KR20080064862A - 표면-방사 광원들을 사용하는 균일한 조사를 위한 백라이트배열 - Google Patents

표면-방사 광원들을 사용하는 균일한 조사를 위한 백라이트배열 Download PDF

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KR20080064862A
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divergence
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이준원
데이비드 케슬러
자이앙-동 미
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롬 앤드 하스 덴마크 파이낸스 에이에스
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Abstract

액정 디스플레이(LCD)(22)의 백라이트에 적합한 직하형 조명 배열(24)은 (그 다음에) 각도 광도 분포를 갖는 표면-방사 광원들(LED)(14)의 배열, 빔 발산 광학 요소들(28)의 배열, 빔 방산(beam divergence)을 감소시키기 위한 프레넬 렌즈들(32) 및 (임의의) 디퓨저(38)의 배열을 차례로 포함한다. 빔 발산 광학 요소들의 굴절 특성들(볼록 및 오목)은 조사 평면(LCD가 위치된 곳)에서 실질적으로 일정한 광속을 이룬다. 따라서, 빔 발산 광학 요소들은 더 많은 광을 더 높은 빔각들 안으로 굴절시키고, 따라서 광원들의 광도 내의 대응하는 감소를 보상한다. 프레넬 렌즈들의 얇은 시트는 빔(beam)들의 방산을 감소시키고, 디퓨저 위로 이들을 배향시킨다. (약한) 디퓨저는 조사 내의 균일성을 생성하는 이것 자체보다, 다양한 적용들에 적합한 더 먼 빔 방산을 증가시키기 위하여 작용한다. 배열은 더 얇은 백라이 트 설계를 고려하며, 높은 흐림 값(＞90%)를 갖는 강한 디퓨저에 대한 요구를 제거한다.
람베르션 광원, 루미넌스, 조도

Description

표면-방사 광원들을 사용하는 균일한 조사를 위한 백라이트 배열{BACKLIGHT ARRANGEMENT FOR UNIFORM ILLUMINATION USING SURFACE-EMITTING(LED) LIGHT SOURCES}
본 발명은 일반적으로 백라이트 조사 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 발광다이오드들(LED)의 배열을 사용하는 백라이트 장치에 관한 것이다.
투과형 액정 장치(LCD) 및 디스플레이 장치의 다른 형태들은 몇몇 형태의 백라이트 조사 광원을 요구한다. 백라이팅 시장에 대한 경쟁에서 기본적으로 3개의 조사 기술들이 존재한다: 전계발광 램프(EL), 냉음극 형광 램프(CCFL), 및 발광다이오드(LED). 현재까지, CCFL 기술은 고효율 및 신뢰할 수 있는 광원들을 제공하며, 노트북 및 휴대용 디스플레이 시장의 대부분을 향유해왔다. CCFL은 특히 측면 조사용에 적용가능하고, 여기서 이들 선형 광원들은 그 출사면 위로 광을 발산시키는 플레이트 또는 필름의 일 에지 안으로 광을 배향한다. 그러나, 이것의 투사된 길이를 제한하는 CCFL 기술에 대한 고유의 결점들이 존재한다. 예를 들어, CCFL 램프는 수은을 포함하며, 다소 부서지기 쉽다. CCFL은, 텔레비전 시청을 위해 선호되는 디스플레이들처럼, 큰 디스플레이뿐 아니라 매우 작은 디스플레이에 대한 이들의 유용함을 제한하며, 제한된 범위의 크기들에서만 실행되며 이용할 수 있다. 더 욱이, CCFL은 디스플레이 모듈에 위치한 하나 이상의 광학 필름 요소들을 잠재적으로 휘게 하거나 그렇지 않으면 손상을 입히는 백라이트 유닛에서의 불필요한 열을 발생시킨다.
LED 백라이팅은 이러한 다른 기술들과 비교하여 고유의 이점을 갖는다. LED는 기계적으로 튼튼하며, 단지 작은 직류(DC) 전압원만을 요구한다. LED의 적절한 형태들은 매우 밝고, 상대적으로 효율적일 수 있으며, 고유의 긴 수명을 갖는다. 다양한 색상들에서 이용가능한 LED는 좁은 스펙트럼의 특성들 때문에 더 큰 색상 전 범위의 이점들을 제공하며, 더 쉽게 색상 조정을 허용한다. 또한 LED가 측면 조사 장치 내에 배치될 수 있는 동시에, 또한 이들은 직하형 조사 장치(direct view illumination apparatus)에 대한 다른 기술들에 대하여 이점들을 가지며, 여기서 표면 위에서 이격된 광원들의 배열이 요구된 백라이트 광원을 제공한다.
