KR20090006168A

KR20090006168A - 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치

Info

Publication number: KR20090006168A
Application number: KR1020087027061A
Authority: KR
Inventors: 리파트 에이. 엠. 히크메트
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2009-01-14
Also published as: CN101449197A; WO2007113768A2; CN101449197B; TW200807022A; US20090168394A1; JP2009532733A; KR101377727B1; JP5497430B2; WO2007113768A3; EP2005239A2; US8042960B2

Abstract

편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치를 제공하되, 이 조명 장치는, 면(X-Y) 내에서 광을 방출하도록 배치된 발광면을 갖는 광원(101)과, 그 면에서 광원(101)의 발광면을 둘러싸도록 배치되고, 광을 수광하고 타겟 방향(Z)으로 제1 타원 편광(109)을 반사하고 상반되는 제2 타원 편광(111)을 투광하도록 구성된 제1 편광 반사기(103)와, 그 면(X-Y) 내에서 제1 편광 반사기(103)를 둘러싸도록 배치되고, 제1 편광 반사기(103)로부터 투과된 광(111)을 수광하고 타겟 방향(Z)으로 타원 편광(113)을 반사하도록 구성된 제2 반사기(105)를 포함한다. 이 2개의 반사기를 측면 발광 광원(side-emitting light source)을 둘러싸도록 배치함으로써, 빔 형상을 유지하면서 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.

조명 장치, 편광 반사기, 편광 빔, 위상 편이판

Description

편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치{ILLUMINATION DEVICE FOR PRODUCING A POLARIZED LIGHT BEAM}

본 발명은 편광 빔을 생성하기 위한 편광 반사기를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.

서로 다른 다양한 발광 응용 분야들에서는 편광이 필요하거나 편광을 채용하는 것이 유익하다. 예를 들어, 번쩍거리는 효과를 줄이기 위해 차량의 헤드라이트가 편광을 생성하는 것이 바람직하며, 액정 디스플레이(LCD)에서는, 디스플레이 백라이트로서 편광이 필요하다.

흔히, 편광의 필요나 요청에는, 고 효율(편광이 발생할 때 저 에너지 손실)의 소정의 광 빔 형상 및/또는 가격에 대한 요구 사항이 수반된다. 이러한 요구 사항의 전부 또는 일부를 충족시키는 것은 흔히 문제가 있을 수 있으며 편광에 관련된 많은 아이디어의 구현 및/또는 상업화에 대해선 심지어 장애로 될 수 있다.

편광을 생성하는 한 가지 알려져 있는 방식은 거울과 같은 반사형 반사기와 함께 편광 빔 스플리터(PBS)를 이용하는 것에 관련된다. 미국 특허번호 제5,042,925호는 복굴절 배향 폴리머 접착층을 갖는 PBS를 개시하고 있다. 이것은 고 효율을 가능하게 하지만, 최종 광 빔이 넓어지게 되며 이어 따라 광 형상이 보 존되지 않는다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 극복하는 것이다. 특정 목적은 소정의 뚜렷한(well-defined) 빔 형상을 갖는 고 효율의 편광 빔을 생성할 수 있도록 허용하는 것이다.

다음의 설명에서 명백해질 이러한 목적 및 다른 목적은, 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치에 의해 달성되며, 이 조명 장치는, 면 내에서 광을 방출하도록 배치된 발광면을 갖는 광원과, 이 면에서 광원의 발광면을 둘러싸도록 배치되고, 광을 수광하고 타겟 방향으로 제1 타원 편광을 반사하고 상반되는 제2 타원 편광을 투광하도록 구성된 제1 편광 반사기와, 그 면 내에서 상기 제1 편광 반사기를 둘러싸도록 배치되고, 제1 편광 반사기로부터 투과된 광을 수광하고 타겟 방향으로 타원 편광을 반사하도록 구성된 제2 반사기를 포함한다.

이러한 두 개의 반사기를 측발광원(side-emitting light source)을 둘러싸도록 배치함으로써, 빔 형상을 유지하면서 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.

광원은 통상적으로 예를 들어 한 면에서의 발광이 용이해지도록 빔 성형 광학 소자(beam shaping optics)와 결합된 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 이러한 LED를 측발광 LED라 칭한다. 발광면은 빔 성형 광학 소자의 표면이다. 광원은 바람직하게 그 면에서 제1 반사기에 대하여 대칭적으로 배치된다.

