KR20000070114A - 조명 장치 - Google Patents

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로랜드 윈스톤
로버트 엘. 홀먼
벤자민 에이. 자콥슨
로버트 엠. 에먼스
필립 글렉만
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스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

광(24)을 집광하여 선택적으로 출력하거나 집중시키기 위한 광학 장치(10)가 개시된다. 굴절율 n1을 갖고, 경사각

Description

조명 장치 {LUMINAIRE DEVICE}
본 발명은 일반적으로 선택된 광의 조명을 제공하기 위한 조명 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 웨지(wedge)와 같이, 액정 표시층으로부터 출사된 광에 의해서, 또한 광의 편광을 조정하여 백라이트하고, 선택 편광된 광을 리사이클링 하여 선택된 광의 편광을 필터링하여 광의 조명 및 화상 출력을 향상시키기 위한 조명 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 액정 표시 장치용의 조명 장치로서 다양한 장치가 존재한다. 평판 액정 표시 장치에서는 소형 광원을 유지함과 함께 적당한 백라이팅을 제공하는 것이 중요하다. 일반적인 조명을 목적으로 웨지형 광학 장치를 사용하는 것이 알려져 있다. 광은 상기 광학 장치의 큰 단부로 입사되고, 반사 경계면의 임계각에 도달할 때까지 웨지면으로부터 내부 반사된 후에 상기 웨지형 광학 장치로부터 출사된다. 그러나, 이러한 장치는 단지 평행하지 않은 조명된 출력을 투과시키는 데만 사용되었기 때문에, 자주 바람직하지 못한 공간적 및 각이 있는 출력의 투과가 행해졌다. 예를 들면, 이들 장치의 몇몇은 확산 반사체로서 화이트 페이트된 층(white painted layers)을 사용하여 평행하지 않게 출사된 광을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 광학 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신규한 3차원 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광의 이용 제어에서와 같이 광학 목적을 위한 개선된 다층의 테이퍼형 조명 장치(multilayer tapered luminaire)를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광의 투과 또는 집중을 제어하기 위한 신규한 테이퍼형 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 장치로부터 평행하게 편광된 광의 조명을 제공하기 위한 신규한 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광 필터층을 가진 개선된 테이퍼형 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명으로부터 출사된 조명을 향상시키기 위해서 편광된 광의 변환을 할 수 있는 신규한 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광 필터층과 광 전향 층과의 결합이 제어된 출력 각 범위에서 개선된 광의 조명을 관측자(viewer)에 제공하는 데 사용되는 개선된 조명 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광 필터, 편광 변환층 및 후치 LCD 확산층의 결합이 광학 장치로부터 광의 조명을 향상시키는데 사용되는 신규한 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 LCD 층이 상부에 놓이는 후치(post) LCD 확산층에 인접하게 배치되어 광의 출력 또는 화상의 질의 손실없이 관측자에 대한 확장각에서 광의 분산 제어를 할 수 있는 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조명 이득의 향상을 위해서 조명광을 하나의 편광 상태로 변환하기 위한 내부 편광 공동을 가진 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조명 효율을 향상시키기 위해서 편광빔 분할기와 구조화된 후면 반사체층의 선택된 배열을 가진 신규한 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향상된 조명 효율을 제공하기 위해서 구조화된 후면 반사체층과 상호 작용하는 편광 변환층을 가진 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향상된 조명 이득을 제공하기 위해서 편광빔 분할기, 1/4 파장 변환층 및 미세 구조화된 후면 반사체층을 가진 새로운 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조명 기구의 기부층에 직접 증착된 a)분할층, 및 개별 유리판상에 분할층의 b)증착 중의 하나를 포함하는 편광 분할층들의 선택가능한 배열을 가진 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 a)후면 반사체와 조명 기구의 기부층 사이에 배치되어 중간에 공기층들을 가지고, b)후면 반사체에 직접 결합되어 조명 기구의 기부층과 직접 결합된 층들 사이에 공기층을 가지며, c)조명 기구의 기부층에 직접 결합되어 변환 소자 및 금속 후면 반사체층 또는 후면 반사체의 BEF층 사이에 공기층을 가지며, d)일측상에서는 조명 기구의 기부층에 다른측상에서는 고효율 미러에 직접 결합되고, e)일측상에서는 조명 기구의 기부층에 기부층의 다른측상에서는 공기층 및 후면 반사체에 직접 결합된 선택가능한 배열 중의 하나에 1/4 파장판 편광 변환 소자를 포함하는 신규한 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조명 특성을 향상시키기 위해서 조직된 기부층을 가진 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 변환층 및 BEF형 후면 반사체를 결합하여 필름 이용 반사성 편광자를 이용하는 신규한 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편광된 분할기를 가진 각종의 공기층에 의해서 분리되어 전향된 기부층, 변환기, 및 상기 기부층의 위 및/또는 아래에 배치된 후면 반사체층을 가진 개선된 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기부층의 아래에 있는 후면 반사체, 상기 기부층의 상부면에 인접한 전향층, 반사성 편광자 및 상기 전향층 상부에 놓이는 전향/확산층을 포함하는 신규한 조명 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점들은 이하 설명되는 첨부 도면과 관련하여 이루어진 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
도 1은 종래 기술의 웨지형 장치를 보여주고 있다.
도 2A는 본 발명에 따라 구성된 다수층의 테이퍼형 조명 장치를 나타내고 있다. 도 2B는 웨지층, 제1층 및 제2층의 절단된층이 결합된 상태를 나타내는 확대된 일부분에 대한 도면이다. 도 2C는 크게 확대된 제2의 절단된층을 나타내는 도 2A의 확대된 형태를 나타낸다. 도 2D는 밝기 결정을 위한 형태를 나타내는 제3층의 결합부의 일부분에 대한 도면이다. 도 2E는 하부에 광의 전향을 위한 내부 투과층을 가진 다수층의 웨지 장치를 나타내고 있다. 도 2F는 하부면의 반투명층을 가진 웨지 장치를 나타내고 있다. 도 2G는 하부면의 절단된 굴절층을 가진 웨지층을 나타내고 있다. 도 2H는 하부면의 굴절층과 그 위에 만곡된 절단면을 가진 웨지층을 나타내고 있다. 도 2I는 가변 절단 각도를 가진 절단면의 굴절층을 가진 웨지층을 나타내고 있다. 도 2J는 상기 웨지층에 결합된 단일의 굴절 프리즘을 나타내고 있다. 도2K는 상기 웨지층에 결합되어 있고 일체형 렌즈를 가진 단일의 굴절 프리즘을 나타내고 있다. 도 2L은 상기 웨지 장치에 결합된 절단된 반사층을 나타내고 있다. 도 2M은 만곡된 절단 각도를 가지며 상기 웨지 장치에 결합된 절단된 반사층을 나타내고 있다. 도 2N은 웨지층상의 평편한 반사성 절단면을 나타내고 있다. 도 2O는 웨지층상의 만곡된 반사성 절단면을 나타내고 있다.
도 3A는 제2층의 주면측상에 만곡된 절단면을 가진 다수층의 웨지 장치를 나타내고 있다. 도 3B는 웨지 장치의 다수의 층의 결합부의 확대된 부분적인 도면이다.
도 4A는 조명의 비대칭 각도 범위들의 각도에서 계산된 밝기의 성능을 나타내고 있다. 도 4B는 보다 대칭적인 각도 범위의 각도에서 계산된 밝기의 분배 성능을 나타내고 있다. 도 4C는 도 4B의 대칭의 각도에서 계산된 밝기 성능을 나타내는 도면으로서 외부 확산 소자를 추가하여 나타내고 있다. 도 4D는 평행한 확산기가 없는 평면 반사 절단면과, 절반 최대 밝기에서의 전폭(full-width at half-maximum brightness)(FWHM) = 7도(degree)를 사용한 출력을 나타내는 도면이다. 도 4E는 평행한 볼록형 확산기를 가진 평면 절단면과, FWHM 34도를 사용하여 측정된, 거의 대칭의 출력 분포의 일례를 나타내고 있다. 도4F는 만곡된 절단면과 FWHM = 32도를 사용하여 측정된 비대칭 출력 분산의 일례를 나타내고 있다. 도4G는 만곡된 절단면과, FWHM 26도를 사용하여 측정된 비대칭 출력 분포의 일례를 나타내고 있다. 도4H는 하나의 절단된 반사층과 하나의 절단된 굴절층을 사용하여 측정된 2개 모드의 출력 분산의 일례를 나타내고 있다. 도4I는 확산 반사형 하부 전향 층 및 굴절/내부 반사 상부 전향층을 사용하여 측정된 큰 테일(tails)을 가진 출력 분산의 일례를 나타내고 있다.
도 5A는 디스크형 도광의 평면도를 나타내며, 도 5B는 도 5A의 5B-5B를 따라 취해진 단면도를 나타낸다.
도 6A는 공기 갭층을 포함하는 다수층의 테이퍼형 조명 장치의 단면도를 나타내며, 도 6B는 컴파운드 포물선의 광원/집중기를 가진 다른 테이퍼형 조명 장치를 단면으로 나타내고 있다. 도 6C는 가변 파라메터 프로파일 광원 및 볼록형 확산기를 가진 다른 테이퍼형 조명 장치를 단면도로 나타내고 있다. 도 6D는 비-단조 웨지층의 두께를 가진 다른 테이퍼형 조명 장치를 단면도로 나타내고 있다.
도 7은 광원에 대하여 동심원으로 배치된 반사형 소자를 나타내고 있다.
도 8은 반사체의 곡률 중심과 광원의 중심간이 최대로 배열된 상태에서 광원 주위에 배치된 반사형 소자를 나타내고 있다.
도 9A는 조명 장치의 모든 부분들로부터 방사되는 거의 유사한 각도의 분산을 제공하기 위해서 전향을 사용하는 것을 나타내며, 도 9B는 조명 장치의 다른 부분으로부터 방사되는 각도 분산에 변화를 주기위해서 특히 다양한 각도로 분산을 집중시켜 선택된 타겟 거리에서 분산의 중첩을 향상시키도록 전향층을 사용하는 것을 나타내고 있다.
도 10은 조명 장치의 볼록형 어레이들의 쌍의 하나의 형태를 나타내고 있다.
도 11은 조명 장치의 볼록형 확산 어레이 및 만곡된 절단면층을 나타내고 있다.
도 12A는 한상의 회절 격자 또는 홀로그램층을 가진 웨지형 조명 장치를 나타내며, 도 12B는 한쌍의 굴절 절단면층 및 확산기를 가진 웨지형 조명 장치를 나타내며, 도 12C는 한쌍의 절단된 층을 가진 웨지형 조명 장치를 나타내고, 도 12D는 2개의 굴절성 단일 절단층을 가진 웨지형 조명 장치를 나타내며, 도 12E는 하나의 굴절성 단일 절단면층과 하부면 전향층을 가진 웨지형 조명 장치를 나타내고, 도 12F는 절단된 굴절층 및 하부면 굴절성 및 내부 반사층으로된 상부면 전향층을 가진 조명 장치를 나타내고, 도 12G는 상부면 굴절/내부 반사성 절단층 및 하부면 굴절/내부 반사성 절단층을 가진 조명 장치를 나타내고, 도 12H는 상부면 굴절/내부 반사성 절단층 및 하부면 굴절/내부 반사성 절단층을 가진 조명 장치를 도시하며, 도 12I는 하부면 거울 반사체 및 상부층 투과 회절 격자 또는 투과 홀로그램을 나타내고 있다. 도 12J는 하부면 거울 반사체 및 상부면 굴절 절단층 그리고 확산기를 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12K는 하부층의 거울 반사체 및 상부층의 굴절/내부 반사 절단층을 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12L은 하부 거울 반사체 및 상부층의 굴절/내부 반사 절단층을 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12M은 일체형의 볼록형 확산기를 포함하는 내부 반사체부를 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12N은 개략적인 초기 반사체층부를 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12O는 편심 광 결합기를 가지며 웨지형부로 집속되는 조명 장치를 나타내고 있다. 도12P는 편심 광 결합기 및 확산기와 개략적인 또는 볼록형 반사체를 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 12Q는 하부 거울 또는 확산 반사층 및 상부 굴절층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 12R은 배트 윙(bat wing) 광 출력을 발생시키기 위한 조명 장치를 나타내고 있다.
도 13은 일체로 형성된 2개의 웨지형부를 결합한 것과 2개의 광원을 사용하는 것을 나타내고 있다.
도 14는 절단된 전향층을 포함하는 테이퍼형 디스크 조명 장치를 나타내고 있다.
도 15는 평행한 광(collimated light) 출력 분포를 제공하도록 동작하는 조명 장치를 나타내고 있다.
도 16A는 종래 기술의 주변 모드 LCD를 나타내며, 도16B는 종래 기술의 투과 반사형(transflective) LCD 유닛을 나타내고 있다.
도 17은 주변 및 액티브 모드에서 동작하는 절단된 전향층 및 볼록형 확산기를 가진 조명 장치를 나타내고 있다.
도 18A는 확산 백라이트 위에 절단면이 배치된 미세프리즘들의 어레이를 갖되, 이들 미세프리즘들이 양측에서 동일한 각도를 갖고 각 미세프리즘은 면에 대하여 점진적으로 변화하는 절단 각도를 갖는 조명 장치를 나타내며, 도 18B는 도 18A에 도시된 미세프리즘의 어레이에서 각 미세프리즘의 측면들이 절단면에 대하여 다시 변화하는 다른 각도를 갖고 있음을 보여주고 있다.
도 19A는 편광 필터층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 19B는 편광 필터층을 포함하는 복수의 층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 19C는 조명 장치의 일 측면상에 2개의 편광된 광을 출력할 수 있는 층 굴절율들을 가진 도 19B에 대한 변형예를 나타내고 있다.
도 20A는 도 19B와 유사하지만 반사체층을 더 포함하고 있는 조명 장치를 나타내며, 도 20B는 도 20A에서와 같은 조명 장치를 나타내지만, 전향층이 기부층 및 편광 필터의 동일한 측면에 베치되어 있는 것을 나타내며, 도 20C는 제2의 전향층 및 재배열된 n2/필터/전향층을 가진 도20B에 대한 변형예를 나타내고 있다.
도 21A는 편광 변환층 및 편광 필터층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 21B는 기부층의 동일한 측면 상에 편광 필터층 및 편광 변환층을 가진 도 21A의 변형예를 나타내고 있다.
도 22A는 기부층의 일 측면상에 편광 필터층을, 기부층의 다른 측면 상에 편광 변환층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 22B는 기부층의 동일한 측면상에 서로 인접한 필터 및 변환층을 가진 도 22A에 대한 변형예를 나타내고 있다. 도 22C는 반사체층의 추가된 상기 도 22A 및 도 22B에 대한 변형예를 나타내고 있다. 도 22D는 기부층의 다른 측면으로 이동된 변환층을 가진 도 22C에 대한 변형예를 나타내고 있다. 도 22E는 도 22D에 대한 또 다른 변형예를 나타내고 있다.
도 23A는 편광 필터, 변환층, 전향층, 반사체, 및 LCD층을 포함하는 복수의 층을 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 23B는 도 23A에 대한 변형예를 나타내고 있다. 도 23C는 도 23A에 대한 또 다른 변형예를 나타내고 있다.
도 24A는 2개의 편광 상태를 위한 2개의 편광 필터층을 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 24B는 도 24A에 광 전향층이 추가된 변형예를 나타내고 있다. 도 24C는 정합층, 제2의 전향층, 및 LCD층을 가진 도24B에 대한 또 다른 변형예를 나타내고 있다. 도 24D는 도24B 및 도 24C에 대한 또 다른 변형예를 나타내고 있다. 도 24E는 도 24D에 대하여 제2의 변환층, 2개의 편광 필터층 및 2개의 전향층을 가진 변형예를 도시하고 있다. 도 24F는 도 24E에 대하여 기부층의 양 측면 상에 LCD층을 가진 또 다른 변형예를 나타내고 있다.
도 25A는 2개의 편광 필터층 및 편광 변환층을 사용하는 일반적인 구성을 나타내고 있다. 도 25B는 도 25A에 대하여 제2의 전향층을 가진 변형예를 나타내고 있다.
도 26A는 조명 장치로부터 출력된 광을 공간적으로 일정하게 제어하기 위한 광 각도 트랜스포머에 결합된 광원을 가진 다수층의 조명 장치를 나타내고 있다. 도 26B는 도 26A에 대한 변형예를 나타내고 있다.
도 27A는 절단된 전향층, 편광 및 편광 변환층을 가진 조명 장치를 나타내고 있다. 도 27B는 도 27A의 변형예로서, 전향층이 광을 바람직한 시야각 존으로 집속하기 위한 만곡된 절단면을 가진 반사층을 포함하는 것을 나타내고 있다.
도 28A는 편광 광 필터, 편광 변환기, 절단된 전향 및 확산층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도 28B는 도 28A에 대하여 2개의 편광 필터층 및 2개의 절단된 전향층을 가진 변형예를 나타내고 있다. 도 28C는 조명 장치에 결합된 광원을 나타내며, 이는 도 28A에 대한 변형예이다. 도 28D는 도 28C에 대한 변형예이다. 도 28E는 도 28C에 대한 변형예이다.
도 29A는 편광된 광의 출력을 LCD층과 결합한 조명 장치를 나타내고 있다. 도 29B는 도 29A에 대한 변형예이다.
도 30A는 종래의 LCD 표시 시스템을 나타내며, 도30B는 편광 필터층을 나타내고, 도 30C는 편광 필터의 다층의 박막 형태를 나타내며, 도 30D는 편광 필터의 브루스터 스택 형태(Brewster stack form)를 나타내며, 도 30E는 복굴절판 및 상호 작용하는 편광된 광을 나타내고 있다. 도30F는 오일러 각도(Eulerian angles) 및 광 벡터를 나타내며, 도30G는 xz 평면상에 평행한 광을 제공하는 백라이트를 나타내며, 도 30H는 도 30G로부터 존이 확장된 것을 상세히 도시하고 있다.
도 31A는 결합된 복굴절층을 가진 조명 장치를 나타내며, 도31B는 조명 장치 및 복굴절층 그리고 추가된 광 전향층을 나타내고 있다. 도31C는 도31B와 유사하나 추가된 편광 변환층이 있는 조명 시스템을 나타내고 있다. 도31D는 도31C와 유사하나, 변환층이 복굴절층으로서 기부층의 동일한 측면상에 있는 것을 나타낸다. 도 31E는 도 31C에 대하여 변환층이 기부층에 직접 접속되어 있는 변형예를 나타내고 있다. 도 31F는 도31D와 유사하나 전향층이 절단된층을 포함하고 있다. 도31G는 도 31F의 실시예를 기초로 하고 있으나 정합층, LCD층 및 확산층을 포함하고 있다. 도 31H는 도31G에 대한 변형예이다.
도 32A는 LCD층 및 비편광된 광을 처리하기 위한 후치(post) LCD 확산층을 포함하는 조명 시스템을 나타내며, 도32B는 도32A에 대한 변형예이고, 도32C는 도32B에 대한 변형예이다.
도 33은 1/4 파장 변환층, 기부층 및 편광 분할기 아래의 후면 반사체의 BEF 계통의 형태 및 기부층 상부의 전향층을 포함하는 조명 시스템을 나타낸다.
도 34는 변환층이 없는 도33의 다른 형태를 나타내고 있다.
도 35는 기부층 아래의 후면 반사체의 BEF 계통의 형태 및 기부층 상부의 광 전향층을 포함하는 조명 시스템을 나타낸다.
도 36은 후면 반사체층의 BEF 계통의 형태 대신에 금속성의 후면 반사체를 사용하는 도33의 또 다른 형태를 나타내고 있다.
도 37은 편광 분할층이 기부층 상에 직접 배치되어 있는 것은 별도로 하고 도35의 다른 형태를 나타내고 있다.
도 38은 후면 반사체층이 금속성 후면 반사체층이라는 것은 별도로하고 도35의 또 다른 형태를 나타내고 있다.
도 39는 1/4 파장판 변환층이 기부층에 적층되어 있는 것은 별도로하고 도36의 또 다른 형태를 나타내고 있다.
도 40은 기부층에 의해서 형성된 편광 공동과 적층된 변환층을 가진 조명 시스템을 나타내고 있다.
도 41은 도40의 다른 형태로서 편광 분할층이 기부층의 상부면 상에 직접 배치되어 있는 것을 나타내고 있다.
도 42는 지지층의 최하부면층에 적층된 변환층에 직접 연결된 흑색 반사층을 갖는, 도 40 및 도 41의 변형례를 나타내고 있다.
도 43은 지지층의 상면 위에 배치된 편광 변환층을 갖는 조명 기구 시스템을 나타내고 있다.
도 44는 복굴절 편광 변환 재료로 이루어진 지지층을 갖는, 도 43의 변형례를 나타내고 있다.
도 45는 BEF형 후방 반사기(BEF type back reflector)인 후방 반사층을 갖는 도 39의 변형례를 나타내고 있다.
도 46은 BEF형 후방 반사기인 후방 반사층을 갖는 도 40의 변형례를 나타내고 있다.
도 47은 입력부에 배치된 편광 분할층(polarization splitting layer)을 갖는 조명 기구 시스템을 나타내고 있다.
도 48은 편광 분할층의 램프 공동측 상에 편광 변환층을 갖는, 도 47의 변형례를 나타내고 있다.
도 49는 전향층, 텍스쳐된(textured) 지지층, 및 간섭층을 대신하는 막 계열의 반사형 편광기를 포함하지 않는, 도 33의 변형례를 나타내고 있다.
도 50은 텍스쳐된 지지층을 갖지 않는, 도 49의 변형례를 나타내고 있다.
도 51은 BEF형 후방 반사기를 대신하는 금속 후방 반사기를 갖는 도 49의 변형례를 나타내고 있다.
도 52는 텍스쳐되지 않은 지지층을 갖는, 도 51의 변형례를 나타내고 있다.
도 53은 간섭층을 대신하는 반사형 편광층을 가지며 지지층이 텍스쳐된, 도 33의 변형례를 나타내고 있다.
도 54는 방향 전환층이 반사형 편광층으로 스위칭된 것을 제외한, 도 53의 변형례를 나타내고 있다.
도 55는 지지층 위에 배치된 변환층을 갖는, 도 53의 변형례를 나타내고 있다.
도 56은 지지층에 적층된 변환층을 갖는, 도 53의 변형례를 나타내고 있다.
도 57은 텍스쳐된 형태의 지지층을 사용한, 도 35의 변형례를 나타내고 있다.
도 58은 개별 변환층을 사용하지 않고 동작되는 편광된 조명 기구 시스템을 나타내고 있다.
도 59는 방향 전환/확산층 아래에 배치된 편광층을 갖는, 도 58의 변형례를 나타내고 있다.
도 60은 각외 반사(off-angle reflections)에 의해 생성된 편광을 갖는, 도 53의 변형례를 나타내고 있다.
도 61A는 조명 기구 출력 측정 시스템 및 조명 기구 장치의 상면도를 도시한 도면이며, 도 61B는 2개의 반쪽 조명 기구들을 나타내고 있다.
도 62는 측정된 각 계수 대 최대 밝기를 나타내고 있다.
도 63은 표준 백라이트와 코팅된 플레이트 편광 빔 스플리터를 사용한 백라이트를 사용한 편광 및 비편광 조명 기구로부터의 전형적인 수직 장애를 나타내고 있다.
본 발명의 한 형태에 따라 구성된 다층 조명 기구 장치가 도 2에 도시되어 있으며 일반적으로 10으로 표시되어 있다. 종래 기술의 웨지(11)가 도 1에 일반적으로 도시되어 있다. 이 웨지(11)에서, 웨지(11) 내의 광선은 입사각이 임계각(sin-1/n) 미만일 때까지 표면으로부터 반사하는데, 여기서 n은 웨지(11)의 굴절률이다. 광은 웨지(11)의 최상부면 및 최하부면 양자 모두로부터 동일하게 나갈 수 있으며, 또한 그레이징 각(grazing angle)으로 나갈 수 있다.
도 2A에 도시된 다층 조명 기구 장치(10) [이하, "장치(10)"라 함]는 n1인 특성 광 굴절률을 갖는 지지체 또는 웨지층(12)을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "웨지층"은 단면적을 가로지르는 형태의 웨지를 갖는 수렴하는 최상부면 및 최하부면을 구비한 모든 형상을 포함한다. x, y, 및 z 축은 도 2A 및 2C내에 표시되어 있으며 "y" 축은 용지에 수직이다. 웨지층(12)을 위한 전형적인 유용한 재료는 유리, 폴리메틸 메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리스티렌 (poly styrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchlori de), 메틸메타아크릴레이트/스티렌 코폴리머(NAS), 및 스티렌/아크릴로나이트릴 (styrene/acrylo nitrile)과 같은 대부분의 투명 재료를 포함한다. 도 2A의 웨지층(12)은 최상부면(14), 최하부면(16), 측면들(18), 에지(26), 및 최상부면과 최하부면과 측변들을 연결하는 두께 t0인 후면(20)을 더 포함한다. 관 형상의 형광(22)과 같은 광원은 광(24)을 후면(20)을 통해 웨지층(12)으로 도입시킨다. 광(24)은 다양한 웨지층 표면들로부터 의도적으로 반사되어 웨지층(12)을 따라 에지(26)를 향하게 된다. 다른 가능한 광원들이 이용될 수 있으며 이하에서 설명될 것이다. 일반적으로, 종래의 광원들은 실질적으로 흐트러지고, 시준되지 않은 광(uncollimated light)을 제공하지만, 본 발명에 의해서 응집되고 시준된 광이 처리될 수 있다.
표면들(14 및 16)이 평탄한 경우에, 선형 웨지에 대한 단일의 경사각 ø이 최상부면(14)과 최하부면(16)에 의해 정의된다. 비선형 웨지의 경우에, 연속각 ø를 정의할 수 있으며, 비선형 웨지는 소망의 광 출력 또는 집광의 제어를 제공하도록 설계될 수 있다. 이러한 비선형 웨지는 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 2A에서, 제1 층(28)은 어떠한 공기 갭을 개재없이 웨지층(12)에 결합되며, 제1 층(28)은 n2의 광 굴절률을 갖고 최하부면(16)에 광학적으로 연결된다. 제1 층(28)은 두께가 일정한 광 파장으로부터 훨씬 큰 두께의 범위에 있을 수 있어 소망의 기능을 달성한다. 웨지층(12)과 제1 층(28) 사이의 최종적인 유전 경계면은 웨지층(12)과 주변 대기 사이의 경계면에서보다 높은 임계각을 갖는다. 이하에서 명백해지는 바와 같이, 이러한 특징은 선택적인 각 출력과 장치(10)로부터의 광(24)의 시준을 가능하게 한다.
n2보다 큰, 몇몇의 실시예들에서는 양호하게 n1보다 큰 광 굴절률 n3을 갖는 제2 층(30)이 제1 층(28)에 연결된다. 이러한 구성은 광(24)이 제1 층(28)을 떠나 제2 층(30)에 진입하도록 한다. 도 2A의 실시예에서는, 제1 층(28)과 제2 층 사이에 실질적으로 공기 갭이 개재되어 있지 않다. 도 2A에 도시된 본 발명의 양호한 형태에서, n1은 약 1.51 n2< 1.5 및 n3≥ n1이다. 가장 바람직하게는, n1= 1.5, n2< 1.5 (대략 1과 같음) 및 n3n1이다.
