KR20030046414A - 광학 소자 및 이것을 사용한 표시 장치 - Google Patents

광학 소자 및 이것을 사용한 표시 장치 Download PDF

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KR20030046414A KR10-2003-7002166A KR20037002166A KR20030046414A KR 20030046414 A KR20030046414 A KR 20030046414A KR 20037002166 A KR20037002166 A KR 20037002166A KR 20030046414 A KR20030046414 A KR 20030046414A
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Abstract

본 발명의 목적은 에너지 효율이 높고, 고품질로 화상을 표시할 수 있는 광학 소자, 및 이것을 사용한 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 평면 형상의 광학 소자(100)를 제공하고, 이 평면 형상의 광학 소자(100)는 한쪽 면으로부터 도입된 면-형상의 입사광의 적어도 일부를 전반사(total-reflection)시켜서 상기 입사광이 실질적으로 상기 광학 소자의 광로 전방부로 출사하지 못하도록 형성된 전반사면(22)을 광로 전방부에 위치된 다른쪽 면에 설치한 전반사 광학 부재(2), 및 상기 전반사 광학 부재(2)의 전반사면(22)의 원하는 위치에, 표시되는 화상에 따라 서로 근접해서 설치되고, 전반사면(22)에서의 입사광의 전반사 조건을 깨트려 전반사면(22)에서 입사광을 결합시키고 입사광을 인출하는 광결합 요소를 포함한다.

Description

광학 소자 및 이것을 사용한 표시 장치{OPTICAL ELEMENT AND DISPLAY UNIT USING THIS}
일반적으로 사용되는 광고 간판 또는 전식 간판 등의 표시 장치로서는, 예를 들면 다음과 같은 표시 장치가 공지되어 있다.
우선, 도 25(a)에 나타낸 바와 같이, 확산 반사체(71)가 내면에 설치된 광원 박스(73) 내에 형광 램프 등의 발광체(75)를 복수개 설치하고, 이들 발광체(75)로부터의 광을 확산판(77)을 통해서 투과성 화상 필름(79)에 조사하여, 투과성 화상 필름(79)에 미리 기록된 화상을 표시하도록 구성된 표시 장치가 공지되어 있다. 이 표시 장치에서는, 투과성 화상 필름(79)의 화상 부분(79a)이 투광성을 가지고 있어서, 도 25(b)에 나타낸 바와 같이 발광체(75)로부터의 광이 화상출력 광으로서 출력되는 한편, 화상의 암부(暗部)에 대응하는 투과성 화상 필름(79)의 불투명부(79b)는 발광체(75)로부터의 광이 불투명부(79b)를 형성하는 흡수재(안료나 염료 등)에 의해 흡수된다. 이에 따라, 화상의 명암 및 색상 표현이 가능하게 되고, 투과성 화상 필름(79)의 화상 품질에 따라 화상을 표시할 수 있다.
또한, 도 26에 나타낸 바와 같이, 화상 표시를 위해 필요한 표시 장치 부분, 즉 그 화상 출력부에만 투과성 화상 필름(81)을 부착하도록 구성된 다른 표시 장치에서는, 확산판(77)에 의해 발광체(75)로부터의 광을 확산시키고, 투과성 화상 필름(81)이 부착된 표시 장치의 영역으로부터 화상 출력광이 출력되므로서, 투과성 화상 필름(81)의 화상을 표시하게 된다. 이와 같이 구성된 표시 장치에 따르면, 임의의 장소에 필요한 화상이 표시된다.
그러나, 도 25에 나타낸 표시 장치에서는, 투과성 화상 필름(79)의 불투명부(79b)에 조사된 광이 이 불투명부(79b)를 구성하는 안료나 염료 등의 흡수 재에 의해 흡수되기 때문에, 표시 장치의 광 이용효율이 저하된다. 따라서, 전체 소비 에너지량에 비해서 화상 표시를 위해 소비되는 에너지량이 적고, 본 표시 장치가 에너지 효율이 낮은 표시 시스템을 제공하게 되는 문제가 생긴다.
또한, 도 26에 나타낸 표시 장치에서는, 화상 출력부 이외의 표시 장치 부분을 통해 발광체(75)로부터의 광이 투과하여, 표시되는 화상의 품질이 크게 저하된다. 고품질의 화상을 표시하기 위해서는, 화상 출력부 이외에 표시 장치의 암부로서 기능해야 할 다른 영역에 불투명한 흡수체를 설치해야 하고, 또한 인쇄 수단을 사용하여 특수한 투과성 화상 필름을 제작해야만 했다. 이와 같이, 고품질의 화상 표시를 위해서는, 본 표시 장치의 제조 프로세스가 복잡해지는 문제가 생긴다.
본 발명은 면 형상의 입사광을 도입하고, 원하는 화상을 표시하는 평면 형상의 광학 소자, 및 이러한 광학 소자를 사용한 표시 장치에 관한 것으로서, 특히 광고 간판, 전식 간판 등의 표시 장치에서 사용하는데 이상적인 다목적 광학 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 소자의 개략적인 구성도.
도 2는 전반사(total-reflection) 광학 부재의 구체적인 구성도.
도 3은 투과형의 회절 격자를 나타내는 도면으로서, 도 3(a)는 체적 홀로그램을 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 릴리프형 회절 격자를 나타내는 도면이고, 도 3(c)는 굴절률 변조형 회절 격자를 나타내는 도면.
도 4는 광 확산판을 나타내는 도면으로서, 도 4(a)는 다공질체로 된 판을 나타내는 도면이고, 도 4(b)는 다른 굴절률을 갖는 물질이 분포 또는 분산된 판을 나타내는 도면이고, 도 4(c)는 凹凸 표면을 갖는 광 확산판 또는 광산란판을 나타내는 도면.
도 5는 광 간섭 필터의 층 구성을 나타내는 도면.
도 6은 광 간섭 필터가 삽입 형성된 광학 소자의 구성도.
도 7은 입사광의 파장 영역을 나타내는 그래프.
도 8은 파장에 대한 분광 투과율의 변화를 입사각 마다 나타낸 그래프.
도 9는 입사각에 대한 분광 투과율을 나타내는 그래프.
도 10은 광로를 변화시키는 광학 요소, 광로를 선택하는 광학 요소, 투명 매질 u, 투명 매질 v 및 전반사면의 전방측에 위치된 투명 매질 w가 이 순서대로 배치된 광학 소자의 각 계면에서의 입사각과 광학 소자의 각 매질의 평균 굴절률간의 관계를 나타내는 도면.
도 11은 광로를 선택하는 광학 요소에 조사되는 입사광의 입사 각도를 나타내는 도면.
도 12는 입사광의 파장에 대한 광로를 선택하는 광학 요소의 분광 투과율을 나타내는 그래프.
도 13은 광로를 선택하는 광학 요소 내외의 광로의 도면.
도 14는 굴절에 의해 입사광의 광로를 변경하는 광결합 요소를 나타내는 도면으로서, 도 14(a)는 렌즈 어레이를 나타내는 도면이고, 도 14(b)는 프리즘 어레이를 나타내는 도면이고, 도 14(c)는 굴절률 분포 렌즈체를 나타내는 사진.
도 15는 인출한 광을 확산 또는 산란시키는 광결합 요소를 나타내는 도면으로서, 도 15(a)는 다공질체로 구성된 판을 나타내는 도면이고, 도 15(b)는 고굴절률 입자 등의 다른 굴절률을 갖는 물질이 분산 또는 분포된 판을 나타내는 도면이고, 도 15(c)는 凹凸 표면을 갖는 광 확산판 또는 광 산란판을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 제 1 변형예의 구성도로서, 광로를 선택하는 광학 요소를 액정 필름으로 구성한 예를 나타내는 도면.
도 17은 입사광의 광로를 선택하는 상기 광학 요소에 의한 분광 투과율을 나타내는 도면.
도 18은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 제 2 변형예의 구성도로서, 전반사 광학 부재를 프리즘으로 구성한 예를 나타내는 도면.
도 19는 상기 전반사 광학 부재의 단면 구성도.
도 20은 본 발명에 따른 광학 소자의 제 2 실시예의 구성도.
도 21은 본 발명에 따른 표시 장치의 구성도.
도 22는 광결합 요소의 광로 전방부에 광원의 발광 파장 영역에서 나오는 파장을 갖는 광을 흡수하는 광학 필터를 설치한 구성을 나타내는 도면.
도 23은 광결합 요소의 광로 전방부에 형광체의 여기광을 차광하는 광학 필터를 설치한 구성을 나타내는 도면.
도 24는 전반사 광학 부재의 다른 구성예를 나타내는 도면으로서, 도 24(a)내지 도 24(e)는 이들을 각각 나타내는 도면.
도 25는 일반적으로 사용할 수 있는 광고 간판 또는 전식 간판 등의 종래의 표시 장치의 구성과 이 표시 장치의 표시 상태를 나타내는 도면.
도 26은 화상 출력부에만 투과성 화상 필름을 접착한 종래의 표시 장치의 구성을 나타내는 도면.
본 발명은 상기 종래의 표시 장치에서 발견된 문제을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지 효율이 높고, 고품질의 화상 표시를 행할 수 있는 광학 소자, 및 이 광학 소자를 사용한 표시 장치를 제공하는데 있다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 평면 형상의 광학 소자로서 형성된 광학 소자를 제공하고, 이 평면 형상의 광학 소자는, 한쪽 면으로부터 도입된 면-형상의 입사광의 적어도 일부를 전반사(total-reflection)시켜서 입사광이 실질적으로 광학 소자의 광로 전방부로 출사하지 못하도록 형성된 전반사면을 광로 전방부에 위치된 다른쪽 면에 설치한 전반사 광학 부재, 및 이 전반사 광학 부재의 전반사면의 원하는 위치에, 표시되는 화상에 따라 서로 근접해서 설치되고, 전반사 광학 부재의 전반사면에서의 입사광의 전반사 조건을 깨트려 전반사면에서 입사광을 결합시키고 입사광을 인출하는 광결합 요소를 포함한다.
본 광학 소자에 따르면, 도입된 면-형상의 입사광의 적어도 일부가 전반사 광학 부재의 전반사면에서 전반사되어, 광학 소자의 입사광 도입측으로 되돌아가므로써, 광학 소자로 도입된 입사광이 입사광의 광로 전방부에는 실질적으로 출사되지 못한다. 한편, 광결합 요소가 설치된 원하는 위치로부터는 전반사 광학 부재의 전반사 조건이 깨어져, 입사광이 광결합 요소에 의해 결합된 후, 전반사 광학 부재의 전반사면으로부터 입사광의 광로 전방으로 출사된다. 이것에 의해, 광결합 요소가 설치된 광학 소자의 위치에만 입사광이 이 입사광의 광로 전방부로 출사된다. 따라서, 면-형상의 입사광을 면-형상 그대로 직접 도입시킬 수 있어, 에너지 효율을 높여서 광학 소자를 발광시킬 수 있는 동시에 광결합 요소의 배치 위치를 임의로 설정할 수 있기 때문에, 소망하는 화상을 전반사 광학 부재의 임의의 위치에서 고품질로 표시할 수 있다.
