KR20180053936A - 3차원 디스플레이용 가상 이동 렌즈 - Google Patents

3차원 디스플레이용 가상 이동 렌즈 Download PDF

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김학린
박민규
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3D 디스플레이용 가상 이동 렌즈에 관한 것이다. 상기 가상 이동 렌즈는, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성된 제1 편광 의존형 렌즈; 및 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성되며, 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 표면에 적층된 제2 편광 의존형 렌즈;를 구비하고, 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈가 렌즈로 구동되는 편광 방향은 서로 수직이 되도록 하여, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나만 렌즈로 구동되도록 구성된다. 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되게 배치되어, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 초점 위치가 이동되어 가변되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로의 구동이 결정되는 편광 의존형 렌즈들을 적층하여 구성하고, 인가 전압에 따라 고속 구동되는 편광 스위칭부를 이용하여 입사되는 빛의 편광 방향을 스위칭시킴으로써, 렌즈의 물리적인 위치 이동없이 초점 위치를 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 디스플레이용 가상 이동 렌즈 및 그 제조 방법{Virtual movement lens for 3D display and fabrication method thereof}
본 발명은 3차원 디스플레이용 가상 이동 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로의 구동이 결정되는 2개의 편광 의존형 렌즈를 적층하여 구성하고 전기적 스위칭으로 입사되는 빛의 편광 방향을 제어함으로써, 마이크로 렌즈 어레이의 초점 위치를 이동할 수 있도록 구성된 3차원 디스플레이용 가상 이동 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 3차원 디스플레이 장치에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 3차원 디스플레이는 구현 방식에 따라 양안시차 방식을 이용하는 stereoscopic 방식, 집적영상방식, 홀로그래픽 방식, 체적형 3D 디스플레이 방식 등으로 분류된다. 이들 중 스테레오스코픽 방식의 디스플레이 장치는 안경을 이용하여 3D 디스플레이를 구현하는 안경식 방식과 안경을 사용하지 않는 무안경식 방식으로 구분된다. 일반적으로 안경을 사용하지 않고 3D 디스플레이를 구현하는 방식을 auto-stereoscopic 3D 디스플레이라 하며, 여기에는 multi-view 디스플레이 및 집적 영상 디스플레이가 있다.
무안경식 3차원 디스플레이 장치는 2D 영상물과 3D 영상물을 모두 지원할 수 있도록 하기 위하여, 2D와 3D 모드를 선택할 수 있는 형태로 구현되어야 하는데, 이를 구현하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술들 중 하나는 시청자가 3D 영상을 관람할 경우에만 능동적으로 렌즈로 구동되는 렌즈 어레이 구조체(Lens array structure)를 2D 디스플레이 위에 형성하는 것이다. 이러한 능동형 렌즈를 구현할 수 있는 대표적인 기술로는 전기습윤 현상(electrowetting effect)을 이용하는 방법과 액정의 전기광학 효과를 이용하는 방법이 있다.
Multi-view 디스플레이는 패럴럭스 베리어 및 마이크로렌즈 어레이의 두가지 타입으로 분류할 수 있다. 패럴럭스 베리어는 원치 않는 빛을 차단하는 구조로써, crosstalk(영상겹침현상) 측면에서는 유리하나, 슬릿에 의해 빛이 차단되므로 전체 휘도 특성이 매우 좋지 않으며, 특히 시점수가 많아질수록 급격하게 휘도가 감소ㅎ하게 되는 문제점이 있다. 마이크로렌즈 어레이를 이용한 Multi-view 3D Display는 휘도 감소가 거의 없이 3D 영상을 구현할 수 있으며, 수평 시차만 구현할 경우 렌티큘라 렌즈 등과 같은 1D 배열 마이크로렌즈 어레이가 적용되며, 수평/수직 시차를 구현할 경우 2D 배열 마이크로렌즈 어레이가 적용되며, 집적 영상 디스플레이도 2D 배열 마이크로렌즈 어레이가 적용된다.
도 1은 Multi-view 3D 디스플레이를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 5 시점의 3D 디스플레이에서 렌티귤라 렌즈를 통해 5 시점이 형성되는 것을 알 수 있다.