여기서, "면 내에서 둘러싼다"는 표현은 그 면 내의 둘러싸인 부분으로부터 거의 모든 방향으로 둘러싸는 부분이 존재하는 것을 의미하려는 것이다. 그러나, 둘러싸는 부분에 하나 또는 다수의 작고 연속되는 섹션들, 즉, 둘러싸는 부분이 존재하지 않는 소정의 방향 또는 모난(angular) 섹션이 존재할 수 있다. 이것을 물체를 둘러싸는 그물(net)이 존재하는 상황에 비교해 본다. 그물은 다수의 홀을 포함하지만, 그 물체는 그물에 의해 둘러싸여 있다고 여겨진다.

"타원 편광"(elliptical polarized light)이라는 표현은 위상 편이된 필드 성분이 있는 편광을 포함한다. 따라서, 타원 편광은, 타원 편광의 특수한 경우인, 즉, 필드 성분들이 90°만큼(사분의일 위상파((quarter-wave plate))) 위상 편이된 원편광을 포함한다. 그러나, 이 정의는 선형 편광에서의 필드 성분이 동상(in phase)이므로 선형 편광을 배제한다.

원편광은 보다 균일한 편광 빔을 허용하며 이에 따라 선편광으로의 보다 편리하고 효율적인 변환을 가능하게 한다. 그 이유는 원의 무한적 대칭성 때문이며, 그 결과 원만이 한 방식으로 배향될 수 있고 이에 따라 원편광이 다른 원편광에 편리하게 더해질 수 있다. 이를 타원 편광의 경우과 비교해 본다. 타원들은 크기와 형상이 동일할 수 있지만 서로에 대하여 다르게 배향된다. 그러나, 통상적으로 가능한 원편광에 가까운 타원 편광을 가질 필요가 있지만, 완전하게 원형인 편광은 실제론 달성하기 어렵고 타원 편광은 통상적으로 어느 정도 허용될 필요가 있다는 점에 주목하기 바란다.

제2 반사기는 금속 반사기와 같은 비편광 반사기일 수 있다. 금속 반사기는 입사광의 필드 성분들 중 하나를 180°만큼(이분의일 파 길이) 위상 편이하므로, 그 결과 제1 반사기로부터의 방향과 동일한 방향으로 타원 편광이 생성되고, 이에 따라 두 개의 반사기로부터의 광이 더해져 타겟 방향으로 균일하게 편광된 광 빔을 형성할 수 있다. 그러나, 통상적으로 편향이 존재하며, 제1 반사기로부터 반사된 광과 제2 반사기로부터 반사된 광 사이에 여전히 소정의 위상차가 존재한다는 점에 주목하기 바란다.

다른 방안으로, 제2 반사기는 편광 반사기일 수 있으며, 이 경우 제1 반사기에 의해 투과되는 광은 다시 편광된다.

제1 반사기와 제2 반사기는 광원에 의해 방출되는 거의 모든 광이 그 반사기들에 의해 수광되도록 타겟 방향으로 충분히 연장되는 것이 바람직하다.

조명 장치는 반사 편광을 하나의 소정의 방향으로의 편광으로 변환하도록 구성된 위상 편이판을 더 포함할 수 있다. 위상 편이판은 사분의일 위상판일 수 있으며 그리고/또는 이 위상 편이판은 서로 다른 위상 편이 속성을 나타내는 2개의 영역을 가질 수 있다.

필요한 위상 편이를 얻는 한 가지 방식은 위상 편이의 크기를 적응시키는 것으로서, 예를 들어, 한 영역은 사분의일 위상판에 대응할 수 있고, 나머지 하나의 영역은 이분의일 위상판에 대응할 수 있다. 전술한 한 가지 방식과 조합될 수 있는 필요한 위상 편이를 얻는 다른 방식은 그 두 개 영역의 광축을 적응시키거나 배향시키는 것이다.

이 두 개의 영역은, 최종 광이 선편광되도록 서로에 대하여 위상 편이를 제공할 수 있고, 여기서 제1 영역은 제1 반사기로부터 반사된 타원 편광을 수광하도록 배치되며 제2 영역은 제2 반사기로부터 반사된 타원 편광을 수광하도록 배치된다.

이하, 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 이러한 양태와 다른 양태를 보다 상세히 설명한다.

도 1A는 제1 실시예에 따른 조명 장치의 측단면도를 개략적으로 도시한다.

도 1B는 도 1A에서의 조명 장치의 평면도를 개략적으로 도시한다.

도 2는 제2 실시예에 따른 조명 장치의 측단면도를 개략적으로 도시한다.

