KR100319357B1 - 테이퍼형다층조명디바이스 - Google Patents

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롤랜드 윈스톤
벤자민 에이. 제이콥슨
로버트 엘. 홀맨
네일 에이. 기트린드
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스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

본 발명은 광을 집광하여 선택적으로 출력 및 집중시키기 위한 광학 디바이스(10)에 관한 것이다. 웨지층(12)은 광 굴절율이 n1이고, 상부(14), 하부(16) 및 측면(18)은 경사각과 상호작용한다. 배면(20)은 상부(14) 및 하부(16)와 측면(18)을 연결한다. 제1층(28)은 하부면(16)에 결합되고 광 굴절율은 n2이다. 제1층(28)의 광 굴절율 n2는 광 입력(22)을 배면(20)을 통해 우선적으로 제1층에 출력시킨다. 제2층(30)은 제1층(28)의 하부(16)에 결합되고 선택적으로 광을 주변에 출력한다. 공극(31)과 같은 추가의 층은 웨지형 층에 인접하여 제공될 수 있다. 웨지형 층은 가변굴절율 n(x,y,z)을 가질 수도 있다.

Description

테이퍼형 다층 조명 디바이스
본 발명은 일반적으로 선택된 조명(illumination)을 제공하는 조명(luminaire) 디바이스에 관한 것으로, 특히 본 발명은 웨지(wedge) 또는 디스크 형상 등의 백라이팅(backlighting)을 위한 테이퍼형(tapered) 조명 디바이스 및 조명각 범위의 제어와 광 집중(concentration)에 관한 것이다.
조명 디바이스들은 다양하게 응용되고 있으며, 예를 들면 액정 디스플레이등에 응용되고 있다. 평면 패널(flat panel) 액정 디스플레이에 있어서 중요한 것은 콤팩트한 광원을 유지함과 아울러 적당한 백라이팅을 제공하는 것이다. 일반적인 조명을 위해서는 웨지 형상의 광학 디바이스들이 사용된다는 것이 알려져 있다. 광은 이러한 디바이스의 큰 단부(end)로 입력되어, 이 광은 다수의 웨지 표면들로부터 내부적으로 반사되는데, 이 반사는 반사 계면(interface)의 임계각에 도달할 때까지 계속되며, 그 후에 광이 웨지 디바이스로부터 출력된다. 그러나 이러한 디바이스는 일반적으로 콜리메이트되지 않은 광 출력을 전달하는 데에만 사용되었으며, 그 출력에 있어서는 빈번히 바람직하지 못한 공간(spatial) 및 각도(angular) 출력 분포를 갖는다. 예를 들면, 이들 디바이스들 중 어떤 것들은 콜리메이트되지 않은 출력 광을 발생시키기 위해서 횐색이 칠해진 층을 확산 반사기로서 사용하고 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 개선된 광학 디바이스 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 새로운 3차원 조명 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 백라이팅의 출력 각도 제어와 같은 광학적 목적을 위해 개선된 다층 테이퍼형 조명 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광의 투과 및 집중을 제어하는 새로운 테이퍼형조명 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 디바이스로부터 콜리메이트된 조명을 제공하는 새로운 광학 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개재하는 공극(air gap)층을 갖는 개선된 테이퍼형 조명 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명이 또 다른 목적은 출력 조명을 제어 및 접속(focusing)하거나, 또는 집중을 위해 입력 광의 각도 제어를 할 수 있게 하는 새로운 조명 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 복합 포물선 집중기 등의 광원이나 형광 관 형상의 광원 또는 가변 변수 기능 소스가 출력을 발생하기 위해 다층 광학 디바이스에 결합된 개선된 조명 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조명 공간 변수에 대한 가변 굴절율을 갖는 새로운 조명 광학 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광 출력 불균일성을 보상할 수 있게 하는 선택된 공간 변수에 따라 비선형 두께 변화 및 가변 웨지 각 Φ을 갖는 개선된 광조사 웨지 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 이하 설명되는 첨부된 도면에 따른 다음의 설명으로부터 용이하게 명백하게 될 것이다.
제1도는 종래의 웨지 형상 디바이스를 도시한 것이다.
제2A도는 본 발명에 따라 구성된 다층 테이퍼형 조명 디바이스를 도시한 도면, 제2B도는 웨지층, 제1 층 및 제2 절삭층의 정션에 대한 부분 확대도, 제2C도는 크게 확대하여 제2 절삭층을 도시한 제2A도의 확대도, 제2D도는 밝기를 결정하기 위한 기하 구조를 도시한 3개의 층들의 정션을 부분적으로 도시한 도면, 제2E도는 하부에 광 재배향, 내부 투과 층을 구비한 다층 웨지 디바이스를 도시한 도면, 제2F도는 하부 표면 반투명층을 갖는 제지 디바이스를 도시한 도면, 제2G도는 하부 표면 굴절 절삭층을 갖는 웨지층을 도시한 도면, 제2H도는 하부 표면 굴절층 및 이층 상에 절삭 곡면을 갖는 웨지층을 도시한 도면, 제21도는 가변 절삭각들을 갖는 절삭면들의 굴절층을 갖는 웨지층을 도시한 도면, 제2J도는 웨지층에 결합된 단일 굴절 프리즘을 도시한 도면, 제2K도는 웨지층에 결합되며 인테그럴 렌즈를 갖는 단일 굴절 프리즘을 도시한 도면, 제2L도는 웨지 디바이스에 결합된 굴절 절삭층을 도시한 도면, 제2M도는 절삭 곡면 각을 가지며 웨지 디바이스에 결합된 절삭 반사층을 도시한 도면, 제2N도는 웨지층 상의 평탄 반사 절삭면을 도시한 도면 및 제2O도는 웨지층 상의 반사 절삭 곡면을 도시한 도면이다.
제3A도는 제2 층의 외부측 상의 절삭 곡면들을 갖는 다층 웨지 디바이스를도시한 것이며, 제3B도는 디바이스의 여러가지 층들의 정션을 부분적으로 확대한 도면이다.
제4A도는 조명 각도의 비대칭 범위에서 각도에 대한 계산된 밝기 수행을 도시한 도면, 제4B도는 보다 많은 대칭 각도 범위에서 각도에 대한 계산된 밝기 분포 수행을 도시한 도면, 제4C도는 제4B도의 대칭에 있어서 각도에 대해 계산된 밝기 수행 및 외부 확산기 소자가 부가된 것을 나타낸 도면, 제4D도는 평탄 반사 절삭면들, 평행하지 않은 확산기, 최대의 반 밝기에서의 최대 폭(FWHM; full-width at half-maximum bightness)=7도인 것을 사용한 출력을 도시한 도면, 제4E도는 평행렌즈 확산기를 가진 평탄 절삭면들, FWHM=34도인 것을 사용하여 측정한 거의 대칭 출력 분포의 예를 도시한 도면, 제4F도는 FWHM=32도, 절삭 곡면들을 사용하여 측정한 비대칭 출력 분포의 예를 도시한 도면, 제4G도는 FWHM=26도, 절삭 곡면들을 사용하여 측정한 비대칭 출력 분포의 예를 도시한 도면, 제4H도는 하나의 절삭 반사층 및 하나의 절삭 굴절층을 사용하여 측정한 두가지 양식이 있는 출력 분포의 예를 도시한 도면, 제4I도는 확산 반사 재배향 하층 및 굴절되는 내부 반사 재배향 상층을 사용하여 측정한 큰 "테일(tail)"을 갖는 출력 분포의 예를 도시한 도면이다.
제5A도는 디스크 형상의 광 가이드의 정면도이며 제5B도는 제5A도에서 5B-5B를 따라 취한 단면도이다.
제6A도는 공극층이 포함된 경우의 다층 테이퍼형 조명 디바이스의 단면도이며, 제6B도는 복합 포물선 광원/집중기를 갖는 또 다른 테이퍼형 조명 디바이스를 단면으로 도시한 도면, 제6C도는 가변 변수 프로파일 광원 및 렌즈형 확산기를 갖는 또 다른 테이퍼형 조명 디바이스를 단면으로 도시한 도면, 제6D도는 비단조(non-monotonic) 웨지층 두께를 갖는 또 다른 테이퍼형 조명 디바이스의 단면을 도시한 도면이다.
제7도는 광원을 중심으로 주위에 배치된 반사기 소자를 도시한 도면이다.
제8도는 반사기 곡률 중심과 광원의 중심간 최대 변위로 광원 주위에 배치된 반사기 소자를 도시한 도면이다.
제9A도는 디바이스의 모든 부분들로부터 방출하는 실질적으로 유사한 각도분포를 제공하기 위해서 재배향층의 사용을 도시한 도면이며, 제9B도는 디바이스의 상이한 부분들로부터 방출되는 각도 분포를 변화시키고, 특히 선택된 타겟 거리에서 중첩을 증배시키도록 여러 각도 분포들을 집속하기 위해 재배향층을 사용하는 예를 도시한 도면이다.
제10도는 조명 디바이스의 한 쌍의 렌즈 어레이들의 한 형태를 도시한 도면이다.
제11도는 조명 디바이스의 렌즈형 확산 어레이 및 절삭 곡면층을 도시한 것이다.
제12A도는 한 쌍의 회절 격자 또는 흘로그램 층들을 갖는 웨지 형상의 조명디바이스를 도시한 것이며, 제12B도는 한 쌍의 굴절 절삭층 및 확산기를 구비한 웨지 형상의 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12C도는 한 쌍의 절삭층을 갖는 웨지 형상의 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12D도는 두개의 굴절 단일 절삭면 층을 갖는 웨지 형상의 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12E도는 굴절 단일 절삭층 및하부면 재배향층을 갖는 웨지 형상의 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12F도는 굴절 절삭층의 상부면 재배향층과 하부면 굴절 및 내부 반사층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12G도는 상부면 굴절/내부 반사 절삭층 및 하부면 굴절/내부반사 절삭층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12H도는 상부면 굴절 절삭층 및 하부면 굴절/내부 반사 절삭층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12I도는 하부면 거울 반사기 및 상층 투과 회절 격자 또는 투과 홀로그램을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12J도는 하부면 거울 반사기와, 상층 굴절 절삭층 및 확산기를 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12K도는 하층 거울 반사기 및 상층 굴절/내부 반사 절삭층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12L도는 하부 거울 반사기 및 상층 굴절/내부 반사 절삭층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12M도는 인테그럴 렌즈형 확산기를 포함하는 1차 반사부를 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12N도는 층의 거친 1차 반사기부를 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12O도는 편심 광 커플러를 구비하고 웨지 형상부에 수렴하는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12P도는 편심 광 커플러 및 확산기와, 거칠게 된 또는 렌즈형 반사기를 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제12Q도는 하부 거울 또는 확산 방식의 반사층과 상측 굴절층을 갖는 조명 디바이스를 도시한 것이며, 제 12R도는 "배트(bat) 날개" 광 출력을 발생하는 조명 디바이스를 도시한 것이다.
제13도는 일체로 형성된 두개의 웨지 형상부 및 두개의 광원을 사용하는 조합을 도시한 것이다.
제14도는 절삭 재배향층을 포함하는 테이퍼형 디스크 조명 디바이스를 도시한 것이다.
제15도는 콜리메이트된 광 출력 분포를 제공하도록 동작하는 조명 디바이스를 도시한 것이다.
제16A도는 종래의 외부 모드 LCD를 도시한 것이며, 제16B도는 종래의 트랜스플렉티브 LCD사용을 도시한 것이다.
제17도는 외부 및 활성 모드들에 동작하는, 절삭 재배향층 및 렌즈형 확산기를 구비한 조명 디바이스를 도시한 것이다.
제18도는 확산 백라이트 상에 배치된 절삭면용 마이크로 프리즘들의 어레이를 구비한 조명 디바이스를 도시한 것이다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
본 발명의 한 형태에 따라 구성된 다층 조명 디바이스가 제2도에 도시되어 있으며, 참조 부호 10으로 표시되었다. 종래의 제지(11)를 제1도에 도시하였다. 이 웨지(11)에 있어서, 웨지(11) 내에서의 광선은 웨지(11)의 굴절율을 n이라 할 때 입사각이 임계각(sin-1/n) 이하가 될 때까지 표면들로부터 반사한다 광은 그레이징(grazing) 각들에서 출력됨과 아울러 웨지(11)의 상부면 및 하부면으로부터 동일하게 출력될 수 있다.
제2A도에 도시한 다층 조명 디바이스(10)(이하 디바이스(10)이라 함)는 특성 광학 굴절율이 n1인 웨지층(12)을 포함하고 있다. 이하 "웨지층"이라고 하는 용어는웨지 형상의 단면적을 갖는 수렴성(converging) 상부면 및 하부면들을 갖는 모든 기하학적인 것들을 포함하는 것으로 사용될 것이다. x, y 및 z 축들은 제2A 및 2C도에서 "y" 축을 도면 용지에 수직한 것으로 하여 도면에 표시되었다. 웨지층(12) 용으로 통상적으로 유용한 물질로는 대부분이 임의의 투명한 물질로서, 예를 들면 글라스, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 메틸메타크릴레이트/스틸렌 코폴리머(NAS) 및 스틸렌/아크릴로니트릴 등이 포함된다. 제2A도에서의 웨지층(12)은 또한 상부면(14), 하부면(16), 측면(18), 에지(26) 및 상기 상부면, 하부면 및 측면들에 걸쳐 있는 두께 t0의 배면(20)을 더 포함한다. 관형상의 형광 광(22)과 같은 광원은 배면(20)을 통해 웨지층(12)으로 광을 주사한다. 광(24)은 다양한 웨지층 표면들로부터 내부적으로 반사되어 웨지층(12)을 따라서 에지(26)를 향해 지향된다. 기타 가능한 광원들이 사용될 수 있으며 이하 이에 대해 설명할 것이다. 일반적으로, 종래의 광원들은 실제적으로 인콘히런트(incoherent)이고 콜리메이트되지 않은(uncollimated) 광을 제공하나, 코히런트이고 콜리메이트된광도 본 발명에서 다룰 수 있다.
표면(14 및 16)이 평탄한 경우에 있어서는, 선형 외지에 대한 단일 경사각 Φ이 상부면(14) 및 하부면(16)에 의해 정해진다. 비선형 웨지들인 경우에는, 연속된 각들 Φ이 정의될 수 있고, 비선형 웨지는 광 출력 또는 광 집중의 소정의 제어를 제공하도록 설계될 수 있다. 이러한 비선형 웨지에 대해서는 다음에 상세히 설명한다.
제2A도의 실시예에서, 제1 층(28)은 임의의 공극이 개재되어 있지 않은 웨지층(12)에 결합되며, 이 제1 층(28)은 n2의 광학 굴절율을 가지며, 광학적으로 하부면(16)에 결합된다. 상기 제1 층(28)의 두께의 범위는 수 광 파장 내지 이보다 훨씬 큰 두께의 범위일 수 있으며, 이 제1 층은 소정의 기능성을 달성하고 있다. 웨지층(12)과 제1 층(28)간의 결과적으로 나타난 유전 계면은 웨지층(12)과 외부간의 계면에서보다 더 큰 임계각을 갖는다. 이하 명백하게 되는 바와 같이, 이 특징에 따라서 디바이스(10)로부터 광(24)의 각도 출력 및 콜리메이션을 선택적으로 할 수 있게된다.
제1 층(28)에 결합되는 제2 층(30)(제2B도 참조)은 n3의 광학 굴절율을 가지며 이 굴절율은 n2보다는 큰 것이며, 실시예에 따라서는 n1보다 큰 것이 바람직하다. 이 구성은 광(24)이 제1 층(28)을 떠나 제2 층(30)으로 입사되게 한다. 제2A도의 실시예에서는 제1 층(28)과 제2 층(30)간에 개재한 공극들이 실제적으로는 전혀없다. 제2A도에 도시한 본 발명의 바람직한 형태에서 n1은 약 1.5이며, n2<1.5, n3≥n1이다. 가장 바람직하기로는, n1=1.5, n2<1.5(이를테면 거의 1) 및 n3≥n1이다.