(2) 또한, 본 광학 소자에 따르면, 상술한 전반사 광학 부재는 상술한 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소를 포함한다.
본 광학 소자에서는, 광학 소자 내에 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소가 배치되고, 이 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소에 면 형상으로 입사광을 도입시킨다. 이렇게 도입된 면-형상의 입사광의 광로는 광로를 변화시키는 광학 요소에 의해 특정한 방향 혹은 임의의 방향으로 변화하므로써, 그 변화된 광로에서의 실질적으로 모든 입사광이 광학 소자를 구성하는 층의 계면에서 전반사된다.
(3) 또한, 본 광학 소자에 따르면, 상기 전반사 광학 부재는 상기 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소를 포함한다.
본 광학 소자에서는, 광학 소자 내에 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소가 배치되고, 이 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소에 면 형상으로 입사광을 도입시킨다. 이렇게 도입된 면-형상의 입사광의 경우에는, 광로를 선택하는 광학 요소에 의해 특정한 방향의 입사광만이 투과되기 때문에, 그 투과된 실질적으로 모든 입사광이 본 광학 소자를 구성하는 층들간의 계면에서 전반사된다.
(4) 본 광학 장치에 따르면, 상기 전반사 광학 부재는 면-형상의 입사광의 도입측에서, 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소, 및 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소를 이 순서대로 포함한다.
본 광학 소자에서는, 광학 소자의 두께 방향의 입사광 도입측으로부터, 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소와 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소를 이 순서대로 배치하고, 광로를 변화시키는 광학 요소에 면 형상으로 입사광이 도입된다. 입사광이 도입된 경우에는, 광로를 변화시키는 광학 요소에 의해 특정한 방향 입사광의 광로가 특정한 방향 혹은 임의의 방향으로 변화하고, 또한 광로를 선택하는 광학 요소에 의해 특정한 방향의 입사광만을 투과시키므로써, 본 광학 소자에 도입된 입사광의 실질적으로 모두가 본 광학 소자를 구성하는 층들 사이의 계면에 의해 전반사된다.
(5) 본 광학 소자에 따르면, 상기 광결합 요소 각각은 본 광결합 요소에 의해 인출된 광의 광로를 변화시키는 광로 변경 유닛을 포함한다.
본 광학 소자에서는, 광결합 요소에 의해 인출된 광의 광로를 변화시키므로써, 광학 소자로부터 출사된 광을 특정한 방향으로 집광시키거나 확산시킬 수 있다.
(6) 본 광학 소자에 따르면, 상기한 광로 변경 유닛은 굴절에 의해 인출된 광의 광로를 변화시킨다.
본 광학 소자에서는, 광결합 요소로부터 인출된 광의 광로를 굴절에 의해 변화시키므로써, 광량을 그대로 유지한 채로 광로를 변경시킬 수 있다.
(7) 본 광학 소자에 따르면, 광로 변경 유닛은 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절률 분포 렌즈체 중 어느 하나를 포함한다.
본 광학 소자에서는, 대량 생산에 적합한 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절률 분포 렌즈체 중 어느 하나로 구성된 광학 요소를 선정하므로써,광학 소자의 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 광학 소자가 양호한 성능을 발휘할 수 있다.
(8) 본 광학 소자에 따르면, 광로 변경 유닛은 회절에 의해 인출된 광의 광로를 변화시킨다.
본 광학 소자에서는, 광결합 요소로부터 인출된 광의 광로를 회절에 의해 변화시키기 때문에, 광의 광로를 고정밀도로 설정할 수 있다.
(9) 본 광학 소자에 따르면, 광로 변경 유닛은 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자 및 진폭 변조형 회절 격자 중 어느 하나를 포함한다.
본 광학 소자에서는, 예를 들면 포토폴리머법이나 사출성형법에 의해 대량 전사 생산을 할 수 있으므로, 광학 소자 자체의 비용을 절감할 수 있다.
(10) 본 광학 소자에 따르면, 광로 변경 유닛은 광 확산 또는 광 산란에 의해 인출된 광의 광로를 변화시킨다.
본 광학 소자에서는, 광결합 요소로부터 인출된 광의 광로를 광학산 또는 광산란에 의해 변화시키기 때문에, 이 인출된 광을 임의의 방향으로 출사시킬 수 있다.
(11) 본 광학 소자에 따르면, 광로 변경 유닛은 다공질체, 이종(異種) 굴절률 분산체 또는 분포체, 및 凹凸(凹면과 凸면) 형상으로 형성된 표면을 갖는 광 확산체 또는 광 산란체 중 어느 하나를 포함한다.
본 광학 소자에서는, 양산에 적합한 다공질체로 이루어진 판, 이종 굴절률을갖는 분산체 또는 분포체로 이루어진 판 및 광 확산판 또는 광 산란판을 적절히 선택하므로써, 광학 소자 자체의 비용을 절감할 수 있다.
(12) 본 광학 소자에 따르면, 광결합 요소는 상기 인출된 광의 특정 파장 성분을 흡수해서 출사하는 특정 파장 성분 흡수 유닛을 포함한다.
본 광학 소자에서는, 광결합 요소에 의해 인출된 광의 특정 파장 성분을 흡수하여 출사하므로써, 동일한 종류의 입사광이라도 복수 색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
(13) 본 광학 소자에 따르면, 광결합 요소는 인출된 광을 수광해서 여기 발광하는 발광 수단을 포함한다.
본 광학 소자에서는, 인출된 광에 의해 여기 발광하는 발광 유닛을 가지기 때문에, 발광 유닛의 발색에 의해 복수 색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
(14) 본 광학 소자에 따르면, 전반사 광학 부재에 의해 반사되어 광학 소자의 입사광 도입측으로 되돌려진 입사광을 광학 소자에 다시 도입시키기 위한 반사층이, 전반사 광학 부재의 입사광 도입측에 설치된다.
본 광학 소자에서는, 전반사 광학 부재에 의해 반사된 입사광이 광학 소자의 입사광 도입측으로 되돌아가므로써, 전반사면을 갖는 매질 내에서 광 도입, 광 축적, 광 제한 등이 실질적으로 없어지고, 또한 반사층을 구비하고 있으므로, 광학 소자에 일단 입사되어 반사된 입사광이 반사층에 의해 광로 전방부에 반사되어 광학 소자로 재도입되기 때문에, 광의 리사이클링이 행해져서, 광 이용 효율을 향상시키므로써, 광학 소자 효율을 향상시킬 수 있다.
(15) 그리고, 본 발명에 따르면, 본 발명의 상술한 양태 (1) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 광학 소자, 및 상기 광학 소자의 입사광 도입측에 설치되는 평면 광원을 포함하고, 상기 평면 광원으로부터의 광은 광학 소자에 도입되고, 상기 광결합 요소에 의해 상기 전반사 광학 부재로부터 인출된 광은 출사되어 화상을 표시하는 표시 장치가 제공된다.
본 표시 장치에 따르면, 평면 광원으로부터의 면-형상의 광을 광결합 요소를 포함하는 광학 소자에 도입하므로써, 에너지 효율을 높일 수 있는 동시에 임의이 위치에 소망하는 화상을 고품질로 표시할 수 있다.
(16) 본 표시 장치에 따르면, 상기한 광결합 요소 각각은 화상이 기록되고 투과성을 갖는 투과성 화상 필름이다.
본 표시 장치에 따르면, 투과성 화상 필름을 광결합 요소로서 사용하므로써, 투과성 화상 필름에 기록된 화상에 따라 화상을 표시하여, 고정밀의 화상을 단순하게 표시할 수 있다.
(17) 본 표시 장치에 따르면, 광결합 요소 각각은 형광체를 포함하고, 평면 광원은 형광체를 여기하도록 하는 파장을 각각 포함하는 광을 발광한다.
본 표시 장치에 따르면, 예를 들어, UV광을 발광하는 평면 광원에 의해 광결합 요소의 형광체가 여기 발광하므로써, 형광체의 배치 패턴에 따라 화상을 표시할 수 있다.
(18) 본 표시 장치에 따르면, 광결합 요소의 광로 전방부에, 발광 파장 범위를 갖는 광을 흡수하는 광학 필터를 설치한다.
본 표시 장치에 따르면, 광원의 발광 파장이 가시광의 파장 영역 내에 있는 경우에는, 가시광을 흡수하는 광학 필터를 광결합 요소의 광로 전방부에 배치하므로써, 밝은 장소에서도 높은 콘트라스트를 얻을 수 있고, 고품질의 화상을 표실할 수 있다. 또한, 광결합 요소가 형광체를 포함하는 경우에는, 형광체에 의해 발광되는 광의 일부를 광학 필터에 의해 투과시키고, 여기 발광된 광을 포함하는 다른 남아있는 광 성분을 흡수하므로써, 높은 콘트라스트로 화상을 표시할 수 있다.
(19) 본 표시 장치에 따르면, 광결합 요소의 광로 전방부에, 여기광을 차광하는 광학 필터를 설치한다.
본 표시 장치에 따르면, 예를 들어, UV 광원을 사용하는 경우에, 표시측(관찰자측)으로 UV 광원의 UV광이 출사되는 것을 방지할 수 있다.
(20) 본 발명의 광학 소자의 제 2 실시예에 따르면, 전반사 광학 부재의 전반사면과 광결합 요소와의 사이에, 형광체의 발광 파장 성분을 반사하고 입사광의 파장 성분의 투과를 허용하는 광학 필터가 삽입 형성된다.
본 표시 장치에 따르면, 입사광이 광학 필터를 투과하고, 형광체에 조사되므로써, 형광체를 발광시킨다. 이 형광체에 의해 발광된 광 중, 광로의 후방부를 향하여 출사된 광은 광학 필터에 의해 광로의 전방부로 반사되어 표시 장치로부터 출사된다. 이것에 의해, 표시 장치의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있어서, 표시 장치가 보다 고휘도로 화상을 표시할 수 있다.
(21) 본 표시 장치에 따르면, 광학 필터는 유전체 다층막을 포함하는 광 간섭 필터이다.
본 표시 장치에 따르면, 유전체 다층막을 사용하여, 대면적이면서 간단한 구성으로 임의의 파장 선택 반사막을 형성할 수 있어서, 파장 선택 반사막의 반사 파장의 입사각 의존성을 이용하여, 용이하게 광학 필터를 형성할 수 있다.
(22) 본 표시 장치에 따르면, 광학 필터는 콜레스테릭 액정을 포함하는 브래그(Bragg) 반사 필터이다.
본 표시 장치에 따르면, 콜레스테릭 액정을 포함하는 브래그 반사 필터를 사용하므로써, 저비용으로 광학 필터를 형성할 수 있다.
(23) 본 표시 장치에 따르면, 입사광의 파장은 350nm ∼ 400nm 범위로 설정된다.
본 표시 장치에 따르면, 입사광의 파장을 350nm ~400nm로 하므로써, 저비용의 광학 부재를 사용할 수 있고, 또한 형광체의 발광 휘도를 높일 수 있어서, 보다 고휘도로 화상을 표시할 수 있다.
(24) 본 표시 장치에 따르면, 형광체 각각은 가시광을 발광한다.
