KR20040039400A - 도파관, 가장자리-발광 조명 장치 및 이들을 포함하는디스플레이 - Google Patents

도파관, 가장자리-발광 조명 장치 및 이들을 포함하는디스플레이 Download PDF

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KR20040039400A
KR20040039400A KR10-2004-7004215A KR20047004215A KR20040039400A KR 20040039400 A KR20040039400 A KR 20040039400A KR 20047004215 A KR20047004215 A KR 20047004215A KR 20040039400 A KR20040039400 A KR 20040039400A
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헨드리크 예이. 베. 야흐트
세스 바스띠안센
휘고 예이. 꼬르넬리센
디르크 예이. 브로어
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

가장자리-발광 조명 장치(77)에서 사용하기 위한 편광 광-방출 도파관은, 높은 콘트래스트 및 효율로 도파관의 방출면 쪽으로 전달된 광을 선택적으로 회절하기 위한 적어도 하나의 볼륨 홀로그램(volume hologram)(87)을 포함하는 편광-선택 출력 수단(polarization-selective out-coupling means)을 구비한다. 도파관에 의해 방출된 광은 선택적으로 도파관의 한 측면으로 방출되고, 높게 편광되며, 높게 조준되고, 방출면에 걸쳐서 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 광 방출은 방출면에 직각 또는 거의 직각일 수 있다. 만약 광 재사용 수단(89)과 결합된다면, 가장자리-발광 조명 장치의 콘트래스트, 밝기 및/또는 효율은 더 증가될 수 있다.

Description

도파관, 가장자리-발광 조명 장치 및 이들을 포함하는 디스플레이{WAVEGUIDE, EDGE-LIT ILLUMINATION ARRANGEMENT AND DISPLAY COMPRISING SUCH}
개시부에 언급된 유형의 도파관은, 광을 도파관의 진입측면 근처에 배치된 광원으로부터 도파관의 방출면 근처에 배치된 액정 디스플레이(LCD)와 같은 특히 비-방출 디스플레이 디바이스의 디스플레이 표면과 같은 표면으로 공급하는데 적절하게 사용될 수 있다. 전형적으로, 방출면은 도파 방향에 평행하게 연장하며, 진입 측면보다 면적이 훨씬 더 넓다. 도파관의 측면 상에 배치되며 간소한 특히 얇은 발광 장치인 광원이 얻어지고, 이러한 광원을 포함하는 디스플레이 디바이스가 얻어질 수 있다. 이러한 조명 장치는 또한 종래기술에서 가장자리-발광 조명 장치로 지칭된다.
투과형 디스플레이에서, 도파관에 의해 제공된 광은 시청자에게 디스플레이되는 정보를 제공하기 위해 주위의 광과 경쟁하며, 이 경우 도파관은 전형적으로 후방 발광 조명 장치에서 사용되며, 이 경우 디스플레이는 도파관과 사용자 사이에 배치된다. 반사형 디스플레이에서, 도파관은 후방 또는 전방 발광 조명 장치에서 사용될 수 있다. 반사형 디스플레이는 디스플레이된 정보가 시청자에게 보여질 수 있게 하기 위해 주위의 광을 이용하므로, 반사형 디스플레이는 특히 핸드헬드(hand held), 팜 탑(palm top) 및 기타 휴대용 응용과 같은 저전력 응용에서 바람직하다. 반사형 디스플레이에는 가장자리-발광 조명 장치가 제공될 수 있으며, 이 조명 장치는 주위의 조명 상태가 주위의 광만을 사용해서는 디스플레이에 의해 제공된 정보를 잘 볼 수 없게되는(poorly visible) 경우에만 사용될 필요가 있다. 주위의 광은 자연 또는 인공 중 어느 하나인 외부 광원에 의해 제공된 광을 의미하는 것으로 이해된다.
광원으로부터의 광을 진입측면으로부터 방출면으로 보내기 위해, 도파관은 광 출력 수단(light outcoupling means)을 포함한다. 이러한 출력 수단의 예로 특허 출원 WO 99/22268에 개시된 것과 같은 요철(미세) 구조로 된 방출면이 있다. 이러한 요철 구조의 단점은, 특히 주위의 광만으로 디스플레이를 사용하는데 충분할 때 이러한 요철 구조가 시청자에게 보여질 수 있을 정도로 요철 구조 요소가 커진다는 점이다. 출력으로서 볼륨 홀로그램을 사용하는 것은 이러한 단점을 갖지 않는데, 이는 볼륨 홀로그램에 레코딩된 굴절률의 공간 변조가 육안으로 분석될 수 없는 특징적 크기를 갖기 때문이다.
이러한 볼륨 홀로그램을 구비한 전방 조명 디바이스에서 사용하기 위한 도파관이 US 6,048,071에 개시되어 있다. 거기에 개시된 전방 조명 디바이스는 반사형 LCD의 전면 상에 탑재된다. 편광된 광을 LCD에 제공하기 위해, 편광기가 전방 조명 디바이스와 LCD 사이에 제공되며, 상기 LCD는 주위 광 또는 전방 광으로부터의 광의 한 편광을 흡수한다. 유사한 전방 발광 장치가 JP-A-11-232919 및 그 영문 초록에 개시되어 있다.
본 발명은, 광을 도파관에 입력하기 위한 진입측면과, 도파관으로부터 전달된 광을 방출하기 위한 방출면을 구비한 도파관에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 이러한 도파관을 포함하는 가장자리-발광 조명 장치 및 이러한 도파관 또는 가장자리-발광 조명 장치를 포함하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 도파관 및 전방 조명 장치 및 디스플레이 디바이스의 개략적인 횡단면도.
도 2는 동작중인 볼륨 홀로그램을 레코딩하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 CCFL 램프에 의해 방출된 상대 세기(I)(무차원 단위) 대 파장(λ)(nm 단위)의 비의 공칭 스펙트럼을 도시한 도면.
도 4는 s-편광된 광(곡선 S) 및 p-편광된 광(곡선 P) 각각에 대해 도 3에 도시된 것과 같은 방출 스펙트럼을 갖는 CCFL 램프에 의해 가장자리-발광된 본 발명에 따른 도파관에 의해 방출된 광의 기울기(α)(°단위)의 함수로 휘도(L)(cd/m2단위)를 도시한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 휘도 데이터에 대응하는 기울기(α)(°단위)의 함수로 편광 콘트래스트(Cpol)(무차원 단위)를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 도파관의 여러 기울기에 대해 파장(λ)(nm 단위)의 함수로 상대 세기(I)(무차원 단위)를 도시한 도면.
도 7은 녹색 광 방출 다이오드의 상대 세기(I)(무차원 단위) 대 파장(λ)(nm 단위)의 공칭 방출 스펙트럼을 도시한 도면.
도 8은 s-편광된 광(곡선 S) 및 p-편광된 광(곡선 P) 각각에 대해 도 7에 도시된 방출 스펙트럼을 갖는 발광 다이오드에 의해 가장자리-발광된 본 발명에 따른 도파관에 의해 방출된 광의 기울기(α)(°단위)의 함수로 휘도(L)(임의의 단위)를 도시한 도면.
도 9는 도 8에 도시된 휘도 데이터에 대응하는 기울기(α)(°단위)의 함수로 편광 콘트래스트(Cpol)(무차원 단위)를 도시한 도면.
도 10은 전방 방향(곡선 F) 및 후방 방향(곡선 B)에서 도 7에 도시된 방출을갖는 발광 다이오드에 의해 가장자리-발광된 본 발명에 따른 도파관에 의해 방출된 광의 기울기(α)(°단위)의 함수로 s-편광된 휘도(L)(임의의 단위)를 도시한 도면.
도 11은 도 10에 도시된 s-편광된 휘도 데이터의 기울기(α)(°단위)의 함수로 전방 대 후방의 콘트래스트(CF/B)(무차원 단위)를 도시한 도면.
도 12는 Δn의 다양한 값에 대해 볼륨 홀로그램 격자 층에 의해 방출된 s-편광된 광의 격자 두께(d)(㎛ 단위)의 함수로서 회절 효율(D.E.)(무차원 단위)을 계산한 그래프.
도 13은 Δn의 다양한 값에 대해 볼륨 홀로그램 격자 층에 의해 방출된 p-편광된 광의 격자 두께(d)(㎛ 단위)의 함수로서 회절 효율(D.E.)(무차원 단위)을 계산한 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 조명 장치 및 도파관의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 15는 도 14에 도시된 조명 장치에서의 광의 동작을 개략적으로 도시한 도면.
도 16은 본 발명에 따른 조명 장치 및 도파관의 또 다른 실시예에서의 광의 동작을 개략적으로 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 따른 또 다른 도파관 및 전방 조명 장치 및 디스플레이 디바이스의 개략적인 횡단면도.
도 18은 본 발명에 따른 도파관 및 후방 광 조명 장치 및 디스플레이 디바이스의 개략적인 횡단면도.
본 발명의 목적은 특히 이들 결점을 완화하는 것이다. 가장자리-발광 장치, 특히 전방 발광 유형 중 하나에서 적절하게 사용될 수 있고, 이러한 가장자리-발광 장치에서 사용되는 경우 높은 밝기를 가지며 진입 측에 결합된 광의 사용 효율이 높은 가장자리-발광 장치를 제공하는 도파관을 제공하는 것이 목적이다. 또한, 본 발명에 따른 도파관을 사용하면, 결국 그 소자의 개수를 줄임으로써 더 간단한 디자인의 LCD를 초래할 수 있다.
본 목적은 광을 도파관에 입력하기 위한 진입측면과, 도파관으로부터 광을 방출하기 위한 방출면과, 전달된 광을 방출면을 통해 편광-선택적으로 출력하기 위한 편광-선택 광 출력 수단을 포함하는 도파관에 의해 본 발명에 따라서 얻어지며, 상기 편광-선택 출력 수단은 전달된 광을 방출면 쪽으로 선택적으로 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램(volume hologram)을 포함한다.
본 발명에 따른 도파관은, 도파관이 그 방출면으로부터 편광된 광을 방출하게 하는 편광-선택 출력 수단을 구비한다. 만약 후방 발광 조명 장치에서 사용된다면, 이것은 도파관에 의해 방출된 광을 편광시키기 위한 편광기가 없을 수 있거나훨씬 더 얇게 만들어질 수 있으며, 그에 따라 소자의 개수를 줄이고 추가적인 집적도를 얻을 수 있게 하는 장점을 갖는다. 편광기는 LCD 패널의 전체 두께에 상당히 기여하므로, 두께 및 중량의 상당한 감소가 달성된다. 만약 전방 발광 장치에서 사용되고, 여기서 편광기가 시청자와 디스플레이 셀 사이에서 배치된다면, 편광된 광을 방출한 도파관이 편광기와 디스플레이 셀 사이에 배치될 수 있고, 그 경우 편광기는 디스플레이가 주위의 광에 의해 조명될 때 전방 광으로부터 유래되는 반사를 줄이는 것을 돕는다. 게다가, 편광-선택 출력 수단이 비-흡수성 수단, 즉 도파관에서 포획된 제 2 편광의 광을 보관하면서 제 1 편광의 광을 선택적으로 출력하는 회절, 굴절, 반사 및/또는 투과 수단을 사용하여 실현될 수 있으므로, 만약 도파관이 제 2 편광을 갖는 광을 제 1 편광을 갖는 광으로 적어도 부분적으로 변환하고, 그 이후 변환된 광을 다시 편광-선택 출력 수단에 제공하는 수단을 포함하거나 이 수단과 결합된다면, 본 발명에 따른 도파관은 이러한 도파관을 포함하는 가장자리-발광 장치를 좀더 효율적이고 및/또는 좀더 밝게 할 수 있다. 어느 정도까지, 전달된 광의 이러한 재사용은 본 발명에 따른 임의의 도파관에서는 고유한 것이며, 이는 도파관을 제조하는 동안 어느 정도로 보통 불가피하게 항상 초래되는 응력 변형(stress deformation)과 같은 결함이 도파 광이 도파관 아래로 횡단함에 따라 편광소거되게하며, 그에 따라 제 2 편광의 광을 적어도 부분적으로 제 1 편광의 광으로 변환시키며, 이 변환된 광이 그 후 도파관의 더 아래에 있는 편광-선택 출력 수단에 제공되기 때문이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 재사용 수단이 도파관의 광 출력의 밝기 및/또는 효율 및/또는 편광 콘트래스트를 증가시키도록 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관의 편광-선택 출력 수단은 전달된 광을 도파관의 방출면 쪽으로 선택적으로 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램을 포함한다. 도파관으로부터의 광을 출력하기 위해 홀로그램을 사용하는 것은, 미세 요철 패턴의 도파관과는 대조적으로, 이것이 볼륨 홀로그램 상에 입사된 광의 전파를 투과시 방해하지 않는다는 장점을 가지며, 이러한 양상은 특히 전방 발광 응용에서 중요하다. 더나아가, 홀로그램은 출력의 주 방향(들) 및/또는 출력 각도의 범위의 크기 측면에서 출력된 광의 각도 분포를 양호하게 제어하게 한다. 예컨대, 출력된 광은 높게 조준되거나 강하게 발산되게 될 수 있고, 방출면에 대해 직각 또는 거의 직각인 출력을 달성할 수 있다. 또한, 전달된 광은 볼륨 홀로그램의 전형적으로 한 측면(이후에 또한 전방 측으로 지칭됨)으로 선택적으로 출력될 수 있으며, 이러한 양상은 광을 선택적으로 디스플레이 패널로 향하게 하거나 및 시청자로부터 멀어지게 하므로 전방 발광 장치에서 특히 적절하다.
