KR100637906B1 - 표시장치와는 별도의 광원을 갖는 표시 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광의 판독성능(readability)을 필요로 하는 적용예에 전형적으로 활용되어지는 고휘도의 표시장치를 제공하며, 이는 그 두께가 최대 1인치에 도달하는 독특한 설계방식을 필요로 한다. 본 발명은 고강도의 광 발생 엔진(20,920)과 상기 엔진에 의해서 생성된 광을 원격의 위치로 전송하기 위한 광 전송장치(30,42,40)에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 후방조명 표시기(80), 즉 1인치 이하의 최소두께의 액정 표시기(LCD)들을 구성하는 데 적용 가능하다.
최소 두께의 표시기(80)는 광원 12과 그 밖의 주변기기들을 (표시장치(80)로부터, 원격 포위체(900)를 사용하여) 분리시킴으로서 얻어진다. 이러한 표시기(80)는 공간이 항공기의 조종실(cockpit)에서와 같은 고가의 장치일 경우, 높은 주변 조명조건에서의 사용에 특히 적합하다.

Description

표시장치와는 별도의 광원을 갖는 표시시스템{DISPLAY SYSTEM HAVING A LIGHT SOURCE SEPARATE FROM A DISPLAY DEVICE}
본 출원은 1998. 7. 7자로 제출된 미국 가특허 출원 제 60/091,981호의 " 평편형 판넬 표시시스템 "을 우선권 주장한다. 미국 가특허 출원 제 60/091,981호의 내용은 여기에 참조로 수록되어 있다.
본 발명은 고 강도의 광발생 엔진 및 상기 엔진으로부터 생성된 광을 원격의 위치로 전송하기 위한 연관된 광전송 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 후방조명 표시기, 즉 최소두께의 액정 표시기(LCD)들을 구성하는 데 적용 가능하다. 특히, 본 발명은 표시기 기계장치로부터 광원을 분리하여 최소두께의 표시기를 얻을 수 있다. 이와 같은 표시기는 공간이 항공기의 조종실(cockpit)에서와 같은 고가의 장치일 경우, 높은 주변 조명조건에서의 사용에 특히 적합하다. 본 발명의 광 발생 엔진과 이에 결합된 광 전송장치는 표시기의 조명이외에도, 프로젝션 표시기, 육상 차량 계장 표시기, 자동차 조명( 헤드 라이트, 후미등, 패널등, 지도등(map lights), 돔 등(dome lights)), 공항 활주로등, 항공기 실내등, 및 거리 조명등들과 같은 다른 적용 예에도 사용되어질 수 있다.
전형적으로, 높은 휘도(luminance)의 표시기( 즉, 항공전자공학의 적용예에 사용되는 것)들은 하나 또는 그 이상의 형광램프를 갖는 유전형(transmissive) 액정 표시기(LCDs)에 기초하고 있다. 반사 공간내에 장착되고, 광 제어필름이 보충되는 경우, 이러한 램프들은 충분한 동력수준으로 구동되어 충분한 루멘(lumens)을 생성하고, 유전형 LCD로부터 200fL을 초과하여 생성한다. 전형적으로, 이러한 표시기들은 최소 3인치 두께를 가지며, 이는 최소한의 전자기기에 결합되는 경우이다. 기능을 증대시키기 위하여 보다 많은 전자기기가 추가되는 경우는, 이에 따라서 표시기의 두께는 증대한다. 부가적으로, 항공전자공학의 적용예에 대하여, 활성 표시기 영역은 전체 포위체 영역중 많은 비율(percentage)을 차지하여야만 하며, 이는 계장 판넬공간이 고가의 장치에 있기 때문이다. 이러한 부가적인 복잡성은 포장밀도를 증가시키고, 포장밀도가 증가하면, 열적 설계가 보다 중요하게 된다는 점은 명백하다. 대략 in3 당 0.1 와트를 초과하게 되면, 활성 냉각수단이 필요하게 되고, 이는 통상적으로 팬(fan)을 사용하며, 그에 따라서 부피를 더욱 증대시킨다.
여러 적용예, 항공전자공학과 같은 곳에서는 표시기 두께를 1인치보다 적게하고자 하는 요구가 있다. 항공전자공학에 관련하여, 이는 조종실 계장 판넬과 그 주위의 구조 부재들을 최소한으로 개조하도록 된 새로운 표시기로서 상기 조종실을 쉽게 업 그레이딩(upgrading)하도록 하는 것이다. 못쓰게 된 표시기는 제거하고 본 발명에 관계된 새로운 표시기를 장착하며, 이는 기존의 계장판넬에 간단히 고정하면 되는 것이다. 대부분의 항공전자공학 표시기들은 계장판넬의 전면으로 1인치이상 돌출하지는 않는다. 이러한 제한은 몇가지 인자들에 의해서 기인하며, 예를 들 면 어느 하나의 표시기가 다른 것을 가리는 것을 배제하여, 전투기 및 공격용 비행기에서 비상 탈출기낭(ejection envelope)측으로 돌출되는 것을 방지하고, 승무원에 의해서 이루어지는 제어작동에 간섭(예를 들면, 제어 요크의 완전이동을 제한하는 등)을 초래하는 것을 방지하는 것에 기인한다.
높은 주변조명상태에서 사용 예정인 종래의 표시기에서 높은 휘도, 높은 대조(contrast), 높은 해상도(resolution)를 얻기 위하여는, 상당한 표시기 두께와 상대적으로 고강도의 광원들이 요구된다. 그러나, 두꺼운 표시기와 고강도의 램프에 의하여 생성된 많은 량의 열들은 많은 적용예, 예를 들면 항공기의 조종실등에 대해서는 악영향을 미치는 것이다.
상기 설명한 바를 감안하여, 본 발명은 광원이 LCD와 같은 표시장치와, 그 백라이트(backlight)으로부터 멀리 떨어져 위치된 표시시스템을 제공한다. 램프, 구동전자기기 및, 다른 부품들을 상기 표시장치로부터 분리시키고, 이들을 멀리 위치시킴으로서, 요구 공간이 엄격한 상기 기낭(envelope) 제한사항을 위반하지 않고, 항공기 조종실에 적합한 표시시스템 요소로 충족되어질 수 있다.
그리고, 본 발명은 고강도의 광 엔진(light engine)을 제공하며, 이는 광원과 광 수집 조립체 및, 상기 광을 원격위치, 예를 들면 표시장치등으로 전송하기 위한 광학전송장치들을 포함한다.
본 발명은 고강도의 광 발생 엔진 및, 상기 엔진에 의해서 생성된 광을 원격의 위치에 전송하기 위한 광 전송장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 후방조명 표시 기, 즉 1인치 이하의 최소두께의 액정 표시기(LCD)들을 구성하는 데 적용가능하다.
최소 두께의 표시기는 광원과 그 밖의 주변기기들을 표시장치로부터 분리시킴으로서 얻어진다. 따라서, 상기 광원과 그 밖의 광 전송장치들은 원격 포위체내에 포함될 수 있다. 이러한 표시기는 공간이 항공기의 조종실(cockpit)에서와 같은 고가의 장치일 경우, 높은 주변 조명조건에서의 사용에 특히 적합하다. 본 발명의 광 발생 엔진과 이에 결합된 광 전송장치는 표시기의 조명이외에도, 프로젝션 표시기, 육상 차량 계장 표시기, 자동차 조명( 헤드 라이트, 후미등, 패널등, 지도등(map lights), 돔 등(dome lights)), 공항 활주로 등, 항공기 실내등, 및 거리 조명등들과 같은 다른 적용 예에도 사용되어질 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 평편형 판넬 표시기(즉, LCD)등과 같은 표시기를 조명하기 위한 시스템이 제공되어진다. 이러한 시스템의 기능 요소들의 몇가지들이 아래에 예시되어 있다:
- 광을 발생시키기 위한 광원.
- 상기 광원에 의해서 발생된 광을 수집하고, 하나 또는 그 이상의 광출력을 제공하는 광 수집 조립체. 상기 광 수집 조립체는 적어도 하나의 타원형 거울과, 바람직하게는 8개의 타원형 거울들을 포함하여 상기 광원으로부터 발생된 광을 배출 포트의 구멍들로 반사시킨다.
- 상기 광출력(들)로부터 광을 수집하고 그것을 공통배출 포트로 전송하기 위한 광 안내 조립체.
- 상기 광 안내조립체의 공통 배출포트에 의해서 방출된 광의 제어가능한 가변형 감쇠(attenuation)를 제공하기 위한 선택적인 조광기(dimmer).
- 상기 선택적인 조광기로부터 또는 다르게는 직접 상기 광 안내조립체의 공통 배출포트로부터, 잠재적으로 불균일(non-uniform)한 광을 포획하고, 배출포트 영역을 가로질러서 균일한 발광을 제공하기 위한 균질기(homogenizer). 상기 균질기에 의해서 생성되고 배출포트 영역을 가로지르는 발광은 균일한 스펙트럼 특성과 균일한 각도를 갖는다. 상기 균질기는 바람직하게 테이퍼 형성되고, 그 입력 포트는 그 출력 포트보다 크다.
- 상기 단일의 균질기 배출 포트로부터 광을 포획하고, 그것을 다수의(multiple) 배출포트로 분배하기 위한 광섬유 케이블 조립체.
- 시준기(collimator) 요소 조립체. 각각의 시준기 요소는 이에 일치하는 광 분배수단의 배출포트로 부터의 광을 포획하고, 개선된 시준(collimation)으로 광을 투사(project)한다.
- 상기 시준기 요소들에 의해서 투사된 시준된(collimated) 광을 포획하고, 시준을 유지하면서 공간효율화 방식으로 그 전파방향을 역전시키는 턴-모서리 조립체.
- 상기 턴 모서리 조립체로부터 시준된 광을 포획하고, 그것을 백라이트 배출 면에 직각인 방향으로 투사하는 파 안내기 백라이트.
- 상기 백라이트에 의해서 투사된 시준된 광을 전송하고, 동시에 그것을 공간적으로 변조(modulating)하면서, 그리고 비-단색(non-monochrome) 적용예에서는 스펙트럼으로 LCD 영역을 가로질러서 화상을 형성하는 액정 표시기(LCD).
- 상기 LCD에 의해서 투사된 광을 전송하고, 동시에 그것을 분산(decollimating)( 또는 확산)하여 LCD 화상이 넓은 범위의 관람각도에서 보여질 수 있도록 투사하는 관람 스크린(view screen).
본 실시예의 견지(aspect)로서, 상기 시스템은 하나 혹은 그 이상의 광학 광 파이프( 예를 들면, 중실(solid) 실린더형 막대 또는 다르게는 사각형 또는 직사각형 단면의 중실 막대)를 추가 포함하고, 각각의 광 파이프는 광 수집 조립체의 각각의 배출포트 구멍에 결합된다. 상기 광 파이프는 광 수집조립체에 의해서 생성된 열 집중과 자외선 방사를 감소시키며, 이들은 다르게는 균질기(homogenizer)로 연결되는 광 안내기들 내에서 완전히 방산되어 질 것이다. 상기 광 파이프들은 바람직하게는 가시광 투과성 내열재료(a visible light transparent heat-tolerant material), 예를 들면 유리, 용융된 실리카 또는 사파이어(sapphire)등으로 이루어진다. 그리고, 각각의 광 파이프는 바람직하게는 유전성의 적외선 반사 피복층(dielectric infrared-reflecting coating), 자외선 반사 피복층 또는 그들의 조합으로 피복되어진다.
