KR20230044424A - 광 인커플링 소자, 관련 방법 및 용도 - Google Patents
광 인커플링 소자, 관련 방법 및 용도 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230044424A KR20230044424A KR1020237004131A KR20237004131A KR20230044424A KR 20230044424 A KR20230044424 A KR 20230044424A KR 1020237004131 A KR1020237004131 A KR 1020237004131A KR 20237004131 A KR20237004131 A KR 20237004131A KR 20230044424 A KR20230044424 A KR 20230044424A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light
- incoupling
- pattern
- optical
- substrate
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 40
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 244
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 132
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 99
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 70
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 22
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 16
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 15
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 9
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 4
- 230000010076 replication Effects 0.000 claims description 4
- 230000003362 replicative effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 3
- 238000010147 laser engraving Methods 0.000 claims description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 3
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 claims description 3
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 77
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 38
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 15
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 15
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 8
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005516 deep trap Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
- G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
- G02B6/0031—Reflecting element, sheet or layer
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
- G02B6/0073—Light emitting diode [LED]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
- Planar Illumination Modules (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
기판(100A) 및 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면(104)을 포함하는, 광가이드(20) 상에 부착 가능한 이산 아이템의 형태로 제공되는 광 인커플링 소자(100)가 제공된다. 광학 표면(104)은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체(20)를 통한 전파 경로를 획득하도록, 소자 기판(100A)과 광가이드 매체(20) 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면(107)을 통해 투과되는 인커플링된 광의 방향을 조정하도록 구성된다. 광학 표면(104)은 적어도 광학 캐비티 패턴(101)을 포함할 수 있다. 소자(100)는 평면형 광가이드(20)의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면(104)에서 광을 수광하도록 구성된다. 광 인커플링 소자(100)의 제조 방법, 관련 배열, 광학 유닛(250) 및 용도가 추가로 제공된다.
Description
일반적으로, 본 발명은 도파로용 광학 구조 및 이를 제조하는 방법의 제공의 제공에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 방출된 광을 광도파로에 인커플링하고, 또한 상기 도파로를 통한 광 전파를 제어하도록 적합화된 통합된 공동-광학계에 기반한 미리 결정된 형상을 갖는 소자 솔루션, 관련 방법 및 용도에 관한 것이다.
광도파로(optical waveguide) 또는 광가이드(lightguide) 기술은 다양한 최신 기술 애플리케이션에 널리 사용되었다. 배광 시스템의 적절한 선택은 종종 조명 및 디스플레이 애플리케이션에서 광도파로의 조명 성능을 미리 결정한다. 통상적인 광가이드(LG) 시스템은 하나 이상의 이미터에 의해 방출된 광선을 에지 인커플링(incoupling)하기 위한 구성요소, 광가이드 소자를 통한 배광을 위한 구성요소, 및 광 추출(아웃커플링)(outcoupling)을 위한 구성 소자(들) 또는 영역(들)을 포함한다. 인커플링 구조는 광을 수광하고, 광선을 배광 영역으로 안내하도록, 그 방향을 조정한다. 진보된 광가이드는 광가이드에 들어갈 때 에지 인커플링 광 효율을 제어하는 광학 패턴을 포함한다.
방출된 광의 각도 분포를 제어하고, 소망하는 광학 성능을 달성하기 위해, 조명 용도로 설계된 종래의 광가이드 솔루션은 여전히, 예를 들면 휘도 향상 필름(BEF)과 같은 다수의 개별 광학 필름을 이용한다. BEF 없이 구현된 공지된 광가이드 솔루션은 통상적으로 마이크로렌즈 및 V자 홈 형상의 광학 패턴을 채용한다. 이러한 솔루션을 사용함으로서, 소망하는 방식으로 완전히 제어된 배광을 달성하는 것은 불가능하다. 광 인커플링은 통상적으로 진보된 광학계 솔루션 없이 광가이드의 에지에서 수행된다. 증강 및 가상 현실 헤드셋과 같은 일부 특수한 경우에, 평면형 표면 인커플링은, 예를 들면 광가이드 소자에 포함된 표면 릴리프 격자에 기반하여 활용된다.
US 2018/031840 A1(Hofmann et al)은 광가이드로부터 광을 추출하기 위해 매립된 광 격자를 갖는 광학 소자를 개시한다. 격자의 표면은 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD)과 같은 공지된 방법을 사용하여 광학적으로 효과적인 층으로 코팅된다. 더욱이, 격자에 존재하는 오목부는 광학 시멘트 또는 광학 접착 재료로 충전된다.
US 10,598,938 B1(Huang & Lee)은 광이 광가이드에서 벗어나서 커플링되거나 또는 광가이드에서 커플링되는 각도를 제어하기 위한 각도 선택적인 경사진 격자 커플러를 개시한다. 선택성은 격자 사이의 굴절률을 조절하거나 또는 상이한 영역에서 격자의 듀티 사이클(duty cycle)을 조절함으로써 달성될 수 있다.
Kress[1]는 광도파로용 인커플러 및 아웃커플러를 개시하고 있으며, 상기 커플러는 투과 기능 및/또는 반사 기능을 위해 구성된 상이한 유형의 격자를 포함한다. 커플러는 광가이드에 샌드위칭/매설될 수 있고 또는 표면 릴리프 솔루션으로 제공될 수 있다.
Moon et al[2]는 LED 장치에서 광 추출을 개선하기 위해 마이크로 구조의 중공(공기)-공동 격자를 사용하는 아웃커플러를 개시한다. 중공 공동은 통상적인 방법으로 반도체 재료에서 제조된다. LED 외에는 아웃커플러 솔루션의 다른 애플리케이션(예: 광가이드)은 제공되지 않는다.
Angulo Barrios와 Canalejas-Tejero[3]는 일체형 금속 회절 격자를 통해 얻을 수 있는 플렉시블 스카치 테이프(Scotch tape) 도파로에서의 광 커플링 솔루션을 개시한다. 인커플링 및 아웃커플링 격자는 스카치 테이프의 2개의 층 내부에 매립되고; 이것에 의해 스카치 테이프에 광도파로 기능이 제공된다. 격자는 금속(Al) 나노홀 어레이(NHA) 격자로 구현된다.
US 2015/192742 A1(Tarsa & Durkee)은 광가이드의 표면에 적층된 광추출 필름을 개시한다. 광 추출 기능은 내부 전반사(TIR)를 기반으로 한다. 추출 필름은, 예를 들면 광가이드에 적층에 의해 고정시 필름과 광가이드 사이에 에어 포켓을 형성한다.
광가이드계 조명 관련 솔루션을 설계하고 최적화하는 것은 광가이드 내부의 불균일한 배광, 불충분한 커플링, 광 트래핑(light trapping) 및/또는 추출 효율과 관련된 다수의 문제에 직면해 있다. 또한, 상기 기재된 솔루션은 평면형 표면 광 인커플링을 갖는 대형 창조명과 같은 다양한 타겟 애플리케이션에 대한 만족스러운 다양성 및 적응성을 가진 통합된 공기-공동 광학계에 기반한 솔루션을 제공할 수 없다는 의미에서 제한된다.
이와 관련하여, 현재 존재하는 솔루션의 제조 및 조립과 관련된 문제를 해결하는 관점에서, 휘도 균일성을 향상시키고, 상기 광가이드의 광 효율을 향상시키는 것을 목표로 하는 비섬유 광가이드용 광학 구조의 분야에서 있어서의 업데이트가 여전히 필요하다.
본 발명의 목적은 관련 기술의 제한 및 결점으로부터 발생하는 각각의 문제를 적어도 완화시키는 것이다. 상기 목적은 독립 청구항인 제 1 항에 정의된 바에 따라, 광 인커플링 소자의 다양한 실시형태에 의해 달성된다.
실시형태에 있어서, 광가이드용 광 인커플링 소자는 기판 및 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면을 포함하는 이산(discrete) 광학 기능성 아이템의 형태로 제공되며, 여기서 상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면은 그에 입사하는 모든 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광 가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면을 통해 투과되는 인커플링된 광의 방향을 조정하도록 구성된다. 소자는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면 상에 광을 수광하도록 구성되며, 그 결과로 본질적으로 이미터 장치에 의해 방출된 모든 광은 광 인커플링 소자로 들어가고, 본질적으로 인커플링 소자에 의해 수광된 모든 광은 광가이드에 인커플링된다. 소자는 광가이드의 적어도 하나의 평면형 표면에 부착 가능하도록 추가로 구성된다.
일 실시형태에 있어서, 광 인커플링 소자는 이미터 장치로부터 방출된 광이 광 인커플링 소자로 들어가고, 광가이드의 에지로는 들어가지 않도록 구성된다. 따라서, 인커플링 소자에 수광된 모든 광은 평면형 표면으로부터 광가이드에 인커플링된다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하기 위해 인커플링된 광이 3차원으로 형성된 광학 표면과 주변 사이의 계면 및/또는 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에서 방향변환되도록 구성되고, 그 결과로 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에서의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 소자 기판에 형성되고 광학 기능성 공동으로서 구성된 다수의 주기성 패턴 피처로 설립된 적어도 하나의 광학 패턴을 포함한다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 소자 기판 내에 완전히 매립되고, 공동을 둘러싸는 기판 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 재료로 충전된 광학 기능성 공동으로 형성된 적어도 하나의 광학 패턴을 포함한다.
실시형태에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 패턴은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록 각각의 상기 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서 인커플링된 광을 방향변환시키도록 구성되고, 그 결과로 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에서의 입사각, 및 선택적으로 각 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같다.
실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면 및 선택적으로 적어도 하나의 공동 패턴은 그에 수광되는 광의 인커플링 및 방향변환의 조정과 관련된 광학 기능을 수행하도록 구성되며, 여기서 광학 기능은 반사 기능, 흡수 기능, 투과 기능, 시준 기능, 굴절 기능, 회절 기능, 편광 기능 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된다.
실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 패턴 내의 각각의 개별 공동은 다수의 광학 기능성 표면을 갖는다. 실시형태에 있어서, 광학 기능성 표면(들)은 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서 형성된 임의의 표면(들)에 의해 설립된다.
실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 3차원으로 형성된 광학 표면 및/또는 공동 패턴에 형성된 광학 기능성 표면(들)은 저굴절률 리플렉터, 편광자, 디퓨저, 흡수체, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나를 포함한다.
실시형태들에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 공동 패턴(들)은 패턴 내의 공동 또는 공동의 군과 관련된 다수의 파라미터를 조정함으로써 적어도 하나의 광학 기능을 수행하도록 구성되며, 여기서 다수의 파라미터는 치수, 형상, 단면 프로파일, 배향, 주기성, 및 필 팩터(fill factor)로 이루어지는 군에서 선택되는 개별 파라미터 또는 파라미터의 임의의 조합을 포함한다.
다른 실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 공동은 실질적으로 가변적인 주기성 패턴을 형성하거나 또한 실질적으로 일정한 주기성 패턴을 형성하도록 공동 패턴 내에 구성 및 배열된다.
실시형태에 있어서, 공동 패턴에 있어서, 공동은 이산적 또는 적어도 부분적으로 연속적인 패턴 피처로 설립된다.
실시형태에 있어서, 공동은 선형, 직사각형, 삼각형, 블레이즈형, 경사형, 사다리꼴, 곡선형, 파형, 및 사인파형 프로파일로 이루어지는 군에서 선택되는 단면 프로파일을 갖는 2차원 또는 3차원 패턴 피처로 설립된다.
실시형태에 있어서, 광 인커플링 소자는 적어도 2개의 기판 구성요소, 선택적으로 층을 포함하고, 여기서 적어도 하나의 공동 패턴은 상기 기판 구성요소 중 어느 하나의 본질적으로 평평한 평면형 표면에 형성되고, 이에 의해 평평한 접합 영역과 교대로 있는 매립 공동을 갖는 적어도 하나의 매립 공동 패턴이 상기 기판 구성요소의 패턴화된 기판 표면과 완전히 평평한 평면형 표면 사이의 계면에 형성되도록, 패턴화된 표면을 갖는 기판 구성요소가 설립되고, 또 다른 기판 구성요소의 완전히 평평한 평면형 표면에 대해 맞닿는다.
상기 인커플링 소자에 있어서, 소자 기판 또는 패턴화된 표면을 갖는 적어도 기판 구성요소는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료로 제조될 수 있다. 상기 인커플링 소자에 있어서, 완전히 평평한 평면형 기판 표면을 갖는 기판 구성요소는 광학적으로 투명한 재료, 착색 재료, 리플렉터 재료 및 이들의 조합 중 어느 하나로 추가로 제조될 수 있다.
실시형태에 있어서, 매립 공동은 공기와 같은 기체상 재료로 충전된다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 스택 구성으로 배열된 다수의 매립 공동 패턴을 포함한다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 광가이드 부착 표면을 포함하고, 여기서 상기 광가이드 부착 표면은 접착제층이다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 본질적으로 광가이드 부착 표면에 반대측에 배치된 외부 표면의 적어도 일부가 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 대해 테이퍼되도록 구성된다.
실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 적어도 하나의 매립 패턴을 선택적으로 포함하는 3차원으로 형성된 광학 표면은 본질적으로 광가이드 부착 표면에 반대측에 배치된 상기 소자의 표면에 의해 정의된 평면 상에 배열된다.
실시형태에 있어서, 상기 인커플링 소자에 있어서, 적어도 하나의 매립 패턴을 선택적으로 포함하는 3차원으로 형성된 광학 표면은 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 대해 본질적으로 수직이고 이미터 장치를 향하여 있는 상기 소자의 표면에 의해 정의된 평면 상에 배열된다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 광가이드 매체로 방향(변환)되도록 인커플링된 광의 방향을 조정하는 것과 관련된 광학 기능을 수행하도록 독립적으로 구성된 적어도 2개의 인접한 기능 구역을 포함한다.
실시형태에 있어서, 상기 적어도 2개의 인접한 기능 구역은 계면층, 선택적으로 접착제에 의해 상호접속된 개별 소자 모듈에 의해 형성된다.
실시형태에 있어서, 인커플링 소자는 가늘고 긴 스트립의 형태로 제공된다.
다른 양태에 있어서, 독립 청구항 29에 정의된 바에 따라 광가이드 상에 배열된 적어도 2개의 인커플링 소자를 포함하는 배열이 제공된다. 상기 배열에 있어서, 각각의 상기 소자는 이전 양태에 따른 광 인커플링 소자이다.
또 다른 양태에 있어서, 독립 청구항 30에 정의된 바에 따라 이산 광학 기능성 아이템의 형태로 광 인커플링 소자를 제조하는 방법이 제공된다.
실시형태에 있어서, 상기 방법은:
- 리소그래피, 3차원 인쇄, 마이크로 머시닝, 레이저 조각, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나에서 선택되는 제작 방법에 의해 패턴을 위한 마스터 도구를 제조하는 단계;
- 미리 결정된 광학 기능을 갖는 광학 표면을 생성하도록 소자 기판 상에 패턴을 전사하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 패턴은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록, 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면을 통해 투과된 인커플링된 광의 방향을 조정하도록 구성되고, 또한 상기 소자는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 상기 적어도 하나의 패턴 상에서 광을 수광하도록 구성된다.
