광 가이드 및 조명 기구용 투명 확산기(TRANSPARENT DIFFUSERS FOR LIGHTGUIDES AND LUMINAIRES)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2016-0097335
(43) 공개일자 2016년08월17일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
F21V 5/00 (2006.01) G02B 5/02 (2006.01)
(52) CPC특허분류
F21V 5/002 (2013.01)
G02B 5/0215 (2013.01)
(21) 출원번호 10-2016-7018640
(22) 출원일자(국제) 2014년12월10일
심사청구일자 없음
(85) 번역문제출일자 2016년07월11일
(86) 국제출원번호 PCT/US2014/069482
(87) 국제공개번호 WO 2015/089147
국제공개일자 2015년06월18일
(30) 우선권주장
61/915,327 2013년12월12일 미국(US)
(71) 출원인
코닝 인코포레이티드
미국 뉴욕 (우편번호 14831) 코닝 원 리버프론트
플라자
(72) 발명자
골리어, 재큐스
미국, 워싱턴 98052, 레드몬드, 8500 148쓰 어베
뉴 엔이 티1066
하트, 산돈 디
미국, 뉴욕 14830, 코닝, 파인 힐 로드 4005
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
청운특허법인
전체 청구항 수 : 총 24 항
(54) 발명의 명칭 광 가이드 및 조명 기구용 투명 확산기
(57) 요 약
광-투과 구조체는 복수의 영역들을 가진 기판을 포함하고, 복수의 영역들 중 적어도 2 개는 서로 다른 굴절률들
을 가지며, 복수의 영역들을 통하여 제 1 광 소스로부터 투과된 광의 광학 경로 길이는 실질적으로 일정하며, 그
리고 제 2 광 소스로부터 기판 내로 투과된 광은 복수의 영역들 중 적어도 하나에 의해 산란된다.
대 표 도 - 도5
공개특허 10-2016-0097335
- 1 -
(52) CPC특허분류
G02B 5/0221 (2013.01)
G02B 5/0263 (2013.01)
G02B 5/0278 (2013.01)
(72) 발명자
코치, 칼 윌리암 Ⅲ
미국, 뉴욕 14903, 엘미라, 란세롯 드라이브 153
코식-윌리암스, 엘렌 마리에
미국, 뉴욕 14870, 페인티드 포스트, 다비스 스트
릿 132
웨스트, 제임스 앤드류
미국, 뉴욕 14870, 페인티드 포스트, 챗필드 플레
이스 이스트 1
공개특허 10-2016-0097335
- 2 -
명 세 서
청구범위
청구항 1
복수의 영역들을 가진 기판을 포함하며,
상기 복수의 영역들 중 적어도 2 개는 서로 다른 굴절률들을 가지고.
상기 복수의 영역들을 통하여 제 1 광 소스로부터 투과된 광의 광학 경로 길이는 실질적으로 일정하며, 그리고
제 2 광 소스로부터 상기 기판 내로 투과된 광은 상기 복수의 영역들 중 적어도 하나에 의해 산란되는, 광-투과
구조체.
청구항 2
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 영역들은 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하며, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역과 상
기 제 3 영역 사이 중간에 위치하는, 광-투과 구조체.
청구항 3
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 복수의 영역들 중 하나는 주변 환경에 대해 계면을 정의하는 기판의 표면 상에 위치하는, 광-투과 구조체.
청구항 4
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제 2 영역은 고 굴절률 및 저 굴절률을 포함한 광-산란 표면을 가지는, 광-투과 구조체.
청구항 5
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제 2 영역은 저 굴저률을 가진 파티클들, 및 서로 다른 굴절률을 가진 충전제 또는 바인더를 포함하는, 광
-투과 구조체.
청구항 6
청구항 5에 있어서,
상기 파티클들은 중공 또는 고체인, 광-투과 구조체.
청구항 7
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제 2 영역은 구조화 요소들을 포함하는, 광-투과 구조체.
청구항 8
청구항 7에 있어서,
상기 구조화 요소들은 주기적, 기하학적, 랜덤, 반-랜덤, 비-주기적, 프리즘 형태의 또는 비-프리즘 형태의 요
소들인, 광-투과 구조체.
청구항 9
공개특허 10-2016-0097335
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청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 광학 경로 길이에서 상기 구조화 요소들의 두께는 약 0.05 미크론 미만, 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크
론, 약 0.05 미크론 내지 약 50 미크론, 또는 50 미크론 내지 100 미크론인, 광-투과 구조체.
청구항 10
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 영역들 각각의 굴절률은 1.0 내지 2.5, 1.0 내지 1.3, 1.0 내지 2.0, 또는 1.3 내지 2.0의 범위에
있는, 광-투과 구조체.
청구항 11
청구항 2에 있어서,
상기 제 2 광 소스로부터의 광은 상기 제 2 영역에 의해 산란되는, 광-투과 구조체.
청구항 12
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 한에 있어서,
상기 제 2 광 소스는 발광 다이오드 (LED), LED들의 어레이, 및 레이저로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 광-투
과 구조체.
청구항 13
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 한에 있어서,
상기 제 2 광 소스는 상기 구조체의 에지에 입력을 제공하거나, 또는 상기 구조체의 앞면에 입력을 제공하는,
광-투과 구조체.
청구항 14
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 한에 있어서,
상기 구조체는 투명 조명 기구, 투명 디스플레이, 헤드-업 디스플레이, 헤드-장착식 디스플레이, 투명
백라이트, 터치 스크린 디스플레이, 액정 디스플레이, 아쿠아리움, 레이저 기반 반사 헤드-업 디스플레이, 웨어
러블 디스플레이, 창, 차량 대시보드, 자동 창, 도파관, 광 가이드, 또는 건축용 창인, 광-투과 구조체.
청구항 15
복수의 영역들을 가진 기판, 상기 기판에 내장된 구조화 영역인 제 1 영역 및 주변 환경에 대해 계면을 정의하
는 기판의 표면 상의 제 2 영역을 포함하며,
상기 복수의 영역들 중 적어도 2 개는 서로 다른 굴절률들을 가지고.
상기 복수의 영역들을 통하여 제 1 광 소스로부터 투과된 광의 광학 경로 길이는 실질적으로 일정하며, 그리고
제 2 광 소스로부터 상기 기판 내로 투과된 광은 상기 복수의 영역들 중 적어도 하나에 의해 산란되는, 광-투과
구조체.
청구항 16
청구항 15에 있어서,
상기 제 2 영역은 고 굴절률 및 저 굴절률을 포함한 광-산란 표면을 가지는, 광-투과 구조체.
청구항 17
청구항 15 또는 청구항 16 있어서,
상기 제 2 영역은 저 굴저률을 가진 파티클들, 및 서로 다른 굴절률을 가진 충전제 또는 바인더를 포함하는, 광
-투과 구조체.
공개특허 10-2016-0097335
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청구항 18
청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 영역은 구조화 요소들을 포함하는, 광-투과 구조체.
청구항 19
청구항 18에 있어서,
상기 구조화 요소들은 주기적, 기하학적, 랜덤, 반-랜덤, 비-주기적, 프리즘 형태의 또는 비-프리즘 형태의 요
소들인, 광-투과 구조체.
청구항 20
청구항 18 또는 청구항 19 있어서,
상기 광학 경로 길이에서 상기 구조화 요소들의 두께는 약 0.05 미크론 미만, 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크
론, 약 0.05 미크론 내지 약 50 미크론, 또는 50 미크론 내지 100 미크론인, 광-투과 구조체.
청구항 21
청구항 15 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 영역들 각각의 굴절률은 1.0 내지 2.5, 1.0 내지 1.3, 1.0 내지 2.0, 또는 1.3 내지 2.0의 범위에
있는, 광-투과 구조체.
청구항 22
청구항 15 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 광 소스는 발광 다이오드 (LED), LED들의 어레이, 및 레이저로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 광-투
과 구조체.
청구항 23
청구항 15 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 광 소스는 상기 구조체의 에지에 입력을 제공하거나, 또는 상기 구조체의 앞면에 입력을 제공하는,
광-투과 구조체.
청구항 24
청구항 15 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체는 투명 조명 기구, 투명 디스플레이, 헤드-업 디스플레이, 헤드-장착식 디스플레이, 투명
백라이트, 터치 스크린 디스플레이, 액정 디스플레이, 아쿠아리움, 레이저 기반 반사 헤드-업 디스플레이, 웨어
러블 디스플레이, 창, 차량 대시보드, 자동 창, 도파관, 광 가이드, 또는 건축용 창인, 광-투과 구조체.
발명의 설명
기 술 분 야
관련 출원 상호 참조[0001]
본 출원은 35 U.S.C.§ 119 하에서, 2013년 12월 12일에 출원된 미국 가출원 제61/915327호의 우선권 주장 출원[0002]
이고, 상기 미국 가출원의 내용은 전부다 참조에 의해 본원에 병합된다.
배 경 기 술
투명 매질을 통해 물체를 사용자가 볼 수 있는 수많은 디바이스들, 적용물 및 상황들이 있다. 예를 들어, 셀[0003]
폰들, 컴퓨터 디스플레이들, 텔레비전들 및 가전기기들은 투명 매질을 가진 디스플레이를 사용할 수 있고, 상기
투명 매질을 통하여 디스플레잉된 정보 또는 사진은 보일 수 있다. 이와 유사한 방식으로, 창들, 차량 앞유리
공개특허 10-2016-0097335
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들, 사진 및 다른 공예품을 덮기 위한 유리, 아쿠아리움들 등은 또한 투명 매질을 통해 물체를 보는 것을 수반
할 수 있다.
눈부심 및 광학 왜곡을 포함한 투명 매질을 통해 물체를 볼 시에, 일반적인 문제들이 일어난다. 눈부심은 일[0004]
반적으로 투명 매질의 하나 이상의 표면들로부터의 투명 매질의 보는 사람 측면에 있는 주변 광의 경면
(specular) 반사이다. 눈부심은 주변 광의 소스로부터 투명 매질의 표면으로, 그 후에 보는 사람으로, 반사
각도와 실질적으로 동일한 입사 각도로 뻗어나간 광학 경로를 이동한다. 다른 한편으로는 물체로부터의 광은
물체로부터 투명 매질을 통하여 보는 사람으로 이동한다. 눈부심은, 눈부심 및 물체의 광학 경로들이 투명 매
질과 보는 사람 사이의 영역에 실질적으로 겹쳐질 실에, 투명 매질을 통해 물체를 보는 것을 곤란하게 한다.
종래의 눈부심 방지 표면들은 눈부심을 피하거나 줄이기 위해 투명 매질의 보는 사람-측면 표면에 적용된다.[0005]
상기와 같은 표면들은 소정의 각도에 걸쳐 반사 광을 산란시키기 위해 이용된다. 종래의 방법들은 또한 투명
액정 디스플레이들 또는 다른 적용들에 대한 백라이트들 등의 투명 광 소스들을 생성하려고 시도되었다. 그러
나, 이들 방법들은 하나 이상의 광 소스들, 예컨대, 환경 및 백라이트 또는 다른 입력 신호들과 함께, 투명 매
질을 통하여, 산란 및 다른 광학 효과들을 적절하게 해결하지 못했다.
발명의 내용
해결하려는 과제
이로써, 투명 확산기 등의 투명 광 소스들을 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것이 산업계에서 필요하다.[0006]
과제의 해결 수단
본원에서 개시된 실시예들은 일반적으로 제 1 소스로부터의 광이 투명 확산기 구조체로부터 산란되어 분포 또는[0007]
확산된 광 소스를 생성하도록, 제 1 광 소스, 예컨대, 제 1 에지 광 소스 또는 제 1 앞면 광 소스로 구성될 수
있는 투명 확산기에 관한 것이다. 그러나, 제 1 광 소스는 또한 예를 들면 창을 통한 배경 또는 외부 환경으
로부터의 배경과 같은 외부 주변 투과 광 (제 2 광 소스는 제 1 광 소스와는 무관)에 대해 매우 투명하다. 예
시 제 1 광 소스들은 발광 다이오드들 (LED들), LED들의 어레이 또는 어레이들, 또는 투명 매질 내로의 신호 또
는 소스 입력들에 대해 이용된 다른 광 소스들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
예시 실시예는 여입사각(glancing angle)으로 구조체로부터 반사되거나, (에지-광 도파관에서와 같이) 구조체의[0008]
도파관 모드들 내로 들어가는 1% 초과, 5% 초과, 10% 초과, 또는 20% 초과의 광을 산란시킬 수 있고, 즉 약 1
도 초과 또는 약 10 도 초과로 경면 광선 각도로부터의 편차를 일으킬 수 있다. 예시 투명 확산기 구조체들은
고 광학 투과, 투과에서의 고 광학 투명도, 저 광학 투과 헤이즈, 또는 산란된 투과 광의 저 퍼센트 (예컨대,
약 1 도 또는 약 0.1 도 초과의 각도로 산란된, 50% 미만, 20% 미만, 10% 미만, 5% 미만, 또는 1% 미만의 투과
광) 중 하나 이상을 가진 외부 주변 투과 광선들을 초래할 수 있다. 상기와 같은 예시 광학 투과 계측은 산란
광의 종래의 방법에 비해 엄청나게 개선되었다. 추가 실시예들은 분포된 광 소스로서 작동하는 투명 백라이트
또는 조명 기구를 제공할 수 있으며, 그리고 상기와 같은 개선된 광학 투과 계측을 제공할 수 있다. 예시 투
명 매질의 표면들은 특정 적용 필요성에 의존하여 거칠어지거나 매끄러울 수 있으며, 그리고 각각의 디바이스
또는 물품은 원하는 대로 특정 주요 방향 또는 조명 영역을 향하여 발광할 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 상기의 일반적인 설명 및 다음의 본원 실시예들이 제시된 상세한 설명 둘 다는 청구[0009]
된 주제 내용의 특성 및 특징을 이해하는데 개요 또는 틀을 제공하는 것으로 의도된다. 첨부된 도면은 본원의
추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 그리고 본 명세서의 일부에 병합되고, 상기 일부를 구성하기도 한다.
도면은 다양한 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 청구된 주제 내용의 원리 및 동작을 설명하기 위한 역
할을 한다.
도면의 간단한 설명
예시 목적을 위해, 현재 바람직한 도면들에 도시된 형태들이 있지만, 그러나 이해되어야 하는 바와 같이, 본원[0010]
에서 개시 및 논의된 실시예들은 도시된 정확한 배치 및 수단에 제한되지 않는다.
도 1a는 예시 투명 구조체를 도시한 플롯이다.
도 1b는 또 다른 예시 투명 구조체를 도시한 플롯이다.
