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KR20120007050A - 광 가이드 장치 - Google Patents

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KR20120007050A
KR20120007050A KR1020117027249A KR20117027249A KR20120007050A KR 20120007050 A KR20120007050 A KR 20120007050A KR 1020117027249 A KR1020117027249 A KR 1020117027249A KR 20117027249 A KR20117027249 A KR 20117027249A KR 20120007050 A KR20120007050 A KR 20120007050A
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KR
South Korea
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light guide
light
diffraction grating
guide plate
diffraction
Prior art date
Application number
KR1020117027249A
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English (en)
Inventor
휴고 요한 코넬리센
디르크 코넬리스 거하두스 데 보에르
공밍 웨이
Original Assignee
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. filed Critical 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 회절 격자에 기반을 두는 광 가이드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 장치는 광 가이드 플레이트(11)의 제1 표면 상에 또는 그 내부에 위치된 제1 회절 격자(13)를 포함하는 광 가이드 플레이트(11); 및 광 가이드 플레이트(11)의 제1 측에 연결된 제1 광원(12)을 포함하고, 제1 회절 격자(11)는 광 가이드 플레이트(11)의 제1 표면으로부터 제1 광원(12)에 의해 생성되는 광을 추출하도록 구성된다. 제1 회절 격자(13)는 눈에 보이지 않을 정도로 작기 때문에, 사용자들은 광 가이드(11)의 어떠한 변화도 거의 알아차리지 못 한다. 회절 격자를 이용할 때는 광 탈출 각도가 비교적 작기 때문에, 본 발명의 광 가이드 장치가 북 리더로서 이용되는 경우, 읽혀질 대상들로부터 멀어지는 방향으로 북 리더를 들어올릴 때 생성되는 어두운 영역은 미세구조에 기초하는 기존 광 가이드 장치에서보다 더 작다.

Description

광 가이드 장치{A LIGHT GUIDE APPARATUS}
본 발명은 광 가이드 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 북 리더(book readers)용으로 사용되는 광 가이드 장치에 관한 것이다.
이전의 필립스 특허 출원 공개로서, 2008년 1월 16일에 출원된 국제 공개 공보 WO2008/087593인 "조명 장치(ILLUMINATION DEVICE)"는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 가이드된 광(21)이 표면 법선에 대해 큰 각도에서 출사(21')하게 하는 광학적 미세구조들(51)을 갖는 광 가이드(35)에 기초하는 북 리더(book reader)를 제안하였다. 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 방출된 광의 각도 분포의 플롯으로부터, 출사 각도는 광 가이드(35)의 바닥 표면에의 법선에 대하여 약 80°임을 알 수 있다. 도 2의 두번째 도면에서, 수평 축은 경사 각도(inclination angle)를 나타내고, 수직 축은 조명 강도를 나타낸다.
그러나, 도 1의 미세구조들은 특정한 크기를 갖는데, 예를 들면 간격이 0.1㎜이고, 이것은 일부 상황들 하에서는 가시적인 아티팩트들을 야기한다. 더 작고 눈에 보이지 않는 광 아웃커플링 구조들(light outcoupling structures)이 필요하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광은 표면 법선에 대해 큰 각도(예를 들어, 80°)에서 광 가이드를 탈출한다. 결과적으로, 북 리더가 책 페이지로부터 몇 ㎜ 들어올려질 때, 어두운 띠가 신속하게 나타난다. 광이 표면 법선에 대해 더 작은 각도에서 광 가이드를 탈출하게 함으로써 이러한 효과를 감소시킬 필요가 있다. 마지막으로, 광 가이드 내에서, 광은 전반사(TIR)를 위한 임계각에 매우 가깝거나 그를 초과하는 각도들에서 전파하기 때문에, 광 가이드는 지문, 먼지 입자 및 스크래치에 대해 매우 민감하다. 강건하고 스크래치 저항성이 있는(scratch-resistant) 구성이 필요하다.
