KR102011876B1

KR102011876B1 - 공간-광학 및 시간 공간-광학 지향성 광 변조기

Info

Publication number: KR102011876B1
Application number: KR1020147016783A
Authority: KR
Inventors: 허쎄인 에스 엘-고루리; 자히르 와이 알파슬란; 징보 카이; 마티 마이어스; 필립 워너; 데일 에이 맥닐
Original assignee: 오스텐도 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2019-10-21
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: KR20140098803A; TWI611214B; JP2015501951A; TW201341851A; EP2788813A1; WO2013086046A1; IN2014CN04026A; JP6095686B2; CN104081257A; HK1202640A1; CN104081257B

Abstract

공간-광학 지향성 광 변조기 및 시간 공간-광학 지향성 광 변조기가 소개된다. 이들 지향성 광 변조기는 3D 디스플레이, 초 고해상도 2D 디스플레이 또는 확장된 뷰잉 각도를 가진 2D/3D 스위칭 가능 디스플레이를 생성하는데 이용될 수 있다. 이러한 새로운 광 변조기의 실시 예의 시간 공간-광학 측면은 넓은 뷰잉 각도내에서 방출되는 광의 세기, 컬러 및 방향을 변조할 수 있게 한다. 이러한 지향성 광 변조기의 고속 변조 및 넓은 각도 커버리지 기능은 달성 가능한 뷰잉 각도 및 지향성 해상도를 증가시켜, 그 디스플레이에 의해 생성된 3D 화상이 보다 실감나게 하거나, 대안적으로 그 디스플레이에 의해 생성된 2D 화상이 초 고해상도를 갖게 한다. 대안적인 실시 예가 개시된다.

Description

공간-광학 및 시간 공간-광학 지향성 광 변조기{SPATIO-OPTICAL AND TEMPORAL SPATIO-OPTICAL DIRECTIONAL LIGHT MODULATORS}

본 출원은 2011년 12월 6일자 출원된 미국 가출원번호 61/567,520호 및 2012년 3월 27일자 출원된 미국 가출원번호 61/616,249호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 지향성 광 변조(directional light modulation), 3D 디스플레이, 방사(emissive) 마이크로 디스플레이, 2D/3D 스위칭 가능 디스플레이 및 2D/3D 무안경 스위칭 가능 디스플레이 분야에 관한 것이다.

3D 디스플레이에 있어서, 방출 광(emitted light)의 지향성 변조(directional modulation)는 3D 관람 인식(viewing perception)을 생성하는데 필요하다. 전형적인 3D 디스플레이에서는, 공간 광 변조기에서의 공간 다중화 및 시간 다중화의 일부 조합을 이용하여 서로 다른 방향으로부터 동일한 장면의 화상을 디스플레이하기 위해 다수의 조명 방향으로 균일하게 조명하는 배면광이 요구된다. 이들 3D 디스플레이에 있어서, 전형적으로 지향성 배면광으로부터 오는 광은, 통상적으로, 그의 지향성을 유지하면서 광 컬러 및 세기를 변조하는 공간 광 변조기 화소에 도달하기 전에, 지향성 선택 필터(예를 들어, 회절판(diffractive plate) 또는 홀로그램 광학판(holographic optical plate))에 의해 처리된다.

일부 스위칭 가능 2D/3D 디스플레이에서는, 서로 다른 디스플레이 모드로 디스플레이를 동작시키기 위해서 지향성 배면광이 필요하다. 2D 디스플레이 모드에서는, 공간 광 변조기(예를 들어, LCD(Liquid Crystal Display))로 단일 화상을 디스플레이하기 위해 큰 각도 커버리지를 가지며 균일하게 조명하는 배면광이 요구된다. 3D 디스플레이 모드에서는, 공간 광 변조기에서의 공간 다중화 및 시간 다중화의 일부 조합을 이용하여 서로 다른 방향으로부터 동일한 장면의 화상을 디스플레이하기 위해 다수의 조명 방향으로 균일하게 조명하는 배면광이 요구된다.

2D 및 3D 모드에서는, 지향성 배면광으로부터 오는 광이, 통상적으로, 그의 지향성을 유지하면서 광 빔을 균일하게 확장시키기 위해, 공간 광 변조기 화소에 도달하기 전에, 지향성 선택 필터(예를 들어, 회절판(diffractive plate) 또는 홀로그램 광학판(holographic optical plate))에 의해 처리된다.

현재, 이용 가능한 지향성 광 변조기는 다수의 광원을 구비하는 조명 유닛과, 광원으로부터 방출된 광을 지정된 방향으로 지향시키는 지향성 변조 유닛의 조합이다(도 1, 2 및 3 참조). 종래 기술의 여러 변형을 나타낸 도 1, 2 및 3에 도시된 바와 같이, 조명 유닛은, 통상적으로, 스캐닝 미러 또는 회전 장벽과 같은 전자-기계적 이동 디바이스(미국특허번호 제6,151,167호, 제6,433,907호, 제6,795,221호, 제6,803,561호, 제6,924,476호, 제6,937,221호, 제7,061,450호, 제7,071,594호, 제7,190,329호, 제7,193,758호, 제7,209,271호, 제7,232,071호, 제7,482,730호, 제7,486,255호, 제7,580,007호, 제7,724,210호 및 제7,791,810호와, 미국특허출원공개번호 제2010/0026960호 및 제2010/0245957호 참조) 또는 액정 렌즈 또는 편광 스위칭과 같은 전자-광학 디바이스(도 1, 2 및 3과, 미국특허번호 제5,986,811호, 제6,999,238호, 제7,106,519호, 제7,215,475호, 제7,369,321호, 제7,619,807호 및 제7,952,809호 참조)와 조합된다.

전자-기계적 및 전자-광학적 변조형 지향성 광 변조기에는 3가지 주요 단점이 있다.

1. 응답시간: 기계적 이동 또는 광학 표면 변경이 전형적으로 동시에 달성되지 않으며, 변조기 응답 시간에 영향을 준다. 또한, 이들 동작의 속도가 달성 가능 디스플레이 밝기를 줄이는 화상 프레임 시간중의 일부를 빼앗는다.

2. 용적 측면: 이들 방법은 작업을 위한 광원과 지향성 변조 디바이스간의 거리를 필요로 함으로써, 디스플레이의 전체 용적을 증가시킨다.

3. 광 손실: 이동 미러상으로의 광(light)의 결합(coupling)은 광 손실을 생성하며, 그에 따라 디스플레이 시스템 파워 효율을 열화시키고, 용적을 더욱 추가시키는 대용량 냉각 방식들을 합체시킴으로써 제거되어야 하는 열과 증가된 파워 소모를 생성한다.

속도가 느려지고, 대용량으로 되고, 광학적 손실이 발생하는 것에 추가하여 종래 기술의 지향성 배면광 유닛은 3D 디스플레이 목적을 위해 지향성 선택 필터와 조합되기 위해 좁은 스펙트럼 대역폭, 높은 시준 및 개별적 제어력을 가질 것을 필요로 한다. 좁은 스펙트럼 대역폭 및 높은 시준을 달성하는 것은 디바이스 레벨 혁신 및 광학 광 조절을 요구함으로써, 전체 디스플레이 시스템의 원가 및 용적 측면을 증가시킨다. 개별적 제어력을 달성하는 것은 추가적인 회로 및 다수의 광원을 요구함으로써, 시스템 복잡성, 용량 및 원가를 증가시킨다.

그러므로, 종래 기술의 단점을 극복하여, 실질적인 용적 및 관람 경험을 제공하는 3D 디스플레이를 생성할 수 있는 공간-시간 광 변조기를 도입하는데 본 발명의 목적이 있다. 또한, 종래 기술의 제한을 극복하여, 넓은 관람 각도에 걸쳐 용적 장점 및 관람 경험을 제공하는 3D 및 고 해상도 2D 디스플레이를 생성할 수 있는, 연장된 각도 커버리지 시간 공간-광학 광 변조기(extended angular coverage temporal spatio-optical light modulator)를 도입하는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 추가적인 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명은 예시적으로 설명되며 제한을 위한 것은 아니며, 첨부 도면에 있어서, 유사한 참조 번호는 유사한 소자를 나타낸다.
도 1은 유체 렌즈를 이용하는 종래 기술의 지향성 광 변조기를 나타낸 도면,
도 2는 스캐닝 미러(scanning mirror)를 이용하는 종래 기술의 지향성 광 변조기를 나타낸 도면,
도 3은 종래 기술의 지향성 변조형 3D 광 변조기(directionally modulated 3D light modulator)를 나타낸 도면,
도 4는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간-광학 지향성 광 변조 측면을 도시한 도면,
도 5는 공간-광학 지향성 광 변조기의 지향성 광 변조 원리의 등각도(isometric view),
도 6은 공간-광학 지향성 광 변조기의 예시적인 시준 웨이퍼 레벨 광학 기기 고안(collimating wafer level optics design)을 나타낸 도면,
도 7은 도 6에 도시된 웨이퍼 레벨 광학 기기 고안을 이용하는 공간-광학 지향성 광 변조기의 예시적 고안을 나타낸 도면,
도 8은 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 변조 화소 그룹들 중 하나내의 지향성 어드레스 지정(directional addressability)의 예시적인 실시 예를 나타낸 도면,
도 9는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 변조 화소 그룹들 중 하나내의 지향성 변조의 예시적인 실시 예를 나타낸 도면,
도 10은 공간-광학 지향성 광 변조기의 데이터 처리 블럭도를 설명하는 블럭도,
도 11은 다수의 공간-광학 지향성 광 변조기를 타일링(tiling)함에 의해 구현된 3D/2D 스위칭 가능 디스플레이의 예시적인 실시 예의 등각도,
도 12는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 원리 측면의 등각도,
도 13a는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 시간적 굴절 측면(temporal articulation aspects)에 의해 이루어질 수 있는 각도 방출 확장을 나타낸 도면,
도 13b는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 각도 시간적 굴절을 나타낸 도면,
도 14는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 확장된 각도 커버리지 단면을 나타낸 도면,
도 15는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 일 실시 예의 등각도, 측면도 및 상면도,
도 16은 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 다른 실시 예의 등각도, 측면도 및 상면도이다.

이하의 상세한 설명에 있어서, "일 실시 예" 또는 "실시 예"에 대한 언급은 그 실시 예와 연관되어 설명된 특정의 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시 예에 포함됨을 의미한다. 상세한 설명의 여러 곳에 있는 "일 실시 예에 있어서"란 표현은 동일한 실시 예를 항상 지칭하는 것은 아니다.

새로운 클래스의 방출 마이크로-스케일 화소 어레이 디바이스가 최근에 도입되었다. 이들 디바이스들은 모든 구동 회로를 포함하는 초소형 단일 디바이스 크기에 있어서 높은 밝기, 초고속 광 멀티-컬러 세기 및 공간 변조 기능을 특징으로 한다. 하나의 그러한 디바이스인 고체 상태 발광 화소들은, 방출 마이크로-스케일 화소 어레이가 그 위에 접착되는 CMOS 칩(또는 디바이스)내에 포함된 구동 회로에 의해 온-오프 상태가 제어되는 LED(Light Emitting Diode) 또는 LD(Laser Diode)일 수 있다. 그러한 디바이스들의 방출 어레이를 구비하는 화소들의 크기는 전형적으로 5-20 미크론 범위내이고, 그 디바이스의 전형적인 방출 표면적은 대략 15-150 평방 밀리미터 범위내이다. 방출 마이크로-스케일 화소 어레이 디바이스내의 화소들은 전형적으로 그의 CMOS 칩의 구동 회로를 통해 공간적, 채색적(chromatically) 및 시간적으로 각각 어드레스 가능하다. 그러한 디바이스들 중 하나의 예로는, 이하에서 설명할 예시적인 실시 예에서 언급된 QPI 디바이스(미국특허번호 제7,623,560호, 제7,767,479호, 제7,829,902호, 제8,049,231호 및 제8,098,265호와, 미국특허출원공개번호 제2010/0066921호 및 제2012/0033113호 참조)가 있다. 그러한 디바이스의 다른 예로는, OLED 기반 마이크로-디스플레이가 있다. 그러나, QPI 디바이스는 단지 본 발명의 실시 예에서 이용될 수 있는 디바이스 유형의 예시임을 알아야 한다. 따라서, 이하의 설명에 있어서, QPI 디바이스에 대한 언급은 개시된 실시 예에서의 특정 목적을 위한 것일 뿐 본 발명의 임의 제한을 위한 것은 아님을 알아야 한다.

