KR20090108588A - 조명 디바이스용 광 외부결합 구조 - Google Patents

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KR20090108588A
KR20090108588A KR1020097011205A KR20097011205A KR20090108588A KR 20090108588 A KR20090108588 A KR 20090108588A KR 1020097011205 A KR1020097011205 A KR 1020097011205A KR 20097011205 A KR20097011205 A KR 20097011205A KR 20090108588 A KR20090108588 A KR 20090108588A
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Abstract

복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 조명 디바이스의 지향성 광 외부결합 시스템의 일부를 형성하는 회절 광 외부결합 유닛(404)으로서, 상기 회절 광 외부결합 유닛은, 회절 표면 릴리프 패턴(406)을 수용하는 지지요소(401); 및 상기 지지요소의 표면 영역에 정의된 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하는 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 여기서, 상기 형상의 주기는 바람직하게는 약 10 마이크론 이하이고, 상기 형상은 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사하는 광을, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 두개의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 지지요소의 외측에 결합하도록 배열되어서, 상기 결합된 광의 지향성을 향상시킨다. 게다가, 복수의 회절 광 외부결합 유닛을 구비한 회절 광 외부결합 시스템, 및 상기 외부결합 시스템을 구비한 광가이드가 제공된다.
회절, 광, 외부결합, 격자, 홈, 조명, 블레이즈, 릴리프, 형상, 패턴, 지향성

Description

조명 디바이스용 광 외부결합 구조{Light outcoupling structure for a lighting device}
전반적으로 본 발명은 광학에 관련된다. 특히, 본 발명은 회절 격자의 효과를 활용하는 광 외부결합 및 지향 구조에 관한 것이다.
회절 격자 구조는 표면의 미세한 구조(단면 프로파일이 예를 들어, 5 마이크론임)이며, 이 미세한 구조는 회절 효과를 포함하는 물리 광학에 기초하여 광의 통과를 조절한다. 잘 알려진 마이크로-프리즘(micro-prismatic) 구조는 진정한 회절 구조가 아닌데, 이들은 상대적으로 크고(단면 프로파일이 예를 들어, 50 마이크론임), 따라서 광 통과는 오직 굴절 효과에 기초하여 바뀐다. 즉, 기하 광학의 원리만이 적용된다.
일반적으로 두 매체 사이의 경계에서 광의 굴절은 스넬의 법칙에 의해 기술된다.
Figure 112009032715708-PCT00001
(1)
Figure 112009032715708-PCT00002
이면 반사이고, 여기서,
Figure 112009032715708-PCT00003
,
Figure 112009032715708-PCT00004
,
Figure 112009032715708-PCT00005
는 각각, 경계에 대한 법선 벡터와 입사, 반사 및 회절된 빔 사이의 입사각, 반사각 및 회절각이다. n과 v는 각각 제1 및 제2 매체의 굴절률과 그 매체 내의 속도를 가리킨다. 시각적 이해를 위해 도1a를 참조한다. 제2 매체보다 굴절률이 큰 매체로부터 오는 광이 표면의 법선에 대하여 임계각보다 큰 각에서 매체 경계에 도달하면, 전반사가 일어난다.
회절 현상은 종종 회절 격자를 통해 검사된다. 회절 격자는 광을 스펙트럼으로 분광하는데 사용되는 매우 많은 평행선(격자 홈(grating groove) 또는 슬릿(slit))의 투명 또는 반사성 표면 패턴을 가리킨다. 투과 격자는 투명 재료 위에 홈을 가진다. 반사 격자는 표면의 반사 코팅 위에 홈을 가진다. 이러한 표면을 투과하거나 표면에서 반사된 광선은 회절의 결과 굴곡된다. 회절각은 아래 (평면내 (in-plane)) 회절식에 따라서, 광파장(λ) 및 소위 홈 '간격(spacing)' 또는 홈 '주기' d(때로는 피치라고도 불림)에 의해 결정되며,
Figure 112009032715708-PCT00006
(2)
여기서, 각도 α, β는 각각 입사각과 회절각을 가리킨다. 이 예에서, 각도는 격자 법선으로부터 측정된다. 'm'은 회절 차수(diffraction order)를 가리키고 정수이다. 선택된 파장 λ에 대하여, |mλ /d| <2를 만족하는 m의 값은 식(2)을 고려하건데 명백히 물리적으로 실현가능하다. 차수 m=0은 직접 투과 또는 거울 반사에 상응한다. 격자의 홈 각각은 회절 패턴을 도입하고, 따라서 여러 개의 홈에 의한 많은 회절 패턴은 간섭한다. 페이지 면에 대하여 회절 홈이 수직이고 단색 광빔이 표면 평면(surface plane)으로 전파하는 반사 격자를 개략적으로 도시하는 도1b를 참조하라. 회절 격자의 회절 홈 대부분은 단면이 사각형이다. 즉, 바이너리 홈(binary groove)이다. 하지만, 사다리꼴이나 삼각형도 가능하다.
정밀하고 효율적인 광 관리는 그 중요성이 점점 증가하고 있다. 전력 소비와 과잉 조명 공해(light pollution)는 광 응용 분야에서 실제적인 문제이다. 광학적 해결책의 주된 초점은 현재 광 결합 및 지향 구조에 있다.
도파관은 그 내에서 파동을 반송하도록 특히 적응된 요소이다. 광학분야에서, 도파관은 종종 광가이드(lightguide)로 불리고, 통상 이들은 상대적으로 굴절률이 높은 유전 재료를 포함한다. 굴절률이 낮은 환경 하에 도파관이 놓이면, 도파관은 전반사의 원리에 따라서 파동을 바람직하게 운반한다. 광가이드는 광파이버, 유리 및 예를 들어, 다른 필름을 구비한다.
바이너리 홈과 같은 회절 격자는 광 외부결합 및 산란을 위한 광 애플리케이션에 활용될 수 있다. 하지만 단지 회절 격자를 이용하는 것만으로는, 이하에서 살펴보는 바와 같이, 어떠한 기준에 의해서도 수용할 만한 성능을 자동적으로 보장할 수 없다.
도2는 LED(Light Emitting Device; 204)와 같은 광원이 부착된 긴 광가이드의 단면을 시각화하는 시나리오를 나타낸다. 광의 대부분은 매체 경계 법선에 대한 입사각이 임계각보다 작으면, 광가이드의 상면으로부터 바람직하지 않고 적절하지 않은 방향으로 외부결합된다. 편광도(conoscope figure)로부터 알 수 있듯이, 광가이드(202)로부터 발산된 광 출력(206)은 특히 균일하지도 지향적이지도 않다. 이러한 출력은 광 경로를 변경하기 위하여 광가이드의 바닥면이나 상면에 제공된 다수의 마이크로구조에 의해 달성하는 것이 가능하고, 따라서 이전에는 전반사에 의해 광가이드 내를 전파하였던 광이 방향과 입사각을 바꾸어, 매체 경계에 접촉할 때 광가이드 외측으로 투과된다.
도3은 광을 외부결합하기 위해 광가이드의 바닥면에 다수의 고립(즉, 단일) 블레이즈 격자 홈(302)이 형성된 상황을 도시한다. 블레이즈 격자 홈은 특히 입사각 선택 및 감지 구조(incidence angle selective and sensitive structure)이므로, 격자 홈의 지향 결합 효율(directive coupling efficiency)은 광의 입사각에 매우 연관되며, 격자 법선에 평행한 도3의 평면(XY)과 입사각 사이의 각인 원추각(conical angle)의 경우도 마찬가지이다. 따라서 지향성 외부결합은, 여전히 합리적인 도파관 출력 계수(즉, 입사광과 적절히 외부결합된 광 사이의 관계로부터 결정될 수 있는 바람직한 효율 파라미터)로 좁은 수직 외부결합 각을 달성하기 위해서, 매우 한정된 입사각의 범위 내에서 달성된다. 다른 입사각에서는 광은 블레이즈 격자 구조를 통과하고, 예를 들어, 광가이드의 내부 또는 외부로 더욱 전파한다. 이 광의 대부분은 결국 광가이드로부터 누설되거나 바람직하지 않은 각도로 외부결합되어 비지향성 출력광이 되며, 따라서 많은 애플리케이션에 있어서, 조명 효과가 좋지 않고 광 결합 효율이 낮다. EP1260853호에는, 연속된 홈 사이의 거리가 적어도 수십 마이크론인, 고립 블레이즈 격자 홈(solitary blazed grating grooves)과 관련된 종래의 해결책이 개시된다.
종래 기술의 다양한 해결책에도 불구하고, 광가이드 또는 다른 조명 디바이스의 발광면으로부터 출력은, 외부결합 광의 지향성과 균일성의 점에서 완전히 적합한 것은 아니다. 외부결합된 광은 다소 렘버시안(Lambertian)이고 균일하지 못하 다.
회절 격자 홈의 성능을 추가적으로 해석하기 위하여, 고립 마이크로프리즘 유형의 격자 홈의 성능, 및 격자 홈이 도3에 도시된 바와 같이 광가이드 바닥에 위치되었을 때 전자기(~ 물리 광학) 및 광 추적 접근법들 사이의 차이에 대한 여러 가지 시험과 시뮬레이션이 수행되었다. 고립 격자 홈, 또는 블레이즈 각이 45도이어서 정삼각 모양인 마이크로-프리즘에 입사한 광의 상호작용을 해석하여 이하와 같은 결론을 얻었다. 시험 설정에 있어서, 마이크로프리즘 유형의 홈에 60도 내지 90도 사이에서 변화하는 각도 α에서 광이 입사되었고, 각도 α는 수직선에 대한 XY 평면에서 입사광의 각도이다. 각도 θ는 XZ 평면에서 광 입사의 각도인 원추각이다. θ=0도에서, 광은 홈에 대하여 수직으로 XY 평면에서 전파한다.
