KR101110213B1 - 칼라 분할 광학 장치 및 그것이 적용된 이미지 장치 - Google Patents

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Abstract

칼러 분할 광학 장치는 2 중 표면들의 통합된 구조를 가지며, 각각의 표면은 마이크로(micro)/나노(nano) 구조를 가진다. 광학 장치는 여러 상이한 파장들로부터 구성된 입사 광원에 대한 비임 분리 및 칼러 분할을 수행할 수 있다. 공간에서, 최초의(original) 입사 광원은 광의 강도에 따라서 어레이(array)를 이룬 다수의 광 비임들로 동등하게 분리된다. 동시에, 상이한 파장들로부터 구성된 광 비임은 파장에 따라서 다수의 하위 광원(sub light source)들로 분할되는데, 이는 칼러가 분할되어 있는, 칼러 어레이를 전달하는 기능을 가지기 위한 것이다. 칼러 파장들을 조절하는 성능을 가진 광학 장치는 광대역 입사 광원을 칼러 분할(파장 분할) 및 비임 분리된, 어레이의 하위 광 비임들로 변환시킬 수 있다.
칼러 분할, 광학 분할 장치

Description

칼라 분할 광학 장치 및 그것이 적용된 이미지 장치{Color dividing optical device and image apparatus with the application}
본 발명은 칼러 분할 광학 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 비임 분리(beam splitting) 및 칼러 분할(color dividing) 모두를 수행하는 광학 장치에 관한 것이다.
디지털 이미지는 이미지를 표시하기 위하여 픽셀들의 어레이(array)로부터 형성된다. 또한, 칼러의 농담(shading)을 표현하기 위하여, 칼러 이미지에 대하여 각각의 픽셀은 예를 들면 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 3 가지 주요 칼러들의 3 가지 서브 픽셀(sub-pixel)들에 의해 구성된다. 항상, RGB 의 서브 픽셀들을 발생시키기 위하여, 각각의 서브 픽셀은 소망의 칼러에 대한 칼러 필터를 구비할 필요가 있다. 이러한 방식으로, 백색인 입사 광원의 유효 부분이 1/3 로 감소되고, 의도되지 않은 칼러들의 다른 부분은 흡수된다.
평판 디스플레이 장치에 대하여, TFT-LCD 의 배면광은 이미지의 칼러 농담을 디스플레이하기 위하여 칼러 필터 및 액정의 그레이 레벨(gray level) 조절과 관련될 필요가 있다. 또한 CCD 또는 CMOS 소자와 같은 디지털 카메라의 이미지 센서는 대상물의 완전한 칼러 이미지를 디스플레이하도록 염료 유형(dye-type)의 칼러 필터가 필요하다. 다른 적용예들은 예를 들면 프로젝터, 칼러 비디오, 배면 투사형 TV 등을 포함한다. 단일 플레이트이거나, 3 개 플레이트(TFT-LCD, LCOS)이거나, 또는 2 개 플레이트 프리즘이거나에 상관 없이, 이들 모두는 이미지의 완전 칼러를 표현하는 염료 유형 칼러 필터를 이용할 필요가 있다. 시스템이 통상적인 염료 유형 칼러 필터를 이용할 때, 칼러 필터에 있는 각각의 픽셀은 3 개의 주요 칼러(R, G, B)들중 하나의 칼러만을 표시할 수 있다. 기본적으로, 입사되는 백색광의 약 2/3 가 흡수되고 광의 이용 효율은 감소된다. 또한, 휴대용 전자 장치를 위해서 이용되는 배터리의 지속 기간도 감소된다. 더욱이, 염료 유형 칼러 필터의 제조 과정은 복잡하고 재료를 소모시킨다. 조립 요소 및 제조를 위한 비용은 여전히 비싸다.
이러한 문제를 해결하기 위한 당해 기술 분야의 일부 기술들이 각각 제안되었다. 그러나, 그 기술에는 장점과 단점이 공존한다. 따라서, 다른 기술들이 개발중에 있다.
본 발명은 통상적인 염료 유형의 칼러형을 대체할 수 있는, 칼러 분할 광학 장치를 제공한다. 광의 이용 비율이 높은 상황하에서, 어레이의 칼러 하위 광 비임은 이미지 장치의 어레이 픽셀에 대응하여 발생될 수 있다. 또한, 하위 광 비임들은 작은 입사각 또는 직각으로 패널에 입사될 수 있다.
