KR102099590B1 - 지향성 백라이트의 광원 제어 - Google Patents
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Abstract
광원의 어레이와, 광원의 어레이를 가로질러 측방향으로 각자의 광원과 관련된 폭에 의해 역으로 스케일링된 광속의 가변 분포를 제공하도록 배열되는 제어 시스템을 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트가 개시된다. 출력 광학 윈도우의 광도 분포는 광각 2D 모드, 프라이버시 모드 및 저 전력 소비 모드로 작동하는 지향성 디스플레이인 무안경 입체 디스플레이의 윈도우 평면 내의 바람직한 휘도 분포를 제공하도록 제어될 수 있다. 이미지 품질이 개선될 수 있고, 전력 소비가 감소될 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 공간 광 변조기(spatial light modulator)의 조명에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 2D, 3D, 및/또는 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 디바이스에 사용하기 위해 국소화된 광원으로부터 대면적 조명을 제공하기 위한 지향성 백라이트(directional backlight)에 관한 것이다.
공간 다중화(spatially multiplexed) 무안경 입체 디스플레이 디바이스는 전형적으로 렌티큘러 스크린(lenticular screen) 또는 패럴랙스 배리어(parallax barrier)와 같은 패럴랙스 구성요소를 공간 광 변조기, 예를 들어 LCD 상에 적어도 픽셀들의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지들의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀들의 세트들 각각으로부터 광을 상이한 각자의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀들의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀들의 제2 세트로부터의 광으로 제2 이미지를 볼 수 있다.
그러한 디스플레이 디바이스는 공간 광 변조기의 기본 해상도에 비해 감소된 공간 해상도를 갖고, 또한 관찰 윈도우의 구조는 픽셀 개구(pixel aperture) 형상과 패럴랙스 구성요소 이미지 형성 기능에 의해 결정된다. 예를 들어 전극에 대한 픽셀들 사이의 갭(gap)은 전형적으로 불균일한 관찰 윈도우를 생성한다. 바람직하지 않게도, 그러한 디스플레이는 관찰자가 디스플레이에 대해 측방향으로 움직일 때 이미지 깜박거림을 보이며, 따라서 디스플레이의 관찰 자유도를 제한한다. 그러한 깜박거림은 광학 요소를 탈초점화(defocusing)시킴으로써 감소될 수 있지만; 그러한 탈초점화는 이미지 크로스토크(cross talk)의 증가된 수준을 초래하고, 관찰자에 대한 시각적 부담을 증가시킨다. 그러한 깜박거림은 픽셀 개구의 형상을 조절함으로써 감소될 수 있지만, 그러한 변화는 디스플레이 휘도를 감소시킬 수 있고, 공간 광 변조기 내에 어드레싱(addressing) 전자 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 지향성 백라이트의 광원들의 어레이를 제어하는 방법이 제공된다. 지향성 백라이트는 입력 단부를 갖춘 도파관(waveguide)을 포함할 수 있고, 광원들의 어레이는 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치될 수 있다. 도파관은 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 구비할 수 있다. 도파관은 광원들로부터의 입력 광을, 주로 입력 위치들에 의존할 수 있는 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 광학 윈도우(optical window)들 내로 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열될 수 있다. 본 방법은 출력 방향들에 대응하는 변하는 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 광원들을 선택적으로 작동시킬 수 있고, 광원들은 광원들의 어레이를 가로질러 변하는, 측방향으로 각자의 광원들과 관련된 폭에 의해 역으로 스케일링된(scaled), 광속(luminous flux)들을 갖는 광을 출력하도록 제어될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 관찰 각도에 따른 디스플레이 휘도의 변화는, 광원들의 어레이를 가로질러 균일한 광속들을 갖는 광원 어레이들에 의해 조명될 때, 비-램버시안(Lambertian) 광학 출력 특성을 보이는 도파관들로부터 램버시안 특성들을 갖는 백라이트를 달성하기 위해 변화될 수 있다. 유리하게는, 백라이트는 종이와 유사한 시각적 외양을 갖는 것으로 보일 수 있고, 관찰자의 각각의 눈이 동일한 인지된 이미지 밝기로 조명 구조체를 인지할 수 있기 때문에 관찰하기에 편안할 수 있다.
다른 실시예들에서, 백라이트의 휘도는 램버시안 특성에 대해서보다 축외 관찰 위치들에 대해 더욱 빠른 속도로 떨어지도록 배열될 수 있다. 비교로서, 그러한 백라이트는 램버시안 출력 백라이트들에 비해 상당히 더 낮은 전력 소비를 달성할 수 있다.
관찰자 추적식 실시예들에서, 백라이트는 주어진 관찰 위치에 대해 램버시안 조명 외양을 달성할 수 있는 반면, 관찰 위치에 따른 세기의 변화는 비-램버시안 방식으로 변할 수 있다. 유리하게는, 이미지가 높은 관찰 편안함을 가질 수 있는 반면, 백라이트 전력 소비가 램버시안 디스플레이들에 비해 감소될 수 있다.
추가의 실시예들에서, 백라이트 휘도가 관찰 윈도우를 가로질러 변하도록 배열될 수 있고; 무안경 입체 이미지의 크로스토크가 감소됨과 동시에, 움직이는 관찰자에 대한 이미지 깜박거림의 허용가능한 수준들을 달성할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 제어 시스템이 유사한 방법을 구현하도록 배열되는 지향성 디스플레이 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 지향성 백라이트의 광원들의 어레이를 제어하는 방법이 제공된다. 지향성 백라이트는 입력 단부를 갖춘 도파관을 포함할 수 있고, 광원들의 어레이는 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치될 수 있다. 도파관은 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 광원들로부터의 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 추가로 포함할 수 있다. 도파관은 광원들로부터의 입력 광을, 반사 단부로부터의 반사 후, 주로 입력 위치들에 의존할 수 있는 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 광학 윈도우들 내로 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열될 수 있다. 본 방법은 광을 출력 방향들에 대응하는 변하는 광학 윈도우들 내로 지향시키도록 광원들을 선택적으로 작동시키는 구동 신호들을 광원들에 공급하는 단계, 및 반사 단부로부터의 반사 후 광원들로부터 입력 단부에 입사하는 광을 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 구동 신호들은 입력 단부에 입사하는 감지된 광에 응답하여 보정될 수 있다.
광원 어레이의 스케일링된 광속은 어레이의 각자의 광원 사이의 색도 및 휘도의 불균일성으로 인해 공간적으로 변할 수 있다. 본 실시예는 유리하게는, 관찰자에 대해 균일한 방식으로 변할 수 있는 광원 스케일링된 광속의 제어를 달성하는 광학 출력이 제공될 수 있도록, 각자의 광원들의 광속들 사이의 변화의 보정을 달성할 수 있다. 또한, 스케일링된 광속은 예를 들어 광원의 에이징 효과들로 인해 시간에 따라 변할 수 있다. 본 실시예는 광원 에이징 효과들의 필드내 보정을 달성하여, 유리하게는 연장된 디바이스 수명 및 출력의 균일성을 제공할 수 있다. 보정 단계 동안 전체 어레이를 모니터링하기 위해 소수의 검출기들이 사용되어, 비용을 감소시킬 수 있다.
입력 단부에 입사하는 광의 감지는 측방향으로 광원들의 어레이 밖에 있는 입력 단부의 영역에 배열되는 센서 요소들을 사용할 수 있다. 다른 예에서, 입력 단부에 입사하는 광의 감지는 광원들의 어레이의 양측들에서 측방향으로 광원들의 어레이 밖에 있는 입력 단부의 영역들에 배열되는 센서 요소들을 사용할 수 있다. 또 다른 예에서, 입력 단부에 입사하는 광의 감지는 동시에 작동되지 않는 어레이의 광원들을 사용할 수 있다. 구동 신호들의 수준들은, 광원들이 광원들의 어레이를 가로질러 사전결정된 분포를 갖는 광속들을 갖는 광을 출력하도록, 보정될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 제어 시스템이 유사한 방법을 구현하도록 배열되는 지향성 백라이트 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예들은 대면적 및 얇은 구조를 갖는 무안경 입체 디스플레이를 제공할 수 있다. 또한, 기술될 바와 같이, 본 발명의 광학 밸브들은 큰 후방 작동 거리들을 갖는 얇은 광학 구성요소들을 달성할 수 있다. 그러한 구성요소들은 무안경 입체 디스플레이들을 비롯한 지향성 디스플레이들을 제공하기 위해 지향성 백라이트들에 사용될 수 있다. 또한, 실시예들은 효율적인 무안경 입체 및 효율적인 2D 이미지 디스플레이를 위해 제어식 조명기를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 광학 시스템들에 사용될 수 있다. 실시예는 다양한 프로젝터들, 프로젝션 시스템들, 광학 구성요소들, 디스플레이들, 마이크로디스플레이들, 컴퓨터 시스템들, 프로세서들, 자급식(self-contained) 프로젝터 시스템들, 시각 및/또는 시청각 시스템들 및 전기 및/또는 광학 디바이스들을 포함하거나 그것과 함께 작동할 수 있다. 본 발명의 태양들은 광학 및 전기 디바이스들, 광학 시스템들, 프리젠테이션 시스템들 또는 임의의 유형의 광학 시스템을 포함할 수 있는 임의의 장치에 관련된 사실상 임의의 장치와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 광학 시스템들, 시각 및/또는 광학 프리젠테이션들에 사용되는 디바이스들, 시각 주변 장치 등에 그리고 다수의 컴퓨팅 환경들에 채용될 수 있다.
개시되는 실시예들로 상세히 진행하기 전에, 본 발명은 다른 실시예들이 가능하게 하기 때문에, 본 발명은 그의 응용 또는 생성이 도시된 특정 배열들의 상세 사항으로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 태양들은 그 자체로서 특유한 실시예들을 한정하기 위해 상이한 조합들 및 배열들로 기재될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 제한이 아닌 설명의 목적을 위한 것이다.
지향성 백라이트들은 전형적으로 광학 도파관의 입력 개구측에 배열되는 독립적인 LED 광원들의 변조를 통해 제어되는 실질적으로 전체 출력 표면으로부터 나오는 조명에 대한 제어를 제공한다. 방출된 광 방향 분포를 제어하는 것은 디스플레이를 단지 제한된 범위의 각도들로부터 1인 관찰자가 볼 수 있는 보안 기능을 위한 1인 관찰; 조명이 단지 작은 각도의 방향 분포에 걸쳐 제공되는 높은 전기 효율; 시계열적(time sequential) 입체 및 무안경 입체 디스플레이를 위한 교번하는 좌안 및 우안 관찰; 및 낮은 비용을 달성할 수 있다.
본 발명의 다양한 태양들 및 그의 다양한 특징들이 임의의 조합으로 함께 적용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 명세서를 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백하게 될 것이다.
실시예가 첨부 도면에 예로서 예시되며, 여기에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 가리킨다.
<도 1a>
도 1a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
<도 1b>
도 1b는 본 발명에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
<도 2a>
도 2a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도로 예시한 개략도.
<도 2b>
도 2b는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 2c>
도 2c는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 예시한 개략도.
<도 4a>
도 4a는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부(light extraction feature)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 4b>
도 4b는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
<도 6b>
도 6b는 본 발명에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 6c>
도 6c는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 7>
도 7은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 8>
도 8은 본 발명에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 9>
도 9는 본 발명에 따른, 프라이버시(privacy) 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 10>
도 10은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 11>
도 11은 본 발명에 따른, 웨지(wedge) 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
<도 12>
도 12는 본 발명에 따른, 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
<도 13>
도 13은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 지향성 디스플레이 장치에 대한 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 14a>
도 14a는 본 발명에 따른, 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 평면도를 예시한 개략도.
<도 14b>
도 14b는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15a>
도 15a는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 15b>
도 15b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 15c>
도 15c는 본 발명에 따른, 도 15b의 상세를 예시한 개략도.
<도 15d>
도 15d는 본 발명에 따른, 광속 분포의 그래프와 이러한 광속 분포와 정렬된 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
<도 15e>
도 15e는 본 발명에 따른, 무안경 입체 램버시안 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15f>
도 15f는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축상 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15g>
도 15g는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축외 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15h>
도 15h는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축외 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 16>
도 16은 본 발명에 따른, 광원 어드레싱 장치를 예시한 개략도.
<도 17>
도 17은 본 발명에 따른, 광학 윈도우의 어레이와 각자의 광학 윈도우에 대한 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 18>
도 18은 본 발명에 따른, 광원의 균일한 광도를 포함하는 도파관에 대해 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 19a>
도 19a는 본 발명에 따른, 도파관의 광 추출 특징부 상에 제1 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도.
<도 19b>
도 19b는 본 발명에 따른, 도파관의 광 추출 특징부 상에 제2 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도.
<도 20a>
도 20a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 20b>
도 20b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 21a>
도 21a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 21b>
도 21b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 22>
도 22는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 좌안 및 우안 조명 단계에 대해 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 23a>
도 23a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 23b>
도 23b는 본 발명에 따른, 좌안 및 우안 조명 단계에 대해 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 24>
도 24는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 25>
도 25는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 26a>
도 26a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 26b>
도 26b는 본 발명에 따른, 광원 열화를 보상하기 위한 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 27a>
도 27a는 본 발명에 따른, 가로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도.
<도 27b>
도 27b는 본 발명에 따른, 세로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도.
<도 27c>
도 27c는 본 발명에 따른, 도 27b의 배열에 대해 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 28>
도 28은 본 발명에 따른, 관찰자 움직임에 대한 관찰 윈도우와 도파관의 측면도를 예시한 개략도.
<도 29>
도 29는 본 발명에 따른, 도 28의 관찰자 움직임을 갖는, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 30>
도 30은 본 발명에 따른, 관찰 위치들 사이에서의 관찰자 움직임 동안 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도.
<도 31>
도 31은 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 32>
도 32는 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 33>
도 33은 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 34>
도 34는 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 35>
도 35는 본 발명에 따른, 불균일한 윈도우 세기 분포에 기인하는 디스플레이 조명의 불균일성을 예시한 개략도.
<도 36 내지 도 41>
도 36 내지 도 41은 본 발명에 따른, 광원으로부터의 불균일한 광속 분포를 예시한 개략도.
<도 42>
도 42는 본 발명에 따른, 가로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도.
<도 43>
도 43은 본 발명에 따른, 도 42의 디스플레이에 대해 광원 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도.
<도 44>
도 44는 본 발명에 따른, 세로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도.
<도 45>
도 45는 본 발명에 따른, 도 44의 디스플레이에 대해 광원 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도.
<도 46>
도 46은 본 발명에 따른, 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 47>
도 47은 본 발명에 따른, 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 48>
도 48은 본 발명에 따른, 보정 작동 모드를 위해 광원을 구동시키기 위한 장치를 예시한 개략도.
<도 49>
도 49는 본 발명에 따른, 보정 작동 모드의 광원 어레이를 예시한 개략도.
<도 50>
도 50은 본 발명에 따른, 색 보정을 달성하도록 배열된 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 51>
도 51은 본 발명에 따른, 색 보정을 달성하도록 배열된 추가의 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 52>
도 52는 본 발명에 따른, 광학 윈도우 색도 변화의 그래프와, 색도 변화를 보정하는 방법을 예시한 개략도.
<도 53>
도 53은 본 발명에 따른, 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 54>
도 54는 본 발명에 따른, 광원 어레이의 정면도와, 광원 고장을 보정하는 방법을 예시한 개략도.
<도 1a>
도 1a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
<도 1b>
도 1b는 본 발명에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
<도 2a>
도 2a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도로 예시한 개략도.
<도 2b>
도 2b는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 2c>
도 2c는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 예시한 개략도.
<도 4a>
도 4a는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부(light extraction feature)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 4b>
도 4b는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
<도 6b>
도 6b는 본 발명에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 6c>
도 6c는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 7>
도 7은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 8>
도 8은 본 발명에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 9>
도 9는 본 발명에 따른, 프라이버시(privacy) 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 10>
도 10은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 11>
도 11은 본 발명에 따른, 웨지(wedge) 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
<도 12>
도 12는 본 발명에 따른, 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
<도 13>
도 13은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 지향성 디스플레이 장치에 대한 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 14a>
도 14a는 본 발명에 따른, 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 평면도를 예시한 개략도.
<도 14b>
도 14b는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15a>
도 15a는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 15b>
도 15b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 15c>
도 15c는 본 발명에 따른, 도 15b의 상세를 예시한 개략도.
<도 15d>
도 15d는 본 발명에 따른, 광속 분포의 그래프와 이러한 광속 분포와 정렬된 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
<도 15e>
도 15e는 본 발명에 따른, 무안경 입체 램버시안 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15f>
도 15f는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축상 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15g>
도 15g는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축외 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 15h>
도 15h는 본 발명에 따른, 1 초과의 이득과 축외 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 16>
도 16은 본 발명에 따른, 광원 어드레싱 장치를 예시한 개략도.
<도 17>
도 17은 본 발명에 따른, 광학 윈도우의 어레이와 각자의 광학 윈도우에 대한 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 18>
도 18은 본 발명에 따른, 광원의 균일한 광도를 포함하는 도파관에 대해 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 19a>
도 19a는 본 발명에 따른, 도파관의 광 추출 특징부 상에 제1 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도.
<도 19b>
도 19b는 본 발명에 따른, 도파관의 광 추출 특징부 상에 제2 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도.
<도 20a>
도 20a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 20b>
도 20b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 21a>
도 21a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 21b>
도 21b는 본 발명에 따른, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 22>
도 22는 본 발명에 따른, 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 좌안 및 우안 조명 단계에 대해 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 23a>
도 23a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 23b>
도 23b는 본 발명에 따른, 좌안 및 우안 조명 단계에 대해 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 24>
도 24는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 25>
도 25는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 26a>
도 26a는 본 발명에 따른, 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 26b>
도 26b는 본 발명에 따른, 광원 열화를 보상하기 위한 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도.
<도 27a>
도 27a는 본 발명에 따른, 가로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도.
<도 27b>
도 27b는 본 발명에 따른, 세로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도.
<도 27c>
도 27c는 본 발명에 따른, 도 27b의 배열에 대해 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도.
<도 28>
도 28은 본 발명에 따른, 관찰자 움직임에 대한 관찰 윈도우와 도파관의 측면도를 예시한 개략도.
<도 29>
도 29는 본 발명에 따른, 도 28의 관찰자 움직임을 갖는, 광원의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관에 대한 어레이 내의 광원의 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도.
<도 30>
도 30은 본 발명에 따른, 관찰 위치들 사이에서의 관찰자 움직임 동안 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도.
<도 31>
도 31은 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 32>
도 32는 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 33>
도 33은 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 34>
도 34는 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 배열의 추가의 세기 분포를 예시한 개략도.
<도 35>
도 35는 본 발명에 따른, 불균일한 윈도우 세기 분포에 기인하는 디스플레이 조명의 불균일성을 예시한 개략도.
<도 36 내지 도 41>
도 36 내지 도 41은 본 발명에 따른, 광원으로부터의 불균일한 광속 분포를 예시한 개략도.
<도 42>
도 42는 본 발명에 따른, 가로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도.
<도 43>
도 43은 본 발명에 따른, 도 42의 디스플레이에 대해 광원 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도.
<도 44>
도 44는 본 발명에 따른, 세로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도.
<도 45>
도 45는 본 발명에 따른, 도 44의 디스플레이에 대해 광원 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도.
<도 46>
도 46은 본 발명에 따른, 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 47>
도 47은 본 발명에 따른, 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도.
<도 48>
도 48은 본 발명에 따른, 보정 작동 모드를 위해 광원을 구동시키기 위한 장치를 예시한 개략도.
<도 49>
도 49는 본 발명에 따른, 보정 작동 모드의 광원 어레이를 예시한 개략도.
