KR20050069920A - 광학 기판 및 광학 기판 제조 방법, 광학 기판을 제조하기위한 제조 공정의 제품 및 후광 디스플레이 장치 - Google Patents

광학 기판 및 광학 기판 제조 방법, 광학 기판을 제조하기위한 제조 공정의 제품 및 후광 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20050069920A
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Abstract

본 발명은 광학 기판에 관한 것이다. 본 광학 기판은 적어도 하나의 프리즘 구조를 포함한다. 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 조정되는 제 1 표면 구조 함수에 의해 특징지어지는 제 1 표면을 구비하는데, 제 1 표면 구조 함수는 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조가, 기판에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시키는 적어도 하나의 굽은 면(curved side)을 갖는 단면을 갖도록 한다는 특성을 가진다. 제 2 표면 구조 함수는 기판에 입사하는 광을 더 확산시키는 특성을 가진다.

Description

광학 기판 및 광학 기판 제조 방법, 광학 기판을 제조하기 위한 제조 공정의 제품 및 후광 디스플레이 장치{A FACETED OPTICAL SUBSTRATE AND METHOD OF FABRICATING A FACETED OPTICAL SUBSTRATE AND A BACKLIGHT DISPLAY COMPRISING THE FACETED OPTICAL SUBSTRATE}
본 발명은 면이 있는 광 기판과, 면이 있는 광 기판과, 면이 있는 광 기판을 포함하는 후광 디스플레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
후광 컴퓨터 디스플레이 및 기타 광학 시스템은 서로에 대해 수직으로 쌓여서 배치되는 다면 구조의 층을 사용하기도 한다. 통상, 이 구조는 확산기로서 알려져 있는 다른 광학 기판들 사이에 끼워진다. 예를 들어, 후광 디스플레이에서, 밝기 향상 기판은 다면 구조를 이용하여 보는 축(가령, 디스플레이에 수직인 축 또는 "온 축(on axis)")을 따라서 광을 지향시킨다. 이는 디스플레이 사용자가 보는 기판의 밝기를 향상시켜 시스템이 원하는 온 축 조도 레벨을 내게 할 수 있다.
오늘날의 상업용 밝기 향상 기판은 약 40° 내지 50°의 오프 축 사이의 밝기가 크게 변하는 것이 특징이다. 이러한 변화가 발생하는 각에서는, 각 밝기 분포에서 측 돌출부(side-lobes)가 존재한다. 이들 측 돌출부는 에너지의 낭비를 초래할 수 있다. 또한, 측 돌출부는 광이 의도하지 않은 사람에게 도달하게 하기 때문에 보안 애플리케이션에서 바람직하지 않다.
본 명세서에서 그 전체가 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 출원 제 10/065,981호에서는 어떤 오프 축 각의 광학 기판의 표면으로부터 출발한 확산 광의 밝기가 보는 축 근처에서 측정된 피크 밝기를 적게 감소시키며 감소되게 하는 광학 기판의 표면에 대한 구조적 형상을 개시한다. 전체 결과로 유용한 조도가 증가된다. 이러한 광학 기판은 굽은 측벽 또는 면을 갖는 적어도 하나의 프리즘의 단면에 의해 특징지어진다.
그러나, 이들 기판은 제조 결함을 가지기도 한다. 또한, 디스플레이는 광 결합의 결과로서 밝기가 불충분할 때도 있다. 제조 결함을 미연에 방지하고, 이들 광학 장치의 기판에서의 광 결합을 감소시킬 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 광학 기판이 제공된다. 광학 기판은 적어도 하나의 프리즘 구조를 포함하는데, 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 조정되는 제 1 표면 구조 함수에 의해 특징지어지는 제 1 표면을 구비하며, 제 1 표면 구조 함수는 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조가 기판에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시키는 적어도 하나의 굽은 면을 갖는 단면을 갖도록 하는 특성을 가지고, 제 2 표면 구조 함수는 기판에 입사하는 광을 더 확산시키는 특성을 갖는다.
본 실시예의 일 측면에 따라, 상기 적어도 하나의 굽은 면은
에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 직선을 따라서 제 1 기준점으로부터의 거리이다.
본 실시예의 또 다른 측면을 따라, 적어도 하나의 굽은 면은 등식
에 의해 정의되며, ai는 계수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이고, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, r은 직선을 따라서 제 1 기준점으로부터의 거리이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 광학 기판을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 절단 도구가 제조 공정 중의 제품(workpiece)의 표면과 접촉하게 하는 단계와, 적어도 하나의 절단 패스에서, 제조 공정 중의 제품의 표면 내의 경로를 따라서 절단 도구와 제조 공정 중의 제품의 표면간의 상대적인 움직임을 야기하는 단계와, 제조 공정 중의 상기 표면 위에 양의 또는 음의 전기 주조를 형성하여 광학 표면을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면을 따라서, 광학 기판을 제조하기 위한 제조 공정 중의제품이 제공된다. 제조 공정 중의 제품은 적어도 하나의 프리즘 구조를 포함하되, 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 조정되는 제 1 표면 구조 함수에 의해 특징지어지는 제 1 표면을 구비하며, 제 1 표면 구조 함수는 각각의 적어도 하나의 프리즘 구조가 기판에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시키는 적어도 하나의 굽은 면을 갖는 단면을 갖도록 하는 특성을 가지고, 제 2 표면 구조 함수는 상기 기판에 입사하는 광을 더 확산시키는 특성을 갖는다.
