유효성을 지배할 수 있음을 알 수 있다.

제3도에서, y′를 이미지 스크린(50)상의 좌표라 하고 y를 구멍의 좌표라 하자. p에서 회절 진폭을 고려하고 r²=(y′-y)²+D²이라는 점에 유념하면, p에서 총회절 진폭은,

로 주어지며, 식중, k=2π/λ_a이고 λ_a는 입사광의 공기중에서의 파장이다.

상기 적분의 계산은 현저하게 어렵지만 1/r을 상기 적분식에서 제외한 통상의 근사 해법은 증명하기가 쉽다. 더욱 어려운 것은 지수(kr))의 근사치이다. 대개, 원거리 근사 해법(D≫y,y′,d)이 사용되고 있지만, 이는 충분히 정확하지 않을 수 있다.

우선, 통상의 원거리 해법을 고려하면,

과 같이 접근한다.

보통, 이미지 렌즈는 구멍에 의해 회절되는 광을 수집하도록 사용된다.

이것에 의해 식(exp(-iky²/2f′)(식중 f′는 렌즈의 초점 거리임)의 위상 편이(phase shift)가 효과적으로 도입된다. 그 후에 편의상 D=f′라고 선택하면, 위상 인자(kr)에서 y의 2차항이 소거된다. 그러므로, p에서의 진폭에 대한 적분식은

가 된다. 이 적분식은 이제 계산을 위해,

와 같이 수정가능하다.

D=f′이면, 지수의 어려운 2차 부분이 소거되어,

와 같은 형태의 p에서의 총 회절 진폭이 얻어지는데, 식중, ψ=kD+ky'²/2D이다.

이것에 의해,

와 같은 결과가 유도되는데, 식중,

이다. 이때 광의 강도는,

진폭×진폭^*

에 비례하는데, 식중, *은 공액 복소수를 의미한다. 곱셈을 행하면, ψ 종속항이 소거되어 강도는

(kdy'/2D)이 비례한다.

이는 제4도에 도시된 바와 같이 표시될 수 있는 바 그 도면은 슬릿(slit)의 대표적인 프라운 호퍼 회절(Fraunhofer diffraction)을 보여준다. 제4도는 광의 강도(X축)대 위치(Y축)의 그래프이다.

중앙의 피크의 폭은

kd△y′/2D=2u 또는

와 같다.

엄밀하게 그 결과는 근거리의 경우에 적용될 수 없더라도, △y′Hd인 경우에 d²H2Dλ_a이어야 하고, 이는 기하학적인 음영(shadow)내에 있기위한 회절 패턴의 제한에 대한 근사적인 조건이다.

몇가지 수치를 넣어보기로 한다. λ_a=0.5μ라고 가정한다. 예컨대 D=100μ라하면, 슬릿의 폭, 즉 d

는 모순된 결과를 초래시키지 않는다. 이 계산은, 일종의 기하학적인 음영내에 국부화되는 회절 패턴을 제공하는데 필요한 최소 슬릿폭에 관한 가이드라인(guidline)을 제공하는데 도움이 될 수 있다. 이 계산은, 애매모호한 환경에서의 원거리 이론에 적합하기 때문에 엄밀한 의미로는 정확하지 않다.

그러므로, 실제로, 본 장치의 가능한 작동을 설명하기 위해서는 근거리 회절에 대해 더 엄밀한 이론이 필요하다. 이로 인해, 지금까지 연구된 프라운호퍼의 경우와 다른 프레스넬(Fresnel)의 회절 이론을 사용하게 된다.

사실상, 프레스넬의 근사식은 여전히 진리에 대하여 부분적으로 정확한 가이드에 불과하지만, 이미 사용된 것보다는 훨씬더 엄밀한 해결방안이다. 정확도에 대한 연속적인 해결 방안은 반경 인자(r)에 대한 확장의 경우에 잉여항을 도입함으로써 간단히 성취된다. 앞의 경우에서, 렌즈 도입의 기법으로 y²을 편의상 소거했음을 기억하라. 이제 렌즈를 무시하고, 제5도에 도시된 바와같은 연부에서의 프레스넬 회절의 문제를 다루기로 한다. 여기서, 제5도는 수광면(57)상의 거리(L)의 부분에 배치된 불투명한 스크린(55)의 연부(53)에서의 프레스넬 회절을 보여주는바, 광은 하방으로 수광면(57) 및 스크린(55)상에 입사하며, 곡선은 상기 면(57)이 연부(53)에 대해 수평 위치에 있을때 상기 면(57)에서의 공의 강도(y축)의 변화를 보여준다.

관찰 평면에서의 강도는 기하학적인 음영내로 급격히 감쇠하지 않음을 주지하라. 음영의 연부에서, 강도는 방해받지 않은 값의 1/4이며(수직방향의 점선으로 표시되는) 음영의 연부의 바로 외측에서(수평 방향의 점선으로 도시되는) 방해받지 않은 값의 1.37배로 상승한다. 그 변수는,

와 같은 식으로 정의되는데, 식중, y는 관찰 평면에서의 실제 거리의 좌표이다. 이러한 패턴은 VH-3인 경우에 음영에서 사실상 소멸하였는데, 이로인해 상기 문제가 대략적 방법으로 어림잡아 계산될 수 있게 한다. 그러므로, 연부 효과가 독립되기 위해서는, 하부의 불투명한 선이 VH6의 길이이여야 한다는 것을 예측할 수 있다. 제6도는 제5도와 유사한 도면이지만, 불투명한 장해물(65)뒤에서의 조명의 단계적인 변화를 보여주고 있다. 불투명한 장해물의 길이가 충분하면, 상당한 기하학적인 음영의 영역이 존재한다.