<도 50>
도 50은 본 발명에 따른, 색 보정을 달성하도록 배열된 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 51>
도 51은 본 발명에 따른, 색 보정을 달성하도록 배열된 추가의 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 52>
도 52는 본 발명에 따른, 광학 윈도우 색도 변화의 그래프와, 색도 변화를 보정하는 방법을 예시한 개략도.
<도 53>
도 53은 본 발명에 따른, 광원 어레이의 정면도를 예시한 개략도.
<도 54>
도 54는 본 발명에 따른, 광원 어레이의 정면도와, 광원 고장을 보정하는 방법을 예시한 개략도.
시간 다중화 무안경 입체 디스플레이는 유리하게는 광을 공간 광 변조기의 모든 픽셀로부터 제1 시간 슬롯에서 제1 관찰 윈도우로 그리고 모든 픽셀로부터 제2 시간 슬롯에서 제2 관찰 윈도우로 지향시킴으로써 무안경 입체 디스플레이의 공간 해상도를 개선할 수 있다. 따라서, 눈이 제1 및 제2 관찰 윈도우에서 광을 수광하도록 배열된 관찰자는 다수의 시간 슬롯에 걸쳐 디스플레이의 전체를 가로질러 최대 해상도 이미지를 볼 것이다. 시간 다중화 디스플레이는 유리하게는 조명기 어레이를 지향성 광학 요소를 사용하여 실질적으로 투과성인 시간 다중화 공간 광 변조기를 통해 지향시킴으로써 지향성 조명을 달성할 수 있으며, 여기서 지향성 광학 요소는 실질적으로 윈도우 평면 내에 조명기 어레이의 이미지를 형성한다.
관찰 윈도우의 균일성은 유리하게는 공간 광 변조기 내에서의 픽셀의 배열과 관계없을 수 있다. 유리하게는, 그러한 디스플레이는 움직이는 관찰자에 대해 낮은 크로스토크 수준과 함께 낮은 깜박거림을 갖는 관찰자 추적 디스플레이를 제공할 수 있다.
윈도우 평면 내에서 높은 균일성을 달성하기 위해, 높은 공간 균일성을 갖는 조명 요소의 어레이를 제공하는 것이 바람직하다. 시계열적 조명 시스템의 조명기 요소가 예를 들어 렌즈 어레이와 조합되는 대략 100 마이크로미터의 크기를 갖는 공간 광 변조기의 픽셀에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 픽셀은 공간 다중화 디스플레이에 대해서와 유사한 어려움을 겪는다. 또한, 그러한 디바이스는 낮은 효율과 보다 높은 비용을 가져 추가의 디스플레이 구성요소를 필요로 할 수 있다.
높은 윈도우 평면 균일성은 편리하게는 거시적 조명기, 예를 들어 전형적으로 1 mm 이상의 크기를 갖는 균질화 및 확산 광학 요소와 조합되는 LED의 어레이로 달성될 수 있다. 그러나, 조명기 요소의 증가된 크기는 지향성 광학 요소의 크기가 비례하여 증가함을 의미한다. 예를 들어, 65 mm 폭의 관찰 윈도우에 이미지 형성되는 16 mm 폭의 조명기는 200 mm의 후방 작동 거리를 필요로 할 수 있다. 따라서, 광학 요소의 증가된 두께는 예를 들어 모바일 디스플레이 또는 대면적 디스플레이에 대한 유용한 응용을 방해할 수 있다.
전술된 단점을 해소하는, 공동-소유된 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같은 광학 밸브가 유리하게는 깜박거림이 없는 관찰자 추적과 낮은 크로스토크 수준을 갖는 고 해상도 이미지를 제공하면서 얇은 패키지에서 시간 다중화 무안경 입체 조명을 달성하기 위해 고속 스위칭 투과성 공간 광 변조기와 조합되어 배열될 수 있다. 전형적으로 수평인 제1 방향으로 상이한 이미지를 표시할 수 있지만 전형적으로 수직인 제2 방향으로 움직일 때 동일한 이미지를 포함할 수 있는, 관찰 위치 또는 윈도우의 1차원 어레이가 기재된다.
종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트는 흔히 광학 도파관을 채용하고, LED와 같은 광원으로부터의 에지 조명을 갖는다. 그러나, 그러한 종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트와 본 명세서에서 논의되는 이미지 형성 지향성 백라이트 사이에는 기능, 설계, 구조 및 작동에 있어 많은 근본적인 차이가 있다는 것을 이해하여야 한다.
일반적으로, 예를 들어, 본 발명에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 다수의 광원으로부터의 조명을 디스플레이 패널을 통해 각자의 다수의 광학 윈도우로 적어도 하나의 축으로 지향시키도록 배열된다. 각각의 광학 윈도우는 이미지 형성 지향성 백라이트의 이미지 형성 시스템에 의해 광원의 적어도 하나의 축 내에서 이미지로서 실질적으로 형성된다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원을 각자의 관찰 윈도우로 이미지 형성하도록 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 각자의 관찰 윈도우 밖에 있는 관찰자의 눈에 실질적으로 보이지 않는다.
이와 대조적으로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트 또는 도광판(light guiding plate, LGP)은 2D 디스플레이의 조명을 위해 사용된다. 예를 들어 문헌[
., Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004)]을 참조한다. 비-이미지 형성 백라이트는 전형적으로 넓은 관찰 각도와 높은 디스플레이 균일성을 달성하기 위해 다수의 광원 각각에 대해 다수의 광원으로부터 조명을 디스플레이 패널을 통해 실질적으로 공통 관찰 구역 내로 지향시키도록 배열된다. 따라서, 비-이미지 형성 백라이트는 관찰 윈도우를 형성하지 않는다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 관찰 구역을 가로질러 실질적으로 모든 위치에서 관찰자의 눈에 보일 수 있다. 그러한 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 예를 들어 쓰리엠(3M)으로부터의 BEF™와 같은 휘도 향상 필름에 의해 제공될 수 있는 램버시안 조명에 비해 스크린 이득(screen gain)을 증가시키기 위해 어느 정도의 지향성을 가질 수 있다. 그러나, 그러한 지향성은 각자의 광원 각각에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 당업자에게 명백할 이들 이유 및 다른 이유로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 이미지 형성 지향성 백라이트와는 상이하다. 에지형(edge lit) 비-이미지 형성 백라이트 조명 구조체가 2D 랩톱, 모니터 및 TV에서 볼 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광은 산재하는 특징부, 전형적으로는 광이 광의 전파 방향에 상관없이 손실되게 하는 안내체의 표면 내의 국소적인 함입부(indentation)를 포함할 수 있는 손실성 도파관(lossy waveguide)의 에지로부터 전파된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광학 밸브는 예를 들어 광 밸브, 광학 밸브 지향성 백라이트 및 밸브 지향성 백라이트(valve directional backlight, "v-DBL")로 지칭되는 일종의 광 안내 구조체 또는 디바이스일 수 있는 광학 구조체이다. 본 명세서에서, (공간 광 변조기가 때때로 당업계에서 "광 밸브"로 일반적으로 지칭될 수 있을지라도) 광학 밸브는 공간 광 변조기와는 상이하다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있는 광학 밸브이다. 광은 광학 밸브를 통해 일방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 이미지 형성 반사기에 입사할 수 있으며, 광이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이 틸팅된 광 추출 특징부로부터 반사에 의해 추출되고 관찰 윈도우로 지향될 수 있도록 반대 방향으로 전파될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지 형성 지향성 백라이트의 예는 단차형(stepped) 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트, 웨지 유형 지향성 백라이트, 또는 광학 밸브를 포함한다.
또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트는 광학 밸브일 수 있다. 단차형 도파관은 광을 안내하기 위한 도파관으로서, 제1 광 안내 표면; 및 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면을 추가로 포함하는, 상기 도파관을 포함하고, 단차부로서 배열된 복수의 추출 특징부들 사이에 배치된 복수의 안내 특징부를 추가로 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트를 위한 도파관이다.
또한, 사용되는 바와 같이, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트는 웨지 유형 지향성 백라이트 또는 광학 밸브 중 적어도 하나일 수 있다.
작동시, 광은 예시적인 광학 밸브 내에서 입력 단부로부터 반사 단부까지 제1 방향으로 전파될 수 있고, 실질적으로 손실 없이 투과될 수 있다. 광은 반사 단부에서 반사될 수 있고, 제1 방향과 실질적으로 반대되는 제2 방향으로 전파된다. 광이 제2 방향으로 전파될 때, 광은 광을 광학 밸브 밖으로 방향 전환시키도록 작동가능한 광 추출 특징부에 입사할 수 있다. 달리 말하면, 광학 밸브는 일반적으로 광이 제1 방향으로 전파되도록 허용하고, 광이 제2 방향으로 전파되는 동안 추출되도록 허용할 수 있다.
광학 밸브는 큰 디스플레이 면적의 시계열적 지향성 조명을 달성할 수 있다. 또한, 거시적 조명기로부터 광을 공칭 윈도우 평면으로 지향시키기 위해 광학 요소의 후방 작동 거리보다 얇은 광학 요소가 채용될 수 있다. 그러한 디스플레이는 실질적으로 평행한 도파관 내에서 반대 방향으로 전파되는 광을 추출하도록 배열되는 광 추출 특징부의 어레이를 사용할 수 있다.
LCD와 함께 사용하기 위한 얇은 이미지 형성 지향성 백라이트 구현예가 제시되었고, 모두 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 쓰리엠의 예를 들어 미국 특허 제7,528,893호에 의해; 본 명세서에서 "웨지 유형 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 마이크로소프트(Microsoft)의 예를 들어 미국 특허 제7,970,246호에 의해; 본 명세서에서 "광학 밸브" 또는 "광학 밸브 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 리얼디(RealD)의 예를 들어 미국 특허 출원 제13/300,293호에 의해 실증되었다.
본 발명은 광이, 예를 들어 복수의 광 추출 특징부 및 중간 영역을 포함하는 제2 안내 표면 및 제1 안내 표면을 포함할 수 있는 단차형 도파관의 내부 면들 사이에서 앞뒤로 반사될 수 있는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트를 제공한다. 광이 단차형 도파관의 길이를 따라 이동할 때, 광은 제1 및 제2 안내 표면에 대한 입사각을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있으며, 따라서 이들 내부 표면에서 매질의 임계각에 도달하지 않을 수 있다. 광 추출은 유리하게는 중간 영역(단차부 "트레드(tread)")에 대해 경사진 제2 안내 표면(단차부 "라이저(riser)")의 소면(facet)일 수 있는 광 추출 특징부에 의해 달성될 수 있다. 광 추출 특징부가 단차형 도파관의 광 안내 작동의 일부가 아닐 수 있고, 구조체로부터 광 추출을 제공하도록 배열될 수 있는 것에 유의한다. 반면에, 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트는 광이 연속적인 내부 표면을 갖춘 웨지 프로파일화된 도파관 내에서 안내되도록 허용할 수 있다. 따라서, 단차형 도파관(광학 밸브)은 이에 따라 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트가 아니다.
도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도이다.
도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 지향성 백라이트의 xy 평면 내에서의 정면도를 예시하고, 단차형 도파관(1)을 조명하기 위해 사용될 수 있는 조명기 어레이(15)를 포함한다. 조명기 어레이(15)는 조명기 요소(15a) 내지 조명기 요소(15n)를 포함한다(여기에서 n은 1보다 큰 정수임). 일례에서, 도 1a의 단차형 도파관(1)은 단차형의, 디스플레이 크기의 도파관(1)일 수 있다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 발광 다이오드(LED)일 수 있는 광원이다. LED가 본 명세서에서 조명기 요소(15a 내지 15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은 그러나 이로 제한되지 않는 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, 도 1b는 xy 평면 내에서의 측면도를 예시하고, 도시된 바와 같이 배열되는, 조명기 어레이(15), SLM(공간 광 변조기)(48), 추출 특징부(12), 중간 영역(10), 및 단차형 도파관(1)을 포함한다. 도 1b에 제공된 측면도는 도 1a에 도시된 정면도의 대체 도면이다. 따라서, 도 1a와 도 1b의 조명기 어레이(15)는 서로 상응하고, 도 1a와 도 1b의 단차형 도파관(1)은 서로 상응할 수 있다.
또한, 도 1b에서, 단차형 도파관(1)은 얇은 입력 단부(2)와 두꺼운 반사 단부(4)를 구비할 수 있다. 따라서, 도파관(1)은 입력 광을 수광하는 입력 단부(2)와 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하는 반사 단부(4) 사이에서 연장된다. 도파관을 가로질러 측방향으로의 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치에 배치된다.
도파관(1)은 광을 내부 전반사(TIR)에 의해 도파관(1)을 따라 앞뒤로 안내하기 위해 입력 단부(2)와 반사 단부(4) 사이에 연장되는 제1 및 제2 대향 안내 표면을 구비한다. 제1 안내 표면은 평탄하다. 제2 안내 표면은 반사 단부(4)를 향하는 그리고 반사 단부로부터 다시 도파관(1)을 통해 안내되는 광의 적어도 일부를 제1 안내 표면에서의 내부 전반사를 파괴하는 그리고 SLM(48)에 공급되는, 제1 안내 표면을 통한, 예를 들어 도 1b에서 상향으로의 출력을 허용하는 방향으로 반사하도록 경사지는 복수의 광 추출 특징부(12)를 구비한다.
이 예에서, 광 추출 특징부(12)는 반사 소면이지만, 다른 반사 특징부가 사용될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 광을 도파관을 통해 안내하지 않는 반면, 광 추출 특징부(12)들 중간에 있는 제2 안내 표면의 중간 영역은 광을 추출함이 없이 광을 안내한다. 제2 안내 표면의 그들 영역은 평탄하고, 제1 안내 표면에 평행하게, 또는 비교적 낮은 경사로 연장될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 그들 영역으로 측방향으로 연장되어, 제2 안내 표면은 광 추출 특징부(12)와 중간 영역을 포함하는 단차형 형상을 갖는다. 광 추출 특징부(12)는 광원으로부터의 광을 반사 단부(4)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 반사하도록 배향된다.
광 추출 특징부(12)는 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치로부터의 입력 광을 제1 안내 표면에 대해 입력 위치에 의존하는 상이한 방향으로 지향시키도록 배열된다. 조명 요소(15a 내지 15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각자의 조명 요소(15a 내지 15n)로부터의 광이 그들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a 내지 15n) 각각이 광을 입력 위치에 따라 측방향으로 분포되는 출력 방향으로 각자의 광학 윈도우 내로 지향시킨다. 입력 위치가 분포되는 입력 단부(2)를 가로지르는 측방향은 출력 광에 대해 제1 안내 표면의 법선에 대한 측방향에 해당한다. 입력 단부(2)에서 그리고 출력 광에 대해 한정되는 바와 같은 측방향은 이 실시예에서 평행하게 유지되며, 여기에서 반사 단부(4)와 제1 안내 표면에서의 편향은 측방향에 대체로 직교한다. 제어 시스템의 제어 하에, 조명기 요소(15a 내지 15n)는 광을 선택가능한 광학 윈도우 내로 지향시키도록 선택적으로 작동될 수 있다. 광학 윈도우들은 개별적으로 또는 군으로 관찰 윈도우로서 사용될 수 있다.
본 발명에서, 광학 윈도우는 광학 윈도우가 디스플레이 디바이스의 전체를 가로질러 형성되는 공칭 평면인 윈도우 평면 내의 단일 광원의 이미지에 해당할 수 있다. 대안적으로, 광학 윈도우는 함께 구동되는 광원의 군의 이미지에 해당할 수 있다. 유리하게는, 그러한 광원의 군은 어레이(121)의 광학 윈도우의 균일성을 증가시킬 수 있다.
비교로서, 관찰 윈도우는 디스플레이 구역을 가로질러 실질적으로 동일한 이미지의 이미지 데이터를 포함하는 광이 제공되는 윈도우 평면 내의 영역이다. 따라서, 관찰 윈도우는 제어 시스템의 제어 하에서, 단일 광학 윈도우로부터 또는 복수의 광학 윈도우로부터 형성될 수 있다.
SLM(48)은 도파관을 가로질러 연장되고, 투과성이며, 그것을 통과하는 광을 변조시킨다. SLM(48)이 액정 디스플레이(LCD)일 수 있지만, 이는 단지 예로서일 뿐이며, LCOS, DLP 디바이스 등을 비롯한 다른 공간 광 변조기 또는 디스플레이가 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 조명기가 반사 작동을 할 수 있기 때문이다. 이 예에서, SLM(48)은 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 배치되고, 광 추출 특징부(12)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통한 광 출력을 변조시킨다.
광학 윈도우의 1차원 어레이를 제공할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스의 작동이 도 1a에 정면도로 예시되며, 이때 그것의 측면 프로파일이 도 1b에 도시된다. 작동시, 도 1a와 도 1b에서, 광이 단차형 도파관(1)의 x=0인 입력 단부(2)의 표면을 따라 상이한 위치 y에 위치된 조명기 요소(15a 내지 15n)의 어레이와 같은 조명기 어레이(15)로부터 방출될 수 있다. 광은 단차형 도파관(1) 내에서 제1 방향으로 +x를 따라 전파될 수 있음과 동시에, 광은 xy 평면 내에서 확산될 수 있고, 측방향으로 양의 광파워(positive optical power)를 갖도록 만곡된 반사 단부(4)에 도달시, 만곡된 단부 면(4)을 실질적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 전파되는 동안, 광은 안내 재료의 임계각에 이르기까지 그러나 그것을 초과하지 않고서 xz 평면 내에서 일단의 각도로 확산될 수 있다. 단차형 도파관(1)의 제2 안내 표면의 중간 영역(10)을 연결하는 추출 특징부(12)는 임계각보다 큰 틸트각을 가질 수 있으며, 따라서 제1 방향으로 +x를 따라 전파되는 실질적으로 모든 광에 의해 회피될 수 있어, 실질적으로 무손실 전방 전파를 보장할 수 있다.
도 1a와 도 1b의 논의를 계속하면, 단차형 도파관(1)의 반사 단부(4)는 전형적으로 예를 들어 은과 같은 반사 재료로 코팅됨으로써 반사성으로 만들어질 수 있지만, 다른 반사 기술이 채용될 수 있다. 따라서, 광은 ―x의 방향으로 안내체를 따라 후방으로 제2 방향으로 방향 전환될 수 있고, xy 또는 디스플레이 평면 내에서 실질적으로 시준될 수 있다. 각도 확산은 주 전파 방향을 중심으로 xz 평면 내에서 실질적으로 보존될 수 있으며, 이는 광이 라이저 에지와 충돌하고 안내체 밖으로 반사되도록 허용할 수 있다. 대략 45도 틸팅된 추출 특징부(12)를 갖는 실시예에서, 광은 xz 각도 확산이 전파 방향에 대해 실질적으로 유지되는 상태로 xy 디스플레이 평면에 대략 수직으로 효과적으로 지향될 수 있다. 이러한 각도 확산은 광이 단차형 도파관(1)으로부터 굴절을 통해 출사할 때 증가될 수 있지만, 어느 정도 추출 특징부(12)의 반사 특성에 따라 감소될 수 있다.
코팅되지 않은 추출 특징부(12)를 갖춘 몇몇 실시예에서, 반사는 내부 전반사(TIR)가 실패될 때 감소될 수 있어, xz 각도 프로파일이 축소되고 수직에서 벗어나 이동된다. 그러나, 은 코팅된 또는 금속화된 추출 특징부를 갖춘 다른 실시예에서, 증가된 각도 확산과 중심 수직 방향이 보존될 수 있다. 은 코팅된 추출 특징부를 가진 실시예의 설명을 계속하면, xz 평면 내에서, 광은 단차형 도파관(1)으로부터 대략 시준되어 출사할 수 있고, 입력 에지 중심으로부터 조명기 어레이(15) 내의 각자의 조명기 요소(15a 내지 15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명기 요소(15a 내지 15n)를 입력 단부(2)를 따라 구비하는 것은 광이 전체 제1 안내 표면(6)으로부터 출사할 수 있게 하고 도 1a에 예시된 바와 같이 상이한 외각으로 전파될 수 있게 한다.
