KR20170129939A - 출력의 지향성 제어를 갖는 디스플레이 장치 및 이러한 디스플레이 장치를 위한 백라이트 및 광 지향 방법 - Google Patents

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올렉산드르 발렌티노피취 브도핀
푸텐 아이베르트 게르얀 반
바르트 크론
마르크 토마스 욘손
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

디스플레이 백라이트는 광 출사-결합 구조체들의 위치에서 광이 광가이드로부터 탈출할 수 있게 하기 위하여 광 출사-결합 구조체들의 어레이를 갖는 에지 발광 광가이드를 포함한다. 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 양자 모두에서 광을 광가이드 안으로 제공하기 위한 광원 장치가 사용된다. 광원 장치는 적어도 제 1 및 제 2 광 출력들 중 선택된 하나를 광가이드 안으로 제공하도록 제어가능하고, 2개의 광 출력들은 광가이드의 일반적인 평면에 대한 다른 각도를 가지며 광이 결과적으로 다른 범위의 출사각으로 광가이드로부터 탈출한다. 이 방식에서, 지향성 백라이트 출력은 광이 광가이드에 결합되는 방식에 기초하여 가능해진다. 이는 단지 광가이드에 제공된 광의 제어를 요구하는 단순한 구조체를 제공한다. 백라이트는 예를 들어 자동입체 디스플레이가 렌티큘러 어레이에 대한 필요성없이 형성될 수 있게 한다.

Description

출력의 지향성 제어를 갖는 디스플레이 장치 및 이러한 디스플레이 장치를 위한 백라이트 및 광 지향 방법
본 발명은 좁은 범위의 출력 방향으로 이미지를 표시하는 디스플레이 장치에 특히 적합한 디스플레이 장치용 백라이트에 관한 것이다. 하나의 예는 디스플레이 픽셀 어레이를 갖는 디스플레이 패널, 및 다른 뷰(view)를 다른 물리적 위치로 향하게 하는 어레이를 포함하는 자동입체 디스플레이 장치(autostereoscopic display device)이다. 또다른 예는 디스플레이 이미지가 시청자(wiewer)의 방향으로만 제공되는 프라이버시 디스플레이(privacy display)이다.
공지된 자동입체 디스플레이 장치는 디스플레이를 생성하도록 이미지 형성 수단으로서 작용하는 디스플레이 픽셀의 횡열 및 종열 어레이를 갖는 2 차원 액정 디스플레이 패널을 포함한다(여기서, "픽셀"은 전형적으로 "서브-픽셀" 세트를 포함하고, "서브-픽셀"은 가장 작은 개별적으로 어드레싱가능한, 단색의, 화소이다). 서로 평행하게 연장되는 세장형 렌즈들의 어레이는 디스플레이 픽셀 어레이를 덮으며 뷰 형성 수단으로서 작용한다. 이들은 "렌티큘러 렌즈(lenticular lenses)"라고 한다. 디스플레이 픽셀로부터의 출력은 출력의 방향을 수정하도록 작용하는 이들 렌티큘러 렌즈를 통해 투사된다.
렌티큘러 렌즈는 렌즈 요소의 시트로서 제공되며, 각각의 렌즈 요소는 긴 부분 원통형(예를 들어, 반원통형) 렌즈 요소를 포함한다. 렌티큘러 렌즈는 디스플레이 패널의 종열 방향으로 연장되고, 각 렌티큘러 렌즈는 디스플레이 서브-픽셀의 둘 이상의 인접한 종열의 각각의 그룹 위에 놓인다.
각각의 렌티큘러 렌즈는 사용자가 단일 입체 이미지를 관찰할 수 있게 하는 2개의 종열의 디스플레이 서브-픽셀과 관련될 수 있다. 대신에, 각각의 렌티큘러 렌즈는 횡열 방향으로 3개 이상의 인접한 디스플레이 서브-픽셀의 그룹과 연관될 수 있다. 각 그룹 내의 디스플레이 서브-픽셀의 대응하는 종열은 각각의 2 차원 서브-이미지로부터 수직 슬라이스를 제공하도록 적절하게 배열된다. 사용자의 머리가 좌측에서 우측으로 움직일 때, 일련의 연속적이며 다른 입체 뷰들이 관찰되어 예를 들어 둘러보기 느낌이 생긴다.
도 1은 공지된 직접 뷰 자동입체 디스플레이 장치(1)의 개략적인 사시도이다. 공지된 장치(1)는 디스플레이를 생성하기 위한 공간 광 변조기로서 작용하는 능동 매트릭스 타입의 액정 디스플레이 패널(3)을 포함한다.
디스플레이 패널(3)은 디스플레이 서브-픽셀(5)의 횡열 및 종열의 직교 어레이를 가진다. 명확성을 위해, 단지 소수의 디스플레이 서브-픽셀(5)만이 도면에 도시된다. 실제로, 디스플레이 패널(3)은 디스플레이 서브-픽셀(5)의 약 1000 횡열 및 수천 개의 종열을 포함할 수 있다. 흑백 디스플레이 패널에서, 서브-픽셀은 사실 전체 픽셀을 구성한다. 칼라 디스플레이에서, 서브-픽셀은 전체 칼라 픽셀의 하나의 칼라 성분이다. 일반적인 용어에 따라, 전체 칼라 픽셀은 표시된 가장 작은 이미지 부분의 모든 칼라를 생성하는데 필요한 모든 서브-픽셀을 포함한다. 따라서, 예를 들어. 전체 칼라 픽셀은 백색 및/또는 황색 서브-픽셀 및/또는 하나 이상의 다른 기본 칼라 서브-픽셀로 가능하게 증대된 적색(R) 녹색(G) 및 청색(B) 서브-픽셀을 가질 수 있다. 액정 디스플레이 패널(3)의 구조체는 완전히 종래의 것이다. 특히, 패널(3)은 한 쌍의 이격된 투명 유리 기판을 포함하며, 그 사이에 정렬된 꼬인 네마틱 또는 다른 액정 물질이 제공된다. 기판은 그 표면에 투명한 인듐 주석 산화물(ITO) 전극 패턴을 가지고 있다. 편광 층은 또한 기판의 외부 표면 상에 제공된다.
각각의 디스플레이 서브-픽셀(5)은 그 사이에 개재된 액정 물질을 갖는 기판 상에 반대편 전극을 포함한다. 디스플레이 서브-픽셀(5)의 형상 및 레이아웃은 전극의 형상 및 레이아웃에 의해 결정된다. 디스플레이 서브-픽셀(5)은 갭에 의해 서로 일정하게 이격되어 있다.
각각의 디스플레이 서브-픽셀(5)은 박막 트랜지스터(TFT) 또는 박막 다이오드(TFD)와 같은 전환 요소와 관련된다. 디스플레이 픽셀은 전환 요소에 어드레싱 신호를 제공함으로써 디스플레이를 생성하도록 동작하며, 적합한 어드레싱 방식은 당업자에게 공지될 것이다.
디스플레이 패널(3)은 이 경우에 디스플레이 픽셀 어레이의 영역 위로 연장되는 평면 백라이트를 포함하는 광원(7)에 의해 조명된다. 광원(7)으로부터의 광은 디스플레이 패널(3)을 통해 지향되고, 개별 디스플레이 서브-픽셀(5)은 광을 변조하고 디스플레이를 생성하도록 구동된다. 백라이트(7)는 측부 에지(7a, 7b), 상부 에지(7c) 및 하부 에지(7d)를 가진다. 이는 광이 출사되는 전면을 가진다.
디스플레이 장치(1)는 또한 디스플레이 패널(3)의 디스플레이 측에 배치된, 렌티큘러 시트(9)를 구비하고, 이 디스플레이 패널은 광 지향 기능을 수행하여 뷰 형성 기능을 수행한다. 렌티큘러 시트(9)는 서로 평행하게 연장되는 횡열의 렌티큘러 요소(11)를 포함하며, 그 중 하나는 명확성을 위해 과장된 치수로 도시되어 있다.
렌티큘러 요소(11)는 요소의 원통형 만곡부에 수직으로 연장되는 긴 축(12)을 각각 갖는 볼록 (반-) 원통형 렌즈의 형태이고, 각 요소는 디스플레이 수단(3)으로부터 디스플레이 장치(1)의 전방에 배치된 사용자의 눈으로 다른 이미지 또는 뷰를 제공하는 광 출력 지향 수단으로서 작용한다.
렌티큘러 유형 이미징 어레이는 다중 뷰잉 원추(viewing cone)를 발생시킨다. 각 원추 내에서, 다른 뷰 세트가 반복된다. 다중 시청자 디스플레이의 경우, 전체 시야가 뷰로 채워질 수 있으므로 장점이 있다. 예를 들어, 단일 또는 소수의 시청자의 위치를 추적하는 헤드 트래킹 시스템에서 이동하는 시청자가 단일 뷰잉 원추를 사용하는 것이 특히 유리할 수 있다.