도 2에 도시된 장치(10)를 위한 다층 구성에서, 웨지층(12)은 최상부면(14)으로부터의 각각의 반사의 주기적 시간 동안 입사각이 최하부면(16) 평면의 법선에 대해] 경사각 2ø만큼 감소하도록 한다. 최하부면(16)과의 입사각이 웨지층(12)과 제1 층(28) 사이의 경계면의 임계각 특성보다 작을 때, 광(24)은 제1 층(28)에 연결된다. 그러므로, 제1 층(28) 및 연관된 광 경계면 특성은 조건 θ < θc= sin-1(n2/n1)이 만족될 때 광(24)이 통과하도록 하는 각 필터(angular filter)를 형성한다. 즉, 기술된 임계각은 공기와 웨지층(12) 사이의 경계면에 대한 것보다 높다. 그러므로, 만일 2개의 임계각이 6ø이상 만큼 다르다면, 최상부면(14)을 통해 웨지층(12)을 빠져나갈 수 있기 전에 거의 모든 광(24)은 웨지층(12)과 제1 층(28) 사이의 경계면을 가로지를 것이다. 따라서, 만일 2개의 임계각이 ø 미만으로 다르다면, 광의 실질적인 미소 부분 (절반보다는 작음)이 최상부면(14)을 통해 웨지층(12)을 빠져나갈 수 있다. 만일 2개의 각이 ø 이상 6ø 미만으로 다르다면, 최상부면(14)을 통해 빠져나갈 수 있기 전에 실질적으로 절반 이상이지만 전체보다는 작은 량의 광이 웨지층(12)과 제1 층(28)을 가로지를 것이다. 따라서, 장치(10)는 최하부면(16)에 대해 조건 θ < θc가 먼저 만족되도록 구성될 수 있다. 다음에, 탈출 광(24) [층(28)으로 진입한 광]은 예를 들어, n3> n2이기만 하면 제2 층(30)으로 진입할 것이다. 다음에, 광(24)은 웨지층(12)에 연결된 제1 층(28)에 의해 제공되며 굴절률들 간의 적절한 관계를 갖는 제2 층(30)에서 시준된 광(25)이 된다.
장치(10)로부터 광의 출력(24)을 발생시키기 위해, 제2층(30)은 도 2E에 도시된 페인트층(33) 또는 도 2B 및 도 3C 모두에 도시된 대향면(34)과 같은 광을 산란하기 위한 수단을 포함한다. 페인트층(33)은 화상 또는 다른 비쥬얼 정보를 선택적으로 투사하는데 사용될 수 있다. 페인트층(33)은, 예를 들면, 굴절 특성 지수를 갖는 제어 가능하게 분포되어 있는 입자를 포함하고 있을 수 있다.
적절한 선택에 의해, 광이 또한 웨지층(12)을 통해 대기로 전향되거나 (도 2A 및 도 2C의 광(29) 참조) 제2층(30)으로부터 대기로 직접 출력될 수 있다 (도 2F의 광 29' 참조).
본 발명의 다른 형태에서, "n" 값과 관련된 다른 복수의 층이 존재할 수 있다. 본 발명의 한 양호한 형태에서는, 최저 지수층의 지수가 개구수 및 출력각에 대한 수학식에서 n2를 교체할 수 있다 (이하에서 후술함). 이러한 다른 층들은, 예를 들면, 웨지층(12)과 제1 층(28) 사이, 제1 층(28)과 제2 층(30) 사이에 개재할 수 있거나, 웨지층(12) 또는 제2층(30)의 상부층일 수 있다.
특정 실시예에서, 양호한 지오메트리는 웨지층(12)을 통해 재반사되지 않고 대기로 광이 출력되게 한다. 도 2G에 도시된 이 실시예의 다른 형태에서는, 굴절층(38)이 도시된다. 굴절층(38)은 콜리메이트 출력을 제공하기 위한 편평한 면(39)을 포함할 수 있다. 횡축 렌즈 모양의 산란기(83)가 도 2G에 그 모형이 도시되어 있고 이에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다. 산란층(83)은 도 6A에 도시된 바와 같은 상기 웨지층(12)을 포함하여, 본 발명의 임의의 지오메트리와 함께 사용될 수 있다.
도 2H에 도시된 또 다른 예에서, 굴절층(38)은 원하는 각 분포를 통해 완곡하게 넓어진 출력을 제공하기 위한 만곡된 면(41)을 포함할 수 있다. 도 21에 도시된 또 다른 예에서, 굴절층(38)은 다양한 각면(42)을 포함한다. 이 면들(42)은 출력된 광을 원하는 방식으로 집광하기 위해 면 어레이에 걸쳐 위치에 따랄 변하는 면각 및/또는 굴곡을 갖는다. 굴곡면은 부드럽게 초점이 맞춰진 영역을 생성할 수 있고 이 영역 내에서 조명될 전체 시야 스크린이 나타난다. 컴퓨터 스크린 조명에 대한 응용예를 설명한다. 도 2J 및 도 2K에서, 출력광을 집광하기 위해 인티그럴식 렌즈를 갖는 단일 굴절 프리즘 소자(43) 및 프리즘 소자(43)가 각각 도시되어 있다. 도 2L 및 도 2M은 광의 출력 분포를 제어하기 위해 각도를 이루고 배치된 면을 갖는 면 표면(34)을 도시한다. 도 2K 및 도 2L에서, 광은 초점 "F"에 출력되고, 도 2M에서 대략 시야 범위 45를 통해서 출력된다. 도 2N및 도 2O 콜리메이트 광 출력 또는 집광된 광 출력을 제공하기 위한 반사면(48) 및 굴곡 반사면(49)을 각각 갖는다.
도 2A및 도 2C 도시된 바와 같이, 면 표면(34)은 제2층(30), 제1층(28) 및 웨지층(12)을 통해서 광(29)을 광학적으로 반사하여 대기로 전향한다. 각각의 면의 굴절만이 조명되면, 매우 작은 규모에서 보았을 때 출력이 교대로 밝고 어둡게 나타나게 된다. 이러한 패턴이 전형적으로 바람직하지 않기 대문에, 도 2B 도시된 양호한 실시예의 경우, 각각의 면 표면(34)들 사이의 간격의 주기는 회절 효과를 피할만큼 충분히 크나, 각각의 면이 의도한 관측 수단에 의해 검출되지 않을만큼 작다. 간격은 또한 액정 표시 또는 CCD (전하 결합 장치) 어레이와 같은 조명될 장치의 임의의 특성을 갖는 무아레(Moire) 간섭 패턴을 형성하는것을 피하도록 선택된다. 간격에 있어서의 몇몇 불규칙함은 바람직하지 못한 회절 무아레 효과를 저감시킬 수 있다. 전형적인 검은 조명 표시시에는, 대략 0.001-0.003 인치의 간격 주기가 원하는 목적을 성취할 수 있다.
도 2B및 도 2C 면 표면(34)은, 예를 들면, 통상 반사광(29)이 장치(10)로부터 출력되는 각도 범위를 제어하도록 준비될 수 있다. 층(30)의 출력각의 최소 분포는 대략 Δθ=2ψ)[n1 2-n2 2)/(n3 2-n2 2)]1/2와 대략 동일한 폭을 갖는다.
따라서, ψ가 매우 작을 수 있기 때문에, 장치(10)가 매유 효과적인 콜리메이터일 수 있다. 따라서, 선형 면 표면(34)의 경우, 여기 전향된 광(29)은 대략 Δθair = n3Δθ=2ψ)(n1 2-n2 2)/[1-(n2/n3)2]1/2정도의 최소 각 폭을 갖는다. 상술한 바와 같이, 그리고 도 2H 도 2I 도 2K 도 2L 도 2M 및 도 3에 도시된 바와 같이, 면 지어메트리가 최소각도를 초과하여 각 출력을 제어하고 또한 출력 광을 집광하고 그 방향을 제어하는데 사용될 수 있다.
다양한 인터페이스 출력각을 위에서 주어진 값 이상으로 확장할 수도 있으나, 이러한 효과는 도 2B 도시된 바와 같이 1 이상의 내부 인터페이스 상에 항 반사 코팅(31)을 도포함으로써 경감될 수 있다.
설명한 실시예의 밝기 비율("BR")은 이텐듀 매치(etendue match)에 의해서 뿐만 아니라 도 2D 참조하여 결정될 수 있고, BR은로 표현하거나 또는, B.R. =조명된 영역/총 영역으로 표현할 수 있다.
B.R.=[1-(n2/n3)2]1/2= 0.4-0.65 (거의 투명한 유전체 재료)이다. 예를 들면, 웨지층(12)은 아크릴 (n1=1.49)일 수 있고, 제1층(28)은 플루오르 폴리머 (n2=1.28-1.43) 또는 Sol-겔 (n2= 1.05-1.35), 플루오라이드 쏠트(n2= 1.38-1.43) 또는 실리콘계 폴리머 또는 접착제(n21.4-1.45)일 수 있고, 제2층(30)은 에어 접촉면에서 금속화되는 폴리카보네이트(n3=1.59) 폴리스티렌(n3=1.59) 에폭시 (n3=1.5-1.55) 또는 아크릴 (n3=1.49)과 같은 면 반사자일 수 있다.
예를 들면, 도 2B및 도 2C 도시된 편평하거나 선형적인 면 표면(34)은 광 출력의 방향을 제어하고 또한 각 필터링 효과에 의해 제2층(30)에 결합되는 광 Δθ의 각 분포를 거의 보전하기 위해 입사 광(24)을 전향시킬 수 있다 (예를 들면, 도 4D참조). 예를 들면, 도 2L 도시된 한 양호한 실시예에서, 면 표면(34)은 출력 광을 집광하기 위해 위치에 따라 변하는 편평한 면각을 이용하여 광을 반사한다. 도 2M서, 면 표면(34)은 조명될 전체 스크린이 나타나는 집광된 시야 구역(45)을 생성하기 위해 위치에 따라 변하는 굴곡면 각을 포함한다 (예를 들면, 도 4F및 도 4G 참조). 도 2M의 모형에 본 발명과 관련하여 사용 가능한 예시적 액정 표시(47) 또한 도시되어 있다. 도 3A 및 도 3B에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 굴곡면(36)이 또한 입사광(29)을 전향시키나, 굴곡면은 전향된 광(29)의 각 출력의 최종 범위를 증가시킨다 (도 2D의 편평한 면과의 비교 참조). 예를 들면, 오목 트로우(concave trough)가 실화상을 생성할 수 있고, 볼록 트로우(convex through)가 가상 화상을 생성할 수 있다고 알려져 있다 (예를 들면 도 3B 참조). 각 경우에서, 화상은 원하는 각 출력 범위를 통해 광을 균일하게 방출하는 라인 소스와 같다. 따라서, 이러한 트로우 모양의 면(36)의 어레이는 제1층(28)으로부터 콜리메이트 광(25)의 유입 형태를 전향할 수 있고, 이러한 복수의 라인 소스 화상은 전향된 광(29)을 형성한다. 인간의 눈의 해상도보다 작은 굴곡면(36)의 간격으로 배열함으로써, 라인 소스의 최종 어레이는 관측자에게 매우 균일하게 나타날 것이다. 이전에 설명한 바와 같이, 면 간격의 주기에 대하여 약 3백 내지 5백 라인/인치 또는 0.002 내지 0.003의 선택이 이러한 결과를 제공한다. 전형적인 LCD 표시의 경우, 종래에는 약 20 인치 이상의 시야 거리였다.
다른 유용한 면 형상은, 예를 들면, 포물선, 타원형, 쌍곡선, 원형, 지수, 다항식, 다각형, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 사용자는 상이한 면 디자인을 이용하여 조명의 평균 발릭의 가상적인 임의의 분포를 구성할 수 있다. 예를 들면, 다각형의 면을 사용하여 다수의 피크를 갖는 출력 각 분포를 생성할 수 있다.
굴곡면 반사자를 이용하는 각 출력의 다양한 범위에 걸쳐서 밝기 분포의 예가 도 4A 내지 도 4C, 도 4F 및 도 4G에 도시되어 있다. 도 4C 및 도 4E는 선형 면을 갖는 반사자의 경우 밝기 분포를 도시하고, 산란 소자(40)를 더 포함한다 (도 2C에 가상선으로 도시됨). 여러 각도 범위에 대한 예측된 성능 출력(predicted performance output)이 도시되며(도 4A - 도 4C 참조), 이 출력은 표시 엔지니어링(Display Engineering)의 상표명인 "웨지 라이트" 유닛(Wedge Li홋 unit)과 같은 상용으로 입수 가능한 소스("웨지"라고 라벨화 됨)에 대한 광의 측정된 각 출력(measured angular output of light)과 비교된다. 바람직한 각도 범위는 쉽사리 수정되어 용어 ψ, n1, n2, n3들의 방정식으로 이하 후술되는 최저각 Δθ(에어)까지의 어떠한 구체적인 관측(viewing)과 시준 요구(collimation requirements)를 수용할 수 있다. 이러한 수정은 도 2M에 도시되어 있으며 후술되는 방식으로 곡선 모양의 마면들(curved facets ;36)의 곡률을 점진적으로 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 수직 관측각 범위의 예시된 제어뿐만 아니라, 수평 관측 범위의 수정 역시 곡선 모양의 마면(36)들의 형상을 적절히 변경함으로써 달성될 수 있다. 도 4A 내지 도 4I에 도시되어 있는 상기한 각 분포(angular distributions)는 개구수(numerical apperture) NA(n1 2- n2 2)1/2내에서 장치(10)가 광(24)을 처리할 때를 나타낸다. 광이 이러한 범위 밖에 있을 때, 추가적인 기술이 적용되어 각 출력 범위의 제어에 도움이 될 수도 있다.
도 9A와 도 9B는 빈틈없이 겹치는 포커스 조명 출력(tightly overlapping focused illumination output)과 느슨하게 겹치는 포커스 조명 출력(less overlapping)을 각각 제공하기 위해 수정수단(redirecting means)을 이용하는 것을 추가로 예시하고 있다. 이러한 개념은 통상적인 휴대형 컴퓨터 스크린(87)이 대략 150mm의 수직 범위(vertical extent; V)를 가지며, 통상적인 관측 거리 "D"가 500mm임을 고려함으로써 실제로 적용될 수 있다. 컴퓨터 스크린(87)의 수직 위치(vertical center)의 법선에 위치한 거리 "D"에서 관측자는 스크린(87)의 정점에서 측정된 -8.5。로부터 스크린(87)의 하부에서 측정된 +8.5。까지 미치는 각도에서 스크린(87)의 다른 영역을 나타내게 될 것이다. 그러나, 시야각에서의 이러한 편차는 상기 스크린 조명을 갖는 시스템의 사용시 바람직하지 못한 영향을 초래할 수 있다. 스크린(87)에 대한 제한된 조명각은 관측자가 완전히 조명 스크린(87)을 볼 수 있는 위치의 제한된 범위를 의미한다(도 9A 참조). 스크린(87)의 중앙으로부터의 각도와 거리에 관하여 관측자 위치를 한정하면, 효과적인 각도 범위는 실질적으로 공칭 조명 범위(nominal illumination range) 아래로 감소된다. 예를 들어, 공칭 조명 범위가 각각의 개별적인 마면(facet)에서 측정되는 ±12。라면, 효율적인 관측각은 도 9A에 도시된 통상적인 플랫 패널(flat panel)에서 ±12。로 감소된다. 스크린(87)에 대한 중앙의 어느 측면에서 12。 - 20。 사이에서의 결과적인 조명(illumination)은 관측자에게 비균일하게 나타날 것이다.
본 명세서에 기재된 발명은 마면(34)의 배향을 제어함으로써 상술한 비균일성을 극복하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2M에 예시된 바와 같이, 마면의 양면이 점진적으로 회전함에 따라 편평형 마면(flat facet surface)이 장치(10)의 여러 층을 한정하는 면의 에지에 대해 35.6。 내지 33.3。 로 변화하거나 평행해진다. 스크린(87)의 상부로부터 하부까지의 이러한 조직적인 변화(systematic variation)는 재조정된 출력(redirected output)이 조명되는 결과로 나타난다. 마면(34)은 확산기(diffuser; 83) 등과 조합됨으로써 가변적이지만 제어 가능한 광 조명 출력의 분포를 발생시킬 수도 있다. 편평형 마면(168)은 확산기(170)와 더 조합될 수 있다. 따라서, 도 9B에 도시한 바와 같이, 스크린(89) 상의 다른 포인트에서 광의 각 분포(angular distribution)를 회전시킬 수 있는 능력은 위치에 따라 관측각의 변화(variation)를 보상할 수 있도록 해준다. 마면(34) 내의 조직적인 변화는 마면화된 어느 조정층(any faceted redirecting layer)의 출력인 포커스 내로의 변화를 더 포함하고 있다. 실례들을 도 2I와 도 2L에 나타낸다.
조명의 비균일성을 극복하기 위한 또다른 실시예에서, 마면(34)에 대한 마이크로 프리즘 어레이는 통상적인 확산 백라이트(diffuse backlight; 101 도 18A 참조) 위에 놓여질 수 있다. 이러한 마면(34)은 굴절 및 전체 내부 반사의 조합에 의해 동작하여 한정된 각 범위(angular range) 만이 상기 층을 통해 외기(ambient)로 출력되도록 해준다. 이러한 각도 범위는 마면 각(facet angle)에 좌우된다. 아크릴 막(n = 1.49)의 경우, 최고 광도(brightness)는 통상 90 - 100도의 각을 포함하는 프리즘을 이용하여 얻어지며, 대략 ±35도의 관측각으로 나타난다. 이러한 결합 구조(geometry)를 이용하는 백라이트는 여러 관측자들을 혼란스럽게하는 예리한 "커테이닝(curtaining)"효과를 나타낸다. 이러한 효과는 스크린의 상부로부터 하부까지 마면(38)을 회전시켜 집속 효과(focusing effect)를 발생시킴으로써 개선될 수 있다(도 18B 참조). 간단한 선 추적(ray-tracing)은 100°- 110°범위의 포함된 각에 대해, 3도씩 회전되는 마면은 대략 3/2씩 회전되는 각 분포를 발생시킬 것이다. 도 18에 도시된 실시예에서 점진적인 마면의 각(facet face angle)변화는 마면(34)에 따른 위치처럼 변화할 수 있다. 예를 들어,
이러한 점진적인 마면 각 변화(facet angle change)는 스크린(89)을 가로질러 대략 10도씩 변화하며, 앞서 개략적으로 설명한 일반적인 제한(generic constraints)을 만족하는 각 분포를 발생시킨다.
바람직한 마면 형상이 무엇이든 간에 마면(34)(도 2D 참조)은 몰딩이나 기타 공지의 밀링 처리 등과 같은 통상적인 처리에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 제조에 대한 상세에 대해 설명한다.
비선형 웨지
본 발명의 또 다른 태양에서 주 도파로(primary lightguide)인 웨지층(12)은 선형으로 가정된 이외의 것일 수 있다. 이러한 형상들은 다양한 선택광 분포를 달성할 수 있도록 해준다. 기타 형상들이 도 2B와 도 2C(광입력 에지로부터 약간 예리한 에지26까지의 좌표축)에 도시된 웨지축 "Z"의 함수로서 웨지층(12)의 두께에 대해 설명될 수 있다. 선형 웨지의 경우,
바람직한 공간적 각 분포의 큰 범위는 광출력 파워(제2층(30)에 연결된 파워)로 얻어질 수 있다. 따라서, 이러한 광출력 파워는 적절히 작은 면을 낸 표면(마면; 34 또는 35)에 의해 또는 확산 반사물(33)(도 2E 참조) 또는 기타 수단에 의한 외기로 향하는 출력에 대해 이용 가능한 광이다.
예를 들어, L과 M이 각각 x축과 y축에 따른 코사인 방향이라면, L0와 Mo는 두꺼운 에지(Z = 0)에서 L과 M의 값이다. 이러한 초기 분포는 어느 정도 잘 한정되고 있는 각도 범위 내의 람베르트(Lambertian)이며, 그 범위 밖에서는 광이 적거나 전혀 없다. 이러한 분포는 이상적인 비이미지 광학 요소(non-imaging optical elements)가 한정된 람베르트 출력 분포를 갖기 때문에 특히 중요하다. 핵심적인 관계는 A0L0와 대략 동일하고, 탈출 위치(z)를 암암리에 제공하는 불변의 단열 곡선(adiabatic invariant)인 A(z)cos(θc)이다. 이러한 개념을 설명하기 위해 dP/dz가 일정하도록 균일한 조사(irradiance)를 원한다고 하자. 초기 위상 공간(initial phase space)이 다음의 표현으로 설명되는 타원 영역을 균일하게 채운다고 하자.
여기서, τ는 M축을 따른 타원의 차원이고, σ는 L축을 따른 타원의 차원이다.
다음에, dP/dL = const·[1 - L2/σ2]1/2이지만 dA/dZ[A0/Lc]dL0/dZ여기서, Lc= cosθc. 그러므로, 「1 - (LcA)2/(A0σ)2]1/2dA = 일정 시간 dz. 바람직한 실시예에서 σ = Lc라고 하자. 이러한 결과는 A/A0= sin u 에 의해 치환되므로 A = A0sin u이고 u + 1/2 sin (2u) = (π/2)(1-z/D)이며, 여기서, D는 웨지층(12)의 길이이다.
보다 일반적으로, 단위 길이당 소망의 파워가 dP/dz이면, 소망의 웨지층(12)의 형태는 다음의 미분 수학식 3으로 결정된다:
이들 모든 경우에 출력 분포가 프레넬 반사에 의해 변형되기 때문에 대략 소망의 형태를 갖는다는 것은 주목할만하다. 웨지 장치(10)가 만곡되는 경우에도, 그 곡률이 너무 크지 않은 경우 평균 각도 ψ를 정의하는데 여전히 유용할 수도 있으며, 이러한 평균 각도는 시스템을 질적으로 특징짓는다.
본 발명의 다른 특징에 있어서, 상기 예의 구조는 인덱스 n1 및 n2를 갖는 2개의 반사 매체들 사이에 x, y 접촉면을 갖는다. 성분 nM, nN은 접촉면을 가로질러 n1M1=n2M2, n1N1=n2N2이도록 유지된다. x, y 평면에 투사된 입사각은 sinθ2eff=N/(L2-N2)1/2로 주어진다. 상기 관계를 이용하면, sinθ2eff/sinθ1eff=(n1/n2)[1-M1 2]1/2/[1-(n1/n2)2M1 2)1/2=(n1/n2)eff. 예를 들어, n1=1.49, n2=1.35, M1=0.5인 경우, 효율적인 인덱스 비율은 1.035(n1/n2)이며, 이것은 실제 인덱스 비율보다 약간만 크다.
공간 파라미터에 따른 반사율의 변화
일반적인 테이퍼형 도광기의 경우에, 웨지층(12)은 x축을 따라 치수가 좁하지며 z축을 따른다(예를 들어, 도 2A 참조). L, M, N이 x, y, z축을 따른 구조적인 방향 코사인인 광학 방향 코사인(nL, nM, nN)을 도입하는 경우, n은 공간 위치에 따라 변할 수 있는 굴절률이다. 웨지층(12)에 전달된 광선의 경우, x축에서의 이동은 거의 주기적이며, 한 주기당 ψnLdx 양은 광선이 z를 따라 전파됨에 따라 거의 일정하다. 이러한 특징은 단열 불변(adiabatic invariance)이라 칭하며, 도광 특성을 분석하는 유용한 구조를 제공한다.
제1 실시예에서, 도 2A에 도시된 웨지 장치(10)는 웨지층(12)에서 균일한 인덱스를 가지며, 폭 A(z)A0-Cz을 가지며 z가 선형으로 테이퍼된다. 그 후, 지그재그 광선 경로에 따라 L(z)A(z)는 단열 불변에 의해 대략적으로 일정해진다. L=L0이며 z=0에서 광선이 시작되면, (A0-C·z)L(z)는 L0A0와 대략적으로 동일해진다. L=cosθc이며, 여기서 θc는 임계각=[1-(n2/n1)2]1/2이면 웨지층(12)에서 광선이 누출된다. 따라서, 웨지층(12)을 방치하는 조건은 A0-C·z=L0A0/cosθc이다. 이것은 z=(A0/C)(1-L0/cosθc)에서 발생된다. 결과적으로, z축으로 방사되는 광선 밀도는 초기 방향 코사인 L0에서의 광선의 밀도와 비례한다. 예를 들어, 그 밀도는 L0의 초기 분포가 균일한 경우 균일하게 된다.
제2 실시예에서, 인덱스 프로파일은 더이상 균일하지 않고 x 및 z축 모두에서 저감된다. z축에서의 저감 정도가 x축에서보다 느린 경우, 광선 경로는 여전히 거의 주기적이며, 상기 단열 불변이 여전히 적용된다. 광선(24)이 z축으로 전달됨에 따라, x,nL 공간의 경로는 거의 주기적이다. 그러므로, L(z)의 최대치는 증가하며, 몇몇 z는 누설을 위한 임계값에 도달될 수도 있다. 누설을 위한 z 값은 인덱스 (n) 프로파일에 좌우된다. 이것이 명시되면, 상술된 실시예에서와 마찬가지로 분석이 진행된다. 따라서, 포물선 인덱스 프로파일의 경우, 인덱스 프로파일은 -ρ<xρ=n1 2=n2 0[1-2△]의 경우(여기서, ｜x｜>ρ) n2(x)=n2 0[1-2△(x/ρ)2] 형태를 갖는다. x=0에서의 임계각은 여전히 sin2θc=2△=1-(n1/n0)2로 주어진다. 우리가 n0를 가질 경우, 느리게 저감되는 z의 함수, x=0일 때의 기울기 θ는 ψnLdx의 단열 불변에 의해 느리게 증가되면서 θc가 감소되어 광선이 누출된다. 광선 분포는 인덱스 (n)가 z에 따라 얼마나 변하는지에 좌우된다.
논웨지 테이퍼형 구조
가장 일반적인 경우에, 광이 임의의 형태의 층(예를 들어, 평행 육면체, 원통형 또는 비균일 웨지)으로 입사될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 원리는 동일한 방식으로 적용된다. 게다가, (x, y, z)에서 바라는 바와 같이 굴절률이 변하여 광을 외부에 출력하는 수단에 결합될 때 적절한 최종 결과에 도달한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 방사 방향 r으로 테이퍼되는 디스크형 도광기(46)를 고려해보자. 원통형 극좌표에서의 방향 코사인은 kr, kθ, kz이다. 이러한 도광기(46)로 전달되는 광(48)은 다음 관계를 만족한다:
단열 불변 조건은 웨지 장치(10)의 경우와 동일하며, 웨지 장치(10)와 관련된 이전의 논의가 도광기(46)에 적용된다. 각 운동 보존 조건은, 반경을 증가시킴에 따라 소스(47)로부터 외부로 광이 방출될 때 kθ값이 저감될 필요가 있다. 그러므로, 반경이 증가되는 방향으로 광이 시준된다. 이것은 웨지 장치(10)와 근본적으로 유사한 특징이 되게 하며 광(48)이 z 방향을 따라 시준되는 면으로 선정된 각도로 광(52)으로 나오게 될 수 있다.
도시를 위해, 우리는 일정한 굴절률을 갖는 가이드 재료를 사용하였다. 그러한 구조의 경우, 5B-5B선을 따라 절취한 양방향 횡단면을 따른 광선(48)은 상술된 것과 상응하는 웨지 장치(10)의 경우와 마찬가지로 작용한다. 유사하게, 소망의 광 조정 특성을 달성하는데 다양한 부가층(54 및 56) 및 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 디스크 도광기(46)의 경우, 양호한 면 어레이(56)는 디스크(46)와 동심인 일련의 원이다. 따라서, 면(56)의 단면이 선형이면, 광선(52)은 상술된 장치(10)에서와 같이 굴절률의 함수를 총 각도 2ψ배 내로 시준되는 방향으로 나오게 된다.
인덱스가 낮은 2층을 구비한 테이퍼형 발광체
도 6A에 도시된 본 발명의 다른 형태에 있어서, 장치(10)는 광학 굴절률 n1을 갖는 제1층(61) 및 적어도 하나의 경사각 ψ을 설정하도록 집광되는 제1 또는 상부층면(62) 및 제2 또는 하부층면(64)을 포함한다. 제1층(61)은 또한, 상부층면(62) 및 하부층면(64)에 이르는 후면(65)을 포함한다.
제1층(61)에 인접하여, 하부층면(64)에 인접 배치되거나 그 하부에 배치되며 굴절률 n2의 제1 중간층(66)과 같은 하부 투명층 수단과 같은 층 수단이 존재한다. 게다가, 층 수단은 상부 투명층 수단이며 상부층면(62)에 인접 배치된 굴절률 n2의 제2 중간층(81)을 구현할 수 있다. 층(66 및 81) 중 하나의 층은 적어도 에어 갭이거나 다른 기체 또는 투명 유전체 갭일 수 있다.