View zone에서 여러 개의 view를 가지는 multi-view 3D 디스플레이는 양안시차를 제공함과 동시에, view zone 내에서 시청자가 이동함에 따라 다른 영상이 보이게 된다. 예를 들면, 정면에서는 물체의 정면모습이 보이며, 시청자가 옆으로 이동함에 따라 물체의 옆모습이 보이게 된다. 이와 같이, 주어진 view zone에서 view 수가 많으면 많을수록 연속적이고 자연스러운 운동시차를 느낄 수 있게 되고, 특히, 약 2mm의 크기를 갖는 사람의 동공에 2개 이상의 view가 맺히면 수렴-초점 불일치 문제를 해결할 수 있게 된다. 이러한 3D디스플레이를 초다시점 3D 디스플레이라 한다.
3D 영상을 시청할 때, 수정체의 두께에 의해 조절된 초점위치는 디스플레이 패널 앞이지만, 양 눈의 수정체간의 각도에 의해 인지하는 위치는 디스플레이 패널, 이에 따라 초점에 의해 인지하는 깊이정보와 수렴에 의해 인지하는 깊이정보가 달라 어지러움을 유발하게 되는데, 이를 수렴-초점 불일치(vergence-accommodation conflict) 라고 한다.
그러나, 주어진 view zone에서 view 수(angular resolution)가 증가할수록 3D 영상의 해상도(lateral resolution)는 감소하게 된다. 3D 영상의 해상도는 2-view일 때 2D 디스플레이 해상도의 1/2이 되며, 3-view일 때 2D 디스플레이 해상도의 1/3이 되며, 10-view일 때 2D 디스플레이 해상도의 1/10이 된다. 따라서, view 수(angular resolution)와 3D 영상의 해상도(lateral resolution)는 trade-off 관계가 갖게 된다. 전술한 Angular resolution와 lateral resolution의 trade-off 관계는 집적영상디스플레이(Integral imaging)에서도 동일하게 적용된다.
기존의 연구에서는 물리적인 힘으로 렌즈를 이동시켜 다시점 디스플레이를 구현하였으나, 물리적인 힘이나 도구를 이용하여 렌즈를 이동시키는 경우 시분할 기술의 적용이 어려우며, 시스템의 부피가 커지게 되고 시스템의 안정도(stability)가 떨어지는 문제점들이 발생하게 된다.
한국등록특허공보 제 10-0462574호 한국등록특허공보 제 10-1360780호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시점수의 감소없이 3D 영상의 해상도를 증가시키거나 3D 영상의 해상도 감소없이 시점수를 증가시킬 수 있도록 하기 위하여, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈의 위치가 이동되는 3D 디스플레이용 가상 이동 렌즈를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 가상 이동 렌즈의 제작 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 가상 이동 렌즈는, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성된 제1 편광 의존형 렌즈; 및 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성되며, 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 표면에 적층된 제2 편광 의존형 렌즈;를 구비하고,
상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈가 렌즈로 구동되는 편광 방향은 서로 수직이 되도록 하여, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나만 렌즈로 구동되도록 구성된다.
전술한 제1 특징에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되게 배치되어, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 초점 위치가 이동되어 가변되는 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈는, 렌즈의 역상 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자로 이루어진 제1 렌즈 구조체; 제1 방향으로 배향된 액정상 고분자 물질로 이루어지고 상기 제1 렌즈 구조체에 형성된 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈 구조체와 제1 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제1 RM 배향막;을 구비하고,
상기 제2 편광 의존형 렌즈는, 렌즈의 역상 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자로 이루어진 제2 렌즈 구조체; 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어지고 상기 제2 렌즈 구조체에 형성된 제2 렌즈; 및 상기 제2 렌즈 구조체와 제2 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제2 RM 배향막;을 구비하고, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 구성하는 액정상 고분자의 배향 방향은 서로 수직인 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 상기 가상 이동 렌즈는 인가되는 전압을 조절하여 입사되는 광의 편광 방향을 선택적으로 변환시키도록 구성된 편광 스위칭부를 더 구비하고, 상기 편광 스위칭부는 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나의 표면에 배치되어, 이들로 입사되는 빛의 편광 방향을 제어할 수 있도록 한 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈는 1차원 배열의 렌티큘라 렌즈로 구성되거나, 2차원 배열의 렌즈로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법은, (a) 렌즈 역상의 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자 물질로 이루어진 제1 렌즈 구조체내에 제1 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어진 제1 렌즈로 구성된 제1 편광 의존형 렌즈를 제작하는 단계; (b) 렌즈 역상의 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자 물질로 이루어진 제2 렌즈 구조체내에 제2 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어진 제2 렌즈로 구성된 제2 편광 의존형 렌즈를 제작하는 단계; (c) 제1 편광 의존형 렌즈의 표면에 광경화성 수지를 도포하는 단계; (d) 상기 광경화성 수지가 도포된 표면에 제2 편광 의존형 렌즈를 정렬하여 배치한 후, 상기 광경화성 수지를 광경화시켜 