비록 전달된 광을 방출면 쪽으로 선택적으로 회절시키도록 구성된 임의의 홀로그램이 편광-선택 출력 수단에서 사용될 수 있지만, 2차원이 아니라 3차원인 레코딩된 이미지를 특징으로 하는 볼륨 홀로그램이 바람직하게는 사용된다. 좀더 바람직하게, 홀로그램은, 두꺼운 볼륨 홀로그램에서 회절이 대체로 제 1 차로 제한되므로 두꺼운 볼륨 홀로그램이다. 볼륨 홀로그램은 볼륨 홀로그램에 레코딩된 간섭 패턴의 주기성(periodicity)보다 상당히 더 큰 두께를 갖는다면 두꺼운 것으로 간주된다. 전형적으로, 이러한 두께는 홀로그램 층의 주기성보다 5 내지 20배 더 크다.
일반적으로, 본 발명의 볼륨 홀로그램은 위상 홀로그램, 즉 이미지가 굴절률의 공간 변조로 저장되는 홀로그램이다. 볼륨 홀로그램은 감광성 홀로그램 물질을 객체(레이저) 광 빔으로부터의 광에 의해 설정된 간섭 패턴으로 노출시킴으로써 종래의 방식으로 제조되며, 이러한 광 빔은 기준(레이저) 광 빔과 코히어런트하게(coherently) 간섭한다. 그에 따라 공간 굴절률 변조의 형태로 레코딩된 홀로그램은 도파관으로부터의 회절 방출을 결국 초래하는 전달된 광의 판독 빔(reading beam)에 의해 재구성될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관의 바람직한 실시예에서, 볼륨 홀로그램은 볼륨 홀로그램 브래그-격자(Bragg-grating)이다.
두꺼운 볼륨 홀로그램 위상 격자는 공간에서 주기적인 굴절률 변조를 갖는다. 그 가장 간단한 형태인, 기본 홀로그램으로 지칭된 형태에서, 홀로그램은 격자면 적층으로 여겨질 수 있으며, 굴절률은 각 격자 면 내에서 일정하고 이웃한 면 사이에서는 서로 다르다. 이러한 기본 홀로그램은 적층 방향, 격자 간격 및 기울기 즉 경사각을 특징으로 한다. 적층 방향은 격자 면이 적층되는 방향이며, 격자 간격은 적층 방향에서 굴절률 변조 격자의 주기성이며, 기울기 즉 경사각은 격자 면의 법선과 적층 방향 사이의 각도이다.
전달된 광을 방출면 쪽으로 회절시킬 수 있도록 하기 위해, 적층 방향은 도파 방향과 평행하게 선택되고, 경사각은 회절된 광을 선택적으로 출력할 만큼 충분히 커야 한다. 좀더 상세하게, 방출면 쪽으로 출력된 광에 대해, 다음의 브래그-조건(1)이 성립한다:
여기서,는 격자 상에서 전달된 광선의 입사각이며,는 전달된 광선의 회절각이며,는 브래그 각도이며, 이들 모두는 격자면에 대해 정의되며, varphi 는 격자면 적층의 경사각이며,는 브래그-각도이며, 이들 둘 모두는 방출면의 법선에 대해 정의되고,는 전달된 광의 자유공간 파장(공기중 파장)이며, d는 격자 간격이며, n격자는 격자의 평균 굴절률이다. 수학식(1)의 제 2 방정식에 따라, 만약 입사각()이 브래그 각도에 대응한다면, 회절각()은 입사각()과 같다. 경사각() 및 격자 간격(d)은, 격자가 사전에 결정된 파장 및 입사각의 전달된 광을 도파관의 전체 내부 반사에 대해 임계각(rm theta _c)보다 더 작은 회절각으로 선택적으로 회절시키도록 구성되게 선택된다. 따라서, 선택될 때, 조건{d=</}이 만족된다.
브래그-조건을 만족하지 않는 격자에 입사된 전달된 광은 홀로그램에 의해 대체로 변경되지 않고 투과되며, 그러므로 공기/도파관 경계면의 TIR에 의해 도파관에서 포착된 채로 유지된다.
전술된 홀로그램은 기본 홀로그램, 즉 단일 기울기(경사각) 및 각 파장에 대해 하나의 특정한 브래그 각도를 갖는 격자 간격을 특징으로 하는 홀로그램으로 지칭된다. 명백하게도, 임의의 원하는 복잡도를 갖는 홀로그램은 복수의 기울기 및 격자 간격을 구비한 복합 홀로그램을 형성하기 위해 기본 홀로그램을 중첩함으로써 만들어질 수 있으며, 이러한 홀로그램은 적절한 레코딩 단계를 제공함으로서 하나의 레코딩 단계로 분명하게 제조된다. 단일 홀로그램 층에 이러한 복합 홀로그램을 레코딩하는 대신에, 복합 홀로그램은 중첩된 기본 홀로그램 적층 또는 이것의 결합으로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 홀로그램은 사전에 결정된 패턴으로 서로 이웃하게 배열될 수 있다.
볼륨 홀로그램은 적절한 볼륨 홀로그램을 사용함으로써 각도-선택 출력 수단으로 사용될 수 있고, 도파관에 의해 방출된 광은 전형적으로는 20°만큼 작은 좁은 각도 범위 및 명확하게 정의된 방향으로 높게 조준될 수 있다. 특히, 광 방출의 각도 범위의 중심은 임의의 원하는 각도, 특히 방출면에 직각(거의 직각)인 각도에서 선택될 수 있고, 이것은 특히 후방 및 전방 광 응용에서 중요하다. 볼륨 홀로그램을 각도-선택 출력 수단으로 사용하는 것은 편광-선택 양상과 무관한 양상으로 간주될 수 있는 양상이다.
볼륨 홀로그램 또는 이러한 볼륨 홀로그램의 결합은 컬러 선택 또는 컬러 분리된 출력 수단을 얻는데 사용될 수 있다. 그 가장 넓은 의미에서, 이 양상은 편광-선택 출력 수단에 관련되지 않는다. 광이 볼륨 홀로그램에 의해 회절되는 각도는 그렇게 회절된 광의 파장에 좌우된다. 그에 따라, 백색광이 전달될 때, 컬러는 회절각에 의해 분리된다. RGB 픽셀로의 공간 컬러 분리는 회절된 광을 적절한 마이크로렌즈 어레이에 입력함으로서 달성되며, 이 마이크로렌즈 어레이는 각도의범위를 서로 다른 컬러의 평행하며 공간적으로 분리된 빔으로 변환한다. 그에 따라 달성된 공간 컬러 분리는, 종래의 컬러 필터와 대조적으로 어떠한 광도 공간적으로 분리된 RGB 픽셀을 생성하는 과정 동안에 흡수되지 않으므로 매우 효율적일 수 있다. 대안적으로, 각도에 대한 컬러 분리를 공간적 분리로 변환하기 위한 수단, 즉 공간 마이크로-렌즈 기능이 홀로그램 층에 통합될 수 있다.
대안적으로, 특정한 RGB 컬러를 공간-선택적으로(spatially-selectively) 출력하도록 구성된 홀로그램(서로 다른 격자의 결합)이 구성될 수 있다. 이러한 구성은 사전에 결정된 패턴에 따라 홀로그램을 제공함으로써 달성되며, 여기서 각 홀로그램은 적색, 녹색 또는 청색과 같은 특정한 컬러의 광을 선택적으로 출력한다. 이러한 구성은 마이크로-렌즈 어레이의 사용을 필요로 하지 않으며, 심지어 컬러 필터의 사용이 불필요하게 할 수 있다.
도파관은 많은 형태를 취할 수 있다. 이 도파관은 볼륨 홀로그램이 별도의 층으로 적층되거나 이 볼륨 홀로그램이 기판의 통합된 부분(integral part)일 수 있는 도파 기판을 포함할 수 있다. 볼륨 홀로그램은 디스플레이에 면하는 기판 측 또는 디스플레이 반대 쪽(facing away from the display) 기판 측에 위치될 수 있거나, 심지어 도파 기판 내에 삽입될 수 있다. 도파관은 도파 기판 상에 각각 적층되거나 도파 기판과 일체형으로 형성되는 둘 이상의 서로 분리된 홀로그램을 포함할 수 있다. 도파관은 도파 기판의 반대편 측에 제공될 수 있거나 위아래로(on top of one another) 적층될 수 있다. 도파관은 하나의 진입측면 또는 둘 이상의 진입측면을 가질 수 있다. 만약 둘 이상이 있다면, 볼륨 홀로그램은 진입측면 중 어느한 진입측면을 통해서 입력된 전달된 광을 회절시키도록 구성된다.
도파관은 포일 적층과 같은 판이나 광섬유나 로드(rod)와 같은 파이프의 형태로 제공될 수 있으며, 도파관은 구부러질 수 있고 및/또는 유연성이 있을 수 있다. 어떤 경우에도, 만약 도파관이 광학적으로 서로 다른 부재, 층 등의 조립체이고, 경계면이 제 1 부재의 경계면이 제 2 부재의 경계면과 만나는 곳에 형성된다면, 기계적 완전성(mechanical integrity)을 도파관에 제공하기 위해 및/또는 예컨대 경계면에 형성된 공간에 갇힌 공기로부터 초래되는 광학적 불균일성 및 과잉 반사의 발생을 피하기 위해, 이러한 제 1 부재 및 제 2 부재의 경계면을 연결할 접착 층을 사용하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 접착 층의 예와, 이러한 접착 층을 사용하기에 적절한 조건 및 환경이 당업자에게 잘 알려져 있다. 그러므로, 본 발명의 환경에서 두 별개의 광학 부재가 경계면을 형성하기 위해 결합되는 경우, 이 경계면은 이러한 접착 층을 수반할 수 있음을 알 수 있다.
볼륨 홀로그램은 투과형 또는 반사형 홀로그램이거나 또는 이들 둘의 결합일 수 있다.
