KR100976396B1 - 렌즈 어레이 구조 - Google Patents

Abstract

렌즈 어레이 구조는 연속으로 배열되며, 어느 한 편광 입사광을 각 방향성 분포로 가이드 할 수 있으며, 상기 편광에 수직한 편광 입사광에는 영향을 미치지 않는 두 개의 복굴절 렌즈 어레이를 포함한다. 상기 렌즈 어레이들은, 수직하는 두 편광 성분들이 상기 복굴절 렌즈 어레이 중 어느 하나에 의해 방향성 분포로 가이드되고, 다른 하나에 의해서 영향을 받지 않도록 각각 배향된다. 따라서, 편광을 조절함으로써, 두 렌즈 어레이의 효과를 변환할 수 있다. 렌즈 어레이의 어느 것도 기능하지 않는 제3 모드로 변환하기 위하여, 상기 렌즈 어레이 들중 하나는 액티브일 수 있다. 상기 렌즈 구조는 가변 방향성 디스플레이를 제공하는 표시장치에 사용될 수 있다.

Description

렌즈 어레이 구조 {LENS ARRAY STRUCTURE}

본 발명은 표시장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 2차원/3차원 가변 자동입체 표시장치에 사용될 수 있으며, 가변 고휘도 반사 표시 시스템, 멀티 유저 표시 시스템, 또는 방향성 광 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 시스템들은 컴퓨터 모니터, 핸드폰, 디지털 카메라, 랩탑과 데스크탑 컴퓨터, 게임기, 자동차 및 기타 모바일 표시제품에 사용될 수 있다.

인간의 두 눈은 약간 다른 영상을 보기 때문에 정상적인 인간의 시각은 입체적이다. 인간의 두뇌는 깊이감을 주기 위해 두 영상(이하, 입체 쌍)을 융합한다. 3차원 입체 표시장치는 현 세계를 보는 각각의 눈에 보여지는 별개의 일반적으로 평평한 이미지 재생한다. 인간의 두뇌는 이미지에 겉보기 깊이를 주기 위해 입체 쌍을 융합한다.

도 1a는 표시면에서 표시 표면을 나타내는 평면도이다. 화면 뒤에 있는 사용자가 인지된 이미지 포인트(6)를 생성하기 위해, 오른쪽 눈(2)은 오른쪽 눈에 대응하는 표시면 위의 이미지 포인트(3)를 보고, 왼쪽 눈(4)은 왼쪽 눈에 대응하는 표시면 위의 이미지 포인트(5)를 본다.

도 1b는 표시면에서 표시 평면을 나타내는 평면도이다. 화면의 앞에 눈에 보이는 이미지 포인트(9)를 생성하기 위해, 오른쪽 눈(2)은 오른쪽 눈에 대응하는 표시면 위의 이미지 포인트(7)를 보고, 왼쪽 눈(4)은 왼쪽 눈에 대응하는 표시면 위의 이미지 포인트(8)를 본다.

도 1c는 왼쪽 눈에 보이는 이미지(10)와 오른쪽 눈에 보이는 이미지(11)를 나타낸다. 왼쪽 눈 이미지(10)에서 대응 포인트(5)는 기준 라인(12) 상에 위치한다. 오른쪽 눈 이미지(11)에서 대응 포인트(3)는 기준 라인(12)과 다른 위치(3)에 위치한다. 상기한 포인트(3)의 기준 라인(12)으로부터 분리는 이격도로 명명되고, 이 경우에 포인트들에 대한 포지티브 이격도는 화면의 뒤에 존재한다.

장면에서 일반화된 포인트는 도 1a에 도시된 입체 쌍의 각 이미지에 대응하는 포인트이다. 이 포인트들은 상동 포인트들로 명명된다. 두 이미지 사이에서 상동 포인트들의 상관적인 분리는 이격도로 명명된다. 제로 이격도를 갖는 포인트들은 화면의 깊이면에 위치하는 포인트들에 대응한다. 도 1b는 서로 교차하지 않는 이격도를 갖는 포인트들이 표시장치의 후면에 나타나는 것을 보여주고, 도 1c는 서로 교차하는 이격도를 갖는 포인트들이 표시장치의 전면에 나타나는 것을 보여준다. 상동 포인트들의 분리의 정도, 관찰자와의 거리 및 관찰자의 두 눈의 분리는 화면 상에서 인지되는 깊이의 정도를 부여한다.

입체형 표시장치는 종래에 잘 알려져 있고, 왼쪽과 오른쪽 눈으로 전달된 시각들을 실질적으로 구별하기 위해 사용자에 의해서 마모되는 여러 종류의 시각 보조기가 구비된 표시장치라 한다. 예를 들어, 시각 보조기는 이미지들이 컬러(레드 와 그린)로 코드화되는 컬러필터들, 이미지들이 직각 편광 상태로 암호화되는 편광 유리 또는 시각들이 셔터의 개구부와 동시에 이미지들의 시간적 연속성과 같이 암호화되는 셔터 유리가 될 수 있다.

자동입체 표시장치는 관찰자에 의해서 마모되는 시각 보조기 없이 동작한다. 자동입체 표시장치에서, 장면들 각각은 도 2에 도시된 공간 내에서 제한된 영역으로부터 나타날 수 있다.

도 2a는 고착된 변위 광학 요소(Parallax optical element)(17)를 갖는 표시장치(16)를 나타낸다. 표시장치는 오른쪽 눈의 경로에서 오른쪽 눈 이미지(18)를 생성한다. 변위 광학 요소(17)는 표시소자 전면의 영역에 오른쪽 눈 시각창(Viewing Plane)(20)을 생성하기 위해 화살표(19) 방향성으로 광을 가이드한다. 관찰자는 창(20)의 위치에 오른쪽 눈(22)을 위치시킨다. 왼쪽 눈 시각창(24)의 위치는 참조용으로 도시된다. 또한, 시각창(20)은 수직하게 연장된 광학 눈동자와 같이 간주될 수 있다.

도 2b는 왼쪽 눈의 광학 시스템을 나타낸다. 표시소자(16)는 왼쪽 눈의 경로에 대한 왼쪽 눈 이미지(26)를 생성한다. 변위 광학 요소(17)는 표시소자 전면의 영역에 왼쪽 눈 시각창(20)을 생성하기 위해 화살표(28) 방향성으로 광을 가이드한다. 관찰자는 창(20)의 위치에 왼쪽 눈(32)을 위치시킨다. 오른쪽 눈 시각창(20)의 위치는 참조용으로 도시된다.

상기한 시스템은 표시장치 및 광학적 조향 매카니즘을 포함한다. 왼쪽 이미지(26)로부터 출력된 광은 시각창(30)으로 일컬어지는 표시장치의 전면의 제한된 영역으로 전송된다. 만약 눈(32)이 시각창(30)의 위치에 배치된다면, 관찰자는 화면 전체에서 적절한 이미지(26)를 본다. 이와 유사하게 광학 시스템은 오른쪽 이미지(18)를 위해 의도된 광을 별도의 창(20)으로 전송한다. 관찰자가 오른쪽 눈(22)을 창에 위치시킨다면, 오른쪽 눈 이미지가 화면 전체에 보여질 것이다. 일반적으로, 이미지들 중 어느 하나로부터 출력된 광은 방향성 분포로 광학적으로 가이드될 것이다.

도 3은 창의 면(42)에서 왼쪽 눈 시각창(36, 37, 38)과 오른쪽 눈 시각창(39, 40, 41)을 생성하는 표시면(34)에서 표시장치(16, 17)의 평면도를 나타낸다. 창의 면과 표시면 사이의 분리는 정상 시각 거리로 정의된다. 표시면에 대해서 중심적인 위치에 있는 창들(37, 40)은 제로 로브(44)내에 있다. 제로 로브(44)의 우측에 있는 창들(36, 39)은 +1 로브(46) 내에 존재하는 반면에, 제로 로브(44)의 좌측에 있는 창들(38, 41)은 -1 로브(48) 내에 존재한다.

표시면의 시각창 면은 측면 시각 자유도가 최대인 표시면의 지점에서부터의 거리를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이 창의 면으로부터 떨어진 포인트들 때문에 창은 다이아몬드 형상의 자동입체 시각지대를 형성한다. 표시면의 포인트들 각각으로부터 출력된 광은 시각창에 정해진 폭을 갖는 원뿔형상으로 조사된다. 원뿔의 폭은 각폭으로써 정의된다.

