KR20090104077A - 조명 애플리케이션들을 위한 인커플링 구조물 - Google Patents

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KR20090104077A
KR20090104077A KR1020097015797A KR20097015797A KR20090104077A KR 20090104077 A KR20090104077 A KR 20090104077A KR 1020097015797 A KR1020097015797 A KR 1020097015797A KR 20097015797 A KR20097015797 A KR 20097015797A KR 20090104077 A KR20090104077 A KR 20090104077A
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Abstract

광가이드(402)와 같은 조명 애플리케이션들을 위한 광 인커플링 구조물(Light incoupling structures)이 제공되며, 상기 인커플링 구조물은, 광원(404)으로부터 방출되는 광을 전송하는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체(414); 및 선택적인 추가 광학소자(406, 412)와 함께 광을 커플링(coupling)하기 위해 상기 매개체 내에서 블라인드홀들 및 관통홀들과 같은 하나 이상의 홀들(408, 1006, 1008, 1106, 1206, 1214)을 한정하는 광학소자를 포함한다. 또한, 관련된 일체화된 광학기구(integrated optics)를 구비한 광원을 포함하는 조명 소자(1402)가 개시된다.

Description

조명 애플리케이션들을 위한 인커플링 구조물{INCOUPLING STRUCTURE FOR LIGHTING APPLICATIONS}
일반적으로 본 발명은 광학(optics)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광가이드들과 같은 선택적인 매개소자들(intermediate elements)을 통해 광원으로부터 타깃 환경(target environment) 및 타깃 엔티티들(target entities)로 광을 인커플링(incoupling)시키는 것에 관한 것이다.
광가이드(Lightguide)는 통상적으로 다양한 조명 솔루션들(lighting solutions)에서 광원들로부터 방출되는 광을 안내하는데 사용된다. 광가이드는 여러 애플리케이션들 중에서 디스플레이 조명(예를 들면, 백라이트, 프론트라이트), 키패드, 키보드 및/또는 버튼 조명, 인테리어 조명 및 경관 조명에 사용될 수 있다. 박막으로 취급되는 통상적인 광가이드들은 약 0.8㎜ 내지 약 1.0㎜의 두께를 가질 수 있고, 그 내부로 광을 인커플링시키고 및/또는 그로부터 광을 아웃커플링시키는 마이크로광학 구조물(micro-optical structures)을 포함할 수 있다.
도 1은 복수의 마이크로광학 구조물(106)을 포함하는 평면형 광가이드(102) 의 일실시예의 측면을 예시하고 있는데, 광원(104a) 또는 대안적인 광원(104b)에 의해 방출되고 전반사(total reflection)에 의해 상기 광가이드(102)로 전송되는 광(light)을 아웃커플링(out-coupling)(108)시키기 위해서 복수의 마이크로광학 구조물(106)이 상기 광가이드(102)의 일측에 표면 릴리프(surface relief) 형태로 구현된다. 도 1의 예에서, 상기 예시된 마이크로광학 구조물(106)을 포함하는 하부 표면에 대향하는 상부 표면을 통해서 광은 상기 광가이드(102)로부터 아웃커플링된다. 상기 광가이드는 예를 들면, P㎜A(polymethyl methacrylate)와 같은 광학적으로 투명한 중합체 재질을 포함할 수 있다. 상기 광가이드는 흔히 애플리케이션-특정(application-specific)됨으로써 원하는 조명 패턴(illumination pattern)이 정확하게 구해질 수 있다. 발광다이오드(light emitting diode: LED)와 같은 광원은 광가이드의 상이한 부분들을 통해 인커플링될 수 있다; 제1 엔티티(104a)는 경계 영역/표면 또는 단부가 연결된 광원(edge-connected light source)의 일례를 나타내며, 제2 엔티티(104b)는 상부/하부 표면 인커플링인 경우를 나타낸다.
광가이드는 다수의 상이한 공정들에 의해 제조될 수 있다. 광가이드 레이어의 제조는 여러 선택사항들 중에서 연속적인 롤(roll) 복제, 즉, "롤-투-롤(roll-to-roll)" 복제에 의해 완성될 수 있다. 이러한 제조 방법을 사용할 경우, 광학적으로 투명한 플라스틱 필름과 같은 벌크 재질(bulk material)은 표면 릴리프 복제에 사용될 수 있다. 상이한 롤-투-롤 방법들이 종래 이미 알려져 있고, 많은 상이한 애플리케이션들에 대해 굴절성(refractive) 또는 회절성(diffractive)의 마이크로광학 표면 릴리프 형태(예를 들면, 구조물)를 제조하는데 적당하다. 여러 가지 롤-투-롤 방법들이 이용될 수 있는데, 그 중에서도 리플렉사이트(Reflexite), 애버리 데니손(Avery Dennison), 3M, 에피젬(Epigem), 롤트로닉스(Rolltronics), 폴리마이크로(Polymicro), 프린토 프로젝트(Printo project)에 의한 것들이 있다. 기타 적당한 생산 방법들이 있는데, 그 중에서도 연속적 또는 개별적 주조 방법들(자외선 또는 열 경화) 및 압축 성형(compression molding)이 있고, 또한, 경성 엠보싱, 연성 엠보싱 및 자외선(UV) 엠보싱과 같은 연속적 또는 개별적 엠보싱(embossing)이 있다. 또한, 용융 필름(Melt film)이 사용될 수 있다.
이하 도 2를 참조하면, 평면형의 연장된 광가이드(202)의 표면 외형은 방출되는 광이 그 경계 표면을 통해 상기 광가이드(202)에 인커플링되도록 구성된 실질적으로 점광원(point-like source of light)(204)을 구비하도록 도시된다. 전파하는 광의 주요 방향을 지시하는 화살표를 구비한 라인(206)은 상기 광원(204) 및 상기 광가이드 사이의 인커플링을 제어하기 위한 인커플링 구조물을 포함하는 것을 나타내도록 도시된다.
도 3a는 격자 구조물(grating structure)과 같은 다수의 표면 릴리프 형태들(surface relief forms)로 구성되는 인커플링 구조물(306)을 포함하는 광가이드(302)의 일례를 나타내며, 인커플링 구조물(306)은 LED(304)의 전면에서 상기 광가이드(302)의 일측 단부 표면에 직접적으로 위치한다.
도 3b는 광가이드(302)의 일례를 나타내며, 광가이드(302) 및 LED(304) 사이에 분리형 인커플링 구조물(306)을 포함한다.
광가이드 또는 일부 다른 타깃 영역 내에 광을 인커플링시키는 전술한 여러 기존의 솔루션들이 몇몇 존재함에도 불구하고, 상기 커플링된 광의 특성들과 관련된 문제점들이 있다. 어떠한 장치들도 부피가 매우 크고, 이에 따라 광가이드, 광원 및 연관된 소자들의 위치 지정에 대한 크기 제한(size restrictions)을 무시할 수 없는 마이크로-규모의 애플리케이션들(micro-scale applications)에 대해 부적합하며, 즉, 예를 들면, 기설정된 아웃커플링 표면상에서 획득되는 받아들이기 어려울 정도의 불규칙한 조명 패턴(irregular illumination pattern)이나 또는 열악한 인커플링 효율(incoupling efficiency)로 인해서 그 결과들은 기능적으로 단지 일부가 조건을 충족하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 따른 장치들에서 명백한 전술한 단점들을 적어도 감소시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 인커플링 구조물들의 실시예들을 통해 본 발명의 목적이 달성된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 광가이드들과 같은 조명 애플리케이션들을 위한 광 인커플링 구조물은, 광원에 의해 방출되는 광을 전송하는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체(medium); 기설정된 입사 표면 및 출사 표면 사이의 상기 매개체 내에서 초기에 전파하는 광을, 상기 입사 표면 및 출사 표면 사이의 초기 전파 방향에 대해 상기 매개체의 측면들을 향해 발산시키기 위해 상기 매개체 내에 배열된 제1 광학소자(first optical element)―여기서, 제1 광학소자는 상기 매개체 내에서, 블라인드홀들(blind holes) 또는 관통홀들(through holes)과 같은 하나 이상의 홀들을 한정하고, 하나 이상의 홀들은 실질적으로 'x'자 또는 V자의 예리한 에지 형상 또는 원형의 형상임―; 및 상기 매개체를 통해 전파하는 광을 재지정하기 위해 상기 매개체에 대해서 배열된 복수의 마이크로 광학 표면 릴리프 형태(micro-optic surface relief forms)를 구비하는 제2 광학소자를 포함하며, 상기 제1 광학소자 및 상기 제2 광학소자는 상기 전파된 광의 균일도(uniformity) 및 시준(collimation)을 증가시키기 위해 상기 매개체와 협동하도록 구성된다.
또한, 상기 인커플링 구조물은 기능적으로 그리고 선택적으로 광가이드와 같은 타깃 엔티티로부터 물리적으로 분리되거나 적어도 분리될 수 있는 엔티티일 수 있다. 제2 광학소자는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체의 출사 표면상에 형성되어 광의 균일도 및 시준의 향상이 예를 들면, 상기 출사 표면에서 미리 달성될 수 있다. 다른 실시예로서, 제2 또는 부가적인 광학소자가 상기 매개체의 출사 표면에 면하도록 구성된 타깃 엔티티로부터 및/또는 타깃 엔티티 상에 물리적으로 형성될 수 있다. 상기 인커플링 구조물이 상기 타깃 엔티티와 일체화되는 경우, 상기 제2 광학소자는 입사 구조물과 광가이드와 같은 타깃 엔티티(타깃 엔티티의 나머지) 사이의 경계 표면을 한정할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 조명 애플리케이션들을 위한 광 인커플링 구조물은, 광원에 의해 방출되는 광을 전송하는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체; 및 상기 매개체 내에 배열되며, 상기 매개체 내에서 실질적으로 원뿔 형상(cone-shaped) 또는 끝이 잘린 원뿔 형상(truncated cone-shaped)의 블라인드홀 또는 관통홀의 적어도 일부를 한정하는 제1 광학소자를 포함하며, 제1 광학소자는 상기 매개체 내에서 광이 바람직하게는 전반사(total internal reflection)에 의해 전파하도록, 상기 매개체와 상기 홀 사이의 경계 영역을 통해서 상기 광을 상기 매개체 내로 재지정하도록 구성된다.
또한, 전술한 인커플링 구조물은, 예를 들면, 상기 인커플링 구조물의 상기 매개체의 기설정된 출사 표면과 같은 기설정된 표면상에 위치하는 제2 소자 및 선택적으로 부가적인 광학적 기능을 하는 소자들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 여러 실시예들에서, 광학소자들은 예를 들면, 상기 매개체의 크기 및 재질을 적합하게 선택함으로써, 및/또는 예를 들면, 표면 릴리프 형태들을 정렬함으로써 형성될 수 있고, 이에 따라 전파 광은 예를 들면, 연관된 경계 영역들과 상호작용시, 기설정되고 제어되는 방식으로 동작하도록 구성될 수 있다.
