KR20150018769A - 지향성 백라이트 - Google Patents

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찰스 엠. 산토리
데이비드 에이. 파탈
마르코 피오렌티노
제임스 에이. 브룩
젠 펭
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레이아 인코포레이티드
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Abstract

지향성 백라이트가 개시된다. 지향성 백라이트는 복수의 입력 평면 광빔을 발생하기 위해 복수의 광원을 갖는다. 복수의 입력 평면 광빔은 복수의 입력 평면 광빔을 복수의 지향성 광빔으로 산란시키는 복수의 지향성 픽셀을 갖는 지향성 백플레인을 조명한다. 각 지향성 광빔은 복수의 지향성 픽셀 내 지향성 픽셀의 특징들에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐 제어를 갖는다. 지향성 백라이트는 지향성 백플레인 내 지향성 픽셀의 특징들을 특정함으로써 3D 이미지를 발생하기 위해 사용될 수 있다.

Description

지향성 백라이트{DIRECTIONAL BACKLIGHT}
관련출원에 대한 상호참조
이 출원은 본원의 양수인에 양도되고 참조로 본원에 포함시키는 2012년 4월 27일에 출원된 "Directional Pixel for Use in a Display Screen" 명칭의 PCT 특허 출원번호 PCT/US2012/035573(Attorney Docket No. 82963238)에 관계된다.
디스플레이 스크린에서 광 필드를 재현하는 능력은 이미징 및 디스플레이 기술에서 주요 해결과제였다. 광 필드는 공간 내 모든 지점을 통해 모든 방향으로 진행하는 한 세트의 모든 광선이다. 임의의 자연적인 실세계 장면은 이의 광 필드에 의해 완전하게 특징지워져, 장면을 통과하는 모든 광선의 세기, 색, 및 방향에 관한 정보를 제공할 수 있다. 목적은 디스플레이 스크린을 보는 자가 몸소 경험하는 바와 같이 장면을 경험할 수 있게 하는 것이다.
텔레비전, 개인용 컴퓨터, 랩탑, 및 모바일 장치에서 현재 가용한 디스플레이 스크린은 대부분 여전히 2차원이며 이에 따라 광 필드를 정확하게 재현할 수 없다. 3차원("3D") 디스플레이가 최근에 출현하였지만 제한된 수의 뷰를 제공하는 것 외에도 각도 및 공간 해상도에서 효율적이지 못하다. 예로서는 홀로그램, 패럴랙스 배리어, 또는 렌티큘러 렌즈에 기초한 3D 디스플레이를 포함한다.
이들 디스플레이들 간에 공통 주제는 광범위한 뷰 각도 및 공간 해상도를 위한 양질의 이미지를 달성하기 위해 픽셀 수준에서 정밀하게 제어되는 광 필드를 위한 디스플레이를 제조하는 어려움이다.
본원은 동일 구성요소에 동일 참조부호를 사용한 동반된 도면에 관련하여 취해진 다음 상세한 설명에 관련하여 더 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 여러 실시예에 따른 지향성 백라이트의 개요도이다.
도 2a ~ 도 2b는 도 1에 따른 지향성 백라이트의 평면도이다.
도 3은 광학 차폐기를 가진 지향성 백라이트의 개요도이다.
도 4는 복수의 단일-색 광원을 가진 지향성 백라이트의 개요도이다.
도 5는 여러 실시예에 따라 3각형 형상을 가지며 색 광원을 사용하는 지향성 백라이트를 도시한 것이다.
도 6은 여러 실시예에 따라 지향성 백라이트 내 부-세트의 지향성 픽셀에 의해 산란된 광의 방향을 보여주는 개요도이다.
도 7은 6각형 형상을 가지며 색 광원을 사용하는 지향성 백라이트를 도시한 것이다.
도 8은 6각형 형상을 가지며 색 LED 스트립을 사용하는 지향성 백라이트를 도시한 것이다.
도 9는 원형 형상을 가지며 색 LED 스트립을 사용하는 지향성 백라이트를 도시한 것이다.
도 10은 도 8의 지향성 백라이트 의 측면도이다.
도 11은 여러 실시예에 따라 지향성 백라이트에 의해 형성된 3D 이미지를 도시한 것이다.
도 12는 여러 실시예에 따라 지향성 백라이트로 3D 이미지를 발생하기 위한 흐름도이다.
지향성 백라이트가 개시된다. 지향성 백라이트는 지향성 백플레인(backplane)을 위한 복수의 입력 평면 광빔을 발생하기 위해 복수의 광원을 사용한다. 지향성 백플레인은 입력 평면 광빔을 안내하고 이들의 부분을 출력 지향성 광빔으로 산란시키는 복수의 지향성 픽셀로 구성된다. 입력 평면 광빔은 지향성 백플레인과 실질적으로 동일한, 실질적으로 평면이게 설계된 평면 내에서 전파한다.
