KR20110139193A - 제어된 출력으로 광을 추출하는 도광체 시스템 - Google Patents

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Abstract

광학계를 갖는 도광체는 가이드(guide)의 외부로 광의 방출을 안내한다. 상기 장치는 도광체의 제한된 영역으로부터 광을 추출함으로써 반사된 광의 정밀한 제어를 달성한다. 선택적 추출을 위해 사용되는 반사기의 구조는 출력 광의 종류를 결정한다. 상기 반사기는 도광체의 출력 측과 마주보는 도광체의 측 상에 위치될 수 있다.

Description

제어된 출력으로 광을 추출하는 도광체 시스템{LIGHT GUIDE SYSTEM FOR EXTRACTING LIGHT WITH CONTROLLED OUTPUT}
본원은 2009년 1월 2일에 출원된, 미국 특허출원번호 12/319,172호인 발명의 명칭 "Optic System for Light Guide With Controlled Output" 및 2009년 1월 2일에 출원된, 미국 특허출원번호 12/319,171호인 발명의 명칭 "TIR Swithched Flat Panel Display"에 대한 우선권을 주장하며, 각각은 참조로써 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 광 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 광이 도광체 외부로 방출되는 동안에 광의 이동 방향을 제어하는 광 시스템을 포함할 수 있다.
수많은 제품은 넓은 영역에 걸쳐서 광을 분산시키고 상기 광이 시스템의 외부로 방출될 때 광의 방향을 제어하기 위한 광학 시스템이 요구된다. 생산 비용 감소의 수반과 함께 LED의 실행에 있어서 최근의 개선은 수많은 분야에서 더 많은 가능한 옵션을 갖는 LED를 가져다주었다. 반면에, LCD 백라이트, 백라이트를 갖는 사인(signs with backlights), 오버해드 조명, 및 자동차의 조명과 같은 많은 응용물은 광의 방향을 여전히 제어하면서 넓은 영역에 걸쳐서 분산시키기 위해서, LED에 의해 생성되는 집중된 광을 필요로 한다. 이러한 응용물은 요구되는 광 제어를 제공하기 위해 개선된 광학 시스템을 요구한다.
LCD 기술 기반의 디스플레이는 10년간 진화해왔다. 기본이 되는 기술을 개선하는 것에 바탕을 둔 다수의 특허 문헌이 현재 사용가능하다. 반면에, 최근의 디스플레이 기술에 대한 문헌은 여전히 몇 가지의 결점을 지니고 있다. 최근 장치 기술의 주요한 결점은 과잉의 에너지 소비이다. 65 인치 HDTV LCD TV는 보편적으로 약 500 와트를 소모한다. 이는 저효율 기술의 결과이다.
LCD 디스플레이의 효율을 개선하는 방법은 광원으로부터의 사용 가능한 광이 관측자에게 가장 잘 보이는 영역에 가능한 한 많이 지시되도록 하는 것이다. 소형 디스플레이 장치에 대해, 전력 소비는 명백히 중요한 고려대상이며, 관측자를 향하여 좁은 각도를 갖는 광이 요구된다.
TV와 같은 고정식 응용물에서, 디스플레이의 표면에 대한 수선 방향으로 투사되는 광의 가장 높은 강도의 부분을 갖도록 요구된다. 또한, 수선의 좌측 및 우측에 유효량의 광을 제공하는 것이 중요하다. 이는 최적(스크린에 대하여 수선)의 관측 위치에 있지 않는 관측자를 위해 필요하다. 또한, 스크린에 대한 수선에 대하여 더 높거나 낮은 각도로 투사되는 광의 양을 줄이는 것이 이러한 분야에서 요구된다. 만일, 보편적으로 수선에서 벗어난 방향으로 지시하는 광이 바람직한 각도로 재지시된다면, 바람직한 방향으로 전달되는 광의 강도는 더 커질 것이다.
선행 기술 문헌의 세 개의 군은 LCD 유형의 디스플레이에 대한 광의 제어를 다루었다. 이들 중에서, 프리즘 유형 "휘도 향상 필름"(BEFs)은 대부분의 공통되는 부류를 포함한다. BEF 장치의 일 예시는 Shozo Kokawa 등에 의해 출원되고 1995년 11월 14일에 등록된, 미국특허 제5,467,208호인, 발명의 명칭 "Liquid Crystal Display"에서 개시된다. 이 문헌은 프리즘 유형의 필름의 선행 기술을 설명하고, 상기 기술에 대해 개선된 것을 개시한다. 프리즘 필름에 대한 문제점은 광 출력의 각도의 제어가 매우 제한된다는 것이다. 프리즘 특성을 변화시키는 것은 광 출력의 매우 적은 변화를 초래한다. 또한, 상기 프리즘 필름은 2차원 구조물로 제한된다. 만일, 응용이 3차원에서 광의 제어를 필요로 한다면, 적어도 2개의 BEF가 배치되어야만 한다.