본 발명의 다른 측면을 따라서, 후광 디스플레이 장치가 제공된다. 이 장치는 광을 발생시키기 위한 광원과, 광을 유도하기 위한 광 유도 장치로서, 광 유도 장치 밖으로 광을 반사하기 위해 광 유도 장치를 따라서 배치되는 반사 장치를 자체에 포함하는 광 유도 장치와, 반사 장치로부터의 광을 수신하는 광학 기판을 포함한다.
본 발명의 특징은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예로서 설명하는 다음 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
2002년 12월 6일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제 10/065,981호에 따르면, 굽은 단면의 면은 오프 축 각 확산광(off axis angle diffuse light)의 밝기를 감소시켜 LCD 디스플레이 휘도 분산을 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 이들 장치에 추가의 확산을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 기판 상의 동일한 구조에 예컨대, 면의 경로가 구부러진 형태를 갖도록 면을 "구부림(bowing)"으로써, 면 표면을 조정하는 것으로 인한 확산 뿐만 아니라 굽은 단면의 면에 의해 야기되는 디포커싱으로 인한 확산이 둘 다 이롭게 제공된다. 면의 구부러진 측벽은 디포커싱 기능의 마이크로 렌즈의 역할을 한다. 광학 기판 상에 굽은 단면의 면을 도입함으로써 디포커싱 확산이 이루어진다. 기판 상의 면의 표면을 변화시킴으로써, 예컨대, 랜덤 또는 의사 랜덤 함수와 같은 표면 함수를 이용하여 표면을 조정함으로써 조정 확산(modulation diffusion)이 이루어진다.
도 19 및 20은 "구부러진(bowed)" 형태를 갖는 면(100) 및 굽은 단면을 갖는 프리즘 구조의 면(100)을 각각 도시한다. 도 21은 "구부러진" 형태와 굽은 단면 둘 다를 갖는 프리즘 구조의 면(100)을 도시한다. 도 19 내지 21 전체에서, 단면은 프리즘 구조(102)의 일부이다.
본 발명에서는, 표면을 조정하는 것으로 인한 확산과 굽은 면 단면으로 인한 확산, 이들 두 가지 유형의 확산이 직교하기 때문에 독립적으로 조정될 수 있다는 것을 인지하였다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 의해 조정으로 인한 확산 및 굽은 면 단면으로 인한 확산 둘 다를 합체하는 단일의 광학 기판이 형성될 수 있어 기판 설계에서 융통성을 더한다. 원한다면, 이러한 확산이 기판 내로 설계될 수 있다.
도 1은 후광 디스플레이 장치(10)의 투시도이다. 후광 디스플레이 장치(10)는 광(16)을 발생시키기 위한 광원(12)을 포함한다. 광 유도 장치(light guide)(14)는 광원(12)으로부터의 광(16)을 그 몸체를 따라서 유도한다. 광 유도 장치(14)는 광(16)이 광 유도 장치(14)를 빠져나갈 수 있게 하는 분열 장치(disruptive features)를 포함한다. 이러한 분열 장치는 마스터(master)로부터 제조된 기계로 만들어진 절단 경사도를 갖는 표면을 포함할 수 있다. 광 유도 장치(14)의 아래쪽 표면을 따라서 배치되는 반사 기판(18)은 광 유도 장치(14)의 아래쪽 표면으로부터 새어나가는 광(16)을 거꾸로 광 유도 장치(14)를 통해 광학 기판(24)을 향해 반사한다. 광학 기판(24)은 양 또는 음의 마스터로 제조될 수 있고, 표면(22)을 가진다.
적어도 하나의 광 기판(24)은 광 유도 장치(14)로부터 광(16)을 수신한다. 광학 기판(24)은 한 면 위에 평면 표면(20)을 그리고 제 2의 반대면 위에 표면(22)을 포함한다. 광학 기판(24)은 광(16)을 수신하고, 도시한 바와 같이, 광학 기판(24)에 실제로 법선 방향으로 광(16)의 방향을 바꾸어 확산시킨다. 확산기(28)는 광학 기판(24) 위에 위치하여 광(16)을 확산시킨다. 예를 들어, 확산기(28)는 광을 LCD의 입력 편광 축에 일치시키기 위해 광학 기판(24)을 빠져나가는 광의 편광의 평면을 회전시키는 억제 필름(retarder film)일 수 있다. 억제 필름은 직조형 또는 비직조형 중합체 기판을 기판(24)의 평면에서 축을 따라서 늘림으로써 형성될 수 있다.