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈를 접착시키는 단계; 를 구비하고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 가상 이동 렌즈 제작 방법은, (e) 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈로 입사되는 광의 편광 방향을 선택하기 위한 편광 스위칭부를 제작하여 상기 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나의 표면에 배치하는 단계;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a1) 기판위에 광학적 등방상 고분자층을 형성하는 단계; (a2) 상기 광학적 등방상 고분자층에 렌즈 형상의 스탬프를 임프린팅하고 광경화시켜 광학적 등방상 고분자층의 상부 표면에 렌즈 역상의 구조를 갖는 제1 렌즈 구조체를 완성하는 단계; (a3) 액정상 고분자를 제1 방향으로 배향시키기 위한 RM 배향막을 상기 제1 렌즈 구조체의 임프린팅된 표면에 형성하고 제1 방향을 따라 러빙하는 단계; (a4) 제1 렌즈 구조체의 상부에 추가의 RM 배향막이 형성된 필름 기판을 덮는 단계; (a5) RM 배향막과 추가의 RM 배향막에 의해 형성된 제1 렌즈 구조체의 내부에 액정상 고분자를 주입시킨 후 경화시켜, 렌즈 형상의 액정상 고분자로 이루어진 제1 렌즈를 형성하는 단계; (a6) 상기 추가의 RM 배향막이 형성된 필름 기판을 분리하여 제거하는 단계;를 구비하여 제1 편광 의존형 렌즈를 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 (a3) 단계는, 렌즈 역상의 구조를 갖는 제1 렌즈 구조체의 임프린팅된 표면에 UV 오존처리를 하여 친수성화시킨 후, 친수성화된 표면에 RM 배향막을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되도록 정렬시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로의 구동이 결정되는 2개의 편광 의존형 렌즈들을 적층시킴으로써, 렌즈의 물리적인 위치 이동없이도 입사되는 빛의 편광 방향을 스위칭하여 초점 위치를 이동시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 고속 구동 가능한 편광 스위칭 소자를 도입함으로써, field switching 으로 시분할 기술을 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 시분할 기술과 함께, 시점 수의 감소없이 3D 영상의 해상도를 증가시키거나 3D 영상의 해상도 감소없이 시점 수를 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 광경화성 액정상 고분자를 이용하여 렌즈를 구성함으로써, 종래의 액정을 이용한 렌즈와는 달리, 액정상 고분자를 광경화시켜 고형화시킨 후 기판으로 사용된 필름들을 모두 제거할 수 있게 된다. 그 결과, 서로 적층되는 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈의 사이의 이격 거리(Gap)을 최소화시킬 수 있게 된다. 이로써, 각 렌즈 사이의 갭에 의해 각각의 렌즈에 의한 초점이 맺히는 위치가 달라지게 되는 문제점을 최소화시킬 수 있게 된다.
도 1은 Multi-view 3D 디스플레이를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에서 사용되는 편광 의존형 렌즈의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, Square 형상의 2차원 배열의 렌즈로 구성된 경우 렌즈의 초점에 대한 이미지를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 2D Hexagonal 형상의 2차원 배열의 렌즈로 구성된 경우 렌즈의 초점에 대한 이미지를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 편광 의존형 2D Hexagonal 배열의 마이크로렌즈 어레이에 대하여 crossed polarizer 상에서 관측된 현미경 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 1D 렌티큘라 렌즈들로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 포커싱 빔(focusing beam) 이미지를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 2D Hexagonal 배열 구조들로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 포커싱 빔(focusing beam) 이미지를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 2D Hexagonal 배열 구조로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 Image plane 에서 캡쳐한 이미지를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 제작 방법에 있어서, 제1 또는 제2 편광 의존형 렌즈를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 제작 방법에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 합착하여 가상 이동 렌즈를 완성하는 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로의 구동이 결정되는 편광 의존형 렌즈들을 적층하여 구성하고, 인가 전압에 따라 고속 구동되는 편광 스위칭부를 이용하여 입사되는 빛의 편광 방향을 스위칭시킴으로써, 렌즈의 물리적인 위치 이동없이 초점 위치를 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에서 사용되는 편광 의존형 렌즈의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 편광 의존형 렌즈(20)는 마이크로렌즈의 역상의 구조로 이루어진 렌즈 구조체(200) 및 상기 렌즈 구조체의 내부를 채운 액정상 고분자(Reactive Mesogen ; 'RM')로 이루어진 렌즈(210)를 구비하며, 액정상 고분자는 마이크로렌즈의 한 방향으로 배향되어 구성되어 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈가 온(On)/오프(Off) 되는 구조를 갖는다. 일반적으로, 막대 모양으로 구성된 액정상 고분자는 복굴절 특성을 가지며, 액정상 고분자의 장축 방향의 굴절률은 ne이며, 단축 방향의 굴절률은 no이다. 따라서, 액정상 고분자는 입사하는 광의 편광 방향에 따라 굴절률이 ne 또는 no 중 하나로 결정된다. 한편, 렌즈 구조체(200)는 광학적 등방상 고분자로 구성되며, 굴절률이 np이며 np는 RM의 단축 방향의 굴절률 no와 일치한다.