본 표시 장치에 따르면, 형광체가 가시광을 발광하므로써, UV광의 광원으로부터 가시광의 표시를 고효율로 행할 수 있다.
(25) 본 표시 장치에 따르면, 형광체는 표시될 화상에 따라 함께 조합될 수 있는 적색광, 녹색광 및 청색광을 각각 발광하는 발광체를 포함한다.
본 표시 장치에 따르면, 형광체가 각각 적색광, 녹색광 및 청색광으로 발광하기 때문에, 발광체를 표시 화상에 따라 함께 조합시키므로써, 화상을 풀 컬러로 표시할 수 있다.
도면 중의 참조부호 (3)은 전반사 광학 부재, (4)는 광결합 요소, (6)은 광학 필터, (10)은 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소, (12, 13)은 광로를 선택하는 광학 요소, (14)는 투명 매질, (16)은 투명 매질(공기), (20)은 다른 굴절률을 갖는 물질, (22, 52, 58)은 전반사면, (26)은 투명 전극, (28)은 배향층, (30)은 콜레스테릭 액정층, (36)은 광학적 접속 매질, (50)은 마이크로프리즘 어레이, (54)는 프리즘, (56)은 투명 매질, (60)은 평면 광원, (62)는 확산 반사체, (68)은 광학 필터, (69)는 광학 필터, (100, 200)은 광학 소자, (300)은 표시 장치, θ0, θ1, θ2, θ3은 입사각, θc는 전반사 임계각, λ는 파장이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명에 따른 광학 소자 및 표시 장치의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 소자의 제 1 실시예의 개략적인 구성도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 광학 소자(100)는 평면 형상의 전반사 광학 부재(2) 및 이 전반사 광학 부재(2)의 표면에 설치된 광결합 요소(4)로 구성된다. 이 광결합 요소(4)는 전반사 광학 부재(2)의 입사광 도입측과는 반대측의 면에, 표시될 화상의 형태에 따라 전반사 광학 부재(2)와 근접해서 설치된다. 전반사 광학 부재(2)는 광학 소자(100)에 면 형상의 입사광을 도입시켰을 때에, 이 도입된 입사광이 이 입사광의 전방부에 위치한 전반사 광학 부재(2)의 면(전반사면(22))에서 전반사되도록 형성된다. 그리고, 전반사 광학 부재(2) 중 광결합 요소(4)가 설치된 영역에서는, 입사광의 전반사 조건이 깨어져, 광결합 요소(4)에 입사광이 결합한 후, 그 광로의 전방부로 출사한다. 한편, 전반사 광학 부재(2)의 전반사면에서 광결합 요소(4)가 설치되지 않고 남아있는 영역에서는, 입사광이 전반사되어, 입사광이 실질적으로 전반사 광학 부재(2)를 통해 투과되는 것이 차단된다.
광결합 요소(4)는 전반사면(22) 위의 원하는 위치에 접착해서 설치되지만, 전반사면(22)에 충분하게 근접시켜서 배치하여도 좋다. 광결합 요소(4)와 전반사면(22)간의 거리가 대략 λ/10(λ는 파장을 나타냄) 이하인 경우에는, 광결합 요소(4)와 전반사면(22)을 접착시킨 경우와 마찬가지로 근접장(adjacent-field) 광결합을 발생시킬 수 있다.
전반사 광학 부재(2)로 도입되는 입사광으로는, 면 형상의 형태로 조사되는 광을 이용할 수 있다. 이 입사광은 시준 광(collimated light) 또는 확산 광의 어느 것이라도 사용할 수 있고, 또한 입사광이 전반사 광학 부재(2)의 외부로부터 입사되거나, 또는 전반사 광학 부재(2) 내부에 삽입된 광원으로부터 도입되어도 좋다. 시준 광의 경우에는, 각각이 특정한 입사 각도 성분을 갖는 입사광을 전반사 광학 부재(2)에 공급할 수 있고, 광학 소자의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 확산 광의 경우에는, 여러 방향으로부터의 입사광을 전반사 광학 부재(2)에 도입시킬 수 있어, 임의의 저비용의 평면-형상의 광원을 사용할 수 있다. 또한, 전반사 광학 부재(2)의 내부에 광원을 삽입한 경우에는, 광원으로부터 출사된 광이 전반사 광학 부재(2) 내부에 직접 도입되기 때문에, 광학 소자와 광원이 일체로 형성될 수 있어서, 광학 소자의 소형화뿐만 아니라 광학 소자의 광도입 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 전반사 광학 부재(2)의 외부에 광원을 배치한 경우에는, 광학 소자(100)의 설계 자유도가 향상되고, 대형으로 임의의 외부 평면 광원을 사용할 수도 있어서, 광학 소자의 고출력화를 용이하게 행할 수 있다.
상기한 입사광으로는, UV광, 청색광이나 녹색광 등의 가시광 및 적외선광 등에 걸친 파장을 포함한 특정 파장 영역 내에 존재하는 파형을 각각 갖는 광을 사용할 수 있다.
또한, 광원의 종류로는, 예를 들면 불활성 가스나 수은 증기를 봉입한 전자관인 형광등 또는 수은등, 네온관등, 크룩스관등의 일반적으로 사용할 수 있고 또한 그대로 이용할 수 있는 방전 램프; 시준 광을 용이하게 얻을 수 있는 레이저빔광원; 저렴하고 고정된 파장 영역을 갖는 LED; 면 형상의 광을 얻을 수 있는 무기 또는 유기 EL; 백색광을 출사해서 사용 목적에 따라서 필터링하므로써 임의의 파장 성분을 제공할 수 있는 백열 램프; CRT 등의 음극선 표시관으로서 광학 소자에 도입되는 면-형상의 광을 직접적으로 얻을 수 있는 음극선 램프; 마찬가지로 평면-형상의 표시 관으로서 면-형상의 광을 직접적으로 얻을 수 있는 FED(field emission display) 등을 사용할 수 있다.
이하, 광학 소자(100)의 각 구성 요소에 대해서 상세하게 설명한다.
우선, 전반사 광학 부재(2)에 대해서 설명한다.
도 2에 전반사 광학 부재(2)의 구체적인 구성예를 나타낸 바와 같이, 전반사 광학 부재(2)는 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12), 투명 매질(14)이 이 순서대로 전반사 광학 부재(2)의 입사광 도입측에서부터 각각의 위에 적층된 다층 구조체를 가진다. 이 전반사 광학 부재(2)의 투명 매질(14)의 광로 전방부에는, 투명 매질(16)이 존재하고, 투명 매질(14)의 굴절률 nl(제 1 굴절률)과 투명 매질(16)의 굴절률 n2(제 2 굴절률)간의 관계는, 투명 매질(14)과 투명 매질(16) 사이의 계면으로 기능하는 전반사면(22)의 전반사 조건을 만족하도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 예를 들면 투명 매질(14)은 글래스 기판(nl = 1.5)으로 구성되고, 투명 매질(16)은 공기(n2 = 1.0)로 구성된다. 또, 전반사 광학 부재(2)를 구성하는 각 층은 입사광의 파장 범위에서 실질적으로 입사광을 흡수하지 않으므로, 입사광 및 전반사면(22)에 의해 전반사된 입사광의 손실을 억제해서, 각 층은 고효율의 광학 부재를 구성할 수 있다.
입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10)는 굴절, 회절, 광 확산, 광 반사를 사용해서 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소이다. 이 광학 요소(10)로는, 예를 들면 다음과 같은 종류의 광학 요소를 사용할 수 있다. 굴절을 이용하는 경우에는, 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절률 분산체 등을 사용할 수 있어, 입사광의 강도가 실질적으로 저하하지 않는다. 회절을 사용하는 경우에는, 도 3에 나타낸 투과형의 회절 격자를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 체적 홀로그램(도 3(a) 참조), 릴리프형 회절 격자(도 3(b) 참조), 굴절률 변조형 회절 격자(도 3(c) 참조) 등의 위상 변조형 회절 격자 및 진폭 변조형 회절 격자 등을 사용할 수 있고, 상기 회절 격자에서는 고정밀도로 입사광의 광로의 각도를 설정할 수 있다. 각 광학 요소는, 예를 들면 포토폴리머법이나 사출성형법에 의해 대량 전사 생산될 수 있다.
또한, 광 확산을 이용하는 경우에는, 도 4에 나타낸 바와 같이 광 확산판을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 다공질체(도 4(a) 참조)로 형성된 판, 다른 굴절률을 갖는 물질(20)이 분포 또는 분산된 판(도 4(b) 참조), 凹凸 표면을 갖는 광 확산체 또는 광 산란체로 형성된 판(도 4(c) 참조) 등을 사용할 수 있다. 또한, 광반사를 이용하는 경우에는, 임의의 방향으로 광을 반사하는 미소 반사체 등의 광 분산체로 형성된 판을 사용할 수 있다. 상기 광학 요소들은 모두 대량 생산에 적합하므로, 용이하게 비용을 절감할 수 있다.
입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12)는 이 광학 요소(12)로부터 출사되는 선택 투과 광의 실질적으로 모두가 입사광의 광로 전방부에 위치된 층의 전반사임계각보다 큰 각도 성분을 가지고, 그 밖의 각도 성분을 갖는 입사광은 광학 소자(12)에 의해 선택적으로 반사되기 때문에, 광학 요소(12)를 통해 투과되지 않는다. 즉, 투명 매질(14)과 투명 매질(16) 사이의 계면에서 전반사를 생기게 하는 조건인 전반사 임계각 θc보다 큰 각도 성분을 갖는 입사광만이 광학 요소(12)를 통과하도록 허용되고, 다른 각도 성분을 갖는 입사광은 광학 요소(12)의 통과가 차단된다. 또, 전반사 임계각 θc는 이하의 수학식 1에 의해 구해진다.
[수학식 1]
θc= sin-1(n2/n1)
입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 구체적인 구성예로는, 유전체 다층막으로 이루어진 광 간섭 필터를 들 수 있다. 이 광 간섭 필터의 층 구성은 도 5에 나타내었다.
광 간섭 필터는 고굴절률 재료와 저굴절률 재료를 서로의 위에 순차적으로 적층해서 구성된 유전체 다층막으로 구성된다. 광 간섭 필터의 광학 특성의 상세에 대해서는 후술하기로 한다. 광 간섭 필터는 입사광을 그 파장에 의해 선택적으로 반사하는 기능을 가지고, 또한 입사각에 따라서 선택 반사하는 광 파장이 단파장측으로 시프트하도록 하는 특성을 가진다. 여기서, 입사광의 파장 범위를 λiS~ λiL(λiS＜λiL)이라고 했을 때, 광학 요소(12)로부터 출사되는 선택 투과 광의 출사각이 전반사 임계각 θc이하의 각도 성분의 광에 대해서는, 파장 범위 λiS~ λiL에 존재하는 입사광의 실질적으로 모두를 선택적으로 반사한다. 이 구성에 의하면, 대면적이고 간단한 구성으로 임의의 파장 선택이 가능한 반사막을 형성할 수 있고, 그 반사 파장의 입사각 의존성을 이용해서 용이하게 입사광의 광로를 선택할 수 있는 광학 요소(12)를 형성할 수 있다.