여러 실시예에서, 지향성 백플레인 내 지향성 픽셀은 지향성 백플레인 내에 혹은 이 위에 배열된 실질적으로 평행하고 경사진 홈의 패터닝된 격자를 갖는다. 지향성 백플레인은 예를 들면, 무엇보다도, 실리콘 질화물("SiN"), 유리 또는 석영, 인듐 주석 산화물("ITO")과 같은 입력 평면 광빔을 지향성 픽셀로 안내하는 투명한 물질의 슬랩(slab)일 수 있다. 패터닝된 격자는 지향성 백플레인 내 에칭된 홈, 혹은 지향성 백플레인 상에 피착된 물질(예를 들면, 임의의 유전체 혹은 금속을 포함하여, 피착되고 에칭되거나 혹은 리프트-오프될 수 있는 임의의 물질)로 만들어진 홈들로 구성될 수 있다.
여러 실시예에서, 복수의 광원은 대략 30nm 이하의 스펙트럼 대역폭을 가진 복수의 협-대역폭 광원을 포함한다. 예를 들면, 협-대역폭 광원은 발광 다이오드("LEDs"), 레이저, 등을 포함할 수 있다. 광원은 단일-색 광원, 복수의 단일-색 광원, 3색 광원(예를 들면, 적색 LED, 녹색 LED, 및 청색 LED), 또는 각각이 색 LED 어레이(예를 들면, 적색 LED 스트립, 녹색 LED 스트립, 및 청색 LED 스트립)를 내포하는 3색 LED 스트립을 포함할 수 있다.
복수의 광원은 다른 광 색(예를 들면, 청색)에 한 광 색(예를 들면, 적색)의 오염을 피하기 위해 지향성 백플레인에 관하여 서로 다른 구성들로 배열될 수도 있다. 또한, 복수의 광원은 입력 평면 광빔을 지향성 백플레인에 시준하고 집점하기 위해 렌즈 부품(예를 들면, 원통형 렌즈, 원통형 렌즈와 조합된 비구면 집속 렌즈, 마이크로렌즈, 등)와 함께 사용될 수도 있다. 또한, 복수의 광원은 효율을 개선하고 입력 평면 광빔을 지향성 백플레인에 더욱 집점하기 위해서 광 차폐기 또는 흡수기와 함께 사용될 수도 있다.
이하 여기에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 지향성 백플레인 내 각 지향성 픽셀은 격자 길이(즉, 입력 평면 광빔의 전파 축선을 따른 치수), 격자 폭(즉, 입력 평면 광빔의 전파 축선을 가로지른 치수), 홈 방위, 피치, 및 듀티 사이클에 의해 특정될 수 있다. 각 지향성 픽셀은 홈 방위 및 격자 피치에 의해 결정되는 방향, 및 격자 길이 및 폭에 의해 결정되는 각도퍼짐(angular spread)을 가진 지향성 광빔을 방출할 수 있다. 50% 또는 대략 50%의 듀티 사이클을 사용함으로써, 패터닝된 격자의 2차 푸리에 계수는 없어지고 그럼으로써 추가의 원하지 않는 방향들로 광의 산란을 방지한다. 이것은 한 지향성 광빔만이 출력 각도에 관계없이 각 지향성 픽셀로부터 나타날 수 있게 한다.
이하 여기에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 지향성 백플레인은 주어진 3D 이미지를 생성하기 위해 선택되는 어떤 격자 길이, 격자 폭, 홈 방위, 피치 및 듀티 사이클을 갖는 지향성 픽셀을 갖게 설계될 수 있다. 3D 이미지는 백플레인 내 지향성 픽셀에 의해 방출되는 지향성 광빔으로부터 발생되는 적색, 청색, 및 녹색 3D 이미지일 수 있다.
다음 설명에서 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위해 많은 구체적 상세가 개시됨을 알 것이다. 그러나, 실시예는 이들 구체적 상세로의 한정없이 실시될 수도 있음을 알 것이다. 다른 경우에 있어서, 공지된 방법 및 구조는 실시예의 설명을 불필요하게 모호해지게 하는 것을 피하기 위해 상세히 기술되지 않을 수도 있다. 또한, 실시예는 서로 조합하여 사용될 수도 있다.
