KR20180065034A - 프레넬 광학 시스템을 갖춘 발광 유닛 및 이를 이용하는 발광 장치 및 디스플레이 시스템 - Google Patents

프레넬 광학 시스템을 갖춘 발광 유닛 및 이를 이용하는 발광 장치 및 디스플레이 시스템 Download PDF

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Abstract

발광 유닛이 개시되며 이는 광원과 광원에 대해 작동하게 배치된 프레넬 광학 시스템을 포함한다. 상기 프레넬 광학 시스템은 각각 마이크로-프리즘을 포함하는 이격된 상부 및 하부 표면을 포함한다. 상기 하부 표면은 상기 광원에 인접하고 광원으로부터 발산 광을 수신한다. 상기 하부 표면은 상기 발산 광을 제1 재지향된 광으로서 상부 표면으로 지향시킨다. 상기 상부 표면은 이후 상기 제1 재지향된 광으로부터 균일한 복사발산도를 가진 시준된 광을 형성한다. 외부 에지를 향한 하부 표면의 마이크로-프리즘의 일부는 굴절 및 전반사 모두에 의해 작동하지만 하부 표면의 중심에 가까운 마이크로-프리즘은 굴절만으로 작동한다. 발광 장치는 발광 유닛의 배열을 통해 형성된다. 디스플레이 시스템은 발광 장치의 배열, 이미지 디스플레이 유닛 및 콘트라스트-강화 유닛에 의해 형성된다.

Description

프레넬 광학 시스템을 갖춘 발광 유닛 및 이를 이용하는 발광 장치 및 디스플레이 시스템
본 발명은 2015년 11월 5일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/251,364호에 대해 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
본 발명은 예컨대 디스플레이용 발광 장치에 대한 것이며, 더욱 구체적으로는 프레넬 광학 시스템을 갖춘 발광 유닛을 포함하는 발광 장치, 및 상기 발광 장치를 사용하는 디스플레이 시스템에 대한 것이다.
종래의 액정 디스플레이(LCD) 장치는 일반적으로 발광 장치 및 LCD 패널을 포함한다. 상기 발광 장치에 의해 방출된 광은 상기 LCD 패널을 통과하여 보는 사람이 볼 수 있는 이미지를 발생한다. LCD 디바이스(device)에 사용된 한 타입의 발광 장치는 광이 LCD 패널을 뒤에서부터 직접 조명하는 직접-조명 백라이트 장치(direct-lit backlight apparatus)이다.
이러한 LCD 디스플레이용 발광 장치가 비교적 효율적으로 만들어질 수 있지만, LCD 디스플레이 및 디스플레이 시스템에 대한 성능 요구사항이 더욱 까다로워 짐에 따라 그 효율성과 더불어 콘트라스트를 지속적으로 개선할 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 관점은 발광 유닛에 대한 것으로서, 상기 발광 유닛은: 발산 광(divergent light)을 방출하는 적어도 하나의 광원; 상기 광원에 대해 작동하게 배치된 광학 시스템, 여기서 상기 광학 시스템은 중심 렌즈 축, 오직 단일 렌즈 요소만을 또는 제1 및 제2 이격된 렌즈 요소들만을 가지며, 상기 광학 시스템은: i) 상기 광원에 인접하고 이격되며 상기 발산 광을 수용하고, 그로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 하부 표면, 및 ii) 상기 제1 재지향된 광을 수신하고 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 상부 표면을 포함함; 0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성된 내부 및 외부 영역을 가진 하부 표면, 여기서 상기 외부 영역은 상기 발산 광을 굴절시키고 전반사시키(totally internally reflecting)는 제1 마이크로-프리즘(micro-prisms)을 포함하고 상기 내부 영역은 매끄러움; 및 상기 제1 재지향된 광을 수신하고 거기로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 제2 마이크로-프리즘을 가진 상부 표면, 여기서 상기 제2 재지향된 광은 실질적으로 시준되고(collimated) 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도(average radiance exitance)의 ± 8 % 내로 균일한 복사발산도를 가짐;을 포함한다.
하나의 예시에서, 상기 발광 유닛은 상기 광원 및 광학 시스템을 작동하게 지지하는 지지 구조를 포함한다. 또한 하나의 예시에서, 상기 내부 영역(R1)은 제 마이크로-프리즘을 포함하지만, 이 마이크로-프리즘은 오직 굴절에 의해서만 작동한다.
본 발명의 다른 관점은 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일한 광을 방출하는 발광 유닛에 대한 것이다. 상기 발광 유닛은: 중심 지지 구조 축, 출력 말단을 형성하는 개방 전면 말단, 및 상기 개방 전면 말단에서 그리고 바닥 표면과 적어도 하나의 측벽에 의해 형성된 내부 개구를 갖는 지지 구조; 상기 바닥 표면에 배치되거나 인접하고 발산 광을 방출하는 광원; 상기 지지 구조 내부에 배치된 단일 모놀리식 렌즈 요소(single monolithic lens element), 여기서 상기 렌즈 요소는: i) 중심 렌즈 축; ii) 상기 광원에 인접하고 이격되며 상기 발산 광을 수신하고 그로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 하부 표면; 및 iii) 상기 출력 말단에서 또는 이에 인접해 있으며 상기 제1 재지향된 광을 수신하고 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 상부 표면;을 포함함;를 포함한다. 상기 하부 표면은 0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성된 내부 및 외부 영역을 포함하는 제1 미세구조를 가지며, 상기 내부 영역 내의 제1 미세구조는 상기 발산 광을 단지 굴절시키지만 반면 상기 외부 영역 내의 제1 미세구조는 상기 발산 광을 굴절시키며 전반사시켜 제1 재지향된 광을 형성한다. 상기 외부 표면은 제2 미세구조를 가지며, 상기 제2 미세구조는 제1 재지향된 광을 수신하고 거기로부터 제2 재지향된 광을 형성하며, 상기 제2 재지향된 광은 실질적으로 시준되고 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도의 ± 8 % 내의 균일한 복사발산도를 갖는다.
본 발명의 다른 관점은 상부 및 하부 표면을 갖춘 모놀리식 본체를 가진 단일 렌즈 요소를 이용하여 발산 광을 방출하는 적어도 하나의 광원으로부터 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일한 광 빔(light beam)을 형성하는 방법에 대한 것으로서, 상기 방법은: 0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성된 내부 및 외부 영역을 포함하며 적어도 외부 영역의 제1 미세구조를 가진 하부 표면에서 상기 발산 광을 수신하는 단계; 상기 내부 영역에서 상기 발산 광을 오직 굴절만시키고 상기 외부 영역에서는 상기 발산 광을 굴절 및 전반사시킴으로써 상기 발산 광으로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 단계, 여기서 상기 제1 재지향된 광은 상기 모놀리식 본체를 통해 상부 표면으로 전송됨; 및 오직 굴절만되는 제2 미세구조를 이용하여 상기 상부 표면에서 상기 제1 재지향된 광으로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 단계, 여기서 상기 제2 재지향된 광은 상기 광 빔을 정의하며 실질적으로 시준되고 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도의 ± 8 % 내의 균일한 복사발산도를 갖음;를 포함한다. 상기 방법의 한 예시에서, 상기 하부 표면의 내부 영역은 또한 제1 미세구조를 포함한다. 하나의 예시에서, 제1 및 제2 미세구조는 각각 제1 및 제2 마이크로-프리즘을 포함한다.
본 발명의 다른 관점은 본원에 개시된 것과 같은 발광 유닛의 배열을 포함하는 발광 장치에 대한 것이다.
본 발명의 다른 관점은 보는 공간에서 보는 사람이 볼 수 있는 디스플레이 디바이스에 대한 것으로, 이는 발광 장치, 상기 발광 장치에 바로 옆에 인접하게 작동하게 배치된 이미지 디스플레이 유닛, 및 상기 이미지 디스플레이 유닛에 바로 옆에 인접하게 작동하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛을 포함한다.
본 발명의 초가 특징 및 이점들은 하기의 자세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 상기 설명으로부터 통상의 기술자에게 쉽게 이해될 것이며 또는 하기의 자세한 설명과 청구 범위, 및 첨부된 도면을 포함하는 본원에 설명된 것과 같은 실시예를 실행함으로써 이해될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 하기의 자세한 설명 모두는 단지 예시이며, 청구 범위의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 및 프레임워크를 제공하려는 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면들은 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서의 일부를 구성하고 일부로 포함된다. 도면들은 하나 이상의 실시예를 도시하며, 설명과 함께 다양한 실시예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본원에 개시된 발광 장치를 포함하는 예시의 디스플레이 디바이스의 개략적인 부분적으로 분해된 측면도이다.
도 2a 및 2b는 각각 하나의 예시로서 사각형 단면 형상(도 2a)을 가진 지지 구조와 다른 예시로서 원형 단면 형상(도 2b)을 가진 지지 구조를 갖춘 발광 유닛의 배열을 포함하는 예시의 발광 장치에 대한 평면도이다.
도 3a는 예시의 발광 유닛의 단면도로서, 실질적으로 시준된 광 빔을 방출하며 광원에서 이격된 두 측면의 프레넬 렌즈를 포함하는 프레넬 광원 시스템을 나타낸다.