도 3은 제3 실시예에 따른 조명 장치의 측단면도를 개략적으로 도시한다.

도 4는 제4 실시예에 따른 조명 장치의 평면도를 개략적으로 도시한다.

도 5는 제5 실시예에 따른 조명 장치의 평면도를 개략적으로 도시한다.

도 1A 및 도 1B는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조명 장치(100)의 측단면도 및 평면도를 각각 개략적으로 도시한다. "측면"(side)과 "평면"(top)이라는 용어들을 사용하고 있지만, 조명 장치(100)는 원하는 방향으로 광 빔을 생성하기 위해 다양한 방식으로 뒤집어지고 회전되고 배치될 수 있다는 점에 주목하기 바란다. 본 출원의 문맥에서 볼 때, 광 빔은, 빔이 광선들의 매크로 레벨 표시(macro level manifestation)를 나타내는, 적어도 하나의 공통 방향 성분을 갖는 광선들의 다발로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 시준된(collimated) 광 빔에서, 광선들은 평행하며, 광 빔과 광선들은 동일한 방향을 갖는다. 반대로, 확산 빔에서는, 빔과 대부분 동일한 방향을 갖는 광선들이 존재하지 않거나 몇 개만 존재할 수 있다.

광원(101)은 미편광(unpolarized light)을 방출하도록 배치된다. 광원은, 예를 들어 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 소자와, 예를 들어 투명한 폴리머 물질로 이루어지며 원하는 방식으로 광원이 발광하게 하는 빔 성형 광학 소자를 포함한다. 도면에서, 빔 성형 광학 소자는 광원(101)을 나타내는 모래 시계 형상으로서 보일 수 있는 반면, 통상 상대적으로 작고 빔 성형 광학 소자의 지지면(102) 내에 또는 아래에 위치하는 발광 소자는 명시적으로 도시되어 있지 않다. 여기서, 빔 성형 광학 소자는, 광이 X-Y 면(또는 평행한 X-Y 면들) 내에서 실질적으로 빔 성형 광학 소자의 면으로부터 방출되도록 배치된다. 편의상, 방출된 광을 광선(107)으로 표시한다. 여기서, 광원(101)은 X-Y 면의 모든 방향으로 발광하도록 배치되지만, 실제로는 경제적인 이유 및/또는 구현상의 이유로 인해, 발산이 일부 존재할 수 있고 이에 따라 다른 방향으로의 발광도 일부 존재할 수 있다.

Z 방향으로의 발광을 방지하기 위해, 빔 성형 광학 소자는, Z 방향으로 반사기와, 바람직하게는, 편광 반사기와 결합될 수 있다. 이어서, 이러한 편광기는 원하는 편광을 제공하기 위해 타겟 방향으로 적합한 광학 소자와 결합될 수 있다.

X, Y, Z라는 참조 부호들은 표시를 위해 사용되며 본 발명은 결코 임의의 특정한 좌표계로 한정되거나 제한되지 않는다는 점에 주목하기 바란다.

광원(101)은 광원(101)으로부터 방출되는 광을 수광하도록 배치된 제1 반사기(103)에 의해 X-Y 면에서 둘러싸인다. 광원(101)은, 둘러싸는 제1 반사기에 대하여 X-Y 면에서 대칭적으로, 여기선, 원대칭적으로 배치된다.

Z 방향으로의 제1 반사기의 포락면의 연장은, 통상적으로 동일한 방향으로의 광원(101)의 연장, 또는 적어도 광원(101)의 발광부의 연장에 의존한다. 도 1A의 예에서, 제1 반사기(103)의 포락면은 Z 방향으로 광원보다 더 연장되며, 이것은, 예를 들어, 광원이 X-Y 면뿐만 아니라 다른 면에서도 발광할 때 제1 반사기가 더 많은 광을 수광하게 하는 방식일 수 있다. 고 효율에 도달하기 위해, 제1 반사기의 포락면은 방출된 광(107)의 실질적으로 모두 또는 대부분을 수광할 수 있도록 통상적으로 Z 방향으로 연장되어야 한다.