선행 기술의 두 번째 부류는 Akira Yamaguchi에 의해 출원되고, 2002년 7월 16일에 등록된 미국특허 제6,421,103호, 발명의 명칭"Liquid Crystal Display apparatus..."에 의해 예시된다. 상기 Yamaguchi의 문헌은 광이 LCD 패널에 입사되는 동안 광을 제어하는 또 다른 장치를 개시한다. 상기 특허는 광원, 기판(도광체로서 사용되지 않음), 개구부, 및 기판상에 반사 영역을 가지는 것을 개시한다. 상기 광은 반사면에 의해 반사되거나, 개구부를 통과함으로써 반사된다. 개구부를 통과하는 광은 상기 광의 방향을 제어하기 위해 사용되는 렌즈에 의해 포획된다. Yamaguchi는 LCD 유형의 디스플레이의 관측자에게 곧장 더 많은 광이 집중되도록 출력 광의 각도의 제한을 설명한다. 상기 Yamaguchi 장치는 BEF 장치로 제어되는 것보다 더 나은 출력 광의 제어를 제공한다. 그러나 상기 Yamaguchi 장치에 대한 문제점은 극도로 비효율적이라는 것이다. 광은 개구부의 외부로 방출되기 전에 반사면에서 여러 번 반사되어야만 한다. 상기 반사면이 고 반사율 물질로 구성되어도, 강도의 손실은 상당하다. 그러므로, 이 발명에 대한 광의 제어는 BEF 장치의 제어보다 우수하지만, 효율은 훨씬 나쁘다.
Karl Beeson에 의해 출원되고, 1995년 3월 7일에 등록된 미국특허 제5,396,350호, 발명의 명칭 "Backlighting Apparatus..."; 및 Neil Lubart에 의해 출원되고 2008년 3월 18일에 등록된 미국특허 제7,345,824호, 발명의 명칭 "Light Collimating Device"는 LED 광원 장치에 대한 광 제어 광학계의 제 3 부류의 장치를 개시한다. 상기 Beeson 및 Lubart는 도광체의 측 상에 있는 반사 구조물을 개시한다. 이러한 반사 구조물의 제어 범위는 제한되고, Yamaguchi 장치에 의해 제공되는 제어와 동등하지 않다. 나아가, 상기 반사 구조물은 LCD 패널에 매우 근접하여 배치되며, 이는 디스플레이의 관측자에게 용이하게 보여지는 출력부에 결점을 나타나게 한다.
본 발명의 목적은 제어된 출력으로 광을 추출하는 도광체 시스템을 제공하는 것이다.
다양한 양태는 광을 안내하도록 도광체를 포함한다. 일부 실시예는 광이 시스템 외부로 방출되는 동안 상기 광의 각도를 제어하는 도광체에 대한 광학 시스템을 포함한다. 본 발명은 LCD로부터 오버헤드 조명에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 상기 LCD 디스플레이는 휴대폰, 노트북, 컴퓨터 모니터, TV 및 상업용 디스플레이와 같은 종류에 사용된다. 상기 도광체는 도광체로부터 별개의 지점 및/또는 모든 영역으로 광을 전달할 수 있다. 반사기와 함께 추출 소자를 사용하여, 장치의 출력 광은 평행하게 발산하거나 수렴하도록 제어될 수 있다. 상기 반사기는 2차원 또는 3차원일 수 있다.
본 발명의 광학 시스템의 이점은 상기 출력 광의 각도를 정밀하게 제어한다는 것이다.
본 발명의 광학 시스템의 다른 이점은 전력 소비에 있어서, 기존 기술의 장치에서보다 더 효율적으로 광을 전달한다는 것이다.
본 발명의 광학 시스템의 또 다른 이점은 구조상으로 간단하여, 제조가 용이하고 경제적이라는 것이다.
본 발명의 이들 및 그 밖의 목적 및 효과들은, 여기에서 설명되고, 도면에서 나타낸 바와 같은 발명을 수행하는 가장 잘 알려진 방식에 대한 설명을 고려하면, 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 광학계를 구비하는 도광체의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 광학계를 구비하는 도광체의 부분적으로 확대된 측면도이다.
도 3은 3차원 유형의 반사기를 도시한다.
도 4는 2차원 유형의 반사기를 보여준다.
도 5는 도광체, LCD 및 종단 반사기(end reflector)의 쪼개진 측면도이다.
도 6은 광학 시스템의 상이한 구조의 확대된 측면도를 보여준다.
도 7은 광학 시스템의 또 다른 구조의 확대된 측면도를 보여준다.
도 8은 발산형 반사기를 활용하는 광학 시스템을 도시한다.
도 9는 광학 시스템의 또 다른 구조의 확대된 측면도를 보여준다.
도 10은 실시예를 도시한다.
도 11은 실시예를 도시한다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 도광체 어셈블리(1)는 평면과 복수의 LED(3)를 구비하는 도광체(2)를 포함한다. 상기 LED(3)는 상기 도광체(2)의 하부 에지(edge)와 같은 표면을 따라 위치될 수 있다. 상기 LED(3)의 색 및 상기 LED(3)가 위치되는 상기 도광체(2)의 측의 수는 상기 도광체(2)의 크기, 형상 및 분야의 함수일 수 있다. 상기 LED(3)는 상기 도광체(2)의 하나 이상의 측에 위치될 수 있다. 상기 LED(3)는 이를 적절한 수준으로 구동하기 위해 전자장치를 필요로 할 수 있다. LED 구동 전자장치에 대한 기술자는 LED 구동을 이뤄내기 위해 다양한 회로를 고안할 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는, 일반적으로 상기 도광체(2)의 하부 에지를 따라 동일한 간격을 보이는 총 27개의 LED(3)를 포함한다. 레이저, 백열광, 형광 또는 자연광과 같은 다른 유형의 광원이 상기 LED(3)의 장소에 충분할 수 있다고 인식해야 할 것이다.
