KR101293043B1 - 얇고 효율적인 광 콜리메이션 장치, 발광 장치 및디스플레이 장치 - Google Patents

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윌렘 엘. 이저만
미첼. 체. 욧. 엠. 비쎈베르그
마르첼리누스 페. 체. 엠. 크린
휴고 욧. 코르넬리센
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

도파관 플레이트(wave guide plate)를 포함하는 광 콜리메이션 장치(light collimation device)가 제공되며, 이 도파관 플레이트는 제1 표면(101), 복수의 본질적으로 평면인 평행 부분(planar parallel portion)(103)과 상기 평면 평행 부분들(103)을 연결하는 복수의 패싯(facet)(104)을 포함하는 대향하는 패싯을 갖는 제2 표면(opposing faceted second surface)(102), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면(105)을 갖는다. 각각의 패싯(104)은 상기 평면 평행 부분들(103)에 대해 직각 아닌 각도(non-right angle)(β)로 형성되고, 이 장치는 복수의 콜리메이션 굴절 요소(collimating refractive element)(106)를 더 포함하며, 각각의 콜리메이션 굴절 요소(106)는 복수의 패싯(104)의 개별 패싯에 대응하고, 대응하는 패싯(104)에서 반사되어 상기 도파관 플레이트(100)로부터 추출되는 광의 적어도 대부분의 빔 경로에 위치하고 있다.
광 콜리메이션, 도파관, 패싯, 굴절 요소, CPC

Description

얇고 효율적인 광 콜리메이션 장치, 발광 장치 및 디스플레이 장치{THIN AND EFFICIENT LIGHT COLLIMATING DEVICE}
본 발명은 도파관 플레이트(wave guide plate)를 포함하는 광 콜리메이션 장치(light collimation device)에 관한 것으로서, 이 도파관 플레이트는 제1 표면, 복수의 평면 평행 부분(planar parallel portion)과 상기 평면 평행 부분들을 연결하는 복수의 패싯(facet)을 포함하는 대향하는 패싯을 갖는 제2 표면(opposing faceted second surface), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면을 갖는다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 광 콜리메이션 수단(light collimating means)을 포함하는 발광 장치(light-emitting device)에 관한 것이다.
LED는 효율이 점점 좋아지고 있다. 이 효율(lumen/watt)은 향상된 열 효율 및 컬러 변환 형광체(color converting phosphor)와 결합되어 있는 고효율을 갖는 청색 LED들의 사용으로 인해 증대되고 있다.
안타깝게도, LED는 광을 모든 방향으로 보낸다. LED의 방출 표면(emissive surface)이 작지만, 광선들이 방출 부분으로부터 모든 방향으로 나간다(대략 반구형임, 람베르시안 방사 패턴(Lambertian radiation pattern)). 대부분의 응용에서, 보다 작은 각분산(angular spread)을 갖는 광원이 필요하다. 추출 효 율(extraction efficiency)을 증대시키고 광 출력을 정형하기 위해, LED는 LED 다이에 직접 배치되는 1차 광학계(primary optics)(구형 렌즈와 비슷함)를 구비하고 있다.
그렇지만, 많은 응용에서, 요구되는 콜리메이션의 정도가 1차 광학계로 달성될 수 있는 것보다 훨씬 더 높다. 따라서, 조명 시스템에 부가의 광학계가 추가된다(2차 광학계(secondary optics)). 통상적으로, 어떤 응용들에서, 대략 1°까지의 콜리메이션(collimation)이 요망된다.
통상 사용되는 콜리메이션 광학계는 CPC(Compound Parabolic Collimator)이다. CPC는 통상적으로 원추 형상의 투명 물질로 이루어져 있다. 통상적인 CPC는 경사진 포물선(tilted parabola)으로 연결된 입구 및 출구 평면을 갖는 회전 대칭 형상으로 이루어져 있다. CPC는 효율적인 콜리메이터(collimator)로 알려져 있다. 그렇지만, CPC에서의 한가지 문제점은 높은 정도의 콜리메이션에 필요한 높이이다. 예를 들어, 1x1 mm LED를 사용하여 1°콜리메이션각(collimation angle)을 얻기 위해서는 반경 81mm의 출구 평면을 갖는 4.7m 길이의 콜리메이터가 있어야 한다.
보다 콤팩트한 구조를 갖는 콜리메이션 광학계를 달성하는 한가지 접근방법이 Rizkin 등의 미국 특허 출원 2003/0189832 Al에 기술되어 있으며, 이 미국 출원은 광원 및 이 광원에 의해 방출된 광을 콜리메이션하는 반사광 변환기(reflective light transformer)를 기술하고 있다. 이 반사광 변환기는 광원에 의해 방출된 광을 광원에 일반적으로 평행한 방향으로 제2 반사 부재쪽으로 반사하도록 사전-계산된 형상을 갖는 제1 반사 부재(reflective member)를 포함하며, 이 제2 반사 부재 는 제1 반사 부재로부터의 광을 광원 광축(light source optical axis)에 일반적으로 평행한 방향으로 반사하도록 사전-계산된 형상을 갖는다. 이 접근방법은 단순한 CPC-구조보다 훨씬 더 콤팩트한 구조를 제공한다. 그렇지만, 이 광 변환기가 보여주는 콜리메이션 효과가 그다지 높지 않다(±5°의 콜리메이션).
따라서, 기술 분야에 작은 구조와 효율적인 콜리메이션(즉, 낮은 각분산)을 겸비할 수 있는 콜리메이션 광학계가 필요하다.
본 발명의 목적은 이 문제점을 적어도 부분적으로 극복하고 높은 정도의 콜리메이션을 가능하게 해주는 광-콜리메이션 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 작은 두께와 높은 정도의 콜리메이션을 가질 수 있는 이러한 광-콜리메이션 장치를 제공하는 데 있다.
이들 목적은 본 발명의 광-콜리메이션 장치에 의해 달성된다.
따라서, 제1 측면에서, 본 발명은 도파관 플레이트(wave guide plate)를 포함하는 광 콜리메이션 장치(light collimation device)를 제공하며, 이 도파관 플레이트는 제1 표면, 복수의 평면 평행 부분(planar parallel portion)과 상기 평면 평행 부분들을 연결하는 복수의 패싯(facet)을 포함하는 대향하는 패싯을 갖는 제2 표면(opposing faceted second surface), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면을 갖는다.
본 발명의 광 콜리메이션 장치에서, 각각의 패싯은 상기 평면 평행 부분에 대해 직각 아닌 각도(non-right angle)로 형성되고, 이 장치는 복수의 콜리메이션 굴절 요소(collimating refractive element)를 더 포함하며, 각각의 콜리메이션 굴절 요소는 복수의 패싯의 개별 패싯에 대응한다.
각각의 콜리메이션 굴절 요소는 대응하는 패싯에서 반사되어 상기 도파관 플레이트로부터 추출되는 광의 적어도 대부분의 빔 경로에 위치하고 있다.
도파관 플레이트는 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 제2 표면은 복수의 경사진 표면들(패싯들)에 의해 연결된 평행한 부분들의 계단형 구조(staircase like structure)로 이루어져 있다.
이 장치는 복수의 콜리메이션 굴절 요소를 구비하고 있으며, 각각의 개별 콜리메이션 굴절 요소는 대응하는 패싯에서 반사되어 도파관 플레이트로부터 추출되는 광의 적어도 대부분이 대응하는 콜리메이션 굴절 요소에 의해 수광되어 콜리메이션되도록 하는 방식으로 개별 패싯에 대응한다.
