KR20080063773A - 도파관, 조명 장치 및 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20080063773A
KR20080063773A KR1020087009396A KR20087009396A KR20080063773A KR 20080063773 A KR20080063773 A KR 20080063773A KR 1020087009396 A KR1020087009396 A KR 1020087009396A KR 20087009396 A KR20087009396 A KR 20087009396A KR 20080063773 A KR20080063773 A KR 20080063773A
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waveguide
light
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edge
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KR1020087009396A
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라몬 피. 반 고르콤
마르셀리너스 페. 체. 엠. 크린
안소니 하. 버그만
미셸 체. 요트. 엠. 비센버그
윌렘 엘. 이저만
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

적어도 하나의 광원(53a-53c)으로부터의 광을 가이드하도록 배열된 도파관(40, 51, 61)으로서, 상기 도파관은, 도파관(40, 51, 61) 내에 상기 광을 수용하도록 적응된 적어도 하나의 가이드 에지(43, 50a-50c, 60), 및 도파관(40, 51, 61)으로부터의 광의 추출을 가능케 하도록 적응된 추출 에지(44, 50d)를 포함하고, 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)는 추출 에지(44, 50d)를 향하여 가는 도중의 광을 반사시키도록 구성된다. 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)는 또한, 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)의 전반적인 연장 방향(
Figure 112008027890817-PCT00011
)과 연관된 소정의 입사 방향(
Figure 112008027890817-PCT00012
)으로 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)에 부딪치는 광선의 반사 방향(
Figure 112008027890817-PCT00013
)은, 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)를 따른 입사 위치(P1, P2)에 따라 달라지도록 구성된다. 도파관은, 적어도 하나의 가이드 에지를 통한 후방 산란 또는 의도하지 않은 추출 또는 아웃커플링을 통해 가상적으로 광이 소실되지 않도록 구성될 수 있다.
도파관, 가이드 에지, 추출 에지, 광 소실, 후방 산란, 아웃커플링

Description

도파관, 조명 장치 및 디스플레이 장치{IMPROVED WAVEGUIDE AND LIGHTING DEVICE}
본 발명은 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 가이드(guide)하도록 구성된 도파관에 관한 것이며, 이 도파관은, 도파관에 광을 수용하도록 적응된 적어도 하나의 가이드 에지, 및 도파관으로부터의 광의 추출을 가능케하도록 적응된 추출 에지를 포함하며, 가이드 에지는 추출 에지를 향하여 가는 도중의 광을 반사시키도록 구성된다.
본 발명은 또한 이러한 도파관을 포함하는 조명 장치와, 이러한 조명 장치를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
적어도 하나의 광원으로부터의 광이 도파관으로 결합되어 도파관의 하나 또는 여러 면들로부터 방출되는 몇몇 조명 응용이 있다. 일부 응용에서, 예를 들면 액정 디스플레이를 위한 백라이트에서, 광은 큰 사이즈의 평면 도파관의 상부면을 통해 커플링 아웃될 수 있다. 다른 응용에서는, 도파관의 하나 또는 여러 에지들에서 광이 커플링 아웃될 수 있다. 평면 도파관을 이용하고 도파관의 에지들 중 적어도 하나에서 광을 커플링 아웃시킴으로써, 몇몇 서로 다른 유형의 조명 장치가 구현될 수 있다. 이러한 조명 장치의 하나의 예로서 투명 램프를 들 수 있으며, 이 투명 램프는 다수의 평면 도파관에 의해 형성된다. 이러한 램프의 경우, 광은, 도파관의 방출 에지들을 적절한 위치에서 각도가 들어간 미러로서 형성함으로써 램프 표면의 선택된 부분들로부터 추출될 수 있다.
이러한 조명 장치를 위한 적절한 광원은 발광 다이오드(LED)를 포함한다. LED는 일반적으로 좁은 대역을 가지며 백색 광을 생성하기 위해서는 LED로부터 방출된 광에 대한 소정의 처리가 요구된다. 백색 광을 생성하는 데 있어 에너지를 효율적으로 이용하는 방법은 적절한 컬러들(일반적으로, 적, 녹, 청)의 광원(예를 들면, LED)에 의해 방출되는 광을 결합시켜 백색 광을 형성하는 것이다.