디스플레이 장치는 백라이트 및 디스플레이 패널을 제어하는 제어기(13)를 가진다.
도 1에 도시된 자동입체 디스플레이 장치(1)는 다른 방향으로 여러가지 다른 투시도를 제공할 수 있다. 즉, 디스플레이 장치의 시야 내의 다른 공간 위치로 픽셀 출력을 안내할 수 있다. 특히, 각각의 렌티큘러 요소(11)는 각 횡열에서 작은 그룹의 디스플레이 서브-픽셀(5) 위에 놓이며, 현재의 예에서, 횡열은 렌티큘러 요소(11)의 긴 축에 수직으로 연장된다. 렌티큘러 요소(11)는 여러 다른 뷰를 형성하기 위하여 서로 다른 방향으로 한 그룹의 각 디스플레이 서브-픽셀(5)의 출력을 투영한다. 사용자의 머리가 좌측에서 우측으로 움직일 때, 그의 눈은 여러뷰들 중 중 다른 뷰들을 차례로 받는다.
렌티큘러 기반의 자동입체 디스플레이의 일반적인 문제는 3D 모드에서 해상도가 감소한다는 것이다. 각 렌티큘러 렌즈 요소 아래에 여러 픽셀들을 사용한다는 것은 여러 뷰가 동시에 생성된다는 것을 의미한다. 이는 2D 디스플레이 패널의 기본 해상도와 비교하여 3D 모드에서 자동입체 디스플레이의 사용가능한 해상도를 감소시킨다.
3D 모드에서 패널 해상도의 이러한 손실을 피하기 위한 하나의 공지된 방법은 시간 순차 방식으로 필요한 다른 뷰를 생성하는 것이다. 이 접근법은 예를 들어 다른 시점에 다른 시야각에서 시준 광을 생성하는 지향성 백라이트 구성요소로 행해질 수 있다.
백라이트 지향성의 전환 속도가 충분히 빠르며 생성된 광 출력 방향이 다중 뷰에 필요한 범위를 커버한다면, 이러한 백라이트는 렌즈를 필요로 하지 않고 3D 디스플레이를 생성하고 패널의 완전한 본래 해상도로 사용될 수 있다.
지향성 출력을 제공하는 백라이트의 공지된 예가 있다. 2 뷰 지향성 백라이트 개념은 US 2009/7518663에 설명되어 있다. 디스플레이 장치는 디스플레이 패널, 디스플레이 패널을 통해 광을 지향시키는 광 재지향 요소, 및 광 재지향 요소를 향하여 광을 지향시키는 광가이드를 포함한다. 2개의 광원이 광가이드에 결합되어 2개의 방향으로 광가이드 안으로 광을 입력한다. 광 재지향 요소는 제 1 홈 구조체를 갖고 광가이드는 제 2 홈 구조체를 가지므로 광원으로부터의 광이 2개의 각도 분포로 디스플레이 패널을 통해 지향된다. 홈형성 광 출사-결합 구조체는 광가이드의 상부에 적용된다.
고속 전환 LCD를 사용하여 좌안용 이미지과 우안용 이미지 사이에서 각각 전환하는 것과 동시에, 관찰자의 좌안 및 우안으로 광을 교대로 보낸다.
또다른 예는 회사 3M(상표명)으로부터 상업적으로 입수가능한 2-뷰 지향성 백라이트이다. 이 디자인은 광가이드의 후면에서 프리즘형 홈 출사-결합 구조체를 갖는 백라이트 구성요소, 광가이드의 2개의 다른 측부에 위치한 광원, 광 재지향 필름 및 LCD 패널을 포함한다. 전체 셋업은 관찰자의 눈에 다른 방향으로 투영된 2개의 뷰를 생성한다. 이 뷰는 광가이드의 한쪽 또는 다른 쪽에서 작동하는 광원에 따라 시간 순차적으로 생성된다.
대안적인 접근법은 광원으로부터 일정 거리에 있는 디스플레이 패널을 갖는 이격된 얇은 라인 광원을 생성하는 백라이트를 사용하여, 각 광원을 나가는 광이 다른 패널 픽셀 요소를 통해 다른 각도 방향으로 전파된다.
다른 공지된 지향성 백라이트 설계는 직접 방사 고정 광원 및 관련 광학 요소의 어레이를 사용한다.
광원 어레이는 예를 들어, 통상적인 백라이트 및 백라이트의 상부에서 능동 배리어로서 기능하는 LCD 패널 및 렌티큘러 렌즈를 사용하여 실현될 수 있다. 동적 광원은 그 다음 시준된 출력을 생성하기 위해 렌즈의 초점면에 있게 된다. 이 설계는 일반적으로 효율이 낮고 밝기가 감소한다. 비슷한 개념으로 고정식 전환가능한 OLED 스트라이프와 위에 렌티큘러 렌즈를 사용할 수 있다.
도 2는 뷰를 볼 수 있는 방향을 제어하기 위해 시준된 백라이트를 사용하는 방법을 도시한다. 백라이트(7)는 스트라이프 광 이미터의 어레이(30), 포지티브 렌즈 어레이(32) 및 렌즈 어레이와 이미터들 사이의 모형 구조체(34)를 포함한다. 렌즈 어레이(32)는 얇은 발광 스트라이프 어레이(30)로부터 나오는 광을 시준한다. 이러한 백라이트는 LED 또는 OLED 스트라이프의 라인과 같은 일련의 방출 요소로 형성될 수 있다. 발광 요소로부터의 추출된 광은 렌즈 구조체의 피치 부근에서 이격된 얇은 발광 스트라이프의 어레이 형태이다.
이러한 해결방안은 일반적으로 고정 광학 요소와 함께 능동 광원 조종(다중 어드레스가능 광원 또는 그 밖의 능동 배리어와 결합된 백라이트)을 사용한다. 따라서, 이들은 구조체적으로 복잡하다.
디스플레이의 백라이팅 및 전방 조명을 위한 에지 발광 광가이드(또는 광가이드가라고도 함)는 저렴하고 견고한다. 그러므로, 에지 발광 기술 주위에 시준된 백라이트 구성요소를 기반으로 하는 것이 유리할 것이다. 그러나, 공지된 에지 발광 광가이드는 광가이드의 전체 표면에 걸쳐 광 출력의 최대 균일성을 제공하도록 설계되었기 때문에, 결합된 렌즈의 피치 부근에서 이격된 얇은 광 스트라이프의 어레이를 생성하도록 설계되지 않는다.
도 3은 에지 발광 광가이드(40)의 개략적인 이미지를 도시한다. 광가이드는 상부면(40a), 하부면(40b) 및 측부 에지(40c)를 갖는 고체 물질의 슬래브와 같은 광가이드 물질을 포함한다. 도 3의 횡단면이 측부에서 나란한 방향으로 취해지므로, 도 3에서는 상부 및 하부 에지를 볼 수 없다. 광가이드는 일반적으로 평면에서 볼 때 직사각형이다. 광가이드의 상부 및 하부 에지(직사각형의 상부 및 하부 측부)는 관련 디스플레이의 상부 및 하부에 대응하도록 정렬되고 측부 에지(직사각형의 좌측 및 우측 측부)가 관련 디스플레이의 좌측 및 우측 측부와 대응하게 정렬된다.
도 3의 좌측으로부터, 광은 광원(42)으로부터 결합되고, 광가이드의 바닥에는 여러 출사 결합 구조체(44)가 배치된다. 광은 높이(H)를 갖는 광가이드 내부의 각(θin) 아래에서 전파된다. 이 예에서의 출사-결합 구조체(44)는 반 정점각 σ, 높이 h 및 폭 w를 갖는 반 프리즘들로서 도시된다.
상기 광가이드는 예를 들어, 유리 또는 폴리카보네이트로 제조된 유전 슬래브로서 형성된다. 슬래브에서, 경계에서의 내부 전반사는 광이 전파되는 동안 광이 한정되게 유지한다. 슬래브의 에지는 전형적으로 광 결합을 위해 사용되고, 작은 광 출사-결합 구조체(44)는 광가이드로부터 광을 국부적으로 결합시킨다.
US 2012/0314145 및 US 2013/0308339는 렌즈로서 기능하는 반사 단부면을 갖는 광가이드의 특수 설계를 사용하는 자동입체 디스플레이의 백라이트를 개시하고 있다. 다른 광원은 광가이드에 다른 방향으로 광을 제공하고, 렌즈 기능은 광가이드 내에서 특정 방향으로 시준된 경로를 생성한다. 이것은 광가이드로부터 결합되어 특정 백라이트 출력 방향을 생성한다. 이것은 복잡한 광가이드 구조체를 필요로 한다.
본 발명은 자동입체 디스플레이 또는 프라이버시 디스플레이에 사용하기 위한, 특히 지향성 출력의 생성을 가능하게 하고 보다 높은 공간 해상도를 가능하게 하기 위해 시간 순차 조작이 사용되는 보다 기본적인 광가이드 유형 백라이트의 사용에 기초한다. 얇고 가볍게 유지될 수 있는 광가이드 설계가 바람직하다.