실시형태에 있어서, 상기 방법은 매립 공동 패턴(들)을 생성하도록, 롤-투-롤(roll-to-roll) 적층, 롤-투-시트(roll-to-sheet) 적층 또는 시트-투-시트(sheet-to-sheet) 적층 중 어느 하나에서 선택되는 적층 방법에 의해 패턴화된 소자 표면 상에 추가 기판층을 적용하는 단계를 포함한다.
실시형태에 있어서, 상기 방법은 제작된 패턴을 복제하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 패턴 복제 방법은 임프린팅, 압출 복제 또는 3차원 인쇄 중 어느 하나에서 선택된다.
또 다른 양태에 있어서, 독립 청구항 33에 정의된 바에 따라, 광가이드가 제공된다. 상기 광가이드는 광가이드 매체를 통한 광 전파를 위한 경로를 설립하도록 구성되는 광학적으로 투명한 매체, 및 일부 다른 이전 양태에 따른 배열의 일부로서 선택적으로 제공된, 일부 다른 이전 양태에 따른 적어도 하나의 광 인커플링 소자를 포함하고, 상기 소자(들)는 상기 광가이드의 적어도 하나의 평면형 표면 상에 부착 가능하다.
실시형태에 있어서, 광가이드는 접착에 의해 광가이드 표면에 부착된 광 인커플링 소자(들)를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 독립 청구항 35에 정의된 바에 따라, 일부 이전 양태에 따른 광가이드의 용도가 조명 및/또는 표시에 제공된다.
또 다른 양태에 있어서, 독립 청구항 36에 정의된 바에 따라, 광학 유닛이 제공된다. 상기 광학 유닛은 광가이드 부착을 위한 접착제층을 갖는, 일부 이전 양태에 따른 광 인커플링 소자, 및 적어도 하나의 이미터 장치를 포함한다.
실시형태에 있어서, 광학 유닛은 광 인커플링 소자를 형성하는 기판 재료 내부에 적어도 부분적으로 통합된다.
실시형태에 있어서, 적어도 하나의 이미터 장치는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 레이저 다이오드, LED 바, OLED 스트립, 마이크로칩 LED 스트립, 및 냉음극관으로 이루어지는 군에서 선택된다.
실시형태에 있어서, 광학 유닛은 단색 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광 이미터 장치, 및 파장 변환층을 포함하는 광 인커플링 소자를 포함한다.
본 발명의 유용성은 각각의 특정 실시형태에 따라 다양한 이유에서 발생한다. 우선, 본 발명은 적어도 하나의 광원에 의해 방출된 광방사(광)의 광자를 인커플링하고, 또한 광가이드 매체를 통한 광 전파를 매개하기 위해 인커플링된 광선의 방향을 조정하도록 구성된 새로운 광 인커플링 구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인커플링 소자는 유리하게는 평면형의 비섬유 광가이드용으로 설계된다.
본 발명에 따른 광 인커플링 소자에 의해 제공되는 주요 이점 중 하나는 평면형 광가이드 표면(들)에 광을 인커플링하는 것이다. 따라서, 소자는 임의의 방향으로부터 평면형 광가이드 표면에 도달하는 광선의 인커플링, 및 상기 평면형 광가이드 내부로의 광선의 효율적인 캡처를 가능하게 한다. 동시에, 인커플링 소자는 광선이 광가이드 내부에 머물도록 인커플링된 광의 방향을 조정한다(광누출이 방지됨). 특히, 본원에 개시된 소자는 대형(평면형) 창유리에의 광의 인커플링을 가능하게 하고; 후자는 현재 알려진 창의 에지로부터의 인커플링에 기반하는 솔루션으로는 불가능하다.
알려진 인커플링 솔루션은 통상적으로, 예를 들면 상기 언급한 이유로 미리 설치된 창 표면에서 효율적으로 사용되는 것을 방해하는 광가이드 내부에 제공된 고정된 고형 구조이다. 제조의 관점에서, 이러한 고정된 인커플링 구조는, 예를 들면 건물에 설치된 창 유리의 에칭에 의한 것과 같은 대량 생산에는 적합하지 않다. 부가적으로, 언급된 고정 솔루션은 동일한 인커플링 구조에서 상이한 광학 기능이 결합하는 것을 허용하지 않는다.
본원에 제시된 인커플링 소자는 광원의 위치 지정과 관련하여 추가적인 유연성을 제공한다. 광 이미터는 소자 내부에 통합되거나 또는 소자에 인접하여 또는 그 위에 설치될 수 있다. 대안적으로, 이미터는 소자와 광가이드에 열 에너지(예: 레이저 광원의 경우)가 가해지는 것을 회피하기 위해 소자에서 멀리 떨어져 배치될 수 있다.
인커플링 소자는, 예를 들면 밀봉된 광학 접촉점을 형성하도록, 광학적으로 투명한 접착제에 의해 평면형 광가이드의 상부 및/또는 하부 표면에 조립될 수 있다. 인커플링 소자는 방출된 광의 인커플링 및 광학 매체(즉, 광가이드 매체) 내부의 추가 전파를 제어한다. 소자 패턴(들)에 인커플링된 입사광은 인커플링 소자 내부에 매립된 (공기)-공동 광학계에 의해 본래의 전파 경로에서 소정 각도만큼 벗어나게 된다. 완전히 통합 매립 공동 광학계는 프로파일 구성에 의해 소망하는 광 관리를 달성하기 위해, 단일 프로파일 또는 다중 프로파일을 포함할 수 있는 2차원 또는 3차원 패턴 매트릭스를 기반으로 한다.
본 발명에 따른 인커플링 소자의 주요 광학 기능 중 하나는 내부 전반사 임계각보다 크거나 같은 입사각으로 광학 패턴에 입사하는 광을 인커플링하고 방향을 조정하는 것이다. 이 특징은 반사 기능, 굴절 기능, 편향 기능, 회절 기능, 확산 기능 및 이들의 임의의 조합과 같은 미리 결정된 광학 기능(들)을 수행하도록 설계된 다양한 매립 피처를 가진 인커플링 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다. 광 투과, 흡수, 편광 등과 같은 이들 및 기타 광학 기능은 소자 기판 구성요소 및/또는 층에 대한 재료, 패턴 프로파일 및 충전 재료, 필링 팩터, 표면 코팅, 접착 재료 등을 신중하게 선택함으로써 달성된다.
인커플링 소자의 주요 특징 중 하나는 인커플링 소자의 조립 및 활용을 보다 간단하고 신뢰할 수 있는 방식으로 가능하게 하는, 소위 "올인원(all-in-one)" 솔루션, 즉 예를 들면 평면형 광가이드 표면에 접착에 의해 직접 본딩의 옵션을 가진 원파트 소자(one-part element)의 제공을 의미하는 광원 일체화이다.
인커플링 소자는 다양한 구성을 채택할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 인커플링 소자는 평면형 도파로 표면에 부착할 수 있는 미리 결정된 형상의 이산 3차원 광학 부품으로 형성된다. 소자는 가늘고 긴 밴드 또는 스트립, 또는 본질적으로 원형의 도트형 구성요소로 제공될 수 있다. 더욱이, 인커플링 소자는 단일 또는 이중 방향 또는 복수의 방향(360° 발광 및 광 전파)으로 발광하는 광원을 이용할 수 있다.
인커플링 소자는 설치가 매우 용이하고, 또한 제거, 변경 및 소망하는 개소에 다시 설치하기 위한 유연성을 제공한다. 소자에 있어서의 광학 구조는 외부 조건으로부터 보호되므로 신뢰할 수 있다. 또한, 향상된 인커플링 효율과 증대된 배광 제어도 아웃커플링된 광의 특징을 개선시킨다.
본 발명에 따른 광 인커플링 소자는 내적 특성으로 인해 조립, 클리닝 등의 보통의 취급 절차에 의해 파괴되거나 결함이 발생될 수 없는 매립 공동 광학계이기 때문에 사용이 용이하고 신뢰할 수 있다. 즉시 사용 가능한(ready-to-use) 상태의 소자는 그 표면에 형성된 어떤 표면 릴리프 패턴도 갖지 않는다. 소정 구성에 있어서, 소자는 상기 소자를 이루는 기판 재료의 내부에 완전히 통합된 광원을 포함한다. 이것은 인커플링 소자를 매우 내구성 있고 안정적으로 만들고, 또한 설치를 용이하게 한다. 부가적으로, 선택적으로 광원과 통합된 소자는 보호 하우징 내부에 패킹될 수 있다.
추가 조명 기능이, 예를 들면 단색 또는 다색 조명과 관련된 것과 같은 통합된 광원 특성에 따라 채택될 수 있다. 더욱이, IR 및/또는 UV 방사와 같은 특수한 광방사 범위는 추가 목적을 위해 활용될 수 있다(예를 들면 멸균 및 소독 방법을 위한 UV-C 방사).
본 발명에 따른 광 인커플링 소자의 주된 목적 중 하나는 광가이드의 광학 성능 및 효율을 향상시키고, 또한 이를 통한 배광을 향상시키는 것이다. 인커플링 소자를 사용하면, 광가이드 매체에서 수평축 및 수직축을 따라 광 전파의 분포에 대한 통합된 제어가 가능하다. 인커플링 소자는 단독으로 또는 광학 하모나이저 테이프와 조합하여 사용될 수 있다. 인커플링 테이프 및 광 편향 테이프를 동일한 광가이드 소자에 제공하는 것은 광학 성능을 최적화하는 데 유익할 수 있다.
광가이드의 광학 성능 향상과 함께, 인커플링 소자는 현저한 기계적 신뢰성 및 우수한 환경 내구성을 제공한다.
"광방사(optical radiation)" 및 "광(light)"이라는 용어는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 주로 동의어로 사용되며, 자외선(UV) 방사, 가시광, 및 적외선 방사를 커버하는 전자기 스펙트럼의 소정 부분 내의 전자 방사를 지칭한다. 일부 경우에 있어서, 가시광선이 바람직하다.
가장 넓은 의미에서, "광가이드(lightguide)", "도파로(waveguide)" 또는 "광도파로(optical waveguide)"라는 용어는 본 개시에서 이를 따라 광을 투과하도록(예를 들면, 광원으로부터 광추출 표면으로) 구성된 장치 또는 구조를 지칭한다. 정의는 광파이프 유형 구성요소, 광가이드 플레이트, 광가이드 패널 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 모든 유형의 광가이드를 포함한다.
"다수의"라는 표현은 본원에서 일(1)부터 시작하는 임의의 정수, 예를 들면 1, 2 또는 3을 지칭하고; 반면에 "복수의"라는 표현은 본원에서 이(2)부터 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들면 2, 3 또는 4를 지칭한다.
"제 1" 및 "제 2"라는 용어는 임의의 순서, 양 또는 중요성을 나타내기 위한 것이 아니라, 단순히 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다.
본 발명의 상이한 실시형태는 상세한 설명 및 첨부된 도면을 고려함으로써 명백해질 것이고, 여기서:
도 1a-1i는 광가이드에 부착된, 다양한 실시형태에 따른 광 인커플링 소자(100) 및 관련 장치(유닛)(250)를 갖는 광가이드의 단면도이다.
도 2a는 실시형태에 따른 다상 인커플링 소자(100)의 단면도이다.
도 2b는 2개의 인커플링 소자(100)를 포함하는 배열의 단면도이다.
도 3은 광가이드 상의 인커플링 소자(100)의 활용을 위한 다양한 구성을 도시한다(단면도).
도 4 및 도 5는 실시형태에 따른 시준을 위해 적합화된 통합 공동 광학계를 갖는 인커플링 소자(100)를 도시한다.
도 6은 인커플링 소자(100) 및 광학 테이프(10)를 포함하는 광 인커플링 솔루션을 도시한다.
도 7은 광가이드의 평면형 표면에 광학적으로 연결된 인커플링 소자(100)에 의한 광 인커플링을 위한 광선 추적 모델을 나타낸다.
도 8a는 인커플링 소자(100)와 광학 테이프(10)가 제공된 광가이드에 대한 다양한 구성을 나타낸다.
도 8b 및 도 8c는 인커플링 소자만 제공된(도 8b) 평면형 광가이드와 광학 테이프(10)와 함께 인커플링 소자를 제공된(도 8c) 평면형 광가이드에서의 인커플링된 광의 분광을 예시하는 비교 그래프이다.
도 9는 실시형태에 따른 인커플링 소자가 제공된 평면형 광가이드에서 인커플링된 광의 수직(A) 및 수평(B) 배광을 예시하는 비교 그래프를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 광학 테이프(10)와 조합하여 시준 광학계 없이 테이퍼형 소자로서 구성된 인커플링 소자가 제공된(도 10a), 및 광학 테이프(10)와 조합하여 시준 광학계를 갖는 테이퍼형 소자로서 구성된 인커플링 소자가 제공된(도 10b) 평면형 광가이드에서 인커플링된 광의 배광을 예시하는 비교 그래프이다.
도 11은 광가이드 표면 상에 조립된 광 인커플링 소자(100) 또는 광 인커플링 유닛(250)을 갖는 상이한 광가이드 구성(평면도)을 예시한다.
도 1a-1i는 광가이드에 부착된, 다양한 실시형태에 따른 광 인커플링 소자(100) 및 관련 장치(유닛)(250)를 갖는 광가이드의 단면도이다.
도 2a는 실시형태에 따른 다상 인커플링 소자(100)의 단면도이다.
도 2b는 2개의 인커플링 소자(100)를 포함하는 배열의 단면도이다.
도 3은 광가이드 상의 인커플링 소자(100)의 활용을 위한 다양한 구성을 도시한다(단면도).
도 4 및 도 5는 실시형태에 따른 시준을 위해 적합화된 통합 공동 광학계를 갖는 인커플링 소자(100)를 도시한다.
도 6은 인커플링 소자(100) 및 광학 테이프(10)를 포함하는 광 인커플링 솔루션을 도시한다.
도 7은 광가이드의 평면형 표면에 광학적으로 연결된 인커플링 소자(100)에 의한 광 인커플링을 위한 광선 추적 모델을 나타낸다.
도 8a는 인커플링 소자(100)와 광학 테이프(10)가 제공된 광가이드에 대한 다양한 구성을 나타낸다.
도 8b 및 도 8c는 인커플링 소자만 제공된(도 8b) 평면형 광가이드와 광학 테이프(10)와 함께 인커플링 소자를 제공된(도 8c) 평면형 광가이드에서의 인커플링된 광의 분광을 예시하는 비교 그래프이다.
도 9는 실시형태에 따른 인커플링 소자가 제공된 평면형 광가이드에서 인커플링된 광의 수직(A) 및 수평(B) 배광을 예시하는 비교 그래프를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 광학 테이프(10)와 조합하여 시준 광학계 없이 테이퍼형 소자로서 구성된 인커플링 소자가 제공된(도 10a), 및 광학 테이프(10)와 조합하여 시준 광학계를 갖는 테이퍼형 소자로서 구성된 인커플링 소자가 제공된(도 10b) 평면형 광가이드에서 인커플링된 광의 배광을 예시하는 비교 그래프이다.
도 11은 광가이드 표면 상에 조립된 광 인커플링 소자(100) 또는 광 인커플링 유닛(250)을 갖는 상이한 광가이드 구성(평면도)을 예시한다.