또 다른 관련된 여러 실시예들에서, 홀(홀들)은 공기 또는 다른 기타 바람직한 기체로 채워지거나 또는 적당한 고체, 탄성 또는 겔(gel) 또는 액체 매개체로 채워질 수 있다. 광학소자 크기들을 한정하는 것 및 바람직한 전체적인 광학적 기능이 이에 의해 획득될 수 있도록 위치를 지정하는 것과 관련하여 상기 매개체의 굴절률 및 이에 따른 매개체 자체는 애플리케이션-특정적으로 및 선택적으로 선택될 수 있다.
매개체 재질의 형상은 제1 및 광학소자 선택적으로 제2 광학소자와 함께 미리 기설정됨으로써 인커플링된 광의 균일도, 시준 및 인커플링 효율을 상호 협조하여 증가시킬 수 있다. 상기 매개체의 재질은 타깃 엔티티의 재질과 동일할 수 있다. 대안적으로, 상이한 재질들이 사용될 수 있다. 상기 매개체는 예를 들면, 육각형 또는 사변형의 단면 형상을 실질적으로 구비할 수 있다. 육각형의 경우, 한 가지 바람직한 형태는 예를 들면, 이등변 사다리꼴의 집합체로 간주될 수 있다. 예를 들면, 직사각형을 구비한 보다 긴 평행 측면으로부터 결합되는 것으로 간주될 수 있다. 상기 매개체는 광원 및/또는 타깃 엔티티에 대해 대칭적으로 정렬될 수 있다. 예를 들면, 상기 매개체의 입사 측면은 상기 광원의 광축 상에 대칭적으로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 출사 측면은 상기 타깃 엔티티에 대해서 대칭적으로 배치될 수 있다.
광학소자에 의해 한정되고 예를 들면 'x'자 또는 V자의 평면/단면 형태를 갖는 홀들은 상기 광원 및 그로부터 인커플링된 광에 대해서, 예를 들면, 상기 광원의 광축에 대해서 상기 매개체 내에 대칭적으로 정렬될 수 있다.
임의의 실시예들에서, 광적으로 투명한 매개체는 투명할 수 있고 예를 들면 적어도 광학적 출사 표면이 광가이드와 같은 타깃 엔티티의 대응하는 (입사) 크기들에 부합되도록 적용될 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 매개체는 상기 타깃 엔티티보다 실질적으로 상이한 크기일 수 있고 예를 들면, 적어도 크기중 하나는 클 수 있고, 이에 의해 단일 인커플링 구조물은 예를 들면, 다중의 유사하거나 상이한 타깃 엔티티들로 광을 모으도록 구성될 수 있다. 또한, 기설정된 출사 표면들에도 불구하고, 일부 광은 각각의 특정 애플리케이션에 의존하는 다른 영역들을 통해 상기 매개체 외부로 누출될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, LED와 같은 광원은 광 인커플링 구조물과 일체화될 수 있고, 집합적 엔티티, 즉, 조명소자는 선택적으로 광가이드와 같은 타깃 엔티티와 추가적으로 일체화될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 인커플링 구조물은 광원 광학, 예를 들면, LED 광학의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 다른 실시예로서, 광 인커플링 구조물은 타깃 엔티티와 일체화된다. 상기 인커플링 구조물은 다른 구성요소들과 물리적인 일체화에도 불구하고 적어도 기능적으로 개별 소자로서 또한 간주될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 사용은 각각의 계획에 따라 복수의 결과들을 발생한다. 인커플링 구조물은 일반적으로 광 분배의 균질기(homogenizer)로서 작용할 수 있다. 인커플링 구조물은 광가이드와 같은 타깃 엔티티에 제공되는 광을 효율적으로 시준하고 및/또는 균일화하도록 특별하게 구성될 수 있다. 대안적으로, 인커플링 구조물은 그 사이에 광가이드들과 같은 부가적 엔티티들 없이 타깃 환경으로, 예를 들면, 주변 공간으로 직접 광을 커플링시키도록 사용될 수 있다.
제시된 솔루션은 통상적으로 광원 및 타깃 엔티티 사이의 적당한 공간만을 요구하며, 많은 실시예들에서 하나 이상의 소자들이 서로 일체화될 수 있고, 이것은 고집적도지만 높은 품질의 광을 갖는 소형의 광학 제품들을 제공할 수 있다. 달성되는 인커플링 효율은, 예를 들면, 단지 회절성 인커플링 격자를 사용하는 것보다 우수할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 인커플링 구조물들은 사출 성형함으로써 또는 나중의 매개체로의 필요한 형상들을 천공함으로써 용이하게 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 마이크로-광학 표면 릴리프 구조물들은, 상이한 단면 형상들, 예를 들면, 불꽃형(blazed), 사다리꼴형(trapezoidal), 사인 곡선형(sinusoidal), 평행사변형(parallelogra㎜al), 이원체(binary) 등의 형상들을 갖는 격자 그루브들(grooves), 요홈들(recesses), 또는 돌출부들과 회절성(diffractive) 및/또는 굴절성(refractive) 표면 릴리프을 포함할 수 있다.
본 발명의 내용 중에서 'x'라는 용어는, 서로 교차하고 이에 따라 네 개의 돌출부들을 갖는 공통적인 중심부를 형성하는 라인들과 같은 두 개의 연장된 엔티티들로부터 수립되도록 고려될 수 있는 형상으로 참조된다; 하지만, 두 엔티티들 사이의 각도는 이후 검토되는 바와 같이 공통적인 90°와 상이하거나 다를 수 있다. 상기 교차점은 상이한 길이일 수 있는 두 부분들로 각각의 연장된 엔티티를 분리한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 첨부되는 후속 청구범위들 내에 개시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 광원을 구비한 광가이드를 예시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 광원을 구비한 광가이드의 상부를 회전시킨 것을 예시하는 도면이다.
도 3a는 광가이드, 관련된 광 인커플링 구조물 및 광원의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3b는 광가이드, 관련된 광 인커플링 구조물 및 광원의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 인커플링 구조물의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명에 따른 인커플링 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 투시 효과 및 바람직한 크기들을 갖는 도 4a의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6a는 광가이드에 대한 위치 정렬 및 그 내부의 광 전파를 발생하는 LED 실시예의 평면을 예시하는 도면이다.
도 6b는 인커플링 구조물에서 홀들을 정렬하기 위한 설계 파라미터들을 예시하는 도면이다.
도 6c는 본 발명에 따른 인커플링 구조물을 위한 매개체 형상의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 6d는 도 6c의 실시예에서 광 전파를 예시하는 도면이다.
도 6e는 본 발명에 따른 인커플링 구조물의 출사 표면상의 표면 릴리프 패턴 설계의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 6f는 도 6e의 시나리오와 연관된 입사 각도(incident angle) 및 아웃커플링 각도(outcoupling angle)를 보다 구체적으로 예시하는 도면이다.
도 6g는 릴리프 경사 각도(relief inclination angle) 및 배열의 대칭축까지의 거리 사이의 의존성을 예시하는 도면이다.
도 6h는 초기 표면 릴리프 구조물의 높이의 일실시예를 예시하는 그래프이다.
도 6i는 타깃 광가이드에 대해 획득 가능한 강도 분포(intensity distribution)를 예시하는 도면이다.
도 7a는 다중 광원들이 인가되는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7b는 그 에지부를 다중 세그먼트들로 분할함으로써 인커플링 구조물 매개체를 최적화하는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7c는 일 세그먼트를 추가로 예시하는 도면이다.
도 7d는 다중 광원들을 위해 최적화된 인커플링 구조물 매개체의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7e는 릴리프 경사 각도 의존성을 예시하는 도면이다.
도 7f는 보정이 적용된 릴리프 경사 각도들을 예시하는 도면이다.
도 7g는 연속적인 표면 릴리프 구조물들을 예시하는 도면이다.
도 8은 광 인커플링 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9는 광 인커플링 구조물의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10a는 원뿔 형상의 홀을 구비하는 광 인커플링 구조물의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10b는 원뿔 형상의 인커플링 홀(cone-shaped incoupling hole) 및 지지 상부 원뿔(supporting top cone)을 구비한 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11a는 끝이 잘린 원뿔 형상(truncated cone-shaped)의 인커플링 홀 배열을 구비한 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11b는 끝이 잘린 원뿔 형상의 인커플링 홀을 구비한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11c는 끝이 잘린 홀 형상의 인커플링 소자(truncated hole-shape incoupling element)가 반사 상부(reflective top)를 제공하는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11d는 도 11c의 인커플링 배열을 위한 적절하지만 바람직한 크기들을 예시하는 도면이다.
도 12a는 방위 격자(azimuthal grating) 및 인커플링 원뿔(incoupling cone)을 포함하는 하이브리드 인커플링 구조물(hybrid incoupling structure )의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 12b는 방위 격자 및 인커플링 원뿔을 구비한 하이브리드 인커플링 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12c는 방위각적으로 대칭인 격자의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13a는 백색 밸런스 보정(white balance correction)을 위한 원통형 형상을 포함하는 인커플링 구조물의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13b는 원통형 소자를 구비한 실시예의 대안적인 셋업(set-up)을 예시하는 도면이다.
도 14는 광원 및 관련된 광학을 결합시키는 조명 소자(lighting element)의 실시예를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 광원은 광가이드 소자에 직접 연결되어, 부가적인 수단 없이 광 을 제공할 수 있다. 대안적으로, 광가이드는 하나 이상의 인커플링 구조물로 배열될 수 있다. 인커플링 구조물은 상부 및 하부 표면의 적어도 하나 상에 거울 반사체(specular reflectors)를 포함하는 쐐기 모양의 웨지(wedge), 타원형 광파이프(elliptical lightpipe), 초점 렌즈(focusing lens) 및/또는 분리된 광섬유 다발을 포함할 수 있다. 한편, 광원 및 인커플링 구조물은 단일형 구조물(unitary structure)을 형성할 수 있다. 광가이드 소자가 다중 광가이드 레이어들을 포함할 경우, 인커플링은 상기 레이어들 중에서 달라질 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 인커플링 구조물(410)의 일실시예를 나타내는 도면이다. 사용되는 광원(404)은 예를 들면, 니치아사의 NICHIA NSSW020BT와 같은 LED를 포함할 수 있다. 타깃 엔티티(target entity)는 이 경우에 광가이드(402)이며, 예를 들면, 실질적으로 평면의 광가이드일 수 있고, 약 0.5㎜의 두께 및 예를 들면, 약 10㎜의 조명 영역 폭(illumination area width)을 가질 수 있다. 시준 인커플링 구조물(collimating incoupling structure)(410)의 길이는 짧은 것이 바람직하며, 예를 들면 약 3.5㎜ 이하일 수 있다. 구조물 매개체(414)의 재질 및/또는 광가이드(402)와 같은 타깃 엔티티의 재질은 예를 들면, 약 1.493의 굴절률(refraction index)(n)을 갖는 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 포함할 수 있다.
