KR101728564B1 - 클래드를 구비하는 광학장치 제조방법 - Google Patents

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Abstract

클래드를 포함하는 광학장치 제조방법에 관련된 실시예가 개시된다. 하나의 예시적 실시예는 대향하는 제1면 및 제2면을 구비하고, 제1굴절율을 가지는 재료를 포함하는 쐐기형 도광체를 형성하는 단계를 포함한다. 이 실시예는 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계 및 클래드 층에 계면층을 도포하는 단계를 더 포함한다. 이 실시예에서, 클래드 층은 제1굴절율 미만의 제2굴절율을 가지고, 계면층은 제1굴절율에 일치하는 제3굴절율을 가진다.

Description

클래드를 구비하는 광학장치 제조방법{MAKING AN OPTIC WITH A CLADDING}
컴퓨터 시스템은 영상을 출력하거나 영상을 입력받는 하나 이상의 광학 시스템을 포함할 수 있다. 광학 시스템의 예는 디스플레이, 카메라, 스캐너, 및 특정 종류의 터치-센서식 입력 시스템을 포함한다. 일부의 광학 시스템은 터치-센서식 표시 표면에 영상을 전송하거나, 검출기 상에 영상을 결상시키거나, 또는 이들 양자를 모두 행하는 도광체(light guide)를 포함할 수 있다. 이 도광체는 쐐기형으로서 가시파장 범위 및/또는 적외파장 범위 내에서 투명하고, 적어도 한 쌍의 대향면을 포함할 수 있다. 이 도광체를 통해 특정 파장 범위의 광은 대향면으로부터의 내면반사에 의해 횡방향으로 전파될 수 있다. 많은 경우, 도광체의 재료 특성 및 전체 형상은 그 광학 시스템에 의해 제공되는 영상의 강도 및 충실도에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 일 실시예에서 광학장치의 제조방법이 제공된다. 이 방법은 대향하는 제1면 및 제2면을 구비하고, 제1의 굴절율을 가지는 재료를 포함하는 쐐기형(wedge-shaped) 도광체를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계 및 상기 클래드 층에 계면층을 도포하는 단계를 더 포함한다. 이 실시예에서, 클래드 층은 제1의 굴절율 미만의 제2의 굴절율을 가지고, 계면층은 제1의 굴절율과 일치하는 제3의 굴절율을 가진다.
상기 요약은 이하의 상세한 설명에서 추가로 기술될 개념들을 간단히 소개하기 위해 제시된 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기 요약은 상세한 설명에 이어지는 청구범위에 그 범위가 정의되어 있는 청구된 주제의 핵심적 특징 또는 본질적 특징을 나타내는 것이 아니다. 또, 청구된 주제는 전술되거나 본 명세서의 임의의 부분에 기술된 임의의 결점을 해결하는 실시에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 예시적인 컴퓨터 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 광학 시스템(14)을 도시하는 개략 횡단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예의 예시적 쐐기형 도광체를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 다층 반사 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 폴리메틸메타크릴레이트 도광체에 가해진 2색성 코팅의 투과 스펙트럼 및 반사 스펙트럼을 도시한다.
도 7, 8, 및 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 광과 촬상 광학장치가 상호작용하는 광로도(ray diagram)를 도시한다.
도 10은 본 발명의 예시적 실시예에서 선택된 계면에 대한 전달 효율 대 입사각의 그래프를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 예시적 입력 장치를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 입력 장치의 광학 시스템 및 입력 구역을 도시하는 개략 횡단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예의 다른 다층 반사 구조를 도시한다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예의 광과 표시 광학장치가 상호 작용하는 광로도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 예시적 실시예의 선택된 계면에 대한 전달 효율 대 입사각의 그래프를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 광과 표시 광학장치가 상호 작용하는 광로도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예의 촬상 광학장치 또는 표시 광학장치의 예시적 제조방법을 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예의 촬상 광학장치 또는 표시 광학장치의 예시적 제조방법을 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 쐐기형 도광체에 클래드를 가할 수 있는 예시적 도포 시스템을 도시한다.
이하, 본 발명의 주제를 특정의 도해된 실시예들을 참조하여 예시적으로 설명한다. 2 이상의 실시예에서 실질적으로 유사한 부품들은 협조적으로 특정되고 반복을 최소화하여 기술된다. 그러나, 본 발명의 상이한 실시예에서 협조적으로 특정된 부품들이 최소한 부분적으로 상이한 것일 수 있다는 것에 주의해야 한다. 또, 본 명세서에 포함되는 도면들은 개략도임에 주의해야 한다. 실시예들을 도시한 도면은 일반적으로 일정한 축척이 아니며, 일부의 도면의 종횡비는 선택된 특징이나 관계를 용이하게 볼 수 있도록 의도적으로 왜곡될 수 있다.
도 1은 일 실시예의 예시적 컴퓨터 시스템(10)을 도시한다. 이 컴퓨터 시스템은 대형의 터치-센서식 표시면(12)을 구비한다. 이 터치-센서식 표시면의 하측에 위치하는 광학 시스템(14)은 컴퓨터 시스템을 위한 표시 기능 및 입력 기능의 양자를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 도 1에는 광학 시스템에 연동 상태로 결합되는 컨트롤러(16)가 도시되어 있다. 이 컨트롤러는 광학 시스템에 표시 데이터를 제공하거나 광학 시스템으로부터 입력 데이터를 수신하도록 구성되는 임의의 장치일 수 있다. 일부의 실시예에서 컨트롤러는 컴퓨터의 전체 또는 일부를 포함할 수 있고, 다른 실시예에서 컨트롤러는 유무선 통신회선을 통해 컴퓨터에 연동 상태로 결합될 수 있다.
표시 기능을 제공하기 위해, 이 광학 시스템(14)은 터치-센서식 표시면 상에 가시 영상을 투영하도록 구성될 수 있다. 입력 기능을 제공하기 위해, 이 광학 시스템은 터치-센서식 표시면 상에 위치되는 물체(예를 들면, 손가락, 전자 장치, 종이 카드, 음식물, 또는 음료)의 적어도 일부의 영상을 촬상하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이 광학 시스템은 이와 같은 물체를 조명하고 그 물체로부터 반사되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 방식으로 이 광학 시스템은 터치-센서식 표시면 상에 위치된 임의의 적합한 물체의 위치, 설치면적, 및 기타 특성을 등록할 수 있다.
도 2는 일 실시예의 광학 시스템(14)를 도시하는 개략 횡단면도이다. 이 광학 시스템은 백라이트(18), 촬상 광학장치(20), 라이트 밸브(22), 및 디퓨저(24)를 포함한다. 백라이트 및 라이트 밸브는 컨트롤러(16)에 연동 상태로 결합될 수 있고, 터치-센서식 표시면(12)에 시각적 표시 영상을 제공하도록 구성될 수 있다.
백라이트(18)는 가시광을 방출하도록 구성된 임의의 광원일 수 있다. 백라이트로부터 방출된 광(예를 들면, 광선(26))은 촬상 광학장치(20)을 통해 투사되고, 라이트 밸브(22)의 복수의 라이트-게이팅 소자에 의해 컬러 및 강도가 조절된다. 일부의 실시예에서, 라이트 밸브는 액정 표시 장치를 포함할 수 있으나 기타의 광변조 장치도 사용될 수 있다. 이 방법으로 백라이트 및 라이트 밸브는 공동으로 표시 영상을 생성할 수 있다. 이 표시 영상은 디퓨저(24)를 통해 투사되고, 그 결과 터치-센서식 표시면(12)에 표시된다. 적합한 표시-영상 강도를 확보하기 위해, 촬상 장치 및 디퓨저는 이들 촬상 장치 및 디퓨저에 입사하는 가시광의 상당 부분을 통상적으로 표시 영상이 보이는 방향인 적어도 터치-센서식 표시면에 수직한 방향으로 전송하도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 촬상 광학장치(20)는 상면(28) 및 하면(30)을 가지는 쐐기형 도광체(27)를 포함한다. 도 3은 하나의 예시적 쐐기형 도광체의 상세도이다. 그러나, 수많은 쐐기형 도광체의 변형례가 고려될 수 있으므로 도광체가 도 3의 태양에 제한되는 것이 아니라는 것은 이해될 것이다.
