KR100778766B1 - 통합 표면 디퓨저를 포함한 광학소자 - Google Patents

통합 표면 디퓨저를 포함한 광학소자 Download PDF

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Abstract

모놀리식 소자(20)는 기판 몸체(22)와 광학소자의 제 1 부분에서 적어도 하나이상의 거시-광학 특성 일체형 부분(24)을 포함한다. 다수의 표면 미세-구조물(26)은 광학소자의 한 부분에 통합된다. 미세-구조물(26)은 광학소자를 빠져 나오는 기설정된 요구되는 패턴의 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는, 연속 광을 발생시키기 위해서 광학소자를 통과하는 광을 균질화 하도록 구성된다. 상기 광학소자에서 방출되는 광은 미세-구조물(26)의 균질성뿐만 아니라 광학소자의 거시-광학 특성에 따라 바뀐다.

Description

통합 표면 디퓨저를 포함한 광학소자{OPTICAL ELEMENT HAVING AN INTEGRAL SURFACE DIFFUSER}
본 발명은 일반적으로 광학분야에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광학소자(optical element)의 한 부분으로서 통합 표면 디퓨저(diffuser)를 포함한 다양한 광학소자에 관한 것이다.
다양한 용도에 적합한 여러 가지 형태의 광학소자(optical element)가 있다. 이러한 광학소자는 광학소자를 통과하는 광(light)의 특성을 바꾸기 위해서 광의 빔(beam) 또는 경로(path) 내에 놓여진다. 상기 광학소자는, 렌즈로 유입되는 광 빔의 너비가 불변 상태로 유지되고 너비에 수직한 방향으로 실린더형 렌즈 형태에 의해 확산되는 종래의 실린더형 렌즈처럼 간단할 수도 있다. 또 다른 광학소자의 실례는 한쪽 면에 편평한 표면을 가지고 다른 쪽 면에는 오목하거나 볼록한 표면을 가지는 투명 매체(transparent medium)인데, 이것은 렌즈를 통과하는 광 특성을 바꾼다. 상기 렌즈는 안경, 확대경, 필름 영사기 및 그 밖의 유사 물체를 위해 널리 사용된다.
다른 형태의 광학소자도 공지되어 있고, Fresnel 구조물, 격자 구조물, 필터, 전체 내부 반사(Total internal reflection, TIP) 구조물, GRIN 렌즈와 같은 비선형 광학소자, 프리즘 구조물, 편광기, 필로우(pillow) 광학 조성물, 광섬유 케이블 및 그 밖의 광 도파관을 포함할 수도 있다. 상기 모든 구조물은 광원(light source)으로부터 광을 수용하고 구조물이나 요소를 통하여 광을 투과하거나 반사한 후에 다소 바뀐 상태(altered state)에서 구조물이나 요소로부터 광이 방출되는 것을 허용한다. 모든 종류의 광학소자는, 구조물이나 요소에서 빠져나갈 때 일정한 파장의 광을 투과, 반사, 회절, 굴절 또는 여과한다.
각각의 광학소자는 광 성질에 의해 한정된 특성을 가지는 광원(light source)으로부터 광을 수용한 후 광학소자를 통과하여 전파하는 광을 바꾼다. 그러나, 어떠한 광학소자도, 광원 내부의 광 세기가 강한 부분과 약한 부분을 제거하여 광을 고르게 하는 방식으로 광의 특성을 개선시키지는 못한다. 광학소자를 통과하는 광을 고르게 확산함으로써, 출력부(output)는 평탄하게, 연속적으로, 즉 급격하지 않고 점진적으로 만들어진다. 또한, 어떤 종류의 광학소자도 광 산란을 감소시키거나 제거하지 못하며, 특정 방향, 패턴 및 엔벨로프(envelope)로 대부분의 광양자 방향을 설정할 수는 없다. 실제로 공지된 모든 광학소자는, 광이 요소를 통과하거나 반사할 때 단지 특정한 광학 기능만을 수행한다.
예를 들어, 광섬유 케이블(fiber optic cable)은 한쪽 단부에서 광 에너지를 흡수하도록 디자인되고, 광섬유를 통과할 때 섬유물질(fiber material)(코어 및 클래딩)의 기설정된(요구된) 굴절율에 의해 연속적으로, 내부에서 광을 반사하여서, 실질적으로 모든 광이 수용되는 것과 동일한 형태로 광섬유 케이블에서 방출되도록 한다. 안경 및 영사기 렌즈와 같은 물체에서 사용되는 볼록 렌즈는, 렌즈를 제조하는데 사용되는 재료와 렌즈의 형태 또는 곡률 정도에 따라 렌즈의 한쪽 면으로 유입될 때 광을 약간 휘게 한다. Fresnel 렌즈는, 렌즈를 통과하는 광을 평행하게 하거나 초점을 모으도록 광을 휘게 하거나 굴절하는 렌즈의 표면에 구비된 다수의 Fresnel 구조물을 포함한다. 광(light)에서 특정 광학 기능을 수행하는 다른 다양한 광학소자를 활용할 수 있다. 이러한 광학소자들은 광학소자로부터 방출되는 광 세기 변화(light intensity variation)를 균일하게 할 수 없고, 특정 방향과 모양, 엔벨로프(envelope) 또는 패턴으로 실질적으로 모든 광을 방향화할 수 없다. 결과적으로, 종래기술에 따른 광학소자에서는 상당한 양의 광이 손실된다.