서로 다른 컬러의 LED로부터의 이러한 광 결합은 도파관에서 발생될 수 있으며, 도파관으로부터 방출되는 혼합 광의 세기 및 공간적 컬러 분포는 일반적으로 도파관의 추출 에지(들)에서 오히려 균일하다. 그러나, 이/이들 에지(들)로부터 어느 정도 멀어지면, 광의 세기 및/또는 컬러의 변동을 인지할 수 있게 된다. 인간의 눈은 컬러의 약간의 변동에도 매우 민감하기 때문에, 균일한 백색 광을 생성하기 위해서는 매우 양호한 컬러 혼합이 요구된다.
또한 하나의 광원으로부터 방출되어 도파관을 통해 가이드되는 백색 또는 유색 광의 경우, 특히 도파관의 추출 에지(들)로부터 어느 정도 멀어지게 되면 불충분한 공간적 균일성이 발생하게 될 수 있다.
도파관으로부터 추출된 광의 공간적 균일성을 개선시키기 위한 공지된 방법 중 하나는, 도파관의 아웃커플링 에지를 디퓨징(diffusing)하는 것이다. 이러한 방법을 통해, 개선된 공간적 균일성이 달성될 수 있다. 그러나, 광의 후방 산란을 통해 에너지 효율이 감소되며, 추출된 광은 바람직하지 않게 빗나갈 수 있다.
따라서, 도파관의 추출 에지(들)로부터 일정 거리 떨어진 곳에서 인식되는 공간적 세기 및/또는 컬러 변동을 감소시키는 좀 더 에너지 효율적인 방법에 대한 필요성이 존재한다.
전술한 종래 기술의 문제점 및 그 밖의 다른 종래 기술의 문제점의 관점으로부터, 본 발명의 목적은 도파관에 의해 방출되는 광의 공간적 균일성을 개선시키는 좀더 에너지 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, 이들 목적 및 그 밖의 목적은, 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 가이드하도록 구성된 도파관을 통해 달성되는데, 이 도파관은, 도파관 내에 광을 수용하도록 적응된 적어도 하나의 가이드 에지, 및 도파관으로부터의 광의 추출을 가능케하도록 적응된 추출 에지를 포함하며, 가이드 에지는 추출 에지로 향하는 도중의 광을 반사시키도록 구성되며, 가이드 에지는 또한, 가이드 에지의 전반적인 연장 방향과 연관된, 소정의 입사 방향으로 가이드 에지 상에 부딪치는 광선의 반사 방향이 가이드 에지를 따른 입사 위치에 종속적으로 되도록 구성된다.
도파관은, 하나의 유전체 재료 또는 유전체 재료들의 조합으로 이루어진 슬랩(slab)으로 이루어질 수 있다. 적절한 유전체 재료에는, 다양한 유형의 유리, PMMA(poly-methyl methacrylate) 등과 같은 서로 다른 투명한 재료가 포함된다. 도파관은 또한 도파관 반사경에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 모양을 가질 수 있다. 유전체 재료의 슬랩을 포함하는 도파관은 그 기능을 위해, 에지들 및/또는 상부면 및/또는 하부면에서 전반사(TIR), 반사경 또는, TIR과 반사경의 결합에 의지할 수 있다.
본원에서, 광의 "공간적 균일성"이란 스페이스 도메인(space domain) 내에서의 광의 균일성으로 이해해야 한다. 공간적 균일성은 컬러 및 세기의 균일성을 포함한다. 실제로, "백색 광" 응용에서의 컬러의 변동은 단색의 응용에서의 세기 변동과 등가로 될 수 있다.
도파관으로부터의 광의 추출을 가능케하도록 추출 에지가 적응된다라 함은, 추출 에지가 도파관으로부터의 광의 커플링 아웃에 직접 관여되어 있음을 의미한다. 추출 또는 아웃커플링은, 추출 에지를 통해 직접 발생되거나, 혹은 추출 에지의 최종 반사에 이어서 추출 에지의 바로 근처의, 도파관의 상부면 및/또는 하부면을 통해 발생될 수 있다. 추출 에지는 다양한 방식으로 구성될 수 있다(추출 에지는 예를 들어, 편평하거나, 커브를 가지거나, 프리즘-형상이거나, 둥글거나, 다소 디퓨즈(diffuse)되어 있을 수 있다).