인장시에(도시되지 않음) 층을 지지하거나 제1층(61)과 인접한 광 전향층(70) 사이에 스페이서(68)를 배치하는 것과 같은 외부 지지부와 같은 종래 수단으로 에어 갭이 설정될 수 있다. 유사하게, 제1층(61)과 제2 광 전향층(70) 사이에 스페이서(68)가 위치될 수 있다. 그렇지 않고, 층(66 및 81)을 구성하기 위한 투명 유전체에 고형 재료가 사용될 수 있으며, 구조적으로 완전하고, 강하며 조립이 용이하도록 개선될 수 있다. 그러한 고형 재료는 예를 들어, 솔-겔(n2=1.05-1.35), 플로폴리머(n2=1.28-1.43), 프로라이드 솔트(n2=1.38-1.43) 또는 실리콘-기재 폴리머 및 접착제(n2=1.40-1.45)를 포함할 수 있다. 투명 유전체용의 그러한 고형 재료는 그것을 지지하거나 유지할 수단을 분리할 필요가 없으며, 에어 갭의 경우보다 인덱스가 높기 때문에 N.A. 수용도가 낮게 된다.
층(66 및 81)은 제1층(61)으로부터 입사된 광을 전달시킨다. 이 실시예에서, 광의 일부는 상부층면(62)에 관련하여 θc를 달성하며, 광은 층(81)으로 입사되어 광 전향층(82)에 의해 다시 처리된다. 나머지 광은 하부층면(64)에 관련하여 θc를 달성하므로, 층(66)으로 입사되어 광 전향층(70)에 의해 다시 처리된다.
본 발명의 양호한 실시예에서(도 6A 참조), 층(66 및 81) 모두가 존재하며 유사하지만 상당히 상이한 인덱스 n2a및 n2b를 각각 갖는다. 인덱스는 웨지 각 ψ과 크기가 유사한 접촉면(62 및 64)에서 임계값을 설정할 경우 유사한 것으로 고려된다. 예를 들어,
이 경우, 광의 중요한 부분들(동일하지는 않음)이 각각의 층(66 및 81)으로 입사하여 각각 전향층(70 및 82)에 의해 후속 처리된다. 두 개의 굴절율 n2a및 n2b중 큰 쪽의 층으로 큰 부분이 입사한다. 전향층(70)은 층(66)으로 입사하는 단편만을 처리한다. 그러므로, 광의 출력 각도 분포에 대한 전향층(70)의 영향은 굴절율 n2a및 n2b간의 관계를 변동시킴으로써 변화될 수 있다.
본 발명의 다른 양호한 실시형태에 있어, 층(66 및 81)은 굴절율 n2< n1인 동일한 투명 재질일 수 있다. 일반적으로, n2의 값이 작으면 광 입사면에서 개구수를 증가시켜 장치(10)의 효율성이 향상된다. 그러므로, 층(66 및 81)이 (n2= 1-1.01 인) 공기나 다른 개스로 채워진 갭인 경우에 집광 효율성이 최대로 될 수 있다.
층(66 및 81)의 두께는 장치(10)의 출력 파워 공간 분포를 제어하거나 그 시각적 균일성을 향상시키기 위해 선택적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 층(81)의 두께를 0.002"-0.030" 증가시키면 비-균일성이 현저히 감소하는데, 이는 장치(10)의 두꺼운 단부에서 나타나는 경향이 있다. 층(66 및 81)의 두께는 출력되는 광의 원하는 공간 분포에 영향을 주도록 위치에 따라 완만하게 변동될 수 있다 (도 12L 참조).
도 6A에 도시된 본 발명의 양호한 형태에서, 광 전향층(70)은 층(66) 및 제1 층(61)을 통해 광을 반사시키는 반사층(71)을 포함한다. 광은 상층 표면(62)을 통해, 결국 광 전향층(82)을 통해 제1 층(61)으로 출력되어 후속 처리된다. 반사층(71)은, 예를 들어, 평면 거울 반사기, 부분적인 또는 전체적인 발산 반사기, 마면 반사기(faceted reflector, 또는 다면화된 반사기)를 적절히 조합한 것일 수 있다.
평면 거울 반사기를 사용하면 층(81)내의 각도 분포가 가장 좁아진다. 그러므로, 원하는 출력 각도 분포가 단일형태인 경우 광 전향층(82)의 설계에 평면 거울 반사기가 이용될 수 있다. 발산 반사기 또는 마면 반사기는 넓은 범위의 각도 분산을 달성하거나 (도 4H 및 4I 참조), 균일성을 향상시키기 위해 (도 4N 참조) 층(71) 용으로 사용될 수 있다. 발산 반사기는 원하는 각도 분포가 넓은 "테일(tails)"을 갖는 경우 바람직하다 (특히, 도 4I 참조). 마면 반사기는 층(81)에서 이중 형태 각도 분포를 생성할 수 있다 (도 4H 참조). 그러므로, 원하는 출력 각도 분포가 이중 형태인 경우 상기한 마면 반사기가 바람직하다. 예를 들어, 이중 형태 "배트윙(batwing)" 분포는 눈부심을 감소시키기 때문에 실내 조명용 조명기에 바람직하다.
일반적으로, 층(71)의 각진 마면은 전향층(82)에 의한 후속 처리를 위해 층(66) 및 제1 층(61)을 통해 반사되는 광의 각도 분포를 제어할 수 있는 형상으로 만들어 질 수 있다. 장치(10)내의 각도 분포는 전향층(82)으로부터 주변으로 출력되는 광의 각도 분포에 영향을 준다. 예를 들어, 굴곡진 마면을 사용하여 각도 분포를 원만하게 확장하는 한편 발산 효과를 제공하여 균일성을 개선할 수 있다. 반사층(71)은 출력 파워 공간 분포와 각도 분포에 영향을 줄 수 있다. 반사층(71)의 반사도, 경면 반사도, 기하학적 형태는 원하는 출력 분포를 달성하도록 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 반사층(71)의 각 성분의 경사도를 위치 함수로서 약간 변동시키면 광 출력 분포는 상당히 변동한다.
광 전향층(82)은 굴절율 n3> n2을 가지며, 사실상 투명 또는 반투명이다. 저 굴절율 층(81)의 광은 층(82)으로 입사하여 주변쪽으로 전향된다. 투과성 전향층(82)도 전향층(71)의 반사에 의해 처리된 다음 저 굴절율 층(66) 및 제1 층(61)을 통해 역으로 전달되는 광을 전향시킨다. 층(82)의 투과성 및 기하학적 형태는 장치(10)의 출력 공간 분포에 영향을 주도록 위치에 따라 변동될 수 있다. 본 발명의 양호한 형태에 있어, 전향층(82)은 도 6A에 도시된 바와 같이 저 굴절율 층(81)과의 접촉면에서 다면화된 표면을 포함한다. 층(82)으로 들어가는 광은 각진 마면(85)의 한 측면(84)에서 굴절된 다음 각각의 마면(85)의 제2 측면(86)에서 내부적으로 전반사된다. 본 발명의 한 형태에서, 전향층(82)은 3M 코포레이션이 판매하는 3M 코포레이션의 상표인 "투명 직각 필름(Transparent Right-Angle Film)" (이하, TRAF)으로 만들 수 있는다. TRAF는 굴절 및 내부 전반사를 통해 입사광을 대략 90도 각도 방향 전환하도록 동작하는데, 이는 전형적인 LCD 백라이트 분야에서 바람직한 것이다. 종래 기술의 TRAF의 허용 각도는 약 21도인데, 이 정도면 저 굴절율 층(81)으로 입사하는 광의 많은 부분을 전향하기에 충분하다. 본 발명의 다욱 양호한 형태로써, 전술한 굴절에 내부 전반사를 더한 매카니즘을 통해 저 굴절율 층(81)으로 입사하는 광(75)의 더 많은 부분을 전향하도록 마면 각도가 선택된다. 마면의 표면(84 및 86) 또는 이들중 하나는 출력 각도 분포를 제어할 수 있는 형상으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 굴곡진 마면을 사용하여 분포를 원만하게 확장시키는 한편 광 발산 효과를 제공하여 균일성을 향상시킬 수 있다.
다른 양호한 실시예에서, 전향층(82)의 마면 각도 표면을 점진적으로 변동시켜 전형적인 시야 거리에서 볼 때 위치에 따라 시야 각도의 변동을 보상할 수 있다. 이러한 보상 효과에 관해서는 도 2M에 도시된 실시예에서 반사 마면층의 설계와 관련하여 상술한 바 있다. 굴절층 및 굴절/내부-반사층을 포함하는 임의의 다면화된 전향층의 설계에도 유사한 원리를 적용할 수 있다. 이러한 점진적으로 변동되는 다면화된 층을 사용할 수 있는 실시예는, 예를 들어, 도 12E (층 140), 도 12G (층 152), 도 12H (층 166), 도 12K (층 186), 도 12N (층 210), 도 12O (층 228), 도 12P (층 246)에 도시되어 있다.
본 발명의 다른 형태로써, 층(66 및 81)은 유사하지만 약간 다른 굴절율 n2및 n2' 을 각각 가질 수 있다. 제1 층(61) 및 두 개의 층(66 및 81) 사이의 접촉면과 연관된 임계 각도가 제1 층 수렴 각도 이상으로 다르지 않다면, 장치(10)의 동작 원리는 사실상 유사하다.
그러므로, 이 경우 거의 동일한 부분의 광이 층(66 및 81)으로 입사하여 각각 전향층(70 및 82)에서 후속 처리된다.
본 발명의 모든 형태에는 도 2C에 점선으로 도시된 출력 발산층(40) 또는 도 6A에 도시된 투과성 또는 반투명성 발산층(83)이 더 포함될 수 있다. 일반적으로, 상기 발산층(40)은 표면 발산기, 체적 발산기, 또는 적어도 일부분의 실린더를 갖는 적어도 하나의 마이크로 렌즈 어레이("렌티큘러 어레이"로 알려짐)로 될 수 있다. 상기 층(40 및 83)은 광 균일성을 증가시키거나 각도 분포를 주변으로 확장시킬 수 있다. 렌티큘러 어레이는 표면 또는 체적 발산기에 비해 백-스캐터링이 적으며, 시준 광선에 의해 조사될 때 예리한 출력 각도 컷-오프를 가지므로, 더 유익하다. 렌티큘러 어레이는 각각의 실린더형 마이크로 렌즈의 축 방향으로 주행할 부분만을 우선적으로 발산시킨다.
도 10에 도시된 양호한 실시예에서, 광 전향층(10)은 출력 광이 고도로 시준되도록 편평한 마면(111)을 사용한다. 적절한 촛점비를 갖고 그 실리더형 마이크로 렌즈가 y-축에 대략 평행하게 주행하는 렌티큘러 발산기(112)를 포함함으로써 원하는 출력 각도 분포를 더 제어할 수 있다. 렌티큘러 발산기(112)는 일반적으로 y-축 방향으로 주행할 비-균일성을 발산시킨다. 이 실시예에서, 제2 렌티큘러 확산기(113)를 포함시켜 일반적으로 z-방향으로 주행할 비-균일성을 발산시킬 수 있다. 상기 제2 렌티큘러 발산기의 마이크로 렌즈는 z-축과 대략 평행하게 주행한다 (도 12H 및 12N 참조). 발산기(112 및 112)의 위치 설정 순서는 광학적 이점을 손상시키지 않고도 상호 교환될 수 있다. 유사하게, 렌티큘러 발산기(112 및 113)는 반전될 수 있으며, 도 10에 도시된 볼록형 대신 오목형일 수 있다. 이러한 변경이 세부적인 성능에 영향을 줄 수도 있지만, 발산층(112 및 113)은 여전히 전술한 일반적인 이점을 제공할 수 있다.
도 11에 도시된 또 다른 실시예에서, 도 10에서의 평판 마면형(다면형) 광 전향층(110, flat-faceted light redirecting layer) 및 병렬 렌티큘러 확산기(112, parallel lenticular diffuser))의 기능 모두는 곡선형 마면들(예를 들어, 곡선형 마면들을 도시하는 도 2H, 2M 및 3A 참조)이 있는 광 방향 수정층(114)에 의해 수행될 수 있다. 이들 곡선 마면층들은 광의 방향을 수정하고, 적절한 마면 곡률을 가짐으로써 출력되는 각을 제어하고, y 축의 일반적 방향에서 비균일한 진행을 위해 확산기로서 역할을 한다. 단일층 내에서 이 기능들을 결합하여, 다수의 구성 요소들이 감소되어, 두께, 비용 및 제조 능률을 개선할 수 있다. 본 실시예에서, 단일 렌티큘러 확산기(115)가 없었다면 일반적인 z 축 방향에서 진행할 것으로 보이는 잔유 비균일성을 확산하기 위하여 단일 렌티큘러 확산기(115)가 포함될 수 있다. 이러한 형태의 렌티큘러 확산기 마이크로 렌즈는 대략적으로 z 축에 평행하게 진행한다. 주목해야 할 것은 렌티큘러 확산기(115)가 반전되어 도 10에 도시된 볼록한 곡률이 아닌 오목한 곡률을 가질 수 있다는 것이다. 이러한 변경들이 성능에 영향을 미칠 수는 있지만, 114와 115에서의 층들은 이러한 변경을 의도적으로 수행한다.
다중 마이크로 구조형 층들을 사용하는 모든 실시예에서, 상술한 이 층들의 마면이나 렌즐릿 간격들은, 층들간의 바람직하지 못한 므아르 상호 작용을 방지하기 위하여, 비합리적인 비율을 갖도록 액정 표시와 함께 선택될 수 있다.
유사한 렌티큘러 확산기들은 웨지형(쐐기형) 크로스 액션을 갖는 비웨지형의 기하학적 형태와 함께 사용되어, 확산기 단면들이 대략적으로 도 10 및 11에 도시된 바와 같을 경우에 유사한 장점을 제공한다. 그 일 예가 도 5에 도시된 테이퍼형(tapered) 디스크이다. 이 경우에, 도 10에서의 층(112)과 비슷한 렌티큘러 확산기는 그 축들이 디스크 회전축 주위의 동심원 내에서 움직이는 마이크로 렌즈를 가질 것이다. 도 10에서의 층(113) 및 도 11에서의 층(115)와 유사한 확산기는 그 축들이 디스크의 중심축으로부터 방사형으로 발산하는 마이크로 렌즈를 가질 것이다.
광원 및 커플러
도 2A 및 B에 도시된 본 발명의 보다 양호한 형태에 있어서, 마면층(30)은 광의 방향을 광학적으로 수정하기 위하여 포함되었다. 마면들(34)은 층에 합쳐지거나 분리된 마면층이 될 수 있다. 이러한 마면층의 상세한 동작은 상술하였다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 입력 마면층(74)은 광원(76)과 제1 층(61) 사이에 위치될 수도 있다. 마면층(74)은 주위에 보다 밝고 균일한 출력광(80)을 제공하는 입력광(78)에 대해 조준 효과(collimating effect)를 제공하는 프리즘형 마면 어레이가 될 수 있다.
y 축에 평행한 선형 프리즘들은 입력 개구율에 보다 근접하게 일치시키는 입력 각 분포를 조절함으로써 균일도를 향상시킬 수 있다. x 축에 평행한 선형 프리즘들은 출력 횡각 분포를 한계지을 수 있으며, 또한 형광 램프 광원으로 사용될 경우에 출력 명도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 다른 형태들에 있어서, 광원의 확산이 기대되는데, 여기서 확산기(79)는 광 균일도를 향상시키는 빛을 확산하는 광 분포를 확산하는데 사용된다. 확산기(79)로는 렌티큘러 어레이가 바람직하며, 실린더형 렌즐릿은 y 축에 평행하다. 또한, 확산기(79)는 표준 표면이나 체적 확산기가 될 수 있으며, 이산적인 막일 수도 있고, 또는 웨지형 층(61)에 총체적으로 결합될 수 있다. 다중 프리즘이나 확산기 막들은 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 막은 확산기(79)를 형성하고, 절단형 층(74)은 위치가 상호 변환되어 그 효과를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 양호한 형태에 있어서, 내부 전반사용 CPC 부(100)(복합 파라볼릭 동심체)의 일부가 광원(76)과 제1 층(61)간에 삽입될 수 있다 (도 2L, 12O 및 12P 참조). CPC 부(100)는 입력광을 입력 개구율에 보다 근사하도록 입력광을 조절한다. CPC 부(100)는 제1 층(61)과 합체되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 7 및 8에 도시된 반사 소자들(92 및 94)은 각각 광원(76)으로부터 광-파이프 개구로 광 스루풋을 최소화하기 위한 형태로 되어 배치될 수 있다. 이것은 광원(76)으로 되돌려지는 광 반사를 최소화하는 것과 같은데, 이것은 되돌려진 광을 부분적으로 흡수하는 것이다. 광원(76)은 실린더형인 것이 전형적이며, 투명 유리 덮개(93)로 둘러싸이는데, 각각은 도 7 및 8에 도시된 바와 같은 원형 크로스 섹션을 갖는다. 이러한 예의 광원들은 형광관들 및 긴 필라멘트를 갖는 백열들을 포함한다. 광원(76)의 외경은 유리 덮개(93)의 내경 이하가 될 수 있다. 도 7은 광원 주위를 거울 반사형 중합체 막으로 감싸고, 이 막의 각 단부에서 웨지형 층(12)과 접촉하게 하므로써 형성된 종래의 U자형 반사기(92)를 도시한다. 전형적으로, 이 반사기 소자(92)는 대략적으로 웨지형 층(12)에 대향하는 광원(76)의 측면 상의 원의 호 형태로 형성되고, 직선부들은 대략적으로 호의 각 끝점과 웨지형 층(12)을 접속시킨다. 반사기 소자(92)를 웨지형 층(12)에 결합하는 이와 같은 방식은 반사기 소자의 크로스 섹션에 예리한 코너가 없는 경우에 가장 용이하게 달성될 수 있다. 일반적으로, 광원(76)은 램프 효율을 감소시킬 수 있는 열적인 그리고 전기적인 커플링을 최소화하기 위하여 웨지형 층(12)이나 반사형 막 중 하나와 접촉하는 것을 허용하지는 않는다.
도 8에 도시된 본 발명의 일 형태에 있어서, 광원(76)으로 되돌아 오는 광의 부분을 최소화할 수 있도록, 반사기 소자(94)가 설계되고 광원(76)이 배치될 수 있어서 효율을 증가시킨다. 바람직한 일 실시예에서, 적어도 반사기 소자(94)의 한 섹션은 각 점에서 반사기 소자(94)의 표면에서 수직으로 연장되는 선이 광원(76)의 원형 크로스 섹션에 접하도록 형성된다. 이에 따른 반사기 형태는 광원(76)의 인볼루트(involute)로서 알려져 있다.
인볼루트가 최대 효율을 제공하는 경우에는 일반적으로 다른 형태들이 보다 용이하게 제조될 수 있다. 중합체 막들은 상술한 바와 같이 거의 반원인 호를 포함하는 완만한 곡선 내로 용이하게 휘어질 수 있다. 광원(76)의 크로스 섹션과 반사기 소자(92)의 반원형 섹션이 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 중심을 갖는 경우에, 반사기 소자(92)의 반원형 섹션은 광원(76)으로 모든 입사광들을 되돌리기 때문에 효율을 낮게 한다는 것이 보여질 수 있다. 이러한 비효율성은 자기 흡수형 원형 광원과 동심성 반원형 반사기들의 일반적인 특성이다. 이러한 일반적 특성은 단순히 광선 추적이나 비대칭 불변의 원리로부터 유도될 수 있다. 반사기 소자(92)가 완전한 원형이 아니더라도, 광원(76)의 크로스 섹션이 그 반사기 섹션의 곡률의 중심 부근에 중심이 있다면, 반사기 소자(92)의 각 부분은 빛을 광원(76)으로 되돌리는 경향이 있다.
또 다른 양호한 실시예에 있어서, 도 8에서의 반사기 소자(94)의 크로스 섹션은 하나 이상의 거의 원형인 호들을 포함하며, 그 효율은 반사기 소자(94)의 곡률의 중심으로부터 떨어진 광원(76)의 중심에 위치시킴으로써 증가된다. 광선 추적 및 실험은 이러한 양호한 실시예들이 하기의 규칙들을 사용하여 결정될 수 있음을 보여준다:
1. 반사기 소자(94)의 크로스 섹션은 웨지층(12)(또는, 광 파이프)의 최대 두께와 같은 x 방향 길이의 한계에서 최대치를 갖는다;
2. 반사기 소자(94)의 크로스 섹션은 광학적으로 뾰족한 코너들을 갖지 않는다;
3. 반사기 소자(94)의 곡률 반경은 가능한한 크게 한다; 및
4. 광원(76)은 웨지층(12)으로부터 가능한한 멀게 배치하지만, 제조시 최악의 변경을 방지하기 위해 반사기 소자(94)로부터 충분히 멀리한다.
도 8은 내경 2 ㎜, 외경 3 ㎜인 광원(76), 웨지층(12)(또는, 광 파이프)의 두께 5 ㎜, 및 반사기 소자(94)와 글래스 덮개(93)의 외경간의 간격으로 0.25 ㎜를 허용하는 제조 공차에 대하여 상술한 설계 규칙들을 만족하는 커플러의 일 예를 도시한다. 양호한 실시예 중 이 예에서는, 반사기 소자(94)의 곡률 반경은 2.5 ㎜ 이고, 광원(76)의 중심은 웨지층(12)의 개구로부터 0.75 ㎜ 정도 떨어져 위치된다. 이 설계에 따라 구성된 커플러는 도 7에 도시된 동심 커플러와 비교해 10-15% 정도 더 밝다.
전술한 인볼루트 및 U자형 반사기 소자들(92 및 94)은 개구 표면의 법선에 대하여 ±90°로 접근하는 각들을 갖는 웨지층(12)의 개구로 빛을 출력하도록 설계된다. 또 다른 양호한 실시예에서, 반사기 소자(94)는 장치(10)의 N.A.에 보다 근접하는 각 분포를 갖는 빛을 출력하기 위한 형태를 갖는다. 도 6B 및 6C에 도시된 바와 같이, 반사기 소자(94)의 형태들은 복합 파라볼릭 소스 반사기(86)와 비영상화 조명 소스 반사기(88) 등의 다른 기하학적 형태를 포함한다. 소스 반사기(88)의 일 예는 본 명세서에서 참조적으로 설명되는 본 출원인에게 양도된 미국 특허 출원 제 07/732,982호에서 설명된다.
도 6D, 12L, 12N 및 12O에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 웨지층(90)은 웨지형 크로스 섹션 중 다양한 선택부에 대해 웨지꼴 크로스 섹션의 두께를 변화시킴으로써 비단조(non-monotonic)를 갖는다. 이러한 크로스 섹션을 조절하여 출력되는 광 분포가 제어된다. 또한, 고유 광원 효과뿐만 아니라 광경계 효과도 원하지 않는 이상(anomalies)을 갖는 출력 광 분포를 주도록 결합될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 전형적으로 입력광을 수신하는 보다 두꺼운 단부 부근에서 웨지층(90)의 실제 크기에서의 비선형 변화를 갖는 웨지형 크로스 섹션을 제공하여 이러한 이상들을 보상할 수 있다. 이러한 제어에 의해, 광 분포를 제어하기 위한 또 다른 자유도를 가질 수 있을뿐만 아니라 어떠한 경계 효과나 광원에 대하여 보상하기 위한 임의의 설계를 사실상 제공할 수 있다. 더욱이, 광의 분포를 수정하기 위해 전술한 방법으로 웨지층(90) 내에서 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 또한 희망하는 광 분포 출력을 제공하기 위해 광 입력 이상을 보상할 수 있다.
조명 장치의 제조
본 발명의 한 형태에 있어서, 선택된 접착제들과 조명 절차를 주의 깊게 사용하여 장치(10)를 제조할 수 있다. 예를 들어, n1인 굴절률을 갖는 웨지층(12)은 n2인 굴절률을 갖는 제1 층(28)에 밀착되도록 결합될 수 있다. 접착층(60, 도 3B 참조)은 웨지층(12)의 최하부면(16)에 밀착되어 결합된다. 일반적으로, 다양한 층들의 결합 순서는 임의대로 주어진 순서로 될 수 있다.
층(12)을 층(28) 및 다른 이와 같은 층들에 적용시에, 제조 공정은 사실상 완곡한 접촉면들인 내부층 접촉면들의 형성을 포함하는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 서로 다른 굴절률을 갖는 층들간의 각각의 접촉면이 자신만의 특성 임계각을 갖는 반사면으로서 작용하기 때문에, 적당하게 배치된 이러한 내부층들이 성능을 열화시킬 수 있다. 접촉면들이 실질적으로 완만하다면, 불균일면들의 열화 효과는 무시된다. 그러므로, 장치(10)의 다양한 층들의 적층시에, 방법론적으로 상술한 완곡한 접촉면층들을 제공하는 접착제들 및/또는 결합 기술들을 사용하여야 한다. 적층 공정의 예들은 추가 접착층들없이 결합하고, 한 층을 도포한 다음 접착제가 있는 제2 층에 결합하고, 막층을 두개의 접착층들(서로 결합될 각 층면의 한면)에 적용하는 공정들을 제한없이 포함한다.
양호한 실시예에서, 층들의 적층은 그 잠재적인 접촉면의 거침이 광 분포를 왜곡하는 어떠한 추가적인 내부층이 없이 행해진다. 장치(10)에 대한 이러한 기하 형태의 예는 웨지층(12)과 제2 층(30) 사이의 액체층일 수 있다. 이러한 방법은 제1 층(29)(액체층 등)이 접착층으로서의 역할을 한다면 가장 잘 적용된다. 부분적으로든 전체적으로든지간에, 장치(10)의 다양한 층들의 결합 전과 결합 후 중 어느 한 시기에 접착제를 경화시킬 수 있다. 이와 같이, 웨지층(12)의 최하부면과 제2 층(30)의 상부면에 의해 광학적 접촉면이 정의된다.
코팅이 접착층으로 사용되는 다른 실시예에서, 제1 층(28)은 제2 층(30)에 인가되는 코팅일 수 있다. 다음, 코팅막과 웨지층(12) 간에 접착제를 인가함으로써 제2 단계에서 코팅막은 웨지층(12)에 적층될 수 있다. 제2 층(30)이 전형적으로 연속적인 막 롤 형태로 공급되기 때문에, 낮은 인덱스 코팅을 직접 웨지층(12)에 인가하기 보다는 제2 층(30)에 인가하는 것이 바람직하다. 실제로, 이산 조각을 코팅하는 것보다는 이러한 연속 롤을 코팅하는 것이 비용에 더 효과적이다. 이 방법으로, 인가된 낮은 인덱스층의 두께를 제어하는 것이 더 편리하다.
다른 실시예에서, 제2 층(30)은 추가 접착제를 사용하지 않고 제1 층(28)을 직접 부착하는 방식으로 제조된다. 예를 들면, 제2 층(30)은, 폴리머 재료층을 제1 층(28)에 인가한 다음, 이 재료를 소정의 제2 층 구조를 갖도록 주형함으로써 제조될 수 있다. 다른 예에서, 제1 층(28)은 제2 층(30)의 엔보싱 동안 캐리어막으로서 기능할 수 있다. 엔보싱 공정 동안에 적절한 온도를 사용하여, 제2 층(30)은 제1 층(28)에 가열-휴즈될 수 있다. 이러한 가열-휴징은 거의 500。F 이상에서 엔보싱함으로써 종래의 FEP 제1 층막을 사용하여 달성될 수 있다.
막과 두개의 접착제를 사용하는 다른 실시예에서, 제1 층(28)은 웨지층(12)에 적층되거나, 또는 두가지 유형의 접촉면들 간에 접착제를 사용하여 웨지층(12) 및 제2 층(30) 사이에 적층되는 막을 압출 성형 또는 주형될 수 있다. 전술된 해로운 광 산란을 최소화하기 위해, 접착층은 평탄하고 매끄러워야 한다. 막은 업계에 유용한 저렴한 형태로 낮은 인덱스 재료로서 얻어질 수 있다. 이러한 추가 접착층은 층들 각각 사이에 접착제를 갖는 다층 구성에 의해 강도를 증가시킬 수 있다.