복수의 표면 릴리프 형태들과 같은 표면 릴리프 구조물(surface relief structure)(406)은 상기 광가이드(402) 내의 각도 강도 분포(angular intensity distribution)를 향상시키도록, 즉, 통상적으로 낮추기 위해서 시준 구조 물(collimation structure)로 사용된다. 개발된 표면 릴리프 구조물(406)은 예를 들면, 프레넬 프로파일(Fresnel profile)을 포함할 수 있다. 바람직한 각도 강도(angular intensity)는 예를 들면, 각도로 최대 반치폭(full width half maximum: FWHM) 값을 통해 특정될 수 있다.
광가이드(402)로 전파되는 광의 균일도(Uniformity)는 상기 매개체 및 상기 홀 사이의 경계에 도달하는 광선들의 적어도 일부를 상기 매개체(410) 내부로 보다 수월하게 분산시키기 위해서 상기 매개체(410)의 표면상에 하나 이상의 기설정된 굴절성(refractive) 및/또는 회절성(diffractive) 홀들, 즉, '에어 스크래치(air scratches)'(408)의 경계를 정함으로써 개선될 수 있다. 예시된 실시예에서, 상기 홀(408)은 광원(404)(대칭축) 및 상기 매개체(414) 크기들에 대해서 상기 구조물(410) 상에 대칭적으로 정렬되며, 즉, 이것은 광원(404) 및 매개체(414) 둘 모두와 관련하여 중심이 일치된다.
유리하게도, 광원(404)에 의해 방출되는 광의 적어도 일부는, 타깃 광가이드(402)의 기설정 표면상에서 광의 균일도를 향상시키기 위해서 측면(측면들)을 향한 상기 인커플링 구조물(410)의 중심 영역으로부터 홀 경계(hole boundary)(408)에서 충돌이 편향되고, 여기서 상기 광은 기설정된 출사 표면상의 표면 릴리프 구조물(406)을 통해서 상기 인커플링 구조물(410)로부터 안내된다. 광학소자들(406, 408) 및 매개체(414) 파라미터들은 각각의 애플리케이션을 위해 함께 최적화(optimization)될 수 있고, 이러한 최적화는 상기 인커플링 구조물 단독으로 또는 광가이드(402)와 같은 연결된 타깃 엔티티와 함께 수행될 수 있다.
또한, 광가이드(402)를 향해 상기 광원(404)에 의해 방출되는 광의 일부는 상기 인커플링 구조물(410)의 홀(홀들)(408)을 통해 실질적으로 직선으로 전파될 수 있다. 상기 홀(홀들)(408)은 블라인드 홀 및/또는 관통홀일 수 있고, 예를 들면, 상기 인커플링 구조물(410) 상의 하나 이상의 윤곽선들을 한정할 수 있다.
상기 홀의 재질은 공기 또는 기타의 다른 기체, 또는 예를 들면, 기설정된 굴절률과 같은 바람직한 특성들을 갖는 선택된 고체나 탄성 재질을 포함할 수 있다. 상기 홀(홀들)(408)에 의해 생성되는 상기 윤곽선은 상기 인커플링 구조물(410)의 매개체(414)에서 하나 이상의 실질적으로 '십자선들(crossing lines)' 또는 'x'자 형상들을 한정할 수 있다. 서로 교차하는 선-형상들은 직선이거나 약간 흔들릴 수 있다. 상기 형상의 중심 부분은 단순하게 조합된 두 개의 상이하게 정렬된 선들의 중첩부(superposition)보다는 클 수 있다. 상기 인커플링 구조물(410)의 (표면) 평면은 광가이드(402)의 평면에 평행할 수 있다.
상기 인커플링 구조물(410)은 (상기 인커플링 구조물(410) 및 상기 광가이드(402) 사이의 갭(gap)을 통해서 면에 도시된 바와 같이) 광가이드(402) 및/또는 광원(404)으로부터 물리적으로 분리되거나 또는 적어도 분리될 수 있으며, 즉, 예를 들면, 사출성형(injection molding)에 의해 서로 이음매 없이 일체화될 수 있다. 하지만, 상기 인커플링 구조물(410)은 그 기능에 의해 적어도 논리적으로는 실질적으로 분리가능한 독립 엔티티(independent entity)로 간주될 수 있다. 따라서 일실시예로서, 논리적으로 상기 인커플링 구조물에 속하는 표면 릴리프 형태들은 부가적으로 또는 대안적으로 타깃 엔티티, 예를 들면, 광가이드(402)의 입사 표 면상에 물리적으로 형성될 수 있다.
상기 실시예의 성능을 검토하기 위해서, 도광판(waveguide) 상의 광 균일도(Uw), LED(404)로부터 약 3.5㎜ 및 약 5㎜ 거리에서의 도광판 전면 상의 균일도(Uf) 및 인커플링 효율(E)이 바람직한 구성 내에서 결정되었다. 인커플링 효율(E)은 약 76%, Uf(3.5)는 약 84%, Uf(5)는 약 86%, Uw는 93%를 넘는 것으로 구해졌다. 따라서 그 구조는 일반적으로 최종 균일도 특성에 대해 충분히 만족하고, 이에 따라 그 구조는 예를 들면, 덜 엄격한 FWHM 값을 요구하는 백라이트 애플리케이션들(backlight applications)에서 적합하다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면도를 나타내며, 여기서, 상기 인커플링 구조물(410)은 물리적으로 광가이드(402) 단부, 즉 '입사(input)' 표면에 위치하는 시준 표면 릴리프 구조물(collimating surface relief structure)(406)을 포함한다. 상기 인커플링 매개체(414)는 이미 전술한 원리에 따라 상기 최종 균일도를 향상시키기 위해서 하나 이상의, 예를 들면 3개로 도시된 실질적으로 V자 형상의 홀들(408)을 포함한다. 게다가, 피아노-볼록 렌즈(piano-convex lens)와 같은 렌즈(412)가 상기 광을 분산시키고 상기 균일도를 향상시키기 위해 상기 홀들과 연동하도록 추가된다. 상기 V자 형상의 홀들은 예리한-에지 또는 곡선/원형일 수 있고, 예를 들면 보다 'u'자에 가까울 수 있으며, 다중의 인접 형상들의 경우, 'w'자형, 즉 사실상 물결(wavy) 모양일 수 있다.
도 5는 도 4a의 실시예를 추가로 나타내고, 또한 ㎜ 단위로 주어지는 적용가능한 치수들을 단지 예시적으로 시각화한다. 백색 LED(504)와 같은 광원은 이러한 특정 예에서 1.9㎜ x 0.45㎜의 치수를 갖는 직사각형 형상을 구비한다. 상기 LED에 의해 방출되는 광은 기설정된 출사 측면보다 짧은 기설정된 입사 측면을 통해서 10㎜ x 3.5㎜의 치수들을 갖는 인커플링 구조물(506) 내로 전파된다. 효율적인 에너지 투과율(energy transmittance)을 위한 인커플링 구조물의 두께는 이것이 상기 LED(504)의 두께보다 두껍거나 동일하고 광가이드(502)의 두께보다 얇거나 동일하도록 선택될 수 있다; 따라서 두께는 예를 들면 광가이드의 두께, 즉, 0.5㎜와 동일하도록 선택될 수 있다. 대향하는 출사 측면에서, x 축에 평행한 표면 릴리프 구조물은 yz 평면에 대해서 커플링된 광의 시준(collimation)을 수행하도록 구성되고 즉, 광선의 x 성분 및 이에 따른 xy 평면에서 y 축으로의 광각 발산(light angular divergence)의 최대각을 최소화하고, yz 평면으로 전파되도록 상기 광선들을 굴절시킨다. 이후, 시준된 보다 균일한 광이, 예를 들면, 10㎜ 폭, 40㎜ 길이 및 0.5㎜ 두께를 갖는 광가이드(502)로 진입한다. 상기 LED로부터 상기 인커플링 구조물까지의 거리는 예를 들면, 0.1㎜일 수 있다. 상기 LED(504), 상기 인커플링 구조물(506) 및 상기 광가이드(502)는 접촉 영역들에서 광 누출을 최소화시키도록 예를 들면, 약 99% 반사율(reflectivity)을 갖는 두 개의 반사체 필름에 의해 덮일 수 있다.
상기 홀(구성요소)의 경사는 다음과 같은 조건들을 사용하여 설계되었다. 상기 홀은 상기 LED의 대칭축에 대해서 대칭이 되도록 배치될 수 있다. 상기 홀 자체는 그 단부들이 중심 영역으로부터 그 측면 영역까지 광을 굴절시키도록 배치될 수 있다. 도 6a에 도시된 형태는 참조로서 선택될 수 있다. 광선들은 홀 경계 로부터 전반사(total internal reflection)를 하게 된다. 이러한 광선들은 상기 인커플링 구조물의 매개체의 중심 영역에서 재지정(redirect)된다. 상기 홀의 설계는 실질적으로 'x'자 형성의 홀들의 경우 다음과 같은 파라미터들을 사용하여 설명될 수 있다. 도 6b를 참조하면, 상기 인커플링 구조물의 중심으로부터 입사 측면까지의 거리는 d로 표시되고, 경사각은 α로 표시되며, 중심으로부터의 홀 구성 라인들의 길이들은 I1 및 I2로 표시된다. 예시된 예에서, 인커플링 구조물의 길이는 3.5㎜이다.
바람직한 구성으로서, 경사각(α)은 광이 LED로 다시 반사되는 것을 실질적으로 피하기 위해서 바람직하게는 약 32°의 기설정된 범위보다 작게 유지하도록 고려되었다. 임의의 경사각을 갖는 홀들은, 상기 인커플링 구조물의 대향 단부상의 입사 표면에 면하는(face) 표면과 같은 기설정된 출사 표면상의 조명(luminance)의 평균값으로 중심 영역을 통과하는 광을 유리하게 제한할 수 있다.
다음으로, α = 20°에 대해 R 영역(대칭축으로부터 +/- 1㎜)의 조명은 평균에 일치하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 형태의 구현은 상기 인커플링 매개체의 형상이 변경될 수 있고, 기본적인 직사각형 형상으로부터 상기 인커플링 구조물의 측면들을 통과하는 광 손실을 피하기 위해서 도 6c에 예시된 형상으로 추가적으로 개선될 수 있다는 것을 암시한다. 이제 상기 LED에 면하는 입사 측면 바로 다음의 경사 측면들(Slanted sides)(606)은, 실질적으로 원하는 출사 방향을 향해, 즉, 상기 매개체의 입사 측면에 대향하는 출사 측면을 향해 상기 홀(홀들)에 의해 초기에 편 향된 광을 보다 효율적으로 반사하게 되며, 상기 측면들(606)을 통과하는 광 누설이 완화된다. 따라서 상기 인커플링 구조물의 획득된 단면 형상은 두 개의 인접한 실질적으로 이음매 없이 일체화된 소자들의 조합으로서 간주될 수 있다: 이등변 사다리꼴은 상기 LED와 함께 동작하고, 직사각형은 광가이드와 같은 타깃 엔티티에 면하며, 이들 두 소자들 사이의 가상의 경계는 도 6c에서 파선(608)을 통해 예시된다.