상기 도광체(2)는 도 2에서 확대된 측면도로 보여진다. 도 2는 상기 LED(3로부터 방사되는 광선(17)의 샘플을 보여준다. 상부 광선(10)은 상기 도광체(2)의 상부면(11)에 충돌하는 것으로서 묘사된다. 상기 도광체(2)의 표면과 접촉하거나 광선(10)의 입사각이 얕은 경우, 상기 광은 상기 도광체(2)의 표면에서 반사된다. 이런 반사는 수식에 의해 결정된다.
[수학식 1]
A = arcsine(Ns/Nlg)
상기 Nlg는 상기 도광체의 굴절률이고, 상기 Ns는 상기 도광체의 외부 매질의 굴절률이다. 각도 "A"는 상기 도광체의 표면에 대하여 수선으로부터의 각도이고, Ns 및 Nlg에 의해 정의된다. 입사각은 90˚- A로 정의될 수 있다.
공기 또는 다른 낮은 굴절률을 갖는 물질에 대하여, Ns는 1.35 이하일 수 있다. 플라스틱 또는 유리 도광체(2)에 대하여, Nlg는 1.5일 수도 있다. 이러한 값에 대한 각도 A는 약 64˚일 수 있다. 내부 전반사가 일어날 수 있는 광의 입사각은 약 26˚미만일 수 있다.
만일, 광이 각도 A보다 큰 각도(또는 90˚-A보다 작은 각도)로 상기 도광체(2)의 표면에 충돌하면, 광은 표면에서 반사될 것이고, 이를 내부 전반사(TIR)라고한다. 만일, 입사각이 90˚-A보다 큰 경우에, 상기 광의 적어도 일부분은 상기 표면(예, 도광체의 상부면(11))을 통과하고 굴절될 수 있다. 예시에서 보여주듯이, 반사된 광(13)은 윈도우에 충돌하여 아래 방향으로 진행하고, 접촉돔(14) 상에 배치된 반사기에 이른다. 바람직하게는, 상기 접촉돔(14)은 상기 도광체(2)와 동일하거나 큰 굴절률을 갖는다. 만일, 상기 도광체(2) 및 상기 접촉돔(14)의 굴절률이 동일하다면, 상기 광(13)은 실질적으로 동일한 입사각으로 상기 도광체의 몸체로부터 상기 접촉돔 안으로 이동한다. 만일, 상기 굴절률이 약간 다르다면, 상기 광(13)은 굴절될 수 있다. 만일, 상기 굴절률이 크게 다르고 상기 접촉돔(14)이 더 작은 굴절률을 가진다면, 광은 "윈도우" 영역에서 반사될 수도 있다. 대부분의 응용에 있어서, 상기 접촉돔(14)이 도광체(2)와 접촉하는 상기 윈도우에서 어떠한 광 전반사를 갖는 것은 바람직하지 않다. 상기 도광체(2)와 동일한 굴절률을 갖거나 보다 큰 굴절률을 갖는 접촉돔(14)을 선택하는 것은, 상기 광이 도광체(2)로부터 접촉돔(14)으로 통과하는 것을 도울 수 있다. 상기 도광체의 몸체와 동일한 굴절률을 가지는 접촉돔(14)을 선택하는 것은, 상기 접촉돔에 의해 반사된 광을 다시 상기 도광체의 몸체 안으로 통과시키는 것을 도울 수 있다.
상부에서 반사된 광(13)은 상기 접촉돔(14)을 통과하여 반사기(15)에 충돌한다. 일부 실시예에서, 상기 반사기(15)의 표면은 광을 반사하기 위하여 반사 물질로 코팅될 수 있다. 상기 반사 물질은 알루미늄, 은, 유전체 간섭형 거울, 또는 다른 반사 물질이거나 방법일 수 있다. 만일, 상기 반사기(15)가 정해진 TIR 공식의 범위에 맞는 각도로 구성된다면, 상기 반사기(15)는 코팅되지 않을 수 있다. 상기 입사광(13)은 상기 반사기(15)의 표면으로부터 반사된다.
일부 실시예에서, 상기 반사기(15) 구조물은 도광체(2)와 접촉돔(14) 사이의 접촉 윈도우 외의 영역에서 상기 도광체(2)를 통과해 나가는 광으로부터 적어도 부분적으로 광학 격리된다. 도 2에서 도시된 장치에서, 상기 격리는 상기 도광체(2) 및 상기 반사기(15)를 포함하는 구조물 사이에 약간의 공극(16)을 제공함으로써 달성된다(도 9를 참조로 하기에서 설명되는 대안적인 방법은 상기 도광체(2) 및 상기 반사기(15) 구조물 사이에 낮은 굴절률을 갖는 물질의 층을 설치하는 것임).
