KR20190001406U - 광 조사 장치 - Google Patents

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KR20190001406U
KR20190001406U KR2020180002830U KR20180002830U KR20190001406U KR 20190001406 U KR20190001406 U KR 20190001406U KR 2020180002830 U KR2020180002830 U KR 2020180002830U KR 20180002830 U KR20180002830 U KR 20180002830U KR 20190001406 U KR20190001406 U KR 20190001406U
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condensing
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light irradiation
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KR2020180002830U
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지온 악셀 아이센펠드
조나단 겔베르그
알론 코렌
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루머스 리미티드
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Abstract

본 발명에 다른 광 조사 장치는 디퓨저 및 집광/응축 소자를 포함한다. 디퓨저는 광원으로부터 입사용 광선을 수신하는 한편, 출사용 광선을 분배한다. 집광/응축 소자는 기저면에 형성된 입사 광학 개구, 기저면의 대향 표면에 형성된 출사 광학 개구, 및 입사 및 출사 광학 개구들 사이에서 실질적으로 연장되는 적어도 2개의 측벽면을 포함한다. 디퓨저는 기저면에 광학적으로 부착됨으로써, 디퓨저 출사용 광선이 입사 광학 개구를 거쳐 집광/응축 소자 내로 결합되도록 구성된다.

Description

광 조사 장치{Optical Illuminator Device}
본 고안은 통상적으로 사용되는 광투과성 기판에 의해 제공되는 다수의 반사면을 포함하는 기판 가이드식 광학 장치에 관한 것이다.
근시각용 디스플레이 기술 분야에서, 새로운 적용을 위한 중요한 인자인 폼 팩터(form factor)는 디자인 혁신을 위한 중심으로 부상하였다. 원추형 또는 테이퍼형 광학 소자는 일반적으로 다수의 광 파장을 결합하는데 사용되거나 및/또는 이와 같은 근시각용 디스플레이에 사용되는 광학 도파관 장치 또는 시스템에 대한 입사용 출사 개구에 대한 광균일성을 균질화하는데 사용된다. 이러한 구현에서, 출사 개구를 균일하게 충진시키기 위해서는, 원추형 또는 테이퍼형 광학 소자의 크기가 입사 및 출사 개구에 비해 광 전파 방향으로 상대적으로 길게 구성되어야만 한다. 더욱이, 종래의 원추형 또는 테이퍼형 광학 소자는 입사 개구의 상향으로 및/또는 출사 개구의 하향으로 추가의 광학 구성 요소들을 필요로 하며, 이에 의해 광학 도파관과 같은 후속 광학 시스템에 대한 입사용으로 사용되는 출사 개구로부터 광 출력을 형성하도록 구성된다.
본 고안의 목적은 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결한 광 조사 장치를 제공하는 것이다.
본 고안에 따른 광 조사 장치는 집광/응축 광학 소자, 디퓨저(diffuser) 및 광원을 포함한다. 집광/응축 광학 소자는 기저면 상에 형성된 입사 개구를 가지며, 디퓨저는 기저면에 부착된다. 디퓨저는 광원으로부터 수신된 광선을 집광/응축 광학 요소로 분배하는 한편, 출사 개구로부터 광선을 출사시킴으로써 높은 공간 균일성 및 좁은 각도 분포를 갖는 출사 광학 빔을 생성한다. 광학 소자, 디퓨저 및 광원의 구성과 관련한 조합에 의해, 열 부하를 최소화하는 높은 전력 효율, 증가된 배터리 수명 및 제조 용이성을 포함하는 몇가지 주요 이점을 광 조사 장치에 제공한다.
본 발명에 따른 일실시예의 교시에 따라 광 조사 장치가 제공된다. 상기 광 조사 장치는, 광원으로부터 입사용 광선을 수신하는 한편, 출사용 광선을 분배하기 위한 디퓨저; 기저면에 형성된 입사 광학 개구 및 기저면의 대향 표면에 형성된 출사 광학 개구, 및 입사 및 출사 광학 개구들 사이에서 실질적으로 연장되는 적어도 2개의 측벽면을 포함하는 집광/응축 소자;를 포함하며, 이때 디퓨저는 기저면에 광학적으로 부착됨으로써 디퓨저 출사용 광선이 입사 광학 개구를 거쳐 집광/응축 소자와 결합되는 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 조사 장치는 입사용 광선을 디퓨저로 전송하기 위한 광원을 더 포함한다.
선택적으로, 기저면 및 광원은 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 광원의 폭은 기저면의 폭보다 작도록 구성된다.
선택적으로, 광원 및 디퓨저는 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 광원의 폭은 디퓨저의 폭보다 작도록 구성된다.
선택적으로, 기저면 및 디퓨저는 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 기저면의 폭은 디퓨저의 폭보다 작도록 구성된다.
선택적으로, 디퓨저는 디퓨저의 적어도 일부를 기저면의 적어도 일부에 광학적으로 접합시킴으로써 기저면에 광학적으로 부착된다.
선택적으로, 디퓨저는 디퓨저의 적어도 일부를 기저면의 적어도 일부에 직접 부착시킴으로써 기저면에 광학적으로 부착된다.
선택적으로, 집광/응축 소자는 약 1.52 이하의 굴절률을 갖는 물질로 제조된다.
