KR100513718B1 - 평판표시소자용 조명장치 - Google Patents
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Abstract
광을 광축에 평행하게 진행시키는 광학 부재를 포함하는 평판표시소자용 조명장치가 개시된다. 개시된 조명장치는 광을 방사하는 점광원 및, 광이 광축에 평행하게 진행하도록 점광원에 인접하게 위치하여 상기 광의 방사각을 증가시키는 제 1굴절면과 제 1굴절면에 대응하도록 소정 간격 이격되어 위치하여 상기 광의 방사각을 감소시키는 제 2굴절면으로 이루어진 광학 부재를 포함하는 도광판을 구비한다. 본 발명은 입사광의 방사각도를 감소시켜 바람직하게는 광축에 대해 평행하게 진행시킴으로써 점광원 사이의 광이 미치지 않는 사각영역을 제거하고 홀로그램에 광을 균일하게 입사시켜 도광판을 출사하는 광의 휘도 및 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.
Description
본 발명은 평판표시소자용 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입사광의 방사각을 감소시켜 광축에 평행하게 진행시키는 평판표시소자용 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display)와 같은 평판표시소자에서는 액정을 균일하게 조명할 수 있는 조명장치가 요구된다.
도 1은 종래의 홀로그램을 사용한 도광판을 구비하는 평판표시소자용 조명장치를 간략히 나타낸 것으로 특히 LED(Laser Emitting Diode)(41)와 같은 점광원을 사용하는 경우의 조명장치를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 복수개의 LED(41)가 도광판(43)의 일측면에 나란히 배열되어 있으며, LED(41)로부터 방사된 광은 소정 각도로 발산되어 도광판(43) 내부를 진행한다. 통상적으로 LED(41)의 광 방사각도는 45도 정도이므로 LED(41) 사이의 바로 인접한 부분에는 광이 입사되지 않는 사각영역이 발생하고 LED(41)와 거리가 많이 떨어진 부분에서는 인접 LED(41)에서 방사된 광이 서로 겹쳐 광강도가 증가하는 중첩 영역이 발생한다.
도광판(43)에 일정한 방향성을 가지는 홀로그램(45)의 패턴이 형성되는 경우 홀로그램(45) 패턴에 광이 균일하게 입사되어야 도광판(43)을 출사하는 광이 높은 발광효율로 방출될 수 있다. 하지만, LED(41)와 같은 점광원을 사용하는 종래의 도광판에서는 각 점광원으로부터 방사되는 광이 발산하므로 도광판(43)을 출사하는 광의 각도에 따른 휘도와 강도 분포가 상이하게 되는 단점이 있다.
도 2는 LED의 방사각도에 따른 광강도를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, LED의 중심부분에 나타나는 광강도의 최고값을 1이라 할 때 방사각도가 커질수록 광강도는 떨어지며 방사각도가 45도 정도가 되면 광강도는 절반으로 감소된다. 이 그래프로부터 광강도 손실을 줄이기 위해 방사각도를 45도 이하로 감소시킬 필요가 있음을 알 수 있다.
도 3은 도광판으로부터 출사하는 광의 각도에 따른 휘도 분포를 나타낸 그래프이며, 도 4는 종래의 홀로그램 도광판을 출사하는 광의 각도에 다른 강도분포를 나타내는 사진이다.