도 3을 참조하면, 쐐기형 도광체의 상호 대향하는 상하면은 일부의 실시예에서는 실질적으로 평면이고 거의 평행일 수 있으나, 여기서는 1도 이하의 각도를 이루고 있다. 특정 실시예에서, 쐐기의 각도는 예를 들면 0.72도일 수 있다. 본 명세서에서 '실질적 평면'이라 함은 표면 조도(surface roughness) 및 제조 편차가 고려되지 않는 경우 평면에 대략 일치하는 것을 말한다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 실질적 평면은 3 나노미터 이하의 평균 조도를 가질 수 있다. 이 쐐기형 도광체는 수평면 및/또는 터치-센서식 표시면(12)에 평행한 임의의 평면에 대해 대칭으로 배향될 수 있다. 그러므로, 도광체와 터치-센서식 표시면에 평행한 임의의 평면의 상면 또는 하면 사이의 교차각은 쐐기각의 1/2일 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 '쐐기형 도광체에 수직한', '촬상장치에 수직한', 및 '대향면에 수직한' 등의 어구는 터치-센서식 표시면에 실질적으로 수직한 방위를 나타낸다.
쐐기형 도광체(27)는 박육측(thinner side; 32) 및 이 박육측의 대향측인 후육측(thicker side; 34)을 구비한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 이 쐐기형 도광체는 그 후육측이 밀링가공되어 중앙의 예각에 의해 둘러싸이는 부분구(section of a sphere)가 형성된다. 이렇게 형성된 부분구의 곡률반경은 이 쐐기형 도광체가 설치될 광학 시스템(14)의 상세한 구조에 기초하여 결정될 수 있다. 특정의 실시예에서, 후육측의 두께는 박육측의 약 2배이고, 후육측의 곡률반경은 쐐기형 도광체의 길이의 약 2배이다. 일부의 실시예에서, 쐐기형 도광체의 하나 이상의 측면(예, 박육측(32) 또는 후육측(34))은 렌즈의 기능을 할 수 있고, 여기서 곡률반경은 렌즈의 초점 거리를 결정한다.
비제한적인 실시예의 후육측(34)의 상세한 단면도가 도 4에 도시되어 있다. 이 도면은 쐐기형 도광체의 후육측을 따라 수평하게 연장하는 실질적으로 평면인 다수의 절삭면(36)을 도시한다. 이들 절삭면은 일련의 수평 융기를 형성하고, 이들 융기는 연장하여 후육측의 상하측 가장자리과 만난다. 이들 절삭면은 후육측에 교대로 배치된 반사체를 형성하기 위해 반사 재료로 코팅될 수 있다. 이렇게 형성된 교호 반사체는 도광체가 설치될 광학 시스템 내에서 다양한 기능(예를 들면, 프로젝터의 영상을 배향시키거나 검출기 상에 영상을 배향시키는 기능)을 발휘할 수 있다. 비제한적 실시예에서, 27개의 절삭면을 쐐기형 도광체의 후육측에 형성하여 상호 약 849 마이크론의 간격으로 이격된 그리고 후육측의 상측 가장자리 또는 하측 가장자리로부터 약 80 마이크론 거리까지 연장하는 일련의 수평 융기를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 쐐기형 도광체의 후육측은 기타 적합한 형상 또는 외형을 가질 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 쐐기형 도광체에 기초하여 촬상장치(20)는 적어도 부분적으로 이 쐐기형 도광체의 경계면으로부터의 전반사를 통해 상호 대향하는 제1면 및 제2면 사이에서 횡방향으로 광을 전달하도록 구성될 수 있다. 물론 여기서 기술한 세부 구성 및 도 3의 세부 구성은 예시를 위해 제시된 것으로서 어떤 방식으로든 제한을 의도하는 것이 아니라는 것은 이해될 것이다.
도 2로 돌아가서, 광학 시스템(14)은 또 컴퓨터 시스템(10)에의 입력 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 도시된 광학 시스템은 검출기(38)를 포함한다. 이 검출기는 예를 들면 카메라(적외선 카메라), 디지털 카메라일 수 있다. 촬상장치(20)는 터치-센서식 표시면(12) 상에 배치되거나 접촉해 있는 하나 이상의 물체로부터의 광을 검출기 상에 안내하도록 구성될 수 있다. 이 광은 후술하는 바와 같이 다양한 근원으로부터 발생할 수 있다. 따라서, 검출기는 하나 이상의 물체의 적어도 부분적인 영상을 포착할 수 있다.
도 2는 터치-센서식 표시면(12)에 접촉해 있는 물체(40)와 이 물체로부터 투사되는 광선(42)을 도시한다. 도면에서 광선은 광학 시스템(14)의 다수의 부품을 투과하여 촬상장치(20)에 도달하는 것이 도시되어 있다. 터치-센서식 표시면으로부터 검출기(38)에 전달되는 광을 촬상하기 위해, 촬상 광학장치는 쐐기형 도광체의 반사형 후육측을 향해 광을 반사하도록 그리고 반사된 광을 검출기로 전진하는 도중에 전반사를 통해 감금하도록 구성될 수 있다. 따라서, 촬상 광학장치의 하면(30)은 다층 반사 구조(44)를 포함한다. 본 발명은 이 다층 반사 구조의 다수의 변형례를 포함한다. 예를 들면, 이 다층 반사 구조는 광이 쐐기형 도광체(27)를 통해 후방을 향하도록 하는 반사체일 수 있다.
도 5는 일 실시예의 다층 반사 구조(44)의 상세도이다. 이 다층 반사 구조는 베이스 층(46)을 포함한다. 일부의 실시예에서, 이 베이스 층은 예를 들면 300 마이크론 두께의 폴리에틸렌테트라프탈레이트(PET)의 층일 수 있다. 다른 실시예에서, 이 베이스 층은 임의의 적합한 두께의 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 이 베이스 층의 상면에는 규칙적 프리즘 구조를 가지는 패턴 층(48)이 배치되어 있고, 이 프리즘의 일면은 베이스 층에 직각이고, 그 인접 면은 베이스 층에 경사를 이루고 있다. 베이스 층에 대해 경사를 이루는 인접 면은 베이스 층에 대해 15 내지 45도의 각도, 예를 들면 28도의 각도로 배향될 수 있다. 패턴 층은 여러 가지 적합한 재료 중에서 예를 들면 아크릴 공중합체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 층(46) 및 패턴 층(48)은 시판되는 기성의 다층 필름의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 3M사(3M Corporation of Saint Paul, Minnesota)가 제조하는 이미지-디렉팅 필름(image-directing film; IDF)은 베이스 층 및 패턴 층으로 사용할 수 있는 적합한 구조의 2층 필름의 일례이다. 패턴 층의 상면에는 반사 또는 부분 반사 코팅이 배치될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 반사 또는 부분 반사 코팅은 2색성 코팅(50)을 포함한다.
2색성 코팅(50)은 임의의 적합한 방법으로 패턴 층(48)에 가해진 복수의 극박의 유전층(very thin dielectric layers)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이 2색성 코팅은 패턴 층 상에 다양한 무기산화물 또는 기타 재료의 증착 또는 스퍼터링에 의해 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 극박의 유전층은 고굴절율 및 저굴절율의 코팅이 교대로 된(예를 들면, 6층 내지 8층) 1/4 파장의 코팅일 수 있다.