선택적으로, 집광/응축 소자와 결합된 소정 비율의 광선이 전체 내부 반사에 의해 집광/응축 소자 내부에 포획된다.
선택적으로, 디퓨저 및 집광/응축 소자는, 소정 비율의 결합된 광선이 출사 광학 개구를 통해 집광/응축 소자의 외부와 결합되기 전에, 측벽면 중 적어도 하나에 의해 적어도 한번 반사되도록 배치된다.
선택적으로, 집광/응축 소자는 내부 측벽면, 기저면 및 대향 표면의 각각에 의해 부분적으로 규정되는 실질적으로 중공부를 포함한다.
선택적으로, 상기 조사 장치는 측벽면 중 적어도 하나의 적어도 일부에 도포된 코팅을 더 포함한다.
선택적으로, 상기 코팅은 반사 코팅이다.
선택적으로, 상기 코팅은 확산 특성을 갖는다.
선택적으로, 상기 코팅은 유전체 코팅이다.
선택적으로, 상기 조사 장치는 집광/응축 소자에 광학적으로 부착된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함한다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 렌즈는 기저면에 광학적으로 부착된다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 렌즈는 대향 표면에 광학적으로 부착된다.
선택적으로, 상기 적어도 하나의 렌즈는 오목 렌즈(negative lens)이다.
선택적으로, 상기 조사 장치는 집광/응축 소자에 광학적으로 부착된 적어도 하나의 편광자(polrizer)를 더 포함한다.
선택적으로, 측벽면은 실질적으로 평탄한 표면이다.
선택적으로, 측벽면은 실질적으로 만곡된 표면이다.
또한, 본 발명에 따른 일실시예의 교시에 따라 광 조사 장치가 제공된다. 상기 조사 장치는 광선을 전송하기 위한 광원 및 집광/응축 소자를 포함하며, 광원은 광선이 전송되는 관련된 소정의 폭을 갖는 출사면을 포함하고, 집광/응축 소자는 광학적으로 부착된 디퓨저를 구비한 입사 광학 개구, 기저면의 대향 표면에 형성된 출사 광학 개구, 및 입사 및 출사 광학 개구들 사이에서 실질적으로 연장되는 적어도 2개의 테이퍼식 측벽면을 포함하며, 기저면에 형성된 입사 광학 개구는 출사면의 폭보다 크거나 같은 관련된 소정의 폭을 갖고, 디퓨저는 광원으로부터 광선을 수신하는 한편 입사용 광선을 입사 광학 개구로 분배하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및/또는 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기술된 것과 유사한 또는 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시예를 실시 또는 테스트하는데 사용될 수 있지만, 하기에는 예시적인 방법 및/또는 재료가 기술된다. 만약 상호 충돌이 있는 경우, 정의를 포함한 특허 명세서가 우선한다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 본 발명의 내용을 제한하도록 의도되지 않는다.
본 고안에 따라, 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결한 광 조사 장치가 제공된다.
본 발명의 일부 실시예가 첨부 도면을 참조하여 예로서만 설명된다. 상세한 도면의 구체적인 참조와 더불어, 도시된 세부 사항은 예시로서 그리고 본 발명의 실시예에 대한 설명을 목적으로 한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면들과 함께 동반된 설명에 의해, 본 발명의 실시예가 실시될 수 있는 방법을 당업자에게 명백하게 전달한다. 도면들에 주의를 기울이면, 동일한 참조 번호 또는 문자는 대응하는 또는 유사한 구성 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성되고 구현된 광 조사 장치의 개략도를 설명하는 단면도로, 다수의 평면으로 형성된 집광/응축 광학 소자에 부착된 디퓨저를 갖는다.
도 2는 도 1의 광 조사 장치의 구성 요소들에 대한 개략도를 설명하는 단면 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 구성되고 구현된 광 조사 장치의 개략도를 설명하는 단면도로, 다수의 곡면으로 형성된 집광/응축 광학 소자에 부착된 디퓨저를 갖는다.
도 4는 광학 축선에 수직인 평면에서 취해진, 도 1의 장치의 집광/응축 광학 소자의 단면도로, 집광/응축 광학 소자의 직사각형 대칭을 도시한다.
도 5는 광학 축선에 수직인 평면에서 취해진, 도 1 또는 도 3의 장치의 집광/응축 광학 소자의 단면도로, 집광/응축 광학 소자의 원형 대칭을 도시한다.
도 6은 도 1의 장치와 유사한 광 조사 장치의 개략도를 도시하는 단면도로, 집광/응축 광학 소자의 출사 광학 개구에 배치된 렌즈를 포함한다.
도 7은 도 5의 장치와 유사한 광 조사 장치의 개략도를 도시하는 단면도로, 디퓨저와 집광/응축 광학 소자 사이에 배치된 렌즈를 포함한다.
본 발명은 광 조사 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광 조사 장치의 작동 원리 및 이론은 상세한 설명과 함께 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
본 발명은 예컨대, 예컨대 휴대폰, 소형 디스플레이, 3차원 디스플레이 및 소형 빔 프로젝터와 같은 다양한 이미지 활용 분야 뿐만 아니라, 평면 패널용 인디케이터, 소형 조사기 및 스캐너와 같은 이미지 비활용 분야에도 적용 가능하다. 본 발명의 실시예들은 근시각용 디스플레이 기술 분야의 광학 시스템, 특히 광학 도파관으로 확장되는 개구와 결합하는 광을 생성하기 위해, 조사 장치로부터의 조사를 필요로 하는 마이크로 디스플레이를 갖는 광학 시스템들에 적용될 때 특별한 가치가 있을 수 있다 .