본 발명은 종래 기술의 성능을 능가하기 위해, 회절 격자에 기반을 두는 광 가이드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 가이드 장치가 제공되는데, 그 광 가이드 장치는 그것의 내부에 또는 그것의 제1 표면 상에 위치된 제1 회절 격자를 포함하는 광 가이드 플레이트; 및 광 가이드 플레이트의 제1 측에 연결된 제1 광원을 포함하고, 제1 회절 격자는 광 가이드 플레이트의 제1 표면, 및 제1 표면에 반대되는 제2 표면으로부터 제1 광원에 의해 생성되는 광을 추출하도록 구성된다.
본 발명의 광 가이드 장치는 광 추출 구조로서 회절 격자를 이용한다. 회절 격자는 눈에 보이지 않을 정도로 작기 때문에, 사용자들은 광 가이드의 어떠한 변화도 거의 알아차리지 못 한다.
회절 격자를 이용할 때는 광 탈출 각도가 더 작기 때문에, 본 발명의 광 가이드 장치가 북 리더로서 이용되는 경우, 읽혀질 대상들로부터 멀어지는 방향으로 북 리더를 들어올릴 때 생성되는 어두운 영역은 미세구조에 기초하는 기존 광 가이드 장치에 대한 것보다 더 작다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 회절 격자의 피치는 상기 광의 가장 짧은 주파장(main wavelength)보다 더 작다. 그러한 상황에서는, 1차 회절만이 발생하고, 주변 광은 회절되지 않을 것이며, 억제될 2차 회절도 존재하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 회절 격자의 피치는 상기 광의 가장 긴 주파장보다 더 크다. 그러한 상황에서는, 1차 회절만이 아니라 2차 회절도 발생한다. 회절 격자는 2차 회절을 억제하도록 정사각형 형상을 갖는다. 그러한 상황에서는, 더 큰 투명 시야 원뿔(clear viewing cone)이 달성된다. 투명한 시야 원뿔은 광이 방출되지 않는 영역으로서, 이것은 이하의 도면들에서 설명될 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 가이드 플레이트는 광 가이드 플레이트의 상기 제1 및 제2 표면을 각각 덮는 2개의 클래딩 층을 가지며, 클래딩 층들 중 어느 것의 굴절률도 상기 광 가이드 플레이트의 굴절률보다 낮다. 클래딩 층들을 이용함으로써, 광 가이드 플레이트는 스크래치 저항성을 갖는다. 대안적으로, 클래딩 구성의 경우에서, 광 가이드 장치는 광이 클래딩 층들에 직접 들어가는 것을 방지하기 위해 광원과 광 가이드 플레이트 사이에 테이퍼링된 시준기(tapered collimator)를 더 포함한다.
대안적으로, 광 가이드 장치는 상기 제1 광원과 상기 광 가이드 플레이트 사이의 확산기를 더 갖는다. 대안적으로, 광 가이드 장치는 제1 광원과 확산기 사이의 혼합 광 가이드(mixing light guide)를 더 갖는다.
대안적으로, 광 가이드 장치는 훨씬 더 강한 회절 광 강도를 달성하기 위해, 광 가이드 플레이트의 제1 측에 반대되는 제2 측에 연결된 제2 광원을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 가이드 장치는 상기 제1 회절 격자와 교차하거나 그에 평행하고, 광 가이드 플레이트의 내부에 또는 그것의 제1 표면에 반대되는 제2 표면 상에 위치된 제2 회절 격자를 더 포함한다.
2개의 회절 격자를 이용함으로써, 광 가이드 장치는 훨씬 더 강한 광 강도를 추출한다. 상이한 피치를 갖는 2개의 회절 격자를 이용함으로써, 광 가이드 장치는 더 큰 클리어 뷰 원뿔(clear viewing cone)을 달성한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위에서 설명된 것과 같은 2개의 광 가이드 장치, 즉 제1 광 가이드 장치 및 제2 광 가이드 장치를 포함하는 광 가이드 디바이스가 제공되는데, 제1 장치의 제1 회절 격자는 제2 장치의 제1 회절 격자보다 더 작은 피치를 갖고, 제1 장치의 제1 회절 격자에 주입되는 광은 제2 장치의 제1 회절 격자에 주입되는 광보다 더 짧은 파장을 갖고, 제1 장치의 광 가이드 플레이트는 제2 장치의 광 가이드 플레이트와 접촉하지 않는다.