도 2에 도시된 디바이스(10)에 대한 이러한 다층 구성에 있어서는, 웨지층(12)은 상부면으로부터 반사의 각 순환시간에 대한 입사각이 경사각 2Φ(하부면(16)의 평면에 수직에 대한)만큼 감소되게 한다. 하부면(16)에의 입사각이 웨지층(12)과 제 1 층(28)간의 계면의 임계각 특성 이하일 때, 광(24)은 제1 층(28)에 결합된다. 그러므로, 제1 층(28) 및 관련된 광학 계면 특성들은 광(24)이 θ<θc =sin-1(n2/n1)인 조건을 만족할 때 통과되게 하는 각도 필터(angular filter)를 형성한다. 즉, 상기 기술된 임계각은 공기와 웨지층(12)간의 계면의 경우보다 크게된다. 그러므로, 두개의 임계각이 6Φ이상으로 다른 경우, 대부분의 광(24)은 상부면(14)을 통해서 웨지층(12)을 빠져나갈 수 있기 전에 웨지층(12)과 제1 층(28)간 계면에 교차될 것이다. 결과적으로, 두개의 임계각이 Φ이하로 다르다면, 실질적인 몫은 단지 반이하의 광만이 상부면(14)을 출력할 수 있다. 두개의 각이 Φ 이상 및 6Φ 이하로 다르다면 실질적으로 광의 반 이상이 상부면(14)을 통해서 웨지층(12)을 빠져나갈 수 있기 전에 웨지층(12)과 제1 층(28)에 교차할 것이다. 따라서, 디바이스(10)는 하부면(16)에 대해서 우선적으로 θ < θc 조건이 만족되도록 구성될 수 있다. 이탈한 광(24) (층(28)에 인입된 광)는 예를 들면, n3>n2에 의해, 제2 층(30)으로 입사될 것이다 그 후 광(24)은 웨지층(12)에 결합된 제1 층(28)에 의해서 제공되고 굴절율들간 적당한 관계를 갖는 제2 층(30)에서 콜리메이트된 광(25)이 된다.
디바이스(10)로부터 광(24) 출력을 발생시키기 위해서, 제2 층(30)은 제2E도에 도시한 페인트(paint)층(33) 또는 제2B도 및 제2C도에 도시된 절삭면(34) 등과 같은 광 산란 수단을 포함한다. 페인트층(33)은 이미지 또는 기타 시각 정보를 바람직하게 투사하는 데 사용될 수 있다. 페인트층(33)은 예를 들면 특성 굴절율들을 갖는 입자들이 제어가능하게 분포된 층이다.
적절한 선택에 의해서, 광은 웨지층(12)을 통해서 역으로 그리고 외부로도 재배향될 수도 있으며(제2A도 및 제2C도의 광(29)), 또는 제2 층(30)(제2F도의 광(29'))으로부터 외부로 직접 출력될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 형태에서, "n" 값들과 관련된 복수의 층들이 존재할 수 있다. 본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 최저 굴절율을 갖는 층은 개구수 및 출력 각도에 대한 식(이하 제시됨)에 있어서 n2로 대치할 수 있다. 이러한 층들은, 예를 들면 웨지층(12)과 제1 층(28)간에, 제1 층(28)과 제2 층(30)간에 개재되거나, 또는 웨지층(12) 또는 제2 층(30) 상에 놓일 수 있는 층이다.
실시예에서 바람직한 기하학 구조에 따라서 웨지층(12)을 통해 광이 역으로 반사됨이 없이 외부로 출력되는 결과가 되게 한다. 예를 들면, 제2F도에서 디바이스(10)는 반투명층(37)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 또 다른 형태에 따라 굴절층(38)이 제2G도에 도시되어 있다. 굴절층(38)은 콜리메이트 출력을 제공하기 위해서 평탄 절삭면(39)을 포함할 수 있다. 또한, 제2G도에 점선으로 도시한 것은 횡형 렌즈 확산기(83)이며 이에 대해서는 후술한다. 확산기 층(83)은 제6A도와 같은 웨지층(12)을 포함하여, 임의의 발명 기하학 구조에 사용될 수 있다.
제2H도에 도시한 또 다른 예에서, 굴절층(38)은 소정의 각도 분포로 완만한 광역 출력을 제공하기 위한 곡면 절삭면(41)을 포함할 수 있다. 제2I도에 도시한 또다른 예에서, 굴절층(38)은 가변 각도 절삭면(42)을 포함한다. 이들 절삭면(42)들은 소정의 방식으로 출력 광을 집속하도록 절삭면 배열을 가로지르는 위치로 가변되는 절삭각들 및/또는 곡률을 갖는다, 절삭 곡면들에 의해서 소프트하게 접속되는 영역을 생성될 수 있게 되며, 이 영역 내의 전체 시각 스크린이 조명되는 것으로 나타난다. 컴퓨터 스크린 조명에 응용되는 예에 대해서 이하 기술한다. 제2J 및 2K도 각각에 단일 굴절 프리즘 소자(43)와 출력 광을 집속하기 위한 인테그럴(integral) 렌즈(44)를 구비한 프리즘 소자(43)가 도시되어 있다. 제2L 및 2M도는 광의 출력 분포를 제어하기 위한 각도를 갖고 배치된 절삭면들을 갖는 절삭 표면(34)을 도시한 것이다. 제2K( 및 2I도에서, 광은 초점 "F"에 출력되며, 제2M도에서의 출력은 근사시야 범위(445)에 걸쳐 있다. 제2N 및 2O도 각각은 콜리메이트된 광 출력이나 집속된 광 출력을 제공하기 위한 평탄한 굴절 절삭면(48)과 곡면처리된 굴절 절삭면(49)을 도시한 것이다.
제2A 및 2C도에 도시한 바와 같이, 절삭면(34)은 광학적으로 광을 반사시켜 제2 층(30), 제1 층(28) 및 이어서 웨지층(12)을 통해 외부로 재배향시킨다. 각각의 절삭면의 일부만이 조명되며, 이에 따라 충분히 작은 스케일로 보면 출력이 교대로 명암이 나타난다. 이러한 패턴은 통상 바람직한 것이 아니기 때문에, 제2B도에 도시한 바람직한 실시예에서 각각의 절삭 표면(34)간의 주기 간격이 회절 효과를 피할 수 있을 만큼 바람직하게 크지만 이것은 의도된 관측 수단으로 개개의 절삭면이 검출되지 않을 만큼 작다. 또한, 간격 선택에 있어서는 액정 디스플레이나 CCD(Charge Coupled Device) 어레이와 같이 조명될 디바이스의 임의의 특징으로 무아레(Moire) 간섭 패턴이 형성되는 것을 피하도록 선택된다. 간격에 있어 어떤 불균일성이 바람직하지 못한 회절 무아레 효과를 완화시킬 수 있다 전형적인 백라이팅 디스플레이에 있어서, 대강 0.001 내지 0.003 인치의 간격 주기로서 소정의 목적을 달성할 수 있다.
제2B 및 2C도에서 절삭 표면(34)은 예를 들면 일반적으로 재배향된 광(29)이 디바이스(10)로부터 출력되는 각도 범위를 제어하도록 마련될 수 있다. 층(30) 내의 출력 각도의 최소 분포는 대략 다음과 같은 폭을 갖는다.
△θ=2Φ[(n1 2-n2 2)/(n3 2-n2 2)]1/2
따라서, Φ는 매우 작을 수 있기 때문에, 디바이스(10)는 매우 효과적인 콜리메이터가 될 수 있다. 그러므로, 선형 절삭면(34)에 있어서, 출력되는 재배향된 광(29)은 대기중에서는 대략 다음과 같은 최소 각도 폭을 갖는다.
△θair=n3△θ=2Φ[(n1 2-n2 2)/[(1-(n2-n3)2]1/2
앞서 기술한 바와 같이, 그리고 제2H, 2I, 2K, 2L 2M도 및 제3도에 도시한 바와 같이, 절삭면 기하학 구조는 최소 각도 이상의 각도 출력을 제어하며, 또한 출력 광의 방향을 집속 및 제어하는 데 사용될 수 있다.
여러 계면들로부터 프레스널 반사들 또한 상기 주어진 값들을 벗어나는 출력 각도로 넓어질 수 있으나, 이 효과는 제2B도에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 내부 계면 상의 비반사 코팅을 입힘으로써 감소될 수 있다.
예시된 실시예에 있어서 밝기 비("BR";brightness ratio)는 확장 마스크 및제 2D도를 참조하여 결정될 수 있으며, BR은 다음과 같이 표현될 수 있다.
또는, B.R.=조명된 영역/전체 영역
B.R.=[1-(n2/n3)2]1/2=0.4-0.65(대부분의 투명 유전 물질에 대한)
예를 들면, 웨지층(12)은 아크릴(n1=1.49)일 수 있으며, 제1 층(28)은 플로로폴리머(n2=1.28-1.43)이거나 솔-겔(n2=1.05-1.35), 플루오라이드 솔트(n2=1.38-1.43) 또는 실리콘에 기초된 폴리머 또는 접착제(n2=1.4-1.45)일 수 있다. 그리고 제2층(30)은 폴리카보네이트(n3= 1.59), 공중 계면에서 금속화된 폴리스틸렌(n3=1.59) 에폭시(n3=1.5-1.55) 또는 아크릴(n3=1.49) 등과 같은 절삭 반사기일 수 있다.
예를 들면 제2B 및 2C도에 도시된 평탄, 또는 선형 절삭 표면들(34)은 입사광)(24)을 재배향시켜 광출력의 방향을 제어하고 또한 실질적으로 각도 필터링 효과(예를 들면 제4D도 참조)에 의해서 제2 층(30)에 결합된 광의 각도 분포 △θ를 유지하게 한다. 예를 들면, 제2L도에 도시한 바람직한 일 실시예에서, 절삭 표면(34)은 위치에 따라 다른 절삭 각도로 광을 반사시켜 출력 광을 접속시킨다. 제2M도에서, 절삭 표면(34)들은 소프트하게 집속된 시야 영역(45)을 만들어 내어 이 영역 내의 전체 스크린이 조명되도록(예를 들면 제4F 및 4G도 참조) 위치에 따라 변화하는 곡면 형상의 절삭면을 포함한다. 또한 제2M도에서 점선은 본 발명에 관련하여 사용될 수 있는 일예로서의 액정 디스플레이(47)를 나타낸 것이다. 또한, 제3A 및 3B도에 도시된 바와 같이, 절삭 곡면(36)이 또한 입사광(24)을 재배향시키지만, 절삭면 곡률이 재배향된 광(29)(평탄 절삭면과의 비교를 위해서 제2D도 참조)에 대한 각도 출력의 결과적인 범위를 증가시킨다. 예를 들면, 오목 트로프(concave trough)는 실상을 형성할 수 있으며, 볼록 트로프는 허상(일예로 제3B도 참조)을 형성할 수 있음이 알려져 있다. 각 경우에 상은 소정의 각도 출력 범위에 걸쳐 균일하게 광을 방출하는 라인 소스와 동일한 것이다. 결과적으로, 이러한 트로프 형상의 절삭면(36)어레이는 제1 층(28)으로부터 콜리메이트된 광(25)의 입력 형태를 재배향시킬 수 있으며(제2C도 참조), 복수의 이러한 라인 소스는 이 때 재배향된 광(29)을 형성하게 된다. 절삭 곡면(36)의 간격을 인간의 분해능 이하로 구성함으로서, 결과적으로 나타난 라인 소스 어레이는 관측자에서 매우 균일하게 나타나게 될 것이다. 앞서 언급하였듯이, 절삭 간격 주기를 약 3백 내지 5백 라인들/인치 또는 0.005 내지 0.003인치로 선택하면 그러한 결과가 제공된다. 전형적인 LCD 디스플레이에 있어서 대략 20인치 이상의 관측 범위가 일반적이다.
기타 유용한 절삭 형태들로서는 예를 들면 포물형, 타원형, 쌍곡선형, 원형, 지수형, 다항식, 다각형 및 이들의 조합들이 포함된다. 따라서, 사용자는 상이한 절삭면 설계를 사용한 평균 조명 밝기에 대한 임의의 분포를 실제로 구성할 수 있다. 예를 들면, 다각형 형상의 절삭면들은 다중의 피크들을 갖는 출력 각도 분포들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
절삭 곡면 반사기를 사용한 각도 출력의 여러 범위에 대한 밝기 분포의 예를 제4A-4C, 4F도 및 제4G도에 도시하였으며, 제4C 및 4E도는 선형 절삭면들을 갖는 반사기 및 확산기 소자(40)(제2C도에 점선으로 도시한)를 포함하는 경우의 밝기 분포를 도시한 것이다. 여러 각도 범위들(제4A-4C도에 도시된)에 대한 예상 수행 출력이 도시되었으며, 디스플레이 엔지니어링 상표 "웨지 라이트" 유닛과 같은 상용광 소스에 대해 측정된 각도 출력과 비교되어 있다. 바람직한 각도 범위는 임의의 특정 시야 및 Φ, n1, n2n3의 식으로 앞에서 기술한 최소 각도 △θ(공중)까지의 콜리메이션 요구를 수용하기 위해서 바람직한 각도 범위로 쉽게 수정될 수 있다. 이러한 수정은 제2M도 및 전에 설명한 방식으로 곡면처리된 절삭면(36)들의 곡률을 점진적으로 변경하므로써 달성될 수 있다. 수직 시야 각 범위에 대해 예시된 제어외에도, 수평 시야 범위의 수정 역시 절삭 곡면(36)들의 형태를 적당히 변경함으로써 달성될 수 있다. 제4A - 4I도에 도시한 상기 기술된 각도 분포들은 디바이스(10)가 개구수 NA=(n1 2-n2 2)1/2내에서 광(24)을 처리하고 있을 때를 나타낸 것이다. 광이 이 범위 밖에 있을 때에는 각도 출력 범위를 제어하는데 일조하는 기술들을 부가적으로 적용할 수 있다.
제9A 및 9B도 각각은 엄격하게 중첩 집속된 조명 출력의 제공 및 이보다 덜 중첩 집속된 조명 출력을 제공하는 재배향 수단의 사용 예를 도시한 것이다. 이들 개념들은 전형적인 포터블 컴퓨터 스크린(87)이 약 150mm의 수직 범위 "V"를 갖고 있으며, 반면 전형적인 시야 거리 "D"는 500mm임을 고려하여 실제적으로 적용될 수있다. 거리 "D"에서, 컴퓨터 스크린(87)의 수직 중심에 수직으로 위치한 관측자는 스크린(87)의 상이한 영역들을 스크린(87)의 위에서 측정한 -8.5° 부터 스크린(87)의 아래에서 측정한 +8.5° 범위의 각도로 보게될 것이다. 그러나, 이러한 시야각에 있어서의 변이는 그와 같은 스크린 조명을 갖는 시스템의 사용에 있어 바람직하지 못한 효과들이 그 원인이 된다. 스크린(87)에 있어서 이와 같이 광조사 각도가 제한되어 있다는 것은 완전히 조명된 스크린(87)(제9A도 참조)을 관측자가 보는 위치들의 범위가 한정되어 있음을 내포하는 것이다. 관측자 위치를 각도와 스크린(87)의 중심으로부터의 거리에 대해 정할 때, 효과적인 각도 범위는 규정 조명 각도이하로 실질적으로 감소된다. 예들 들면, 규정 조명 범위가 각각의 개별 절삭면에서 측정하여 ±20°일 때, 효과적인 시야 범위는 제9A도에 도시한 전형적인 평판 조명기에 있어서 ±12°로 감소된다. 결과적으로 나타난 12°내지 20°범위의 조명이 스크린(87)에 대한 중심의 양측 어디에서나 관측자에 불균일하게 나타나게 될 것이다.