이제 도 1을 참조하여, 여러 실시예에 따른 지향성 백라이트의 개요도가 설명된다. 지향성 백라이트(100)는 지향성 백플레인(120)을 위한 시준된 입력 평면 광빔(115)을 발생하기 위해 렌즈 부품(110) 뒤에 배치된 단일-색 광원(105)을 포함한다. 렌즈 부품(110)은 원통형 렌즈, 원통형 렌즈와 조합된 비구면 집속 렌즈, 마이크로렌즈, 또는 입력 평면 광빔(115)을 지향성 백플레인(120)에 시준하고 집점하기 위한 그외 임의의 다른 광학 조합을 포함할 수 있다. 지향성 백플레인(120)은 지향성 백플레인(120) 내에 혹은 이 위에 배열된 복수의 지향성 픽셀(125a ~ 125d)을 가진 투명 물질(예를 들면, SiN, 유리 또는 석영, 플라스틱, ITO, 등)의 슬랩으로 구성된다. 지향성 픽셀(125a ~ 125d)은 입력 평면 광빔(115)의 부분을 출력 지향성 광빔(130a ~ 130d)으로 산란시킨다.
여러 실시예에서, 각 지향성 픽셀(125a ~ 125d)은 지향성 픽셀(125a)을 위한 실질적으로 평행하고 경사진 홈, 예를 들면, 홈(135a)의 패터닝된 격자를 갖는다. 격자 홈의 두께는 모든 홈에 대해 실질적으로 동일하여 실질적으로 평면 설계가 되게 할 수 있다. 홈은 지향성 백플레인 내에 에칭되거나, 지향성 백플레인(120)(예를 들면, 임의의 유전체 또는 금속을 포함하여, 피착되고 에칭되거나 리프트-오프될 수 있는 임의의 물질) 상에 피착되는 물질로 만들어질 수 있다.
각 지향성 광빔(130a ~ 130d)은 이의 대응하는 지향성 픽셀(125a ~ 125d) 내에 패터닝된 격자에 의해 결정되는 주어진 방향 및 각도퍼짐을 갖는다. 특히, 각 지향성 광빔(130a ~ 130d)의 방향은 패터닝된 격자의 방위 및 격자 피치에 의해 결정된다. 그러면, 각 지향성 광빔의 각도퍼짐은 패터닝된 격자의 격자 길이 및 폭에 의해 결정된다. 예를 들면, 지향성 광빔(130a)의 방향은 패터닝된 격자(135a)의 방위 및 격자 피치에 의해 결정된다.
이 실질적인 평면 설계 그리고 입사 평면 광빔(115)에 기초한 지향성 광빔(130a ~ 130d)의 형성은 통상적인 회절 격자보다 실질적으로 더 작은 피치를 가진 격자가 필요하다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 통상적인 회절 격자는 격자의 평면에 실질적으로 가로질러 전파하는 광빔이 조명될 때 광을 산란한다. 여기에서, 각 지향성 픽셀(125a ~ 125d) 내 격자는 지향성 광빔(130a ~ 130d)을 발생할 때 입사 평면 광빔(115)과 실질적으로 동일한 평면 상에 있다. 이 평면 설계는 광원(105)으로 조명할 수 있게 한다.
지향성 광빔(130a ~ 130d)은 격자 길이(L), 격자 폭(W), 홈 방위(θ) 및 격자 피치(Λ)를 포함한 지향성 픽셀(125a ~ 125d) 내 격자의 특징들에 의해 정밀하게 제어된다. 특히, 격자(135a)의 격자 길이(L)는 입력 광 전파 축선을 따른 지향성 광빔(130a)의 각도퍼짐(ΔΘ)을 제어하며, 격자 폭(W)은 다음과 같이, 입력 광 전파 축선을 가로지르는 지향성 광빔(130a)의 각도퍼짐(ΔΘ)을 제어한다;
Figure pct00001
(식 1)　
여기에서, λ는 지향성 광빔(130a)의 파장이다. 격자 방위각(θ)에 의해 특정되는 홈 방위, 및 Λ에 의해 특정되는 격자 피치 또는 주기는 지향성 광빔(130a)의 방향을 제어한다.
격자 길이(L) 및 격자 폭(W)은 0.1 내지 200㎛의 범위 내에서 크기가 다양할 수 있다. 예를 들면, 홈 방위각(θ)은 -40 내지 +40도 정도이고 격자 피치(Λ)는 200 ~ 700nm 정도로 하여, 홈 방위각(θ) 및 격자 피치(Λ)는 지향성 광빔(130a)의 요망되는 방향을 만족시키게 설정될 수 있다.