이러한 것들과 그 외의 본 발명의 목적 및 특징들은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면들과 관련하여 고찰함으로써 더 명백해질 것이다.
도 1은 광학적 미세구조들(51)을 갖는 광 가이드(35)의 개략도이다.
도 2는 도 1의 광 가이드(35)로부터의 방출 광의 각도 분포의 플롯이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 다른 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 광원을 갖는 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 5는 회절 격자의 광학적 경로의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라, 제1 광원(12)에 의해 방출되는 광의 가장 짧은 주파장보다 작은 피치를 갖는 회절 격자에 기초하는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도이다.
도 7은 도 6의 회절 광의 각도 분포의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2개의 광원(12)을 갖는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도이다.
도 9는 도 8의 회절 광의 각도 분포의 개략도이다.
도 10은 북 리더로서 이용되는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제1 광원(12)에 의해 방출되는 광의 가장 긴 주파장보다 큰 피치를 갖는 회절 격자(13)에 기초하는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도이다.
도 12는 도 11의 1차 및 2차 회절 광의 각도 분포의 개략도이다.
도 13a 및 도 13b는 700㎚의 큰 피치를 갖는 정현곡선형 격자 및 정사각형 격자의 회절 효율을 각각 나타낸 것이다.
도 14는 양측으로부터의 조명을 갖는 정사각형 형상의 격자(13)에 기초하는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도이다.
도 15는 2개의 저굴절률 중합체 클래딩 층(17 및 17')으로 코팅된 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 16은 광이 클래딩 층들에 입사하는 것을 방지하기 위해, 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이에 테이퍼링된 시준기(18)를 갖는 2개의 저굴절률 중합체 클래딩 층으로 코팅된 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는 700㎚의 큰 피치를 갖는 정사각형 격자(13)의 회절 효율을 나타낸 것이다.
도 18은 제1 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이에 확산기(19)를 갖는 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 19는 제1 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이에 혼합 광 가이드(110) 및 확산기(19)를 갖는 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 20은 테이퍼링된 시준기(18) 및 확산기(19)를 갖는 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 21은 2개의 평행한 회절 격자(13 및 111)를 갖는 광 가이드 장치의 개략도이다.
도 22는 각각 광 가이드 플레이트의 2개의 표면(104 및 105) 상에 위치된 2개의 교차하는 회절 격자(13 및 111)의 개략도이다.
도면들 전체에서, 유사한 부분들을 나타내기 위해 동일한 참조번호들이 이용된다.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 가이드 장치를 도시하고 있다. 도 3의 광 가이드 장치는 광 가이드 플레이트(11) 및 제1 광원(12)을 포함한다. 광 가이드 플레이트(11)는 그것의 제1 표면 상에 제1 회절 격자(13)를 갖는다. 제1 광원(12)은 광 가이드 플레이트(11)의 제1 측에 연결된다. 제1 광원(12)은 단일 또는 복수의 LED, OLED, CCFL 또는 EL을 포함한다. 광 가이드 플레이트(11)는 폴리카보네이트(PC) 또는 폴리메틸메타크릴레이트 또는 폴리스티렌(PS) 또는 고리형 올레핀 공중합체(Cyclic Olefin Copolymer)(COC) 등으로 만들어질 수 있다.
도 3의 다양한 실시예에서, 제1 회절 격자(13)는 도 4에 도시된 것과 같이 광 가이드 플레이트(11) 내부에도 위치될 수 있다.
대안적으로, 광 가이드 장치는 도 5에 도시된 것과 같이, 광 가이드 플레이트(11)의 제1 면에 반대되는 제2 면에 연결된 제2 광원(12)을 더 포함한다.
도 5에서, 광은 양측으로부터 광 가이드 플레이트(11)에 주입된다. 제1 회절 격자(13)는 상단 표면 및 하단 표면, 즉 광 가이드 플레이트(11)의 제1 표면 및 제2 표면으로부터 광을 추출한다.
굴절률 ni를 갖는 광 가이드 내를 이동하는 광에 대해 고찰해보기로 한다. 광은 경사각 θi 및 방사각 φi으로 표면에서 회절 격자와 충돌한다. 회절된 빔 θd 및 φd의 방향은 이하의 식을 이용하여 구해질 수 있다.