라인(11)의 길이를 결정하는 한 가지 선택 방법이 이하 설명된다. 20°의 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00001
)으로 예시된 경우에서, 수직 대칭축과 관련하여 22° 미만의 각도(
Figure 112009045978613-PCT00002
)를 갖는 모든 광선들은 상기 홀 및 상기 인커플링 매개체 사이의 경계에 의해 재지정되는데, 도 6d를 참조한다. 광선은 직각의 인커플링 구조물 표면에 대해서 34° 미만의 각도에서 LED의 코너로부터 상기 시준 구조물로 전파되는 것으로 간주한다. 이후 상기 광선은 22° 미만의 각도에서 정상적으로 상기 구조물 내로 굴절된다. 이러한 광선은 상기 홀에 의해 바람직하게 재지정된다. 따라서 다음 수학식 1과 같은 조건이 만족된다.
Figure 112009045978613-PCT00003
여기서, l은 도시된 LED의 길이다. 최적화될 파라미터들은 구조물의 입사 측면으로부터의 거리(d), 라인 길이(12)(도 6b 참조), 거리들(s1 및 s2)(도 6c 참 조)이 있다. 상기 인커플링 구조물의 대향 측면, 즉, 출사 측면(exit side)은 이러한 계산에서 흡수되는 것으로 가정된다. 상기 파라미터들의 최적화가 상기 인커플링 구조물에 대해 수행되어 상기 출사 측면상의 흡수 에너지(E) 및 에너지의 균일도(U)의 일부를 최대화할 수 있다. 상기 인커플링 구조물의 출사 측면상의 강도 균일도가 다음 수학식 2와 같은 관계를 사용하여 계산되었다:
Figure 112009045978613-PCT00004
이때,
Figure 112009045978613-PCT00005
이고
Figure 112009045978613-PCT00006
이다. 여기서,
Figure 112009045978613-PCT00007
는 j 지점에서의 광의 강도, j는 도광판 정면 상의 변화 지점, N은 전체 측정 지점들의 수,
Figure 112009045978613-PCT00008
는 상기 강도의 평균값을 나타낸다.
예를 들면, I2가 약 0.9㎜, d가 약 1.25㎜, s1이 약 1.5㎜, s2가 약 2.35㎜의 파라미터 값들이 상기 인커플링 구조물의 출사 영역 상에서 높은 에너지 및 균일도 값들을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 약 0.55㎜의 I1 파라미터가 상기 LED 및 상기 인커플링 구조물 사이의 실질적으로 0.1㎜의 공기 갭을 고려하여 결정되었다. 이하의 실험들은 높은 에너지 백분율을 갖는 균일도의 최대값을 나타낸다.
바람직한 구성으로서, I2 값을 0.9㎜로부터 다른 값으로 변경하면 표 1에 도시된 바와 같이 균일도의 감소를 초래할 수 있다:
Figure 112009045978613-PCT00009
마찬가지로, d값을 2.25㎜로부터 다른 값으로 변경하면 표 2에 도시된 바와 같이 균일도의 감소를 초래할 수 있다:
Figure 112009045978613-PCT00010
또한, s1값을 1.5㎜로부터 다른 값으로 변경하면 표 3에 도시된 바와 같이 균일도의 감소를 초래할 수 있다:
Figure 112009045978613-PCT00011
또한, s2값을 2.35㎜로부터 다른 값으로 변경하면 표 4에 도시된 바와 같이 균일도의 감소를 초래할 수 있다:
Figure 112009045978613-PCT00012
따라서 상기 실험들은 상기 시준되는 구조물의 파라미터들이 주어진 형태(geometry)에서 양호하게 동작하는 것을 나타낸다.
상기 표면 릴리프 구조물의 표면의 굴곡(Curvature)은 예를 들면, 다음과 같은 조건들을 사용하여 설계될 수 있다. 예시를 위해서 도 6e를 참조한다. H축은 상기 LED에 면하는 인커플링 구조물의 정면의 입사 측면으로부터 거리(dH)에 위치하고 상기 입사 측면에 평행하도록 정해진다. 모델링 연구에서, 상기 거리(dH)는 약 3.5㎜인 것으로 가정되었다. 대칭축(S)은 상기 LED의 중심을 지나며 상기 인커플링 구조의 정면에 수직하도록 정해진다. 광각 분포의 각도들(
Figure 112009045978613-PCT00013
1in 및
Figure 112009045978613-PCT00014
2in)은 H축 상의 임의의 점에 대해 결정되는데, 도 6f를 참조한다. S축으로부터 거리(ds) 상에 위치하는 지점에서 마이크로구조물 표면 경사의 각도(
Figure 112009045978613-PCT00015
)는 굴절된 광선의 각도들(
Figure 112009045978613-PCT00016
1out 및
Figure 112009045978613-PCT00017
2out)을 결정하는데 사용될 수 있다. 굴절된 광선들의 각도(
Figure 112009045978613-PCT00018
1out 및
Figure 112009045978613-PCT00019
2out)는 설계 목표에 따라 최소화될 수 있다.
상기 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00020
)은 굴절된 광선들의 각도(
Figure 112009045978613-PCT00021
1out 및
Figure 112009045978613-PCT00022
2out)의 동일 조건에 의해 선택된다. 대칭축 S에 대한 거리(ds)에서 H축의 한 지점상의 릴리프 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00023
)의 의존성(dependence)은 도 6g에 도시된 바와 같이 구해진다. 굵은 선은 실제 강도 각도 분포에 근거하여 획득된 의존성을 나타낸다. 점선은 전송 에너지를 최소화하는 것에 근거하여 최적화된 의존성을 나타낸다. 이러한 의존성을 이용하여 초기의 연속적인 릴리프(relief)이 전개될 수 있다. S축에 대해서 대칭적인 형태로 인해, 릴리프 높이 및 거리 사이의 의존성이 단지 절반을 나타내는 것이 도 6h에서 충분히 고려된다.
시준되는 마이크로구조물의 높이 및 외형 크기들은 백색 LED에 의해 방출되는 광이 원하지 않는 회절 효과 및 색 분산(color dispersion)을 발생하는 것을 피하기 위해서, 예를 들면, 적색광의 파장보다 높게 선택되는 것이 바람직할 수 있다.
해당 도광판의 표면상의 최종 강도 분포가 도 6i에 예시된다. 광가이드에 대한 강도 분포의 균일도는 93% 이상인 것으로 밝혀졌다.
상기 LED로부터 3.5㎜ 떨어진 곳에 광가이드 정면에 대한 강도 분포의 균일도는 약 84%였다(도시되지 않음). 상기 LED로부터 5㎜ 떨어진 곳에 광가이드 정면에 대한 강도 분포의 균일도는 약 8%였다(도시되지 않음). 따라서 균일도는 일반적으로 높은 것이 유리하지만, 균일도를 증가시키면 전송 에너지의 높은 각도 발산을 발생시킬 수 있고 인커플링 효율을 약간 떨어뜨릴 수 있다. 결국, 제안된 홀들을 적용하는 것은 덜 엄격한 강도 각도 분포 요구사항을 갖는 백라이트에서 균일도를 향상시키는 효율적인 방법이다.
도 7a의 실시예에서, 인커플링 구조물은 LED들과 같은 세 개의, 즉 다중의 광원들용으로 설계되어 구현된 홀들을 통해 상기 구조물의 측면들을 향해 전송되는 광의 일부를 재지정할 수 있다. 이후, 상기 구조물의 측면들 상의 전반사를 이루는 광은 매개체 형상의 적합한 선택에 의해 기설정된 출사 측면을 향해 재지정된다. 광의 일부는 상기 홀들을 통해 실질적으로 직선으로 상기 구조물의 출사 측면으로 다시 전파될 수 있다. 상기 출사 측면은 출사된 광의 시준을 위해 원통 형상의 마이크로 릴리프 표면 구조물을 다시 구비한다. 전술한 실시예들의 설명에 개시된 본 발명에 따른 최적화된 인커플링 구조물의 형상은 최적화 과정을 위한 시작점으로서 다루어졌다.
상기 구조물이 대칭적이기 때문에, 도 7b에 도시된 바와 같이 이것을 세그먼트들로 분할함으로써 최적화를 위해 초기 형상의 절반만 준비되었다. 이 예에서, 상기 인커플링 구조물의 길이(h)는 약 3.5㎜로 동일하다.
각각의 세그먼트는 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00024
k ) 및 길이(l k )로 특성화될 수 있다(도 7c 참조).
최적화 과정은 인커플링 구조물의 측면(H)상의 조명 균일도를 최대화하고, xy 평면에서 y축에 대해 광각도 발산의 최대각을 최소화하는 것에 근거할 수 있다. 초기 최적화 동안, 측면(H)은 완벽한 흡수체로 가정되었다. 인커플링 구조물의 대향하는 출사 측면에 대한 강도 균일도는 앞에서 제시된 균일도 수학식을 사용하여 구해졌고, 이에 의해 상이한 세그먼트들에 대해 다음과 같은 치수들 및 경사각이 구해졌다:
Figure 112009045978613-PCT00025
도 7d에 도시된 다중 광원들에 대한 매개체 단부의 최적화된 형상(보다 어두운 선)은 초기 형상(보다 밝은 선)에 대조된다. 이하의 표 6은 측면(H)의 FWHM 상의 정보, 상기 측면(H)에 대한 균일도(U), 및 신규 최적화된 구조물 및 이전의 초기 구조물에 대한 인커플링 효율(E)(측면 H로 전송된 에너지)을 포함한다.
Figure 112009045978613-PCT00026
수행된 최적화에 의해 측면(H)으로 전송되는 광의 각도 분산을 4.6°만큼 감되었다. 또한, 인커플링 효율은 1.7%만큼 증가되었다. 하지만, 광 에너지의 균일도는 약간 감소되었다.
표면 릴리프 구조물의 설계를 고려하면, S축으로부터 거리(ds)상의 구조물 의존성에서 H축생의 강도 각도 분포의 FWHM 각도들은 수치 실험들에 의해 예상되었다. 상기 구조물의 최적화에 의해 대칭축에 대한 각도 발산은 약 3.7㎜ 거리로부터 약 5㎜ 거리까지 5° 내지 10°만큼 천이되었다. 하지만, 약 2.3㎜로부터 약 3.7㎜까지의 거리에 대해 FWHM의 각도는 임의의 애플리케이션들에 대해 가능한 작지는 않다. 따라서 이 영역에서의 각도들이 부가적인 홀들을 사용하여 단축된다는 것이 제안된다.
