KR20210047921A - 광 가이드 장치 및 광 가이드 장치를 갖는 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광을 안내하기 위한 광 가이드 장치(light guide device)에 관한 것이다. 광 가이드 장치는 적어도 하나의 광 가이드, 적어도 하나의 빔 스플리터 요소(beam splitter element) 및 적어도 하나의 광 디커플링(decoupling) 장치를 포함한다. 적어도 하나의 광 가이드는 적어도 2 개의 층을 갖는다. 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 적어도 하나의 광 가이드의 적어도 2 개의 층 사이에 제공되고, 여기서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 적어도 하나의 광 가이드에서 전파되는 입사광을 부분적으로 투과 및 반사하도록 설계된다. 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 또한 입사광을 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링하기 위해 제공된다. 본 발명은 또한 이러한 유형의 광 가이드 장치를 갖는 조명 장치 및 2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광을 안내하고 가이드하는 광 가이드 장치(light guide device)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 광원 및 본 발명에 따른 광 가이드 장치를 갖는 조명 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 조명 장치를 포함하는 디스플레이 장치, 특히 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다. 디스플레이 장치 또는 디스플레이에 의해 2 차원 및/또는 3 차원 이미지 정보가 표현될 수 있다.
특히, 본 발명은 바람직하게는 물체 및 장면과 같은 2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치에서 사용되는 적어도 하나의 공간 광 변조 장치를 조명하는데 사용될 수 있는 조명 장치 및 광 가이드 장치에 관한 것이다.
광 가이드 장치는 특정 사양에 따라 광원에서 방출되는 광을 가이드하기 위해 조명 장치에 자주 사용된다. 조명 장치는 백라이트 장치(backlight devices) 또는 프런트 라이트 장치(frontlight devices)로 제공될 수 있다. 이들은 일반적으로 디스플레이 장치에서 투과형 또는 반사형 공간 광 변조 장치를 조명하는데 사용된다. 여기에 사용되는 광은 비간섭성일 수 있고 간섭성일 수도 있다. 비간섭성 광은 3 차원 정보를 오토스테레오스코픽으로 표현하는 2 차원 디스플레이 장치에 사용되는 것이 바람직하다. 반면, 정보의 홀로그래픽 표현에는 간섭성 광이 필요하다.
2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치에서, 디스플레이 장치에 제공되는 공간 광 변조 장치의 전체 영역이 가능한 한 최고의 해상도에서 밝고 균질하게 조명되는 것이 중요하다. 디스플레이 패널 역할을 하는 공간 광 변조 장치는 넓은 각도 범위에서 광을 방출하여, 표현되는 정보를 이러한 넓은 각도 범위에서 보거나 또는 관찰할 수 있도록 해야 한다.
이 경우, 공간 광 변조 장치를 조명하기 위해 광 가이드 또는 도파관을 갖는 조명 장치가 알려져 있다. 광 가이드는 일반적으로 광 가이드 코어 및 클래딩 층을 가지고 있다. 그러나, 클래딩 층을 갖지 않는 광 가이드도 알려져 있다. 광 가이드에 커플링된(coupled) 광은 광 빔 또는 파동장의 형태로 광 가이드에서 전파되며, 이는 그 후 예를 들어 공간 광 변조 장치를 영역에 걸쳐 조명하기 위해 디커플링된다(decoupled).
특히, 공간 광 변조 장치를 조명하기 위해 특별한 요구 사항이 충족되어야 한다. 적어도 한 명의 관찰자에 대해 표현되는 정보는 공간 광 변조 장치에 기록되거나 또는 인코딩된다. 광원에서 방출되는 광은 공간 광 변조 장치에서 인코딩된 정보로 변조된다. 정보는 진폭 및 위상 값의 형태로 공간 광 변조 장치의 픽셀로 인코딩된다. 따라서, 공간 광 변조 장치로의 광의 평행 입사가 필요하다. 따라서, 광 가이드에 대한 요구 사항은 시준된 광을 방출하는 것이다. 이는 특히 홀로그램으로 생성되는 정보의 경우, 바람직하게는 표현될 3 차원 정보와 관련하여 고품질을 달성하기 위해, 광 가이드로부터 디커플링된 광 빔의 정의된 시준이 존재해야 한다는 것을 의미한다. 또한, 공간 광 변조 장치의 전체 표면에 대해 가능한 한 균질한 조명을 달성해야 한다.
특히 공간 광 변조 장치에 대해 균질한 조명을 구현하기 위한 다양한 접근법이 알려져 있다.
예를 들어 US 2017/0363793 A1에서, 광 가이드 및 광 전파 방향으로 광 가이드 위의 배리어 층을 갖는 백라이트 유닛이 알려져 있다. 배리어 층은 조리개 영역을 정의하며, 여기서 광 가이드로부터 광이 출력되는 활성 영역은 조리개 영역에 인접한다. 프리즘 구조는 광을 광 가이드에 커플링하는데 사용된다.
US 2006/0255346 A1은 2 개의 광 가이드 판이 서로 중첩되어 배열된 조명 장치를 설명한다. 각 광 가이드 판은 한 파장의 광을 출력하는 점 광원에 결합된다. 광 가이드 판에 커플링된 광은 색상 이질성이 억제되는 방식으로 광 출력 기구를 통해 가이드된다.
또한, US 2017/0139116 A1에서, 평면 평행 광 가이드 판이 생성되는 방식으로 함께 결합된 2 개의 쐐기형 광 가이드 층을 갖는 광 가이드 판이 알려져 있다. 쐐기형 광 가이드 층 사이에는 연결 층이 제공되며, 이 연결 층은 반사 층으로 설계되고, 연결 층의 2 개의 대향 표면 상에 배열되는 연동된 지점들을 갖는다. 광은 제 1 쐐기형 광 가이드 층 및 연결 층으로 들어가고, 연결 층의 연동된 지점에서 반사된다. 이러한 방식으로 반사된 광은 다시 제 1 쐐기형 광 가이드 층을 통해 제 1 쐐기형 광 가이드 층의 광 출사 표면으로 가이드되며, 여기서 광 가이드 판으로부터 나온다. 이를 통해 광 수율이 증가된다.
그러나, 광이 광 가이드로부터 나오거나 또는 디커플링된 후 광의 일정한 출력 파워 및 이에 따른 균질한 조명은 종래 기술에 공지된 이러한 조명 장치로는 달성될 수 없다. 그러나 이것은 특히 정보의 홀로그래픽 재구성을 위해 공간 광 변조 장치를 조명할 때 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 균질한 조명 및 일정한 광 파워가 적은 부품으로 간단한 방식으로 비용 효율적인 방식으로 달성될 수 있는 장치를 생성하는 것이다. 또한, 이를 위해 설치 공간이 컴팩트하고 평평한 장치를 제공해야 한다.
상기 목적은 본 발명에 따르면 본원의 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 광 가이드 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 전술한 종래 기술의 단점을 회피할 수 있는 광 가이드 장치가 제공된다. 광 가이드 장치는 적어도 하나의 광 가이드, 적어도 하나의 빔 스플리터 요소(beam splitter element) 및 적어도 하나의 광 디커플링 장치를 갖는다. 여기서 적어도 하나의 광 가이드는 적어도 2 개의 층을 가지고 있다. 여기서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 적어도 하나의 광 가이드의 적어도 2 개의 층 사이에 제공된다. 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 적어도 하나의 광 가이드에서 전파되는 입사광을 부분적으로 투과 및 반사하도록 설계된다. 이는 적어도 하나의 빔 스플리터 요소가 부분 반사형으로 설계되어, 적어도 하나의 광 가이드에서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소에 부딪히는 광의 특정 부분은 반사되고 광의 다른 나머지 부분은 적어도 하나의 빔 스플리터 요소에 의해 투과된다는 것을 의미한다. 따라서 광의 투과된 부분은 적어도 하나의 광 가이드의 추가로 존재하는 층에 도달하며, 여기서 광은 그 후 그에 상응하게 마찬가지로 전파된다. 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 광 가이드로부터 입사광을 디커플링하기 위해 제공된다.
본 발명에 따라 적어도 하나의 광 가이드의 적어도 2 개의 층 사이에 적어도 하나의 빔 스플리터 요소를 제공하거나 또는 배열함으로써, 광은 적어도 하나의 광 가이드에서 전파될 수 있고 적어도 하나의 광 디커플링 장치에 의해 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링되어, 디커플링된 광은 높은 수준의 균질성을 갖거나 또는 디커플링된 광의 균일한 강도 분포가 존재할 수 있다. 또한, 광 전파 방향으로 광 가이드 장치 이후에 높은 광 출력 파워가 존재한다.
또한, 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 이러한 구조를 통해 광 가이드 장치는 컴팩트하고 또한 평평하게 유지될 수 있어, 이러한 광 가이드 장치는 물체 및 장면과 같은 정보의 2 차원 및/또는 3 차원 표현을 위한 디스플레이 장치에서 조명 장치에 특히 양호하게 적합하다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 광 가이드 장치는 적어도 3 개의 층을 갖는 적어도 하나의 광 가이드를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 적어도 2 개의 빔 스플리터 요소가 제공되며, 이들 각각은 적어도 하나의 광 가이드의 2 개의 층 사이에 배열되거나 또는 제공된다. 이러한 방식으로, 디커플링된 광 강도의 훨씬 더 높은 균질성이 달성되거나 또는 균질성이 더욱 최적화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광은 적어도 하나의 광 가이드의 경계면에서의 반사를 통해 적어도 하나의 광 가이드 내에서, 즉 적어도 2 개의 층 내에서 전파될 수 있다. 광은 바람직하게는 전반사를 통해 적어도 하나의 광 가이드에서, 특히 적어도 2 개의 층 내에서 전파될 수 있다. 이는 적어도 하나의 광 가이드의 광 커플링 표면 상의 법선에 대한 커플링된 광 빔 또는 광 다발의 각도가 전반사의 임계각보다 크다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치는 예를 들어 다이렉트 뷰 디스플레이, 프로젝션 디스플레이 장치, 헤드 업 디스플레이 또는 헤드 마운트 디스플레이에서 사용될 수 있지만, 이를 통해 다른 적용을 배제하려는 의도는 아니다. 따라서 광 가이드 장치는 광의 균질한 조명 또는 디커플링이 필요한 곳이면 어디에서나 거기에 배열되어 사용될 수 있다.
본 발명의 추가 유리한 실시예 및 개발예는 종속 청구항으로부터 나온다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 광 가이드는 입방체로 형성되고, 여기서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 평평하게 형성되고 광 가이드의 경계면에 본질적으로 평행하게 제공되는 것이 제안될 수 있다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치의 적어도 하나의 광 가이드는 입방체로 형성되는데, 즉, 광 가이드의 단면은 직사각형으로 형성된다. 광 가이드는 바람직하게는 4 개의 긴 측면 및 이에 비해 더 짧은 2 개의 측면을 갖는다. 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 여기서 바람직하게는 매우 얇은 층으로서 평평하게 형성된다. 또한, 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 적어도 2 개의 층 사이에서 광 가이드의 경계면, 즉 바람직하게는 긴 측면에 대해 본질적으로 평행하게 배열된다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 이에 따라 광 가이드를 적어도 2 개의 층으로 분리한다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 광 가이드의 적어도 2 개의 층에서 전파되는 광이 적어도 하나의 빔 스플리터 요소를 통해 서로 결합되는 것이 제공될 수 있다. 적어도 하나의 광 가이드에 입사되어 적어도 하나의 빔 스플리터 요소에 부딪히는 광은 광이 광 가이드의 하나의 층, 예를 들어 하위 층뿐만 아니라 다른 층, 예를 들어 상위 층에서도 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 위치에 부딪힐 때마다 빔 분할에 의해 전파되고, 이에 의해 적어도 2 개의 층 사이에 강한 결합이 이루어지고, 전파되는 광 빔은 광 가이드에서 혼합된다.
또한, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 광 가이드로부터의 광의 본질적으로 균질하고 효율적인 디커플링을 위해 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 투과 대 반사의 적절한 비율이 선택될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 예를 들어, 50 % 대 50 %의 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 투과 대 반사 비율이 선택될 수 있다. 이는 적어도 하나의 빔 스플리터 요소가 입사광을 50 %까지 반사하고 50 %까지 투과시켜, 입사광의 절반이 적어도 하나의 빔 스플리터 요소에서 반사되고 광 가이드의 한 층에서 더 전파되며 입사광의 다른 절반이 적어도 하나의 빔 스플리터 요소를 투과하여 이에 따라 광 가이드의 다른 층에 도달하여 여기에서 마찬가지로 더 전파된다는 것을 의미한다.