여기에서, 상기 광 간섭 필터의 구성예와 이 광 간섭 필터 구성예에서의 광학 소자의 분광 투과율을 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 설명한다.
도 6은 광 간섭 필터가 내부에 삽입 형성된 광학 소자의 구성예를 나타낸다. 이 경우의 광학 소자는, 입사광의 도입측으로부터 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소로 기능하는 광 확산 필름(굴절률 n = 1.5), 광로를 선택하는 광학 요소로서 기능하는 유전체 다층막 및 글래스 기판(굴절률 n = 1.5)이 이 순서대로 서로의 위에 적층된다. 또, 글래스 기판의 광로 전방부에는 공기(굴절률 n = 1.0)가 존재한다.
유전체 다층막은 TiO2/SiO2/ --- /SiO2/TiO2로 이루어진 29-층 구조를 갖는 다층막으로 형성되고, 각 층의 광학 두께는 1/4λ(여기서, 파장 λ=440[nm])이다. 또한, 입사광을 출사하는 광원으로는 파장 λ=350∼400[nm]의 UV 광원을 사용하였다(도 7 참조). 그리고, 이 경우의 전반사 임계각 θc는 약 40[deg]로 된다.
상기 조건하에서 광학 소자(유전체 다층막)의 분광 투과율을 구하여, 도 8 및 도 9에 나타낸 결과를 얻었다. 구체적으로, 도 8은 파장 λ에 대한 분광 투과율 T의 변화를 입사각 θ마다 나타낸 그래프이고, 도 9는 입사각 θ에 대한 분광투과율 T를 파장 λ마다 나타낸 그래프이다.
도 8(a)에 나타낸 바와 같이, 입사각 θ가 0[deg]인 경우에는, UV 광원의 파장 범위에서의 분광 투과율 T가 대략 0［％］이 되기 때문에, 입사광이 광학 소자를 투과하지 못한다. 또한, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 입사각 θ이 전반사 임계각 θc의 직전이 되는 40[deg]의 경우에도, 입사광이 광학 소자를 투과하지 못한다. 도 8(c)에 나타낸 바와 같이, 입사각 θ가 70[deg]인 경우에는, P파에 대해서는 대략 100[％］의 분광 투과율 T이고, S파에 대해서는 대략 0［％］의 분광 투과율이므로, P파와 S파의 평균 분광 투과율 T는 약 50［％］이다.
또한, 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, UV 광원의 파장 범위에서의 단파장측의 파장 λ가 350 [nm]의 경우에는, P 파에 대하여는 입사각 θ가 50 [deg] 이상일 때, 분광 투과율 T가 향상된다. 그리고, 중심 파장 λ가 375[nm]인 도 9(b)에 나타낸 바와 같은 경우에는, 입사각 θ가 약 46[deg] 이상일 때, 분광 투과율 T가 향상된다. 또한, 중심 파장 λ가 400[nm]인 도 9(c)에 나타낸 바와 같은 경우에는, 입사각 θ가 약 42[deg] 이상일 때, 분광 투과율 T가 향상된다.
따라서, P파를 이용해서 광학 소자에 의해 입사광을 전반사시키거나, 또는 광학 소자의 조건을 변경하여 S파의 분광 특성을 P파의 분광 특성에 가깝게 적당하게 설계함으로써, UV 광원의 파장 범위의 입사광을 그 입사광의 입사각 θ가 전반사 임계각 θc이하일 때 선택적으로 반사시키고, 또 입사각 θ가 전반사 임계각 θc보다 클 때 입사광이 광학 소자를 투과하게 된다. 이에 따라, 광학 소자의 유전체 다층막을 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소로서 실용상 충분하게 기능하도록 할 수 있다.
또, 상술한 설명에서, 유전체 다층막의 예로서 TiO2/SiO2로 구성된 다층막을 들었지만, 이에 한정되지 않고, 사용되는 광의 파장에 적합한 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 가시광, 적외선광에 대해서는,
높은 굴절률 재료(굴절률이 대략 1.8 이상인 재료)로서, TiO2, CeO2, Ta205, ZrO2, Sb203, HfO2, La203, NdO3, Y203, ZnO 및 Nb205를 사용하는 것이 바람직하고,
비교적 높은 굴절률 재료(굴절률은 대략 1.6∼1.8인 재료)로서, MgO, Al203, CeF3, LaF3, NdF3를 사용하는 것이 바람직하고,
낮은 굴절률 재료(굴절률이 대략 1.5 이하인 재료)로서, SiO2, AlF3, MgF2, Na3AlF6, NaF, LiF, CaF2, BaF2등을 사용하는 것이 바람직하다.
자외선에 대하여는,
높은 굴절률 재료(굴절률이 대략 1.8 이상인 재료)로서, ZrO2, HfO2, La203, NdO3, Y203또는 TiO2, Ta205, ZrO2(다만, 광의 파장이 대략 360nm∼400nm)를 사용하는 것이 바람직하고,
비교적 높은 굴절률 재료(굴절률이 대략 1.6∼1.8인 재료)로서, MgO, Al203, LaF3, NdF3를 사용하는 것이 바람직하고,
낮은 굴절률 재료(굴절률이 대략 1.5 이하인 재료)로서, SiO2, AlF3, MgF2, Na3AlF6, NaF, LiF, CaF2등이 바람직하다.
또, 상기 광 간섭 필터는 유전체 다층막의 층 구성에 금속막을 추가한 금속/유전체 다층막으로 하여도 좋다. 그리고, 유전체 다층막으로 구성되는 광 간섭 필터는 EB 증착(전자 빔 진공 증착) 또는 스퍼터링으로 투명 지지 기판 위에 복수의 박막 재료를 성막하므로써 제조될 수 있다. 또한, 이 박막 재료는 다른 굴절률을 갖는 유기 다층막, 또는 무기물을 함유하는 유기 다층막이어도 좋다. 이 경우에, 이것은 이들을 투명 지지 기판에 도포 또는 라미네이트하므로써, 보다 저비용으로 형성할 수 있다.
여기에서는, 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10)와 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 광학적 성질에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
우선, 광로를 변화시키는 광학 요소(10)가, 예를 들면 굴절에 의해 광로를 변화시키는 경우를 생각한다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 광로를 변화시키는 광학 요소(평균 굴절률 nt), 광로를 선택하는 광학 요소(평균 굴절률 ns), 투명 매질 u(평균 굴절률 nu), 투명 매질 v(평균 굴절률 nv), 전반사면의 전방측에 위치된 투명 매질 w(평균 굴절률 nw)이 이 순서로 배치된 광학 소자의 경우, 투명 매질 v와 투명 매질 w 사이의 계면이 전반사면이라고 하면, 각 계면의 입사각과 각 매질의 평균 굴절률의 관계는 이하의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
nv·sinθu = nw
nu·sinθu = nv·sinθv = nw
ns·sinθs = nu·sinθu = nw
nt·sinθt = ns·sinθs = nw
여기에서, θt , θs, θu, θv 각각은 각 매질의 광로 각도이다.
따라서, 광로를 변화시키는 광학 요소(10)의 조건으로서는, 적어도 "sinθt＞nw/nt"의 조건을 충족시킬 수 있는 각도 θt를 갖는 광을 포함하는 광을 광로 전방에 출력해야 한다. 따라서, 바람직하게, 이 조건 "sinθt＞nw/nt"을 충족하는 각도 θt를 갖는 광을 가능한 한 많이 포함해서 광로 전방부에 출력한다. 또, 투명 매질 w가 공기인 경우에는, nw = 1이 되고, 따라서 상기 조건은,
sinθt > 1/nt
가 된다.
한편, 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 조건으로서는,
"sinθs > nw/ns"
의 조건을 충족하는 광만을 투과시키도록 설정된다. 또, 투명 매질 w가 공기인 경우에는, nw = 1이 되고, 따라서 상기 조건은,
sinθs > 1/ns
가 된다.
다음에, 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 특성을, 도 11 내지 도 13을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 11은 광학 요소(12)에 입사되는 입사광의 입사각을 나타내고, 도 12는 입사광의 파장에 대한 광학 요소(12)의 분광 투과율을 입사각마다 나타낸 그래프이고, 도 13은 광학 요소(12) 내외의 광로를 나타낸다.
우선, 도 11에 나타낸 바와 같이, 각 입사각 θ0, θ1, θ2, θ3에서 광학 요소(12)에 입사광을 입사시킨 경우를 생각하면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 광학 요소(12)의 분광 투과율이 변화된다. 즉, 입사각 θ0(0deg) 전반사 임계각도 θc 이하일 때, 분광 투과율은 입사광의 파장 범위 λiS~ λiL에 대하여 대략 0%가 되어서 차광 상태(입사광이 광학 요소(12)를 투과하지 않고 광학 요소(12)에 의해 반사되는 상태)가 된다. 한편, 입사각이 전반사 임계각 θc보다 큰 경우에는, 입사각이 θ1, θ2, θ3과 같이 커짐에 따라, 분광 투과율의 투과 특성이 단파장측으로 시프트하여 투과되는 광량이 증가한다. 즉, 광학 요소(12)로의 입사광의 입사각이 상기 광학 요소(12)의 면에 대하여 감소함에 따라, 선택적으로 반사되는 입사광의 파장이 단파장측으로 시프트한다. 이에 따라, 입사광의 입사 각도 성분이 θ0인 광은 광학 요소(12)를 투과하지 않게 되고, 입사 각도 성분이 특정한 각도보다 큰 θ1, θ2, θ3의 광이 이 순서대로 많은 광량이 광학 요소(12)를 투과하게 된다. 그래서, 광학 요소(12)를 그 분광 특성이 전반사 임계각 θc보다 큰 입사광 성분만이 광학 요소(12)를 투과하도록 설계하므로써, 전반사 조건을 충족하지 않는 입사광 성분이 광학 요소(12)를 투과하지 못하도록 하지만, 전반사되는 입사광 성분만을광학 요소(12)로부터 선택적으로 출사시킬 수 있다.
전반사 임계각 θc보다 큰 입사각을 갖는 입사광 성분만이 광학 요소(12)를 투과하도록 설계한 광학 요소(12)를 사용해서 전반사 광학 부재(2)를 구성한 경우의 입사광 광로에 대해서, 도 13을 참조하여 설명한다.
도 13(a)는 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 입사된 광이 광학 요소(12)에 의해 반사되는 광로 A와, 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 입사된 광이 광학 요소(12)를 투과해서 각각 광로 전방부에 위치된 투명 매질(14)과 투명 매질(16) 사이의 계면으로 기능하는 전반사면(22)에 의해 전반사되는 광로 B를 나타내고 있다.
광로 A는 입사광의 입사각 θi가 전반사 임계각 θc이하인 경우에, 이 광로 A에서, 광학 요소(12)는 이러한 입사각 성분을 갖는 광을 투과시키지 않고 그 표면에서 선택적으로 반사시킨다. 이 때문에, 전반사 임계각 θc이하의 입사 각도 성분의 광은 광학 요소(12)에 의해 광로 전방부로 투과되는 것이 차광된다.