상술한 마이크로프리즘 유형의 홈은, 각도 α가 87°<α <132°의 범위(홈 법선에 대한 입사각 42°< γ <87°에 상응함) 내에 있다면, 광가이드의 상면을 통해 광을 출력하는데 일반적으로 적절하다. 각도가 작으면, 광가이드의 상면에 도달하는 광 에너지 중 적은 부분만을 가지고 광은 홈을 통해 광가이드를 떠난다. 최적 각도 α는 90도 이다. 각도 α가 80도와 100도 사이에서 변화할 때, 도파관으로부터의 출사각은 실질적으로 15도 이하이다. 각도 α가 상대적으로 좁은 범위(예를 들어, 87°내지 100°)에서 홈의 반사율과 도파관 상면의 투과율의 곱으로 규정되는 도파관 출력 계수는, 87°보다 작은 각도에서 일부 광이 회절 홈을 통과한다는 점을 상기하면, 명확히 0.9 이상임이 알려졌다. 0으로부터 θ가 벗어나면, 출사각(
Figure 112009032715708-PCT00007
)의 절대값이 증가한다. 10°보다 큰 θ에 대하여, 광가이드 상부로부터 15 °보다 작은 각도로 외부결합된 광을 얻는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 고립 홈은 넓은(wide) 입사각을 갖는 광을 출사면(exit surface)에 수직으로 외부결합하는데 특히 적합하지 않다.
예를 들어, 편광 현상도 고려한 전자기 모델링을 광선 추적 모델링(기하 광학)과 비교하면, 이 두 가지 접근법은 각도 θ가 특히 크기 않을 때(예를 들어, <30°) 광의 전파 방향 및 광 출력 계수에 대하여 다소 동일한 결과를 제공할 수 있지만, 전자기 모델링은, 특히 작은 입사각과 큰 입사각과 관련하여, 회절 현상에 기인한 높은 광 출력 계수를 제공한다는 것이 알려졌다.
본 발명 실시예의 목적은 종래 기술의 배열에서 명백한 상기 단점을 적어도 완화하는 것이다.
상기한 목적은, 결합된 광의 지향성에 대한 개선되고 효율적인 제어를 제공하는 회절 표면 릴리프 구조를 포함하고, 조명 디바이스의 회절 외부결합 시스템의 적어도 일부를 형성하도록 수정, 복사 및 다른 개체와 통합될 수 있는 본 발명의 해결책을 통해 달성된다.
따라서 본 발명의 일 국면에 있어서, 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 조명 디바이스의 지향성 광 외부결합 시스템의 일부를 형성하는 회절 광 외부결합 유닛은,
- 회절 표면 릴리프 패턴을 수용하는 지지요소; 및
- 상기 지지요소의 표면 영역에 정의된 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하는 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고,
상기 형상의 주기는 바람직하게는 약 10 마이크론 이하이고, 상기 형상은 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사하는 광을, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 두개의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 지지요소의 외측에 결합하도록 배열되어서, 상기 결합된 광의 지향성을 향상시킨다.
일실시예에 있어서, 복수의 연속한 회절 외부결합 유닛은 다수의 블레이즈 또는 경사 회절 홈, 오목 또는 돌출 프로파일을 표면 영역에 정의한다. 블레이즈 홈 프로파일은 또한 마이크로프리즘-유형, 삼각형 또는 톱니(saw-tooth) 프로파일로 불릴 수 있다. 경사 홈 프로파일은 예를 들어, 평행사변형 및 사다리꼴 형상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 외부결합 유닛의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 사이의 상호작용을 포함하여, 단일 외부결합 유닛 및 그것의 지향성이 아니라, 복수의 외부결합 유닛을 포함하는 외부결합 시스템에 관하여, 미리결정된 방향으로의 전반적 결합 효율(즉, 광 지향성)이 증가될 수 있다. 각 광학 디자인은 일반적으로 복수의 유사하거나 다른 외부결합 유닛을 포함할 수 있다.
전형적으로, 소망의 외부결합 각은, 실시예에 따라서, 입사각에 비하여 좁아서, 입사각의 넓은 범위는 출사각의 좁은 범위에, 상기한 표면 릴리프 형상의 상호작용을 활용함으로써 효과적으로 외부결합될 수 있다. 외부결합 유닛의 효율은 선택된 판단기준(criterion)에 따라서 결정될 수 있고, 이 판단기준은 입사광에 대해 소망의 외부결합 각 내에서 외부결합되는 광량(예를 들어, 광 플럭스/강도)에 관계한다. 그래서 입사광이 소망하는 대로 적어도 부분적으로 외부결합되지만, 일부 누설 또는 소망하지 않는 외부결합 각이 여전히 나타난다.
상술한 유닛은 복제되거나, 선택적으로는 사이즈 및 형상 등이 수정되고, 광가이드 또는 다른 개체의 미리결정된 복수의 위치에 놓여서, 외부결합 시스템의 적어도 일부를 형성하고, 내부결합된 입사광을 광가이드 또는 다른 개체 내에서 미리결정된 방향으로 지향시킬 수 있다. 시스템의 지지요소 또는 '지지매체'(기판)는 광을 전송할 수 있고, 또한, 외부결합 유닛의 보다 작고, 광학적으로 투명한 복수의 지지요소를 구비하고, 외부결합 유닛에는 상기 유닛의 회절 표면 릴리프 패턴 및 다른 광학 및/또는 회절 요소가 형성된다. 회절 표면 릴리프 패턴 또는 전체 외부결합 시스템의 지지요소가 광가이드로서 사용되지 않을 때, 지지요소는 회절 패턴을 지지하는데 적합한 재료를 여전히 포함할 수 있고, 입사광은 회절 패턴에 닿으면, 지지요소 자체에 들어가지 않고 외부결합된다.
외부결합 유닛의 상술한 실시예는 따라서 전체 외부결합 시스템의 기능 빌딩 블록으로서 간주될 수 있다. 광 외부결합 유닛의 회절 표면 릴리프 패턴(즉, 회절 구조) 내의 연속한 회절 표면 릴리프 형상의 총수는 몇 개(예를 들어, 2~5개)의 형상으로부터 수십 개의 형상으로 애플리케이션에 따라서 변화할 수 있다. 실시예의 상세한 설명과 관련하여, 개수가 어떻게 결정되는지를 이하에서 자세히 분석한다.
지지기판 상의 회절 외부결합 유닛의 물리적 위치 및 외관을 전반적으로 고려하면, 이 유닛은 전형적으로, 기능적으로 구별가능한(functionally separable) 표면 영역을 포함하고, 이 표면 영역은 또한, 주변 지지요소 재료 및 그것의 선택적 표면 릴리프 형상에 관련하여 구비된 표면 릴리프 형상의 경계에 의해, 지지요소의 나머지 표면 영역으로부터 시각적으로 식별가능하고(distinguishable) 또한 구별가능하다. 회절 광 외부결합 유닛의 구별가능한 표면 영역은, 적어도 2개의 연속한 회절 형상을 포함하는 적어도 하나의 회절 표면 릴리프 패턴을 전형적으로 더 구비한다. 이들 적어도 2개의 연속한 형상은 기술된 상호작용을 통해 광을 효과적으로 결합하도록 위치되고 정렬되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 상호작용-제공 정렬은, 블레이즈 프로파일을 갖는 2개의 격자 홈과 같은 2개의 실질적으로 평행한 형상을 지시할 수 있다. 회절 광 외부결합 유닛의 회절 표면 릴리프 패턴의 적어도 2개의 연속한 형상은, 일부 실시예에서, 모두 평행한 형상과 대조적으로 예를 들어, 정렬에서 5도 또는 10도 차이를 두고 다르게 정렬될 수 있다.
회절 외부결합 유닛의 상기 구별가능한 표면 영역은 기능적으로 및/또는 시각적으로 다수의 서브-영역(예를 들어, 각각이 다른 또는 적어도 다르게 정렬된 표면 릴리프 패턴을 구비한 예를 들어, 제1 및 제2 표면 영역)으로 또한 분할될 수 있다. 하지만, 모든 그러한 표면 릴리프 패턴이 반드시 회절 표면 릴리프 형상을 포함할 필요는 없고, 다른 형상도 또한 가능하다. 또한, 표면(서브) 영역에는 표면 릴리프 형상이 실질적으로 없을 수 있다. 다중 표면 릴리프 패턴 또는 기능적 외부결합 개체를 구성하는 적어도 다중 표면 영역의 경우에, 군집 외부결합 유닛이 생성된다.
외부결합 유닛의 사이즈, 정렬, 표면 릴리프 형상, 모양(shape), 및 위치는, 하나 이상의 미리결정된 방향에서 시스템의 소망하는 전반적 효율에 기초하여 조절될 수 있다. 실제, 하나의 외부결합 시스템은 적어도 기능적으로 구별가능하고 회절 형상이 있는 복수의 표면 영역을 또한 포함할 수 있고, 상기 영역들은 상이하고 미리결정된 결합 방향들을 갖는다. 이러한 군집 외부결합 시스템은 따라서 복수의 광 외부결합 서브-시스템으로부터 구축되는 것으로 생각될 수 있다.
따라서 일 실시예에서, 지지요소는 제1 표면 영역 및 이 제1 표면 영역에 인접한 제2 표면 영역을 포함할 수 있고, 제1 표면 영역은 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 제2 표면 영역은 회절 요소를 가지지 않거나, 또는 제1 표면 영역의 제1 회절 구조의 릴리프 형상과 다르거나(모양, 사이즈 등) 또는 적어도 다르게 정렬된 하나 이상의 회절 요소를 포함한다. 따라서 다른 종류의 군집 유닛이 형성될 수 있다. 제2 표면 형성 영역은 제1 표면 영역으로부터의 외부결합을 예를 들어, 지원, 조절 및/또는 미세 조정하기 위하여 사용될 수 있다. 제2 표면 영역의 회절 요소는 표면 릴리프 형상을 활용해 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 국면에 따르면, 회절 광 외부결합 시스템은 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 지지요소를 포함하고, 여기서, 상기 유닛 각각은 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 상기 회절 표면 릴리프 패턴은 지지요소의 표면 영역에 정의되며, 블레이즈 또는 경사 격자 프로파일과 같은 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하고, 형상 주기는 약 10 마이크론 이하인 것이 바람직하고, 상기 형상은 상기 외부결합 시스템의 상기 복수의 회절 광 외부결합 유닛에 의해 결합된 광의 지향성을 향상시키기 위하여, 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사한 광을, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 2개의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 상기 지지요소의 외부에 결합시키도록 배치된다.
