KR20220110854A - 집광을 이용하는 격자-결합 도광체, 디스플레이 시스템, 및 방법 - Google Patents

집광을 이용하는 격자-결합 도광체, 디스플레이 시스템, 및 방법 Download PDF

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Abstract

격자-결합 도광체는 광을 집중시키고 집중된 광을 정해진 확산 각도를 갖는 안내된 광으로서 0이 아닌 전파 각도로 회절적으로 재지향시킨다. 격자-결합 도광체는 도광체, 집광기 및 격자 커플러를 포함한다. 집광기는 광원으로부터의 광을 집중된 광으로서 집중시키도록 구성되고, 격자 커플러는 집중된 광을 안내된 광으로서 도광체 내부로 회절적으로 재지향시키도록 구성된다. 집광기 및 격자 커플러의 특성들은 그 조합이 0이 아닌 전파 각도 및 정해진 확산 각도를 결정하도록 구성된다. 격자-결합 디스플레이 시스템은 방출되는 광을 디스플레이되는 이미지로서 변조하도록 구성된 광 밸브들의 어레이를 더 포함한다.

Description

집광을 이용하는 격자-결합 도광체, 디스플레이 시스템, 및 방법{GRATING-COUPLED LIGHT GUIDE, DISPLAY SYSTEM, AND METHOD EMPLOYING OPTICAL CONCENTRATION}
관련출원에 대한 상호참조
N/A
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
N/A
슬래브(slab) 광학 도파로들로도 일컬어지는 판 도광체들(plate light guides)은 다양한 광학(optical) 및 광자(photonic) 응용들에 이용된다. 예를 들어, 판 도광체는 전자 디스플레이의 백라이트에 이용될 수 있다. 특히, 판 도광체는 전자 디스플레이의 픽셀들에 광을 분배하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 픽셀들은 멀티뷰(multiview) 디스플레이의 멀티뷰 픽셀들 또는 2D(two-dimensional) 디스플레이의 2D 픽셀들일 수 있다. 다른 예에서, 판 도광체는 터치-감응 패널로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 판 도광체의 표면을 터치하는 것과 관련된 내부 전반사 장애(frustrated total internal reflection)는 어디에 그리고 얼마만큼의 압력으로 판 도광체를 터치하였는지를 검출하는 데 이용될 수 있다.
판 도광체의 다양한 광학 및 광자 응용들에서, 광원(light source)으로부터의 광은 안내된 광(guided light)으로서 전파(propagate)하기 위하여 판 도광체 내에 유입되거나 커플(couple)되어야 한다. 또한, 많은 응용들에서, 광의 유입 또는 커플링(coupling)은 소정의 정해진 전파 특성들을 갖는 판 도광체 내에서 안내된 광을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 광 커플링에 의해 생성된 안내된 광은 특정한 또는 정해진 전파 각도 및 특정한 또는 정해진 전파 방향으로 전파할 수 있다. 또한, 안내된 광 또는 이의 빔(beam)은 정해진 확산 각도(spread angle)(들)을 가질 수 있다. 예를 들어, 안내된 광은 판 도광체의 입력 에지(edge)로부터 출력 에지로 전파하는 광의 실질적으로 시준된(collimated) 빔일 수 있다. 또한, 안내된 광의 빔은 판 도광체의 평면(plane)에 대해 정해진 전파 각도로 판 도광체 내에서 진행할 수 있고, 광빔은 판 도광체의 전면 및 후면 사이에서 효과적으로 '바운스(bounce)'될 수 있다.
광원으로부터 판 도광체로 광을 유입 또는 커플링하기 위한 다양한 광 커플러들(couplers) 중에는 렌즈들, 배플들(baffles), 거울들, 다양한 관련 반사체들(예를 들어, 포물면 반사체들, 형상 반사체들 등) 및 이들의 조합들이 있다. 불행하게도, 이러한 광 커플러들을 이용하는 것은 안내된 광의 원하는 전파 특성들이 얻어지도록 광 커플러를 생산하고 정확하게 실현하기 위해 종종 정확한 제조 작업들을 필요로 한다. 또한, 광 커플러의 제조는 종종 판 도광체의 제조와 분리된다. 추가적인 골칫거리로서, 이렇게 따로 제조된 광 커플러들은 원하는 광 커플링을 제공하기 위하여 일반적으로 판 도광체에 정확하게 정렬 후 부착되어야 하고, 이는 추가적인 비용 및 제조 복잡도를 초래한다.
본 명세서에 설명된 원리에 따른 예들 및 실시 예들의 다양한 특징들은 동일한 도면 부호들이 동일한 구조적 요소들을 나타내는 첨부된 도면들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 디스플레이의 사시도를 도시한다.
도 1b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 디스플레이의 뷰 방향에 대응하는 특정 주 각도 방향을 갖는 광빔의 각도 성분들의 그래픽 표현을 도시한다.
도 2는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 회절 격자의 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 단면도를 도시한다.
도 3b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 예에 따른 격자-결합 도광체의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 일부의 단면도를 도시한다.
도 5a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 집광기의 단면도를 도시한다.
도 5b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 집광기의 단면도를 도시한다.
도 5c는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 또 다른 실시 예에 따른 일 예로서 집광기의 단면도를 도시한다.
도 6a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 표면상의 격자 커플러의 평면도를 도시한다.
도 6b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 표면상의 격자 커플러의 평면도를 도시한다.
도 7a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 일부의 단면도를 도시한다.
도 7b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 일부의 단면도를 도시한다.
도 8a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 일부의 단면도를 도시한다.
도 8b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체의 일부의 단면도를 도시한다.
도 9a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트의 단면도를 도시한다.
도 9b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트의 평면도를 도시한다.
도 9c는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트의 사시도를 도시한다.
도 10a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자를 포함하는 멀티뷰 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 10b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자를 포함하는 멀티뷰 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 11a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자를 포함하는 멀티뷰 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 11b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자를 포함하는 멀티뷰 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 12는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 또 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자를 포함하는 멀티뷰 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 13은 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 디스플레이 시스템의 블록도를 도시한다.
도 14는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 광을 도광체 내로 커플링하는 방법의 흐름도를 도시한다.
소정의 예들 및 실시 예들은 전술한 도면들에 도시된 특징들에 부가되거나 그 대신에 포함되는 다른 특징들을 가질 수 있다. 이들 및 다른 특징들은 전술한 도면들을 참조하여 이하에서 설명된다.
본 명세서에 설명된 원리들에 따른 예들 및 실시 예들은 집광(light concentration) 및 도광체 내로의 광의 회절적 커플링(diffractive coupling)을 제공한다. 특히, 광은 회절 격자(diffraction grating)를 포함하는 격자 커플러(grating coupler) 및 집광기(optical concentrator)의 조합을 이용하여 판 도광체(plate light guide) 내로 커플(couple)된다. 또한, 다양한 예들에 따르면, 광은 실질적으로 비-시준된(uncollimated) 광을 정해진 전파(propagation) 특성들을 갖는 도광체 내에서 안내된 광(guided light)으로 변환할 수 있는 방식으로 커플된다. 예를 들어, 안내된 광은 도광체 내에서 정해진 전파 각도를 가질 수 있다. 또한, 도광체 내의 안내된 광은 정해진 확산 각도를 가질 수 있다. 예를 들어, 안내된 광이 시준된 광빔(collimated light beam)이 되도록, 안내된 광의 수평 확산 각도(예를 들어, 판 도광체의 표면에 평행한) 및 안내된 광의 수직 확산 각도(예를 들어, 판 도광체 표면에 직교하는)는 모두 약 0일 수 있다. 다른 예에서, 팬-형상(fan-shaped) 빔 패턴에 대응하는 수평 확산 각도 및 수직 확산 각도 중 하나 또는 모두를 갖는 안내된 광(예를 들어, 약 30도의 확산 각도 내지 약 90도를 초과하는 확산 각도를 갖는 빔)이 도광체 내에 제공될 수 있다.
본 명세서에 설명된 원리들의 다양한 실시 예들에 따르면, 도광체(예를 들어, 격자-결합(grating-coupled) 도광체) 내로의 광의 커플링은 전자 디스플레이(예를 들어, 멀티뷰 디스플레이)의 백라이트를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 응용들에서 유용할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 원리들에 따른 다양한 실시 예들을 이용하는 전자 디스플레이들의 이용은, 모바일 전화기들(예를 들어, 스마트 폰들), 시계들, 태블릿 컴퓨터들, 모바일 컴퓨터들(예를 들어, 랩톱 컴퓨터들), 개인용 컴퓨터들 및 컴퓨터 모니터들, 자용차용 디스플레이 콘솔들, 카메라 디스플레이들, 및 기타 다양한 모바일 및 실질적으로 비-모바일 디스플레이 응용들 및 기기들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, '멀티뷰 디스플레이(multiview display)'는 멀티뷰 이미지(multiview image)의 상이한 뷰들(views)을 상이한 뷰 방향들에 제공하도록 구성된 전자 디스플레이 또는 전자 시스템으로서 정의된다. 도 1a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 디스플레이(10)의 사시도를 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 멀티뷰 디스플레이(10)는 보여질 멀티뷰 이미지를 디스플레이하기 위한 스크린(12)을 포함한다. 예를 들어, 스크린(12)은 전화기(예를 들어, 모바일 전화기, 스마트 폰 등), 태블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터의 컴퓨터 모니터 또는 카메라 디스플레이의 디스플레이 스크린이거나 또는 실질적으로 기타 다른 기기의 전자 디스플레이일 수 있다.
멀티뷰 디스플레이(10)는 스크린(12)에 대하여 상이한 뷰 방향들(16)로 멀티뷰 이미지의 상이한 뷰들(14)을 제공한다. 뷰 방향들(16)이 스크린(12)으로부터 여러 상이한 주 각도 방향들(principal angular directions)(또는 간략히 상이한 방향들)로 연장되는 화살표들로서 도시되었고, 상이한 뷰들(14)은 화살표들의 말미(즉, 뷰 방향들(16)을 묘사함)에 음영 표시된 다각형 박스들로서 도시되었으며, 제한이 아닌 예로서 단지 4개의 뷰들(14)과 4개의 뷰 방향들(16)이 도시되었다. 도 1a에는 상이한 뷰들(14)이 스크린 위에 있는 것으로 도시되었지만, 뷰들(14)은 멀티뷰 이미지가 멀티뷰 디스플레이(10) 상에 디스플레이될 때 실제로 스크린(12) 상에 또는 그 근처에 나타난다는 것에 유의한다. 스크린(12) 위에 뷰들(14)을 묘사한 것은 단지 도시의 단순화를 위한 것이며 특정 뷰(14)에 대응하는 각각의 뷰 방향들(16)로부터 멀티뷰 디스플레이(10)를 바라보는 것을 나타내기 위함이다.
본원의 정의에 의하면, 뷰 방향 또는 대등하게는 멀티뷰 디스플레이의 뷰 방향에 대응하는 방향을 갖는 광빔은 일반적으로 각도 성분들 {θ, φ}로 주어지는 주 각도 방향을 갖는다. 각도 성분(θ)은 본 명세서에서 광빔의 '고도 성분(elevation component)' 또는 '고도각(elevation angle)'이라고 언급된다. 각도 성분(φ)은 광빔의 '방위 성분(azimuth component)' 또는 '방위각(azimuth angle)'이라 언급된다. 정의에 의하면, 고도각(θ)은 수직 평면(예를 들어, 멀티뷰 디스플레이 스크린의 평면에 수직인)에서의 각도이고, 방위각(φ)은 수평 평면(예를 들어, 멀티뷰 디스플레이 스크린의 평면에 평행인)에서의 각도이다.
도 1b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 디스플레이의 뷰 방향(예를 들어, 도 1a의 뷰 방향(16))에 대응하는 특정 주 각도 방향 또는 '방향(direction)'을 갖는 광빔(20)의 각도 성분들 {θ, φ}의 그래픽 표현을 도시한다. 또한, 본 명세서의 정의해 의하면, 광빔(20)은 특정 지점으로부터 방출(emit)되거나 발산(emanate)된다. 즉, 정의에 의하면, 광빔(20)은 멀티뷰 디스플레이 내의 특정 원점(point of origin)과 관련된 중심 광선(central ray)을 갖는다. 또한, 도 1b는 광빔(또는 뷰 방향)의 원점(O)을 도시한다.
또한, 본 명세서에서, '멀티뷰 이미지(multiview image)' 및 '멀티뷰 디스플레이(multiview display)'라는 용어에서 사용된 바와 같은 '멀티뷰(multiview)'라는 용어는 복수의 뷰들의 뷰들 간의 각도 차이(angular disparity)를 포함하거나 상이한 시점들(perspectives)을 나타내는 복수의 뷰들로서 정의된다. 또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 본 명세서에서 '멀티뷰'라는 용어는 2개 초과의 상이한 뷰들(즉, 최소 3개의 뷰들로서 일반적으로 3개 초과의 뷰들)을 명백히 포함한다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 '멀티뷰 디스플레이'는 장면 또는 이미지를 나타내기 위하여 단지 2개의 상이한 뷰들만을 포함하는 입체(stereoscopic) 디스플레이와는 명백히 구별된다. 그러나, 본 명세서의 정의에 의하면, 멀티뷰 이미지들 및 멀티뷰 디스플레이들은 2개 초과의 뷰들을 포함하지만, 멀티뷰의 뷰들 중 단지 2개만을 동시에 보게끔(예를 들어, 하나의 눈 당 하나의 뷰) 선택함으로써 멀티뷰 이미지들이 (예를 들어, 멀티뷰 디스플레이 상에서) 이미지들의 입체 쌍(stereoscopic pair)으로 보일 수 있다는 것에 유의한다.