도 3b는 도 3a와 유사하며 상기 프레넬 광학 시스템이 두 개의 이격된 프레넬 렌즈 요소를 포함하는 예시의 실시예를 나타낸다.
도 4a 내지 4c는 상기 프레넬 광학 시스템의 하부 표면의 일부분의 확대 단면도로서, 굴절 및 전반사(TIR)에 의해 작동하는 외부 영역과 굴절을 통해서만 작동하는 내부 영역에 대한 각각의 표면 구성(미세구조)을 나타낸다.
도 5a는 도 3a와 유사하며, 상기 상부 및 하부 표면으로부터의 광학 손실이 없는 경우에 대해 광원으로부터 발광 유닛의 출력 말단으로의 이상적인 광선의 광학 경로를 나타내며, 시준된 광 빔을 형성하기 위해 광을 시준하도록 구성된, 상기 하부 표면이 상부 표면에서 균일하지만 비-시준된 광을 형성하는 광학 시스템의 주 설계 원리를 나타낸다.
도 5b는 도 5a와 유사하며, 광원으로부터 발광 유닛의 출력 말단으로 컴퓨터 시뮬레이트된 광선의 광학 경로를 나타내며, 상부 및 하부 표면에서 광학 손실을 설명하는 것을 포함하고, 상기 광선은 모두 동일한 강도를 갖지 않는다.
도 5c는 도 5b와 유사하며, 동일한 강도를 가진 광선으로 출력된 광 빔을 나타내며 상부 및 하부 표면에서 광학 손실을 설명할 때에도 도 5b의 출력된 광 빔이 어떻게 도 5a에 도시된 이상적인 형태를 실제로 갖는지를 나타낸다.
도 6은 발광 유닛의 광학 시스템의 상부 표면과, 이에 더해 이미지 디스플레이 유닛 및 도 1에 도시된 바와 같이 거기에 인접하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛에 대한 확대 단면도로서, 상기 시준된 광선이 어떻게 상기 콘트라스트-강화 유닛의 애퍼쳐를 통해 지향되는지를 나타낸다.
도 7a는 도 3a와 유사하며, 광원이 광원 상부 표면에 인접하게 배치된 콜렉터 광학 시스템(collector optical system)을 포함하는 예시의 실시예를 나타낸다.
도 7b는 도 7a와 유사하며, 상기 콜렉터 광학 시스템의 출력 말단으로부터 발광 유닛의 출력 말단으로 전달할 때의 광의 컴퓨터-시뮬레이트된 광선 추적을 포함한다.
도 8은 도 3a와 유사하며 두 개의 이격된 광원을 포함하는 예시의 발광 유닛을 나타낸다.
도 9a는 예시의 광학 시스템에 대한 하부 표면의 제1 (내부) 영역에 있는 굴절 마이크로-프리즘에 대한 경사 S(°) 대 표준화된 반경 좌표 ρ의 그래프이다.
도 9b는 도 9a와 유사하며, 예시의 프레넬 광학 시스템에 대한 하부 표면에 대한 굴절 + TIR 마이크로-프리즘을 위한 경사 S를 나타낸다.
도 9c는 도 9a와 유사하며, 예시의 프레넬 광학 시스템에 대한 상부 표면에 대한 굴절 마이크로-프리즘에 대한 경사 S를 나타낸다.
이제 첨부된 도면에 도시된 예시의 실시예를 자세하게 참조한다. 가능하면, 동일한 참조 번호가 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 같은 부품을 나타내는데 사용될 것이다. 도면의 구성은 반드시 스케일대로이지 않으며, 대신 예시의 실시예의 원리를 나타낼 때 강조된다.
하기 설명에서, 변수 "r"은 광학 시스템(218)의 렌즈 축(AL)에 수직으로 측정된 반경 좌표를 나타낸다. 변수 "R"은 광학 시스템(218) 또는 광학 시스템의 렌즈 요소(220) 또는 렌즈 요소(220U, 220L)의 반경을 나타낸다. 변수 ρ는 표준화된 반경 좌표를 나타내고 ρ = r/R 또는 ρ = x/X 로 정의되며, 여기서 "X"는 광학 시스템의 x-좌표를 나타낸다.
또한, 하기 논의에서, 설명을 용이하게 하기 위해, 하기에 도입되고 논의된 광(210), 광(211), 및 광(212)과 같은 특정 광에 대해, 이러한 "광(light)"은 또한 논의의 문맥에 따라, "광빔(light beam)" 또는 "광선(light ray)", 또는 "광선들(light rays)"로 나타낸다.
하기 논의에서, "실질적으로 시준된(collimated)"이란 용어는 하나의 예시로서, 산란된 광과 연관된 광선을 포함하지 않는, 출력된 광빔(212)의 광선의 적어도 80 %가 적어도 하나의 평면에서 ± 5°이하의 각도로 발산하는 것을 의미한다. 일부의 경우, 시준된 광에 대한 언급은, 실린더형 광학 시스템과 연관된 것과 같이, 하나의 평면에서만 시준된 광을 포함할 수 있으며, 반면 다른 경우, 비-실린더형(예, 구형) 광학 시스템과 연관된 것과 같은, 두 직교 평면에서의 시준을 포함할 수 있다.
디스플레이 디바이스
도 1은 예시의 디스플레이 디바이스(10)에 대한 개략적인 부분적으로 분해된 측면도로서, 중심 디스플레이 축(AD)을 갖는다. 상기 디스플레이 디바이스(10)는 하나 이상의 발광 유닛(110)의 배열(108)을 포함하는 전면(102)을 가진 발광 장치(100)를 포함한다. 각각의 발광 유닛(110)은 실질적으로 시준된 광(212)이 방출되는 전면 말단(112)을 갖는다. 발광 장치(100) 및 발광 유닛(110)의 세부사항은 하기에서 더 자세하게 설명된다. 상기 시준된 광(212)은 디스플레이 장치(10)에 대한 백라이트 조명을 형성하는데 사용될 수 있다.
상기 디스플레이 디바이스(10)는 전면(22) 및 후면(24)을 가진 이미지 디스플레이 유닛(20)를 더 포함하며 이는 발광 장치(100)의 전면(102)에 인접하게 배치된다. 상기 디스플레이 디바이스(10)는 또한 전면(32) 및 후면(34)을 가지며 이미지 디스플레이 유닛(20)의 전면(22)에 인접하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛(30)을 포함한다. 하나의 예시에서, 디스플레이 디바이스(10)는 상부 표면(52)을 가지며 상기 콘트라스트 강화 유닛(30)의 상부 표면(32)에 인접하게 배치된다. 이러한 구성에서, 발광 장치(100)는 직접-조명 백라이트 역할을 한다.
보는 사람(12, viewer)은 투명 커버의 상부 표면(52)에 인접한 보는 공간(14)으로부터 디스플레이 디바이스(10)를 보는 것으로 도시된다. 하나의 예시에서, 보는 공간(14)은 디스플레이 디바이스(10)에 입사하는 환경광(16, ambient light)을 포함한다.
디스플레이 디바이스(10)의 인접한 구성은 서로 부착된 것(예컨대, 광학적으로 깨끗한 부착), 베젤 또는 프레임 내에 고정된 것(그 사이에 공기 갭을 포함하거나 그렇지 않거나), 또는 공지되고 당업계에 사용되는 다른 적합한 결합 메커니즘을 통해 결합되는 것을 포함하여, 수많은 방법으로 서로에 대해 작동하게 배열될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상기 이미지 디스플레이 유닛(20)은 발광 장치(100)로부터 방출된 시준된 광(212)이 이미지 디스플레이 유닛에 입사되도록 배치된다. 상기 이미지 디스플레이 유닛(20)은 디스플레이 픽셀(26, display pixels)의 배열을 포함한다. 예를 들어, 디스플레이 픽셀(26)의 배열은 원하는 크기의 이미지를 디스플레이하기 위한 적합한 x 및 y-차원(예, 폭 및 길이)을 가진 2차원(2D)이다. 각각의 디스플레이 픽셀(26)은 시준된 광(212)의 통로를 제어하도록 구성된 광 밸브(light valve)를 포함하며 그를 통해 디스플레이 광(214)을 형성한다.
하나의 예시에서, 이미지 디스플레이 유닛(20)은 LCD 패널을 포함하고, 디스플레이 픽셀(26)의 배열은 LCD 셀(cell)의 배열을 포함한다. 각각의 LCD 셀은 열고 닫히도록 구성되어 그를 통해 시준된 광(212)의 통행을 제어한다. 일부 실시예에서, 각각의 디스플레이 픽셀(26)은 다수의 서브-픽셀(sub-pixels)(도시되지 않음)로 분할되어, 인접한 적색, 녹색, 및 청색 서브-픽셀을 이용하여 컬러 이미지가 발생될 수 있다. 일부 실시예에서, 시준된 광(212)은 이미지 디스플레이 유닛(20)의 디스플레이 픽셀(26)을 통과하므로 디스플레이 광(214)은 보는 사람(12)이 볼 수 있는 이미지를 정의하는 상응하는 이미지 픽셀(216)을 포함한다. 일부 실시예에서, 이미지 디스플레이 유닛(20)은 예컨대, 입력 및 출력 편광판(polarizers)(도시되지 않음)과 같은, 하나 이상의 편광 레이어를 포함한다.