본 실시예의 다른 견지로서, 상기 파 안내구는 톱니(sawtooth) 또는 끝을 자른(truncated) 톱니형 표면을 갖는 하부 표면을 구비하여 상기 톱니 및 끝을 자른 톱니형 표면의 크기 및 형상에 기초하여 사전에 결정된 각도에서 상기 파 안내기로부터 광이 나오도록 한다.
본 실시예의 또 다른 견지로서, 상기 시스템은 광을 방향 전환시키기 위한 장치, 예를 들면 턴 모서리 프리즘 조립체(turn-the-corner prism assembly)와 같이 파 안내기에 앞선 곳에 위치되는 것을 포함할 수 있다. 예시적으로, 이 조립체는 하나 또는 그 이상의 프리즘을 갖추며, 여기서 각각의 프리즘은 입력표면, 출력 표면 및, 다수의 프리즘이 있는 곳에서는 상기 프리즘들 사이의 인터페이스(interface)(예를 들면, 얇은 접착제 또는 아교 간격)를 포함하여 조립체의 광-조작효율을 개선할 수 있다. 특히, 상기 접착제는 바람직하게는 인접한 프리즘의 굴절율(index of refraction) 보다는 작은 굴절율을 갖는다.
그리고, 본 실시예의 또 다른 견지로서, 상기 시스템은 균질기로 유입하는 광을 감쇠시키기 위한 전자-기계식 조광기(electro-mechanical dimmer)를 포함한다. 상기 균질기 입구 포트의 바로 전에 배치된 조광기는 300:1 내지 88,500:1의 조광 비율(dimming ratio)을 갖도록 구성된다.
상기 조광기는 한쌍의 개구 플레이트를 포함하며, 각각의 플레이트는 다이아몬드-형 개구를 갖는다. 이러한 것들 중의 하나는 그 내부에 필터를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 형상의 개구도 동일한 기능을 제공하기 위하여 구성될 수 있는 것이다.
본 실시예의 또 다른 견지로서, 상기 시스템은 시준기의 배열을 포함하며, 이는 턴 모서리 프리즘 조립체의 바로 전에 위치되어 균질화된 광을 시준(collimating)한다. 예시적으로, 상기 시준기는 테이퍼진 공간 배열을 포함하며, 상기 배열의 테이퍼진 공간들은 각각 원형, 사각형 또는 삼각형의 단면들 또는 그 조합을 가진다.
다음에 이어지는 상세한 설명은 예를 들어 설명하가 위한 것이고, 본 발명은 단지 상기 예에만 한정되지 않으며, 도면들을 같이 참조하면 아주 쉽게 이해될 것이고, 상기 도면들 내에서 유사한 요소들은 같은 참조부호로 표기될 것이다 :
도 1A는 본 발명의 실시예에 따른 평판 디스플레이 시스템의 블록도이다;
도 1B는 본 발명에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 일부분의 밑면 사시도이다;
도 1C는 본 발명에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 일부분의 윗면 사시도이다;
도 2A는 본 발명에 따른 브래킷들과 원격 포위체(remote enclosure)를 포함하는 평판 디스플레이 시스템 부분을 분해하여 도시한 분해도이다;
도 2B는 본 발명에 따른 기타 주변장치들을 포함하는 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 일부분의 블록도이다;
도 2C는 본 발명에 따른 특수 조정 와셔(special alignment washer)의 밑면 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 내에서 선택적으로 사용되는 조광장치(dimmer device)를 도시한다;
도 4A, 4B 및 4C는 각각 본 발명에 따른 도 1B와 1C의 광 수집조립체(the light collecting assembly)의 측면도, 삼각도 및 조립체도이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 램프 및 냉각(cooling) 조립체이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 램프 및 냉각 조립체이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 램프 및 냉각 조립체이다;
도 8은 본 발명에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 균질기(homogenizer)의 사시도이다;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 사각 시준기 배열의 실시예를 도시한다;
도 10A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 내에 있는 시준기 요소들의 상세한 배열의 실시예를 도시한다;
도 10B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템 내에 있는 시준기 요소들의 상세한 배열의 실시예를 도시한다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 조립된 삼각 에어 공간(packed triangular air cavity) 시준기 배열의 실시예를 도시한다;
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 턴-모서리 조립체(turn-the-corner assembly)의 실시예를 도시한다;
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 파 안내기(waveguide)를 포함하는 도 12의 턴-모서리 조립체의 실시예를 도시한다;
도 14는 본 발명에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 파 안내기를 도시한다;
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 톱니 표면을 갖는 파 안내기의 밑면을 도시한다;
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 잘려진(truncated) 톱니 표면을 갖는 파 안내기의 밑면을 도시한다;
도 17은 순수 계단식 또는 잘려진 표면을 갖는 종래의 파 안내기의 밑면을 도시한다;
도 18은 본 발명에 따른 실린더형 유리 막대와 페룰(ferrule)을 포함하는 도 1A의 평판 디스플레이 시스템의 측면 사시도이다; 그리고
도 19는 본 발명에 따른 도 18의 실린더형 유리 막대를 도시한다.
본 발명은 실시예에서 고광도, 1-인치 두께의 디스플레이 시스템이지만, 다른 두께들을 가진 디스플레이 시스템들도 또한 이용 가능할 것이다. 본 발명에 따라, 광원은 LCD와 이에 동반하는 파 안내기와 같은 디스플레이 장치, 뷰 스크린(view screen), 그리고 백라이트(backlight)(만일 상기 디스플레이 장치가 투과성이라면(transmissive))등으로부터 떨어져서 배치된다. 상기 디스플레이 장치는 방사성(emissive)이거나, 투과성 또는 반사적일 수 있다. 상기 디스플레이는 광학적이고 기계공학적인 관점 하에서 기술된다.
본 발명에 따른 평판 디스플레이 시스템 5의 개략적인 블록도는 도 1A에 도시되어 있고, 반면에 디스플레이 시스템 5의 일부분들은 도 1B, 1C, 2A와 2B에 예시되어 있다. 상술되는 바와 같이, 그러한 일부분들은 원격 포위체(remote enclosure) 내에, 바꿔 말하면, 상기 디스플레이 장치로부터 멀리 떨어진 원격 포 위체 내에 포함될 주변장치들을 포함한다. 디스플레이 시스템 5은 사실 개략적인 것이고, 상기 도(diagram) 내에 있는 구성요소들의 상대적인 크기들, 위치들 및 형상들은 단순히 논의하기 쉽게 하기 위한 것임을 이해해야 한다.
도 1A-C 및 2A와 B에 도시된 바와 같이, 디스플레이 시스템 5은 광 수집조립체 20를 포함하고, 이는 도 4A, 4B 및 5-7을 참조하여 보다 자세히 기술될 것이고, 광원 12으로부터의 빛을 집중하기 위한 것이다.
비록 조립체 20가 적외선 광, 자외선 광, 및 마이크로파와 같은 복사 플럭스들을 전달하도록 선택적으로 설계되어진다고 하더라도, 일반적으로, 광 수집조립체 20는 가시광을 배출 포트(port)로 전달하도록 설계된다.
일례로, 광 수집조립체 20는 대략 3"×4"×3.6"의 크기이고, 70%를 초과하는 집적 효율(collection efficiency)을 갖고 있다. 그것의 기능성 요소들은 마치 소-아크 고강도 제전(HID) 램프 및 타원형 거울들 10을 포함하는 램프 포위체와 같은 둘러싸인 집중 광원 12을 포함한다. 비록 다른 램프가 구동력을 전달하고/또는 아크 갭들이 이용될 수 있다 할지라도, 상기 광원 12은 270W 아크 램프에 의해 구동력을 받고 1.4mm의 아크 갭을 가질 것이다. 또한, 광원 12은 전극 차단(electrode shadowing) 효과가 없는, 가급적 기본적으로 전방향성의(omnidirectional) 발광체(radiator)이다. 그러므로, 상기 광 수집조립체 20는 전방향성 광원 12의 출력을 분할함으로써, 가급적 둘 또는 그 이상의 광 출력을 제공할 수 있다.
도 1B, 1C 및 2A에 잘 도시된 바와 같이, 상기 타원형 거울 10은 다수의 L-형상 지지 브래킷들 115(brackets)에 의해 지지되고 있다. 상기 "L" 각각의 윙(wing)은 대략 0.9" 넓이와 2.25"높이이다. 특히, 도 1B 및 1C는 네 개의 L-형상 지지 브래킷들 115의 조립체를 도시하고, 반면에, 도 2A는 현존하는 네 개의 브래킷들 115 중 단지 두 개만을 도시한다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 각각의 브래킷은 틈새를 갖는 한 쌍의 관통공들(through-holes)(상기 "L"의 각 측면 상에 하나씩) 117을 갖는데, 이는 각각의 섬유 케이블 다리 25의 끝단 페룰(end ferrule)의 돌출을 가능하게 위한 것이고, 한 쌍의 나사(tapped) 구멍들 119을 갖고 있는데, 이는 도 1B 및 1C에 도시된 엄지 스크류 클램프(thumb screw clamp) 18를 이용하여 각각의 돌출하는 섬유 케이블 다리를 각각의 조절장치 120에 안착시키기 위한 것이다. 관통공 117은 대략 지름이 0.36"이고 나사 구멍 119은 대략 지름이 0.19"이다. 또한, 광원 12과 상기 타원형 거울들은 상단 및 하단의 허브 판들 16, 14에 의해 지지되고 있는데, 이들 각각은 대략 3" ×3.9"×0.25"(두께)의 크기를 갖고 있고, 4.93"의 대각길이(diameter)를 갖고 있다. 또한, 상기 상단 허브 판 16 상단부터 상기 하단 허브 판 14 밑단까지의 높이는 상기 거울들을 지지할 때, 대략 2.75"이다.
상기 타원형 거울들 10과 거울 모서리 슬롯들 112은 조립체 20를 위한 배출 포트 구멍들을 형성하고, 적절한 배열을 확실하게 이루게 하도록, 상기 조립체의 설계에 정확한 데이터 표면들의 적절한 세트를 구성하는 것이 바람직하다. 상기 광원으로부터의 효율적인 광 흡수는 그러한 적절한 배열에 달려있다. 도 2A에서, 광 수집조립체 20의 분해도는 상기 광 엔진(light engine)의 다양한 요소들이 조립되는 방식을 도시하고, 배열에 바람직한 데이터 표면들의 설계를 도시한다.
도 2A 및 4A-4C를 참고하면, 네 개의 타원형 거울 10이 예시되고 있다. 상기 상단 및 하단의 네 개의 타원형 거울 10은 실린더형 표면들을 갖고 있는데, 이는 각각 허브 판들 16 및 14의 실린더 형 허브들과 결합한다. 상기 거울들 10은 가터(garter) 스프링들 126을 이용하여 허브 판들 14 및 16에 대해 안전하게 지지되고, 이들은 거울들 10의 뒷면에 형성된 토리오달 요홈(matching torriodal grooves)과 일치하여 결합된다. 상기 광원 12의 상단 및 하단은 실린더형 클램프 조립체 28를 이용하여 지지되는데, 이는 허브 판(hub plate)들 14 및 16내의 원형 구멍들로 삽입된다. 이러한 구멍들은 상기 허브들과 동심을 갖고, 상기 조립체 20 중심에 위치된 공통의 초점을 갖는 광원 12의 배열을 위한 충분한 틈새를 제공하고 양쪽 허브들의 공간축과 동심축을 이룬다.