광로 B는 입사광의 입사각 θi가 전반사 임계각 θc보다 큰 경우에서, 이 광로 B에서, 광학 요소(12)는 이러한 입사각 성분을 갖는 광을 투과시킨다. 이 때문에, 전반사 임계각 θc보다 큰 입사 각도 성분을 갖는 광은 광학 요소(12)를 투과하고, 투명 매질(14)에 도입되어, 전반사면(22)에서 전반사된다.
또, 도 13(a)는 입사광이 입사되는 쪽에서의 굴절률 na와 투명 매질(14)의굴절률 nb를 같게 하는 동시에, 광학 요소(12)에 대한 입사각 θi와 전반사면(22)으로의 입사각 θs가 같은 경우를 나타내고 있다.
한편, 도 13(b)는 입사광 도입측의 굴절률 na와 투명 매질(14)의 굴절률 nb가 다른 동시에, 광학 요소(12)에 대한 입사광의 입사각 θi와 전반사면(22)으로의 입사각 θs가 다른 경우에 대해서 나타내고 있다. 이 경우에 광학 요소(12)는 전반사면(22)으로의 광의 입사각 θs가 전반사 임계각 θc보다 커지도록 설계된다.
상기한 바와 같이 설계된 광로를 선택하는 광학 요소(12)을 사용해서 전반사 광학 부재(2)를 구성하므로써, 도 2에 화살표 마크로 나타낸 바와 같이, 전반사 광학 부재 내부 또는 외부에서 도입된 시준 광 또는 확산 광으로 이루어진 면 형상의 입사광이 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10)에 입사되면, 광의 조사 위치로부터 확산에 의해 광로가 시프트된다. 그리고, 광로가 변화된 광이 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 도달하면, 투명 매질(14)과 투명 매질(16) 사이의 계면으로 기능하는 전반사면(22)에서의 전반사 임계각 θc보다 큰 입사 각도 성분을 갖는 입사광만이 광학 요소(12)를 투과하고, 다른 입사 각도 성분을 갖는 입사광은 광학 요소(12)의 표면에서 입사광 도입측을 향하여 선택적으로 반사된다.
따라서, 전반사 광학 부재(2)에 입사되는 광 중, 전반사면(22)에서 전반사되는 광만이 이들의 각 광로 전방부에 도입되고, 이렇게 도입된 광은 전반사면(22)에서 전반사된다. 즉, 광로를 선택하는 광학 요소(12)에서는, 광학 요소(12)로부터출사되는 투과 광의 실질적으로 모두가, 광로를 선택하는 광학 요소(12)보다 입사광 광로의 보다 전방에 위치된 전반사면의 전반사 임계각보다 큰 입사 각도 성분을 가지고, 그 밖의 각도 성분을 갖는 입사광은 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되므로, 광학 요소(12)를 투과하지 않는다. 또, 전반사면을 갖는 매질 내에서, 광 도입, 광 축적 또는 광 제한이 실질적으로 생기지 않는다.
또한, 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 표면에서 입사광 도입측을 향하여 반사된 광의 일부는 광로를 변화시키는 광학 요소(10)의 광 입사측의 계면(반사층)에서 반사되고, 다시 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 입사된다. 이 재입사된 광의 경우, 그 입사 각도가 전반사 임계각 θc보다 더 커지므로, 광학 요소(12)를 투과해서 투명 매질(14)에 도입된다.
다음에, 광결합 요소(4)에 대해서 설명하기로 한다.
광결합 요소(4)는 전반사면에서의 입사광의 전반사 조건을 깨트려, 입사광을 결합하고, 이렇게 임의로 결합된 광을 인출하고, 이 결합된 광을 입사광의 광로 전방부로 출사할 수 있다. 이 광결합 요소(4)는 인출한 광의 광로를 변경하는 광로 변경 수단, 특정한 파장 성분을 흡수하는 특정 파장 성분 흡수 수단, 여기 발광하는 발광 수단을 포함한다. 구체적으로는, 예를 들면 이하의 항목 (1)∼(4)에 나타낸 수단을 사용할 수 있다.
즉,
(1) 굴절에 의해 광의 광로를 변경하는 수단 또는 그 기능을 갖는 수단.
이 수단은 전반사면(22)에 근접 배치되어 굴절에 의해 인출된 출력 광의 광로를 변경하기 위해 사용되는데, 예를 들면, 도 14(a)에 나타낸 렌즈 어레이, 도 14(b)에 나타낸 프리즘 어레이, 도 14(c)에 나타낸 굴절률 분포 렌즈체를 들 수 있다. 상기 렌즈 어레이, 프리즘 어레이 및 렌즈체에 의하면, 전반사 광학 부재(2)의 전반사면(22)로부터 인출된 출력 광을 집광 또는 확산시킨 후, 다른 방향으로 출사시켜, 출력 광에 이 출력광의 강도를 저하시키지 않으면서 간단한 구성으로 출사 방향성을 갖도록 하거나 잃도록 할 수 있다.
(2) 투과형 회절 격자 또는 그 기능을 갖는 수단.
인출한 광을 투과시키는 동시에 회절에 의해 인출한 광의 출사 방향을 변경할 수 있는 투과형 회절 격자로는, 상술한 경우와 마찬가지로 도 3(a)에 나타낸 체적 홀로그램, 도 3(b)에 나타낸 릴리프형 회절 격자, 도 3(c)에 나타낸 굴절률 변조형 회절 격자, 및 진폭 변조형 회절 격자를 들 수 있다. 이들 투과형 회절 격자 에 의하면, 출력 광의 출사각을 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 이들은 예를 들면 포토 폴리머법이나 사출성형법에 의해 대량 생산이 가능하게 되어, 광학 소자 자체의 비용 절감을 도모할 수 있다.
(3) 광 확산체 또는 광 산란체 또는 그 기능을 갖는 수단.
인출한 광을 확산 또는 산란시키는 광 확산체 또는 광산란체로는, 도 15(a)에 나타낸 다공질체로 이루어진 판, 도 15(b)에 나타낸 고굴절률 미립자 등의 다른 굴절률을 갖는 물질(20)이 분산 또는 분포된 판, 및 도 15(c)에 나타낸 凹凸(요철, 또는 오목, 볼록하게 형성됨) 표면을 갖는 광 확산체 또는 광 산란체 등을 들 수있다. 이들 광 확산체 또는 광 산란체에 의하면, 확산 또는 산란에 의해 출력 광을 임의의 방향으로 흩뜨릴 수 있어, 출력 광의 출사 방향성을 없게 할 수 있다.
(4) 입사광을 흡수하는 수단 또는 그 기능을 갖는 수단
입사광을 흡수하는 수단으로서, 화상 데이터를 기록하는 투과성 화상 필름을 들 수 있다. 전반사 광학 부재(2)의 전반사면(22)으로부터 인출된 출력 광의 특정 파정 성분을 투과성 화상 필름에 의해 흡수하고, 그 후 투과성 화상 필름으로부터 출력광을 출사한 경우에, 출력광의 농담(濃淡)을 표시할 수 있고, 특정 색을 발색할 수 있다. 즉, 투과성 화상 필름에 기록된 화상과 같은 표시를 행할 수 있다. 이 때문에, 동일한 종류의 입사광이더라도 복수 색의 출사광을 선택적으로 얻을 수 있다.
(5) 여기 발광 수단 또는 그 기능을 갖는 수단.
입사광을 여기 발광하는 수단으로는, 형광체 또는 포토루미네선스 물질을 들 수 있다. 이 경우, 상기 형광체 또는 포토루미네선스 물질은 전반사 광학 부재(2)의 전반사면(22)로부터 인출된 출력 광에 의해 여기 발광시켜서 특정 색으로 발색시킬 수 있다. 또한, 이 특정 색을 예를 들면 적색, 녹색, 청색으로 하는 경우, 상기 발광체는 표시되는 화상에 따라서 이들 발광체를 함께 조합시켜서, 화상을 풀 컬러로 표시할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기한 구성의 광학 소자(100)에 따르면, 도광판이나 광도파로를 사용하지 않고, 면-형상의 광원으로부터의 입사광을 그대로 직접적으로 고효율로 전반사 광학 부재(2)에 도입하기 때문에, 예를 들면 입사광을 단면측에서도입하는 경우와 비교하여 입사광의 도입구를 각별히 넓게 할 수 있어서, 입사광과의 결합 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 광학 소자(100) 자체를 박형 구조로 설계하는 경우에도, 광학 소자(100)의 박형 구조의 영향을 받지 않고 고효율로 면-형상의 전반사광을 얻을 수 있다. 이에 따라, 광결합 요소(4)가 설치된 영역으로부터 전반사 광학 부재(2)로부터 인출된 출력광이 고효율로 그 광로의 전방부에 출사된다. 따라서, 광학 소자(100)의 광로 전방측에 위치된 면에서는, 광결합 요소(4)가 내부에 설치된 영역만이 빛나고, 광학 소자(100)로부터 표시되는 화상과 같은 광이 출사된다. 즉, 필요한 장소에만 화상을 표시할 수 있다. 또한, 이러한 구성에 따르면, 도광판이나 광도파로를 사용할 경우에 발생하는 크로스토크(cross talk)에 의해 발생하는 표시 화면의 국소적 부분에서의 광량의 광량저하가 방지되어, 표시 화면의 전체 면에 걸쳐서 균등한 밝음으로 화상을 표시할 수 있다.
또한, 광학 소자(100) 내에 존재하는 각 계면에서 반사되는 입사광의 일부는, 계면에서의 반사 등에 의해 광로 전방부에 재투입되기 위해서, 광학 소자(100)의 고출력화도 용이하게 달성할 수 있다. 또한, 전반사 광학 부재(2) 자체는 투과 광을 실질적으로 발생하지 않기 때문에, 광학 소자(100)의 광 이용 효율을 높일 수 있다. 또, 광학 소자(100)가 공기(불활성 가스이어도 좋음)와 접촉하는 기체 접촉 계면을 전반사면 으로 형성하는 경우에는, 전반사를 생기게하는 굴절률을 갖는 층을 별도도 설치하지 않고 단순한 구조로 할 수 있다.
또, 본 실시예에 따른 광결합 요소(4)를, 예를 들면 화상이 기록되고 또한 소정의 사이즈로 절단된 형광체 필름으로 형성하는 동시에, 광원으로서 형광체를여기하는 UV 광을 사용하는 경우에는, 이 형광체 필름을 화상 표시에 필요한 시간에 전반사 광학 부재(2)의 전반사면의 원하는 위치에 배치하여, 이렇게 배치된 위치에 화상을 표시할 수 있다. 또한, 광결합 요소(4)가 배치되어 있지 않은 영역으로부터는 광이 출사되지 않기 때문에, 표시 화상의 휘도와 그 주위의 휘도간의 차이가 커져서, 시각적으로 표시 화상이 강조되는 등의 시감적인 효과도 부대적으로 얻을 수 있다. 또한, 표시가 필요할 때만 형광체 필름을 배치하므로써, 필요한 때에 화상 표시를 행할 수 있고, 또한 형광체 필름을 복수의 종류로 서로간에 전환하여 화상 표시시키므로써 다른 화상을 전환하여 용이하게 표시할 수 있다. 또한, 이 화상 표시를 동적으로 제어하므로써, 사람들의 주목을 끄는 광고 간판 또는 전식 간판을 구성할 수도 있다.