콘트라스트-강화 유닛(30)은 이미지 디스플레이 유닛(20)으로부터 상기 디스플레이 광(214)을 수신하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 콘트라스트-강화 유닛(30)은 콘트라스트-강화 시트로 구성된다. 상기 콘트라스트-강화 시트는 실질적으로 평평하거나 평면일 수 있다. 대안으로서, 상기 콘트라스트-강화 시트는 비-평면일 수 있다. 예를 들어, 상기 콘트라스트-강화 시트는 만곡되거나, 감기거나(예, 튜브로), 굽혀지거나(예, 하나 이상의 에지에서), 또는 다른 비-평면 구성으로 형성될 수 있다. 하나의 예시에서, 콘트라스트-강화 유닛(30)은 콘트라스트-강화 유닛의 상부 및 하부 표면(32, 34)을 형성하는 적어도 하나의 투명한 기판(31)을 포함한다. 하나의 예시에서, 기판(31)은 50 μm ≤ TH31 ≤ 3 mm 범위의 두께(TH31)를 갖는다. 하나의 예시에서, 기판(31)의 상부 표면(32)은 표면 릴리프 디퓨저 텍스처(a surface relief diffuser texture)(도시되지 않음)를 가질 수 있으며, 이는 에퍼쳐(40, apertures)(하기에 도입되고 설명됨)를 통과하는 디스플레이(214)의 추가 퍼짐을 야기할 수 있으며, 이와 함께 환경광(16)의 흡수를 용이하게 할 수 있는 광-흡수 레이어(38)로 텍스처를 전달하게 할 수 있다. 상기 기판(31)의 상부 표면(32)은, 광-흡수 레이어(38)로 코팅되면, 환경광(16)을 포획하고 또한 환경광 역-반사를 줄이는 미세구조(도시되지 않음)를 또한 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 콘트라스트-강화 유닛(30)의 하부 표면(34)은 광학 요소(36)의 배열을 지지하며, 반면 상부 표면(32)은 애퍼쳐(40)의 배열을 포함하는 광-흡수 레이어(38)를 지지한다. 상기 애퍼쳐(40)는 광학 요소(36)와 축방향으로 정렬된다. 예를 들어, 각각의 광학 요소(36)는 적어도 하나의 애퍼쳐(40)와 축방향으로 정렬된다. 하나의 예시에서, 애퍼쳐(40)는 5 μm ≤ wA ≤ 500 μm 범위의 폭을 갖는다. 예시로서, 애퍼쳐(40)는 리소그라피(lithography) 공정 또는 어블레이션(ablation) 공정을 이용하여 광-흡수 레이어(38)에 형성될 수 있다. 하나의 예시로서, 광-흡수 레이어(38)는 0.5 μm ≤ TH38 ≤ 100 μm 범위의 두께(TH38)를 갖는다. 상기 애퍼쳐(40)는 원형, 타원형, 사각형 및 직사각형을 포함하는 임의의 적정한 형태를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 요소(36)는 마이크로렌즈(microlenses)를 포함한다. 상기 마이크로렌즈는 실린더형, 또는 비실린더형 렌티큘러 렌즈(acylindrical lenticular lenses), 구면 렌즈, 비구면 렌즈, 다른 적절한 렌즈 형태, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 마이크로렌즈는 상기 콘트라스트-강화 유닛(30)의 폭 및/또는 길이를 적어도 부분적으로 가로질러 연장된 렌티큘러 렌즈로 구성된다. 다른 예시로서, 상기 마이크로렌즈는 상기 콘트라스트 강화 유닛(30)의 폭 및/또는 길이에 대해 흩어진(예, 2D 배열로) 구면 렌즈로 구성된다. 부가적으로, 또는 대안으로서, 광학 요소(36)는 원형, 직사각형, 다른 적합한 형태, 또는 이들의 조합을 가진다. 하나의 예시로서, 광학 요소는 50 μm ≤ wE ≤ 500 μm 범위의 폭을 갖는다.
이미지 디스플레이 유닛(20)을 통과하는 상기 디스플레이 광(214)은 하부 표면(34)에서 콘트라스트-강화 유닛(30)으로 들어가며 콘트라스트-강화된 광(214CE)으로서 상부 표면(32)에서 상기 콘트라스트-강화 유닛을 나온다. 상기 콘트라스트-강화된 광(214CE)은 콘트라스트-강화된 이미지 픽셀(216CE)을 포함한다. 상기 콘트라스트-강화된 광(214CE)은 보는 공간(14)을 지나(예, 투명 커버(50)를 통과하여) 보는 사람(12)이 보기 위한 볼 수 있는 이미지를 형성한다.
일부 실시예에서, 이미지 디스플레이 유닛(20) 및 콘트라스트-강화 유닛(30)은 광학 요소(36)가 디스플레이 광(214)의 이미지 픽셀(216)을 상기 콘트라스트-강화 유닛의 상응하는 애퍼쳐(40)에 촛점을 맞추도록 배열된다. 예를 들어, 이미지 디스플레이 유닛(20)에 의해 투과된 다수의 이미지 픽셀(216)은 광학 요소(36)의 배열에 의해 애퍼쳐(40)의 배열에 촛점이 맞춰지므로 상기 이미지 픽셀(216)은 상기 광-흡수 레이어(38)의 애퍼쳐를 통과하여 보는 사람(12)이 볼 수 있는 콘트라스트-강화된 픽셀(216CE)로 이루어진 콘트라스트-강화된 광(214CE)을 형성한다.
보는 공간(14)의 (예, 태양, 실내 조명, 또는 다른 광원으로 부터의) 환경광(16)은 예컨대, 투명 커버(50)를 통해, 콘트라스트-강화 유닛(30)의 상부 표면에 입사될 수 있다. 즉, 외부 디스플레이 디바이스(10)로부터의 환경광(16)은 그 최상부 표면에서 디스플레이 디바이스에 입사될 수 있다. 상기 광-흡수 레이어(38)는 애퍼쳐(40)의 외부의 광-흡수 레이어에 쏟아지는 이러한 환경광(16)의 적어도 일부분을 흡수한다. 이러한 환경광(16)의 흡수는 상기 흡수된 환경광이 볼 수 있는 이미지로서 콘트라스트-강화 유닛(30)에 의해 방출된 콘트라스트-강화된 광(214CE)과 상호작용하지 않기 때문에 디스플레이 디바이스의 콘트라스트를 증가시킬 수 있다.
따라서, 애퍼쳐(40)가 차지한 구역이 비교적 작은 것이 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 애퍼쳐(40)는 광-흡수 레이어(38)의 상부 표면(32)의 표면 구역의 최대 약 50 %, 최대 약 40 %, 최대 약 30 %, 최대 약 30 %, 최대 약 20 %, 최대 약 10 %, 최대 약 5 %, 또는 최대 약 1 %를 차지한다. 따라서, 하나의 예시로서, 광-흡수 레이어(38)의 표면 구역의 대부분은 환경광(16)을 흡수하고 디스플레이 디바이스(10)의 콘트라스트를 감소시키도록 광 흡수 재료에 의해 점유된다.
발광 장치
도 2a 및 2b는 발광 장치(100)의 예시의 평면도로서, 배열(108)로의 발광 유닛(110)에 대한 다른 구성을 나타낸다. 도 2a에서, 예시의 발광 유닛(110)은 사각 단면 형상을 가지며, 확대도로 도시된 바와 같은 예시의 지지 구조(150)로 형성된 "사각 실린더"(또는 더욱 정확하게, "사각 육면체")로 형성되는 것으로 도시된다. 도 2b에서, 예시의 발광 유닛(110)은 원형 단면 형태를 가지며, 일반적으로 확대도로 도시된 바와 같은 예시의 지지 구조(150)에 의해 형성된 원형 실린더로 형성된 것으로서 도시된다.
도 3a는 예시의 발광 유닛(110)에 대한 확대 단면도이다. 하나의 예시로서, 발광 유닛(110)은 전술한 지지 구조(150)를 포함한다. 하나의 예시로서, 지지 구조(150)는 중심 축(AH)과 전방 말단(152)에서 개방된 내부(151)를 갖는다. 상기 전방 말단(152)은 시준된 광(212)이 이러한 말단에서 지지 구조(150)로부터 출력되기 때문에 본원에서는 또한 "출력 말단"으로 나타낸다. 지지 구조(150)는 말단벽(156) 및 적어도 하나의 측벽(160)을 포함한다. 적어도 하나의 측벽(160)은 적어도 하나의 측벽 내부 표면(162)을 가지며 반면 상기 말단벽(156)은 바닥 표면(164)을 형성한다. 따라서, 지지 구조(150)의 개방 내부(151)는 적어도 하나의 측벽 내부 표면(162) 및 바닥 표면(164)에 의해 형성된다. 바닥 표면(164)으로부터 지지 구조(150)의 전방 또는 출력 말단(152)의 축방향 거리는 (DH)로 나타내며 하나의 예시로서 5mm ≤ DH ≤ 100 mm 범위에 있다. 지지 구조(150)의 다른 형태는 또한 발광 유닛(110)의 주요 구성요소 즉, 하기에 도입되고 설명된 것과 같은, 광원(200) 및 프레넬 광학 시스템(218)을 지지하기 위해 채용될 수 있다. 하나의 예시로서, 지지 구조(150)는 하우징을 형성한다.