예를 들어, 삼성의 LNR460D LCD 평면 스크린 HDTV에서 사용되는 장치를 포함하는, 수많은 직하형 LED 백라이팅 해결안들이 상업화되고 있다. 특허 명세서는 수많은 LED 백라이트 배열들 및 개선안들을 개시한다. 예를 들어:
델로이 등에 의해 "듀얼 모드 액정 디스플레이를 백라이팅하기 위한 방법 및 장치"로 표제된 미국 특허 제6,789,921호는 열 흡수 보상을 포함하는 다중 2-차원 LED 배열들을 사용하는 LED 백라이팅 배열을 개시한다;
홀맨 등에 의해 "고밀도 조사 시스템"으로 표제된 미국 특허 제6,871,982호는 반사 하우징 내부에 위치한 LED의 배열을 갖고, 지지하는 프리즘 필름들을 갖는 백라이트를 개시한다;
보이드 등에 의해 "선형 조사 광원"으로 표제된 미국 특허 제6,568,822호는 렌즈 요소의 노칭된(notched) 입사면 내에 각각 부분적으로 감싸진 LED들을 사용하는 향상된 균일성을 위한 조사 광원을 개시한다;
펠드맨 등에 의해 "높아진 LED 구조물을 갖는 광원을 위한 방법 및 장치"로 표제된 미국 특허 제6,666,567호는 반사 표면 위에 LED 장치를 위치시키고 LED로부터 광을 발산시키기 위한 지지하는 광학체를 제공함에 의해 증가된 루미넌스를 제공하는 LED 백라이트를 개시한다; 그리고
파오리니 등에 의해 "컬러 LCD를 위한 백라이트"라고 표제된 유럽 특허 출원공개 제EP 1 256 835호는 LED 백라이트 배열을 개시하며, 측면에 위치된 LED로부터의 광은 도광판 내부의 이격된 구조물들에 의해 외부를 향하여 재배향된다.
위에 열거된 해결안들의 각각은 LED 광원을 사용하는 향상된 백라이팅 성능의 적어도 몇몇 수단을 제시하는 반면, 이러한 해결안들의 각각이 갖는 결점들이 존재하며, 또 상당한 개선의 여지가 남는다. 점광원들로부터 일 영역에 대하여 균일성을 달성하는 것은 복잡한 문제이며, 더 넓은 영역에 대하여 조사를 발산시키고 적절한 방향성을 갖는 후면 조사 디스플레이를 향하여 광을 배향시키기 위하여, 복수 개의 광학 요소들의 상호작용을 요구한다. 광학 요소들의 몇몇 조합은 후면 조사 디스플레이에 대하여 적절한 점광원 LED 조사를 발산시키고 조절하는 것이 요구될 것이다.
LED 백라이팅 장치들에 상당한 주의를 기울이는 동안, 수많은 결점들이 남는다. LED는 실질적으로 점광원으로서 작동하기 때문에, LED 직하형 백라이트는 넓은 표면 영역에 대하여 광을 확산시키고 필요한 곳에서 광을 재활용시키기 위해 고성능 확산 요소들을 요구한다. 이는 LED 백라이트의 두께 및 비용을 증가시킨다. 또한 LED 자체로부터의 열이 문제가 될 수 있다. 이러한 광원들으로부터의 핫 스팟(hot spot)들은 LCD에서 균일성 수차(aberration)를 유발시킬 수 있다. 다른 조사 불균일성들은 많은 종래 시스템들의 전반적으로 열악한 광 분포로부터 기인한다.
따라서, 이는 향상된 균일성 및 효율성, 저비용, 및 더 얇은 치수 프로파일을 나타내는 직하형 LED 백라이팅 장치에 대한 이점이 존재하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명은 조명 장치를 제공하며, 조사(illumination)를 제공하기 위해 조명 장치는,
a) 표면-방사 광원(surface-emiting light source)들의 배열;
b) 상기 표면-방사 광원들의 배열에 대응하는 빔 발산 광학 요소들(beam spreading optical elements)의 배열; 및
c) 빔 방산 감소 렌즈 요소들(beam-divergence reducing lens elements)의 배열을 포함하되,
상기 표면-방사 광원의 각각은 빔각(θ)에 대하여 조사 평면을 향하여 광원 조사 빔(source illumination beam)을 배향시키며,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각에 의하여 상기 광원 조사 빔의 굴절은 실질적으로 분포 함수를 만족시키되,
Figure 112008033103697-PCT00001
y는 상기 빔 발산 광학 요소의 광학축으로부터 조사 평면을 따르는 반지름 방향 거리이며,
dy는 상기 반지름 방향 거리의 임의의 작은 증분이고,
dθ는 dy에 대응하는 빔각의 각도 증분이며,
f(θ)는 상기 광원의 상기 각도 분포에 대한 분포 함수이어서,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 상기 조사 평면을 향하여 배향되는 균일화된 조사 빔을 제공하고,
상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 대응하는 균일화된 조사 빔의 상기 각방산(angular divergence)을 감소시키며, 이에 의해 향상된 균일성 및 감소된 빔 방산을 갖는 조사를 제공한다.
