KR20170040538A - Optical System and Display Device Using the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 출광 범위 제어가 용이하며 슬림화된 광학 시스템 및 이를 적용한 표시 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
기존의 2차원 영상 시스템은 평면 영상을 제공하지만 3차원 영상 시스템은 물체가 가지고 있는 실제 이미지 정보를 관찰자에게 보여주는 관점에서 궁극적인 영상 구현 기술이라고 할 수 있다.The conventional 2D image system provides the plane image, but the 3D image system is the ultimate image realization technology in terms of showing the actual image information of the object to the observer.
3차원 입체 영상을 재생하기 위한 방법으로는 크게, 스테레오스코피(stereoscopy), 홀로그래피(holography) 및 직접 영상 (integral imaging) 등의 방법들이 연구 개발되고 있다. 이 중에서 홀로그래피 방식은 광원으로서 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 관측시 특수 안경을 장착하지 않고도 실물과 동일한 입체 영상을 느낄 수 있는 방식이다. 따라서, 홀로그래피 방식은 입체감이 뛰어나며 관측자가 피로감 없이 입체 영상을 느낄 수 있는 가장 이상적인 방식으로 알려져 있다.Techniques such as stereoscopy, holography, and integral imaging have been researched and developed as methods for reproducing 3D stereoscopic images. Among them, the holographic method is a method of observing the holography produced by using a laser as a light source and feeling the same stereoscopic image as a real object without attaching special glasses. Therefore, the holographic method has excellent stereoscopic effect and is known to be the ideal method for observers to feel stereoscopic images without fatigue.
홀로그래피 방식은 물체에서 반사된 빛(물체파)과 간섭성(coherence)이 있는 빛(기준파)을 겹쳐서 얻어지는 간섭 신호를 기록하고 이를 재생하는 원리를 이용하는 것이다. 가간섭성이 높은 레이저 광을 사용하여 물체에 부딛혀 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 산진 필름에 기록하는 것을 홀로그램이라고 한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 정보를 3차원 영상으로 복원하는 것을 홀로그래피라고 한다.The holographic method uses the principle of recording and reproducing an interference signal obtained by superimposing light (object wave) reflected from an object and light (reference wave) having coherence. A hologram is a technique in which an interference fringe formed by contacting an object wave scattered by an object with a highly coherent laser light with a reference wave incident from another direction is recorded on the scattered film. When an object wave and a reference wave meet, an interference fringe due to interference is formed. The amplitude and phase information of the object are also recorded in this fringe pattern. Holography refers to irradiating reference light on the recorded interference fringes and restoring the information recorded in the holograms into a three-dimensional image.
한편, 홀로그래피 방식에 이용되는 레이저 광은 점광원으로, 방출 영역이 매우 협소하여, 레이저로부터의 광을 받아 평행광으로 출사하는 콜리메이션 시스템(collimation system)을 이용하여, 직진광의 영역을 확장시켜 기준파 생성에 이용한다.On the other hand, the laser light used for the holographic method is a point light source, and the emission region is very narrow, and a collimation system that receives light from the laser and emits it as parallel light is used to expand the region of the straight- It is used for wave generation.
이하, 도면을 참조하여, 종래의 콜리메이션 시스템의 여러 예를 설명한다.Hereinafter, various examples of the conventional collimation system will be described with reference to the drawings.
도 1a 및 도 1b는 종래의 콜리메이션 시스템을 나타낸 도면이다.Figures 1A and 1B show a conventional collimation system.
도 1a의 콜리메이션 시스템은 점광원(30)을 일 지점에 배치하고, 이와 일정한 초점 거리에 있는 콜리메이션 렌즈(35)의 배치로 콜리메이션 시스템이 구성된다. 이를 통해, 점광원(30)의 나오는 직진광과 동일한 방향으로 광을 상기 콜리메이션 렌즈(35)의 출사면 전체에서 출사하는 것이다.In the collimation system of FIG. 1A, the collimation system is constituted by disposing the
이러한 도 1a의 콜리메이션 시스템은, 점광원과 콜리메이션 렌즈간의 초점 거리만큼의 공간이 반드시 필요하고, 또한, 콜리메이션 렌즈가 물리적 굴곡을 갖는 것으로, 시스템에 소요되는 공간이 커 그 집적화가 불가능하다.The collimation system shown in FIG. 1A requires a space as much as the focal distance between the point light source and the collimation lens, and the collimation lens has a physical curvature, .
도 1b는 점광원(40)을 초점에 위치시키고, 그 주변을 둘러싼 형태로 반사경(50)을 갖도록 한 형태로 콜리메이션 시스템이 구성된다. 이러한 구성에서는, 초점 위치에 있는 광원(40)에서 발산되는 광이 상기 반사경의 어느 지점을 만나 직진광 형태로 출사된다.FIG. 1B shows a collimation system in which the
이러한 도 1b의 콜리메이션 시스템은, 직진을 위해 초점 거리에 해당하도록 포물선 형태의 반사경(50)의 높이를 갖는 것으로, 역시 집적화가 불가능하다.The collimation system of FIG. 1B has a height of the
즉, 종래의 콜리메이션 시스템들은 콜리메이션 렌즈 또는 반사경의 구비를 위해 물리적 공간이 일정 이상으로 요구되는 것이다.That is, the conventional collimation systems require a physical space of more than a certain level in order to provide a collimation lens or a reflector.
한편, 상기 콜리메이션 시스템은 지향성이 좋아 상술한 홀로그래피 방식 외에도 시야 범위의 조절이 가능한 표시 장치에 이용할 수 있다. 예를 들어, 특정한 관람자에게 표시 정보를 주는 프라이버시 표시 장치(privacy display)나 혹은 서로 다른 영상을 서로 다른 시야 범위에 표시하는 다중 표시 장치에 이용할 수 있다.On the other hand, the collimation system has directivity and can be used for a display device capable of adjusting the viewing range in addition to the holography method described above. For example, it can be used for a privacy display for giving display information to a specific spectator, or for a multi-display device for displaying different images in different viewing ranges.
그러나, 최근 집적을 위한 평탄한 표시 장치에 특정의 지향성을 위하여 상술한 콜리메이션 시스템을 적용시 일정 체적 이상의 공간이 요구되어, 집적이 불가능하여, 이를 해결하고자 하는 요구가 제기되었다.However, when a collimation system described above is applied to a flat display device for integration in recent years for a specific directivity, a space of more than a certain volume is required and integration is impossible.
또한, 종래의 콜리메이션 시스템의 경우, 광원과 이들 광학 소자간의 상대적인 위치가 잘 정의되어야 콜리메이션 기능을 할 수 있으며, 렌즈 및 반사경 자체의 무게뿐만 아니라 전체 구성 요소들의 상대적인 위치를 일정 수준에 맞는 정밀도로 고정하기 위해 구조물 등이 추가 요구되어 전체 시스템의 무게가 증가하는 단점이 있다.Further, in the case of the conventional collimation system, the relative position between the light source and the optical element can be well defined, and the collimation function can be performed. In addition to the weight of the lens and the reflector itself, The structure is required to be fixed in order to increase the weight of the entire system.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 출광 범위 제어가 용이하며 슬림화된 광학 시스템 및 이를 적용한 표시 장치를 제공하는 데, 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a slim optical system and a display device using the optical system.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학 시스템은 평판형의 도파관을 모체로 하여, 그 일면에 출사 패턴을 구비하고, 이와 횡적 배치로 입사 패턴 및 평면형 콜리메이터를 배치하여, 도파관 두께 수준으로 슬림화된 광원 유닛을 구현할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical system comprising a flat plate waveguide as a matrix, an output pattern provided on a surface of the waveguide, and a light incident pattern and a planar collimator arranged in a lateral arrangement, The light source unit can be realized.
이러한 광원 유닛은 백라이트 유닛 또는 프런트 라이트 유닛의 형태로 표시 패널과 결합되어, 표시 장치 역시 집적화되어 초박막형의 표시 장치를 구현할 수 있다.Such a light source unit is combined with a display panel in the form of a backlight unit or a front light unit, and the display device is also integrated to realize a display device of a super thin film type.
투명한 도파관을 이용하여, 투명 표시 장치 구현이 가능하고, 도파관 상에 구비된 출사 패턴의 그레이팅 형상이나 입사 패턴에서 들어오는 입사광의 방향 또는 평면 콜리메이션 패턴과 광원과의 초점 거리 관계를 이용하여 출사광의 출사 형태를 발산광, 평행광, 집광의 형태 중 선택하여 제어할 수 있다.It is possible to realize a transparent display device by using a transparent waveguide, and it is possible to realize a transparent display device by using a grating shape of an output pattern provided on a waveguide, a direction of incident light entering from an incident pattern, or a focal distance relationship between a plane collimation pattern and a light source, The shape can be controlled by selecting from divergent light, parallel light or condensed light.
이러한 본 발명의 광학 시스템은, 평판형의 도파관과, 상기 도파관의 측부에 인접한 표면 일부에 입사 패턴을 포함하며, 광원으로부터 들어오는 입사광의 진행 폭을 확장시킨 광을 전달하는 광 입사부와, 상기 광 입사부에서 진행폭이 확장된 광을 상기 도파관에 직진광으로 지나도록 전달하는 평면 콜리메이터 및 상기 직진광을 상기 도파관 상측으로 출사하는 광 출사부를 포함하여 이루어진다. The optical system of the present invention includes a planar waveguide, a light incidence portion including an incident pattern on a part of the surface adjacent to the side portion of the waveguide and transmitting light having an expanded propagation width of incident light coming from the light source, A planar collimator for transmitting the light expanded in the incident direction to the waveguide through the linear light, and a light output unit for outputting the linear light to the upper side of the waveguide.
그리고, 상기 광 입사부, 평면 콜리메이터 및 광 출사부는 상기 도파관의 제 1 면에 영역을 나누어 위치할 수 있다.The light incident portion, the plane collimator, and the light output portion may be divided into areas on the first surface of the waveguide.
상기 도파관의 제 2 면에 기재를 더 포함할 수 있다.And may further include a substrate on a second surface of the waveguide.
또한, 상기 입사 패턴은, 상기 도파관 표면 상에 부착된 홀로그래픽 광학 소자(HOE: Holographic optical element)이거나 상기 도파관에 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅으로 정의될 수 있다.In addition, the incident pattern may be a holographic optical element (HOE) attached to the waveguide surface or may be defined as surface grating or volume grating on the waveguide.
