KR102159203B1 - 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 기판; 상기 광학기판의 일면에 임의 순서로 분포된 복수의 마이크로렌즈로 구성된 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 복수의 마이크로렌즈는 밑면 한 변의 길이가 20㎛~70㎛인 사각형으로 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상의 복수의 단일 렌즈 셀로 구성되되, 상기 마이크로렌즈 어레이는 단일 렌즈 셀의 복수 개로 조합된 한 변의 길이가 190㎛~280㎛의 사각형 형태의 복수의 단위 블록으로 구분되며, 상기 단위 블락의 복수 개로 조합된 사각형 형태의 템플릿인 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다.
식(1)
Figure 112019130350848-pat00004

z : 단일 렌즈의 x,y 위치에 대한 높이값(새그값)
c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature
κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
Figure 112019130350848-pat00005

x1 및 y1은 x축, y축 방향의 가중치 값

Description

광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이{Microlenses Array For Beam Shaping And Homogenization}
본 발명은 임의의 광원과 결합되어 작용하는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유사 난수 배치 기법을 이용하여 2차원 평면에 비정규 배열을 생성하고, 각각의 단일 렌즈의 곡률, 비구면 계수, 크기의 가중치를 설정하여 임의의 화각을 가지는 균일한 면광원을형성하기 위한 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다.
빔 형상화는 빔 형상화 소자로부터 멀리 떨어진 거리에서 초기 입력 빔의 강도 프로파일을 구분된 프로파일로 변형시키는 것을 가리킨다. 빔 형상화는 자유 전파에 의해 제공되는 자연 형상화로부터 상당히 빗나가는 형태가 바람직하다. 결과적으로, 전파 빔의 본성을 변형하기 위한 빔 형상화 소자를 채용하여 바람직한 형상화 함수를 제공하는 것이 요구된다.
빔 형상화 및 균질화의 단순화된 형태는 무작위 높이 변이를 갖는 표면을 포함하는 가우시안 확산기에 의해 제공된다. 일반적으로 바닥 유리 및 몇 가지 화학적으로 에칭된 유리 표면이 가우시안 확산기와 같은 무작위 높이 변이를 제공하는데 사용된다. 가우시안 확산기는 가우시안 강도 프로파일의 제한된 각 범위 상에 입력 조명 빔을 일정하게 확산시킨다. 그러한 빔 형성기는 저가이고 제조하기 쉬우나 매우 제한된 빔 형상화 성능을 갖는다.
균질화 기능을 갖는 또 다른 타입의 확산 기반 빔 형성기는 레이저 스페클 패턴의 홀로그래픽 노출에 의해 제조될 수 있다. 이러한 소위 "홀로그래픽 확산기"는 예컨대, 두 방향을 따라 구분된 각 발산으로 빛을 확산시키는 등 빔 형상화에서 보다 많은 융통성을 제공함으로써 가우시안 확산기에 비해 몇 가지 장점을 제공한다.
그러나, 홀로그래픽 확산기에 대한 통상적인 강도 확산 프로파일 역시 가우시안이다. 원칙적으로 다른 강도 프로파일도 얻을 수 있을 것이나, 홀로그래픽 제조방법은 방법의 유용성을 제한하는 바람직한 강도 프로파일을 갖는 소자가 기 존재한다고 가정한다. 또한, 재구성에 있어서, 바람직한 패턴 외에 0차(수직 관통) 빔 또한 존재할 것이다.
이러한 단점은 빔의 가우시안 확산 외에 임의의 것에 대한 홀로그래픽 요소의 유용성을 제한한다.
빔 형상화 및 균질화를 달성하는 또 다른 방법은 입력 빔을 다양한 패턴으로 형상화하기 위한 간섭 및 회절 효과를 사용하는 회절 소자를 기반으로 한 것이다. 회절 소자의 표면 피처(feature) 사이즈와 광확산의 화각에 상관 관계가 있는데(작은 피처 사이즈는 큰 확산각을 갖게 됨), 큰 발산각이 요구될 때는 제작의 한계상에 문제점이 발생한다.