본 발명은 수동 웨이퍼 레벨 광학 기기(Wafer Level Optics: WLO) 단독으로 또는 전체 어셈블리의 굴절 움직임(articulated movement)과 함께 QPI 디바이스의 방출 마이크로 화소 어레이 기능들을 조합하여 동시에 종래 기술의 지향성 광원과 회절판의 기능들을 실행할 수 있는 광 변조기를 생성한다. 본 명세서에서 이용된 웨이퍼 레벨 또는 웨이퍼는 적어도 2인치, 보다 바람직하기로는 4인치 이상의 직경을 가진 디바이스 또는 디바이스의 매트릭스를 의미한다. WLO는 UV(Ultra Violet) 임프린트 리소그래피(imprint lithography)를 이용하여 폴리머로부터 웨이퍼상에 모놀리식으로 제조된다. WLO의 주요 장점 중에는, 소형 피처 MLA(samll feature Micro Lens Arrays)를 제조하고, 다수의 WLO 마이크로 렌즈 어레이층들을 서로 정밀하게 정렬하고 CMOS 센서 또는 QPI 디바이스와 같은 광전자 디바이스와 함께 정밀하게 정렬할 수 있는 기능이 있다. 전형적인 WLO 제조 기법에 의해 달성될 수 있는 정렬 정밀도는 1 미크론 미만일 수 있다. QPI 디바이스의 방출 마이크로 에미터 화소 어레이와, QPI 디바이스의 마이크로 에미터 어레이에 대해 정밀하게 정렬될 수 있는 WLO 마이크로 렌즈 어레이(MLA)의 개별적인 화소 어드레스 지정의 조합은 광원에서의 좁은 스펙트럼 대역폭에 대한 요건을 완화시키면서 그 시스템내에 지향성 선택 필터를 갖는 것에 대한 종래 기술에서 경험한 필요성을 제거함으로써, 시스템 용적, 복잡성 및 원가를 동시에 줄인다. 본 발명의 특정 실시 예에 있어서, 방출 광의 지향성 변조는 WLO에 의해 달성되는 광 발산(light divergence)에 의해 달성되며, 다른 실시 예에서는 전체 어셈블리의 굴절 움직임 및 WLO에 의해 달성되는 광 발산의 조합에 의해 달성된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 2차원 마이크로 렌즈 어레이 MLA(220)를 구비하는 마이크로 렌즈 소자(400)들의 각각과 관련된, 개별적으로 어드레스 가능한 QPI 디바이스 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)의 그룹이 존재하며, 그에 의해 이러한 화소 그룹내의 각 화소로부터 방출된 광은 그들의 관련 마이크로 렌즈 소자의 개구수(numerical aperture)(각도 크기)내의 고유 방향들(d₁, d₂, ..., d_n) 중 하나로 굴절된다. QPI 디바이스(210)의 전체 마이크로-화소 어레이는 본 명세서에서 화소 변조 그룹이라고 지칭하는 다수의 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)을 포함하며, 그에 의해, 각 변조 그룹(G_i)은 2차원 어레이 MLA(220) 렌즈 소자들 중 하나와 연관되며, 전체적으로 화소 변조 그룹(G₁, G₂, ..., G_N)은 본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 변조 어레이를 나타낸다. 각 화소 그룹내의 개별 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)과 방출되는 광 방향(d₁, d₂, ..., d_n)의 일대일 연관성 및 도 12에 도시된 시간적 굴절에 의해, 도 12에 개념적으로 도시된 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 그의 화소 그룹(G_i)의 각각을 다수의 시간 다중화된 방향들(d_1i, d_2i, ..., d_ni)(i = 1,2,...)과 연계시키는 것이 가능하게 되며, 여기에서, 시간 다중화된 방향들의 각각은 각 화소 그룹(G₁, G₂, ..., G_N)내의 개별적인 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)의 시간적 어드레싱에 의해 개별적으로 어드레스 가능하다. 도 12의 2차원 어레이 MLA(220)와 연관된 다수의 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)은 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 변조 어레이를 나타내며, 시간 다중화된 방향들(d_1i, d_2i, ..., d_ni)(i = 1,2,...)은 각각 화소 변조 그룹을 구비하는 QPI 디바이스(210)의 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)의 시간적 어드레스 지정을 통해 개별적으로 어드레스할 수 있는 다수의 광 변조 방향들을 나타낸다. 다시 말해, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)의 어드레스 지정을 통해 광을 공간적으로 변조할 수 있고, 각 그룹을 구비하는 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)의 시간 어드레스 지정을 통해 그 방향(d_1i, d_2i, ..., d_ni)(i = 1,2,...)으로 각 화소 그룹으로부터 방출된 광을 지향성 변조할 수 있다. 그러므로, 도 12에 도시된 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 공간적 및 지향성 변조될 수 있는 광을 생성할 수 있으며, 그에 의해 QPI 디바이스 화소 그룹의 방출 영역과 동일한 각 공간 위치들로부터 방출된 광은 각 화소 그룹내의 개별 화소의 시간 어드레스 지정을 통해 지향성으로 어드레스 할 수 있으며 화소 그룹의 어드레스 지정을 통해 개별적으로 어드레스 할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 공간 및 지향성 변조 원리가 도시된다. 도 5는 다수의 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)을 구비하는 2차원 어레이가 도시되며, 그러한 화소 그룹의 각각은 웨이퍼 레벨 마이크로 렌즈 어레이(MLA)의 하나의 마이크로 렌즈와 연관된다. 각 화소 그룹내의 개별 화소들(p₁, p₂, ..., p_n)과 방출되는 광 방향(d₁, d₂, ..., d_n)의 일대일 연관성에 의해, 도 5에 도시된 발광 디바이스가 공간적 및 지향성으로 변조될 수 있는 광을 생성할 수 있게 된다. 따라서, 그 광은 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)의 방출 영역내의 각각의 공간 위치로부터 방출될 수 있으며, 그 화소 그룹의 어드레스 지정을 통해 개별적으로 어드레스할 수 있고, 각 화소 그룹내의 개별 화소의 어드레스 지정을 통해 지향성 어드레스 가능하다. QPI 디바이스의 개별 화소들은, MLA내의 각 렌즈가 다수의 방향으로 동시에 광을 방출하도록 변조될 수 있다. 개별 화소 제어 때문에, 광 진폭, 광 방출의 시 기간, 특정 광 방향 및 각 마이크로 렌즈로부터 방출된 광 방향들의 전체 개수가 QPI 디바이스 화소의 개별적 어드레스 지정을 통해 개별적으로 조정될 수 있다.

당업자라면, 렌즈에 의한 지향성 변조가 렌즈 유형(즉, 렌티큘러 렌즈 어레이(lenticular lens array) 또는 2축 렌즈 어레이)의 선택에 따라 단일 축 또는 2 축상에서 실행될 수 있음을 알 것이다. 그러나, 화소로 이루어진 광원과 렌즈 어레이의 정밀 정렬 및 소형 화소 크기(대략 수 미크론 또는 10미크론 이하)의 달성은 고화질 3D 디스플레이를 생성하는데 필요한 지향성 광 변조 기능을 생성할 수 있는 지향성 광 변조기의 실현을 못하게 하였다. 본 발명에서는, QPI 디바이스의 방출 마이크로 화소 어레이를 레버리징(leveraging)함으로써, 웨이퍼 레벨 광학 기구에 의해 이루어질 수 있는 1 미크론 미만일 수 있는 렌즈 어레이의 높은 정밀 정렬과 10 미크론 미만의 화소 피치를 이룰 수 있는 높은 화소 해상도가 달성된다. 이에 따라, 공간-광학 광 변조기는 고화질 3D 디스플레이를 실현하기에 충분한 공간 및 지향성 변조 해상도를 달성할 수 있게 된다.

도 6 및 도 7에는 본 발명의 예시적인 실시 예가 도시된다. 이러한 예시적인 실시 예의 도 6을 참조하면, 화소 그룹(G_i)내의 각 개별 화소로부터 방출된 광은 QPI 디바이스 방출 표면에서부터 3개의 광학 소자(610,620,630)를 구비한 마이크로 렌즈의 배출구(exit aperture)로 진행한다. 화소 그룹(G_i)내의 각 개별 화소로부터 방출된 광은 시준되고 증폭되어 WLO 마이크로 렌즈 어레이(220)의 배출구를 채우고 Θ =±15°각도 발산내에서 특정 방향으로 횡단한다. 필수적으로, WLO 마이크로 렌즈 어레이(220)는 QPI 디바이스를 구비하는 2차원 화소 그룹(G_i)의 개별적 화소로부터 방출된 광을 WLO 마이크로 렌즈 어레이(220)의 Θ =±15°각도 발산에 의해 정의된 3차원 용적내의 개별적 방향들로 매핑한다.

예시적인 실시 예를 나타내는 도 6 및 도 7을 참조하면, 서로간에 정밀하게 정렬되고 QPI 디바이스 화소 그룹들(G₁, G₂, ..., G_N)의 관련 어레이들과 관련하여 정밀하게 정렬되는 마이크로 렌즈 어레이 층(710,720 및 730)을 형성하기 위해 다수의 광학 소자(610,620 및 630)가 제조된다. 도 7에 도시된 예시적인 실시 예는 QPI 디바이스(210)와, 그와 관련된 QPI 디바이스 커버 글래스(760)를 포함한다. 광학 소자(610,620 및 630)의 고안은 QPI 디바이스 커버 글래스(760)의 방출 표면을 촬영하기 위해 QPI 디바이스 커버 글래스(760)의 두께 및 광학적 특성을 고려한다. 도 7의 예시적인 실시 예는 공간-광학 지향성 광 변조기의 전체 어셈블리를 나타낸다. 도 7에 도시된 본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기의 이러한 예시적인 실시 예의 전형적인 전체 두께는 5밀리미터 미만이다. 지향성 광 변조기의 그러한 소형화는 종래 기술의 지향성 광 변조 기술에 의해서는 아마도 달성할 수 없을 것이다.

도 8 및 도 9는 공간-광학 지향성 광 변조기의 동작 원리를 도시한다. 도 8에는 QPI 디바이스의 방출 화소의 2차원 어레이(n×n)로 구성된 변조 그룹들(G_i) 중 하나로서, 편의상 그에 의해 하나의 축을 따르는 화소 그룹(G_i)의 크기가 n = 2^m인 것으로 선택되는, 예시적인 실시 예가 도시된다. 도 8을 참조하면, 화소 그룹(G_i)에 의해 달성될 수 있는 지향성 변조 어드레스 지정은 m 비트 워드를 이용하여, 2개의 축 x 및 y의 각각을 따라 변조 그룹(G_i)을 구비하는 화소들의 어드레스를 지정함으로써 달성된다. 도 9에는, 예시적인 실시 예(600)에서와 같이, 관련 WLO 마이크로 렌즈의 각도 발산 ±Θ에 의해 정의된 3차원 용적내의 개별적인 방향으로의, QPI 디바이스 화소 그룹(G_i)을 구비하는 (n×n) 화소로부터 방출된 광의 맵핑이 도시된다. 예시로서, QPI 디바이스의 개별적 화소들의 치수가 (5×5) 미크론이고, QPI 디바이스 화소 그룹이 (n×n) = (2⁸×2⁸) = (256×256) 화소 어레이로 구성되고, 관련 WLO 마이크로 렌즈의 각도 발산이 Θ = ±15°인 경우, QPI 디바이스 방출 표면에서의 (1.28×1.28) 밀리미터 크기의 QPI 디바이스 2차원 변조 화소 그룹(G_i)의 각각으로부터, Θ = ±15°의 각도 발산에 걸쳐서 (256)² = 65,536의 개별적 어드레스 가능 지향성 광 빔이 생성될 수 있게 되며, 그에 따라, 65,536 방향들의 각 방향으로 생성된 광은 전형적으로 각 화소 컬러 성분의 비교적 높은 주파수 펄스 폭 변조에 의해 컬러 및 세기에 있어서 변조될 수 있게 되는데, 이는 필요에 따라 비례 제어와 같은 다른 제어 기술을 이용할지라도 그러하다.

QPI 디바이스 기반 공간-광학 지향성 광 변조기에 대한 임의의 원하는 공간 및 지향성 변조 기능은 이전의 고안 예에서 설명한 것과 같은 지향성 변조 그룹(G_i)의 (N×M) 어레이를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, (256)² = 65,536 지향성 변조 해상도를 제공하는 N=320×M=240의 공간 변조 해상도를 가진 공간-광학 지향성 광 변조기를 생성할 필요가 있으면, 공간-광학 지향성 광 변조기는 (320×320) 지향성 변조 그룹들의 어레이를 포함할 것이며, (5×5) 미크론 화소 크기를 가진 QPI 디바이스가 이용된 경우, 공간-광학 지향성 광 변조기의 전체 크기는 대략 41×32cm일 것이다. 그러한 공간-광학 지향성 광 변조기로부터 방출된 광은 (320×240)의 해상도로 공간적으로 변조될 수 있으며, 그의 WLO 마이크로 렌즈 어레이와 연관된 각도 발산 ±Θ내에서 65,536의 해상도로 지향성 변조되며(예를 들어, 예시적인 실시 예(600)의 경우 Θ = ±15°), 각 방향으로 컬러 및 세기가 변조될 수 있다.

웨이퍼 레벨 마이크로 렌즈 어레이의 각도 발산 ±Θ내의 개별적 어드레스 가능 방향들의 개수의 견지에서의 광 변조기의 지향성 변조의 해상도는 방출 마이크로 에미터 어레이 QPI 디바이스의 화소 피치(pixel pitch)를 선택하거나 웨이퍼 레벨 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 피치를 선택하거나, 또는 그 둘의 조합을 선택함에 의해 결정될 수 있다. 당업자라면, 도 6에 도시된 바와 같은 렌즈 시스템이 보다 넓거나 보다 좁은 각도 발산 ±Θ을 허용하도록 고안될 수 있음을 알 것이다. 또한, 당업자라면, 각 변조 그룹(G_i)내의 소수 또는 상당수의 화소가 임의의 원하는 지향성 변조 해상도를 생성하는데 이용될 수 있음을 알 것이다.

이용된 QPI 디바이스의 전체 화소 해상도에 의거하여, 다수의 QPI 디바이스를 구비하는 타일형 어레이(tiled array)를 이용함으로써, 그러한 공간-광학 지향성 광 변조기가 구현될 수 있다. 예를 들어, (1024×1024) 화소 해상도를 가진 QPI 디바이스가 이용될 경우, 각각의 그러한 QPI 디바이스는 (2×2) 변조 그룹(G_i)의 어레이를 구현하는데 이용될 수 있으며, (6×6) 공간 광 변조 해상도 및 65,536 지향성 광 변조 해상도를 가진 공간-광학 지향성 광 변조기는 도 11에 도시된 바와 같이 그러한 QPI 디바이스의 타일형 어레이 (3×3)를 이용하여 구현될 수 있다.