본 발명의 상세한 실시형태가 첨부된 도면을 참조하여 본원에 개시된다. 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용된다. 부재에 대해 다음과 같은 인용이 사용된다:
100, 100-1, 100-2 - 광 인커플링 소자;
100A - 소자 기판;
100P1, 100P2 - 소자 모듈, 다상 광 인커플링 소자의 일부;
101 - 광학 패턴;
102 - 광학 기능성 표면(1021, 1022, 1023)을 갖는 광학(패턴) 피처/공동;
103 - 소자 내의 접촉 영역;
104, 105 - 3차원으로 형성된 광학 표면, 여기서 104는 선택적으로 형상화된 영역을 갖는 인커플링 소자의 최상부 표면이고; 또한 105 - 이미터 장치를 향하는 인커플링 소자의 측단부 표면;
106 - 추가의 형상화된(웨지) 프로파일;
107 - 소자와 광가이드 사이의 접촉 표면;
소자(100)에 있어서:
1011 - 광학 기능성 소자 구조;
따라서 1011A, 1011B - 패턴화된 표면을 갖는 기판 구성요소 및 추가 기판 구성요소(층);
1012 - 추가 기능성 층(접착제);
1013 - 추가 기능성 층(외부 코팅);
1015 - 내부 기능성 구성요소(층);
10 - 광학 테이프(광가이드를 통한 광 전파 분포에 대한 제어);
테이프(10)에 있어서:
11 - 패턴;
12 - 광학 기능성 표면(121, 122)을 갖는 광학적(패턴) 피처/공동;
13 - 접촉 영역;
111 - 광학 기능성 층;
따라서, 111A, 111B - 패턴 기판층 및 추가 기판층;
112, 113 - 테이프(10)의 추가 기능성 층;
20 - 광도파로(중간);
21 - 아웃커플링 패턴;
30 - 이미터 장치(광원);
31 - 방출된 광방사선;
32 - 인커플링된 및/또는 방향변환된 광방사선;
33 - 추출된 전자기 광학선;
250 - 광학 장치(유닛).
도 1a-1i는 광도파로용 광 인커플링 소자의 다양한 실시형태를 100으로 도시한다. 일부 기본 구성은 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b는 상기 도파로의 적어도 하나의 표면 상에 부착된 광 인커플링 소자(100)(이하, "인커플링 소자")를 갖는 광도파로 구조(20)의 단면도이다. 광가이드라고도 칭해지는 광도파로는 조명이 필요한 특정 영역을 향해 적어도 하나의 적절한 이미터 장치(30)에 의해 방출되는 광방사(광)를 전달하도록 구성된 구조이다. 광가이드는 본질적으로 평면형 표면(들)을 갖는 평면형(비섬유) 광가이드이다. 기본 광가이드 레이아웃(예를 들면, 도 1a 및 도 1b 중 어느 하나에 도시됨)에 있어서, 상부 표면, 하부 표면 및 2개 이상의 측방향(측면) 표면을 구별할 수 있다. 상부 표면 및 하부 표면은 광가이드의 수평면을 형성하는 반면, 에지는 2차원 형상으로 봤을 때 상기 광학 소자를 둘러싸는 경로를 따라(즉 둘레를 따라) 상기 상부 표면과 하부 표면 사이에서, 본질적으로 수직으로, 선택적으로 미리 결정된 각도로 경사지게 연장된다. 상기 평면형 광가이드의 길이방향 평면은 그 수평면(들)을 따라 배치된다.
광가이드는 광학 폴리머 또는 유리로 형성된 광투과성 캐리어 매체를 포함한다. 예시적인 실시형태에 있어서, 광가이드(캐리어) 매체는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)이다. 명료성을 위해, 도면부호 20은 개체로서의 광가이드와 상기 광가이드를 이루는 캐리어 매체 둘 다를 나타내는 데 사용된다.
일부 실시형태에 있어서, 인커플링 소자(100)는 미리 결정된 형상을 갖는 이산(discrete) 3차원 물체로서 제공되며, 여기서 "3차원"이라는 표현은 3개의 상이한 치수(길이, 폭 및 높이/두께)로 측정될 수 있는 바와 같이, 소자(100)가 평평하기보다는 오히려 입체임을 나타내기 위해 사용된다.
소자(100)는 평면형 광가이드의 한 면 또는 양면(상부, 하부)에 설치될 수 있다. 예를 들면, 광 아웃커플링층/추출층과 같은 다른 광학 구조를 지지하는 광가이드의 동일한 측 상에 소자(100)를 설치하는 것이 합리적이다. 특히 창 조명에서는 환경적 요인으로 인해 건물의 내부를 향하는 창면 또는 다층 창 사이의 공간에 모든 광학 구조를 조립하는 것이 유익하다.
광가이드에 인커플링 소자를 설치할 때, 광가이드 매체(20)와 소자 매체(기판)(100A) 사이의 계면에서 광학 접촉이 설립된다. 광학 접촉은, 예를 들면 광학적으로 투명한 접착제에 의한 기계적 연결 또는 본딩을 통해 설립될 수 있다. 광학 접촉을 형성하는 소자(100)의 표면은 도면 번호 107로 도 1a에 표시되어 있다.
소자(100)는 서로 반대측에 있는 상부 및 하부 표면을 포함한다. 일부 구성에 있어서, 상부 및 하부 표면은 서로 평행하고, 평면형 광가이드의 길이방향 표면(수평면)에 평행하다(도 1c, 도 1d 참조). 일부 구성에 있어서, 인커플링 소자는 형상화된 영역을 형성하는 적어도 하나의 표면 또는 상기 적어도 하나의 표면의 적어도 일부를 포함할 수 있다.
일부 구성에 있어서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은, 형상화된 영역은 소자(100)의 최상부 표면(104)으로 형성된다. 따라서, 형상화된 영역은 본질적으로 광가이드 부착 표면의 반대측에 배치된 인커플링 소자의 최상부 표면(104)의 적어도 일부로 정의된다. 그 형상화된 영역(예를 들면, 표면(104))에 의해, 소자는 테이퍼형일 수 있다. 테이퍼형 형상이란 소자의 한 단부를 향해 크기/두께가 점진적으로 증가 또는 감소하는 것을 지칭한다. 실제로, 테이퍼는 일반적으로 이미터 장치를 향하는 측단부(105)(도 1b)에 대해 반대측에 배치된 소자(100)의 단부를 향해 감소하는 소자 두께로 구성된다.
따라서, 테이퍼형 인커플링 소자(100)는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 대해 경사진(곡선 없이 경사진) 또는 만곡된(예를 들면, 볼록하거나 오목한) 적어도 하나의 표면 또는 상기 적어도 하나의 표면의 일부를 가질 수 있다.
최상부 표면(104)과 같은 3차원으로 형성된 광학 표면은 광학 웨지라고 칭해질 수 있다. 이러한 광학 웨지(104)를 갖는 소자(100)는, 예를 들면 하이브리드 커플링을 위해 구성될 수 있다.
이미터 장치(들)(30)는 인커플링 소자(100)의 측면 중 하나에 대해 본질적으로 측방에 배열된다. 이미터(30)는 광가이드 표면 상에 장착되거나 지지부(미도시) 상에 제공될 수 있다. 이미터는 인커플링 소자(100)에 대해 미리 결정된 거리에 위치될 수 있거나 또는 상기 소자와 접촉하게 될 수 있고, 선택적으로 부착될 수 있다. 일부 구성에 있어서, 이미터(30)에는 시준 렌즈와 같은 시준 장치가 제공된다. 한편, 인커플링 소자(100)의 소정 실시형태는 소자에 통합된 시준 광학계의 제공을 시사한다(도 4, 도 5 참조).
인커플링 소자(100)는 이미터(들)(30)로부터 방출된 광방사선(31)(광)을 수광하고 인커플링하도록 구성된다. 소자(100)는 인커플링된 광의 방향을 조정하고, 또한 광 아웃커플링 영역(들)을 향해 광가이드 매체를 통한 광전파(광선(32))를 매개하도록 추가로 구성된다.
일부 구성에 있어서, 광학 소자(100)는 광학 어레이(광학 패턴)를 포함한다. 패턴은 소자 기판(100A)에 형성되고 광학 기능성 공동으로서 구성된 다수의 피처로 설립될 수 있다.
도 1c는 일부 실시형태에 따른 광 인커플링 소자(100)의 단면도이다. 인커플링 소자(100)는 기판(100A) 및 기판 내에 매립된 다수의 패턴 피처(102)로 형성된 적어도 하나의 패턴(101)을 포함한다. 기판에서의 패턴 피처(102)의 배열은 바람직하게는 주기적이지만; 패턴(101)을 비주기성 구조로 제공하는 것을 배제하지 않는다. 피처(102)는 광학 기능성 공동(즉, 내부, 매립 또는 통합 공동 광학계)로 구성된다. 후자는 "공동" 또는 "공동 프로파일"이라고도 추가로 칭해진다. 매립 패턴(들)(101)/매립 공동(102)을 갖는 기판(100A)은 선택적으로 층으로서 구성된 광학 기능성 소자 구조(1011)를 형성한다.
내부 공동(102)은 공동을 둘러싸는 기판 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 충전 재료로 충전된다.
일부 구성에 있어서, 공동(102)은 저굴절률 재료로 충전된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 공동에는 저굴절률 코팅이 제공될 수 있다. 일부 구성에 있어서, 공동(102)은 매립 공기-공동 광학계(embeded air-cavity optics) 솔루션을 설립하기 위해 공기로 충전된다. 전반적으로, 상기 공동을 위한 충전 재료는 공기 또는 다른 기체를 포함한 기체상 매체, 유체, 액체, 겔 및 고체 중 어느 하나로 설립될 수 있다.
저굴절률 재료는 일반적으로 1.10-1.41 범위 내의 굴절률을 갖는 재료이다. 낮은 Ri 재료의 굴절률은 통상적으로 1.5 미만이고; 바람직하게는 1.4 미만이다. 공동(102)이, 예를 들면 낮은 Ri 매체로 충전되거나 또는 낮은 Ri 코팅을 포함하는 경우에, 매립 패턴에는 그 위에 입사하는 전자 방사의 편광 상태 또는 스펙트럼 강도 분포를 변경하는 능력으로 정의되는 광학 필터 기능이 부여될 수 있다. 필터는 투과, 반사, 흡수, 굴절, 간섭, 회절, 산란, 빔 스플리팅(beam splitting), 및 편광과 같은 다양한 광학 기능을 수행하는 데 관여할 수 있다.
매립 패턴(101)을 갖는 광학 기능성 구조(1011)는 적어도 2개의 기판 구성요소(1011A, 1011B)로 형성된다. 도 1c에 도시된 구성에 있어서, 이들 구성요소는 적어도 2개의 (서브)층으로서 제공된다. 제 1 기판 구성요소(1011A)는 적어도 하나의 공동 패턴이 형성된 본질적으로 평평한 평면형 표면을 포함한다. 도 1c의 구성에 있어서, 제 1 기판 구성요소(1011A)는 적어도 하나의 공동 패턴이 형성된 균일한 두께를 갖는 평평한 평면형 기판 재료의 층으로서 제공된다. 내부 공동을 설립하고 매립 광학 패턴을 형성하기 위해, 패턴화된 표면을 갖는 제 1 기판 구성요소는 평평한 접합 영역(103)과 교대로 있는 매립 공동(102)을 갖는 적어도 하나의 매립 공동 패턴(101)이 제 1 구성요소(1011A)의 패턴화된 기판 표면과 제 2 기판 구성요소(1011B)의 완전히 평평한 평면형 표면 사이에 계면에 형성되도록, 제 2 기판 구성요소(1011B)의 완전히 평평한 평면형 표면에 대해 맞닿는다.
기판 구성요소 또는 층(1011A, 1011B) 사이의 경계는 매립 공동(102)을 갖는 광학 기능성 소자 구조(1011)의 본질적인 "원피스" 성질을 강조하기 위해 표시되지 않는다.
일부 구성에 있어서, 제 2 기판 구성요소(1011B)는 균일한 두께를 갖는 완전히 평평한 평면형의 기판 재료의 층으로서 제공된다.
일부 구성에 있어서, 패턴화된 표면을 갖는 적어도 제 1 기판 구성요소(1011A)는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료(예를 들면, 100A)로 형성된다. 제 2 구성요소(1011B)는 광학적으로 투명한 재료 및/또는 착색 재료로 형성될 수 있다. 기판 구성요소(1011A, 1011B)는 동일한 기판 재료 및/또는 본질적으로 동일한 굴절률을 갖는 기판 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 기판 구성요소는 상이한 재료로 제조될 수 있고, 그 차이는 적어도 굴절률, 투명도, 색상 및 관련 광학 특성(투과율, 반사율 등)의 관점에서 설립된다. 예를 들면, 전체 광학 기능성 소자 구조(1011)(1011A, 1011B 둘 다를 포함함)는 투명 폴리머 또는 엘라스토머, UV 수지 등과 같은 실질적으로 광학적으로 투명한 기판 재료로 제조될 수 있다. 따라서 대안적으로, 구성요소(1011A, 1011B)는 상이한 굴절률을 갖는 상이한 재료로 제조될 수 있다.
광학 패턴(101)에 있어서, 공동(102)과 교대로 있는 기판 재료의 영역은 구조 구성요소(1011A, 1011B) 사이, 및 선택적으로 광학 기능성 소자 구조(1011)와 다수의 추가층(1012, 1013, 도 5 참조) 사이에 접촉 영역 또는 접촉점을 형성한다. 소정 조건에 있어서, 영역(103)은 광이 소자(100) 내에서 내부적으로 투과되는 소위 광 통로를 형성한다. 기판 재료(100A)가 본질적으로 광 투과성 캐리어 매체인 경우에 광 통로가 형성된다. 따라서, 패턴(101)은 그 사이에 접촉점을 갖는 다수의 매립 공동(102)/광 통로(103)를 포함한다.
일부 실시형태에 있어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 인커플링 소자(100)는 광학 기능성 구조(1011)만으로 형성된다. 이러한 인커플링 소자는 패턴(들)(101)/기판 재료 내부에 완전히 매립된 (공기)-공동 프로파일(102)(외부 표면 상에 설립된 현저한 패턴 피처가 없음)을 갖는 층으로서 선택적으로 구성된 구조(1011)로 이루어진다.
도 1d는 인커플링 소자(100)가 스택 구성으로 배열된 다수의 매립 패턴(101)(101-1, 101-2)으로 구현되는 구성을 예시한다. 구성은 단일 소자에 다층 솔루션을 형성하도록 2개 이상의 광학 기능성 소자 구조/층(1011)(1011-1, 1011-2)을 함께 접합하는 것을 포함한다. 이러한 구성에 있어서, 패턴화된 층(1011A)은 평평한 기판층(1011B)과 교대로 있을 수 있다.