본 명세서에서 '멀티뷰 픽셀(multiview pixel)'은 멀티뷰 디스플레이의 유사한 복수의 상이한 뷰들 각각의 '뷰(view)' 픽셀들을 나타내는 서브-픽셀들의 세트로서 정의된다. 특히, 멀티뷰 픽셀은 멀티뷰 이미지의 상이한 뷰들 각각의 뷰 픽셀에 대응하거나 그 뷰 픽셀을 나타내는 개별 서브-픽셀을 가질 수 있다. 또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 멀티뷰 픽셀의 서브-픽셀들은 서브-픽셀들 각각이 상이한 뷰들 중 대응하는 하나의 뷰의 정해진 뷰 방향과 관련된다는 점에서 소위 '지향성 픽셀들(directional pixels)'이다. 또한, 다양한 예들 및 실시 예들에 따르면, 멀티뷰 픽셀의 서브-픽셀들에 의하여 나타나는 상이한 뷰 픽셀들은 상이한 뷰들 각각에서 동등한 또는 적어도 실질적으로 유사한 위치들 또는 좌표들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 멀티뷰 픽셀은 멀티뷰 이미지의 상이한 뷰들 각각의 {x 1, y 1}에 위치하는 뷰 픽셀들에 대응하는 개별 서브-픽셀들을 가질 수 있고, 제 2 멀티뷰 픽셀은 상이한 뷰들 각각의 {x 2, y 2}에 위치하는 뷰 픽셀들에 대응하는 개별 서브-픽셀들을 가질 수 있다.
일부 실시 예들에서, 멀티뷰 픽셀 내의 서브-픽셀들의 개수는 멀티뷰 디스플레이의 뷰들의 개수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 멀티뷰 픽셀은 64개의 상이한 뷰들을 갖는 멀티뷰 디스플레이와 관련된 64개의 서브-픽셀들을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 멀티뷰 디스플레이는 8x4 어레이의 뷰들(즉, 32개의 뷰들)을 제공할 수 있고, 멀티뷰 픽셀은 32개의 서브-픽셀들을 포함할 수 있다(즉, 각각의 뷰마다 하나). 또한, 예를 들어, 각각의 상이한 서브-픽셀은 64개의 상이한 뷰들에 대응하는 뷰 방향들 중 상이한 하나에 대응하는 관련 방향(예를 들어, 광빔 방향)을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에 따르면, 멀티뷰 디스플레이의 멀티뷰 픽셀들의 개수는 멀티뷰 디스플레이의 뷰들 내의 '뷰' 픽셀들(즉, 선택된 뷰를 구성하는 픽셀들)의 개수와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 뷰가 640x480개의 뷰 픽셀들을 포함하는 경우(즉, 640x480 뷰 해상도), 멀티뷰 디스플레이는 307,200개의 멀티뷰 픽셀들을 가질 수 있다. 다른 예에서, 뷰들이 100x100개의 픽셀들을 포함하는 경우, 멀티뷰 디스플레이는 도합 10,000개의 멀티뷰 픽셀들을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '도광체(light guide)'는 내부 전반사(total internal reflection)를 이용하여 그 내에서 광을 안내하는 구조물로서 정의된다. 특히, 도광체는 도광체의 동작 파장(operational wavelength)에서 실질적으로 투명한 코어(core)를 포함할 수 있다. 다양한 예들에서, '도광체'라는 용어는 일반적으로 도광체의 유전체 재료와 도광체를 둘러싸는 재료 또는 매질 사이의 경계에서 광을 안내하기 위하여 내부 전반사를 이용하는 유전체 광학 도파로(dielectric optical waveguide)를 지칭한다. 정의에 의하면, 내부 전반사를 위한 조건은 도광체의 굴절률이 도광체 재료의 표면에 인접한 주면 매질의 굴절률보다 커야 한다는 것이다. 일부 실시 예들에서, 도광체는 내부 전반사를 더 용이하게 하기 위하여 전술한 굴절률 차이에 부가하여 또는 그에 대신하여 코팅(coating)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 반사 코팅일 수 있다. 도광체는 판(plate) 또는 슬래브(slab) 가이드 및 스트립(strip) 가이드 중 하나 또는 모두를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 도광체들 중 임의의 것일 수 있다.
또한, 본 명세서에서, '판 도광체(plate light guide)'에서와 같이 도광체에 적용되는 경우의 '판(plate)'이라는 용어는, 종종 '슬래브(slab)' 가이드로 지칭되는, 한 장씩의(piece-wise) 또는 구분적으로 평면인(differentially planar) 층 또는 시트로서 정의된다. 특히, 판 도광체는 도광체의 상단 표면 및 하단 표면(즉, 대향면들)에 의하여 경계를 이루는 2개의 실질적으로 직교하는 방향들로 광을 안내하도록 구성된 도광체로서 정의된다. 또한, 본 명에서의 정의에 의하면, 상단 및 하단 표면들은 서로 떨어져 있고 적어도 구별적인 의미에서 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 즉, 판 도광체의 임의의 구별적으로 작은 구간 내에서, 상단 및 하단 표면들은 실질적으로 평행하거나 공면(co-planar) 상에 있다.
일부 실시 예들에서, 판 도광체는 실질적으로 편평할 수 있고(즉, 평면에 국한됨), 따라서 판 도광체는 평면 도광체이다. 다른 실시 예들에서, 판 도광체는 1개 또는 2개의 직교하는 차원들로 만곡될 수 있다. 예를 들어, 판 도광체는 단일 차원으로 만곡되어 원통형 형상의 판 도광체를 형성할 수 있다. 그러나, 어떠한 곡률이든 광을 안내하기 위하여 판 도광체 내에서 내부 전반사가 유지되는 것을 보장하기에 충분히 큰 곡률 반경을 갖는다.
본 명세서에 설명된 다양한 실시 예들에 따르면, 격자 커플러(grating coupler)는 광을 도광체 내에 커플(couple)하기 위하여 이용된다. 본 명세서의 정의에 의하면, 격자 커플러는 회절 격자를 포함하며, 회절 격자의 특성들 및 특징부들(즉, '회절 특징부들(diffractive features)')은 입사광으로부터 회절 격자에 의해 생성된 광빔의 각도 확산(angular spread) 및 각도 지향성(angular directionality) 중 하나 또는 모두를 제어하는 데 이용될 수 있다. 각도 지향성 및 각도 확산을 제어하는 데 이용될 수 있는 특성들은, 격자 길이, 격자 피치(특징부 간격), 회절 특징부들의 형상(예를 들어, 정현파의, 직사각형의, 삼각형의, 톱니형의), 회절 특징부들의 크기(예를 들어, 홈 및 융기의 폭), 및 격자의 방위(orientation) 중 하나 이상을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시 예들에서, 제어를 위해 이용되는 다양한 특성들은, 생성된 광빔들의 원점(point of origin) 부근 및 회절 격자 상의 광의 입사 지점 또는 지점들에 국한되는 특성들일 수 있다.
본 명세서에서, '회절 격자(diffraction grating)'는 일반적으로 회절 격자 상에 입사하는 광의 회절을 제공하기 위해 배열된 복수의 특징부들(즉, 회절 특징부들)로서 정의된다. 일부 예들에서, 복수의 특징부들은 주기적 또는 준-주기적인 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 회절 격자는 1차원(one-dimensional; 1D) 어레이로 배열된 복수의 특징부들(예를 들어, 재료 표면 내의 복수의 홈들(grooves) 또는 융기들(ridges))을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 회절 격자는 특징부들의 2차원(two-dimensional; 2D) 어레이일 수 있다. 예를 들어, 회절 격자는 재료 표면 상의 돌출들(bumps) 또는 재료 표면 내의 구멍들(holes)의 2D 어레이일 수 있다.
이와 같이, 그리고 본 명세서의 정의에 의하면, '회절 격자(diffraction grating)'는 회절 격자 상에 입사하는 광의 회절을 제공하는 구조물이다. 광이 도광체로부터 회절 격자 상에 입사하면, 제공된 회절 또는 회절적 산란(diffractive scattering)은 회절 격자가 회절에 의하여 도광체로부터 광을 커플 아웃(couple out)시킬 수 있다는 점에서 '회절적 커플링(diffractive coupling)'을 야기할 수 있으며, 따라서 그와 같이 지칭될 수 있다. 또한, 회절 격자는 회절에 의하여 광의 각도를 재지향시키거나 변경시킨다(즉, 회절각(diffractive angle)으로). 특히, 회절의 결과로서, 회절 격자를 떠나는 광은 일반적으로 회절 격자 상에 입사하는 광(즉, 입사광)의 전파 방향과는 상이한 전파 방향을 갖는다. 본 명세서에서, 회절에 의한 광의 전파 방향의 변경은 '회절적 재지향(diffractive redirection)'으로 언급된다. 따라서, 회절 격자는 회절 격자 상에 입사하는 광을 회절적으로 재지향시키는 회절 특징부들을 포함하는 구조물인 것으로 이해될 수 있으며, 도광체로부터 광이 입사되면 회절 격자는 또한 도광체로부터의 광을 회절적으로 커플 아웃시킬 수도 있다.
또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 회절 격자의 특징부들은 '회절 특징부들(diffractive features)'로 언급되고, 재료 표면(즉, 2개의 재료들 간의 경계)에, 재료 표면 내에 및 재료 표면 상에 중 하나 이상에 있을 수 있다. 예를 들어, 표면은 도광체의 표면일 수 있다. 회절 특징부들은 표면의, 표면 내의 또는 표면 상의 홈들, 융기들, 구멍들 및 돌출들 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 광을 회절시키는 다양한 구조물들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회절 격자는 재료 표면 내에 복수의 실질적으로 평행한 홈들을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 회절 격자는 재료 표면으로부터 상승하는 복수의 평행한 융기들을 포함할 수 있다. 회절 특징부들(예를 들어, 홈들, 융기들, 구멍들, 돌출들 등)은 정현파 프로파일, 직사각형 프로파일(예를 들어, 이진 회절 격자), 삼각형 프로파일 및 톱니 프로파일(예를 들어, 블레이즈 격자) 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 회절을 제공하는 다양한 단면 형상들 또는 프로파일들 중 임의의 것을 가질 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 예들에 따르면, 회절 격자(예를 들어, 후술될 바와 같은 멀티빔 소자의 회절 격자)는 도광체(예를 들어, 판 도광체)로부터 광을 광빔으로서 회절적으로 산란 또는 커플 아웃시키기 위하여 이용될 수 있다. 특히, 국부적으로 주기적인 회절 격자의 또는 이에 의하여 제공되는 회절각(diffraction angle; θ m )은 식(1)으로 주어질 수 있다.
Figure pat00001
(1)
여기서, λ는 광의 파장, m은 회절 차수, n은 도광체의 굴절률, d는 회절 격자의 특징부들 간의 거리 또는 간격, θ i 는 회절 격자 상의 광의 입사각이다. 간략화를 위하여, 식(1)은 회절 격자가 도광체의 표면에 인접하고 도광체 외부의 재료의 굴절률은 1인 것(즉, n out = 1)으로 가정한다. 일반적으로, 회절 차수(m)는 정수로 주어진다. 회절 격자에 의하여 생성되는 광빔의 회절각(θ m )은 회절 차수가 양수인(예를 들어, m > 0) 식(1)으로 주어질 수 있다. 예를 들어, 회절 차수(m)가 1인 경우(즉, m = 1) 1차 회절이 제공된다.
도 2는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 회절 격자(30)의 단면도를 도시한다. 예를 들어, 회절 격자(30)는 도광체(40)의 표면 상에 위치할 수 있다. 또한, 도 2는 입사각(θ i )으로 회절 격자(30) 상에 입사하는 광빔(50)을 도시한다. 입사 광빔(50)은 도광체(40) 내의 안내된 광빔일 수 있다. 또한, 도 2에는, 입사 광빔(50)의 회절의 결과로서 회절 격자(30)에 의하여 회절적으로 생성되고 커플 아웃된 지향성 광빔(60)이 도시되었다. 지향성 광빔(60)은 식(1)으로 주어진 바와 같은 회절각(θ m )(본 명세서에서 '주 각도 방향(principal angular direction)')을 갖는다. 예를 들어, 회절각(θ m )은 회절 격자(30)의 회절 차수 'm'에 대응할 수 있다.