Figure pct00001
여기에서, m은 회절 차수(...-2, -1, 0, +1, +2...)이고, λ는 광의 파장이고, Λ는 격자의 피치이고, nd는 광 가이드 외부의 매질의 굴절률이다. 일반성을 잃지 않고서, 방위각 φid =0이라고 가정하면, 수학식 1은 수학식 2로 된다.
Figure pct00002
수학식 2로부터, 제1 회절 격자(13)의 피치의 값이 제1 또는 제2 광원(12)에 의해 방출되는 광의 파장 및 광의 입사각과 같은 많은 매개변수들에 의존한다는 것을 알 수 있다.
일반성을 잃지 않고서, 이하의 실시예들에서 간단함을 위하여, 입사광 및 회절광의 방위각은 제로라고 가정된다.
실시예에서, 제1 회절 격자(13)의 피치는 제1 광원(12)에 의해 방출되는 광의 가장 짧은 주파장보다 작다. 예를 들어, 제1 광원(12)은 3개의 LED, 즉 620㎚의 파장을 갖는 적색 광을 방출하는 제1 LED, 530㎚의 파장을 갖는 녹색 광을 방출하는 제2 LED, 및 470㎚의 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 제3 LED를 포함한다. 제1 회절 격자(13)의 피치는 275㎚이다. 도 6은 일측으로부터의 조명을 가지며, 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률 n이 1.50인 그러한 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도를 도시한 것이다. 도 6에서, 광의 입사각 θi(14)는 광 가이드 플레이트(11)의 제1 표면에 대한 표면 법선(15)과 90° 및 67°를 이루며, 1차 회절만이 발생한다. 적색 광은 -61°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출한다. 녹색 광은 -31°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출한다. 청색 광은 -19°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출한다. 도 6에서, 대형의 비대칭의 클리어 뷰 원뿔(16) -19°내지 +90°이 달성된다. 광 가이드 장치가 북 리더로서 이용될 때, 읽고 있는 사람은 광 가이드 플레이트(11) 아래의 페이지를 표면 법선(15)에 가깝게 관측하되, 그의 눈을 클리어 뷰 원뿔(16) 내에 두어야 한다. 도 7은 회절 광의 각도 분포를 도시한 것인데, 여기에서 "R", "G" 및 "B"는 각각 적색 광선, 녹색 광선 및 청색 광선을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 광 가이드 장치의 광학적 경로를 도시한 것이다. 도 8에서, 광 가이드 장치는 광 가이드 플레이트(11)의 대향하는 양측에 위치된 2개의 광원, 즉 제1 광원(12) 및 제2 광원(12)을 갖는다. 도 6의 장치와 마찬가지로, 도 8의 각각의 광원(12)은 3개의 LED, 즉 620㎚의 파장을 갖는 적색 광을 방출하는 제1 LED, 530㎚의 파장을 갖는 녹색 광을 방출하는 제2 LED, 및 470㎚의 파장을 갖는 청색 광을 방출하는 제3 LED를 갖는다. 제1 회절 격자(13)의 피치는 275㎚이다. 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률은 1.5이다. 도 8에서, 광의 입사각 θi(14)는 광 가이드 플레이트(11)의 제1 표면에 대한 표면 법선(15)과 67°를 이루며, 1차 회절만이 발생한다. 도 8에서, 대형의 대칭의 클리어 뷰 원뿔(16) -19°내지 +19°가 달성된다. 도 9는 회절 광의 각도 분포를 도시한 것인데, 여기에서 "R", "G" 및 "B"는 각각 적색 광선, 녹색 광선 및 청색 광선을 나타낸다.
도 6 및 도 8로부터, -α 내지 +α의 클리어 뷰 원뿔(16)이 요구되는 경우, 광의 1차 회절 각도는 네거티브의 클리어 뷰 원뿔의 반각(half angle) -α보다 더 네거티브이어야 함을 알 수 있다.
도 6 또는 도 8의 광 가이드 장치가 북 리더로서 이용될 때, 도 10에 도시된 것과 같이, 종이의 광 혼합 속성으로 인해, 다양한 컬러의 광이 통합되어 종이(101) 상에 백색 광을 형성한다.