통상적으로, 패싯에서 반사되는 광은 무한대를 향해 대응하는 콜리메이션 굴절 요소에 집속된다. 이렇게 함으로써 본 발명의 광 콜리메이션 장치로 높은 정도의 콜리메이션이 얻어진다.
도파관에 있는 유한한 수의 패싯 이후에, 본질적으로 도파관에 수광되는 모든 광이 콜리메이션 굴절 요소의 어레이 쪽으로 반사되고 콜리메이션 굴절 요소에 의해 콜리메이션된다. 따라서, 본 발명의 광 콜리메이션 장치는 비교적 얇은 구조일 수 있다.
그에 부가하여, 본질적으로 도파관 플레이트에 수광되는 모든 광이 콜리메이션 굴절 요소 쪽으로 반사되어 그에 의해 콜리메이션되기 때문에, 본 발명의 광 콜리메이션 장치에 의해 높은 정도의 광 활용이 달성된다. 본 발명의 어떤 실시예들에서, 패싯은 양호하게는 광을 수광하는 표면을 통해 수광되는 광이 제1 표면 쪽으로 반사되도록 하는 각도로 형성된다, 즉 패싯은 90°보다 작은 각도로, 통상적으로 제2 표면의 평행 부분으로부터 약 15°내지 75°범위로 형성된다. 이러한 실시예들에서, 콜리메이션 굴절 요소는 제1 표면 상에 또는 그로부터 떨어져 도파관 플레이트의 제1 표면 쪽에 배열되어 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 패싯은 양호하게는 광을 수광하는 표면을 통해 수광되는 광이 제1 표면 쪽으로 반사되도록 하는 각도로 형성된다, 즉 패싯은 90°보다 큰 각도로, 통상적으로 제2 표면의 평행 부분으로부터 약 105°내지 165°범위로 형성된다. 이러한 실시예들에서, 콜리메이션 굴절 요소는 제2 표면 상에 또는 그로부터 떨어져 도파관 플레이트의 제2 표면 쪽에 배열되어 있다.
콜리메이션 굴절 요소는, 예를 들어, 렌즈, 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 및 홀로그래픽 요소(holographic element)를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 콜리메이션 굴절 요소는 또한 복수의 이러한 렌즈, 프레넬 렌즈 및/또는 홀로그래픽 요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 콜리메이션 굴절 요소의 초점 길이(focal length)와 상기 콜리메이션 굴절 요소의 광학적 중심(optical center)으로부터 대응하는 패싯까지의 거리의 비가 약 1.2 : 1 내지 1 : 1.2의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 콜리메이션 굴절 요소의 초점면(focal plane)이 대응하는 패싯과 교차할 수 있다.
양호한 콜리메이션을 달성하기 위해, 통상적으로 콜리메이션 굴절 요소의 초점이 대응하는 패싯에 또는 적어도 대응하는 패싯에 가깝게 오도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 어떤 실시예들에서, 도파관 플레이트는 복수의 중첩된 층들(superimposed layers)을 포함할 수 있으며, 각각의 층은 제1 표면 및 대향하는 제2 표면을 가지고 있고, 여기서 각각의 층의 제2 표면은 적어도 하나의 평면 부분 및 상기 평면 부분에 대해 직각 아닌 각도로 형성된 적어도 하나의 패싯을 포함한다. 이러한 계층화된 실시예(layered embodiment)는 하나의 콜리메이션 장치에서 서로 다른 광원으로부터의 광을 개별적으로 콜리메이션하는 데 사용될 수 있다. 각각의 층은 개별적인 도파관으로서 역할할 수 있고 각각의 패싯은 개별적인 콜리메이션 굴절 요소에 대응하며, 따라서 각각의 개별적인 광원을 개별적인 층과 연관시킴으로써, 각각의 광원이 개별적인 굴절 요소에 의해 콜리메이션된다.
패싯에서의 반사는 패싯 표면에서의 내부 전반사(total internal reflection)에 의존할 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 어떤 실시예들에서, 패싯은 반사 코팅(reflective coating)을 구비할 수 있다.
패싯에서의 내부 전반사에 의존하기 위해서는, 패싯 표면과 이 패싯 표면에서 반사되는 광 사이의 각도 및 도파관의 굴절률과 주변 물질의 굴절률 간의 관계가 Snell의 법칙에 따른 내부 전반사의 기준을 만족시켜야만 한다. 패싯 표면에 반사 코팅을 배치함으로써, Snell의 법칙에 상관없이 반사가 달성되며, 예를 들어, 도파관 물질 및 패싯의 각도에 상관없이 선택의 자유(freedom of choice)를 증대시킨다.
어떤 실시예들에서, 본 발명의 장치는 광을 수광하는 표면과 도파관 플레이트의 패싯들 간의 광 경로에 배치된 광 콜리메이션 부분을 포함할 수 있다. 이러한 콜리메이션 부분은 콜리메이션되지 않은 광원으로부터의 광이 수광 영역을 통해 들어올 수 있게 해준다. 도파관 플레이트에서 원하는 각분산을 달성하기 위해, 이러한 콜리메이션 부분이 수광된 광을 콜리메이션하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광을 수광하는 표면에 가깝게 위치되고 또 광을 수광하는 표면과 도파관 플레이트의 패싯들 간의 빔 경로에 위치되어 있는 광 콜리메이션 장치의 일부분이 깔대기(funnel) 또는 CPC(compound parabolic collimator) 등의 광 콜리메이션 형상을 갖도록 설계될 수 있다. 본 발명의 콜리메이션 장치는 상기 복수의 콜리메이션 굴절 요소를 통해 상기 장치를 빠져나가는 광의 콜리메이션 각도를, 적어도 한 차원에서, 5°미만으로, 예를 들어, 3°미만으로, 보다 양호하게는 1.5°미만으로 만들 수 있으며, 적어도 광이 20°미만의 각분산으로 수광될 때 이 광은 광을 수광하는 상기 표면을 통해 수광된다.
많은 응용에서, 예를 들어, 잘 정의된 영역이 조명되어야 하는 경우, 낮은 콜리메이션 각도가 요망된다. 본 발명의 실시예들에서, 도파관 플레이트는 본질적으로 도파관 플레이트의 평면 부분에 수직인 대칭축을 가질 수 있다. 광을 수광하는 표면은 대칭축에 대해 대칭일 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예들에서, 도파관 플레이트는 대칭축에 대해 회전 대칭일 수 있다. 본 발명의 광 콜리메이션 장치의 대칭 실시예는 장치의 제1 및/또는 제2 표면에 평행인 평면의 2개의 차원 모두에서 수광된 광을 콜리메이션할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 상기 도파관의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질에 의해 도파관 플레이트 상에 콜리메이션 굴절 요소가 배열되어 있다. 이것은 이 표면에서의 입사각이 임계각(critical angle)을 넘는 경우 도파관 플레이트 내에서의 내부 전반사를 고려한 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 광을 수광하는 표면(들) 및/또는 상기 렌즈들의 표면은 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)을 구비할 수 있다. 이러한 코팅은 이들 표면에서의 프레넬 손실(Fresnel loss)을 감소시켜, 장치의 광 활용 효율을 더 높일 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 본 실시예의 2개의 광 콜리메이션 장치, 즉 제1 및 제2 광 콜리메이션 장치는 제2 광 콜리메이션 장치에 있는 상기 광을 수광하는 표면이 제1 광 콜리메이션 장치의 콜리메이션 굴절 요소를 통해 제1 광 콜리메이션 장치를 빠져나오는 광을 수광하도록 배열되어 있을 수 있다.