또한, 본 발명은 디스플레이 장치를 제공하며, 디스플레이 장치는,
a) 표면-방사 광원들의 배열;
b) 상기 표면-방사 광원들의 배열에 대응하는 빔 발산 광학 요소들의 배열;
c) 빔 방산 감소 렌즈 요소들의 배열;
d) 액정 광 모듈레이터; 및,
e) 시야각 제어 필름을 포함하되,
상기 표면-방사 광원의 각각은 빔각(θ)에 대하여 조사 평면을 향하여 광원 조사 빔을 배향시키며,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각에 의하여 상기 광원 조사 빔의 굴절은 실질적으로
Figure 112008033103697-PCT00002
를 만족시키되,
y는 상기 빔 발산 광학 요소의 광학축으로부터 조사 평면을 따르는 반지름 방향 거리이며,
dy는 상기 반지름 방향 거리의 임의의 작은 증분이고,
dθ는 dy에 대응하는 빔각의 각도 증분이며,
f(θ)는 상기 광원의 상기 각도 분포에 대한 함수이어서,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 상기 조사 평면으로 균일화된 조사 빔을 제공하고,
상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 대응하는 균일화된 조사 빔의 상기 각방산을 감소시키며, 이에 의해 향상된 균일성 및 감소된 빔 방산을 갖는 조사를 제공하고,
상기 액정 광 모듈레이터는 감소된 빔 방산을 갖는 상기 조사 빔을 변조하고, 영상 포함 빔(image-bearing beam)을 제공하며,
상기 시야각 제어 필름은 상기 액정 광 모듈레이터로부터 이격되어, 상기 영상 포함 빔의 시야각을 넓힌다.
본 발명은 조사를 제공하기 위한 조명 장치를 또 제공하며, 조명 장치는,
a) 복수 개의 표면-방사 광원들;
b) 복수 개의 빔 발산 광학 요소들;
c) 복수 개의 빔 방산 감소 렌즈 요소들; 및,
d) 시야각 제어 필름(viewing angle control film)을 포함하되,
상기 표면-방사 광원의 각각은 광원 조사 빔을 제공하며,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터의 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 균일화된 조사 빔을 제공하며,
상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 시야 방향을 향하여 상기 균일화된 조사 빔을 재배향시켜, 감소된 각방산을 갖는 조사 빔을 제공하고,
상기 시야각 제어 필름은 상기 빔 방산 감소 렌즈 요소들로부터 이격되어, 감소된 각방산을 갖는 상기 조사 빔의 시야각을 넓힌다.
본 발명은 또 디스플레이 장치를 제공하며, 디스플레이 장치는,
a) 복수 개의 표면-방사 광원들;
b) 복수 개의 빔 발산 광학 요소들;
c) 복수 개의 빔 방산 감소 렌즈 요소들;
d) 액정 광 모듈레이터(liquid crystal light modulator); 및,
e) 시야각 제어 필름(viewing angle control film)을 포함하되,
상기 표면-방사 광원의 각각은 광원 조사 빔을 제공하며,
상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터의 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 균일화된 조사 빔을 제공하고,
상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 시야 방향을 향하여 상기 균일화된 조사 빔을 재배향시켜, 감소된 각방산을 갖는 조사 빔을 제공하며,
상기 액정 광 모듈레이터는 감소된 각방산을 갖는 상기 조사 빔을 변조하고, 영상 포함 빔(image-bearing beam)을 제공하며,
상기 시야각 제어 필름은 상기 액정 광 모듈레이터로부터 이격되어, 상기 영상 포함 빔의 시야각을 넓힌다.
본 발명은 이격된 LED 또는 다른 표면-방사 광원들의 배열을 사용한다. 이것은 강한 디퓨저 요소를 요구하지 않고 시야각들의 범위에 대하여 더 균일한 루미넌스(luminance)를 갖는 LED 백라이트를 제공한다. 또한 이것은 효율적인 백라이팅 장치를 제공하며, 저비용으로 만들 수 있고, 더 얇은 치수 프로파일(profile)을 갖는다.
도시되고 개시된 본 발명의 예시적인 실시예가 존재하는 도면을 참고할 때, 본 발명의 이러한 및 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 이하의 상세한 설명을 읽으면 당업계의 당업자에게 명백할 것이다.
명세서가 본 발명의 주제를 상세하게 지적하고 명백하게 청구하는 청구범위로 끝내는 동안, 본 발명은 참조 도면을 참고할 때 이하의 발명의 설명으로부터 더 쉽게 이해될 것으로 추정된다.
도 1은 종래의 직하형 LED 백라이트의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 백라이트의 측단면도이다.
도 3은 빔 발산 광학체에 대한 중요한 기하학적 관계를 도시한 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 발산 광학 요소의 측면도이다.
도 5a 및 5b는 광도 상에서 조사 빔 형상의 효과를 도시한 그래프이다.
도 6a는 어떻게 디스플레이 장치가 본 발명에 따라 균일한 공간 루미넌스를 제공하는지를 도시한 단면도이다.
도 6b는 본 발명 또는 비교예에 따라 프레넬 렌즈 없이 광 조절 효과들을 도시한 측단면도이다.
도 7은 일 실시예에서 LED 광원들 및 지지 요소(component)들을 위하여 가능한 벌집 배열의 평면도이다.