공간-광학 지향성 광 변조기를 구현하기 위한 QPI 디바이스의 어레이의 타일링은 방출 QPI 디바이스 및 관련 WLO에 의해 달성될 수 있는 소형화 때문에 가능하게 된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 것과 같은 구현에 의해, 이전 예시의 (2×2) 변조 그룹 공간-광학 지향성 광 변조기를 실현하기 위해, 각각 도 7에 도시된 바와 같이 5.12×5.12×5밀리미터의 폭, 높이 및 두께를 가진 QPI 디바이스/WLO 어셈블리를 제조할 수 있다. 전기적 인터페이스가 방출 표면의 반대 측면에 배치된 MBGA(Micro Ball Grid Array)로 되어 있는 QPI 디바이스/WLO 어셈블리를 구현할 수 있을 것이며, 그에 따라 QPI 디바이스/WLO 어셈블리의 전체 최상부 표면이 그 디바이스의 방출 표면으로 될 수 있게 되며, 임의의 원하는 크기의 공간-광학 지향성 광 변조기를 구현하도록 다수의 그러한 QPI 디바이스/WLO 어셈블리를 무결성으로 타일링할 수 있게 된다. 도 11에는 공간-광학 지향성 광 변조기의 임의 크기를 구현하기 위한 다수의 QPI 디바이스/WLO 어셈블리의 타일링이 도시된다.

도 8 및 도 9를 참조하여 공간-광학 지향성 광 변조기의 동작 원리가 설명될 것이다. 도 8에는 지향성 변조를 위해 m-비트 해상도를 이용하는 각 변조 그룹(G_i)의 2차원 어드레스 지정이 도시된다. 상술한 바와 같이, 변조 그룹(G_i)의 n×n 어레이내의 (2^m×2^m) 개별 화소들로부터 방출된 광은 그의 관련 WLO 소자에 의해 관련 WLO 마이크로 렌즈의 각도 발산 ±Θ내의 2^2m 광 방향들로 매핑된다. 각 변조 그룹(G_i)내의 개별 화소들의 (x,y) 차원 좌표를 이용하면, 방출 광 빔의 각도 좌표

는 아래와 같이 주어진다.

(수학식 1)

(수학식 2)

여기에서, 각도

는 θ=0에서의 원선(polar axis)이 변조 그룹(G_i)의 방출 표면의 z축에 평행한 구면 좌표이고, m=log₂n은 변조 그룹(G_i)의 x 및 y 화소 해상도를 나타내는데 이용된 비트의 수이다.

공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 해상도는 단순히 전체 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비하는 변조 그룹들의 2차원 어레이내의 개별적 변조 그룹(G_i)의 각각의 좌표에 의해 정의된다. 물론, 한 그룹의 화소들과 인접 그룹에 대한 마이크로 렌즈간에 약간의 크로스토크(cross talk)가 있다. 그러나, 그 크로스토크는 이하의 고안 측면에 의해 상당히 감소된다. 먼저, QPI 디바이스의 본질적으로 시준된 광 방출 때문에, QPI 디바이스 화소로부터 방출된 광은, QPI 디바이스 화소가 발광 다이오드인 경우에, 전형적으로 ±17°콘(cone)에 감금되고, QPI 디바이스가 레이저 다이오드인 경우에 ±5°콘에 감금된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 QPI 디바이스의 커버 글래스(660)에 근접하게 웨이퍼 레벨 광학 기기(WLO) 시준 렌즈 소자를 배치하면, 각 변조 그룹 에지 화소로부터 방출된 광의 대부분이 그의 관련 WLO 렌즈 소자(600)에 감금될 것이다. 두 번째, 추가 조치로서, 각 화소 그룹의 소수(약간)의 에지 화소들이 턴 오프되어, WLO 마이크로 렌즈 어레이의 인접 렌즈들간에 광의 누설(크로스토크)이 추가로 회피된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제 1 마이크로 렌즈 소자의 근접 배치 및 그의 화소 발광 다이오드를 가진 QPI 디바이스의 ±17° 감금된 방출을 고려할 때, 시뮬레이션은, 단지 5 화소만을 구비하는 변조 그룹의 외부 에지를 둘러싼 다크 링(dark ring)이 크로스토크를 1% 미만으로 줄임을 보여준다. QPI 디바이스 화소가 레이저 다이오드인 경우, 요구되는 턴 오프 화소들의 개수가 훨씬 줄어들 것이며, 심지어 전혀 필요치 않을 수 있는데, 그 이유는 이 경우에 QPI 디바이스 화소 광 방출이 훨씬 더 좁아진 ±5°콘에 감금되기 때문이다. 최종적으로, 그 어레이에 있어서 QPI 디바이스내의 활성 화소들 사이에 약간(소수)의 불활성, 블랭크(blank) 또는 데드(dead) 화소가 위치할 수 있다. 물론, 광 변조기의 고안을 복잡하게 하고 초과하는 광 손실을 일으키더라도 필요에 따라 배플(baffle)들 및/또는 대역-제한 광 확산기가 이용될 수 있다.

도 10에는 본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기의 데이터 처리 블럭도의 예시적인 실시 예가 도시된다. 공간-광학 지향성 광 변조기로의 입력 데이터는 다수의 비트 워드(bit word)로 포맷될 것이며, 그에 의해 각 입력 워드는 3개의 데이터 필드를 포함하는데, 그중 한 필드는 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비한 변조 그룹 어레이내의 변조 그룹(G_i)의 어드레스이고, 나머지 두개의 데이터 필드는 컬러, 세기 및 방향의 견지에서 그 변조 그룹으로부터 방출될 광의 데이터 표시를 제공한다. 도 10을 참조하면, 데이터 처리 블럭(120)은 입력 데이터의 변조 그룹 어드레스 필드를 디코딩하고, 광 변조 데이터 필드를 지정된 변조 그룹과 관련된 QPI 디바이스로 경로 지정한다. 데이터 처리 블럭(130)은 경로 지정된 변조 그룹 어드레스 필드를 디코딩하고, 그것을 지정된 변조 그룹의 어드레스로 매핑한다. 데이터 처리 블럭(140)은 지향성 변조 데이터 필드를 디코딩하고, 그것을 변조 그룹내의 지정된 화소의 어드레스로 매핑한다. 데이터 처리 블럭(150)은 결과하는 화소 어드레스를, 입력 데이터의 관련된 광 세기 및 컬러 데이터 필드와 결부시킨다. 데이터 처리 블럭(160)은 지정된 화소 어드레스를 디코딩하고, 광 변조 데이터를, 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비하는 지정된 QPI 디바이스내의 지정된 화소로 경로 지정한다.

지향성 변조를 나타내기 위한 16 비트와, 각 방향에 있어서 변조된 광 세기 및 컬러를 나타내기 위한 전형적인 24비트를 이용하는데 있어서, 각 변조 그룹에 대한 변조 데이터 워드를 나타내는 전체 비트 수는 40비트이다. 일반성을 잃지 않고, 그러한 40비트 워드가 그의 구성 변조 그룹을 연속적으로 어드레싱하는 공간-광학 지향성 광 변조기에 입력된다고 가정하면, 즉, 변조 그룹 데이터 40 비트 워트를 입력하기 위해 연속적인 어드레싱이 이용되면, 도 10의 블럭(120)은 연속적으로 입력된 데이터 워드를 지정된 QPI 디바이스로 경로 지정하는 역할을 한다. 도 10의 블럭(130)은 변조 데이터를 지정된 변조 그룹으로 경로 지정하는 역할을 한다. 도 10의 블럭(140)은 16비트 지향성 변조 데이터 필드를 지정된 변조 그룹을 가진 화소의 지정된 어드레스로 매핑하는 역할을 한다. 도 10의 블럭(150)은 24비트 광 세기 및 컬러 데이터를 매핑된 화소 그룹 어드레스와 결부시키는 역할을 한다. 도 10의 블럭(160)은 24비트 광 세기 및 컬러 변조 데이터를 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비하는 지정된 QPI 디바이스내의 지정된 화소로 경로 지정하는 역할을 한다. 40 비트 워드 연속 데이터 입력의 이러한 예시적인 데이터 처리 흐름에 의해, 공간-광학 지향성 광 변조기는 그의 입력 데이터내의 인코딩된 정보에 기초하여 그의 개구로부터 방출된 광을 세기, 컬러 및 방향 변조한다. 광 세기 및 컬러 변조는, 예를 들어, 멀티 컬러 화소의 온/오프 시간의 펄스 폭 변조로서, 광의 평균 세기를 제어하고 결과하는 컬러를 이루는 각 컬러 성분의 세기를 제어할 수 있지만, 필요한 경우 다른 제어 기술이 이용될 수도 있다. 어떠하든지 간에, 방향과 세기는 제어되고, 멀티 컬러 시스템에서는 컬러, 방향 및 세기가 제어된다.

가능한 애플리케이션

본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기는 3D 디스플레이를 구현하기 위해 LCD(Liquid Crystal Display)에 대한 배면광으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같은 다수의 QPI 디바이스/WLO 어셈블리들의 타일형 어레이로서 실현되는 임의 크기의 3D 디스플레이를 구현하는데 공간-광학 지향성 광 변조기 그 자체만이 이용될 수도 있다. 광 변조기는 2D 고 해상도 디스플레이로서 동작될 수 있다. 이 경우, QPI 디바이스의 개별 화소들은 컬러 및 세기를 변조하는데 이용되지만, 그의 집적화된 WLO는 그 디스플레이의 관람 각도를 메우는데(filling) 이용될 수 있다. 입력 데이터의 포맷이 원하는 동작 모드에 적합하게 되도록 조정함에 의해 광 변조기는 2D에서 3D 디스플레이 모드로 절환될 수 있다. 광 변조기가 2D 디스플레이로서 이용되면, 그의 광 각도 발산은 그의 WLO 마이크로 렌즈 어레이 ±Θ와 연관된 것일 수 있으며, 개별 변조 그룹(G_i)의 화소 해상도는 보다 높은 공간 해상도를 달성하도록 레버리징될 것이다.

도 12에는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 다른 실시 예가 개념적으로 도시된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 지향성 광 변조기는 방출 마이크로 어레이 QPI 디바이스(210)으로 구성되며, 그의 방출 표면의 최상부의 바로 위에 WLO 마이크로 렌즈 어레이(MLA)(220)가 탑재되고, 적어도 하나의 축을 중심으로, 바람직하기로는

및

범위내의 각도만큼 그의 x축 및 y축을 중심으로 전체 어셈블리가 시간적으로 굴절된다. 도 12에 도시된 바와 같은 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은 2-축 짐발(gimbal)상에 전체 어셈블리를 배치함에 의해 달성되며, 그에 의해 그 짐발의 x-축은

의 범위내의 각도만큼 시간적으로 굴절되고, 그 짐발의 y축은

범위내의 각도만큼 시간적으로 굴절된다. 2-축 짐발에 의해 제공된 x축 및 y축 시간적 굴절은, QPI/MLA 어셈블리(230)로부터 방출된 광의 지향성 변조 각도가 MLA(220)의 마이크로 렌즈 소자에 의해 제공된 각도 크기를 벗어나 x 방향을 중심으로 2

만큼 시간적으로 연장되게 하고, y 방향을 중심으로 2

만큼 시간적으로 연장되게 한다(도 4 참조). 본 명세서에서 이용된 용어, 짐발 및 2축-짐발은 일반적으로 이용되는 용어로서, 항상 임의의 두개의 직교하는 축 중 어느 하나 또는 둘 모두에 대해 적어도 제한된 각도를 통해 회전을 허용하는 임의 구조를 의미한다. 따라서, 그러한 기능을 제공할 동심원 링, 볼 조인트(ball joint) 및 임의 다른 구조가 그 정의내에 포함된다.

도 12에 도시된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 x축 및 y축 굴절은, 그 방향(d₁, d₂, ..., d_n)으로 방출된 광이, MLA(200)의 렌즈 소자에 의해 제공된 각도 크기에 추가하여 x 방향으로 2

만큼 더 연장되고 y 방향으로 2

만큼 더 연장되는, 다수의 광 방향(d_1i, d_2i, ..., d_ni)(i = 1,2,...)으로 시간적으로 다중화되게 한다. 이것은 도 13a에 도시되는데, 거기에서는 하나의 굴절축을 따르는 QPI/MLA 어셈블리(230) 각도 방출 크기의 시간적 확장이 예시적으로 도시된다. 도 13a를 참조하면, 각도 Θ는 MLA(220)의 하나의 렌즈 소자의 각도 크기를 나타내고, 각도 α는 각각 x축 및 y축을 중심으로 한 각도

및

만큼의 짐발 굴절의 결과로서 렌즈 소자의 복합 순시 굴절 각도를 나타낸다. 도 12에 도시되고 도 13a에 설명된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은 QPI 디바이스 회로를 통해 개별적으로 어드레스할 수 있는 QPI 디바이스(210)의 방출 마이크로 스케일 어레이내의 화소들이 공간적으로, 채색적으로 및 지향성으로 변조되는 광을 방출할 수 있게 하고, 그에 의해, 지향성 변조된 광의 각도 크기는 MLA(220)의 렌즈 소자의 각도 크기(Θ)(또는 개구수)를 벗어나, x 방향으로 각도 2

만큼 및 y 방향으로 각도 2

만큼 시간적으로 연장된다. 또한, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(220)의 시간적 굴절은

으로 표현된 각 굴절 방향으로의 각도 크기 확장의 비율만큼 변조된 개수의 광 방향(d₁, d₂, ..., d_n)을 시간적으로 증가시킨다.