도 3을 참조하면, 광이 도광판의 평면에 대해 정면에서만 방출되지 않으며 0도와 ±30도 방향에서 광이 큰 광량으로 출사되어 휘도의 피크를 형성하는 것을 볼 수 있다. 여기서, 도광판의 평면에 대해 직각으로 출사되지 않고 임의의 각도를 가지고 출사하는 광은 액정판넬에 대하여 입사하는 광의 손실을 발생시켜 휘도를 악화시키고 화면의 시야각에 영향을 끼친다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 도시된 바와 같이 휘도의 피크가 나타나는 0도와 ±30도 정도 영역에서 광강도가 강하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
종래의 홀로그램이 형성된 도광판을 사용하는 평판표시소자용 조명장치에서는 점광원으로부터 광이 발산되어 일정한 각도로 홀로그램에 입사하지 않으므로 도광판을 출사하는 광이 각 점광원에 해당하는 출사각을 가지게 되어 광의 휘도 분포와 강도 분포가 불균일하게 되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 LED와 같은 점광원을 사용하는 조명장치에서 점광원에서 출사되는 광의 방사각도를 감소시켜 홀로그램에 입사시킴으로써 도광판을 출사하는 광의 휘도와 강도분포를 균일하게 하는 구조를 가지는 평판표시소자용 조명장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 광을 방사하는 점광원; 및 상기 광이 광축에 평행하게 진행하도록, 상기 점광원에 인접하게 위치하여 상기 광의 방사각을 증가시키는 제 1굴절면과, 상기 제 1굴절면에 대응하도록 소정 간격 이격되어 위치하여 상기 광의 방사각을 감소시키는 제2굴절면으로 이루어진 광학 부재를 포함하는 도광판;을 구비하는 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치를 제공한다.
여기서, 상기 도광판의 바닥면 및 상기 바닥면에 대응하는 상부면 중 적어도 한 면에 홀로그램이 형성될 수 있다.
상기 점광원으로 LED 또는 LD가 구비될 수 있다.
상기 광학 부재는 상기 도광판보다 작은 굴절률을 가진다.
예를 들어, 상기 광학 부재는 공기로 이루어진 에어 렌즈로 이루어질 수 있다.
상기 광학부재는 실린더리컬 렌즈면과 동일한 형상으로 형성되어 대칭으로 배열되는 상기 제 1굴절면 및 제 2굴절면을 구비하거나,
상기 광학 부재는 프레넬 렌즈면과 동일한 형상으로 형성되어 대칭으로 배열되는 상기 제 1굴절면 및 제 2굴절면을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제 2굴절면은 상기 제 1굴절면에 비해 곡률 반경이 큰 것이 바람직하다.
본 발명은 도광판 내부에 광원과 근접하여 소정 공간 또는 물질로 채워지는 광학부재를 형성하여 점광원으로부터 입사하는 광을 광학부재의 제1 및 제2굴절면에서 굴절시켜 광의 방사각도를 감소시키는데, 바람직하게는 광축에 대해 평행하게 진행하도록 조절하여 광을 도광판의 바닥면에 균일하게 입사시켜 도광판을 출사하는 광의 휘도와 강도분포를 균일하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치는 광의 방사각을 감소시키는 에어렌즈를 구비함으로써 광강도의 손실을 감소시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이 광의 방사각도에 따라 광강도가 감소되므로 본 발명의 실시예에 따른 평판표시장치에서는 광의 방사각도가 0도 ~ ±30도의 범위로 설정하여 광강도를 방사각이 0도인 경우의 광강도의 70%이상이 되도록 광학부재를 도광판의 내부에 형성한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 간략히 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 홀로그램(15)이 바닥면에 형성된 도광판(13)의 일측에 점광원(11)이 배열되어 있고, 도광판(13)의 내부에는 점광원(11)과 인접하여 에어렌즈(10)가 형성되어 있다. 여기서, 홀로그램(15)은 도광판(13)을 출사하는 광의 휘도와 광도 분포를 균일하게 하기 위해 형성되는 것으로 도광판(13)의 상부면 또는 바닥면에 형성될 수 있다. 도광판(13)의 바닥면 또는 상부면에는 홀로그램(15)이외에 기계적인 요철과 같은 회절기능을 하는 다른 형태의 광학적 수단이 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 도광판(13)에는 이와 같은 회절 수단이 형성되지 않을 수도 있다.
점광원(11)으로는 LED 또는 LD가 사용되며, LCD와 같은 평판표시소자를 조명하기 위해 복수개의 점광원(11)이 도광판(13)에 근접하여 소정간격을 두고 일렬로 배열된다.