물론, 예를 들어 60 % 투과 대 40 % 반사 또는 40 % 투과 대 60 % 반사와 같은 다른 적절한 투과 대 반사 비율도 가능하다. 반사율 38.2 % 대 투과율 61.8 %의 비율이 특히 적합한 것으로 입증되었다. 그러나, 본 발명은 이러한 비율로 제한되도록 의도되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 유리하게는, 적어도 하나의 광 디커플링 장치가 적어도 하나의 회절 광학 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 표면 격자를 갖는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치의 광 가이드로부터 광을 디커플링하기 위해, 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 회절 광학 요소를 가질 수 있다. 적어도 하나의 회절 광학 요소는 광 가이드의 광 디커플링 표면 상에 요소로서 장착될 수 있거나 또는 광 가이드에 제공될 수 있다. 그러나, 적어도 하나의 회절 광학 요소가 광 가이드의 광 디커플링 표면에 장착되거나 또는 광 가이드에 제공되는 개별 세그먼트로 세분화되는 것도 가능하다. 적어도 하나의 회절 광학 요소의 개별 세그먼트는 여기서 광 가이드의 광 디커플링 측에 제공 또는 장착되거나 또는 광 가이드에 제공되어, 이러한 세그먼트는 갭 없이 서로 인접하거나 또는 가장자리 영역에서 부분적으로 겹치므로, 광 가이드의 이러한 영역에서 광의 디커플링이 방해받지 않는다.
또한, 적어도 하나의 광 디커플링 장치가 복수의 회절 광학 요소, 즉 적어도 2 개의 회절 광학 요소를 갖는 것도 가능하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 광 가이드 장치를 갖는 조명 장치를 포함하는 디스플레이 장치, 바람직하게는 홀로그래픽 디스플레이 장치에 의한 정보의 컬러 표현을 위해, 사용된 각 파장 또는 표현될 색상에 대해, 광 디커플링 장치에 이를 위해 적절한 회절 광학 요소를 제공하는 것이 유리하다. 이는 RGB(적색, 녹색, 청색)로 정보의 컬러 표현을 위해, 광 가이드 장치가 각각의 파장 또는 색상에 맞게 조정되는 적어도 3 개의 회절 광학 요소를 갖는다는 것을 의미한다. 이러한 회절 광학 요소는 다시 개별 세그먼트로 세분화될 수 있다.
회절 광학 요소(들)로서 여기서 특히 체적 격자 또는 표면 격자가 적합하다. 체적 격자는 특히 간섭성 광의 시준된 방출을 제공할 수 있다. 체적 격자는 투명 또는 반사 층의 스택을 나타내며, x 및 y 방향으로 굴절률의 변조된 분포로 설명될 수 있다. 체적 격자는 여기서 광 에너지 또는 광의 정의된 부분이 미리 설정된 또는 고정된 각도 범위로 디커플링되는 방식으로 설계된다. 광 디커플링 장치의 체적 격자 또는 체적 격자들은 각도(α)로 광 가이드에서 전파되는 입사광을 디커플링 시에 광 가이드의 경계면에 수직인 방향으로 지향시킨다.
유리하게는, 여기서, 적어도 하나의 광 가이드의 경계면과 적어도 하나의 회절 광학 요소 사이에 배열되는 부분 반사 층이 제공되는 것이 제안될 수 있다.
부분 반사 층은 적어도 하나의 광 가이드의 경계면과 적어도 하나의 회절 광학 요소 또는 광 디커플링 장치 사이에 제공되고 배열될 수 있다. 이는 광 디커플링 장치의 일부일 수도 있다. 이러한 목적을 위해, 이러한 부분 반사 층은 예를 들어 적어도 하나의 회절 광학 요소에 장착될 수 있고, 광 가이드의 경계면을 향해 지향될 수 있다. 부분 반사 층은 입사광을 부분적으로 반사하고, 여기서 다른 반사되지 않은 부분은 부분 반사 층에 의해 투과되어 이에 따라 이를 통해 통과될 수 있다. 부분 반사 층에 의해 투과된 광은 그 후 광 디커플링 장치에 부딪히고, 이를 통해 광 가이드 및 이에 따라 광 가이드 장치로부터 디커플링된다. 예를 들어, 광의 약 80 %가 부분 반사 층에 의해 반사되어, 이 광이 광 가이드에서 더 전파될 수 있다. 따라서, 광의 약 20 %가 부분 반사 층에 의해 투과되고, 이에 따라 광 가이드로부터 디커플링된다.
유리하게는, 부분 반사 층의 반사율은 광 디커플링 장치에 의해 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링된 광의 균질성 및 효율에 대해 최적화되는 것이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링된 광의 균질성 및 효율을 증가시키기 위해, 부분 반사 층의 반사율이 조정되고 최적화될 수 있다. 부분 반사 층의 반사율은 디커플링된 광의 높은 수준의 균질성 및 효율성이 달성되는 방식으로 정의되고 설정된다.
추가로, 부분 반사 층의 반사율 및 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 반사율이 서로 매칭된다면 유리할 수 있다.
이러한 방식으로, 디커플링된 광의 균질성이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 부분 반사 층이 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 것이 제공될 수 있다.
따라서 부분 반사 층은 구배 층으로 설계될 수 있다. 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 이러한 부분 반사 층은 광 가이드로의 광 커플링 영역에서 부분 반사 층이 낮은 광 투과율 및 높은 반사율을 갖는 반면, 광 가이드에서 광의 전파 방향으로 광 가이드의 단부 영역, 즉, 광 가이드의 광 커플링 영역의 반대편 영역에 높은 투과율 및 낮은 반사율이 존재하는 방식으로 구성될 수 있다.
광 가이드 장치가 적어도 하나의 광원에 의해 일 측면으로부터 조명될 때, 구배 층 또는 층에서의 위치 의존적 투과율 및 반사율이 유리하게 사용될 수 있다. 이는 광이 일 측면으로부터 광 가이드로 커플링된다는 것을 의미한다. 광원은 복수의 하위 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 동일한 파장 또는 예를 들어 RGB(적색, 녹색, 청색) 스펙트럼 범위의 다른 파장을 갖는 복수의 하위 광원을 가질 수 있다. 물론, 광원이라 함은 하나의 발광 유닛만을 의미하는 것으로 이해될 수도 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에서는, 적어도 하나의 회절 광학 요소가 η < 100 %의 회절 효율을 갖거나, 또는 적어도 하나의 회절 광학 요소가 위치 의존적 회절 효율을 갖는 것이 제공될 수 있다.
위치 의존적 회절 효율을 갖는 적어도 하나의 회절 광학 요소는 적어도 하나의 회절 광학 요소가 광 가이드로의 광 커플링 영역에서 낮은 회절 효율을 갖는 반면, 광 가이드에서 광의 전파 방향에서 광 가이드의 단부 영역, 즉, 광 가이드의 광 커플링 영역의 반대편 영역에 높은 회절 효율이 존재하는 방식으로 설계될 수 있다.
위치 의존적 회절 효율을 갖는 적어도 하나의 회절 광학 요소는 광 가이드 장치가 적어도 하나의 광원에 의해 일 측면으로부터 조명될 때 유리하게 사용될 수 있다. 이는 광이 일 측면으로부터 광 가이드로 커플링된다는 것을 의미한다.
본 발명의 또 다른 특별한 실시예에서는, 적어도 하나의 광 디커플링 장치가 그 표면에 걸쳐 제공된 일정한 반사도를 갖는 것이 제공될 수 있다.
광 가이드 장치의 적어도 하나의 광 디커플링 장치의 표면에 걸쳐 일정한 반사율을 제공하는 것은 광 가이드 장치가 서로 대향하여 배열된 2 개의 광원에 의해 조명되는 경우 특히 유리하다. 여기서 광은 2 개의 측면으로부터 광 가이드로 커플링될 수 있으므로, 광 가이드에서 전파되는 광의 일부는 광 디커플링 장치에 부딪힐 때마다 광 가이드로부터 디커플링되고, 이 위치에서 반사되는 광의 일부는 광 가이드에서 더 전파되고 광 가이드의 후속 지점 또는 위치에서 이로부터 디커플링된다. 2 개의 측면으로부터 광을 커플링함으로써 광은 서로 반대 방향으로 전파되므로, 각각의 디커플링된 광은 서로 반대되는 강도 결함 또는 불균질성을 갖지만, 2 개의 측면에서의 광 커플링으로 인해 서로를 적어도 부분적으로 보상한다. 이러한 방식으로, 광 디커플링 장치의 표면에 걸쳐 일정한 반사도가 달성될 수 있다. 다시 말하면, 광을 2 개의 측면으로부터 광 가이드로 커플링함으로써, 광 디커플링 장치의 일정한 반사도에 의해, 디커플링된 광의 양호한 또는 높은 균질성이 달성될 수도 있다. 일정한 반사도를 갖는 광 디커플링 장치는 부분 반사 층의 제조와 관련하여 특히 유리하다. 부분 반사 층은 더 쉽게 제조될 수 있으며, 이 경우 동시에 더 비용 효율적으로 생산될 수 있다.
적어도 하나의 광 디커플링 장치는 유리하게는 투과형 또는 반사형으로 설계될 수 있다.
디커플링된 광의 강도를 증가시키기 위해, 유리하게는 광 전파 방향으로 존재하는 적어도 하나의 광 가이드의 측면 상에 적어도 하나의 미러 요소가 제공되는 것이 제안될 수 있다.
이 경우, 미러 요소 또는 또한 복수의 미러 요소가 적어도 하나의 광 가이드의 적어도 하나의 측면에 제공될 수 있다. 두 개의 측면 모두 - 광 가이드에서 광이 상기 두 개의 측면으로부터 및/또는 상기 두 개의 측면을 향해 전파됨 - 가 미러 요소 또는 복수의 미러 요소를 가질 수도 있다. 이러한 또는 이들 미러 요소(들)는 광 가이드로부터 디커플링되지 않은 광을 반사하기 위해 제공되므로, 반사된 광은 광 가이드에서 더 전파되고 디커플링될 수 있다. 이러한 방식으로, 광 가이드 장치의 효율이 향상될 수 있다.
광 가이드 장치로부터 디커플링되어 나오는 광의 높은 균질성 및 높은 효율을 생성하고 보장하기 위해, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 광 가이드에서의 광 전파 각도는 60 도 내지 85 도 범위, 바람직하게는 70 도 내지 80 도 범위인 것이 제공될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링되는 광 출력 파워의 강도 결함은 광 가이드에 커플링될 수 있는 광의 위치 의존적 입력 강도 분포에 의해 보상될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 광 가이드에 커플링되는 광의 위치 의존적 입력 강도 분포를 생성하기 위해, 예를 들어, 광 가이드에 입사되는 강도 분포를 그에 상응하게 설정하거나 또는 조정하는 선형 구배 그레이 필터(Grauverlaufsfilter)가 사용될 수 있다. 그러나, 광의 위치에 따른 입력 강도 분포를 생성하기 위한 회절 광학 요소가 또한 사용될 수 있어, 광의 강도를 그에 상응하게 재분배할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 광 가이드 상에 배열되어 입사광을 광 가이드로 커플링하기 위해 제공되는 적어도 하나의 광 커플링 장치가 제공될 수 있다.
유리하게는, 광을 적어도 하나의 광 가이드에 커플링하기 위해 적어도 하나의 광 커플링 장치가 제공된다. 이를 위해, 광 커플링 장치는 적어도 하나의 회절 광학 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 표면 격자, 또는 적어도 하나의 미러 요소 또는 적어도 하나의 프리즘 요소를 가질 수 있다. 광 커플링 장치는 여기서 이러한 광 커플링 장치를 사용하여, 복수의 광 빔으로 구성되어 광 가이드에 부딪히는 광 다발이 광 가이드에 완전히 커플링될 수 있도록 설계된다. 따라서, 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광이 광 디커플링 장치의 표면에 완전히 부딪히고 이러한 부딪힌 광이 광 커플링 장치에 의해 광 가이드에 커플링될 수 있도록 크기가 설계된다.
유리하게는, 적어도 하나의 광 가이드로 들어가는 광 강도 분포의 프로파일은 가우시안 프로파일, 톱니 형상 프로파일 또는 직사각형 프로파일일 수 있다. 시뮬레이션은, 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광의 균질하고 효율적인 강도 분포를 달성하기 위해, 가우시안 프로파일, 톱니 형상 프로파일 또는 직사각형 프로파일이 본 발명에 따라 설계된 광 디커플링 장치와 관련하여 광 가이드로 들어오는 광 강도 분포를 위한 프로파일로서 특히 양호하게 적합하다는 것을 보여주었다.
또한, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 광 디커플링 장치가 광 디커플링 장치에 부딪힐 때마다 적어도 하나의 광 가이드에서 전파되는 광을 디커플링하도록 설계되어, 광 가이드로부터 디커플링될 수 있는 광 세그먼트가 생성될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 광 가이드의 층에서 광이 전파되는 동안 광 디커플링 장치에 부딪히는 광의 특정 부분이 이러한 광 디커플링 장치에 의해 디커플링되는 방식으로 설계된다. 광 디커플링 장치에 의해 디커플링되는 광의 부분은 광 디커플링 장치의 설계에 의해, 즉, 제공된 또는 정의된 투과 대 반사 비율에 의해 결정된다. 광 가이드에서 전파되는 광이 광 디커플링 장치에 부딪히는 각 위치에서 광의 특정된 또는 정의된 부분이 광 가이드 장치의 광 가이드로부터 디커플링되기 때문에, 함께 볼 때 균질하고 효율적인 광 강도 분포를 나타내는 복수의 광 세그먼트가 생성된다.
