KR20060028438A

KR20060028438A - 조명 시스템

Info

Publication number: KR20060028438A
Application number: KR1020057025361A
Authority: KR
Inventors: 휴버티나 피. 엠. 허크
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-03-29
Also published as: US20060250541A1; CN1816769A; WO2005003850A1; EP1644773A1; JP2007519172A

Abstract

조명 시스템(8)은, 광학적으로 투명한 성분으로 제작되며 4개의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(18)을 포함한다. 단면들 중 하나(10)를 통해 광 도파관(18) 속으로 커플링되는 광의 광원(12)이 이 단면(10)에 대향하게 배치된다. 광 도파관(18)은 도광판(30)을 갖는다. 액정을 포함하는 복굴절층(36)은 도광판(30)의 출사 표면 측 상에 구비된다. 제1 전극(40) 및 제2 전극(44)은 둘 다 복굴절층(36)과 전기적 콘택트를 가지며, 전압 발생기(46)에 연결되어 있다. 전극들(40, 44) 간에 인가되는 전압을 변경시킴으로써, 액정을 포함하는 복굴절층(36)의 복굴절 특성이 다양하게 변화되어 출사 표면(16)을 통해 커플링 아웃되는 광의 방향을 제어할 수 있다.

조명, 광 도파관, 도광판, 액정, 복굴절, 등방성, 이방성

Description

조명 시스템{ILLUMINATION SYSTEM}

본 발명은, 광학적으로 투명하고 하나의 출사 표면(exit surface) 및 복수의 단면(end faces)을 가지는 광 도파관(optical waveguide)으로서, 단면 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 단면에서 광 도파관으로 커플링 아웃되는(coupled out) 광을 방출하는 광원에 대향하게 배치되어 있고, 광 도파관은 광원에 의해 방출되는 광을 편광시키기 위한 편광 수단이 내부에 통합되어 있는 광 도파관과 관련된다.

본 발명은 또한, 광학적으로 투명하고 하나의 출사 표면(exit surface) 및 복수의 단면(end faces)을 가지는 광 도파관으로서, 단면 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 단면에서 광 도파관으로 커플링 아웃되는 광을 방출하는 광원에 대향하게 배치되어 있고, 편광 수단은 광원에 의해 방출되는 광을 편광시키도록 되어 있는 광 도파관 내에 편광 수단을 제작하는 방법에 관련된다.

본 발명은 또한, 광학적으로 투명하고 하나의 출사 표면(exit surface) 및 복수의 단면(end faces)을 가지는 광 도파관으로서, 단면 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 단면에서 광 도파관으로 커플링 아웃되는 광을 방출하는 광원에 대향하게 배치되어 있고, 광 도파관은 광원에 의해 방출되는 광을 편광시키기 위한 편광 수단이 내부에 통합되어 있는 광 도파관을 포함하는 조명 시스템으로부터 편광광을 결합시키는 방향을 제어하는 방법과 관련된다.

편광된 또는 편광되지 않은 광을 이용한 조명은 널리 쓰이는 기술이다. 일 예시로 모바일 폰, PDA 또는 다른 전자 장치의 사용자- 이하에서는 뷰어로 지칭됨 -에게 정보를 디스플레이하기 위해 종종 사용되는 LCD 디스플레이의 조명을 들 수 있다. LCD 디스플레이는, 바람직하게는 편광광을 이용하여 조명된다. 조명은 광이 디스플레이 패널을 통해 뷰어를 향해 방출되는 백라이트 조명으로서, 또는 광이 디스플레이 패널을 통해 방출된 후 뷰어를 향해 반사되는 프론트라이트 조명으로서 구현될 수 있다. 국제출원 WO 01/51849는 디스플레이 패널의 조명을 제공하기 위한 광 도파관을 포함하는 디스플레이 장치를 개시한다. 광 도파관은 복굴절(birefringent) 물질로 채워진 홈들(grooves)을 구비한다. 홈 속의 복굴절 물질은 측면에서 들어오는 빛을 상호 반대의 편광을 갖는 2개의 광선으로 분리한다. 그 다음, 광 도파관의 홈은 이방성의 단축(anisotropic uniaxial) 물질, 예컨대 네마틱(nematic) 액정 물질로 채워져서 원하는 편광의 편광광을 조명될 디스플레이 패널을 향해 커플링 아웃시켜 준다. 편광광을 이용한 조명은 실내 조명(room lighting)에서도 사용될 수 있다. WO 01/51849에 개시된 바와 같은 종래 기술의 조명 시스템에서, 편광광의 커플링 아웃 방향은 고정되어 있어서 제어될 수 없다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거 또는 줄인 조명 시스템을 제공하는 것으로서, 편광광의 커플링 아웃되는 방향을 제어할 수 있는 시스템을 제공하는데 있다. 이 목적은 전제부 및 이하의 구성요소를 포함하는 편광 수단을 특징으로 하는 조명 시스템으로써 달성된다.

광학적으로 투명한 물질로 이루어지고, 적어도 하나의 단면에서 광 도파관 속으로 커플링된 광을 수신하도록 되어 있는 도광판(light guide),

액정을 포함하고, 도광판의 출사 표면 측 상에 제공되는 복굴절층, 및

제1 전극과 제2 전극- 두 전극은 모두 복굴절층과 전기적 콘택트를 가지며, 두 전극들 사이에 전압을 인가하는 전압 발생기에 연결되도록 되어 있으며, 이에 따라 액정을 포함하는 복굴절층의 복굴절 특성은 출사 표면을 통해 커플링 아웃되는 광의 방향을 제어하도록 다양하게 변화될 수 있음 -.