편광된 광을 방출하기 위해, 도파관은 편광-선택 출력 수단을 포함한다. 본 발명의 환경에서, 제 1 편광을 갖는 광의 방출이 제 2 편광의 광 방출보다 더 높다면, 즉 편광 콘트래스트로도 지칭되는 제 1 편광 대 제 2 편광의 비가 1보다 더 크다면 광은 선택적으로 편광된다. 제 1 편광은 제 2 편광에 직각이다. 제 1 편광을 갖는 광은 특히 s-편광 또는 p-편광과 같이 선형 편광되거나, 특히 왼쪽 또는 오른쪽 편광과 같이 원형 편광될 수 있다. 본 발명에 따라 원형 편광된 광 방출 도파관은 본 발명에 따른 선형 편광된 광 방출 도파관과 1/4 파장 위상지연판(이러한 위상지연판은 본래 알려져 있음)을 결합하여 편리하게 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 원형 편광 방출 도파관은 콜레스테릭 구조 액정 셀(이러한 셀은 본래 알려져 있음)과 적절하게 결합될 수 있다.
만약 제 1 편광을 갖는 광이 s-편광된다면, 제 2 편광을 갖는 광은 p-편광되며, 역으로 제 1 편광을 갖는 광이 p-편광된다면, 제 2 편광을 갖는 광은 s-편광됨을 알 수 있다. 이후에, 편광-선택 출력 수단의 다수의 실시예가 기술되며, 이러한 장치는 분명히 결합되어 사용될 수 도 있다.
이러한 편광-선택 출력 수단을 포함하는 도파관의 제 1 실시예는, 편광 선택 출력 수단이 대략 45°의 브래그-각도로 전달된 광을 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램을 포함하는 도파관이다.
벨 시스템 테크니컬 저널 1969, 48, 2909에서의 Kogelnik이 제공한, 45°의 브래그-각도로 사전에 결정된 파장의 광을 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램에 의해 45°의 브래그-각도로 회절된 광은 선택적으로 s-편광된다. 그러므로, 45°의 브래그-각도로 특정한 파장의 전달된 광을 회절시키도록 구성된 홀로그램을 도파관에 제공함으로써, 편광-선택 광 방출 도파관이 얻어진다. 예컨대, 45°의 경사각으로 진입측면 쪽으로 경사진 격자 평면을 구비한 기본 볼륨 홀로그램이 주 도파 방향과 거의 일치하는 방향으로 이동하는 s-편광된 전달된 광을 방출면에 거의 직각 방향으로 회절시키도록 구성된다. 바람직하게, 홀로그램은 전달된 광의 각도 범위에 대응하는 입사각 범위에 대해 45°브래그 반사를 구비하도록 구성된다. 바람직하게, 볼륨 홀로그램은 많은 응용의 경우 가장 바람직하게는 스펙트럼의 가시 범위인 사전에 결정된 파장 범위에 대해 45°의 브래그 반사를 갖도록 구성된다.
본 발명에 따른 도파관의 제 2 실시예는, 그 볼륨 홀로그램이 두께(d) 및 굴절률 변조(Δn)를 갖는 볼륨 홀로그램 층을 포함하며 그 곱(dΔn)이 제 1 편광의 전달된 광이 제 2 편광의 전달된 광보다 좀더 효율적으로 회절되고, 제 1 편광의 회절 효율이 제 2 편광의 회절 효율보다 적어도 5배, 바람직하게는 10배가 되도록 선택되는, 도파관이다.
볼륨 홀로그램의 회절 효율(이후 D.E.)은 홀로그램에 입사된 광에 대한 회절율로 정의된다. D.E.는 격자의 두께에 좌우되며, 게다가, D.E.의 두께 의존도는 s-편광된 광 및 p-편광된 광에 대해 서로 다르다. 그러므로, 볼륨 홀로그램은 제 1 편광(예컨대, s나 p)의 광이 제 2 편광(예컨대, p나 s)의 광보다 좀더 효율적으로 회절되도록 볼륨 홀로그램의 두께를 최적화함으로써 편광 선택되게 한다. 최적 두께(d) 및 굴절률 변조(Δn)의 선택은, 편광-선택적으로 회절시키고자 하는 광의 파장에 특히 좌우되므로 고정된 수치로 주어질 수 없다. 이것은 볼륨 홀로그램의 격자 간격 및 기울기에 좌우된다. 굴절률 변조는 포토폴리머(photopolymer) 성분을 변경시킴으로써 변경될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관의 제 3 실시예는, 편광-선택 광 출력 수단이 전달된 광을 제 1 편광의 광 및 제 2 편광의 광으로 분할하기 위해 볼륨 홀로그램과 진입측면 사이에 배치된 편광-선택 빔 분할 경계면 또는 층을 포함하는 도파관이며, 여기서, 적어도 제 1 편광의 광이 제 1 편광의 광을 선택적으로 회절시키도록 구성된볼륨 홀로그램 쪽으로 보내진다.
편광-선택 빔 분할 수단을 포함하는 도파관은 본래 알려져 있다. 예컨대, US 5,845,035는 등방성 물질과 이방성 물질 사이에서 형성된 편광-선택 빔 분할 경계면을 포함하는 도파관을 기술하며, 상기 이방성 물질의 굴절률 중 하나는 등방성 물질에 대해 매칭되고 다른 하나는 매칭하지 않는다. 이방성 산란 층을 포함하는 편광-선택 빔 분할 수단을 포함하는 도파관의 예가 출원번호 EP01/05262를 갖는 국제 출원에 기술되어 있다. 편광-선택 빔 분할 수단과 볼륨 홀로그램의 결합은 결국 높은 밝기 및 콘트래스트를 갖는 편광된 광을 방출하도록 구성된 도파관을 야기한다. 특히, 이것은 방출면의 법선 또는 거의 법선을 따라서 높게 조준된 광 방출을 허용한다. 바람직하게, 도파관에 의해 방출된 어느 한 편광의 광의 밝기 및/또는 효율을 더 증가시키기 위해, 진입측면 반대편의 말단면에는 도파관을 횡단했을 때 출력되지 않은 전달된 광을 반사하기 위한 반사 수단이 제공된다. 출력되는 편광된 광의 콘트래스트는 말단면에 입사된 전달된 광의 편광을 반전 또는 편광소거하는 반사 수단을 사용하여 더 증가될 수 있으며, 이러한 수단은 1/4 파장 판이 제공된 거울 반사기와 같은 것으로서 본래 알려져 있다. 대안적으로, 편광 콘트래스트는 말단에 광흡수 또는 반사-방지 수단을 제공함으로써 증가될 수 있다.
특정한 실시예에서, 도파관은 진입 부재와 방출 부재를 포함하며, 진입 부재는 진입측면을 포함하며, 방출 부재는 볼륨 홀로그램을 포함하고, 방출 부재와 진입 부재는 편광-선택 빔-분할 경계면을 형성하는 공통 경계면을 구비하고, 적어도진입 부재 또는 방출 부재는 광학적으로 이방성이며 n진입,1/n방출,1<n진입,2/n방출,2가 되도록 선택된 굴절률을 가지며, 여기서 n진입,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게 되는 진입 부재의 굴절률이고, n진입,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게 되는 진입 부재의 굴절률이며, n방출,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게 되는 방출 부재의 굴절률이며, n방출,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게 되는 방출 부재의 굴절률이며, 제 1 편광의 광은 각도 범위(θ1,min=<θr<θ1,max)로 굴절되며, 제 2 편광의 광은 각도 범위(θ2,min=θr=<θ2,max)로 굴절되고, 여기서 볼륨 홀로그램은 범위(θ1,min=<θr<θ2,min)의 제 1 편광의 광 또는 범위(θ1,max=<θr<θ2,max)의 제 2 편광의 광 중 어느 하나의 전달된 광을 선택적으로 회절시키도록 구성된다.
진입 부재 및 방출 부재의 굴절률이 조건(n진입,1/n방출,1<n진입,2/n방출,2)을 만족해야 한다는 것이 암시하는 점은, 적어도 방출 부재 또는 진입 부재 중 어느 하나는 광학적으로 이방성이어야 한다는 점이다. 만약 이 조건이 충족되면, 방출 부재 및 진입 부재의 공통 경계면 상에 입사된 제 1 편광의 광이 제 2 편광의 광보다 좀더 강하게 굴절된다. 그에 따라, 공통 경계면이 편광-선택 빔-분할 경계면으로 동작한다. 좀더 구체적으로, 굴절의 차이는 결국 제 1 편광의 광을 배타적으로 포함하는 각도 범위와 제 2 편광의 광을 배타적으로 포함하는 각도 범위를 초래하며, 이들 범위는 아마도 제 1 및 제 2 편광 둘 모두의 광을 포함하는 각도 범위에 의해 나누어진다. 볼륨 홀로그램은 높은 선택도로 배타적인 범위 중 하나 내의 특정한 입사각을 회절시키도록 구성되므로, 제 1 편광 또는 제 2 편광 중 어느 하나가 선택적으로 출력될 수 있다.
방출 부재의 굴절각(θr)의 각도 범위(θ1,min=<θr<θ1,max)는 진입 부재로부터 상기 경계면 상에 입사하는 입력 각도 범위(θi,1<θi<θ'i,1)에 대응하며, 여기서, 스넬의 법칙을 사용하여 n진입,1*sinθi,1= n방출,1*sinθ1,min이고, n진입,1*sinθ'i,1=n방출,1*sinθ1,max이며, 여기서 또한 θc,1=<θi,1이고 θ'i,1=<θ'c,1이며, 여기서 θc,1은 방출 부재의 반대편인 진입 부재 쪽으로부터 반사된 제 1 편광의 광에 대한 TIR의 임계각이며, 전형적으로 이것은 공기-진입 부재 경계면이며, θ'c,1은 편광-선택 빔-분할 경계면으로부터 반사된 제 1 편광의 광에 대한 TIR의 임계각이다. 대응하는 관계가 제 2 편광의 광에도 적용된다. 만약 n진입,1/n방출,1<1.0이라면, 모든 입력각(θi)은 굴절되며, 그에 따라, θ'c,1=90°이다. 유사하게, 만약 n진입,2/n방출,2<1.0이라면, θ'c,2=90°이다.
만약 방출 부재가 광학적으로 이방성이도록 선택된다면, 제 1 편광과 제 2 편광 사이의 굴절차를 유지하기 위해, 홀로그램 층은 마찬가지로 이방성이어야 한다. 이러한 조건이 만족될 수 있는 편리한 방식으로 홀로그램이 통합된 부분을 형성하는 이방성 방출 부재를 사용하는 것이 있다. 바람직하게, 출력되지 않은 광이겪게되는 굴절률 차이는, 이 광이 도파관 내에 갇혀 있게 되도록 선택된다. 홀로그램 반대편 물질은 보통 공기이므로, TIR에 대한 조건은 보통 만족된다.
제 1 편광된 광이 선택적으로 굴절되는 굴절각 범위를 최대로 하기 위해, n방출,1및 n방출,2의 차이는 최대가 되어야 한다. 대안적으로 또는 결합되어, 이방성 진입 부재를 사용하여 실현될 수 있는 임계각의 차이(θc1-θc2)는 최대가 될 수 있다. 만약 방출 부재와 진입 부재 사이의 경계면에서의 반사가 바람직하게는 최소가 된다면, n진입,2=n방출,2또는 n진입,1=n방출,1이다.
적어도 방출 부재 또는 진입 부재 중 어느 하나, 그러나 바람직하게는 방출 부재는 광학적으로 이방성 물질이다. 바람직한 장치에서, 진입 부재는 방출 부재를 형성하는 이방성 물질의 상대적으로 얇은 층으로 적층된 상대적으로 두꺼운 도파관 기판이다.