그러한 디바이스를 갖춘 고속 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 공간 광 변조기(SLM)(48)를 조명하는 것은 도 2a에 조명기 어레이(15) 단부로부터 본 yz-평면 또는 평면도로, 도 2b에 정면도로, 그리고 도 2c에 측면도로 도시된 바와 같이 무안경 입체 3D를 달성할 수 있다. 도 2a는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 평면도로 예시한 개략도이고, 도 2b는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 정면도로 예시한 개략도이며, 도 2c는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 순차적인 좌안 및 우안 이미지를 표시하는 고속(예컨대, 100 ㎐ 초과) LCD 패널 SLM(48) 뒤에 위치될 수 있다. 동기하여, 조명기 어레이(15)의 특정 조명기 요소(15a 내지 15n)(여기에서 n은 1보다 큰 정수임)가 선택적으로 켜지고 꺼져, 시스템의 지향성에 의해 실질적으로 독립적으로 우안 및 좌안에 입사하는 조명 광을 제공할 수 있다. 가장 간단한 경우에, 조명기 어레이(15)의 조명기 요소의 세트가 함께 켜져, 수평 방향으로 제한된 폭을 갖지만 수직 방향으로 긴, 수평으로 분리된 양안이 좌안 이미지를 볼 수 있는 1차원 관찰 윈도우(26) 또는 광학 동공과, 양안이 주로 우안 이미지를 볼 수 있는 다른 관찰 윈도우(44)와, 양안이 상이한 이미지를 볼 수 있는 중심 위치를 제공한다. 관찰 윈도우(26)는 광학 윈도우(260)의 어레이를 포함할 수 있고, 관찰 윈도우(44)는 광학 윈도우(440)의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기에서 각각의 광학 윈도우는 어레이(15)의 단일 조명기에 의해 형성된다. 따라서, 다수의 조명기가 관찰 윈도우(26, 44)를 형성하도록 배열될 수 있다. 도 2a에서, 관찰 윈도우(26)는 단일 조명기(15a)에 의해 형성되는 것으로 도시되며, 따라서 단일 광학 윈도우(260)를 포함할 수 있다. 유사하게, 관찰 윈도우(44)는 단일 조명기(15n)에 의해 형성되는 것으로 도시되며, 따라서 단일 광학 윈도우(440)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 관찰자의 머리가 대략 중심에 정렬될 때 3D를 볼 수 있다. 중심 위치로부터 멀어지게 옆으로 움직이는 것은 2D 이미지 상으로의 신 붕괴(scene collapsing)를 유발할 수 있다.
반사 단부(4)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 전형적으로 반사 단부(4)가 양의 광파워를 갖는 실시예에서, 광학 축은 반사 단부(4)의 형상과 관련하여 한정될 수 있으며, 예를 들어 반사 단부(4)의 곡률 중심을 통과하는 그리고 x-축을 중심으로 단부(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 반사 표면(4)이 평평한 경우에, 광학 축은 광파워를 갖는 다른 구성요소, 예를 들어 그들이 만곡된 경우의 광 추출 특징부(12), 또는 아래에 기술되는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(62)에 대해 유사하게 한정될 수 있다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 전형적으로 단부(4)에서 실질적으로 실린더형 반사 표면을 포함하는 본 실시예에서, 광학 축(238)은, 단부(4)에서 표면의 곡률 중심을 통과하고 x-축을 중심으로 면(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 단부(4)에 있는 실린더형 반사 표면은 전형적으로 축상 및 축외 관찰 위치에 대한 성능을 최적화시키기 위해 구면 프로파일일 수 있다. 다른 프로파일이 사용될 수 있다.
도 3은 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 3은 투명 재료일 수 있는 단차형 도파관(1)의 작동의 측면도의 추가의 상세 사항을 예시한다. 단차형 도파관(1)은 조명기 입력 단부(2), 반사 단부(4), 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 안내 표면(6), 및 중간 영역(10)과 광 추출 특징부(12)를 포함하는 제2 안내 표면(8)을 포함할 수 있다. 작동시, 예를 들어 LED의 어드레스가능한(addressable) 어레이일 수 있는 조명기 어레이(15)(도 3에 도시되지 않음)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선(16)이 제1 안내 표면(6)에 의한 내부 전반사와 제2 안내 표면(8)의 중간 영역(10)에 의한 내부 전반사에 의해 경면화된 표면(mirrored surface)일 수 있는 반사 단부(4)로 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 반사 단부(4)가 경면화된 표면일 수 있고 광을 반사할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 광이 반사 단부(4)를 통과하는 것도 또한 가능할 수 있다.
도 3의 논의를 계속하면, 반사 단부(4)에 의해 반사된 광선(18)이 반사 단부(4)에서의 내부 전반사에 의해 단차형 도파관(1) 내에서 추가로 안내될 수 있고, 추출 특징부(12)에 의해 반사될 수 있다. 추출 특징부(12)에 입사하는 광선(18)은 실질적으로 단차형 도파관(1)의 안내 모드로부터 벗어나게 편향될 수 있고, 광선(20)에 의해 도시된 바와 같이, 제1 안내 표면(6)을 통해 무안경 입체 디스플레이의 관찰 윈도우(26)를 형성할 수 있는 광학 동공으로 지향될 수 있다. 관찰 윈도우(26)의 폭은 적어도 조명기의 크기, 조명되는 조명기 요소(15n)의 개수, 출력 설계 거리 및 반사 단부(4) 및 추출 특징부(12)에서의 광파워에 의해 결정될 수 있다. 관찰 윈도우의 높이는 주로 추출 특징부(12)의 반사 원추각과 입력 단부(2)에서의 조명 원추각 입력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 관찰 윈도우(26)는 공간 광 변조기(48)의 표면 수직 방향에 대해 공칭 관찰 거리에서 윈도우 평면(106)과 교차하는 다양한 별개의 출력 방향을 나타낸다.
도 4a는 제1 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 그리고 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4a는 조명기 어레이(15)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선의, 광학 축(28)을 갖는 단차형 도파관(1) 내에서의 추가의 안내를 정면도로 도시한다. 도 4a에서, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 출력 광선들 각각은 각자의 조명기(15c)로부터 동일한 광학 윈도우(260)를 향해 입력 단부(2)로부터 지향된다. 도 4a의 광선은 단차형 도파관(1)의 반사 단부(4)로부터 출사할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 광선(16)은 조명기 요소(15c)로부터 반사 단부(4)를 향해 지향될 수 있다. 광선(18)은 이어서 광 추출 특징부(12)로부터 반사되고 광학 윈도우(260)를 향해 반사 단부(4)로부터 출사할 수 있다. 따라서, 광선(30)은 광학 윈도우(260) 내에서 광선(20)과 교차할 수 있거나, 광선(32)에 의해 도시된 바와 같이 관찰 윈도우 내에서 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 도파관(1)의 면(22, 24)이 투명한, 경면화된, 또는 흑화된 표면일 수 있다. 도 4a의 논의를 계속하면, 광 추출 특징부(12)가 길 수 있고, 제2 안내 표면(8)(도 3에는 도시되지만 도 4a에는 도시되지 않음)의 제1 영역(34)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향은 제2 안내 표면(8)의 제2 영역(36)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향과는 상이할 수 있다. 본 명세서에 논의된 다른 실시예와 유사하게, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 도 4a의 광 추출 특징부는 중간 영역(10)과 교번할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 반사 단부(4) 상의 반사 표면을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(1)의 반사 단부는 단차형 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 소면일 수 있는 광 추출 특징부(12)를 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 광을 실질적으로 추출함이 없이 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열될 수 있는 소면과 교번하는 영역을 가질 수 있다.
도 4b는 제2 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4b는 조명기 어레이(15)의 제2 조명기 요소(15h)로부터의 광선(40, 42)을 도시한다. 반사 단부(4) 상의 반사 표면 및 광 추출 특징부(12)의 곡률이 협동하여 조명기 요소(15h)로부터의 광선으로 광학 윈도우(260)로부터 측방향으로 이격되는 제2 광학 윈도우(440)를 생성한다.
유리하게는, 도 4b에 예시된 배열은 조명기 요소(15c)의 실제 이미지를 광학 윈도우(260)에 제공할 수 있으며, 여기에서 이러한 실제 이미지는 반사 단부(4)에서의 광파워와 도 4a에 도시된 바와 같이 영역(34, 36)들 사이의 긴 광 추출 특징부(12)의 상이한 배향에 기인할 수 있는 광파워의 협동에 의해 형성될 수 있다. 도 4b의 배열은 광학 윈도우(260) 내의 측방향 위치로의 조명기 요소(15c)의 이미지 형성의 개선된 수차를 달성할 수 있다. 개선된 수차는 낮은 크로스토크 수준을 달성하면서 무안경 입체 디스플레이에 대한 확장된 관찰 자유도를 달성할 수 있다.
도 5는 실질적으로 선형의 광 추출 특징부를 갖춘 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 5는 도 1과 유사한 구성요소 배열을 도시하며(대응하는 요소가 유사함), 이때 차이점 중 하나는 광 추출 특징부(12)가 실질적으로 선형이고 서로 평행하다는 것이다. 유리하게는, 그러한 배열은 디스플레이 표면을 가로질러 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있고, 도 4a와 도 4b의 만곡된 추출 특징부보다 제조하기에 더욱 편리할 수 있다. 지향성 도파관(1)의 광학 축(321)은 반사 단부(4)에서의 표면의 광학 축 방향일 수 있다. 반사 단부(4)의 광파워는 광학 축 방향을 가로지르도록 배열되며, 이에 따라 반사 단부(4)에 입사하는 광선은 광학 축(321)으로부터의 입사 광선의 측방향 오프셋(319)에 따라 변하는 각도 편향을 가질 것이다.
도 6a는 제1 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6b는 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 백라이트 장치에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6c는 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이다. 또한, 도 6a는 단차형 도파관(1)으로부터 관찰 윈도우(26)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 군(31)은 (단일 광학 윈도우(260) 또는 광학 윈도우(260)의 어레이를 포함할 수 있는) 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되는 광 원추(17)를 제공할 수 있다. 도 6b는 관찰 윈도우(44)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 군(33)은 (단일 광학 윈도우(440) 또는 광학 윈도우(440)의 어레이를 포함할 수 있는) 관찰 윈도우(44)를 향해 지향되는 광 원추(19)를 제공할 수 있다. 시간 다중화 디스플레이와 협동하여, 관찰 윈도우(26, 44)가 도 6c에 도시된 바와 같이 순서대로 제공될 수 있다. 공간 광 변조기(48)(도 6a, 도 6b, 도 6c에 도시되지 않음) 상의 이미지가 광 방향 출력에 상응하게 조절되면, 적합하게 위치된 관찰자에 대해 무안경 입체 이미지가 달성될 수 있다. 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다. 조명기 요소 군(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기에서 n은 1보다 큰 정수임)로부터의 하나 이상의 조명 요소를 포함하는 것에 유의한다.
도 7은 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스를 포함하는 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이 장치의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 축(29)을 따라 조명기 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 켜고 끄는 것은 관찰 윈도우(26, 44)의 방향 제어를 제공한다. 머리(45) 위치가 카메라, 동작 센서, 동작 검출기, 또는 임의의 다른 적합한 광학적, 기계적 또는 전기적 수단으로 모니터링될 수 있고, 조명기 어레이(15)의 적절한 조명기 요소가 머리(45) 위치와 관계없이 각각의 눈에 실질적으로 독립적인 이미지를 제공하도록 켜지고 꺼질 수 있다. 머리 추적 시스템(또는 제2 머리 추적 시스템)은 하나 초과의 머리(45, 47)(머리(47)는 도 7에 도시되지 않음)의 모니터링을 제공할 수 있고, 각각의 관찰자의 좌안 및 우안에 동일한 좌안 및 우안 이미지를 제공하여 모든 관찰자에게 3D를 제공할 수 있다. 역시, 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다.
도 8은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 관찰자가 공간 광 변조기(48) 상의 상이한 이미지를 볼 수 있도록 적어도 2개의 2D 이미지가 한 쌍의 관찰자(45, 47)를 향해 지향될 수 있다. 도 8의 2개의 2D 이미지는 2개의 이미지가 순서대로 그리고 그것의 광이 2명의 관찰자를 향해 지향되는 광원과 동기화되어 디스플레이될 것이라는 점에서 도 7에 관하여 기술된 바와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 하나의 이미지가 제1 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시되고, 제2 이미지가 제1 위상과는 상이한 제2 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 상응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 관찰 윈도우(26) 내에 있는 관찰자는 제1 이미지를 인식할 것인 반면, 양안이 관찰 윈도우(44) 내에 있는 관찰자는 제2 이미지를 인식할 것이다.
도 9는 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 2D 디스플레이 시스템이 또한 도 9에 도시된 바와 같이 광이 주로 제1 관찰자(45)의 눈으로 지향될 수 있는 지향성 백라이팅을 보안 및 효율 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 도 9에 예시된 바와 같이, 제1 관찰자(45)가 디바이스(50) 상의 이미지를 볼 수 있지만, 광이 제2 관찰자(47)를 향해 지향되지 않는다. 따라서, 제2 관찰자(47)는 디바이스(50) 상의 이미지를 보는 것이 방지된다. 본 발명의 실시예 각각은 유리하게도 무안경 입체 이중 이미지 또는 프라이버시 디스플레이 기능을 제공할 수 있다.
도 10은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 10은 단차형 도파관(1)과 단차형 도파관(1) 출력 표면을 가로질러 실질적으로 시준된 출력을 위해 관찰 윈도우(26)를 제공하도록 배열되는 프레넬 렌즈(62)를 포함할 수 있는 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 도시한다. 수직 확산기(68)가 관찰 윈도우(26)의 높이를 더욱 확장시키도록, 그리고 측방향(y 축)의 방향에서의 블러링(blurring)을 최소화하면서 수직 방향(x-축에 평행함)의 방향에서의 블러링을 달성하도록 배열될 수 있다. 광은 이어서 공간 광 변조기(48)를 통해 이미지 형성될 수 있다. 조명기 어레이(15)는 예를 들어 인광체 변환 청색 LED일 수 있거나 별개의 RGB LED일 수 있는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소는 별개의 조명 영역을 제공하도록 배열되는 균일한 광원과 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 요소는 레이저 광원(들)을 포함할 수 있다. 레이저 출력은 예를 들어 갈보(galvo) 또는 MEMS 스캐너를 사용한 스캐닝에 의해 확산기 상으로 지향될 수 있다. 일례에서, 레이저 광은 따라서 적절한 출력각을 갖는 실질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 그리고 또한 스페클(speckle)의 감소를 제공하기 위해 조명기 어레이(15) 내의 적절한 조명기 요소를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15)는 레이저 광 방출 요소의 어레이일 수 있다. 또한, 일례에서, 확산기는 파장 변환 인광체일 수 있어, 조명이 가시 출력 광과는 상이한 파장에 있을 수 있다.
이와 같이, 도 1 내지 도 10은 도파관(1); 그러한 도파관(1) 및 조명기 어레이(15)를 포함하는 지향성 백라이트; 및 그러한 지향성 백라이트 및 SLM(48)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 다양하게 기술한다. 그렇기 때문에, 도 1 내지 도 10을 참조하여 상기에 개시된 다양한 특징은 임의의 조합으로 조합될 수 있다.
도 11은 다른 이미지 형성 지향성 백라이트, 즉 예시된 바와 같은 웨지 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 12는 유사한 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 웨지 유형 지향성 백라이트는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 발명의 명칭이 "평면 패널 렌즈(Flat Panel Lens)"인 미국 특허 제7,660,047호에 의해 개괄적으로 논의된다. 이러한 구조체는 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 저부 표면을 갖춘 그리고 역시 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 단부 파형 표면(1102)을 갖춘 웨지 유형 도파관(1104)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 지향성 디스플레이 디바이스는 도파관을 포함할 수 있으며, 이 도파관은 입력 단부, 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면, 및 입력 광으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 갖는다. 지향성 디스플레이 디바이스는 또한 도파관의 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치에 배치된 광원의 어레이를 포함할 수 있다. 도파관은 광원으로부터의 입력 광을 반사 단부로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서, 주로 입력 위치에 의존할 수 있는 제1 안내 표면의 법선에 대해 출력 방향으로 광학 윈도우 내로 지향시키도록 배열될 수 있다. 지향성 디스플레이 디바이스는 또한, 제1 안내 표면으로부터 출력 광을 수광하도록 배열되고, 제1 편광을 갖는 출력 광의 제1 편광 성분을 변조시키도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다.
웨지 유형 지향성 백라이트의 일 실시예에서, 제1 안내 표면은 내부 전반사에 의해 광을 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은 실질적으로 평탄하고, 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 내부 전반사를 파괴하는 방향으로 광을 반사하도록 비스듬히 경사질 수 있다. 웨지 유형 지향성 백라이트는 지향성 디스플레이 디바이스의 일부일 수 있다. 지향성 디스플레이 디바이스는 또한 공간 광 변조기의 법선을 향해 광을 편향시키기 위해 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 광이 국소 광원(1101)으로부터 웨지 유형 도파관(1104)에 입사할 수 있고, 이러한 광은 단부 표면으로부터 반사되기 전에 제1 방향으로 전파될 수 있다. 광은 그것의 복귀 경로 상에 있는 동안 웨지 유형 도파관(1104)으로부터 출사할 수 있고, 디스플레이 패널(1110)을 조명할 수 있다. 광학 밸브와의 비교로서, 웨지 유형 도파관은 광이 출력 표면에 임계각으로 입사할 때 그것이 출사할 수 있도록 전파되는 광의 입사각을 감소시키는 테이퍼에 의한 추출을 제공한다. 웨지 유형 도파관에서 임계각으로 출사하는 광은 프리즘 어레이와 같은 방향 전환 층(1108)에 의해 편향될 때까지 표면에 실질적으로 평행하게 전파된다. 웨지 유형 도파관 출력 표면 상의 오차 또는 먼지가 임계각을 변화시켜 미광과 균일성 오차를 생성할 수 있다. 또한, 웨지 유형 지향성 백라이트에서 빔 경로를 폴딩하기 위해 미러를 사용하는 이미지 형성 지향성 백라이트가 웨지 유형 도파관에서 광 원추 방향을 편향시키는 다면 미러(faceted mirror)를 채용할 수 있다. 그러한 다면 미러는 대체로 제조하기에 복잡하고, 조명 균일성 오차와 미광을 유발할 수 있다.
웨지 유형 지향성 백라이트와 광학 밸브는 또한 광 빔을 상이한 방식으로 처리한다. 웨지 유형 도파관에서는, 적절한 각도로 입력된 광이 주 표면 상의 한정된 위치에서 출력될 것이지만, 광선이 실질적으로 동일한 각도로 그리고 주 표면에 실질적으로 평행하게 출사할 것이다. 그에 비해, 소정 각도로 광학 밸브의 단차형 도파관에 입력된 광은 제1 면에 걸친 지점들로부터 출력될 수 있으며, 이때 출력각은 입력각에 의해 결정된다. 유리하게는, 광학 밸브의 단차형 도파관은 광을 관찰자를 향해 추출하기 위해 추가의 광 방향 전환 필름을 필요로 하지 않을 수 있고, 입력의 각도 불균일성이 디스플레이 표면을 가로질러 불균일성을 제공하지 않을 수 있다.
그러나, 본 발명에서, 일반적으로 웨지 유형 도파관(1104)과 같은 웨지 유형 도파관이 지향성 백라이트에 사용될 수 있고, 전술된 도 1 내지 도 10에 도시된 다양한 구조의 그리고 하기에 기술되는 구조의 단차형 도파관(1)을 대체할 수 있다.