본 명세서에서, '각도-보존 산란 특징부(angle-preserving scattering feature)' 또는 대등하게는 '각도-보존 산란체(angle-preserving scatterer)'는 특징부 또는 산란체 상에 입사하는 광의 각도 확산(angular spread)을 산란된 광 내에서 실질적으로 보존하는 방식으로 광을 산란시키도록 구성된 임의의 특징부 또는 산란체이다. 특히, 정의에 의하면, 각도-보존 산란 특징부에 의하여 산란된 광의 각도 확산(σ s )은 입사광의 각도 확산(σ)의 함수이다(즉, σ s = f(σ)). 일부 실시 예들에서, 산란된 광의 각도 확산(σ s )은 입사광의 각도 확산 또는 시준 계수(collimation factor; σ)의 선형 함수이다(예를 들어, σ s = a·σ, 여기서 a는 정수). 즉, 각도-보존 산란 특징부에 의하여 산란된 광의 각도 확산(σ s )은 입사광의 각도 확산 또는 시준 계수(σ)에 실질적으로 비례할 수 있다. 예를 들어, 산란된 광의 각도 확산(σ s )은 입사광의 각도 확산(σ)과 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, σ s
Figure pat00002
σ). 균일한 회절 격자(즉, 실질적으로 균일한 또는 일정한 회절 특징부 간격 또는 격자 피치를 갖는 회절 격자)는 각도-보존 산란 특징부의 일 예이다. 대조적으로, 본 명세서의 정의에 의하면, 램버시안(Lambertian) 산란체 또는 반사체 및 일반적인 확산체(예를 들어, 램버시안 산란을 갖거나 그에 근사하는)는 각도-보존 산란체들이 아니다.
본 명세서의 정의에 의하면, '멀티빔 소자(multibeam element)'는 복수의 광빔들을 포함하는 광을 생성하는 백라이트 또는 디스플레이의 구조물 또는 소자이다. 일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자는 도광체 내에서 안내된 광의 일부를 커플링 아웃(coupling out)시킴으로써 복수의 광빔들을 제공하기 위하여 백라이트의 도광체에 광학적으로 결합될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 멀티빔 소자는 광빔들로서 방출되는 광을 생성할 수 있다(예를 들어, 광원을 포함할 수 있음). 또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 멀티빔 소자에 의하여 생성된 복수의 광빔들의 광빔들은 서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는다. 특히, 정의에 의하면, 복수의 광빔들의 광빔은 복수의 광빔들의 다른 광빔과는 상이한 정해진 주 각도 방향을 갖는다. 또한, 복수의 광빔들은 광 필드를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 복수의 광빔들은 실질적으로 원추형 공간 영역에 국한되거나 복수의 광빔들 내의 광빔들의 상이한 주 각도 방향들을 포함하는 정해진 각도 확산을 가질 수 있다. 따라서, 광빔들의 정해진 각도 확산은 그 조합으로써(즉, 복수의 광빔들) 광 필드를 나타낼 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 복수의 광빔들 중 여러 광빔들의 상이한 주 각도 방향들은 멀티빔 소자의 크기(예를 들어, 길이, 폭, 면적 등)를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 특성에 의하여 결정된다. 본 명세서의 정의에 의하면, 일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자는 '연장된 점 광원(extended point light source)', 즉 멀티빔 소자의 범위(extent)에 걸쳐(across) 분포된 복수의 점 광원들로 간주될 수 있다. 또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 그리고 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 멀티빔 소자에 의하여 생성되는 광빔은 각도 성분들 {θ, φ}로 주어지는 주 각도 방향을 갖는다.
본 명세서에서, '시준기(collimator)'는 광을 시준하도록 구성된 실질적으로 임의의 광학 기기 또는 장치로서 정의된다. 다양한 실시 예들에 따르면, 시준기에 의하여 제공되는 시준량은 실시 예마다 정해진 정도나 양이 다를 수 있다. 또한, 시준기는 2개의 직교하는 방향들(예를 들어, 수직 방향 및 수평 방향) 중 하나 또는 모두로 시준을 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 일부 실시 예들에 따르면, 시준기는 2개의 직교하는 방향들 중 하나 또는 모두로 광의 시준을 제공하는 형상을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '시준 계수(collimation factor)'는 광이 시준되는 정도로서 정의된다. 특히, 본 명세서의 정의에 의하면, 시준 계수는 시준된 광의 빔 내의 광선들(light rays)의 각도 확산을 정의한다. 예를 들어, 시준 계수(σ)는 시준된 광의 빔 내의 대부분의 광선들이 특정 각도 확산 내에(예를 들어, 시준된 광빔의 중심 또는 주 각도 방향에 대하여 +/- σ도) 있음을 명시할 수 있다. 일부 실시 예들에 따르면, 시준된 광빔의 광선들은 각도 측면에서 가우시안(Gaussian) 분포를 가질 수 있고, 각도 확산은 시준된 광빔의 피크(peak) 세기의 절반만큼에서 결정되는 각도일 수 있다.
본 명세서에서, '광원(light source)'은 광의 원천(예를 들어, 광을 생성하고 방출하도록 구성된 광학 방출기(optical emitter))으로서 정의된다. 예를 들어, 광원은 활성화되거나 턴 온 되는 경우 광을 방출하는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)와 같은 광학 방출기를 포함할 수 있다. 특히, 본 명세서에서 광원은, 실질적으로 임의의 광의 원천이거나, LED, 레이저, OLED, 중합체 LED, 플라즈마-기반 광학 방출기, 형광 램프, 백열 램프 및 사실상 임의의 다른 광의 원천 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 실질적으로 임의의 광학 방출기를 포함할 수 있다. 광원에 의해 생성된 광은 컬러를 가질 수 있거나(즉, 광의 특정 파장을 포함할 수 있음), 파장들의 범위일 수 있다(예를 들어, 백색광). 일부 실시 예들에서, 광원은 복수의 광학 방출기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 광학 방출기들의 세트 또는 그룹을 포함할 수 있으며, 광학 방출기들 중 적어도 하나는 같은 세트 또는 그룹의 적어도 하나의 다른 광학 방출기에 의하여 생성되는 광의 컬러 또는 파장과는 상이한 컬러를, 또는 대등하게는 파장을, 갖는 광을 생성할 수 있다. 예를 들어, 상이한 컬러들은 원색들(예를 들어, 적색, 녹색, 청색)을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같은, 단수 표현은 특허 분야에서의 통상적인 의미, 즉 '하나 이상'의 의미를 갖는 것으로 의도된다. 예를 들어, 본 명세서에서, '격자'는 하나 이상의 격자를 의미하며, 따라서 '상기 격자'는 '상기 격자(들)'을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 '상단', '하단', '상부', '하부', '상', '하', '전', '후', '제 1', '제 2', '좌' 또는 '우'에 대한 언급은 본 명세서에서 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서, 달리 명시적으로 특정되지 않는 한, 수치 값에 적용되는 경우의 '약'이라는 용어는 일반적으로 수치 값을 생성하기 위하여 이용되는 장비의 허용 오차 범위 내를 의미하거나, 일부 실시 예들에서는 ±10%, 또는 ±5%, 또는 ±1%를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 '실질적으로'라는 용어는 대부분, 또는 거의 전부, 또는 전부, 또는 약 51% 내지 약 100% 범위 내의 양을 의미한다. 또한, 본 명세서의 예들은 단지 예시적인 것으로 의도된 것이며, 제한이 아닌 논의의 목적으로 제시된다.
본 명세서에 설명된 원리들의 일부 예들에 따르면, 격자-결합 도광체가 제공된다. 도 3a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 단면도를 도시한다. 도 3b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 단면도를 도시한다. 격자-결합 도광체(100)는 광(102)을 수신하여 안내된 광(104)으로서 격자-결합 도광체(100) 내로 회절적으로 커플(couple)하도록 구성된다. 예를 들어, 후술될 바와 같이, 광(102)은 광원(106)(예를 들어, 실질적으로 비-시준 광원)에 의해 제공될 수 있다. 다양한 예들에 따르면, 격자-결합 도광체(100)는 비교적 높은 커플링 효율을 제공할 수 있다. 또한, 다양한 실시 예들에 따르면, 격자-결합 도광체(100)는 광원(106)으로부터 수신된 광(102)을 격자-결합 도광체(100) 내에서 정해진 확산 각도 또는 시준 계수(σ)를 갖는 안내된 광(104)(예를 들어, 안내된 광의 빔)으로 변환할 수 있다.
특히, 일부 실시 예들에 따르면, 약 20% 초과의 커플링 효율이 달성될 수 있다. 예를 들어, (후술될) 투과 구성에서, 격자-결합 도광체(100)의 커플링 효율은 약 30% 초과일 수 있거나 심지어 약 35% 초과일 수 있다. 예를 들어, 최대 약 40% 의 커플링 효율이 달성될 수 있다. 예를 들어, 반사 구성에서, 격자-결합 도광체(100)의 커플링 효율은 약 50%, 또는 약 60% 또는 심지어 약 70% 만큼 높을 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 격자-결합 도광체(100)에 의해 그리고 그 내에 제공되는 정해진 확산 각도 또는 시준 계수(σ)는 제어된 또는 정해진 전파 특성들을 갖는 안내된 광(104)의 빔을 생성할 수 있다. 특히, 격자-결합 도광체(100)는 '수직'방향으로, 즉 격자-결합 도광체(100)의 표면의 평면에 수직인 평면으로, 제어된 또는 정해진 제 1 확산 각도를 제공할 수 있다. 동시에, 격자-결합 도광체(100)는 수평 방향으로, 즉 격자-결합 도광체 표면에 평행한 평면으로, 제어된 또는 정해진 제 2 확산 각도를 제공할 수 있다. 또한, 광(102)은 광원(106)으로부터 격자-결합 도광체(100)의 평면에 실질적으로 수직인 각도로 수신된 후 격자-결합 도광체(100) 내에서 0이 아닌 전파 각도를 갖는 안내된 광(104)으로 변환될 수 있으며, 0이 아닌 전파 각도는 격자-결합 도광체(100) 내의 내부 전반사의 임계각과 일치할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 격자-결합 도광체(100)는 도광체(110)를 포함한다. 일부 실시 예들에 따르면, 도광체(110)은 판 도광체일 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 '도광체(light guide)'라는 용어는 논의의 편의를 위해 사용된다. 도광체(110)는 광을 도광체(110)의 길이 또는 범위(extent)를 따라 격자-결합 도광체(100)의 안내된 광(104)으로서 안내하도록 구성된다.
도시된 격자-결합 도광체(100)는 집광기(optical concentrator; 120)를 더 포함한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 집광기(120)는 집중된 광(concentrated light; 102')을 제공하기 위하여 광을 집중시키거나 시준하도록 구성된다. 예를 들어, 광원(106)은 광(102)을 실질적으로 비-집중된(unconcentrated) 또는 비-시준된 광(102")으로서 제공할 수 있다. 이후, 제공된 비-집중된 또는 비-시준된 광(102")은 집중된 광(102')을 제공하기 위하여 집광기(120)에 의하여 집중될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 격자-결합 도광체(100)는 도광체(110)의 입력에 위치된, 예를 들어 이의 입력 에지(edge)에 인접하게 위치된, 격자 커플러(130)를 더 포함한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 격자 커플러(130)는 집중된 광(102')을 안내된 광(104)으로서 도광체(110) 내에 회절적으로 재지향시키도록 구성된다. 특히, 광은 0이 아닌 전파 각도로 도광체(110) 내로 회절적으로 재지향된다. 또한, 안내된 광(104)은 제 1 확산 각도 및 제 2 확산 각도를 가지며, 제 1 확산 각도는 제 2 확산 각도와 직교한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 집광기(120)와 격자 커플러(130)의 특성들의 조합은 도광체(110)내의 안내된 광(104)의 0이 아닌 전파 각도, 제 1 확산 각도 및 제 2 확산 각도를 결정하도록 구성된다.
일부 실시 예들에 따르면, 도광체(110)는 내부 전반사를 이용하여 안내된 광(104)을 안내하도록 구성되는 연장된, 광학적으로 투명한 실질적으로 평면인 시트인, 유전체 재료를 포함하는 슬래브 또는 판 광학 도파로일 수 있다. 예를 들어, 광학적으로 투명한 유전체 재료의 평면 시트는 유전체 광학 도파로를 둘러싸는 매질의 제 2 굴절률보다 큰 제 1 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률들의 차이는 도광체(110)의 하나 이상의 안내 모드에 따라 안내된 광(104)의 내부 전반사를 용이하게 하도록 구성된다. 다양한 예들에 따르면, 도광체(110)의 광학적으로 투명한 재료는 다양한 유형의 유리(예를 들어, 실리카 유리(silica glass), 알칼리-알루미노 실리케이트 유리(alkali-aluminosilicate glass), 보로실리케이트 유리(borosilicate glass) 등) 및 실질적으로 광학적으로 투명한 플라스틱들 또는 중합체들(예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(poly(methyl methacrylate)) 또는 '아크릴 유리(acrylic glass)', 폴리카보네이트(polycarbonate) 등) 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 유전체 재료들 중 임의의 것으로 구성되거나 이를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 도광체(110)는 도광체(110)의 표면(예를 들어, 상단 표면 및 하단 표면 중 하나 또는 모두)의 적어도 일부 상에 클래딩층(cladding layer)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일부 예들에 따르면, 클래딩층은 내부 전반사를 더 용이하게 하기 위하여 이용될 수 있다.