만약 눈이 37, 40과 같은 한 쌍의 시각 지대 각각에 위치한다면, 자동입체 이미지는 표시면의 전체 영역에 나타날 것이다. 1차적으로, 표시장치의 세로 시각 자유도는 이러한 시각 지대의 길이에 의해서 결정된다.

도 4에서, 표시면(광의 방향성 분포의 한 형태를 구성하는)의 창의 면을 가로지르는 강도의 변화(50)는 이상화된 창의 위치(51)를 기준으로 나타난다. 오른쪽 눈 창의 위치에서 강도 분포 '52'는 도 3에 도시된 '41'번 창에 대응하고, 강도 분포 '53'은 '37'번 창에 대응하며, 강도 분포 '54'는 '40'번 창에 대응하고, 강도 분포' 55'는 '36'번 창에 대응한다.

도 5는 실제적인 창의 위치에 대한 강도 분포를 개략적으로 나타낸다. 오른쪽 눈 창의 위치에서 강도 분포 '56'은 도 3에 도시된 '41'번 창에 대응하고, 강도 분포 '57'은 '37'번 창에 대응하며, 강도 분포 '58'은 '40'번 창에 대응하고, 강도 분포 '59'는 '36'번 창에 대응한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이미지 분리의 품질과 표시장치의 가로 세로 시각적 자유도의 범위는 창의 품질에 의해 결정된다. 도 5는 표시장치로부터 출력된 실제의 시각창을 개략적으로 나타내고, 도 4는 이상적인 시각창을 나타낸다. 불충분한 창 성능으로 인해 몇몇 인공물들이 발생할 수 있다. 혼선(Cross Talk)은, 오른쪽 눈 이미지로부터의 광이 왼쪽 눈에 보여지거나, 그 역이 일어날 때, 발생한다. 이는 사용자에게 시각적 피로를 유발하는 중요한 3D 이미지 강등 메카니즘이다. 추가적으로, 창의 낮은 품질은 관찰자의 시각적 자유도를 감소시킨다.

변위 요소는 투과 영역과 교호하는 비투과 영역 어레이를 포함하는 변위 장벽일 수 있다. 변위 장벽은 표시장치의 영역들로부터의 광을 차단하고, 그 결과, 일반적으로, 본래 표시장치의 휘도의 대략 20~40% 정도까지 휘도 및 장치 효율성이 감소된다. 변위 장벽은 표시장치의 시각 자유도를 개선하기 위하여 표시장치의 픽 셀 구조에 대한 장벽의 공차와 서브 픽셀의 배열의 필요성 때문에 쉽게 제거되거나 재배치되지 않는다. 2D 모드는 절반의 해상도이다.

입체 표시장치에 사용되는 기술로 잘 알려진 변위 장벽과 대체 가능한 변위 렌즈의 또 다른 형태는 렌티큘라 스크린(lenticular screen)이며, 이는 수직하게 연장된 실린더형 마이크로 렌즈들의 어레이이다.

도 6은 렌티큘라 어레이를 사용하는 렌티큘라 표시소자의 일반적인 구조를 나타낸다. 백라이트(60)는 LCD 입력 편광자(64)로 입사되는 출력광(62)을 생성한다. 광은 TFT LCD 기판(66)을 통과하여 LCD 픽셀층(67)에서 컬럼과 로우 방향성으로 배열된 픽셀 어레이로 입사된다. 적색 픽셀(68, 71, 73), 녹색 픽셀(69, 72, 75) 및 청색 픽셀(70, 73)은 각기 제어 가능한 액정층을 포함하고, 블랙 마스크(76)라 불리는 불투명 마스크에 의해서 분리된다. 각 픽셀은 투과영역 또는 픽셀 개구부(78)를 포함한다. 픽셀을 통과한 광은 LCD 픽셀층에서 액정 물질에 의해서 위상이 변화되고, LCD용 컬러 필터 기판(80) 상에 위치하는 컬러필터에 의해서 색이 변화된다. 이후 광은 출력 편광자(82)를 통과한다. 출력 편광자(82) 다음에는 렌티큘라 스크린 기판(94)과 렌티큘라 스크린 기판(94)의 표면 상에 형성된 렌티큘라 스크린(96)이 구비된다. 변위 장벽에 있어서, 렌티큘라 스크린(94)은 픽셀 '69'로 부터의 광선 '88'에 도시된 바와 같이, 교대 픽셀 칼럼(69, 71, 73, 75)으로부터 오른쪽 눈까지 광이 인도되는 것을 도와주고, 픽셀 '68'로부터의 광선 '90'에 도시된 바와 같이, 사이 칼럼(68, 70, 72, 74)으로부터 왼쪽 눈까지 광이 인도되는 것을 도와준다. 관찰자는 렌티큘라 스크린(96)의 개별적인 물결무늬(98)의 불투명 한 영역을 조명하는 밑에 있는 픽셀들로부터 출력된 광을 본다. 획득된 광이 형성하는 원뿔형의 크기는 획득된 광선'100'에 의해서 나타난다.

상기 구성에서, LCD 픽셀층은 공간적 광 변조기(SLM)에 따라 작동한다. 이 출원에서, 공간적 광 변조기 또는 SLM이란 단어는 액정표시장치와 같은 '광 밸브(Light Valve)' 소자와, 전계발광표시장치 및 LED 표시장치와 같은 발광 소자를 포함한다.

렌티큘라 표시장치는 1976년 Academic Press에서 출판된 T.Okoshi에서 "Three Dimensional Imaging Techniques"로 기술되어 있다. 공간적 광 변조기를 사용하는 렌티큘라 표시장치의 한 형태는 미국 출원번호 US 4,959,641에 기술된다. US 4,959,641의 발명은 공기 중에서 불가변 렌티큘라 요소를 기술한다.

표시장치의 컬럼 픽셀에 대해서 기울어진 실린더형 렌즈를 사용하는 렌티큘라 표시장치는 1996년 Vol.2653으로 SPIE에서 발행된 "multiview 3D-LCD"의 32 내지 39 페이지에 개시된다.

상술된 평판표시장치의 시각 자유도는 표시면의 창의 구조에 의해서 제한된다.

시각 자유도가 관찰자의 위치와 변위 요소의 이동을 측정하는 것에 의해서 확장되는 표시면은 유럽특허 EP-0,829,743에 기술된다. 이러한 관찰자 측정 장치와 기계적인 구동 장치는 가격이 비싸고, 복잡하다.

창의 광학적 구조가 변화되지 않고(예를 들어, 고정된 변위 광 표시장치), 관찰자가 실질적으로 수직 입체 이미지를 유지하도록 이미지 데이터가 관찰자의 측 정된 위치에 따라서 변환되는 표시장치는 유럽특허 EP-0,721,131에 기술된다.

상술한 바와 같이, 공간적 다중 3D 표시를 생성하기 위한 변위 렌즈의 사용은 각 이미지의 해상도를 풀 표시 해상도의 절반으로 제한한다. 많은 제품들에서, 표시장치는 3D 모드에서 시간의 일부로 사용되고, 인공물이 없는 풀 해상도의 2D 모드를 가질 것이 요구된다.

변위 렌즈의 효과가 제거된 표시장치의 한 형태는 1993년 "Developments in Autostereoscopic Technology at Demension Technologies Inc" 에 개시된 Proc.SIPE vol.1915 입체 표시장치와 제품 IV(1993)pp177-186이다. 이 경우에, 가변 확산 요소는 광선들을 형성하기 위해 광학 시스템 내부에 구비된다. 이러한 가변 확산 요소는 분자 배열이 물질에 전압이 제공되는 과정에서 분산과 비분산 모드를 변환하는 폴리머 분산 액정의 형태가 될 수 있다. 3D 모드에서, 확산자는 투명하고, 광선들은 후면 변위 장벽 효과를 생성하기 위해 제조된다. 2D 모드에서, 균일한 광원의 효과를 창조하기 위해, 확산자는 확산되고, 광선들은 희미해진다. 이러한 과정에서, 표시장치의 출력은 실질적으로 람베르시안(Lambertian)이고, 창들은 희미해진다. 이후, 관찰자는 풀 해상도의 2D 표시장치로써 표시장치를 볼 수 있다. 이러한 표시장치는 3D 모드에서 프레넬(Fresnel) 회절 인공물 뿐만 아니라, 혼선(Cross Talk)을 증가시키는 확산자의 클리어 상태에서 원하지 않은 잔여 스캐터로 인한 문제가 있다. 따라서,이러한 표시장치는 더 높은 시각적 피로를 주기 쉽다.