일반적 외부결합 시스템 디자인을 고려하면, 이 디자인 요구사항은 예를 들어, 지지요소의 허용되는 모양과 사이즈를 결정한다. 더욱이, 디자인 요구사항은 사용된 광원의 유형, 광원의 위치와 정렬, 및 복수의 광원이 사용되거나 사용될 수 있다면 그 광원의 전체 개수를 정의할 수 있다. 하나 이상의 이러한 디자인 요구사항은 초기에는 고정되지 않고, 따라서 디자인 프로세스 동안에 조정될 수 있다. 요구사항은 미리결정된 방향으로 목표 외부결합 효율을 설정할 수 있고, 이것은 그러한 효율을 하나 이상의 대안적 디자인 선택을 통해 달성할 수 있도록 하며, 여기서, 선택된 외부결합 유닛의 회절 구조의 위치, 형상, 정렬 및 광학 형상은 대안적 디자인 마다 상이하고, 이들 디자인 내 모든 디자인은 미리결정된 요구사항을 여전히 충족시킨다. 물론, 허용 가능한 디자인의 최종 성능은 여전히 변화할 수 있다.
본 발명의 제2 국면에 따르면, 광가이드로서,
- 광원으로부터 광가이드내로 광을 내부결합하는 내부결합 시스템;
- 광을 전송하는 광학적으로 실질상 투명한 지지요소; 및
- 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 외부결합 시스템을 포함하고,
상기 유닛 각각은 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 상기 회절 표면 릴리프 패턴은 상기 지지요소에 정의된, 블레이즈 또는 경사 격자 프로파일과 같은 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하고, 상기 형상의 주기는 약 10 마이크론 이하인 것이 바람직하고, 상기 형상은 상기 외부결합 시스템의 상기 복수의 회절 광 외부결합 유닛에 의해 결합된 광의 지향성을 향상시키기 위하여, 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사한 광을, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 복수의 회절 표면 릴리프 형상 중 상기 하나 및 적어도 다른 하나의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 상기 지지요소의 외부에 결합시키도록 배치된다.
일 실시예에서, 광가이드는 회절 표면 릴리프 패턴에 입사하는 광을 결합하도록 정렬된다. 따라서 미리결정된 입사각과 미리결정된 원추각 내에서 복수의 회절 표면 릴리프 패턴 중 하나의 패턴에 입사하는 광선의 적어도 일부는, 미리결정된 방향에 대한 미리결정된 외부결합 각내에서 상기 복수의 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 2개의 회절 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 지지요소를 떠나도록, 소망의 출사영역을 통해 적어도 부분적으로 결합되어서, 광 지향성의 효과적 제어를 향상시킨다.
일 실시예에서, 외부결합 시스템이 그 위에 신장하도록 구성된 표면 영역은 회절 요소가 없는 위치, 또는 회절 표면 릴리프 패턴의 회절 표면 릴리프 형상과 다르거나 또는 적어도 다르게 배열된 하나 이상의 회절 요소를 포함하는 위치를 더 구비한다.
따라서 광가이드의 상술한 외부결합 시스템이 그 위에서 신장할 수 있는 영역은, 정확히 유시하거나(exactly similar) 유사하게 정렬된 상기한 회절 구조에 의해, 100% 밀도로 완전히 덮이지 않는 것이 바람직한데, 그 영역 내에 다른 구조, 다르게 정렬된 구조 또는 구조가 없는 영역이 있을 수 있기 때문이다. 상기한 다른 구조 또한 회절 표면 릴리프 패턴을 포함할 수 있다. 따라서 전체 신장된 영역을 단지 최대 밀도의 격자로 채우는 대신에, 예를 들어, 추가적인 제어성(controllability)이 획득될 수 있다.
특정 실시예에 따라, 미리결정된 출사영역(예를 들어, 광가이드 상부 표면, 및 외부결합 시스템이 그 위에 신장하는 영역)은 개별 영역이거나 또는 적어도 부분적으로 중첩하는 영역이 될 수 있다.
내부결합 시스템은 광원으로부터 광가이드로 광을 반송하는 격자 구조, 분포기, 확산기 등과 같은 수단을 구비할 수 있다. 이 시스템은 LED 또는 형광 램프 또는 백열 램프, 또는 복수의 이러한 것들과 같은 광원 자체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 유용성은 특정 실시예 각각에 따른 복수의 이슈로부터 나타난다. 일반적으로 말해, 특정 결합 해결책(coupling solution)은 광을 정확하고 효과적으로 제어하기 위한 많은 종류의 광학 애플리케이션에 적합하다. 상술한 유닛의 회절 패턴은 주기와 깊이(또는 높이)가 5㎛이고, 20 ㎛(길이)×20 ㎛(폭)과 같은 작은 것이 바람직하며, 높은 변조도를 제공한다. 예를 들어, 홈의 블레이즈 각은 광 외부결합 각 및 광가이드와 같은 관련 조명 디바이스의 광 분포(즉, 방사 패턴)를 적은 손실과 누설로 제어하기 위하여 변화될 수 있다. 제시된 외부결합 해결책은, 보다 넓은 범위의 입사각이 특별한 외부결합 유닛("상호작용")의 도움으로 효율적으로 관리되고 외부결합되기 때문에, 고립 홈 해결책보다 높은 광 외부결합 효율 및 우수한 광 지향성을 바람직하게 제공한다. 많은 애플리케이션(예를 들어, 랩톱 컴퓨터나 모바일 단말의 디스플레이 조명)에 있어서, 렘버시안 광에 비하여 예를 들어, 보안 및 프라이버시 이슈 때문에 광의 지향성과 양호한 효율이 선호되며, 본 발명에 의해 외부결합 광은 소망의 방향으로 시준될 수 있고, 따라서 외부 관찰자는 조명되는 물체를 미리결정된 각도 내에서만 볼 수 있다. 단일 외부결합 유닛이 효율적이므로, 복수의 외부결합 유닛에 상응하는, 보다 크게 조절된 조사 표면도 또한 효율적이다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 회절 구조는 다양한 광-전자 애플리케이션에 또한 사용될 수 있다.
통상적으로, 본 발명의 실시예에 따른 혁신적인 외부결합 구조는 종래의 해결책에 비하여 파장과 입사각의 변동에 덜 민감하여, 파장과 입사각의 넓은 범위에 대하여 보다 효율적인 외부결합기(outcoupler)이고, 다른 파장(예를 들어, 준-단색 광)에 대하여 보다 향상된 제어성을 광 외부결합의 지향성에 또한 제공할 수 있다. 외부결합 유닛은 예를 들어, 전방 및/또는 후방 조명 배열을 형성하는데 사용될 수 있다. 전방 조명 애플리케이션에서, 조명 자체는 시야 방향으로 가시적인 아티팩트(artifact)를 생산하지 않는 것이 일반적으로 유리하고, 본 발명의 외부결합 유닛은 구조적으로 정밀하고, 내부적으로 밀집하며, 총괄하여 실질적으로 인식할 수 없는 로컬 확산 요소를 제공하며, 이들 요소는 광을 조명 목표를 향해 효과적으로 결합한다. 더욱이, 많은 애플리케이션에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 효율적인 회절 구조의 사용 덕분으로 후방 반사기는 편리하게도 생략될 수 있다.
본 발명은 또한 고가이며, 상대적으로 두껍고, 광을 소망 방향으로 집중하는데 결합 관련 손실 요소(coupling-wise lossy element)인 종래의 프리즘 BEF(Brightness Enhancement Films) 시트의 사용을 회피하게 할 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 확산기와 같은 다양하고 부가적인 회절 구조가 지지요소에 통합될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 외부결합 유닛은 이와 같이 광 지향성의 제어성을 향상시키지만, 예를 들어, 둥근 또는 타원형 조명 패턴을 형성하기 위한 추가적 제어를 위하여 선택적인 추가 표면 릴리프 패턴이 사용될 수 있다.
격자 홈과 같은 표면 릴리프 형상의 길이는 작은 오목부로부터 보다 긴(예를 들어, 20㎛ 내지 수 mm 사이) 연속 홈까지 변화할 수 있다. 외부결합 유닛 내의 형상은 상이한 길이를 가질 수 있지만, 형상은 기능적 광 외부결합 유닛(즉, 화소)을 여전히 생성하는 방식으로 조직된다. 예를 들어, 형상의 단면 모양(즉, 프로파일)은 회절된 에너지를 소망하는 바에 따라 집중하도록 제어될 수 있다. 지지요소 표면상에서 직선으로 퍼져있는 홈에 더하여 또는 그 홈 대신에, 곡선 홈 또는 다른 형상이 광원의 광량 및 배치에 따라 활용될 수 있다.
본 발명의 외부결합 유닛의 실시예에 따른 조명 유닛은 박형이고, 또한 전기적/광학적으로 효율 좋게 만들어질 수 있고, 따라서 디스플레이 및/또는 키보드/키패드 조명을 위한 개인 정보 단말(PDA), 모바일 단말, 휴대용 컴퓨터 및 시계와 같은 저 전력 해결책에 응용가능하다. 조명 요소의 효율적인 광 지향성 제어는, 가로등, 교통 표지, 신호등, 자동차 조명, 광-전자 및 일반 조명 애플리케이션에 또한 활용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 표현 "복수"는 1부터 시작하는 임의의 양의 정수(즉, 1,2,3 등)를 가리킨다.
표현 "형상 주기"는 예를 들어, 격자 홈인 형상(프로파일)의 선두로부터 연속된 형상(프로파일)의 선두까지의 거리를 가리킨다. 격자 홈의 문맥에서, 상응하는 용어 "홈 주기"가 종종 사용된다.
표현 "깊이"와 "높이"는 연관된 회절 표면 릴리프 형상의 실제 특성(즉, 형상이 지지요소 상에서 오목한지 또는 돌출한 것인지와 같은 특성)과 상관없이 이하에서 동일하게 사용된다.