통상적으로, 본 발명의 광 콜리메이션 장치의 비대칭 실시예는 한 차원에서만 광을 콜리메이션할 수 있어, 한 차원에서는 더 좁은 각도 분포(angular distribution)를 제공하는 반면 수직 차원에서는 넓은 각도 분포를 제공한다. 상기한 바와 같이, 2개의 이러한 콜리메이션 장치를 서로의 뒤에 배열함으로써, 제1 콜리메이션 장치는 제1 차원에서 광을 콜리메이션할 수 있는 반면, 제2 콜리메이션 장치는 이 부분적으로 콜리메이션된 광을 수광하고 이 광을 제1 차원에 수직인 제2 차원에서도 콜리메이션한다. 따라서, 2개의 차원에서의 완전 콜리메이션(full collimation)이 제공된다. 제2 측면에서, 본 발명은 광원 및 상기 광원으로부터 방출된 광을 수광하여 콜리메이션하도록 구성되어 있는 본 발명의 광 콜리메이션 장치를 포함하는 발광 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들에서, 폴딩 미러(folding mirror)가 광원과 콜리메이션 장치의 광을 수광하는 표면 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 추가의 측면들은 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이며, 본 발명의 적어도 하나의 광 콜리메이션 장치를 포함하는 디스플레이 장치를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 이들 및 다른 측면들에 대해 이제부터 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시한 첨부 도면들을 참조하여 더 상세히 기술한다.
도 1a는 렌즈들이 도광판(light guide plate)의 제1 표면에 배열되어 있는 본 발명의 콜리메이션 장치를 나타낸 단면도.
도 1b는 렌즈들이 본 발명의 제2 표면에 배열되어 있는 대응하는 장치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 콜리메이션 수단의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
도 3a는 본 발명의 회전 대칭 콜리메이션 장치를 나타낸 단면도.
도 3b는 도 3a의 장치를 나타낸 사시도.
도 4a는 본 발명의 콜리메이션 수단의 다른 실시예를 나타낸 사시도.
도 4b는 도 4a의 실시예의 대안을 나타낸 도면.
도 5a 내지 도 5c는 이하의 실험들 중 하나로부터의 결과를 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 이하의 실험들 중 하나로부터의 결과를 나타낸 도면.
도 7a 내지 도 7c는 이하의 실험들 중 하나로부터의 결과를 나타낸 도면.
도 8은 이하의 실험들 중 하나로부터의 결과를 나타낸 도면.
본 발명은 도파관 플레이트를 포함하는 광 콜리메이션 장치에 관한 것으로서, 이 도파관 플레이트는 제1 표면, 복수의 본질적으로 평면인 평행 부분과 복수의 패싯(facet) - 각각의 패싯은 상기 평면 평행 부분에 대해 직각 아닌 각도로 형성됨 - 을 포함하는 패싯을 갖는 제2 표면(faceted second surface), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면을 갖는다.
광 콜리메이션 장치의 예시적인 실시예가 단면도로 나타내어져 있는 도 1a에 도시되어 있다. 이 광 콜리메이션 장치는 도파관 플레이트(100)을 포함하며, 이 도파관 플레이트(100)는 전면 표면(101)과, 복수의 본질적으로 평면인 평행 부분(103) 및 복수의 패싯(104) - 각각의 패싯은 평면 평행 부분(103)에 대해 각도 β로 형성되어 있고 평면 평행 부분들을 연결함 - 을 포함하는 패싯을 갖는 후방 표면(102)을 갖는다. 게다가, 광 콜리메이션 장치는 광을 수광하는 적어도 하나의 표면(105)을 포함한다. 광원(107)은 광을 수광하는 표면(105)으로 광을 방출하도록 구성되어 있다. 이 광원은 백열 전구, 형광등(fluorescent tube), 가스 방전 램프 및 발광 다이오드(LED)(무기 기반 LED(inorganic based LED)와 OLED 및 폴리 LED 등의 유기 기반 LED(organic based LED) 둘다를 포함함)(이에 한정되지 않음) 를 비롯한 임의의 유형일 수 있다.
전방 표면(101)은 복수의 렌즈(106)를 구비하고 있으며, 이들 각각은 각각의 렌즈(106)가 대응하는 패싯에서 반사되어 상기 도파관 플레이트(100)으로부터 추출되는 광의 적어도 대부분의 빔 경로에 위치하도록 개별적인 패싯(104)에 대응한다.
용어 "대부분"은, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 패싯(104)에서 반사되어 도광판(100)으로부터 추출되는 광의 적어도 50%(적어도 75% 등), 예를 들어, 90% 이상이 대응하는 렌즈(106)에 의해 수광되는 것을 말한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전방 표면" 및 "전방 측면"은 패싯에서 반사된 광이 반사 시에 향해가는 쪽의 장치의 표면/측면을 말하는 데 사용된다. 따라서, 각도(β)가 0°<β<90°인 경우에, 전방 표면은 제1 표면을 의미한다. 반면에, 각도(β)가 90°<β<180°인 경우에, 제2 표면이 전방 표면이다.
도 1a에 도시된 장치에서, β는 90°보다 작고 제1 표면이 전방 표면이다. 도 1b에 도시된 장치에서, β는 90°보다 크고 제2 표면이 전방 표면이다.
내부 전반사에 대한 임계각을 초과하는 각도로 표면(105)을 통해 수광되는 광은 전방 표면(101) 및 후방 표면(102)의 평면 평행 부분(103) 상에서의 내부 전반사로 인해 도파관 내에서 전파된다. 그렇지만, 광이 패싯 표면(104)을 만날 때, 광은 그곳에서 전방 표면에서의 내부 전반사를 위한 임계각보다 실질적으로 낮은 입사각으로 전방 표면(101) 쪽으로 반사됨으로써 이 광의 적어도 일부가 도파관으로부터 추출된다. 패싯(104)에서 반사되어 도파관(100)으로부터 추출된 광의 대부분이 렌즈(106)에 의해 콜리메이션되도록 하는 폭 P를 갖는 렌즈(106)가 전방 표 면(101) 상에 배치되어 있다.
도파관의 계단형 종단면(staircase profile)으로 인해 또한 각각의 패싯이 대응하는 콜리메이션 렌즈를 갖기 때문에, 유한한 수의 패싯 이후에 본질적으로 모든 광이 추출되어 콜리메이션된다.
본 발명의 장치에서의 패싯의 피치, 즉 한 패싯의 중심에서 인접 패싯의 중심까지의 거리(따라서 통상적으로 렌즈의 피치이기도 함)는 장치의 응용 분야 및 광원의 크기에 의존한다. 예를 들어, 광원인 1x1 mm LED 칩에 적합하게 되어 있는 장치의 경우, 이 피치는 통상적으로 약 0.1mm 내지 약 10mm의 범위에 있으며, 예를 들어, 약 1 내지 5mm의 범위에 있다. 그렇지만, 더 큰 피치 및 더 작은 피치도 역시 사용할 수 있다. 통상적으로, 광원의 크기에 따라 적당한 피치가 정해진다. 통상적으로, 렌즈(106)의 폭 P는 패싯의 피치와 같거나 그에 가깝다.