본 발명은 절삭 표면(34)의 방위(orientation)를 제어함으로써 상기 기술된 불균일성들을 극복하는 데 사용될 수 있다. 예시된 바와 같이, 디바이스(10)의 여러 층들을 정하는 평면들의 에지들에 대해 평탄 절삭 표면이 35.6° 내지 33.3°로 가변되거나, 또는 상기 예지들에 평행하게 되도록 제2M도의 두개의 절삭 표면들을 점진직으로 회전시킨다. 스크린(89)(제9B도 참조)의 상측과 하측에 걸쳐 이러한 계통적 변이는 도시된 바와 같이 재배향된 출력이 나타나는 결과가 된다. 절삭 표면(34)은 또한 확산기(83) 등에 조합되어 가변되지만, 제어 가능한 광 조명 출력분포를 만들어 낼 수 있다. 평탄 절삭 표면(168)은 또한 확산기(170)와 조합될 수 있다. 그러므로, 제9B도에 도시한 바와 같이, 스크린(89) 상의 상이한 점들에서의 광의 각도 분포들을 회전시킬 수 있는 능력에 의해서 위치에 따른 시야 각의 변이에 대한 보상이 가능하게 된다. 절삭 표면(34)에서의 계통적 변이들은 하나 이상의 절삭 각들의 변이, 절삭면(38)의 간격의 변이, 또는 개별 절삭면(38)의 깊이 및 폭의 변이를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 동일 원리가 임의의 절삭된 재배향층의 출력을 집속하는데 적용될 수 있다. 제2I 및 2L도에 예들을 도시하였다.
불균일한 조명을 극복하는 또 다른 예에 있어서, 절삭 표면(34)용 마이크로프리즘 어레이를 종래의 확산 백라이트(101) 상에 놓이도록 할 수 있다(제18A도 참조). 이러한 절삭 표면(34)은 굴절 및 전체 내부 반사의 조합에 의해 동작하여, 한정된 각도 범위만이 층을 통해 외부로 출력되도록 한다. 이러한 각도 범위는 절삭각도들에 의존한다. 아크릴 막(n=1.49)의 경우, 통상 가장 밝은 밝기는 프리즘이 90-100 도의 각을 포함할 때 달성되며, 이에 따라 시야각은 대략 ±35°가 된다. 이러한 기하 구조를 사용하는 백라이팅은 많은 관측자들을 당혹케하는 예리한 "커테인(curtaining)" 효과를 나타낸다. 이 효과는 집속 효과를 생성하도록 스크린의 상측에서부터 하측까지 절삭면(38)을 회전시킴에 의해서 개선될 수 있다(제18B도 참조), 간단한 선-추적에 따르면, 100° 내지 110° 범위 내에 포함된 각도에 대해서, 각도만큼 회전된 절삭면은 대략/2 만큼 회전된 각도 분포를 생성함을 보이고 있다. 제18도에 도시한 실시예에서, 절삭면 각의 점진적인 변이에 따라서 예를 들면 다음과 같이 절삭 표면(34)을 따라 위치(x)로서 변할 수 있다.
Ψ1= 35°- (0.133°/mm) x
Ψ2= 35°+ (0.133°/mm) x
이러한 점진적인 절삭면의 각도 변화(progressive facet angle change)는 스크린(89)에 대하여 대략 10도 만큼 변화하는 각도 분포를 발생시켜 상술한 일반적인 제한을 만족시킨다.
소정의 절삭면이 형성되는 것은 어떤 것이든, 절삭면(34)(제2D도 참조)은 몰딩 혹은 다른 알려진 밀링 공정 등의 종래의 공정에 의해 바람직하게 형성된다. 제조 과정을 이후에 상세히 설명한다.
비선형 웨지
본 발명의 다른 형태로서, 1차 광 가이드(light guide)인 웨지층(12)은 전술한 선형 형태와는 다른 것일 수 있다. 이러한 형태는 선택된 광 분포의 폭넓은 변화를 다양하게 이룰 수 있다. 다른 형태는 제2B도 및 C도에 도시된 웨지 축 "Z"의 함수(광 입력 에지로부터 작은 또는 날카로운 에지(26)까지 달하는 좌표축)로서 웨지층(12)의 두께와 관련하여 보다 일반적으로 설명될 수 있다.
선형 형성 웨지에 대하여,
A(Z) = Ao-C-Z (1)
Ao = 최대 웨지 두께(제2A도 참조)
C = 일정 = tanΦ
소정의 공간 및 각도 분포의 큰 범위는 광 출력 배율(제2층(30)에 결합된 배율)을 통해서 달성될 수 있다. 따라서, 광 출력 배율은 대개 절삭면의 표면(34, 36), 혹은 확산 반사기(33)(제2E도 참조)에 의해 또는 다른 수단에 의해 주위로 출력될 수 있는 광이다.
예를 들어, L 및 M을 x 및 y축을 따르는 방향 코사인이라 하면, 에지두께(Z=0)에서 Lo 및 Mo는 L 및 M의 값이다. 이러한 초기 분포는 몇몇의 잘 정의된 각도 범위 내에 있는 램버티언(Lambertian)인데, 이 범위 밖으로의 광의 분포는 없다. 이러한 분포는 이상적인 비-이미징 광학 소자가 제한된 램버티얼 출력 분포를 갖고 있기 때문에 특히 중요하다. 중요한 관계는 대략 AoLo와 동일하고, 이탈 위치(Z)를 암시적으로 제공하는 단열적 불변, A(Z) COS (θc)이다. 이러한 개념을 설명하기 위해, dP/dz 가 일정하도록 일정한 발산을 하는 것으로 가정하자. 다시, 초기 위상 공간이 다음의 설명 및 스케치에 의해 아래에 예시되고 설명된 타원형을 일정하게 채우는 것으로 가정하면,
Lo2/σ2+Mo2/τ2=1 (2)
dP/dL=일정·[1-L2/σ2]½이지만 dA/dZ=[Ao/Lo]dLo/dZ, 여기서 Lc=COSθc이다. 따라서, [1-(LcA)2/(Aoσ)2]½dA=상수배 dZ. 바람직한 실시예에서는 σ=Lc라고 가정한다. 이 결과는 A/Ao=Sinu를 치환 함으로써 해석될 수 있기 때문에, A = AoSinu 및 U+½Sin(2μ)=(π/2)(1-Z/O), 여기서 D는 웨지층(12)의 길이이다.
보다 일반적으로, 단위 길이당 소정의 배율을 dP/dz이라하면, 웨지층(12)의 소정의 형태는 미분 방정식에 의해 결정된다.
이러한 모든 경우에 있어서, 출력 분포는 프레스넬 반사(Fresnel reflection)에 의해 수정될 수 있으므로 대개 소정의 형태 만을 갖음을 유의해야 한다. 또한, 웨지 디바이스(10)가 만곡되어 있는 경우라도, 곡률이 그다지 크지 않으면 성질상 시스템을 특징화하는 평균 각도 Φ를 정의하는 것이 유용할 수 있음을 주목해야 한다.
본 발명의 다른면으로서, 상술한 예의 기하학적인 구조는 굴절율 n1과 n2를 갖는 2개의 굴절성 매체간에 x, y 계면을 갖는다, 성분 nM, nN은 n1M1=n2M2,n1N1=n2M2이도록 계면을 따라 유지된다. x, z 평면에 투영되는 입사 각도는 Sinθeff=N/(L2-N2)½로써 주어진다. 따라서 상기 관계식을 이용하면, Sinθ2eff/Sinθ1eff= (n1/n2)[1-M1 2]½[1-(n1/n2)2M1 2]½= (n1/n2)eff이다. 예를 들어, n1=1.49, n2=1.35, M1=0.5에 있어서, 실효 굴절 비율이 1.035(n1/n2)이고, 이는 실제 굴절 비율보다 약간 큰 정도이다.
공간 변수를 통한 굴절율 변화
테이퍼형 광 가이드의 일반적인 경우에 있어서, 웨지층(12)은 x축을 따라 좁은 디멘션을 갖는 z축을 일반적으로 따른다(제2A도 참조), 광학 방향 코사인(nL, nM, nM)을 도입하는 경우, 여기서 L, M, N은 x, y, z를 따르는 기하학 방향 코사인일 때, n은 공간 위치에 따라 변할 수 있는 굴절율이다. 웨지층(12)에서 안내된 광선에 대하여, x에서의 운동은 거의 주기적이고, 한 주기 동안의 양 ΦnLdx는 광선이 z를 따라 전파됨에 따라 거의 일정하다. 이러한 특성은 소위 단열적 불변이라하며, 광 가이드의 특성을 분석하기 위한 유용한 프레임 워크를 제공한다.
제1 실시예에서 제2A도에 도시한 웨지 디바이스(10)는 웨지층(12) 내에서 일정한 굴절율을 갖고 있으며, z축의 폭 A(z) = Ao-C·z로 선형적으로 테이퍼된다. 따라서, 지그재그 광선 경로를 따라, L(Z)A(Z)는 단열적 불변에 의해 대략 일정하게 된다. 광선이 z = 0의 L = Lo에서 개시되면, (Ao-C·z)L(z)은 대략 LoAo와 동일하게 된다. 광선은 L = cosθc 일 때 웨지층(12)으로부터 빠져나가게 되고, 여기서 θc는 임계 각도 = [1-(n2/n1)2]½이다. 이와 같이, 웨지층(12)을 빠져나가는 조건은 Ao-C·z=LoAo/cosθc이다 이것은 z = (Ao/C)(1-Lo/cosθc)에서 발생되게 된다. 결과적으로, z에서 나오는 광선의 밀도는 초기 방향 코사인 Lo에서의 광선의 밀도에 비례한다. 예를 들면, Lo에서의 초기 분포가 일정하면 밀도는 일정하게 된다.
제2 실시예에서는, 굴절율 프로파일이 더 이상 일정하지 않으며 x 및 z에서저하(fall off)된다.
Z에서의 저하가 X에서 보다 한층 느리면, 광선 경로는 거의 주기적으로, 상술한 단열적인 불변이 적용된다. 광선(24)이 z로 전파될 때, x, nL 공간에서의 경로는 거의 주기적이다. 따라서, L(z)의 최대 값은 증가하고, 어느 정도 z는 산란을 위한 임계 값에 도달된다. 산란을 위한 z 값은 굴절율(n) 프로파일의 상세에 의존한다. 이것이 특정화될 때, 상술한 예에서와 같이 분석이 진행된다. 이와 같이, 포물선 굴절을 프로파일의 경우, 굴절율 프로파일은 n2(x)= n2 0[1-2Δ(x/p)2]:-p<xp인 경우, = n1 2= n2 0[1-2Δ] :┃x┃>p인 경우의 형태를 갖는다. 따라서, x = 0에서의 임계 각도는 Sin2θC = 2·Δ=1-(n1/n0)2로 주어진다. 따라서, Z의 천천히 감소하는 함수 n0을 갖는 경우, x = 0에서의 기울기 θ는 ΦnLdx의 단열적 불변에 의해 서서히 증가되지만, θc는 광선이 산란되도록 감소된다. 광선 분배의 상세한 설명은 굴절을(n)이 z와 함께 변화하는 방법에 따른다.
비웨지 테이퍼형 기하학 구조
가장 일반적인 경우로서, 광은 임의의 형태의 층(즉, 평행 육면체, 원통형 또는 불 균일한 제지)으로 입력될 수 있으며, 여기에 개시된 원리는 동일한 방식으로 적용된다. 게다가, 굴절율은 주위로 광을 출력하는 수단에 결합될 때 적절한 종료결과(end result)를 달성하도록(x, y, z)에서 요망될 때 변화될 수 있다.
예를 들어, 제5도에 도시한 반경 방향 r로 테이퍼 되는 디스크 형태의 광 가이드(46)를 고려해 보자, 원통형 극좌표에서의 방향 코사인은 kr, kθ, kz이다. 상기 도파로(46)에 전파되는 광(48)은 다음의 관계식을 만족시킨다.
Φnkzdz ∼ 일정(단열적 불변) (4)
nrKθ= 일정(각 운동량 보존) (5)
단열적 불변 조건은 외지 디바이스(10)의 경우와 동일하며, 전술한 설명이 웨지 디바이스(10)에 관한 것이므로 광 가이드(46)에 적용된다. 각 운동량 보존 조건은 광이 반경의 증가와 함께 소스(47)로부터 외측으로 흐를 때 Kθ값이 감소하는 것을 필요로 한다. 따라서, 광은 증가하는 반경 방향에 평행하게된다. 이것은 웨지디바이스(10)와 근본적으로 유사한 특성을 만들며, 광(48)은 선택된 각도에서 z방향을 따라 평행한 면(51)으로 광(52)으로 배출하도록 만들 수 있다.
설명 목적으로, 일정한 굴절율(n)을 갖는 가이드 물질을 취한다. 이러한 기하학 구조물에서, 5B-5B를 따라 취해진 2차원 단면 평면을 따르는 광선(48)은 전술한 대향 웨지 디바이스(10)의 경우와 같이 작용한다. 이와 유사하게, 다수의 부가층(54, 56) 및 다른 수단이 소정의 광 처리 특성을 이루도록 사용될 수 있다. 예컨대, 디스크 광 가이드(46)의 경우, 바람직한 절삭면 어레이(56)가 디스크(46)와 동심원을 이루는 일련의 원형으로 될 수 있다. 따라서, 절삭면(56)이 단면에서 선형을 이루면, 광선(52)은 전술한 디바이스(10)에서와 같이 굴절율의 함수의 2Φ배의 전체 각도내에서 평행한 방향으로 배출되게 된다.
2개의 저굴절율층을 가진 테이퍼형 조명(Tapered Luminaires)
제6A도에 도시한 본 발명의 다른 형태에서, 디바이스(10)는 광학적 굴절율 n1을 가진 제1층(61), 상층면(62) 및 적어도 하나의 경사각 Φ을 달성하도록 수렴되는 하층면(64)을 포함한다 제1층(61)은 또한 상층면(62) 및 하층면(64)에 이르는 뒷면(65)을 포함한다.
제1층(61)에 인접하게, 하부 투명층 수단과 같이 층수단이 있고, 굴절율 n2의 제1 중간층(66)은 하층면(64)에 인접하게 배치되거나, 혹은 밑에 배치된다. 아울러, 층 수단은 굴절율 n2의 제2 중간층(81)이 상부 층면(62)에 인접하게 배치된 상부 투명 층 수단을 포함할 수 있다. 층(66, 81)의 적어도 하나는 공극, 또 다른 가스 또는 투명한 유전체 갭일 수 있다.
공극은 외부 지지체와 같이 장력(도시되지 않음)하에서 층을 지지하는 종래의 수단에 의해, 혹은 제1층(61)과 인접한 광 재배향층(70) 간에 스페이서(68)를 배치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이와 유사하게, 스페이서(68)는 제1층(61)과 제2 광 재배향층(82) 사이에 배치될 수 있다. 이와 달리, 투명한 유전체로서 고체물질을 사용하여 층(66, 81)을 구성하여 어셈블리의 구조적 완결성, 견고성 및 용이성을 향상시킬 수 있다. 이러한 고체물질은, 예를 들면, 솔-겔(n2=1.05-1.35), 플루오르폴리머(n2=1.28-1.43), 플루오라이드염(n2=1.38-1.43), 혹은 실리콘-계 폴리머 및 결합제(n2=1.40-1.45)를 포함한다. 투명한 유전체로서 이러한 고체물질을 사용함으로 인해 어셈블리를 지지하거나 유지할 분리 수단을 사용할 필요는 없으나 굴절율이 공극의 경우보다도 높기 때문에 N.A수용성이 낮을 수 있다.
총(66, 81)을 통해 광이 제1층(61)으로부터 수신되어 전달된다. 이 실시예에서, 광의 일부분은 상부 층 면(62)에 대하여 먼저 θc를 이루고, 광은 광 재배향층(82)에 의해 더 처리되도록 층(81) 속으로 입사된다. 이로써, 나머지 광은 하부 층면(64)에 대하여 먼저 θc를 이루고, 광 재배향층(70)에 의해 더 처리되도록 층(66)으로 입사된다.