유럽특허 EP-0,833,183에 개시된 가변 2D-3D 표시장치의 다른 형태에서, 제2 LCD는 변위 렌즈와 같이 보조하기 위해 표시장치의 전면부에 위치한다. 제1 모드에서, 변위 LCD는 어떠한 창도 생성하지 않도록 투명하고, 하나의 이미지는 2D로 나타난다. 제2 모드에서, 소자는 변위 장벽의 슬릿을 생성하도록 변환된다. 이후, 출력창이 생성되고, 이미지는 3D로 나타난다. 이러한 표시장치는 저하된 휘도 또는 증가된 소비전력을 가질 뿐만 아니라, 두 개의 LCD 요소들을 사용하기 때문에 증가된 비용과 복잡성을 갖는다. 만약, 변위 장벽이 반사모드 3D 표시 시스템이 사용되면, 표시장치의 내측과 외측에 있는 변위 장벽의 차단 영역에 의해서 광의 감소로 인해 휘도가 매우 낮아진다.

유럽 특허 EP-0,829,744에 개시된 가변 2D-3D 표시장치의 또 다른 형태에서, 변위 장벽은 반파지연 요소로 패턴된 어레이를 포함한다. 지연 요소의 패턴은 장벽 슬릿들의 패턴과 변위 장벽의 흡수 영역에 대응한다. 3D 모드로 동작할 때, 편광판은 패턴된 지연 요소의 슬릿을 분석하기 위해 표시장치에 추가된다. 이러한 과정에서, 흡수 변위 장벽이 생성된다. 2D 모드로 동작할 때, 편광판은 2D 모드로 동작하는 과정에서 어떠한 편광 특성이 수반되지 않도록 완전하게 제거된다. 따라서, 표시장치의 출력은 풀 해상도와 풀 휘도를 갖는다. 한가지 단점은 표시장치가 변위 장벽 기술을 사용하고, 그로 인해 3D 모드로 동작할 때 20~30%로 제한된 휘도를 갖는다는 것이다. 또한, 표시장치는 시각 자유도와 장벽의 구멍으로부터의 회절에 의해서 제한된 혼선을 가질 수 있다.

광을 방향적으로 변환하기 위해 전기적으로 변환가능한 복굴절성 렌즈를 제공하는 것은 널리 알려져 있다. 또한, 2D 모드의 동작과 3D 모드의 동작 과정에서 표시장치를 변환하기 위해 상기한 렌즈들이 사용되는 것도 널리 알려져 있다.

예를 들어, 전기적으로 변환가능한 복굴절성 액정 마이크로렌즈들은 L.G. Commander 등의 European Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13, 15-16 May 1997 "Electrode designs for tuneable microlenses"pp48-58에 기술된다.

미국 출원 US-6,069,650과 PCT 출원번호 WO-98/21620에 개시된 가변 2D-3D 표시장치의 또 다른 형태에서, 액정물질이 채워진 렌티큘라 스크린을 포함하는 변환 마이크로 렌즈들은 렌티큘라 스크린의 광학적 기능을 변화시키는데 사용된다. 미국 출원 US-6,069,650과 PCT 출원번호 WO-98/21620은 전기 광학적 물질을 사용한 렌티큘라 스크린을 개시한다. 굴절률은 제1 값과 제2 값 사이의 전위차의 선택적 적용에 의해서 스위칭 가능해진다. 여기서, 제1 값은 렌티큘라 수단의 광 출력의 직접 활동에 의해서 제공된 값이고, 제2 값은 광 출력의 직접 활동에 의해서 제거된 값이다.

액정 프레넬 렌즈를 포함하는 3D 표시장치는 S.Suyama 등의 "3D Display System with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens", SID 97 DIGEST pp273-276에 기술된다.

W05-03/015,424에 개시된 가변 2D-3D 표시장치의 다른 형태에서는 렌즈를 지나 관찰자에게 도달하는 광의 편광을 조절함으로써, 패시브(Passive) 복굴절 마이크로렌즈가 2D와 3D 모드 사이에서 변환된다. 또, 이 참조에서는 복굴절 마이크로 렌즈 기하축이 렌즈 표면에서 복굴절 물질 축에 평행하도록 입력 편광을 회전하기 위하여 패시브 복굴절 렌즈를 트위스트하여 사용하는 것이 알려져 있다. WO-03/015,424에 개시된 표시소자는 도 7의 평면도에 나타나며, 다음과 같이 구성된다.

백라이트(102)는 LCD 입력 편광자(106)로 입사되는 발광(104)을 생성한다. 상기 광은 박막 트랜지스터(TFT) 기판(108)을 지나, 개별적으로 상변환하는 픽셀들(112-126)을 포함하는 픽셀층(110)으로 입사된다. 상기 픽셀들은 로우와 칼럼 방향성으로 배열되며, 픽셀 개구부(128)를 포함하고, 블랙 마스크(130)을 포함할 수 있다. 다음으로, 상기 광은 LCD 대향 기판(132)과 복굴절 마이크로렌즈 어레이(138) 위에 형성된 렌즈 캐리어 기판(136)을 지난다. 상기 마이크로렌즈 어레이(138)은 등방성 렌즈 마이크로구조(140)와 광축 방향이 '142'인 배향 복굴절 물질을 포함한다. 상기 복굴절 렌즈의 출력광은 렌즈 기판(144) 및 편광 변환 소자(146)를 지난다.

렌즈 어레이의 각 복굴절 렌즈들은 실린더형이다. 렌즈 어레이(138)는 렌티큘라 스크린이고, 렌즈들의 기하축은 페이지에 수직한다. 여기서, 상기 렌즈들의 피치는 2뷰(view) 자동입체표시가 생성되도록, 표시장치의 픽셀의 피치의 두배가 되도록 배열된다.

제1 모드 작동에서, 상기 편광 변환 소자(146)는 마이크로렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상축에 평행한 편광상태의 광을 투과시키도록 구성된다. 물질(액정 물질과 같은)의 정상 굴절율은 실질적으로 등방성 마이크로구조(140)의 굴절율에 매치된다. 따라서, 상기 렌즈들은 광학적 효과를 갖지 않으며, 표시장치의 출력광 은 실질적으로 방향성 분포로 변하지 않는다. 이 모드에서, 관찰자는 각 눈으로 표시장치의 모든 픽셀들(112-126)을 볼 것이며, 2D 이미지가 생성될 것이다.

작동의 제2모드에서, 편광 변환 소자(146)는 복굴절 마이크로렌즈 어레이의 이상축에 평행한 편광 상태의 광을 투과시키도록 구성된다. 물질(액정 물질과 같은)의 이상 굴절율은 등방성 마이크로구조(140)의 굴절율과 다르다. 따라서, 상기 렌즈들은 광학적 효과를 가지며, 표시장치 출력광은 방향성 분포로 변한다. 종래 기술에서 알려져 있듯이, 이 방향성 분포는, 화면 앞에 정확히 위치한 관찰자가 왼쪽 눈에서 이미지 픽셀 '112', '116', '120', '124'로부터 나온 광에 대응하는 왼쪽 이미지를 보고, 오른쪽 눈에서 이미지 픽셀 '114', '118', '122', '126'로부터 나온 광에 대응하는 오른쪽 이미지를 보게되도록 설정될 수 있다. 따라서, 가변 2D/3D 표시가 생성될 수 있다.

렌즈 어레이는 고 광효율, 작은 스팟 크기 및 잘알려진 리소그라피 공정 기술을 사용하여 제조되는 특성들을 가지고 있으므로, 특히 자동입체표시에 특히 적합하다.

광을 방향적으로 변환하기 위하여 전기적으로 변환가능한 복굴절 물질을 제공하는 것이 알려져 있다. 디스플레이를 2D 작동 모드와 3D 작동 모드 사이에서 변환하는데 이러한 렌즈들을 사용하는 것이 알려져 있다.

3D 자동입체표시에서, 렌즈 어레이(또는 렌티큘라 스크린)는 적절한 시각창들로 이루어진 방향성 분포로 광을 가이드하는데 사용될 수 있다. 또, 다른 방향성 분포들로 광을 가이드하는데 사용될 수 있다. 이러한 방향성 분포들의 예는 WO- 03/015,424에 기술되며, 광이 정상 창의 면의 넓은 수평창으로 가이드되는 휘도 강화 분포를 포함한다. 상기 창에서, 관찰자는 패널의 수직 개구율에 비례하여 휘도의 증가를 볼 것이다. 시각창을 벗어나면, 관찰자는 픽셀들 사이의 갭들을 볼 것이고, 상기 표시장치는 휘도가 감소할 것이다.