일부 경우에 있어서, 소자(100)는 서로의 상부에 위치된 2개 이상의 패턴화된 층(1011A로 표시됨)을 포함하는 스택으로 형성될 수 있다. 따라서, 층들 사이의 평평한 평면형 계면은 상기 패턴화된 층(1011A) 단독으로 설립될 수 있다(층은 그 표면 중 하나에 설립된 패턴을 갖고, 다른 표면은 완전히 평평하게 유지되는 것이 필요함). 최상부의 패턴화된 층에는 다층 구조를 완성하고 패턴(들)의 완전한 캡슐화를 가능하게 하기 위해 완전히 평평한 기판층(1011B로 참조됨)이 추가로 제공될 수 있다.
따라서, 스택은 선택적으로 완전히 평평한 기판층(1011B)과 교대로 있는 패턴화된 층(들)(1011A); 및 광학 기능성 층(1011) 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 스택에서 상이한 레벨에 위치된 패턴은 그에 수광된 광의 인커플링 및 방향 조정에 관련된 상이한 광학 기능과 동일한 것을 수행하도록 구성될 수 있고, 여기서 상기 광학 기능은 인커플링 기능, 반사 기능, 방향변환 기능, 편향 기능, 흡수 기능, 투과 기능, 시준 기능, 굴절 기능, 회절 기능, 확산 기능, 편광 기능 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된다.
도 1e는 미리 결정된 각도로 경사진 최상부 표면을 갖는 소자(100)의 예시적인 실시형태를 예시한다. 따라서, 소자는 패턴화된 구성요소(1011A) 및 완전히 평평한 평면형 구성요소(1011B)에 의해 형성된 매립 공동 패턴(101)을 포함한다. 패턴화된 구성요소(1011A)에는 미리 결정된 형상(예를 들면, 단면에서 삼각형을 형성하함)을 부여하고, 또한 코팅 또는 필름과 같은 균일한 두께의 평평한 평면형 층 구성요소로서 제공되는 구성요소(1011B)는 패턴화된 구성요소의 상부에 적층되고, 이에 의해 매립 공동(102)이 형성된다.
본 구성에 있어서, 패턴화된 구성요소(1011A)는 실질적으로 광학적으로 투명한 기판 재료(100A)로 제조된다. 최상부의 평평한 구성요소(1011B)는, 예를 들면 낮은 굴절률(낮은 Ri) 재료와 같은 상이한 재료로 형성된다. 낮은 Ri 재료로 제조된 층을 패턴화된 구성요소에 접합함으로써, 입사광의 임계각에 대한 내부 전반사(TIR) 효율이 향상될 수 있다.
도 1f는 기판(100A) 및 기판에 부착된 광학 테이프(10)를 포함하는 소자(100)를 도시한다. 테이프(10)는 소자(100)에 의해 수행되는 광학 기능과 유사한 광 인커플링 기능 및 방향변환 기능이 주로 부여된 소위 하모나이저 테이프이다. 광학 (공기)-공동 패턴(들)은 테이프(10) 내부에 통합된다. 구성은 선택적으로 도 1e와 관련하여 기재된 방식으로 기판(100A)에 광학 패턴(들)(101)을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
도 1g는 기판(100A) 및 소자 하부에(소자(100)와 광가이드(20) 사이에) 위치된 광학 테이프(10)를 포함하는 소자(100)를 도시한다. 도 1g는 인커플링 소자(100)와 광가이드 매체(20) 사이의 광학 접촉을 가능하게 하기 위한 광 인커플링 및 방향변환 테이프(10)의 활용의 예를 보여준다.
또한, 전반적으로 인커플링 테이프(10)의 제공을 포함하는 도 1f 및 도 1g에 도시된 구성은 광가이드에 광을 인커플링하고, 바람직한 각도 분포로 인커플링된 광을 방향변환하는 것, 예를 들면 광을 시준하는 것과 같은 이중 상 기능을 수행한다. 테이프(10)는 시준, 선형 확산, 편광 등과 같은 다수의 광학 기능을 위해 구성될 수 있다. 테이프는 조립 및 활용이 간단하다.
도 1h는 통합 이미터 장치(30)(광원)를 포함하는 광 인커플링 소자(100)를 예시한다. 이미터 장치는 인커플링 소자(100)를 형성하는 기판 재료(100A) 내부에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 이미터(30)는 광 인커플링 효율을 최대화하기 위해 직접 캐스팅 또는 후설치에 의해 광 인커플링 소자 내부에 매립될 수 있다. 통합 매립 이미터 장치(30)를 갖는 인커플링 소자(100)는 광학 장치/유닛(250)으로서 추가로 기재될 수 있다. 임의의 다른 형상의 소자(100)에는 통합 이미터 장치가 제공될 수 있다.
도 1i는 종래의 방식으로 이미터 장치(30)와 결합된 인커플링 소자(100)를 예시한다. 따라서, 인커플링 소자(100)와 광원(30)을 포함하는 광학 유닛(250)이 설립된다. 유닛(250)은 소자(100) 및 이미터(30) 주위에 배열된 하우징을 추가로 포함할 수 있다. 유닛(250)에 통합된 소자(100) 및 이미터(30)는 선택적으로 하우징 내에 캡슐화된다. 하우징은 광가이드 표면(즉, 광학 접촉 표면(107)) 상의 소자의 배치 측에서 선택적으로 개방된다. 유닛(250)은 약 0.5-10mm의 높이(h)를 가지며, 임의의 적절한 길이/폭의 소자(100)를 포함할 수 있다. 설립된 유닛은 쉽고 빠른 설치 및 활용을 위해 강력하고 신뢰할 수 있는 인커플링 솔루션을 제공한다. 유닛(250)은 하우징 없이 제공될 수 있다.
따라서, 광학 유닛(250)은 적어도 하나의 인커플링 소자(100) 및 상기 소자의 광학 패턴(들)(101)에 입사하는 광방사를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 이미터 장치(30)를 포함한다. 따라서, 유닛(250)은 광원(들)이 (인커플링) 광학계와 통합되는 콤팩트한 솔루션을 제공한다.
복수의 광원이 동일한 유닛 내에 통합될 수 있다. 상기 광원은 개별적으로 및/또는 조합하여 제어될 수 있다. 적어도 2개의 광원을 포함하는 배열은, 예를 들면 단색 또는 다색 조명과 관련된 추가적인 조명 특성의 적합화를 가능하게 한다. 또한, IR 및/또는 UV 방사는 추가적인 목적을 위해 활용될 수 있다(예를 들면 멸균 및 소독 방법을 위한 UV-C 방사). 유닛(250)은 임의의 다른 형상의 소자를 포함할 수 있다.
따라서, 도 1h 및 도 1i는 내부 및 외부 광원을 갖는 광학 유닛(250)의 형성을 예시한다.
모든 구성(도 1a-도 1i)에 있어서, 소자(100) 및/또는 유닛(250)은 접착제층과 같은 광가이드 부착을 위한 수단을 포함할 수 있다.
크기 관련 파라미터(길이, 폭, 높이/두께, 경사, 곡선)의 관점에서, 소자(100) 및/또는 유닛(250)은 최적의 성능 효율을 달성하도록 구성될 수 있다.
인커플링 소자(100)는 임의의 표면 릴리프 패턴 또는 그 위에 형성된 관련 구조 없이 균일한 외부 표면을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 현 기술은 릴리프 패턴(개방 공동 패턴)을 제조하는 것을 배제하지 않는다. 임의의 돌출부 또는 릴리프 부분의 결여에 의해, 광가이드에 부착시, 인커플링 소자 또는 그 외부 표면이 광학 소자 광학계 및 광원에 손상을 초래하지 않고 취급될 수 있다.
소자(100)는 그것의 형상, 광학 접촉 표면(들)(107)의 제공, 및 선택적으로 광학 하모나이저 테이프(10)의 제공에 의해 미리 결정된 광학 기능이 제공된 이산 3차원 아이템으로서 구성될 수 있다(예를 들면, 도 1a, 1b, 1f, 1g, 1h, 1i). 일부 경우에 있어서, 소자(100)는 매립 광학 패턴(들)과 같은 광학 패턴(들)을 포함할 수 있다(예를 들면, 도 1c-도 1e). 그럼에도 불구하고, 도 1a-도 1i에 도시된 임의의 구성에는 매립 광학 패턴(들)(101)이 제공될 수 있다.
도 2a는 다상 구성에 있어서의 인커플링 소자(100)의 단면도이다. 소자(100)는 적어도 2개의 인접한 기능 구역(P1, P2)(상(phase) 1, 상 2)을 포함한다. 각각의 상기 구역은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 광가이드 매체(20)로 방향(변환)되도록 인커플링된 광의 방향을 조정하는 것과 관련된 광학 기능을 수행하도록 독립적으로 구성된다.
따라서, 도 1a는 개별 소자 모듈(100P1, 100P2)에 의한 상기 기능 구역의 형성을 도시한다. 모듈은 계면층(1015), 선택적으로 접착제에 의해 상호접속된다. 계면층은 모듈(100P1, 100P2) 사이의 간단한 기계적 연결에 의해 형성될 수 있다.
도 2a의 구성은 미리 결정된 광각 분포로 보다 효율적인 광 커플링을 가능하게 한다. 제 1 상(P1)(모듈(100P1))은 입사광을 인커플링하고, 상기 입사광의 적어도 일부를 바람직한 각도 분포로 광가이드 매체로 방향변환시키도록 구성될 수 있다. 제 2 상(P2)(모듈(100P2))은 P1으로부터 누출된 광선을 인커플링하고, 바람직한 배광을 달성하도록 상기 누출된 광을 광가이드 매체로 다시 방향변환시킴으로써, P1의 광학 기능을 보완하도록 구성될 수 있다.
P1 및/또는 P2는 미리 결정된 입사각에 도달하는 광을 (인)커플링하도록 구성될 수 있다. 다상 인커플링 솔루션은 인커플링 효율성을 개선하고, 또한 특정 각도(광이 입사되는 표면의 법선에 대해)로 입사하는 광을 관리하게 할 수 있다.
구역식/모듈식 구현은 도 2a에 도시된 테이퍼형 형상 구성에 제한되지 않는다. 임의의 다른 구성, 예를 들면 도 1c에 도시된 직사각형 평면형 소자는 모듈식 솔루션으로 제공될 수 있다.
제 1 상 소자 모듈(100P2) 및 제 2 상 소자 모듈(100P2)은 적어도 크기 및/또는 형상의 관점에서 서로 상이할 수 있다(상이한 형상을 갖는 모듈(100P1, 100P2)을 도시하는 도 2a 참조). 부가적으로 또는 대안적으로, 소자 모듈 간의 차이는 인커플링 광학계에 의해 설립될 수 있으며, 후자는 가변 구성 및/또는 내부 공동의 배열에 의해 정의되며, 이하에 더욱 기재된다. 따라서, 소자 모듈(100P1, 100P2)은 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 수 있고, 매립 인커플링 광학계에 의해서만 서로 다를 수 있다.
일부 경우에 있어서, 모듈(100P1, 100P2) 사이의 계면층(1015)은 낮은 Ri 접착제층으로서 제공된다. 낮은 Ri 계면층에 의해, 소자 모듈 사이의 계면에서 TIR 효과가 달성될 수 있다.
도 2b는 광가이드 매체(20) 상에 배열된 적어도 2개의 이산 인커플링 소자(100-1, 100-2)를 포함하는 배열의 단면도이다. 이 배열은 도 1a-도 1i 및 도 2b 에 도시된 바에 따른 인커플링 소자를 포함할 수 있다. 배열에 있어서의 소자는 동일하거나 상이할 수 있다. 소자(100-1, 100-2)는 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 인커플링하기 위해, 도 2b에 도시된 방식으로 서로에 대해 경면 대칭으로 배열될 수 있다. 양 방향 광 인커플링 솔루션에 의해 광원의 위치에 대해 상이한 방향으로 광 전파의 제어가 가능하게 된다. 구성은 하나 이상의 이미터 장치(예를 들면, 360° 방출을 갖는 하나의 이미터 장치 또는 미리 결정된 방향으로 광을 방출하도록 구성된 2개 이상의 이미터 장치)를 활용할 수 있다. 소자(100-1, 100-2)는 도 4(이미지 B)에 도시된 방식으로 이미터 장치의 어레이에 대해 경면 대칭으로 위치될 수 있다.
도 2b의 배열은 소자(100-1, 100-2)가, 예를 들면 이미터 장치(30)의 위치에 의해 형성된 가상의 회전축 주위에서 서로에 대해 90°의 회전 각도로 배열될 수 있도록 변경될 수 있다. 이미터 장치(30) 주위로의 소자(100-1, 100-2)의 임의의 다른 적절한 배치가 생각될 수 있다.
도 3은 (i)-(iv)에서, 광가이드(20) 상의 광 인커플링 소자(100)에 대한 다양한 레이아웃을 도시한다. 레이아웃(i)은 본질적으로 도 1b에 도시된 것과 동일하다. 레이아웃 (ii) 및 (iii)은 종래의 단면 광 추출 패턴(21)(ii) 및 종래의 양면 광 아웃커플링 패턴(21)(iii)을 갖는 평면형 광가이드 매체 상에 인커플링 소자(100)를 제공하는 것을 도시한다. 레이아웃(iv)은 매립 공동 광학계로 구성된 단면 또는 양면 광 아웃커플링 패턴(21)을 갖는 평면형 광가이드 매체 상에 소자(100)를 제공하는 것을 도시한다(단면 구성은 특별히 도시되지 않았지만, 도 3의 ii에 기반하여 쉽게 생각해 낼 수 있음).
광 아웃커플링 패턴(21)은, 예를 들면 복제에 의해 광가이드 매체 내에 통합될 수 있고, 또는 광가이드의 표면에 적용된 코팅 또는 테이프의 형태로 제공될 수 있다.
모든 옵션 (i)-(iv)에 있어서, 인커플링 소자(100)는 평면형 광가이드 매체의 일측 또는 양측에 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 유닛(250)이 활용될 수 있다.
도 1c, 도 1d 및 도 1e를 참조하여 논의된 바와 같이, 광학 패턴(101)은 인커플링 소자의 최상부 표면(104)을 따라 그에 걸쳐 형성될 수 있다. 언급된 구성은 균일한 높이(두께)를 갖거나 또는 미리 결정된 각도로 경사진 평면형 표면(104)을 포함한다. 표면 평탄도에 의해, 본질적으로 평면형인 공동 어레이(패턴(101))는 인커플링 소자의 최상부측(104)의 정사각형 표면의 대부분을 차지하도록 제조될 수 있다. 도 1a는 유사한 공동 패턴 배열을 채용할 수 있다. 따라서, 소자(100)의 최상부 표면(104)에는 광 인커플링 기능 및 배광 제어 기능(들)이 부여되고, 소자(100)의 1차 광 인커플링 표면을 형성한다.
이러한 솔루션은 평면형의 선택적으로 경사진 구조 구성요소(1011, 1011A, 1011B)로 형성된 소자(100)에 대해 가장 적합하다.
본질적으로 만곡된 표면(104) 및/또는 다른 만곡된 표면을 포함하는 인커플링 소자(도 1b, 도 1g, 도 1h, 도 1i, 도 2a(100P1), 도 2b)의 경우, 최상부측의 전체 정사각형 표면을 따라 그에 걸쳐 공동 패턴을 제공하는 것이 제조(적층) 셋업의 관점에서 더욱 노동 집약적일 수 있다.