발광 유닛(110)은 하나의 예시로서 지지 구조(150)의 내부(151)의 바닥 표면(164)에 배치되거나 인접하며 지지 구조 중심 축(AH)을 따를 수 있는 광원(200)을 포함한다. 상기 광원(200)은 광(210)이 방출되는 상부 표면(202)을 갖는다. 사익 광원(200)은 발광 다이오드(LED)일 수 있으며, 또는 LED의 배열일 수 있다. 도면에 확대된 것처럼, 예시의 광원(200)은 각각 적색, 녹색 및 청색을 방출하는 R, G, 및 B 발광 요소와 같은 하나 이상의 발광 요소(204)를 포함할 수 있다.
방출된 광(210)은 광범위 방출 분포(예컨대, 램버시안(Lambertian))를 가질 수 있다. 다른 예시에서, 광원(200)은 광원을 떠날 때 광(210)의 발산을 줄이는 역할을 하는, 즉, 마이크로렌즈 요소 부재시의 경우보다 광이 더 좁은 방출 분포를 갖게 하는 작은 렌즈(206)를 포함할 수 있다. 방출된 광(210)은 일반적으로 하나의 예시로서 발산 반각(θD)으로 측정된 발산의 양으로 발산된다.
상기 발광 유닛(110)은 또한 광원(200)에서 이격된 전술한 프레넬 광학 시스템(이후, "광학 시스템")(218)을 포함한다. 하나의 예시로서, 광학 시스템(210)은 지지 구조(150)의 내부(151) 내에 작동하게 배치된다. 하나의 예시로서, 광학 시스템(218)은 굴절율(nL)의 본체(221), 상부 표면(222), 대립하는 하부 표면(224) 및 외부 에지(226)를 가진 단일 렌즈 요소(220)로 구성된다. 비록 각각이 각각 미세구조(232, 234)(도 3a에 상부 및 바닥의 확대도 참조)를 포함하지만, 상기 상부 및 하부 표면(222, 224)은 일반적으로 서로 평행하며 일반적으로 평면이다. 광학 시스템(218)의 설계 및 예시의 렌즈 요소(220)는 하기에서 더 자세하게 설명된다. 상부 및 하부 표면(222, 224)은 광학 시스템(218)의 상부 및 하부 표면을 형성한다.
상기 광학 시스템(218)은 하부 표면(224)이 축방향 거리(DS)에 의해 광원(200)의 상부 표면(202)에 인접하지만 이격되도록 내부(151)에 배치된다. 하나의 예시로서, 거리(DS)는 2 mm ≤ DS ≤ 25 mm 범위에 있지만, 다른 예시에서는 5 mm ≤ DS ≤ 15 mm 범위에 있다. 하나의 예시로서, 광학 시스템(218)의 상부 표면(222)은 실질적으로 지지 구조(150)의 출력 말단(152)과 동일 평면상에 있다. 또한, 하나의 예시에서, 렌즈 요소(220)의 외부 에지(226)는 지지 구조(150)의 측벽 내부 표면(162) 밀접하게 접촉하지 않은 경우 바로 인접하게 있다. 따라서, 광학 시스템(218)은 광원(200)의 상부 표면(202)과 렌즈 요소(220)의 하부 표면(224) 사이의 내부(151) 내에 공기 공간(154)을 형성한다.
상기 광학 시스템(218)은 또한 렌즈 중심 축("렌즈 축")(AL), 상부 및 하부 표면(222, 224) 사이에 측정된 축방향 길이(LA), 및 폭 또는 클리어 애퍼쳐(CA, clear aperture)를 갖는다. 하나의 예시로서, 축방향 길이(LA)는 5 mm ≤ LA ≤ 20 mm 범위에 있으며 클리어 애퍼쳐(CA)는 12 mm ≤ CA ≤ 100 mm 범위에 있다. 하나의 예시로서, 렌즈 축(AL)과 지지 구조 중심 축(AH)은 동축이다. 렌즈 요소(200)는 또한 CA = 2R, 또는 R = CA/2가 되도록 렌즈 축(AL)에서 방사상 바깥쪽으로 측정된 반경(R)을 갖는다. 광학 시스템(218)이 실린더형인 하나의 예시에서, R = X 이며 렌즈 축(AL)이 중앙 평면에 놓인다. 하나의 예시로서, 상기 렌즈 축(AL)은 또한 광학 시스템 축이다.
하나의 예시에서, 렌즈 요소(220)는 모놀리식, 즉, 단일 등방성 재료로 이루어진 본체(221)를 가지며, 굴절률(nL)은 실질적으로 본체 내에서 일정하다. 이러한 예시에서, 광학 시스템(218)의 축방향 길이(LA)는 렌즈 요소(220)의 본체(221)의 축방향 두께와 동일하다. 다른 예시에서, 렌즈 요소(220)는 예컨대, 함께 적층된 다른 굴절률(nL1, nL2)을 가진 다른 재료의 레이어들을 이용하는, 하나 이상의 재료로 만들어질 수 있다. 또한 하나의 예시에서, 상부 및 하부 표면(222, 224) 사이의 본체(221) 내에 공기 공간이 없다. 하나의 예시에서, 본체(221)는 경사진 굴절률을 가질 수 있다. 즉, 렌즈 축(AL)에서 바깥으로 측정된 것과 같이 nL이 반경 좌표 (r)(또는 표준화된 좌표 ρ)의 함수에 따라 변한다. 일부의 경우, 상기 렌즈 요소가 상부 및 하부 표면(222, 224)의 우수한 축방향 정렬을 야기하는 방식의 단일 몰딩 공정에서 형성될 수 있기 때문에 단일 모놀리식 렌즈 요소(220)로 구성된 광학 시스템(218)은 바람직하다.
도 3b에 도시된 다른 예시에서, 렌즈 요소(220)는 그 사이에 공기 공간(155)을 가지며 각각 상부 표면(222) 및 하부 표면(224)을 포함하는 제1 및 제2 이격된 상부 및 하부 렌즈 요소(220U, 220L)로 분할된다. 상기 상부 및 하부 렌즈 요소(220U, 220L)는 또한 각각 본체(221U, 221L) 및 공기 공간(155)을 가로질러 서로 마주하는 표면(223U, 223L)을 포함한다. 두-요소 예시에서, 상부 표면(222) 및 그와 대립하는 표면(223U)은 "상부" 프레넬 표면(222)이 광원(200)을 향하고 대립하는 평면 표면(223U)이 보는 사람(12)을 향하도록 전환될 수 있으며, 개선된 광학 효율 및 이와 함께 디스플레이 디바이스(10)(도 1 참고)의 제작의 편의성을 위해 이미지 디스플레이 유닛(20)의 하부 표면(24)에 접착될 수 있다. 하기 논의에서, 논의의 편의 및 편리를 위해, 도 3a에 도시된 것과 같은 단일 렌즈 요소(220)를 가진 광학 시스템(218)의 실시예를 참고한다.
하나의 예시에서, 렌즈 요소(220)(또는 상부 및 하부 렌즈 요소(220U, 220L))의 본체(221)를 만드는 재료는 예컨대, 아크릴, 폴리스티렌, 또는 폴리카보네이트와 같은, 열가소성 재료 또는 폴리머이다. 다른 예시에서, 유리로 만들어진다. 따라서, 도 3a에 도시된 것과 같은 예시에서, 렌즈 요소(220)는 발광 유닛(110)의 오직 렌즈 요소(게다가 채용된 경우, 선택적 소형 렌즈(206))만이 제공되며, 따라서, 하나의 예시에서는 광원(200)의 상부 표면(202)과 지지 구조(150)의 전방 말단(152) 사이에 있는 오직 굴절 렌즈 요소만이 제공된다. 렌즈 요소(220)가 도 3b에 도시된 것처럼, 두 개의 이격된 렌즈 요소(220U, 220L)로 분리된 예시에서, 이때 하나의 예시에서, 발광 유닛(110)의 오직 두 개의 이러한 굴절 렌즈 요소만이 존재한다.
앞서 기술되고 도 3a의 확대도에 도시된 것처럼, 광학 시스템(218)의 상부 및 하부 표면(222, 224)은 각각 미세구조(232, 234)를 포함한다. 하나의 예시에서, 미세구조(232, 234)는 각각 종래의 프레넬 렌즈와 유사한, 소형 프리즘 섹션 또는 "마이크로-프리즘"(242, 244)에 의해 형성된다. 다양한 예시에서, 마이크로-프리즘(242, 244)은 선형, 실린더형, 비실린더형 또는 원형일 수 있다. 마이크로-프리즘(242, 244)이 선형인 경우, 이때 하나 이상의 광원(200)이 광학 시스템(218)의 선형 초점 라인에서 배열될 수 있다. 마이크로-프리즘(242, 244)이 원형인 경우, 이때 광원(200)은 광학 시스템(218)의 초점에서 배열될 수 있다. 하나의 예시에서, 마이크로-프리즘(242, 244)은 25 μm 내지 150 μm 범위의 폭(wP)(베이스에서 측정된)을 갖는다.