다른 실시예에서, 제1 회절 격자(13)의 피치는 제1 광원(12)에 의해 방출되는 광의 가장 긴 주파장보다 더 크다. 예를 들어, 제1 광원(12)은 도 6 및 도 8에서의 광원(12)과 동일하다. 제1 회절 격자(13)의 피치는 700㎚이다. 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률은 또한 1.5이다. 도 11은 일측으로부터의 조명을 갖는 그러한 광 가이드 장치의 광학 경로의 개략도이다. 도 11에서, 광의 입사각 θi(14)는 광 가이드(11)의 제1 표면에 대한 표면 법선(15)과 67°를 이루며, 1차 회절(102)만이 아니라 2차 회절(103)도 발생한다. 1차 회절에서, 적색 광은 +30°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출하고, 녹색 광은 +45°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출하고, 청색 광은 +50°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출한다. 2차 회절에서, 적색 광은 -23°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출하고, 녹색 광은 -8°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출하고, 청색 광은 +0.5°의 각도에서 광 가이드 플레이트(11)를 탈출한다. 도 12는 도 11의 1차 및 2차 회절 광의 각도 분포를 도시한 것이다.
도 11로부터, 2차 회절이 클리어 뷰 원뿔 내에 있으며, 2차 회절 광은 독자가 광 가이드 플레이트(11) 아래의 페이지를 읽을 때 눈부신 광으로서 독자를 방해할 것이기 때문에, 2차 회절은 억제되어야 한다는 것을 알 수 있다. 2차 회절은 격자 형상의 적절한 설계에 의해 억제될 수 있다. 정현곡선형 격자는 정사각형 형상의 격자보다 성능이 덜 좋다. 이것은 도 13a 및 도 13b에 도시되어 있다. 표면 법선을 따라 지나가는 주변 광은 약하게 회절될 것임을 알아야 한다. 또한, 격자들의 형상은 회절 효율을 결정할 뿐이며, 회절 각도에는 어떠한 영향도 갖지 않음에 유의해야 한다.
도 13a 및 도 13b는 각각 700㎚의 큰 피치를 갖는 정현곡선형 및 정사각형 회절 격자의 회절 효율을 나타낸 것이다. 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률은 1.5이다. 입사광의 파장은 530㎚이고, 입사각은 67°이다. 정사각형 회절 격자의 듀티 사이클은 0.5이고, "-mT" 및 "-kR"은 각각 m차 회절 및 k차 반사의 회절 효율을 나타낸다 (m=1, 2, 3; k=1, 2). 수직축은 회절 효율을 나타내고, 수평축은 제1 회절 격자(13)의 깊이(㎛)를 나타낸다. 간단함을 위하여, s-편광된 광의 회절 효율만이 나타나 있다. 정현곡선 형상의 큰 피치의 격자에 대하여, 2차의 회절 효율이 작지 않다는 것이 나타나 있다. 그러나, 정사각형 형상의 격자를 이용함으로써, 이러한 2차 회절이 크게 억제될 수 있다. 도 13b에서, 2차 회절의 회절 효율은 1차 회절의 회절 효율의 10% 미만이다.
도 14는 양측으로부터의 조명을 갖는 정사각형 형상의 격자에 기초하는 광 가이드 장치의 광학적 경로의 개략도를 도시한 것으로, 여기에서 2차 회절 격자는 양호하게 감소된다. 도 14의 광 가이드 장치의 매개변수는 도 11의 광 가이드 장치의 매개변수와 동일하다. -30°내지 +30°의 큰 클리어 뷰 원뿔(16)이 달성된다.
도 11 및 도 14로부터, -α 내지 +α의 클리어 뷰 원뿔(16)이 요구되는 경우, 광의 1차 회절 각도는 포지티브의 클리어 뷰 원뿔의 반각 α보다 더 포지티브이어야 한다.