본 발명은 청구범위에 의해서 규정된다.
예에 따라서, 디스플레이 백라이트가 제공되며, 상기 디스플레이 백라이트는 평행한 상부면 및 하부면과, 한 쌍의 반대편 측부 에지들을 갖는 광가이드로서, 광 출력이 상기 상부면으로부터 나오는, 상기 광가이드;
상기 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 양자 모두에서 광을 상기 광가이드 안으로 제공하기 위한 광원 장치; 및
광이 광 출사-결합 구조체들의 위치에서 상기 광가이드로부터 탈출하도록 광을 재지향시키기 위해 평행한 상기 상부면 또는 하부면에 형성된 상기 광 출사-결합 구조체들의 어레이를 포함하고,
상기 광원 장치는 상기 광가이드 안으로 진입하는 적어도 제 1 및 제 2 광 출력들 중 선택된 하나를 제공하도록 제어가능하고, 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 적어도 부분적으로 시준되고 상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대해서 다른 양각 방향으로 그리고 에지 대 에지 방향을 가로질러 상기 제 1 및 제 2 광 출력들을 상기 광가이드 안으로 진입시키도록 구성되고, 상기 광가이드 안으로 진입하는 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 결과적으로 상기 상부면으로부터 다른 광 출력 각도들이 된다.
상기 백라이트는 광가이드 안으로의 입사 결합 방향을 제어함으로써 시준된 광원을 사용하여 출력 방향을 제어할 수 있다. 특히, 양각은 상부면 및 하부면의 평면에 대해서 제어된다. 이러한 제어는 광원 배치 또는 광학 요소들에 의해서 달성될 수 있다. 다른 전파 방향들로 광가이드 안으로 결합된 광은 광 출사-결합 구조체들에 의해서 다른 시청 방향으로 추출된다. 지향성 제어를 스캔함으로써, 백라이트로부터 다수의 지향성 뷰들이 생성될 수 있다.
제 1 및 제 2 광 출력들은 동일 측부에서 광가이드로 진입하거나 또는 반대 측부들에서 진입할 수 있다. 대안으로, 각각의 광 출력은 양자의 반대편 측부 에지들에 제공될 수 있다.
백라이트 디자인은 단순한 디자인의 광가이드를 사용할 수 있다. 이는 제조과정이 단순하고 종래의 것이라는 것을 의미하는 일정한 두께이라면, 평행한 상부면 및 하부면(광 출사-결합 구조체들을 무시하고)을 가진다. 광가이드의 평면도 형상은 또한 예를 들어, 직선 에지를 갖는 종래의 직사각형 광가이드이다.
백라이트는 2D 패널의 전체 본래 해상도를 사용하는 자동입체 3D 디스플레이에서 사용하기에 적당하다. 지향성 백라이트 디자인은 다수의 뷰들을 시간 순차적으로 생성하는데 사용될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 양호하게는 상기 측부 에지들 사이에서 연장되는 법선 평면에서 다른 출사 각도 범위를 갖고 상기 광가이드로부터 탈출하는 광이 된다. 이 방식에서, 측부 에지들이 백라이트의 측방향 에지에 있을 때, 다른 측방향 시청 각도가 생성된다. 제 1 광 출력으로부터 발생하는 출사각의 범위는 양호하게는 제 2 광 출력으로부터 발생하는 출사각의 범위와 중첩되지 않는다. 이 방식에서, 불연속적인 비중첩 시청 방향이 생성된다.
상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 양호하게는 에지 대 에지 방향으로 연장되는 평면에서[즉, 도 2의 단면의 배향을 갖는 평면에서] 그리고 상부면 및 하부면의 평면과 수직인 방향으로 시준된다. 한 평면/방향에서의 이러한 시준은 "부분" 시준으로 기술된다. 광 출사-결합 구조체들이 상기 평면에 수직으로 연장될 때, 이는 광가이드로부터의 광의 탈출을 좌우하는 적절한 각도를 형성한다. 시준은 예를 들어, 4도 미만, 또는 양호하게는 예를 들어 3도 미만 또는 2도 미만의 빔 각도 범위를 평면에 제공한다. 이 평면에서의 빔 각도 범위의 확대는 광 출력이 확대되어서 백라이트의 전체 광 출력 영역을 커버할 수 있게 하기 때문에, 상부면 및 하부면에 평행한 평면에서의 시준은 필요하지 않다.
상기 광 출사-결합 구조체들은 예를 들어, 상기 측부 에지들과 평행하게 연장되는 프리즘 스트라이프들을 포함한다. 이들은 상부 에지에서 하부 에지로 완전히 연장된다. 이들은 특히 자동입체 디스플레이에 대해서 관심이 있는 측방향 빔 방향 제어를 제공하기 위한 것이다.
제 1 예에서, 상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 다른 각도들로 설치되는 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함한다. 광원들을 다른 각도에서 물리적으로 설치함으로써, 광가이드에 대한 광 입력 각도는 제어될 수 있다.
제 2 예에서, 상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 상기 광가이드 안으로의 광 출력 각도를 세팅하기 위한 관련 빔 성형 요소를 각각 구비한, 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함한다. 광원들은 그 다음 동일 방식으로 설치될 수 있고 광 출력 각도는 기계식보다 광학식으로 제어된다.
상기 빔 성형 요소들은 정적일 수 있으므로, 각각의 광원은 특정 광 입력 각도를 광가이드에 제공하기 위한 전용이다. 상기 빔 성형 요소들은 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 특정 광 출력 각도에 대해서 설계된 정적 프리즘 구조체들을 포함할 수 있다.
상기 빔 성형 요소들은 대신에 동적일 수 있으므로, 광원은 다른 광 출력 각도들 사이에서 스캔될 수 있고, 그에 의해서 광학 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 빔 성형 요소들은 그때 전기습윤 프리즘 장치를 포함할 수 있다. 이는 또한 동일한 물리적 광원이 제 1 및 제 2 광 출력을 (다른 시간에) 제공하고 이들 광 출력은 공유 광원의 다른 작동 모드를 포함한다는 것을 의미한다.
다른 예에서, 상기 광원 장치는 광 이미터 어레이 및 출력 렌즈를 각각 포함하는 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함한다. 상기 어레이 내에서 작동하는 광 이미터를 선택함으로써, 다른 광 출력 방향이 발생될 수 있다. 그러므로, 이 경우에, 각도 제어는 광 출력이 발생되는 공간의 물리적 위치와, 상기 물리적 위치가 렌즈와 상호작용하는 방식으로 선택하는 것에 기초한다.
광 재지향 장치는 상기 광가이드의 상부면 위에 제공될 수 있다. 이는 예를 들어 광 출사-결합 구조체들로부터의 각도 출력이 비대칭으로 클립되는 경우에, 광 출사-결합 구조체들로부터의 각도 출력을 법선을 향하여 재지향시키는데 사용될 수 있다.
상기 상부면으로부터의 광 출력 각도들은 광이 상기 상부면의 모든 위치들로부터 공통 뷰 지점에 도달하도록 상기 상부면 위의 위치 함수로서 변화될 수 있다. 이는 디스플레이의 어두운 영역을 회피하기 위하여 뷰가 시청자의 눈을 향하여 수렴하게 하는데 사용된다. 가변 각도는 (백라이트의 영역에 대한) 광 재지향 장치의 불균일을 사용하거나 또는 불균일성을 광 출사-결합 구조체들의 디자인에 도입함으로써 달성될 수 있다.
본 발명은 또한 자동입체 디스플레이 장치 또는 프라이버시 디스플레이(privacy display)를 제공하고, 상기 디스플레이 장치 또는 프라이버시 디스플레이는 상기 규정된 백라이트; 및 디스플레이 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 픽셀들의 어레이를 가지며 상기 백라이트에 의해서 조명되는 디스플레이 패널을 포함한다.
상기 디스플레이 패널은 예를 들어, 백라이트의 측부 에지들과 평행한 측부들에 의해서 설치된다. 이는 백라이트 각도 제어가 다른 측방향 출력 각도를 발생시키는 것을 의미한다. 디스플레이 패널은 다른 시청 방향에 대한 다른 이미지들을 시간 순차적으로 출력하기 위하여 백라이트와 동기식으로 제어될 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 상기 디스플레이는 제어기를 추가로 포함하고, 상기 제어기는 2개의 모드들로 상기 디스플레이를 작동시키도록 구성되고, 상기 2개의 모드들은:
제 1 광 출력이 상기 광가이드 안으로 제공되고 상기 디스플레이 패널이 제 1 이미지를 표시하도록 제어되는 제 1 모드; 및
제 2 광 출력이 상기 광가이드 안으로 제공되고 상기 디스플레이 패널이 제 2 이미지를 표시하도록 제어되는 제 2 모드로 구성되고,
상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 모드들을 시간 순차적으로 실행하도록 구성된다.