이 발명의 목적은 적어도 두가지 방향성 작동 모드가 가능한 가변 방향성 표시장치를 제공하는 것이다.

본원 발명에 따르면, 제1 복굴절 렌즈 어레이 및 연속하여 배열된 제2 복굴절 렌즈 어레이를 포함한 렌즈 어레이 구조가 제공된다.

상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 제2 복굴절 렌즈 어레이는 어느 한 편광 입사광을 각 방향성 분포로 가이드하며, 상기 편광에 수직한 편광의 입사광에는 영향을 미치지 않도록 작동한다.

상기 제1 편광 성분의 입사광은 제1 복굴절 렌즈 어레이에 의해 방향성 분포로 가이드되고, 제2 복굴절 렌즈 어레이에 의해 영향받지 않으며, 상기 제1 복굴절 편광 성분에 수직한 방향성으로 편광된 제2 편광 성분의 입사광은 제1 복굴절 렌즈 어레이에 의해 영향받지 않고, 제2 복굴절 렌즈 어레이에 의해 소정의 방향성 분포로 가이드되도록 제1 복굴절 렌즈 어레이와 제2 복굴절 렌즈 어레이는 각각 배향된다.

따라서, 입사광은 편광에 따라 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이 중 어느 하나의 방향성 분포로 가이드된다. 이 것은 렌즈 어레이 구조를 통과하는 편광의 조절에 의해 렌즈 어레이 구조의 효과를 바꿀 수 있게 한다.

상기 렌즈 어레이 구조는 표시장치에 포함되며, 상기 표시장치는 공간적 광 변조기와 가변 편광 조절 소자를 포함하며, 상기 가변 편광 조절 소자는 표시 장치를 지나는 광의 편광을 조절하여, 표시 소자로부터 상기 제1 편광 성분 또는 제2 편광 성분 중 어느 하나에 선택적으로 대응하는 편광 성분의 광을 출력한다. 상기 표시소자는 출력광이 다른 방향성 분포들로 가이드될 수 있는 두 모드로 작동가능하며, 이는 표시소자로부터 출력된 광이 상기 렌즈 어레이 구조에 입사된 제1 또는 제2 편광 요소에 대응하는 편광 성분의 것인지에 달려있다.

상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이가 광을 가이드하는 방향성 분포는 다음 중 어느 둘일 수 있다.

자동입체 랜드스케이프(Landscape) 분포;

자동입체 포트레이트(Portrait) 분포;

2뷰 자동입체 분포;

멀티뷰(Multi-view) 자동입체 분포;

경사(Tilted) 렌즈 자동입체 분포;

휘도 강화 분포; 또는

멀티뷰어(Multi-viewer) 분포.

상기 렌즈 어레이는 둘다 패시브하다. 이 경우, 상기 렌즈 어레이 구조는 제1 및 제2 편광 성분에 미치는 효과에 따라 두가지 모드가 가능하다.

다른 방법으로, 상기 렌즈 어레이의 하나 또는 모두는, 어느 한 편광 입사광을 각각의 방향성 분포로 가이드하며 상기 편광에 수직한 편광 입사광에는 영향이 없는 제1 모드와, 아무 광학적 효과를 갖지 않는 제2 모드 사이에서 변환 가능한 액티브(Active) 렌즈 어레이일 수 있다. 상기 제1 모드에서 액티브 렌즈 어레이를 사용함으로써, 상기 렌즈 어레이 구조는 전술한 편광 조절에 의해 다른 방향성 분포가 달성되는 두가지 작동 모드를 갖는다. 상기 제2 모드에서 액티브 렌즈 어레이를 사용함으로써, 상기 렌즈 어레이 구조는 렌즈 어레이 구조가 아무런 광학적 효과를 갖지 않는 제3 작동 모드를 갖는다. 이러한 액티브 렌즈 어레이는 전술한 표시장치에 포함될 수 있으며, 추가적으로 적어도 하나의 액티브 렌즈 어레이의 변환을 조절하도록 구성되는 조정 회로와 함께 포함될 수 있다. 따라서, 상기 표시장치는 렌즈 어레이의 입력 발광을 실질적으로 변환하지 않는 '비방향성 모드'를 갖는다.

이러한 소자들은,

제1 작동 모드에서 육안에 의해 보여지는 이동 풀(Full) 컬러 3D 입체 이미지를 적절하게 제공하며, 제2 작동 모드에서 풀 해상도 2D 이미지를 제공하는 자동입체 표시수단;

제1 모드에서 비방향성 휘도 성능을 나타내며, 제2 모드에서 방향성 휘도 성능을 나타내는 가변 고휘도 반투과-반사 표시 시스템; 또는

하나의 작동 모드에서 하나의 2D 이미지(이동 풀 컬러일 수 있는)를 제1 관찰자에게 제공하고 적어도 제2의 관찰자에게 제2의 다른 2D 이미지를 제공하며, 제2 작동 모드에서 모든 관찰자에게 보이는 단독 풀 해상도 2D 이미지를 제공하는 멀티뷰어 표시수단에 사용될 수 있다.

본원 발명에 따른 다른 형태에서는,

제1 복굴절 렌즈 어레이;

제2 복굴절 렌즈 어레이;

편광된 출력을 갖는 공간적 광 변조기;

적어도 두 방향성 모드가 표시장치에 의해 생성되도록 배열된 제1 또는 제2 렌즈 표면에서 페이즈(Phase) 단계를 조절하도록 배열된 적어도 하나의 굴절 표면 페이즈 단계 변환 수단을 포함하는 방향성 표시장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 렌즈 어레이는 실린더형이다.

바람직하게는, 각 렌즈 어레이는 등방성 물질과 복굴절 물질을 포함한다.

등방성 물질의 굴절율은 실질적으로 동일하고, 실질적으로 복굴절 물질의 굴절율들 중 하나와 동일할 수 있다.

또, 상기 등방성 물질들 중 하나의 굴절율은 복굴절 물질의 정상 굴절율과 실질적으로 동일하고, 다른 등방성 물질들의 굴절율은 복굴절 물질의 이상 굴절율과 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 변환 수단은 가변 편광 회전자(Rotator)를 포함할 수 있으며, 상기 가변 편광 회전자는 공간적 광변조기 출력 편광자와 렌즈 어레이 사이에 위치할 수 있다.

상기 변환 수단들이 렌즈에 걸친 가변 전기장을 포함하는 경우, 하나 또는 모든 렌즈는 액티브 렌즈를 포함하는 액티브 방식일 수 있다.

상기 변환 수단은 가변 편광자 회전자와 렌즈에 걸친 가변 전기장의 조합일 수 있다.

본 발명의 실시예들은 단지 예시적 방법으로서, 관련 도면을 참조하여 지금부터 설명될 것이다.

도 1a는 3D 표시장치에서 스크린 평면 뒤에 위치한 사물에 대한 겉보기 깊이를 나타낸 도면이다.

도 1b는 3D 표시장치에서 스크린 평면 앞에 위치한 사물에 대한 겉보기 깊이를 나타낸 도면이다.

도 1c는 이미지들의 입체쌍에서 각 이미지 상에 대응하는 포인트들의 위치를 나타낸 도면이다.

도 2a는 자동입체 3D 표시장치의 정면에서 오른쪽 눈 시각창의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2b는 자동입체 3D 표시장치의 정면에서 왼쪽 눈 시각창의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 3D 표시장치의 출력 원뿔로부터 시각 지대의 발생을 나타내는 평면도이다.

도 4는 자동입체 표시장치에 대한 이상적 창의 프로파일을 나타낸 도면이다.

도 5는 자동입체 3D 표시로부터의 시각창들의 출력 프로파일을 나타낸 단면도이다.

도 6은 렌티큘라 스크린 표시장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 7은 종래 기술의 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치를 나타낸 도면이다.

도 8은 종래 기술의 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치를 나타낸 도면이다.

도 9는 종래 기술의 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치를 나타낸 도면이다.

도 10은 종래 기술의 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치를 나타낸 도면이다.

도 11은 종래 기술의 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치를 나타낸 도면이다.

도 12는 수직과 수평 방향성을 갖는 단독 방향성 모드를 구비한 가변 표시장치의 예를 나타낸 도면이다.

도 13은 포트레이트와 랜드스케이프 상태의 포트레이트 패널과 랜드스케이프 패널을 도시한 도면이다.

도 14는 직교하는 렌즈들을 구비한 가변 방향성 표시장치를 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 15는 도 14의 구성을 사용하는 표시장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 16은 도 15의 일부의 다른 배향 방향을 나타낸 도면이다.