도 2A 및 2C에 도시된 바와 같이, 특수 배열 와셔 23는 상기 허브 판 16의 허브 주위에 적절히 배치된다. 상기 와셔 23의 상단은 상기 허브 판 16의 평평한 밑면과 체결하기 위해 평평하고, 반면에 상기 와셔의 밑면은 상기 거울들 10의 상단 면들과 맞도록 원뿔형 테이퍼를 갖고 있다. 상기 허브 축을 중심으로 한 거울 10 각각의 에워싸는 배열은 각 거울 부위 상단 코너(corner) 모서리들 내에 있는 노치들 140에 의해 제공된다(도 4A-4C 참조). 노치들 140은 정확한 참고 데이터 표면들을 갖고 있는데, 이것들은 상기 허브 판 16의 밑면에 수직한다. 상기 와셔 23의 밑단 원뿔면으로부터 네 개의 양각된(raised) 키(key) 돌출부들(protrusions) 21이 있다. 돌출부들 21은 상기 네 개의 거울들 10 노치들(notches)의 대응하는 참고 데이터 표면들과 체결하도록 설계된 여덟 개의 정확한 기준면들을 갖고 있다. L-형상 지지 브래킷기준면들 115의 대응하는 관통공들 117을 갖는 거울 모서리 슬롯들 112의 에워싸는 배열을 제공하기 위하여, 핀 관통공 29이 허브 판 16 내의 대응하는 핀과 체결하기 위해 와셔 23 내에 뚫려 있다. 상기 네 개의 L-형상 지지 브래킷들과 그들의 여덟 개의 관통공들 117은 거울 모서리 슬롯들 112을 가진 관통공들 117의 적절한 배열을 확실하게 하기 위하여 상기 허브 판 16에 대해 정확하게 위치된다.
여덟 개의 상대적으로 작은 코일 스프링들 38은 상기 허브에 인접한 밑면 허브 판 14 내에 있는 대응하는 턱들(receptacles) 39로 삽입된다. 상기 거울 10의 원뿔형 밑면들은 각각 두 개의 스프링들과 체결한다. 그러므로, 각각의 거울 부는 상단 허브 판 16을 향해 스프링-하중을 받는다. 이러한 스프링-하중 걸림은 상기 거울들 10 상단 원뿔면들과 상단 허브 판 16들 사이에 있는 상기 와셔 23의 상단 및 하단의 경계면들이 서로 확실하게 밀착하도록 한다.
상기 스프링들 38과 가터 스프링들 126의 스프링-하중 걸림은 상기 램프에 의해 생성된 열에 의해 발생된 열적 치수 변형이 존재하는 곳에서도 결정적으로 배열을 유지시키는 효과적인 방법이다. 이는 스프링-하중 방법이 상기 유리 거울 경계면에서 상기 거울들을 깨뜨리는 압력 발생을 회피하기 때문이다. 그러한 압력은 열적으로 유도된 치수 변형을 조절하지 못하는 종래의 배열 방법에서는 존재한다.
제작(fabrication)에 관해, 정확한 유리 표면을 만드는 단위 경비는 그것들을 연마(grinding)하는 비용보다 적다(그리고, 물론, 그것들을 연마 및 폴리싱(polishing)하는 비용보다 적다). 그러므로 거울들 10의 주요 표면들은 가급적 몰드된다(molded). 이러한 몰드된 거울 표면들은 상기 타원형 거울 표면들, 상기 상단 및 하단 실린더 형 허브 경계면들, 상기 상단 및 하단 원뿔 경계면들, 상기 노치된 상단 거울 클로킹(clocking) 경계면들, 및 상기 거울 10 모서리 슬롯 표면들을 포함한다. 만일 모든 몰드된 표면들이 다른 식으로 형성되지 않고/또는 상기 몰드로부터 떨어지게 되도록 되어 있다면, 상기 유리 몰딩 프로세스를 용이하게 하기 위해, 모든 몰드된 표면들은 드래프트(draft) 각을 갖도록 설계된다. 예를 들면, 상기 상단 및 하단 거울 모서리들은 가급적 쉽게 몰드로 부터 분리(release)하기 위해 평평하게 보다는 원뿔형으로 형성된다. 같은 이유로, 상기 거울 모서리 슬롯들 112은 가급적 드래프트 각을 갖도록 설계된다.
도 4A, 4B 및 4C는 각각 도 1B 및 1C에서 도시된 광 수집조립체 20의 거울들 10의 측면도, 삼각도 및 조립도이다. 도 4B에 도시된 바와 같이, 각각의 타원형 거울 10은 두 개의 타원형 거울부분 110을 포함하고 이는 가급적 제조의 간편함을 위한 것이다. 따라서, 각각의 타원형 거울 부분 110은 기본적으로 광원 12 아크 상의 중심부에 있는 여덟 개 모든 거울 부분들 110에 공통적인 첫 번째 초점을 갖기 위한 방식으로 위치된다. 또한, 각각의 타원형 거울 부분 110은 두 번째 유일한(unique) 초점을 갖고 있는데, 이들 각각은 기본적으로 중심부에 위치되거나 실린더형 막대 138에 대응하는 실린더 형 막대 입구 포트 125(도 4C 참조)가 있는 각각의 거울 모서리 슬롯 112 부근에 있다(아래에서 상세히 기록된다). 그러므로, 각각의 타원형 거울은 그것이 이 거울의 두 번째 초점 또는 그 부위 근처에 위치된 상기 대응하는 실린더형 막대 입구 포트 125 상의 아크로부터 차단하는 빛을 집중 시킨다. 각각의 거울 모서리 슬롯 112은 도 1B 및 1C에서 도시된 각각의 브래킷 포트 구멍 117에 맞춰 정렬되어 있는 것에 유의한다. 각각의 실린더 형 막대 입구 포트 125는 예를 들면, 지름 4mm이고 0.42NA(수치적인 구멍값)에서 입사 광을 차단한다.
도 1B, 1C 및 4A-4C에서 도시된 바와 같이, 여덟 개의 모서리 슬롯들 112(각각의 타원형 거울 부분 110마다 하나)과, 그리하여 여덟 개의 대응하는 틈새를 갖는 관통공들 117이 예시되어 있다. 각각의 거울 모서리 슬롯 112은 거울 모서리 내의 반구멍(half-hole)에 의해 형성된다는 것을 유의한다. 각각의 타원형 거울 부분은 각 사이드(side) 상에 하나씩 두 개의 반구멍들을 갖고, 그러므로 상기 램프 포위체 내에는 네 개의 구멍들 112 및 여덟 개의 막대 입구 포트들 125이 있다. 만일 상기 광 엔진의 집광효율을 최대로 하려고 한다면, 각각의 실린더형 막대 입구 포트 125의 지름은 상기 대응하는 타원형 거울 부분 110에 의해 형성된 아크 상(image)의 이론적인 크기를 초과해야 한다. 상기 초과하는 여유분은 상 어긋남, 상기 램프 아크를 둘러싸는 유리 씌우개(envelope)에 의한 광선의 찌그러짐 및 상기 가공된 거울 표면 형상에서 및 상기 거울, 아크 및 실린더형 막대 사이의 상대적인 정렬에서의 부정확함을 순화하도록 설계되어야 한다. 각각의 실린더형 막대 138의 지름 확대는 광 방출을 위해 필요한 각각의 거울 모서리 슬롯 112의 대응 확대를 필요로 한다. 이것은 차례로 집광효율을 감소시키는 상기 타원형의 거울 부분 110 표면의 면적을 감소시킨다. 이러한 거울 면적의 감소에 기인한 상기 효율 감소는 크며, 예를 들어, 상기 거울 슬롯 112 면적이 상기 거울 부분 110 면적의 상당한 부분이 되기에 충분할 만큼 클 때이다.
또 다른 대안으로, 집광 효율과 막대 입구 포트 광휘(irradiance)의 집중 사이에서 선택된 중간 정도를 제공하기 위해, 어느 정도 더 작은 지름의 실린더형 막대 138를 갖는 것이 바람직하다.
여기서 예시된 설계에서, 상기 막대 입구 포트 지름 D는 다음과 같이 선택된다:
D=(s2/s1)G+0.51,
여기서, s1은 상기 타원형 거울과 그것의 첫 번째(공통) 초점 사이의 주축을 따른 단거리이고, s2는 상기 타원형 거울과 그것의 두 번째(유일한) 초점 사이의 주축을 따른 장거리이며, G는 상기 램프 아크 전극들 사이의 틈(gap)이다.
이러한 실례에서, s1=18.5mm, s2=46.1mm, G=1.4mm, 그리고 상기 결과 D는 4mm이다. 상기 D에 대한 표현에서, (s2/s1)G는 상기 타원형 거울 면적 임의의 부분으로 부터의 반사에 의해 발생된 가장 큰 이론적인 아크 상 크기의 추정값(estimate)이다. 상기 추가적인 0.51mm는 여유분이다. 실린더형 막대 지름 D에 대한 상기의 표현이 지시하듯이, 상기 크기 D는 거울 설계 형상 인자들 s1 및 s2, 그리고 상기 램프 전극 틈 G에 대한 밀접한 함수이다.
여덟 개의 타원형 거울 부분들 110로부터 형성된 네 개의 타원형 거울들 10을 포함하는 상기 예시된 광 수집조립체 20 설계는 많은 가능한 또다른 설계 형상들 중 하나이다. 예를 들면, 상기 광 수집조립체는 상기 아크에 대해 적절히 배치된 더 많거나 또는 더 적은 수의 타원형 거울들을 포함할 수 있고, 이것들 모두 공 통된 첫 번째 초점을 가질 것이다. 상기 예시된 형상에서와 같이, 거울 각각의 두 번째 초점은 유일할 것이고 광 방출을 위해 이에 대응하는 유일한 실린더형 막대 입구 포트가 필요할 것이다. 상기 광 수집조립체 내의 거울들 수가 더 많으면 많을수록 상기 아크에서 또는 상기 대응하는 실린더형 막대 입구 포트에서 보여지는 각각의 거울에 의해 차단된 입체(solid) 각은 더 작아질 것이다. 이것은 상기 아크를 둘러싸는 거울들이 모두 동일하다고 가정한다. 그러므로, 이러한 거울들은 또한 각각 동일한 값의 s1 및 s2를 가질 것이다. 상기 수치적인 구멍값(NA)은 상기 대응하는 실린더형 막대 입구 포트 상에 있는 거울로부터의 최대 광선 투사각의 사인(sine)값으로 정의되는 것으로, 상기 형상 및 상기 거울 기능성 구멍의 투영된 면적 크기에 의해 그리고 상기 거울과 이 입구 포트 사이의 거리에 의해 구동된다. 상기 광 수집조립체 20의 예시된 설계값 0.42NA는 거울에 의해 상기 실린더형 막대 입구 포트 표면으로 반사된 광선들에 대한 최대(또는 근사적으로 최대) 입사각 25E를 나타낸다. 물론, 양쪽 D 및 NA의 크기는 상기 광 수집조립체 20의 설계값 및 상기 전극 틈새 G에 달려 있다. 그러나, 작은 값의 G에 대해서는, NA의 G에 대한 의존도가 약하다.