제 1 및 제 2 이미지들은 단일 이미지의 좌안 뷰 및 우안 뷰이거나 또는 다른 사용자들에 대한 완전히 관련없는 뷰들일 수 있다.
다수(2 초과)의 뷰들이 시간 순차적으로 제공되도록 2 초과의 모드들이 있을 수 있다. 각각의 이미지는 또한 다른 뷰들 사이의 광 혼합이 방지되는 경우에 동시에 다수의 뷰들을 포함할 수 있다. 따라서, 시간 순차적인 다수의 뷰 동작이 있을 수 있다.
본 발명은 또한 백라이트로부터의 광 출력의 방향을 제어하는 방법을 제공하고, 상기 방법은:
평행한 상부면 및 하부면과, 한 쌍의 반대편 측부 에지들을 갖는 광가이드 안으로 광을 제공하는 단계로서, 상기 광이 상기 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 양자 모두에게 제공되는 단계; 및
광이 광 출사-결합 구조체들의 위치에서 상기 상부면으로부터 상기 광가이드로부터 탈출하도록 광을 재지향시키기 위해 평행한 상기 상부면 또는 하부면에 형성된 상기 광 출사-결합 구조체들의 어레이를 사용하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대해서 그리고 적어도 제 1 및 제 2 광 출력들 사이에서 에지 대 에지 방향을 가로질러 상기 광가이드로 진입하는 광의 양각 방향을 제어하는 것을 포함하고, 상기 광가이드 안으로 진입하는 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 결과적으로 상기 상부면으로부터 다른 광 출력 각도들이 된다.
본 발명은 또한 자동입체 디스플레이 장치의 제어 방법을 제공하고, 상기 방법은:
상기 규정된 방법을 사용하여 백라이트로부터 광 출력 방향을 제어하는 단계;
상기 백라이트로부터의 상기 광 출력을 디스플레이 패널로 제공하는 단계; 그리고
상기 디스플레이 패널에 의해서 표시된 이미지를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 디스플레이 장치는 그에 의해서 2개의 모드들로 작동되고, 상기 2개의 모드들은:
제 1 광 출력이 상기 광가이드로 진입하고 상기 디스플레이 패널이 제 1 이미지를 표시하도록 제어되는 제 1 모드; 및
제 2 광 출력이 상기 광가이드로 진입하고 상기 디스플레이 패널이 제 2 이미지를 표시하도록 제어되는 제 2 모드로 구성되고,
상기 제 1 및 제 2 모드들은 시간 순차적으로 제공된다.
본 발명의 실시예들은 이제 첨부된 도면을 참조하여 순전히 예로서 설명될 것이다:
도 1은 공지된 자동입체 디스플레이 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 스트라이프 이미터를 사용하는 공지된 지향성 백라이트 설계를 도시한다.
도 3은 에지-발광된 광가이드를 사용하는 공지된 백라이트 설계를 도시한다.
도 4는 도 3의 광가이드의 광학 기능의 분석을 제공하는데 사용된다.
도 5는 출사 광의 각도 강도 분포를 광 안내 방향에 수직인 평면에서 수직 각도 및 광 안내 방향을 포함하는 평면에서의 횡방향 각도의 함수로서 도시한다.
도 6은 90 도의 수직 각도를 갖는 횡방향 각도를 따른 광 강도의 단면을 도시한다.
도 7은 백라이트의 출력에 적용될 수 있는 빔 재지향 기능을 나타내는데 사용된다.
도 8은 자동입체 디스플레이를 형성하기 위해 디스플레이를 조명하는 본 발명의 일반적인 백라이트 설계를 도시한다.
도 9는 백라이트로부터 출사되는 빔 방향과 광이 백라이트에 결합되는 각도 사이의 관계를 도시한다.
도 10은 70°, 120° 및 160°의 입사-결합 프리즘 정점각의 3 값에 대한 각도 강도 분포 맵을 도시한다.
도 11은 강도 맵을 사용하는 대신에 도 10의 3개의 시뮬레이션의 각도 광 강도 분포를 그래픽 형태로 도시한다.
도 12는 백라이트 설계의 보다 상세한 제 1 예를 도시한다.
도 13은 백라이트 설계의 보다 상세한 제 2 예를 도시한다.
도 14는 도 12 및 도 13의 설계가 4개의 다른 광 출사 각을 제공하는 것을 도시한다.
도 15는 백라이트 설계의 보다 상세한 제 3 예를 도시한다.
도 16은 백라이트 설계의 보다 상세한 제 4 예를 도시한다.
도 17은 광가이드의 광 출사 결합 구조체의 설계가 어떻게 최대 출사 원추 폭을 제공하도록 최적화될 수 있는지를 나타내는데 사용된다.
도 18은 뷰 변이 동안 인지가능한 플리커(flicker)를 마스크하기 위해 백라이트에 대한가능한 동작 시퀀스를 도시한다.
본 발명은 광 출사-결합 구조체의 위치에서 광이 광가이드로부터 빠져 나가도록 광 출사 구조체의 어레이를 갖는 에지-발광 광가이드를 포함하는 디스플레이 백라이트를 제공한다. 광원 장치는 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 모두에서 광가이드에 광을 제공하는데 사용된다. 광원 장치는 적어도 제 1 및 제 2 광 출력 중 선택된 하나를 광가이드 안으로 제공하도록 제어가능하고, 각각의 다른 광 출력은 광가이드의 일반 평면에 대해 다른 각도를 가지며, 결과적으로 광은 광가이드로부터 다른 광 출구 각 범위로 이탈한다. 이러한 방식으로, 지향성 백라이트 출력은 광이 광가이드에 결합되는 방식에 따라 가능하게 된다. 이것은 광가이드에 제공되는 광의 제어만을 필요로 하는 간단한 구조체를 제공한다. 백라이트는 예를 들어 렌티큘러 어레이(lenticular array)를 필요로 하지 않으면서 자동입체 디스플레이가 형성될 수 있게 한다.
본 발명은 광가이드 백라이트로부터의 광 출력의 특징 분석에 기초한다.
굴절률 n을 갖는 물질을 갖는 평면형 광가이드에 대해, 광선은 범위 내에서 입사각(α)으로 광가이드 내부에서 전파된다
θc <α< 90° (1)
여기서, θc = sin-1(l/n).
광가이드로부터 광을 추출하는 전형적인 방법은 출사-결합 구조체, 예를 들어 광가이드의 후면 상의 프리즘 구조체를 사용하는 것이다.
이러한 구조체의 효과는 도 4에 도시되어 있으며, 광가이드의 일반적인 평면에 대해 각도(β)로 광 출사-결합면을 가진다.
따라서, 광은 프리즘면에 일정 각도로 충돌한다:
γ=α-β
이 광은 내부 전반사 조건들(TIR)이 γ>θc되도록 만족될 때 면으로부터 반사될 것이다.
광가이드의 상부면 상의 입사각은:
φ=2γ-α=α-2β이고
이 광선은 φ<θc일 때 광가이드로부터 추출된다.
따라서, β에 대한 결합 조건은
α-2β< θc< α-β (2)
추출된 광의 각도 범위 폭을 최대로 하기 위하여, 식 (2) 및 (1)을 조합하면, 다음과 같은 상태가 된다:
2β = 90°- θc
또는 동등하게
cos(2β) = l/n
광가이드로부터 출사-결합될 수 있는 넓은 각도 분포 범위를 갖는 가능성은 도 5의 광 레이트레이스 시뮬레이션의 결과로 나타난다.
도면은 출사 광의 각도 강도 분포를 광가이드 방향에 수직인 평면에서의 수직 각도(V, y 축에 플롯됨)와 광가이드 방향을 포함하는 평면에서 측부 각도(L, x 축에서 플롯됨)의 함수로 나타낸다. 광가이드 평면의 법선 방향은 L=V=90°에 해당한다.
강도는 플롯의 음영 처리된 영역에서 영역의 밝기로 표시된다.
이 예에서 광가이드는 굴절률 n = 1.48을 갖는 폴리(메틸메타크릴레이트) PMMA로 제조되고 출사-결합 구조체는 내부 전반사를 통해 광의 재지향이 발생하는 프리즘 홈이다. 프리즘의 정점각은 132도이며 이는 위의 cos(2β) = 1/n의 조건을 만족시킨다.
광 출사-결합 구조체는 대칭 또는 비대칭 프리즘 요소일 수 있다는 것을 주목한다.
광원은 광가이드에 결합된 임의의 부가적인 광학 구성요소 없이 단순히 램버트(Lambertian) 발광 LED이다.
도 5에서, 좌측의 더 밝은 영역은 높은 강도에 해당한다.
V=90도를 갖는 측방향 각도(L)를 따른 광 강도의 단면은 도 6에 도시된다.