디퓨저(diffuser)는 광 발산 및 방향 설정 특징을 부가하기 위해서 광학소자에 분리층(separate layer)으로서 적용되어진다. 이러한 구성에서, 예를 들어 Fresnel 렌즈와 같은 광학소자의 표면에 부착되거나 적용되는 디퓨저 물질 층(layer)이나 시트(sheet)를 포함하는 라미네이트(laminate)가 형성되어진다. 이러한 구성이 가진 한 가지 문제점은, 시트 재료가 그다지 내구성이 좋지 않고, 사용하는 동안 쉽게 손상되고 긁히거나 변형된다는 것이다. 또 다른 문제점은, 디퓨저 시트 금속이 특정 조건하에서 시간이 경과함에 따라 광학소자로부터 벗겨질 수 있다는 것이다. 상기 라미네이트 구조가 안고 있는 또 다른 중요한 문제점은, 라미네이트의 두 부분 사이의 결합 면(mating surface)은 광학소자로 유입되는 광의 일부분을 굴절하거나 반사하는 접촉면(interface)을 형성한다는 것이다. 이러한 Fresnel 반사는, 각각의 결합면(mating surface)에서 인접광(incident light)의 최소한 4%를 손실시키며, 따라서 디퓨저 및 광학소자를 통과하지 못하고, 그렇지 않으면 바람직하지 못한 방식으로 변경되도록 한다. 이러한 구조가 안고 있는 또 다른 문제점은, 라미네이트의 두 부분을 부착하기 위해서, 굴절율이 일치하는 광학 등급 에폭시 또는 접착제가 사용되어야 한다는 것이다. 광학 등급 에폭시(optical grade epoxy)는 그 자체를 광이 통과하는 것을 허용하지만, 각각의 접촉점에서 부가층(additional layer) 또는 굴절면(refractive surface)을 형성하므로, 발산층(diffuser layer)과 에폭시 사이 그리고 광학소자와 에폭시 사이에서 모두에서 부가 Fresnel 손실이 발생한다. 상기 에폭시 층은 제작이 복잡할 뿐만 아니라 라미네이트 구조물에 또 다른 비용을 추가로 발생시킨다. 에폭시가 안고 있는 다른 문제점은, 에폭시가 라미네이트의 한쪽 면과 완전히 접촉하지 않거나 또는 에폭시 내부에서 또는 라미네이트층 중 하나와 에폭시 사이에 기포(air bubble)를 가지는 경우가 있을 수도 있다는 것이다. 이러한 불규칙성은 라미네이트 광학소자 내부로 광이 통과할 때 부가적인 문제점(예, 산란, scattering)을 발생시킨다. 상기한 모든 문제점은 라미네이트 광학소자의 성능 및 바람직한 성질을 크게 감소시킨다.
본 발명의 양수인은, 전술한 재료 상에서 표면 디퓨저(surface diffuser)를 형성하도록 다양한 재료로 다수의 표면 미세-구조물(surface micro-structure)을 형성하는 여러 가지 방법을 발명하였다. 상기 방법들은 아래에서 기재된 다수의 공개된 특허와 공동 출원중인 특허 출원에서 설명되어진다. 많은 방법들은 포토레지스트 물질을 광원에 노출한 후, 마스터 디퓨저(master diffuser)를 내구성이 보다 우수한 하나 또는 그 이상의 서브마스터(submaster)로 복제함으로써 마스터 디퓨저를 형성하는 것을 포함한다. 마스터에서 광학 특성을 가지는 마스터 디퓨저의 레플리카(replicas)를 만드는 또 다른 방법이 있다. 몇 가지 방법에 의해서, 마스터 디퓨저는 초기에 광학적으로 형성되어진다. 다른 방법에 의해, 이것은 기계적으로 형성된다. 서브마스터(submaster)는 다양한 방법을 이용하여 마스터 디퓨저로부터 형성되므로 마스터 디퓨저 표면은 서브마스터 표면으로 복제된다. 또 다른 방법은 본 발명의 양수인에게 양도된 계류중인 U.S. 출원에서 설명된다.