종합하면, 베이스 층(46), 패턴 층(48), 및 2색성 코팅(50)은 일 실시예에서 터닝 필름(52)를 포함한다. 일부의 실시예에서, 터닝 필름이 공칭 온도 변화에 의해 변형되거나 쐐기형 도광체로부터 분리되지 않도록, 이 터닝 필름의 하나 이상의 성분은 쐐기형 도광체의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 가지도록 선택될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 터닝 필름은 별도로 제조되고, 계면층을 개재하여 다층 반사 구조의 잔존 층에 접착될 수 있다. 더욱, 일부의 실시예에서, 계면층은 접착층을 포함할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 실시예에서, 접착층(54)이 터닝 필름 상에 배치되어 있다. 이 접착층은 예를 들면, Dymax사(Dymax Corporation of Torrington, Connecticut)로부터 입수할 수 있는 Dymax 3091 또는 Dymax 3099와 같은 폴리아크릴 접착제 및/또는 자외선 경화성 접착제일 수 있다. 이 접착층은 터닝 필름을 클래드 층(56)에 접착시키는 역할을 한다. 이 것에 대해서는 이후에 상술한다. 본 발명과 완전히 일치하는 다른 실시예에서, 프리즘 패턴 층은 봉입층 내에 봉입된 다음 Adhesives Research사(Adhesives Research, Inc., of Glen Rock, Pennsylvania)의 Product 8154와 같은 전달 접착제를 사용하여 쐐기형 도광체에 접착될 수 있다. 2색성 코팅을 일부의 터닝 필름에 포함시키거나 생략시킬 수 있다는 것은 이해될 것이다. 이 2색성 코팅은 예를 들면 촬상 광학장치 또는 표시 광학장치가 적외광으로부터 가시광을 분리하도록 또는 상이한 방법으로 분리하도록 구성되지 않은 실시예의 경우에는 생략될 수 있다. 2색성 코팅이 생략된 터닝 필름에서, 광대역 반사 코팅은 후술되는 바와 같이 치환될 수 있다.
도 5에서, 클래드 층(56)은 박층의 재료를 포함한다. 일부의 실시예에서, 이 클래드 층은 후술되는 바와 같이 쐐기형 도광체(27) 상에 코팅으로서 도포될 수 있다. 클래드 층을 포함하는 재료 또는 복수의 재료는 특정한 물리적 특성의 관점에서 선택될 수 있다. 첫째, 이 클래드 층은 적어도 후술되는 두께의 범위 내에서 촬상 광학장치(20)가 전달하도록 된 광에 대해 실질적 비흡수성 및 실질적 비산란성을 가질 수 있다. 둘째, 공칭 온도 변화에 의해 클래드 층에 균열이 발생하거나 클래드 층이 쐐기형 도광층으로부터 분리되지 않도록, 이 클래드 층은 팽창 변형 및 압축 변형에 대해 실질적 회복력을 가질 수 있다. 셋째, 이 클래드 층은 쐐기형 도광체 재료의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 예를 들면, 쐐기형 도광체가 1.492의 굴절율을 가지는 경우, 클래드 층은 1.1 내지 4 범위의 굴절율을 가질 수 있다. 이 클래드 층을 위해 사용될 수 있는 재료의 특수한 예는 실리콘 중합체(n ~ 1.38) 및 불소중합체(n ~ 1.33)을 포함한다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 따라서, 일부의 특정 실시예에서, 클래드 층은 예로서 Teflon AF (EI DuPont de Nemours & Co. of Wilmington, Delaware), Cytop (Asahi Corporation of Tokyo, Japan), MY- 133 (MY Polymers Corporation of Rehovot, Israel), 또는 LS-233 (Nusil Corporation of Carpinteria, California)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 이 클래드 층은 모스-아이(moth-eye) 층, 예를 들면 광학재료(예, 아크릴, n ~ 1.492)의 전형적인 굴절율을 가지는 그러나 공기를 함유하는 일련의 서브 파장 특징이 포함된 재료의 층을 포함할 수 있다. 그 결과 얻어지는 층은 낮은 효율적인 굴절율을 가지게 된다. 에어로겔 및 발포체와 같은 미세다공(microporous) 재료는 불균일한 기포를 포함하고, 이 기포가 관심 대상물의 파장 보다 실질적으로 작은 경우 동일한 기능을 발휘할 수 있다. 넷째, 이 클래드 층은 계면층(본 실시예에서는 접착층(54))의 재료의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 따라서, 계면층의 굴절율은 일부의 실시예에서 쐐기형 도광체의 굴절율과 일치될 수 있다. 본 명세서에서 굴절율의 차이가 ±2% 이하일 때 굴절율이 '일치된다(matched)'고 한다. 클래드 층과 쐐기형 도광체의 상대 굴절율로 인해, 촬상 광학장치는 클래드 층(도시된 실시예에서는 하면(30))의 경계로부터 전반사를 통해 적어도 부분적으로 쐐기형 도광체의 대향하는 제1면 및 제2면 사이에서 횡방향으로 광을 전송하도록 구성될 수 있다.
다층 반사 구조(44)는 백라이트(18)(예를 들면, 광선(26))로부터 촬상 광학장치를 투과하는 광과 최소로 상호작용하도록 구성될 수 있다. 이 상호작용이 방지되는 이유는 2색성 코팅(50)이 가시광에 대해 실질적으로 투명하고, 또 백라이트로부터 투사되는 광이 전반사를 일으키지 않을 정도의 매우 작은 각도(경계면의 법선에 대해 측정된 각도)로 다층 반사 구조의 다수의 계면과 상호 작용하기 때문이다. 도 6은 IDF 필름의 패턴측에 가해진 2색성 코팅의 투과 스펙트럼 및 반사 스펙트럼을 도시한 것으로서, 수직축에는 투과율/반사율 백분율이 표시되어 있고, 수평축에는 파장이 나노미터 단위로 표시되어 있다. 이 투과 스펙트럼(점선의 곡선)은 대략 450 내지 700 nm의 가시파장 범위의 비교적 높은 투과율을 나타낸다. 또, 도 7의 광로도는 적절히 낮은 입사각으로 다층 반사 구조를 횡단하는 가시광(예를 들면, 광선(26))이 이 다층 반사 구조를 직접 투과하는 것을 도시한다.
대조적으로, 다층 반사 구조(44)는 터치-센서식 표시면(12) 상에 배치되는 하나 이상의 물체로부터 방출되는 적외광(예를 들면, 광선(42))과 상당한 정도로 상호작용할 수 있다. 적외광과의 강력한 상호작용의 결과 2색성 코팅(50)은 도 6에서 반사율 스펙트럼(일점쇄선 곡선)이 보여주는 바와 같이 적외광에 대해 상당한 반사성을 가지게 된다.
도 8은 예를 들면 임의의 경계면에 대해 스넬 법칙(Snell's Law)의 임계각 미만의 각도로 촬상 광학장치(20) 내로 투사되는 광선(42)을 도시한다. 그 결과, 실질적으로 모든 광선이 쐐기형 도광체(27), 클래드 층(56), 및 접착층(54)을 통해 굴절된다. 2색성 코팅(50)은 적외광 반사성을 가지므로, 적외광은 검출기(38)을 향해 반사된다. 따라서, 도 8은 클래드 층(56) 상에 입사하는 반사 광선(58)을 도시한다.
물체(40)으로부터 방출되는 임의의 광이 검출기(38)에서 촬상되도록 하기 위해, 광은 하나 이상의 계면을 통해 굴절에 의해 촬상 광학장치(20) 내로 투사되어야 한다. 그러나, 각 경계면에서도 반사가 발생한다. 따라서, 도 8은 광선(58)이 굴절 광선(60)과 반사 광선(62)으로 분할되는 것을 도시한다. 굴절 광선(60)은 또 전진 광선(64) 및 간섭 광선(66)으로 분할된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 접착층(54)과 쐐기형 도광체(27)의 동등한 굴절율은 간섭 광선(66)의 강도가 반사 광선(62)의 강도와 거의 동일해지게 하는데 도움이 될 수 있다. 더욱, 상기 2개의 광선을 분리하는 위상각은 클래드 층의 두께 및 반사 광선(58)이 클래드 층과 상호작용하는 각도에 의해 결정된다. 위상각이 π M(여기서, M은 임의의 홀수의 정수)인 경우, 상기 2개의 광선은 파괴적으로 간섭하고, 그 결과 반사력(reflected power)을 제거하고 전진력(forward power)을 최대화한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 클래드 층의 두께는 이와 같은 위상각을 제공하도록 선택될 수 있다. 이 방법으로, 촬상 광학장치는 경계면에 대해 스넬 법칙의 임계각 미만의 각도(경계면의 법선에 대해 측정된 각도)로 클래드 층의 경계면 상에 입사하는 광의 반사를 감쇄시키도록 구성될 수 있다. 특히, 중간 파장(λ)을 가지는 광을 감쇄시키기 위해, 클래드 층의 두께(d)는 클래드 층을 관통하는 광로가 대략 중간 파장의 1/2이 되도록 선택될 수 있다:
Figure 112011093707260-pct00001
(식 1)
여기서, n2는 클래드 재료의 굴절율이고, θ는 계면의 법선에 대한 전파각(propagation angle)이다. 일 실시예에서, 클래드 층의 전파각이 70도, 파장이 850 nm, 굴절율이 1.33인 경우 클래드 층의 두께는 1.9 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, 클래드 층의 두께는 위에서 정의된 d 값의 홀수 정수배(예를 들면, 3d, 5d, 7d)일 수 있다. 식 1은 쐐기형 도광체와 클래드 층 사이의 접촉면에서의 전반사를 위한 스넬 법칙의 임계각(θc) 미만의 임의의 범위의 전파각에 대해 유효하다. 즉,
Figure 112011093707260-pct00002
(식 2)
여기서 n1은 쐐기형 도광체 재료의 굴절율이다. 그러나, 적합한 클래드 층의 두께를 선택하기 위해, 식 1의 θ값은 θc로 설정될 수 있다. 따라서, 예시적인 클래드 층의 두께는
Figure 112011093707260-pct00003
(식 3)
여기서 M은 임의의 홀수 정수이다. 따라서, 하나의 비제한적 실시예에서,
Figure 112011093707260-pct00004
(식 4)
이들 예시에서, 그 두께 허용오차는 예를 들면 ±10% 또는 ±5%일 수 있다.