전술된 바와같이 L=100μ, λ=0.5μ라 하면,

또는 yH30μ

가 된다.

대다수의 기록 매체의 정밀한 감광도 특성에 의존한다. 그러므로, 노광의 한계는 연부의 향상이 기대될 수 있음을 의미한다. 가변 굴절률의 광중합체를 사용하는 기술에서는, 상기 광중합체의 실시간 특성(real time property)이 중요할 수 있다. 그러므로, 프레스넬 회절 패턴중 가장 밝은 부분은 기록시 더 많은 빛을 끌어들일 수 있다.

제7도는 광중합체에 대한 가정의 △n(y축)대 노광(X축)의 플로트를 보여주고 있다. 수직의 점선으로 표시된 한계 에너지는, 이러한 노광 레벨미만에서는 아무것도 발생치 않음을 의미한다.

이러한 모델화(modelling) 및 프라운호퍼의 경우에 이미 사용된 모델화에 의해, 100μ의 거리 인자의 경우 적절한 장해물 또는 구멍 치수가 10 내지 30μ 사이의 어딘가에 있다라는 결론이 내려진다. 원형 도트에 대한 원통 대칭으로의 일반화는 숫자들의 국적인 변화를 야기시키는 것으로는 보여지지 않는다.

100μ 보다 더욱 근사한 근사치를 달성할 수 있다면, 더 작은 장해물 사이즈가 이용될 수 있다. 그리하여, 충분히 큰 구멍의 경우 또는 충분히 작은 파장의 경우에는 상기 구멍을 통한 노광에 의해 유사한 사이즈의 조명 패턴이 만들어질 수 있다는 결론이 내려진다.

가변 굴절률 광중합체를 사용하는 기술을 더욱 상세히 고찰하기 위해, 이하 설명에서는, 굴절률의 변화를 나타내는 매체상의 가변 노광을 이용하여 구배 굴절률(graded refractive index; GRIN) 렌즈의 제조에 상기의 고찰이 어떻게 적용될 수 있는지를 보여준다. 우선 종래의 GRIN 렌즈를 살펴보기로 한다.

제8도는 대표적인 GRIN 렌즈를 살펴보기로 한다.

GRIN 렌즈들의 매개 변수들은 다음과 같이 규정된다.

굴절률은 통상 r에 대하여 포물선형태로 되도록 종래방식으로 가공되어 있다. 그러므로,

와 같이 되는데, 식중, n₀는 광축상의 굴절률이고, A는 양의 정수이다. 굴절률은 r에 따라 감소하므로, 광중합체 경우의 효과를 모방하기 위해서는 접촉 기록 상태에서 명확한 구멍의 스크린을 필요로 하지만, 흑점 스크린은 필요로 하지 않는다는 점에 유념하기 바란다. 여기서, 피치(P)를,

와 같이 정한다.

그 피치를 알면, 렌즈의 길이를 변화시킴으로써 여러 가지의 이미지 특성을 규정할 수 있다.

제9도는 GRIN 렌즈들의 여러 가지 이미지 조건을 보여주고 있다.

그러한 렌즈들의 어레이가 광중합체의 층내에 형성되어 있는 것을 고려하면, 각각의 GRIN 렌즈의 길이를 변화시키는 것은 이미지 매체의 두께를 변화시키는 것에 해당한다. 도면중, L=0.25P로 규정한 도면을 참조한다. r_max를 d/2(d는 렌즈의 직경)라고 정하면,

과 같이 된다.

△n=n_축-n_연부라고 정하면,

이 되는데, 식중, n은 굴절률의 평균치이다. 예컨대, L=50μ(매체의 층 두께), d=10μ, n=1.6인 예를 들어, 직선 거리대 피치의 비를 제공하는데 필요한 △_n의 값을 구해보기로 한다.

분명히,

이기 때문에,

가 되며, 이는 △nH0.02를 제공한다. 이 결과는 예컨대 폴리아크릴아미드와 같은 두꺼운 광중합체 층을 이용하면 실제로 성취가능하다(아래 내용 참조).

여기서 기술한 타협점에서는 소형 렌즈 문제에 대한 모순없는 해결이 가능해진다. 상기 층은 △n의 사용 가능한 값에 대하여 모순없는 적절한 두께이여야 한다. 피치 조건이 L=0.25P인 경우, 수광각(acceptance angle)은

이 된다.

이로 인해 소형 렌즈의 수광면에서 이러한 소형 렌즈의 수광각 조건이 결정된다.

제10도는 입사 광선이 총체적인 내부 편향 또는 트랩핑(trapping)을 받는 각도 범위를 정의하는 수광각의 개념을 설명한 것이다.

등가의 초점 거리는,

이지만,

이므로, 따라서,

가 되어,

이 된다.