본 발명에 따른 도파관의 제 4 실시예는 진입 부재와 방출 부재를 포함하는 도파관이며, 진입 부재는 진입측면을 포함하고, 방출 부재는 볼륨 홀로그램을 포함하며, 방출 부재와 진입 부재는 편광-선택 빔-분할 경계면을 형성하는 공통 경계면을 구비하고, 적어도 진입 부재나 방출 부재 중 하나는 광학적으로 이방성이며, 경계면 상의 진입 부재로부터 입사된 제 1 편광의 전달된 광이 적어도 부분적으로 방출 부재로 투과되며, 상기 경계면 상의 진입 부재로부터 입사된 제 2 편광의 전달된 광이 적어도 부분적으로 완전히 내부적으로 반사되며, 볼륨 홀로그램이 방출 부재로 투과된 전달된 광을 회절시키기 위해 구성되도록 선택된 굴절률을 갖는다.
적어도 부분적으로 투과된(굴절된) 제 1 편광의 전달된 광을 갖기 위해, 경계면은 만약 n진입,1/n방출,1<1.0이라면 얻어진 제 1 편광의 광을 전달시키지 않아야 하는 반면, 만약 도파관이 적어도 부분적으로, 완전히 내부적으로 제 2 편광의 광을 반사한다면, n진입,2/n방출,2>1.0이며, 여기서, n진입,1, n방출,1, n진입,2및 n방출,2는 앞서 정의되어 있다.
제 1 편광을 갖는 전달된 광의 경계면의 반사를 최소화하기 위해, 차이(n방출,1-n진입,1)는 가능한 작아야 하며, 바람직하게는 n방출,1은 대체로 n진입,1에 매칭된다.
본 발명에 따른 도파관의 제 5 실시예는, 그 편광 선택 출력 수단이 제 1 편광의 광이 겪게되는 제 1 굴절률 변조와 제 2 편광의 광이 겪게되는 제 2 굴절률 변조를 갖는 광학적으로 이방성인 물질로부터 형성된 볼륨 홀로그램을 포함하며, 제 1 및 제 2 굴절률 변조는 서로 다른 도파관이다.
이 제 5 실시예에서, 볼륨 홀로그램은 편광-의존 굴절률 변조를 갖는 감광성이고 광학적으로 이방성인 물질에 레코딩될 수 있고, 여기서 굴절률 변조는 인접한 영역에서 볼륨 홀로그램의 높은 굴절률과 낮은 굴절률의 굴절률 차이로서 정의된다. 볼륨 홀로그램 격자의 회절 효율(D.E.)은 달성된 굴절률 변조의 함수이다. 그러므로, 굴절률 변조를 조정함으로써, 최대 굴절 효율(D.E.)은 특정 격자 두께에 대해 달성될 수 있다. 만약 홀로그램 층이 이방성이라면, 상기 굴절률 변조는 볼륨 홀로그램의 서로 다른 방향에서 서로 다르다. 그러므로, 굴절률 변조 및 그러므로D.E.는 편광에 좌우된다.
예로서, 이방성 LC 및 등방성 비-LC 모노머(monomer)를 포함하는 광-중합 가능 혼합물을 중합시킴으로써 레코딩된 홀로그램 이미지를 생각해보자. 만약 등방성 비-LC의 굴절률이 예컨대 거의 LC 물질의 정규 굴절률과 같다면, p-편광된 광은 단지 작은 굴절률 변조를 겪을 것이며, 보통 낮은 D.E.로 출력될 것이다. LC 물질의 특별한 굴절률은 등방성의 비-LC 굴절률과는 훨씬 많이 다르며, 결국 보통 훨씬 더 높은 D.E.를 야기할 것이다. 그에 따라, 결과적으로 출력된 광은 편광될 것이다. 이상적으로, 비-LC 물질의 굴절률은 LC-물질의 정규 굴절률에 매칭되어, p-편광된 광에 대한 D.E.를 대체로 0으로 감소시켜 그에 따라 편광된 광의 방출 콘트래스트를 최대화시킨다.
추가적인 실시예에서, 본 발명에 따른 도파관은 광학적으로 이방성 물질로부터 일체형으로 형성되는 볼륨 홀로그램과 방출 부재의 결합 및/또는 광학적으로 이방성 물질로부터 일체형으로 형성된 볼륨 홀로그램 및 편광-선택 빔 분할 층의 결합을 포함한다.
일반적으로, 광학적으로 서로 다른 물질 사이의 각 경계면은 이 경계면으로 인한 반사 및 굴절을 야기할 것이며, 이것은 표유 광(stray light)을 초래할 수 있다. 표유 광을 감소시키기 위해, 도파관의 경계면의 개수를 최소화하는 것이 유리하며, 이것은 볼륨 홀로그램을 방출 부재와 통합함으로써 달성되며, 볼륨 홀로그램은 방출면을 포함하는 방출 부재의 절반에 존재한다.
위에서 논의된 바와 같이, 도파관은, 일반적으로 편광 선택이 비-흡수성 수단, 즉 도파관이 광, 특히 초기에 출력되지 않는 제 2 편광의 광을 재사용하기 위해 구성되게 하는 굴절 및/또는 반사 및/또는 회절 수단을 사용하여 달성되는 편광-선택 출력 수단을 포함한다. 이를 위해, 도파관은 재사용 수단에 의해 처리된 전달된 광의 편광을 편광소거하거나 역전시켜서, 그에 따라 도파관의 효율 및/또는 밝기 및/또는 편광 콘트래스트를 개선시키는 광 재사용 수단을 포함할 수 있다.
특정한 정도까지, 이러한 재사용 수단은 본 발명에 따른 임의의 도파관에는 고유하게 존재하며, 이는 도파가 발생하는 임의의 부재 또는 기판이 제조 공정 동안에 초래된 광학적 결함을 가지기 때문이며, 그 중요한 예로 이들 결함에 입사된 광을 편광소거시키는 효과가 있는 응력으로 인한 굴절률 변동이 있다.
광 지연 층을 도파관에 제공하는 것, 갇힌 전달된 광을 편광소거할 수 있는 확산 층을 도파관에 제공하는 것, 진입측면의 반대편 말단면이나 방출면의 반대편 측에 1/4-파장 함수(λ/4)를 갖는 층 및 거울 반사 층으로 구성된 반사기와 같은 편광-반전 반사기 또는 편광소거(예컨대, 확산) 반사기를 제공하는 것과 같이, 몇몇 다른 재사용 수단은 도파관에 갇힌 편광의 광을 도파관에 의해 방출된 제 1 도파관의 광으로 변환하는데 이용 가능하다.
도파관에서 사용하기에 적합한 물질은 일반적으로 도파관에 의해 방출된 광에 투명하다. 등방성 물질은 유리, 투명 세라믹 또는 폴리아크릴레이트, 폴리에폭사이드, 폴리카보네이트 등과 같은 중합물일 수 있다.
가장 넓은 의미에서, 광학적으로 이방성인 물질의 선택이 결정적인 것은 아니다. 예컨대, 이러한 물질은 무기물일 수 있지만, 바람직하게는 유기물이다. 중합물 또는 액정 물질, 특히 중합 액정 물질이 바람직하다. 특수하게 사용되는 것으로 중합되고 배향된 액정 모노머 혼합물, 특히 LC 사이드-체인(side-chain), 메인-체인(main-chain) 또는 네트워크 폴리머가 있다. 적절한 LC 상(phase)으로 콜레스테릭(cholesteric), (키랄) 네마틱{(chiral) nematic} 또는 스멕틱(smectic), 디스코틱(discotic)을 포함한다. 또한, 복굴절 물질 및, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 네마틱 액정 물질과 같은 스트레치 배향된 폴리머와 같은 단축 또는 양축 배향된 물질이 적절하게 사용될 수 있다. 본래 알려져 있는 물질인, 비-포토폴리메릭 물질이 또한 사용될 수 있다.
단축 배향된 물질은 두 축을 따라서 정규 굴절률(no)을 가지며, 상기 두 축에 수직인 축을 따라서 특별한 굴절률(ne)을 가지며, 여기서, ne>no(예컨대, 스트레치된 폴리머 및 네마틱 LC)이거나 ne<no(디스코틱 물질)이다. 만약 도파관에서 사용된다면, 이방성 물질은 제 1 편광인 전달된 광이 정상 굴절률을 겪으며, 제 2 편광인 광이 특별한 굴절률을 겪도록 또는 그 반대가 되도록 배치된다.
등방성 물질뿐만 아니라 적절한 이방성 물질의 추가적인 예가 US 5,845,035 및 이 미국출원과 관련하여 이 출원에서 언급된 참조문헌에 개시되어 있다.
또 다른 양상, 사실 편광된 광 방출 도파관 단독에서 보다 더 넓고 독립적으로 응용될 수 있는 양상에서, 본 발명은 방출면을 따라 균등한 광 방출을 갖는 도파관 및, 이러한 도파관을 포함하는 조명 시스템 및 디스플레이에 관한 것이다. 균등성은 출력 방향의 균등성 또는 방출면을 따라서 출력된 광의 세기의 균등성에 관한 것일 수 있다.
광 출력 방향에 관해, 광을 출력하기 위한 홀로그램을 갖지 않는 종래의 도파관은 방출면을 따라서 출력 방향이 균등하지 않게 되며, 이것은 출력 수단의 제한되고 균등하지 않은 각도 선택도 때문이다. 그러나, 볼륨 홀로그램을 포함하는 도파관은 각도 선택도가 높을 수 있고, 그러므로 특정한 출력된 도파각의 우선적 고갈(preferential depletion)에 덜 민감하다. 이것은 결국 방출면을 따라서 균등한 광 출력 방향을 야기한다.
방출면을 따라서 세기의 균등성에 관해, 볼륨 홀로그램 상 격자는 높은 선택도로 특정한 도파각을 회절시키며, 그러므로 대응하는 입사각을 갖는 전달된 광이 전달된 광이 진입측면으로부터 멀어질수록 선택적으로 고갈된다. 만약 이러한 고갈을 수정하기 위해 어떠한 조처도 취해지지 않는다면, 방출면의 밝기는 진입측면으로부터 더 멀어질수록 덜 밝게될 것이다. 고갈은 수정될 수 있고, 그에 따라 좀더 균등한 방출은, 도파관을 따라서 특정한 위치에서 홀로그램 영역에 의해 덮인 전체 영역중 일부분이 진입측면으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하는 패턴으로 홀로그램 영역과 비-홀로그램 영역이 배치된 볼륨 홀로그램을 제공함으로써 달성되며, 여기서 증가하는 정도는 고갈의 정도에 매칭된다.
대안적으로, 볼륨 홀로그램에는, 볼륨 홀로그램이 특정한 위치에서 회절할 수 있는 입사각이 도파관을 따라서 위치의 함수로서 변화되도록 굴절률 변조가 제공될 수 있다.
또 다른 옵션으로, 회절각 보충(diffracted angle replenishing) 수단을 제공하는 것이 있으며, 이 수단은 회절을 통해 출력될 수 있는 각도로 도파관에서 갇힌 회절되지 않은 광의 각도를 재분배함으로써 고갈된 각도를 보충한다. 이러한 수단의 예로, 쐐기-형태의 진입 부재 또는 도파 기판, 도파관에 부착된, 작은 면이 있는 거울(faceted mirror), 미소 산란 볼륨 또는 표면 산란 층, 또는 광 산란 방출면 또는 광 산란 요철 구조 또는 광 산란 층이 제공된 광 도파 표면 역할을 하는 임의의 다른 표면을 포함하는 진입측면 반대편의 도파관의 말단면 상에 제공된 비-거울 반사기가 있다.
가장 넓은 의미에서 편광-선택 출력 수단과 결합될 필요가 없거나 이를 포함하며, 전면 광 장치에 사용하기 위한 도파관에서 특히 중요한 볼륨 홀로그램을 포함하는 도파관의 추가적인 장점은, 광이 전방 측으로 지칭되는 홀로그램의 한 측면으로 선택적으로 출력될 수 있다는 점이다.