전진 광선(64)는 쐐기형 도광체(27)를 투과하여 스넬 법칙의 임계각보다 큰 각도로 상면(28)에 도달하여 하면(30)으로 반사될 수 있다. 이 지점에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 전진 광선은 임계각보다 큰 각도로 클래드 층(56)을 횡단하고 검출기(38)를 향해 내면 반사될 수 있다. 물체(40)로부터 방출된 광은 다수회의 내면 반사 후 촬상 광학장치로부터 투사되어 검출기에 의해 촬상될 수 있다.
도시된 실시예의 이점을 더욱 잘 이해하기 위해서는 쐐기형 도광체(27) 상에 클래드 층이 배치되지 않은 다른 유사한 구조를 고려하면 도움이 된다. 예를 들면, 쐐기형 도광체와 적합한 반사 구조의 사이에 공기층이 배치될 수 있다. 이와 같은 구조는 전술한 기본적인 기능을 발휘할 수 있지만 적어도 3가지 관련된 문제를 나타낸다. 첫째, 광이 반사 구조로부터 쐐기형 도광체 내로 투사되는 중에 반사로 인해 영상 강도가 현저히 손실될 수 있다. 이와 같은 감쇄는 영상 검출을 위한 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있다. 특히, 반사 구조로부터 방사되는 광은 전술한 파괴적 간섭성 반사 대신 도광체의 하부 경계면에서 단일의 강도-탈취 반사(intensity-stealing reflection)를 수행한다. 그 결과, 전진력(forward power)이 상당히 손실될 수 있고, 따라서 검출기에 제공되는 영상 강도가 감소될 수 있다. 둘째, 진행광선의 감쇄는 입사광의 편광 상태에 민감할 수 있다. 이 효과는 촬상 대상의 물체의 형태 및 재료 특성에 따라 원하지 않는 영상 강도의 변화를 유발시킬 수 있다. 셋째, 반사광이 다른 위치에서 또는 다른 입사각으로 도광체에 재진입해야 하는 경우, 검출기는 소망의 영상 위에 중첩된 고스트 영상(ghost image)을 등록할 수 있다.
2개의 고굴절율 영역들 사이에 조절된 두께의 클래드 층(56)을 개재시키면 전술한 결점들에 대처할 수 있다. 이 구조적 특징이 제공하는 이점은 입사각의 함수로서 도광체의 경계면을 투과하는 투과율의 그래프를 도시하는 도 10에서 더욱 강조된다. 상측의 그래프(68)는 클래드가 없는 도광체(PMMA, n = 1.49)에 대한 것이고; 하측의 그래프(70)는 Nusil LS2233 (n = 1.33)의 약 3.5 파장-두께 클래드 층 및 그 클래드 층 상에 배치되는 접착제(n = 1.49)의 층을 구비하는 동일 도광체에 대한 것이다. 투과율은 S 및 P 편광상태의 550 nm 광을 이용하여 조사되었다. 이들 그래프로부터 개재된 클래드 층은 반사율을 감소시켜줌으로써 전체적인 투과율을 증가시키고, 또 클래드가 없는 도광체의 경계에 대한 투과율의 편광 감수성을 감소시켜 준다는 것이 명확해진다.
전술한 바와 같이, 터치-센서식 표시면 상에 배치되는 하나 이상의 물체로부터 방사되는 광은 다양한 광원으로부터 발생시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 광은 물체로부터 발광될 수 있다. 그러나, 도 2에 도시된 실시예에서는 광이 물체의 확산 조명에 의해 제공되고, 터치-센서식 표시면을 통해 반사된다. 따라서, 도 2는 적외선 발광체(72)(예, 적외광 발광 다이오드) 및 조명광 도광체(74)를 도시한다. 도 2에 도시된 구조에서, 조명용 도광체는 터치-센서식 표시면의 후면으로부터 하나 이상의 물체를 조명하도록 구성된다. 이 조명용 도광체는 하나 이상의 입사 구역(76)으로부터 적외광을 받아들인 후 방사 구역(78)으로부터 적어도 일부의 적외광을 방사하도록 구성되는 임의의 광학장치일 수 있다. 조명용 광학장치의 입사 구역 및 방사 구역은 각각 터닝 필름 또는 기타 반사 구조를 포함할 수 있다. 적외광 발광체로부터 광을 수광하고 동시에 소망의 광반사 기능을 제공하도록 하기 위해, 상기 입사 구역 및 방사 구역과 결합된 반사 구조는 각각 상이하게 배향될 수 있다. 또, 방사 구역은 FusionOptix사(FusionOptix of Woburn, Massachusetts)에서 제조되는 ADF-0505와 같은 저각(low-angle) 디퓨저 필름을 포함할 수 있다. 이 저각 디퓨저 필름은 그래이징 각(grazing angle)으로 표시면(12) 상에 입사하는 광을 커플 아웃(couple out)하여 촬상 광학장치(20)에 의해 촬상되지 않게 하기 위해 포함시킬 수 있다. 더 구체적으로는 LED 어레이로부터 발광하는 광은 조명용 도광체 내의 TIR에 의해 포획될 수 있고, 저각 디퓨저 필름에 의한 약한 디퓨전에 의해 광선의 각도는 조명용 도광체 내에서 산란된다. 각 상호반응시 일부의 광은 TIR 각을 통과하여 탈출한다. 광은 상면에서 1/2이 그리고 하면에서 1/2이 탈출할 수 있으나 상면으로부터 탈출하는 광만이 물체의 조명에 이용된다.
도 2는 예를 들면 적외광선(80)이 입사 구역(76)을 통해 조명용 도광체(74) 내에 진입하고, 이 진입 구역의 반사 구조를 통해 반사되고, 조명용 도광체의 경계에서 내면반사되는 것을 도시한다. 내면반사는 스넬 법칙의 임계각 보다 큰 각도로 경계면에 입사하는 도시된 광선에 의해 유발된다. 전방으로 계속 진행하는 도시된 광선은 방사 구역(78)의 반사 구조와 상호작용하고, 그 방사 구역으로부터 실질적으로 상방으로 반사된다. 도시된 광선의 적어도 일부는 전반사되는 대신 조명용 도광체의 경계를 통해 방사된다. 이것은 도시된 광선이 임계각 미만의 각도로 경계에 입사하기 때문이다.
도 2에 도시된 실시예에서, 조명용 도광체(74)의 방사 구역(78)은 평면으로서 터치-센서식 표시면(12)에 실질적으로 평행하다. 이 구조에서, 방사 구역으로부터 투사되는 광은 디퓨저(24)를 통과하여 터치-센서식 표시면에 접촉해 있는 물체(40)를 조명할 수 있다. 그러나, 수많은 다른 조명 구조가 가능하고, 이들 조명 구조는 모두 본 발명과 모순되지 않는 것임은 이해될 것이다.