본 발명의 하나의 바람직한 형태에서는 층(66, 81)이 제공되며 유사하지만 약간 다른 굴절율 n2a및 n2b를 각각 갖는다. 굴절율은 크기에 있어서 웨지 각도 φ와 유사한 예를 들면,
┃arc sin(n2a/n1)-arc sin(n2b/n1)]<6Φ (6)
임계면(62, 64)에서 임계각도를 설정할 때 유사한 것으로 간주된다.
이러한 경우에, 상당부분 그러나 동일하지 않은 광의 부분들이 각각 층(70, 82)을 재배향 함으로써 더욱 처리되도록 각 총(66, 81)으로 입사되게 된다. 큰 부분들은 2개의 굴절을 n2a및 n2b중 굴절율이 큰 층으로 입사되게 된다. 재배향층(70)은 층(66)으로 입사되는 부분만을 처리한다. 따라서, 광의 출력 각도 분포에 따른 재배 향층(70)의 영향은 굴절율 n2a 및 n2b 간의 관계를 변화시킴에 의해 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에 있어서, 층(66, 81)은 굴절율 n2< n1의 동일한 투명물질일 수 있다. 일반적으로, n2의 값이 낮으면 광입력면(65)의 개구수를증가시킴으로 디바이스(10)의 효율을 향상시킨다. 따라서, 층 (66, 81)이 공기 또는 다른 가스(n2=1 - 1.01)로 충전될 때 보정 효율이 최대로 될 수 있다.
층(66, 81)의 두께는 디바이스(10)의 출력 배율 공간 분포를 제어하거나 혹은 그의 시각적 획일성을 향상시키도록 선택적으로 변경될 수 있다. 예를 들면, 0.002"-0.030" 만큼 층(81)의 두께를 증가시키면 디바이스(10)의 두꺼운 단부에 나타나는 경향이 있는 비균일성이 급격히 저감된다. 층(66, 81)의 두께는 출력되는 광의 소정의 공간 분포에 영향을 주도록 위치에 따라 원활하게 변경될 수 있다(제12L도 참조).
제6A도에 도시한 본 발명의 하나의 바람직한 형태에서는, 광 재배향층(70)이 층(66) 및 제1층(61)을 통해 다시 광을 반사시키는 반사층(71)을 포함하고 있다. 이때 광은 상부 층면(62)을 통해 제1층(61)으로 출력된 다음, 다음 처리를 위해 광재배향층(82)을 통해 전적으로 출력된다. 반사층(71)은, 예를 들면 평면 거울 반사기, 부분 또는 완전 확산 반사기, 또는 절삭면 반사기의 임의의 결합형태일 수 있다.
평면 거울 반사기를 사용함으로써 층(81) 내에서 가장 좁은 각도 분포를 이룰 수 있다. 따라서, 반사기는 소정의 출력 각도 분포가 단봉형(unimodal)일 때 광 재배향층(82)의 설계를 간단히 할 수 있다. 확산 또는 절삭면 반사기는 큰 범위의 각도 분포를 달성하거나(제4H 및 I도 참조) 또는 획일성을 증가시키도록(제4N도 참조) 총(71)에 대하여 사용될 수 있다. 확산 반사기는 소정의 각도 분포가 큰"테일(tail)"을 갖는 경우(특히, 제4I도 참조)에 바람직하다. 절삭면 반사기는 층(81) 내에서 쌍봉형(bimodal) 각도 분배를 발생시킬 수 있다. 따라서, 소정의 출력 각도 분배가 쌍봉형인 경우에는 상기한 절삭면 반사기가 좋다. 예를 들면, 쌍봉형 "배트윙(batwing)" 분배는 휘도를 감소시키기 때문에 정상적인 휘도에서의 조명에 바람직하다.
일반적으로, 층(71)의 절삭면은 층(66) 및 제1층(61)을 통해 그리고 더욱 재배향층(82)에 의해 처리되도록 다시 반사된 광의 각도 분포를 제어하도록 만들어 질 수 있다. 디바이스(10) 내에서의 각도 분포는 재배향층(82)으로부터 주변으로 출력된 광의 각도 분포에 순차적으로 영향을 준다. 예를 들면, 만곡된 절삭면은 각도분포를 원활히 확대할 뿐만 아니라 획일성 개선을 위해 확산 효과를 제공하도록 사용될 수 있다. 반사층(71)을 또한 각도 분포 뿐만 아니라 출력 배율 공간 분포에 영향을 줄 수 있다. 반사층(71)의 반사성, 경면성, 또는 기하학 구조는 소정의 출력분포를 달성하도록 위치에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 위치의 함수로서 반사성층(71)의 각 요소의 작은 기울기 변화(도 12L참조)에 따라 광의 출력 분포가 변화할수 있다.
광재배향층(82)은 굴절율 n3>n2를 갖고 있으며, 실질적으로 투명하거나 혹은 반투명성이 있다. 저-굴절율층(81)에서의 광은 층(82)에 입사되어 주위로 재배향된다. 투과성 재배향층(82)은 또한 반사층(71)으로부터 반사되어 처리된 후 저-굴절을 층(66) 및 제1층(61)을 통해 다시 투과되는 광을 재배향한다. 층(82)의 투명성또는 기하학 구조는 디바이스(10)의 출력 공간 분배에 더욱 영향을 끼치도록 위치와 함께 변화될 수 있다. 본 발명의 하나의 바람직한 형태에서, 재배향층(82)은 제6A도에 도시한 바와 같이, 저-굴절율층(81)을 갖는 계면에서 절삭면의 표면을 포함한다. 층(82)에 입사한 광은 입력된 각각의 절삭면(85)의 하나의 면(84)에 의해 굴절된 다음 절삭면(85)의 각각의 제2면(86)에 의해 내부적으로 전반사된다. 본 발명의 하나의 형태로서, 재배향층(82)은 3M 상표인 "투명한 직각 막"(이하 TRAF)일 수 있으며, 이 제품은 3M 사로부터 상업적으로 시판된다. 이 TRAF는 통상의 LCD 백라이팅 응용에서 요구되는 바와 같이, 거의 90도 각도를 통해 입사광을 되돌리는 굴절 및 내부 전반사에 의해 동작된다 종래의 TRAF의 수용 각도는 약 21도인데, 이는 저-굴절율층(81)에 입사하는 광(75)의 큰 부분을 재배향시킬 수 있는 정도로 큰 것이다. 본 발명의 보다 바람직한 형태로서, 절삭면의 각도는 설명한 굴절 메카니즘 외에 내부 전반사에 의해 저-굴절율층(81)에 입사하는 광(75)을 더욱 재배향시키도록 선택된다. 절삭면의 표면(84, 및 86) 중 어느 하나 또는 양자는 출력 각도 분포를 제어할 수 있는 형태로 될 수 있다. 가령, 만곡된 절삭면의 사용을 통해 분포를 더욱 원활히 확대할 수 있고, 획일성을 개선 시킬 수 있는 광 확산 효과를 제공할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 재배향층(82)의 절삭면 각도 표면은 일반적으로 거리의 측면에서 볼때 위치에 따른 관찰 각도 변화를 보상하도록 점진적으로 변경될 수 있다. 이러한 보상 효과의 상세한 설명은 제2M도에 도시한 실시예의 반사성 절삭면층의 설계와 관련하여 앞서 기술되었다. 굴절층 및 굴절/내부 반사층을 포함하는 임의의 절삭면의 재배향층의 설계에도 유사한 원리가 적용될 수 있다. 상기한 점진적으로 변화된 절삭면의 층을 사용하는 실시예들은 제12E(층140), 제12G(층152), 제12H(층 166), 저2K(층 186), 제12N(층 210), 제120(층 228), 및 제12P(층 246)도에 예시되어 있다.
본 발명의 다른 형태로서, 층(66, 81)은 각각 유사하지만 약간 다른 굴절율(n2, n2')를 가질 수 있다. 디바이스(10)의 작동 원리는 제1층(61)과 2개의 층(66, 81)간의 계면과 관련된 임계 각도가 제1층의 수렴각도, 즉
┃arc sin(n2'/n1)-arc sin(n2/n1)1<Φ (7)
이상 차이가 나지 않는 한 실질적으로 유사하게 된다.
따라서, 이 경우에 있어서, 대략 동일한 광의 부분이 총(66, 81)에 입사하고, 재배향층(70, 82) 각각에 의해 처리된다.
본 발명의 모든 형태는 제2C도에 점선으로 표시한 출력 확산층(40) 또는 제 6A도에 도시한 투과성 또는 반투과성 확산층(83)을 더욱 포함할 수 있다. 일반적으로, 이 확산층(40)은 표면 확산기, 볼륨 확산기, 흑은 적어도 원통형 단면을 갖는 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이[렌즈형 어레이(lenticular array)]일 수 있다. 이들 층(40. 83)은 광을 일정하게 증가시키거나 혹은 주변으로 각도 분포를 확대 할 수 있다. 렌즈형 어레이는 표면 또는 볼륨 확산기와 비교하여 낮은-후방 산란을 갖고, 평행한 광이 조사될때 출력 각도의 차단을 급격하게 하기 때문에 유리하다. 또한 렌즈형 어레이는 각각의 원통형 마이크로 렌즈의 축의 일반적인 방향에 미칠수 있는 피쳐들 만을 선별적으로 확산한다.
제10도에 도시한 하나의 바람직한 실시예에서, 광재배향층(110)이 평탄 절삭면(111)을 사용하기 때문에 출력 광의 평행성이 높다. 소정의 출력 각도 분포는 절절한 촛점비를 갖고, 그의 원통형 마이크로렌즈가 대략 y축에 평행한 렌즈형 마이크로 확산기(112)를 포함함으로 더욱 제어된다. 렌즈형 확산기(112)는 또한 y축의 일반적인 방향에 미치는 것으로 나타날 수 있는 비-획일성을 확산시킨다. 이 실시예에서, 제2 렌즈형 확산기(113)는 Z축의 일반적인 방향에 걸쳐 나타날 수 있는 비-획일성을 확산시키도록 포함될 수 있다. 이러한 제2 렌즈형 확산기의 마이크로 렌즈는 Z축에 대략 평행하다(제12H도 및 제12N도 참조). 확산기(112, 113)의 위치 순서가 광학적 이득의 손실없이 변경될 수 있음을 주목할 수 있다. 이와 유사하게, 렌즈형 확산기(112, 113)는 역전될 수 있으며, 제10도에 도시한 블록한 윤곽선보다는 오목한 윤곽선을 가질 수 있다. 이러한 변경이 성능의 전반에 영향을 줄 수 있지만, 여전히 확산층(112, 113)이 상술한 범용 목적의 이점을 제공할 수 있다.
제11도에 도시한 다른 바람직한 실시예에서, 제10도의 평탄 절삭면 광재배향층(110)과 평행한 렌즈형 확산기(112)의 기능은 만곡된 절삭면을 가진 광재배향층(114)(만곡된 절삭면을 나타내는 제2H, 2M 및 3A도 참조)에 의해 행해질 수 있다. 이들 만곡된 절삭면의 층은 광을 재배향하고, 적절한 절삭면의 곡률을 갖추고 있음으로 인해 출력된 각도를 제어하며, y축의 일반적인 방향으로 향하는 비-확일성의 확산기로서 작용한다. 단일 층에서의 이들 기능을 결합함으로써 다수의 부품이 감소되어 두께, 비용, 및 제작 능력이 향상된다. 이 실시예에서, 단일 렌즈형 확산기(115)는 z축의 일반적인 방향으로 지향될 때 나타나는 나머지 비-확일성을 확산시키도록 표함될 수 있다. 렌즈형 확산기 마이크로 렌즈의 이러한 형태는 대략 z축에 평행하게 된다. 렌즈형 확산기(115)는 역전될 수 있으며, 제10도에 도시된 볼록한 윤곽선보다는 오목한 윤곽선을 가질 수 있음을 주목한다. 다시, 이러한 변경은 전반적으로 성능에 영향을 끼칠 수 있지만, 층(114, 115)이 목적한대로 수행된다.
다중 마이크로-구조형층을 사용하는 모든 실시예에 있어서, 전술한 이들층의 절삭면 혹은 소렌즈공간이 바람직하지 못한 무아레 패턴(Moire pattern)을 방지하도록 비-유리수비(rational ratio)를 갖도록 선택될 수 있다. 유사하게, 각 층의 피쳐공간은 액정 디스플레이 혹은 전하-결합 소자 검출기(CCD) 어레이와 같이 장치가 조명될 때 비-유리수 비를 갖도록 설계될 수 있다. 렌즈형 확산기층(113, 112, 115)의 각각은 액정 디스플레이의 충간에서 무아레 상호 작용을 감소시키도록 도면에 도시된 구성으로부터 약 20°까지 경사질 수 있다.
유사한 렌즈형 확산기가 웨지형 단면의 비-웨지 기하학 구조에 사용될 수 있으며, 확산기의 단면이 제10도 및 11도에 도시한 것과 대략 유사한 경우 유사한 이점이 있다. 하나의 예는 제5도에 도시된 테이퍼형 디스크이다. 이 경우에 있어서, 제10도의 층(112)에 유사한 렌즈형 확산기가 회전비의 디스크에 대하여 축이 동심원을 이루는 마이크로렌즈를 갖는다. 제10도의 층(113) 및 제11도의 층(115)에 유사한 확산기는 디스크의 중심축으로부터 축이 방사상으로 뻗는 마이크로 렌즈를 갖는다.
광원 및 결합기
제2A도 및 제2B도에 도시한 본 발명의 보다 바람직한 형태에서, 절삭면의 층(30)은 광을 광학적으로 재배향하기 위해 포함된다. 절삭면(34)은 층(30) 또는 분리 절삭면층에 일체 될 수 있다. 이러한 절삭면층의 동작에 관한 상세한 설명을 후술한다. 제6A도에 다시 도시한 바와 같이, 입사된 절삭면층(74)은 또한 광원(76)과 제1층(61)간에 배치될 수 있다. 절삭면층(74)은 주변으로 보다 밝은 또는 보다 일정한 출력 광(80)을 제공하는 입력광(78)에 평행한 효과를 제공하는 프리즘 절삭면 어레이일 수 있다.
y축에 평행한 선형 프리즘은 입력 개구수를 더욱 일치시키도록 입력 각도를 조정함으로써, 획일성을 개선 시킬 수 있다. x축에 평행한 선형 프리즘은 출력된 횡방향 각도 분포를 제한할 수 있으며, 형광 램프 광원에 사용될 때 출력 밝기를 개선시킨다. 본 발명의 다른 형태로서, 입력광의 확산은 확산기(79)가 광의 확일성을 개선하기 위해 광을 신장시키도록 광의 분포를 확산시키는데 사용될 때 바람직하다. 확산기(79)는 원통형 소렌즈가 y-축에 평행한 렌즈형 어레이가 바람직하다. 확산기(79)는 표준 표면 또는 볼륨 확산기일 수 있으며, 개별 막, 혹은 웨지층(61)에 일체로 결합될 수 있다. 다중 프리즘 혹은 확산기 막은 결합 사용될 수 있다. 확산기(79)의 상기한 막 형태 및 절삭면의 막(74)은 이들 효과를 변경하도록 위치가 상호변경될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에서, CPC 부분(100) (복합 포물선 집속기)을내부적으로 전반사시키는 유전체의 일부분은 광원(76)과 제1층(61) 사이에 배치될수 있다(제2L도, 제12O도 및 제12P도 참조). CPC 부분(100)은 입력 개구수를 더욱 일치시키도록 입력광을 조정한다. CPC 부분(100)은 제1층(61)과 일체로 바람직하게 형성된다.