제1 반사기(103)는, 제1 반사기(103)로부터 투과된 광(111)을 수광하도록 배치된 제2 반사기(105)에 의해 X-Y면에서 둘러싸인다. 도시한 예에서, 제2 반사기의 포락면의 Z 방향으로의 연장은 제1 반사기의 포락면의 Z 방향으로의 연장과 대략 동일하다. 도 1A에 도시한 제1 반사기(103)와 제2 반사기(105) 사이의 공간은, 공기로 채워진 공동(cavity)일 수 있으며 또는 예를 들어 폴리머와 같은 투명한 비복굴절 고체를 포함할 수 있다. 제1 반사기와 제2 반사기는 유사한 형상을 가질 수 있다. 여기서, 형상은, 최종 광 빔에 수직하는 면에서의 형상을 가리킬 수 있으며, 반드시 그렇지는 않지만, 광 빔의 방향을 따라 볼 때의 형상을 가리킬 수도 있다. 후자의 경우, 동일한 형상은, 예를 들어, 대략 동일한 경사각을 갖는 다수의 선형 경사를 갖는 유사한 다수의 포락면을 포함할 수 있다.

다른 일 실시예에서, 2개의 반사기(103, 105)의 포락면의 Z 방향으로의 연장은 서로 다를 수 있지만, 어떠한 경우에서든, 제2 반사기(105)는 통상적으로 제1 반사기(103)로부터 투과된 광의 실질적으로 모두 또는 대부분을 수광할 수 있도록 연장되어야 한다. 방출된 광(107)이 일부 발산을 나타낼 때, 즉, 광이 X-Y 면 뿐 만 아니라 다른 면에서도 방출될 때, 이 발산은 광원(101)으로부터 상당히 더 멀리 떨어질 것이다. 따라서, 이러한 발산광을 수광하기 위해, 제2 반사기(105)의 포락면은 제1 반사기(103)의 포락면보다 Z 방향으로 더 멀리 연장되도록 배치된다.

X-Y 면에서 방출되는 광을 반사하여 수직하는 Z 방향으로 광 빔을 생성하기 위해, 제1 반사기(103)와 제2 반사기(105)가 바람직하게 퍼넬(funnel) 형상을 갖는다는 점, 즉, 이 반사기들의 단면이 Z 방향으로 경계에서 더 커진다는 점을 이해하기 바란다. 도 1A 및 도 1B의 조명 장치(100)의 절단된 원뿔 형상은, 선형 경사의 포락면을 갖는 퍼넬들에 의해 구성되는 퍼넬 형상의 서브그룹에 속하는 것으로서 인식될 수 있다. 선형 경사는, 통상적으로, 광원이 주로 면에서, 여기선, X-Y 면에서 발광할 때 사용되지만, 반드시 그러한 것은 아니다.

다시 도 1A 및 도 1B를 참조해 보면, 제1 반사기(103)와 제2 반사기(105)의 경사각(108, 110)들은 X-Y 면에서 45°이다. 45°의 경사각과 연동하여 X-Y 면에서 주로 발광할 수 있는 광원(101)이 뚜렷한 시준된 광 빔을 허용하며 이 시준된 광 빔의 투영 형상이 X-Y 면에서 반사기들의 형상, 즉, 도 1B에 도시한 형상과 닮는다는 점에 주목하기 바란다. 그러나, 실제로는, 수용될 필요가 있는 상업적 이유에 관한 이상적이지 않으며 완벽하지 않은 물질 및 허용 오차로 인해, 광선에서 일부 발산과 확산이 여전히 어느 정도 존재하게 된다는 점에 주목하기 바란다.

제1 반사기(103)는, 수광, 즉, 광원(101)으로부터의 입사광(107)을, 여기선 Z 방향에 대응하는 타겟 방향의 제1 방향(좌원형 또는 우원형)으로 향하는 원편광으로서 반사하는 편광 반사기이다. 제1 반사기로부터의 반사광은 광선(109)으로 표시되어 있다.

여기서, 실제로 원편광을 완벽하게 달성하는 것은 종종 어렵다는 점에 주목하기 바란다. 원편광이 바람직하고 반사기가 원편광을 제공하도록 배치될 수 있지만, 편광은 종종 여전히 어느 정도 타원형으로 된다. 원편광은, 타원편광의 특별한 경우로서, 즉, 필드 성분들이 크기 면에서 동일하고 서로에 대하여 정확하게 90°(즉, 1/4 파장) 만큼 위상 편이된 경우로서, 보일 수 있다. 그러나, 본 명세서에서는 매우 넓은 정의를 갖는 타원 편광이라고 칭하는 대신에, 이하에서는 원편광이라는 용어를 계속 사용할 것이다. 그 이유는, 원편광이 필요하면서 바람직한 속성을 설명해 주며, 편광이 어느 정도 타원형이더라도 여전히 타원 편광을 원편광에 가능한 가까운 것으로서 여길 필요가 있기 때문이다.

