KR100978057B1 - 중공 웨지형 광 가이드 - Google Patents

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Abstract

웨지형 중공 광 가이드는 전체 내부 반사 특징부(11)를 갖는 상부 평편 표면(10)과 클록크된 반사 광 추출 특징부(21)를 갖는 하부 평편 표면(20)을 포함한다.
시준 광(collimated light), 광 가이드, 쐐기형 중공 가이드, 광학 필름, 디스플레이

Description

중공 웨지형 광 가이드{HOLLOW WEDGE SHAPE LIGHT GUIDE FOR BACK ILLUMINATION}
본 발명은 정보 디스플레이, 조명, 및 직접 조명의 적용을 위하여 시준 광(collimated light)을 균일하게 분배시키는 것에 관한 것이다.
개인 컴퓨터에서 사용되는 것과 같은 현재의 광 가이드들은 플라스틱과 같은 고체재료로 제작되어 진다.
본 발명은 모듈형 구조기술에 근거한 쐐기형 중공 모서리의 광 도파관(광 가이드)이다. 이러한 도파관은 굴절 매체 대신에 공기를 사용한다. 상기 도파관은 상업적으로 유용한 것(판재 또는 롤들)과 유사한 광학 필름들로서 제작되고, 다양한 디스플레이 구조들을 수용하기 위한 크기로 절단될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 쐐기형 중공 광 가이드를 도시한 전면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 쐐기형 중공 광 가이드를 도시한 후면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 쐐기형 중공 광 가이드의 단면도이다.
도 4는 설명을 목적으로 도시한 원추형 광 분배 기하 구조를 도시한 설명도 이다.
도 5는 본 발명에 따른 일실시예의 광학적 성능을 증명하기 위하여 사용된 시뮬레이션 모델 구조를 도시한 설명도이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시예의 성능을 증명하는 시뮬레이션 가동으로 부터 얻어진 스폿(spot) 위치 다이어그램의 출력으로서 균일한 광 분배를 도시한 설명도이다.
도 7은 도 5에 도시된 실시예의 성능을 증명하는 시뮬레이션 가동으로 부터 얻어진 스폿 방향의 각이진 프로파일 출력으로서 원하는 광선들과 고스트 영상(ghost image)들을 도시한 설명도이다.
도 8은 도 7에 도시된 스폿 방향의 각이진 프로파일을 통한 슬라이스(slice)의 그래프도이다.
도 9는 도 5에 도시된 광 가이드를 위하여 시뮬레이션 광선 트레이스(ray trace)로 부터 나온 몇몇 광선들을 도시한 상세도이다.
도 10은 광선 전파 방향으로 도시된, 도5의 쐐기형 광 가이드의 부가적인 단면도이다.
도 11은 도 5에 도시된 쐐기형 광 가이드를 위한, 광선 전파 방향으로의 광선 트레이스를 도시한 상세도이다.
도 12는 광 전파방향에 직교하는 방향으로 도시된, 도 5의 쐐기형 광 가이드의 부가적인 단면도이다.
도 13은 도 5의 쐐기형 광 가이드를 위한, 광 전파 방향에 직교하는 방향에 서의 광선 트레이스를 도시한 상세도이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
5 원추각(광선의)
10 상부 평판
11 전체 내부 반사 특징부(상부 평판)
20 하부 평판
21 반사 광 추출 특징부
100 하부 표면
도 1에 관련하여, 중공 쐐기형 광 가이드가 상부 평편 표면(10)과 경사진 하부 평편 표면(20)으로 형성되어 있다. 상기 하부 평편 표면(20)은 반사광 추출 특징부(21)를 포함하며, 이는 계단 층(terrace)으로 형성되어 있다. 유익하게는, 이러한 계단층 추출 특징부는 광 디콜리메이션 효과(light decollimation effects)를 최소화한다. 상기 쐐기형 중공 광 가이드의 측방 표면(30)들은 거울 반사기들이다.
상기 쐐기형 광 가이드의 광 추출 표면(21)들은 광 배출 평면에 직교하는 축 주위에 "클록크(clocked)" 되어 있고, 여기서 상기 광 배출 평면은 상부 평판(10)의 내표면에 해당한다. 본 출원의 발명자는 광 가이드의 추출 특징부들이 입력 구멍에 대하여 경사지고, 그리고 배출 구멍에 직교한 것을 중심으로 회전(또는 클록(clocked))된 '클록킹 각'이 실제 중공 쐐기형 광 가이드에서는 바람직한 각도에서 광을 편향시키는 데에 요구되어 진다는 점을 발견하였다.
상기 광 입력면은 단순한 직사각형 구멍이며, 이는 상부 평판(10), 하부 평판(20) 및 거울 측 표면(30)들로서 형성된 것이다.
상기 상부 평판은 또한, 전체 내부 반사 특징부(11)를 갖는 상부 표면을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 이러한 전체 내부 반사 특징부(11)들은 Whitehead(미국 특허 제4,260,22호)에 의해서 알려진 바와 같은, 예를 들면 전체 내부 반사(TIR) 필름으로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서, 전체 내부 반사 특징부(11)들은 상기 상부 평판(10)의 벌크 재료(bulk material)보다 거의 투명하지 않다.
