KR20190017909A - 디스플레이 시스템 및 도광체 - Google Patents

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KR20190017909A
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티머시 엘 웡
에린 에이 맥다월
즈성 윈
질 제이 브누아
조 앤 에터
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Abstract

이미지를 형성하기 위한 이미저, 및 이미저에 의해 형성되는 이미지를 투영하기 위한 투영 렌즈 시스템을 포함하는 디스플레이 시스템이 기술된다. 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀에 대해, 이미저는 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 갖는 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성된다. 상기 변화는 투영 렌즈 시스템을 통해 투영되는 이미지의 휘도를 30 퍼센트 이상만큼 증가시킬 수 있다. 디스플레이 시스템은 광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분; 광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및 광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 갖는 도광체를 포함할 수 있다.

Description

디스플레이 시스템 및 도광체
광학 시스템은 디스플레이 패널, 및 디스플레이 패널로부터 광을 수신하고 그 광을 관찰자의 눈으로 지향시키는 렌즈 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 태양에서, 이미지를 형성하기 위한 이미저(imager), 및 이미저에 의해 형성되는 이미지를 투영하기 위한 투영 렌즈 시스템(projection lens system)을 포함하는 디스플레이 시스템(display system)이 제공된다. 이미저는 별개의 이격된 복수의 픽셀(pixel)을 포함한다. 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀에 대해, 이미저는 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성되고, 중심 광선은 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 갖는다. 상기 변화는 투영 렌즈 시스템을 통해 투영되는 이미지의 휘도를 30 퍼센트 이상만큼 증가시킨다.
본 발명의 일부 태양에서, 광학 축 상에 중심설정되는 하나 이상의 렌즈를 갖는 투영 렌즈 시스템, 도광체(light guide) 및 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다. 도광체는 광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분(light insertion portion); 광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분(light transport portion); 및 광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분(light extraction portion)을 포함한다. 광 추출 부분은 광 추출 부분의 출력 표면 상의 위치에 따라 변화하는 광학 축에 대한 각도를 갖는 광 출력 중심 광선 방향을 제공하도록 구성된다. 광 추출 부분은 광학 축을 따라 광 삽입 부분으로부터 분리되어 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이의 공간을 형성한다. 공간 광 변조기는 광 추출 부분과 광학 연통(optical communication)하고, 도광체는 광 추출 부분이 광 삽입 부분에 대면하도록 절첩된다(folded).
본 발명의 일부 태양에서, 하나 이상의 렌즈를 갖고 최대 횡방향 광학 활성 치수(largest lateral optically active dimension)를 갖는 투영 렌즈 시스템; 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는 이미저; 및 도광체를 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다. 이미저에 의해 형성되는 이미지가 투영 렌즈 시스템에 의해 투영된다. 도광체는 광원으로부터 광을 수신하고, 투영 렌즈 시스템과 이미저 사이에 배치되는 광 추출 부분을 포함한다. 광 추출 부분은 수신된 광을 추출하여 이미저를 향해 지향시키기 위한 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함한다. 투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수는 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 80 퍼센트 이하이다.
본 발명의 일부 태양에서, 광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분; 광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부(fold)를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및 광 전송 부분으로부터 제2 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함하는 도광체가 제공된다. 광 추출 부분은 광 삽입 부분으로부터 이격되어 있고 광 삽입 부분에 대면한다.
본 발명의 일부 태양에서, 광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분; 광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및 광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함하는 도광체가 제공된다. 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파된다. 광 전송 부분은 제1 세그먼트(segment)를 갖고, 광 전송 부분에 의해 수신된 광은 제1 세그먼트 내에서 주로 제2 방향을 따라 전파된다. 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제3 방향을 따라 전파된다. 제1 방향과 제2 방향 사이의 제1 끼인각(included angle)이 140도 이상이고, 제1 방향과 제3 방향 사이의 제2 끼인각이 40도 미만이다.
본 발명의 일부 태양에서, 투영 렌즈 시스템 및 도광체를 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다. 도광체는 광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분, 및 광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함한다. 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파된다. 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제2 방향을 따라 전파된다. 제1 방향과 제2 방향 사이의 끼인각이 120도 이상이다. 광 추출 부분은 광 추출 부분으로부터 투영 렌즈 시스템을 향해 광을 추출하도록 구성되는 복수의 광 추출 특징부를 포함한다.
도 1a는 광학 시스템의 단면도이다.