도 1은 단일의 기판(24)을 도시한다. 그러나, 후광 디스플레이 장치는 서로에 대한 각으로 배치된 교차 구성으로 하나가 다른 하나 위에 배치되는 각각 프리즘 구조(26)를 갖는 복수의 기판(24)을 포함할 수 있다. 그러나, 기판(24)의 한면 또는 양면이 프리즘 구조(26)를 포함할 수 있다. 광학 기판(24)은 본 명세서에서 후술하는 바와 같이 제조되는 제조 공정의 제품으로부터 전자 형성의 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 1에서, 광학 기판(24)은 프리즘 구조(26)(도 2, 3 및 4를 참조)에 의해 정의되는 표면(22)을 포함한다. 광학 기판(24)은 도 7에 도시하는 바와 같이, 프리즘(26)이 서로에 대한 각(가령, 90°)으로 배치되는 교차 구성으로 하나가 다른 하나 위에 배치되는 복수의 기판을 포함할 수 있다. 프리즘(26)은 규정된 피크 각 α, 높이 h, 길이 1 및 피치(pitch) p를 가질 수 있고, 프리즘 표면은 그 피크 각 α, 높이 h, 길이 1 및 피치 p로 임의로 추출될 수 있다. 또한, 기판(24)의 한면 또는 양면이 프리즘(26)을 구비할 수 있다. 도 2, 3 및 4에서, 본 발명의 제 1 실시예에서, 프리즘(26)의 측벽 또는 면(32)은 굽어 있다. 그러므로, 광학 기판(24)은 적어도 하나의 프리즘(26)을 가질 수 있고, 여기서 프리즘 구조는 프리즘 구조(26)가 적어도 하나의 굽은 면을 갖는 단면을 갖게 하는 특성을 갖는 제 1 표면 구조 함수 f1(x, y)를 가진다. 여기서, f1(x, y)은 기판의 평면에서 수직 좌표 x 및 y에 의해 설명되고, f1(x, y)은 평면 위의 높이이다. 물론, 이와 다르게 제 1 표면 구조 함수가 수직 좌표가 아닌 다른 좌표, 예를 들어 극 좌표에 의해 설명될 수 있다.
적어도 하나의 굽은 면은 기판(24)에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시킨다. 일 실시예에서, 제 1 표면 함수 f1(x, y)은 프리즘이 하나의 포물선으로서 또는 보다 일반적으로는 새그 등식(sag equation)이 제공하는 다항식 표면으로서 설명될 수 있는 곡률을 갖도록 하는 것이며,
여기서, z는 프리즘의 기부의 제 1 기준점(b)에서 시작해서 프리즘의 피크 근처의 제 2 기준점(a)에서 끝나는 직선 기준선(40)으로부터 프리즘(26)의 측벽 또는 면(32)의 미크론 단위의 수직 편이(또는 "새그")이고, c-1은 면의 곡률의 반지름이다. r은 기준선(40)을 따라서의 거리이다. 여기에서, 다항식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하를 가질 수 있다. c2r2은 0 이상이고, 1 이하이다. 적절히 선택된 계수를 갖는 r의 홀수차 승항(가령, r1, r3, r5, r7 등)도 수학식 1로서 사용될 수 있다. 짝수 및 홀수차 항에서 고차항이 적절히 선택된 계수를 갖는다. 제 1의 r2 항이 아닌 다른 항들은:
으로서 기록될 수 있다.
다른 실시예에서, 수학식 1에 의해 설명되는 다항식에 대한 직선 부분(36, 38) 또는 기타 근사치가 도 6a에 도시한 바와 같이 사용될 수 있다. 직선 부분(36, 38)은 제 1 부분을 θ의 각으로 그리고 제 2 부분을 β의 각으로 갖는 복합 각 프리즘이 생기게 한다. 도 6a로부터 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 프리즘(26)의 측벽 또는 면(32)의 굴곡은 볼록 또는 오목일 수 있다. 도 6a에서, 프리즘의 측면은 프리즘의 기부를 이용하여 각각 β 또는 θ의 각의 경계를 정하는 선분(36, 38)으로 하나 이상의 복합 면(32)을 형성하도록 배치된다.
도 2, 3 및 4에 폭 w로 프리즘(26)의 샘플 단면이 도시되어 있다. 도 5는 첫 번째는 직각 직선면 프리즘의 단면에 의해, 두 번째는 도 3의 굽은 측벽 또는 면에 의해, 세 번째는 도 4의 굽은 측벽 또는 단면에 의해 특징지어지는 표면을 포함하는 광학 기판에서 수평으로 보는 각의 함수로서 밝기의 그래프를 도시하는 도면이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 직각의 곧은 면 프리즘(48)에서, 밝기는 대략 +/- 50°의 수평으로 보는 각에서 큰 측 돌출부(58, 60)를 나타낸다. 이들 측 돌출부(58, 60)는 도 3 및 4의 굽은 면 프리즘에서는 보이지 않는다. 그러나, 굽은 프리즘에서는 전체 밝기가 다소 감소된다. 도 5에서, 선(52)과 선(50)을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 광학 기판에서 대략 1.6의 반사율에서, 측벽의 굴곡이 가파를수록, 전체 밝기가 더 감소한다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 90° 프리즘의 곧은 벽으로부터 면의 굴곡이 멀어짐에 따라, 중앙 돌출부가 넓어지고, 중앙 휘도 및 측 돌출부가 낮아진다.
제 2 실시예에서, 개조된 프리즘 형상과 함께 광학 기판(24)에 대한 비교적 높은 반사율이 밝기를 향상시킨다. 보다 구체적으로, 도 8은 프리즘 피크 각과 기판의 반사율의 함수로서 교차된 광학 기판의 중앙 휘도의 맵을 %로 표시하며, 여기서, 1.6의 반사율과 90°의 피크 각을 100%로 한다. 일반적으로, 피크 각을 100°까지 증가시키고 광학 기판의 반사율을 약 1.65보다 크게, 보다 구체적으로 대략 1.7 내지 1.8로 증가시킴으로써, 휘도는 적어도 102%가 된다.
도 9는 수평으로 보는 각의 함수로서 교차된 광학 기판의 원거리 수평 휘도의 그래프를 도시하는 도면이다. 도 9에는, 1.65의 반사율 및 90°의 피크 프리즘 각을 기초로 한 종래 기술의 휘도가 도면 부호(70)에 도시되어 있다. 기판의 반사율을 약 1.75로 그리고, 피크 프리즘 각을 약 100°로 증가시킴으로써, 도면 부호(74)에 도시하는 바와 같이, 휘도 프로파일의 중앙 부분(예를 들면 +/- 30°)은 보다 높은 피크 휘도(약 118%)를 나타내고, 본질적으로 측 돌출부(76)가 없다.