도광판(13)의 바닥면에는 홀로그램(15)이 일정한 패턴을 가지고 형성되어 있는데, 바닥면과 마주보는 상부면에도 홀로그램(15)이 형성될 수 있다. 홀로그램(15)으로는 표면형과 체적형 홀로그램을 모두 사용할 수 있으며 홀로그램(15)에 입사하는 광의 강도분포를 균일하게 하기 위해 점광원(11)에 근접할수록 패턴의 밀도가 작고 광원(11)으로부터 멀어질수록 밀도를 조밀하게 하거나, 점광원(11)에 근접할수록 회절효율이 낮은 패턴을 형성하고 멀어질수록 회절효율이 높은 패턴을 형성할 수 있다. 여기서, 홀로그램(15)의 크기, 간격 및, 깊이를 적절히 조절하여 도광판(13)을 출사하는 광의 강도분포를 균일하게 할 수 있다.
도 5에는 광학부재로서 광의 진행방향으로 폭이 넓어지는 깔대기 형상의 제1에어렌즈(10)가 도광판(13) 내부에 형성되어 있다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치에서 광을 굴절시켜 광축(17)에 평행하게 진행시키는 제 1에어렌즈(10)는 광원에 인접하게 형성된 제 1굴절면(10a)과 제 1굴절면(10a)을 마주보도록 소정 간격 이격되어 형성된 제 2굴절면(10b)을 구비한다. 본 발명의 실시예에 따른 평판표시소자에서 광학부재는 외부 도광판(13)의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 물질로 이루어지는데, 예를 들어 광학부재의 공간이 공기(굴절률 n=1)가 채워지거나, 공기 외에 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 6에는 도광판(13)의 상부에서 본 제1에어 렌즈(10)를 통과하는 광의 경로가 간략히 도시되어 있다.
여기서, 에어렌즈(10)란 도광판(13)의 내부에 포함되는 공간영역에 공기와 같은 도광판(13)보다 작은 굴절률을 가지는 물질이 채워져 형성되는 광학부재를 의미한다.
도 6을 참조하면, 도광판(13)에 입사하는 광은 제 1에어렌즈(10)의 제1굴절면(10a)에서 굴절되면서 방사각이 증가하였다가 제 2굴절면(10b)에서 굴절되어 방사각도가 감소되어 광축(17)에 평행하게 진행한다. 여기서, 제 1에어렌즈(10)의 내부에는 공기 이외에 도광판(13)을 구성하는 물질보다 작은 굴절률을 가지는 다른 물질로 채워질 수도 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 점광원(11)을 출사한 광은 도광판(13)의 상부에서 보았을 때 바람직하게는 도광판(13)의 내부로 전반사하면서 광축(17)에 평행하게 진행한다. 광의 방사각은 대략 0도에서 ±45도 범위를 가지며 제1에어렌즈(10)의 제1굴절면(10a)에 입사하고 제1굴절면(10a)에서 광의 방사각이 약간 증가하였다가 제2굴절면(10b)에서 감소하여 0도에서 ±30도 범위 내, 바람직하게는 도시된 바와 같이 광축에 평행하게 광이 진행한다.
제 1에어렌즈(10)를 통과한 광은 도광판(13)의 상부에서 보았을 때 광축(17)에 대해 평행하게 진행하지만, 도광판(13)의 측면에서 보았을 때는 도광판(13)의 내부를 전반사하며 진행한다. 광의 일부는 도광판(13)의 바닥면에 구비되는 홀로그램(15)에서 회절되어 도광판(13)의 바닥면의 하부에 위치하는 반사판(미도시)에서 반사되어 다시 도광판(13)에 입사한 다음 도광판(13)을 출사하거나, 일부는 도광판(13)에 입사한 다음 바로 도광판(13)을 출사할 수 있다. 또는 도시된 바와 같이 도광판(13)의 바닥면에 대해 평행하게 진행하다가 도광판(13)의 내부에서 반사되어 도광판(13)을 출사할 수 있다.
