KR100244986B1 - 높은 종횡비를 갖는 광소자 - Google Patents

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스프레이그 로버트 월터
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Abstract

광 소자는 광 빔을 그레이징 각으로 광 추출기에 제공하도록 위치되는 광소스를 갖는다. 추출기는 광 빔에 의해 충돌되는 측부에 복수의 선형 삼각 프리즘을 갖는다. 프리즘은 매끄러운 활모양의 곡선에 놓이게 된다.

Description

높은 종횡비를 갖는 광 소자
제1도는 본 발명에 따른 제 1 광 소자를 개략적으로 도시한 단면도.
제2도는 본 발명에 사용되는 광 추출기의 확대도.
제3도는 본 발명에서 사용되는 또 다른 광 추출기의 확대도.
제4도는 본 발명에 따른 두개의 광 소자를 이용하는 광 고정구를 도시한 도면.
제5도는 본 발명에 따른 세개의 광 소자를 이용하는 광 고정구를 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 광 고정구 11 : 광 소스
16 : 광학 윈도 18, 42, 56 : 광 추출 필름
24, 26, 28 : 프리즘 40, 52 : 램프
50, 60 : 광 소자 54, 62 : 미러
본 발명은 광 고정구에 관한 것으로, 특히 참조로써 본 명세서에 포함되어 있는 미합중국 특허 제 4,984,144 호에 기술된 것과 같은 종류의 높은 종횡비를 갖는 광 고정구에 관한 것이다.
어떤 응용에 있어서는, 높은 종횡비 즉, 두께보다도 훨씬 더 큰 길이와 폭을 갖는 광 소자가 바람직하다. 예컨대, 자동차의 미등은 그러한 공간에 필요한 체적이 수화물 영역을 필요로 하기 때문에 가능한한 얇게 설계되는 것이 바람직하다. 이와 유사한 예로서, 랩탑 컴퓨터의 디스플레이에 사용되는 광 소자는 컴퓨터의 크기와 무게를 최소화하기 위해 가능한한 얇게 제조되어야 한다.
그러한 높은 종횡비를 갖는 광 소자를 제조하기 위한 하나의 접근 방식은 1987년 2월 20일에 출원하여 1991년 1월 8일에 특허 허여된 미합중국 특허 제 4,984,144 호에 게시되어 있다. 상기 특허의 일실시예에 따라서, 광 소자는 매끄러운 면과 구조면을 갖는 광 추출 필름을 사용한다. 구조면에는 이등변 프리즘들이 59도 내지 79도 범위내의 각으로 형성되어 있다. 상기 각으로 선정된 이유는 이러한 각도에서 양호한 출력 광 빔이 제공되기 때문이다.
실제로 아주 적제 조준된 광 빔조차도 수렴하거나 분산한다는 사실로부터 미합중국 특허 제 4,984,144 호의 제 1 도에 도시된 광 소자를 제한할 수 있다. 대부분의 광 소스는 약간 수렴하는 빔을 발생할 것이다. 그러나, 수렴하는 빔은 최소한의 직경에 도달하여 분산하기 시작한다는 사실에 주목해야 한다. 따라서, 사실상 모든 통상의 소스는 효과적으로 분산 빔을 발생할 것이다. 그러므로, 상기 특허의 도면에 도시된 바와같이 추출기의 매끄러운 표면이 평면에 놓여 있을 경우, 광 빔은 다른 각도에서 추출기의 다른 부분에 부딪힐 것이다. 이러한 각도상의 변화는 출력빔으로 전해질 것이다. 이것은 일부 디스플레이 특히, 스택 소자(stacked element)를 사용하는 디스플레이에서 문제가 될수 있다. 이와 관련된 또다른 문제점은 일반적으로 추출기로 향하는 빛의 세기가 광 소스로 부터 거리가 멀리 떨어질수도록 감소하는데 있다. 이는 결과적으로 광학 윈도에 걸치는 광 출력을 불균일하게 만든다.