이와 유사하게, 도 10은 수직으로 보는 각의 함수로서 교차된 광학 기판의 원거리 수직 휘도의 그래프를 도시하는 도면이다. 도 10에는, 1.65의 반사율과 90°의 피크 프리즘 각을 기초로 한 종래 기술의 휘도 프로파일이 도면 부호(78)에 도시되어 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 종래 기술은 도면 부호(80)에서 측 돌출부를 나타낸다. 기판의 반사율을 약 1.75까지 그리고 피크 프리즘 각을 약 100°까지 증가시킴으로써, 휘도 프로파일의 중앙 부분(예를 들면 +/- 30°)은 보다 높은 피크 휘도(약 118%)를 나타내며, 측 돌출부(84)가 억제된다.
도 8 내지 10은 프리즘 구조(26)의 기판(24)의 반사율을 증가시킴으로써 및/또는 피크 각 α를 증가시킴으로써, 광학 기판(24)의 온 축 휘도의 증가뿐만 아니라, 수평 및 수직 휘도 프로파일의 에너지 측 돌출부의 감소로서 향상이 이루어진다는 것을 설명한다.
본 명세서에 그 전체가 참조로서 합체되어 있는 개시물인, 2002년 12월 18일에 출원된 미국 특허 출원 제 10/248,099호는 제조 공정의 제품을 준비하고, 제조 공정의 표면 위에 양의 또는 음의 전기 주조(electroform)를 형성하고, 전기 주조의 복제를 형성하여 이 전기 주조의 복제를 광학 기판의 표면으로 전하는 방법을 개시한다. 다음에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 면 광학 기판(24)의 주형 표면을 마련하는 것에 적용한 미국 특허 출원 제 10/248,099호의 방법을 설명한다.
도 11은 일반적으로 도면 부호(100)에 도시한 방법으로서, 제조 공정의 제품의 표면을 기계로 만드는 미국 특허 출원 제 10/248,099호의 방법을 나타낸다. 제조 공정의 제품은 본 발명에 따라 표면(22)에 비랜덤화 조정, 랜덤화 조정 또는 의사 랜덤화 조정을 표면(22)에 적용하여 면 광학 기판(24)을 설계하기 위한 마스터이다. 도 11에서, 잡음 신호(102)는 밴드 패스 필터링(104)되어, 함수 발생기(106)에 입력으로서 제공된다. 사인 곡선파 형태와 같이 조정된 수학 함수는 함수 발생기(106)에 의해 서보 메카니즘(108)에 입력으로서 제공된다. 잡음 신호(102), 밴드 패스 필터(104) 및 함수 발생기(106)는 서보 메카니즘(108)으로 입력 신호를 발생시키도록 적절한 신호 처리 소프트웨어 및 디지털 아날로그 변환 보드(digital-to-analog conversion board)를 구비하는 컴퓨터 시스템에 의해 대체될 수 있다.
서보 메카니즘(108)은 원통형 좌표 시스템(r, θ, z)에서 ω의 각 속도로 회전하는 드럼(112)의 표면과 절단 도구(110)간의 상대적인 움직임을 지시한다. 드럼(112)이 각 속도 ω로 회전하기 때문에, 절단 도구(110)는 드럼 축 z를 따라서 움직이고, 드럼(112)의 z축에 평행하게 최대 약 10,000Hz의 주파수로 랜덤 방식으로 앞 뒤로(도구의 y축을 따라서) 움직이도록 구동된다. 절단 도구(110)는 피치 p의 랜덤화된 나사형 또는 나사산형 패턴(116)(도 13)을 새기거나 기계로 만들기 위해 회전 드럼(110)의 표면과 계속 접촉한다. 두 개의 축 절단 도구(110)는 드럼 축(112)에 평행하게 앞 뒤로, 또한 드럼 표면에 수직으로 움직일 수 있다.
이와 다르게, 절단 도구(110)는 도 12에 도시한 바와 같이, 수직 좌표 시스템(x, y, z)에서 v의 속도로 움직이는 평평한 플레이트(114)의 표면과 접촉할 수 있다. 플레이트(114)가 속도 v로 움직이기 때문에, 절단 도구(110)는 랜덤화된 삼각형 패턴(122)(도 15)을 플레이트(114)의 표면 내에 새기거나 기계로 만들기 위해 플레이트를 가로질러 앞 뒤로 랜덤하게 움직인다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 14에 도시하는 바와 같이, 드럼(112)은 드럼(112)이 회전하기 때문에 z축을 따라서 움직일 필요가 없다. 이러한 경우에, 절단 도구는 드럼(112)의 표면에서 일련의 동심원(118)을 따라서 랜덤화된 또는 의사 랜덤화된 패턴을 기계로 만들어 각각의 절단 패스에서 절단 도구는 시작점(122)으로 되돌아간다. 우수한 절단 품질을 달성하기 위해, 제어 시스템은 원하는 최종의 절단 깊이 및 입력 속도(in-feed rate)에 따라 달라지는 회전 횟수만큼 절단 도구(110)가 임의의 제 i 절단 패스의 패턴을 반복할 수 있게 한다. 절단 도구(110)가 제 i 절단 패스 이전에, 소정의 회전을 마치고 시작점(122)으로 되돌아갈 때, 절단 도구(110)는 제 i 절단 패스를 위한 위치 Si로 시프트되거나 나아간다.