시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 QPI/MLA 어셈블리(230)의 2-축 굴절은 시간적으로 연속적이거나 이산적(순차적)일 수 있다. 도 13b에는 그 굴절이 시간적으로 연속적이고(1310) 그 굴절이 시간적으로 이산적일 경우(1320), 한 축에 있어서 QPI/MLA 어셈블리(230)의 복합 시간적 굴절 각도

가 예시적으로 도시된다. 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 시간적 굴절이 이산적이거나 순차적이면(1320), 전형적인 각도 스텝 크기는 바람직하게 QPI/MLA 어셈블리(230)의 공간 해상도에 대한 MLA(220)의 각도 크기(Θ)의 비율에 비례한다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 QPI/MLA 어셈블리(230)의 시간적 굴절은 전형적으로 2-축 각각을 중심으로 반복적(또는 주기적)이고 독립적이다. 시간 공간-광학 광 변조기의 굴절의 반복 주기는 전형적으로 디스플레이 입력 데이터 프레임 기간에 비례하고 그에 동기화된다(참조를 위해, 전형적인 디스플레이에 대한 화상 입력 데이터는 초당 60 프레임이며, 60Hz 프레임 레이트 입력이라고 지칭하기도 한다). 도 13a 및 도 13b에 도시된 시간적 굴절의 최대값

은 값

에 의해 결정되는 시간 공간-광학 광 변조기에 의해 제공된 확장된 각도 크기를 결정하며, 여기에서 각도 Θ는 MLA(220)의 렌즈 소자의 각도 크기를 나타낸다. 전체적으로 x-축 및 y-축의 주기성은 전형적으로 요구된 디스플레이 입력 프레임 레이트내에서 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 원하는 확장된 각도 크기의 시간적 커버리지를 인에이블하도록 선택된다.

도 12, 13 및 도 14에는 MLA 렌즈 소자의 다수의 시간적 각도 커버리지 단면(520)으로 구성된 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 QPI/MLA 어셈블리(230)의 각도 커버리지 단면(510)이 도시된다. x-축 및 y-축을 중심으로 한 QPI/MLA 어셈블리(230)의 적절히 선택된 시간적 굴절

및

은, 각각, MLA(220) 렌즈 소자의 다수개의 시간적으로 다중화된 각도 커버리지로 이루어지는 각도 커버리지를 생성할 것이다. x축 및 y축을 중심으로 한 QPI/MLA 어셈블리(230)의 각도 굴절

및

의 크기에 의거하여, 각도 커버리지 단면의 형상의 종횡비가 맞춤화될 수 있다. x 방향 및 y 방향을 중심으로 한 굴절 레이트는 그 각도 커버리지내의 시간적으로 생성된 광 방향들이 입력 화상 데이터의 변조 프레임내에서 적절한 듀티 사이클(duty cycle)(변조 기간)을 갖도록 보장하기에 충분하다. 예를 들어, 입력 화상 데이터의 변조 프레임이 전형적으로 60Hz 화상 프레임 레이트라고 지칭되는 초당 60 화상 프레임이면, 도 14에 도시된 각 시간적 각도 커버리지내의 각각의 광 방향들은 프레임당 1회씩 변조될 필요가 있을 것이며, 그에 따라 도 14에 도시된 각도 커버리지를 생성하는데 요구되는 굴절 레이트는 x축 또는 y축을 중심으로 적어도 180Hz로 된다. 다시 말해, 시간적 각도 커버리지의 크기가 각 축에 있어서의 각도 커버리지의 3배인 도 14에 도시된 각도 커버리지 예시의 경우, 도 14에 도시된 x축 또는 y축을 중심으로 한 굴절 레이트는 입력 화상 데이터 프레임 레이트의 적어도 3배로 될 필요가 있다. MLA 렌즈 소자의 각도 커버리지는 오버랩(overlap)중이거나 오버랩(non-overlap)중이 아닐 수 있다. 일반적으로, x축 또는 y축을 중심을 한 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절 레이트는, 각각의 축을 따르는 각도 커버리지의 크기(각도) 및 동일 축을 따르는 각도 커버리지의 크기(도)간의 비율과 동일한 계수를, 입력 화상 데이터의 변조 프레임 레이트와 승산한 값과 적어도 동일해야 한다.

도 14를 참조하면, QPI 디바이스(210)를 구비하는 다수의 화소와 대응하여 방출된 다수의 지향성 변조된 광을 구비하고 그 각도 커버리지를 가진 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 QPI/MLA 어셈블리(230)의 시간적 굴절에 의해, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 확장된 각도 크기가 완전히 커버될 때까지, 새로운 세트의 지향성 변조된 광 빔이 파이프라인(pipeline) 방식으로 시간적으로 약간씩 적하(some drop off temporally)되는 것처럼 계속적으로 추가될 수 있다. 주어진 시점에, 임의의 주어진 방향이 시간적으로 굴절된 개구의 커버리지내에 유지되는 동안 그 주어진 방향의 원하는 광 빔의 세기를 누적(변조)(전형적으로 펄스 폭 변조에 의해, 그렇지만 필요한 경우 비례 제어가 이용될 수 있음)시키기 위해 QPI/MLA 어셈블리(230)의 전체 방출 개구(full emissive aperture)가 이용될 수 있다. 다수의 지향성 변조된 광 빔의 이러한 시간 공간-광학 파이프라이닝의 결과로서, 시간 공간-광학 광 변조기의 응답 시간은 최소한의 대기 시간으로 화상 데이터 입력 레이트와 비례하게 될 수 있다. 주어진 방향이 각도 커버리지내에 유지되는 시기간은 그 방향으로 광 세기를 변조하는데 이용할 수 있는 변조 시간을 결정하고, 그 결과, 확장된 각도 커버리지의 주변 영역내의 방향들은, 보상되지 않는다면, 그 각도 커버리지의 내부 영역보다 낮은 세기를 가질 수 있다. 이와 같은 세기 에지 테이퍼링 효과(intensity edge tapering effect)는, 광학 시스템의 에지에서 전형적으로 마주치는 프레넬(Fresnel) 손실과 어느 정도 유사하지만, 시간 공간-광학 광 변조기의 경우에는, 그러한 효과가 시간 공간-광학 지향성 광 변조기(200)의 QPI/MLA 어셈블리(230)의 시간적 굴절의 레이트의 적절한 선택에 의해 보상될 수 있다는 점이 다르다.

대안적으로, 다시 3×3 예시를 이용할 경우,

가 x축을 중심으로 하는 하나의 렌즈 소자의 각도 크기(반각)를 나타내고,

가 y축을 중심으로 하는 하나의 렌즈 크기의 각도 크기를 나타내며,

가 2

이고,

가 2

이면, 굴절을 포함하는 전체 각도 크기는 하나의 마이크로 렌즈 소자의 각도 크기의 3배로 될 것이다(3×2

또는 3×2

). 예를 들어, x축의 경우, 이들 3개의 인접하는 각도 크기들은

내지

,

내지

, 및

내지

일 것이고, 각각의 각도 크기는 굴절에 있어서의 각도 증분이다.

각 방향에 있어서 이들 3개의 연속하는 개별적 각도 크기는 아래와 같이 2차원 각도 크기 매트릭스로서 간주될 수 있다.

이러한 대안은, 할당된 시간동안에 각도 크기 1을 디스플레이하고, 그 다음, 동일한 할당 시간 동안에 하나의 각도 증분만큼 제 1 축을 중심으로 전진시키고 각도 크기 2를 디스플레이하고, 그 다음, 할당된 시간 동안에 한번 더 각도 증분을 전진시키고 각도 크기 3을 디스플레이하고, 그 다음 할당된 시간 동안에 크기 6을 디스플레이하기 위해 다른 축상에서 하나의 각도 증분을 전진시키고, 할당된 시간 동안에 그 축상에서 하나의 각도 증분을 후진시키고 각도 크기 5를 디스플레이하는 것과 같은 불연속 기술이다. 할당된 시간 동안에 각도 크기 9가 디스플레이된 이후, 각도 크기 9를 반복할 수 있다(2배의 할당 시간 동안에 디스플레이를 계속하고, 그 다음 하나의 축에 있어서 한번에 하나 초과의 각도 증분을 피하기 위해 역행하지만, 이것은 높은 레이트가 이용되지 않았다면, 플리커(flicker)가 생성될 것으로 예상된다). 보다 나은 방식은 각도 크기 9에서 각도 크기 1로 동시에 2축들에 대해 2개의 각도 증분들의 점프를 하는 것이다. 그러나, x축 및 y축이 서로 간에 독립적이고, 임의 변경이 각도 가속 및 그에 뒤따른 각도 감속을 구비하고, 그에 따라 평균 속도는 하나의 각도 증분의 변경의 경우보다 2개의 각도 증분의 변경의 경우에 더 높게되기 때문에, 2축들에 대한 2개의 각도 증분들의 점프는 하나의 축에 대한 하나의 각도 증분의 각도 변경 길이의 2배가 되어서는 안된다. 또 다른 대안은 불연속 및 연속 기술의 조합을 포함한다. 포인트는, 선택할 수 있는 많은 대안이 있다는 것으로, 그들 모두는 본 발명의 범주내에 있다.

본 명세서에서 1500으로 표시되는 본 발명의 실시 예가 도 15에 도시되며, 거기에는 본 실시 예의 등각도, 상면도 및 측면도가 포함된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기가 다수의 실리콘 기판 층들, 즉, 힌지층(1521), 스페이서층(1528) 및 베이스층(1530)을 이용하여 제조되는 2-축 짐발 어셈블리(1520)의 최상부측상에 (도 12에 도시된) QPI/MLA 어셈블리(230)를 접착시킴에 의해 실현된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 2-축 짐발 어셈블리(1520)의 힌지층(1521)은 외부 프레임(1522), 내부 링(1523) 및 내부 세그먼트(1525)로 구성되며, 그 위에는 QPI/MLA 어셈블리(230)가 접착된다(1525를 이하에서는 디바이스 접착 패드(1525)와 동의어로서 지칭할 것이다). 외부 프레임(1522), 내부 링(1523) 및 내부 세그먼트(1525)간의 갭은 표준 반도체 리소그래피 기술을 이용하여 식각될 수 있다. 내부 세그먼트(1525)는 2개의 실리콘 힌지(1524)에 의해 x축을 따라 내부 링(1523)에 물리적으로 접속되는데, 2개의 실리콘 힌지는 각각 전형적으로 대략 0.3mm-0.5mm 폭의 범위내에 있으며, x축 힌지로서 작용하고, 짐발의 중립 x축 위치를 정의하며, x축 굴절에 대한 기계적 저항 스프링으로서 작용한다. 내부 링(1523)은 2개의 실리콘 힌지(1526)에 의해 y축을 따라 외부 프레임(1522)에 접속되는데, 2개의 힌지 각각은 전형적으로 대략 0.3-0.5mm 폭의 범위내에 있으며, y축 힌지로서 작용하고, 또한 짐발의 중립 y축 위치를 정의하고, y축 굴절에 대한 기계적 저항 스프링으로서 작용한다. 2쌍의 실리콘 힌지(1524,1526)는 2-축 짐발의 피봇 포인트(pivot point)를 구성하며, 그들을 중심으로 x 및 y 굴절이 실행될 수 있다. 2-축 짐발 어셈블리(1520)의 힌지층(1521)의 내부 세그먼트(1525)는 다수의 콘택트 패드를 포함하며, 그 콘택트 패드에는 플립 칩 납땜 볼(flip chip solder ball)과 같은 표준 납땜을 이용하여 QPI/MLA 어셈블리(230)가 접착될 것이고, 그에 따라 QPI/MLA 어셈블리(230)가 접착될 때 내부 세그먼트(1525)는 접착 패드로 된다. 내부 세그먼트(1525)의 최상부측상의 콘택트 패드 세트를 x축 및 y축 실리콘 힌지(1524,1526)를 통해 외부 프레임(1522)의 주변을 따라 배치된 디바이스 콘택트 패드(1527) 세트에 접속시키는 다수의 금속 레일이, 2-축 짐발 어셈블리(1520)의 힌지층(1521)의 내부 세그먼트(1525)내에 내장된다. 내부 세그먼트(1525)의 최상부상의 콘택트 패드 세트는 QPI/MLA 어셈블리(230)의 배면측(backside)에 전기적 및 물리적 콘택트를 제공하는 콘택트 패드이다.

도 15의 측면도를 참조하면, 내부 세그먼트(1525)의 최상부에 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)가 도시된다. 상술한 바와 같이, 이것은 내부 세그먼트(1525)의 최상부상의 콘택트 패드와 QPI/MLA 어셈블리(230)의 배면측에 있는 콘택트 패드를 납땜 또는 공융(eutectic) 볼 그리드 어레이 유형 접착을 이용하여 전기적 및 물리적 콘택트 접착한 것이다. 도 15의 측면도에는 BCB(BenzoCycloButene) 폴리머 부착제 접착을 이용하여 최상부에 베이스층(1530) 및 배면측에 힌지층이 웨이퍼 레벨로 접착되는 스페이서 층(1528)이 도시된다. 스페이서 층(1528)의 높이(또는 두께)는 최대 굴절 각도로, 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230) 및 내부 세그먼트(1525)의 코너의 수직적 변위를 수용하도록 선택된다. 예를 들어, 내부 세그먼트(1525)의 대각선이 5mm이고, 그 코너에서의 최대 굴절 각도가 15°일 경우, 최대 굴절 각도로 내부 세그먼트(1525)의 코너의 수직적 변위를 수용하기 위해 스페이서 층(1528)의 두께는 대략 0.65mm이어야 한다.