그러므로, 또 다른 양상에서, 본 발명은 광을 도파관에 입력시키기 위한 진입측면, 광을 도파관으로부터 방출하기 위한 방출면, 방출면 반대편의 후방 및 도파관의 방출면 측인 도파관의 한 측으로 광을 선택적으로 출력하도록 구성된 볼륨 홀로그램을 포함하는 도파관에 관한 것이다.
전방측(표면)의 반대편 측(표면)은 뒤, 즉 후방측(표면)으로 지칭된다. 볼륨 홀로그램은 선택적으로 광을 후방측(후방향) 대신에 전방측(전방향)으로 회절시킨다. 이것의 발생 정도는 전방향 대 후방향의 콘트래스트로 표현될 수 있다. 본 발명의 이러한 양상에 따른 도파관은 전형적으로 방출각에서 적어도 10 또는 그 이상, 즉 적어도 15 또는 25의 콘트래스트를 갖는다. 좀더 상세하게, 콘트래스트는광이 방출되는 모든 각도에 걸쳐서 평균적으로 적어도 10일 수 있다.
전방 광이 제공된 반사형 디스플레이에서, 후면측으로부터 출력된 광은 디스플레이 셀을 관통하지 않고 직접 시청자에게 도달하며, 이러한 후방 출력된 광은 임의의 디스플레이 이미지 정보를 전달하지 않는다. 따라서, 후면측에 비교한 전면측으로부터 방출된 광의 콘트래스트의 임의의 증가는 이러한 홀로그램을 포함하는 반사형 디스플레이의 콘트래스트의 대응하는 증가로 직접 변환된다.
도파관의 한 측으로의 선택적 출력에 관한 콘트래스트를 추가로 증가시키기 위해, 바람직한 실시예에서, 도파관은, 반사-방지 층 또는 적층 또는 광-흡수 코팅과 같은, 도파관으로 다시 반사된 광의 양을 감소시키기 위한 수단이 제공된 진입측면 반대편에 있는 말단면을 구비한다.
이러한 수단은 콘트래스트를 증가시키는 것을 도우며, 이는 측면-선택 출력이 전달된 광이 홀로그램에 입사되는 방향에 좌우되기 때문이다. 일반적으로, 만약 진입 측 방향으로부터 유래된 전달된 광이 홀로그램에 의해 전방측으로 회절된다면, 그 반대편으로부터 유래된 광, 즉 대응하는 말단면에 의해 반사된 광은 후면측으로 회절된다. 이러한 광이 홀로그램에 도달하는 것을 방지하면, 측면-선택 방출의 콘트래스트를 증가시킨다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 도파관 및 그 진입측면 근처에 배치된 광원을 포함하는 가장자리-발광 조명 장치에 관한 것이다.
광원은 특히 형광관(fluorescent tube) 또는 발광 다이오드와 같은 기다란 램프와 같은 임의의 종류의 램프일 수 있다. 상기 장치는 광 입력의 효율 및조준(collimation)을 향상시키기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 시스템은 후방 광 또는 전방 광 장치일 수 있다. 다른 출력 수단과는 달리 볼륨 홀로그램은 거의 방해받지 않고 임계각보다 더 작은 각도로 입사된 주위 광을 투과시키고, 전달된 광을 선택적으로 도파관의 한 측으로 회절시키기 위해 구성되므로, 본 발명은 특히 전방 광 장치에 사용된다.
나아가, 본 발명은 본 발명에 따른 조명 장치를 포함하는 전방 광 장치를 구비한 액정 디바이스와 같은 반사형 또는 반투과형(transflective) 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 따른 조명 장치는 임의의 종류의 객체를 조명하는데 적절하게 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 그 객체는 디스플레이 디바이스이다. 만약 후방 광 장치에서 사용된다면, 객체, 즉 디스플레이는 투과되게 조명되며, 시청자는 객체 즉 디스플레이의 반대편 측 상에 있다. 만약 전방 광 장치에서 사용된다면, 객체는 반사되게 조명되며, 전방 광 및 시청자는 조명된 객체와 동일한 측에 있다. 전방 광 장치에서, 조명될 디스플레이 디바이스는 반사되게 동작할 수 있는데, 즉 디스플레이는 반사형 또는 반투과형일 수 있다. 만약 도파관이 편광된 광을 방출할 수 있다면, 디스플레이 디바이스는 정보를 디스플레이하는 그 성능에 있어서 편광된 광에 의존하는 디스플레이 디바이스일 수 있고, 이러한 디스플레이의 하나의 중요한 종류로 액정 디스플레이가 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은, 디스플레이 셀과 이러한 디스플레이 셀의 시청 측 상에 배치된 편광기를 포함하는 본 발명에 따른 반사형 디스플레이 디바이스에 관한 것이며, 여기서 전방 광 장치가 편광기와 디스플레이 셀 사이에 배치된다.
편광된 광을 방출하는 전방 광을 가지면, 편광기는 편광되지 않은 광을 방출하는 전방 광에 대해 관례화되어 있는 것처럼 전방 광의 디스플레이 측 대신에 전방광의 시청 측 상에 배치될 수 있다. 이러한 배치는 주위 광에 의한 전방 광으로부터의 반사를 감소시킨다.
본 발명에 따른 도파관 및 이러한 도파관을 포함하는 조명 장치는 디스플레이를 조명하기 위해 진입측면 근처에 배치된 광원으로부터의 광을 효율적으로 사용하며, 그 결과로 저전력 광원이 사용될 수 있게 한다. 광원은 디스플레이 디바이스의 에너지 소모의 상당한 부분을 차지하므로, 이러한 디스플레이는 특히 랩탑, 팜탑, 핸드헬드 또는 특히 이동 전화와 같은 기타 휴대용 제품에서 유리하다.
그러므로, 바람직한 실시예에서, 본 발명은 본 발명에 따른 조명 장치가 제공된 이동 전화 또는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
이들 및 기타 양상은 이후에 기술된 실시예로부터 분명해질 것이며, 이러한 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 그 사이에 액정 층(7)이 배치된 투명 기판(5)의 디스플레이 셀(3)을 구비한 반사형 디스플레이 디바이스(1)를 개략적으로 도시한다. 셀(3)은 복수의 독립적으로 주소지정 가능한 픽셀(9)을 포함하도록 구성된다. 반사기(11)가 시청 측{시청자(2)로 지시됨} 반대편에 위치하고, 제 1 편광의 광을 흡수하고 제 2 편광의 광을 투과시키기 위한 흡수성 선형 편광기(13)가 제공된다. 시청자(2)와 디스플레이 셀(3) 사이에, 제 2 흡수성 선형 편광기(15)가 배치되며, 이것은 제 1 편광의 광을 투과시키며 제 2 편광의 광을 흡수하기 위해 편광기(13)와 교차된다. 디스플레이 디바이스(1)는 편광기(15)와 디스플레이 셀(3) 사이에 배치된 전방 광 장치(17)를 더 포함한다. 관례에서처럼 시청 측 대신에 편광기(15)의 디스플레이 측 상에 배치된 전방 광 장치(17)는 디스플레이(1)가 주위 광과 함께 사용될 때 전방 광(17)으로부터의 반사를 줄인다. 가장자리-발광 전방 광 장치(17)는 도파관(21)의 진입측면(23) 근처에 배치된 광원(19)을 구비한다. 도파관(21)은 진입측면(23)에서 입력된 도파관(21)으로부터의 광을 방출하기 위한 방출면(25)을 구비한다. 도파관은 전달된 광을 방출면(25) 쪽으로 선택적으로 회절시킬 수 있는 볼륨 홀로그램 형태의 편광-선택 광 출력 수단(27)을 구비한다. 선택적으로, 진입측면(23)의 반대편 측에서, 도파관(21)에는 출력되지 않고 이 측에 도달한 광을 재사용 또는 흡수하기 위한 광 흡수 수단, 편광소거 반사 수단, 반사-방지 수단 또는 편광-반전 반사 수단(29)이 제공된다.
동작시, 주소지정되지 않은 픽셀(9)("오프"된 픽셀)에서 디스플레이(1) 상에 입사된 편광되지 않은 주위 광선(r1u)을 추적하면, 광선(r1u)은 s-편광된 광선(r1s)을 형성하기 위해 분석 편광기(15)에 의해 편광된다. 볼륨 홀로그램은 전달된 광을 선택적으로 회절시키며, 비-도파각으로 입사된 광을 투과시키도록 구성되며, 광선(r1s)은 볼륨 홀로그램에 의해 방해받지 않고 투과된다.
볼륨 홀로그램에 레코딩된 굴절률의 공간 변조는 대략 가시광의 파장이며, 그러므로, 시청자(2)에 의해 분해될 수 없다. 따라서, 홀로그램(27) 그 자체는 볼 수 없으며, 디스플레이 셀(3)에 의해 제공된 이미지의 감지를 방해하지 않는다.
이 실시예에서, 디스플레이 셀(3)은 픽셀(9)이 주소지정되지 않을 때 셀에 의해 투과된 광의 편광을 90°만큼 회전시켜서, 그에 따라 s-편광된 광선(r1s)을 p-편광된 광선(r1p)으로 변화시키도록 구성된다. 편광기(15)와 교차된 배열인 편광기(13)는 그 편광을 보존하면서 반사기(11)에 의해 이후 반사되는 광선(r1p)을 투과하여 광선(r1p')을 형성한다. 광선(r1p')은 셀(3)에 의해 r1s'로 변형되고, 편광기(15)에 의해 투과되어 시청자(2)에게 도달한다. 따라서, 비-주소지정된 상태에서, 픽셀(9)은 백색으로 보인다. 다른 한편, 만약 픽셀(9)이 주소지정된다면, 주위의 s-편광된 광선(r2s)은 디스플레이 셀(3)에 의해 영향을 받지 않고 투과되며, 그에 따라 편광기(13)에 흡수되며, 이 때 픽셀(9)은 시청자(2)에게 어둡게 보인다. 주위의 발광 조건이 열악하다면, 광원(19)은 스위칭 온될 수 있다. 광선(r3u)과 같은 전형적으로 편광되지 않은, 광원(19)에 의해 방출된 광은 진입측면(23)에 입력되며, 도파관(21)을 따라서 전달된다. 편광-선택 출력 수단, 즉 볼륨 홀로그램(27)상에 입사될 때, s-편광된 광은 광(r3s)으로 선택적으로 회절되며, p-편광된 광선(r3p)은 투과되어 TIR에 의해 도파관(21) 아래로 더 이동한다. 이 광이 도파관(21) 아래로 이동함에 따라, 예컨대 도파관을 제조하는 동안에 도입된 응력 변형으로 인해, 광선(r3p)은 어느 정도 s-편광된 광을 포함하는 광선(r3u')으로 편광소거될 수 있다. 편광소거에 의해 얻어진 s-편광된 광은 다시 볼륨 홀로그램(27) 상에 입사될 수 있고, 이 홀로그램(27)에 의해 광선(r3s')으로 선택적으로 회절될 수 있다. 그에 따라, 도파관(21)을 매우 효율적이고 및/또는 밝은 편광된 광의 소스가 되게 하는 광 재사용이 얻어진다. 마침내, p-편광된 광선(r3p')은 진입면(23)의 반대편의 말단면에 도달할 수 있고, 이 말단면에서 반사되고, 흡수되거나 또는 도파관을 떠날 수 있다. 회절된 광선(r3s)은 비-주소지정된 픽셀에 입사되며, 그에 따라 마침내 디스플레이(1)에 의해 방출된다. 주소지정된 픽셀(9) 상에 입사된 유사하게 회절된 광(r4s)은 편광기(13)에 의해 흡수된다.