도 11은 일 실시예의 예시적 입력장치(82)를 도시한 것이다. 이 입력장치는 사용자의 입력을 수신하는 입력 구역(84)을 포함한다. 사용자 입력은 입력 구역(예를 들면, 가상 키패드, 마우스 패드, 또는 제어 패드)의 터치-센서식 영역 및/또는 기계식 키보드를 통해 수신될 수 있다. 입력 구역의 후방에 배치되는 광학 시스템(86)은 입력 구역에 입력 및/또는 입력 안내 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이 광학 시스템은 개략도로 도시된 컨트롤러(1116)에 연동 상태로 결합될 수 있다. 도 11은 입력장치의 (예를 들면, 입력장치가 부착되는 컴퓨터 장치에 의해 제어되도록 하기 위한) 외부의 컨트롤러를 도시하고 있으나, 이 컨트롤러는 본 발명과 모순되지 않는 실시예에서는 입력장치 내에 일체화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일 실시예에서, 이 광학 시스템은 입력 구역의 전부 또는 일부를 조명하도록 그리고 터치-센서식 표시면(12)을 참조하여 실질적으로 기술된 바와 같은 그 입력 구역 상에 배치되는 물체로부터 반사되는 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 입력 구역의 입력 기능은 예를 들면 용량성 또는 저항성 터치스크린 및/또는 기계식 키스위치를 통해 광학 시스템으로부터 독립시킬 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서, 입력 구역(84)은 영상-적합(image-adapted) 영역(88)을 포함한다. 이 영상-적합 영역은 사용자의 입력을 안내하기 위한 하나 이상의 가변 영상(키페이스, 다이얼, 슬라이드-바 컨트롤, 등)이 표시될 수 있는 영역이다. 따라서, 광학 시스템(86)은 영상-적합 영역 상에 하나 이상의 가변 영상을 표시하도록, 그리고 그 결과 입력 구역에 입력-안내 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 모순되지 않는 다른 실시예에서, 이 영상-적합 영역은 다수의 상호 중첩되지 않는 구획인 입력 구역을 점유하거나, 또는 전체 입력 구역과 일치할 수 있다.
도 12는 일 실시예의 광학 시스템(86)과 입력 구역(84)의 개략 횡단면도이다. 이 광학 시스템은 측면 장착된 광원(89), 표시 광학장치(1220), 및 라이트 밸브(1222)를 포함하고, 입력 구역은 영상-적합 영역(88) 내에 배치되는 부분투명 키페이스(90)를 포함한다.
이전의 실시예에서와 마찬가지로, 라이트 밸브는 임의의 영상 형성, 라이트-게이트 장치(예를 들면, 액정표시장치)일 수 있다. 측면 장착된 광원(89)은 적합한 광역 가시파장 범위에 걸친 적합한 강도의 발산광을 제공하도록 구성되는 임의의 조명장치일 수 있다. 도 12에 도시된 실시예에서, 측면 장착된 광원으로부터 발광된 광(예를 들면, 광선(91))은 표시 광학장치(1220)을 통해 투사되고, 라이트 밸브(1222)의 복수의 라이트-게이트 소자에 의해 변조됨으로써 영상-적합 영역(88) 및 특히 키페이스(90)에 변조된 영상을 제공한다.
종합하면, 측면 장착된 광원(89) 및 라이트 밸브(1222)는 하나의 예시적 실시예에서 영상-생성 서브시스템을 구성한다. 이 영상-생성 서브시스템은 광원(예를 들면, 측면 장착된 광원(89))으로부터 발광되는 광을 이용하여 가변성 가시 영상을 생성하도록 그리고 키페이스(90)이나 영상-적합 영역(88) 내의 다른 부분에 가변성 가시 영상을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이 영상-생성 서브시스템은 컨트롤러(1116)에 연동가능하게 결합될 수 있다. 또, 표시 광학장치(1220)는 가시 영상이 키페이스(90) 상이나 영상-적합 영역 내의 다른 부분에 표시될 수 있도록 광원으로부터 발광된 광을 반사 및 투사하도록 구성될 수 있다. 도 12에 도시된 실시예에서, 표시 광학장치(1220)는 가시광을 라이트 밸브를 통해 영상-적합 영역 상에 입사하도록 구성될 수 있다.
본 발명과 동일하게 일치하는 다른 실시예에서, 기타 구성의 영상-생성 서브시스템이 대신 사용될 수 있다. 예를 들면, 라이트 밸브는 완전히 형성된 영상이 표시 광학장치(1220)를 통해 영상-적합 영역(88) 상에 투사되도록 측면 장착된 광원 내에 결합될 수 있다. 또 다른 예에서, 이 영상은 컨트롤러(1116)에 연동가능하게 결합된 그리고 표시 광학장치 내에 간섭성의 영상-변조된 광을 래스터(raster)하도록 구성된 레이저를 통해 생성될 수 있다.
도 12에 도시된 실시예에서, 입력 기능은 예를 들면 용량성 또는 저항성 터치스크린 및/또는 기계식 키스위치를 통해 광학 시스템(86)으로부터 독립적으로 제공되는 것을 전제로 한다. 그러므로, 도면에는 검출기나 기타 입력-수신 장치가 포함되어 있지 않다. 그러나, 본 발명에 모순되지 않는 일부의 실시예에서, 이 광학 시스템은 광학 시스템(14)과 관련하여 기술된 바와 같이 역시 입력 기능을 제공하도록 구성될 수 있다.
영상-적합 영역(88)에 영상을 제공하기 위해, 표시 광학장치(1220)는 전반사를 통해 광을 투사하도록 그리고 영상-적합 영역을 향해 적어도 일부의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 표시 광학장치는 상면(1228) 및 하면(1230)을 구비하는 쐐기형 도광체(1227)를 포함한다. 다층 반사 구조(1244)는 하면 상에 배치된다. 도시된 실시예에서, 쐐기형 도광체는 상하면에 인접하고 반사 코팅(92)을 지지하는 후육측 및 상하면에 인접하고 상기 후육측에 대향하는 박육측을 더 포함한다. 이 구성의 표시 광학장치에 결합되는 영상-생성 서브시스템은 쐐기형 도광체의 박육측 내에 영상을 형성하기 위한 광을 투사하도록 구성될 수 있다.
도 13은 다층 반사 구조(1244)의 상세도를 제공한다. 일 실시예에서, 다층 반사 구조(1244)는 전술한 다층 반사 구조와 실질적으로 동일하지만 수많은 변형도 고려된다. 예를 들면, 표시 광학장치의 법선 방향으로의 광의 전송이 문제가 되지 않는 실시예에서, 전술한 실시예의 2색 코팅(50)은 광대역 반사 코팅에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 도 13에 도시된 실시예는 패턴 층(1348)의 상면에 배치되는 광대역 반사 코팅(93)을 보여준다. 일 실시예에서, 그 광대역 반사 코팅은 알루미늄 박층일 수 있다. 다른 실시예에서, 그 광대역 반사 코팅은 인코넬 저층(inconel sublayer)의 상면에 배치되는 은의 박막일 수 있다. 기타 다양한 반사 코팅도 적합할 수 있으므로 본 명세서에 제공된 예시들은 한정의 의도를 가지지 않는다는 것이 이해될 것이다. 다층 반사 구조(1244)는 전술한 실시예와 대조적으로 가시 범위 및 적외선 범위를 포함하는 광파장 범위(broad wavelength range)에 걸친 광과 강력하게 상호작용하도록 구성될 수 있다.
도 14는 쐐기형 도광체(1227)와 클래드 층(1356)의 경계에 대해 스넬 법칙의 임계각보타 큰 각도로 표시 광학장치(1220) 내에 입사하는 광선(91)을 도시한 것으로, 이 광선은 전반사된다. 상면(1228)에 도달한 광선은 다시 하면(1230)으로 반사된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 광선(91)은 임계각 미만의 각도로 쐐기형 도광체와 클래드 층의 경계를 횡단하여 도광체의 외부로 굴절될 수 있다. 그 결과 이 광선은 광대역 반사 코팅(93)으로부터 반사되고, 표시 광학장치를 통해 상방으로 투사되고, 영상-적합 영역(88) 및 특히 키페이스(90) 상에 영상을 형성한다.