본 발명에 따라서, 광 소자는 광학 윈도를 형성하는 하우징을 갖는다. 복수의 삼각 선형 프리즘을 갖는 광 추출 필름은 하우징 내부로부터의 빛을 추출하는데 사용된다. 프리즘은 매끄러운 활모양의 곡선을 형성한다. 광 소스는 광 빔이 그레이징 각(grazing angle)으로 프리즘을 향하도록 위치되어 빛이 프리짐의 제 1자른면으로 들어가고 제 2자른면에 의해 내부 전체로 반사되어 외측면을 통해 추출 필름으로 부터 나타나게 한다.
제 1 도에는 본 발명의 하나의 광 소자(10)가 도시되어 있다. 광 고정구(10)는 광 소스(11) 및 측부(12,14)를 포함한다. 광 소스(11)는 램프 및 포물면 반사기와 같은 점 소스로 구성된 간단한 소스거나 아니면 그 자체가 이하에서 언급되는 것처럼 본 발명에 따른 광 소자일 수가 있다. 측부(12,14)는 도시되지 않은 다른 측부와 함께 광학 윈도(16)를 갖는 밀폐부를 형성한다. 광 추출 필름(18)은 밀폐부로 부터 빛이 추출되게 한다. 광 소스(11)는 빛이 필름의 접선에 대해 작은 각도로 필름(8)을 향해 나아가도록 하는 방향으로 빛의 조준된 빔을 방출한다. 이것은 보통 그레이징 각으로 알려져 있다. 광 추출 필름(18)은 매끄러운면 및 구조면이 될 수 있는 외표면(20)을 갖는다. 구조면(22)위에는 내부 밀폐부에 대향하고 있는 프리즘(24,26,28)과 같은 복수의 선형 프리즘이 있다. 프리즘(24,26,28)의 축은 광 소스(11)에서 나오는 빛의 방향에 수직으로 뻗어있다. 일실시예에 있어서, 측부(14)는 미러 또는 Minnesota Mining and Manufacturing Company에 의해 "Silverlux"라는 상표명으로 시판되고 있는 반사 테이프를 사용함으로써 반사하도록 만들어져 있다.
프리즘으로 인해 구조면(22)는 매끈하지 않다. 그러나, 프리즘 그 자체의 모양은 매끈한 활모양의 곡선을 그리고 있다.
제 2 도는 프리즘(24,26,28)을 포함하고 있는 필름(18)의 부분확대도이다. 광 빔(30)은 제 1 도의 광 소스(11)로부텅 방출되어 프리즘(26)의 자른면(32)에 부딪힌다. 광 빔(30)은 면(32)에 의해 전도되어 면(34)에 의해 내부 전체로 반사된다. 그 반사 코스는 제 2 도에 도시된 바와 같으며 표면(20)을 통과하여 밖으로 방출된다. 따라서, 빛은 광 소자(10)의 내부로 부터 추출된다.
광 소자(10)의 바람직한 실시예에 있어서, 프리즘(24,26,28)과 같은 프리즘들은 70.86 도의 각을 갖는 이등변 삼각형을 형성한다. 상기 각으로 선정된 이유는, 상기 각에서만이 광 고정구의 축에 대해 9도의 각으로 진행하는 빛이, 추출 필름이 폴리탄산에스텔로 만들어진 경우, 그 축에 대해 수직 방향으로 방출되기 때문이다. 그러나, 정확히 선정된 각도는 광 고정구의 성능에 크게 영향을 받지 않고도 5 도 내지 10 도까지 변할 수 있으며, 광 소스의 위치, 그 광 소스의 특성 그리고 특정 상황에서 발생할 수 있는 기타 고려사항 이외에도 추출 필름의 굴절율에 따라 변할 수 있다. 또한, 이등변 프리즘이 도시되어 있기는 하지만 양측부로 부터 빛이 프리즘에 비추어지지 않으면 그 이등변 프리즘들은 필요하지 않게 된다. 따라서, 그 각은 59 도 내지 79 도의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
제 3 도는 또 하나의 추출 필름(18')을 도시하고 있다. 제 2 도의 추출 필름에서 처럼, 필름(18')은 삼각 프리즘(24,26,28)을 갖는 구조면(22)을 포함한다. 필름(18')의 외표면(20')은 그위에 형성된 구조물(36,38)을 갖는다. 구조물(36,38)은 단순히 종래의 필로우 렌즈(pillow lense)이다. 다른 구조물들도 외표면에 제공될 수 있다. 외표면에 제공된 어떠한 구조물도 빛이 광 소자를 벗어나자마자 소정의 원하는 분산 특성을 갖게 한다.