2차 정수(A)를 계산하고 상업적으로 입수가능한 셀폭(SELFOC)렌즈와 비교하기로 한다.

이 경우에,

와 같은 값이 얻어진다.

이러한 값은 고체 구성형의 소형 렌즈, 예컨대 L=52㎜, d=2.0㎜,

와 비교될 수 있다. 여기서, 고체 구성의 경우의 비교적 낮은 굴절률 구배 값과 비교하여 광학적으로 발생되는 경우에 매우 높은 굴절률 구배를 가지는 렌즈를 제조할 수 있는 것이 현저한 차이이다.

다음에, 더 넓은 수평각이 필요한 경우에,

이기 때문에, 유일한 선택은 L을 감소시키는 것이지만, △n을 증가시키는 경우에는 이를 행하는 것만이 가능하다.

△n을 0.1로 증가시킨 결과를 간단히 검토하기로 한다. d를 10μ의 레벨로 유지하면, L을

의 비로 감소하여 L′=0.44ㆍ50μ=22μ로 될 수 있다. 이로 인해, 수광각이

로 증대된다.

그러므로, 그 효과는 극적으로 된다.

자외선에 대한 최초의 이미지 노출 후에, 그리고 냉각 가능하고 자외선 광에의 최종적인 차폐(blanket) 노출을 받기전에, 어느 기간 중합체가 그의 연화(軟化)온도로 가열되면 △n을 상당히 증가시킬 수도 있다. 중합체/단량체 층 내에서의 분자의 이동도를 증가시킴으로써 가열하는 경우 최초에 노광되어 중합화된 영역으로 단량체 분자의 부가적인 이동이 가능해지므로, 최초의 노광에 의해 개시된 공정이 개선된다고 생각된다.

이러한 부분에서 약술된 소형 렌즈의 모델화는 포무선상의 굴절률 분포가 공지된 경우로 한정되지만, 분명히, 굴절률의 임의 분포의 더 일반적인 경우에 이들의 아이디어(idea)가 타당성을 지닌다. 분명히, 여기서 논의된 결과를 모방하기 위하여는 중심을 향하여 증대되는 굴절률을 지니는 원통형의 요소를 제조할 필요가 있을뿐이다. 비포물선 분포의 일반적 경우는 이론적으로는 어렵지만 컴퓨터의 활용으로 해결될 수 있다.

분명히, 소형 렌즈 문제의 미묘한 부분중 일부는 접속효과(focusing effect)를 이루는 부분이다. 이는 굴절률이 프로파일(profile)되지 않는 경우에는 생길 수 없다는 점에 유념하기 바란다. 그러므로, 연부에서의 굴절률의 단계적 불연속성은 광섬유의 성능을 모방할뿐이며, 따라서, 수광 및 사출광(emergence)과 관련한 각도 분포가 제한된다.

작은 도트와 불투명한 장해물의 주위에서의 회절은, 직접적인 형태 또는 보족적인 형태로 여기서 기술한 형태를 대략적으로 지니는 원통형의 소형 렌즈를 부호화(encoding)할 수 있는 회절 패턴으로 된다는 최종적인 결론을 얻는다. 레이저 비임의 본래의 가우스 프로파일(Gaussian profile)은, 예컨대 스캐너(scanner)의 경우와 같이 개별적인 도트의 기록의 경우에 선택적으로 이용될 수 있다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, 공간적으로 가변적인 강도를 지닌 광에 노출되면 굴절률의 변화를 나타내는 재료로, 명확한 도트 마스크 스크린(dot mask screen)을 통해 노광되는 것을 기초로 한 기술로써 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 것이 제안되어 있다.

이와 같이 제안된 방법은, 직접적인 음화의 제조(negative production)로부터 파생되는 특별히 준비된 도트 스크린을 사용하여 양화의 생산물(positive daughter)을 사본으로 만드는 것이다. 상기 스크린은, 예컨대, 약 2미크론 두께의 유제를 가지고 있는 이스트만 코닥의 그래픽 아츠 플레이트(Eastman Kodak graphic arts plate)로 제작될 수 있다. 이 재료는, 마스크층 내에서의 회절 효과를 회피할만큼 충분히 얇고 정색성(整色性)이기 때문에 제조 환경에서는, 스크린을 통한, 중합 표면의 조사는 엑시머와 같은 U.V. 레이져로부터의 광에 의해 수행되는 것이 기대된다. 그러한 광원의 경우, 신속하고 효율적으로 노광시킬 수 있는 능력 및 수와트의 자외선광을 얻는 것이 기대될 수 있다. 이러한 자외선광의 다른 큰 장점은 더 짧은 파장(H200㎚)에 기인하는 회절 효과의 감소이다.

제11도에 도시된 바와같이, 시준 장치 혹은 스캐너를 사용하여 광이 조사(照射)될 수 있는데, 이 경우 레이저 비임(60)은 반사경(62)으로 향하게 되고, 이 반사경(62)은 반사경(62)에 의해 반사되는 레이저 비임이, 도트 마스크(66)를 통해 선택적으로 중합화되는 단량체의 층(64)을 주사하도록 이동된다.