또한, 일부 실시 예들에 따르면, 도광체(110)는 도광체(110)의 제 1 표면(112)(예를 들어, '후(back)'면 또는 뒤쪽)과 제 2 표면(114)(예를 들어, '전(front)'면 또는 앞쪽) 사이에서 0이 아닌 전파 각도로 내부 전반사에 따라 안내된 광(104)을 안내하도록 구성될 수 있다. 특히, 안내된 광(104)은 0이 아닌 전파 각도로 도광체(110)의 제 1 표면(112)과 제 2 표면(114) 사이에서 반사되거나 '바운싱(bouncing)'됨으로써 전파한다. 일부 예들에서, 광의 상이한 컬러들을 포함하는 복수의 안내된 광빔들은 도광체(110)에 의하여 안내된 광빔(104)으로서 안내될 수 있고, 복수의 안내된 광빔들 중 상이한 컬러의 안내된 광빔들 각각은 상이한, 컬러별, 0이 아닌 전파 각도들을 갖는다. 도시의 간략화를 위하여 도 3a 및 도 3b에는 0이 아닌 전파 각도가 도시되지 않았음에 유의한다. 그러나, 도 3a 및 도 3b에서 전파 방향(103)을 묘사하는 굵은 화살표는 도광체의 길이를 따르는 안내된 광(104)의 일반적인 전파 방향을 도시한다.
본 명세서에 정의된 바와 같이, '0이 아닌 전파 각도(non-zero propagation angle)'는 도광체(110)의 표면(예를 들어, 제 1 표면(112) 또는 제 2 표면(114))에 대한 각도이다. 또한, 다양한 실시 예들에 따르면, 0이 아닌 전파 각도는 0보다 크고 도광체(110) 내의 내부 전반사의 임계각보다 작다. 예를 들어, 안내된 광(104)의 0이 아닌 전파 각도는 약 10도 내지 약 50도 사이, 또는 일부 예들에선 약 20도 내지 약 40도 사이, 또는 약 25도 내지 약 35도 사이일 수 있다. 예를 들어, 0이 아닌 전파 각도는 약 30도일 수 있다. 다른 예들에서, 0이 아닌 전파 각도는 약 20도, 또는 약 25도, 또는 약 35도일 수 있다. 또한, 도광체(110) 내의 내부 전반사의 임계각보다 작게 선택되는 한, 특정한 0이 아닌 전파 각도가 특정한 구현을 위하여 선택(예를 들어, 임의로)될 수 있다. 일부 실시 예들에 따르면, 0이 아닌 전파 각도는 도광체(110)의 길이 전체에서 실질적으로 일정할 수 있다.
집광기(120)와 관련하여, 볼록 또는 양면 볼록 렌즈, 포물면 반사체, 반(semi)-포물면 또는 형상 반사체를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 광의 집중 또는 시준(예를 들어, 부분적인 시준)을 제공하도록 구성된 다양한 광학 구조물들 중 임의의 것이 이용될 수 있다. 특히, 일부 실시 예들에서, 집광기(120)는 광원(106)으로부터의 광의 확산 각도를 감소시키도록 구성된 자유형 광학계(freeform optics)를 포함한다. 추가적으로, 자유형 광학계는 격자-결합 도광체(100)의 표면의 미리 정의된 영역에 광을 집중시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 미리 정의된 영역은 격자-결합 도광체(100)의 격자 커플러(130)에 의해 점유된 영역에 대응할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 집광기(120)는 테이퍼형(tapered) 시준기, 반사굴절(catadioptric) 시준기, 또는 반사 선회(reflective turning) 시준기를 포함할 수 있다. 집광기(120)의 일부 실시 예들은, 자유형 광학계, 테이퍼형 시준기, 반사굴절 시준기 및 반사 선회 시준기 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.
도 4는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 4에는 광원(106), 집광기(120), 도광체(110)의 일부 및 도광체의 일부의 입력에 위치한 격자 커플러(130)가 도시되었다. 또한, 광원(106)에 의하여 제공되는 비-집중된 광(102") 및 집광기(120)의 출력에서 제공되는 집중된 광(102')이 도시되었다. 도시된 바와 같이, 집광기(120)는 비-집중된 광(102")을 집중된 광(102')으로서 집중시키도록 구성된 자유형 광학계(122)를 포함한다. 또한, 도시된 바와 같이, 집광기(120)의 자유형 광학계(122)는 격자 커플러(130)에 의하여 점유된 영역에 대응하는 영역(A)에 집중된 광(102')을 제공하도록 구성된다. 도시된 바와 같이 그리고 정의에 의하면, 집중된 광(102')의 빔 각도(γ c )는 비-집중된 광(102")의 빔 각도(γ u )보다 작다는 것(즉, γ c < γ u )에 유의한다.
도 5a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 집광기(120)의 단면도를 도시한다. 특히, 도 5a는 테이퍼형 시준기(124)를 포함하는 집광기(120)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 테이퍼형 시준기(124)는 내부 전반사에 의하여 광을 반사하도록 구성된 테이퍼형 측벽들을 갖는 도광체를 포함한다. 테이퍼형 측벽들과 내부 전반사의 조합은 테이퍼형 시준기(124) 내에서 전파하는 광을 선택적으로 집중 또는 시준시킨다. 구체적으로, 광원(106)으로부터의 비-집중된 광(102")은 테이퍼형 시준기(124)의 좁은 단부로 들어가고, 내부 전반사에 따라 집중된 광(102')으로서 출력 단부로 전파 및 반사된다. 도 5a에서 화살표들은 테이퍼형 시준기(124) 내의 광의 광빔들을 도시한다.
도 5b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 집광기(120)의 단면도를 도시한다. 특히, 도 5b는 반사굴절 시준기(126)를 포함하는 집광기(120)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 반사굴절 시준기(126)는 그 내부 빔 부분에 대응하는 비-집중된 광(102")의 일부를 시준하기 위한 시준 렌즈로서 구성된 제 1 부분(126a)을 포함한다. 반사굴절 시준기(126)는 비-집중된 광(102")의 외부 빔 부분을 시준하기 위한 시준 반사체로서 구성된 제 2 부분(126b)을 더 포함한다. 도 5b에서, 화살표들은 비-집중된 광(102") 내의 광빔들을 도시한다. 비-집중된 광(102")의 내부 빔 부분의 광빔들은 시준 렌즈의 결과로서 제 1 부분(126a)에서 굴절에 의해 통과되고 집중 또는 시준되는 반면, 외부 빔 부분의 광빔들은 반사굴절 시준기(126)로 들어가서 제 2 부분(126b)의 시준 반사체로부터의 반사에 의하여 집중 및 시준된다. 다양한 실시 예들에서, 반사굴절 시준기(126)는 투명한 유전체 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 광빔들의 반사를 향상시키기 위하여 제 2 부분(126b)의 외부 표면은 반사성 재료 또는 층(예를 들어, 반사성 금속)으로 코팅될 수 있다.
도 5c는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 또 다른 실시 예에 따른 일 예로서 집광기(120)의 단면도를 도시한다. 특히, 도 5c는 반사 선회 시준기(128)를 포함하는 집광기(120)를 도시한다. 반사 선회 시준기(128)는 집중된 광(102')을 제공하기 위하여 비-집중된 광(102")을 반사적으로 집중시키도록 구성된 반사 표면을 포함한다. 예를 들어, 반사 표면은 포물면 또는 반(semi)-포물면 반사체(예를 들어, 형상 포물면 반사체(shaped parabolic reflector))일 수 있다. 도 5c의 화살표들은 광 집중을 설명하기 위하여 반사 선회 시준기(128) 내의 광빔들을 나타낸다.
다시 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 격자-결합 도광체(100)의 격자 커플러(130)는 광원(106) 및 집광기(120)로부터의 광(102)을 회절을 이용하여 도광체(110) 내로 커플하도록 구성된다. 특히, 격자 커플러(130)는 집광기(120)로부터 집중된 광(102')을 수신하고, 집중된 광(102')을 0이 아닌 전파 각도로 도광체(110) 내로 안내된 광(104)으로서 회절적으로 재지향(즉, 회절적으로 커플)시키도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 다양한 예들에 따르면, 격자 커플러(130)에 의하여 도광체(110) 내로 커플되거나 회절적으로 재지향된 안내된 광(104)은 제어된 또는 정해진 전파 특성들(즉, 확산 각도들)을 갖는다.
특히, 전술한 바와 같이, 집광기 및 격자 커플러(130) 모두의 특성들은 안내된 광(104) 또는 이의 광빔의 전파 특성들을 결정하도록 협력적으로 구성된다. 집광기(120) 및 격자 커플러(130)에 의하여 결정되는 전파 특성들은 안내된 광(104)의 0이 아닌 전파 각도, 제 1 확산 각도 및 제 2 확산 각도 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 명세서의 정의에 의하면 '제 1 확산 각도'는 도광체(110)의 표면(예를 들어, 제 1 표면(112) 또는 제 2 표면(114))에 실질적으로 수직인 평면에서의 안내된 광(104)의 정해진 확산 각도이다. 또한, 본 명세서의 정의에 의하면, 제 1 확산 각도는 안내된 광(104)의 광빔이 0이 아닌 전파 각도에 의하여 정의되는 방향으로 전파(예를 들어, 수직 평면에서의 빔 확산)함에 따른 빔 확산 각도를 나타낸다. 본 명세서의 정의에 의하면, '제 2 확산 각도'는 도광체의 표면에 실질적으로 평행인 평면에서의 각도이다. 제 2 확산 각도는 안내된 광(104)이 도광체의 표면(예를 들어, 수평 평면)에 실질적으로 평행인 방향으로(즉, 평면에서) 전파함에 따른 안내된 광빔의 정해진 확산 각도를 나타낸다.
다양한 예들에 따르면, 격자 커플러(130)는 복수의 이격된 회절 특징부들을 갖는 회절 격자(132)를 포함한다. 일부 예들에 따르면, 안내된 광(104)의 제 1 확산 각도 및 0이 아닌 전파 각도는 회절 격자(132)의 회절 특징부들의 피치 및, 어느 정도는, 측면 형상에 의하여 제어 또는 결정될 수 있다. 즉, 안내된 광(104)의 일반적인 전파 방향에 대응하는 방향으로 회절 격자의 피치를 선택함으로써, 회절 격자(132)의 회절각은 0이 아닌 전파 각도를 생성하는 데 이용될 수 있다. 또한, 일부 예들에 따르면, 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)의 길이를 따라 그리고 폭에 걸쳐 회절 특징부들의 피치 또는 다른 양상들을 변화시킴으로써, 안내된 광(104)의 제 1 각도 확산이 제어, 즉 정해진 제 1 각도 확산이 제공될 수 있다.
또한, 일부 예들에 따르면 안내된 광(104)의 정해진 제 2 확산 각도는 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)의 측면 형상 또는 폭 변화에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 회절 격자(132)의 제 1 단부로부터 제 2 단부를 향할수록 폭이 증가하는 회절 격자(132)(즉, 팬-형상 격자)는 재지향된 안내된 광(104)(즉, 팬-형상 광학 빔(optical beam))의 비교적 큰 제 2 확산 각도를 생성할 수 있다. 특히, 일부 실시 예들에 따르면, 정해진 제 2 확산 각도는 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)의 폭에서 증가하는 각도에 실질적으로 비례할 수 있다. 다른 예에서, 폭의 변화가 비교적 적은(예를 들어, 실질적으로 평행한 측면들을 갖는) 회절 격자(132)는 안내된 광(104)의 광빔의 비교적 작은 제 2 확산 각도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 비교적 작은 제 2 확산 각도(예를 들어, 실질적으로 0인 확산 각도)는 도광체 표면에 평행하거나 이와 공면(coplanar)인 수평 방향으로 시준된 또는 적어도 실질적으로 시준된 안내된 광(104)을 제공할 수 있다.
도 6a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 표면 상의 격자 커플러(130)의 평면도를 도시한다. 도 6b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 표면 상의 격자 커플러(130)의 평면도를 도시한다. 특히, 도 6a는 도광체(110)의 표면(예를 들어, 상단 표면 또는 하단 표면)으로부터 바라볼 때, 팬-형상인 회절 격자(132)를 갖는 격자 커플러(130)를 도시한다. 팬-형상 회절 격자(132)는 회절 격자(132)의 제 1 단부로부터 제 2 단부를 향할수록 증가하는 폭을 가지며, 폭 증가는 팬 각도(
Figure pat00003
)를 정의한다. 도시된 바와 같이, 회절 격자 팬 각도(
Figure pat00004
)는 약 80도이다. 다양한 예들에 따르면, 팬-형상 회절 격자(132)는 팬 각도(
Figure pat00005
)에 비례하는 정해진 제 2 확산 각도를 갖는 안내된 광(104)(예를 들어, 굵은 화살표들로 도시된)의 팬-형상 광학 빔을 제공할 수 있다.