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그 응용에서 이하의 설명에 기재되고 및/또는 도면들 및/또는 실시예들에 도시된 세부적인 구성 요소들의 구성 및 배열 및/또는 방법으로 반드시 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들도 가능한 한편, 또한 다양한 방법으로 실시되거나 수행될 수 있다. 기본적으로, 본 문헌 전반에 걸쳐, 예컨대, 전방 및 후방, 상부 및 하부 등과 같은 방향이 언급된다. 이들 방향 참조들은 단지 본 발명 및 그 실시예들을 예시하기 위한 것이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 구성되고 구현된 광 조사 장치(1), 및 광 조사 장치(1)의 관련 구성 요소들에 대한 단면도를 도시한다. 일반적으로 말하면, 광 조사 장치(1)는 집광/응축 광학 소자(이하, 광학 소자[10]라고 함), 디퓨저(30) 및 광원(40)을 포함한다. 광원(40)은 디퓨저(30)를 통해 광(보다 일반적으로는 방사선)을 광학 소자(10)로 전송한다. 광원(40)은 디퓨저(30)의 근위 단부에서, 광이 전송되는 출사면(42)을 포함한다.
광원(40)은 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 편광식 또는 비편광식 소스 일 수 있다. 광원(40)의 비제한적인 구현예는 발광 다이오드(LED), 색상 혼합용 RGB LED를 구비한 광도파관(light pipe), 색상 혼합용 다이크로익 미러(dichroic mirror)와 조합하여 상이한 색상을 각각 방출하는 다수의 LED, 색상 혼합용 다이크로익 미러와 조합하여 상이한 색상을 각각 방출하는 다이오드 레이저, 및 다중 다이오드 레이저를 포함한다.
디퓨저(30)는 광원(40)으로부터 전송된 입사용 광선을 수신하는 한편, 수신된 광선을 출사용으로 분배(즉, 산란)한다. 디퓨저(30)에 의해 분배된 광선은 광학 소자(10)에 입사된다. 특히, 디퓨저(30)는 디퓨저(30)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합된 광선이 광 조사 장치(1)의 광학 축선(28)에 대해 넓은 범위의 각도를 커버하도록 광을 분배한다. 디퓨저(30)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합된 광은 도 1에서 광학 광선(22, 24, 26)으로 도시되어 있다.
광학 소자(10)는 입사 광학 개구(14)(입구 광학 개구라고도 함)가 형성된 기저면(12), 기저면(12)으로부터 대향 배치되고 출사 광학 개구(18)(출구 광학 개구라고도 함)가 형성된 출사면(16), 광학 개구들(14, 18) 사이(즉, 기저면[12]과 출사면[16] 사이)에서 연장되는 다수의 내부 측벽면(20)을 포함한다. 출사 광학 개구(18)는 일반적으로 입사 광학 개구(14)보다 적어도 3배 크며, 광학 소자(10)를 통해 전파되는 광원(40)에서 나온 광선은 출사 광학 개구(18)를 균일하게 충진시킨다. 기저면(12)은 광학 소자(10)의 근위부에 배치되고, 출사면(16)은 광학 소자(10)의 원위부에 배치된다. 용어 "근위(proximal)"및 "원위(distal)"는 디퓨저(30)로부터 광학 소자(10)에 각각 더 가깝고 또는 더 멀리 관련되는 부분을 지칭하는 통상의 용어로 사용된다.
내부 측벽면(20)은 각각의 내부 측벽면(20)에 대해, 내부 측벽면(20)의 근위부 또는 에지가 기저면(12)의 일부에서 종단되고, 내부 측벽면(20)의 원위부 또는 에지가 출사면(16)의 일부에서 종단된다. 도면에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 내부 측벽면(20)은 일반적으로 서로 대향 배치된다.
도 1 내지 3, 6 및 7에는 기저면(12)과 출사면(16)이 검은색 실선으로 도시되어 있으나. 이러한 면들(12, 16)은 광선들로 하여금 그 위쪽에 형성된 대응 광학 개구들(14 및 18)을 거쳐 광학 소자(10)를 통해 전파(즉, 광학 소자[10]에 입사 및 출사)될 수 있도록 구성된 투광성 면이라는 것을 이해해야 한다.
특정 실시예에 따르면, 광학 소자(10)는 상부 영역이 제거된 피라미드로 구성된 일반적인 형태의 피라미드형 구조로서 형성되며, 제거된 상부 영역은 피라미드 정점을 포함한다. 이러한 실시예에서, 내부 측벽면(20)은 광학 축선(28)으로부터 외측으로 연장하는 평평한 형태의 테이퍼식 측벽면이다. 다른 실시예에서, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 측벽면(20)은 어느 정도의 곡률을 갖는 비평면일 수 있으며, 이러한 경우 광학 소자(10)는 원뿔형 구조를 갖도록 구성된다.