측면 장착된 광원(89)로부터 반사된 임의의 광이 영상-적합 영역(88)에 도달하도록 하기 위해, 이 광은 굴절에 의해 쐐기형 도광체(1227)로부터 방사될 수 있다. 그러나, 반사는 광선이 횡단하는 각 경계면에서도 발생할 것이다. 따라서, 도 15는 굴절 광선(1560) 및 반사 광선(1562)으로 분할되는 광선(91)을 도시한다. 굴절 광선(1560)은 더욱 전진 광선(1564) 및 간섭 광선(1566)으로 분할된다. 도 15에 도시된 실시예에서, 접착층(1354)과 쐐기형 도광체(1227)의 동일한 굴절율은 간섭 광선(1566)의 강도가 반사 광선(1562)의 강도와 거의 동일해지도록 하는데 도움을 줄 수 있다. 더욱, 상기 2개의 광선을 분리하는 위상각은 클래드 층(1356)의 두께 및 광선(91)과 이 클래드 층의 교차각도에 의해 결정된다. 그러므로 클래드 층의 두께는 전술한 바와 같이 반사력을 제거하도록 그리고 전진력을 최대화하도록 선택될 수 있다.
전술한 실시예의 경우에서와 같이, 본 실시예의 이점은 쐐기형 도광체 상에 클래드 층을 배치하지 않은 다른 유사한 구성을 참조하면 더욱 이해하기 쉽다. 이와 같은 구성은 광학적으로 반대이지만 유사한 다수의 문제점을 가진다. 첫째, 임계 입삭각 미만인 잔여의 내면반사에 의해 상당한 양의 광이 쐐기형 도광체 내에 잔류하게 되고, 그 결과 방사하는 전진 광선으로부터 강도 탈취가 발생한다. 그 결과, 영상-적합 영역(88) 상에 투사된 영상의 강도가 감쇄된다. 둘째, 이 강도의 감쇄는 입사광의 편광상태에 민감하므로 광학 시스템의 형태 및 재료 특성에 따라 영상 강도의 변화를 유발한다. 셋째, 전술한 잔여의 내면반사에 의해 도광체 내에 잔류하는 광은 추가로 반사된 후에 방사되므로 소망의 영상 위에 중첩되는 고스트 영상을 형성한다.
도시된 실시예는 표시 광학장치(1220) 상에 클래드 층(1356)을 제공하는 것에 의해 전술한 각 결점들을 해결하기 위해 대처한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 클래드가 있는 도광체 및 클래드가 없는 도광체는 모두 도광체의 경계에 임계각 이상으로 입사하는 광은 전반사시키고, 그 경계에 임계각 미만으로 입사하는 적어도 일부의 광은 굴절시킨다. 그러나, 박층의 코팅을 가지는 도광체의 경우 임계각은 파장에 의존할 수 있다. 전파하는 광이 좁은 파장 대역(예를 들면, IR-LED로부터 발광되는 광)에 제한되는 경우, 이것은 심각한 문제가 되지 않는다. 그러나, 도광체가 광대역의 광을 촬상하기 위해 사용되는 적용분야에서, 파장의 임계각 의존성은 색상 왜곡 및 중첩된 착색상의 투사를 포함하는 다양한 부작용의 원인이 될 수 있다. 다행히, 본 명세서에 기술된 바와 같은 클래드 층은 파장에 대해 적절하게 불감성이라는 것이 밝혀졌다. 이것은 가시파장에 대한 투과 효율을 수직축에 표시하고 입사각을 수평축에 표시한 도 16의 투과 스펙트럼에 도시되어 있다.
다른 실시예에서, 전술한 바와 같은 박층의 클래드 방법은 진일보한 것일 수 있다. 대향하는 상면 및 하면을 가지는 쐐기형 도광체를 포함하는 표시 광학장치에서 클래드 층은 전술한 바와 같이 하면 상에 배치될 수 있고, 상면에도 배치될 수 있다. 이하, 이 실시예의 이점을 도 17의 광로도를 참조하여 기술한다.
도 17에 도시된 표시 광학장치의 적층 구조는 도 14 및 도 15에 도시된 것과 유사하지만 상면의 클래드 층(94) 및 캐핑 층(capping layer; 95)을 더 포함한다. 상면 클래드 층의 적합한 조성 및 두께는 전술한 클래드 층(56)의 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 상면 클래드 층은 본 실시예의 클래드 층(1756)의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지도록 선택될 수 있다. 캐핑 층은 쐐기형 도광체(1727)의 굴절율과 일치하는 굴절율을 가지는 임의의 적합한 투명 재료를 포함할 수 있다.
도 17은 쐐기형 도광체(1727)와 클래드 층(1756) 사이의 경계를 이 경계에 대한 임계각 미만의 각도로 횡단하는 광선(91)을 도시한다. 그러므로, 대부분의 광은 도광체의 외부로 굴절되고, 이곳에서 광대역 반사 코팅(1793)으로부터 반사되고, 표시 광학장치를 통해 상방으로 투사되어 영상을 형성한다.
위에서 지적한 바와 같이, 반사는 광선들이 교차하는 각 경계에서도 발생한다. 따라서, 도 17은 광선(91)이 굴절 광선(1760) 및 반사 광선(1762)으로 분할되는 것을 보여준다. 굴절 광선(1760)은 또 전진 광선(1764) 및 간섭 광선(1766)으로 분할된다. 도 17에 도시된 실시예에서, 접착층(1756)과 쐐기형 도광체(1727)의 굴절율이 동일하므로 간섭 광선(1566)의 강도가 반사 광선(1562)의 강도와 거의 동일해진다. 더욱, 2개의 광선을 분리시키는 위상각은 클래드 층(1756)의 두께 및 광선(91)과 클래드 층의 교차각도에 의해 결정된다. 그러므로 클래드 층의 두께는 전술한 바와 같이 반사력을 감쇄시키도록 그에 따라 전진력을 증가시키도록 선택될 수 있다.
또 위에서 지적한 바와 같이, 반사 광선(1762)과 간섭 광선(1766) 사이의 파괴적 간섭에 의해 반사 광선의 전진력이 작은 비율(예를 들면, 10%)의 전진 광선까지 감소될 수 있으나, 이 수준의 반사는 일부의 선택된 적용분야에서는 여전히 문제가 될 수 있다. 그러므로, 도 17은 쐐기형 도광체(1727)와 상면 클래드 층(94) 사이의 경계에 입사하는 반사 광선(1762)을 도시한다. 이 반사 광선은 여기서 반사 광선(96)과 굴절 광선(97)으로 분할된다. 굴절 광선(97)은 더욱 탈출 광선(98)과 간섭 광선(99)으로 분할된다. 캐핑 층(95)의 굴절율과 쐐기형 도광체(1727)의 굴절율이 동일한 것은 반사 간섭 광선(97)의 강도는 간섭 반사 광선(99)의 강도와 거의 동일해지는데 도움이 된다. 더욱, 2개의 광선을 분리하는 위상각은 상면 클래드 층(94)의 두께와 광선(91)과 상면 클래드 층의 교차각도에 의해 결정된다. 그러므로 상면 클래드 층의 두께는 전술한 바와 같이 반사력을 제거하도록 그리고 탈출력을 최대화하도록 선택될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 하나가 아닌 두 단계의 파괴적 간섭을 제공하는 것이고, 그 효과는 표시 광학장치를 통해 투사되는 고스트 영상의 강도를 더 감소시켜주는 것이다.
도 18은 일 실시예의 촬상 광학장치 또는 표시 광학장치의 예시적 제조방법(100)을 도시한다. 이 방법은 대향하는 상면 및 하면을 가지는 쐐기형 도광체가 형성되는 단계 102로부터 개시된다. 이 쐐기형 도광체는 임의의 적합한 방법으로 제조될 수 있다. 쐐기형 도광체를 제조하기 위한 하나의 예시적 방법(104)이 도 19에 도시되어 있다.
이 방법(104)는 용융상태의 열가소성 중합체 또는 기타 열가소성 재료를 사각형 또는 기타 적합한 단면을 가지는 압출 금형을 통해 가압하는 단계 106으로부터 개시된다. 열가소성 중합체는 예를 들면 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 및/또는 폴리카보네이트를 포함할 수 있다. 열가소성 재료는 하나 이상의 가시 파장, 자외선 파장 및/또는 적외선 파장 범위에서 투명하도록 선택될 수 있다. 도광체가 광학 영상의 표시 및/또는 촬상만을 위해 사용되는 실시예에서, 가시 범위의 투명도는 충분할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 열가소성 중합체는 다양한 적외선 범위 및/또는 자외선 범위의 투명도를 위해 선택될 수 있다. 더욱, 이 열가소성 재료는 굴절율의 관점에서 선택될 수 있다. 일부의 실시예에서, 이 열가소성 재료는 고체 형태에서 1.4보다 큰 굴절율을 가질 수 있다.