본 발명의 장점은 커플링 아웃되는 광의 방향이 제어되어 다양하게 변화될 수 있다는 점이다. 따라서 조명 시스템에 의해 제공되는 조명은 조명이 될 환경 조건, 대상의 성질 또는 활동 상태 및 사용자의 기호에 대응하여 다양하게 변화될 수 있다. 액정은 LCD 디스플레이 애플리케이션으로 잘 알려져 있으며, 손쉽게 이용할 수 있다. LCD 애플리케이션에서 전압을 변경하여 복굴절 특성을 제어하는 것은 간단하며 강인한 프로세스로 잘 알려져 있다. 따라서 본 조명 시스템은 일반 제조 방법에 기초한 것으로 제조 비용이 적고, 처리가 수월하다.

청구항 2에 따른 수단은 출사 표면으로부터 큰 각도, 심지어 출사 표면과 수직으로 광을 커플링 아웃시켜주는 장점을 갖는다. 따라서, 마이크로구조는 광의 커플링 아웃 방향을, 예컨대 상대적으로 고전압이 인가된 경우 출사 표면에 거의 법선이 되는 각도로부터, 예컨대 저전압이 인가되거나 전압 인가가 없는 경우 출사 표면의 법선에 대해 큰 각도를 갖는 범위까지 제어를 가능하게 해 준다.

청구항 3에 따른 수단은 출사 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 커플링 아웃시키는 효율적인 방법을 제공하는 장점을 갖는다.

청구항 4에 따른 수단은 액정을 액정 상태로 유지하면서, 도광판 상에 복굴절층을 유지시켜 주는 장점을 갖는다. 따라서 조명 시스템은 누설의 위험없이 임의의 방향으로 적응될 수 있다. 보호 커버(protective cover)도 복굴절층을 손상 및 오염으로부터 보호한다.

청구항 5에 따른 수단은 복굴절층에 접하는 보호 커버의 면이 일반적으로 평면이고 이에 따라 전극들 중 적어도 하나를 부착하는데 적당한 장점을 갖는다.

청구항 6에 따른 수단은 복굴절층에 접하는 도광판의 표면 상에 전극들을 배치할 필요가 없는 추가의 장점을 갖는다. 상기 도광판의 표면은 마이크로구조, 예컨대 그 안에 전극들을 배치하기가 어려운 홈을 구비할 수 있다. 커버 속에, 복굴절층에 접하는 버퍼 면 상에 두 전극들을 배치함으로써 제조가 수월해지고, 형상 선택 및 도광판 상에 마이크로구조들을 배치하는데 있어 자유도가 증가된다.

청구항 7에 따른 수단은 커버 속에 및/또는 도광판 상에 전극들을 배치하는 추가적인 자유도를 제공하는 장점을 갖는다.

청구항 8에 따른 수단은 조명 시스템의 단지 일부만을 처리할 가능성을 제공하는 장점을 갖는다. 따라서 전극들의 단지 일부에 전압을 인가하기 위한 별도의 전압 발생기 또는 스위치를 사용할 수 있으므로 조명 시스템의 일부에서만 큰 각도로 광을 커플링 아웃시킬 수 있다.

청구항 9에 따른 수단은 상기 광의 강도를 감소시키지 않고, 커플링 아웃되는 광의 경로 내에 전극들을 배치시킬 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명의 다른 목적은, 편광광의 커플링 아웃되는 방향이 제어될 수 있는 조명 시스템에서 사용하기 위한, 제어가능한 편광 수단을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

이 목적은 전제부 및 이하 단계를 특징으로 하는 방법으로써 달성된다.

적어도 하나의 단면에서 광 도파관 속으로 커플링된 광을 수신하기 위한, 광학적으로 투명한 물질의 광 도파관을 형성하는 단계,

도광판의 출사 표면 측 상에, 액정을 포함하는 복굴절층을 형성하는 단계 및

편광 수단에 의해, 편광광을 출사 표면을 통하여 커플링 아웃시키는 방향을 제어하기 위하여 제1 전극과 제2 전극을, 액정을 포함하는 복굴절층에 연결하는 단계.

이 편광 수단을 제조하는 방법의 장점은 LCD와 같은 다른 기술 분야에서 공지된 컴포넌트들을 사용할 수 있다는 점이다. 따라서, 제조되는 편광 수단은 강인하며 제조 비용이 상대적으로 적게 들며, 광의 커플링 아웃되는 방향을 쉽게 제어할 수 있도록 해 준다.

청구항 11에 따른 수단은 조명 시스템 내에 하나 또는 두 전극 모두를 제공하는 간단하면서 효율적인 방법을 제공하는데, 왜냐하면 복굴절층에 접하는 보호 커버의 면이 일반적으로 평평해서 하나 또는 수개의 전극을 부착하는데 적당하기 때문이다.

본 발명의 다른 목적은 조명 시스템으로부터 편광광을 커플링 아웃시키는 방향을 제어하는 방법을 제공하는 데 있다.

이 목적은 전제부 및 이하 구성요소를 포함하는 편광 수단의 사용을 특징으로 하는 방법으로써 달성된다.

광학적으로 투명한 물질로 이루어지고 적어도 하나의 단면에서 광 도파관 속으로 커플링된 광을 수신하도록 되어 있는 도광판,

도광판의 출사 표면 측 상에 제공되는, 액정을 포함하는 복굴절층 및

복굴절층과 전기적 콘택트를 갖는 제1 전극과 제2 전극

을 포함하고, 여기서 제1 및 제2 전극 사이에 전압이 인가되며, 전압은 편광광이 출사 표면을 통하여 커플링 아웃되는 원하는 방향을 제공한다.