상기 광원은 간섭성이 좋은 레이저일 수 있다.The light source may be a laser with good coherence.
또한, 상기 광원은 상기 입사 패턴의 다른 영역에 적색광, 녹색광 및 청색광을 입사시키는 적색 레이저, 녹색 레이저, 청색 레이저를 포함할 수 있다.The light source may include a red laser, a green laser, and a blue laser for introducing red light, green light, and blue light into different regions of the incident pattern.
한편, 상기 도파관은 제 1 굴절률(n1)의 코어층 및 상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률(n2)의 제 1 클래드층이 적층된 형태일 수 있다.The waveguide may have a laminated structure including a core layer having a first refractive index n1 and a first cladding layer having a second refractive index n2 lower than the first refractive index.
그리고, 상기 평면 콜리메이터는 상기 도파관 상에 상기 제 2 굴절률보다 크고, 제 1 굴절률보다 작은 제 3 굴절률(n3)의 클래드 패턴층을 포함할 수 있다.The planar collimator may include a cladding pattern layer having a third refractive index n3 greater than the second refractive index and smaller than the first refractive index on the waveguide.
이 경우, 상기 평면 콜리메이터는 상기 도파관 상의 상기 클래드 패턴층 주변을 채우며, 상기 제 1, 제 3 굴절률보다 작은 제 4 굴절률(n4)의 제 2 클래드층을 더 포함할 수도 있다.In this case, the planar collimator may further include a second clad layer of a fourth refractive index (n4) that fills the periphery of the clad pattern layer on the waveguide and is smaller than the first and third refractive indexes.
상기 평면 콜리메이터는, 상기 클래드 패턴층을 평면상으로 수렴 렌즈(positive lens)로 포함할 수 있다.The planar collimator may include the clad pattern layer as a positive lens in a plane.
상기 평면 콜리메이터는, 상기 클래드 패턴층을 평면상으로 발산 렌즈(negative lens)로 포함할 수 있다.The planar collimator may include the clad pattern layer as a negative lens in a plane.
그리고, 상기 광 출사부는, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 광을 상기 도파관 상측으로 집광, 평행광 및 발산광 중 하나로 출사하는 표면 그레이팅 및 체적 그레이팅을 갖는 출사 패턴일 수 있다.The light output unit may be an emission pattern having a surface grating and a volume grating that emits the light coming from the plane collimator to one of the condensed light, the parallel light and the divergent light on the upper side of the waveguide.
한편, 본 발명의 광학 시스템은 다른 예로, 평판형의 도파관과, 상기 도파관의 측부에 인접한 표면 일부에 입사 패턴을 포함하며, 광원으로부터 들어오는 입사광의 진행 폭을 확장시킨 광을 전달하는 광 입사부와, 상기 광 입사부에서 진행폭이 확장된 광을 상기 도파관에 직진광으로 지나도록 전달하는 평면 콜리메이터 및 상기 직진광을 상기 도파관 상측으로 출사하는 광 출사부를 포함하며, 상기 도파관의 제 1 면에, 광 출사부를 갖고, 상기 도파관의 제 2 면에 도광판을 더 구비한 형태로 이루어질 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical system including: a planar waveguide; a light incidence part including an incident pattern on a part of the surface adjacent to the side of the waveguide and transmitting light having an expanded traveling width of incident light coming from the light source; A planar collimator for transmitting light having a traveling width expanded by the light incidence portion to the waveguide so as to pass through the waveguide, and a light output portion for emitting the linear light to the upper side of the waveguide, And a light guide plate is further provided on the second surface of the waveguide.
이 경우, 상기 광 입사부 및 상기 평면 콜리메이터는 상기 도광판의 서로 마주보는 양측부에 위치할 수 있다.In this case, the light incidence portion and the planar collimator may be located on opposite sides of the light guide plate.
상기 평면 콜리메이터와 중첩되도록 상기 도파관의 제 1 면에 도파관 광 입사부를 더 포함할 수 있다.And a waveguide light incident portion on the first surface of the waveguide so as to overlap the planar collimator.
상기 도광판은 상기 광 입사부로 들어오는 광을 상기 평면 콜리메이터로 전달하고, 상기 평면 콜리메이터로부터 상기 도파관 광 입사부로 전달된 광이 커플링되며, 상기 커플링된 광은 상기 도파관을 통해 전달되고, 상기 광 출사부에서 상기 도파관 상측으로 출사될 수 있다.Wherein the light guide plate transmits the light entering the light incidence portion to the planar collimator, the light transmitted from the planar collimator to the waveguide light incidence portion is coupled, the coupled light is transmitted through the wave guide, And the waveguide can be emitted from the upper side of the waveguide.
상기 도파관은 제 1 굴절률의 코어층 및 상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률의 제 1 클래드층이 적층되며, 상기 제 1 클래드층이 상기 도광판과 접한 형태일 수 있다. 상기 도파관 광 입사부에서 커플링된 광은 상기 도파관의 코어층을 통해 전달될 수 있다.The waveguide may include a first cladding layer having a first refractive index and a second cladding layer having a second refractive index lower than the first refractive index, and the first cladding layer may be in contact with the light guide plate. The light coupled at the waveguide light incidence portion may be transmitted through the core layer of the waveguide.
상술한 광학 시스템은, 수광형 영상 패널의 하측에 구비되어 백라이트 유닛으로 이용될 수 있다. 이 경우, 상기 수광형 영상 패널의 수광 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응될 수 있다.The optical system described above can be used as a backlight unit provided below the light receiving type image panel. In this case, the light receiving region of the light receiving type image panel may correspond to the region of the light emitting portion.
혹은 상술한 광학 시스템은, 반사형 영상 패널의 상측에 구비되어 프런트 라이트 유닛으로 이용될 수 있다. 상기 반사형 영상 패널의 입사 영역 및 반사 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응될 수 있다.Alternatively, the above-described optical system can be used as a front light unit provided on the upper side of the reflection type image panel. The incident area and the reflection area of the reflection type image panel may correspond to the area of the light output part.
본 발명의 광학 시스템 및 이를 적용한 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.The optical system of the present invention and the display device using the same have the following effects.
첫째, 본 발명의 광학 시스템은 평판형의 도파관을 모체로 하여, 그 일면에 출사 패턴을 구비하고, 이와 횡적 배치로 입사 패턴 및 평면형 콜리메이터를 배치하여, 도파관 두께 수준으로 슬림화된 광원 유닛을 구현할 수 있다. 또한, 도파관 상측을 모두 출사면으로 이용하여, 직진성을 향상시킬 수 있다.First, the optical system of the present invention can realize a light source unit that is slim to a waveguide thickness level by using a planar waveguide as a matrix and having an output pattern on one surface thereof and arranging an incident pattern and a planar collimator in a lateral arrangement thereof have. Further, all the upper side of the waveguide is used as an emission surface, and the linearity can be improved.
둘째, 이러한 광원 유닛은 백라이트 유닛 또는 프런트 라이트 유닛의 형태로 표시 패널과 결합되어, 표시 장치 역시 집적화되어 초박막형의 표시 장치를 구현할 수 있다.Second, the light source unit is combined with the display panel in the form of a backlight unit or a front light unit, and the display device is also integrated, thereby realizing a super thin film type display device.
셋째, 투명한 도파관을 이용하여, 투명 표시 장치 구현이 가능하고, 도파관 상에 구비된 출사 패턴의 그레이팅 형상이나 입사 패턴에서 들어오는 입사광의 방향 또는 평면 콜리메이션 패턴과 광원과의 초점 거리 관계를 이용하여 출사광의 출사 형태를 발산광, 평행광, 집광의 형태 중 선택하여 제어할 수 있다. 이로써, 표시 장치의 출사 형태에 따라, 초박형의 홀로그래픽 표시 장치, 또는 무안경 3D 표시 장치 또는 프라이버시 표시 장치를 구현할 수 있다.Thirdly, a transparent display device can be realized by using a transparent waveguide, and a grating shape of an emission pattern provided on a waveguide, a direction of incident light entering from an incident pattern, or a focal distance relationship between a plane collimation pattern and a light source, It is possible to select and control the shape of light output from divergent light, parallel light or condensed light. Thus, an ultra-thin holographic display device, a non-spectacles 3D display device, or a privacy display device can be implemented according to the appearance of the display device.
넷째, 광학 쉬트없이, 도파관과 횡적 배치의 입사 패턴, 출사 패턴 및 콜리메이션 패턴만으로 광원 유닛의 구현이 가능하다.Fourth, it is possible to realize the light source unit only by the incidence pattern, the emission pattern, and the collimation pattern of the waveguide and the horizontal arrangement without the optical sheet.
도 1a 및 도 1b는 종래의 콜리메이션 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
도 3은 도 2의 I~I' 선상의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 광학 시스템의 광 입사부의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 광학 시스템의 광 입사부의 다른 실시예의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도.
도 6a 및 도 6b는 도 2의 광 입사부의 HOE의 중앙에 광이 입사되는 경우의 광 경로를 나타낸 사시도.
도 7a 및 도 7b는 도 2의 광 입사부의 HOE 편측으로 광이 입사되는 경우의 광 경로를 나타낸 사시도.
도 8a 및 도 8b는 도 2의 평면 콜리메이터의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도.
도 9는 도 2의 평면 콜리메이터의 광이 파면을 나타낸 도면.
도 10a 내지 도 10c는 도 9의 Ⅱ~Ⅱ' 선상, Ⅲ~Ⅲ' 선상 및 Ⅳ~Ⅳ' 선상에서의 평면 콜리메이터의 고 굴절률층의 폭에 따라 광의 파면 변화를 나타낸 도면.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 광학 시스템의 평면 콜리메이터의 실시예를 나타낸 단면도.
도 12a 및 도 12b는 도 2의 광학 시스템의 광 출사부의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 광학 시스템의 광 출사부의 그레이팅 형상에 따라 집광, 평행광, 발산광 출광 형태를 나타낸 사시도.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 광학 시스템의 평면 콜리메이터로부터 들어오는 광의 형태에 따라 집광, 평행광, 발산광 출광 형태를 나타낸 사시도.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 광학 시스템의 출사 패턴의 여러 형상을 나타낸 단면도.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 시스템을 나타낸 사시도.
도 17은 도 16의 단면도.
도 18은 도 2의 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 단면도.
도 19는 도 2의 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 사시도.