상기 거울들은 유리 또는 금속과 같은 재료로부터 제조될 수도 있다(미도시). 유리 표면들은 유전체(dielectric) 피복층(coating)(얇은 필름의 찬(cold) 거울)을 갖는데, 이는 가시광은 반사하지만 적외선 및 UV 광을 가능한한 통과시킨다; 그러므로 상기 실린더형 막대들 138, 및/또는 상기 실린더형 막대들에 이은 다른 광학기(optics) 내에서 상기 광 수집조립체 20 내의 열 소실을 감소시킨 다. 금속 거울들은 다이아몬드-모양의 알루미늄, 전기-주조 니켈 또는 울템(UItem)과 같은 고-온 폴리머로부터 제조될 수도 있다. 금속 또는 폴리머 거울들은 알루미늄, 유전체 얇은 필름, 또는 다른 높은-반사성 피복으로 피복될 수도 있다. 유리 거울에서와 같이, 유전체 피복은 가시광을 반사시키는 금속 거울상에서 사용될 수 있다. 그러나, 적외선, 자외선 또는 양쪽 둘 모두를 투과시키는 유리 거울상에서 사용되는 피복과는 달리, 금속 거울상의 유전체 피복은 특별히 상기 가시 밴드 밖에서 빛을 흡수하는 동안 가시광을 반사하기 위해 설계된다. 이러한 흡수에 의해 발생된 열은 그 다음 상기 금속 조직을 통해 전도에 의해 방산되고 그러므로 상기 거울 공간(mirror cavity)으로부터 열을 전환한다.
다시 도 1B, 1C 및 2A를 참조하면 광 수집조립체 20는 상기 광원 12의 방출을 포획하여(capture) 전달하기 위해 상기 광 수집조립체의 타원형 거울 표면들을 이용한다. 빛은 광학적인 투과 라인으로 작용하는 다수의 섬유 광학 케이블들 각각과 같은 광 수집조립체 112에 의해 상기 광 수집조립체 거울 모서리 슬롯들 112로부터 분산될 수 있다. 도시된 바와 같이, 여덟 개 각각의 그러한 섬유 케이블 다리들 또는 번들들(bundles) 25은 대응하는 막대 입구 포트 125와 상호 작용되어진다. 섬유 케이블 다리 25 각각은 적절한 정렬을 확실히 하기 위해, 도 1B 및 1C에 도시되어 있는 각각의 조절장치에 의해 조절될 수 있다. 조절장치 120 각각은 대응하는 섬유 조절 구멍 117에 맞춰 정렬되어 있다. 출구 포트의 수가 둘 또는 그 이상(예를 들면, 여덟 개의 모서리 슬롯들 112이 도시되어 있다)이라고 가정하면, 섬유 케이블 다리들 25은 하나의 통로를 형성하기 위해 페룰(ferrule)30 내에서 함께 합쳐 질 수 있다.
도 2A에 도시된 바와 같이, 상기 페룰 30 씌우개는 실린더형일 수 있지만, 반면에 상기 페룰 30의 섬유 번들 출구 구멍은 사각형이다. 상기 페룰 30의 크기는 대략 길이 1.5"이고 지름 0.75"이다. 페룰 30은 크기가 대략 길이 3.775", 넓이 5" 및 깊이 2.57"인 브래킷 32에 의해 지지된다. 브래킷 32은 유사하게 한쪽 끝단에 원형의 입구를 갖고 있고 다른 쪽 끝단에 사각형의 입구를 갖고 있다.
다음 도 18에 따르면, 고온의 스폿(spot)들을 확산시키고 높은 출력 밀도 (power densities)에도 견디도록 하기 위하여, 각각의 섬유 연결체(fiber leg) 125 의 삽입작업은 각각의 페룰(ferrule) 142 으로 연결될 수 있다. 각각의 페룰 (142)은 실린더형 로드 138 과 같은 열에 강한 광학적으로 투과형 요소(transmissive element) 또는 광 파이프로서 지지될 수 있는데, 이는 공기층(air space)이 형성될 수 있거나 또는 그에 대응하는 섬유다발에 부착될 수 있다. 실린더형 로드 138은 높은 굴절율을 갖는 입체형 유리(예를 들어 LaSF31)로 제조되거나 또는 낮은 굴절율을 갖는 용융된 실리카(silica)로 제조될 수 있다. 그런데 각각의 거울 엣지-홈(slot) 112 로부터 광을 수집하는 8개의 섬유 케이블 연결체의 섬유들은 광이 페룰 30에 있는 하나의 공통 배출포트(port)에서부터 방출되기 전에 그리고 그 다음 단계로 전송되기 전에, 균질의 레벨(level)을 제공하도록 임의로 혼합될 수 있다. 상기 실린더형 로드 138의 일예는 도 19에서 도시되고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 실린더형 로드 138은 그 길이가 13mm이고 직경은 4mm 이다.
도 1A 에서 도시된 바와 같이, 그리고 도 8에서 보다 상세하게 도시되는 빔 균질기(beam homogenizer) 40 은 페룰 30의 출력 46 으로부터 입력 44 에서 광을 받는다. 그러나 도 1A 및 도 2B 에서 추가적으로 도시된 바와 같이, 조리개(iris), 가변형 중간 강도의 필터(neutral density filter), 활주형 개구들(sliding apertures) 또는 액정 셔터등과 같은 조광기(dimmer) 42 는 균질기까지의 광을 감소시키거나 제거하도록 선택적으로 균질기 40 바로 전에 위치될 수 있다.
균질기 40은 상기 균질기의 출력측 46 단면상에 균일한 광휘(irradiance)를 발생시킨다. 상기 균질기 40의 출력측은 도 1A 에서 도시된 바와 같이 광 섬유케이블 50을 신장시키는 것과 같은 두 번째 광학 전송 라인과 연결되는데, 이는 하나의 입력측 52와 다수의 출력측 54를 갖추고 있다.
도 1A의 실시예에서와 같이, 광섬유 케이블 50으로 부터의 광은 시준기 (collimator) 60 에 전달된다. 시준기 60은 예를 들어 기능적으로는 복합 포물형 집중기(CPC), 하나 또는 그 이상의 요소들의 간단한 배열 혹은, 광을 시준하는 렌즈의 배열에 가까운 정사각형 단면의 테이퍼진 콘(cone)과 같은 좁은 영역의 입력포트와 넓은 영역의 출력포트를 갖는 테이퍼진 광파이프일 수 있다. 상기 시준기 60의 출력은 직접적으로 또는 턴-모서리 프리즘 조립체 (turn-the-corner prism assembly) 72를 통하여 표시기 80를 조명하는 파 안내기 (waveguide) 70로 광을 유입하는데, 이는 조밀하게 제공될 수 있다.
시준된(collimated) 광은 어떤 형태의 표시기를 조명하는데 에도 적당하다. 예를 들어, 시준된 광은 액정 표시기의 어떤 백라이트(backlight)에도 적당한데, 이는 상기 액정 표시기의 광 입사각이 비교적 좁은 범위일 때 그 대조(contrast)가 가장 크기 때문이다. 반대로 확산되거나 또는 시준되지 않은 광은 낮은 대조를 나타낼 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 표시 시스템 5의 물리적인 배치(layout)의 크기 또는 다른 제약들(contraints)이 시준기 60 과 파 안내기 70 사이에서 전송하는 광의 방향을 변경시키는 데에 필요하다면, (하나 또는 두 개의 프리즘을 갖는) 턴-모서리 조립체 72가 파 안내기 70 바로 전에 배치될 수 있다.
도 2A 및 2B에서 도시된 바와 같이, 표시 시스템 5의 많은 구성요소들은 원격위치의 포위체 900(enclosuer) (그리고 커버 905 에 의하여 밀폐되고) 내부에 배치될 수 있다. 상기 원격위치의 포위체 900은 조종실(cockpit)내의 판넬등과 같은 표시기 80의 영역에서부터 떨어진 표시 시스템의 배치요소들을 위한 공간을 제공하는데, 그 공간은 고가의 장치 내에 형성된다. 바람직하게는 상기 원격위치 포위체의 크기는 하나만 설치하는 경우에도 적합하도록 조정될 것이다. 예를 들어, 항공기인 경우에 원격위치의 포위체는 3ATI, 5ATI 또는 다른 크기의 표준규격으로 규정된 크기로 되고, 따라서 본 발명에 의해서 대체되는 계장기기에 의해서 활용되는 래크(rack)내에 장착될 수 있다. 이에 따라 3ATI 표준규격에 있어서, 상기 원격위치의 포위체 크기는 대략 3"×3"×9" 가 될 수 있다. 따라서, 항공기의 중요 구조물 변경(major structural changes)을 상당히 피할 수 있다. 이에 따라서, 상당한 열을 발생시키는 구성요소들은 열에 민감한 요소들과 분리되어 상기 원격위치의 포위체 내부에 위치될 수 있고, 열 제거가 보다 용이하게 이루어 지고, 외곽 공간에 대한 제약도 상당히 줄어든다.
도시된 광원 10, 광 수집 조립체 20, 조광기 42, 균질기 40 및 (상술된)연결 브라켓트들은 상기 원격위치의 포위체 900내에 포함된다. 광섬유 케이블 50은 구성요소들의 나머지 부분(예를 들어 시준기 60 및 파 안내기 70)들까지 균질기의 출력측을 연결한다. 더하여, 상기 시스템의 다른 구성요소들 즉, 전원 공급기 910, 램프 장치 920, 비디오 연결기 930, 입,출력 모듈 940 및 프로세싱 모듈 950 등도 또한 상기 원격위치의 포위체 900내에 위치될 수 있다.
특정 시스템과 유용공간의 요구상항에 따라서, 작업자는 이러한 부품들을 원격 포위체 900내에 포함시키거나 또는 제외시킬 수 있는 것임을 알아야 할 것이다.
광 수집 조립체(Light Collecting Assembly)
도 4A,4B 및 4C는 도 1B 및 도 1C에 각각 도시된 광 수집 조립체 20의 측면, 삼각 및 조립상태를 각각 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 광 수집 조립체 20은 발광 장치 12로부터 균질기 40 까지 광을 효과적으로 연결시킨다. 상기 광 수집 조립체는 상기 거울 엣지-홈들(edge-slots) 112를 통하여 광원장치의 출력을 분할시키고, 광의 포획(capture)을 최적화하며 그리고 상기 시스템의 효율을 향상시킨다. 도 4b의 삼각도는 램프 포위체를 포함하는 4개의 타원형 거울들중의 하나를 도시하고 있는데, 상기 4개의 거울 10 각각은 2개의 거울110을 포함한다. 상기 거울110 각각은 타원형 주축을 중심으로 선회하는 타원형임을 알아야 한다. 따라서, 광 수집 조립체 20은 어떤 다른 타원체와 공유되지 않는 광 엔진 공간(light engine cavity)의 중심에 형성되는 공통의 첫 번째 초점 포인트(focal point)와 두 번째 단일 초점 포인트를 갖는 8개의 타원형 거울 110들을 갖추는데, 상기 초점 포인트 들은 각각의 인접한 타원형 거울 110들의 엣지에 인접하여 위치된 8개의 거울 엣지-홈 112중의 하나에 위치된다. 상술한 바와 같이, 각각의 거울 110은 일 측면에 형성되는 반구-홈을 갖추어 2개의 인접한 거울 110들은 상기 각각의 거울 엣지-홈 112를 형성한다.
도 4C, 도 19에 따라 추가적으로 설명되듯이, 상기 거울 엣지-홈 112는 바람직하게는 각각의 투광요소 또는 입체 실린더형 로드 138 과 같은 광학적인 광 파이프에 연결된다. 이와 같은 광 파이프는 섬유 연결체 25와 같은 광섬유 케이블에 연결될 수 있고, 다른 광 파이프 또는 입체형 광섬유 심(core)에 연결될 수 있다.