상술한 광학 소자는 화상 표시를 위해 사용될 뿐만 아니라, 문자 정보, 도형정보 등의 각종의 정보를 표시하는 매체로서 사용할 수 있다.
다음에, 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소로서, 상술한 광 간섭 필터 대신에 브래그 반사 필터를 사용한 본 발명의 제 1 실시예의 제 1 변형예를 설명하기로 한다.
도 16은 광로를 선택하는 광학 요소(13)를 액정막으로 구성한 예를 나타낸다. 이 경우에, 광로를 선택하는 광학 요소(13)는 ITO로 이루어진 한 쌍의 투명 전극(26)과, 이 2개의 투명 전극 내측에 각각 형성된 배향층(28)쌍과, 이 배향층(28)으로 둘러싸여진 콜레스테릭 액정층(30)으로 이루어진다.
이하, 콜레스테릭 액정층(30)에 의해 제공되는 필터링 효과에 대해서 설명하기로 한다. 상기 콜레스테릭 액정층(30)에서는, 콜레스테릭 액정 분자가 콜레스테릭 액정층에 대하여 평행하게 배향되고, 층(30)의 수직 방향에 대하여 나선형 구조를 나타낸다.
콜레스테릭 액정층(30)의 정상 광굴절률을 no로 나타내고, 이상 광굴절률을 ne로 나타내고, 복굴절률을 △n으로 나타내고, 평균 굴절률을 n으로 나타내면, 복굴절률 △n은 이하의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
△n = ne - no
또한, 평균 굴절률 n은 근사적으로 이하의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
n = (ne + no)/2
또한, 콜레스테릭 액정층(30)의 나선 피치를 P[nm]로 나타냈을 경우, 콜레스테릭 액정층(30)은 브래그 반사 원리에 따라 선택적으로 입사광을 반사하는 특성을 나타낸다. 즉, 입사각 θ［deg]에서 콜레스테릭 액정층(30)에 입사한 입사광이 콜레스테릭 액정층(30)에 의해 선택적으로 반사되었을 경우에, 입사광의 중심 파장 λ(θ)[nm]는 이하의 수학식 5로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
λ(θ) = λ(0)·cos[sin-1(sinθ/n)]
이 경우, 입사광은 공기(굴절률=1)로부터 입사되는 것으로 가정한다. 여기에서, λ(0)[nm]은 입사각이 θ0, 즉 콜레스테릭 액정층(30)에 대하여 수직으로 입사했을 때의 중심 파장이며, 이하의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
λ(0) = n·P
또한, 반사 파장폭 △λ[nm]는 이하의 수학식 7로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
λ = △n·P
따라서, 콜레스테릭 액정층(30)의 물성치인 정상 광굴절률 no, 이상 광굴절률 ne, 나선 피치 P를 제어해서 콜레스테릭 액정층(30)을 형성하므로써, 입사각 θ에 따라서 변화되는 임의의 반사 중심 파장 λ(θ)와, 소망하는 반사 파장폭 △λ를 가진 광학 필터를 형성할 수 있다. 예를 들면, 나선 피치 P는 이 나선 피치 P의 다른 2종 이상의 재료를 혼합해서 나선 피치 P를 조정하는 방법에 의해 조정될 수 있다.
또한, 입사되는 입사광의 파장 범위가 넓은 경우에는, 콜레스테릭 액정층의 선택 반사 파장 범위도 넓힐 필요가 있다. 이 경우에는, 나선 피치가 두께 방향에서 연속적으로 다르도록 액정을 배향시키므로써 반사 파장 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 다른 선택 반사 파장 범위를 갖는 콜레스테릭 액정층을 서로의 위에 적층하므로써 콜레스테릭 액정층의 반사 파장 범위도 또한 넓힐 수 있다. 이렇게 형성된 콜레스테릭 액정층은 본 발명에 따른 광로를 선택하는 광학 요소의 구성 부품으로사용될 수 있다.
또, 이 콜레스테릭 액정층(30)은 다음과 같이 해서 제조할 수 있다.
콜레스테릭 액정막을 형성하기 위해 사용되는 지지체 위에 폴리이미드 배향막을 도포, 건조시키고, 이 폴리이미드 배향막을 러빙에 의해 표면 처리하므로써 폴리이미드 배향막을 형성한다. 이 폴리이미드 배향막 위에 저분자 콜레스테릭 액정, 또는 네마틱 액정과의 비틀림을 발현시키는 카이럴제(chiral agent)의 혼합 물, 고분자 모노머, 광중합 개시제를 유기 용제와 혼합시킨 조정액을 사용하여 도포한 후, 이 폴리이미드 배향막을 적당한 온도에서 배향시킨다. 다음에, 이 폴리이미드 배향막의 필요한 부분에 자외선을 노광해서 이 노광 부분에서 광중합시키는 반면, 이 폴리이미드 배향막의 불필요한 부분은 현상에 의해서 제거한다. 최후에, 이 폴리이미드 배향막을 고온에서 베이크하여 안정화시킨다.
비틀림 방향 및 반사/입사 각도를 제어하기 위해서는, 콜레스테릭 액정, 카이럴제 각각의 농도를 적당하게 변경하면 좋다.
또한, 고분자 콜레스테릭 액정을 사용해서 콜레스테릭 액정막을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기한 바와 마찬가지로 폴리이미드 배향막 위에 고분자 콜레스테릭 액정과 광중합 개시제를 유기 용매로 혼합시킨 조정액에 의해 도포한 후, 이 폴리이미드 배향막을 적당한 온도에서 배향시킨다. 다음에, 폴리이미드 배향막의 필요한 부분에 자외선을 노광해서 노출된 부분에서 광중합을 일으킨다. 반사/입사 각도는 배향 온도를 적당하게 선택하므로써 제어할 수 있고, 광중합에 의해 안정화시킬 수 있다.
여기에서, 도 17은 이와 같이 구성된 광로를 선택하는 광학 요소(13)에 의한 분광 투과율을 나타낸다. 이 경우, 콜레스테릭 액정층은 좌-비틀림(left-twisted) 콜레스테릭 액정층과 우-비틀림(right-twisted) 콜레스테릭 액정층을 겹친 구성이 되고, 전편광 성분은 그 반사 파장 범위 내에서 반사된다. 입사각이 전반사 경계 각도 θc이하의 θ0(도 7참조)인 경우에는, 분광 투과율이 파장 범위 λiS~ λiL에 대하여 대략 0%가 되기 때문에, 입사광이 콜레스테릭 액정층을 투과하지 못하도록 한다. 한편, 입사각이 전반사 임계각 θc보다 큰 경우에는, 입사각이 θ1, θ2, θ3의 순으로 증가함에 따라, 분광 투과율의 투과 특성이 단파장측으로 시프트하므로써 투과 광량이 증가한다. 즉, 입사광의 입사 각도 성분이 θ0인 광은 콜레스테릭 액정층을 투과하지 않고, 입사 각도 성분이 각각 θ1, θ2, θ3인 광은 θ1, θ2, θ3의 순으로 각 투과 광량이 증가하도록 콜레스테릭 액정층을 투과한다. 그래서, 광학 요소(12)의 분광 특성을 소정의 계면에서의 전반사 임계각 θc보다 큰 입사광을 갖는 입사광 성분만이 콜레스테릭 액정층을 투과하도록 설계한 경우에는, 전반사 조건을 충족하지 않는 입사광 성분을 선택적으로 제거하고, 전반사되는 입사광 성분만을 광학 요소(12)로부터 출사할 수 있다.
상기 구성에 의하면, 전술한 광 간섭 필터를 사용하는 구성과 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있는 동시에, 보다 저비용에서 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(13)를 생산할 수 있다.
또한, 콜레스테릭 액정층(30)의 나선형 구조가 우측으로 비틀린 경우에는, 우측 원형 편광 성분의 광은 반사되지만, 나선에 따른 좌측 원형 평광 성분의 광은 콜레스테릭 액정층(30)을 투과한다. 한편, 콜레스테릭 액정층(30)의 나선형 구조가 좌측으로 비틀린 경우에는, 좌측 원형 편광 성분의 광은 반사되지만, 우측 원형 편광 성분의 광은 콜레스테릭 액정층을 투과한다. 따라서, 콜레스테릭 액정층(30)에 의해 편광 성분의 광을 모두 반사시키기 위해서, 즉 편광 성분 모두가 콜레스테릭 액정층(30)을 투과하지 못하도록 하기 위해서, 콜레스테릭 액정층(30)은 좌-비틀림(또는, 우-비틀림) 콜레스테릭층과 우-비틀림(또는, 좌-비틀림) 콜레스테릭층을 순차적으로 서로 중첩하도록 구성할 수 있는데, 즉 이러한 구성에 따르면, 모든 편광 광이 콜레스테릭 액정층(30)에 의해 반사될 수 있다.
상기한 콜레스테릭 액정 이외에 브래그 반사 기능을 갖는 광학 요소로서 체적 홀로그램이 유효하게 사용될 수 있다. 체적 홀로그램은 필름 내에 형성된 격자 형상의 굴절률 분포에 의해 브래그 반사 기능을 가지고, 특정한 파장을 갖는 광을 반사한다. 또한, 입사각이 커지면, 체적 홀로그램의 반사 파장은 단파측으로 시프트하여, 이 체적 홀로그램이 광로 선택막으로서 기능할 수 있다. 체적 홀로그램을 형성하기 위하여, 홀로그램용 사진재, 상(phase) 분리형 포토폴리머, HPDLC(홀로그래픽 고분자 분산 액정) 또는 포토리소그래피 재료를 감광재로 사용할 수 있고, 이 감광재는 다광속(multi-luminous) 간섭 노광에 의해 처리될 수 있다.
다음에, 전반사 광학 부재(2)로서 전술한 광 간섭 필터나 또는 브래그 반사 필터를 사용하지 않고 보다 단순하며 저렴한 구성으로 실현시킨 본 실시예의 제 2변형예에 대해서 설명한다.
본변형 예에서는, 전반사 광학 부재(3)가 프리즘을 사용하여 형성된다. 도 18은 본 변형예에 따른 전반사 광학 부재(3)의 구성예를 나타낸다. 본 변형예에 따른 전반사 광학 부재(3)는 凹凸 표면을 입사광 도입측에 갖는 마이크로프리즘 어레이(50)로 구성된다. 도 18(a)는 마이크로프리즘 어레이(50)를 입사광의 입사면측에서 본 평면도이고, 도 18(b)는 도 18(a)에 나타낸 점선 P-P를 따라 취해진 단면도이다.
마이크로프리즘 어레이(50)는 평판으로 형성된다. 이 마이크로프리즘 어레이(50)의 상면은 평활한 전반사면(52)으로 형성되는 한편, 마이크로프리즘 어레이(50)의 하면은 서로 평행하게 배치된 복수의 프리즘(54)으로 구성되며, 이 프리즘(54)의 각 단부는 凹凸 또는 각진 형상을 가진다.