이제, 원편광이라는 것은 실제 상황에선 소정의 타원 편광을 포함할 수 있고 이에 따라 이하의 설명에서 원편광의 의미가 엄격히 해석되지 않아야 함을 이해하기 바란다.

게다가, 제1 반사기(103)는 투명하며 제1 방향에 반대인 제2 방향으로 원편광을 투과시킨다. 제1 반사기(103)는 예를 들어 콜레스테릭(cholestric) 액정 반사기일 수 있고, 또는 사분의일 위상판을 구비한 반사형 선형 편광기일 수 있다. 후자의 경우, 사분의일 위상판은 반사형 선형 편광기 상에 라미네이팅될 수 있다.

원편광의 한 방향을 반사하고 나머지 하나의 방향을 투과시키는 임의의 다른 유형의 반사기, 또는 반사기 장치가 대체형으로서 사용될 수 있다는 점을 이해하기 바란다. 제1 반사기(103)에 의해 투과되는 광은 광선(111)으로 표시되어 있다.

본 명세서에서, 제2 반사기(105)는, 원편광의 필드 성분들 중 하나를 180°(즉, 1/2 파장)만큼 위상 편이하는 금속 반사기나 거울과 같은 일반적인 반사기이다. 이것은 원편광(111)의 방향(즉, 제2 방향)을 반대 방향(즉, 제 1 방향)으로 변경한다. 따라서, 제2 반사기(105)는 제1 반사기(103)로부터의 광을 제1 방향으로 향하는 원편광으로서 수광한다. 또한, 광은, 제1 반사기(103)로부터의 반사광과 동일한 방향으로, 즉, 도 1A에서 Z 방향에 대응하는 방향으로 반사된다.

원의 무한한 대칭성으로 인해, 반사된 원편광이 증가되어, X-Y 면 반사가 어디에서 발생하였는지에 상관없이, 타겟 방향으로 즉 Z 방향으로 균일하게 편광된 광 빔을 형성할 수 있다는 점을 인식하기 바란다.

소정의 하나의 방향으로 선편광 빔을 생성하기 위해, 원편광 빔의 경로에 사분의일 위상판(115)을 배치할 수 있다. 실제 상황에선, 전술한 바와 같이, 광 빔이 어느 정도 타원 편광될 수 있고, 이러한 경우, 사분의일 위상판의 위상 편이 속성 즉 위상 지연이 통상적으로 선편광을 생성하기 위해 이에 따라 조절되어야 한다는 점에 주목하기 바란다.

미편광으로부터 선편광을 생성하도록 종래의 다이크로익(dichroic) 편광기가 사용될 때, 광의 약 50%가 흡수된다는 점에 주목할 필요가 있다. 도 1A 및 도 1B의 예에서, 편광은 두 번 추출되며 거의 모든 방출된 광은 균일하게 편광된 광 빔을 형성하는 데 사용되며, 이는 고 효율을 가능하게 한다.

다른 일 실시예에서, 제1 반사기(103)는 반사된 선편광의 경로에 배치된 사분의일 위상판을 구비한 반사형 편광기로 된 원편광기이다. 사분의일 위상판은 반 사형 편광기 상에 라미네이팅될 수 있다.

도 1A에서 광원(101)과 반사기(103, 105)들이 기저면 또는 지지면(102)으로부터 연장된다는 점에 주목할 필요가 있다. 이것은 자연스럽고 간단한 설계이긴 하지만, 다른 실시예에서, 광원(101)과 반사기(103, 105)들은 서로 다른 면들이나 레벨들에서 지지되거나 연장될 수 있다.

대부분의 상황에선 문제가 되지 않지만, 조명 장치(100)가 고밀도로 시준된 광 빔(highly collimated light beam)을 생성할 때, 광 빔의 투명시 비조명(non-illuminated) 영역이나 조명을 덜 받는 영역이 존재할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 이러한 영역들은 Z 방향으로 어떠한 광도 반사되지 않는 X-Y 면 내의 영역들에 대응한다. 도 1B에서, 이러한 영역들은, 광원(101) 및 제1 반사기(103) 사이에서 그리고 제1 반사기(103) 및 제2 반사기(105) 사이에서 가시적인 지지면(102)의 부분들과 광원(101)에 대응할 수 있다. 시준 정도가 감소할 때, 이 영역의 조명은 통상적으로 증가하게 된다.