도 20은 도 19의 단면도.
도 21은 도 16의 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 단면도.
도 22는 도 16의 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 사시도.
도 23은 도 22의 단면도.Figures 1A and 1B show a conventional collimation system.
2 is a perspective view of an optical system according to a first embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG. 2;
FIGS. 4A and 4B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the light incidence portion of the optical system of FIG. 2;
Figs. 5A and 5B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of another embodiment of the light incidence portion of the optical system of Fig. 2;
6A and 6B are perspective views showing optical paths when light is incident on the center of the HOE of the light incidence portion of FIG. 2;
FIGS. 7A and 7B are perspective views showing optical paths when light is incident on the HOE side of the light incidence portion of FIG. 2;
8A and 8B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the planar collimator of FIG. 2;
Fig. 9 is a view showing a wavefront of the plane collimator of Fig. 2; Fig.
FIGS. 10A to 10C are diagrams showing changes in the wavefront of light according to the widths of the high refractive index layers of the plane collimator on the II-II 'line, III-III' line and IV-IV line in FIG.
11A and 11B are cross-sectional views showing an embodiment of a planar collimator of the optical system of the present invention.
12A and 12B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the light output portion of the optical system of FIG. 2;
13A to 13C are perspective views showing condensed light, parallel light, and divergent light output form according to the grating shape of the light output portion of the optical system of the present invention.
FIGS. 14A to 14D are perspective views showing condensed light, parallel light, and divergent light output form according to the form of light entering from the plane collimator of the optical system of the present invention. FIG.
15A and 15B are cross-sectional views showing various shapes of an emission pattern of the optical system of the present invention.
16 is a perspective view showing an optical system according to a second embodiment of the present invention.
Fig. 17 is a sectional view of Fig. 16; Fig.
18 is a sectional view showing a display device of the present invention in which the optical system of Fig. 2 is applied as a backlight unit.
19 is a perspective view showing a display device of the present invention in which the optical system of Fig. 2 is applied as a front light unit; Fig.
20 is a sectional view of FIG. 19;
FIG. 21 is a sectional view showing a display device of the present invention in which the optical system of FIG. 16 is applied as a backlight unit.
Fig. 22 is a perspective view showing a display device of the present invention in which the optical system of Fig. 16 is applied to a front light unit. Fig.
Fig. 23 is a sectional view of Fig. 22; Fig.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals throughout the specification denote substantially identical components. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description, a detailed description of known technologies or configurations related to the present invention will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured. The component names used in the following description are selected in consideration of easiness of specification, and may be different from the parts names of actual products.
이하 설명하는 본 발명의 광학 시스템은 출사되는 광이 평행광(collimation) 특성을 가질 수도 있고, 혹은 집광 특성을 가질 수도 있고, 혹은 발산광의 특성을 가질 수도 있는 것으로, 출광 제어가 용이하며, 특정 출광 특성에 한정되지 않아 광학 시스템이라고 명칭한다.The optical system of the present invention to be described below can have a collimation characteristic, a condensing characteristic, or a divergent characteristic, so that the outgoing light control is easy, It is not limited to the characteristics and is called an optical system.
또한, 본 발명의 광학 시스템은, 그 출광 특성을 이용하여 수광형 표시 장치에 요구되는 광원 유닛으로 이용할 수 있다. 이 때, 광원 유닛은 백라이트 유닛 또는 프런트 라이트 유닛 모두 가능하며, 이용되는 표시 패널의 종류에 따라 광원 유닛의 전후의 배치를 달리할 수 있다.Further, the optical system of the present invention can be used as a light source unit required for a light-receiving-type display apparatus, by utilizing the light-outgoing characteristic thereof. At this time, the light source unit can be either a backlight unit or a front light unit, and the front and back arrangement of the light source units can be different depending on the type of the display panel to be used.
*제 1 실시예** First Embodiment *
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도이며, 도 3은 도 2의 I~I' 선상의 단면도이다.FIG. 2 is a perspective view of an optical system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG.
도 2 및 도 3과 같이, 본 발명의 광학 시스템은, 평판형의 도파관(waveguide)(1000), 상기 도파관(1000)의 측부에 인접한 표면 일부에 입사 패턴(130)을 포함하며, 광원으로부터 들어오는 입사광의 진행 폭을 확장시킨 광을 전달하는 광 입사부(Light Coupler)(A)와, 상기 광 입사부에서 진행폭이 확장된 광을 상기 도파관에 직진광으로 지나도록 전달하는 평면 콜리메이터(in-plane collimator)(B) 및 상기 직진광을 상기 도파관 상측으로 출사하는 광 출사부(Light Extraction Component)(C)를 포함한다.2 and 3, the optical system of the present invention includes a
도시된 제 1 실시예에서는, 상기 도파관(1000) 제 1면(상면)에 광 입사부(A), 평면 콜리메이터(B) 및 광 출사부(C)가 정의되는 것으로, 이들 영역으로 서로 나누어 위치한다.In the illustrated first embodiment, the light incident portion A, the plane collimator B, and the light output portion C are defined on the first surface (upper surface) of the
그리고, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템은 일종의 백라이트 유닛으로 이용되는 것으로, 상기 도파관(1000)을 실체 구성으로 하여, 추가적인 광학 쉬트없이 상측으로 광을 전달하는 광원 유닛이다.The optical system according to the first embodiment of the present invention is used as a kind of backlight unit, and is a light source unit that uses the
여기서, 도파관(1000)은 평판 형태의 광학 도파관(optical waveguide)으로 광학 시스템의 전체 구조의 근간을 이루는 뼈대 역할을 하며, 광학적으로 구성 소자들을 연결하는 기능을 한다.Here, the
여기서, 입사 패턴(130)과 출사 패턴(150)은 도파관(1000) 표면 자체에 구비될 수도 있고, 혹은 별도의 층으로 도파관(1000) 상에 부착시켜 형성할 수도 있다.The
예로써, 입사 패턴(130)을 별도의 층으로 도파관(1000) 상에 부착시 입사 패턴(130)은 일종의 필름 상인 홀로그래픽 광학 소자(HOE: Holographic optical element)일 수 있다.For example, when the
상기 입사 패턴(130)이 도파관(1000) 표면에 직접 형성된 경우는, 도파관(1000)에 표면 그레이팅(surface grating) 또는 체적 그레이팅(volume grating)으로 정의될 수 있다. 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅의 경우에도 입사 패턴(130)을 도파관(1000) 상에 별도의 클래드 층(코어층(120) 대비 굴절률이 낮음)으로 형성할 수도 있다.When the
이 경우, 상기 입사 패턴(130) 상부 또는 하부에는, 입사광을 전달하는 광원이 위치하며, 그 예로, 레이저(미도시)일 수 있다. 레이저를 이용하는 이유는 레이저에서 나오는 광은 모두 위상이 동일하여, 간섭성이 좋기 때문이다. 만일 다른 광원을 이용할 경우, 슬릿 패턴을 더 구비하여, 간섭성을 유도할 수 있다. 한편, 상기 광원이 입사 패턴(130) 하부에 위치할 경우에는, 도파관(1000) 하측에 광원이 구비된다.In this case, a light source for transmitting incident light is disposed above or below the
또한, 상기 입사 패턴(130)은 상대적으로 평면 콜리메이터(B)에 비해 작은 폭으로 구비된다. 이는 레이저와 같은 광원이 점광원으로, 입사 영역이 작기 때문이다.In addition, the
그러나, 입사 패턴(130)을 포함한 광 입사부(A)는 수직 방향으로 들어온 입사광의 진행 폭을 확장시켜, 횡방향의 평면 콜리메이터(B)로 전달하는 것으로, 상기 입사 패턴(130)은 평면 콜리메이터(B)의 폭과 같은 대상(object)이 기록되어 있어, 입사된 광이 정확히 상기 평면 콜리메이터(B)의 폭에 대응되어 전달된다.The light incident portion A including the
한편, 상기 입사 패턴(130)과 출사 패턴(150) 및 평면 콜리메이터(B)은 모두 도파관(1000) 상에 형성되는 것으로, 이 경우, 상기 도파관(1000)은 제 1 굴절률(n1)의 코어층(110) 및 상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률(n2)의 제 1 클래드층(120)이 적층되어 있다.The
그리고, 평면 콜리메이터(B)는 상기 도파관(1000) 상에 별도의 클래드층 패턴(140)을 구비하여, 상기 광 출사부로 전달되는 전달광을 직진광, 수렴광 또는 발산광 중 하나를 선택하여 전달할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 출사부에서 출사되는 광의 지향성을 달리할 수 있다.The planar collimator B has a separate
혹은 상기 평면 콜리메이터(B)는 광 출사부(C)로 직진광을 횡방향으로 공급하되 광 출사부에 구비되는 출사 패턴(150)의 종류를 달리하여, 상기 광출사부에 출사되는 광의 지향성을 달리할 수도 있다.Alternatively, the plane collimator B may supply the linear light to the light output portion C in the lateral direction, and may change the directivity of the light emitted to the light output portion by changing the type of the
상기 평면 콜리메이터(B)는 도파관(1000)의 평판 내에서 콜리메이션(collimation) 하는 것으로, 종래의 렌즈나 반사경의 형태가 아닌 도파관(1000)의 표면 상에 구비된 형태로, 평면상으로 수렴 렌즈(positive lens)나 발산 렌즈(negative lens)이다. 예를 들어, 평면 콜리메이터(B)가 단일 렌즈일 때, 수렴 렌즈는 볼록 렌즈의 형상을, 발산 렌즈의 오목 렌즈의 형상을 갖는다.The planar collimator B collimates in the flat plate of the
한편, 상기 평면 콜리메이터(B)의 클래드층 패턴(140)과, 상기 입사 패턴(130) 및 출사 패턴(150)은 도파관(1000) 상의 동일층에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 클래드층 패턴(140), 입사 패턴(130) 및 출사 패턴(150) 사이에는 다른 물질 없이 공기(air)가 채워질 수도 있고, 혹은 투명하며, 상기 클래드층 패턴(140), 입사 패턴(130), 출사 패턴(150)보다 굴절률이 낮은 물질의 다른 클래드층이 채워질 수도 있다.The
상기 광 출사부의 출사 패턴의 그레이팅은 앞서 입사 패턴에서 설명한 바와 같이, 표면 그레이팅 혹은 체적 그레이팅의 형상으로 형성될 수도 있고, 그 형상은 곡선형이나 직선형이나 모두 가능하다. 광의 지향성 형태를 고려하여 상기 출사 패턴의 형상을 조절할 수 있다.The grating of the output pattern of the light output portion may be formed in the shape of a surface grating or a volume grating as described above in the incident pattern, and the shape may be either a curved shape or a straight shape. The shape of the emission pattern can be adjusted in consideration of the directivity of light.