출사 광은 법선으로부터 약 45도에서 최대를 갖는 "평탄한" 강도 부분을 가진다. 이 출사 광 분포는 광가이드의 상부에 재지향 프리즘을 추가하여 법선 방향(0도)을 중심으로 하는 분포로 재지향될 수 있다. 프리즘 각도의 최적 선택은 프리즘 물질의 굴절률 및 입사 광 각도 분포에 기초하여 당업자에 의해 계산될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 분포 및 PMMA 물질로 만들어진 프리즘에 대해, 55도의 최적의 프리즘 정점각은 출사되는 각도 광선 분포를 백라이트의 법선 방향을 중심으로 하는 분포로 변환하도록 허용한다.
이 재지향 기능은 도 4에 도시된 바와 같이 기존의 광선을 재지향시키기 위해 55°의 상부 각도 70을 갖는 프리즘에 대해 도 7에 도시된다. 상부 각도는 백라이트의 상부면을 향한다.
광가이드의 전체 길이를 따라 균일한 광 출사 결합을 달성하는 몇 가지 방법이 알려져 있다. 출사-결합 구조체의 치수는 이들 사이의 피치보다 훨씬 작을 수 있으며 구조체의 크기/밀도는 광가이드의 단부/중간 부분을 향하여 증가할 수 있다.
제한된 제조 정확도(각도, 크기 및 기하학적 변화의 라운딩)로 인한 일부 구조체의 불완전성은 지향성 백라이트의 성능을 저하시킬 수 있다(예 : 피크 강도 감소, 원하는 각도 범위를 벗어나는 약간의 확장 또는 추가 최대치).
이러한 효과는 불완전한 크기가 출사-결합 구조체의 크기에 비해 현저해지면 가시적으로 된다. 실제로 일반적인 제조 방법을 사용하는 구조체의 라운딩 반경은 2 정도의 마이크로미터 이하이다. 이 정확도는 25 내지 50 마이크로미터 정도의 구조체 크기를 갖는 지향성 백라이트의 양호한 성능을 실현하기에 충분하다.
다수의 시야 방향으로 시준된 광 출력을 생성하는 백라이트 구성요소를 갖는 것은 자동입체 디스플레이 장치에 채용될 수 있으며, 디스플레이의 전체 공간 해상도가 사용될 수 있게 한다. 전형적으로 두꺼운 유리 스페이서 위에 형성된 렌티큘러 렌즈를 제거하면, 3D 디스플레이의 두께를 크게 줄일 수 있다.
렌티큘러 렌즈가 없어도 원추 반복(cone repetition)을 피할 수 있다. 예를 들어, 다중 뷰 자동입체 디스플레이의 경우, 백라이트가 시준된 광을 방출하는 방향은 다수의 다른 뷰 방향들 사이에서 스위핑될 수 있다.
도 8은 3D 자동입체 디스플레이 장치와 함께 사용되는 백라이트 설계의 제 1 예를 도시한다.
디스플레이는 광 출사-결합 구조체(44)를 갖는 광가이드(40) 및 상부 위의 디스플레이 패널(80)을 포함한다. 광가이드는 에지 조명되고, 2개의 광원(42a, 42b)이 도시된다. 각각의 광원은 관련된 콜리메이터(82a, 82b)를 가진다. 또한, 각각의 광원으로부터의 광 출력이 광가이드의 에지에 진입하는 경우, 광 결합 형태의 빔 성형 요소 또는 조종 장치(84a, 84b)가 제공된다.
광이 광가이드에 결합되는 방식은 광 출력 방향을 제어하는데 사용된다. 광 출력을 조정함으로써, 2D 패널(80)의 최대 해상도를 이용하는 멀티 뷰 자동입체 3D 디스플레이가 가능해진다. 광 출력 방향은 매 시간마다 최대 해상도가 사용되도록 시간 순차적으로 변경될 수 있다.
디스플레이 패널(80)은 예를 들어 백라이트의 측부 에지에 평행한 측부로 장착된다. 따라서, 도 8은 디스플레이를 가로지르는 단면을 도시한다. 광 출사-결합 형태부(44)는 측부 에지에 평행하게 연장되어, 측방향으로 광 출력 방향을 제어한다. 모든 방향 제어가 백라이트에 의해 실현되므로 디스플레이에는 렌티큘러 렌즈 어레이가 필요하지 않다.
디스플레이는 여러 뷰 시퀀스를 표시하도록 제어된다. 동시에, 백라이트의 광 출력의 지향성은 디스플레이 패널의 전환과 동기하여 다수의 방향들(의도된 뷰 방향에 대응함) 사이에서 전환된다.
광 출사-결합 형태부(44)는 예를 들어 대칭 또는 비대칭 프리즘 요소를 포함할 수 있으며, 광가이드의 상부 평면 또는 하부 평면(도 8에 도시됨) 상에 적용될 수 있다. 광가이드로부터 전체 패널을 가로지르는 균일한 출사-결합이 알려진 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 구조체의 높이 또는 밀도는 각각의 구조체의 상대적 출사-결합을 변경하기 위해 광가이드를 따라 조정될 수 있다.
콜리메이터(82a, 82b)는 생성된 광이 적어도 한 방향(광가이드 평면에 수직)으로 충분히 시준되는 것을 보장한다. 다른 방향에서, 광은 더 발산할 수 있다.
광 출사-결합 구조체(44)는 예를 들어 일반적인 평면 위로 상승된 스트라이프이고, 발산은 이 일반적인 평면에 평행한 평면에서 허용된다. 이러한 발산은 스트라이프의 길이에 수직인 평면, 즉 도 8의 평면에서 광의 방향에 의존하는 광 출사-결합 기능을 변화시키지 않을 것이다.
백라이트 유닛은 임의의 규정된 다른 각도들 하에서 시준된 광을 광가이드에 결합시킴으로써 다수의 방향들로 광을 발생시킨다. 광 결합은 예를 들어, 광가이드의 측부 상에 위치한 정적 또는 동적 전환 광학 요소들을 사용하여 여러 방식으로 실현될 수 있다.
다양한 예들은 하기에 기술된다.
광원으로부터의 광 출력은 임의의 시준 정도를 필요로 한다. 백라이트 유닛에서 나오는 광의 확산 각도는 광원의 지향성에 따라 결정된다. 내부 전반사(TIR) 콜리메이터, 반사기, 복합 포물선형 집중 장치(CPC) 또는 다른 광학 요소를 갖는 LED가 시준 광원으로 사용될 수 있다. 대안적으로, 레이저가 광원으로서 사용될 수 있다.
광은 한 방향, 즉 광가이드 평면에 수직인 방향(즉,도 8의 평면)에서 우선적으로 시준되고 광가이드 평면에 평행한 방향으로 발산될 수 있다.
필요한 시준 정도는 적용상황에 의존한다. 2개의 뷰를 갖는 휴대용 자동입체 장치의 경우, 하나의 뷰의 각도 폭은 약 4°이며, 이는 광가이드의 특정 설계를 위한 광원의 시준에 대한 요구 사항을 의미한다. 멀티 뷰 디스플레이의 경우 높은 시준의 정도가 요구될 수 있다.
백라이트에 의해 생성된 광 각도 강도 분포는 다수의 매개 변수에 의해 결정된다: 광원 지향성, 광가이드 내부의 광 전파 각도, 광가이드 물질의 굴절률, 주변 매체의 굴절률을 결정하는 빔 성형 요소, 출사-결합 구조체의 기하학적 형태를 포함한다. 파라미터들의 조합에 따라, 백라이트 유닛으로부터의 광 출력은 전체 180° 각도 범위를 커버할 수 있거나, 법선으로부터보다 작은 각도 범위(예를 들어, 0° 내지 90°)로 한정될 수 있다. 부가적인 광 회전 광학 포일(예를 들어, 광 재지향 프리즘을 갖는)을 사용하면, 클리핑된 출사되는 각도 광선 분포가 백라이트의 법선 방향을 중심으로 하는 분포로 변형될 수 있게 한다.
광가이드 내부의 광 전파 각도 범위를 제어하는 여러 방식이 있다. 한 방식은 광이 광가이드에 결합될 때 광을 제한하고 조종하는 것이다. 이러한 제어는 능동 광학 요소 또는 능동 전환 광원에 정합된 수동 요소를 사용하여 실현될 수 있다.
지향성 백라이트의 기능은 광가이드의 에지에 위치된 능동 빔 성형 광학 요소 및 추가의 빔 재지향 광학 구조체 층[도 12와 연계하여 하기에 기술된 층(120)]을 포함하는 일반적인 디자인의 광학 광선 추적 시뮬레이션의 결과에 의해서 하기에 기술된다.
광원은 광가이드 평면에 수직인 방향으로 시준되고(예를 들어, 4도 이하의 발산으로 시준됨) 그리고 광가이드면에서 발산된다. 이러한 발산은 예를 들어 60도 내지 180도 사이의 적절한 값(예 : 90도 각도)을 가질 수 있다.