광학 시스템(218)은 이중 측면 프레넬 광학 시스템 타입으로 고려될 수 있다. 광학 시스템(218)의 단일 렌즈 실시예에서, 단일 렌즈 요소(220)는 이중-측면 프레넬 렌즈 요소이다. 그러나, 종래의 프레넬 렌즈와 달리, 마이크로-프리즘(242, 244)은 간단한 구형 표면 또는 단순한 비구형 표면의 분할에 기초하지 않는다. 사실상, 이러한 표면들이 과도하게 큰 렌즈 두께(예, 축방향 길이(LA)의 두 배)를 초래하기 때문에 그리고 조명되는 곳으로부터 표면의 특정 영역을 차단하게 되는 표면 지형을 갖는 특정 경우, 상부 또는 하부 표면(222, 224) 중 어느 하나에 가용한 등가의 단일-표면 대응물이 존재하지 않는다.
하기에 더 자세하게 설명된 것처럼, 광(210)은 하부 표면(224)에 의해 매핑(mapped)되거나 재지향되므로 상부 표면(222)을 나온 광은 실질적으로 균일하다. 즉, 중심에서는 더 밝지 않고 에지에서 더 어둡지만, 대신 실질적으로 일정한 복사발산도를 갖는다. 하나의 예시에서, 상부 표면(222)을 나온 시준된 광(212)의 복사발산도는 평균 복사발산도(예, 중간의 복사발산도)의 ± 10 % 내에서 균일하며, 또한 하나의 예시에서, 평균 복사발산도의 ± 8 % 내에서 균일하며, 또한 하나의 예시에서, 평균 복사발산도의 ± 4 % 내에서 균일하다.
도 4a는 광학 시스템(218)의 하부 표면(224)에서 예시의 미세구조(234)에 대한 단면도이다. 미세구조(234)의 마이크로-프리즘(244)은 렌즈 축(AL) 근처의 제1 또는 내부 영역(R1)에서만 굴절되도록 구성되지만, 반면 렌즈축에서 멀리 있는 제2 또는 외부 영역(R2)의 마이크로-프리즘은 굴절과 전반사(TIR) 모두를 이용하여 작동하도록 구성되고, 여기서 순전히 굴절시키는 마이크로-프리즘은 광학적으로 손실이 있고 비효율적이다. 따라서, 외부 영역의 제1 마이크로-프리즘은 제1 외부 마이크로- 프리즘을 포함하고, 하부 표면의 내부 영역은 제1 내부 마이크로-프리즘을 포함한다. 부가적으로, 또는 대안으로서, 외부 영역의 제1 미세구조는 제1 외부 미세구조를 포함한다. 내부 및 외부 영역(R1, R2) 사이의 전이는 하나의 예시로서 0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위를 가지며, 다른 예시로서, 0.66 ≤ ρT ≤ 0.75 범위를 가진 표준화된 전이 반경(ρT)에서 일어난다.
미세구조(234)의 다른 예시에서, 내부 영역(R1)에서 하부 표면(224)의 일부는 매끈하거나 또는 연속적이며, 즉, 마이크로-프리즘(244)을 포함하지 않는다. 하나의 예시에서, 내부 영역(R1)에서의 매끄럽거나 연속적인 표면(224)은 이 영역 내에 있게 되는 미세구조(234)와 동등한 곡률(특히 오목한 곡률)을 가질 수 있다. 이 영역의 마이크로-프리즘(234)의 경서가 외부 영역(R2)의 경사만큼 크지 않기 때문에 내부 영역(R1)에서 가능하다. 따라서, 광학 시스템(218)의 한 예시에서(특정 예시에서, 렌즈 요소(220)), 하부 표면(224)은 오직 외부 영역(R2)에만 마이크로-프리즘(244)을 포함하며, 상기 프리즘은 굴절 및 TIR 모두를 사용하여 작동하며, 내부 및 외부 영역(R1, R2)을 형성하는 전이 반경(ρT)은 내부 영역(R1)이 또한 마이크로-프리즘(244)을 포함하는 경우에 대해 바로 앞서 논의된 바와 같이 정의된다.
도 4b는 렌즈 요소(220)의 외부 영역(R2)에서 미세구조(234)의 예시의 마이크로-프리즘(244)의 확대도로서, 렌즈 축(AL)에 대해(즉, z-방향) 비교적 급격한 입사각을 가진 광(210)이 어떻게 제1 굴절에 의해 재지향되어 제1 방향으로 전송되고 이후 다시 TIR에 의해 재지향되어 제2 방향으로 전송되는 제1 재지향된 광(211)을 형성하는지를 나타낸다.
도 4c는 렌즈 요소(220)의 내부 영역(R1)의 미세구조(234)의 예시의 마이크로-프리즘(244)의 확대도로서, 렌즈 축(AL)에 대해(즉, z-방향) 비교적 얕은 입사각을 가진 광(210)이 어떻게 단일 굴절에 의해 재지향되어 제1 재지향된 광(211)을 형성하는지를 나타낸다.
렌즈 본체(221)를 통해 전송된 재지향된 광(211)은 시준된 광으로서 상부 표면에 도달하지 않는다. 따라서, 상부 표면(222)의 미세구조(232)는 제1 재지향된 광(211)을 수신하고 제2 재지향된 광(212)을 형성하도록 구성된다. 제2 재지향된 광(212)은 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일하며 지지 구조(150)의 전방 또는 출력 말단(152)에서 나간다. 따라서, 제2 재지향된 광(212)은 실질적으로 z-방향으로, 즉, 실질적으로 렌즈 축(AL)에 평행하게 전송되므로, 또한 본원에서 "시준된 광(212)"으로 나타낸다.
하나의 예시에서, 광학 시스템(218)의 상부 표면(222)에서의 미세구조(232)의 마이크로-프리즘(242)은 모두 굴절만 있도록, 즉, TIR을 이용하여 작동하지 않도록, 구성된다. 또한, 렌즈 축 근처의 광원(200)에(즉, 근축 광(paraxial light)) 의해 방출된 광(210)이 이미 일반적으로 z-방향으로 전송되어, 상응하는 제1 재지향된 광(211)이 또한 일반적으로 z-방향으로 전송되기 때문에, 미세구조(232)는 상부 표면(222)이 렌즈 축(AL)의 바로 근처에(예컨대, ρL < 0.15·ρ의 표준화된 반경 내에) 거의 제로의 광학 파워를 갖도록 구성된다.
마찬가지로, 제1 재지향된 광(211)으로서 렌즈 외부 에지(226) 근처의 위치로 매핑된 광(210)이 또한 하부 렌즈 표면(224)에 의해 실질적으로 시준되기 때문에 상부 표면(222)은 렌즈 에지(226) 근처에서(예컨대, 0.85 ≤ ρE ≤ 1 범위의 표준화된 반경 범위(ρE) 내에) 거의 제로의 광학 파워를 가진다. 따라서, 상부 표면(222)의 미세구조(232)는 내부 및 외부 표준화된 반경(ρ1 , ρ2) 사이에 환형 영역(AR)의 최대 광학 파워를 갖도록 구성되며, 여기서 ρ1 는 0.1 ≤ ρ1 ≤ 0.2 범위에 있고 ρ2는 0.8 ≤ ρ2 ≤ 0.9 범위에 있다. 하나의 예시에서, 상기 환영 영역(AR)의 표준화된 환형 폭은 WA= ρ2 - ρ1 이며 0.6 ≤ WA ≤ 0.8 범위(도 3a 참조)에 있다.
미세구조(232, 234)는 단일 방향으로, 즉, y-방향 또는 x-방향으로 형성될 수 있으며, 또는 두 방향으로, 즉, x-방향 및 y-방향 모두로 형성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 이전 경우에서, 상기 미세구조는 선형이지만 후자의 경우 미세구조는 2차원, 예컨대, 원형이다. 따라서, 전술한 것과 같은 일부의 경우에서, 시준된 광(212)은 단일 평면(예, x-z 평면, 또는 y-z 평면)에서 시준될 수 있으며, 반면 다른 경우에서는 x-z 및 y-z 평면 모두에서 시준될 수 있다. 또한, 미세구조(232, 234) 및 관련된 마이크로-프리즘(242, 244)은, 당업계에 공지된 기술을 이용하여, 상부 및 하부 표면(222, 224) 각각에서 형성된 홈(232G, 234G)에 의해 형성될 수 있다.
도 5a는 도 3a에 도시된 것과 유사한 예시의 발광 유닛(110)의 단면도이며 광원(200)에 의해 방출된 광선(210)의 이상적인 광학 경로를 포함한다. 광선(210)의 광학 경로, 재지향된 광선(211) 및 시준된 광선(212)은 상부 및 하부 표면(222, 224)와 본체(221)로부터 어떤 광학 손실이 없다고 가정한다. 광원(200)으로부터의 광(210)은 상대적으로 큰 각도 범위(예, LED 광원에 대해 ± 60°)에 걸쳐 방출되며 각도 범위에 걸쳐 균일할 필요가 없다. 광선(210)은 발산 광 경로 위로 전송되며 하부 표면(224)에 입사된다. 하부 표면에서의 광선(210)의 간격은 SL(r)로 나타낸다. 광선 간격 SL(r)은 반경(r)에 따라 변하며, 특히 반경(r)이 증가할수록 커진다. 이는 광선(210)이 하부 표면(224)에서 비균일하며, 사실상 렌즈 축(AL)에 가장 많이 집중되고 증가하는 반경에 따라 떨어진다는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 하부 표면(224)은 미세구조(234)를 통해 거기에 구성되어 거기에 입사된 비-균일한 광선(210)을 재지향시켜 이 표면에서 실질적으로 균일한 광 분포를 야기하지만 시준된 광 분포는 아닌 방식으로 상부 표면(222)으로 전송되는 제1 재지향된 광(211)을 형성한다. 상부 표면(224)에서의 광선(211)의 간격은 SU(r)으로 나타낸다. 이 이상적인 예시에서, 광선 간격 SU(r)은 실질적으로 반경과 일정하며, 즉, SU(r) = SU이며, 이는 각각의 광선(211)은 복사발산도의 동일한 양을 나타낸다. 광선(210) 사이의 이러한 실질적으로 일정한 간격은 상부 표면(222)에서 광(211)이 실질적으로 균일하다(즉, 실질적으로 균일한 복사발산도를 갖는다)는 것을 의미한다.