절단 도구(110)는 움직임에 있어서 하나보다 많은 축을 가질 수 있다. 예를 들어, 절단 도구(110)는 원통형 좌표에서 r, θ, z를 그리고 수직 좌표에서 x, y, z를 움직임의 3축으로 가질 수 있다. 이러한 추가의 축에 의해, 반지름 절단 도구(110)를 이용할 때, 도넛형 렌즈형 구조의 절단이 가능하고, 또는 예를 들어 절단 깊이를 따라서 절단에서 경사가 가능하다. 또한, 서로 바뀔 수 있는 r, θ, z 및 x, y, z는 후속 절단 패스에서 제조 공정의 제품(112, 114)의 표면 내로 만들어지는 패턴 내에 절단 경사를 도입시킬 수 있게 할 것이다. 이러한 절단 경사는 도 24를 참조하면 가장 잘 이해할 수 있을 것이다. 도 24에서, 제 i 절단 패스는 wi의 두께 또는 폭을 가지고, 제 i+1 절단 패스는 wi+1의 폭을 가지며, 여기서, wi는 w i+1보다 크거나 작다. 또한, 제 n 절단 패스는 wn의 폭을 가지며, 여기서, wn은 wi+1보다 크거나 작다. 후속 절단 패스에서 절단 패턴의 두께의 변화는 비랜덤, 랜덤 또는 의사 랜덤 방식일 수 있다. 추가의 회전 자유도(예를 들어, 도 11, 12, 15 및 16의 피치(152), 여(yaw)(150) 및 롤(roll)(154))은 제조 공정 중의 제품(112, 114)의 표면에 대해 절단 도구(110)의 각도 방향을 변경해서, 마스터 표면 내로 기계로 만들어지는 면의 형상을 변경하기 위해 사용될 수 있다.
적어도 하나의 프리즘 구조는 구부러진 형태의 적어도 하나의 프리즘 구조로 인해 기판(24)에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시킨다. 또한, 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 제 1 표면 구조 함수를 조정함으로써 적어도 하나의 프리즘 구조의 표면이 정의되기 때문에, 조정 확산을 가능하게 한다.
제 2 표면 구조 함수 f2(x, y)는 광학 기판(24)의 표면을 정의하는 전체 표면 함수 f(x, y)를 생성하도록 제 1 표면 구조 함수 f1(x, y)를 변화시킨다. 제 1 표면 구조 함수 f1(x, y) 때문에 제 2 표면 구조 함수 f2(x, y)가 수직 좌표로 표시될 필요가 없고, 예를 들어 극 좌표 시스템과 같은 또 다른 좌표 시스템으로 표시될 수 있다. 제 2 표면 구조 함수는 예를 들면 프리즘 구조의 높이, 위상 또는 주파수의 의사 랜덤 또는 랜덤 함수일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 표면 구조 함수의 조합은, 그 결과로 나오는 함수 f(x, y)가 광학 기판(24)의 방향을 따라서 의사 랜덤 방식으로 변하는 높이, 위상 또는 주파수를 갖도록 제 2 함수에 의해 제 1 함수를 조정하는 방식에 의해 이루어질 수 있다. 특정 표면 구조 함수의 예는 예를 들어 Olczak의 미국 특허 출원 제 10/150,958호에 개시되어 있다.
제 2 표면 구조 함수의 일 예로서, 프리즘 구조 높이는 프리즘 구조의 긴 축에 수직인 방향을 따라서 또는 광학 기판(24)의 축에 평행한 방향을 따라서, 임의적인 또는 고정된 간격으로 어떤 경계 사이에서 랜덤 또는 의사 랜덤 방식으로 조정될 수 있다. 가장 잘 이해되는 바처럼, 용어, 랜덤이란, 진정한 랜덤성 또는 인간에 수단에 의해 발생될 수 있는 정도, 예컨대, 의사 랜덤성까지의 랜덤성을 의미한다. 또 다른 예에서, 긴 축에 수직인 방향을 따라서 프리즘 피크의 위치에 대응하는 위상은 어떤 경계 사이에서 적어도 의사 랜덤 방식으로 조정될 수 있다. 또한, 조정 방법의 조합은 제 1 표면이 굽은 면을 갖는 프리즘 구조로 인하여 디포커싱하는 방식으로 광의 방향을 바꾸고, 동시에 추가의 확산 광을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
제 1 표면 구조 함수가 조정되어 광학 기판(24)의 표면을 생성한 후에도, 결과로 생기는 표면에서 광의 방향을 바꾸는 제 1 표면 구조 함수의 특성은 대부분 계속 유지된다. 제 2 표면 구조 함수에 의해 제 1 표면 구조에 적용되는 조정을 변화시킴으로써 추가 확산 양을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 표면 구조 함수에 적용되는 조정 양이 증가되면, 추가 확산이 증가된다.
조정 양은 추가 확산을 증가시킬 뿐만 아니라, 필름의 표면 외관을 조정하기 위해서도 사용될 수 있다. 또한, 조정에 의해 제공되는 확산 양은 제 2 표면 구조 함수의 공간 파장 성분에 따라 다르다. 일반적으로, 조정의 파장이 감소됨에 따라, 조직은 미세해지고, 확산은 증가한다.