본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 종속항에 개시된다.
도1a는 스넬의 법칙 및 광의 굴절을 시각화한다.
도1b는 회절 격자를 시각화한다.
도2는 광원이 부착된 긴 광가이드의 단면도이다.
도3은 광가이드 바닥에 정의된 다수의 고립 격자 홈으로부터 외부결합된 광을 도시한다.
도4a는 다수의 외부결합 유닛을 구비한 광가이드 실시예의 평면도이다.
도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 외부결합 유닛의 단면도이다.
도4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부결합 시스템의 일부인 회절 외부결합 유닛의 3차원도이다.
도4d는 외부결합된 광과 지지요소(carrier element)에 대한 회절 외부결합 요소의 위치의 예를 나타낸다.
도5a는 블레이즈 각도가 격자 홈 사이에서 변화하는 회절 외부결합 유닛의 실시예를 시각화한다.
도5b는 회절 외부결합 유닛 내에서 홈 프로파일 구성의 가능한 여러 실시예 를 도시한다.
도6a는 의사 랜덤 방식으로 외부결합 유닛이 정의된 광 외부결합 시스템의 평면도이다.
도6b는 지지요소 표면에 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 외부결합 유닛의 회절 구조에 의해 형성된 정규 표면 패턴을 현미경으로 획득한 평면도이다.
도6c는 회절 요소 형상에 대한 2개 실시예의 평면도이다.
도6d는 지지요소 표면에 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부결합 유닛의 표면 릴리프 패턴을 현미경으로 획득한 평면도이다.
도6e는 지지요소 표면에 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부결합 유닛의 회절 구조를 현미경으로 획득한 다른 평면도이다.
도7a는 외부결합 유닛 배열의 추가 실시예를 시각화한다.
도7b는 외부결합 유닛 배열의 추가 실시예를 시각화한다.
도8은 외부결합 유닛을 전체 광가이드에 모은 일 실시예를 도시한다.
도9a는 표면 릴리프 패턴에 3개의 회절 표면 릴리프 형상이 있는 일 실시예를 도시한다.
도9b는 외부결합 효율 결정을 위한 하나의 가능한 배열을 도시한다.
도9c는 본 발명에 따른 일 실시예의 문맥에서, 외부결합의 효과를 시각화한다.
도9d는 입사광의 원추각 효과가 해석되는 예시적 시나리오를 도시한다.
도10은 본 발명에 따른 하나의 가능한 광가이드 배열의 성능 실험 결과를 시 각화한다.
도4a는 복수의 다른 외부결합 유닛(404)이 투명 광가이드의 표면 영역(401)에 마련되고, 형광 램프나 LED(402)와 같은 하나 이상의 광원이 광가이드의 일단에 인접하여 위치되는 광가이드 배열의 실시예를 예로써 도시한다. 이 특정 실시예의 유닛(404) 내의 선은 격자 홈(또는 이들의 "피크")과 같은 회절 표면 릴리프 형상을 나타낸다. 외부결합 유닛(402)은 크기, 모양, 정렬, 내부 구조, 재료 등이 상이하다. 선, 굴곡 또는 물결 형상과 같은 다른 종류의 서브-구조를 포함하는 군집 유닛은 입사광을 효율적으로 지향시키기 위하여 활용될 수 있다. 인접하는 외부결합 유닛 사이의 거리는 미리결정된 계획에 따라서 변경될 수 있다. 예를 들어, 광 강도는 광원(402)으로부터 멀어질수록 저하하는 경향이 있으므로, 이러한 손실을 보상하기 위하여, 외부결합 유닛의 밀도는 광원 및/또는 광 내부결합(incoupling) 수단으로의 거리 함수로서 길이방향으로(lengthwise) 및/또는 폭방향으로(widthwise) 각각 증가될 수 있다.
외부결합 유닛(404)은 미리결정된 광원(들)을 향해 독립적으로 또는 그룹식(groupwise)으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 상부 우측에 있는 2개의 유닛(404)을 보라. 이들은 홈의 피크선이 402로 표시된 개체(entity)에 포함된 복수의 광원으로부터의 특정 점광원(이 점광원으로부터의 가공 광선은 2개의 파선으로 묘사됨)에 대해 실질적으로 수직이도록 회전된다.
광가이드의 재료는 플라스틱일 수 있고, 예를 들어, 폴리머, 유리(class) 또 는 실리콘일 수 있다.
도4b는 본 발명에 따른 외부결합 유닛(사각형 내부)의 일 실시예의 단면을 나타낸다. 일반적으로, 이러한 회절 광 외부결합 유닛은 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 조명 배열의 광 외부결합 시스템의 일부를 형성하고, 또한 광을 전송하는 실질적으로 투명한 지지요소 및 회절 구조를 포함한다. 이 회절 구조는 지지요소의 표면 영역에 정의된 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함한다. 이 형상은 실질적으로 블레이즈 또는 경사된 홈 프로파일을 가지고, 프로파일 주기는 15 마이크론 이하이며, 바람직하게는 0 내지 10 마이크론이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 5 마이크론, 예를 들어, 3 마이크론이며, 회절 구조에 입사한 광을 복수의 릴리프 형상에 속한 하나 이상의 릴리프 형상을 통해, 미리결정된 방향 및/또는 지지요소의 출사 영역을 향해 결합하도록 배열되고, 그 결과, 미리결정된 입사각 및 미리결정된 원추각 내에서 복수의 격자 홈 중 하나에 입사한 광선 중 적어도 일부는, 상기 복수의 릴리프 형상 중 상기 하나 및 적어도 다른 하나의 릴리프 형상들이 관여하는 상호작용을 통해, 소망의 방향 및/또는 출사 영역으로 적어도 부분적으로 결합된다. 적절히 결합된 광선 중 일부는 격자 구조의 릴리프 형상 각각(즉, 외부결합 유닛의 표면 릴리프 패턴)과 협력할 수 있다.
도4b를 참조하면, 반사기(408)에 의해 선택적으로 덮인 지지요소의 바닥면에 정의된 회절 표면 릴리프 패턴의 표면 릴리프 형상으로서 블레이즈 홈(406)이 있다. 예를 들어, 전체 조사 작업(overall illumination task)에서 미리결정된 유형의 반사도를 제공하고 표면 릴리프 패턴의 홈(406)을 지지하도록 배열된 격자와 같 은 표면 릴리프 패턴에 의해 거울 반사기가 제공될 수 있고, 따라서 소망하는 조명 효과가 달성될 수 있다.
표면 릴리프 패턴의 홈(406)은 그 주기와 높이가 이 실시예에서 5 마이크론이다. 하지만 다른 실시예에서, 다른 치수, 예를 들어, 1,2,3,4, 또는 10 마이크론의 주기 및/또는 높이가 활용될 수 있다. 실시예의 지지요소는 합성 폴리머 PMMA(아크릴, 투명 플라스틱) 중 하나와 비슷한 1.49의 굴절률을 가지나, 주위 매체는 예를 들어, 진공 또는 통상의 조건에서는 대부분 공기에 대응하고, 굴절률은 ~1.0 이다. 격자 법선에 대한 입사각은 γ로 표시된다. 소망하는 외부결합 방향은 미리결정된 방향이며, 예를 들어, 본 실시예에서 광가이드 상면의 법선 방향일 수 있다. 즉, 외부결합 각은 외부결합 상면(즉, 소망하는 출사면)의 법선에 대하여 정의될 수 있다. 외부결합 각은 도면에서
Figure 112009032715708-PCT00008
로 표현된다. 또한 외부결합 각을 정의하는 다른 대안이 활용될 수 있다. 각은 예를 들어, 선택된 격자 면에 기초하여 정의될 수 있다.
도시된 모든 광선은 적어도 부분적으로 제1 격자 홈을 관통하고 지지요소의 상면을 향해 제2 또는 제3 격자로부터 반사되거나 산란된다. 시각화된 광선 중 일부는 선택적인 반사기(408)가 없는 바닥면을 통해 지지요소로부터 나갈 수 있다. 바닥면 중 적어도 일부는 입사각 γ를 확대하도록 처리될 수 있고, 이 입사각 내에서 입사광은 미리결정된 소망의 출사면 및/또는 방향, 바람직하게는 또한 미리결정된 소망의 출사각(예를 들어, +/-
Figure 112009032715708-PCT00009
) 내에서 여전히 외부로 나간다. 출사면(즉, 이 특정 실시예에서 상면)은 바람직하게는 릴리프 구조(410)의 형태인 회절 요소를 포함할 수 있다. 회절 요소는 예를 들어 확산기(원형/타원형 vs. 각 상관)일 수 있고, 이 확산기는 외부결합 광의 산란을 정밀하게 조정하기 위하여 예를 들어, 바이너리, 사인곡선 또는 회전된("측면") 블레이즈를 포함한다. 예를 들어, 외부결합 유닛의 주 표면 릴리프 패턴의 개선된 효율성에 기인하여, 특정 애플리케이션을 위해 매우 시준된(collimated)된 광을 제어가능하게(controllably) 산란시키는데 확산기가 사용될 수 있다. 따라서 다양한 회절 표면 구조(바람직하게는 릴리프 패턴이나 또한 부가적인 필름, 시트, 박층 등도 가능함)가 애플리케이션별로 사용되어, 외부결합 유닛의 하부 릴리프 패턴에 의해 제공된, 고정 가능성이 높은 외부결합 각을 정밀하게 조정할 수 있다.
일반적으로, 광의 외부결합 각(범위)
Figure 112009032715708-PCT00010
는 외부결합 유닛의 블레이즈 각, 형상 프로파일(예를 들어, 블레이즈, 경사, 높이, 주기) 및 정렬(수평 및/또는 수직, 예를 들어, 지지 표면에 대한 기울기)을 선택하여 조절될 수 있고, 이러한 선택은, 부가적인 표면 구조 또는 층(확산기, (거울) 반사기 등과 같은 상면 및 바닥면 기능 요소)을 도입하고, 및 유닛 자체를 지지요소 기판 상에 미리결정된 설정에 따라서 배치함으로써 이루어진다. 확산 요소는 단지 반사되거나/산란된 또는 이송되거나(transported)/굴절된 광선에 더하여 외부결합된 광에 차수(order)를 도입한다. 또한, 표면 릴리프 주기, 형상, 정렬 등과 같은 사용된 구성을 신중히 선택함으로써 외부결합 광을 적절히 제어하여, 외부결합 광의 적어도 미리결정된 충분한 부분이, 선택된 효율 판단기준에 따라서 미리결정된 목표 각
Figure 112009032715708-PCT00011
내에서 유지될 수 있다.