일반적인 접착제의 사용으로, 장치(10)의 성능은, 웨지층과 제1 층 간의 접착제 인덱스가 가능한한 제1 층(28)의 인덱스에 근접할 때 최적화된다. 웨지/접착제 접촉면에서의 임계각이 가능한한 낮을 때, 광은 장치(10)를 빠져나가기 전에 보다 저품질의 막 접촉면으로부터 떨어진 곳에서 최소의 반사를 겪는다. 또한, 막 표면의 거칠기 효과를 감소시키는 제1 층막의 표면에서의 인덱스 변화는 최소화된다.
마면들은 마스터 도구를 사용하여 몰드를 마이크로-머신함으로써 제조될 수 있다. 머싱은 적절한 모양의 다이아몬드 도구로 통제함으로써 실행될 수 있다. 마스터 도구는 전기 주형 또는 주형과 같은 공지된 기술에 의해 복제될 수 있다. 각각의 복제 단계는 소정의 표면 모양을 반전시킨다. 이 때, 그 결과로 나타나는 몰드 또는 복제물은 제2 층(30)에서 소정의 모양을 엔보싱하는데 사용될 수 있다. 직접 통제되는 표면이 또한 사용될 수 있지만, 상술된 엔보싱 방법은 바람직하다. "밀링" 공정은 화학적 에칭 기술, 이온 빔 에칭 및 레이저 빔 에칭을 포함할 수 있다는 것을 알아야 한다.
또 다른 기계적 제조 방법에서, 마면(34)(예를 들면, 도 2B 및 도 2M 참조)은 하나의 표면상에 소정의 마면(34)의 프로파일의 반전을 갖는 하드 도구를 사용하여 엔보싱 또는 주형과 같은 용접 공정에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 제조상의 문제는 적절한 도구를 머싱하는 물질에 의해 감소한다. 일반적으로, 머신된 도구는 템플레이트로서 사용되어, 주형 또는 엔보싱 공정에 실제 사용되는 도구를 형성한다. 도구들은 전형적으로 전기 주형에 의해 복제된다. 전기 주형은 표면 프로파일을 반전시키고, 전기 주형은 다른 전기 주형으로부터 형성될 수 있기 때문에, 임의의 수의 이러한 반전들은 달성되고 직접 머신된 "마스터"는 마면(3A) 또는 그 반전의 모양을 가질 수 있다.
마면(34)의 도구는 단일-포인트 다이아몬드 머싱에 의해 제조될 수 있는데, 커프링 도구 및 작업물 간의 거리는 소정의 프로파일을 추적하기 위해 변화된다. 다이아몬드 커프링 도구는 매우 날까로워야 하지만, 대체로, 거의 임의의 프로파일이 생성될 수 있다. 소정의 설계는 또한 커프링 도구의 비제로 반경에 부합하도록 특정한 적응성을 요구할 수 있다. 곡선 마면이 요구되면, 원호는 제조를 용이하게 하는데 바람직하다. 커프링 도구는 잘린 기판을 통해 이동되고 도구의 유사한 모양을 갖는 그루브를 절단한다. 단일 다이아몬드 도구를 사용하여 전체 조각을 머신하는 것이 바람직하다. 이 방법이 마면(34)의 "포커싱" 형태를 만드는데 사용될 때, 가변 그루브 프로파일은 다양한 그루브 프로파일이 동일한 도구에 의해 머신될 수 있도록 설계되어야 한다. 필요로 하는 모양 변화는 그루브 공간 및 깊이뿐 아니라, 도구의 각도를 변화시킴으로써 여전히 달성될 수 있다.
바람직하게 마면(34)의 설계는 일반적인 일부 제한 사항을 만족한다.
1. 위치의 함수로서 조명 각도 분포의 중심에서 거의 선형적인 변화. 전형적인 컴퓨터 화면의 상부에서 바닥까지 11。(± 5.5。)의 변화가 효과적이다.
2. 광 출력의 가변 각 분포의 폭은, 관찰자에게 거의 균일한 밝기를 달성하기 위해 로컬 조명에 거의 비례해야 한다. 이하 제공된 예들은 공간 분포가 거의 균일하여, 각도 콘은 거의 균일한 폭을 갖는다는 것을 도시한다.
3. 마면들(38)의 그루브들 간의 공간은 회절 효과를 피하도록 충분히 크거나 충분히 불규칙적이어야 하며, LCD 패널에 사용될 때 모이어 패턴을 피하도록 선택되어야 한다. 실제로, 이들 요구 조건들은 허용된 공간 변화를 한정한다.
장치(10) 제조시, 예를 들면, 시야각은 마면들(38) 각각의 틸트 및 굴곡에 의존한다. 포커싱은 위치 함수로서 마면 구조를 회전시킴으로써 달성된다. 500㎜ 떨어져서 본 150㎜ 화면의 예를 사용하여, 조명 콘은 상부에서 바닥까지 17。(즉, ±8.5。) 만큼 변화될 수 있다. 전형적인 재료인 아크릴, FEP인 경우, 이는 마면이 화면(89)의 상부에서 바닥까지 약 5.7。 만큼 회전하도록 요구한다(도 9B 참조).
설계의 제약 사항은, 제한 사항 (1)-(3)이 단일 도구로 다양하게 굴곡된 그루브를 머신할 필요성과 함께 조합될 때 기인할 수 있다. 예를 들면, 일정한 절단 깊이에서 일정한 각도 폭(제약 사항 #1)을 유지하는 것은 그루브 공간 또는 그루브 깊이의 보상 변화를 요구한다. 상세하게는, 그루브 공간의 선형 변화는, 각각의 곡선 반사기 마면의 일부(도 2M 참조)가 인접한 마면의 상부 에지에 의해 가려지도록 그루브를 절단하는 형태 도구가 밝기 변화를 무시할 만한 레벨로 감소시킬 수 있다. 이 공간 변화는 제약 사항 #3을 만족시키는데 충분히 작을 수 있다.
다른 제조 방법은, 제1 층이 상술된 바와 같이 매우 얇을 수 있기 때문에 제1 층(28)의 기상 증착, 스퍼터링 또는 이온 빔 증착을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 층(30)은 (마스킹 및 층 증착과 같은) 도 2B에 도시된 마면층(30)을 형성하기 위해 제어가능하게 인가될 수 있다.
간단한 시준기 장치로서 웨지 도광판
가장 일반적인 실시예에서, 웨지층(12)은 간단한 시준 광 소자로서 조합 환경으로 기능할 수 있다. 실질적으로 투명한 웨지층(12)은 광 굴절율 n1을 갖고, 상부면(14) 및 최하부면(16)은 적어도 하나의 입사각 ψ을 수립하도록 수렴한다(도 15 참조). 웨지층(12)은 또한 최상부면(14) 및 최하부면(16)을 연결하는 뒷면(20)을 포함한다. 웨지층(12)에 인접한 것은 공기 틈을 포함한 굴절률 n2을 갖는 투명한 제1 층(28)이다. 제1 층(28)에 인접한 것은 제2 층(30)의 마면(34)과 같이, 거울 반사층이다.
실질적으로 비시준광은 소오스(22)에 의해 뒷면(20)을 통해 도입된다. 광은, 입사각이 임계각 θc보다 작을 때까지 각각의 광선이 상부 및 최하부면(14 및 16)에 대한 입사각을 감소시키며 웨지층(12) 내에 전달한다. 일단 각도가 θc보다 작으면, 광선은 대기로 방출한다. 최하부면(16)을 통해 방출하는 광선은 웨지층(12)으로 역반사된 다음 대기로 출력된다. 상술된 각도-필터링 효과에 의해, 출력광은 거의 수학식 8에 표현된 각도 폭의 콘 내에서 시준된다.
조명될 영역(99)은 웨지층(12)의 단부를 벗어나고 실질적으로 거의 상기 정의된 폭의 콘 △θ 내에 위치한다.
다른 바람직한 실시예에서, 광-전향 수단은 웨지층(12)의 단부를 벗어나 배치되고 상기 정의된 폭의 콘 △θ 내에 실질적으로 배치될 수 있다. 광-전향 수단은 렌즈, 평면 거울 반사기, 또는 곡선 반사기일 수 있다. 광-전향 수단은 조명될 영역에 광을 반사하거나 또는 굴절시킨다. 렌즈 확산기와 같은 이러한 전향 수단에 대한 다른 세부사항과 용도가 이하 설명될 것이다.
두개의 공기 틈 또는 투명한 유전체층을 갖는 도 6의 실시예에서, 광 전향층은 독립적이므로, 다른 유형의 층들을 갖는 장치를 구성할 수 있다. 예를 들면, 광이 장치(10)의 양 측으로부터 방출될 때 또는 최대 시준이 요구될 때마다 두개의 전송 전향층을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 두개의 전향층에 대한 모든 발명의 전향층(82)의 예들은 도 12의 예들을 포함하는데, 여기서 괄호안의 문자는 도 12의 적절한 도면에 대응한다. 즉, (a) 도 12A에서 회절 격자(120) 또는 홀로그램(122), (b) 도 12B에서 확산기(126)를 갖는 두개의 굴절 마면층들(124), (c) 웨지층(12)으로부터 출력된 광을 굴절시키고 내부로 반사하도록 설계된 마면들(120)을 갖는 두개의 마면층(128), 이러한 마면들(130)은 굴절만에 의한 각도보다 큰 각도를 통한 광 출력을 전환시킬 수 있으며, (d) 두개의 굴절 단일 마면층(132)(프리즘), (e) 포커싱을 위한 곡선 출력면(136)을 갖는 굴절 단일 마면층(134)을 갖는 웨지층(12)을 위한 상부면 전향층이다. 최하부면(138)은 마면층(140)을 사용하여 광을 굴절시키고 내부로 반사하기 위한 전향층을 포함하며, 마면 각도는 F에서 출력광(142)을 포커스하기 위해 위치에 따라 변화되며, (f) 굴절 마면층(146)으로 구성된 상부면 전향층(144) 및 광의 좁은 각도 출력을 갖는 굴절/내부 반사층(148)으로 구성된 바닥 전향층, 및 확산기 층(150)은 광 출력 각 분포를 매끄럽게 넓히기 위해 추가될 수 있으며, (g) 출력 각 분포를 넓히도록 볼록하게 휘어진 굴절면(154)을 갖는 굴절/내부 반사 마면층(152)의 상부면 전향층, 마면 각도는 위치에 따라 변화되므로, 광 출력 각도 콘에게 한정된 거리에서 바람직한 시야 영역을 생성하도록 선택적으로 지향하며, 이 구성은 곡선 마면층(152)에 의해 제거되지 않는 불균일성을 확산하는 트랜스버스 렌즈 확산기(156)를 더 포함할 수 있으며, 바닥 전향층은 반사층(160)이 제어 방식으로 광 출력 각 분포를 넓히도록 볼록하게 휘어진 굴절/내부 반사 마면층(158)을 포함하며, (h) 제어 방식으로 출력 각 분포를 넓히고 균일성을 개선하기 위해 곡선 마면(164)를 갖는 굴절 마면층(162)을 포함하는 상부 전향층, 좁은 각도 출력의 평탄한 마면들(168)를 갖고 한정된 거리에서 출력광을 포커스하기 위해 위치에 따라 변화되는 마면 구조를 갖는 굴절/내부 반사 마면층(166), 병렬 렌즈 확산기(170)는 제어 방식으로 출력 각 분포를 매끄럽게 넓히고 균일성을 개선하는데 사용될 수 있으며, 가상선으로 도시된 트랜스버스 이미지는 렌즈 확산기상에 인쇄되거나 또는 접착해서 기반이 될 수 있으며, 트랜스버스 렌즈 확산기(172)는 병렬 렌즈 확산기(170)에 의해 제거되지 않은 불균일성을 확산시키는데 사용된다. 포커스된 평탄한-마면층(166) 및 확산기(170)의 조합은 포커스된 곡선 마면의 사용과 유사하게, 한정된 거리에서 바람직한 시야 구역을 생성하도록 한다. 또한 도시되어 있는 것은 이와 함께 사용가능한 LCD 구성요소(173)(가상선) 및 임의의 다른 형태의 조명용 장치(10)를 제안한다.
다른 구조에서, 1 투과 및 1 반사 전향층이 결합될 수 있다. 이들은 전술한 각종 투과 전향층과 반사 전향층의 결합이다. 반사 전향층은 정반사층, 부분 난반사층, 난반사층, 마면층(faceted layer) 또는 이들의 결합일 수 있다. 이러한 구조는 일측에서만 조명이 요구되는 경우에 또는 최소 비용이 중요한 몇몇 경우에 바람직하다. 이러한 구조의 예로는 도 12에 도시된 바와 같이 (i) 최하부면 정반사기(174)가 상층 투과 회절 격자 또는 투과 홀로그램(176)과 결합된 구조; (j) 최하부면 정반사기(178)가 최상부면 굴절 마면층(180), 난반사기(182)(도12J에 가상선으로 도시됨) 및 삽입 화상 형성층(171)과 결합된 구조; (k) 최하부면 정반사기(184)가 상층 굴절/내부 반사 마면(다면)층(186)과 결합되고 마면(다면) 구조가 유한 거리에 출력광을 집광하도록 위치에 따라 변하며 가상선으로 도시된 난반사기(188)를 구비한 구조; (l) 최하부면 정반사기(190)가 최상부면 굴절/내부 반사 마면층(192)과 결합되고 다곡면(194)이 제어 방식으로 광의 각 출력을 점진적으로 확대하고 균일도를 향상시키는 데 사용되는 구조가 있다. 웨지 층(12)과 최상부면 및 최하부면 저굴절률 층(196)(예컨대 에어갭)의 두께는 광출력 공간 분포에 영향을 미치도록 변하고; (m) 균일도를 개선하기 위하여 최하부면 반사기(198)는 부분 정반사, 부분 난반사형이며; 도 12M은 통합 렌티큘라 난반사기(200)의 추가에 의해 난반사가 제어될 수 있는 초기 반사부를 나타내고; 난반사기(200)는 두꺼운 단부 근처에서 전반적인 y 축 방향으로 출력에 나타나는 불균일을 선택적으로 감소시키도록 설계되며; 굴절/내부 반사형이고 반사 곡면을 가진 최상부 전향층이 또한 포함되며; (n) 하부 반사층(204)은 균일도를 향상시키기 위해 부분 정반사, 부분 난반사층이고; 도 12N은 정반사를 감소시켜 두꺼운 단부(208) 근처에서 출력에 나타나는 불균일을 선택적으로 감소시키기 위하여 약간 거칠어진 초기 반사부(206)를 나타내며; 편평 마면층(212)을 구비한 굴절/내부 반사 상부 전향층(210)이 사용되고, 다면 구조(마면 구조)는 각각의 면에서 유한 거리의 공통 초점으로 광을 전향하도록 변하며; 횡 렌티큘라 난반사기(213)가 가상선으로 도시되어 있고; 평행 렌티큘라 난반사기(214)가 제어 방식으로 출력 각 분포를 점진적으로 확대시키는 데 사용되어, 편평 마면층(212)의 초점 영역을 더 넓은 바람직한 시역으로 변환하며; 렌티큘라 난반사기(213)는 또한 균일도를 향상시키고; LCD 표시(216) 또는 다른 투명 화상이 가상선으로 도시되고; (o) 바람직한 실시예에서 편심 결합기(218)는 도 12O에 가상선으로 도시된 균일도 강화 렌티큘라 난반사기(220)를 사용한다. 수렴 테이퍼부(222) 또는 CPC(웨지층과 일체)가 웨지층(12)의 입력 N.A.와 더 근사하게 일치하도록 출력 각 분포를 변환한다. 웨지층(12)의 두께는 출력 공간 분포에 영향을 주어 균일도를 향상시키도록 점진적으로 변하며; 하부 전향층(224)은 정반사 또는 부분 난반사 반사기이고; 상부 전향층(226)은 제어 방식으로 출력 각도를 점진적으로 확대시키도록 볼록화된 반사면(230)을 구비한 굴절/내부 반사 마면(다면)층(228)이며; 마면(다면) 구조는 유한 거리에 바람직한 시야(232)를 형성하기 위하여 각 면으로부터의 광의 각 원뿔을 선택적으로 배향하도록 위치에 따라 변하고; 횡 렌티큘라 난반사기(234)가 가상선으로 도시되어 있으며; LCD 표시(236) 또는 다른 투명 화상이 또한 가상선으로 도시되어 있고; 전향 및 저굴절률층은 고수렴부를 덮을 필요가 없기 때문에 고수렴 N.A.-정합부는 마면(다면) 전향층과 결합되는 것이 유리하며; 따라서 장치(10)의 입력 개구(따라서 효율)는 장치의 총 두께의 최소 증가와 함께 증가하고; (p) LCD 백라이팅에 대한 또 하나의 바람직한 실시예는 도 12P에 가상선으로 도시된 균일성 강화 난반사기를 구비한 편심 결합기를 사용하며; 수렴 하프-테이퍼부(240) 또는 하프-CPC(웨지층(12)과 일체)는 웨지층(12)의 입력 N.A.에 더 근사하게 일치하도록 결합기 출력 각 분포를 변환시킨다. 또한, 난반사기(239)(가상선)가 광원(217)과 웨지층(12) 사이에 개재될 수 있다. 충분히 끝이 잘린 하프-CPC(240)는 바로 단순 테이퍼부이다. 부분 정반사, 부분 난반사의 하부 반사기(242)가 균일도를 향상시키기 위해 사용된다. 도 12P는 정반사를 줄이기 위해 약간 거칠어지거나 일련의 평행 반사 그루브로 성형되어 더 두꺼운 단부 근처에서 출력에 나타나는 불균일을 선택적으로 감소시키는 초기 반사부(244)를 나타내며; 상부 전향층(246)은 제어 방식으로 출력 각을 점차 확대시키도록 볼록화된 굴절면(250)을 가진 굴절/내부 반사 마면(다면)층(248)이며; 다면(마면) 구조는 유한 거리에 바람직한 시역을 형성하기 위하여 각 면으로부터의 광의 각 원뿔을 선택적으로 전향하도록 위치에 따라 변하며; 횡 렌티큘라 난반사기(252)가 가상선으로 도시되어 있다. 또한, 가상선으로 도시된 LCD 표시(254) 또는 다른 투명 화상이 포함된다.
전향 고굴절률층은 고수렴부를 덮을 필요가 없기 때문에, 고수렴 N.A.-정합부(예컨대 하프-테이퍼부(240))는 마면 전향층과 결합되는 것이 유리하며, 따라서 장치(10)의 수광 개구는 총 두께를 증가시키지 않으면서 증가된다. 장점은 또한 도 12O에 도시된 완전 테이퍼부(222)에 의해 주어진다. 그러나, 이에 비해 도 12P의 하프-테이퍼부(240)는 동일한 N.A.-정합 효과에 대해 테이퍼 방향으로 더 긴 대신에 일측에서 더 큰 두께 감소를 제공한다. 최상부면 저굴절률층은 균일도를 향상시키기 위해 더 두꺼워질 수 있기 때문에 도시된 바와 같이 두께 감소를 일측에 집중시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구조는 코너 주위의 반사막을 굽힐 필요 없이 하부 반사층이 결합기 반사기 공동에 일체화될 수 있기 때문에 더욱 쉽게 제조될 수 있으며; (q) 하부 정반사 또는 난반사층(256)이 또 다른 실시예에서 단일면 굴절 상부층(258)과 결합될 수 있으며(도 12Q 참조); (r) 내부 조명용의 경우, 이중 "배트-윙(bat-wing)" 각 광분포가 바람직하며; 도 12R에 면(264)을 구비한 상부 굴절층(262)이 도시되어 있는데, 이는 각 출력을 점차 확대하고 균일성을 향상시키기 위해 굽은 정면을 가지며 출력 광은 주로 전방 사분면을 향하며; 하부 반사층(268)은 주로 상부 전향층의 후면을 통해 광을 반사시키며 출력은 실질적으로 후방 사분면을 향한다.
당해 분야에 공지된 바와 같이, 도면에 도시된 각종 소자는 테이퍼 조명 장치의 소자와 결합하여 사용될 수 있다. 두 가지 결합 구성의 예가 도 13 및 14에 도시되어 있는데, 각 도면은 또한 도시된 구조에 고유한 특징을 포함한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 2개의 웨지(276)는 결합되어 일체로 형성될 수 있다. 이러한 결합은 2개의 광원이 동일한 총 면적에 광을 공급할 수 있기 때문에 동일한 크기를 가진 단일 웨지보다 더 높은 휘도를 제공할 수 있다. 이러한 장치에서 휘도는 증가하지만, 2개의 광원은 하나의 광원에 필요한 전력의 2배를 요구하기 때문에 효율은 비슷하다. 면(274)을 가진 전향막(272)은 도시된 바와 같이 양 방향으로부터 수광하는 단일 대칭 설계일 수 있다. 대안으로, 전향막(272)은 버터플라이의 각 윙에 대해 다른 설계를 가질 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 테이퍼 디스크(270)의 3차원 해석이 도 14에 도시되어 있는데, 각종 층의 외관을 나타내기 위해 절단되어 있다. 마면 전향층(280)은 테이퍼 광 파이프부(284)를 덮는 동심 구면(282)을 포함한다. 광 파이프부(284)의 축에서의 갭 위에 놓인 광원(288) 바로 위에서 전향층(280)이 렌즈(예컨대 프레넬 렌즈(280)가 도시됨)의 형태를 취한다. 광원(288)의 바로 아래에는 광이 누출되는 것을 방지하고 광을 광 파이프부(284) 안으로 또는 렌즈를 통해 전향하도록 배치된 반사기(290)가 있다. 반사기에는 적어도 하나의 개구가 제공되어 와이어 또는 광 파이프와 같이 소자의 통과를 허용한다.
화상 형성층 또는 착색층의 사용
본 발명의 모든 실시예는 화상을 형성하기 위해 가변 투과율을 갖거나 각 출력의 적어도 일부를 착색시키는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 화상 형성층은 통상의 투명 표시와 같은 정지 화상, 또는 액정 표시와 같은 선택 제어 화상을 포함할 수 있다. 화상 형성 또는 착색층은 전향층 중 하나 위에 배치되거나, 대안으로 저굴절률층 중 하나와 관련 전향층 사이의 중간층, 또는 전향층의 내부 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 상부 화상 형성층(129)이 도 12C 및 12G에 가상선으로 도시되어 있다. 내부 화상 형성층(171)의 예가 도 12H 및 12J에 도시되어 있다.
한 바람직한 실시예에서, 화상 형성층(예컨대 129 및 170)은 폴리머 분산 액정(PDLC)층이다. 층들의 적절한 배열을 통해 화상 또는 칼라는 장치로부터 출력 각 분포의 선택부 안에 투사될 수 있다. 화상 또는 선택된 칼라는 출력 각 분포의 잔여부에는 실질적으로 없을 수 있다.
LCD 패널 조명용 이중 반사 웨지
몇몇 응용예에서, 주변광 또는 액티브 백라이팅에 의해 선택적으로 단일 LCD 패널을 조명하는 것이 바람직하다. 이러한 응용예에서 주변 조명은 표시에 의한 전력 소모를 최소화하기 위해 양호하게 조명된 환경에서 선택된다. 유효 주변 조명이 너무 낮아 적당한 표시 화질을 제공할 수 없는 경우에는 액티브 백라이팅이 선택된다. 이러한 선택적인 이중 동작 모드는 액티브 모드에서 LCD를 효율적으로 백라이트할 수 있고 주변 모드에서 주변광을 효율적으로 반사시킬 수 있는 후면 조명 장치를 필요로 한다.
가장 많이 보급된 종래 기술의 이중-모드식 액정 디스플레이(bi-modal liquid crystal display)는, 도 16B에 도시된 것과 같은 "투과 반사형 디스플레이(transflective display)(101)"이다. 이 방식은 통상적인 백라이트(102)와 투과성 LCD 패널(103), 및 부분적으로는 반사성이고 부분적으로는 투과성인 중간층(104)을 이용한다. 적절한 주변광 모드 성능을 얻기 위해, 중간층은 전형적으로 80 - 90%의 반사율을 가져야 한다. 이로 인한 낮은 투과율은 투과 반사형 디스플레이(101)가 활성 모드의 동작에서 비효율적이게 한다.
본 발명의 다른 실시예가 도 17에 도시되어 있다. 본 실시예는, 활성 모드에서 종래 기술의 투과 반사형 디스플레이보다 성능이 뛰어나며, 주변광 모드에서도 상당한 성능을 나타낸다. 본 실시예에서, 최하부면(16)을 가지는 웨지층(wedge layer)(12)(굴절율 n1)이 굴절율 n2< n1인 투명층(28) -에어갭도 가능함- 에 결합된다. 도 16A에 도시된 바와 같이, 이 리플렉터층(105)은, 예를 들어, 주변광 모드 전용으로 사용되던 종래의 LCD 패널에서 이용되던 리플렉터와 유사한 것이 바람직하다. 웨지층의 최상부면(14)에는, 초소형 렌즈를 구비하는 렌즈 확산기(20) 등의 마면된 전향층(106, redirecting layer)이 y축에 거의 평행하게 놓여져 있다. 액정 디스플레이 패널(107)이 마면된 전향층(106) 위에 놓인다. 웨지층(106)의 후면(20)은 광원(22)에 결합된다.
렌즈 전향층(106)과 웨지층(12)은 실질적으로 입사 및 반사광에 대해 투명하기 때문에, 주변광 모드에서, 장치(10)는 종래의 주변광 모드 전용 디스플레이와 유사한 방식으로 동작한다. 활성 모드가 선택되면, 광원(22)이 활성화되고, 복수 층이 전술한 바와 같이, 복수의 층들의 굴절율과 수렴 각도 간의 관계에 의해 빛을 장치(10)에 걸쳐 실질적으로 균일하게 스프레딩한다. 이로 인한 균일한 조명이 웨지층(12)의 최상부면(14)을 통해 출사된다. 바람직한 실시예에서는 주변광 모드의 성능을 최대화하기 위해, 리플렉터층(105)은 거의 거울과 같다. 바람직한 실시예에서, 최상부면으로부터 출사된 광은 LCD 디스플레이 패널(107)에 의한 투과에 적합하지 못한 그레이징 각도(grazing angle)에서 대량으로 출사된다. 전술한 바와 같이, 전향층(106)은 이러한 빛의 일부를 굴절과 내부 전반사의 결합에 의해 전향시킨다. 전향층(106)은 적어도 빛의 10-20%가 LCD 법선으로부터 30도 미만의 각도로 전향되도록 설계되는 것이 바람직하다 (전형적으로 이 각도 범위 내에서 LCD 투과율이 가장 높음). 종래 기술의 투과 반사형 디스플레이는 활성 모드의 동작에서 상당히 비효율적이기 때문에, 후방 조명(back-illumination)의 일부만을 적절한 각도로 전향시키면 충분하다.
편광된 빛의 처리
본 발명의 다른 양태에서, 광학 장치(10)에 의해 처리된 빛은 고유의 편광 (선편광, 회전 편광 및 타원 편광 등)을 가지며, 이러한 편광은 액정 디스플레이("LCD") 시스템으로부터의 조명 또는 편광된 빛의 이용에 의존하는 다른 출력을 개선하는 데 유리하게 사용될 수 있다. LCD를 채용하는 시스템에서, 한 종류의 편광된 빛(308)은 제거하고, 다른 종류의 편광된 빛만을 LCD 층에 전달할 필요가 있다. 도 30에 도시된 예시에서, 종래의 편광층(312)은 한 편광을 광원으로부터 입사된 광의 약 절반에 해당하는 양까지 선택적으로 흡수하고, 선택된 편광은 LCD 층(316)으로 전달한다. 적절한 편광으로 편광된 빛은 액정 및 제2 편광기(314)에 의해 원하는 방식으로 처리되어, 디스플레이된 대상의 형태를 제공한다. 이러한 종래의 시스템에서는, 광원으로부터 입사되는 광의 약 절반이 불필요한 것이 되며, 대상을 LCD 출력으로 제공하려는 목적에 이용되지 못한다. 결과적으로, (불필요한 편광을 제거하지 않고) 두 가지 유형의 편광된 빛을 모두 활용할 수 있는 수단이 발견될 수 있다면, 액정 디스플레이에 대해 효율과 밝기의 실질적인 이득이 얻어질 것이다. 본 발명은 부분적으로 이러한 점을 위한 것이며, 하기의 실시예들은 이러한 목적을 달성하기 위한 바람직한 구성 및 방법이다.