지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 몇몇 지향성 디스플레이 장치의 설명이 이어지며, 여기에서 지향성 디스플레이 디바이스는 도파관과 SLM을 포함하는 지향성 백라이트를 포함한다. 다음의 설명에서, 도파관, 지향성 백라이트 및 지향성 디스플레이 디바이스는 위의 도 1 내지 도 10의 구조에 기초하고 그것을 포함하지만, 전술된 바와 같은 웨지 유형 도파관으로 단차형 도파관(1)을 대체하도록 동일하게 구성될 수 있다. 이제 설명될 변경부 및/또는 추가의 특징부를 제외하고는, 위의 설명이 다음의 도파관, 지향성 백라이트 및 디스플레이 디바이스에 동일하게 적용되지만, 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다.
도 13은 디스플레이 디바이스(100)와 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 이제 제어 시스템의 배열과 작동이 설명될 것이고, 본 명세서에 개시된 디스플레이 디바이스들 각각에 필요한 만큼 변경되어 적용될 수 있다.
지향성 디스플레이 디바이스(100)는 전술된 바와 같이 배열된 도파관(1) 및 조명기 요소(15n)의 어레이(15)를 포함하는 지향성 백라이트를 포함한다. 제어 시스템은 광을 선택가능 광학 윈도우 내로 지향시키도록 조명 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 작동시키도록 배열된다.
도파관(1)은 전술된 바와 같이 배열된다. 반사 단부(4)는 반사 광을 수렴시킨다. 프레넬 렌즈(62)가 관찰자(99)에 의해 관찰되는 윈도우 평면(106)에서 관찰 윈도우(26)를 달성하기 위해 반사 단부(4)와 협동하도록 배열될 수 있다. 투과성 공간 광 변조기(SLM)(48)가 지향성 백라이트로부터의 광을 수광하도록 배열될 수 있다. 또한, 확산기(68)가 도파관(1)과 SLM(48)의 픽셀 및 프레넬 렌즈(62) 사이의 모아레 맥놀이(
)를 실질적으로 제거하기 위해 제공될 수 있다.
제어 시스템은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 센서 시스템은 카메라와 같은 위치 센서(70)와, 예를 들어 컴퓨터 비전 이미지 처리 시스템을 포함할 수 있는 머리 위치 측정 시스템(72)을 포함한다. 제어 시스템은, 둘 모두 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터 제공되는 관찰자의 검출된 위치를 제공받는 조명 컨트롤러(74)와 이미지 컨트롤러(76)를 추가로 포함할 수 있다. 조명 컨트롤러(74)는 조명기 요소(15n)에 구동 신호를 공급한다. 구동 신호를 제어함으로써, 조명 컨트롤러(74)는 조명기 요소(15n)를 도파관(1)과 협동하여 광을 관찰 윈도우(26) 내로 지향시키도록 선택적으로 작동시킨다. 조명 컨트롤러(74)는 광이 지향되는 관찰 윈도우(26)가 관찰자(99)의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있도록 머리 위치 측정 시스템(72)에 의해 검출된 관찰자의 위치에 따라 작동될 조명기 요소(15n)를 선택한다. 이러한 방식으로, 도파관(1)의 측방향 출력 지향성이 관찰자 위치에 상응한다.
조명 컨트롤러(74)는 광의 그레이 레벨(grey level)로 지칭될 수 있는, 어레이(15)의 각자의 광원에 의해 방출되는 광의 광속을 제어하기 위해 각자의 조명기 요소(15)에 공급되는 구동 신호를 변화시키도록 배열될 수 있다. 광원의 광속은 루멘 단위로 측정되는, 광원에 의해 방출되는 광파워의 척도이다.
광속의 제어는 전압 변조, 전류 변조, 펄스 폭 변조, 광원과 입력 단부(2) 사이에 배열된 공간 광 변조기의 제어, 또는 다른 알려진 그레이스케일(greyscale) 구동 계획을 제한 없이 포함하는 임의의 적합한 구동 계획에 의해 실행될 수 있다. 또한, 각각의 조명기 요소(15n)에 의해 방출되는 광속은 각각의 어드레스가능 장치 내에서 흐르는 전류를 변화시킴으로써, 또는 잔상으로 인해 관찰자에 의해 인지되는 휘도를 변화시키기 위해 하나 이상의 펄스의 길이가 변화되는 펄스 폭 변조 계획에 의해 변화될 수 있다. 원하는 휘도 제어를 달성하기 위해 이들 두 효과를 조합하는 것도 또한 가능하다.
이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 이미지를 표시하도록 제어한다. 무안경 입체 디스플레이를 제공하기 위해, 이미지 컨트롤러(76)와 조명 컨트롤러(74)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 시간 다중화된 좌안 및 우안 이미지를 표시하도록 제어한다. 조명 컨트롤러(74)는 광원(15)을 좌안 및 우안 이미지의 디스플레이와 동기식으로 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 작동시킨다. 관찰 윈도우의 위치는 주로 검출된 관찰자의 위치에 의존할 수 있다. 이러한 방식으로, 무안경 입체 효과가 시분할 다중화 기술을 사용하여 달성된다.
이제 설명될 바와 같이, 사용자 또는 자동 제어 하에 작동하는 광속 컨트롤러(580)가 조명기 요소(15)의 어레이를 가로질러 변하는, 측방향으로 각자의 조명기 요소(15n)와 관련된 폭에 의해 역으로 스케일링된, 광속을 갖는 광을 출력하도록 지향성 백라이트의 조명기 요소(15n)를 제어하는 방법을 구현하도록 조명 컨트롤러(74)를 제어할 수 있다.
어레이(15)를 가로질러 변화되는 광속의 양은 스케일링된 개별 조명기(15)의 광속이다. 이러한 스케일링은 측방향으로 각자의 조명기 요소(15n)와 관련된 폭과 역이다. 그러한 스케일링의 목적은 어레이(15)를 가로질러 조명기 요소(15n)의 피치의 임의의 변화를 고려하는 것이다. 따라서, 조명기 요소(15n)가 도파관(1)의 입력 단부(4)를 가로질러 측방향으로 일정한 피치를 갖고서 상이한 입력 위치에 배치되는 간단한 경우에, 스케일링된 광속은 단순히 조명기 요소(15n)의 실제 광속인데, 왜냐하면 스케일링이 일정하기 때문이다. 측방향으로 조명기 요소(15n)의 피치가 가변적인 경우에, 스케일링된 광속은 그러한 변하는 피치를 고려한다.
따라서, 스케일링된 광속은 광원들 사이의 갭과 각자의 출력의 광속을 가로지른 불균일성을 고려할 수 있다. 따라서, 조명기 요소(15n)와 관련된 폭이 고려되는 조명기 요소(15n)에서의 어레이 조명기 요소(15n)의 피치로 간주될 수 있다. 유사하게, 조명기 요소(15n)와 관련된 폭이 조명기 요소(15n)들 사이의 갭의 중점들 사이의 폭으로 간주될 수 있다. 스케일링된 광속은 도 53을 참조하여 추가로 설명된다.
본 명세서에서, 스케일링된 광속이 고려되는데, 왜냐하면 디스플레이 디바이스(100)에서 이러한 양이 추가로 후술되는 바와 같이 출력 광의 광도에 영향을 미치기 때문이다. 디스플레이 디바이스의 광도는 단위 입체각당 특정 방향으로 디스플레이 디바이스에 의해 방출되는 파워의 척도이다. 따라서, 스케일링된 광속은 원하는 광도를 제공하도록 제어된다.
이는 관찰자(99)에 의해 인지되는 바와 같은 디스플레이 디바이스(100)의 밝기가 주어진 방향으로 이동하는 광의 단위 면적당 광도의 측광 척도인 휘도에 의해 유도되기 때문에 유리하다. 따라서, 광속 선형 밀도의 변화는 인지된 밝기가 제어되도록 허용하여, 예를 들어 인지된 밝기(휘도)가 관찰자(99)의 상이한 위치에 대해 변하도록 그리고/또는 전력 소비가 주어진 인지된 밝기에 대해 최소화되도록 허용한다.
고려 중인 광속은 방출된 총 광속이다. 이는 조명기 요소(15n)에 의해 방출된 광속을 측방향에 수직인 방향에 걸쳐 적분함으로써 도출될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광속 컨트롤러(580)는 측방향으로 위치에 관해 고정된 광속 분포에서 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 광속을 제어할 수 있다.
다른 실시예에서, 광속 컨트롤러(580)는 센서 시스템에 의해 검출되는 바와 같은 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 광속을 제어할 수 있다.
이제 광속 컨트롤러(580)가 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 광속을 제어할 수 있는 몇몇 구체적인 방식이 설명될 것이다.
우선 광속 컨트롤러(580)가 측방향으로 위치에 관해 고정된 광속 분포에서 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 스케일링된 광속을 제어하는 몇몇 실시예가 설명될 것이다. 이는 디스플레이 디바이스(100)가 무안경 입체 모드와 같은 지향성 작동 모드에 비해 넓은 각도로부터 관찰할 수 있는 2D 이미지를 표시하도록 작동될 때 특별한 이점을 갖는다. 그러한 경우에, 모든 조명기 요소(15n)가 동시에 작동될 수 있으며, 이러한 경우에 센서 시스템이 사용되지 않거나 생략될 수 있다.
대안적으로, 조명 컨트롤러(74)는 고 효율 작동 모드와 프라이버시를 위한 2D 관찰을 위한 단상으로 작동하도록 배열되는 SLM(48)과 함께 관찰자의 검출된 위치에 따라 두 눈에 의해 볼 수 있는 단일 관찰 윈도우 내로 광을 지향시키도록 광원(15)을 작동시킬 수 있다. 그러한 관찰 윈도우는 관찰자의 좌안 및 우안 둘 모두에 의해 보이도록 충분히 넓다. 대안적으로, 고정된 광속 분포는 또한 디스플레이 디바이스가 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동될 때 적용될 수 있다.
도 14a는 윈도우 평면(106) 내에 광학 윈도우(260)의 어레이를 제공하는 조명기 요소(15n)의 어레이와 도파관(1)을 포함하는 지향성 백라이트의 평면도를 예시한 개략도이며, 이때 각각의 광학 윈도우(260)의 윈도우 평면에서 출력 방향과 이에 따라 공칭 측방향 위치는 어레이(15) 내의 각자의 조명기의 측방향 위치에 의존한다. 따라서, 윈도우 평면(106)을 가로질러 측방향(y-축 방향)으로 위치(262)에 대응하는 각도(θ)에서, 광학 윈도우(260)로부터 본 디스플레이의 광도가 관찰자(99)(표시된 바와 같은 우안 및 좌안 위치(560, 562)를 가짐)의 위치에 따라 변할 수 있다. 디스플레이가 관찰자(99)의 각각의 눈에 동일하게 밝게 보이도록 램버시안인 디스플레이 광도의 변화를 달성하는 것이 바람직할 것인데; 달리 말하면, 디스플레이의 휘도는 측방향 관찰 자유도의 범위 내에서 실질적으로 동일하다. 대안적으로, 절전 이점을 달성하기 위해 축외 관찰 위치에 대해 감소된 휘도를 달성하는 디스플레이 광도의 변화를 달성하는 것이 바람직할 것이다.
조명기 요소(15n)의 어레이(15)의 각각의 요소와 광학 윈도우의 어레이의 각각의 광학 윈도우(260) 사이의 전달 함수는 어레이(15)와 윈도우 평면(106) 사이에 배열된 광학 구성요소의 산란, 확산, 회절 및 이미지 형성 특성의 효과를 포함할 것이다. 따라서, 광학 윈도우(260)는 조명기 요소(15n)의 완벽한 이미지가 아니다. 그러나, 광학 윈도우(260)의 측방향 위치(262)는 전형적으로 어레이(15) 내의 조명기 요소(15n)의 측방향 위치(261)와 직접 관련될 것이다.
따라서, 광속 컨트롤러(580)는 출력 방향의 각도에 따른 출력 광의 광도의 변화를 나타내는 원하는 광도 분포를 생성하는, 광속 분포에서 스케일링된 광속을 측방향으로 조명기 요소(15)의 입력 위치에 따라 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 제어할 수 있으며, 이제 이의 예가 설명될 것이다.
도 14b는 출력 방향의 각도(θ)에 대응하는 윈도우 평면(106) 내의 관찰 위치(262)에 대한 출력 광의 광도(264)의 그래프를 예시한 개략도이다. 광도 분포(266)는 관찰 각도(θ)의 코사인에 따라 변하는 광도를 갖는 램버시안이며, 따라서 디스플레이를 가로지른 광도가 변할 수 있는 반면, 디스플레이의 관찰된 휘도는 관찰 윈도우 내의 관찰 위치(500 내지 502)로부터 일정하다.
본 실시예에서, 램버시안 방출기가 관찰자의 시야각과 관계없이 표면의 동일한 겉보기 휘도(apparent luminance)를 달성한다. 따라서, 표면은 등방성 휘도(제곱미터당 칸델라 또는 제곱미터당 스테라디안당 루멘 단위로 측정됨)를 갖고, 광도(264)(칸델라, 또는 스테라디안당 루멘 단위로 측정됨)의 변화는, 이상적인 확산 방사체로부터 관찰되는 광도가 관찰자의 시선과 표면 법선 사이의 각도(θ)의 코사인에 정비례하는 람베르트의 코사인 법칙을 따른다. 본 실시예에서, 램버시안은 규정된 각도 범위, 예를 들어 디스플레이의 광학 윈도우의 전체 폭에 걸쳐 디스플레이의 방출을 설명하기 위해 사용된다. 따라서, 광학 윈도우의 폭 밖의 윈도우 평면 내의 위치에서, 광도 분포는 비-램버시안 방식으로 거동할 수 있다.
광도는 전형적으로 백라이트 상의 점, 예를 들어 SLM(48)의 중심에 대응하는 점에 대해 고려될 수 있다. 디스플레이 시스템의 휘도(단위 면적당 광도)는 출력의 불균일성으로 인해 디스플레이 구역을 가로질러 변할 수 있고, 각자의 단위 면적의 대각 관찰 각도에 따라 추가로 변할 것이다.
도 14b는 또한 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)에 대한 광도 분포를 도시한다. 특히, 광도 분포(272)는 램버시안인 광도 분포(266)보다 큰, 광속 분포의 전역 최대치(global maximum)에 대응하는 최대 광도를 가지며, 여기에서 두 광도 분포(266, 272)의 총 파워는 모든 출력 방향(500 내지 502)에 걸쳐 동일하다. 따라서, 피크 광도가 램버시안인 광도 분포(266)보다 축상 위치에 대해 더 크고, 더욱 빠른 속도로 떨어진다. 따라서, 디스플레이 휘도가 축외 관찰 위치에 대해 떨어진다. 분포(272)의 휘도 대 분포(266)의 피크 휘도의 비(ratio)가 흔히 디스플레이 시스템의 이득으로 지칭된다.
광속 컨트롤러(580)는 다음과 같이, 램버시안인 광도 분포(266)를 갖는 또는 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 갖는 출력 광을 제공하는 광속 분포에서 스케일링된 광속을 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하도록 제어할 수 있다.
도 15a는 광학 축(238)에 대한 출력 방향의 측방향 각도(θ)에 대응하는 윈도우 평면(106) 내의 관찰 위치(262)에 대한 출력 광의 광도의 그래프뿐만 아니라, 어레이(15)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 광도 분포(266, 272)는, 축상 휘도가 매칭되고 디스플레이가 축상 관찰 위치에 대해 동일하게 밝게 보이도록, 그것들의 피크 광도가 매칭되어 도시된다.
일 실시예에서, 램버시안인 광도 분포(266)는 어레이(15)의 모든 조명기 요소를 실질적으로 동일한 스케일링된 광속 출력을 갖도록 제어함으로써 달성될 수 있다.
광도 분포(272)를 달성하기 위해, 축외 위치에 대한 광도는 화살표(270)에 의해 표시된 바와 같이 분포(266)에 비해 감소될 수 있다. 이는 조명기 요소의 스케일링된 광속을 다음과 같이 광속 분포에서 어레이(15)를 가로질러 변하도록 제어함으로써 달성될 수 있다.
도 15b는 조명기 요소의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 어레이(15)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 따라서, 스케일링된 광속(263)이 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 측방향 위치(261)에 대해 플로팅될 수 있다. 광 추출 특징부(12)가 경면화되는 도파관(1)의 구성에서, 스케일링된 광속(263)은 일정한 광속 분포(269)를 가져 램버시안인 광도 분포(266)를 제공한다. 화살표(271)는 각자의 광학 윈도우 위치(262)에서 화살표(270)에 대응하는 각자의 광원에 대해, 일정한 광속 분포(269)에 비해, 스케일링된 광속이 하락하여, 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 제공하는 비-선형 광속 분포(273)에 도달하는 것을 도시한다. 따라서, 광속 분포(273)는 광속의 전역 최대치(508)를 갖고, 전역 최대치(508)의 양측에서 감소한다. 전역 최대치(508)는 도파관(1)의 광학 축과 정렬된 조명기 요소에 대해 발생한다. 일 실시예에서, 어레이(15)의 조명기 요소는 그것들의 스케일링된 광속이 비-선형 광속 분포(273)에 따라 변하도록 제어되어, 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 디스플레이 디바이스(100)에 제공할 수 있다. 즉, 출력 광의 광도(264)는 램버시안인 그리고 모든 출력 방향에 걸쳐 실제 광도 분포(272)와 동일한 총 광도를 갖는 명목(notional) 광도 분포(266)보다 큰 실제 광도 분포(272)에서 출력 방향의 각도(262)에 따라 변한다.
도 15c는 y-축이 측방향에 수직인 방향에 걸쳐 적분된 실제 광속(265)을 플로팅한, 도 15b의 상세를 예시한 개략도이다. 전술된 바와 같이, 입력 단부(2)를 가로질러 주어진 측방향 위치(261)에서의 실제 광속(265)은 측방향에 수직인, 즉 z-축에 평행한 절편에서 도파관에 의해 포획된 광의 적분이다. 각자의 광원으로부터의 모든 광이 도파관(1)에 의해 포획된다고 가정하면, 실제 광속(265)은 z-축에서 광원의 절편의 적분된 광속 출력과 동일하다. 도 15b의 상세부(293)에 대해 도 15c에 도시된 바와 같이, 어레이(15)의 광원은 전형적으로 광원과 광원 내의 구조체 사이의 갭으로 인해 측방향(y-축)으로 실제 광속(265)의 실질적으로 불균일한 분포를 가질 것이다. 예를 들어, 도 50과 도 51에서 설명될 바와 같이, 광원은 청색 및 황색 광 방출 영역을 갖춘 LED를 포함할 수 있다. 따라서, 입력 단부(2)의 두께를 가로질러 적분될 때 측방향으로 상이한 실제 광속(265)과 색도 출력이 달성될 수 있다. 본 목적을 위해, 광원은 광원 개수(504)가 주어진 광속(506)과 관련되도록 계단식 방식으로 배열되어, 스케일링된 광속에 광속 분포(273)를 제공할 수 있다. 따라서, 광속 분포(273)는 단일 조명기 요소(15n)와 관련된 측방향으로의 폭에 걸쳐 평균된 실제 광속(265)에 의해 제공될 수 있다. 작동시, 조명기 요소(15n)는 관찰 윈도우가 측방향으로 확산된 중첩 광학 윈도우를 포함할 수 있도록 윈도우 평면(106)에서 정확하게 이미지 형성되지 않는다. 따라서, 광속 분포(273)로부터 광속 분포(272)로의 변환이 또한 관찰 윈도우(26) 내의 인접 광학 윈도우(260)들 사이의 블러링을 고려할 수 있고, 원하는 광도 분포(262)를 달성하도록 배열될 수 있다.