이롭게, 제 1 표면 함수의 임의의 주기적 특징으로 인한 모아레 효과(Moire effects)는 제 2 표면 함수의 의사 랜덤 또는 랜덤 특징으로 인해 감소될 수 있다. 모아레 효과는 광학 구조가 서로 다른 층에서의 규칙성에 의해 야기되는 간섭에 기인할 수 있다. 또한, 광학 표면(24)이 광학 구조 내에 합체되면 (필름 자체가 아닌) 광학 구조의 다른 구조에서 간섭 모아레 효과를 감소시키는 경향이 있는 확산 광을 제공할 수 있다.
자동 상관 관계 함수, R(x, y)는 표면 계측학에서 사용되는 표면의 랜덤성의 측정법이다. 그러나, 어떤 상관 관계 길이 lc에서, 자동 상관 관계 함수의 값, R(x, y)은 그 초기값의 일부인 값으로 떨어진다. 예를 들어, 1.0의 자동 상관 관계 값은 상당히 또는 바람직하게 상관되어 있는 표면이라 간주할 것이다. 예를 들어, 반복되는 프리즘 구조를 정의하는 경우에, 제 1 표면 구조 함수 f1(x, y)는 1.0의 자동 상관 관계 값을 가질 것이다. 상관 관계 길이 lc는 자동 상관 관계 함수의 값이 그 초기값의 어떤 일부인 길이이다. 통상, 상관 관계 길이는 1/e의 값 또는 자동 상관 관계 함수의 초기값의 약 37%를 기초로 한다. 보다 큰 상관 관계 길이는, 그 표면이 더 작은 상관 관계 길이를 갖는 표면보다 덜 임의적임을 의미한다. 자동 상관 관계 함수의 보다 상세한 설명은 1994년 David J. Whitehouse의 Handbook of Surface Metrology, IOP Publishing Ltd, 49 내지 58쪽에 개시되어 있다.
본 발명에서 제조 공정 중의 제품(112, 114)의 표면을 기계로 만들기 위한 필요한 실시예는 도 22에 도시되어 있다. 제조 공정 중의 제품(112, 114)의 표면을 기계로 만드는 것은 CNC(computer numerically controlled) 깎기 또는 절단 머신(202)에 의해 이루어질 수 있다. 머신(202)은 컴퓨터(204) 내에 설치되는 소프트웨어 프로그램(208)에 의해 제어되는 절단 도구(110)를 포함한다. 소프트웨어 프로그램(208)은 절단 도구(110)의 움직임을 제어한다. 컴퓨터(204)는 적절한 케이블 시스템(206)에 의해 CNC 깎기 머신(202)에 상호 접속된다. 컴퓨터(204)는 소프트웨어 프로그램(208)을 저장하기 위한 저장 매체(212)와, 프로그램(208)을 실행시키기 위한 프로세서와, 프로세서에 조작 입력을 제공하기 위한 키보드(210)와, 디스플레이(218)와, 인터넷(214) 또는 로컬 네트워크를 통해 원격 컴퓨터(216)와 통신하기 위한 모뎀 또는 네트워크 카드를 포함한다.
도 23은 측면 변화량을 갖는 제조 공정 중의 제품의 홈을 절단하기 위한 고속 도구 서버를 구비하는 마스터 머신 시스템(400)을 도시한다. 입력/출력 데이터 프로세서(402)는, 디지털-아날로그(digital-to-analog, D/A) 변환 장치(406)에 신호를 공급하는 디지털 신호 처리(DSP) 장치(404)에 절단 명령을 내린다. 전압 증폭기(408)는 D/A 변환기(406)로부터 신호를 수신하고, 고속 도구 서보 메카니즘(410)을 구동하고 절단 도구(110)의 움직임을 지시한다. 절단 도구 위치 탐침(412)은 절단 도구(110)의 위치를 감지하고, 위치를 나타내는 신호를 센서 증폭기(418)로 제공한다. 증폭기(418)는 신호를 증폭시킨다. 증폭된 신호는 아날로그-디지털(analog-to-digital, A/D) 변환기(420)로 제공된다. 선반 인코더(lethe encoder)(414)는 제조 공정 중의 제품(가령, 드럼(112))의 위치를 결정하고, 피드백 신호를 A/D 변환기(420)로 제공한다. 그러므로, A/D 변환기는 출력으로서 절단 도구(100)의 위치 및 제조 공정 중의 제품(112, 114)의 위치를 나타내는 피드백 신호를 디지털 신호 처리 장치(404)에 제공한다. DSP 장치(404)는 프로세싱된 신호를 입력/출력 프로세서(402)로 제공한다.
시스템(400)은 랜덤 또는 의사 랜덤 방식으로 기계로 만들어지는 제조 공정 중의 제품 표면을 제공할 수 있다. 동작에서, 소프트웨어 프로그램(208)이 설치된 컴퓨터(204)는 CNC 깎기 머신(202)과 통신한다. 제어 수학 함수 또는 함수들은 컴퓨터의 메모리 내에 저장될 수 있고, 또는 원격 컴퓨터(216) 상에 저장되고 인터넷(214)을 통해 또는 로컬 네트워크를 통해 액세스될 수 있다.
