KR20070032233A - 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광역 조명 시스템용 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이에 관한 것으로, 동일한 광학적 입사면 상에 배열되고, 각각 반사면과 굴절면을 갖는 다수의 홈이 형성된 복수의 프레넬 렌즈 구조를 포함하며, 상기 입사면을 통해 입사된 광이 상기 홈의 반사면으로부터 내부 전반사되고, 상기 굴절면을 통해 굴절되어 출사되는 것을 특징으로 한다.

마이크로 렌즈, 프레넬, 광역 조명, 전반사, 확산각

Description

내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이 {Total internal reflection micro lens array}

도 1은 본 발명에 따른 소자의 광학적 배열을 도시하는 도면이다.

도 2는 도 1의 소자에 대한 개별 소자(엘리먼트)의 확대도이다.

도 3은 입사빔, 출사빔 및 마이크로 렌즈의 파라미터 사이의 함수적 의존성을 보여주는 도면이다.

도 4는 각도 α로 향해진 입사빔을 요구된 각도의 확산광으로 변환하는 표면을 보여주는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 프레넬 렌즈의 2차원적 모식도이다.

도 6a와 도 6b는 어레이로부터 13㎜의 거리에서 조명 세기 분포, 및 장거리 영역(먼 구역)에서의 분포를 도시하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 프레넬 렌즈의 3차원적 모식도이다.

도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 육각형으로 패킹된 마이크로 렌즈 어레이의 일부 확대도이다.

도 9는 평면-볼록(flat-convex) 렌즈, 볼록-평면(convex-flat) 렌즈 및 프레넬 마이크로 렌즈 어레이의 전체 출사 효율을 설명하는 도면이다.

도 10a와 도 10b는 본 발명의 일실시형태에 따른 렌즈의 전체 치수를 보여주 는 도면이다.

도 11a와 도 11b는 본 발명의 일실시형태에 따른 렌즈의 최종 각도와 선형 분포를 제시하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원 2 : 마이크로 렌즈 어레이

3 : 분석면 4 : 반사부

5 : 굴절부 6 : 홈

본 발명은 광빔 형성 및 공간 재구성을 위한 설비의 설계에 사용될 수 있는 광학 소자에 관한 것으로, 특히 내부 전반사를 사용하도록 설계되고 광각 조명 시스템에 사용되는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이에 관한 것이다.

일반적으로, 광빔의 변환을 위한 마이크로 렌즈 어레이는 입사광빔의 전파(통과) 또는 확산을 제어하는 구조화 스크린으로서 사용된다. 상기 마이크로 렌즈 어레이는 일면에 공지된 방법 중 한가지, 예를 들어 직사각형 또는 육각형 패킹에 의해 패킹되는 10~200㎛ 크기를 갖는 일련의 마이크로 렌즈이다.

현재 마이크로 렌즈 어레이는 50% 내지 80% 범위의 소자 효율로 110~120°까지 입사광의 확산각을 증가시킬 수 있다. 그러나 확산각이 불충분하고 방사선의 확산각이 130°이상을 요구하는 경우(예를 들면, TFT 디스플레이용 백라이트)가 있 다. 이런 확산각은 뛰어난 굴절율을 갖는 물질의 채용 또는 근본적으로 새로운 광학적 해결책의 채용에 의해 얻어질 수 있다.

여러가지 종류의 물질이 마이크로 렌즈 어레이 제조에 사용되고, 가장 보편적인 것은 투명한 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate)이다. 이런 물질의 굴절율은 1.49이다. 이런 값은 최대 확산각에 대해 특정 제한을 가하여 110 내지 120°이상의 각도를 얻지 못하도록 한다. 이런 각도에서, 상기 어레이 효율은 80%를 초과하지 않는다. 이런 현상은 어레이 면의 Fresnel(프레넬) 손실이나, 구조적인 한계에 의한 것이다.

상기 마이크로 구조화 광학에 기초한 몇몇 공지의 해결책을 고려해 본다.

미국공개특허 제2002/0034710호[1]에는 입력 빔을 제한된 파라미터를 갖는 빔으로 변환하기 위한 구조화 스크린의 형성 방법이 기술되어 있다. 상기 구조화 스크린은 일면에 배치된 일련의 마이크로 렌즈이고, 각각의 마이크로 렌즈의 파라미터는 특정 규칙에 의해 통제된다. 이런 스크린은 입력 빔을 결정된 파라미터를 갖는 확산 빔으로 변환시킨다. 상기 특허의 단점은 사용된 물질의 불충분한 굴절율의 결과인, 출사빔의 제한된 확산각에 있다.

상기 해결책과 가장 유사한 것은 미국특허 제6,456,437호[2]이다. 출원인은 확산각의 배율 문제와 입사 광빔의 균질화(homogenization) 문제의 해결책으로서 일면에 위치된 불규칙적인 프리즘 어레이를 제공한다. 상기 프리즘의 각도는 입사빔이 내부 전반사 되도록 선택된다. 이런 방법의 단점은 입사빔의 조건과 프리즘의 각도가 제한적이기 때문에 균질한 광분포를 얻거나 특정 확산각을 얻기 힘들다는 단점이 있다.