도4c는 본 발명의 실시예에 따른 외부결합 시스템의 일부로서 도4b의 외부결합 유닛(404)의 3차원 시각화를 개시한다. 이 특정 실시예에 있어서, 유닛(404)은 예를 들어, 광가이드(401)의 바닥부터 상부까지 지지요소로부터 상당히 연장된 입방체로서 도시되었지만, 다른 구성 및 외부결합 유닛 형상이 사용될 수 있다. 하나 이상의 유사하거나 다른 외부결합 유닛(404)이 전체 외부결합 시스템에 활용되어, 소망하는 방향을 향한 및/또는 지지요소 상의 소망하는 출사면 영역을 향한 입사광의 결합을 제어할 수 있다. 사용된 유닛(404)의 형상과 사이즈에도 불구하고, 이들은 격자 홈과 같은 관련된 표면 릴리프 형상이 실제 폭, 길이 및 높이를 가지기 때문에, 3차원 개체로서 간주될 수 있다.
광원(402)은 광가이드(401)에 의해 운반될 광(화살표)을 방사하도록 구성되며, 이곳으로부터 광가이드(401)의 상면에 점선 사각형(412)으로 도시된 출사 영역까지 다수의 외부결합 유닛(404)이 외부결합을 수행한다. 다른 실시예에서, 광가이드(401)의 상면과 같이 미리결정된 표면이 상기 출사 영역을 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 출사 영역은 광가이드(401)의 여러 표면 중 적어도 일부로부터 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 소망하는 복수의 출사 영역이 지지요소 상에 존재한다.
동일한 내용이 외부결합 유닛(404) 각각으로부터 발생하는 외부결합에 적용 된다. 즉, 시스템의 군집 출사 영역에 대한 외부결합 시스템 내 특정 외부결합 유닛(404)의 위치와 형상에 따라서, 유닛(404)의 출사 영역은 유닛(404)의 하나 이상 표면 영역 중 적어도 일부를 통상 포함한다. 유닛(404)의 회절 구조의 디자인과 위치는, 미리결정된 입사각 범위 내에서 입사하는 광의 미리결정된 부분을, 미리결정된 출사각 내에서 유닛의 소망 표면(즉, 미리결정된 효율 요건 내에서 소망의 방향)으로 나가도록 결합하기 위하여 선택될 수 있다. 비록 현실적 상황에서 다른 영역을 통해 일부의 누설이 통상 존재하지만, 본 설명의 문맥 내에서, 출사 영역은 명백히 소망의 출사 영역임을 당업자는 이해할 수 있다.
확산기와 같은 릴리프 구조(410)는 명확화를 이유로 도면에서 생략되었지만, 상면에 존재할 수 있다. 반사기(408)와 같은 여러 부가적인 상면/바닥면/측면 요소가 소망 표면의 적어도 일부를 덮도록 광가이드에 제공될 수 있다.
도시된 유닛(404)은 표면 릴리프 패턴으로서, 복수의 연속한 블레이즈 마이크로프리즘-유형 홈(406)을 지지요소(즉, 광가이드 401)의 바닥면에 포함한다. 또한, 유닛(404)은 격자와 같은 부가적인 회절 요소를 더 포함할 수 있고, 이 격자는 예를 들어, 홈(406)의 전후로 표면의 빈 영역에 있으며, 홈(406)에 대하여 수평 또는 수직으로 정렬된 다중 바이너리 홈이다.
도4d는 본 발명에 따른 표면 릴리프 패턴과 지지요소의 다양한 실시예를 개략적으로 도시한다. 도면에 있어서, 회절 표면 릴리프 형상 및 입사/외부결합 광은 예시를 목적으로 제시되었으며, 이용된 각 또는 다른 치수는 특히 바람직한 디자인으로서 일반적으로 간주되어서는 안 된다. 단면도(420)에서, 지지요소는 투명 재료 를 포함하고, 따라서 광은 매체 내에서 전방으로 진행하고, 매체의 표면에 정의된 돌출(414) 및/또는 오목/홈(416)인 표면 릴리프 패턴(414,416)을 통해 외부로 결합될 수 있다.
도(422)는 표면 릴리프 패턴(414,416)이 지지요소의 소망 출사 영역과 별개(예를 들어, 대향함)인 투명, 광 전송 지지요소의 미리결정된 표면 영역에 돌출 및/또는 오목으로 정의되는 실시예를 나타낸다.
도(424)는 지지요소 자체는 광을 전달하지 않고, 예를 들어 돌출 및/또는 오목/홈인 표면 릴리프 패턴에 대한 지지체로서 단지 동작하도록 구성된 실시예를 나타낸다.
유사한 배치 옵션이 예를 들어, 반사기 및 확산기인 부가적인 회절 요소(418)에 적용될 수 있고, 이들 회절 요소는 지지요소 위의 돌출 또는 오목/홈과 같은 표면 릴리프 패턴으로 구현될 수 있고, 또는, 지지요소의 소망 표면 위에 있는 시트, 층 또는 필름으로서 대안적 또는 부가적으로 제공될 수 있다. 이러한 요소(418)는 표면 릴리프 패턴(414, 416) 위에 또는 그 패턴에 인접하여 제공될 수 있다. 당업자는 회절 요소(418)의 가능한 위치에 대한 다양한 실시예가 도면에 도시되어 있지만, 도시된 배치와 요소 두께는 설명의 관점에서 주로 선택된 것임을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 회절 외부결합 유닛은 지지요소의 대향면에 위치한 2개의 표면 영역을 포함할 수 있고, 2개의 영역은 지지요소 밖으로 광을 상호 협동하여 결합하는 회절 표면 릴리프 패턴을 포함할 수 있다.
도5a는 회절 외부결합 유닛 내의 회절 홈 구성의 일 실시예의 단면을 나타낸다. 실시예의 회절 구조는 블레이즈 각이 변화하는 프로파일을 정의하는 4개의 블레이즈 홈을 포함하며, 첫 번째와 세 번째의 블레이즈 홈은 입사광에 대하여 약 45도의 블레이즈 각을 가지며, 두 번째와 네 번째 홈은 보다 작은 41도의 블레이즈 각을 갖는다. 블레이즈 각은 예를 들어, 미리결정된 파장에 대하여 소망의 회절 효율을 제공하거나, 바람직한 방식으로 입사각에 대한 외부결합 각을 조절하기 위하여 변화될 수 있다.
도5b는 표면 릴리프 패턴의 또 다른 예시적 실시예를 나타낸다. 이 구성(502)에서, 블레이즈 각이 유사한 홈들과 같은 다수의 표면 릴리프 형상은 홈이 없는 작은 영역에 의해 분리된다. 다른 실시예에서, 블레이즈 각은 개별 홈 사이에서 변화될 수 있다. 구성(504)에서, 4개의 동일한 홈이 소망의 블레이즈 각으로, 서로 연속하여 단순히 위치되었다. 구성(506)에서, 연속한 홈 사이의 블레이즈 각은 점진적으로 변경된다. 구성(508)에서, 블레이즈 각은 홈별로(groove-wise) 변화된다. 구성(510)에서, 홈은 경사진 사각형, 즉, 경사진 바이너리 홈이다. 도5b의 패턴은 예를 들어, 지지요소 표면으로부터 확장되는 돌출로서, 또는 지지요소 표면의 오목부로서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 외부결합 유닛의 다른 실시예에서, 표면 릴리프 패턴의 하나 이상의 연속한 형상은 서로 간에 실질적 간격 없이 위치되거나(504 참조) 또는 형상 사이의 거리가 충분히 짧게 유지되도록 분리될 수 있다(즉, 본 발명에 따른 상호작용(interactivity) 특징을 충분한 효율로 구현하기 위하여 형상 주기가 미리결 정된 한계 내에 있음). 상기 형상 사이의 거리가 분리된 실시예(502 참조)의 단면을 살펴보면, 형상의 프로파일은 서로 직접적으로 접촉하지 않지만, 형상 사이에는 작은 물리적 구분이 있다. 형상 주기는 여전히 15 마이크론 이하가 바람직하고, 10마이크론 이하가 더욱 바람직하고, 5마이크론 이하가 가장 바람직하다.
도6a는 지지요소로서 기능하는 기판위에 복수의 외부결합 유닛이 반-랜덤화(semi-randomized) 방식으로 조직된 외부결합 시스템의 실시예를 나타낸다. 반-랜덤화에 있어서, 지지요소로부터 광의 외부결합은 여전히 해석적으로 고려되지만, 정규의 격자가 형성되게 유닛을 서로에 대하여 완전히 정렬(fully aligned)하여 배치하지는 않도록 추가적으로 주의가 이루어져야 한다. 일 실시예에서, 기판의 미리결정된 표면 영역은 다수의 로컬 모델링 영역으로 분할되고, 이로써 로컬 모델링 영역 각각은 외부결합 유닛 사이의 최대 거리, 또는 영역 내 외부결합 유닛의 미리결정된 밀도 등과 같은 다수의 조건을 충족할 수 있다. 유닛( 도면에서 단독으로 위치되거나 또는 다양한 형상의 그룹으로 형성된 조그만 사각형으로 표현됨)은 광원 및 서로에 대하여 회전되거나 및/또는 경사질 수 있다. 이러한 반-랜덤화는 예를 들어, 무아레(Moire) 효과를 회피하거나 다른 광원들에 대하여 유닛들을 정렬하는데 활용될 수 있다.