이 방법의 장점은 커플링 아웃되는 광의 방향이 간단한 수단, 예컨대 전압 발생기로 제어될 수 있다는 것과 그러한 전압 발생기 자체를 제외하고는 광이 커플링 아웃되는 방향을 제어하는데 어떤 기계적인 수단도 필요로 하지 않는다는 점이다. 따라서 광이 커플링 아웃되는 방향의 제어는 말단 사용자 또는 뷰어에 의해 처리되기 쉽고, 기계적인 컴포넌트의 결여에 대해 강인하다. 따라서 커플링 아웃되는 광의 방향을 제어하는 발명 방법은 쉬운 처리 및 강인한 동작이 요구되는 다수의 조명 분야에서 적당하다.

청구항 13에 따른 수단은 직접 조명, 즉 출사 표면에 수직이거나 그보다 약간 작은 각도로 커플링 아웃되는 광 및 확산 조명 즉, 출사 표면의 법선에 대해 큰 각도로 커플링 아웃되는 광의 가능성을 동시에, 동일한 조명 시스템으로 제공하는 장점을 갖는다. 사용자는 조명 시스템을 제어하여 어떤 유형의 조명을 어느 영역에 제공해야 할지 선택할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 태양은 이하에서 기술되는 실시예들을 참조하여 밝혀지며 명백해질 것이다.

본 발명은 이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세히 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 조명 시스템을 구비한 반사 디스플레이 장치를 도시한 단면도.

도 2는 도 1의 조명 시스템을 보다 상세히 도시한 단면도.

도 3은 조명 시스템의 제1 및 제2 전극 사이에 고전압이 인가된 경우, 도 2의 조명 시스템을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 시스템을 구비한 실험실을 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 단면도.

도 6은 도 5의 커버 유리를 화살표(VI) 방향으로 본 단면도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에서 사용되는 커버 유리를 도시한 평면도.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 단면도.

도면들은 개략적인 것으로 비례에 맞춰진 것이 아니다. 대응 컴포넌트들은 일반적으로 동일한 참조 번호를 갖는다.

이하에서, "복굴절(birefringent)"이란 제1 편광의 광에 대한 하나의 굴절 률, 일반 굴절률 및 상기 제1 편광에 대비되는 제2 편광의 광에 대한 다른 굴절률, 특별 굴절률을 갖는 투명한 물체이다. 복굴절을 나타내는 물질은 "이방성(anisotropic)"으로 불릴 수 있다. 광의 편광에 관계없이 동일한 굴절률을 갖는 물질은 "등방성(isotropic)"이라고 불린다.

도 1에 개략적으로 도시된 디스플레이 장치(1)는 이미지 디스플레이 패널(2) 및 뷰어(도시 생략)와 디스플레이 패널(2) 사이에 위치함으로써 디스플레이 패널(2)의 프론트라이트 조명을 제공하는 조명 시스템(8)을 포함한다.

이미지 디스플레이 패널(2)은 2개의 기판(3, 4) 사이에 액정 물질을 포함하는데, 트위스트 네마틱(TN: twisted nematic), 수퍼트위스트 네마틱(STN) 또는 강유전 효과(ferroelectric effect)에 기초하여 입사광의 편광 방향을 변조한다. 이미지 디스플레이 패널(2)은, 예컨대 기판(3) 상에 광-반사성 화상 전극(light-reflecting picture electrodes; 6)이 구비된 픽셀들의 매트릭스를 포함한다. 기판(4)은 광-투과성(light-transmissive)이며, 하나 이상의 광-투과성 전극(7), 예컨대 ITO(Indium-Tin Oxide)를 갖는다. 화상 전극들은 연결선(connection wires; 6', 7')을 통해 전기 전압을 제공받으며, 연결선은 구동 유닛(9)을 통해 구동 전압을 제공받는다. 기판 및 전극들은 공지의 수단을 통해 배향층(orientation layer; 15)으로 코팅된다.

조명 시스템(8)은, 광학적으로 투명한 성분으로 이루어지며 4개의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(18)을 포함한다. 단면들 중 하나, 예컨대 10을 통해 광 도파관(18) 속으로 커플링되는 광의 광원(12)이 이 단면에 대향하게 배치된다. 광원 (12)은, 예컨대 튜브 형광 램프(tubular fluorescent lamp)가 될 수 있다. 이와 달리, 광원은 하나 이상의 발광 다이오드(LED)로 이루어질 수 있는데, 예컨대 휴대용 전화기와 같은 작은 크기의 이미지 디스플레이 패널을 갖는 평판 디스플레이 장치에서 주목할 만하다. 나아가, 광원(12)은 탈착가능할 수 있다.

광 도파관(18)의 출사 표면 또는 출사면(16)은 이미지 패널(2)에 접해 있다. 광이 커플링되어 들어가지 않는 투명판의 각 단면(10')에는 반사기가 구비될 수 있다. 출사면(16)에서 커플링 아웃되지 않고 그 결과 광 도파관(18)을 진행하여 단면(10')에 도달한 광은 이러한 방식으로, 이 단면(10')을 통해 광 도파관(18)을 벗어나는 것이 방지된다.

조명 시스템(8)의 광 출력에 영향을 주지 않고 광 도파관(18)으로부터 광이 벗어나는 것을 방지하기 위해, 광원(12)의 광은 바람직하게는 커플링 수단(13)을 통해 광 도파관(18) 속으로 커플링된다.

광원(12)으로부터 나온 광 빔(20)은 이하에서 기술되는 방식으로 편광광으로 변환되는데, 주로 한 편광의 광이 반사성 이미지 디스플레이 패널(2)로 굴절되고(빔; 21), 픽셀 상태에 따라 동일한 또는 반대의 편광이 반사된다(빔; 22).