공개특허 10-2016-0097335
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도 2a는 사인 곡선형 및 무코팅된 종래의 AG 표면을 갖는 예시 투명 매질을 도시한 플롯이다.
도 2b는 도 2a의 사인 곡선형 제 1 표면을 갖는 투명 매질, 및 제 2 표면을 정의한 광학 왜곡-감소 층을 도시한
플롯이다.
도 3a는 도 2a의 투명 매질을 통과하는 파면들에 대한 유한-차이 시간-영역 (finite-difference time-domain,
FDTD) 시뮬레이션 결과를 도시한 플롯이다.
도 3b는 도 2b의 투명 매질에 대한 유한-차이 시간-영역 (FDTD) 시뮬레이션을 도시한 플롯이다.
도 4는 굴절률들 (n) 및 두께들 (t)을 가진 일부 실시예들에 따른 예시 투명 확산기의 도시이다.
도 5는 굴절률들 (n) 및 매립된 산란 구조체를 가진 일부 실시예들에 따른 또 다른 예시 투명 확산기의 도시이
다.
도 6 및 7은 일부 실시예들에 따른 예시 투명 확산기들의 추가 실시예들의 도시이다.
도 8a 및 8b는 외부 거친 표면들을 가진 구조체들의 도시이다.
도 9a-9c는 추가 실시예들의 도시이다.
도 10a 및 10b는 거친 표면 프로파일을 가진 예시 투명 확산기의 모델들이다.
도 11a 및 11b는 도 10a 및 10b에 도시된 실시예들에서 광학 효과들을 설명하기 위한 유한-차이 시간-영역
(FDTD) 시뮬레이션들이다.
도 12a 내지 12d는 마스킹 층으로서 비-습윤 재료를, 그리고 광학 왜곡-감소 층으로서 고 굴절률 재료를 사용하
여, 예시 구조체를 제조하는 실시예들의 간단한 도시이다.
도 13a 내지 13c는 광학 왜곡-감소 층으로서 고 굴절률 재료를 선택적으로 증착시키기 위해, 잉크-젯 프린터 헤
드를 사용하여, 구조체를 제조하는 추가적인 실시예들의 간단한 도시이다.
도 14a 내지 14d는 구조체를 제조하는 추가 실시예들의 간단한 도시이다.
도 15a 내지 15d는 구조체를 제조하는 추가 실시예들의 간단한 도시이다.
도 16a 내지 16h는 이온-교환 공정을 사용하여 구조체를 제조하는 방법의 일부 실시예들의 간단한 도시이다.
도 17a 내지 17d는 고 굴절률 재료가 에칭된 함몰부들 (depressions)에 증착되는 구조체를 제조하는 실시예들의
간단한 도시이다.
도 18a는 펄스형 레이저에 의한 국소 가열을 사용하여, 투명 매질의 표면 상에 유리 범프들을 형성함으로써, 구
조체를 제조하는 또 다른 실시예를 도시한 예시 투명 매질의 단면도이다.
도 18b는 도 18a에 도시된 다양한 크기들의 유리 범프들을 생성하기 위해 레이저 빔에 의해 처리되는 예시 투명
매질의 사시도이다.
도 19a 내지 19f는 상 구조체를 형성하기 위해 투명 매질 상에 증착된, 친화성 (philic) 및 소척성 (phobic) 재
료들을 사용하여 구조체를 제조하는 실시예들의 간단한 도시이다.
도 20a 내지 20c는 등각 (conformal) 또는 반-등각 층의 바람직한 폴리싱을 사용하여 구조체를 제조하는 추가
실시예들의 간단한 도시이다.
도 21은 헤드 장착식 디스플레이의 일 부분의 종래 실시예이다.
도 22는 예시 다수의 도파관 구성의 도시이다.
도 23은 재료의 벌크가 일부 인덱스 변조 (index modulation)를 제시하는 브래그 (Bragg) 유형의 구조체의 도시
이다.
도 24a 및 24b는 일부 실시예들에 따른 예시 투명 확산 구조체들이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
다음 설명에서, 동일 참조 문자는 도면에 도시된 여러 도시를 통해 동일하거나 대응하는 부분들을 나타낸다.[0011]
공개특허 10-2016-0097335
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또한 이해되어야 하는 바와 같이, 별도로 지정되지 않은 이상, 용어들, 예를 들면 "상부", "하부", "외부", "내
부" 등은 편의 단어이며, 제한된 용어들로 해석되지 않아야 한다. 게다가, 한 그룹이 요소 그룹 중 적어도 하
나 및 그의 조합을 포함하는 것으로 기술될 때마다, 이해되어야 하는 바와 같이, 그룹은 개별적으로 또는 서로
조합하여 인용된 다수의 이들 요소들을 포함하고, 기본적으로 구성하고, 또는 구성할 수 있다.
유사하게, 한 그룹이 요소 그룹 중 적어도 하나 및 그의 조합을 구성하는 것으로 기술될 때마다, 이해되어야 하[0012]
는 바와 같이, 그룹은 개별적으로 또는 서로 조합하여 인용된 다수의 일들 요소들로 구성될 수 있다. 별도로
지정되지 않은 이상, 인용될 시에 값의 범위는 상기 범위의 상한치 및 하한치 둘 다를 포함한다. 본원에서 사
용되는 바와 같이, 단수형 명사는 별도로 지정되지 않은 이상 "적어도 하나" 또는 " 하나 이상"을 의미한다.
본원의 다음 설명은 그의 교시 및 그의 최적의 현재 알려져 있는 실시예를 가능하게 하는 것으로 제공된다.[0013]
기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 바와 같이, 본원에서 기술된 실시예에는 많은 변화가 이뤄질 있고, 나아가
본원의 유익한 결과가 여전히 얻어질 수 있다. 또한 명백할 바와 같이, 본원의 원하는 이점 중 일부는 다른
특징을 이용함 없이 본원의 특징들 중 일부를 선택함으로써 얻어질 수 있다. 이에 따라서, 기술 분야의 통상
의 기술자가 인식할 바와 같이, 본원의 다수 변형 및 각색이 가능하며, 그리고 심지어 소정의 상황에서도 바람
직할 수 있고, 본원의 일부일 수 있다. 이로써, 다음 설명은 제한 없이 본원의 원리의 예시로 제공된다.
기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 바와 같이, 본원에서 기술된 예시 실시예들에 대한 다수의 변형들은 본원[0014]
의 권리 범위 및 기술 사상으로부터 벗어남 없이 가능하다. 이로써, 설명은 주어진 예시들에 제한되는 것으로
의도되지 않고 해석되지 않아야 하지만, 그러나 첨부된 청구항 및 그의 균등물들에 의해 제공된 보호의 전체 범
위가 허용되어야 한다. 더불어, 다른 특징들의 해당 사용 없이 본원의 특징들 중 일부를 사용하는 것이 가능
하다. 이에 따라서, 예시 또는 예증 실시예들의 상기의 설명은 제한됨 없이, 본원의 원리를 나타내는 목적을
위해 제공되고, 변형 및 변경을 포함할 수 있다.
용어 "투명 매질"은 광의 주어진 파장에 대해 실질적으로 투명한 매질을 의미한다. 추가적으로, 눈부심 방지[0015]
(AG) 표면은 반사 방지 (AR) 표면과는 다르다. 예를 들어, AG 표면은 반사의 크기를 감소시키는 대신에, 실질
적으로 동일한 반사의 크기를 유지시키지만, 반사된 이미지의 정보 내용을 스크램블한다. 이는 보다 넓은 범
위의 각도에 걸쳐 경면 반사를 재분포시키는, 다소 거친 표면의 생성에 의해 달성될 수 있다. 이는 처리된 표
면 상에 무광택 처리 (matte finish)를 만들어 낼 수 있으며, 그리고 주변 광 하에 이미지 콘트라스트를 줄일
수 있다. 지문 및 표면 오염은 비-AG 표면들 상에서 있는 것만큼 AG 표면들 상에서 보일 수 없으며, 그리고
투과된 광에 제공된 컬러는 없고, 반사 스펙트럼의 각도 의존성에도 문제가 없다. 본원에서 기술된 AG 표면들
은 물체가 AG 표면을 포함한 투명 매질을 통해 보일 시에, 줄어든 광학 왜곡 (또는 실질적으로 광학 왜곡이 없
음)을 허용할 수 있다.
AR 코팅들은 본원에서 또는 달리 개시된 왜곡-감소 눈부심 방지 (DRAG) 구조체들과 관련되어 사용될 수 있다.[0016]
예시 AR 코팅들은 계면들로부터의 광학 반사들이 상쇄되어 (sum destructively), 보는 사람이 볼 수 있는 반사
를 실질적으로 제거하는 방식으로 증착될 수 있다. AR 코팅들은 또한 반사된 광의 광학 경로를 실질적으로 수
정하지 않은 서브-파장 표면 요소들로 이루어진 나노-구조체 "모스-아이 (moth-eye)" 표면들을 포함할 수 있고,
이로써, 입사 각도는 AR 코팅들에 의한 반사 각도와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기와 같은 AR 코팅들은 규정된 굴절률 및 두께의 단일, 균일 층, 구배 굴절률 층, 나노 구조화 층, 나노 다공[0017]
성 층, 또는 다수의 층들일 수 있으며, 그리고 기판, 디스플레이 등의 앞면 요소 상에 직접 증착될 수 있거나,
또는 라미네이팅되고 미리 만들어진 막으로서 추가될 수 있다. AR 코팅들은 앞 표면 반사를 크게 줄일 수 있
고, 투과된 이미지의 품질에 영향을 미치지 않는다. 임의의 유형의 예시 AR 코팅들 또는 표면들은 본원의 AG
표면들과 결합될 수 있다.
예시 투명 매질들 (즉, 창, 윈도우 등)은 4 ㎠ 미만으로부터 4 ㎠보다 크게, 일부 실시예들에서 > 25 ㎠, 다른[0018]
실시예들에서 > 100 ㎠, 그리고 여전히 다른 실시예들에서 > 1 m
2
또는 그 초과의 범위 면적을 포함할 수 있다.
투명 매질은 유리, 유리-세라믹 및/또는 폴리머들로 이루어진 물체들을 포함할 수 있다. 가시 광 파장 (400-
700 nm)에 사용된 투명 매질은 인간 관측자 또는 사용자에게 중요할 수 있다; 그러나, 예시 투명 매질들은 상기
와 같은 파장들에 사용된 기구들 (예컨대, 카메라들 또는 이미징 시스템들)에 대해 중요할 수 있는 UV 및 IR 파
장들을 포함한 다른 파장들에서 사용될 수 있다.
"광학 왜곡"은 물체의 이상적인 이미지를 형성하는 것에 연관된 이상적인 광학 경로 (또는 파면의 경우에서, 이[0019]
상적인 형상)로부터 물체에서 발생하는 광선 (또는 파면들)의 임의의 일탈을 의미하며, 상기 일탈은 이미지의
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품질을 낮추는 위상 에러들로부터 발생된다. 종래의 AG 표면들은 광학 왜곡에 대한 조절이 없었으며, 그리고
최종 이미지는 왜곡되게 나타난다. 광학 왜곡을 수량화하는 방법들은 "Anti-Glare and Anti-Sparkle
Transparent Structures with Reduced Optical Distortion"의 명칭을 하고, 2013년 5월 31일에 출원된 동시 계
속 국제출원 PCT/US13/43682에 개시되고, 이때 상기 국제 출원은 참조로 본원에서 전부 병합된다.
본원에서 개시된 구조체들, 투명 매질들, 물품들, 확산기들, 기판들 등은 임의의 디스플레이의 앞 표면들 또는[0020]
상기 디스플레이 내의 매립 계면들, 임의의 크기의 발광 디스플레이들을 위한 보호 커버들, 터치 스크린들, 터
치 감응 표면들, 액정 디스플레이들 (LCD들), 유기 발광 다이오드들 (OLED들), 헤드 업 디스플레이들 (HUD들),
아쿠아리움들, 레이저 기반 반사형 헤드-업 디스플레이들, 웨어러블 디스플레이들, 헤드 장착 또는 장착 가능한
디스플레이들 (HMD들), 창들 (차량, 가옥, 빌딩, 가전 기기, 디스플레이 케이스, 액자, 냉동고, 냉장고, 등),
차량의 대시보드들, 차량 바이저들, 차량 후드들, 차량 도어들, 선글라스, 또는 유리 기반 디스플레이를 포함하
여, 다양한 범위의 적용예를 제공할 수 있으며, 그리고 일반적으로 관측자 또는 광학계가 투명 매질을 통해 장
면 또는 물체를 볼 수 있고, 관측자 등이 위치한 측면 상에 제 2 광 소스, 예컨대, 주변 광이 존재하는 임의의
적용에 대해서도 제공될 수 있다. 주목해야 하는 바와 같이, 용어 구조체(들), 매질(들), 물품(들), 확산기
(들), 및/또는 기판(들)은 본원에서 상호 교환적으로 이용될 수 있으며, 상기와 같은 사용은 본원에서 첨부된
청구항의 권리 범위를 제한시키지 않아야 한다.
이로써, 본원의 일부 실시예들은 일반적으로 제 1 광 소스, 예컨대, 제 1 에지 광 소스 또는 제 1 앞면 광 소스[0021]
로 구성되어, 제 1 소스로부터의 광이 분포 또는 확산 광 소스를 생성하기 위해 투명 확산기 구조체로부터 산란
될 수 있는 투명 확산기들에 관한 것이다. 그러나, 제 1 광 소스는, 예를 들면, 창을 통하거나, 또는 외부 환
경으로부터 나온 배경 등의 외부 주변 투과 광 (제 1 광 소스와는 관계없는 제 2 광 소스)에 대해 투명할 수 있
다. 예시 제 1 광 소스들은 발광 다이오드들 (LED들), LED들의 어레이 또는 어레이들, 또는 투명 매질 내로의
신호 또는 소스 입력들에 대해 이용된 다른 광 소스들을 포함하지만 이에 제한되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 따른 투명 확산기들은 외부 주변 광선들에 대해 투명성이 높도록 하는 반면 (예컨대, 창 또는[0022]
다른 투명 매질을 통해 본 배경 또는 커버 막 또는 커버 유리를 통해 본 디스플레이로부터의 픽셀), 동시에, 다
른 광 모드들, 예를 들면, 도파관 모드들에 대해 산란 또는 반사하도록 설계된 광-산란 재료들을 포함할 수 있
다. 일부 실시예들에 따른 투명 확산기들은 다양한 광 시스템들, 디스플레이들, 또는 투명한 조명 기구들 (확
산 또는 공간적으로 분포된 광 소스들, 예를 들면 램프들) 또는 투명한 디스플레이 백라이트들이 이용되는 다른
적용예들에 유용성을 발견할 수 있다.