단지 예시 목적을 위해서 4개의 지향성 픽셀(125a ~ 125d)을 가진 지향성 백플레인(120)이 도시된 것을 알 것이다. 여러 실시예에 따라 지향성 백플레인은 지향성 백플레인(120)이 어떻게 사용되는가에 따라(예를 들면, 3D 디스플레이 스크린에서, 3D 시계에서, 모바일 장치에서, 등등에서), 많은 지향성 픽셀(예를 들면, 100보다 많은)을 갖게 설계될 수 있다. 또한, 지향성 픽셀은 예를 들면, 원형, 타원형, 다각형, 또는 이외 다른 기하학적 형상을 포함한 임의의 형상을 가질 수 있음을 알 것이다. 또한, 입력 평면 광빔(115)(예를 들면, 레이저 또는 LED)을 발생하기 위해 임의의 협-대역폭 광원이 사용될 수 있음을 알 것이다.
도 1에 따른 지향성 백라이트의 평면도를 도시한 도 2a ~ 도 2b를 참조한다. 도 2a에서, 단일-색 광원(205)(예를 들면, LED), 렌즈 부품(210), 및 투명 슬랩으로 배열된 복수의 다각형 지향성 픽셀(예를 들면, 지향성 픽셀(220))로 구성된 지향성 백플레인(215)을 갖는 지향성 백라이트(200)가 도시되었다. 각 지향성 픽셀은 광원(205)으로부터 입력 평면 광빔(225)의 부분을 출력 지향성 광빔(예를 들면, 지향성 광빔(230))으로 산란시킬 수 있다. 지향성 백플레인(215) 내 모든 지향성 픽셀에 의해 산란되는 지향성 광빔은 조합되었을 때 예를 들면, 3D 이미지(235)와 같은 3D 이미지를 형성하는 다중 이미지 뷰를 나타낼 수 있다.
유사하게, 도 2b에서, 단일-색 광원(245)(예를 들면, LED), 렌즈 부품(250), 및 투명 슬랩으로 배열된 복수의 원형 지향성 픽셀(예를 들면, 지향성 픽셀(260))로 구성된 지향성 백플레인(255)을 가진 지향성 백라이트(240)가 도시되었다. 각 지향성 픽셀은 광원(245)으로부터 입력 평면 광빔(265)의 부분을 출력 지향성 광빔(예를 들면, 지향성 광빔(270))으로 산란시킬 수 있다. 지향성 백플레인(225) 내 모든 지향성 픽셀에 의해 산란되는 지향성 광빔은 조합되었을 때 예를 들면, 3D 이미지(275)와 같은 3D 이미지를 형성하는 다중 이미지 뷰를 나타낼 수 있다.
여러 실시예에서, 광원(205, 245)으로부터 입력 평면 광빔(225, 265)은 광원(205, 245)으로부터 광의 각도 발산을 레귤레이트하는 차폐기 또는 흡수기를 사용함으로써 지향성 백플레인(215, 255)에 더욱 시준될 수 있다. 이것이 지향성 백라이트(300)에서 광원(305)과 렌즈 부품(315) 사이 내에 광학 차폐기(310)를 도시한 도 3에 도시되었다. 금속 또는 유전체 물질로 만들어지는 광 파이프(320)는 광원(305)으로부터의 광을 예를 들면, 지향성 픽셀(330)과 같은 복수의 지향성 픽셀을 가진 지향성 백플레인(325)에 지향시키기 위해 사용될 수 있다.
추가의 실시예에서, 지향성 백라이트 내 지향성 백플레인을 조명하기 위해 복수의 입력 평면 광빔을 발생하기 위해서 복수의 단일-색 광원(예를 들면, 레이저 또는 LED)이 사용될 수도 있다. 도 4는 지향성 백라이트 내 복수의 단일-색 광원의 사용을 도시한 것이다. 지향성 백라이트(400)는 예를 들면, LED(405a ~ 405h)와 같은 복수의 단일-색 광원을 갖게 설계된다. 광학 차폐기(410a ~ 410i)는 지향성 광빔(예를 들면, 지향성 광빔(435)을 발생하는 지향성 픽셀(430))을 발생하기 위해 복수의 지향성 픽셀을 가진 백플레인(425)에 입력 평면 광빔(420a ~ 420h)을 집점하기 위해 렌즈 부품(415a ~ 415h)과 함께 사용될 수 있다.
도 1 ~ 도 4에 도시된 지향성 백라이트(100 ~ 400)는 단일-색 LED와 혹은 다른 단일-색 협-대역폭 광원(예를 들면, 레이저)으로 동작하게 설계된다. 여러 실시예에서, 서로 다른 색들(예를 들면, 색 LED)의 광원이 사용될 수도 있다. 과제는 의도된 뷰 구역 내에서 주어진 색(예를 들면 적색)의 광을 산란시키게 설계되는 격자가 이 구역 내 또 다른 색(예를 들면 녹색 및 청색)의 광을 산란시키지 않도록 하여 색 광원과 함께 사용하기 위한 지향성 백라이트를 설계하는 것이다. 일실시예에서, 색 광원은 디스플레이 중앙을 향한 방위로 놓여지고 디스플레이 둘레에 3각형을 형성하기 위해서 실질적으로 대칭 형태로 배열된다.