유리하게는, 디스플레이의 출력 휘도가 축상 관찰 위치에 대해 유지될 수 있고, 축외 관찰 위치에 대해 감소될 수 있다. 따라서, 디스플레이의 전력 소비가 덜 유리한 관찰 위치에 대해 감소되어, 디스플레이 효율, 배터리 충전 수명을 개선하고 디스플레이 비용을 감소시킬 수 있다.
도 15d는 광속 분포의 그래프와 이러한 광속 분포와 정렬된 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이다. 설명의 편의상, 측방향 위치(261)에 따른 스케일링된 광속(263)의 광속 분포(273)가 어레이(15)의 각자의 조명기 요소와 정렬되어 도시된다. 따라서, 조명기 요소(514, 516)는 도파관(1)의 광학 축(232)과 정렬되는 분포(273)의 전역 최대치(508)를 포함한, 각자의 스케일링된 광속(510, 512)을 갖는다. 분포(273)는 501, 503의 위치(261)들 사이에 제공된다. 따라서, 광속 분포의 전역 최대치는 도파관의 광학 축(232)과 정렬된 조명기 요소에 대한 것일 수 있다. 광속 분포의 전역 최대치는 도파관(1)의 광학 축(232)과 정렬된 조명기 요소(514, 516)에 대한 것일 수 있다. 유리하게는, 출력의 피크 광도는 광학 축(232)과 정렬될 수 있는 디스플레이 법선(107)에 대해 축상에 제공된다. 따라서, 휘도는 1 초과의 이득을 갖는 디스플레이에 대해 축상 위치에 대해 최대이다. 축상 위치는 전형적으로 특히 모바일 디스플레이에 대해 바람직한 관찰 위치이며, 따라서 디스플레이는 축외 관찰 위치에 대해 감소된 전력 소비를 달성하면서 최적 관찰 조건에 대해 가장 밝게 보일 것이다.
광속 분포의 전역 최대치(508)는 도파관(1)의 광학 축(232)과 정렬된 조명기 요소(514, 516)에 대한 것일 수 있다. 그러한 배열은 도파관(1)의 광학 축(232)과 정렬된 각자의 광학 윈도우에 대한 것일 수 있는, 광도(264)의 전역 최대치(259)를 달성할 수 있다.
도 15d의 실시예는 광각 2D 관찰을 위한 조명기 요소의 하나의 배열을 예시하는데; 즉, 조명기 요소는 연속적으로 또는 단상으로 작동할 수 있고, 공간 광 변조기(48)는 단일 2D 이미지를 포함할 수 있다. 모든 조명기 요소(15n)가 동시에 작동될 수 있기 때문에, 센서 시스템은 사용되지 않거나 생략될 수 있다. 축외 관찰 위치에 대해 무안경 입체 모드에서 증가된 디스플레이 이득의 절전 이점을 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다.
도 15e 내지 도 15f는 무안경 입체 램버시안 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도이다. 이러한 경우에, 스케일링된 광속은 측방향으로 위치에 대해 고정된 광속 분포에서 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하지만, 디스플레이 디바이스는 SLM(48)에 의해 전술된 바와 같이 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동되어, 시간 다중화 좌안 및 우안 이미지를 표시하고, 광이 좌안 및 우안 이미지의 표시와 동시에 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향된다.
도 15e는 일정한 광속 분포(269)가 도 14b에 도시된 바와 같은 램버시안인 광도 분포(266)를 제공하기 위해 사용되는 예를 예시한다. 관찰 윈도우(26)는 좌안 위상에 대한 서브-어레이(520)와 우안 위상의 서브-어레이(522) 내의 조명기 요소의 조명으로부터 형성될 수 있다. 관찰자(99)의 눈이 축외로 움직일 때, 스케일링된 광속은 일정한 값을 가질 수 있고, 디스플레이는 관찰 각도에 따라 램버시안 외양을 유지시킬 수 있다. 유리하게는, 조명된 조명기 요소의 개수가 도 15d의 배열에 비해 훨씬 감소된다. 각각의 눈에 대한 휘도는 실질적으로 일정하여, 무안경 입체 관찰에서 깊이 오차의 출현을 감소시키고 관찰자 편안함을 증가시킬 것이다.
도 15f와 도 15g는 비-선형 광속 분포(273)가 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 제공하기 위해 사용되는 예를 예시한다. 따라서, 조명기 요소는 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 조명기 요소를 가로질러 변하는 스케일링된 광속(263)을 갖는 광을 출력하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 15f는 관찰자의 검출된 위치가 광학 축과 정렬되는 경우를 예시하고, 도 15f는 관찰자의 검출된 위치가 오프셋되는 경우를 예시한다. 좌안 및 우안에 대한 조명기 요소의 서브-어레이(520, 522)가 선택적으로 작동되어, 관찰자의 검출된 위치에 따라 변한다. 조명기 요소의 서브-어레이(520, 522)는 이득을 달성하기 위해 그것들의 폭을 가로질러 변하는 광도를 갖는다. 따라서, 조명기 요소는 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)에서 출력 광의 각도(262)에 따라 변하는 출력 광의 광도(264)를 생성하는 방식으로 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 조명기 요소를 가로질러 변하는 스케일링된 광속(263)을 갖는 광을 출력하도록 제어될 수 있다. 유리하게는, 조명기 요소의 어레이(15)의 전력 소비는 도 15e의 배열에 비해 감소되는데, 왜냐하면 어느 때든지 모든 조명기 요소가 작동되지는 않기 때문이다.
유리하게는, 축외 전력 소비가 축상 위치에 비해 감소되어, 전력 소비를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 15h는 1 초과의 이득과 축외 관찰 위치를 갖는 무안경 입체 디스플레이 시스템에 대한 광속 분포의 추가의 그래프를 예시한 개략도이다. 이러한 실시예에서, 조명기 요소의 어레이(520, 522)는 위치(524)에서 스케일링된 광속을 매칭함으로써 도시된 분포(273)를 따르도록 배열되지만, 서브-어레이(520, 522)를 가로질러 동일한 광속 선형 밀도를 갖는다. 따라서, 스케일링된 광속은, 조명기 요소의 측방향으로 위치에 관해 고정되지 않지만 관찰자의 검출된 위치에 따라 변화되는 광속 분포에서 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변한다. 특히, 이는 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)에서 관찰자의 검출된 위치의 각도(262)에 따라 변하는 출력 광의 광도(264)를 생성하는 방식으로 제어된다.
따라서, 좌안 및 우안 관찰 윈도우는 광도의 램버시안 분포의 방식으로 각각의 눈에 대해 실질적으로 동일한 휘도를 달성하기 위해 광도(264) 분포를 갖고서 배열될 수 있다. 역시, 조명기 요소의 어레이(15)의 전력 소비는 도 15e의 배열에 비해 감소되는데, 왜냐하면 어느 때든지 모든 조명기 요소가 작동되지는 않기 때문이다. 축외 전력 소비가 축상 전력 소비에 비해 감소될 수 있고, 각각의 눈이 실질적으로 동일한 이미지 휘도를 인지하여, 무안경 입체 관찰에서 깊이 오차를 감소시키고 관찰자 편안함을 증가시킬 수 있다.
도 16은 조명기 요소 어드레싱 장치를 예시한 개략도이다. 따라서, 조명 컨트롤러(74)는 조명기 요소의 어레이에 구동 신호를 제공하기 위해 드라이브 라인(244)에 의해 어레이(15)의 조명기 요소(243)에 어드레스하도록 배열될 수 있다. 어레이(15)를 가로지른 위치(261)에서, 조명기 요소(243)는 다른 곳에 기술된 바와 같이 변하는 스케일링된 광속을 가질 수 있다. 작동시, 조명 컨트롤러(74)와 제어 시스템에 의해 각자의 광원(243) 내로의 전류를 제어함으로써 스케일링된 광속 변화가 달성될 수 있다. 광속 분포의 제어는 예를 들어 전류 제어 또는 전압 제어에 의해 달성될 수 있다. 또한, 이러한 변화는 사용자 요구에 따라 조절될 수 있으며, 따라서 사용자가 높은 이득, 낮은 전력 소비 모드를 선택할 수 있거나 넓은 시야 모드를 선택할 수 있다.
본 실시예에서, 조명기 요소의 어레이(15)는 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이 도파관(1)의 입력 단부(2)에 배열될 수 있거나, 도 12에 도시된 바와 같이 웨지 도파관(1104)의 입력 단부(1103)에 있을 수 있다.
도 17은 디스플레이 디바이스가 전술된 바와 같이 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동되고, 스케일링된 광속이 관찰자의 검출된 위치에 따라 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변하는 추가의 예에서, 광학 윈도우의 어레이와 각자의 광학 윈도우에 대한 광도의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 어레이(15)의 조명기 요소는 일정한 스케일링된 광속을 제공할 수 있고, 그러한 조건의 광학 시스템이 윈도우 평면에서 광도의 램버시안 프로파일을 달성할 수 있다. 어레이(15)의 각각의 광원은 윈도우 평면(106) 내에 광학 윈도우(249)를 제공할 수 있다. 각각 좌안 및 우안 조명 단계에서, 좌안 관찰 윈도우(247)가 좌안 광학 윈도우의 어레이(530)에 의해 제공되고, 우안 관찰 윈도우(251)가 우안 광학 윈도우의 어레이(532)에 의해 제공된다. 좌안 및 우안 관찰 윈도우(247, 251)는 관찰자의 검출된 위치에 따라 생성된다. 스케일링된 광속은 광도 분포(267)에서 출력 방향의 각도에 따라 변하는 출력 광의 광도를 광학 윈도우 내에 생성하는 광속 분포에 따라 조명기 요소(15n)의 어레이를 가로질러 변한다. 이는 광학 윈도우 어레이(530, 532)의 부가시, 광도 분포(266)에서 측방향으로 관찰자의 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 출력 광의 광도를 관찰 윈도우(247, 251) 내에 생성한다. 따라서, 디스플레이 디바이스(100)가 실질적으로 램버시안 출력 외양으로 달성될 수 있다. 따라서, 광도 분포(266, 267)가 램버시안일 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 광학 윈도우로부터의 관찰 윈도우의 유사한 형성이 제공된다. 램버시안 이외의 관찰 윈도우(26)에 대한 상이한 광도 분포가 광학 윈도우(249)의 어레이를 조합함으로써 추가로 제공된다.
도 18은 도파관(1)의 대안적인 구성에서, 어레이(15) 내의 조명기 요소의 균일한 광도를 포함하는 도파관(1)에 대한 관찰 위치(262)에 대한 광학 윈도우 광도(264)의 그래프를 예시한 개략도이다. 전술된 실시예는 광속 분포(269)에 대해, 실질적으로 램버시안 광도 분포(266)가 달성된다고 가정한다. 도파관(1)의 실시예에서, 도 19a 및 도 19b를 참조하여 기술될 바와 같이 비-램버시안 거동이 도파관(1)에 의해 보일 수 있다. 보다 구체적으로, 광도 분포(268)가 뿔 형상의 특징부(540, 542)를 포함하는 도파관(1)에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 매칭된 축상 광도(507)에 대해, 축외 광도는 램버시안 출력 광속 발산도 분포(266)에 의해 제공되는 것보다 상당히 높은데; 바꾸어 말하면, 디스플레이의 휘도는 몇몇 축외 관찰 위치에 대해 증가할 수 있다. 2D 모드로 작동할 때 조명기 요소의 어레이(15)의 전력 소비를 분포(268)의 보상에 의해 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
도 19a는 광 추출 특징부(12)가 경면화되지 않고 대신에 광을 TIR에 의해 반사하는 대안적인 구성의 도파관(1)의 광 추출 특징부 상에 제1 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도이다. 도파관(1)의 표면(8)이 중간 영역(10)과, 본 명세서에서 광 추출 소면으로 지칭될 수 있는 광 추출 특징부(12)를 포함할 수 있다. 특징부(12)의 법선(304)과 각도(307)를 이루는 그리고 특징부(10)에 평행한 축상 광선(300)이 특징부(12)에서의 내부 전반사에 의해 광선(302)을 따라 반사된다. 그러나, 특징부(12)의 표면 법선(304)과 보다 작은 각도(307)를 이루는, 광선(300)과 동일한 x-z 평면 내에 유지되는 광선(301)이 광선(305)으로 투과될 수 있다. 따라서, 광선(305)은 출력 광도 분포로 상실될 수 있다.
도 19b는 도 19a와 동일한 구성의 도파관(1)의 광 추출 특징부 상에 제2 방향으로 입사하는 광선의 사시도를 예시한 개략도이다. 축외 광선(308)이 어레이(15)의 축외 조명기 요소에 의해 제공될 수 있고, x-y 평면 내에서 축상 광선에 대해 각도(308)로 입사한다. 축상 입사에 대해 특징부(12)에 의해 투과될 광선(309)은 각도(307)보다 큰 분해각을 갖는 법선(304)에 대한 각도(312)로 입사하고, 이에 따라 특징부(12)에서 내부 전반사를 겪는다. 따라서, 광선(311)이 투과되기보다는 반사된다. 이는 특징부(12)에 의해 반사되는 출력 광의 광속이 입력 광의 광속의 비율로서 상이한 조명기 요소(15n)에 대해 변함을 의미한다. 이는 윈도우 평면 내의 각자의 축외 위치(262)에서의 증가된 광도(264)에 기여하고, 뿔 특징부(540, 542)를 생성한다. 제어 시스템은 다음과 같이 소면에 의해 반사되는 출력 광의 광속의 이러한 변화를 보상하는 방식으로 조명기 요소의 어레이를 가로질러 변하는 스케일링된 광속을 갖는 광을 출력하도록 조명기 요소를 제어하도록 배열된다.
도 20a는 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 램버시안인 광도 분포(266)를 달성하기 위해, 광도 분포는 화살표(270)에 의해 도시된 바와 같이 변화될 수 있다. 이는 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 다음과 같이 광속 분포에서 어레이(15)를 가로질러 변하도록 제어함으로써 달성될 수 있다.
도 20b는 조명기 요소의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관(1)에 대한 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 화살표(271)는 각자의 광학 윈도우 위치(262)에서 화살표(270)에 대응하는 각자의 광원에 대해, 일정한 광속 분포(269)에 비해, 스케일링된 광속이 하락하여, 램버시안인 광도 분포(266)를 제공하는 비-선형 광속 분포(277)에 도달하는 것을 도시한다. 따라서, 화살표(271)는 각자의 등가 위치(262, 261)에 대해 화살표(270)의 길이에 비례적으로 상당하는 길이를 가질 수 있고, 광속 분포(277)가 제공될 수 있다. 따라서, 광속의 전역 최대치(508)를 갖고 전역 최대치(508)의 양측에서 감소하는 광속 분포(277)가 어레이(15)를 가로질러 제공된다. 전역 최대치(508)는 도파관(1)의 광학 축과 정렬된 조명기 요소에 대해 발생한다. 광속 분포(277)는 또한 분포(268) 내의 뿔 특징부를 보상하기 위해 '반대-뿔' 특징부(544, 546)를 갖는다.
또한, 도 13의 관찰자 추적 배열과 조합하여, 관찰자(99)에 의해 보이지 않는 광학 윈도우에 대응하는 어레이(15)의 조명기 요소가 꺼져, 유리하게는 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 따라서, 조명기 요소는 램버시안인 광도 분포(266)에서 관찰자(99)의 검출된 위치의 각도(262)에 따라 변하는 출력 광의 광도(264)를 생성하는 방식으로 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 조명기 요소를 가로질러 변하는 스케일링된 광속(263)을 갖는 광을 출력하도록 제어될 수 있다.
유리하게는, 도파관(1)의 비-램버시안 광도 출력이 보상되어, 디스플레이의 관찰 각도를 가로질러 실질적으로 균일한 휘도를 달성할 수 있다.
도 21a는 도파관의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 다른 실시예에서, 광도 분포(268)는 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 달성하도록 조절될 수 있다. 특히, 광도 분포는 화살표(270)에 의해 도시된 바와 같이 변화될 수 있다. 이는 조명기 요소의 스케일링된 광속을 다음과 같이 광속 분포에서 어레이(15)를 가로질러 변하도록 제어함으로써 달성될 수 있다.
도 21b는 조명기 요소의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 도파관(1)에 대한 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 따라서, 광속 분포(275)는 도 20b에 대해 기술된 바와 유사한 방식으로 달성될 수 있다. 화살표(271)는 각자의 광학 윈도우 위치(262)에서 화살표(270)에 대응하는 각자의 광원에 대해, 일정한 광속 분포(269)에 비해, 스케일링된 광속이 하락하여, 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 제공하는 비-선형 광속 분포(275)에 도달하는 것을 도시한다. 따라서, 스케일링된 광속의 전역 최대치(508)를 갖고 전역 최대치(508)의 양측에서 감소하는 광속 분포(275)가 어레이(15)를 가로질러 제공된다. 전역 최대치(508)는 도파관(1)의 광학 축과 정렬된 조명기 요소에 대해 발생한다. 광속 분포(277)는 또한 분포(268) 내의 뿔 특징부를 보상하기 위해 '반대-뿔' 특징부(544, 546)를 갖는다.
또한, 어레이(15)는 분포(550)에 의해 도시된 바와 같이 변하는 일정한 구동 전류에 대한 광속 분포를 포함할 수 있다. 그러한 변화는 화살표(271)에 의해 도시된 보정을 적용하기 전에 분포(550)에 관한 지식에 의해 비-선형 광속 분포(275)에 의해 묘사된 스케일링된 광속의 보정 동안 제거될 수 있다. 따라서, 곡선(272) 아래의 총 광도는 곡선(266) 아래의 총 광도와 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 어레이(15)의 조명기 요소는 그것들의 스케일링된 광속이 비-선형 광속 분포(273)에 따라 변하도록 제어되어, 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 디스플레이 디바이스(100)에 제공할 수 있다. 즉 출력 광의 광도(264)는 램버시안인 그리고 모든 출력 방향에 걸쳐 실제 광도 분포(272)와 동일한 총 광도를 갖는 명목 광도 분포(266)보다 큰 실제 광도 분포(272)에서 출력 방향의 각도(262)에 따라 변한다.
예시적인 실시예에서, 각각이 공기 중에 배열된 조명기 요소에 대해 램버시안 분포에서 CW 모드에서 광학 출력의 스테라디안당 16 루멘을 달성할 수 있는 86개 조명기 요소의 어레이(15)를 포함하는 도파관(1)에 의해 15.6" 공간 광 변조기가 조명될 수 있다. 그러한 조명기 요소는 광속 분포(269)가 제공되면 각각 350 mW의 전력으로 구동되어, 30 W의 총 어레이 전력 소비를 산출할 수 있다. 동일한 축상 광도(및 이에 따라 휘도)에 대해, 그리고 광도에 대한 분포(272), 및 이에 따라 분포(275)와 유사한 광속 분포를 적용하면, 어레이(15)의 총 전력 소비가 16 W로 감소될 수 있다. 무안경 입체 작동 모드에서, 조명기 요소는 펄스 모드로, 예를 들어 25% 듀티 사이클과 50% 전류 오버드라이브로 작동되며, 따라서 조명기 요소는 실질적으로 CW 모드에 비해 50% 총 휘도를 가질 수 있다. 2D 및 3D 축상 광도를 매칭함으로써, 어레이(15)의 총 전력 소비가 8 W로 감소될 수 있다.
도 22는 디스플레이 디바이스가 전술된 바와 같이 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동되는 예에서 측방향으로 출력 광의 각도에 대응하는 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 좌안 및 우안 조명 단계에 대해 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다.