생성된 광 세그먼트는 유리하게는 갭 없이 서로 인접하게 또는 서로 중첩되어 배열될 수 있다.
개별 광 세그먼트가 서로 중첩되도록 서로 옆에 배열되는 것이 특히 바람직하다. 이를 통해, 각각의 경우에 예를 들어 적어도 하나의 광 커플링 장치에 의해 생성된 효과 또는 결함을 야기하는 개별 광 세그먼트 사이에 발생할 수 있는 모든 갭 또는 간격이 회피될 수 있으므로, 디커플링된 광의 균질성이 악영향을 받지 않는다.
적어도 하나의 광 가이드에 커플링되는 광 다발의 폭이 광 가이드로부터 광의 균질하고 효율적인 디커플링이 달성될 수 있는 방식으로 광 가이드의 커플링 지점에서 이미 결정되는 경우, 큰 이점이 될 수 있다. 광 가이드에 커플링되는 광 다발의 이러한 미리 결정된 또는 정의된 폭은 수학적 계산에 의해 미리 결정될 수 있다.
광 가이드의 커플링 지점에서 커플링된 광의 최대 폭(Lin)은 Lin = 2d/tan(α)에 의해 결정되고, 여기서 d는 광 가이드의 총 두께이고, 각도(α)는 광이 광 가이드에 부딪히는 광 가이드에서의 광의 전파 각도이다. 디커플링된 각 광 세그먼트의 폭도 마찬가지로 Lin이다.
본 발명에 따르면, 개별 디커플링된 광 세그먼트들 사이의 거리가 광 가이드의 적어도 2 개의 층의 개별 두께에 의해 결정되는 것이 또한 제공될 수 있다.
개별 광 세그먼트 사이의 거리는 광 가이드의 적어도 2 개의 층의 두께에 의해 영향을 받을 수 있으므로 이에 따라 정의되고 결정될 수 있다. 따라서, 광 가이드의 적어도 2 개의 층의 두께는 광 가이드로부터 디커플링된 개별 광 세그먼트가 서로 중첩되어 이러한 광 세그먼트들 사이에 간격 또는 갭이 형성될 수 없고 디커플링된 광의 높은 균질성이 존재하는 방식으로 구성될 수 있다.
각 광 세그먼트의 최대 폭은 광 가이드의 총 두께에 의해 결정되므로, 이미 언급된 공식 Lin = 2d/tan(α)에 의해 결정된다. 그러나, 개별 광 세그먼트 사이의 거리는 광 가이드의 적어도 2 개의 층의 두께에 의해 결정된다. 따라서, 적어도 2 개의 층의 두께는 적어도 2 개의 층 사이의 거리가 커플링된 광의 최대 폭(Lin)보다 더 작은 방식으로 정의되고 형성될 수 있으며, 따라서 개별 광 세그먼트의 중첩이 생성되거나 또는 이를 통해 생성된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 광 가이드 장치가 광을 방출하여 광 가이드 장치 상으로 지향시키는 적어도 하나의 광원에 결합되는 것이 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 2 개의 광원이 광 가이드 장치에 결합되는 것이 제공될 수 있고, 여기서 광 가이드 장치는 제 1 광원에 의해 제 1 측면으로부터 조명될 수 있고, 광 가이드 장치는 제 2 광원에 의해 제 2 측면으로부터 조명될 수 있다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치와 2 개의 광원의 이러한 결합을 통해 - 광원은 광 가이드 장치의 일 측면에 각각 배열되어, 두 개의 광원이 광 가이드 장치의 영역에서 서로 반대편에 위치됨 - , 단지 하나의 광원만을 사용하는 것에 비해, 디커플링된 광 강도 분포의 개선된 균질성 및 높은 효율이 큰 비용 없이 간단한 방식으로 달성될 수 있다.
광원은 전파 방향으로 광 가이드의 상부 측면 또는 하부 측면에서 광 가이드의 대향하는 단부 섹션에 배열될 수 있다. 또한, 광 가이드의 상부 측면 및 하부 측면에 대해 광원을 배열하는 다른 방법이 존재한다. 예를 들어, 두 개의 광원 모두 광 가이드의 상부 측면 또는 하부 측면에 배열될 수 있거나, 또는 하나의 광원이 상부 측면에 배열되고 다른 광원이 하부 측면에 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 특히 유리한 실시예에서, 2 개의 서로 다른 방향으로 광을 확장하기 위해 적어도 2 개의 광 가이드가 제공되는 것이 제안될 수 있다. 바람직하게는 3 개의 광 가이드가 제공된다.
2 개의 서로 다른 방향, 바람직하게는 2 개의 서로 수직인 방향으로 광을 확장하기 위해, 본 발명에 따른 광 가이드 장치는 2 개, 바람직하게는 3 개의 광 가이드를 포함할 수 있다. 여기서 하나의 광 가이드는 막대 형상으로 형성될 수 있고, 하나의 광 가이드는 입방체 형상 또는 평평하게 형성될 수 있다. 입방체로 형성된 광 가이드는 광 전파 방향으로 막대 형상으로 형성된 광 가이드의 하류에 배열되거나 또는 뒤따를 수 있다. 3 개의 광 가이드가 제공되는 경우, 2 개의 광 가이드는 유리하게는 막대 형상으로 형성될 수 있고, 하나의 광 가이드는 입방체 또는 평평하게 형성될 수 있다. 입방체로 형성된 광 가이드는 광 전파 방향으로 막대 형상으로 형성된 광 가이드의 하류에 배열되거나 또는 뒤따를 수 있다. 이러한 방식으로, 하나의(2 개의) 막대 형상으로 형성된 광 가이드(들)에 의해, 광의 1 차원 확장이 이루어질 수 있는데, 즉, 한 방향, 예를 들어, 수평 방향으로 스트립 형상의 균질한 광 강도 분포가 존재한다. 하나의(2 개의) 막대 형상으로 형성된 광 가이드(들)의 하류에 배열된 입방체 또는 평평하게 형성된 광 가이드에 의해, 유리하게는 입사하는 스트립 형상으로 형성된 광 강도 분포(들)는 이제 여기에 커플링되어 다른 방향으로 확장될 수 있다. 이는 입방체로 형성된 가이드를 사용하면, 스트립 형상의 또는 1 차원의 광 강도 분포의 방향에 대략 수직인 방향으로 광의 확장이 구현될 수 있으므로, 광 전파 방향으로 입방체로 형성된 광 가이드 이후에 평평한 또는 2 차원 광 강도 분포가 생성되거나 또는 존재한다는 것을 의미한다.
따라서, 이와 같이 구성된 광 가이드 장치는 유리하게는 평평한 또는 2 차원의 균질한 광 강도 분포가 요구되거나 또는 필요한 경우 사용될 수 있다.
본 발명의 본 목적은 또한 본원의 청구항 제 28 항의 특징을 갖는 조명 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 조명 장치는 광을 방출하기 위한 적어도 하나의 광원 및 본 발명에 따른 광 가이드 장치를 포함한다. 본 발명에 따른 광 가이드 장치는 여기서 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광을 안내하도록 설계된다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치는 유리하게는 광의 균질하고 효율적인 디커플링을 생성하고 방출하도록 제공되는 조명 장치에 사용될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 조명 장치가 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광의 시준을 위한 시준 유닛을 갖는 것이 제공될 수 있다.
본 발명의 본 목적은 또한 본원의 청구항 제 30 항의 특징을 갖는 디스플레이 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 디스플레이 장치는 본 발명에 따른 적어도 하나의 광 가이드 장치를 갖는 적어도 하나의 본 발명에 따른 조명 장치, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치 및 적어도 하나의 광학 시스템을 포함한다. 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하는데 사용된다. 이러한 2 차원 및/또는 3 차원 정보는 스테레오스코픽, 특히 오토스테레오스코픽 방식으로 또는 바람직하게는 홀로그래픽 방식으로도 생성될 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치는 조명 장치에 의해 조명될 수 있다. 디스플레이 장치에 제공된 광학 시스템은, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치와 함께, 표현될 정보를 생성하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는 다이렉트 뷰 디스플레이, 프로젝션 디스플레이 장치, 헤드 업 디스플레이 또는 헤드 마운트 디스플레이로서 설계될 수 있다.
본 발명의 교시를 유리한 방식으로 설계하고 및/또는 설명된 예시적인 실시예 또는 구성예를 서로 조합하기 위한 다양한 가능성이 존재한다. 이를 위해, 한편으로는 독립 청구항에 종속된 청구항을 참조하고, 다른 한편으로는 도면을 기초로 하여 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 다음 설명을 참조하도록 하며, 도면에는 또한 본 교시의 일반적으로 바람직한 실시예가 예시되어 있다. 본 발명은 여기서 설명된 예시적인 실시예에 기초하여 원칙적으로 설명되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 광 가이드 장치로부터의 광의 출력 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 2 실시예의 개략도를 도시한다.
도 4는 광 가이드 장치 내의 광 경로의 표현과 함께 도 3에 따른 광 가이드 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 5는 광 가이드 장치로부터의 광 디커플링 절차를 갖는 도 3 및 도 4에 따른 광 가이드 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 6은 2 개의 측면으로부터의 광의 커플링을 갖는 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 3 실시예를 개략도로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 4 실시예를 개략도로 도시하고, 여기서 광 가이드 장치는 반사형으로 구현된다.
도 8은 본 발명에 따른 광 가이드 장치에 커플링된 광 강도 분포 및 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 광 가이드 장치에 커플링된 추가 광 강도 분포 및 광 가이드 장치로부터 디커플링된 추가 광 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 광 강도를 그래프 표현으로 도시한 것이고, 여기서 광 가이드 장치는 일 측면으로부터 조명된다.
도 11은 본 발명에 따른 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 광 강도를 그래프 표현으로 도시한 것이고, 여기서 광 가이드 장치는 2 개의 측면으로부터 조명된다.
도 12는 본 발명에 따른 조명 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 13은 도 12에 따른 조명 장치를 갖는 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 광 가이드 장치로부터의 광의 출력 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 2 실시예의 개략도를 도시한다.
도 4는 광 가이드 장치 내의 광 경로의 표현과 함께 도 3에 따른 광 가이드 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 5는 광 가이드 장치로부터의 광 디커플링 절차를 갖는 도 3 및 도 4에 따른 광 가이드 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 6은 2 개의 측면으로부터의 광의 커플링을 갖는 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 3 실시예를 개략도로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 제 4 실시예를 개략도로 도시하고, 여기서 광 가이드 장치는 반사형으로 구현된다.
도 8은 본 발명에 따른 광 가이드 장치에 커플링된 광 강도 분포 및 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 광 가이드 장치에 커플링된 추가 광 강도 분포 및 광 가이드 장치로부터 디커플링된 추가 광 강도 분포의 그래프 표현을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 광 강도를 그래프 표현으로 도시한 것이고, 여기서 광 가이드 장치는 일 측면으로부터 조명된다.
도 11은 본 발명에 따른 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광 강도 분포의 광 강도를 그래프 표현으로 도시한 것이고, 여기서 광 가이드 장치는 2 개의 측면으로부터 조명된다.
도 12는 본 발명에 따른 조명 장치의 기본 표현을 도시한다.
도 13은 도 12에 따른 조명 장치를 갖는 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 기본 표현을 도시한다.
동일한 요소/부품/구성 요소는 또한 도면에서 동일한 참조 부호를 가질 수 있다는 것을 간략하게 언급해야 한다.
도 1에는 광 가이드(10) 및 광 디커플링 장치(11)를 포함하는 광 가이드 장치가 도시되어 있다. 이러한 광 가이드 장치는, 예를 들어 물체 또는 장면과 같은 2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치의 조명 장치에 사용될 수 있다. 광 가이드(10)는 여기서 단일 광 안내 층으로 구성되고, 도 1에 도시되지 않은 클래딩 층을 가질 수 있다. 광 가이드(10)는 예를 들어 PMMA 또는 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 또는 유리로 만들어질 수 있다. 또한, 광 가이드(10)는 입방체로 형성되는데, 즉 광 가이드(10)의 단면은 직사각형 또는 직사각형 형상이다. 따라서, 광 가이드의 경계면(12 및 13)은 서로 평행하게 배열되어 제공된다. 광원(14)으로부터 발산되는 광은 광 커플링 장치(15)에 의해 광 가이드 장치의 광 가이드(10)에 커플링된다. 광 커플링 장치(15)는 적어도 하나의 회절 광학 요소를 가질 수 있다. 적어도 하나의 회절 광학 요소는 예를 들어 체적 격자 또는 표면 격자일 수 있다. 또한, 광을 광 가이드(10)에 커플링하기 위한 광 커플링 장치(15)는 또한 적어도 하나의 프리즘 요소 또는 적어도 하나의 미러 요소를 가질 수 있다. 그러나, 광 가이드(10)에 광을 커플링하기 위해서는 적어도 하나의 체적 격자가 바람직하다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 광원(14)에서 방출된 광은 광 가이드(10)로 안내된다. 여기서, 광 커플링 장치(15)는, 광 가이드(10)에 부딪히는 모든 광이 또한 광 가이드(10)에 커플링될 수 있도록 하기 위해, 그에 상응하는 크기를 갖는 것이 필요하다. 이것은 광 커플링 장치(15)가 입사광의 단면에 맞추어진다는 것을 의미한다. 광 가이드(10)에서 광의 전파는 이제 바람직하게는 전반사를 통해 이루어지는데, 즉 광 커플링 장치(15) 및 이에 따라 광 가이드(10) 상의 광의 입사각(α)은, 광 가이드의 표면에 대한 법선에 대해, 전반사의 임계각보다 크다. 그러나, 광 가이드(10)의 하나 또는 둘 모두의 경계면(12 및 13)이 반사 코팅을 갖는 것도 가능하여, 광 가이드(10)에서 그에 상응하게 광이 전파되도록 할 수 있다. 광 가이드(10)에서 전파되는 광은 도시된 화살표로 표시된 바와 같이 지그재그 형태로 확산된다.