본 발명은, 종래의 도파관으로부터 추출된 광의 불균일성의 이면의 메인 메카니즘이, 적어도 하나의 광원으로부터 직접 오는 광과 도파관의 에지에서 반사되는 광을 혼합하는 것이 불충분하다는 인식에 기초한 것이다. 이것의 결과는, 도파관을 통해 관찰자가 볼 수 있는 (실제 및 가상의) 광원의 수가 관찰 위치에 따라 달라진다는 것이다. 이로 인해, 관찰 위치에 따라 달라지는 세기 및/또는 컬러의 변동이 발생하게 된다. 이 문제에 대한 해결책은, 광원의 수(즉, 실제로는 밀도)를 과감하게 증가시키는 것일 수 있다. 이로 인해, (실제 및 가상의) 상대적 가시 광원의 수는 관찰 위치에 따라 느리고 연속적으로만 변경될 뿐일 것이다.
가이드 에지의 전반적인 연장 방향과 연관된, 소정의 입사 방향으로 가이드 에지에 부딪치는 광선의 반사 방향이 가이드 에지를 따른 입사 위치에 종속하게 되도록 도파관의 적어도 하나의 가이드 에지를 구성함으로써, 인식되는 가상 광원의 수가 증가되며 추출된 광의 혼합이 개선된다.
본 발명을 통해 얻어지는 효과는, 후방 산란 또는 의도하지 않은 추출 또는 적어도 하나의 가이드 에지를 통한 아웃커플링을 통해 가상적으로 광이 소실되지 않도록 도파관이 구성될 수 있다는 점이다. 또한, 종래의 도파관에 비해 빔 일탈의 증가가 최소로 되도록 적어도 하나의 가이드 에지가 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 하나의 가이드 에지가 자신의 전반적인 연장 방향을 따라 매크로-구조를 나타낼 수 있다.
"매크로-구조"는, 가이드되는 광의 파장보다 훨씬 큰(일반적으로 100-10000배)치수를 갖는 구조인 것으로 이해되어야 한다.
도파관의 가이드 에지에 매크로-구조를 제공함으로써, 소정의 방향으로 입사되는 광선에 대한 변화되는 반사 방향이 가이드 에지를 따라 얻어질 수 있다. 이에 의해, 도파관의 추출 에지로부터 추출되는 광의 공간적 균일성이 개선된다.
매크로-구조는 적어도 하나의 커브 부분을 포함할 수 있다.
소정의 입사 방향으로 커브 반사면 상에 입사되는 광선의 반사 방향은 커브 부분을 따른 입사 위치에 따라 달라진다. 결과적으로, 특정 광원에 대해 더 많은 수의 반사 방향이 얻어지는데, 즉 더 많은 수의 가상 광원이 얻어진다. 이로부터 서로 다른 광원으로부터의 광의 보다 나은 혼합과 추출된 광의 개선된 균일성이 얻어진다.
도파관의 둥글게 된 코너가 이들 커브 부분을 구성하는 것이 유리할 수 있다.
매크로-구조는 복수의 커브 부분을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 도파관의 전체 가이드 에지(들)는, 도파관의 상부면 및/또는 하부면에 본질적으로 평행한 평면 내의 가이드 에지의 하나씩 걸른 측 상에 만곡의 센터를 갖는 커브 부분으로 구성될 수 있다. 이에 의해, 더 많은 수의 반사 방향이 얻어질 수 있으며, 이에 따라 광의 혼합을 개선시키게 되고 추출된 광의 공간적 균일성을 개선시키게 된다.
이들 커브 부분은, 가이드 에지(들)의 적어도 일부를 따라, 광원들 간의 스페이싱과 동일하거나 작은 자릿수의 주기로 본질적으로 주기적으로 형성되는 것이 유리할 수 있다. 이에 따라, 광의 혼합의 개선이 한층더 행해질 수 있다.