편광 필터의 가장 개략적인 설명에서, 도 30B를 참조하면, 편광 필터층(307)의 기능은 타입 1 및 타입 2의 두 가지 편광 상태로 구성되는 입사광(308)을 이용하여, 편광 상태 (3) 및 (4)로 구성되는 투과광(309)과 편광 상태 (5) 및 (6)로 구성되는 반사광(311)을 생성하는 것이다. 이것은 이하에서 참조 번호 "제1" 및 "제2"와 연관되며, 상태 (1),(3) 및 (5)는 "제1 편광(218)"으로 칭해지고, 상태 (2), (4) 및 (6)은 "제2 편광(220)"으로 칭해진다. 따라서, 상태 (3) 및 (5)의 형태는, 그들이 편광 상태 (1)로 입사한 부분의 빛으로 인해 투과 및 반사되는 빛을 지정하도록 선택된 것으로 가정하고, 상태 (4) 및 (6)는 편광 상태 (2)와 연관된 것으로 한다. 그러나, 편광 상태의 형태는 더 이상 특정한 방식으로 관련될 필요가 없다. 몇몇 스펙트럼 파장 범위에 걸친 입사 각도의 일부 범위와 입력 편광 상태의 특정 선택 일부에 대해, 편광 필터층(307)은 특정한 총 전력 관계에 따라 입사광(308)을 처리하고, 출사광(309)을 생성한다. 각각의 편광 상태(i, i= 1, 2, 3, 4, 5, 6)에서 전력 (Pi)을 정의하면, 조건은 다음과 같다.
정의에 의해, 적절한 각도 및 스펙트럼 범위에서 상기 특성을 나타내는 층이 편광 필터층(307)의 형태이다. 일반적으로, 고려되는 편광 상태는 선형, 회전 또는 타원형과 같은 임의의 유형일 수 있다. 후반부에서는, 다음과 같이 정의되는 편광 정도(PT)에 의해 편광 필터층(307)의 기능을 정량화할 것이다.
여기에서,
이다. 무손실 층에 대해, 투과율은 다음 식에 의해 반사율 R과 연관된다.
여기에서,
편광 필터층(307)에 대해, 상기와 같은 성질을 가지는 층 매체의 예는 다양하다. 이러한 예로는, (1) 코팅, 압출 성형, 또는 다른 공정에 의해 제조되고, 비복굴절성 또는 복굴절성 중 하나이며, 광학 간섭 코팅으로서 동작하도록 설계되는 박막층, (2) 대상의 스펙트럼 밴드의 임의의 위치에서 광학적으로 1/4 파장 이상 두껍고, 각도와 굴절율이 브루스터 각 조건과 정확하게 일치하지 않는 경우에도 브루스터 스택으로서 동작하는 "두꺼운" 층, (3) 박막과 두꺼운 막 방식의 조합, 및 (4) 편광 의존 산란을 유발하고, 에칭, 엠보싱, 마이크로-머신화(micro-machining) 등의 방법에 의해 생성되는 연관, 부분 연관 또는 비연관된 표면 거칠기 또는 프로필 중 한 가지 유형 이상의 층과, 2색성 재료에 기초하는 층을 포함하는 예들이 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 상기 예들 중 한 가지 유형 이상의 층에 의해 형성되는 집결층은, 편광 필터층에 대해 상술한 일반적인 기능 사양을 만족하기만 한다면 적절한 편광 필터층(307)이 된다.
편광 필터층(307)의 구현은, 박막 또는 두꺼운 막의 복굴절 또는 비복굴절층 중 하나로 구성될 수 있다. 복굴절층의 특정예 및 논의는 후에 제공된다.
두꺼운 막 형태의 편광 필터층(307)의 한 실시예는, 도 30C에 도시된 바와 같은, 특정 설계의 중심 파장(60) 및 특정 설계의 동작 각도(3inc)에 기초하고, 등방성 평면층에 기초한다. 이러한 설계 예시에서의 층(313)은 2가지 유형의 교대층 -각각 광학 굴절율 nH및 nL인 하이(H)층(314) 및 로우(L)층(315)으로 칭해짐- 을 포함한다. 스넬의 법칙으로부터, 입사각을 알면, 빛이 임의의 층(313)에서 이동하는 각도를 표면 법선(3L, 3H)에 대하여 층의 굴절율(ninc, nL, nH)의 식으로 알 수 있다. 이것은 다음과 같다.
두 개의 광학적으로 등방성인 영역 사이의 접촉면 상으로 입사하는 P 편광된 형태의 빛(317)에 대하여, 접촉면의 반사율이 0이되는 각도인 브루스터 각이 존재한다. 표면 법선에 대하여 측정한 이 각도(θH/L, θL/H)는, 다음과 같다.
브루스터 각에서 S 편광된 빛에 대한 접촉면의 반사율은 상당할 수 있다. 차별적으로 p 편광 상태를 투과시키는 층(313)은, 이러한 접촉면들을 1/4 파장의 광학적 두께만큼 이격시킴으로써 설계될 수 있다. 이러한 1/4 파장 두께(tL, tH)는 다음과 같이 주어진다.
H 및 L 굴절율이 설계 방정식에 의해 연관됨을 증명할 수 있다.
예시로서 다음과 같은 특별한 경우를 생각하자.
이것은, 저 굴절율층의 설계 굴절율과 저 굴절율층(314) 및 고 굴절율층(315)의 물리적인 두께가 각각 nL= 1.31, tL= 145㎚, tH= 110㎚이어야 함을 의미한다. nH= 1.5 및 nL= 1.31 각각에 대하여, 스퍼터링된 유리 및 리튬 클로라이드를 이용하여 획득될 수 있다. 도 30C와 일치하게 설계가 이루어진 경우, 굴절율 1.5로 둘러싸인 층(313)을 이용하여, 공지된 라우어드 방법에 의해 반사율을 쉽게 계산할 수 있다. 외부 표면이 항상 반사 방지 코팅되기 때문에, 이러한 일치 가정은 상당이 일반적이다. 층(313)의 역할을 하는 다양한 기부층의 반사율이 아래의 표 1에 나타나 있다.
표 1 편광 필터층(307)의 성능 데이터
층 카운트 s- 반사율 PT
1 0.069 0.036
5 0.45 0.29
11 0.85 0.75
15 0.95 0.90
21 0.99 0.98
유사한 대안적인 설계들이 다수 존재한다. 단일 굴절율 이상이 층(313)의 박막 구조의 일부로서 사용될 수 있다. 서라운딩 층이 반드시 공기일 필요는 없으며, 저 굴절율 및 고 굴절율 층의 정확한 개수도 변경 가능하다. 캐리어 또는 기판은 다른 굴절율 값을 가질 수 있다. 층(313)은 설계 각도 및 파장에서 1/4 파장 두께로부터 변경되어 스펙트럼 및 각 밴드폭을 개선시킬 수 있다. 실제로, 층(313)의 실시 가능성은 상당히 넓은 밴드가 될 수 있으며, 브루스터 각 설계는 굴절율 및 각도에서 고정밀도를 가질 필요는 없다. 예를 들어, 굴절율을 변경시킴으로써, s- 반사율과 p- 투과율을 번갈아 사용할 수 있다. 전체 시스템은 기능 변화없이 플립될 수 있다.
바람직한 실시예의 변경은 상이한 굴절율의 층을 적어도 2개 포함한다. 이러한 배열은 nH와 nL이 nH/nL> 1.5의 관계를 가져서, 고도의 편광 선택성에 요구되는 층의 개수를 최소화한다. 또한, 굴절율 n이고, 두께 t가 50㎚/(n2- 1)1/2< t< 350㎚/(n2- 1)1/2인 적어도 하나의 층을 이용하여 성능을 향상시키는 데 광학 간섭이 사용되는 것이 가장 바람직하다. 상기 설명에서 tL및 tH에 관해 주어진 방정식에서, 파장이 400㎚ 내지 700㎚의 가시 광선 범위에 있고, 입사각이 임계각에 가까워서 n sinθ∼1 이 성립하고, 광 파장의 1/8과 1/2 사이의 광학 두께를 가지는 층에 의해 광학 간섭 효과가 촉진된다는 점에 유의하여 이 관계를 유도할 수 있다. 이러한 층들을 제조하기 위한 재료 및 방법은 다층 유전체 코팅에 관한 기술 분야에 공지되어 있다.
브루스터 스택 방식은, 층들이 파장의 수 배의 두께를 가지고 광학 간섭 코팅에서 발생하는 간섭 효과보다는 웨이브의 비간섭성 가산에 크게 기초하여 기능하는 경향이 있다는 점을 제외하고는, 상술한 박막 방식과 유사하다. 이러한 형태의 편광 필터층(307)의 설계는, 광학적으로 적어도 파장의 수 배이기만 하면 층 두께가 중요하지 않다는 점을 제외하고는, 상술한 박막 편광의 설계와 동일하다. 광학 두께의 부족은 브루스터 스택 구현의 성능이 일반적으로 스펙트럼 파장 및 각 변화에 대해 덜 민감해야 한다는 것을 제안한다. 도 30D의 기하 평면의 N층 쌍의 집합들의 s 및 p 편광된 빛의 투과율(Ts, Tp)의 견지에서 정의된 투과율은 다음과 같은 근사 공식을 이용하여 추정될 수 있다.
층 쌍의 수를 변화시켜가면서 기하 평면에 이 공식을 적용한 결과가 표 2에 나타나 있다.
표 2. 브루스터 스택 형태의 필터층(307)의 성능 데이터
층 쌍 Ts/Tp PT
1 0.9755 --
20 0.61 --
50 0.29 0.55
100 0.08 0.85
일반적으로, 이러한 유형의 편광 필터층(307)은, 동일한 반사율에 대해 훨씬 큰 굴절율 차이와 더 많은 수의 층을 요구한다. 박막 설계와 브루스터 스택 방식 간의 확실한 경계는 없다. 두께가 증가함에 따라, 간섭 효과는 서서히 감소하며, 광 신호의 스펙트럼 밴드폭에 따라 달라지는 어느 지점을 넘어서는, 간섭 효과가 비간섭 효과에 비래 작아진다. 여기에 설명된 예들은, 단지 간섭 및 비간섭 상황의 극단적인 경우들이다.
도 19는 편광 조명기 시스템(204)의 일 형태를 변형한 것을 도시한다. 특히, 도 19B에서 시스템(204)은 웨지 형상이고 광 굴절률 n을 갖는 단면적을 갖는 기부층(206)과, 적어도 하나의 경사각 Φ를 정의하기 위해 수렴하는 제1면(208)과 제2면(210)을 포함한다. 기부층(206)은 제1면(208)과 제2면(210)을 스패닝(spanning)하는 후면(211)을 더 포함한다. 후면(211)을 통해 소스(도시 안됨)에 의해 입사된 광(212)은 제1 및 제2면으로부터 반사되고 기부층(216)을 통해 출사하는 데 이때, 광(212)은 상기 면(208 및 210)으로부터 각각 반사에 의한 상기 제1 및 제2 면의 법선 방향으로의 입사각이 기부층(206)과 층(214)와 같은 제1층 수단과의 인터페이스 특성에 의해 임계각 3c미만으로 될 때까지 상대적으로 감소시킨다. 이러한 층(214)은 기부층(206)에 비해 제2면(210)을 초과하여 위치하며 굴절율 n2가 n1보다 적은 층부분을 포함한다. 제1층(214)은 기부층(206)에 있는 광(212)의 입사각이 기부층(206)과, 층(214) 내의 굴절율 n2를 갖는 층부분과의 사이의 인터페이스 특성인 임계각 3c미만으로 될 때, 광(212)이 기부층(206)으로부터 출력된 다음 제1층(214)으로 입사될 수 있게 한다.
또한 이러한 시스템(204)은 한 상태를 다른 상태와 비교하여 바람직하게 편광 처리하는 편광 필터층(216)(앞의 설명에서 편광 필터층(307) 참조)과 같은 층 수단을 포함한다. 또한 필터층(307)에 대해 설명된 샘플 외에도, 다른 예로서 복굴절재인 편광 필터층(216)을 각 서브섹션에서 특정한 실시예의 내용으로 이하에서 설명하기로 한다. 도 19에서, 입사광(212)는 제1 편광된 광(218)과 제2 편광된 광(220)을 포함한다. 다음 바람직하게는 필터층(216)은 광(212)과 상호 작용하여 제2 편광 상태의 광(220)과 비교되는 제1 편광 상태의 광(218)을 출력한다. 이러한 필터층(216)은 기부층(206)에 상대적인 제2면(210)을 지나 위치되고, 또한 필터층(216)은 광(220)의 적어도 일부를 반사할 수 있다. 이 반사광(220)은 제1층(214)과 기부층(206) 둘다를 통하여 대기(air)와 같은 굴절율 n3의 매체(207)로 투과된다. 다른 광(218)은 편광 필터층(216)을 갖는 시스템(204)의 기부층(206)으로부터 출력된다. 도 19B에서, 광(218)은 굴절율 n4의 매체(221)로 출력되도록 도시된다. 도 19B의 실시예에서, 굴절율 간의 관계식은 다음과 같다.
<수학식 9>
바람직한 실시예에서, n2및 n3는 n이 대략 1인 대기층일 수 있다. 이와 동일한 굴절율 관계식이 도 19A에 적용될 수 있고, 도 19B는 이의 변형이며, 굴절률 n2로 된 제1층(214)은 편광 필터층(216)보다 기부층(206)으로 부터 더 떨어져 위치해있다. 도 19B의 실시예서, 제1층(214)은 편광 필터층(216)보다 기부층(206)에 더 근접해 있다.
도 19C에 도시된 다른 실시예에서, 굴절율은 이하의 수학식(10)과 같고, 그 결과 도 19A 및 19B에 도시된 바와 같이 제1면(208)을 통하여 출사되는 것보다는 계속하여 내부 반사를 하게 하는 제2 편광 상태의 광(220)으로 된다. 그리하여 굴절율 n3는 광(220)dl 필터층(216)에서 나타내는 광(220)의 바람직한 반사도 범위를 벗어나는 각도를 감소시킬 만큼 충분히 작아질 수 있다. 결과적으로, 적어도 광(220)의 일부가 제2면(210)을 통과하지만 제1 편광 상태의 광(218)과는 상대적인 출력으로 분리된다. 도 19C의 실시예에서 굴절율은 다음과 같은 관계식을 갖는다.
아주 바람직하게는 편광 필터층(216)은 광(218)을 출력하고 입사각이 수학식 11에서 큰 경우 광(220)을 반사한다.
입사광의 각도가 3p보다 적어지면, 필터층(216)은 양 편광 상태의 광(즉, 광(218) 및 광(220))을 실지로 투과시킨다.
예를 들어 도 20A 내지 20C에서 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 시스템(204)은 도 20A에 도시된 광 반사층(222)과 같은 광 전향 수단과, 좀더 일반적으로는 도 20B 및 20C에 도시된 바와 같은 광 전향층(224)을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 장치(10)(도 20의 시스템(204))에서, 입사 광선이 전파하여 광 전향층(224)으로부터 벗어나는 개념으로 광 전향 수단을 정의 할 수 있다. 광선이 굴절율 ni를 갖는 광 매체에서 유닛 벡터 rc에 평행하게 전파하는 경우를 고려하자. u가 광선이 입사하는 지점에서 광 전향층(224)에 직교하는 단위 벡터이고, 광 전향층(224)으로부터 입사광이 시작되는 쪽으로 방향을 잡는다면, 입사 광선은 광 전향층(224)과 상호 작용하여 광선이 상호 작용 영역으로부터 이탈하게 한다. 이탈한 광선이 굴절율 ni를 갖는 광 매체에서 유닛 벡터 rc의 분포에 평행하게 전파된다면, 광 전향 수단은 입사광을 프로세스하는 어떤 층을 포함하는 데 이러한 이탈 광선은 동작 각도 범위를 통한 입사 광선을 고려한 다음의 특성 중 하나를 갖는다.
광 전향층(224)은 (a) 광이 거친 광 표면과 상호 작용하고, (b) 광이 입사면과 경사가 다른 광표면과 상호 작용하거나, (c) 전향층(224)이 적당한 각으로 광을 회절시킨다면 수학식(12)의 조건에 따라 광 방향을 재지정한다. 예를 들어, 조건(1)에 따른 광 전향 수단이 투과 또는 반사, 회절 또는 비회절, 및 프리즘 또는 텍스튜어층과 조합된 상태일 수 있다. 또한, 광 전향층은 회절발(diffraction grating), 홀로그램(hologram), 또는 이진 광학층(binary optics layer)일 수 있다.
광 전향 수단은 수학식 13이 경철 반사기(specular reflector)인 조건(2)에 따라 광의 방향을 재지정한다. 이러한 경철 반사기의 예들로 금속 코팅(예를 들면, 도 20A의 광 반사기층(222)이 금속 코팅될 수 있음), 다층 유전재 코팅 또는 이들의 조합일 수 있다. 각 경우에서, 내부 및 외부 표면은 바람직하게는 스무스하고 상호 평행이다.
바람직한 실시예중 하나인 도 20A에서, 광 반사와, 광(220)을 반사하는 반사기층(222)의 형태인 반사 수단을 포함한다. 반사기층(222)은 기부층(206)의 제1면(208)을 초과하거나 그 아래에 위치하고 바람직하게는 금속 코팅된 평탄한 경철 반사기이다. 또한 기부층(206)과 반사기층(222)과의 사이에 위치한 굴절율 n3의 간섭층(intervening layer)이 도시되어 있다. 이 간섭층(223)은 기부층(206)의 일부이거나 또는 기부층(206)과 간섭층(223) 사이의 기능적 상호 작용에 따른 분리층일 수 있다. 이 간섭층(223)의 굴절율 n3는 간섭층(223)과 직면한 다음 결과의 광(212) 공간적 및 각도 분포에 영향을 미치도록 조정될 수있다.
도 20B 및 20C를 예로 알 수 있는 바와 같이, 광 전향층(224)은 다른 위치에 위치될 수 있고, 각 층(224)은 다른 특성을 가지고 특정한 애플리케이션에 필요되는 바와 같은 다른 광 출력 특성을 달성할 수 있게 된다. 또한 특정한 실시예에서 뿐아니라 광 전향 수단의 예를 나머지 도면에서 도시하고 이하에서 상세히 기술될 것이다.
편광 조명기 시스템(204)의 다른 실시예에서, 광 변환 수단이 포함되고 예를 들어 도 21 및 22에서 편광 변환층(226)으로서 도시된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 굴절율은 n4≥n2이고, 수학식(9)의 상태를 충족시켜야 한다. 이들 실시예에서, 광변환 수단은 적어도 (광(220) 등의)일 편광 상태를 (광(218), 제1 및 제2 상태의 조합인 제3 편광 상태의 광(227) 등의) 다른 편광 상태로 변화시키는 층을 포함한다.
편광 변환층(226)은 90。(π/2)만큼 회전 편광시킴으로써 편광 상태를 다른 상태로 변화시키는 기능을 갖는다. 또한, 이러한 변환은 경사진 입사의 경우에 가장 바람직하다. 일예로서 광축에 수직인 굴절율이 방향에 관계없는 경우에는 단축 복굴절재에 대한 이러한 변환 특성을 설명한다. 대부분의 바람직한 재료는 이러한 종류의 신장된 형광 폴리머막 등이다. 굴절율이 모든 방향에서 다른 경우 좀더 일반적인 복굴절재는 여기서 설명된 다음의 일반적인 방법들을 사용할 수 있다. 편광 변환 프로세스를 이해하기 위해, 일단 법선 방향 입사를 고려한다.
도 30E에서 도시된 바와 같이, 복굴절 재료로 된 판(229)는 벡터 K를 따른 횡축을 갖고 광축은 벡터 I를 따라 있다(도 30F 참조). 신장된 복굴절 막의 경우, 신장 방향은 벡터 I를 따라서 있을 것이다. 벡터 I, J, K는 x,, , z축을 따른 직교한 3가의 단위 벡터이다. 법선 방향 입사에서, 법선인 파형은 벡터 K를 따라 있다. 변위 벡터 K에 의해 전자기파의 분극화(polarization)를 설명할 수 있다. D'을 통상의 광선에 대한 편광이라하고, D"을 이상 광선에 대한 편광이라 한다. n'을 정상 굴절율이라하고, n"을 이상 굴절율이라 한다. 복굴절 판(229)의 광축을 입사 편광 벡터 D0에 대해 45。(π/4) 각도로 배향할 수 있다. 이 벡터는 D0x =(1/2) D0coswt 및 D0y=(1/2) D0coswt인 두개의 성분을 갖는다. 복굴절 판(229)에서, 벡터 D는 D0x =(1/2) D0cos(wt-δ") 및 D0y=(1/2) D0cos(wt-δ')을 갖고, 여기서 δ'= (2/λ)n'h 및 δ"= (2/λ)n"h이며, 여기서 h는 판 두께이다. 그리하여 발생된 위상차는 δ'-δ"= ｜(2/λ)(n'- n")｜h 이다. 특히, 나타나는 광이 초기 편광 벡터 D'에 대해 오른쪽 각도로 편광 벡터 D를 갖는다면, δ'-δ"= (또는 좀더 일반적으로는 δ'-δ"= (2m+1)이며, 여기서 m은 소정 정수이다). 이는 두께 h가 h= ｜(2m+1)/(n"-n')｜λ/2로서 선택되어야 한다.
요약하면, 상기 수식에 의해 두께 h를 선택하고 입사 편광에 45。 배향시킨다. 도 26B와 같은 발명의 바람직한 형태에서, 광은 변환층(226)과 복굴절 판(229)를 두번 횡단하므로써 실제 두께는 상기에서 지정된 것에 반이 된다. 즉, 상기 두께는 공지된 λ/4 판이다. 금속 미러(231)로부터의 반사가 있으면 양 성분들에 위상 시프트를 추가로 실시하여 결과는 변화되지 않는다.
실시예에서 광이 변환층(226)(도 26B 참조)과 경사져 입사되면, 일단 입사빔을 두개의 빔(공지된 복굴절 효과)으로 분할할 필요가 있어 어려움을 야기시키지는 않는다. 이유는 두개 빔이 초기 방향과 평행하도록 나타나지만 각각이 미소하게 변위되기 때문에 문제가 되지 않는 것이다. 두개 빔은 상호 밀착되어 변위는 λ보다 적다. 각도 분할은 Δθtan θcΔn/n이고 여기서 θc는 임계각이고 Δn-(n"-n'), n=(n" + n')/2이다. 변위는 hΔθc/cos θc= hΔntanθ/cosθc이다. 그러나, hΔθc/cos θc= λ/4로 선택하므로써, 자동적으로 변위는 λ보다 적고 두개의 광빔은 하나로서 취급될 수 있다.
복굴절 판(229)의 단축 형상 위에 있는 경사진 입사각의 기하학 구조는 다소 복잡하여 재료들을 단순하시키고, 도 30F에 도시된 바와 같은 오일러 각을 도입한다. (i, j, k) 벡터 3상과 (I, J, K) 벡터 3상과의 관계는 표 3으로부터 알 수 있다.
대기/판 접촉면에 대한 법선을 K라고 하고, 법선 방향의 입사 파장을 k라하고, 판(229)의 광축을 I로 한다. 입사 편광 D0를 90。 만큼 회전시키도록 한다. 입사 편광 D0는 접촉면이기 때문에, D0가 i0에 일치하므로써Ψ0= /2이 된다. 정상 광선의 편광 D'은 I 및 K에 직교한다. 따라서, D'을 i'을 따라 설정한다. i'x= 0이다. 표3으로부터 tan Ψ'= cosψcosθ이 된다. 이상 광선 D"의 편광은 D' 및 k 둘다에 직교한다. 따라서, Ψ"= Ψ'±/2 이다. 여기서, Ψ"= Ψ'-/2을 선택하면, tan Ψ"= cosψ/cosθ이다. 소망하는 출력을 얻기 위해, Ψ를 D' 및 D" 방향으로 45。에 있도록 설정한다. 그리하여, Ψ'= /2이고, tanψ= cosθ이다. 전형적인 경우에서, θ가 θC 40。, ψ= 37。에 근접시킨다. 실제로, 입사각과 파장 범위로서 개시점과 가이드로서 상기 수식을 사용하여 ψ를 실험적으로 조정하여 가장 완전한 편광 변환을 얻을 수 있다. 다음 복굴절판(229)의 두께 h를 결정한다. 법선 방향 입사의 경우에서와 같이, 조건은 h= ｜(2m+1)(n"-n')｜λ/2이다. 그러나, 이상 굴절율 n"은 입사각 θ에 의존하여 타원 굴절율은 다음과 같다: (1/n")2= (1/n0)2sin2θ + (1/ne)2cos2θ 여기서, n0는 정상 굴절율이고 ne는 이상 굴절율이다. 또한, n'= n0이다. 전형적으로, 굴절율 차이는 0.1보다 적고 대략 (n"- n')(ne- nc)cos2θ이다. 또한, 경사진 입사각의 광 경로 길이는 법선 방향의 입사각에서보다 크다. 경사진 입사각에서의 광 경로 길이 h는 판(229)의 두께보다 1/cosθ 인수만큼 더 크다. 따라서, 유효 굴절율 차가 cos2θ만큼 감소되기 때문에, 경로 길이는 1/cosθ 만큼 증가되어, 경사진 입사에 대해 필요한 두께는 법선 방향의 입사보다 대략 1/cosθ 만큼 크다. 실제로, 개시점과 가이드로서 상기 식을 사용하여 입사각과 파장 범위로서 h를 조정하여 가장 완전한 편광 변환을 얻게 된다.
다른 실시예에서, 하나의 편광을 다른 편광 상태로 변환하는 것은 3가지 단계를 포함하는 것으로 생각된다.: (1) 차동 편광 상태를 시스템(204)의 기점마다에서 실질적으로 별개의 빔들로 분리시키고, (2) 소망하는 편광에 영향을 끼치지 않으면서 편광 변환을 하고, (3) 출력되는 광에서는 편광 특성이 없어지면서 적당한 각도 분포로 광 확산이 일어난다.
여기서 기술된 바와 같이, 시스템(204)에서 편광 상태를 다르게 분리시키기 위해 다양한 방법들이 사용된다. 예를 들어,낮은 굴절율층(214)은 도 31A 내지 31c에서 도시된 바와 같이 복굴절성일 수 있다. 층(214)는 예를 들어, 시스템(204)의 매 지점마다 출현하는 두개의 광빔(218 및 220)이 직교 편광되도록 하는 배향 형광 폴리머 변환층일 수 있다. 이는 두가지 조건들이 충족된다면 사용될 수 있다. 제1 조건은 층(214)의 복굴절이 두개의 편광 빔(218 및 220) 간에 중첩을 방지시키기에 충분할 만큼 커야 된다. 이러한 조건은 수학식(15) 내지 (17)으로 요약되는 데 여기서 C는 적어도 1이고 바람직하게는 4보다 크다, 제2 조건은 제1층(214)의 복굴절 배향(신장 방향)의 방향이 거의 y축과 평행하다.
ψ= 1 -1.5。로서, 복굴절은 수학식 (15-17)을 충족시키기 위해 적어도 0.03 내지 0.05 이어야 한다. 다양한 형광 폴리머 막의 복굴절율을 측정하기 위해 다음의 데이타 (평균 굴절율, 복굴절율)를 산출한다.
Tefzel 250 zh: (1.3961,0.054)
Tefzel 150 zm: (1.3979,0.046)
Teflon PFA 200 pm: (1.347,.030)
프레넬 반사부들이 중첩되지 않는 경우에도, 250zh 재료로 적층된 웨지층(206)은 막 분리된 편광빔을 발생시켰다.
다른 실시예에서는, 복굴절률이 높은 재료를 포함하는 패시트형 방향 전환층(faceted redirecting layer)을 사용함으로써 편광에 있어서 보다 큰 각도 분리를 달성할 수 있다.