광 가이드(10) 내에서 광이 광 디커플링 장치(11)가 제공되어 있는 경계면(13)에 부딪힐 때마다, 광 디커플링 장치(11)에 의해 광의 일부가 광 가이드(10)로부터 디커플링된다. 이를 위해, 광 디커플링 장치(11)는 평평하게 형성되고, 경계면(13) 또는 광 가이드(10)의 표면의 영역 위에 제공된다. 광 디커플링 장치(11)가 제공된 이러한 광 디커플링을 위해 제공되는 영역은 도 1에 도시된 바와 같이, 광 커플링 장치(15)의 영역의 단부로부터 광 전파 방향에서 본 광 가이드(10)의 외부 단부 영역까지 연장된다. 광 디커플링 장치(11)는 적어도 하나의 회절 광학 요소를 갖는다. 회절 광학 요소는 여기서 회절 격자, 특히 체적 격자 또는 표면 격자로 설계될 수도 있다. 또한, 광 가이드 장치는 부분 반사 층(16)을 가지며, 이는 이에 입사된 광의 일부를 반사하고 광의 나머지 부분을 투과하거나 또는 통과시킨다. 부분 반사 층(16)은 바람직하게는 광 가이드(10) 사이에, 즉 광 가이드(10)의 경계면(13)과 광 디커플링 장치(11) 사이에 배열되고, 고 굴절률 및 저 굴절률을 갖는 층들을 포함하는 다층 스택으로 형성된다. 부분 반사 층(16)의 반사율 및 이에 따라 투과율도 정의될 수 있고, 광 가이드 장치로부터 디커플링되는 광의 원하는 효율 및 균질성에 따라 변경되고 최적화될 수 있다. 예를 들어, 부분 반사 층(16)은 부분 반사 층의 각각의 광 입사 위치에서 입사광의 약 80 %가 반사되고 입사광의 약 20 %가 투과되거나 또는 통과되는 방식으로 설계될 수 있다. 반사율에 대한 이러한 언급은 여기서 단지 예를 제시하기 위한 것이다. 물론, 반사율 대 투과율의 다른 비율도 가능하고 적합하다. 그러나, 반사율 대 투과율의 비율은 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광의 가능한 한 높은 균질성 및 고효율이 달성될 수 있도록 설정되거나 또는 정의되어야 한다. 이를 달성하기 위해, 부분 반사 층(16)은 위치 의존적 투과 및 반사를 갖는데, 즉 부분 반사 층(16)은 구배 층으로 설계된다. 즉, 부분 반사 층(16)은 구배를 가지며, 여기서 광 커플링 장치(15)의 영역에서 높은 반사율 및 낮은 투과율을 가지며, 여기서 광 전파 방향으로 광 가이드(10)의 단부 영역에서 부분 반사 층(16)은 낮은 반사율 및 높은 투과율을 갖는다. 디커플링된 광 또는 디커플링된 광의 강도 분포의 높은 수준의 균질성 및 일정한 출력 파워를 달성하기 위해, 부분 반사 층(16)의 투과율(T)은 다음 설명된 바와 같이 정의되어야 한다. 일정한 출력 파워(dP/dx)가 필요하다. 따라서, 광 가이드에서의 광의 파워는 선형 프로파일에 상응해야 한다.
r이 광 가이드에서의 광의 남아있는 파워인 경우 P(0) = 1 및 P(1) = r, 및 무차원 좌표 x = x'/L인 경계 조건에서, 다음과 같은 파워가 주어진다:
여기서 광의 디커플링 계수는 다음과 같이 주어진다:
이로써 다음과 같이 정의되는 부분 반사 층(16)의 스케일링된 투과율(T) 및 반사율(R)이 도출될 수 있다:
여기서 L은 사용된 광 가이드의 길이이다.
위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 이러한 부분 반사 층에 의해, 디커플링된 광의 균질성이 증가되고 상당히 개선될 수 있다. 예를 들어, 이로써 광 커플링 장치(15)의 영역에서 반사율은 대략 90 %로 정의되고 설정될 수 있고, 여기서 반사율은 부분 반사 층(16)을 따라 광 전파 방향으로 광 가이드(10)의 단부 영역까지 약 50 %까지 연속적으로 떨어지거나 또는 감소한다.
부분 반사 층(16)에 의해 투과된 광은 그 후 광 디커플링 장치(11)에 부딪힌다. 광 디커플링 장치(11)는 그 후 입사광을 예를 들어 광 가이드(10)에서 각도(α)로 전파되는 광 빔으로부터, 광 가이드(10)의 표면에 수직인 각도로 광 가이드 장치로부터 나오는 광 빔으로 편향시킨다. 도 1에서 광 가이드 장치에서 나오는 이러한 수직 광 디커플링은 도시된 화살표로 표시된다. 광 가이드(10)에서 전파되는 광 또는 광 다발이 부분 반사 층(16)에 부딪힐 때마다, 광의 정의된 부분이 투과되고 광 디커플링 장치(11)에 부딪히며, 이 광 디커플링 장치는 이러한 정의된 광 부분을 광 가이드로부터 그리고 이에 따라 광 가이드 장치로부터 디커플링한다. 이러한 방식으로, 광 디커플링 장치(11)의 디커플링 위치에서 개별 광 세그먼트(17)가 형성되거나 또는 생성되어, 디커플링된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 여기서 화살표 및 화살표 뒤에 회색 배경 영역으로 표시되어야 하는 광 가이드(10)에 커플링될 광 다발의 폭은 광 커플링 위치 또는 광 가이드(10)의 광 입사 위치에서 파라미터(Lin)로 표시된다. 광 가이드(10)에 커플링되는 광 다발의 최대 폭은 바람직하게는 Lin = 2d/tan(α)이어야 하며, 여기서 d는 광 가이드 층의 두께이고, α는 광 가이드 표면에서 광의 입사각이다. 폭이 Lin = 2d/tan(α)보다 큰 입사광 다발은 결과적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 광 디커플링 장치(11)의 부분에 부딪히고, 이를 통해 파괴적인 반사로 이어질 수 있다. 이미 설명된 바와 같이, 광 가이드(10) 또는 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광은 광 세그먼트(17)로 구성된다. 이러한 광 세그먼트(17)는 마찬가지로 각각 폭이 Lin = 2d/tan(α)이고, 주기성 또는 주기가 L = 2d/tan(α)이다. Lin ≤ L 이므로, 가장자리 영역에서 개별 광 세그먼트(17)의 중첩이 없다. 그러나, 개별 광 세그먼트(17)는 이러한 광 세그먼트(17)가 갭 없이 서로 인접하게 생성되어 디커플링되는 방식으로 광 가이드(10)로부터 디커플링된다. 디커플링된 광의 불균질성은 개별 광 세그먼트(17) 사이에 간격 또는 갭이 있는 경우 발생할 수 있다. 개별적으로 디커플링된 광 세그먼트(17) 사이의 이러한 가시적 간격 또는 갭을 방지하고 따라서 디커플링된 광의 균질성을 개선하기 위해, 커플링된 광 다발의 폭이 그에 따라 조정되어야 한다.
도 2는 도 1에 따른 광 가이드 장치의 출력 광 강도를 그래프 표현으로 도시하고 있다. 이러한 광 강도는 길이(L)이 80 mm이고 두께(d)가 2 mm인 광 가이드를 사용하는 광 가이드 장치에 대한 시뮬레이션에 의해 얻어졌고, 여기서 광 가이드에서의 광 전파 각도(α)는 70°이다. 커플링된 광의 약 20 %가 광 가이드에 남아있도록 부분 반사 층의 투과 프로파일이 선택되었다. 광 가이드에 들어가는 광 강도 분포의 직사각형 프로파일이 여기에 사용되었다. 광 가이드 입사 지점에서 직사각형 프로파일을 갖는 광 가이드에 입사되는 광 다발의 폭(Lin)은 10 mm이다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 생성된 또는 형성된 개별 광 세그먼트 사이에는 각각 광 강도가 0에 가까워지거나 또는 사라지는 갭 또는 간격이 발생한다. 이러한 갭 또는 간격은 광 세그먼트가 광 디커플링 장치의 가장자리에 부딪혀 파괴적 반사 또는 회절 효과를 유발하는 것을 방지하기 위해, 광 세그먼트의 폭이 그 주기보다 약간 작도록 선택되었기 때문에 발생한다. 이것은 Lin이 L보다 작고 결과적으로 광 세그먼트가 갭 없이 접속되지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 디커플링된 광의 좋은 균질성을 얻을 수 없다.
시뮬레이션에서, 광 가이드 장치의 더 나은 일정한 광 출력 파워를 얻을 수 있는 반사 프로파일이 계산되어 표시된다. 여기서 높은 광 효율을 가진 광 가이드는 광 가이드의 단부 영역에서 더 큰 반사 감소를 필요로 한다는 것이 밝혀졌다. 이는 다시 제조 효율이 높은 광 가이드 장치를 위한 부분 반사 층이 더욱 요구된다는 것을 의미한다. 코팅 결함 또는 코팅 특성에 대한 광 가이드의 감도와 관련하여, 광이 더 작은 전파 각도, 예를 들어 60°로 전파되는 광 가이드가 광이 더 큰 각도, 예를 들어 80° 또는 85°로 전파되는 광 가이드보다 코팅 결함에 대해 더 민감하게 반응하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 광이 비교적 큰 각도, 즉, 75° 내지 85°에서 전파되는 광 가이드가 바람직하다. 이것은 또한 광이 예를 들어 60°와 같은 작은 각도로 전파되는 광 가이드의 경우, 전파 광이 더 큰 각도로 전파되는 광보다 광 가이드에서 더 많은 반사를 겪는다는 것을 의미한다. 따라서, 부분 반사 층의 반사율은 더 높아야 하는데, 즉, 광이 광 가이드에 커플링되는 영역에서 반사율은 예를 들어 60°의 전파 각도에서 약 98 % 이어야 한다. 그러나 광의 출력 파워는 반사율의 변화에 더 민감하게 반응한다. 그러나, 광 가이드에서 전파 각도가 크면 광 디커플링 장치의 회절 광학 요소에서도 큰 회절 각도가 필요하다. 여기서, 또한, 광 가이드로부터 광을 디커플링하기 위한 회절 광학 요소의 역할을 하는 체적 격자의 시뮬레이션 및 조명을 통해, 예를 들어 84° 내지 0° 까지의 광의 회절이 체적 격자를 위한 재료인 포토폴리머에서 달성하기에 상대적으로 어렵다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 광 가이드에서 약 80°의 광 전파 각도를 사용하고 이에 따라 본 발명에 따른 광 가이드 장치를 위한 광 디커플링 장치의 회절 광학 요소에서 80°의 회절 각도를 사용하는 것이 바람직하다. 물론 다른 적절한 각도도 가능하다.
디커플링된 광 강도 분포의 균질성을 개선하고 광 출력 파워의 강도 결함을 보상하기 위해, 광의 일반적인 또는 정상적인 입력 강도 분포 대신에, 광의 위치 의존적 입력 강도 분포가 사용될 수 있다. 따라서 광 가이드에 커플링되는 광의 입력 강도 분포 또는 강도 분포는 구배를 갖는다. 이를 달성하기 위해, 그에 상응하게 광의 강도를 재분배하는 선형 구배 그레이 필터가 사용되거나 또는 회절 광학 요소도 또한 사용될 수 있다.
