KR100359532B1 - 디스플레이배열에사용되는광학요소 - Google Patents

Abstract

광학요소 어레이에 사용되는 광학요소를 광출력면과 광입력면을 갖고 또한 고 광입력면으로부터 광출력면으로 내측으로 경사진 측면을 갖는 절단된 대칭고형체 구조로 갖도록 배열된다.

출력되는 입력광의 분획과 출력광의 각분포는 광입력면에 대한 광출력면의 비(比)와 경사각의 함수로써 변화한다.

조망각, 콘트라스트 및 THROUGHPUT으로 본 광학적기하학구조는 입력면의 면적에 대한 출력면의 면적비가 0.1- 0.3이고, 상기 구조의 축에 대한 경사각이 7.5- 17.5이다.

Description

디스플레이 배열에 사용되는 광학 요소

제1도 내지 6도는 본 발명에 따라 배치된 광학요소의 기하학적 특성을 예시한 다이아그램

제7도 내지 8도는 조망각도와 강도사이의 관계를 예시한 도면

제9도는 비(ARAT)와 각(θ)에 따른 THROUGHPUT의 변화를 예시하는 그래프

제10도는 비(ARAT)와 각(θ)에 따른 SIGMA의 변화를 예시하는 그래프

직접, 전면, 전면방호 및 후면 방호 조망 스크린 배열과 같은 조망스크린 배열은 순차적으로 인접한 광학요소들을 포함하는 어레이를 사용한다.

이같은 형태의 어레이 배열은 Scott Zimmerman등에 의해 1993. 7. 1 출원된 미국특허출원 086,414에 기술되어 있다.

광학요소는 출력광과 반사된 주위광사이의 콘트라스트;

출력광으로서 요소를 나가는 입력광의 바람직한 분율(트루풋, 이하 "THROUGHPUT"라 한다); 및 요구되는 출력과의 각 분포(시그마, 이하 "SIGMA"라 한다)등을 포함하여 요구되는 조망 스크린 파라메터들을 제공하기 위한 특정 기하학적 특성을 가져야 한다.

이를 위하여 일반적으로 미세-광학요소는 광입력면과 광출력면을 갖고 그 광입력면으로부터 광출력면으로 내측으로 경사진 면을 갖는 끝이 절단된 대칭형의 본질적으로 사다리꼴인 고형체로써 배열된다.

또한 앞서 언급된 콘트라스트, THROUGHPUT 및 SIGMA 특성은 광입력 부위에 대한 광출력 부위의 비(이하 'ARAT'이라한다), 및 상기 고형체구조면이 내측으로 경사를 이루는 고형체구조의 중심선으로부터의 각도(θ),의 함수로써 변화하는 것으로 밝혀졌다.

따라서 본 발명의 목적은 상기에 따른 최적의 기하학적 특성을 갖는 광학요소를 제공하는데 있다.

본 발명은 광입력면과 광출력면을 갖는 끝이 절단된 대칭성 고형체구조를 포함하는 요소 어레이에 사용하기 위한 광학요소에 관한 것이다.

상기 광입력면과 광출력면은 서로 다른 선택면적를 갖는다.

광입력표면 면적에 대한 광출력표면 면적의 비(ARAT)는 선택된 범위내에서 변한다.

상기 구조의 측면은 선택된 각도내에서 각(θ) 을 이루며 광입력면으로 부터 광출력면으로 내측으로 경사를 이룬다.

광학요소를 나오는 광과 어레이로부터 반사된 광사이의 콘트라스트는 상기 비(ARAT)의 함수로써 변한다.

광학요소를 나가는 유입광의 분획(THROUGHPUT)및 그 나가는 광의 각분포(SIGMA)는 상기 비(ARAT)과 상기 각도(θ)의 함수로써 변화한다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 기술한다.

본 발명은 광학요소의 어레이에 사용될 수 있는 대칭성 사다리꼴(혹은 거의 사다리꼴)을 기초로 한 3-차원 광학요소를 개시한다.

기본적인 평면사다리꼴배열이 제1도에 도시된 바와 같이 부호 2로서 지칭되고 있다.

많은 3차원 고형체 형태가 이 같은 평면배열로 부터 구성될 수 있다.

한가지 특정 예가 제1도의 사다리꼴 2을 선분 d와 W를 2등분하는 축주위로 회전시켜 얻은 제2도에서 부호 4로 지칭된 직각 원뿔형 세그먼트(right angle conical segment)이다.

다른 배열로는 제3도에 예시한 바와 같은 대칭피라미드 6을 들 수 있다.

실제로 제4도에 도시한 바와 같이 둥글게 형성된 대칭피라미드 구조를 만드는 것도 가능하다. 이들 구조의 측면은 제2 -4도에 도시한 바와 같이 직선이거나 제6도에 도시한 구조 10에서와 같이 굴곡을 이루게 할 수 있다.