도 4 및 도 5는 이미터 장치(30)를 향하는 광학 소자의 측단부 표면(105)에 대해 배열된 매립 광학 패턴(101)을 갖는 인커플링 소자(100)를 나타낸다. 따라서, 도 4, 도 5에 도시된 소자(100)에 있어서, 1차 광 인커플링 표면은 3차원으로 형성된 측단부 표면(105)에 의해 설립된다.
도 4 및 도 5에 따른 소자(100)의 제조시, 평면형의 패턴화된 표면을 갖는 기판 구성요소는 선택적으로 적층에 의해 평면형의 평평한 표면을 갖는 기판 구성요소와 접합됨으로써, 매립 공동 패턴(101)이 생성된다.
따라서, 본 구성에 있어서, 광학 계면(101, 102)은 본질적으로 수직축을 따라(즉, 광가이드의 위치를 정의하는 수평면에 본질적으로 수직으로) 배치되는 평면 상에 전개된다. 비교를 위해, 1차 광 인커플링 표면으로서 최상부 표면(104)을 포함하는 구성에 있어서, 광학 계면(101, 102)은 본질적으로 수평축을 따라(즉, 필요한 경사각 보정을 포함한 광가이드의 위치를 정의하는 평면에 본질적으로 평행함) 배치되는 평면 상에 전개된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 광학 패턴의 제공은 통합된 시준 광학계, 예를 들면 원추형 광 시준(수평)을 위한 매립 공동 광학계를 구성하는 데 특히 적합하다.
도 4에서, 테이퍼 방향(할강을 나타냄)은 화살표(표면(104))로 표시된다.
도 5는 시준 기능에 적합화된 패턴(101)을 갖는 테이퍼형 소자(100)를 도시한다. 이미지(B 및 C)는 길이/높이가 상이한 매립 시준 공동(102)을 갖는 소자(100)를 나타낸다. 옵션 B에 있어서, 시준 공동(102)은 소자(100)의 상부 표면과 하부 표면 사이의 거리(즉, 상기 소자의 높이 또는 두께)에 비해 더 짧고; 옵션 C에 있어서 공동은 본질적으로 전체 소자를 통해 연장된다. 공동은 완전히 매립되어 있다.
추가적인 광학 성능이 공동 프로파일, 예를 들면 테이퍼(100)의 최상부 표면(104) 상의 길이방향 홈(도 1e 참조, 여기서 V자 홈 형상의 공동 프로파일이 단면으로 도시됨)을 구현함으로써, 달성될 수 있다. 시준 솔루션은, 예를 들면 매립 (공기)-공동의 소정 표면 상에 반사층의 제공을 추가로 포함한다.
패턴 및 공동 관련 파라미터를 변경함으로써, 시준 기능에 추가하여 또는 대안적으로 다른 광학 기능이 달성될 수 있다.
전반적으로, 3차원으로 형성된 광학 기능성 표면(104, 105)을 따라 그에 표면에 걸쳐 광학 패턴(101)을 제공하는 것은 실시형태 간에서 다를 수 있다. 소자 및/또는 소자 모듈(도 2a) 중 임의의 하나는 표면(104, 105) 중 임의의 하나 또는 둘 다를 따라 위치된 광학 패턴(들)으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 모듈식 솔루션(도 2a)은 표면(105)을 따라 배치된 제 1 패턴(101)을 포함하는 제 1 소자 모듈(100P1) 및 표면(104)을 따라 배치된 제 2 패턴(101)을 포함하는 제 2 소자 모듈(100P1)을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 1차 인커플링 표면에 추가하여, 2차 인커플링 표면이 소자(100)에서 식별될 수 있다. 예로서, 1차 인커플링 표면이 측단부 표면(105)에 제공된 매립 광학 패턴(101)으로 형성되는(도 4, 5) 경우, 도 1f 및 도 1g에 도시된 바에 따라, 2차 인커플링 표면은 표면(104)에 제공된 매립 광학 패턴(101) 및/또는 광 인커플링 테이프(10) 내에 통합된 패턴으로 형성될 수 있다.
대안적으로, 언급된 표면(104, 105) 및 소자(100)는 패턴 없이 구현될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 광은 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면(104, 105) 상에, 선택적으로 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 광학 패턴(들)(101) 상에 도달하는 것은 필수적이다(즉, 본질적으로 상기 광가이드의 길이를 따르는 방향으로 광이 이동함). 이것은 상기 소자의 측단부 표면(105)에 대해 이미터 장치(들)(30)를 배치함으로써(소자(100)가 광가이드 상에 위치되는 동안) 달성된다. 방출된 광은 본질적으로 측단부 표면(105)을 통해 소자로 들어가고, 광가이드의 평면과 본질적으로 평행한 방향으로부터 광학 표면(들)(104, 105) 및 선택적으로 광학 패턴(들)(101)에 입사한다. 측단부 표면(105)은 광학 패턴을 포함할 수 있고, 1차 인커플링 표면(도 4, 5)의 역할을 할 수 있다.
소자는, 본질적으로 이미터 장치(들)에 의해 방출된 모든 광이 광 인커플링 소자로 들어가고, 또한 본질적으로 인커플링 소자에 의해 수광된 모든 광이 광가이드에 인커플링되도록, 광가이드 상에 구성되고 배열된다. 따라서, 이미터 장치(들)에 의해 방출된 광은 광 인커플링 소자로 들어가고, 광가이드의 에지(또는 단부)로는 들어가지 않는다.
광 인커플링 표면(104, 105)에 추가하여, 소자(100)는 추가적인 형상화된 프로파일(106)(도 5; A, B, C)을 포함할 수 있다. 프로파일(106)은 소자(100)의 길이(광가이드의 길이방향 평면을 따라 수평 방향으로 볼 때)의 약 20-40%, 바람직하게는 약 30%를 따라 연장될 수 있다. 프로파일(106)은 광가이드(즉, 광학 접촉 표면(107))를 향하는 소자 표면과 광가이드 매체(20) 사이의 웨지로서 구현될 수 있다. 각진 웨지 포맷은 개선된 광 관리 및 개선된 광 방향변환 특성을 가능하게 하여, 광학 효율이 약 10% 증가하게 된다. 각진 웨지 프로파일(106)로, 소자(100)의 하부 표면에 의해 정의되는 웨지의 상부 표면은 광가이드 표면에 대해 미리 결정된 각도로 위치된다(도 5에 도시됨). 대안적으로, 프로파일(106)은 광가이드 표면 상에 광학 접촉을 형성하지 않고 완전히 평평한 표면을 가질 수 있다. 웨지 프로파일(106)은 공기 매체 또는 임의의 다른 낮은 Ri 매체로 정의된 프로파일일 수 있다. 프로파일(106)은 적절한 코팅 재료, 예를 들면 낮은 Ri 코팅으로 추가로 코팅될 수 있다.
상기 논의된 광학 기능성 소자 구조(1011)에 추가하여, 인커플링 소자(100)에는 도 5에서 1012로 지정된 베이스층(이미지(A, B) 참조) 및 1013으로 지정된 최상부층(이미지 D 참조)과 같은 다수의 추가 기능성 층이 제공될 수 있다. 유사한 방식으로, 층(1012, 1013)은 도 1a-1i, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 구현된 소자의 양측(상부, 하부) 중 하나에 배열될 수 있다. 이들 층은 소자(100)에 다수의 추가 기능을 부여한다.
예로서, 베이스층(1012)은 접착에 의해 하지 광가이드 매체에 부착을 가능하게 하도록 접착제층으로서 구성될 수 있다. 접착제층(1012)은 광학 투명 접착제(OCA) 또는 액체 광학 투명 접착제(LOCA)로 제공될 수 있다. 상기 광학 투명 접착제층은 아크릴 또는 실리콘계 접착제에 의해 설립될 수 있다. 접착제층은 통상적으로 소자(100)의 하부 표면에 제공되지만, 소자의 어느 한 면 또는 양면(상부, 하부) 상에의 상기 접착제의 제공도 배제되지 않는다.
광학 투명 접착제(OCA)층으로서 제공되는 베이스층(1012)에 의해, 인커플링 소자는 광가이드(20)와 광학 접촉하게 설정된다. 접촉 계면은 유리하게는 접착제층(1012)이 선택적으로 공급된 소자의 광학 접촉 표면(107) 및 상기 광가이드의 평면형 표면에 의해 설립된다.
최상부층/외부층(1013)은 광투과층, 불투명층, 경면 또는 확산 반사층, 저굴절률(Ri)층 등 중 어느 하나로 구성된 기능성 외층으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 최상부층(1013)은 베이스층(1012)과 마찬가지로 접착제층으로 구성될 수 있다.
일부 구성에 있어서, 광 인커플링 소자는 협력적인 다기능을 수행하도록 구성되며, 광 지향성 및 파장 관리는, 예를 들면 통합된 파장 변환층에 의해 실행되며, 여기서 예를 들면 청색 LED 광과 같은 단색 광은 부분적으로 또는 완전히 변환된다.
일부 구성에 있어서, 광 인커플링 소자는, 예를 들면 청색(LED) 광과 같은 단색 광의 부분적 또는 전체 변환을 위한 파장 변환층으로서 구성된 추가 기능성 층(1012, 1013)을 포함한다. 파장 변환층은 광가이드의 상부 및/또는 하부 표면에 배열될 수 있다. 후자의 경우, 파장 변환층은 접착제층과 함께 광가이드와의 광학 접속을 형성하도록 배열될 수 있다. 이러한 추가적인 변환 기능을 갖는 층은 광가이드의 에지 또는 평면 영역(상기 광가이드의 배광 영역)에서 활용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 파장 변환층은 인커플링(하모나이저) 테이프(10)와 함께 사용될 수 있다.
예로서, 추가층(예를 들면, 1012, 1013) 중 임의의 하나는 층들 사이의 계면에서 접촉점을 형성하는 광 통로(103)를 통과하는 광의 일부를 흡수하기 위해 흑색 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 광학 소자의 후면에 흑색층 코팅이 제공될 수 있다. 다른 예시적인 구성에 있어서, 추가층(들)은 층들(1011, 1012 및 1013) 사이의 계면에서 접촉점(103)을 통한 광의 투과를 위한 광학적으로 투명한 층일 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 접촉점(광 통로)은 기판 영역(103)에 의해 형성된다. 유사한 방식으로, 추가층 중 어느 하나가 리플렉터층으로서 구성될 수 있으며, 여기서 상기 층의 재료는 경면 반사, 램버시안 반사(Lambertian reflection)를 위해 채택될 수 있고 또는 임의의 다른 반사성 불투명 재료로서 제공될 수 있다.
하나의 특별한 솔루션은 최상부 추가 기능성 층(1013)으로서 저굴절률(Ri) 층을 활용하는 것을 포함한다. 표시된 솔루션은 통상적으로 상호접속 지점(영역(103))의 필 팩터 및 그 형상에 따라 약 6%-20%의 광 강도 분포/광 조화 효율을 향상시킨다.
소자의 상부 및/또는 하부 표면에는 하나를 초과한 추가층이 제공될 수 있다. 따라서, 접착제층(1012)에 추가하여, 소자(100)의 저부면에는, 예를 들면 흑색층 또는 낮은 Ri층(미도시)이 제공될 수 있다. 기재된 구성은 광가이드 매체 상의 소자(100)의 위치, 및 소형 크기의 이산 소자, 또는 예를 들면 밴드 또는 스트립과 같은 가늘고 긴 연속한 개체로서의 소자의 제공을 고려하여, 사례별로 조정되어야 한다.
도 6은 인커플링 소자(100), 및 인커플링 소자(100)(이미터(30)에 비해) 다음에 광가이드(20) 상에 위치된 하모나이저 테이프(10)를 사용하는 결합된 광 인커플링 솔루션을 도시한다.
테이프(10)에 대해서는 이하에 기재된다. 도 6에 도시된 광학 테이프(10)는 일반적으로 도 1f, 도 1g와 관련하여 기재된 솔루션에서 활용될 수 있다. 패턴 및 공동 관련 파라미터를 변경함으로써, 테이프(10)에는 미리 결정된 이산 광학 기능이 제공될 수 있다. 따라서, 도 1f, 도 1g에 도시되고, 소자(100)의 상부 및/또는 소자(100)와 광가이드 사이에 제공된 테이프(10)를 포함하는 테이프 구성은 광 인커플링 및 방향변환에 유리하게 활용될 수 있고; 반면에 도 6에 도시된 테이프 구성은 배광 제어에 특히 적합하다.
따라서, 인커플링 기능이 우세하게 제공된 하모나이저 테이프(10)(예를 들면, 도 1f 및 도 1g에 도시된 방식으로 사용됨)는 "인커플링 테이프"라고 칭해지ㄴ는 한편, 배광 제어 기능이 우세하게 제공된 하모나이저 테이프(10)는 "편향 테이프"라고 칭해진다.
구조적 관점에서, 편향 테이프(10)는 결과적으로 소자(100)에 대해 상기 기재된 원리를 주로 따른다. 테이프(10)는 기판(10A)에 형성된 적어도 하나의 매립 패턴(11)을 갖는 광학 기능성 층(111)을 포함한다. 광학 기능성 층(111)은 (서브)층(111A, 111B)으로부터 형성된다. 제 1 기판층(111A)은 그 내부에 형성된 적어도 하나의 공동 패턴을 갖는 본질적으로 평평한 평면형 표면(이하, 패턴화된 층)을 포함한다. 패턴화된 층(111A)은 적어도 하나의 공동 패턴이 형성된 균일한 두께를 갖는 기판 재료의 평평한 평면형 층으로 제공될 수 있다. 내부 공동을 설립하고 또한 매립 광학 패턴을 형성하기 위해, 패턴화된 표면을 갖는 제 1 기판층은, 평평한 접합 영역(13)과 교대로 있는 매립 공동(12)을 갖는 적어도 하나의 매립 공동 패턴(11)이 제 1 층(111A)의 패턴화된 기판 표면과 제 2 기판층(111B)의 완전히 평평한 평면형 표면 사이의 계면에 형성되도록, 제 2 기판 구성요소(111B)의 완전히 평평한 평면형 표면에 대해 맞닿는다.
소자(100)를 참조하여 상기 기재된 바와 유사한 방식으로, 패턴(11)(층(111), 테이프(10))을 스택으로 배열함으로써 다층 구성이 생각될 수 있다. 매립 패턴(11)은 광 통로를 선택적으로 형성하는 평평한 접합 영역(13)과 교대로 있는 매립 (공기)-공동(12)을 포함한다. 접합 영역으로부터의 광 통로의 형성은 서브층(111A, 111B)을 형성하는 기판 재료의 굴절률 및 상기 서브층 사이의 임의의 계면 코팅의 제공에 의존한다. 따라서, 서브층(111A, 111B)은 동일한 기판 재료(10A) 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다.
테이프(10)는 그 기능에 의해 소자(100)의 추가 기능성 층(1012, 1013)에 대응하는 추가 기능성 층(들)(112, 113)을 추가로 포함할 수 있다(도 5 참조). 테이프(10)는 광가이드 매체 및/또는 하지 소자 기판에 대한 테이프의 부착을 매개하기 위해 베이스층(112) 및 선택적으로 접착제층으로서 제공되는 상부층(113)을 가질 수 있다(도 1g의 구성 참조).