제7도 및 제8도에 각각 도시된 반사기 소자(92, 94)는 광원(76)으로부터 광-파이프 개구까지 광의 출력을 최대로 하도록 형성되어 배치될 수 있다. 이것은 임의의 되돌아온 광을 부분적으로 흡광하는 광원(76)으로 다시 광의 반사를 최소화하는 것과 등가이다. 광원(76)은 통상 원통형이며, 투명한 유리 외피(93)에 둘러싸이며, 각각은 제7도 및 제8도에 도시한 원형 단면을 갖는다 상기한 광원의 일반적인 예는 형광등 및 긴 필라멘트의 백열등을 포함한다. 광원(76)의 외측 직경은 유리 외피(93)의 내측 직경보다 작거나 동일할 수 있다. 제7도는 광원(76) 주위를 특정한 반사성 폴리머 막을 감고, 상기 막의 각단부에서 웨지층(12)과 접촉하도록 함으로써 형성된 종래의 U자형 반사기(92)를 나타낸다. 반사기 소자(92)는 일반적으로 웨지층(12)과 대향하는 광원(76)의 측면에서 대략 원호의 형태로 형성되고, 대략 직선부분은 상기 원호의 각 단부점과 웨지층(12)을 결합시킨다. 반사기 소자(92)와 웨지층(12)을 결합시키는 방법은 반사기 소자의 단면이 날카로운 코너를 갖고 있지않을 때는 대개 용이하게 달성된다. 일반적으로, 광원(76)은 램프 효율을 저감시킬 수 있는 열적 및 전기적 결합을 최소화하도록 웨지층(12) 또는 반사성 막과 접촉하는 것은 허용되어 있지 않는다.
제8도에 도시한 본 발명의 한 형태에서, 반사기 소자(94)는 유리하게 설계되며, 광원(76)은 이 광원(76)으로 되돌아온 광의 일부분을 최소화하도록 유리하게배치되므로 효율을 향상시킨다. 하나의 바람직할 실시예에서, 적어도 반사기 소자(94)의 일부분은 각 점에서 반사기 소자(94)의 표면에 법선으로 그려진 라인이 광원(76)의 원형 단면에 탄젠트가 되도록 형성된다. 이에 따른 반사기의 형태는 광원(76)의 인볼루트(involute)로서 알려져 있다.
인롤루트가 최대 효율을 제공하지만, 일반적으로 다른 형태가 용이하게 제작될 수 있다. 폴리머 막은 상술한 바와 같이 거의 반원형 원호를 포함하는 평탄한 곡선으로 용이하게 만곡될 수 있다. 광원(76)의 단면과 반사기 소자(92)의 반원형 단면이 제7도에 도시한 바와 같이 동심원을 이를 때, 반사기 소자(92)의 반원형 단면이 모든 입사광선을 광원(76)으로 반사시켜 결국 효율을 저하시키는 것을 알 수 있다. 이러한 불량한 효율이 자체 출장 원형원 및 동심의 반원형 반사기의 일반적인 특징이다. 이러한 일반적인 특징은 간단한 레이-트레이싱(ray-tracing) 또는 스큐 불변 원리로부터 얻어질 수 있다. 반사기 소자(92)가 원형이 아니더라도, 반사기 소자(92)의 각 부분은 광원(76)의 단면이 해당 반사 부분의 곡률 중심 부근을 중심으로 하고 있을 때 광원(76)으로 광을 되돌리는 경향이 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 제8도의 반사기 소자(94)의 단면은 하나 또는 그 이상의 거의 반원형 원호를 포함하고, 효율은 광원(76)의 중심을 반사기 소자(94)의 곡률 중심으로부터 멀리 배치 함으로써 증가된다. 다음의 디자인룰에 의해 상기한 바람직한 실시예를 결정한 레이-트레이싱 및 실험을 나타냈다.
1.반사기 소자(94)의 단면은 웨지층(12) (또는 광 파이프)의 최대 두께와 동등한 x-차원에서의 최대 크기를 갖는다.
2.반사기 소자(94)의 단면은 날카로운 코너를 갖지 않는다.
3.반사기 소자(94)의 곡률 반경은 가능한 커야 한다.
4.광원(76)은 웨지층(12)으로부터 가능한 멀어야 하고, 최악의 제조 변수를 제거하도록 반사기 소자(94)로부터 충분히 떨어져 쓰어야 한다.
제8도는 광원(76)에 대한 상술한 디자인 룰은 만족시키는 결합기의 일례를 나타내는데, 내측 직경은 2mm이고, 외측 직경은 3mm이며, 웨지층(12) (또는 광 파이프)의 두께는 5mm, 제작 허용 오차는 반사기 소자(94)와 유리 외퍼(93)의 외측 직경간에서 0.25mm 공간이 허용된다. 바람직한 실시예의 일례로서, 반사기 소자(94)의 곡률 반경은 2.5mm이며, 광원(76)의 중심은 웨지층(12)의 개구로부터 0.75mm 이격되어 배치되어 있다. 이러한 설계에 따른 결합기는 제7도에 도시된 비교 가능한 동심원형 결합기보다 10-15% 밝음이 밝혀졌다.
전술한 인볼루트 및 U-자형 반사기 소자(92, 94)는 웨지층(12)의 개구로 광을 출력하는데, 각도는 개구의 표면 법선에 대하여 ±90도에 이르도록 설계된다. 다른 바람직한 실시예에서, 반사기 소자(94)는 광을 디바이스(10)의 NA에 근사한 각도 분포로 출력하도록 되어 있다. 제6B도 및 제6C도에 도시한 바와 같이, 반사기 소자(94)와 같은 형태는 다른 기하학 구조, 즉 복합 포물선 소스 반사기(86) 및 비이미징 조명 소스 반사기(88)를 포함할 수 있다. 소스 반사기(88)의 일예는 계류중인 특허원 07/732,982호에 기재되어 있으며 참조로 고려된다.
제6D도, 제12C도, 제12N도 및 제120도에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 웨지층(90)은 웨지형 단면의 다수의 선택된 부분을 통해 비-단조형의 변화하는 웨지의 단면 두께를 갖는다. 이러한 단면의 제어에 의해 출력될 광분포에 대해 제어를 결정할 수 있다. 또한, 광학적 경계 효과 및 고유 광원 효과가 출력 광 분포를 제공하도록 이례적으로 결합될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 일반적으로 입력 광을 수신하는 두꺼운 단부 부근에 웨지층(90)의 실제 크기의 비선형 변화에 웨지 단면을 제공함으로써 이들 변칙성을 보상할 수 있다. 이들 크기의 제어에 의해, 광 분포에 대한 제어를 할 수 있는 또다른 자유도를 가질 수 있고, 또한 임의의 경계효과 또는 광원의 인위 조건을 보상하도록 가시적으로 설계를 제공할 수 있다. 더욱이, 광 분포를 수정하고, 또한 소정의 광 분포 출력을 제공하기 위해 광 입력의 변칙성을 보상하도륵 전술한 방식으로 웨지층(90) 내에서 굴절율을 변화시킬 수 있다.
조명 디바이스의 제작
본 발명의 한 형태로서, 디바이스(10)의 제작은 선택된 접착제 및 적층 공정을 사용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 굴절율(n1)을 갖는 웨지층(12)은 굴절율(n2)을 갖는 제1층(28)에 접착 결합(adhesively bond)된다. 접착층(60)(제3B도 참조)은 제1층(28)의 상부면에 액체 형태로 공급될 수 있고, 층(28)은 웨지층(12)의 하부면에 접착 결합된다. 일반적으로, 다양한 층들의 결합 순서는 임의의 주어진 순서일 수 있다.
층(12)을 층(28) 및 다른 층들에 제공함에 있어서, 제조 공정은 실질적으로 평탄한 계면인 내부 층 계면의 형성을 바람직하게 수용한다. 적절하게 준비되지 않는다면, 이러한 내부 층들은 서로 다른 굴절율을 갖는 층들 상의 각각의 계면이 그들 자체의 특성 임계 각을 갖는 반사 표면으로서 작용할 수 있어서 성능에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 계면이 실질적으로 평탄하다면, 평평하지 않은 표면의 유해한 영향은 무시될 수 있다. 그러므로, 디바이스(10)의 다양한 층들의 적층시, 방법론은 접착제를 사용하고 그리고/또는 상술한 평탄한 계면층들을 제공하는 결합 기술을 사용해야 한다. 적층 공정의 예는 코팅이 한 층에 제공되고 접착제로 제2 층에 결합되고, (다른 층에 결합될 각각의 층 표면상에) 2개의 접착층을 갖는 막 층이 제공되는, 부가적인 접착층 없는 제한 결합(limitation joining)을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 층들의 적층은 위치적인 계면 거칠기(roughness)가 광 분포를 왜곡시키는 소정의 부가적인 내부층 없이 수행된다. 디바이스(10)에 대한 이러한 기하학 구조의 한 예는 웨지층(12)과 제2층(30) 사이의 액체 층일 수 있다. 이 방법은 (액체층과 같은) 제1층(29) 이 접착층으로서 작용하는 경우에 최상으로 수행된다. 한 방법은 디바이스(10)의 다양한 층과 함께 부분적으로 또는 완전히 결합되기 전 또는 후에 접착제를 경화시키도록 선택될 수 있다. 따라서, 광 계면은 웨지층(12)의 하부면과 제2층(30)의 상부면에 의해 한정된다.
코팅이 접착층으로서 사용되는 다른 실시예에서, 제1층(28)은 제2층(30)에 공급된 코팅일 수 있다. 이어서, 코팅막이 코팅막과 웨지층(12) 사이에 접착제를 공급하는 제2 단계에서 웨지층(12)에 적층될 수 있다. 제2층(30)이 전형적으로 연속막롤(roll)의 형태로 공급되므로 웨지층(12)에 직접 공급되기 보다는 제2층(30)에 저굴절율 코팅을 공급하는 것이 바람직하다. 사실, 분리된 조각들을 코팅하는것보다 이러한 연속적인 롤을 코팅하는 것이 비용면에서 효과적이다. 이러한 방법론에 있어서, 공급된 저굴절율층의 두께를 제어하는 것이 보다 편리하다.
다른 실시예에서, 제2층(30)은 부가적인 접착제의 사용없이 직접적으로 제1층(28)에 부착되는 방법으로 제조된다. 예를 들어, 제2층(30)은 제1층(28)에 폴리머 물질층을 공급하여 소정의 제2층 기하학 구조를 갖도록 이 물질을 주조(casting)하므로써 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1층(26)은 제2층(30)의 엠보싱 동안 캐리어 막으로써 사용될 수 있다. 엠보싱 공정 동안 적절한 온도를 사용하여, 제2층(30)이 제1층(28)에 열-융합(heat-fuse)될 수 있다. 이러한 열-융합은 약 500° F 이상에서 엠보싱에 의해 종래의 FEP 제1층 막을 사용하여 달성될 수 있다.
막 및 2개의 접착층을 사용하는 다른 실시예에서, 제1층(28)은 2가지 형태의 계면 사이에 접착제를 사용하여 웨지층(12), 또는 웨지층(12)과 제2층(30) 사이에 적층되는 압출성형(extrude) 막 또는 주조 막일 수 있다. 상술된 유해한 광 스캐터링을 최소화시키기 위해, 접착층은 편편 및 평탄해야 한다. 막은 시판중인, 비싸지 않은 저굴절율 물질로부터 얻을 수 있다. 이러한 부가적인 접착층은 각각의 층들 사이에 접착제를 갖는 다층구조에 의해 강도가 증가될 수 있다.
접착층의 사용은 일반적으로, 웨지층과 제1층 사이의 접착층의 굴절율이 제1층(28)의 굴절율과 가능한 한 비슷한 경우 디바이스(10)의 성능이 최적화된다, 웨지층/접착 계면의 임계각이 가능한 한 작을 때, 광은 디바이스(10)를 빠져나오기 전에 보다 낮은 품질의 막 계면에서 최소 반사를 수행한다. 또한, 막 표면 거칠기의 효과를 감소시키는 제1층 막의 표면에서의 굴절율 변화가 최소화된다.
절삭면의 제조는 마스터 툴(master tool)을 사용하는 몰드(mold)를 마이크로-매칭(micro-mstching)하므로써 달성될 수 있다. 매칭은 적절히 뾰족하게 된 다이아몬드 툴을 룰링(rulling)하므로써 수행될 수 있다. 마스터 툴은 전기주조(electroforming) 또는 주조와 같은 공지된 기술에 의해 복제(replicate)될 수 있다. 각각의 복제 단계는 소정의 표면의 형태를 반전시킨다. 최종 몰드 또는 복제는 제2층(30)의 소정의 형태를 엠보싱하도록 사용될 수 있다. 직접적으로 룰된 표면이 또한 사용될 수 있지만, 상술한 엠보싱 방법이 바람직하다. 공지된 "밀링" 공정은 화학 에칭 기술, 이온 빔 에칭 및 레이저 짐 밀링을 포함할 수 있다.
다른 기계적 제조 방법에서, 절삭면(34)(예를 들어, 제2B도 및 제2M도 참조)은 한 표면상에 소정의 절삭면(34)의 프로필의 반전을 갖는 하드 툴을 사용하여 엠 보싱 또는 주조와 같은 웰딩(welding) 공정에 의해 제조될 수 있다. 그러므로, 제조상의 문제점은 적절한 툴을 매칭하는 문제로 줄어든다. 일반적으로, 매치된 툴은 주조 또는 엠보싱 공정에 실제적으로 사용되는 툴을 형성하기 위한 템플러트(template)로서 사용된다. 툴은 전형적으로 전기주조에 의해 복제된다. 전기주조가 표면 프로필을 반전시키고, 전기주조가 다른 전기주조로부터 만들어질 수 있으므로, 소정 수의 이러한 반전이 달성될 수 있고, 직접적으로 매치된 "마스터"가 절삭면(34) 또는 그 반전 형태를 가질 수 있다.
절삭면(34)용 툴은 커팅 툴과 워크(work) 사이의 거리가 소정의 프로필을 트레이스 아웃(trace out)하기 위해 변화될 수 있는 단일점 다이아몬드 매칭에 의해제조될 수 있다. 다이아몬드 커팅 툴은 매우 예리해야 하지만, 원리적으로는 거의 임의적이 프로필이 생성될 수 있다. 주어진 설계가 또한 커팅 툴의 비제로 반경(non-zero radius)을 달성하기 위해 특정 수정(adaptation)을 요구할 수 있다. 만곡된 절삭면이 요구된다면, 제조를 용이하게 하기 위해 원형 원호가 바람직하다. 커팅 툴은 커팅 기판을 거쳐 이동되어, 툴의 적절한 형태를 갖는 홈을 커트한다. 단일 다이아몬드 툴을 사용하여 전체 조각을 기계가공(machine)하는 것이 바람직하다. 이 방법이 절삭면(34)의 "집속" 형태를 만들기 위해 사용될 때, 다양한 홈 프로필이 동일한 툴에 의해 기계가공될 수 있도록 설게되어야 한다. 요구된 형태 다양성은 여전히 홈 간격 및 깊이 뿐 아니라 툴의 각을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
절삭면(34)은 몇몇 일반적인 제한을 바람직하게 만족한다.
1. 위치의 기능으로서 조명 각 분포의 중심에서의 적절한 선형 변화.
전형적으로 컴퓨터 스크린의 상부에서 하부까지 11도(± 5.5°)의 변화가 효과적이다.
2. 광 출력의 가변 각 분포의 폭은 관측자에게 적절한 균일 휘도를 달성하게 하기 위해 국부적인 조명에 적절하게 비례해야 한다. 아래에 주어진 예는 각코너(angular coner)가 적절한 균일 폭을 갖도록, 공간 분포가 적절히 균일함을 보여준다.
3. 절삭면(38)의 홈들 사이의 간격은 회절 효과를 피하기에 충분히 크거나 불규칙할 뿐만 아니라, 또한 LCD 패널이 사용될 때는 무아레(Moire) 패턴을 피하기위해 선택된다. 사실상, 이러한 조건들은 허용된 공간 변화를 제한한다.