도6b는 기판 상의 복수의 회절 구조(예를 들어, 외부결합 유닛의 회절 표면 릴리프 패턴)에 의해 형성된, 상대적으로 조밀한 정규 패턴의 실시예를 나타낸다.
도6c는 외부결합 유닛에 활용될 수 있는 2개의 또 다른 예시적 회절 구조를 도시한다. 참조 번호 602는 6개의 곡선으로 이루어진 유닛에 관한 것이고, 604의 군집 구조(aggregate structure)는 미리결정된 만큼 물리적으로 분리된 3개의 서로 다르게 정렬된 그룹에서 분절적 선형(piecewise linear)인 홈을 포함한다.
도6d는 3개의 평행이고 연속한 홈을 갖는 회절 표면 릴리프 패턴의 실시예를 현미경으로 포착한 도면을 나타낸다.
도6e는 길이가 다른 2개 및 4개의 평행 홈을 갖는 회절 표면 릴리프 패턴과 같은 회절 구조를 공초점(confocal) 현미경으로 포착한 도면을 나타낸다. 프로파일 측정은 홈 주기 및 높이를 나타낸다.
도7a는 기판 상에 있는 사각 외형(square outline)이고 크기가 동일한 3개 회절 구조(702, 704, 706) 실시예의 또 다른 현미경 도이다. 유닛 사이 및/또는 유닛 내에서 홈은 정렬 및 길이가 다르다.
도7b는 기판 상에 있는 변화하는 사각 외형인 복수의 회절 구조 실시예의 현미경 도이다.
도8은 군집 외부결합 유닛으로서 간주될 수 있는 서로 다른 개체를 포함하고 및/또는 인접하고 중첩된(adjacent and nested) 구조를 지지하는 변조된(modulated) 도광 패턴의 회절 표면 릴리프 구조 중 3개 부분의 실시예를 나타낸다. 보다 큰 사각형 개체는 선택적으로 서로 다르게 정렬된 작은 사각형(806; 점선으로 강조되고 확대됨)을 포함하고, 이 작은 사각형은 또한 발산 홈(divergent groove)과 같은 발산 릴리프 형상을 추가로 포함하고, 발산 홈은 작은 사각형을 3개의 구별가능한 서브-영역으로 분할한다. 다른 실시예에서, 홈은 평행이지만 불연속적이다. 즉, 작은 사각형(806)을 추가적 서브-영역으로 분할하는 홈에 편 이(shift)가 있다. 서브-영역은 서브-영역 자체의 긴 사각 형상의 외부결합 유닛으로서 간주되거나, 또는 단일 외부결합 유닛의 다른 부분으로서 간주될 수 있다. 릴리프 형상의 각 편이(angular shift)가 무아레 효과를 회피하는데 광가이드 및 디스플레이와 결합하여 활용될 수 있다. 따라서 최종적인 전체 구조는 적절히 스케일 가능하다(scalable). 회절 형상을 둘러싸는 영역의 일부는 주 외부결합 구성요소로서 동작하도록 구성되고, 다른 영역은 주 외부결합 구성요소에 의해 대부분 설정된 외부결합 각을 미세하거 조정 또는 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 작은 사각형(806)은 주 외부결합 유닛으로 배열될 수 있지만, 큰 사각형의 주변 부분은 지지요소(예를 들어, 부분 산란 요소)를 구비한다. 군집 구조 내의 예시적 홈 조합은, 블레이즈 + 바이너리 홈, 블레이즈 + ( 90˚ 또는 x˚) 회전된 홈, 블레이즈 홈 + 상/하 확산기 개체 등을 포함한다. 실시예에 따라서는 홈 대신에, 상응하는 돌출 형상이 또한 적용가능하거나 선호된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 소망의 회절 외부결합 유닛 및 시스템 설정(set-ups)의 디자인을 돕는 몇 가지 예시적 시나리오를 검토한다.
도9a는 3개의 마이크로 프리즘 유형의 블레이즈 격자 홈에, XY 평면에서는 각도 α로, YZ 평면에서는 각도 θ로 광이 입사하는 설정을 나타낸다. 참조번호 908은 선택적인 반사기(예를 들어, 거울)를 가리킨다. 5×5 마이크론 격자 홈은 서로에 대해 근접하게 배치된다. 광가이드 굴절률은 예를 들어, 1.49이다. 먼저, 반사기(908)가 없는 상황을 고려한다. 또한, -45˚ < α<42˚에서 광가이드에 광선이 존재하지 않는다고 가정한다. 순차 프리즘 트리플렛(triplet)의 독특한 특징은 첫 번째 홈에 42˚ < α<87˚에서 입사한 광선은 거의 대부분 표면 A를 통과한다는 것이다. 측면 A의 바닥에 닿는 광선의 일부는 광가이드로부터 외부로 나아가 손실될 것이지만, 측면 B에 들어간 나머지 광은 광가이드로 재입사함에 주의한다. 하지만 측면 B를 통해 재입사한 후에, 각도 α는 증가될 것이다. 하나 또는 두개의 홈을 통과한 후, 각도 증가의 결과로써, 광선은 87˚ < α<132˚ 의 입사각 범위에 있고, 세 번째 홈에서 광가이드 외부로 출력될 수 있다. 이 배열의 성능은, 광가이드의 상면(즉, 소망의 출사 영역)으로부터 출력되는 파워와 반사기가 없는 바닥면으로부터 손실되는 파워 사이의 관계를 고려하여 추정할 수 있다. 표1은 유용한 출력 에너지에 대한 홈에서 손실된 에너지의 비율(Pout/Pmiss) 뿐만 아니라 다른 입사각 α에 대한 손실 에너지(Pmiss)의 예측값을 보인다. 데이터는 비-편광된 광에 대한 것이다.
표1. θ=0에서, 다른 각 α에 대한 에너지의 출력
Figure 112009032715708-PCT00012
Pout/Pmiss = ∞이면, 전체 에너지는 광가이드의 상부로부터 출력된다. Pout/Pmiss → 0이면, 대부분의 에너지는 광가이드의 바닥으로부터 출력되고 손실된다. 표1로부터 알 수 있듯이, 각 α각 작을수록, 손실은 커지고 유용한 출력은 작아진다.
표2는 다른 각 θ에 대한 에너지 출력의 데이터를 보인다.
표2. θ ≠ 0˚ 에서, 다른 각 α에 대한 광가이드로부터 에너지 출력.
Figure 112009032715708-PCT00013
우리는 이제 일부 결론을 도출할 수 있다.
각 θ가 클수록, 도파관의 출력에 있는 각
Figure 112009032715708-PCT00014
가 크다. 비율 Pout/Pmiss가 클수록, 유용한 에너지 출력의 비율이 높다. 비율이 1이면, 도파관의 상부와 하부에서 동일량의 에너지가 출력된다. 실험에 의하면, 상기 비율은 각 α와 함께 증가한다.
다음, 반사기(908)를 내장한 상응하는 시나리오가 해석된다. 하지만 프리즘-유형 홈의 개수는 포괄적인 비교 데이터를 얻기 위하여 1 내지 5 사이에서 변화한다. 각 β는 각 α=90˚, 즉 수평 방향으로부터 특정 광선의 일탈(deviation)을 설명한다. 광가이드 굴절률이 n=1.49(예를 들어, PMMA)이므로, 범위 42˚<α<90˚(역으로는, 0˚<β<48˚)에서 발견되는 광선은 전반사의 조건하에서 도파관을 전파한다. 양의 각과 함께 음의 각 -48˚<β<0˚(90˚<α<138˚)도 고려된다. 왜냐하면, 도파관의 상면과 하면으로부터의 반사 때문에, 각 +β와 -β가 동시에 존재하기 때문이다. 따라서 고려되는 각도의 범위는 0˚<｜β｜<48˚이다. 당업자는 -45˚ <β<-42˚ 범위의 입사광이 홈의 제1 측면에 맞닿고 그것으로부터 반사되는 것을 이해할 수 있다. 따라서 각도의 이 범위는 블레이즈 격자 홈의 수가 증가되어도 유용한 각도의 광 에너지 출력에 가산되지 않는다.
주어진 각
Figure 112009032715708-PCT00015
로 향하는 광의 효율은 다수의 방법으로 추정될 수 있다. 하나의 예시적 실시예로서 도9b를 본다.
방사 파워 P가 홈에 맞닿는다고 가정한다. 그러면, 효율은 η = P'/P로 정의될 수 있고, P'는 광 출력각에 부과된 하나의 가능한 조건( 0˚<｜
Figure 112009032715708-PCT00016
｜<20˚)을 충족하는 홈에 의한 방사 출력이다. α=90˚이면, 이론적으로 모든 입사광은 도파관으로부터 출력될 것이다. 즉,
Figure 112009032715708-PCT00017
이다. 입사각 α가 90˚가 아니면, 출력 효율은 보다 작다. 즉,
Figure 112009032715708-PCT00018
이다. 따라서 상기 가정에 기초하여, 이 경우 홈은 최악의 성능을 보인다고 여길 수 있다. 하지만 입사빔의 균일한 밀도(파워 대 빔 단면의 비율)를 고려할 때
Figure 112009032715708-PCT00019
이면
Figure 112009032715708-PCT00020
이므로(
Figure 112009032715708-PCT00021
), 출력 파워의 절대값은
Figure 112009032715708-PCT00022
보다 작지 않을 수 있다.
따라서 상기 효율 추정은, 격자 홈으로의 입사 파워가 다른 각 α(또는 β)에서 다르기 때문에, 불충분하다고 결론지을 수 있다. 이 때문에, 모든 각 α에서 홈으로의 입사광 밀도가 균일하다 가정하면(P/h= 일정), 회절 요소-원조(aided) 광 출력 효율의 다른 추정,
Figure 112009032715708-PCT00023
을 도입할 수 있다. 여기서, 42˚<α<90 ˚,
Figure 112009032715708-PCT00024
은 각 α의 현재 값에서 0˚<｜
Figure 112009032715708-PCT00025
｜<20˚의 방향으로 도파관으로부터 출력된 파워이고,
Figure 112009032715708-PCT00026
는 임의 개수의 블레이즈 격자 홈에 대하여 42˚<α<90˚의 조건을 충족하는 각 α에 대한 출력 파워의 최대값이다.