디커플링된 광의 균질성을 더욱 향상시키거나 또는 증가시키기 위해, 광 가이드 장치는 적어도 2 개의 층을 갖는 광 가이드를 가질 수 있다. 이러한 광 가이드 장치는 원칙적으로 도 3에 도시되어 있다. 여기에 도시된 광 가이드 장치는 광 가이드(30) 및 광 디커플링 장치(34)를 갖는다. 여기서도, 광 가이드(30)는 다시 예를 들어 PMMA 또는 폴리 카보네이트와 같은 플라스틱 또는 유리로 제조된다. 이러한 광 가이드(30)는 또한 입방체로 형성되는데, 즉, 광 가이드(30)의 단면은 직사각형 또는 직사각형 형상이다. 따라서, 광 가이드(30)의 경계면(35 및 36)은 서로 평행하게 배열되어 제공된다. 여기서 광 가이드(30)는 빔 스플리터 요소(33)를 통해 서로 연결되는 2 개의 층(31 및 32)을 갖는다. 두 개의 층(31 및 32)은 서로 평행하게 배향되고, 여기서 빔 스플리터 요소(33)는 2 개의 층(31, 32) 사이에 배열된다. 층(31)은 두께(d1)를 가지며, 여기서 층(32)은 두께(d2)를 갖는다. 따라서 광 가이드(30)의 총 두께는 2 개의 층(31 및 32)의 개별 두께(d1 및 d2)로부터 발생한다. 그러나, 빔 스플리터 요소(33)의 두께는 계산을 위해 무시될 수 있을 정도로 너무 작다. 빔 스플리터 요소(33)는 평평하게 형성되고, 2 개의 층(31 및 32) 사이의 광 가이드의 경계면(35 및 36)에 본질적으로 평행하게 배열된다. 빔 스플리터 요소(33)는 여기서 광 가이드에서 전파되는 입사광을 부분적으로 투과 및 반사하도록 설계된다. 이는 빔 스플리터 요소(33)가 부분 반사형으로 설계되어, 입사광의 정의된 부분이 반사되고 입사광의 나머지 부분이 빔 스플리터 요소(33)에 의해 투과되도록 설계된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 빔 스플리터 요소(33)는 입사광의 약 40 %를 반사하고 입사광의 약 60 %를 투과하는 방식으로 설계될 수 있다. 빔 스플리터 요소(33)는 상이한 입사 파장에 대해 적절하게 반응할 수 있도록 복수의 층으로 구성될 수 있다.
광 디커플링 장치(34)는 또한 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 이 실시예에서 광 디커플링을 위한 적어도 하나의 회절 광학 요소를 갖는다. 여기서도, 광 디커플링 장치(34)와 광 가이드(30) 또는 광 가이드(30)의 경계면(36) 사이에 부분 반사 층(37)이 제공되며, 이 부분 반사 층의 반사율은 디커플링된 광의 균질성 및 효율에 대해 조정되고 최적화된다. 이를 위해, 도 1에 따른 설명을 참조해야 하며, 이는 여기에도 적용된다.
이러한 방식으로 구성된 광 가이드 장치의 광 가이드(30)에서 광 전파 과정이 도 4에 도시되어 있다. 그러나, 광 가이드(30)로의 광의 커플링은 여기에는 도시되어 있지 않다. 알 수 있는 바와 같이, 빔 스플리터 요소(33)는 광 가이드(30)를, 이를 통해 서로 연결되는 2 개의 층(31 및 32)으로 분할한다. 광 가이드(30)에 커플링된 광(38)은 빔 스플리터 요소(33)에 부딪히고, 이 빔 스플리터 요소를 통해 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과된다. 따라서, 광은 빔 스플리터 요소(33)에 의해 2 개의 광 부분으로 분할된다. 반사된 광의 부분 및 투과된 광의 부분은 빔 스플리터 요소(33)의 반사율에 의해 정의되고 결정된다. 반사된 광은 그 다음 층(31)에서 더 전파되고, 투과된 광은 층(32)에서 더 전파된다. 층(32)에서 전파되는 광은 그 후 다시 빔 스플리터 요소(33)에 부딪히고, 여기서 다시 2 개의 광 부분으로 분할된다. 여기서 광의 일부는 다시 반사되고, 광의 일부는 빔 스플리터 요소(33)에 의해 통과되어 추가 전파를 위해 층(31)으로 침투한다. 빔 스플리터 요소(33)에서 반사되어 이에 따라 층(31)에 남아있는 광은 위치에 따른 투과율 및 반사율을 갖는 부분 반사 층(37)에 부딪히고, 여기서도 마찬가지로 광의 일부는 반사되고 광 가이드(30)에서 층(31)에서 더 전파된 다음 빔 스플리터 요소(33)에 부딪히고, 이 빔 스플리터 요소는 광을 다시 2 개의 부분으로 분할한다. 부분 반사 층(37)에 부딪히는 광의 비-반사된 광 부분은 부분 반사 층(37)을 관통하여 광 디커플링 장치(34)에 부딪히고, 광 디커플링 장치는 이러한 광 부분을 광 가이드 장치의 광 가이드(30)로부터 디커플링된다. 이러한 과정은 광 가이드(30)의 길이를 따라 여러 번 반복되어, 층(31) 및 층(32)에서 전파되는 광은 광이 빔 스플리터 요소(33)에 부딪힐 때마다 빔 분할로 인해 서로 결합되고 혼합된다. 이러한 방식으로, 광은 광 디커플링 장치(34)의 여러 지점에서 광 가이드(30)로부터 디커플링되고, 이를 통해 광 세그먼트가 생성되거나 또는 형성된다.
도 3 내지 도 4에 따른 광 가이드 장치에 의한 광 세그먼트의 생성이 도 5에 도시되어 있다. 광원(39)에 의해 방출된 광(38)은 광 커플링 장치(41)를 통해 광 가이드 장치의 광 가이드(30)에 커플링된다. 이 경우 커플링된 광은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 광 가이드(30)의 2 개의 층(31 및 32)에서 전파된다. 광이 부분 반사 층(37)에 부딪힐 때마다, 정의된 부분의 광이 이 층(37)에 의해 투과되고 광 디커플링 장치(34)에 부딪히고, 이를 통해 광이 광 가이드(30)로부터 디커플링된다. 이와 같이 생성된 광 세그먼트(S1, S2, ..., SN)는 이제 도 1에 도시된 바와 같이 서로 인접하여 형성될 뿐만 아니라 중첩되기도 한다. 도 5에는 단지 2 개의 이러한 광 세그먼트(S1 및 S2)가 예로서 도시되어 있다. 이러한 세그먼트(S1 및 S2)는 주로 층(31)에서 전파되는 광에 의해 생성되지만, 그러나 층(32)에서 전파되는 광이 빔 스플리터 요소(33)에 부딪힐 때마다 광은 층(31)으로 투과되고 이를 통해 광이 혼합되어, 층(32)으로부터 전파되는 광도 광 가이드(30)로부터 디커플링되어 추가 광 세그먼트가 형성된다. 따라서, 광 가이드(30)로부터 디커플링된 모든 광 세그먼트는 중첩 방식으로 서로 접속되고, 이를 통해 매우 균질한 디커플링된 광 강도 분포가 생성되거나 또는 형성된다.
각각의 광 세그먼트(S1, ... SN)의 폭은 또한 도 1에 따라 단 하나의 층을 갖는 광 가이드의 경우와 같이 Lin ≤ 2d/tan(α)로 주어진다. 이것은 폭이 광 가이드(30)의 총 두께에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 그러나, 디커플링된 광 세그먼트(S1, ... SN)의 주기성은 광 가이드(30)의 2 개의 층(31 및 32)의 개별 두께(d1 및 d2)에 의해 결정된다. 따라서 주기성이 광 가이드의 입사 지점에서 커플링된 광 또는 광 다발의 폭보다 작기 때문에, 개별 디커플링된 광 세그먼트(S1, ... SN)의 중첩 또는 겹침이 발생된다. 개별 광 세그먼트(S1, ... SN)의 중첩을 통해, 디커플링된 광의 높은 수준의 균질성이 생성될 수 있다. 따라서 2 개의 세그먼트 사이의 영역에서 광의 강도가 감소되는 것이 방지될 수 있다.
광의 출력 강도에 대한 연구가 수행되었다. 이를 위해, 삼각형 프로파일을 갖는 광 입력 강도 분포가 사용되어 광 가이드에 커플링되었다. 또한, 광 가이드의 두께(d1 및 d2)는 d1 = 2·d2 조건을 충족하도록 선택되었다. 이를 통해, 두께(d2)를 갖는 층에서 추가적인 지그재그 전파를 수행하는, 광 가이드에서 전파되는 광 빔은 두께(d1)를 갖는 층에서만 전파되는 2 개의 광 빔 사이에서 매우 정확하게 부분 반사 층 및 광 디커플링 장치에 부딪힌다. 이를 통해, 삼각형으로 형성된 입력 강도 분포의 경우, 서로 중첩되는 광의 전체 강도에 대해 2 개의 삼각형으로 형성된 강도 기여가 생성되지만, 이러한 두 개의 삼각형으로 형성된 강도 기여는 절반 주기만큼 서로에 대해 오프셋되어 중첩된다. 서로에 대해 오프셋되어 중첩되는 이러한 강도 기여를 통해, 일정한 광의 전체 강도가 생성될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광의 높은 수준의 균질성이 달성된다.
물론, 광의 출력 강도 분포에서 높은 수준의 균질성을 생성하기 위해, 광 가이드로의 입력 강도 분포를 위한 다른 프로파일을 사용할 수도 있다. 이에 대해서는 나중에 자세히 설명하도록 한다.
도 6에는 광 가이드 장치의 추가 실시예가 도시되어 있다. 광 가이드 장치의 이러한 실시예에서, 광은 2 개의 측면에서 광 가이드로 커플링된다. 여기서 광 가이드(50)는 다시 2 개의 층(51 및 52)을 가지며, 이 층들 사이에 빔 스플리터 요소(53)가 제공된다. 광 가이드(50)도 여기서도 마찬가지로 입방체로 형성되고, 여기서 2 개의 층(51 및 52)은 서로 평행하게 배열된다. 빔 스플리터 요소(53)는 광 가이드(50)에서 다시 광 가이드(50)의 경계면에 평행하게 배열된다. 여기서도, 광 가이드(50)에서 전파되는 광을 디커플링하기 위해 광 디커플링 장치(54)가 광 가이드(50)의 경계면 영역에 제공된다. 광 디커플링 장치(54)와 광 가이드(50) 사이에 부분 반사 층(55)이 제공된다. 그러나, 이 부분 반사 층(55)은, 도 3 내지 도 5와 대조적으로, 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖지 않는다. 이것은 여기서 사용되는 부분 반사 층(55)이 구배 층이 아니라는 것을 의미한다. 그러나, 그럼에도 불구하고, 부분 반사 층이 구배 층으로 설계되고 이것이 도 6에 따른 광 가이드 장치에서 사용되는 경우, 특정 경우에 유리할 수 있다.
광 가이드 장치의 이 실시예에서는, 2 개의 광원(56, 57)이 제공된다. 이들 2 개의 광원(56, 57)은 광 가이드(50)의 단부 부분의 영역에 각각 배열되어, 광이 양측으로부터 광 가이드(50)에 커플링될 수 있다. 광 가이드(50)로의 광 커플링은 여기서 2 개의 광 커플링 장치(58, 59)를 통해 이루어진다. 광 커플링 장치(58 및 59)는 다시 적어도 하나의 회절 광학 요소, 미러 요소 또는 프리즘 요소를 가질 수 있다. 여기서 광은 2 개의 측면에서 광 가이드(50)로 커플링되어 이에 따라 광이 광 가이드에서 서로 반대 방향으로 전파되기 때문에, 광 디커플링 장치(54)는 또한 광 가이드에서 이러한 방식으로 전파되는 광의 디커플링을 위해서도 설계되어야 한다. 이를 위해, 광 디커플링 장치(54)는 광 가이드에서 전파되는 광의 대응하는 입사각을 위해 설계된 2 개의 회절 광학 요소, 바람직하게는 2 개의 체적 격자를 갖는다. 이는 회절 광학 요소가 광원(56)에 의해 방출되어 광 커플링 장치(58)를 통해 광 가이드(50)에 커플링되는 광이 입사하는 광 입사각에 대해 설계된다는 것을 의미한다. 광 디커플링 장치의 다른 제공된 회절 광학 요소는 광원(57)에 의해 방출되어 광 커플링 장치(59)를 통해 광 가이드(50)로 커플링되는 광이 입사하는 다른 광 입사각에 대해 그에 상응하게 설계된다.