이 마이크로프리즘 어레이(50)의 재료로는 유리 또는 수지를 사용할 수 있지만, 대량 생산의 관점에서는, 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 용도의 수지로는, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 스티렌계 수지, 염화 비닐계 수지가 광학적으로 바람직하다. 또한, 수지재료로는 광경화형 재료, 광용해형 재료, 열경화형 재료, 열가소형 재료가 있고, 이들은 상항에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
마이크로프리즘 어레이(50)의 제조 방법으로는, 금형을 사용한 캐스트법, 가열 프레스 성형법, 사출성형법, 인쇄법, 포토리소그래피법이 생산성 관점에서 바람직하다. 구체적으로는, 열가소성 수지를 마이크로프리즘 형상의 금형을 사용하여프레스하므로써 마이크로프리즘 어레이(50)를 성형할 수 있다. 또한, 광경화성 수지 또는 열경화성 수지를 금형에 충전하고, 그 후에 광 또는 열에 의해 수지를 경화시키고, 최종적으로 이렇게 경화된 수지를 금형으로부터 떼어내므로써 마이크로프리즘 어레이(50)를 성형할 수 있다.
포토리소그래피법의 경우에, 광용해성 수지 또는 광경화성 수지에 패터닝된 차광 마스크를 개재시켜 적당하게 자외선(또는, 가시광선)을 노광하므로써, 각각 수지의 노광부의 용해 현상 또는 수지의 미노광부의 용해 현상을 한다. 수지 재료를 선택하고 수지의 노광량 분포를 조정하므로써 소망하는 형상의 마이크로프리즘을 얻을 수 있다. 또한, 수지 재료에 따라서는 현상 후에, 수지를 고온에서 베이크하는데, 즉 열연화시의 수지의 표면 장력에 의해 소망하는 형상의 마이크로프리즘(50)을 얻을 수 있다.
또한, 입사광은 특정한 입사 각도 범위 내에 존재하는 면 형상의 광으로서, 도 18(b)에 나타낸 바와 같이, 입사광은 입사각 θi에서 전반사 광학 부재(3)에 입사된다.
본 실시예의 전반사 광학 부재(3)에 의하면, 마이크로프리즘 어레이(50) 주위의 매질이 공기(굴절률 n2 = 1)이고, 마이크로프리즘 어레이(50)가 투명 수지(굴절률 n3 = 1.5)로 구성된 경우, 전반사면(52)에서의 전반사 임계각 θc는 상기한 수학식 1에서와 마찬가지로 구해지는데, 구체적으로는 42[deg]이 된다.
이 때문에, 전반사면(52)에 대한 입사각 θ를 θ≥θc로 설정하기 위한 예로서, 프리즘의 꼭지각 α는 대략 90 [deg]로 설정하고, 그 좌우 개방각은 대략 45[deg]로 설정한다. 이 경우, 입사광이 프리즘 외부로부터 입사될 때, 그 입사광의 입사각 θi는 대략 45[deg]이다. 이 조건하에서는, 광학적 비네팅 현상도 실질적으로 피할 수 있고, 따라서 고효율로 입사광을 전반사면(52)에서 전반사시킬 수 있다. 또, 프리즘의 꼭지각 α는 이 값에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 용이하게 또한 저렴하게 대량 생산할 수 있는 마이크로프리즘 어레이(50)를 사용하여, 면 형상으로 조사되는 입사광을 도입하고, 도입된 입사광의 실질적으로 모두를 전반사 시킬 수 있다.
또, 이 마이크로프리즘 어레이(50)의 광로 전방부에 유리나 수지로 이루어진 투명 매질(56)을 설치한 구성으로 하여도 좋다. 도 19는 상기 구성에서 사용되는 전반사 광학 부재(5)의 단면 구성을 나타낸다.
이러한 구성에 의하면, 면 형상의 입사광이 마이크로프리즘 어레이(50)에 조사되고, 프리즘의 꼭지각 α에 따라 설정된 소정의 입사 각도 성분을 갖는 입사광이 투명 매질(56) 내에 도입된다. 그리고, 이렇게 도입된 입사광은 고효율로 투명 매질(56)의 전반사면(58)에서 전반사된다.
용이하게 또한 저렴하게 대량 생산될 수 있는 마이크로프리즘 어레이(50)를 사용하여 면 형상으로 조사되는 입사광을 도입하므로써, 이렇게 도입된 입사광의 실질적으로 모두를 투명 매질(56)의 계면(58)에서 전반사시킬 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 광학 소자의 제 2 실시예를 설명한다.
여기서, 도 20은 본 발명에 따른 광학 소자의 제 2 실시예의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 광학 소자(200)는 입사광으로 사용되는 UV광의 도입측에서 전반사 광학 부재(2), 가시광을 반사해서 UV광을 투과하는 광학 필터(6), 선택적으로 배치되고 형광체를 갖는 광결합 요소(4)가 이 순서로 적층된 다층구조체이다.
이러한 구성에 의하면, UV 광을 출사하는 광원(블랙 라이트)으로부터 면-형상의 입사광을 전반사 광학 부재(2)에 조사하는 경우에, 전반사 광학 부재(2)에 입사광이 도입된다. 광결합 요소(4)가 설치된 광학 소자(200)의 영역에서는, 전반사면에서의 전반사 조건이 깨어져, 광학 필터(6)를 투과한 입사광이 광학 필터(6)로부터 인출되어 광결합 요소(4)의 형광체를 여기 발광시키므로, 이들이 그 각 광을 출사시키게 된다. 이 경우, 입사광의 도입측을 향하였던 형광체로부터의 발광은 광학 필터(6)에 의해 그 광로 전방측에 반사된다. 한편, 광결합 요소(4)가 설치되지 않은 광학 소자(200)의 영역에서는, 전반사 광학 부재(2)에 도입된 입사광이 광학 필터(6)의 광로 전방측의 전반사면에서 전반사에 의해 반사된다. 이에 따라, 여기 발광된 광은 그 이용 효율을 높일 수 있고, 화상 표시에 이바지하게 되어, 보다 고휘도의 화상 표시를 행할 수 있다.
여기서, 광원으로부터 도입된 광의 파장으로는 350∼400nm 범위의 것을 사용할 수 있고, 형광체로는 R(적색), G(녹색), B(청색) 등의 가시광을 발광하는 형광체를 사용할 수 있어, 풀 컬러로 화상을 표시할 수 있다. 또한, 광원으로부터 도입된 파장으로서 청색을 발광하는 파장을 갖는 광을 사용할 수 있고, 형광체로서 광원의 청색광에 의해 각 색광을 여기 발광하는 G(녹색) 및 R(적색)의 형광체를 사용하여도 좋다. 즉, 이들 성분의 조합은 상기 예에 한정되지 않는다. 또한, 광학 필터(6)로는 전술한 막, 즉 유전체 다층막 등의 다층 간섭 막이나 콜레스테릭 액정을 사용한 콜레스테릭막을 사용할 수도 있다.
다음에, 본 발명에 따른 표시 장치의 실시예를 설명한다.
도 21은 본 발명에 따른 표시 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 표시 장치(300)는 전술한 광학 소자(100)(UV 광원을 사용하는 광학 소자(200)이어도 좋음)의 입사광 도입측에 평면 광원(60)을 설치한 구성으로 하고 있다.
평면 광원(60)은 확산 반사체(62)가 내면에 설치된 광원 박스의 내부에 형광 램프 등의 발광체(64)가 2개 이상의 열로 설치되고, 이 발광체(64)의 광로 전방부에는 확산판(66)이 설치되어 있다. 복수의 발광체(64)로부터 출사된 광은 확산판(66)에 조사되는 한편, 배면측에 조사된 출사광은 확산 반사체에 의해 반사된 후, 확산판(66)에 조사된다. 이 확산판(66)의 광로 전방부에는 광학 소자(100)가 설치되고, 출사된 면 형상의 광은 광학 소자(100)에 도입된다. 이에 따라, 면 형상의 광을 면 형상인채로 고효율로 확산판(66)을 통해서 광학 소자(100)에 도입시킨다.
이렇게 하여 평면 광원(60)으로부터 출사된 면 형상의 광은 상기한 방식으로 광학 소자(100)에 도입되고, 이 광은 광학 소자(100)의 광결합 요소(4)가 설치된 영역으로부터 출사된다. 한편, 광결합 요소(4)가 설치되어 있지 않은 영역에서는, 광학 소자(100)에 도입된 입사광이 전반사 광학 부재(2)의 전반사면에서 전반사되어, 광로 전방부로 출사되는 것이 차광된다.
이 표시 장치(300)의 구성에 의하면, 화상 표시를 위해 필요한 장소, 즉 화상 출력부에만 광결합 요소(4)를 설치하는 경우에는, 표시 장치(300)의 화상 출력부 이외의 영역에서 평면 광원(60)으로부터의 광이 투과하는 것이 차광된다. 이 때문에, 화상 표시의 품질을 저하시키지 않고, 임의의 장소에 필요한 화상을 고품위로 표시할 수 있다. 그리고, 광결합 요소(4)가 투과성 화상 필름으로 구성된 경우에는, 전반사 광학 부재(2)의 임의의 장소에 소망하는 화상이 기록된 투과성 화상 필름을 접착하므로써, 이 접착한 위치에만 용이하게 화상을 표시할 수 있다.
또한, 도 22에 나타낸 바와 같이, 상기 표시 장치(300)의 광결합 요소(4)의 광로 전방부에 광원의 발광 파장 범위의 파장을 갖는 광을 흡수하는 광학 필터(68)를 설치한 구성을 사용할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 광원(60)의 발광 파장이 가시광 범위에 대응하는 경우, 가시광을 흡수하는 ND 필터(투과율은 대략 20∼70％ 정도)를 표시측(관측자측)에 설치하므로써, 밝은 장소에서도 높은 콘트라스트를 얻을 수 있어서, 고품질의 화상 표시를 행할 수 있다. 또한, 광원(60)의 발광 파장을 갖는 광에 의해 여기될 수 있는 형광체를 광결합 요소(4)에 설치한 경우도 상기와 마찬가지로, 광학 필터(68)에 의해 형광의 일부는 투과시키고, 여기 발광된 광을 포함하는 다른 광 성분은 흡수하므로써, 높은 콘트라스트의 화상 표시를 행할 수 있다.
또한, 도 23에 나타낸 바와 같이, 광원의 발광 파장의 광에 의해 여기되는 형광체를 광결합 요소(4)에 설치하고, 이 광결합 요소(4)의 전방부에 형광체의 여기광을 차광하는 광학 필터(69)를 설치한 구성을 사용할 수도 있다. 이러한 구성 에 의하면, UV 광원을 사용할 경우에, 표시측(관측자측)으로 UV 광이 출사하는 것을 방지할 수 있다.
여기에서, 상기 각실시예에 사용할 수 있는 전반사 광학 부재(2)의 다른 구성예를 도 24를 참조하여 간단하게 설명한다.
우선, 도 24(a)에 나타낸 전반사 광학 부재는 입사광의 도입측에서으로부터, 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 전반사면을 갖는 투명 매질(14)이 이 순서대로 적층된 구조체를 가진다. 이 전반사 광학 부재에서는, 입사광이 투명 매질(14)의 광로 전방부에서의 전반사면(22)에서 전반사되도록 광로를 변화시키는 광학 요소(10)가 설계된다.