<주요한 도면 부호 >
10 : LCD 디스플레이(LCD display)
12 : 백라이트(Backlight)
14 : LED
16 : 표면(Surface)
18 : 광원 조사 빔(Source illumination beam)
20 : 굴절 요소(Refractive element)
22 : LC 장치(LC device)
24 : 백라이트(Backlight)
26 : 반사 표면(Reflective surface)
28 : 빔 발산 광학 요소(Beam spreading optical element)
30 : 디퓨저(Diffuser)
32 : 프레넬 렌즈 요소(Fresnel lens element)
34 : 발산 조사 빔(Spread illumination beam)
36 : 실질적으로 콜리메이팅된 조사 빔(Substantially collimated illumination beam)
38 : 디퓨저(Diffuser)
40 : 균일화된 백라이트 조사(Uniformized backlight illumnation)
41, 42: 광선(Light ray)
44 : 그래프(Graph)
46 : 그래프(Graph)
48 : 오목부(Concave portion)
50 : 디스플레이 장치(Display apparatus)
52 : 외측부(Outer portion)
54: 영상 변조된 광 빔(Image modulated light beam)
Pi :조사 평면(Illumination plane)
본 발명의 상세한 설명은 특히 본 발명에 따른 장치의 부품을 형성하는 요소들에 관한 것이거나, 또는 본 발명에 따른 장치에 더욱 직접적으로 상호 작용하는 요소들에 관한 것이다. 명백하게 도시되지 않거나 개시되지 않은 요소들이 당업계의 당업자에게 공지된 다양한 형태들을 취할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1을 참조하면, 발명의 설명을 위하여 간략화된 단면 형태에서, LC 장치(22)를 조사하기(illuminate) 위해 LED 백라이트(12)를 사용하는 종래의 LCD 디스플레이(10)의 일부의 배열이 도시된다. 다수의 LED(14)는 표면(16)을 따라 배열되며, 각각은 광원 조사 빔(18)을 제공한다. 굴절 요소(20)는 일반적으로 렌즈이며, 광원 조사 빔을 발산시킨다. 디퓨저(30)는 각발산(angular spread)을 더 제공하는 것을 돕고, 더 높은 루미넌스의 "핫 스팟"을 최소화시키는 것을 돕는다.
제 1 근사화로서, LED(14)는 넓은 범위의 각도에 대하여 광원 조사 빔(18)을 뿌리는 람베르션 광원, 또는 점광원으로서 작동한다. 그러나, LED(14)의 공간 루미넌스 분포는 일반적으로 불균일하다. 따라서, 굴절 요소(20) 및 디퓨저(30)는 균일하지 않은 루미넌스 분포를 보정하기 위해 필요하다. 도 1의 종래 배열을 갖는, 디퓨저(30)는 유니포마이저(uniformizer)로서 작동한다. LED(14)의 균일하지 않은 루미넌스 분포를 보상하기 위하여, 디퓨저(30)는 상대적으로 두꺼워야 하며, 이러한 기능을 위하여 적절하게 설계되어야 한다. 강한 확산 요소가 일반적으로 요구되며, 약 90% 보다 큰 흐림 값(haze value)을 갖는다.
루미넌스 균일성을 향상시키기 위하여 제안되고 있는 일 접근법은 굴절 요소(20)의 형상을 최적화시키는 것이다. 예를 들어, 보이드 등에 의해 "선형 조사 광원"으로 표제된 미국 특허 제6,568,822호는 혼합 만곡 표면들을 갖는 렌즈를 개시하며, 렌즈는 노칭되어 이것이 백라이트 사용을 위하여 적절하게 광을 발산시키기 위하여 LED를 실질적으로 감싸도록 한다. 이것은 디퓨저(30) 상에 조사의 균일성을 향상시킨다. 이러한 해결안들이 조사 균일성을 향상시키는 것에 도움이 될 수 있는 동시에, 또 허용가능한 균일성을 확보하기 위하여 90%를 초과하는 높은 흐림 값을 갖는 강한 디퓨저(30)를 사용하는 것이 필수적이다. 이러한 높은 흐림 값을 갖는 디퓨저(30)는 광이 디퓨저(30)를 통과하고, 표면(16)을 반사됨에 따라 광을 많은 횟수로 산란시킴에 의해 조사에 대한 균일성을 제공한다. 각각의 산란 및 반사에 관련되는 광 손실(light loss)이 현저하게 존재한다. 이러한 광 산란은 원하는 경로로부터 벗어나도록 광을 배향할 수 있고, 최종 사용자로부터 멀어지도록 광을 배향할 수 있어, 이에 의해 광원(14)으로부터 최종 사용자까지 전달되는 광의 효율을 감소시킨다.