제 1 도의 실시예에서의 광 소자는 출력 개구부를 가로지르는 비교적 균일한 광 출력을 제공하기 위해 효과적으로 활용된다. 제 1 도에 도시된 바와같이, 필름(18)은 그 길이의 적어도 한 부분위에 매끈하게 구부러져 있다. 그 결과로서, 광 소자(11)로부터 들어오는 광 빔을 차단하면, 광 소자(11)로부터 멀리 떨어져 있는 추출 필름(18)의 부분이 광 소자(11)에 근접해 있을때보다 더 많은 광 빔을 차단할 수 있다. 이런식으로 출력 개구부를 통과하는 빛의 세기의 분배를 변화시킬 수 있다. 또한, 예외적인 상황에서 일어나는 일이긴 하지만, 광 소자(11)에 가까운 단부에서보다 광 소자(11)로부터 멀리 떨어져 있는 단부에서 개구를 더 밝게 보이게 할수도 있다. 통상적으로, 전체 개구를 통과하는 빛의 세기를 균일하게 제공하는 것이 바람직하다.
제 4 도는 본 발명에 따른 광 소자를 도시하고 있는바, 여기에서 광 소스는 본 발명에 따른 광 소자 그 자체이다. 제 4 도에 있어서, 광 소자(11')는 램프(40)와 필름(42)을 포함한다. 램프(40)는 조준기, 바람직하게는 포물면 미러를 갖는 점 소스이다. 필름(42)은 구조면 필름으로서, 제 2 도에 도시된 필름형이 바람직하다. 기능면에서 볼때, 필름(42)은 조준 점 소스로서 동작하는 램프(40)를 조준 선 소스로 전환시킨다. 필름(42)의 곡률은 출력 세기의 균일성 보다는 출력 빔의 조준을 위해 최적화 된다. 그 출력을 가장 적당하게 조준하도록 광 소자를 설계하기 위해서는, 사용될 광 소자의 특성 및 의도된 위치가 알려져 있어야 한다. 이러한 정보가 주어졌을때, 필름이 입사광과 이룰수 있는 각이 결정될 수 있다. 일반적으로 필름이 광 고정구와 이룰수 있는 각은 필름의 중심부와 각 단부 근처에 있는 점에서 결정된다. 그때 곡선각은 경사각과 일치하게 된다. 이 곡선의 정확도는 추가점에서 원하는 기울기를 결정함으로써 증가될 수 있다. 일반적으로 결과적인 곡선의 곡률 반경은 상수가 되지 않겠지만, 그 편차가 아주 작아서 대략 상수 반경이 사용될 수 있다. 필름이 따르는 곡선은 양측부로 부터 빛이 비춰지도록 대칭형으로 되어있다.
제 4 도의 시스템은 본 발명에 따른 또다른 광 소자를 이용한 것이다. 이러한 광 소자에 있어서, 광 소자(11')는 추출기와 같은 동작을 하는 광 소자 및 필름(44)의 역할을 한다. 도면에서 알수 있듯이, 필름(44)은 광 소자(11')로부터 들어오는 빔 경로를 통해 아래로 구부러져 있어 균일한 밝기를 제공한다. 상술한 바대로, 필름(42)은 점 소스를 선 소스로 효과적으로 변화시킨다. 이와 유사한 방식으로, 필름(44)은 선 소스를 이용하여 면 소스를 효과적으로 생성한다.