발산각이 증가하면, 통상적으로 ±20도 이하로 제한되는 회절 소자를 제조하기 더 어렵게 된다. 회절 소자는 또한 모노크로매틱 동작에 가장 적합하고, 특정 파장에서 동작하도록 설계된다. 다른 파장에서는, 강한 비회절 0차빔 성분이 나타난다. 회절 소자는 이산 파장 값에서 동작하도록 설계될 수 있으나, 광대역 동작에 대해서는, 그러한 소자들은 열화된 성능을 제공하기 때문에 0차는 열화의 주요인이 된다.
입사하는 가우시안 빔을 상당한 간격에 대하 평탄한 강도를 나타내는 광 평탄화 또한 회절 소자에 의해 착수될 수 있으나, 상술한 단점들을 갖게 된다. 비구면 렌즈는 제조, 배열, 제한된 필드 깊이 및 입력 빔 변이에 대한 감도에 관련된 문제점들을 나타낸다.
이전에 통상적인 마이크로렌즈 어레이들은 근거리 균질화에 사용되어 왔으나, 이러한 어레이들은 스크린 어플리케이션에서의 물결무늬 효과 등과 같은 이미지 결과뿐만 아니라 어레이로부터 멀리 떨어진 강한 회절 패턴을 생성하게 된다.
통상적인 마이크로렌즈 어레이는 또한 조명 목적에 사용되어 왔으나, 상기 어레이에서 멀리 떨어진 제한된 공간 형상화(다각형 에너지 분산) 및 제한된 강도 제어(통상적인 어레이에서의 구면 또는 비구면렌즈 프로파일)를 제공한다.
몇 가지 다른 빔-형상화 변환은 산란된 패턴 중 일부(즉, 산란된 패턴의 "홀들")로부터의 광의 배제를 필요로 한다. 회절 소자를 제외하고, 종래의 방법들은 그러한 다중-연결 산란 패턴을 포함하는 빔-형상화 성능을 제공할 수 없었다.
WO2017/204748(Microlens Array Diffusers)는 개별 렌즈의 위치가 다소 규칙적인 거의 동일한 렌즈 크기를 기반으로 일정한 범위 안에서 랜덤 배치가 되어 있고, 블록 형태의 배치가 아닌 각 개별 렌즈가 보이는 성능이 모두 다르기에 제품의 반복성(Repeatability)의 문제가 발생할 수 있으며, 설계의 복잡성에 의해서 재설계 및 추가 성능의 최적화 작업에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 종래의 마이클로렌즈 어레이보다 높은 균일도 성능과 광효율(높은 휘도)을 갖도록 유사난수배치방법으로 설계된 버블타입 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 마이클로렌즈 어레이보다 특이광의 비율이 감소하고 광휘도가 크게 향상된 버블타입 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광학 기판; 상기 광학기판의 일면에 임의 순서로 분포된 복수의 마이크로렌즈로 구성된 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 복수의 마이크로렌즈는 밑면 한 변의 길이가 20㎛~70㎛인 사각형으로 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상의 복수의 단일 렌즈 셀로 구성되며, 상기 마이크로렌즈 어레이는 단일 렌즈 셀의 복수 개로 조합된 한 변의 길이가 190㎛~280㎛의 사각형 형태의 복수의 단위 블록으로 구성되고, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 단위 블록이 복수 개로 조합된 사각형 형태의 템플릿인 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이을 제공한다.
식(1)
Figure 112019130350848-pat00001
z : 단일 렌즈의 x,y 위치에 대한 높이값(새그값)
c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature
κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
r2 = x1·x2 + y1·y2
x1 및 y1은 x축, y축 방향의 가중치 값
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 단일 렌즈 셀의 새그(sag) 절대값은 10㎛~50㎛인 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 단일 렌즈 셀은 밑면의 면적이 가장 큰 것 기준으로 가로(x축), 세로(y축)의 길이의 50%이하를 스몰 렌즈 셀, 80%이상을 라지 렌즈 셀, 나머지를 미들 렌즈 셀로 구분하며, 상기 스몰 렌즈 셀 중 가장 작은 크기를 미니멈 렌즈 셀로 구분한고, 상기 템블릿를 구성하는 단위 렌즈 셀의 개수 기준으로 스몰 렌즈 셀은 50%~70%, 라지 렌즈 셀은 1%~10%, 미니멈 렌즈 셀은 1~10%인 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 단위 블록 및 템플릿은 구성 단일 렌즈 셀 및 단위 블록이 공극없이 연속적으로 형성된 구조화된 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 단위 블록의 구성 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성 단위 블록의 배치는 유사난수배치기법을 이용하여 배치되는 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 유사난수배치기법은 단위 블록의 구성 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성 단위 블록의 배치를 특정 프로그램을 이용하여 반복적으로 배치를 통해 특정 발산각 조건을 만족시키는 조건을 찾는 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 종래의 마이클로렌즈 어레이보다 높은 균일도 성능과 광효율(높은 휘도)을 갖도록 유사난수배치방법으로 설계된 버블타입 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 마이클로렌즈 어레이보다 특이광의 비율이 감소하고 광휘도가 크게 향상된 버블타입 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 광원에 의해 발광되는 임의의 화각을 가질 수 있도록 어레이 구성렌즈 각각의 곡률, 비구면 계수, 크기의 가중치를 설정하여 균일한 면광원을 제공하는 데 있다.