상기 상부 평판(10) 구조는 하나 혹은 그 이상의 필름들을 지지하는 투명한 구조 부재를 포함한다. 필름들은 표면 라미네이션 또는 모서리 고정 등의 기술들에 의해서 지지된다. 대부분의 유전되는(transmissive) 미세 구조의 필름들의 경우에는, 공기 간극이 적절한 광학 성능을 보장하기 위하여 유지되어야만 한다. 구조 부재들의 예들은 Ineos Acrylics(Lucite® and Perspex™), ATOFINA Chemicals(Plexiglas®and Tuffak®), GE(Lexan®) 및 본 명세서에서 참조로 기재된 비-복굴절 폴리머들과 같은 광학 등급의 플라스틱판 재료이다. 그리고, 역시 사용가능한 것은 액정 디스플레이 등의 제조(타입 7059,1737 및 EAGLE 2000)에 사용되는 코닝(Corning) 보로실리케이트 유리 등과 같은 유리 지지구조물들이다. 상기 플라스틱 판은 매우 양호한 광학 투명도, 저비용 및 유리보다 훨씬 유연하게 견디는 능력들을 제공한다. 상기 유리판은 보다 양호한 광학 품질과 더불어서, 다양한 기능적인 피복의 적용을 위한 고온 성능을 제공한다.
상기 측벽(30)들은 서로 대향하고 평행한 거울 반사기들이다. 그것들은 예를 들면, 3M 사에 의해서 제조된 Silverlux로부터 조립될 수 있다. 비 광학 구조 부재들이 이 필름들을 지지할 수 있으며, 이는 3M, Nittodenko 또는 Adhesives Research 등에 의해서 생산된 표준 압력 반응성 접착제들을 사용한다. 상기 지지부재들은 반사기의 비 조명측 상에 위치된다. 임의의 실시예들에 대해서, 상기 측벽(30)들은 광학적으로 투명한 재료들로 이루어지고, 이는 은이나 알루미늄 등과 같은 반사 재료들로서 코팅되어 구조 부재상에 거울 반사기를 형성한다.
도 3에 관련하여, 입력 직사각형 구멍으로 들어 온 광은 하부 평판(20) 또는 TIR 특징부(11)의 반사 표면을, 광선이 클록크된 추출 특징부(21)에 충돌하기까지 반사한다. 하부 추출 필름상의 클록킹에 기인하여, 광은 TIR 필름에 직교하는 방향으로 향하게 되고, 상기 TIR 필름이 그 평편 표면에 직교하여 그리고 그 " 트레드 면"(즉, 각각의 계단이 형성된 특징부는 트레드 면과 보다 작은 라이저 면으로 이루어지고, 이러한 용어들은 계단에 관련된 건축업계에서 사용되는 것임)에 충돌하는 광선에 제공하는 경사를 교정하게 된다. 상기 TIR 필름상의 계단 특징부에 구비된 라이저 면(riser face)에 기인하여 적은 비율의 광이 원치 않는 각(non desired angle)에서 "고스트 광" 을 형성할 것이다. 몇몇 실시예에서, 상기 라이저 면을 검게 하고(blackening)/또는 최소화하는 것이 상기 고스트 현상을 제거하고 있다.
도 4에서는, 본 발명의 쐐기형 중공 광 가이드로 유입된 광(100)이 그 중앙 축을 중심으로 한 대칭의 각도 분배부(5)를 가지며, 상기 축은 바람직한 전파 방향을 나타낸다. 이러한 방향은 배출 구멍의 평면내에서, 측벽(30)들에 평행하며, 그리고 상기 입력 직사각형 구멍으로부터 가이드의 먼측 단부를 향하여 연장한다.
도 5-13은 중공 쐐기형 광 가이드에 대한 다양한 단면의 도면들과 광학 시뮬레이션 광-트레이스 결과들을 도시한다. 도 5는 본 발명의 예시적인 일 실시예의 광학 성능을 증명하기 위하여 사용된 시뮬레이션 모델의 구조형상(geometry)을 도시한다. 도 6은 도 5의 실시예의 성능을 증명하기 위한 시뮬레이션 가동으로 부터 균일한 광 분배를 나타내는 스폿 위치 다이아그램 출력을 도시한다.
도 7은 도 5의 실시예의 성능을 증명하기 위한 시뮬레이션 가동으로 부터 원하는 광선과 고스트 상들을 나타내는 스폿 방향의 각이진(angular) 프로파일 출력을 도시한다. 도 8은 도 7에 도시된 스폿 방향의 각이진 프로파일을 통한 슬라이스(slice)를 나타낸 그래프도이다.
도 9는 도 5에 도시된 광 가이드를 위하여 시뮬레이션 광선 트레이스(ray trace)로 부터 나온 몇몇 광선들을 도시한 상세도이다. 도 10은 광선 전파 방향으로 본, 도5에 도시된 쐐기형 광 가이드의 부가적인 단면도이다. 도 11은 도 5에 도시된 쐐기형 광 가이드를 위한, 광선 전파 방향으로의 광선 트레이스를 도시한 상세도이다.
도 12는 광 전파방향에 직교하는 방향으로 본, 부가적인 단면도이다.
도 13은 광 전파 방향에 직교하는 방향에서의 광선 트레이스를 도시한 상세도이다.
[본 명세서에서 사용된 약어 설명]
LCD 액정 디스플레이
TIR 전체 내부 반사
[변형 실시예들]
변형 실시예들이 본 발명의 기술 사상과 범위를 벗어남이 없이 발명될 수 있다. 본 발명의 조명부는 광범위한 응용예들, 예를 들면, 차량 조명, 탐조등, 작업등 및 프로젝션 시스템등에 사용될 수 있으며, 이들에 제한되는 것은 아닌 것이다. 상기 디스플레이 시스템은 차량 응용에 활용되고, 예를 들면 항공기 콕피트(cockpit), 시야 각도, 공간, 열 및/또는 구조적인 문제들이 관심으로 되는 여러 다른 응용처에 활용된다. 광의 파장은 다른 것들 중에서도, 재료 특성 및 회절 한계 등에 의해서 결정되는 바와 같이, 가시 범위의 각 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명은 모듈형 구조기술에 근거한 쐐기형 중공 모서리 조명 가이드를 제공한다.