사각형 단면을 가지는 금형을 통해 용융상태의 열가소성 중합체를 가압시켜주면 한 쌍의 대향면과 사각형 단면을 가지는 실질적으로 쐐기형상인 압출물이 생성된다. 다른 실시예에서, 금형의 형상은 상이할 수 있고, 그 결과 상이한 형상의 압출물이 제공될 수 있다. 예를 들면, 압출 금형은 장방형으로서 판상(즉, 장방형 프리즘)의 압출물을 생성할 수 있다.
도 19에서, 방법(104)은 단계 108로 진행한다. 이 단계에서 냉각된 압출물이 하나 이상의 고정 치수로 절단된다. 고정된 폭을 포함하지만 한정되지는 않는다. 압출물은 톱이나 연마기(mill)를 이용하여 절단될 수 있다. 압출물의 절단 치수는 도광체가 설치될 표시장치의 치수에 기초하여 선택될 수 있다.
방법(104)는 단계 110으로 진행한다. 이 단계에서 절단된 압출물은 후속공정을 위한 적절한 형상 및 적절한 치수로 정밀가공된다. 일부의 실시예에서, 적절한 형상은 도광체의 소망의 최종 형상과 유사한 형상일 수 있고, 적절한 치수는 소망의 최종 치수와 동일하거나 이보다 약간 큰 치수일 수 있다. 압출물의 정밀가공은 예를 들면 기계가공, 절단, 밀링, 에칭, 및/또는 연마를 포함할 수 있다. 에칭은 습식 또는 건식 기계적 에칭(예, 샌딩 또는 파일링) 및/또는 화학적 에칭을 포함할 수 있다. 임의의 에칭 공정은 에칭의 깊이를 제어가능한 방식으로 변화시켜 표면 특성 등을 도입하기 위해 마스크(예, 포토마스크)를 이용하여 수행될 수 있다.
압출물의 정밀가공 단계 110은 압출물의 단면 변경단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 일부의 실시예에서 단계 106에 의해 소망의 쐐기형상을 가지는 압출물이 형성될 수 있으나, 다른 실시예에서 압출물은 장방형의 판상으로 형성된 후, 후속단계 110에서 소망의 쐐기형상을 가지도록 정밀가공될 수 있다.
이 쐐기형 도광체가 고충실도를 가지는 그리고 과도한 손실이 없는 영상을 전송하도록 하기 위해, 대향면은 평활(flat and smooth)하게 구성될 수 있다. 일부의 실시예에서, 전술한 방법은 적절한 평활도를 가지는 평면을 형성할 수 있다. 그러나 다른 실시예에서, 정밀가공 단계 110은 소망의 평면성(planarity) 및 평활도(smoothness)가 달성될 때까지 쐐기형 도광체의 치수를 미세하게 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 치수는 전술한 바와 같이 기계적 에칭이나 연마, 압축성형, 또는 임의의 다른 적합한 방법을 통해 미세조절이 가능하다.
도 18로 돌아가서, 방법(100)은 단계 112로 진행한다. 이 단계에서 얇은 클래드 층이 쐐기형 도광체의 적어도 제1면에 가해진다. 이 방법에 따라 가해진 얇은 클래드 층은 전술한 실시예의 클래드 층(56, 1356, 및/또는 1756)에 대해 기술된 것과 실질적으로 동일한 특성을 가질 수 있다. 그러나, 이 방법에 따라 가해진 클래드 층은 적어도 부분적으로 상이한 것일 수도 있다. 따라서, 이 클래드 층은 쐐기형 도광체의 굴절율 미만의 굴절율을 가질 수 있다. 이 굴절율은 예를 들면 1.4 미만일 수 있다. 또, 이 클래드 층의 두께는 식 1 및 식 1에 대한 설명을 참조하여 전술한 바와 같은 촬상 및/또는 표시될 광의 파장범위에 기초하여 선택될 수 있다.
일부의 실시예에서, 쐐기형 도광체의 적어도 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 적어도 제1면에 액상 또는 겔상의 클래드 제제(formulation)를 도포하는 단계 및 적어도 일부의 액상 또는 겔상의 클래드 제제를 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 액상 또는 겔상의 클래드 제제는 경화된 후 쐐기형 도광체의 것보다 낮은 굴절율을 가지도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 액상 또는 겔상 클래드 제제는 불소중합체 분산체 또는 예비중합된 불소중합체 전구체를 포함할 수 있다. 적어도 일부의 액상 또는 겔상 클래드 제제를 경화시키는 단계는 이하에서 더욱 설명되는 바와 같이 경화과정을 열적으로 또는 광화학적으로 촉진하는 단계를 포함할 수 있다. 불소중합체 전구체와 같은 중합체 전구체가 클래드 제제 내에 포함되는 실시예에서, 경화단계는 중합 공정 또는 올리고머화 공정을 포함할 수 있다.
일부의 실시예에서 액상 또는 겔상의 클래드 제제는 100% 고형 제제를 포함할 수 있고, 다른 실시예에서 상기 제제는 클래드 재료 또는 그 전구체의 분산을 돕기 위한 용매 또는 기타 담체를 포함할 수 있다.
이들 실시예 및 기다른 실시예에서, 액상 또는 겔상 클래드 제제는 자외선 경화성 성분을 포함할 수 있다. 따라서, 방법(100)은 자외선 경화성 성분의 경화를 위해 자외선을 쐐기형 도광체의 적어도 제1면에 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
사용되는 특정의 액상 또는 겔상 클래드 제제에 따라 다양한 도포 방법이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 이 제제는 에어로졸의 형태로 쐐기형 도광체의 적어도 제1면 상에 분사될 수 있다. 이 방법의 변형례에서, 액상 또는 겔상 클래드 제제는 그 분사공정 중에 초음파 분산될 수 있다.
또 하나의 실시예에서, 액상 또는 겔상 클래드 제제를 도포하는 단계는 쐐기형 도광체를 액상 클래드 제제 내에 적어도 부분적으로 침지하는 단계를 포함할 수 있고, 일부의 변형례에서 쐐기형 도광체를 액상 클래드 제제로부터 그 액상 클래드 제제의 표면에 대해 경사진 각도로 취출하는 단계를 포함할 수 있다. 도 20은 쐐기형 도광체(27)를 액상 클래드 제제(115) 내에 침지하여 클래드를 도포한 후 인출할 수 있는 예시적 도포 시스템(113)을 도시한다. 일 실시예에서, 이 도면에 도시된 도포 시스템은 적합한 용매에 2.5%의 MY-133MC (MY Polymers사의 제품)를 용해한 용액을 포함하는 액상 클래드 제제를 이용할 수 있다. 적합한 용매는 예를 들면 파라클로로벤조트리플루오라이드(PCBTF), HFE-7100 (3M사 제품; 3M Corporation of Saint Paul, Minnesota), 및 Oxol-100 (Halliburton Corporation사 제품; Halliburton Corporation of Houston, Texas)을 포함한다.
클래드 제제 내에 침지한 후, 쐐기형 도광체는 제어된 속도의 전동식 리프트를 이용하여 그 액상 클래드 제제의 표면에 대해 경사진 각도(예를 들면, 30도)로 인출될 수 있다. 이 실시예에서, 클래드 층의 경화단계는 이 인출공정 후에 또는 적어도 부분적으로 인출공정 중에 발생할 수 있다. 일부의 실시예에서, 침지, 인출, 및 경화단계 각각은 소망의 두께의 클래드 층을 제공하기 위해 일회 실행될 수 있다. 다른 실시예에서, 반복 침지 및 반복 경화가 소망의 두께를 획득하기 위해 이용될 수 있다.