반면, 도 6b는 판 도광체의 표면으로부터 바라볼 때의, 직사각-형상 회절 격자(132)(예를 들어, 약 0인 팬 각도(
Figure pat00006
)를 갖는)를 갖는 격자 커플러(130)를 도시한다. 직사각-형상 회절 격자(132)는 실질적으로 시준된 안내된 광(104)의 광학 빔, 즉 약 0인 정해진 제 2 확산 각도를 갖는 안내된 광(104)의 광학 빔을 생성할 수 있다. 도 6b에는 실질적으로 시준된 안내된 광(104)의 광학 빔이 평행한 굵은 화살표들을 이용하여 도시되었다. 이와 같이, 다양한 실시 예들에 따르면, 회절 격자(132)의 팬 각도(
Figure pat00007
)는 안내된 광(104)의 제 2 확산 각도를 제어 또는 결정하는 데 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에 따르면, 격자 커플러(130)는 투과형 격자 커플러(130)(즉, 투과 모드 회절 격자 커플러)일 수 있고, 다른 예에서 격자 커플러(130)는 반사형 격자 커플러(130)(즉, 반사 모드 회절 격자 커플러)일 수 있다. 특히, 도 3a에 도시된 바와 같이, 격자 커플러(130)는 광원(106) 및 집광기(120)에 인접한 도광체(110)의 표면에 투과 모드 회절 격자(132')를 포함할 수 있다. 예를 들어, 격자 커플러(130)의 투과 모드 회절 격자(132')는 도광체(110)의 하단(또는 제 1) 표면(112) 상에 있을 수 있고, 광원(106)은 집광기(120)를 통하여 하단으로부터 격자 커플러(130)를 조명할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 격자 커플러(130)의 투과 모드 회절 격자(132')는 회절 격자(132)를 투과 또는 통과하는 집중된 광(102')을 회절적으로 재지향시키도록 구성된다.
대안적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 격자 커플러(130)는 광원(106) 및 집광기(120)에 인접한 표면에 대향하는 도광체(110)의 제 2 표면(114)에 반사 모드 회절 격자(132")를 갖는 반사형 격자 커플러(130)일 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 격자 커플러(130)의 반사 모드 회절 격자(132")는 도광체(110)의 상단(또는 제 2) 표면(114) 상에 있을 수 있고, 광원(106)은 집광기를 통한 후 도광체(110)의 하단(또는 제 1) 표면(112)의 일부를 통하여 격자 커플러(130)를 조명할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 반사 모드 회절 격자(132")는 반사적 회절(즉, 반사 및 회절)을 이용하여 광(102)을 도광체(110) 내부로 회절적으로 재지향시키도록 구성된다.
다양한 예들에 따르면, 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)는 도광체(110)의 표면(112, 114) 상에 또는 표면(112, 114) 내에 형성되거나 또는 다른 방식으로 제공되는 회절 격자의 홈들, 융기들 또는 이와 유사한 회절 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홈들 또는 융기들은 투과형 격자 커플러(130)의 투과 모드 회절 격자(132')로서 제공되기 위하여 도광체(110)의 광원-인접 제 1 표면(112)(예를 들어, 하단 표면) 내에 또는 제 1 표면(112) 상에 형성될 수 있다. 유사하게, 예를 들어, 홈들 또는 융기들은 반사형 격자 커플러(130)의 반사 모드 회절 격자(132")로서 제공되기 위하여 광원-인접 제 1 표면(112)에 대향하는 도광체(110)의 제 2 표면(114) 내에 또는 제 2 표면(114) 상에 형성되거나 다른 방식으로 제공될 수 있다.
일부 예들에 따르면, 격자 커플러(130)는 판 도광체의 표면 상에 또는 표면 내에 격자 재료(예를 들어, 격자 재료의 층)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서 격자 재료는 도광체(110)의 재료와 실질적으로 유사할 수 있는 반면, 다른 예들에서 격자 재료는 판 도광체의 재료와 상이(예를 들어, 상이한 굴절률을 갖는)할 수 있다. 일부 예들에서, 판 도광체의 표면 내의 회절적 격자 홈들은 격자 재료로 충진될 수 있다. 예를 들어, 투과형 격자 커플러(130) 또는 반사형 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)의 홈들은 도광체(110)의 재료와는 상이한 유전체 재료(즉, 격자 재료)로 충진될 수 있다. 일부 예들에 따르면, 격자 커플러(130)의 격자 재료는 예를 들어 규소 질화물(silicon nitride)을 포함할 수 있고, 도광체(110)는 유리일 수 있다. 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO)을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다른 격자 재료들 또한 이용될 수 있다.
다른 예들에서, 투과형 격자 커플러(130) 또는 반사형 격자 커플러(130)는 특정 회절 격자(132)로서 제공되기 위하여 도광체(110)의 각각의 표면 상에 증착(deposited)되거나, 형성되거나 또는 다른 방식으로 제공되는 융기들, 돌출들 또는 이와 유사한 회절 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 융기들 또는 이와 유사한 회절 특징부들은 도광체(110)의 각각의 표면에 증착된 유전체 재료 층(즉, 격자 재료) 내에 형성(예를 들어, 에칭, 몰딩 등에 의하여)될 수 있다. 일부 예들에서, 반사형 격자 커플러(130)의 격자 재료는 반사성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사형 격자 커플러(130)는 반사 모드 회절 격자(132")에 의한 반사를 촉진하기 위한, 금, 은, 알루미늄, 구리 및 주석 등을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 반사성 금속의 층이거나 이를 포함할 수 있다.
다양한 예들에 따르면, 격자 커플러(130)(즉, 투과형 격자 커플러 또는 반사형 격자 커플러)는 안내된 광(104)의 출력 위상 프로파일과 광원(106)으로부터 입사되는 광(102)의 입력 위상 프로파일 간의 차이인 격자 공간 위상 함수(grating spatial phase function)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 집광기(120)를 통해 볼 때 광원(106)이 투과형 격자 커플러(130)로부터 거리(f)에서 점 광원(point source)에 근사하면, 광의 입력 위상 프로파일(φ in )은 식(2)로 주어질 수 있다.
Figure pat00008
여기서, x 및 y는 투과형 격자 커플러(130)의 공간 좌표들이고, λ는 자유 공간(free space)(즉, 진공)에서의 파장이다. 투과형 격자 커플러(130)는 격자 커플러(130)의 임의의 중심점(x 0 ,y 0 )으로부터 각도(θ)로 멀어지도록 전파하는 안내된 광(104)의 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 따라서, 투과형 격자 커플러(130)에 의하여 생성되는 안내된 광(104)의 출력 위상 프로파일(φ out )은 식(3)으로 주어질 수 있다.
Figure pat00009
여기서, n은 도광체(110)의 굴절률이다. 투과형 격자 커플러(130)의 격자 공간 위상 함수는 식(2)와 식(3) 간의 차이로부터 결정될 수 있다. 또한, 다양한 예들에 따르면, 수평 확산 각도(예를 들어, x-y 평면에서)는 투과형 격자 커플러(130)의 회절 격자(132)의 포락선(envelop) 함수에 의하여 결정될 수 있다. 반사형 격자 커플러(130)를 고려하는 경우, 집광기를 통한 광(120)의 전파뿐만 아니라 도광체(110)의 광원-인접 제 1 표면(112)(예를 들어, 하단 표면)을 통한(즉, 굴절) 및 도광체(110)의 재료를 통한 전파도 고려된다. 또한, 반사형 격자 커플러(130)에서, 선택적인 금속화(예를 들어, 금속 또는 금속층의 이용)는 격자 효율을 향상시킬 수 있다(예를 들어, 반사 격자 커플러(130)의 회절 격자의 0차 투과 회절 차수(zero-th order transmitted diffraction order)를 효과적으로 제거함으로써).
도 7a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 7b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 7a 및 도 7b는 모두 격자 커플러(130)를 포함하는 도 3a의 격자-결합 도광체(100)의 일부를 도시한다. 또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 격자 커플러(130)는 투과 모드 회절 격자(132')를 포함하는 투과형 격자 커플러(130)이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 투과형 격자 커플러(130)는 투과 모드 회절 격자(132')를 형성하기 위하여 도광체(110)의 하단(또는 광원-인접) 표면(112) 내에 형성된 홈들(즉, 회절 특징부들)을 포함한다. 또한, 도 7a에 도시된 투과형 격자 커플러(130)의 투과 모드 회절 격자(132')는 홈들 내에도 증착되는 격자 재료(134)(예를 들어, 규소 질화물)의 층을 포함한다. 도 7b는 투과 모드 회절 격자(132')를 형성하기 위하여 도광체(110)의 하단 상의 또는 광원-인접 표면(112) 상에 격자 재료(134)의 융기들(즉, 회절 특징부들)을 포함한다. 예를 들어, 격자 재료(134)의 증착된 층을 에칭 또는 몰딩하여 융기들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 도 7b에 도시된 융기들을 구성하는 격자 재료(134)는 도광체(110)의 재료와 실질적으로 유사한 재료를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 격자 재료(134)는 도광체(110)의 재료와 상이할 수 있다. 예를 들어, 도광체(110)는 유리 또는 플라스틱/중합체 시트를 포함할 수 있고, 격자 재료(134)는 도광체(110) 상에 증착되는 규소 질화물과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 다른 재료일 수 있다.
도 8a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 8b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 도광체(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 8a 및 도 8b는 모두 격자 커플러(130)를 포함하는 도 3b의 격자-결합 도광체(100)의 일부를 도시하고, 여기서 격자 커플러(130)는 반사 모드 회절 격자(132")를 갖는 반사형 격자 커플러(130)이다. 도시된 바와 같이, 반사형 격자 커플러(130)(즉, 반사 모드 회절 격자 커플러)는 광원 및 광학 시준기에, 예를 들어 도 3b에 도시된 광원(106) 및 집광기(120)에, 인접한 제 1 표면(112)에 대향하는 도광체(110)의 제 2 표면(114)(즉, 광원-반대 제 2 표면(114))에 또는 제 2 표면(114) 상에 위치한다.
도 8a에서, 반사형 격자 커플러(130)의 반사 모드 회절 격자(132")는 도광체(110)를 통하여 입사되는 집중된 광(102')을 반사적으로 회절 및 재지향시키기 위하여 도광체(110)의 광원-반대 제 2 표면(114)(예를 들어, 상단 표면) 내에 형성된 홈들(회절 특징부들)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 홈들은 금속 재료로 충진되고 금속 재료의 층(136)으로 더 지지되어, 추가적인 반사를 제공하고 도시된 반사형 격자 커플러(130)의 회절 효율을 향상시킨다. 즉, 도시된 바와 같이, 격자 재료(134)는 금속층(136)을 포함한다. 다른 예들에서(미도시), 홈들은 격자 재료(예를 들어, 규소 질화물)로 충진된 후, 예를 들어 금속층으로 지지 또는 실질적으로 덮일 수 있다.
도 8b는 반사 모드 회절 격자(132")를 생성하기 위하여 도광체(110)의 제 2 표면(114) 상에 격자 재료(134)로 형성된 융기들(회절 특징부들)을 포함하는 반사형 격자 커플러(130)를 도시한다. 예를 들어, 융기들은 규소 질화물(즉, 격자 재료)의 층으로부터 에칭될 수 있다. 일부 예들에서, 금속층(136)은, 예를 들어 증가된 반사를 제공하고 회절 효율을 향상시키기 위하여, 반사 모드 회절 격자(132")의 융기들을 실질적으로 덮도록 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 격자-결합 도광체(100)는 광원(106)(예를 들어, 도 3a 및 도 3b에 도시된)을 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 예들에서, 광원(106)은 비-시준 광원(106)일 수 있다. 예를 들어, 광원(106)은 회로 기판 상에 장착되고 회로 기판 상의 LED 칩에 인접한(예를 들어, 위) 공간을 조명하도록 구성된 면 발광(surface emitting) LED 칩일 수 있다. 일부 예들에서, 광원(106)은 점 광원에 근사할 수 있다. 특히, 광원(106)은 넓은 원추각(cone angle)을 특징으로 하는 조명을 갖거나 나타낼 수 있다. 예를 들어, 광원(106)의 원추각은 약 90도보다 클 수 있다. 다른 예들에서, 원추각은 약 80도보다, 또는 약 70도보다, 또는 약 60도보다 클 수 있다. 예를 들어, 원추각은 약 45도일 수 있다. 다양한 예들에 따르면, 광원(106)으로부터의 광(102)의 중심 광선은 집광기(120)를 통과한 후에 도광체(110)의 표면에 실질적으로 직교하는 각도로 격자 커플러(130)에 입사되도록 구성될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 비-시준 광원(106)에 의하여 생성된 실질적으로 비-시준된 광(102")은 집광기(120) 및 격자 커플러(130)에 의하여 제공되는 회절적 재지향의 조합에 의하여 시준된 안내된 광(104)으로서 실질적으로 시준될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 회절적으로 재지향된 안내된 광(104)은 적어도 하나의 방향으로 실질적으로 비-시준된다(예를 들어, 팬-형상 빔이 생성되는 경우). 또 다른 예들에서, 안내된 광(104)은 집광기(120) 및 격자 커플러(130)의 조합에 의하여 제 1 방향(예를 들어, 0이 아닌 전파 각도에 대한 제 1 확산 각도에 대응하는)으로 실질적으로 시준될 수 있고, 제 2 방향(예를 들어, 제 2 확산 각도에 대응하는)으로 실질적으로 비-시준될 수 있다. 예를 들어, 집광기(120)와 격자 커플러(130)의 조합은 판 도광체의 표면들에 평행한 수평 방향으로 팬-형상 빔을 제공할 수 있고, 도광체의 표면들에 수직인 수직 방향 또는 평면으로 실질적으로 시준된 빔(즉, 약 0의 확산 각도)을 제공할 수 있다.