충분한 정도의 혼합이 발생한 경우, 상기 커브 부분들 중 적어도 하나는 1°보다 큰 각거리(angular distance)로 스패닝(spanning)되는 것이 바람직하다.
그러나, 이러한 스패닝된 각거리는 너무 크지 않아야 하는데, 그 이유는 이로 인해 후방 반사가 증가될 수도 있으며, 전반사(TIR)의 경우 가이드 에지(들)를 통해 아웃커플링이 발생할 수 있기 때문이다.
상기 커브 부분들 중 적어도 하나는 1°보다 크고 10°보다 작은 각거리로 스패닝되는 것이 유리하다.
가이드 에지에서의 반사가 TIR에 의존하게 되면, 반사면의 법선에 대해 임계각 보다 작은 각도로 입사되는 광은 도파관을 벗어날 것이다. 가이드 에지를 통해 소실되는 광량을 최소화하기 위해, 몇몇 옵션들이 존재한다. 이들은 TIR과 반사경을 결합시키는 것과, 금속성 또는 반사성의 다중층 코팅을 가이드 에지(들)에 도포하는 것을 포함한다.
TIR 및 반사경은 여러가지 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 반사경은 슬랩 도파관 가이드 에지(들)로부터 떨어져서 배치되고 이(이들) 에지(들)의 매크로 구조를 따라 배치될 수 있다. 반사경과 이 에지 사이의 갭은 공기, 또는 상기 슬랩 재료보다 더 낮은 굴절율을 갖는 임의의 다른 물질로 채워질 수 있다. 이에 의해, 큰 각도로 입사되는 광은 TIR에 의해 반사되며 작은 각도로 입사되는 광은 반사경에 의해 반사된다. 이로 인해 광의 흡수가 낮게 된다.
상기 매크로 구조는 또한 본질적으로 양 및 음의 피크들을 갖는 톱니 형상일 수 있다. 이들 피크들 중 적어도 하나는 160°보다 큰 개구 각을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
커브 부분들과 관련하여 전술한 바와 유사하게, 본직절으로 톱니 형상인 매크로 구조는 가이드 에지(들)의 적어도 일부를 따라 주기적으로 될 수 있으며 그 경우 광원들 간의 스페이싱에 대응하거나 이보다 작은 주기를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가이드 에지는 디퓨즈 반사를 제공하도록 구성될 수 있다.
본원에서 "디퓨즈"란, 반사면이 육안으로 보기에는 여전히 편평하면서 반사면에서의 불규칙성이 반사 광의 파장에 비해 큼을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
가이드 에지의 표면을 디퓨즈로 만듦으로써, 소정의 방향으로 입사되는 광은 입사 위치에 따라 다르게 반사될 것이다. 물론, 디퓨즈 가이드 에지는 본질적으로 직선이거나 매크로 구조를 나타낼 수 있다.
가이드 에지는 비대칭적인 디퓨즈 반사를 제공하도록 구성되는 것이 바람직한데, 이에 따라 후방 산란의 양이 감소될 수 있으며 반사된 광의 더 많은 부분이 추출 에지로 향하게 된다.
가이드 에지의 디퓨즈 반사를 통해 광의 원하지 않는 아웃커플링을 최소화하기 위해, 예를 들어 금속성 코팅을 디퓨징 가이드 에지 표면에 도포함으로써 디퓨즈 미러가 형성될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 가이드 에지에는, 반사 방향을 변경할 수 있는 부-파장(sub-wavelength) 구조가 제공될 수 있다.
격자 또는 홀로그래픽 구조 등의 소정의 부-파장 구조(일반적으로 반사 광의 파장보다 작은 치수를 갖는 구조)를 형성함으로써, 광의 반사 방향이 변경될 수 있다.
도파관은 평면의 도파관인 것이 바람직할 수 있다.
본원에서 "평면의 도파관"이란 본질적으로 직사각형의 단면을 갖는 도파관으로 정의되며, 상부 및 하부 면들과 에지들에 의해 경계지어지며, 상부 및 하부 면들은 에지들보다 실질적으로 큰 연장부를 갖는다.