도 2의 (a)와 같이, 편광 스위칭부(22)에 전압이 인가된 ON 상태에서 입사하는 편광 방향이 단축 방향과 일치하는 경우, RM의 굴절률은 no 이며, 이는 렌즈 구조체의 굴절률 np와 일치하여 렌즈 기능이 사라지게 된다. 한편, 도 2의 (b)와 같이, 편광 스위칭부(22)에 전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서 입사하는 편광 방향이 장축 방향과 일치하는 경우, RM의 굴절률은 ne 이며, 이는 렌즈 구조체 굴절률 np와 불일치하여 렌즈로써 동작하게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈(30)는 제1 편광 의존형 렌즈(300), 제2 편광 의존형 렌즈(310) 및 편광 스위칭부(320)를 구비한다. 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 편광 스위칭부(320)는 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들과 일체형으로 구성되거나, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들과 별개로 제작될 수도 있다. 다만, 본 발명에서는 설명의 편의상 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들과 편광 스위칭부가 일체형으로 구성된 것으로 기준으로 설명한다.
상기 제1 편광 의존형 렌즈(300) 및 제2 편광 의존형 렌즈(310)는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성되며, 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈는 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나만 렌즈로 구동되도록 구성되어, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 초점 위치가 이동되어 가변된다.
상기 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제1 편광 의존형 렌즈(300)는 제1 렌즈 구조체(302) 및 제1 렌즈(304)를 구비한다. 상기 제1 렌즈 구조체(302)는 광학적 등방상 고분자로 이루어지며 마이크로렌즈의 역상의 형태로 구성된다. 상기 제1 렌즈(304)는 제1 방향으로 배향된 액정상 고분자(Reactive Mesogen)로 이루어지고 상기 제1 렌즈 구조체에 형성된다.
상기 제2 편광 의존형 렌즈(310)는 제2 렌즈 구조체(312) 및 제2 렌즈(314)를 구비하여 제1 편광 의존형 렌즈와 동일한 구조로 이루어지되, 제2 렌즈의 액정상 고분자의 배향 방향과 제1 렌즈의 액정상 고분자의 배향 방향은 서로 수직이 되도록 배치된다.
상기 제1 편광 의존형 렌즈는 상기 제1 렌즈 구조체와 제1 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제1 RM 배향막을 더 구비하고, 상기 제2 편광 의존형 렌즈는 상기 제2 렌즈 구조체와 제2 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제2 RM 배향막을 더 구비하는 것이 바람직하다.
제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈는 서로 적층된 구조로 이루어지는데, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 렌즈의 RM면과 제2 렌즈의 RM면이 서로 접하도록 적층되거나, 제1 렌즈의 RM면과 제2 렌즈 구조체의 등방상 고분자면이 접하도록 적층되거나, 제1 렌즈 구조체의 등방상 고분자면과 제2 렌즈의 RM면이 접하도록 적층되거나 제1 렌즈 구조체의 등방상 고분자면과 제2 렌즈 구조체의 등방상 고분자면이 접하도록 적층되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 광경화성 액정상 고분자로 제작함으로써, 액정상 고분자를 광경화시켜 필름 상태로 고형화시킨 후 기판을 제거할 수 있으며, 그 결과 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 사이의 갭(Gap)을 최소화시킬 수 있게 된다. 만약 렌즈를 액정으로 제작하는 경우, 기판이 제거할 수 없게 되어 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 사이에 Gap이 존재하게 된다. 적층된 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 사이의 Gap이 최소화되지 않을 경우, 각각의 렌즈에 의한 초점이 맺히는 위치가 달라지게 되는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 광경화성 액정상 고분자를 이용함으로써, 광경화후 액정상 고분자가 고형화되어 기판으로 사용된 상부 필름을 제거할 수 있으며, 그 결과 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 사이의 갭을 최소화시킬 수 있게 된다.