본 발명의 실시예에서, 광 가이드 플레이트(11)는 스크래치를 방지하기 위해 광 가이드 플레이트(11)의 제1 및 제2 표면을 각각 덮는 2개의 클래딩 층(17 및 17')을 갖는다. 클래딩 층(17 및 17') 중 어느 것의 굴절률도 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률보다 더 낮다. 2개의 클래딩 층은 동일 또는 상이한 물질로 만들어질 수 있으며, 동일 또는 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
도 15에서, 스크래치 저항성이 있는 구성의 그러한 본질적인 특징들이 도시되어 있다. 광 가이드 플레이트(11)는 고굴절률 중합체, 예를 들어 n=1.59의 폴리카보네이트(PC)로 만들어진다. 회절 격자(13)는 PC의 한 표면 내에서 프레싱되며, 후속하여 광 가이드 플레이트(11)는 2개의 저굴절률 중합체 클래딩 층(17 및 17'), 예를 들어 n=1.4를 갖는 실리콘으로 코팅된다. PC와 실리콘의 계면에서, arcsin(1.4/1.59)=61.7°보다 큰 입사각들에 대하여 TIR(전반사)이 발생할 것이다. 이는 입력 패싯(input facet)에서의 각도들이 공기 내에서의 48.9°에 대응하는 PC에서의 90-61.7=28.3°이하로 제한되어야 함을 의미한다.
입력 광의 효율을 개선하기 위하여, 도 16에 도시된 바와 같이, 광이 클래딩 층들(17 및 17')에 직접 들어오는 것을 방지하기 위해, 광 가이드 장치는 제1 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이의 테이퍼링된 시준기(18)를 갖는다. 단순한 테이퍼링된 시준기(18) 섹션으로, 광은 제1 광원(12)으로부터 클래딩 층들(17 또는 17')에 절대로 직접 들어오지 않을 것이며, 단지 직접 광 가이드 플레이트(11)까지 거쳐 지나갈 뿐일 것이다. 제1 회절 격자(13)의 피치는 도 6에서만큼 작게, 또는 도 11에서만큼 크게 선택될 수 있다. 도 11에 도시된 것과 같이 큰 피치를 갖는 후자의 경우에서, 2차 회절은 도 14에 도시된 것과 같은 클래드층이 없는 사례에 비해 훨씬 더 양호하게 억제된다. 이것은 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시되어 있다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는 700㎚의 큰 피치를 갖는 정사각형 격자(13)의 회절 효율을 나타낸 것이다. 간단함을 위하여, s-편광된 광의 회절 효율만이 나타나 있다. 도 17a, 도 17b 및 도 17c의 수직축은 회절 효율을 나타내고, 도 17a, 도 17b 및 도 17c의 수평축은 각각 회절 격자(13)의 깊이(㎛), 입사광의 파장(㎛) 및 회절 각도(도)를 나타낸다. 광 가이드 플레이트(11) 및 클래딩 층들(17)의 굴절률은 각각 1.59 및 1.4이다. 입사광의 파장은 530㎚이고, 입사각은 67°이다. 정사각형 회절 격자의 듀티 사이클은 0.5이고, "-mT" 및 "-kR"은 각각 m차 회절 및 k차 반사를 나타낸다 (m=1, 2; k=1, 2). n=1.59의 정사각형 격자를 n=1.4의 2개의 클래딩 층으로 클래딩하는 것은 2차 회절을 훨씬 더 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 이것은 큰 피치를 갖는 제1 회절 격자에 대해 매우 유리하다.
본 발명의 실시예에서, 광 가이드 장치는 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이의 확산기(19)를 갖는다. 확산기(19)는 광이 제1 회절 격자(13)를 포함하는 광 가이드 플레이트(11)에 들어가기 전에 광의 방향을 전환/혼합하여, 확산기(19)를 떠나는 광이 처음의 LED들과 같은 "점" 광원(12) 대신에 "표면/스트립" 광원으로부터 나온 광처럼 균질로 되게 하기 위해 이용된다. 그렇지 않으면, 광 가이드 플레이트(11)가 다른 각도에서 관측될 때, 광 가이드 플레이트(11) 표면 상에서 광원(12)으로부터 관측자의 눈까지의 방향으로 연장하는 광 스트립(light strip)이 관측될 것이다. 확산기(19)가 없다면, 줄무늬같은(streaky) LED 패턴이 보일 수 있다. 확산기(19)는 줄무늬(streak)가 사라지게 하고, 광은 더 균일해진다.
대안적으로, 도 19에 도시된 바와 같이, 광을 확산기(19) 내로 가이드하기 위해, 제1 광원(12)과 확산기(19) 사이의 혼합 광 가이드(110)가 존재한다.