도 17은 도 15의 렌즈 구조를 형성하는 한 방법을 나타낸 도면이다.

도 18은 단독 액티브 렌즈들을 사용하여 비방향성 모드와 두 개의 다른 방향성 모드가 생성된 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 19는 도 18의 표시장치에서 비방향성 모드의 생성을 나타낸 도면이다.

도 20은 도 18의 렌즈를 포함하는 표시장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 21은 한 쌍의 액티브 렌즈를 사용하여 비방향성 모드와 두 개의 다른 방향성 모드가 생성된 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 22는 입사된 편광 상태를 조절함으로써 두 개의 방향성 모드가 달성된 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 23은 셀에 걸친 전기장을 조절함으로써 두 개의 방향성 모드가 달성되는 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

상기 다양한 실시예 중 몇몇은 공통의 참조 부호로 표시된 공통의 요소들을 가지며, 따라서, 설명은 반복되지 않는다. 또, 각 실시예의 요소들의 설명은 다른 실시예의 동일 요소 및 대응하는 효과를 갖는 요소들에 필요한 변경을 가하여 동일하게 적용될 수 있다. 또, 표시장치의 실시예를 도시하는 그림들은 명백하게 표시장치의 일부만을 나타낸다. 사실, 상기 구성은 표시장치의 전체 영역에 걸쳐 반복된다.

이 명세서에서, 복굴절 물질의 광축의 방향(디렉터 방향, 또는 이상축 방향)은 복굴절 광축으로 간주될 것이다. 이는 일반적으로 기하 광학에 의해 정의되는 렌즈의 광축과 혼동되서는 안된다.

실린더형 렌즈는 가장자리(곡률 반경을 가지며 다른 비구면 요소들을 가질 수 있는)가 제1 선 방향에서 스윕되는 렌즈를 기술한다. 상기 기하 마이크로렌즈 축은 제1 선 방향에서 렌즈의 중심을 따르는, 즉 상기 가장자리의 스윕 방향에 평 행한 선으로 정의된다. 여기서 "실린더형"이란 단어는 종래 기술의 일반적인 의미를 가지며, 엄격한 구형 렌즈 형상 뿐만 아니라 비구면 렌즈 형상을 포함한다.

2D-3D 타입 표시장치에서, 기하 마이크로렌즈 축은 수직이다. 그 결과, 표시장치의 픽셀 칼럼에 평행하거나 약간 기울어져 있다. 여기서 기술되는 휘도 강화 표시장치에서, 기하 마이크로렌즈 축은 수평이다. 그 결과, 표시장치의 픽셀 로우에 평행하다.

2뷰 자동입체 3D 표시장치의 렌즈 어레이의 렌즈들의 간격은, 실질적으로, 렌즈 어레이가 사용되는 공간적 광 변조기의 픽셀들의 간격의 두배이다. 사실, 렌즈 어레이의 렌즈들의 간격은, 실질적으로, "시점 보정"으로 알려진 방법에서 시각창으로의 광을 조향하는 공간적 광 변조기의 픽셀들의 간격의 두배에 약간 못 미친다. 렌즈의 곡률은 실질적으로 창의 면에서 LCD 픽셀들의 이미를 생성하도록 설정된다. 렌즈들이 픽셀로부터의 원뿔에서 광을 선택하고 그것을 창에 분포시키면, 렌즈 어레이들은 입사광의 풀 휘도를 제공한다.

실린더형 렌즈, 연장 슬릿 어레이 또는 홀로그램 로우를 포함하는 종래 기술의 방향성 표시장치는 단독 방향에서만 변위를 생성한다. 이것은 방향성 모드에서 광학 요소에 의한 해상도 손실을 감소시키는 역할을 한다. 그러나, 방향성 모드의 표시 방향은 광학 요소 축 구성의 기하학적 배열에 의해 조정되며, 따라서 상기 표시장치는 랜드스케이프 또는 포트레이트 모드 중 하나로 사용될 수만 있다.

모바일 폰과 카메라 같은 소자에서, 가장 적합한 어플리케이션, 예를 들어 메뉴 인터페이스와 게임 어플리케이션 사이에서 디스플레이를 전환하는 것이 바람 직하다.

거기에 더해, 패널의 구동이 실질적으로 베이스 패널과 동일한 제1 비방향성 모드와, 패널의 구동이 방향성 표시, 예를 들어 자동입체 표시인 제2 방향성모드 사이에서 방향 기능성을 전환하는 것이 바람직하다.

상기 실시예들은 단독으로 또는 다른 조합으로 다음과 같은 잇점들을 달성할 수 있다.

방향성 표시소자의 다중 작동 모드가 독립적으로 수행되도록 구성될수 있다;

비방향성 모드가 구성될 수 있다;

표시장치는 실질적으로 베이스 표시장치의 풀 휘도를 가진다;

일반적인 재료와 공정 기술을 사용가능하다;

저비용으로 제조가능하다;

규격 평판표시장치와 상용성이 있다;그리고/또는

방향성 모드에서 높은 표시 성능을 갖는다.

도 8 내지 11은 본원 발명에 따른 렌즈 어레이 구조가 적용될 수 있는 표시장치들을 나타낸다. 이러한 표시장치들은 도 7에 도시된 것들과 유사하며, 다음의 변형이 가능하다. 상기 백라이트와 입력 편광자는 도시되지 않는다.

도 8의 표시장치에서, 도 7의 편광자(146)는, 액정층(160)을 샌드위칭하는 추가 ITO층(158)들, 출력 기판(164) 그리고 출력 편광자(166)을 포함하는 전기적으로 조정되는 편광 스위치로 대체된다. 전기 신호 컨트롤러(162)는, 액정 물질(160)을 변환하는 ITO 전극들 사이의 전기장을 변환한다. 이는 출력 편광자(166)를 통하 여 투과된 편광 상태를 조정하며, 따라서 렌즈의 기능을 조정한다.

도 9는 도 8에서의 소자에 유사한 개념적인 소자를 나타낸다. 그러나 출력 편광자(154)는 대향 기판(132) 상에 위치하며, 상기 ITO 전극 배향층(158)과 액정층(160)은 렌즈들(142)과 편광자(154) 사이에 위치한다. 이러한 구성은 풀 이미지 콘트라스트와 휘도로 렌즈를 변환한다.

도 10은 다른 구성을 나타내는 것으로, 전극들과 액정 스위치'174'와 '160'이 액정 렌즈와 접촉하여 위치하며, 상기 액정 렌즈는 단단한 액정 렌즈일 수 있다. ITO 전극(172)는 상기 렌즈의 한쪽 면에 포함된다.

도 11은 도 10의 표시장치의 다른 구성을 나타내는 것으로, 자동입체 표시장치의 2뷰 픽셀 칼럼은 휘도 강화 표시장치의 개구부로 대체된다.

본원 발명에 따르는 것은 아니나, 비방향성 모드와 방향성 모드 사이에서 변환될 수 있으며, 포트레이트와 랜트스케이프 방향으로 방향 작동이 가능한 개념적 장치는 도 12에 도시되며, 편광 활성화 마이크로렌즈 표시장치(Polarisation Activated Microlens Display)의 경우, 도 8에 도시된 표시장치에 유사한 구조와 작동을 갖는다.

LCD 패널 출력 기판(200)은 선 출력 편광자(202)를 갖는다. 출력 편광 상태는 복굴절 물질(미도시)을 포함한 렌즈 어레이로 입사되며, 상기 복굴절 물질은 '206'방향으로 배향된 카운터 기판(204)과 '210'방향으로 배향된 표면 릴리프 렌즈(208) 사이에 샌드위치된다. 출력 광은 ITO 전극들(212, 214)을 포함한 액정 셔터를 통과한다. 상기 ITO 전극들은 '216'과 '218'의 각 방향으로 배향되며, 액정층( 미도시)을 샌드위칭한다. 다음으로, 상기 광은 '222'방향으로 편광 투과하는 마지막 출력 편광자(220)을 지난다.

이러한 표시장치의 렌즈 어레이(208)는 비실린더형이다. 상기 렌즈 어레이는 예를 들어, 제1 방향으로 두 픽셀 칼럼과 제2 방향으로 두 픽셀 로우의 간격을 갖도록 배열될 수 있다. 따라서 상기 표시장치는 원칙적으로, 랜드스케이프 모드와 포트레이트 모드의 작동에서 자동입체표시를 보여줄 수 있다. 이 실시예에서 상기 패널은 예를 들어, 적색, 녹색 그리고 청색 픽셀의 수직 칼럼을 구비한 랜드스케이프 패널로 배향될 수 있다. 두 모드 사이에서 변환하기 위하여, 패널 상의 왼쪽 눈 데이터와 오른쪽 눈 데이터는 랜드스케이프 작동에 있어서는 인접한 칼럼들에, 포트레이트 작동에 있어서는 인접한 로우들에 있을 수 있다.