지향성 백라이트는 특정한 격자 길이, 격자 폭, 방위, 피치, 및 듀티 사이클와 같은 한 세트의 특징들을 갖는 지향성 픽셀을 갖게 설계될 수 있다. 각 지향성 픽셀은 단일 색으로부터 광을 지향성 광빔으로 산란시키게 설계될 수 있다. 지향성 백플레인 내 모든 지향성 픽셀에 의해 발생되는 지향성 광빔은 주어진 적색, 청색, 및 녹색 3D 이미지를 생성하게 변조될 수 있다. 가장 간단한 실시예에서, 정적 3D 이미지(즉, 주어진 한 집단의 광선)는 간단히 원하지 않는 광선에 대응하는 격자를 못 쓰게 함으로써 형성될 수 있다. 제조 동안 단지 이들 격자를 패터닝하는 것을 하지 않을 수도 있다.
이제 도 5를 참조하여 여러 실시예에 따라 색 광원과 함께 사용하기 위한 지향성 백라이트가 설명된다. 지향성 백라이트(500)는 3각형 형상을 갖는 지향성 백플레인(535) 내 배열된 대응하는 렌즈 부품(520, 525, 530)(예를 들면, 원통형 렌즈, 원통형 렌즈와 함께 하는 비구면 집속 렌즈, 마이크로렌즈, 등)과 함께 적색 광원(505), 녹색 광원(510), 및 청색 광원(515)을 갖는다. 색 광원(505 ~ 515) 각각은 이들의 광을 부-세트의 지향성 픽셀 상에 집점하기 위해 3각형 지향성 백플레인(535)의 변 상에 배치된다. 예를 들면, 적색 광원(505)은 부-세트의 지향성 픽셀(540 ~ 550)에 의해 적색 지향성 광빔으로 산란되게 지향성 백플레인(535) 내에 광을 비춘다. 이 부-세트의 지향성 픽셀(540 ~ 550)은 또한 녹색 광원(510) 및 청색 광원(515)으로부터의 광을 수신할 수도 있다. 그러나, 설계에 의해 이 광은 지향성 백라이트(400)의 의도된 뷰 구역 내에서 산란되지 않는다.
예를 들면, 도 6은 여러 실시예에 따라 지향성 백라이트 내 부-세트의 지향성 픽셀에 의해 산란되는 광의 방향을 보여주는 개요도이다. LED A(예를 들면, 도시되지 않은, 적색 LED)로부터 오는 광은 지향성 백라이트에 수직선으로부터 측정된 최대 광선 각도(θmax)에 의해 측정되는, 부-세트(GA)의 지향성 픽셀(600)에 의해 의도된 뷰 구역 내에서 산란된다. 의도된 뷰 구역은 모든 색에 대해 동일하다는 것을 알 것이다.
또한, LED A로부터 광은 부-세트의 지향성 픽셀(GB)(605)에 의해서 산란될 수도 있는데, 그러나 이들 원하지 않는 광선들은 다음과 같은 한, 의도된 뷰 구역 밖에 있다는 것을 알 것이다.
Figure pct00002
(식 2)
λA는 LED A의 파장이며, ncff A는 지향성 백플레인 내에서 광 A의 수평 전파의 유효 굴절률이며, λB는 LED B(예를 들면, 도시되지 않은, 녹색 LED)의 파장이며, ncff B는 지향성 백플레인 내에서 광 B의 수평 전파의 유효 굴절률이다. 유효 굴절률 들 및 파장들 실질적으로 동일한 경우, 식 2는 다음과 같이 된다:
Figure pct00003
(식 3)
굴절률이 2 이상이고 LED 광이 격자 각도에 가깝게 전파하는 지향성 백플레인에 있어서, 디스플레이의 의도된 뷰 구역은 전체 공간(ncff ≥2 및 sinθmax~ 1)까지 확장될 수 있음을 알 수 있다. 유리(예를 들면, n = 1.46)와 같이 굴절률이 낮은 지향성 백플레인에 있어서, 의도된 뷰 구역은 약 Qmax<arcsin(n/2)(유리에 있어서 ±45˚)로 제한된다.