통상적으로 비조명 영역은 바람직하지 않지만, 이러한 영역의 존재를 무시할 수 있고 허용할 수 있거나 심지어 필요한 상황이 존재할 수 있다. 예를 들어, LED 백라이트의 경우에선 흔하듯이 최종 광 빔이 고의적으로 산란되거나 확산되어야 하는 상황에서, 그 광 빔이 산란되거나 확산되기 전에 광 빔의 투영시 비조명 영역은 모두 덜 중요한 것일 수 있다.

대부분의 경우에선, 방출된 광의 시준 정도가 적절하다. 따라서, 광원(101)과 반사기(103, 105)들이 도 1A 및 도 1B와 같이 위치해 있을 때에도 멀리 떨어져 있는 필드에는 통상적으로 비교적 균일한 조명이 존재한다.

예를 들어, 비조명 영역을 줄이기 위해 X-Y 면에서 제1 반사기(103)를 광원(101)에 가깝게 배치하며 그리고/또는 제2 반사기(105)를 제1 반사기(103)의 외부 가장자리에 가깝에 배치하는 것은 광이 간섭되고 산란되거나 또는 차단될 위험성을 내포할 수 있다는 점에 주목하기 바란다. 예를 들어, 제1 반사기(103)에 의해 반사되는 광선은 광원(101)의 가장자리나 표면에 간섭할 수 있고, 제2 반사기(105)에 의해 반사되는 광선은 제1 반사기(103)의 포락면이나 가장자리에 간섭할 수 있다.

반사기(103, 105)의 포락면의 경사각(108, 110)이 45°편향되는 상황에서, 적어도 광원으로부터의 광(107)이 주로 X-Y 면에서 방출될 때 시준이 덜 될 수 있으며 이에 따라 광 빔이 확산되거나 광 빔이 포커싱된다는 점에 주목할 필요가 있다.

제1 반사기(103)와 제2 반사기(105)의 경사각(108, 110) 범위가 45°내지 90°인 경우, 이에 따라 반사된 광선이 Z 방향뿐만 아니라 반사기(103, 105)들의 중심으로도 향하는 포커싱 광 빔이 발생한다.

경사각 범위가 0°내지 45°인 경우, 광 빔은 비조명 중심 영역에서 언포커싱(unfocusing)되거나 확산된다.

내부 제1 반사기(103)의 경사(108)를 45°미만으로 그리고 외부 제2 반사기(105)의 경사(110)를 45°보다 많게 선택함으로써, 광 빔은, 반사기(103,105)들의 중심으로 향하는 외부 포커싱된 광 빔부와 반사기(103, 105)들의 경계로 향하는 내부 언포커싱된 광 빔부를 포함하게 된다. 이에 따라, 넓게 확산된 편광 빔이 발생한다. 이러한 상황에서는, 통상적으로 광 빔의 투영시 비조명 영역이 없다는 점을 이해할 수 있다.

다시 도 1A 및 도 1B를 참조해 보면, 제1 실시예에서 2개의 반사기(103, 105)로부터의 최종 광 빔은 단일 방향으로 원편광되어 있다. 균일한 선편광을 생성하기 위해, 사분의일 위상판(115)을 반사기(103, 105)들 상에, 즉, 반사광(109, 113)들의 경로에 배치할 수 있다. 사분의일 위상판은, 필요한 소정의 방향으로 선편광이 발생하기 위해 사분의일 위상판의 광축이 입사광의 방향에 관하여 소정의 방향을 갖도록 알려져 있는 방법에 따라 배치된다. 원편광으로부터의 광 빔을 선편광으로 변환하는 것을 용이하게 하기 위해, 통상적으로 시준된 광 빔이 필요하다. 그러나, 완전하게 또는 상당히 시준된 빔을 필요로 하는 것은 아니며 흔히 높은 정도의 시준은 적어도 비용을 적게 유지해야 하는 경우 실제론 달성하기 어렵다는 점에 주목하기 바란다. 오늘날, 광원(101)으로서 사용될 수 있는 빔 성형 광학 소자와 결합된 상업적으로 이용가능한 LED는, 통상적으로 반치폭(full width at half maximum; FWHM) 강도로 측정된 약 20°의 시준으로 광을 전달한다.