상기 로드 138은 섬유 케이블을 손상시킬 수 있는 고온의 스폿(spot)을 제거하기 위하여, 유리, 용융된 실리카 또는 사파이어와 같은 광 전송재료로 형성될 수 있다. 더하여, 열 및/또는 UV 방사에 의한 손상 요인으로부터 광섬유를 추가로 보호하고, 하류측 광학면(optic) 특히 중합체 광학면과 접착제를 추가로 보호하도록, 상기 로드 138의 입력 포트면은 유전체 IR, UV 반사성 피복층 및/또는 가시광 전송용 중크롬산(dichromic) 필름으로 피복된다. 추가적으로, 이와 같은 피복층 대신에 또는 부가적으로 로드 138는 UV 흡수재료로 제조될 수 있고, 또는 세륨 (cerium)등과 같은 UV흡수 재료로서 처리될 수 있다.
특히 도 18에 따르면, 작동중(하류측 광학 인터페이스에 도달하기 전)에, 상기 광원으로 부터의 열은 각각의 로드에 의하여 흡수되고 상기 각각의 로드 138의 외부에 전도될 수 있고, 상기 로드를 지지하고 흡열기(heat sink)의 역할을 하는 열 전도성 페룰(또는 셀) 142의 내부로 흡수된다. 페룰 142은 바람직하게는 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 이들의 혼합물 또는, 다른 적당한 열 분산재료와 같은 열 전도성 재료로서 이루어 진다.
각각의 실린더형 로드 138은 내열성이고 광학적으로 투명한 접착제 또는 크램프(clamp)(미도시)로서 그 각각의 페룰 142에 안전하게 연결될 수 있다. 접착제의 경우에는, 상기 접착제가 지속적인 온도환경에서 견딜 수 있도록 하는 것이 바람직한데, Epoxy Technology 사의 Epotek 301-2와 같은 에폭시의 경우에는 200EC이상으로 고온에도 견디고, 그리고 상기 접착제는 상기 로드 재료내로 전달되는 광의 전체 내 반사(TIR)를 유지시키도록 충분히 낮은 반사율을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 공기 매개물내에서 발생하는 광선의 경우에;
입체 실린더형 로드의 광택되어진(polished) 입력 포트면의 최대 광 입사각이 θ이고, N의 로드 매개물 굴절율 및, 상기 로드의 광택되어진 원통형 표면상의 접착제 굴절율이 n이라 가정한다.
이때, 상기 TIR이 로드내에 전송하는 모든 광선을 퍼지게 하도록 하기 위해서, n은 (N2-sin2θ)의 제곱근 보다 작거나 또는 같아야 한다. 따라서 상기 실린더형 로드 138이 LaSFN31 유리로 제조된다면, 즉 N=1.88 인 경우이고, 그리고 공기 매개물로 부터의 최대 광선 입사각이 θ=25°라면, 이때 TIR을 유지시키기 위한 대응 하는 접착제의 굴절율은 n=1.83이다. 따라서, TIR을 유지시키는 접착제의 일예인 Epotek 301-2 에폭시는 1.564의 굴절율을 갖는다.
또한, 로드 재료와 접착제의 굴절율 조합으로도 TIR을 유지시키지 못한다면, 마그네슘 플루오르화물(fluoride)(1.38의 굴절율을 갖는)과 같은 적절한 두께의 낮은 굴절율을 갖는 피복재가 상기 접착제와 로드사이에 피복될 것이다. 그러나, 크램프(clamp)가 로드 138을 고정하도록 사용된다면, 낮은 굴절율을 같는 피복재는 격벽층(barrier layer)을 형성하도록 상기 크램프(clamp)와 로드 표면 사이에 도포될 것이다.
광 수집 조립체용 냉각장치(Cooling Arrangements for the Light Cooling Assembly)
높은 광도의 광원 10 (소-아크형(small-arc) HID 램프와 같은) 또는, 다른 높은 와트수(wattage)를 갖는 램프들이 사용 된다면, 냉각시스템이 상기 시스템내의 구부되는 것이 바람직하다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 바람직한 실시예에서 조립체 200은 대략 길이가 3.575" 이고, 밀폐형 부품인 관(tube) 210의 내부에 장착되는 광원 10을 포함하는데, 상기 관과 광원은 적당한 램프 고정물 220 에 위치된다. 상기 관 10은 실린더형 또는 어떤 다른 적당한 형태로 될 수 있고, 용융된 실리카 또는 사파이어와 같은 공기에 대하여 양호한 열전도성을 갖는 깨끗한 재료로 제조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 관 210은 포위체를 형성하는 커버 230에 의하여 일측 단부가 덮혀진다.
상기 관 210의 외측면은 광 수집 조립체 20의 거울110 에 직접적으로 접촉한다. 이는 상기 광원 12 에 의해 발생되는 열 에너지가 관 210 그리고 그 다음으로 상기 광 수집 조립체 20까지 전달되는 것을 가능하게 한다. 다르게는, 냉각수단이 금속 전도체를 램프의 유리막에 부착하고, 흡열부(미도시)에 상기 전도체를 고정함으로서 이루어 질 수있다.
대체적인 광원과 냉각 조립체 300가 도 6에 도시되어 있다. 상기 조립체 300는 광원 12을 갖는다. 실시예에서, 광원 12은 일본회사, Ushio America사에 의해 제조된 270 와트버전(version)과 같은 소-아크형 금속 할로겐(metal halide) HID 램프일 수도 있다. 구리 또는 적당한 열 전도성을 갖는 그 밖의 재료로 이루어진 열 버스들(buses) 330는 최소 2지점에서 램프 12에 연결되고, 밀봉영역(seal area) 350에서부터 흡열부 340로 열을 제거한다. 상기 각각의 열 버스들 350은 대략 1.07" 의 길이이고 그 직경은 0.75" 이다. 상기 밀봉영역 350은 램프 수정 덮개가 열을 받아 "손상되려 할때" 가스-밀봉상태를 형성하는 통상적인 몰리브덴 박판(foil) 전도체로 이루어 진다. 상기 열 버스 330은 박판 밀봉 온도가 제작사가 제시한 범위내에서 유지되도록 설계되어야 하는데, 그 이상이면 밀봉은 어렵게 될 것이다. 이와 같은 기술은, 열 버스를 통하여 램프의 최소 출력만이 전달되어 낮은 열 변화를 수반하는 곳에, 낮은 열 전도성을 갖는 박판의 사용이 유용하다.
상기 타원형 광 수집 조립체 20는 또한 도 6에서 도시되고 있다. 광 수집 조립체 20 에 의해 흡수되는 열은 흡열부 340까지 전달될 것이다. 추가적으로 박판 밀봉 온도를 낮추기 위하여, 첨가재료가 상기 열 버스 330과 수정램프 310 사이에 첨가되어 공간을 충진하도록 될 수 있고, 그 이유는 공기가 매우 낮은 열전도도를 갖기 때문이다. 그러나, 상기 첨가재료는 수정과 구리사이의 상대 이동을 가능하게 하도록 해야하며, 낮은 기체배출(outgassing) 특성을 가져야 하고, 충분한 안전성을 확보하기 위하여 광 제작회사에 의하여 제시되는 것(즉 250E C)이상의 온도에서도 견딜 수 있어야 한다. 예를 들어, 클리브렌드 오하이오의 UCAR Carbon 사에 의하여 제조된 Nuclear Grade style SW-GTA Grafoil을 사용할 수 있다. 이와 같은 Grafoil 재료는 가요성이며, 열 전도체이고, 접합재(binder) 또는 수지(resin)를 전혀 포함하지 않은 극도로 낮은 회분함량(ash content)을 갖는 압축성 그라파이트 가스켓재료이다. 접합재와 수지가 부족하면 높은 온도-유도성 가스방출이 발생될 가능성을 제거하는데, 이는 보다 차가운 타원형 거울 표면상에 가스방출 증기를 응축시킬 위험과, 결국 반사 효율을 떨어드리는 것을 방지할 것이다. 상기 전체 조립체 300은 강제-공기 순환방식으로 냉각되고, 광학면에 공기가 침투하지 않도록 한다. 결과적으로, 밀봉된 거울 조립체는 군사 및 자동차와 같은 오염된 환경에서도 사용될 수 있는 것이다. 냉각 공기의 유속(flow rate)은 램프 수명을 최적화하는 범위내에서는 온도를 유지시키도록 조정될 수 있다.
여러 다른 배열들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서 도시한 바와 같이, 광원은 밀폐 순환형 냉각 시스템 400을 형성시키도록 광 수집 조립체 20 내에 밀봉 위치될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 공기는 상기 광 수집 조립체의 외곽을 따라 순환된다. 특히, 상기 광원 12는 밀봉된 광 수집 조립체 420내에 포위된다. 깨끗한 공기가 팬에 의하여 강제로 광원 12를 통과하고 공기는 플리넘(plenum) 430내에서 냉각된다. 상기 플리넘과 에어덕트는 상기 광 수집 조립체 420를 포함하는 밀봉 조립체를 이루게 한다. 상기 밀봉된 공간은 그 외곽으로부터 오염된 공기의 침투를 방지하도록 하는 것이 필요하다. 선택적으로 흡열부, 팬 또는 다른 냉각 장치(미도시)가 플리넘 430으로부터 열을 전달시키도록 사용될 수 있다.
또 다른 장치(미도시)에 있어서, 램프 자체는 깨끗한 공기가 사용되는 강제- 공기 순환의 냉각방식이 될 수 있다. 공기 대신에 헬륨 또는 헬륨 혼합물, 네온 및 질소등이 상기 광학 표면을 냉각시키도록 사용될 수 있다.
조광기(Dimmer)
설명된 바와 같이, 조광기 42는 조리개, 가변형 중간 강도 필터(neutral density filter), 활주형 개구 또는 액정 셔터일 수 있다. 도 3에서 상세하게 도시된 바와 같이, 상기 조광기 42는 서로 수평하게 활주하는 두 개의 개구 플레이트 1010,1020을 구비한다. 도시된 바와 같이, 각각의 플레이트는 다이아몬드 형상의 개구 1030을 갖춘다. 선택적으로는 상기 다이아몬드형 개구들중 하나를 커버하는 NVIS 필터와 같은 필터가 있을 수 있는데, 이는 야간 투시장치에 사용하는 것이 적절한 조종실 표시장치로 제작될 수 있다. 이와 같은 개구의 작은 크기로 인하여, 여기에서 위치되는 NVIS 필터는 덜 비싸고, 보다 두께가 얇으며, 다르게는 전체 LCD 표시기 백라이트 영역의 앞부분 및 이를 커버하는 그 사용위치에 위치되는 NVIS 필터 보다 더 컴팩트(compact)한 것일 수 있다.
작동시, 상기 플레이트 1010과 1020들이 함께 또는 분리되어 이동하기 때문에, 상기 2개의 개구 1030의 겹쳐짐으로서 이루어 지는 상기 개구의 크기는 다양하게 원하는 대로 변경될 수 있다. 상기 조광기는 전기-기구방식이 조합된 것이 바람직하고, 300:1 까지 상승되는 조광율을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
85,500:1까지(예를 들어) 보다 큰 조광율을 갖도록 하기 위하여, 2 단계의 조광기가 도 3의 활주하는 개구 플레이트중 하나에 2개의 개구들을 형성하도록 하여 달성될 수 있다. 이와 같은 활주형 개구가 어떤 변환 위치에 주어진다 해도, 그 2개의 개구중 단지 하나의 개구는 다른(하나의) 개구 활주형 플레이트의 개구와 공통되는 전송영역을 갖게 된다. 이와 같은 조립체의 활주 매카니즘은 양측 개구를 이동하도록 설계되어 페룰(ferrule) 30의 섬유 케이블 배출포트와 균질기 40의 입구포트 개구 44의 공통축의 중심에 위치되는 공통 전송영역을 유지시킨다. 이와 같은 배열은 균질기 40의 배출포트 46에서 배출되는 광의 균질성을 최대화한다.