이러한 경우에서, 반사율의 각도 의존성이 생성될 수 있어서, 저각의 광은 공극을 가지는 표면의 일부분에서 반사되지만, 접촉 윈도우는 실질적으로 모든 입사 광을 접촉돔(14) 안으로 전달한다.
상기 반사기(15)의 형상은 상기 광이 도광체(2)로 다시 반사되어 돌아가는 방향을 결정할 수 있고, 따라서 상기 출력 광의 유형은 도광체(2)에 의해 출력해 낸다. 도 2는 대체로 타원형인 반사기(15)를 도시한다. 타원형 반사기(15)는 한 지점으로 광을 집중시키거나, 광이 다양한 각도로 반사기의 외부로 방출되도록 유발한다. 만일 반사기(15)가 포물면 형상을 가지면, 상기 도광체(2)의 외부로 방출되는 광은 상기 반사기의 "점광원(point source)"에 접근하는 접촉 윈도우와 일반적으로 평행할 수 있다. 만일 타원형 반사기 또는 포물면 반사기가 선택되면, 상기 반사기의 초점은 상기 접촉돔(14)과 상기 도광체(2)가 접촉하는 접촉 윈도우에 위치될 수 있다. 다른 많은 형상들이 반사기(15)에 사용될 수 있으며, 요구되는 각도의 광출력에 따라서 선택된다.
이제 도 3을 참조하면, 반사기(15)는 3차원형 반사기로 도시된다. 상기 반사기(15)는 도 4에서 도시되는 바와 같이, 2차원 선형 반사기로 용이하게 선택될 수도 있다. 또, 고려되는 응용에 따라서 사용되는 반사기(15) 유형이 선택된다. 또한, 사용자는 반사기 형상의 많은 조합을 선택할 수 있고, 2차원 또는 3차원 유형의 형태 중 어느 하나로 이들을 채용할 수 있다. 상기 2차원 및 3차원 반사기 모두는 도 3 및 도 4에서 반사기(15)의 어레이로서 도시된다. 통상의 기술자는 많은 다른 유형의 반사기 어레이가 배치될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
도 5는 도광체(2), LED(3) 및 종단 반사기(20,21)의 확대된 측면도를 도시한다. 광은 종종 상기 LED(3)로부터 상기 도광체를 통해 이동하고, 온 위치에 있는 접촉돔(14)에서는 반사되지 않아서, 상기 도광체(2)로부터 광을 추출할 것이다. 이러한 경우에, 상기 광은 상기 도광체(2)의 전체 길이를 이동한다. 상기 광이 상기 LED(3)의 반대쪽 말단인, 상기 도광체(2)의 원위단에 도달하는 경우, 상기 광은 종단 반사기(21)에서 반사된다. 상기 반사는 상기 광이 상기 도광체(2)를 통해 반대 방향으로 발원(originating) LED(3)를 향하도록 재지시된다. 바람직하게는, 상기 종단 반사기(21)는 고반사율을 갖는 물질로 형성된다. 간섭 유형 또는 금속 반사기는 상기 종단 반사기(21)에 대한 두 개의 가능한 대안이다. 세 번째 가능성은 각진 재반사형(angled, retro type) 반사기일 것이다.
만일 상기 광이 상기 접촉돔(14) 중 하나와 접촉함이 없이 상기 도광체(2) 내에서 계속적으로 이동하면, 상기 광은 상기 도광체(2)의 발원 말단에 도달할 것이며, 이 때 상기 말단에는 LED(3)가 위치된다. 상기 도광체(2)의 말단에서, 상기 광은 LED(3)와 다른 LED 사이의 영역에서 충돌할 수 있거나, LED(3)에 충돌할 수 있다. 상기 광이 LED(3)들 사이의 영역에 충돌하는 경우, 상기 광은 상기 종단 반사기(20)에 의해 재반사될 수 있다. 만일, 상기 도광체(2)가 매우 적은 수의 LED(3)를 가지면, 상기 광은 고 반사율 종단 반사기(20)에서 거의 항상 반사될 수 있다. LED(3)에서 반사되는 광의 경우에는, 상기 LED(3)는 상기 광의 일부를 흡수할 수도 있고, 상기 광의 나머지는 반사될 것이다. 광은 접촉돔(14)에 의해 추출되기 이전에 상기 도광체(2)에서 여러 번 위아래로 이동할 것이다. 이는 매우 적은 수의 접촉돔(14)을 갖는 특정 도광체 어셈블리(1)의 경우에 해당할 것이다. 만일, 많은 수의 접촉돔(14)이 상기 도광체(2) 안에 존재한다면, 상기 도광체(2)를 따라 광이 한번 또는 두 번 이상 진행할 가능성은 적을 것이다. 상기 도광체를 따라 여러 번 진행하는 광이 다수의 반사가 있는 경우에도, 광의 손실은 적을 것이다. 상기 종단 반사기(20,21)는 98% 이상의 반사 효율을 가질 수 있고, 좋은 사양의 도광체 물질은 매우 적은 량의 광을 흡수한다.