당업자는 주어진 색 지향성 광빔이 광을 다른 색으로부터의 지향성 광빔과 동일한 방향으로 산란시킨다면 적색, 청색, 및 녹색 3D 이미지는 다른 색들이 있게 할 수도 있음을 알 것이다. 정밀한 지향성 및 각도 제어가 각 지향성 픽셀로 달성될 수 있기 때문에, 지향성 백라이트는 3D 이미지의 많은 변화들을 발생하게 설계될 수 있다.
도 5에 도시된 지향성 백플레인(535)은 3각형 슬랩의 맨 끝이 도 7에 도시된 바와 같이 6각형 형상을 형성하게 절단될 수 있음을 인식함으로써 더 콤팩트한 설계로 형상화될 수도 있음을 더욱 알 것이다. 지향성 백라이트(700)는 대응하는 렌즈 부품(720, 725, 730)(예를 들면, 원통형 렌즈, 원통형 렌즈과 함께 한 비구면 집속 렌즈, 마이크로렌즈, 등) 색 광원(705 ~ 715)과 더불어 6각형 형상을 갖는 지향성 백플레인(735) 내 배열된 적색 광원(705), 녹색 광원(710), 및 청색 광원(715) 각각은 이의 광을 부-세트의 지향성 픽셀(예를 들면, 지향성 픽셀(740)) 상에 집점하기 위해 6각형 지향성 백플레인(735)의 교호의 변들에 배치된다. 일실시예에서, 6각형 지향성 백플레인(735)은 지향성 픽셀 크기가 10 ~ 30㎛ 정도이고, 10 ~ 30mm 정도의 범위일 수 있는 변 길이를 갖는다.
여러 실시예에서, 각 색 광원은 LED 스트립으로 대체될 수도 있다. 도 8은 색 LED 스트립을 가진 6각형 지향성 백라이트를 도시한 것이다. 지향성 백라이트(800)는 6각형 형상을 갖는 지향성 백플레인(835) 내 배열된 적색 LED 스트립(805), 녹색 LED 스트립(810), 및 청색 LED 스트립(815)을 갖는다. 색 LED 스트립(805 ~ 815) 각각은 이의 광을 부-세트의 지향성 픽셀(예를 들면, 지향성 픽셀(840)) 상에 집점하기 위해 6각형 지향성 백플레인(835)의 변 상에 배치된다. 일실시예에서, 6각형 지향성 백플레인(835)은 20mm의 변 길이를 가질 수 있고 각 LED 스트립은 각각 1mm의 20개의 LED, 예를 들면, 적색 LED 스트립(805) 내에 LED(845)을 가질 수 있다. 각 LED 스트립(805 ~ 815)은 마이크로렌즈(820 ~ 830) 어레이 뒤에 배치될 수도 있다. 마이크로렌즈 어레이는 또한 단일 부품으로 LED 스트립과 일체화될 수도 있다.
색 LED(예를 들면, 도 5에 지향성 백라이트(500), 도 7에 지향성 백라이트(700), 및 도 8에 지향성 백라이트(800))와 함께 사용하기 위한 지향성 백라이트는 주요 3색들로부터의 광이 3개의 서로 다른 방향들로부터 오는 한, 3각형 혹은 6각형 형상 외에 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 지향성 백라이트는 원형, 타원형, 또는 3개의 서로 다른 방향들로부터 광을 수신할 수 있는 또 다른 형상일 수 있다. 도 9는 원형 지향성 백플레인(935)에 관하여 3개의 서로 다른 방향에 위치된 3색 LED 스트립(905 ~ 915)으로부터 오는 광을 갖는 원형 지향성 백라이트를 도시한 것이다. 지향성 백플레인(935)은 원형 지향성 픽셀(예를 들면, 픽셀(940))을 갖는 것으로 도시되었지만, 당업자가 아는 바와 같이, 지향성 픽셀은 또 다른 기하학적 형상, 예를 들면, 다각형, 타원형, 등을 취할 수 있다.
도 10은 색 LED 스트립을 가진 지향성 백라이트의 측면도이다. 지향성 백라이트(1000)가 이의 색 LED 스트립으로부터 한 색 LED(1005)과 함께 도시되었다. 얇은 투명 물질로부터 만들어진 지향성 백플레인에 광을 집점하기 위해 마이크로렌즈(1010)가 LED(1005) 형태로 배치된다. 지향성 백플레인(1020)에 입사하는 평면 입력 광빔(1015)은 지향성 백플레인(1020) 내에서 내부에서 반사되고, 위에 배치된 지향성 픽셀(도시되지 않음)에 의해 지향성 광빔(1025)으로 산란된다.