상기 전반사 광학 부재에 의하면, 입사광이 조사되는 경우에, 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사되는 입사 각도 성분을 갖는 광의 광로가 변경된다. 이 광로를 변경시킨 투과 광은 전반사면(22)에서 전반사된다.
다음에, 도 24(b)에 나타낸 전반사 광학 부재는 입사광의 도입측으로부터, 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 투명 매질(14), 전반사면을 가져서 광로를 선택하는 광학 요소(12)가 이 순서대로 적층된 구조체이다. 이 전반사 광학 부재에서는, 광로를 선택하는 광학 요소(12)의 광로 전방부에서의 전반사면에서 입사광이 전반사되도록 광로를 변화시키는 광학 요소(10)가 설계된다.
상기 전반사 광학 부재에 의하면, 입사광이 조사되는 경우, 광로를 변화시키는 광학 요소(10)에 의해 입사광의 광로가 변경된다. 이에 따라, 전반사면에서 전반사하는 입사 각도 성분을 갖는 광은 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 도입된 후, 전반사면에서 전반사된다. 한편, 이외의 입사 각도 성분을 갖는 광은 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 도입되지 않고 선택적으로 반사되어, 입사광 도입측으로 되돌려진다.
또한, 도 24(c)에 나타낸 전반사 광학 부재는 도 24(b)에 나타낸 전반사 광학 부재의 광로 전방부에 투명 매질(14)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 매질(24)을 설치한 구성을 가진다. 이 경우에는, 광로를 선택하는 광학 요소(12)가 매질(24)의 광로 전방부의 전반사면에서 입사광을 전반사하도록 설계된다.
상기 전반사 광학 부재에 의하면, 광로를 변화시키는 광학 요소(10)와 투명 매질(14)을 통해서 입사광이 도입되는 경우에는, 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 도입된 입사광이 투명 매질(24)의 광로 전방부의 전반사면에서 전반사된다. 한편, 이외의 입사 각도 성분의 광은 광로를 선택하는 광학 요소(12)에 도입되지 않고 선택적으로 반사되므로, 입사광 도입측으로 되돌려진다.
다음에, 도 24(d)에 나타낸 전반사 광학 부재는 입사광의 도입측으로부터, 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12)와 전반사면을 갖는 투명 매질(14)이 이 순서대로 적층된 구조체를 가진다. 상기 전반사 광학 부재에서, 투명 매질(14)의 광로 전방부에서의 전반사면에서 입사광이 전반사되도록 광로를 선택하는 광학 요소(12)가 설계되어 있다.
상기 전반사 광학 부재에 의하면, 입사광이 조사되는 경우에는, 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사되는 입사 각도 성분의 광만이 이 광학 요소(12)를투과한다. 즉, 이렇게 투과된 광은 전반사면에서 전반사된다. 한편, 전반사 조건을 충족하지 않는 입사광 성분은 광로를 선택하는 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되어, 실질적으로 전반사 광학 부재를 투과하는 것이 차광된다.
다음에, 도 24(e)에 나타낸 전반사 광학 부재는 입사광의 도입측 광로로부터, 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소(10), 광학적 접착층으로 기능하는 광학적 접속 매질(18), 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소(12) 및 투명 매질(14)이 이 순서대로 적층된 구조체를 가진다. 상기 전반사 광학 부재에 의하면, 입사광이 조사되는 경우, 입사광 중 일부의 광로가 광로를 변화시키는 광학 요소(10)에 의해 투명 매질(14)의 전반사면에서 전반사되는 입사 각도 성분을 갖는 입사광 성분으로 변화된다. 따라서, 광로가 변화되어진 입사광이 전반사면에서 전반사된다. 한편, 전반사 조건을 만족하지 않는 입사광 성분은 광로를 선택하는 광학 요소(12)에서 선택적으로 반사되어, 실질적으로 전반사 광학 부재를 투과하는 것이 방지된다.
상기한 구성을 갖는 전반사 광학 부재이어도, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 전반사 광학 부재에 적용할 수 있고, 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 또, 전반사 광학 부재의 층 구성은 본 발명의 상기한 주지에 따른 기능을 가지면, 특별하게 층 구성이 한정되지 않는다.
본 발명을 구체적인 실시예를 첨부하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범주를 이탈하지 않고 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있음은 당업자에 있어서 자명하다.
본 출원은 2001년 6월 15일자로 출원된 일본특허출원(특원 2001-182210)에의거한 것이며, 그 출원 내용은 본 출원에서 참조된다.
본 발명에 의하면, 평면 형상의 광학 소자로서, 한쪽 면으로부터 도입된 면-형상의 입사광의 적어도 일부를 전반사시켜서 입사광이 실질적으로 광학 소자의 광로 전방부로 출사하지 못하도록 형성된 전반사면을 광로 전방부에 위치된 다른쪽 면에 설치한 전반사 광학 부재, 및 전반사 광학 부재의 전반사면의 원하는 위치에, 표시되는 화상에 따라 서로 근접해서 설치되고, 전반사 광학 부재의 전반사면에서의 입사광의 전반사 조건을 깨트려 전반사면에서 입사광을 결합시키고 입사광을 인출하는 광결합 요소를 포함한다. 이러한 구성을 통해, 도입된 면 형상의 입사광의 적어도 일부가 전반사 광학 부재의 전반사면에서 전반사되어, 광학 소자의 입사광 도입측으로 되돌아가서, 광학 소자에 도입된 입사광이 이 입사광의 광로 전방부에는 실질적으로 출사되는 것이 방지된다. 한편, 광결합 요소가 설치된 광학 소자의 영역에서는, 전반사 광학 부재의 전반사 조건이 깨어져, 전반사면으로부터 입사광이 광결합 요소에 결합되고, 광학 소자의 광로 전방부에 출사된다. 이것에 의해, 광결합 요소가 설치된 광학 소자의 영역에 한하여 입사광이 광로 전방부로 출사될 수 있는 광학 소자를 형성할 수 있다. 따라서, 면 형상의 입사광을 면 형상인채로 직접적으로 도입하여 에너지 효율을 높인 광을 출사할 수 있는 동시에, 광결합 요소의 배치 위치를 임의로 설정하여 소망하는 화상을 전반사 광학 부재의 임의의 위치에서 고품질로 표시할 수 있는 광학 소자를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 광학 소자, 및 광학 소자의 입사광 도입측에 설치되는 평면 광원을 포함하고, 상기 평면 광원으로부터의 광은 광학 소자에 도입되고, 광결합 요소에 의해 전반사 광학 부재로부터 인출된 광은 광학 소자로부터 출사되어 화상을 표시하므로써, 평면 광원으로부터의 면 형상의 광이 광결합 요소가 내부에 설치된 광학 소자에 직접 도입되어, 표시 장치의 에너지 효율을 높이면서, 임의의 위치에 원하는 화상을 고품질로 표시하게 할 수 있다.

Claims (25)

  1. 평면 형상의 광학 소자로서,
    한쪽 면으로부터 도입된 면-형상의 입사광의 적어도 일부를 전반사(total-reflection)시켜서 상기 입사광이 실질적으로 상기 광학 소자의 광로 전방부로 출사하지 못하도록 형성된 전반사면을 광로 전방부에 위치된 다른쪽 면에 설치한 전반사 광학 부재, 및
    상기 전반사 광학 부재의 상기 전반사면의 원하는 위치에, 표시되는 화상에 따라 서로 근접해서 설치되고, 상기 전반사 광학 부재의 상기 전반사면에서의 상기 입사광의 전반사 조건을 깨트려 상기 전반사면에서 상기 입사광을 결합시키고 상기 입사광을 인출하는 광결합 요소를 포함하는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전반사 광학 부재는 상기 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소를 포함하는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전반사 광학 부재는 상기 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소를 포함하는 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전반사 광학 부재는 상기 면-형상의 입사광의 도입측으로부터, 상기 면-형상의 입사광의 광로를 변화시키는 광학 요소, 및 상기 면-형상의 입사광의 광로를 선택하는 광학 요소를 이 순서대로 포함하는 광학 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 각각은 상기 광결합 요소에 의해 인출된 광의 광로를 변화시키는 광로 변경 유닛을 포함하는 광학 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 굴절에 의해 상기 인출된 광의 광로를 변화시키는 광학 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 굴절률 분포 렌즈체 중 어느 하나를 포함하는 광학 소자.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 회절에 의해 상기 인출된 광의 광로를 변화시키는 광학 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 체적 홀로그램, 위상 변조형 회절 격자 및 진폭 변조형 회절 격자 중 어느 하나를 포함하는 광학 소자.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 광 확산 또는 광 산란에 의해 상기 인출된 광의 광로를 변화시키는 광학 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광로 변경 유닛은 다공질체, 이종(異種) 굴절률 분산체 또는 분포체, 및 凹凸 형상으로 형성된 표면을 갖는 광 확산체 또는 광 산란체 중 어느 하나를 포함하는 광학 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 각각은 상기 인출된 광의 특정 파장 성분을 흡수해서 출사하는 특정 파장 성분 흡수 유닛을 포함하는 광학 소자.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 각각은 상기 인출된 광을 받아서 출사하는 여기 발광하는발광 수단을 포함하는 광학 소자.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전반사 광학 부재에 의해 반사되어 상기 광학 소자의 입사광 도입측으로 되돌려진 상기 입사광을 상기 광학 소자에 다시 도입시키기 위한 반사층이, 상기 전반사 광학 부재의 입사광 도입측에 설치된 광학 소자.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 광학 소자, 및
    상기 광학 소자의 입사광 도입측에 설치되는 평면 광원을 포함하고,
    상기 평면 광원으로부터의 광은 상기 광학 소자에 도입되고, 상기 광결합 요소에 의해 상기 전반사 광학 부재로부터 인출된 광은 출사되어 화상을 표시하는 표시 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광결합 요소는 내부에 화상이 기록되는 투과성 화상 필름인 표시 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 광결합 요소 각각은 형광체를 포함하고, 상기 평면 광원은 상기 형광체를 여기(excite)하도록 하는 파장을 각각 포함하는 광을 발광하는 표시 장치.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합 요소의 광로 전방부에, 발광 파장 범위를 갖는 광을 흡수하는 광학 필터를 설치한 표시 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 광결합 요소의 광로 전방부에, 여기광(excite light)을 차광하는 광학 필터를 설치한 표시 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전반사 광학 부재의 전반사면과 상기 광결합 요소와의 사이에, 상기 형광체의 발광 파장 성분을 반사하고 상기 입사광의 파장 성분의 투과를 허용하는 광학 필터가 삽입 형성되는 표시 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 유전체 다층막을 포함하는 광 간섭 필터인 표시 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 콜레스테릭막(cholesteric film)을 포함하는 브래그(Bragg) 반사 필터인 표시 장치.
  23. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사광의 상기 파장은 350nm ∼ 400nm 범위에 있는 표시 장치.
  24. 제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형광체는 가시광을 발광하는 표시 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 형광체는 표시될 화상에 따라 함께 조합되는 적색광, 녹색광 및 청색광을 발광하는 발광체를 포함하는 표시 장치.
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