도 1b 및 도 1c는 디스플레이들의 단면도들이다.
도 2a는 광학 시스템의 단면도이다.
도 2b는 기준 발광 시스템 내의 픽셀로부터 출력되는 광의 단면도이다.
도 2c는 발광 시스템 내의 픽셀로부터 출력되는 광의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 광학 시스템들의 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 발광 시스템들의 개략 단면도들이다.
도 9는 광 방향전환 층의 단면도이다.
도 10은 발광 시스템의 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 광 방향전환 요소들을 포함하는 픽셀들의 단면도들이다.
도 12 내지 도 15는 발광 시스템들의 개략 단면도들이다.
도 16a는 광학 시스템의 단면도이다.
도 16b 및 도 16c는 각각 디스플레이 시스템의 단면도 및 사시도이다.
도 17 내지 도 22는 발광 시스템들의 단면도들이다.
도 23은 렌즈 시스템의 단면도이다.
도 24는 발광 시스템의 단면도이다.
도 25는 헤드 마운트 디스플레이의 개략 평면도이다.
도 26 내지 도 28은 도광체들의 개략 단면도들이다.
도 29는 2개의 방향들 사이의 끼인각의 개략도이다.
디스플레이 시스템들은 디스플레이 패널, 및 디스플레이 패널로부터 광을 수신하고 광의 적어도 일부분을 디스플레이 시스템의 출사 동공을 통하여 투과시키는 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 렌즈 시스템은 반사 편광기(reflective polarizer), 반사 편광기에 인접한 그리고 그것으로부터 이격되어 있는 부분 반사기(partial reflector), 및 반사 편광기와 부분 반사기 사이에 배치된 1/4 파장 지연기를 포함할 수 있다. 부분 반사기는 디스플레이 패널로부터 수신된 광의 적어도 일부를 반사 편광기를 통하여 그리고 출사 동공을 통하여 투과시킨다. 그러한 디스플레이 시스템들은, 예를 들어 가상 현실 디스플레이들과 같은 헤드 마운트 디스플레이들에 사용될 수 있는 콤팩트 시스템에서 넓은 시야를 제공할 수 있다. 유용한 디스플레이 시스템들은, 본 발명에 모순되지 않는 정도로 본 명세서에 참고로 포함되고, 2015년 9월 3일자로 출원된 공동 계류중인 미국 가특허 출원 제62/214,049호에 기술되어 있다.
본 발명에 따르면, 디스플레이 패널의 광 출력을 변경하여 광 출력의 방향 또는 광 출력의 시준도(degree of collimation) 중 하나 또는 둘 모두가 적합하게 변경되도록 함으로써, 출사 동공을 통하여 투과되는 디스플레이 패널에 의해 방출된 광의 분율이 종래의 디스플레이 시스템들과 비교하여 상당히 증가될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 이것은 디스플레이 패널과 부분 반사기 사이에 광 방향전환 층을 포함함으로써(예를 들어, 디스플레이 패널의 표면 바로 위에 광 방향전환 층을 포함함으로써), 또는 디스플레이 패널을 조명하는 데 사용되는 백라이트를 변형시킴으로써 달성될 수 있다.
도 1은 발광 시스템(132), 렌즈 시스템(119) 및 출사 동공(135)을 포함하는 광학 시스템(100)의 개략 단면도이다. 발광 시스템(132)은 렌즈 시스템(119)에 의해 효율적으로 이용될 수 있는 광 출력을 제공하도록 구성된다. 발광 시스템(132)은 광 방향전환 층 및/또는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트(at least partially collimating backlight)를 포함할 수 있다. 적합한 발광 시스템들이 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술된다. 발광 시스템(132)과 같은 발광 시스템들은 픽셀화될 수 있고, 픽셀화된 시스템으로 또는 픽셀화된 디스플레이로 지칭될 수 있다. 광학 시스템(100)은, 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이에 이용될 수 있는 디스플레이 시스템일 수 있다.
렌즈 시스템(119)은 발광 시스템(132)과 출사 동공(135) 사이에 배치된 제1 광학 적층물(110)을 포함하고, 제1 광학 적층물(110)과 출사 동공(135) 사이에 제2 광학 적층물(120)이 배치된다. 제1 및 제2 광학 적층물들(110, 120) 각각은 실질적으로 평면일 수 있거나 또는 하나 또는 2개의 축들에 대해 만곡되어 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 광학 적층물들(110, 120) 각각은 직교하는 제1 및 제2 축들을 따라 발광 시스템(132)을 향해 볼록하다. x-y-z 좌표계가 도 1에 제공되어 있다. 직교하는 제1 및 제2 축들은 각각 x-축 및 y-축일 수 있다.