상기 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00027
)은 굴절된 광선들의 각도들(
Figure 112009045978613-PCT00028
1out 및
Figure 112009045978613-PCT00029
2out)과 동일하다는 조건으로 선택된다. 대칭축(S)에 대한 거리(ds)에서 H축 상의 한 지점에서 릴리프 경사각(
Figure 112009045978613-PCT00030
)의 구해진 의존성은 초기 및 최적화된 구조물에 대해 계산되었고 도 7e에 도시된 바와 같다. 최적화된 구조물의 릴리프 경사각(Relief inclination)은 약 0.25㎜로부터 약 1.25㎜까지의 거리 및 약 3.7㎜부터 약 5㎜까지의 거리에서 초기 구조물보다 작다.
마이크로구조물 릴리프의 법선(normal) 및 입사 빔 사이의 큰 각도들은 전송 에너지를 감소시킨다. 따라서 릴리프 경사각을 감소시키는 것이 일반적으로 유리하다. 또한, 릴리프 경사각에서 소, 중 및 대의 감소를 구비한 세 개의 보정된 의존성들(제1 보정, 제2 보정, 제3 보정)이 실험들에 의해 평가되었다. 릴리프 경사의 보정 의존성이 도 7f에 도시된다.
연속 프로파일(Continuous profile)이 보정된 의존성들을 사용하여 구성되었다. 연관된 대칭 그래프의 절반이 도 7g에 도시된다. 이후, 마이크로구조물의 이산화된 프로파일(discretized profile)은 이러한 분석 데이터를 이용하여 개발될 수 있다.
도 8은 두 개의 프리즘(806, 808)이 사용되는 인커플링 구조물의 또 다른 실시예를 나타낸다. 모든 프리즘들(806, 808)은 광가이드(802)와 같은 타깃 엔티티에서 그 균일도를 증가시키기 위해서 진입 광을 분산시키도록 구성된다. 따라서 추가적인 삼각형 형상의 프리즘(808)이 상기 구조물의 중심에 정렬된다. 대칭축은 LED의 중심에 위치하고, 절단된 삼각형의 형상을 갖는 구조물(806)의 정면에 수직하도록 정해진다. 또한, 초기 구조물(806)은 대칭적인 연속 릴리프(sy㎜etric continuous relief)를 갖는다. 상기 구조물의 중심에서 보다 작은 프리즘 구성요소(808)는 상기 중심 영역으로부터 측면들까지 보다 효율적으로 광을 분배하는데 사용될 수 있다.
도 9는 본체의 크기가, 예를 들면, 약 0.96㎜ x 0.96㎜인 LED로부터, 예를 들면, 약 3~8㎜ 두께이고 개략적인 굴절률(n) 범위가 1.29~1.68인 광가이드(902)로 광이 커플링되는 실시예를 나타낸다. 광을 약 1㎜(n=1.5)보다 두꺼운 광가이드로 광을 커플링시키기 위한 상기 인커플링 구조물에 대한 최적화 과정은 얇은 광가이드와 연결되는 유사한 소자에 대한 최적화 과정과 기본적으로 동일할 수 있다. 한 가지 차이점은 표면 릴리프 마이크로구조물로부터 보다 작은 수의 다중 반사가 이루어질 수 있다는 것이고, 이것은 보다 높은 효율을 발생한다.
표면 릴리프 마이크로구조물은 LED에 면하는 광가이드의 모든 벽들에 적용된다. 하부측이 굴절성 마이크로 릴리프로 코팅되지만, 상부측은 삼각형 격자의 형태에서 반사성 마이크로 릴리프로 코팅된다. 도면은 그 중심 영역(-1' 및 1' 차수들)에서 제로-차수 에너지(zero-order energy) 부분의 커플링을 추가로 활성화시키는 상부측 반사 격자를 구비한 광선의 형태를 대칭적으로 도시한다. 획득된 인커플링 효율은 단지 단일-표면의 마이크로구조물에 비해서 훨씬 증가된다.
도 10a는 본 발명의 또 다른 실시예의 단면을 예시하며, 여기서, 원뿔-형상의 홀(1006)이 인커플링 구조물(매개체) 내에 형성되거나 또는 직접 광가이드(1002) 내에 형성된다. 두께(H)를 갖는 광가이드(1002)는 축으로부터의 각도(apex angle:
Figure 112009045978613-PCT00031
), 깊이(h) 및 직경(D)을 갖는 원뿔-형상의 홀을 포함한다. 광가이드의 굴절률은 n이다. 상기 홀은 공기 또는 기타의 다른 기체로 채워질 수 있거나, 주변의 광가이드 매개체(1002)의 굴절률과는 상이한 기설정된 굴절률을 갖는 고체 매개체로 채워질 수 있다. 축으로부터의 각도(
Figure 112009045978613-PCT00032
)는 예를 들면 약 20°, 30°, 40°, 또는 50°일 수 있다. 바람직한 홀 직경은 발산 본체 크기에 따라 달라지고 이 실시예에서 직경(D)은 약 1.6㎜로 선택될 수 있다.
표 7은 광가이드의 다양한 굴절률과 관련하여 원뿔형 홀(1006)의 계산 및 시뮬레이션의 바람직한 결과들을 제공한다.
Figure 112009045978613-PCT00033
값은 전체 LED 에너지의 백분율로 주어진 커플링 효율이다. 상기 LED 지향성도(directivity diagram)는 람베르시안(Lambertian)인 것으로 간주된다. 광가이드 두께는 원뿔 높이(h)보다 작지는 않다. 표 7에서, 설계된 n(n designed)은 이러한 방법의 최적화 동작을 가능하게 하는 설계된 굴절률이고, 사용된 n(n used)은
Figure 112009045978613-PCT00034
값이 계산된 굴절률이다.
표 7은 도광판 홀대 굴절률(the waveguide hole vs the refractive index)의 파라미터들을 나타낸다.
Figure 112009045978613-PCT00035
n이 1.41과 같거나 작은 굴절률에 대해, 상기 커플링 효율은 상당히 감소하게 된다. 광의 일부 제한된 부분이 그 상부를 통해 광가이드를 이탈하기 때문에 100% 효율은 실제적으로 유지되지 않는다. 표 7은 홀 깊이(h)를 제공하고, 그 계산 결과들은 H>h인 광가이드 두께에 대해 유효하다.
도 10은 본 발명의 일실시예를 나타내며, 여기서, 두 개의 실질적으로 원뿔-원뿔(cone-cone) 형상의 광학소자들이 커플링(인커플링) 목적을 위해 사용된다. 어떤 경우에는 입사 영역에서 제2의 180° 이동된 원뿔, 즉, '상부 원뿔(top cone)'(1008)을 추가함으로써 도 10a의 실시예의 성능이 개선될 수 있다. 상기 상부 원뿔(1008)의 정점(apex)은 하부 원뿔의 정점에 접할 수 있고, 극단적인 경우, 정점들은 서로를 한정할 수 있다. 상기 상부 원뿔(1008)의 크기들은 애플리케이션에 따라 선택될 수 있다.
일 구성예로, 달성된 성능은 다음과 같다:
Figure 112009045978613-PCT00036
상부 원뿔에 거울(반사) 코팅을 적용하면 다음과 같은 결과들로 변경된다:
Figure 112009045978613-PCT00037
목표가 넓은 범위의 굴절률을 갖는 광가이드에 광을 커플링시키는 것인 경우, 전술한 배열은 전체 범위의 굴절률에 양호하게 수행된다. 굴절률(n)이 1.29(광가이드는 약 3㎜ 두께)에 대해, 추가로 최적화된 원뿔에 의해 약 83%의 커플링 효율을 얻을 수 있지만, 상기 상부 원뿔상의 거울 코팅의 적용은 상기 커플링 효율을 약 98%까지 증가시킬 수 있다. 보다 두꺼운 광가이드에 대해, 보다 양호한 결과들을 얻을 수 있다. 표 10은 동일한 광학적 구성에 대해 커플링 효율 및 굴절률 항목으로 하는 8㎜ 두께를 갖는 광가이드에 대한 분석 결과를 제공한다.
Figure 112009045978613-PCT00038
예시된 바와 같이 상기 두 개의 원뿔 방식은 다음과 같은 파라미터들의 적어도 일부가 알려진 것이라는 가정에 근거하여 케이스-특정적으로 최적화될 수 있다: 광가이드 두께; 광가이드 굴절률; 광원, 예를 들면 LED의 크기, 방사 본체, 및 XZ-평면에서 및 Y축 상에서 광원 정렬의 정확도(부정확도).
상기 원뿔이 광가이드에 블라인드홀을 천공함으로써 제조된다면, 상기 원뿔표면의 평탄도가 고려되어야 하는데, Y축(낮은 품질의 천공으로 인한 링형 그루브들) 상의 벽 조도(wall roughness)는 상기 방식은 바람직한 굴절률 및 높이(h)에서 동작할 때 상기 방사(radiation)는 그 상부를 통해 광가이드를 떠나게 할 수 있기 때문이다. (상기 원뿔 축에 평행한 그루브를 구비한) XZ 평면에서 발견되는 상기 원뿔 표면상의 낮은 조도는 아마도 중요하지는 않다.
모든 방식들에서, LED 방사 본체는 광가이드 (하부) 측면에 대향하여 우측에 배치되는 것이 바람직하다. 장치를 제조할 때, 한 가지 선택사항은 상기 원뿔 내로 상기 LED를 약간 내려앉게 하는 것이다. 이것은 광 효율성을 (예를 들면, 약 0.1~0.2%만큼) 증가시킬 수 있고, 광가이드 출사 표면에 대한 예각(acute angle)에서 LED가 보이게 할 가능성을 미리 배제할 수 있다.
도 11a는 (얇은) 광가이드 내로 광을 전송하기 위한 굴절성 원뿔-보조(refractive cone-aided) 인커플링 구조물의 다른 실시예의 단면을 예시한다. 예를 들면, LED(1104)와 같은 광원으로부터 단지 약 0.15㎜ 두께이고 굴절률(n)이 약 1.5인 광가이드(1102) 내로 광을 커플링시키는 방식을 고려할 수 있다. 상기 홀에 의해 한정된 원뿔(1106)은 실질적으로 절두체(frustum)와 같은 예를 들면 원형의 절단된 원뿔일 수 있고, 예를 들면, 광가이드(1102)를 통해 천공하거나 적당한 성형물을 사용하여 획득될 수 있다.
또한, 이러한 실시예에서, 상기 광가이드에 홀을 천공함으로써, 이러한 경우 광가이드를 통해, 직접적으로 경사진 벽들(slanted walls) 또는 광가이드 표면에 수직한 벽들을 발생시킴으로써, 인커플링 구조물(1112)이 설치될 수 있다. 후자의 경우, 인커플링 모듈(incoupling module)(1112)과 같은 조명 소자가 상기 홀에 배치되는데, 상기 인커플링 모듈(1112)은, 주변의 광가이드 매개체와 유사하거나 또는 상이한 매개체 재질을 포함하고, 공기 또는 기타의 다른 매개체로 채워지는 절단된-원뿔 형상의 홀(1106)을 한정하며, LED과 같은 광원을 선택적으로 제공한다.