편광 상태들을 분리하기 위한 제3 방법은 도 30G 및 H에 도시한 복굴절/투명층(427)의 교호적인 구조로 이루어지는 중합 빔 스플리터의 시트를 사용한다. 이러한 층(427) 어레이는 시준된 백라이트(428)의 상부에 존재할 수 있으며, 선택적 총 내부 반사에 의해 편광시킨다. 광 입사면에 대해 평행한 중합층(429)의 막의 굴절률은 투명층(430)에 비해 낮으며, 광 입사면에 대해 수직인 굴절률은 투명층(430)에 대해 가까이 정합되어, 백라이트(428) [빔 스플리터층(427)에 대해 경사져 있음]로부터 유입되는 시준된 광 빔(431)이 분리된다: 평행 편광 빔(431)은 전체적으로 내부적으로 반사되지만, 수직 성분은 투과된다.
이러한 배치의 일 예로서 마일라/렉산(Mylar/Lexan)층을 들 수 있다. 마일라 굴절률은 (1.62752, 1.6398, 1.486)이다. 렉산 굴절률은 1.586이다. 임계각의 여각(complement)은 20도이므로, 입사각의 여각이 (렉산에서) 20도 미만이면 빔 스플리터층(427)이 작용할 것이다. 그러나, 각도가 벗어나면, 프레넬 반사는 편광의 정도를 감소시킨다. 예를 들어, 13도의 경우에 프레넬 반사 수직 성분은 9%이다.
층(427)의 이러한 배치의 다른 예는 단축 나일론/렉산(Nylon/Lexan)이다. 나일론 굴절률은 (1.568, 1.529, 1.498)이다. 여기서, 두 개의 임계각이 있으며, 그 여각들은 수직 및 평행의 경우 각각 9도와 19도이다. 그러므로, 편광이 일어나도록 경사각은 이러한 각도 범위 내에 있어야 한다. 프레넬 반사에 대해 마일러 (30도 각도)와 동일한 경우를 취하면, 굴절률 정합이 보다 양호하기 때문에, 프레넬 반사 수직 성분은 5%에 불과하다.
이들 예 각각에 대하여, 빔(431)의 모든 빔들이 필름/렉산 계면과 정확히 하나의 상호 작용을 갖도록 각각의 빔 스플리터층(427)은 적당한 종횡비를 가져야 한다.
일 실시예에서, 일단 상이한 편광 상태의 광이 백라이트(458)를 따라 모든 위치에서 두 개의 직교 편광 빔으로 분리되면, 원하지 않는 편광을 원하는 편광으로 변환시키는 수단, 예를 들어 평관 변환층 [도 31C의 346 및 도 30G의 429]이 있어야 한다.
편광 변환을 수행하는 일 방법은 하나의 렌즈 또는 렌즈형 어레이와 결합된 교번 웨이브플레이트에 의해 실현된다. 단일 렌즈를 사용하는 첫 번째 방법에서, 광 빔(218, 220)은 초점면에서 직교 편광의 광의 두 개의 비중첩 스트립들에 초점맞추어진 렌즈들 상에 도달한다. 교번 웨이브플레이트는 빔들 중의 오직 하나의 빔(220)의 편광을 90도만큼 회전시키도록 작용하며, 불시에 나타나는 광은 광(218)로 완전히 변환될 것이다. 이것은 일 편광의 광(220)만을 포착하도록 배치된 반파 지연기(half-wave retarder)의 존재에 의해 실현될 수 있다. 이것은 대 렌즈, 플라스틱 지연판 및 폴라로이드 필터 (폴라로이드는 폴라로이드사의 등록 상표임)로 가시적으로 확인할 수 있다.
렌즈형 어레이를 사용하는 두 번째 방법에서는, 얇은 시트형 렌즈들 및 교번 웨이브플레이트 구조 (렌즈 주파수와 동일한 주파수를 가짐)를 사용하며, 각각의 렌즈에 대해 180도씩 지연도가 변화한다. 렌즈형 어레이 1㎜ 두께의 경우, 각각의 이미지는 5,000분의 1 인치 정도의 크기이며, 이로써 웨이브플레이트를 갖는 렌즈형 어레이의 등록은 1,000분의 1 인치 미만의 스택업 오류(stack-up errors)를 방지할 수 있을 만큼 충분히 정확해야 한다.
편광 변환을 수행하는 다른 방법은, 도 31C의 층(346) 및 도 30G의 층(429)와 같은 변환층의 다른 실시예인 이중 프레넬 사방형(DFR: double Fresnel rhombus)을 사용하는 것이다. DFR은 위치 대신 각도에 따라 선택적으로 지연시킴으로써 등록 문제를 방지한다. 이러한 DFR은 제1 편광 상태의 광으로 하여금 위상 시프트의 4×45°= 180°에 대응하는 총 내부 반사 결과를 받게 하는 반면, 나머지 편광 상태의 광은 투과만 시켜, 출력광이 단부에서 하나의 면의 제1 편광의 광으로 완전히 편광되게 한다. DFR은, 예를 들어, 각각 45도 프리즘으로 엠보싱되고, 모두 포개진 네 개의 아크릴 또는 렉산막을 구비함으로써 구성될 수 있다. 지연을 일으키는 DFR에 대해, 두 개의 직교 면 편광 빔(L, R)이 (1/4 웨이브 플레이트에 의해) 발생한다. 만일 L이 DFR에 의해 투과되면, R 빔은 DFR에 의해 L 빔으로 변환될 것이다. 마지막으로, L 빔은 편광의 최종면을 결정하는 다른 1/4 웨이브플레이트에 의해 편광된 면으로 변환될 것이다.
도 21A에 도시된 바람직한 실시예에서, 변환층(226)은 편광 필터층(216)에 대해 기부층(206)의 대향측 상에 배치된다. 도 21B의 실시예에서, 변환층(226)은 편광 필터층(216)과 동일한 측상에 배치된다. 도 21A 및 21B를 참조로 하여 알 수 있듯이, 변환층(226)은 광(218, 220)을 다른 제3 편광 상태의 광(227)으로 변환시킬 수도 있다. 이 광(227)은, 예를 들어, 제3 편광 상태의 광 또는 상술한 제1 또는 제2 편광 상태의 변형 또는 조합의 광일 수 있다. 최종 편광은 변환층(226)의 응답 특성에 의존한다. 따라서, 변환층(226)은 원하는 출력 편광 상태의 광을 발생시킬 필요가 있을 때 응답하도록 설계될 수 있으며, 층(226)을 적당히 위치 결정하여, 원하는 편광 특성을 갖는 원하는 방향의 출력 광을 발생시킬 수 있다.
도 22A 내지 도 22E에 예시한 본 발명의 다른 형태에서, 변환층(226)은 다른 광학적 용도로 이용된다. 도 22, 23, 24E-F, 25-27, 28A와 28C, 및 29는 모두 변환층(226)을 사용하여 제2 편광 상태의 광(220)을 제1 편광 상태의 광(218)으로 변환시키는 것을 예시한다. 아울러, 조명 시스템(204)의 요소들은, 처리될 광이 변환층(226)을 적어도 한번 통과한 후에 하나 이상의 편광 필터층(216)을 통과하거나 적어도 마주치도록 배치된다. 예를 들어, 광(220)을 처리하는 경우, 이러한 요소들의 배치는 광(220)이 변환층(226)을 통과한 후에 편광 필터층(216)을 통과하도록 복귀시킬 수 있다. 어떤 경우에는, 광(220)이 제1 편광 상태의 광(218)으로서 출력되기 전에 편광 필터층(216)과 2회 이상 마주칠 수도 있다. 도 22A-E는 원하는 출력을 얻기 위한 다양한 구성의 예를 예시한다. 도 22A에서, 광(212)이 편광 필터층(216)과 마주친 후, 반사광(220)은 변환층(226)을 통과하여 광(218)으로 변환된다. 이 광은 그 후 내부 반사를 거쳐 편광 필터층(216)에 복귀된다. 또한, 도 22B에서, 광(220)은 변환층(226)을 통과하여, 광(218)로 변환된 후, 내부 반사된 후에 다시 필터층(216)으로 복귀된다. 이들 경우에, n3는 수학식 10에서 n1, n2, n3사이의 관계를 만족할만큼 충분히 낮다.
도 22C-E의 실시예에서는, 광 반사층(222) 형태의 방향 전환 수단이 부가되어 광(220)을 편광 필터층(216)에 복귀시킨다. 도 20A의 실시예에 대해 상술한 바와 같이, 개재층(223)은 층(224)과 마주치는 광의 공간 및 각도 분포에 영향을 미치도록 조정될 수 있는 굴절률 n3를 가진다. 도 22C-22E에 도시한 본 발명의 바람직한 형태에서, 굴절률 n2, n3의 층은 공기 갭을 포함할 수 있으며, 본 발명의 가장 바람직한 형태에서는, 굴절률 n2의 층이 공기 갭이다.
도 24A-24F는 도 24A의 편광 필터층(216)의 하나를 사용하여 시작하여 조명 시스템(204)의 보다 복잡한 형태의 구성으로 이어지는 구성의 시퀀스를 예시한다. 도 24C-24F에서는, 하나 이상의 광 방향 전환층(224), 적어도 하나의 액정 표시(LCD) 층(230), 및 정합층(232)과 같은 광 정합 수단이 부가된다. 정합 수단은 다른 층의 조립체에 의해 출력된 광을 타겟 장치 또는 LCD층(230)과 같은 부가적인 층에 적합한 특정 편광 상태로 변환시키도록 작용한다. 이와 같이, 정합층(232)은 변환층(226)의 특수한 경우이다.
도 23A-23C는 LCD층(230)과 조합된 편광 광 조명 시스템(204)의 다른 형태를 예시한다. 도 23A의 실시예의 하나의 일반적인 형태에서는, 층(234)이 포함된다. 예를 들어 도 23과 같은 본 발명의 다른 특정 형태에서, n2의 바람직한 값은 약 1 (예를 들어 도 23B 및 23C 참조)이다. 도 23A의 소정 형태에서, n2> 1이 이용될 수도 있다. 또 다른 방식으로서, 굴절률들간의 관계에 관한 바람직한 선택은 수학식 9 및 10에 설정되어 있다.
또 다른 바람직한 실시예의 예들을 도 26A 및 도 26B에 도시하며, 도 26A는 냉음극 형광관(CCFT) 광원(236)을 포함한다. 이 실시예는, 또한, 광의 각도 분포를 변화시키도록 작동하는 각도 변환층(238)을 포함한다. 이러한 각도 변환층(238)은, 예를 들어, xz면에서의 분포를 변화시켜 장치(10)로부터 출력된 광의 공간 균일성을 제어할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 출력광(250)의 분포는 출력 표면의 적어도 90% 이상에서 공간 분포면에서 거의 균일하다. 그리고, xz면의 광(212)의 각도 분포는 후면(211)의 법선에 대해 대략 ±θmax이다.
후면(211)은 제1 표면(208) 및 제2 표면(210)의 적어도 하나에 대해 대략 수직이다. 각도 변환층(238)은 테이퍼형 광파이프부, CPC(compound parabolic concentrator), 마이크로 프리즘 막 (도 28C), 거친 표면층 또는 홀로그램일 수 있다. 각도 변환층(238)은 공기갭을 개재할 필요없이 기부층(206)에 가장 바람직하게 광학적으로 결합된다. 각도 변환층(238)은 yz면에서의 광분포를 변화시켜, 바람직하게는 좁게 하여 휘도, LCD 이미지 품질 및 시청자 프라이버시 등을 향상시키도록 작동할 수 있다. 그리고, 도 26A에서, LCD층(230) 이전에 출력 확산층(248)이 부가되어, LCD층(230)에 제공된 출력광(242)의 균일성을 향상시키고 각도 분포를 넓힐 수 있다.
도 26B의 다른 바람직한 실시예에서, CPC(239)는 xz면의 적당한 각도 분포 내에 출력광(250)을 유지시키도록 작동하는 광원(244)에 결합된다. 아울러, 패시트(247)과 같은 평탄한 프리즘 패시트를 사용하여, 층(246)과 같은 프리즘 방향 전환 층과 같은 광 방향 전환 수단을 사용함으로써 출력된 각도의 범위를 제어할 수 있다. 예를 들어, 이러한 유형의 층 및 프리즘 패시트를 도 28C, D, E 및 도 29A, B에 도시하며, 다음으로 이를 상세히 설명한다. 도 28E에 도시한 바와 같은 실시예는 프리즘층(251) 및 패시트(253)에 관한 것이며, 이 실시예는 LCD층(302) 이후에 광 확산층(304)을 부가하여 특정 면의 광 분포를 넓게 한다. 예를 들어 도 28E에 도시한 이러한 실시예의 가장 바람직한 형태에서, 광(242)은 xz면에서 좁은 각도 범위 내의 LCD층(302)을 통과하게 된다. 따라서, 조명 시스템(204)의 요소들은, 이미지 형성 특성이 최적화되는 각도에서 LCD층(302)을 통해 광(242)이 투과되는 것을 보조하도록 구성된다. 기부층(206)에 대해 LCD층(302)의 다른 측에 위치 결정된 확산층(304)을 사용하여, xy면의 광(250)을 확산시키지 않으면서 확산층(304)은 시청자 출력광(250)의 각도 분포를 넓힐 수 있다. 예를 들어, 확산층(304)은 y축에 실질적으로 평행한 그루브를 가진 홀로그래픽 확산기 또는 렌즈형 확산기의 형태를 취할 수 있는 "평행" 확산기일 수 있다. 광범위한 각도에서의 시청자는, 후속적으로 LCD층(302)을 통해 투과되어 광(25)을 형성하는 광(242)에 대한 최적의 각도 특성을 갖는 이미지를 볼 수 있다. 이러한 형태의 일반적인 구성을 이용하는 예시적인 구성이 도 28D, E 및 도 29A, B에 도시된다. 또한, 도 28D, E 및 도 29A는, xz면에서의 광(242)의 분포를 넓히지 않으면서 균일성을 향상시키기 위해 xy면에만 LCD층(302)에 제공된 출력광(242)을 확산시키는 횡단 확산기층(252)도 포함한다. 예를 들어, 횡단 확산기(252)는 z축에 실질적으로 평행한 그루브를 갖는 홀로그래픽 확산기 또는 렌즈형 확산기일 수 있다. 다음에, 이를 보다 상세히 설명한다.
도 27A 및 27B는 굴절 계수 n2의 제1 층 수단이 가장 바람직하게 에어가 아닌 다른 바람직한 실시예이다. 이 실시예는 광 전향(redirecting)층(224)의 다른 예를 도시한다. 더욱이, 도 27A에서, 계수 n3를 갖는 매체(254)는 에어일 필요가 없으나, 시스템(204)의 다양한 계수는 상술된 전체 내부 반사를 얻기 위하여 방정식(10)의 요건을 만족해야만 한다. 도 27B에서, 매체(254)는 에어이며, 광 전향층(224)는 작은 곡면(256)을 가지며, 광(245)은 바람직한 관찰 영역(258)내에 촛점이 모인다.
도 28 및 29의 실시예는 제1 층 수단으로서 에어 갭층을 바람직하게 ㅅ용한다. 층(260)은, 광(21)이 기부층(206)과 에어 갭층(260) 사이의 접촉면의 임계각 3σ 보다 작은 입사각을 달성한 후, 광이 층(260)에 들어가게 한다. 도 28B의 실시예는 기부층(206)과 확산층(264) 사이의 제1 전향층(262), 및 기부층(206)의 다른 측상의 제2 전향층(265)을 포함한다. 제1 전향층(262)은 굴절/내부 반사 프리즘을 포함하며, 제2 전향층(265)이 굴절 프리즘(268)을 포함한다. 편광 필터층(216) 중 둘은 기부층(260)의 어느 한편에 배치되며, 각각이 관련된 광 전향층(262 및 265) 각각을 통과하는 적당한 광(218 또는 220)을 투과한다. 도 28C에는 광 전향층(246)이 비교적 작은 프리즘을 갖는 굴절/내부 반사 층을 포함하는 더욱 바람직한 실시예가 예시된다. 프리즘(247) 각각의 표면각은 상술한 방식으로 전향층(246)의 상술한 크기를 따라 변동할 수 있다. 이런 각의 변동은 프리즘(247)으로 들어오는 광의 다른 콘(cones)이 바람직한 관찰 영역(258)에 촛점을 맞출 수 있게 한다( 도 27B 참조). 광 반사층(222)은 상술한 바와 같이 금속 코팅일 수 있다.
반사기층(222)은 종래의 진공 증발 기술 또는 다른 적당한 방법에 의해 변환층(226)에 인가될 수 있다. 전향층(246)과 같은 다른 층은 투명 폴리머 물질을 직접 정합층(232)에 주조하여 형성될 수 있다(도 24C-F 및 28C 및 D). 편광 필터층(216)은 다수의 얇은 층을 기저층(211)에 직접 증착하는 것과 같은 종래의 방법에 의해 제조될 수 있다. 후면(211)과 결합되는 각 변환층(274)이 또한 포함된다(도 28C 참조). 이 각 변환기(274)는 LCD 층(230)에 입력광(218)의 보다 공간적인 균일한 형태를 제공하는데 도움을 주고자 기부층(206)에 대한 입력광(212) 각 분포를 넓히는 프리즘(276)을 포함한다. 각 변환층(274)의 다른 현태는 개재된 에어 갭없이 후면(211)(또는 다른 입력면)과 결합된 홀로그램(도시 안됨) 및 거친 표면층일 수 있다.
도 28D의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 프리즘 광 전향층(249)은 기부층(206)과 편광 필터층(216) 사이에 배치된다. 이런 전향층(249)은 편광 필터층(216)에 입사되는 광(280)의 입사각을 감소시킨다. 제2 프리즘 광 전향층(282)은 필터층(216)으로부터 LCD 층(302)에 출력되는 광(284)을 상술한 바와 같은 평행 확산기로써 동작가는한 후치(post) 확산층(216)으로 전향한다. 이 실시예는 광원(236) 내부 직경의 인보루트(involute) 내부 직경의 적어도 일부분에 후속하는 위치를 갖는 반사기9290)를 갖춘 CCFT 광원(236)을 포함한다. 후면(211)과 직접 대향하는 반사기(290)의 다른 부분은 볼록하게 구부러지거나 또는 휘어진다.
도 28E의 바람직한 실시예에 있어서, 광 전향층(251)은 굴절 마이크로 프리즘(253)을 포함한다. 극성화 필터층(296)은 변환층(298)과 인접해 배치되며, 역 확산층(252)은 전향층(251)과 LCD 층(302) 사이에 배치된다. 평행 확산기(304)는 LCD 층(302)의 베스트 이미지-형성 특성(콘트라스트, 칼라, 충실도 및 응답 시간)에 대한 출력 광(301)을 최적화하기 위하여 바람직한 각도에서 LCD 층(302)을 통과하는 광(242)을 갖는 LCD 층(302)의 광 외부측상에 배치된다.
도 29A및 29B의 실시예는 도 30A에 도시된 종래의 LCD 편광자 시스템(304)에 대해 발명의 몇몇 형태의 이점들을 도시한다. 도 30A에서, 종래의 백라아트(306)는 거의 동일한 특성으로 편광의 광(308)을 방출한다. 전형적인 종래의 LCD 층 배열은 제1 형태의 편광 필터(312) 및 제2 형태의 편광 필터(314)를 포함하며, 그들 사이에 샌드위치된 액정층(316)을 가진다. 이런 LCD 층 배열에서, 제1 편광 필터(312)는 고 편광율, 즉 적당한 LCD 콘트라스트를 제공하기 위하여 LCD 층 배열(310)에 대해 순서대로 액정층(316)으로 입력을 원치않는 제2 편광 상태의 광의 매우 낮은 전송을 가져야만 한다. 실제로, 편광 필터(312)는 또한 제1 ㅍ편광 상태의 소정 광에 대한 고 광학 밀도를 가진다. 따라서, 결과적인 손실은 LCD 광 전송 및 이미지 출력을 더욱 악화시킨다. 이런 종래의 배열(310)에 대조적으로, 본 발명은 LCD 층 배열(316)에 의해 바람직한 매우 높은 퍼센트의 광을 제공하여, 원치 않은 제2 편광의 실질 부분 광 사용을 가능하게 하며, 제1 편광 상태의 소정 광의 손실을 또한 최소화할 수 있게 된다.
도 28A의 실시예에서, LCD 층(316)에 대한 광(218 및 220)을 처리하는 이런 이점은 기부층(206)에 인접하게 변환층(226)을 위치시킴으로써 달성된다. 편광 필터층(216)이 변환층(226)에 인접하게 배치된다. 광 전향층(224)은 xy 평면에서 광 분포의 각을 넓히고 조명 시스템(204)으로부터 출력된 광 분포의 균일성을 개선하기 위하여 만곡된 마이크로 프리즘 작은 평면(318)을 포함한다. 역 확산기(320)는 광 전향층(224)에 바람직하게 조명되거나 또는 단일 폴리머층(도시 안됨)의 대향측상에 형성될 수 있다. 편광 필터층(216)은 제1 표면(208)에 순서대로 직접 증착되거나 적층되는 변환층(226)에 직접 적층되거나 또는 증착된다.
도 29A의 바람직한 실시예에 있어서, LCD 층(302)용 광(218 및 220)의 처리는 제1 편광 필터층(324) 및 제2 편광 필터층(322)의 사용에 의해 이롭게 달성된다. 그러나, 제1 필터(3240는 종래의 편광 필터(312)에 비해 상대적으로 작은 편광율을 가진다. 에컨데, 편광 필터층(324)은 종래의 필터(312) 보다 작은 염색 농도를 가질 수 있다. 이런 차이는 보다 높은 LCD 광 투과가 가능하게하며 상술한 이미지 형성 특성이 개선되게 한다. 이런 바람직한 실시예는 LCD 시스템(330)(층(324), 액정층(302) 및 층(322)의 조합)과 결합된 후치 확산층(328)을 활용한다. 바람직하게, 후치 확산층(328)은 제2 편광 필터층(322)과 일체로 형성되도록 적층된다.
도 29B의 바람직한 실시예에 있어서는 조명 시스템(204)의 비용 감소 및 광 투과 증가를 초래하는 단지 하나의 편광 필터층(248)을 사용하는 이점이 달성된다. 이 실시예에 있어서, 정합층(232)을 통과하는 광은 바람직한 LCD 편광 상태의 광(218)으로 적어도 90%가 바람직하게 이루어진다. 후면(211)과 결합된 결합각 트랜스포머(334)는 YZ 평면에서 광 분포의 각 폭을 감소시키고, 이런 감소된 각 분포는 조광 시스템(204)으로부터 LCD 이미지를 형성하는 출력 광의 특성을 더욱 개선한다.
도 33에 도시된 발명의 다른 바람직한 형태에 있어서, 장치(10)는 램프(406)를 갖는 광 캐비티(404)로부터 입력광(402)을 수용하기 위한 기부층(400)을 구현한다. 기부층(400)은 상술한 바와 같이 가장 바람직하게는 아크릴 웨지(acrylic wedge)이다. 입력광(402)은 도 33에 도시된 바와 같이 "a" 및 "b" 두 편광 상태로 이루어진다. "a" 및 "b"의 일반적인 용어 설명은 선형 "s" 및 "p", 좌우 원형, 및 제1 상태와 직교하는 제2 상태로 타원형 편향과 같은 모든 다른 편향 조합을 커버하는 것으로 사용된다. 상술한 바와 같이, "a" 및 "b" 상태는 간섭층(411) 또는 반사편광층(480)으로 이하 언급되는 편광빔 스플리터상에서 바람직하게 동작한다. 광(405)은 따라서 상술한 요건에 따라 선택된 광학 조건하에서 기부층(400)으로부터 에어층(407)으로 출력된다. 편광 "a" 를 갖는 광(405)의 몇몇은 더욱이 광(409)으로 에어층(414)을 통과한 유리 기판(412)상에 배치된 간섭층(411)으로 통과하고, 전향층(416)으로 동작한다. 바람직하게 이런 층(416)은 상술한 프리즘층이며, 편광 상태"a"의 광(409)의 출력각을 제어하는데 사용된다. 전향층(416)은 기부층(460)으로부터 전형적으로 출구각인 직각으로부터 약 74도에 중심을 둔 광으로 동작하도록 바람직하게 설계되여, 기부층(400)의 출구면에 실질적으로 수직한 광 방향을 변화시킨다. 이런 층(416)은 또한 다른 실시예에서 홀로그램층과 같은 본래 회절 특성을 가질 수 있다. 전향층(416)으로부터 출력광(409)은 후치 확산층(도시 안됨) 및 상술한 다른 적당한 층으로 더욱 처리될 수 있다.
편광 스플리팅에 있어서는 편광 스플리팅층(간섭층(411))의 두가지 기본 타입이 사용된다. 층(411)의 한 타입은, 비직각 입사에서 사용되는 특히, 74도 근처에서 사용되는 편광 선택성 빔 스플리터를 생성시키기 위해 높은 계수 nX및 낮은 계수 nL물질의 다른 층으로써 상술된 무기질 박막(예컨데, 간섭층(또는 편광 필터))의 진공 증착에 기초로 한다. 이런 타입의 빔 스플리터는 표준 박막 실질적인 진공 증착 기술을 사용하는 1mm 두께의 유리 기판상에 층을 진공 증착함으로써 생성된다.
층(411)의 제2 타입은 다층 폴리머 막으로 이루어져 사용된다. 예컨데, 폴리머 막은 3M Co에서 제조된 기지의 DBEF(3M의 상표)일 수 있다. 이런 상용가능한 물질에 관한 상세는 PCT 공개공보(WO95/17303 및 WO96/19347)에 개시된다. 이런 막은 넓은 입사각 뿐만아니라 광의 수직 입사에 사용될 수 있는 이점을 가지며, 제한된 편광축의 막을 가지며, 고체적 연속 제조 프로세스에 의해 생산될 수 있다. 이런 분포는 수직 입사 타입 시스템 또는 좁게 제한된 경사각과는 다른 부가적인 각도 및 막의 통과축의 배향에서 실험할 수 있게 한다.
스캐터링(다이폴 스캐터링과 같은)에 제한되지 않고 이중 굴절, 콜레스트릭(collestric) 액정, 및 박막 브루스터(Brewster) 스플리터를 포함하는 본 실시예에서 사용되는 편광 스플리팅 효과를 낼 수 있는 다른 공지된 많은 접근법이 있다.
상술한 바와 같이, 몇몇 광은 편광 상태 "b"를 가지며, 에어층(411), 기부층(400), 에어층(420), 변환층(예컨데, 1/4파 기판층), 에어층(424)을 통과하는 광(418)으로서 간섭층(411)(편광 스플리터)로부터 반사되고, Silverlux(3M 상표)와 같은 은막 또는 BEF(3M 상표) 타입 후면 반사층(426)과 같은 유전체 반사층인 반사기에 의해서 반사된다. 이런 BEF 층(426)은 층(426)을 통과하는 광의 작은 양을 확산하여 반사하기 위하여 흰 종이(425)(팬텀으로 도시됨)에 대향하여 또한 배치될 수 있다. 반사층(426)은 편광 프로세스에 기여하거나 또는 단순한 반사기로서 동작할 수 있다. 반사된 광(418)은 상술한 층을 통과하여 복귀하나, 간섭층(418)에 의해 반사되는 대신에, 광(418)은 투과되며 출력각이 전향층(416)에 의해 제어되는 편광 상태 "a' 의 광으로 변환층(422)에 의해 변환된다.
상기 지적한 바와 같이, 바람직한 편광 변환층(422)은 상용가능한 1/4파 스트레칭된 복굴절율 폴리머막을 포함하며, 직각 입사에서 550nm 파장으로 설계된다.매체를 변환하는 이런 형태는 설계 선택사양이 필수적이지 않으나, 그 물질은 용이하게 이용가능하여, 비직각 입사 및 지연에서 이런 이용가능한 막이 사용되어 만들어진 많은 프로토타입은 엄격하게 1/4파 타입이 아니다. 예컨데, 장치(10)의 많은 표면은 각을 벗어난 다양한 보상 효과를 나타낸다. 이런 보상들로 쌍으로 된 선택적인 보상막은 필수적으로 여기서 평가된 시스템 대칭축에 배향된 1/4파 타입막이 진 않다.