도 22에, 1 초과의 이득에 대한 광도 분포(272)가 표시되고, 좌안(560) 및 우안(562) 위치가 다양한 관찰 위치에 있는 관찰자(99)에 대해 표시된다. 광학 축의 우측으로 움직이는 관찰자(99)에 대해, 좌안 위치가 광도 분포(272)를 따르는 것으로 표시된다. 동일한 디스플레이 휘도를 위해, 디스플레이는 램버시안인, 관찰자의 좌안과 우안 사이의 광도의 차이를 달성하여야 한다. 따라서, 램버시안 분포(266)가 좌안(560)을 통과하도록 그리고 윈도우 평면(106) 위치(262)를 가로질러 우안 위치(562)에서 원하는 광도(564)를 제공하도록 배열될 수 있다. 따라서, 점(564)이 우안에 대해 윈도우 평면을 가로질러 보간되어 우안 광도 분포(280)를 제공할 수 있다. 광학 축의 좌측으로 움직이는 관찰자(99)에 대해, 우안은 광도 분포(272)를 따를 수 있는 반면, 좌안은 유사한 방식으로 분포(282)를 제공할 수 있다.
도 23a는 도파관(1)의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 따라서, 화살표에 의해 도시된 바와 같은 보정 후, 우안(562)에 대해, 도파관 광도 분포(268)는 광학 축의 좌측에 있는 위치에 대해 광도 분포(272)로 그리고 광학 축의 우측에 있는 위치에 대해 분포(280)로 변화될 수 있다. 유사하게, 좌안(560)에 대해, 도파관 광도 분포(268)는 광학 축의 우측에 있는 위치에 대해 광도 분포(272)로 그리고 광학 축의 좌측에 있는 위치에 대해 분포(282)로 변화될 수 있다. 이는 다음과 같이 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 관찰자의 검출된 위치에 따라 그리고 출력 광이 좌측 이미지에 의해 변조되는지 우측 이미지에 의해 변조되는지에 따라 어레이(15)를 가로질러 변하도록 제어함으로써 달성될 수 있다.
도 23b는 좌안 및 우안 조명 단계에 대한 조명기 요소의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프와, 우안 조명 단계에 대해 도파관(1)에 대한 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 따라서, 우안 광속 분포(279)는 좌안 광속 분포(281)와는 상이할 수 있다. 화살표(271)는 각자의 광학 윈도우 위치(262)에서 화살표(270)에 대응하는 각자의 광원에 대해, 일정한 광속 분포(269)에 비해, 스케일링된 광속이 하락하여, 출력 광이 우측 이미지에 의해 변조될 때 우안 광속 분포(279)에 그리고 출력 광이 좌안 이미지에 의해 변조될 때 좌안 광속 분포(281)에 도달하는 것을 도시한다.
유리하게는, 좌안과 우안 사이의 동일한 휘도를 유지하면서 어레이(15)의 전력 소비가 2D 모드에서 상당히 감소되어, 디스플레이 휘도를 개선할 수 있다. 유사하게, 무안경 입체 디스플레이, 프라이버시 디스플레이 또는 고 효율 2D 모드 디스플레이의 목적을 위한 관찰자 추적 디스플레이가 좌안 및 우안 이미지에 대한 디스플레이의 편안한 휘도 특성을 유지하면서 낮은 전력 소비를 달성할 수 있다.
위의 예에서, 스케일링된 광속의 제어는 램버시안인 광도 분포(266) 또는 1 초과의 이득을 갖는 광도 분포(272)를 제공하도록 실행된다. 그러나, 이는 제한적이 아니며, 스케일링된 광속은 다른 형상의 광도 분포를 제공하도록 제어될 수 있다. 몇몇 예가 이제 주어진다.
도 24는 출력 방향의 각도에 대응하는, 도파관(1)의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 그래프를 예시한 개략도이다. 예를 들어 축상 위치에 가까운 램버시안 거동의 보다 넓은 영역을 제공하기 위해, 그러나 분포(272)에 비해 축외 위치에서 분포(274)의 경사를 증가시키기 위해, 광도 분포를 추가로 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 유리하게는, 디스플레이는 실질적으로 램버시안 축상 거동을 가질 수 있고, 축외 관찰에 대해 낮은 전력 소비를 달성하면서 축외 관찰에 충분한 광을 가질 수 있다.
도 25는 출력 방향의 각도에 대응하는, 도파관(1)의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 분포(276)는 매우 좁은 중심 영역과 배경 조명 프로파일로의 급락부를 가질 수 있다.
분포(예를 들어 266, 272, 274 또는 276)는 사용자 선택에 의해 또는 제어 시스템에 의한, 예를 들어 도 13에 도시된 광속 컨트롤러(580)에 의한 자동 선택에 의해 제어될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이의 특성은 잔여 배터리 수명, 프라이버시 요건, 다중 관찰자, 디스플레이 밝기 환경, 사용자 경험 및 다른 사용자 요구에 적합하게 변화될 수 있다.
도 26a는 출력 방향의 각도에 대응하는, 도파관(1)의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도이고, 도 26b는 광원 열화를 보상하기 위한 조명기 요소의 어레이에 대한 광속 분포의 그래프를 예시한 개략도이다. 질화 갈륨 청색 방출기 및 황색 형광체를 비롯한 LED와 같은 조명기 요소는 스케일링된 광속과 색도가 사용에 따라 변할 수 있는 에이징을 겪을 수 있다. 특히, 광속 발산도의 불균일한 열화를 제공할 수 있는 축외 조명기 요소보다 더 빈번하게 축상 조명기 요소가 사용될 수 있다. 그러한 오차는 각자의 조명기 요소로부터의 스케일링된 광속의 분포(279)에 의해 도시된 바와 같이 보정될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이의 휘도 분포가 장치 수명 전반에 걸쳐 유지될 수 있다.
도 27a는 가로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 디스플레이(290)는 수직 관찰 윈도우(292)를 제공할 수 있다. 도 27b는 세로형 모드의 지향성 디스플레이 장치의 정면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 디스플레이(290)가 회전될 때, 관찰 윈도우(292)는 수평이 되고, 그러한 디스플레이가 프라이버시 모드 또는 그린 모드로 사용될 때, 도 27c에 도시된 바와 같이 광도 분포를 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 도 27c는 도 27b의 배열에 대해 도파관(1)의 윈도우 평면 내의 관찰 위치에 대한 광학 윈도우 광도의 추가의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 분포(294)는 축상 위치로부터 오프셋되어, 바람직한 수직 관찰 위치에 대해 높은 휘도를 달성함과 동시에, 다른 관찰 각도에 대해 낮은 전력 소비를 달성하면서, 가시적인 디스플레이를 유지시킬 수 있다.
도 28은 도파관(1)으로부터 동일한 거리를 두고 측방향에 수직인 방향(이하에서 "수직"으로 지칭됨)으로의 그리고/또는 도파관(1)의 제1 안내 표면의 법선을 따른 관찰자 움직임에 대한 관찰 윈도우(26)와 도파관(1)의 측면도를 예시한 개략도이다. 도 29는 조명기 요소의 어레이(15)에 대한 광속 분포의 그래프와, 도 28의 관찰자 움직임에 따라 도파관(1)에 대한 조명기 요소(15n)의 스케일링된 광속을 조절하는 방법을 예시한 개략도이다. 이러한 경우에, 스케일링된 광속은 측방향으로 관찰자의 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 그리고 또한 관찰자의 수직 위치 및/또는 도파관(1)의 제1 안내 표면의 법선을 따른 관찰자의 위치에 따라 변하는 출력 광의 광도를 제공하기 위해, 전술된 바와 같은 센서 시스템에 의해 검출되는 바와 같은, 관찰자의 위치에 따라 제어된다. 제1 실시예에서, 수직 관찰 위치(601, 603, 605)에 대해, 각자의 광속 분포(600, 602, 604)가 제공될 수 있다. 유리하게는, 관찰자가 바람직한 수직 관찰 위치로부터 멀어지게 움직임에 따라, 출력 광속 분포가 그에 맞춰 조절될 수 있다. 분포(600, 602, 604)의 프로파일은 여기에서 상이한 형상인 것으로 도시되며; 분포의 형상은 예를 들어 바람직한 수직 관찰 각도에 대해 고 품질 램버시안 출력을 달성하지만, 상이한 관찰 각도에 대해 보다 높은 이득 성능을 달성하여, 그들 방향으로부터의 관찰에 대해 전력을 절전하기 위해 변화될 수 있다. 유사하게, 윈도우 평면(106)으로부터 멀어져 평면(607)으로의 관찰자 움직임이 어레이(15)를 가로질러 광속 분포를 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
관찰자 추적 디스플레이는 움직이는 관찰자에 대해 이미지 깜박거림을 겪을 수 있다. 대략 윈도우 평면에 있는 관찰자에 대해, 전체 디스플레이는 윈도우 평면 내의 통합된 광학 윈도우 어레이(121)의 불균일성으로 인해 동시에 세기를 변화시킬 수 있다. 관찰자가 윈도우 평면으로부터 멀어지거나, 조명 시스템 출력이 수차를 가지면, 디스플레이 표면의 상이한 영역이 상이한 양만큼 깜박거리는 것으로 보일 수 있다. 추적 및 조명 조종 시스템이 협동하여 움직이는 관찰자에 대한 깜박거림을 제거하는 것이 바람직하며, 이는 인지된 세기 변화의 진폭을 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
예를 들어, 비-조명된 광학 윈도우 내로 움직이는 눈은 디스플레이 상에서 큰 세기 변화를 볼 수 있다. 깜박거림 아티팩트가 감소될 수 있도록 움직임 전에 이러한 윈도우의 세기를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 광학 윈도우, 특히 관찰자의 눈들 사이에 위치된 양안간 광학 윈도우의 세기를 증가시키는 것은 이미지 크로스토크를 증가시킬 수 있고, 3D 이미지 품질을 열화시킬 수 있다. 또한, 관찰자가 실질적으로 움직이지 않을 때, 낮은 크로스토크가 바람직할 때, 관찰자가 움직이고 있을 때, 낮은 깜박거림이 바람직할 때 윈도우 세기를 증가시키는 것이 추가의 깜박거림 아티팩트를 초래할 수 있다.
도 30은 디스플레이 디바이스가 전술된 바와 같이 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동되는 예에서 관찰 위치들 사이에서의 관찰자 움직임 동안 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 30은 관찰자의 움직임 동안 광학 윈도우의 어레이(721)에 대한 그리고 감소된 이미지 크로스토크를 실질적으로 유지하면서 디스플레이 깜박거림을 감소시키도록 배열된 다른 스위칭 배열을 도시한다.
도 30에서, 조명기 요소(15n)는 관찰자의 검출된 위치에 따라, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에서, 복수의 광학 윈도우를 각각 포함하는 좌측 관찰 윈도우(730)와 우측 관찰 윈도우(732) 내로 광을 지향시키도록 제어된다. 이 예에서, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 사이에 하나의 광학 윈도우의 갭이 있지만, 대안적으로 갭이 없거나 보다 큰 갭이 있을 수 있다. 이 예에서, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 각각은 5개의 광학 윈도우를 포함하지만, 일반적으로 관찰 윈도우는 임의의 개수의 광학 윈도우를 포함할 수 있다.
관찰 윈도우가 적어도 2개의 광학 윈도우를 포함하는 경우에, 조명기 요소(15n)는 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 각각을 가로질러 변하는 스케일링된 광속을 갖는 광을 출력하도록 제어될 수 있다. 도 30의 예에서, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 각각을 가로지른 스케일링된 광속의 분포는 다음과 같다.
이러한 분포는 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)에서 중심인 광학 윈도우(730, 734)에 대한 전역 최대치를 갖는다. 또한, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730)에 대한 분포는 그러한 전역 최대치의 양측에서, 즉 좌측 관찰 윈도우(730)의 광학 윈도우(722, 726)에서 그리고 우측 관찰 윈도우(732)의 광학 윈도우(724, 728)에서 감소한다. 도 30의 예는 감소된, 스케일링된 광속을 갖는 광학 윈도우 어레이(730)의 양측의 단일 광학 윈도우(722, 724, 726, 728)를 도시하지만, 일반적으로 하나 초과의 광학 윈도우가 동일하거나 상이한 수준의 감소된, 스케일링된 광속을 가질 수 있다. 광학 윈도우(722, 724, 726, 728)의 감소된, 스케일링된 광속은 조명 수준, 펄스 폭 또는 펄스 패턴, 또는 이들의 임의의 조합의 변화에 의해 달성될 수 있다.
유리하게는, 도 30의 광속 스위칭을 사용하는 것은 관찰자에 의한 깜박거림의 인지를 감소시킴과 동시에 낮은 크로스토크를 실질적으로 유지할 수 있어, 디스플레이 품질을 개선할 수 있다. 그러한 실시예는 움직이지 않는 관찰자 및 움직이는 관찰자 둘 모두에 적합한 윈도우를 달성함과 동시에, 인접한 또는 양안간 광학 윈도우들의 세기를 증가시키는 것으로 인한 깜박거림의 효과를 감소시킬 수 있다. 깜박거림은 특히 다른 관찰 윈도우에 인접한 관찰 윈도우의 측에서, 즉 광학 윈도우(726) 내의 좌측 관찰 윈도우(730)의 경우 우측 관찰 윈도우(732)의 측에서 스케일링된 광속을 감소시킴으로써 감소되고, 유사하게 우측 관찰 윈도우(732)의 경우 좌측 관찰 윈도우(730)의 측에서 광학 윈도우(724)에서 전역 최대치 아래로 감소된다.
유리하게는, 예를 들어 배터리 구동식 장비에서 조명된 광학 윈도우의 개수가 감소될 수 있으며, 이는 배터리 작동 시간을 연장시킬 수 있다. 조명된 광학 윈도우의 개수를 감소시키는 것은 인지된 깜박거림을 증가시킬 수 있다.
도 31 내지 도 35는 측방향(y-방향)으로의 입력 위치(702)에 대한 광도(700)의 개략적인 그래프인, 윈도우 평면에서 좌측 및 우측 관찰 윈도우를 가로질러 적용될 수 있는 스케일링된 광속의 몇몇 다른 분포를 예시한다.
도 31은 관찰자의 좌안(110) 및 우안(108)에 대한 분포(708, 710)를 도시한다. 이어서 눈 위치(704, 706)가 윈도우 평면을 가로질러 주어진 위치에서 세기와 크로스토크를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 도 31의 배열은 거의 완벽한 윈도우에 대한 것일 것이어서, 크로스토크가 관찰되지 않지만, 그러한 윈도우는 전형적으로 존재하지 않는다.
도 32는 경사 면을 가져 눈이 인접 관찰 윈도우로부터 일부 광을 볼 수 있어 사용자에 대해 바람직하지 않은 이미지 크로스토크와 시각 피로를 생성하는 분포(712, 714)를 도시한다.
도 33은 도 32와 유사하지만 더욱 넓게 분리된, 예를 들어 조명기 요소가 실질적으로 동일한 스케일링된 광속을 갖는 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)를 달성하는 조명에 의해 달성될 바와 같은 분포(712, 714)를 도시한다. 유리하게는, 크로스토크가 감소된다. 그러나, 관찰자의 작은 움직임이 디스플레이 세기를 감소시킬 수 있으며, 이는 관찰자 추적식 디스플레이에서 움직이는 관찰자에 대해 깜박거림을 생성한다.
도 34는 도 30의 배열에서 달성될 바와 유사한 분포(716, 718)를 도시한다. 그러한 배열은 움직이는 관찰자에 대해 관찰자의 코 부근의 윈도우의 세기를 증가시키지만, 움직이지 않는 관찰자에 대해 감소된 이미지 크로스토크를 갖는다.
도 35는 불균일한 윈도우 세기 분포에 기인하는 디스플레이 균일성의 불균일성을 예시한 우안에 대한 분포(714)를 도시한다. 관찰자의 우안(108)은 윈도우 평면(106)과 디스플레이 디바이스(720) 사이에 거리(746)를 두고 위치될 수 있다. 따라서, 디스플레이 영역(742)으로부터 눈(108)으로 지향되는 광선이 윈도우(714)의 균일한 부분(723)으로 지향되었을 광선이고, 디스플레이 영역(724)으로부터의 광선이 윈도우(714)의 불균일한 부분(725)으로 지향되었을 광선이다. 이러한 방식으로, 불균일한 윈도우 구조가 디스플레이(720)의 영역(742, 744)이 상이한 세기 프로파일을 갖도록 윈도우 평면에서가 아니라 관찰자에 대해 디스플레이 불균일성을 유발할 수 있다. 따라서, 디스플레이 평면 내의 아티팩트의 가시성을 감소시키기 위해 '하드(hard)'(급격한 구배) 윈도우 경계를 감소시키는 것이 바람직하다. 따라서, 도 30의 그레이 스케일 배열은 유리하게는 움직이는 관찰자 및 움직이지 않는 관찰자에 대한 균일성 가시성의 개선된 성능을 달성함과 동시에 감소된 이미지 크로스토크를 달성할 수 있다.
도 36 내지 도 41은 측방향(y-방향)으로의 입력 위치(261)에 대한 스케일링된 광속(263)의 개략적인 그래프인, 윈도우 평면에서 좌측 및 우측 관찰 윈도우를 가로질러 적용될 수 있는 몇몇 추가의 불균일한 광속 분포를 예시한 개략도이다. 각각의 경우에, 좌안 관찰 윈도우(730)는 광속 분포(772)를 갖는 복수의 광학 윈도우(770)를 포함하고, 우안 관찰 윈도우(732)는 광속 분포(774)를 갖는 복수의 광학 윈도우(771)를 포함한다. 각각의 경우에, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 각각 내에서, 광속 분포(772, 774)는 각각 전역 최대치(773, 775)를 갖고서 불균일하고, 이들 전역 최대치(773, 775)의 양측에서 감소한다. 이들 예에서, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732) 각각은 5개의 광학 윈도우를 포함하지만, 일반적으로 전역 최대치의 양측에서 감소하는 유사한 분포가 적어도 3개 중 임의의 개수의 광학 윈도우를 포함하는 관찰 윈도우에 제공될 수 있다.
조명기 요소의 전역 최대치(773, 775)는 센서 시스템을 사용하여 얻어진 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 관찰자 추적식 디스플레이에서 광학 시스템에 의해 관찰자의 동공을 향해 지향될 수 있다. 전역 최대치(773, 775)는 예를 들어 관찰자(99)의 측정된 코 위치의 양측에 32 mm에 위치되도록 배열될 수 있다.
도 36의 광속 분포가 실질적으로 광학 및 관찰 윈도우 배열의 유사한 프로파일을 달성하는 것을 볼 수 있지만, 광학 시스템 내에서의 확산과 산란이 도 36의 분포에 비해 그러한 윈도우 배열을 블러링하는 역할을 할 수 있다.
실질적으로 일정한 광속 분포를 갖는 관찰 윈도우에 비해, 특히 디스플레이 구역의 중심 영역에서, 관찰된 이미지의 밝기가 얻어질 수 있다. 시스템 내에 존재하는 광의 양이 감소될 수 있으며, 따라서 미광으로부터의 크로스토크가 최소화될 수 있다. 움직이는 관찰자에 대한 깜박거림 아티팩트의 가시성이 유사하거나 덜한 크로스토크를 위해 보다 넓은 총 윈도우 폭을 제공함으로써 추가로 감소될 수 있다. 또한, 장치의 총 전력 소비가 감소되어, 효율을 증가시키고 비용을 감소시킬 수 있다.
도 36이 관찰자(99)의 검출된 위치가 도파관(1)의 광학 축(232)과 정렬된 상황을 예시하는 반면에, 도 37은 도파관(1)의 광학 축(232)에 대해 측방향으로 움직인 관찰자(99)에 대한 상황을 예시한다. 따라서, 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)의 광속 분포(772, 774)가 관찰 윈도우를 가로질러 세기의 변화를 유지하면서 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 측방향으로 변위될 수 있다. 유리하게는, 외측 광학 윈도우의 세기의 변화는 관찰 윈도우에 대한 균일한 스케일링된 광속 조명기 요소에 비해 감소되어, 움직이는 관찰자(99)에 대한 깜박거림을 감소시킬 수 있다.