다른 U.S. 출원과 계류중인 출원은, 대량 생산할 수 있도록 광학 제품을 만들고 기록하며 복제하기 위한 관련방법에 대해 설명한다. 예를 들어, “Grin Type Diffuser Based on Volume Holographic Material”이라는 명칭의 미국특허 제 5,365,354호, “Homogenizer Formed Using Coherent Light and a Holographic Diffuser”라는 명칭의 미국특허 제5,534,386호 및 “Viewing Screen Formed Using Coherent Light”라는 명칭의 미국특허 제5,609,939호는, 모두 본 발명의 양수인이 권리를 가지고, 광학제품을 기록(recording)하고 복제(replicating)하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 각각의 미국특허들은 본 명세서에 참고로 실려 있고, 본 발명의 배경 기술 및 당해 기술 분야를 나타내기 위한 것이다.
관련 미국특허출원은 “Apparatus for LCD Backlighting”이라는 명칭의 제08/782,962(미국특허 제6,072,551호), “Method of Making Replicas While Preserving Master”라는 명칭의 제09/052,586호(미국특허 제6,159,398호), “LCD With Light Source Destructuring and Shaping Device”라는 명칭의 제08/595,307호(미국특허 제5,956,106호), “Liquid Crystal Display System with Collimated Backlighting and Nonlambertian Diffusing”이라는 명칭의 제08/601,133호(미국특허 제5,838,403호, “Method of Making Liquid Crystal Display System”이라는 명칭의 제08/618,539호(미국특허 제5,735,988호), “Method of Making Replicas and Composition for Use Therewith”라는 명칭의 제08/800,872호(미국특허 제5,922,238호), “Method and Apparatus for Making Optical Masters Using Incoherent Light”라는 명칭의 제09/075,023호(미국특허 제6,303,276호), 1998년 8월 20일에 출원한 미국특허 제6,352,759호의“Non-Lambertian Glass Diffuser and Method of Making”, 1998년 8월 20일에 출원한 미국특허 제6,241,903호“Diffuser Master and Method of Manufacture”, 1998년 8월 25일에 출원한 미국특허 제6,158,245호 “High Efficiency Monolithic Glass Light Shaping Diffuser and Method of Making”, 1998년 8월 25일에 출원한 미국특허 6,352,359호 “Vehicle Light Assembly Including a Diffuser Surface Structure”, 1998년 8월 25일에 출원한 미국특허 제6,166,389호 “Apparatus Having a Light Source and a Sol-Gel Monolithic Diffuser”, 1998년 8월 25일에 출원한 미국특허 제6,522,374호 “Passive Matrix Liquid Crystal Display” 및 1998년 8월 25일에 출원한 미국특허 제6,259,562호 “Device Including an Opical Element With a Diffuser”를 포함한다. 상기 모든 출원은 본 발명의 양수인이 권리를 소유하고 본 발명의 배경 기술 및 당해 분야의 기술 상태를 나타내기 위해 참고로 실려 있다.
본 발명에 따라 구성된 모놀리식 광학소자(monolithic optical element)는, 광학소자의 첫 번째 부분에 통합된 적어도 하나이상의 거시-광학 특징(macro-optical characteristic)을 가지는 기판 몸체(substrate body)를 포함한다. 상기 모놀리식 광학소자는 광학소자의 한 부분과 일체 구성된 다수의 표면 미세-구조물(surface micro-structure)을 포함하는데, 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 기설정된(요구되는) 패턴의, 세기(intensity)가 평활(smoothly)하게 변하며, 세기의 변화가 점진적(gradual)이며 급격하지 않은 연속 광을 발생시키도록, 광학소자를 통과하는 광(light)을 균질화(homogenize) 한다.
본 발명의 목적은 광학소자 일부분과 통합된 표면 미세-표면 구조물에 의해 제공된 광 발산 및 성형 표면 구조물뿐만 아니라 적어도 하나이상의 거시-광학 특징(macro-optical characteristic)을 가지는 광학소자(optical element)를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 단일체로 형성되고 라미네이트(laminate) 구조를 이루지 않는, 모놀리식(monolithic) 광학소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 각각의 표면에서 4%의 원치 않는 Fresnel 반사소실(reflection loss)을 발생시키는 라미네이트의 두 구성 성분 사이에서 손실이 많은 반사 접촉면을 제거하여서, 종래의 기술에 비해서 실질적으로 투과율을 증가된 모놀리식 광학소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은, 디퓨저 표면의 표면 미세-구조물(surface micro-structure)이 제조비용이 적게 들고 내구성이 우수하며 유용한 요소를 제공하도록, 광학소자의 나머지와 동일한 재료와 일체 구성되는 모놀리식 광학소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학소자의 기판몸체(substrate body)는, 적어도 하나이상의 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)이 다수의 Fresnel 광학 특성인 Fresnel 렌즈이다. 다른 실시예에서, 기판몸체(substrate body)는 장방형의 광섬유 케이블 또는 광학 도파관(optical waveguide)이고, 적어도 하나이상의 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 케이블의 굴절율(refractive index)이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 모놀리식 광학소자(monolithic optical element)는 오목 또는 볼록 렌즈, 비구면 렌즈, 편광기, 프리즘 구조물, 필터, 격자 구조물 또는 전체 내부 반사 렌즈 웨지(“광 파이프”), 또는 역반사체와 같은 다양한 종류의 광학 렌즈이다. 또 다른 실시예에서, 모놀리식 광학소자는 휴대용 퍼스널 컴퓨터 디스플레이에서 사용하는 것과 같은 도파관(lightpipe)이다. 전술한 모든 실시예에서, 특정 렌즈 특징이나 구조는 기판 몸체의 일부분과 일체 구성되고, 발산 및 광 성형 특성(diffusing and light shaping characteristic)을 부여하는 미세-구조물(micro-structure)은 기판 몸체의 일부분과 일체 구성된다. 본 발명의 한 가지 실시예에서, 미세-구조물은 거시-광학 특성과 구분된 기판 몸체의 일부분에서 일체 구성된다. 다른 실시예에서, 미세-구조물은 거시-광학 특성과 동일한 광학소자의 표면에서 일체 구성된다.
본 발명의 여러 가지 특성과 목적은, 첨부 도면과 아래의 상세한 설명을 참고로 고려할 때 보다 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명의 선호되는 실시예를 나타낸 하기 상세한 설명은 단지 실례에 불과한 것으로 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 본 발명의 범위 내에서 다양하게 바꾸고 수정할 수 있으며 본 발명은 이런 모든 수정을 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 구조 및 조작의 장점과 특징은 실례로 든 첨부 도면에 도시한 실시예를 참고함으로써 보다 쉽게 이해할 것이다.
도 1a는 Fresnel 렌즈 광학소자(optical element)의 사시도
도 1b는 도 1a에 나타낸 Fresnel 렌즈의 1b-1b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 2a는 실린더형 렌즈 광학소자(optical element)의 사시도
도 2b는 도 2a의 2b-2b 선을 따라서 취해진 실린더형 렌즈의 횡단면도
도 2c와 2d는 또 다른 실린더형 렌즈 광학소자의 횡단면도
도 3a는 포물면 볼록렌즈 광학소자(optical element)의 사시도
도 3b는 도 3a의 볼록 렌즈의 3b-3b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 4a는 광섬유 케이블 광학소자(optical element)의 사시도
도 4b는 도 4a의 광섬유 케이블의 4b-4b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 5a는 프리즘 광학소자의 사시도
도 5b는 도 5a의 프리즘 광학소자의 5b-5b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 6a는 편광기 광학소자의 사시도
도 6b는 도 6a의 편광기 광학소자의 6b-6b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 7a는 도파관 필터 격자 광학소자를 도시한 모습
도 7b는 도 7a의 7b-7b 선을 따라서 취해진 도파관 필터 격자 구조물을 도시한 횡단면도
도 8a는 포물면 오목 렌즈 광학소자를 나타낸 사시도
도 8b는 도 8a의 오목 렌즈의 8b-8b 선을 따라서 취해진 횡단면도
도 9는 전체 내부 반사 광학소자의 개략적인 모습
도 10a와 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학소자를 나타낸 횡단면도
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도파관을 나타낸 도면
본 발명의 양수인에게 양도된 상기한 특허 및 특허 출원에 따르면, 평활하게(smooth) 일관성있고 연속적인 세기를 가지는 광 출력(light output)을 발생시키며 불규칙한 특성을 가지는 기판에서 미세-조각 면 구조물이나 미세-구조물을 광학적으로 또는 기계적으로 형성하기 위해서 양수인에 의해 여러 가지 방법들이 개발되어 왔다. 상기 미세-구조물은 광 출력을 요구되는(desired) 분배패턴이나 엔벨로프(envelope)로 성형하기 위해서 광원으로부터 광출력 방향을 제어하도록 하는 방식으로 형성되어질 수 있다. 공개된 특허는 포토레지스트 재료(photoresist material)에서 여러가지 방법에 의해 표면 구조물을 형성하고, 상기 표면 구조물을 서브-마스터(sub-master)에서 복제하는 것에 관련된다. 상기 서브-마스터는 광 균질화, 성형 및 방향설정 특성(shaping and directing characteristic)을 제공하기 위해서 물체에 적용되거나, 또는 적층될 수도 있는 재료 시트로 미세-구조물을 복제하는데 사용된다. 계류 중인 출원은 에폭시 및 연성 플라스틱 판 이외의 재료로 상기 미세-구조물을 형성하기 위해 개발된 기술에 대해 설명한다.
본 발명은 어떤 특정한 재료로 미세-구조물을 형성하는데 국한되지 않으므로, 본 명세서에 기술한 광학소자는 졸-겔 유리, 석영 유리, 폴리카보네이트 및 아크릴 플라스틱, 에폭시 및 그 밖의 적합한 플라스틱, 유리 또는 몰딩 가능한 물질로 형성될 수 있다. 본 발명은, 광전파(light propagating) 특성을 개선시키고, 원치 않는 Fresnel 반사 손실을 최소화하여서 실제로 투과율(transmission efficiency)을 증가시키고 제조비용을 감소시키기 위해서, 디퓨저 미세-구조물뿐만 아니라 특정 광학소자와 관련된 거시-광학 특성 모두를 가지는 모놀리식 구조물(monolithic structure)을 형성하기 위해서 일체 성형된 미세-구조물을 가지는 광학소자에 관련된다.
첨부된 도면과 관련하여, 개선되고 규정된 광전파 특성(light propagation characteristic)을 가지는 모놀리식 구조물(monolithic structure)을 형성하기 위해서 광학소자에 일체형으로 미세-구조물(micro-structure)을 통합한 가능한 다양한 광학소자를 나타낸다. 도시된 실시예는 가능한 광학소자를 모두 나타낼 수 없고 단지 몇 가지 예만 보여준다. 도 1a와 1b는 Fresnel 렌즈(20) 형태로 된 광학소자(optical element)를 나타낸다. Fresnel 렌즈는 Fresnel 렌즈의 구조적 특성에 따라 광원으로부터 광을 흡수하고, 광을 확산하고, 평행하게 하며 초점을 모으기 위한 많은 예에서 이용된다. 예를 들어, Fresnel 렌즈는 실내등, 간단한 트레일러 라이트 및 다양한 차량 미등 구조물처럼 간단하게 자동차에서 다양한 용도로 사용된다.
본 발명에 따라 구조된 Fresnel 렌즈(20)는, 여러 가지 재료로 형성될 수 있지만 많은 적용분야에서 플라스틱재로 몰딩된 기판 몸체(substrate body, 22)를 포함한다. 또한, 비록 렌즈(20)를 평면 구조로 나타낼 수 있을지라도, 기판 몸체(22)는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 모양, 구성 및 형태로 형성될 수 있다. 종래의 Fresnel 렌즈(20)는 한쪽 면에 다수의 Fresnel 광학 기구(24)를 포함한다. 상기 구조물은 기판 몸체(22)의 표면 상에서 서로에 대해 중심축(central axis)으로부터 방사상으로 바깥쪽으로 배치된 다수의 원형 또는 타원형인 연속 또는 불연속 융기부(ridge) 형태이다. 연속 링의 크기, 곡률(curvature) 및 주파수(frequency)뿐만 아니라 Fresnel 광학장치의 특정 크기, 횡단면 모양 및 형태는 특정 Fresnel 렌즈(20)의 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)을 결정한다. 본 발명에 따라 구조된 Fresnel 렌즈(20)는 전술한 계류중인 특허출원에서 설명된 여러 가지 방법 중 하나에 따라 기판 몸체(22)의 반대쪽에 몰딩된 다수의 표면 미세-구조물을 포함한다. 상기 미세-구조물(micro-structure)은 마스터 기판으로부터 Fresnel 렌즈(20)를 형성하는 동안, 기판 몸체(22) 안으로 직접 몰딩되거나 엠보스 가공될 수 있다. 상기 마스터 기판(master substrate)은 다단계 광학 기록 공정으로부터 형성될 수 있거나, 또는 상기 특허 및 특허 출원에서 설명된 것과 같은 기판의 브러싱(brushing), 에칭 또는 숏 블래스팅(shot blasting)과 같은 여러 가지 새로운 기계 장치 중 하나를 형성한다. 이러한 결과는 몸체의 한쪽 면에 거시-광학 특성을 가지는 Fresnel 광학 장치(24)와, 몸체의 다른 쪽 면에 미세-구조물(26)을 포함하는 모놀리식 몸체(monolithic body, 22)이다.
도 2a와 2b는 실린더형 렌즈(30) 형태로 된 광학소자(optical element)를 나타낸다. 실린더형 렌즈(30)는 렌즈의 거시-광학 특성을 가지는 장방형 실린더형 표면(34)을 한쪽 면에 포함하는 기판 몸체(32)를 가진다. 기판 몸체(substrate body, 32)의 반대쪽은 다수의 미세-구조물(36)을 포함하는데, 상기 미세-구조물은 계류중인 미국특허 및 특허출원에 기술한 여러 가지 방법에 의해 형성된 디퓨저 표면을 한정한다. 도 2c와 2d는 또 다른 실시예에 따른 실린더형 렌즈 구조물(39,41)을 나타낸다. 도 2c는 한쪽 면에 다수의 실린더형 렌즈(40)를 가지고 기판(38)의 다른 쪽 면 상에서 형성된 다수의 미세-구조물(36)을 가지는 기판 몸체(38)를 나타낸다. 도 2d는 그 위에 형성된 다수의 역 실린더형 렌즈(44)를 가지는 또 다른 기판 몸체(42)를 나타낸다. 미세-구조물(36)은 기판(42)의 반대쪽에 형성된다.
도 2a-2d에 나타낸 각각의 실시예에서, 실린더형 렌즈 표면(34,40,44)의 곡률 및 형태는 렌즈(30) 또는 다른 렌즈(39,41)의 거시-광학 특성을 가진다. 미세-구조물(36)은 새로운 발산 특성을 제공하고, 각각의 특정 실시예에 대해 미세-광학 특성과 더불어 기판 몸체(32,38,42)의 표면으로 일체 성형되거나 몰딩되어진다. 따라서, 각각의 렌즈(30,39,41)는 모놀리식 구조물(monolithic structure)이다. 광학소자의 모놀리식 특성은 선행 기술에 따른 라미네이트 구조물에서 부수적인 Fresnel 손실 없이 바람직한 광 발산 및 성형 특징을 부여한다. 사실상, 본 발명에 따른 모놀리식 광학소자는 광 투과를 증가시킨다.
도 3a와 3b는 포물면(parabolic) 볼록렌즈(50) 형태의 광학소자를 도시한다. 이러한 볼록렌즈(50)는 한쪽 면에서는 구부려져 있거나 포물형 볼록렌즈 표면(54)을 가지며 기판 몸체(52)의 반대쪽에 형성된 다수의 미세-구조물(56)을 가지는 기판 몸체(52)를 포함한다. 포물형 볼록렌즈 표면(54)은 렌즈(50)의 거시-광학 특성을 발생시키고, 미세-구조물(micro-structure, 56)은 본 발명에 따른 발산특성(diffusing characteristic)을 제공한다. 볼록렌즈(50)는 모놀리식 구조로 형성되므로 라미네이트 구조물에 대해 투과율은 증가되고, 포물형 볼록 면(54)과 미세-구조물(56)은 기판 몸체 재료의 일부분으로서 일체 구성된다.
미세 구조물(56)은 렌즈수차(lens aberrration)를 최소화하도록 렌즈(50)를 가로질러 불균일하게 만들어질 수도 있다. 예를 들어, 도 3에서 화살표로 표시된 것처럼, 렌즈의 바깥쪽 가장자리에서 미세 구조물(56)은 좁은 분포로 광을 성형하도록 디자인될 수 있지만, 중심부에서 미세 구조물(56)은 보다 넓은 광 분배 패턴을 제공한다.
도 4a와 4b는 확대된 광섬유 케이블(60) 형태의 광학소자를 나타낸다. 상기 광섬유 케이블(60)은 코어(core, 62) 및 상기 코어를 둘러싸고 있는 외부 클래딩(cladding, 64)을 가지는 종방향 기판 몸체를 포함한다. 광섬유 요소 또는 케이블(60)은 말단부(distal end, 66)를 가지는데 상기 말단부까지 케이블이 뻗어있다. 광섬유 케이블의 굴절율(refractive index)은 부분적으로 케이블의 거시-광학 광 전파 특성을 제공한다.
상기 실시예에서, 다수의 미세-구조물(60)은 케이블을 형성하는 동안 케이블(60)의 단부(66) 상에서 일체적으로 형성되어진다. 예를 들어, 광섬유 케이블을 통상적인 제조과정 동안, 케이블은 연속 길이로 형성되며 이것은 일정 크기로 만들기 위해서 절단된다. 일단 절단되고 나면, 단부는 가열되거나 연속 케이블로부터 분리한 후에 가열되어서 미세-구조물(68)은 몰딩되고, 엠보스 가공되거나 광섬유 케이블(60)의 단부(66)에서 복제되어진다. 이러한 실시예에서, 미세-구조물(68)이 코어(62)의 재료로 복제되도록, 코어(62)와 클래딩(64)의 재료가 충분한 온도로 가열되는 한, 광섬유 케이블의 단부는 모든 적합한 수단에 의해 가열될 수도 있다. 따라서 미세-구조물(68)과 코어(62)를 포함하여 모놀리식 구조물이 형성되어진다.
도 5a와 5b는 프리즘 구조물(70) 형태로 된 광학소자(optical element)를 나타낸다. 상기 프리즘 구조물(70)은 한쪽 면에 기판몸체(72)와 다수의 프리즘 구조물(74)을 포함한다. 상기 다수의 프리즘 구조물(74)은 각각의 프리즘 구조물, 다수의 프리즘 어레이(array) 또는 기판(72)에 형성된 다수의 장방형 프리즘을 포함하는 어떠한 구조나 형상으로 될 수도 있다. 다수의 미세-구조물(76)은 기판(72)의 반대쪽에 형성된다. 기판 몸체(72), 거시-광학 프리즘 구조물(74) 및 디퓨저 미세-구조물(76)은 모놀리식 프리즘 구조물(70)에서 일체 구성된다.
도 6a와 6b는 편광기(polarizer, 80) 형태의 광학소자를 나타내는데, 거시-광학 특성은 소자의 여과 또는 편광 성질이고 편광기는 기판 몸체(82) 내부에 삽입되어진다. 기판 몸체(82)는 기판의 한쪽 면에 미세-구조물(84)을 가진다. 기판의 반대쪽 면은 상기 실시예에서 편평(flat)한데, 왜냐하면 모놀리식 몸체 내부에서 기판(82)은 편광할 수 있기 때문이다. 편광기(80) 형태의 광학소자는 소자의 개선된 투과 및 발산 능력을 제공하는 다수의 광 확산 또는 균질화 미세-구조물을 한쪽 면에 형성한다.
도 7a와 7b는 광학필터 격자구조물(90) 형태로 된 광학소자를 나타낸다. 상기 격자구조물(grating structure, 90)은 공지된 많은 수단 중 하나에 의해서 내부에 형성된 다수의 격자(94)와 기판 몸체(92)를 포함한다. 상기 격자 구조물은, 구조물(90)을 통과하거나 반사함에 따라 광원으로부터 일정 파장을 여과하는 기판 재료(92)에 형성된 이격 배치된 주기 라인이다. 다수의 미세-구조물(96)은 격자 구조물을 제조하는 동안 기판 몸체(92)에서 격자 구조물(90)의 표면에 형성된다. 상기 광학소자는 모놀리식 구조물이고 거시-광학 격자(94)와 미세-구조물(96)은 기판 몸체(92)의 재료에서 일체적으로 구성된다.
도 8a와 8b는 오목렌즈(100) 형태의 광학소자를 나타낸다. 상기 오목렌즈(100)는 한쪽 면에 오목한 표면(104)을 가지고 기판의 다른 쪽 면에서 지지되는 다수의 미세-구조물(106)을 가지는 기판 몸체(102)를 포함한다. 표면(104)의 곡률(curvature)과 굴절율(refractive index)은 렌즈(100)의 거시-광학 특성을 가지며, 미세-구조물(106)은 렌즈(100)의 발산 또는 균질화 특성을 제공한다. 곡면(104)과 구조물(106)은 기판 몸체(102) 재료의 반대쪽 면에 통합된다.
도 9는 전체 내부 반사 또는 TIR 렌즈 조립체(110) 형태인 다른 종류의 광학소자를 도시한 개략도이다. 상기 렌즈 조립체(110)는 기설정된 요구되는 각도로 들어오는 방향을 향하여 렌즈(112)로 들어오는 광(light)을 역반사하기 위해 한쪽 면에 반사기 표면(114)을 가지는 TIR 렌즈(112)를 포함한다. 상기 실시예에서, TIR 렌즈(112)는 곡선형의 유입면(116)을 포함하는데, 상기 유입면은 처음에 광이 렌즈 안으로 통과하도록 허용하지만 일단 도 9에 나타낸 것처럼 렌즈 안쪽에 광이 존재한다면 렌즈 내부를 향하여 광을 역반사한다. 표면(116)의 곡률은 렌즈(112) 안으로 들어오는 광의 각도 및 반사기 표면(114)뿐만 아니라 렌즈(112)를 형성하는 재료의 특성에 따라 결정된다. 광원(118)은, 광이 렌즈를 향하도록 렌즈(112)와 인접하여 배치된다.
도 9에 도시된 실시예에서, 광원(light source)은 표준 필라멘트형 백열 전구인데 이것은 모든 방향으로 광을 비추므로 도 9에 나타낸 것처럼 렌즈(112)를 향하여 일부 광을 역반사하기 위해 역반사기(120)를 필요로 한다. 광(light)의 이동 경로(travel path)는 선(line, 122)으로 나타내었다. 렌즈(112)의 일부분은, 광이 렌즈의 내부에서 방출되도록 허용한다. 본 발명의 실시예에서, 광은 렌즈(112)의 대향한 단부(124)에서 방출된다. 미세-구조물(126)은, 광이 TIR 렌즈(112)로부터 방출되어서 미세-구조물(126)의 구조 특성에 따라 확산되고 방향 설정되는 표면(124)에 형성된다. 이러한 TIR 렌즈는 모든 배치 및 구조를 취할 수 있고 다양한 용도로 적용된다. 따라서, 렌즈의 방출면은 도 9에 나타낸 개략도와 크게 다르다. 그러나, 디퓨저 미세-구조물(126)은 각각의 방출 면에서 TIR 렌즈(2)의 재료와 일체적으로 구성된다.
상기 TIR 렌즈 조립체(110)는 다양한 용도로 이용할 수 있다. 이것은 미등 조립체, 글로벌 위치 파악시스템(GPS) 백라이트 유닛, 전화 표시 백라이트 시스템, 호출기, 시계, 맵 라이트(map light), 가로등, 신호등, 특정 효과 및 건축 라이트, 라이트 파이프 및, 광원이 LED, 레이저, 섬유 또는 도파관이나 필라멘트 형태의 라이트인 다양한 용도를 포함한 자동차 라이트 시스템을 가진다. 각각의 용도에서 Fresnel 및 다른 반사 손실을 최소화함으로써 광을 최대화하는 것은 중요하다. 이러한 장치에서 광학소자를 통과하는 광 투과를 최대화함으로써, 보다 작은 소오스(source)가 사용될 수 있고 장치 성능을 개선시킬 수 있다.