도 15의 측면도를 참조하면, 내부 세그먼트(1525) 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은 내부 세그먼트(1525)의 배면측의 4 코너에 배치된 전자석(1535) 세트와, 베이스층(1530)의 최상부측상에서 내부 세그먼트(1525)의 배면측의 4 코너와 정렬 배치된 영구 자석(1536) 세트를 이용하여 달성될 수 있다. 전자석(1535)은 내부 세그먼트(1525)의 배면측상에 다층 임프린트 리소그래피(multilayer imprint lithography)를 이용하여 웨이퍼 레벨로 형성된 금속 코어를 가진 코일일 수 있다. 영구 자석(1536)은 전형적으로 네오디윰 자석(Nd₂Fe₁₄B) 등으로 된 얇은 자계 스트립일 수 있다. 상술한 바와 같이 내부 세그먼트(1525) 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은, 상술한 바와 같이 내부 세그먼트(1525)와 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)가 시간적으로 굴절되도록 하는 전자석(1535) 세트와 영구 자석(1536) 세트간의 자력에 있어서의 적절한 시간적 변화에 영향을 주도록, 적절한 시간적 진폭 변화를 가진 전기 신호로 전자석(1535) 세트를 구동함에 의해 달성된다. 전자석(1535) 세트로의 구동 전기 신호는, QPI 디바이스(210)에 의해 생성되고 상술한 내부 세그먼트(1525)에 합체된 금속 레일 및 콘택트를 통해 전자석(1535) 세트에 공급되어, QPI 디바이스(210)의 화소 어레이로부터 방출된 세기 및 컬러 변조된 광의 원하는 지향성 변조가 가능하게 되는 정도까지 QPI 디바이스(210)에 의해 실행되는 화소 변조와 동기화를 이룬다. 전자석(1535) 세트에 대한 구동 전기 신호의 시간적 변화는 도 15에 도시된 바와 같이 x 축 및 y축을 중심으로 한 내부 세그먼트(1525) 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 시간적 각도 굴절이 가능하도록 선택된다. 힌지층(1521)의 실리콘 기판의 두께와 실리콘 힌지(1524,1526)의 선택된 폭에 의거하여, 본 발명의 실시 예(1500)에 의해 달성될 수 있는 도 13b에 도시된 시간적 각도 굴절

의 최대값

은 전형적으로 ±15°내지 ±17° 범위내에 존재한다.

전자석(1535) 세트에 대한 구동 전기 신호는 QPI 디바이스(210)에 의해 생성되고, 상술한 내부 세그먼트(1525)에 합체된 금속 레일 및 콘택트를 통해 전자석(1535) 세트에 공급되며, 베이스 성분과 정정 성분으로 구성된다. 전자석(1535) 세트로의 구동 전기 신호의 베이스 성분은 공칭값을 나타내며, 정정 성분은 실리콘 힌지(1524 및 1526)와 정렬되는 내부 세그먼트(1525)의 배면측상에 배치된 4개의 센서 세트에 의해 생성된 각도 굴절 에러값으로부터 도출된다. 이들 센서는 베이스층(1530)의 최상부측상에 자리한 4개의 IR 에미터들과 정렬하는 내부 세그먼트(1525)의 배면측상에 자리한 적외선(IR) 검출기들의 어레이이다. 4개의 IR 검출기 어레이의 출력값은 다시 상술한 내부 세그먼트(1525)내에 합체된 금속 레일 및 콘택트를 통해 QPI 디바이스로 경로 지정되며, QPI 디바이스에 의해 전자석(1535) 세트에 제공된 구동 신호에 대한 정정으로서 포함될, 도출된 각도와 실제 굴절 각도간의 에러의 추정치를 계산하는데 이용된다. 내부 세그먼트(1525)의 배면측상에 배치된 센서들은 짐발의 2-축의 각각을 따라 굴절 각도를 검출하도록 적절히 정렬된 마이크로-스케일 자이로(gyros)일 수 있다.

도 16에는 참조번호 1600의 본 발명의 다른 실시 예가 도시된다. 도 16은 본 실시 예의 등각도 및 측면도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예(1600)는 QPI/MLA 어셈블리(230)가 상부상에 접착된 2-축 짐발 어셈블리(1620)로 구성된다. 도 16에는 본 실시 예의 2-축 짐발 어셈블리의 구성층들을 보여주는 실시 예(1600)의 분해 등각도가 도시된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 다수의 실리콘 기판층, 즉 패드층(1621), 스프링층(1625) 및 베이스층(1630)을 이용하여 제조되는 2-축 짐발 어셈블리(1620)이 최상부상에 QPI/MLA 어셈블리(230)(도 12에 도시됨)를 접착함에 의해 실현된다. 패츠층(1621)의 최상부는 다수의 콘택트 패드를 포함하며, 그 패드에는 플립 칩 납땜 볼(flip chip solder ball)과 같은 표준 납땜 기술을 이용하여 QPI/MLA 어셈블리(230)가 접착되며, 그에 따라 패드층(1621)의 최상부는 QPI/MLA 어셈블리(230)가 접착되는 접착층/패드 콘택트(1623)로 된다. 패드층(1621)의 배면측은 UV 임프린트 리소그래피등을 이용하여 웨이퍼 레벨로 패드층(1621)의 배면측상에 폴리카보네이트 폴리머(polycarbonate polymer)를 엠보싱함에 의해 형성되는 구면 피봇(spherical pivot: 1635)을 포함한다. 패드층(1621) 및 그의 배면측상에 엠보싱된 구면 피봇을 힌지형 패드(1621/1635)라 할 것이다. 구면 피봇(1635)의 중심의 고도(elevation)는 각도 회절의 x 및 y축의 고도를 결정한다. 베이스층(1630)의 최상부는 웨이퍼 레벨로 베이스층(1630)의 최상부상에 폴리카보네이트 폴리머를 엠보싱함에 의해 형성되는 구면 소켓(1636)을 포함한다. 베이스층(1630)은, 그의 상부상에 엠보싱된 구면 소켓(1636)과 함께, 받침대(1630/1636)라 지칭될 것이다. 패드층(1621)의 배면측상에 포함된 구면 피봇(1635)과 베이스층(1630)의 최상부상에 포함된 구면 소켓(1636)의 표면 만곡(surface curvature)은 힌지형 패드(1621/1635)가 받침대(1630/1636)의 상부상에 자리할 때 2-축 굴절 패드로 되도록 ± 매칭될 것이다. 구면 피봇(1635)과 구면 소켓(1636)의 엠보싱된 표면이 표면 거칠기 측면에서 대략 수 nm RMS의 광학적 품질로 되겠지만, 구면 피봇(1635)과 구면 소켓(1636)의 표면들을 얇은 그라파이트(graphite) 막(50-100nm)으로 코팅함에 의해 굴절 이동으로 인한 2 표면간의 가능한 마찰이 줄어들 것이다.

힌지형 패드(1621/1635)는 스프링층(1625)에 의해 받침대(1630/1636)의 표면 만곡내의 제자리에 유지되는데, 스프링층(1625)은 그의 4 코너의 각각에 스프링층(1625)내로 에칭된 단일 나선형 스프링(1626)을 포함한다. 도 16의 분해 등각도에 도시된 바와 같이, 4개의 나선형 스프링 각각의 내부 에지는 패드층(1621)의 배면측에 위치한 동일한 콘택트 패드(1622)에 대응하는 내부 접착 패드(1627)를 포함한다. 나선형 스프링(1626)내에 내장된 것은 내부 접착 패드로부터 스프링층(1625)의 배면층의 주변 에지에 위치한 에지 콘택트/패드(1628) 세트로 전기적 인터페이스 신호를 경로 지정하는데 이용되는 다수의 금속 레일이다. 스프링층(1625)의 외측 단부의 배면측상의 에지 콘택트/패드(1628)는 베이스층(1630)의 주변 에지에 위치한 접착 패드(1629)의 매칭 세트(matching set)에 대응한다. 베이스층(1630)의 최상부측상의 에지 콘택트는 베이스층에 내장된 금속 레일을 통해 베이스층(1630)의 배면측상에 배치된 디바이스 콘택트 패드(1631) 세트에 접속된다. 본 발명의 실시 예의 최종 어셈블리에 있어서, 도 16의 측면도에 도시된 바와 같이, 스프링층(1625)의 에지 콘택트/패드(1628)의 배면측이 베이스층(1630)의 최상부 접착 패드(1629)에 접착되고, 나선형 스프링(1626)의 내부 접착 패드(1627)가 패드층(1621)의 배면측상의 대응하는 콘택트 패드(1622)에 접착되면, 4개의 나선형 스프링(1626)이 확장될 것이다. 상술한 바와 같이, 스프링층(1625)이 패드층(1621)의 배면측 및 베이스층(1630)의 최상부측에 접착될 경우, 4개의 나선 스프링은 최대로 확장되며, 그 최대 확장된 구성에서 그들은 (1) 구면 소켓(1636)내의 구면 피봇(1635)을 유지하는데 필요한 스프링 부하 저항을 생성하고, (2) 힌지형 패드(1621/1635)의 중립 위치를 지탱시키는데 필요한 기계적 균형을 생성하고, (3) 디바이스 콘택트 패드(1631)로부터 QPI/MLA 어셈블리(230)의 접착층/콘택트층(1623)으로 전기적 인터페이스 신호를 경로 지정하는 다목적을 제공한다. 도 16의 측면도를 참조하면, 패드층(1621)의 최상부 접착층/콘택트 패드(1623)에 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)가 도시된다. 이것은, 납땜 또는 공융 볼 그리드 어레이 유형 접착을 이용하는, QPI/MLA 어셈블리(230)의 배면측에 있는 콘택트 패드와 접착층/콘택트 패드(1623)들간의 전기적 물리적 콘택트 접착일 수 있다. 동작 구성에 있어서, 전체 디바이스 어셈블리(1600)는 베이스층의 배면층상에 배치된 콘택트 패드(1623)를 이용하여 기판에 접착되거나 납땜볼 또는 공융 볼 그리드 어레이 유형 접착을 이용하여 인쇄 회로 기판에 접착될 수 있다.

도 6의 측면도에서는 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)와 함께 힌지형 패드(1621/1635)의 코너의 수직적 변위를 최대 굴절 각도로 수용하도록 선택될 수 있는 구면 소켓(1636)의 확장된 높이가 도시된다. 예를 들어, 힌지형 패드(1621/1635) 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 대각선이 5mm이고, 그 코너에서의 최대 굴절 각도가 ±30°이면, 구면 소켓(1636)의 확장된 높이의 두께는, 최대 굴절 각도로 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)와 함께 힌지형 패드(1621/1635)의 코너의 수직적 변위를 수용하도록 1.25mm이다.

접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)와 함께 패드층(1621)의 굴절은 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석 세트와 구면 소켓(1636)내에 내장된 영구 자석 세트를 이용하여 달성될 수 있다. 액튜에이션(actuation) 전기 구동 신호는 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석으로 경로 지정되어, 상술한 문단에서 설명된 굴절 이동에 영향을 준다. 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석에 대한 액튜에이션 전기 구동 신호의 베이스 성분은 공칭값을 나타내며, 패드층(1621)의 배면측상에 배치된 4개의 센서들의 세트에 의해 생성된 각도 굴절 에러값으로부터 정정 성분이 도출된다. 이들 센서들은 베이스층(1630)의 최상부층상에 자리한 4개의 IR 에미터들과 정렬하는, 패드층(1621)의 배면측상에 자리한 IR(InfraRed) 검출기들의 어레이이다. 이들 4개의 IR 검출기 어레이의 출력값들은 상술한 패드층(1621)에 포함된 금속 레일 및 콘택트를 통해 다시 QPI 디바이스로 경로 지정될 것이며, QPI 디바이스에 의해 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석 세트로 제공되는 구동 신호에 대한 정정으로서 포함될, 실제 굴절 각도와 도출된 굴절 각도간의 에러의 추정치를 계산하는데 이용된다. 패드층(1621)의 배면측상에 배치된 센서들은 짐발의 2-축의 각각을 따르는 굴절 각도를 검출하도록 적절하게 정렬된 마이크로-스케일 자이로일 수 있다.

구면 소켓(1636)내에 내장된 영구 자석은 전형적으로 네오디윰 자석(Nd₂Fe₁₄B) 등으로 된 얇은 자계 봉 또는 와이어일 수 있으며, 구면 소켓(1636)의 곡선형 캐비티를 가로질러 균일 자계를 제공하도록 성형될 수 있다. 상술한 바와 같은 패드층 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은, 상술한 바와 같이 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)와 함께 패드층(1621)이 시간적으로 굴절되도록 하는, 구면 소켓(1636)내에 내장된 영구 자석과 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석 세트간의 자력에 있어서의 적절한 시간적 변화에 영향을 주도록 적절한 시간적 진폭 변화를 가진 전기 신호로 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석(1535) 세트를 구동함에 의해 달성된다. 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석(1535) 세트로의 구동 전기 신호는, QPI 디바이스에 의해 생성되고 상술한 패드층(1621)상에 포함된 금속 레일 및 콘택트를 통해 경로 지정되며, QPI 디바이스(210)의 화소 어레이로부터 방출된 세기 및 컬러 변조된 광의 원하는 지향성 변조가 가능한 정도까지 QPI 디바이스에 의해 실행되는 화소 변조와 동기화를 이룬다. 구면 피봇(1635)내에 내장된 전자석 세트에 대한 구동 전기 신호의 시간적 변화는 도 15에 도시된 바와 같이 x 축 및 y축을 따르는 패드층(1621) 및 접착된 QPI/MLA 어셈블리(230)의 시간적 각도 굴절이 가능하도록 선택된다. 접착된 QPI/MLA 어셈블리(130)와 함께 패드층(1621)의 코너의 최대 수직 변위를 조정하는 구면 소켓(1636)의 확장된 높이에 의거하여, 본 발명의 실시 예(1600)에 의해 달성될 수 있는 도 15에 도시된 시간적 각도 굴절

의 최대값

은 전형적으로 ±30°내지 ±35° 범위내에 존재한다.

당업자라면 이전 문단에서 설명한 본 발명의 실시 예(1500 및 1600)의 짐발 액튜에이터가 전자석 및 영구 자석의 위치를 교환함에 의해 동일한 목적을 실질적으로 달성하도록 구현될 수 있음을 알 것이다.