인커플링 소자(100)와 조합하여 테이프(10)를 활용하면, 특히 수직축뿐만 아니라 수평축으로의 광가이드를 통한 배광이 향상된다. 테이프 구성 및 패턴 디자인에 따라, 광가이드 내부의 배광은 고정밀하게 제어될 수 있다(좁히거나 넓힘).
테이프(10)의 광학 기능은 상기 본원에 기재된 바와 같이 공동 관련 파라미터 및 테이프 관련 파라미터(예를 들면, 기판 재료, 전반적인 구현 등)의 관점에서 조정 가능하다. 전반적으로, 하모나이저 테이프(10)의 제공은 광가이드에서의 개선된 내부 배광 균일성(하모나이저 테이프(10)에 의해 가능해진 강화된 TIR 기능에 의해 매개됨)을 가능하게 한다.
하모나이저 테이프(10)와 선택적으로 조합된 인커플링 소자(100)는 적어도 하나의 이미터 장치(30)로부터 방출된 광방사를 인커플링하고, 패턴(들)(101)이 선택적으로 제공된 3차원 광학(인커플링) 표면(들)(104 및/또는 105)에 입사하는 광방사선의 방향을 조정한다. 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 광이 인커플링 표면(들) 및 광학 패턴(들)(101)에 도달하는 것이 필수적이다. 이를 달성하기 위해, 이미터 장치(들)(30)는 상기 소자의 측단부 표면(105)에 대해 광가이드 상에 배치된다(즉, 광가이드 상에 위치된 소자의 상방 또는 하방이 아님). 방출된 광은 본질적으로 측단부 표면(105)을 통해 소자로 들어가고, 광가이드의 평면과 본질적으로 평행한 방향으로부터 광학 패턴(들)(101)으로 입사된다. 측단부 표면(105)은 광학 패턴을 통합할 수 있다(도 4, 5).
적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면(104, 105)에 의해, 소자(100)는 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드를 통한 전파 경로를 획득하도록, 소자 기판(100A)과 광가이드(20) 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면(107)을 통해 투과되는 인커플링된 광의 방향을 조정/변경하도록 구성된다.
특히, 전적인 것은 아니지만, 공동 패턴이 없는 입체 이산 소자를 포함하는 구성에 있어서, 인커플링된 광은, 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록, 3차원으로 형성된 인커플링 표면(104 및/또는 105)과 주변 사이의 계면 및/또는 소자 기판(100A)과 광가이드 매체(20)(후자는 광학 접촉 표면(107)에 의해 형성됨) 사이의 계면에서 방향변환되고, 그 결과로 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같다.
부가적으로 또는 대안적으로, 소자(100)는, 패턴(들)(101)에 입사하는 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체(20)를 통한 전파 경로를 획득하도록 편향 및 방향변환되도록, 그에 수광된 광의 방향을 조정/변경하도록 구성된다. 소자(100) 다음에 광학 테이프(10)를 제공함으로써 보다 효율적인 방식으로 광가이드(20) 내부의 배광을 제어할 수 있다.
그러므로, 패턴(들)(101)(소자(100)) 및 선택적으로 패턴(들)(11)(테이프(10))은 상기 패턴(들)에 의해 소자(100) 및 테이프(10)가 아웃커플링 영역(들)(21)을 향한 광가이드 매체를 통한 인커플링된 광 전파를 매개하고, 광가이드(20)를 통해 전파되는 광의 배광을 제어하게 구성되도록 설계된다.
전반적으로, 소자(100)에 도달한 또한 소자(100)에 의해(1차 및 2차 인커플링 표면 중 어느 하나에 위치된 패턴(들)(101)을 선택적으로 포함하는 인커플링 표면(104, 105)에 의해) 인커플링된 광의 방향은, 광가이드를 통한 초기 전파 경로(TIR을 통해)를 획득하도록 조정된다. 가장 효율적인 방식으로 광가이드의 전체 길이를 통한 배광을 추가로 지원하고 제어하기 위해, 광가이드(20)에는 광학 테이프(10)가 제공될 수 있다. 도 7은 인커플링 소자(100) 및 광가이드(20)의 평면형 표면에 광학적으로 접속(접착)된 테이프(10)를 활용함으로써 광가이드(20)에서 광을 인커플링하는 것에 대한 광선 추적 모델을 도시한다.
따라서, 소자 패턴(들)(101)에 수광된 광(31)은 각각의 공동(102)과 공동을 둘러싸는 기판(100A)의 재료 사이의 계면에서 인커플링되고 방향(변환)된다. 따라서, 패턴(101) 및 그의 피처(공동)는 그에 수광된 광의 방향을 인커플링하고 조정하는 것과 관련된 광학 기능 또는 기능의 군을 수행한다. 인커플링되고 방향(변환)된 광(32)은 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하며, 그 결과로 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같다.
광가이드 매체를 통해 전파하는 광의 배광을 제어하는 것과 관련된 광학 기능은 광학 테이프 패턴(들)(11)에 의해 더욱 지원되고 제어된다.
소자 패턴(101) 및 테이프 패턴(11) 중 임의의 하나는 치수(크기), 형상, 단면 프로파일, 패턴에서의 배향 및 위치, 필 팩터 및 주기성을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다수의 파라미터를 패턴 내의 각각의 개별 공동 또는 공동의 군에 제공함으로써 광학 기능이 부여된다.
단위 면적당 광학 피처(소자(100)에서 102, 테이프(10)에서 12)의 백분율(%) 비율로 정의되는 필 팩터(FF)는 광학 솔루션을 설계하는 데 있어서 핵심 파라미터 중 하나이다. 필 팩터는 참조 영역(예를 들면, 패턴 또는 임의의 다른 참조 영역)에서 피처(102)의 상대적인 부분을 정의한다.
공동 피처는 피처의 길이, 폭(상부 폭, 하부 폭) 및 높이와 같은 다수의 파라미터뿐만 아니라, 기간의 길이 및 경사각으로 더욱 특징화될 수 있다.
따라서, 광학 하모나이저 테이프(10)와 선택적으로 조합된 광 인커플링 소자(100)에 의해 수행되는 주요 광학 기능은 수평 방향(광가이드(20)와 평행)을 따라 선택적으로 광학 패턴(들)(101, 11)을 포함하는 인커플링 표면(104, 105)에 도착하는 광을 인커플링하고, 또한 미리 결정된 각도 분포로 광가이드 매체 내부에의 인커플링된 광의 전파를 매개하는 것이다. 소자(100) 및 테이프(10) 중 임의의 하나는 광가이드 매체의 하방 및/또는 광가이드 매체의 상부에 위치될 수 있다.
이하의 기재는 광학 소자(100)에 관한 것이다. 또한, 유사한 제공이 광학 테이프(10)에도 적용할 수 있고; 따라서 테이프 관련 공동 패턴에 대한 추가 기재는 생략한다.
따라서, 패턴의 각각의 개별 공동은 다수의 광학 기능성 표면을 갖는 프로파일을 구성한다. 예로서, 광학 기능성 표면(1021, 1022, 1023)(따라서, 이하 제 1 광학 기능성 표면, 제 2 광학 기능성 표면 및 제 3 광학 기능성 표면)이 도 4(이미지(A))에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 상기 표면은 공동(102)과 주변 기판 매체(100A) 사이의 경계 계면에 설립된다. 사실, 공동 내의 모든 표면은 광학 기능성으로 될 수 있다.
따라서, 광학 기능성 표면(들)은 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에 형성된 임의의 표면(들)에 의해 설립된다.
일부 구성에 있어서, 패턴의 각각의 개별 공동에 있어서의 각각의 상기 광학 기능성 표면(들)은 저굴절률 리플렉터, 편광기, 디퓨저, 흡수체 또는 이들의 임의의 조합 중 하나로 설립된다. 따라서, 광학 기능성 표면(1021, 1022 및 1023) 중 임의의 하나에는 낮은 Ri 코팅과 같은 적절한 코팅이 제공될 수 있다. 코팅은 제조 단계 동안에 적용될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 광 인커플링 소자(100)의 주요 기능 중 하나는 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같은 입사각으로 패턴에 입사하는 광을 인커플링 및 방향(변환)시키는 것이다. 소자에 의해 수행되는 광학 기능은 패턴에 입사하는 광(공동과 주변 매체 사이의 계면에 입사)에 적용된다. 입사광은 인커플링되고 또한 소자 내부에 매립된 (공기)-공동 광학계에 의해 소정 각도만큼 원래의 전파 경로로부터 더욱 방향(변환)된다.
광가이드 매체를 통한 상기 TIR-매개 광 전파의 분포를 조절하는 것 외에도, 소자(100)는 다수의 추가적인 광학 기능을 수행하도록 구성되며, 여기서 특정 기능 또는 기능의 조합은, 패턴 내의 공동 프로파일(들)의 구성 및 재료(예를 들면, 광학 기능성 층(1011)을 형성하는 기판 재료, 추가층(1012, 1013)의 재료, 공동 충전 재료)의 선택과 같은 공동 및 이 공동을 둘러싸는 재료와 관련된 파라미터를 포함한 다수의 인자에 의해 결정된다.
소자(100)에 있어서, 적어도 하나의 패턴은 적어도 하나의 이미터(30)로부터 방출된 광을 인커플링하고, 그에 수광된 광의 방향을 조정하는 것과 관련된 광학 기능을 수행하도록 구성되며, 여기서 상기 광학 기능은 반사 기능, 흡수 기능, 투과 기능, 시준 기능, 굴절 기능, 회절 기능, 편광 기능, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
패턴 내의 공동은 개별적으로 또는 집합적으로 광학 기능(들)을 수행한다. 따라서, 패턴 내의 모든 공동은 동일한 기능(집합적 성능)을 수행하도록 패턴이 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 패턴은 동일한(똑같은) 공동을 포함할 수 있다. 대안적으로, 동일한 패턴 내의 각각의 개별 공동(102)은 그에 수광된 광의 방향을 조정하는 것과 관련된 적어도 하나의 광학 기능을 설립하도록 설계될 수 있다. 이것은 상기 기재된 바와 같은 치수, 형상, 단면 프로파일, 배향, 위치, 주기성, 필 팩터 등과 같은 공동 관련 파라미터를 조정(설계 및 제조 단계에서)함으로써 수행된다. 소자(100)는 다수의 패턴을 포함할 수 있으며, 각각의 패턴은 적어도 하나의 파라미터에 의해 소자 내의 임의의 다른 패턴(들)의 피처/공동과 상이한 피처/공동을 포함한다.
소자(100)에 있어서, 패턴(들)은 다수의 공동 관련 파라미터에 의해 가변적으로 구성되며, 여기서 다수의 공동 관련 파라미터는 치수, 형상, 단면 프로파일, 배향, 위치 및 주기성으로 이루어지는 군에서 선택되는 개별 파라미터 또는 파라미터의 임의의 조합을 포함한다.
따라서, 소자(100)에 있어서, 공동은 선형, 직사각형, 삼각형, 블레이즈형, 경사형, 사다리꼴, 곡선형, 파형, 및 사인파형 프로파일로 이루어지는 군에서 선택되는 단면 프로파일을 갖는 2차원 또는 3차원 패턴 피처로 설립된다.
인커플링 및 방향(변환) 기능을 달성하는 것은 공동(102)(도 1c) 사이의 광 통로 영역(103)을 제공함으로써 지원된다. 상기 광 통로의 구성은 공동의 구성 및 패턴 내의 상기 공동의 배열에 크게 의존하지만, 예를 들면 광투과 특성은 기판 재료의 선택에 의해 제어 및 최적화될 수 있다.
편향된 및/또는 방향(변환)된 광(32, 도 1a-1i, 3)이라고도 칭해지는 광 방향변환 기능이 적용된 인커플링된 광(즉, 공동 패턴과의 상호작용을 통해 방향이 조정되는 인커플링된 광선)은 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체(20)를 통한 전파 경로를 획득한다.
소자(100)에 있어서의 패턴(들)(101)은 패턴 내의 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서의 입사각이 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같게 광이 상기 패턴(들)에 입사하도록 더욱 조정될 수 있다. 이러한 배열에 의해, 소자(100) 및 패턴(들)(101)에 수광된 광(평면형 광가이드(20)의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터)의 방향은 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하기 위해 패턴 내의 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서 변경되고, 그 결과로 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에의 입사각, 및 선택적으로 각 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같다.
소자(100) 다음에 배치된 편향 테이프(10)와 선택적으로 결합되는 인커플링 소자(100)를 제공함으로써, 인커플링된 광의 방향은 광이 광가이드 매체와 주변 사이, 및 선택적으로 각각의 공동과 상기 공동을 둘러싸는 기판 매체 사이의 경계(계면)의 평면에 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같은 입사각으로 도달하도록 더욱 조정된다.
명료성을 위해, 용어 "편향"은 소자(100) 및/또는 임의의 테이프(10)에서 방향이 조정/변경되는(즉, 이미터에 의해 방출될 때의 원래의 경로에서 벗어나도록 변경되는) 인커플링된 광선에 관련하여 주로 사용되는 반면, 용어 "방향(변환)"은 테이프에서 편향된(방향변환된) 광선과 테이프에서 편향된 후 일련의 TIR을 통해 광가이드를 통한 전파 경로를 획득한 광선 모두에 적용된다. 편향 및 방향(변환) 기능은 모두 계면/경계 재료(예: 공기-플라스틱)와의 광 상호작용의 결과로서 광방사선의 방향을 조정하는 것을 목표로 한다. 상호작용은 결과적으로 반사, 굴절 등과 같은 다수의 광학 기능을 통해 발생한다.
광은 다양한 입사각으로 패턴에 도달할 때 공동(102)에서 내부 전반사된다. 따라서, 공동(102)은 기능성 표면(1021, 1022 및 1023)의 관점에서, 패턴에 도달하는 광(상기 광학 기능성 표면 중 임의의 하나에 의해 생성된 계면에 대한 임계각과 같거나 더 큰 입사각으로)을 수광하고 더욱 배광하도록 구성될 수 있다.
광선이 광학적으로 투명한 기판(100A)을 통해 이동하고, 소정 각도로 내부 공동 표면(1021, 1022, 1023) 중 하나에 충돌하면, 광선은 표면으로부터 기판으로 다시 반사되거나 또는 공동-기판 계면에서 공동 내로 굴절된다. 광이 반사 또는 굴절되는 조건은 굴절률이 상이한 2개의 매체 사이의 계면에 입사하는 광선에 대한 입사각과 굴절각 사이의 관계를 나타내는 스넬의 법칙(Snell's Law)에 의해 결정된다. 광의 파장에 따라, 충분히 큰 입사각("임계각" 이상)의 경우, 굴절이 발생하지 않고, 광의 에너지가 기판 내에 갇히게 된다.