대체 실시예에서, 제1 반사기(103)와 제2 반사기(105)로부터 반사된 광(109, 113)들은 서로 반대 방향으로 원편광된다. 이러한 대체 실시예에서, 제2 반사기(105)는, 제2 방향으로 원편광을 반사하는 콜레스테릭 액정 반사기와 같은 편광 반사기일 수 있다. 이러한 제2 반사기의 일 예는 콜레스테릭 액정 반사기이며, 즉, 이 대체 실시예에서, 제1 반사기(103)와 제2 반사기(105)의 물질은, 이들의 속 성이 서로 다르더라도, 동일할 수 있다. 이어서, 이분의일 위상판은 반사기(103, 105)들 중 하나의 반사기만으로부터의 반사광의 편광 방향을 변경하도록 그 하나의 반사기만으로부터의 반사광의 경로에 배치될 수 있다. 이어서, 사분의일 위상판(115)은 선편광을 생성하기 위해 제1 실시예에서 전술한 바와 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 사분의일 위상판과 이분의일 위상판의 위상 편이 속성은 하나의 위상 편이판 내에 결합될 수 있다.

도 2는, 선편광이 필요할 때 그리고 제1 반사기(203)로부터의 반사광과 제2 반사기(205)로부터의 반사광이 서로 반대 방향으로 원편광될 때 사용될 수 있는 제2 실시예에 따른 조명 장치(200)의 측단면도를 개략적으로 도시한다. 도 2에서는, 2개의 사분의일 위상판에 대응하는 2개의 영역(217, 219)을 갖는 위상 편이판이 존재한다. 반사기(203, 205)들이 X-Y 면에서 원형인 경우, 2개 영역(217, 219)은 동일한 면에서 이 영역들의 광축의 서로 다른 배향 및/또는 서로 다른 속성을 갖는 고리 모양의 영역으로서 보인다는 점을 이해하기 바란다. 예를 들어, 이 영역(217, 219)들 중 하나의 영역의 기능은 사분의일 위상판과 결합된 이분의일 위상판의 기능에 대응할 수 있고 나머지 하나의 영역은 단지 사분의일 위상판으로서 기능할 수 있다.

대체 실시예에서, 영역(217, 219)들은 2개의 사분의일 위상판에 대응하며, 여기서 각 위상판의 빠른 광축은 나머지 하나의 위상판의 빠른 광축에 대하여 90°로 배치된다.

전술한 바와 같이, 광이 원편광되어 있지 않지만 어느 정도 타원편광되는 경 우, 이에 따라 선편광을 생성하기 위해 통상적으로 위상 편이 속성, 또는 사분의일 위상판의 지연을 조절해야 한다.

도 3은 제1 반사기(303)와 제2 반사기(305)의 포락면들이 비선형 파라볼릭 경사를 갖는 제3 실시예에 따른 조명 장치(300)의 측단면도를 개략적으로 도시한다. 곡률을 갖는 경사는, 통상적으로 광원(301)이 다양한 방향으로 그리고 X-Y 면과 같은 면에서 또는 이러한 면에서 대부분 발광할 때, 즉, 광원(301)이 예를 들어 전방향(omnidirectional) 광원일 때, 사용된다. 비선형 경사는 통상적으로 타겟 방향(Z)으로 광원(301)으로부터의 입사광을 반사하도록 적응된다.

또다른 일 실시예에서는, 하나의 반사기만이 굴곡이 있는 포락면을 갖는다.

전술한 바로부터, 최종 광 빔의 형상이 반사기의 형상과 설계에 의해 영향을 받는다는 점을 이해하기 바란다. 통상적으로, X-Y 면에서 광 빔의 투영은 동일한 면에서 반사기의 형상, 예를 들어, 원형을 닮는다. 통상적으로, 하나의 반사기는 이러한 투영의 경계부를 담당하고, 이에 따라 이 반사기는 투영의 형상에 가장 큰 영향을 끼친다. 통상적으로, 그 반사기가 제2 반사기이다.

X-Y 면에서의 반사기의 형상과 크기 사이 및 동일한 면에서의 투영의 광 빔의 형상과 크기 사이의 대응 관계는, 광 빔의 시준 정도에 따라 증가한다. 그러나, 반사기들의 배치로 인해, 통상적으로 보다 낮은 정도의 시준이 존재하더라도 그 형상들 사이에 대응 관계가 존재한다는 점에 주목하기 바란다.

지금까지는, 원형 반사기를 제시하였지만, 다른 형상의 광 빔 투영이 필요한 경우, 이에 따라 반사기를 적응시킬 수 있다.

도 4는 직사각형 반사기(403, 405)를 구비한 일 실시예에 따른 조명 장치(400)의 정면도를 개략적으로 도시한다.

