KR20150021016A - 디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 지향성 픽셀 - Google Patents

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Abstract

디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 지향성 픽셀이 개시된다. 지향성 픽셀은 평면 광빔을 수신하고, 광 전파 층 및 평면 광빔의 부분을 격자에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐을 갖는 지향성 광빔으로 산란하는 격자를 포함한다.

Description

디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 지향성 픽셀{DIRECTIONAL PIXEL FOR USE IN A DISPLAY SCREEN}
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 몸서 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 홀로그래픽 격자, 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 사용하는 디스플레이를 제조하는 어려움이다.
본원은 동일 구성요소에 동일 참조부호를 사용한 동반된 도면에 연계하여 기재한 다음 상세한 설명에 연관하여 더 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 여러 실시예에 따른 지향성 픽셀의 개요도이다.
도 2는 여러 실시예에 따른 또 다른 지향성 픽셀의 개요도이다.
도 3a ~ 도 3d는 여러 실시예에 따른 지향성 픽셀 구성의 서로 다른 단면들을 도시한 것이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 격자의 특성을 더 상세히 보여주는 개요도이다.
도 5는 여러 실시예에 따른 격자에 대한 FDTD 시뮬레이션의 결과를 보여주는 개요도이다.
도 6은 여러 실시예에 따라 설치된 지향성 픽셀을 가진 다중 뷰 디스플레이 스크린의 예를 도시한 것이다.
도 7은 여러 실시예에 따라 설치된 지향성 픽셀을 가진 프라이버시 디스플레이 스크린의 예를 도시한 것이다.
디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 지향성 픽셀이 개시된다. 지향성 픽셀은 입력 평면 광빔을 수신하고 입력 평면 광빔의 제어된 소 부분을 출력 지향성 광빔으로 산란한다. 입력 평면 광빔은 지향성 픽셀과 실질적으로 동일한, 실질적으로 평면이게 설계된 평면 내에서 전파한다. 지향성 광빔은 요망되는 공간상에 방향 및 요망되는 각도퍼짐(angular spread)을 가지며, 이에 따라 평면을 횡단하는 것처럼 보이는 광선을 효과적으로 생성한다.
여러 실시예에서, 지향성 픽셀은 광 전파 층 내에 혹은 이 위에 배열된 실질적으로 평행하고 경사진 홈의 패터닝된 격자를 갖는다. 광 전파 층은 예를 들면, 무엇보다도, 실리콘 질화물("SiN"), 유리 또는 석영, 인듐 주석 산화물("ITO")과 같은 임의의 투명한 물질로 만들어지는 투명한 도파 층일 수 있다. 여러 실시예에서, 광 전파 층은 불투명(예를 들면 실리콘)하거나, 반사성이거나, 혹은 투명(유리)할 수 있는 캐리어 기판 상에 있을 수도 있다. 패터닝된 격자는 광 전파 층 내 에칭된 홈, 혹은 광 전파 층 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.
이하 여기에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 격자는 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. 지향성 광빔은 홈 방위 및 격자 피치에 의해 결정되는 방향, 및 격자 길이 및 폭에 의해 결정되는 각도퍼짐을 갖는다. 50% 또는 대략 50%의 듀티 사이클을 사용함으로써, 격자 패턴의 2차 푸리에 계수는 없어지고 그럼으로써 추가의 원하지 않는 방향들로 광의 산란을 방지한다. 이것은 한 지향성 광빔만이 출력 각도에 관계없이 지향성 픽셀로부터 나타날 수 있게 한다.
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 픽셀의 개요도가 설명된다. 지향성 픽셀(100)은 광 전파 층(110) 내에 격자(105)를 포함한다. 격자(105)는 입력 광빔의 전파 축선을 가로지른 축선에 관하여 홈 각도 θ을 가진 실질적으로 평행하고 경사진 홈(115)을 포함한다. 격자 홈(115)의 두께는 모든 홈에 대해 실질적으로 동일할 수 있어 실질적으로 평면 설계가 되게 한다. 입사광이 입력 평면 광빔(125) 형태로 지향성 픽셀(100) 상에 가해질 때, 격자(105)는 입력 평면 광빔(125)의 제어된 소 부분을 지향성 광빔(130)으로 산란한다.
이 실질적인 평면 설계 그리고 입사 평면 광빔에 기초한 지향성 광빔(130)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, 격자(105)는 지향성 광빔(130)을 발생할 때 입사 평면 광빔(125)과 실질적으로 동일한 평면상에 있다. 이 평면 설계는 콤팩트한 일체화된 광원으로 조명할 수 있게 한다.