예를 들어, 디바이스(10)의 제조시, 관측각은 절삭면(38) 각각의 기울기 및 곡률에 의존한다. 집속은 위치의 함수로서 절삭면 구조를 회전시킴으로써 달성된다.
예로서 150 mm에서 500mm까지의 스크린 사용시, 조명 콘은 상부에서 하부까지 17도(즉, ± 8.5°) 정도 변화될 수 있다. 아크릴 및 FEP와 같은 전형적인 물질에서는, 절삭면 구조는 스크린(89)(제9B도 참조)이 상부에서 하부까지 약 5.7도 만큼 회전할 것을 요구한다.
제한 (1)-(3)이 조합될 때, 설계 제한은 단-일 툴로 가변 만곡 홈을 기계가공할 필요가 있게 된다. 예를 들어, 일정 커팅 길이에서 일정한 각 폭을 유지(제한 #1)하는 것은 홈 간격 또는 홈 깊이의 보상 변경을 필요로 한다. 특히, 홈 간격의 선형 변화는 홈을 커트하는 툴 형태가 각각의 만곡 반사기 절삭면(제2M도 참조)의 위치가 인접 절삭면의 상부 에지에 의해 섀도우(shadow)되도록 형성될 때 무시할 수 있는 레벨로 회도 변화를 감소시킬 수 있다. 이러한 간격 변화는 제한 #3을 만족하기에 충분히 작을 수 있다.
다른 제조 방법은 제1층(28)의 증착, 스퍼터링 또는 이온 빔 피착을 포함하는데, 이는 제1층이 상술한 것처럼 상당히 얇기 때문이다. 유사하게, (마스킹 및 층피착에 의해) 제2층(30)이 제2B도에 도시된 절삭면층(30)을 형성하기 위해 제어가능하도록 제공될 수 있다.
간단한 콜리메이터 디바이스로서의 웨지 광 파이프
가장 일반적인 실시예에서, 웨지층(12)은 조합의 내용에서 간단한 콜리메이팅 광 소자로서 기능할 수 있다. 실질적으로 투명 웨지층(12)은 광 굴절율(n1), 및 적어도 하나의 경사각 Φ(제15도 참조)을 확정하기 위해 수렴하는 상부면(14) 및 하부면(16)을 갖는다. 웨지층(12)은 또한 상부면(14) 및 하부면(16)을 스패닝(spanning)하는 배면(20)을 포함한다. 공극을 포함하여 굴절율(n2)을 갖는 투명 제1층(28)이 웨지층(12)에 인접한다. 제2층(30)의 절삭면(34)과 같은 거울 반사층이 제1층(28)에 인접해 있다.
실질적으로 콜리메이트되지 않은 광은 소스(22)에 의해 배면(20)을 통과한다. 광은 입사각이 임계각(θc)보다 적어질 때까지 상부면 및 하부면(14 및 16)에 대해 그 입사각을 줄여가는 각각의 광선(ray)으로 웨지층(12)내에서 진행한다. 각이 (θc)보다 적어지면, 광선은 주위로 빠져나온다. 하부면(16)을 통해 빠져나온 광선은 웨지층(12)으로 재반사되어 주위로 출력된다. 상술된 각 필터링 효과에 의해, 출력 광은 각 폭의 콘내에서 콜리메이트된다.
(프레넬 반사는 Δθ만큼 다소 증가할 것이다.) (8)
영역 (99)은 웨지층(12)의 단부를 넘어서(beyond), 실질적으로 상기에 정의된 폭(Δθ)의 콘 내부에 놓여져 조명될 것이다.
다른 바람직한 실시예에서, 광 재배향 수단은 웨지층(12)의 단부를 넘어서, 실질적으로 상기에 정의된 폭(Δθ)의 콘 내부에 위치된다. 광 재배향 수단은 렌즈, 평면형 거울 반사기 또는 만곡 반사기일 수 있다. 광 재배향 수단은 조명될 영역으로 광을 반사 또는 굴절시킨다. 더 상세히, 렌즈형 확산기와 같은 재배향 수단의 사용은 후술될 것이다.
2개의 공극 또는 투명 유전체층을 갖는 제6도의 실시예에서, 광 재배향층은 독립적이므로, 다른 형태의 층을 갖는 디바이스를 구성할 수 있다. 예를 들어, 2개의 투과성 재배향층의 사용은 광이 디바이스(10)의 양 측으로부터 방출되는 경우, 또는 최대 콜리메이션이 필요한 경우에 바람직하다. 2개의 재배향층에 대한 모든 발명에서 일반적인 재배향층(82)의 예는 제12도의 예를 포함할 수 있다; (a)제12A도의 회절 격자(120) 또는 홀로그램(122), (b) 제12B도의 확산기(126)를 갖는 2개의 굴절 절삭면층(124), (c) 웨지층(12)으로부터의 광 출력을 굴절 또는 내부 반사하도록 설계된 절삭면(130)을 갖는 2개의 절삭면층(128); 이러한 절삭면(130)은 굴절에 의해서만 가능한 것 이외에도 큰 각을 통해 광 출력을 전향(turning)시킬 수 있다; (d) 2개의 굴절 단일 절삭면층(132; 프리즘), (e) 접속용 만곡 출력면(136)을 갖는 굴절 단일 절삭면층(134)을 갖는 웨지층(12)용 상부면 재배향층; 하부층(138)은 절삭면층(140)을 사용하여 광을 굴절 및 내부 반사시키기 위한 재배향층을 포함한다; 절삭면 각은 F에서 광 출력(142)을 접속시키기 위한 위치로 변화된다; (f) 절삭면층(146)으로 구성된 상부면 재배향층(144) 및 광의 좁은 각 출력을 갖는 굴절/내부 반사층(148)과 확산층(150)으로 구성된 하부 재배향층(144)이 광 출력 각 분포를 평탄하게 확장시키기 위해 부가될 수 있다, (g) 출력 각 분포를 확장시키기 위해 볼록 만곡된굴절 표면(154)을 갖는 굴절/내부 반사 절삭면층(152)의 상부면 재배향층; 절삭면 각은 위치가 변화될 수 있으므로 유한 거리에서 바람직한 관측 영역을 생성하기 위해 광 출력 각 콘을 선택적으로 지정한다; 이러한 정렬은 만곡된 절삭면층(152)에 의해 제거될 수 없는 비균일성(nonuniformities)을 확산시키기 위해 횡방향 렌즈형 확산기(156)를 더 포함할 수 있다; 하부 재배향층은 제어된 방식으로 광 출력 각 분포를 확장시키기 위해 오목 만곡될 반사 표면(160)을 갖는 굴절/내부 반사 절삭면층(158)을 포함한다; (h) 제어된 방식으로 출력 각 분포를 확장시키고 균일성을 향상시키기 위해 만곡된 절삭면(164)을 갖는 굴절 절삭면층(162)을 포함하는 상무 재배향층; 유한 거리에서 출력 광을 집속시키기 위해 위치가 변화된 절삭면 기하학 구조를 갖는 좁은 각 출력용 평면 절삭면(168)을 갖는 굴절/내부 반사 절삭면층(166)을 포함하는 하부 재배향층; 평행 렌즈형 확산기(170)는 제어된 방식으로 출력 각 분포를 평탄하게 확장시키고 균일성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다; 점선으로 도시된 투명 이미지는 인쇄되거나 또는 렌즈형 확산기에 접착성있게 기초될 수 있고, 횡방향 렌즈형 확산기(172)는 평행 렌즈형 확산기(170)에 의해 제거되지 않는 비균일성을 확산시키기 위해 사용된다. 집속된 평면 절삭면층(166)과 확산기(170)의 조합은 집속된 만곡 절삭면을 사용하는 것과 유사하게, 유한 거리에서 바람직한 관측 영역을 생성하기 위해 사용된다. 또한, LCD 부품(173)(점선 도시)이 조명용으로 다른 형태의 디바이스(10)를 사용가능하다는 것이 도시된다.
다른 구성에서, 하나의 투과성 재배향층과 하나의 반사성 재배향층이 조합될 수 있다. 이것은 기술된 반사성 재배향층과 다양한 형태의 투과성 재배향층과의 조합이다. 반사적이 재배향층은 거울, 부분 확산, 확산 절삭면 또는 이들의 조합일수 있다. 이들 구성은 광이 한 측에서만 방출하도록 설계되는 경우 또는 최소 비용이 주요 관점인 경우에 바람직하다; (i) 상부층 투과 회절 격자 또는 투과 홀로그램(176)과 조합된 하부면 거울 반사기(174), (j) 상부면 굴절 절삭면층(180), 확산기(182)(제12도에 점선으로 도시됨) 및 사이에 개재한 이미지 형성층(171)과 조합된 하부면 거울 반사기(178), (k) 유한 거리에서 출력 광을 집속하기 위한 위치로 변화된 절삭면 기하학 구조를 갖는, 상부층 굴절/내부 반사 절삭면층(186)을 갖는 하부층 거울 반사기(184); 확산기(188)는 점선으로 도시된다; (1) 상부층 굴절/내부 반사 절삭면층(190)을 갖는 하부층 거울 반사기(190), 및 만곡 절삭면(194)은 제어된 방식으로 광의 각 출력을 평탄하게 확장시키고 균일성을 향상시키기 위해 사용된다; 웨지층(12)의 두께, 및 상부면 및 하부면 저 굴절율층(196)(예를 들어, 공극)의 두께는 광출력 공간 분포에 영향을 미치도록 변한다; (m) 하부 반사기(198)는 부분 거울이고, 부분 확산기는 균일성을 향상시키기 위해 부분 확산한다; 제12M도는 초기 반사기부분이 일체형 렌즈형 확산기(200)의 부가에 의해 제어가능한 확산을 이루는 것을 도시한다; 확산기(200)는 두꺼운 단부 근처의 출력에 다르게 나타나고, y-축의 일반적인 방향으로 주행하는 비균일성을 선택적으로 감소시키도록 설계된다; 또한, 굴절/내부 반사이고, 만곡된 반사 표면을 갖는 상부 재배향층(202)이 포함된다, (n) 균일성을 향상시키기 위한 부분 거울, 부분 확산기인 하부 반사층(204); 제12N도는 거울성을 감소시키기 위해 약간 거칠어져, 두꺼운 단부(208) 근처의 출력에 다르게 나타나는 비균일성을 선택적으로 감소시키는 초기 반사기 부분(206)을 도시한다; 상부 재배향층(210)은 평면 절삭면층(212)으로굴절/내부 반사되는데 사용되고, 절삭면 기하학 구조 유한 거리에서 각각의 절삭면로부터 공통 집속로 광을 재배향시키기 위해 변화된다; 횡방향 렌즈형 확산기(213)는 점선으로 도시된다; 평행 렌즈형 확산기(214)는 평면 절삭면층(212)의 초점 영역을 보다 넓은 바람직한 관측 영역으로 변환시키는, 제어된 방식으로 출력 각 분포를 평탄하게 확장시키기 위해 사용된다; 렌즈형 확산기(213)는 또한 균일성을 향상시킨다; LCD 디스플레이(216) 또는 다른 투명이미지는 점선으로 도시된다, (o) 바람직한 실시예에서, 편심(eccentric) 커플러(218)는 제12O도에 점선으로 도시된 균일성 향상 렌즈형 확산기(220)를 사용한다 수렴 테이퍼형 부분(222) 또는 CPC(웨지층에 통합)는 웨지층(12)의 입력 N.A.를 더 밀접하게 매치하기 위해 출력 각 분포를 변형한다. 웨지층(12)의 두께는 출력 공간 분포에 영향을 미치고, 균일성을 향상시키기 위해 원활하게 변화된다; 하부 재배향층(224)은 거울 또는 부분 디퓨즈 반사기이다; 상부 재배향층(226)은 제어된 방식으로 출력 각을 평탄하게 확장하기 위해 오목 만곡된 반사 표면(230)을 갖는 굴절/내부반사 절삭면층(228)이다; 절삭면 기하학 구조는 유한 거리에서 바람직한 관측 영역(232)을 생성하기 위해 각각의 면(face)으로부터 광의 각뿔을 선택적으로 지정하기 위한 위치로 변화된다; 횡방향 렌즈형 확산기(234)는 점선으로 도시된다; LCD 디스플레이(236) 또는 다른 투명 이미지도 또한 점선으로 도시된다; 다른 수렴 N.A. 매칭 부분은 절삭면 재배향층과 조합에 유리한데, 이는 재배향 및 저굴절율 층이 더 이상의 컨버징 부분을 필요로 하지 않기 때문이다; 그러므로, 디바이스(10)의 입력 개구(및 효율)는 디바이스의 전체 두께를 최소로 증가시키면서 증가된다; (p) LCD 백라이트에 대한 다른 바람직한 실시예는 제12P도에 점선으로 도시된 균일성 향상 확산기를 갖는 편심 커플러를 사용한다; 수렴 1/2-테이퍼형 부분(240) 또는 1/2-CPC[웨지층(12)에 통합]은 웨지층(12)의 입력 N.A.에 더 밀접하게 매치하도록 커플러 출력 각 분포를 변형한다. 확산기(239)(점선으로 도시)는 또한 광원(217)과 웨지층(12) 사이에 삽입될 수 있다. 충분히 잘려진(truncated) 1/2-CPC(240)은 단지 간단한 테이퍼형 부분이다. 부분 거울이고, 부분 확산인 하부 반사기(242)가 균일성을 향상시키기 위해 사용된다; 제12P도는 또한 거울성을 감소시키기 위해 조금 거칠어지거나, 다르게는 일련의 평행 반사 홈들로 형성되어, 두꺼운 단부 근처의 출력내에 다르게 나타나는 비균일성을 선택적으로 감소시키는 초기 반사기부(244)를 나타낸다; 상부 재배향층(246)은 제어된 방식으로 출력 각을 평탄하게 확장시키기 위해 오목 만곡된 굴절면(250)을 갖는 굴절/내부 반사 절삭면층(248)이다; 절삭면 기하학구조는 유한 거리에서 바람직한 관측 영역을 생성하기 위해 각각의 절삭면로부터의 광의 각뿔을 선택적으로 지정하기 위한 위치로 변환된다; 횡방향 렌즈형 확산기(252)는 점선으로 도시된다. 또한, LCD 디스플레이(254) 또는 다른 투명 이미지도 점선으로 도시 된다.
[1/2 테이퍼형 부분(240)과 같은] 수렴 N.A. 매칭 부분은 절삭면 반사층과의 조합이 유리한데, 이는 재배향 및 저굴절율층이 더 이상의 수렴 부분을 필요로 하지않기 때문이다; 그러므로, 디바이스(10)의 광-수용 개구는 디바이스의 전체 두께를 증가시키지 않고 증가된다. 또한, 제12O도에 도시된 풀(full)-테이퍼형 부분(222)에 의해 장점이 있다; 그러나, 제12P도에 도시된 1/2-테이퍼형 부분(240)과의 비교는 N.A. 매칭 효과를 동일하게 하기 위해 테이퍼의 방향으로 긴 것을 희생시켜 한 측에 대한 더 큰 두께 감소를 제공한다. 상부면 저굴절율층이 균일성을 향상시키기 위해 두껍게 만들어질 수 있기 때문에, 도시된 바와 같이, 한 측으로 두께 감소를 집중시키는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 코너 주위의 반사막을 만곡시킬 필요 없이 하부 반사층이 커플러 반사기 공동에 통합될 수 있기 때문에 용이하게 제조될 수 있다; (q) 하부 거울 또는 확산 반사기층(256)은 다른 실시예에서 단일 절삭면 굴절 상부층(258)과 조합될 수 있다(제12Q도 참조), (r) 내부 광 사용의 경우, 쌍봉형 "배트-윙(bat-wing)" 각 광 분포(260)가 바람직하다; 제12R도는 절삭면(264)을 갖고 있으며, 각 출력을 평탄하게 확장시키고, 포워드 4분면으로 일차적으로 지향된 출력광으로 균일성을 향상시키기 위해 만곡된 정면(266)을 갖는 상부 굴절층(262)을 도시한다; 하부 반사층(268)은 실질적으로 백워드 4분면으로 지향된 광출력으로, 상부 재배향층의 배면을 통해 일차적으로 광을 반사시킨다.