이제 광원(56)에 의해 방출된 광은 광 커플링 장치(58)를 통해 광 가이드(50)에 커플링되고, 도 6에서 검은 색 화살표로 볼 수 있는 바와 같이, 이제 광 가이드(50)의 두 개의 층(51 및 52)에서 광 가이드(50)의 좌측 단부 섹션으로부터 우측 단부 섹션으로 전파된다. 광원(57)에 의해 방출된 광은 이와 동시에 광 커플링 장치(59)를 통해 광 가이드(50)에 커플링되고, 또한 광 가이드(50)의 2 개의 층(51 및 52)에서 전파된다. 이러한 커플링된 광은 이제 광 가이드(50)의 다른 측면에 광원(57)이 배열됨으로 인해, 광 커플링 장치(58)를 통해 광 가이드(50)에 커플링된 광과 반대 방향으로 전파된다. 이는 광 커플링 장치(59)를 통해 광 가이드(50)에 커플링된 광이 이제, 도 6의 광 가이드(50)에서 점선 화살표로 도시된 바와 같이, 광 가이드(50)의 우측 단부 섹션으로부터 좌측 단부 섹션으로 전파된다는 것을 의미한다. 두 개의 광 다발은 전파되는 동안 다시 빔 스플리터 요소(53)에 부딪히고, 이 빔 스플리터 요소는 광을 반사된 부분 및 투과된 부분으로 분할하고, 이들 부분은 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이 층(51 및 52)에서 더 전파된다. 전파되는 광의 정의된 광 부분은 부분 반사 층(55)에 부딪힐 때마다 투과되고 광 디커플링 장치(54)에서 이러한 목적을 위해 제공된 회절 광학 요소에 의해 광 가이드 장치의 광 가이드(50)로부터 디커플링된다. 광 커플링 장치(58)를 통해 커플링된 광의 디커플링 강도 및 이에 따른 광의 밝기는 광 전파 방향으로 볼 때의 광 가이드(50)의 단부 섹션보다 광 커플링 장치(58)의 영역에서 더 높다. 이는 광 커플링 장치(59)를 통해 커플링된 광의 디커플링 강도에도 동일하게 적용된다. 따라서, 광의 이러한 2 개의 강도 분포는 광 가이드(50)에서 서로 반대 방향으로 전파되고, 이어서 광 디커플링 장치(54)의 적어도 2 개의 회절 광학 요소에 의해 광 가이드(50)로부터 디커플링된다. 여기서 광 디커플링 장치(54)는 그 표면에 걸쳐 제공된 일정한 반사도를 가지므로, 광의 2 개의 디커플링된 강도 분포는 각각 서로 반대되는 구배를 갖는다. 이러한 방식으로, 광의 생성된 불균질한 강도 분포는 적어도 부분적으로 보상된다. 디커플링된 2 개의 강도 분포는 동일한 강도 프로파일을 갖지만, 구배가 반대 방향이므로, 이로부터 생성되는 광의 전체 강도 분포는 일정한 강도 분포를 나타낸다.
광이 2 개의 측면에서 광 가이드(50)로 커플링될 수 있는 도 6에 도시된 광 가이드 장치에서는, 이에 따라, 균질한 광 강도 분포를 얻기 위해, 광의 일정한 디커플링 강도가 사용된다.
도 6에 따른 광 가이드 장치의 이러한 실시예는 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 부분 반사 층을 제공하는 도 3 내지 도 5에 따른 광 가이드 장치에 대한 대안을 나타내기 위한 것이다. 구배를 갖는 부분 반사 층은 일반적으로 제조 시에 매우 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에, 도 6에 따른 광 가이드 장치는 더 비용 효율적이고 간단한 대안을 나타낼 수 있다.
도 7에는 광 가이드 장치의 추가 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 이러한 광 가이드 장치는 도 1, 도 3 내지 도 6의 광 가이드 장치와 비교하여 투과형이 아니라 반사형으로 설계되었다. 도 7에 따른 광 가이드 장치의 구조는, 다른 광 디커플링 장치가 사용되는 경우를 제외하고, 여기서 기본적으로 도 6에 따른 광 가이드 장치의 구조에 대응한다. 도 7에 따른 광 가이드 장치는 또한 빔 스플리터 요소(63)가 사이에 제공되는 2 개의 층(61 및 62)을 갖는 광 가이드(60), 2 개의 광원(66 및 67)으로부터 광이 입사되어 광 가이드(60)에 커플링될 수 있는 2 개의 광 커플링 장치(68 및 69), 광 디커플링 장치(64), 및 광 가이드(60)와 광 디커플링 장치 사이의 부분 반사 층(65)을 포함한다. 그러나, 광 디커플링 장치(64)는 이제 여기서 투과형으로 형성된 회절 광학 요소도 갖지 않고, 예를 들어 체적 격자와 같은 반사형으로 형성된 회절 광학 요소를 갖는다.
광 가이드(60)로의 광의 커플링, 광 가이드(60)에서의 광의 전파 및 광 가이드(60)로부터 광의 디커플링은 도 6에 대해 설명된 바와 같이 이루어진다. 그러나, 광 디커플링 장치(64)는 반사 형으로 형성되고 이에 따라 반사형으로 작동하기 때문에, 부분 반사 층(65)에 의해 통과되거나 또는 투과된 광은 이제 광 디커플링 장치(64), 특히 적어도 2 개의 회절 광학 요소에 부딪혀서, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 경우에 광 가이드(60)의 2 개의 반대 측면으로 전파되는 이러한 광은 이제 광 디커플링 장치(64)에 의해, 즉, 적어도 2 개의 회절 광학 요소에 의해 투과되지 않고 반사된다. 광 디커플링 장치(64)에 의해 반사된 광은 이제 광 가이드(60)의 2 개의 층(61 및 62)을 통과하고, 도 7에서 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 광 디커플링 장치(64)의 측면에 대해 반대 측면에서 광 가이드(60)에서 빠져나간다.
또한 반사형으로 형성된 광 가이드 장치에 대해서도, 이러한 방식으로, 디커플링된 광의 높은 수준의 균질성 및 효율이 달성될 수 있다.
반사형으로 형성된 광 가이드 장치는 물론 단 하나의 광원으로도 구성될 수도 있다. 그러나, 이 경우에는, 디커플링되는 광에 대해 높은 수준의 균질성 및 높은 효율을 달성하도록 위치 의존적 투과율 및 반사율 및 이에 따라 구배를 갖는 부분 반사 층이 사용되어야 한다.
다음 도 8 및 도 9에서는, 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 광 가이드에 커플링되는 광 강도 분포의 두 가지 예가 도시되며, 이는 바람직하게는 디커플링될 광의 균질성 및 효율을 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 여기서 광 가이드는 이제 하나의 광원으로만 조명되었다.
도 8은 상부 표현에서 광 가이드에 커플링된 광 강도 분포를 도시하고, 여기서 아래 표현에서는 이로부터 생성된 디커플링된 광 강도가 각각 좌표 값(y)에 대해 표시된다. 이를 위해, 길이(L) = 40 mm이고 층 두께(d1) = 1.333 mm이고 d2 = 0.667 mm인 광 가이드가 사용되었다. 광 가이드에서의 광 전파 각도는 α = 70°이고, 여기서 광 가이드에 배열된 빔 스플리터 요소의 반사-투과 비율은 38.197 % 내지 61.803 %이다. 광 가이드에 광을 커플링하기 위해 바람직하게는 직사각형 프로파일을 갖는 광 강도 분포가 도 8의 상부 표현에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 직사각형 입력 프로파일의 폭은 7.32 mm이고, 여기서 이에 따라 입력 프로파일 폭의 절반은 3.66 mm이다. 광의 이러한 직사각형 입력 프로파일은 도 8의 하부 표현에 도시된 바와 같이, 광의 출력 강도의 파동형 또는 톱니형 프로파일을 갖는 디커플링된 광 강도를 생성한다. 광의 출력 강도의 이러한 파동형 또는 톱니형 프로파일은 광 가이드에서 광이 전파되는 동안 광 가이드 장치에 제공된 부분 반사 층의 투과율을 증가시키거나 또는 높임으로써 발생한다. 직사각형 프로파일의 파동 또는 톱니 형상의 주기는 1.8 mm이다.
부분 반사 층의 광의 증가하는 출력 효율, 즉 파동 또는 톱니 형상을 보상하고 이에 따라 광의 균질성을 높이기 위해, 광의 입력 프로파일은 위치에 따른 강도 분포를 가질 수 있다. 이는 예를 들어 구배를 갖는 커플링될 광 강도 분포의 프로파일을 통해 이루어질 수 있다. 구배는 예를 들어 선형 구배 그레이 필터 또는 광의 상응하는 재분배를 위해 설계된 회절 광학 요소에 의해서도 생성될 수 있다. 광의 출력 강도의 프로파일의 대략 삼각형으로 형성된 파동 또는 톱니 형상은 커플링된 광 강도 분포의 프로파일에서 구배를 사용하여 직사각형 파동 또는 톱니 형상으로 변환된다. 위의 예시적인 실시예에서, 이 경우 파동 또는 톱니 형상의 주기의 절반은 대략 1.8 mm일 것이다.
도 9는 광 가이드 장치의 광 가이드에 커플링되는 광 강도 분포의 바람직한 프로파일의 추가 예시적인 실시예를 도시한다. 여기에서도 다시 광의 입력 강도 분포가 상부 표현에 표시되고, 이로부터 생성된 광의 출력 강도가 하부 표현에 표시된다. 여기에서 가우시안 프로파일을 갖는 광 강도 분포가 광을 광 가이드에 커플링하는데 사용된다. 광 가이드의 파라미터, 광 가이드 내의 광의 전파 각도 및 빔 스플리터 요소는 도 8에 따라 설명된 직사각형 프로파일에 대한 파라미터에 대응한다. 여기서 다시 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 부분 반사 층이 사용된다. 도 9의 상부 표현에 따른 광의 입력 프로파일의 폭의 절반은 3.5 mm의 1/e2 반경에서 3.66 mm이다. 도 9의 하부 표현에서 볼 수 있는 바와 같이, 광 가이드에 커플링된 광 강도 분포의 가우시안 프로파일을 사용하더라도, 광의 출력 강도의 프로파일에서 파동 또는 톱니 형상은 남아있다. 그러나, 광의 출력 강도는 직사각형 프로파일을 갖는 광 강도 분포보다 가우시안 프로파일을 갖는 커플링된 광 강도 분포에서 개별 디커플링된 광 세그먼트 사이의 전이부에서 더 균일하게 또는 더 유동적으로 나타나지만, 여기서 광의 출력 강도의 차이는 미미하다. 또한, 여기에서도, 도 8의 하부 표현에 따른 커플링될 직사각형 프로파일의 경우와 같이 광 커플링 영역에서 약간 더 높은 광 강도가 존재하는데, 왜냐하면 이 영역에서 광 가이드의 2 개의 층에서 전파되는 광은 아직 서로 직접 혼합되지 않았기 때문이다. 그러나, 광 가이드의 추가 영역에서 광의 출력 강도는 충분히 일정하므로, 디커플링된 광의 높은 수준의 균질성 및 높은 효율이 얻어질 수 있다.
따라서, 커플링될 광 강도 분포의 가우시안 프로파일에 의해, 디커플링된 광의 균질성이 개선될 수도 있다.
커플링될 광 강도 분포의 톱니형 프로파일은 또한 광 가이드로부터 디커플링될 광의 균질성을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 물론, 예를 들어 삼각형 프로파일과 같은 다른 유형의 프로파일도 커플링될 광 강도 분포에 사용될 수 있다.
커플링될 광 강도 분포의 여기에 언급되고 설명된 이러한 유형의 프로파일은 예를 들어 도면 6 및 도 7에 예시된 바와 같이 광 가이드의 서로 다른 2 개의 위치에서 2 개의 광원을 사용하여 광을 광 가이드에 커플링하는 광 가이드 장치와 함께 사용될 수도 있다.
도 10 및 도 11에는 광 가이드 장치에서 부분 반사 층의 반사율이 변화되어 디커플링된 광 강도에 미치는 영향이 연구된 시뮬레이션을 통해 얻어진 광의 출력 강도에 대한 2 개의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 여기서 두께(d1) = 1.33 mm이고 d2 = 0.67 mm이어서 광 가이드의 총 두께가 d = 2 mm인 2 개의 층을 갖는 광 가이드, 길이(L) = 36 mm이고 광 전파 각도(α) = 70°인 광 디커플링 장치가 사용된다. 따라서 빔 스플리터 요소는 두께(d1)를 갖는 층에 의해 형성되는 광 가이드의 경계면에서 1.33 mm 떨어져 배열되고, 여기서 이러한 빔 스플리터 요소는 약 38 %의 반사율을 갖는다.
도 10은 부분 반사 층의 반사율의 다양한 값에 대한 직사각형 프로파일을 갖는 커플링된 광 강도 분포에 대한 파라미터(x)에 대한 광의 출력 강도를 도시한다. 여기서 광 강도 분포의 입력 프로파일의 폭의 절반은 3.66 mm이다. 광은 예를 들어 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 단지 한 측면에서만 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 광 가이드에 커플링되고, 이로부터 도시된 광의 출력 강도가 생성된다. 부분 반사 층의 경우, 여기서 50 %, 60 %, 70 %, 80 % 및 90 %의 반사율이 사용된다. 부분 반사 층의 지정된 모든 반사도 또는 반사율 값에 대한 광의 개별 출력 강도를 고려할 때, 광이 한 측면에서만 광 가이드에 커플링되는 경우, 광 디커플링 장치 또는 광 가이드의 표면에 대한 출력된 광 강도는 불균질하다는 것을 알 수 있다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 광 커플링 영역에서 광 강도는 높은 반면, 광 가이드의 반대쪽 단부 섹션에서 디커플링된 광 강도는 매우 낮다. 이것은 부분 반사 층의 지정된 모든 반사율에 적용된다. 따라서 광의 출력 강도는 광 가이드 장치의 광 디커플링 장치의 표면에 걸쳐 일정하지 않으며, 이를 통해 광이 광 가이드로부터 디커플링된 후에는 충분히 균질한 광 강도 분포가 존재하지 않는다. 디커플링된 광의 이러한 불균질성을 회피하거나 또는 방지하기 위해, 부분 반사 층에 구배가 제공될 수 있다. 이것은 부분 반사 층이 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 방식으로 설계되어야 한다는 것을 의미한다.