지향성 광빔(130)은 격자 길이(L), 격자 폭(W), 홈 방위(θ) 및 격자 피치(Λ)를 포함한 격자(105)의 특징들에 의해 정밀하게 제어된다. 특히, 격자 길이(L)는 입력 광 전파 축선을 따른 지향성 광빔(130)의 각도퍼짐(ΔΘ)을 제어하며, 격자(W)는 다음과 같이, 입력 광 전파 축선을 가로지르는 지향성 광빔(130)의 각도퍼짐(ΔΘ)을 제어한다;
Figure pct00001
(식 1)　
여기에서, λ는 지향성 광빔(130)의 파장이다. 격자 방위각(θ)에 의해 특정되는 홈 방위, 및 Λ에 의해 특정되는 격자 피치 또는 주기는, 이하 여기에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 지향성 광빔(130)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(130)의 요망되는 방향을 만족시키게 설정될 수 있다.
격자 폭(W)은 광 전파 층의 폭보다 실질적으로 더 작을 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 도 2는 위에 배열된 격자(210)보다 훨씬 넓은 광 전파 층(205)을 갖는 지향성 픽셀(200)을 도시한 것이다. 광 전파 층(205)은 층(205)의 표면 상에 가해지는 넓은 입력 평면 광빔(화살표(215)로 나타낸)에 작용하게 설계될 수 있다.
또한, 격자 폭(W)은 격자 길이(L)보다 실질적으로 작을 수 있음을 알 것이다. 이 경우에, 지향성 픽셀에 의한 지향성 광빔 출력은 수평 방향으로는 매우 좁으나 수직 방향으로는 넓다. 이것은 수평 패럴렉스(그리고 수직 패럴렉스는 아닌)만을 제공하는 디스플레이 스크린에서 사용하게 지향성 픽셀이 설계될 수 있게 하며, 그럼으로써 디스플레이 스크린에 대한 설계 및 제조 복잡성을 현저하게 감소시킨다.
여러 실시예에서, 지향성 픽셀(100, 200)은 격자 홈(예를 들면, 격자 홈(115))이 광 전파 층(예를 들면, 층(105)) 상에 어떻게 배열되는가에 따라, 다양한 구성으로 제작될 수 있다. 도 3a ~ 도 3d는 여러 실시예에 따라 지향성 픽셀 구성의 서로 다른 단면들을 도시한 것이다. 도 3a ~ 도 3d에 도시된 지향성 픽셀은 광 전파 층 상에 에칭되거나 광 전파 층 위에 피착되는 물질(예를 들면, 임의의 유전체 또는 금속을 포함하여, 피착되고 에칭되거나 리프트-오프될 수 있는 임의의 물질)로 만들어지는 격자 홈을 갖는다.
예를 들면, 도 3a에서 지향성 픽셀(300)은 격자(310)가 에칭된 광 전파 층(305)을 포함한다. 도 3b에서 지향성 픽셀(315)은 위에 격자(325)가 피착된(예를 들면 리프트-오프 공정에 의한 유전체 또는 금속 피착으로) 광 전파 층(320)을 포함한다. 도 3c에서 지향성 픽셀(330)은 기판(340) 상에 배열된 광 전파 층(335)을 포함한다. 격자(345)는 광 전파 층(335) 상에서 에칭된다. 그리고, 도 3d에서 지향성 픽셀(350)은 기판(360) 상에 배열된 광 전파 층(355)을 포함한다. 격자(365)는 광 전파 층(355) 위에 피착된다.
당업자는 도 3a ~ 도 3d에 각각 도시된 지향성 픽셀(300, 315, 330, 350)이, 무엇보다도, 광학 리소그래피, 나노-임프린트 리소그래피, 롤간 임프린트 리소그래피, 임프린트 몰드를 사용한 다이렉트 엠보싱과 같은 다양한 제조 기술로 제조될 수도 있는 단지 예시적 구성임을 안다. 또한, 도 3a ~ 도 3d 에 도시된 기판 층(340, 360)은 하나 이상의 기판 층을 포함할 수도 있음을 안다. 또한, 기판 층(340, 360)은 투명하거나, 반사성이거나, 불투명할 수 있음을 안다.