동시 계속 국제출원 PCT/US13/43682에 논의된 바와 같이, 물체로부터 광에 연관된 파면들은 물체로부터 투명 매[0023]
질을 통해 보는 사람으로 물체 광학 경로에 걸쳐 이동하고, 투과된 파면들을 형성할 수 있다. 투과된 파면들
에서 광학 왜곡은 매질의 비평탄 상단 표면에 의해 제공된 위상 변화들로부터 발생될 수 있다. 일부 실시예들
에 따른 AG 표면은, 보는 사람에게 제시된 이미지를 왜곡시키는 전파 파면들에, 공간적으로 의존하는 랜덤 위상
항을 추가할 수 있다. 이로써, 몇몇 실시예들은 AG 표면들에 연관된 물체 광으로부터의 광에 대한 광학 왜곡
을 줄이거나 제거하기 위해, 광학 왜곡-감소 층을 통해 보상 위상 항을 추가할 수 있다. 예시 AG 표면들은 주
기적, 반-랜덤 또는 랜덤 마루들 (peaks) (P) 및 골들 (valleys) (V)을 포함할 수 있거나, 또는 반구들, 프리즘
들, 격자들, 역-반사 육각모들 (retro-reflecting cube corners), 또는 모조 (pseudo)-랜덤 "2 부분의
(binary)" 표면들 등의 주요 구조체들을 반복하거나 또는 부분적으로 반복하는 것을 포함할 수 있다. 예시 표
면들은 또한. 참조로 본원에서 전부 병합된 미국 출원 공보 제US2011/0062849 A1호; 제US2012/0218640 A1호;
및 제US2012/0300304 A1호 각각에 기술된 바와 같은 측 방향으로 공간 주파수 성분으로 가공된 반-랜덤 AG 표면
일 수 있다.
예시 AG 표면들은 또한, 제 2 표면을 정의하고 그리고/또는 제 2 표면 형상 h2 (x) 또는 보다 일반적으로 2 차원[0024]
에 대한 h2 (x,y)를 가진 또 다른 투명 층을 포함할 수 있다. 비-제한적인 예시에서, 투명 층은 광학 왜곡을
감소시키도록 구성된 투명 재료의 코팅, 예컨대 광학 왜곡-감소 층에 의해 형성될 수 있다. 투명 매질 및 광
학 왜곡-감소 층에 의해 형성된 구조체는 예시 왜곡-감소 눈부심 방지 (DRAG) 투명 구조체를 구성할 수 있다.
도 1a는 예시 투명 구조체를 예시한 플롯이다. 도 1b는 또 다른 예시 투명 구조체를 도시한 플롯이다. 도[0025]
1a 및 1b를 참조하여 보면, AG 표면 (14)에 의해 야기된 광학 왜곡을 가진 예시 투명 구조체 (100)는 투명 매질
(10)을 통한 푸리에 광학 모델 전파 파면들 (Fourier optics model propagating wavefronts)을 사용하여 기술
될 수 있다. 모델은 일반적으로 광학 위상 φ (x,y)을 가지는 것으로 AG 표면 (14)을 기술한다. 제 1 표면
(14-1)을 가진 AG 표면 (14)에 대해, 파면들 (36W)의 전파와 연관된 전계들 (E)은 다음 식으로 근사화될 수 있
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다:
[0026]
여기서, Ebefore는 거친 표면 (14-1) 직전의 전계를 나타내고, Eafter는 거친 표면 직후의 전계를 나타내고, n1 및[0027]
n3는 거친 표면의 양쪽 측면 상의 굴절률들을 나타내고, λ은 물체 광의 파장을 나타내고, t는 일정 기준 평면을
나타내며, 그리고 h1 (x,y)는 제 1 표면에 대한 표면 거칠기의 상술된 높이 프로파일을 나타낸다.
기준 평면 (RP 또는 t)은 위상, 및 h1 (x,y)와 h2 (x,y)를 측정할 수 있는 위치에 대한 기준을 제공하기 위해 이[0028]
용될 수 있다. 공간적으로 불변의 위상 항들이 이미지 왜곡을 일으키지 않을 시에, 기준 평면들 (RP 및 t)의
위치는 이들 둘 다가 거친 표면 전 또는 후 (즉, 상 또는 하)로 얼마 떨어져 위치된 경우에 임의적이다. 예를
들어, 식 1의 한 상황을 개념적으로 기술하기 위해, 기준 평면 (RP)은 거친 표면 아래에 있을 수 있고, h1 (x,y)
및 h2 (x,y)는 RP에 대해 양의 값을 가질 수 있으며, 그리고 기준 평면 (t)은 거친 표면 위에 있을 수 있고, 식
1으로서 거친 표면 위의 대기 공간의 거리를 정하기 위해 사용될 수 있다. 이미지 광학 왜곡을 제거하기
위해, φ (x,y) = 상수 (constant) = φ0, 이는 제 2 표면 (14-2)이 존재하지 않는 경우, h1 = 상수 (즉, 매끄
러운 표면이 있음) 또는 n1 = n3 (즉, 표면이 없음)이라는 것을 의미한다.
제 2 표면 (14-2)이 존재하도록 광학 왜곡-감소 층 (15)이 존재하는 경우에, 투명 매질의 바디 (12)가 굴절률[0029]
(n1)을 가지고, 투명 층 (14-2)이 굴절률 (n2)을 가지고, 그리고 투명 층에 인접하여 상주한 가시 공간
(viewing space) (22)이 굴절률 (n3)을 가진 매질을 구성할 시에, 그리고 조건 n3 < n1 < n2이 만족될 시에, 다
음과 같다:
[0030]
광학 왜곡이 없는 이미징 (optical-distortion-free imaging)에 대한 φ (x,y) = 상수 = φ0인 요건은 제 1 표[0031]
면 형상 (h1 (x,y))에 관하여, 제 2 표면 형상 (h2 (x,y))에 대한 식 2를 푸는 것을 허용한다:
[0032]
제 2 표면 형상 (h2 (x,y))은 이로써, h2 (x,y) = ψ·h1 (x,y) 관계를 통해 제 1 표면 형상 (h1 (x,y))의 스케일[0033]
링된 버전일 수 있고, 여기서 스케일링 팩터는 ψ = (n2 - n1)/ (n2 - n3)로 나타나며, 그리고 c는 임의적 상수
를 나타낸다. h2 (x,y)가 어디든지 h1 (x,y) 이상이라는 물질적인 조건을 만족시키기 위해서, 상수 (c)에 대한
최소 값은 다음과 같이 제공될 수 있다:
[0034]
여기서 h1 (max)는 표면 형상 (h1 (x,y))의 전체 최대 높이와 같은, 주어진 구조체에 대한 상수를 나타낸다.[0035]
상수 (c)가 식 4에서 상기의 최소 값 항 (n1-n3)/ (n2-n3)· (h1 (max))과 같을 시에, 이는 h1 (x,y)의 마루 위치
들에서 h2 = h1인 특별 경우에 대응한다 (h1 (x,y) = h1 (max)인 공간 위치에서).
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물리적으로, 이는 h1 (x,y)의 마루들이 그들 상부 상에 임의의 추가적인 코팅 재료를 가지지 않은 경우를 나타낸[0036]
다. 또한 주목해야 하는 바와 같이, c는 구조체의 표면에 걸치 모든 위치에서 광학 경로 길이에, 일정한 오프
셋을 추가하는 식 4에서의 최소 값 항보다 클 수 있다. 이로써, 일부 실시예들에서, 예시 광학 왜곡-감소 코
팅 층 (15)을 구성한 재료는 제 1 표면 (14-1)의 골들 (V)을 부분적으로 충전할 수 있고, 이때 코팅 층의 두께
는 골들 각각의 깊이 및 형상에 의존한다. 코팅 층 (15)을 구성하는 굴절률 (n2)이 낮아질수록, 코팅 층은 골
들 (V)에서 두꺼워져야 한다. 이로써, 광학 왜곡-감소 층 (15)은 제 1 표면 (14-1) 상단에 준-등각 (quasi-
conformal) 층을 형성할 수 있다.
AG 표면 (14)에 대한 조건 n3 < n1 < n2가 만족될 시에, 스케일링 팩터 (scaling factor) (ψ)는, 밑에 있는 제[0037]
1 표면 (14-1)의 평균 제곱근 (RMS, root-mean-square) 미만의 제 2 표면 (14-2)의 RMS 표면 거칠기를 만드는
1 미만일 수 있다. AG 표면 (14)에서 고 굴절률 매질의 존재는 서로 다른 반사 및 투과-헤이즈
(transmission-haze) 속성들을 선도할 수 있다. 이들 수정된 AG 속성들은 예시 AG 표면 (14)의 설계에서 고려
될 수 있다. 예를 들어, 제 1 AG 표면을 가진 광-투과 구조체는 투명 매질 (10)의 제 1 표면 (14-1)에 의해
정의될 수 있으며, 그리고 제 1 표면 형상 (h1 (x,y)), 제 1 표면에 바로 인접하여 상주하고 제 2 표면 형상 (h2
(x,y))을 가진 제 2 표면 (14-2)을 정의하는 굴절률 (n2 > n1)을 가진 광학-왜곡-감소 층 (15), 및 제 1 표면과
마주하여 제 2 표면에 바로 인접하고 굴절률 (n3) (여기서 n3 < n1)을 가진 매질을 포함하고, 여기서 (n2 - n1)/
(n2 - n3)·h1 (x,y) ≤ h2 ≤ 0.5 ((n2 - n1)/ (n2 - n3)·h1 (x,y))이다. 즉, h2는 (n2 - n1)/ (n2 - n3)·h1
(x,y)의 50% 내에 있다. 다른 실시예들에서, (n2 - n1)/ (n2 - n3)·h1 (x,y) ≤ h2 ≤ 0.8 ((n2 - n1)/ (n2 -
n3)·h1 (x,y))인 것이 바람직하다. 즉, h2는 (n2 - n1)/ (n2 - n3)·h1 (x,y)의 80% 내에 있다.
대안 조건 n3 < n2 < n1에서 (이때 n2를 갖는 저-굴절률 재료는 제 1 표면 형상 (h1 (x,y))의 골들을 충전함), 식[0038]
들 (3) 및 (4)이 적용되지만, 그러나 식 4에서의 최소 상수 값은 h1 (x,y)의 마루들보다 높은 진폭으로 상승하는
제 2 표면 형상 (h2 (x,y))의 마루들을 발생시키기 위해 적용될 수 있다. 이러한 경우에서, h2 (x,y)의 마루들
은 일반적으로 h1 (x,y)의 골들 위에 상주한다. h2 (x,y)가 h1 (x,y) 이상일 수 있기 때문에, h2 (x,y)의 마루
들은 일반적으로 구조체의 전체 마루들에 대응할 수 있다.
도 1a 및 1b를 연속하여 참조하면, 광학 왜곡-감소 층 (15)이 밑에 있는 투명 매질 (10) 보다 낮은 굴절률을 가[0039]
지는 예시 구조체 (100)가 제공된다. 상기와 같은 경우에서, AG 표면 (14)은 투명 매질 (10)의 것보다 낮은
굴절률을 가진 광학 왜곡-감소 층 (15)의 경우에 대해, 즉, 조건 n3 < n2 < n1에 대해, 구성될 수 있다. 이러
한 상황에 대해, 골들 (V)은 저충전보다는 오히려 과충전될 수 있고, 그 결과 광학 왜곡-감소 층 (15)은 도 1a
에 도시된 바와 같이, 골들이 가장 깊은 곳에서 가장 높아지는 범프를 형성한다. 도 1b를 참조하여 보면, 예
시 실시예에서, 추가적인 코팅 층 (17)은 AG 표면 (14)에 연관되고 줄어든 광학 왜곡에 영향을 미치지 않고, 코
팅 층 (15) (및 제 1 표면 (14-1)의 임의의 노출된 부분들)에 바로 인접하여 추가될 수 있다. 예를 들어, 코
팅 층 (17)은 반사 방지 (AR) 코팅으로서 구성될 수 있고 (예컨대, 이는 다수의 서브-층들을 포함할 수 있음),
이로써, 투명 매질 (10)에 눈부심 방지 및 반사 방지 속성들 둘 다를 제공한다.
또 다른 실시예에서, AG 표면 (14)은 기본적으로 어떠한 이미지 광학 왜곡도 존재하지 않도록 설계될 수 있다.[0040]
이는 φ (x,y)가 실질적으로, 또는 동일하게 일정한 것을 요구함으로써 달성될 수 있다. 다른 실시예들은 투
명 매질 (10)로부터 이미지 광학 왜곡을 줄일 수 있고, 인식할 수 있는 바와 같이 다수의 적용예들에서 부분적
인 감소는 완전한 감소보다 구현하기에 보다 손쉽고, 보다 비용 효과적일 수 있다. 이로써, 예시 실시예에서,
식 3이 완전하게 만족될 필요는 없다. 이에 따라서, 표면에 걸친 잔류 위상 (φ (x,y))의 통계는 다음 식에
의해 고찰될 수 있다:
[0041]
정확한 위상 정합에 대해, 명시된 바와 같이, Δφ (x,y)=Δφ0이고, 그 결과 Δφrms = 0이며, 여기서 Δφrms[0042]
는 Δφ (x,y)의 평균 제곱근을 나타낸다. 코팅이 식 3을 정확하게 만족시키지 않을 시에, 예를 들어, Δφms
가 거의 약 2π/10 미만이 되어, 광학 왜곡의 양의 실질적인 감소를 달성함이 요구될 수 있다.
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본원의 실시예들은 또한 별개의 제 1 및 제 2 표면들 (14-1 및 14-2)을 반드시 가지지 않은 구성을 포함할 수[0043]
있다. 이로써, 일부 실시예들에서, 투명 매질 (10)은 텍스쳐링된 표면 (14-1)을 가질 수 있다. 상기와 같은
텍스쳐링된 표면 (14-1)에 의해, 나아가 벌크 굴절률 변조에 의해 도입된 광 위상 변조는 다음 식에 의해 제공
된다:
[0044]
여기서, h1 (x,y)은 텍스쳐링된 표면 (14-1)의 토폴로지 (topology)를 나타내고, n1은 벌크 (bulk) 재료의 평균[0045]
굴절률을 나타내며, 그리고 ΔOPLbulk (x,y)는 벌크 광학 경로 길이의 방향 (즉, Z-방향)으로의 적분에 의해 정의
된 바와 같이, 벌크 광학 경로 길이 변화의 토폴로지를 나태낸다:
[0046]
반사된 주변 광 (26)에 대해 반사될 시에의 위상은 으로 제공되고, 이는 제[0047]
1 표면 (14-1)의 표면 거칠기의 함수를 나타낸다. 결과적으로, 제 1 표면 (14-1)은 눈부심으로부터의 광의 양
을 줄이기 위해, 주변 광이 반사될 시에 원하는 산란 속성들을 제공하는 표면 형상으로 구성될 수 있다.