광중합체로 되는 전구체(precursor)의 중합화에는 자외선이 바람직한데, 그 이유는 중합체/단량체가 본래 자외선에 감광성이 있기 때문이다. 그러므로 어떠한 감광 염료도 필요하지 않고, 완전히 투명한 중합체의 층이, 증감제를 표백하는 어떠한 표백단계도 필요로 하지 않으면서, 제조될 수 있다.

전술된 중합체는, 엄밀히 말하면, 본 발명에 따른 방법에 있어서 마이크로렌즈 어레이를 만드는 이미지 노광후에만 중합체가 된다.

그 재료는 최초에는 단량체의 형태로서 지지 기층상에 피복물로서 도포되는 점성 유체를 포함하여, 상기 지지 기층상에서는 상기 피복물이 바람직한 도트 마스크 이미지에 어느 기간 자외선광으로 노출되고, 그 결과, 중합화가 그 조사된 영역에서 최초로 생기며, 단량체의 분자들이 이들의 중합화 영역으로 이동하게 된다. 이어서, 전체 피복물은 자외선 광에 차폐(blanket) 노출을 받아 그 물질의 나머지가 중합된다.

조사에 대한 기하학적인 면에서, 이러한 조사의 도달 각도를 지시하여 제12도에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 스크린(72)상에서 소형 렌즈(70)를 그들 위치에 따라 경사지게 할 수 있다는 점에 유념하기 바란다.

정미(正味; net)의 광학적 지향성을 상기 스크린에 도입하는 것은 계획된 것에 대한 흥미있고 가능한 형태로의 변형이다.

프로파일 형태와 접촉상태로 비 프로파일 도트 스크린을 사용함으로써, 예컨대 제13도(도면 부호(74)는 프로파일 구배 굴절률 마이크로렌즈 스크린과 접촉상태에 있는 모방된 유리 섬유 스크린(이 경우 유리 섬유는 한면에서 타면으로 스크린 면에 수직으로 연장됨)을 나타내며, 이들 스크린 모두는 중합체로서 형성되어 있음)에 도시되어 있는 바와같이 핫 스포트(hot spot)의 제거를 위한 공분포를 조작하는 것이 가능하도록 되어 있다. 도면부호(78)에 도시된 바와같이, 스크린(74)에 비스듬하게 닿는 광선(80)과 같은 광선들의 안내는 스크린(74)의 각각의 셀 또는 모방된 광학 필름내에서 상기 광선의 전체적인 내부 반사에 의해 수행된다.

모든 조사에 대한 기하학적인 면에서, 광의 방향이 중요하다는 점에 유념하기 바란다. 접촉된 장치의 확산 조사에 의해 이미지 매체의 깊이에 있어서는 마이크로렌즈 이미지의 혼란(scramble)이 생긴다.

광중합체층과 스크린(이러한 스크린을 통해 상기 광중합체를 노광함)과의 접촉의 친밀성에 관한 문제를 해결하는 것이 필요하고, 상기 광중합체는 점착성 있는 단량체의 형태로 여전히 존재하지만, 마스크 스크린에 부착될 수 있다는 점을 강조해 둔다. 그후에, 사에 의해 중합체는 가교결합되어, 단단하고 결함없는 기층으로 이동될수 있는 견고한 박리(peel-off)층이 생긴다. 이러한 자체 접착성은 매우 유리하다.

생산을 기반으로하여 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 데에는 예컨대, 콘베이어 벨트의 형태를 한 평활한 플라스틱 시이트 재료로 이루어진 무단(無斷; endless) 기층을 사용할 수 있다고 생각되는데, 여기서 상기 콘베이어 벨트는 그의 작동 행정의 상류단에서 단량체로 도포되고, 이어서, 주사 자외선 레이저의 하부로 통과되는데, 이러한 자외선 레이저에 의해, 각각의 마이크로렌즈 영역은 이러한 콘베이어 벨트가 상방으로 이동됨에 따라 상기 재료의 표면에 걸쳐 1개씩 노광되고, 그후 아마도 각각 노광된 마이크로렌즈 영역이 어느기간 경화(硬化; cure) 될 수 있는 비활성 영역을 통과한 후에, 콘베이어는 상기 재료의 온도를 100℃ 정도로 높이기 위한 오븐을 통과하고, 이어서 냉각시킬 수 있는 냉각 영역을 통과하며, 그후 나머지 단량체를 중합화하도록 차폐 자외선 방사를 받는 영역을 통과하고, 최종적으로, 상기 중합체를 기층으로부터 벗겨내어 개별적인 마이크로렌즈 스크린을 포함하는 분리된 장방형의 중합체를 이루도록 상기 중합체를 횡방향으로 절단하는 장소에 이른다.

필요하다면, 중합체의 보호 및 안전성을 위해 투명한 플라스틱으로된 상하의 시이트 사이에 상기 중합체를 샌드위치 형태로 삽입시켜, 마이크로렌즈 어레이의 재생을 허가받지 않을 목적으로 하는 상기 중합체의 어떤 면의 윤곽에 대한 분석을 회피시킬 수 있다.

특히, 노광되지 않은 유체 단량체는 자외선 광에의 노출, 결과적으로는 중합화 이전에 그러한 투명한 시이트들 사이에 샌드위치 형태로 삽입되거나, 또는 선택적으로, 마이크로렌즈들을 합체하는 중합체의 노광 시이트는 노광 및 중합화후에 예컨대 투명한 접착매체를 삽입시키면서 그러한 플라스틱 시이트 사이에 샌드위치 형태로 삽입될 수 있다.