광학 소자(10)가 피라미드형 구조로 구현되는 실시예에서, 광학 소자(10)는 보다 구체적으로 정사각형 절두체로 형성됨으로써, 기저면(12)과 출사면(16)이 평행한 정사각형 또는 직사각형 표면이 되도록 구성될 수 있다. 광학 소자(10)가 피라미드형 구조로 구현되는 다른 실시예에서, 기저면(12)은 광학 축선(28)을 따라 단면으로 취해질 때 오목 또는 볼록 표면이다. 그러나, 특정 실시예에서, 기저면(12) 및/또는 출사면(16)은 직사각형 또는 정사각형의 평면일 수 있고, 하나 이상의 내부 측벽면(20)은 어느 정도의 곡률을 갖는 비평면으로 구성될 수도 있다.
특정 실시예에 따르면, 광학 소자(10)는 광학 축선(28)을 중심으로 직사각형 대칭을 갖는다. 이러한 실시예에서, 도 1에 도시된 광학 소자(10)는 도 4에 도시된 바와 같은 4개의 평면형 테이퍼식 내부 측벽면(20)을 포함하는데, 도 4의 경우 표면들(12 및 16)에 평행한 평면(13)에서 취한 광학 소자(10)의 단면을 도시한다. 다른 실시예에서, 광학 소자(10)는 광학 축선(28)에 대해 원형 대칭을 갖는다. 이러한 원형 대칭 구성은 도 1 및 도 3에 도시된 실시예의 광학 소자(10)에 적용 가능하며, 도 5는 표면들(12 및 16)에 평행한 평면(15)에서 취한 광학 소자(10)의 단면을 도시한다. 또한, 도 4 및 도 5에서, 광학 소자(10)는 디퓨저(30)를 바라 보는 단면(13, 15)에서 기저면(12)과 함께 점선으로 도시된다.
전술한 실시예에 따른 직사각형 또는 원형 대칭을 갖는 광학 소자(10)의 구조에 의해, 출사 광학 개구(18)를 3차원으로 충진시킬 수 있도록 구성된다. 그러나, 특정 실시예에서 광학 소자(10)는, 개구를 2차원(즉, 종이와 같은 얇은 평면)으로 충진시키는, 상대적으로 편평한, 즉 얇은 광학 소자로 구성될 수도 있다. 이러한 얇은 형태의 광학 소자는, 후면 광(back-lighting) 또는 정면 광(front-lighting) 적용을 위한 박막형 광 도파관을 조사하는 데 사용될 때, 특별한 가치가 있을 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광 조사 장치(1)의 각 주요 구성 요소는 관련된 소정의 폭(width)을 갖는다. 구체적으로, 기저면(12)은 소정의 폭(WP)을 갖고, 디퓨저(30)는 소정의 폭(WD)을 가지며, 출사면(42)은 소정의 폭(WL)을 갖는다. 모든 폭은, 광 조사 장치(1)를 통과하는 주요 광선의 전파 방향에 수직인 치수로 측정된다. 광학 소자(10)는 또한, 기저면의 폭(WP)에 수직인 치수로 기저면(12)으로부터 출사면(16)까지 측정되는 길이(LP)를 갖는다.
특정 실시예에 따르면, 출사면의 폭(WL)은 기저면의 폭(WP)보다 작다. 2개의 폭(WL 및 WP)은 동일할 수 있지만, 제조의 용이함을 위해, 출사면의 폭(WL)을 기저면의 폭(WP)보다 작게 하는 것이 바람직한데, 이에 의해 광 조사 장치(1)의 성능 및 작동에 부정적인 영향을 미치지 않으면서, 디퓨저(30) 및 광학 소자(10)에 대한 광원(40)의 측면 배치에서 약간의 변화를 허용하도록 구성할 수 있기 때문이다.
기저면(12), 디퓨저(30) 및 출사면(42)의 특정 폭은 광 조사 장치(1)의 구성 요소를 구성하는데 사용된 특정 재료 및 특정 사용된 유형의 구성 요소에 따라 정해질 수 있다. 예컨대, 광 조사 장치(1)를 구현하는데 사용되는 디퓨저(30)의 유형에 따라, 광원(40)의 에지와 기저면(12)의 에지 사이의 거리가 더 크거나 작아질 수 있다. 바람직하게는, 도 1 및 도 2에 도시된 광 조사 장치(1)의 특정 구현예에서 도시된 바와 같이, 디퓨저의 폭(WD)은 기저면 및 출사면의 폭(WP 및 WL)보다 크게 함으로써, 광 조사 장치(1)의 구성을 용이하게 하도록 구성된다. 그러나, 출사면의 폭(WL)이 디퓨저의 폭(WD)과 동일할 수도 있고, 및/또는 기저면의 폭(Wp)이 디퓨저의 폭(WD)과 동일할 수도 있다.
디퓨저(30)는 광학 소자(10)의 기저면(12)(즉, 입사 광학 개구[14])에 광학적으로 부착된다. 선택적으로 디퓨저(30)를 입사 광학 개구(14)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착시킴으로써, 디퓨저(30)와 광학 소자(10)가 협력하여, 내부 측벽면(20)을 따라, 전력 및 색도 모두에 관점에서, 방사선(즉, 빛)의 분포를 균질화시키는 기능을 하며, 이에 의해 더 큰 WP 대 LP 비율(즉, 기저면 대 출사면 길이의 비)이 가능해진다. 이와 같은 더 큰 비율에 의해, 광 조사 장치(1)의 전체적인 폼 팩터(form factor)를 현저히 감소시키도록 구성된다. 디퓨저(30)와 광학 소자(10)를 함께 결합시키는 구조에 의해, 넓은 각도 범위의 광선의 집합, 특히 광원(40)에 의해 입사 광학 개구(14) 내로 방출되는 고각도(high angle) 광선의 포획을 가능하게 하는 동시에, 출사 광학 개구(18)에서 적어도 85%의 공간 균일성을 달성할 수 있도록 구성된다.