본 명세서에 설명된 원리들의 일부 실시 예들에서, 격자-결합 도광 시스템(grating-coupled light guide system)이 제공된다. 격자-결합 도광 시스템은 다양한 용도를 갖는다. 예를 들어, 격자-결합 도광 시스템은 멀티뷰 백라이트일 수 있다. 예를 들어, 멀티뷰 백라이트는 3차원(three-dimensional; 3D) 또는 멀티뷰 디스플레이에 이용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 격자-결합 도광 시스템은 프라이버시(privacy) 디스플레이의 백라이트로서 이용될 수 있다. 또 다른 실시 예들에서, 격자-결합 도광 시스템의 도광체와 같은 격자-결합 도광 시스템의 일부는, 내부 전반사 장애(frustrated total internal reflection; FTIR)를 이용하여 터치 패널이 터치되는 위치 및 터치가 가해지는 압력 중 하나 또는 모두를 감지하기 위하여 터치-감응 패널에서 이용될 수 있다.
도 9a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트(200)의 단면도를 도시한다. 도 9b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트(200)의 평면도를 도시한다. 도 9c는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티뷰 백라이트(200)의 사시도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 제한이 아니 예로서, 멀티뷰 백라이트(200)는 도광체(110), 집광기(120) 및 도 3 a와 유사한 투과형 격자 커플러(130)로서 도시된 격자 커플러(130)를 포함하는 격자-결합 도광체(100)를 포함한다. 또한, 도 9a에는 광원(106)뿐만 아니라 도광체(110) 내에서 시준 계수(σ) 및 전파 방향(103)을 갖는 안내된 광(104)이 도시되었다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 멀티뷰 백라이트(200)는 복수의 멀티빔 소자들(210) 또는 멀티빔 소자들(210)의 어레이를 더 포함한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 복수의 멀티빔 소자들의 각각의 멀티빔 소자(210)는 안내된 광(104)의 일부를 복수의 지향성 광빔들(202)로서 도광체(110)로부터 산란시키도록 구성된다. 다양한 실시 예들에 따르면, 복수의 지향성 광빔들의 지향성 광빔들(202)은 서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는다. 또한, 일부 실시 예들에 따르면, 지향성 광빔들(202)의 상이한 주 각도 방향들은 멀티뷰 백라이트(200)를 포함하는 멀티뷰 디스플레이의 각각의 상이한 뷰 방향들에 대응할 수 있다. 도 9a 및 도 9c에는, 지향성 광빔들(202)은 도광체(110)의 제 2 표면(114)(전면)으로부터 멀어지는 방향으로 묘사된 복수의 분기하는 화살표들로서 도시되었다.
다양한 실시 예들에 따르면, 복수의 멀티빔 소자들의 멀티빔 소자들(210)은 도광체(110)의 길이를 따라 서로 이격될 수 있다. 특히, 멀티빔 소자들(210)은 유한한 공간만큼 서로 분리되어 있을 수 있으며, 도광체의 길이를 따라 개별적이고 구분되는 소자들을 나타낼 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에 따르면, 멀티빔 소자들(210)은 일반적으로 서로 교차하거나, 중첩되거나 또는 다른 방식으로 접촉하지 않는다. 즉, 복수의 멀티빔 소자들의 각각의 멀티빔 소자(210)는 일반적으로 멀티빔 소자들(210)의 다른 것들로부터 구분되고 떨어져 있다.
일부 실시 예들에 따르면, 복수의 멀티빔 소자들(210)은 1D 어레이 또는 2D 어레이로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 멀티빔 소자들(210)은 선형 1D 어레이로 배열될 수 있다. 다른 예에서, 복수의 멀티빔 소자들(210)은 직사각형 2D 어레이 또는 원형 2D 어레이로 배열될 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 어레이(즉, 1D 또는 2D 어레이)는 규칙적이거나 균일한 어레이일 수 있다. 특히, 멀티빔 소자들(210)의 소자간 거리(예를 들어, 중심간 거리 또는 간격)는 어레이에 걸쳐(across) 실질적으로 균일하거나 일정할 수 있다. 다른 예들에서, 멀티빔 소자들(210) 간의 소자간 거리는 어레이에 걸쳐서 변할 수 있거나, 도광체(110)의 길이를 따라서 변할 수 있거나, 또는 두 경우 모두에 대하여 변경될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자(210)의 크기는 멀티뷰 백라이트(200)를 이용하는 멀티뷰 디스플레이의 광 밸브(light valve)의 크기와 유사할 수 있다. 본 명세서에서, '크기'는 길이, 폭 또는 면적을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 방식들 중의 임의의 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 광 밸브의 크기는 이의 길이일 수 있고, 멀티빔 소자(210)의 유사한 크기는 또한 멀티빔 소자(210)의 길이일 수 있다. 다른 예에서, 크기는 면적을 의미할 수 있고, 따라서 멀티빔 소자(210)의 면적은 광 밸브의 면적과 유사할 수 있다. 다른 예들에서, 광 밸브 크기는 인접하는 광 밸브들 간의 거리(예를 들어, 중심간 거리)로서 정의될 수 있다. 예를 들어, 광 밸브들은 광 밸브 어레이 내의 광 밸브들 간의 중심간 거리보다 작을 수 있다. 예를 들어, 광 밸브 크기는 인접하는 광 밸브들 간의 중심간 거리에 대응하는 크기로서 정의될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자 크기가 뷰 픽셀 크기의 약 50% 내지 약 200% 사이가 되도록 멀티빔 소자(210)의 크기는 광 밸브 크기와 유사할 수 있다. 다른 예들에서, 멀티빔 소자 크기는 광 밸브 크기의 약 60%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 70%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 80%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 90%보다 크고, 그리고 멀티빔 소자(210)는 광 밸브 크기의 약 180%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 160%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 140%보다, 또는 광 밸브 크기의 약 120%보다 작다. 예를 들어, '유사한 크기(comparable size)'에 의하여, 멀티빔 소자 크기는 광 밸브 크기의 약 75% 내지 약 150% 사이일 수 있다. 다른 예들에서, 멀티빔 소자(210)는 광 밸브와 크기가 유사할 수 있고, 여기서 멀티빔 소자 크기는 광 밸브 크기의 약 125% 내지 약 85% 사이이다. 일부 실시 예들에 따르면, 멀티빔 소자(210)와 광 밸브의 유사한 크기들은 멀티뷰 디스플레이의 뷰들 간의 암 영역들(dark zones)을 제거, 또는 일부 예들에서는 최소화,함과 동시에 멀티뷰 디스플레이의 뷰들 간의 중첩을 제거, 또는 일부 예들에서는 최소화,하기 위하여 선택될 수 있다. 도 9a 내지 도 9c는 또한 논의의 용이를 위하여 멀티뷰 백라이트(200)와 함께 멀티뷰 픽셀들(206)을 도시한다. 도 9a 및 도 9b에서, 멀티빔 소자의 크기는 's'로 표시되고, 광 밸브의 크기는 'S'로 표시된다.
도 9a 내지 도 9c는 복수의 지향성 광빔들의 지향성 광빔들(202)을 변조하도록 구성된 광 밸브들(208)의 어레이를 더 도시한다. 예를 들어, 광 밸브 어레이는 멀티뷰 백라이트(200)를 이용하는 멀티뷰 디스플레이의 일부일 수 있고, 도 9a 내지 도 9c에는 본 명세서의 논의의 용이를 위해 멀티뷰 백라이트(200)와 함께 도시되었다. 도 9c에서, 광 밸브들(208)의 어레이는 광 밸브 어레이 아래에 놓여 있는 도광체(110) 및 멀티빔 소자(210)의 시각화를 위하여 부분적으로 절개되었다. 다양한 실시 예들에서, 액정 광 밸브들, 전기 영동 광 밸브들 및 전기 습윤 기반의 광 밸브들 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 유형들의 광 밸브들이 광 밸브 어레이의 광 밸브들(208)로서 이용될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 지향성 광빔들(202)의 상이한 것들은 광 밸브 어레이 내의 광 밸브들(208)의 상이한 것들을 통과하고 그에 의해 변조될 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 어레이의 광 밸브(208)는 뷰 픽셀에 대응하고, 광 밸브들(208)의 세트는 멀티뷰 디스플레이의 멀티뷰 픽셀에 대응한다. 특히, 광 밸브 어레이의 광 밸브들(208)의 상이한 세트는 멀티빔 소자들(210)의 상이한 것들로부터 지향성 광빔들(202)을 수신 및 변조하도록 구성된다. 즉, 도시된 바와 같이, 각각의 멀티빔 소자(210)에 대하여 광 밸브들(208)의 하나의 고유한 세트가 존재한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 제 1 광 밸브 세트(208a)는 제 1 멀티빔 소자(210a)로부터 지향성 광빔들(202)을 수신 및 변조하도록 구성되고, 제 2 광 밸브 세트(208b)는 제 2 멀티빔 소자(210b)로부터 지향성 광빔들(202)을 수신 및 변조하도록 구성된다. 따라서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 광 밸브 어레이 내의 각각의 광 밸브 세트(예를 들어, 제 1 및 제 2 광 밸브 세트(208a, 208b))는 상이한 멀티뷰 픽셀에 각각 대응하고, 광 밸브 세트들의 개별 광 밸브들(208)은 각각의 멀티뷰 픽셀의 뷰 픽셀에 대응한다.
일부 실시 예들에서, 복수의 멀티빔 소자들의 멀티빔 소자들(210)과 그에 대응하는 멀티뷰 픽셀들(예를 들어, 광 밸브들(208)의 세트들)은 일대일 대응 관계일 수 있다. 즉, 멀티뷰 픽셀들의 개수와 멀티빔 소자들(210)의 개수가 동일할 수 있다. 도 9b는 광 밸브들(208)의 상이한 세트를 포함하는 각각의 멀티뷰 픽셀이 점선으로 둘러싸인 것으로 도시되는 일대일 대응 관계를 일 예로서 명백히 도시한다. 다른 실시 예들에서(미도시), 멀티뷰 픽셀들(206)의 개수와 멀티빔 소자들(210)의 개수는 서로 상이할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 복수의 멀티빔 소자들 중 한 쌍의 인접한 멀티빔 소자들(210) 간의 소자간 거리(예를 들어, 중심간 거리)는, 예를 들어 광 밸브 세트들로 나타나는, 대응하는 인접한 쌍의 멀티뷰 픽셀들 간의 픽셀간 거리(예를 들어, 중심간 거리)와 동일할 수 있다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제 1 멀티빔 소자(210a)와 제 2 멀티빔 소자(210b) 간의 중심간 거리(d)는 제 1 광 밸브 세트(208a)와 제 2 광 밸브 세트(208b) 간의 중심간 거리(D)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시 예들에서(미도시), 멀티빔 소자들(210)의 쌍들과 그에 대응하는 광 밸브 세트의 상대적인 중심간 거리들은 상이할 수 있다. 예를 들어, 멀티빔 소자들(210)은 멀티뷰 픽셀들을 나타내는 광 밸브 세트들 간의 간격(즉, 중심간 거리(D))보다 크거나 작은 소자간 간격(즉, 중심간 거리(d))을 가질 수 있다.
또한, 일부 실시 예들에 따르면(예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이), 각각의 멀티빔 소자(210)는 오직 하나의 멀티뷰 픽셀에 지향성 광빔들(202)을 제공하도록 구성된다. 특히, 도 9a에 도시된 바와 같이, 멀티빔 소자들(210) 중 주어진 하나와 관련하여, 멀티뷰 디스플레이의 상이한 뷰들에 대응하는 상이한 주 각도 방향들을 갖는 지향성 광빔들(202)은 실질적으로 하나의 대응하는 멀티뷰 픽셀에, 즉 멀티빔 소자(210)에 대응하는 광 밸브들(208)의 하나의 세트에, 국한된다. 따라서, 멀티뷰 백라이트(200)의 각각의 멀티빔 소자(210)는 멀티뷰 디스플레이의 상이한 뷰들에 대응하는 한 세트의 상이한 주 각도 방향들을 갖는 지향성 광빔들(202)의 대응하는 세트를 제공한다.
다양한 실시 예들에 따르면, 멀티빔 소자(210)는 안내된 광(104)의 일부를 산란 또는 커플 아웃시키도록 구성된 복수의 상이한 산란 구조물들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상이한 산란 구조물들은 회절 격자, 미세(micro)-반사 소자, 미세-굴절 소자 또는 이들의 다양한 조합들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 산란 구조물들의 각각은 각도-보존 산란체일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 회절 격자를 포함하는 멀티빔 소자(210)는 안내된 광의 일부를 상이한 주 각도 방향들을 갖는 복수의 지향성 광빔들(202)로서 회절적으로 커플 아웃시키도록 구성된다. 다른 실시 예들에서, 미세-반사 소자를 포함하는 멀티빔 소자(210)는 안내된 광의 일부를 복수의 지향성 광빔들(202)로서 반사적으로 커플 아웃시키도록 구성되고, 미세-굴절 소자를 포함하는 멀티빔 소자(210)는 안내된 광의 일부를 굴절에 의하여 또는 굴절을 이용하여 복수의 지향성 광빔들(202)로서 커플 아웃(즉, 안내된 광의 일부를 굴절적으로 커플 아웃)시키도록 구성된다.