회절되지 않고 도파관의 말단에 도달하고, 도파관으로 다시 반사된 광은 홀로그램에 의해 회절될 수 있다. 그렇게 회절된 광이 전방 광(17)의 후방측으로 회절되며 그에 따라 시청자(2)에게로 직접 회절되는 것이 볼륨 홀로그램의 고유한 특성이다. 그에 따라, 전방 대 후방측의 방출 콘트래스트는 감소한다. 따라서, 도파관(21)의 말단에 도달한 광이 도파관으로 다시 반사되는 것을 방지하는 광-흡수성 층(29)을 진입면(23)의 반대편의 말단면에 제공함으로써, 전방 대 후방 측의 방출 콘트래스트는 증가된다. 대안적으로, 만약 도파관(21)에 p-편광된 광을 s-편광된 광으로 변환하기 위한 편광 변환 수단(29)이 제공된다면, 편광소거 또는 편광 반전에 의해, 광 재사용이 얻어진다. s-편광된 광이 도파관(21)으로 다시 가는 도중에 볼륨 홀로그램에 의해 출력될 수 있으므로, 전방 광 장치(17)의 s-편광된 광의 방출 효율은 상당히 증가될 수 있고, 이를 통해 밝기를 증가시키고 및/또는 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 이러한 편광 변환 수단은 본래 해당기술분야에서 알려져 있으며, 그 예로 1/4 파장 위상지연판이 제공된 편광-보존 반사기가 있다.
도 2는 동작시 볼륨 홀로그램을 레코딩하기 위한 장치(101), 특히 전달된 광을 선택적으로 회절시킬 수 있는 볼륨 홀로그램을 레코딩하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다. 좀더 상세하게, 장치(101)는 도파 모드에서 홀로그램을 레코딩하기 위한 것이다.
장치(101)는 351.1nm 파장으로 UV-레이저 라인에서 동작되는 아르곤-이온 연속파(CW) 레이저(103){스펙트라-피직스 빔록(Spectra-Physics Beamlock) 2085-25S}를 포함한다. 에탈론(etalon)이 단일 주파수 동작을 얻기 위해 레이저 공동에서 사용되었다. 동작시, 레이저(103)는 빔에 걸쳐서 가우스 세기 프로파일(Gaussian intensity profile)을 갖는 제 1 편광의 TEM00모드 레이저 빔을 생성하며, 빔의 직경은 최대 중심 세기 레벨의 1/e2에서 1.6mm이다. 1/2 파장 위상지연판(104)이 레이저 빔을 제 1 및 제 2 편광의 사전에 결정된 비율을 갖는 빔으로 편광소거하는데 사용된다. 위상지연판(104)을 회전시킴으로써, 객체 빔(OB)에 대한 기준 빔(RB)의 세기는 특히 정육면체(109)의 면(111)에 있는 기준 빔(RB)과 객체 빔(OB)의 중첩 영역에서 단위 면적 당 동일한 세기를 얻도록 제어될 수 있다. 직경을 대략 22mm로확대하고, 레이저 빔을 공간적으로 필터링하기 위해, 5㎛의 직경을 갖는 핀홀(105p)과, 평철 융합 실리카 렌즈(plano-convex fused silica lens)(105L1){직경(D)=6.35mm, 초점길이(f)=12.7mm}와, 평철 융합 실리카 렌즈(105L2)(D=25mm, f=50mm)를 포함하는 렌즈 시스템(105)이 제공된다.
장치(101)는 편광 빔 분할기(PBS)(25.4mm, 융합 실리카) 및 두 개의 UV-거울(D=50mm)(M1및 M2)을 포함하는 마흐-첸더(Mach-Zehnder) 유형 간섭계 모듈을 포함한다. 거울(M1)과 분할기(PBS) 사이에, 1/2 파장 위상지연판(107)이 PBS에 의해 출력된 광의 편광 상태를 변경하기 위해 배치된다. 동작시, 간섭계로 들어가는 레이저 광 빔은 분할기(PBS)에 의해 제 1 편광을 갖는 기준 빔(RB)과 제 2 편광을 갖는 객체 빔(OB)으로 분할되며, 이 후 객체 빔(OB)의 편광은 위상지연판(107)에 의해 제 1 편광 방향으로 변환된다. 거울(M1및 M2)을 반사시킴으로써, 간섭 패턴이 객체 빔(OB)과 기준 빔(RB)의 중첩 영역에서 설정된다. 두 빔의 결합된 전력은 대략 0.5mW/mm2였다.
장치(101)는 (50*50*50) 유리 정육면체(109) 형태의 샘플 홀더를 더 포함하며, 이 정육면체(109)의 면(111)은 홀로그램 물질을 포함하는 샘플을 수용하도록 설치된다. 유리 정육면체(109) 및 거울은 면(111)의 법선과 객체 빔(0B)이 각도(αe1)를 이루고, 면(111)과 기준 빔(RB)이 각도(αe2)를 이루도록 설정된다.
예로서, 장치(101)는 이제 본 발명에 따른 도파관, 특히 대략 45°의브래그-각도에서 특히 파장의 사전에 결정된 범위, 바람직하게는 파장의 가시 범위에 대해 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램 브래그-격자를 포함하는 편광 선택 출력 수단을 포함하는 도파관을 제조하는데 사용된다.
첫째, 샘플(113)은, 100㎛ 두께의 홀로그램 층(115)을 형성하기 위해 76*26mm 면적과 1mm 두께의 유리 기판(117)과 50*24mm 면적과 150㎛ 두께의 유리 슬라이드(119) 사이에 49.5wt% 폴리(스티렌)(PS)(MW=45.000g/mole), 49.5wt% 씨클로헥실 메타크릴레이트(CHMA) 및 1wt% 1-하이드록시씨클로헥실페닐케톤(UV-개시제){이들 모두는 알드리치(Aldrich)사로부터 구매된다}의 홀로그램 포토폴리머 혼합물을 삽입함으로써 형성된다.
대안적으로, 49.4wt%의 폴리스티렌(PS), 49.6wt% 디에틸렌글리콜-디메타크릴레이트(DEGDMA) 및 0.98wt% UV-개시제 1-하이드록시씨클로헥실페닐케톤의 혼합물이 사용된다. 그에 따라 얻어진 샘플(113)은 굴절률 접촉 플루이드(fluid)(예컨대, 벤질메타크릴레이트, n=1.510)를 사용하여 그 유리 슬라이드 측 상에서 정육면체(109)의 면(111)에 부착된다.
둘째, 이 때, 각도(αe1및 αe2)는 기준 빔(RB)이 샘플(113)의 유리 기판(117)의 공기-유리 경계면 상에 입사될 때, 이 경계면에서 완전 내부 반사가 발생하도록 선택된다. 좀더 상세하게, 각도는 45°브래그 각도가 공기 중의 -10°의 회절각에서 녹색 광(550nm)에 대해 얻어지도록 선택된다. 계산을 통해서, 홀로그램을 레코딩하는데 사용되는 레이저 광의 파장이 주어진다면 홀로그램의 격자 간격은 250.9mm이고, 그 경사각은 38.6°이어야 하며, 이 각도는 추가적인 계산에 따라 각각 18.4°와 32.8°의 각도(αe1및 αe2)로 변형됨을 알 수 있다.
셋째, 그에 따라 각도(αe1및 αe2)가 설정되면, 볼륨 홀로그램이 60s 동안 기준 빔(RB)과 객체 빔(OB)으로 샘플을 조명함으로써 홀로그램 층(115)에 레코딩되며, 이때 객체 빔 강도 세기 대 기준 빔 세기의 비율은, 객체 빔 및 기준 빔이 제공하는 중첩 영역에서 단위 면적 당 홀로그램 층(115) 상에 입사되는 광의 양이 동일하도록 선택되며, 그 후 30분 동안 UV 광으로 추가로 균일한 블랭킷 노광(uniform blanket exposure)함으로써 층(115)을 경화시킨다.
경화시킨 후, 샘플(113)은 광을 도파관에 결합하기 위한 진입측면과, 도파관으로부터 광을 방출하기 위한 방출면과, 방출면을 통해 전달된 광을 편광-선택적으로 출력하기 위한 편광-선택 광 출력 수단을 포함하는 도파관(21)(도 1)을 형성하며, 편광-선택 출력 수단은 대략 45°의 브래그-각도에서 파장의 사전에 결정된 범위에 대해 전달된 광을 선택적으로 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램 브래그-격자 형태의 볼륨 홀로그램을 포함한다.
샘플(113){도파관(21)}은 유리 정육면체(109)로부터 제거되고, 냉 캐쏘드 형광 램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)가 진입측면(23) 근처에서 배치되어 가장자리-발광 전방 광 장치(17)를 형성한다.
도 3은 CCFL 램프의 공칭 방출 스펙트럼을 도시한다. 가장자리-발광 조명 장치(17)가 출력각의 함수로서 광 출력을 측정하기 위한 휘도 측정 장치{엘딤(Eldim)사에 의해 제조된 EZ 콘트래스트 300D} 상에 탑재된다.
s-편광된 광(곡선 S) 및 p-편광된 광(곡선 P) 각각에 대해 도 3에 도시된 바와 같은 방출 스펙트럼을 갖는 CCFL 램프에 의해 가장자리-발광된 도파관(21)에 의해 방출된 광의 기울기(°단위)의 함수로서 휘도(cd/m2)가 이 후 측정되며, 도 4에 그 결과가 도시되어 있다. 휘도는 격자면에 수직인 평면에서 측정된다.
도 5는 도 4에 도시된 휘도 데이터에 대응하는 편광 콘트래스트(무차원 단위)를 도시한다.
기울기는 홀로그램 층(115)의 법선과 휘도 측정 방향 사이의 각도로 정의된다.
첫째, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 도파관에 의해 출력된 광이 높게 편광되어 있음을 증명한다. 편광 콘트래스트는 상당한 광 방출이 일어나는 기울기 분포(-25°내지 +10°)에 걸쳐서 적어도 5이며, 특정한 기울기에 대해, 편광 콘트래스트는 10 또는 15보다 더 높다. 대략 -10°에서 출력된 광에 대해, 홀로그램에 대한 기울기는 편광 콘트래스트가 75를 초과하도록 명시적으로 설계되었다.
둘째, 본 발명에 따른 도파관에 의해 출력된 광은 높게 조준되며, 대부분의 광은 범위(-25° 내지 +10°)에서 입력된다.
셋째, 도파관의 광 출력은 컬러 선택적이며, 적색을 위해 R로 표기되고, 황색을 위해 Y로 표기되며, 청색을 위해 B로 표기된 CCFL 램프의 방출 피크치는 도 4에서 분명하게 식별할 수 있다.
추가적으로, 광이 출력된 기울기는 방출면과 거의 수직이다. 본 예에서, 광 출력은 그 기울기의 중간 값이 -10°가 되도록 신중하게 선택된다. 레코딩 방법을 적절하게 적응시킴으로써, 임의의 기울기 특히 0°가 실현될 수 있다.
도 6은 도 4의 방출 스펙트럼을 갖는 본 발명에 따른 도파관(21)의 여러 기울기에 대한 파장(nm 단위)의 함수로 상대 세기(무차원 단위)를 도시한다. 도 6은 도파관의 컬러 선택 광 방출을 확인해주며, 여기서 적색(대략 611nm)이 -20°에서 선택적으로 출력되고, 황색(대략 585nm)이 -14°에서 선택적으로 출력되며, 녹색(대략 545nm)은 -8°에서 선택적으로 출력되며 및 녹-청색(대략 490nm)은 0°에서 선택적으로 출력된다. -27°에서 짙은 적색(대략 650nm)이 출력되고, 8°에서 청색(대략 435nm)이 출력되지만, 이들은 낮은 휘도로 인해 도 4에서는 거의 식별될 수 없다. 주목해야할 것은, 광도측정량인 휘도가 도시된 도 4와는 대조적으로, 도 6에 도시된 상대 세기는 눈-감도보다는 방출된 에너지에 대응하는 방출측정량(radiometric quantity)이며, 이것은 결국 도 4에 비해 서로 다른 컬러 사이에 완전히 다른 세기 밸런스를 초래하며, 청색과 적색 기여도가 도 6에서 훨씬 더 중요하다.