구조체를 통한 투과 광에 대한 위상은 위상 (φT (x,y))으로 표시될 수 있고,[0048]
으로 제공되고, 이는 표면 거칠기 및 벌크
굴절률 변화 둘 다에 의존한다. 이로써, 다음 식을 통해 제 1 표면 (14-1)의 표면 텍스쳐 (형상)와 연관된 위
상 변화들을 보상하는 벌크 굴절률 변화들 nbulk (x,y,z)-n1을 정의하는 것이 가능하다:
[0049]
여기서, 상수 위상은 제로로 선택될 수 있다.[0050]
식들 8a-8c는 일반적으로 표면 (h1 (x,y))에 의해 야기된 위상 왜곡을 보상하는 이상적인 벌크 굴절률 변화들을[0051]
정의한다. n3가 n1보다 작을 시에, 벌크 광학 경로 변화 (식 7)는, h1 (x,y)가 마루를 가지는 영역에서 제로보
다 작을 수 있으며, 그리고 h1 (x,y)가 골을 가지는 영역에서는 제로보다 클 수 있다. 굴절률에 관하여, 이는
일반적으로 벌크 굴절률이 h1 (x,y)가 마루를 가지는 영역에서 n1보다 작은 것을, 그리고 h1 (x,y)가 골을 가지는
영역에서 n1보다 큰 것을 의미한다. 굴절률 변화들의 특성 (크기 및 공간 확대)은 식 7에 의해 결정될 수 있
고, 이로 인해, 굴절률 변화는 국소적으로 일정하지만 (고립되지만), 보다 높은 또는 보다 낮은 굴절률의 균일
한 영역들을 가질 수 있거나, 또는 굴절률에서의 구배에 의해 나타날 수 있다 (변화의 크기는 공간적으로 변화
할 수 있음).
지금까지는 실시예들이 AG 속성들을 갖는 매질 또는 구조체의 하나의 표면을 가지는 것으로서 기술되었지만, 본[0052]
원에 첨부된 청구항들은 이에 제한되지 않아야 되고, 동시 계속 국제출원 PCT/US13/43682에 기술된 이중 표면
매질들은 전부 참조로서 본원에 병합된다.
일부 실시예들은 예시 광학 모델링을 통해 이해될 수 있다. 상기와 같은 모델링의 비-제한적인 예시는 광학[0053]
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효과를 고려하는 유한-차이 시간-영역 (FDTD) 방법을 통하여 맥스웰 방정식의 벡터 해 (vectorial solution)를
적용할 수 있다. 도 2a는 사인 곡선형 및 무코팅된 종래의 AG 표면을 갖는 예시 투명 매질을 도시한
플롯이다. 도 2b는 도 2a의 사인 곡선형 제 1 표면을 갖는 투명 매질, 및 제 2 표면을 정의한 광학 왜곡-감소
층을 도시한 플롯이다. 도 3a는 도 2a의 투명 매질을 통과하는 파면들에 대한 유한-차이 시간-영역 (finite-
difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션 결과를 도시한 플롯이다. 도 3b는 도 2b의 투명 매질에 대한
FDTD 시뮬레이션을 도시한 플롯이다. 도 2a를 참조해 보면, 도면은 제 1 표면 (14-1)이 사인 곡선형 및 무코
팅된 AG 표면일 수 있는 투명 매질 (10)을 도시한다. 도 2b는, 제 2 표면 (14-2)을 정의하고 식 (3)의 광학
왜곡이 없는 이미징 요건을 만족시키는 광학 왜곡-감소 층 (15)을 사인 곡선형 제 1 표면 (14-1)이 포함하는 투
명 매질 (10)을 도시한다. 투명 매질 (10)은 굴절률 n1 = 1.5를 가진 유리 기판으로서 모델링될 수 있는
반면, 광학 왜곡-감소 층 (15)은 굴절률 n2 = 2.0을 가진다. 도 2a 및 2b는 또한 수직 입사에서 (즉, 하부 표
면 (18)에 평행한 평면파에 의한), 각각의 구조체를 통과하는 중의 단위 전계 진폭의 단일-평면 파면 (36W)를
도시한다. 단일 평면 파면 (36W)은 물체 (미도시)로부터의 광 (36)의 펄스를 나타낸다. x-방향 및 y-방향은
미크론 단위로 도시된다. 도 3a를 참조하여 보면, FDTD 시뮬레이션 결과는 투명 매질 (10)을 통과하는 파면들
(36WT)에 대해 도시된다. 도 3b는 광학 왜곡-감소 층 (15)을 포함한 투명 매질 (10)에 대한 해당 시뮬레이션
을 제공한다. 또한 플롯들에 도시된 것은 반사 파면들 (36WR)이다. 투명 매질 (10) 및 결합 투명 매질 및
광학 왜곡-감소 층 (15)은 도시의 용이함을 위해 도 3a 및 3b 각각으로부터 생략된다. 전계 진폭의 스냅샷
(snapshot)을 나타내는 투과 및 반사 파면들 (36WT 및 36WR)의 상대 전계 진폭 윤곽선들 중 일부가 도시된다.
이들 도면들에서, 관측될 수 있는 바와 같이, 도 3a의 투과 및 반사 파면들 (36WT 및 36WR)이 왜곡된다. 반
사 파면들 (36WR)의 진폭은 투과 파면들 (36WT)의 진폭보다 실질적으로 낮다. 도 3b의 투과 파면들 (36WT)은
실질적으로 평탄한 반면 (투과에서 왜곡이 낮음을 입증함), 도 3b의 반사 파면들 (36WR)은 도 3a에서의 그들의
대응물들과 비교할 시에, 여전하게 다소 왜곡된다 (반사에서의 유익한 AG 효과를 입증함). 유사한 결과들은
물체 광 (36)의 연속적인 빔에 대해, 그리고 최대 30 도까지의 보다 높은 입사각에서 얻어진다.
예시 투명 확산기 구조체들에서, 발견된 바와 같이, 물품의 구조체 영역들을 통해 외부 투과 광선들에 대한 OPL[0054]
은 표면에 걸친 복수의 위치들에서 동일하여야 한다 (또는 거의 동일하여야 한다). 도 4는 굴절률들 (n) 및
두께들 (t)을 가진 일부 실시예들에 따른 예시 투명 확산기의 도시이다. 도 4를 참조하여 보면, 일부 실시예
들은 투명 확산기의 평면 (도 4의 x-y 평면)에서 병진 대칭성 (translational symmetry)을 파괴하여, 반사 또는
도파관 모드들에 대해 광 산란을 가능하게 하는 예시 확산기 시트 (400)의 평면에서 공간적으로 변화하는 굴절
률 프로파일을 포함할 수 있다. 거친 표면 투명 확산기 또는 구조체의 경우에서, 이는 AG 효과를 초래하는 외
부 반사 광선들의 산란을 가능하게 한다. 광 가이드 또는 조명 기구 적용들에 대해서, 확산기의 x-y 평면에서
의 파괴된 병진 대칭성은 에지 광 소스로부터 도파관 모드들의 아웃-커플링을 가능하게 한다 (이제 도시). 추
가로, 예시 조명 기구는, 투명 확산기의 에지 근방에 위치된 광 소스가 확산기 표면으로부터 반사될 수 있는 반
사 모드로 설계될 수 있다. 도 4를 참조하여 보면, 상수 OPL의 조건은 다음과 같이 쓰일 수 있다:
[0055]
여기서, S1은 제 1 구조체 영역 (t1이 비-구조화될 시에 도 4에서 영역 t2와 유사함)을 나타내고, sn은 n
th
구조[0056]
체 영역 (이러한 경우에서, t6이 비-구조화될 시에 도 4에서 영역 t5)을 나타낸다.
일부 실시예들에 대해서, 확산기 (400)의 구조화 부분을 통해 z-방향 (OPLz) (또는 z-방향 근방의 각도 범위)으[0057]
로 투과된 광학 경로 길이는 x-y 평면으로 인접한 공간 위치에 대해 일정하거나 또는 거의 일정할 수 있다 (예
를 들어, x-y 평면으로 서로 1 cm, 1 mm, 0.1 mm, 또는 0.01 mm 내에 있는 공간 위치). OPL이 거의 일정할
시에, 실시예들은 예를 들어, 확산기 (400)의 인접한 구조화 영역들을 통해, 약 ½ λ 미만, ¼ λ 미만, 또는
1/8 λ 미만인 OPL에서의 변화를 제공하기 위해 가공될 수 있다. 확산기 (400)의 비-구조화 부분들을 통한
OPL, 영역들 (t1 및 t6)은 이들 영역들이 비-구조화될 시에 (일반적으로 x 및 y 방향으로 균등질화됨), 덜 중요
하고, 그 결과 영역들 (t1 및 t6)에서 OPL에서의 임의의 변화들은 매우 점진적으로 일어나고 (즉, OPL은 인접한
공간 위치들에 대해 실질적으로 일정함), 광학 산란을 초래하는 작은 측 방향-길이-스케일 위상 앞면 왜곡들
(x-y 방향으로)을 일으키지 않는다. 물론, 도 4에 도시된 실시예는 도시된 것보다 많은 (또는 적은) 수의 구
조화 요소들 또는 영역들 (예컨대, t7, t8, t9 등)일 수 있기 때문에 본원에 첨부된 청구항의 권리 범위에 제한
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되지 않아야 한다. 예시 구조화 영역들은 반사 모드들 또는 도파관 모드들에 대해 광 산란의 일부 정도를 생
성하는, x- 및/또는 y-방향을 따른 (이질성 광학 경로 또는 가변 굴절률) 파괴된 병진 대칭성에 의해 특징이 이
뤄질 수 있다. 예시 구조화 요소들은 또한 도 4에 도시된 바와 같이 규칙적 또는 주기적일 수 있지만, 또한
상기에서 논의된 바와 같이, 랜덤, 반-랜덤, 비-주기적 등일 수 있다. 굴절률 n1 및 옵션의 n2가 1의 굴절률
을 가지는 경우에 (즉, 공기), 구조체는 거친 표면일 수 있다. 일부 실시예들에서, z-치수의 구조화 요소의
특성 크기들은 약 0.05 미크론 미만, 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크론, 약 0.05 미크론 내지 약 50 미크론,
50 미크론 내지 100 미크론 등에 있을 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, x- 및/또는 y-
치수의 구조화 요소들의 크기는 약 0.05 미크론 내지 약 100 미크론 또는 그 초과의 범위에 있을 수 있다. 구
조화 요소들에서의 비-제한 굴절률의 영역들 (예컨대, 영역들 (t2-t5))은 1.0 (보이드) 내지 2.5, 1.0 내지
1.3, 1.0 내지 2.0, 1.3 내지 2.0의 범위에 있을 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
도 5는 굴절률들 (n) 및 매립된 산란 구조체를 가진 일부 실시예들에 따른 또 다른 예시 투명 확산기 (500)의[0058]
도시이다. 도 5를 참조하여 보면, 굴절률들 (n1-n6) 및 산란 특징들 (502)의 기하학적인 구조들은 하나 또는
둘 다의 주요 방향들로 외부적으로 입사된 투과 광에 대한 전반사를 피하기 위해 선택될 수 있다. 외부 입사
광은 주요 광 소스, 예를 들면, 에지 LED, LED들의 어레이, 레이저, 또는 또 다른 다른 적합한 광 소스에 의해
제공될 수 있다. 예를 들어, n5가 약 1.52이며, 그리고 각도 (θ)가 약 90 도일 시에, 그 후에, n4는 하나 이
상의 방향들로 외부 주변 광의 투과를 감소 또는 왜곡시키거나, 하나 이상의 방향들로 외부 주변 광에 대한 부
적당한 고 반사를 생성할 수 있는 전반사 효과를 피하기 위해, 약 1.1 보다 크거나, 보다 바람직하게는 약 1.3
보다 커야 한다. 이로써, n2, n3, n4, 및 n5 중 하나 이상이 도면에 도시된 프리즘-형의 기하학적인 구조에서
1과 같은 시나리오는 바람직하지 않은 비교 예시이다. 도 6 및 7은 일부 실시예들에 따른 예시 투명 확산기들
의 추가 실시예들의 도시이다. 다시, 외부 입사 광은 주요 광 소스, 예를 들면, 에지 LED, LED들의 어레이,
레이저, 또는 또 다른 다른 적합한 광 소스에 의해 제공될 수 있다. 도 6 및 7을 참조하여 보면, 예시 투명
확산기들 (600, 700)은 프리즘형의 또는 비-프리즘형의 매립 산란 구조체 (주기적으로, 랜덤적으로, 반-랜덤적
으로 등 반복)를 갖는 조명 기구, 광 가이드 또는 도파관일 수 있고, 이로 인해, 확산기 (600, 700)는 매끄러운
외부 표면을 포함한다. 상술된 실시예들과 유사하게, 프리즘형의 또는 거의 프리즘형의 기하학적인 구조를 가
진 실시예들에서, 굴절률들 중 하나 이상은 1.1보다, 또는 심지어 1.3보다 커야 하고, 예컨대, n3는 1.1 또는
1.3보다 크다.
투명한 조명 기구들, 투명 디스플레이들, HUD들, HMD들, 투명 백라이트 적용들 등에서 유용성을 발견하는 일부[0059]
실시예들에서, 예시 투명 확산기는 적합한 광 소스 (예컨대, LED, LED들의 어레이, 레이저(들), 또는 다른 공지
된 소스들)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 에지-광 모드에서, 적합한 광 소스(들)는 도파관 또는 전반사 모드
들의 투명 확산기, 확산기 기판, 또는 상기 투명 확산기에 접착되거나, 또는 광학적으로 연결된 다른 투명 구성
요소 내로 연결될 수 있다. 도파관 모드들은 광의 공간적으로 균일한 아웃-커플링을 생성하기 위해, x- 및 y-
방향들 중 하나 이상의 방향에서 구배 패턴을 형성할 수 있는, 사전 결정된 패턴에 따른 투명 확산기 밖으로 산
란될 수 있다 (도 4 참조). 이는 예를 들어, 광 산란 강도로 구배를 생성하기 위해, 예를 들어 투명 확산기
구조체의 x-y 평면으로 측 방향 특징 공간 또는 굴절률 콘트라스트를 변화시킴으로써, 달성될 수 있다. 동시
에, 예시 확산기는 인접한 x-y 공간 위치들에 대해 구조화 영역의 투과에서 위상 정합 또는 근위-위상-정합으로
인해 상술된 바와 같이, 외부 주변 광선들에 대해 높게 투과되도록 설계될 수 있다.