상기 편광 스위칭부(320)는 인가되는 전압에 따라 입사된 광의 편광 방향을 선택적으로 변환시켜 출력하여 상기 제1 편광 의존형 렌즈 또는 제2 편광 의존형 렌즈로 입사시키게 된다. 상기 편광 스위칭부는 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나의 표면에 배치되어, 이들로 입사되는 빛의 편광 방향을 제어할 수 있도록 한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 편광 스위칭부(320)에 의해 가상 이동 렌즈로 입사되는 빛의 편광이 Y축 방향인 경우, 제2 편광 의존형 렌즈에서는 제2 렌즈(314)가 no 의 굴절률을 가지게 되어 제2 렌즈(314)와 제2 렌즈 구조체(312) 간의 굴절률이 일치하여 빛이 굴절없이 진행하게 되며, 제1 편광 의존형 렌즈(300)에서는 제1 렌즈(304)가 np 의 굴절률을 가지게 되어 제1 렌즈(304)와 제1 렌즈 구조체(302) 간의 굴절률이 불일치하여 빛이 굴절하게 된다.
도 3의 (b)를 참조하면, 편광 스위칭부(320)에 의해 가상 이동 렌즈로 입사되는 빛의 편광이 X축 방향인 경우, 제2 편광 의존형 렌즈에서는 제2 렌즈(314)가 np 의 굴절률을 가지게 되어 제2 렌즈(314)와 제2 렌즈 구조체(312) 간의 굴절률이 불일치하여 빛이 굴절하여 진행하게 되며, 제1 편광 의존형 렌즈(300)에서는 제1 렌즈(304)가 no의 굴절률을 가지게 되어 제1 렌즈(304)와 제1 렌즈 구조체(302) 간의 굴절률이 일치하여 빛이 굴절없이 진행하게 된다.
한편, 제1 편광 의존형 렌즈의 액정상 고분자와 제2 편광 의존형 렌즈의 액정상 고분자가 서로 수직인 방향으로 배향되어 구성됨으로써, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나만이 렌즈로 구동하게 된다. 또한, 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되도록 배치됨으로써, 입사되는 빛의 편광 방향에 의해 구동되는 렌즈에 따라 가상 이동 렌즈의 초점의 위치가 이동하게 된다.
상기 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈는 1차원 배열의 렌티큘라 렌즈로 구성되거나, 사각형 또는 육각형 형상의 2차원 배열의 렌즈로 구성될 수 있다. 특히, 2차원 배열의 렌즈로 구성하는 경우, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 정렬 방향에 따라 X 축 방향으로 이동시키거나, Y 축 방향으로 이동시키거나, 대각선 방향으로 이동시키는 것이 가능하게 된다.