도 1는 본 발명 마이크로렌즈 어레이 중 단일 렌즈 셀에 대한 확대사진이다.
도 2은 본 발명의 단위 렌즈 셀의 종류에 대한 19가지 샘플이다.
도 3는 본 발명의 단위 렌즈 셀의 광 형상화 및 균질화를 보여주는 산란 패턴도면이다.
도 4은 본 발명 마이크로렌즈 어레이의 단위 렌즈 셀, 단위 블록, 템플릿에 관한 도면이다.
도 5는 본 발명의 단위 렌즈 셀로 구성된 단위 블록(왼쪽)과 단위 블록으로 구성된 템플릿의 마이크로 어레이(오른쪽)에 대한 도면이다.
도 6은 본 발명인 단위 블록으로 구성된 템플릿의 마이크로 어레이의 단위 블록의 종류 및 배치도에 대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 기하학 필드 추적에 의한 단위 블록 시뮬레이션 결과을 보여주는 도면이다.
도 8은 종래 규칙적인 주기적 유형의 R-MLA 및 본 발명 임의 순서로 분포된 B-MLA의 시뮬레이션 결과 및 측정에 대한 도면이다.
도 9는 본 발명 마이크로렌즈 어레이에 대한 확대사진이다.
도 10은 본 발명 일 실시예인 마이크로 어레이(화각 65°×78°)의 단일렌즈 종류 및 크기에 대한 그래프이다.
도 11은 본 발명 일 실시예인 마이크로 어레이(화각 60°×45°)의 단일렌즈 종류 및 크기에 대한 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로 기존의 규칙적인 주기적 유형의 R-MLA(Regular periodic type Micro-lens array)에서 개선된 B-MLA(Bubble-lens type Micro-lens array)에 관한 것이다.
마이크로렌즈 어레이는 다른 광학소자에 비해 파장의 의존성이 매우 낮으며, 광각의 확산(Diffusing) 설계에 유리하다. 또한 광효율(Light Efficiency)가 높다는 장점과 영차(Zeroth order)나 미광(Stray light)과 같은 불필요한 강도(Intensity)를 제거하여 목표 이미지(Target Image)의 휘도를 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
하지만, R-MLA의 경우 렌즈 뒷면에서의 광 전파과정에서 간섭성으로 인해 광도피크(Light Intensity Peak)가 발생하고, 스크린면에서의 목표 이미지(Target Image)가 전체적으로 균일성(Uniformity) 저하를 일으키게 된다.
본 발명에서 설명하는 B-MLA는 기존의 R-MLA에 대비 단위 렌즈 셀의 무작위 배치기술인 유사 난수 배치 기법(Pseudo random technique)를 적용한 방법으로써, R-MLA 대비 성능을 보완 및 향상할 수 있다.
본 발명은 또한 유사 난수 배치 기법을 이용하여 2차원 평면에 비정규 배열을 생성하고, 각각의 단일 렌즈의 곡률, 비구면 계수, 크기의 가중치를 설정하여 단일 광원에 의해 발광되는 임의의 화각을 가지는 균일한 면광원 제조에 관한 것이다. 이렇게, 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 경우 종래기술에 비교하여 특이광의 비율이 감소하고 광 휘도를 크게 향상 시키는 효과가 있다.
레이져 다이오드(LD, Laser Diode), VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)과 같은 임의의 광원이 입사하여, 원하는 화각을 가지는 균일한 면광원을 생성하기 위해서는 레이저 다이오드가 가지는 직진성을 분산시켜 원하는 사양을 만족시키는 렌즈 곡률 등의 광학 요소를 조정하여야 한다.