제1 광학 적층물(110)은 각각 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 주 표면들(114, 116)을 갖는 제1 광학 렌즈(112)를 포함한다. 제1 광학 적층물(110)은 제1 주 표면(114) 상에 배치된 부분 반사기(117)를 포함한다. 부분 반사기(117)는 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖고, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 투과율을 가질 수 있는데, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 파장 범위들 중 임의의 것일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 부분 반사기(117)는 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 40% 이상의 평균 광학 반사율, 및 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 40% 이상의 평균 광학 투과율을 갖는다.
제2 광학 적층물은 제1 및 제2 주 표면들(124, 126)을 갖는 제2 광학 렌즈(122)를 포함한다. 제2 광학 적층물(120)은 제2 주 표면(126) 상에 배치된 반사 편광기(127)를 포함하고, 반사 편광기(127) 상에 배치된 1/4 파장 지연기(125)를 포함한다. 1/4 파장 지연기(125)는 반사 편광기(127) 상에 라미네이팅된 필름일 수 있거나, 또는 반사 편광기(127)에 적용된 코팅일 수 있다. 광학 시스템(100)은 하나 이상의 추가 지연기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 1/4 파장 지연기가 제1 광학 적층물(110) 내에 포함될 수 있고, 제2 주 표면(116) 상에 배치될 수 있다. 광학 시스템(100) 내에 포함된 제1 1/4 파장 지연기(125) 및 임의의 추가 1/4 파장 지연기들은 미리 결정된 또는 원하는 복수의 파장들 중의 적어도 하나의 파장에서의 1/4 파장 지연기들일 수 있다. 제2 광학 적층물(120)은 대안적으로 제2 렌즈(122) 및 제2 렌즈(122) 상에 배치된 반사 편광기(127)를 포함하는 것으로 기술될 수 있고, 제1 1/4 파장 지연기(125)는 제2 광학 적층물(120) 내에 포함되기보다는 오히려 제2 광학 적층물(120) 상에 배치되는 별도의 층 또는 코팅으로서 여겨질 수 있다. 이러한 경우에, 제1 1/4 파장 지연기(125)는 제1 광학 적층물(110)과 제2 광학 적층물(120) 사이에 배치되는 것으로 기술될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 1/4 파장 지연기(125)는 제2 광학 적층물(120)에 부착되지 않을 수 있고, 일부 실시 형태에서, 제1 1/4 파장 지연기(125)는 제1 광학 적층물(110)과 제2 광학 적층물(120) 사이에 배치되고 그들로부터 이격되어 있다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 1/4 파장 지연기(125)는 부분 반사기(117) 상에 배치될 수 있고, 제1 광학 적층물(110) 내에 포함되는 것으로 기술될 수 있거나 또는 제1 광학 적층물(110)과 제2 광학 적층물(120) 사이에 배치되는 것으로 기술될 수 있다.
제1 및 제2 렌즈들(112, 122) 중 하나 또는 둘 모두는 굴절 렌즈들일 수 있다. 굴절 렌즈는 투과 하에서 원하는 광학 도수(optical power)를 제공하는 광학 렌즈이다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 렌즈들(112, 122) 중 하나 또는 둘 모두는 투과 하에서 낮은 또는 거의 0의 광학 도수를 가질 수 있고, 렌즈(들)의 형상으로 인해 반사 하에서 광학 도수를 제공할 수 있다. 서로 인접하게 배치되고 서로로부터 이격되어 있는 반사 편광기 및 부분 반사기를 포함하는 광학 시스템은 절첩형 광학 시스템(folded optical system)으로 지칭될 수 있는데, 이는 그러한 시스템이 도 1a에 도시된 바와 같은 절첩된 광 경로를 제공하였기 때문이다. 그러한 절첩된 광학 경로를 제공하지 않지만 굴절 렌즈들을 포함하는 광학 시스템은 굴절 광학 시스템(refractive optical system)으로 기술될 수 있다.
광선들(137, 138)은 각각 발광 시스템(132)으로부터 출사 동공(135)을 통하여 투과된다. 광선(138)은, 광학 경로가 광학 시스템(100)에 대한 절첩된 광학 축(140)을 한정하는 중심 광선일 수 있는데, 광학 시스템은 절첩된 광학 축(140) 상에 중심설정될 수 있다.