디퓨저(30)는 전면(32)을 포함하며, 전면의 적어도 일부분은 기저면(12)의 일부분에 광학적으로 부착된다. 디퓨저(30)는 다양한 방식으로 기저면(12)에 광학적으로 부착될 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 디퓨저(30)는 광학 소자(10) 상에 직접 인각(印刻)되거나, 또는 광학 소자(10) 및 디퓨저(30)는 단일 재료로 이루어진 평판(예를 들어, 유리)으로부터 인각되거나 에칭됨으로서, 광학 소자(10) 및 디퓨저(30)가 단일체로 형성 가능하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 디퓨저(30)는 광학 소자(10)와는 별개의 구조로 구성되며, 광학 시멘트와 같은 접착제를 통해 기저면(12)에 광학적으로 부착된다. 이러한 실시예에서, 디퓨저(30)와 광학 소자(10) 사이에는 에어 갭(air gap)이 존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있으나, 광 조사 장치(1)의 전체 폼 팩터를 더 감소시키기 위해서는 에어 갭이 존재하지 않는 것이 바람직하다.
특정 실시예에서, 디퓨저(30) 및 광원(40)은 서로 광학적으로 부착된다. 디퓨저(30)는 전면(32)과 대향하는 배면(34)을 더 포함하며, 배면(34)의 적어도 일부는 출사면(42)의 일부에 광학적으로 부착된다. 디퓨저(30)와 광원(40) 사이의 광학적 부착은 배면(34) 및 출사면(42)의 각 부분을 광학 시멘트를 통해 함께 접착 및 결합하는 것을 포함하는(이에만 제한되지 않음) 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 광원(40)으로부터의 광이 전송되는 출사면(42)의 영역은 디퓨저(30)에 부착된 출사면(42)의 영역보다 작을 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다 .
일반적으로, 광학 소자(10)와 결합된 (광원[40]로부터의 입력에 응답하여) 디퓨저(30)로부터 나온 광선은 3개의 그룹으로 분류될 수 있는데, 이들 각각은 3개의 광학 광선(22, 24, 26) 중 하나로 표시된다. 광학 광선(22)에 의해 표시되는 제1광선 그룹은 디퓨저(30)의 출사측에서 광학 축선(28)에 대해 비교적 작은 각도(즉, 대략적으로 절대값의 arctan(WO/2LP) 보다 작은 각도, 여기서 WO는 출사면[16]의 폭)로 전파되는 광선에 해당한다. 광학 광선(22)은 내부 측벽면(20)으로부터 어떠한 반사도 없이, 광학 개구(14 및 18) 사이에서 직접 광학 소자(10)를 통해 전파된다.
제2광선 그룹은 광학 소자(10)의 외부와 결합하기 전에 내부 측벽면(20) 중 적어도 하나로부터 적어도 하나의 반사를 겪는 광선이다. 광학 광선(24)으로 표시되는 제2광선 그룹은 광학 소자(10)와 결합한 후, 출사 광학 개구(18)를 통해 광학 소자(10)의 외부와 결합하기 전에 적어도 한번 반사된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 광선(24)은 상측 내부 측벽면(20)에서 반사된 다음, 이러한 반사된 광선(25)이 출사 광학 개구(18)를 통해 광학 소자(10)의 외부와 결합한다. 명백한 바와 같이, 제2광선 그룹은 하나 이상의 내부 측벽면(20)에 의해 반사될 수 있다. 예컨대, 광학 소자(10)가 정사각형 또는 직사각형의 피라미드형 구조로 구성되는 비 제한적인 실시예에서, 디퓨저(30)로부터의 광선은, 출사 광학 개구(18)를 통해 광학 소자(10)의 외부와 결합하기 전에, 내부 측벽면(20) 중 하나에서 반사되고, 이어서 제1반사면에 인접한 제2내부 측벽면에서 반사될 수 있다.
특정 실시예에서, 광학 소자(10)는 비교적 높은 굴절률을 가진 물질로 제조됨으로써, 제2광선 그룹이 내부 측벽면(20)에 의해 전체 내부 반사(Total Internal Reflection, TIR)를 받도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 광학 축선(28)에 대해 특정 각도 범위의 각도로 전파되는 디퓨저(30)에 의해 분배된 광선은 굴절률에 의해 정의된 임계각보다 큰 (내부 측벽면[20]에 수직으로 측정되는) 대응 입사각을 가짐으로서, 제2광선 그룹의 광선이 내부 측벽면(20)에 의해 TIR을 받도록 구성된다.