상기 도광체 어셈블리(1)의 대안적인 구조는 도 6에서 도시되며, 여기에 도시된 반사기(15)는, 상기 경우에서 보편적으로 고형 물질로 형성되는 것과 다르게 중공형이다. 이 구조에서, 접촉돔(14)은 상기 접촉돔(14)이 온 위치에 있는 경우, 상부에서 반사된 광(13)이 상기 접촉돔(14)을 통과하고, 상기 반사기(15)의 표면을 향해 일반적으로 직선 경로를 따라 진행하도록, 테이퍼형(tapered) 또는 구형 표면(22)을 채용한다. 도 6에 도시되는 상기 도광체 어셈블리(1)의 기능은 도 2에서 도시되는 상기 도광체 어셈블리(1)와 동일하지만, 중공 반사기(15')를 활용한다는 점에서 차이가 있다.
상기 도광체 어셈블리(1)의 또 다른 구조는 도 7에 도시된다. 도 7에서 도시되는 구조에서, 접촉돔(14)의 특징은 도광체(2)의 표면을 분할하는 것이다. 이 구조는 효과면에서 도 2에서 도시된 구조보다 불리하다. 도 6에서 도시된 어셈블리(1)와 같이, 도 7에서 도시된 상기 도광체 어셈블리(1)의 기능은 도 2에서 도시된 것과 동일하다. 제조의 용이성 및 요구되는 출력 효과는 주어진 응용에 대하여 어떤 반사기 구조물이 선택되는지를 좌우한다.
도 8은 출력광이 초점으로 지시되는 것과 대조적으로 발산되는 도광체 어셈블리(1)의 구조를 도시한다. 상기 설명했듯이, 상기 반사기(15)의 형상은 상기 광의 출력 효과를 제어한다. 도 8에서, 상기 반사기(15)의 형상은 상기 광을 초점으로 지시하는 것과 대조적으로, 반사된 광선(18)을 확산시키도록 선택된다.
도 9는 도광체(2)로부터 광학적으로 격리되는 반사기(15) 구조물에 대한 대안적인 방법을 개시한다. 도 9에 도시된 구성에서, 낮은 굴절률을 갖는 물질의 박막층(30)은 상기 반사기(15)를 지지하는 구조물로부터 상기 도광체(2)를 분리한다. 접촉돔(14'')은 낮은 굴절률을 갖는 박막층(30)에 단순히 개구부를 갖는다.
도 9에서 낮은 굴절률 층(30)의 두께는 반드시 비율에 맞지는 않다. 실시에서, 상기 낮은 굴절률 층(30)은 마이크론 두께일 수도 있다. 상기 박막층(30)은 석판술(lithographic) 공정으로 적층 될 수도 있다. 상기 반사기(15) 및 접촉돔(14'')은 상기 도광체(2) 및 상기 박막층(30)과 직접 접촉하도록 주형(molded) 될(예를 들어 용접) 수도 있다. 접착제는 낮은 굴절률을 갖는 물질(30)로서 사용될 수 있다. 상기 낮은 굴절률을 갖는 물질(30)로서 선택되는 접착제는 제조 공정에 이로울 수 있다.
도 10은 실시예를 도시한다. 광(1000)은 도광체(1010)를 통해 전달될 수 있다. 도광체(1010)는 제 1 굴절률을 가질 수 있고, 도광체(1010) 및 제 2 굴절률을 가지는 다른 매질(예, 고체, 액체, 공기 또는 진공) 사이에 하나 이상의 표면을 포함할 수 있다. 표면은 실질적으로 평면, 곡면, 장형(elongated)(예, 한쪽 치수가 다른쪽 치수보다 10 배 또는 100 배 이상 훨씬 큼) 및 다른 형상일 수 있다. 도광체(1010)는 광원(미도시)으로부터 광을 수신하도록 구성되는 제 1 표면(1020), 제 2 표면(1030)(예, 도광체(1010) 외부로 광을 방출할 수 있음), 및 다양한 광 제어 장치와 관련된 제 3 표면(1040)을 포함할 수 있다. 도광체(1010)는 하나 이상의 제 4 표면(1050)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제 4 표면(1050)은 광원으로부터 광을 수신할 수 있다. 일부 경우에, 제 4 표면(1050)은 적어도 부분적으로 반사될 수 있다. 특정 실시예에서, 제 4 표면(1050)은 완전 반사성 거울을 포함할 수 있으며, 이는 도광체(1010) 내부로부터 제 4 표면(1050) 상에 입사되는 광을 도광체(1010) 안으로 반사시킬 수 있다.
도광체(1010)는 길이(1012) 및 두께(1014)와 같은 하나 이상의 길이들로 특정될 수 있다. 길이는 다양한 응용 설명(예, 휴대폰 액정, 가정용 조명 폼 팩터(household lighting form factor), TV 치수 등)에 따라 선택될 수 있다. 길이는 다양한 물질의 성질(예, 두께(1014)는 도광체(1010)의 굴절률, 도광체(101)에서 TIR과 관련된 각도, 도광체(101)의 외부로 방출되는 광의 사양에 대한 설명(예, 광이 제 2 표면(1030)에 대한 수선의 적은 각도 내일 필요) 등에 따라 선택될 수 있음)에 따라 선택될 수 있다.