상부 표면(222)은 제2 재지향된 광, 즉, 시준된 광(212)을 형성하기 위해 미세구조(232)를 통해 제1 재지향된 광(211)을 시준하도록 구성된다. 따라서, 이러한 이상적인 예시에서, 하부 표면(224)은 상부 표면(224) 상에 균일하게 이격된 위치로 도달하는 재지향된 광(211)으로서 광(210)을 "맵핑"한다고 말할 수 있으며, 결국 그로부터 시준된 광(선)(212)을 형성하기 위해 균일하게 이격되었지만 비-시준된 광선(211)을 수신하도록 구성된다. 이러한 맵핑을 완수하기 위해, 하부 표면(224)은 전술한 내부 및 외부 영역(R1, R2)을 갖도록 형성되며, 상기 내부 영역(R1)은 오직 굴절 미세구조(234)만을 포함하며 반면 외부 영역은 굴절 및 TIR 미세구조 모두를 포함한다.
도 5b는 도 5a와 유사하며, 비-이상적이며 따라서 상부 및 하부 표면(222, 224)에서 손실이 없는(본체(221) 내의 손실이 실체가 없고 따라서 무시되는) 더욱 실제의 경우를 나타낸다. 이러한 손실은 이러한 표면에서의 반사로 인해 일어나며, 이러한 표면의 각각의 미세구조(232, 234)의 구조로 인해 변하며, 특히 각각의 미세구조(232, 234)를 형성하는 각각의 마이크로-프리즘(242, 244)의 각도 변화로 인해 변한다. 따라서, 재지향된 광(211)의 광선 간격 SU(r)은 상부 표면(222)에서 일정하지 않지만 대신 상부 및 하부 표면 모두에서 일어나는 광학 손실에 대해 보상하기 위해 변화한다. 상부 표면(222)을 떠나는 것으로 도시된 광선(212)은 도 5b에는 도시되지 않지만 손실이 가장 큰 렌즈 요소(220)의 외부 에지(226)에 더 가까이 더욱 타이트하게 집중되면서 시준된다. 그러나, 도 5b에서 상부 표면(222)을 나오며 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 발생된 광선(212)은 모두 동일한 강도를 갖지 않으며, 더욱 타이트하게 집중된 광선은 또한 더 약해진 강도를 가지며, 순수 효과는 실질적으로 균일하고 시준된 광빔(212)이다.
도 5c는 도 5b와 유사하며, 동일한 강도를 가진 것으로 광선(212)을 나타낸다. 상부 표면(222)을 나온 광선(212)이 시준되고 균일해졌기 때문에, 동일한-강도 광선(212)은 즉, 이상적인 예시의 도 5a에 도시된 간격 SU(r) = SU 같이, 실질적으로 일정한 간격 S'U(r) = S'U 를 갖는다.
따라서, 발광 유닛(110)의 광학 시스템(218)은 단순히 시준 렌즈가 아니라 광 균일화기(uniformizer)이며, 즉, "내장된" 광 균일화 성능을 포함하며, 종래의 발광 요소는 디퓨져 또는 광 균질기(light homogenizer)와 같은, 별도의 광-균일화 디바이스 또는 요소를 가지고 수행될 필요가 있다.
도 6은 도 1에 도시된 것과 같은 이미지 디스플레이 유닛(20)과 거기에 인접하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛(30)에 따라 발광 유닛(110)의 광학 시스템(218)의 상부 표면(222)의 확대 단면도이다. 도 6은 하부 표면(224)(도 3a 참고)으로부터의 광(210)이 어떻게 상부 표면(222)으로 재지향된 광(211)으로서 지향되고, 시준된 광(212)을 형성하는지를 보여준다. 시준된 광(212)은 디스플레이 유닛(20)의 디스플레이 픽셀(26)을 통과하여 디스플레이 광(214)과 이미지 픽셀(216)을 형성한다. 상기 디스플레이 광(214)과 이미지 픽셀(216)은 이때 상기 콘트라스트-강화 유닛(30)을 통과해 콘트라스트-강화된 디스플레이 광(214CE)과 콘트라스트-강화된 이미지 픽셀(216CE)을 형성한다.
도 7a는 도 3a와 유사하며 광원(200)이 광원(200)의 상부 표면(202)에 인접하게 배치된 콜렉터 광학 시스템(208)을 포함하는 예시의 실시예를 나타낸다. 상기 콜렉터 광학 시스템(208)은 출력 말단(209)을 갖는다. 콜렉터 광학 시스템(208)은 광원(200)으로부터 방출된 광(210)을 수집(집중)하고 출력 말단(209)을 나갈 때 덜 발산되게 하도록(즉, 발산의 양을 줄이도록) 구성된다. 하나의 예시에서, 콜렉터 광학 시스템(208)은 예컨대, 파라볼릭 반사체(parabolic reflector) 또는 복합 파라볼릭 집광기(compound parabolic concentrator)와 같은 콜렉터 미러(collector mirror) 형태이다. 하나의 예시에서, 콜렉터 광학 시스템(208)은 렌즈 축(AL)에 대해 회전 대칭이며, 반면 다른 예시에서, 다수의 파라볼릭 측면(즉, 다중 측면)을 포함한다. 한 예시에서, 콜렉터 광학 시스템(208)은 광원(200)에 접착되어 콜렉터 광학 시스템이 광원과 광학적으로 접촉된다. 상기 콜렉터 광학 시스템(208)은 중공 또는 속이 찬 형태일 수 있으며 유리 또는 폴리머로 만들어질 수 있다. 한 예시에서, 콜렉터 광학 시스템(208)은 예컨대, 단일 거울형 반사기와 같은 단일 광학 구성요소로 구성될 수 있다. 하나의 예시에서, 콜렉터 광학 시스템(208)은 TIR을 통해 작동한다.
도 7b는 도 7b와 유사하며 콜렉터 광학 시스템(208)의 출력 말단(209)으로부터 발광 유닛(110)의 출력 말단(152)으로 전송되는 것으로서 광(210)의 컴퓨터-시뮬레이션된 광선 추적을 포함한다. 출력 말단(152)에서 출력된 광선(212)의 일부는 발산되며 산란된 광을 나타낸다.
도 7a 및 7b에 도시된 바와 같은 콜렉터 광학 시스템(208)은 더 큰 말단으로 들어가는 광을 집중시키지는 않지만 대신 광원(200)의 상부 표면(202)에 바로 인접하게 있는 더 좁은 말단을 통해 들어가는 광(210)을 집중시키는 "역" 모드에서 작동한다. LED 광원(200)은 약 60도의 반각(θD)을 가진 실질적으로 램버시안 출력(Lambertian output)을 갖는다. 따라서, LED 광원(200)으로부터의 광(210)은 콜렉터 광학 시스템(208)에 의해 θD = +/- 20°이하의 반각을 가진 광으로 집중된다. 따라서, 콜렉터 광학 시스템(208)의 사용은 광(210)이 덜 발산되기 때문에 지지 구조(150)에 대해 더 작은 폭을 야기할 수 있다. 예를 들어, 발광 유닛(110)의 광 처리량의 측정은 콜렉터 광학 시스템(208)의 사용이 종래의 발광 유닛에 비해 70 %까지 광 처리량을 향상시킬 수 있는 것을 나타낸다. 예컨대 콜렉터 광학 시스템(208)을 사용하지 않는 발광 유닛(110)의 광 처리량의 측정은 종래의 발광 유닛에 비해 30 %까지 광 처리량을 개선한다.
도 8은 도 3a와 유사하며, 단일 발광 유닛(110)이 (200A 및 200B)로 나타내는, 두 개의 이격된 광원(200)을 포함하는 예시의 실시예를 나타낸다. 광학 시스템(218)은 전술한 상부 및 하부 표면(222, 224)을 포함하지만, 이러한 표면 각각은 이제 각각의 광원 축(ASA, ASB)을 따라 상응하는 광원(200A, 200B)과 각각 정렬된 각각의 미세구조(232A, 232B 및 234A, 234B) 세트를 포함한다. 따라서, 도 8에 도시된 단일 렌즈 예시에서, 렌즈 요소(220)는 렌즈 섹션(220A)이 상부 및 하부 미세구조(232A, 234A)를 가지며 렌즈 섹션(220B)이 상부 및 하부 미세구조(232B, 234B)를 가진, 렌즈 축(AL)의 양측면에 두 개의 섹션(220A, 220B)을 가진 것으로 생각될 수 있다. 다른 예시에서, 주어진 발광 유닛(110)에 둘 이상의 광원(200)이 포함될 수 있으며, 광학 시스템(218)은 상응하는 섹션(220A, 220B, 220C, ..)에 주어진 수의 광원을 수용하도록 구성된다.