지향성 백플레인(1020) 내 각 지향성 픽셀이 어떻게 구성되는가에 따라, 즉 주어진 격자 길이, 격자 폭, 방위, 피치, 및 듀티 사이클을 갖고 구성되는가에 따라, 지향성 광빔(예를 들면, 지향성 광빔(1015))은 주어진 3D 이미지를 형성한다. 예를 들면, 도 11은 지향성 백라이트 및 여러 실시예에 따라 이것이 생성하는 3D 이미지를 도시한 것이다. 지향성 백라이트(1100)는, 6각형 형상을 가지며 자신의 3개의 변 상에 색 LED 스트립(1110 ~ 1120)이 배치된 지향성 백플레인(1105)을 갖는다. 위에 더 상세히 기술된 바와 같이, 색 LED 스트립(1110 ~ 1120)은 지향성 백플레인(1105) 내 배치된 지향성 픽셀(도시되지 않음)에 의해 산란될 때 한 색으로부터 다른 것으로의 오염을 방지하기 위해 이격되어 있다(즉, 6각형의 변만큼씩). 각 지향성 픽셀은 주어진 방향 및 각도퍼짐을 가지며 주어진 색의 지향성 광빔을 발생하게 구성된다. 지향성 백플레인(1105) 내 지향성 픽셀에 의해 발생된 지향성 광빔은 3D 이미지(1125)를 형성하게 조합한다.
여러 실시예에 따라 지향성 백라이트로 3D 이미지를 발생하기 위한 흐름도가 도 12에 도시되었다. 먼저, 지향성 백라이트의 지향성 픽셀의 특징이 특정된다(1200). 특징은 예를 들면, 격자 길이, 격자 폭, 방위, 피치, 및 듀티 사이클과 같은 지향성 픽셀 내 패터닝된 격자의 특징을 포함할 수 있다. 위에 기술된 바와 같이, 지향성 백라이트 내 각 지향성 픽셀은 특징에 따라 정밀하게 제어되는 방향 및 각도퍼짐을 갖는 지향성 광빔을 발생하기 위해 주어진 한 세트의 특징으로 특정될 수 있다. 다음에, 지향성 픽셀을 가진 지향성 백플레인이 제조된다(1205). 지향성 백플레인은 투명 물질로 만들어지며, 무엇보다도, 예를 들면, 광학 리소그래피, 나노-임프린트 리소그래피, 롤간 임프린트 리소그래피, 임프린트 몰드를 사용한 다이렉트 엠보싱과 같은 임의의 적합한 제조 기술로 제조될 수도 있다. 지향성 픽셀은 지향성 백플레인 내에 에칭되거나, 지향성 백플레인 상에 피착되는 물질(예를 들면, 임의의 유전체 또는 금속을 포함하여, 피착되고 에칭되거나 리프트-오프될 수 있는 임의의 물질)을 가진 패터닝된 격자로 만들어질 수도 있다.
복수의 광원(예를 들면, 도 1 ~ 도 3에서와 같은 단일-색 광원, 도 4에서와 같은 복수의 단일-색 광원, 도 5 및 도 7에서와 같은 3색 광원, 도 8 ~ 도 11에서와 같은 3개의 LED 스트립, 등등)로부터 광은 입력 평면 광빔(1210) 형태로 지향성 백플레인에 입력된다. 마지막으로, 3D 이미지는 지향성 백플레인(1215) 내 지향성 픽셀에 의해 산란되는 지향성 광빔으로부터 발생된다.
유익하게, 지향성 백라이트 내 지향성 픽셀로 달성되는 이 정밀한 제어는 제조하기 쉬운 실질적으로 평면 구조로 3D 이미지가 발생될 수 있게 한다. 지향성 픽셀의 서로 다른 구성들은 서로 다른 3D 이미지들을 발생한다. 또한, 색 광원은 발생된 이미지 내 임의의 요망되는 색 효과를 생성하기 위해 제어될 수 있다. 본원에 기술된 지향성 백라이트는 무엇보다도, 예를 들면, 3D 시계, 3D 미술 장치, 3D 의료 장치와 같은 다른 응용에서 뿐만 아니라, 디스플레이 스크린(예를 들면, TV, 모바일 장치, 타블렛, 비디오 게임 장치, 등에서) 내에 3D 이미지를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
개시된 실시예의 앞에 설명은 당업자가 본 발명을 제작 또는 사용할 수 있게 하기 위해 제공됨을 알 것이다. 이들 실시예에 대한 다양한 수정들은 당업자에게 쉽게 명백해질 것이며, 그에 정의된 일반적 원리는 본 발명의 정신 또는 범위 내에서 다른 실시예에 적용될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명은 이에 제시된 실시예로 한정하려는 것이 아니며 이에 개시된 원리 및 신규한 특징에 일관된 가장 넓은 범위가 주어진다.