따라서
Figure 112009032715708-PCT00027
는 다양한 개수의 격자 홈 및 입사각에 대하여 최대값 유도 출력 파워에 정규화된 출력광의 상대 파워를 나타내고, 입사각 파라미터와 격자 홈의 개수의 유일한 조합에 대하여
Figure 112009032715708-PCT00028
=100(상대 단위)과 같다.
표3~7은 스텝이 5˚인 입사각 α와 β, 및 도파관으로부터 출력된 광의 상응하는 각
Figure 112009032715708-PCT00029
를 1~5개 블레이즈 격자 홈에 대하여 제시한다. 유용한 출력각은 굵게 표시된다(0˚<｜
Figure 112009032715708-PCT00030
｜<20˚). 효율
Figure 112009032715708-PCT00031
(퍼센트) 및
Figure 112009032715708-PCT00032
(상대 단위)의 값은 앞에서 특정된 바와 같은 물리적 의미를 갖는다. 표3~7에서 음의 각
Figure 112009032715708-PCT00033
는 반평면 -XY를 향해(도9a의 좌측을 향함) 진행하는 광선을 나타내고, 양의 각은 반평면 XY를 향해 진행하는 광선을 나타낸다. 표 4~7에서, 새로운 광 출력 각
Figure 112009032715708-PCT00034
는 어두운 배경에 나타낸다. 이들 새로운 각
Figure 112009032715708-PCT00035
가 유용한 범위에서 발견되면(이 실시예에서, 0˚<｜
Figure 112009032715708-PCT00036
｜<20˚),
Figure 112009032715708-PCT00037
와
Figure 112009032715708-PCT00038
의 상응하는 값도 또한 어두운 배경으로 나타낸다. 열에 있어서,
Figure 112009032715708-PCT00039
>50%인 α와 β값은 어두운 배경에 인쇄된다.
모든 표의 마지막 행은 모든 각도에서 블레이즈 격자 홈의 추정 성능을 나타낸다. 마지막 행에서
Figure 112009032715708-PCT00040
의 값은 균일한 광이 위에서 고려된 모든 각도에서 동시적 으로 홈에 맞닿을 때, 광 출력의 평균 효율을 나타낸다. 모든 표의 마지막 행에서
Figure 112009032715708-PCT00041
의 값은 모든 개수의 격자 홈에 대하여 모든 방향으로의 에너지 출력에 비례하고, 5개 홈에 의한 방사 출력이 100%에 상응하도록 취해진다.
표3. 개별 홈에 대한, 각
Figure 112009032715708-PCT00042
와 광 출력 효율 vs 각 α (β).
Figure 112009032715708-PCT00043
표4. 2개의 홈에 대한, 각
Figure 112009032715708-PCT00044
와 광 출력 효율 vs 각 α (β).
Figure 112009032715708-PCT00045
표5. 3개의 홈에 대한, 각
Figure 112009032715708-PCT00046
와 광 출력 효율 vs 각 α (β).
Figure 112009032715708-PCT00047
표6. 4개의 홈에 대한, 각
Figure 112009032715708-PCT00048
와 광 출력 효율 vs 각 α (β).
Figure 112009032715708-PCT00049
표7. 5개의 홈에 대한, 각
Figure 112009032715708-PCT00050
와 광 출력 효율 vs 각 α (β).
Figure 112009032715708-PCT00051
위의 표를 고려하면, 새로운 격자 홈의 부가에 의해 새로운 출력각
Figure 112009032715708-PCT00052
가 나타남을 이해할 수 있다. 여분의 블레이즈 홈에 의해서도, 소수의 새로운 각도가 나타나고, 이 새로운 각도는 입사각 β의 값도 큰(각 α의 값보다 작은) 범위 내에서 발견됨에 주의한다. 광 출력의 평균 효율
Figure 112009032715708-PCT00053
는 블레이즈 격자 홈의 개수와 함께 증가하고, 격자 홈의 개수가 클수록, 증가율이 낮다. 상응하여, 블레이즈 격자 홈의 수가 클수록, 유용한 방향으로 에너지 출력의 비율이 높다. 2개의 홈이 하나의 홈보다 89% 이상, 3개 홈이 2개의 홈보다 48% 이상, 4개 홈이 3개 홈보다 28% 이상, 5개 홈이 4개 홈보다 22% 이상의 에너지를 출력할 수 있음을 추론할 수 있다. 상기 결론은 고려된 모든 각도에서 광의 균일한 입사에 유효하다. 또한, 3,4,5개의 홈을 사용할 때, 입사의 고려된 모든 각도에서 방사가 출력되지만, 1 또는 2개의 홈의 경우에, 굴절된 광의 대부분이 도파관 내에서 계속 진행할 것이라고 추론할 수 있다.
따라서 개선된 외부결합 방향성을 요구하는 많은 애플리케이션에서(예를 들어, 넓은 입사각 범위의 좁은 출사각 범위로의 외부결합), 오직 하나의 블레이즈 격자 홈을 사용하는 것은 충분히 유효하지 않고, 몇 개의 블레이즈 격자 홈을 부가하는 것이 출사각을 너무 넓히지 않고 효율을 근본적으로 개선한다.
도9c는 3개의 블레이즈 홈, 반사기 및 각 α=60˚인 입사광을 포함하는 실시예를 추가적으로 시각화한다. 도파관의 상면으로부터 도파관의 법선에 대하여 상대적으로 작은 각도에서 50% 이상의 광선이 바람직하게 외부결합된다. 50% 미만의 광선이 도파관 내에서 계속 진행한다. 도면은 반사기가 일부 광선이 도파관의 바닥을 통해 도파관으로부터 벗어나는 것을 어떻게 방지하는지 나타낸다.
도9d는 각 θ가 0이 아닌 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 원추각 θ는 시각화된 YZ 평면으로부터 홈의 일탈을 결정한다. 광은 각 θb=0에서 격자에 닿는다. 격자로부터의 출력광은 각 θb만큼 회전된다. 격자에 닿기 전에, 입사광은 XY 평면에서 발견된다. 제1 홈의 표면에 닿으면, 광선은 반사되거나(후방 산란) 또는 굴절되어, 다른 표면에 도달한다. 홈과의 상호작용 회수의 증가(굴절 또는 후방산란을 통함)는, 각 θb를 증가시키고, 이 각만큼 출력 광선이 회전된다. 180˚ 에 가까운 각 α에서 경사진 홈 표면으로부터 광선 1은 반사된다.
하나 또는 두개의 홈을 통과한 후에도 도파관을 떠나지 않는 방식으로 광선이 홈에 닿으면, 그 광선은 도파관 내에서 계속 전파하고, 각 θb는 0이 아니다(광선2). 이 경우, 광선은 더 작은 입사각으로(θ-θb, 여기서 0<θb<θ) 다음의 평행 홈(세트)에 도달한다.
따라서 다른 홈-세트와 다수의 순차적 상호작용이 있으면, 각 θ만큼 회전되고, 광선은 θb → ∞ 가 되는 각 θb를 획득한다(각 θb는 각 θ를, θb=0˚ 및 θ=0˚인 것처럼 보상한다). 이것은 도파관 내에서 계속 전파하는 광선이 홈을 통과하는 경우에만 발생한다. 광선이 홈 표면에서 반사된 후 도파관 내에서 계속 전파하면, 대향하는 방향으로 일탈 θb가 있게 된다. 하지만 도파관 내에서 그러한 광선의 퍼센트는 비교적 작다.
다음, 도파관으로부터의 출사각(즉, 각
Figure 112009032715708-PCT00054
)이 조건 ｜
Figure 112009032715708-PCT00055
｜<15˚를 충족하는 각 θ의 값이 조사된다. 표8은 α=90˚에서, 각 θ의 함수로서 출사각
Figure 112009032715708-PCT00056
을 보인다.
표8. α=90˚에서, 각
Figure 112009032715708-PCT00057
vs 각 θ.
Figure 112009032715708-PCT00058
표8은 α=90˚인 고정된 광입사의 각도에 대하여, 범위 0˚<θ<10˚인 모든 각도가 합당한 외부결합 결과(｜
Figure 112009032715708-PCT00059
｜<15˚)를 제공함을 보인다. 고려 중인 이 실시예에서, 광선의 단일 빔이 홈(즉, 일련의 홈 중 첫 번째 홈)으로부터의 반사시에 형성된다. 하지만, 고정된 각 θ에서, 광선의 출사각
Figure 112009032715708-PCT00060
을 증가시키는 각 α의 감소는 새로운 광선 그룹의 출현을 수반한다. 새로운 광선 그룹의 출현 시, 광의 일부가 허용 가능한 각도에서 도파관을 다시 벗어난다.
따라서 광이 각 θ≠0˚에서 홈에 입사하면, 홈과의 상호작용 후에도 도파관 내에서 계속 전파하는 광의 대부분은 각 θb에서 전파하여, 후속하는 홈에 맞닿으면 이 각은 각 θ를 부분적으로 보상한다. 출력광과 프리즘 사이의 상호작용 회수가 클수록, 각 θb는 크지만 또한 각 α는 180˚에 근접하게 된다. 예시적 조건 ｜
Figure 112009032715708-PCT00061
｜<15˚는 적절한 각 α에 대하여 θ<10˚이면 실질적으로 충족된다. 표8을 참조하라. 하지만, 홈으로 입사하는 광의 실-세계 시나리오에서, 홈 그룹이 확장되고, 따라서 외부결합 유닛 당 홈 또는 일반적으로는 표면 릴리프 형상의 개수는 신중히 선택될 수 있으므로, 각 θ에 대한 조건은 덜 엄격할 수 있다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광가이드가 제공한 성능의 시험 결과를 시각화한다. 매우 높은 광 지향성 인자가 우수한 효율로 달성된다. 상부의 현미경 도는 방사상으로 정렬되고 곡면 격자 홈을 갖는 복수의 외부결합 유닛을 제시한다. 하부의 편광도는 ±5˚의 좁은 외부결합 각을 제시한다. 특히 좁고 넓은 입사각에서의 보다 높은 회절 효율 때문에, 실제 광가이드의 성능은 이론적으로 결정된 성능을 초과할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회절 외부결합 유닛 및 지지매체를 제조하기 위하여, 예를 들어, 리소그래픽 제조 프로세스, 및/또는 몰드를 마스터링(mastering) 및 사출하기 위한 미세 가공 몰드, 롤-롤(roll-to-roll) 또는 평면 엠보싱이 활용될 수 있다.