그리고, 상기 광 출사부(C)는 횡방향으로 전달된 광을 외부로 출사시키는 것으로, 그 방향은 상부의 수직한 방향이다. 그리고, 상기 광 출사부(C)는 도파관 표면의 클래드층을 출사 패턴으로 이용할 수도 있고, 혹은 별도의 굴절률이 다른 특성의 클래드층으로 출사 패턴을 부착시켜 형성할 수도 있다.The light output portion C emits the light transmitted in the lateral direction to the outside, and the direction is the vertical direction of the upper portion. The light output portion C may use a cladding layer on the waveguide surface as an emission pattern, or may be formed by attaching an emission pattern to a cladding layer having a different refractive index.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예의 광학 시스템을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the optical system of the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 광학 시스템의 광 입사부의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도이다.4A and 4B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the light incidence portion of the optical system of FIG.
도 4a 및 도 4b와 같이, 입사 패턴(130)은, 도파관(1000)의 측부 중 일부분의 표면에만 형성되며, 입사 패턴(130)을 제외한 나머지 광 입사부(A) 영역은 도파관(1000) 상에 패턴이나 물질이 없다. 경우에 따라, 입사 패턴(130) 주변을 별도의 클래드층이 채워져 입사 패턴(130)의 표면으로 평탄화될 수 있으나, 도파관(1000)의 코어층(120)을 따라 광이 전달되기 때문에, 구비된 별도의 클래드층은 광학적으로 기능을 하지는 않는다.4A and 4B, the
또한, 상기 입사 패턴(130)에서 나온 광은 평판의 도파관(1000)에서 상기 평면 콜리메이터(B)의 폭에 맞게 전달되며, 상기 입사 패턴(130)은 광을 확산하여 휘도 균일도를 확보한다.The light emitted from the
입사 패턴(130)은 필름 상의 HOE(holographic optical element) 나 체적 그레이팅(volume grating)인 것으로, 공통적으로 도파관(1000) 하측에서 레이저(170)와 같은 점광원에서 수직 방향으로 들어오는 광을 횡측으로 꺽어 상기 도파관(1000)에 최초로 입사시키는 역할을 한다.The
실질적으로 광은 파동의 일종으로 가우시안 프로파일(gaussian profile)을 갖고, 광의 전달시 도파관(1000) 내에서 약한 에너지의 evanescent field 영역이 클래드층에 포함될 수 있으나 중심 에너지의 코어 영역이 상기 도파관(1000)의 코어층(120)을 전달하게 된다.In the
여기서, 상기 입사 패턴(130)으로 HOE를 이용할 경우, 평면 콜리메이터의 폭과 같은 정보(object)가 기록되어 있어 입사된 광을 평면 콜리메이터로 전달시 정확히 평면 콜리메이터의 폭과 같게 할 수 있다.In this case, when the HOE is used as the
또한, 상기 입사 패턴(130)으로, 체적 그레이팅을 이용시는, 입사 패턴(130)에 일정한 깊이의 경사를 준 슬릿을 구비하여 형성한다.When the volume grating is used as the
한편, 상술한 도 4a 및 도 4b의 구조는 광 입사부를 단색 광 입사시에 구비될 수 있는 입사 패턴을 나타낸 것이다.4A and 4B illustrate incidence patterns that can be provided at the incidence of monochromatic light.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 광학 시스템의 광 입사부의 다른 실시예의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도이다.5A and 5B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of another embodiment of the light incidence portion of the optical system of FIG.
도 5a 및 도 5b는 광 입사부(A)는 적색, 녹색, 청색 레이저 광원을 서로 다른 위치에 대응시키고, 각각 다른 위치에 입사 패턴(130a, 130b, 130c)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 입사 패턴(130a, 130b, 130c)은 해당 색 발광의 입사광에 대해 다른 지점에 대응 그레이팅을 갖거나 혹은 각각 적색, 녹색, 청색에 대하여 다른 HOE를 포함할 수 있다.5A and 5B, the light incidence portion A may correspond to different positions of the red, green, and blue laser light sources and may have
이 경우, 광 출사부(C) 역시 각각 적색, 녹색, 청색 광 출사에 대한 출사 패턴(150)을 체적 그레이팅 또는 표면 그레이팅을 다른 형태로 나누어 가지는 것이 바람직하며, 이는 각각 다른 도파관(1000) 내의 다른 경로로 들어오는 각 단색 광 출사의 출사 방향을 개별적으로 제어하기 위함이다.In this case, it is preferable that the light output portion C also divide the
또한, 경우에 따라, 도시된 바와 같이, 입사 패턴(130a, 130b, 130c) 및 출사 패턴(150)은 각각 평면적으로 영역을 구분하는 것 외에도 적층한 구조로 형성할 수도 있다.In addition, as shown in the drawing, the
한편, 입사 패턴(130)에 대해서 점광원의 배치를 달리하여, 내부광의 조향을 달리할 수 있다.On the other hand, the steering of the internal light can be made different by arranging the point light sources on the
도 6a 및 도 6b는 도 2의 광 입사부의 HOE의 중앙에 광이 입사되는 경우의 광 경로를 나타낸 사시도이며, 도 7a 및 도 7b는 도 2의 광 입사부의 HOE 편측으로 광이 입사되는 경우의 광 경로를 나타낸 사시도이다.FIGS. 6A and 6B are perspective views showing a light path in the case where light is incident on the center of the HOE of the light incidence portion of FIG. 2, and FIGS. 7A and 7B are views of the light incident portion of the light incidence portion of FIG. Fig.
도 6a와 같이, 광 입사부의 입사 패턴(130)으로서 HOE의 중앙에 광원(100)이 대응시, 상기 광원(100)으로부터 수직으로 입사된 광이 평면 콜리메이터(B)에 상(object)으로 기록되고, 도 6b와 같이, 평면 콜리메이터(B)에서는 평행광이 출사됨을 나타낸다.6A, when the
도 7a와 같이, 광 입사부의 입사 패턴(130)으로서 HOE의 편측에 광원(101)이 대응시, 상기 광원(101)으로부터 수직으로 입사된 광이 평면 콜리메이터(B)의 길이에 대응하여 상(object)으로 기록된 점은 상술한 도 6a와 동일하나, 도 7b와 같이, 평면 콜리메이터(B)에서는 광이 전달되어 나갈 때, 상기 광원(101)의 입사 패턴(130)에 대한 대응 위치에서, 상기 평면 콜리메이터(B)의 중심을 향하는 방향으로 기울어지게 된다. 즉, 입사 패턴의 중심에 대해 상기 광원(101)을 쉬프트시켰을 때, 일정하게 기울어진 상태로 광이 전달되어, 도 7a 및 도 7b의 구성을 통해 특정 방향으로 조향을 갖도록 광학 시스템을 구성할 수 있다.7A, the light incident vertically from the
한편, 여기서 상기 광원(100, 101)은 레이저와 같은 일종의 점광원이며, 입사 패턴(130)의 한정된 영역에 입사광을 조사할 수 있다. 또한, 광원(100, 101)이 입사광을 조사하는 방향은 도 2 내지 도 3과 같이, 도파관의 하측에서 상측으로도 가능하고, 또는 도 6a 내지 도 7b와 같이, 도파관의 상측에서 하측의 방향으로 가능하다.Here, the
도 8a 및 도 8b는 도 2의 평면 콜리메이터의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도이다. 그리고, 도 9는 도 2의 평면 콜리메이터의 광이 파면을 나타낸 도면이다. 또한, 도 10a 내지 도 10c는 도 9의 Ⅱ~Ⅱ' 선상, Ⅲ~Ⅲ' 선상 및 Ⅳ~Ⅳ' 선상에서의 평면 콜리메이터의 고 굴절률층의 폭에 따라 광의 파면 변화를 나타낸 도면이다.8A and 8B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the planar collimator of FIG. FIG. 9 is a view showing a wavefront of the plane collimator of FIG. 2. FIG. FIGS. 10A to 10C are diagrams showing changes in the wavefront of light according to the widths of the high refractive index layers of the plane collimator on the II-II 'line, III-III' line and IV-IV line in FIG.
도 8 및 도 9와 같이, 본 발명의 평면 콜리메이터(In-plane Collimator)(B)는 종래의 콜리메이션 렌즈나 반사경을 대체할 수 있는 것으로, 광 입사부, 광 출사부와 함께 공유하는 도파관(1000) 상에 클래드 패턴층(140)이 구비되어 이루어진다.As shown in FIGS. 8 and 9, the in-plane collimator (B) of the present invention can replace a conventional collimation lens or a reflector. The in-plane collimator B includes a light incident portion, And a
상기 클래드 패턴층(140)의 제 3 굴절률(n3)은 상기 도파관(1000)의 코어층(120)의 제 1 굴절률(n1)보다는 작고 상기 제 1 클래드층(110)의 제 2 굴절률(n2)보다 크다.The third refractive index n3 of the
도 9와 같이, 클래드 패턴층(140)이 평면적으로, 일종의 수렴 렌즈(positive lens)의 형상인 점을 나타낸다. 클래드 패턴층(140)으로 이용되는 렌즈는 단일 렌즈일 경우, 상기 볼록 렌즈의 형상을 갖는다.As shown in Fig. 9, the
여기서, 도 10a 내지 도 10c와 같이, 상기 클래드 패턴층(140)의 주변은 제 2 클래드층(160)이 채울 수 있으며, 상기 제 2 클래드층(160)은 코어층(120) 및 클래드 패턴층(140)보다는 낮은 제 4 굴절률(n4)을 갖는다.10A to 10C, the periphery of the
즉, 상기 제 2 클래드층(160)의 제 4 굴절률(n4)은 상기 클래드 패턴층(140)의 굴절률(n3)보다 낮은 것이다. 경우에 따라, 상기 제 2 클래드층(160)은 특정 굴절률(n3)의 물질을 채우지 않고 비워 공기(air)가 채우도록 하여, 클래드 패턴층(140)과의 굴절률 차를 유도할 수도 있다.That is, the fourth refractive index n4 of the
구체적으로 평면 콜리메이터의 동작을 살펴보면, 이는 도 8a와 같이, 클래드 패턴층(140)의 형상의 평면 상으로 도파관(1000)의 에지부분과 도파관(1000)의 중심부분에서 다른 폭을 갖기 때문에, 전달되는 광이 클래드 패턴층(140)을 통과하는 면적이 달라지며, 따라서, 도 10a 내지 도 10c와 같이, 다른 파면 변환 구간을 갖게 된다. 파면 변환 구간은 곡면 파면 구간과 평면 파면 구간 사이에 있으며, 파면의 형상을 곡면에서 평면으로 변환시킨다. 이 때, 곡면 파면 구간과 평면 파면 구간에서 정상 유효 파장을 갖는 광의 파동이 파면 변환 구간을 지나며 고굴절률을 느껴 유효 파장이 감소하여 파면이 변화하게 된다. 이에 따라, 광 입사부에서 평면 콜리메이터로 확산되어 들어온 광이 평면 콜리메이터를 통과하며 시준성이 좋은 평행광으로 출사될 수 있다.8A, since the edge portion of the
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 광학 시스템의 평면 콜리메이터의 실시예를 나타낸 단면도이다.11A and 11B are cross-sectional views showing an embodiment of a planar collimator of the optical system of the present invention.