표면 릴리프 렌즈들은 수평 렌즈 축과 수직 렌즈 축에 있어서 동일한 단독 최대 깊이를 가질 것이다. 그러나, 렌즈가 비정방(Non-square) 형상이라면, 곡률 반경은 수평 방향과 수직 방향에 있어서, 상당히 다를 수 있다. 따라서, 렌즈의 초점 길이는 두 방향에서 다를 것이다. 다만, 픽셀층은 렌즈 표면으로부터 단독 고정된 거리이고, 따라서 소자는 한 방향에서 최적 작동하도록 집중되거나, 양 방향에 있어서 절충 초점을 갖도록 설정될 수 있다.

추가적으로, 방향성 작동 모드에서, 표시장치는 수직축과 수평축 모두에서 픽셀들 사이의 갭들의 이미지화를 제공할 것이다. 따라서, 표시장치는 축에 대하여 기울어지고, 이미지는 명멸현상으로 나타날 것이다. 추가적으로, 상기 표시장치는 수평과 수직 방향 모두에서 제한된 해상도를 나타낼 것이다.

또, 렌즈 어레이의 표면에서 복굴절 물질의 고성능 배향을 유지하는 것을 어려울 수 있다.

비실린더형 렌즈는 포트레이트 방향과 랜드스케이프 방향 모두에 사용될 수 있는 방향성 표시와 비방향성 표시 사이의 변환에 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 장치는 상기에서 언급된 것들을 포함하는 많은 불리한 점들이 나타난다.

다음의 도식들에서 기호는 표면에서, 또는 페이지면에서, 또는 페이지 면 밖으로의 복굴절 물질의 배향을 도시하는데 사용되며, 상기 배향은 종래 기술에서 알려진 바와 같이, 표면에서 복굴절 물질이 미리 기울어져 있기 때문에 도시된 것과 어느 정도의 차이가 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 공간적 광 변조기는 투과형 표시장치, 반사형 표시장치, 반투과형 표시장치 또는 발광 표시장치(유기 발광 표시장치와 같은) 또는 그 조합일 수 있다. 비편광 표시장치의 경우 추가적 편광자와 파장판들이 사용될 수 있다.

도 13은 랜드스케이프 패널과 포트레이트 패널의 설명을 명확히 한다. 도 13a에서, 랜드스케이프 패널(300)은 적색(302), 녹색(304) 그리고 청색(306) 픽셀들의 칼럼들을 구비한다. 도 13b에 도시된 포트레이트 모드로 변환되면, 상기 픽셀 칼럼들 역시 회전한다. 도 13c는 적색(310), 녹색(312) 그리고 청색(314) 픽셀들을 구비한 포트레이트 패널(308)을 나타낸다. 도 13d는 랜드스케이프 용으로 변환된 포트레이트 패널을 나타낸다.

본원 발명의 실시예들은 도 7 내지 11에 도시된, 또는 WO-03/015,424에 기술된 표시장치들 중 어느 하나를 기반으로 형성되며, 렌즈 어레이는 다음의 배열의 어느 하나를 갖는 렌즈 어레이 구조로 대체될 수 있다.

따라서, WO-03/015,424에 기술된 표시장치들의 다양한 양태는 참조에 의해 여기에 포함되며, 본 발명에 똑같이 적용될 수 있다.

비방향성 모드로 변환할 수 없으나, 두 방향성 모드를 갖는 가변 렌즈 어레이 구조는 도 14에 도시된다. 나타난 예에서, 렌즈는 등방성 표면 릴리프 층(224), 복굴절 물질(226), 복굴절 물질의 배향 기능을 구비한 제1 층(228) 복굴절 물질의 배향 기능을 구비한 제2 층(230),제2 복굴절 물질(232) 그리고 제2 등방성 표면 릴리프 층(234)를 포함한다. 각 표면에서의 배향 방향(236-242)이 표시된다. 배향 방향'238'과 '240'은 배향 방향'236', '242'에 각각 직교하거나 또는 평행할수 있다.

복굴절 물질의 정상 굴절율은 실질적으로 등방성 물질의 굴절율과 동일하도록 설정된다. 실린더형 렌즈 어레이(224)의 렌즈들은 표시장치의 픽셀 로우들(미도시)의 간격의 실질적으로 두 배의 간격을 가지며, 수평으로 설정된다. 렌즈(224)에서의 복굴절 물질 광축의 배향 방향(230)은 렌즈의 기하축에 평행하게 설정되며, 비평행 배향 방향(238)은 렌즈 대향 기판(228) 상에 설정된다. 배향층들(228, 230)은 예를 들어, 유리 마이크로시트(미도시)와 같은 얇은 기판의 일측면 상에 위치할 수 있다. 표면'230'에서의 복굴절 물질의 배향 방향'240'은 배향 방향'238'과 배향 방향'242'에 반평행한 방향에 직교한다.

작동에 있어서, 제1 선편광 상태(244)는 렌즈에 입사된다. 상기 편광 상태는 복굴절 물질(226)의 이상축에 평행하며, 그 결과, 이 표면에서 인덱스(Index) 단계가 일어나고, 렌즈 기능을 한다. 광은 배향층'228'을 지나, 제2 렌즈의 물질(232) 에 입사된다. 이 경우, 편광 상태는 등방성 물질의 굴절율에 매치되는 제2 복굴절 물질의 정상 굴절율을 보며, 따라서, 제2 렌즈(234) 표면은 아무 기능을 하지 않는다. 직교 편광 상태(246)에 있어서, 광은 제1 렌즈에 매치되는 인덱스이며, 렌즈 기능은 제2 렌즈에서 생성된다.

따라서, 렌즈를 지나 관찰자에 도달하는 편광자를 변화시킴으로써, 두 다른 렌즈 기능은 분석될 수 있다. 이러한 렌즈는 자동입체 3D 작동의 포트레이트 모드와 렌드스케이프 모드 사이에서 변환될 수 있는 표시장치를 구성하는데 사용될 수 있다.

상기 표시장치의 작동은 전술한 표시장치와 유사하다.

다른 방법으로, 렌즈들 중 하나는 랜드스케이프 자동입체 3D 표시 렌즈일 수 있고, 나머지는 휘도 강화 표시 렌즈일 수 있다.

다른 방법으로, 렌즈들 중 하나는 2뷰 자동입체 표시일 수 있고, 나머지는 기울어진(Tilted) 렌즈들을 사용하는 멀티뷰 자동입체 표시일 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 양 패널 방향은 렌드스케이프일 수 있다.

따라서, 방향성 표시 모드의 두 조합이 생성될 수 있다.

각 렌즈 어레이의 등방성 요소와 복굴절 요소의 배향은 곡률과 굴절율을 가져 픽셀층에 초점이 형성된다. 계면의 일면에서의 물질의 굴절율에 따라, 각 표면의 곡률은 시스템에서 광의 전파 방향에 대하여 파지티브 또는 네가티브할 수 있다. 한 렌즈의 초점 길이는 실질적으로 기판 두께와 동일한 정도의 거리만큼 나머지 렌즈들의 초점 길이와 다를 필요가 있다는 것에 주목해야 한다. 작동 모드에 있 어서 최대 측면 렌즈 피치를 투영하는 것이 필요하도록 픽셀층으로부터 다른 렌즈가 선택될 수 있으며, 그 결과, 렌즈의 쳐짐이 최소화된다. 다른 방법으로, 작동 모드에 있어서 최대 측면 픽셀 피치를 투영하는 것이 필요하도록 픽셀층으로부터 다른 렌즈가 선택될 수 있으며, 그 결과, 시각 거리가 두 렌즈들의 경우와 정상적으로 동일하게 된다.

도 14에 도시된 렌즈들과 기능면에서 유사한 렌즈 어레이 구조는, 예를 들어 도 15의 단면도에 도시된 바와 같이 구성될 수도 있다. 예를 들어 TFT-LCD(102, 106, 108, 110,132)의 백라이트로부터 나온 광은 층 배향 방향이 '248'인 렌즈 대향 기판(247)을 통과하여, 복굴절 물질(249)과, 표면 배향 방향이 '250'인 등방성 렌즈(252)로 향한다. 상기 렌즈(252)는 픽셀층(110)으로부터 출력창으로 픽셀들을 투영하는 역할을 한다. 등방성 물질은, 예를 들어 마이크로시트와 같은 선택적 박막 기판에 매치된다. 층'254'의 두께는 픽셀층으로부터 각각의 렌즈까지의 거리에 최적화되도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 포트레이트 모드 3D 렌즈는 긴 거리를 필요로하는 반면에, 렌드스케이프 모드 3D 렌즈는 짧은 거리를 필요로 한다.