픽셀에서 반사된 후, 반대 편광의 광은 위상판(phase plate) 또는 지연기(retarder; 24)에서 선형 편광광으로 변환되어 편광기(25)에 도달하며, 이 실시예에서, 전도축(transmission axis)의 방향은 반사된 광이 흡수되도록 잡힌다.

내부 표면들(예컨대, 표면(16))에서 반사되어 이탈한 광은 빔(22)의 편광과 반대의 편광을 가지며, 지연기(24)에서 또한 선형 편광광으로 변환되어 편광기(25) 에서 흡수된다(빔; 26). 내부 반사에 의해 광 도파관(18) 내에서 생성된 기생 광 또한 편광기(25)에서 흡수된다(빔; 27).

도 2는 광 도파관(18)을 포함하는 조명 시스템(8)의 측면 단면도이다. 광 도파관(18)은 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 양호한 광 특성을 갖는 물질로 제작된 사각형의 평행육면체(rectangular parallelpiped)인 도광판(flat light guide; 30)을 갖는다. 도광판(30)의 치수는 실제 애플리케이션에 맞게 되어 있는데, 전형적인 예로서 PDA 디스플레이용으로 두께 1mm인 60mm×60mm의 치수를 들 수 있다. 도광판(30)은 디스플레이 패널(2)에 접하며 이에 따라 도광판(30)의 출사 표면 측 상에 위치하는 표면(32)을 갖는다. 표면(32)은 커플링 아웃을 위한 삼각홈(triangular groove; 34) 형태의 마이크로구조를 구비하는데, 이것은 광원(12)으로부터 광이 커플링 인되는 단면(10)과 평행하게 뻗어 있다. 복굴절층(36)은 디스플레이 패널(2)에 접하는 도광판(30)의 상기 표면(32) 상에 부착된다. 복굴절층(36)은 액상 기반(liquid matrix) 내의 비중합(non-polymerizable) 스위치가능(switchable) 액정을 포함한다. 액정은, 바람직하게는 액정 디스플레이(LCD)에서 전형적으로 사용되는 것이다. 따라서 액정은 전압이 인가되면 배향이 변경된다. 액정의 배향 변경은 또한, 액정을 포함하는 복굴절층의 이방성 방향에 영향을 준다. 따라서, 복굴절층의 일반 굴절률과 특별 굴절률 간의 차이는 인가되는 전압에 따라 달라진다. 바람직하게는, 복굴절층(36)의 일반 굴절률은 (등방성) 도광판(30)의 굴절률과 유사하다. 복굴절층(36)은 액상으로 간주될 수 있다. 따라서 홈들(34)은 액정을 포함하는 액상 기반으로 채워진다.

표면(32) 상에 위치한 액상 복굴절층(36)을 유지시키기 위하여 도광판(30) 상에 투명 커버 유리(38) 형태의 투명 보호 커버가 부착된다. 제1 전극(40)은 복굴절층(36)에 접하는 커버 유리(38)의 표면(42)에 부착된다. 따라서 제1 전극(40)은 복굴절층(36)과 접해 있다. 제1 전극은, 바람직하게는 투명한 도전성 물질인 ITO로 제작된다. 제2 전극(44)은 도광판(30)의 표면(32)에 부착된다. 따라서, 제2 전극도 복굴절층(36)과 접해 있다. 제2 전극(44)은, 제1 전극(40)과 동일한 물질, ITO로 제작될 수 있는데, 상호 전기적 콘택트(도시 생략)를 갖는 줄띠(strip)로 형성되어 홈들(34)을 위한 개구들(openings)을 제공한다. 제1 전극(40) 및 제2 전극(44)은 전압 발생기(46)에 연결되어 있다. 표면(32) 및 면(42)은 배향층들(도 2에서는 도시 생략)로 커버될 수 있으며, 이는 적절한 배향을 제공하기 위한 것으로 LCD 기술에서 공지된 것이다.

도 2에 도시된 상황은 전압 발생기(46)에 의해 제1 전극(40)과 제2 전극(44) 사이에 저전압(일반적으로 0-2V이며, 액정 유형에 따라 달라짐)이 인가된 것이다. 이러한 저전압에서, 복굴절층(36)에 있는 연장된 구조의 액정은 그 각각의 길이축이 홈(34)의 방향과 직교로 정렬되도록 배향된다. 이러한 액정의 배향에서, 복굴절층의 특별 굴절률은 거의 일반 굴절률과 동일하다. 편광되지 않은 광의 빔(20)이 광원(12)으로부터 발산된다. 빔(20)이 복굴절 물질, 즉 액상 기판의 액정들로 채워진 홈(34)에 입사하면, 도광판(30)의 굴절률보다 약간 더 큰 특별 굴절률에 의해 빔(20)은 s-편광광(즉, 종이의 면과 일치하는 광파면)의 빔(21)과 p-편광광(즉, 종이 면에 직교하는 광파면)의 빔(26)으로 분리된다. 도 2에서 명백하다시피, p- 편광광의 빔(26)은 전혀 굴절되지 않는데, 이는 p-편광광의 빔(26)이 홈(34)의 복굴절 물질의 일반 굴절률의 지배를 받고, 이 때 복굴절 물질의 일반 굴절률은 도광판(30)의 굴절률과 실질적으로 동일하기 때문이다. 그러나 s-편광광의 빔(21)은 홈(34)의 복굴절 물질의 특별 굴절률의 지배를 받고, 상기 특별 굴절률은 도광판(30)의 굴절률보다 크기 때문에 굴절된다. 도 2에 도시된 바와 같이 빔(21; s-편광광)은 다소 작은 각도(α1)로 빔(26; p-편광광)으로 커플링 아웃되는다. 이것은 복굴절층의 특별 굴절률이 일반 굴절률보다 많이 크지 않다는 사실에서 비롯된다. 그 다음 빔(21)은 상술된 바와 같이 디스플레이 패널(2)로 입사한다. 빔(26)은 내부에서 광 도파관(18) 안으로 전반사되는데, 최종적으로는 디스플레이 패널(20)에 도달하지 못할 정도의 작은 각도로 광 도파관(18)으로부터 커플링 아웃되거나, 또는 단면들(10, 10') 중 하나를 통해 광 도파관(18)을 벗어날 수 있는데, 이 경우는 확산단 반사기(diffuse end reflector; 도 2에서 도시 생략)에 의해 효과적으로 재순환될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 광원(12)으로부터의 광은 도광판(30)의 면에 대해 상대적으로 작은 각도로 도광판(30) 속으로 커플링되는데, s-편광광은 도광판(30)의 면에 대해 상대적으로 큰 각도로 커플링 아웃되는다. 광원(12)에서 나오는 광빔(20)의 각도가 작기 때문에 원하지 않는 편광의 광, 즉 p-편광광이 출사면(16)을 통해 커플링 아웃되는 것을 방지하고, 그 대신 p-편광광을 출사면(16)에서 반사시킨다.