도 38은 도파관(1)의 광학 축(232)에 대해 측방향으로 움직인 관찰자에 대한 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)의 대안적인 형태를 예시한다. 이러한 경우에, 전역 최대치(773, 775)는 광학 윈도우의 램버시안 광도 분포를 달성하기 위해 광속 분포(777, 779)를 따르도록 배열될 수 있고, 예를 들어 광도 분포(769)를 따를 수 있다. 전역 최대치(773, 775)에 있지 않은 조명기 요소(770, 771)는 그에 맞춰 스케일링된 광속에서 변화될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이는 감소된 크로스토크, 깜박거림 및 전력 소비를 달성하면서 다양한 관찰 각도로부터 동일하게 밝게 보일 수 있다. 대안적으로, 축외 관찰 위치에 대한 디스플레이 휘도를 추가로 감소시킴으로써 추가의 절전 특성이 달성될 수 있다. 분포(769)는 디스플레이의 이득을 증가시키도록 그리고 축외 위치에 대한 전력 소비를 추가로 감소시키도록 변화될 수 있다.
도 39는 도 36에 비해 도파관(1)의 광학 축(232)을 따라, 즉 도파관(1)의 제1 안내 표면의 법선을 따라 종방향으로 움직인 관찰자에 대한 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)의 대안적인 형태를 예시한다. 이러한 경우에, 스케일링된 광속도 또한 검출된 종방향 위치에 따라 변하여, 이 예에서 보다 평평한 광속 분포를 포함하는 각자의 광학 윈도우와 관찰 윈도우를 제공한다. 도 35에 도시된 바와 같이, 광학 윈도우를 가로지른 광도의 변화는 디스플레이 균일성의 변화를 제공할 수 있다. 관찰자가 디스플레이에 대해 종방향으로 움직일 때, 더욱 많은 광학 윈도우가 디스플레이 구역을 가로질러 포획될 수 있기 때문에 불균일성이 증가할 수 있다. 따라서, 광학 윈도우를 가로지른 세기 변화를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 사용자가 전체 디스플레이에 대해 그리고 윈도우 내에서 효율, 크로스토크, 균일성 및 이미지 깜박거림에 대한 개인적 선호뿐만 아니라 측정된 눈 간격에 적합하게 바람직한 이득 프로파일을 선택할 수 있다.
도 40과 도 41은 좌측 및 우측 관찰 윈도우(730, 732)의 대안적인 형태를 예시한다. 여기에서, 관찰자의 눈들 사이의 광학 윈도우로 지향되는 그리고 따라서 전역 최대치(773, 775) 사이에 위치되는 조명기 요소의 스케일링된 광속이 최대치(773, 775) 밖에 위치되는 조명기 요소의 스케일링된 광속의 감소보다 적게 감소된다. 그러한 배열은 윈도우 평면(106)으로부터 멀어지는 관찰자(99)에 대해 디스플레이의 에지를 향해 일부 광을 제공함과 동시에, 디스플레이의 중심에 있는 영역에 대해 비교적 균일한 밝기를 달성한다. 유리하게는, 디스플레이 균일성이 유지됨과 동시에, 인지된 이미지 깜박거림이 감소된다.
위의 예에서 디스플레이 디바이스가 무안경 입체 3D 디스플레이를 제공하도록 작동되는 반면에, 관찰 윈도우를 가로지른 스케일링된 광속의 유사한 변화가 디스플레이 디바이스가 2D 이미지를 표시하도록 작동되고 제어 시스템이 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 광을 단일 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원(15)을 작동시키는 경우에 적용될 수 있다. 이것의 예가 이제 설명될 것이다.
도 42는 가로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도이다. 디스플레이 디바이스(100)는 측방향으로 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 단일 관찰 윈도우(790)를 제공하도록 배열된다. 광원은 관찰자(99)의 우안 및 좌안(791, 792)과 실질적으로 정렬된 전역 최대치(773, 775)를 갖는 광도 분포(793)에서 관찰자의 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 광도를 제공하도록 광원의 어레이를 가로질러 변하는 스케일링된 광속을 갖는 광을 출력하도록 제어된다. 어레이(15)는 비-조명된 조명기 요소(797)와 관찰 윈도우(790)에서 전역 최대치(773, 775)를 달성하는 어레이(15)의 조명기 요소의 조명된 군(804)을 구비하여 배열된다. 어레이(15)는 비대칭 확산기(68)와 디스플레이 내의 다른 산란 구성요소와 조합되어 이미지 형성될 때 관찰 윈도우에서 불균일성을 최소화시키기 위해 실질적으로 일정한 피치(803)로 배열될 수 있다.
따라서, 조명기 요소의 어레이(15)는 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 일정한 피치(803)를 갖는 상이한 입력 위치(261)에 배치될 수 있으며, 이에 의해 스케일링된 광속은 조명기 요소(15n)의 실제 광속이다.
또한, 조명기 요소(802)가 축상 관찰 위치에 대한 조명기 요소보다 큰 피치 및/또는 그것보다 낮은 스케일링된 광속을 갖는 축외 관찰 위치에 대응하여 제공될 수 있다. 보다 축상 위치에 대한 조명기 요소의 스케일링된 광속의 제어와 조합하여, 그러한 조명기 요소는 원하는 광학 윈도우 출력을 손상시킴이 없이 조명기 요소의 어레이의 비용을 감소시킬 수 있다.
도 43은 도 42의 디스플레이에 대한 입력 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 2D 디스플레이의 조명은 램버시안 조명식 디스플레이에 비해 감소된 전력 소비를 제공하도록 배열될 수 있다. 디스플레이의 작동은 도 36 내지 도 41에 대해 도시된 것과 유사하지만, 군(804)이 두 눈에 대해 단상으로 조명되도록 배열되고, 연속적인 작동을 제공할 수 있다. 유리하게는, 장치의 전력 소비가 감소됨과 동시에, 윈도우 평면에 있는 관찰자에 대한 디스플레이의 중심의 실질적으로 동일한 밝기를 달성하면서, 움직이는 관찰자에 대한 디스플레이 깜박거림을 최소화시킬 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(48)가 좌안 및 우안 조명 단계와 동기화되기보다는 연속적으로 작동하여, 공간 광 변조기(48)의 비용을 감소시킬 수 있다.
도 44는 세로형 배향의 2D 지향성 디스플레이를 예시한 개략도이다. 이러한 세로형 배향에서 (측방향으로) 윈도우(795)의 높이(808)는 눈이 관찰 윈도우(795)의 x-축의 범위에 평행하게 배열되고 광도 분포(796)가 제공될 수 있기 때문에 가로형 배향의 (측방향으로) 윈도우의 폭(806)에 비해 감소된다. 따라서, 전력 소비가 유리하게는 도 42의 배열에 비해 추가로 감소될 수 있다.
도 45는 도 44의 디스플레이에 대해 입력 위치에 대한 스케일링된 광속의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 광학 윈도우(812)의 광속 분포(800)는 도 44의 배열보다 좁은 폭을 가져 관찰 윈도우(794)를 형성할 수 있고, 유리하게는 디스플레이의 중심이 윈도우 평면으로부터 떨어진 축상 관찰 위치에 대해 최적으로 조명되도록 단일 최대치(810)가 제공될 수 있다. 관찰 윈도우(794)는 변하지 않을 수 있거나, 관찰자(99)의 검출된 위치에 상응하여 조절될 수 있다.
따라서, 광을 상기 출력 방향에 대응하는 변하는 광학 윈도우 내로 지향시키도록 조명기 요소를 선택적으로 작동시키는 단계가 광을 적어도 2개의 동시 조명된 광학 윈도우(812)를 포함하는 적어도 하나의 관찰 윈도우(794) 내로 지향시키도록 수행될 수 있으며, 이때 조명기 요소는 관찰자(99)의 검출된 위치에 따라 변하는 그리고 또한 상기 적어도 하나의 관찰 윈도우(794)의 복수의 광학 윈도우(812)를 가로질러 변하는 광속 선형 밀도(263)를 갖는 광을 출력하도록 제어된다.
도 46은 도파관(1)과 조명기 요소의 어레이(15)를 포함하는 전술된 바와 같은 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도이다. 지향성 백라이트 장치는 다음과 같이 조명기 요소(15n)를 제어하여 구동 신호를 보정하는 방법을 구현하는 전술된 바와 같은 제어 시스템을 포함한다.
조명기 요소(216)로부터의 광선(210)이 반사 단부(4)로 지향되고 반사되며 다시 입력 단부(2)를 향해 지향된다. 광원(216)으로부터의 광 중 일부가 광 추출 특징부(12)에 의해 추출될 것인 반면, 광 중 일부가 입력 단부(2)의 적어도 일부분에 입사할 것이다. 센서 요소(208, 214)가 입력 단부에서 어레이(15)의 양측에서 어레이(15)의 측방향 범위 밖의 영역(209, 215)에 배열될 수 있다. 영역(212)에 조명 공극이 존재하여, 광원(216)으로부터의 광이 실질적으로 센서(214)에 입사하지 않을 것이지만; 광원(216)으로부터의 광선이 센서(208)에 입사할 것이다. 각각의 센서(208, 214)는 광도 측정 센서를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 도 46에 도시된 바와 같이, 센서(208, 214)는 광학 필터(202, 206)와 광도 센서(200, 204)를 포함할 수 있다. 그러한 배열은 유리하게는 광도의 측정 및 광원(216)으로부터의 광에 대한 색도 좌표의 측정 둘 모두를 제공할 수 있다. 유사한 방식으로, 광원(218)으로부터의 광선(220)이 센서(208)에 입사하지 않을 수 있지만, 센서(214)에 입사할 것이다. 축상 측정을 위해, 센서(208, 214)는 둘 모두가 각자의 축상 조명기 요소(217)로부터의 광을 검출할 수 있다.
센서(208, 214)로부터의 측정된 신호는 조명기 요소의 어레이에 구동 신호를 제공하기 위해 드라이브 라인(244)에 대한 그레이 레벨 제어를 갖는 전류 드라이버일 수 있는 조명기 요소 드라이버(233)를 사용하여 어레이(15)의 조명기 요소를 구동시키는 조명 컨트롤러(74)로 전달될 수 있다. 조명 컨트롤러(74)는 다음과 같이 감지된 광을 나타내는 측정된 신호에 응답하여 조명기 요소(15n)에 공급되는 구동 신호를 보정한다.
어레이 광속 분포 컨트롤러(224)는 예를 들어 제조시에 제공될 수 있는 스크린 측정치의 앞부분으로부터의 저장된 기준 그레이 레벨 프로파일(230)(예를 들어, 도 21b의 분포(550)에 대한 광속 분포 데이터를 포함함)을 포함할 수 있다. 이는 제어 시스템이 예를 들어 스케일링된 광속을 전술된 바와 같이 변화시키기 위해, 광원의 어레이를 가로질러 사전결정된 분포를 갖는 스케일링된 광속을 출력하도록 허용한다.
센서(208, 214)로부터의 데이터가 예를 들어 광속 분포 컨트롤러(224) 내의 룩업 테이블(226)에 데이터를 제공할 수 있는 보정 측정 시스템(222)에 공급될 수 있다. 또한, (예를 들어 광도 분포(266, 272, 274, 276, 294) 사이에서 선택하기 위한) 광도 분포의 선택이 선택 컨트롤러(228)에 의해 제공될 수 있다. 선택 컨트롤러는 디스플레이 관찰 조건의 감지에 의해 결정되는 자동 입력 또는 사용자 입력을 가질 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 수, 실내 밝기, 디스플레이 배향, 이미지 품질 세팅 및/또는 절전 모드 세팅이 선택된 분포를 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
장치 제조시, 어레이(15)의 광원들 각각에 응답한 센서(208, 214)의 출력이 디스플레이의 윈도우 평면 내에 배치된 카메라 또는 검출기로부터의 신호와 비교될 수 있다. 이는 윈도우 평면 내의 광에 대한 내부 센서의 내부 보정 또는 기준화를 달성한다. 그러한 보정은 룩업 테이블 또는 유사물 내에 저장될 수 있다.
보정 모드의 작동시, 어레이(15)의 단일 조명기 요소가 조명되고, 센서(208, 214)가 상기 조명기 요소에 대한 신호를 측정할 수 있다. 상기 조명기 요소가 꺼지고, 어레이의 다음 광원이 작동되며, 측정이 수행된다. 측정의 어레이의 출력은 주어진 광속 분포에 대한 출력 광도가 보간될 수 있도록 공장 보정과 비교된다. 이어서, 요구되는 광도 분포에 대한 적절한 광속 분포가 원하는 광속 분포를 달성하기 위해 적절히 구성되는 조명기 요소 컨트롤러(233)와 컨트롤러(224)에 의해 도출된다.
유리하게는, 전체 어레이(15)로부터의 광이 센서(208, 214)의 조합에 의해 측정될 수 있고, 원하는 광도 분포가 달성될 수 있다.
따라서, 입력 단부(2)에 입사하는 광의 상기 감지는 측방향으로 조명기 요소의 어레이(15) 밖에 있는 입력 단부(2)의 영역(209)에 배열된 센서 요소(208)를 사용할 수 있다. 입력 단부(2)에 입사하는 광의 상기 감지는 조명기 요소의 어레이의 양측에서 측방향으로 조명기 요소의 어레이(15) 밖에 있는 입력 단부(2)의 영역(209, 215)에 배열된 센서 요소(208, 214)를 사용할 수 있다.
센서 시스템은 특성화 목적을 위해 디스플레이의 제조 동안만 도파관(1)과 함께 배열될 수 있고, 제품 제조의 완료 후 제거될 수 있다. 바람직하게는, 센서 시스템은 정상 작동 동안 도파관(1)과 함께 배열될 수 있다. 필드내 보정 단계가 디스플레이 스위치-온 동안 적용될 수 있다. 공간 광 변조기는 보정 단계의 사용자에 대한 가시성을 제거하기 위해 보정 동안 흑색 이미지로 배열될 수 있다. 보정 단계는 예를 들어 도 26a 및 도 26b에 도시된 바와 같은 에이징 아티팩트를 보상하기 위해 매일, 매주 또는 매월 반복될 수 있다.
도 47은 센서(208, 214)가 제거되고, 기술될 바와 같이 감지 모드로 어레이(15)의 조명기 요소를 사용하는 것에 의해 대체되는 다음의 변경을 제외하고는 도 47의 것과 유사한, 지향성 백라이트 장치의 정면도와 제어 시스템을 예시한 개략도이다. 따라서, 보정 작동 모드에서, 조명기 요소가 조명되고, 다른 조명기 요소 모두가 광을 방출하기보다는 광을 감지하도록 배열된다. 입력 단부 상의 감지된 광은 도 46을 참조하여 기술되었던 바와 동일하게 사용된다.
조명기 요소(15n)를 광을 감지하기 위해 사용함에 있어서, 총 검출 세기의 평균화를 제공하기 위해 적분 세기 측정이 이루어진다. 따라서, 조명기 요소가 개별적으로 고 품질 측정을 제공하지 않을 수 있지만, 어레이의 신호 대 잡음비는 성능을 개선할 수 있다. 일단 성능의 보정이 이루어졌고 공장 세팅과 비교되었으면, 요구되는 광도 분포가 도 46을 참조하여 기술된 바와 같이 달성될 수 있다. 유리하게는, 센서의 비용이 감소되거나 없어질 수 있고, 감지가 입력 단부에서 넓은 범위의 위치에 걸쳐 수행되어, 광학 성능의 평균화를 제공할 수 있다.
도 48은 보정 작동 모드를 위해 조명기 요소를 구동시키기 위한 장치를 예시한 개략도이다. 이러한 경우에, 조명기 요소는 LED(248)이고, 광의 감지는 LED(248)를 역방향 바이어스 하에서 작동시킴으로써 수행된다. 도 48은 제1 순방향 바이어스를 갖는 조명기 요소로서 작동될 수 있는 그리고 또한 광-검출기로서 역방향 바이어스로 작동될 수 있는 LED(248)를 포함한 반도체 p-n 접합 디바이스를 예시한다. 순방향 바이어스를 갖는 작동시, LED(248)는 신호 입력(243)과 스위치(253)가 GND 위치(254)에 있을 때, 증폭기(244)가 인에이블되고 LED(248)가 신호 입력(243)에 응답하여 광(252)을 방출하도록 하는 인에이블 입력(251)을 갖춘 구동 증폭기(244)로부터 구동된다.
스위치(253)가 위치(256)에 있을 때, 양의 전압이 LED(248)의 음극에 인가되어, 그것이 역방향 바이어스로 배열된다. 역방향 바이어스에서, LED(248)는 광 증폭기(246)와 협동하여 광(250)을 검출하도록 작동한다. 따라서, 회로(240)가 p-n 접합 디바이스(248)를 LED 또는 광검출기 중 하나로서 작동시킬 수 있다.
유리하게는, 이는 동일한 LED 어레이(15)가 적합한 회로(240)로 광 검출기 어레이로서 기능할 수 있게 한다. 어레이의 각각의 광원은 도 48의 배열을 가질 수 있고, 어레이(15) 내의 각각의 개별 p-n 접합 디바이스는 그것 자체의 광 증폭기(246)를 구비할 수 있다.
도 49는 보정 작동 모드의 조명기 요소 어레이를 예시한 개략도이다. 스위치(249)에 의해 검출기로서 구동되는 p-n 접합부로부터 분리될 수 있는 구동 증폭기(244)에 의해 LED로서 순방향 바이어스로 구동될 수 있는 어레이(15)의 p-n 접합부가 또한 도 49에 도시된다. 유사한 스위치가 어레이(15) 내의 다른 위치에 구성될 수 있다. 유리하게는, 하나 초과의 p-n 접합 디바이스(248)의 전류 출력이 광 증폭기(246)의 가상 접지 입력부에서 합산될 수 있다. 유리하게는, 검출의 감도가 개선될 수 있고, 광 증폭기(246)의 개수가 감소될 수 있다.
조명기 요소는 전형적으로 백색 LED, 특히 질화 갈륨 청색 광 방출 칩과 전형적으로 청색 광 중 일부를 황색 광으로 변환시키도록 배열되는 형광체인 파장 변환 층을 포함하는 LED를 포함할 수 있다. 조합하여, 청색 및 황색 광이 백색 광 출력을 달성할 수 있다. 작동시, 청색 및 황색 광 방출 요소는 출력을 상이한 비율로 변화시킬 수 있으며, 따라서 백색 광 출력의 색 온도가 시간에 따라 변할 수 있다. 색 변화가 광학 윈도우의 색도 변화를 제공할 수 있으며, 따라서 인지된 휘도와 색차가 관찰 윈도우에서 변한다. 그러한 변화는 움직이는 관찰자에 대한 디스플레이 깜박거림을 증가시킬 수 있고, 디스플레이 구역을 가로질러 불균일성을 달성할 수 있다. 그러한 색도 변화에 대해 조명기 요소의 출력을 보상하는 것이 바람직할 것이다.
도 50은 색 보정을 달성하도록 배열된 조명기 요소 어레이의 정면도를 예시한 개략도이다. 조명기 요소 어레이(400)는 도파관(1)의 입력 단부(402)와 정렬되어 배열될 수 있다. 어레이의 각각의 조명기 요소 패키지(412)는 제1 및 제2 질화 갈륨 칩(404, 408)과 각자의 정렬된 형광체(406, 410)를 포함할 수 있으며, 이때 그 쌍은 입력 개구(402)에 비해 세로형 배열로 정렬된다. 개별 드라이브 라인(405, 407)이 조명기 요소의 어레이(15)를 가로질러 원하는 광속 분포를 제공하도록 배열된다. 형광체는 희토류 거시적 형광체일 수 있거나, 양자점 형광체일 수 있다.