도 11a는 평면 콜리메이터(B)의 클래드 패턴층(140) 주면을 비워두어 공기가 채우도록 한 것이다.11A is a plan view of the planar collimator B in which the main surface of the
도 11b는 평면 콜리메이터(B)의 클래드 패턴층(140) 주변에, 클래드 패턴층(140) 제 3 굴절률(n3)보다 작은 제 4 굴절률(n4)의 제 2 클래드층(160)을 채운 것이다.11B shows a second
그러나, 평면 콜리메이터의 예는 이에 한하지 않으며, 도 11a 및 도 11b의 실시예에서, 상기 클래드 패턴층(140)과 상기 코어층(120) 사이에 중간 클래드층을 더 구비할 수도 있고, 혹은 도 11b의 구조에 있어서, 상기 클래드 패턴층(140)과 제 2 클래드층(160) 상에 탑 클래드층(미도시)을 더 구비하는 예도 가능하다.However, the planar collimator is not limited to this. In the embodiment of FIGS. 11A and 11B, an intermediate clad layer may be further provided between the
어느 경우나, 클래드 패턴층(140)이 추가 구비되는 클래드층에 비해 상대적으로 굴절률이 높은 것으로, 클래드 패턴층(140)을 지나면 파면이 변화하여 광입사부로부터 곡면 파면 특성의 광이 광 출사부로 직선 파면 특성으로 전달된다.In any case, the refractive index is relatively higher than that of the cladding layer in which the
도 12a 및 도 12b는 도 2의 광학 시스템의 광 출사부의 동작을 나타낸 단면도 및 사시도이다.12A and 12B are a cross-sectional view and a perspective view showing the operation of the light output portion of the optical system of FIG.
도 12a 및 도 12b와 같이, 평면 콜리메이터(B)를 통해 직선광으로 도파관(1000)으로 전달된 광은 출사 패턴(150)의 상측으로 광이 출사될 수 있다.As shown in FIGS. 12A and 12B, light transmitted through the plane collimator B to the
이러한 출사 패턴(150)에도 광의 전달 방향을 횡측에서 수직으로 바꾸어 주기 위해, 표면 그레이팅(surface grating) 또는 체적 그레이팅(volume grating)을 적용할 수 있다. 이를 통해 출사 패턴(150) 전 영역에 걸쳐 그레이팅 회절 분포를 조절하여, 광 출사부의 휘도 균일도를 확보할 수 있다.In this
한편, 상기 광 출사부에서 출광되는 광의 형태는 집광, 평행광, 발산광 중 어느 하나 일 수 있으며, 이는 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅의 그레이팅 패턴을 통해 조절하거나, 혹은 평행광 콜리메이터에 대한 광원의 초점 거리를 조절하여 선택이 가능하다.The shape of the light emitted from the light output unit may be any of condensing, parallel light, and divergent light, and it may be adjusted through a grating pattern of a surface grating or a volume grating, or a focal length of a light source with respect to a parallel light collimator Can be selected.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 광학 시스템의 광 출사부의 그레이팅 형상에 따라 집광, 평행광, 발산광 출광 형태를 나타낸 사시도이다.FIGS. 13A to 13C are perspective views showing condensed light, parallel light, and divergent light output patterns according to the grating shape of the light output portion of the optical system of the present invention. FIG.
도 13a 내지 도 13c는 평면 콜리메이터(B)로부터 직진광이 나올 경우에 대한 출사 패턴의 형상을 정의한 것이다.Figs. 13A to 13C define the shape of the emission pattern when straight-line light emerges from the plane collimator B. Fig.
도 13a는 집광을 위해 표면 그레이팅의 형상으로 곡선 그레이팅(151)을 적용한 것이다. 상기 곡선 그레이팅은 출사 패턴(150)의 중심을 향하도록 도시되어 있으나, 도시된 바에 한하지 않으며, 요구되는 집광의 정도에 따라 곡선 그레이팅(151)의 곡률을 달리할 수도 있고, 그레이팅 수를 달리할 수도 있으며, 혹은 중심과 가장자리에서 그 패턴 형상이 달리될 수도 있다.13A shows a curve grating 151 applied in the form of a surface grating for condensing. Although the curve grating is shown to be directed toward the center of the
이와 같이, 집광을 위해 곡선 그레이팅(151)이 적용되었을 때, 이를 적용한 광학 시스템은 프라이버시 표시 장치의 광원 유닛으로 이용될 수 있을 것이다.As such, when the curved grating 151 is applied for focusing, the optical system to which the curved grating 151 is applied can be used as the light source unit of the privacy display device.
도 13b는 평행광 출사를 위해, 표면 그레이팅을 직선 그레이팅(152)을 적용한 것이다.13B shows a
이러한 평행광 출사는 예를 들어, 3D 표시 장치와 같이, 시청자의 양안에 알맞게 특정의 시준성을 요하는 경우 광원 유닛으로 이용될 수 있을 것이다.Such a parallel light output may be used as a light source unit when a specific collimation is required in accordance with the viewer's eyes, for example, a 3D display device.
도 13c는 발산광을 위해 표면 그레이팅의 형상으로 곡선 그레이팅(153)을 적용한 것이다. 상기 곡선 그레이팅은 출사 패턴(150)의 바깥을 향하도록 도시되어 있으나, 도시된 바에 한하지 않으며, 요구되는 집광의 정도에 따라 곡선 그레이팅(153)의 곡률을 달리할 수도 있고, 그레이팅 수를 달리할 수도 있으며, 혹은 중심과 가장자리에서 그 패턴 형상이 달리될 수도 있다.FIG. 13C shows a curve grating 153 applied in the form of a surface grating for divergent light. Although the curved grating is shown to be directed to the outside of the
한편, 상술한 예들은 모두 표면 그레이팅으로서 예를 든 것으로, 이에 한하지 않으며, 출사 패턴(150)에 체적 그레이팅을 적용하여 출사광의 집광, 평행광, 발산의 형태를 제어할 수 있을 것이다.In the meantime, all of the above-described examples are exemplified as surface gratings, but the present invention is not limited to this, and a volume grating may be applied to the
상기 체적 그레이팅은 출사 패턴(150)의 일정의 깊이로 경사를 갖는 형상을 갖는 형상일 수 있다.The volume grating may have a shape having a slope at a certain depth of the
또한, 상기 표면 그레이팅 및 체적 그레이팅은 출사 패턴(150)을 별도의 층으로 정의하여, 그 표면이나 층 내의 일정 깊이로 적용할 수도 있고, 혹은 도파관(1000) 표면이나 도파관의 층 내 일정 깊이로 적용할 수 있다.In addition, the surface grating and the volume grating can be applied to a certain depth in the surface or layer of the
이하, 설명하는 출사 패턴의 형상은, 평면 콜리메이터(B)로부터 들어오는 광이 이미 방향성을 가질 때를 나타낸다.Hereinafter, the shape of the outgoing pattern to be described hereinafter indicates when the light coming from the plane collimator B already has the directionality.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 광학 시스템의 평면 콜리메이터로부터 들어오는 광의 형태에 따라 집광, 평행광, 발산광 출광 형태를 나타낸 사시도이다.FIGS. 14A to 14D are perspective views showing condensed light, parallel light, and divergent light outgoing light according to the form of light entering from the plane collimator of the optical system of the present invention. FIG.
도 14a 내지 도 14d는 공통적으로 출사 패턴(150)에 선형 그레이팅(252)이 구비되어 있는 것으로, 이러한 직선형의 선형 그레이팅(252) 구비시 평면 콜리메이터(140)에서 출사 패턴(150)으로 들어오는 광의 형태에 따라 출사 패턴(150)에서 출사광의 형태가 달라진다.14A to 14D show that the
즉, 도 14a와 같이, 볼록 렌즈 형상의 클래드 패턴층(140)을 구비한 상기 평면 콜리메이터(B)의 초점으로부터 점광원을 밖에 위치시킬 경우, 평면 콜리메이터(B)로부터 출사 패턴(150)으로 광은 수렴되어 들어가고, 이러한 수렴 광은 출사 패턴(150)으로부터 상측으로 출사시 광이 일 지점으로 모아지는 형태를 나오게 된다.14A, when the point light source is located out of the focal point of the planar collimator B having the convex lens-shaped
반면, 도 14b와 같이, 평면 콜리메이터(B)의 클래드 패턴층(140)의 초점에 점광원을 구비시, 평면 콜리메이터(B)로부터 그대로 직진광으로 도파관(1000)으로 전달되어, 출사 패턴(150)으로 상측으로 평행광 형태로 출사된다. 이 경우, 상기 클래드 패턴층(140)의 출사 특성은 직진광을 출사하는 것이다.On the other hand, when a point light source is provided at the focus of the
또한, 도 14c와 같이, 렌즈 형상의 클래드 패턴층(140)을 구비한 상기 평면 콜리메이터(B)의 초점으로부터 점광원을 안쪽에 위치시킬 경우, 평면 콜리메이터(B)로부터 출사 패턴(150)으로 광은 발산되어 들어가고, 이러한 발산된 광은 도파관(1000)에서 발산 특성을 갖고, 출사 패턴(150)으로부터 상측으로 출사시 광이 발산 특성을 갖고 출사된다.14C, when the point light source is located inward from the focal point of the planar collimator B having the lens-shaped
도 14d는, 클래드 패턴층(145)을 오목 렌즈 상으로 한 것으로, 평면 콜리메이터(B)의 렌즈 자체의 부의 특성, 즉, 발산 특성을 갖게 한 것이다. 이 경우, 클래드 패턴층(145)의 발산 특성이 있을 경우는, 광원(100)은 상기 클래드 패턴층(145)의 초점에 위치할 수 있다.Fig. 14D shows that the lens of the planar collimator B has negative characteristics, that is, divergence characteristics, in which the
한편, 앞서 서술한 바와 같이, 출사 패턴(150)은 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅으로 형성된다.On the other hand, as described above, the
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 광학 시스템의 출사 패턴의 여러 형상을 나타낸 단면도이다.15A and 15B are cross-sectional views showing various shapes of an emission pattern of the optical system of the present invention.