도 5는 타원형 반사기(503, 505)를 구비한 일 실시예에 따른 조명 장치(500)의 정면도를 개략적으로 도시한다.

지금까지 제시한 제1 반사기와 제2 반사기는 유사한 형상을 가지고 있다는 점에 주목하기 바란다. 그러나, 대체 실시예에서, 이 두 개의 반사기는 서로 다른 형상, 예를 들어, 직사각형이나 타원형의 외부 제2 반사기와 결합된 원형의 내부 제1 반사기를 가질 수 있다.

전술한 설명으로부터, 반사기의 형상, 크기, 경사를 조절함으로써, 원하는 크기와 형상을 갖는 뚜렷하고 균일하게 편광된 광 빔을 생성할 수 있다는 것은 명백하다.

본 발명이 결코 전술한 바람직한 실시예들로 한정되지 않는다는 점을 당업자라면 인식할 수 있다. 반대로, 청구범위 내에서 많은 수정 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 전술한 바에서는 광원과 반사기가 동심을 갖는다고 하였지만, 이러한 구성이 통상적으로 바람직하더라도, 반사기들 중 임의의 것 및/또는 광원은 동심으로서 고려되지 않는 배치가 존재하거나 광원이 반사기에 대칭적으로 배치되지 않도록 변위될 수 있다.

Claims

편광 빔(polarized light beam)을 생성하기 위한 조명 장치로서,

면(X-Y) 내에서 광을 방출하도록 배치된 발광면을 갖는 광원(101)과,

상기 면 내에서 상기 광원(101)의 발광면을 둘러싸도록 배치되고, 상기 광을 수광하고 타겟 방향(Z)으로 제1 타원 편광(109)을 반사하고 상반되는 제2 타원 편광(111)을 투광(transmit)하도록 구성된 제1 편광 반사기(103)와,

상기 면(X-Y) 내에서 상기 제1 편광 반사기(103)를 둘러싸도록 배치되고, 상기 제1 편광 반사기(103)로부터 투과된 광(111)을 수광하고 상기 타겟 방향(Z)으로 타원 편광(113)을 반사하도록 구성된 제2 반사기(105)

를 포함하는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 반사기(105)는 편광 반사기인 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 편광 반사기(103) 및/또는 상기 제2 편광 반사기(105)는 원편광 반사기이며, 상기 타원 편광은 대략 원편광되어 있는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 반사기(105)는 금속 반사기와 같은 비편광(non-polarizing) 반사기인 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 반사기(103) 및 상기 제2 반사기(105) 중 적어도 하나는, 상기 타겟 방향(Z)으로 향하는 개구부가 더 넓은 퍼넬(funnel) 형상을 갖는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제5항에 있어서,

상기 제1 반사기(103) 및 상기 제2 반사기(105) 중 적어도 하나는 상기 면(X-Y) 내에서 원대칭(circle symmetric)인 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 제1 반사기(103) 및 상기 제2 반사기(105) 중 적어도 하나는, 선형 경사(linear slope)를 갖는 포락면(envelope surface)을 갖는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제7항에 있어서,

상기 경사의 각도(108)는, 20°내지 70°이며, 바람직하게는 약 45°인 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 반사기(101)는, 상기 광원(101)에 의해 방출되는 실질적으로 모든 광(107)이 상기 제1 편광 반사기(103)에 의해 수광되도록, 타겟 방향(Z)으로 연장되어 있는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 반사기(105)는, 상기 제1 편광 반사기(103)에 의해 투과되는 실질적으로 모든 광(111)이 상기 제2 반사기(105)에 의해 수광되도록, 상기 타겟 방향(Z)으로 연장되어 있는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 편광 반사기(103)와 상기 제2 반사기(105)는 실질적으로 동심을 갖는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치(100)는 반사된 편광(109, 113)을 하나의 소정의 방향의 편광으로 변환하도록 구성된 위상 편이판(115)을 더 포함하는 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제12항에 있어서,

상기 위상 편이판(115)은 사분의일 위상판(quarter wave plate)인 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서,

상기 위상 편이판(115)은 서로 다른 위상 편이 특성들을 나타내는 2개의 영역을 포함하고, 상기 2개의 영역 중 제1 영역은 상기 제1 편광 반사기(103)에 의해 반사된 광(109)을 수광하도록 배치되고 제2 영역은 상기 제2 반사기(105)에 의해 반사된 광(113)을 수광하도록 배치된 편광 빔을 생성하기 위한 조명 장치.