하나의 평면에서의 시준은 직교 평면에서보다 훨씬 더 크게 이루어져, 이 문서에서 "부분적으로 시준된" 광 출력을 제공한다.
광원은 광가이드의 일 측부로부터 전기습윤 프리즘 요소와 같은 능동 광학 요소를 통해 결합된다. 이 예의 빔 성형 프리즘 요소는 광가이드 물질과 동일한 굴절률을 갖는 것으로 고려된다.
시뮬레이션 결과는 도 9 및 도 10에 도시된다.
도 9는 일반적 디자인에 따른 백라이트의 빔 소거 기능의 광선 추적 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 빔 출력 방향은 광가이드의 측부 상의 빔 성형 프리즘 요소의 각도의 함수로서 y축 상에 제시된다(이 각도는 x-축이다).
70°, 120° 및 160°의 빔 성형(입사-결합) 프리즘 정점각의 3 값에 대한 각도 강도 분포 맵은 도 5와 동일 정점을 사용하는 도 10에 도시된다.
도 11은 강도 맵을 사용하는 대신에 극좌표에서 도 10의 3개의 시뮬레이션의 각도 광 강도 분포를 도시한다.
결과는 생성된 뷰 각도를 백라이트의 법선 방향에서 ± 20 °의 각도 조정 범위에 대응하는, 70°내지 110°의 범위에서 조정할 가능성을 도시한다.
각도 조정 범위(큰 각도)의 한 측부에서, 광의 출사 폭은 약간 넓어지고, 뷰는 디스플레이가 광 안내 방향에 수직인 평면(즉, V가 90 °로부터 벗어남)에서 기울어질 때의 더욱 큰 왜곡을 나타낸다. 이러한 종류의 왜곡은 뷰의 절반이 디스플레이의 다른 측부에 위치한 광원 및 광학 요소에 의해 생성되는 경우, 디자인에서 크게 감소될 수 있다.
제 1 실시예는 이제 도 12를 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다.
이 제 1 실시예에서, 다른 광 출력 방향에 대한 광원은 광가이드의 일반적인 평면에 대해 다른 각도, 즉 다른 양각으로 배열된다. 동등하게, 이들은 광이 광가이드에 결합되는 에지 면에 대해서 다른 각도로 배열된다.
도 12는 평면도 및 단면도를 도시하며, 하나의 양각 또는 기울기의 각도를 갖는 한 세트의 광원(42a) 및 다른 양각 또는 기울기의 각도를 갖는 다른 세트의 광원(42b)을 도시한다.
광은 광가이드(40)의 입사-결합 에지에 대해 일정 각도로 시준된 광원을 배치함으로써 다른 광 전파 각도로 광가이드에 입사-결합된다. 예를 들어, 일 측면에서 하나의 고정된 각도 및 광가이드의 다른 측면에서 다른 고정된 각도에 대한 광원의 적어도 2개의 다른 각도 방향이 제공된다. 이는 백라이트 유닛에 의해 생성된 광의 적어도 2개의 주 전파 방향을 허용한다.
광가이드 내의 광 출사 구조체의 기하학적 형태 및 유형에 따라, 광의 재지향 필름(120)은 광을 적절한 방향으로 재지향시키는데 필요할 수 있다. 광 재지향 장치(120)와 조합된 광 전파 방향은 생성된 뷰에 대한 출사 각도를 결정할 것이다.
다른 뷰들의 전파를 담당하는 다른 유형의 광원을 턴온/턴오프해서 디스플레이 패널에 의해서 표시된 이미지들의 동기화로 인하여, 시간 순차적인 다중-뷰 디스플레이가 실현될 수 있다.
제 2 실시예는 이제 도 13에 대해서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
이 제 2 실시예에서, 다른 광 출력 방향에 대한 광원은 광 빔 성형 요소(130a, 130b)를 가진다. 이들은 광가이드의 측부에서 정적인 입사-결합 구조체이다. 이들 빔 성형 요소는 각각의 광원의 전방에 배치된다. 요소들은 광을 다른 각도로 광가이드에 결합시키는 점에서 다르다. 따라서, 바람직한 기울기는 제 1 예에서와 같이 기계적으로보다 광학적으로 실현된다. 광원을 전환함으로써, 입력 광은 원하는 각도로 광가이드에 진입하여 광가이드에서 나오는 광을 조종할 수 있다.
이 지향성 광원을 다시 사용하여 시간 순차 자동입체 패널에 대한 뷰를 만들 수 있다. 광을 광가이드에 결합시키는데 사용되는 빔 성형 구조체는 반사(거울) 또는 굴절(예를 들어, 프리즘) 광학 요소를 포함할 수 있다.
도 13의 예에서, 빔 성형 요소는 프리즘 구조체를 포함한다. 이 경우, 서로 다른 각도들로 광을 광가이드에 결합시키는데 사용되는 다른 상부 각도를 갖는 2개의 다른 유형의 입사-결합 빔 성형 요소(130a, 130b)가 형성된다.
프리즘 구조체는 일반적으로 입사 광을 두 방향으로 분할한다. 광가이드의 일반적인 평면에 대해 하향으로 지향된 각도는 광가이드로부터 결합될 것이다.
양의 각도(광가이드의 일반적인 평면에 대해 상향으로)로 광가이드에 결합되는 광은 광가이드 내에 홀수 번을 반사한 후에 결합될 수 있다. 따라서, 프리즘 구조체들이 각 광원을 2개의 주요 방향으로 분할하더라도 프리즘 구조체가 각 광원으로부터의 출사-결합 광의 단 하나의 주요 방향만이 존재할 것이다.
광가이드의 상부에는, 출사-결합 광을 법선 방향으로 지향시키는데 사용되는 프리즘 광 재지향 장치(120)가 있다.
이 실시예에서 생성될 수 있는 주요 출사-결합 방향의 총수 Ndir는 광의 입사-결합을 위해 사용되는 빔 성형 요소의 다른 유형의 수 Nin과 조명이 이루어지는 측의 수 Nsides의 곱:
Ndir = Nsides × Nin에 대해 제공된다.
따라서, 도시된 예에서, 방향들의 총 수는 4이다. 도 14에서, 이들 방향이 스케치된다. 이들 4 방향들 중 하나에 대응하는 광원에서 순차적으로 턴온됨으로써, 4개의 다른 뷰들이 생성될 수 있다.
제 3 예는 이제 도 15를 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
이 제 3 실시예에서, 다른 광 출력 방향에 대한 광원은 렌즈와 조합된 능동 이미터 매트릭스를 포함한다. 이 조합은 광가이드에 입사하는 광의 기울기 또는 양각을 다시 변경할 수 있는 빔 조종 방식으로 작용한다.
각각의 광원(42a, 42b)은 광 흡수 구조체 또는 코팅(156a, 156b)을 갖는 기계적 지지체(154a, 154b)에 의해 지지되는 광 이미터 매트릭스(150a, 150b) 및 렌즈(152a, 152b)를 포함한다.
이러한 방식으로, 다수의 다른 광학 요소를 필요로 하는 대신에, 광학 요소마다 다수의 광원들이 있을 수 있다. 렌즈는 일반적으로 초점 길이가 광원 위치와 대략 정합하는 원통형 렌즈이다. 결과적으로, 광원의 위치는 광가이드 법선에 대한 각도를 갖는 팬(157)으로 병진이동한다.
도 15는 이미터 매트릭스(150a)를 보다 상세하게 도시하고 LED와 같은 개개의 광원(158)을 도시한다. LED의 라인(159)은 하나의 특정 뷰 방향과 관련된다.
뷰들은 광원들을 선택적으로 전환함으로써 스캔될 수 있다. 렌티큘러 렌즈 어레이와 같은 다른 광학 요소들은 다수의 광 팬들을 단일 광원과 연계시키는데 사용될 수 있다. 이러한 렌티큘러 렌즈의 사용은 헤드 비추적 다중-뷰 동작에 바람직한 원추 반복을 생성한다.
제 4 실시예는 이제 도 16을 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
이 제 4 실시 예에서, 능동 즉 전환가능한 광학 요소는 다시 광가이드에 입사하는 광의 기울기 또는 양각이 변경되도록 하는 유사한 빔 조종 접근법을 실행하는데 사용된다.
광원(42a, 42b)은 다시 광가이드의 일반적인 평면에 대해 광가이드 내로 입사-결합되는 광의 조정 각도의 기능을 제공하는 능동 광학 요소(160a, 160b)에 제공되는 시준된 출력을 제공한다.
이들 능동 광학 요소는 광 입사-결합 방향의 동적 변화를 위해 광 입사-결합 방향 또는 굴절 요소(예를 들어, 전기습윤 프리즘)를 변경하기 위해 반사 요소(예를 들어, MEMS 미러)에 기초할 수 있다.