Claims (4)

  1. (a) 평행으로 대향하는 상,하부 모서리들과 평행으로 대향하는 측방 모서리들을 갖는 직사각형 입력 구멍;
    (b) 상기 직사각형 구멍의 상부 모서리에 직교하게(orthogonally) 고정된 투명한 상부 평판; 및
    (c) 상기 직사각형 구멍의 하부 모서리에 고정되는 하부 평판으로서, 상기 상부 평판을 향하여 경사 형성되어 상기 상부 평판과의 사이에서 광 가이드의 길이를 따라 감소하는 간격을 형성하는 하부 평판;을 포함하며,
    상기 상부 평판은 전체 내부 반사 특징부를 그 위에 형성한 상부 표면을 더 포함하며, 상기 전체 내부 반사 특징부는, 상기 직사각형 구멍의 상부 모서리에 수직하는 상기 상부 평판의 길이를 향하여 이어지는 다수의 직각 삼각형 단면들을 포함하고,
    상기 하부 평판은 일 표면상에 반사 광 추출 특징부들을 포함하며, 상기 반사 광 추출 특징부들은 직사각형 구멍에 평행한 것으로부터 사전에 설정된 클록킹 각(clocking angle) 만큼 각도를 형성하여 변위된 표면들을 포함하는
    중공 쐐기형 광 가이드.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 광 추출 특징부들은 톱니형 특징부, 계단형(terrace) 특징부, 및 조합된 톱니형-계단형 특징부들로 이루어진 세트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    중공 쐐기형 광 가이드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가이드의 형상을 지지하기 위한 투명한 구조 요소들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    중공 쐐기형 광 가이드.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4542449A (en) * 1983-08-29 1985-09-17 Canadian Patents & Development Limited Lighting panel with opposed 45° corrugations
JPH0915595A (ja) * 1995-06-30 1997-01-17 Fujitsu Kasei Kk バックライトユニット
WO2000016006A1 (en) * 1998-09-10 2000-03-23 Alliedsignal Inc. Illumination system using edge-illuminated hollow waveguide and lenticular optical structures

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