2 단계의 조광작동은 2개의 개구 활주면중 하나의 개구 위에 위치되는 중간 강도 필터로서 수행된다. 상기 첫 번째 단계의 조광작동은 최소 크기의 공통영역 개구에 도달될 때 까지, 하나의 개구 활주면을 가로질러 2개의 개구 활주면중 분명한 개구를 활주시킴으로서 수행될 것이다. 두 번째 단계의 조광작동 경우에는, 다시 최소 크기의 공통 영역 개구가 도달될 때 까지 상기 2개의 개구 활주면의 중간 강도 필터 개구가 하나의 개구 활주면을 가로질러 활주된다. 상기 필터의 중간 강도는 상기 첫 번째 조광단계의 최대 감쇠폭과 같아지거나 또는 그 보다 약간 작도록 조정된다. 예를 들어, 첫 번째 단계의 조광범위가 300:1인 경우에, 중간 강도는 2.47 이 될 수 있는데, 이는 상기 활주형 개구들의 공통영역이 최대일 때 295:1의 조광범위를 제공하기 때문이다. 이때 상기 두 번째 단계의 최대 조광율은 [295×300]: 1 또는 88,500: 1이다.
이와 같은 2단계의 조광배열(arrangement)에 따른 추가적인 잇점은 상기 NVIS 필터가 동일한 기층(substrate)의 다른 측방에서 중간 강도 필터를 결합시킬 수 있어 모든 기능을 조합할 수 있다는 점이다. 이때 상기 중간 강도의 조합은 실시예에서 2.47로 설계될 것이다. 이는 NVIS 필터들에 기인하는 시스템 효율의 감소를 자연스럽게 제거하는데, 그 이유는 상기 첫 번째 조광단계는 NVIS와는 무관하기 때문이다.
상기 2개의 활주형 개구사이의 공통 개구 영역을 위한 최소 크기의 한계는 결국 전송 개구가 보다 작게되기 때문에 발생되는 회절(diffraction) 레벨이 증가함으로서 결정된다는 것을 알아야 한다. 이와 같은 회절 효과는 충분히 커서 하류측의 광섬유 케이블내 섬유들의 개구수(numerical aperture)(NA)의 한도를 넘어서 분산(decollimating) 현상을 발생시키게 된다. 이는 케이블내의 광 흡수를 초래하여 케이블의 광 전송 효율을 저하시키게 될 것이다.
더욱이, 이와 같은 섬유 개구수(NA)가 상기와 같은 시준손실을 조정할 정도로 충분하다 해도, 현저한 분산현상이 백라이트의 시준(collimation)에서 바람직하지 못한 변경(alteration)을 초래할 것이다. 광 엔진과 파 안내기사이의 투광 시스템은 'etendue' 보존을 최대로 하며, 상기 파 안내기로부터의 어떤 형태의 광 배출(egress)의 시준 정도를 이루도록 설계되는 것이다. 이때 상기 조광기의 최소크기 개구에 의해 발생되는 현저한 분산현상은 조광한계점에 도달하는 경우, 백라이트 시준현상을 감소시키는 바람직하지 못한 결과를 초래하거나, 또는 성능의 바람직하지 못한 변화를 초래할 것이다.
광 균질기(Beam Homogenizer)
도 8에서 도시된 바와 같이, 상기 광 균질기 40은 모두 6면상에서 광택되어진 정사각형 단면의 로드로 제작된다. 바람직하게는 상기 균질기 40는 아크릴수지, BK7유리 또는 가시광 영역내의 낮은 감쇠(attenuation)를 갖는 다른 재료로 제조될 수 있다.
상기 사각 단면체는 균질기의 전체 길이를 균일하게 하거나 또는 도 8에서 도시된 바와 같이, 테이퍼질 수 있다. 특히 균질기 40은 큰 입력포트 44 와 작은 출력포트 46을 갖는다. 상기 균질기는 연마(ground)되고 다이아몬드-가공되며, 레이져(laser) 절단 또는 취출되어 제조될 수 있다. 다르게는 사각단면을 갖는 중공형 반사성 공기층 공간(cavity)이 사용될 수 있다. 상기 균질기의 폭에 대한 길이비는 출력이 균질기 배출포트에서 균일하게 되도록 선택되어 진다. 길이는 입력광의 시준상태, 균질기 재료의 굴절율 및 균질의 정도에 따라 다르게 된다. 통상 그 길이는 폭의 열배정도이다. 도시된 바와 같이, 상기 균질기 40은 100mm 정도 떨어진 13mm 제곱의 입력포트와 8.4mm 제곱의 출력 포트를 갖춘다.
더하여, 상기 테이퍼진 균질기의 길이는 균일한 단면을 갖는 균질기의 길이보다 적게 될수 있지만, 그 균질정도는 같다. 따라서 테이퍼진 균질기는 단면이 균일한 균질기보다 공간적으로 더 효율적이다.
광섬유 케이블(Fiber Optic Cable)
도 1A에서 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 케이블 50은 상기 균질기의 배출포트 46의 크기와 모양이 일치되도록 설계된 하나의 사각형 공통의 입력포트를 갖춘다. 이와 같은 섬유케이블 입력 포트는 상기 공기 갭(gap)을 제거함으로서 인터페이스(interface)에서의 효율 손실을 최소화하도록 된 투명한 접착제에 의해서 배 출포트 46에 접착되어 Fresnel 반사 손실을 감소시킨다.
상기 입력포트로 부터 나온 광섬유들은 공칭 원형 단면을 갖는 피복 케이블(jacketed cable)내에 완전하게 결속되어진다. 상기 케이블은 도 1A에서 도시된 바와 같이, 시준기 배열 60상의 유입 포트 개구들로 유입할 정도의 충분한 길이 즉, 2피트의 길이를 갖는다. 따라서 광섬유 케이블 50은 하나의 사각 공통 입력포트와 다수의 광섬유 케이블 배출 포트를 구비한다. 하나의 피복 케이블에서 여러개의 피복 케이블들로 바뀌는 지점은 그 케이블의 길이를 따른 편리한 지점에 있도록 할 수 있다. 상기 배출포트들의 크기와 형태도 시준기 배열상의 입력 포트와 긴밀하게 일치하도록 설계된다.
상기 균질기 배출포트 인터페이스(the homogenizer exit port interface)에 결합되어지는 하나의 섬유케이블 입력포트와 유사하게, 각각의 섬유케이블은 투명한 접착제로서 대응하는 시준기 입구포트에 접착되어지는데, 이는 Fresnel 반사손실을 감소시킴으로서 상기 인터페이스에서의 전송 효율을 최대화시키도록 사용된다. 상기 광섬유 케이블의 입력 및 배출포트에서의 개구들을 접하도록 정열은 결합효율 손실(coupling efficiency losses)을 감소시키기 때문에 중요하다. 이와 같은 정렬은 확실하게 상기 인터페이스의 양측에서 겹치는 요소들의 축을 평행하게 하고, 서로에 대하여 중심에 위치되도록 할 것이다. 더하여, 상기 겹치는 개구들이 원형이 아니라면, 상기 개구들은 균질기 배출포트 46와 섬유케이블 입력포트의 사각 개구들인 경우이므로, 상기 포트들은 그 공통 축에 대해서 회전방향으로 정렬되어야 한다.
추가로, 상기 인접한 배출 포트 개구들보다 약간 더 큰 입구포트 개구들을 설계함으로서, 상당히 긴밀한 배열의 공차를 충족시켜야 하는 어려움을 피할 수 있는 것이다. 이는 상기 배출 포트 개구들이 인접하여 대응하는 배출포트를 약간 낮추는 것을 가능하게 함으로서 전송 효율을 유지시키게 한다. 이와 같이 배출포트를 낮추는 기술은 겹치는 개구들이 가장 작을 경우에, 예를 들어 상기 작은 시준기 입력포트 개구를 갖는 인터페이스에서 개구들이 가장 작을 경우에 가장 큰 잇점을 제공한다. 이는 보다 작은 개구들은 주어지는 가능한 허용오차까지 결과로 나타나는 인터페이스 효율 손실을 감소시키기 위해서는 보다 면밀한 정렬 허용오차를 필요로 하기 때문이다.
시준 요소들의 배열(Array of Collimating Elements)
도 10A와 도 10B는 시준요소emf의 실시예를 도시한 것인데, 이는 도 9에 도시한 바와같이 시준기 배열(collimator array) 60로 구성될 수 있다. 도시한 바와같이, 시준기 160와 260사이의 차이점은 시준기 160의 입력포트 165가 실질적으로 원형인 반면에, 시준기 260의 입력포트 265는 실질적으로 직사각형이라는 것이다. 그러나, 양 실시예의 시준 요소들은 각각 입구 포트 영역보다 더 큰 배출포트영역을 갖고 있는 테이퍼 진다. 상기 배출포트단부는 도 9에 도시된 시준기 60와 같은 시준기 배열을 형성하도록 나란히 한줄로 늘어서 있다. 상기 배출포트 개구는 인접한 턴-모서리 프리즘(turn-the-corner prism) 조립체 입구 포트의 개구를 메우는 것이 가능한 형태인 정사각형 또는 직사각형이 바람직한데, 상기 조립체는 시준기 배출포트의 배열을 메우는 긴 직사각형 형태를 갖고 있다. 광으로 이와 같은 개구 를 메우는 것은 상기 턴-모서리 프리즘을 통해, 상기 백라이트(backlight)로 그리고 표시기를 가로질러서 광이 없는 최종 영역으로부터 다르게 투영되는 검은띠(the dark bands)를 피하기 위해서는 중요한 것이다. 상기 시준기 요소들의 선택적인 정사각형 또는 직사각형 단면은 배출포트에 인접한 길이영역을 균일화하는데 유리하다. 이는 시준기의 배열이 이러한 요소로부터 구성되는 것을 가능하게 하고, 상기 요소는 접촉하는 측과 상기 턴-모서리 프리즘 조립체 입구포트 측에 직교하고 평행한 축과 서로 인접하여 쌓여진다. 이러한 요소들은 상기 턴-모서리 프리즘 조립체 입구포트의 개구와 접촉하고 있는 배출포트와 함께 평면상에 쉽게 조립될 수 있다. 이러한 배치는 정렬의 용이한 수단임이 확실하다. 상기 시준기 배출포트와 턴-모서리 프리즘 조립체 입구포트의 접촉면은 광학적으로 투명한 접착제로서 접착되어질 수 있으며, 이는 상기 프리즘의 빗면에 의해 반사되는 광선에 대한 상기 접착성 인터페이스에서 전체 내 반사를 유지하기 위하여 상기 프리즘 율에 대하여 충분히 낮은 굴절율을 갖도록 한다.
도 10A의 시준기 160는 턴-모서리 프리즘 조립체의 겹치는 부분과 상호작용하는 선형 배열의 부분을 형성하는 복수의 요소를 도시한다. 각각의 요소는 원형 입력포트 개구 165와 정사각형 배출 포트 개구 168를 갖는다. 상기 원형 입력포트 165는 광섬유 케이블 50의 대응하는 원형 배출포트와 상호 작용한다.