본 발명은 80-90% 효율로 제어가능한 출사빔의 형태를 가지면서 100°이상의(사용되는 광원에 의존하여) 마이크로 구조화 광학에서 출사빔의 확산각을 넓힐 수 있는 소자 개발에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이는, 동일한 광학적 입사면 상에 배열되고, 각각 반사면과 굴절면을 갖는 다수의 홈이 형성된 복수의 프레넬 렌즈 구조를 포함하며, 상기 입사면을 통해 입사된 광이 상기 홈의 반사면으로부터 내부 전반사되고, 상기 굴절면을 통해 굴절되어 출사되는 것을 특징으로 한다.

상기 각 프레넬 렌즈 구조의 중앙부에 위치한 홈은 그 출사 광이 광각 대역으로 향하도록 구성되며, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 가장자리에 위치한 홈은 그 출사 광이 상기 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 홈은 중앙부에서 가장자리로 갈수록 그 출사 광이 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성된다.

상기 어레이는 임의의 공지된 방법, 예를 들면 육각형 또는 직각(직사각형)으로 패킹(packing)될 수 있다.

바람직한 파라미터는 출사빔의 형성을 위한 2개의 표면, 즉 반사면과 굴절면의 사용에 기인하여, 또한 렌즈의 외부면의 공간 배열에 기인하여 얻어진다.

본 발명의 기술적 특징은 첨부된 도면에 기초하여 추가로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 소자의 광학적 배열을 도시하고, 여기서 1은 광원이고, 2는 마이크로 렌즈 어레이이며, 3은 분석면이다.

상기 소자에 대한 개별 소자(엘리먼트)의 확대도는 도 2에 도시되어 있고, 여기서 4는 반사부(반사면)이고, 5는 굴절부(굴절면)이며, 6은 홈(furrow,고랑)이다.

상기 소자는 임의의 공지된 비주기적 또는 주기적 방법(예를들어, 직사각형 또는 육각형)에 의해 패킹되고, 동일한 광학적 입사면 상에 배열되어 다수의 홈(6)이 형성된 복수의 프레넬 렌즈 구조로 구성된다.

상기 다수의 홈(6)은 각각 2개 요소: 반사부(반사면)(4) 및 굴절부(굴절면)(5)를 가진다(도 2 참조). 상기 프레넬 렌즈 구조의 각각의 홈(고랑)(6)은 입사광이 홈(고랑)의 반사부(4)로부터 내부 전반사되고 굴절부(5)에서 굴절되어 출사되는 구성을 가진다.

상기 홈(고랑)(6)의 양쪽 부분의 경사는 이들이 광 방사의 형태에 필요한 각도 또는 선형 에너지 분포를 제공하는 식으로 미리 계산된다. 상기 계산은 기하광학에 공통적인 근사법에 기초하고 있다. 이런 근사값은 렌즈 엘리먼트의 크기에 대한 특정 제약을 가한다.

상기 홈(고랑)(6)의 크기는 광학 소자(엘리먼트)가 동작하는 광파장 보다 충분히 커서 회절 효과를 무시할 수 있어야 하며, 입사광의 조건에 따라 적게는 수개(혹은 2개)에서 10개(fold) 이상이 된다. 이런 배열은 산재하는 회절 효과를 방 지하는데 도움이 된다.

한편, 간섭성 광은 원치 않는 간섭 효과를 초래할 수 있다. 이런 경우에, 파동 광학 근사법에 기초한 부가적 계산을 수행하거나 또는 광학적 설계의 실험적 체킹을 수행할 필요가 있다.

상기 프레넬 렌즈 구조는 렌즈의 중앙부, 즉 중앙 홈(고랑)이 광각의 영역을 형성하고 중앙에서 가장자리에 배치된 다른 홈(고랑)이 가장자리에서 중앙으로 출사빔의 영역을 형성하는 식으로 설계(계산)된다. 그것은 렌즈가 서로 비네팅(vignetting) 함으로써 작은 에너지 손실을 갖는 마이크로 렌즈 어레이로 패킹할 수 있도록 한다.

도 5를 참조하면, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 중앙부에 위치한 홈(6a)은 그 출사 광(8a)이 광각 대역으로 향하도록 구성되며, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 가장자리에 위치한 홈(6b)은 그 출사 광(8b)이 상기 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성된다. 바람직하게, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 홈은 중앙부에서 가장자리로 갈수록 그 출사 광이 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성된다.

본 실시형태에서, 프레넬 렌즈 구조의 입사면(2a)의 하면은 평면으로 구성된다. 하지만, 다른 실시형태로서, 상기 입사면(2a)의 하면은 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 형성가능하다. 이때, 입사각은 곡면에 대한 접선방향에 대해 수직한 법선을 기준으로 계산되어진다.

경사 계산과 반사면의 모양에서 수학적 방법과 미리 조절한 경계값이 사용되 어야 한다.