본 발명을 실시하는 경우 사용하기에 적합한 광중합체는 입수가능하지만, 이러한 광중합체는 소수성(疎水性)이라는 장점과, 중합화 형태로, 통상의 가정의 주변 조건하에서 양호한 안정성을 갖는다라는 이점을 추가로 지니므로, 제조중에 엄격하게 제어받는 주변조건을 유지하거나, 취급상 극히 조심하거나, 또는 추가적인 보호층(전술된 바와같이, 다른 이유로 사용될 수 있지만)을 제공하는 것이 필요하지 않다.

종래 형태의 마이크로렌즈를 형성하는 릴리프 패터닝(relief patterning)을 합체하는 마이크로렌즈 스크린을 제조하는 또 다른 방법에 있어서, 작동시마다 연질 금속과 같은 적절하게 변경가능한 재료로된 마스터 시이트의 표면상에(단일의 마이크로렌즈에 해당하는) 보족적인 요(凹)부를 형성하도록 배열된 임피린팅(imprinting) 장치에 의해 주사(scanning)되는데, 그 주사는 임프린팅 장치 및/또는 마스터 시이트의 분할 이동(indexed movement)에 의해 수행되며, 상기 임프린팅 장치는 각 단계별로 작동된다. 상기 임프린팅 장치는(예컨대, 마스터 시이트가 마이크로 스크린 표면의 음화(negative)를 형성하는 볼록한 형태의 부분 구면을 지니거나, 또는 마스터 시이트가 마이크로 스크린 표면의 양화(positive)를 형성하는 오목한 형태의 부분 구면을 지니는) 적절한 형상의 선단부(tip)를 지니는 작은 다이아몬드의 형태를 취할 수 있는데, 상기 다이아몬드는 다이아몬드 공구를 마스터 시이트의 재료내로 추진시키도록 전기적으로 작동되는 압전 모터 요소상에 장착되어 있다.

마이크로렌즈 스크린이 이를 통과하는 광선에 미리 결정된 각도의 편이(deviation)를 제공하고, 관찰자가 투사장치의 주 광축에 대하여 상당한 각도에서 스크린을 보기위하여 편이된 광의 경로를 따라 위치 선정되도록 구성함으로써 개선된 결과가 얻어질 수 있다는 것이 알려져 있었다. 이는 마이크로렌즈가 필요한 편이를 제공하도록 구성되어 있기 때문에 투사 장치의 주광선에 대해 마이크로렌즈 스크린을 약간 경사지게 함으로써 달성되는 것이 바람직하다. 전술된 바와 같이 GRIN 렌즈가 사용되는 경우에, 그러한 편이는, 어떤점에서는 광섬유 장치와 같은 작용을 하는 렌즈들의 특성으로부터 자동적으로 생긴다. 그러한 장치에 있어서, 마이크로렌즈 스크린은 투사 장치의 광축 및 관찰자의 시선 모드에 대해 경사져 있다.

전술된 바와같이 광축의 투사/시선은 회절 효과를 상당히 감소시키고, 가시화되는 이미지에 보다 양호한 색채 밸런스를 제공하며, 마이크로렌즈 스크린으로부터의 광의 정면 산란을 실질적으로 배제하여 개선된 콘트래스트(contrast) 및 색체 포화도를 제공한다는 것이 알려져 왔다. 광학 투사 장치의 주축에 대해 마이크로렌즈 스크린을 경사지게 함으로써 키이스톤(keyston) 효과의 문제가 잠재적으로 생기지만, 상기 키이스톤 효과는 광학 장치의 적절한 변형 또는 LCD 스크린의 보상 구조 또는 c.r.t 표시기가 사용되는 경우 c.r.t. 표시 장치에 사용되는 전자적 또는 구조상의 보족 수단에 의해 제거될 수 있다고 이해될 것이다.

전술된 마이크로렌즈 스크린 구조의 변형에는 공지된 장치의 몇가지 단점을 회피하는 3차원 표시장치를 제공할 수 있도록 사용될 수 있다. 그러므로, 전술된 바와같이 마이크로렌즈 어레이를 합체하는 광 투과 시이트, 두가지 광학 이미지의 한 광원 또는 각각의 광원, 및 광을 상기 광원으로부터 상기 시이트의 한 측부로 향하게하도록 구성된 수단을 포함하는 3차원 표시 장치가 제공될 수 있으며, 상기 어레이에 대하여 미리 결정된 위치 또는 각이 진 배향으로 위치 선정된 양안 시력을 지닌 사람에 의해 구성되는 제1세트의 마이크로렌즈들로부터 광을 받고, 타측 눈은 어레이의 나머지 렌즈들에 의해 구성되는 제2세트의 보족적인 마이크로렌즈들로부터 광을 받도록 구성되고, 결과적으로 각각의 눈이 상기 스크린의 범위내에서 상기 두개의 이미지를 각기 인식함으로써 상기 두 개의 이미지가 3차원의 장면을 보는 사람의 두눈에 의해 인식되는 그러한 3차원의 장면의 각각의 이미지와 상응한 경우에, 마이크로렌즈 어레이를 지니는 시이트를 보는 사람이 상기 어레이의 영역내에서 상응하는 3차원의 이미지를 인식하도록 구성되어 있다.