본 발명에 따른 가장자리-발광 조명 장치의 실시예의 제 2예에서, CCFL 램프는 녹색 발광 다이오드로 대체되며, 그 공칭 방출 스펙트럼이 도 7에 도시되어 있다.
전술된 각도 휘도 측정이 그에 따라 얻어진 가장자리-발광 조명 장치에서 수행된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도파관에 의해 출력된 광은 -11°주위에 중심이 있는 20°각도 범위 내에서 크게 조준되고, 크게 편광되며, 편광 콘트래스트는 경사각, -11°에서 200을 초과하는 반면, -6°내지 -12°에 걸친 범위에서 편광 콘트래스트는 100을 초과한다. 이 제 2 실시예에서 높은 편광 콘트래스트가 달성되는 것은 아마도 도파관의 편광 콘트래스트가 파장 범위, 555 내지 575nm에서 가장 높기 때문일 것이다. 이 파장에서, LED는 높은 방출 세기를 갖는 반면, CCFL은 낮은 세기를 갖는다.
도 10은 도 7에 도시된 방출을 전방 방향(곡선 F) 및 후방 방향(곡선 B)으로 갖는 발광 다이오드에 의해 가장자리-발광된 본 발명에 따른 가장자리-발광 조명 장치의 제 2 실시예에 의해 방출된 광의 s-편광된 휘도(임의의 단위)를 도시한다.
도 11은 도 10에 도시된 s-편광된 휘도 데이터의 전방 대 후방의 콘트래스트를 도시한다.
본 발명에 따른 도파관 및 가장자리-발광 조명 장치의 중요한 양상은, 도파관에 의해 출력된 광이 편리하게는 전방측으로 지칭되는 도파관의 한 측으로 선택적으로 출력된다는 점이다. 이 양상은 가장자리-발광 장치가 전방 광으로 사용되는 경우 특히 유리하다. 만약 디스플레이에서 전방 광으로 사용된다면, 조명 장치는 그 전방측은 디스플레이를 향하고, 그 후방 측은 시청자를 향한다. 후방 측으로부터 방출된 임의의 광은 직접 시청자에게 방출된다. 디스플레이의 콘트래스트는 전방 대 후방의 콘트래스트에 비례한다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 이 실시예에 따른 도파관은 광을 한 측, 즉 전방 측으로 높게 선택적으로 출력한다.전방 대 후방의 콘트래스트는 대략 25이며, 이것이 지시하는 점은, 콘트래스트가 공기-유리 경계면의 (거의) 직각에서 반사를 위해 전형적으로 관찰된 4% 반사만큼 사실상 제한된다는 점이며, 여기서 이 경계면은 볼륨 홀로그램에 반대쪽 기판의 공기 및 유리 표면의 경계면이다. 원한다면, 4% 반사는 반사-방지 코팅을 제공함으로써 더 감소될 수 있다. 이 실시예에서, 도파관에는, 진입측면의 반대편의 말단면 상에서 이 말단면에 도달한 임의의 전달된 광을 흡수하기 위한 광 흡수 코팅이 제공된다. 이러한 말단면의 반사된 임의의 광은 후방측에 선택적으로 출력되어, 그에 따라 콘트래스트를 감소시킨다. 이러한 광 흡수 층이 존재하지 않으면, 전방 대 후방의 콘트래스트는 여전히 꽤 높으며, 전형적으로 10 이상이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 볼륨 홀로그램은 두께(d) 및 굴절률 변조(Δn)를 갖는 볼륨 홀로그램 층을 포함하며, 그 곱(dΔn)은 제 1 편광의 전달된 광이 제 2 편광의 전달된 광보다 좀더 효율적으로 회절되고, 제 1 편광의 회절 효율이 적어도 제 2 편광의 회절 효율보다 5배, 바람직하게는 10배가 되도록 선택된다.
도 12는 Δn의 다양한 값에 대한 격자 두께(㎛ 단위)의 함수로 볼륨 홀로그램 격자 층에 의해 방출된 s-편광된 광의 회절 효율(무차원 단위)을 계산한 그래프를 도시한다.
도 13은 Δn의 다양한 값에 대한 격자 두께(㎛단위)의 함수로 볼륨 홀로그램 격자 층에 의해 방출된 p-편광된 광의 회절 효율(무차원 단위)을 계산한 그래프를 도시한다.
도시된 결과는 450nm의 격자 간격과, 23.2°의 기울기 즉 경사각과, 1.55의 평균 굴절률을 가지며, 550nm(공기중)의 광으로 조명되는 홀로그램 격자를 기초로 한다.
회절 효율(D.E.)은 비율, Id/(Ir+Id)로 정의되며, 여기서 Id는 1차 회절 빔의 세기이며, Ir은 기준 빔의 방해받지 않은 부분(0차 회절)의 세기이다.
도 12 및 도 13은 정확한 브래그-매칭이라는 가정 하에서 벨 시스템 테크니컬 저널 1969, 48, 2909에서 Kogelnik가 제공한 공식에 의해 계산되며, 이 공식은 곱(Δn)을 정확하게 충적된 브래그-조건에서 회절될 기울기, 격자 간격 및 파장의 파라미터로 관련시킨다.
도 12 및 도 13은 만약 격자 층 두께 및 굴절률 변조(Δn)를 적절하게 선택하면 편광된 광 출력이 달성될 수 있음을 증명한다. 예컨대, 만약 굴절률 변조(Δn)가 0.01이라면, 45㎛의 격자 두께는 결국 p-편광된 광이 높은 콘트래스트로 선택적으로 편광되어 출력되게 한다. 만약 Δn이 0.005이고, 두께가 90㎛로서, 곱(dΔn)이 관련 파라미터임을 나타내는 경우, 동일한 콘트래스트가 얻어진다.
만약 Δn이 0.01이고, 두께가 65㎛이면, s-편광된 광은 높은 선택도로 출력된다.
바람직하게, 편광 콘트래스트는 20, 100 또는 그 이상과 같이 가능한 크게 선택된다.
5 미만의 편광 콘트래스트는 전방 광 장치와 같은 많은 실제 응용에 부적절하게 낮다.
도 14는 본 발명에 따른 조명 장치 및 도파관의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 15는 도 14에 도시된 조명 장치에서의 광의 동작을 개략적으로 도시한다.
가장자리-발광 조명 장치(41)는 진입측면(47)과 방출면(51)을 구비한 도파관(43)을 포함하며, 이 진입측면(47) 근처에 반사기(49)를 구비한 광원(45)이 배치되어 있다. 도파관(43)은 전달된 광을 편광-선택적으로 출력하기 위한 편광-선택 출력 수단을 포함하며, 이 수단은 볼륨 홀로그램(49)과, 진입측면(47)과 볼륨 홀로그램(49) 사이에 위치하며, 도파 기판으로도 지칭되는 진입 부재(55)의 경계면에 대응하는 편광-선택 빔 분할 경계면(53)과, 방출 부재(57)를 포함한다. 진입 및 방출 부재는 n진입,1/n방출,1<n진입,2/n방출,2를 만족하는 굴절률을 가지며, 이것은, 적어도 진입 부재 또는 방출 부재중 어느 하나가 광학적으로 이방성이며, 공통 경계면(53)을 편광-선택 빔-분할 경계면이 되게 함을 의미하며, 여기서 n진입,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게되는 진입 부재(55)의 굴절률이며, n진입,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게되는 진입 부재(55)의 굴절률이며, n방출,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게되는 방출 부재(57)의 굴절률이며, n방출,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게되는 방출 부재(57)의 굴절률이다.
도 15를 참조하면, 여기서 제 1 편광의 광은 s-편광된 광으로 표시되고, 제2 편광된 광은 p-편광된 광으로 표시되며, 빔-분할 경계면(53)은 s-편광된 광을 굴절각 범위(θs,min<θr<θs,max)로 굴절시키며, p-편광된 광을 굴절각 범위(θp,min<θr<θp,max)로 굴절시킨다. θp,min<θs,max이므로, 두 범위는 중첩되어, s-편광된 광만으로 구성되는 범위(θs,min<θr<θp,min), p-편광된 광만으로 구성되는 범위(θs,max<θr<θp,max) 및, s 및 p-편광된 광 둘 모두를 포함하는 중간 범위(θp,min<θr<θs,max)를 형성한다.
볼륨 홀로그램(49)은 범위(θs,min<θr<θp,min)의 굴절각을 갖는 방출 부재(57)로 굴절된 전달된 광을 선택적으로 회절시키도록 구성되며, 그에 따라 단지 s-편광된 광만이 출력된다. 그 대신, 볼륨 홀로그램은 p-편광된 광을 출력하기 위한 범위(θs,max<θr<θp,max)였을 수도 있다.
선택적으로, 도파관은, 방출면(51)을 통해 출력되지 않은 임의의 전달된 광의 편광을 반사되자마자 반전하거나 편광소거하기 위한 편광 반전 또는 편광소거 반사기(61)를 더 포함하며, 이 반사기(61)는 그 진입측면(47)의 반대편 말단면(60) 상에 제공된다.
이 특정한 실시예에서, n진입,1/n방출,1<1.0이며, 진입 부재(55)는 광학적으로 등방성인 반면, 방출 부재(57)는 광학적으로 이방성이며, 이것이 의미하는 점은, n진입,1=n진입,2이고, θc1=θc2=θc라는 점이다. 각도는 방출 표면에 수직인 축(59)에 대해 측정된다.
도 15를 참조하면, 동작시, 전형인 편광되지 않은 광선(u)이 진입측면(47)에 입력되고, 도파관(43)의 아래로 전달되며, 입사각(θiu)으로 편광-선택 빔 분할 경계면(53) 상에 입사되며, 여기서 θc=<θiu=<90°이다. n진입,1/n방출,1<1.0이므로, 편광되지 않은 광선(u)의 제 1 성분, 즉 s-편광된 성분은 경계면(53)에 의해 굴절되어, 굴절각(θrs)으로 방출 부재(57)로 진입하는 반면, 광선(u)의 제 2 성분, 즉 p-편광된 성분은 각도(θrp)로 방출 부재(57)로 굴절된다. 볼륨 홀로그램은 각도(θrs)로 굴절된 광선(s)을 선택적으로 출력하며, 각도(θrp)로 광선(p)을 투과시키며, 이 때 광선(p)은 방출면(51)으로부터 완전히 내부 반사된다. 그에 따라, 편광-선택 빔 분할 경계면(53) 및 볼륨 홀로그램은 협동하여 전달된 광을 편광-선택적으로 출력하기 위한 편광-선택 출력 수단을 형성한다. 조명 장치의 출력된 편광 광의 밝기 및/또는 효율을 더 개선하기 위해, 완전히 내부 반사된 p-편광된 광선(p)은 편광소거 또는 편광-반전되어서 편광 반전 반사기(49)가 반사하자마자 s-편광된 광선(s)을 생성하여, 그에 따라 얻어진 s-편광된 광선을, 이것이 진입측면(47) 쪽으로 도파관(43) 아래로 이동함에 따라 출력하는데 이용되게 한다.