향상된 루미넌스 균일성 및 광학 효율이라는 목적들을 가지고, 본 발명의 장치 및 방법은 빔이 디퓨저(30)로 입사하기 전에, 조사 빔을 더 조절하며, 빔 재배향 및 각도 감소(reduction)의 값을 제공한다. 도 2를 참조하면, 디스플레이 장치(50)의 향상된 루미넌스 균일성을 위하여 설계된 백라이트(24)의 배열의 단면도가 다시 도시된다. LED(14)들은 반사 표면(26)을 따라 배열된다. 각각의 LED(14)는 대응하는 빔-발산 광학 요소(28)를 가지며, 빔-발산 광학 요소는 넓은 범위의 각도 에 대하여 발산 조사 빔(34)을 제공하기 위해 루미넌스 유니포마니저로서 작동한다. 이어서 이것의 얇은 프로파일에 대해 유리한 빔 방산 감소 렌즈(beam-divergence reduction lens)의 바람직한 형태인, 프레넬 렌즈(32)가 발산 조도 빔(34)을 위한 소정의 빔 방산 감소를 제공하며, 이에 의해 감소된 방산 조사 빔(36)을 제공한다. 이어서 디퓨저(38)는 시야각을 넓히고, 이에 따라 LC 장치(22) 또는 다른 요소에 대한 균일화된 백라이트 조사(40)를 제공하기 위하여 시야각 제어 필름 또는 물체의 형태로서, 감소된 방산 조사 빔(36)의 경로 내에 제공된다. LC 장치(22)는 영상 변조된 광 빔(54)을 형성하기 위하여 균일화된 백라이트 조사(40)를 변조시킨다.
본 출원에서 사용되는 용어로서, "감소된 방산(reduced divergence)" 빔은 프레넬 렌즈 요소(32)로 유도된 감소된 각방산의 적어도 어떤 값을 갖는다. 대부분의 백라이팅 출원들에 대하여, 조사 빔이 콜리메이팅될 필요는 없다. 최소치에서 적어도 약 ±5%의 방산 감소가 바람직할 것이다. 소정의 허용가능한 각방산은 광원의 크기 및 프레넬 렌즈 요소(32)의 초점 길이에 따라, 일 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 디퓨저(38)는 상이한 적용들에 적합한 빔 방산을 제공하기 위해 선택된다.
본 발명의 최적화는 루미넌스 및 조도(illuminance)의 분석에 기초한다. 조도는 표면의 단위 영역 당 광속 입사(luminous flux incident)에 의해 주어진다. 루미넌스, 또는 휘도(brightness)는 전파(propagation) 방향에 수직한 평면 위에 투사될 때, 투사된 단위 영역 당 단위 입체각(solid angle) 당 표면으로부터 방사되는 광속에 의하여 주어진다. 만약 광원이 람베르션이라면, 람베르션의 광 도(luminous intensity)는 cosθ 감소(falloff)를 가지며, 여기서 θ는 법선에 대한 빔각 오프셋이다. 한편, 이것의 조도는 cos4θ 감소를 갖는다.
도 3에 관하여, 빔-발산 광학 요소(28)의 설계는 LED(14)들로부터의 조도를 조사 평면(Pi) 상의 어떤 2D 영역에 대하여 거의 더 일정하게 만들려는 의도를 가지며, 이는 가능한한 이하의 방정식을 만족하는 것을 의미한다:
Figure 112008033103697-PCT00003
도 3에 도시된 것처럼, Φ는 광속이며, y는 조사된 영역 상의 광학축으로부터의 거리이다. 선(z)은 도 3의 광학축을 가리킨다.
람베르션 광원의 광도는 분포 함수로서 표현된다:
Figure 112008033103697-PCT00004
여기서, θ는 광원으로부터 방사된 빔각의 값이다. 균일한 조도를 달성하기 위하여, 빔 발산 광학체가 방정식(2)를 방정식(1)로 변환하는 것이 요구된다. 광속은 어떤 광학 시스템에서 보존되기 때문에, 람베르션 광원을 가지고, 빔 발산 광학체가 균일한 조사를 만족시켜야만 하는 조건을 하기 방정식(3)으로서 유도하는 것이 상대적으로 수월하다.
Figure 112008033103697-PCT00005
또, 도 3을 참조하면, 각(θ)을 갖는 빔 발산 광학체 상의 빔 입사를 가정한다. 빔 발산 광학체로부터, 빔은 조사 평면(Pi) 상의 위치(y) 위에 입사한다. 입사 각이 증가량(dθ)만큼 변할 때, 이어서 y의 대응하는 변화량 즉, dy는 cos(θ)에 비례해야 한다. 다시 말해, 영역(dy) 내의 플럭스는 빔각(θ)이 증가함에 따라 cos(θ)와 함께 증가한다. 간단히 대입하면, 이러한 조건은 조도의 코사인 감소를 보상하기 위하여 더 많은 광을 더 높은 각도들로 전달하는 광학체를 요구한다.
또한, 빔 발산 광학체 이후의 빔의 광도가 유도될 수 있다. 빔 발산 광학체는 이하의 관계를 만족시키기 위하여 균일한 조도를 생성한다.
Figure 112008033103697-PCT00006
여기서, dl은 dy의 대향 영역(subtended area)이며,
Figure 112008033103697-PCT00007
이어서, dl에 대응하는 대향 입체각(subtended solid angle)은:
Figure 112008033103697-PCT00008
방정식(6)을 반대로 함으로 인해, 다음의 방정식을 얻는다:
Figure 112008033103697-PCT00009
방정식(7)을 방정식(4)에 대입하고, 방정식(5)을 사용하여 방정식(8)을 얻는다.