이러한 특징을 합체하는 본 발명의 한 실시예에 있어서, 2개의 이미지 광원은, 소형 텔레비죤 수상기에 사용되는 형태로서, 픽셀로서 언급되는 다수의 개별적인 표시 유니트로 구성되는 각각의 액정 표시 스크린을 구비한다. 이들 2개의 LCD 스크린들은 실제로 동일 평면에서 나란히 배치되고 동일 방향을 향하도록 구성될 수 있다. 이들 2개의 스크린의 정면에는, 이들 2개의 스크린과 나란하고 이들 스크린과 일정거리를 두고, 마이크로렌즈 또는 소형 렌즈의 어레이를 지니는 광투과 스크린이 장착되어 있는데, 상기 어레이의 시이트와 LCD 스크린은 서로 적소에 고정되어 있다. 상기 광투과 스크린은 본 명세서에서 마이크로렌즈 스크린으로서 언급되어 있다. 마이크로렌즈 스크린은 2개의 LCD 스크린 사이를 통과하는 중심축에 중심이 맞춰지고 그 중심축에 수직이며, 상기 2개의 LCD 스크린은 그 중심축에 대해 대칭으로 배치되어있다. 이러한 어레이내의 마이크로렌즈 또는 소형 렌즈는, 각각이 전형적으로는 얇은 프리즘 및 렌즈 본체의 효과를 결합하기 위한 형상을 지니고 있다. 즉, 각각의 소형렌즈는 이를 통과하는 광선에 이러한 렌즈가 제공하는 각각의 각도 편향에 의해 특징화된다. 그러므로, 각각의 소형렌즈는 각각의 편향각도로 암호화되는 것이라 할 수 있다. 더욱이, 상기 어레이에서의 교번하는 마이크로렌즈들은 2개의 LCD 스크린의 상이한 것에 유효하게 할당되어 있기 때문에, 상기 마이크로렌즈들은 제1의 LCD 스크린에 할당되고 상기 어레이내에서의 하나씩 걸른 마이크로렌즈를 포함하는 제1세트, 및 제2의 LCD 스크린에 할당되고 상기 어레이내의 개재(介在)해 있는 나머지의 마이크로렌즈들을 포함하는 제2세트에 속하는 것으로 간주될 수 있다. 마이크로 스크린은, 양안 시력을 가지는 관찰자가 마이크로렌즈 스크린을 측방으로(square on) 보고 그로부터 미리 결정된 거리를 두고 스크린에 직접 대면하도록 상기 관찰자에 의해 미리 결정된 위치에서 보여지는 것이 이상적이다. 이러한 위치는 본 명세서에서는 이상적인 관찰자의 위치로 언급된다. 제1세트의 마이크로렌즈들은 광을 제1스크린의 각각의 부분들로부터 이상적인 관찰자의 위치에 있는 관찰자의 우측 눈으로 향하게하고, 제2세트의 마이크로렌즈들은 광을 제2의 LCD 스크린으로부터 이상적인 관찰자의 위치에 있는 관찰자의 좌측 눈으로 향하게 하도록 배치되어있다. 달리 표현하면, 소형 렌즈들은 중심축의 좌측 및 우측의 작은 각도를 번갈아 각도 부호화하도록 제공되며, 상기 2개의 LCD 스크린으로부터의 2개의 비디오 이미지는 마이크로렌즈의 부호화에 상응하는 광축 편이 각도로 마이크로렌즈 스크린에 도달하는 방식으로 마이크로렌즈 어레이에 공급된다. 제1 및 제2세트의 마이크로렌즈들 각각은 이상적인 관찰자의 위치에 있는 관찰자의 좌측 및 우측 눈에 어떤 광도 전혀 향하게 하지않도록 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성은, 예컨대, 이상적인 관찰자의 위치에 있는 관찰자의 우측 및 좌측눈에 제공되는 광학 이미지가 무광택의 검은(matt black)영역의 광학 이미지이도록 구성함으로써 용이하게 고안될 수 있다. 이는, 여러방법, 예컨대 LCD 스크린 및 마이크로렌즈 스크린사이에 삽입된 음영(shadow) 마스크를 사용하여, 특정의 적합한 배향을 이룬 마이크로렌즈만이 중심축의 좌측 또는 우측으로 들어오는 각각의 이미지를 받도록 하는 방법으로 수행될 수 있다.

전술된 구성의 결과, 이상적인 관찰자의 위치에 있는 관찰자의 각각의 눈은, 마이크로렌즈 스크린의 연부에 의해 경계가 정해지는 시야 부분내에서 우측 눈으로 제1의 LCD 스크린상의 이미지를, 그리고, 좌측 눈으로는 제2의 LCD 스크린의 이미지를 인식하게 된다. 제1 및 제2의 LCD 스크린에 의해 제공되는 이미지가 3차원의 대상 또는 장면을 보는 관찰자의 두 눈에 제공될 시야와 상응하면, 마이크로렌즈 스크린의 관찰자는 본래의 이미지 또는 장면의 상응하는 3차원의 복제물을 인식하게 된다. 그러므로, 제1 및 제2의 LCD 스크린의 이미지 내용이, 예컨대,3차원 장면을 주사하며 사람의 머리부에서의 두 눈의 배열에 상응하는 방법으로 배열된 제1 및 제2의 카메라의 렌즈를 가지는 트윈 카메라(twin-camera) 장치로 구성된 제1 및 제2TV 카메라로부터 각기 획득되는 것과 실질적으로 같으면, 그러한 장면은 이상적인 관찰자의 위치로부터 복제 이미지를 보는 관찰자에 의해 3차원으로 유효하게 보여지게 된다.