도 20은 공존하는 테이퍼링된 시준기(18)와 확산기(19)의 개략도를 도시한 것이다. 광은 먼저 확산기(19)에 들어온 다음, 테이퍼링된 시준기(18)에 들어간다.
본 기술분야의 숙련된 자라면, 도 8에 도시된 것과 같은 2개의 광원의 경우에서, 각각의 광원(12)과 광 가이드 플레이트(11) 사이에 확산기(19) 및/또는 테이퍼링된 시준기(18)가 존재함을 이해할 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 가이드 장치는 제1 회절 격자(13)에 더하여, 제1 회절 격자(13)와 교차하거나 그와 평행하고, 광 가이드 플레이트(11) 내부에 또는 광 가이드 플레이트의 제1 표면에 반대되는 제2 표면 상에 위치된 제2 회절 격자(111)를 포함한다. 도 21은 2개의 평행한 회절 격자(13 및 111)를 갖는 그러한 광 가이드 장치를 도시한 것이다. 2개의 평행한 회절 격자를 통해, 회절 광의 강도가 배가된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상이한 피치들을 갖는 2개의 회절 격자를 통해, 큰 클리어 뷰 원뿔 및 더 많은 광이 달성된다. 작은 피치를 갖는 제1 회절 격자(13)에 주입되는 광의 파장은 비교적 큰 피치를 갖는 제2 회절 격자(111)에 주입되는 광의 파장보다 더 짧다. 그리고, 제1 회절 격자(13)에 주입되는 광은 제2 격자(111)와 상호작용하지 않는다. 이것은 2가지 방식으로 방지될 수 있다 :
(1) 단일 광 가이드 플레이트(11) 상에서, 각각 상단 표면 및 하단 표면, 즉 제1 및 제2 표면 상에 있는 2개의 교차되는 회절 격자;
(2) 각각 회절 격자를 갖는, 서로 접촉하지 않는 2개의 별개의 광 가이드 (2개의 격자는 평행하거나 교차할 수 있음).
도 22는 광 가이드 장치의 2개의 표면(104 및 105) 상에 각각 위치된 2개의 회절 격자(13 및 111)의 개략도를 도시한 것이다. 2개의 회절 격자는 서로에 대해 수직하다. 제1 회절 격자(13)는 240㎚의 피치를 갖는다. 청색 및 녹색 광은 제1 회절 격자(13)에 주입된다. 제2 회절 격자(111)는 275㎚의 피치를 갖는다. 적색 광은 제2 회절 격자(111)에 주입된다.
제1 회절 격자(13)만을 포함하는 광 가이드 장치에 비교하여, 도 22의 광 가이드 장치는 제1 회절 격자(13)만을 포함하는 광 가이드 장치에 의해서는 회절되지 않는 적색 광을 달성한다. 제2 회절 격자(111)만을 포함하는 광 가이드 장치에 비교하여, 도 22의 광 가이드 장치는 제2 회절 격자(111)만을 포함하는 광 가이드 장치에 의해 달성되는 클리어 뷰 원뿔보다 더 큰 대형의 클리어 뷰 원뿔을 달성한다.
본 발명의 실시예들이 위에서 설명되었다. 그리고, 제2 광원(12) 및 클래딩 층들(17 및 17'), 제2 회절 격자(111) 및 클래딩 층들(17 및 17'), 제2 회절 격자(111) 및 확산기(19) 등과 같이, 모든 대안적인 기술적 특징들이 결합될 수 있다.
도면들의 광학적 경로들은 예시적인 것일 뿐이며, 간단함을 위하여 모든 광선들이 도면들에 도시되지는 않았음을 이해해야 한다.