상기한 해석에 있어서, 회절 유닛은 회절 표면 릴리프 프로파일로서 블레이즈 홈을 자주 포함하였지만, 블레이즈 돌출 또는 다른 패턴(예를 들어, 경사 프로 파일)이 애플리케이션에 따라서는 실현 가능한 선택이 될 수 있다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항 및 그와 등가의 것에 의하여 결정된다. 당업자는 명시적으로 개시된 실시예는 예시를 목적으로 구성된 것이고, 발명의 범위는 본 발명의 특정 사용예 각각에 대하여 더욱 적절한 또다른 실시예 및 그와 등가물을 포함한다.
본 발명은 회절 격자의 효과를 활용하는 광 외부결합 및 지향 구조를 제공한다.

Claims (27)

  1. 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 조명 디바이스의 지향성 광 외부결합 시스템의 일부를 형성하는 회절 광 외부결합 유닛으로서, 상기 회절 광 외부결합 유닛은,
    - 회절 표면 릴리프 패턴을 수용하는 지지요소; 및
    - 상기 지지요소의 표면 영역에 정의된 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하는 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고,
    상기 형상의 주기는 바람직하게는 약 10 마이크론 이하이고, 상기 형상은 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사하는 광을, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 두개의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 지지요소의 외측에 결합하도록 배열되어서, 상기 결합된 광의 지향성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 회절 광 외부결합 유닛.
  2. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 외부결합 유닛은 다수의 블레이즈 또는 경사 격자 홈, 오목 또는 돌출 프로파일을 상기 표면 영역에 정의하는 회절 광 외부결합 유닛.
  3. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상에 속한 적어도 2개의 연속한 회절 표면 릴리프 형상은 높이가 실질적으로 동일한 회절 광 외부 결합 유닛.
  4. 청구항1에 있어서, 상기 형상의 주기는 7마이크론 이하이고, 바람직하게는 5마이크론 이하인 회절 광 외부결합 유닛.
  5. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 하나에 미리결정된 입사각과 미리결정된 원추각 내에서 입사하는 광선의 적어도 일부는, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 복수의 표면 릴리프 형상 중 상기 하나의 표면 릴리프 패턴 및 적어도 다른 하나의 표면 릴리프 패턴을 관여시키는 상호작용을 통해, 미리결정된 출사 방향으로, 미리결정된 외부결합 각 내에서 적어도 부분적으로 결합되는 회절 광 외부결합 유닛.
  6. 청구항1에 있어서, 제1 표면 영역 및 이 제1 표면 영역에 인접한 제2 표면 영역을 포함하고, 상기 제1 표면 영역은 상기 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 상기 제2 표면 영역은 회절 요소를 가지지 않거나, 또는 상기 제1 표면 영역의 상기 제1 회절 구조의 릴리프 형상과 다르거나 또는 적어도 다르게 정렬된 하나 이상의 회절 요소를 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  7. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 표면 릴리프 형상 중 적어도 하나의 회절 표면 릴리프 형상은, 삼각 형상, 사다리꼴 형상, 평행 사변형, 및 등변 삼각형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 프로파일을 정의하는 회절 광 외부결합 유닛.
  8. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 회절 표면 릴리프 형상은 직선, 곡선, 물결(wavy), 또는 도트와 유사한(dot-like) 형상을 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  9. 청구항1에 있어서, 상기 표면 릴리프 패턴은 적어도 2개의 실질적으로 평행한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  10. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상의 군집 주기(aggregate period)는 30 마이크론 이하인 회절 광 외부결합 유닛.
  11. 청구항1에 있어서, 상기 지지요소는 실질상 광학적으로 투명하고, 전반사를 통해 광 전송이 가능하도록 구성되는 회절 광 외부결합 유닛.
  12. 청구항1에 있어서, 외적으로(externally) 결합된 광을 외부결합하도록 구성된 회절 광 외부결합 유닛.
  13. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상은, 실질적으로 45도인 블레이즈 각을 갖는 하나 이상의 블레이즈 프로파일을 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  14. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상은, 형상 사이에서 가변 블레이즈 각을 갖는 하나 이상의 블레이즈 프로파일을 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  15. 청구항1에 있어서, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상은 블레이즈 프로파일을 포함하고, 블레이즈 프로파일의 블레이즈 각은 형상 사이에서 점진적으로 변화하는 회절 광 외부결합 유닛.
  16. 청구항1에 있어서, 상기 지지요소의 표면 위에 격자 요소, 반사기 또는 확산기를 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  17. 청구항1에 있어서, 상기 회절 표면 릴리프 패턴은 제1 회절 표면 릴리프 패턴이고, 상기 회절 광 외부결합 유닛은 제2 회절 표면 패턴을 더 포함하고, 상기 제2 회절 표면 패턴은, 상기 지지요소의 제2 표면 영역에 정의되고, 상기 제1 회절 표면 릴리프 패턴에 입사한 광을 상기 제1 회절 표면 릴리프 패턴과 함께 동작(co-operatively)하여 상기 지지요소의 외측에 결합하도록 배열되는 제2 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하는 회절 광 외부결합 유닛.
  18. 청구항1에 있어서, 상기 표면 릴리프 패턴은 블레이즈 프로파일을 갖는 5개 의 회절 형상을 구비하고, 상기 회절 형상은 입사각이 상기 지지요소의 표면 법선에 대하여 45도와 90도 사이에서 고르게(evenly) 걸치는 복수의 입사 광선을 외부결합하도록 배열되어, 상기 광은 상기 표면 법선에 대하여 20도인 외부결합 각 내에서 외부결합되고, 상기 입사 광선과, 상기 외부결합 각 내에서 외부결합된 광 사이의 결합 효율은 적어도 30 퍼센트인 회절 광 외부결합 유닛.
  19. 회절 광 외부결합 시스템으로서,
    - 복수의 회절 외부결합 유닛을 구비한 지지요소를 포함하고,
    상기 유닛 각각은 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 상기 회절 표면 릴리프 패턴은 블레이즈 또는 경사 격자 프로파일과 같은 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하고, 상기 형상은 지지요소의 표면 영역에 정의되고, 여기서 형상 주기는 약 10 마이크론 이하인 것이 바람직하고, 상기 형상은 상기 외부결합 시스템의 상기 복수의 회절 광 외부결합 유닛에 의해 결합된 광의 지향성을 향상시키기 위하여, 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사한 광을, 상기 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상 중 적어도 2개의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 상기 지지요소의 외부에 결합시키도록 배치되는 회절 광 외부결합 시스템.
  20. 청구항19에 있어서, 상기 지지요소의 미리결정된 표면 영역 상에서 신장하도록 구성되고, 상기 미리결정된 표면 영역은 상기 복수의 회절 외부결합 유닛을 구비하고, 또한 위치(locations)를 더 구비하며, 이 위치는 회절 요소를 가지지 않거 나, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 회절 표면 릴리프 형상과 다르거나 또는 적어도 다르게 배열된 하나 이상의 회절 요소를 포함하는 회절 광 외부결합 시스템.
  21. 광가이드(lightguide)로서,
    - 광원으로부터 광가이드내로 광을 결합하는 내부결합 시스템;
    - 광을 전송하는 광학적으로 실질상 투명한 지지요소; 및
    - 복수의 회절 외부결합 유닛을 포함하는 외부결합 시스템을 포함하고,
    상기 유닛 각각은 회절 표면 릴리프 패턴을 포함하고, 상기 회절 표면 릴리프 패턴은 상기 지지요소에 정의된, 블레이즈 또는 경사 격자 프로파일과 같은 복수의 연속한 회절 표면 릴리프 형상을 포함하고, 상기 형상의 주기는 약 10 마이크론 이하인 것이 바람직하고, 상기 형상은 상기 외부결합 시스템의 상기 복수의 회절 광 외부결합 유닛에 의해 결합된 광의 지향성을 향상시키기 위하여, 상기 회절 표면 릴리프 패턴에 입사한 광을, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 복수의 회절 표면 릴리프 형상 중 상기 하나 및 적어도 다른 하나의 표면 릴리프 형상을 관여시키는 상호작용을 통해 상기 지지요소의 외부에 결합시키도록 배치되는 광가이드.
  22. 청구항21에 있어서, 상기 외부결합 시스템은 상기 지지요소의 미리결정된 표면 영역 상에서 신장하도록 구성되고, 상기 미리결정된 표면 영역은 상기 복수의 회절 외부결합 유닛을 구비하고, 또한 위치를 더 구비하며, 상기 위치는 회절 요소 를 가지지 않거나, 상기 회절 표면 릴리프 패턴의 상기 회절 표면 릴리프 형상과 다르거나 또는 적어도 다르게 배열된 하나 이상의 회절 요소를 포함하는 광가이드.
  23. 청구항21에 있어서, 발광 다이오드와 같은 광원을 포함하는 광가이드.
  24. 청구항21에 있어서, 상기 내부결합 시스템은 분포기(distributor) 또는 확산기를 포함하는 광가이드.
  25. 청구항21에 있어서, 복수의 회절 외부결합 유닛은 무아레(Moire) 효과를 회피하기 위하여 지지요소 상에 반-랜덤화로 조직되는 광가이드.
  26. 청구항21에 있어서, 상기 복수의 회절 외부결합 유닛에 속한 다수의 회절 외부결합 유닛은 하나 이상의 광원에 대하여, 독립적으로 또는 그룹으로(in groups) 정렬되는 광가이드.
  27. 청구항21에 있어서, 회절 표면 릴리프 패턴의 밀도는 상기 광원으로부터의 거리 함수로써 상기 지지요소 상에서 증가하도록 배열되는 광가이드.
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