도 7a는 상기 에어렌즈의 정점에서 연장되는 렌즈의 경사면의 빗변이 광축에 대해 이루는 각도를 30도 정도로 조절하여 광의 방사각도를 15도 정도로 설정하는 경우 광의 진행경로를 나타내고 있다. 도 7b는 상기 에어렌즈의 정점에서 연장되는 렌즈의 경사면의 빗변이 광축에 대해 이루는 각도를 0도 정도로 조절하여 광의 방사각도를 0도 정도로 설정하는 경우 광의 진행경로를 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 보인 사시도이다.
삭제
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치는 도광판(13)의 내부에 점광원(11)에 인접하여 제 2에어렌즈(20)를 포함한다. 제2에어렌즈(20)는 점광원(11)으로부터 방사된 광의 방사각을 증가시키는 실리더리컬 렌즈의 외면과 동일한 형태의 제 1굴절면(20a)과, 제 1굴절면(20a)에서 방사각이 증가하여 입사하는 광을 굴절시켜 방사각을 감소시킴으로써 광을 광축(17)에 대해 평행하게 진행시키는 실리더리컬 렌즈면과 동일한 형태의 제 2굴절면(20b)을 포함한다. 제 1굴절면(20a)과 제2굴절면(20b)은 서로 대칭인 형태를 가지고, 제 2굴절면(20b)은 제 1굴절면(20a)보다 큰 곡률 반경을 가지도록 형성된다.
도광판(13)의 바닥면 또는 상부면에는 홀로그램과 같은 회절광학소자가 형성되어 광의 회절효율을 향상시켜 광강도 및 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다.
점광원(11)에서 출사한 광은 제 2에어렌즈(20)를 통과하면서 방사각이 감소되어 바람직하게는 광축에 평행하게 도광판(13) 내부를 전반사하며 진행하여 광강도 손실을 최소화된다.
도 10은 본 발명의 제 3실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 간략히 나타낸 사시도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치는 도광판(13)의 내부에 점광원(11)과 인접하여 제 3에어렌즈(30)를 포함한다. 제3에어렌즈(30)는 프레넬 렌즈면과 동일한 형태를 가지며 대칭으로 배열된 제 1굴절면(30a)과 제 2굴절면(30b)을 구비한다. 여기서, 제 2굴절면(30b)의 곡률반경은 제 1굴절면(30a)의 곡률반경보다 크도록 형성된다. 점광원(11)으로부터 출사한 광은 제 2에어렌즈(20) 또는 제 3에어렌즈(30)를 통과하면서 굴절되어 광축(17)에 대해 평행하게 진행한다.
본 발명의 제 3실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치도 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치와 마찬가지로 도광판(13)의 상부면 또는 바닥면에 홀로그램(15)과 같은 회절소자가 형성되어 광의 강도 및 휘도 분포를 균일하게 할 수 있다.
점광원(11)에서 출사한 광은 제3에어렌즈(30)를 통과하면서 방사각이 감소되어 바람직하게는 광축에 평행하게 도광판(13) 내부를 전반사하며 진행하여 광강도 손실이 최소화된다.
본 발명의 실시예에 따른 조명장치에서는, 광의 방사각도를 감소시키거나 광축에 대해 평행하게 진행시킬 수 있는 광학 부재를 모두 사용할 수 있다. 다만 광학 부재의 굴절률은 도광판(13)의 굴절률과 상이한 조건을 만족하여야 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 조명장치에서 방사각도를 15도 정도로 조절하는 에어렌즈를 도광판 내부에 형성하는 경우 도광판의 상부에 나타나는 출사각도에 따른 휘도분포를 나타낸 사진이다.