광원에서 유래되는 광은 제 1 표면(1020)을 통해 도광체(1010) 안으로 전달될 수 있다. 제 1 표면(1020)은 적어도 부분적으로 반사할 수 있고(예, 반투명 유리), 제 1 표면(1020)에 도달하는 광을 반사시켜서 도광체(1010) 안으로 보낼 수 있도록 구성될 수 있다. 제 1 표면(1020)은 평면, 곡면 또는 다른 형상일 수 있다. 제 1 표면(1020)은 도광체(1010)의 하나 이상의 다른 표면에 대하여 각도(1022)로 배치될 수 있다. 각도(1022)는 45 내지 135˚, 70 내지 110˚, 및/또는 80 내지 100˚일 수 있다. 일부 경우에, 각도(1022)는 도광체(1010) 내부에서 내부 반사의 예상되는 다양한 각도에 따라서 선택될 수 있다.
광원에서 유래되는 광은 제 4 표면(1050)을 통해 도광체(1010) 안으로 전달될 수 있다. 제 4 표면(1050)은 적어도 부분적으로 반사할 수 있고(예, 반투명 유리), 제 4 표면(1050)에 도달하는 광을 반사시켜서 도광체(1010) 안으로 보낼 수 있도록 구성될 수 있다. 제 4 표면(1020)은 평면, 곡면 또는 다른 형상일 수 있다. 제 4 표면(1050)은 도광체(1010)의 하나 이상의 다른 표면에 대하여 각도(1052)로 배치될 수 있다. 각도(1052)는 45 내지 135˚, 70 내지 110˚, 및/또는 80 내지 100˚일 수 있다. 일부 경우에, 각도(1022)는 도광체(1010) 내부에서 내부 반사의 예상되는 다양한 각도에 따라서 선택될 수 있다.
일부 표면은(예, 제 1 표면(1020) 및/또는 제 4 표면(1050)) 하나 이상의 바람직한 방향으로 광(도광체(1010) 내부로부터 표면상에 입사됨)을 도광체(1010) 안으로 반사시키도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 표면은 도광체(1010)의 외부로 반사되는 광의 원하지 않는 전달을 최소화하는 방식으로 광을 반사할 수 있다. 특정 경우에, 광은 다른 표면에서(예, 제 2 표면(1030) 및/또는 제 3 표면(1040)) TIR과 관련된 입사각보다 작은 각도로 반사될 수 있다.
일부 표면(예, 제 3 표면(1040) 및/또는 선택적으로 제 2 표면(1030))은 입사광(예, 도광체(1010) 내부로부터)의 입사각에 의존하는 반사율을 갖는 "거울"을 포함할 수 있다. 반사율의 각도 의존성은 상기 표면 중 어느 하나에 대한 굴절률을 제어함으로써 생성될 수 있다. 반사율의 각도 의존성은 표면의 나노구조화, 표면 코팅의 사용 등과 같은 다른 방법을 통해 생성될 수 있다. 일부 경우에, 표면들은 작은 입사각(예, 45˚미만, 30˚미만, 20˚미만, 또는 10˚미만)으로 입사하는 광이 반사되도록 설계된다. 일부 경우에, 표면들은 큰 입사각(예, 표면의 수선에 대하여, 2˚이내, 5˚이내, 10˚이내, 및/또는 20˚이내)으로 입사하는 광이 표면을 통과할 수 있도록 설계된다.
도광체(1010)의 표면은 하나 이상의 윈도우(1060)을 포함할 수 있다. 도 10에서 도시된 예시에서, 윈도우(1060)는 제 3 표면(1040)에 배치되고, 광은 제 2 표면(1030)을 통해 도광체(1010)의 외부로 방출된다. 일부 구현에서는 수십, 수백, 수천, 수백만 또는 수십억개의 윈도우(1060)를 포함한다. 특정 구현에서는 하나, 둘, 셋, 다섯 또는 열개의 윈도우(1060)를 포함한다. 윈도우(1060)는 길이, 너비, 반경과 같은 하나 이상의 치수에 의해 특정될 수 있고/있거나 윈도우(1060)의 다양한 양태로 특정되는 다른 치수에 의해 특정될 수 있다. 윈도우(1060)는 모든 입사광에 대하여 실질적으로 "투명"한 것으로 특정될 수 있고, 도광체(1010)의 "몸체" 내부로부터 광이 다른 구조물(예, 접촉돔, 반사기 등)에게 전달될 수 있도록 한다.
반사기는 다양한 형상(포물형, 타원형, 선형, 곡선형, 평면형 및 그 외의 형상)을 가질 수 있다. 윈도우는 입사광의 상이한 방향과 관련된 상이한 반사기를 구비할 수 있다. 예를 들어, 반사기(1070)의 형상은 제 1 표면(1020)과 관련된 방향으로부터 입사되는 광의 우선적인 수신에 따라 선택될 수 있고, 산사기(1072)는 제 4 표면(1050)과 관련된 방향으로부터 입사되는 광의 우선적인 수신에 따라 선택될 수 있다. 윈도우(1060)는 윈도우를 통해 하나 이상의 반사기로 향하는 광의 경로를 제공한다. 도 10에서 도시되는 예시에서, 반사기(1070,1072)는 입사광을 반사하기 위한 위치에 배치된다. 반사기는 일반적으로 완전 반사성 거울(예, 완전반사성 및/또는 정반사성의 반사)일 수 있다. 반사기는 하나 이상의 치수로 특정될 수 있다. 도 10에서 도시되는 예시에서, 반사기는 치수(1074,1076,1078)로 특정될 수 있고, 그 외의 치수에 의해 선택적으로 특정될 수 있다(예, 면에 대한 수선).