앞면-광 모드에서, 예시 확산기는 투명 확산기 구조체로부터 광을 반사시키도록 구성된 광 소스를 포함할 수 있[0060]
다. 광 소스는 그레이징 (grazing) 입사 반사들로 인해, 보다 높은 반사율을 최소화시키기 위해, 또는 외부
주변 투과 광선들의 차단을 최소화시키기 위해, 투명 확산기의 에지 근방에서 위치될 수 있다. 일부 실시예들
에서, 예시 확산기 또는 다른 구조체는 구조체로부터 여입사각으로 반사되거나, (에지-광 도파관에서와 같이)
구조체의 도파관 모드들 내로 들어가는 1% 초과, 5% 초과, 10% 초과, 또는 20% 초과의 광을 산란할 수 있다
(즉, 약 0.5 도 초과, 1 도 초과, 또는 약 10 도 초과로 경면 광선 각도들로부터의 편차를 일으킬 수 있다).
추가 실시예들은 상술된 바와 같이, 거친, 반-거친 표면들을 포함할 수 있고, 그리고/또는 매립된 구조체들을[0061]
포함한다. 도 8a 및 8b는 외부 거친 표면들을 가진 구조체들의 도시이다. 도 8a 및 8b를 참조하여 보면, 예
시 투명 확산기들 (800, 900)은 주기적, 반-랜덤 또는 랜덤 마루들 (P) 및 골들 (V)을 가진 표면을 포함할 수
있거나, 또는 반구들, 프리즘들, 격자들, 역-반사 육각모들, 또는 모조-랜덤 "2 부분의" 표면들 등의 주요 구조
체들을 반복하거나 또는 부분적으로 반복하는 것을 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 이들 마루들 및 골들
은 OPL을 제어하기 위해, 서로 다른 굴절률들을 가진 재료들을 포함할 수 있다 (골들에서의 고 굴절률 재료, 및
마루들 상에서의 저 굴절률 재료). 도 8a는 외부 거친 표면을 가진 투명 확산기-기반 조명 기구 또는 광 가이
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드 (800) 및 LED, LED들의 어레이 또는 다른 적합한 광 소스로부터 제공된 에지 광선들을 도시하고, 이때 광은
가변 굴절률을 가진 표면 상에 포함된 재료들에 의해 산란될 수 있다. 2 차 광 소스 (주변 광 또는 배경)는
어떠한 왜곡도 일어나지 않기 위하여, 상술된 바와 같이, 최소로 구조체 (800) 등을 통하여 투과될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 또한 고안될 수 있는 바와 같이, 상기와 같은 에지 광 실시예들 (800)은 매립된 구조체들
(도 4-7), 나아가 가변 굴절률들을 가진 거친 표면들 둘 다를 포함할 수 있다. 도 8b는 외부 거친 표면을 가
진 투명 확산기-기반 조명 기구 또는 광 가이드 (900) 및 LED, LED들의 어레이 또는 다른 적합한 광 소스로부터
의 앞 광선들을 도시하고, 이때 광은 가변 굴절률들을 가진 표면 상에 포함된 재료들에 의해 산란될 수 있다.
2 차 광 소스 (주변 광 또는 배경)는 어떠한 왜곡도 일어나지 않기 위하여, 상술된 바와 같이, 최소로 구조체
(900) 등을 통하여 투과될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 또한 고안될 수 있는 바와 같이, 상기와 같은 앞면
광 실시예들 (900)은 매립된 구조체들 (도 4-7), 나아가 가변 굴절률들을 가진 거친 표면들 둘 다를 포함할 수
있다.
도 9a-9c는 추가 실시예들의 도시이다. 도 9a-9c를 참조하여 보면, 예시 투명 확산기들 (1000)은 파티클들 또[0062]
는 보이드 영역들을 통합할 수 있다. 도 9a 및 9c를 참조하여 보면, 예시 확산기 (1000)는 기판 (1030) 위에
놓인 폴리머 또는 솔-겔 바인더 또는 충전제 (1020)를 갖는 중공 파티클들 (1010) (예컨대, 약 1.1 내지 약 1.5
내지 약 1.7 또는 그 초과의 범위의 쉘 굴절률 (shell index)을 갖는 중공 유리 마이크로스피어 (microspher
e))을 포함할 수 있다. 예시 충전제들은 UV-경화 아크릴레이트들, 솔브-본 (solve-born) PMMA들, 플루오르폴
리머들, SiO2 솔-겔들, 나노-파티클-충전 아크릴레이트들, TiO2 솔 겔들, 및 약 1.1 내지 약 1.5, 1.3 내지 약
1.6, 또는 약 1.5 내지 약 2.2의 범위의 굴절률을 가진 다른 재료들을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는
다. 중공 파티클들 (1010)은 공기 또는 다른 적합한 가스로 충전될 수 있다. 도 9b를 참조하여 보면, 예시
확산기 (1000)는 기판 (1030) 위에 놓인 폴리머 또는 솔-겔 바인더 또는 충전제 (1020)를 갖는 저-굴절률 고체
또는 나노-다공성 파티클들 (1012) (예컨대, 약 1.1 내지 약 1.5 내지 약 1.7 또는 그 초과, 1.25 내지 약
1.45 등의 범위의 굴절률을 갖는 유리, 플루오르폴리머 또는 SiO2)을 포함할 수 있다. 예시 충전제들은 UV-경
화 아크릴레이트들, 솔브-본 PMMA들, 플루오르폴리머들, SiO2 솔-겔들, 나노-파티클-충전 아크릴레이트들, TiO2
솔 겔들, 및 약 1.1 내지 약 1.5, from 1.3 내지 약 1.6, 또는 약 1.5 내지 약 2.2의 범위의 굴절률을 가진 다
른 재료들을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 더욱이, 도 9c에 도시된 바와 같이, 중공 (도 9a) 또
는 고체 (도 9b) 파티클들은 가변 형상들 또는 크기일 수 있다. 이로써, 파티클 크기가 비-균일한
상황들에서, 큰 파티클들이 일반적으로 보다 많은 산란 효과들을 낼 수 있기 때문에, 가장 큰 파티클들이 투과
에서 가장 가까운 위상 정합을 가지도록, 코팅 조건들을 최적화시키는 것이 보다 실용적일 수 있다. 도시되지
는 않았지만, 또한 고안될 수 있는 바와 같이, 상기와 같은 실시예들 (1000)은 에지 광 또는 앞면 광일 수 있으
며, 그리고 기판 (1030)에 매립된 구조체들 (도 4-7), 나아가 가변 굴절률들을 갖는 도시된 구조체들 둘 다를
포함할 수 있다.
도 10a 및 10b는 거친 표면 프로파일을 가진 예시 투명 확산기의 모델들이다. 도 10a에서, 확산기의 표면은[0063]
코팅되지 않고, 공기 (n=1)에 의해 위 아래로 둘러싸인다. 유리 확산기 기판의 굴절률은 1.5이다. 도 10b에
서, 표면의 부분들은 2.0의 코팅 굴절률로 코팅된다. 도 11a 및 11b는 도 10a 및 10b에 도시된 실시예들에서
광학 효과들을 설명하기 위한 유한-차이 시간-영역 (FDTD) 시뮬레이션들이다. 도 11a 및 11b를 참조하여
보면, 이들 도면들은 예시 투명 확산기 구조체의 투과에서의 기본적인 함수를 도시하고, 이미지들은 도면의 아
래로부터 모델링된 표면을 통해 위로 전파되는 평면파의 전계의 스냅샷을 나타낸다. 도 11a에서, 평면파가 무
코팅된 유리 (종래의 거친 표면)를 통과한 후에, 후방 방향으로 작은 반사가 이동하는 평탄 위상 앞의 왜곡이
관측될 수 있다. 도 11b에서, 투명 확산기 거친 표면 예시를 통한 투과 후에 보다 많이 평탄한 위상 앞면이
관측될 수 있다.
본원의 실시예들에 따른 투명 확산기 구조체들의 설계는 이로써, 고 광학 투과, 투과에서의 고 광학 투명도, 저[0064]
광학 투과 헤이즈, 또는 약 0.1 도 초과, 1 도 초과, 2 도 초과, 5 도 초과, 또는 10 도 초과의 각도로 산란되
는 투과 광의 저 퍼센트 (예를 들면, 10% 미만, 5% 미만, 또는 1% 미만) 중 하나 이상을 가진 외부 주변 투과
광선들을 초래할 수 있다. 예시 투명 확산기들은 또한 투과에서 에탕듀 (etendue)를 보존할 수 있거나, 또는
투과에서 에탕듀에서의 작은 변화를 가진다. 기본적으로, 예시 투명 확산기들은 투과된 외부 광에 대한 것보
다 반사 또는 도파관 모드들에 대한 산란 효과를 보다 크게 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란 요소들의
굴절률들의 주의 깊은 선택을 통해 전체 반사율 또는 산란 강도를 증대시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를
들어, 산란 요소들 중 하나 또는 그의 초과 (예컨대, 도 1에서의 t2-t5 참조)는 1.4보다 높은, 1.5보다 높은,
1.6보다 높은, 1.7보다 높은, 또는 1.8보다 높은 굴절률을 포함할 수 있다. 산란 요소들 중 하나 이상은 약
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0.05 초과, 0.1 초과, 0.2 초과 또는 0.3 초과로 캐리어 기판의 굴절률을 초과하는 굴절률을 가지기 위해 선택
될 수 있다. 이로써, 일부 경우들에서, 전체 투명 확산기 물품의 반사율은 5% 초과, 10% 초과, 20% 초과, 또
는 심지어 50% 초과일 수 있다.
예시 투명 확산기 물품들은 또한 비대칭 산란 광 출력을 포함할 수 있다. 예를 들어, 투명 확산기의 산란 요[0065]
소들에 대한 광 소스(들)의 적합한 설치, 나아가 굴절률의 선택을 통해 투명 확산기의 구조화 영역의 반사율의
제어에 의해, 산란 광은 하나의 주요 방향을 통하여 유리하게 산란될 수 있다 (예컨대, LED들로부터의 보다 많
이 산란된 광은 음의 z 방향, 또는 그 반대 방향을 향하기보다는 오히려 도 4에서의 z-방향을 향하여 지향될 수
있음). 이는 투명 백라이트 등의 소정의 적용들에 대해 바람직할 수 있고, 특정 보는 사람 또는 보이는 영역
을 향한 광 산란이 바람직하며, 그리고 다른 주요 방향으로 산란된 광은 많이 소모된다. 일부 실시예들에서,
이는 투명 확산기 구조체의 전체 반사율을 약 50% 보다 커지도록 설계하고, 의도된 보는 사람 또는 조명 영역으
로서 투명 확산기의 구조화 영역들의 동일 측면 상에 광 소스(들)를 위치시킴으로써 얻어질 수 있다. 이로써,
투명 확산기로부터 반사된 50% 또는 그 초과의 광은 의도된 보는 사람을 향하여 산란될 수 있다. 다른 경우들
에서, 예를 들면 산란 요소들이 외부 거친 표면 (예컨대, 도 5)을 형성하는 에지-광 도파관 경우에, 투명 확산
기의 반사율은 50% 미만일 수 있으며 (예컨대, 20% 또는 심지어 10%일 수 있음), 산란 광은 도파관 내의 전반사
및 투명 확산기 구조체들의 산란 파워를 적절하게 균형잡히게 함으로써, 하나의 주요 방향을 향하여 유리하게
방출될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상술된 바와 같이, 확산기의 기판에 비해 상대적으로 높은 굴절률들을 가지기 위한 투명 확[0066]
산기의 구조화 영역을 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 추가 실시예들에서, 투명 매질 또는 기판은 약 1.3
내지 1.55 또는 그 초과의 굴절률을 가질 수 있는 반면, 투명 확산기의 산란 요소들을 구성하는 재료들은 이러
한 범위 밖이 굴절률들, 예컨대, 이러한 예시보다 낮은 굴절률들 및 비-제한 범위 (예를 들면, 1.0 내지 1.29)
및/또는 이러한 범위보다 높은 굴절률들 (예를 들면 1.56, 1.58, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 또는 2.5 및 이들
사이의 모든 값들)을 갖는 재료들을 가진다. 높은 전체 반사율이 필요한 적용들에 대해, 부분적으로 투명하고
얇은 금속 막 등의 반사 막은 예시 투명 확산기로부터 산란된 광의 방향성 또는 산란 강도를 더 향상시키기 위
해, 구조체에 통합되거나, 투명 확산기 상에 코팅/접합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 예시 투명 확산기들은
z-방향으로부터 먼 각도에 커지고 z-방향 가까운 각도에 대해 작아지는 외부 주변 투과 광에 대한 광 산란을 보
일 수 있다.
본원에서 기술된 바와 같이, 투명 확산기들은 임의의 디스플레이의 앞 표면들 또는 상기 디스플레이 내의 매립[0067]
계면들, 임의의 크기의 발광 디스플레이들을 위한 보호 커버들, 터치 스크린들, 터치 감응 표면들, 액정 디스플
레이들 (LCD들), 유기 발광 다이오드들 (OLED들), 헤드 업 디스플레이들 (HUD들), 투명 HUD들, 아쿠아리움들,
레이저 기반 반사형 헤드-업 디스플레이들, 웨어러블 디스플레이들, 헤드 장착 또는 장착 가능한 디스플레이들
(HMD들), 창들 (차량, 가옥, 빌딩, 가전 기기, 디스플레이 케이스, 액자, 냉동고, 냉장고, 등), 차량의 대시보
드들, 차량 바이저들, 차량 후드들, 차량 도어들, 선글라스, 또는 유리 기반 디스플레이, 디스플레이용 투명 백
라이트들, 예를 들면 LCD들, 스위칭 온될 시에 램프들로서 기능도 하는 투명 빌딩 창들 또는 천장에 낸 채광창
들 (skylights), 필요할 시에 발광하는 자동 창들 (예를 들면, 차량의 외부 또는 내부 조명용), 투명하지만 한
방향으로 광을 강하게 방출하여 한 측면 상의 보는 사람이 타 측면 상의 보는 사람을 보게 어렵게 하는 방향성
개인 창들, 투명 투영 스크린들, 또는 일반적으로 투명 디스플레이들 또는 투명 광 소스들로부터 유익이 있을
수 있거나, 현재 창들을 이용하는 임의의 적용을 포함하여, 다양한 범위의 적용예를 제공할 수 있으며, 그리고
일반적으로 관측자 또는 광학계가 투명 매질을 통해 장면 또는 물체를 볼 수 있고, 관측자 등이 위치한 측면 상
에 제 2 광 소스, 예컨대, 주변 광이 존재하는 임의의 적용에 대해서도 제공될 수 있다.