특정 실시예에 따르면, 내부 측벽면(20)은 TIR을 유도하는 굴절률을 갖는 물질로 제조되는 대신, 각도 선택성 광반사 물질로 코팅될 수도 있다. 이러한 각도 선택성 코팅은 특정 각도 범위의 광학 광선으로 하여금 내부 측벽면(20)에 의해 반사될 수 있게 하는 한편, 이러한 각도 범위 외의 광학 광선은 내부 측벽면(20)을 통해 투과되도록 할 수 있다. 대안적으로, 내부 측벽면(20)은 TIR을 유도하는 굴절률을 갖는 물질로 제조됨과 함께 각도 선택성 반사 물질로 코팅될 수도 있다. 코팅은 내부 측벽면(20)의 특정 영역 또는 내부 측벽면(20) 전체에 도포될 수 있다. 광 반사 코팅은 금속 또는 유전체 코팅일 수 있으며, 특정 실시예에서, 예컨대 3M 광강화 필름 3635-100과 같은 코팅을 사용하여 구현될 수 있는 확산 반사기와 같은 다양한 확산 특성을 갖도록 구성된다.
광학 광선(26)으로 표시되는 제3광선 그룹은 디퓨저(30)의 출사측에서 광학 축선(28)에 대해 비교적 큰 각도로 전파되는 광선에 해당하며, 이러한 그룹은 내부 측벽면(20)에 의해 반사되지 않는 각도로 정의되는데, 반사되지 않는 이유는 TIR을 받는데 요구되는 임계 각도 미만이거나 및/또는 각도 선택성 코팅에 의해 정의된 각도 범위를 벗어남에 기인한다. 이와 같이, 제3광선 그룹은 내부 측벽면(20)으로부터 어떠한 반사도 겪지 않으므로, 출사 광학 개구(18)를 거쳐서 광학 소자(10)를 빠져나가지 않도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 광선(26)이 비교적 높은 각도로 광학 소자(10)와 결합되어 내부 측벽면(20) 중 하나(예를 들어, 도 1에서 상부 측벽면)에 부딪친 후, 이들은 반사를 거쳐 출사 광학 개구(18)로 방향 재설정을 겪지 않고, 상부 측벽면을 통한 투과를 통해 광학 소자(10)를 빠져 나간다. 일반적으로, 디퓨저(30)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합하는 광의 약 4% 내지 7% 만이 내부 측벽면(20)을 통한 결합으로 인해 손실된다. 다시 말하면, 디퓨저(30)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합하는 광선의 약 93% 내지 96%가 제1 또는 제2광선 그룹으로 할당된다. 따라서, 디퓨저(30)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합된 대부분의 광선은 출사 광학 개구(18)를 통해 광학 소자(10)의 외부와 결합한다.
특정 실시예에서, 광학 소자(10)는 예컨대 1.33 내지 1.5168 범위를 갖는 비교적 낮은 굴절률의 물질로 제조된다. 낮은 굴절률로 인해, 디퓨저(30)에서 출사된 어떠한 광선도 광학 소자(10)와 결합시 TIR을 받지 않도록 임계각을 효과적으로 증가시킨다. 이러한 실시예에서, 내부 측벽면(20)으로부터 결합된 광선을 효과적으로 반사시키기 위해, 내부 측벽면(20)의 전체 또는 일부를 각도 선택성 반사 물질로 코팅하는 것이 바람직하다. 상대적으로 낮은 굴절률로 의해, 유입되는 광학 광선으로 하여금, 높은 굴절률의 물질을 사용하여 허용되는 것보다 광학 소자(10)로 더 빠르게 확산되도록 할 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다. 이에 의해, 복합 볼록형 집광기와 같은 종래의 집광/응축 광학 소자와 비교할 때, 출사 광학 개구(18)로 하여금 보다 짧은 길이(LP)를 사용하여 균일하게 충진되도록 할 수 있다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 도 1에 도시된 광학 광선(22, 24, 26)은 디퓨저(30)로부터 광학 소자(10) 내로 결합된 광선의 표현 및 광파의 추출이다. 광학 광선(22, 24, 26)은, 광학 축선(28)에 대해 넓은 각도 범위를 커버하는 한편, 출사 광학 개구(18)를 균일하게 충진시키도록 광학 소자(10)를 통과하는 대응 궤적 경로(그 중 일부는 하나 이상의 내부 측벽면[20]으로부터의 반사를 포함)를 갖는 단지 3개의 유사한 다중 광선이다.
광학 소자(10)는 광 조사 장치 및 시스템에 일반적으로 사용되는 다양한 유형의 물질로 제조될 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 이러한 물질은 광학 소자(10)의 굴절률의 추가 감소를 가능하게 하는 플라스틱 및 유리를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 실시예에서, 표면들(12, 16, 20)은 공기가 있는 중공부 또는 진공의 중공부를 형성함으로써, 굴절률을 1(또는 거의 1)까지 더 감소시키도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 광학 소자(10)는 중공부를 구비한 플라스틱 또는 유리로 제조될 수 있는데, 이때 광학 소자(10)를 형성하는 중공형 공동 구조 (hollowed-out cavity)(예컨대, 피라미드형 구조)가 될 때까지 블럭 또는 평판 재료(예컨대, 유리)의 내부 섹션이 인각되거나 절단된다. 인각 또는 절단에 이어서, 내부 측벽면(20)을 형성하는 광학 소자(10)의 내부 표면을 반사 코팅(예컨대, 각도 선택성 반사 코팅)이나 또는 확산 코팅으로 코팅할 수도 있다.