도 10a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자(210)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 10b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자(210)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 10a 및 도 10b는 회절 격자(212)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 멀티빔 소자(210)를 도시한다. 회절 격자(212)는 안내된 광(104)의 일부를 복수의 지향성 광빔들(202)로서 회절적으로 커플 아웃시키도록 구성된다. 회절 격자(212)는 안내된 광의 일부의 회절적 커플링 아웃을 제공하도록 구성된 회절 특징부 간격 또는 회절 특징부 또는 격자 피치만큼 서로 이격된 복수의 회절 특징부들을 포함한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 회절 격자(212) 내의 회절 특징부들의 간격 또는 격자 피치는 서브-파장(즉, 안내된 광의 파장 미만)일 수 있다.
일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자(210)의 회절 격자(212)는 도광체(110)의 표면에 또는 이에 인접하여 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 회절 격자(212)는 도광체(110)의 제 2 표면(114)에 있거나 또는 제 2 표면(114)에 인접할 수 있다. 도광체의 제 2 표면(114)의 회절 격자(212)는 안내된 광을 제 2 표면(114)을 통하여 지향성 광빔들(202)로서 회절적으로 커플 아웃시키도록 구성된 투과 모드 회절 격자일 수 있다. 다른 예에서, 도 10b에 도시된 바와 같이, 회절 격자(212)는 도광체(110)의 제 1 표면(112)에 또는 이에 인접하여 위치할 수 있다. 제 1 표면(112)에 위치하는 경우, 회절 격자(212)는 반사 모드 회절 격자일 수 있다. 반사 모드 회절 격자로서, 회절 격자(212)는 안내된 광의 일부를 회절시키고 회절된 안내된 광의 일부를 제 2 표면(114)을 향해 반사시킴으로써 회절적으로 커플 아웃된 회절된 광빔들(202)로서 제 2 표면(214)을 통하여 내보낼 수 있도록 구성된다. 다른 실시 예들에서(미도시), 회절 격자는, 예를 들어 투과 모드 회절 격자 및 반사 모드 회절 격자 중 하나 또는 모두로서, 도광체(110)의 표면들 사이에 위치할 수 있다.
일부 실시 예들에 따르면, 회절 격자(212)의 회절 특징부들은 서로 이격된 홈들 및 융기들 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 홈들 또는 융기들은 도광체(110)의 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 도광체(110)의 표면 내에 형성될 수 있다. 다른 예에서, 홈들 또는 융기들은 도광체의 재료와는 다른 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어 도광체(110)의 표면 상에 다른 재료의 필름 또는 층으로 형성될 수 있다 일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자(210)의 회절 격자(212)는 회절 특징부 간격이 회절 격자(212) 전체에서 실질적으로 일정하거나 불변하는 균일한 회절 격자이다.
다른 실시 예들에서, 회절 격자(212)는 처프된(chirped) 회절 격자이다. 정의에 의하면, '처프된' 회절 격자는 처프된 회절 격자의 범위(extent) 또는 길이에 걸쳐 변화하는 회절 특징부들의 회절 간격(즉, 격자 피치)을 나타내거나 갖는 회절 격자이다. 일부 실시 예들에서, 처프된 회절 격자는 거리에 따라 선형적으로 변화하는 회절 특징부 간격의 처프를 갖거나 나타낼 수 있다. 따라서, 정의에 의하면, 처프된 회절 격자는 '선형적으로 처프된' 회절 격자이다. 다른 실시 예들에서, 멀티빔 소자(210)의 처프된 회절 격자는 회절 특징부 간격의 비-선형 처프를 나타낼 수 있다. 지수적 처프, 로그적 처프 또는 실질적으로 비-균일 또는 랜덤하지만 단조로운 방식으로 변화하는 처프를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 비-선형 처프들이 이용될 수 있다. 정현파 처프 또는 삼각형 또는 톱니 처프와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 비-단조(non-monotonic) 처프들도 이용될 수 있다. 이러한 유형의 처프들 중 임의의 조합도 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자(210) 또는 대등하게는 회절 격자(212)는 복수의 회절 격자들을 포함할 수 있다. 복수의 회절 격자들은 회절 격자(212)의 복수의 '서브-격자들'로 언급될 수 있다. 복수의 회절 격자(또는 서브-격자)들은 안내된 광(104)의 일부를 복수의 지향성 광빔들(202)로서 산란 또는 회절적으로 커플 아웃시킬 수 있도록 복수의 상이한 구성들로 배열될 수 있다. 특히, 멀티빔 소자(210)의 복수의 회절 격자들은 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자(또는 대등하게는 제 1 서브-격자 및 제 2 서브-격자)를 포함할 수 있다. 제 1 회절 격자는 복수의 지향성 광빔들(202)의 제 1 광빔을 제공하도록 구성되고, 제 2 회절 격자는 복수의 지향성 광빔들(202)의 제 2 광빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 제 1 및 제 2 광빔은 상이한 주 각도 방향들을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에 따르면, 복수의 회절 격자들은 제 3 회절 격자, 제 4 회절 격자 등을 포함할 수 있고, 각각의 회절 격자는 다른 지향성 광빔들(202)을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 11a는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자(210)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 11b는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자(210)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 일부의 단면도를 도시힌다. 특히, 도 11a 및 도 11b는 미세-반사 소자를 포함하는 멀티빔 소자(210)의 실시 예들을 도시한다. 멀티빔 소자(210)로서 또는 그 내부에 이용된 미세-반사 소자들은 반사성 재료(예를 들어, 반사성 금속) 또는 이들의 층을 이용하는 반사체 또는 내부 전반사(total internal reflection; TIR) 기반의 반사체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시 예들에 따르면(예를 들어, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이), 미세-반사 소자를 포함하는 멀티빔 소자(210)는 도광체(110)의 표면(예를 들어, 제 1 표면(112))에 또는 이에 인접하여 위치할 수 있다. 다른 실시 예들에서(미도시), 미세-반사 소자는 제 1 및 제 2 표면(114, 112) 사이의 도광체(110) 내에 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 11a는 도광체(110)의 제 1 표면(112)에 인접하여 위치하는 반사면들을 갖는 미세-반사 소자(214)(예를 들어, '프리즘형' 미세-반사 소자)를 포함하는 멀티빔 소자(210)를 도시한다. 도시된 프리즘형 미세-반사 소자(214)의 면들은 도광체(110)로부터의 안내된 광(104)의 일부를 반사(즉, 반사적으로 커플 아웃)시키도록 구성된다. 예를 들어, 면들은 도광체(110)로부터의 안내된 광의 일부를 반사하기 위하여 안내된 광(104)의 전파 방향에 대해 경사지거나 기울어질 수 있다(즉, 경사각을 가질 수 있다). 다양한 실시 예들에 따르면, 면들은 도광체(110) 내에 반사성 재료를 이용하여 형성될 수도 있고(예를 들어, 도 11a에 도시된 바와 같이), 제 1 표면(112) 내의 프리즘형 공동(cavity)의 표면들일 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 프리즘형 공동이 이용되는 경우, 공동 표면들에서의 굴절률의 변화가 반사(예를 들어, TIR 반사)를 제공할 수 있거나, 면들을 형성하는 공동 표면들이 반사성 재료로 코팅되어 반사를 제공할 수 있다.
다른 예에서, 도 11b는 반구형(semi-spherical) 미세-반사 소자(214)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 실질적으로 매끄러운 곡면을 갖는 미세-반사 소자(214)를 포함하는 멀티빔 소자(120)를 도시한다. 예를 들어, 미세-반사 소자(214)의 특정한 표면 곡선은 안내된 광의 일부를 안내된 광(104)이 접촉하는 곡면 상의 입사점에 의존하는 상이한 방향들로 반사하도록 구성될 수 있다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 도광체(110)로부터의 반사적으로 커플 아웃되는 안내된 광의 일부는, 제한이 아닌 예로서, 제 2 표면(114)을 통하여 빠져나가거나 방출된다. 도 11a의 프리즘형 미세-반사 소자(214)와 같이, 도 11b의 미세-반사 소자(214)는 도광체(110) 내의 반사성 재료거나, 제한이 아닌 예로서 도 11b에 도시된 바와 같이, 제 1 표면(112) 내에 형성된 공동(예를 들어, 반원형(semi-circular) 공동)일 수 있다.
도 12는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 또 다른 실시 예에 따른 일 예로서 멀티빔 소자(210)를 포함하는 멀티뷰 백라이트(200)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 12는 미세-굴절 소자(216)을 포함하는 멀티빔 소자(210)를 도시한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 미세-굴자 소자(216)는 안내된 광(104)의 일부를 도광체(110)로부터 굴절적으로 커플 아웃하도록 구성된다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 미세-굴절 소자(216)는 안내된 광의 일부를 지향성 광빔들(202)로서 도광체(110)로부터 커플 아웃시키기 위하여 굴절(예를 들어, 회절 또는 반사와 반대로)을 이용하도록 구성된다. 미세-굴절 소자(216)는 반구 형상, 직사각 형상 또는 프리즘 형상(즉, 경사 면들을 갖는 형상)을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 다양한 형상들을 가질 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 미세-굴절 소자(216)는 도시된 바와 같이 도광체(110)의 표면(예를 들어, 제 2 표면(114))으로부터 연장 또는 돌출될 수 있거나, 표면 내의 공동(미도시)일 수 있다. 또한, 일 부 실시 예들에서, 미세-굴절 소자(216)는 도광체(110)의 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 미세-굴절 소자(216)는 도광체 표면에 인접하는, 일부 예들에서는 접촉하는, 또 다른 재료를 포함할 수 있다.
도 13은 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 격자-결합 디스플레이 시스템(300)의 블록도를 도시한다. 도 13에 도시된 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 제 1 방향으로 광(302)을 제공하도록 구성된 광원(310)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 광원(310)은 격자-결합 도광체(100)와 관련하여 전술한 광원(106)과 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 광원(310)에 의하여 제공되는 광(302)은 비-집중된 또는 비-시준된 광일 수 있다. 또한, 전술한 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 방향으로 제공되는 광(302)은 z-방향의 중심 광선을 포함할 수 있다.
도 13에 도시된 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 도광체(320)를 더 포함한다. 도광체(320)는 광을 안내된 광(304)으로서 안내하도록 구성된다. 안내된 광(304)은 도광체(320) 내에서 제 2 방향으로 안내된다. 다양한 실시 예들에 따르면, 제 2 방향은 제 1 방향에 직교한다. 일부 실시 예들에서, 도광체(320)는 전술한 격자-결합 도광체(100)의 도광체(110)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 도광체(320)는 판 도광체일 수 있다. 예를 들어, 제 2 방향은, 도 3a 및 도 3b에서 전술한 바와 같이, x-방향일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 도 13에서, 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 집광기(330)를 더 포함한다. 집광기(330)는 집중된 광(306)을 제공하기 위하여 광원(310)으로부터 수신되는 광(302)을 집중시키도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 집광기(330)는 전술한 격자-결합 도광체(100)의 집광기(120)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 다양한 실시 예들에 따르면, 집광기(330)는, 집광기(120)와 관련하여 전술한 바와 같이, 테이퍼형 시준기, 반사굴절 시준기 및 반사 선회 시준기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 격자 커플러(340)를 더 포함한다. 격자 커플러(340)는 집중된 광(306)을 제 2 방향을 갖는 안내된 광(304)으로서 도광체(320) 내부로 회절적으로 재지향시키도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 격자 커플러(340)는 격자-결합 도광체(100)와 관련하여 전술한 격자 커플러(130)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 일부 실시 예들에서, 격자 커플러(340)는 광원(310)에 인접한 도광체(320)의 표면의 투과 모드 회절 격자 및 광원(310)에 인접한 도광체 표면에 대향하는 도광체(320)의 표면의 반사 모드 회절 격자 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 집광기(330) 및 격자 커플러(340) 모두의 특성들은 도광체 내의 안내된 광의 0이 아닌 전파 각도 및 정해진 확산 각도를 협력적으로 결정하도록 구성된다.
도 13에 도시된 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 광 밸브들(350)의 어레이를 더 포함한다. 광 밸브들(350)의 어레이는 도광체로부터 방출되는 광(308)을 디스플레이되는 이미지로서 변조하도록 구성된다. 일부 실시 예들에 따르면, 광 밸브들(350)의 어레이는 전술한 멀티뷰 백라이트(200)의 복수의 광 밸브들(208)과 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 광 밸브 어레이의 광 밸브들(350)은 액정 광 밸브들, 전기 영동 광 밸브들 및 전기 습윤 기반의 광 밸브들 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 광 밸브 어레이에 의한 변조를 강조하기 위하여 도 13에는 변조된 방출된 광(308')(예를 들어, 지향성 광빔들)이 점선 화살표들로 도시되었다.
일부 실시 예들에서(미도시), 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 도광체(320)에 광학적으로 결합된 멀티빔 소자들의 어레이를 더 포함한다. 멀티빔 소자 어레이의 멀티빔 소자는 안내된 광(304)의 일부를 도광체(320)로부터 복수의 지향성 광빔들로서 산란시키도록 구성된다. 다양한 실시 예들에 따르면, 복수의 지향성 광빔들의 지향성 광빔들은 서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는다. 이러한 실시 예들에서, 도광체(320)에 의하여 또는 이로부터 방출되고 광 밸브들(350)의 어레이에 의하여 변조되는 광은 복수의 지향성 광빔들을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자 어레이의 멀티빔 소자는 전술한 멀티뷰 백라이트(200)의 멀티빔 소자(210)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 멀티빔 소자는 회절 격자, 미세-반사 소자 및 미세-굴절 소자 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자의 크기는 광 밸브 어레이의 광 밸브의 크기의 절반보다 클 수 있고, 광 밸브 크기의 2배보다 작을 수 있다. 일부 실시 예들에서, 지향성 광빔들의 상이한 주 각도 방향들은 멀티뷰 디스플레이의 복수의 상이한 뷰들의 각각의 뷰 방향들에 대응할 수 있다. 따라서, 일부 실시 예들에서, 격자-결합 디스플레이 시스템(300)은 멀티뷰 디스플레이일 수 있고, 디스플레이되는 이미지는 멀티뷰 이미지를 나타낼 수 있다.