도 15a는 일종의 표면 그레이팅을 나타낸 것으로, 도파관(1000)의 표면에 이격된 그레이팅(260a)의 집합으로, 출사 패턴(150)이 이루어짐을 나타낸다.15A shows a kind of surface grating, which shows that an
도 15b는 일종의 체적 그레이팅을 나타낸 것으로, 도파관(1000) 상에, 일정의 두께를 갖는 필름 내에 소정 깊이로 경사를 갖는 슬릿 등의 패턴(260b)의 복수개 구비되는 형태로, 출사 패턴(150)이 이루어짐을 나타낸다.15B shows a kind of volume grating. In the
도시된 예는 일예에 한하여, 앞서 설명한 바와 같이, 그레이팅의 형상은 곡선, 직선, 도파관의 광 출사부의 평면 상에서 일측 에지에서 반대편 에지까지 그라데이션하는 형태, 혹은 도파관의 중심에서 외곽으로 가며, 그라데이션 하는 형태로 여러 변형이 가능할 것이다.For example, the grating shape may be a curve, a straight line, a shape that is gradated from one edge to the opposite edge on the plane of the light output portion of the waveguide, or from the center to the outer edge of the waveguide, Several variations will be possible.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템에 있어서, 상기 도파관(1000) 하측에는 먼지나 이물이 도파관에 부착되어 광학적으로 특성을 저해함을 방지하기 위해 기재를 더 구비할 수 있다. 이 때, 기재는 상기 도파관의 면적에 대응하거나 혹은 도파관 면적보다 조금 크게 하여, 도파관의 하면이 모두 기재 상에 위치하는 형상으로 구비할 수 있다.Meanwhile, in the optical system according to the first embodiment of the present invention, a substrate may be further provided below the
경우에 따라, 상기 도파관(1000)의 하측 제 1 클래드층(110)을 기재로 이용할 수도 있다.In some cases, the lower first clad
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템에 있어서, 상기 도파관(1000)의 두께는 1㎛ 내지 99㎛의 두께로 구현이 가능하며, 평판의 총 두께를 100㎛ 미만으로 하여, 초슬림화한 광학 시스템의 구현이 가능하다. 또한, 도파관 구성과, 입출사 패턴 및 평면 콜리메이터 구비만으로 광의 출사가 가능하며, 광학 쉬트의 사용없이 광원 유닛을 구현할 수 있다.In addition, in the optical system according to the first embodiment of the present invention, the thickness of the
그리고, 출사광의 형태도, 입출사 패턴이나 평면 콜리메이터의 형상 혹은 평면 콜리메이터로부터 점광원의 위치를 조절하여, 집광, 평행광, 발산광 중 어느 하나로 조절이 가능하여, 사용자의 요구에 맞게 특정 방향성으로 출사 특성을 갖는 광학 시스템의 구현이 가능하다.The shape of the outgoing light can be adjusted by adjusting the position of the point light source from the incoming / outgoing pattern or the shape of the plane collimator or from the plane collimator to one of condensing, parallel light and divergent light, It is possible to realize an optical system having emission characteristics.
또한, 상술한 광학 시스템은, 도파관 및 출사 패턴을 투명하게 하면, 투과성을 갖게 때문에, 초고투과도의 광원 유닛으로 구현될 수 있으며, 이로써, 수광 소자에 상기 광원 유닛을 적용한 투명 표시 장치를 구현할 수 있다.The optical system described above can be realized as a light source unit of ultra high transmittance because it has transparency when the waveguide and the emission pattern are made transparent, thereby realizing a transparent display device in which the light source unit is applied to the light receiving element .
*제 2 실시예** Second Embodiment *
이하, 본 발명의 제 2 실시예에 대해 설명한다. 본 발명의 제 2 실시예는, 본 발명의 제 1 실시예의 구조가 표시 장치에 이용시 출사 패턴 외의 영역이 데드 영역으로 작용하여 슬림화가 가능하나 평면적 데드 영역이 불가피한 점을 해결한 것이다.Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment of the present invention solves the problem that the structure of the first embodiment of the present invention is inevitable in a display device in which a region other than an emission pattern acts as a dead region and can be slimmed but a planar dead region is inevitable.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 시스템을 나타낸 사시도이며, 도 17은 도 16의 단면도이다.16 is a perspective view showing an optical system according to a second embodiment of the present invention, and Fig. 17 is a sectional view of Fig.
도 16 및 도 17과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 시스템은 도파관(1000) 하측에, 도광판(330)을 위치시키고, 광 입사부를 도파관의 하부의 일측부 표면에 위치시키고, 평면 콜리메이터의 구성을 광 입사부의 맞은편 측부에 위치시킨 구성이다.16 and 17, in the optical system according to the second embodiment of the present invention, the
이 경우, 상기 도파관(1000)의 상부 표면인 제 1 면에, 광 출사부를 갖게 되며, 도파관(1000)의 하부 표면인 제 2 면에, 도광판(330)이 배치된다.In this case, the first surface, which is the upper surface of the
그리고, 상기 광 입사부(A)의 입사 패턴(310) 및 평면 콜리메이터 패턴(320)는 상기 도광판(330)의 서로 마주보는 양측부에 위치한다.The
또한, 상기 평면 콜리메이터 패턴(320)과 중첩되도록 상기 도파관(1000)의 제 1 면에 도파관 광 입사부(350)를 더 포함한다.The
여기서, 상기 도광판(330)은 광 입사부(A)로 기능하는 것으로, 일측부인 상기 입사 패턴(310)을 향해 광원(100)이 광을 공급시 을 통해 입사 패턴(310) 부위에서 광 커플링이 일어나며, 입사된 광은 상기 도광판(330)을 따라 횡측으로 전달되어, 도광판(330)의 맞은편 측부의 평면 콜리메이터 패턴(320)으로 전달된다. 도광판(330)은 그 자체로 광 입사부(A)로 기능하며, 광 커플링과 확산(expansion)을 동시에 수행한다.The
또한, 상기 평면 콜리메이터 패턴(320)은 상측의 도파관(1000)의 제 1 면에 형성된 도파관 광 입사부(350)와 대응되어, 전달된 입사광을 상측의 도파관 광 입사부(350)로 전달한다. 도파관 광 입사부(350)를 구비한 이유는, 도광판(330)을 지나 콜리메이터 패턴(320)으로 전달된 광이 콜리메이터 패턴(320)에서, 수직한 방향으로 전달시 이를 다시 도광판(330)과 다른 횡 방향의 도파관(1000)으로 전달하기 위함이다.The
그리고, 상기 도파관 광 입사부(350)로 전달되는 광은 상기 도파관(1000)의 코어층(120)을 따라 전달되며, 상측의 출사 패턴(370)의 표면측으로 광이 출사된다.The light transmitted to the waveguide
상기 출사 패턴(370)의 형상을 따라 출사 광의 형태가 발산광, 평행광, 집광의 형태로 달라질 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.The shape of the outgoing light according to the shape of the
여기서, 입사광은 상기 도광판(330)을 따라 전달되고 있으며, 출사광은 일차적으로 도파관(1000)을 따라 전달 후 상측의 출사 패턴(150)의 상측으로 출사되는 것으로, 입사광과 출사광의 광경로가 제 1 클래드층(110)을 경계로 달라지며, 이로써, 입사광과 출사광 간의 간섭이 없어 출사광의 형태 제어가 용이하다.Here, the incident light is transmitted along the
또한, 입사광과 출사광의 광이 지나가는 경로를 평면적으로 중첩시킴에 의해, 상기 광학 시스템을 광원 유닛으로 이용하여 표시 장치에 적용시 실제 데드 영역은 양측의 입사 패턴(310)과, 평면 콜리메이터 패턴(320) 및 도파관 광 입사부(350)의 영역만 해당하므로, 출사 패턴(150) 외의 평면 공간이 줄어들어 데드 영역을 현저히 줄어들게 된다.In addition, when the optical system is used as a light source unit and applied to a display device by superimposing a path through which light of incident light and emitted light passes, the actual dead region includes
한편, 본 발명의 제 2 실시예의 광학 시스템은 대략 도파관(1000) 대비 10배 내외로 두꺼운 도광판(330)을 구비함에 상술한 제 1 실시예 대비 두꺼워지는 경향은 있지만, 평면적 데드 영역을 줄이는 데 이점이 있으며, 또한, 장치적으로 도파관(1000) 하측에 상대적으로 두꺼운 도광판(330)을 구비하여, 광원 유닛으로 기능시 장치의 신뢰성과 안정화를 꾀할 수 있다.Meanwhile, the optical system of the second embodiment of the present invention is thicker than the
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 상기 입사 패턴(310)은 부착의 용이성으로, 상기 도광판의 하부 표면에 HOE를 부착시켜 수직으로 들어온 광을 횡측으로 전환시키며 광을 평면 콜리메이터 패턴(320)의 길이에 맞게 광을 펼치는 기능을 하게 할 수 있다.Meanwhile, in the second embodiment of the present invention, the
경우에 따라, 상기 입사 패턴(310)은 상기 도광판(330)의 하부 표면에 구비하는 그레이팅 패턴일 수 있다. 그리고, 이러한 그레이팅 패턴은 표면 그레이팅(surface grating) 또는 체적 그레이팅(volume grating)일 수 있다.In some cases, the
또한, 상기 입사 패턴(310)의 맞은 편에 위치한 평면 콜리메이터 패턴(320) 역시 HOE 일 수 있으며, 이는 광의 수직 전달력을 주는 정보를 HOE를 이루는 필름에 가질 수 있다. 상기 평면 콜리메이터 패턴(320) 역시, 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅의 패턴일 수 있다. 그러나, 이 경우, 상기 평면 콜리메이터 패턴(320)은 수직 전달력을 갖는 것으로, 상술한 입사 패턴(310)의 기능인 수직으로 들어온 광을 횡측으로 전달하는 바와 상이하게 때문에, HOE 구비된 필름 패턴 형상이나 그레이팅 패턴의 형상은 입사 패턴(310)과 상이할 수 있다.In addition, the
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 시스템의 광경로는 다음과 같다.The optical path of the optical system according to the second embodiment of the present invention is as follows.