제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈의 배치 위치는 시스템에서 요구되는 초점의 이동 방향에 따라 결정될 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈의 배치 위치에 따라 초점의 이동 방향이 달라짐을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, Square 형상의 2차원 배열의 렌즈로 구성된 경우 렌즈의 초점에 대한 이미지를 도시한 개념도이다. 도 4의 (a)는 Square 형상의 2차원 배열의 렌즈들이 기준 위치에 배치된 경우, (b)는 (a)의 기준위치에서 제1 편광 의존형 렌즈를 가로 방향으로 이동한 경우, (c)는 제1 편광 의존형 렌즈를 세로 방향으로 이동한 경우, (d)는 제1 편광 의존형 렌즈를 대각선 방향으로 이동한 경우의 초점 이미지들을 각각 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 2D Hexagonal 형상의 2차원 배열의 렌즈로 구성된 경우 렌즈의 초점에 대한 이미지를 도시한 개념도이다. 도 5의 (a)는 Hexagonal 형상의 2차원 배열의 렌즈들이 기준 위치에 배치된 경우, (b)는 (a)의 기준 위치에서 제1 편광 의존형 렌즈를 가로 또는 세로 방향으로 이동한 경우, (c)는 제1 편광 의존형 렌즈를 대각선 방향으로 이동한 경우의 초점 이미지들을 각각 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 편광 의존형 2D Hexagonal 배열의 마이크로렌즈 어레이에 대하여 crossed polarizer 상에서 관측된 현미경 이미지들이다. 도 6의 (a)는 편광 방향(P)과 배향 방향(R)이 일치할 때 retardation이 발생하지 않아 dark한 상태를 보여주고 있으며, 도 6의 (b)는 편광 방향(P)과 배향 방향(R)이 서로 45도일 때 retardation이 발생하여 빛이 새며 렌즈 구조에 의해 높이가 달라짐에 따라 위치별로 retardation 양이 달라지게 되고 이에 따라 동심원 패턴이 형성된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 1D 렌티큘라 렌즈로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 포커싱 빔(focusing beam) 이미지를 도시한 것이다. 도 7의 (a)는 X축 방향의 편광된 빛이 입사하여 제2 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱된 이미지로서, 제1 편광 의존형 렌즈는 제1 렌즈와 제1 렌즈 구조체의 굴절률 매칭으로 굴절이 일어나지 않게 된다. 도 7의 (b)는 Y 축 방향의 편광된 빛이 입사하여 제1 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱된 이미지로서, 제2 편광 의존형 렌즈가 제2 렌즈와 제2 렌즈 구조체의 굴절률 매칭으로 굴절이 일어나지 않게 된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 2D Hexagonal 배열 구조로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 포커싱 빔(focusing beam) 이미지를 도시한 것이다. 도 8의 (a)는 X축 방향의 편광된 빛이 입사하여 제2 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱된 이미지이며, 도 8의 (b)는 45도 방향으로 편광된 빛이 입사하여 focal plane으로부터 얻게 된 이미지이며, 도 8의 (c)는 Y 축 방향의 편광된 빛이 입사하여 제1 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱된 이미지이다. 도 8의 (b)를 참조하면, 45도 편광의 경우, X축 편광 성분과 Y축 편광 성분이 1:1 의 비율로 존재하므로, X 축 편광성분은 제2 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱되며 Y 축 편광 성분은 제1 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱되어, 두 편광 의존형 렌즈에 의해 포커싱된 빔이 모두 관측되며 다만 그 세기는 각각 반으로 감소함을 알 수 있다.
도 7 내지 도 8에서 사용한 렌즈 구조체는 각각 주기 150㎛, 높이 32㎛ 의 1D 배열의 마이크로렌즈와 주기 289㎛, 높이 25㎛ 의 2D Hexagonal 배열의 마이크로렌즈이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 2D Hexagonal 배열 구조로 구성한 경우 입사광의 편광에 따른 Image plane 에서 캡쳐한 이미지를 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 입사되는 편광에 따라 마이크로렌즈가 가상적으로 이동하여 캡쳐된 이미지가 이동됨을 확인할 수 있다.
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 제작 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈 제작 방법은, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 각각 제작한 후, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈의 서로 맞닿는 표면에 광경화성 수지를 도포시키고 정렬한 후, 광경화시켜 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 합착시켜 완성하게 된다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 제작 방법에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 제작하는 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다. 도 10을 참조하면, 먼저 필름 기판(400)위에 광경화성 등방상 고분자 물질(410)을 도포한 후 마이크로렌즈 구조의 스탬프(420)를 임프린팅한후 광 경화시켜 등방상 고분자물질로이루어진 마이크로렌즈 역상 구조의 렌즈 구조체(412)를 완성한다(도 10의 a, b, c). 상기 광경화성 등방상 고분자 물질은 Normand 사의 굴절률 1.524인 NOA65 TM제품을 사용할 수 있다.
다음, 마이크로렌즈 역상 구조의 렌즈 구조체의 표면에 Polyvinylachol(PVA)를 약 200nm 두께로 도포한 후 시스템에 요구되는 배향방향에 따라 러빙하여 RM 배향막(430)을 완성하며, 이는 후공정에서 주입되는 액정상 고분자를 Bottom-up 방식으로 배향하기 위하여 사용된다(도 10의 d 및 e). 본 발명에 따른 제작 방법에서의 배향막으로는 약 90~100 ℃ 의 저온 공정이 가능하며 DI water와 같은 극성 용매에 용해되는 PVA를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 액정 배향에는 폴리이미드(Polyimide; 'PI')가 사용되는데, 폴리이미드는 polymerization을 하기 위해 약 230~250℃의 고온 열처리가 필요하므로, 본 발명과 같은 고분자의 렌즈 구조체에는 적용하기가 어렵다.