본 명세서에 설명된 원리들의 다양한 실시 예들 및 예들에 따르면, 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법이 제공된다. 도 14는 본 명세서에 설명된 원리들에 일치하는 일 실시 예에 따른 일 예로서 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)의 흐름도를 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은 광원을 이용하여 광을 생성(410)하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 광원은 비-시준 광원이고, 생성(410)된 광은 실질적으로 집중된 또는 시준된 광이다. 예를 들어, 광을 생성(410)하는 데 이용된 광원은 점 광원에 근사할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 광을 생성(410)하는 데 이용된 광원은 격자-결합 도광체(100)와 관련하여 전술한 광원(106)과 실질적으로 유사할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 광을 판 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은 집광기를 이용하여 광원으로부터의 광을 집중(420)시키는 단계를 더 포함한다. 집광기에 의한 광의 집중(420)은 집중된 광을 생성한다. 일부 실시 예들에 따르면, 광을 집중(420)시키는 데 이용되는 집광기는 전술한 격자-결합 도광체(100)의 집광기(120)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 집광기는 테이퍼형 시준기, 반사굴절 시준기 및 반사 선회 시준기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 집광기는 집광 렌즈(concentrating lens)를 포함한다.
도 14에 도시된 광을 판 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은 집중된 광을 격자 커플러를 이용하여 도광체 내부로 커플링(430)하는 단계 및 커플된 광을 안내된 광으로서 도광체 내에서 0이 아닌 전파 각도로 안내(440)하는 단계를 더 포함한다. 다양한 실시 예들에 따르면, 안내된 광은 제 1 확산 각도 및 제 2 확산 각도를 기자며, 제 2 확산 각도는 제 1 확산 각도와 직교하는 방향에 있다. 예를 들어, 안내된 광은 격자 커플러에 의하여 0이 아닌 전파 각도로 지향되어 전파하는, 도광체의 표면에 수직인 평면에서 정해진 제 1 확산 각도를 갖고 도광체의 표면에 실질적으로 평행한 평면에서 정해진 제 2 확산 각도를 갖는, 광 빔을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 도광체 내의 안내된 광의 0이 아닌 전파 각도, 제 1 확산 각도 및 제 2 확산 각도는, 집광기 및 격자 커플러 모두의 특성들에 의하여 결정된다.
일부 예들에서, 광을 커플링(430)하는 데 이용되는 격자 커플러는 격자-결합 도광체(100)와 관련하여 전술한 격자 커플러(130)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 일부 예들에서, 격자 커플러는 광원에 인접한 도광체의 표면에 투과형 격자를 포함한다. 일부 예들에서, 격자 커플러는 판 도광체의 광원-인접 표면에 대향하는 도광체의 표면에 반사형 격자를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은 이미지 또는 유사한 정보를 디스플레이하기 위하여 전자 디스플레이의 동작에 이용된다. 특히, 일부 예들에 따르면(미도시), 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은, 서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는 복수의 지향성 광빔들을 생성하기 위하여, 안내된 광의 일부를 도광체에 광학적으로 결합된 멀티빔 소자를 이용하여 도광체로부터 산란시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 멀티빔 소자는 전술한 멀티뷰 백라이트(200)의 멀티빔 소자(210)와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서(미도시), 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법(400)은 복수의 지향성 광빔들을 대응하는 복수의 광 밸브들을 이용하여 변조시키는 단계를 더 포함하고, 변조된 광빔들은 디스플레이되는 이미지의 픽셀들을 형성한다. 예를 들어, 디스플레이되는 이미지는 멀티뷰 이미지일 수 있고, 지향성 광빔들은 멀티뷰 이미지의 상이한 뷰 방향들에 대응하는 방향들을 가질 수 있다. 또한, 광 밸브들은 액정 광 밸브들을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 광 밸브들은 전기 습윤 광 밸브 또는 전기 영동 광 밸브를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 또 다른 유형의 광 밸브일 수 있다.
이상에서는, 0이 아닌 전파 각도로 전파하고 정해진 확산 각도를 갖는 안내된 광을 생성하기 위하여 격자 커플러 및 집광기를 이용하는, 격자-결합 도광체, 격자-결합 디스플레이 시스템 및 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법의 예들이 설명되었다. 전술한 예들은 단지 본 명세서에 설명된 원리들을 나타내는 많은 구체적인 예들 중 일부를 예시하는 것임을 이해하여야 한다. 명백히, 당업자는 다음의 청구 범위에 의하여 정의되는 범위를 벗어나지 않고 수 많은 다른 구성들을 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (22)

  1. 격자-결합 도광체로서,
    광을 안내하도록 구성된 도광체;
    집중된 광을 제공하기 위하여 광원으로부터의 광을 집중시키도록 구성된 집광기; 및
    상기 도광체의 입력 단부에 위치하고, 상기 집중된 광을 미리 결정된 제 1 확산 각도 및 미리 결정된 제 2 확산 각도를 갖는 안내된 광으로서 상기 도광체 내부로 미리 결정된 0이 아닌 전파 각도로 회절적으로 재지향시키도록 구성된 격자 커플러를 포함하되,
    상기 집광기 및 상기 격자 커플러의 특성들은 그 특성들의 조합이 상기 도광체 내의 상기 안내된 광의 상기 0이 아닌 전파 각도, 상기 제 1 확산 각도 및 상기 제 2 확산 각도 모두를 결정하도록 구성되고,
    상기 제 1 확산 각도는 상기 제 2 확산 각도와 직교하는
    격자-결합 도광체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 커플러는, 상기 미리 결정된 제 2 확산 각도를 제공하도록 구성된 폭 변화를 갖는 회절 격자를 포함하는
    격자-결합 도광체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기는, 상기 광원으로부터의 상기 광의 확산 각도를 감소시키고 상기 격자 커플러에 의하여 점유된 영역에 대응하는 영역에 광을 집중시키도록 구성된 자유형 광학계를 포함하는
    격자-결합 도광체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기는 테이퍼형 시준기를 포함하는
    격자-결합 도광체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기는 반사굴절 시준기를 포함하는
    격자-결합 도광체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기는 반사 선회 시준기를 포함하는
    격자-결합 도광체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 커플러는 상기 광원에 인접한 상기 도광체의 표면에 투과 모드 회절 격자를 포함하는 투과형 격자 커플러이고,
    상기 투과 모드 회절 격자는 상기 회절 격자를 통하여 투과되는 광을 회절적으로 재지향시키는
    격자-결합 도광체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 커플러는 상기 광원에 인접한 도광체 표면에 대향하는 상기 도광체의 표면에 반사 모드 회절 격자를 포함하는 반사형 격자 커플러이고,
    상기 반사 모드 회절 격자는 반사적 회절을 이용하여 상기 광을 상기 도광체 내부로 회절적으로 재지향시키는
    격자-결합 도광체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원에 의하여 제공되는 광의 원추각은 60도보다 크고,
    상기 집광기는 상기 집중된 광을 제공하기 위하여 상기 광원에 의하여 제공되는 상기 광의 상기 원추각을 감소시키도록 구성된
    격자-결합 도광체.
  10. 제 1 항의 격자-결합 도광체를 포함하는 멀티뷰 백라이트로서,
    상기 안내된 광의 일부를 복수의 지향성 광빔들로서 상기 도광체로부터 산란시키도록 구성된 멀티빔 소자를 더 포함하되,
    상기 복수의 지향성 광빔들의 지향성 광빔들은 서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는
    멀티뷰 백라이트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 멀티빔 소자는,
    상기 안내된 광의 상기 일부를 상기 복수의 지향성 광빔들로서 회절적으로 산란시키도록 구성된 회절 격자;
    상기 안내된 광의 상기 일부를 상기 복수의 지향성 광빔들로서 반사적으로 산란시키도록 구성된 미세-반사 소자; 및
    상기 안내된 광의 상기 일부를 상기 복수의 지향성 광빔들로서 굴절적으로 산란시키도록 구성된 미세-굴절 소자
    중 하나 이상을 포함하는
    멀티뷰 백라이트.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 지향성 광빔들의 상기 상이한 주 각도 방향들은 멀티뷰 디스플레이의 복수의 상이한 뷰들의 각각의 뷰 방향들에 대응하는
    멀티뷰 백라이트.
  13. 격자-결합 디스플레이 시스템으로서,
    제 1 방향으로 광을 제공하도록 구성된 광원;
    광을 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향을 갖는 안내된 광으로서 안내하는 도광체;
    집중된 광을 제공하기 위하여 상기 광원으로부터 수신되는 상기 광을 집중시키도록 구성된 집광기;
    상기 집중된 광을 상기 제 2 방향을 갖는 안내된 광으로서 상기 도광체 내부로 회절적으로 재지향시키도록 구성된 격자 커플러; 및
    상기 도광체로부터 방출되는 광을 변조하고 디스플레이되는 이미지를 제공하도록 구성된 광 밸브들의 어레이를 포함하되,
    상기 집광기 및 상기 격자 커플러 모두의 특성들은 상기 도광체 내의 상기 안내된 광의 미리 결정된 0이 아닌 전파 각도 및 미리 결정된 확산 각도들 모두를 협력적으로 결정하도록 구성되고,
    상기 미리 결정된 확산 각도들은 제 1 확산 각도 및 상기 제 1 확산 각도에 직교하는 제 2 확산 각도를 포함하는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 집광기는 테이퍼형 시준기, 반사굴절 시준기 및 반사 선회 시준기 중 하나 이상을 포함하는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 격자 커플러는, 상기 광원에 인접한 상기 도광체의 표면의 투과 모드 회절 격자 및 상기 광원에 인접한 도광체의 표면에 대향하는 상기 도광체의 표면의 반사 모드 회절 격자 중 하나 또는 모두를 포함하는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 도광체에 광학적으로 결합된 멀티빔 소자들의 어레이를 더 포함하고,
    상기 멀티빔 소자 어레이의 멀티빔 소자는 상기 안내된 광의 일부를 복수의 지향성 광빔들로서 상기 도광체로부터 산란시키도록 구성되고,
    상기 복수의 지향성 광빔들의 지향성 광빔들은 서로 상이한 주 각도 방향들을 가지며,
    상기 도광체로부터 방출되는 광은 복수의 지향성 광빔들을 포함하는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 멀티빔 소자 어레이의 멀티빔 소자는 회절 격자, 미세-반사 소자 및 미세-굴절 소자 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 멀티빔 소자의 크기는 상기 광 밸브 어레이의 광 밸브의 크기의 절반보다 크고 상기 광 밸브 크기의 2배보다 작은
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 복수의 회절 격자들을 포함하는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 지향성 광빔들의 상기 상이한 주 각도 방향들은 멀티뷰 디스플레이의 복수의 상이한 뷰들의 각각의 뷰 방향들에 대응하고,
    상기 격자-결합 디스플레이 시스템은 멀티뷰 디스플레이이며,
    상기 디스플레이되는 이미지는 멀티뷰 이미지를 나타내는
    격자-결합 디스플레이 시스템.
  20. 광을 도광체 내부로 커플링하는 방법으로서, 상기 방법은,
    광원을 이용하여 광을 생성하는 단계;
    집중된 광을 생성하기 위하여 집광기를 이용하여 상기 광원으로부터의 광을 집중시키는 단계;
    격자 커플러를 이용하여 상기 집중된 광을 상기 도광체 내부로 커플링하는 단계; 및
    상기 커플링된 광을 미리 결정된 제 1 확산 각도 및 미리 결정된 제 2 확산 각도를 갖는 안내된 광으로서 상기 도광체 내에서 미리 결정된 0이 아닌 전파 각도로 안내하는 단계를 포함하되,
    상기 제 2 확산 각도는 상기 제 1 확산 각도에 직교하는 방향에 있고,
    상기 도광체 내의 상기 안내된 광의 상기 0이 아닌 전파 각도, 상기 제 1 확산 각도 및 상기 제 2 확산 각도 모두는 상기 집광기 및 상기 격자 커플러 모두의 특성들에 의하여 결정되는
    방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 집광기는 테이퍼형 시준기, 반사굴절 시준기 및 반사 선회 시준기 중 하나 이상을 포함하는
    방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    서로 상이한 주 각도 방향들을 갖는 복수의 지향성 광빔들을 생성하기 위하여 상기 도광체에 광학적으로 결합된 멀티빔 소자를 이용하여 상기 안내된 광의 일부를 상기 도광체로부터 산란시키는 단계; 및
    대응하는 복수의 광 밸브들을 이용하여 상기 복수의 지향성 광빔들을 변조시키는 단계-상기 변조된 광빔들은 디스플레이되는 이미지의 픽셀들을 형성함-;
    를 더 포함하는 방법.
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