본 발명은 이를 위해 광학 기판 및 상기 광학기판의 일면에 임의 순서로 분포된 복수의 마이크로렌즈로 구성된다.
상기 기판은 유리기판이 사용될 수 있으며 마이크로렌즈의 조성물은 자외선 경화 우레탄아크릴레이트(PUA)로 구성될 수 있다.
이외에 경화수지 조성물로는 자외선, 전자선 등의 활성 에너지선으로 경화시키는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 구체적인 예로는 폴리에스테르류, 에폭시계 수지, 폴리에스테르(메타)아크릴레이트, 에폭시(메타)아크릴레이트, 우레탄(메타)아크릴레이트 등의 (메타)아크릴레이트계 수지 등을 들 수 있다 이중에서도 (메타)아크릴레이트계 수지가 광학 특성 등의 관점에서 특히 바람직하다 상기 광경화성 수지는 집광을 고려하여 굴절율이 1.24 내지 1.60 범위인 것이 바람직하다.
이외에도 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET)필름, 폴리스타이렌(PS) 필름, 아크릴(AC)필름 등등의 광학용으로 사용될 수 있는 모든 필름 또는 플레이트(Plate)가 가능하다.
도 1는 본 발명 마이크로렌즈 어레이 중 단일 렌즈 셀에 대한 확대사진이다.
확대배율을 다양하게 하여 찍은 사진으로 사각형 형태의 템플릿에 대한 마이크로 어레이 구성 단위 렌즈 셀의 형상을 확인할 수 있다.
상기 마이크로렌즈는 밑면 한 변의 길이가 20㎛~70㎛인 사각형으로 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상의 단일 렌즈 셀로 구성된다.
식(1)
Figure 112019130350848-pat00002
z : 단일 렌즈의 x,y 위치에 대한 높이값(새그값)
c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature)
κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
r2 = x1·x2 + y1·y2
x1 및 y1은 x축, y축 방향의 가중치 값
상기 식(1)을 만족하는 단일 렌즈 셀은 다양하게 구현될 수 있다. 본 발명은 제작의 용이성 및 유사 난수 배치 기법의 적용을 고려하여 아래 표1과 같이 19개의 단일 렌즈 셀 샘플을 정하였다.
상기 샘플에 대해서 평행광을 이용하여 단일 렌즈 셀이 작용하는 조사 범위와 성능 확인을 하였다.
표 1 이외의 단일 렌즈 셀은 무수히 많을 수 있으며 이에 본 발명의 권리가 한정되지는 않는다.

Pitch		 Radius of
Curvature(c) 		Conic
Section(κ) 		X-weight(x 1 ) Y-weight(y 1 ) Sag(Z)
60 x 60 (um 2 ) -21.6 um -0.98 1 1.26 -48.157 um
60 x 40 (um 2 ) -21.6 um -0.972 1 1.9 -39.434 um
30 x 20 (um 2 ) -10.4 um -0.97 0.99 1.9 -20.447 um
50 x 30 ( um 2 ) -20 um -0.96 1.1 2.35 -31.392 um
20 x 40 ( um 2 ) -6.71 um -0.99 1 0.6 -25.833 um
40 x 40 ( um 2 ) -14.4 um -0.97 1 1.26 -32.488 um
30 x 50 ( um 2 ) -10.5 um -0.98 0.99 0.73 -33.395 um
20 x 30 ( um 2 ) -6.8 um -0.98 1 0.81 -21.429 um
20 x 20 ( um 2 ) -6.43 um -0.99 1 1.247 -17.717 um
30 x 30 ( um 2 ) -10.75 um -0.98 1.03 1.297 -24.93 um
20 x 50 ( um 2 ) -13.88 um -0.99 2.1 1 -30.412 um
50 x 50 ( um 2 ) -18 um -0.97 0.99 1.245 -40.145 um
40 x 50 ( um 2 ) -15.43 um -0.99 1.1 1.1 -36.979 um
30 x 60 ( um 2 ) -10.43 um -0.99 1 0.61 -37.789 um
40 x 60 ( um 2 ) -13.83 um -0.99 1 0.82 -41.773 um
50 x 40 ( um 2 ) -17.8 um -0.97 0.99 1.56 -36.001 um
30 x 70 ( um 2 ) -10.43 um -0.99 1 0.52 -42.176 um
30 x 40 ( um 2 ) -10.2 um -0.98 0.98 0.9 -29.297 um
40 x 30 ( um 2 ) -11 um -0.98 0.78 1.3 -28.2 um
표1은 상기 식(1)을 만족시키는 단일 렌즈 셀의 새그값(z)을 정리한 것으로 밑면 한 변의 길이가 20㎛~70㎛인 사각형으로 이 중 19개의 샘플을 정리한 것이다.