제2 렌즈(256)는, 예를 들어 제1 렌즈(252)의 축에 대하여 회전될 수 있으며, 다른 곡률 반경을 가질 수 있다. 렌즈가 회전되면, 이 단면에서 곡률을 갖는 것이 나타나지 않는다. 상기 광은 반대 표면에서 배향 방향이 '258'과 '260'인 복굴절 물질(259)를 지난다. 다시, 배향 방향'258'과 '260'은 직교한다. 두 방향성 모드 사이에서 변환하는 표시모드는 전술되어 있다.

도 16은 도 15의 구조의 일부를 나타낸다. 다만, 배향 방향'260'은 LCD 출력 편광에 매치되도록 조정된다. 선편광 방향의 회전은 복굴절 물질의 가이딩과 복굴절에 의해 복굴절 물질(249) 안에서 일어날 것이다. 예를 들어, LCD의 출력 편광자 방향은 패널의 평면 시각에서 수직 방향에 45도 기울어질 수 있다. 따라서, 배향 방향'260'은 렌즈(252) 축에 45도 기울어진다. 나머지 배향 방향들은 전술한 것과 동일하다.

각 경우에서, 렌즈의 두 부분 사이의 배향 방향은 직교하며, 따라서, 렌즈들은 독립된 작용을 보여줄 수 있다.

도 15의 렌즈 어레이 구조는, 예를 들어 도 17에 도시된 것과 같이 형성될 수 있다. 도 17a에서, 기판(247)은, 예를 들어 러빙된(Rubbed) 폴리이미드(polyimide) 배향층, 포토-배향층 또는 회절성 배향층일 수 있다. Merck의 RM257과 같이 경화가능한 복굴절 물질(249)층이 기판(247)의 표면에 인가되고, 배향층(264)(회절성 배향층일 수 있는)을 갖는 표면 릴리프층을 포함한 엠보싱 도구(262)가 상기 복굴절 물질(249)의 표면에 인가되어, 적절한 물질 배향 방향을 갖는 렌즈들을 형성한다. 자외선(미도시)이 물질에 인가되어, 이 구조가 경화된다.

도 17b에서, UV 경화 고분자와 같은 등방성 물질이 제1 렌즈 어레이위에 인가되고, 제2 표면 릴리프와 배향층 구조(268)를 구비한 도구(266)에 의해 엠보싱된다. 다음으로, 상기 물질은 자외선 경화된다. 다른 방법으로 상기 배향층은, 예를 들어 이후에 러빙되는 코팅 폴리이미드층이 인가된 다음에 놓여질 수 있다. 마지막으로, 배향층(270)을 갖는 출력 기판(144)을 추가하고, 액정 물질 또는 경화 액정 물질과 같은 복굴절 물질로 갭을 채움으로써, 상기 구조가 형성된다. 배향층(미도 시)을 갖는 엠보싱 도구가 도 17a 및 17b에 도시된 방법으로 사용되면, 상기 기판(144)은 생략될 수 있다.

도 14에 도시된 구조를 형성하기 위하여, 비모사(Non-replicated) 배향층들이 모사 등방성 표면(224, 234)상에 사용될 수 있다. 배향층을 갖는 유리 마이크로시트층과 같은 층은 스페이서(Spacer), 그리고 UV 경화 액정물질일 수 있는 적절한 복굴절 물질로 채워진 갭들에 의해 렌즈 표면들 사이에 샌드위치된다.

이와 같은 구성들에서, 제1 및 제2 복굴절 층들과 제1 및 제2 등방성 층들은 시스템의 디자인을 개별적으로 최적화하기 위하여 다른 물질들일 수 있다.

도 22는 다른 렌즈 어레이 구조를 나타낸다. 이는 도 14의 렌즈 어레이 구조와 다른 것으로, 기판'228'과 '230'이 제거되며, 등방성 렌즈 기판들 중 하나, 예를 들어 '290'은 어떤 물질, 일반적으로 복굴절 물질'226'의 이상 굴절율과 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 고분자 물질들로 이루어진다. 복굴절 물질'288'은 두 렌즈 표면(224, 290)사이의 갭들을 채우는데 사용된다. 다른 렌즈 기판(224)은 복굴절 물질'226'의 정상 굴절율과 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 고분자 물질로 이루어진다. 복굴절 물질'288'은 렌즈 표면에서 배향 방향'236'과 '242'에 의해 조절된 배향, 즉, 트위스트 구성을 갖는다. 화살표'244'가 가리키는 편광된 광은, 상기 편광을 위한 렌즈로부터 복굴절 물질'226'로 향하는 굴절 단계가 있다면, 소자로 들어가 렌즈'224'로 입사한다. 상기 광은 복굴절 물질을 지나면서 회전되며, 상기 관이 렌즈 기판(290)의 계면에서 나타났을 때, 상기 렌즈 기판이 복굴절 물질'226'의 이상 굴절율과 실질적으로 동일한 굴절율을 갖는 물질로 이루어진다면, 상 기 광은 굴절 단계를 거치지 않을 것이다. 반대로, 소자로 들어가는 광이 화살표'226'이 가리키는 방향으로 편광되면, 요소'224'에서 어떤 굴절 단계도 보이지 않을 것이나, 상기 광은 여전히 복굴절 물질'226'에 의해 회전되며, '242'방향으로 직교하는 편광으로 렌즈 기판(290)에 입사한다. 따라서, 이 계면에서 굴절 단계를 거친다. 따라서, W05-03/015,424에 기술된 편광 변환에 의하는 소자로부터 출력 편광을 선택함으로써, 렌즈'224' 또는 '290'의 광학적 기능이 정해질 수 있다.

도 23의 실시예는 도22의 실시예와 다른 것으로, 투명전극(292, 294)들은 예를 들어 각 기판(224, 290)에서 제공된다. 이러한 전극들은, 예를 들어 복굴절 물질'226'에 걸쳐 전기장이 생성되도록 각 기판의 표면에 형성된 ITO 코팅일 수 있다. 가변 전기 구동부(298)와 전극(292, 294)에 대한 컨택이 제공된다. 비변환 상태에서의 작동에서, 상기 '244'로 편광된 광은 제1 렌즈에 입사된다. 그러나, 셀을 지나 아무 기능을 하지 않는 제2 렌즈로 향한다. 변환된 모드에서, 복굴절 물질'288'의 분자들은 기판에 수직하게 배향된다. 그 결과 제2 렌즈는 계면에서 굴절 단계를 보는 반면, 편광 상태'244'를 위한 제1 렌즈는 굴절율이 매칭되며, 따라서 렌즈 기능이 생성된다.

지금까지 설명된 구조들은 두 방향성 작동 모드 사이에서 변환이 가능하다. 상기 표시장치는 제3의 실질적으로 비방향성 모드를 갖는 것이 바람직하다. 이 목적을 달성하는 렌즈 어레이 구조의 예가 도 18에 도시된다. 상기 소자는 도 14에 도시된 두 개의 출력 표면 릴리프 구조를 포함하는 구조와 유사한 구조로 구성된다. 제2 렌즈는 가변 네마틱 액정 물질, 전극(272, 274) 그리고 필요에 따라 셀에 전기장을 생성하는 가변 전기 구동부(276)를 포함하는 액티브 렌즈이다.

제1 작동 모드에서, 제2 렌즈 셀에는 전기장이 인가되지 않으며, 따라서, 소자는 도 14에서 기술된 것과 같이, 마지막 출력 편광을 선택하여 두 렌즈 중 어느 것이 광학적 기능을 갖게 할 것인지를 조절하는 방식으로 작동한다. 액정 물질의 배향 방향(240, 242)은 실질적으로 수평이다.

비방향성 모드를 생성하기 위하여, 상기 소자는 도 19에 도시된 것과 같이 구성된다. 편광 상태(246)는 제1 렌즈를 지나며, 상기 제1 렌즈는 아무 광학 기능을 갖지 않는다. 구동부(276)에 의해 셀에 걸쳐 전기장이 형성되면, 액정 디렉터 배향 방향(240, 242)은 렌즈의 표면에 실질적으로 수직하게 배향된다. 따라서, 편광 상태는 표면 릴리프 구조에서 액정 물질 정상 굴절율을 만나게 되며, 상기 소자는 굴절율이 매칭되고, 광학적 기능을 갖지 않는다. 따라서, 비방향성 모드가 생성된다.