Figure 112008033103697-PCT00010
따라서, 방정식(6)을 사용하여, 광도는:
Figure 112008033103697-PCT00011
비록 이러한 유도(derivation)는 람브레션 광원을 가정하지만, 동일한 개념이 광원의 다른 형태들에 더욱 일반적으로 적용될 수 있다. 일반적인 경우에 있어서, 광원이 각도 분포를 갖는 것으로 고려될 수 있다:
Figure 112008033103697-PCT00012
이하의 동일한 유도 순서에서, 방정식(3)은 방정식(11)과 같은 더 일반적인 형태로 나타낸다.
Figure 112008033103697-PCT00013
방정식(11)은 방정식(3)의 형태로 일반화된다. 이러한 분석을 사용하는 것은, LED 광원들을 사용하는 조사 시스템 내의 빔-형상 광학체에 대한 목적은 특정한 각도 분포 함수f(θ)로 주어진 상기 방정식(11)을 만족시키는 것이다. 위에 개시된 예에서, 각도 분포 함수 f(θ)는 코사인 특성을 따랐다. 다른 가능한 각도 분포 함수는 예를 들어, cos2(θ)같은, 지수함수 또는 삼각함수일 수 있다. 각도 분포 함수 f(θ)가 무엇이든지 간에, 빔-형상 광학체는 조사 평면에서의 광속이 실질적 으로 균일하게 잔존하도록 하는 방법으로 보상해야한다. 총괄적으로, 빔-형상 광학체에 의해 제공되는 조도 균일성은 약 90%이내여야 한다.
도 4는 일 실시예에서 빔-발산 광학 요소(28)의 형상의 단면을 도시한다. 여기서, 빔-발산 광학 요소(28)는 오목 및 볼록 곡률 모두를 갖는 렌즈이다. 빔 발산 광학 요소(28)는 렌즈 요소의 중심 즉, 광학축(O)에 상대적으로 근접한 위치에서 오목부(48)를 갖고, 볼록한 외측부(52)를 갖는다.(도 4에서, 오목부(48)는 아주 약간의 오목 곡률을 갖는다.)
도 5a는 빔 발산 광학 요소(28)에 의해 조절되기 전에 LED(14)로부터의 광의 광도 그래프(44)를 도시한다. 도 5b는 빔 발산 광학 요소(28)로부터 제공되는 발산 조사 빔(34)(도 2)의 법선(0도)에 대한 각도 범위에 대하여, 광도의 그래프(46)를 도시한다. 그래프의 향상된 형상은 원하는 대로 (cos3θ)-1에 비례하는 광도를 도시한다.
도 6a는 어떻게 디스플레이 장치(50)가 실질적으로 균일한 공간 루미넌스를 제공하는지에 대한 이상화된 형태를 도시한다. 여기서, LED(14)는 빔 발산 광학 요소(28)에 광을 제공하며, 이는 위에서 개시된 빔 발산 함수를 제공한다. 이어서 프레넬 렌즈 요소(32)는 빔 방산 감소를 제공하며, 시야각 제어를 위하여 일반적으로 필름인 디퓨저(38)에 조절된 조사를 배향한다. 이러한 배열은 조사가 LC 장치(22)에 도달할 때, 조사에 대한 균일한 공간 루미넌스를 제공한다. 이러한 시스템에서, 디퓨저(38)에 의한 광의 각도 발산은 종래의 설계들에서처럼 균일성을 제공하는 것 보다는 시야각을 넓히기 위해 사용된다. 따라서, 디퓨저(38)는 디스플레이 모듈의 커스티마이징된 시야각 요구조건을 만족시키기 위하여 특정한 방식으로 선택된다. 도 2 및 도 6a의 실시예에서, 디퓨저(38)는 조사 경로 내에 있다. 대안적인 실시예에서, 디퓨저(38)는 변조된 광의 경로 즉, 광 변조 요소와 시청자 사이에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 디퓨저(38)는 적어도 약 ±10도 만큼 LC 디스플레이 장치에 대한 시야각을 증가시킨다.
본 발명의 장치 및 방법은 대응하는 빔 발산 광학 요소(28)를 갖는 각각의 LED(14) 및 프레넬 렌즈 요소(32)를 제공한다. 다수의 LED(14)에 대한 프레넬 렌즈 요소들(32)은 배열 내에 제공될 수 있어, 일 실시예에서 단일의 시트는 LED(14)의 간격(spacing)에 기초하여, 적당한 크기를 갖고 상호 간에 이격된 다수의 프레넬 렌즈 요소들의 배열을 갖도록 한다. 각각의 개별적인 프레넬 렌즈 요소(32)와 이것의 대응하는 LED(14) 사이의 어떤 정렬이 요구될 것이다; 그러나, 매우 정확한 정렬이 요구되는 것은 아니다. 디퓨저(38)는 필름 또는 플레이트일 수 있으며, 도 1에 도시된 백라이트(24)와 같은, 종래의 LED 백라이트들을 위해 요구된 대응하는 확산 요소보다 상당히 더 얇을 수 있다.