광학 시스템 설계 고려 사항
광학 시스템(218)의 설계는 다수의 고려 사항을 포함하며 한 예시로서 다수의 단계를 포함한다. 하나의 설계 고려 사항은 렌즈 재료와 렌즈 재료의 두께의 선택을 포함한다. 전술한 바와 같이, 한 예시의 렌즈 재료는 아크릴과 같은 열가소성이다. 이러한 재료의 선택은 광학 시스템(218)이 압축 또는 사출 성형 방법으로 대량 생산되도록 한다.
적어도 하나의 렌즈 요소(220)의 두께는 광(212)에 대해 원하는 출력 균일 성을 달성하기 위해 하부 표면(222)에서 발생해야 하는 맵핑의 양에 대한 확고한 함수이고, 더 많은 양의 맵핑은 더 큰 렌즈 두께를 요구한다. 렌즈 요소 두께를 선택하는 대략적인 가이드는 렌즈 요소(220) 내부의 제1 재지향된 광(211)의 최대 각도를 추정하고 이 각도를 2로 나누는 것이다. 광(211)의 발산 각이 렌즈 축(AL)에 대해 최대 약 25 °인 예시에서, 렌즈 요소 두께의 예시적인 값은 약 12 mm이다.
설계 공정의 다른 단계는 하부 표면(224)의 미세구조(234)가 굴절에서 굴절 및 TIR 모두로 변하는 표준화된 전이 반경 ρT를 추정하는 단계를 포함한다. 첫 번째 근사값으로, 이 전이 반경 ρT는 전이 평면 외부의 소스(source)로부터의 플럭스(flux)가 전이 평면 내부의 소스로부터, 하부 표면(224) 바로 위, 그리고 본체(221) 바로 안쪽의 플럭스와 동일하다. 이것은 하부 표면(224)의 투과율도 고려해야 함을 의미한다. 전술한 바와 같이, 전이 반경 ρT의 예시적인 위치는 0.6 ≤ ρT ≤ 0.8, 또는 0.65 ≤ ρT ≤ 0.75 범위 내에 있다.
설계 공정의 또 다른 단계는 하부 표면(224)에 대해 일정한 투과율의 이상적인 가정을 만든다. 이러한 가정하에, 하부 표면(224)의 설계 목표는 도 5a에 도시 된 바와 같이, 상부 표면(222)에서 균일한 복사발산도를 생성하는 것이다. 하부 표면(224)의 미세구조(234)의 초기 선택은 광선(210)의 추정된 요구된 매핑에 기초하여 이루어진다.
그 후, 광학 시스템(218)의 컴퓨터 모델링은 광선 추적을 사용하여 수행되어, 제1 재지향된 광선(211)에 기초하여 상부 표면(222)에 존재하는 비-균일성의 정도를 결정한다. 계산된 비-균일성에 기초하여, 하부 표면(224)의 마이크로-프리즘(244)의 경사가 조정되고, 원하는 균일성이 달성될 때까지 공정이 반복된다.
우수한 균일성이 상부 표면(222)(또는 이 표면 바로 아래)에서 얻어진 후, 이때 우수한 균일성은 상부 표면(예, 이 표면 바로 위 평면에서)에서 출력된 광(212)에 대해 또한 만들어질 수 있지만, 동시에 이러한 균일한 광은 또한 시준될 수 있다. 각각의 마이크로-프리즘(242) 상에 상부 표면(222)에 입사하는 제1 재지향된 광(211)의 매핑 기능(즉, 입사각)에 대한 지식이 주어지면, 미세구조(232)는 컴퓨터 모델링에 포함될 수 있다. 미세구조(232)의 마이크로-프리즘(242)의 경사가 상부 표면(222)을 가로질러 변하기 때문에, 투과율 또한 변할 것이며, 출력 광은 비-균일해질 것이다.
출력 광(212)의 비-균일성이 특성화된 후에, 하부 표면(224)의 미세구조(234)의 마이크로-프리즘(244)의 기울기가 조정되고, 또 다른 광선 추적이 수행된다. 출력 광(212)의 시준이 감소되면, 상부 표면(222)의 미세구조(232)의 마이크로-프리즘 (242)의 경사가 조정되고, 또 다른 광선 추적이 수행된다. 마이크로-프리즘(242, 244)의 경사를 조정하는 이러한 사이클은 출력 빔(212)에서 원하는 균일한 출력 균일성 및 시준이 얻어질 때까지 반복된다.
예시를 통해, 하부 표면(224)의 굴절 마이크로-프리즘(244)의 경사(S)는 하기의 계수들(표 1)을 가진 8차 다항식으로 기술될 수 있다:
LSR0 1.211227203
LSR1 -21.30518573
LSR2 7.863023168
LSR3 -3.811696165
LSR4 2.692908578
LSR5 -0.89742075
LSR6 0.147810393
LSR7 -0.012061359
LSR8 3.92E-04
여기서, 경사(S)(도, °)는 S = LSR0 + LSR1ρ + LSR2ρ2 + LSR3ρ3 + ... + LSR8ρ8 로 주어지며, 여기서 ρ는 표준화된 반경 좌표의 크기를 나타내며 0과 1 사이에 있다. 도 9a는 8차 다항식에 기초한 굴절 마이크로-프리즘(244)에 대한 표준화된 반경 좌표 ρ에 대한 기울기 S(도)의 플롯이다.
마찬가지로, 하부 표면(224)의 굴절 및 TIR 마이크로-프리즘(244)의 경사는 하기의 계수들(표 2)을 가진 3차 다항식으로 기술될 수 있다:
LST0 62.75458920
LST1 -3.23910986
LST2 0.38478709
LST3 -0.01139077
여기서, 경사(S)(도)는 S = LST0 + LST1ρ + LST2ρ2 + LST3ρ3 이다. 도 9b는 도 9a와 유사하지만 3차 다항식에 기초한 굴절 및 TIR 마이크로-프리즘(244)의 경사에 대한 것이다.
또한, 하나의 실시예에서, 상부 표면(222)의 마이크로-프리즘(242)의 기울기 (S)는 다음의 계수들(표 3)을 가진 14차 다항식으로 기술될 수 있다:
US0 -13.6960641390
US1 82.3305952934
US2 -168.8788638697
US3 229.4076243236
US4 -201.1652004011
US5 120.5671458565
US6 -51.2835440219
US7 15.8233831837
US8 -3.5747356334
US9 0.5902542425
US10 -0.0702785391
US11 0.0058616192
US12 -0.0003242658
US13 0.0000106664
US14 -0.0000001576
여기서, 경사(S)는 S = US0 + US1ρ + US2ρ2 + US3ρ3 + ... + US14ρ14 이다. 도 9c는 도 9a 및 9b와 유사하며 14차 다항식에 따라 마이크로-프리즘(242)의 경사(S)를 나타낸다.
하나의 실시예에서, 광학 시스템(218)의 하부 표면(224)의 설계는 광원(200)의 방출 프로파일, 마이크로-프리즘(244)의 표면적, 드래프트 표면으로 인한 손실 된 광, 및 마이크로-프리즘(244)의 프레넬 반사 및 투과율을 고려하며, 이 모두는 균일성에 영향을 줄 수 있다. 전술한 바와 같이, 방출 프로파일은 균일할 필요는 없고, 충분하게 특성화될 수 있는 한, 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일한 광빔(212)을 출력하도록 광학 시스템(218)을 설계할 때 고려될 수 있다.
통상의 기술자는 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 견지를 제외하고는 제한되어서는 안된다.

Claims (31)

  1. 발산 광을 방출하는 적어도 하나의 광원;
    상기 광원에 대해 작동하게 배치된 광학 시스템, 여기서 상기 광학 시스템은오직 단일 렌즈 요소만을 또는 제1 및 제2 이격된 렌즈 요소 중 오직 하나만, 그리고 중심 렌즈 축을 포함하고, 상기 광학 시스템은: i) 상기 광원에 인접하며 이격되고, 상기 발산 광을 수신하며 그로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 하부 표면; 및 ii) 상기 제1 재지향된 광을 수신하며 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 상부 표면;을 더 포함함;
    0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성된 내부 및 외부 영역을 포함하는 하부 표면, 여기서 상기 외부 영역은 상기 발산 광을 굴절 및 전반사시키는 제1 마이크로-프리즘을 포함하고 그로부터 제1 재지향된 광을 형성함; 및
    상기 제1 재지향된 광을 수신하고 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 제2 마이크로-프리즘을 가진 상부 표면, 여기서 상기 제2 재지향된 광은 실질적으로 시준되고 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도의 ± 8 % 내로 균일한 복사발산도를 가짐;을 포함하는, 발광 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 영역의 제1 마이크로-프리즘은 제1 외부 마이크로-프리즘을 포함하고, 상기 하부 표면의 내부 영역은 오직 굴절에 의해서만 작동하는 제1 내부 마이크로-프리즘을 포함하는, 발광 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 표면의 내부 영역은 매끄러운, 발광 유닛.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원 및 광학 시스템을 작동하게 지지하는 지지 구조를 더 포함하는, 발광 유닛.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 단일 렌즈 요소로 구성되고, 상기 단일 렌즈 요소는 상부 및 하부 표면을 형성하는 모놀리식 본체를 갖는, 발광 유닛.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 모놀리식 본체는 열가소성 수지, 폴리머, 유리, 또는 이들의 조합으로 구성되는, 발광 유닛.