본 기술 분야에서 이해할 수 있듯이, 도면에서 도시된 다양한 소자는 테이퍼형 조명 디바이스내의 소자들과의 조합으로 사용될 수 있다. 2개의 이러한 조합 기하학 구조의 예는 제13도 및 제14도에 도시되는데, 각각의 도면은 또한 도시된 기하학 구조에 대해 특정한 도면을 포함한다. 제13도에 도시된 바와 같이, 2개의 웨지(276)가 조합되어 통합적으로 형성된다 이 조합은 동일한 범위(extent)를 갖는 단일 웨지보다 높은 휘도를 제공할 수 있는데, 이는 2개의 광원이 동일한 전체 영역에 광을 공급할 수 있게 하기 때문이다. 이 디바이스에서는 휘도가 증가하지만, 효율은 유사한데, 이는 2개의 광원이 또한 1개의 광원에서 필요한 전력의 2배를 필요로 하기 때문이다. 절삭면(274)을 갖는 재배향 막(272)은 도시된 것처럼 양 방향으로부터 광을 받아들이는 단일 대칭 설계일 수 있다, 다르게는, 재배향 막(272)은 버터플라이의 각각의 윙에 대해 다르게 설계될 수 있다.
제14도는 제5도에 도시된 바와 같이, 테이퍼형 디스크(270)의 3차원 렌디션(rendition)을 도시하고, 다양한 층들의 외형을 도시하기 위해 나누어졌다. 절삭면 재배향층(280)은 테이퍼형 광 파이프부(284) 위에 놓인 동심원 절삭면(282)을 포함한다. 광 파이프부(284)의 축에서 갭 위에 놓인 광원(288) 바로 위에는 재배향층(280)이 렌즈 형태[예를 들어, 프레넬 렌즈(280)]을 취하고 있다. 광원(288) 바로 아래에는 광이탈(escaping) 방지하고, 광 파이프부(284)내로 또는 렌즈를 통해서 광을 재배향시키기 위해 반사기(290)가 위치된다. 적어도 하나의 개구가 와이어 또는 광파이프와 같이, 소자의 통과를 허용하기 위해 반사기내에 제공된다.
이미징 또는 착색된 층의 사용
본 발명의 모든 실시예는 이미지를 형성하기 위해 다양한 투과성을 갖는, 또는 적어도 각 출력 부분에 칼라를 제공한 하나 이상의 층을 사용할 수 있다. 이미지 형성층은 종래의 투명 디스플레이와 같은 정적 이미지, 또는 액정 디스플레이와 같이 선택적으로 제어된 이미지를 포함할 수 있다. 이미지 형성 또는 칼라-제공(color-impart)층은 재배향층들 중 하나 위에 놓일 수 있거나, 다르게는 저굴절율층들 중 하나와 연관 재배향층간의 중간층, 또는 재배향층의 내부 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 이미지 형성층(129)은 제12C도 및 제12G도에 점선으로 도시된다. 내부 이미지 형성층(171)은 제12H도 및 12J도에 도시된다.
하나의 바람직한 실시예에서, (129 및 170과 같은) 이미지 형성층은 폴리머-분포 액정(PDLC)층이다. 층들의 적절한 정렬에 의해, 이미지 또는 칼라는 출력 각 분포의 선택된 부분내에서 디바이스로부터 투영될 수 있다. 이미지 또는 선택된 칼라는 실질적으로 출력 각 분포의 나머지 부분이 거의 없을 수 있다.
LCD 패널 조명을 위한 쌍봉형 반사 웨지
몇몇 응용에서, 선택적으로 주위 광을 이용하거나 백 라이팅을 활성화시킴으로써 단일 LCD 패널을 조명하는 것이 바람직하다. 이들 응용에서, 주위 조명은 디스플레이에 의해 전력 소모를 최소화시키기 위해 월-릿 환경(well-lit environment)에서 선택된다. 유용한 환경적인 조명이 적절한 디스플레이 품질을 제공하기에 너무 낮다면 활성 백라이팅이 선택된다. 이러한 선택적 바이모달 동작 모드는 활성모드에서 LCD를 효과적으로 백라이팅할 수 있고, 다른 주위 모드에서 주위 광을 효과적으로 반사시킬 수 있는 백-조명 유닛을 필요로 한다.
가장 널리 보급된 종래 기술의 바이모달 액정 디스플레이는 제16B도에 도시된 것과 같은 "트랜스플렉티브(transflective) 디스플레이"(101)이다. 이 방법은 부분 반사성 및 부분 투과성인 중간층(104)이 있는, 종래의 백라이트(102) 및 투과성 LCD 패널(103)을 사용한다. 적절한 주위 모드 성능을 달성하기 위해, 전형적으로 중간층(104)의 반사율이 80-90%로 되는 것이 필수적이다. 이러한 최종 저 투과성은 트랜스리플렉티브 디스플레이(101)를 동작의 활성 모드에서 소용없게 만든다.
본 발명의 다른 실시예는 제17도에 도시된다. 이 실시예는 종래 기술의 트랜스리플렉티브 디스플레이보다 활성 모드에서 성능이 우수하며, 주위 모드에서는 필적할 만한 성능이란 것을 증명한다. 이 실시예에서, 하부면(16)을 갖는 웨지층(12)(굴절율 = n1)은 공극일 수 있는, 굴절율 n2< n1인 투명층(28)에 결합된다. n2층은 부분 디퓨즈 반사기층(105)에 결합된다. 예를 들어, 반사기층(105)은 제16A도에 도시된 바와 같이, 주위 모드에서만 사용된 종래의 LCD 패널내에 사용된 반사기와 양호하게 유사하다. 거의 y-축에 평행한 마이크로렌즈를 갖는 렌즈형 확산기와 같은, 절삭면 재배향층(106)이 웨지층 상부면(14) 위에 놓인다. 액정 디스플레이 패널(107)은 절삭면 재배향층(106) 위에 있다 웨지층(12)의 배면(20)은 광원(22)에 결합된다.
렌즈형 재배향층(106) 및 웨지층(12)은 입사광 및 반사광에 실질적으로 투명하여, 주위 모드에서 디바이스(10)가 종래의 주위 모드 디스플레이(ambient-mode-only display)에서와 유사한 방식으로 동작한다 활성 모드가 선택된 경우, 광원(22)은 활성화되고, 상술한 것과 같이, 다중층은 굴절율들과 수렴 각들 사이의 관계에 의해 디바이스(10) 위로 실질적으로 균일한 광을 확산시키기 위해 작용한다. 최종 균일 조명은 웨지층(12)의 상부면(14)을 통해 방출된다. 바람직한 실시예에서, 반사기층(105)은 주위 모드 성능을 최대화시키기 위해 거의 거울형이다.이러한 바람직한 실시예에서, 상부면으로부터 방출된 광은 LCD 디스플레이 패널(107)에 의해 투과되기에 부적절한, 큰 그레이징(grazing) 각으로 방출된다. 재배향층(106)은 굴절과 내부 전반사의 조합에 의해 이 광의 굴절을 재배향시킨다. 재배 향층(106)은 바람직하게 적어도 광의 10-20%가 LCD 법선으로부터 30도 이하의 각으로 재배향되도록 설계되는데, 이는 전형적으로 LCD 투과성이 이 각 범위에서 가장 높기 때문이다. 이것은 종래 기술의 트랜스리플렉티브 디스플레이가 동작의 활성 모드에서 상당히 효과적이지 않기 때문에, 적절한 각 내에서 백-조명의 굴절만을 지정하기에 충분하다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허청구 범위에 설명된 본 발명의 광의의 범위로부터 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 수정예가 본 기술 분야의 숙련된 기술자들에게는 가능할 것이다.

Claims (70)

  1. 광원으로부터 광을 집광하여 이 광을 선택적으로 출력하기 위한 광학 디바이스에 있어서,
    상기 광원으로부터 광을 수신할 수 있고 n1의 광 굴절율을 가지며 적어도 하나의 경사각를 정의 하도록 수렴하는 상 및 하층면들을 포함하는 제1층 - 상기제1층은 상기 상 및 하층면들을 연결하는 배면을 포함하고, 거기서 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들중 적어도 하나의 법선에 대한 반사각을 감소시키고 상기 법선에 대한 임계각 θc보다 작은 반사각을 실현할 때 상기 광이 상기 제1층으로부터 빠져 나옴 -;
    상기 제1층의 상기 하층면 밑에 있는 공극을 포함하고 있으며 상기 제1층으로부터 수신된 광의 투과를 허용하기 위한 유효 광 굴절을 n2를 갖는 층 수단; 및
    상기 층 수단의 위에 있거나 밑에 있는 적어도 하나의 광 재배향 수단 - 상기 재배향 수단은 상기 층 수단으로부터 출력된 광을 선택적으로 재배향(redirecting)하기 위해 상기 재배향 수단의 두께를 가로질러 광의 투과를 허용함 - 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 층 수단 및 상기 하층면 밑에 있는 상기 광 재배향 수단은 자신을 가로질러 투과된 광을 반사시키며, 상기 광은 상기 광 재배향 수단,상기 층 수단, 및 상기 제1층을 통해 역반사되어, 상기 광 재배향 수단 위에 있는 상기 상층면을 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 2 ½(n2-1)¼와 거의 같은 원뿔각 폭 Δθ를 갖는 콜리메이트된 광(collimated light) 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 광을 광학적으로 재배향하며, (a) 상기 광원과 상기 제1층 사이, (b) 상기 제1층의 위, 및 (c) 상기 광 재배향 수단의 밑 중에서 적어도 한 곳에 위치한 절삭면 부분(faceted portion)을 갖고 있는 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, (a) 상기 광원과 상기 제1층 사이에 배치된 확산층, (b) 상기 제1층 위에 있는 확산층, (c) 상기 광 재배향 수단 밑에 있는 확산층, 및 (d) 적어도 상기 제1층의 개구수(numerical aperture)를 충족(filling)시키는 수단 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 광 굴절율 n3을 갖고, 굴절율들은 다음 조합들중 하나를 갖는데, 상기 조합들은 n3>n2; n2<n1≤n3; n1~1.5, n2<1.5, n3≥n1; n1은 약 1.4~1.7, n2<1.4 및 n3>1.45; n2는 약 1인 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 상기 제1층에 입력된 광을 상기 하층면으로부터 그리고 상기 광 재배향 수단을 통해 주변에 우선적으로 출력되게 하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  8. 광원으로부터 광을 집광하여 관측자에게 광을 선택적으로 출력하기 위한 광학 디바이스에 있어서,
    웨지형 단면을 갖고 n1의 광 굴절율을 가지며 적어도 하나의 경사각를 정의하도록 수렴되는 상 및 하층면들을 포함하는 제1층 - 상기 제1층은 상기 상 및 하층면들을 연결하는 배면을 더 포함하고, 거기서 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들중 적어도 한 면의 법선에 대한 반사각을 감소시키고 상기 법선에 대한 임계각 θc보다 작은 반사각을 달성할 때 상기 광이 상기 제1층으로부터 빠져 나옴 -;
    상기 제1층의 상기 하부면 밑에 있으며, 상기 제1층 내의 광이 상기 제1층과 상기 공극층 사이의 계면(interface) 특성을 나타내는 임계 입사각보다 작은 반사각을 이를 때 상기 하부 웨지면으로부터 광이 들어가게 되는 공극층; 및
    상기 공극층 밑에 있으며, 공간적으로 균일한 밀도의 각도 범위에 걸쳐 사용자에 의해 관측하기 위하여 제어된 각도 출력 분포에 대해 상기 공극층을 가로질러광을 전송하는 광 재배향 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 상기 공극을 덮는 층을 포함하고, 또한 출력을 위해 상기 제1층 및 상기 공극을 통해 광을 반사시키기 위한 반사층도 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  10. 제8항에 있어서, (a) 상기 상층면 위, (b) 상기 광원과 상기 제1층사이, 및 (c) 상기 광 재배향 수단 밑 중에서 적어도 한 곳에 광 확산 소자(light diffuser element)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 제어된 각도 분포에 대해 광을 광학적으로 재배향하기 위한 절삭면층 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  12. 제8항에 있어서, 상기 공극층은 외부 지지대(external support), 및 상기 제1층과 상기 광 재배향 수단 사이에 있는 내부층 지지대 중 적어도 하나에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  13. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 상기 제1층은 상기 공극층에 의해 분리된 관련 절삭면층을 포함하고, 상기 층은 상기 상층면 위에 삽입형(intervening) 공극층을 포함하고 있는 절삭면 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  14. 제8항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 거울 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  15. 제8항에 있어서, 상기 제1층의 상기 상부면 위에 배치된 추가의 광 재배향수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 상기 제1층의 상기 상부면 위에 배치된 추가의 지지된 공극층(supported air gap), 및 상기 공극층 밑의 절삭면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  17. 제15항에 있어서, 상기 광 재배향 수단 및 상기 추가의 광 재배향수단 중 적어도 하나는, (a) 서로 상이한 절삭면 만곡 및 (b) 거의 같은 절삭면 만곡 중 적어도 하나를 갖는 다수의 절삭면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 추가의 광 재배향 수단은 주변에 출력된 광의 제어된 각도 분포를 위해 광을 광학적으로 집속시키기 위한 절삭면 표면을 갖는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, n1은 약 1.5이고, 상기 공극층과 상기 추가의 공극층은 단일 광 굴절율을 가지며, 절삭면 표면을 갖는 상기 층은 약 1.48 내지 1.60의 n3값을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  20. 인코히런트(incoherent)이고 콜리메이트되지 않은 광원으로부터의 광을 포함하는 광을 집광할 수 있으며 이 광을 선택적으로 출력하기 위한 광학 디바이스에 있어서,
    상기 광원으로부터의 광을 수신할 수 있는 입력 표면과 n1의 광 굴절율을 가지며, 상기 입력 표면에 의해 수렴성 상 및 하층면들을 포함하여 두께가 두꺼운 제1층 단부를 형성하는 제1층 - 상기 제1층은, 상기 상 및 하층면들중 적어도 하나에 대해 가변 슬로프(varying slope)를 포함하고 상기 가변 슬로프는 상기 제1층의 수점성 및/또는 발산성 부분을 포함할 수 있으며, 또한 거기서 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들중 적어도 한 면의 법선에 대한 반사각을 감소시키고 상기 법선에 대해 임계각 θc보다 작은 반사각을 이를 때 상기 광이 상기 제1층을 빠져 나옴 -;
    상기 제1층의 상기 하층면 밑에 있으며 n2의 광 굴절율을 갖는 층 수단; 및
    상기 층 수단으로부터 수신된 광을 선택적으로 반사 및 전송하기 위해 상기 층 수단 밑에 있는 광 재배향 수단 - 상기 광 재배향 수단은 상기 가변 슬로프 제1층과 상기 광 재배향 수단중의 적어도 하나가 제어된 각도와 공간적으로 균일한 광 출력을 주변에 제공함 -
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  21. 인코히런트이고 콜리메이트되지 않은 광원으로부터의 광을 포함하는 광을 수광할 수 있으며 이 광을 선택적으로 출력하는 광학 디바이스에 있어서,
    n1의 광 굴절율을 갖는 제1층 - 상기 제1층은 하층면 쪽으로 수렴되는 상부 층, 및 두께가 두꺼운 제1층 단부를 형성하는 입력 단부면을 정하기 위해서 상 및 하층면들을 연결하는 입력 표면을 포함함 -;
    적어도 상기 제1층의 상기 하층면 밑에 있는 공극층 -상기 공극층은, 상기 하층면과 공극층 사이의 계면 특성을 나타내는 상기 제1층에서의 광에 대한 입사 임계각 θc를 생성하여, 상기 제1층에서 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들중 적어도 한 면의 법선에 대한 반사각을 감소시켜 상기 법선에 대한 임계각 θc보다 작은 반사각에 이르게 될 때, 상기 광을 상기 공극층에 들어가게 함 -; 및
    상기 공극을 통해 상기 제1층으로부터 수신된 광을 반사시키기 위해 상기 공극층 밑에 있는 광 반사 수단 - 상기 광 반사 수단은 제어된 각도 분포에 대해 출력을 위한 광 빔을 주변에 형성하도록 상기 제1층 및 상기 공극과 협동(cooperating)함 -
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, (a) 상부 웨지 표면, 및 (b) 상기 입력 단부면중의 적어도하나에 인접 배치된 광 재배향 수단을 더 포함하고, 상기 입력 단부면의 상기 광 재배향 수단은 상기 제1층의 개구수를 적어도 충족시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 절삭면 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  24. 제21항에 있어서, 제어된 각도 분포의 상기 빔은 상기 상층면으로부터의 출력의 평균 각도로부터 약 ±30° 범위 내의 각도에 걸쳐 확산되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  25. 제23항에 있어서, 상기 절삭면 부분은 (a) 상기 다수의 절삭면들이 프레넬 포물선(Fresnel parabola) 및/또는 프레넬 실린더의 단면을 포함하는 층을 형성하도록 절삭면 각도가 점진적으로 변하는 절삭면들, (b) 특정 각도 분포의 소정의 원뿔형 광을 생성하도록 구성된 각각의 상기 절삭면, 및 (c) 선택가능한 평평하고 곡선 모양의 절삭면 기하학 구조의 각각의 상기 절삭면 중에서 적어도 하나를 갖는 다수의 절삭면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  26. 제21항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 광원을 수취하기 위한 중앙 수직 통로를 갖는 웨지형 디스크의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  27. 광원으로부터의 인코히런트이고 콜리메이트되지 않은 광을 포함하는 광을 집광할 수 있으며 이 광을 선택적으로 출력하는 광학 디바이스에 있어서,