여기에 개시된 구조의 많은 변화 및 수정이 본 기술분야의 숙련된 자들에게 떠오를 것이다. 그러나, 상기에서 설명된 실시예는 예시를 목적으로 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 제한으로서 해석되어서는 안 된다는 점을 이해하여야 한다. 본 발명의 취지로부터 벗어나지 않는 그러한 모든 수정이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 청구항들에서, 괄호 안의 어떠한 참조 부호들도 청구항을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 동사 "포함한다(to comprise)" 및 그것의 활용형은 청구항 또는 설명에 나열되지 않은 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 구성요소 앞에 복수 표현이 없는 것(부정관사 "a" 또는 "an"을 사용한 것)은 그러한 구성요소가 복수개 존재하는 것을 배제하지 않는다. 용어 제1, 제2 및 제3 등의 사용은 어떠한 순서도 나타내지 않는다. 이러한 용어들은 명칭으로서 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 광 가이드 장치(light guide apparatus)로서,
    광 가이드 플레이트(light guide plate)(11) - 상기 광 가이드 플레이트는 상기 광 가이드 플레이트(11) 내부에 또는 상기 광 가이드 플레이트의 제1 표면 상에 위치된 제1 회절 격자(13)를 포함함 -; 및
    상기 광 가이드 플레이트(11)의 제1 측에 연결된 제1 광원(12)
    을 포함하고, 상기 제1 회절 격자(13)는 상기 광 가이드 플레이트(11)의 상기 제1 표면, 및 상기 제1 표면에 반대되는 제2 표면으로부터 상기 제1 광원(12)에 의해 생성되는 광을 추출하도록 구성되는 광 가이드 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자(13)의 피치는 상기 광의 가장 짧은 주파장(main wavelength)보다 작은 광 가이드 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광의 1차 회절 각도는 요구되는 네거티브 클리어 뷰 원뿔 반각(negative clear viewing cone half angle)보다 더 네거티브인 광 가이드 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자(13)의 피치는 상기 광의 가장 긴 주파장보다 더 큰 광 가이드 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회절 격자(13)는 상기 광의 2차 회절을 억제하기 위해 정사각형 형상을 갖는 광 가이드 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광의 1차 회절 각도는 요구되는 포지티브 클리어 뷰 원뿔 반각보다 더 포지티브인 광 가이드 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 플레이트(11)는 각각 상기 광 가이드 플레이트(11)의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면을 덮는 2개의 클래딩 층들(17)(17')을 갖고, 상기 클래딩 층들(17)(17') 중 어느 것의 굴절률도 상기 광 가이드 플레이트(11)의 굴절률보다 낮은 광 가이드 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클래딩 층들(17)(17')에 광이 직접 들어가는 것을 방지하기 위해, 상기 제1 광원(12)과 상기 광 가이드 플레이트(11) 사이에 테이퍼링된 시준기(tapered collimator)(18)를 더 포함하는 광 가이드 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 장치는 상기 제1 광원(12)과 상기 광 가이드 플레이트(11) 사이의 확산기(19)를 갖는 광 가이드 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광 가이드 장치는 상기 제1 광원(12)과 상기 확산기(19) 사이의 혼합 광 가이드(mixing light guide)(110)를 갖는 광 가이드 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드 플레이트(11)의 상기 제1 측에 반대되는 제2 측에 연결된 제2 광원(12)을 더 포함하는 광 가이드 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자(13)와 교차하거나 그에 평행하고, 상기 광 가이드 플레이트(11)의 내부에 또는 상기 광 가이드 플레이트의 상기 제2 표면 상에 위치된 제2 회절 격자(111)를 더 포함하는 광 가이드 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자(13)는 상기 제2 회절 격자에 대하여 교차되고, 상기 제2 회절 격자(111)보다 작은 피치를 가지며, 상기 제1 회절 격자(13)에 주입되는 광은 상기 제2 회절 격자(111)와 상호작용하지 않고, 상기 제2 회절 격자(111)에 주입되는 광보다 짧은 파장을 갖는 광 가이드 장치.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제1 장치, 및 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제2 장치를 포함하는 광 가이드 디바이스로서,
    상기 제1 장치의 제1 회절 격자(13)는 상기 제2 장치의 제1 회절 격자(13)보다 작은 피치를 갖고, 상기 제1 장치의 제1 회절 격자(13)에 주입되는 광은 상기 제2 장치의 제1 회절 격자(13)에 주입되는 광보다 더 짧은 파장을 가지며, 상기 제1 장치의 광 가이드 플레이트(11)는 상기 제2 장치의 광 가이드 플레이트(11)와 접촉하는 않는 광 가이드 디바이스.
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