KR100878620B1 - 광 스위칭 장치 - Google Patents
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Abstract
광 방향 스위칭 장치 및 방법이 기재된다. 광 방향 스위칭 장치는 수동 복굴절 렌즈(138)(예를 들어 복굴절 물결무늬 스크린)와, 스위칭 가능한 편광기(146)을 포함한다. 편광기(146)를 스위칭 함으로써, 출력 광의 상이한 방향 분배가 제공된다. 광 방향 스위칭 장치는 2차원 모드와 자동 입체 3차원 모드와의 사이에서 스위칭 할 수 있는 디스플레이 장치를 제공하기 위하여, 또는 상이한 영상이 상이한 관찰자에게 디스플레이되는 다중 사용자 디스플레이 장치를 제공하기 위하여, 액정 디스플레이 장치와 같은 디스플레이 장치와 함께 또는 이에 합체되어 사용될 수 있다. 광 방향 스위칭 장치는 또한 반사형 또는 반투과형 디스플레이 장치의 스위칭 가능한 휘도 향상을 제공하기 위하여 사용될 수도 있다. 광 방향 스위칭 장치는 광 섬유 스위칭 장치를 제공하기 위하여서도 사용될 수 있다. 스위칭 가능한 편광기는 기계적으로 스위칭 가능하거나 전기적으로 스위칭 가능할 수도 있다.
스위칭, 편광기, 복굴절, 디스플레이, 3차원, 액정.
Description
본 발명의 제1의 특징은 광 스위칭 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 스위칭 가능한 고휘도 반사 표시 시스템용; 다중 사용자 표시 시스템용; 방향 조명 시스템용 또는 광섬유 신호 스위칭 시스템용의, 스위칭 가능한 2차원(2D)/3차원(3D) 자동 입체 표시장치에 사용된다. 이러한 시스템은 원격통신 스위칭 응용뿐만 아니라, 컴퓨터 모니터, 원격통신 송수화기, 디지털 카메라, 랩톱 및 데스크톱 컴퓨터, 게임기, 자동차와 기타의 움직이는 표시장치 응용에 사용될 수 있다.
본 발명의 제2의 특징은 반사형(reflective) 및 반투과형(transflective) 표시장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 고휘도 반사 표시 시스템에서 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 원격통신 스위칭 응용뿐만 아니라, 컴퓨터 모니터, 원격통신 송수화기, 디지털 카메라, 랩톱 및 데스크톱 컴퓨터, 게임기, 자동차와 기타의 움직이는 디스플레이 응용에 사용될 수 있다.
3D 디스플레이
통상적인 사람의 시각은 입체이다, 즉 각 눈은 약간 다른 상을 보게된다. 두뇌는 두 영상(입체쌍으로 칭함)을 융합하여 깊이감을 주게된다. 3차원 입체 표시는 실세계 화면을 보고 있는 경우 보여지는 것에 대응하는 이격된, 일반적으로 평면인, 영상을 각 눈에 재생한다. 두뇌는 입체쌍을 융합하여 영상에 깊이의 외관을 주게된다.
도1a는 표시 평면(1)에 있는 표시면을 평면도로 도시한다. 오른쪽 눈(2)은 표시평면상의 일치하는 오른쪽 눈 영상 포인트(3)를 보며, 왼쪽 눈(4)은 표시평면상의 일치하는 왼쪽 눈 포인트(5)를 보아서, 스크린 평면 뒤에서 사용자에 의해 인식되는 표면 영상 포인트(6)를 생성한다.
도1b는 표시 평면(1)에 있는 표시면을 평면도로 도시한다. 오른쪽 눈(2)은 표시평면상의 일치하는 오른쪽 눈 영상 포인트(7)를 보며, 왼쪽 눈(4)은 표시평면상의 일치하는 왼쪽 눈 포인트(8)를 보아서, 스크린 평면 앞에서 사용자에 의해 인식되는 표면 영상 포인트(9)를 생성한다.
도1c는 왼쪽 눈 영상(10)과 오른쪽 눈 영상(11)의 겉보기를 도시한다. 왼쪽 눈 영상(10)에서의 일치 포인트(5)는 기준 선(12)상에 위치된다. 오른쪽 눈 영상(11)에서의 대응하는 일치 포인트(3)는 기준 선(12)에 관하여 다른 상대 위치(3)에 있다. 기준 선(12)으로부터 포인트(3)의 이격(13)은 불일치로 불려지며, 이 경우에는 스크린 평면 뒤에 놓여질 포인트에 대하여 양의 불일치이다.
화면에서 일반화된 포인트에 대하여, 도1a에 도시된 것처럼 입체쌍의 각 영상에 대응하는 포인트가 존재한다. 이러한 포인트들은 일치 포인트라 불리워진다. 두 영상 사이에 있는 일치 포인트의 상대적 이격은 불일치로 불리워진다; 0의 불일치를 갖는 포인트는 디스플레이의 깊이면에 있는 포인트에 대응한다. 도1b는 교차되지 않는 불일치를 갖는 포인트가 디스플레이 뒤에 나타남을 보여주고, 도1c는 교 차되는 불일치를 갖는 포인트가 디스플레이의 앞에 나타남을 보여준다. 일치 포인트의 이격의 정도, 관측자에 대한 거리, 및 관측자의 눈사이의 이격은 디스플레이 상에서 인식되는 깊이의 정도를 제공한다.
입체형 디스플레이는 선행기술에서 잘 알려져 있고, 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 보내지는 화면을 실질적으로 이격시키기 위하여 어떤 종류의 관찰 보조기가 사용자에 의해 사용되는 디스플레이에 의지한다. 예를 들어, 관찰 보조기는 영상이 컬러 부호화(예를 들어, 적색 및 녹색)된 컬러 필터; 영상이 직교 편광 상태로 부호화된 편광 안경; 또는 영상이 안경의 셔터를 여는 것과 동시에 일시적인 일련의 영상으로 부호화되는 셔터 안경일 수 있다.
자동 입체 디스플레이는 관측자가 쓰는 관찰 보조기 없이 작동한다. 자동 입체 디스플레이에서, 각 관측은 도2에 도시된 것처럼 공간에 있는 제한된 영역으로부터 보여질 수 있다.
도2a는 시차 광 요소(17)가 부착된 디스플레이 장치(16)를 도시한다. 디스플레이 장치는 오른쪽 눈 채널에 대하여 오른쪽 눈 영상(18)을 생성한다. 시차 광 요소(17)는 화살표(19)로 도시된 방향으로 빛을 비추어 디스플레이의 앞 영역에 오른쪽 눈 관찰 윈도우(20)를 생성한다. 관측자는 윈도우(20)의 위치에 자신의 오른쪽 눈(22)을 둔다. 왼쪽 눈 관찰 윈도우(24)의 위치는 참고로 도시되어 있다. 관찰 윈도우(20)은 또한 수직으로 연장된 광 눈동자로 불리워질 수도 있다.
도2b는 왼쪽 눈 광 시스템을 도시한다. 디스플레이 장치(16)는 왼쪽 눈 채널에 대하여 왼쪽 눈 영상(26)을 생성한다. 시차 광 요소(17)는 화살표(28)로 도 시된 방향으로 빛을 비추어 디스플레이의 앞 영역에 왼쪽 눈 관찰 윈도우(30)를 생성한다. 관측자는 윈도우(30)의 위치에 자신의 왼쪽 눈(32)을 둔다. 오른쪽 눈 관찰 윈도우(20)의 위치는 참고로 도시되어 있다.
시스템은 디스플레이 및 광 조향 메커니즘을 포함한다. 왼쪽 영상(26)으로부터의 빛은 관찰 윈도우(30)로 불리워지는 디스플레이 앞의 제한된 영역으로 보내진다. 만약 눈(32)이 관찰 윈도우(30)의 위치에 놓여진다면, 관측자는 전체 디스플레이(16)를 가로질러 적절한 영상(26)을 본다. 유사하게, 광 시스템은 오른쪽 영상(18)에 대한 빛을 별도의 윈도우(20)로 보낸다. 만약 관측자가 그 윈도우에 자신의 오른쪽 눈(22)을 둔다면, 오른쪽 눈 영상이 전체 디스플레이를 가로질러 보여질 것이다. 일반적으로, 어느 한쪽 영상으로부터의 빛이 각각의 방향으로 분포되도록 광학적으로 조향되었다고 생각될 수도 있다.
도3은 윈도우 평면(42)에 왼쪽 눈 관찰 윈도우(36, 37, 38)와 오른쪽 눈 관찰 윈도우(39, 40, 41)를 생성하는 디스플레이 평면(34)에 있는 디스플레이 장치(16, 17)를 평면도로 도시한다. 디스플레이로부터의 윈도우 평면의 이격은 공칭 관찰거리(43)로 불리워진다. 디스플레이에 대해 중앙 위치에 있는 윈도우(37, 40)는 0 돌출부(44)에 있다. 0번째 돌출부(44)의 오른쪽에 있는 윈도우(36, 39)는 +1 돌출부(46)에 있고, 0번째 돌출부의 왼쪽에 있는 윈도우(38, 41)는 -1 돌출부(48)에 있다.
디스플레이의 관찰 윈도우 평면은 측면 관찰 자유도가 가장 큰 디스플레이로부터의 거리를 나타낸다. 윈도우 평면으로부터 떨어진 점에 대하여, 도3의 평면도 에 도시된 것처럼 다이아몬드형 자동 입체 관찰 영역이 존재한다. 도시된 것처럼, 디스플레이를 가로지르는 각각의 점으로부터의 빛은 한정된 폭의 뿔로 관찰 윈도우에 분사된다. 뿔의 폭은 각 폭으로 정의된다.
만약 한쪽 눈이 37, 40과 같은 관찰 영역 쌍 각각에 놓여진다면, 자동 입체 영상이 디스플레이의 전체 영역을 가로질러 보여질 것이다. 1차로, 디스플레이의 종축 관찰 자유도는 이러한 관찰 영역의 길이에 의해 결정된다.
(빛의 방향 분포의 하나의 유형의 형태를 구성하는) 디스플레이의 윈도우 평면을 가로지르는 밀도(50)의 변화는 이상화된 윈도우에 대한 위치(51)에 관하여 도4a에 도시되어 있다. 오른쪽 눈 윈도우 위치 밀도 분포(52)는 도3에서의 윈도우(41)에 대응하고, 밀도 분포(53)는 윈도우(37)에 대응하며, 밀도 분포(54)는 윈도우(40)에 대응하며, 밀도 분포(55)는 윈도우(36)에 대응한다.
도4b는 밀도 분포와 보다 현실적인 윈도우에 대한 위치를 도시한다. 오른쪽 눈 윈도우 위치 밀도 분포(56)는 도3에서의 윈도우(41)에 대응하고, 밀도 분포(57)는 윈도우(37)에 대응하며, 밀도 분포(58)는 윈도우(40)에 대응하며, 밀도 분포(59)는 윈도우(36)에 대응한다.
영상 이격의 품질과 디스플레이의 측면 및 종축 관찰 자유도는 도4에 도시된 것처럼 윈도우 품질에 의해 결정된다. 도4a는 이상적인 관찰 윈도우를 도시하는 한편, 도4b는 디스플레이로부터 출력될 수 있는 실제 관찰 윈도우의 개략도이다. 몇 가지 가공물이 부적절한 윈도우 수행에 기인해 발생할 수 있다. 누화는 오른쪽 눈 영상으로부터의 빛이 왼쪽 눈에 의해 보여질 때나 그 반대의 경우에 발생한다. 이는 사용자에 대하여 시각적인 긴장을 줄 수 있는 중요한 3D 영상 저하이다. 부가적으로, 안좋은 윈도우 품질은 관측자의 관찰 자유도가 감소되게 한다. 광시스템은 관찰 윈도우의 수행을 최적화하기 위하여 고안되었다.
시차 장벽 디스플레이
한가지 형태의 공지된 평판 자동 입체 디스플레이는 백라이트, 행과 열로 정렬된 [공간 빛 변환기(SLM)로 알려진] 전자적으로 조정가능한 픽셀 어레이, 및 디스플레이의 전면에 부착된 시차 장벽으로 구성되며, 도5에 평면도로 도시되어 있다.
백라이트(60)는 LCD 입력 편광기(64)에 입사하는 광 출력(62)을 생성한다. 빛은 TFT LCD 기판(66)을 통해 전송되며 LCD 픽셀 평면(67)에 행과 열로 정렬된 반복되는 픽셀 어레이에 입사한다. 적색 픽셀(68, 71, 73), 녹색 픽셀(69, 72, 75) 및 청색 픽셀(70, 73) 각각은 각각 제어가능한 액정층을 포함하며 블랙 마스크(76)라 불리는 불투명 마스크의 영역에 의해 구분된다. 각 픽셀은 전송 영역, 즉 픽셀 구멍(78)을 포함한다. 픽셀을 통과하는 빛은, LCD 픽셀 평면(74)에 있는 액정 물질에 의해 위상이 변조되며, LCD 컬러 필터 기판(80)에 장착된 컬러 필터에 의해 색상이 변조된다. 빛은 다음 출력 편광기(82)를 통과하며, 편광귀 뒤에 시차 장벽(84)과 시차 장벽 기판(86)이 배치된다. 시차 장벽(84)은 수직으로 연장된 불투명 영역에 의해 분리되는 수직으로 연장된 투과 영역의 어레이를 포함하고, 빛을 픽셀(69)로부터의 빛에 대해 광선(88)에 의해 도시된 것처럼 번갈아 드는 픽셀 칼럼(69, 71, 73, 75)으로부터 오른쪽 눈으로 지향하며, 광선(90)에 의해 도시된 것 처럼 중간 칼럼(68, 70, 72, 74)으로부터 왼쪽 눈으로 지향한다(이 전반적인 빛 지향 형태는 빛의 방향성 분포의 또 다른 예를 형성한다). 관측자는 장벽의 구멍(92)을 조사하는 내재 픽셀로부터 빛을 본다.
이 문서에서, SLM은 액정 디스플레이와 같은 '광 밸브' 장치와 전기장 발광 디스플레이 및 LED 디스플레이와 같은 방사성 장치 양자를 포함한다.
디스플레이의 픽셀은 간극에 의해 분리되는 열과 행으로 정렬되며(일반적으로 액정 디스플레이에서 흑색 마스크에 의해 정의된다), 시차 장벽은 픽셀 칼럼의 두 배의 피치에 근접한 피치의 수직 연장된 슬릿의 어레이이다. 시차 장벽은 각 픽셀 칼럼으로부터의 빛이 관측될 수 있는 각도의 범위를 제한하므로, 디스플레이의 전방 영역에서 관찰 윈도우를 생성한다. 디스플레이로부터의 출력 원뿔의 각은 픽셀 구멍의 폭과 형상 및 시차 장벽의 정렬 및 수차에 의해 결정된다.
각 픽셀로부터 관찰 윈도우으로 빛을 조향하기 위하여, 시차 장벽의 피치는 피치 어레이의 두 배의 피치보다 조금 작다. 이 조건은 '시점 보정(viewpoint correction)'으로 알려져 있다. 이러한 디스플레이에서, 각 입체쌍 영상의 해상도는 기본적인 LCD의 수평 해상도의 반이며, 두 개의 관찰이 생성된다.
그러므로, 홀수 칼럼의 픽셀(68, 70, 72, 74)로부터의 빛은 왼쪽 관찰 윈도우으로부터 보여질 수 있고, 짝수 칼럼의 픽셀(69, 71, 73, 75)로부터의 빛은 오른쪽 관찰 윈도우으로부터 보여질 수 있다. 왼쪽 눈 영상 데이터가 디스플레이의 홀수 칼럼에 배치되고, 오른쪽 눈 영상 데이터가 짝수 칼럼상에 배치된다면, 정확한 '오소스코픽(orthoscopic)' 위치에 있는 관측자는 전체 디스플레이를 교차하는 자 동 입체 3D 영상을 보기 위하여 두 개의 영상을 융합해야 한다.
두 관찰 사이에는 광 누수가 존재할 것이므로 일부의 왼쪽 눈 관찰은 오른쪽 눈에 의해 보여질 것이고 반대경우도 같다. 이 누수는 영상 누화라 불리워진다. 누화는 3D 디스플레이를 보고 있을 때 시각 긴장을 생성하는 중요한 메커니즘이며, 이의 제어는 3D 디스플레이 발전에 있어 중요한 요인이다. 평판 자동 입체 디스플레이(특히 LCD 기술에 기초한 것)에 대하여, 윈도우 성능에 대한 제한은 일반적으로 픽셀의 형상과 구멍 비율 및 광 요소의 품질에 의해 결정된다.
시차 장벽형 디스플레이에서, 슬릿 바로 아래에 있는 칼럼은 디스플레이의 0 돌출부에서 제1쌍의 윈도우에 영상화된다. 인접 픽셀 칼럼은 또한 디스플레이의 +1 및 -1 돌출부에서 관찰 윈도우에 영상화된다. 그러므로 도3에서 볼 수 있는 것처럼, 사용자가 오소스코픽 영역 외부로 측면으로 이동한다면, 정확하지 않은 영상으로부터의 빛이 각 눈에 보내질 것이다. 오른쪽 눈이 왼쪽 눈 관찰을 볼 때, 그리고 역의 경우, 영상은 정확한 오소스코픽 상태와 비교하여 슈도스코픽(pseudoscopic)이라 불리운다.
디스플레이의 측면 관찰 자유도를 생성하기 위하여, 두 개 이상의 픽셀 칼럼이 장벽의 각 슬릿 아래에 배치될 수 있다. 예를 들어, 네 개의 칼럼은 관찰이 각 윈도우에 대하여 변하는 네 개의 윈도우를 생성할 것이다. 이러한 디스플레이는 관측자가 이동할 때 '구경(look-around)' 외관을 준다. 종축 자유도는 또한 그러한 방법에 의해 증가된다. 그러나, 이 경우, 디스플레이의 해상도는 기본 패널의 해상도의 1/4로 제한된다.
시차 장벽은 디스플레이의 영역으로부터의 빛을 저지하는 것에 의존하며, 그러므로 휘도 및 장비 효율을 원래의 디스플레이 휘도의 대략 20-40%로 감소시킨다.
시차 장벽은 쉽게 제거되지 않으며 디스플레이의 관찰 자유도를 최적화하기 위하여 디스플레이의 픽셀 구조에 관하여 장벽의 서브픽셀 정렬 내성의 요건에 기인하여 대체된다. 2D 모드는 절반의 해상도이다.
시차 장벽 광학 소자
시차 장벽 요소가 디스플레이 장치의 전방에 배치되는 한가지 형태의 시차 장벽 디스플레이는 T.Okoshi의 "3차원 영상화 기법"(Academic Press, 1976)에 개시되어 있다.
또 다른 형태의 시차 장벽 디스플레이에는, G.Hamagishi 등의 "2D/3D 호환 디스플레이 시스템"(Proc.SID, 1998, 915-918쪽)에 개시된 것처럼, 시차 요소가 디스플레이의 뒤에서 슬릿으로써 구현될 수 있다. 이러한 디스플레이는 얻을 수 있는 관찰윈도우의 품질을 제한하는 프레넬의 회절 인공물을 겪음을 보일 수 있다.
또 다른 형태의 시차 장벽 디스플레이에서, 시차 요소는 US 4,717,949에 개시된 것처럼 어두운 영역에 의해 흩뿌려진 광선으로써 구현될 수 있다. 이러한 디스플레이는 얻을 수 있는 관찰윈도우의 품질을 제한하는 프레넬의 회절 인공물을 겪음을 보일 수 있다. (G.Woodgate 등의 Proc.SPIE Vol 3957 "평판 자동 입체 디스플레이 - 특징화 및 강화" 2000, 153-164쪽)
물결무늬형 디스플레이
입체 디스플레이에 사용하는 기술분야에서 공지된 또 다른 형태의 시차 광학(참고: 시차 장벽)은 물결무늬 스크린으로 불리워지며, 이는 수직으로 연장된 원통형 마이크로렌즈의 어레이이다. 여기서 사용되는 용어 "원통형"은 기술분야에서 통상적인 의미를 가지며, 엄격하게 구면인 렌즈 형상뿐만 아니라, 비구면 렌즈 형상도 포함한다. 렌즈의 피치는 다시 시점 보정 조건에 대응한다. 렌즈의 만곡은 윈도우 평면에서 LCD 픽셀의 영상을 생성하도록 실질적으로 설정된다. 렌즈가 픽셀로부터 뿔형태로 빛을 모으고 이를 윈도우에 배분하기 때문에, 물결무늬 디스플레이는 기본 패널의 완전 휘도를 갖는다.
도6은 선행기술의 물결무늬형 디스플레이 장치의 구조를 도시한다. 이 장치는 출력 편광기(82)까지 도5에 도시된 것처럼 구성된다. 빛은 다음 물결무늬형 스크린 기판(94)과 물결무늬형 스크린(96)을 통과하는데, 물결무늬형 스크린(96)은 물결무늬형 스크린 기판(92)의 면상에 형성된다. 시차 장벽에 관해서, 물결무늬형 스크린(94)은 빛을 픽셀(69)로부터의 광선(88)에 의해 도시된 것처럼 번갈아 드는 픽셀 칼럼(69, 71, 73, 75)으로부터 오른쪽 눈으로 지향하며, 픽셀(68)로부터의 광선(90)에 의해 도시된 것처럼 중간 칼럼(68, 70, 72, 74)으로부터 왼쪽 눈으로 지향한다. 관측자는 물결무늬형 스크린(96)의 개별 렌즈(98)의 구멍을 조사하는 내재 픽셀로부터 빛을 본다. 캡춰된 광 콘의 정도는 캡춰된 광선(100)에 의해 도시된다.
물결무늬형 디스플레이는 T.Okoshi의 "3차원 영상화 기법"(Academic Press, 1976)에 개시되어 있다. 공간적 광 변조기를 이용하는 물결무늬형 디스플레이의 일 형태는 US 4,959,641에 기재되어 있다. '641특허는 공기에 있는 비-스위칭 물 결무늬형 요소를 기재한다.
이러한 디스플레이는 영상의 콘트라스트를 감소시키게 될 렌즈(96)에서 및 렌즈 근처에서의 반사 및 산란에 기인한 렌즈 면의 원치 않는 시계를 겪을 수도 있다. 반사는 예를 들어 프레넬 반사에 기인할 수 있다.
연장된 관찰 자유도
전술된 평판 디스플레이의 관찰 자유도는 디스플레이의 윈도우 구조에 의해 제한된다.
관찰 자유도가 관측자의 위치를 측정함으로써 그리고 시차 요소를 대응하여 이동시킴으로써 증가되는 디스플레이가 EP 0 829 743에 기재되어 있다. 이러한 관측자 측정 장치 및 기계적 구동은 고가이며 복잡하다.
윈도우 광학 구조가 변화되지 않고(예를 들어 고정 시차 광학 디스플레이) 영상 데이터가 측정된 관측자의 위치에 대응하여 스위칭되어 관측자가 실질적으로 오소스코픽 영상을 유지하는 디스플레이가 예를 들어 EP 0 721 131에 기재되어 있다.
정확한 관찰 위치를 설정하기 위한 지시기
지시기가 관측자를 이들의 최적 위치에 위치시킬 수 있도록 수행되는 디스플레이가 "제3 국제 디스플레이 워크숍의 진행" (볼륨2, 1996년 11월 27-29일, E.Nakayama 등, 1996 일본 고베 국제 회의 센터)에 기재되어 있다.이러한 지시기는 관측자의 종축 위치에 대한 정보, 또는 관측자의 측면 위치에 관한 정확한 정보를 주지 않을 것이다.
또 다른 형태의 지시기[EP 0 860 728]는 영상 디스플레이, 신호 디스플레이, 및 시차 광학을 사용하는데, 시차 광학은 영상 디스플레이와 함께 작용하는 제1부분을 가져서 관찰 지역에 다수의 오른쪽 및 왼쪽 눈 관찰 영역을 형성하며, 신호 디스플레이와 함께 작용하는 제2부분을 가져서 관찰 지역의 적어도 하나의 제1 파트에서 볼 수 있는 제1의 신호영상과, 관찰 지역의 적어도 하나의 제2파트에서 볼 수 있는 제2의 신호영상을 형성한다. 이러한 지시기는 디스플레이 면적의 일부를 사용하므로 유용한 영상 면적을 제한한다. 이는 특히 작은 디스플레이에 대해 불리한데, 이는 지시기 높이가 디스플레이 높이와 척도비례하지 않으며(사용자에게 가시성을 유지하기 위하여) 비례하여 작은 디스플레이의 보다 큰 면적을 커버할 것 같기 때문이다. 또한, 일부 해상도는 손실되어 3D 디스플레이 면적이 가령 VGA(640×3×480 픽셀)처럼 더 이상 표준 영상 면적이 아니다.
또한, EP 0 860 728은 전송 디스플레이와 함께 사용될 때 지시기의 조사용으로 반사된 주변 광의 사용을 허용하지 않는다. EP 0 860 728은 또한 단일 부분에 대한 지시기 부분의 휘도를 증가시키기 위하여 디스플레이의 컬러 필터가 변경되어야 할 것임을 교시한다. 이는 LCD 제조 공정에 대한 변화를 요하며, 디스플레이의 일부의 영구적인 손실로 귀결될 수 있다.
2D-3D 스위칭 가능한 디스플레이
전술한 것처럼, 공간적으로 다중화된 3D 디스플레이를 발생시키는 시차 광학의 사용은 각 영상의 해상도를 전체 디스플레이 해상도의 고작 반으로 제한한다. 많은 응용에서, 디스플레이는 3D 모드에서 일부 시간동안 사용되도록 의도되며, 2D 모드가 없는 완전 해상도 인공물을 가질 것을 요한다.
시차 광학의 효과가 제거된 한 가지 형태의 디스플레이는 Proc.SPIE 볼륨 1915 입체 디스플레이 및 응용 Ⅳ (1993) 177-186쪽, "디멘전 테크놀로지사 에서의 자동 입체 기술의 발전", 1993이다. 이 사례에서, 스위칭 가능한 확산기 요소가 광선을 형성하기 위하여 사용되는 광학 시스템에 배치된다. 이러한 스위칭 가능한 확산기는 예를 들면 분자 배치가 재료를 가로지르는 인가된 전압의 응용에서 산란 및 비산란 모드 사이에 전환하는 중합체 분산된 액정 형태일 수 있다. 3D 모드에서, 확산기가 제거되고 광선이 생성되어 후면 시차 장벽 효과를 만든다. 2D 모드에서, 확산기는 산란되고 광선은 단일 광원의 효과를 내면서 없어진다. 이런 방법으로, 디스플레이의 출력은 실질적으로 난반사(Lambertian)이며, 윈도우는 지워진다. 관측자는 다음 디스플레이를 전해상도 2D 디스플레이로 볼 것이다. 이러한 디스플레이는 3D 모드에서 프레넬 분산 인공물을 겪게될 뿐만 아니라, 디스플레이 누화를 증가시키게 될 확산기의 제거 상태에서 원치 않는 여분의 확산을 겪게 된다. 그러므로, 이러한 디스플레이는 높은 수준의 시각적 긴장을 나타낼 것 같다.
또 다른 형태의 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이[가령 EP 0 833 183]에 있어서, 제2의 LCD는 시차 광학으로써 작용하도록 디스플레이의 전면에 배치된다. 제1모드에서, 시차 LCD는 제거되어 어떠한 윈도우도 생성되지 않으며, 영상은 2D로 보여진다. 제2모드에서, 장치는 스위칭되어 시차 장벽의 슬릿을 생성한다. 출력 윈도우가 다음 생성되고 영상은 3D처럼 보인다. 이러한 디스플레이는 두 개의 LCD 요소의 사용에 기인하여 비용 및 복잡도를 증가시켰을 뿐만 아니라, 휘도가 감소되 거나 증가된 전력 소비를 갖게된다. 만약 반사 모드 3D 디스플레이 시스템이 사용된다면, 디스플레이로 향한 곳 및 디스플레이로부터 벗어난 곳 모두에서 시차 장벽의 저지 영역에 의한 빛의 감쇄에 기인하여 시차 장벽은 매우 안 좋은 휘도로 귀결된다.
또 다른 형태의 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이[EP 0 829 744] 시차 장벽은 반파 지연제 요소의 패턴화된 어레이를 포함한다. 지연제 요소의 패턴은 장벽 슬릿과 시차 장벽 요소에 있는 흡수 영역의 패턴에 대응한다. 3D 작동모드에서, 편광기가 디스플레이에 부가되어, 패턴화된 지연제의 슬릿을 분석한다. 이런 방법으로, 흡수 시차 장벽이 생성된다. 2D 작동모드에서, 편광기는 2D 작동모드에서의 편광 특징과 관련이 없기 때문에 완전히 제거된다. 그러므로 디스플레이의 출력은 완전 해상도이며 완전 휘도이다. 하나의 단점은 이러한 디스플레이가 시차 장벽 기술을 사용하고 그러므로 3D 작동 모드에서 아마 20-30%의 휘도로 제한된다는 것이다. 또한, 디스플레이는 관찰 자유도를 가질 것이며 장벽의 구멍으로부터의 회절에 의해 제한되는 누화를 가질 것이다.
빛을 직접적으로 스위칭할 목적으로 전기적으로 스위칭 가능한 복굴절 렌즈를 제공하는 것이 공지되어 있다. 이러한 렌즈를 사용하여 2D 작동모드와 3D 작동 모드 사이에서 디스플레이를 스위칭하는 것이 공지되어 있다.
예를 들어, 전기적으로 스위칭 가능한 복굴적 액정 마이크로렌즈는 유럽 광학 사회 시사 모임 다이제스트 시리즈: 13, 1997년 5월 15-16일 L.G. Commander 등의 "튜닝가능한 마이크로렌즈용 전극 디자인" 48-58쪽에 기재되어 있다.