본 발명은 제 1 표면 및 제 2 표면을 가진 투명 기판을 구비한 칼러 분할 광학 장치를 제공하는데, 제 1 표면은 입사 광 비임을 수용한다. 칼러 분할 광학 장치는 제 1 표면상에 복수개의 제 1 마이크로 구조 영역들을 구비하여 어레이를 형성하고, 제 1 마이크로 구조 영역들 각각의 표면은 제 1 격자 마이크로 구조를 형성한다. 제 2 표면상에 있는 복수개의 제 1 마이크로 구조 영역들은 제 1 마이크로 구조 영역들에 대응하여 배치되고, 제 2 마이크로 구조 영역들 각각의 표면은 제 2 격자 마이크로 구조를 가진다.
본 발명은 또한 투명 기판을 구비하는 칼러 분할 광학 장치를 제공하는데, 투명 기판은 어레이를 형성하는 복수개의 마이크로 렌즈 구조 영역들을 가진다. 각각의 마이크로 렌즈 구조 영역은 제 1 표면 격자 마이크로 구조 및 제 2 표면 격자 마이크로 구조의 2 개 표면들을 가진다. 마이크로 렌즈 구조 영역들은 입사광을 다수의 광 비임들로 분할한다. 제 1 표면 격자 마이크로 구조는 광 비임들을 다수의 칼러 광들로 분리시키고, 제 2 표면 격자 마이크로 구조는 칼러 광들을 미리 결정 된 방향으로 안내한다.
본 발명은 또한 이미지 패널의 장치를 제공한다. 장치는 이미지 패널을 구비하는데, 이것은 픽셀 어레이로서 형성된 복수개의 픽셀들을 가지며, 여기에서 각각의 픽셀들은 다수의 주요 칼러 광들(RGB 또는 그 이상의 것과 같은 것들)에 각각 대응하는 다수의 서브 픽셀들을 포함한다. 칼러 분할 광학 장치 패널(또는 플레이트)은 투명 기판을 구비하며, 이것은 픽셀 어레이에 대응하는 어레이를 형성하는 복수개의 마이크로 렌즈 구조 영역들을 가진다. 각각의 마이크로-렌즈 구조 영역은 제 1 표면 격자 마이크로 구조 및 제 2 표면 격자 마이크로 구조의 2 개 표면들을 가진다. 마이크로 렌즈 구조 영역들은 입사광을 다수의 광 비임들로 분할하고, 제 1 표면 격자 마이크로 구조는 광 비임들을 다수의 칼러 광들로 분리시키며, 제 2 표면 격자 마이크로 구조는 칼러 광들을 미리 결정된 방향으로 안내한다.
본 발명은 또한 제 1 표면 및 제 2 표면을 구비한 투명 기판을 가진 칼러 분할 광학 장치를 제공하는데, 제 1 표면은 입사 광 비임을 받아들인다. 칼러 분할 광학 장치는 복수개의 제 1 마이크로 구조 영역들을 제 1 표면상에 구비하여 어레이를 형성한다. 제 2 표면상에는 평탄 구조가 이루어지고, 제 2 격자 마이크로 구조 영역은 제 1 격자 마이크로 구조 영역에 대응하여 그 위에 이루어진다.
상기의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 다른 설명을 제공하도록 의도된 것이라는 점이 이해되어야 한다.
본 발명에서는 칼러 광학 장치가 저렴한 비용으로 제작될 수 있고, 칼러의 분할등이 효율적으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
첨부된 도면들은 본 발명의 심화된 이해를 제공하도록 포함된 것이며, 본원 발명의 명세서에 포함되어 명세서의 일부를 구성한다. 도면들은 본 발명의 구현예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
광학 장치의 광학적 현상에 대하여, 본 발명은 주기적인 광학적 마이크로/나노 구조(periodic optical micro/nano structure)를 고려한다. 입사광과 주기적인 마이크로/나노 경사 표면 사이의 상대적인 각도를 조절함으로써, 회절광의 방향이, 굴절 평면으로서 홈 면(groove facet)을 취하는 굴절 방향과 같을 때, 회절 방향의 회절 성능(또는 면의 굴절 방향)이 최대일 수 있다. 본 발명은 굴절 및 회절을 최적화된 기능으로 통합시키고, 몇 개의 파장 대역을 가진 입사 광원에 대하여 동시에 비임들을 분할하고 칼러를 분리하기 위한, 즉, 파장 기능을 분할하기 위한, 통합된 형태의 장치를 설계하는 것이다. 일 예로서, 파장을 분할하는 기능은 공간에서의 최초(original) 입사 광원이 동일한 광 강도(intensity)를 가진 하위의 광 비임(sub-light beam)들로 분할되는 것이다. 동시에, 광 비임은 상이한 파장 대역들에 따라서 분할된다. 결과적으로, 하위의 광 비임(sub-light beam)들은 전달되는 칼러 어레이(color array in propagation)를 형성하기 위하여, 파장에 따라서 분리된다. 이것은 칼러 분리 기능이다. 파장들에 대하여 칼러가 제어 가능한 장치는 광 대역 입사 광원을 칼러 분리(파장 분할) 및 비임 분할을 가진 하위 광 비임들의 어레이로 전환시킨다. 이것은 통상적인 염료 유형(dye-type)의 칼러 필터를 대체시킬 수 있다. 이러한 장치는 또한 편광 재료상에 형성될 수 있는데, 예를 들면 PEN, PDLC, 또는 콜레스테롤 액정 또는 다양한 반사형 편광 플레이트상에 형성될 수 있다. 결과적으로, 전달되는 편광 칼러 어레이가 개발될 수 있다. 그것이 이미지 감지 장치, 이미지 표시 패널 또는 이미지 프로젝터에 적용되었을 때, 종래의 염료 유형 칼러 필터에 비하여 광 이용 비율이 현저하게 향상될 수 있다.