임계각은 내부 전반사의 현상이 발생하는 표면 법선에 대한 광의 입사각이다. 입사각은 굴절각이 표면 법선에 대해 90도를 이룰 때 임계각(즉, 상기 임계각과 동일함)이 된다. 통상적으로, TIR은 굴절률(Ri)이 (더)높은 매체로부터 Ri가 (더)낮은 매체로, 예를 들면 플라스틱(Ri 1.4-1.6) 또는 유리(Ri 1.5)로부터 공기(Ri 1)로 또는 본질적으로 저굴절률의 임의의 다른 매체로 광이 통과할 때 발생한다. 높은 Ri 매체로부터 낮은 Ri 매체로 이동하는 광선의 경우, 입사각(예를 들면 유리-공기 계면에서)이 임계각보다 크면, 매체 경계는 매우 우수한 경면으로서 작용하여 광이 반사(유리와 같은 높은 Ri 매체로 다시 반사)될 것이다. TIR이 발생하면, 경계를 통한 에너지 투과가 없다. 다른 한편으로부터, 임계각보다 작은 각도로 입사하는 광은 높은 Ri 매체로부터 부분적으로 굴절되고 부분적으로 반사될 것이다. 반사광과 굴절광의 비율은 매체의 입사각과 굴절률에 크게 의존한다.
임계각은 기판-공기 계면(예: 플라스틱-공기, 유리-공기 등)에 따라 다르다. 예를 들면, 대부분의 플라스틱 및 유리의 경우, 임계각은 약 42도를 이룬다. 따라서, 예시적인 도파로에서, PMMA 시트와 같은 투광 매체와 공기 사이의 경계에 45도의 각도(표면 법선에 대해)로 입사하는 광은 아마도 광가이드 매체로 다시 반사될 것이고, 따라서 광 아웃커플링이 발생하지 않을 것이다.
동일한 원리가 일련의 TIR을 통해 광가이드 매체를 통과하여 이동하는 광에 적용된다. 또한, 광가이드를 통한 TIR 매개 광 전파는 인커플링 소자(100)에 의해 정의된 경계 밖에서도 발생할 수 있다는 점을 유의한다. TIR 현상은 광가이드 설계 및/또는 광가이드 매체의 선택에 의해 설립된다.
통상적으로 일정 주기성 패턴 피처 또는 가변 주기성 패턴 피처로 2차원 또는 3차원 패턴이 설립된다. 주기성은 광가이드 매체의 평면파를 제어 및 편향시키고, 또한 바람직한 배광을 위해 입사광(즉, 패턴에 입사하는 광)을 방향변환시키는 데 필요한 특성이다. 부가적인 경우에, 불균일한 광속 및/또는 배광을 조화시키기 위해 비주기성 패턴 피처가 이용될 수 있다.
각각의 개별 패턴에 있어서, 공동(102)은 이산적 또는 적어도 부분적으로 연속적인 패턴 피처로 설립될 수 있다. 이산 패턴의 예는 도트, 픽셀 등을 포함한다.
전반적으로 인커플링 소자(100)는 매체, 선택적으로 층 등의 내부에 완전히 매립된 공동 광학계로 실현되는, TIR 표면 포맷, 주기성 격자 패턴 및 선택적인 서브프로파일을 갖는 메인 프로파일을 포함하는 하이브리드 패턴과 같은 통합 매립 광학계 피처를 활용하는 2차원 및 3차원 광학계를 기반으로 한다. 인커플링 소자 솔루션(100)은 통상적으로 적어도 광 전파, 방향변환 및 투과와 관련된 2개 이상의 광학 기능을 활용하며, 여기서 주된 광학 프로파일 표면은 확산 기능, 반사방지 기능, 회절 기능, 산란 기능, 빔 스플리팅 기능, 편광 기능 등과 같은 추가 광학 기능을 광학 패턴(들)에 제공하는 광학 서브피처(optical sub-feature)를 선택적으로 포함할 수 있다. 프로파일 형태와 그 기능은 최종 성능 타겟을 정의한다.
도 8a는 테이퍼 형태의 인커플링 소자(100)와 광가이드(20) 상에 조립된 테이프(10)의 조합으로 구현되는 인커플링 솔루션을 개략적으로 예시한다. 구성(i)은 테이프의 미리 결정된 길이(화살표로 표시됨)를 따라 배치된 패턴(11)을 갖는 광학 기능성 층(111)을 포함하는 테이프(10)를 포함한다. 테이프(10)는 베이스 접착제층(미도시) 및 테이프의 전체 길이를 따라 배치된 낮은 Ri 코팅(113)을 포함한다. 따라서, 테이프(10)는 상기 Ri 코팅이 제공된 영역을 포함하지만, 패턴(11)은 없다. 수치는 밀리미터(mm)로 주어진다.
구성(ii)은 특수한 세그먼트형 테이프 솔루션을 포함한다. 패턴(11)(도 8a, ii)에 있어서, 공동은 실질적으로 가변형(또는 세그먼트형)의 주기성 패턴을 형성하도록 구성 및 배열되며, 여기서 각각의 로컬 패턴 설계는 상기 패턴 내의 다른 로컬 설계로부터 실질적으로 가변적인 피처를 갖는다. 테이프(10)는 주기성 세그먼트 A, B, C로 배열된 다수의 패턴을 포함하며, 여기서 각 세그먼트는 미리 정의된 영역 및 기간의 길이를 갖는다. 이들 로컬 패턴은 사전 결정된 각도 또는 다양한 각도에서 그에 입사하는 광을 관리하기 위해, 패턴 및/또는 공동 관련 파라미터를 변경하는 관점에서 가변적으로 될 수 있다. 공동 프로파일은 치수, 형상, 단면 프로파일, 패턴에서의 배향 및 위치 중 어느 하나에서 선택된 다수의 파라미터의 관점에서 가변적으로 구성될 수 있다.
인커플링 소자(100)와 유사한 방식으로, 테이프(10)에 있어서의 공동은 선형, 직사각형, 삼각형, 블레이즈형, 경사형, 사다리꼴, 곡선형, 파형, 및 사인파형 프로파일로 이루어지는 군에서 선택되는 단면 프로파일을 갖는 2차원 또는 3차원 패턴 피처로 설립된다.
패턴(들) 구성 및 배열의 관점에서, 테이프(10)는 소정의 광가이드 두께 및 다른 광가이드에 특화된 파라미터를 위해 설계되고 최적화될 수 있다.
테이프(10)에 있어서, 선택적으로 세그먼트로 배열된 다수의 패턴이 단일 기능 구역을 형성하도록 배열될 수 있다(도 8a, i). 대안적으로, 선택적으로 세그먼트로 배열된 다수의 패턴은 다수의 인접한 기능 구역을 형성하도록 배열될 수 있다. 도 8a 구성(ii)은 3개의 기능 구역의 형성을 예시하며, 여기서 상기 기능 구역은 세그먼트 A, B, C로 설립된다. 후자의 경우, 각각의 구역 또는 인접하거나 인접하지 않은 구역의 군은 소정 각도로 입사하는 광을 효율적으로 관리하기 위한 특징적인 공동 프로파일을 가질 수 있다.
도 8b 및 8c는 그에 따라 테이퍼형 인커플링 소자(100)만을 포함하는 평면형 광과이드와, 테이퍼형 인커플링 소자(100)를 테이프(10)와 조합하여 포함하는 평면형 광가이드에 대한 수직 배광(YZ-평면)을 예시하는 비교 그래프이다. 그 테이프(10)를 사용하는 도 8c의 솔루션의 경우, 테이프(10)의 제공은 도 8a(i)에 도시된 바와 같이 인커플링 소자(100) 다음에 있다. 곡선 2는 입력광(임의의 광학 구성요소와 상호작용하기 전에 방출된 광)을 나타내고; 곡선 1은 광학 소자(100) 및 테이프(10)와 상호작용한 후의 출력광을 나타낸다. 곡선 2(입력광)에 대한 지점의 합은 100%이다.
도 8b의 배열은 FWHM 수직 98°에서 95.7% 효율을 가능하게 하고; 도 8c의 배열은 FWHM 수직 68°에서 86% 효율을 가능하게 한다.
도 8c로부터, 광가이드 매체 내의 배광이 테이프(10)에 의해 조화되는 것을 관찰할 수 있다. 광가이드 내부에 입사하는 광의 보다 좁은 배광은 광 아웃커플링 시 광가이드의 콘트라스트비를 향상시킨다. 따라서, 광가이드의 비조명측의 투명도가 향상된다.
도 9는 광가이드 접촉 표면 상의 광학 웨지 프로파일(106)을 갖는 테이퍼 소자(100)를 도시하는 도 5에 예시된 바와 같이, 테이프(10)와 조합된 테이퍼형 인커플링 소자(100)를 포함하는 평면형 광가이드에 대한 수직(YZ-평면) 및 수평(XZ-평면) 배광을 예시하는 그래프이다. 소자(100)는 매립 공동 패턴(101)에 의해 원뿔형 시준을 가능하게 하도록 구성된다. 공동 패턴(1011A)은 상기 패턴화된 층(단면)의 상부에 정반사성 리플렉터층(1011B)과 적층된다. 부가적으로, 소자는 그 표면에 반사 방지(AR) 코팅(1013)을 포함한다. 곡선 2는 입력광(임의의 광학 구성요소와 상호작용하기 전의 방출된 광)을 나타내고; 곡선 1은 광학 소자(100) 및 테이프(10)와 상호작용한 후의 출력광을 나타낸다.
이 배열은 FWHM 수평 29° 및 FWHM 수직 60°에서 78% 효율을 가능하게 한다.
도 10a 및 10b는 광가이드 매체(20) 내부의 조도(내부 강도) 분포와 관련된 효과로서, 시준 패턴(들)이 없는 및 시준 패턴(들)을 갖는 테이퍼형 소자(100)를 포함하는 광 인커플링 솔루션에 의해 달성될 수 있는 효과를 예시한다. 시준 테이퍼(100)에 도시된 바에 따라 구현된다(도 10b)는 도 4(소자(100) 내의 공동 패턴(101)의 위치는 점선 박스로 나타냄). 두 솔루션 모두 소자(100) 다음에 배치된 테이프(10)를 활용한다. 두 솔루션 모두 램버시안 광원(30)을 사용한다.
도 10a의 배열은 FWHM 수평 73° 및 FWHM 수직 77°에서 81% 효율을 가능하게 한다. 도 10b의 배열(시준 광학계를 포함함)은 FWHM 수평 47° 및 FWHM 수직 72°에서 82% 효율을 가능하게 한다.
상기 기재는 미리 결정된 형상을 갖고, 3개의 상이한 치수/방향(길이, 폭 및 높이/두께)으로 측정가능한 이산 3차원 물체/프로파일로서 제공되는 인커플링 소자(100)를 참조했다.
일부 구성에 있어서, 광 인커플링 소자(100)는 밴드 또는 스트립과 같은 좁고 가늘고 긴 개체의 형태로 제공될 수 있다. 스트립으로 구성된 소자는, 예를 들면 릴에 권취된 롤 형태로 추가로 제공될 수 있다. 이러한 롤의 제조는 롤-투-롤 적층 공정에 의해 가능해진다.
그에 따라, 이러한 가늘고 긴 스트립 형태로 소자(100)와 적어도 하나의 이미터 장치(30)를 포함하는 광 인커플링 유닛(250)이 생각될 수 있다(도 11, A, B, C 참조).
도 11은 조립된 광 인커플링 장치를 갖는 상이한 광가이드 솔루션(상방에서 봤을 때)을 예시한다. 구성 A는 일방향 광 전파를 갖는 창(광가이드 매체(20))의 상측(상부측) 상의 소자(100) 또는 유닛(250)에 의한 광 인커플링을 도시한다. 구성 B는 일방향 및 양방향 광 전파를 이용하여, 창의 상측(상부측) 및 하측(하부측) 상에서뿐만 아니라 창의 중앙에서의 소자(100) 또는 유닛(250)에 의한 광 인커플링을 도시한다. 중앙에 있는 유닛(250)은, 예를 들면 도 2b에 따른 인커플링 소자 솔루션을 활용할 수 있다. 구성 C는 일방향의 광 전파를 이용하여 창의 좌측 및 우측 상의 소자(100) 또는 유닛(250)에 의한 광 인커플링을 도시한다.
구성 D는 결과적으로 창의 중심 영역에 배치되고 다방향 광 전파를 위해 구성된 이산형의 본질적으로 원형상의 유닛(250)의 일부로서 제공되는 인커플링 소자(100)를 예시한다. 이러한 구성은 360° 발광 및 광 전파를 가능하게 한다. 유닛(250)은, 예를 들면 돔형상일 수 있다.
인커플링 유닛(250)의 일부로서 선택적으로 제공되는 인커플링 소자(100)는 설치가 용이하고 빠르다. 소자(100)는 릴에 권취된 가요성(즉, 구부릴 수 있는) 스트립 또는 다른 타겟에 대해 미리 결정된 길이를 가진 내구성 프로파일로 구성될 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 기판 및 기판에 형성된 적어도 하나의 패턴을 갖는 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면을 포함하는 이산 광학 기능성성 아이템의 형태로 제공되는 광 인커플링 소자(100)를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은: 적합한 제작 방법에 의해 패턴용 마스터 도구를 제조하는 단계, 및 패턴화된 기판을 생성하기 위해 패턴을 소자 기판 상에 전사하는 단계를 포함한다.
패턴은 리소그래피, 3차원 인쇄, 마이크로 머시닝, 레이저 조각, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 방법에 의해 제작될 수 있다. 다른 적절한 방법이 이용될 수 있다.
일부 구성에 있어서, 상기 방법은 내부 공동이 기판층 사이의 완전히 평평한 평면형 계면에 형성되도록, 추가의 평평한 평면형 기판층을 상기 패턴화된 기판 상에 적용함으로써 매립 공동 패턴(들)을 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 경우에 있어서, 매립 공동 패턴(들)은 롤-투-롤 적층과 같은 롤 적층 방법에 의해 생성되며, 여기서 서브층(1011A, 1011B)은 광학 기능성 층(1011)을 형성하기 위해 서로에 대해 적층된다. 기판층(1011A, 1011B)은 롤-투-롤 적층, 롤-투-시트 적층 또는 시트-투-시트 적층 중 어느 하나로부터 선택되는 적층 방법에 의해 접합될 수 있다. 롤 적층은 가늘고 긴 스트립형 솔루션과 같은 가요성 소자 솔루션을 제조하는 데 특히 적용할 수 있다.
일단 제작된 패턴은 임프린팅, 압출 복제 또는 3차원 인쇄와 같은 임의의 적합한 방법에 의해 유리하게 추가로 복제된다. 임의의 다른 적절한 방법이 활용될 수 있다.
통상적인 제조 라인은 하기 프로세스를 수행하기 위해 채택된다: a) 패턴 제작 및 복제; b) 공동 적층; c) 다른 층/추가층(들)의 준비 및 그 적층; 및 d) 최종 필름 절단. 좁은 또는 넓은 테이프 제품을 제조하기 위해 제조 라인이 추가로 채택될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 기재된 실시형태에 따라 구현되는, 광가이드를 통한 광 전파를 위한 경로를 설립하도록 구성된 광학적으로 투명한 매체(20), 및 광 인커플링 소자(100) 및/또는 광 언커플링 유닛(250)을 포함하는 광가이드를 제공하는 것에 관한 것이고, 여기서 광 인커플링 소자 및/또는 유닛은 상기 광가이드의 적어도 하나의 평면형 표면 상에 부착된다. 일부 구성에 있어서, 광 인커플링 소자/유닛은 접착에 의해 광가이드에 부착된다.