또 다른 형태의 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이[US 6 069 650, WO 98/21620]에서, 액정물질로 채워진 물결무늬형 스크린을 포함하는 스위칭 가능한 마이크로렌즈가 물결무늬형 스크린의 광 전력을 변경시키기 위하여 사용된다.
액정 프레넬 렌즈를 포함하는 3D 디스플레이는 S.Suyama 등의 "2중 주파수 액정 가변초점 렌즈를 구비한 3D 디스플레이 시스템"(SID 97 다이제스트 273-276쪽)에 기재되어 있다.
장벽이 아닌 렌즈의 사용이 예를 들어, 더 많은 빛을 유지하는 데 이득이 될 수 있지만, 스위칭 가능한 렌즈를 포함하는 전술한 2D-3D 디스플레이는 일정한 불이익을 가진다. 예를 들면, Commander 등의 참조문헌의 전기적으로 스위칭 가능한 복굴절 액정 마이크로렌즈의 경우에, 마이크로렌즈의 광학 특성은 여분의 스위칭되지 않는 액정과 인접 마이크로렌즈의 첨단 근처에서 생성되는 회위(回位, disclination)에 기인하여 제한된다.
굴절률의 액정물질의 온도에 따른 변화는 렌즈의 초점거리가 변할 것임을 의미한다. 그러므로 이러한 디스플레이는 온도 제어 없이는 작동의 제한된 온도범위를 갖는다. 또한, 렌즈는 그 표면에 침착된 전극 물질을 가질 것을 요한다. 이는 2D 및 3D 작동 모드에서 영상의 콘트라스트를 감소시키는 산란 반사를 일으킬 것이다. 정렬 특성(특히 렌즈 측부상의)은 시간, 온도, 및 물리적 장력에 대하여 요소의 수명 내내 유지될 것이 필요하다.
또 다른 예로서, US 6 069 650 및 WO 98/21620에 개시된 디스플레이의 경우에, 마이크로렌즈의 광학 성능은 전술한 바와 같이 물결무늬형 스크린의 스위칭되 지 않은 영역에 기인하여 제한될 것이다. 그러므로 윈도우 평면에서의 약간의 밀도 변화를 주면서 2D에 여분의 렌즈 기능이 존재하고, 유사하게 디스플레이 누화를 증가시키면서 3D 모드에서 여분의 비렌즈 기능이 존재한다.
2D 디스플레이와 관련된 복굴절 렌즈
디스플레이에 복굴절 렌즈의 사용은 가령 다음과 같은 것들을 포함하는 매우 다양한 비관련 사용에 대하여 잘 알려져 있다.
복굴절 마이크로렌즈는 일본 공개공보 No.11271744A의 특허 요약서에 LCD 프로젝터 응용에 대하여 기재되어 있다. 시스템의 입력 조사 구조가 도7에 도시되어 있다. 디렉터 방향을 가진 복굴절 마이크로렌즈(102)의 어레이가 액정층(106) 및, 적색 데이터 픽셀(110), 녹색 데이터 픽셀(112), 청색 데이터 픽셀(114)을 포함하는 반사 픽셀(108)위에 위치되어 있다. 디스플레이는 적색 픽셀에 대하여 제1방향(116)으로부터, 녹색 픽셀에 대하여 제2방향(118)으로부터, 청색 픽셀에 대하여 제3방향(120)으로부터 조사된다. 조사 편극 방향(124)은 등방성 물질(126)에 침잠된 렌즈의 특수 인덱스(104)에 평행하다.
JP11271744A에서의 단일 색상 픽셀의 조사가 도8에 도시되어 있다. 편광 상태(124)를 갖는 입력 광선(118)과 실질적으로 동일 방향인 입력 조사 원뿔은 렌즈(102)에 의해 픽셀(112) 상부에 집속된다. 빛은 LC 층(106)에 의해 변조되고 픽셀(112)에 의해 반사되어 입력 편광 상태(124)에 직교하는 편광의 요소(128)를 가진다. 고정 빔 분리 요소(비도시)와 프로젝션 렌즈(비도시)에 의해 수집되고 프로젝션 스크린(비도시) 쪽으로 향해진 출력 광선(130)이 생성된다.
복굴절 마이크로렌즈의 어레이를 갖는 LCD 패널이 적색광, 녹색광, 및 청색광의 별개의 선형 편광된 원뿔에 의해 조사된다. 복굴절 렌즈들을 둘러싸는 물질은 복굴절 물질의 느린 축과 실질적으로 동일한 굴절 인덱스를 가진다. 렌즈에서 물질의 복굴절의 빠른 축은 렌즈가 입력 선형 편광에 의해 분해되도록 정렬된다. 그러므로 녹색광은 녹색 픽셀로, 적색광은 적색 픽셀로, 청색광은 청색 픽셀로, 렌즈의 행위에 의해 보내진다. 반사될 때, 프로젝션 스크린으로 보내질 유용한 빛은 직교 편광 상태에 있다. 이 출력 편광상태는 복굴절 마이크로렌즈의 인덱스 결합된 느린 축을 향하므로 어떠한 렌즈도 분해되지 않는다. 이러한 방법으로, 디스플레이의 출력은 마이크로렌즈의 구멍에 의해 흐려지지 않고, 장치로부터의 빛의 전체 원뿔이 프로젝션 렌즈에 의해 수집된다. 이러한 장치는 빛을 단일 반사 LCD 패널로부터 효율적으로 조사하고 수집할 수 있어서, 저렴하고 밝은 프로젝션 시스템을 생성한다. 이러한 장치는 방향성 디스플레이 시스템용으로 사용되지 않을 뿐만 아니라 복굴절 렌즈의 효과가 스위칭 가능하지도 않다.
방향 디스플레이 시스템
상호 작용하는 영상 가시화 경험을 가능하게 하도록 상이한 영상이 상이한 방향으로부터 보여지는 방향성 디스플레이는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, 프린트된 물결무늬형 스크린이 상이한 방향에서 두 개의 상이한 광고 영상을 보여주기 위하여 사용된다.
광섬유 액정 스위치
별개의 렌즈, 액정층, 및 편광 빔 분리 요소를 사용하는 액정 광섬유 스위치 가 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, "광 스위칭용 액정 기술 실행" (Andrew Leuzinger, 통합 통신 디자인 - 일렉트로닉스 디자인 메거진 2001년 3월 4일)은 입력 및 출력 광섬유 사이에 결합 효율의 제어를 가능하게 하는 액정 광섬유 스위칭 시스템을 기재하고 있다.
반사형 디스플레이
반사형 디스플레이는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
디스플레이의 제1군(반사하여 작동하는 투과형 디스플레이)에서, 반사층이 투과형 디스플레이 뒤에 배치된다.
디스플레이 내에 드는 주변광은 관측자를 향하여 디스플레이를 통하여 역으로 반사층에 의해 반사된다. 이러한 디스플레이는 디스플레이를 통하여 지나가는 것과 반사층으로부터의 불충분한 확산 두 가지로부터 휘도의 손실을 겪는다.
반사형 디스플레이의 형태로 알려진 디스플레이의 제2군(반사하여 작동하는 후면발광 투과형 디스플레이)에서, 투과형 디스플레이의 뒤에 있는 반사층은 부가적인 광원과, 하나 이상의 발광 다이오드나 형광 튜브와 같은 광 가이드를 가진다. 흐리게 조명되는 환경에서, 광원이 스위치 온 되어 디스플레이의 휘도를 증가시킨다. 광원의 사용은 디스플레이의 소비를 증가시킬 것이다.
디스플레이의 제3군(반사형 디스플레이)은 예를 들어 "편광기를 구비한 반사형 LCD의 광 특성에 미치는 거친 표면의 영향"(Y.Itoh 등, 221-224쪽, SID Digest 1998)에 개시되어 있다. 반사층은 디스플레이의 구조 내부에, 실질적으로 픽셀 평면에서 합체되어 있다. 반사기는 거친 표면을 포함하여 입사광의 확산을 제공한 다. 대안적으로, 확산기는 디스플레이의 전면에 합체될 수 있다. 반사형 디스플레이의 형태를 제공하도록 백라이트으로부터의 빛을 제공하기 위하여 반사기에 구멍이 제공될 수도 있다. 대안적으로, 패널의 전면에 위치된 보조 광원으로부터의 조명을 허용하도록 전면광이 제공될 수도 있다. 이러한 디스플레이는 주변 광원의 사용의 효율을 증가시키고, 따라서 증가된 광 손실이 컬러 필터와 연관되는 컬러 반사형 디스플레이에서의 사용에 특히 적당하다.
반사하여 작동하는 투과형 디스플레이 또는 후면발광 투과형 디스플레이의 휘도를 증가시키는 장치는 "디스플레이 응용기기용 볼륨 홀로그래픽 소자" (T.J.Trout 등, 202-205쪽 정보 디스플레이 학회(SID) 다이제스트 2000)에 기재되어 있다. 볼륨 반사 홀로그램은 다른 방향에 있는 입사광을 거울 반사의 방향으로 지향하는 반사형 디스플레이의 후면에 배치된다. 컬러 반사형 디스플레이를 제공하기 위하여, 세 개의 다른 홀로글래픽 소자가 LCD 내부에 제공되며, 이는 복잡하고 고가의 구조로 된다. 집속 홀로그램 소자 및 컬러 분리 홀로그램 소자는 또한 프로젝션 시스템에 대하여 보여진다. 홀로그램은 적색, 녹색, 및 청색 픽셀과 별도로 축을 벗어난 입사 백색광원을 집속하도록 작용한다. 평면 반사 요소는 프로젝션 렌즈 쪽으로 빛을 역반사하며, 홀로그래픽 렌즈는 반사된 빛에 대하여 어떠한 실질적인 효과도 가지지 않는다. 이러한 디스플레이는 좁은 범위의 조명각에 대하여 작동하며 그러므로 직접 관찰 시스템에 사용하기에 적절하지 않다.
반사하여 작동하는 투과형 디스플레이 또는 후면발광 투과형 디스플레이의 휘도를 증가시키는 또 다른 장치는 "고성능 반사형 액정 디스플레이용 다방향 비대 칭 마이크로렌즈 어레이 광 제어 필름" (Yi-Pai Huang 등, SID 다이제스트 2000)에 기재되어 있다. 주변 광원으로부터 LCD 패널에 있는 평면 반사기로의 빛을 집속하고 굴절시키는 구조화된 렌즈 어레이가 제공된다. 렌즈는 반사기로부터의 귀로 경로에 추가적인 굴절을 제공하므로, 출력 광은 거울 반사로부터 분리된다. 이러한 장치는 본 발명과 비교하여 다음과 같은 단점을 가진다:
- 렌즈 요소로부터의 제한된 광 출력 원뿔의 제한 때문에, 최적 관찰 지역이 측면 및 종축 방향 모두에 있어 매우 좁다;
- 스위칭 가능한 휘도 모드를 개시하지 않는다;
- 이 인용문헌은 관측자에 대한 관찰 지역의 크기를 확장시키기 위하여 수평 및 수직 집속 전력을 렌즈에 합체함으로써, 반사된 원뿔을 증가시키기 위한 확산기를 사용하지 않고 교시한다.
수평 및 수직 방향으로 집속을 제공하면서 무아르 효과(moire effect)를 제거하기 위하여, 이 구조는 1μm 미만의 최소 배선폭을 가진다고 보여진다. 이는 반사 평면에서의 점을 현저하게 넓히고 휘도 증가를 감소시킬 렌즈 구조로부터 확산을 생성한다.
- 집속 및 편향 기능을 얻기 위하여 비대칭 마이크로렌즈 어레이를 필요로 한다. 마주한 면은 원치 않는 영상 인공물을 생성할 것이며, 비 렌즈 면에서 총 내부 편향, 회절, 및 굴절 때문에 광 손실을 발생시킬 것이다.
본 발명의 제1특징에 따라, 다음을 포함하는 광 스위칭 장치가 제공된다.
- 고정(또는 수동) 복굴절 렌즈; 및,
- 다음과 같이 구성되는 재구성 가능한(또는 스위칭 가능하거나 가변인) 편광기:
- 제1의 편광 모드에서, 복굴절 렌즈의 복굴절 광 축과 평행하게 통과하는 빛을 투과시키도록 배열되고,
- 제2의 편광 모드에서, 복굴절 렌즈의 복굴절 광 축과 직교하게 통과하는 빛을 투과시키도록 배열된다.
대안적으로, 본 발명의 제1특징에 따라서, 다음을 포함하는 방향 디스플레이 장치가 제공된다.
- 픽셀의 어레이를 포함하는 편광된 출력 공간 광 변조기;
- 마이크로렌즈 어레이가 고정된 복굴절 렌즈의 어레이를 포함하는(마이크로렌즈 어레이가 물결무늬 스크린일 수 있다) 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 시차 광
- 다음과 같은 마이크로렌즈 어레이로부터의 출력 편광을 분석하도록 배열되는 편광 수정 장치:
- 제1의 모드에서, 분석된 출력 편광 상태가 광 전력을 갖는 마이크로렌즈 면에서 제1의 굴절 인덱스 단계를 만나고,
- 제2의 모드에서, 분석된 출력 편광 상태가 광학적으로 구동되는 마이크로렌즈 면에서 제1의 굴절 인덱스 단계와는 다른 제2의 굴절 인덱스 단계를 만난다.
본발명의 특징과 함께 다음의 특징이 특정 이점에 선택적으로 적용된다:
- 편광된 출력 공간 광 변조기가 다음의 어느 것을 포함한다:
- 위상 변조 공간 광 변조기
- 밀도 변조 공간 광 변조기 및 편광기
- 반사형 디스플레이
- 반투과형 디스플레이
- 시차 광이 공간 광 변조기의 각각의 픽셀과 정렬된다.
- 표면을 정의하는 광 전력의 면상에서 고정 복굴절 렌즈가 정렬된 복굴절 물질과 함께 형성된다.
(그리고 표면을 정의하는 광 전력은 비 복굴절(등방성) 광 물질상에 형성되어도 좋다)
- 제1의 굴절 인덱스 단계는 실질적으로 0이다. [분석된 출력 편광에 대한 복굴절 물질의 인덱스는 표면 물질을 정의하는 광 전력의 인덱스와 실질적으로 정합된다]
(디스플레이에 정렬된 영상은 완전 해상도 2D 영상일 수 있다).
- 제2의 굴절 인덱스 단계는 귀결되는 렌즈가 디스플레이의 윈도우 평면에서 실질적으로 픽셀 구멍의 영상을 형성하게 되는 실질적으로 0이 아닌 값이다
(디스플레이에 정렬된 영상은 비월주사된 입체 영상 짝일 수 있다; 디스플레이에 정렬된 영상은 다중 관찰자 디스플레이에서 각 관찰자용 관측의 비월주사된 조합일 수 있다).
- 편광 수정 장치(PMD)(또는 편광 분석 장치)는 전기적으로 재구성 가능하 다.(편광 수정 장치는 스위칭 가능한 90도 편광 회전자일 수 있다. 그렇다면, 90도 회전자는 인도 기능을 가질 수 있고, 전극 사이에 위치된 트위스티드 네마틱(TN-) 액정 물질일 수 있다. 90도 회전자는 반파장판 기능을 가질 수 있다. 그렇다면, 반파장판은 전극 사이에 정렬된 일정한 복굴절 액정층일 수 있으므로, 파장판의 복굴절 광 축은 전압의 인가에 의해 조정된다. 부가적인 색채 보상 파장판 장치가 합체된다.
- PMD는 세그먼트 구성된다. 그렇다면, 세그먼트 사이의 간극은 3D 작동 모드에서 전극 아래의 구역과 동일한 위상 천이를 제공하도록 배열된다.
- PMD는 수동으로 두 모드 사이에서 재구성할 수 있다.
- 편광 수정 장치는 일 배향에서 렌즈가 분석되도록 (그리고 광 전력을 갖도록) 편광이 분석되고, 제2의 배향에서 렌즈가 인덱스 정합되도록 (그리고 실질적으로 광 전력을 갖지 않도록) 구성된다.
- PMD는 선형 편광기를 포함할 수 있다.
- PMD는 선형 편광기와 일정한 반파장판을 포함할 수 있다.
- 고정된 선형 출력 편광을 갖는 디스플레이에 대하여, 복굴절 마이크로렌즈 어레이는 디스플레이의 출력 편광 다음에, 디스플레이 장치의 출력 편광과 45도로 정렬된 복굴절 마이크로렌즈의 복굴절 광 축과 정렬된다.
- 제1의 모드에서, 분석된 출력 편광은 디스플레이 장치의 출력 편광과 +45도 또는 -45도로 정렬된다.
- 제2의 모드에서, 출력 편광은 디스플레이 장치의 출력 편광과 +45도 또는 -45도 이외의 각으로 정렬된다.
- 복굴절 마이크로렌즈 출력은 위상 변조 공간 광 변조기의 위상 변조 층과 분석 편광기 사이에 배치된다.
- 복굴절 마이크로렌즈의 복굴절 광 축은 완전 동력상태로 작동할 때 위상 변조 SLM의 출력 편광 상태와 0도 또는 90도로 정렬된다.
- 제1의 동작 모드에서, 출력 편광기는 완전 동력상태일 때 디스플레이의 출력편광과 수평이거나 직교하도록 구성된다.
- 제2의 동작 모드에서, 출력 편광기는 완전 동력상태일 때 디스플레이의 출력 편광과 직교하거나 수평하도록 구성된다.
- 완전 동력상태일 때 출력 편광이 디스플레이의 출력 편광과 직교하는 동작 모드에서, 디스플레이의 전기 응답은 적절한 그레이스케일 출력을 주도록 조정된다.
- 위상 변조 SLM은 투과형 액정 디스플레이일 수 있다.
- 디스플레이가 관찰각 수정 필름을 가진다면, 복굴절 마이크로렌즈는 관찰각 수정 필름과 분석 편광기 사이에 위치된다.
- 위상 변조 SLM은 반사형 액정 디스플레이일 수 있다.
- 디스플레이가 콘트라스트 및 휘도 수정 필름을 가진다면, 복굴절 마이크로렌즈는 수정 필름과 출력 편광기 사이에 배치된다.
- 위상 변조 SLM은 반투과형 액정 디스플레이일 수 있다.
- 반투과형 디스플레이의 픽셀 구조는 반사 및 투과 작동모드에서 동일한 광 성능을 실질적으로 제공하도록 배열된다.
- LCD의 그레이스케일 응답이 상시 블랙 또는 상시 화이트 작동 모드에 의한 사용을 위하여 수정되는 그레이스케일 수정 장치가 사용된다. 그렇다면,
- 개별 수정이 상시 작동 모드에서 적색, 녹색 및 청색 채널에 사용될 수 있다. 및/또는
- 작동모드가 출력 편광기 모드 위치 검출기 및 적절하게 적용된 그레이스케일 수정에 의해 검출된다.
- 복굴절 마이크로렌즈에서의 복굴절 물질 광 축의 정렬은 평면 기판에서 기판에 실질적으로 평행하고 마이크로구조 기판에 실질적으로 평행하다; 그렇다면,
- 평면과 마이크로구조 기판의 상대적인 정렬은 평행이거나 평면과 마이크로구조 기판의 상대 정렬은 역평행하다;
- 평면과 마이크로구조 기판의 상대적인 정렬은 평면 기판으로부터 마이크로구조인 기판으로 지나가는 빛의 편광의 평면에 대하여 편광의 회전을 제공하도록 설정된다; 이 상대적인 정렬은 마이크로구조인 표면에서의 정렬 방향이 원통형 마이크로렌즈의 기하 마이크로렌즈 축에 평행하도록 정렬된다. 이 회전은 45도 이거나 복굴절 마이크로렌즈에서의 복굴절 물질 광 축의 정렬이 평면 기판에서 기판에 실질적으로 수직이고 마이크로구조 기판에 실질적으로 수평이다.
- 복굴절 물질의 정렬 메커니즘은 다음 중 적어도 하나의 수단에 의한다.
- 정렬층, 여기서
- 층이 각각의 기판의 면에 더해질 수 있고, 그렇다면,
- 층이 부가적으로 연마되거나,
- 층이 부가적으로 포토 정렬되거나,
- 층이 불투명 증착된 물질이다; 또는
- 층이 복제된 마이크로구조의 일부로 형성될 수 있고, 그렇다면,
- 층이 고주파 회절 격자이다. 및/또는
- 마이크로렌즈 및 정렬 구조가 단일 복제 단계로 복제된다; 또는
- 전기장; 또는
- 자기장;
- 마이크로구조인 표면은
- 원통형인;
- 표면을 형성하는 광 전력의 인덱스가 복굴절 물질의 일반 및 특수 굴절 인덱스의 더 낮은 값과 정합된다면 음의 렌즈의 어레이인;
- 표면을 형성하는 광 전력의 인덱스가 복굴절 물질의 일반 및 특수 굴절 인덱스의 더 높은 값과 정합된다면 양의 렌즈의 어레이인;
- 광 표면에 형성된 부가적인 마이크로구조 정렬층을 가지는;
마이크로렌즈의 어레이로부터 형성된다:
- 물결무늬 렌즈의 최상의 초점은 실질적으로 픽셀의 평면과 떨어진 평면에 위치되어 영상 픽셀의 평면에서 관찰자의 눈동자의 광 영상의 크기가 액정 층의 이 격의 거리보다 크다.
- 디스플레이에 관하여 이동하는 관측자의 측정된 위치를 트래킹하기 위하여 디스플레이의 영상 픽셀에 관하여 마이크로렌즈가 측면으로 이동되는 관측자 트래킹 시스템이 부가적으로 실행될 수 있다.
- 스위트 스폿 지시기가 부가적으로 실행될 수 있으며, 다음을 포함할 수 있다:
- 백라이트 유닛, 여기서:
- 백라이트는 광원 및 확산기 정렬을 포함할 수 있다;
- 백라이트는 확산 거울을 포함할 수 있다, 및/또는
- 백라이트는 디스플레이용 백라이팅 시스템의 일부를 포함할 수 있다;
- 마스크를 생성하는 윈도우;
- 디스플레이 영역의 윈도우 평면에서 마스크를 생성하는 윈도우의 영상을 형성하도록 배치된 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 시차 광, 여기서
- 마이크로렌즈 어레이는 관련 3D 디스플레이에 사용하는 것과 실질적으로 동일한 복굴절 물질을 포함한다. 그리고
- 마이크로렌즈 어레이는 복굴절 물질용 굴절 인덱스의 특수 성분과 동일한 굴절 인덱스 및 분산을 실질적으로 갖는 비 복굴절 물질을 포함한다; 그리고
- 교번하는 마이크로렌즈로부터 투과된 광을 저지하도록 배열된 마스크
- 스위칭 가능한 반투과형 또는 반사형 디스플레이는:
- 백라이트(반투과형 디스플레이용)
- 픽셀의 어레이를 포함하는 반사형 또는 반투과형디스플레이
- 열로 정렬된 다른 특징에서 기재될 수동 복굴절 물질의 어레이, 여기서:
- 열의 피치가 디스플레이의 픽셀의 수직 피치와 실질적으로 동일하고,
- 제1의 모드에서, 렌즈가 공칭 관측자 평면으로 디스플레이의 픽셀 평면을 실질적으로 영상화하도록 배열된다; 그리고
- 편광 수정 요소;를 포함하고;
다음의 사이에서 디스플레이의 출력을 스위칭하도록 정렬된다:
- 정의된 관찰 위치에서 증가된 휘도를 가지는 제1의 모드, 및
- 표준 휘도 특징을 가지는 제2의 모드.
- 관찰 평면에서의 윈도우의 크기가 관찰자의 눈사이의 공칭 이격과 실질적으로 동일하도록 자동 입체 디스플레이가 구성된다.
- 관찰 평면에서의 윈도우의 크기가 관찰자의 눈사이의 이격보다 크도록 다중 관찰자 디스플레이가 구성된다.
추가적인 특징에서, 본 발명은 다음을 제공한다
- 다음을 포함하는 광 섬유 스위칭 시스템:
- 복굴절 렌즈
- 다음과 같이 배열되는 편광 수정 장치:
- 제1모드에서, 빛이 출력 광섬유의 광 수용 원뿔에 실질적으로 영상화되도록 광 전력화된 표면에서 굴절 인덱스 단계로 입사하는 편광 상태를 분석하도록 배열, 및
- 제2모드에서, 빛이 출력 광섬유의 광 수용 원뿔과 실질적으로 이격되어 영상화되도록 상이한 굴절 인덱스 단계로 입사하는 편광 상태를 분석하도록 배열.
그러므로, 상이한 특징에서, 본 발명은, 그 중에서도 특히, 적어도 하나의 수동 복굴절 렌즈 소자 및 다음을 제공하기 위한 방향 및 비방향 모드 사이에서 스위칭 될 수 있는 적어도 하나의 분리된 편광 수정 요소를 포함하는 광 스위칭 메커니즘을 제공한다:
제1의 작동모드에서 도움을 받지 않은 눈으로 관찰되는 이동하는 완전 컬러 3D 입체 영상과 제2의 작동모드에서 완전 해상도 2D 영상을 편리하게 제공할 수 있는 자동 입체 디스플레이 수단
제1의 모드에서 실질적으로 비방향성 휘도 성능을 실질적으로 나타내고, 제2의 모드에서 실질적으로 방향성 휘도 성능을 나타내는 스위칭 가능한 고휘도 반투과형 및 반사형 디스플레이 시스템
제1의 작동 모드에서 한명의 관측자에게 하나의 이동하는 완전 컬러 2D 영상과 적어도 두번째의 관측자에게 적어도 두번째의 상이한 2D 영상을, 그리고 제2의 작동모드에서 모든 관측자에게 보여지는 완전 해상도 2D 영상을 편리하게 제공할 수 있는 다중 관찰자 디스플레이.
광 입력을 입력 광섬유로부터 출력 광섬유로 스위칭할 수 있는 광섬유 스위칭 시스템.
본 발명의 제1의 특징의 상이한 특징은 다음의 이점을 단독으로 또는 임의의 조합으로 제공하는 경향이 있다.
본 발명은 또한 2D 모드와, 영상들(서로 달라도 된다)이 광범위한 방향에서 상이한 관찰자에게 보여질 수 있는 모드와의 사이에서 스위칭될 수 있는 방향 다중 관찰자 디스플레이의 생성도 가능하게 한다.
고정 복굴절 마이크로렌즈의 어레이를 시차 요소처럼 배열함으로써, 렌즈의 기능이 장치의 출력 편광을 제어함으로써 조정될 수 있다.
전압이 액정물질에 인가될 때 형성되거나 변하는, 액정층과 복굴절 마이크로렌즈의 만곡면 사이의 인터페이스와 관련된 인공물(회위를 포함하나 이에 한정되지는 않음)은 회피된다. 그러므로 디스플레이의 영상 품질은 2D와 3D 구성 모두에서 최적화된다. 복굴절 마이크로렌즈의 복잡성은 전기 어드레싱 층(또는 전극) 또는 어드레싱 회로를 가지지 않음으로써 최소화된다.
투명 전도성 전극을 마이크로렌즈의 만곡된 중합체 구조에 침착하는 것은 필요치 않은데, 상기 구조는 유리보다 침착 도중 온도에 내성이 덜하다. 또한, 전극층으로부터의 흡수 손실(예를 들어 프레넬 반사) 및 흡수 손실이 제거된다.
마이크로구조의 물리적인 형태로부터 귀결되는 액정을 가로지르는 서로 다른 전기장을 다루는 것이 필요치 않다.
수동 소자에서의 배열 조건은 제작 공정 동안 유지되기만 하면 되지만, 선행 기술의 전기적으로 스위칭 가능한 복굴절 마이크로렌즈는 디스플레이 수명 및 작동 조건의 범위 내내 정렬의 일체성을 유지해야만 한다.
본 발명은 경화된 액정 중합체형 물질의 복굴절 마이크로렌즈에서의 사용을 가능하게 한다. 이는 복굴절 물질의 복굴절 특징이 제조 시간에 실질적으로 고정될 수 있게 해준다. 선행기술에서 요구되는 네마틱 위상 액정 물질에 대한 온도에 따른 액정 복굴절 특성의 변화는 전기적으로 스위칭 되는 렌즈의 광 성능이 온도에 따라 변할 것임을 의미한다. 이는 생성된 윈도우의 광 품질이 온도에 따라서도 변할 것임을 의미한다. 그러므로, 선행기술 장치의 작동 온도가 전기적으로 스위칭 가능한 마이크로렌즈 장치에서 변함에 따라, 인덱스 정합 상태가 요구되는 모드(2D)의 성능과, 고성능 윈도우가 요구되는 모드(3D)의 성능은 변할 것이다. 이에 의해 선행기술 디스플레이는 온도가 변함에 따라 최적의 작동 상태와 달리 작동하게 된다.
본 발명의 특징에 있어서, 사용될 수 있는 경성 중합체 물질은 전기적으로 스위칭 가능한 렌즈에 대하여 필요한 네마틱 위상 (경화되지 않은) 물질보다 더 넓은 작동 온도범위에 대하여 최적 작동 상태를 유지할 것이다. 이는 환경상 요구되는 응응, 예를 들면 자동차 응용에 특히 중요할 것이다.
마이크로렌즈를 유리 기판보다 내부로 배열함으로써, 렌즈의 표면으로부터의 반사는 최소화될 수 있으며 (평면일 수 있는) 출력면은 광대역 반사방지 코팅될 수 있다.
복굴절 마이크로렌즈가 디스플레이의 출력 편광기 이후에 배치되는 구성에서,
- 디스플레이의 2D 및 3D 모드의 휘도는 실질적으로 동일할 것이다.
- 디스플레이의 콘트라스트 관찰 각 성능은 실질적으로 동일할 것이다.
복굴절 물질이 SLM의 위상 변조층과 디스플레이의 출력 편광기 사이에 배치되는 구성에서:
- 휘도는 기본 디스플레이와 동일하다.