특히, 반사면에 대한 광의 언각(hade)은 전반사각을 초과해야 하는데, 여기서 최대각은 다음과 같이 정의된다.

입사빔, 출사빔, 및 마이크로 렌즈의 파라미터 사이의 함수적 의존성은 도 3에 도시되어 있고, 다음의 수학식에 의해 기술된다.

여기서, α는 입사각이고, β는 출사각이고,

는 반사면의 경사이고, ε은 굴절면의 경사이고, n₁은 공기의 굴절율이며, n₂는 렌즈를 이루는 물질의 굴절율이다.

이것은 입사빔과 출사빔으로부터 표면 경사각을 결정하는 방법이다.

상기 굴절면의 경사각은 예를들어 2°보다 작아야 한다.

상당히 균일한 조명 세기를 생성하는 프레넬 렌즈를 제조하기 위해서는, 각도 α로 향해진 입사빔을 요구된 각도의 확산 및 92%까지의 효율을 갖는 빔으로 변 환하는 표면(도 4 참조)의 계산이 가능한 하기의 수학식 (3)-(5)를 사용해야 한다.

여기서 와 r은 변수이고, E의 갑은 상수이고 계산 시작시 단지 한번만 계산된다.

파라미터 "n"은 렌즈의 순도, 다시 말해서 반사면이 계산되는 정밀도를 결정한다.

상기 식에 따른 계산후, 도 4에 도시된 표면을 가질 것이다. 이런 표면은 프레넬 렌즈로 변환될 수 있고(도 7 참조), 다음에 마이크로 렌즈 어레이로 패킹된다(도 8 참조). 도 6a와 도 6b는 어레이로부터 13㎜의 거리에서 조명 세기 분포, 및 장거리 영역(먼 구역)에서의 분포를 도시한다. 이런 경우의 확산각은 약 140°이고, 효율은 약 92%이며, 광원은 시준된 빔이다.

도 9는 평면-볼록(flat-convex) 렌즈, 볼록-평면(convex-flat) 렌즈 및 프레 넬 마이크로 렌즈 어레이의 전체 출사 효율을 설명하고 있다.

본 발명에 따른 소자의 동작을 설명하기 위하여, 30°의 확산을 갖는 입사광 그리고 150°의 균질의 확산빔에서의 어레이의 전체 크기와 동일한 크기를 갖는 분포된 면원(plane source)으로부터 광의 변환을 위한 소자를 논의할 것이다. 이런 렌즈의 전체 치수는 도 10a와 도 10b에 도시되어 있다. 최종 각도와 선형 분포는 도 11a와 도 11b에 제시되어 있다.

계산은 630㎚의 파장에 대해 수행되었다.

상기 선형 분포는 어레이로부터 13㎜의 거리에서 계산되었다. 확산각은 152°였다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 기존의 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 입력광을 확산시킬 경우에는 확산각이 커짐에 따라 프레넬 손실 등에 의한 손실이 커지게 되는데, 본 발명에서는 전반사를 이용하여 이를 극복하고 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 출사빔의 균일성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 동일한 광학적 입사면 상에 배열되고, 각각 반사면과 굴절면을 갖는 다수의 홈이 형성된 복수의 프레넬 렌즈 구조를 포함하며,

   상기 입사면을 통해 입사된 광이 상기 홈의 반사면으로부터 내부 전반사되고, 상기 굴절면을 통해 굴절되어 출사되는 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 프레넬 렌즈 구조의 중앙부에 위치한 홈은 그 출사 광이 광각 대역으로 향하도록 구성되며, 상기 각 프레넬 렌즈 구조의 가장자리에 위치한 홈은 그 출사 광이 상기 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.
3. 제2항에 있어서,

   상기 각 프레넬 렌즈 구조의 홈은 중앙부에서 가장자리로 갈수록 그 출사 광이 광각대역에서 중앙으로 향하도록 구성된 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.
4. 제1항에 있어서,

   상기 홈의 크기는 2 내지 10개(fold) 이상인 것을 특징으로 하는 광역 조명 시스템용 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.
5. 제1항에 있어서,

   상기 반사부의 반사면은 상기 입사된 광의 입사각이 내부 전반사를 위한 각을 초과하고 그 최대 각이 하기의 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.

   

   여기서, α는 입사각이고,

   

   는 반사면의 경사이고, n₁은 공기의 굴절율이며, n₂는 렌즈를 이루는 물질의 굴절율임.
6. 제1항에 있어서,

   상기 입사된 광, 출사 광 및 마이크로 렌즈 어레이 사이의 함수적 의존성은 하기의 식에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.

   

   여기서, α는 입사각이고, β는 출사각이고,

   

   는 반사면의 경사이고, ε은 굴절면의 경사이고, n₁은 공기의 굴절율이며, n₂는 렌즈를 이루는 물질의 굴절율임.
7. 제1항에 있어서,

   상기 입사면의 하면은 평면인 것을 특징으로 하는 내부 전반사 마이크로 렌즈 어레이.

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