도 21은 헤드 장착식 디스플레이의 일 부분의 종래 실시예이다. 도 21을 참조하여 보면, 이미지 도파관 (20[0068]
0)은 인-커플링 (in-coupling) 영역 (205), 아웃-커플링 (out-coupling) 영역 (210), 및 중간 영역 (215)을 가
지는 것으로 도시된다. 인-커플링 영역 (205)은 인-커플링 미러 구조체들 (220)을 포함하며, 그리고 아웃-커
플링 영역 (210)은 아웃-커플링 미러 구조체들 (225) 및 말단 캡 표면 (230)을 포함한다. 이미지 도파관
(200)은, 입력 광을 수신하고 도파관 기판의 동일 측면 표면으로부터 출력 광을 방출하는 단일 도파관 기판 (예
컨대, 평면 도파관)이다. 이미지 도파관 (200)은 일반적으로 인-커플링 영역 (205)에서 시준된 입력 광을 수
신함으로써 동작된다. 인-커플링 미러 구조체들 (205)은 이미지 도파관 (200)을 통해 아웃-커플링 영역 (22
0)을 향하여 입력 광을 반사시키도록 배향된다. 반사된 입력 광은 그 후에 중간 영역 (215)에 의해 아웃-커플
링 영역 (210)을 향하여 가이드된다. 인-커플링 미러 구조체들 (220)은 광 입사 표면 (240)에 대해 비스듬하
게 경사진 반사 표면들을 포함한다. 인-커플링 미러 구조체들 (220) 각각은 입력 광에 대해 경사진 적어도 하
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나의 반사 표면 및 이미지 도파관 (200)의 측면들을 포함하고, 그 결과 반사 입력 광은 충분히 비스듬한 각도를
갖는 이미지 도파관 (200)의 측면들을 강타하고, 이미지 도파관 (200) 내에서 전반사를 통해 가이드된다. 광
이 사전결정된 거리를 전파한 후에, 광은 보는 사람으로 투과된 광 추출기를 통해 추출될 수 있다. 예시 광
추출기들 (예컨대, 전부 본원에서 참조로 병합된 미국 특허 제8,446,675호 참조)은 파장보다 큰 마이크로프리즘
들의 어레이들을 포함하고, 그 결과 임의의 굴절 효과는 회절에 관해 두드러진다 (예컨대, 디바이스는 기하학적
인 광학 모드에 있음). 그러나, 이러한 접근법은, 프리즘들의 어레이 (예컨대, 100 미크론 피치를 갖음)가 인
간 눈이 손쉽게 알아낼 수 있는 60 분각 (arc minutes)으로 분리된 고스트 이미지들을 생성할 것이기 때문에,
회절 효과를 완전하게 설명하지 못한다. 인간 해상력 아래로 이러한 회절을 낮추기 위해, 다른 중요한 이미지
인공물들도 생성하는 대략 1-2 mm 피치의 프리즘 피치가 필요할 수 있다. 광 추출기들에 대한 또 다른 접근법
은 커플링 격자들을 사용하여 포함할 수 있다; 그러나, 이들은 편향 각도에 관한, 나아가 회절 효율에 관한 파
장에 민감하다. 이로써, 하나의 해결책은 3 개의 색상들 (R, G 및 B) 각각에 대해 별개의 도파관들을 사용하
고, 각각의 파장에 대해 최적화된 광 추출기들을 가지는 것을 포함한다 (도 22 참조). 도 22는 상기와 같은
다수의 도파관 구성의 도시이다. 그러나, 상기와 같은 구성을 이용하여, 광은 다른 도파관들에 위치된 추출기
에 걸쳐 갈 필요가 있으며, 그러므로 산란될 것이다. 이로써, 투명한 아웃-커플링 격자들을 가질 필요성이 있
다. 이를 피하기 위한 하나의 접근법은 단지 특정 파장이 회절될 수 있도록 효율에 관한 파장에 대해 매우 민
감한 커플링 격자, 예컨대, 재료 대부분이 일부 인덱스 변조를 제시하는 브래그 (Bragg) 유형 구조체들를 만드
는 것을 포함한다 (도 23). 그러나, 상기와 같은 실시예는 도전과제들을 제시할 수 있으며, 나아가, 볼륨의
브래그 격자들은 대량 생산에 대해 비효율적일 수 있는 홀로그래피를 통해 일반적으로 만들어진다. 브래그 격
자들은 또한 좁은 스펙트럼 대역폭을 포함하는 경향이 있으며, 그리고 반사 브래그 공명 파장은 입사 각도의 함
수로서 이동될 수 있으며, 이로 인해, 제한된 투영 시계 (projected field of view)를 제공한다. 이로써, 이
전에 기술된 표면 또는 매립된 산란 요소들은 보다 넓은 스펙트럼 및 상기와 같은 실시예들에서의 각도 수락을
제공할 수 있다.
하나의 예시 실시예는 상기에서 기술되고 도 24a 및 24b에 도시된 바와 같이, 투명 확산 표면을 포함한다. 도[0069]
24a 및 24b를 참조하여 보면, 표면 텍스쳐 (랜덤, 주기적 또는 그 반대), 나아가 벌크 인덱스 변조는 투과에서
보상하기 위해 단독으로 또는 조합으로 이용될 수 있다. 이들 2 개의 텍스쳐들은 일부 실시예들에서, 동일한
마이크로리소그래픽 마스크를 통해 연속적으로 에칭 (표면 텍스쳐) 및 이온 교환 (벌크 인덱스 텍스쳐)을 함으
로써, 생성될 수 있다. 예시 구조체를 통해 가는 광 빔들 (1 및 2)의 OPD를 계산하는 것은 다음 관계를 제공
한다:
[0070]
여기서, OPD는 광학 경로 길이 차를 나타내고, n은 재료의 굴절률을 나타내며, 그리고 dn은 실시예의 골들에서[0071]
의 벌크 인덱스 증가를 나타낸다. L2 = (n-1)L1/dn인 경우에서, 도시될 수 있는 바와 같이, OPD1 = OPD2은 투
과에서의 광의 위상이 변조되지 않는다는 것을 의미하며, 그리고 광은 그의 파장과 관계없이 회절되지 않는다.
반사된 광을 고려하면, 다음과 같다:[0072]
[0073]
이들 관계들을 줄이고 이전의 조건 L2 = (n-1) L1/dn을 고려함으로써, 다음 관계는 다음을 얻을 수 있다:[0074]
[0075]
이로써, 어떠한 위상 변조도 투과에서 있지 않지만, 반사에서 일부 변조가 여전하게 있을 수 있으며, 그리고 광[0076]
은 그 후에 산란될 수 있다.
도 12a 내지 12d는 마스킹 층으로서 비-습윤 재료를, 그리고 광학 왜곡-감소 층으로서 고 굴절률 재료를 사용하[0077]
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여, 예시 구조체를 제조하는 실시예들의 간단한 도시이다. 도 12a-12d를 참조하여 보면, 이들 도면들은 투명
매질 (10)을 사용하여 구조체 (100)를 제조하는 비-제한 방법을 도시한 확대 단면도를 나타낸다. 도 12a를 참
조하여 보면, 제 1 표면 (14-1)이 텍스쳐링된 투명 매질 (10)이 제공된다. 제 1 표면 (14-1)은 공지된
방법들, 예를 들면, 샌드블라스팅 (sandblasting), 에칭, 랩핑 (lapping), 엠보싱 (embossing), 스탬핑, 그라
이딩, 마이크로머싱 등을 사용하여 다양한 방식들로 형성될 수 있다.
제 1 표면 (14-1)은 그 후에, 표면이 비-습윤화되도록 하는 소척성 재료를 포함한 코팅 층 (110)으로 코팅될 수[0078]
있다. 코팅 층 (110)에 대한 예시 재료는 액체 형태로 스핀-코팅될 수 있는 소척성 실란을 포함하지만, 이에
제한되지 않는다. 코팅 층 (110)은 사용된 특정 재료에 의존하여, 임의의 공지 수단, 예를 들면 스프레잉, 딥
-코팅, 물리 증착법, 및 스핀-코팅을 사용하여 도포될 수 있다. 도 12b를 이제 참조하여 보면, 코팅 층 (11
0)은 마루들 (P)을 둘러싼 영역들을 제외하고, 제 1 표면 (14-1)으로부터 제거되고, 이로 인해, 마루들 상부단
에 코팅의 부분들 (110P)이 남을 수 있다. 이는 예를 들어, 두서너 가지 예만 들면, 레이저 처리에 의해, 광
학 노출 기법에 의해 또는 열 처리에 의해 (예컨대, 베이킹, 열 조사 등) 달성될 수 있다. 대안 실시예에서,
코팅 층 (110)은 예를 들어, 스탬핑 및 마이크로-접촉 프린팅 등의 방법들을 사용하여 각각의 마루 (P)를 둘러
싸는 영역들에 도포될 수 있다.
이제 도 12c를 참조하여 보면, 마루들 (P)이 비-습윤 재료의 부분들 (110P)로 코팅되면, 상대적으로 높은 굴절[0079]
률 재료의 굴절률 (n2) (즉, n2 > n1)의 광학 왜곡-감소 층 (15)은 예를 들어, 습윤-코팅 처리를 사용하여 도포
될 수 있다. 마루들에서 재료 부분들 (110P)이 비-습윤성이기 때문에, 층 (15)에 대한 습윤 재료는 마루들
(P)에서 미끄러지고 골들 (V)을 충전할 것이다. 주목해야 하는 바와 같이, 표면 장력은 층 (15)이 제 2 표면
(14-2) (식 (3)의 제 2 표면 형상 (h2 (x,y))을 적어도 근사화시킴)을 정의하도록 하는 메니스커스 (meniscu
s)를 가지기 위해 골들 (V)을 충전하는 층 (15)에 재료를 일으킬 수 있다. 층 (15)의 재료는 예를 들어, 수성
또는 비-수성 폴리머 용액, 무용제 모노머 또는 폴리머의 혼합물, 또는 수성 또는 비-수성의 TiO2, ZrO2, Al2O3,
SiO2와 같은 솔-겔 재료, 또는 이들의 혼합물 또는 기술 분야의 공지된 다른 재료들일 수 있다. 층 (15)은 그
후에, 제 1 표면 (14-1) 상에서 제자리에 머무르도록 (예를 들어, 건조, 열경화, UV경화 등을 통해) 굳어지고
응고될 수 있다. 도 12d를 이제 참조해 보면, 마루들 (P) 상의 비-습윤 재료 부분들 (110P)은 최종 구조체
(100)를 생성하기 위해, 제거될 수 있다 (예컨대, 적합한 용제, 플라즈마 클리닝, UV 오존 또는 가열 처리)를
사용하여 벗겨냄).
도 13a 내지 13c는 광학 왜곡-감소 층으로서 고 굴절률 재료를 선택적으로 증착시키기 위해, 잉크-젯 프린터 헤[0080]
드를 사용하여, 구조체를 제조하는 추가적인 실시예들의 간단한 도시이다. 도 13a 내지 13c를 참조하여 보면,
텍스쳐링된 제 1 표면 (14-1)을 가진 투명 매질 (10)을 사용하여 구조체 (100)를 제조하는 또 다른 예시 방법이
도시된다. 도 13a는 투명 매질 (10) 및 그 텍스쳐링된 제 1 표면 (14-1)의 확대된 단면을 도시한다. 도 13b
를 이제 참조하여 보면, 고 굴절률 코팅 재료 (140)는 제 1 표면 (14-1) 상에 액적들 (142)로서 선택적으로 증
착될 수 있다. 하나의 예시에서, 액적들 (142)은, 노즐들 (152)을 포함한 잉크-젯 프린터 헤드 (150)를 사용
하여 제 1 표면 (14-1)을 향해서 투사된다. 잉크-젯 프린터 헤드 (150)는 도 13c에 도시된 바와 같이, 상기의
식 (3)에 따른 제 2 표면 (14-2)을 형성하는 패턴을 제 1 표면 (14-1) 상에 적용시키기 위해, 프로그램이 가능
한 제어기 (154)에 의해 제어될 수 있다. 제 1 표면 (14-1)의 텍스쳐를 정의하는 제 1 표면 형상 (h1 (x,y))
는 공초점 현미경 (confocal microscopy), 간섭계, 원자력 현미경, 조면계 (profilometer) 또는 유사 표면-형
상 측정 디바이스들을 사용하여 측정될 수 있다. 제 1 표면 형상 (h1 (x,y))은 그 후에 투명 매질 (10) 및 재
료 (140) 각각에 대한 굴절률 (n1 및 n2)과 함께, 제어기 (154)에 제공될 수 있다. 제어기 (154)는 이러한 정
보를 처리하고, 잉크-젯 프린터 헤드 (150)를 증착 재료 (140)로 안내하여, 재료 (140)로 구성되고 표면 형상
(h2 (x,y))에 의해 실질적으로 정의된 제 2 표면 (14-2)을 가진 투명 층 (15)을 형성하기 위해, 프로그램화될
수 있다. 최종 구조체 (100)는 도 13c에 도시된다.
도 14a 내지 14d는 구조체를 제조하는 추가 실시예들의 간단한 도시이다. 도 14a 내지 14d를 참조하여 보면,[0081]
일반적으로 평면 제 1 표면 (14-1)을 가진 투명 매질 (10)을 사용하여 구조체 (100)를 제조하는 또 다른 예시
방법이 도시된다. 도 14a 및 도 14b를 참조하여 보면, 상 코팅 (phase coating) (120)은 제 1 표면 (14-1)
상의 투명 기판 (10)에 도포될 수 있다. 상 코팅 (120)은, 궁극적으로 상 분리되고 (phase-separate) 각각 고
굴절률 및 저 굴절률 (이로써 서로 다른 광학 위상들)을 가진 서로 다른 영역들 (122H 및 122L)을 형성하는 재
료로 배합될 수 있고, 상기 영역들은 공간적으로 실질적으로 랜덤하게 분포된다. 이러한 상 분리는 용액 상태
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에서 일어날 수 있으며, 상 분리는 용제 또는 용제-용질 불혼합에 의해 촉진될 수 있거나, 또는 고체-고체 상
분리로서 일어날 수 있다. 예시 상 코팅 (120)은 고 굴절률의 영역들 (122H)이 저 굴절률의 영역들 (122L)보
다 높은 에칭 속도를 가진다는 속성을 가진다. 도 14c를 참조하여 보면, 상 코팅 (120)은 화살표로 개략적으
로 도시된 에칭 공정 (130)을 사용하여 에칭될 수 있다. 에칭 공정 (130)은 고 굴절률 영역들 (122H)을 구성
하는 재료를, 저-굴절률 영역들 (122L)을 구성하는 재료들보다 고속으로 제거하도록 작용한다. 최종 구조체
(100)는 도 14d에 도시된다.