조명 및/또는 표시에서 상기 광가이드의 사용이 추가로 제공된다. 광가이드는 장식용 조명, 차광판 및 마스크, 창, 파사드 및 지붕 조명을 포함한 공공 및 일반 조명, 사이니지(signage), 간판, 포스터 및/또는 광고판 조명 및 표시, 및 태양광 용도를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 조명 및 표시 관련 목적을 위해 사용될 수 있다.
기술의 진보에 따라 본 발명의 기본 사상이 그 다양한 변형을 커버하도록 의도되는 것은 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명 및 그 실시형태는 상술한 예에 제한되지 않으며; 대신에 일반적으로 첨부된 청구범위 내에서 달라질 수 있다.
(참조문헌)
1. Bernard C. Kress, "Optical waveguide combiners for AR headsets: features and limitations", Proc. SPIE 11062, Digital Optical Technologies 2019, 110620J (2019년 7월 16일).
2. Moon et al, "Microstructured void gratings for outcoupling deep-trap guided modes," Opt. Express 26, A450-A461 (2018년).
3. Carlos Angulo Barrios and Victor Canalejas-Tejero, "Light coupling in a Scotch tape waveguide via an integrated metal diffraction grating," Opt. Lett. 41, 301-304 (2016년).
Claims (39)
- - 기판, 및
- 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면을 포함하는 이산 광학 기능성 아이템의 형태로 제공되는, 광가이드용 광 인커플링 소자로서,
상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록, 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면을 통해 투과되는 인커플링된 광의 방향을 조정하도록 구성되고,
상기 소자는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면에서 광을 수광하도록 구성되고, 그 결과로 본질적으로 이미터 장치에 의해 방출된 모든 광은 광 인커플링 소자로 들어가고, 본질적으로 인커플링 소자에 의해 수광된 모든 광은 광가이드에 인커플링되고, 또한
상기 광 인커플링 소자는 광가이드 매체의 적어도 하나의 평면형 표면 상에 부착 가능한 광가이드용 광 인커플링 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 이미터 장치로부터 방출된 광은 상기 광 인커플링 소자로 들어가고 상기 광가이드의 에지로는 들어가지 않는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인커플링된 광은 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록 3차원으로 형성된 광학 표면과 주변 사이의 계면 및/또는 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에서 방향변환되고, 그 결과로 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에서의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같은 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자 기판에 형성되고 광학 기능성 공동으로서 구성된 다수의 주기성 패턴 피처로 설립된 적어도 하나의 광학 패턴을 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자 기판에 완전히 매립되고 또한 공동을 둘러싸는 기판의 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 재료로 충전된 광학 기능성 공동으로 형성된 적어도 하나의 광학 패턴을 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광학 패턴은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록 인커플링된 광이 각각의 상기 공동과 상기 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서 방향변환하도록 구성되고, 그 결과로 상기 광가이드 매체와 주변 사이의 계면에서의 입사각, 및 선택적으로 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에서의 입사각은 내부 전반사의 임계각보다 크거나 같은 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면 및 선택적으로 상기 적어도 하나의 공동 패턴은 그에 수광된 광의 인커플링 및 방향 조정과 관련된 광학 기능을 수행하도록 구성되고, 상기 광학 기능은 반사 기능, 흡수 기능, 투과 기능, 시준 기능, 굴절 기능, 회절 기능, 편광 기능, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
패턴 내의 각각의 개별 공동은 다수의 광학 기능성 표면을 갖는 광 인커플링 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 광학 기능성 표면(들)은 각각의 공동과 이 공동을 둘러싸는 기판의 재료 사이의 계면에 형성된 임의의 표면(들)에 의해 설립되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3차원으로 형성된 광학 표면 및/또는 공동 패턴에 형성된 광학 기능성 표면(들)은 저굴절률 리플렉터, 편광자, 디퓨저, 흡수체, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나를 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공동 패턴(들)은 패턴 내의 공동 또는 공동의 군과 관련된 다수의 파라미터를 조정함으로써 적어도 하나의 광학 기능을 수행하도록 구성되고, 상기 다수의 파라미터는 치수, 형상, 단면 프로파일, 배향, 주기성, 및 필 팩터로 이루어지는 군에서 선택되는 개별 파라미터 또는 파라미터의 임의의 조합을 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공동은 실질적으로 가변적인 주기성 패턴을 형성하도록 상기 공동 패턴 내에 구성 및 배열되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공동은 실질적으로 일정한 주기성 패턴을 형성하도록 상기 공동 패턴 내에 구성 및 배열되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공동 패턴 내의 공동은 이산적 또는 적어도 부분적으로 연속적인 패턴 피처로 설립되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공동은 선형, 직사각형, 삼각형, 블레이즈형, 경사형, 사다리꼴, 곡선형, 파형, 및 사인파형 프로파일로 이루어지는 군에서 선택되는 단면 프로파일을 갖는 2차원 또는 3차원 패턴 피처로 설립되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 2개의 기판 구성요소, 선택적으로 층을 포함하고,
상기 적어도 하나의 공동 패턴은 상기 기판 구성요소 중 어느 하나의 본질적으로 평평한 평면형 표면에 형성되고, 이에 의해 평평한 접합 영역과 교대로 있는 매립 공동을 갖는 적어도 하나의 매립 공동 패턴이 상기 기판 구성요소의 패턴화된 기판 표면과 완전히 평평한 평면형 표면 사이의 계면에 형성되도록, 패턴화된 표면을 갖는 기판 구성요소가 설립되고 또 다른 기판 구성요소의 완전히 평평한 평면형 표면에 대해 맞닿는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자 기판 또는 패턴화된 표면을 갖는 적어도 기판 구성요소는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료로 제조되는 광 인커플링 소자. - 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 완전히 평평한 평면형 기판 표면을 갖는 기판 구성요소는 광학적으로 투명한 재료, 착색 재료, 리플렉터 재료, 및 이들의 조합 중 어느 하나로 제조되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매립 공동은 공기와 같은 기체상 재료로 충전되는 광 인커플링 소자. - 제 4 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
스택 구성으로 배열된 다수의 매립 공동 패턴을 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
광가이드 부착 표면을 포함하고, 상기 광가이드 부착 표면은 접착제층인 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
광가이드 부착 표면의 본질적으로 반대측에 배치되는 상기 소자의 외부 표면의 적어도 일부는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 대해 테이퍼형으로 구성되는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 매립 패턴을 선택적으로 포함하는 3차원으로 형성된 광학 표면은 상기 광가이드 부착 표면에 본질적으로 반대측에 배치되는 상기 소자의 표면에 의해 정의된 평면 상에 배열되는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 매립 패턴을 선택적으로 포함하는 3차원으로 형성된 광학 표면은 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 대해 본질적으로 수직이고 이미터 장치를 향하여 있는 상기 소자의 표면에 의해 정의된 평면 상에 배열되는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 광가이드 매체로 방향변환되도록 인커플링된 광의 방향을 조정하는 것과 관련된 광학 기능을 수행하도록 독립적으로 구성된 적어도 2개의 인접한 기능 구역을 포함하는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 인접한 기능 구역은 계면층, 선택적으로 접착제에 의해 상호접속된 개별 소자 모듈에 의해 형성되는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
가늘고 긴 스트립의 형태로 제공되는 광 인커플링 소자. - 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
파장 변환층을 추가로 포함하는 광 인커플링 소자. - 광가이드 상에 배열된 적어도 2개의 인커플링 소자를 포함하는 배열로서,
상기 각각의 소자는 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 기재된 광 인커플링 소자인 배열. - 기판, 및 이 기판에 형성된 적어도 하나의 패턴을 갖는 적어도 하나의 3차원으로 형성된 광학 표면을 포함하는 이산 광학 기능성 아이템의 형태로 제공되는 광 인커플링 소자의 제조 방법으로서, 상기 방법은:
- 리소그래피, 3차원 인쇄, 마이크로 머시닝, 레이저 조각, 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나에서 선택되는 제작 방법에 의해 패턴을 위한 마스터 도구를 제조하는 단계;
- 미리 결정된 광학 기능을 갖는 광학 표면을 생성하도록 소자 기판 상에 패턴을 전사하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 패턴은 그에 입사하는 광을 인커플링하고, 또한 인커플링된 광이 일련의 내부 전반사를 통해 광가이드 매체를 통한 전파 경로를 획득하도록, 소자 기판과 광가이드 매체 사이의 계면에 설립된 광학 접촉 표면을 통해 투과된 인커플링된 광의 방향을 조정하도록 구성되고, 또한 상기 소자는 평면형 광가이드의 길이방향 평면에 본질적으로 평행한 방향으로부터 상기 적어도 하나의 패턴 상에서 광을 수광하도록 구성되고, 그 결과로 본질적으로 이미터 장치에 의해 방출된 모든 광이 광 인커플링 소자로 들어가고, 본질적으로 인커플링 소자에 의해 수광된 모든 광은 광가이드에 인커플링되는 광 인커플링 소자의 제조 방법. - 제 30 항에 있어서,
매립 공동 패턴(들)을 생성하도록, 롤-투-롤 적층, 롤-투-시트 적층 또는 시트-투-시트 적층 중 어느 하나에서 선택되는 적층 방법에 의해 패턴화된 소자 표면 상에 추가 기판층을 적용하는 단계를 포함하는 방법. - 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
제작된 패턴을 복제하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 패턴을 복제하는 방법은 임프린팅, 압출 복제 또는 3차원 인쇄 중 어느 하나에서 선택되는 방법. - 광가이드를 통한 광 전파를 위한 경로를 설립하도록 구성된 광학적으로 투명한 매체, 및 제 29 항에 기재된 배열의 일부로서 선택적으로 제공되는 제 1 항 내지 제 28 항에 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 광 인커플링 소자를 포함하는 광가이드로서,
상기 광 인커플링 소자(들)는 상기 광가이드의 적어도 하나의 평면형 표면 상에 부착 가능한 광가이드. - 제 33 항에 있어서,
상기 광 인커플링 소자(들)는 접착에 의해 광가이드 표면에 부착되는 광가이드. - 조명 및/또는 표시에 사용되는 제 33 항 또는 제 34 항에 기재된 광가이드의 용도.
- 광가이드 부착을 위한 접착제층을 갖는 적어도 하나의 광 인커플링 소자 및 적어도 하나의 이미터 장치를 포함하는 광학 유닛으로서,
상기 적어도 하나의 광 인커플링 소자는 제 29 항에 기재된 배열의 일부로서 선택적으로 제공되는 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같이 구성되는 광학 유닛. - 제 36 항에 있어서,
적어도 하나의 이미터 장치는 상기 광 인커플링 소자를 형성하는 기판 재료 내부에 적어도 부분적으로 통합되는 광학 유닛. - 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이미터 장치는 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드(OLED), 레이저 다이오드, LED 바, OLED 스트립, 마이크로칩 LED 스트립, 및 냉음극관으로 이루어지는 군에서 선택되는 광학 유닛. - 제 36 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
단색 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 이미터 장치, 및 파장 변환층을 포함하는 광 인커플링 소자를 포함하는 광학 유닛.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JPJP-P-2020-134108 | 2020-08-06 | ||
| JP2020134108 | 2020-08-06 | ||
| PCT/JP2021/028955 WO2022030544A1 (en) | 2020-08-06 | 2021-08-04 | Light incoupling element, related method and uses |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230044424A true KR20230044424A (ko) | 2023-04-04 |
Family
ID=80117467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237004131A KR20230044424A (ko) | 2020-08-06 | 2021-08-04 | 광 인커플링 소자, 관련 방법 및 용도 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230273363A1 (ko) |
| EP (1) | EP4193204A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023536923A (ko) |
| KR (1) | KR20230044424A (ko) |
| CN (1) | CN116034229A (ko) |
| TW (1) | TW202212913A (ko) |
| WO (1) | WO2022030544A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023156939A1 (en) * | 2022-02-16 | 2023-08-24 | Agp Worldwide Operations Gmbh | Glazing having total internal reflection through improved light injection |
| WO2023196380A1 (en) * | 2022-04-07 | 2023-10-12 | Google Llc | Passive world-referenced smartglasses display alignment |
| WO2024033772A1 (en) * | 2022-08-12 | 2024-02-15 | Agp Worldwide Operations Gmbh | Glazing having a light injection assembly |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10111511A (ja) * | 1996-10-04 | 1998-04-28 | Dainippon Printing Co Ltd | 反射型液晶表示装置 |
| JP5587174B2 (ja) * | 2007-04-17 | 2014-09-10 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | 織物発光装置 |
| CN202813209U (zh) * | 2011-12-29 | 2013-03-20 | 刘俊波 | 背光板模组用匀光贴片及应用有该匀光贴片的背光板模组 |
| JP6948120B2 (ja) * | 2015-11-30 | 2021-10-13 | 大日本印刷株式会社 | 積層体の製造方法、積層体、バックライト装置、および表示装置 |
| EP3769006A4 (en) * | 2018-03-22 | 2022-01-05 | Nitto Denko Corporation | OPTICAL DEVICE |
-
2021
- 2021-08-04 US US18/019,301 patent/US20230273363A1/en active Pending
- 2021-08-04 EP EP21853839.5A patent/EP4193204A1/en active Pending
- 2021-08-04 KR KR1020237004131A patent/KR20230044424A/ko active Search and Examination
- 2021-08-04 JP JP2023507643A patent/JP2023536923A/ja active Pending
- 2021-08-04 CN CN202180056625.8A patent/CN116034229A/zh active Pending
- 2021-08-04 WO PCT/JP2021/028955 patent/WO2022030544A1/en unknown
- 2021-08-06 TW TW110129133A patent/TW202212913A/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022030544A1 (en) | 2022-02-10 |
| JP2023536923A (ja) | 2023-08-30 |
| EP4193204A1 (en) | 2023-06-14 |
| US20230273363A1 (en) | 2023-08-31 |
| TW202212913A (zh) | 2022-04-01 |
| CN116034229A (zh) | 2023-04-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102671591B1 (ko) | 광학 장치 | |
| KR20230044424A (ko) | 광 인커플링 소자, 관련 방법 및 용도 | |
| EP3256776B1 (en) | White light source | |
| CN103403592A (zh) | 取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置 | |
| JP2011227120A (ja) | 光学素子および照明装置 | |
| JP2007025619A (ja) | 直下型バックライトモジュールに用いる拡散板及びその製造方法 | |
| CN103261933A (zh) | 取光板和使用了它的光接收装置和发光装置 | |
| JP2020500398A (ja) | 光偏向デバイス、採光デバイス、および使用 | |
| JP2021524939A (ja) | 改良された配光素子 | |
| US10718479B2 (en) | Daylighting illumination system | |
| KR20230043875A (ko) | 광 인커플링 테이프, 관련 방법 및 용도 | |
| WO2022030542A1 (en) | Light deflection tape, related method and uses | |
| WO2024070910A1 (ja) | 光学部材および照明装置 | |
| KR102378282B1 (ko) | 투광 패널, 투광 패널의 제조방법 및 태양광 발전모듈 | |
| TWI840347B (zh) | 光學裝置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |