KR100959976B1 - 빛을 제어하여 발산시키기 위한 구조 스크린 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사빔의 확산, 발산, 산란을 제어하기 위한 구조 스크린에 관한 것이다. 상기 스크린은 미세구조(1,2)를 포함하며, 스크린의 표면상에서 그 형상 및 분포가 정밀하게 결정된다. 소정 실시예에서, 그 형상 및/또는 분포는 무작위화된다. 상기 구조 스크린은 발산 스크린 또는 디스플레이 스크린으로 사용될 수 있다.
구조 스크린, 발산, 광, 산란, 빔

Description

빛을 제어하여 발산시키기 위한 구조 스크린{STRUCTURE SCREENS FOR CONTROLLED SPREADING OF LIGHT}
본 발명은 평면 또는 곡면일 수 있는 표면에 미세구조가 분포된 기판을 포함하는 광학장치에 관한 것으로, 특히 상기 미세구조는 유효 필드에서 제어가능한 강도변화로서 제어된 각범위에서 입사빔을 발산(이하, "발산" 또는 "산란"이라 함)시킬 수 있다. 이하, 상기 장치를 "구조 스크린" 또는 단순하게 "스크린"이라 칭한다.
본 발명의 구조 스크린은 다수의 응용성을 가지며, 이는 2개의 주요 카테고리, 즉 발산 스크린과 디스플레이 스크린으로 귀납된다. 특히, 구조 스크린의 응용에는 특정 시각에서 균일한 조명을 제공하는 사진 카메라용 촛점 스크린으로서 또는 이와 관련한 조명의 균질화가 포함되며, 역광 디스플레이, 액정 평판 디스플레이 및 독립 장치 또는 다른 필수 하드웨어와 관련된 종류의 디스플레이에서의 응용이 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구조 스크린이 사용될 수 있는 장비의 예로서는 사진 카메라, 컴퓨터 스크린, 텔레비젼, 투사 스크린, 핸드폰 및 일반적인 이미지 디스플레이 장비가 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
A. 발산 스크린
많은 응용에서, 원하는 강도변화로서 해당 소정 필드상에서 조명빔을 확산시키는 것을 목적으로 하는 장치에 대한 수요가 존재한다. 일반적으로, 이러한 장치를 당업계에서는 발산 스크린, 발산 플레이트 또는 발산기라 한다.
가장 단순한 형태로서, 발산 스크린은 가우스 통계학으로 설명될 수 있는 양각 패턴을 가진 거친 표면으로 구성된다. 그러한 발산 스크린을 제조하기 위한 다수의 방법이 제안되었다. 이들은 3개의 기본적인 카테로리로 구분될 수 있다.
무작위 표면 구조(그라운드 글라스)에 기초한 제 1 발산 스크린이 있다. 이 발산 스크린은 저렴한 비용으로 상용가능하다. 그러나, 발산특성을 거의 제어할 수 없기 때문에, 스크린의 성능이 매우 제한되며, 매우 유연하고 여유있는 필요조건을 가진 응용에서만 이용된다.
제 2 발산 스크린은 반점 패턴의 홀로그래픽 기록을 통해 얻어진다. 이 스크린은 발산 패턴을 테일러링함에 있어서 그라운드 스크린보다 유연성을 더 제공한다. 그러나, 이러한 홀로그래픽 발산 스크린은 선명하지 않은 이미지를 발생시키는 경향이 있으며, 이는 보기에 좋지 않을 수 있다. 또한, 반점과 관련된 갑작스러운 강도변화는 제한된 시각에서 불균일한 조명을 만든다.
제 3 발산 스크린은 해당 기판이 일부 양각 패턴에 따라 변하는 표면을 가진 스크린을 포함한다. 그 예로서는 광 발산을 제공하는 마이크로렌즈 어레이가 포함된다. 제 3 발산 스크린은 그라운드 글라스 스크린 또는 홀로그래픽 스크린보다 더 나은 양각 패턴의 제어를 제공한다.
하기된 미국특허에 간략하게 요약된 바와 같은 광발산의 문제점을 해결하기 위한 상당한 노력이 있었다.
미국특허 제4,427,265호는 주기적인 마이크로렌즈 어레이상에 중첩된 불규칙한 곡면구조를 가진 발산 스크린을 개시하고 있다. 상기 특허의 목적은 광발산 특성을 유지하면서도 하부의 주기적 어레이와 관련된 일부 인공물을 회피하는 것이다. 각 마이크로렌즈의 곡률은 평균으로 제어된다.
미국특허 제5,733,710호는 마스크 노출로 생성된 다양한 마이크로렌즈 구조를 개시하고 있으며, 마이크로렌즈의 위치가 마스크 회전에 의해 변화된다. 또한, 동일한 기판의 대향면에 프레스넬 렌즈와 발산 스크린 구조가 합체된 것이 개시되어 있다.
미국특허 제4,826,292호는 이온 충격 및 에칭으로 생성된 콘을 포함하는 양각 구조를 가진 발산 플레이트를 개시하고 있다.
미국특허 제5,871,653호는 평면 디스플레이에 사용하기 위한 마이크로렌즈 어레이에 기초한 발산 스크린 구조의 제조방법을 개시하고 있다.
발산 스크린을 설계할 때 고려해야 할 중요한 사항으로는 제어가능한 시각, 유효 필드에서의 제어가능한 강도변화, 가시적인 인공물의 부재 및 입사조명의 효과적 사용이 포함된다. 주어진 응용에 대해 가능한 최대의 발산 성능을 구현하고 설계능을 완전히 제어하기 위하여, 적당한 정밀도로 표면 양각패턴을 제어할 수 있어야만 한다.
종래 기술에 의한 양각 제어는 각각의 구조가 약간의 곡률 또는 광파워를 가진 단순한 구조에 한정된다. 특히, 기존의 마이크로렌즈 어레이 제조기술로는 미국특허 제5,871,653호, 제5,536,455호, 제5,324,623호 및 제5,300,263호에 개시된 기술이 포함된다. 현재의 방법들은 중합체 용융, 열 이완, 이온 교환 발산, 표면장력효과 및 에칭 평탄화에 기초한다. 이 방법들은 거의 구형이라는 점을 제외하면, 마이크로렌즈 형상을 거의 제어하지 못한다.
종래 기술에 의해 얻어진 품질은, 발산을 얻기 위해 사용된 구조의 형상 및/또는 위치에 대한 엄격한 제어가 없기 때문에, 매우 통계적인 절차이다. 상기 어레이를 구성하는 기본 구조들은 통상적으로 거의 구형이다. 특허에서 자주 볼 수 있는 바와 같이, 발산 스크린을 구성하는 기본 구조들은 그 형상에 대한 제어가 거의 없기 때문에 "곡선형"으로 표현된다. 곡선형 마이크로렌즈로 설명되지 않는 종류의 양각 구조에 있어서, 그 표면은 표면 충격과 같은 통계적 제어를 통해서만 얻어진다.
따라서, 특수한 발산 필요조건을 충족시키도록 선택되고 형성된 기본 미세구조를 가진 잘 제어된 발산면이 필요함이 명백하다.
B. 디스플레이 스크린
정보 디스플레이와 관련된 응용은 사용자가 정보와 상호작용하여 데이타베이스에 접근하거나 단순히 영화를 볼 수 있도록 하는 적당한 전달수단을 필요로 한다. 통상적으로, 이러한 시스템은 (1) 조명을 제공하는 광엔진, (2) 광정보를 전송하는 광학기기, 및 (3) 사용자에게 시각 정보를 즉각 전달하는 디스플레이 스크린 을 포함한다. 상기 광엔진과 광학기기는 실용상 사용자에게 보이지 않는다.
그러나, 상기 디스플레이 스크린은 사용자와 직접 접촉된 구성요소이며, 시스템의 성능을 가능한 최상의 방법으로 구현하여야 한다. 즉, 상기 디스플레이 스크린은 사용자에게 즉각적인 감동과 이미지 품질을 제공하며, 사용자가 특정 시스템을 수용할 것인지 또는 거부할 것인지를 결정하는데 상당한 영향을 끼친다.
디스플레이 스크린의 성능과 관련된 중요한 사항으로는 효율(명도), 해상도(특징을 분해하고 에일리어싱 효과를 피하는 능력), 이득(특정 각범위에서의 산란), 낮은 반점(일부 스크린 표면의 무작위 구조와 관련된 이미지의 결정), 콘트라스트(색깔간의 명료한 구분) 및 주변 빛 거부(광엔진이 꺼졌을 때 스크린이 검정색으로 보임)이다. 이들은 광엔진, 광학기기 및 디스플레이 스크린의 설계시 고려해야 할 것중 단지 일부이며, 그 이유는 모두 함께 작용하기 때문이다.
통상적으로, 디스플레이 스크린을 설계할 때 사용되는 방법은 발산 스크린에서 사용된 것과 동일하다. 따라서, 디스플레이 스크린은 스크린 표면에 합체된 무작위 엘리먼트를 갖지만, 이는 산란 패턴 또는 마이크로-산란기의 형상을 제어할 수 없다. 가장 단순한 스크린은 고전적인 그라운드 글라스 발산기 형태이다. 다른 장치는 홀로그래픽 발산기 및 마이크로렌즈 에레이를 포함한다. 대부분의 경우에서, 양각 패턴을 기록하거나 마이크로렌즈 형상을 무작위하게 중첩 및 분포시킴으로써, 무작위한 일부 엘리먼트가 형성되었다.
따라서, 발산 스크린에서와 같이, 특수한 발산 필요조건을 충족시키도록 선택되고 형성된 기본 미세구조를 가진 잘 제어된 디스플레이 스크린이 필요함이 명 백하다.
본 발명의 목적은 표면 뿐만 아니라 장치 표면에서의 상대위치를 한정하는 기본 구조(미세구조)의 제어를 가능하게 함으로써 전술한 단점을 해소하는 구조 스크린 표면을 제공하는 것이다.
표면 형상과 상대적 공간배치의 제어는 통계적 제어와 미세구조의 배치에 좌우되는 종래 기술과는 대조적으로 매우 결정적이다. 본 발명에 따른 방법으로, 넓은 응용범위에서 유용하고 적절하도록 빛 발산 과정의 품질 변형이 가능하다.
종래 기술과 관련된 본 발명의 중요한 차이점은 스크린 표면의 형태를 미세하게 성형할 수 있으며, 예를 들어, 수 미크론내에 분포시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기본 유닛을 서로에 대해 정밀하고 일반적인 방법으로 배치할 수 있다는 점이다. 통계적 과정에 기초를 둔 방법은 이러한 정확도를 구현할 수 없으며, 따라서, 발산 패턴만을 제한된 수준으로 제어할 수 있다. 단순하게, 스크린에 의해 생성된 광 발산(산란) 패턴의 정밀한 선명도는 스크린의 특성에 좌우된다. 스크린 구조상에서 한정된 제어만이 가능하다면, 최종 산란에서는 단지 제한된 성형만이 가능하다.
본 발명에 따른 구조 양각 표면은 2개의 주요 특징, 즉 기본 유닛의 형상 및 그 유닛의 공간적 분포를 갖는다. 기본 유닛의 특정 형상은 광 발산의 필요 특성에 의해 한정된다. 상기 특수 형상은 구형, 포물선형, 쌍곡선형, 구분적 선형, 구분적 다항형, 피라미드형, 원뿔형 또는 그 조합형을 포함하는 많은 형태를 취할 수 있 다. 특정 형태는 발산에 대해 서로 다르게 영향을 줄 수 있으며, 임의의 특수 응용에 요구되는 발산에 적합한 특정 선택이 이루어질 수 있다. 원한다면, 스크린 표면상의 서로 다른 위치에서 서로 다른 형상의 조합이 사용될 수 있다.
기본 유닛의 형상과 아울러, 유닛의 상대 공간배치가 임의로 한정될 수 있다. 이를 위하여, 본 출원인은 스크린의 표면 양각을 완벽하게 한정하는 2개의 독특한 좌표 시스템을 소개한다. 이들 기준 프레임에 대하여, 글로벌 프레임에 대한 미세구조의 임의의 공간분포와 함께 국소 기준좌표 시스템에 대해서도 한정하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 공정에서, 유닛의 배치는 정밀하게, 예를 들어, 수 미크론내에서 임의의 특정 패턴 다음에 이루어진다. 종래 기술에 대한 본 발명의 주요 차이점은 형태 및 크기뿐만 아니라 상대위치도 독특한 패턴에 따라 기본 유닛을 배치할 수 있다는 점이다.
하나의 특징에 따르면, 본 발명은 입사광의 발산을 제공하며, 기판과, 기판의 적어도 일표면에 분포된 다수개의 미세구조를 포함하는 구조 스크린의 제조방법을 제공하되, 상기 방법은,
(a) 상기 각각의 미세구조에 대해 기판의 적어도 일표면상의 위치를 선택하는 단계;
(b) 상기 각각의 미세구조의 형상을 선택하는 단계;
(c) 상기 (a)단계 및 (b)단계에서 선택된 위치 및 선택된 형상에 대해 입사광의 발산을 계산하는 단계:
(d) 상기 (c)단계에서 계산된 발산과 바람직한 발산을 비교하는 단계로서, 필요하다면, 상기 계산된 발산과 바람직한 발산과의 비교가 소정의 표준(예를 들어, 각발산, 균질성, 등)을 만족할 때까지, (a)단계, (b)단계 및 (c)단계를 반복하는 단계; 및
(e) 상기 (d)단계에서 소정의 표준을 만족시키는 위치 및 형상을 가진 다수개의 미세구조를 10·λn보다 양호한 정밀도로 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 λn는 스크린에 대한 명목 작동파장이다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 광제어 발산장치를 제공하되, 상기 장치는 다수개의 미세구조를 포함하며, 각각의 미세구조는 10·λn보다 양호한 정밀도로 다른 모든 미세구조에 대해 소정 위치에 위치되고, 각각의 미세구조는 10·λn보다 양호한 정밀도로 소정의 수학적 관계에 해당하는 형상을 가지며, 상기 λn는 장치의 명목 작동파장이고, 상기 소정의 위치 및 소정의 수학적 관계는 장치에 의해 입사광의 발산이 우선 계산될 수 있도록 한다.
상기 명목 작동파장(λn)은 예를 들어, 스크린(장치)이 사용될 수 있는 파장범위의 중간값이거나, 그 범위내의 특정 파장일 수 있다. 바람직하게, 미세구조의 정밀도와 위치는 5·λn이상이며, 가장 바람직하게는 λn이상 또는 그 수분의 일이다. 가시범위에서 사용되는 스크린에 있어서, 이는 약 수 미크론의 바람직한 정밀도 및 수분의 일 미크론 수준의 가장 바람직한 정밀도에 해당한다. 표현의 단순화를 위하여, 가시범위에서 가장 바람직한 정밀도 수준이 본 명세서의 여러곳에 언급 되어 있으며, 이는 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 정밀도 수준을 이에 한정하기 위한 것이 아님을 알 수 있을 것이다.
소정 실시예에서, 미세구조의 적어도 일부의 적어도 일부분은 하기된 식으로 주어진 형상을 갖도록 선택된다.
Figure 112008021652446-pat00001
여기서, s(x,y)는 상기 부분의 섹이며, c는 곡률이고, (xc,yc)는 그 중심점이며, k는 원뿔 상수이고, Ap는 비구면 계수이다. 본 실시예의 특징으로서, 적어도 하나의 p에 대해 Ap≠0 또는 k≠0이며, 또는 모든 p에 대하여 Ap=0이고 k=-1이다. 이러한 특성(즉, 적어도 하나의 p에 대해 Ap≠0 또는 k≠0이며, 또는 모든 p에 대하여 Ap=0이고 k=-1)중 적어도 하나를 가진 미세구조는 그 자체가 본 발명의 특징이다.
다른 실시예에서, 미세구조의 적어도 일부의 적어도 일부분은 하기된 식으로 주어진 형상을 갖도록 선택된다.
Figure 112008021652446-pat00002
여기서, s(x,y)는 상기 부분의 섹이며, (xc,yc)는 그 중심점이고, Bp 및 Cp 는 파워 시리즈 변수이다.
또 다른 실시예에서, 미세구조의 적어도 일부는 왜상 마이크로렌즈를 포함한 다. 본 실시예와 관련하여, 상기 미세구조의 적어도 일부의 적어도 일부분은 하기된 식으로 주어진 형상을 갖도록 선택된다.
Figure 112008021652446-pat00003
여기서, s(x,y)는 상기 부분의 섹이며, (xc,yc)는 그 중심점이고, cx 및 cy 는 각각 x 및 y를 따른 곡률이며, kx 및 ky 는 각각 x 및 y를 따른 원뿔 상수이다.
선택적으로, 본 실시예에 있어서, 형상은 하기된 식으로 주어질 수 있다.
Figure 112008021652446-pat00004
여기서, s(x,y)는 상기 부분의 섹이며, (xc,yc)는 그 중심점이고, cx 및 cy 는 각각 x 및 y를 따른 곡률이며, kx 및 ky 는 각각 x 및 y를 따른 원뿔 상수이고, Axp 및 Ayp는 각각 x 및 y를 따른 고차 비구면 변수이다.
일반적으로, 제 1 형상은 곡률과 원뿔 상수를 x 및 y에서 연결하기 때문에 비구면 변수와 함께 사용되지 않는다.
또 다른 실시예에서, 미세구조의 적어도 일부는 곡선형 마이크로렌즈 부분과 직선형 측부를 가진 피스톤(원통형) 부분을 포함한다. 이와 같은 마이크로렌즈-피스톤 구조를 가진 미세구조는 그 자체가 본 발명의 특징이다.
도 1은 이와 같이 구성된 2개의 미세구조를 개략적으로 도시한 도면으로서, 미세구조 1은 최대 섹(s1)을 가진 구형 마이크로렌즈 부분, 및 직경(d1)과 높이(오 프셋)(p1)를 가진 피스톤 부분을 포함하며, 미세구조 1는 최대 섹(s2)을 가진 구형 마이크로렌즈 부분, 및 직경(d2)과 높이(오프셋)(p2)를 가진 피스톤 부분을 포함하고, 2개의 미세구조의 정점은 깊이(D)로 분리된다. 설명의 용이함을 위하여, 상기 도면은 철형(凸形) 미세구조와 단지 2개의 마이크로렌즈 형상을 도시하고 있으며, 본 발명은 요형(凹形) 미세구조, 요형 및 철형 미세구조의 조합, 및 임의의 모든 종류의 마이크로렌즈 형상에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 상기 미세구조의 적어도 일부의 적어도 일부분은 적어도 하나의 변수에 의해 특정되는 형상을 갖도록 선택되며, 상기 적어도 하나의 변수는 소정의 확률 밀도 함수(예를 들어, 상기 변수의 소정 범위에서의 균일한 확률 밀도 함수)에 따라 무작위로 분포된다. 이와 같이 무작위 형상을 가진 미세구조를 포함하는 스크린은 그 자체가 본 발명이다.
무작위로 분포될 수 있는 변수의 예로는, 곡률반경; 최대 표면 섹; 미세구조의 가로 크기의 변수특성(예를 들어, 직경); 곡선형 마이크로렌즈 부분과 직선형 피스톤 부분을 포함하는 미세구조에 있어서(도 1 참조), 상기 직선형 측부를 가진 피스톤 부분의 높이; 및 정점을 가진 미세구조에 있어서, 스크린 기판으로부터 정점의 거리, 또는 선택적으로, 최대값을 가진 거리, 상기 거리와 최대값간의 차이;가 포함된다.
원한다면, 하나 이상의 변수(예를 들어, 2개의 변수)가 무작위로 선택될 수 있으며, 무작위 선택(예를 들어, 확률 밀도 함수)은 그 변수에 대해 동일하거나 다 르다. 예를 들어, 곡선형 마이크로렌즈 부분과 직선형 측부를 가진 피스톤 부분을 포함하는 미세구조의 경우, 무작위하게 분포된 하나의 변수가 곡선형 마이크로렌즈 부분을 특정할 수 있으며, 무작위하게 분포된 제 2 변수가 직선형 측부를 가진 피스톤 부분을 특정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 미세구조의 위치는 규칙적인 어레이(예를 들어, 육각형 어레이)를 형성한다. 다른 실시예에서, 상기 위치는 모자이크(예를 들어, 무작위 모자이크)를 형성하는 단위 셀 세트에 기초한다. 이들 실시예와 관련하여, 상기 스크린은 내부 미세구조와 가장자리 미세구조를 가질 수 있으며, 상기 모자이크는 내부 미세구조간의 적어도 일부의 연결부를 제공하며, 이는 광발산과 관련하여 2개의 스크린을 서로에 대해 접합함으로써 발생하는 가장자리 미세구조간의 적어도 일부의 연결부에 해당한다.
또 다른 실시예에서, 상기 미세구조의 위치는 소정의 확률 밀도 함수에 따라 무작위로 분포된다. 예를 들어, 상기 미세구조의 위치는 다각형 무작위 경계 세트에 기초할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 스크린의 기판은 2개의 이격된(예를 들어, 주면)표면을 가지며, 미세구조는 양표면에 분포된다. 다른 실시예에서, 미세구조는 상기 표면중 하나에 분포되며, 다른 표면은 프레스넬 렌즈를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 스크린의 기판은 제 1 광축을 한정하며, 미세구조의 적어도 일부의 형상은 제 1 광축과 평행하지 않은 제 2 광축을 한정하는 마이크로 렌즈를 포함한다. 이러한 형상을 가진 스크린은 그 자체가 본 발명이다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 다수개의 소정 미세구조를 포함하는 구조 스크린을 제공하며,
(a) 상기 미세구조는 곡선형 마이크로렌즈 부분과, 제로일 수 있는 소정의 높이를 가진 직선형 측부를 가진 피스톤 부분을 포함하며,
(b) 상기 곡선형 마이크로렌즈 부분은 소정의 직경과 소정의 최대 섹을 갖고,
(c) 상기 마이크로렌즈중 적어도 일부에 있어서, 상기 소정의 최대 섹과 소정의 높이의 합은 상기 소정의 직경보다 크다.
본 발명의 이 특징에 따르면, 상기 소정의 직경, 소정의 최대 섹 및 소정의 높이중 적어도 하나는 소정의 확률 밀도 함수(예를 들어, 상기 직경, 최대 섹 및/또는 높이에 대한 소정 범위에서의 균일한 확률 밀도 함수)에 따라 무작위로 분포될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 다수개의 소정의 비구면 마이크로렌즈(예를 들어, 포물면 마이크로렌즈)를 포함하는 구조 스크린을 제공하며, 상기 마이크로렌즈는,
(a) 소정의 직경과 소정의 최대 섹을 갖고;
(b) 동일한 소정의 직경과 소정의 섹을 가진 다수개의 구면 마이크로렌즈에 의해 생성된 것보다 더 평평한 밀도 분포를 가진 입사광 발산을 생성한다.
본 특징에 따르면, 상기 소정의 직경과 소정의 최대 섹중 적어도 하나는 소 정의 확률 밀도 함수(예를 들어, 상기 직경 및/또는 최대 섹에 대한 소정 범위에서의 균일한 확률 밀도 함수)에 따라 무작위로 분포될 수 있다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 구조 스크린을 제공하되, 상기 구조 스크린은,
(a) 동심형 링 형태의 다수개의 표면을 포함하는 프레스넬 렌즈; 및
(b) 상기 다수개의 표면중 적어도 일부에 분포되며, 구조 표면상에 입사되는 빛의 발산을 제어하는 역할을 하는 다수개의 미세구조;를 포함한다.
또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 다수개의 유닛 셀과 다수개의 미세구조를 포함하는 구조 스크린을 제공하며, 하나의 미세구조가 각 유닛 셀과 관련되고, 상기 유닛 셀의 외주연은 불규칙 다각형이다. 본 발명의 특징의 따른 실시예에서, 상기 외주연은 소정의 확률 밀도 함수에 의해 한정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 다수개의 미세구조를 포함하는 구조 스크린을 제공하며, 그중 적어도 일부는 제 1 방향에 제 1 곡률, 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향에 제 2 곡률을 가진 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 제 1 및 2제 2 곡률중 적어도 하나는 소정의 확률 밀도 함수에 따라 무작위로 분포된다. 본 특징에 따른 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 곡률은 모두 소정의 확률 밀도 함수에 따라 무작위로 분포되며, 상기 함수는 2개의 곡률에 대해 동일하거나 다를 수 있다.
또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 구조 스크린을 제공하되, 상기 구조 스크린은,
(a) 다수개의 내부 미세구조와 다수개의 가장자리 미세구조를 포함하되, 각 각의 미세구조는 모든 다른 미세구조에 대해 소정 위치에 위치되고, 상기 소정의 위치는 제 1 모자이크를 형성하는 제 1 유닛 셀 세트에 기초를 둔 제 1 서브 스크린;과
(b) 다수개의 내부 미세구조와 다수개의 가장자리 미세구조를 포함하되, 각 각의 미세구조는 모든 다른 미세구조에 대해 소정 위치에 위치되고, 상기 소정의 위치는 제 2 모자이크를 형성하는 제 2 유닛 셀 세트에 기초를 둔 제 2 서브 스크린;을 포함하며,
(ⅰ) 상기 제 1 및 제 2 서브 스크린은 서로에 대해 접합되며, 그 접합은 제 1 서브 스크린의 가장자리 미세구조와 제 2 서브 스크린의 가장자리 미세구조간의 가장자리 연결부를 형성하고,
(ⅱ) 상기 제 1 및 제 2 모자이크는 광발산면에서 상기 적어도 일부의 가장자리 연결부에 해당하는 내부 미세구조간의 적어도 일부의 내부 연결부를 각각 제공한다.
이 특징에 따른 실시예에서, 제 1 및 제 2 모자이크는 각각 무작위로 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 서브 스크린은 동일하다.
전술한 본 발명의 당양한 실시예의 특장점을 하기된 상세한 설명과 도면으로부터 명료하게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 방법으로, 넓은 응용범위에서 유용하고 적절하도록 빛 발산 과정의 품질 변형이 가능하다.
A. 회절 등식
본 발명의 구조 스크린은 완성된 스크린이 사용되는 조건(근위 필드, 원위 필드, 촛점 렌즈의 유무, 등)에 적합한 회절 등식을 이용하여 설계된다.
용이한 설명을 위하여, 구조 스크린이 파장(λ)의 조명하에서 원위 필드에서 작동하는 것으로 가정한다. 관찰평면에서 포인트(u,v)의 필드(f)는 구조 스크린(s(x,y))의 형상 또는 표면 양각 구조의 푸리에 변환으로 주어진다(Introduction to Fourier Optics, J.W.Goodman, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1968).
Figure 112008021652446-pat00005
여기서, k=2π/λ는 파형 벡터의 크기를 한정하고, n(λ)는 파장(λ)에서의 굴절률을 제공한다. 좌표(x,y)는 스크린의 평면에서의 포인트를 한정한다.
전체 표면에 대한 적분은 N셀 Dj에서의 적분으로 분리될 수 있으며, 여기서 j=1,..,N이며, 이는 기판 표면을 완벽하게 포함한다. 가장 일반적인 형태로서, 각 셀에 수용된 미세구조의 형상은 국소 표면형상(sj)으로서 표현되며, j=1,..,N이고, 일반적으로, p≠q이면, sp≠sq이다. 상기 필드(f)는 다음과 같이 변형될 수 있다.
Figure 112008021652446-pat00006
상기 수학식 2는 본 발명의 구조 스크린의 설계와 관련된 주요 엘리먼트를 나타낸다. 제 1 엘리먼트는 개별 엘리먼트(sj(x,y))의 형상이다. 제 2 엘리먼트는 개별 엘리먼트가 수용되는 셀(Dj)이다. 종래기술은 촛점 파워량중 일부를 보장하는 것을 제외하고, 기본 함수(sj(x,y))를 한정적으로 제한하였으며, 셀은 통상적으로 사각형 또는 유각형이었다.
본 발명은 (ⅰ) 예를 들어, 서브-미크론의 정밀도로 형상(sj(x,y))을 정확하게 한정할 수 있도록 하고, (ⅱ) 임의의 다른 셀에 대한 각 셀(Dj)의 도메인의 공간적 위치를 정확하게 한정할 수 있도록 하며, (ⅲ) 단지 사각형 또는 육각형 어레이로만 한정하지 않고 원하는 발산패턴을 구현하는데 필요한 모든 외형을 추정하여 셀 형상(Dj)을 정확하게 한정할 수 있도록 함으로써 종래의 방법을 개선하였다.
B. 표면 한정
(1) 미세구조 자체
구조 스크린의 양면 또는 임의의 일면상의 표면 양각 패턴은 입사 조명의 발산을 담당한다. 이 패턴은 기본 유닛의 특수한 배치 및 선택에 의해 발산된 조명을 성형하는 목적을 이루며, 상기 기본 유닛은 원하는 빔 성형의 필요조건에 따라 일반적으로 서로 다르고, 서로로부터 특정 거리만큼 이격된다.
일반적 형태로서, 각각의 기본 유닛의 형상은 구분 함수로 특정된 세그먼트로 한정될 수 있다. 일반적 형상은 연속 또는 불연속적인 형태로 추정될 수 있으며, 입사 조명에 촛점 파워를 부여할 수도 있다. 각 개별 엘리먼트의 특수 형상은 발산광의 성형에 있어서 기본적으로 중요하다. 따라서, 본 발명에 따르면, 기본 형상은 발산 프로파일을 테일러하기 위한 정밀한 제어이다.
도시된 바와 같이, 도 2는 동일한 양각 깊이를 가진 2개의 규칙적인 어레이에 대한 발산 패턴을 나타내며, 하나의 어레이에서 각 기본 유닛의 형상은 다른 어레이에서 각 유닛의 형상과는 다르다. 양자에 있어서, 총 양각 깊이는 동일하다. 이 도면에서 상기 패턴간의 차이는 명백하다.
상기 2개의 어레이에 대한 각 개별 형상의 프로파일간의 비교가 도 3에 도시되어 있으며, 2개의 프로파일간의 차이가 도 4에 도시되어 있다. 도 2에서 2개의 곡선으로 표시된 종류의 발산 제어를 구현하기 위해, 예를 들어, 약 수 미크론으로 미세구조 양각 제어를 보장할 필요가 있다.
기본 유닛의 형상의 중요성을 더 강조하기 위하여, 격자 이론으로부터 본 출원인은 격자주기와 파장이 회절된 차수의 발산각을 결정하는 반면, 격자 프로파일은 차수간의 파워분포를 결정한다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 삼각형 표식 격자는 단일차수에서 100% 이론적 효율로 설계될 수 있다. 반면, 많은 차수에서 입사 조명을 발산시키는 맞춤 형상을 얻을 수 있다. 이와 같은 광발산 제어는 격자의 기본 형상의 적절한 선택에 의해서만 가능하다.
전술한 바와 같이, 종래 기술은 광발산을 구현하기 위해 구면 형상의 기본 유닛에 의존한다. 구면 형상은 하기된 수학식 3에 따라 표현될 수 있다.
Figure 112008021652446-pat00007
여기서, c는 표면의 곡률이고, (xc,yc)는 중심점이다. 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 발산을 제어하는데 이용가능한 유일한 자유도는 곡률 또는 촛점 파워이다.
추가적인 자유도를 제공하고, 더 넓은 표면 클라스를 허용하기 위하여, 표면 형상은 다음과 같이 변형될 수 있다.
Figure 112008021652446-pat00008
여기서, 본 출원인은 수학식 3과 비교하여 원뿔 상수(k)와 비구면항({Ap})을 새로운 자유도로서 발견하였다. 구면 형상은 모든 p에 대하여 k=0이고 Ap=0인 특수한 경우에 얻어진다. 더 많은 자유도에 의해, 특정 시스템 필요조건을 만족시키도록 발산패턴을 더 양호하게 제어하는 것이 가능해졌다.
수학식 4가 다양한 형상의 실시를 가능하게 하지만, 이는 비구면 보정에 의한 원뿔 표면에 한정된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 알고리즘적 처리에 기초를 둔 수학적 관계를 포함하여, 수학적 관계에 의해 한정될 수 있는 임의의 표면이 실시될 수 있다. 일반적으로, 상기 표면은 미세구조의 경계에서 구분 함수로서 특정 될 수 있으며, 각각의 인터벌내에서 상기 표면은 다음 수학식 5의 형태를 가진 파워 시리즈로 확장될 수 있다.
Figure 112008021652446-pat00009
여기서, (xc,yc)는 중심점이고, s(x,y)는 미세구조의 제한된 영역으로 한정된다. 미세구조의 전체 영역에서의 총함수는 구분되어 한정된다.
아울러, 본 발명은 각각의 미세구조의 프로파일이 어레이 전체 또는 일부에서 변할 수 있도록 하며, 각각의 미세구조는 예를 들어 서브 미크론의 정밀도로 조절된다. 따라서, 발산된 빛을 균질화할 수 있으며, 주기적 어레이에 의해 유발된 가시적 인공물을 피할 수 있다.
규칙적 어레이의 실시는 제조 관점에서 약간의 장점을 갖지만, 스크린의 성능은 높은 주파수 강도 변화와 같은 이미지 인공물의 유발로 인해 만족스럽지 않을 수 있다. 또한, 일반적으로 어레이는 모든 종류의 시스템 표준과 일치하지 않기 때문에, 광발산의 제어는 한정된다. 일부 광대역 응용에서, 스펙트럼 발산에 의한 평탄화가 격자 구조로 인한 이미지 인공물을 최소화하는데 도움이 되기 때문에, 규칙적 어레이는 허용가능할 수 있다.
직경이 100㎛이고 깊이가 5㎛인 포물선형 마이크로렌즈에 대한 규칙적 어레이의 양태가 도 5에 도시되어 있다. 입사 조명은 400 내지 700㎚ 스펙트럼 대역에 속한다. 본 출원인은 발산이 완료되었어도 높은 주파수 강도변화가 존재하며, 고차 성분을 인식할 수 있음을 관찰하였다.
도 6은 직경이 100㎛이고, 5 내지 10㎛ 범위에서 무작위로 선택된 깊이를 가진 규칙적 포물선형 어레이로 얻은 발산을 나타내며, 이는 수개의 통계적으로 동일한 스크린 형상에서 평준화된다. 상기 강도 발산은 4차 수퍼가우스로 잘 설명될 수 있으며, 약 7.7°의 각 발산이 1/e2강도 포인트에서 측정된다. 무작위화는 고주파 구조 뿐만 아니라 고차 회절각을 피한다. 이 계산은 통공에 공간적으로 결맞는 빔이 입사된 것을 가정한 것이다. 특히, 부분 결맞음 효과는 강도 변동을 더 저감시키게 된다.
도 7은 무작위 깊이가 5 내지 10㎛ 범위이고, 각 유닛의 직경이 100㎛인 명목 직경에 대해 ±20% 범위에서 변하도록 무작위로 선택된 포물선형 유닛의 다른 발산패턴을 도시한 도면이다. 도 6의 패턴과 관련된 주요 차이점은 로렌츠 형상의 세장형 테일이다.
발산 과정의 제어는 특수한 방식에 좌우되며, 미세구조는 서로 다르다. 일반적으로, 이러한 가변성은 특정 선택변수에 대한 확률 분포 함수(PDF)로 표현될 수 있다. 예를 들어, 어레이가 무작위 곡률 반경을 가진 마이크로렌즈 구조를 제공한다면, 곡률 반경이 어레이에서 어떻게 변하는지를 한정하는 PDF가 존재하는 것이다. 이와 유사하게, PDF는 원뿔 상수, 주어진 미세구조의 깊이, 주어진 미세구조의 위치, 주어진 미세구조의 크기, 이들 변수의 임의적 조합, 또는 임의의 다른 관련 변수 또는 그들의 조합을 의미할 수 있다.
모든 경우에 있어서, 상기 PDF는 임의적으로 한정될 수 있으며, 어레이는 그에 따라 형성될 수 있다. 실제 어레이와 PDF간의 정확한 대응은 각각의 기본 미세구조가 예를 들어 서브 미크론의 정밀도로 제조될 필요가 있음을 의미한다. PDF를 특정하기 위한 방법은 발산패턴의 소정 특성에 크게 좌우되지만, 결정적 또는 통계적일 수 있다.
PDF의 특정 선택의 효과를 설명하기 위하여, 육각형으로 배치된 구면 마이크로렌즈의 2차원 어레이를 고려한다. 각각의 마이크로렌즈는 직경이 750㎛이고 총 섹의 범위가 4 내지 16㎛인 외주연을 갖는다. 첫째, PDF가 곡률반경에서 균일한 경우를 고려한다. 어레이의 실현을 위하여, 반경과 마이크로렌즈의 막대그래프가 도 8 및 도 9에 각각 도시되어 있다. 해당 발산패턴이 도 10에 도시되어 있다.
이제, 무작위 어레이가 동일한 섹 범위를 갖지만, 곡률반경 대신 섹에서 PDF가 균일한 것으로 가정한다. 어레이의 실현을 위하여, 반경과 섹의 막대그래프가 도 11 및 도 12에 각각 도시되어 있다. 해당 발산패턴이 도 13에 도시되어 있다. 이들 2가지 경우에서 PDF의 차이는 기본적으로 독특한 어레이를 만들고, 도 10과 도 13을 비교함으로써 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 그 차이는 최종 발산에 반영된다.
(2) 미세구조의 분포
전술한 바와 같이, 스크린 표면 또는 표면들에 대한 정확한 설명을 위해서는 2가지 기본적 엘리먼트가 필요하다. 제 1 엘리먼트는 미세구조 그 자체로서, 이는 전술한 바와 같이 임의의 특수 형상일 수 있다. 제 2 엘리먼트는 개별 미세구조의 상대적인 공간 배치이며, 각각의 미세구조는 예를 들어, 서브 미크론의 정밀도로서 임의적으로 서로에 대해 공간적으로 배치된다. 이들 2가지 엘리먼트는 스크린을 조명하는 빛의 특성과 함께, 스크린의 발산특성을 독특한 방식으로 결정한다. 각각의 미세구조의 형상이 발산의 함수특성에 대해 우월한 효과를 갖는 반면, 미세구조의 공간적 배치는 발산의 공간적 대칭성 또는 그 부족을 결정한다.
스크린 표면상의 미세구조의 공간적 배치를 정확하게 한정하기 위해, 본 출원인은 스크린과 관련하여 2가지 기본적 좌표 시스템을 한정한다. 글로벌 좌표 시스템이 스크린에 대해 임의로 위치될 수 있으며, 이는 각각의 미세구조가 정점, 팁 또는 미세구조의 기타 다른 엘리먼트와 같은 일부 임의의 기준점에 대해 위치될 수 있는 기준 프레임을 한정한다.
국소 좌표 시스템은 각각의 미세구조와 관련된다. 국소 기준 프레임에서, 미세구조의 표면 형상은 s(x-Xk,y-Yk) 형태의 함수에 따라 한정될 수 있으며, 여기서, s는 미세구조의 기능적 형태이고, (x,y)는 국소 좌표 시스템에서의 포인트이며, (Xk,Yk)는 글로벌 기준 프레임에 대한 k번째 국소 좌표 시스템의 위치이고, k는 1부터 스크린상에 존재하는 미세구조의 총수까지이다. 도 14는 2개의 기준 프레임에 대한 개략도이며, 단순화를 위하여, 2차원인 경우가 도시되어 있으며, 일반적인 경우는 3차원임을 알 수 있을 것이다.
글로벌 좌표 시스템과 관련하여, 스크린의 표면을 따라 또는 그에 수직한 미세구조의 위치를 구분할 수 있다. 상기 표면을 따라, 본 실시예의 다양한 실현은 규칙적인 주기형 어레이, 이웃한 미세구조간의 거리가 위치의 함수로서 변하는 무작위 어레이, 사각형 또는 육각형 어레이에서와 같이 경계가 잘 한정된 미세구조, 각각의 미세구조의 크기 및 형상이 스크린에서의 위치의 함수로서 변하는 미세구조, 또는 스크린의 양면에 위치된 구조를 포함한다.
가능한 배치의 예가 도 15 내지 도 21에 도시되어 있다. 무작위 성분을 포함하는 경우에 있어서, 그 성분은 확률 밀도 함수(PDF)로서 한정된다.
스크린 표면에 수직한 방향으로, 소위 피스톤이라 불리우는 서로에 대한 각각의 미세구조의 수직 오프셋이 존재한다. 피스톤의 존재는 발산패턴(반점)에서의 고주파 강도 변화뿐만 아니라, 전체 패턴의 평균보다 더 높은 강도를 나타내는 발산패턴의 격리된 영역인 핫 스팟의 존재의 회피와 관련된다.
임의의 특정 응용에 사용되는 피스톤의 양은 스크린상의 조명 특성에 좌우되지만, 일반적으로, 조명의 미약한 광파장과 등가이다. 또한, 이웃한 미세구조를 위한 피스톤 성분의 크기는, 발산패턴에 약간의 바이어스를 제공하는 것이 바람직하지 않다면, 통상적으로 PDF에 따라 무작위로 변한다.
도 22는 삼각형 형상을 가진 기본 유닛의 회절패턴에 대한 수직 오프셋 효과를 도시한 도면이다. 격자주기가 200㎛이고 깊이가 5㎛인 규칙적 어레이에 있어서, 파장이 0.5㎛인 빛이 -0.14°의 각거리와 0.006°의 각발산에 중심을 둔 회절차수에 집중된다. 해당 회절패턴이 점선으로 도 22에 도시되어 있다. 한편, 실선은 2㎛의 최대 오프셋(피스톤)과 통계적으로 동일한 삼각형 유닛 어레이에서 종합적 평균의 결과이다. 상기 오프셋은 균일한 확률 분포 함수를 따른다.
오프셋의 도입으로 얻은 발산은 크기가 1차이상이다. 그러나, 이러한 발산 수준은 분석된 블레이즈 격자의 특색이다. 일반적으로, 발산의 정도는 형상에 좌우된다. 그러나, 일반적인 역할로서, 오프셋은 발산패턴의 평탄화에 도움이 되며, 그 이유는 오프셋이 주기적 격자 구조로 인한 인공물을 제거하는데 도움이 되기 때문이다.
(3) 프레스넬 기능
발산 기능에 추가하여, 본 발명의 분포된 미세구조는 함께 사용될 수 있으며, 또는 광빔을 시준 또는 발산시키는 프레스넬 렌즈를 구성할 수 있다.
종래기술에서, 프레스넬 렌즈의 사용이 일반적으로 가정되었으며, 그 일반적 형태가 도 23에 도시되어 있다. 도 24에 도시된 바와 같이 기판의 일면상의 프레스넬 가능출력과 제 2 표면에 결합된 발산체를 통합하려는 시도가 이루어졌다. 본 발명의 스크린은 이들 도면에 도시된 형태의 프레스넬 렌즈와 함께 사용될 수 있다.
그러나, 이 방법들은 완성된 스크린에 서로 다른 표면의 가능출력을 제공하기 위한 수개의 처리 단계를 필요로 한다. 본 발명에 따르면, 발산 기능과 프레스넬 기능을 하나의 스크린 표면에 통합함으로써, 이러한 처리 단계를 저감시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각각의 미세구조와, 구조 스크린을 한정하는 기준 프레임에서의 그 공간적 배치를 정확하게 제어할 수 있다. 상기 공간적 배치의 성분으로서 피스톤 및 이동과 아울러, 개별 엘리먼트를 회전시킬 수 있다. 명백하게, 이러한 회전은 프레스넬 렌즈의 기능을 구현할 수 있도록 한다.
특히, 도 25에 도시된 바와 같이, 구조 스크린에서 프레스넬 렌즈의 기능은 단순히 촛점 출력을 가진 각 미세구조의 회전만을 필요로 한다. 도시된 바와 같이, 개별 마이크로렌즈는 전체 스크린의 광축과 평행하지 않은 광축을 갖는다. 명료하게 도시되지 않았으나, 스크린의 광축은 통상적으로 스크린 기판의 광축이다. 미세구조를 이와 같이 위치시킴으로써, 발산 및 프레스넬 시준체는 단일 기판뿐만 아니라 단일 표면에 집적될 수 있으며, 따라서, 스크린을 제조하기 위해 필요한 처리 단계의 수를 저감시키고, 단일의 단계로서 대량 복제할 수 있도록 한다.
C. 제조
전술한 형태의 매우 정밀하고 재생가능한 스크린 표면을 제조하기 위해서는 항목별 정밀도로 스크린을 일정하게 제조할 수 있는 제조방법이 필요하다. 다른 기술이 사용될 수 있으나, 가장 적당한 방법은 레이저 빔이 적절하게 제조된 기판을 가변 강도로 스캔하는 직접 레이저 기록법이다.
그러한 방법에서, 글라스와 같은 기판은, 예를 들어 콘트라스트가 낮은 감광성 중합체(포토레지스트)로 덮히고, 이는 노출되며, 레이저 빔에 의해 형성된 노출패턴을 잠상에 기록한다. 통상적으로, 상기 감광성 물질은 활성이며, 기판이 형성될 때, 노출된 물질은 표면 양각 구조를 남기고 제거된다.
기본적으로, 상기 표면 양각 구조는 스크린 표면을 형성하고, 또는 일부의 경우, 그 보충물을 형성한다. "높은 촛점 효율을 가진 마이크로렌즈 어레이"란 명칭으로 제오프레이 비. 그레톤, 지. 마이클 모리스, 및 타소 알.엠.세일즈,가 2000년 7월 31일자로 출원한 미국출원번호 제60/222,032호를 참조하라.
포토레지스트 형성시 얻은 표면 양각 구조는 제조과정의 특정 성능특성에 좌우되는 원하는 구조가 아닐 수 있다. 즉, 제조공정 자체가 완성된 제품에서 바람직하지 않을 수 있는 특성을 유도할 수 있으며, 그 공정의 사용에 대해 설명할 필요가 있다. 예를 들어, 기록 레이저 빔은 한정된 크기를 갖기 때문에, 형성 후 완성된 표면은 사용된 레이저 빔의 형상으로 회선된 레이저 노출 시스템에 의해 한정된 프로파일을 나타낸다. 일부의 경우, 회선의 존재는 스크린의 성능을 손상시키지 않을 수 있으나, 다른 경우, 이는 회피되어야만 한다. 물론, 성능 필요조건 및 작동 조건은 제조공차 및 한계를 지시한다.
상기 기판의 표면에 남은 표면 양각 프로파일은 마스터 몰드 역할을 할 수 있으며, 이는 자외선 경화물질상에서의 케스팅, 사출 또는 압축 몰딩, 및 기판으로의 반응 이온 에칭을 포함하는 다수개의 가능한 기술에 따라 다량의 복제물을 얻는데 사용될 수 있다.
본 발명의 구조 스크린을 제조하기 위해 특히 바람직한 기술이 "15㎛을 초과하는 프로파일 높이를 가질 수 있는 광 미세구조 제조방법"이란 명칭으로 1998년 6월 9일자로 출원된 미국출원번호 제09/094,340호에 개시되어 있으며, 이는 PCT 공개번호 제WO99/64929호로 1999년 12월 16일에 공개되었다. 이 기술을 이용함으로써, 미세구조 형상 정밀도 및 위치를, 예를 들어 수 미크론 이내로 구현할 수 있다. 또한, 이 기술을 이용하여 내구성 공구를 제조함으로써, 본 발명의 구조 스크린은 저렴하게 대량생산될 수 있다.
하기된 비한정적 실시예는 전술한 기술을 이용한 구조 스크린의 설계에 관한 것이다. 각각의 실시예에서, 스크린 표면 또는 표면들의 특성이 각각의 개별 위치에서 정밀하게 제어됨으로써, 관찰자의 전형적 위치인 원위 필드에서의 광발산(산란)패턴의 정밀한 형성(제어)이 가능하다. 특히, 산란표면이 상세하게 알려져 있기 때문에, 회절등식을 이용하여 그 광학적 양태를 안정적으로 모델링할수 있으며, 따라서, 스크린의 예상성능과 아울러 스크린의 제조와 관련된 공차를 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 산란패턴을 적절하게 조절하기 위하여, 기본적으로 국소 및 글로벌 성분으로 분리될 수 있는 소정의 자유도를 이용할 필요가 있다. 스크린 자체는 소정의 산란을 발생시키기 위해 집단적으로 작용하는 마이크로 엘리먼트(미세구조)로 이루어진다. 각각의 미세구조는 일련의 변수로 한정될 수 있다. 국소 성분이 존재한다. 예를 들어, 마이크로렌즈의 경우, 국소 변수는 곡률반경, 원뿔 상수, 직경 등이 될 수 있다. 글로벌 변수는 서로에 대한 각 미세구조의 공간적 위치 및 (확률 분포 함수와 같은)국소 변수가 준수해야하는 법칙을 한정한다.
전술한 바와 같이, 미세구조의 공간적 배치 및 위치를 한정하기 위해, 각 미세구조의 중심과 글로벌 원점을 한정하는 좌표 시스템을 편의에 따라 이용할 수 있다. 글로벌 성분은 이 좌표 시스템과 관련하여 한정된다. 각 미세구조의 원점에서, 미세구조를 수학적으로 한정하는데 필요한 기준을 제공하는 국소 좌표 시스템을 연관시킬 수 있다. 국소 및 글로벌 성분을 사용함으로써, 스크린에 의해 형성되는 산란패턴을 비한정적으로 성형할 수 있다.
하기된 실시에는 스크린의 산란패턴에 대한 다양한 글로벌 및 국소 변수의 영향을 나타낸다. 특히, 제 1 실시예는 산란패턴의 성형에서 국소 자유도의 중요성을 나타낸다. 제 2 실시예 및 제 3 실시예는 각각 수직 오프셋과, 스크린 표면 또는 표면들에서 미세구조의 일반적 공간배치에 관한 것이며, 제 4 실시예는 스크린 변수의 무작위화에 관한 것이다. 마지막으로, 제 5 및 제 6 실시예는 발산 및 디스플레이 스크린의 제조에 대한 본 발명의 응용에 관한 것이다.
다양한 실시예의 구조 스크린에 대한 규정이 실시예의 말미에 첨부된 스크린 설계표에 개시되어 있다.
제 1 실시예
미세구조 형상의 효과
본 실시예는 광 발산패턴에서 각 미세구조 형상의 중요성에 관한 것이다.
먼저, 하나 또는 그 이상의 변수의 함수로서 표현될 수 있는 형상을 가진 동일한 미세구조의 규칙적 어레이를 고찰하며, 그중 일부는 무작위로 변할 수 있다. 예를 들어, 구면형상을 가진 미세구조는 R-(R2-r2)1/2로 주어지는 섹 함수를 가지며, 여기서, R은 곡률반경이고, r은 원점으로부터의 반경위치이다. 이 정의에 따르면, 상기 어레이는 가변적인 곡률반경을 가진 구면 마이크로렌즈로 구성된다. 각 미세구조의 크기는 전체 스크린 표면에서 동일하며, 따라서, 무작위의 존재는 특정 변수, 즉, 구면 마이크로렌즈의 곡률반경에 한정된다.
먼저, 파장범위가 2 내지 4㎛인 적외선에서 실리콘으로 제조된 스크린이 작동한다고 가정한다. 도 26은 직경이 100㎛인 구면 마이크로렌즈 어레이에 대한 원 위 필드 산란 프로파일을 개시한 도면이다. 마이크로렌즈의 섹은 10㎛으로 고정된다.
상기 구면 마이크로렌즈를 명백하게 다른 형상, 예를 들어, 삼각형인 다른 미세구조로 대체하면, 도 27에 도시된 산란패턴이 나타난다. 각각의 미세구조는 밑변이 100㎛이고 깊이가 10㎛인 이등변 삼각형이며, 즉, 기본적인 크기가 구면 어레이와 동일하다. 상기 어레이가 삼각형 격자와 더 유사하기 때문에, 2개의 주요 회절차수에 해당하는 2개의 분리된 강도 피크가 관찰된다.
다른 실시예로서, 곡률반경이 R=120㎛이고, 원뿔 상수가 k=-2인 포물선형 프로파일을 고찰한다. 이들 변수와 함께, 마이크로렌즈 섹은 100㎛의 직경에 대해 10㎛이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 일반적인 산란 프로파일은 구면 마이크로렌즈(도 26 참조)에서 관찰된 것과 유사하며, 패턴의 양극단에서 증가된 피크 강도를 관찰하였다.
도 26 내지 도 28에 도시된 미세구조 형상의 효과는 숫자상의 통공이 증가할 때 더 심해질 수 있다.
미세구조 형상의 효과에 관한 또 다른 실시예로서, 400㎚ 내지 700㎚에서 작동하도록 설계된 아크릴 스크린을 고찰한다. 상기 스크린은 직경이 50㎛인 규칙적인 구면 마이크로렌즈 어레이로 구성된다. 도 29 및 도 30은 2가지 마이크로렌즈 깊이, 즉, 도 29은 12㎛이고, 도 30은 20㎛인 깊이에 대한 어레이의 산란 프로파일을 도시하고 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 마이크로렌즈 깊이는 스크린의 산란패턴을 성형하기 위한 다른 변수를 제공한다.
총 섹(총깊이)이 20㎛인 포물선형 마이크로렌즈 형상의 경우가 도 31에 도시되어 있다. 상기 포물선형 프로파일은 구면 또는 기타 다른 프로파일과 비교할 때 상당히 평평한(그리고, 그 결과로서, 이득이 높은) 산란 프로파일을 발생시킬 수 있도록 한다. 낮은 섹 한계에서, 구면과 포물선형 프로파일간의 차이가 거의 없으며, 산란은 실질적으로 동일하다. 그러나, 마이크로렌즈 섹이 증가할 때, 이들 2가지 프로파일간의 차이는 더 이상 무시할 수 없게 되며, 이는 산란에 직접반영된다.
여기서 습득할 수 있는 중요한 교훈은 미세구조의 형상이 산란 프로파일의 형상을 제어하는데 사용될 수 있다는 점이다. 본 출원인은 산란의 가변성을 사용된 형상의 함수로서 나타낸 몇가지 예를 개시하였다. 역경로를 취하여 관심이 있는 일부 산란패턴을 한정하고, 알고리즘의 최적화를 통하여, 원하는 산란패턴에 가장 근접된 섹 프로파일을 계산할 수 있다.
마지막으로, 전술한 실시예가 규칙적인 어레이에 한정되었으나, 어레이의 주기성으로 인한 효과를 피하기 위해 무작위 어레이를 고찰하는 것이 바람직하다. 무작위화에 의해, 산란패턴에서의 큰 강도 변동은 최소화되는 경향이 있다. 또한, 이는 2개의 국소적 주기형 패턴의 중첩으로 인한 물결 줄무늬와 같은 바람직하지 않은 가시효과를 억제하는 경향이 있다. 그러나, 무작위화는 규칙적 어레이에서 관찰된 기본 형상을 변화시키지 않는다. 이는 단지 더 균일하고 강하게 만든다.
제 2 실시예
수직 오프셋의 효과
실시예 1에 개시된 바와 같이, 미세구조 프로파일은 기본적으로 산란패턴의 발산 스판과 형상을 결정한다. 프로파일을 무작위화하는 것은 고주파 진동을 저감시키고, 평평한 패턴을 얻는데 도움이 된다. 스펙트럼 작동대역에 따라, 스크린의 성능을 저하시키는 핫 스팟이 발생할 수 있다(예를 들어, 도 26 참조).
핫 스팟의 영향을 저감시키는데 도움이 되는 또 다른 변수를 제공하고, 산란패턴을 균질화하는데 있어서 유용한 중요한 엘리먼트는 마이크로렌즈의 수직 오프셋 또는 피스톤이다. 기본적으로, 그 효과는 마이크로렌즈를 그 대칭축을 따라 한정된 양으로 변위시키는 것이다. 최종적인 결과는 미세구조의 정점 또는 원점의 상대위치가 스크린상에서의 그 위치의 함수로서 변한다는 것이다.
그 효과를 설명하기 위해, 도 26을 생성하는데 사용된 어레이, 즉 직경이 100㎛이고 섹이 10㎛인 구면 마이크로렌즈를 고찰한다. 피스톤이 있는 스크린 프로파일과 스크린이 없는 프로파일의 단면이 도 32 및 도 33에 각각 도시되어 있다. 산란패턴에 대한 오프셋의 효과가 도 34에 도시되어 있으며, 이는 도 26의 패턴과 비교되어야 한다. 도 34에는 중심 핫 스팟이 나타나지 않음이 명백하다.
수직 오프셋의 균질화 효과에 대한 설명으로서, 도 33에 도시된 동일한 구면 마이크로렌즈 어레이를 고찰하되, 이는 적외선 범위 대신 400㎚ 내지 700㎚의 가시범위에서 작동한다. 수직 오프셋이 있는 산란패턴과 수직 오프셋이 없는 산란패턴이 도 35에 실선 및 점선으로 각각 도시되어 있다
위의 결과는 핫 스팟을 저감시키고 산란패턴을 균질화하는데 있어서 수직 오프셋의 효과를 명료하게 나타낸다. 이 효과를 단독으로, 혹은 다른 무작위화와 함께 사용함으로써, 가시적인 인공물이 최소화되고 또는 강한 강도 변동이 있는 평평 한 산란패턴을 구현할 수 있다.
제 3 실시예
미세구조의 공간적 배치
산란패턴과 관련된 한정 글로벌 변수는 스크린상에서의 미세구조의 공간적 배치이다. 공간적 배치의 주된 영향은 산란패턴의 전체 대칭성에 반영된다.
예를 들어, 도 36의 규칙적 사각 어레이는 마이크로렌즈의 국소 형상에 의해 유발되는 발산각에 따라 직사각형과 유사한 3차원 패턴을 발생시킨다. 한편, 도 37의 육각형 어레이는 마이크로렌즈의 형상에 의해 유발되는 발산각에 따라 일방향을 따라 신장될 수 있는 육각형 형태의 산란패턴을 발생시킨다.
기하학적 고찰을 떠나, 전체 대칭성은 여러면에서 중요하지만, 주된 이유는 대칭성이 관찰 평면에서 에너지가 집중되는 양태에 영향을 주기 때문이다. 예를 들어, 유사한 공간적 연장 패턴에 있어서, 도 37의 육각형 배치는 도 36의 사각 어레이보다 빛을 더 많이 집중시킨다. 따라서, 유각형 어레이로 인한 산란패턴은 등가의 사각 어레이보다 특정 각범위에서 더 많은 이득, 즉 산란을 나타낸다.
이득과 아울러, 특정 공간적 배치의 실시를 고려할 때 중요한 제조문제가 존재한다. 예를 들어, 모서리 때문에, 사각 어레이는 일반적으로 육각형 어레이보다 깊고, 따라서, 제조가 더 어렵다.
산란패턴에서, 2개의 주요 관련변수는 발산각과 강도 프로파일의 형상이다. 상기 형상은 미세구조의 프로파일(섹 함수)에 의해 제어되는 반면, 발산각은 프로파일의 기울기(상기 섹 함수의 제 1 도함수)에 의해 제어된다.
따라서, 원하는 발산각을 제공하도록 적절하게 한정된 평평한 패턴에 대해 개별 프로파일이 무작위화되는 한, 미세구조의 특정 크기 및 분포는 중요하지 않음을 알 수 있다. 그러나, 가시적인 시스템에서, 미세구조의 공간적 배치와 관련된 추가적인 효과가 존재하고, 이들은 산란패턴에서는 명료하지 않으며, 불연속 개별 미세구조의 존재로 인해 발생되는 샘플링 효과와 투사된 이미지간의 상호작용을 반사시킨다.
그 상호작용의 간단한 예가 상용 디지탈 카메라로 찍은 고주파물 사진에서 용이하게 관찰되는 에일리어싱이다. 또 다른 효과는 투사된 이미지의 색분포와 한정된 샘플링의 결과로서 발현되는 색대역이다. 원위 필드에서의 스크린 성능과는 무관하게, 산란 엘리먼트가 충분히 작지 않다면, 샘플링으로 인한 효과가 나타날 수 있으며 이는 해결되어야 한다.
이러한 효과를 완벽하게 제거하기 위한 하나의 방법은 미세구조의 규칙적 공간배치를 배제한 스크린 구조를 사용하는 것이다. 이는 미세구조가 국소 변수와 공간적 경계에 의해 특정되는 스크린 구조를 채용함으로써 구현할 수 있으며, 여기서, 상기 공간적 경계는 미세구조를 둘러싸는 폐쇄된 선이다. 예를 들어, 사각 어레이에 있어서, 경계는 사각인 반면, 하니콤에 있어서, 경계는 육각형이다.
1차원에서, 규칙적 공간배치는 가변직경을 가진 실린더를 사용함으로써 회피될 수 있다. 2차원에서, 상기 경계는 가장 일반적인 형태로서 다각형 곡선일 수 있다. 전체 스크린에서 미세구조의 경계를 한정하는 완벽한 다각형 곡선은 일반적으로(항상 필수적인 것은 아님) 도 38에 도시된 바와 같은 밀집된 형태로 배열된다. 규칙적 공간 배열을 피하여 실시하기가 더 단순한 또 다른 가능한 배열은 도 39에 도시된 바와 같은 모자이크형 마이크로렌즈 분포를 포함하도록 된 직사각형 또는 기타 다른 형태의 셀을 채용하는 것이다. 모자이크 또는 일반적인 다각형 경계의 특별한 장점은 대형 스크린을 형성하기 위해 2개 또는 그 이상의 스크린 어레이를 접합함으로써 발생되는 결함의 영향을 저감시키는 것이다.
제 4 실시예
무작위화 과정
스크린상에서 미세구조의 주기적 반복으로 인한 인공물의 존재를 회피하기 위한 특히 유효한 방법은 국소 변수 또는 글로벌 변수, 또는 국소 및 글로벌 변수 모두에 적용될 수 있는 무작위화를 사용하는 것이다.
임의의 무작위 수는 확률 분포 함수(PDF)를 만족시키며, 이는 기본적으로 허용된 변수범위에서 주어진 값을 선택하는 확률을 한정한다. 그 단순성과 대부분의 컴퓨터에서의 가용성 때문에, 선호되는 PDF는 균일한 PDF이다. 이 경우, 동일한 확률이 변수범위의 각 값에 부여된다. 스크린에 각 개별 미세구조를 정확하게 성형할 수 있는 능력으로 인하여, 무작위화에 사용되는 특정 PDF는 약간의 특정 형태로 한정될 필요가 없으나, 임의의 형태로 가정될 수 있다. 또한, 바람직한 산란패턴의 특성에 따라, 구별되는 변수가 서로 다른 PDF에 종속될 수 있다.
특정 PDF의 효과에 대한 단순한 설명으로서, 최대 섹이 5 내지 15㎛범위이고, 수직 오프셋이 균일한 PDF로 무작위화된 ±2㎛인 구면 마이크로렌즈의 직경 100㎛의 무작위 어레이를 고찰한다.
마이크로렌즈 자체의 무작위화를 위한 유일한 가용변수는 각 마이크로렌즈의 최대 섹과 곡률반경이다. 그러나, 채용되는 PDF의 특정 기능적 형상과 아울러, PDF가 최대 렌즈 섹 또는 곡률반경중 어느 것에 적용되는지의 여부에 따라, 2가지의 구분되는 무작위 구현절차가 존재한다. 상기 섹은 곡률반경과 직접연관되기 때문에, PDF는 그와 유사하게 관련된다.
그 효과가 도 40 및 도 41에 도시되어 있다. 균일한 PDF가 적용되는 변수를 변화시킨 결과가 도 42의 산란패턴에 도시되어 있으며, 섹에서 균일한 PDF의 패턴이 실선으로 표시되어 있고, 곡률반경에서 균일한 PDF에 대한 패턴이 점선으로 표시되어 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 섹에서의 균일한 분포로 인하여, 산란패턴은 더 큰 각범위에 분포되는 경향이 있다. 이와 같이 큰 각 산란은 섹에서의 균일한 분포로 인하여 디프 섹 렌즈 유닛의 수가 증가되었기 때문이다.
산란의 양태에 따라, 균일 분포 이외의 다른 확률 분포 함수를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 가우스 분포는 주어진 평균값을 중심으로 변수(예를 들어, 섹 또는 반경)의 집중을 허용한다. 사용될 수 있는 PDF의 종류에 대한 제한은 없으며, 유일한 제한은 시스템의 바람직한 성능에 의해 부과된다. 상기 균일한 분포는 대부분의 응용에 대한 선택의 분포가 되는 경향이 있으며, 이는 주로 그 단순성 때문이다. 많은 경우에 있어서, 이는 시스템 필요조건을 충분히 만족시킨다. 그러나, 임의의 PDF를 실시하는 선택은 산란패턴을 조절하기 위한 중요한 자유도를 제공한다.
제 5 실시예
발산 스크린
전술한 바와 같이, 일반적으로, 스크린은 2개의 카테고리, 즉 발산 스크린과 디스플레이 스크린으로 분류되며, 이는 이들 2가지 응용과 관련된 서로다른 필요조건에 기초한다.
2가지 스크린 모두 스크린이 없었을 경우 발산되는 영역보다 더 넓은 영역에 입사조명을 균질하게 발산시키기 위한 것이나, 디스플레이 응용은 통상적으로 외부 사용자와의 가시적 상호작용과 관련된 수많은 추가적 필요조건을 포함한다. 한편, 발산 스크린은 가시적으로 사용될 필요는 없다.
예를 들어, 광검출 시스템은 주어진 스펙트럼 대역에 대하여 스크린이 없을 때보다 더 크고 균질한 촛점을 필요로 할 수 있다. 통상적으로, 가시적 성능 필요조건이 없으면, 발산 스크린의 설계가 더 쉬워질 수 있는데, 그 이유는 발산 패턴의 크기 및 형상에만 집중하여야 하기 때문이다. 또한, 요구되는 각 발산이 작아지는 경향이 있으며, 이는 제조가 더 용이한 얕은 미세구조의 사용을 의미한다.
예로서, 10㎜의 거리에 집중되는 2 내지 4㎛의 스펙트럼 범위에서의 4㎜ 입력 빔을 고찰한다. 이러한 변수에 의해, 완전 발산각은 약 0.14°이다. 그러나, 26°의 완전 발산각을 가진 빔이 필요하다고 가정하자. 이는 도 43에 도시된 마이크로렌즈 어레이로 구현될 수 있다. 상기 스펙트럼 범위에서 평준화된 최종 회절패턴이 도 44에 도시되어 있으며, 산란패턴의 단면이 도 45에 도시되어 있다.
제 6 실시예
디스플레이 스크린
전술한 바와 같이, 일반적으로, 디스플레이 응용 스크린은 소정의 산란 프로파일로 특정 각범위에 조명을 발산시키는 것과 아울러 많은 난제가 있다. 그러나, 본 출원인은 산란패턴의 특성에 관련된 필요조건만을 고려한다. 가시적 필요조건, 예를 들어, 색, 콘트라스트 및 다양한 주요 변수는 회절 계산으로 용이하게 모델화될 수 없는 사항을 포함한다. 이들은 스크린 샘플상에서 실험 이미지의 직접 관찰에 의해 더 잘 평가될 수 있다.
발산 스크린과 다른 첫번째 차이점은 디스플레이 스크린이 스펙트럼의 가시부분에 한정된다는 점이다. 다른 주요 차이점은 디스플레이는 일반적으로 더 큰 각범위를 필요로 한다는 것으로서, 통상적인 스판은 총 100°유효 필드이다. 또한, 각발산은 수직 및 수평 방향에서 다를 수 있다.
디스플레이스 스크린의 산란패턴의 예가 도 46에 도시되어 있다. 고속축을 따른 발산은 36°인 반면(추정 이득, 4.9), 저속축을 따른 발산은 약 17°이다(추정 이득, 16.9). 이 패턴은 도 47에 도시된 왜상 마이크로렌즈의 육각형 어레이로 생성되었다.
왜상 모자이크 어레이로 얻은 또 다른 예가 도 48에 도시되어 있으며, 그 어레이의 일부가 도 49에 도시되어 있다. 이러한 모자이크 구조에 있어서, 무작위화는 개별 마이크로렌즈 엘리먼트 뿐만 아니라 직사각형 경계의 크기(일방향으로 25 내지 30㎛이고, 타방향으로 45 내지 50㎛임)에도 도입된다. 고속축을 따른 발산은 33°인 반면(추정 이득, 5.5), 저속축을 따른 발산은 발산은 약 15°이다(추정 이득, 9.6).
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었으나, 당업자는 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 하기된 청구범위는 특정 실시예 뿐만 아니라, 그러한 변경, 변형 및 그 등가물을 포함한다.
스크린 설계표
도 26
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 2-4㎛
도 27
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 삼각형
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 2-4㎛
도 28
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 비구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 2-4㎛
도 29
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 50㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 12-12㎛
총 어레이 깊이 범위 12㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 30
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 50㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 20-20㎛
총 어레이 깊이 범위 20㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 31
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 50㎛
미세구조 프로파일 포물선형
미세구조 섹 범위 20-20㎛
총 어레이 깊이 범위 20㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 32
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 33
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 ±2㎛
오프셋 무작위화 PDF 균일
파장범위 0.4-0.7㎛
도 34
어레이 종류 원통형
공간배치 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 ±2㎛
오프셋 무작위화 PDF 균일
파장범위 0.4-0.7㎛
도 36
어레이 종류 2차원
공간배치 사각 밀집
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 37
어레이 종류 2차원
공간배치 육각형
미세구조 직경 100㎛
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 10-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 규칙적 어레이
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 38
어레이 종류 2차원
공간배치 무작위 다각형 경계
미세구조 직경 50㎛ (평균)
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 2-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 균일
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 39
어레이 종류 2차원
공간배치 모자이크
미세구조 직경 50㎛ (평균)
미세구조 프로파일 구면 (왜상)
미세구조 섹 범위 2-10㎛
총 어레이 깊이 범위 10㎛
미세구조 무작위화 PDF 균일
수직 오프셋 0㎛
오프셋 무작위화 PDF 응용불가
파장범위 0.4-0.7㎛
도 43
어레이 종류 2차원
공간배치 육각형
미세구조 직경 500㎛ (평균)
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 2-8㎛
총 어레이 깊이 범위 14㎛
미세구조 무작위화 PDF 균일
수직 오프셋 ±2㎛
오프셋 무작위화 PDF 균일
파장범위 0.4-0.7㎛
도 47
어레이 종류 2차원
공간배치 육각형
미세구조 직경 50㎛ (평균)
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 2.5-4㎛ (저속축)
9-11㎛ (고속축)
총 어레이 깊이 범위 16㎛
미세구조 무작위화 PDF 균일
수직 오프셋 ±2㎛
오프셋 무작위화 PDF 균일
파장범위 0.4-0.7㎛
도 49
어레이 종류 2차원
공간배치 육각형
미세구조 직경 25-30㎜ (저속축)
45-50㎜ (고속축)
미세구조 프로파일 구면
미세구조 섹 범위 1.9-3.5㎛ (저속축)
8.8-10㎛ (고속축)
총 어레이 깊이 범위 17.4㎛
미세구조 무작위화 PDF 균일
수직 오프셋 ±2㎛
오프셋 무작위화 PDF 균일
파장범위 0.4-0.7㎛
도 1은 본 발명의 대표적 미세구조를 도시한 개략도이고,
도 2는 수학식 2를 이용하여 계산한 24㎛의 깊이를 가진 2개의 주기적인 마이크로렌즈 어레이로 인한 회절패턴으로서, 명목 작동파장은 λn=0.6328㎛이고, 주기는 Λ=200㎛이며, 점선은 곡률이 0.0157㎛-1인 구면 마이크로렌즈에 의한 것인 반면, 실선은 비구면 계수를 포함하지 않고, 변수, 즉 c=0.0118㎛- 1와 k=-1.09를 채용하고(수학식 4 참조),
도 3은 도 1에 도시된 회절패턴을 계산하기 위해 사용된 어레이의 기본 유닛의 비교도로서, 실선은 비제로 원뿔을 기진 비구면이고, 점선은 구면이며,
도 4는 도 1에 도시된 회절패턴을 생성하는데 필요한 비구면과 구면 프로파일간의 차이를 나타낸 도면이고,
도 5는 포물선형 유닛의 규칙적 어레이의 계산된 회절패턴을 도시한 도면이며,
도 6은 가변 깊이와 일정한 피치를 가진 포물선형 유닛의 무작위 어레이의 계산된 회절패턴을 도시한 도면이고,
도 7은 가변 깊이와 가변 피치를 가진 포물선형 유닛의 무작위 어레이의 계산된 회절패턴을 도시한 도면이며,
도 8은 곡률 반경에 대해 균일한 확률 밀도 함수를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이의 단일 실현을 위한 곡률 반경의 막대그래프이고,
도 9는 곡률 반경에 대해 균일한 확률 밀도 함수를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이의 단일 실현을 위한 깊이의 막대그래프이며,
도 10은 육각형 유닛 셀 구조를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이로 인한 계산된 3차원 산란패턴으로서, 확률 밀도 함수는 곡률 반경에 대해 균일하고,
도 11은 마이크로렌즈 깊이에 대해 균일한 확률 밀도 함수를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이의 단일 실현을 위한 곡률 반경의 막대그래프이며,
도 12는 마이크로렌즈 깊이에 대해 균일한 확률 밀도 함수를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이의 단일 실현을 위한 깊이의 막대그래프이고,
도 13은 육각형 유닛 셀 구조를 가진 무작위 마이크로렌즈 어레이로 인한 계산된 3차원 산란패턴으로서, 확률 밀도 함수는 마이크로렌즈 깊이에 대해 균일하며,
도 14는 스크린의 하나 또는 그 이상의 표면상에서 기본 구조의 공간적 배치를 한정하기 위해 사용될 수 있는 좌표 시스템의 개략도로서, 단순화를 위해, 단지 2차원 그래프가 도시되어 있으며, (X,Y)프레임은 글로벌 좌표 시스템을 나타내고, (x,y)프레임은 개별 미세구조와 관련된 국지적 좌표를 나타내며,
도 15는 규칙적인 사각형 격자상에 배치된 기본 유닛을 도시한 도면으로서, 각각의 유닛(원으로 표시됨)은 유닛 셀(원을 포함한 사각형 영역)에 중심을 두고, 셀 자체보다 크지 않은 크기를 가지며, 셀의 중심은 십자로 표시되어 있고,
도 16은 일정한 충진 변수를 가진 사각형 격자상의 기본 유닛의 배치를 도시한 도면으로서, 개별 유닛의 중심은 유닛 셀의 중심에 대해 변위되며,
도 17은 가변 충진 변수를 가진 사각형 격자상의 기본 유닛의 배치를 도시한 도면으로서, 개별 유닛의 중심은 유닛 셀의 중심에 대해 변위되고,
도 18은 100% 충진 변수를 가진 사각형 격자상의 기본 유닛의 배치를 도시한 도면으로서, 각각의 기본 유닛의 경계는 점선으로 표시된 반면, 유닛 자체는 사각형 유닛 셀 내부에만 한정되고, 개별 유닛의 중심은 셀의 중심에 대해 변위될 수 있으며,
도 19는 100% 충진 변수를 가진 규칙적인 유각형 격자상에 배치된 기본 유닛을 도시한 도면이고,
도 20은 무작위 다각형 유닛 경계 세트상에 분포된 기본 유닛을 도시한 도면으로서, 경계의 외형만을 보로노이 형태(Lectures on Random Voronoi Tessellation, Jesper Moller, New York: Springer-Verlag, 1994 참조)로 도시하였으며,
도 21은 본 발명의 일부 실시예에 따른 구조 스크린을 도시한 도면으로서, 두께(τ)를 가진 기판의 양면에 개별 기본 유닛 어레이가 구성된 구조 스크린을 도시한 도면이고,
도 22는 삼각형 기본 유닛으로 이루어진 발산 스크린 어레이의 게산된 회절패턴을 도시한 도면으로서, 수직 오프셋(실선)이 그러한 오프셋이 없는 규칙적인 어레이(점선)와 비교되며,
도 23은 조명원, 프레스넬 렌즈 및 마이크로렌즈 어레이를 도시한 개략도이고,
도 24는 스크린과 프레스넬 렌즈가 집적된 종래 기술을 도시한 개략도이며,
도 25는 단일 표면상에서의 발산 및 프레스넬 시준의 조합을 도시한 개략도이고,
도 26은 적외선에서 작동하기 위해 10㎛의 깊이를 가진 규칙적인 구면 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이며,
도 27은 적외선에서 작동하기 위해 10㎛의 깊이를 가진 규칙적인 삼각형 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이고,
도 28은 적외선에서 작동하기 위해 10㎛의 깊이를 가진 규칙적인 쌍곡선형 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이며,
도 29는 가시광선에서 작동하기 위해 12㎛의 깊이를 가진 규칙적인 구면 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이고,
도 30은 가시광선에서 작동하기 위해 20㎛의 깊이를 가진 규칙적인 구면 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이고,
도 31은 가시광선에서 작동하기 위해 20㎛의 깊이를 가진 규칙적인 포물선형 미세구조 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이며,
도 32는 규칙적인 구면 마이크로렌즈 어레이(직경:100㎛, 최대 섹: 10㎛)를 도시한 도면이고,
도 33은 동일한 구면 마이크로렌즈 어레이(직경:100㎛, 최대 섹: 10㎛)를 도시한 도면으로서, 무작위 수직 오프셋은 ±2㎛이며,
도 34는 직경이 100㎛이고, 최대 섹이 10㎛인 동일한 구면 마이크로렌즈 어 레이의 계산된 산란 프로파일을 도시한 도면으로서, 수직 마이크로렌즈 배치는 ±2㎛인 최대 수직 오프셋을 포함하고,
도 35는 가사광선에서의 작동을 위해 직경이 100㎛이고, 최대 섹이 10㎛인 동일한 구면 마이크로렌즈 어레이의 계산된 산란 프로파일을 도시한 도면으로서, ±2㎛인 수직 오프셋이 있거나 없는 상태를 도시한 도면이며,
도 36은 미세구조의 사각형 배치를 도시한 도면이고,
도 37은 미세구조의 유각형 배치를 도시한 도면이며,
도 38은 무작위 다각형 경계로 한정된 미세구조의 무작위 배치를 도시한 도면이고,
도 39는 모자이크 공간배치를 가진 스크린을 도시한 도면으로서, 마이크로렌즈의 상대적 변위와 접합은 이 구조에 의해 억제되며, 즉, 모자이크는 광발산면에서 2개의 스크린이 서로에 대해 접합함으로써 발생되는 가장자리 미세구조간의 적어도 일부 연결부에 해당하는 내부 미세구조간의 적어도 일부 연결부를 갖고,
도 40은 5 내지 15㎛의 섹 범위와 100㎛의 직경을 가진 구면 마이크로렌즈에 대한 곡률 반경의 주파수(곡률 반경에서의 PDF 균일)와 섹의 주파수를 도시한 도면이며,
도 41은 5 내지 15㎛의 섹 범위와 100㎛의 직경을 가진 구면 마이크로렌즈에 대한 곡률 반경의 주파수(섹에서의 PDF 균일)와 섹의 주파수를 도시한 도면이고,
도 42는 5 내지 15㎛의 섹 범위를 가진 무작위 구면 마이크로렌즈 어레이의 산란패턴에 대한 확률 분포 함수의 효과를 나타낸 계산된 산란패턴을 도시한 도면 이고, 렌즈 직경은 100㎛이며 수직 오프셋은 ±2㎛이고,
도 43은 유각형 배치를 가진 구면 마이크로렌즈 어레이를 도시한 도면으로서, 각각의 마이크로렌즈는 직경이 0.5㎜이고, 2 내지 8㎛ 범위의 최대 섹을 가지며, 수직 오프셋은 ±2㎛이고,
도 44는 도 43에 도시된 구조 스크린으로 얻은 계산된 3차원 산란패턴을 도시한 도면이며,
도 45는 2개의 수직방향을 따라 취한 도 44의 산란패턴의 단면도이고,
도 46은 육각형 디스플레이 스크린의 계산된 산란패턴이며,
도 47은 왜상 마이크로렌즈(평균 직경이 50㎛임)의 육각형 어레이를 도시한 도면으로서, 막대는 마이크로렌즈의 깊이를 나타내고,
도 48은 왜상 모자이크 어레이의 계산된 산란패턴을 도시한 도면이며,
도 49는 왜상 마이크로렌즈의 모자이크 어레이를 도시한 도면으로서, 막대는 마이크로렌즈의 깊이를 나타낸다.

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  53. 광축을 한정하며 단일 표면상에 다수개의 미세구조를 포함하는 투과형 구조 스크린으로서, 상기 미세구조의 일부 또는 전체는 상기 구조 스크린의 광축 방향과 상이한 광축을 가진 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 다수개의 미세구조는 발산 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 투과형 구조 스크린.
  54. 청구항 53에 있어서, 상기 다수개의 미세구조는 프레스넬 시준(Fresnel-collimation)을 더욱 제공하는 것을 특징으로 하는 투과형 구조 스크린.
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