통상적으로, 각각의 렌즈(106)의 초점(focal point)은 대응하는 패싯(104) 상에 또는 그의 근방에 위치한다. 예를 들어, 렌즈의 초점은 대응하는 패싯을 통과하여 평행 후방 측면 부분(103)에 대해 각도 γ(γ=2β)를 형성하는 가상선을 따라 위치할 수 있다. β=45°, γ=90°의 경우, 이것은 렌즈의 초점이 패싯의 폭 내에서 패싯보다 위쪽에, 패싯 상에 또는 패싯보다 아래쪽에 있어야 함을 의미한다.
렌즈(106)의 초점 길이와 렌즈의 광학적 중심 및 대응하는 패싯(104) 사이의 거리(상기한 가상선을 따라 측정됨) 간의 비는 약 1.2 : 1 내지 약 1 : 1.2의 범위에 있을 수 있다. 환언하면, 초점 길이와 상기한 거리 간의 차이는 약 ±20%, 예 를 들어, 약 ±10%, 약 ±5% 등, 예를 들어, 약 ±3% 또는 훨씬 더 낮은 약 ±1% 등일 수 있다. 이 차이가 낮을수록, 이론적으로 달성가능한 최대 콜리메이션이 더 높다. 양호하게는, 렌즈(106)의 초점면(focal plane)은 대응하는 패싯(104)과 교차하고, 보다 양호하게는, 렌즈(106)의 초점면이 대응하는 패싯(104) 상에 위치하며, 가장 양호하게는 대응하는 패싯(104)의 가운데에 위치한다.
통상적으로, 광원인 1x1 mm LED에 적합하게 되어 있는 장치에 대한 렌즈의 초점 길이는 약 1 내지 20 mm의 범위에, 예를 들어, 3 내지 15 mm의 범위에 있다. 그렇지만, 장치의 응용 및 도파관의 굴절률에 따라 더 긴 및 더 짧은 초점 길이도 역시 사용할 수 있다. 그렇지만, 적당한 초점 길이는 도파관 플레이트(100)의 두께 d에 의존하며, 이 두께는, 피치에 대해 상기한 바와 같이, 광원의 크기에 따라 정해진다.
당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, 본 발명은 패싯들로부터의 광을 집속시키기 위해 종래의 렌즈를 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 그와는 달리, 많은 유형의 콜리메이션 굴절 요소가 사용될 수 있다. 이러한 굴절 요소는 두꺼운 렌즈(thick lens) 및 얇은 렌즈(thin lens), 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 및 홀로그래픽 요소를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그에 부가하여, 이러한 굴절 요소는 복수의 이러한 렌즈 및/또는 홀로그래픽 요소로 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 굴절 요소는 일련의 렌즈로 이루어져 있을 수 있으며, 이 일련의 렌즈는 상기한 바와 같이 대응하는 패싯 상에 또는 그 근방에 유효 초점(effective focal point)을 갖는다.
각도 β(평행 후방 표면 부분(103)으로부터 이 각도로 패싯(104)이 형성됨)는 통상적으로 약 15 내지 75°의 범위에 있으며, 예를 들어 약 35 내지 55°, 약 45°등이다. 45°의 각도 β에서, 이러한 경우에, 렌즈(106)는 양호하게는 대응하는 패싯(104) 바로 위쪽에 배치된다.
패싯의 높이, 즉 2개의 인접한 평행 후방 측면 부분 간의 수직 거리는 통상적으로 약 0.1 내지 2 mm의 범위에, 예를 들어 0.3 내지 0.7 mm이다. 그렇지만, 장치의 응용 분야에 따라 더 큰 및 더 작은 높이도 사용할 수 있다. 패싯의 높이는 통상적으로 대응하는 렌즈의 초점 길이보다 훨씬 더 작다.
도 1에서, 모든 패싯은 본질적으로 동일한 각도 β를 형성하는 것으로 도시되어 있다. 그렇지만, 본 발명은 또한 각각의 패싯이 개별적으로 서로 다른 각도 β를 형성하는 경우를 포함한다. 예를 들어, 수광 영역으로부터의 거리에 따라 β를 점차적으로 증가시키고 그에 따라 렌즈를 위치시킴으로써, 본 발명의 장치에 의해 수렴광(converging light)이 달성될 수 있다.
도 1a의 도파관(100)이 수광 영역(105)로부터의 거리에 따라 점차적으로 더 얇아짐에 따라, 패싯으로부터 도파관(100)의 전방 표면(101)까지의 거리도 감소된다. 렌즈의 초점 길이와 렌즈와 대응하는 패싯 간의 거리의 비를 유지하기 위해, 도 1a에 나타낸 바와 같이 원하는 비를 유지하기 위해 렌즈의 광학적 중심이 전방 표면(101)으로부터 점차적으로 증가하는 거리에 배치될 수 있다.
다른 대안으로서, 렌즈(106)의 강도가 그에 대응하여 증가할 수 있다(즉, 렌즈의 초점 길이가 감소할 수 있다).
또다른 대안은 렌즈를 패싯으로부터 동일한 거리에 위치시키기 위해 모든 렌즈의 베이스가 한 평면에서 전방 표면 상에 배열된 웨지(wedge) 상에 있도록 렌즈의 어레이를 배치하는 것이다.
본 발명의 광 콜리메이션 장치의 도파관 및 렌즈의 제조에 사용하기에 적합한 물질은 투명한 유리 물질, 투명한 세라믹 물질 및, 예를 들어, PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate) 또는 PS(polystyrene) 등의 투명한 플라스틱 물질을 포함하지만 이에 한정되지는 것은 아니다. 도파관 및 렌즈는 동일한 또는 다른 물질로 되어 있을 수 있다.
도파관의 전방 표면(101) 및 평행 평면 부분(103)에서 내부 전반사를 달성하기 위해, 도파관 물질의 굴절률이 주변 물질의 굴절률보다 더 높아야 한다. 따라서, 전방 표면(101) 상에 배열된 렌즈(106)가 도파관(100)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 되어 있는 것이 요망되거나, 다른 대안으로서, 렌즈와 도파관 사이에 물질이 배치되며, 이 물질이 도파관 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 굴절률을 갖는 것이 요망된다. 통상적으로, 렌즈를 도파관에 접합시키기 위해 접착제가 배치되며, 이 접착제는 도파관의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 이렇게 하는 것은 렌즈 및 도파관이 동일한 물질로 이루어져 있거나 본질적으로 같은 굴절률을 갖는 물질로 되어 있는 것을 고려한 것이다.
도파관과 접착제 간의 계면 및 접착제와 렌즈 간의 계면에서의 프레넬 손실을 감소시키기 위해, 접착제의 굴절률은 각각 렌즈 및 도파관의 굴절률에 가능한 한 가까워야 한다. 그럼에도 불구하고, 접착제의 굴절률은 타당한 각도 범위 내에 서 내부 전반사를 가능하게 해주기 위해 렌즈 및 도파관의 굴절률보다 낮아야만 한다.
각각의 경사진 패싯(104)은 높은 효율로 대응하는 렌즈 쪽으로 광을 반사해야만 한다. 그를 위해, 패싯들은 반사 표면을 구비할 수 있다. 다른 대안으로서, 패싯들에서의 반사는 패싯들과 도파관의 후방 측면 상의 물질 간의 계면에서의 내부 전반사에 의존할 수 있다.