- 휘도는 2D 및 3D모드에서 동일하다.
- 3D 디스플레이의 전력소비는 이 모드에 있는 2D 디스플레이의 전력소비와 동일하도록 만들어질 수 있다.
- 관찰 거리는 장치의 대향 기판 내부로 렌즈를 합체시킴으로써 짧게 만들어질 수 있다. 내부 마이크로렌즈를 이용한 디바이스의 제조는 공지된 물질 및 제조 공정을 이용하여 발생할 수 있다.
스위칭 회전 기능 편광 수정 장치 (가령 반파장판)는 수동으로 재구성할 수 있으며, 이는 시스템의 부가적인 비용 및 복잡성을 최소화시킨다.
- 단일 SLM 및 복굴절 마이크로렌즈 조합은 기계적으로 스위칭되거나 전기적으로 스위칭 되는 특성 중 어느 하나를 갖는 제조물에 대하여 이용될 수 있다. 최종 제품 구성은 그 후에 부착된 편광 수정 장치 성분의 선택에 의해 결정된다.
선행기술과 비교한 전기적으로 스위칭하는 구조의 부가적인 장점은 능동 소 자가 상업적으로 입증된 기법으로 제조될 수 있다는 것이다. 얇은 판형 기판은 저전압이 사용될 수 있음을 의미한다. 표준 액정 스페이싱 기법도 사용될 수 있다. 가령 마이크로렌즈 폼 팩터(form factor)를 커버하기 위하여 사용되는 보다 두꺼운 액정 층에 대해서는 해당되지 않는다.
본 발명의 전기적으로 스위칭 가능한 파장판은 강유전 액정과 같은 쌍안정(bistable) 장치 또는 네마틱 액정으로 만들어될 수 있으므로 모드들 사이에서 스위칭 할 때가 아니면 어떠한 부가적인 전력 소비도 요구하지 않는다.
스위칭 요소는 동일 휘도의 2D 및 3D 존을 디스플레이 상에 동시에 있도록 하기 위하여 세그먼트 구성될 수 있다.
이 기법은 투과형, 반사형, 및 반투과형 액정 디스플레이 및 방사형 디스플레이를 포함하는 광범위한 공간 광 변조기에 적용될 수 있다.
이러한 디스플레이는 디스플레이에 관한 시차 광의 고정밀도 정렬과 비교하여 출력에 대한 편광기의 상대적으로 정밀도가 낮은 정렬을 요한다. 그러므로, 고정밀도 정렬은 디스플레이의 제조 동안 고정되는 반면, 1의 정렬 자유도만이 필요한 저정밀도 정렬은 수동으로 만들어진다. 그러므로, 사용자가 디스플레이를 재구성하는 물리적인 메커니즘은 2D 및 3D 작동모드 사이의 변환을 위하여 시차광이 디스플레이 표면에 탈부착되는 경우보다 복잡성과 비용이 덜하다.
기판 내에서의 물결무늬 렌즈의 사용은 렌즈면으로부터의 프레넬 반사가 대기에 있는 요소에 비해 실질적으로 감소된다는 것을 의미한다. 이는 요소가 낮은 수준의 산란을 가지고 있으며, 반사 방지 코팅이 장치의 외부 평면에 편리하게 적 용될 수 있음을 의미한다. 고굴절 인덱스로부터의 반사에 부가하여, 인디움 틴 옥싸이드(ITO)층이 존재하지 않고(전기적으로 스위칭 되는 렌즈를 가진 경우일 것이므로), 따라서 디스플레이에서의 요소 자체의 가시성이 감소될 것이다.
스위트 스폿 지시기는 디스플레이와 실질적으로 동일한 광 성능을 가지도록 구성될 수 있으나, 디스플레이 구역의 어느 것을 사용할 필요는 없다. 이러한 디스플레이는 그러므로 디스플레이의 구역이 제한되는 핸드헬드 디스플레이에 대하여 특히 적당하다.
디스플레이의 관찰 자유도는 이동 관측자의 측정된 위치와 일치하여 복굴절 마이크로렌즈를 이동시킴으로써 또는 관측자의 측정 위치와 일치하여 존재하는 영상을 조정함으로써 수행될 수 있는 관측자 트래킹 기능의 부가에 의해 강화될 수 있다.
유리하게도 고휘도 반투과형 또는 반사형 디스플레이는 실질적으로 디스플레이의 반사 물질에 의해 정의되는 비 복굴절 특성을 실질적으로 갖는 제1의 모드를 구비하며, 제2의 모드에서 정의된 각도의 범위로부터 디스플레이 휘도가 더 큰 방향 휘도 특성을 가진다. 그러한 디스플레이는 전체 컬러에 작용하여 조작의 반사형과 투과형 모드 모두의 광도를 증가하는데 사용된다. 모드 간에 스위칭은 전기적 스위칭식 편광 회전자에 의해 이루어진다.
복합-관찰 디스플레이는 일 조작 모드에서 모든 관찰인이 동일한 이미지를 볼 수 있고, 제2조작모드에서는 다른 관찰인이 다른 이미지를 볼 수 있어서 디스플레이의 복합 동시적 사용을 허용하도록 구조 된다.
이러한 사실은 동일 디스플레이 유닛으로부터의 관찰자의 양호한 선택된 이미지를 각각의 관찰자가 볼 수 있게 하여 임의 환경에서 요망하는 디스플레이와 그 드라이버의 수를 감소할 수 있는 것이다.
상기 디스플레이는 자동차 디스플레이, 자동출납기, 및 시트-백 항공 오락 디스플레이와 같은 시스템용으로 특히 적절한 것이다.
본 발명을 사용하는 광섬유 스위칭 시스템은 제한된 수의 성분을 사용하는 스위칭 기술의 생성을 허용하여, 비용과 복잡함을 절감시킨 것이다.
본 발명의 제2면에 의거, 다음을 포함하는 직접 관찰 반사형 광 디스플레이가 제공된다.
-이미지 평면에 외부 광원의 이미지 어레이를 형성할 수 있는 렌즈 어레이;
-상기 이미지 어레이가 대체로 동일한 방향 분배로 각각의 이미지의 광이 향하도록 렌즈 어레이를 통해 반사수단에 의해 반사되도록 반사수단과 렌즈 어레이가 배열되는, 이미지 어레이를 반사하도록 상기 이미지 평면에 대체로 제공되는 반사 수단 및;
-반사 이미지의 광을 조절하게 배열된 픽셀 어레이를 가진 이미지 디스플레이 장치.
여기서, 반사수단은, 이미지의 각각의 개별 유한부분이, 그곳에 이미지의 개별 유한부분을 형성하는 렌즈 구멍이 이미지 평면을 따라서 연장하는 면 반사기에 의해 이미지로 되는 렌즈 구멍과는 다른 렌즈 구멍을 통해 반사되도록 하는 광-편향 반사기 이다.
다르게, 본 발명의 제2면에 의거, 다음을 포함하는 직접 관찰 반사형 디스플레이 옵티칼 장치가 제공된다.
-디스플레이 장치;
-렌즈 어레이 및;
-광편향 반사기;
여기서, -렌즈 어레이는 광편향 반사기의 평면에 대체로 외부 광원의 이미지 어레이를 형성하도록 적어도 일 모드에서 배열되고;
-광 편향 반사기는 제1렌즈구멍으로부터 제2렌즈구멍으로 광선이 향해지게 배열된다.
본 발명의 제2면(그리고 선택적으로 본 발명의 제1면)은 이미지가 공간적 광 조절기의 평면에서 대체로 관찰자에 의해 보여지는 디스플레이가 있는 직접관찰 디스플레이 장치에 관한 것이다. 이것은 공간적 광 조절기로부터의 이미지가 분리 프로젝션 렌즈에 의해 확대되는 프로젝션 디스플레이 장치와 대비 된다. 확대 이미지는 분리 프로젝션 스크린의 평면 또는 확대된 허상 이미지의 어느 하나에서 관찰자에 의해 보여지게 된다.
본 발명의 제2면으로, 다음의 특징이 특별한 잇점에 적용된다.
제2렌즈구멍의 위치는 양호하게 렌즈 어레이의 평면에 있으며, 제3렌즈구멍으로부터 공간적으로 분리되고,
-여기서, 제3렌즈구멍은 렌즈 어레이의 평면에 있으며, 제1렌즈구멍이 편향 반사기의 평면에서 대체로 평면 표면에 이미지 되는 위치에 있다.
부가적으로, 장치는 다음의 사이에서 스위치 된다
-관찰위치가 한정된 증가 광도를 가진 제1모드;
-제1모드와는 다른 광도 특성을 가진 제2모드;
여기서, 광도 특성은 대체로 베이스 디스플레이와 동일하다.
제1모드와 제2모드 간에 스위칭은 스위칭 렌즈의 촛점 길이를 제어하여 이루어지며, 여기서:
-제1모드에서, 렌즈는 반사기의 평면에 대체로 외부광원을 제1이미지로 생성하도록 배열된 제1촛점 길이를 가지며;
-제2모드에서, 렌즈는 대체로 무한성으로 외부광원을 이미지 표현하도록 배열된 제2촛점길이를 가지며;
여기서, 스위칭 기구는:
-능동(스위칭) 복굴절 렌즈와;
-수동성(고정) 복굴절 렌즈 및 편광분석 디바이스에 의한 것이다.
디스플레이 장치는:
-반사형 모드로 조작되는 투과형 디스플레이;
-반사형 디스플레이;
-반투과형 디스플레이 이며;
여기서, 디스플레이 장치의 화상요소는 열과 칼럼으로 배열된다.
편향 반사기는:
-평면 반사기와 확산기이며;
-여기서, 확산기는 대체로 반사기와 동일한 평면에 있으며;
-반사기와 확산기는 단일 요소로 결합되며;
-반사기와 확산기는 반사형 디스플레이의 반사기와 확산기와;
-반사와 확산기능을 결합하도록 배열된 홀로그램을 포함한다.
확산기는:
-수평방향으로 광을 확산하며, 렌즈 어레이가 수직방향으로 포커싱을 제공하고;
-수평과 수직방향으로 광을 확산하며;
-대체로 반사광의 편광에 대한 조정이 없는 것이다.
반사기는 구멍 어레이에 의해 분리된 반사기의 어레이 이며:
-여기서 반사기 어레이의 피치는 대체로 렌즈 어레이의 피치와 동일하며;
-여기서 제1방향으로 픽셀 요소의 피치는 대체로 제1방향으로 반사기 어레이의 피치의 정수곱이고;
-여기서, 제1방향은 수직방향이고;
-여기서, 반사기는 경사면 어레이 이다.
반사기는 편광 민감한 반사 필름을 포함하고:
-여기서, 편광 민감성 필름의 편광축은 복굴절 마이크로렌즈의 복굴절 재료의 축선에 정렬 된다.
렌즈 어레이는:
-원통형 렌즈를 포함하고;
-디스플레이의 열과 평행하게 정렬되고;
-2개 축을 중심으로 제로가 아닌 곡률을 가진 렌즈를 포함한다.
렌즈 어레이, 확산기 그리고 반사기는 단일 정렬 요소로 결합되어 디스플레이 후방에 위치 된다.
렌즈 어레이는 디스플레이 전방에 위치되며, 확산기와 반사기는 디스플레이 후방에 위치 된다.
따라서, 다른 면에서, 본 발명은 고광도 반투과형과 반사형 디스플레이 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 제1모드에서, 대체로 방향성 광도 성질을 나타내고 그리고, 제2모드에서, 대체로 비-방향성 광도 성질을 나타낸다.
본 발명의 제2면의 다른 특징은 다음의 잇점을 하나 또는 그 조합 잇점을 제공하는 성질이 있는 것이다.
본 발명은 주변 광 환경을 사용하는 반사형 모드로 운영되는 디스플레이에 고광도 이미지의 발생을 할 수 있는 것이다. 그러한 모드는 적절하게 위치한 관찰자와 광원에 맞는 반사형 또는 반투과형 디스플레이 시스템의 광도의 대략적인 증가가 이루어지게 한다.
본 발명은 주변 광원으로부터 거울 반사 영역에서의 고광도 관찰 영역의 분리를 이루게하여, 관찰 이미지의 콘트라스트가 증가하는 것이다.
본 발명은 또한 고광도 모드가 예를 들어 적절한 광 환경에서의 사용용과 백라이트와의 사용용으로 스위치 오프 되는 스위치식 디스플레이를 이룰 수 있는 것이다.
본 발명은 모든 컬러에서 유효하게 작용하며, 제한된 컬러 밴드에 구속받지 않으며, 단일 성분으로 이룰 수 있는 것이다. 본 발명은 디스플레이의 컬러 필터를 가진 옵티칼 요소의 정렬을 필요로 하지 않으며, 따라서 비용과 복잡함이 낮아진 것이다.
굴절형과 반사형 옵티칼 성분은 체적 반사 홀로그램과 같은 다른 눈(optic)의 사용과 대비되는 광범위한 가시성 파장용으로 높게 되도록 디스플레이의 출력 일률성을 허용한다.
렌즈는 시스템 비용을 낮추기 위해서 논-스위칭으로 만들어진다.
후방 반사동작 렌즈와 반사기 구조를 포함하는 실시예에서, 렌즈의 피치는 구조의 수의 픽셀 피치와 동일하게 설정되도록 할 필요가 없다. 이러한 사실은 동일 요소가 다른 픽셀 피치 베이스 디스플레이 패널에 사용을 허용하는 것이다. 렌즈와 반사기 요소는 표준 디스플레이 시스템에 간단하게 끼워지게 단일 정렬성분으로 집적 된다. 렌즈의 피치는 무아르 효과가 낮아지고 디바이스 두께가 얇아지도록 픽셀 피치보다 작게 만들어진다.
후면 반사 편광 필름을 포함하는 실시예에서, 반사 요소는 형태화될 필요가 없고 그러므로 패널 픽셀과의 고정밀도 정렬을 요하지 않고, 렌즈에 관하여 편리하게 정렬될 수 있다.
본 발명은 시스템에서 광 성분의 수를 줄이기 위하여 능동 복굴절 렌즈 또는 수동(비스위칭) 렌즈를 사용할 수 있다.
수동 복굴절 렌즈는 어딘지 다른 곳에서 기재된 장점을 가진다.
반사기가 실질적으로 디스플레이의 픽셀의 평면에 존재하는 실시예에서, 렌즈 집속 행동이 패널에 대한 원뿔 조명 각을 증가시킬 것이다. 그러므로, 요구되는 확산 특성을 유지하는 한편 수정되지 않은 디스플레이와 비교하여 울퉁불퉁한 반사기의 표면 돌출의 r.m.s. 값을 감소시키는 것이 가능하다. 이는, 액정층의 두께의 변화가 감소될 수 있고, 액정 배열의 균일성이 증가될 수 있고, 그러므로 액정 모드의 콘트라스트 특성이 증가될 수 있는 장점을 가진다.
외부 요소가 휘도 향상 요소를 가능하게 하기 위하여 사용되는 경우, 이 요소는 미리 제조된 디스플레이에 유리하게 맞춰질 수 있다. 외부 장치는 픽셀 내부에 울퉁불퉁한 반사기를 사용하지 않으므로, 액정 모드의 선택을 장치 두께 변화에 민감하지 않은 것에 제한하지 않는다.
제1특징에 따른 광 스위칭 장치가 제2특징에 따른 장치에서 렌즈 어레이로 사용될 수 있다. 제1특징 및 제2특징의 임의의 조합이 함께 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예가 이제 예시적인 방법으로만, 이하의 첨부 도면을 참조하여 기재될 것이다.
도1a는 스크린 평면 뒤에 있는 물체에 대한 3D 표시로 된 겉보기 깊이의 생성의 도시;
도1b는 스크린 평면 앞에 있는 물체에 대한 3D 표시로 된 겉보기 깊이의 생성의 도시;
도1c는 영상의 입체쌍의 각각의 영상에 있는 대응 포인트 위치의 도시;
도2a는 자동 입체 3D 디스플레이의 전면에 있는 오른쪽 눈 관찰 윈도우의 형성의 개략도;
도2b는 자동 입체 3D 디스플레이의 전면에 있는 왼쪽 눈 관찰 윈도우의 형성의 개략도;
도3은 3D 디스플레이의 출력 원뿔로부터 관찰 영역의 생성을 도시하는 평면도;
도4a는 자동 입체 디스플레이에 대한 이상적인 윈도우 프로필의 도시;
도4b는 자동 입체 3D디스플레이로부터 관찰 윈도우으로의 출력 프로필의 개략도;
도5는 시차 장벽 디스플레이 구조의 도시;
도6은 물결무늬형 스크린 디스플레이 구조의 도시;
도7은 입력 조명을 위하여 복굴절 마이크로렌즈를 사용하는 프로젝션 광 시스템 구조의 도시;
도8은 출력 조명을 위하여 복굴절 마이크로렌즈를 사용하는 프로젝션 광 시스템 구조의 도시;
도9a는 방향 디스플레이 장치의 도시;
도9b는 수동 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이 구조의 도시;
도10a는 도9b의 디스플레이의 3D 모드용 편광기 구조의 도시;
도10b는 도9b의 디스플레이의 2D 모드용 편광기 구조의 도시;
도11a는 하나의 분석 편광기 구조의 평면도;
도11b는 도11a의 분석 편광기 구조의 개략적인 전단면도;
도12a는 도11의 편광기 구조를 사용하는 3D 모드용 편광기 구조의 도시;
도12b는 도11의 편광기 구조를 사용하는 2D 모드용 편광기 구조의 도시;
도13은 2D 모드에 있는 분석 편광기 구조의 도시;
도14는 3D 모드에 있는 분석 편광기 구조의 도시;
도15a는 전자적으로 스위칭 가능한 파장판(waveplate)용 분석 편광기 구조의 도시;
도15b는 3D 모드에서 작동하는 도15a의 구조의 개략적인 전단면도;
도16은 분할된 스위칭 가능한 파장판의 도시;
도17은 스위칭 가능한 파장판에 있는 전극 사이의 간극의 효과의 도시;
도18a는 양 기판에 있는 복굴절 물질의 실질적으로 수평인 정렬용 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조의 평면도;
도18b는 마이크로구조 기판에 있는 복굴절 물질의 실질적으로 수평인 정렬 및 평면 기판에 있는 실질적으로 수직인 정렬용 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조의 평면도;
도18c는 정렬이 제조 중 외부 전기장에 의해 생성되는 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조의 평면도;
도18d는 정렬이 제조 중 일 표면상의 정렬층과 외부 전기장의 조합에 의해 생성되는 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조의 평면도;
도19a는 도18a의 구성에 대한 정렬 방향의 도시;
도19b는 도18b의 구성에 대한 정렬 방향의 도시;
도19c는 비틀린 복굴절 물질에 대한 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조에 대한 정렬 방향의 도시;
도19d는 기하학 마이크로렌즈 축과 수평하지 않은 마이크로구조화된 표면에 있는 정렬 방향에 대한 복굴절 마이크로렌즈 구성 구조에 대한 정렬 방향의 도시;
도20a는 정렬층이 디스플레이의 출력 편광기에 배치되어 있는 구성의 도시;
도20b는 등방성 렌즈 마이크로구조의 방향이 반전된 도20a와 유사한 구성의 도시;
도21은 복제된 마이크로구조가 디스플레이 및 부착된 평면 기판에 배치된 구성의 도시;
도22는 등방성 렌즈 마이크로구조의 방향이 반전된 도21과 유사한 구성의 도시;
도23은 2D 모드에 대한 내부 마이크로렌즈 시스템의 구성의 도시;
도24는 3D 모드에 대한 내부 마이크로렌즈 시스템의 구성의 도시;
도25는 도23의 내부 마이크로렌즈 구성의 개략적인 전단면도;
도26은 도24의 내부 마이크로렌즈 구성의 개략적인 전단면도;
도27a는 도25 및 도26의 디스플레이에서 정렬 방향의 도시;
도27b는 도25 및 도26의 디스플레이에서 대안적인 정렬 방향의 도시;
도28a는 45도 출력 편광을 갖는 디스플레이에 대하여 보정된 내부 마이크로렌즈 구성의 개략적인 전단면도;
도28b는 비틀린 복굴절 마이크로렌즈를 사용하는 내부 마이크로렌즈 구성의 개략적인 전단면도;
도29는 2D와 3D 사이의 전자 스위칭을 허용하는 스위칭 가능한 파장 판을 사용하는 내부 마이크로렌즈 구성의 도시;
도30a는 한 쌍의 스위칭 가능한 파장 판을 사용하는 2D 및 3D용 상시 화이트(NW) 작동의 도시;
도30b는 스위칭 가능한 파장 판 및 기계적으로 재구성 가능한 파장 판을 사용하는 2D모드 및 3D모드용 NW 작동의 도시;
도31a는 도30의 상시 화이트 2D모드용 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도31b는 도30a의 상시 화이트 3D모드용 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도32a는 상시 화이트 3D모드용 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도32b는 도32a의 2D모드용 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도32c는 도32a의 3D모드용 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도33a는 반사형 디스플레이 구성의 도시;
도33b는 2D모드에서의 반사형 디스플레이의 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도33c는 3D모드에서의 반사형 디스플레이의 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도33d는 반사형 디스플레이의 3D모드에서의 영상의 휘도에 주변 조명이 미치는 효과의 도시;
도33e는 전기적으로 스위칭 가능한 반사형 디스플레이 구성의 도시;
도33f는 2D모드에서 도33e의 디스플레이에 대한 편광 구성의 개략적인 전단 면도;
도33g는 3D모드에서 도33e의 디스플레이에 대한 편광 구성의 개략적인 전단면도;
도34a는 상시 화이트 모드의 그레이 스케일 응답의 개략도;
도34b는 상시 블랙 모드의 그레이 스케일 응답의 개략도;
도35는 편광 스위칭 메커니즘의 구성에 기초하여 영상 데이터를 조정하는 장치의 도시;
도36은 스위트 스폿 지시기(sweet spot indicator)에서의 윈도우의 생성의 도시;
도37은 스위트 스폿 지시기 광학 장치를 조사하기 위한 LCD 백라이트으로부터의 빛의 사용의 도시;
도38은 내부 비 복굴절 렌즈를 사용하는 스위트 스폿 지시기의 도시;
도39는 내부 복굴절 마이크로렌즈를 사용하는 스위트 스폿 지시기의 도시;
도40은 복굴절 마이크로렌즈 형의 디스플레이를 포함하는 다중 관찰자 디스플레이 장치의 도시;
도41은 도40의 디스플레이용의 도식적인 윈도우 구조의 도시;
도42는 전술한 형태의 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이를 사용하는 트래픽 광 디스플레이 시스템의 도시;
도43은 스위칭 가능한 고휘도 반투과형 디스플레이의 도시;
도44는 스위칭 가능한 고휘도 반투과형 디스플레이의 픽셀 구조의 도시;
도45는 스위칭 가능한 고휘도 반투과형 디스플레이의 대안적인 픽셀 구조의 도시;
도46은 스위칭 가능한 고휘도 반투과형 디스플레이의 작동 방법의 도시;
도47은 광섬유의 입력 구멍으로부터 실질적으로 떨어진 광을 분배하는 제1 작동모드에서의 광섬유 스위칭 시스템의 도시;
도48은 빛이 광출력 섬유의 구멍쪽으로 향해진 도47의 광섬유 스위칭 시스템의 제2 작동모드의 도시;
도49는 외부 광 소자를 사용하는 향상된 휘도의 반사형 디스플레이 구성의 도시;
도50은 디스플레이의 후면에 위치한 소자를 사용하는 향상된 휘도의 반사형 디스플레이 구성의 도시;
도51a는 제1 광 구멍을 제2 광 구멍에 영상화하는 편향 반사기의 작동의 도시;
도51b는 제1 광 구멍을 제3 광 구멍에 영상화하는 편향 반사기의 평면에서의 실질적으로 평면의 작동의 도시;
도51c는 대안적인 편향 반사기의 도시;
도51d는 편향 반사기가 경사진 확산 반사면을 포함하여 입사 광 빔을 출력 렌즈 어레이의 요구되는 수집 구멍으로 보내는 장치의 도시;
도52는 복굴절 렌즈가 편광 수정 요소와 함께 사용되는 향상된 휘도의 반사형 디스플레이의 제1 작동모드의 도시;
도53은 도52의 디스플레이의 제2 작동모드의 도시;
도54는 향상된 휘도의 반사형 디스플레이용 대안적인 백라이트 구성의 도시;
다양한 실시예의 일부는 공통적인 요소를 채용하며, 간략화를 위해 이들은 공통의 도면부호로 주어질 것이고 그 기재는 반복되지 않을 것이다. 또한, 각 실시예의 요소들의 기재는 다른 실시예의 동일한 요소와 동일하게 적용되고 그 요소들은 필요한 변경을 가하여 대응되는 효과를 가진다. 또한, 디스플레이의 실시예를 도시하는 도면은 명료하도록 디스플레이의 일부만을 보여준다. 사실, 구성은 디스플레이의 전체 면적에 대하여 반복된다.
도9a는 본 발명의 첫 번째 예시적인 실시예의 방향 디스플레이 장치(또는 광 방향 분배 스위칭 장치)를 도시한다. 방향 디스플레이 장치는 도9a에 도시된 것처럼, 수동 복굴절 마이크로렌즈와, 스위칭 가능하거나 가변인 편광 수정 장치(146)(편광기로 불려질 수도 있다.)를 포함한다. 이 실시예에서, 복굴절 마이크로렌즈는 마이크로 구조화된 표면(136)이 형성되어 있는 등방성 물질(134)로 침착된 렌즈 기판(132)에 의해 제공된다. 특수 인덱스의 방향을 정의하는 한정된 복굴절 광축 방향(140), 또는 복굴절 물질의 디렉터를 갖는 복굴절 물질이 마이크로 구조화된 표면(136)상에 배치된다. 평면(144)을 갖는 마이크로렌즈 대향 기판(142)이 렌즈 기판(132)에 수평으로 위치되어 복굴절 물질(138)의 샌드위치를 형성한다. 끼워질 수 있는 편광 수정장치(146)는 수동 복굴절 마이크로렌즈 장치의 한 측부에 위치된다.
도9a의 실시예는 본 발명의 간단한 실시예를 나타낸다. 본 장치는 양방향 분배 사이에 빛을 스위칭할 것을 요하는 임의의 응용에서 사용될 수 있다. 한가지 특히 바람직한 응용은 액정 표시 장치와 같은 디스플레이 장치와 결합하여 또는 그 일부로 본 장치를 사용하는 것이다. 이러한 이유로, 이하에 기재된 많은 실시예들은 이러한 디스플레이 장치와 결합하거나 그 일부를 형성하는 방향 디스플레이 장치에 관한 것이다. 그럼에도 불구하고, 이하에 디스플레이 장치 실시예의 문맥상 기재된 방향 디스플레이 장치의 여러 바람직한 특징들은, 액정 표시 장치가 아닌 다른 디스플레이 장치에서의 사용을 위하여, 그리고 사실은 오히려 디스플레이 장치나 디스플레이 응용이 아닌 다른 장치와 응용에 사용되거나 이와 함께 사용하기 위하여, 가령 도9a에 도시된 것과 같은 본 발명의 방향 디스플레이 장치와 결합하여 또는 단독적으로 적용될 수 있음이 이해될 것이다.
게다가 바람직한 특징은 이러한 장치 또는 응용의 구조 또는 작동 모드에 의존하여, 직접적으로나, 유사하게, 또는 균등하게 그러한 다른 장치 또는 응용에서 실행될 수 있다.
도9a에 도시된 장치의 작동은 다양한 디스플레이, 특히 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이, 및 다른 응용에서의 이의 사용과 관련하여 이하 기재될 것이다. 일반적으로, 이하의 디스플레이 응용 실시예를 포함하여, 대부분의 실용적인 응용에서 도9a의 장치를 실행할 때, 입력 광이 편광 수정 장치(146)에 도달하기 전에 복굴절 마이크로렌즈를 통하여 지나가도록 장치를 배치하는 것이 적절하다[이 경우 편광 수정 장치(146)는 복굴절 렌즈를 관통한 빛에 관하여 편광 분석기처럼 작용한다]. 이에 대한 이유는 복굴절 렌즈가 디스플레이 장치의 가령 픽셀과 같은 광 변조 소자에 근접하게 배치될 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 도9a에 도시된 장치는 빛이 이 장치를 통하여 어느 방법으로 통과하도록(즉, 편광 수정장치 전에 복굴절 마이크로렌즈를 통과하도록, 또는 복굴절 마이크로렌즈 전에 편광 수정장치를 통과하도록) 정렬되거나 사용되어도 무방하다는 것과 이하에 기재될 다른 실시예에 대한 경우도 동일하다는 것이 이해될 것이다.
작동할 때, 도9a의 장치는 편광 요소의 빛에 의해 조명될 때, 렌즈가 물체의 실상을 형성하기 위하여 작동하도록 배치된다. 물체는 예를 들어 렌즈에 근접하게 배치되는 광원일 수 있다. 광원은 예를 들어 디스플레이 장치의 픽셀일 수 있다. 실상은 물체에 대하여 렌즈의 대향 측부에 놓여져야 한다. 실상은 윈도우 평면에 위치된다. 윈도우 평면은 비록 당해 기술분야에서 잘 알려진 것처럼 렌즈의 영상화 특성으로 인하여 수차(收差)에 의해 왜곡될 것이지만, 실질적으로 평면일 수 있다.
제2 편광 요소의 빛에 대하여, 렌즈는 다른 광학 기능을 가질 수 있으므로 실상은 윈도우 평면에 형성되지 않는다. 제2 편광 요소의 빛에 대하여, 광원으로부터의 광선의 어떠한 수정도 실질적으로 존재하지 않도록 렌즈는 실질적으로 어떠한 광 전력도 가지지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우, 물체 및 영상은 렌즈의 동일한 쪽에 있는 실질적으로 동일한 평면에 놓여질 것이다. 그러므로 렌즈는 이 편광 모드에서 물체의 실상을 형성하도록 작동하지 않는다.