상기 샘플에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라서는 식(1)을 만족시키는 다른 샘플도 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 단위 렌즈 셀의 종류에 대한 19가지 샘플이다. 가장 큰 렌즈 셀의 피치 크기(Pitch Size)는 한 변이 60um로 한정되어 있으며, 이때의 새그(Sag)값은 -48.3157um이다. 이것은 2PP장비로 제작하는 것을 고려했을 때 새그(Sag)의 최대값(Maximum value)이 50um 수준이라는 것을 감안한 수치이다. 새그(Sag)의 최소값(Minimum)과 최대값(Maximum)은 17.717um부터 48.157um까지 다양하게 존재한다.
최소값(Minimum)과 최대값(Maximum)의 차이가 클수록 2PP장비의 레이져(Laser) 초점을 맞추기 어려워 제작에 어려움을 겪을 수 있기 때문에 차이 값을 30um정도로 고려하였다. 또한, 19가지 타입의 모든 렌즈 셀에서 비구면 계수값(Conic Section)이 -0.97~-0.98일 때, 최상층(Top-hat)형상이 나오는 것을 확인할 수 있다.
도 3는 본 발명의 단위 렌즈 셀의 광 형상화 및 균질화를 보여주는 산란 패턴도면이다.
본 발명 단위 렌즈 셀의 가로축 및 세로축 단면에 대해 광 형상을 확인할 수 있으며, 단위 렌즈 셀의 너비에 맞게 광 형성됨을 알 수 있으며, 표면이 균질화된 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명 마이크로렌즈 어레이에서 단위 렌즈 셀, 단위 블록, 템플릿를 구분한 도면으로 용도에 따라 마이크로 렌즈 에레이의 가로 세로의 크기를 결정할 수 있다.
단위 블록은 단일 렌즈 셀의 복수 개로 조합된 한 변의 길이가 190㎛~280㎛의 사각형 형태의 특징이 있으며, 템플릿은 상기 단위 블락의 복수 개로 조합된 사각형 형태이다.
상기 템플릿의 크기를 정하면 하위 구성단위인 단일 블록, 단일 렌즈 셀이 구성된다.
도 5는 본 발명의 단위 렌즈 셀로 구성된 단위 블록(왼쪽)과 단위 블록으로 구성된 템플릿의 마이크로 어레이(오른쪽)에 대한 도면이다. 왼쪽의 단일 블록은 다양한 크기 및 비구면 모양을 갖는 단일 렌즈 셀로 구성되고, 오른쪽 템플렛은 단일 블록으로 구성된 마이크로 어레이를 보여주는 것으로 각각의 형형색색은 단일 렌즈 셀을 구별하고 있다.
도 6은 본 발명인 단위 블록으로 구성된 템플릿의 마이크로 어레이의 단위 블록의 종류 및 배치도에 대한 도면이다.
같은 사이즈의 단위 블록도 구성된 단일 렌즈 셀의 위치에 따라 크게 4개의 종류로 구분할 수 있다. 오리지날 형태를 수직축, 수평축, 원점 대칭으로 최대 4개의 형태로 구분할 수 있으며, 크기에 따라 종류가 정해진다. 빨간색 표시인 260 x 250 (um2)의 단위 블록이 A,B,C 타입이 있다는 것을 확인할 수 있다.
표2는 단위 블록의 종류 및 각 단위 블록의 타입에 대한 표이다.