본 발명의 2개의 예시적인 실시 예(1500 및 1600)는 각각이 달성할 수 있는 시간 각도 굴절

의 최대값

과, QPI/MLA 어셈블리(230)의 경계 이외의, 각각의 실시 예가 필요로 하는 외부 영역에 있어서 주로 차이가 있다. 먼저, 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예(1600)에서는, 2-축 짐발이 QPI/MLA 어셈블리(230)의 풋프린트(footprint)내에 완전히 수용되지만(이하에서는 제로-에지 특징이라 할 것임), 도 15에 도시된 본 발명의 실시 예(1500)에서는 2-축 짐발이 QPI/MLA 어셈블리(230) 외부 경계의 외부 주변에 수용된다. 두 번째, 실시 예(1600)가 달성할 수 있는 시간 각도 굴절

의 최대값

은 실시 예(1500)가 제공할 수 있는 것 보다 2배 더 클 수 있다. 물론, 실시 예(1600)에 의해 달성될 수 있는 시간 각도 굴절

의 최대값

은 실시 예(1500)보다 더 큰 수직 높이를 요구한다는 대가를 치룬다. 실시 예(1600)의 제로-에지 특징은 대면적 디스플레이를 생성하도록 틸팅되기에 보다 적합하게 되도록 하며, 실시 예(1500)의 낮은 프로파일(낮은 높이) 특징은 이동 애플리케이션을 위한 소형 디스플레이를 생성하는데 보다 적합하게 되도록 한다.

MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템(610,620 및 630)의 각도 크기(Θ)는 마이크로 렌즈 시스템(610,620 및 630)의 굴절 표면의 적절한 고안 선택을 통해 또는 그의 광학 소자의 개수를 증가 또는 감소시킴에 의해 도 6의 예시적인 실시 예의 ±15°보다 더 크게되거나 더 적게 될 수 있다. 그러나, 화소 변조 그룹(G_i)내의 화소들의 개수의 측면에서의 주어진 해상도의 경우, MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템의 각도 크기(Θ)를 변경하면, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 QPI/MLA 어셈블리(230)에 의해 방출된 지향성 변조된 광 빔들간의 각도 해상도(분리)가 변경된다. 예를 들어, 이전의 예시적인 실시 예의 Θ = ±15°각도 크기의 경우, 화소 그룹(G_i)이 (128×128) 화소들을 포함한다면, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 QPI/MLA 어셈블리(230)에 의해 방출된 지향성 변조된 광 빔들간의 각도 해상도는 대략 δΘ = 0.23°일 것이다. 이와 동일한 각도 해상도 값 δΘ = 0.23°은 MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템의 각도 크기를 Θ = ±7.5°로 감소시키고, 화소 그룹(G_i)을 구비하는 화소의 수를 (64×64) 화소로 감소시킴에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로, MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템에 대해 보다 높은 F/#(즉, 보다 적은 값의 각도 크기 Θ)을 이용하면, 보다 적은 화소 변조 그룹(G_i) 크기를 이용하여 주어진 각도 해상도 값을 달성할 수 있게 되며, 그에 따라 QPI 디바이스(210)의 주어진 화소 해상도내에서 보다 많은 화소들을 이용할 수 있게 됨으로써, 보다 많은 화소 그룹(G_i)을 생성하고, 결과적으로 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 QPI/MLA 어셈블리(230)에 의해 달성될 수 있는 것보다 높은 공간 해상도를 생성할 수 있게 된다. 이러한 고안상의 트레이드오프(tradeoff)는 QPI/MLA 어셈블리(230)에 의해 달성될 수 있는 공간 해상도와 MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템 고안 파라메타의 F/#간의 적절한 균형을 선택할 수 있게 한다. 다른 한편, MLA(220) 마이크로 렌즈 시스템의 F/#이 증가되어 공간 해상도가 증가되면, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 QPI/MLA(230)에 의해 달성될 수 있는 각도 크기가 감소된다. 이 점에서, 시간 각도 굴절

의 최대값

은 공간 해상도 증가를 위해 상실된 각도 크기를 복구하기 위한 고안 트레이드오프의 일부로 될 것이다. 이전 예시에 있어서, 굴절 각도의 최대값

이

= ±7.5°로 선택되면, 그의 시간 공간-광학 지향성 변조기는 (64×64) 화소들의 화소 그룹(G_i)을 이용하여 (

+ Θ) = ±15°의 확장된 각도 크기를 달성할 수 있을 것이다. 본질적으로, 주어진 각도 해상도 값 δΘ의 경우, 굴절 각도의 최대값

은 시간 공간-광학 지향성 변조기에 의해 달성될 수 있는 공간 해상도 또는 지향성 변조의 각도 크기를 증가시키는데 이용될 수 있는 파라메타로서 트레이드오프될 수 있다.

광 빔을 시간-지향성 변조(tempo-directionally modulate)하기 위해 스캐닝 미러를 이용하는 종래 기술과는 다르게, 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기는 동시에 지향성 변조된 다수의 광 빔을 임의의 주어진 시점에 생성한다는 한가지 매우 중요한 측면에 있어서 다르다. 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기의 경우, 다수의 지향성 변조된 광 빔은 지향성 변조 해상도 및 각도 크기를 확장하기 위해 짐발형 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절에 의해 시간적으로 다중화된다. 상술한 바와 같이(도 14 참조), 짐발형 QPI/MLA 어셈블리(230)가 굴절됨에 따라, 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기에 의해 제공된 확장된 각도 크기가 완전히 커버될 때까지 지향성 변조된 광 빔의 새로운 세트가 파이프라인 방식으로 시간적으로 약간씩 적하(some drop off temporally)되는 것처럼 추가된다. 따라서, 임의의 주어진 시점에, 임의의 주어진 방향이 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절된 개구의 커버리지내에 시간적으로 유지됨에 따라 그 주어진 방향으로 원하는 세기를 누적시키기 위해 짐발형 QPI/MLA 어셈블리(230)의 전체 방출 개구(full emissive aperture)가 이용될 수 있다. 다수의 지향성 변조된 광 빔의 이러한 시간적 파이프라이닝의 결과로서, 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기의 응답 시간은 최소한의 대기 시간으로 화상 데이터 입력 레이트와 비례할 수 있다. 또한, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 짐발형 QPI/MLA 어셈블리(230)의 굴절은, 그것이 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기의 확장된 각도 크기를 가로질러 굴절됨에 따라, 짐발형 QPI/MLA 어셈블리(230)의 방출 개구의 블랭킹이 최소로 되거나 아예 없게 되는 비-정지 패턴(non-stop pattern)으로 이루어질 수 있다. 따라서, 종래 기술의 지향성 광 변조기의 느린 응답 시간, 낮은 효율 및 대용량 단점 모두가 본 발명의 시간 공간-광학 광 변조기에 의해 상당히 극복된다.

도 8 및 도 9에는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 동작 원리가 도시된다. 도 8에는 화소 그룹들(G_i) 중 하나가 QPI 디바이스(210)의 방출 화소의 2차원 (n×n) 어레이로 구성되어, 편의상, 화소 그룹(G_i)의 크기가 n = 2^m으로 선택되는 예시적인 실시 예가 도시된다. 도 8을 참조하면, 화소 그룹(G_i)에 의해 달성될 수 있는 지향성 변조 어드레스 지정은 m-비트 워드들을 이용하여 두 축 x 및 y의 각각을 따라 변조 그룹(G_i)을 구비하는 (n×n) 화소들의 어드레스 지정을 통해 달성될 수 있다. 도 9에는 도 6에 도시된 예시적인 실시 예와 같은 관련 MLA(220) 마이크로 렌즈 소자의 각도 크기 Θ에 의해 정의된 3차원 용적내의 개별 방향으로의 QPI 디바이스 화소 변조 그룹(G_i)을 구비하는 (n×n) 화소로부터 방출된 광의 매핑이 도시된다. 도시된 예시와 같이, QPI 디바이스의 개별 화소들의 치수가 (5×5) 미크론이고, QPI 디바이스 화소 그룹(G_i)이 (n×n) = (2⁷×2⁷) = (128×128) 화소 어레이이며, 관련 MLA(220) 마이크로 렌즈 소자의 각도 크기가 Θ = ±15°이면, QPI 디바이스 방출 표면에 있는 (0.64×0.64) 밀리미터 크기의 QPI 디바이스 2차원 변조 화소 그룹들(G_i)의 각각으로부터, Θ = ±15°각도 크기에 걸쳐서 (128)2 = 16,384의 개별적 어드레스 가능 지향성 광 빔이 생성될 수 있게 되며, 그에 따라, 16,384 방향들의 각 방향으로 생성된 광이 컬러 및 세기에 있어서 개별적으로 변조될 수 있게 된다. 상술한 바와 같이 QPI/MLA 어셈블리(230)가 실시 예(1500 및 1600)의 2-축 짐발을 이용하여 굴절되는 경우(도 12 및 13a 참조), QPI/MLA 어셈블리(230)의 렌즈 소자에 의해 제공된 지향성 변조 각도 크기는 그 짐발에 의해 제공된 최대 굴절 각도 ±

만큼 시간적으로 연장될 것이다. 따라서, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 제공되는 지향성 변조 각도 크기는 총 ±(Θ +

)의 각도 커버리지에 걸쳐 시간적으로 연장된다. 예를 들어, MLA(220) 렌즈 소자의 각도 크기가 Θ = ±15°이고, 최대 굴절 각도가

= ±30°이면, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 제공되는 확장된 각도 크기는 (Θ +

) = ±45°일 것이며, 시간적으로 생성할 수 있는 광 변조 방향은 [n(Θ +

)/Θ]² = 9×QPI/MLA 어셈블리(230)에 의해 생성될 수 있는 광 변조 방향의 개수, 즉, 9(128)² = 147,456개의 광 변조 방향일 것이다(도 14 참조). 이것은 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 생성될 수 있는 광 변조 방향의 개수가 (3n×3n)이라는 의미이며, 여기에서 (n×n)은, QPI 디바이스 화소들의 개수의 측면에서 볼 때, MLA(220) 렌즈 소자들 중 하나와 관련된 화소 그룹(G_i)의 크기이다. 따라서, 본 예시의 경우, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는, QPI/MLA 어셈브리(230)에 의해 제공된 지향성 변조기 해상도의 9배까지 확장된 지향성 변조 해상도를 제공한다. 일반적으로, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 제공된 지향성 변조 해상도는 ±(Θ +

)의 각도에 걸쳐 연장된 각도 크기내에서 [n(Θ +

)/Θ]² 일 것이다.

본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 대한 지향성 변조 기능에 추가하여, 이전 고안 예시에서 설명된 것과 같은 QPI 디바이스 화소 변조 그룹(G_i)의 (N×M) 어레이를 이용한 공간 변조도 또한 가능하다. 예를 들어, 이전 예시의 (9×128)² = 147,456 지향성 변조 해상도를 제공하는 N=16 × M=16의 공간 변조 해상도를 가진 본 발명의 지향성 광 변조기를 생성할 필요가 있으면, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 지향성 변조 그룹(G_i)의 (16×16) 어레이를 구비할 것이며, (5×5) 미크론 화소 크기를 가진 QPI 디바이스가 이용될 경우, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 전체 크기는 대략 10.24×10.24mm일 것이다. 이전 예시의 각도 크기값을 이용하면, 본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기로부터 방출된 광은 각도 크기 ±45°내에서 147,456의 해상도로 지향성 변조될 수 있고, (16×16) 해상도로 공간 변조될 수 있으며 각 방향으로 컬러 및 세기가 변조될 수 있다.

이전 예시에서 설명한 바와 같이, 주어진 각도 크기내에서의 개별적으로 어드레스 가능한 방향들의 개수의 측면에서 시간 공간-광학 광 변조기의 공간 및 지향성 변조 해상도는 방출 마이크로 에미터 어레이 QPI 디바이스(210)의 해상도 및 화소 피치, MLA(220) 렌즈 소자의 피치, MLA(220) 렌즈 소자의 각도 크기 및 변조기 짐발의 최대 굴절 각도를 선택함에 의해 결정될 수 있다. 당업자라면, 상술한 설명에서 제공된 교시를 따르는, 임의의 원하는 공간 및 지향성 변조 기능을 달성할 수 있는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기를 생성하기 위해, MLA 렌즈 시스템의 각도 크기가 보다 넓거나 좁게 되도록 고안될 수 있고, 짐발 고안의 굴절 각도가 보다 넓거나 좁게 되도록 선택될 수 있으며, 각 변조 그룹내의 화소들의 개수가 보다 소수 또는 보다 많은 수로 선택될 수 있음을 알 것이다.

임의의 원하는 공간 및 지향성 변조 기능은 본 발명의 공간-광학 지향성 광 변조기를 이용하여 실현될 수 있다. 이전 예시에서는, (16)² 공간 해상도 및 (3×128)² 지향성 해상도를 가진 공간-광학 지향성 광 변조기가 단일 10.24×10.24mm QPI 디바이스(210)를 이용하여 구현될 수 있음을 설명하였다. 보다 높은 공간 해상도를 실현하기 위하여, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 본 발명의 보다 작은 공간 해상도의 다수의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비하는 타일형 어레이를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이전 예시의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 (3×3) 어레이가 도 11에 도시된 바와 같이 타일링되면, 결과하는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 (3×16)² 공간 해상도 및 (3×128)² 지향성 해상도를 제공한다. 보다 높은 공간 해상도 버전을 실현하기 위한 본 발명의 다수의 시간 공간-광학 지향성 변조기의 타일링도 가능한데, 그것은 그의 작은 용적 치수 때문이다. 예를 들어, 각각 10.24×10.24×5mm의 예시적인 폭, 높이 및 두께를 가진 단일 QPI 디바이스(210)를 이용하는 이전 예시의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 각각 3.07×3.07×0.5cm의 폭, 높이 및 두께 치수를 가진 도 11에 도시된 보다 큰 해상도 버전을 생성하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 보다 작은 해상도의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 (30×30) 어레이를 포함하도록 타일링이 확장되면, 결과하는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 (30×16)² 공간 해상도 및 (3×128)² 지향성 해상도를 가지며, 각각 30.07×30.07×0.5cm의 폭, 높이 및 두께를 가질 수 있다. 이전 예시의 다수의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기를 배면측에 배치된 마이크로 볼 그리드 어레이(MBGA)의 전기적 콘택트를 이용하여 백플랜(backplane)에 접착함으로써, 도 11에 도시된 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 높은 공간 해상도 버전을 구현할 수 있으며, 그에 따라 실시 예(1600)의 제로-에지 특징을 고려해볼 때, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 임의의 원하는 크기를 구현하도록 다수의 그러한 지향성 광 변조기 디바이스들의 무결성 타일링을 실현할 수 있게 된다. 물론, 도 11에 도시된 시간 공간-광학 지향성 광 변조기들의 어레이의 크기는 임의의 원하는 공간 해상도를 실현하는데 필요한 정도까지 증가될 수 있다. 또한, 시간 공간 광학 지향성 광 변조기의 지향성 해상도를 증가된 공간 해상도와 트레이드오프할 수도 있다. 예를 들어, 화소 변조 그룹 크기가 (64×64)로 줄어들면, 도 11에 도시된 (3×3) 어레이는 (3×32)² 공간 해상도 및 (3×64)² 지향성 해상도를 제공한다. 도 11에 도시된 확장된 공간 개구를 제공하는 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 어레이가 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기 실시 예(1600)의 상술한 제로-에지 특성에 의해 제조될 수 있다는 점을 주목해야 한다.

시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 동작 원리를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하겠다. 도 8에는 지향성 변조를 위해 m-비트 해상도를 이용하는 각 변조 그룹(G_i)의 2차원 어드레스 지정이 도시된다. 상술한 바와 같이, 변조 그룹(G_i)의 (2^m×2^m) 개별 화소들로부터 방출된 광은 그의 관련 MLA(220) 소자에 의해 관련 MLA 마이크로 렌즈 소자의 각도 크기 ±Θ내의 2^2m 광 방향들로 매핑된다. 각 변조 그룹(G_i)내의 개별 화소들의 (x,y) 차원 좌표를 이용하면, 방출 광 빔의 각도 좌표

는 아래와 같이 주어진다.

(수학식 3)

(수학식 4)

여기에서,

및

는 시간 기점(time epoch) t에서 x축 및 y축을 중심으로 한 굴절 각도의 값들이고, 각도

및

는 θ=0에서의 원선(polar axis)이 변조 그룹(G_i)의 방출 표면의 z축에 평행한, 시간 기점 t에서의 지향성 변조 구면 좌표의 값이며, m=log₂n은 변조 그룹(G_i)의 x 및 y 화소 해상도를 나타내는데 이용된 비트의 수이다. 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 공간 해상도는 전체 시간 공간-광학 지향성 광 변조기를 구비하는 변조 그룹의 2차원 어레이내의 개별적 변조 그룹(G_i) 각각의 좌표(X,Y)에 의해 정의된다. 본질적으로, 시간 공간-광학 광 변조기는, 상술한 수학식 3 및 4에 의해 정의된 바와 같이, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 굴절 각도의 시간적 값과 변조 그룹(G_i)내의 방출 화소들의 좌표 (x,y)의 값에 의해 정의된 지향성 좌표(

)와 변조 그룹 어레이에 의해 정의된 공간 좌표(X,Y)에 의해 설명된 광 필드(light field)를 시간적으로 생성(변조)할 수 있다.

도 10에는 공간-광학 지향성 광 변조기의 데이터 처리 블럭도의 예시적인 실시 예가 도시되는데, 그것은 본 발명의 시간 공간-광학 실시 예에 적용 가능하다. 각 방향으로 변조된 광 세기 및 컬러를 나타내는 전형적인 24비트와 지향성 변조를 나타내는 16비트를 이용하는 종래 기술의 설명은 본 발명의 시간 공간-광학 실시 예에 적용 가능하다.

가능한 애플리케이션

본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는, 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같은 다수의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기 디바이스들의 타일형 어레이로서 실현되는 임의 크기를 가진 3D 디스플레이를 구현하는데 이용될 수 있다. 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 실현될 수 있는 확장된 각도 크기는, 대용량 및 고가의 광학 어셈블리를 이용하지 않고, 소형 용적이면서 큰 관람 각도를 제공하는 3D 디스플레이의 실현을 가능하게 한다. 시간 공간-광학 지향성 광 변조기에 의해 달성될 수 있는 용적 소형화 레벨은 데스크톱(desk top) 및 이동 3D 디스플레이의 실현을 가능하게 한다. 또한, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 확장된 지향성 변조 기능은 그의 확장된 각도 크기내에서 인간 시각 시스템의 눈 각도 분리(human visual system eye angular separation)에 적합한 δΘ의 각도 해상도값을 가진 다수의 뷰(view)를 변조할 수 있게 하며, 그에 따라 디스플레이하는 3D 콘텐츠를 관람하기 위해 안경을 이용할 필요가 없는 3D 디스플레이가 가능하게 된다. 사실상, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기가 생성할 수 있는, 독립적으로 변조된 상당수의 광 빔을 고려해 볼 때, 생성된 다수의 뷰들간에 충분한 각도 해상도 값을 가진 3D 화상을 변조할 수 있게 되어, 전형적으로 3D 디스플레이의 성능을 저해하고 시각적 피로를 유발하는 VAC(Vergence-Accommodation Conflict)를 제거할 것이다. 다시 말해, 본 발명의 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 각도 해상도 기능은 관람자의 시각적 피로를 유발하지 않을 무 VAC의 3D 화상을 생성할 수 있게 한다. 또한, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기의 광 필드 변조 기능은 합성 홀로그램(synthetic holography) 3D 디스플레이를 구현하는데 이용될 수 있는 3D 광 필드 디스플레이의 근본적인 토대가 된다.

시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 3D 디스플레이를 구현하기 위해 LCD(Liquid Crystal Display)를 위한 배면광으로서 이용될 수 있다. 또한, 시간 공간-광학 지향성 광 변조기는 2D 고해상도 디스플레이로서 동작될 수 있다. 이 경우, QPI 디바이스(210)의 개별적 화소들은 컬러 및 세기를 변조시키는데 이용되는 반면, MLA(220)는 디스플레이의 관람 각도를 메우는데 이용된다. 시간 공간-광학 광 변조기는 그의 입력 데이터 포맷을 원하는 동작 모드에 적합하게 되도록 조정함에 의해 2D에서 3D 디스플레이로 절환될 수 있다. 시간 공간-광학 지향성 광 변조기가 2D 디스플레이로서 이용되면, 그의 광 각도 크기는 그의 MLA(220) 마이크로 렌즈 소자와 연관된 것과 그의 짐발의 굴절 각도의 합 ±(Θ +

)일 것이며, 개별 변조 그룹(G_i)의 화소 해상도는 보다 높은 공간 해상도를 달성하도록 레버리징될 것이다.

따라서, 본 발명은 필요에 따라 단독, 또는 여러 조합 또는 여러 서브 조합으로 실현될 수도 있는 다수의 측면을 가진다. 제한이 아닌 예시를 위해 본 명세서에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시 예가 개시되고 설명되었지만, 당업자라면 전체 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고서 형태 및 세부 사항들이 다양하게 변경될 수 있음을 알 것이다.