도 15a 내지 15d는 구조체를 제조하는 추가 실시예들의 간단한 도시이다. 도 15a 내지 15d를 참조하여 보면,[0082]
일반적으로 평면 제 1 표면 (14-1)을 가진 투명 매질 (10)을 사용하여 구조체 (100)를 제조하는 추가 방법이 도
시된다. 이러한 방법은 상 코팅 (120)을 사용한다는 점에서 상기에서 이전에 기술된 방법과 유사하다. 그러
나, 이러한 예시 방법에서 상 코팅 (120)의 영역들 (122H)은 저 굴절률 영역 (122L)보다 큰 열 고결 경향 (즉,
소결에 의한 해당 수축)을 갖는 한층 높은 굴절률을 가진다. 이로써, 상 코팅 (120)이 도포되고 (도 15a), 그
이후에 상 분리가 허용된 이후 (도 15b), 도 15c에 도시된 바와 같이, 상 코팅에 열 (143)이 가해질 수 있다.
열 (143)은 상 코팅 (120)이 소결 및 고결되도록 하고, 이때 영역들 (122H 및 122L)은 서로 다른 비율로 고결
되며, 특히, 저-굴절률 영역들 (122L)은 고-굴절률 영역들 (122H)보다 작은 양으로 고결된다. 고결율
(consolidation rate)의 이러한 차이는 예를 들어, 고 굴절률 재료가 저-굴절률 재료보다 낮은 유리 전이 온도
또는 용융 온도를 가지도록 상 코팅 (120)을 가공함으로써, 또는 열을 받을 시에 수축되는 보다 큰 다공성 볼륨
을 가지도록 영역들 (122H)에서의 고 굴절률 재료를 가공함으로써, 달성될 수 있다. 결과적으로, 이는 상 코
팅 (120)이 도 15d에 도시된 구조체 (100)를 초래하는 파형 (undulating) 형상을 취하도록 한다.
도 16a 내지 16h는 이온-교환 공정을 사용하여 구조체를 제조하는 방법의 일부 실시예들의 간단한 도시이다.[0083]
도 16a 내지 16g를 참조하여 보면, 평면의 제 1 표면 (14-1)을 갖는 투명 매질 (10)을 사용하여 구조체 (100)를
제조하는 또 다른 예시 방법이 제공된다. 우선 도 16a를 참조하여 보면, 포토마스킹 재료 (170)는 투명 매질
(10)의 제 1 표면 (14-1) 상에 증착될 수 있다. 예시 포토마스킹 재료 (170)는 포토레지스트를 포함하고, 예
를 들면, 포토리소그래피로 사용된다. 포토마스킹 재료 (170)는 감광성이며, 이로써, 활성화 (화학) 광에 노
출될 시에, 노출된 재료는 선택적으로 제거될 수 있고, 마스크 패턴이 남게 된다. 주목해야 하는 바와 같이,
포토마스킹 재료 (170)는 네거티브형 포토레지스트 (negative photoresist)를 포함할 수 있고, 노출된 재료는
남아 있게 되고, 노출되지 않은 재료는 제거된다. 이제 도 16b를 참조하여 보면, 화학 광 (176)은 포토마스킹
재료 (170)를 선택적으로 노출하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 화학 광 (176)은 레티클 (reticle)을 통해
포토마스킹 재료 (170)로 지향될 수 있는 반면, 또 다른 예시에서, 화학 광은 선택 스캐닝 패턴을 사용하여 스
캔된다. 노출된 포토마스킹 재료 (170)는 그 후에 도 16c에 도시된 바와 같이, 포토마스크 패턴 (170P)을 생
성하기 위해 처리 (예컨대, 현상)될 수 있다. 이제 도 16d를 참조하여 보면, 도 16c의 구조체는 에칭 공정
(130)을 받을 수 있다. 포토마스킹 재료 (170)가 에칭에 견디기 때문에, 에칭 공정 (130)은 포토마스킹 재료
(170)의 남아 있는 부분들 사이의 공간들 (171)에서 투명 매질 (10)의 제 1 표면 (14-1) 내로 에칭된다. 도
16e에 도시된 것은, 공간들 (171)이 위치된 노출 위치들에서 함몰부들 (180)이 제 1 표면 (14-1)에 형성된 결과
이다. 함몰부들 (180)은 상대적으로 가파르고, 실질적으로 수직의 측벽들을 가진 골 (V)로서 생각할 수 있으
며, 그리고 제 1 표면 (10)의 비-에칭된 부분들은 실질적으로 평탄한 (수평의) 마루 (P)로서 생각할 수 있다
(예컨대, 도 12a 참조). 도 16f를 이제 참조하여 보면, 이온-교환 공정은 수행될 수 있고, 여기에서 예를 들
어, 이온-교환 액체 층 (200)은 도 16e의 구조체 상에 배치된다. 이온-교환 액체 층 (200)은 투명 매질 (10)
의 바디 (12) 내의 다른 이온들 (204)에 대해 교환되는 이온들 (202)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온-교
환 공정은 예컨대, 노 또는 오븐에서 고온으로 실행될 수 있다. 이온-교환 공정은 이온들 (202 및 204)이 교
환되는 위치들에서 투명 매질 (10)의 굴절률을 변화시키도록 작용한다. 이온-교환 액체 층 (200)에서의 예시
이온들 (202)은 포타슘 및 은을 포함한다. 예시 투명 매질들 (10)은 유리를 포함할 수 있다. 일부 경우들에
서, 포토레지스트로 패턴화될 수 있는 대안 또는 추가 마스킹 재료를 사용할 필요성이 있을 수 있고, 여기서 대
안 마스킹 재료는 고온 이온 교환 동안 내구성 확산 배리어로서 작용한다. 상기와 같은 내구성 마스킹 재료들
은, 물리 증착 또는 화학 기상 증착 등의 공지된 방법에 의해 증착될 수 있는, 다양한 밀집 산화물들 및 질화물
들, 예를 들면 질화 규소를 포함할 수 있다. 이제 도 16g를 참조하여 보면, 이온-교환 공정이 실행된 이후에,
최종 구조체는, 제 1 표면 (14-1)에 인접하고 함몰부들 (180)과 정렬된, 투명 매질 바디 (12) 내의 이온-교환
영역들 (210)을 포함할 수 있다. 이온-교환 영역들 (210)은 투명 매질 바디 (12)의 굴절률 (n1)보다 큰 굴절
률 (n2)을 가질 수 있다. 도 16h를 참조하여 보면, 이온-교환 공정이 완료될 시에, 남아 있는 포토마스킹 재
료 (170)는 공지된 방법들을 사용하여 제거된다.
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도 17a 내지 17d는 고 굴절률 재료가 에칭된 함몰부들에 증착되는 구조체를 제조하는 실시예들의 간단한 도시이[0084]
다. 도 17a 내지 17d를 참조하여 보면, 도 16a 내지 16h에 도시된 예시 방법과 유사한 구조체 (100)를 제조하
는 추가 예시 방법이 제공된다. 예시 방법은 도 17a의 구조체에 이르기 위해 도 16a 내지 16e와 관련하여 상
술된 동일 단계들을 따를 수 있고, 여기서 함몰부들 (180)은 도 16e에 있는 것보다 깊은 것으로 도시된다. 하
나의 비-제한적인 예시에서, 함몰부들 (180)은 실질적으로 수직의 측벽들 (181)을 가질 수 있으며, 그리고 제 1
표면 (14-1)은 실질적으로 평탄한 섹션들을 가질 수 있다 (예컨대, 도 17a 참조). 도 17b에서, 광학 왜곡-감
소 층 (15)은 함몰부들 (180) 내에 (기상- 또는 액상-기반 코팅 방법들에 의해) 증착될 수 있다. 도 17c를 참
조하면, 포토마스킹 재료 (170)는 예시 구조체 (100)를 형성하기 위해 제 1 표면 (14-1)으로부터 제거될 수 있
다. 도 17d는 도 17c와 유사하고 함몰부들 (180) 내의 층 (15)의 예들이 액상-기반 코팅의 자연 흐름 거동으
로부터 도출될 수 있는, 메니스커스 형상을 가진 예시 실시예를 도시한다. 하나의 예시에서, 제 1 표면 (14-
1)은 포토마스킹 재료 (170)가 상주한 평탄 섹션들을 포함한다.
도 18a는 펄스형 레이저에 의한 국소 가열을 사용하여, 투명 매질의 표면 상에 유리 범프들을 형성함으로써, 구[0085]
조체를 제조하는 또 다른 실시예를 도시한 예시 투명 매질의 단면도이다. 도 18a를 참조하여 보면, 제 1 표면
(14-1)을 급속히 그리고 국소적으로 가열하는 충분한 파워를 가진 펄스형 레이저 빔들 (300)로 조사되는 투명
매질 (10)이 도시된다. 투명 매질 (10)의 제 1 표면 (14-1)은 레이저 빔들 (300)의 펄스들의 가해진 후에 급
속으로 냉각될 수 있다. 국소 가열은 투명 매질 (10)의 국소적 연화 및 팽창을 일으킬 수 있으며, 그리고 급
속 냉각 시, 처음의 유리보다 큰 볼륨을 가진 저밀도 또는 고 가상 온도 (fictive temperature)의 영역들은 제
자리에서 동결되고, 이로 인해, 마루들 (P)을 갖는 범프들 (310)을 형성한다. 범프들 (310)의 크기들은 제 1
표면 (14-1)에 제공된 가열 양에 비례한다. 이로써, 범프들 (310)은 텍스쳐링된 표면 (14-1)을 정의할 수 있
고, 이때 범프들 (310)의 굴절률은 투명 매질 (10)의 영향을 받지 않은 바디 (12)의 굴절률보다 낮다. 국소
가열의 적용 이전의 원래 평면 표면 (14-1)은 구조체 (100)에 파선으로 도시된다. 국소 가열 및 급속 냉각을
사용하여 범프들 (310)의 형성을 기술한 관련 재료들 및 방법들은 미국 특허 제7,480,432호 - 발명 명칭
"Glass-based micropositioning systems and methods", 및 미국 특허 제7,505,650호 - 발명 명칭 "Microlenses
for optical assemblies and related methods"에 기술되고, 상기 미국 특허들 각각은 전부 참조로 본원에 병합
된다. 도 18b는 도 18a에 도시된 다양한 크기들의 유리 범프들을 생성하기 위해 레이저 빔에 의해 처리되는
예시 투명 매질의 사시도이다. 도 18b를 참조하여 보면, 예컨대, 강도가 변화될 시에 (화살표 (302)에 의해
나타난 바와 같이) 서로 다른 위치들에 대해 스캔되는 레이저 빔 (300)에 의해 처리되어, 예를 들면 도 18a에
도시된 다양한 크기들의 범프들 (310)을 생성하는 투명 매질 (10)이 도시된다.
도 19a 내지 19f는 상 구조체를 형성하기 위해 투명 매질 상에 증착된, 친화성 및 소척성 재료들을 사용하여[0086]
DRAG 구조체를 제조하는 실시예들의 간단한 도시이다. 도 19a 내지 19f를 참조하여 보면, 구조체 (100)를 제
조하는 또 다른 예시 방법이 제공된다. 도 19a 및 19b에서, 제 1 표면 (14-1)은 저-굴절률 코팅 재료에 대해
상기 표면을 비-습윤적 (즉, 액체 접촉각을 증가시켜 액체 퍼짐을 방지함)으로 하게 하는 소척성 재료 (320)
(도 19a에서 화살표로 도시)로 옵션으로 처리된다. 예시의 비-제한 소척성 재료 (320)는 플루오르실란이다.
도 19c를 참조하여 보면, 잉크-젯, 스탬핑, 딥-펜 또는 유사한 처리는 대략 폭이 10-100 미크론이고 높이가
0.1-5 미크론인 저-굴절률 (n1) 액적들 (332)의 어레이 (330)를 제 1 표면 (14-1) (및 그 위의 소척성 재료
(320)의 얇은 층) 상에 형성하기 위해 사용될 수 있다. 액적들 (332)은 예를 들어, 도 19c에 도시된 바와 같
이, 경화 에너지 (336)의 형태로 UV 또는 열 경화를 사용하여 경화된다. 이제 도 19d를 참조하여 보면, 구조
체는 예를 들어, 플라즈마, UV 오존, 또는 코로나 처리를 사용하여, 표면 (14-1)의 노출된 부분들 나아가 액적
들 (332)이 친화성을 보다 많이 가질 수 있는 (즉, 보다 많이 습해질 수 있는), 친화성 처리 (340) (화살표에
의해 나타남)를 받을 수 있다. 도 19e를 참조하여 보면, 최종 코팅 단계는 프린팅 방법들을 사용하여 패턴화
될 수도 있는 고 굴절률 (n2) 코팅 (350)을 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 액적들 (332) 사이의 공간들
(골들) (333)의 습윤 특성으로 인해, 고 굴절률 코팅 (350)은 도시된 바와 같이, 골들 (333)에 모여 적신다.
이는 최종 구조체 (100)를 형성하기 위해 도 19f에 도시된 바와 같이 최종 경화 단계로 이어질 수 있다. 도
19f는, 어느 액적들이 측정되는 지에 의존하여 차이가 있을 수 있는, L1으로 표기된 인접한 액적들 (332) (마루
들 (P)) 사이의 측 방향 공간 등의 구조체 (100)를 정의하는 예시 파라미터들을 설명한다. 마찬가지로, 기판
표면 (14-1)에 대한 마루 높이는 P1으로 표기되며, 그리고 기판 표면에 대한 골 높이는 V1으로 표기된다. 일
부 경우들에서, 저-굴절률 액적들 (332)은 일부 비-습윤성 거동을 유지하여, 고 굴절률 코팅 (재료) (350)을 증
착시킬 시에, 보다 간단한 (예컨대, 완전 커버리지, 비-패턴화) 습윤성 코팅 처리가 사용되는 것을 가능케 하도
록 설계될 수 있다. 그러나, 이는 저-비용 코팅 처리와 혹시 덜 이상적인 광학 구조체 사이의 트레이드 오프
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를 수반할 수 있다.