또 하나의 실시예에서, 액상 또는 겔상 클래드 제제를 도포하는 단계는 쐐기형 도광체의 제1면 상의 일정거리에서 그 제1면을 따라 닥터 블레이드를 드래깅(dragging)하는 것에 의해 쐐기형 도광체의 제1면에 일정한 층 두께로 제제를 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
다음에 방법(100)은 단계 114로 진행한다. 이 단계에서 터닝 필름이 계면층을 개재하여 클래드 층에 접착된다. 터닝 필름은 전술한 바와 같이 광대역 반사 코팅이나 2색성 반사 코팅이 도포되는 프리즘 패턴 필름을 포함할 수 있다. 계면층을 개재하여 터닝 필름을 도포하는 단계는 클래드 층 및 터닝 필름 중의 하나 또는 양자에 접착층을 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 접착제는 경화된 접착층(즉, 계면층)의 굴절율이 쐐기형 도광체의 굴절율에 일치하도록 선택될 수 있다. 다음에 터닝 필름이 클래드 층에 대해 가압될 수 있다. 일부의 실시예에서, 접착제는 열경화성 수지, 예를 들면 에폭시/아민 수지일 수 있다. 다른 실시예에서, 접착제는 공기 경화성 또는 습기 경화성을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접착제는 자외선 경화성을 가질 수 있다. 접착제는 예를 들면 자외선 경화성의 아크릴 수지를 포함할 수 있다. 따라서, 방법(100)은 접착층을 경화하기 위해 자외선을 이용하여 광학장치의 적어도 제1면을 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다음에 방법(100)은 단계 116으로 진행한다. 이 단계에서 불필요한 클래드 층이 쐐기형 도광체로부터 제거된다. 이 불필요한 클래드 층은 화학적 에칭법이나 기계적 에칭법(예를 들면, 이 클래드 층에 점착성 필름을 부착한 다음 이것을 박리시키는 방법을 이용하여 또는 임의의 다른 적절한 방법)을 이용하여 제거될 수 있다.
본 명세서에 기술된 및/또는 도시된 공정단계 중의 일부는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면 생략될 수 있다는 것은 이해될 것이다. 마찬가지로, 전술한 공정단계들의 순서는 의도된 결과를 달성하기 위해 항상 요구되는 것은 아니지만 용이한 도시 및 설명을 위해 제시된 것이다. 전술한 행위, 기능, 또는 작용들 중의 하나 이상은 사용되는 특정의 전략에 따라 반복 실행될 수 있다.
마지막으로, 전술한 시스템 및 방법은 사실상 예시적인 것이라는 점, 및 이들 특정 실시예 또는 예시는 다른 수만은 변형례가 고려될 수 있으므로 제한적인 의미로 생각될 수 없다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 기술된 다양한 시스템 및 방법의 신규성 및 진보성이 있는 조합 및 부조합 뿐 아니라 임의의 모든 등가물을 포함한다.

Claims (19)

  1. 광학장치의 제조방법으로서,
    제1굴절율을 가지는 재료를 포함하고, 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 쐐기형 도광체(wedge-shaped light guide)를 형성하는 단계와,
    상기 제1면에 상기 제1굴절율 미만인 제2굴절율을 가지는 클래드 층을 도포하는 단계와,
    상기 제1면에 대향하는 상기 클래드 층에 상기 제1굴절율과 일치하는 제3굴절율을 갖는 계면층을 도포하는 단계를 포함하되,
    상기 클래드 층에 계면층(interface layer)을 도포하는 단계는 상기 계면층을 통해 상기 클래드 층에 터닝 필름(turning film)을 도포하는 단계를 포함하고,
    상기 계면층을 통해 상기 클래드 층에 터닝 필름을 도포하는 단계는 상기 클래드 층 및 상기 터닝 필름 중의 하나 또는 양자에 접착제를 도포하는 단계를 포함하고, 상기 접착제의 굴절율은 경화 후에 상기 제1굴절율과 실질적으로 동일한
    광학장치의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1굴절율은 1.4 이상인
    광학장치의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2굴절율은 1.4 이하인
    광학장치의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학장치는 중간 파장을 가지는 광의 반사를 감쇄시키도록 구성되고,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 선택된 중간 파장의 1/2의 홀수 정수배에 대응하는 두께의 클래드 층을 도포하는 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제는 자외선 경화성 접착제이고,
    상기 방법은 상기 접착제를 경화시키기 위해 자외선을 이용하여 적어도 상기 제1면을 조사하는 단계를 더 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제는 폴리아크릴 접착제인
    광학장치의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 상기 제1면에 모스-아이(moth-eye) 층을 도포하는 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 적어도 상기 제1면에 액상 또는 겔상 클래드 제제(liquid or gel-like cladding formulation)를 도포하는 단계 및 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제의 적어도 일부를 경화시키는 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액상 또는 겔상 클래드 제제는 불소중합체 분산체, 불소중합체 용액, 및 불소중합체 전구체 중의 하나 이상을 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 액상 또는 겔상 클래드 제제는 100% 고형 제제를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 액상 또는 겔상 클래드 제제는 자외선 경화성 성분을 포함하고,
    상기 방법은 상기 자외선 경화성 성분을 경화시키기 위해 자외선을 이용하여 적어도 상기 제1면을 조사하는 단계를 더 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 상기 제1면 상의 일정거리에서 상기 제1면을 따라 닥터 블레이드(doctor blade)를 드래깅(dragging)하는 것에 의해 상기 제1면에 일정한 층 두께로 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제를 도포하는 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 적어도 상기 제1면 상에 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제를 분사하는 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1면에 클래드 층을 도포하는 단계는 쐐기형 도광체를 액상 또는 겔상 클래드 제제 내에 적어도 부분적으로 침지시키는 단계와, 상기 쐐기형 도광체를 액상 또는 겔상 클래드 제제로부터 그 액상 또는 겔상 클래드 제제의 표면에 대해 경사진 각도로 취출하는(withdrawing) 단계를 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  16. 광학장치의 제조방법으로서,
    제1굴절율을 가지는 재료를 포함하고, 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 쐐기형 도광체를 형성하는 단계와,
    적어도 상기 제1면에 액상 또는 겔상 클래드 제제를 분사하고, 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제의 적어도 일부를 경화시켜, 경화 후에 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제가 상기 제1굴절율 미만의 제2굴절율 갖게 하는 단계와,
    상기 제1굴절율과 일치하는 제3굴절율을 갖는 계면층을 통해 클래드 층에 터닝 필름을 도포하는 단계 - 상기 계면층을 통해 상기 클래드 층에 터닝 필름을 도포하는 단계는, 상기 클래드 층 및 상기 터닝 필름 중의 하나 또는 양자에 접착제를 도포하는 단계를 포함하고, 상기 접착제의 굴절율은 경화 후에 상기 제1굴절율과 실질적으로 동일함 -
    를 포함하는 광학장치의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 액상 또는 겔상 클래드 제제를 분사하는 동안 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제의 하나 이상의 성분을 초음파로 분산시키는 단계를 더 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  18. 광학장치의 제조방법으로서,
    제1굴절율을 가지는 재료를 포함하고, 대향하는 제1면 및 제2면을 가지는 쐐기형 도광체를 형성하는 단계와,
    상기 쐐기형 도광체를 액상 또는 겔상 클래드 제제 내에 적어도 부분적으로 침지시키고, 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제의 적어도 일부를 경화시켜, 경화 후에 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제가 상기 제1굴절율 미만의 제2굴절율 갖게 하는 단계와,
    상기 제1굴절율과 일치하는 제3굴절율을 갖는 계면층을 통해 클래드 층에 터닝 필름을 도포하는 단계 - 상기 계면층을 통해 상기 클래드 층에 터닝 필름을 도포하는 단계는 상기 클래드 층 및 상기 터닝 필름 중의 하나 또는 양자에 접착제를 도포하는 단계를 포함하고, 상기 접착제의 굴절율은 경화 후에 상기 제1굴절율과 실질적으로 동일함 -
    를 포함하되,
    상기 클래드 층을 상기 제1면에 도포하는 것은 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제를 적어도 상기 제1면에 도포하는 것을 포함하는
    광학장치의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 쐐기형 도광체를 상기 액상 또는 겔상 클래드 제제로부터 그 액상 또는 겔상 클래드 제제의 표면에 대해 경사진 각도로 취출하는 단계를 더 포함하는
    광학장치의 제조방법.
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