설명을 위해서 몇가지 구현예들이 제공된다. 그러나, 본 발명은 제공된 구현예들에만 제한되는 것은 아니다. 추가적으로, 구현예들이 서로 적절하게 조합될 수 있다.
우선, 본 발명은 평탄형 격자(planar-type grating)를 고려한다. 도 1 은 평탄형 격자 구조에 대하여 본 발명의 특징들중 하나를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1에서, 평탄형 격자(100)에 대하여, 이것은 예를 들면 주기적인 삼각형 격자 구조를 가진다. 파장을 가진 입사광(102)이, 격자의 형상 및 주기에 따른 평탄형 격자(100)로 진입한 후에, 0, +1 및 -1 의 회절 순서에서 투과광은 0T, +1T 및 -1T 의 회절광을 포함한다. 반사광에 대하여, 이것은 예를 들면 0, +1 및 -1 의 회절 순서에서 0R, +1R 및 -1R 의 회절광을 포함한다. RGB 인 3 가지의 주요 광들의 파장이 상이하기 때문에, 칼러는 분리될 수 있다.
계속해서, 본 발명은 만곡형 격자의 광학 현상을 고려한다. 도 2 는 만곡 표면의 격자 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 2 에 있어서, 만곡 표면 격 자 구조(104)의 만곡 표면(106)은 미세한 격자 구조(상세하게 도시되지 않음)를 가진다. 로우랜드 원(Rowland circle)의 현상에 따르면, 통합된 만곡 표면에서 주기적으로 또는 비주기적으로 다각형 격자 마이크로 구조의 지점(P)으로부터 입사 지점(A)으로 광대역의 입사광이 진입할 때, 다중 파장(또는 칼러)들을 가진 분리된 광학 지점(spot)들이 Q 지점에서 출력된다. 만곡 표면 구조의 반경(R)은 지점(C)으로부터 지점(A)으로의 거리이다. 만곡 표면(106) 상의 격자의 주기가 p 이라면, RGB 의 입사광들에 대하여, λr, λg 및 λb 의 파장들을 가진다. 지점(A) 둘레의 격자는 평탄 격자로 간주된다. CA 는 평탄 격자의 법선이다. 입사 각도 및 회절 각도는 각각 α 및 β 이다. 주요 칼러 광들이 회절 광에 대하여 m 번째 순서를 취하는 격자 공식에 따르면, 회절 각도들은 다음과 같다.
(1)
Figure 112009033666445-pat00001
또한, 만곡 표면 격자에 따르면,
(2)
Figure 112009033666445-pat00002
소위 로우랜드 원에서, 입사 지점(P) 및 회절 지점(Q)은 로우랜드 원 위에 있다.
수치 해석 이후에, 통합된 만곡 표면 마이크로 구조를 위한 주기적이거나 또는 비주기적인 다각형 구조의 제 1 세트가 얻어질 수 있으며, 다음에 편향된 각이 나 또는 직각으로 패널에 진입할 수 있다. 광은 수렴되거나, 평행하거나 또는 발산되어 목표물로서의 패널에 진입한다. 수치 해석의 계산이 계속되어, 통합된 만곡 표면 마이크로 구조에 대한 주기적이거나 또는 비주기적인(non-periodic) 제 2 세트가 얻어질 수 있다.