CNC 머신(202)의 절단 소자(110)는, 좌표를 제공하여 절단 도구(110)의 움직임을 지시하는 소프트웨어 프로그램(208)이 내리는 명령에 따라 제조 공정 중의 제품(112, 114)을 깎기 시작한다. 또한, 프로그램(208)은 깎기 공정의 깊이를 제어한다. 이 공정은 광학 기판을 제조하기 위해 "양의" 또는 "음의" 마스터로서 사용될 수 있는 비랜덤화, 랜덤화 또는 의사 랜덤화된 제조 공정 중의 제품을 제공한다. 이와 다르게, 원래의 양의 또는 음의 마스터의 복제를 형성하기 위해, 주조 물질, 예를 들어, 자외선(UV) 또는 열 처리 에폭시 물질 또는 실리콘 물질이 사용될 수 있다. 임의의 이들 복제는 플라스틱 부분을 위한 주물로서 사용될 수 있다. 부품들을 형성하기 위해 양각의 주입 몰딩 또는 기타 방법이 사용될 수 있다.
자동 상관 관계 함수, R(x, y)은 표면 계측학에서 사용되는 표면 랜덤성의 측정법이다. 그러나, 어떤 상관 관계 길이 lc에서, 자동 상관 관계 함수의 값, R(x, y)은 그 초기값의 일부인 값으로 떨어진다. 예를 들어, 1.0의 자동 상관 관계 값은 상당히 또는 바람직하게 상관되어 있는 표면이라 간주될 것이다. 예를 들어, 반복되는 프리즘 구조를 정의하는 경우에, 제 1 표면 구조 함수 f1(x, y)은 1.0의 자동 상관 관계 값을 가질 것이다. 상관 관계 길이 lc는 자동 상관 관계 함수의 값이 그 초기값의 어떤 일부인 길이이다. 통상, 상관 관계 길이는 1/e의 값 또는 자동 상관 관계 함수의 초기값의 약 37%를 기초로 한다. 보다 큰 상관 관계 길이는 그 표면이 더 작은 상관 관계 길이를 갖는 표면보다 덜 임의적임을 의미한다.
본 발명의 어떤 실시예에서, 광학 기판(24)의 3차원 표면에 대한 자동 상관 관계 함수 값이 상관 길이가 약 1㎝ 이하인 그 초기값의 1/e 이하로 떨어진다. 또 다른 실시예에서, 자동 상관 관계 함수의 값은 약 0.5㎝ 이하인 그 초기값의 1/e로 떨어진다. 기판의 다른 실시예에서, 길이 1을 따라서 자동 상관 관계 함수의 값은 약 200 미크론 이하인 그 초기값의 1/e 이하로 떨어진다. 다른 실시예에서, 폭 w를 따라서 자동 상관 관계 함수의 값은 약 11 미크론 이하인 그 초기값의 1/e 이하로 떨어진다.
밝기 개선을 위해 후광 디스플레이에서의 위에서 설명한 광학 기판(24)의 사용과는 별개로, 기판은 또한 광범위하게 다양한 다른 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 기판(24)의 실시예는 프레넬 렌즈(Fresnel lenses), 하이브리드 글래스/플라스틱 렌즈, 광 홀스크, 확산기 필름, 홀로그라피 기판 또는 종래의 렌즈, 프리즘 또는 미러와의 조합에 이용될 수 있다. 이러한 실시예는 고정된 특성을 갖는 동심원 또는 타원을 변화시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 광학 기판은 1차 또는 다차 반사성, 투과성의 또는 부분적 투과성의, 광 흡수 또는 비 광 흡수 장치, 프리즘, 홀로그라피 광학 소자 또는 확산 격자에서 사용될 수 있다. 기판은 투사 디스플레이, 조명 간판 및 신호등과 같은 기타 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 변형 및 변경이 가능하므로, 실시예의 명시한 세부사항들에 국한되어서는 안된다. 본 발명은 다음 청구의 범위의 범주 내에 변경 및 변형을 포함한다.
제조 결함을 미연에 방지하고, 이들 광학 장치의 기판에서의 광 결합을 감소시킨다.
도 1은 후광 디스플레이 장치(backlight display device)의 3차원 도면,
도 2는 굽은 측벽 또는 면(curved sidewall or facet)을 갖는 프리즘 구조의 단면에 의해 특징지어지는 표면을 포함하는 광학 기판의 투시도,
도 3은 굽은 측벽 또는 면을 갖는 프리즘 구조의 단면에 의해 특징지어지는 표면을 포함하는 광학 표면의 제 1 단면도,
도 4는 굽은 측벽 또는 면을 갖는 프리즘 구조의 단면에 의해 특징지어지는 표면을 포함하는 광학 기판의 제 2 단면도,
도 5는 처음 것은, 직각 프리즘(right angle prism)의 단면에 의해, 두 번째 것은 도 3의 굽은 측벽 또는 면에 의해, 세 번째 것은, 도 4의 굽은 측벽 또는 면에 의해 특징지어지는 표면을 포함하는 광학 기판에서 수평으로 보는 방향의 함수로서의 밝기의 그래프,
도 6a는 하나의 다항식 함수에 의해 설명되는, 도 3 및 4의 굽은 측벽 또는 면의 복합 각 프리즘 구조 및 기하학 파라미터의 단면도,
도 6b는 굽은 측벽을 갖는 프리즘 구조의 단면도,
도 7은 프리즘 구조가 서로에 대한 각(가령, 90°)으로 배치되는 교차 구성으로 배치되는 두 개의 광학 기판의 사시도,
도 8은 프리즘 피크 각(prism peak agnle) 및 기판의 반사율의 함수로서 교차된 광학 기판의 중앙 휘도의 맵,
도 9는 수평으로 보는 각의 함수로서 교차된 광학 기판의 원거리 수평 휘도의 그래프,
도 10은 수직으로 보는 각의 함수로서 교차된 광학 기판의 원거리 수직 휘도의 그래프,
도 11은 마스터 드럼(master drum)인 제조 공정의 제품(workpiece)의 표면을 기계로 만드는(machining) 방법을 나타내는 순서도,
도 12는 제조 공정의 제품이 마스터 플레이트 위에 있는 제조 공정의 제품 표면을 기계로 만드는 방법을 나타내는 순서도,
도 13은 일반적으로 나선형 또는 나선상형(threaded) 경로를 따르는 랜덤 또는 의사 랜덤 패턴을 갖는 마스터 드럼의 다이어그램,