본 발명의 광 콜리메이션 장치를 빠져나오는 광의 콜리메이션각(collimation angle)은 이하에서 기술할 다수의 파라미터를 선택함으로써 변동될 수 있지만, 통상적으로 적어도 한 차원에서 5°미만, 양호하게는 3°미만, 보다 양호하게는 1.5°미만 또는 훨씬 더 낮은, 예를 들어 1°미만의 콜리메이션이 본 발명의 광 콜리메이션 장치로 달성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "콜리메이션각"은 광 세기(light intensity)의 98%가 포함되어 있는 각도 범위를 말한다.
발광 다이오드 등의 많은 광원이 넓은 각도 범위에서 광을 방출한다. 본 발명의 콜리메이션 장치에서 방출된 광을 그 정도로 많이 이용하기 위해서, 광원에 의해 방출된 광을 사전-콜리메이션(pre-collimation)하는 것이 유익할 수 있다. 이 사전-콜리메이션은 이 광이 가능한 한 많이 내부 전반사되는 각도로 도파관에 들어오도록 각분산(angular spread)을 감소시키기 위해 수행된다. 이러한 사전-콜리메이션을 달성하기 위해, 예를 들어, 상기한 깔대기, CPC 구조 또는 집속 프레넬 렌즈(focusing Fresnel lens) 등의 어떤 콜리메이션 구조라도 사용될 수 있다. 콜 리메이션 구조는 통상적으로 광을 수광하는 표면에 가까이 배열되어 있다. 본 발명의 실시예들에서, 사전-콜리메이션은 도파관의 광을 수광하는 표면과 패싯들 간의 광 경로에 위치하는 콜리메이션 구조에 의해 수행될 수 있다. 다른 대안으로서, 사전-콜리메이션을 위한 콜리메이션 구조는 광원과 광을 수광하는 영역 사이의 광 경로에 배치될 수 있다. 다른 대안으로서, 필요한 경우, 원하는 각도 범위 내의 광이 광을 수광하는 영역을 통해 수광되도록 광원 자체가 사전-콜리메이션 구조를 구비하고 있을 수 있다. 예를 들어, 어떤 측면 방출 LED(side-emitting LED) 등의 어떤 광원의 경우, 광의 대부분이 원하는 각도 범위 내에서 방출되고, 이러한 경우 사전-콜리메이션이 필요하지 않다.
광원 및 이 광원에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 수광하여 콜리메이션하도록 구성된 본 발명의 광 콜리메이션 장치를 포함하는 발광 장치는 본 발명의 양호한 실시예를 형성한다. 본 발명의 광 콜리메이션 장치에서의 한가지 이점은, 원하는 콜리메이션 특성이 주어진 경우, 이러한 장치에 대한 구조 파라미터가 일련의 이론적 관계들로부터 용이하게 도출가능하다는 것이다. 이하는 도 1에 도시된 본 발명의 콜리메이션 장치의 몇가지 파라미터들 간의 이론적 관계에 대한 설명이며, 여기서 평면 후방 표면 부분에서 패싯까지의 각도 β는 45°이다.
이들 이론적 계산에서,
- d는 렌즈의 광학적 중심(optical center)에서 도파관의 후방 표면까지의 거리이고,
- w는 후방 표면 부분(103)에 평행한 방향으로 측정한 패싯(104)의 폭이며,
- P는 렌즈의 폭이고,
- R은 렌즈의 반경이다.
만족되어야 할 첫번째 관계는 렌즈를 빠져나가는 모든 광선이 많아야 αout의 각분산을 가져야만 한다는 요건이다. 렌즈의 중심을 통과하여 미러의 가장자리에서 시작하는 광선은 이 요건을 충족시켜야만 한다. w<<d이고 렌즈가 얇은 렌즈(thin lens)인 것으로 가정하면,
Figure 112008042474070-pct00001
이고, 여기서 n은 도파관 및 렌즈의 굴절률이고, tan(
Figure 112008042474070-pct00002
out)
Figure 112008042474070-pct00003
Figure 112008042474070-pct00004
out(작은
Figure 112008042474070-pct00005
out)이다. 실제로는, 우리가
Figure 112008042474070-pct00006
out를 규정한다. 우리가 w 또는 d를 선택하면, 나머지 파라미터들도 역시 고정된다.
둘째로, 렌즈가 무한대에 패싯의 상을 만들도록 패싯은 렌즈의 초점(focus point)에 있어야만 한다. 도파관 및 렌즈에 대해 가정한 바와 같이, 굴절률 n을 갖는 물질로 된 렌즈의 초점 길이는 수학식 2로 주어진다.
Figure 112008042474070-pct00007
초점 길이는 도파관의 도께와 같다, 즉 f = d이다.
셋째, 렌즈의 피치는 한 패싯으로부터의 모든 광이 대응하는 패싯 상부의 렌즈에 의해 포획되도록 되어 있어야만 한다. 도파관에서의 광의 각분산의 반각(half-angle)이 α인 경우, 대략 이하의 관계가 얻어진다.
Figure 112008042474070-pct00008
여기서, w << d인 것으로 가정한다.
넷째, 렌즈의 폭이 렌즈의 직경보다 작아야 한다.
P < 2R
요약하면, 이하의 부등식이 얻어진다.
Figure 112008042474070-pct00009
결과적으로, 도파관에서의 각분산이 이하의 방정식으로부터 도출될 수 있는 α보다 작아야 한다.
Figure 112008042474070-pct00010
n = 1.5인 경우, 이것으로부터
Figure 112008042474070-pct00011
가 얻어진다.
파라미터들에 대한 타당한 값을 얻기 위해, 다음과 같이 추정한다. (한 방향에서) 에땅뒤(etendue) E를 갖는 광원을 갖는다고 가정하면, 다음이 성립한다.
Figure 112008042474070-pct00012
따라서, n과 α간의 관계식에 대한 상기 요건 (6)과 함께, 파라미터 d가 선택될 수 있다. 상기 관계식 (1) 및 요구되는 콜리메이션량과 함께, 미러의 폭 w이 얻어진다.
도파관의 총 길이는 다음과 같이 주어진다.
L = P * N
여기서, N은 몫 d/w보다 큰 첫번째 정수이다.
α의 계산된 값(도파관에서의 각분산)도 역시 도파관과 렌즈 사이에 배열된 층(접착제 등)에 대한 굴절률에 대한 원하는 최대값을 제공한다. 접착제는 α보다 작은 각분산을 갖는 광의 도파관 내에서의 내부 전반사에 대한 요건을 만족시키도록 선택되어야만 하며, 따라서 90°-α(전방 표면에서의 도파관 광의 입사각)이 임계각
Figure 112008042474070-pct00013
보다 높게 된다.
Figure 112008042474070-pct00014
예를 들어, 1.5의 굴절률 nwaveguide 및 ±18°의 수광된 광의 각분산 α를 갖는 도파관의 경우, 접착제의 굴절률 nadhesive는 1.423보다 작아야 한다. 이것은 도파관의 굴절률보다 작지만, 접착제에 대해서는 높은 굴절률이다.
제2 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 도파관(100)은 복수의 중첩된 층(110)을 포함할 수 있다. 각각의 이러한 층은 전방 표면, 후방 표면(103) 및 후방 표면을 전방 표면과 연결시키는 패싯(104)을 갖는다. 층들(110)이 서로의 위에 배열되어 있을 때, 그 결과의 도파관은 상기한 실시예에서와 본질적으로 동일한 외관 및 특성을 갖는다.