2 개의 광원으로 광 가이드 장치의 광 가이드를 조명함으로써, 위치 의존적 투과율 및 반사율을 갖는 부분 반사 층을 사용하지 않고 광의 일정한 출력 강도가 달성될 수 있다. 이것은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 광 가이드가 제 1 광원을 통해 제 1 측면으로부터 조명되고 제 2 광원을 통해 제 2 측면으로부터 조명된다는 것을 의미한다. 여기서, 광은 각각 서로 반대 방향으로 전파되므로, 2 개의 광 강도 분포가 도 10과 유사한 방식으로 디커플링된다. 이 경우, 2 개의 광 강도 분포가 중첩되어, 광 가이드로부터의 광 디커플링 표면에 걸쳐 거의 일정한 강도를 갖는 광 강도 분포를 형성한다.
도 11은 부분 반사 층의 반사율의 상이한 값에 대한 직사각형 프로파일을 갖는 커플링된 광 강도 분포에 대한 파라미터(x)에 대한 광의 출력 강도를 도시한다. 광 강도 분포의 입력 프로파일의 폭의 절반은 여기서 다시 3.66 mm이다. 이미 언급된 바와 같이, 여기서 광은 이제 2 개의 측면에서 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 광 가이드로 커플링되고, 이로부터 광의 예시된 출력 강도가 생성된다. 부분 반사 층의 경우, 여기서 다시 50 %, 60 %, 70 %, 80 % 및 90 %의 반사율이 사용되었다. 알 수 있는 바와 같이, 광 가이드에서 서로 반대 방향으로 전파되는 2 개의 광 다발은 부분 반사 층의 반사율에 따라 각각 도 10에 따른 광의 출력 강도보다 본질적으로 더 우수한 균질성을 갖는 광의 전체 강도 분포를 형성하기 위해 중첩되는 광 강도 분포를 유도한다. 이는 광이 2 개의 측면에서 광 가이드 장치의 광 가이드에 커플링되는 경우, 디커플링된 광의 균질성이 증가한다는 것을 의미한다.
도 11에 따라 생성되고 도시된 전체 강도 분포의 골 형상을 회피함으로써 광 가이드 장치로부터 디커플링된 광의 균질성을 더욱 개선하기 위해, 부분 반사 층은 위치 의존적 반사율 및 투과율을 가질 수 있는데, 즉, 구배 층으로 설계될 수 있다.
일반적으로 광 가이드 장치의 다른 파라미터는 광의 출력 강도의 균일성에 영향을 준다. 따라서, 이러한 파라미터를 사용하여, 전체 광 가이드 장치를 최적화하고 개선할 수 있다. 디커플링된 광 세그먼트의 크기 및 위치 그리고 또한 광의 디커플링된 강도 분포에도 영향을 미칠 수 있는 광 가이드 장치의 최적화될 수 있는 파라미터에는 다음이 포함될 수 있다:
- 광 가이드의 두께 또는 광 가이드의 개별 층의 두께
- 커플링될 광 강도 분포의 프로파일
- 광 가이드에서 광의 전파 각도
- 광 디커플링 장치의 길이
- 광 가이드에서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 배열, 즉, 광 가이드의 경계면으로부터 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 거리
- 빔 스플리터 요소의 반사율
- 부분 반사 층의 반사율 또는 투과율 프로파일, 여기서 반사율은 공간적으로 일정하거나 또는 예를 들어 구배 층에 따라 광 가이드의 좌표에 따라 또한 달라질 수도 있다.
예를 들어, 광 가이드의 층의 두께는 두께(d2)를 갖는 층으로부터 디커플링되는 디커플링된 광 세그먼트가 두께(d1)를 갖는 층으로부터 디커플링되는 광 세그먼트 사이의 갭 또는 간격을 가능한 한 정확하게 채워서 개별 광 세그먼트의 중첩이 존재하는 방식으로 최적화될 수 있다. 여기서 두께(d1)는 두께(d2)의 두 배이어야 한다. 왜냐하면 두께(d2)를 갖는 층에서 추가 반사를 수행하는 광 빔이 두께(d1)를 갖는 층에서만 전파되는 광 빔의 2 개의 광 디커플링 위치 사이에서 본질적으로 정확하게 광 디커플링 장치에 부딪히기 때문이다. 물론, 광 가이드의 2 개의 층의 두께(d1 및 d2)는 다른 치수를 가질 수도 있다.
디커플링된 개별 광 세그먼트의 강도는 또한 서로 매칭되거나 또는 일치해야 한다. 여기서 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 반사율이 중요한 역할을 한다. 빔 스플리터 요소의 반사율은 여기서 R로 표시되어야 한다. 빔 스플리터 요소에 의해 한 번 반사되어 광 디커플링 장치에 부딪히는 입사 파워(P)를 갖는 광 빔은 파워 P·R을 갖는다. 빔 스플리터 요소에 의해 투과된 다음 전반사로 반사되고 빔 스플리터 요소에 의해 다시 투과되는 광 빔은 파워 P·(1-R)2를 갖는다. 조건이 충족되면, 두 개의 파워가 동일하다.
약 38 %의 반사율이 특히 유리한 것으로 입증되었는데, 왜냐하면 이 경우 광 분포의 두 개의 강도가 동일하고 이에 따라 높은 수준의 균질성이 보장될 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명은 약 38 %의 반사율로 제한되지 않을 수 있다.
또한, 광 가이드 장치는 복수의 빔 스플리터 요소, 즉 적어도 2 개의 빔 스플리터 요소를 가질 수도 있으므로, 광 가이드 장치의 광 가이드는 복수의 층, 즉 적어도 3 개의 층을 갖는다. 이것은 광이 한 측면에서만 광 가이드로 커플링되는 광 가이드 장치뿐만 아니라, 광이 2 개의 측면에서 광 가이드로 커플링되는 광 가이드 장치에도 적용된다. 따라서 광 가이드의 적어도 3 개의 층에서 전파되는 광은 적어도 2 개의 빔 스플리터 요소를 통해 서로 결합되어 이에 따라 혼합된다. 광 가이드에서 하나 초과의 빔 스플리터 요소를 사용하면, 디커플링된 광 강도의 균질성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 부분 반사 층은 광 디커플링 장치에 통합될 수 있다.
광 가이드 장치의 추가 구성에서, 광 디커플링 장치는 또한 η < 100 %의 회절 효율을 제공하거나 또는 회절 효율의 구배를 갖는 예를 들어 체적 격자와 같은 적어도 하나의 회절 광학 요소를 가질 수 있다. 광 디커플링 장치의 두 개의 구성에 대해, 광 가이드 장치는 부분 반사 층을 필요로 하지 않는다. 광의 부분 반사 및 투과의 기능은 이 경우 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 회절 광학 요소가 갖게 된다. 따라서 광 디커플링 장치는 입사광의 일부가 반사되어 광 가이드에서 더 전파되고 광의 나머지 부분이 편향되어 광 가이드로부터 디커플링되도록 설계된다.
또한, 본 발명에 따른 광 가이드 장치의 광 가이드는 적어도 하나의 측면에 미러 요소 또는 복수의 미러 요소를 가질 수 있다. 즉, 광 전파 방향으로 존재하는 광 가이드의 측면에 적어도 하나의 미러 요소가 제공될 수 있다. 두 개의 측면 모두 - 광 가이드에서 광이 상기 두 개의 측면으로부터 및/또는 상기 두 개의 측면을 향해 전파됨 - 가 미러 요소 또는 복수의 미러 요소를 가질 수도 있다. 이러한 또는 이들 미러 요소(들)는 광 가이드로부터 디커플링되지 않은 광을 반사하기 위해 제공되므로, 반사된 광은 광 가이드에서 더 전파되고 디커플링될 수 있다. 이러한 방식으로, 광 가이드 장치의 효율 및 디커플링된 광의 강도가 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치는 예를 들어 적어도 하나의 공간 광 변조 장치를 균일하게 조명하기 위해 조명 장치에 사용될 수 있다. 도 12에는, 적어도 하나의 광 가이드 장치를 구비하는 이러한 조명 장치가 도시되어 있다.
조명 장치는 후속하는 시준 유닛(81)에 부딪히는 광을 방출하는 적어도 하나의 광원(80)을 갖는다. 시준 유닛(81)은 적어도 하나의 광원(80)에 의해 방출 및 입사되는 광을 시준한다. 이러한 시준된 광은 그 후 광이 커플링될 수 있는 후속 배열된 광 가이드 장치(82)에 부딪힌다. 광 가이드 장치(82)는 여기서 도 1 내지 도 7에 따라 설계될 수 있고, 도 8 내지 도 11에 따라 더욱 최적화된다. 광 가이드 장치(82)는 조명 장치에 후속하는 장치 또는 요소(83)의 가능한 한 균일하고 균질한 조명을 위해 제공된다. 장치 또는 요소(82)는 예를 들어 적어도 하나의 공간 광 변조 장치이거나 또는 균일하고 균질한 조명을 필요로 하는 또 다른 요소일 수도 있다. 본 발명에 따른 광 가이드 장치(82)를 갖는 조명 장치는 물론 시준 유닛 이외에 예를 들어 렌즈와 같은 다른 요소 또는 구성 요소를 가질 수도 있다.
이러한 조명 장치는 특히 물체 또는 장면과 같은 정보의 2 차원 및/또는 3 차원 표현을 위한 디스플레이 장치에서 사용될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치는 예를 들어 헤드 업 디스플레이, 다이렉트 뷰 디스플레이, 또는 헤드 마운트 디스플레이 또는 프로젝션 장치일 수도 있다. 예시를 위해, 이러한 조명 장치는 이제 헤드 업 디스플레이 및 그 작동 모드를 참조하여 설명될 것이다. 물론, 본 발명에 따른 광 가이드 장치를 갖는 이러한 조명 장치는 또한 광 가이드 장치에 의해 광 가이드 장치에 커플링된 전체 광의 단면이 상당히 증가될 수 있기 때문에 치수가 상대적으로 크고(예를 들어, 적어도 10 cm의 가장자리 길이) 동시에 구조적 형상이 컴팩트한 공간 광 변조 장치를 포함하는 다이렉트 뷰 디스플레이에서 특히 유리하게 사용될 수도 있다.
도 13에는 이제, 도 12에 따른 조명 장치를 갖는 헤드 업 디스플레이가 예로서 도시되어 있다. 헤드 업 디스플레이는 운전자 또는 차량 운전자의 시야에 직접 이미지 정보 형태의 정보를 투사하거나 또는 표시하기 위해 예를 들어 자동차 또는 항공기와 같은 운송 수단에 사용되는 것이 바람직하다. 자동차 또는 항공기의 내부에 제공되어 광을 투사하는 헤드 업 디스플레이는 도 12에 따른 조명 장치(91)를 포함하고, 이 조명 장치는 적어도 하나의 광원, 시준 유닛 및 적어도 하나의 광 가이드 장치를 갖는다. 광 전파 방향으로 조명 장치(91) 하류에는, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93) 및 예를 들어 렌즈와 같은 이미징 요소를 포함하는 광학 시스템(94)을 갖는 프로젝션 장치(92)가 배치된다. 광학 시스템(94)은 여기서 명확성을 위해 상세하게 도시되지 않는다. 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)는 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)에 표현되는 생성될 정보에 따라, 조명 장치(91)에 의해 방출된 광을 변조한다. 프로젝션 장치(92)에 의해 방출된 광은 프로젝션 표면으로서 역할을 하는 편향 장치(95)에 투사되어, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)의 이미지는 자동차 또는 항공기 내에 존재하여 여기서 눈에 의해 표현되는 관찰자(96)에게 가상 정보로서 표현된다. 편향 장치(95)는 적어도 하나의 편향 요소를 가지며, 여기서 헤드 업 디스플레이의 광학 시스템의 일부로서 부분 반사형으로 설계된다. 정보는 알려진 방식으로 2 차원으로 생성되고 관찰자(96)의 시야에 표현될 수 있다. 관찰자(96)는 이 경우 가시성 영역(97)을 통해 표현된 정보를 볼 수 있다. 편향 장치(95)의 적어도 하나의 편향 요소는 여기서 자동차 또는 항공기의 윈드실드로서 설계된다.