제 5 도는 광 소스로서 본 발명에 따른 두개의 광 소자를 이용하는 얇은 백리트(backlit)디스플레이를 도시하고 있다. 이들중 하나의 광 소자(50)는 램프(52), 미러(54), 추출 필름(56)을 포함한다. 추출 필름(56)은 제 2 도에 도시된 형태이다. 바람직한 실시예에 있어서, 미러(54)는 디스플레이의 측부(58)와 49.5 도의 각을 이루고 있다. 본 발명에 따른 제 2 광 소자(60)는 도시되지 않은 다른 램프, 미러(62) 및 추출기(64)를 포함한다. 또한, 디스플레이는 제 2 도에 도시된 형태의 추출 필름(66)을 포함한다. 매끄러운 측면(66)에는 디스플레이될 그래픽이 제공되며 그래픽을 포함하는 매체는 추출 필름(66)의 매끄러운 면에 디스플레이 된다. 두개의 광 소자(50,60)로부터의 빛을 직접 추출 필름(66)으로 향하도록 하기 위해서는, 디스플레이의 저면과 대략 81 도의 각을 이루어야 한다.
디스플레이의 측면에 램프(52)를 설치함으로써 얻어지는 보다 긴 경로 길이는 또다른 장점을 제공해준다. 램프(52)로부터 조준된 빔이 약간 수렴할 경우, 빔은 최소 직경으로 수렴하고 다음에 발산하기 시작한다. 본 발명에 사용된 통상적인 램프에 대한 최소의 빔 직경은 2cm 내지 3cm 사이가 된다. 그 크기는 개구 스톱(stop)은 최소 직경에 대응하는 위치에서 빔 경로를 따라 설치될 수 있다. 개구 스톱은 비스듬한 광선 즉, 빔과 관련된 조준으로부터 벗어난 광선을 차단할 것이다. 이로인해 일부 비조준된 출력 빔이 감소된다.

Claims (10)

  1. 광 소자에 있어서, 광학 윈도를 갖는 광학 공동을 형성하는 하우징과; 상기 광학 윈도를 통해 빛을 상기 광학 공동밖으로 향하게 하고, 제 1 및 제 2 자른면을 각각 갖고 매끄러운 활모양의 곡선을 형성하는 복수의 선형 삼각 프리즘을 갖는 제 2 측부, 및 제 1 측부를 갖는 광 추출기와; 상기 추출기의 상기 제 2 표면에 그레이징 각으로 진행하고 제 1 단부로 부터 상기 추출기에 접근하는 광 빔을 제공하도록 위치되어, 상기 빛이 상기 프리즘의 제 1 자른면을 통해 각각의 상기 프리즘으로 들어가고 상기 프리즘의 제 2 자른면에 의해 내부 전체로 반사되어 상기 제 1 측부를 통해 상기 추출기에서 나타나게 하는 광 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 곡선은 상기 고정구로 부터 조준된 출력을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 곡선은 광학 윈도상에 불균일한 광 출력을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 추출기의 상기 제 2 표면에 그레이징 각으로 진행하고 상기 제 1 단부와 대향하는 제 2 단부로부터 상기 추출기에 접근하는 광 빔을 제공하도록 위치되어, 상기 빛이 상기 프리즘의 제 2 자른면을 통해 각각의 상기 프리즘으로 들어가고 상기 프리즘의 제 1 자른면에 의해 내부 전체로 반사되어 상기 제 1 측부를 통해 상기 추출기에서 나타나게 하는 제 2 광 소스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 곡선은 상기 고정구로 부터 조준된 출력을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 소스는 빛을 상기 제 1 광 추출기로 향하게 하고, 제 1 및 제 2 자른면을 각각 갖고 매끄러운 활 모양의 곡선을 형성하는 복수의 선형 삼각 프리즘을 갖는 제 2 측부, 및 제 1 측부를 갖는 제 2 광 추출기와; 상기 제 2 추출기의 상기 제 2 표면에 그레이징 각으로 진행하고 제 1 단부로부터 상기 제 2 추출기에 접근하는 광 빔을 제공하도록 위치되어, 상기 빛이 상기 프리즘의 제 1 자른면을 통해 각각의 상기 프리즘으로 들어가고 상기 프리즘의 제 2 자른면에 의해 내부전체로 반사되어 상기 제 1 측부를 통해 상기 제 2 추출기에서 나타나게하는 광 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 각각의 곡선은 상기 고정구로 부터 조준된 출력을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  8. 제6항에 있어서, 상기 각각의 곡선은 균일한 광 출력을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은 이등변 삼각형 모양을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 프리즘은 59 도 내지 79 도 범위내의 각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 소자.
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