층들(110) 각각 사이에, 층들을 서로 접합시키기 위해 접착제 화합물(adhesive compound)가 배치될 수 있다. 이러한 접착제 화합물는 통상적으로 층 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 투명한 화합물일 수 있다. 각각의 개별적인 층(110)은 개별적인 도파관으로서 기능할 수 있는데, 그 이유는 각각의 층(110)에서의 광이 전방 표면 및 후방 표면에서 내부 전반사되기 때문이다. 그렇지만, 층(110)에서의 광이 패싯(104)을 만날 때, 그 광은 그곳에서 렌즈 쪽으로 반사되고, 이 반사된 광의 적어도 일부가 도파관으로부터 추출되는데, 그 이유는 2개의 개별적인 층 사이 또는 최상부 층과 렌즈 어레이 사이의 계면에서의 입사각이 내부 전반사를 위한 임계각보다 작기 때문이다. 이 실시예에서의 한가지 이점은, 예를 들어, 서로 다른 컬러의 서로 다른 개별적인 광원이 개별적인 층(110)과 연관될 수 있고 각각의 이러한 광원으로부터의 광이 그 광원과 연관되어 있는 층(들)에 대응 하는 렌즈(들)에 의해서만 콜리메이션된다는 것이다.
도 1에 도시된 장치는 본 발명의 광 콜리메이션 장치의 일반적인 실시예의 단면도이다. 그렇지만, 본 발명의 장치의 실시가능한 실시예에서, 광 콜리메이션 장치는 3차원 구조이다. 예시를 위해, 본 명세서에서 도 3 및 도 4에 2개의 서로 다른 3차원 구조가 제공되어 있다. 도 3a 및 도 3b에는, 본 발명의 광 콜리메이션 장치의 회전 대칭 실시예가 도시되어 있다. 당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, n중 대칭(n-fold symmetry)(단, n은 2부터, 통상적으로 2 내지 16의 범위까지 있는 임의의 정수임)을 갖는 장치도 실현될 수 있으며, 회전 대칭 (n=∞) 실시예에 대해 여기에 기술된 것과 같은 단면을 갖는다. 이러한 n중 대칭 장치도 역시 본 발명에 포함된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 장치의 사시도를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 실시예에서, 콜리메이션 구조(308)(여기에서는 CPC-구조로 도시되어 있음)가 도파관(300)의 광을 수광하는 표면(305)과 패싯(304) 사이의 광 경로에 배치되어 있다. 원추체(309)는 CPC-구조에 의해 콜리메이션된 광을 패싯(304) 쪽으로 경로 변경한다. 원추체(309)의 표면에서의 반사는 내부 전반사, 즉 표면 상의 반사 코팅으로 인한 것일 수 있다. CPC-구조(308)의 표면에서의 반사는 표면 상의 반사 코팅의 내부 전반사로 인한 것일 수 있다. 콜리메이션 구조(308)는 CPC-구조에 한정되지 않으며, 당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, 원하는 각도 범위 α를 제공하기 위해 어떤 콜리메이션 구조라도 사용될 수 있다.
이 실시예에서의 콜리메이션 장치는 광을 수광하는 표면(305)을 통과하는 대 칭축(307)에 대해 회전 대칭이다.
일반적으로 발광 다이오드인 광원(310)은 광을 방출하도록 구성되어 있고, 이 광의 적어도 일부가 광을 수광하는 표면(305)을 통해 콜리메이션 장치에 의해 수집된다. 광원(310)은 광 콜리메이션 장치와 함께 발광 장치를 형성한다. 콜리메이션 구조(308)는, 상기한 바와 같이, 도파관에서 원하는 각분산 α을 달성하기 위한 것이다. 대안의 실시예(도시 생략)에서, 광원(310)은 본 발명의 광 콜리메이션 장치에 원하는 각분산을 갖는 광을 제공하는 등을 위해 콜리메이션 구조를 구비하고 있다.
또다른 대안의 실시예에서, 콜리메이션 구조(308) 및 경로 변경 원추체(redirecting cone)(309)가 생략되어, 광을 수광하는 영역(105)의 좌측에 대칭축을 갖는 도 1a에 도시된 단면을 갖는 회전 (또는 n중) 대칭 광 콜리메이션 장치를 제공한다. 이러한 실시예는 측면 방출 LED 등의 측면 방출 광원(side emitting light source)으로부터의 광을 콜리메이션할 때 특히 유용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 도파관에서 원하는 각도 범위 α를 달성하기 위해 선택적으로 광을 사전-콜리메이션하도록 유의해야 한다.
도 4a에는 본 발명의 광 콜리메이션 장치의 비대칭 실시예가 사시도로 도시되어 있으며, 상면도로 보면 본질적으로 직사각형이다.
이 실시예에서, 각각의 렌즈(406) 및 패싯(403)이 도파관 플레이트(400)의 길이에 본질적으로 수직인 방향으로 뻗어 있다. 도 4a에 도시된 장치는 수광된 광을 y-차원에서만 콜리메이션할 수 있는 반면, x-방향에서는 콜리메이션이 전혀 또 는 거의 없다.
도 4b에 도시된 본 발명의 또다른 실시예는 도 4a에 도시된 유형의 광 콜리메이션 장치를 2개 이용하고 있다. 제1 장치는 x-방향에서의 광 콜리메이션을 달성하도록 구성되어 있다. 제2 장치는 y-방향에서의 광 콜리메이션을 달성하도록 구성되어 있으며, 광을 수광하는 영역이 제1 장치의 렌즈를 빠져나오는 광을 수광하도록 위치되어 있다. 따라서, 제1 장치는 x-방향에서의 콜리메이션을 제공하고, 제2 장치는 y-방향에서의 콜리메이션을 제공한다. 게다가, 제1 및 제2 콜리메이션 장치에 대해 파라미터들이 서로 다를 수 있으며, 따라서 x-콜리메이션 및 y-콜리메이션이 독립적으로 서로 다를 수 있는 콜리메이션 장치를 제공한다.
당업자라면 본 발명이 상기한 양호한 실시예로 결코 한정되지 않는다는 것으로 잘 알 것이다. 그와 달리, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 광원(410)은 광을 수광하는 영역(405)에 직접 광을 방출하도록 구성되어 있다. 대안의 실시예에서, 예를 들어, 폴딩 미러 또는 광 섬유 등의 광 경로 변경 수단(light redirecting means)이 광원과 콜리메이션 장치 사이에 배치되어 있다. 이러한 경로 변경 수단은 콜리메이션 수단과 관련한 광원의 장소에 관하여 더 많은 자유를 제공할 수 있다. 통상적으로, 폴딩 미러는 광원이 콜리메이션 장치 아래에 배치될 수 있도록 광원과 광을 수광하는 영역 사이에 배치된다. 광원에 의해 방출된 광은 따라서 폴딩 미러에 의해 콜리메이션 장치의 수광 영역 쪽으로 경로 변경된다.
게다가, 도 3 및 도 4에 도시한 콜리메이션 장치에서, 패싯과 형성하는 각도 β는 90°미만이고, 렌즈들은 도광판의 제1 표면측에 배열되어 있다. 당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, 각도 β가 90°를 넘고 그 결과 렌즈들이 도 1b에 도시된 도파관 플레이트의 제2 계단 형상 측면 상에 배치되어 있는 이들 실시예의 변형들도 역시 본 발명의 범위에 포함된다. 게다가, 본 발명의 광 콜리메이션 장치에 의해 콜리메이션될 광을 제공하는 광원은 임의의 광원일 수 있으며, 광을 제공하기 위해 LED를 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 이러한 광원의 예들로는 백열 전구, 방전 램프 및 형광 램프가 있다.