도면에 도시된 방식에 대해, 커플링 효율은 약 1.5의 굴절률(n)을 갖는 광가이드에 대해 약 61%일 수 있다. 굴절률과 함께 상기 효율은 증가하며, 반면에 굴절률의 감소는 상기 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 n=1.68에 대해, 상기 커플링 효율은 약 67%일 수 있다.
도 11b는 절단된 원뿔 형상을 포함하는 인커플링 구조물의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 보다 두꺼운 두께는 상기 인커플링 구조물(1106) 주변의 광가이드 매개체(1102)에 국부적으로 더해짐으로써, 상기 인커플링 구조물은 부가적인 커플링 표면, 국부적인 매개체 깊이 및 결과적으로 개선된 각도들을 통해서 개선될 수 있다. 상기 인커플링 구조물은 점점 두꺼워지는 매개체 부분(1108), (가능하다면) 원뿔 재질(1106) 및/또는 LED(1104)와 같은 광원을 일체화한 모듈(1114)과 같은 조명 소자로서 제공될 수 있다. 분석에 의하면, 예를 들면, n이 1.68에 대해 약 72%의 커플링 효율에 도달할 수 있다.
상기 인커플링 효율은 반사형 원뿔을 상기 방식에 도입함으로써 임의의 애플리케이션들에서 추가적으로 증가될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 상기 인커플링 구조물의 다른 실시예가 도 11c에 예시된다. 도면에서 화살표들에 의해 지시되는 반사성 코팅(1118)은 도시된 바와 같이 상기 홀(하부)의 단면의 윤곽선은 실질적으로 'm'자 형상을 한정한다. 상기 인커플링 구조물은 모듈(1116)과 같은 조명 소자로서 다시 제공될 수 있다. 상기 'm'자 형상은 이러한 형상을 상기 매개체 내에 새김으로써, 또는 관통홀을 먼저 천공하고, (복합체(예를 들면, 반사성+매개체 재질) 도는 선택된 반사성 재질로부터 충분히 제조되는) 삼각형(triangle)(1120)을 실질적으로 배치함으로써, 상기 관통홀을 'm' 프로파일을 구비한 블라인드홀로 변환할 수 있다. 상기 홀은 바람직한 굴절률 및 기타 특성들에 의존하는 이하 언급하는 바와 같이 공기 또는 기타의 다른 바람직한 기체로 채워지거나 또는 적당한 고체, 탄성 또는 겔 또는 액체 재질로 채워질 수 있다. 게다가, 예를 들면, 형광체(phosphor)가 예를 들면, 백색광 조명 애플리케이션에 대한 블루칩의 경우에 사용될 수 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c의 실시예들에서, 상기 원뿔의 기하학적 파라미터들은 애플리케이션-특정 방식에서 가장 높은 커플링 효율을 위해 계산적으로 및/또는 실험적으로 최적화될 수 있다. 반사체 없이 절단된 원뿔을 구비한 실시예들은 광의 일부가 정점 홀(apex hole)을 경유하여 광가이드를 통해 직접적으로 실질적으로 바람직하게 통과하는 경우들에 특히 적합하다.
도 11d는 도 11c의 실시예에 따라 인커플링 구조물의 한 가지 가능한 구현물의 치수들을 나타낸다. 상기 치수들은 ㎜ 단위로 주어지고 각도들은 도(degree)로 주어진다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예의 평면(1210) 및 단면(1220)을 예시하며, 여기서, 이른바 방위 격자(azimuth grating)가 원뿔-형상의 중심부와 결합되어 개선된 광 인커플링 구조물을 제공할 수 있다. 이원 회절 격자(binary diffraction grating) 또는 다른 바람직한 격자 구조물은 대칭적으로, 예를 들면, 매개체 내에 앞에서 설명된 바와 같은 원뿔 또는 절단된 원뿔의 형상을 갖는 홀(1206) 주변에 방사적으로 위치하는 구분적으로 평행한 그루브들(1208)을 포함한다. 단순한 격자 솔루션으로는, 인커플링 효율이 모든 입사 각도들에서 불충분하다: 따라서 하이브리드 솔루션(hybrid solution)이 개선된 인커플링 효율을 제공한다. 실질적으로 점광원(point-like light source), 예를 들면, LED의 경우, 상기 원뿔(1206)은, 도면에서 파선으로 도시된 바와 같이, 상기 원뿔의 수직 축 및 상기 LED가 결합하도록 배치된 우측의 원형 원뿔일 수 있다. 상기 격자는 예를 들면 상기 원뿔(1206)이 없는 LED(1204)에 의해 방출되는 광선들을 인커플링시키도록 구성된다. 상기 LED(1204) 및 광가이드/원뿔(1206) 사이의 거리가 증가할 때, 보다 많은 광이 상기 원뿔(1206) 대신에 상기 격자(1208)에 먼저 도달하지만, 상기 인커플링 효율은 단지 원뿔형 인커플링 구조물을 구비한 경우보다는 여전이 높게 유지한다. 따라서 상기 LED가 상기 광가이드 표면과 이음매 없이 일체화될 없고 상기 광가이드 표면 내에 약간 함몰될 수 없는 애플리케이션들에 대해서 상기 실시예는 특히 적합하다. 도 12a는 상기 홀(1206) 주변의 구분적으로 평행한 그루브들의 일측 영역을 예시하지만, 또한 격자 간격(grating period) 및/또는 그루브 높이와 같은 상이한 파라미터들, 예를 들면, 영역-특정의 파라미터들을 구비한 솔루션에 부가적인 영역들(additional zones)이 추가될 수 있다.
도 12b는 원뿔형 홀(도시되지 않음)이 사용되는 대안적인 방위 격자(1212)를 예시한다. 이 실시예에서, 격자 영역은 방사적으로 발산하고 넓어지는 그루브들을 포함한다. 그러므로 격자 간격(T)은 또한 예를 들면, R 및 x의 함수로서, 즉, 영역 시작 거리 및/또는 전체 대칭 중심으로부터의 영역 내 위치의 함수로서 변경된다. 이러한 예에서, 상기 홀(1214)은 예를 들면 전술한 'm'자의 단면 형상 또는 기타의 다른 형상을 가질 수 있다.
일반적으로, 예를 들면 광원으로서 LED 대신에 레이저를 사용하면, 상기 커플링 효율을 증가시킬 수 있는데, 레이저 광이 본질적으로 시준되기 때문이다; 따라서 레이저 광은 상기 광가이드의 두께와 비교되는 소형 영역 내에 집중(focus)될 수 있고 이후 마이크로 광학을 이용하여 광가이드 내에 커플링된다. 상기 커플링 효율은 상기 입사 영역(및 이로 인한 광원의 크기)을 감소시킴으로써 및/또는 광가이드 두께를 증가시킴으로써 개선될 수 있다.
도 12c는 방위적으로 대칭인 이원 회절 격자의 다른 실시예의 상부 면을 예시하며, 이러한 방위적으로 대칭인 이원 회절 격자는 인커플링 목적을 위한 광가이드 내에 원뿔형 중심 소자의 사용에 적합하다. 상기 격자의 그루브들은 이 실시예에서 전체 구조물에 대해 연속적이며, 즉, 분리 영역들이 없다.
도 13a는 인커플링 구조물의 실시예를 나타내며, 여기서, LED들과 같은 다중 광원들이 백색 광(white light)과 같은 기설정된 색상 결합을 형성하는데 사용된다. 상기 광가이드에 진입하기 전에 다중 LED들로부터 광을 효율적으로 혼합하기 위해서, (예를 들면, 각각 617㎚(n=1.4901), 525㎚(n=1.49473) 및 469㎚(n=1.497)와 같은 연관된 파장/굴절률을 갖는 적색광, 녹색광 및 청색광을 방출하는) LED들이 기설정된 깊이(S)로 원통형(1306)에 설치됨으로써, 상기 원통형(1306)의 확산성/반사성 내벽들에 의한 최종 여러 커플링들(resulting several couplings)은 실제 광가이드로 진행하는 도중에 이미 상기 광선들을 혼합시킬 수 있다. 따라서 상기 배치는 예를 들면, 백색 밸런스 조정 및 색상 혼합에 적합하며, 이것은 전술한 (절단된) 원뿔형의 점점 가늘어지는 홀(tapered hole)과 같은 다른 인커플링 구조물과 함께 구현될 수 있다. 또한, 도광판 두께의 증가는 커플링 효율을 추가로 증가시키도록 유도할 수 있다. 일반적으로, 도광판 평면으로부터의 거리(S)의 효과를 고려하면, 상기 거리(S)를 크게 하면 할수록 그 균일도가 상기 광가이드에서 증가하는 것으로 측정된다.
도 13b는 본 발명에 따른 원통형 인커플링 구조물의 다른 실시예를 시각화한 것이다. 광선들이 도광판을 향해 전파되는 동안에 LED(LED들)(예를 들면, 다색의 멀티칩)과 같은 광원(광원들)은 보다 많은 반사가 상기 원통형 구조물에서 발생하도록 상기 원통형 구조물 내에 보다 깊게 위치하며, 이것은 색상 혼합 효과(color mixing effect)를 바람직하게 개선한다.
도 14는 본 발명의 실시예를 구체적으로 나타내며, 여기서 조명 소자(1402)는 LED 칩과 같은 광원, 이전에 설명된 원리에 따른 일체화된 광학기구를 포함한다. 상기 광학기구는, 예를 들면, 블라인드홀, 관통홀과 같은 전술한 구조물들을 포함할 수 있다. 게다가, 반사성 레이어들, 단면이 'm'자 형상(1404)인 임의의 형상들, 격자 구조물, 또는 다양한 다른 표면 릴리프 형태들이 상기 광학기구 내에 포함될 수 있다. 따라서도 14는 단지 이러한 일체화된 소자의 일례를 도시한다.
본 발명의 여러 실시예들은 관련 기술이 속하는 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 만큼 명백하게 적용되고 조합될 수 있다. 예를 들면, 인커플링 구조물들은 디스플레이, 램프와 같은 다양한 조명 제품들, 모바일 단말, 손목형 컴퓨터들, PDA들, 시계들, 차량용 조명 등과 같은 휴대용 제품들과 함께 사용되도록 가공될 수 있다. 따라서 인커플링 구조물들은 다목적 버전으로 구성될 수 있고, 또한 애플리케이션-특정된 광학적으로 기능을 갖는 레이어, 예를 들면, 키패드 어셈블리의 키 매트와 함께 일체화될 수 있다.
본 발명의 범위는 그 균등물과 함께 첨부된 청구범위에 의해 결정된다. 당업자는 외적으로 개시된 실시예들이 단지 예시적인 목적으로 구성된 것을 또한 이해할 수 있고, 그 범위는 본 발명을 각각의 특정한 경우에 사용할 때 보다 양호한 다른 실시예들, 실시예 조합들 및 균등물을 망라한다.