도 10에 도시되는 예시에서, 제 3 표면(1040)은 표면의 어느 측 상의 상이한 굴절률에 의한 반사율을 통하여 각도 의존성 거울로서 기능한다. 이러한 구현은 도광체(1010)와 동일한 물질로 제조되는 접촉돔(1080) 상에 배치되는 반사기(1070,1072)를 포함할 수 있다. 제 3 표면(1040)의 반사 부분은 공극을 포함할 수 있고, 윈도우(1060)는 앞서 살펴본 바와 같이 접촉돔(1080) 및 도광체(1010)의 "몸체" 사이에 광학적으로 투명한 결합을 포함할 수 있다. 제 3 표면(1040) 상에 얕은 입사광을 갖는 광은(즉, 수직면에 대하여 A보다 큰 각을 가짐) 제 3 표면(1040)에서 반사될 수 있다.
윈도우(1060)를 통과하는 광(예, 광(1000))은 표면(예, 제 3 표면(1040))을 향하여 반사기에 의해 반사될 수 있다. 이러한 반사는 제 3 표면(1040) 및/또는 제 2 표면(1030)에 대하여 더 큰 입사각을 가지는 반사된 광(1000)을 유발할 수 있으며, 따라서 도광체(1010)의 외부로 광의 경로를 유발할 수 있다(예, 제 2 표면(1030)을 통함). 이러한 각도는 수직면에 대하여 TIR 각도 A보다 작은 각도를 통하여 도 10에 개략적으로 도시된다.
다양한 치수(예, 1062,1070,1074,1014 등)는 응용 필요에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 윈도우(1060)의 둘레의 반경(1062)이 감소됨에 따라, 윈도우(1060)를 통과하는 광은 "점광원(point source)"으로부터 반사기(1070)에 도달하는 것처럼 증가될 수 있으며, 이는 광이 제 2 표면(1030)에 대하여 실질적으로 수직 각도로 제 2 표면(1030)을 통해 도광체(1010)의 외부로 방출되는 반사기(1070)(예, 포물면)에 대한 특정 기하학 구조의 활용을 제공할 수 있다.
도 11은 실시예를 도시한다. 광(1100)은 도광체(1110)에 의해 안내될 수 있다. 도광체(1110)는 표면(1130) 및 표면(1140)을 포함할 수 있다. 표면(1140)은 적어도 부분적으로 반사할 수 있고, TIR과 관련된 각도 A보다 얕거나(표면에 대하여) 큰(수직 표면에 대하여) 입사각으로 도달하는 입사광을 반사할 수 있다.
표면(1140)은 윈도우(1160)를 포함할 수 있으며, 상기 윈도우는 반사기(1170)와 광이 통하도록 연결될 수 있다. 반사기(1170)는 치수(1172)에 의해 특정될 수 있다. 일부 실시예에서, 치수(1172)는 도광체(1110)에 의해 안내되는 광을 디스플레이 하도록 구성되는 디스플레이 장치의 픽셀 크기와 거의 같을 수 있다(픽셀 크기의 10% 이내, 5% 이내, 2% 이내, 1% 이내). 일부 실시예에서, 광원은 도광체(1110)에 의해 안내되는 광을 제공한다. 특정 경우에서, 디스플레이 장치와 관련된 픽셀 각각은 윈도우(1160) 및/또는 반사기(1170)과 결합될 수 있다.
표면(1130)은 "렌즈" 또는 표면(1130)을 통해 광을 전달하는 것과 관련된 다른 형상을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 상기 렌즈의 형상은 표면(1130)으로부터 광의 투과율의 각도를 변형하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 온화한 방사상의 광은 평행 및/또는 도광체(1110)와 관련된 평면에 대하여 수직이 되도록 변형될 수 있다.