도 1 ~ 도 2의 격자의 특성을 더 상세히 도시한 도 4를 참조한다. 지향성 픽셀(400) 내 격자(405)는 입력 평면 광빔(415)의 입사할 때 출력 지향성 광빔(410)의 방향 및 각도퍼짐을 결정짓는 기하구조를 갖는다. 격자(405)의 기하구조와 지향성 광빔(410)의 방향 간에 관계는 운동량 보존의 원리를 사용함으로써 결정될 수 있다. 구체적으로, 평면 광빔(415)(화살표(420)로 나타낸)에서 전파의 유효 굴절률(neff)에 관하여 측정된 입력 파 운동량(Ki)과, (복수의) 격자 운동량(Kg)(화살표(425, 430)로 나타낸)과의 합은 출력 지향성 광빔(410)의 운동량(K0)과 같아야 한다:
K0　= Ki + Kg　 (식 2)
Ki, Kg, 및 K0는 운동량 벡터이다.
평면 도파의 운동량(Ki)은 다음 벡터에 의해 주어질 수 있다:
Ki = (2π/λ)(neff, 0) (식 3)
neff는　격자(405)의 유효 굴절률이다. 수직 방향으로 운동량은 평면 광빔(415)이 수평 평면 내에서 전파하기 때문에 제로임에 유의한다. 격자(405)에 의해 제공되는 운동량 킥(momentum kick)(Kg)은 다음에 의해 주어진다:
Kg　= -(2π/Λ)(cos θ, sin θ) (식 4)
이것은 출력 지향성 광빔(410)(Ko)의 운동량을 초래하며, 이 운동량은 다음에 의해 주어진다.
Figure pct00002
(식 5)
Figure pct00003
(식 6)
여기서, kx　및 ky는 운동량 벡터(Ko)의 수평 성분 및 수직 성분, 즉, Ko　= (kx, ky)이다. 식(5) 및 식(6)은 지향성 광빔(410)의 방향이 위에 기술된 바와 같이, 격자 방위 및 격자 피치의 함수임을 시사한다.
산란각에 대한 위에 식들은 계산 클러스터 상에서 실행되는 완전 3D 유한차분 시간영역 계산("FDTD")을 사용하여 시뮬레이트될 수 있다. 이제 도 5를 참조하여, 여러 실시예에 따른 격자에 대해 FDTD 시뮬레이션의 결과를 보인 개요도를 기술한다. 지향성 픽셀(500) 내 격자(505)는 입사 평면 광빔이 조명되었을 때 지향성 광빔(510)을 생성한다. 지향성 광빔(510)의 산란각의 FDTD 시뮬레이션 및 계산은 격자(505)의 기하구조의 함수로서 지향성 광빔(510)을 생성하기 위해 달성될 수 있는 정밀한 제어를 보여준다. 격자의 50% 듀티 사이클은 한 지향성 광빔만이 출력 각도에 관계없이 픽셀로부터 나타날 수 있게 한다.
유익하게, 이 정밀한 제어는 제조하기 쉬운 실질적으로 평면 구조로 지향성 픽셀이 광을 임의의 요망되는 시점으로 지향할 수 있게 한다. 지향성 픽셀은 다중 뷰를 제공하는 복수의 지향성 픽셀을 가진, 광 필드를 모방하는 다중 뷰 디스플레이 스크린에서 사용될 수 있다. 또한, 지향성 픽셀은 예를 들면 사적으로 안전하게 볼 수 있는 것을 보는 자에게 제공하기 위한 프라이버시 디스플레이 스크린에서와 같은 다른 응용에서 사용될 수도 있다(예를 들면, 보는 자를 디스플레이 스크린 내 지향성 픽셀에 의해 출력되는 지향성 광빔을 보기 위한 위치에 있게 함으로써).
여러 실시예에 따른 설치된 지향성 픽셀을 가진 다중 뷰 디스플레이 스크린의 예가 도 6에 도시되었다. 디스플레이 스크린(600)은 보는 자(예를 들면, 보는 자(605a ~ 605d)에게 다중 뷰를 제공하기 위해 지향성 픽셀(도시되지 않음)을 가진 다중 뷰 디스플레이 스크린이다. 각 지향성 픽셀은 뷰를 형성하기 위해 사용될 수 있는 지향성 광빔을 발생한다. 디스플레이 스크린(600) 내 복수의 지향성 픽셀을 조합하는 것은 복수의 지향성 광빔이 발생될 수 있게 하며, 그럼으로써 광 필드를 모방하며 보는 자(605a ~ 605d)에게 이들이 몸서 경험하는 바와 같이 자연적인 실세계 장면을 인지하는 능력을 제공한다.