상기 시준기 160의 배출포트 168는 6.6mm2 가 바람직하다. 이러한 치수는 상기 턴-모서리 프리즘 조립체 입구 포트 개구의 높이를 약간 과도하게 채우도록 한다. 33개의 6.6mm 정사각형 시준기 개구는 나란하고 촘촘하게 채워진 선형 배열로 정렬되고, 대략 그 길이가 218mm 이며, 상기 턴-모서리 프리즘 조립체 72의 입구포트 개구를 약간 넘기에 충분하다. 이러한 과도한 채움은 검은지역(dark area) 또는 상기 턴-모서리 프리즘 조립체의 입구포트개구에서 줄무늬가 발생되는 것을 피하도록 하는데 바람직하다. 이들 줄무늬는 광이 없고 상기 턴 모서리프리즘조립체는 이들 줄무늬를 배경내로 그리고 표시기를 가로질러 투영한다. 도 10A에 도시한 바와같이, 시준기 요소의 정사각형 횡단면부분은 테이퍼진 횡단면형태가 시작되기 전까지 6.6mm×6.6mm 로 동일한 치수를 갖는다. 상기 테이퍼진 부분은 작은 입구포트와 큰 정사각형 횡단면간의 직경을 증가시킨 원뿔형상을 갖추고 있다.
도 10B의 시준기 260는 도 10A와 유사한 복수의 시준 요소들을 나타내며, 턴 -모서리 프리즘 조립체의 겹치는 부분과 상호작용하는 선형 배열부분을 마찬가지로 형성한다. 각각의 요소들은 정사각형 입력포트 개구 265와 정사각형 배출포트 개구 268를 갖는다. 상기 정사각형 입력포트 165는 섬유광케이블 50의 해당하는 정사각형 입구포트와 상호작용한다.
상기 시준기 160의 배출포트 168와 마찬가지로, 바람직하게는 상기 배출포트 268는 6.6mm2 의 크기이다. 따라서, 상기 턴-모서리 프리즘 조립체 72를 갖는 시준기의 인터페이스와 그 채움 특성은 상기 시준기 160의 특성과 동일하다.
상기 시준기 260의 각 시준기 요소의 테이퍼진 부분은 상기 작은 정사각형 입구포트와 큰 동일한 사각 단면영역사이에서 그 크기면에서 증가하는 사각 단면을 갖는다. 따라서, 시준기 160에서 각각의 시준요소들은 원뿔형의 테이퍼진 단면상을 갖는 대신에, 시준기 260의 각 요소들은 각뿔(pyramidal)형태의 테이퍼진 단면을 갖는 것이다.
상기 시준기 160의 구조는 다른 시준기 260를 이용한다면, 광섬유 케이블 50의 섬유다발이 상기 시준기 260의 사각 입력포트 265와 짝을 이루는 것이 필요하기 때문에 상기 시준기 260에 비하여는 그 사용이 바람직하다. 사각 배출포트를 갖는 섬유다발은 보다 고가이고 둥근구멍을 갖는 것에 비하여 조립하기가 보다 어렵다는 것을 의미한다.
6.6mm2 개구를 갖는 시준기 160,260의 길이는 통상 100mm이다. 시준기 160의 입력포트 165의 통상적인 직경은 1.65mm이다. 시준기 260의 입력포트 265의 통상적인 크기는 1.462mm2 이다. 바람직하게는 상기 양 시준기들의 이와 같은 입력포트 크기은 통상 2.14mm2의 동일한 입력포트 영역을 갖도록 하는 것이다. 마찬가지로, 6.6mm2 의 동일한 개구를 갖는 경우에도 43.56mm2 크기의 배출포트 영역들은 같다.
광섬유 케이블 50의 상기 섬유다발 배출포트로부터 상기 시준기 160,260의 상기 입력포트 개구로 들어가는 광의 원뿔형 반각도(half angle)는 35E의 공기 등가값을 갖는다. 스넬(Snell)의 법칙을 적용함으로서, N의 굴절율을 갖는 매개물내의 실제 반각도(half- angle)는 ψ로 부여되고, 여기서, ψ= arcsine ((sin35°)/N) 이다. '이상(ideal)'적인 시스템에서 에덴듀 보존(etentue conservation)의 원리를 따라서, 상기 시준기 개구를 떠나는 광과 들어가는 광의 공기-등가 시준 반각도는:
Ain sin2 θin= Aout sin2 θout,
여기서, Ain 과 Aout 는 각각 입력포트영역과 출력포트영역이다. 그리고, θin 과 θout는 해당하는 공기-등가 광 입력값이고, 광은 원뿔형 반각도를 빠져나간다. Ain = 2.14mm2, Aout = 43.56mm2 그리고 θin= 35° 일 때 θout 의 값을 계산하면, 7.3°의 이상적인 값이 산출되며, 이는 시준기 요소로서 사용되어지는 복합 포물형 집중기(compound parabolic concentrator)(CPC)에 의해서 이루어질 수 있다. 그러나 보다 현실적으로 시준기 160,260에 대한 θout 의 실제값은 이상적인 복합 포물형 집중기(CPC)의 성능과 가깝고, 약 9° 또는 10°이다.
시준기의 또 다른 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 특히 채워진 삼각형 공기공간 배열 1110은 빗변을 양분하는 축에 수직한 평면에 직각 삼각형 단면들을 갖는 다수의 테이퍼진 공기공간 1112 들을 포함한다. 도시한 바와 같이, 상기 배열은 빗변 측 거울들 1114 사이에 끼워진다. 본 실시예는 사각 배열과 같은 동일한 방법으로 기능하며, 그 이유는 빗변에서 반사된 직각 이등변 삼각형의 거울-상(mirror image)이 사각형을 형성하기 때문이다. 각각의 직각 삼각형 사이의 작은 이음새(seams) 들은 상부와 하부표면들에 대하여 45E 각도를 이룬다.
턴-모서리 조립체(Turn-the-Corner Assembly)
상술한 바와같이, 파안내기 70로 광이 들어가기전에 시준기 60에서 광의 방향을 전환시킬 필요가 있을 것이다. 도 12와 13은 턴-모서리 조립체 72를 도시한 것이고, 여기서 도 12는 상세도이고 도 13은 파안내기 70를 포함한 것이다.
도 12와 13의 턴-모서리 조립체 72는 선택가능한 유전형 공간 요소(an optional transmissive spacer element) 530에 의해서 분리된 2개의 프리즘 510과 520을 포함한다. 공간요소 530을 추가함으로서 입,출력 광 다발사이의 갭(gap)을 증가시키는 것이 가능하다. 상기 갭은 상기 공간두께를 가변시킴으로서 원하는 크기로 조정될 수 있다.
프리즘(prism) 510은 제 1면 512, 상기 면 512과 직각으로 이루는 제 2면 및 거울형의 빗면(a mirrored hypotenuse face) 514을 포함한다. 동일하게 프리즘 520은 제 1수직면 526, 제 2수직면 522 및 거울형의 빗면 524을 포함한다. 그 단부면을 포함하는 상기 프리즘과 공간의 모든 면들은 연마되어 있다. 상기 프리즘과 공간의 크기는 최대 효율로 광을 보내고 포획할수 있도록 설계될 수 있다. 예들들어 상기 프리즘 510,520의 제 1, 2면의 길이는 6mm로 할 수 있고, 상기 프리즘 510,520의 빗면의 길이는 8.49mm로 할수 있다.
프리즘 510,520과 공간요소 530는 아크릴수지 또는 중합탄산염 (polycarbonate)과 같은 투명한 중합체(polymer)재료로 이루어 질수 있다. 선택적으로는 용융된 실리카, F2 또는 BK7와 같은 유리 뿐만 아니라, 이와 같은 재료들을 를 혼합하여 사용될 수 있다. 필요하다면 상기 프리즘 빗면을 알루미늄, 은, 다층 유전체 필름(a multilayer dielectric film) 또는, 다른 거울형 피복층 542으로 피복할수 있다. 선택적으로는 LaSFN31 유리와 같은 충분히 높은 굴절율을 갖는 재료를 상기 프리즘과 공간요소를 형성하기 위하여 사용할수 있는데, 이는 상기 프리즘 빗면 공기/유리 인터페이스에 입사하는 광선 각도의 전체범위를 위하여 전체 내 반사(TIR)을 유지시킴으로서 거울형 피복재가 필요하지 않도록 한다. 예를들어 1.88의 굴절율을 가지는 LaSFN31 유리로 된 직각 프리즘의 빗면은 24.5°또는 그 이하의 각도에서는 공기 매개물으로 부터의 프리즘 입구포트에 입사하는 모든 광선을 내측으로 완전하게 반사시킬 것이다.
상기 프리즘 입구포트 및/또는 배출포트면은 파 안내기 70 입구포트 및/또는 시준기 60 배열 배출포트와 같은 유전형 요소에 인접하여 상기 프리즘 재료의 굴절율 보다 상당히 낮은 굴절율을 갖는 전체 내 반사(TIR) 유지용 접착제에 의해서 부착된다. 상기 턴-모서리 프리즘 조립체의 입구포트가 공기 대신에 굴절성 재료의 인터페이스를 갖는 경우에, 상기 빗면상에서 전체 내 반사(TIR)가 유지되도록 결정하기 위한 상기 입구포트 입사각도는 실제 각도보다는 오히려 공기-등가 각도(air-equivalent angle)이다.
작동시의 일예로서, a,b.c 와 같은 점선으로서 도시된 바와같이, 광은 제 1프리즘 510의 제 1수직면 512에서 조립체 72의 입구포트로 들어간다. 광선은 거울형의 면 514에 반사되어 제 2수직면 516을 통하여 지나간다. 따라서 상기 광선은 상기 공간 530을 통하여 통과하여 제 2프리즘 520의 제 2수직면으로 들어가고, 거울형의 면 524에서 반사하여 제 1수직면 526을 통과한 다음 파안내기 70로 전송되 는 것이다.
낮은 굴절율을 갖는 인터페이스 접착제 540는 상기 조립체의 광 처리 효율을 증진시키기 위하여 각가의 인접한 표면사이에 배치된다. 주어진 적용시와 요구되는 굴절율에서 구성요소들의 물리적인 배치(layout)에 따라서, 상기 제 1프리즘 510 및/또는 공간 530은 생략될 수 있다. 양쪽이 생략된다면, 상기 턴-모서리 프리즘의 광 입력포트는 프리즘 520의 제 2수직면 522이 된다. 만약 상기 프리즘 520만이 생략되면, 광은 제 2수직면 522과 나란한 면위의 공간 530의 하부를 통해 들어갈 것이다.
파안내기 조립체(Waveguide Assembly)
전술한 바와같이, 광은 파안내기 70를 경유하여 표시기 80로 보내어진다. 파안내기 70는 도 14에 상세히 도시되어 있다. 도시한 바와같이, 파안내기 70는 비교적 얇은 평판구조를 가지며, 이는 전면 802, 후면 804 및 2개의 모서리면 806,808을 갖는다. 파안내기 70의 대략적인 치수는 162.5mm×215mm×6mm 이다. 상기 파안내기 70는 아크릴수지가 바람직하며, 1.485의 굴절율을 가지며, 유리 또는 다른 광중합체와 같은 재료가 채용되어질수 있다.