이러한 구성은 유리하게도 제1 모드에서 관찰 윈도우를 형성하고 제2 모드에 서 관찰 윈도우를 형성하지 않도록 렌즈의 광학 특성을 전환할 수 있을 것이다.
유리하게도 이러한 장치는 예를 들어 양안 시차효과를 사용하는 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이에 사용될 수 있으며, 여기서 픽셀 어레이를 포함하는 공간 광 변조기가 렌즈의 물체 평면에 배치된다. 제1(자동 입체 3D) 편광 모드에서, 렌즈는 디스플레이 픽셀에 대해 렌즈의 반대쪽에 존재하는 윈도우 평면에서 실질적으로 디스플레이 픽셀의 실상을 형성한다. 실질적으로 윈도우 평면에 위치된 관측자의 각 눈은 렌즈 광 구멍에 있는 평면상을 포함하는 입체 영상 짝 중 하나를 보게 될 것이다. 제2(2D) 편광 모드에서, 렌즈는 어떠한 광 전력도 가지지 않도록 정렬되므로 물체의 영상은 실질적으로 물체의 평면에 존재한다. 그러므로 영상은 렌즈의 같은 쪽에 존재하는 실상이 아니다. 물체 평면에 있는 디스플레이 픽셀의 평면에서 동일한 평면 영상이 관측자의 양 눈에 의해 보여질 것이다. 이 편광 모드에서, 유리하게도 관측자는 공간 광 변조기의 완전 픽셀 해상도를 본다.
유리하게도 이러한 장치는 예를 들어 스위칭 가능한 고휘도 반사형 디스플레이에서 사용될 수도 있으며, 여기서 픽셀 어레이를 포함하는 공간 광 변조기가 렌즈의 물체 평면에 배치된다. 제1 편광 모드에서, 렌즈는 렌즈의 반대쪽에 있는 실제 윈도우 평면으로 물체를 영상화한다. 윈도우 평면에 위치된 관측자는 적절히 위치된 외부 광원에 대한 향상된 휘도의 영상을 본다. 제2 편광 모드에서, 영상은 실질적으로 물체 평면과 동일한 렌즈 쪽에 있게되며, 휘도 향상이 관측되지 않는다.
작동할 때, 스위칭 가능한 편광기가, 예를 들어 2D-3D 스위칭 장치 또는 스 위칭 가능한 반사형 디스플레이 휘도 향상 장치에서, 평면 영상을 스위칭하기 위하여 배치되도록 장치가 적합화된다. 관측자는 제1 편광 모드에서 디스플레이 장치의 렌즈 구멍의 평면에 있는, 또는 제2 편광 모드에서 디스플레이 장치의 픽셀의 평면에 있는 평면 영상을 실질적으로 볼 것이다. 영상은 이때 제1 편광 모드에서 윈도우 평면에 있는 픽셀의 실상을 참조하지 않는다. 스위칭 가능한 편광기는 인접 렌즈가 동일한 편광 모드에서 작동하도록 동일하게 스위칭된다. 이에 의해 디스플레이 된 영상의 영역이 동일한 작동 모드에서 보여질 수 있다. 이는 유리하게도 스위칭 가능한 편광기의 복잡성과 비용을 감소시킨다. 또한, 렌즈 어레이와 스위칭 가능한 편광기의 분리에 어떠한 제한도 없다. 균일한 구역에 대하여 렌즈 어레이와 스위칭 가능한 편광기 사이에 어떠한 시차도 없다.
도9b는 방향 디스플레이 장치가 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이 장치에 사용되거나 이와 합체되는 실시예를 도시한다. 도9a에 도시된 형태의 방향 분배 스위칭 장치는 LCD의 전면에 부착된다. 백라이트(60)는 LCD 입력 편광기(64)에 입사하는 광 출력(62)을 생성한다. 빛은 TFT LCD 기판(66)을 통하여 전송되며, LCD 픽셀평면(67)에 행과 열로 배치된 반복되는 픽셀 열에 입사한다. 적색 픽셀(68, 71, 74), 녹색 픽셀(69, 72, 75) 및 청색 픽셀(70, 73) 각각은 개별적으로 제어가능한 액정 층을 포함하며 블랙 마스크(76)라 불리는 불투명 마스크의 영역에 의해 분리된다. 각 픽셀은 전송 구역, 즉 픽셀 구멍(78)을 포함한다.
픽셀을 통과하는 빛은, LCD 픽셀 평면(67)에 있는 액정 물질에 의해 위상이 변조되며, LCD 컬러 필터 기판(80)에 장착된 컬러 필터에 의해 색상이 변조된다. 빛은 다음 출력 편광기(82)를 통과하며, 마이크로렌즈 대향 (캐리어) 기판(142)과, 복굴절 광축 방향(140)을 갖는 복굴절 마이크로렌즈(138)와, 등방성 마이크로 구조화된 물질(134)과, 렌즈 기판(132)을 통과한다. 장치의 출력부에 편광 수정 장치(146)가 부가된다. 본 실시예에서, 복굴절 마이크로렌즈는 원통형 렌즈 어레이처럼 구성된다. 각 렌즈는 한 방향으로 전체 디스플레이를 가로질러 연장하며, 렌즈는 수직 방향으로 디스플레이를 가로질러 반복된다. 백라이트(60), LCD(64, 66, 67, 80, 82) 및 복굴절 마이크로렌즈 구조(142, 138, 134, 132)는 그룹을 이루어 디스플레이(148)를 형성한다.
LCD의 디렉터의 방향이 도9a 및 이후의 도면에 도시된다. 이는 특수 성분의 방향과 복굴절 물질의 복굴절성을 보여준다.
복굴절 마이크로렌즈는 디스플레이의 출력 편광기와 분석 편광기 사이에 샌드위치된다.
본 실시예의 복굴절 마이크로렌즈는 다음을 포함한다:
- 열 팽창이 디스플레이 기판의 열 팽창과 실질적으로 정합되도록 정렬된 기판
- 복굴절 물질의 굴절 인덱스 일반 인덱스와 실질적으로 동일한 굴절 인덱스를 갖는 비 복굴절 물질의 층
- 비 복굴절 물질에 형성된 마이크로 구조화된 표면
- 마이크로 구조화된 면의 평면에 실질적으로 정렬된 균일한 복굴절 광축 방향을 갖는 복굴절 물질
- 복굴절은 등방성 물질의 표면에 형성된 신장된 오목면 어레이의 형태를 가진다.
본 명세서에서, 복굴절 물질의 광축의 방향(디렉터 방향, 또는 특수 축 방향)은 복굴절 광축으로 불리워질 것이다. 이는 기하 광학에 의해 통상적인 방법으로 정의되는 렌즈의 광축과 혼동되어서는 안된다.
백라이트는 디스플레이의 후면을 조명한다. 편광기는 백라이트로부터의 광을 분석하며, 이는 다음 LCD의 픽셀에 입사한다. LCD는 위상 변조 공간 광 변조기(SLM)의 한 클래스이며, 위상 변조를 픽셀의 출력 편광을 분석하는 밀도 변조로 변환하기 위하여 편광기를 사용한다.
입사광의 위상은 픽셀을 지나가는 전압에 따라 변조되며, 이는 본 특정 실시예의 박막 트랜지스터 트위스티드 네마틱(TFT-TN)형 LCD에 대하여 장치의 능동 기판상에 행렬로 지정된 트랜지스터의 어레이를 사용하여 제어된다. 출력은 다음 LCD의 대향 기판에 배치된 컬러 필터의 어레이를 통하여 전송되거나 능동 기판에 직접 전송된다. 블랙 마스크가 주소지정 전자를 보호하고 잘 정의된 픽셀 구멍을 생성하기 위하여 사용된다. 이 빛은 다음 LCD의 출력 편광기에 의해 분석된다. 출력광은 다음 복굴절 마이크로렌즈의 어레이에 입사되며 분석 편광기(146)가 뒤따른다.
이 실시예에서, 디스플레이의 각 픽셀은 2차원 평면에서 실질적으로 렌즈 어레이의 구멍에 있는 것으로 관측자에게 보여짐이 명백할 것이다. 이 디스플레이는 평면 디스플레이 장치에 대한 양안 시차효과를 이용하며 유리하게도 불투명 영상의 디스플레이를 허용한다. 이는 렌즈가 이하 기재될 광 전력을 갖는 모든 실시예에 적용된다.
도10a는 3D 작동모드에서 LCD 출력 편광기로부터 관측자로 향하는 빛의 전파를 확장형태로 도시한다. LCD 출력 편광기(82)는 수직에 45도로 최대 전송의 방향(149)을 가지며; 복굴절 마이크로렌즈(138)는 0도에서 복굴절 물질 광축(140)의 방향을 가지며; 편광 수정 장치(146)는 0도의 최대 전송의 방향(151)을 가지면서 분석 편광기처럼 작용하는 선형 편광기를 포함한다. 빛은 방향(150)을 따라 관측자에게 향한다.
도10b는 2D 작동모드에서 LCD 출력 편광기로부터 관측자로 향하는 빛의 전파를 확장형태로 도시한다. LCD 출력 편광기(82)는 수직에 45도로 최대 전송의 방향(149)을 가지며; 복굴절 마이크로렌즈(138)는 0도에서 복굴절 물질 광축(140)의 방향을 가지며; 편광 수정 장치(146; 즉, 분석 편광기처럼 작용하는 선형 편광기)는 이제 90도의 최대 전송의 방향(151)을 가지도록 위치됨으로써 스위칭 된다. 빛은 방향(152)을 따라 관측자에게 향한다.
도10은 3D 및 2D 모드에서 복굴절 마이크로렌즈의 작동방법을 도시한다. 마이크로구조와 복굴절 물질의 조합으로부터 형성된 마이크로렌즈는 이 경우 물결무늬이다. 즉, 이들은 수직의 대칭축을 가지는 원통형 렌즈이다. 이러한 정렬은 수평 시차만을 제공할 수 있으며, 이는 일반적으로 관찰자의 눈의 수평 이격으로 인해 많은 자동 입체 응용에 충분하다. 본 발명은 또한 2차원 렌즈 어레이에도 적용될 수 있다.
투과형 TFT TN-LCD로부터의 빛에 대한 출력 편광 방향은 일반적으로 수직에 45도 또는 이 근방에서 설정된다. 도10a에서 마이크로렌즈에 입사하는 빛은 수직 및 수평의 선형 편광으로 분해될 수 있다. 이러한 인덱스가 상이하므로, 렌즈의 만곡은 광학 효과를 가지며, 렌즈 기능이 존재한다. 다음, 물결 무늬는 관찰 공간에 윈도우를 생성하며, 이는 도6에 도시되어 있다. 투과 축이 수직으로 위치되는 선형 편광기가 복굴절 마이크로렌즈 어레이 다음에 위치된다면, 관찰 공간에서 분석되는 빛은 관찰 윈도우로 향해지는 빛이며, 그러므로 3D 영상이 생성된다. 이 모드에서, 방향 분배는 3D 방향 분배이다.
수평축에서, LCD로부터의 분해된 출력 선형 편광 상태는 복굴절 물질의 일반 인덱스를 보게된다. 이는 중합체 물질과 인덱스 정합되므로, 어떠한 인덱스 변경도 인터페이스에서 보여지지 않고, 렌즈는 이 편광 상태에서 기능을 갖지 않는다. 그러므로, 만약 출력 편광기의 투과축이 도10b에 도시된 것처럼 수평으로 위치된다면, 제공되는 출력광은 마이크로렌즈에 의해 실질적으로 수정되지 않았던 빛의 성분이며 따라서 어떠한 윈도우도 생성되지 않을 것이며 디스플레이는 기본 패널의 방향 분배에 실질적으로 어떠한 수정도 없는 완전 해상도의 2D 디스플레이인 것처럼 보일 것이다.
본 발명은 장치의 투과형 작동 모드에 한정되지 않는다. 일반적으로 디스플레이 장치는 각 픽셀에 의해 빛을 변조하기 위하여 투과형, 방사형, 반사형, 또는 심지어 이들의 조합을 포함하는 임의 형태의 공간 광 변조기를 채용한다. 디스플레이는 백라이트 구조의 일부로써 거울과 함께 구성될 수 있어서, 디스플레이의 전 면을 통해 입사하는 빛은 관측자에게 디스플레이를 통하여 역으로 반사된다.
본 발명은 TFT TN-LCD 효과에 한정되지 않는다. 다른 효과는 이에 한정되지는 않으나, 인 플레인 스위칭(In-Plane-Switching; IPS), 수직으로 정렬된(VA), 향상된 수퍼 관찰(Advanced Super View; ASV), 및 가령, 전자발광, 조직 전자발광, 플라즈마, 플라즈마 주소지정된 액정, 진공 형광과 같은 방사형 디스플레이를 포함한다.
편광 수정 장치(146)(즉, 스위칭 가능한 편광기)
전술한 실시예에서, 스위칭 가능한 편광기, 즉 편광 수정 장치(146)는 단순히 선형 편광기를 포함하며, 이는 전술한 것처럼 두 위치 사이에서 90도 만큼 기계적으로 위치를 바꾸거나 회전함으로써 스위칭된다. 그러나, 많은 응용에서 디스플레이는 직사각형이거나, 실질적으로 직사각형이거나, 가로세로비가 1:1이 아닌 어떤 다른 형태를 가진다. 이러한 경우에, 편광기가 전술한 두 스위칭 가능한 위치 사이에서 이동될 수도 있다면, 편광기는 디스플레이 형상과 정합하도록 만들어질 수 없다. 이 문제는 정렬을 제공하는 후술되는 부가적인 실시예에 의해 언급되며, 이에 의해, 디스플레이의 형상에 관하여 편광 수정 장치(146)의 구역의 위치를 보존하는 방식으로 편광 수정 장치가 위치 변경될 것을 요한다. 후술될 또 다른 추가적인 실시예에서, 편광 수정 장치(146)는 전기적으로 스위칭 가능한 형태로 수행된다.
도11은 편광 수정 장치(146)에 사용될 수 있는 편광기 스택의 일 구성을 도시한다. 도11a는 장치의 평면도를 도시한다. 기판(156)은 한쪽에 부착된 편광기(158)와 다른 쪽에 부착된 반파장판(160)을 가진다. 도11b는 장치에 있는 성분의 축 방향을 개략적으로 도시한다. 편광기(158)는 수직과 0도에서 최소 투과(162)의 축을 가지며, 반파장판(160)은 수직과 45도에서 효과적인 복굴절 광축방향(164)을 가진다.
편광기 스택은 전송축이 수직으로 위치되는 선형 편광기와, 가령 비 복굴절 플라스틱일 수 있는 장착 기판과, 수직에 45도로 복굴절 광축이 위치되는 광대역 반파장판일 수 있는 90도 편광 회전 요소를 포함한다. 파장판은 복굴절 광축 방향으로의 입사 편광의 두 배의 각을 통하여 선형 편광을 회전시키도록 작용한다. 반파장판은 그러므로 90도 편광 회전 기능을 가진다. 반파장판은 트위스티드 네마틱(twisted nematic) 전지와 같은 90도 편광 회전 요소의 또 다른 형태로 대체될 수 있다.
도12a는 3D모드인 디스플레이의 구성을 도시한다. LCD 출력 편광기(82)는 (수직과) 45도의 투과 축(149)을 가지며 수직과 0도인 광축 방향(140)을 가지는 복굴절 마이크로렌즈(138)가 다음에 오며, 45도의 복굴절 광축 방향(164)을 갖는 반파장판(160)과 수직에 90도의 최대 투과 축 방향(162)을 가지는 편광기(158)가 다음에 온다. 3D 출력 방향 분배(150)는 관측자(비도시) 방향이다.
도12b는 2D모드인 디스플레이의 구성을 도시한다. LCD 출력 편광기(82)는 45도의 투과 축(149)을 가지며, 광축 방향(140)을 가지는 복굴절 마이크로렌즈(138)가 다음에 오며, 수직에 90도의 최대 투과 축 방향(162)을 가지는 편광기(158)이 다음에 오며, 이후 -45도의 복굴절 광축 방향(164)을 갖는 반파 장판(160)이 다음에 온다. 2D 출력 방향 분배(154)는 관측자(비도시) 방향이다.
도12a는 도10a와 등가인 구성으로 편광기 스택의 이용을 도시한다. 디스플레이로부터의 3D 출력은 수직 편광이며, 반파장판은 편광을 수평으로 회전시키며 출력 편광기는 이 편광 상태를 전송한다. LCD로부터 수평인 2D 출력은, 반파장판에 의해 수직으로 회전하며, 출력 분석 편광기에 의해 소멸된다.
도12b는 분석 편광기 스택이 디스플레이로부터 제거되고, 수평 또는 수직 축 주위로 회전하며, 디스플레이의 앞에 역배치된 2D모드용 편광기 구조를 도시한다. 분석 편광기(162)는 다음 렌즈 기능과 만나는 수직으로 편광된 복굴절 마이크로렌즈로부터의 빛을 소멸시키며, 렌즈 기능과 만나지 않는 수평으로 편광된 빛을 전송한다. 다음에, 출력 편광은 반파장판에 입사하지만, 다음의 편광기가 없기 때문에, 디스플레이 출력에 유용한 기능을 가지지 않는다. 그러므로, 이 방향에서, 디스플레이는 완전 해상도 2D 영상을 가진다.
도11 및 도12에서 반파장판 및 편광기의 방향은 반파장판이 3D 모드가 아닌 2D 모드에서 사용되도록 도치될 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다. 최적의 선택은 반파장판의 스펙트럼 특성을 고려하여 선택된다. 다중 스택 반파장판은 양 방향에서 성능을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.
기재된 실시예에서, LCD의 출력 편광은 45도로 정의된다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 각도는 수정되지 않은 디스플레이의 최적 디자인으로 임의로 설정되어도 좋다. 시스템의 나머지 요소의 각도는 이에 따라 조정된다. 그러므로, 복굴절 광축은 더 이상 물결무늬의 신장된 축에 평행하게 정렬되지 않는다. 복굴 절 광축은 LCD의 출력 편광에 비례하여 설정되어 입력 편광이 두 개의 직교 성분으로 분해된다.
도13 및 도14는 각각 2D모드 및 3D모드에 대하여 스택을 통하여 편광된 빛의 전파의 대안적인 표현을 도시한다.
도13에서, 방향성 디스플레이(148)의 다음에 편광기(158)와, 기판(156)과 반파장판(160)을 포함하는 편광 수정 장치(146)가 온다. 빛은 방향(166)을 따라 전파하는 것으로 도시된다. 출력 편광기(82) 이후에, 빛(168)이 45도로 편광된다. 복굴절 렌즈(138) 다음에, 빛이 두 요소로 분해될 수 있다. 수직 요소(170)가 렌즈 기능을 만나므로 3D 모드용 방향 정보를 담고 있다. 수평 요소(172)는 렌즈 기능을 만나지 않으므로, 2D 모드용 방향 정보를 담고 있다. 편광기(158)는 수직 편광 상태(170)를 소멸시키며 수평 편광 상태(172)가 통과하도록 허용한다. 출력 파장판(160)은 출력 편광 상태의 위상을 수정할 것이지만, 인간의 시각은 편광에 민감하지 않기 때문에, 파장판(160)의 사용자에 의해 어떠한 효과도 관측되지 않을 것이고, 대응하는 2D 방향 분배를 갖는 2D 출력을 제공한다.
도14에서, 편광기(158), 기판(156), 및 반파장판(160)을 포함하는 편광 수정 장치(146)는 방향 디스플레이(148)를 뒤따른다. 빛이 방향(166)을 따라 전파하면서 보여진다. 출력 편광기를 지나면, 빛(168)이 45도로 편광된다. 복굴절 렌즈(138)를 지나면, 빛은 두 성분으로 분해될 수 있다. 수직 성분(170)은 렌즈 기능을 검사하고 따라서 3D 모드에 대한 방향 정보를 포함한다. 수평 성분(172)은 렌즈 기능을 검사하지 못하고 따라서 2D 모드의 방향 정보를 포함한다. 파장판(160)은 수평면에 대해 수직 편광(170)을 회전시키고, 수직면에 대해 수평 편광(172)을 회전시킨다. 편광기(158)는 수직 편광 상태(172)를 소멸시키고, 수평 편광 상태(170)가 통과하도록 하여 3D 출력을 한다.
이제 추가 실시예를 살펴 보면, 도15a는 다른 형태의 편광 수정 장치(146)의 실행이 이어지는 스위칭 가능한 파장판(176)과 선형 편광기(184)를 포함하는 방향 디스플레이(148)를 도시한다. 이들은 구조적으로 어떠한 적합한 방식으로 장착될 수 있고, 여기서는 아래와 같이 구조적으로 장착된다. 스위칭 가능한 파장판(176)은 디스플레이(148)와 전극 기판(180)에 부착되는 한 쌍의 투명 전극(178) 사이에 놓인다. 편광 회전의 수정(판차라트남(Pancharatnum) 수정일 수 있다)을 제공하기 위한 광 파장판(또는 필름)(182)은 전극판(180)에 부착되고; 선형 편광기(184)는 광 파장판(또는 필름)(182)에 부착된다. 이는 편리하게 디스플레이의 시야각을 증가시킨다.
3D 모드용 시스템을 통한 빛의 전파가 또한 보여진다. 빛이 방향(166)을 따라 전파되면서 보여진다. 출력 편광기(82)를 지나면 빛(168)이 45도로 편광된다. 복굴절 렌즈(138)를 지나면, 빛은 두 성분으로 나누어 질 수 있다. 수직 성분(170)은 렌즈 기능과 만나므로 3D 모드용 방향 정보(또는 방향 분배)를 포함한다. 수평 성분(172)은 렌즈 기능을 만나지 않으므로 2D 모드용 방향 정보(또는 방향 분배)를 포함한다. 2D 모드의 작동에서, 스위칭 가능한 파장판(176)의 광축은 수평 입력 편광에 평행하게 배열되고, 따라서 복굴절 마이크로 렌즈로부터 나오는 편광 상태에 회전을 주지 아니한다. 광 파장판(182) 기능은 파장판의 색채 및 시 야 각 성능을 향상시키는 역할을 하고, 그 기능은 기술분야에 널리 알려져 있어서 여기에 기재되지는 않을 것이다. 그런후 수평 편광 상태(2D 방향 정보를 전달하는)는 출력 편광을 통해 전송된다.
3D 모드의 작동시, 스위칭 가능한 파장판(176)은 광축이 수직선에 대해 45도로 기울어 지도록 전기적으로 조절된다. 스위칭 가능한 파장판(160)는 수평선에 대해 수직 편광(170)을 회전시키고, 수직선에 대해 수평 편광(172)을 회전시킨다. 편광기(184)는 수직 편광 상태(172)를 끄고 수평 편광 상태(170)가 지나가도록 하여 3D 출력을 발생시킨다.
도15b는 개략적으로 복굴절 렌즈(138), 스위칭 가능한 파장판(176), 및 출력 분석 편광기(184)를 통해 LCD 출력 편광기 빛의 전달을 보여준다. 전극 및 광 파장판(예를 들어, 판차라트남 수정)은 설명의 편리를 위해 제거된다. 3D 모드의 작동시, 반파장판(176)은 45도 복굴절 광축 방향(164)을 갖는다. 도15c에서 도시된 바와 같이, 2D 모드의 작동시 반파장판(180)은 90도 복굴절 광축 방향(164)을 갖는다.
따라서, 여기에서 기계적으로 스위칭 되는 성분이 투명 전극(인듐 주석 산화물, ITO와 같은)사이에 위치한 LCD와 같은 전기적으로 스위칭 되는 90도 회전 기능에 의해 대체된다. 작동의 한 모드에서, 광축이 한 방향이 되도록 전기장이 장치에 걸린다. 제2 작동모드에서, 전기장이 변화되거나 제거되고 장치의 광축이 다른 방향으로 변한다.
90도 회전 기능은 예를 들어, 강유전체 LC 셀이나 전기로 조절되는 복굴절 셀과 같은 스위칭 가능한 반파장판일 수 있다. 선택적으로, 장치가 TN 셀과 같은 가이드된 모드 장치일 수 있다. 그러한 장치는 기술분야에 잘 알려져 있다.
이 액티브 장치의 스펙트럼 및/또는 시야각 성능을 향상시키기 위해서, '판차라트남' 구성과 관련한 적당히 방향지어진 반파장판과 같은 수동 파장판 성분과 결합될 수 있다. 예를 들어 Proc. Ind. Acad. Sci. vol41 No.4, 섹션 A, pp130, S. 판차라트남 "복굴절 플레이트의 무색 조합", 1955 에 광대역 성능을 위한 파장판의 조합이 개시되어 있다.
이어지는 논의에서, 90도 회전 장치는 반파장판으로서 작동한다는 것이 가정된다. 비 판차라트남 구조 에서는, 스위칭 가능한 파장판 축 배향은 0도 또는 45도 이다. 판차라트남 구조에서, 스위칭 가능한 파장판 배향은 예를 들어 +/- 22.5도일 것이고 수동 파장판은 67.5도 일것이다.
종래 기술의 시스템에서는, 복굴절 렌즈는 예를 들어 각 면에 놓인 전극을 갖는 마이크로구조와 평면판 사이에 놓인 유기액 재료를 포함하고 있다. 이것은 전기적으로 스위칭 가능한 2D/3D 디스플레이를 하기위해서 스위칭 가능한 렌즈를 생산한다. 그러나, 이러한 렌즈는 양 모드(액정 재료의 회위(回位)와 같은)에서 낮은 광 품질을 보여주고, 마이크로구조 표면에 복잡한 전극 구조의 회위를 필요로한다. 이러한 렌즈는 또한 액정 재료 온도 인덱스의 복굴절 변화에 기인하는 온도 의존 성능을 보여준다. 이러한 렌즈는 또한 ITO 와 같은 부분 반사 전극 재료에 피복된 굴곡진 렌즈 표면으로부터의 빛의 반사에 기인하는 확산 정면 산란(diffuse frontal scatter)효과를 생성한다. 확산 산란은 밝게 조명이 되는 환경에서 사용 될 때에 디스플레이의 명암대비의 질을 낮추게 된다.
그러나, 상기 본 발명의 전기적으로 스위칭된 실시예에서, 장치는 별개의 편광 감지 상 성분와 액티브 편광 스위칭 성분을 포함한다. 이것의 잇점은 상업적으로 입증된 표준 얇은 셀 스위칭 성분이 사용될 수 있다는 것이며 이는 낮은 수준의 복잡성과 제작 비용을 가져서 렌즈를 직접 스위칭하는 것과 관련된 문제들을 경감시킨다.
그러한 장치는 또한 넓은 온도 범위에서 작동될 수 있고, 굽은 렌즈 표면으로부터의 반사에 기인하는 산란을 줄였다. 또한 표준 셀 공간 기술을 사용할 수 있다. 마이크로 구조의 물리적 구조의 결과로서 다른 전기장 강도를 고려할 필요가 없다.
또한 수동 복굴절 마이크로 렌즈는 제조하는데 보다 간단하고, 전극 층을 이용하는 전기 구동 방식과 양립할 필요가 없다. 특히, 경화된 액정 재료가 사용된다면 경화되는 동안 복굴절 재료의 반사 인덱스 속성이 실질적으로 설정될 수 있다. 이는 작동 온도가 변하면서 판과 액정 재료의 인덱스가 실질적으로 동일하게 유지될 것이라는 것을 의미한다. 네마틱(nematic) 상 재료(전기적으로 스위칭되는 렌즈의 종래 기술 접근에 전형적으로 요구되는)를 갖는 장치에서, 재료의 반사 인덱스의 변화가 온도에 따라 일어날 것이다. 이것은 온도에 따른 렌즈 성질의 변화를 초래하고, 이는 2D 모드를 달성하기 위한 인덱스 정합과 3D 모드를 달성하기 위한 한정된 초점 길이에 의존한다. 따라서, 2D 및 3D 모드의 렌즈 작동 영역은 본 발명과 비교하여 제한될 것이다.
이 실시예의 개별 스위칭되는 90도 회전자 요소의 추가적인 장점은 한 기판이 고도로 조직될 때(예를 들어 마이크로 렌즈) 액정 셀에 간격을 두는 것에 비해서 증명된 액정 셀 간격 잡기 기술을 이용하여 편리하게 제조될 수 있다는 점이다. 추가로, 마이크로 구조 표면에의 전기 접촉은 셀이 셀을 가로질러 불필요한 전기 접촉을 하게 할 것이다. 전극 층의 부착은 전극 플레이킹을 일으키기 쉬운 굴곡진 표면에서 덜 강건할 수 있다. 장치를 보다 두껍게 만드는 전기장 강도의 변화가 설명될 필요가 있을 것이다. 구획된 요소의 제작은 마이크로 구조 표면에서 보다 어렵다. 이는 구획된 요소의 제작을 보다 실현가능하게 한다.
도16은 구획된 액티브 편광 회전 스위칭 요소를 보여준다. 총 디스플레이 영역(190)은 편광 회전이 0도 또는 90도인 영역으로 나누어 진다. 이런식으로, 디스플레이는 완전 해상도의 2D 영상의 영역(192)과 방향 3D 영상의 영역(194)을 포함할 수 있다. 이것은 예를 들어 3D 영상 둘레에 2D 텍스트를 첨가하는데 유용할 것이다. 본 발명의 디스플레이에서, 이러한 영역은 본 발명의 특별한 장점인 동일한 휘도를 실질적으로 가질 것이다. 이 영역에는 구획된 전극에 의해 그 사이의 갭이 제공된다. 이 구획된 접근이 편광 수정 장치(146)의 다른 전기적 스위칭 형태에 적용될 것이다.
도17은 하나의 기판에 두개의 구획된 (198) 전극사이의 간극(196)의 영역에서 도16의 디스플레이 교차 영역의 세부사항을 보여준다. 균일한 투명 전극(200)이 반대 기판에서 제공된다. 두 구획된 부분사이의 전도를 방지하기 위해서 간극(196)이 두개의 구획된 전극(198)사이에 형성된다. 전기장이 라인(197)으로 표시되어 있다. 액정 스위칭 재료의 비틀어진 전기장 영역이 구획된 전극사이의 간극 영역(199)에 형성되어 있다.
도17은 추가로 장치 성능(즉, 비틀어진 전기장 영역(199)을 형성)에 간극(196)의 효과를 보여준다. 바람직하게, 디스플레이의 출력은 특히 3D 모드에서 균일하다. 구획된 전극 사이의 갭이 눈에 보이면, 디스플레이 표면의 평면에서 격자 라인처럼 보일 것이고 최종 상에서 시각적으로 어지럽히는 가공품이 될 것이다. 이는 갭이 3D 깊이 평면을 방해하는 2D 평면 가공품처럼 되어 시각적 쏠림을 초래할 것이기 때문이다. 추가 실시예에서, 3D 모드에서 갭이 전극과 동일한 스위칭 재료의 정렬을 가지도록 정렬 층을 향하게 하고 장치를 스위칭하여 이 효과는 완화될 수 있다. 대안으로, 갭이 전극의 줄무늬 장(field)이 충분히 작게되어서 재료가 갭을 가로질러 스위칭되는 것을 의미하는 것이 될 수 있다. 그러한 성능은 이중 스위치 상태 재료와 같은(강유전체 액정과 같은) 스위칭되는 상태사이의 첨예한 임계점을 갖는 재료를 이용하여 향상될 수 있다. 2D 배경에서 3D 윈도우 배치의 유연성을 증가시키기 위해서 구획의 수는 증가될 수 있다.
복굴절 마이크로렌즈 배열 구조
도18a는 복굴절 마이크로렌즈 구조의 구성을 상세히 보여준다. 출력 편광기와 마이크로렌즈 대향 기판(142)은 LCD 대향 기판(80)을 뒤따른다. 정렬층(202)이 마이크로렌즈 대향 기판(142)에 형성되고 제2 정렬층(204)은 렌즈 기판(132)에 부착되는 등방성 렌즈 마이크로구조체(134)에 형성된다. 지도 정렬 방향(140)을 갖는 복굴절 재료가 정렬층(202,204)사이에 놓이고 정렬층의 정렬에 착수한다.
따라서, LCD 대향 기판은 외부 표면에 부착되는 편광기(아마 기술분야에 널리 알려진 시야각 수정 필름)를 갖는다. 굴절 마이크로렌즈 스택이 이 표면에 부착된다. 스택은 일측부에 부착된 액정 정렬층을 갖는 마이크로렌즈 대향 기판을 포함한다.
굴절 마이크로렌즈는 재료를 형성하는 하나 이상의 렌즈가 모든 렌즈에 대해 고정된 복굴절 광축 방향으로 복굴절하는 렌즈 배열을 포함한다. 예를 들어, 렌즈는 평면 기판과 오목하게 주조된 중합체 기판사이의 갭을 채워서 형성되는 볼록 복굴절 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 복굴절 재료는 갭을 채우고 각 기판에 부착되는 정렬층에 의해 정렬되는 액정 재료일 수 있다.
마이크로구조 표면은 예를 들어 원통형 마이크로렌즈, 원형 마이크로렌즈, 오프-엑시스(off-axis) 렌즈, 프리즘 또는 회절 구조체를 개별적으로 또는 조합하여 포함하는 구조로서 구현될 수 있다.
한 실시예에서, 중합체의 복굴절 인덱스와 분산은 실질적으로 하나 이상의 복굴절 인덱스(예를 들어, 일반 복굴절 인덱스의 요소) 및/ 또는 복굴절 재료에 대한 분산과 동일하도록 설정된다. 중합체와 기판 재료는 실질적으로 복굴절이 아니다.(따라서, 스위칭된 클리어 상태에서, 오직 렌즈 구조의 낮은 가시도만 있다.)
복굴절 렌즈는 다음에 의해 형성될 수 있다:
정렬층을 평면 기판 및 복제된 마이크로구조 표면에 부착(또는 형성)
마이크로구조 표면과 액정 재료를 갖는 높아진 온도에서의 평면 기판사이의 갭을 채우기
재료는 정렬층의 정렬을 착수하고 따라서 렌즈는 형성될 것이다.
높아진 온도에서 채움이 일어날 수 있다. 비경화 형태 액정 재료에 대해서, 셀은 예를 들어 열-세팅 밀봉제와 같은 종래의 기술을 이용하여 밀폐될 필요가 있다. 선택적으로, 복굴절 재료가 망상 고분자로 경화될 것이다. 경화는 예를 들어 자외선 같은 공지 수단에 의한 것일 수 있다. 복굴절 재료는 예를 들어 Merck Ltd.의 RM257과 같은 상업적으로 얻을 수 있는 경화 액정 고분자 재료일 수 있다.
고정된 중합체 네트워크와 함께, 정렬 조건은 제조시에 정확해야만 한다. 또한, 고정 망상 고분자 재료는 경화되지 않은 액정 재료보다 온도에 있어서 덜 다양한 복굴절 인덱스 변화량을 갖는다.
복제된 고분자 마이크로구조(예를 들어, 감광저항체, 다이아몬드 룰링(diamond ruling), 감광저항 패턴 및 리플로우(reflow)의 레이저 스캐닝에 의함)를 지휘하고 광 마이크로구조(예를 들어, 핫 엠보싱, 사출성형 또는 UV 엠보싱에 의함)를 복제하는 과정은 기술분야에서 널리 알려져 있다. 마이크로렌즈 스택의 출력에서 편광 누화를 회피하도록 이 재료의 잔여 복굴절은 최소화 되어야 한다. 편광 누화는 출력 분석 편광기가 장착될 때 3D 와 2D 모드를 혼합하는 결과를 낳을 것이다.
정렬층은 예를 들어, 스핀 코팅, 롤 코팅, 스프레이 코팅, 또는 증기 코팅에 의해서 평면과 복제된 마이크로구조 표면에 부착되거나 형성된다. 축퇴(degeneracy)를 제거하도록 약간 기울어진 표면에 실질적으로 평행하게 액정 분자가 정렬하는 수평배향의(평평한) 정렬을 생성하도록, 각 정렬층은 기술분야에 서 널리 알려진 표준 러빙(rubbing) 기술을 사용하여 연마될 수 있다.
예들 들어, 도19a에 도시된 바와 같이, 정렬층은 마이크로렌즈의 장축에 평행하지 않게 러빙된 스핀된 폴리마이드와 같이 수평배향 러빙된 정렬층일 수 있다.
기술 분야에 널리 공지된 편광 및 비편광에 적합한 노출을 갖는 광-정렬층을 이용하여 정렬층 방향과 프리틸트(pretilt) 성질이 또한 생성될 수 있다. 마이크로렌즈 대향 기판 정렬 층(202)은 정렬 방향(206)을 갖고, 마이크로렌즈 기판 정렬층(204)은 206에 비평행한 정렬 방향(208)을 갖는다. 비평행 정렬은 셀 구조의 두께를 통과하여 실질적으로 균일한 프리틸트를 제공한다.
러빙 방향의 방위는 LCD 출력 편광에 의존할 것이다. 반면에 기하 마이크로렌즈 축의 방위는 수직으로 설정된다.
원통형 렌즈는 엣지(곡률 반경을 갖는다)가 제1직선 방향으로 지나가는 렌즈를 설명한다. 기하 마이크로렌즈 축은 제1직선 방향으로, 즉 엣지가 지나가는 방향으로 렌즈의 중심을 따르는 선으로 한정된다. 2D-3D 형태 디스플레이에서, 기하 마이크로렌즈 축은 수직이고, 따라서 디스플레이 픽셀의 열에 평행이다. 여기에 기재된 것처럼 휘도가 향상된 디스플레이에서, 디스플레이 픽셀의 열에 평행이도록 기하 마이크로렌즈 축은 수평이어야 한다.
추가 실시예에서, 도19c는 복굴절 렌즈 배열 구조에 대한 배열을 보여준다. 마이크로렌즈 대향 기판(142)의 배열층(202)은 액정 재료의 복굴절 광축의 방위(207)가 수직선에 대해서 45도 경사지도록 배열된다. 마이크로구조 렌즈 표면 정렬 층(204)에서, 정렬 방위(209)는 렌즈에 평행이 되도록 설정된다. 출력 편광 기 방위는 3D 모드에 대해 수직선에 0도 이고 2D 모드에 대해 90도이다. 그러한 구조는 여기 기재된 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
도19c의 실시예는 특히 렌즈 셀의 구성에 유익하다. 잘 알려진 TFT-LCD 장치의 흔히 사용되는 출력 편광 방향은 수직선에 대해 45도로 설정된다. 작동시, 이 편광 상태는 복굴절 마이크로렌즈 배열의 일반 또는 특수 광축에 입사하여야 한다. 하나의 구조는 디스플레이의 출력 편광 방향에 평행이거나 비평행인 마이크로구조 표면에 정렬층을 형성하거나 부착하는 것이 될 것이다. 이는 기하 마이크로렌즈 축 방향에 다른 방향이 될 것이다.
마이크로구조 표면에서의 액정 재료의 정렬은 정렬층과 마이크로구조 표면 모두에 의해 영향을 받을 것이다. 특히, 마이크로구조 그 자체는 바람직한 정렬 성질을 복굴절 마이크로렌즈내의 액정 재료에 준다. 이는 복굴절 재료 회위와 같은 복굴절 마이크로렌즈 구조의 바람직하지 아니한 인공물을 초래한다. 그러한 인공물은 예를 들어, 향상된 수준의 흩뜨림과 향상된 상 누화 및 감소된 상 대조를 통해서 렌즈의 광 수행의 질을 떨어뜨릴 수 있다.
정렬층 방위 방향을 배열하여 실질적으로 원통형 렌즈에 대한 기하 마이크로렌즈 축의 방향에 평행하게 하거나 비대칭 마이크로구조의 다른 형태의 장축에 실질적으로 평행하게 하는 것이 유리할 것이다. 장 축은 예를 들어 마이크로구조의 홈방향에 의해 한정된다. 러빙 과정에 의해 생성된 정렬 층에 대해, 좋은 정렬의 질은 추가적으로 원통형 렌즈에 대한 기하 마이크로렌즈 축 방향을 따라 또는 실질적으로 비대칭 마이크로구조의 다른 형태의 장 축에 평행하게 러빙하여 달성하기에 보다 쉬울 수 있다.
한 실시예에서, 파장판은 마이크로렌즈 대향 기판에 떨어지는 빛의 편광 방향이 수직이고 복굴절 마이크로렌즈의 양 기판에서의 정렬 방향이 수직이도록 복굴절 렌즈에 앞서 디스플레이로부터의 출력 편광을 회전시키도록 이용될 수 있다. 따라서, 회위는 발생하지 않을 것이고 디스플레이 성능은 향상될 것이다. 그러나, 그러한 요소의 합체는 장치 비용과 제조의 복잡성을 증가시킬 것이다. 렌즈와 픽셀 평면사이의 추가 요소는 또한 바람직하지 아니한 디스플레이의 시각 거리를 증가시킬 것이다.
도19c에 기재된 발명의 실시예에서, 마이크로구조 표면 정렬 층(204)에서의 정렬 방향(209)이 기하 마이크로렌즈 축 방향에 평행하게 설정되는 반면에, 마이크로렌즈 대향 기판 정렬층(202)의 정렬 방향(207)은 LCD 로부터의 출력 편광 방향에 평행하거나 수직으로 설정된다. 따라서 복굴절 재료는 렌즈 셀의 두께를 통해 45도로 실질적으로 회전하게 된다. 대체적으로, 예를 들어 실질적으로 135도의 회전 각이 이용될 수 있다. 그러한 회전은 셀에 대한 입력 편광이 45도이고 마이크로구조 표면에서의 출력 편광 방향이 수직선에 0도 이도록 빛의 편광 방향을 셀을 통과하여 가이드할 것이다. 게다가 렌즈 셀내의 광 가이드 성질이 전체 렌즈 표면에서 발생하도록 셀의 두께를 증가시키는 것이 바람직할 것이다.
따라서 마이크로구조 표면에서, 마이크로구조 표면 정렬이 정렬층(204)의 방향(209)에 평행하므로, 상기에 언급된 회위는 회피된다.
그러한 요소는 상의 질을 최적화하는 동안 종래의 TFT-TN LCD로 이용하기 위 한 렌즈 셀의 제조 비용과 복잡성을 유리하게 줄인다.
도19d에 기재된 것처럼, 본 발명은 마이크로구조 표면의 정렬방향(209)이 렌즈 배열의 축과 평행하게 설정된 구조에 한정되지는 아니한다. TFT-LCD의 출력 편광기(82)로부터의 선형 출력 편광 상태 방향(211)은 마이크로렌즈 대향 기판 정렬층(202)의 정렬 방향(207)에 평행하게 정렬된다. 마이크로구조 표면 정렬층은 방향(207)에 비평행한 정렬 방향을 갖고 따라서, 렌즈의 기하 마이크로렌즈 축에 대해 경사진다.
대체 실시예에서, 마이크로렌즈는 시각 평면에서 다중 오버랩핑 윈도우를 만들어서 디스플레이의 효과적인 시각을 증가시키기 위해 수직으로부터 다소 다른 각으로 경사질수 있다. 이 경우에, 마이크로구조 표면에서 복굴절 재료의 광축은 렌즈 셀에 회전이 있도록 렌즈의 홈에 팽행하게 될 수 있다. 그리고나서 출력 편광 수정 요소는 마이크로구조 표면에서 재료의 복굴절 광축에 평행하거나 수직하게 향해진다. 대안으로, 렌즈내 재료의 정렬은 마이크로렌즈 축에 의존하지 아니하게 될 수 있다.
대안으로, 복제된 마이크로구조를 제조하는 동안 형성될 수 있도록, 정렬 구조가 마이크로렌즈의 렌즈 형상 마이크로구조에 중첩되는 회절 기복 구조와 같은 홈이 파인 마이크로구조로서 구체화될 수 있다. 이것은 셀 제작의 비용과 복잡성을 줄이는 특별한 잇점을 갖는다. 홈이 파인 마이크로구조를 이용하는 액정 정렬이 기술분야에서 널리 알려져 있다.
회절 구조를 마이크로렌즈 배열에 추가하는 것도 예를 들어, S.Traut, H.P.Herzig "축소 분광계 배열용 마이크로렌즈의 홀로그래픽으로 만들어져 기록된 회절격자", Opt.Eng.vol39(1) 290-298(January 2000)과 같이 기술분야에서 알려져있다. 그러한 구조는 마이크로렌즈 표면에 복굴절 재료의 정렬을 위해 이용될 것이다.
감광성 수지막이 마이크로렌즈 표면에 도포되고 회절 구조가 기록되고 니켈 심(shim)이 복제용 마스터를 생산하게 되는 이러한 종류의 기술이 렌즈 표면에 마이크로구조 정렬층을 형성하도록 이용될 수 있다. 이것은 별개의 정렬층에 대한 필요를 제거하는 특별한 잇점을 갖는다. 최종 상에서 회절 가공물을 피하도록 회절 구조는 이상적으로 한 피치의 가시광선 파장 또는 이보다 적은 피치를 가질 것이다.
정렬층 방향과 프리틸트 성질은 기술분야에 널리 알려진 것처럼 편광 및 비편광에 적당히 노출되어 광 정렬층을 이용하여 생성될 수도 있다.
도18a는 두 수평배향 정렬층(예를 들어 러빙(rubbing)으로 형성되는)을 보여준다. 제조하는 동안, 패널 제조의 완성에 이어서 또는 LCD 대향 기판의 반대편 측부에 색 필터의 제조에 이어서 광 요소를 일치시키는 것이 바람직할 것이다. 정렬층은 요소 시각 성능을 최적화하기 위하여 평행하거나 비평행할 수 있다.
도18b는 도18a와 동일한 구조를 보여주지만, 이번에는 수직배향 정렬층(202)과 수평배향 정렬층(204)인 것을 보여준다. 정렬층(204)에서의 복굴절 분자(212)가 표면에 실질적으로 평행하게 정렬되는 반면, 정렬층(202)에서의 복굴절 분자(210)는 실질적으로 표면에 수직으로 정렬된다.
도19b는 도18b에 동등한 정렬층 방향의 개략도를 보여준다. 마이크로렌즈 기판 정렬층(204)이 수평배향 정렬 방향(216)을 갖는 반면, 마이크로렌즈 대향 기판 정렬층(202)은 수직배향 정렬 방향(214)을 갖는다.
도18b와 19b로부터 볼수 있듯이, 대향 기판의 정렬층은 수직 정렬층과 같은 러빙되지 않은 정렬층에 의해 대체될 수 있다. 이 경우에, 액정 정렬은 실질적으로 대향 기판에서 수직이다. 복제된 마이크로구조는 액정분자가 복제된 표면에 실질적으로 평행하도록 프리틸트(pretilt)된 수평배향 정렬층을 갖는다.
렌즈의 대부분의 전력은 굴곡진 표면에 있으므로, 도18a의 장치와 유사한 광 성능에 예상되는 렌즈표면을 가로지르는 인덱스 프로파일의 변화량을 제공한다. 액정 모드 성질에 분열을 초래하는 렌즈로부터의 원치않는 상 복굴절 효과를 회피하기 위해서 광축이 실질적으로 원하는 출력 편광에 평행한 것을 확실하게 하도록 하는 주의를 해야만 한다.
도18c는 복굴절 분자 복굴절 광축 방향(220)을 정렬하기 위한 전기장(218)의 이용을 보여준다.
도18d는 복굴절 분자를 정렬하기 위해서 마이크로렌즈 대향 기판(142)의 수평배향 정렬층(202)과 전기장(218)의 조합의 이용을 보여준다.
선택적으로, 정렬 구조는 중합체 네트워크의 일부의 경화에 앞서서 또는 경화되는 동안 장치를 가로질러 부착되는 전기장 또는 자기장에 의할 수 있다. 이 경우, 정렬층 중 하나 또는 양자 모두는 도18c에 도시된 바와 같이 추가적인 정렬층이 없도록 선택적으로 삭제될 수 있고 도시된 바와 같은 평면 기판에 또는 복제 된 마이크로구조에 위치된 단일의 추가 수평배향 정렬층을 위해 도18d에 도시된 것 처럼 삭제될 수 있다. 전기장 및/또는 자기장은 최종 장치의 일부가 아닌 구조에 외부 전극에 의해 부착될 수 있다. 전기장의 방향은 양의 유전체 비등방성 재료를 가로지른다기 보다는 그에 따른 다는 것에 주의해야한다. 음의 유전체 비등방성 재료에 대해서, 장이 셀을 가로질러 배치된다.
도20a는 정렬층(202)이 디스플레이의 출력 편광기(82)에 직접적으로 배치되는 구조를 보여준다. 마이크로렌즈 대향 기판(142)은 효과적으로 제거되었다. 정렬층(202,204)은 앞서 기재된 것처럼 형성되거나 생략될 수 있다. 그러한 구조는 디스플레이의 시거리를 유리하게 줄여준다.
도20b는 렌즈 마이크로구조(134)의 광 표면의 배위가 반대인 구조를 보여준다. 이 경우에, 등방성 중합체 재료(134)는 일반적으로 특수 인덱스인 액정 재료의 일반 및 특수 인덱스보다 높은 것에 대응하는 굴절 인덱스를 가질 것이다.
도21은 등방성 마이크로구조(134)(그 인덱스가 복굴절 재료(138)의 특수 인덱스와 대응한다.)내에 형성된 양의 렌즈가 편광기(82)에 배치되어 있는 또 다른 구조를 보여준다.
도22는 등방성 재료의 인덱스가 복굴절 재료(138)의 일반 인덱스와 대응하는 등방성 마이크로구조(134)내에 형성된 음의 중합체 렌즈에 대한 대응 상황을 보여준다.
복굴절 재료를 정렬하기 위한 전기장 및 자기장이 추가의 정렬층과 함께, 기재된 모든 구조에서 이용될 수 있다.
상기 실시예 중 어느 것에서든, 정렬층은 광학-정렬층 또는 비스듬히 기화된 실리콘 산화물 또는 다른 잘 알려진 정렬층이 될 수 있다.
일반적으로, 렌즈와 평면 기판사이의 공간은 두 층의 분리를 설정하는데 이용되고 그 다음에 액정 재료로 채워질 수 있다. 이것은 많은 종래의 LC 셀에서 필요로 되는 것과 같이 추가의 공간 재료를 사용할 필요를 제거한다. 특히, 렌즈는 평면 기판(222) 또는 편광기(82)와 접촉하도록 될 수 있다.
예를 들어 도18b, 18c, 및 18d에 도시된, 기판에 정렬층으로 표준 고온 중합체를 사용하지 않는 상기에 기재된 실시예는 사용될 렌즈 재료의 범위를 증가시키는 낮은 온도에서 처리될 수 있는 장점을 갖는다. 러빙되지 않는 정렬의 추가의 장점은 마이크로렌즈 표면이 비평면이기 때문에 쉽게 발생할 수 있는 러빙 변화를 회피하는 것이다.
대안으로, 닛산 화학 산업 주식회사(Nissan Chemical Industries, Ltd.)에서 나온 저온 정렬층 재료가 이용될 수 있다.
렌즈의 영상화 특성
물결무늬 복굴절 렌즈의 광학 디자인은 종래 디자인 접근과 기술 분야에서 널리 알려진 3D 디스플레이를 위한 물결무늬 스크린에 대한 필요에 따라 수행될 것이다.
공간 광 변조기
앞서 기재된 실시예는 예를 들어, 전기장 발광 디스플레이나 플라즈마 디스플레이와 같이 LCD에 부가하여 방사형 디스플레이의 범위에서 실행될 수 있다. 대 부분의 경우에, 디스플레이의 출력은 복굴절 마이크로렌즈와 빛 방향 스위칭 장치의 분석에 의해 이어지는 편광기가 적합하게 될 것을 요구한다.
방사형 기술이 본질적으로 편광된다면, 편광기를 생략하거나 고 전도 효율 클린업 편광기를 사용하는 것이 가능할 것이다.
본 발명은 또한 액정 디스플레이와 같은 반사 및 반투과형 디스플레이에 부착될 수 있다.
두 편광기 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이의 한계
이전에 기재된 실시예는 유리하게 (종래장치에 비해) 복굴절 렌즈를 스위칭할 필요를 피하는 반면에, 그럼에도 불구하고 어떤 환경에서는 다음과 같이 불리한 것이 될 수 있는 어떤 특성을 갖는다.
상기에 기재된 본 발명의 실시예는 각 2D 및 3D 모드가 수정되지 않은 디스플레이 휘도의 공칭값으로 50%, 전형적으로 40-45% 인 휘도를 가지게만 될 스위칭 가능한 물결무늬 디스플레이를 제공한다.
추가로, 그러한 디스플레이의 공칭 시거리는 액정 디스플레이 층과 시차 광 요소의 분리에 의해 결정된다.
실예가 되는 예를 취하기 위해, 작은 손에 쥘수 있는 디스플레이에서, 오더(order) 400mm의 시거리가 종종 바람직하다. 4.7" VGA 스트라이프 픽셀 구조 디스플레이(640x3 수평 x480 수직 색상 픽셀)는 예를 들어 측면 방향으로 50 마이크론과 높이 150 마이크론의 색상 서브-픽셀 피치를 갖는다. 전형적인 3D 디스플레이는 65mm 크기(공칭값의 인간의 눈사이의 분리에 대응하는)의 윈도우로 요구된 다. 이 경우에, 픽셀 평면과 시차 광(1.5와 동일한 굴절 인덱스로)의 구멍사이의 공간은 만일 0.5mm 두께의 대향 기판이 사용된다면 430mm 시거리를 부여할 것이다.
그러한 배열에서, 펙셀 평면과 복굴절 마이크로렌즈의 광 구멍사이의 공간은 편광기 두께와 LCD 대향 기판 두께를 포함하여야 한다. 따라서, 두께 0.2mm의 편광기에 대해, LCD 대향 기판은 0.3mm 두께일 것이 요구될 것이다. 표준 대향 기판 두께는 1.1mm이고 십중팔구 0.5mm를 고려하여 0.7mm이다. 따라서, 작은 디스플레이에 대해, 대향 기판 유리는 너무 얇아서 현재 이용되는 대량 생산 재료를 사용하기는 어려울 것이다. 그러나 더 얇은 유리 또는 적합한 플라스틱 기판이 장래에 보다 경제적으로 사용할 수 있게 될 것이다. 나아가, 매우 얇은 이용될 수 있는 분리를 허용하는 다른 기판이 픽셀 평면과 오더 50 마이크론의 마이크로렌즈 광 구멍사이의 분리를 허락하는 마이크로렌즈를 구체화하는 LCD 프로젝터 분야에서 개발된다. 대향 기판은 정렬층의 처리 및 LCD 에 적합하게 되는 것 이전에 유리와 복제된 광중합체로 제조되고, 따라서 처리 온도를 견딜수 있어야 한다. 그러나, 대량 제조에 이용되는 공지된 편광기가 충분히 안정하지 아니하므로, 심지어 이런 기술도 얇은 대향 기판을 갖는 본 발명의 이전의 실시예에 항상 적용되는 것은 아니다. 이런 마지막 측면의 문제점은 이어지는 실시예에 의해서 제거된다.
"하나의 출력 편광기" 실시예
상기 기재된 한계가 완화되는 추가 실시예가 이제 기재될 것이다. 이러한 추가 실시예는 디스플레이의 휘도가 명목상 100%의 2D 및 3D 모드 둘다를 위한 기본 패널 휘도가 되도록 한다. 추가로, 이러한 실시예 장치는 공지의 제조 과정을 이용하여 짧은 시거리를 제공할 수 있다. 본질적으로, 복굴절 마이크로렌즈 배열은 내부에 위치되거나 또는 LCD의 대향 기판에 추가로서 즉, 상 조절기 층(즉, 액정층)과 단일 분석 편광기 사이에 위치된다. 따라서, 효과적으로 기초 디스플레이의 출력(분석) 편광기와 빛의 방향 스위칭 장치의 출력(분석) 편광기의 역할이 공유된다.
도23은 LCD 입력 편광기(64), LCD TFT 기판(66), LCD 대향 기판(80)에 이어지는 줄과 열에 배열된 픽셀 배열을 포함하는 LCD 픽셀 평면(67), 렌즈 기판(132)에 이어지는 등방성 렌즈 마이크로구조(134)에 이어지는 복굴절 렌즈(138)의 배열에 투사되는 빛 출력(62)을 생성하는 백라이트(60)를 포함하는 디스플레이의 그러한 추가 실시예를 보여준다. 방향 디스플레이 장치(236)를 따라, 편광 수정 장치(146)가 위치된다. 앞서 기재된 '두 출력 편광기' 실시예에 비해서, LCD 출력 편광기(82)는 생략된다.
하나의 예시적인 2D 모드에서의 디스플레이 작동 구조가 또한 전파 방향(238)을 따라 보여진다. 편광 수정 장치(146)는 수평 직선 편광된 빛을 전송하고 수직으로 편광된 빛을 소멸시킨다. LCD 입력 편광(240)은 90도 이고 TN(twisted nematic) 층에 의해서 수평 편광(0도)(242)에 대해 픽셀 구멍(78)내의 액정 재료의 ON 상태에 의해 회전되므로써, 상시 화이트(NW) 모드를 제공한다. NW 모드의 ON 상태에서, 액정층에 전압이 가해지지 않는다. 전압은 출력을 OFF 상태 또는 중간 단계로 스위칭하도록 가해진다. 복굴절 마이크로렌즈(138)는 이 편광에 들어맞는 인덱스이고 따라서 어떤 방향을 광원에 주지는 않는다. 편광 수정 장치(146)의 출력은 수평 선형 편광(244)이다.
도24는 전파 방향(238)을 따라 디스플레이의 3D 작동의 구조를 보여준다. 이 경우에, 편광 수정 장치(146)는 수직 선형 편광 빛을 전달하고 수평으로 편광된 빛을 소멸시키도록 배열된다. LCD 입력 편광(240)은 90도이고 TN층에 의해서 수평 편광(0도)(242)에 대해 액정 재료의 ON 상태에 의해 회전되므로써, 일반 블랙(NB) 모드를 제공한다. NB 모드의 ON 상태에서는, 전압이 액정층에 인가된다. 전압을 줄이는 것이 출력을 OFF 상태 또는 중간 단계로 스위칭시키도록 가해진다. 복굴절 마이크로렌즈(138)에 입사하는 편광 상태(246)가 복굴절 렌즈(138)에 의해 방향에 주어진다. 이 경우에, 편광 수정 장치(146)는 3D 모드 광원 구조가 전송되도록 수직 선형 편광 상태(248)를 전송하도록 만들어진다.
도25는 2D 모드인 본 실시예의 작동을 개략적으로 도시하고 있다. 대부분의 표준 TFT TN-LCD에서, 입력 편광기(64)는 -45°의 최대 전송 방향(250)으로 구성되어 있으므로, 위상 변조층은 -45°의 선형 편광 상태로 조명된다. 출력 편광(252)은 ON 상태에서 NW 모드를 위해 +45°로 90°회전한다. 이러한 편광 상태는 광축(254)이 -45°인 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138)상에 투사된다. 출력 선형 편광기(258)는 +45°로 편광된 광의 전송 방향(256)으로 지향되어, 2차원 구조가 전송된다.
또 다른 상 변조 LC 효과가 사용될 수 있지만, 도25에서는 TFT TN-LCD에 대한 장치의 동작이 도시되어 있다. 이 경우, 상 변조층을 -45°의 선형 편광 상태로 조사하는 디스플레이 입력 편광기로부터 시작하면, 디스플레이의 동작을 가장 잘 이해할 수 있다. 표준형의 화이트 TFT-TN LCD 에 있어서, 디스플레이의 제로 볼트 동작은 +45°로 출력 편광기상에 투사되어 전송되는 편광 상태[편광 상태에 약간의 타원율(ellipticity)이 있지만]에 90°회전을 제공한다. LCD의 픽셀에 점증되는 전압이 인가되었을 때, 상 변조층의 상은 투사된 편광이 충분한 전압에서 점진적으로 작아지도록 회전조정되며, 광의 편광은 거의 회전하지 않고 출력 편광기(입력 편광기에 수직한)에서 소멸된다.
이러한 실시예의 디스플레이에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈는 그 복굴절 광축 방향이 디스플레이의 편광축에 평행하게 정렬되도록 지향되며, 이 경우에는 -45°가 된다.
ON 상태에서, 복굴절 마이크로렌즈에 투사된 광의 편광 상태는 렌즈가 광학 기능을 갖지 않아야 한다. 이것은 복굴절 재료의 통상의 축이 폴리머 재료와 인덱스정합되기 때문이다. 그후, 편광 상태는 표준형 LCD에 있어서 +45°로 지향된 출력 편광기를 통해 전송된다.
해상되어 OFF 강도 레벨을 형성하는 편광 상태 부품은 상 변조층에 의해서는 회전되지 않는다. 따라서, 새로운 편광이 렌즈 기능을 나타낼 것이다. 그러나, 출력 편광기가 이러한 광을 소멸시키도록 지향되므로, 렌즈 기능은 최종 디스플레이 출력에서는 보이지 않는다. 따라서, 이러한 모드에서 디스플레이의 스위칭 특성 및 휘도는 표준형 디스플레이 형태로부터 편광 수정장치 및 복굴절 요소의 부가에 의해서는 거의 변화되지 않는다.
도26은 이러한 실시예에 따른 장치의 작동을 3차원으로 개략적으로 도시하고 있다. 입력 편광기(64)는 -45°의 최대 전송 방향(250)으로 도시되어 있다. LC층에 이어지는 대응의 기판(80)에서 출력 편광 방향(253)은 ON 상태에서 NB 모드를 위해 회전하지 않는다. 이러한 편광 상태는 광축(254)이 -45°인 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138)상에 투사된다. 출력 선형 편광기(258)는 -45°로 편광된 광의 전송 방향(260)으로 지향되어, 3차원 구조(방향 분배)가 전송된다. 상기 편광기(258)는 수평축선(262) 또는 수직축선(264) 주위로 회전한다.
따라서, 상술한 바를 요약하면, 출력 편광기는 입력 편광기 및 복굴절 마이크로렌즈 어레이의 복굴절 광축에 평행하게 -45°로 조정된다. 이에 의해, 편광기는 예를 들어 이를 제거한 후 수평축선이나 수직축선으로 회전시켜 안착하면 재배열될 수 있다. 그 편광이 45°이기 때문에, 정확한 편광 상태를 달성하기 위해 부가의 회전기능장치(예를 들어, 파장판)가 필요없다.
상술한 바와 같이, 렌즈의 광축은 마이크로구조의 표면에서 정렬방향이 0°일동안, 마이크로렌즈 대향 기판에서의 정렬방향이 -45°가 되도록, 즉 기하학적 마이크로렌즈 축선에 평행하도록 선택적으로 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 출력 편광기(258)는 렌즈(138)의 복굴절 광축에 수직 또는 수평으로 정렬된 최대 전송방향(260)을 갖는다.
픽셀에 필드가 인가되지 않을 때, 편광은 +45°로 회전하므로, 폴리머 재료에 인덱스 정합된 복굴절 렌즈를 볼 수 있다. 출력 편광기는 이러한 편광 상태를 소멸시킨다. 따라서, 디스플레이는 3D 모드에서 상시 블랙(NB)으로 된다. 장치의 ON 상태는 픽셀로의 전압을 부가하여 달성된다. 이것은 입력 편광의 상 변조를 유 발하여, -45°에서 편광 성분을 생성한다. 그후, 이것은 복굴절 마이크로렌즈 기능을 보이며, 윈도우가 생성된다. 이러한 편광 상태는 출력 편광기에 의해 전송된다.
따라서, 이러한 배열에 의해 2D 모드 및 3D 모드에 대해 완전한 휘도 영상이 가능하게 된다. 수동 복굴절 마이크로렌즈의 사용은 스위칭 인공물로 인해 렌즈에 회위(回位)가 없으며; 스위칭 복굴절 마이크로렌즈에 비해 장치는 저렴하게 되고, 제조가 간단해진다. 또한, 상기 렌즈는 비경화형 네마틱 상에서의 액정 재료에 비해, 장치의 작동온도의 변화에 대해 안정스럽게 된다.
예를 들어 경화가능한 광학적 액정 재료를 사용하면, 상기 수동 복굴절 렌즈는 스위칭 마이크로렌즈에 비해 기계적으로 훨씬 안정하게 된다. 이것은 예를 들어 터치스크린 디스플레이 장치로서 구성 및 사용되는 경우에, 압력이 디스플레이에 인가된다면, 이러한 실시예는 응력유도된 액정 흐름이나 복굴절 변화로 인해 고통을 받지 않는다는 것을 의미한다.
상기 렌즈는 경화면에 침착된 반사 도전성 코팅을 부분적으로 포함하지 않으므로, 렌즈면에서의 반사로 인한 확산 산란이 감소된다.
또한, 디스플레이의 픽셀면과 마이크로렌즈 사이에는 편광기가 설치되지 않는다. 따라서, 마이크로렌즈는 디스플레이의 대향 기판내에 배치되어, 렌즈와 픽셀면의 분리를 단축시킨다. 이에 의해, 짧은 관찰거리를 달성할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예는 짧은 관찰거리가 선호되는, 예를 들어 핸드헬드 디스플레이 등의 소형 디스플레이에 특히 유용하다.
LCD 대향 기판은 복굴절 마이크로렌즈어레이를 포함하는 LCD를 조립하기 전에 제조된다. 이러한 과정은 LCD 프로젝션 시스템의 상이한 적용을 위한 비복굴절 마이크로렌즈 어레이의 조립를 위한 것으로 알려져 있다. 만일 복굴절 재료가 LCD 조립의 온도 및 화학적 양립성의 요구사항에 견딜 수 있도록 사용될 수 있다면, 복굴절 재료는 LCD의 조립전에 부가되거나, 또는 선택적으로 하기의 조립으로 이루어진다. 일반적으로 부품의 조립중 대향 기판에 편광기가 필요없기 때문에, 조립이 간단해진다.
도27a는 이러한 실시예에서 복굴절층의 양측에 사용된 정렬층의 마찰 방향(또는 방위)의 실시예를 도시하고 있다. 마이크로렌즈 대향 기판 정렬층(202)은 동일한 정렬방향(268)을 가지며, 마이크로렌즈 표면(204)은 평행하지 않은 동일한 정렬부(270)를 갖는다.
도27b는 이러한 실시예에 사용되는 다른 정렬층을 도시하고 있다. 장치의 마이크로렌즈 대향 기판상에서의 마찰단계를 피하기 위해, 호메오트로픽(homeotropic) 정렬층(276)이 사용되며, 이것은 LCD 대향 기판(80)이 된다. 마이크로렌즈 표면 정렬층(204)에는 동일한 정렬부(276)가 사용된다.
도28a는 ON 상태의 출력 편광이 조정되어 복굴절 마이크로렌즈 어레이의 복굴절 광축이 렌즈 어레이의 원통형 렌즈의 마이크로렌즈의 기하학적 축선에 평행하게 되는 또다른 "하나의 출력 편광기"에 대한 실시예를 도시하고 있다. 이것은 디스플레이의 원통형 마이크로렌즈의 기하학적 마이크로렌즈 축선에 평행한 정렬층을 생성하는데 편리하다. 이것은 픽셀면과 렌즈 어레이 사이에 적절한 편광 회전기능 을 이용하면 달성될 수 있다. 상기 회전기능은 예를 들어 절반의 파장판 또는 TN 안내소자로부터 생성된다. 보다 상세히 설명하자면, 도28a는 본 발명의 디스플레이에서 소자의 개략적인 기능을 도시하고 있는데, 이에 따르면 절반의 파장판(278)은 LCD 픽셀면(67)과 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138) 사이에 삽입된다. 전송축(250)이 수직선에 대해 -45°로 배치된 LCD 입력 편광기(64)는, NW ON 상태가 45°편광 상태 방향(252)을 갖는 LCD 대향 기판(80)을 표시하는 LC층에 의해 이어진다. 절반의 파장판(278)은 복굴절 광축 방향(280)에 대해 67.5°로 배치된다. 이어서, 복굴절 광축 방향(282)이 수직선에 대해 0°인 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138)와, 전송축 방향(284)이 수직선에 대해 90°인 선형 출력 편광기(258)가 배치된다.
선택적으로, 예를 들어 2D 작동 모드를 도시한 도28b에 도시된 바와 같이, 복굴절 렌즈(138)에는 복굴절 재료의 비틀림이 제공된다. 전송축(250)이 수직선에 대해 -45°로 배치된 LCD 입력 편광기(64)는, NW ON 상태가 +45°편광 상태 방향(252)인 LCD 대향 기판(80)을 도시한 LC층에 의해 이어진다. 상기 마이크로렌즈 대향 기판 정렬층(202)은 45°의 정렬방향을 갖는다. 이것은 복굴절 광축 방향(282)이 수직선에 대해 0°인 마이크로구조형 표면 정렬층(204)과, 전송축 방향(284)이 2D 모드의 수직선에 대해 90°인 선형 출력 편광기(258)으로 이어진다. 3D 모드에서, 상기 편광기는 90°회전하며, TFT-TN 디스플레이는 NB 모드를 취한다.
도29는 도24의 실시예와 동일한 또 다른 "하나의 출력 편광기" 실시예를 도 시한 것으로서, 도24의 실시예와 상이한 점은 편광 수정장치(145)가 스위칭 가능한 90°편광 회전기 즉, 절반의 파장판 및 (선형)편광기(184)로 형성되었다는 점이 상이하다. 이것은 적절한 방식에 의해 물리적으로 장착되며, 도29에 도시된 바와 같이 전극 기판(180)의 양측에 형성된다. 상기 전극 기판(180)은 한쪽면에 스위칭 가능한 회전기(176)의 하나의 투명 전극(178)을 이송한다. 스위칭 가능한 회전기(176)의 제2의 투명전극(178)은 렌즈 기판(132)의 외측면으로 이송된다. 편광기(184)는 전극 기판(180)의 다른쪽 표면에 위치된다. 스위칭 가능한 파장판(176)의 액정 재료를 정렬하기 위하여, 전극(178)의 표면에는 적절한 정렬층(도시않음)이 배치된다.
따라서, 이러한 실시예에서는 도29에 도시된 바와 같이, 스위칭 가능한 파장판과 같은 90°편광 회전기가 사용된다. 2D 모드 작동시, 스위칭 가능한 파장판은 출력 편광기 전송축에 평행하게 정렬된 복굴절 광축을 가지므로, 출력 편광이 영향을 받지 않는다. 3D 모드에서, 상기 파장판은 출력 편광기에 대해 45°로 지향되므로, 마이크로렌즈 기능을 볼 수 있는 편광 상태는 90°회전하여, 출력 편광기에 의해 전송된다. 상술한 바와 같이, 디스플레이는 2D 모드에서는 상시 화이트 모드로 작동될 것이며, 3D 모드에서는 상시 블랙 모드로 작동될 것이다. 스위칭 가능한 파장판은 판차라트남 형태의 광대역 형태를 제공하기 위해, 부가의 수동 파장판과 조합될 수 있다.
선택적으로, 상기 스위칭 가능한 파장판은 본 기술분야에 공지된 바와 같이 안내모드 편광 회전기로 대체될 수도 있다.
상술한 바와 같이 "하나의 출력 편광기" 실시예가 제공하는 장점에도 불구하고, 이들은 모두 하나의 특징 즉, 2D 모드에서는 모두 상시 화이트 모드로 작동되며, 3D 모드에서는 상시 블랙 모드로 작동된다는 특징을 공유한다. 선택적으로 3D 모드는 NW로 될 수 있고, 2D 모드는 NB 로 될 수 있다.
일반적으로, 대부분의 TFT-TN 디스플레이는 상시 화이트 모드에서 작동된다. 이것은 디스플레이 구성 및 작동에 있이서 각도 및 휘도의 균일성을 관찰할 수 있다는 장점을 제공한다. 이러한 LC효과를 위해, 상시 블랙 모드는 일반적으로 작은 관찰각 특성을 가지며, 상시 화이트 모드에 비해 균일성이 열악하다.
또 다른 실시예(이하, "이중 상시 화이트" 실시예로 언급될 것이다)에서는 상기 화이트 모드에서 2D 모드 및 3D 모드를 실행시키는 것에 대해 서술하기로 한다.
도30a에 도시된 바와 같은 제1의 "이중 상시 화이트" 실시예는 LCD 입력 편광기(64)와 LCD TFT 기판(66) 사이에 스위칭 가능한 90°편광회전기(290)가 물리적으로 장착된다는 사실을 제외하고는, 도29의 실시예와 동일하다. 이것은 적절한 방식에 따라 물리적으로 장착되어, LCD TFT 기판(66)의 외측면에 제공된 스위칭 가능한 회전기(290)의 제1투명전극(288)과, LCD 입력 편광기(64)와 LCD TFT 기판(66)의 사이에 제공된 또 다른 전극기판(286)과, 제2의 회전기 투명 전극(288)을 한쪽면에 이송하고 다른쪽 면에 LCD 입력 편광기(64)를 이송하는 부가의 전극 기판(286)에 의해 실행된다.
도30b에 도시된 제2의 "이중 상시 화이트" 실시예는 스위칭 가능한 90°편광 회전기(176)와 투명 전극(179)과 전극 기판(180)과 편광기(184)를 포함하는 편광장치가 편광기(184)로만 대체되었다는 점을 제외하고는, 상기 제1의 "이중 상시 화이트" 실시예와 동일하다. 따라서, 도30b에 도시된 제2의 "이중 상시 화이트" 실시예는 전극층 사이에 샌드위치된 제2의 스위칭 가능한 90°편광 회전층(290)을 갖는 한쌍의 투명 전극(288)과 전극 기판(286)이 LCD 입력 편광기(64)와 LCD TFT 기판(66) 사이에 부착된 단일의 편광기 방향성 디스플레이 장치(236)를 포함한다. 복굴절 마이크로렌즈(138)에 이어, 이러한 실시예에서 편광기(186)인 편광 수정장치(146)에 의해 렌즈 기판이 이어진다.
도30a 및 도30b에는 작동모드가 2차원 및 3D 모드를 위한 상시 화이트 모드인 각각의 디스플레이를 도시하고 있다. 이러한 LC 효과를 위해, 상시 화이트 작동은 상시 블랙 모드 작동에 비해 높은 콘트라스트 및 관찰각 성능을 제공한다. 이 경우, 입력 편광은 3D 모드에서는 입력 스위칭 가능한 파장판에 의해 회전하며, 이에 따라 상시 화이트 동작을 위해 출력 편광이 정렬된다.
출력 편광기는 도30a에 도시된 바와 같은 능동 장치가 될 수도 있고, 또는 도30b에 도시된 바와 같은 수동 장치가 될 수 있으며, 능동 편광 회전기 장치는 제거된 후 편광기(292)로 대체될 수도 있으며, 이러한 편광기는 입력 스위칭 가능한 파장판과 동기하여 모드 사이를 변환하도록 기계적으로 재배치된다.
도31a는 2D 모드에서 도30a의 디스플레이의 동작을 도시하고 있다. LCD 입력 편광기의 전송축 방향(250)은 -45°로 세팅된다. 스위칭 가능한 반파장판(290)의 광축 방향(293)은 입력 편광 방향(250)과 정렬되므로, 영향을 받지 않는다. ON 상태에서의 NW 모드에서, 픽셀면(67)에서의 LC층은 편광을 90°회전시켜, 45°의 LCD 대향 기판(80)에 편광 방향(294)을 부여한다. 복굴절 마이크로렌즈(138)의 복굴절 광축 방향(296)은 -45°로 세팅되므로, 투사된 편광 상태는 등방성 재료에 인텍스 정합되어, 렌즈효과가 발생되지 않는다. 스위칭 가능한 파장판(176)은 45°로 정렬된 복굴절 광축 방향을 가지므로, 편광에 영향을 미치지 않는다. 출력 편광기(184)는 2D 편광을 전송하기 위하여, 45°로 정렬된 전송축 방향(300)을 갖는다.
도31b는 3D 모드에서 도30a의 디스플레이의 동작을 도시하고 있다. 제1의 스위칭 가능한 파장판 광축 방향(293)은 입력 편광 방향(250)에 대해 45°이므로, 편광 상태는 90°회전하여 +45°가 된다. ON 상태에서의 NW 모드에서 비틀린 네마틱 전지는 입력편광을 90°회전시켜 편광 상태를 -45°로 하며, 이것은 광축 방향(296)이 -45°인 마이크로렌즈(138)상에 투사된다. 따라서, 렌즈 기능이 생성된다. 광은 제2의 파장판(176)에 의해 회전되어 복굴절 광축 방향(298)이 0°로 되며, 이에 따라 상기 광은 최종 출력 편광기(184)를 통해 전송되어, 편광 방향(300)은 45°가 된다.
도30b의 디스플레이의 작동은 도30a의 작동과 동일하다.
도32a는 2차원 및 3차원 작동모드가 NW 모드인 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 백라이트(60)은 LCD TFT 기판(66)에 선형의 편광을 생성하는 LCD 입력 편광기(64)를 조사(照射)한다. 광의 편광은 LCD 픽셀면(67)에서 각각의 픽셀에 의해 변조되며, 광은 LCD 대향 기판을 통해 출력 편광기(184)로 전송된다. 전극 기판(180)은 부착되어 있다. 투명 전극(178)은 스위칭 가능한 90°편광 회전기(176) 사이에 협지된다. 복굴절 렌즈(138)는 편광 회전기(176)의 출력부에 형성되며, 하나의 굴절 인덱스가 등방성 렌즈 마이크로구조(134)의 굴절률에 정합되는 복굴절 재료를 포함한다. 상기 등방성 렌즈 마이크로구조는 렌즈 기판(132)상에 장착된다.
작동시, 액정 디스플레이 장치(60, 64, 66, 67, 80, 184)는 통상의 상시 화이트 작동모드에서 작동된다. 편광기(64, 184)는 본 기술분야에 공지된 광각 관찰필름을 부가로 포함한다.
도32b에는 2D 모드에서의 장치의 작동방법이 도시되어 있다. LCD 출력 편광기(184)는 수직선에 대해 +45°경사진 선형의 편광 상태(295)를 생성한다. 이것은 스위칭 가능한 파장판(176)상에 투사되고, 광축 방향(297)은 수직선에 대해 45°경사져 있다. 따라서, 상기 파장판(176)은 편광 상태에 영향을 미치지 않으며, 이것은 복굴절 렌즈(138)에 투사되어, 복굴절 광축 방향(299)은 -45°가 된다. 편광 상태는 렌즈 기판의 등방성 재료에 정합되는 통상의 렌즈 인덱스를 나타내므로, 렌즈 기능을 볼 수 없다.
도32c에 도시된 바와 같이, 3차원 작동모드에 있어서, 파장판(176)은 수직선에 평행한 광축 방향(297)을 가지므로, 입력 편광의 90°회전을 유발한다. 따라서, 복굴절 렌즈 어레이(138)에 투사된 편광은 복굴절 재료의 특수 광축에 평행하므로, 렌즈 효과가 발생된다. 따라서, 이러한 작동모드에서는 관찰 윈도우가 생성된다.
상술한 바와 같이, 스위칭 가능한 파장판(176)은 공지된 다른 편광 회전소자로 대체될 수도 있다. 또한, 복굴절 렌즈(138)는 마이크로구조형 표면에서의 복굴절 재료의 정렬이 렌즈축과 평행이 되도록 비틀림을 포함한다.
이러한 형태는 완전 휘도의 작동모드가 상시 화이트인 2차원-3차원 스위칭 가능한 디스플레이를 생성할 수 있다는 장점을 제공한다. 그러나, 픽셀층과 렌즈 장치 사이의 대부분의 부품들은 예를 들어, 마이크로시트 글래스, 또는 폴리머 필름 처럼 디스플레이의 관찰거리가 매우 길어 대부분의 용도에 바람직하지 않다. 또한, LC 대향 기판의 처리온도에 견딜 수 있는 편광기 소자를 필요로 한다.
반사형 "하나의 편광기" 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이
상술한 모든 실시예는 전송형 또는 방사형 디스플레이를 포함한다. 반사형 디스플레이가 사용되는 실시예(이하, "반사형 실시예"라 칭한다)에 대해 서술하기로 한다. 도33a는 제1반사형 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예는 투과형 및 반사형 디스플레이 부분이 있는 반투과형 디스플레이를 작동시키기 위한 것이다.
도33a에 도시된 바와 같이, 이러한 제1반사형 실시예는 스위칭 가능한 LC층이 구비된 거울 어레이를 포함하는 LCD 반사형 픽셀면(302)에 이어지는 LCD TFT 기판(66)을 포함하며, 이들 각각은 반사형 픽셀 개구(304)를 형성한다. LCD 대향 기판(80)은 픽셀면 위에 배치되며, 이어지는 파장판 스택(306)은 디스플레이의 편광 특성을 튜닝하기 위하여 이러한 형태의 반사형 디스플레이에 통상적으로 사용된다. 마이크로렌즈 대향 기판(142)은 그 외측면위에 배치된 복굴절 마이크로렌즈(138)의 어레이를 구비한 파장판 스택 위에 배치되어, 등방성 렌즈 마이크로구조(134)와 연결된다. 렌즈 기판은 층(134)을 지지하는데 사용된다. 이러한 실시예에서 선형 편광기(308)를 포함하는 편광 수정장치(146)는 디스플레이 시스템의 출력부에 배치된다.
도33b는 2차원 작동모드에서 이러한 실시예의 작동을 도시하고 있다. 선형 편광기(308)는 90°의 전송축 방향(310)을 갖는다. 이러한 광은 복굴절 광축 방향(312)이 0°인 복굴절 마이크로렌즈(138)의 통상의 인덱스상에 투사된다. 광은 파장판 스택(306)을 통과한 후, 반사형 픽셀층(302)에 낙하된다. 광은 반사되지만, 명확한 설명을 위하여 층(302)을 통해 전송되는 것으로 도시된다(즉, "겹치지 않은", 다시 말하면 본 기술분야에서 입력 및 출력 경로가 연속적인). 상기 광은 파장판 스택(06)과, 복굴절 마이크로렌즈(138)와, 편광기(308)를 다시 통과한다. 광이 인덱스정합된 렌즈(138)에 투사될 때, 방향성은 부여되지 않으며, 디스플레이는 2차원인 즉, 출력 조명은 복굴절 재료의 통상의 광축을 볼 수 있어 렌즈를 볼 수 없으므로, 편광기에 의해 전송된다. 따라서, 완전한 휘도 및 해상도의 영상이 보여진다.
도33c는 3D 작동 모드에서 이러한 실시예의 작동을 도시하고 있다. 선형 편광기(308)는 2D 모드에서의 회전 정렬에 비해 90°회전하므로, 0°의 전송축 방향(310)을 갖는다. 광은 0°의 복굴절 광축 방향(312)을 갖는 복굴절 마이크로렌즈(138)의 일반 인덱스상에 투사된다. 상기 광은 광은 파장판 스택(306)을 통과한 후, 반사형 픽셀층(302)에 낙하된다. 광은 반사되지만, 명확한 설명을 위하여 층(302)을 통해 전송되는 것으로 도시된다(즉, "겹치지 않은" 것으로 도시된다) . 상기 광은 파장판 스택(06)과, 복굴절 마이크로렌즈(138)와, 편광기(308)를 다시 통과한다. 광이 인덱스정합되지 않은 렌즈(138)에 투사될 때, 방향성이 부여되며, 디스플레이는 3차원 디스플레이이다.
이것은 투사 편광이 폴리머 마이크로구조에 인덱스 정합되지 않는 특정의 인덱스에 평행할 때, 투사광이 픽셀면상에 마이크로렌즈 어레이 기능에 의해 영상화되는 것을 의미한다. 따라서, 외측에서의 광원은 디스플레이의 픽셀상에 영상화될 것이다.
이것은 도33d에 도시된 바와 같이 광원에 정확하게 지향되었을 경우, 디스플레이의 휘도를 증가시키도록 작용한다. 도33d는 3차원 작동모드에서 외부광원이 복굴절 렌즈어레이(138)에 의해 포커싱되어 픽셀면 반사기(302)에 영상(316)을 형성하는 것을 도시하고 있다. 그후, 광은 다시 반사되어 관찰 윈도우(37, 40)의 영역에 광원의 영상(318)을 형성한다.
픽셀면에는 주위 광원이 영상화되어, 관찰자 윈도우 평면을 향하여 확산될 것이다. 만일 디스플레이가 정확하게 위치되었다면, 이것은 한정된 광원에 대해 디스플레이의 휘도를 증가시키는데 사용될 수 있다.
이러한 실시예에 따른 모든 디스플레이는 2D 및 3D 모드에서 완전한 휘도를 보일 수 있으며, 이것은 특히 동력소모가 낮은 디스플레이 시스템 및 주위 광원을 작동시키는 디스플레이에 특히 유용하게 사용된다.
이러한 실시예는 복굴절 광축 및 편광 수정장치 축선을 변경하므로써, 상이 한 LCD 편광 배열에 적용될 수 있다.
도33e는 스위칭 가능한 편광기가 전기적으로 스위칭될 수 있는 제2반사형 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예는 도33a의 실시예와 동일하지만, 다음과 같은 점 즉, 편광 수정장치(146)가 예를 들어 절반의 파장판 및 (선형)편광기(184) 등과 같은 스위칭 가능한 90°편광 회전기(176)로 형성된다는 점이 상이하다. 이러한 소자들은 적절한 방법에 의해 물리적으로 장착되며, 도33e에 도시된 바와 같이 전극 기판(180)의 양측에 형성된다. 상기 전극 기판(180)은 한쪽 평면에 스위칭 가능한 회전기(176)의 하나의 투명전극(178)을 이송한다. 스위칭 가능한 회전기(176)의 제2의 전극 기판(180)은 렌즈 기판(132)의 외측면으로 이송된다. 편광기(184)는 전극 기판(180)의 다른쪽 표면에 위치된다.
도33f는 도33e에 도시된 장치의 2D 모드에서의 작동을 도시하고 있다. 편광기(184)는 수직선에 대해 90°인 편광 전송 방향(320)을 가지며, 이것은 복굴절 광축 방향(322)이 90°인 스위칭 가능한 편광 회전기(176)상에 투사되므로, 편광 회전이 발생되지 않는다. 광은 복굴절 광축 방향(324)이 0°인 복굴절 마이크로렌즈(138)에 투사되므로, 입사 편광은 인데스정합되고, 렌즈 기능은 보이지 않는다. 광은 웨이브 스택(306)을 통과한 후 픽셀면(302)에서 반사되어, 웨이브 스택(306)으로 되돌아온다(도33f에서는 겹치지 않는 것으로 도시되었다). 최종 편광기(184)를 통해 출력된 편광은 복굴절 마이크로렌즈의 통상의 축 방향을 볼 수 있으며, 또한 최종적으로 편광기(184)를 통해 전송되는 스위칭 가능한 편광 회전기(176)의 광축 방향(322)에 평행하다. 따라서, 요약하여 설명하면, 2차원 작 동모드에서, 90°편광입력은 스위칭 가능한 파장판에 의해서는 회전되지 않으며, 렌즈가 인덱스 정합되므로, 방향성 입력이 생성되지 않는다.
도33g는 도33e에 도시된 장치의 3D 모드에서의 작동을 도시하고 있다. 편광기(184)는 90°의 편광 전송 방향(320)을 가지며, 이것은 복굴절 광축 방향(322)이 90°인 스위칭 가능한 편광 회전기(176)상에 투사되므로, 90°편광 회전이 발생되고, 회전기로부터의 출력 편광은 수직선에 대해 0°가 된다. 광은 복굴절 광축 방향(324)이 0°인 복굴절 마이크로렌즈(138)에 투사되므로, 입사 편광은 인데스정합되지 않고, 렌즈 기능이 생성된다. 광은 웨이브 스택(306)을 통과한 후 픽셀면(302)에서 반사되어, 웨이브 스택(306)으로 되돌아온다. 최종 편광기(184)를 통해 출력된 편광은 복굴절 마이크로렌즈의 통상의 축 방향을 볼 수 있다. 이러한 편광 상태는 스위칭 가능한 편광 회전기(176)의 광축 방향(322)에 대해 45°이므로, 편광기(184)의 전송축 방향(320)에 평행하게 90°회전하여 전송된다. 따라서, 요약하여 설명하면, 3차원 작동모드에서, 입력 편광 상태는 90°회전하며, 출력 편광은 마이크로렌즈상에 0°로 투사되어, 렌즈 기능의 작동을 유발시킨다.
상술한 바와 같은 실시예는 반투과형 디스플레이에 의해 실행된다. 도45는 반투과형 디스플레이의 예시적인 픽셀을 상세히 도시하고 있다. 적색 픽셀(326)과 청색 픽셀(328)과 녹색 픽셀(330)은 작은 간극(332)에 의해 분리되었다. 각각의 픽셀은 디스플레이의 전방면으로부터 광을 반사하도록 배치된 반사형 영역(336)과, 백라이트로부터 광을 전송하도록 배치된 개구 영역(즉, 클리어 픽셀 개구)(462)을 포함한다.
반투과형 디스플레이에 있어서, 디스플레이는 반사형 모드 및 투과형 모드에서 작동된다. 픽셀은 일반적으로 반사형이며, 적어도 하나의 구멍을 가지며; 백라이트로부터의 광을 사용자에 도달되게 한다. 따라서, 디스플레이는 광범위한 조사상태로 작동될 수 있다. 이것은 밝은 태양 조사에서 어두운 실내 및 야간 화면으로 변화되는 차량용 및 카메라용에 특히 유용하다.
3D 모드 또는 다중 사용자 모드에서는 관찰 윈도우가 전송 모드 및 투과형 모드와 동일할 것이 요망된다. 따라서, 도45에 도시된 바와 같이, 반사형 픽셀과 폭이 거의 동일한 전송 개구가 형성된다. 윈도우의 출력은 반사형 및 투과형 작동모드에서 거의 동일한 프로필을 갖는다.
반투과형 디스플레이에 있어서, 전송 및 반사형 표면은 디스플레이의 구성적 요구사항에 따라 미세하게 상이하다. 그러나, 분리시 마이크로렌즈의 촛점깊이는 일반적으로 매우 적다.
상시 블랙 모드에서 그레이스케일 응답의 수정
상술한 실시예에서, 상시 블랙 모드는 3D 작동모드에 사용된다. 이것은 상이한 컬러 사이에서 그레이스케일의 균일성 결핍을 포함하며, 하기와 같이 완화될 수 있다.
도34a는 상기 화이트 디스플레이 TFT TN-LCD의 개략적인 픽셀 응답(342)을 위하여, 입력 전압(340)에 대한 컬러(338) 각각의 표준 투과율을 도시한 그래프이다. 저전압에서, 장치는 전송이 최대가 되므로, 장치는 상시 화이트(NW)로 된다.
이것은 도34b에 도시된 바와 같이 상시 블랙 모드를 위한 개략적인 그레이스 케일 응답과 비교할 수 있다. 도34b는 적색 파장(346)과 녹색 파장(348) 및 청색 파장(350)에서 상시 블랙(NB) TN-LCD 픽셀을 위하여, 입력 전압(340)에 대한 출력 그레이 레벨(344)를 도시한 그래프이다.
이경우, 3개의 컬러는 특히 낮은 그레이스케일에서 상이한 응답을 갖는다.
하기의 설명에 있어서, TN 전지는 적색 채널과 녹색 채널 상에서 파장을 튜닝할 수 있는(예를 들어, 복굴절 제품과 물리적 두께가 파장의 절반인 파장) 광학적 두께를 갖도록 설계되는 것으로 가정한다. 적색 채널에 있어서, 전지 디자인은 지연이 너무 작아 완전하게 회전한 출력을 제공할 수 없고 이에 따라 적색의 콘트라스트가 제한되는, 비구동 상태를 의미한다. 녹색 채널의 비구동 상태에 있어서, 전지의 지연은 너무 커서 전압을 증가시키고 전지의 지연을 감소시키므로써, 녹색은 최소한의 지연을 통과하여 청색 채널과 유사하게 된다. 전지가 온(ON) 상태로 구동될 때, 상기 3개의 채널에서의 투과율은 명목상 동일하다. 상시 블랙 작동에 있어서, 적색 채널의 출력 콘트라스트는 오프(OFF) 상태에 대해 출력 편광의 작동을 조절하고 그레이스케일 수정절차에 따라 데이터 신호를 전환시키므로써 최적화될 수 있다. 녹색 채널 및 청색 채널의 출력은 그레이스케일 수정절차에 따른 전환 및 옵셋에 의해 조정될 수 있다.
이러한 모드에서는 디스플레이의 컬러 성능을 최적화하기 위해 컬러 수정 알고리즘이 사용될 수 있다. 이에 대한 내용이 도35에 도시되어 있다. 영상 데이터 입력(352)은 그레이스케일 수정유니트(354)에 의해 처리된 후, 편광 수정장치(146)의 세팅에 의해 한정된 장치의 작동모드에 기초하여, 적절한 최종 그레이 스케일 응답을 제공한다. 적절히 수정된 데이터 신호(358)는 디스플레이(360)로 전송된다. 그레이 스케일 수정유니트(356)의 실행은 하드웨어나 소프트웨어에 의해 실행될 수 있으며, 또는 이러한 두 프로그램 사이에서 분할될 수 있다.
오프축 관찰각을 갖는 콘트라스트의 필요로 하는 변화에 대해 디스플레이를 최적화하기 위해서는 주의가 요망된다. 복굴절 마이크로렌즈의 두께가변형 파장판의 효과를 최소화하기 위해서는, 렌즈의 복굴절 광축 방향이 출력 분석기에 밀착되어 장착되어야 한다.
또한, 서두에 서술한 일부 실시예에서는 2D 모드가 상시 화이트 모드에서 작동되고 3D 모드가 상시 블랙 모드에서 작동되는 것으로 서술되었지만, 이것은 출력 편향기 및 마이크로렌즈 어레이의 상대적 방위를 변경하므로써 역전될 수 있음을(즉, 2D 모드가 상기 블랙 모드에서 작동되고 3D 모드가 상기 화이트 모드에서 작동되는) 인식해야 한다.
본 발명은 TN효과 이외의 효과를 채택하는 기본 패널을 사용하며, 이 경우 정렬 형태는 출력 편향 및 효과의 관찰특성에 따라 성능을 최적화하기 위해 조정될 수 있다.
관찰자 트래킹 및 관찰자 위치
상술의 모든 실시예에서, 관찰자 트래킹은 마이크로렌즈 어레이를 관찰자 위치를 검출하는 검출기로부터의 신호와 동기하여 이동시키므로써 실행된다. 이러한 방식에 따라, 관찰자는 광범위한 관찰위치로부터 3D 영상을 지속적으로 관찰할 수 있다. 수평 변위의 디스플레이에 있어서, 이러한 이동은 단일의 수평축에서만 이 루어진다.
관찰자 트래킹 센서를 포함하지 않은 시스템에서는 사용자에게 사용자가 최상의 관찰위치에 있음을 알려주는 지시기 또는 스위트 스폿(sweet-spot)이 사용된다. 관찰자가 정확한 오소스코픽 스위트 스폿 위치에 있을 때, 관찰자는 좌측눈으로 좌측 영상을, 보고 우측눈으로 우측영상을 본다. 관찰자가 부정확한 슈도스코픽 위치에 이동하였을 때, 영상은 바뀌고, 사용자는 일반적으로 시각적 긴장을 경험할 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 스위트-스폿 지시기(266)는 디스플레이로부터 분리된 장치로 배치될 수 있다(즉, 그 어떤 SLM 픽셀도 사용하지 않는다).
상기 스위트-스폿 지시기는 스위칭 가능한 2D-3D 디스플레이의 광출력과 양립될 수 있다.
도36은 스위트-스폿 지시기의 일반적인 동작을 도시하고 있다. 3차원 디스플레이는 디스플레이의 윈도우 평면(42)에 좌측눈 윈도우(362)와 우측눈 윈도우(364)를 생성하도록 배치된다. 우측눈이 우측눈 윈도우(362)에 배치되고 좌측눈이 좌측눈(376)이 좌측눈 윈도우(364)에 배치된 관찰자는 디스플레이 전체에 걸쳐 3D 영상을 보게 될 것이다. 상기 지시기(366)는 디스플레이 윈도우 평면(42)과 일치하는(그러나, 도36에는 설명을 하기 위하여 분리된 상태로 도시되었다) 스위트-스폿 윈도우 평면(368)에 일련의 반복성 윈도우를 생성하도록 배치된다. 상기 스위트-스폿 윈도우 평면(368)은 블랙 윈도우(370) 및 컬러형 윈도우(372)의 반복열을 포함한다. 각각의 윈도우(370, 372)는 디스플레이 윈도우(362, 364) 폭의 2배이다.
지시기와 디스플레이 영상은 동일한 디스플레이 케이스에 내장된다. 상기 지시기는 3D 관찰로 지향되었을 때 디스플레이의 상부 또는 하부에 배치된다.
도37은 지시기 부분의 후방을 도시하기 위해 LCD의 백라이트로부터 광을 이용하는 것을 도시하고 있다. 보다 상세히 설명하자면, 도37b는 디스플레이(380)를 조사하기 위해 냉간 음극 형광튜브(382)로부터의 광이 반사기(386) 및 광 가이드(384)에 의해 수집되고, 스위트 스폿 지시기(366)를 조사하기 위해 백라이트 시스템이 사용되는 스위트 스폿 지시기를 위한 조사방법을 도시하고 있으며, 백라이트 시스템은 스위트 스폿 지시기(366)를 조사하는데 사용된다. 선택적으로, 백라이트 광 가이드(384)는 스위트 스폿 지시기(366)의 하부 영역으로 연장될 수 있다.
스위트 스폿 지시기를 채용한 또 다른 실시예가 서술될 것이다.
3차원 디스플레이의 윈도우 평면과 함께 위치된 평면에 광원과 마스크 어레이를 영상화하기 위해 시차 광이 배치된다. 관찰자가 디스플레이의 오소스코픽 위치에 있을 때, 지시기는 디스플레이의 슈도스코픽 위치에서 블랙으로 나타나며, 지시기는 컬러, 예를 들어 적색이 된다. 스위트 스폿 표시를 위한 시차 광은 3차원 관찰을 위한 전체 영상 영역의 사용을 양호하게 허용하기 위하여, 영상 디스플레이에 사용된 시차 옵칙으로부터 분리된다. 스위트 스폿 표시를 위한 시차 광은 예를 들어 렌즈형 스크린, 홀로그램 또는 시차 장벽으로 된다.
도38은 지시기에 사용된 시차 광이 다른 렌즈로부터의 광을 약화시키도록 배 치된 마스크와 렌즈형 스크린을 포함하는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 특히, 백라이트(388)는 윈도우 발생 마스크(392)를 조사하는 확산형 조사부(390)를 생성하도록 배치된다. 스페이서 부재(394)는 렌즈 어레이(396)로부터 윈도우 생성 마스크(392)를 분리시키며, 마이크로구조형 재료인 저인덱스(low index) 재료(400)와 고인덱스(high index) 재료(398)를 포함한다. 기판(404)에 부착된 렌즈 차단마스크(402)는 렌즈 어레이(396)의 다른 렌즈로부터 광을 차단하도록 배치된다. 렌즈는 디스플레이의 영상부의 복굴절 마이크로렌즈 어레이에 사용된 복굴절 재료의 특정 인덱스와 동일한 굴절률 및 확산특성을 갖는 비복굴절 폴리머 재료로 충진된다. 따라서, 상기 렌즈는 디스플레이에 사용된 것과 동일한 광학 성능을 갖지만, 어떤 편광기를 필요로 하지는 않는다. 렌즈 차단 마스크는 렌즈의 옵티칼 개구의 평면에 위치되며, 픽셀면과 렌즈 사이 또는 렌즈와 관찰자 사이(도시된 바와 같이)에 위치된다.
또 다른 실시예에서, 도39에 도시된 바와 같이, 디스플레이의 영상부에 사용된 스위트-포트 지시기에는 동일한 복굴절 시차 광이 사용되며; 시차 광 기능을 생성하기 위하여, 부가의 마스크(402)가 중간 렌즈 및 적절한 편광기(406)를 차단한다. 보다 상세히 설명하면, 차단광(388)은 편광기(406)와 윈도우 생성 마스크(392)를 조사하는 확산 조사부(390)를 생성하도록 배치된다. 스페이서 부재(394)는 복굴절 렌즈 어레이(138) 및 등방성 렌즈 마이크로구조로부터 윈도우 생성 마스크(392)를 분리한다. 기판(404)에 부착된 렌즈 차단마스크(402)는 렌즈 어레이(138)의 다른 렌즈로부터 광을 차단하기 위하여 배치된다. 선택적으로, 지 시기는 영상 디스플레이 마이크로렌즈 어레이의 마스크 교차차단 마이크로렌즈를 포함할 수도 있으며, 적절한 윈도우 구조를 생성하기 위하여 픽셀은 디스플레이 데이터를 포함한다.
차단광은 LED 또는 전기장발광형 디스플레이 등처럼 대역이 협소한 광원일 수도 있으므로, 지시기의 시각성은 최대화되며, 시스템의 광을 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 선택적으로, 현존의 백라이트로부터의 광이 사용될 수도 있는데, 이경우 편광기, 픽셀 개구 및 투명 전극재료(예를 들어, ITO)등이 생략될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예는 자동 입체 3D 디스플레이로 언급되는데, 순서 관찰 윈도우에서는 평균적인 눈사이 분리거리가 생성된다. 디스플레이는 입체쌍을 생성하며, 정확하게 위치된 관찰자는 깊이를 갖는 영상을 보게 될 것이다. 그러나, 본 발명은 2D와 3D 영상 사이의 전환에만 한정되는 것이 아니라, 광 출력이 한쪽 위치로부터 또는 방향향 분배로부터 다른 위치로 스위칭되는 용도로도 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
이러한 용도의 일실시예로는 이른바 다중 사용자 디스플레이로서, 상술한 3D 모드와 같이, 다른 관찰자에게 상이한 영상이 디스플레이될 것이 요구된다(디스플레이에 대해 각각의 관찰자가 상이한 위치를 점유한다). 또한, 모든 관찰자에게 동일한 영상의 디스플레이는 상술의 2D 모드와 동일하다.
도40에는 제1다중 사용자 실시예가 도시되어 있다. 도40에는 관찰 윈도우(408, 410, 412, 414)를 생성하는 차량용 대시보드에 사용하기 위한 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이(406)가 평면도로 도시되어 있다. 윈도우의 크기는 관찰 자의 눈사이 분리거리 보다 크도록 배치된다. 운전자는 자신의 우측눈(416)을 윈도우(408)에 위치시키고, 좌측눈(418)도 윈도우(408)에 위치시킨다. 이와 마찬가지로, 승객은 자신의 좌측눈(422) 및 우측눈(420)을 단일의 윈도우(414)에 위치시킨다. 2개의 관찰 디스플레이에 있어서, 윈도우(408, 412)는 동일한 정보를 포함하고 있으며, 윈도우(410, 414) 또한 동일한 정보를 포함하고 있다. 설계목적과는 부합되지 않지만, 윈도우(410, 412)를 디스플레이의 드라이버와 승객 사이에 배치하는 것도 바람직하다. 만일 제1영상(426) 및 제2영상(428)이 입력되었을 경우, 영산 신호 비월주사기(interlacer)(424)는 영상(426)을 디스플레이의 짝수 컬럼에 위치시키고, 영상(428)은 디스플레이의 홀수 컬럼에 위치시킬 것이다. 디스플레이의 광 소자는 영상(426)을 윈도우(408)의 운전자로 지향시키고, 영상(428)을 윈도우(414)의 승객으로 지향시킬 것이다. 디스플레이는 상술한 2D-3D 디스플레이와 동일한 방식으로 작동되지만, 관찰 윈도우는 다른 윈도우에 다른 관찰자가 위치될 수 있도록 훨씬 크다. 이러한 디스플레이는 주행중 및 비행중 환경 등의 차량용과 네비게이션 및 정보 시스템에 적합하다.
이러한 디스플레이는 2개의 동시동작 영상 채널, 예를 들면 TV와 네버게이션을 보여준다. 윈도우는 운전자 위치에서는 그가 네버게이션 채널 만을 볼 수 있도록 배열 된다. 탑승인(들)은 TV채널을 볼 수 있을 것이다. 동일한 디스플레이가 우측 운전식 또는 좌측 운전식 구조에 맞게 전기적으로 구조 된다. 오락 채널은 차량이 정지되어 있을때에는 모든 관찰자에게 전기적으로 온(on)으로 스위칭되어질 수 있는 것이다.
디스플레이는 상술된 실시예에서 기술한 바와 같이 수동 마이크로렌즈 구조를 포함하며, 제1모드에서는, 예를 들면 동일 영상이 전체 관찰 윈도우에 제공되는, 모든 탑승인이 디스플레이 면에 동일 영상을 볼 수 있는, 표준 2D 디스플레이에 상당하게 동작한다.
제2모드의 동작에서는, 디스플레이가 적어도 2개의 다른 영상 그룹을 함유하는, 출력 윈도우의 어레이 형태로 구조 된다.
도41은 도40의 디스플레이용 윈도우의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 밀도(430)는 이상적 윈도우에 맞는 위치(432)에 대하여 나타낸 것이다. 운전자의 눈(416,418)은 이들이 영상(426)를 볼 수 있는 윈도우(408)에 위치한다. 탑승인의 눈(420,422)은 이들이 영상(428)를 볼 수 있는 다른 윈도우에 위치한다. 관측인이 필히 디스플레이의 인접 윈도우에 있을 필요는 없다.
예를 들면, 디스플레이로부터 1000mm 거리에 있는 250mm 폭의 윈도우를 관찰하는데 필요한 50미크론 픽셀 피치를 가진 4.7"VGA디스플레이를 취한다면, 마이크로렌즈와 픽셀 평면의 대향 기판 이격은 0.3mm정도가 될 것이다. 따라서, 이것은 복합 대향 기판을 제작에 맞추어 구조하는 상술된 바와 같은 내부 마이크로렌즈 구조에 적절한 것이다.
상술된 2D-3D실시예에서와 같이 동일한 방식으로, 데이터가 디스플레이를 횡단하여 칼럼에 비월주사를 나타낸다. 도시된 예에서는, 짝수 칼럼이 영상1 데이터를 나타내고, 홀수 칼럼이 영상2 데이터를 나타낸다.
동작의 일 모드에서는, 차량 운전자가 그의 머리 위치를 이동하더라도 오락 영상이 보여지지 않게 할 것을 요망할 수 있다. 이러한 경우, 부가적인 센서를 설치하여, 운전자가 어긋난 관찰위치로 이동하려고 시도하는 경우, 디스플레이가 오프로 전환되게 한 것이다.
다중 사용자 디스플레이의 다른 실시예에서는, 도42에 도시된 바와 같은 교통신호등 디스플레이 시스템을 구조할 수 있다. 도42는 관찰 윈도우(434,436,438,440)를 생성하는, 예를 들어 차선(車線) 신호 시스템에 사용되는 본 발명의 복굴절 마이크로렌즈 디스플레이(406)의 평면도 이다. 윈도우의 크기는 관찰자의 안구간 거리 보다 더 크게 배열된다. 일 차선 운전부에 있는 운전자는 윈도우(434)에 그의 우측눈(442)이 있게 하고 그리고 윈도우(434)에 그의 좌측눈(444)이 있게 한다. 유사하게, 다른 차선에 운전자는 윈도우(440)에 그의 좌측눈(448)과 우측눈(446)이 있게 한다. 만일 제1영상(450)와 제2영상(454)가 입력되면, 다음, 영상 신호 비월주사기(interlacer)(424)가 보정 영상을 보정방향으로 보내도록 디스플레이(406)에 복합 비월주사 영상을 만든다. 디스플레이의 광학요소는 영상(450)이 윈도우(440)에 있는 운전자에게로 향하고 영상(454)이 윈도우(434)에 있는 운전자에게로 향하도록, 예를 들면 분리 차선에 맞는 지시(instructions)로 분할 한다. 다른 시간에서는, 디스플레이가 비-방향성 출력 모드(2D-3D실시예에서 2D모드에 상당)로 스위칭하여 양쪽 차선에 동일한 지시를 나타낼 것이다.
디스플레이는 또한 디스플레이를 지나가는 통행인의 주의를 끌 목적으로 다른 윈도우에 다른 데이터를 가진 형태로 만들어질 수도 있다. 그러한 디스플레이 로는 예를 들어 정보 가판대(kiosk), 벤딩 머신 및 공공 전시 정보 시스템에 적용할 수 있을 것이다.
복굴절 마이크로렌즈 디스플레이(406)는, 예를 들어 공간 광 변조기가 LED디스플레이에 있는, 본 발명에 따르는 방향 디스플레이 장치를 합체한 적절한 디스플레이의 형태로 형성된다. 동작의 일 모드에서, 신호는 모든 관측자에게 동일한 영상을 나타내는 반면에, 동작의 제2모드에서는 일 차선에 있는 관측자만이 오직 제한된 범위의 방향에서 나오는 신호를 볼 수 있다. 이것은 예를 들어, 광에 근접한 사용자 만이 그들의 지시에 따를 수 있도록 하는 것이다.
스위칭 가능한 반투과형 디스플레이 시스템
부가적인 실시예에서, 본 발명의 광 방향 분배 스위칭 장치는 반투과형 또는 반사형 디스플레이용 휘도 향상 보조기로서 사용된다.
도33d를 다시 참고로 하여 설명하면, 광원(314)은 관찰 윈도우(37,40)에서 3D영상의 휘도가 증가하도록 3D디스플레이의 픽셀 반사 평면(302)에 렌즈 어레이(138)에 의해 영상 투영된다.
도43은 제1스위칭 가능한 휘도 보조기 실시예의 반투과형 디스플레이의 측면도 이다. 백라이트(60)는 LCD TFT 기판과 반투과형 픽셀 평면(468)에 의해 동반되는 LCD 입력 편광기(64)를 조명한다. LCD 대향 기판(80)은, 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138), 등방성 렌즈 마이크로구조체(134), 렌즈 기판(132) 및, 선형 편광기(466)와 스위칭 가능한 90도 편광 회전자(176)를 구비하는 편광 변조 장치에 따라서 제공된다.
반투과형 LCD는 전송 반사된 광을 변조하도록 배열된다.
도44는 향상된 휘도 모드를 가진 2D 반투과형 디스플레이 시스템의 일 픽셀 구조를 나타낸 도면이다. 픽셀은 수직 픽셀 간극(332)과 수평 픽셀 간극(333)으로 분리되는 적색 픽셀(326), 청색 픽셀(328), 및 녹색 픽셀(330)로 이루어진 칼럼으로 배열된다. 이러한 경우에 클리어(clear) 픽셀 구멍은 픽셀 반사부(460)의 나머지 영역과 2개 구역(456,458)으로 나누어진다. 따라서, 픽셀 각각은 광이 백라이트로부터 전송되는 홀을 가진 반사 전극의 구역을 포함한다.
도45는 반사와 투과 구역으로 이루어진 배열이 반사 픽셀 구멍(336)이 있는 나머지 영역으로 픽셀(326)의 대체로 절반부분을 커버하는 단일 픽셀 구멍(462)으로 변경되는 다른 일 픽셀 구조를 나타낸 도면이다.
디스플레이의 복굴절 마이크로렌즈 구조는 도33e에서 기술된 바와 유사한 방식으로 동작한다. 그리고, 현재 실시예에서는 렌즈들이 각각의 눈이 동일한 영상 휘도로 디스플레이에 동일 영상을 볼 수 있도록 칼럼 보다 나은 열(row)로 배열 된다. 렌즈의 피치는 픽셀 열의 피치와 대체로 동일하다.
이러한 실시예에서 디스플레이에 의해 발생되는 윈도우즈는 관측자에게 3D 영상을 제공할 목적을 가지지는 않지만, 대신에 이하에 기술되는 바와 같이 증가된 디스플레이 휘도를 가진 구역이 있는 것이다.
도46은 반투과형 픽셀 구조(333,460,456,458)를 가진 반사 백판(326) 위에 위치한 복굴절 렌즈(138)의 어레이를 나타낸 도면이다. 외부 조명(468)으로부터의 광은 백판의 반사부에 렌즈(138)를 통해 집속되고, 그로부터 관측자(472)를 향하는 방향으로 역산란 된다. 백라이트로부터의 광은 픽셀의 투과 구역(456,458)을 통해 지나가고, 또한 관측자 쪽으로 집속된다.
동작의 제1모드에서, 편광 변조기는 렌즈가 임의적인 광학 전력을 나타내지 않도록 구조되어, 변조기가 표준 반투과형 디스플레이로서 동작하는 것이다. 동작의 제2모드에서, 편광 변조기는 렌즈가 광학 전력을 가지도록 구조되어, 도46에서 설명되는 바와 같이 픽셀 평면의 반사부에 영상 어레이로서 외부 광원을 영상 투영 한다. 픽셀 평면의 반사부는 대체로, 반사부에 영상의 스폿(spot) 크기가 증가하도록 영상의 초점이 흐려지게 하는 상관 변위가 있을 지라도, 외부 광원의 영상 어레이의 영상 평면에 있다.
광은 반사체에 의해 확산되며, 그 일부분은 동일한 렌즈이면서 입력 렌즈와는 다른 마이크로렌즈로서 도시된 바와 같이 마이크로렌즈에 투사부 이다. 렌즈는 픽셀로부터의 광을 수집하여, 증가된 휘도 영상을 제공하며, 관측자쪽으로 수집된 광을 분포시킨다. 어레이의 렌즈 각각은 대체로, 영상 어레이의 개별 영상로부터 동일한 방향 분포도를 증가시킨다. 이러한 방향 분포는 관찰지대를 한정한다. 그러나 실질적으로는 영상 어레이의 영상 각각으로부터의 광의 방향 분포에는 작은 차이가 있을 것이다. 이러한 사실은 적어도 다음과 같은 이유에 적절하여야 한다.
-개별적 출력 렌즈 광축선에 대한 영상의 상대적인 위치는, 예를 들어 관찰 윈도우즈를 생성하는데 요망되는 것으로서, 디스플레이를 횡단하여 변경될 수 있다. 이러한 사실은 예를 들어 영상 어레이의 피치가 렌즈 어레이의 피치와는 약간 다른, 근접 위치한 외부 광원에 의해 야기되어야 한다.
-렌즈의 수차 특성이 마이크로렌즈 어레이의 광축선에 대해 스폿의 상대적 위치로 변한다.
-반사체에 반사에서의 광의 각도 분포는 다른 영상용(예를 들어, 대략 영상에 위치한 무작위 확산기의 경우)와는 다르다.
이하에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 관측자에게 영상 투영된 필요한 광의 방향(471)은 디스플레이에 평면으로부터의 광의 거울 반사의 방향(469)과 다르고, 따라서 유익하게 디스플레이 콘트라스트가 디바이스에 평면 계면으로부터의 광의 거울 반사에 의해 저하되지 않는다.
렌즈는 또한 픽셀의 투과부분으로부터 효율적으로 광을 수집하여, 이들을 증가된 휘도로 관측자쪽으로 분포시키는 데에도 사용된다.
이러한 시스템의 잇점은, 증가된 휘도의 구역이 사용자가 적절한 디스플레이를 지향할 것을 요망하는 범위의 제한을 받을 지라도, 렌즈의 포커싱 동작에 의해 향상된다는 것이다. 만일, 주변 조명이 적절하지 않다면, 사용자는 동작의 통상적인 광각(廣角) 모드에서 디스플레이를 사용하도록 선택할 수 있다. 이러한 사실은 고휘도 저전력 모드로 구조된 포켓용 밧데리 전력 디바이스용에서 특히 유용하다. 휘도 향상은 전체 컬러가고 따라서, 장치는 전체 컬러 또는 단색 디스플레이에 사용된다.
렌즈의 스위칭이 필요하지 않은, 동작의 단일 향상된 휘도 모드에서 영속적으로 디스플레이를 동작할 것을 주문 받을 수 있다. 이러한 경우에, 렌즈는 수동성이며 복굴절을 할 필요가 없을 것이다. 다르게는, 능동 복굴절 렌즈가 상술된 바와 같이 본 발명의 제1면에 따르는 수동 복굴절 렌즈와 편광 변조기를 대신하여 본 발명에 사용될 수 있다. 능동 복굴절 렌즈는 예를 들어 마이크로구조 렌즈면과 평면 기판과의 사이에 개재된 스위칭 가능한 액정 층과 상관 스위칭 전극을 포함하여, 상술한 바와 같은 결함을 가지는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서는 반사층이 도49에 나타낸 바와 같이 반사구조에서 동작하는 투과형 디스플레이의 후방에 위치한다. 외부 광원(500)은, 동작의 제1모드에서 디스플레이를 통한 입사 광을 집속하는 역활을 하는 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138)와 스위칭 가능한 편광기(502)를 그 전방면에서 포함하는 디스플레이의 전방을 조명한다. 렌즈 어레이의 각각의 개별 렌즈는 이미징 광학 구멍(541)을 포함한다.
제1렌즈의 구멍(541)에서 나오는 광은, LCD기판(504)과, 픽셀 구멍 구역(508)과 픽셀 간극 구역(510)을 포함하는 위상 변조 LC층(506)을 통해 지나간다. 다음, 광은 제2 LCD 기판(512)과 후방 편광기(514)를 통해 지나가며, 기판(520)에 장착된 패턴형 편향 반사층(516)에 떨어진다. 패턴형 편향 반사층(516)은 반사구역(518)과 구멍 구역(519)을 포함한다. 반사구역(518)의 피치는 대체로 렌즈(138)의 피치와 동일하다.
구멍 영역(519)을 통해 지나가는 주변 광원(500)으로부터의 광은 입력부로부터의 광을 반사하도록 배열된 백라이트 유닛(522)에 입사 된다. 반투과형 디스플레이에서, 백라이트 유닛(522)은 부가적인 광원(도시 않음)에 의해 디스플레이의 후방으로부터 조명도 제공한다.
백라이트로부터 입사되는 광선(524)은 구멍 영역(519)을 통해 전달되며, 반사구역(518)에 입사 광(526)은 재 순환되는 백라이트 유닛을 향하는 방향으로 재-방향 진다.