도 16은 본 발명에 따른 조명 장치 및 도파관의 또 다른 실시예에서의 광의 동작을 개략적으로 도시한다. 도 16이 참조하는 실시예는, 진입 및 방출 부재의 광학적 인디캐트릭스(indicatrix)가 n진입,1/n방출,1=<1.0 및 n진입,2/n방출,2>1.0이 되도록상호 조율된다는 점을 제외하고는 도 14에 도시된 실시예와 동일하다. 광학적 인디캐트릭스가 그렇게 상호 조율되면, 진입 부재로부터 경계면 상에 입사된 제 1 편광의 전달된 광은 적어도 부분적으로 방출 부재로 투과(굴절)되며, 진입 부재로부터 경계면으로 입사된 제 2 편광의 전달된 광은 편광-선택 빔-분할 경계면의 대응하는 임계각보다 더 큰 각도에 대해서 적어도 완전히 내부 반사되며, 볼륨 홀로그램이 방출 부재로 투과된 전달된 광을 회절하기 위해 구성된다면, 제 1 편광의 전달된 광은 선택적으로 볼륨 홀로그램에 의해 출력된다. 출력될 편광의 방출 부재와 볼륨 홀로그램 사이의 경계면에서 TIR을 억압하기 위해, 바람직하게는 볼륨 홀로그램 층의 평균 굴절률은 n진입,1이상이어야 한다. 다시 말해, 만약 편광되지 않은 전달된 광선(u)이 편광-선택 빔 분할 경계면 상에 입사된다면, 이것은 제 1 편광, 즉 s-편광된 굴절된 광선(s)과, 제 2 편광, 즉 p-편광된 완전히 내부 반사된 광선(p)으로 분할되며, s-편광된 광선(s)은 홀로그램에 의해 출력된다. 볼륨 홀로그램 및 편광-선택 빔-분할 경계면은 협력하여 본 발명에 따른 편광-선택 출력 수단을 포함하는 도파관을 형성한다.
도 17은 본 발명에 따른 또 다른 도파관, 전방 조명 장치 및 디스플레이 디바이스를 개략적으로 횡단면도로 도시한다.
반사형 디스플레이 디바이스(61)는 그 사이에 LC 층(67)이 배치되는 유리 기판(65)을 포함하는 디스플레이 셀(63)을 구비한다. LC 층(67)에서, 픽셀(69)은 반사형 Al 전극(68)을 사용하여 정의된다. 픽셀(69)이 주소지정된 상태이면, 셀에 의해 투과된 광의 편광은 변화되지 않는다. 픽셀(69)이 비-주소지정된 상태이면, 편광은 90°만큼 변화되거나 그 홀수 배로 변화된다. 디스플레이 디바이스(61)는 셀(63)과 시청자(2) 사이에 배치된 하나의 선형 흡수 편광기(75)를 구비한다. 전방 광 가장자리-발광 장치(77)가 편광기(75)와 디스플레이 셀(63) 사이에 배치된다. 전방 광 가장자리-발광 장치(77)는 도파관(81)의 진입측면(83) 근처에 배치된 광원(79)을 구비하며, 도파관(81)은 방출면(85)과 편광 선택 출력 수단을 더 구비하고, 편광-선택 출력 수단은 적어도 볼륨 홀로그램(87)을 포함하고, 선택적으로는 전술된 유형의 광 흡수 및/또는 광 재사용 수단(89)을 모두 포함한다. 주위의 광을 사용하여 동작할 때, 주위의 광선(ru)은 도파관(81)을 방해받지 않고 통과하는 편광된, 즉 s-편광된 광선(rs)으로 편광된다. 주소지정된 상태에서 픽셀(69) 상에 입사되면, 광선(rs)은 LC 층(67)에 의해 투과되며, 전극(68)에서 반사되어, 다시 LC 층(67)을 통과하며, 편광을 변화시키지 않고 모든 과정은 이루어진다. 광선(rs)이 편광기(75)에 다시 도달할 때 편광은 변화되지 않으므로, 이것은 편광기(75)에 의해 투과된다. 다른 한편, s-편광된 광선(rs2)이 비-주소지정된 픽셀 상에 입사될 때, 편광은 변화되며, 그에 따라 광선(rp2)을 형성하며, 그 이후 광선(rp2)은 편광기(75)에 의해 흡수된다. 전방 광(77)이 스위칭 온되면, 광원(79)으로부터의 광의 s-편광된 성분은 볼륨 홀로그램(87)에 의해 디스플레이 셀(63) 쪽으로 편광-선택적으로 회절된다.
도 18은 본 발명에 따른 도파관 및 후방 광 조명 장치 및 디스플레이 디바이스를 개략적으로 횡단면도로 도시한다.
디스플레이 디바이스(201)는 LC 층(207)과 픽셀(209)을 구비한 디스플레이 셀(203)을 포함하는 반투과형 디바이스이다. 시청자(2)와 디스플레이 셀(203) 사이에 배치되는 것으로 선형 흡수 편광기(215)가 제공된다. 후방 광 장치(217)는 주위의 조건이 열악할 때 후방으로부터 디스플레이 셀(203)을 조명한다. 장치(217)는 방출면(225)을 구비하는 도파관(221)의 진입측면(223) 근처에 배치된 광원(219)과, 적어도 볼륨 홀로그램(227)을 포함하는 편광-선택 출력 수단을 포함한다. 광원(219)으로부터 주위의 광과 표유광을 반사시키기 위해, 반사기(211)가 후방 광(217) 뒤에 배치된다. 선택적으로, 도파관(221)에 의해 방출된 광의 콘트래스트를 더 증가시키기 위해, 클린-업 편광기(213)가 도파관(221)과 디스플레이 셀(203) 사이에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 광을 도파관에 입력하기 위한 진입측면과, 도파관으로부터 전달된 광을 방출하기 위한 방출면을 구비한 도파관에 이용되며, 나아가, 이러한 도파관을 포함하는 가장자리-발광 조명 장치 및 이러한 도파관 또는 가장자리-발광 조명 장치를 포함하는 디스플레이 디바이스에 이용된다.

Claims (15)

  1. 도파관으로서,
    광을 도파관에 입력하기 위한 진입측면과,
    상기 도파관으로부터 광을 방출하기 위한 방출면과,
    전달된 광을 상기 방출면을 통해 편광-선택적으로 출력하기 위한 편광-선택 광 출력 수단으로서, 전달된 광을 상기 방출면 쪽으로 선택적으로 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램(volume hologram)을 포함하는, 편광-선택 광 출력 수단을,
    포함하는 도파관.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 볼륨 홀로그램은 볼륨 홀로그램 브래그-격자(volume holographic Bragg-grating)인, 도파관.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 편광-선택 출력 수단은 대략 45°의 브래그-각도에서 전달된 광을 회절시키도록 구성된 볼륨 홀로그램을 포함하는, 도파관.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼륨 홀로그램은 두께(d) 및 굴절률 변조(Δn)를 갖는 볼륨 홀로그램 층을 포함하며, 그 곱(dΔn)은 제 1 편광의 전달된 광이 제 2 편광의 전달된 광보다 좀더 효율적으로 회절되고, 제 1 편광의 회절 효율이 적어도 제 2 편광의 회절 효율보다 5배, 바람직하게는 10배가 되도록 선택되는, 도파관.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광-선택 광 출력 수단은, 상기 볼륨 홀로그램 및 상기 진입측면 사이에 배치되어, 전달된 광을 제 1 편광의 광 및 제 2 편광의 광으로 분할하기 위한 편광-선택 빔 분할 경계면 또는 층을 포함하며, 적어도 상기 제 1 편광의 광은 상기 제 1 편광의 광을 선택적으로 회절시키도록 구성된 상기 볼륨 홀로그램 쪽으로 향하는, 도파관.
  6. 제 5항에 있어서, 진입 부재 및 방출 부재를 포함하며, 상기 진입 부재는 상기 진입측면을 포함하고, 상기 방출 부재는 상기 볼륨 홀로그램을 포함하며, 상기 방출 부재 및 상기 진입 부재는 상기 편광-선택 빔 분할 경계면을 형성하는 공통 경계면을 구비하며, 적어도 상기 진입 부재 또는 상기 방출 부재 중 어느 하나는 광학적으로 이방성이고, n진입,1/n방출,1<n진입,2/n방출,2가 되도록 선택된 굴절률을 가지며, 여기서,
    n진입,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게되는 진입 부재의 굴절률이고,
    n진입,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게되는 진입 부재의 굴절률이며,
    n방출,1은 제 1 편광의 전달된 광이 겪게되는 방출 부재의 굴절률이고,
    n방출,2는 제 2 편광의 전달된 광이 겪게되는 방출 부재의 굴절률이며,
    상기 제 1 편광의 광은 각도 범위(θ1,min=<θr<θ1,max)로 굴절되며,
    상기 제 2 편광의 광은 각도 범위(θ2,min<θr=<θ2,max)로 굴절되며,
    여기서, 상기 볼륨 홀로그램은 범위(θ1,min=<θr<θ2,min)에서 상기 제 1 편광의 전달된 광 또는 범위(θ1,max<θr=<θ2,max)에서 상기 제 2 편광의 전달된 광을 선택적으로 회절시키도록 구성되는, 도파관.
  7. 제 5항에 있어서, 진입 부재와 방출 부재를 포함하며, 상기 진입 부재는 진입측면을 포함하고, 상기 방출 부재는 상기 볼륨 홀로그램을 포함하며, 상기 방출 부재와 상기 진입 부재는 상기 편광-선택 빔-분할 경계면을 형성하는 공통 경계면을 가지며, 적어도 상기 진입 부재 또는 상기 방출 부재 중 어느 하나는 광학적으로 이방성이고, 상기 진입 부재로부터 상기 경계면 상에 입사된 제 1 편광의 전달된 광이 적어도 부분적으로 상기 방출 부재로 투과되고, 상기 진입 부재로부터 상기 경계면 상으로 입사된 제 2 편광의 전달된 광이 적어도 부분적으로 완전히 내부 반사되도록 선택된 굴절률을 가지며, 상기 볼륨 홀로그램은 상기 방출 부재로 투과된 상기 전달된 광을 회절시키기 위해 구성되는, 도파관.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 선택 출력 수단은,제 1 편광의 광이 겪게되는 제 1 굴절률 변조 및 제 2 편광의 광이 겪게되는 제 2 굴절률 변조를 갖는 광학적으로 이방성인 물질로부터 형성된 볼륨 홀로그램을 포함하며, 상기 제 1 및 상기 제 2 굴절률 변조는 서로 다른, 도파관.
  9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적으로 이방성인 물질로부터 일체형으로 형성되는 볼륨 홀로그램 및 방출 부재의 결합 및/또는, 광학적으로 이방성인 물질로부터 일체형으로 형성되는 편광-선택 빔 분할 층과 볼륨 홀로그램의 결합을 포함하는, 도파관.
  10. 도파관으로서,
    광을 도파관으로 입력시키기 위한 진입측면과,
    상기 도파관으로부터 광을 방출하기 위한 방출면과,
    상기 방출면 반대편의 후방 표면과,
    광을 상기 도파관의 다른 한 측으로 선택적으로 출력시키도록 구성된 볼륨 홀로그램으로서, 상기 한 측은 상기 도파관의 방출면측인, 볼륨 홀로그램을,
    포함하는, 도파관.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 도파관은 상기 진입측면 반대편의 말단면을 구비하며, 상기 말단면에는 상기 도파관으로 다시 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한, 반사-방지 층 또는 적층 또는 광-흡수 코팅과 같은 수단이 제공되는, 도파관.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 도파관과, 상기 도파관이 상기 진입측면 근처에 배치된 광원을 포함하는 가장자리-발광 조명 장치.
  13. 제 12항에 기재된 조명 장치를 포함하는 전방 광 장치를 구비한, 액정 디바이스와 같은 반사형 또는 반투과형 디스플레이 디바이스.
  14. 제 13항에 있어서, 디스플레이 셀 및 상기 디스플레이 셀의 시청 측 상에 배치된 편광기를 포함하며, 여기서 상기 전방 광 장치가 상기 편광기와 상기 디스플레이 셀 사이에 위치되는, 디스플레이 디바이스.
  15. 제 12항에 기재된 조명 장치 또는 제 14항에 기재된 디스플레이 디바이스가 제공된 이동 전화기.
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