도 3은 도 2에 도시된 동일한 조명 시스템(8)을 도시한 것이다. 그러나 도 3은 전압 발생기(46)에 의해 제1 전극(40)과 제2 전극(44) 사이에 고전압(일반적으로 10-15V이며, 액정 유형에 따라 달라짐)이 인가된 경우의 상황을 도시한다. 이러한 고전압에서, 복굴절층(36)에 있는 액정은 그 각각의 길이축이 홈(34)의 방향에 평행으로 정렬되도록 배향된다. 이러한 액정의 배향에서, 복굴절층의 특별 굴절률은 일반 굴절률보다 훨씬 더 크다. 다시, 광의 빔(20)은 복굴절 물질로 채워진 홈(34)에서 s-편광광(즉, 종이의 면과 일치하는 광파면)의 빔(21)과 p-편광광(즉, 종이 면에 직교하는 광파면)의 빔(26)으로 분리된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빔(21; s-편광광)은 빔(26; p-편광광)에 대해 큰 각도(α2)로, 거의 출사면(16)에 수직으로 커플링 아웃되는다. 이것은 복굴절층의 특별 굴절률이 일반 굴절률보다 훨씬 더 크다는 사실에서 비롯된다. 빔(21)은 거의 표면(32)에 직각으로 조명 시스템(8)을 떠나서 디스플레이 패널(2)로 입사한다.

따라서, 조명 시스템(8)으로부터 디스플레이 패널(2)을 향해 커플링 아웃되는 광의 방향을 조정하여 좀 더 눈부심 차단(off-glare)되는 각도로 배향되도록 할 수 있는데, 이로써 디스플레이 장치(1)를 보는 뷰어는 장치에서 제공되는 정보를 좀 더 수월하게 볼 수 있게 된다.

도 2에 표시된 전압과 도 3에 표시된 전압 간의 인가 전압 범위를 조정함으로서 커플링 아웃되는 광의 각도를 더 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 애플리케이션을 나타낸다. 실내 조명을 위한 조명 시스템(108)은 도 2를 참조하여 상술된 것과 유사하다. 따라서, 도 4에 도시된 조명 시스템(108)은 PMMA와 같은 양호한 광 특성을 갖는 물질로 제작된 사각형의 평 행육면체인 도광판(130)을 갖는 광 도파관(118)을 포함한다. 도광판(130)의 치수는 실제 애플리케이션에 맞게 되어 있는데, 전형적인 예로서 실내 조명용으로 두께 10mm인 1m×1m의 치수를 들 수 있다. 도광판(130)은 실험실 내부(102)를 향하는 표면(132)을 갖는다. 표면(132)은, 편광되지 않은 광을 공급하는 램프(112) 형태의 광원으로부터 광이 커플링 인되는 단면(110)과 평행하게 뻗어 있는 삼각홈들(134)을 구비한다. 액정을 포함하는 복굴절층(136)은 방(102)을 향하는 도광판(130)의 표면(132) 상에 부착된다. 표면(132) 상에 위치한 액상 복굴절층(136)을 유지하기 위하여 도광판(130) 상에 투명 커버 유리(138)가 부착된다. 복굴절층(136)과 콘택트를 갖는 제1 및 제2 전극(140, 144)은 전압 발생기(146)에 연결되어 있다. 전압 발생기(146)에 의해 공급되는 전압은 사람, 예컨대 방(102) 안의 환자(107)를 검사하는 간호사(105)에 의해 제어된다. 전압 발생기(146)는, 예컨대 스위치나 핸드헬드 원격 제어기(handheld remote control; 109)에 의해 제어될 수 있다. 확산 조명을 원하는 경우, 전극(140, 144)에 저전압이 인가된다. 그 때, 편광광의 빔(121A)은 커버 유리의 출사면(116)의 법선에 대해 큰 각도로, 즉 방(102)의 천장(103)을 향하여 커플링 아웃될 것이다. 편광집중된 직접 조명을 원하는 경우, 예컨대 간호사(105)가 검사 중인 환자(107)에게 직접 조명이 필요한 경우, 전극(140, 144)에 고전압이 인가된다. 그 때, 편광광의 빔(121B)은 거의 출사면(116)에 직교하도록, 예컨대 환자(107)를 향해 직접 커플링 아웃될 것이다. 두 경우 모두, 원하지 않는 편광의 광(빔; 126)은 반사되어 도광판(130) 내부로 순환된다.