이들 배열은 2가지 파라메터 (1) 구조의 중심선으로부터의 각도(θ) 및 (2) 제2도에 도시된 바와같이, 칫수 W에 대한 칫수 d의 비, 즉 d²/W², (ARAT),에 의해 정해진다.

본 발명은 상기한 바와 같이 기본 대칭배열에서 유도된 3차원 광학요소의 광학적 성질에 관한 것이다.

상기 광학요소는 굴절율 ηo에 의해 특징지워지며 일반적으로 낮은 굴절율(ηm)을 갖는 매질내에 위치한다.

전형적으로 상기 요소의 굴절율은 ηo= 1.3 - 1.7이며, 특히 바람직한 값은 ηo가 1.5인 것이다.

주위 매질은 ηm=1인 공기일수 있으며, 혹은 반사율 ηm < ηo, 바람직하게는 ηo-ηm > 0.1인 다른 물질일수 있다.

광선광학원리에 의하면, 주위 매질과의 경계선과 만나는 제 1-4도에 예시된 것과 같은 광학요소내의 광선은 표면에 수직인 선에 대한 입사각이 임계각 θ=arcsin(ηo/ηm)을 넘으면 전체 내부반사의 현상을 통해 표면으로 부터 반사하거나, 혹은 입사각이 임계각보다 적으면 주위 매질로 굴절하여 들어갈 수 있다.

중심축에 대하여 약간의 각으로 이같은 요소의 베이스에 들어가는 광선은 여러번 경계면과 만나게 된다.

이 광선에는 다음과 같은 3가지 일이 생길수 있다.

(1) 광선이 요소밖으로 굴절될 수 있다.

(2) 광선이 요소의 상부로부터 (가능하게는 입사각과 다른 각도로)나오거나

(3) 혹은 역반사되어 베이스로 부터 나간다.

이에 관하여 제5도에는 구조 4가 상기 예시를 위해 도시되어 있다.

끝이 절단된 원뿔형 및 피라미드형 광학요소의 이 같은 광학적 특징은 이분야에서 숙련된자에게 잘 알려져 있으므로 보다 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 광속의 각분포를 변환시킴에 있어서, 기술된 바와 같은 끝이 절단된 대칭형 고형체 원뿔 및 피라미드형요소의 성질에 관련된 것이다.

특히 본 발명은 거의 시준된 광을 전체 내부 반사를 통해 광범위한 각에 걸쳐 분포된 광으로 변형시키는 것에 관한 것이다.

이에 관하여, 흡광(흑색)요소 12를 제2도에 예시된 바와 같은 광학요소의 상부를 둘러싸도록 배치할 수 있다.

이는 각각의 광학요소의 출구부위로 덮혀있지 않은 부위위로 광을 흡수하는 어레이의 조망 영역을 제공한다.

이 배열은 비-반사면을 제공함으로써 높은 콘트라스트(high contrast)를 제공하며, 이에 관하여는 앞서 언급된 미국특허 출원 086,414를 참조바란다.

많은 적용처에 대하여 중요한 특정 광학적 성질은

(1) THROUGHPUT (혹은 투과도);

(2) 각분포; 및 임의적으로

(3) 콘트라스트;

이다.

예시를 위하여 이들 성질들을 정량적으로 설명한다.

THROUGHPUT은 상 표면으로 부터 나가는 광학요소 베이스에 입사하는 광학적광선의 분획이다.

조망각지수(Viewing angle index)(SIGMA)는 광선 플럭스(입체각당 광선의 수)의 각 분포측정 값이며 여기서는 정량적인 목적으로 sin φ 의 제곱 평균 제곱근으로써 정의된다.

단, 여기서 φ 는 적절한 축을 따라 그 구조의 중심축으로 부터 측정한 조망각이다.

조망각지수는 이와같이 하여 0 - 1사이의 수이다.

조망각지수가 0 이란 것은 완벽한 시준(collimation)을 의미한다.

반구(半球)내로 방사하는 렘버트 에미터(lambertian emitter)에 대한 조망각지수는 0.5이다

예시를 위해 기본 평면사다리꼴 배열에 대하여 평면의 방향을 따른 조망각을 조사하였다.

콘트라스트는 저면부위에 대한 광학요소의 상면부와 저면부사이의 차이이며 량적으로는 1-ARAT와 같다.

상기한 바와 같은 광학구조의 몇가지 일반적 광특성은 종래에 알려져 있다.

그러나, 본발명에서는 파라메터인(ARAT)와 (θ)의 특정값으로 특징지워지는 형상으로부터 도출된 광학요소에 대하여 놀라울 정도의 THROUGHPUT, 조망각지수, 및 (임의로) 콘트라스트를 나타내는 어레이를 구축할 수 있다는 것이 발견되었다.

나아가 이같은 요소로 된 어레이는 액정표시장치와 투영표시장치를 포함한 여러가지 광학적 조망스크린에 유익하게 사용될 수 있다는 것이 발견되었다.

본 발명의 태양을 예시화하기 위하여, 공기(ηm=1.0)내에서의 굴절율이 ηo=1.5로 특징지워진 사다리꼴 형상의 대칭피라미드형 광학요소가 고려되었다.