변환층(422)의 이런 막은 많은 구성들로 사용된다. 막에 접착제가 제공되기 때문에, TAC(Triacetae cellulose) 막이 자유 "비적층" 막으로서 사용될 때 낮은 복굴절율을 갖는 TAC 막중 어는 하나에 적층된다. 반사를 감소시키기 위하여, 성능 및 안정성이 개선되며, 많은 구조는 막이 장치910)의 다른 구성요소에 직접 적층되는 곳으로 구성된다.
두 편광 상태 "a" 및 "b"의 다른 광(423)은 기부층(400)의 상부면(432)에 의해 반사되고, 그 후 기부층(400), 에어층(420), 변환층(422), 에어층(424)을 통과하고, 간섭층에 충돌할때까지 층에 뒤로 통과하는 BEF 후면 반사기층(426)에 의해 반사된다. 이런 광(423)은 따라서 편광 상태 "a"의 출력광(434) 및 편광 상태 "b"의 반사광(436)을 생성하는 기부층(400)으로부터 출력된 광과 유사한 방식으로 동작한다. 이런 광(436)은 또한 편광 상태 "b"의 광(418)과 같은 방식으로 동작하여, 편광 상태 "a"(광(428)과 같이)의 출력광(438)을 초래한다. 명세서를 통해 광빔 경로의 임의의 중요예가 장치(10)의 많은 실시예의 동작을 설명하기 위해 도시됨에 유의해야 한다. 연구된 장치(10)의 성능을 정량화하기 위하여, 반사가 밝기 및 입체각(solid angle) 변화에 기인한 효율을 증가시키는 일련의 이득 파라미터가 개발되였다. 따라서, 도 33의 실시예의 성능은 다음의 표 4(파라미터는 예로서 정의됨)에 도시되고, 측정 시스템 및 방법은 예 및 도 61 내지 63에 상세히 설명된다.
상술한 장치(10)는 따라서 내부 편광 변환 및 리사이클링 메카니즘을 포함하는 "캐비티"로서 동작하는 층의 어셈블리를 포함한다. 용어 "캐비티"는 예컨데, 광이 층간에 이동하는 광 웨이브가이드를 포함할 수 있다. 장치(10)의 "캐비티" 또는 웨이브가이드에 기인하여 광빔 경로는 그 타입 및 조합으로 많게될 수 있다. 간섭층(411)으로부터 바람직하게 반사되는 상태 "b"에서 실질적인 내부 손실을 회피하기 위해 효율적으로 투과되는 상태 "a" 까지 광이 변환되도록 캐비티에 충분한 편광 변환이 있는 것이 요건이다. 결과적으로, 다중 프레스넬(Fresnel) 반사 및 캐비티내에서 상태 "b"에서 "a" 까지비-이상적 변환 메카니즘은 허용가능하다.
금속 기저 후면 반사기를 갖는 기본적인 테이퍼형 조명기구와 다양한 구조의 비교
도면 전향층 표시측 확산기 기부층(B 층) 후면 반사기 반사 편광기 회전자 g 광도(밝기 이득) g 레인지(레인지 이득) g 토탈(밝기 이득 및 레인지 이득의 이용가능한 이득-곱)
도 33 예 아니오 평평함 구성됨 증착됨 예 1.04 1.26 1.31
도 34 예 아니오 평평함 구성됨 증착됨 아니오 1.06 1.20 1.27
도 35 예 아니오 평평함 구성됨 없음 아니오 1.07 1.09 1.17
도 36 예 아니오 평평함 금속성 증착됨 후면 반사기에 적층됨 1.12 1.21 1.35
도 37 예 아니오 평평함 금속성 파이프상에증착 후면 반사기에 적층됨 1.10 1.06 1.17
도 38 예 아니오 평평함 금속성 없음 없음 1.00 1.00 1.00
도 39 예 아니오 평평함 금속성 증착됨 파이프에 적층됨 1.16 1.12 1.30
도 40 예 아니오 평평함 금속성 없음 파이프에 적층됨 0.97 1.02 0.99
도 45 예 아니오 평평함 구성됨 증착됨 파이프에 적층됨 1.13 1.19 1.35
도 46 예 아니오 평평함 구성됨 없음 파이프에 적층됨 1.06 1.11 1.18
도 47 예 아니오 평평함 구성됨 파이프 입력에 없음 1.16 0.99 1.15
도 48 예 아니오 평평함 구성됨 파이프 입력에 파이프 입력에 1.08 1.01 1.09
장치(10)에서 편광화 변환 메카니즘을 조사하기 위해서, 다양한 구성요소들이 TE(s) 및 TM(p) 상태에서 변환광에 관해 평가되고, 직교 선형 편광 상태로 광의 45도 입사 선형 편광으로 평가된다. 이런 측정을 623.8mm 레이저 및 편광 분석기 쌍으로 행하는 것이 사용된다. 각각의 샘플은 기부층(400)을 떠난 빔 분포의 중심 근체에 있는 74도 입사에서 조명된다. 전향막(414)의 프리즘 형태에 대해서는 투과된 광이 측정되고, 모든 다른 부분에 대해 반사광이 측정된다. 아래 표의 결과는 이런 변환 효과를 설명한다.
시스템 TE TM 45도
BEF 만 17% 18% 30%
BEF 및 분리 변환기 27% 25% 56%
적층된 변환기를 갖는 BEF 29% 39% 42%
금속 반사기만 0% 0% 29%
분리 변환기를 갖는 금속 반사기 35% 37% 49%
적층된 변환기를 갖는 금속 반사기 52% 59% 33%
거울 같은, 광 파이프 1% 6% 69%
프리즘 전향막 2% 5% 54%
일반적으로, 광 파이프 형태에서 광의 변환은 많은 수의 메카니즘으로부터 기원할 수 있으며, 시스템에서 다양한 상호작용의 효과는 예컨데, TE, TM 및 45도 원형등의 지점에서 특정 편광에 의존한다. 따라서, 편광 변환 효과는 예컨데, 전체 내부 반사, 유전체 접촉면으로부터 브루스터 각을 넘는 반사 및 물질 복굴절으로부터 얻어질 수 있다.
모든 투과 또는 반사가 정확한 주위 환경에 따라 편광을 변화할 가능성을 가지기 때문에, 보상/편광 변환막이 사용되어 변환을 증가시키고 특히, 다양한 요소의 자연적인 효과를 넘어선 제어 편광을 증가시킴으로써 이롭게 성능 개선할 수 있는 여러 방식들이 있다. 또한, 편광 스플리팅층의 각은 의도된 방식으로 편향 변환을 강화하기 위하여 중요한 파라미터로서 사용될 수 있다.
연구에서 선택된 예의 구조는 다음의 두가지 중 하나이다. (1) 기부층(400) 및 전향층(414)이 낮은 변환이 되게 하고 편광에 대한 양호한 제어를 하게하는 시스템에 대하여 TE 또는 TM 편광의 조명기기의 중심선, (2) 거의 모든 상호작용이 편광을 변환하는 45도에서 모든 분리 변환의 순 효과가 편광 캐비티를 통한 광 리사이클의 비편광화 또는 변환의 전체 양. 다른 경우에 행해진 경우에도, 45도 구조에서 편광 변환 프로세스를 제어할 수 있음을 이해해야 한다.
도 34에 도시된 발명의 다른 실시예에 있어서, 층 구조는 변환층(422)이 제거되는 점을 제외하고는 도 33의 실시에와 동일하다. 편광 리사이클 캐비티는 간섭층(411) 및 후면 반사기층(426)의 조합에 의해 여전히 실질적으로 형성된다. 변환층(422)을 제거한 결과 편광 "b"의 광(418)은 기부층(400) 및 에어층(420)을 통해 투과되며, "b" 상태의 몇몇이 "a" 상태로 변환된체, 편광 "b" 및 "a"의 광(440)으로서 반사된다. 변광 변환은 다양한 요소 예컨데, 후면 반사기층(426)으로부터 반사로부터 변환, 및 편광 상태 "a"의 광(442)으로 바람직하게 출력하도록 장치(10)의 여러 층의 잔여 복굴절에 의존한다. 본 실시예의 성능은 표 4에 표시된다.
도 35의 다른 실시예에 있어서, 변환층(422) 및 간섭층(440)은 도 33의 실시예와 비교했을때 제거된다. 본 실시예는 램프 캐비티(404)로부터 입력되는 광(402)의 비편광 형태를 포함한다. 따라서 본 실시예는 높은 밝기 방향이 기부층(400)에서 광의 전파 방향을 따라 있는 랜덤하게 단지 약 6% 이상인 편광 레벨을 나타낸다. 본 실시예의 성능은 표 4에 표시된다.
도 36의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 층의 배열은 도 33의 실시예와 매우 유사하며, 다양한 편광 캐비티 요소를 갖는 특정 편광의 광선과 동일한 류를 일반적으로 처리하게 한다. 주요한 차이는 반사층이 에어층에 개재됨이 없이 변환층(422)에 적층되는 금속 후면 반사층(446)이라는 점이다. 바람직하게, 이 층(446)은 기판, 예컨데 알루미늄 또는 다른 적당한 지지체에 적층된 상용가능한 은코딩 폴리머막(에컨데, 이하 Silverlux로 언급함)을 포함한다. 본 실시예의 성능은 표 4에 표시된다.
도 37의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 배열은 편광 스플리팅 간섭층(411)이 기부층(400)상에 직접 배치된다는 점을 제외하고는 도 36의 실시예와 매우 유사하다. 이 층(411)은 임의의 다른 종래의 박막 적층 기술이 동작층을 생성하는데 사용된다할지라도 증착에 의해 바람직하게 증착된다. 이 층(411)은 기부층(400)에서 광선을 크게 감쇄시키지 않고 낮은 손실을 갖는 반사층 또는 다른 편광 스플리터층의 적층에 의해 또한 얻어질 수 있다. 본 실시예의 상대적인 성능은 표 4에 예시된다.
도 38의 또 다른 실시예에 있어서, 층의 배열은 후면 반사기층이 금속 후면 반사기층(446)이라는 점을 제외하고는 도 35의 실시예와 매우 유사하다.
광선 경로는 또한 도면의 것과 매우 유사하다. 편광 각도는 도 35의 장치(10)와 매우 유사한 약 4%이다. 도 38의 이 실시예의 성능을 표 4에 나타내었다.
도 39의 또 다른 바람직한 실시예에서, 층들의 배열은, 변환층(422)이 금속성 후면 반사층(446)에 적층되어 있는 대신에 기부층(400)에 적층되어 있는 것을 제외하고는 도 36의 것과 유사하다. 대신에, 변환층(422)과 금속성 후면 반사층(446) 사이에 공기층이 있다. 또한, 광선 경로는, 평광되지 않은 광의 추가 편광이 발생되고 광이 기부층(400)을 여기시키기 전에 편광 변환이 발생되는 것을 제외하고는 도 36의 것과 매우 유사하다.이들 추가 편광 및 변환 단계는 도 40의 실시예를 참조하여 후술될 것이다. 결과로서의 출력은 전향층(416)에 의한 각도로 적절하게 제어된 광(452)이다. 광(450)의 일부는 더 처리되어 상태 "a"의 광(438)으로 변환되는 편광 상태 "b"의 광(453)으로서 간섭층(411)에 의해 반사되어 출력된다. 도 39의 이 실시예의 성능을 표 4에 나타내었다.
도 40의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 상이한 편광 리사이클링 및 변환 배열을 나타내고 있다. 이 실시예에서, 편광 리사이클링 캐비티는 기부층에 의해 형성되며 총 내부 반사(이하, "TIR"이라 칭함)에 의해 광을 제한하는 변환층(422)의 적층 형태로 형성된다. 이 장치(10)에서, 광(402)이 웨지형 기부층(400)의 감소 두께를 이동할 때 입력광(402)은 변환층(422)에 의한 편광으로 연속적으로 변환된다. 상부 표면(432)에 대하여 p-편광(이 실시예에서는 "a" 상태)되는 광(402)의 이들 성분은 s-편광("b" 상태)과 비교하여 "a" 상태 광의 저 반사율에 기인하여 기부층(400)으로부터 우선적으로 결합되고; 광선 각도가 θc를 통과할 때(상술한 임계각 참조), 광(402)이 기부층(400)을 빠져나가기 사작한다. 다양한 광선 경로의 예를 도면에 나타내었다. 일례로, 편광 "a" 및 "b"의 광(402)이 θc가 이루어질 때까지 상부 표면 및 하부 표면(454)로부터 반사된다. 그 후, 편광 "a"의 광(456)은 공기층(407)을 통해 그리고 각도 범위가 제어된 전향층(416)을 통해 관찰자를 향해 출력된다.편광 상태 "b"의 광(458)의 나머지 성분은 기부층(400)을 통해 반사되고 통과하여, 변환층(422) 내에 광(458)이 결합된다. 층(422)의 반사 및 재통과시, 광(458)은 편광 상태 "a"의 광(456)으로 되어, 공기층(407) 및 전향층(416)을 통해 동시에 출력된다. 다른 처리예는, 광(458)이 변환층(422)을 통해 한번 통과하고 공기층(448) 내로 아웃커플되며, 금속성 반사층(446)에 의해 반사되고, 변환층(422)을 통해 재차 통과하여, 그 후 관찰자를 향하여 출력되는 편광 "a"의 광(462)이 되는 것이다. 그러나, 일반적으로 바람직한 출력은 아직 "a" 편광의 광이다. 따라서, "a"와 "b" 상태의 반사율 간의 차는 편광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 결과로서 생성된 편광은 약 13%이었다. 이 실시예의 성능을 표 4에 나타내었다.
도 41에 나타낸 또 다른 실시예에서, 층들의 배열은 도 40과 유사하지만, "a"와 "b" 상태의 반사율 간의 제한된 차가 편광 스플릿팅층(464)을 기부층(400)의 상부 표면(432) 상에 직접 퇴적함으로써 더욱 향상된다.
도 40 및 도 41의 실시예에 관한 다른 변형으로, 도 42는 기부층(400)의 하부 표면층(454)에 또한 적층되는 변환층(422)에 직접 결합된 후면 반사층(466)을 도시한다.
도 43에 나타낸 또 다른 실시예에서, 변환층은 상부 표면(432) 위의 기부층(400)의 다른 면에 배치될 수 있다. 또한, 이 배열은 기부층(400)을 따라 이동할 때 광을 제한하는 목적을 달성한다. 편광 상태 "a" 및 "b"의 광(402)이 상부 표면(432)으로부터 아웃커플되고, 그 후 "b" 상태 성분이 1/4파장 판 변환층(422)에 의해 "a" 상태의 광(468)으로 변환되는 최초 차이를 갖는 몇가지 예의 광선 경로를 나타낸다.
도 43의 실시예의 다른 변형에서, 도 44의 기부층(400)은 도 43의 변환층(422)의 편광 변환 기능을 갖도록 기능적으로 동작하는 복굴절 편광 변환 물질로 이루어진다. 도 44에 도시한 바와 같이, 광(402)은 편광 상태 "a"의 광(468)으로서 공기층(407) 내로 아웃커플된다.
표 4의 성능 측정을 고려하여, 편광 효율이 증가하는 만큼 시스템 이득이 증가할 필요가 없는 것에 주목했다. 이는 다양한 층들을 결합하는 데 사용되는 부착 본드의 종류 및 품질로부터 발생되고 ㄸ한 부착된 1/4파장 막 상에 발생되는 산란 및 흡수 손실로부터 일어나는 것으로 믿었다.
도 39의 실시예의 다른 변형에서, 도 45의 후면 반사층은 금속성 후면 반사기(446)보다는 BEF형 후면 반사층(426)이다. 층들간의 광선 경로는 매우 유사하며, 그 성능을 표 4에 나타내었다.
도 40의 실시예의 다른 변형에서, 도 46의 후면 반사층은 금속성 후면 반사기(446)보다는 BEF형 후면 반사층(426)이다. 광선 경로들은 매우 유사하며, 그 성능을 표 4에 나타내었다.
본 발명의 다른 형태를 도 47에 나타내었고, 도 47에서, 편광 스플릿팅층(470)은 기부층(400)에 입력으로 배치된다. 이 실시예에서, 편광 리사이클링 "캐비티"는 램프 캐비티(404)와 편광 스플릿팅층(470)으로 형성된다. 따라서, 입력광(402)은 광 캐비티(404) 및 편광 스플릿팅층(470)에 의해 처리되어, 편광 상태 "a"의 광(476)을 생성한다. 이러한 결과를 달성하기 위해, 편광 스플릿팅층(470)은 기부층(400)의 대칭축의 방향에 실질적으로 평행하거나 또는 그에 수직인 통과축을 갖도록 배치되는 것이 가장 바람직하다. 이 배열은 기부층(400)으로 이동할 때 기부층(400) 내의 광을 실질적으로 1개의 편광 상태로 유지한다. 따라서, 입력광(402) [램프(406)에 의해 방출된 광]은 램프(406)를 비편광 상태로 두고 결국 편광 스플릿팅층(470)과 만난다. 광(402)의 실재부는 편광 상태 "a"의 광(476)으로서 전송되는 반면, 편광 상태 "b"의 나머지가 일어날 수도 있는 변환에 대해 램프 캐비티(404) 내로 반사되거나 리사이클링되어, 편광 "a"의 광(476)으로서 출력된다. 이 장치(10)의 성능을 표 4에 나타내었다.
도 47의 실시예의 변형에서, 도 48의 배열은 편광 스플릿팅층(470)의 램프 캐비티측의 편광 변환층(478)의 특징을 더 포함한다. 이 실시예의 광선 경로는 도 46에 나타낸 경로와 매우 유사하다. 그 성능 결과를 표 4에 나타내었다.
도 33의 실시예의 다른 변형에서, 도 49의 장치(10)는 전향층(416)을 포함하지 않고, 기부층(400)은 광학적으로 편평한 표면을 갖는 것이 아니라 텍스쳐드(textured) 광 파이프이며, 막형 반사성 편광층(480)은 간섭층(410)의 대용으로 편광 상태를 분리하고 반사시킨다. 기부층(400) 상(또는 동등한 범위 내)의 텍스쳐 효과는 광이 기부층(400)으로 이동할 때와 또한 광이 존재하고 기부층(400)을 통해 리사이클될 때 광(402)을 확산(또는 오류 지시)시키는 것이다. 텍스쳐드 기부층(400)은, 예를 들면, 평평한 기부층(400) 상에 개량 가능형 코팅을을 도포하거나, 또는 텍스쳐드 몰드를 이용하여 평평한 기부층(400) 상에 텍스쳐드 형태를 생성할 수 있다. 이들 텍스쳐는 광선 경로가 약간의 방향 불일치를 겪도록 동작한다. 이러한 상호 작용은 약한 산란 상태를 포함하며 이만큼 변화될 때. 광선 경로는 철저하게 변화되지 않는다. 이 문장에서, 상기 텍스쳐는 기부층(400)의 표면 상의 경상 변동 또는 기부층(400) 상이나 기부층(400) 내의 굴절률 변동에 대해 언급하며, 이러한 텍스쳐가 존재하지 않는 경로로부터 약 1차 내지 수차의 비율 정도의 양만큼 광선 경로를 경감시킬 것이다. 이 실시예는 장치(10)의 편광 소자들에 의해 제공된 넓은 각도의 조도를 처리하는 전향층(416)으로부터 일어나는 손실의 평가에 관한 것이다. 표 6을 참조하여 알 수 있듯이, 전향층(416)을 제거하면 효율 향상을 가져온다. 다음의 광선 경로는 전향층(416)을 사용하지 않고서 광선이 보다 넓은 각도로 장치(10)를 빠져 나가는 것을 제외하고는 도 33의 경로와 상당히 유사하다.
도 49의 실시예의 다른 형태에서, 도 50의 장치(10)는 상술된 텍스쳐드 형태의 기부층(400)을 포함한다. 표 6에 비교 성능을 나타내었고, 광선 경로는 도 49와 상당히 유사하다. 표 4 및 표 6의 데이터는 서로 다른 리퍼런스 아기텍쳐가 각 표마다 사용되었기 때문에 직접 비교될 수 없다. 표 6의 데이터와 비교하기 위해서는, 표 4의 데이터에 1.17을 곱함으로써 하나의 표의 데이터를 다른 것과 개략적으로 비교할 수 있다.
도 49의 실시예의 다른 형태에서, 도 51의 장치(10)는 BEF형 후면 반사층(426)이 아닌 금송성 후면 반사기(446)를 사용한다. 또한, 층(426)은 공기층없이 변환층(422)에 적층된다. 광선 경로는 도 49의 것과 상당히 유사하며, 표 6에 비교 성능을 나타내었다.
도 51의 실시예의 변형에서, 도 52의 장치(10)는 텍스쳐드 형태의 기부층(400)을 사용하지 않는다. 광선 경로는 매우 유사하며, 비교 성능을 표 6에 나타내었다.
도 33의 실시예의 다른 형태에서, 도 53의 장치(10)는 간섭층(411)이 아닌 반사성 편광층(480)을 사용하고; 텍스쳐드 형태의 기부층(400)이 사용된다. 광선 경로는 상당히 유사하며, 비교 성능을 표 6에 나타내었다.
도 54에 나타낸 본 발명의 다른 형태에서, 장치(10)는 전향층(416)이 반사성 편광층(480) [간섭층(411)과 같은 편광 스플릿터]과 샌드위치되는 것을 제외하고는 도 53에 나타낸 것과 유사하다.
후면 반사기가 구성되어 있는 기본적인 테이퍼형 조명 기구와 다양한 구조의 비교
도면 전향층 기부층(B층) 후면반사기 반사편광기 회전자 g 휘도(밝기 이득) g 레인지(레인지 이득) g 토탈(이용 가능이득)
도 49 예 텍스쳐드 구성됨 B층 위 B층 아래 0.71 1.92 1.37
도 50 예 평평함 구성됨 B층 위 B층 아래 0.68 2.02 1.38
도 51 예 텍스쳐드 거울같음 B층 위 B층 아래 0.67 2.41 1.62
도 52 예 평평함 거울같음 B층 위 B층 아래 0.77 2.36 1.81
도 53 예 텍스쳐드 구성됨 B층 위 B층 아래 1.10 1.09 1.2
도 54 예 텍스쳐드 구성됨 N막 위 B층 아래 0.97 1.13 1.1
도 55 예 텍스쳐드 구성됨 B층 위 반사기 아래 0.96 1.16 1.11
도 56 예 텍스쳐드 구성됨 B층 위 적층됨 1.06 1.14 1.21
도 57 예 텍스쳐드 구성됨 없음 없음 1.00 1.00 1.00
도 58 예/D막 텍스쳐드 구성됨 D막 @45 위 없음 1.08 1.1 1.19
도 59 예/D막 텍스쳐드 구성됨 N막 @45 위 없음 1.04 1.08 1.12
도 60 예/D막 텍스쳐드 구성됨 웨지 @45 위 없음 1.15 1.09 1.25
기부층(400)으로의 입력광(402)은 도면의 실시예와 같이 전향층(416) 및 반사성 편광층(480)을 통해 출력되는 편광 "a"의 광(405)의 일부와 기부층(400)의 상부 표면(432)을 통해 결합될 수 있다. 편광 상태 "b"의 광(405)의 일부는 광(482)으로서 반사되어 기부층(400), 공기층(420), 변환층(422), 공기층(424)을 통과하여, BEF형 후면 반사층(426)에 의해 반사된다. 변환층(422)을 통과하여 복귀됨에 따라, 광(482)은 편광 상태 "a"의 광(484)으로 변화되고, 기부층(400), 전향층(416) 및 반사성 편광층(480)을 통해 관찰자에게 출력된다. 전향층(416) 및 반사성 편광층(480)의 교환 위치는 도 54에 도시한 바와 같이 전향층(416)이 정방향과 역방향 둘다의 방향으로 이동하는 넓은 각도의 광에 동작하게 한다. 정방향 이동 광은 도 52에 도시한 것과 마찬가지로 기부층(400)을 통과하지만, 역방향 이동광은 기부층(400)을 통해 뒤로 통과한다. 즉, 이 광의 일부는 램프 캐비티(409)를 통해 규칙적으로 리사이클될 것이다. 수개의 오버래핑 광로의 예를 도 54에 도시하였지만, 다수의 다른 광로가 또한 존재한다. 이 장치(10)의 성능을 표 6에 나타내었다.
도 53의 실시예의 다른 변형에서, 도 55의 장치(10)는 기부층(400) 위에 변환층(422)을 놓는다. 광선 경로는 기부층(400) 위에 편광 변환이 발생하는 것을 제외하고는 도 53의 것과 유사하다. 예를 들면, 광(405)이 변환층(422)을 통과하여 편광 상태을 변환시켰을 때 광(402)은 상부 표면(432) 이외에서 결합되고, 편광 상태 "a"의 광(409)은 반사성 편광층(480) 및 전향층(416)을 통해 출력된다. 또한, 편광 상태 "b"의 광(482)은 공기층(407), 변환층(422), 공기층(485), 기부층(400), 공기층(420)을 통과하는 반사성 편광층(480)에 의해 반사되고, 출력을 위해 BEF형 후면 반사층(426)에 의해 반사되고 이들 층들을 통해 복귀되어 변환층(422)에 의해 편광 상태 "a"의 광(484)으로 변환된다. 장치(10)의 비교 성능을 표 6에 나타내었다.
도 53의 실시예의 다른 변형에서, 도 56의 장치(10)는 기부층(400)에 적층된 변환층(422)을 갖는다. 따라서, 광선 경로는 상당히 유사하며, 이 실시예의 성능을 표 6에 나타내었다.
도 35의 실시예의 다른 형태에서, 도면의 장치(10)는 텍스쳐드 형태의 기부층(400)을 사용한다. 광선 경로는 상당히 유사하고 그 성능을 표 6에 나타내었다.
도 58 내지 도 60에 도시된 본 발명의 다른 형태에서, 편광 조명 기구(polarized luminaire)로서의 장치(10)의 동작을 분리된 형태의 변환층(422)을 사용하지 않고서 나타낸다. 이는 광 반사가 브루스터 각도를 초과하고, 오프-앵글(off-angle) 금속 반사 이벤트에서 각도를 벗어난 편광 변환, 최초 전향층(416)과 BEF형 후면 반사층(426)으로 된 신장막 기부층에서의 총 내부 반사 및 내부 복굴절에 기인하는 편광에 의해 달성된다. 이들 각 메카니즘은 장치(10)의 대칭축에 동일한 각도로 반사성 편광층(480)을 위치시킬 때 편광 변환에 기여한다. 간단화를 위해, 편광층(480)의 통과 축에 대하여 45°각도가 선택된다.
도 58에는 상부 표면(432) 또는 하부 표면(457) 중 하나에서, 그 각도가 θc를 초과하여 증가할 때까지 기부층(400)을 따라 이동하는 실질적으로 편광되지 않은 광(486)을 갖는 장치(10)가 도시되어 있다. 광(486)은 공기층(407), 광(486)의 각도를 변화시키는 분광 전향층(416)을 통과하고; 공기층(487)을 통과한 후, 다른 전향/확산층(488)이 광(486)의 각도 분포를 넓힌다. 그 후, 광(486)은 공기층(489)을 통과하여 편광 스플릿팅층으로서 작용하는 반사성 편광층(490)과 만난다. 이 편광층(490)은, 통과축이 이 특정예에서 장치(10)의 최초 전파 방향인 장치(10)의 대칭축에 45°가 되도록 방향이 정해진다. 편광층(490)은 광(486)을 2개의 성분으로 분리한다: 하나의 상태 "a"의 광(492)이 통과되는 것이 바람직하며 상태 "b"의 광(494)이 반사되는 것이 바람직하다. 따라서, 광(494)은 전향/확산층(488)을 통과함으로써 넓은 각도 분포로 리사이클된다. 이 광(494)의 넓은 각도 분포는 다양한 리사이클링 경로를 갖는다. 예를 들면, 수개의 광(494)는 도 54에 나타낸 일반적으로 방법으로 전향/확산층(488)을 통해 리사이클링될 것이다. 이 경우의 편광 변환은 기부층(488)의 면들로부터의 프레즈널 반사(Fresenel reflection), 전향/확산층(488)에서의 총 내부 반사, 전향/확산층에서의 복굴절에 의한 변환 및 램프 캐비티(404)에서의 확산 스캐터링에 의해 발생될 수 있다. 이 경로를 이동하는 광(494)은 전향/확산층(488)을 통해 결국 재결합될 수 있고 장치(10)의 다른 성분들을 통해 복귀될 수 있다. 다양한 리사이클된 광선은 시스템 이득의 결과로 축적된 소정의 편광 변환으로 편광층(490)에 도달한다. 이 장치(10)의 성능을 표 6에 나타내었다.