도 5는 본 발명의 대안적 실시예의 단면도이다. 도 5에 도시된 조명 시스템(208)은 도 2에 도시된 조명 시스템(8)과 전극 및 커버 판의 설계에서만 차이가 있다. 커버 유리(238)는 액정을 포함하는 복굴절 물질(236)이 적절히 자리잡도록 도광판(230) 상에 부착된다. 다수의 연장된 줄띠(241)를 포함하는 제1 전극(240)은 복굴절층(236)에 접하는 커버 유리(238)의 표면(242)에 부착된다. 다수의 연장된 줄띠(245)를 포함하는 제2 전극(244)도 복굴절층(236)에 접하는 커버 유리(238)의 표면(242)에 부착되는데, 줄띠들(245)이 줄띠들(241) 사이에 위치하여 그들 간에 전기적으로 절연되도록 부착된다.

도 6은 도 5에서 화살표(VI) 방향으로 본 커버 유리(238)의 평면도이다. 확인할 수 있는 바와 같이, 제1 전극(240)의 줄띠들(241)은 공통 회선(243)을 통해 전압 발생기(246)에 연결된다. 마찬가지로, 제2 전극(244)의 줄띠들(245)은 공통 회선(247)을 통해 전압 발생기(246)에 연결된다. 전극들(240, 244)의 배치는 "평면 내 스위칭(in-plane switching)"으로 지칭될 수 있는데, 왜냐하면 편광광의 커플링 아웃을 제어하는데 사용되는 전극들(240, 244) 둘 다가 동일 평면, 즉 표면(242) 상에 위치하기 때문이다. 이러한 배치 덕분에, 홈들(234)이 형성되는 도광판(230) 상의 표면(232) 상에 전극들이 위치할 필요가 없어진다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 7은 커버 유리(338)의 평면도를 도시한다. 이 커버 유리(338)는 도 5에 제시된 도광판(230)과 동일한 기본 설계를 갖는 도광판을 사용하는 것으로 의도된다. 그러나 커버 유리(338)는 도 6에 도시된 커버 유리(238)와 전극 설계에 있어서 차이가 있다. 복굴절층(도 7에서 도시 생략)에 접하는 커버 유리(338)의 표면(342)은 제1 영역(350), 제2 영역(360) 및 제3 영역(370)으로 나뉘어진다. 제1 영역(350)은 표면(342)에 부착된 줄띠 형상의 제1 전극(352) 및 줄띠 형상의 제2 전극(354)을 갖는다. 전극들(352, 354)은, 함께 제1 전극 셋트를 형성하며 전압 발생기(356)에 연결된다. 제2 영역(360)은 표면(342)에 부착된 줄띠 형상의 제1 전극(362) 및 줄띠 형상의 제2 전극(364)을 갖는다. 전극들(362, 364)은, 함께 제2 전극 셋트를 형성하며 전압 발생기(366)에 연결된다. 제3 영역은 어떤 전극도 구비되지 않는다. 커버 유리(338)를 사용함으로써, 전압 발생기(356)에서 제1 전압을 인가하여 제1 영역(350)에서 출사면(316)을 통해 원하는 방향으로 편광광을 커플링 아웃시킬 수 있다. 제2 전압은 제1 전압과 독립적인데, 전압 발생기(366)에서 인가되어 제1 영역(350)에서 커플링 아웃되는 광과 독립적으로, 제2 영역(360)에서 출사면(316)을 통해 원하는 방향으로 편광광을 커플링 아웃시켜 준다. 제3 영역(370)에서, 편광광은 출사면(316)을 통해 작은 각도, 예컨대 전압 발생기(356, 366)에서 인가되는 전압에 관계없이 확산 배경 조명을 달성한다. 따라서, 도 7에 도시된 커버 유리(338)는 제3 영역에서 작은 각도로 커플링 아웃되는 소정의 편광광 및 제1, 제2 영역(350, 360)에서 커플링 아웃되는 광의 방향을 독립적으로 제어할 수 있는 가능성을 제공한다.

도 7에서 개략적으로 파선으로 표시된 대안적 실시예에서, 단 하나의 전압 발생기(386)와 스위치들(388)이 사용되어 상호 전기적으로 절연된 전극들(352, 354, 362, 364) 중 원하는 것을 선택하여 전압 발생기(386)에 연결한다. 따라서 소정의 영역(350, 360)에서 2개 이상의 별도의 전압 발생기(356, 366)를 사용할 필 요가 없어질 수 있다. 따라서 줄띠 형상의 제1 전극들(352, 362)은 가상의 제1 전극(340)을 형성하는 상호 전기적으로 절연된 줄띠들로 간주될 수 있고, 줄띠 형상의 제2 전극들(354, 364)은 가상의 제2 전극(344)을 형성하는 상호 전기적으로 절연된 줄띠들로 간주될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 대안적 실시예의 단면도이다. 도 8에 도시된 조명 시스템(408)은 도 5에 도시된 조명 시스템(208)과 단지 도광판의 설계에 있어서 차이가 있다. 도 8에 도시된 도광판(430)은 커플링 아웃을 위한 마이크로 구조를 융기(ridges; 434) 형태로 표면(432) 상에 구비한다. 융기(434)는 복굴절층(436)에 의해 둘러싸여 있으며, 복굴절층(436)은 제1 전극(440)과 제2 전극(444)을 또한 운반하는 커버 유리(438)로 덮여 있다. 융기(434)는 상술된 홈들과 유사한 편광광의 커플링 아웃을 제공할 것이다.

상술된 실시예들에 있어서, 다양한 변형들이 첨부된 청구범위의 범위 내에 속할 수 있는 것으로 이해될 것이다.