상기 공개는 제한하려는 의도가 아니다. 장치의 다수의 변형 및 개조가 본 발명의 내용을 유지하면서 이루어질 수 있다고 통상의 기술자는 용이하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 공개는 오직 첨부된 청구항의 한정하여 제한되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (38)

  1. 광원으로부터 광(1000)을 수신하도록 구성되는 제 1 표면(1020);
    제 2 표면(1030); 및
    반사기(1070)와 광이 통하도록 연결되는 윈도우(1060)를 갖는 제 3 표면(1040)을 포함하며,
    상기 반사기(1070)는 상기 제 2 표면(1030)을 통해 반사광(1000)의 적어도 일부의 전달을 유발하는 각도로, 도광체(2060) 내부로부터 상기 반사기(2070) 상으로 입사되는 광(2000)의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 도광체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면(1020)과 상기 제 3 표면(1040) 중 어느 하나는 도광체(1010) 내부에서 광의 내부 전반사와 관련된 각도보다 작은 입사 각도로 도광체(1010) 내부로부터 도달한 광을 상기 표면에 의해 반사하는 것을 특징으로 하는 도광체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 윈도우는 임의의 각도로부터 상기 윈도우에 도달하는 광에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 도광체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 치수(1012)가 제 2 치수(1014)보다 100배 이상 큰 것을 특징으로 하는 도광체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윈도우(1060)와 관련된 제 1 치수가 상기 윈도우(1060)와 관련된 제 2 치수보다 10배 이상 큰 것을 특징으로 하는 도광체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)와 관련된 제 1 치수가 상기 반사기(1070)와 관련된 제 2 치수보다 10배 이상 큰 것을 특징으로 하는 도광체.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 치수는 상기 각각의 제 2 치수보다 100배 이상 큰 것을 특징으로 하는 도광체.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윈도우(1060)는 원형인 것을 특징으로 하는 도광체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)의 곡면의 적어도 일부는 포물면인 것을 특징으로 하는, 도광체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)의 곡면의 적어도 일부는 타원면인 것을 특징으로 하는 도광체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)의 곡면의 적어도 일부는 평면인 것을 특징으로 하는 도광체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)와 관련된 제 1 치수(1078)가 상기 도광체(1010)와 관련된 제 1 치수(1012)보다 10배 이상 작은 것을 특징으로 하는 도광체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)와 관련된 제 1 치수(1074)는 상기 도광체(1010)와 관련된 제 1 치수와 10배 이내에 있는 것을 특징으로 하는 도광체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)와 개별적으로 광이 통하도록 연결되는 두 개 이상의 윈도우(1060)를 더 포함하며,
    상기 반사기(1070)는 상기 제 2 표면(1030)을 통해 반사된 광(1000)의 적어도 일부의 전달을 유발하는 각도로 도광체(1010) 내부로부터 상기 반사기(1070) 상으로 입사되는 광(1000)의 적어도 일부를 반사하도록 구성된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 도광체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기(1070)는 제 1 형상을 갖는 제 1 부분 및 제 2 형상을 갖는 제 2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 도광체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    임의의 표면은 제 2 굴절률을 가지는 영역에 경계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 도광체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률은 상기 제 1 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 도광체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 표면(1030)을 통해 전달된 광은 상기 제 2 표면(1030)에 대한 수선(normal)에 대하여 20 ˚내의 각도로 전달되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 각도는 수선에 대하여 10 ˚내인 것을 특징으로 하는 도광체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 각도는 수선에 대하여 5˚내인 것을 특징으로 하는 도광체.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    치수는 도광체(1010)를 포함하는 디스플레이 스크린과 관련된 픽셀의 치수와 대략적으로 동일하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  22. 광원; 및
    제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 도광체를 포함하는 도광체 시스템.
  23. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 도광체를 포함하는 디스플레이 장치.
  24. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 도광체를 이용하는 단계를 포함하는 광을 안내하는 방법.
  25. 도광체를 가공하는 방법에 있어서,
    제 1 굴절률을 갖는 물질로부터 제 1 몸체를 형성하는 단계;
    상기 제 1 몸체에 하나 이상의 제 2 몸체들을 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 몸체는:
    제 2 굴절률;
    상기 제 1 및 제 2 몸체 사이에서 접촉하는 윈도우에 의해 정의된 상기 제 1 몸체에 광학적으로 투명한 연결부; 및
    상기 윈도우를 통해 제 1 몸체로부터 상기 제 2 몸체로 전달되는 광의 적어도 일부를 반사하여, 상기 제 1 몸체를 통해 상기 반사된 광의 전달을 유발하는 입사 각도로 상기 제 1 몸체로 다시 반사되도록 구성되는 형상을 갖는 반사기를 갖는 것을 특징으로 하는 도광체 가공 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 굴절률은 동일한 것을 특징으로 하는 도광체 가공 방법.
  27. 내부 전반사에 의해 광이 이동되는 도광체,
    상기 도광체로부터 광의 선택적 추출을 제공하는 적어도 하나의 광소자, 및
    상기 광소자 및 상기 도광체 사이에서 윈도우를 제외한 도광체로부터 적어도 부분적으로 광학 격리된 광소자 내에 적어도 하나의 반사기를 포함하며;
    상기 도광체로부터 광이 추출되는 경우, 상기 광이 기결정된 방향 및 패턴으로 지시되는 것을 특징으로 하는 도광체 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 광의 추출은 도광체와 상기 광소자의 물리적 접촉에 의해 가능해 지는 것을 특징으로 하는 도광체.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 반사기의 구조는 상기 기결정된 방향 및 패턴을 제어하는 것을 특징으로 하는 도광체.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 반사기는 중공(hollow) 소자인 것을 특징으로 하는 도광체.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 광소자의 접촉부는 상기 도광체의 몸체에 내장되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 출력 광을 분산시킬 수 있도록 형상화되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 광 격리는 공극(air gap)에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 광 격리는 낮은 굴절률을 갖는 물질의 박층(thin layer)에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 도광체.
  35. 제 27 항에 있어서,
    상기 반사기로부터 반사된 광은 상기 반사기를 떠난 후에 상기 도광체를 통과하는 것을 특징으로 하는 도광체.
  36. 제 27 항에 있어서,
    상기 반사기는 2차원형 반사기인 것을 특징으로 하는 도광체.
  37. 제 27 항에 있어서,
    상기 반사기는 3차원형 반사기인 것을 특징으로 하는 도광체.
  38. 제 25 항의 방법을 포함하는 디스플레이 장치를 가공하는 방법.
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