도 51은 색 보정을 달성하도록 배열된 조명기 요소의 추가의 어레이의 정면도를 예시한 개략도이다. 이 패키지는 입력 단부(402)에 비해 가로형 배향으로 배열될 수 있으며, 따라서 입력 단부가 감소된 높이를 가질 수 있고, 보다 높은 효율이 달성될 수 있다. 그러한 배열에서, 윈도우 평면(106) 내의 인접 광학 윈도우가 상이한 색도 외양을 가질 수 있지만; 측방향으로 광학 윈도우의 비대칭 확산기(68)에 의한 확산이 윈도우 평면 내의 색도 변화를 감소시키도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 이러한 배열은 도 50의 배열에 비해 반사 단부(4)의 주어진 높이에 대해 도파관(1)의 보다 낮은 크로스토크와 보다 높은 효율을 달성할 수 있다.
도 52는 광학 윈도우 색도 변화의 그래프와, 색도 변화를 보정하는 방법을 예시한 개략도이다. 따라서, 스펙트럼 궤적(420)과 백색 점 궤적(426)을 갖는 CIE 1931 x-y 색도도 상에서, 색도 좌표(두 광원(404, 406 및 408, 410)의 평균임)에 대한 공장 세팅이 점(422)으로서 제공될 수 있다. 에이징 후, 평균 색도는 점(424)으로 방향(430)으로 이동할 수 있다. 그러한 색도는 각각 도 46에 도시된 바와 같은 센서 및 필터 요소(204, 206 및 200, 202)에 의해 측정될 수 있다. 도 46의 제어 시스템은 출력 색도의 상기 변화를 보정하고 색도 좌표를 다시 점(422)으로 방향(428)으로 이동시키기 위해 각각의 조명기 요소에 대해 드라이브 라인(405, 407)을 따라 상이한 보정된 구동 신호를 추가로 제공할 수 있다.
또한, 조명기 요소의 색도와 출력은 온도에 따라 변할 수 있다. 따라서, 축상 위치에 대한 것과 같은 어레이(15)의 많이 사용되는 부분 내의 조명기 요소가 어레이의 덜 빈번히 사용되는 부분보다 높은 온도에서 작동할 수 있다. 따라서, 작동시, 조명기 요소의 휘도가 온도 효과로 인해 시간에 따라 변할 수 있다. 센서(208, 214)는 전술된 바와 같은 제어 시스템에 의해 상기 온도 변화를 보상하도록 디스플레이 작동 동안 작동하도록 배열될 수 있다. 따라서, 비-작동 조명기 요소 또는 별개의 센서가 출력 휘도를 연속적으로 모니터링하고 조명기 요소 출력의 조절을 동적으로 제공하도록 배열될 수 있다.
도 53은 조명기 요소의 어레이의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 54는 조명기 요소의 어레이의 정면도와, 조명기 요소 고장을 보정하는 방법을 예시한 개략도이다. 작동시, 윈도우 평면 내의 주어진 관찰 위치에 대해, 관찰 윈도우가 예를 들어 영역(560)에 의해 도시된 바와 같이 적어도 2개 그리고 바람직하게는 3개 이상의 조명기 요소로부터의 광을 포함하도록, 관찰 윈도우(26)가 인접 광학 윈도우(249)로부터의 광을 포함할 수 있다. 조명기 요소의 고장은 관찰 윈도우 프로파일에서의 하락을 유발할 수 있고, 도 46에 기술된 것과 같은 감지 시스템에 의해 검출될 수 있다. 그러한 고장은 전술된 바와 같이 그리고 또한 이웃한 조명기 요소로의 드라이브 라인(566, 568)에 대한 구동을 증가시키고 드라이브 라인(564)에 대한 구동을 제거함으로써 보상될 수 있다.
조명기 요소(15n)의 어레이(15)의 광원(420)의 피치(421)는 보다 높은 청색 광 함량을 갖는 GaN 칩 구역을 포함하는 폭(424)에 비해 주로 형광체 방출로 인해 보다 높은 황색 광 함량을 갖는 광의 폭(422, 426)을 포함할 수 있다. 또한, 갭(428)(광원 기계적, 열적 및 전기적 패키지의 부분을 포함할 수 있음)이 광 방출을 갖지 않을 수 있다. 따라서, 스케일링된 광속은 피치(421)를 가로지른 평균 광속의 척도이다. 피치(421)는 조명기 요소(15n)의 어레이(15)의 측방향 폭을 가로질러 변할 수 있다.
본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로"와 "대략"은 그의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대해 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 이로 제한됨이 없이 해당한다. 항목들 사이의 그러한 상대성은 대략 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이다.
본 명세서에 개시된 원리에 따른 다양한 실시예가 전술되었지만, 그것들이 제한이 아닌 단지 예로서 제시되었음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 범위와 범주는 전술된 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 특허청구범위와 그들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점과 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점들 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 특허청구범위의 적용을 제한하지 않아야 한다.
또한, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77 하의 제안과의 일관성을 위해 또는 달리 조직적 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이들 표제는 본 개시 내용으로부터 유래될 수 있는 임의의 특허청구범위에 기재된 실시예(들)를 제한하거나 특성화하지 않아야 한다. 구체적으로 그리고 예로서, 표제가 "기술분야"를 지칭하지만, 특허청구범위는 그렇게 불리는 분야를 설명하기 위해 이러한 표제 하에 선택된 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "배경기술"에서의 기술의 설명은 소정 기술이 본 발명에서의 임의의 실시예(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "발명의 내용"도 또한 유래된 특허청구범위에 기재된 실시예(들)의 특성화로 간주되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 단수형으로 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 발명에 단지 하나의 신규성의 사항만이 존재한다고 주장하기 위해 사용되지 않아야 한다. 다수의 실시예가 본 개시 내용으로부터 유래되는 다수의 특허청구범위의 제한에 따라 기재될 수 있으며, 따라서 그러한 특허청구범위는 그에 의해 보호되는 실시예(들)와 그의 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 특허청구범위의 범주는 본 명세서를 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.
Claims (77)
- 지향성 백라이트(directional backlight)의 광원들의 어레이를 제어하는 방법으로서,
상기 지향성 백라이트는 입력 단부를 갖춘 도파관(waveguide), 및 상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치된 상기 광원들의 어레이를 포함하고, 상기 도파관은 상기 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 서로 대향하는 제1 및 제2 안내 표면들을 추가로 포함하며, 상기 도파관은 상기 광원들로부터의 입력 광을 상기 입력 위치들에 의존하는, 상기 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 광학 윈도우(optical window)들 내로 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열되고,
상기 방법은 변하는 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키는 단계를 포함하고, 상기 광원들은 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 구동 신호들에 의해 제어되고, 각각의 상기 구동 신호들은 상기 광원들의 어레이를 가로질러 단위 수평 거리(unit lateral distance)당 광속의 원하지 않는 변화를 보상하도록 구성되는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 광원들은, 전역 최대치(global maximum)를 갖고 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는 상기 입력 단부의 상기 입력 위치들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 제어되는, 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 실질적으로 원하는 광속 분포의 상기 전역 최대치는 상기 도파관의 광학 축과 정렬된 상기 광원들과 관련되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원들은 램버시안(Lambertian)인 광도(luminous intensity) 분포로 상기 출력 방향들의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 상기 입력 위치들에 따른 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 광원들은, 램버시안이고 모든 출력 방향들에 걸쳐 실제 광도 분포와 동일한 총 광도를 갖는 명목(notional) 광도 분포보다 더 큰 상기 실질적으로 원하는 광속 분포의 상기 전역 최대치에 대응하는 최대 광도를 갖는 상기 실제 광도 분포로 상기 출력 방향들의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 상기 입력 위치들에 따른 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 제어되는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 지향성 백라이트는 상기 제1 안내 표면으로부터 상기 출력 광을 수광하도록 그리고 이미지를 표시하기 위해 상기 출력 광을 변조시키도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기(transmissive spatial light modulator)를 추가로 포함하는 디스플레이 디바이스의 일부이고,
상기 방법은 상기 디스플레이 디바이스를 가로질러 관찰자의 위치를 검출하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키는 단계는 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 수행되며, 상기 광원들은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법. - 제6항에 있어서, 상기 광원들은, 램버시안인 광도 분포로 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 광원들은, 램버시안이고 모든 출력 방향들에 걸쳐 실제 광도 분포와 동일한 총 광도를 갖는 명목 광도 분포보다 더 큰 최대 광도를 갖는 상기 실제 광도 분포로 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 광원들은, 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 그리고 상기 제1 안내 표면의 법선을 따른 방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 방향들에 대응하는 변하는 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키는 단계는 적어도 2개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 포함하는 적어도 하나의 관찰 윈도우(viewing window) 내로 광을 지향시키도록 수행되고, 상기 광원들은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 변하고 또한 상기 적어도 하나의 관찰 윈도우의 상기 복수의 광학 윈도우들을 가로질러 변하는 상기 스케일링된 광속들을 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 관찰 윈도우는 적어도 3개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 포함하고, 상기 광원들은 전역 최대치를 갖고 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 3개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 시간 다중화된(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들을 표시하도록 상기 공간 광 변조기를 제어하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광원들의 상기 선택적인 작동은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라, 상기 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 광학 윈도우들 내로 상기 표시된 좌측 및 우측 이미지들을 동기식으로 지향시키도록 수행되는, 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 광원들은 상기 출력 광이 좌측 이미지에 의해 변조되는지 또는 우측 이미지에 의해 변조되는지에 따라 상기 광원들의 어레이를 가로질러 변하는 광속 선형 밀도를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 광원들은, 램버시안인 광도의 차이에 의해 상기 측방향으로 상기 관찰자의 좌안 및 우안의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 출력 광이 좌측 이미지에 의해 변조되는지 또는 우측 이미지에 의해 변조되는지에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 출력 방향들에 대응하는 변하는 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키는 단계는 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 포함하는 좌측 관찰 윈도우 및 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 포함하는 우측 관찰 윈도우 내로 광을 지향시키도록 수행되고, 상기 광원들은 상기 좌측 및 우측 관찰 윈도우들 각각의 상기 적어도 2개의 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 광원들은 전역 최대치를 갖고 상기 우측 관찰 윈도우에 인접한 상기 전역 최대치의 측에서 감소하는 좌측 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 가로질러 변하는, 그리고 전역 최대치를 갖고 상기 좌측 관찰 윈도우에 인접한 상기 전역 최대치의 측에서 감소하는 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 좌측 관찰 윈도우 분포는 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하고, 상기 우측 관찰 윈도우 분포는 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 지향성 백라이트는 상기 제1 안내 표면으로부터 상기 출력 광을 수광하도록 그리고 이미지를 표시하기 위해 상기 출력 광을 변조시키도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기를 추가로 포함하는 디스플레이 디바이스의 일부이고,
상기 방법은 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들을 표시하도록 상기 공간 광 변조기를 제어하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광원들의 상기 선택적인 작동은 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 포함하는 좌측 관찰 윈도우 및 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 포함하는 우측 관찰 윈도우 내로 광을 동기식으로 지향시키도록 수행되며, 상기 광원들은 상기 좌측 및 우측 관찰 윈도우들 각각의 상기 적어도 2개의 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 상기 도파관을 통해 안내된 광을 상기 출력 광으로서 상기 제1 안내 표면을 통한 출사를 허용하는 방향들로 반사하도록 배향되는 복수의 광 추출 특징부들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는 상기 광 추출 특징부들 사이의 중간 영역들을 포함하는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들인 소면(facet)들과 상기 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 제2 안내 표면의 상기 소면들은 광을 내부 전반사에 의해 반사하도록 배열됨으로써, 상기 소면들에 의해 반사된 상기 출력 광의 광속은 상기 입력 광의 광속의 비율로서 상이한 광원들에 대해 변화를 가지며, 상기 광원들은 상기 소면들에 의해 반사된 상기 출력 광의 광속의 상기 변화를 보상하는 방식으로 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 실질적으로 평탄하고 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 상기 내부 전반사를 파괴하는 방향들로 광을 반사하도록 비스듬히 경사지며,
디스플레이 디바이스가 광을 공간 광 변조기의 법선을 향해 편향시키기 위해 상기 도파관의 상기 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 추가로 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 입력 광으로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하기 위한, 상기 입력 단부를 대면하는 반사 단부를 추가로 포함하고, 상기 도파관은 상기 광원들로부터의 입력 광을 상기 반사 단부로부터의 반사 후에 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열되는, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 반사 단부는 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워(optical power)를 갖는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원들의 어레이는 상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 상기 측방향으로 일정한 피치를 갖고서 상이한 입력 위치들에 배치됨으로써, 상기 실질적으로 원하는 광속 분포는 상기 광원들의 실제 광속들을 포함하는, 방법.
- 지향성 디스플레이 장치(directional display apparatus)로서,
입력 단부를 갖춘 도파관,
상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치된 광원들의 어레이 - 상기 도파관은 상기 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 서로 대향하는 제1 및 제2 안내 표면들을 추가로 포함하고, 상기 도파관은 상기 광원들로부터의 입력 광을 상기 입력 위치들에 의존하는, 상기 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 광학 윈도우들 내로 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열됨 -, 및
상기 제1 안내 표면으로부터 상기 출력 광을 수광하도록 그리고 이미지를 표시하기 위해 상기 출력 광을 변조시키도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기
를 포함하는, 디스플레이 디바이스; 및
변하는 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키기 위해 상기 광원들을 선택적으로 작동시키도록, 그리고 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 구동 신호들에 의해 상기 광원들을 제어하도록 배열되는 제어 시스템으로서, 각각의 상기 구동 신호들은 상기 광원들의 어레이를 가로질러 단위 수평 거리(unit lateral distance)당 광속의 원하지 않는 변화를 보상하도록 구성되는, 상기 제어 시스템
을 포함하는, 지향성 디스플레이 장치. - 제26항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 전역 최대치를 갖고 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는 상기 입력 단부를 가로지른 상기 입력 위치들에 따른 광속 분포로 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제27항에 있어서, 상기 실질적으로 원하는 광속 분포의 상기 전역 최대치는 상기 도파관의 광학 축과 정렬된 상기 광원들과 관련되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 램버시안인 광도 분포로 상기 출력 방향들의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 상기 입력 위치들에 따른 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 제어 시스템은 램버시안이고 모든 출력 방향들에 걸쳐 실제 광도 분포와 동일한 총 광도를 갖는 명목 광도 분포보다 더 큰 상기 실질적으로 원하는 광속 분포의 상기 전역 최대치에 대응하는 최대 광도를 갖는 상기 실제 광도 분포로 상기 출력 방향들의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 상기 입력 위치들에 따른 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제26항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 추가로 포함하고,
상기 제어 시스템은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키기 위해 상기 광원들을 선택적으로 작동시키도록 배열되며,
상기 제어 시스템은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치. - 제31항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 램버시안인 광도 분포로 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 램버시안이고 모든 출력 방향들에 걸쳐 실제 광도 분포와 동일한 총 광도를 갖는 명목 광도 분포보다 더 큰 최대 광도를 갖는 상기 실제 광도 분포로 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 광원들은 상기 측방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치의 각도에 따라 그리고 상기 제1 안내 표면의 법선을 따른 방향으로 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하도록 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 적어도 2개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 포함하는 적어도 하나의 관찰 윈도우 내로 광을 지향시키기 위해, 그리고 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 변하고 또한 상기 적어도 하나의 관찰 윈도우의 상기 복수의 광학 윈도우들을 가로질러 변하는 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제35항에 있어서, 상기 적어도 하나의 관찰 윈도우는 적어도 3개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 포함하고, 상기 제어 시스템은 전역 최대치를 갖고 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 3개의 동시 조명된 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들을 표시하기 위해 상기 공간 광 변조기를 제어하도록 그리고 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 표시된 좌측 및 우측 이미지들을 상기 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 광학 윈도우들 내로 동기식으로 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키도록 상기 제어 시스템이 배열된 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 장치인, 지향성 디스플레이 장치.
- 제37항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 출력 광이 좌측 이미지에 의해 변조되는지 또는 우측 이미지에 의해 변조되는지에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제38항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 램버시안인 광도의 차이에 의해 상기 측방향으로 상기 관찰자의 좌안 및 우안의 각도에 따라 변하는 상기 출력 광의 광도를 생성하는 방식으로, 상기 출력 광이 좌측 이미지에 의해 변조되는지 또는 우측 이미지에 의해 변조되는지에 따라 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제39항에 있어서, 상기 제어 시스템은, 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 포함하는 좌측 관찰 윈도우 및 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 포함하는 우측 관찰 윈도우 내로 광을 지향시키기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되고, 상기 제어 시스템은 상기 좌측 및 우측 관찰 윈도우들 각각의 상기 적어도 2개의 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제40항에 있어서, 상기 제어 시스템은 전역 최대치를 갖고 상기 우측 관찰 윈도우에 인접한 상기 전역 최대치의 측에서 감소하는 좌측 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 가로질러 변하는, 그리고 전역 최대치를 갖고 상기 좌측 관찰 윈도우에 인접한 상기 전역 최대치의 측에서 감소하는 관찰 윈도우 분포로 상기 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제41항에 있어서, 상기 좌측 관찰 윈도우 분포는 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하고, 상기 우측 관찰 윈도우 분포는 상기 전역 최대치의 양측에서 감소하는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제26항에 있어서, 상기 지향성 디스플레이 장치는 무안경 입체 디스플레이 장치이고,
상기 제어 시스템은, 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들을 표시하기 위해 상기 공간 광 변조기를 제어하도록 배열되고, 상기 제어 시스템은 적어도 2개의 동시 조명된 좌측 광학 윈도우들을 포함하는 좌측 관찰 윈도우 및 적어도 2개의 동시 조명된 우측 광학 윈도우들을 포함하는 우측 관찰 윈도우 내로 광을 동기식으로 지향시키기 위해 상기 광원들을 제어하도록 배열되며, 상기 제어 시스템은 상기 좌측 및 우측 관찰 윈도우들 각각의 상기 적어도 2개의 광학 윈도우들을 가로질러 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치. - 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 상기 도파관을 통해 안내된 광을 상기 출력 광으로서 상기 제1 안내 표면을 통한 출사를 허용하는 방향들로 반사하도록 배향되는 복수의 광 추출 특징부들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는 상기 광 추출 특징부들 사이의 중간 영역들을 포함하는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제44항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들인 소면들과 상기 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제45항에 있어서, 상기 제2 안내 표면의 상기 소면들은 광을 내부 전반사에 의해 반사하도록 배열됨으로써, 상기 소면들에 의해 반사된 상기 출력 광의 광속은 상기 입력 광의 광속의 비율로서 상이한 광원들에 대해 변화를 가지며, 상기 제어 시스템은 상기 소면들에 의해 반사된 상기 출력 광의 광속의 상기 변화를 보상하는 방식으로 상기 실질적으로 원하는 광속 분포를 갖는 광을 출력하기 위해 상기 광원들을 각각의 상기 구동 신호들에 의해 제어하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 실질적으로 평탄하고 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 상기 내부 전반사를 파괴하는 방향들로 광을 반사하도록 비스듬히 경사지며,
상기 디스플레이 디바이스가 광을 상기 공간 광 변조기의 법선을 향해 편향시키기 위해 상기 도파관의 상기 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 추가로 포함하는, 지향성 디스플레이 장치. - 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 입력 광으로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하기 위한, 상기 입력 단부를 대면하는 반사 단부를 추가로 포함하고, 상기 도파관은 상기 광원들로부터의 입력 광을 상기 반사 단부로부터의 반사 후에 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제48항에 있어서, 상기 반사 단부는 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 갖는, 지향성 디스플레이 장치.
- 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원들의 어레이는 상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 상기 측방향으로 일정한 피치를 갖고서 상이한 입력 위치들에 배치되고, 상기 실질적으로 원하는 광속 분포는 상기 광원들의 실제 광속 분포인, 지향성 디스플레이 장치.
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