본 발명의 광 콜리메이션 장치 또는 발광 장치는 일반적으로 콤팩트한 콜리메이션 광학계에 높은 정도의 콜리메이션이 요망될 수 있는 조명 분야의 어떤 응용에서도 사용될 수 있다. 예들로는 디스플레이 장치에서의 백라이트, 차량 조명, 실내 조명, 이미지 투영 시스템, 기타 등등이 있지만, 이에 한정되지 않는다.
요약하면, 본 발명은 도파관 플레이트(wave guide plate)를 포함하는 광 콜리메이션 장치(light collimation device)에 관한 것으로서, 이 도파관 플레이트는 제1 표면, 복수의 본질적으로 평면인 평행 부분(planar parallel portion)과 상기 평면 평행 부분들을 연결하는 복수의 패싯(facet)을 포함하는 대향하는 패싯을 갖는 제2 표면(opposing faceted second surface), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면을 갖는다.
각각의 패싯은 상기 평면 평행 부분에 대해 직각 아닌 각도 β로 형성되고, 이 장치는 복수의 렌즈를 더 포함하며, 각각의 렌즈는 개별 패싯에 대응하고 대응하는 패싯에서 반사되어 상기 도파관 플레이트로부터 추출된 광의 적어도 대부분의 빔 경로에 위치해 있다.
예
본 발명의 광 콜리메이션 장치는 장치의 특성을 테스트하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션(광선-추적)에 의해 조사되었다.
이들 계산을 위해, 호환 컴퓨터 시스템에서 BREAULT Research의 ASAP와 같은 툴과 유사한 내부 소프트웨어 패키지의 소프트웨어가 사용되었다.
이하의 실험들에서의 각도 분포 측정치의 그래픽 결과가 이하의 것들로 표현된다.
(i) 서로 다른 시야각에 대한 광의 세기를 보여주는 세기 플롯(intensity plot). 광의 세기는 서로 다른 그레이 스케일 톤으로 나타내어지며, 더 높은 세기가 더 밝은 그레이 스케일 톤으로 되어 있다. 세기값은 임의적이다. x-축 및 y-축에서의 값은 시야각의 사이너스 값(sinus value)(-1부터 +1까지)을 나타낸다.
(ii) x-방향 및 y-방향에서 각각 세기 플롯의 중심을 통한 정규화된 세기(0부터 1)를 나타낸 다이어그램.
이하의 실험에서 공간 분포 측정치의 그래픽 결과가 이하의 것들로 표현된다.
(i) 서로 다른 좌표에 대한 광의 세기를 보여주는 세기 플롯. 광의 세기는 서로 다른 그레이 스케일 톤으로 나타내어져 있으며, 더 높은 세기는 더 밝은 그레이 스케일 톤으로 되어 있다. 세기값은 임의적이다. x-축 및 y-축에서의 값은 기준점으로부터의 거리(단위: 밀리미터)로 주어져 있다.
(ii) x-방향 및 y-방향에서 각각 세기 플롯의 중심을 통한 정규화된 세기(0부터 1)를 나타낸 다이어그램.
실험 1: 회전 대칭 콜리메이션 장치의 특성들
여기에서, 도 3에 도시된 구조에 기초한 콜리메이터(collimator)의 설계에 대해 기술하며, 빠져나오는 광의 원하는 각분산은 1.2°로 제한되어 있다. 콜리메이터의 전방 표면의 반경은 147 mm이었고, 광원은 반구형으로 균일하게 광을 방출하는 1x1 mm의 정사각형 LCE로서 모델링되었다.
전체 시스템은 도 3a에 나타낸 파라미터들로 기술된다. 상기한 분석 추정에 기초한 얼마간의 초기 시도 및 지식에 기초한 추측(educated guess) 후에, 표 1에 제공된 파라미터들이 획득되었다.
Figure 112008042474070-pct00015
도파관 플레이트와 렌즈 사이에 공기층(n = 1)이 있는 것으로 시뮬레이션되었다. 도파관에서의 각분산 α는 상기한 18°의 이론적인 상한보다 훨씬 아래인 12°로 선택되었다.
상기 파라미터들에 대해, 광의 얻어진 각분산 및 공간 분포가 도 5a 및 도 5b에 각각 도시되어 있다.
도 5a는 각도 분포를 sin(시야각)(-1부터 +1까지)으로 나타내고 있다.
이들 양이 측정되는 검출기 평면은 이 구조의 최상단에 배치되어 있다. 도 5a로부터 각분산이 실제로는 작다는 것이 관찰된다. 장치의 최상단에서 직접 측정된 광의 공간 분포를 나타낸 도 5b에서, 렌즈의 구조가 명확히 보인다. 이것은 얼마간 개선의 여지(예를 들어, 도파관에서의 각분산을 증대시키는 것 또는 렌즈의 피치를 감소시키는 것)가 있다는 것을 나타낸다. 게다가, 세기가 반경 방향으로 가면서 떨어진다는 것을 알 수 있다. 미러의 면적이 대칭축으로부터의 거리에 따라 증가한다는 것에 기초하여, 1/r에 비례하는 감소가 예상된다.
많은 응용 분야에서, 원방계 분포(far field distribution)가 중요하다. 도 5c에서, 1m의 거리에서의 공간 분포가 도시되어 있다. 렌즈의 구조가 (예상된 바와 같이) 더 이상 보이지 않는다. 게다가, 반경 방향으로 가면서 광 세기의 아주 완만한 감소를 관찰하였다. 이 구조의 효율은 93.4%이다. 대체로, 광 손실은 콜리메이터의 출구에 있는 유리-공기 계면으로 설명된다(렌즈 표면으로부터의 4% 프레넬 손실).
실험 2: 직사각형 실시예의 특성들
실험 2a: 하나의 차원에서의 콜리메이션
11 x 180 mm의 전방 표면 영역을 갖는 도 4a에 도시된 직사각형 콜리메이터의 특성들이 평가되었다. 상기 실험 1과 동일한 물질 및 LED가 사용되었다. 이 장치에 대한 파라미터들이 표 2에 나타내어져 있다.
Figure 112008042474070-pct00016
타당한 결과를 얻기 위해, x-방향에서의 도파관의 빔의 개구각(opening angle)이 제한되어야만 하였다. 개구각이 15°미만인 한, 타당한 결과가 얻어졌다. 이것은 시뮬레이션에서 CPC를 도파관의 전방에 배치함으로써 달성되었다.
그 결과 얻어지는 각도 및 공간 분포가 도 6a 및 도 6b에 각각 나타내어져 있다. 도 6은 sin(시야각)(-1부터 +1까지)으로 각도 분포를 나타낸 것으로서, 그래프로부터 명확한 바와 같이, y-방향에서 양호한 콜리메이션이 달성되고, 각분산은 1.1°이다.
장치의 최상단에서 직접 측정된 공간 분포를 보여주는 도 6b에서, 도파관의 구조가 명확히 보인다(광이 y=0에서 콜리메이션 장치에 들어간다).
실험 2b: 2개의 차원에서의 콜리메이션
2개의 방향에서의 콜리메이터를 획득하기 위해, 이상에서 기술되고 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 실험 2a에서 사용된 구조가 제2의 1차원 콜리메이터와 결합되었다. 따라서, 제1 콜리메이터는 y-방향에서 광을 콜리메이션하는 반면, 제2 콜리메이터는 y-콜리메이션된 광을 제공받아 이를 x-방향에서 콜리메이션한다. 이 제2 콜리메이터에 사용되는 파라미터 값들이 표 3에 나타내어져 있다.