상기 광 조사 장치(1)의 주요 구성 요소들에 더하여, 하나 이상의 렌즈, 디퓨저, 편광기 및 프리즘형 포일(예컨대, 3M의 균일성 테이프)을 포함하는(이들에만 한정되지 않음) 추가의 구성 요소들(예컨대 광학 소자 및 장치)이 기저면(12) 및/또는 출사면(16)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착될 수 있다. 이러한 렌즈 및 프리즘형 포일의 사용에 의해, 출사 광학 개구(18)에 대한 광 균일성을 추가로 개선시킬 수 있다. 도 6은 출사면(16)에 대한 부착을 통해 출사 광학 개구(18)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착되는 렌즈(50)로서 구현되는 추가 구성 요소를 포함하는 광 조사 장치(1)의 특정 실시예를 도시한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 렌즈(50)는 네가티브 렌즈(즉, 오목 렌즈)이나, 대안적으로 이러한 렌즈(50)는 볼록 렌즈 또는 시리즈식 렌즈로서 구현될 수도 있다. 특정 구현예에서, 렌즈(50)는 도 6에 도시된 바와 같이, 출사 광학 개구(18)의 표면 영역 전체를 반드시 커버하지 않을 수도 있으며, 실제로 상기 표면 영역 중 일부만을 커버할 수도 있다.
특정 실시예에서, 예컨대 3M의 이중 휘도 강화 필름(DBEF)과 같은 반사식 편광자(reflective polarizer)가 예컨대, 광학 시멘트에 의해 출사면(16)에 부착됨으로써 출사 광학 개구(18)에 배치된다. 반사식 편광자를 출사 광학 개구(18)에 배치함으로써 편광 리사이클을 유도할 수 있는데, 이는 광원(40)이 편광되지 않은 소스이지만 광 조사 장치(1)의 출사측에서 편광된 광이 요구되는 상황에서 특정값으로 구성될 수 있다. 또한, 반사식 편광자를 출사 광학 개구(18)에 배치함으로서, 광학 소자(10)의 외부와 결합하는 광의 밝기를 증가시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 광 조사 장치(1)는 초소형 디스플레이(microdisplay)에 조명을 제공하는데 사용될 때 특별한 가치가 있을 수 있다. 초소형 디스플레이가 투과 특성에 의존하는 백라이트 디스플레이로 구성되는 구현예(예컨대, LED 백라이트 디스플레이)에서, 초소형 디스플레이는 출사 광학 개구(18)로부터 조사된 광을 수신하기 위해 출사면(16)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착될 수 있다. 초소형 디스플레이가 반사형 디스플레이로 구현되는 구현예(예컨대, 실리콘 액정표시장치)에서는, 중도 배치식 광학 장치, 예컨대 편광식 빔 스플리터 프리즘(beam splitter prism)이 출사면(16)과 초소형 디스플레이 사이의 광학 소자(10)에 광학적으로 부착됨으로써, 출사 광학 개구(18)에서 나온 편광된 광선을 초소형 디스플레이의 반사면에 공급하도록 구성된다.
전술한 추가의 구성 요소들은 기저면(12) 및/또는 출사면(16)에 인각되거나 또는 예컨대, 광학 시멘트를 통해 부착될 수 있다. 이러한 추가의 구성 요소들이 광학 소자(10)에 접착식으로 부착되는 실시예에서, 그러한 부착은 에어 갭(air gap) 없이 구현됨으로써, 광 조사 장치(1)의 전체 폼 팩터를 제한하도록 구성하는 것이 바람직하다.
추가의 구성 요소가 기저면(12)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착되는 실시예에서, 디퓨저(30)는 추가의 구성 요소를 거쳐 광학 소자(10)에 부착된다. 특히, 디퓨저(30)의 전면(32)의 일부분은 추가 구성 요소의 전방 부분(즉, 디퓨저[30]에 근접한 부분)에 부착될 수 있으며, 기저면(12)의 일부는 추가 구성 요소의 후방 부분(즉, 광학 소자[10]에 근접한 부분들)에 부착된다. 이와 같이, 추가 구성 요소의 입사 개구(예컨대, 렌즈의 입사 개구)는 추가 구성 요소와 광학 소자(10)의 조합으로부터 파생된 광학 유닛의 전체 입사 개구로서 기능하며, 추가 구성 요소의 전면은 입사 개구가 형성되는 광학 유닛의 전체 기저면으로서 기능한다.
도 7은 렌즈(52)로 구현된 추가 구성 요소를 포함하는 광 조사 장치(1)의 특정 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 렌즈(52)는 기저면(12)에 대한 부착을 통해 입사 광학 개구(14)에서 광학 소자(10)에 광학적으로 부착된 네가티브 렌즈(즉, 오목 렌즈)이다. 입사 광학 개구(14)에서 이러한 오목 렌즈를 포함시킴으로써, 출사 광학 개구(18)에 대한 광 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다. 디퓨저(30)는 렌즈(52)를 거쳐 광학 소자(10)와 결합된다. 특히, 디퓨저(30)의 전면(32)의 일부분은 렌즈(52)의 전방 부분(즉, 디퓨저[30]에 근접한 부분)에 부착되고, 기저면(12)의 일부는 렌즈(52)의 후방 부분(즉, 광학 소자[10]에 근접한 부분)에 부착된다. 따라서, 렌즈(52)의 입사 개구는 렌즈(52)와 광학 소자(10)의 조합으로부터 파생된 광학 유닛의 전체 입사 개구로서 기능하며, 렌즈(52)의 전방 오목면은 입사 개구가 형성되는 광학 유닛의 전체 기저면으로서 기능한다.