본 발명은 상이한 파장 대역을 가진 입사광에 대하여 비임을 분할하고 칼러(파장)를 분리하는 것을 수행하는 칼러 분할 광학 장치를 제안한다. 예를 들면, 공간에 있는 원래의 입사광은 동일한 광 강도를 가진 다수의 하위 광 비임들로 분할되고, 다음에 상이한 파장 성분들의 광 비임은 전달되는 칼러 어레이(color array in propagation)로 분리된다. 바람직한 구현예에 대하여, 입사광은 3 개의 주요 칼러를 위한 하위 광 비임들로 분할된다. 칼러 어레이에 있는 각각의 칼러에 대한 하위 광 비임들은 입사광에 실질적으로 평행한 방향으로 입사될 수 있다. 출력 광 비임들은 광학적 거동에 의하여 평행하고, 수렴/발산되게 전달될 수 있다. 더욱이, 시스템 및 광원에 따라서, 입사광은 다수의 주요 칼러 광원들을 이용할 수 있다. 칼러의 파장을 제어하는 장치는 통상적인 염료 유형 칼러 필터의 희미함(pale)을 취할 수 있다. 입사광의 높은 사용 비율을 유지하는 조건하에서, TFT-LCD, LCOS, CCD, CIS 와 같은 이미지 장치를 위한 픽셀 어레이(pixel array)에 대응하는 칼러 하위-광 비임들이 발생될 수 있다. 칼러 하위-광 비임들은 작은 입사각으로 또는 직각으로 패널에 진입한다.
본 발명은 평탄 기판의 상부 표면 및 저부 표면에 각각 굴절/회절을 가지도록 만곡 표면 및/또는 평탄 표면으로부터 조합된 한쌍의 표면들을 가진 통합된 마 이크로 구조(micro-structure)를 제공한다. 평탄 디스플레이 장치에서의 적용예를 예로 들면, 상기 장치는 광 비임들의 직경을 수렴시킬 수 있는, 마이크로 만곡 표면들에 있는 한쌍의 마이크로 구조들을 베이스로서의 어레이로 취할 수 있다. 추가적으로, 광을 분할하고 칼러를 분리하는 기능을 동시에 달성하는 굴절/회절 표면을 형성하기 위한 만곡 표면상에 주기적이거나 또는 비주기적인(non-periodic) 구조들이, 제어 가능한 파장 칼러 장치로서 더 형성될 수 있다.
도 3 은 분할되고 수렴된 광 비임들을 발생시키도록 이용되는 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 3에서, 광학 장치(154)는 투명 기판(120)을 가진다. 광을 수렴시키는 렌즈 마이크로 구조(122)는 입사광을 받아들이는 투명 기판(120)의 표면상에 형성된다. 결과적으로, 렌즈 마이크로 구조(122)를 각각 통과하는 입사광(126)은 수렴된 하위-광 비임을 형성한다. 수렴된 광 비임을 집광된(condensed) 광으로 변환시키기 위하여, 투명 기판(120)의 다른 표면상에서 렌즈 마이크로 구조(124)가 더 구비되는데, 집광된 광은 입사광(126)의 방향과 거의 같게 전달된다. 예를 들면 집광된 광(128)은 이미지 패널(130)의 픽셀(132)과 결합되어 광원을 제공한다. 통합된 구조를 위하여, 투명 기판(120) 및 렌즈 마이크로 구조(122,124)가 단일 동체에 의한 광학 장치로서 통합될 수 있다. 렌즈 마이크로 구조(122,124)의 만곡 표면들은 실제 필요에 따라서 설계될 수 있다.
이미지 패널(130)의 픽셀(132)에 대하여, 만약 칼러 효과가 표시되어야 한다면, 픽셀(132)은 RGB 3 개의 서브 픽셀들에 의해 형성된다. 이것을 고려하여, 광학 장치(154)는 칼러 분리 성능이 더 필요하다. 도 4 는 본 발명의 구현예에 따른, 칼 러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 4 에 있어서, 상기 장치는, 표시 패널상의 픽셀들의 위치에 따라서 입사광으로부터 다수의 하위 광 비임들을 제공하도록 도 3 의 구조에 기초하고 있다. 또한, 상세한 칼러 분리의 메카니즘을 위해서, 본 발명은 칼러들을 분리시키는 격자의 회절 현상을 이용한다. 격자 구조(140)는 렌즈 마이크로 구조(122)의 표면상에 더 형성된다. 즉, 입사광(126)은 상이한 파장들인 R, G, B 의 3 가지 주요 칼러와 같은, 주요 칼러들의 몇가지 파장들을 포함하며, 이들은 격자 구조(140)에 의해서 칼러를 회절 광(144)으로서 분리된다. 렌즈 마이크로 구조(122)는 예를 들면 컬럼형의(columnar) 만곡 표면이다. 격자 구조(140)의 절단된 홈들은 컬럼의 길이 방향을 따라서 있으며, 즉, 도면 종이에 직각으로 평행하게 연장된다. 도 4 는 격자 구조의 개략적인 도면이다. 광의 편향 방향 및 파장에 대한 칼러 분리의 효과는 격자 구조의 설계 조건에 달려있으며, 실제 필요에 따라서 조절될 수 있다.
각각의 분할된 광 비임들이 전달을 위해서 투명 기판(120)의 공간을 통과한 이후에, 이것은 주요 칼러 광들을 분리시키기에 충분한 레벨을 달성하며, 렌즈 마이크로 구조(124)로 진입한다. 격자 구조(142)의 다른 세트는 렌즈 마이크로 구조(124)상에 형성되는데 주요 칼러 광들을 주요 칼러 광(146)으로서의 방향으로 편향시키는 효과를 가지며, 주요 칼러 광들은 이미지 패널(130)의 서브 픽셀들에 대응한다. 바람직한 설계에서는 주요 칼러 광(146)들이 작은 입사 각도 또는 실질적으로 직각으로 이미지 패널(130)에 진입하는 방향으로 조사되며, 따라서 전체 시스템에서 정렬을 위하여 그리고 순수 칼러를 위하여 적어도 도움이 된다. 작은 입사 각도의 범위는, 예를 들면, 수직선으로부터 편향된 5 도 이내이거나, 또는 2 도 이내이다. 그러나, 이것이 절대적으로 필요한 조건은 아니다.
또한, 편향 효과가 필요하다면, 투명 기판(120)은 편광을 발생시키기 위한 편광 재료(134)를 포함할 수 있으며, 따라서 편광된 칼러 광 비임이 실질적으로 발생될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 칼러 분할 장치의 메카니즘을 도시한 것이다. 동일한 메카니즘을 가지고, 본 발명은 다양한 설계 변형을 가질 수 있다. 도 5 는 본 발명의 구현예에 따른, 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 5 는 도 4 와 유사하지만, 투명 기판(120')에 대하여 상이점을 가진다. 투명 기판(120')이 도 4 의 것과 차이나는 점은 렌즈 마이크로 구조(124')의 중심 위치(150)가 렌즈 마이크로 구조(122')의 중심 위치(152)로부터 떨어져(dislocated) 있다는 것이다. 렌즈 마이크로 구조(122')에 의해 분할된 주요 칼러 광들은 특정의 각도로 편향된다. 이미지 패널(130)의 위치는 편향 각도에 기인하는 위치와 관련된다. 또한, 투명 기판(120')은 편광 재료(134)를 포함하여, 광을 동시에 의도된 편광 상태로 편광시킬 수 있다.
도 6 은 본 발명의 구현예에 따른, 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6에서, 이러한 구현예에 있는 투명 기판(200)상의 렌즈 마이크로 구조(202,204)는 볼록-오목 구조일 수 있으며, 이러한 구조는 광학적 현상에 의존하며, 구조에 대한 특정한 제한 없이 픽셀의 위치들 및 이미지 패널(130)의 거리에 따른 것이다.
도 5 및 도 6 의 구현예에 따르면, 분리된 칼러 광들이 예를 들면 이미지 패널(130)의 표면상에 수렴된다. 그러나, 이미지 패널(130)의 성능을 위해서, 주요 칼러 광이 이미지 패널(130)의 표면에 수렴될 필요는 없다. 이미지 패널에 대한 시야각(viewing angle)의 요건에 따라서, 하위 칼러 비임들은 상부 표면 또는 저부 표면 또는 패널 내부에서 이미지 패널로 진입할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 구현예에 따른 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 7 에 있어서, 이것은 도 5 의 설계와 유사하지만, 광학 장치(154)와 이미지 패널(130) 사이의 거리는 감소될 수 있으며, 따라서 주요 칼러 광은 입사 영역(156)에서 서브 픽셀로 진입한다. 그러나, 렌즈 마이크로 구조(122',124')의 격자 구조(140',142')의 곡률은 변화될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 구현예에 따른 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 8 의 장치는 도 6 의 장치와 유사하지만, 광학 장치(154)의 투명 기판(200)에 있는 렌즈 마이크로 구조(202,204)는 광 비임을 분할하고 광이 수렴되게 하는 효과를 발생시킨다. 표면상의 격자 구조는 광을 바른 방향으로 안내하는 효과를 발생시킨다.
주목할만하게, 상기의 렌즈 마이크로-구조의 만곡 표면(curving surface)은 일 예로서 중심선에 대하여 대칭성을 가지는 칼럼형의 만곡 표면을 취한다. 그러나, 광학적 편향 현상 및 격자 칼러 분리 현상에 기초하여, 렌즈 마이크로 구조의 만곡 표면은 컬럼형 구조에 제한되지 않고 비대칭의 만곡 표면일 수도 있다. 그러나, 칼럼 구조는 픽셀 위치들을 뒤에 배열하는데 도움이 된다.
계속해서, 광 비임을 분할하는 효과를 고려할 때, 렌즈 마이크로-구조는 평탄-볼록 또는 평탄-오목의 구조일 수 있다. 도 9 은 본 발명의 구현예에 따른, 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 9에서, 광학 장치의 입사 표면으로서의 기판(220)상의 구조는, 예를 들면 볼록-평탄을 따라서 설계될 수 있다. 그러나, 평탄-볼록이 취해질 수도 있다. 볼록-평탄 디자인을 예로 들면, 기판(220)의 광 입사 표면은 볼록 렌즈 마이크로 구조를 가진다. 렌즈 마이크로 구조의 표면은 또한 격자 구조(224)를 가질 수도 있다. 입사광은 렌즈 마이크로 구조 및 격자 구조(224)의 효과를 그 표면상에 가져서, 필요로 하는 광 비임의 분할 및 수렴 효과를 발생시킨다. 다음에, 광 비임은 투명한 공간(220)을 더 통과하여 다른 표면에 도달한다. 이러한 표면은 평탄하고, 격자 구조(222)는 편향된 주요 칼러 광을 평행하게 조사되도록 하기 위한 표면인데, 이는 픽셀(132)의 다수의 서브 픽셀들에 대응하는, 평행한 주요 칼러 광(226)을 얻기 위한 것이다. 평행한 주요 칼러 광(226)은 이미지 패널의 요건에 따라서 수렴될 수 있거나 또는 발산될 수 있다.
도 9 는 볼록-평탄에 의한 설계이다. 그러나, 평탄-볼록의 설계라면, 볼록형의 렌즈 마이크로 구조가 광 출사 표면상에 이루어질 수 있다. 평탄-오목 및 오목-평탄에 의한 다른 설계들도 광을 분할하고 칼러를 분리하는 효과를 달성할 수 있다.
도 10 은 본 발명의 구현예에 따른, 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는, 단면도이다. 도 10에서, 광학 장치는 오목-평탄 구조에 기초하여 설계된다. 그러나, 이미지 패널(228)에 있는 픽셀(132a,132b,132c,132d)들에 대응하는 렌즈 마이크로 구조들의 만곡 표면이 모두 같을 필요는 없다. 예를 들면, 오목 렌즈 마이크로 구조(230a-230d)가 이러한 구현예에 도시되어 있다. 또한, 만곡 표면은 비구형(non-spherical) 표면이거나 또는 일반적인 만곡 표면일 수 있는데, 일반적인 만곡 표면은 설계가 보다 자유로운 것으로서 본 발명에서는 소위 "자유 만곡 표면"이라 칭한다. 즉, 그 구현예의 구조는 평탄 표면을 자유 만곡 표면과 조합한 것일 수 있거나, 또는 자유 만곡 표면을 평탄 표면과 조합한 것일 수 있다.
이것은 예를 들면 볼록-평탄 구조일 수 있다. 그러나, 격자는 광 비임을 분리시키도록 평탄 표면상에 이루어지고, 볼록 만곡 표면은 광 비임들을 수렴시키고 편향시킨다. 즉, 본 발명은 그 구현예들에 제한되지 않는다.
도 11 은 본 발명에 따른 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 11에서, 렌즈 마이크로 구조는 제공된 구현예들에 제한되지 않는다. 렌즈 마이크로-구조는 예를 들면 오목-볼록, 오목-오목, 볼록-오목일 수 있다. 예를 들면, 2 개의 표면들상의 2 개의 렌즈 마이크로 구조들의 중심 위치는, 표면의 격자 효과에 따라서 위치 변화(dislocation)를 가질 수 있다.
도 12 는 본 발명에 따른 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 12에서, 본 발명의 칼러 분할 광학 장치는 이미지 패널에 적용될 수 있다. 이미지 패널은 예를 들면 이미지 표시 패널 또는 감지용 패널일 수 있다. 이 구현예에서, 예를 들어 이미지를 디스플레이하기 위한 LCD 장치(300)는 백색광(white light)을 발생시키기 위한 광원(304)을 구비한다. 반사 플레이트(302)는 광원으로부터의 입사광을 재사용하기 위해 다시 반사시킬 수 있다. 광원(304)은 백색광을 발생시키며, 백색광은 본 발명의 칼러 분할 광학 장치(306)로 진입하여 서브 픽셀들에 대응하는 주요 칼러 광들을 발생시킨다. 칼러 분할 광학 장치(306) 뒤에 구비된 광학 요소들은 예를 들면 편광기(308), 액정 셀 층(310) 및 분광기(312)를 포함한다.