마이크로렌즈 스크린은 2개의 LCD 스크린의 확대 시야를 관찰자의 각각의 눈에 동시에 제공할 수 있다는 점이 이해될 것이다.

물론, 상술된 3차원 장치는 상기 이미지 공급원을 제공하도록 소형 또는 LCD 스크린을 사용하는 장치에 한정되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 대신에, 이들 2개의 이미지 공급원은 예컨대 2개의 음극선관 또는 2개의 필름 투사 스크린에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 이와같이 제안된 방법으로 LCD 스크린을 사용하면 그러한 스크린은, 마이크로렌즈 스크린과 함께, 종래의 텔레비죤 수상기보다 크지않은 유니트내에 합체될 수 있다고, 생각된다.

설명의 편의상, 표시 장치의 작동을 마이크로렌즈 스크린에 대한 미리 결정된 위치 및 배향에 위치한 관찰자와 관련하여 설명했지만, 광학적으로 및 정신적 물리적으로 고려해 볼 때, 소망의 3차원 효과는 이상적인 관찰자의 위치의 부근에서의 비교적 광범위한 위치에 걸쳐 인식가능한데, 그 이유는 이상적인 관찰자의 위치와는 다른 어떤 관찰자의 위치에서는, 상기 이미지중 하나 또는 그 나머지의 불완전한 인식 또는 관찰자의 한눈 또는 다른 눈에 의한 두 이미지의 상대적으로 변위된 부분의 인식과 같은 결함이 있을 수 있지만, 그러한 결함은 특히 상기 효과의 용인성을 저해하지는 않기 때문이라는 점이 이해될 것이다.

설명의 편의상, LCD 스크린이 마이크로렌즈 스크린의 바로뒤에 상기 마이크로렌즈 스크린으로부터 일정 거리를 두고, 상기 마이크로렌즈 스크린의 중심축에 대칭으로 배치되는 것으로 설명되었지만, 실제로는 각각의 LCD 스크린과 마이크로렌즈 스크린 사이에는 예컨대, 반사경 또는 내부 반사 프리즘, 및/또는 렌즈 또는 만곡 반사경을 합체하는 라이트 폴딩(light folding)기술을 이용하는 개별적인 광학 장치가 삽입될 수 있으며, 이로써, 마이크로렌즈 스크린에 대하여는 LCD 스크린이 단지 특정의 위치에 있는 것처럼 보일 뿐이다. 그러한 라이트 폴딩 기술에 의해 LCD 스크린의 물리적인 위치 결정에 있어서(예컨대, 다른 설계조건에 따라) 보다 큰 관용도(latitude)가 제공되며, 상기 장치가 정면에서 후면까지의 치수에 있어서 소형으로 제조될 수 있다.

제2 및 제1의 LCD 스크린 또는 그들의 등가물에 의해 제공되는 완전한 좌측 및 우측의 이미지를 가지는 것이 필요하지 않을 수도 있다. 예컨대, 이미지 내용의 80%는 한 공급원으로부터 획득되고 다른 공급원으로부터는 20%가 획득될 수 있으며 3차원의 효과는 여전히 음영 마스크를 사용치 않고도 제공된다.

본 발명의 또 다른 변형예에 있어서, 전술된 바와 같은 GRIN 마이크로렌즈 스크린은, 예컨대 광중합화 전에 단량체의 층이 최초로 도포되고 마무리된 제품에서 광중합체의 층을 지지하는 기층을 금속박(metal foil) 또는 금속화 폴리에스터로 만들므로써 상기 GRIN 마이크로렌즈 스크린의 한측표면에 도포된 반사층을 지닐 수 있다. 이 변형예에 있어서, 광학 이미지 장치는 광을 LCD 스크린 또는 c.r.t. 대상 스크린으로부터 광중합체/마이크로렌즈층에 통과시키고, 이어서 상기 금속 또는 금속화 층으로부터 광을 반사시켜 마이크로렌즈층을 통해 관찰자에게 한번더 향하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 스크린이 전체적으로 반사 또는 정면 투사(front-projection) 스크린으로서 작용하지만, 확산 효과는 전술된 실시예에서와 같이, 광투과 중합체층내의 구배 굴절률 마이크로렌즈의 어레이에 의해 달성되며, 스크린과 관련하여 본 명세서에 사용된 광-투과라는 용어는 마지막으로 설명한 변형예를 포함하도록 해석되어야 한다.

전술된 GRIN 마이크로렌즈들을 이용하는 마이크로렌즈 스크린에 있어서, 상기 스크린의 효과는 표면 효과라기보다는 체적 효과이며, 실제로, 스크린 표면들은 완전히 편평한 것이 바람직하다는 점이 이해될 것이다. 여기서 제안된 마이크로렌즈 스크린이 비교적 두꺼운 층에서의 체적 효과를 이용하기 때문에, 종래의 렌즈의 효과에 대한 용이한 모방 이외에도 예컨대 제12도 및 제13도와 관련하여 언급된 광 파이프(light pipe) 효과를 이용하여 바람직한 결과를 확보하는 것이 가능하다.