액적들 (332)을 형성하는 저-굴절률 코팅 재료들의 비-제한 예시들은 약 1.3 내지 약 1.35의 범위의 굴절률을[0087]
가진 플루오르아크릴레이트들을 포함한다. 고 굴절률 코팅 재료들의 비-제한 예시들은 하이브리드 유기-무기
폴리스티렌들, 나노파티클-충전 아크릴레이트들, 솔-겔들, 및 소정의 폴리이미드들을 포함하고, 이때 상기 굴절
률은 약 1.6 내지 약 1.9의 범위, 및 심지어 그 초과의 범위에 있다. 일부 경우들에서, 저-굴절률 및 고 굴절
률 재료들 중 하나 또는 둘 다는 이들의 기계적 속성들, 수축 또는 굴절률을 변형하기 위해 나노파티클들로 충
전될 수 있다. 폴리머계들을 충전하기 위해 사용되는 나노파티클들의 예시들은 SiO2 (저 굴절률) 및 TiO2 또는
ZrO2 (고 굴절률)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 저-굴절률-재료 영역들은 또한 다공성 또는 중공 영역
들의 일부 양을 일부 정도 또는 부분적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 저-굴절률 영역들은 나노다공성 솔-
겔 재료, 나노다공성 폴리머 재료, 또는 다양한 유리들, 폴리머들 또는 본원에서 언급되거나 기술 분야에서 공
지된 다른 재료들로 구성된 중공 나노스피어들 또는 마이크로스피어들을 포함할 수 있다.
도 20a 내지 20c는 등각 또는 반-등각 층의 바람직한 폴리싱을 사용하여 구조체를 제조하는 추가 실시예들의 간[0088]
단한 도시이다. 도 20a 내지 20c를 참조하여 보면, 구조체 (100)를 제조하는 또 다른 실시예가 제공된다.
도 20a를 참조하여 보면, 유리 기판 (10)에는 에칭, 엠보싱, 핫-몰딩, 샌드블라스팅 등과 같은 많은 공지된 방
법 중 어느 하나를 통해 거친 제 1 표면 (14-1)이 제공된다. 유리 기판 (10)은 그 후에, 등각 또는 반-등각
고 굴절률 코팅 (370)으로 코팅될 수 있다. 코팅 방법은 두서너 가지 예만 들면 열 증착 (thermal
evaporation), e-빔 증착, DC 또는 AC 스퍼터링, 또는 CVD 방법들 등과 같은 예를 들어, 기상 코팅을 포함할 수
있다. 코팅 방법은 또한 스핀 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅과 같은 액체 코팅 방법들을 포함할 수
있다. 코팅 재료는 무기물, 솔-겔, 또는 폴리머일 수 있다. 코팅 (370)을 위한 재료는 TiO, ZrO2, Al2O3,
SiO2, 아크릴레이트 폴리머들, 폴리이미드들 또는 이전에 언급된 다른 재료들을 포함할 수 있다. 등각 코팅
(370)이 거친 표면 (14-1)에 도포되고 옵션으로 경화된 후에, 제어된 연성 또는 경도 (경도계)를 가진 폴리싱
패드 (380)가 선택되는 폴리싱 단계가 수행될 수 있다. 폴리싱 패드 (380)는 등각 코팅 (370)과 접촉될 수 있
으며 (큰 화살표로 도시된 바와 같이), 그리고 제어된 폴리싱 압력을 사용하여 구조체를 폴리싱하기 위해 사용
될 수 있고, 그 결과 도 20b에서의 구조체의 마루들 (P)은 골들 (V)보다 많이 바람직하게 폴리싱된다. 폴리싱
은 화학제, 액체, 에칭제, 또는 특정 슬러리에 의해 보조될 수 있다. 이러한 방식으로, 고-굴절률 코팅 (37
0)은 마루들 (P)에서 보다 얇게 되고, 골들 (V)에서 보다 두껍게 되어 도 20c에 도시된 구조체 (100)를 초래한
다. 일부 실시예들에서, 최종 타깃 치수들은 이전의 예시들에 제공된 것들과 유사할 수 있다. 구조체 (10
0)를 형성하는 추가 실시예들에서, 폴리머 상-분리 재료들은 상술된 바와 같이, 왜곡-감소 및 AG 속성들 둘 다
를 제공하는 굴절률 (위상) 변화를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 예시 폴리머 상-분리 재료들은 기술 분야
에서 공지되며, 그리고 상기와 같은 실시예들에 사용될 수 있다.
상 분리를 만들어 내는 한 방법은, 건조 폴리머 용액에 마이크로영역들을 형성하여, 최종 폴리머가 제어된 마이[0089]
크로구조체를 가지도록 하기 위해, 습기 또는 수분의 제어된 사용을 포함하고 (예컨대, Gliemann 등의 논문
"Nanostructure formation in polymer thin films influenced by humidity", Surface and Interface Analysis
39, no. 1 (2007): 1-8k 참조 - 상기 논문 전부는 참조로 본원에 병합됨), 이로 인해 상-분리된 물은 최종 구조
체에 보이드들을 남겨둔다. 상기와 같은 폴리머들은 본원에 저-굴절률 마루 재료로서 사용되고, 그 다음에 이
전에 기술된 또는 다른 방법들을 사용하여 구조체의 골들 (V)에 보다 두껍게 이루어질 고 굴절률 재료로 오버코
팅될 수 있는 PMMA 및 PVB을 포함한다. 관련 대안 방법은 상당한 물 작용 없이 2 개의 재료들의 상 분리를 포
함한다. 예시 계 (system)는 SiO2에 대한 전구체로서 TEOS로부터 비롯되는 하이브리는 유기계에서 SiO2 및
PMMA의 상 분리이다 (예컨대, Silviera 등의 논문, "Phase separation in PMMA/silica sol-gel systems",
Polymer 36, no. 7 (1995): 1425-1434 참조 - 상기 논문 전부는 참조로 본원에 병합됨).
상이 미세 스케일로 분리되어 있는, 이러한 계에 있어서, 고 굴절률 재료, 이 경우에 PMMA를 플라즈마 또는 유[0090]
기 용제를 사용하여 바람직하게 에칭 제거하는 용제 또는 산을 선택할 수 있다. 플라즈마 처리들 및 다양한
용제들 (예컨대, 아세톤)은 SiO2에 대하는 것보다 고속으로 PMMA를 용이하게 침식할 것이다. 물론, 이러한 에
칭 방법은 엄격하게 "상-분리" 계들로 제한되지 않는다. 마이크로-영역 구조체가 또한 생성될 수 있되, 예를
들어, 열가소성 폴리머를 고온으로 기계적으로 블렌딩함으로써, 생성될 수 있다. 예시 계는 폴리이미드 (또는
폴리아미드, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리케톤 등)와의 플루오르폴리머의 블렌드일 수 있다. 상기와 같
은 계에 있어서 고굴절률 (불소화되지 않은) 폴리머를 바람직하게 침식하고, 이로써 고 굴절률 재료가 저-굴절
률 플루오르폴리머 재료에 대해서 선택적으로 얇게 되는 막들 또는 표면들을 생성하기 위한 루트를 제공하는 용
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제들 (예컨대 소정의 케톤들)을 용이하게 찾아낼 수 있다. 예컨대, 발명의 명칭이 "Composite articles
including a fluoropolymer blend"이고, Parsonage 등의 미국 특허 제6117508호를 참조하고, 이때 상기 특허
전부는 본원에 참조로 병합된다.
일부 실시예들에서, 광-투과 구조체는 복수의 영역들을 가진 기판을 가진 것으로 제공되고, 이때 복수의 영역들[0091]
중 적어도 2 개는 서로 다른 굴절률들을 가지며, 복수의 영역들을 통하여 제 1 광 소스로부터 투과된 광의 광학
경로 길이는 실질적으로 일정하며, 그리고 제 2 광 소스로부터 기판 내로 투과된 광은 복수의 영역들 중 적어도
하나에 의해 산란된다. 일부 실시예들에서, 복수의 영역들은 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하고,
이때 상기 제 2 영역은 제 1 및 제 3 영역들 중간에 위치한다. 다른 실시예들에서, 복수의 영역들 중 하나는
주변 환경에 대해 계면을 정의하는 기판의 표면 상에 있다. 비-제한 실시예에서, 제 2 영역은 고 굴절률 및
저 굴절률을 포함한 광-산란 표면을 가질 수 있다. 추가 실시예들에서, 제 2 영역은 저 굴절률을 가진 파티클
들 (중공 또는 고체), 및 서로 다른 굴절률을 가진 충전제 또는 바인더를 포함한다. 추가 실시예들에서, 제 2
영역은 구조화 요소들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 구조화 요소들은 주기적, 기하학적, 랜덤, 반-
랜덤, 비-주기적, 프리즘 형태의 또는 비-프리즘 형태의 요소들이다. 광학 경로 길이에서 구조화 요소들의 예
시 두께는 약 0.05 미크론 미만, 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크론, 약 0.05 미크론 내지 약 50 미크론 또는
50 미크론 내지 100 미크론일 수 있다. 복수의 영역들 각각의 굴절률은 1.0 내지 2.5, 1.0 내지 1.3, 1.0 내
지 2.0, 또는 1.3 내지 2.0의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 2 광 소스로부터의 광은 제 2 영
역에 의해 산란될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 광 소스는 발광 다이오드 (LED), LED들의 어레이, 및 레
이저로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 이들 제 2 광 소스들은 에지 또는 앞면 광 소스들일 수 있다. 예시
구조체들은 투명한 조명 기구들, 투명 디스플레이들, 헤드-업 디스플레이들, 헤드-장착식 디스플레이, 투명 백
라이트, 터치 스크린 디스플레이, 액정 디스플레이, 아쿠아리움, 레이저 기반 반사 헤드-업 디스플레이, 웨어러
블 디스플레이, 창, 차량 대시보드, 자동 창, 도파관, 광 가이드, 또는 건축용 창을 포함하지만, 이에 제한되지
않는다.
추가 실시예들에서, 광-투과 구조체는 복수의 영역들을 가진 기판, 기판에 내장된 구조화 영역인 제 1 영역, 및[0092]
주변 환경에 대해 계면을 정의하는 기판의 표면 상의 제 2 영역을 포함한다. 복수의 영역들 중 적어도 2 개는
서로 다른 굴절률들을 가지며, 복수의 영역들을 통하여 제 1 광 소스로부터 투과된 광의 광학 경로 길이는 실질
적으로 일정하며, 그리고 제 2 광 소스로부터 기판 내로 투과된 광은 복수의 영역들 중 적어도 하나에 의해 산
란된다. 일부 실시예들에서, 제 2 영역은 고 굴절률 및 저 굴절률을 포함한 광-산란 표면을 가진다. 이러한
제 2 영역은 저 굴절률을 가진 파티클들 또는 서로 다른 굴절률을 가진 충전제 또는 바인더를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 1 영역은 구조화 요소들을 포함할 수 있다. 예시 구조화 요소들은 주기적, 기하학적,
랜덤, 반-랜덤, 비-주기적, 프리즘 형태의 또는 비-프리즘 형태의 요소들이다. 광학 경로 길이에서 구조화 요
소들의 예시 두께는 약 0.05 미크론 미만, 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크론, 약 0.05 미크론 내지 약 50 미크
론 또는 50 미크론 내지 100 미크론이다. 다른 실시예들에서, 복수의 영역들 각각의 굴절률은 1.0 내지 2.5,
1.0 내지 1.3, 1.0 내지 2.0, 또는 1.3 내지 2.0의 범위에 있을 수 있다. 제 2 광 소스는 발광 다이오드
(LED), LED들의 어레이, 및 레이저 (에지 광 또는 앞면 광)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예시 구조체
들은 투명한 조명 기구들, 투명 디스플레이들, 헤드-업 디스플레이들, 헤드-장착식 디스플레이, 투명 백라이트,
터치 스크린 디스플레이, 액정 디스플레이, 아쿠아리움, 레이저 기반 반사 헤드-업 디스플레이, 웨어러블 디스
플레이, 창, 차량 대시보드, 자동 창, 도파관, 광 가이드, 또는 건축용 창을 포함하지만, 이에 제한되지
않는다.
본 설명이 다수의 종류를 포함할 수 있지만, 이들은 발명의 권리 범위에 관해 제한으로서 해석되는 것이[0093]
아니라, 오히려 특정 실시예들에 대해 명시될 수 있는 특징들의 설명으로서 해석되어야 한다. 별개의 실시예
들의 문맥에 지금까지 기술된 소정의 특징들은 또한 단일 실시예에서 조합으로 구현될 수 있다. 반대로, 단일
실시예의 문맥에 기술된 다양한 특징들은 또한 다수의 실시예들에서 별개로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로
구현될 수 있다. 게다가, 특징들이 소정의 조합으로 작동하는 것으로 상기에서 기술되고, 심지어 상기와 같이
처음에 청구될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우들에서 상기 조합으로부터
삭제될 수 있으며, 그리고 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변화에 관련될 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면 또는 그림에서 나타내었지만, 이는 상기와 같은 동작이 도시된 특정 순서[0094]
로 또는 순차적인 순서로 수행되는 것 또는 모든 예시 동작이 수행되어 원하는 결과를 달성하는 것을 필요로 하
는 것으로서 이해되지 않아야 한다. 소정의 상황에서, 다중 작업 및 병행 처리는 이점이 있을 수 있다.
도 1-24b에 도시된 다양한 구성들 및 실시예들에 의해 도시된 바와 같이, 광 가이드 및 조명 기구용 투명 확산[0095]
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기에 대한 다양한 실시예들이 기술되었다.
본원의 바람직한 실시예들이 기술되었지만, 이해되어야 하는 바와 같이, 기술된 실시예들은 단지 예시적이며,[0096]
그리고 본 발명의 권리 범위는 통독으로부터 기술 분야의 통상의 기술자에게 자연스레 일어나는 완전한 범위의
등가물, 많은 변화들 및 변형들에 따를 시에 첨부된 청구항들에 의해 단독으로 정의되어야 한다.
도면
도면1a
도면1b
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도면2a
도면2b
도면3a
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도면3b
도면4
도면5
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도면6
도면7
도면8a
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도면8b
도면9a
도면9b
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도면9c
도면10
도면11
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도면12a
도면12b
도면12c
도면12d
도면13a
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도면13b
도면13c
도면14a
도면14b
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도면14c
도면14d
도면15a
도면15b
도면15c
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도면15d
도면16a
도면16b
도면16c
도면16d
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도면16e
도면16f
도면16g
도면16h
도면17a
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도면17b
도면17c
도면17d
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도면18a
도면18b
도면19a
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도면19b
도면19c
도면19d
도면19e
도면19f
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도면20a
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도면22
도면23
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