제1모드에서의 동작에서, 외부 광원은 대략 영상 어레이의 영상 평면에서 편향 반사구역(518)에 영상 어레이로서 렌즈(138)에 의해 대체로 집속 된다. 이들 구역은 예를 들어 거친 금속면의 확산 반사체를 포함하여, 광원의 편향을 제공한다. 특히, 편향부는 오직 수평적 편향성질을 제공하며, 반면에 렌즈는 수직방향으로의 확산을 제공한다. 따라서, 편향 반사체(518)는, 영상을 형성하는 제1렌즈구멍(541)이 영상 면을 따라서 연장되는 평면 반사부에 의해 영상 투영되는 렌즈구멍과는 다른 제2렌즈구멍(543)으로 제1렌즈구멍(541)으로부터의 광을 편향시키는 기능을 가진다. 이러한 사실은 도51a와 도51b를 참고로 이하에 보다 상세하게 설명된다.
따라서, 반사구역으로부터 반사되는 광(518)은 인접 렌즈구멍(543)에 의해 포획되어 디스플레이의 전방에 원뿔부에 위치한 관측자(530) 쪽으로 영상 투영된다. 외부광원의 각 영상은 대체로 동일 방향 분포부 쪽으로 각각의 제2렌즈구멍(543)으로 방향지게 된다. 방향(528)은 디스플레이의 콘트라스트 비이 증가하도록 거울 반사(529)의 방향에서 분리 된다.
그러므로, 편향 반사부(518)는 제1구멍으로부터 렌즈 어레이의 제2구멍으로 방향지도록 하는 역활을 한다. 도49와 도50에서 설명되는 방향에서, 제1 및 제2렌즈 구멍(541,543)은 어레이의 다른 렌즈이지만, 이것이 주변 광원(500)의 지점 모 두를 위한 경우는 아니다. 일부 주변 광원지점을 위해서, 동일 렌즈의 다른 부분이(예를 들면 다른 렌즈구멍) 본 발명의 휘도 향상을 이룰 수 있는 것이다. 예를 들면, 디스플레이는 원통형 렌즈의 기하형상적 마이크로렌즈 축선이 수평적으로 있는 원통형 렌즈의 어레이(138)로 배열된다. 동작의 표준 모드에서는, 광원(500)이 도49에서 설명되는 바와 같이 출력 방향 분포로 제2렌즈(543)에 의해 반사되어 영상 투영 된다. 이러한 경우에, 명확하게, 각각의 영상은 각각의 영상을 형성하는 렌즈와는 다른 렌즈를 통해 반사 된다. 다르게는, 광원(500)이 디스플레이의 일측부이면서, 어레이(138)의 원통형 렌즈의 광축선에 위치하는 것이다. 다음, 렌즈 어레이(138)는 반사부의 평면에서 대체로 영상의 제1어레이로 광원(500)을 영상 투영 한다. 다음, 동일한 렌즈가 반사부로부터의 광을 수집하여, 휘도 향상 잇점을 가진 출력 방향 분포를 생성한다. 그런데, 광 편향 반사부의 사용으로, 영상의 각각의 개별 유한성 부분은, 영상의 유한성 부분을 형성하는 렌즈의 부분(예를 들면, 렌즈 구멍부)이 영상 평면을 따라서 연장되는 평면 반사부에 의해 반사되는 렌즈의 부분(예를 들면, 렌즈 구멍부)과는 다른 렌즈의 지역(예를 들면, 렌즈 구멍부)으로 반사 된다. 따라서, 렌즈를 이동하여 변경하는것 보다 나은 방향으로 광이 통과하는 렌즈 구멍의 이동 또는 변경으로, 편향 반사체(518)를 고려하는 것이 좋다. 이러한 사실은 본원에 기술되는 모든 실시예에 적용 된다.
유익하게, 어레이(138)의 렌즈는 자른면이 없는 연속적 면 양각 렌즈(relief lenses) 이다. 자른면이 없는 렌즈의 사용 가능성이, 휘도와 콘트라스트 향상 잇점을 바람직하지 않은 영상 가공물과 광손실로부터의 해로움 없이, 이루어지게 한 다.
구멍 영역(519)의 폭과 대비되는 편향 반사체 구역(518)의 폭을 증가하여, 향상된 반사 모드에서의 디스플레이의 관찰 자유도를 증가하거나 또는, 감소되어 백라이트 모드에서의 디스플레이의 관찰 자유도를 증가한다.
이러한 방식에서는, 외부 광원이 디스플레이를 효율적으로 조명하도록 사용되어, 관찰위치의 범위에서 동작의 더 높은 휘도 모드를 제공한다. 이러한 실시예의 특정한 잇점은 디스플레이 디바이스의 내부 구조의 변경이 필요하지 않다는 것이다. 즉, 휘도 향상요소가 디스플레이의 외부면에 더해질 필요가 없는 것이다. 이러한 사실은 베이스 LCD패널의 현재 제조방법의 변경을 최소로 하여 시스템의 비용을 절감하게 한다.
디스플레이는 예를 들어 제1모드에서는 일반 흑색 구조에서 동작하고 그리고 제2모드에서는 일반 백색 구조에서 동작한다. 렌즈(138)는 열(row)을 지어 배열되고, 최적 휘도는 수평적 축선에 대해 디스플레이를 기울어서 배열하여 이루어진다.
동작의 제2모드에서는, 렌즈의 광학 효과가 예를 들어 편광기(502)를 재구조하여 상술한 바와 같이 없어진다. 이러한 사실은 복굴절 렌즈(138)의 효과를 없애는 역활을 한다. 이러한 경우에, 디스플레이는 제1모드의 최상의 관찰 위치와 대비되는 감소된 휘도를 가진 대체로 일정한 관찰구역을 가질것이다. 다르게는, 렌즈(138)와 스위칭 가능한 편광기(502)는 디스플레이가 집속 구조에서 영속적으로 동작하도록 고정 초점길이를 가지는 렌즈로 대체된다.
본 실시예의 수동 복굴절 렌즈와 스위칭 편광기는 논-스위칭 렌즈 또는 능동 스위칭 렌즈로 대체 된다. 이러한 사실은 본원에 기술된 실시예에 적용된다.
도50은 모든 부가적인 성분이 디스플레이의 후방에 위치되는 도49의 실시예와는 다른 변경된 휘도 향상 디스플레이 시스템을 나타낸 도면이다. 이러한 경우에, 디스플레이는 전방 편광기(532), 위상 변조 픽셀 층(534) 및, 후방 편광기(536)를 포함하는 투과형 디스플레이 이다. 동작의 제1모드에서, 주변광원(500)으로부터의 광은 디스플레이를 통해 지나가고 후방 디스플레이 편광기(536)에서 편광된다. 반파장판과 같은 스위칭 가능한 90도 편광 회전자는 복굴절 렌즈(138)의 어레이에 떨어지는 광의 편광이 방향지도록 배열되어, 이들이 포커싱 동작을 가진다. 다음, 광은, 반사구역(518)과 구멍 영역(519)을 포함하며, 기판(520)에 형성된 패턴형 편향 반사체(516)에 집속된다. 편향 반사체(518)로부터 제2구멍(543)으로 반사되는 제1구멍(541)으로부터의 광은 관측자 눈(530)이 위치한 디스플레이의 관찰지대를 향하여 영상 투영 한다. 증가된 휘도 구역은 전술된 바와 같이 다시 발생된다.
동작의 제2모드에서, 스위칭 가능한 편광 회전자(538)가 렌즈(138)에 떨어지는 출력 편광방향이 렌즈가 대체로 포커싱 동작 없이 보여지게 배열되도록 구성 된다. 다음, 광은 패턴형 반사 요소(516)에 떨어진다. 일부 광은 반사되겠지만, 나머지 광은 확산되어 재-반사되는 백라이트로 전달 된다. 반사 요소(518)의 피치의 정수는 동작의 이러한 모드에서의 무아르 효과가 피해지도록 디스플레이의 픽셀의 수직 피치와 대체로 동일하게 설정된다.
렌즈에 대한 편향 반사체의 상대적인 위치는 장치의 평면에서 광원(529)의 거울 반사로부터 반사체(518)의 출력을 분리하도록 설정된다. 유익하게, 상기 요소는 다른 패널 픽셀 피치의 수에 사용 된다.
디바이스는 고정 초점 렌즈로 대체되는 복굴절 렌즈(138)와 스위칭 가능한 회전자(538)로 구성된다. 이러한 경우에, 반사체의 피치는 무아르 효과가 피해지도록 패널의 픽셀의 수직 피치에 기본될 필요는 없다.
유익하게, 부가적 요소는 디스플레이에 분리요소로서 조립되어, 조립시간과 그에 따른 디스플레이의 비용을 절감한다. 특정한 잇점으로 상기 요소가 재고목록을 감소하고 무재발 산업 비용(non recurring engineering cost)을 감소하는 역활을 하는 다수의 다른 패널 디자인으로 사용된다.
도51a는 본 발명의 편향 반사체의 동작을 부가로 나타낸 도면이다. 렌즈 어레이(540)는 영상 데이터 픽셀을 포함하는 디스플레이 패널(539)을 통해 주변 광원(500)을 영상 투영하도록 배열된다. 광은 제1렌즈구멍(541)에 의해 영상 투영되어, 예를 들어 확산기와 패턴형 면 반사체(544)를 포함하는 편향 반사요소에 집속 된다. 단일 입력 광선(547)의 반사체로부터의 반사 광 분포는 예를 들어 원뿔형(546)으로 나타내었다.
편향 반사체(542,544)로부터의 광은 제2렌즈구멍(543)으로 향해진다. 제2렌즈구멍은 분리 렌즈이거나 동일한 렌즈의 부분이다. 제2렌즈구멍에서, 편향 반사체로부터의 광은 대체로 시준되어 관측자(530)쪽으로 향해진다.
도51b는 본 발명의 편향 반사체와 대비되는 면 반사체의 동작을 나타낸 도면이다. 구멍(541)의 렌즈는 광원(500)으로부터 반사면으로 광을 집속 한다. 예를 들어 렌즈 기판(545)과의 확산기(54)의 경계부에 프레넬 반사가 평면이기 때문에 형성되는 면 반사체가 광선(547) 내지 광선(549)을 반사하구, 상관된 광 입력 광 원뿔부는 구멍(545)에서 렌즈에 의해 시준(視準) 된다. 그리고, 면 반사체로부터 나오는 출력 광선(549)의 방향은 예를 들어 나타낸 바와 같이 시스템의 다른 면 표면으로부터 거울 반사(529)의 방향과 평행하게 향하는 방향이다. 따라서, 편향 반사체의 작용없이, 시스템이 거울 방향으로 광을 향하게 한다. 그러므로, 필요한 변조 광이 거울 반사에 더해져서, 영상의 콘트라스트가 감소된다. 또한, 직각 방향으로, 반사체에 의해 광 원뿔부에 배치된 임의적인 지향성이 있지 않아서, 따라서, 이러한 방향으로의 조명범위는 제한적이게 된다. 따라서, 편향 반사체는 원통형 마이크로렌즈의 기하형상 렌즈 축선에 대해 평행한 방향으로 디스플레이의 관찰 자유도를 증가하는 역활을 한다.
다르게는 제2방향으로 광학 전력을 가진 렌즈를 사용하여 디스플레이의 관찰 자유도를 증가한다.
도51c는 패턴형 금속 구조체(552)를 가진 거친 표면으로 형성된 패턴형 편향 반사체의 사용을 나타낸 도면이다. 다르게는, 편향 반사체의 표면이 적어도 일 양호한 피치 마이크로렌즈 어레이의 형태를 가지는 것이다. 편향 반사체는 개별적으로 또는 반사형 광학 성분과 조합하여 홀로그래픽(holographic) 요소로 형성된다.
도51d는 디스플레이의 잔여부에 평판면의 거울 반사의 방향으로부터 멀어지게 관측자로 광 원뿔부가 방향지도록 패턴형 금속 경사면(554)에 편향 반사체가 형성된 다른 구조를 나타낸 도면이다. 유익하게, 상기 구조는 필요한 렌즈 구멍을 채우는데 소요되는 출력 확산 원뿔부(556)의 크기를 감소시키어서 디스플레이 휘도를 증가시킨 것이다. 일반적으로, 광원이 사용자 위치에 대해 디스플레이 위에 위치되어서, 편향 방향이 사용자 기하형상과 마주치어 조화를 이룰 수 있게 되는 것이다. 또한, 패턴형 편향 반사체(554)도 또한 유익하게 프리즘의 높이를 낮추고 제조공차가 여유있게 각각의 패턴형 구역에서 마이크로프리즘(microprisms)의 어레이로 만들어진다.
반사체 요소(544)는 3M 코포레이션에서 DBETTM으로 판매하는 편광 민감한 반사형 필름의 패턴 층으로 구조 된다.
도52는 전방 편광기(532), 위상 변조 픽셀층(534) 및, 후방 편광기(536)를 포함하는 투과형 공간 광 변조기가 주변 광원(도시 않음)에 의해 조명되는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다. 입사광선(558)은 투과형 디스플레이(532,534,536)에 의해 변조되어, 편광 방향(560)으로 편광 된다. 동작의 제1모드에서는, 스위칭 가능한 편광 회전자(561)가 편광방향(560)이 회전하게 배열되어서 편광상태(562)가 수동 복굴절 렌즈(138)의 어레이의 특수 인덱스와 평행하게 있다. 따라서, 렌즈는 집속 동작을 하여, 편광 민감성 반사동작 필름(566)의 시트와 확산기(564)를 포함하는 반사동작 요소의 평면에서 광원의 영상을 대체로 생성하는 역활을 한다. 필름(566)은 예를 들어 3M 코포레레이션에서 시판하는 DBEFTM으로 한다. 필름(566)으로부터 반사되는 광은 원뿔부(568)로 확산되어, 일부 광이 거울 반사방향으로부터 멀어지는 방향으로 향해지게 된다. 편광 반사광은 렌즈(138)에 의해 시준되어 편 광상태(570)가 후방 디스플레이 편광기(536)의 투과방향에 대해 평행하게 편광 회전자(561)를 통해 전달된다. 다음, 광은 예를 들어 광선(571)을 따라서 관측자를 향하는 방향으로 향해진다.
또한, 반투과형 디스플레이 시스템도 광원(572)과 광 파이프(574)를 포함한다. 광원(572)으로부터 나오는 광선(577)은 필름(566)에 의해 편광방향(576)으로 편광되며, 그리고 투과 방향에 대해 직교하는 디스플레이의 후방 편광기(536)에 투사되어 흡수 된다.
도53은 동작의 제2모드를 설명하는 도면이다. 스위칭 가능한 편광 회전자(561)는 출력 편광 상태(578)가 복굴절 렌즈(138)의 일반 인덱스와 평행하여 대체로 포커싱 동작이 없이 전달되도록 구성된다. 광은 광 파이프(574)에 입사되는 곳에서 확산기(564)와 편광 반사 필름(566)을 통해 지나간다. 광은 광 파이프에 의해 반사되어 관측자에게 전달되는 곳에서 디스플레이(536)의 후방 편광기에 다시 편광상태로 전달된다.
광원(572)에서 나오는 광선(577)은 편광기(536)에 의해 전달되는 곳에서 디스플레이를 향하는 방향으로 필름(566)을 통해서 광 파이프(574)에 의해 방향지게 된다.
이러한 방식으로, 스위칭 가능한 고 휘도 반사 모드 디스플레이가 구성된다. 유익하게, 반사동작 요소는 패턴형 반사층의 구조와 배열에 소요되는 비용을 절감하는 패턴형 층 보다 나은 연속성 층 이다.
시스템의 두께를 줄이기 위해서, 스위칭 가능한 편광 회전자(561)는 렌즈(138)와 반사체(566) 사이에 위치한다. 편광 회전자는 위상 변조 액정층과 같은 편광 회전자 스위치 이다.
디스플레이가 향상된 휘도 모드로 있는 도52의 구성에서는, 백라이트로부터의 광이 디스플레이의 입력 편광기에서 발휘된다. 도54에 도시된 바와 같이 이러한 모드를 위한 백라이트를 부가적으로 사용할 수 있다. 편광기(536)로부터 편광된 광은 스위칭 가능한 편광 회전자(561)에 입사된다. 편광 상태는 90도까지 회전되어, 복굴절 마이크로렌즈(138)의 특수 인덱스에 투사 된다. 다음, 광은 확산기(564)와 미러 요소(580)를 포함하는 반사체에 집속 된다. 다음, 광은 렌즈 어레이 쪽으로 다시 원뿔부에서 반사되고 여기서, 예를 들어 광선(571)을 따라서 패널(536,534,532)을 통해 디스플레이의 관찰지대를 향하는 방향으로 재-시준되어 방향진다.
백라이트 광원(572)에서 나오는 광선(582)은 확산 반사체(564,580)에서 반사되어, 렌즈 어레이(138)와 편광 회전자(561)를 통해 지나간다. 다음, 광은 일 선형 편광상태가 전달되는 편광기(536)에 입사 된다. 상술한 바와 같이 스위칭 가능한 편광 회전자(561)의 스위칭에 의해 대체로 비조정된 방향적 분포로 제2모드에서 동작한다. 모든 이전 실시예에서와 같이, 스위칭 가능한 편광 회전자(561)와 렌즈(138)는 전자적 스위칭 가능한 렌즈 또는 고정 촛점 길이 렌즈로 대체될 수 있다.
광섬유 스위칭 시스템
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 방향 디스플레이 장치는 도47에 도시 된 예와 같이 구성된 광섬유 스위칭 요소로서 사용된다. 광섬유(474)는 광방향 스위칭 장치에 투사되는 광(476)의 원뿔부를 출력한다. 이러한 예에서, 광방향 스위칭 장치는, 90도에서 전달축선을 가진 편광기(480)와 90도에서 광축선을 가진 반파면 스위치(478)에 의해 동반되며, 0도에서 복굴절 광축선을 가진 복굴절 마이크로렌즈(478)를 포함한다. 출력 광섬유(482)는 복굴절 마이크로렌즈(478)의 초점에 위치된다. 도47은, 편광기(480)의 출력부에서 나오는 광 원뿔부(484)가 출력 파이버(482)의 광학 수용 원뿔부로부터 멀어지게 발산되는, OFF구조를 나타낸 도면이다.
입력 파이버로부터의 조명은 복굴절 마이크로렌즈에 입사된 것이다. 비-편광 출력광은 2개 편광으로 분해된다. 일 편광상태는 출력 광섬유에 마이크로렌즈로 영상 투영 된다. 광은 정렬된 반파면에 투사되어 비회전되며, 그에 따라서 편광기에 의해 흡수된다. 따라서, 초점 광은 출력 광섬유에 도달하지 않는다.
도48은 ON상태에 디바이스의 구조를 나타낸 도면이다. 복굴절 렌즈(478)로부터 나오는 광의 편광상태는 90도까지 회전되며, 출력 파이버에 집속 되는 광 원뿔부(486)는 출력 편광기(480)를 통하고 출력 파이버의 수용 원뿔부에 전달된다.
직교 편광상태에서, 렌즈의 인덱스 정합은 무-포커싱이 있음과, 광은 대체로 광섬유 요소의 구경을 대체로 피하는 것을 의미한다.
파장판이 출력 편광상태를 회전하도록 스위칭 되면, 발산 광이 흡수되면서, 집속 되는 광이 광섬유의 출력구멍과 만나게 된다.
따라서, 시스템은 광섬유의 출력을 스위칭 할 수 있는 것이다. 그러한 시스 템은 종래 광섬유 스위치와 비교하여 성분의 수를 줄인 것이며, 양방향성인 것이다.
상술된 실시예는 단지 예로서 기술된 것이며, 본 발명은 다른 방향 분배 사이에 광을 스위칭하도록 임의적인 장치, 디바이스, 시스템 또는 배열 또는 그와 같은 것에서 실시될 수 있는 것임을 예측할 수 있을 것이다.
예를 들면, 본 발명에서 기술된 실시예는 일반적으로 출력 방향 분포가 대체로 입력 방향 분포와 동일한 제1 또는 제2모드로 참고된다. 이러한 사실은 예를 들어, 마이크로구조면을 형성하는데 사용되는 등방성 재료의 인덱스와 대체로 동일하게 있는 복굴절 재료의 일반 반사형 인덱스를 설정하여 이루어진다. 본 발명의 범위 내에서, 제1모드와 제2모드 양쪽이 입력 방향 분배가 수정되도록 구성 된다. 이러한 일은 예를 들어 마이크로 표면을 형성하는데 사용되는 등방성 재료 또는 만일 등방성 재료가 전혀 제공되지 않았으면 공기인, 인접 재료의 반사형 인덱스와는 다르게 되도록 복굴절 재료의 특수 및 일반 반사형 인덱스 모두를 설정하여 달성될 수 있다. 다음, 제1 및 제2출력 방향 분포는 서로 다르며, 입력방향 분포와 다른 것이다.
Claims (129)
- 방향 디스플레이 장치용 광 방향 스위칭 장치로서, 공간 광 변조기와의 직렬배열을 위해 하기의 요소:제1의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제1의 편광 모드와 제2의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제2의 편광 모드와의 사이에서 스위칭 할 수 있는 스위칭 가능한 편광기; 및,작동 중에 제1의 편광 성분의 빛을 제1의 방향 분배로 실질적으로 지향하고 제2의 편광 성분의 빛을 제1의 방향 분배와는 다른 제2의 방향 분배로 실질적으로 지향하는 복굴절 특성을 갖는 복굴절 마이크로렌즈의 어레이를 포함하고,상기 스위칭 가능한 편광기와 복굴절 마이크로렌즈의 어레이가 직렬로 위치되어, 공간 광 변조기와 직렬로 배열될 때, 스위칭 가능한 편광기가 제1의 편광 모드로 설정되는 경우, 광 지향 스위칭 가능한 편광기에 의한 광 출력은 실질적으로 제1의 편광 성분으로 구성되고 실질적으로 제1의 방향 분배로 지향되는 한편, 스위칭 가능한 편광기가 제2의 편광 모드로 설정되는 경우, 광 지향 스위칭 가능한 편광기에 의한 광 출력은 실질적으로 제2의 편광 성분으로 구성되고 실질적으로 제2의 방향 분배로 지향되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 방향 디스플레이 장치용 광 방향 스위칭 장치.
- 제1항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈의 어레이의 복굴절 특성은, 제1의 또는 제2의 편광 성분 중 하나에 대하여, 대응하는 제1의 또는 제2의 방향 분배가 입력 방향 분배와 실질적으로 동일한 광 효과를 복굴절 마이크로렌즈의 어레이가 실질적으로 가지지 않도록 정렬되어 있는 광 방향 스위칭 장치.
- 직렬로 위치된 스위칭 가능한 편광기 및 복굴절 마이크로렌즈의 어레이를 포함하는 광 방향 스위칭 장치로 공간 광 변조기로부터의 빛을 입력하는 단계; 및,스위칭 가능한 편광기가 제1의 편광 모드로 설정되는 경우, 제1의 방향 분배로, 스위칭 가능한 편광기가 제2의 편광 모드로 설정되는 경우, 제1의 방향 분배와 다른 제2의 방향 분배로, 빛이 광 방향 스위칭 장치에 의해 출력되도록, 제1의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제1의 편광 모드와 제2의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제2의 편광 모드 사이에서 스위칭 가능한 편광기를 스위칭하는 단계를 포함하는, 방향 디스플레이 장치 내에서 빛을 방향성 있게 스위칭하는 방법.
- 픽셀의 어레이를 포함하는 공간 광 변조기;픽셀의 어레이와 함께 배열된 복굴절 마이크로렌즈의 어레이;제1의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제1의 편광 모드와 제2의 편광 성분의 빛을 통과시키는 제2의 편광 모드와의 사이에서 스위칭 할 수 있는 스위칭 가능한 편광기;복굴절 마이크로렌즈가 작동 중에 제1의 편광 성분의 빛을 제1의 방향 분배로 실질적으로 지향하고 제2의 편광 성분의 빛을 제1의 방향 분배와는 다른 제2의 방향 분배로 실질적으로 지향하도록 복굴절 특성을 갖는 복굴절 마이크로렌즈를 포함하고,상기 픽셀의 어레이와, 복굴절 마이크로렌즈의 어레이와, 스위칭 가능한 편광기가 직렬로 위치되어, 작동할 때 공간 광 변조기로부터의 광 출력은 복굴절 마이크로렌즈에 의해 지향되고, 스위칭 가능한 편광기에 의해 선택적으로 통과되어 방향 디스플레이 장치로부터의 방향성 있게 변조된 출력 광을 제공하고, 방향성 있게 변조된 출력 광은, 스위칭 가능한 편광기가 제1의 편광 모드로 설정되는 경우, 제1의 방향 분배로 출력되고, 스위칭 가능한 편광기가 제2의 편광 모드로 설정되는 경우, 제1의 방향 분배와는 다른 제2의 방향 분배로 출력되는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항에 있어서, 반사형 또는 투과형 방향 디스플레이 장치를 제공하도록 픽셀 어레이가 픽셀 평면에 실질적으로 반사기를 포함하고,디스플레이 장치는, 하나 이상의 외부 광원이 복굴절 마이크로렌즈의 어레이에 의해 집속되어 하나의 방향 분배에 대하여 픽셀 평면 반사기에서 영상을 실질적으로 형성하도록 배열되며, 외부 광원의 복굴절 마이크로렌즈에 의해 실질적으로 어떠한 영상화도 발생하지 않고 픽셀의 투과부의 복굴절 마이크로렌즈에 의해 실질적으로 어떠한 영상화도 실질적으로 발생하지 않는 표준 휘도 모드; 및외부 광원이 픽셀의 반사부에 영상화되거나 픽셀의 투과부가 수정된 방향 분배로 영상화되는 향상된 휘도 모드를 제공하도록 추가적으로 배열되는, 방향 디스플레이 장치.
- 제4항에 있어서, 입력광이 스위칭 가능한 편광기보다 복굴절 마이크로렌즈의 어레이를 먼저 통과하도록 배열된 방향 디스플레이 장치.
- 제4항에 있어서, 입력광이 복굴절 마이크로렌즈의 어레이보다 스위칭 가능한 편광기를 먼저 통과하도록 배열된 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈의 복굴절 특성은, 제1의 또는 제2의 편광 성분 중 하나에 대하여, 대응하는 제1의 또는 제2의 방향 분배가 입력 방향 분배와 실질적으로 동일한 광 효과를 복굴절 마이크로렌즈가 실질적으로 가지지 않도록 정렬되어 있는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 스위칭 가능한 편광기는 제1의 및 제2의 편광 모드 사이에서 전기적으로 스위칭할 수 있고, 전기적으로 스위칭 가능한 편광기는 고정된 선형 편광기와 스위칭 가능한 파장판 또는 스위칭 가능한 편광 회전자를 포함하는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로렌즈가 원통형이어서 복 굴절 마이크로렌즈의 어레이가 물결무늬 스크린인 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈의 어레이가 렌즈 기판, 평면 기판, 및 상기 렌즈 기판과 평면 기판 사이에 샌드위치된 복굴절 물질을 포함하며; 렌즈 기판의 물질의 확산 또는 굴절 인덱스, 또는 확산 및 굴절 인덱스 모두가 각각 복굴절 물질의 적어도 하나의 확산 또는 굴절 인덱스, 또는 확산 및 굴절 인덱스 모두와 실질적으로 동일한 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈가 정렬 수단에 의해 정렬된 복굴절 물질을 포함하는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈의 복굴절 물질이 액정을 포함하는 방향 디스플레이 장치.
- 제13항에 있어서, 복굴절 마이크로렌즈에 포함되는 액정이 경화된 망상 고분자(polymer network)를 포함하는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,제1의 방향 분배가, 제1의 편광 모드에서 광 출력에 대한 광 효과를 가지는 복굴절 마이크로렌즈 때문에, 관찰 평면에 다수의 관찰 윈도우를 형성하는 출력광에, 하나의 관찰 윈도우에 존재하는 제1의 픽셀군으로부터의 빛과 또 다른 관찰 윈도우에 존재하는 제2의 픽셀군(제2의 픽셀군은 나머지 픽셀들을 포함)으로부터의 빛을 제공하여, 상이한 영상이 제1의 픽셀군과 제2의 다수의 픽셀을 각각 사용하여 상이한 영상을 형성함으로써 상이한 관찰 윈도우에 제공하고;제2의 방향 분배가, 제2의 편광 모드에서 광 출력에 대한 광 효과를 가지지 않는 복굴절 마이크로렌즈 때문에, 어떠한 별도의 관찰 윈도우도 제공하지 않도록; 배열되는 방향 디스플레이 장치.
- 제15항에 있어서, 관찰 평면에 있는 관찰 윈도우는 상이한 영상이 관찰자의 상이한 눈에 제공되도록 배열되어, 제1의 편광 모드에서 자동 입체 3D 영상을 제공하고, 이에 의해 2D 모드와 자동 입체 3D 모드 사이에서 스위칭 할 수 있는 장치를 제공하는 방향 디스플레이 장치.
- 제15항에 있어서, 관찰 평면에 있는 관찰 윈도우는 제1 편광 모드에서 상이한 영상이 상이한 관찰자에게 제공되도록 배열되고; 이에 의해 상이한 영상을 상이한 사용자에게 보여주는 모드와 동일한 영상을 상이한 사용자에게 보여주는 모드 사이에서 스위칭 가능한 장치를 제공하는 방향 디스플레이 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복굴절 렌즈가 렌즈 기판, 평면 기판, 및 상기 렌즈 기판과 평면 기판 사이에 샌드위치된 액정층을 포함하며; 상기 액정층은 렌즈 기판에 있는 액정의 정렬과 평면 기판에 있는 액정의 정렬과의 사이에 있는 상대적인 꼬임과 정렬된 방향 디스플레이 장치.
- 제18항에 있어서, 상대적인 꼬임은 공간 광 변조기의 출력 편광을 평면 기판에 있는 액정의 정렬과 정렬시키기 위한 것인 방향 디스플레이 장치.
- 제18항에 있어서, 렌즈 기판에 있는 액정이 원통형 마이크로렌즈의 기하 마이크로렌즈 축과 실질적으로 평행하게 정렬되는 방향 디스플레이 장치.
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