전술된 실시예들은, 마이크로렌즈 스크린상에 이미지를 투사하는 대상 스크린을 텔레비죤 수상관 또는 LCD 스크린이 제공하지만, 본 발명은 마이프로피시 뷰어(microfishe viewer), 슬라이드 뷰어, 컴퓨터 및 기타 용도 등의 비디오 표시 장치와 같은 아날로그 표시 장치에 동일하게 적용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

Claims (9)

1. 대상 스크린(41), 이미지 스크린 및 상기 대상 스크린의 이미지를 상기 이미지 스크린상에 투사하도록 구성된 투사 장치(40)를 포함하며, 상기 이미지 스크린이 구배 굴절률 렌즈(M)의 어레이를 포함하는 표시 장치에 있어서, 상기 이미지 스크린은 일체로된 투명 광중합체 시이트를 포함하고 상기 렌즈 각각은 상기 시이트의 표면사이로 연장되어 있는 상기 시이트의 각각의 영역에 의해 형성되어 있으며 상기 영역에서의 굴절률은 상기 렌즈 각각의 광축으로부터의 방사 거리에 따라 단계적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 표시 장치는 3차원 표시 장치로서, 상기 장치는 각각이 2가지 광학 이미지 각각의 공급원으로서 사용되는 2개의 상기 대상 스크린을 포함하며, 상기 투사 장치는 광을 상기 대상 스크린으로부터 상기 시이트로 향하도록 구성되어 있고, 상기 구성은, 양안 시력을 지니고 눈이 상기 어레이에 대하여 미리 결정된 위치 또는 각이 진 배향에 정해져 있는 사람이 상기 스크린을 볼 때, 한측 눈이 상기 어레이에서의 하나씩 걸른 상기 렌즈에 의해 구성되는 제1세트의 구배 굴절률 렌즈로부터 광을 받고, 타측 눈이 상기 어레이에서의 나머지 렌즈에 의해 구성되는 제2세트의 보족적인 구배 굴절률 렌즈로부터 광을 받아서, 결과적으로는 각각의 눈이 상기 스크린의 범위내에서 상기 2가지 이미지 각각을 인식하여, 상기 2가지 이미지가 사람의 두 눈에 의해 인식될 3차원 장면의 각각의 이미지와 상응할 경우 상기 구배 굴절률 렌즈의 어레이를 지니는 시이트를 보는 사람이 상기 어레이의 영역에서의 상응하는 3차원 이미지를 인식하도록 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
3. 제1항 또는 제2항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미지 스크린은 후면 투사(rear projection) 스크린인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 투명 광중합체 시이트는 그의 한측 표면에 고정된 반사층을 지니며, 상기 투사장치는, 상기 반사층을 향하고 상기 투명 광중합체를 통해 반사되도록 상기 투명 광중합체의 시이트를 통해 광을 투사시키도록 구성되어 있고, 상기 이미지 스크린은 정면 투사(front projection) 스크린인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 투명 광중합체는 폴리아크릴아미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
6. 광중합화 가능한 단량체의 층을 기층에 도포하는 단계 및 어레이를 이루도록 구배 굴절률 렌즈를 제공하는 방식으로 선택적으로 상기 단량체를 중합화시키기 위하여 상기 층의 표면에 걸쳐 점(spot)으로 구성된 어레이의 각각에서 자외선에 상기 층을 선택적으로 노출시키는 단계, 및 상기 광중합체 층을 자외선에 대하여 차폐 노출되게 하는 단계를 포함하는 공정으로 대상 스크린을 제공하는 단계, 투사 스크린을 제공하는 단계, 및 이미지 스크린을 제공하는 단계를 포함하는, 청구범위 제1항에 따른 표시 장치를 제조하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 자외선에 대한 선택적인 노출후에 및 상기 차폐 노출전에, 상기 층의 재료는 상기 구배 굴절률 렌즈의 영역내에서의 굴절률의 변화를 높이도록 연화 온도까지 가열되는, 청구범위 제1항에 따른 표시 장치를 제조하는 방법.
8. 제6항 또는 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적인 노출은, 완전히 불투명한 도트(dot)로 구성되는 어레이를 지니는 투명한 스크린, 또는 투명 구멍으로 구성된 어레이를 지니는 불투명한 스크린을 포함하고 상기 층과 친밀한 접촉관계를 갖는 마스크를 통해 상기 층을 자외선 광에 노출시킴으로써 달성되는, 청구범위 제1항에 따른 표시장치를 제조하는 방법.
9. 제6항 또는 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적인 노출은, 자외선 레이저의 비임에 대하여 상기 층의 개별적인 렌즈 영역을 1개씩 노출시키고 각각의 렌즈의 영역에 걸쳐 노출시 바람직한 변화를 제공하도록 상기 레이저 비임의 단면에 걸친 광의 강도 변화를 이용함으로써 달성되는, 청구범위 제1항에 따른 표시장치를 제조하는 방법.

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