  7. 청구항 5 또는 6에 있어서,
    상기 모놀리식 본체는 5 mm ≤ LA ≤ 20 mm 범위의 축방향 길이(LA)를 가지며 12 mm ≤ CA ≤ 100 mm 범위의 클리어 애퍼쳐(CA)를 형성하는, 발광 유닛.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광학 시스템의 하부 표면은 5 mm ≤ DS ≤ 15 mm 범위의 거리(DS)로 광원의 상부 표면에서 이격되는, 발광 유닛.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마이크로-프리즘 각각은 25 μm ≤ WP ≤ 150 μm 범위의 폭(WP)을 가진 베이스를 갖는, 발광 유닛.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 발산 광은 발산의 양을 가지며, 상기 발광 유닛은 상기 광원에 바로 인접하여 작동하게 배치되고 광원으로부터의 발산 광이 상기 하부 표면에 입사되기 전 상기 발산 광의 발산의 양을 줄이도록 구성된 콜렉터 광학 시스템을 더 포함하는, 발광 유닛.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 콜렉터 광학 시스템은 단일 콜렉터 미러로 구성되는, 발광 유닛.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 다중 발광 요소를 포함하는, 발광 유닛.
  13. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 중심 렌즈 축을 따라 작동하게 배치된 단일 광원으로 구성되는, 발광 유닛.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 발광 유닛의 배열을 포함하는, 발광 장치.
  15. 보는 공간에서 보는 사람이 볼 수 있는 디스플레이 디바이스로서,
    청구항 14에 따른 발광 장치;
    상기 발광 장치에 바로 인접하여 작동하게 배치된 이미지 디스플레이 유닛; 및
    상기 이미지 디스플레이 유닛 바로 인접하여 작동하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛;을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 이미지 디스플레이 유닛은 디스플레이 픽셀의 배열을 포함하며;
    상기 콘트라스트-강화 유닛은 광-흡수 레이어와 거기에 형성된 애퍼쳐와 상기 애퍼쳐에서 이격되고 상기 애퍼쳐와 각각 축방향으로 정렬되는 광학 요소를 포함하고;
    상기 발광 장치로부터의 상기 제2 재지향된 광은상기 디스플레이 픽셀을 통과하여 디스플레이 광을 형성하며; 및
    상기 디스플레이 광은 상기 광학 요소과 상기 광-흡수 레이어의 애퍼쳐를 통과하여 보는 공간으로 투과되는 콘트라스트-강화된 디스플레이 광을 형성하는, 디스플레이 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 콘트라스트-강화 유닛은 상부 및 하부 표면을 가진 유리 기판을 포함하며, 상기 광-흡수 레이어는 상기 기판의 상부 표면에 형성되고, 상기 광학 요소는 상기 기판의 하부 표면에 형성되는, 디스플레이 디바이스.
  18. 청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 디스플레이 유닛과 대립하는 상기 콘트라스트-강화 유닛에 바로 인접하여 작동하게 배치된 투명 커버를 더 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  19. 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일한 광을 방출하는 발광 유닛으로서,
    중심 지지 구조 축, 출력 말단을 형성하는 개방 전면 말단, 및 바닥 표면과 적어도 하나의 측벽으로 형성된 상기 개방 전면 말단에서의 내부 개구를 가진 지지 구조;
    발산 광을 방출하는 상기 바닥 표면에 배치되거나 인접한 광원;
    상기 지지 구조 내부에 배치된 단일 모놀리식 렌즈 요소, 여기서 상기 렌즈 요소는:
    i) 중심 렌즈 축;
    ii) 상기 광원에 인접하고 이격되며 상기 발산 광을 수신하고 거기로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 하부 표면; 및
    iii) 상기 출력 말단에 위치하거나 인접하며 상기 제1 재지향된 광을 수신하고 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 상부 표면;을 포함함;
    0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성되는 내부 및 외부 영역을 포함하는 제1 미세구조를 포함하는 하부 표면, 여기서 상기 내부 영역 내의 제1 미세구조는 발산 광을 오직 굴절만 시키지만 상기 외부 영역 내의 제1 미세구조는 상기 발산 광을 굴절시키고 전반사하여 상기 제1 재지향된 광을 형성함; 및
    상기 제1 재지향된 광을 수신하여 그로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 제2 미세구조를 포함하는 상부 표면, 여기서 상기 제2 재지향된 광은 실질적으로 시준되고 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도의 ± 8 % 내로 균일한 복사발산도를 가짐;을 포함하는, 발광 유닛.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미세구조 각각은 마이크로-프리즘을 포함하는, 발광 유닛.
  21. 청구항 19 또는 20에 있어서,
    상기 지지 구조는 실린더형이며 사각형 또는 원형 단면 중 하나를 가지는, 발광 유닛.
  22. 청구항 19 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원의 상부 표면에 바로 인접하여 작동하게 배치된 콜렉터 광학 시스템을 더 포함하는, 발광 유닛.
  23. 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 따른 발광 유닛의 배열을 포함하는, 발광 장치.
  24. 보는 공간에서 보는 사람이 볼 수 있는 디스플레이 디바이스로서,
    청구항 23에 따른 발광 장치;
    상기 발광 장치에 바로 인접하여 작동하게 배치된 이미지 디스플레이 유닛; 및
    상기 이미지 디스플레이 유닛에 바로 인접하여 작동하게 배치된 콘트라스트-강화 유닛을;을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 이미지 디스플레이 유닛은 디스플레이 픽셀의 배열을 포함하며;
    상기 콘트라스트-강화 유닛은 광-흡수 레이어와 거기에 형성된 애퍼쳐 및 상기 애퍼쳐에서 이격되고 상기 애퍼쳐와 각각 축방향으로 정렬된 광학 요소를 포함하고;
    상기 발광 장치로부터의 제2 재지향된 광은 상기 디스플레이 픽셀을 통과하여 디스플레이 광을 형성하며; 및
    상기 디스플레이 광은 상기 광학 요소 및 상기 광-흡수 레이어의 애퍼쳐를 통과하여 상기 보는 공간으로 투과되는 콘트라스트-강화된 디스플레이 광을 형성하는, 디스플레이 디바이스.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 콘트라스트-강화 유닛은 상부 및 하부 표면을 가진 유리 기판을 포함하며, 상기 광-흡수 레이어는 상기 기판의 상부 표면에 형성되고, 상기 광학 요소는 상기 기판의 하부 표면에 형성되는, 디스플레이 디바이스.
  27. 청구항 25 또는 26에 있어서,
    상기 이미지 디스플레이 유닛과 대립하는 상기 콘트라스트-강화 유닛에 바로 인접하여 작동하게 배치된 투명 커버를 더 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  28. 상부 및 하부 표면을 갖춘 모놀리식 본체를 가진 단일 렌즈 요소를 이용하여 발산 광을 방출하는 적어도 하나의 광원으로부터 실질적으로 시준되고 실질적으로 균일한 광빔을 형성하는 방법으로서,
    0.6 ≤ ρT ≤ 0.8 범위의 표준화된 전이 반경 ρT 에 의해 형성되는 내부 및 외부 영역을 포함하는 상기 하부 표면에서 상기 발산 광을 수신하는 단계, 여기서 상기 하부 표면의 외부 영역은 제1 미세구조를 포함함;
    상기 하부 표면의 내부 영역에서 상기 발산 광을 오직 굴절만 시키고 상기 하부 표면의 외부 영역에서는 상기 발산 광을 굴절시키고 전반사하여 상기 하부 표면에서 상기 발산 광으로부터 제1 재지향된 광을 형성하는 단계, 여기서 상기 제1 재지향된 광은 상기 모놀리식 본체를 통해 상기 상부 표면으로 전송됨; 및
    오직 굴절만되는 제2 미세구조를 이용하여 상기 상부 표면에서 상기 제1 재지향된 광으로부터 제2 재지향된 광을 형성하는 단계, 여기서 상기 제2 재지향된 광은 상기 광 빔을 정의하며 실질적으로 시준되고 상기 제2 재지향된 광의 평균 복사발산도의 ± 8 % 내로 균일한 복사발산도를 가짐;를 포함하는 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 제1 미세구조는 제1 외부 미세구조를 포함하고, 상기 내부 표면의 내부 영역은 제1 내부 미세구조를 포함하는, 방법.
  30. 청구항 28 또는 29에 있어서,
    백라이트 조명을 형성하기 위해 다중 광빔을 형성하고 결합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    디스플레이 광을 형성하기 위한 디스플레이 픽셀을 포함하는 이미지 디스플레이 유닛을 통과하여 상기 백라이트 조명을 지나가는 단계; 및
    콘트라스트-강화된 디스플레이 광을 형성하기 위해 콘트라스트-강화 유닛을 통해 상기 디스플레이 광을 지나가는 단계;를 더 포함하는, 방법.
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