도 14는 일반적으로 동심원을 따르는 랜덤 또는 의사 랜덤 패턴을 갖는 마스터 드럼의 다이어그램,
도 15는 일반적으로 톱니 또는 삼각형 경로를 따르는 랜덤 또는 의사 랜덤 패턴을 갖는 마스터 플레이트의 다이어그램,
도 16은 일련의 경로를 따라서 랜덤 또는 의사 랜덤 패턴을 갖는 마스터 플레이트의 다이어그램,
도 17은 프리즘 구조의 특징을 갖는 절단 도구의 단면도,
도 18은 복합 각의 면을 갖는 도 6a의 프리즘 절단 도구의 다이어그램,
도 19는 "구부러진(bowed)" 경로를 갖는 면이 있는 프리즘 구조를 도시하는 다이어그램,
도 20은 굽은 단면을 갖는 면이 있는 프리즘 구조를 도시하는 다이어그램,
도 21은 "구부러진" 경로 및 굽은 단면을 갖는 면이 있는 프리즘 구조를 도시하는 다이어그램,
도 22는 통신 또는 데이터 네트워크로 원거리 위치와 통신하는 제조 공정의 제품의 표면을 기계로 만들기 위한 시스템 및 장치의 개략도,
도 23은 제조 공정의 제품의 표면에서 측면이 변화된 홈을 파기 위한 고속 도구 서보(fast tool servo)를 구비하는 마스터 머신 시스템의 개략도,
도 24는 기계로 만들어진 제조 공정의 제품 표면의 표면에 도입되는 절단 경사를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 후광 디스플레이 장치 12 : 광학 소스
14 : 광 유도 장치(light guide) 16 : 광
18 : 반사 기판 22 : 표면
26 : 프리즘 구조 28 : 확산기

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 프리즘 구조를 포함하는 광학 기판으로서,
    각각의 상기 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 조정되는 제 1 표면 구조 함수에 의해 특징지어지는 제 1 표면을 구비하되,
    상기 제 1 표면 구조 함수는, 각각의 상기 적어도 하나의 프리즘 구조가 상기 기판에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시키는 적어도 하나의 굽은 면을 갖는 단면을 갖도록 하는 특성을 가지고,
    제 2 표면 구조 함수는 상기 기판에 입사하는 상기 광을 더 확산시키는 특성을 갖는
    광학 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    광학 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, ai는 계수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이고, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    광학 기판.
  4. 청구항 1항에 청구한 상기 광학 기판을 제조하는 방법으로서,
    절단 도구가 제조 공정 중의 제품(workpiece)의 표면과 접촉하게 하는 단계와,
    적어도 하나의 절단 패스에서, 상기 제조 공정 중의 제품의 상기 표면 내의 경로를 따라서, 상기 절단 도구와 상기 제조 공정 중의 제품의 상기 표면간의 상대적인 움직임을 야기하는 단계와,
    상기 제조 공정 중의 상기 표면 위에 양의 또는 음의 전기 주조를 형성하여 청구항 1항의 상기 광학 표면을 제공하는 단계를 포함하는
    광학 기판 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    광학 기판 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    광학 기판 제조 방법.
  7. 광학 기판을 제조하기 위한 제조 공정의 제품으로서,
    적어도 하나의 프리즘 구조를 포함하되,
    각각의 상기 적어도 하나의 프리즘 구조는 제 2 표면 구조 함수에 의해 조정되는 제 1 표면 구조 함수에 의해 특징지어지는 제 1 표면을 구비하되,
    상기 제 1 표면 구조 함수는, 각각의 상기 적어도 하나의 프리즘 구조가 상기 기판에 입사하는 광을 디포커싱하여 확산시키는 적어도 하나의 굽은 면을 갖는 단면을 갖도록 하는 특성을 가지고,
    제 2 표면 구조 함수는 상기 기판에 입사하는 상기 광을 더 확산시키는 특성을 갖는
    제조 공정의 제품.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    제조 공정의 제품.
  9. 후광 디스플레이 장치로서,
    광을 발생시키기 위한 광원과,
    상기 광을 유도하기 위한 광 유도 장치로서, 상기 광 유도 장치 밖으로 상기 광을 반사하기 위해 상기 광 유도 장치를 따라서 자체에 배치되는 반사 장치를 포함하는 광 유도 장치와,
    상기 반사 장치로부터의 상기 광을 수신하는 청구항 1항의 상기 광학 기판을 포함하는
    후광 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굽은 면은 등식
    에 의해 정의되며, z는 제 1 기준점에서 시작해서 제 2 기준점에서 끝나는 직선으로부터 상기 굽은 면의 표면의 수직 편이이고, 상기 등식의 계수는 다음 근사 범위: -20 < c < 20, -10 < d < 10, -10 < e < 10, -10 < f < 10 및 -1 < k 또는 0 이하 내이며, r은 상기 직선을 따라서 상기 제 1 기준점으로부터의 거리인
    후광 디스플레이 장치.
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