Claims

광 변조기로서,
화소들의 마이크로 어레이를 가진 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와,
웨이퍼 레벨 광학 기기(wafer level optics: WLO) 마이크로 렌즈 어레이를 구비하며,
화소들의 마이크로 어레이는 다수의 화소들의 그룹들을 포함하고, 화소들의 그룹들은 공간 변조 어레이를 나타내며,
상기 마이크로 렌즈 어레이내의 각 마이크로 렌즈들은 상기 방출 마이크로 에미터 어레이의 화소들의 그룹(group of pixels)에 걸쳐 있으며, 그에 의해 마이크로 렌즈 어레이내의 마이크로 렌즈는 각 화소 그룹내의 각 화소로부터의 조명(illumination)을 다른 방향으로 지향시키는
광 변조기.
제 1 항에 있어서,
각 화소 그룹은 2차원 화소 그룹인
광 변조기.
제 2 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 각 화소는 개별적으로 어드레스 가능한 고체 상태 광 에미터이고, 상기 고체 상태 광 에미터는 발광 다이오드와 레이저 다이오드를 포함하는 그룹으로부터 선택되는
광 변조기.
제 3 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 각 화소는 다수 컬러의 광을 방출하며, 각 화소는 선택된 컬러 및 세기의 광을 방출하도록 개별적으로 어드레스 할 수 있는
광 변조기.
제 3 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 화소들은 10 미크론 이하의 선형 치수(linear dimension)를 가지는
광 변조기.
제 3 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는 다수의 적층형 마이크로 렌즈 어레이들로 구성되는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
상기 광 변조기의 방향, 컬러 및 세기 어드레스 지정은 상기 광 변조기로의 멀티플 필드 데이터(multiple field data) 입력을 사용하여 달성되고, 그에 의해, 화소 그룹들의 공간 어레이내의 각각의 지정된 화소 그룹 어드레스마다, 방출된 광의 방향을 특정하기 위해 적어도 하나의 입력 데이터 필드가 이용되고, 그 지정된 방향으로 방출된 광의 컬러 및 세기를 특정하기 위해 적어도 하나의 필드가 이용되는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
상기 광 변조기가 다수 개로 구성되며, 그 광 변조기들은 타일형 어레이를 구비하는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
상기 광 변조기가 다수개로 구성되고, 타일형 어레이로 된 상기 광 변조기들의 집단 세트(collective set)를 포함하며,
각각의 광 변조기에 있어서, 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 화소들은 멀티컬러 화소들로서, 선택된 컬러 및 세기를 가진 광을 방출하도록 개별적으로 어드레스 가능하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 다수의 적층형 마이크로 렌즈 어레이로 구성되고, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈들의 각각은 각 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 각각의 화소 그룹내의 다수의 화소들과 연관되어 그들과 정렬되며, 각 렌즈는 다수의 화소들로부터 방출된 광을 렌즈의 개구수내의 대응하는 이산 방향 세트(discrete set of directions)로 광학적으로 매핑하여, 광의 세기 및 컬러가 이산 방향 세트의 각 개별 방향으로 방출되도록 하고, 그에 의해 광 변조기는 광 변조기들의 집단 세트에 걸쳐 있는 개구를 가로질러 컬러, 세기 및 방향 변조된 광을 생성할 수 있게 되는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
개별 광 변조기로의 멀티플 필드 데이터 입력을 이용하여 상기 광 변조기들의 각 화소의 방향, 컬러 및 세기 어드레스 지정이 달성되고, 그에 의해 화소 그룹의 공간 어레이내의 각각의 지정된 화소 그룹 어드레스마다, 방출된 광의 공간 방향을 특정하기 위해 적어도 하나의 입력 데이터 필드가 이용되고, 그 지정된 방향으로 방출된 광의 컬러 및 세기를 특정하기 위해 적어도 하나의 필드가 이용되는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
상기 광 변조기는 멀티플 필드 데이터 입력의 포맷이 원하는 동작 모드에 적합하게 되도록 조정함에 의해 3D 디스플레이 또는 고 해상도 2D 디스플레이로서 동작하도록 절환될 수 있는
광 변조기.
제 4 항에 있어서,
상기 광 변조기는 3D 디스플레이 또는 2D 디스플레이를 생성하기 위해 액정 디스플레이에 대한 배면광으로서, 상기 액정 디스플레이내에 존재하는
광 변조기.
제 1 항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터로부터의 조명의 다른 방향은 각도 크기를 정의하고, 상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와 상기 마이크로 렌즈 어레이는 함께 조립되고, 적어도 하나의 축을 중심으로 단일 어셈블리로서 각도 굴절되어 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 및 ±최대 각도 굴절의 범위내에서 광을 방출하는
광 변조기.
제 13 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스 및 마이크로 렌즈 어레이는 각 축을 중심으로 한 ± 최대 각도 굴절의 범위내에서 2개의 직교하는 축을 중심으로 단일 어셈블리로서 각도 굴절되도록 구성되는
광 변조기.
제 14 항에 있어서,
상기 각도 굴절은 다른 방향들간의 각도 해상도를 증가시키거나 방출 마이크로 에미터로부터의 조명의 다른 방향들의 각도 크기를 증가시키는
광 변조기.
제 13 항에 있어서,
타일형 어레이내의 인접하는 광 변조기들은 인접 화소 그룹들내의 활성 화소들간에 일부 불활성 에지 화소들을 가지는
광 변조기.
제 3 항에 있어서,
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 화소들은 멀티 컬러 화소들로서, 선택된 컬러 및 세기를 가진 광을 방출하도록 개별적으로 어드레스 가능하며,
상기 마이크로 렌즈 어레이는 다수의 적층형 마이크로 렌즈 어레이를 가지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈들의 각각은 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 화소 그룹내의 다수의 화소들과 연관되어 그들과 정렬되며, 각 렌즈는 각각의 다수의 화소들로부터 방출된 광을 각 렌즈의 개구수내의 대응하는 이산 방향 세트(discrete set of directions)로 광학적으로 매핑하여, 광의 세기 및 컬러가 이산 방향 세트의 각 개별 방향으로 방출되도록 하고, 그에 의해 광 변조기가 컬러, 세기 및 방향 변조된 광을 생성할 수 있게 하는
광 변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 광 변조기가 다수개로 구성되며, 그 광 변조기들이 타일형 어레이를 구비하는
광 변조기.
제 1 항에 있어서,
상기 광 변조기는 멀티플 필드 데이터 입력의 포맷이 원하는 동작 모드에 적합하게 되도록 조정함에 의해 3D 디스플레이 또는 고 해상도 2D 디스플레이로서 동작하도록 절환될 수 있는
광 변조기.
지향성 광 변조기로서,
2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와;
마이크로 렌즈 소자들의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
상기 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스 및 상기 마이크로 렌즈 어레이는 함께 조립되어, 단일 어셈블리로서 각도 굴절되어 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 2 축들을 중심으로 및 각각의 축에 있어서 ±최대 각도 굴절의 범위내에서 광을 방출하며,
2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스는 화소들의 어레이를 포함하고, 각 화소는 개별적으로 어드레스 가능한 고체 상태 광 에미터이며,
2개 축들의 각각을 중심으로 한 각도 굴절의 주기성은 입력 화상 데이터의 프레임 레이트내에서 최대 각도 굴절의 시간적 커버리지를 인에이블하도록 선택되는,
지향성 광 변조기.
삭제
제 20 항에 있어서,
상기 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이의 각 화소는 20×20 미크론을 초과하지 않은 치수를 가진
지향성 광 변조기.
제 20 항에 있어서,
각 화소는 방출되는 광의 컬러 및 세기를 변조하도록 개별적으로 어드레스 가능한
지향성 광 변조기.
제 20 항에 있어서,
상기 각도 굴절은 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와 마이크로 렌즈 어레이의 어셈블리를 위한 짐발 지지대(gimbal support)에 의해 제공되고, 그 어셈블리는 짐발 지지대의 각도 굴절에 의해 2 축들의 각각에서의 각도 크기를 시간적으로 확장시키며, 그에 의해 2 축들의 각각을 따르는 광 방향 세트를 시간적으로 확장시키는
지향성 광 변조기.
제 24 항에 있어서,
시간적으로 확장된 상기 각도 크기는 시간적으로 연속 또는 이산적이며, 화상 입력 데이터 프레임 레이트와 비례하고 그와 동기되는 반복 레이트(repetition rate)를 가지며, 그에 의해 2 축들의 각각을 중심으로 하는 최대 각도 굴절은 상기 지향성 광 변조기의 확장된 각도 크기, 각도 커버리지(angular coverage), 형상 및 종횡비를 결정하는
지향성 광 변조기.
제 25 항에 있어서,
상기 2축들의 각각을 중심으로 하는 각도 굴절은, 각각의 축을 따르는 각도 크기에 대한 확장된 각도 크기의 비율과 동일한 계수와 입력 화상 데이터의 프레임 레이트를 승산한 값과 적어도 동일한
지향성 광 변조기.
제 24 항에 있어서,
각 화소의 어드레스 지정은 상기 지향성 광 변조기로의 멀티플 필드 데이터(multiple field data) 입력을 사용하여 달성되고, 그에 의해, 화소 그룹들의 공간 어레이내의 각각의 지정된 화소 그룹 어드레스마다, 방출된 광의 방향을 특정하기 위해 적어도 하나의 입력 데이터 필드가 이용되고, 그 지정된 방향으로 방출된 광의 컬러 및 세기를 특정하기 위해 적어도 하나의 필드가 이용되는
지향성 광 변조기.
지향성 광 변조기로서,
2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와;
마이크로 렌즈 소자들의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
상기 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스 및 상기 마이크로 렌즈 어레이는 함께 조립되어, 단일 어셈블리로서 각도 굴절되어 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 2 축들을 중심으로 및 각각의 축에 있어서 ±최대 각도 굴절의 범위내에서 광을 방출하며,
상기 지향성 광 변조기는 입력 데이터의 포맷이 원하는 모드에 적합하게 되도록 조정함에 의해 3D 디스플레이 모드 또는 고 해상도 2D 디스플레이 모드에서 동작하도록 절환될 수 있는 디스플레이로서 이용되는
지향성 광 변조기.
지향성 광 변조기로서,
2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와;
마이크로 렌즈 소자들의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
상기 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스 및 상기 마이크로 렌즈 어레이는 함께 조립되어, 단일 어셈블리로서 각도 굴절되어 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 2 축들을 중심으로 및 각각의 축에 있어서 ±최대 각도 굴절의 범위내에서 광을 방출하며,
상기 지향성 광 변조기는, 3D 디스플레이 또는 고 해상도 2D 디스플레이로서 동작하도록 절환될 수 있는 LCD(Liquid Crystal Display)에 대한 배면광으로서 이용되는
지향성 광 변조기.
지향성 광 변조기로서,
2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와;
마이크로 렌즈 소자들의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
상기 2차원 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스 및 상기 마이크로 렌즈 어레이는 함께 조립되어, 단일 어셈블리로서 각도 굴절되어 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 2 축들을 중심으로 및 각각의 축에 있어서 ±최대 각도 굴절의 범위내에서 광을 방출하며,
상기 지향성 광 변조기는 그의 확장된 각도 크기내에서 인간 시각 시스템의 눈 각도 분리(human visual system eye angular separation)에 적합한 각도 해상도값을 가진 다수의 뷰(view)를 변조할 수 있으며, 그에 의해 디스플레이되는 3D 콘텐츠를 관람하기 위해 안경을 이용할 필요가 없는 3D 디스플레이가 가능하게 되는
지향성 광 변조기.
지향성 광 변조기로서,
다수의 화소들을 구비하는 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와;
상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와 정렬되고 그에 물리적으로 접착된 마이크로 렌즈 어레이와;
2 세트의 전자기 액튜에이터를 가진 2축 짐발을 포함하며,
2 세트의 전자기 액튜에이터는 짐발의 2 축에 정렬되어 각각의 축에 있어서의 ±최대 각도 굴절의 범위내의 및 짐발의 2축을 중심으로 한 접착 패드의 시간적 각도 굴절에 영향을 주며,
방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 각 화소는 개별적으로 어드레스 가능한 고체 상태 광 에미터이며,
짐발의 2개 축들의 각각을 중심으로 하는 각도 굴절의 주기성은 입력 화상 데이터의 프레임 레이트내에서 최대 각도 굴절의 시간적 커버리지를 인에이블하도록 선택되는,
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 2축 짐발은 다수의 실리콘 기판 층을 이용하여 짐발 베이스에 대해 상대적인 짐발의 중립 위치를 정의하는 기계적 저항 스프링과 상기 짐발의 2축 피봇을 실현하도록 구현되는
지향성 광 변조기.
제 32 항에 있어서,
상기 전자기 액튜에이터에 대한 구동 전기 신호는 시간적으로 연속적이거나 이산적인 시간적 각도 굴절을 제공하고, 디바이스 인터페이스 콘택트를 통해 제공되는 화상 입력 데이터 프레임 레이트와 비례하고 그와 동기되는 반복 레이트(repetition rate)를 가지며, 상기 구동 전기 신호는 짐발의 베이스층의 최상측과 콘택트 패드의 배면측에 접착된 센서들의 세트에 의해 제공된 정정값을 포함하는
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 2축 짐발은 접착 패드의 배면측상의 구면 피봇과 짐발 베이스의 최상부측상의 매칭된 구면 소켓을 포함하는
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이에 있어서, 그의 구성 렌즈의 각각은 화소 그룹들의 2차원 어레이내의 각각의 다수의 화소들과 연관되어 그들과 정밀하게 정렬되며, 각 구성 렌즈는 각각의 다수의 화소들로부터 방출된 광을 각 구성 렌즈의 개구수에 의해 정의된 각도 크기내의 대응하는 이산 방향 세트(discrete set of directions)로 광학적으로 매핑하는
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기는, 확장된 공간 개구를 가진 지향성 광 변조기들의 타일형 어레이를 형성하도록 다수개가 이용되는
지향성 광 변조기.
제 36 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이에 있어서, 그의 구성 렌즈의 각각은 화소 그룹들의 2차원 어레이내의 각각의 다수의 화소들과 연관되어 그들과 정밀하게 정렬되며, 각 구성 렌즈는 각각의 다수의 화소들로부터 방출된 광을 각 구성 렌즈의 개구수에 의해 정의된 각도 크기내의 대응하는 이산 방향 세트(discrete set of directions)로 광학적으로 매핑하고, 상기 지향성 광 변조기는 화소 그룹들의 공간 어레이들의 집단 세트를 더 포함하고, 그에 의해 각 화소 그룹내의 각 화소는 컬러, 세기 및 방향에 있어서 변조된 광을 생성하도록 개별적으로 어드레스 가능하고, 그에 의해 확장된 공간 개구 지향성 광 변조기 디바이스가 컬러, 세기 및 방향에 있어서 변조되는 공간 어레이의 집단 세트에 걸쳐있는 공간 개구를 가로질러 공간적으로 변조된 광을 생성할 수 있게 되는
지향성 광 변조기.
제 37 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기는 3D 디스플레이 또는 고 해상도 2D 디스플레이로서 동작하도록 절환될 수 있는 3D 디스플레이 또는 2D 디스플레이를 생성하기 위한, LCD(Liquid Crystal Display)에 대한 배면광으로서 이용되는
지향성 광 변조기.
제 37 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기는, 그의 확장된 각도 크기내에서 인간 시각 시스템의 눈 각도 분리(human visual system eye angular separation)에 적합한 각도 해상도값을 가진 다수의 뷰(view)를 변조할 수 있으며, 그에 의해 디스플레이되는 3D 콘텐츠를 관람하기 위해 안경을 이용할 필요가 없는 3D 디스플레이가 가능하게 되는
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기는 3D 디스플레이 또는 고 해상도 2D 디스플레이로서 동작하도록 절환될 수 있는 3D 디스플레이 또는 2D 디스플레이를 생성하기 위한, LCD(Liquid Crystal Display)에 대한 배면광으로서 이용되는
지향성 광 변조기.
제 31 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기의 광 필드 변조 기능은 합성 홀로그램(synthetic holography) 3D 디스플레이를 구현하는데 이용될 수 있는 3D 광 필드 디스플레이의 근본적인 토대가 되는
지향성 광 변조기.
지향성 광 변조기를 형성하는 방법으로서,
방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스는 마이크로 에미터들의 2차원 어레이를 포함하고, 에미터들의 2차원 어레이는 마이크로 에미터들의 그룹들을 다수개 포함하며, 마이크로 에미터들의 그룹들은 공간 변조 어레이를 나타냄 - 와;
마이크로 렌즈 소자들의 웨이퍼 레벨 광학 기기(wafer level optics: WLO) 마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 단계와;
마이크로 렌즈 어레이를 지향성 광 변조기 서브어셈블리내로 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스와 정렬시키는 - 그에 따라 마이크로 렌즈 어레이의 각 마이크로 렌즈 소자는 방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 마이크로 에미터의 2차원 어레이내의 대응하는 다수의 마이크로 에미터와 연관되고 그들과 정렬됨으로써, ±최대 각도 크기 범위내에서 방출 마이크로 에미터 어레이의 방출 표면의 평면내에서 2 축을 중심으로 하여 광을 방출하며, 그에 의해 각 마이크로 렌즈 소자는 대응하는 다수의 마이크로 에미터들로부터 방출된 광을 각 마이크로 렌즈 소자의 개구수에 의해 정의된 각도 크기내의 대응하는 이산 방향 세트(discrete set of directions)로 광학적으로 매핑함 - 단계와;
상기 서브어셈블리의 평면에서 적어도 제 1 축을 중심으로 하여 지향성 광 변조기 서브어셈블리를 시간적으로 각도 굴절시켜서, 그 시간적 각도 굴절에 응답하여 상기 이산 방향 세트를 포함하는 각도 크기가 확장되도록 하는 단계를 포함하고,
제 1 축을 중심으로 한 시간적 각도 굴절의 주기성은 입력 화상 데이터의 프레임 레이트내에서 확장된 각도 크기의 시간적 커버리지를 인에이블하도록 선택되는,
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 42 항에 있어서,
상기 지향성 광 변조기 서브어셈블리는 상기 서브어셈블리의 평면에서 제 2 축을 중심으로 하여 시간적으로 각도 굴절됨으로써, 시간적 각도 굴절에 응답하여 이산 방향 세트를 포함하는 각도 크기가 추가로 확장되도록 하고, 상기 제 2 축은 제 1 축에 수직하는
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 43 항에 있어서,
방출 마이크로 에미터 어레이 디바이스를 제공하는 단계는 단일 기판상에 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 매트릭스를 제공하는 단계를 포함하고,
마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 단계는 마이크로 렌즈 어레이의 매트릭스를 제공하는 단계를 포함하며,
상기 지향성 광 변조기 형성 방법은, 지향성 광 변조기의 매트릭스를 형성하기 위해 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 매트릭스상에 마이크로 렌즈 어레이의 매트릭스를 탑재하는 단계와, 다수의 개별 지향성 광 변조기를 제공하기 위해 지향성 광 변조기의 매트릭스를 다이싱(dice)하는 단계를 포함하는
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 44 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이의 매트릭스는 반도체 웨이퍼 레벨 정렬 기술을 이용하여 지향성 광 변조기의 매트릭스를 형성하도록 상기 마이크로 에미터 어레이 디바이스의 매트릭스에 대하여 정렬되는
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 44 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이의 매트릭스를 제공하는 단계는, 다수의 마이크로 렌즈 어레이 층들을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이 층들은 마이크로 렌즈 어레이의 매트릭스를 형성하기 위하여 서로 간에 스택(stack)으로 탑재되고 정렬되는
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 44 항에 있어서,
각 마이크로 에미터는 그의 컬러 및 밝기를 제어하도록 개별적으로 어드레스 가능한
지향성 광 변조기 형성 방법.
제 47 항에 있어서,
각 마이크로 렌즈 소자의 개구수에 의해 정의되는 각도 크기내에서 대응하는 다수의 마이크로 에미터로부터 대응하는 이산 방향 세트로 방출된 광은, 대응하는 화소 그룹을 형성하며, 각 화소 그룹내의 화소들을 개별 화소 어드레스 지정과 함께 시간적으로 확장된 방향 세트와 연관시키면, 시간적으로 확장된 방향 세트의 개별적 어드레스 지정이 가능하게 되며, 그에 의해 지향성 광 변조기는 시간적으로 확장된 광 방향 세트를 포함하는 임의 방향들로 지향성 변조된 광을 생성하는
지향성 광 변조기 형성 방법.