또한, 도파관은 복수의 광원으로부터의 광을 가이드하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 따르면, 이들 및 그 밖의 목적은, 본 발명에 따른 도파관 및 적어도 하나의 광원을 포함하는 조명 장치에 의해 달성된다.
바람직하게도, 이 적어도 하나의 광원은 측발광(side-emitting) 및 람베르트(lambertian) LED 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 세 번째 양상에 따르면, 이들 및 그 밖의 목적들은, 본 발명에 따른 조명 장치 및 디스플레이를 포함하는 디스플레이 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 이들 및 그 밖의 양상들은 이하에서 본 발명의 현재의 바람직한 실시예를 나타내는 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다.
도 1a-1b는 본 발명에 따른 도파관의 응용의 제1 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 1c는 본 발명에 따른 도파관의 응용의 제2 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2a-2b는 종래의 도파관에서의 컬러 변동 및/또는 세기 변동 이면의 메카니즘을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 도파관의 상면도를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4a-4c는 매크로 구조를 나타내는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도파관의 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5a-5b는 디퓨즈 에지들을 갖는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관을 개략적으로 나타낸 도면.
도 1a-1b에는, 본 발명에 따른 도파관의 응용의 제1 예가 도시된다.
도 1a는 두 개의 홀더들(3a-3b) 사이에 매달린 다수의 투명한 평면 도파관(2a-2d)에 의해 주로 구성된 편평한 투명 램프의 형태로 되어 있는 조명 장치(1)를 투시도로 나타내고 있다. 홀더들 내에는, 본원에서 람베르트 LED(도 1a에서는 볼 수 없으며 도 1b에서 볼 수 있음)의 형태의 광원들(4a-4b)의 1-D 어레이가 포함된다.
도 1b에는, 하나의 광선(5)을 이용하여 광원 어레이들(4a)중 하나로부터의 광이, 어떻게 도파관 중 하나(2a)에 결합되는지, 어떻게 도파관에 의해 전송되는지, 및 추출 에지(6a)에서 형성된 미러에서의 반사 후 추출 에지(6a)의 근처에서 도파관(2a)의 하부면(7a)을 통해 어떻게 도파관(2a)으로부터 커플링 아웃되는지에 대해 나타나 있다. 물론, 광은 동일한 방식으로 나머지 도파관들(2b-2d)을 통해 가이드된다. 전술한 예에서, 4개의 도파관(2a-2d)이 이용되었다. 물론, 더 많은 수의 도파관들이 이용될 수 있다.
도 1c에는, 본 발명에 따른 도파관의 응용의 제2 예가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 두 개의 조명 장치(10a-10b)가 표시 장치(11)(여기서는 편평한 TV 수상기의 형태)에 통합되어 있다. 조명 장치들(10a-10b)의 목적은, TV 수상기 주위에 주변 광을 제공하여서 사용자의 시각 경험을 개선시키는 것이다. 조명 장치들(10a-10b) 각각은 도파관(12a-12b), 및 바람직하게는 적(R) 녹(G) 청(B)인 세 개 의 측발광 LED(13a-13c; 14a-14c)를 포함한다. 도파관들 각각은 세 개의 가이드 에지들(15a-15c; 16a-16c) 및 하나의 투과성 추출 에지(15d; 16d)를 더 갖는다.
이들 주위 조명 장치들(10a-10b)의 동작 동안, 유색의 광원(13a-13c; 14a-14c)으로부터의 광이 도파관(12a-12b)에 전송되어 혼합되어 추출 에지들(15d, 16d)을 통해 백색 광으로서 방출된다.