한편, PVA의 코팅성을 향상시키기 위하여 UV 오존처리하여 렌즈 역상 구조를 갖는 표면을 친수성화시키는 것이 바람직하다.
다음, 필름 기판(442) 위에 추가의 RM 배향막(440)을 형성한 후, 이를 상기 렌즈 구조체의 상부 표면에 배치하여, 이는 후공정에서 주입되는 액정상 고분자를 Top-down 방식으로 배향하기 위하여 사용된다(도 10의 f). 이 경우에도, PVA의 코팅성을 향상시키기 위하여 필름 기판(442)을 UV 오존처리를 하여 표면을 친수성화시키는 것이 바람직하다.
다음, 렌즈 구조체의 RM 배향막(430)과 추가의 RM 배향막(440)의 사이에 광경화성 액정상 고분자를 70℃ 온도에서 주입한 후 50℃의 온도에서 30분간 열처리후 35 ℃에서 광중합시켜 렌즈(450)를 완성한다(도 10의 g).
다음, 필름 기판(442) 및 추가의 RM 배향막(440)을 분리 및 제거하여 렌즈 구조체(412), RM 배향막(430) 및 렌즈(450)을 구비하는 제1 편광 의존형 렌즈를 완성한다(도 10의 h, i). 이와 동일한 공정을 통해 제2 편광 의존형 렌즈도 완성하며, 다만 제2 편광 의존형 렌즈의 액정상 고분자의 배향 방향은 제1 편광 의존형 렌즈의 액정상 고분자의 배향 방향과는 수직이 되도록 한다는 점에서 차이가 있다.
상기 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 완성한 후, 하부 기판을 제거하는 단계를 더 구비할 수 있다.
전술한 공정에 의해 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들을 완성하면, 이들을 합착하여 가상 이동 렌즈를 완성하게 된다. 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가상 이동 렌즈의 제작 방법에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈를 접착하여 가상 이동 렌즈를 완성하는 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들(460, 462) 중 하나의 접착 표면에 광경화성 수지(UV curable resin)(480)을 도포하고(도 11의 a), 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들(460, 462)을 정렬시킨 후(도 11의 b), 광경화시켜 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들을 합착시키게 된다(도 11의 c).
제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들을 정렬시킴에 있어서, 제1 및 제2 편광 의존형 렌즈들의 상/하부 표면의 기판 필름들을 모두 제거시킴으로써, 제1 편광 의존형 렌즈의 제1 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈의 제2 렌즈가 서로 맞닿도록 접합시키거나, 제1 편광 의존형 렌즈의 제1 렌즈 구조체와 제2 편광 의존형 렌즈의 제2 렌즈 구조체가 서로 맞닿도록 접합시키거나, 제1 편광 의존형 렌즈의 제1 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈의 제2 렌즈 구조체가 서로 맞닿도록 접합시키거나, 제 편광 의존형 렌즈의 제1 렌즈 구조체와 제2 편광 의존형 렌즈의 제2 렌즈가 서로 맞닿도록 접합시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 가상 이동 렌즈는 다시점 3D 디스플레이에 사용될 수 있다.
30 : 가상 이동 렌즈
300 : 제1 편광 의존형 렌즈
310 : 제2 편광 의존형 렌즈
320 : 편광 스위칭부

Claims (13)

  1. 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성된 제1 편광 의존형 렌즈; 및
    입사되는 빛의 편광 방향에 따라 렌즈로 구동되도록 구성되며, 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 표면에 적층된 제2 편광 의존형 렌즈;
    를 구비하고, 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈가 렌즈로 구동되는 편광 방향은 서로 수직이 되도록 하여, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 상기 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나만 렌즈로 구동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되게 배치되어, 입사되는 빛의 편광 방향에 따라 초점 위치가 이동되어 가변되는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈는
    렌즈의 역상 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자로 이루어진 제1 렌즈 구조체; 및
    제1 방향으로 배향된 액정상 고분자 물질로 이루어지고 상기 제1 렌즈 구조체에 형성된 제1 렌즈;를 구비하고,
    상기 제2 편광 의존형 렌즈는,
    렌즈의 역상 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자로 이루어진 제2 렌즈 구조체; 및
    상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어지고 상기 제2 렌즈 구조체에 형성된 제2 렌즈; 를 구비하고,
    상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 구성하는 액정상 고분자의 배향 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈는 상기 제1 렌즈 구조체와 제1 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제1 RM 배향막을 더 구비하고,
    상기 제2 편광 의존형 렌즈는 상기 제2 렌즈 구조체와 제2 렌즈의 사이에 액정상 고분자의 배향을 위한 제2 RM 배향막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가상 이동 렌즈는
    인가되는 전압을 조절하여 입사되는 광의 편광 방향을 선택적으로 변환시키도록 구성된 편광 스위칭부를 더 구비하고,
    상기 편광 스위칭부는 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나의 표면에 배치되어, 이들로 입사되는 빛의 편광 방향을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈는 1차원 배열의 렌티큘라 렌즈로 구성되거나, 2차원 배열의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈.