베이스를 가로지르는 랜덤 입력위치와 ±10°를 넘는 균일한 각분포(공기내에서)로 특징지워진 입력방향으로 광학요소의 베이스에 입사되는 광선이 고려된다.

컴퓨터 프로그램분야에서 숙련된 자들에 의해 개발될수 있는 컴퓨터 프로그램을 사용하면, 10000 광선에 대하여 평균 THROUGHPUT, 조망각지수 및 콘트라스트를 기하학적 피라메터인 ARAT과 θ의 함수로써 측정될 수 있다.

그후 THROUGHPUT, 조망각지수 및 콘트라스트의 곱을 결정한다. θ=15° 그리고 ARAT= 0.18에 대하여 약 0.35값으로 최대화된 이값은 콘트라스트, 조망각지수및 THROUGHPUT의 특정조합을 나타낸다.

이같은 조합값은 액정표시장치에 사용하기에 적합한 범위에 든다.

상기 예는 오직 특정 기하학적 구조에 대하여 끝이 절단된 대칭형 고형체 광학구조가 본 발명의 목적인 조망 스크린 응용에 충분한 THROUGHPUT, 조망각 및 콘트라스트를 동시에 산출한다는 것을 예시한다.

본 발명의 태양을 제7도내지 10도에 그래프로 예시하였다.

제7도 및 8도는 기술된 형태의 광학요소를 나오는 빛의 작은 각분포(제7도)와 나오는 빛의 큰 각분포(제8도)에 대한 조망각및 세기를 나타낸다.

제9도는 여러가지 값의 ARAT와 각θ에 대한 THROUGHPUT의 변화를 나타내며, 제10도는 여러가지 값의 ARAT와 각 θ에 대한 광의 각분포를 나타낸다.

Claims (10)

1. 광입력면과 광출력면을 포함하는 끝이 절단된 대칭적 고형체 구조를 포함하여 구성되며, 상기 광입력면과 광출력면은 상이한 선택면적를 갖고,

   상기 광입력면 면적에 대한 상기 광출력면 면적의 비(ARAT)는 약 0.1- 0.3이며,

   상기 끝이 절단된 대칭적 고형체 구조는 상기 광입력면으로부터 상기 광출력면으로 약 7.5° - 17.5° 의 각(θ)으로 내측으로 경사져 있는 측면을 가지며,

   상기 광출력면을 나가는, 상기 광입력면으로 들어가는 광의 분율및 상기 광출력면을 나가는 광의 각분포는 상기 비(ARAT)과 상기 각(θ)의 함수로 변화함을 특징으로 하는, 광학요소어레이를 포함하는 디스플레이 배열에 사용되는 광학요소.
2. 제1항에 있어서, 상기 끝이 절단된 고형체 대칭부재는 사각형의 단면을 가짐을 특징으로 하는 광학요소.
3. 제1항에 있어서, 상기 끝이 절단된 고형체 대칭형 부재는 원형 단면을 가짐을 특징으로 하는 광학요소.
4. 제1항에 있어서, 상기 끝이 절단된 고형체 대칭형부재는 직선측면을 가짐을 특징으로 하는 광학요소.
5. 제1항에 있어서, 상기 끝이 절단된 고형체 대칭형부재는 굴곡을 이룬 측면을 가짐을 특징으로 하는 광학요소.
6. 제1항에 있어서, 상기 광입력면과 광출력면은 평행한 평면내에 있음을 특징으로 하는 광학요소.
7. 제1항에 있어서, 상기 광출력면을 나가는, 상기 광입력면에 들어가는 광의 분획은 상기 비(比)와 각(角)의 함수로서 변화하며, 상기 광출력면을 나가는 광의 각 분포역시 상기 비와 각의 함수로써 변화함을 특징으로 하는 광학요소.
8. 광입력면과 광출력면을 포함하고 굴절율이 1.4-1.7범위인 끝이 절단된 대칭형 고형체구조를 포함하여 구성되며,

   상기 광입력면과 광출력면은 상이한 선택면적을 가지며,

   상기 광 입력면 면적에 대한 상기 광출력면 면적의 비(ARAT)는 약 0.1- 0.3이며,

   상기 끝이 절단된 대칭형 고형체 구조는 상기 광입력 면으로부터 상기 광출력면으로 상기 대칭형 고형체구조의 축에 대하여 약 7.5- 17.5°의 각(θ)으로 내측으로 경사진 측면을 가짐을 특징으로 하는,

   광학 요소레이를 포함한 디스플레이 배열에 사용되는 광학요소.
9. 제8항에 있어서, 상기 끝이 절단된 대칭형 고형체구조는 정대칭 피라미드(right symmetric pyramid)형임을 특징으로 하는 광학요소.
10. 제8항에 있어서, 상기 끝이 절단된 대칭형 고형체 구조는 직각 원뿔 세그먼트임을 특징으로 하는 광학요소.