상기 제시된 물질들은 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 예를 들면, 커버 유리(38, 138, 238, 338)는 유리의 대안으로 적당한 투명 플라스틱 물질로 제작될 수 있다. 도광판(30)은 PMMA 이외 합성 수지 또는 유리 물질과 같은 소정의 다른 투명한 물질로 제작될 수 있다. 커버 유리 및 도광판은 둘 다, 바람직하게는 그에 부착되는 전극들이 단락되는 것을 방지하기 위하여 전기적으로 절연 물질로 제작되어야 한다. 전극들은, 투명 물질의 대안으로서 광에 대해 반투명 또는 완전 불투명의 전기적 도전 물질로 제작될 수 있다. 그러나 투명 전극들, 특히 ITO로 제작된 전극들이 바람직한데, 왜냐하면 광의 강도를 감소시키지 않고, 커플링 아웃되는 광의 경로 상에 배치될 수 있기 때문이다.

커플링 아웃을 위한 마이크로구조는 홈, 융기 또는 임의의 다른 적당한 구조가 될 수 있으며, 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 홈 또는 융기 각도를 포함하여, 홈이나 융기의 크기 및 형상은 각 특정 경우 별로 설계되어 도광판, 복굴절층 및 커버 유리 내에 존재하는 물질에 따라, 또 인가될 전압 크기 별로 광의 원하는 커플링 아웃을 얻는다. 홈은, 바람직하게는 삼각형이며, 복굴절층의 복굴절 물질로 채워져야 한다. 복굴절 물질 그 자체의 특성 또한 커플링 아웃되는 방향 및 스위칭 동작에 영향을 준다.

하나의 광원(12)을 사용하는 것에 대한 대안으로서, 대향하는 단면들에 배치된 2개의 광원을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명은 두 눈에 대해 커플링 아웃되는 광의 방향을 변경시킴으로써, 각 눈에 상이한 정보를 제공하여 3차원 조명 효과를 제공하도록 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 디스플레이 장치(1)는 소위 프론트라이트 조명 시스템(8)을 포함하는데, 즉 조명 시스템(8)이 디스플레이 패널(2)과 편광기(25)를 통해 발산되는 광을 보는 뷰어 사이에 위치한다. 본 발명에 따른 조명 시스템은 백라이트 시스템, 즉 디스플레이 패널이 조명 시스템과 뷰어 사이에 위치하는 데서도 사용될 수 있음은 명백하다. 백라이트 조명 시스템에서, 광 도파관으로부터 편광광은 디스플레이 패널을 향하며, 픽셀 상태에 따라 편광광의 일부가 패널을 통과하여 뷰어에게 도달하게 될 것이다. 따라서 본 발명은 상이한 유형의 LCD 조명 시스템(예컨 대, 투과반사성(transflective), 반사성 또는 투과성)의 조명에 적용가능하며 상기의 예시에 제한되지 않는다.

본 발명이 디스플레이 조명(도 1) 및 실내 조명(도 4)을 위해 어떻게 사용되는지 기술되었다. 본 발명이 적용되는 다른 분야는 내부 차 조명 분야이다. 차 안에서, 조명 시스템으로부터 커플링 아웃되는 광은, 예컨대 도로 지도를 직접 조명하기 위해서 또는 확산 배경 조명을 제공하기 위해서 제어될 수 있다. 본 발명은 차의 전조등 용으로 사용될 수도 있다. 따라서 조명 시스템은 출사 표면에 거의 법선인 각도로 커플링 아웃, 즉 전조등이 켜진 경우 또는 출사 표면에 작은 각도로 커플링 아웃, 즉 전조등을 희미하게 한 경우를 달성하도록 작동될 수 있다.

상기 예시에서, 커플링 아웃되는 편광광은 출사면(16)을 떠나서 디스플레이 패널 또는 환자와 같은 대상에 직접 도달한다. 그러나 출사면(16)에 반사 코팅을 하여 커플링 아웃되는 광을 복굴절층으로 다시 반사시키고 궁극적으로 도광판을 통해 도파관을 떠나도록 할 수도 있다. 이러한 대안은 일반적으로 그다지 흥미롭지 못한데, 왜냐하면 광이 도광판과 복굴절층을 두 번 통과하도록 되는 경우 휘도가 감소하기 때문이다. 그러나 일부 조명 애플리케이션에서 이러한 것이 주목될 수 있다.

상기 설명에서, 고전압을 인가하면 출사면에 거의 수직으로 커플링 아웃되는 결과가 도시되었다. 이것은 유전율 값이 양인 복굴절 물질에 대해서는 참이다. 그러나 유전율 값이 음인 복굴절 물질을 사용하는 것도 가능하며, 그 대신 이 경우 출사면에 거의 수직으로 커플링 아웃되는 것은 저전압을 인가함으로써 달성되며 고 전압을 인가하면 광이 출사면의 법선에 큰 각도로 커플링 아웃되는 결과가 된다.

요약하면, 조명 시스템(8)은, 광학적으로 투명한 성분으로 제작되며 4개의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(18)을 포함한다. 단면들 중 하나(10)를 통해 광 도파관(18) 속으로 커플링되는 광의 광원(12)이 이 단면(10)에 대향하게 배치된다. 광 도파관(18)은 도광판(30)을 갖는다. 액정을 포함하는 복굴절층(36)은 도광판(30)의 출사 표면 측 상에 구비된다. 제1 전극(40) 및 제2 전극(44)은 둘 다 복굴절층(36)과 전기적 콘택트를 가지며, 전압 발생기(46)에 연결되어 있다. 전극들(40, 44) 간에 인가되는 전압을 변경시킴으로써, 액정을 포함하는 복굴절층(36)의 복굴절 특성이 다양하게 변화되어 출사 표면(16)을 통해 커플링 아웃되는 광의 방향을 제어할 수 있다.