Sub-Block Size 타입
250 x 250 (um2) 3
260 x 250 (um2) 3
250 x 260 (um2) 4
200 x 260 (um2) 4
220 x 240 (um2) 4
240 x 240 (um2) 4
230 x 240 (um2) 4
280 x 280 (um2) 3
210 x 280 (um2) 3
200 x 280 (um2) 3
260 x 260 (um2) 2
270 x 270 (um2) 3
200 x 230 (um2) 3
240 x 270 (um2) 4
240 x 250 (um2) 2
230 x 210 (um2) 4
260 x 210 (um2) 4
270 x 240 (um2) 2
220 x 190 (um2) 3
240 x 190 (um2) 2
230 x 280 (um2) 4
240 x 180 (um2) 3
220 x 200 (um2) 1
200 x 270 (um2) 3
260 x 270 (um2) 2
Total 77
도 7은 본 발명의 기하학 필드 추적에 의한 단위 블록 시뮬레이션 결과을 보여주는 도면이다. 각각의 단위 블록도 특이광의 비율이 감소하고 높은 균일도 성능을 가짐을 알 수 있다.
도 8은 종래 규칙적인 주기적 유형의 R-MLA(a),(b) 및 본 발명 임의 순서로 분포된 B-MLA(c),(d)의 시뮬레이션 결과 및 측정에 대한 도면이다. 도면으로 알 수 있듯이 B-MLA이 특이광의 비율이 감소하고 광휘도가 크게 향상되고, 높은 균일도 성능과 광효율(높은 휘도)의 특성을 확인할 수 있다.
B-MLA의 경우 R-MLA에 비해 스펙클(Speckle)이 개선된 것을 알 수 있다. 이때의 효율(Efficiency)은 약 86% 정도의 달성률을 보여준다. 일반적으로 구조(Structure)에 대한 보상은 플롯 계획(Plot plan)을 생성할 때 오류 값을 찾아 보상하기 때문에 설계 방법에 대한 문제점이 발생하진 않는다.
하지만 이렇게 만들어진 B-MLA는 설계했던 단일 렌즈 셀에 비해 크기가 약 10%정도 줄어들게 되므로 크기에 대한 보상은 필수적으로 거치게 되며, 균일성(Uniformity), 강도 분포(Intensity Distribution) 등 대부분의 보상은 단일 렌즈 셀의 수정을 통해 이루어지게 된다. 최종적으로 보상한 렌즈는 최종 성능 수치모사를 통해 설계가 완료된다.
도 9는 본 발명 마이크로렌즈 어레이에 대한 확대사진이다. 실제 확대사진으로도 단일 렌즈 셀, 단위 블록, 템플릿을 구분할 수 있다.
상기 도 9 및 도 2를 보면 알 수 있듯이 상기 단위 블록 및 템플릿은 구성 단일 렌즈 셀 및 단위 블록이 공극 없이 연속적으로 형성된 구조화된 특징을 갖고 있다.
본 발명에 있어서 상기 단위 블록의 구성 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성 단위 블록의 배치는 유사 난수 배치 기법을 이용하여 배치되는 것에 특징이 있으며 상기 유사 난수 배치 기법은 단위 블록의 구성 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성 단위 블록의 배치를 특정 프로그램을 이용하여 반복적으로 배치를 통해 특정 발산각 조건을 만족시키는 조건을 찾아가는 것이다.
보다 자세히 살펴보면 본 발명 마이크로렌즈 어레이 설계의 첫 단계는 템플릿을 구성하는 것이다. 템플릿은 두 가지의 단위로 이루어져 있으며, 첫 번째 단위는 템플릿 자체로 마이크로렌즈 어레이 전체에 대한 플롯 계획(Plot plan)이며, 두 번째 단위는 첫 번째 템플릿의 서브 블록(Sub Block)인 단위 블록이다. 템플릿을 작성하기 위해선 우선적으로 단일 렌즈 셀을 결정하여 피치 크기(Pitch size) 및 종류를 정하여야 한다. 정해진 피치 크기(Pitch size)를 이용하여 템플릿의 작성이 끝나면 원하는 성능에 맞추어 단일 렌즈 셀을 설계하고 템플릿에 삽입하게 되며, 최종적으로 완성된 마이크로렌즈 어레이를 반복 최적화(Iterative Optimization)을 거쳐 성능을 분석한다.
단일 렌즈 셀의 디자인(Design)과 시뮬레이션(Simulation)은 가상랩(VirtualLab)을 통해 각각 검증하며, 각각의 블록(Block)은 기하학 필드 추적(Geometric Field Tracing)으로 검증한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 설명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이며, 하기 실시예는 예시적인 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하는 것으로 해석될 수 없다.