먼저, 상기 도광판(330)은 상기 광 입사부(A)의 입사 패턴(310)으로 들어오는 광을 상기 평면 콜리메이터 패턴(320)으로 전달하고, 상기 평면 콜리메이터 패턴(320)로부터 상기 도파관 광 입사부(350)로 전달된 광이 커플링되며, 상기 커플링된 광은 상기 도파관(1000)을 통해 전달되고, 상기 광 출사부의 출사 패턴(370)에서 상기 도파관(1000) 상측으로 출사된다.The
여기서, 도파관(1000)의 코어층(120)의 제 1 굴절률은 그 하측의 제 1 클래드층(110)의 제 2 굴절률(n2) 보다 높다. 그리고, 상기 제 1 클래드층(110)이 상기 도광판(330)과 접하여 구성된다.Here, the first refractive index of the
*제 1 실시예의 광학 시스템을 이용한 표시 장치** Display device using the optical system of the first embodiment *
도 18은 도 2의 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 단면도이다.18 is a cross-sectional view showing the display device of the present invention in which the optical system of Fig. 2 is applied as a backlight unit.
도 18과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 이용시, 출사 패턴(150) 상부에 표시 패널(500)의 유효 표시 영역(액티브 영역)이 대응되도록 하여, 표시 장치를 구현할 수 있다.18, when the optical system according to the first embodiment of the present invention is used as a backlight unit, the effective display area (active area) of the
여기서, 상기 표시 패널(500)은 액정 표시 장치와 같이, 수광형 패널로, 하측의 광학 시스템(2000)으로부터 출사되는 광을 받아 유효 표시 영역에 매트릭스상으로 구비된 복수개의 픽셀들의 구동을 통해 영상을 표시한다.Here, the
이러한 표시 장치에 있어서, 상기 수광형 표시 패널(500)의 수광 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응된다.In this display device, the light-receiving area of the light-receiving
도 19는 도 2의 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 사시도이며, 도 20은 도 19의 단면도이다.FIG. 19 is a perspective view showing the display device of the present invention in which the optical system of FIG. 2 is applied to a front light unit, and FIG. 20 is a sectional view of FIG.
도 19와 같이, 상술한 본 발명의 제 1 실시예에 다른 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 것으로서, 도 2의 광학 시스템(2000)의 상하를 반전시켜, 출사면이 반사형 표시 패널(600) 상부에 위치시켜 표시 장치를 구현한다.As shown in FIG. 19, the
이 경우, 도파관(1000)을 지나 전달된 광은 하측의 출사 패턴(150)을 통해 반사형 표시 패널(600)로 입사되며, 이는 다시 반사형 표시 패널(600)에서 반사되어 다시 광학 시스템(2000)의 출사 패턴(150) 및 도파관(1000)을 지나 외측으로 출사된다.In this case, the light transmitted through the
예를 들어, 반사형 표시 패널(600)은 실리콘 웨이퍼를 TFT 기판으로 하는 것으로, 그에 대향된 대향기판은 투명한 기판으로 하고, 그 사이에 액정을 채운 것이다. 상기 TFT 기판 상의 유효 표시 영역에 매트릭스상의 복수개의 픽셀을 구비한 점은 액정 표시 장치와 동일하다.For example, the
그리고, TFT 기판은 픽셀별로 화소 전극이 구비되고, 대향기판 상에는 공통 전극이 구비되어, 상기 픽셀별 구비된 TFT의 구동에 따라 선택적으로 픽셀들이 동작하며, 이에 따라, 상기 광학 시스템(2000)을 통해 광이 들어왔을 때, 픽셀별 반사 정도가 제어되어 영상을 표시한다.In the TFT substrate, pixel electrodes are provided for each pixel, and a common electrode is provided on a counter substrate. Pixels are selectively operated according to the driving of the TFT provided for each pixel, When light enters, the degree of reflection per pixel is controlled to display the image.
*제 2 실시예의 광학 시스템을 이용한 표시 장치** Display device using the optical system of the second embodiment *
도 21은 도 16의 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 단면도이다.21 is a cross-sectional view showing a display device of the present invention in which the optical system of Fig. 16 is applied as a backlight unit.
도 21과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광학 시스템을 백라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치는 액정 표시 패널과 같은 수광형 표시 패널(수광형 영상 패널(500))이 상기 도 16의 광학 시스템(3000) 상에 위치한다.As shown in Fig. 21, the display device of the present invention in which the optical system according to the second embodiment of the present invention is applied as a backlight unit is configured such that a light receiving display panel (light receiving type image panel 500) such as a liquid crystal display panel, Is located on
이 경우, 광학 시스템(3000)은 출사 패턴(370)이 도파관(1000)의 거의 대부분의 면적을 차지하고, 입사 패턴(310)과 평면 콜리메이터(320) 및 도파관 광 입사부(350)와 같은 에지 영역만을 가리면 되므로, 베젤 영역을 현저히 줄일 수 있다. In this case, the
또한, 상기 광학 시스템(3000)은 광원(100)을 제외하여서는 모두 평판 상으로 구성되므로, 광학 시스템(3000)과 수광형 표시 패널(500)을 부착시켜 집적화된 표시 장치의 형성이 유리하다. Since the
도 22는 도 16의 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 본 발명의 표시 장치를 나타낸 사시도이며, 도 23은 도 22의 단면도이다.FIG. 22 is a perspective view showing the display device of the present invention in which the optical system of FIG. 16 is applied as a front light unit, and FIG. 23 is a sectional view of FIG.
도 22 및 도 23은 본 발명의 제 2 실시예에 다른 광학 시스템을 프런트 라이트 유닛으로 적용한 것으로서, 도 16의 광학 시스템(3000)의 상하를 반전시켜, 출사면이 반사형 표시 패널(반사형 영상 패널)(600) 상부에 위치시켜 표시 장치를 구현한다.22 and 23 show an optical system according to the second embodiment of the present invention applied as a front light unit. The
이 경우, 도파관(1000)을 지나 전달된 광은 하측의 출사 패턴(370)을 통해 반사형 표시 패널(600)로 입사되며, 이는 다시 반사형 표시 패널(600)에서 반사되어 다시 광학 시스템(3000)의 출사 패턴(370) 및 도파관(1000)을 지나 외측으로 출사된다.In this case, the light transmitted through the
이러한 표시 장치에서는, 상기 반사형 표시 패널(600)의 입사 영역 및 반사 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응된다.In this display device, the incident area and the reflection area of the
예를 들어, 반사형 표시 패널(600)은 실리콘 웨이퍼를 TFT 기판으로 하는 것으로, 그 구체적인 설명은 상술한 바와 같다.For example, the reflection
상술한 표시 장치는 프라이버시 표시 장치, 투명 표시 장치, 무안경 3D 디스플레이 구현에 적합하다.The above-described display device is suitable for implementing a privacy display device, a transparent display device, and an eyeglass 3D display.
또한, 3D 영상 표시로서 홀로그래픽 표시 장치의 슬림화 및 제품화를 꾀하기 용이하다.In addition, it is easy to make the holographic display device slim and commercial as a 3D image display.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예와 제 2 실시예의 광학 시스템은 영상 패널의 수광형 또는 반사형에 따라 백라이트 유닛 및 프런트 라이트 유닛으로 적용할 수 있다.As described above, the optical systems of the first and second embodiments of the present invention can be applied to a backlight unit and a front light unit according to the light receiving type or reflection type of the image panel.
또한, 본 발명의 광학 시스템은, 별도의 광학 쉬트없이 광학 시스템의 총 두께를 도파관이나 혹은 도파관과 도광판 합산 두께 정도로 할 수 있어, 초슬림화한 광원 유닛으로 구성할 수 있고, 이에 따라 영상 패널과 결합시 전체 표시 장치에서, 광원 유닛이 차지하는 체적을 줄여 표시 장치의 슬림화를 꾀할 수 있다.Further, in the optical system of the present invention, the total thickness of the optical system can be made to be equal to the total thickness of the waveguide or the waveguide and the light guide plate without a separate optical sheet, so that the light source unit can be configured as a super- It is possible to reduce the volume occupied by the light source unit, thereby making the display device slimmer.
특히, 제 1 실시예의 경우는 광학 시스템을 도파관 두께로 할 수 있어, 표시 장치의 슬림화와 더불어 유연성 있는 플렉서블 표시 장치로 구현이 용이하다.Particularly, in the case of the first embodiment, the optical system can be made to have a waveguide thickness, and it is easy to implement the flexible display device with flexibility in addition to the slimming of the display device.
그리고, 제 2 실시예의 경우는, 광학 시스템의 평면적 영역 대부분을 출광 영역으로 이용할 수 있어, 데드 영역을 줄일 수 있어 표시 장치의 유효 면적이 큰 점에 이점이 있으며, 표시 장치로서 구현시 가려야 하는 베젤(bezel) 영역을 줄일 수 있어, 모듈 공정의 작업이 유리하다.In the case of the second embodiment, most of the planar area of the optical system can be used as an outgoing light area, which can reduce the dead area and advantageous area of the display device. the area of the bezel can be reduced, and the operation of the module process is advantageous.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.