칼러 분할 광학 장치(306)는 이전에 설명된 칼러 분할 광학 장치(306)와 같이 확대된 구조로 도시되어 있으며, 광원을 픽셀에 대한 비임들로 분할하고, 비임을 RGB 의 3 가지 주요 칼러와 같은, 서브 픽셀들에 대한 주요 칼러 광들로 분리한다. 결과적으로, 예를 들면, 광의 이용 비율, 편광 효율 및 개구율이 향상될 수 있다. 도 13 및 도 14 는 본 발명에 따라서, 칼러 분할의 메카니즘을 시뮬레이션으로 개략적으로 도시하는 것이다. 도 13 및 도 14에서, 크기의 비율은 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명은 도 13 에 도시된 바와 같이 2 개의 마이크로-렌즈 만곡 표면(400, 402)을 가진 단일 유닛(single unit)을 구비하는 칼러 분할 광착 장치의 성능을 검증하였다. 주기적인 격자는 예를 들면 4000 nm 의 주기를 가지고 만곡 표면상에 형성되어 있다. 2 개의 만곡 표면들의 곡률 반경은 R1 = 1mm 및 R2 = 0.1667 mm 이다. 2 개의 로드 표면(rod surface)은 2.504 mm 의 피치를 가진다. 로드 표면의 길이는 10 mm 이다. 제 2 로드 표면의 팁(tip)과 수용 지점 사이 거리는 0.5 mm 이다. 또한, 각각의 세트에 대한 제 2 로드 표면의 중심 위치는 제 1 로드 표면의 중심 위치로부터 0.2286 mm 로 떨어져 있다. 백색광(W)은 RGB 의 주요 칼러 광들로 분리될 수 있고, RGB 의 주요 칼러 광들은 픽셀에 대응하는 광 비임 유니트로서 형성된다. 광 비임 유니트는 수렴 효과를 가진다. 녹색광(G)의 파장은 544 nm 이고, 적색광(R)의 파장은 611 nm 이고, 청색광(B)의 파장은 436 nm 이다.
제 2 로드 표면은 544 nm 의 기준 파장에 기초하여, 0.2286 nm 로 떨어져 있기 때문에, 도 13 의 광의 자취는, 회절 거동(diffraction behavior)이 녹색광에 대하여 544 nm 파장에서 중심을 가지는 것을 나타낸다. 다른 611 nm 을 가지는 적색광 및 435 nm 을 가지는 청색광은 좌측 및 우측에서 분리되어 픽셀을 형성한다.
도 14에서, 일 예에서 상기의 7 개의 픽셀 유닛을 어레이(array)로서 취하여, 픽셀들이 서로 간섭하지 않고 디스플레이 효과가 달성되도록 설계 파라미터들이 설정된다.
즉, 본 발명은 칼러 분할 광학 장치를 제어할 수 있다. 예를 들면, 한쌍의 만곡 표면들 또는 평탄 표면들, 또는 그들의 조합이, 평탄한 기판의 상부 표면 및 저부 표면에 형성되어 회절 및 굴절을 위한 통합 마이크로 구조를 형성한다.
예를 들면, 광 비임의 직경을 감소시키기 위한, 한쌍의 마이크로 만곡 표면을 어레이로 구비한 마이크로 구조가 기판에 포함될 수 있다. 기판의 상부 및 저부 표면들은 각각 다수의 마이크로 구조들을 같은 형상으로 포함한다. 상부 표면 및 저부 표면상의 마이크로 구조들은, 광원을 픽셀에 진입시키기 위한 감소된 비임 크기를 가진 비임들로 분할하고 집광시키기 위하여, 개별적인 곡률을 가진다. 각각의 광 비임들은 픽셀에 직각으로 진입하는 파장으로 분리된다. 집광된 광 비임의 광학적 거동은 분할된 비임의 기능을 달성하기 위하여 평행하거나, 수렴되거나, 또는 발산될 수 있다.