도 11을 참조하면, 중앙의 광 강도가 가장 강하게 나타나고 있으며, 좌우 20도 정도 이격된 영역에 희미하게 광이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이 부분에 나타나는 휘도는 도 4에 도시된 종래 기술의 ±30도 정도에서 나타나는 휘도에 비해 현저히 감소된 것을 알 수 있다.도 12는 본 발명의 실시예에 따른 조명장치에서 방사각도를 15도 정도로 조절하는 에어렌즈를 도광판 내부에 형성하는 경우 각도에 따른 휘도분포를 나타낸 그래프이다.도 12를 참조하면, 중앙의 휘도가 가장 높고, 좌우 20도 정도 이격된 영역에 휘도가 다시 높게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 이 부분에 나타나는 휘도는 도 3에 도시된 종래 기술의 ±30도 정도에서 나타나는 휘도에 비해 현저히 감소된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 조명장치는 도광판 내에 점광원에 근접하여 광굴절수단을 형성하여 광경로를 변화시켜 바람직하게는 도광판의 상부에서 보았을 때 평행하게 진행시켜 점광원 사이의 광이 미치지 않는 사각영역을 제거하고 광을 균일하게 홀로그램에 입사시킨다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면표시장치용 조명장치의 장점은 광굴절수단을 점광원에 근접하여 도광판 내부에 형성시켜 광의 방사각도를 감소시키고 광경로를 변화시켜 바람직하게는 평행하게 진행시킴으로써 홀로그램에서 회절된 다음 도광판을 출사하는 광의 각도에 따른 휘도와 강도의 분포를 균일하게 할 수 있다는 것이다.
도 1은 종래의 홀로그램 도광판을 이용한 평판표시소자용 조명장치를 간략히 나타낸 사시도,
도 2는 점광원에서 출사되는 광의 방사각도에 따른 광강도를 나타낸 그래프,
도 3은 종래의 홀로그램 도광판을 이용한 평판표시소자용 조명장치에서 도광판을 출사하는 광의 각도에 따른 휘도분포를 나타낸 그래프,
도 4는 종래의 홀로그램 도광판을 이용한 평판표시소자용 조명장치에서 도광판을 출사하는 광의 각도에 따른 광강도를 보인 사진,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 간략히 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치의 광경로를 간략히 보인 평면도,
도 7a는 본 발명의 제1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치의 광학 부재의 방사각도를 15도로 조절하는 경우 광경로를 간략히 보인 도면, 도 7b는 본 발명의 제1실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치의 광학 부재의 방사각도를 0도로 조절하는 경우 광경로를 간략히 보인 도면,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 간략히 보인 사시도,
삭제
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 평판표시소자용 조명장치를 간략히 보인 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 도광판을 이용한 평판표시소자용 조명장치에서 도광판을 출사하는 광의 각도에 따른 광강도를 보인 사진,도 12는 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 도광판을 이용한 평판표시소자용 조명장치에서 도광판을 출사하는 광의 각도에 따른 휘도를 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10 ; 제1에어 렌즈 11, 41 ; 점광원
13, 43 ; 도광판 15, 45 ; 홀로그램
20 ; 제2에어 렌즈 30 ; 제3에어 렌즈
Claims (10)
- 광을 방사하는 점광원; 및상기 광이 광축에 평행하게 진행하도록, 상기 점광원에 인접하게 위치하여 상기 광의 방사각을 증가시키는 제1굴절면과, 상기 제 1굴절면에 대응하도록 소정 간격 이격되어 위치하여 상기 광의 방사각을 감소시키는 제 2굴절면으로 이루어진 광학 부재를 포함하는 도광판;을 구비하는 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 도광판의 바닥면 및 상기 바닥면에 대응하는 상부면 중 적어도 한 면에 홀로그램이 형성된 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 점광원은 LED 또는 LD인 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 광학 부재는 상기 도광판보다 작은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 광학 부재는 공기로 이루어진 에어 렌즈인 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1굴절면 및 제 2굴절면은 실린더리컬 렌즈면과 동일한 형상으로 형성되어 대칭으로 배열되는 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 1굴절면 및 제 2굴절면은 프레넬 렌즈면과 동일한 형상으로 형성되어 대칭으로 배열되는 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제 2굴절면은 상기 제 1굴절면에 비해 곡률 반경이 큰 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 2굴절면은 상기 제 1굴절면에 비해 곡률 반경이 큰 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 2굴절면은 상기 제 1굴절면에 비해 곡률 반경이 큰 것을 특징으로 하는 평판표시소자용 조명장치.
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