Claims (21)

  1. 광가이드들과 같은 조명 애플리케이션들을 위한 광 인커플링 구조물에 있어서,
    광원에 의해 방출되는 광을 전송하는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체(medium);
    기설정된 입사 표면 및 출사 표면 사이의 상기 매개체 내에서 초기에 전파하는 광을, 상기 입사 표면 및 출사 표면 사이의 초기 전파 방향에 대해 상기 매개체의 측면들을 향해 발산(spread)시키기 위해 상기 매개체 내에 배열된 제1 광학소자(first optical element)―여기서, 제1 광학소자는 상기 매개체 내에서, 블라인드홀들(blind holes) 또는 관통홀들(through holes)과 같은 하나 이상의 홀들을 한정하고, 상기 하나 이상의 홀들은 실질적으로 'x'자 또는 V자의 예리한 에지 형상 또는 원형의 형상임―; 및
    상기 매개체를 통해 전파하는 광을 재지정(redirecting)하기 위해 상기 매개체에 대해서 배열된 복수의 마이크로 광학 표면 릴리프 형태(micro-optic surface relief forms)를 구비하는 제2 광학소자를 포함하며,
    상기 제1 광학소자 및 상기 제2 광학소자는 상기 전파된 광의 균일도(uniformity) 및 시준(collimation)을 증가시키기 위해 상기 매개체와 협동하도록 구성되는 광 인커플링 구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광학소자가 상기 매개체의 출사 표면상에 형성되는 광 인커플링 구조물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 출사 표면이 광가이드(lightguide)와 같은 타깃 엔티티(target entity)와 입사 구조물 사이의 경계 표면을 한정하는 광 인커플링 구조물.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 광학소자가 프레넬 프로파일(Fresnel profile)의 적어도 일부를 정하는 광 인커플링 구조물.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매개체는 상기 입사 표면으로부터의 거리의 함수로서 그 폭(width)이 증가하는 적어도 하나의 부분(portion)을 포함하는 광 인커플링 구조물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 매개체가 육각형(hexagon)의 단면 형상을 갖는 광 인커플링 구조물.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매개체의 형상은, 복수의 광원들에 대해 각각 복수의 국부 입사 표면들(local input surfaces)을 포함하고, 관련된 국부 입사 표면으로부터의 거리의 함수로서 그 폭이 증가하는 복수의 국부 입사 부분들(local input portions)을 추가로 포함하며, 각각의 국부 입사 부분은 상기 관련된 국부 입사 표면을 통해서 상기 매개체 내로 진입하는 광을 발산시키도록 구성된 하나 이상의 상기 홀들을 포함하는 광 인커플링 구조물.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매개체에 의해 출력된 광을 전송하는, 광가이드와 같은 타깃 엔티티(target entity)를 추가로 포함하며, 상기 제2 광학소자는 상기 매개체의 출사 표면에 실질적으로 면하도록(face) 구성된 상기 타깃 엔티티의 표면상에 형성되는 광 인커플링 구조물.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제3 광학소자를 포함하며, 상기 제3 광학소자는 상기 매개체의 출사 표면상에 형성되고 상기 광을 발산하는 볼록 렌즈(convex lens)를 실질적으로 한정하는 광 인커플링 구조물.
  10. 조명 애플리케이션들을 위한 광 인커플링 구조물에 있어서,
    광원에 의해 방출되는 광을 전송하는 광학적으로 실질적으로 투명한 매개체; 및
    상기 매개체 내에 배열되며, 상기 매개체 내에서 실질적으로 원뿔 형상(cone-shaped) 또는 끝이 잘린 원뿔 형상(truncated cone-shaped)의 블라인드홀 또는 관통홀의 적어도 일부를 한정하는 제1 광학소자를 포함하며,
    상기 제1 광학소자는, 상기 매개체 내에서 광이 바람직하게는 전반사(total internal reflection)에 의해 전파하도록, 상기 매개체와 상기 홀 사이의 경계 영역을 통해서 상기 광을 상기 매개체 내로 재지정하도록 구성되는 광 인커플링 구조물.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 광학소자는 하나의 블라인드 홀을 한정하고,
    상기 광 인커플링 구조물은 상기 제1 광학소자에 대해 상기 매개체의 대향 측면 상에 배열되는 다른 하나의 원뿔 형상의 블라인드 홀(cone-shaped blind hole)을 한정하는 제2 광학소자를 추가로 포함하는 광 인커플링 구조물.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학소자들의 정점들(apexes)은 상기 매개체 내에서 서로 실질적으로 대면하도록 구성되는 광 인커플링 구조물.
  13. 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학소자는 실질적으로 'm'자 형상의 단면 형상을 갖는 블라인드홀을 한정하며, 상기 블라인드홀 하부 표면의 적어도 일부가 반사성(reflective)을 갖는 광 인커플링 구조물.
  14. 청구항 10에 있어서,
    기설정된 두께의 제1 광학소자를, 광가이드와 같은, 상이한 두께의 타깃 매개체(target medium)와 인터페이스시키도록 점진적으로 두꺼워지는 부분(gradually thickening portion)을 추가로 포함하는 광 인커플링 구조물.
  15. 청구항 10 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학소자 주변에 정렬되는 복수의 표면 릴리프 형태(surface relief forms)를 구비하는 제2 광학소자를 포함하는 광 인커플링 구조물.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 광학소자의 표면 릴리프 형태는 상기 제1 광학소자 주변에 대칭적으로 위치하는 구분적으로-평행한 그루브들(piecewise-parallel grooves)의 하나 이상의 영역들(zones)을 한정하는 광 인커플링 구조물.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 광학소자의 표면 릴리프 형태는 상기 제1 광학소자로부터의 거리의 함수로서 서로로부터 발산하도록 구성되는 그루브들을 한정하는 광 인커플링 구조물.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 표면 릴리프 형태의 크기(dimensions)는 상기 제1 광학소자로부터의 거리의 함수로서 변화되도록 구성되는 광 인커플링 구조물.
  19. 청구항 10 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 광원들을 그 내부에 하나 이상의 기설정된 깊이들에서 수용하기 위한 실질적으로 원통 형상의 소자(cylindrical element)를 추가로 포함하며,
    상기 실질적으로 원통 형상의 소자는, 상기 복수의 광원들에 의해 방출되는 광선들이 상기 원통 형상의 소자 내에 전파하는 동안에, 상기 원통 형상의 소자 내부의 확산성(diffusive) 및/또는 반사성(reflective) 내부 벽들과의 상호작용으로 인하여 혼합(mix)되도록 구성되는 광 인커플링 구조물.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 따른 광 인커플링 구조물, 및 발광다이오드와 같은 광원을 포함하는 조명 소자(lighting element).
  21. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 따른 광 인커플링 구조물을 포함하고, 선택적으로 발광다이오드와 같은 광원을 추가로 포함하는 광가이 드(lightguide).
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Families Citing this family (79)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8066408B2 (en) 2006-12-29 2011-11-29 Modilis Holdings Llc Incoupling structure for lighting applications
JP2008199231A (ja) * 2007-02-13 2008-08-28 Fujitsu Ltd 端末装置
WO2010124028A2 (en) * 2009-04-21 2010-10-28 Vasylyev Sergiy V Light collection and illumination systems employing planar waveguide
DE102009036211B4 (de) * 2009-08-05 2013-01-31 Trw Automotive Electronics & Components Gmbh Optisches Anzeigeelement aus selektiv beleuchtbaren konzentrischen Ringen
US20110244187A1 (en) * 2010-04-06 2011-10-06 Modilis Holdings Llc Internal Cavity Optics
US20110297220A1 (en) * 2010-04-06 2011-12-08 Kari Rinko Laminate structure with embedded cavities for use with solar cells and related method of manufacture
JP5510038B2 (ja) * 2010-04-28 2014-06-04 オムロン株式会社 コリメート光源及び面光源装置
US9250448B2 (en) 2010-11-19 2016-02-02 Reald Inc. Segmented directional backlight and related methods of backlight illumination
US20140041205A1 (en) 2010-11-19 2014-02-13 Reald Inc. Method of manufacturing directional backlight apparatus and directional structured optical film
CN103329029A (zh) 2010-11-19 2013-09-25 瑞尔D股份有限公司 导向性平坦照射器
US8651726B2 (en) 2010-11-19 2014-02-18 Reald Inc. Efficient polarized directional backlight
US9237337B2 (en) 2011-08-24 2016-01-12 Reald Inc. Autostereoscopic display with a passive cycloidal diffractive waveplate
US9436015B2 (en) 2012-12-21 2016-09-06 Reald Inc. Superlens component for directional display
US9001423B2 (en) 2012-07-23 2015-04-07 Reald Inc. Temporally multiplexed display with landscape and portrait operation modes
US9103955B2 (en) * 2012-03-12 2015-08-11 Shenzhen China Start Optoelectronics Technology Co., Ltd. Backlight module with light guide plate with light sources, and liquid crystal display apparatus with such module
CN102606955B (zh) * 2012-03-12 2014-07-16 深圳市华星光电技术有限公司 背光模组及液晶显示器
US20130258716A1 (en) * 2012-03-29 2013-10-03 Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. Blacklight module and liquid crystal display
CN102661527B (zh) * 2012-03-29 2014-03-26 深圳市华星光电技术有限公司 背光模组及液晶显示器
WO2013160823A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Koninklijke Philips N.V. Lighting arrangement
JP6189423B2 (ja) 2012-05-18 2017-08-30 リアルディー スパーク エルエルシー 指向性光源用制御システム
US9188731B2 (en) 2012-05-18 2015-11-17 Reald Inc. Directional backlight
US9678267B2 (en) 2012-05-18 2017-06-13 Reald Spark, Llc Wide angle imaging directional backlights
US9235057B2 (en) 2012-05-18 2016-01-12 Reald Inc. Polarization recovery in a directional display device
US9594261B2 (en) 2012-05-18 2017-03-14 Reald Spark, Llc Directionally illuminated waveguide arrangement
JP2015525432A (ja) * 2012-05-18 2015-09-03 リアルディー インコーポレイテッド 結像指向性バックライトのための光源調整
CN104321686B (zh) 2012-05-18 2017-04-12 瑞尔D斯帕克有限责任公司 控制定向背光源的光源
US9350980B2 (en) 2012-05-18 2016-05-24 Reald Inc. Crosstalk suppression in a directional backlight
CN104380185B (zh) 2012-05-18 2017-07-28 瑞尔D斯帕克有限责任公司 定向背光源
WO2014018269A1 (en) 2012-07-23 2014-01-30 Reald Inc. Observer tracking autostereoscopic display
CN103017036B (zh) * 2012-12-11 2015-12-23 京东方科技集团股份有限公司 一种发光装置、背光模组及显示装置
TW201426036A (zh) * 2012-12-24 2014-07-01 Radiant Opto Electronics Corp 導光元件與應用此導光元件之光源裝置
US9575237B2 (en) 2012-12-24 2017-02-21 Radiant Opto-Electronics Corporation Light guide element and light source device using the light guide element
KR20200123175A (ko) 2013-02-22 2020-10-28 리얼디 스파크, 엘엘씨 지향성 백라이트
WO2014141204A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Morgan Solar Inc. Optics for illumination devices and solar concentrators
US8911132B1 (en) * 2013-03-15 2014-12-16 Cooper Technologies Company Edgelit optic entrance features
EP2971950B1 (en) 2013-03-15 2021-05-19 Morgan Solar Inc. Light panel, optical assembly with improved interface and light panel with improved manufacturing tolerances