Claims

광학적으로 투명하고, 출사 표면(16) 및 복수의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(optical waveguide; 18)을 포함하는 조명 시스템으로서, 광원(12)이 상기 복수의 단면 중 적어도 하나의 단면(10)에 대향하게 배치되되 그 광이 상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링되도록 배치되어 있고, 상기 광 도파관(18)은 상기 광원(12)에서 발산되는 상기 광을 편광시키기 위한 편광 수단(30, 36, 40, 44)이 내부에 통합되어 있고, 상기 편광 수단(30, 36, 40, 44)은,

광학적으로 투명한 물질로 제작되고, 상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링되는 상기 광을 수신하도록 되어 있는 도광판(light guide; 30);

상기 도광판(30)의 출사 표면(16) 측 상에 구비되는, 액정을 포함하는 복굴절층(birefringent layer; 36); 및

제1 전극(40)과 제2 전극(44)을 포함하고,

상기 전극들(40, 44)은 모두 상기 복굴절층(36)과 전기적 콘택트를 가지며, 상기 전극들(40, 44) 사이에 전압을 인가하는 전압 발생기(46)에 연결되도록 되어 있으며, 이에 따라 상기 액정을 포함하는 복굴절층(36)의 복굴절 특성이 상기 출사 표면(16)을 통해 커플링 아웃되는 광의 방향을 제어하도록 변화될 수 있는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 상기 도광판(30)은, 상기 복굴절층(36)과의 접촉면(interface)에 구비되는 마이크로구조(microstructures; 34, 434)를 포함하는 조명 시스템.
제2항에 있어서, 상기 마이크로구조는 홈들(grooves; 34), 상기 홈들(34)에 의해 형성된 공간을 점유하는 상기 복굴절층(36) 및 상기 복굴절층(436)으로 둘러싸인 융기들(ridges; 434)로부터 선택되는 조명 시스템.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 커버(38)가 상기 복굴절층(36) 상에 구비되는 조명 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(40, 44) 중 적어도 하나는 상기 커버(38) 안의, 상기 복굴절층(36)과 접하는 상기 커버(38)의 표면(42) 상에 구비되는 조명 시스템.
제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(240, 244)은 상기 커버(238) 안의, 상기 복굴절층(236)과 접하는 상기 커버(238)의 표면(242) 상에 구비되는 조명 시스템.
제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(240, 244) 중 적어도 하나는 복수의 줄띠(a number of stripes; 241, 245)를 포함하는 조명 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(340, 344) 중 상기 적어도 하나의 상기 줄띠(352, 362, 354, 364) 각각은 상호 전기적으로 절연된 조명 시스템.
제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극(40, 44) 중 적어도 하나는 투명 도전 물질로 제작되는 조명 시스템.
광학적으로 투명하고, 출사 표면(16) 및 복수의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(18)- 광원(12)이 상기 복수의 단면 중 적어도 하나의 단면(10)에 대향하게 배치되되 그 광이 상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링되도록 배치되어 있음 - 안에 상기 광원(12)에서 발산되는 상기 광을 편광시키도록 되어 있는 편광 수단(30, 36, 40, 44)을 제조하는 방법으로서,

상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링된 상기 광을 수신하기 위하여 광학적으로 투명한 물질의 도광판(30)을 형성하는 단계;

상기 도광판(30)의 출사 표면(16) 측 상에 액정을 포함하는 복굴절층(36)을 형성하는 단계 및

상기 편광 수단(30, 36, 40, 44)에 의해, 상기 출사 표면(16)을 통하여 커플 링 아웃되는 편광광의 방향을 제어하기 위하여 상기 액정을 포함하는 복굴절층(36)에 제1 전극(40) 및 제2 전극(44)을 연결하는 단계

를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 보호 커버(38)가 상기 복굴절층(36) 상에 구비되고, 상기 제1 및 제2 전극(40, 44) 중 적어도 하나는 상기 보호 커버(38)의 상기 복굴절층(36)에 접하는 표면(42) 상에 부착되는 방법.
광학적으로 투명하고, 출사 표면(16) 및 복수의 단면(10, 10')을 갖는 광 도파관(18)- 광원(12)이 상기 복수의 단면 중 적어도 하나의 단면(10)에 대향하게 배치되되 그 광이 상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링되도록 배치되어 있고, 상기 광 도파관(18)은 상기 광원(12)에서 발산되는 상기 광을 편광시키기 위한 편광 수단(30, 36, 40, 44)이 내부에 통합되어 있음 -을 포함하는 조명 시스템(8)으로부터 편광광의 아웃커플링의 방향을 제어하는 방법으로서,

광학적으로 투명한 물질로 제작되고, 상기 적어도 하나의 단면(10)에서 상기 광 도파관(18) 속으로 커플링된 상기 광을 수신하도록 되어 있는 도광판(30),

상기 도광판(30)의 출사 표면(16) 측 상에 구비되는, 액정을 포함하는 복굴절층(36); 및

제1 전극(40)과 제2 전극(44)을 포함하는 상기 편광 수단(30, 36, 40, 44)을 사용하는 데에 특징이 있고,

상기 전극들(40, 44)은 모두 상기 복굴절층(36)과 전기적 콘택트를 가지며, 전압이 상기 제1 및 제2 전극(40, 44) 사이에 인가되고, 상기 전압은 상기 출사 표면(16) 통해 커플링 아웃되는 편광광의 원하는 방향을 제공하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 출사 표면(316)은 전용의 제1 및 제2 전극 셋트(352, 354, 362, 364)가 각각 구비되는 별도의 영역들(350, 360)로 분리되고, 상기 특정 영역(350, 360)으로부터 커플링 아웃되는 광의 원하는 개별적인 방향을 제공하기 위하여 상기 각 영역(350, 360)의 상기 전극 셋트(352, 354, 362, 364)에 대해 전압이 개별적으로 인가되는 방법.