도 10a와 10b는 본 발명의 범위 내에 있는 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 10a는 Fresnel 렌즈(20)에 대해 도시된 Fresnel 광학 기구(24)의 일부분을 확대한 도면이다. 렌즈(20)의 반대쪽에 형성된 미세-구조물(26) 대신에, 미세-구조물(26)은 도 10a에 나타낸 것처럼 Fresnel 광학 기구(24)의 표면에 직접 형성된다. 이와 유사하게, 도 10b는 포물형 오목 렌즈(100)의 일부분을 나타내는데 미세-구조물(106)은 곡선의 거시-광학 오목면(104)을 지탱하는 동일 표면에 직접 형성된다. 전술한 실시예에서, 균질화 및 광 방향 설정 미세-광학 특성 부분을 구성하는 미세-구조물은 동일 표면에 제공되는데 상기 표면은 광학소자의 거시-광학 특성을 유지한다. 어떤 적용에서, 광섬유 케이블(60)과 같은 거시-광학 특성 유형 때문에 전술한 구조는 가능하지 않을 수도 있다.
도 11은 본 발명의 범위 내에서 다른 예를 나타낸다. 도 11은 CCFL 광원(132)을 가지는 도파관(lightpipe, 130)을 도시한다. 도파관(130)은 TIR 또는 일부 거울상인 그루브나 마면 구조물(facet structure, 134)을 하부면에 일체형으로 포함한다. 도파관(130)의 상부면에서 미세-구조물(136)은 일체 구성되는데 이러한 구조물은 사용자를 향하여 도파관(130)에서 방출되는 광을 균질화하고, 성형하며 방향을 설정하여 상기 도파관은 휴대용 컴퓨터나 다른 전자 장치와 같은 장치에서 사용될 수 있다.
공개된 특허 및 계류중인 특허 출원에서 설명한 것처럼, 미세-표면 구조물은 광학용으로 사용될 수 있는 여러 가지 재료의 표면에 형성되어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 특정 재료로 광학소자의 주요 기판 몸체를 형성하는데 국한되지는 않는다. 상기 광학소자는 다양한 배치 및 구조를 취할 수 있고, 각각은 하나 이상의 거시-광학 특성을 가진다. 전술한 광학소자를 형성하는 재료는 크게 바뀔 수 있다.
본 발명은 특정 실시예를 참고로 하여 기술되고 있지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양하게 수정하고 바꿀 수 있는 것은 자명하다. 이러한 변화 범위는 첨부된 청구항에서 분명히 알 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 제한된다.

Claims (18)

  1. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 장방향의 광학 도파관(optical waveguide)이며, 거시광학 특성(macro-optical characteristic)은 광학 도파관(optical waveguide)의 굴절율(refractive index)이며, 미세-구조물은 광학 도파관의 가로 단부(transverse end)에서 일체 구성되어지는 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  2. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 실린더형 렌즈(cylindrical lens)이며, 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 실린더형 렌즈 상의 곡면(curved surface)에 의해서 한정되어지는 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  3. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 볼록렌즈(convex lens)이며, 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 볼록렌즈의 곡면(curved surface)의 굴절율(refractive index)인 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  4. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 프리즘 구조체(prismatic structure)이며, 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 프리즘 구조체 상의 다수의 프리즘(prism)의 굴절율(refractive index)인 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  5. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 편광기(polarizer)이며, 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 편광기의 광 편광 성능(light polarizing capability)인 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  6. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 광학필터 격자 구조물이고, 거시-광학 특성은 필터 격자 구조물에 형성된 다수의 이격 배치된 격자부분의 필터 성능(filtering capability)인 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
  7. 기판 몸체(substrate body)와;
    광학소자(optical element)의 제 1 부분에서 일체형을 이루는 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)과; 그리고
    광학소자(optical element)의 한 부분과 일체 구성된 다수의 미세-구조물(micro-structure)로 구성되며, 상기 미세-구조물은 광학소자에서 방출되는 세기(intensity)가 평활하고(smoothly) 점진적으로 변하는 연속적인 광(light)을 요구되는(desired) 방식으로 분배하도록 광학소자를 통과하는 광을 균질화(homogenize)하며,
    기판몸체(substrate body)는 오목렌즈(concave lens)이고, 거시-광학 특성(macro-optical characteristic)은 오목렌즈의 오목한 곡면의 굴절율(refractive index)인 것을 특징으로 하는 모놀리식(monolithic) 광학소자(optical element).
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