    n1의 광 굴절율을 갖는 제1층 - 상기 제1층은 배면 및 n2의 광 굴절율을 갖는 가스 함유 갭에 인접하여 위치한 수렴성 상 및 하층면들을 포함하며, 상기 제1층에서 반사되는 광이 상기 하층면의 법선에 대한 그의 각도를 감소시켜, 상기 하층면과 상기 가스 함유 갭 사이의 계면 특성을 나타내는, 상기 법선에 대한 입사 임계각 θc보다 작은 반사각을 이룰 때, 상기 갭에 들어가는 상기 제1층의 상기 배면을 통해 입력된 광을 포함함 -; 및
    상기 가스 함유 갭 밑에 있는 광 재배향 수단 - 상기 광 재배향 수단은 상기 제1층으로부터 출력된 광을 선택적으로 반사시켜 상기 상층면으로부터 광을 출력시키며, 또한 상기 제1층으로부터 출력된 광을 접속시키기 위한 수단을 더 포함함 -
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  28. 제27항에 있어서, 상기 접속 수단은 곡선 모양의 광 재배향 수단, 및 특별히 선택된 집속을 제공하기 위해 특별한 절삭면 모서리(angularity)를 갖는 절삭면 부분중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  29. 제28항에 있어서, 상기 집속 수단은 상기 상층면의 단부들로부터의 광을 상기 상층면으로부터 출력된 광의 중심각으로 접속시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  30. 제28항에 있어서, 상기 절삭면 부분의 절삭면들은 상기 접속 수단의 최단부들 상의 절삭면들에 대해 상이한 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  31. 제28항에 있어서, 상기 집속 수단은 상기 집속 수단의 상이한 부분들로부터 출력된 광의 중첩을 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  32. 제28항에 있어서, 상기 절삭면 부분은 (a) 선택된 관측 거리에서 증가된 광 중첩, (b) 양호한 관측 출력 분포를 형성하기 위한 광 중첩, (c) 특별한 집속을 제공하기 위한 특별한 절삭면 모서리, 및 (d) 상기 절삭면들 각각에 대한 상이한 집속점중 적어도 하나를 제공하는 절삭면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  33. 제27항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 중첩 광 출력을 제공하도록 구성된 적어도 2개의 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  34. 제28항에 있어서, 상기 절삭면 부분의 절삭면들은 (a) 상기 절삭면들의 표면의 적어도 일부에 대해 상이한 경사각을 갖는 절삭면, (b) 상기 집속 수단의 길이 방향을 따라 점진적으로 변화하는 경사각을 갖는 절삭면, 및 (c) 상기 접속 수단의 최단부들에서 상이한 경사각을 갖는 절삭면 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  35. 제27항에 있어서, 상기 제1층은 상기 광학 디바이스로부터 주변에 출력된 광의 균일성을 적어도 한번 제어하고 상기 제1층에 입력된 광의 비균일성을 광학적으로 보상하기 위해 상기 배면 근처에서 비선형적으로 변하는 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  36. 제27항에 있어서, 상부 광 재배향층, 및 주변광과 동작가능한 상부 액정 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  37. 제27항에 있어서, (a) 상기 광원과 상기 제1층 사이, (b) 상기 제1층 위, 및 (c) 상기 광 재배향 수단 아래 중 적어도 한 곳에 확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  38. 제37항에 있어서, 상기 확산층은 (a) 집속층, (b) 반투명층, 및 (c) 렌즈형 어레이 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  39. 제27항에 있어서, 상기 광원은 복합 포물선 집중원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  40. 제27항에 있어서, (a) 상기 제1층과 상기 가스 함유 갭, 및 (b) 상기 가스 함유 갭과 상기 광 재배향 수단 사이 중 적어도 한 곳에 배치된 적어도 하나의 추가의 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  41. 제27항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 상기 제1층 및 상기 광 재배향 수단 중 적어도 하나에 광을 입력하여 집광을 위해 상기 배면으로부터 출력하는 집중기(concentrator)로서 동작가능한 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  42. 광원으로부터의 인코히런트이고 콜리메이트되지 않은 광을 포함하는 광을 집광하여 출력하는 광학 디바이스에 있어서,
    n1인 광 굴절율을 갖고 웨지형 단면적을 갖고 있는 제1층 - 상기 제1층은 배면, 및 적어도 하나의 수렴각를 갖는 수렴성 상 및 하측면을 포함함 -;
    n2의 광 굴절율을 가지며, 상기 제1층에서 반사되는 광이 상기 하층면의 법선에 대해 반사각을 감소시켜, 상기 하층면과 제2층 사이의 계면 특성을 나타내는, 상기 하층면의 법선에 대한 입사 임계각 θc보다 작은 반사각을 이를 때 광이 상기제1층의 상기 배면을 통해 입력되는 제2층; 및
    상기 제2층에 인접 배치되어, 상기 광학 디바이스의 광의 각도 분포를 제어하기 위해 상기 제1층 및 상기 제2층과 협동적으로 동작하여 상기 상층면으로부터 광을 출력하기 위한 제3층 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  43. 제42항에 있어서, 상기 제1층은 디수의 각도를 가지며, 광 출력의 제어를 인에이블하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  44. 제42항에 있어서, 상기 제3층 수단은 바람직한 시야 면적에 걸쳐 출력광에 대한 가변 곡률 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  45. 제42항에 있어서, 상기 제3층 수단의 일부는 (a) 개별 절삭면, (b) 다수의 절삭면, (c) 서로 인접 배치된 절삭면 부분, (d) 작은 초점을 갖는 절삭면, 및 (e) 시야면적에 걸쳐 초점을 갖는 절삭면 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  46. 광원으로부터의 광을 집광하여 선택적으로 출력하기 위한 광학디바이스에 있어서,
    상기 광원으로부터 광을 수신할 수 있고 n1의 광 굴절율을 가지며 적어도 하나의 경사각를 정하도록 수렴되는 상 및 하층면들을 포함하는 제1층 - 상기 제1층은 상기 상 및 하층면들을 연결하는 배면을 포함하고, 상기 광은 내부에 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들의 법선에 대해 반사각을 감소시키고 상기 법선에 대해 임계각 θc보다 작은 반사각을 이를 때 상기 제1층을 빠져 나옴 -;
    상기 제1층으로부터 출력된 광 전송을 허용하기 위해, 상기 하층면 및 상기 상층면 밑에 있는 제1 및 제2 중간층을 각각 포함하고, 실효 광 굴절율 n2a및 n2b를 각각 갖는 층 수단; 및
    상기 층 수단 밑에 있는 광 재배향 수단 - 상기 재배향 수단중 적어도 하나가 상기 층 수단으로부터 출력된 광을 선택적으로 재배향시키기 위해 상기 재배향 수단의 두께를 가로질러 광 전송을 허용함 -
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  47. 제46항에 있어서, 상기 광 굴절을 n2a및 n2b는 경사각와의 다음의 관계식, ┃arcsin(n2a/n1) - arcsin(n2b/n1)┃<을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  48. 제46항에 있어서, 상기 광 재배향 수단으로부터 출력된 광을 변조하기 위해 상기 광 재배향 수단에 인접 배치된 확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  49. 제48항에 있어서, 상기 확산층은 렌즈형 확산기, 체적 확산기 및 표면 확산기중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  50. 제46항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중간층은 가스 상태 갭층 및 n2<n1인 투명 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  51. 제50항에 있어서, 상기 투명 물질은 솔-겔(sol-gels), 플루오르폴리머, 플루오르화 염류, 실리콘 및 접착제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  52. 제46항에 있어서, 상기 광 재배향 수단의 주변측 상에 배치된 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  53. 제52항에 있어서, 상기 반사층은 평면형 거울 반사기, 확산 반사기 및 절삭면 반사기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  54. 제46항에 있어서, 적어도 하나의 상기 광 재배향 수단은 투명 직각막(transparent rightangle film)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  55. 광을 집광하여 뷰어(viewer)에 선택적으로 출력하기 위한 광학 디바이스에 있어서,
    광원;
    상기 광원으로부터 광을 수신할 수 있고 n1의 광 굴절율을 가지며, 적어도 하나의 경사각를 정하도록 수렴되는 상 및 하층면들을 포함하는 제1층 - 상기 제1층은 상기 상 및 하층면들을 연결하는 배면을 포함하고, 내부에 반사되는 광이 상기 상 및 하층면들의 법선에 대해 반사각을 감소시키고 상기 법선에 대한 임계각 θc보다 작은 반사각을 이를 때 상기 광은 상기 제1층으로부터 빠져 나음;
    상기 제1층 밑에 있으며 n2의 광 굴절율을 갖는 층 수단; 및
    (a) 상기 제1층 위, 및 (b) 상기 층 수단 밑 중 적어도 한 곳에 배치되어 있는 광 재배향층 - 상기 광 재배향층은 광 투과를 허용하며, 뷰어에 의해 관측된 것과 실제로 균일한 세기의 각도 출력 범위를 제어하기 위해 상기 광 재배향층의 평면 디멘션(planar dimension)을 가로질러 변화시키도록 배향 각도들이 구성될 수 있는 절삭면들을 더 포함함 -
    을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  56. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 자신의 평면형 폭 및 길이 중 적어도하나를 가로질러 절삭면 각도를 변화시키는 절삭면들의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  57. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 라디안 R의 반원통형 표면 및 초점 길이 F의 포물선 표면 중 적어도 한 곳에 배치된 절삭면들의 층을 포함하여, 상기 절삭면들의 표면의 배향 각도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광학 더바이스.
  58. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 하부 배면 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  59. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 상부 절삭면 광 재배향층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  60. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 (a) 회절 격자 및 홀로그램, (b) 2개의 절삭면 층 및 선택적인 렌즈형 확산기, (c) 절삭면들이 상기 제1층으로부터 출력된 광을 굴절 및 내부 반사시키도록 설계된 2개의 절삭면 층, (d),2개의 굴절 단일 절삭면 층, (e) 곡선 모양의 출력 표면을 갖는 상부면 굴절 단일 절삭면 층과 하부면 굴절/내부 반사 절삭면 층, (f) 상부면 굴절 절삭면 층과 하부면 굴절/내부 반사층, (g) 상부면 및 하부면 굴절/내부 반사 절삭면 층, 및 (h) 상부면 굴절 절삭면 층과 하부면 굴절/내부 반사 절삭면 층 중 적어도 하나로 구성된 2개의 상기층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  61. 제55항에 있어서, 상기 광 재배향층은 전송 및 반사성 광 재배향층을 포함하고, 상기 층들은 (a) 하부 거울 반사기와 상부층 전송 회절 격자 또는 전송 홀로그램, (b) 하부 거울 반사기와 상부층 굴절 절삭면 층, (c) 하부 거울 반사기와 상부층 굴절/내부 반사 절삭면 층, (d) 하부 거울 반사기와 상부층 굴절/내부 반사 절삭면 층, (e) 부분적으로 거울 및 부분 확산인 전송기인 하부 반사기와 곡선 모양의 반사표면을 갖는 굴절/반사되는 상부 재배향층, 및 (f) 부분적으로 거울, 부분적으로 확산인 하부 반사기와 굴절/내부 반사 평면형 절삭면 층의 상부 재배향층 중 적어도 하나의 층 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  62. 광원으로부터의 인코히런트이고 콜리메이트되지 않은 광을 포함하는 광을 집광하여 뷰어에 출력하는 광학 디바이스에 있어서,
    전면(front surface)에 출력된 균일한 광을 제공하기 위한 층 수단; 및
    상기 전면의 위측에 배치되어 상기 층 수단과 광학적으로 통신하며, 뷰어 각도에 걸쳐 균일하게 확산된 광 출력 및 조정가능하게 변화하는 중첩 광 조사 출력중 적어도 하나를 제공하기 위해 절삭면 각도가 위치 함수에 따라 대칭적으로 변화하는 절삭면 부분을 포함하는 광 재배향 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  63. 제20항에 있어서, 상기 광원은 arcsin (1-(n2/n1)2)½보다 크거나 같은 각도폭을 갖는 광을 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  64. 제20항에 있어서, 상기 광원 주위에 있는 복합 포물선 집중기 부분, 인볼류트(involute) 광원부를 갖는 상기 광원 주위에 있는 반사기, 선형 프리즘, 광 확산기, 상기 제1층의 개구수를 적어도 충전시키기 위한 수단, 1개 이상의 근사 반원형 아크들을 갖고 있는 광원 반사기 소자, 및 비이미징(nonimaging) 반사기 중 적어도 하나로 구성된 광 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  65. 제20항에 있어서, 상기 제어된 각도의 광 출력은가 상기 및 하층면들의 수렴각인 경우, 4 ½(n1 2-1)¼보다 작은 각도 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  66. 제8항에 있어서, 상기 광 지배향 수단은 4 ½(n1 2-1)¼의 상기 각도 폭 내에서 광을 효율적으로 재배향시키기 위해서 절삭면 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  67. 제1항에 있어서, 상기 광 재배향 수단은 상기 제1층을 통하는 선 주위에 대칭적으로 위치한 상부층 및 하부층을 형성하고 상기 제1층을/2의 2개의 부분들로 나누는 상기 층 수단 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  68. 제1항에 있어서, 상기 상 및 하층면들은 상기 경사각로 수렴되고, 상기 상 및 하층면들로부터 출력되는 광은 상기 광학 디바이스로부터 대칭적으로 각도 분포되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  69. 제68항에 있어서, 상기 상 및 하층면들은/2를 포함하는 적어도 하나의 경사각으로 수렴되고, 상기 공극에 인접 배치된 반사층을 더 포함하여, 상기 상 및 하층면들중 하나만을 통해 광을 출력시키는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  70. 제69항에 있어서, 상기 제1층, 상기 공극, 상기 광 재배향 수단 및 상기 반사층 중 결합된 다른 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
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