1. 마이크로 어레이(화각 65°×78°)
표1의 19개의 단일 렌즈 셀 3,035개의 종류별 개수를 히스토그램 및 표로 구분한 것으로 상기 단일 렌즈 셀은 밑면의 면적이 가장 큰 것 기준으로 가로(x축), 세로(y축)의 길이의 50%이하를 스몰 렌즈 셀, 80%이상을 라지 렌즈 셀, 나머지를 미들 렌즈 셀로 구분하며, 특히 가장 작은 사이즈의 단일 렌즈 셀을 미니멈 렌즈 셀로 구분할 수 있다.
도 10은 화각 65°×78의 단일 렌즈 셀 종류 및 크기에 대한 히스토그램 및 표이다. 총 3,035개의 셀 중 스몰 렌즈 셀의 개수는 2,010개로 66.23%이고, 라지 렌즈 셀은 191개로 6.29%, 미니멈 렌즈 셀은 297개로 9.79%로 구성됨을 알 수 있다.
2. 마이크로 어레이(화각 60°×45°)
도 11은 화각 60°×45°의 단일 렌즈 셀 종류 및 크기에 대한 히스토그램 및 표이다. 총 1,572개의 셀 중 스몰 렌즈 셀의 개수는 812개로 51.65%이고, 라지 렌즈 셀은 125개로 7.95%, 미니멈 렌즈 셀은 143개로 9.10%로 구성됨을 알 수 있다.
본 발명은 균일도 향상을 위해서는 단일 렌즈 셀의 크기가 작을수록 유리하며 스몰 렌즈 셀은 전체 렌즈 수량의 50~70%가 적당하며 65~67%가 더욱 바람직하다.
또한, 효율 증대를 위해서는 단일 렌즈 셀의 크기가 클수록 유리하며 라지 렌즈 셀은 10%이내로 하며 바람직하게는 1%~10%로 한다.
다만, 제작의 용이성을 위해 최소 크기인 스몰 렌즈 셀의 수량은 10%이내로 하며 바람직하게는 1%~10%로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (5)

  1. 광학 기판;
    상기 광학기판의 일면에 임의 순서로 분포된 복수의 마이크로렌즈로 구성된 마이크로렌즈 어레이로서,
    상기 복수의 마이크로렌즈는 밑면 한 변의 길이가 20㎛~70㎛인 사각형으로 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상의 복수의 단일 렌즈 셀로 구성되되,
    상기 단일 렌즈 셀은 밑면의 면적이 가장 큰 것 기준으로 가로(x축), 세로(y축)의 길이의 50%이하를 스몰 렌즈 셀, 80%이상을 라지 렌즈 셀, 나머지를 미들 렌즈 셀로 구분하며,
    상기 스몰 렌즈 셀 중 가장 작은 크기를 미니멈 렌즈 셀로 구분하고,
    상기 템플릿를 구성하는 단위 렌즈 셀의 개수 기준으로 스몰 렌즈 셀은 50%~70%, 라지 렌즈 셀은 1%~10%, 미니멈 렌즈 셀은 1~10%이며,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 단일 렌즈 셀의 복수 개로 조합된 한 변의 길이가 190㎛~280㎛의 사각형 형태의 복수의 단위 블록으로 구성되며,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 단위 블록이 복수 개로 조합된 사각형 형태의 템플릿이며,
    상기 단위 블록의 구성인 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성인 단위 블록의 배치는 유사난수배치기법을 이용하여 배치되는 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이.

    식(1)
    Figure 112020027337086-pat00003

    z : 단일 렌즈의 x,y 위치에 대한 높이값(새그값)
    c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature
    κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
    r2 = x1·x2 + y1·y2
    x1 및 y1은 x축, y축 방향의 가중치 값
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 렌즈 셀의 새그(sag) 절대값은 10㎛~50㎛인 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서.
    상기 유사난수배치기법은 단위 블록의 구성 단일 렌즈 셀의 배치 및 상기 템플릿의 구성 단위 블록의 배치를 특정 프로그램을 이용하여 반복적으로 배치를 통해 특정 발산각 조건을 만족시키는 조건을 찾는 것에 특징이 있는 광 형상화 및 균질화를 위한 마이크로렌즈 어레이.
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