  7. (a) 렌즈 역상의 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자 물질로 이루어진 제1 렌즈 구조체내에 제1 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어진 제1 렌즈로 구성된 제1 편광 의존형 렌즈를 제작하는 단계;
    (b) 렌즈 역상의 구조를 갖는 광학적 등방상 고분자 물질로 이루어진 제2 렌즈 구조체내에 제2 방향으로 배향된 액정상 고분자로 이루어진 제2 렌즈로 구성된 제2 편광 의존형 렌즈를 제작하는 단계;
    (c) 제1 편광 의존형 렌즈의 표면에 광경화성 수지를 도포하는 단계;
    (d) 상기 광경화성 수지가 도포된 표면에 제2 편광 의존형 렌즈를 정렬하여 배치한 후, 상기 광경화성 수지를 광경화시켜 제1 편광 의존형 렌즈와 제2 편광 의존형 렌즈를 접착시키는 단계;
    를 구비하고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가상 이동 렌즈 제작 방법은
    (e) 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈로 입사되는 광의 편광 방향을 선택하기 위한 편광 스위칭부를 제작하여 상기 제1 편광 의존형 렌즈 및 제2 편광 의존형 렌즈 중 하나의 표면에 배치하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    (a1) 기판위에 광학적 등방상 고분자층을 형성하는 단계;
    (a2) 상기 광학적 등방상 고분자층에 렌즈 형상의 스탬프를 임프린팅하고 광경화시켜 광학적 등방상 고분자층의 상부 표면에 렌즈 역상의 구조를 갖는 제1 렌즈 구조체를 완성하는 단계;
    (a3) 액정상 고분자를 제1 방향으로 배향시키기 위한 RM 배향막을 상기 제1 렌즈 구조체의 임프린팅된 표면에 형성하고 제1 방향을 따라 러빙하는 단계;
    (a4) 제1 렌즈 구조체의 상부에 추가의 러빙된 RM 배향막이 형성된 필름 기판을 덮는 단계;
    (a5) RM 배향막과 추가의 RM 배향막에 의해 형성된 제1 렌즈 구조체의 내부에 액정상 고분자를 주입시킨 후 경화시켜, 렌즈 형상의 액정상 고분자로 이루어진 제1 렌즈를 형성하는 단계;
    (a6) 상기 추가의 RM 배향막이 형성된 필름 기판을 분리하여 제거하는 단계;
    를 구비하여 제1 편광 의존형 렌즈를 제작하는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 (a3) 단계는,
    렌즈 역상의 구조를 갖는 제1 렌즈 구조체의 임프린팅된 표면에 UV 오존처리를 하여 친수성화시킨 후, 친수성화된 표면에 RM 배향막을 형성하는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 (d) 단계는 제1 편광 의존형 렌즈의 골과 제2 편광 의존형 렌즈의 골이 서로 이격되도록 정렬시키는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 편광 의존형 렌즈를 완성한 후, 상기 기판을 제거하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    제1 편광 의존형 렌즈의 액정상 고분자(RM)면과 제2 편광 의존형 렌즈의 RM면이 서로 맞닿도록 접합시키거나,
    제1 편광 의존형 렌즈의 등방상 고분자면과 제2 편광 의존형 렌즈의 등방상 고분자면이 서로 맞닿도록 접합시키거나,
    제1 편광 의존형 렌즈의 RM 면과 제2 편광 의존형 렌즈의 등방상 고분자면이서로 맞닿도록 접합시키거나,
    제1 편광 의존형 렌즈의 등방상 고분자면과 제2 편광 의존형 렌즈의 RM면이 서로 맞닿도록 접합시키는 것을 특징으로 하는 가상 이동 렌즈 제작 방법.

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