프레넬 렌즈 요소(32)에 의해 제공되는 빔-방산 감소 없이, 시청자에 의해 감지되는 조사는 입사 빔의 방향성 때문에 균일하지 않을 수도 있다. 도 6b는 도표로 이러한 조건을 도시한다. 거의 수직 방향에서의 광선(41)은 시청자에게 쉽게 눈에 보일 수 있다. 비교해보면 광선(42)은 축외(off-axis) 각에서 전파되고 디퓨저(38)에 의해 조절된 후 조차도 눈까지 전파되지 않는다. 어떤 빔 방산 감소 없 이, 조사의 일부는 원하는 시야각으로부터 멀어지도록 배향될 수 있고, 이는 조사의 상당한 감소를 야기시킨다. 이를 방지하기 위한 일 접근법은 90%를 넘는 흐림 값을 갖는 매우 강한 디퓨저를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 높은 확산 광학 요소들은 낮은 광학 효율을 야기시키는 높은 흡수 및 후면 반사(back reflection)를 나타낸다. 본 발명에서, 프레넬 렌즈 요소(32)(도 2 및 도 6a에서 도시)는 빔 방산 감소에 의해 강한 디퓨저들에 대한 요구를 제거하며, 입사각에 관계없이 거의 더 수직 방향으로 입사 빔을 재배향한다. 90%보다 작은 흐림 값을 갖는 약한 디퓨저만이, 조사가 LC 장치(22)에 도달하기 전에 좁은 범위의 각들에 대하여 조사를 발산시키기 위하여 요구된다.
LED(14) 및 LED의 지지 요소들은 열 및 행으로 이루어진 직사각형 패턴 또는 어떤 다른 적절한 패턴으로 반사 표면(26)을 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 평면도는 벌집 패턴을 도시하며, 여기서 각각의 셀들(54)은 조밀한 패키징 패턴(packaging pattern)으로 배열된다. 각각의 셀(54)은 대응하는 빔 발산 광학 요소(28)를 갖는 일 LED(14) 및 프레넬 렌즈 요소(32)를 포함할 수 있다. 이러한 방식의 요소들의 패키징은, 6각형의 벌집 셀들(54)를 사용하여, LED(14)에 의해 제공되는 조사의 평면 내부에서 요소 배치를 최적화시킨다.
제조
일 실시예에서, 디스플레이 장치(50)(도 2 및 도 6a)에서 사용되는 빔-형상 및 조절 요소들은 소정의 요소 간격을 가지고 제조되어, 예를 들어, LED(14) 및 이들의 대응하는 빔 발산 광학 요소들(28)이 균일하게 공간적으로 분포되도록 한다. 프레넬 렌즈들(32)은 LED(14)와의 정렬를 위해 적절하게 이격된 개개의 렌즈들을 갖고, 단일의 시트의 일부로서 몰딩된다.
빔 발산 광학 요소들(28)은 종래의 광학 물질들로부터 형성될 수 있다. 비구면 형상들이 사용될 때, 광학 플라스틱을 사용하는 제조 공정이 일반적으로 바람직하다. 이러한 요소들은 (영상 시스템의 부품이기 보다)조사 시스템의 부품이기 때문에, 제조 공차가 엄격할 필요는 없다.
본 발명은 본 발명의 어떤 바람직한 실시예들을 특별히 참조하여 상세하게 설명되고 있지만, 변형 및 변경이 상기의 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 당업계의 당업자에 의해 위에서 개시된 것과 같이 및, 첨부된 청구범위에서 언급된 것과 같이 본 발명의 범위 내에서 효과적일 수 있다는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, LED(14)가 사용되는 동안, 표면-방사 광원들의 다른 형태들은 점광원들로서 사용될 수 있다. 또한 반사 빔 발산 광학 요소(28)가 사용될 수 있다. LED(14) 또는 다른 표면-방사 광원은 백색광원과 같은 다색광원일 수 있고, 또는 단색광원일 수 있다. 프레넬 렌즈 요소(32)는 이것의 얇은 치수들에 대한 이점이 있다; 얇은 콜리메이팅 렌즈 요소의 어떤 대안적 형태가 프레넬 렌즈 요소(32)의 콜리메이팅 기능들을 제공하기 위하여 치환될 수 있다.
따라서, 제공되는 것은 LED 백라이팅 장치 및 상기 장치를 사용하는 디스플레이에 대한 장치 및 방법이다.