전자습윤 마이크로프리즘 어레이를 입사-결합 빔 성형 요소로 사용하는 경우, 마이크로프리즘 셀의 기하학적 구조체와 액체의 굴절률 조합의 선택에 따라 빔 편향이 상당히 크게 이론적으로 최대 30°까지 도달할 수 있다. 능동 광학 요소는 최대 kHz 주파수로 다른 각도들 사이에서 전환될 수 있다. 디스플레이 픽셀이 동일하거나 유사한 속도로 작동할 수 있는 경우, 여러 준-연속 시청 방향에서 많은 수의 뷰를 시간 순차적으로 생성할 수 있다.
능동 광학 요소(160a, 160b)는 그룹(예를 들어, 광가이드의 각각의 측부와 관련된 2개의 그룹)으로 분할될 수 있다. 그런 다음 각 그룹은 여러 뷰의 하위세트의 생성을 담당할 수 있다. 이는 능동 셀들 각각이 감소된 각도 범위에서 작동할 수 있게 하며, 전환 시간의 감소를 유발해야 한다.
내부 광가이드 출사-결합 형태부는 다른 디자인을 가질 수 있다.
제 1 세트의 예는 내부 전반사를 기초로 한다. 이들은 광이 광가이드로부터 추출되는 내부 전반사(TIR)에 의해 광을 전방 패널로 재지향시킨다.
광가이드로부터 추출된 광선의 각도 범위를 최대화하기 위해, 프리즘의 베이스에서의 바람직한 각도(β)(즉, 광가이드의 일반적인 평면에 대한 반사면의 각도)는 관계식을 따라야 한다:
cos(2β) = 1/nlg
여기서, nlg는 (공기와 접촉하는 프리즘형 리세스에 대한) 광가이드의 물질의 굴절률이다. 광 출사-결합 구조체가 굴절률 no을 갖는 다른 매체와 접촉하고 있을 때, 보다 일반적으로 이 조건은
cos(2β) = no/nlg으로 변형된다.
이것은 광가이드에서 추출될 수 있는 광선의 각도 범위를 최대화한다. β = 0(추출 구조체 없음)인 경우, 광은 중간 값 β(즉, cos(2β)> no/nlg)에 대하여 전혀 추출되지 않고, 광가이드로부터의 광 분포는 임의의 중간 폭을 가지며, 그리고 β = {cos-1(n0/nlg)}/2에 대해서, 추출될 수 있는 각도 본포의 폭은 도 6에 도시된 바와 같이, 90도이다.
제 2 세트의 예는 반사면(즉, 입사각에 무관한)을 갖는 추출 형태부에 기초한다. 광가이드의 후평면에서의 광 출사-결합 구조체는 예를 들어 광 반사 코팅(예를 들어, 금속)으로 코팅된다. 출사-결합 구조체에서 내부 전반사가 필요하다는 제약이 더 이상 존재하지 않기 때문에, 보다 넓은 범위의 각도 β(출사-결합 프리즘의 베이스)를 선택할 수 있다.
β의 함수로서 출사-결합 광의 최대 폭이 계산되었고 그 결과가 프리즘 베이스 각도 β(x-축)에 대한 광 출력 폭(y-축)을 나타내는, 도 17에 도시된다. 출사 광의 각도 폭을 최대화하기 위해 β는 다음과 같이 선택될 수 있다:
sin-1[namb/nlg] ≤ β ≤ (90°-sin-1[namb/nlg]
PMMA의 경우, 이는 42 내지 48 도의 β 값에 해당한다. 이러한 β 값의 경우, 출사-결합 광은 입사-결합 광의 방향에 따라 -90도 내지 90도 범위에 있을 수 있다.
PMMA 물질로 만들어진 광가이드(n = 1.48) 및 내부 전반사를 통해 광의 재지향이 이루어지는 프리즘 홈을 기초로 한 출사-결합 구조체에 의해서, 내부 광출사-결합 프리즘의 정점각은 (β = 44 도가 되도록) 132 °로 최적화되어서, 상술한 바와 같이, cos (2β) = 1/n의 조건을 만족시킨다.
도 17은 공기 중에서 PMMA로 제조된 광가이드에 대한 것이다. 원추 폭이 180도에서 최대인 β의 작은 범위가 있다.
상기의 일부 예들은 광가이드 위에 재지향 필름(120)의 형태의 광 재지향 장치를 사용한다. 이것은 예를 들어, 백라이트 유닛으로부터의 (직접적인) 광 출력이 법선으로부터의 각도 범위(예를 들어, 0° 내지 90°)로 제한되는 경우에 필요하다. 이는 출력 광이 한 측부 상에서 클립되는 경우이다. 이 각도 광 분포는 지향성 백라이트 유닛이 멀티 뷰 디스플레이에 보다 직선방향으로 적용될 수 있게 하는 법선 방향을 중심으로 하는 분포로 변형될 수 있다.
법선 방향을 향한 광의 재지향을 위한 구조체를 포함하는 추가의 광학 필름은 광가이드의 상부에 배치된다. 구조체는 물질의 굴절률(예를 들어, PMMA의 경우 약 55°)에 기초하여 선택될 수 있는 정점각을 갖는 프리즘형 요소일 수 있고, 광가이드를 향하여 배향될 수 있다.
반사 코팅을 구비한 출사-결합 구조체의 예와 비교하여, 내부 전반사의 경우에 기초한 예에서의 광가이드의 프리즘 홈의 광 출사-결합 구조체는 더 작은 베이스 각도를 가질 수 있다. 결과적으로 출사-결합 구조체가 더 평평해지고 제조가 더 쉬워질 수 있다.
광가이드의 상부에 재지향 프리즘을 부가함으로써, 출사되는 각도 광선 분포가 백라이트의 법선 방향을 중심으로 하는 분포로 변환될 수 있다. 55 도의 최적 정점각은 이 재지향을 달성한다. 이러한 설계로, 광가이드 측부에서 프리즘의 각도를 조정함으로써, 예를 들어 출사 빔이 법선으로부터 ± 20°범위에서 스캔될 수 있다. 프리즘 각도와 빔 방향 사이의 이러한 관계는 상술한 도 9에 도시되어 있으며, 대략 90 ± 20°범위에서 조절가능한 출력 빔 방향을 보여준다.
제 5 실시예는 이제 도 18에 대해서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
이 제 5 실시예에서, 능동 광학 요소들은 뷰 변이를 마스크하기 위해 전환가능한 광원과 조합하여 사용된다.
능동 광학 요소의 일부 이행형태의 가능한 단점은 임의의 2개의 광학 모드들 사이를 전환하는데 필요한 시간이다. 이 변이 과정 중에, 보이는 고스트 현상이나 평범한 블랙 레벨을 피하기 위해 광원을 턴 오프해야 한다. 광학 요소의 전환 시간은 낮은 뷰 카운트 또는 인지가능한 플리커 및 낮은 휘도를 초래할 수 있다.
전환 시간은 플리커없는 동작을 가능하게 하기 위해 다수의 광원 및 광학 요소 조합이 동기하여 작동하는 스캐닝 백라이트 접근법에 의해 은폐될 수 있다. 각 조합은 "변이" 또는 "실행" 상태에 있다.
도 18의 예는 도 18(a) 내지 도 18(d)에 순차적으로 도시된 4개의 서브 프레임을 갖는 백라이트를 가진다. 각 서브 프레임에서 2개의 뷰 또는 모드 "A" 및 "B"가 능동으로 된다. 모드 "A" 및 "B"는 예를 들어 단일 시청자의 좌안 및 우안 또는 시청자 "A" 및 "B"에 대응할 수 있다. 서로 다른 뷰는 각 프레임의 다른 시점에 해당할 수 있다.
ON 또는 OFF 라벨은 광원이 켜져 있는지 또는 꺼져 있는지를 나타낸다. 각 광원은 콜리메이터에 출력을 제공한 다음 조종가능한 광학 시스템에 출력한다. 각 광원은 모드 A(광원 ON), 모드 B(광원 OFF), 모드 B(광원 ON), 모드 A(광원 OFF)로 전환 순서로 진행된다. 이러한 방식으로, 광원은 빔 조종 시스템이 준비될 때만 켜지며 광원을 지그재그배열함으로써 불연속성이 없다.
이러한 장치는 플리커에서 감소를 가능하게 한다.
도 18의 시스템에서, "모드 A" 및 "모드 B" 광원의 광은 혼합되지 않도록 배치된다. 이것은 광가이드의 평면에서 광원의 부분 시준에 의해 달성될 수 있거나 또는 광이 스트립 측벽 상의 내부 전반사에 의해 스트립 내에 한정되도록 다수의 광가이드 스트립이 존재할 수 있다.
완벽하게 시준된 백라이트 유닛은 백라이트의 모든 영역으로부터 동일한 광 출력 방향을 가질 것이다. 백라이트의 각도 광 분포가 충분히 좁아서, 디스플레이의 뷰보다 작으면, 이것은 디스플레이의 모든 영역이 아닌 광이 관찰자의 눈에 도달할 수 있는 원치 않는 효과를 생성할 수 있다(디스플레이의 일부가 어둡게 나타난다).