Claims (21)

  1. 지향성 백라이트에 있어서,
    복수의 입력 평면 광빔들을 발생하기 위한 복수의 광원들; 및
    상기 복수의 입력 평면 광빔들을 복수의 지향성 광빔들로 산란시키기 위한 복수의 지향성 픽셀들을 갖는 지향성 백플레인(backplane)을 포함하고, 각 지향성 광빔은 상기 복수의 지향성 픽셀들 내 지향성 픽셀의 특징들에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐(angular spread)을 갖는, 지향성 백라이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 광원들은 복수의 협-대역폭 광원들을 포함하는, 지향성 백라이트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 광원들은, 단일-색 LED; 복수의 단일-색 LED들; 3색 LED들; 및 3색 LED 스트립들로 구성된 그룹으로부터 복수의 LED들을 포함하는, 지향성 백라이트.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 3색 LED들은 적색 LED, 녹색 LED, 및 청색 LED를 포함하는, 지향성 백라이트.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 3색 LED 스트립들은 적색 LED 스트립, 녹색 LED 스트립, 및 청색 LED 스트립을 포함하는, 지향성 백라이트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 광원들과 상기 지향성 백플레인 사이에 배치된 복수의 렌즈 부품들을 더 포함하는, 지향성 백라이트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 렌즈 부품들로부터 렌즈 부품은 원통형 렌즈; 원통형 렌즈과 조합된 비구면 집속 렌즈; 및 마이크로렌즈로 구성된 그룹으로부터 렌즈 부품을 포함하는, 지향성 백라이트.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 LED들과 상기 복수의 렌즈들 사이에 복수의 광학 차폐기들을 더 포함하는, 지향성 백라이트.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 지향성 백플레인은 실질적으로 평면인, 지향성 백라이트.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 지향성 픽셀들 내 각 지향성 픽셀은 복수의 실질적으로 평행하고 경사진 홈들을 가진 패터닝된 격자를 포함하는, 지향성 백라이트.
  11. 제 10 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 특징들은 격자 길이, 격자 폭, 격자 방위, 격자 피치, 및 듀티 사이클을 포함하는, 지향성 백라이트.
  12. 제 11 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 피치 및 방위는 상기 지향성 픽셀에 의해 산란된 지향성 광빔의 방향을 제어하는, 지향성 백라이트.
  13. 제 11 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 길이 및 폭은 지향성 픽셀에 의해 산란되는 지향성 광빔의 상기 각도퍼짐을 제어하는, 지향성 백라이트.
  14. 지향성 백라이트로 3D 이미지를 발생하기 위한 방법에 있어서,
    각각이 실질적으로 평행하고 경사진 홈들을 가진 패터닝된 격자로 구성된 복수의 지향성 픽셀들에 대한 복수의 특징들을 특정하는 단계;
    상기 복수의 지향성 픽셀들이 위에 배열된 지향성 백플레인을 제조하는 단계;
    복수의 광원들로부터의 광으로 상기 지향성 백플레인을 조명하는 단계; 및
    상기 지향성 백플레인 내 상기 복수의 지향성 픽셀들에 의해 산란된 지향성 광빔들로 상기 3D 이미지를 발생하는 단계를 포함하는, 3D 이미지 발생 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 각 지향성 광빔은 지향성 픽셀의 상기 특징들에 의해 제어되는, 3D 이미지 발생 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 특징들은 격자 길이, 격자 폭, 격자 방위, 격자 피치, 및 듀티 사이클을 포함하는, 3D 이미지 발생 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 피치 및 방위는 상기 지향성 픽셀에의해 산란된 지향성 광빔의 방향을 제어하는, 3D 이미지 발생 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 지향성 픽셀의 상기 길이 및 폭은 상기 지향성 픽셀에 의해 산란되는 지향성 광빔의 상기 각도퍼짐을 제어하는, 3D 이미지 발생 방법.
  19. 3D 이미지를 발생하기 위한 지향성 백라이트에 있어서,
    복수의 입력 평면 광빔들을 발생하기 위한 복수의 색 LED 스트립들; 및
    상기 복수의 입력 평면 광빔들을 복수의 지향성 광빔들로 산란시키기 위한 복수의 지향성 픽셀들을 가진 다각형 지향성 백플레인을 포함하고, 각 지향성 광빔은 상기 복수의 지향성 픽셀들 내 지향성 픽셀의 특징들에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐을 갖는, 지향성 백라이트.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 다각형 지향성 백플레인은 3각형 지향성 백플레인을 포함하는, 지향성 백라이트.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 다각형 지향성 백플레인은 6각형 지향성 백플레인을 포함하고, 각 색 LED 스트립은 6각형 지향성 백플레인의 교호의 변들 상에 배치된, 지향성 백라이트.
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