본 명세서에서 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 인용을 포함한다.
"예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 "예, 예시 또는 설명으로서의 역할"을 의미하는 것으로 사용된다. "예시적인" 것으로 기술된 임의의 실시예는 반드시 다른 실시예보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요가 없으며 및/또는 다른 실시예로부터의 특징의 조합을 배제하는 것으로 해석되지 않는다.
개별 실시예들의 맥락에서 명확한 설명을 위해 기술된 본 발명의 특정 특징들은 또한, 단일 실시예의 조합으로 제공될 수도 있다. 반대로, 단일 실시예의 맥락에서 간략화를 위해 기술된 본 발명의 다양한 특징들은 또한, 개별적으로 제공되거나 또는 임의의 적절한 서브 조합으로 제공될 수도 있고, 또는 본 발명의 임의의 다른 실시예에서 적절하게 제공될 수 있다. 다양한 실시예들의 맥락에서 기술된 특정 특징들은, 그러한 실시예들이 이들 요소 없이 작동하지 않는 한, 그러한 실시예들의 본질적인 특징으로 간주되어서는 안된다.
본 발명이 특정 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 당업자에게 가능하다는 것은 명백하다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 사상 및 넓은 범위 내에 있는 그러한 모든 대안, 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (24)

  1. 디퓨저(diffuser) 및 집광/응축 소자를 포함하는 광 조사 장치(illuminator device)에 있어서,
    디퓨저는 광원으로부터 입사용 광선을 수신하는 한편, 출사용 광선을 분배하고,
    집광/응축 소자는 기저면에 형성된 입사 광학 개구, 기저면의 대향 표면에 형성된 출사 광학 개구, 및 입사 및 출사 광학 개구들 사이에서 실질적으로 연장되는 적어도 2개의 측벽면을 포함하며,
    디퓨저는 기저면에 광학적으로 부착됨으로써, 디퓨저 출사용 광선이 입사 광학 개구를 거쳐 집광/응축 소자와 결합되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    입사용 광선을 디퓨저로 전송하기 위한 광원을 더 포함하는
    광 조사 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    기저면 및 광원은 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 광원의 폭은 기저면의 폭보다 작도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    광원 및 디퓨저는 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 광원의 폭은 디퓨저의 폭보다 작도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    기저면 및 디퓨저는 각각 관련된 소정의 폭을 가지며, 이때 기저면의 폭은 디퓨저의 폭보다 작도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    디퓨저 및 집광/응축 소자는 단일체로 형성되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    디퓨저는, 디퓨저의 적어도 일부를 기저면의 적어도 일부에 광학적으로 접합시킴으로써 기저면에 광학적으로 부착되는 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    디퓨저는, 디퓨저의 적어도 일부를 기저면의 적어도 일부에 직접 부착시킴으로써 기저면에 광학적으로 부착되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    집광/응축 소자는 약 1.52 이하의 굴절률을 갖는 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    집광/응축 소자와 결합된 소정 비율의 광선이 전체 내부 반사에 의해 집광/응축 소자 내부에 포획되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    디퓨저 및 집광/응축 소자는, 소정 비율의 결합된 광선이 출사 광학 개구를 통해 집광/응축 소자의 외부와 결합되기 전에, 측벽면 중 적어도 하나에 의해 적어도 한번 반사되도록 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    집광/응축 소자는 내부 측벽면, 기저면 및 대향 표면의 각각에 의해 부분적으로 규정되는 실질적으로 중공부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    측벽면 중 적어도 하나의 적어도 일부에 도포된 코팅을 더 포함하는
    광 조사 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 코팅은 반사 코팅인 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 코팅은 확산 특성을 갖는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 코팅은 유전체 코팅인 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    집광/응축 소자에 광학적으로 부착된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함하는
    광 조사 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈는 기저면에 광학적으로 부착되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈는 대향 표면에 광학적으로 부착되는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈는 오목 렌즈(negative lens)인 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    집광/응축 소자에 광학적으로 부착된 적어도 하나의 편광자(polrizer)를 더 포함하는
    광 조사 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    측벽면은 실질적으로 평탄한 표면인 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    측벽면은 실질적으로 만곡된 표면인 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
  24. 광선을 전송하기 위한 광원 및 집광/응축 소자를 포함하는 광 조사 장치에 있어서,
    광원은 광선이 전송되는 관련된 소정의 폭을 갖는 출사면을 포함하고,
    집광/응축 소자는 광학적으로 부착된 디퓨저를 구비한 입사 광학 개구, 기저면의 대향 표면에 형성된 출사 광학 개구, 및 입사 및 출사 광학 개구들 사이에서 실질적으로 연장되는 적어도 2개의 테이퍼식 측벽면을 포함하며, 기저면에 형성된 입사 광학 개구는 출사면의 폭보다 크거나 같은 관련된 소정의 폭을 갖고, 디퓨저는 광원으로부터 광선을 수신하는 한편 입사용 광선을 입사 광학 개구로 분배하는 것을 특징으로 하는
    광 조사 장치.
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