여러 실시예에 따라 설치된 지향성 픽셀을 가진 프라이버시 디스플레이 스크린의 예가 도 7에 도시되었다. 프라이버시 디스플레이 스크린(700)은 스크린(700) 내 디스플레이된 콘텐트의 사적인 안전한 뷰를 보는 자, 예를 들면, 보는 자(705)에게 제공하기 위해 지향성 픽셀(도시되지 않음)을 가진 디스플레이 스크린이다. 이 경우에, 프라이버시 디스플레이 스크린(700) 내 지향성 픽셀은 보는 자(705)에게만 보여질 수 있는 한정된 뷰 구역을 제공한다. 보는 자(710a ~ 710b)는 뷰 구역 밖에 있으며 따라서 디스플레이 스크린(700) 내 콘텐트를 볼 수 없다.
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 (23)

  1. 디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 것이며 평면 광빔을 수신하는 지향성 픽셀에 있어서,
    광 전파 층; 및
    상기 평면 광빔의 부분을 격자에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐(angular spread)을 가진 지향성 광빔으로 산란하는 상기 격자를 포함하는, 지향성 픽셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광 전파 층은 투명한 실리콘-질화물("SiN") 층을 포함하는, 지향성 픽셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 격자는 대략 50%의 듀티 사이클을 갖는, 지향성 픽셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 격자는 피치, 방위, 길이, 및 폭을 갖는 복수의 실질적으로 평행하고 경사진 홈들을 포함하는, 지향성 픽셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 피치 및 방위는 상기 지향성 광빔의 상기 방향을 제어하는, 지향성 픽셀.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 길이 및 폭은 상기 지향성 광빔의 상기 각도퍼짐을 제어하는, 지향성 픽셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 지향성 픽셀은 실질적으로 평면인, 지향성 픽셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 다중 뷰 디스플레이 스크린인, 지향성 픽셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 프라이버시 디스플레이 스크린인, 지향성 픽셀.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 격자 폭은 상기 격자 길이보다 실질적으로 작으며, 상기 디스플레이 스크린은 수평 패럴렉스 전용 디스플레이 스크린인, 지향성 픽셀.
  11. 디스플레이 스크린 내 지향성 픽셀에서 사용하기 위한 격자로서, 상기 격자는 입사 평면 광빔을 지향성 광빔으로 산란하는 것이며, 피치, 방위, 길이, 및 폭을 가진 복수의 실질적으로 평행하고 경사진 홈들을 포함하며, 상기 피치 및 방위는 상기 지향성 광빔의 각도퍼짐을 제어하기 위해 방향 및 상기 길이 및 폭을 제어하는 것인, 격자.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 격자는 광 전파 층 상에 에칭된 것인, 격자.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 격자는 광 전파 층 상에 피착된 것인, 격자.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 지향성 광빔 의 상기 방향은 상기 격자 피치, 상기 격자 방위, 상기 지향성 광빔의 파장, 및 상기 격자의 유효 굴절률의 함수인, 격자.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 지향성 광빔의 상기 각도퍼짐은 상기 격자 길이, 상기 격자 폭, 및 상기 지향성 광빔의 파장의 함수인, 격자.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 다중 뷰 디스플레이 스크린인, 격자.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 프라이버시 디스플레이 스크린인, 격자.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 격자 폭은 상기 격자 길이보다 작으며, 상기 디스플레이 스크린은 수평 패럴렉스 전용 디스플레이 스크린인, 격자.
  19. 디스플레이 스크린에서 사용하기 위한 지향성 픽셀에 있어서,
    기판 층 상에 배열되어 평면 광빔을 전달하기 위한 광 전파 층; 및
    상기 광 전파 층 내에 배열되고 상기 평면 광빔을 격자에 의해 제어되는 방향 및 각도퍼짐을 갖는 지향성 광빔으로 산란하는 상기 격자를 포함하는, 지향성 픽셀.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 격자는 상기 광 전파 층 상에 에칭된 것인, 지향성 픽셀.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 격자는 상기 광 전파 층 상에 피착된, 지향성 픽셀.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 다중 뷰 디스플레이 스크린인, 지향성 픽셀.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 디스플레이 스크린은 프라이버시 디스플레이 스크린인, 지향성 픽셀.
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