Claims (16)

  1. 조사(illumination)를 제공하기 위한 조명 장치에 있어서,
    a) 표면-방사 광원(surface-emiting light source)들의 배열;
    b) 상기 표면-방사 광원들의 배열에 대응하는 빔 발산 광학 요소들(beam spreading optical elements)의 배열; 및
    c) 빔 방산 감소 렌즈 요소들(beam-divergence reducing lens elements)의 배열을 포함하되,
    상기 표면-방사 광원의 각각은 빔각(θ)에 대하여 조사 평면을 향하여 광원 조사 빔(source illumination beam)을 배향시키며,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각에 의하여 상기 광원 조사 빔의 굴절은 실질적으로 분포 함수를 만족시키되,
    Figure 112008033103697-PCT00014
    y는 상기 빔 발산 광학 요소의 광학축으로부터 조사 평면을 따르는 반지름 방향 거리이며,
    dy는 상기 반지름 방향 거리의 임의의 작은 증분이고,
    dθ는 dy에 대응하는 빔각의 각도 증분이며,
    f(θ)는 상기 광원의 상기 각도 분포에 대한 분포 함수이어서,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터 상 기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 상기 조사 평면을 향하여 배향되는 균일화된 조사 빔을 제공하고,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 대응하는 균일화된 조사 빔의 상기 각방산(angular divergence)을 감소시키며, 이에 의해 향상된 균일성 및 감소된 빔 방산을 갖는 조사를 제공하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 조사를 제공하기 위한 조명 장치에 있어서,
    a) 복수 개의 표면-방사 광원들;
    b) 복수 개의 빔 발산 광학 요소들;
    c) 복수 개의 빔 방산 감소 렌즈 요소들; 및,
    d) 시야각 제어 필름(viewing angle control film)을 포함하되,
    상기 표면-방사 광원의 각각은 광원 조사 빔을 제공하며,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터의 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 균일화된 조사 빔을 제공하며,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 시야 방향을 향하여 상기 균일화된 조사 빔을 재배향시켜, 감소된 각방산을 갖는 조사 빔을 제공하고,
    상기 시야각 제어 필름은 상기 빔 방산 감소 렌즈 요소들로부터 이격되어, 감소된 각방산을 갖는 상기 조사 빔의 시야각을 넓히는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  3. 디스플레이 장치에 있어서,
    a) 복수 개의 표면-방사 광원들;
    b) 복수 개의 빔 발산 광학 요소들;
    c) 복수 개의 빔 방산 감소 렌즈 요소들;
    d) 액정 광 모듈레이터(liquid crystal light modulator); 및,
    e) 시야각 제어 필름(viewing angle control film)을 포함하되,
    상기 표면-방사 광원의 각각은 광원 조사 빔을 제공하며,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터의 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 균일화된 조사 빔을 제공하고,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 시야 방향을 향하여 상기 균일화된 조사 빔을 재배향시켜, 감소된 각방산을 갖는 조사 빔을 제공하며,
    상기 액정 광 모듈레이터는 감소된 각방산을 갖는 상기 조사 빔을 변조하고, 영상 포함 빔(image-bearing beam)을 제공하며,
    상기 시야각 제어 필름은 상기 액정 광 모듈레이터로부터 이격되어, 상기 영상 포함 빔의 시야각을 넓히는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시야각 제어 필름은 적어도 약 ±10도 만큼 상기 시야각을 증가시키는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소들은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)들인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 표면-방사 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 표면-방사 광원은 단색인(monochromatic) 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 표면-방사 광원은 다색인(polychromatic) 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 빔 발산 광학 요소는 비구면 렌즈(aspherical lens)를 포함하며, 상기 조사 평면을 향하는 상기 렌즈 표면은 적어도 오목 곡률과 볼록 곡률 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소들의 배열은 필름의 시트 상에 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 함수 f(θ)는 지수 함수(exponential function)인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 함수 f(θ)는 삼각 함수(trigonometric function)인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 시야각 제어 필름은 90% 이하의 흐림 값(haze value)을 갖는 디퓨저인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 시야각 제어 필름은 90% 이하의 흐림 값을 갖는 디퓨저인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  15. 디스플레이 장치에 있어서,
    a) 표면-방사 광원들의 배열;
    b) 상기 표면-방사 광원들의 배열에 대응하는 빔 발산 광학 요소들의 배열;
    c) 빔 방산 감소 렌즈 요소들의 배열;
    d) 액정 광 모듈레이터; 및,
    e) 시야각 제어 필름을 포함하되,
    상기 표면-방사 광원의 각각은 빔각(θ)에 대하여 조사 평면을 향하여 광원 조사 빔을 배향시키며,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각에 의하여 상기 광원 조사 빔의 굴절은 실질적으로
    Figure 112008033103697-PCT00015
    를 만족시키되,
    y는 상기 빔 발산 광학 요소의 광학축으로부터 조사 평면을 따르는 반지름 방향 거리이며,
    dy는 상기 반지름 방향 거리의 임의의 작은 증분이고,
    dθ는 dy에 대응하는 빔각의 각도 증분이며,
    f(θ)는 상기 광원의 상기 각도 분포에 대한 함수이어서,
    상기 빔 발산 광학 요소의 각각은 상기 대응하는 표면-방사 광원으로부터 상기 광원 조사 빔의 광도를 조정하여, 상기 조사 평면으로 균일화된 조사 빔을 제공하고,
    상기 빔 방산 감소 렌즈 요소의 각각은 대응하는 균일화된 조사 빔의 상기 각방산을 감소시키며, 이에 의해 향상된 균일성 및 감소된 빔 방산을 갖는 조사를 제공하고,
    상기 액정 광 모듈레이터는 감소된 빔 방산을 갖는 상기 조사 빔을 변조하고, 영상 포함 빔을 제공하며,
    상기 시야각 제어 필름은 상기 액정 광 모듈레이터로부터 이격되어, 상기 영상 포함 빔의 시야각을 넓히는 것을 특징으로 디스플레이 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시야각 제어 필름은 90% 이하의 흐림 값을 갖는 디퓨저인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
KR1020087011152A 2005-10-21 2006-10-10 표면-방사 광원들을 사용하는 균일한 조사를 위한 백라이트배열 KR20080064862A (ko)

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