US10036517B2 (en) * 2013-05-16 2018-07-31 3M Innovative Properties Company Lightguide as luminaire
WO2014204950A1 (en) 2013-06-17 2014-12-24 Reald Inc. Controlling light sources of a directional backlight
EP3058562A4 (en) 2013-10-14 2017-07-26 RealD Spark, LLC Control of directional display
US9739928B2 (en) 2013-10-14 2017-08-22 Reald Spark, Llc Light input for directional backlight
CN106062466B (zh) 2013-11-15 2020-01-31 瑞尔D斯帕克有限责任公司 具有发光元件封装的定向背光源
FR3015005B1 (fr) * 2013-12-13 2018-12-07 Valeo Systemes Thermiques Dispositif lumineux
US11067736B2 (en) 2014-06-26 2021-07-20 Reald Spark, Llc Directional privacy display
EP3204686B1 (en) 2014-10-08 2019-07-17 RealD Spark, LLC Connection unit for a directional backlight
CN104296072A (zh) * 2014-10-09 2015-01-21 青岛海信电器股份有限公司 一种发光器件及背光源
IL235642B (en) * 2014-11-11 2021-08-31 Lumus Ltd A compact head-up display system is protected by an element with a super-thin structure
CN104501094B (zh) * 2014-12-02 2017-10-13 深圳市华星光电技术有限公司 导光板、背光模组及显示装置
WO2016105541A1 (en) 2014-12-24 2016-06-30 Reald Inc. Adjustment of perceived roundness in stereoscopic image of a head
TWI579605B (zh) * 2015-01-06 2017-04-21 瑞儀光電股份有限公司 導光元件與應用此導光元件之光源裝置
US9869450B2 (en) 2015-02-09 2018-01-16 Ecosense Lighting Inc. Lighting systems having a truncated parabolic- or hyperbolic-conical light reflector, or a total internal reflection lens; and having another light reflector
US11306897B2 (en) 2015-02-09 2022-04-19 Ecosense Lighting Inc. Lighting systems generating partially-collimated light emissions
RU2596062C1 (ru) 2015-03-20 2016-08-27 Автономная Некоммерческая Образовательная Организация Высшего Профессионального Образования "Сколковский Институт Науки И Технологий" Способ коррекции изображения глаз с использованием машинного обучения и способ машинного обучения
EP3283911B1 (en) 2015-04-13 2021-12-08 RealD Spark, LLC Wide angle imaging directional backlights
WO2016191598A1 (en) 2015-05-27 2016-12-01 Reald Inc. Wide angle imaging directional backlights
WO2017027540A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Ecosense Lighting Inc. Optical devices and systems having a converging lens with grooves
CN108351951B (zh) 2015-10-26 2023-02-07 瑞尔D斯帕克有限责任公司 智能隐私系统、设备及其方法
WO2017083526A1 (en) 2015-11-10 2017-05-18 Reald Inc. Distortion matching polarization conversion systems and methods thereof
WO2017083041A1 (en) 2015-11-13 2017-05-18 Reald Inc. Wide angle imaging directional backlights
EP3374822B1 (en) 2015-11-13 2023-12-27 RealD Spark, LLC Surface features for imaging directional backlights
WO2017120247A1 (en) 2016-01-05 2017-07-13 Reald Spark, Llc Gaze correction of multi-view images
KR20200096711A (ko) * 2016-04-01 2020-08-12 이노텍, 코프 후방조사를 제공하는 조명 조립체
WO2017200950A1 (en) 2016-05-19 2017-11-23 Reald Spark, Llc Wide angle imaging directional backlights
WO2017205183A1 (en) 2016-05-23 2017-11-30 Reald Spark, Llc Wide angle imaging directional backlights
EP3566094B1 (en) 2017-01-04 2023-12-06 RealD Spark, LLC Optical stack for imaging directional backlights
WO2018187154A1 (en) 2017-04-03 2018-10-11 Reald Spark, Llc Segmented imaging directional backlights
US10126575B1 (en) 2017-05-08 2018-11-13 Reald Spark, Llc Optical stack for privacy display
EP3622342A4 (en) 2017-05-08 2021-02-17 RealD Spark, LLC OPTICAL STACK FOR DIRECTIVE DISPLAY
US10303030B2 (en) 2017-05-08 2019-05-28 Reald Spark, Llc Reflective optical stack for privacy display
EP4293574A3 (en) 2017-08-08 2024-04-03 RealD Spark, LLC Adjusting a digital representation of a head region
TW201921060A (zh) 2017-09-15 2019-06-01 美商瑞爾Ｄ斯帕克有限責任公司 用於可切換定向顯示器的光學堆疊結構
EP3707554B1 (en) 2017-11-06 2023-09-13 RealD Spark, LLC Privacy display apparatus
WO2019147771A1 (en) 2018-01-25 2019-08-01 Reald Spark, Llc Touch screen for privacy display
TWI827580B (zh) 2018-01-25 2024-01-01 美商瑞爾Ｄ斯帕克有限責任公司 用於防窺顯示裝置之反射式光學堆疊物
WO2019151853A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-08 Nederlandse Organisatie Voor Teogepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek Tno Hot spot reduction in segmented flexible light guides
EP3627040A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-25 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Hot spot reduction in segmented flexible light guides
PL3620714T3 (pl) 2018-09-07 2023-01-23 Marelli Automotive Lighting Italy S.p.A. Urządzenie oświetleniowe i/albo sygnalizacyjne pojazdu
DE102019124073A1 (de) * 2019-09-09 2021-03-11 Lisa Dräxlmaier GmbH Beleuchtungsvorrichtung mit lichtleiter sowie fahrzeug und verfahren
CN116194812A (zh) 2020-09-16 2023-05-30 瑞尔D斯帕克有限责任公司 车辆外部照明装置
US20230093382A1 (en) * 2021-09-20 2023-03-23 Lumileds Llc Optical coupler, design method therefor, and vehicle light therewith

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5719747Y2 (ko) * 1977-07-21 1982-04-26
JP3655970B2 (ja) * 1996-07-29 2005-06-02 大日本印刷株式会社 透過型スクリーン
JP3427636B2 (ja) * 1996-09-06 2003-07-22 オムロン株式会社 面光源装置及び液晶表示装置
US6097549A (en) * 1997-08-12 2000-08-01 Breault Research Organization, Inc. Bireflective lens element
JPH11174968A (ja) * 1997-12-15 1999-07-02 Denso Corp インジケータ用レンズ
JP4159059B2 (ja) * 1998-06-05 2008-10-01 シチズン電子株式会社 面状光源ユニット
US6623132B2 (en) * 1999-08-11 2003-09-23 North American Lighting, Inc. Light coupler hingedly attached to a light guide for automotive lighting
JP2001351424A (ja) * 2000-06-06 2001-12-21 Fuji Electric Ind Co Ltd 平面発光装置
JP4266551B2 (ja) * 2000-12-14 2009-05-20 三菱レイヨン株式会社 面光源システムおよびそれに用いる光偏向素子
DE10102586A1 (de) * 2001-01-20 2002-07-25 Philips Corp Intellectual Pty Beleuchtungseinrichtung mit punktförmigen Lichtquellen
JP4653326B2 (ja) * 2001-03-05 2011-03-16 オリンパス株式会社 照明装置
JP3801032B2 (ja) * 2001-11-29 2006-07-26 日本電気株式会社 光源とこの光源を用いた液晶表示装置
JP4055056B2 (ja) * 2002-07-19 2008-03-05 ミネベア株式会社 面状照明装置
KR100499133B1 (ko) * 2002-11-04 2005-07-04 삼성전자주식회사 백라이트 유닛
JP2004253173A (ja) * 2003-02-18 2004-09-09 Sumitomo Rubber Ind Ltd 発光装置
US7666920B2 (en) * 2003-07-22 2010-02-23 Dai Nippon Ink And Chemicals, Inc. Radiation curable resin composition for lens sheet and lens sheet
JP4093476B2 (ja) * 2003-07-25 2008-06-04 株式会社ナナオ 面光源装置、液晶表示装置用バックライト及び液晶表示装置
WO2005012952A2 (en) * 2003-07-29 2005-02-10 Light Prescriptions Innovators, Llc Circumferentially emitting luminaires and lens elements formed by transverse-axis profile-sweeps
JP2004014527A (ja) * 2003-09-08 2004-01-15 Omron Corp 面光源装置
JP4305850B2 (ja) 2004-05-24 2009-07-29 株式会社 日立ディスプレイズ バックライト装置及び表示装置
TWI249053B (en) * 2004-08-27 2006-02-11 Jemitek Electronics Corp Backlight module
TWI249257B (en) * 2004-09-24 2006-02-11 Epistar Corp Illumination apparatus
CN100485482C (zh) * 2004-10-14 2009-05-06 清华大学 导光板和背光模组
KR100688767B1 (ko) * 2004-10-15 2007-02-28 삼성전기주식회사 Ｌｅｄ 광원용 렌즈
CN2745289Y (zh) * 2004-11-04 2005-12-07 深圳富泰宏精密工业有限公司 手机按键导光板
TWI317829B (en) * 2004-12-15 2009-12-01 Epistar Corp Led illumination device and application thereof
JP2006215509A (ja) * 2005-02-04 2006-08-17 Hiroshi Inoue 液晶表示装置の扁平形バックライト
US7220042B2 (en) * 2005-03-09 2007-05-22 K-Bridge Electronics Co., Ltd. Light guide plate structure of backlight module
JP4721159B2 (ja) * 2005-03-28 2011-07-13 ミネベア株式会社 面状照明装置
JP4725176B2 (ja) * 2005-04-25 2011-07-13 パナソニック電工株式会社 光学部品及び光学部品を用いた照明器具
JP2006309242A (ja) * 2005-04-26 2006-11-09 Lg Electronics Inc 光学レンズ及びこれを用いた発光素子パッケージ及びバックライトユニット
US20060285356A1 (en) * 2005-06-21 2006-12-21 K-Bridge Electronics Co., Ltd. Side-edge backlight module dimming pack
CN101034182A (zh) 2006-03-10 2007-09-12 胜华科技股份有限公司 导光模组
US8066408B2 (en) 2006-12-29 2011-11-29 Modilis Holdings Llc Incoupling structure for lighting applications
JP4888429B2 (ja) * 2008-03-18 2012-02-29 株式会社Ｊｖｃケンウッド インジケータ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20090016057A1 (en) 2009-01-15
CN101617252B (zh) 2012-06-20
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US8746931B1 (en) 2014-06-10
JP5812566B2 (ja) 2015-11-17
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EP2104873A1 (en) 2009-09-30

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