Figure 112008042474070-pct00017
획득된 각도 및 공간 광 분포가 도 7a 및 도 7b에 각각 도시되어 있다. 도 7a의 각도 분포의 경우, 각분산이 x 및 y 방향에서 ±1°로 작은 것을 관찰하였다. 장치의 최상단에서 직접 측정된 도 7b의 공간 분포의 경우, 이 실시예에서의 장치의 구조를 반영하는 전형적인 패턴을 알았다(광이 y=0에서 제2 콜리메이터에 들어간다).
(콜리메이터로부터 1m 떨어진) 원방계(far field)에서, 도 7c에 나타낸 바와 같이, 공간 분포가 다시 평탄하다. 주목할 만한 것은 경계에서 광 출력이 떨어지는 급격함(steepness)이다.
제2 콜리메이터는 156 x 185 mm의 전방 표면 영역을 가지며, 1m의 거리에서 조명된 부분은 170 x 180 mm의 영역을 갖는다. 따라서, 콜리메이션 장치에 의해 사용되는 영역은 이론적 최소 한계에 가깝다.
이 시뮬레이션에서의 광 효율은 64%이었다. 상기한 바와 같이, 도파관과 렌즈 사이에 높은 굴절률을 갖는 접착제를 사용함으로써, 효율이 74%로 증대되었다.
나머지 손실의 대부분은 제1 콜리메이터의 렌즈와 제2 콜리메이터의 수광 표면 사이의 계면에서 일어난다. 제1 콜리메이터의 렌즈 및 제2 콜리메이터의 수광 영역 상의 반사 방지층에 의해, 효율이 더욱 향상될 것으로 예상된다.
컬러 혼합 특성(color mixing property)을 조사하기 위해, LED 다이가 다시 4개의 부분으로 분할되었으며, 이들 개개의 LED 부분 각각에 대해 (콜리메이터로부터 1m 떨어진) 원방계에서의 조명 패턴이 평가되었다. LED의 4개의 서로 다른 부분에 대해 그 결과가 도 8에 도시되어 있다. 공간 광 분포가 LED의 4개의 부분 모두에 대해 거의 동일하다는 것을 관찰하였다. 이것은 컬러 혼합이 비교적 양호하다는 것을 암시한다.

Claims (19)

  1. 광 콜리메이션 장치(light collimation device)로서,
    상기 광 콜리메이션 장치는 도파관 플레이트(wave guide plate)(100)를 포함하고,
    상기 도파관 플레이트는 제1 표면(101), 복수의 평면 평행 부분(planar parallel portion)(103)과 상기 평면 평행 부분들(103)을 연결하는 복수의 패싯(facet)(104)을 포함하는 대향하는 계단식 패싯형 제2 표면(opposing staircase-like faceted second surface)(102), 및 광을 수광하는 적어도 하나의 표면(105)을 가지며,
    각각의 패싯(104)은 상기 평면 평행 부분들(103)에 대해 직각 아닌 각도(non-right angle)(β)로 형성되고,
    상기 장치는 복수의 콜리메이션 굴절 요소(collimating refractive element)(106)를 더 포함하며,
    각각의 콜리메이션 굴절 요소(106)는 상기 복수의 패싯(104)의 각각에 대응하고,
    각각의 콜리메이션 굴절 요소(106)는 대응하는 패싯(104)에서 반사되어 상기 도파관 플레이트(100)로부터 추출되는 광의 적어도 대부분의 빔 경로에 위치하고 있고,
    상기 콜리메이션 굴절 요소들(106)은 상기 도파관 플레이트(100)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 이루어져 있거나,
    상기 도파관 플레이트(100)와 상기 콜리메이션 굴절 요소들(106) 사이에 상기 도파관 플레이트보다 낮은 굴절률을 갖는 물질이 배열되어 있는
    것을 특징으로 하는 광 콜리메이션 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패싯들(104)이 상기 제2 표면(102)의 상기 평면 평행 부분들(103)에 대해 형성되는 상기 각도(β)는 15°내지 75°의 범위에 있고,
    상기 콜리메이션 굴절 요소들(106)은 상기 장치의 제1 표면측에 배치되어 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 패싯들(104)이 상기 제2 표면(102)의 상기 평면 평행 부분들(103)에 대해 형성되는 상기 각도(β)는 105°내지 165°의 범위에 있고,
    상기 콜리메이션 굴절 요소들(106)은 상기 장치의 제2 표면측에 배치되어 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜리메이션 굴절 요소(106)가 렌즈, 프레넬 렌즈, 홀로그래픽 요소 및 복수의 렌즈, 복수의 프레넬 렌즈, 복수의 홀로그래픽 요소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 굴절 요소(106)의 초점 길이(focal length)에 대한, 상기 굴절 요소(106)의 광학적 중심(optical center)으로부터 대응하는 패싯(104)까지의 거리의 비는 0.83 내지 1.2의 범위에 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 굴절 요소(106)의 초점면(focal plane)이 대응하는 패싯(104)과 교차하는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관 플레이트(100)는 복수의 중첩된 층들(superimposed layers)(110)을 포함하고, 각각의 층은 제1 표면 및 대향하는 제2 표면을 가지며,
    각각의 층의 제2 표면은 적어도 하나의 평면 부분(103) 및 상기 평면 부분(103)에 대해 직각 아닌 각도로 형성된 적어도 하나의 패싯(104)을 포함하는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패싯들(104)은 반사 코팅(reflective coating)을 구비하는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 도파관 플레이트(300)의 광을 수광하는 표면(305)과 패싯들(304) 간의 광 경로에 배치된 광 콜리메이션 부분(light collimating portion)(308)을 포함하는, 광 콜리메이션 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 콜리메이션 굴절 요소(106)를 통해 상기 장치를 빠져나가는 광 - 이 광이 상기 광을 수광하는 표면을 통해 수광됨 - 의 콜리메이션 각도(collimation angle)가, 적어도 1차원에서 5°미만인 것인, 광 콜리메이션 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관 플레이트는 상기 도파관 플레이트의 평면 부분들에 본질적으로 수직인 대칭축을 갖는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광을 수광하는 표면은 상기 대칭축에 대해 대칭인 것인, 광 콜리메이션 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 도파관 플레이트는 상기 대칭축에 대해 회전 대칭인 것인, 광 콜리메이션 장치.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 굴절 요소들(106)은 상기 도파관 플레이트의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질에 의해 상기 도파관 플레이트(100) 상에 배치되어 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광을 수광하는 표면(105) 및/또는 상기 굴절 요소들(106)의 표면들은 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)을 구비하고 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 제1 광 콜리메이션 장치 및 제2 광 콜리메이션 장치를 포함하는 광 콜리메이션 장치로서,
    상기 제2 광 콜리메이션 장치에 있는 상기 광을 수광하는 표면이 상기 제1 광 콜리메이션 장치의 상기 굴절 요소들을 통해 상기 제1 광 콜리메이션 장치를 빠져나오는 광을 수광하도록 구성되어 있는 것인, 광 콜리메이션 장치.
  17. 광원, 및 상기 광원에 의해 방출되는 광을 수광하도록 구성된 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광 콜리메이션 장치를 포함하는 발광 장치.
  18. 제17항에 있어서, 폴딩 미러(folding mirror)가 상기 광원과 상기 광을 수광하는 표면 사이에 배치되어 있는 것인 발광 장치.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광 콜리메이션 장치를 적어도 하나 포함하는 디스플레이 장치.
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