예를 들면, 한쌍의 주기적인 마이크로 구조는 마이크로 구조의 표면상에서 어레이의 마이크로 만곡 표면을 가지고 형성된다. 여기에서, 기판은 상부 및 저부에 있는 어레이의 만곡 표면상에 소형의 주기적인 마이크로 구조들을 구비함으로써, 표면은 회절 및 굴절을 위한, 어레이의 만곡 표면을 가진다. 제 1 표면에서의 주기적인 마이크로 구조는 입사 광원을 파장으로써 분할하며, 즉, 기판에서 편향 및 수렴 효과를 가지는 칼러로 분리한다. 이것이 분리된 칼러이다. 분리된 광 비임들이 제 2 표면에서 주기적인 마이크로 구조들에 전달되어 그것을 통과한 이후에, 분리된 파장 (또는 분리된 칼러)의 광 비임들은 이미지 디스플레이 패널에 실질적으로 직각인 방향으로 굴절되고 집광된다. 이것은 예를 들면 평행하거나 또는 발산된 상태로 패널에 도달한다. 이때, 광원은 비임들로 분할되었고 서브 픽셀들에 대한 RGB 의 칼러들로 분리되며, 다음에 패널에 진입한다. 상이한 파장의 비임은 각각 상이한 위치로 조사된다. 그러나, 조사 방향은 여전히 입사광의 방향에 평행하다.
예를 들면, 회절/굴절의 통합된 마이크로 구조에서 2 개의 상부/저부 표면들의 마이크로 만곡 표면은 같거나 상이한 만곡 구조일 수 있다. 곡률은 양의 값이거나, 제로이거나 또는 음의 값일 수 있다.
예를 들면, 회절/굴절의 통합된 마이크로 구조에서 2 개의 상부/저부 표면들의 마이크로 만곡 표면은 주기적이거나 또는 비주기적인 다각형 구조를 포함할 수 있다. 다각형 구조는 블레이즈 격자(blazed grating), 다중 단계 격자(multiple-stage grating), 또는 하위 파장 격자(sub-wavelength grating)일 수 있다. 격자의 주기는 0.2 λ 내지 30 λ 사이일 수 있다.
또한 예를 들면, 회절/굴절의 통합된 마이크로 구조에 있는 2 개의 상부/저부 표면들의 마이크로 만곡 표면은 주기적이거나 또는 비주기적인 다각형 구조를 구비할 수 있다. 만곡 마이크로 구조의 중심 위치는 칼러를 분리시키는 효과를 가지기 위하여 정렬되거나 또는 떨어져 있다.
또한 예를 들면, 주기적/비주기적 다각형 구조를 가진 회절/굴절의 통합 마이크로 구조의 상부/저부 표면들에 진입한 이후에, 입사광은 편광되지 않은 광이거나 또는 편광된 광일 수 있다.
또한 예를 들면, 주기적/비주기적 다각형 구조를 가진 회절/굴절의 통합 마이크로 구조의 광학 플레이트 기판 재료는 다각형 구조를 위한 재료와 상이할 수 있다.
또한 예를 들면, 주기적/비주기적 다각형 구조를 가진 회절/굴절의 통합 마이크로 구조의 광학 플레이트 기판 재료는 편광 재료 층과 함께 삽입될 수 있다.
또한 예를 들면, 본 발명은 TFT-LCD, OLED 및 LCOS 의 이미지 디스플레이 패널, 또는 이미지 프로젝터(image projector), 또는 CCD, CIS 및 CMOS 의 이미지 감지 장치, 또는 LED 조명, 또는 내부 도광 장치(interior light guiding apparatus), 또는 바이오 검출 장치, 또는 태양광 집광 장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 구조에 대한 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게는 명백할 것이다. 상기의 설명에 비추어, 변형 및 수정이 다음의 청구 범위 및 그 균등 범위내에 속한다면 본 발명이 그러한 변형 및 수정을 포괄하도록 의도되어야 한다.
도 1 은 평탄한 격자 구조에 대하여 본 발명의 원리들중 하나를 개략적으로 설명하는 단면도이다.
도 2 는 만곡된 격자 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3 은 분할되고 수렴된 광 비임들을 발생시키도록 이용된 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 10 은 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 12 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할 광학 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 13 및 도 14 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 칼러 분할의 메카니즘을 시뮬레이션에 의해 개략적으로 도시하는 도면이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100. 평탄형 격자 102. 입사광
120. 투명 기판 122. 렌즈 마이크로 구조
124. 렌즈 마이크로 구조 128. 집광된 광
130. 이미지 패널 132. 픽셀
140. 격자 구조 154. 광학 장치

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  24. 입사광 비임을 받아들이는 제 1 표면 및 제 2 표면을 구비한 투명 기판을 가진 칼러 분할 광학 장치로서, 상기 칼러 분할 광학 장치는:
    어레이를 형성하는, 제 1 표면상의 복수개의 제 1 마이크로 구조 영역; 및,
    제 2 표면상의 평탄 구조로서, 제 1 격자 마이크로 구조 영역에 대응하여 제 2 격자 마이크로 구조 영역이 이루어진, 평탄 구조;를 포함하는, 칼러 분할 광학 장치.
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