종래의 도파관이 전술한 조명 장치들(1, 10a-10b)에서 사용된 경우, 방출된 광은 일반적으로 균일한 백색으로 인식되지 않고 오히려 잠재적으로 강한, 컬러 및/또는 세기 변동을 나타내는 것으로 인식될 것이다. 이들 변동에 강하게 기여하는 원인은 도 2a-2b를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
도 2a에서, 세 개의 삽입된 광원 R, G, B를 갖는 종래의 도파관(20)이 개략적으로 도시되어 있다. 포인트 P에서 도파관(20)의 추출 에지(21)에서 도파관(20)의 반사측 에지들(22a-22b)에서의 반사 뿐만 아니라 모든 광원 R, G, B가 보여질 수 있다. 따라서, 방출된 광은 포인트 P에서 백색광으로 인식된다. 그러나, 도파관(20)의 추출 에지(21)로부터 멀어지면, 이는 모든 위치에서 해당되는 것은 아니다. 이러한 원인은 도 2b에 가장 잘 도시되어 있다.
도 2b는 광원 R, G, B와 그 반사 R', G', B'의 볼 수 있는 수는 관찰 위치에 따라 서로 다르며, 이는 방출된 광의 컬러 및/또는 세기에 영향을 미친다는 사실을 나타낸 대안적인 방안을 도시한 도면이다. 여기서, 광원 R, G, B 및 그 반사를 갖는, 도 2a의 도파관(20)은 무한한 개수의 광원 R, G, B, R', G', B'를 갖는 무한히 긴 도파관(30)으로 대체된다. 이 도파관(30)의 아웃커플링 에지(31)를 마스크(32) 가 덮으며, 이 마스크(32)는 도 2a의 도파관(20)과 동일한 폭 W를 갖는 개구를 갖는다. 주어진 포인트 P'에서, 8개의 광원 R, G, B, B', G' R', B', G'를 볼 수 있다. 따라서, 이 포인트 P'에서의 광은 두 개의 적색, 세 개의 녹색 및 세 개의 청색의 광원으로부터의 광의 혼합이다. 따라서, 이 광은 백색이 아니라 밝은 청록색으로 인식된다. 그 밖의 다른 관찰 위치에서는 다른 컬러 및/강도가 인식된다.
도 3에서, 본 발명에 따른 도파관(40)이 상면도로 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 두 개의 광선(41, 42)이, 위치 P1 및 P2 각각에서 가이드 에지의 전반적인 연장 방향
Figure 112008027890817-PCT00001
와 연관된, 동일한 입사 방향
Figure 112008027890817-PCT00002
으로 도파관(40)의 가이드 에지(43)에 부딪치는 것으로 도시되어 있다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 두 개의 광선(41, 42)의 반사 방향
Figure 112008027890817-PCT00003
은 서로 다르다. 다수의 반사를 따라 광선(41, 42)이 추출 에지(44)를 통해 추출된다.
도 4a-4c는 본 발명의 제1 실시예의 세 가지 예를 개략적으로 도시한 도면으로서, 이들 도면에서는 도파관(51)의 가이드 에지들(50a-50c) 중 적어도 하나가 매크로 구조를 나타낸다. 추출 에지(50d)는 편평하고 평탄한 것으로 도시되어 있으나, 예를 들어 디퓨즈되거나 둥글거나 또는 프리즘 형상과 같은 그 밖의 다른 속성도 또한 가질 수도 있다.
도 4a에서, 둥근 코너들(52a-52d)을 갖는 도파관(51)이 도시되어 있다. 도 3에서와 같이, 두 개의 입사 광선(41, 42)이, 위치 P1 및 P2 각각에서 가이드 에지의 전반적인 연장 방향
Figure 112008027890817-PCT00004
와 연관된, 동일한 입사 방향
Figure 112008027890817-PCT00005
으로 도파관(51)의 가이드 에지(50c)에 부딪치는 것으로 도시되어 있으며, 또한 두 개의 입사 광선(41, 42)의 반사 방향
Figure 112008027890817-PCT00006
은 서로 다르다. 추출 에지(50d)에 가장 가까운 코너들(52b, 52c)은 또한 도파관(51)의 아웃커플링 구조의 일부임에 유의해야 한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 둥근 코너(52c)에 의해 형성된 커브 부분에 부딪치는 광선(42)은 반사될 뿐만 아니라 부분적으로 아웃커플링되어 도파관을 떠날 것이다.