그러나, 표현될 정보를 홀로그램으로 생성하기 위해, 홀로그램이 또한 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)로 인코딩될 수도 있다. 이 경우, 조명 장치(91)는 예를 들어 레이저 또는 LED(발광 다이오드) 광원으로부터 시작하여, 충분한 간섭성 광을 방출하여, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)에 인코딩된 홀로그램에 의해 입사광을 진폭 및 위상에 있어서 변조하여, 필요한 정보는 관찰자(96)의 시야에서 홀로그램으로 생성될 수 있어야 한다. 따라서 정보는 2 차원 또는 3 차원으로 생성되고 표현될 수 있다. 홀로그래픽 헤드 업 디스플레이에서 가시성 영역(97)이 생성된다. 그러나, 이러한 가시성 영역(97)은 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(93)에서 인코딩된 홀로그램의 푸리에 변환에 의해 형성되고, 예를 들어 대략 2 mm 내지 15 mm의 크기를 가질 수 있다. 이 가시 영역(97)은 제한된 크기만을 가질 수 있기 때문에, 관찰자(96)가 이동할 때 관찰자(96)의 새로운 위치로 조정될 수 있다.
즉, 프로젝션 장치(92)에서 나오고 검은색 화살표로 표현된 광은 편향 장치로 작용하는 윈드쉴드(95)에서 가시성 영역(97)의 방향으로 반사된다. 가시성 영역(97)은 관찰자(96)의 적어도 한쪽 눈의 영역에 위치된다. 관찰자에 대한 가시성 영역(97)의 정확한 위치 설정은 헤드 업 디스플레이에서 대응하는 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 표현된 가상 정보는 가시성 영역(97)으로부터 윈드실드(95)까지 그리고 그 너머에 걸쳐있는 공간 영역에 표시된다. 윈드실드(95)는 투명하게 설계되므로, 관찰자(96)는 주변에 표시되는 표현 정보 또는 표현 이미지를 관찰할 수 있다.
본 발명에 따른 광 가이드 장치는 또한 광을 한 방향으로 확장하기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 여기에 입사되는 광을 서로 수직인 2 개의 방향으로 확장하기 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 광 가이드 장치는 예를 들어 다이렉트 뷰 디스플레이, 헤드 마운트 디스플레이 또는 도 13에 따른 헤드 업 디스플레이에서 수평 및 수직 방향으로 광의 확장이 요구되는, 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치에 특히 유리하게 사용될 수 있다. 서로 거의 수직인 2 개의 방향으로 광을 확장하는 것이 도 14에 도시되어 있다. 광 가이드 장치에 의한 광의 확장을 예시하기 위해, 이것은 광 가이드 장치에 의해 넓은 영역에 걸쳐 균질하게 조명될 수 있는 공간 광 변조 장치와 관련하여 표현된다.
광 가이드 장치(100)는 여기서 이제 3 개의 광 가이드(101, 102 및 103)를 가지며, 이러한 광 가이드는 도 1, 도 3 내지 도 6에 따라 설계될 수 있다. 여기서, 2 개의 광 가이드(101, 102)는 막대 형상으로 설계되는 반면, 광 가이드(103)는 평평하게 또는 입방체로 설계된다. 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 2 개의 광 가이드(102 및 103)는 각각 평평한 광 가이드(103)의 단부 섹션의 영역에 배열되어, 각각의 광 가이드(101, 102)로부터 디커플링된 광은 스트립 형상으로 또는 1 차원으로 평평한 광 가이드(103)에 부딪히고 이에 커플링된다. 각 광 가이드(101, 102)는 2 개의 광원(104, 105, 106, 107)을 통해 광으로 조명되므로, 각각의 광원(104, 105, 106, 107)에 의해 방출된 광은 2 개의 측면에서 광 가이드(101, 102)에 커플링된다. 광 가이드(101 및 102)에 대한 광의 커플링 및 디커플링은 여기서 도 6에 따른 광 커플링 및 광 디커플링의 설명된 원리에 따라 이루어진다. 그 다음 광 가이드(101, 102)를 통해 디커플링된 광은 이러한 광 가이드(101, 102)에 커플링된 광에 따라 한 방향으로, 예를 들어 도시된 화살표에 따라 수평 방향(H)으로 확장된다. 이는 광이 광 가이드(101, 102)로부터 디커플링된 후, 각각 높은 수준의 균질성 및 효율을 갖는 1 차원 광 강도 분포가 각각 존재한다는 것을 의미한다. 이들 두 개의 1 차원 광 강도 분포는 이제 도 14에 따르면 각각의 단부 섹션에서 평평한 광 가이드(103)에 부딪히고 여기에 커플링된다. 광 가이드(103)에 대한 광의 커플링 및 디커플링은 이제 다시 도 6에 따라 도시되고 설명된 원리에 따라 이루어진다. 이는 광이 2 개의 측면으로부터 평평한 광 가이드(103)로 커플링되고 유리하게는 전반사로 지그재그 형태로 여기에서 전파된 다음 광 디커플링 장치에 의해 광 가이드(103)로부터 디커플링된다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 광의 확장은 제 2 방향, 즉 광 가이드(101, 102)에 의해 달성되는 광의 확장 방향에 수직인 방향으로 달성된다. 이는 광 가이드(103)에 의해 이제 도시된 화살표에 따라 수직 방향(V)으로 광의 확장이 구현될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 이제 광 전파 방향으로 광 가이드(103) 이후에 더욱 높은 수준의 균질성 및 효율을 갖는 2 차원 광 강도 분포가 존재한다. 이러한 2 차원 광 강도 분포는 이제 다음 요소, 여기서 공간 광 변조 장치(108)에 부딪힌다. 따라서, 공간 광 변조 장치(108)는 광 가이드 장치(100)에 의해 생성된 2 차원 광 강도 분포에 의해 넓은 영역에 걸쳐 조명될 수 있다. 물론, 광 가이드 장치(100)에 의해 다른 요소들도 또한 2 차원으로 조명될 수 있다.
디스플레이 장치, 예를 들어 홀로그램 디스플레이 장치에서 도 14에 따른 이러한 광 가이드 장치(100)를 사용하기 위해, 이러한 광 가이드 장치는 도 12에 도시된 바와 같이 유사한 구조의 조명 장치에 사용될 수 있다. 이러한 조명 장치는 다시 시준 유닛, 광 가이드 장치(100) 및 물론 또한 추가 광학 요소를 가질 수도 있다.
광이 2 개의 서로 다른 방향으로, 예를 들어 수평 및 수직 방향으로 확장될 수 있게 하는 광 가이드 장치의 단순화된 실시예에서, 이러한 광 가이드 장치는 도 5에 대해 설명된 원리 및 설명에 따라 2 개의 광 가이드를 포함할 수 있다. 여기서, 광은 각각 광 가이드의 한 측면에서만 여기에 커플링된다. 이러한 광 가이드 장치의 구조는 기본적으로 도 14에 따른 광 가이드 장치의 구조와 유사하다. 그러나, 광을 2 개의 방향으로 확장하기 위한 단순화된 구조의 광 가이드 장치는 이 경우 제 1 방향으로 광을 확장하기 위한 광원(104 또는 105)과 연결되는 막대 형상의 광 가이드(101) 및 제 2 방향으로 광을 확장하기 위한 입방체 형상의 광 가이드(103)만을 포함한다. 이는 광 가이드 장치의 단순화된 구성에서, 제 2 막대 형상의 광 가이드(102) 및 광원(106, 107 및 104 또는 105)(광 가이드(101)과 관련하여 사용되는 광원에 따라 다름)은 사용되지 않는다는 것을 의미한다. 2 개의 다른 방향으로 광을 확장하는 원리는 여기서 도 14에 설명된 원리에 대응한다.
본 발명은 여기에 도시된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 추가 실시예 또는 예시적인 실시예가 또한 가능하다. 마지막으로, 위에서 설명된 예시적인 실시예는 청구된 교시를 설명하는 역할만을 할 뿐이며, 이는 예시적인 실시예에 한정되지 않는다는 점이 특히 지적되어야 한다.
Claims (30)
- 광을 안내하기 위한 광 가이드 장치(light guide device)로서,
- 적어도 2 개의 층을 포함하는 적어도 하나의 광 가이드,
- 상기 적어도 하나의 광 가이드의 상기 적어도 2 개의 층 사이에 제공되는 적어도 하나의 빔 스플리터 요소(beam splitter element) - 상기 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 상기 적어도 하나의 광 가이드에서 전파되는 입사광을 부분적으로 투과 및 반사하도록 설계됨 - , 및
- 입사광을 상기 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링(decoupling)하기 위한 적어도 하나의 광 디커플링 장치
를 포함하는, 광 가이드 장치. - 제 1 항에 있어서,
광은 상기 광 가이드의 경계면에서의 반사를 통해, 바람직하게는 전반사를 통해, 상기 적어도 하나의 광 가이드 내에서 전파되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드는 입방체로 형성되고, 상기 적어도 하나의 빔 스플리터 요소는 평평하게 형성되고 상기 광 가이드의 상기 경계면에 본질적으로 평행하게 제공되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드의 상기 적어도 2 개의 층에서 전파되는 광은 상기 적어도 하나의 빔 스플리터 요소를 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드로부터 광의 본질적으로 균질하고 효율적인 디커플링을 위해 상기 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 투과 대 반사의 적절한 비율이 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 회절 광학 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 표면 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드의 경계면과 상기 적어도 하나의 회절 광학 요소 사이에 배열되는 부분 반사 층이 제공되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 부분 반사 층의 반사율은 상기 광 디커플링 장치에 의해 상기 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링되는 광의 균질성 및 효율에 대해 최적화되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부분 반사 층의 상기 반사율 및 상기 적어도 하나의 빔 스플리터 요소의 상기 반사율은 서로 매칭되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부분 반사 층은 위치 의존적 투과 및 반사를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 회절 광학 요소는 η < 100 %의 회절 효율을 갖거나, 또는 상기 적어도 하나의 회절 광학 요소는 위치 의존적 회절 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 표면에 걸쳐 제공된 일정한 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 디커플링 장치는 투과형 또는 반사형으로 설계되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
광 전파 방향으로 존재하는 상기 적어도 하나의 광 가이드의 측면 상에 적어도 하나의 미러 요소가 제공되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드에서의 광 전파 각도는 60 도 내지 85 도 범위, 바람직하게는 70 도 내지 80 도 범위인 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드로부터 디커플링되는 광 출력 파워의 강도 결함은 상기 광 가이드에 커플링될 수 있는 광의 위치 의존적 입력 강도 분포에 의해 보상될 수 있는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드 상에 배열되어 입사광을 상기 광 가이드에 커플링하기 위해 제공되는 적어도 하나의 광 커플링 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 광 커플링 장치는 적어도 하나의 회절 광학 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 표면 격자, 또는 적어도 하나의 미러 요소 또는 적어도 하나의 프리즘 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 가이드에 들어가는 광 강도 분포의 프로파일은 가우시안 프로파일, 톱니 형상 프로파일 또는 직사각형 프로파일인 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 디커플링 장치는, 상기 광 가이드로부터 디커플링될 수 있는 광 세그먼트가 생성될 수 있도록, 상기 광 디커플링 장치에 부딪힐 때마다 상기 적어도 하나의 광 가이드에서 전파되는 광을 디커플링하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 20 항에 있어서,
상기 광 세그먼트는 갭 없이 서로 인접하게 또는 서로 중첩되어 배열되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
상기 광 가이드의 커플링 지점에서 상기 적어도 하나의 광 가이드에 커플링되는 광 다발의 폭은 상기 광 가이드로부터 광의 균질하고 효율적인 디커플링이 달성될 수 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디커플링된 개별 광 세그먼트의 서로에 대한 거리는 상기 적어도 하나의 광 가이드의 상기 적어도 2 개의 층의 개별 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 가이드 장치는 광을 방출하여 상기 광 가이드 장치 상으로 지향시키는 적어도 하나의 광원에 결합되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
2 개의 광원이 상기 광 가이드 장치에 결합되고, 상기 광 가이드 장치는 제 1 광원에 의해 제 1 측면으로부터 조명될 수 있고, 상기 광 가이드 장치는 제 2 광원에 의해 제 2 측면으로부터 조명될 수 있는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
2 개의 서로 다른 방향으로 광을 확장시키기 위해 적어도 2 개의 광 가이드가 제공되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 제 26 항에 있어서,
하나의 광 가이드는 막대 형상으로 형성되고, 하나의 광 가이드는 입방체로 형성되며, 상기 입방체로 형성된 광 가이드는 광 전파 방향으로 상기 막대 형상으로 형성된 광 가이드의 하류에 배열되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 장치. - 조명 장치로서,
- 광을 방출하기 위한 적어도 하나의 광원, 및
- 상기 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광을 안내하도록 구성된 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 광 가이드 장치
를 포함하는, 조명 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광의 시준을 위해 시준 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 조명 장치. - 2 차원 및/또는 3 차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 장치로서,
- 제 28 항에 따른 적어도 하나의 조명 장치,
- 조명 장치에 의해 조명될 수 있는 적어도 하나의 공간 광 변조 장치, 및
- 표현될 정보를 생성하기 위한 적어도 하나의 광학 시스템
을 포함하는, 디스플레이 장치.
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