작동상, 시준광은 상기 모서리면 806, 808 의 일측 또는 양측으로 법선입사로 조사되어진다. 광이 상기 모서리 806,808에서 상기 파안내기 800의 중앙측인 내측으로 이동할 때, 평탄하지 않은 특정부위(후면 804)는 전면측으로 광을 다시 방향 전환하여 광으로 하여금 전면 802과 이루는 수직선에 대하여 사전에 설정된 각도에서 상기 전면을 빠져나가게 한다. 본 발명의 후면 특징은 도 17에 도시된 종래의 후면과 비교하여, 도 15와 도 16을 참조하여 후에 기술될 것이다.
두껍고 낮은 지수 피복층(a thick low-index coating)(미도시)은 상기 파안내기와 내재하는 알루미늄사이 또는 전체내부반사(TIR)의 사용을 최대로 하기 위하여 보호된 은굴절층(미도시)사이에 배치되어질 수 있다. 추가적으로 광대역 억제제(a broadband retarder)와 반사편광필름(reflective polarizing film)(미도시)는 파안내기 조립체 70의 전면 802상에 배치될수 있다. 적합한 필름은 미국 캘리포니아 프레몬트소재의 일본회사 NittoDenco, America,Inc. 에서 상용적으로 구입할수 있다. 이러한 필름은 하나의 편광을 통과하지만, 반대편광을 반사한다. 상기 반사된 광은 2/4 위상이동(two quarter phase shift)(상기 억제제 필름으로 부터 제 1통로용 첫 번째와 알루미늄피복층에 의해 반사된 두 번째)을 하고, 상기 억제제 필름을 통해 복귀한다.
상기 전면 802과 4개의 모서리 표면 806,808은 평면인 반면에, 상기 후면 804은 수광되는 시준광을 방향 전환하게 하기 위하여 고안된 표면특징을 갖출 수 있다. 예를들어, 도 17에 도시한 바와같이, 종래의 표면은 층계 또는 계단식 배열을 가지며, 이는 전면 803과 나란하게 구성된다. 그러나, 도 17에 도시된 단순한 계단식 표면은 도 15에 도시된 본 발명의 톱니형 하부 파안내기 표면과, 도 16의 본 발명의 절두(truncated)형 톱니하부 파안내기 표면에 대하여 이하 기술하는 바와 같이 불이익하다.
본 발명의 파안내기 70용 톱니패턴 하부표면은 도 15에 도시되어 있다. 도시한 바와같이, 광은 일측상에서 입력포트 면으로 들어간다. 상기 하부면에서 톱니의 추출(extraction)특징은 설명을 위해 실제크기보다 크게 확대하여 도시되어 있다. 예시적으로 각 톱니의 높이는 대략 0.195mm이고, 톱니배열의 피치는 대략 0.39mm이다. 이러한 실시예에서, 상기 하부 톱니배열에 의해서 포획되어지는 모든 광선들이 추출되어진다. 또한 작동상 상기 배열은 수평한 톱니 표면의 크기와 형태를 근거로 하여 사전에 결정된 각도에서 상기 파안내기를 벗어나서 광을 방향전환시킨다.
파안내기 70용 지그재그(staggered) 또는 절두(truncated)형 톱니패턴은 도 16에 도시되어 있다. 이러한 표면은 일련의 테라스(terrace)상에 지그재그식으로 배치되는 톱니특징을 가지며 이는 전면 802과 나란한다. 예시한 바와같이, 각 톱니의 높이는 대략 0.039mm이고, 상기 톱니배열의 피치는 대략 0.39mm이다. 상기 테라스는 경사진 표면을 통한 굴절을 방지하기 위하여 알루미늄 피복층과 같은 재료로 피복된 거울일수도 있다. 상기 표면특징의 디자인은 바람직한 배출포트각도를 유지하고, 파안내기를 통해 이동하는 광의 시준을 보존하며, 상기 전면을 통해 나오는 광의 공간적인 균일성을 유지하고, 제작을 단순화하는 것이 결정적으로 중요하다. 특히, 파안내기 재료의 흡광속성(extinction properties)에 의해 유발되는 공간적인 비균일성은 광추출 특성의 피치 또는 이들의 계단높이를 다양하게 하는 것으로서 보상되어질수 있다.
도 18에 도시한 톱니 테라스표면상의 대부분 광은 전체적으로 내부반사(totally internally reflected)(TIRed)되어 상기 광을 상부면으로 방향전환하게 되며, 그 후 상기 광이 경사면(sloped facet)에 의해서 포획되고 추출되어지기 위한 추가적인 기회를 가진다. 이러한 방법으로 상기 파 안내기로 유입하는 각각의 광선은 테라스와 경사진 면들로 유입되고 어느 한 경사면에 의해서 포획되며 추출되거나 또는 파 안내기 70의 얇은 단부면을 나가게 된다.
도 16의 절두형 톱니구조는 광이 정면충돌(strike head-on) 하기 위하여 이러한 표면들이 계단당 2개의 45E 모서리를 갖추고 있기 때문에 종래의 층계 또는 테라스 표면구조(도 17)보다 성능면에서 현저하게 우수하다. 역으로 상기 절두형 톱니패턴 표면은 광이 정면충돌을 하기 위하여 계단당 단지 하나의 45E모서리를 갖는다. 또한, 상기 종래의 테라스 표면의 모서리는 날카롭게 '모나게'(dead- sharp) 제조될 수 없기 때문에, 상기 광은 '둥글게 된(rounded)' 모서리를 한번 정면충돌하여 분산(decollimate)할 것이다. 분석결과는 이러한 둥글게 된 모서리가 광의 분산의 거의 50%를 구성한다. 따라서, 둥글게 된 모서리의 보다 작은 비율(percentage)이 바람직하며, 이는 도 16의 절두톱니형구조에서 나타난다.
도 15와 16의 톱니면의 경사각은 파안내기 전면 802에 대하여 45E 각도이다. 이들은 또한 표시기 80 수직선에 대하여 기울어져서, 서로의 톱니 면에 대하여(도 15 참조) 또는 톱니-테라스 면(도 16 참조)들에 대한 교차에 의해서 형성되는 선들은 상기 파안내기 입구포트 모서리면과 평행하다. 이러한 배치는 상기 파안내기로부터 나오는 광의 전파(propagation) 방향을 이루고, 이는 파안내기 전면 802과 직각을 이룬다.
그러나, 어떤 LCD는 표시기의 수직 방향과 다른 광전파 방향을 가지며, 이는 대조(contrast)를 최대화 하기 위함이다. 따라서 표시기에서 대조를 최대화하기 위해서는, 주어진 LCD표시기에 대하여, 파 안내기로 부터 추출된 광의 전파방향을 최적 전파방향( 스위트 스폿(sweet spot)으로 알려진)으로 일치시키는 것이 항상 바람직하다.
톱니면 각도를 45E와는 다르게 다양화하는 것으로서, 추출된 광전파 방향은 상기 파 안내기 전면 802와 직각을 이루는 방향으로부터 달라질 수 있다. 상기 톱니 특징의 '기울어짐(clocking)' 각도를 변화시키지 않고, 45°로부터의 상기 톱니면 벗어남 각도(deviation angle) θ와 상기 파안내기 전면과 직각을 이루는 방향에 대한 상기 전파방향 벗어남 각도 ψ 사이의 관계는;
θ=(1/2)sin)-1 ((sinψ)/n)
여기서, n은 상기 파안내기 재료의 굴절율이다. 이는 상기 파안내기 전면의 수직선 방향과 상기 파안내기로 들어가는 광의 전파방향을 모두 포함하는 평면에서 ψ 변화(variation)에 적용된다. 상기 파안내기 전면과의 수직방향과 상기 파안내기로 들어가는 광의 전파방향을 모두 포함하는 평면에서 있지 않은 ψ변화율(variation)에 대해서는, 상기 파안내기 전면의 수직선(normal) 주위에 상기 톱니 특징을 회전시키거나 기울일 필요가 있는 것이다. 이러한 경우 바람직한 ψ는 '기울어짐' 각도 β와 45°로부터 톱니면의 벗어남 각도 θ모두의 함수이다.
본 발명의 조명부분은 차량조명, 탐조등, 작업등 및 영사시스템을 포함하는 넓은 종류의 응용예에 사용될 수 있지만, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 표시시스템은 비행기 조정실과 같은 수송응용부분 그리고 각도, 공간, 온도 그리고/또는 구조적인 문제가 관련된 다른 응융부분에 이용될수 있다.
최종적으로 상기 기술된 본 발명의 실시예는 단지 예시를 의미한다. 많은 대안적인 실시예가 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 당업계에서 통상의 지식을 가진자에 의해서 용이하게 고안할 수 있다.

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  48. 오목한 반사형의 긴 요소들의 배열을 포함하고, 각각의 요소들은 가까운 단부 구멍과 먼 단부 구멍을 포함하며;
    상기 각각의 요소들의 단면은 그것의 가까운 단부 구멍과 먼 단부 구멍 사이의 형상이 삼각형이고, 상기 단면 영역은 상기 요소의 가까운 단부 구멍에서 가장 작고 테이퍼 형성되어 상기 요소의 가장 먼 단부 구멍에서 가장 크며, 그리고
    상기 요소들 각각은 상기 배열 내에서 상기 요소들의 인접한 다른 것과 서로 접해있으며, 그리고
    상,하부 반사 판들이 상기 배열에 고정된 비 결상(non-imaging) 광학 시스템.
  49. 시준된 광의 광원; 그리고
    상기 시준된 광에 반응하는 파 안내기를 포함하고,
    상기 파 안내기는
    그 내부에서 전파하는 상기 시준된 광을 추출하기 위한 미세 구조를 갖는 패턴 표면을 포함하며 그리고
    상기 패턴 표면은 그것의 수직선에 대해 기울어져 상기 파 안내기로부터 추출된 광의 전파 방향을 수정하도록 된 것을 포함하는 시준 광 분배 시스템.
  50. 제 49항에 있어서, 상기 패턴 표면의 미세 구조는 절두형(truncated) 톱니 구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 시준 광 분배 시스템.
  51. 제 49항에 기재된 시준 광 분배 시스템과 액정 표시기를 포함하고,
    상기 시준 광 분배 시스템은 상기 액정 표시기용 조명원으로서 사용되며, 상기 파 안내기의 패턴 표면은 추출된 시준 광의 전파 방향이 상기 액정 표시기의 입력 표면에 대하여 수직하지 않고(off-normal), 그리고 상기 액정 표시기의 고 대조(high contrast) 시야각 영역을 통과하도록 기울어져 배치된 것을 포함하는 시준 광 분배 시스템과 액정 표시기의 결합장치.
  52. 제 51항에 있어서, 상기 추출된 시준 광은 확산되고 투사되어 원하는 시야 각 범위를 충족하는 것을 특징으로 하는 시준 광 분배 시스템과 액정 표시기의 결합장치.
  53. 제 49항에 있어서, 상기 패턴 표면상에 형성된 거울 코팅층을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 시준 광 분배 시스템.
  54. 시준된 광의 광원;
    상기 시준된 광에 반응하는 파 안내기를 포함하고,
    상기 파 안내기는 그 내부에서 전파하는 상기 시준된 광을 추출하기 위한 미세 구조의 패턴을 포함하며, 그리고
    상기 파 안내기는,
    상기 미세 구조의 광 추출 패턴 표면상에 형성된 거울 코팅 층;
    상기 패턴 표면에 마주하여 상기 파 안내기 표면 위에 배치된 반사 편광기; 및
    상기 반사 편광기와 상기 파 안내기 표면 사이의 억제 층을 포함하고,
    상기 억제 층은 1/4 파 회전을 생성하며; 그리고
    상기 파 안내기는 편광되고 시준된 광 출력을 생성하도록 된 시준 광 분배 시스템.
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