도 4b에는, 본 발명에 따른 도파관의 제1 실시예의 제2 예가 개략적으로 도시된다. 여기서, 두 개의 가이드 에지들(50a, 50c)은 물결치거나 주름이 잡히는 외관을 갖는 것으로 도시되어 있다. 이러한 구성을 통해, 전술한 제1 예에 비해 더 많은 수의 반사 방향이 얻어진다.
도 4c는 본 발명에 따른 도파관의 제1 실시예의 매크로 구조의 다른 가능한 구현예를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 가이드 에지들(50a, 50c)은 양 및 음의 피크들을 갖는 얕은 톱니 형상으로 주름이 잡히는 모양을 가지고 있다. 이러한 피크들의 하나의 쌍은 참조 부호 52+ 및 52- 로 각각 표시되어 있다.
전술한 제2 및 제3 예에서, 전체 가이드 에지들(50a, 50c)이 주름이 잡히는 모양을 갖는 것으로 도시되어 있다. 물론, 가이드 에지들의 일부만이 이러한 주름이 잡히는 모양을 나타내는 실시예도 또한 본 발명의 범주 내에 있는 것이다.
충분한 광 혼합이 달성되면서, (전반사에 의존하는 도파관의 경우) 가이드 에지들을 통한 후방 반사 및 아웃커플링이 최소량으로 되도록, 매크로 구조의 가이드 에지들의 형상이 형성되는 것이 유리하다. 전술한 제2 예에 따른 매크로 구조의 경우, 이는, 커브 부분들 중 적어도 하나가 1°보다 크고 10°보다 작은 각거리 θ로 스패닝되도록 커브 부분들을 형성함으로써 행해진다. 일반적으로, 광원(53a-53c)의 근처에서는 광원(53a-53c)으로부터 멀리 떨어져 있는 곳보다 더 작은 각거리 θ가 요구된다. 또한, 각거리 θ는 도파관이 길어질수록 작아져야 한다.
전술한 제3 예에서의 본질적으로 톱니 형상인 매크로 구조를 고려하면, 피크들(52+, 52-)중 적어도 하나의 개구 각은 160°보다 큰 개구 각 η를 갖는다.
최적의 광 혼합을 달성하기 위해, 전술한 매크로 구조의 주기는 광원들(53a-53c) 사이의 스페이싱 거리와 동일하거나 작은 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
도 5a-5b에는, 본 발명에 따른 도파관의 제2 실시예의 두 예가 개략적으로 도시되어 있다.
도 5a는 도파관(61)의 가이드 에지(60)의 제1 예를 도시한 도면이다(부분적으로만 도시됨). 육안적으로 보면, 에지(60)의 표면은 편평하게 보인다. 그러나, 이는 부분적으로 디퓨즈 반사를 발생시키도록 울퉁불퉁하게 되어 있다. 도 5a에서, 대칭적 디퓨젼(diffusion)이 도시되어 있다. 이는, 입사광이 모든 가능한 방향으로 실질적으로 균일하게 반사됨을 의미한다. 이에 의해, 매우 많은 수의 반사 방향이 얻어진다. 그러나, 입사 광의 일부는 가이드 에지(60)를 통한 후방 반사 및 (TIR 타입의 도파관의 경우) 아웃커플링으로 인해 소실된다.
가이드 에지를 통한 일부 아웃커플링은 허용될 수 있다. 그러나 이 아웃커플링은 예를 들어, 가이드 에지 바로 위에 반사경을 추가하거나 또는 가이드 에지와 떨어져서 이와 평행하게 반사경을 추가하고 이에 따라 발생된 갭을 공기 또는 낮은 굴절율의 임의의 기타 물질로 채움으로써 방지될 수 있다. 후자의 경우, 가 이드 에지를 통한 아웃커플링을 방지하면서 흡수가 최소화된다.
도 5b에서, 가이드 에지(60)는 대신에 비대칭으로 디퓨징되어 있다. 디퓨징 표면은 서로 다른 각도로 비대칭적으로 디퓨징된 것일 수 있다. 예를 들면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 가이드 에지(60)는 광을 후방향이 아니라 모두 전방향으로 반사시킬 수 있다.