일반적인 렌티큘러 기반 자동입체 디스플레이의 경우, 이 소위 시점 보정은 디스플레이 서브-픽셀의 피치와 렌티큘러 렌즈 피치 사이의 불일치로 실현된다. 이러한 방식으로, 디스플레이의 측부에서의 픽셀로부터의 광은 디스플레이 패널의 중심으로부터의 광에 대해 다른 방향으로 지향된다. 지향성 백라이트 유닛에 대해, 각도 분포의 이러한 보정은 재지향 광학 포일의 레벨 또는 (포일이 사용되지 않는 경우) 광가이드 내에서 광 출사-결합 구조체의 레벨에서 실현될 수 있다. 보정은 백라이트의 길이를 따라 구조체 기하학적 형태(재지향 프리즘 또는 다른 광 출사-결합 구조체의 각도)의 공간 선택 조정을 필요로 한다.
목적은 백라이트의 상부면으로부터의 광 출사 각도(광 재지향막을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있음)가 광이 상부면의 모든 위치로부터 공통 시점에 도달하도록 상부면 위의 위치 함수로서 변화하는 것을 보장하는 것이다. 이 공통 시점은 백라이트의 두 가지 모드에서 다를 수 있지만, 디스플레이에서 동일한 거리에 있으므로 한 시점은 사용자의 한쪽 눈의 예상 위치이고 다른 시점은 사용자의 다른 눈의 예상 위치이다.
디스플레이 치수의 범위에 대한, 일반적인 시야가 7 내지 12도(반각) 이내이다. 광학 시뮬레이션은 디자인에 대해 수행되었으며 각도 분포 보정은 광의 재지향 필름 수준에서 실현된다. 프리즘 구조체의 각도는 백라이트의 중심선으로부터의 거리의 함수로 수정된다. 백라이트 측의 출사 광 방향의 각도 보정은 ± 10°(광은 시청자를 향해 기울어짐)로 선택되었다.
수정된 광 재지향 플레이트를 갖는 이 디자인을 위한 백라이트의 빔 소거(sweeping) 기능은 광학 모델링에 의해 도 9 내지 도 11에 제시된 범위와 동일하게 검사되었다. 백라이트의 중심 및 측부로부터의 광선은 동일한 시청 영역으로 수렴되어 백라이트의 전체 각도 조정 범위(± 20°)에 대한 효과적인 시점 보정을 제공한다.
일부 디스플레이 시스템은 시청자 위치의 헤드 추적을 사용한다. 이러한 시스템에서, 능동 광학 요소들의 구동은 특정 시청자 위치(또는 다수의 시청자들)에 대한 최상의 편안함을 위해 특정한 방향으로 뷰를 생성하도록 조정될 수 있다.
지향성 백라이트 구성요소는 자동입체 멀티 뷰 3D 디스플레이 및 프라이버시 모드를 갖는 디스플레이에 적용할 수 있다.
개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 실행될 수 있다. 청구범위에서, "포함한다"라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 단수표현은 복수를 배제하지 않는다. 특정 측정 값이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 이 측정 값의 조합을 활용할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 청구 범위 내의 모든 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 디스플레이 백라이트에 있어서,
    평행한 상부면(40a) 및 하부면(40b)과, 한 쌍의 반대편 측부 에지들(40c)을 갖는 광가이드로서, 광 출력이 상기 상부면(40a)으로부터 나오는, 상기 광가이드;
    상기 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 양자 모두에서 광을 상기 광가이드 안으로 제공하기 위한 광원 장치(42); 및
    광이 광 출사-결합 구조체들의 위치에서 상기 광가이드로부터 탈출하도록 광을 재지향시키기 위해 평행한 상기 상부면 또는 하부면에 형성된 상기 광 출사-결합 구조체들(44)의 어레이를 포함하고,
    상기 광원 장치는 상기 광가이드 안으로 진입하는 적어도 제 1 및 제 2 광 출력들 중 선택된 하나를 제공하도록 제어가능하고, 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 적어도 부분적으로 시준되고 상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대해서 다른 양각 방향으로 그리고 에지 대 에지 방향을 가로질러 상기 제 1 및 제 2 광 출력들을 상기 광가이드 안으로 진입시키도록 구성되고, 상기 광가이드 안으로 진입하는 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 결과적으로 상기 상부면(40a)으로부터 다른 광 출력 각도들이 되는, 디스플레이 백라이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에서 상기 광가이드의 형상은 직사각형인, 디스플레이 백라이트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 상기 측부 에지들 사이에서 연장되는 법선 평면에서 다른 출사 각도 범위를 갖고 상기 광가이드로부터 탈출하는 광이 되는, 디스플레이 백라이트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 적어도 상기 상부면 및 하부면과 수직인 평면에서 시준되는, 디스플레이 백라이트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 출사-결합 구조체들은 상기 측부 에지들과 평행하게 연장되는 프리즘 스트라이프들(120)을 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 다른 각도들로 설치되는 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원 장치는 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 상기 광가이드 안으로의 광 출력 각도를 세팅하기 위한 관련 빔 성형 요소를 각각 구비한, 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔 성형 요소들은 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대한 특정 광 출력 각도에 대해서 설계된 정적 프리즘 구조체들; 또는
    프리즘 장치들과 같은 동적 빔 성형 요소들을 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원 장치는 광 이미터 어레이 및 출력 렌즈를 각각 포함하는 적어도 제 1 및 제 2 광원들을 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광가이드의 상부면 위의 광재지향 장치를 추가로 포함하는, 디스플레이 백라이트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부면으로부터의 광 출력 각도들은 광이 상기 상부면의 모든 위치들로부터 공통 뷰 지점에 도달하도록 상기 상부면 위의 위치 함수로서 변화되는, 디스플레이 백라이트.
  12. 자동입체 디스플레이 장치 또는 프라이버시 디스플레이(privacy display)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 백라이트; 및
    디스플레이 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 픽셀들(5)의 어레이를 가지며 상기 백라이트에 의해서 조명되는 디스플레이 패널(3)을 포함하는, 자동입체 디스플레이 장치 또는 프라이버시 디스플레이.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제어기를 포함하고, 상기 제어기는 2개의 모드들로 상기 디스플레이를 작동시키도록 구성되고, 상기 2개의 모드들은:
    제 1 광 출력이 상기 광가이드 안으로 제공되고 상기 디스플레이 패널이 제 1 이미지를 표시하도록 제어되는 제 1 모드; 및
    제 2 광 출력이 상기 광가이드 안으로 제공되고 상기 디스플레이 패널이 제 2 이미지를 표시하도록 제어되는 제 2 모드로 구성되고,
    상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 모드들을 시간 순차적으로 실행하도록 구성되는, 자동입체 디스플레이 장치.
  14. 백라이트로부터의 광 출력의 방향을 제어하는 방법에 있어서,
    평행한 상부면(40a) 및 하부면(40b)과, 한 쌍의 반대편 측부 에지들(40c)을 갖는 광가이드 안으로 광을 제공하는 단계로서, 상기 광이 상기 반대편 측부 에지들 중 하나 또는 양자 모두에게 제공되는 상기 단계; 및
    광이 광 출사-결합 구조체들의 위치에서 상기 상부면으로부터 상기 광가이드로부터 탈출하도록 광을 재지향시키기 위해 평행한 상기 상부면 또는 하부면에 형성된 상기 광 출사-결합 구조체들(44)의 어레이를 사용하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 상기 평행한 상부면 및 하부면의 평면에 대해서 그리고 각각 상이한 각도 방향을 갖는 적어도 제 1 및 제 2 광 출력들 사이에서 에지 대 에지 방향을 가로질러 상기 광가이드로 진입하는 광의 양각 방향을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 광가이드 안으로 진입하는 상기 제 1 및 제 2 광 출력들은 결과적으로 상기 상부면(40a)으로부터 다른 광 출력 각도들이 되는, 제어 방법.
  15. 자동입체 디스플레이 장치의 제어 방법에 있어서,
    제 14 항에 기재된 방법을 사용하여 백라이트로부터 광 출력 방향을 제어하는 단계;
    상기 백라이트로부터의 상기 광 출력을 디스플레이 패널로 제공하는 단계; 그리고
    상기 디스플레이 패널에 의해서 표시된 이미지를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 디스플레이 장치는 그에 의해서 2개의 모드들로 작동되고, 상기 2개의 모드들은:
    제 1 광 출력이 상기 광가이드로 진입하고 상기 디스플레이 패널이 제 1 이미지를 표시하도록 제어되는 제 1 모드; 및
    제 2 광 출력이 상기 광가이드로 진입하고 상기 디스플레이 패널이 제 2 이미지를 표시하도록 제어되는 제 2 모드로 구성되고,
    상기 제 1 및 제 2 모드들은 시간 순차적으로 제공되는, 자동입체 디스플레이 장치의 제어 방법.
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