도 58의 실시예의 변형에서, 도 59의 장치(10)는 도 58의 실시예에 존재하는 넓은 각도 확산 효과없이 도 54의 실시예와 유사한 일반적인 방법으로 광선을 리사이클링하도록 전향/확산층(488) 아래에 배치된 편광판(490)을 갖는다. 또한, 도 59의 이 실시예는 오프-앵글 반사의 이점을 가지며, 도 54의 명시된 편광 변환층(422)보다 광(486)의 편광 상태를 변환하도록 산란된다. 이 실시예의 성능을 표 6에 나타내었다.
도 53의 것과 유사한 다른 실시예에서, 도 60의 장치(10)는 반사성 편광층(480)이 장치(10)의 대칭축에 대하여 45°이기 때문에, 오프-앵글 반사에 의한 편광 변환을 달성한다. 따라서, 장치(10)는 변환층(422)을 포함하지 않고, 개재형 공기층(491)과 함께 전향/확산층(488)을 추가한다. 이 장치(10)의 성능을 표 6에 나타내었다.
조명 기구 시스템의 복굴절층
복굴절 물질은 상술한 편광 조광 기구 시스템에 이점을 주기 위해 사용될 수 있다. 도 31A에 도시된 실시예에서, 제1 층(214)은 2개의 서로 다른 편광 상태 "a" 및 "b"의 광(212)에 대하여 1보다는 작은 2개의 서로 다른 광학 계수 n2α및 n2β를 갖는 계수 n2의 복굴절 물질일 수 있다. 이 광(212)은 이들 2개의 편광 상태에 대하여 각각의 임계각 부근의 층(214)과 만난다.
그리고
수학식 10의 조건은 독립적으로 n2α와 n2β둘다와 같은 n2에 대하여 만족되어야 한다. 편광 상태의 광(212)은 상술한 바와 같이 제1 표면(208) 및 제2 표면(210)으로부터 각 사이클릭 반사에 대하여 각 2Φ만큼 입사각을 감소시킨다. 이 실시예에서, n2α＞ n2β이고, 따라서 θcα＞ θcβ이다.
양 편광 상태에 대하여 입사각이 감소할 때, 양 편광 상태의 광(212)은 제1 임계각 θcα보다 작고 제2 임계각 θcβ를 초과하는 입사각을 갖는 광으로 복굴절 제1 층(214)과의 접촉면과 만날 수 있다. 따라서, 제1 편광 상태의 광(218)은 복굴절 제1 층(214)을 통해 적어도 부분적으로 투과되는 한편, 제2 상태의 광(220)은 종 내부 반사에 의해 우선적으로 반사된다. 반사된 제2 상태 광(220) 및 나머지 제1 상태 광(218)은 연속하는 반사로 그들의 입사각을 감소시키도록 연속한다. 제1 편광 상태의 광(218)은 제1 층(214)과 제2 층(206) 사이의 접촉면과 만나는 연속하는 각 지점에서 투과된다. 제2 상태의 광(220)은 그의 입사각이 제2 상태 광(220)이 복굴절 제1 층(214)을 통해 적어도 부분적으로 투과되는 지점에서, 제2 임계각 θcβ보다 작아질 때까지 이 접촉면에서 총 내부 반사를 겪도록 연속한다. 이 메카니즘 및 계수 n2α와 n2β차의 우수성에 의해, 복굴절 제1 층(214)을 통과하는 광은 2개의 편광 상태 "a" 및 "b"에 대하여 서로 다른 각도 분포를 갖는다.
복굴절 물질은 일반적으로 이방성 굴절률을 갖는 결정 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 물질은 스트렛칭 불소 첨가막과 같은 스트래칭 중합체막이다. 스트렛칭은 막을 배향하고 그 방향을 따라 서로 다른 굴절률을 만든다. 이들 스트렛칭 불소 중합체 막의 복굴절 값을 0.030-0.054 범위의 Δn으로 제공한다. 다른 막들은 PVA(폴리비닐알콜), 폴리프로필렌, 폴리올레핀 또는 폴리에스테르(마일라; Mylar)이다. 마일라는 실제로 2축(biaxial)이지만, 편광을 회전시키는 데 이용될 수도 있다. 통상의 1축 복굴절 물질들은: 방해석(calcite) 및 수정이다. 이들은 스트렛칭막으로서 실용적이지 못하다. 예를 들면, 2개의 편광 상태는 2개의 계수가 충분히 사른 경우에만 잘 분리된다. 이 조건은 다음의 수학식 17로 표현될 수 있다:
여기서, s는 적어도 1이어야 하고 바람직하게는 4보다 커야 한다. 이 조건은 예를들면, 복굴절층으로서의 1축으로 배향된 불소 공중체, 기부층9206)으로서의 아크릴 공중체 및 Φ(1과사이가 노트북 컴퓨터 LCD 백라이팅으로서 전혁적임)의 공진값을 이용하여 달성될 수 있다.
도 31B는 도 31A와 마찬가지이지만, 전향층(224)이 추가되고, 바람직한 실시예는 계수 n3을 갖는 층(207)에 대하여 공기를 사용한다. 광(218) 및 광(220)은 시스템(204)으로부터 서로 다른 각도로 출력된다.
도 31C는 도 31 및 도 31B의 다른 변형을 도시하지만, 전향층(224)은 평평하게 깍은 면이 있는 반사층(340)을 포함한다. 광(218)과 광(220)은 그 편광을 실질적으로 변화시키지 않고서 광(218)을 투과하는 변환층(346)으로 유도되지만, 편환층(346)은 광(220)원하는 제1 편광 상태의 광(218)으로 변환시킨다. 도 31C에 도시한 변환층(346)은 광(220)에 의해 점유된 각도 범위 내에서만 편광을 변환하도록 동작하는 구성을 갖는다. 따라서, 변환층(346)은 광(218) 및 광(220)의 모식적으로 도시된 각도 분리를 이용하여, 광(218)을 광(220)으로 변환시키지 않고서 광(220)의 광(218)으로의 변환을 수행한다.
도 31D 및 도 31E의 실시예에서, 광(220)의 반사 형태는 복굴절 제1 층(214)과 기부층(206)의 접촉면로 복귀된다. 이는 광(220)을 제1 편광 상태의 광(218)으로 적어도 부분적으로 변환하는 변환층(346)을 통해 적어도 2배 통과하는 것과 함께 광(220)의 총 내부 반사의 우수성에 의해 달성된다. 이 광(218)은 제1 임계각 θcα보다 작은 입사각으로 가지므로, 광(218)은 기부층(206)과 제1층(214) 사이의 접촉면을 통해 투과된다. 이 광(218)은 전향층(224)의 특질에 따라, 전향층(224)에 의해 반사되거나 투과될 수 있다.
반복적으로 투과되고 반사되는 광이 도 31A와 도 31E에 가상적으로 도시되어 있다. 또한, 도 31D의 실시예에 있어서, 변환층(346)은 복굴절성의 제1층(214)과 같이 기부층(206)의 동일 측상에 있다. 변환층(346)은 기부층(206)과 복굴절성 제1층(214) 사이에도 배치된다. 도 31E의 실시예는 도 31D의 또 다른 변형으로서 기부층(206)의 반대 측들 상에 배치된 변환층(346)과 복굴절성 제1층을 갖는 예를 도시한다.
도 31F의 실시예에 있어서, 시스템(204)은 도 31D의 실시예와 유사하지만, 전향층(224)이 작은 면들의 층(311)을 포함한다. 도 31G의 실시예에 있어서, 시스템(204)은 LCD층(302), 정합층(232)을 더 포함하고, 확산층(304)은 광이 LCD층(302)을 통해 통과한 다음의 공간적 위치에 배치된다. 전향층(224)은 편평한 면들을 갖는 마이크로프리즘들의 층(251), 및 광에 대한 높은 반사율을 갖는 금속 코팅(342)을 포함한다. 또한 시스템(204)으로부터 출력된 광의 공간적 분산을 제어하기 위한 각도 변환층(238)이 도시되어 있다. 도 31H의 실시예는 도 31G의 실시예와 유사하지만, 시스템(204)이 출력된 광(250)을 바람직한 시야 영역에 포커스하기 위해 전향층 (224)용으로 다른 공간적 위치들로 조정된 면 각도를 갖는 곡면들을 사용한다. 각도 변환기(238)는 CPC로서 예시된다.
LCD층 프로세싱 이후의 광 확산기
도 12N과 도 12O의 실시예들에 있어서, LCD 표시(216 또는 236)는 관측자에게 광을 출력한다. 이 실시예들의 더 향상된 예들에 있어서, 후치 확산층(post diffusion layer, 350)이 LCD 층(302)으로부터 출력된 광(250)의 경로에 배치된다 (도 32A 및 도 32B를 참조). 이 도면들에 도시된 바람직한 실시예들에 있어서, 그 대략적인 동작은 도 26B, 28D, 28E, 29A, 29B, 및 도 31G에 도시된실시예들과 유사하지만, 어떤 편광 필터 층들(216)도 갖지 않는다. 앞서 설명한 바와 같이, 콜리메이트된 각도 범위에서, 바람직하게는 실질적으로 LCD층(302)에 수직하게 광을 입사시켜 그로부터 출력되는 화상을 최적화하는 것이 유리하다. 후치 확산층(350)의 사용은 출력광(253)이 관측자들에게 넓은 각도 범위에 걸쳐 광의 콘트라스트와 컬러의 정확도를 절충하지 않은 화상을 제공하게 해준다.
후치 확산층(350)을 포함하는 시스템에서 바람직하게 제어되는 한가지 특징은 LCD층(302)을 통해 투과되는 각도 분포의 xz-평면 내의 폭이다. 출력 각도 분포는 총 폭이
보다 작은 것이 바람직하고, 또한 총 폭이 이 값의 반보다 작은 것이 더 바람직하다. 이 수학식에서, △ pd는 라디안이고, nLCD은 LCD층(302) 내의 평균 굴절율이고, p는 z-방향으로 표시 픽셀 로우들의 반복 주기이고, d는 LCD층(302)의 두께이다. 노트북 컴퓨터에 사용되는 전형적인 LCD에서, nLCD은 대략 1.5이고, l=0.3mm이고, d=3mm이다. 이 예에서, △ pd는 바람직하게 18도 이하이고, 총 폭이 9도 이하인 것이 보다 더 바람직하다. 비교해보면, 수학식(8)은 도 32A(층(359)) 또는 도 28B(층(262))에 도시된 바와 같이, 편평한 면의 프리즘성 전향층을 사용하는 본 발명의 출력 각도 폭을 계산하는데 사용될 수 있다. 전형적인 노트북 컴퓨터의 백라이팅 시스템에서,=1.3도이고 n=1.49이다. 이 예에서, 수학식(8)은 18도의 출력 각도 분포을 준다.
도 32A는 LCD층(302)을 중첩하도록 배치되는 평행한 형태의 후치 확산기(350)를 갖는 시스템(204)의 바람직한 실시예를 나타낸다. 후면(211)에 배치된 홀로그래픽 각도 변환기(364)가 또한 포함된다.
도 32B에 도시된 다른 실시예에 있어서, 굴절/내부적 반사층(360)은 LCD층(302)을 통해 입사된 광의 xz-평면에서의 각도 분포를 좁히기 위해 곡면들(362)을 포함하고, 이것에 의해 후치 확산층(350)에서의 시차(parallax)를 감소시킴으로써 화질을 향상시킨다. 본 실시예는 반사 곡면들(362)을 가지나, 도 32C에 도시된 바와 같이, 편평한 굴절면들이 원하는 기능을 달성할 수도 있다. 이 두 경우에 있어서, 곡면들(362)은 바람직하게 각각의 면들(362) 사이의 반복 주기보다 작은 초점 거리를 갖는다. xz-평면에서의 각도 분포는 바람직하게 수학식(8)에 주어진 폭 이상으로 좁혀지는 것이 바람직하고, 상기 수학식에 주어진 폭 이상으로 좁혀지는 것이 가장 바람직하다. 또한, 전향층(224)의 면 각도들은 시스템(204)의 다른 부분들로부터 출력된 광을 바람직한 시야 영역 상에 포커스하도록 배열된다. 이 도면은 또한 마이크로-프리즘 각도 변환층(274)을 나타낸다.
도 32C에는 도 32B의 실시예에 대한 변형예가 도시되어 있다. 시스템(204)에는 LCD층 배열(370)이 도 30에 도시된 종래 기술의 LCD층 배열(310)과 다르다. 특히, 평행 광 확산층(372) (홀로그래픽 확산기와 같은 확산층)이 LCD층 (도 30의 층(316))과 제2 편광 필터층(322)(도 30의 층(314)) 사이에 배치된다. 이러한 배열은, 이러한 배열이 아니라면 확산층(372)에 의해 반사되는 주위의 광에 의해 야기될 수 있는 섬광을 제2 편광 필터층(322)이 줄일 수 있도록 해준다. 도 32C는 도 32B에 도시된 반사 곡면들(376)과 같은 각도 협소화 기능을 수행하는 광 전향층(374)을 더 나타낸다.
다음의 예는 장치(10)의 변형들에 대한 측정 시스템 및 방법을 설명한다.
예
여러 장치들(10)의 기능은 유용한 시스템 이득의 개념을 도입하여 정량화되었다. 장치들(10)로부터 출력된 광출력 분포는 확산 람베르트 백그라운드와, 한정된 각도의 람베르트 분포로 구성된 1차원적으로 콜리메이트된 빔의 합으로 근사된다. 이 모델에서, 조명 장치(10)로부터 제한된 각도(ILimited)로 방출되는 휘도는 전체 분포 중 최고 휘도(Lmax), 확산 람베르트 백그라운드(), 및 제한 각도들(θ+, θ-)에 의해 지정된 제한된 각도의 람베르트 분포의 폭에 관하여 다음과 같은 식으로 표시될 수 있다.
이것은 각도 변환막들과 확산기들과 같은 다양한 전향층들을 사용하여 재분포될 수 있는 총 조도를 나타내는 유용한 양이다. 비록, 확산 백그라운드에서 총 조도의 분율이 꽤 클지라도, 대부분의 피크 조도는 전형적으로 제한된 각도 범위의 경우에 조도에 의해 커버되는 훨씬 더 작은 입체각에 기인하여 장치(10)에 의해 방출된 제한된 각도의 광에 의한다.
이러한 아이디어가 수학식에 지정된 +/- 각도들이 스폿-포토미터(498)를 사용하여 측정된 절반-조도 포인트들이라고 가정하고 실재 장치(10)에 적용되었다. 각각의 측정 세트에 대해, 우리는 최대 휘도, 절반-조도 포인트들의 각도 위치를 측정하였다. 이 측정에 사용된 시스템(500)이 도 61A 및 도 61B에 도시되어 있다.같은 조도를 유지하면서 몇개의 다른 확산기들이 절반-조도 포인트들의 위치를 변화시키도록 채택되었다. 이 모델로 데이터를 구해본 결과 확산 백그라운드에서 전력의 분율에 대한 값을 얻었다. 우리는 실험 작업에 사용된 기본 형태의 장치(10)에 대해 이 값이 60.1%임을 알아냈다. 도 62는 기본 형태의 장치(10)에 대해 측정된 데이터와 피팅된 커브들을 나타낸다.
우리의 작업의 나머지 과정에서, 우리는 상기의 조도 평가를 기초로 이득 인자들의 세트를 얻어 장치(10)의 기능을 측정하였다. 이 이득 인자들은 전체 시스템 이득(gtotal), 휘도 이득(gluminance), 및 조명의 입체각에 있어서의 증가로 인한 이득(grange)이었다. 이들은 이하에서 정의되는 측정된 조도(Lref)와 각도 범위 인자 (Ru)에 관해 주어진다. 매우 제한된 각도의 조명이 장치(10)의 단일 방향으로만 있었고, 이에 따라 우리는 우리의 분석의 기초로서 상기 1차원 공식을 사용하였다. 특히, 우리는 다음의 항들을 정의하였다:
작동상, 이러한 측정들은 조명 장치를 반(502 와 504)으로 나누어 (도 61B) 샘플 광-파이프를 사용하여 행해졌고, 이 둘은 동일한 CCFT 램프에 의해 구동되었다. 광-파이프 상에 코팅이나 박층화가 필요한 측정들에 대해서는, 광-파이프의 반쪽에만 박층화 또는 코팅이 행해졌다. 우리는, 이러한 반쪽-조명 측정 시도의 효과가 어쨌든 우리의 이득값들을 저하시킬 것으로 믿는다. 우리의 목표는 얻을 수 있는 이득들을 입증하는 것이었기 때문에, 이러한 잠재적인 불이익은 수용할 수 있었다.
표들에 보고된 최종 이득값들을 얻기 위해, 같은 구조의 두개의 반쪽 조명 기구(502, 504)를 만들어 측정된 이득들에 의해 관측값들이 수집되었다. 이것은 우리가 관측했던 신뢰도을 조금씩 교정하는 것이었다. 이렇게 보정된 이득들 (gcorrected)은 측정된 샘플들의 이득들(gmeasured)과 반쪽 조명 기구(502)의 측들로써 측정된 교정 이득들(gcalibration)로부터 다음의 식을 참조하여 계산되었다.
gcorrected= gmeasured/gmeasured
이러한 방법을 사용하여, 다양한 조명 기구들이 Photo Research Pritchard Spot Photometer를 사용하여 측정되었다. 이러한 측정을 하기 위해, 장치(10)가 회전 동안 우리의 측정 스폿이 안정하도록 배열된 회전 스테이지를 구비한 스탠드 상에 배치되었다 (도 61A 참조). 조명 기구의 램프가 반쪽 조명 기구들(502, 504) 각각의 중앙에 있었다 (도 61B 참조). 각각의 측정을 위해, 선형 편광기가 최대량의 광이 통과하도록 얼라인된 포토미터(498)의 앞에서 사용되었다. 대부분의 측정들에 있어서, 이 방향은 장치(10)와 기구에 대해 수평 방향이거나 또는 수직 방향이어서, 이러한 경우들에 있어서 내부 편광기들이 기구 내부에서 사용되었다. 이들 반쪽들 각각에 대해, 최대 휘도가 형성되었음을 찾아내고 그 다음 장치(10)를 회전축에 대해 회전시켜 절반-휘도 포인트들의 각도 위치를 알아냈다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들이 개시되고 설명되었으나, 당해 분야의 통상의 기술자들에게는 다양한 변형과 변경들이 이하에 주어진 클레임들에 의해 지정된 본 발명의 더 넓은 범위의 특징들을 벗어나지 않고 만들어질 수 있음을 명백히 알 것이다.

Claims (20)

  1. 광원으로부터의 광에 대해 작용하고 관측자에게 광을 선택적으로 출력하기 위한 광학 장치에 있어서,
    적어도 제1, 및 제2 표면을 갖는 기부층 - 상기 기부층은 상기 제1, 및 제2 표면들에 걸쳐 있는 후면을 더 포함하고, 상기 기부층 내에서 반사된 광은 광 입사점에서 상기 제1, 및 제2 표면들 중 적어도 한 표면의 법선에 대한 각도를 감소시켜 상기 표면들 상의 상기 광 입사점에서 상기 법선에 대해 임계각θc보다 작은 입사각을 얻을 때 상기 기부층으로부터 방출함 - ;
    상기 기부층에 대해 상기 제1, 및 제2 표면들 중 적어도 한 표면 위에 배치된 제1층 수단 - 상기 제1층 수단은, 상기 기부층 내의 광이 상기 기부층과 상기 제1층 간의 접촉면 고유의 임계각 θc보다 작은 입사각을 얻을 때, 상기 광이 상기 기부층으로부터 출력된 후에 상기 제1층 수단에 입사하여 이를 가로질러 통과하도록 함- ;
    제2 편광 상태에 비해 제1 편광 상태의 광을 선택적으로 출력하는 제2층 수단 - 상기 제2층 수단은 상기 기부층에 대해 상기 제1 및 제2 표면들 중 적어도 한 표면 위에 배치되고, 상기 제2층 수단은 또한 상기 제2 편광 상태를 갖는 광의 적어도 일부를 반사할 수 있음 - ;
    상기 제1층 수단으로부터 출력된 광을 전향(redirecting)시키고 확산시키는 것 중 적어도 하나를 행함으로써, 제어된 각도 분포의 광을 제공하기 위한 광 제어층 수단; 및
    상기 관측자에게 표시하기 위해 상기 제1 편광 상태의 광으로부터 화상을 형성하는 화상 형성층 수단
    을 포함하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 광을 전향시키기 위한 상기 광 제어층 수단은 상기 광학 장치로부터 출력된 광의 각도 분포를 제어하기 위해 마면된 층을 포함하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 광을 확산시키기 위한 상기 광 제어층 수단은 (a) 상기 기부층과 상기 화상 형성층 사이와 (b) 상기 관측자와 상기 화상 형성층 사이 중 적어도 하나에 배치되는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 편광 상태의 광을 상기 제1 편광 상태로 변화시키는 변환 수단을 더 포함하는 광학 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 변환 수단은 (a) 상기 화상 형성층 수단과 상기 기부층 사이에 배치되는 것과, (b) 상기 제1 표면에 대해 상기 제2 표면으로부터 더 멀리 배치되면서 상기 화상 형성층 수단이 상기 제2 표면에 비해 상기 제1 표면으로부터 멀리 배치되는 것 중 적어도 하나에 따라 배치되는 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기부층은 웨지-형상의 층, 디스크, 편구 형상체, 평행 육면체, 및 실린더 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 화상 형성층 수단은 투명 표시, 홀로그래픽 화상, 액정층, 및 CCD층 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서, 산란을 줄이는 반사 방지층들을 더 포함하는 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광 제어층 수단은 가변의 면 각도들을 갖는 마면층을 포함하는 광학 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2층 수단은 광학적 간섭층, 브루스터 스택(Brewster stack), 간섭 코팅과 브루스터 스택의 조합체, 거칠게 처리된 표면, 거울 반사층, 이색성 층(dichroic layer), 복굴절 층으로 구성된 군으로부터 선택된 광학 장치.
  11. 광원으로부터의 광에 대해 작용하고 관측자에게 광을 선택적으로 출력하기 위한 광학 장치에 있어서,
    적어도 제1, 및 제2 표면을 갖는 기부층 - 상기 기부층은 상기 제1, 및 제2 표면들에 걸쳐 있는 후면을 더 포함하고, 상기 광은 상기 제2 표면 상의 입사점에서의 법선에 대해 임계각θc보다 작은 입사각을 얻을 때 상기 기부층으로부터 방출함 - ;
    상기 기부층에 대해 상기 제1 표면 위와 상기 기부층에 대해 상기 제2 표면 위 중 적어도 하나에 배치되고, 광학적 굴절율이 상기 기부층으로부터 수신된 광의 투과를 허용하는 제1층 수단 - 상기 광은 상기 기부층과 상기 제1층 수단 사이의 접촉면의 고유 임계각 θc를 얻을 때 상기 기부층으로부터 출력됨 -;
    제1 편광 상태의 광을 제2 편광 상태에 비해 선택적으로 출력하고 상기 제2 편광 상태의 광의 적어도 일부를 반사하는 제2층 수단 - 상기 제2층 수단은 (a) 상기 제1층 수단보다 상기 제1 표면으로부터 더 멀리 배치되는 것과, (b) 상기 기부층에 대해 상기 제2 표면 및 상기 제1층 수단보다 상기 제1 표면에 더 가까이 배치되는 것과, (c) 상기 제1 표면보다 상기 제2 표면에 더 가깝지만 상기 제1층 수단보다 상기 기부층으로부터 더 멀리 배치되는 것과, (d) 상기 제1층 수단보다 상기 제2 표면에 더 가깝게 배치되는 것 중 적어도 하나에 따라 배치됨 -;
    상기 제1층 수단 위와 아래에 놓이는 것 중 적어도 하나에 놓이며, 상기 제2층 수단에 의해 반사된 빛에 작용하여 상기 광을 상기 제2층 수단을 향하도록 전향하기 위한 광 전향 수단;
    상기 제2 편광 상태의 광의 적어도 일부를 상기 제1 편광 상태의 광으로 변환하기 위한 제3층 수단; 및
    상기 제3층 수단으로부터 출력된 제1 편광 상태의 광을 수신하도록 배치된 표시층
    을 포함하는 광학 장치.
  12. 제11항에 있어서, 광을 선택적으로 투과시키는 상기 제2층 수단은 (a) 상기 표시층과 상기 기부층 사이에 배치되는 것과 (b) 상기 표시층보다 상기 기부층으로부터 더 멀리 배치되는 것 중 적어도 하나에 따라 배치되는 광학 장치.
  13. 제11항에 있어서, 광을 변환하기 위한 상기 제3 층 수단은 (a) 상기 표시층과 상기 기부층 사이에 배치되는 것과 (b) 상기 제1 표면보다 상기 제2 표면에 더 가깝게 배치되면서 상기 표시층이 상기 제2 표면보다 상기 제1 표면에 더 가깝게 배치되는 것 중 적어도 하나에 따라 배치되는 광학 장치.
  14. 제11항에 있어서, 광을 변환하기 위한 상기 제3층 수단은 상기 표시층에 바람직한 편광 상태를 제공하는 정합층을 포함하는 광학 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 광 전향 수단은 (a) 광을 반사할 수 있는 반사층, (b) 통과하는 광의 각도 분포를 변경할 수 있는 투과층, 및 (c) 가변의 면 각도를 갖는 마면된 층 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 표시층은 (a) 액정층, (b) 투명 표시, (c) 매체 내에 내장된 홀로그램 화상, 및 (d) CCD층 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 표시 층으로부터 출력된 광을 확산시켜 제어된 각도 범위로 광을 퍼지게 하여 관측자에게 시야각 범위에 걸쳐 광을 제공하기 위한 광 확산 수단을 더 포함하는 광학 장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 기부층은 웨지-형상의 층, 디스크, 편구 형상체, 평행 육면체, 및 실린더 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  19. 광원으로부터의 광에 대해 작용하고 관측자에게 선택적으로 광을 출력하기 위한 광학 장치에 있어서,
    제1, 및 제2 표면을 갖는 기부층 - 상기 기부층은 상기 제1, 및 제2 표면에 걸쳐 있는 후면을 더 포함함 -;
    상기 광학 장치의 상기 기부층 내의 광 전파 각도를 점진적으로 변화시키는 수단 - 상기 광은 상기 제1, 및 제2 표면들 중 적어도 한 표면의 법선에 대해 임계각 θc보다 작은 입사각을 입사점에서 얻고, 이것에 의해 상기 광이 상기 기부층으로부터 방출함 - ;
    상기 기부층으로부터의 광을 수신하여, 상기 제2 편광 상태에 비해 상기 제1 편광 상태의 광을 선택적으로 출력하는 층 수단 - 상기 층 수단은 상기 제1 편광 상태의 광을 선택적으로 통과시키고, 상기 제2 편광 상태의 광의 적어도 일부를 반사하기 위한 수단을 포함하고, 상기 층 수단은 상기 제2 편광 상태의 광을 상기 제1 편광 상태의 광으로 변환하기 위한 변환 수단을 더 포함함 -; 및
    상기 제1 편광 상태의 광을 수신하도록 배치된 액정 표시층
    을 포함하는 광학 장치.
  20. 제19항에 있어서, 광의 각도를 점진적으로 변화시키기 위한 상기 수단은 상기 기부층 내의 변화하는 굴절율을 포함하는 광학 장치.
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