100: 광원 110: 제 1 클래드층
120: 코어층 130: 입사패턴
140: 클래드 패턴층 150: 출사 패턴
160: 제 2 클래드층
310: 입사 패턴 320: 평면 콜리메이터 패턴
330: 도광판 350: 도파관 광 입사부
370: 출사 패턴 500: 수광형 표시 패널
600: 반사형 표시 패널 1000: 도파관
2000, 3000: 광학 시스템100: light source 110: first cladding layer
120: core layer 130: incidence pattern
140: clad pattern layer 150: emission pattern
160: second cladding layer
310: incidence pattern 320: plane collimator pattern
330: light guide plate 350: waveguide light incidence part
370: Exit pattern 500: Light receiving type display panel
600: reflective display panel 1000: waveguide
2000, 3000: Optical system
Claims (31)
상기 도파관의 측부에 인접한 표면 일부에 입사 패턴을 포함하며, 광원으로부터 들어오는 입사광의 진행 폭을 확장시킨 광을 전달하는 광 입사부;
상기 광 입사부에서 진행폭이 확장된 광을 상기 도파관에 직진광으로 지나도록 전달하는 평면 콜리메이터; 및
상기 직진광을 상기 도파관 상측으로 출사하는 광 출사부를 포함한 광학 시스템.Planar waveguide;
A light incident portion including an incident pattern on a part of a surface adjacent to a side portion of the waveguide and transmitting light having an expanded traveling width of incident light coming from a light source;
A planar collimator for transmitting the light expanded in the light incident portion to the waveguide so as to pass through the linear light; And
And a light output unit for outputting the linear light to the upper side of the waveguide.
상기 광 입사부, 평면 콜리메이터 및 광 출사부는 상기 도파관의 제 1 면에 영역을 나누어 위치하는 광학 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the light incidence portion, the plane collimator, and the light exit portion are divided into areas on the first surface of the waveguide.
상기 도파관의 제 2 면에 기재를 더 포함한 광학 시스템.3. The method of claim 2,
And a substrate on the second surface of the waveguide.
상기 입사 패턴은, 상기 도파관 표면 상에 부착된 홀로그래픽 광학 소자(HOE: Holographic optical element)인 광학 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the incident pattern is a holographic optical element (HOE) attached on the waveguide surface.
상기 입사 패턴은 상기 도파관에 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅으로 정의되는 광학 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the incident pattern is defined as a surface grating or a volume grating on the waveguide.
상기 광원은 레이저인 광학 시스템.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the light source is a laser.
상기 광원은 상기 입사 패턴의 다른 영역에 적색광, 녹색광 및 청색광을 입사시키는 적색 레이저, 녹색 레이저, 청색 레이저를 포함하는 광학 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the light source comprises a red laser, a green laser, and a blue laser for introducing red light, green light, and blue light into different regions of the incident pattern.
상기 도파관은 제 1 굴절률(n1)의 코어층 및 상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률(n2)의 제 1 클래드층이 적층된 광학 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the waveguide includes a first cladding layer of a first refractive index n1 and a second cladding layer of a second refractive index n2 lower than the first refractive index.
상기 평면 콜리메이터는 상기 도파관 상에 상기 제 2 굴절률보다 크고, 제 1 굴절률보다 작은 제 3 굴절률(n3)의 클래드 패턴층을 포함한 광학 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein the planar collimator includes a clad pattern layer having a third refractive index (n3) larger than the second refractive index and smaller than the first refractive index on the waveguide.
상기 평면 콜리메이터는 상기 도파관 상의 상기 클래드 패턴층 주변을 채우며, 상기 제 1, 제 3 굴절률보다 작은 제 4 굴절률(n4)의 제 2 클래드층을 더 포함한 광학 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein the planar collimator further includes a second clad layer of a fourth refractive index (n4) that fills the periphery of the clad pattern layer on the waveguide and is smaller than the first and third refractive indexes.
상기 평면 콜리메이터는, 상기 클래드 패턴층을 평면상으로 수렴 렌즈로 포함한 광학 시스템.11. The method according to claim 9 or 10,
Wherein the planar collimator includes the clad pattern layer as a converging lens in a plane.
상기 평면 콜리메이터는, 상기 클래드 패턴층을 평면상으로 발산 렌즈로 포함한 광학 시스템.11. The method of claim 10,
Wherein the planar collimator includes the clad pattern layer as a diverging lens in a plane.
상기 광 출사부는, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 광을 상기 도파관 상측으로 집광, 평행광 및 발산광 중 하나로 출사하는 표면 그레이팅 및 체적 그레이팅을 갖는 출사 패턴을 갖는 광학 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the light output portion has an exit pattern having a surface grating and a volume grating that emits light coming from the planar collimator to one of the condensed light, the parallel light, and the divergent light on the upper side of the waveguide.
상기 출사 패턴은 상기 도파관 상에, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 직진광을 도파관 상측에 집광시키는 곡선 그레이팅인 광학 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the emission pattern is a curved grating on the waveguide to condense the linear light coming from the plane collimator onto the waveguide.
상기 출사 패턴은 상기 도파관 상에, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 직진광을 도파관 상측에 평행광으로 출사하는 직선 그레이팅인 광학 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the emission pattern is a linear grating on the waveguide to emit the linear light incoming from the plane collimator as parallel light on the upper side of the waveguide.
상기 출사 패턴은 상기 도파관 상에, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 직진광을 도파관 상측에 발산시키는 곡선 그레이팅인 광학 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the exit pattern is a curved grating on the waveguide, the straight-line light coming from the planar collimator diverging above the waveguide.
상기 광 출사부는 상기 도파관 상에, 상기 수렴 렌즈의 평면 콜리메이터로부터 들어오는 수렴광을 도파관 상측에 집광시키는 직선 그레이팅된 출사 패턴을 갖는 광학 시스템.12. The method of claim 11,
Wherein the light output section has a linearly grilled outgoing pattern on the waveguide for converging the converged light coming from the plane collimator of the converging lens onto the wave guide.
상기 광 출사부는 상기 도파관 상에, 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 발산광을 도파관 상측에 발산시키는 직선 그레이팅된 출사 패턴을 갖는 광학 시스템.13. The method of claim 12,
Wherein the light output section has a linearly-grating output pattern on the waveguide, the divergent light coming from the planar collimator diverging above the waveguide.
상기 광 출사부는 상기 평면 콜리메이터로부터 들어오는 적색 광, 녹색 광 및 청색 광에 대해 각각 다른 체적 그레이팅 출사 패턴을 갖는 광학 시스템.8. The method of claim 7,
Wherein the light output section has a different volume grating emission pattern for red light, green light, and blue light coming from the plane collimator, respectively.
상기 도파관의 제 1 면에, 광 출사부를 갖고,
상기 도파관의 제 2 면에 도광판을 더 갖는 광학 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the waveguide has a light output portion on a first surface thereof,
And a light guide plate on the second surface of the waveguide.
상기 광 입사부 및 상기 평면 콜리메이터는 상기 도광판의 서로 마주보는 양측부에 위치하는 광학 시스템.21. The method of claim 20,
Wherein the light incidence portion and the plane collimator are located on opposite sides of the light guide plate.
상기 평면 콜리메이터와 중첩되도록 상기 도파관의 제 1 면에 도파관 광 입사부를 더 포함하는 광학 시스템.22. The method of claim 21,
Further comprising a waveguide light incident portion on a first surface of the waveguide to overlap the planar collimator.
상기 입사 패턴은 상기 도파관의 제 2면에 접한 도광판 표면에 부착한, 홀로그래픽 광학 소자인 광학 시스템.22. The method of claim 21,
Wherein the incident pattern is attached to a surface of a light guide plate contacting a second surface of the waveguide.
상기 입사 패턴은 상기 도광판에 표면 그레이팅 또는 체적 그레이팅으로 정의되는 광학 시스템.22. The method of claim 21,
Wherein the incident pattern is defined as surface grating or volume grating on the light guide plate.
상기 도광판은 상기 광 입사부로 들어오는 광을 상기 평면 콜리메이터로 전달하고,
상기 평면 콜리메이터로부터 상기 도파관 광 입사부로 전달된 광이 커플링되며,
상기 커플링된 광은 상기 도파관을 통해 전달되고,
상기 광 출사부에서 상기 도파관 상측으로 출사되는 광학 시스템.22. The method of claim 21,
The light guide plate transmits light entering the light incidence portion to the plane collimator,
The light transmitted from the planar collimator to the waveguide light incidence portion is coupled,
The coupled light is transmitted through the waveguide,
And is emitted from the light output portion to the upper side of the waveguide.
상기 도파관은 제 1 굴절률의 코어층 및 상기 제 1 굴절률보다 낮은 제 2 굴절률의 제 1 클래드층이 적층되며,
상기 제 1 클래드층이 상기 도광판과 접한 광학 시스템.26. The method of claim 25,
Wherein the waveguide includes a first cladding layer having a first refractive index and a first cladding layer having a second refractive index lower than the first refractive index,
And the first clad layer is in contact with the light guide plate.
상기 도파관 광 입사부에서 커플링된 광은 상기 도파관의 코어층을 통해 전달되는 광학 시스템.27. The method of claim 26,
And the light coupled at the waveguide light incident portion is transmitted through the core layer of the waveguide.
상기 백라이트 유닛 상에 위치하는 수광형 영상 패널을 포함한 표시 장치.A light incident portion including a planar waveguide and an incident pattern positioned on a part of a surface adjacent to the side of the waveguide and transmitting light having an expanded traveling width of incident light coming from the light source; A backlight unit including a plane collimator for transmitting the expanded light to the waveguide so as to pass through the linear waveguide and a light output unit for outputting the linear light to the upper side of the waveguide; And
And a light receiving type image panel positioned on the backlight unit.
상기 수광형 영상 패널의 수광 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응되는 표시 장치.29. The method of claim 28,
And the light receiving region of the light receiving type image panel corresponds to the region of the light output section.
상기 프런트라이트 유닛의 광 출사부측에 인접하여, 상기 광출사부에서 출사된 광을 반사시켜 상기 도파관의 제 2 면으로 반사광을 전달하는 반사형 영상 패널을 포함한 표시 장치.A light incident portion including a planar waveguide and an incident pattern positioned on a part of a surface adjacent to the side of the waveguide and transmitting light having an expanded traveling width of incident light coming from the light source; A front collimator for transmitting the expanded light to the waveguide so as to pass through the straight wave, and a light output unit for outputting the linear light to the first surface of the waveguide; And
And a reflection type image panel adjacent to the light output part side of the front light unit for reflecting the light emitted from the light output part and transmitting the reflected light to the second surface of the wave guide.
상기 반사형 영상 패널의 입사 영역 및 반사 영역은 상기 광 출사부의 영역에 대응되는 표시 장치.31. The method of claim 30,
Wherein the incident area and the reflection area of the reflection type image panel correspond to the area of the light output part.
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