발광 시스템(132)은, 예를 들어 액정 디스플레이(LCD) 패널들 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 패널들을 포함하는 임의의 적합한 유형의 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 디스플레이 패널은, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같이 실질적으로 평탄하거나 또는 평면일 수 있거나, 또는 도 1b에 도시된 바와 같이 만곡되어 있을 수 있거나, 또는 도 1c에 도시된 바와 같이 서로에 대해 둔각으로 배치된 복수의 평탄한 또는 평면 패널들을 포함할 수 있다. 도 1b는 디스플레이 패널(130b)을 포함하는 발광 시스템(132b)의 개략 단면도인데, 디스플레이 패널은 적어도 하나의 축에 대해 만곡되어 있을 수 있고 광학 시스템의 렌즈(들)를 향해 오목할 수 있다(예컨대, 디스플레이 패널(130b)은 렌즈들(112, 122)을 향해 만곡되어 있을 수 있다). 디스플레이 패널(130b)은 하나의 치수에서(단곡선(simple curve)) 또는 2개의 치수들에서(복합 곡선(compound curve)) 만곡되어 있을 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(130b)은 직교하는 x-방향 및 y-방향 중 하나 또는 둘 모두에서 만곡되어 있을 수 있다. 2개의 치수들에서 만곡된 디스플레이 패널은 2개의 상이한 곡률 반경들을 가질 수 있다(예컨대, x-방향 및 y-방향에서의 곡률은 상이할 수 있다. 그러한 디스플레이들은 환상체로 지칭될 수 있다). 도 1c는 실질적으로 평면 패널들(130c-1, 130c-2, 130c-3)을 포함하는 발광 시스템(132c)의 개략 단면도이다. 패널들(130c-1, 130c-2)은 서로에 대해 둔각 θ1으로 배치되고, 패널들(130c-2, 130c-3)은 서로에 대해 둔각 θ2로 배치된다. 패널들(130c-1, 130c-2, 130c-3)은 광학 시스템의 렌즈(들)에 대면하도록 배치된다(예컨대, 패널들(130c-1, 130c-2, 130c-3)은 렌즈들(112, 122) 쪽을 향할 수 있다). 디스플레이 패널들(130b, 130c) 중 어느 하나는 도 1a의 발광 시스템(132)에 사용될 수 있고, 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 다른 광학 시스템들에 사용될 수 있다.
도 1a를 다시 참조하면, 광선(137)(및 광선(138)의 경우에도 유사함)은 순서대로, 발광 시스템(132)으로부터 방출되고, 제2 주 표면(116)(및 그 위의 임의의 코팅들 또는 층들)을 통하여 투과되고, 제1 광학 렌즈(112)를 통하여 투과되고, 부분 반사기(117)를 통하여 투과되고, 반사 편광기(127) 상에 배치된 1/4 파장 지연기(125)를 통하여 투과되고, 반사 편광기(127)로부터 반사되고, 다시 1/4 파장 지연기(125)를 통하여 투과되고, 부분 반사기(117)로부터 반사되고, 1/4 파장 지연기(125)를 통하여 투과되고, 반사 편광기(127)를 통하여 투과되고, 제2 렌즈(122)를 통하여 투과되고, 출사 동공(135)을 통하여 투과된다. 광선(137)은, 1/4 파장 지연기(125)를 통과할 시에 제1 편광 상태로 회전되는 편광 상태를 갖고서 발광 시스템(132)으로부터 방출될 수 있다. 발광 시스템(132)은 원하는 편광 상태를 제공하기 위해 편광 조절 요소들을 포함할 수 있다. 원하는 편광 상태에서의 광을 방출하는 발광 시스템들은 높은 콘트라스트 이미지를 생성할 수 있다. 제1 편광 상태는 반사 편광기(127)에 대한 차단 상태일 수 있다. 광선(137)이 제1 1/4 파장 지연기(125)를 통과하고, 부분 반사기(117)로부터 반사되고 1/4 파장 지연기(125)를 다시 통과한 후에, 그의 편광 상태는 제1 편광 상태에 실질적으로 직교하는 제2 편광 상태이다. 따라서, 광선(137)은 반사 편광기(127) 상에 입사되는 제1 시간에 반사 편광기(127)로부터 반사될 수 있고, 반사 편광기(127) 상에 입사되는 제2 시간에 반사 편광기(127)를 통하여 투과될 수 있다.