소자 구조의 실시예가 도 20의 단면도에 도시되며, 이는 전극들(272, 274)과 구동 회로(276)에 삽입된 점을 제외하면 도 15의 구조와 유사하다. 액정 물질(259)은 예를 들어, 가변 네마틱 액정일 수 있다. 복굴절 물질(249)은 예를 들어, 경화된 액정일 수 있다. 변환되지 않은 액정 배향(258, 260)은 수평이며, 변환된 상태의 배향(280, 278)은 수직이다.

다른 구조는 도 21에 도시된다. 단독 입력 편광 상태가 사용되고, 각 렌즈는 액티브 렌즈를 포함하며, 추가 전극들(282, 284)과 구동 회로(286)가 포함된다. 비방향성 모드에서 각 렌즈는 활성화되어, 그 결과, 디렉터들은 표면에 수직하고, 입 사 편광 상태는 각 렌즈에 대해 굴절율이 매칭된다. 제1 렌즈를 활성화하기 위하여, 구동부(286)는 오프(Off)로 변환되어, 배향 방향'236'에 의한 제1 굴절 표면에서 굴절 단계가 있게 된다. 상기 배향 방향은 렌즈 기하축에 직교하며, 디스클리네이션(Disclination)이 셀 안에 나타난다.

제3 모드에서, 제2 렌즈 기능이 활성화되어, 구동부'286'이 활성화되고 구동부'276'이 불활성화된다. 각 렌즈들을 동시에 활성화하기 위하여 각 렌즈들을 오프로 변환하면, 각 표면에서 굴절 단계가 있게된다.

소자 성능을 최적화하기 위하여 액티브 렌즈와 패시브 렌즈의 상대적 위치는 반대일 수 있다.

액티브 렌즈 구성에서 편광 변환 셀은, 예를 들어 도9에 도시된 구조와 유사하게 패널 출력 변광자와 렌즈 셀 사이에 위치할 수 있다.

이 방법으로, 실질적 비방향성 모드와 두 개의 다른 방향성 모드들 사이에서 변환될 수 있는 디스플레이가 생성될 수 있다. 상기 방향성 모드들은 자동입체 렌드스케이프 모드, 자동입체 포트레이트 모드, 2뷰 자동입체 모드, 멀티뷰 자동입체 모드, 경사 렌즈 자동입체 모드, 휘도 강화 모드 또는 멀티뷰어 모드의 조합일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 종래 기술에서 알려진 액정 겔 또는 고분자 네마틱 조성을 형성하기 위하여, 복굴절 네마틱 액정 물질은 경화가능한 액정 물질, 예를 들어 RM257(Merck Ltd.)을 어느 정도 포함할 수 있다. 상기 LC 겔은 전술한 경화가능한 액정 물질와 유사하게 중합될 수 있다. LC 겔은, 예를 들어 기계적 압력에 더 견고하도록 네마틱 LC의 기계적 특성을 안정화하는데 도움을 줄 수 있다. 상기 LC 겔은 본 발명의 액티브 실행 또는 패시브 실행 중 어느 하나에 사용될 수 있으며, 액정 물질, LC 겔 또는 경화 가능한 액정을 구비한 패시브 렌즈 실행에 있어서, 작동하는데 구동 전압은 필요하지 않다.

본 발명에 따른 렌즈 어레이 구조를 이용함으로써, 방향성 표시소자의 다중 작동 모드가 독립적으로 수행되도록 구성될수 있으며, 비방향성 모드가 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 표시장치는 실질적으로 베이스 표시장치의 풀 휘도를 가질 뿐만 아니라 방향성 모드에서 높은 표시 성능을 갖는다. 또, 일반적인 재료와 공정 기술을 사용가능하여 저비용으로 제조가능하며, 규격 평판표시장치와 상용성이 있다.

Claims (15)

1. 연속하여 배열된 제1 복굴절 렌즈 어레이와 제2 복굴절 렌즈 어레이를 포함하며,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 각각 그 경계면이 곡면을 이루는 복굴절 물질과 등방성 물질을 포함하고,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이는 제1 편광을 수용하여 상기 제1 편광의 방향성 분포와 다른 제1 방향성 분포를 갖는 제1 출력광을 출력하고,

   상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 상기 제1 편광을 수용하여 상기 제1 편광의 방향성 분포와 동일한 제2 방향성 분포를 갖는 제2 출력광을 출력하고,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이는 상기 제1 편광에 수직한 방향으로 편광된 제2 편광을 수용하여 상기 제2 편광의 방향성 분포와 동일한 제3 방향성 분포를 갖는 제3 출력광을 출력하며,

   상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 상기 제2 편광을 수용하여 상기 제2 편광의 방향성 분포와 다른 제4 방향성 분포를 갖는 제4 출력광을 출력하는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 실린더형 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질은 상호 동일한 정상 굴절율과 이상 굴절율을 가지고,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상축들은 상기 제1 편광과 상기 제2 편광에 각각 대응하는 방향들로 배향되며,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 등방성 물질은 상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상 굴절율과 이상 굴절율 중 하나와 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질은 상호 동일한 정상 굴절율과 이상 굴절율을 가지고,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이 중 어느 하나의 등방성 물질은 상기 복굴절 물질의 정상 굴절율과 동일한 굴절율을 가지며,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이 중 다른 하나의 등방성 물질은 상기 복굴절 물질의 이상 굴절율과 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 상기 제1 복굴절 렌즈 어레이의 등방성 물질과 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이의 등방성 물질 사이에 배치된 복굴절 물질을 공통으로 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상축들은 상기 제1 편광과 제2 편광에 대응하는 방향으로 각각 배향되고,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이의 등방성 물질은 상기 제1 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상 굴절율과 이상 굴절율 중 어느 하나와 동일한 굴절율을 가지며,

   상기 제2 복굴절 렌즈 어레이의 등방성 물질은 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이의 복굴절 물질의 정상 굴절율과 이상 굴절율 중 어느 하나와 동일한 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
8. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이는 수동 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
9. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 복굴절 렌즈 어레이와 상기 제2 복굴절 렌즈 어레이 중 적어도 하나는 제1 모드와 제2 모드 사이를 상호 변환할 수 있는 능동 렌즈 어레이이고,

   상기 제1 모드에서, 상기 능동 렌즈 어레이는 상기 제1 및 제2 편광 중 하나를 수용하여 이와 다른 방향성 분포를 갖는 출력광을 출력하고, 상기 제1 및 제2 편광 중 다른 하나를 수용하여 이와 동일한 방향성 분포를 갖는 출력광을 출력하며,

   상기 제2 모드에서, 상기 능동 렌즈 어레이는 상기 제1 편광을 수용하여 이와 동일한 방향성 분포를 갖는 출력광을 출력하고, 상기 제2 편광을 수용하여 이와 동일한 방향성 분포를 갖는 출력광을 출력하는 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이 구조.
10. 공간적 광 변조기;

    제8항에 따른 렌즈 어레이 구조; 및

    상기 제1 및 제2 편광 중 어느 하나에 선택적으로 대응하는 편광을 출력하기 위해 광의 편광 상태를 조절하는 가변 편광 조절 소자를 포함하고,

    상기 공간적 광 변조기는 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광을 출력하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
11. 공간적 광 변조기;

    제9항에 따른 렌즈 어레이 구조;

    상기 제1 및 제2 편광 중 어느 하나에 선택적으로 대응하는 편광을 출력하기 위해 광의 편광 상태를 조절하는 가변 편광 조절 소자; 및

    상기 적어도 하나의 능동 렌즈 어레이의 변환을 조정하는 조정 회로를 포함하고,

    상기 공간적 광 변조기는 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광을 출력하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 가변 편광 조절 소자는 상기 제1 및 제2 편광 성분 중 어느 하나에 선택적으로 대응하는 편광을 통과하도록 구성된 가변 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 가변 편광 조절 소자는 가변 편광 회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 공간적 광 변조기는 편광된 광을 출력하며, 상기 가변 편광 회전자는 상기 공간적 광 변조기와 상기 렌즈 어레이 구조 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 표시장치.
15. 제13항에 있어서,

    상기 공간적 광 변조기는 편광된 광을 출력하며, 상기 표시장치는 상기 가변 편광 회전자의 출력면 상에 형성된 선편광자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표시장치.

Images