당업자라면, 본 발명은 전술한 바람직한 실시예에 국한되는 것은 절대 아님을 알 것이다. 오히려, 첨부된 특허청구범위 내에서 많은 변형 및 수정이 가능하다. 예를 들면, 방출된 광의 공간적 균일성을 개선시키기 위해 매크로 구조와 디퓨즈 표면의 조합이 바람직하게 이용될 수도 있다. 또한, 전술한 것보다 더 많은 수의 광원 및 다른 컬러의 광원이 사용될 수도 있다. 특히 일반적 목적의 조명 응용의 경우, 컬러 렌더링 인덱스를 개선시키는, 호박색 또는 청록색 등의 제4 컬러 또는 심지어는 제5의 컬러를 추가하는 것이 유용할 수도 있다. 가이드 에지들 외에도, 도파관의 상부 및 하부 면도 또한, 소정의 입사 방향으로 표면(들) 상에 부딪치는 입사 광선의 위치에 따라 반사 방향이 변경되도록 구성될 수 있다. 또한, 다중층 반사경이 반사경으로서 사용될 수 있다. 이러한 다중층 반사경은 금속성의 반사경보다 더 낮은 흡수성을 갖도록 설계될 수 있다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 광원(53a-53c)으로부터의 광을 가이드하도록 구성된 도파관(40, 51, 61)으로서,
    상기 도파관(40, 51, 61) 내에 상기 광을 수용하도록 적응된 적어도 하나의 가이드 에지(43, 50a-50c, 60), 및
    상기 도파관(40, 51, 61)으로부터의 상기 광의 추출을 가능케 하도록 적응된 추출 에지(44, 50d)
    를 포함하고,
    상기 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)는 상기 추출 에지(44, 50d)를 향하여 가는 도중의 광을 반사시키도록 구성되며,
    상기 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)는 또한, 상기 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)의 전반적인 연장 방향(
    Figure 112008027890817-PCT00007
    )과 연관된 소정의 입사 방향(
    Figure 112008027890817-PCT00008
    )으로 상기 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)에 부딪치는 광선의 반사 방향(
    Figure 112008027890817-PCT00009
    )은, 상기 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)를 따른 입사 위치(P1, P2)에 따라 달라지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 도파관(40, 51, 61).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가이드 에지(50a-50c)는 자신의 전반적인 연장 방향(
    Figure 112008027890817-PCT00010
    ) 을 따라 매크로 구조를 나타내는 도파관(51).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매크로 구조는 적어도 하나의 커브 부분(52a-52d)을 포함하는 도파관(51).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 매크로 구조는 복수의 커브 부분들(52a-52d)을 포함하는 도파관(51).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 커브 부분들(52a-52d)중 적어도 하나는 1°보다 큰 각거리(angular distance)(θ)로 스패닝(spanning)되는 도파관(51).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각거리(θ)는 1°보다 크고 10°보다 작은 도파관(51).
  7. 제2항에 있어서,
    상기 매크로 구조는, 양 및 음의 피크들(52+, 52-)을 갖는, 본질적으로 톱니 형상을 가지며, 상기 피크들(52+, 52-)중 적어도 하나는 160°보다 큰 개구 각(η)을 갖는 도파관(51).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가이드 에지(60)는 디퓨즈 반사를 제공하도록 구성된 도파관(61).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가이드 에지(60)는 비대칭적인 디퓨즈 반사를 제공하도록 구성된 도파관(61).
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가이드 에지(43, 50a-50c, 60)에는, 상기 반사 방향을 변경할 수 있는 부-파장(sub-wavelength) 구조가 제공되는 도파관(40, 51, 61).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관은 평면의 도파관인 도파관(40, 51, 61).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관은 복수의 광원(53a-53c)으로부터의 광을 가이드하도록 구성된 도파관(40, 51, 61).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 도파관(40, 51, 61) 및 적어도 하나의 광원(53a-53c)을 포함하는 조명 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 조명 장치는 복수의 광원(53a-53c)을 포함하는 조명 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 광원들(53a-53c) 중 적어도 하나는 측발광 및 람베르트(lambertian) LED 중 적어도 하나인 조명 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항의 조명 장치 및 디스플레이를 포함하는 디스플레이 장치.
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