다른 광선들(도시되지 않음)은 마이너스 z-방향으로 부분 반사기(117) 상에 입사될 때 부분 반사기(117)로부터 반사되거나, 플러스 z-방향으로 부분 반사기(117) 상에 입사될 때 부분 반사기(117)에 의해 투과된다. 이러한 광선들은 광학 시스템(100)에서 나올 수 있다.
일부 실시 형태에서, 발광 시스템(132)으로부터 방출되고 출사 동공(135)을 통하여 투과되는 실질적으로 임의의 주 광선은, 주 광선이 제1 또는 제2 광학 적층물들(110 또는 120) 상에 입사될 때마다 또는 제1 시간에, 약 30도 미만, 약 25도 미만, 또는 약 20도 미만의 입사각으로 제1 광학 적층물(110) 및 제2 광학 적층물(120)의 각각 상에 입사된다. 본 발명의 광학 시스템들 중 임의의 것에서, 발광 시스템(132)에 의해 방출되고 출사 동공(134)을 통하여 투과되는 실질적으로 임의의 주 광선은, 주 광선이 반사 편광기 또는 부분 반사기 상에 입사될 때마다 또는 제1 시간에, 약 30도 미만, 약 25도 미만, 또는 약 20도 미만의 입사각으로 반사 편광기 및 부분 반사기의 각각 상에 입사된다. 발광 시스템에 의해 방출되고 출사 동공을 통하여 투과되는 모든 주 광선들의 대다수(예컨대, 약 90 퍼센트 이상, 또는 약 95 퍼센트 이상, 또는 약 98 퍼센트 이상)가 일정 조건을 만족하면, 실질적으로 임의의 주 광선이 그 조건을 만족한다고 말할 수 있다.
다양한 인자들이, 발광 시스템(132)에 의해 방출된 광이 반사 편광기(127) 상으로 입사되는 제1 시간에, 반사 편광기(127)를 통하여 광이 부분적으로 투과되게 할 수 있다. 이것은 출사 동공(135)에서 원치 않는 고스팅(ghosting) 또는 이미지 흐려짐(image blurriness)을 야기할 수 있다. 이러한 인자들은 형성 동안 다양한 편광 구성요소들의 성능 저하 및 광학 시스템(100) 내의 원치 않는 복굴절을 포함할 수 있다. 이러한 인자들의 효과들은 조합되어 광학 시스템(100)의 콘트라스트 비 및 효율을 저하시킬 수 있다. 콘트라스트 비에 대한 이러한 인자들의 효과들은, 이전에 본 명세서에 참고로 포함되고 2015년 9월 3일자로 출원된 공동 계류중인 미국 가특허 출원 제62/214,049호에 더욱 상세하게 기술되어 있다. 그러한 인자들은, 예를 들어, 렌즈들 내의 원치 않는 복굴절을 감소시킬 수 있는 비교적 얇은 광학 렌즈들을 사용함으로써, 그리고 예를 들어, 광학 필름들을 열성형하는 것으로부터 발생되는 광학적 아티팩트(optical artifact)들을 감소시킬 수 있는 얇은 광학 필름들을 사용함으로써 최소화될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 광학 렌즈들(112, 122)은 각각 7 mm 미만, 5 mm 미만, 또는 3 mm 미만의 두께를 갖고, 예를 들어, 1 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 7 mm의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기(127)는 75 마이크로미터 미만, 50 마이크로미터 미만, 또는 30 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 출사 동공(135)에서의 콘트라스트 비는 광학 시스템(100)의 시야에 걸쳐 40 이상, 또는 50 이상, 또는 60 이상, 또는 80 이상, 또는 100 이상, 또는 150 이상, 또는 200 이상, 또는 300 이상이다.
필름은, 필름을 원하는 형상으로 변형 또는 연신시키는 임의의 형성 공정에 의해 복합 곡선으로 형상화(2개의 직교 축들에 대해 만곡)될 수 있다. 적합한 형성 공정들은 승온들(열성형)을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 적합한 형성 공정들은 열성형 및/또는 (압력의 인가를 통해 필름을 원하는 형상으로 변형 또는 연신시키는) 가압 처리를 포함한다. 형성 이전에 일축 배향된 중합체 다층 광학 필름을 형성함으로써 제조되는 2개의 직교 축들에 대해 만곡된 볼록한 반사 편광기가 본 발명의 광학 시스템들에 사용될 때 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 다른 반사 편광기들을 사용하는 것과 비교하여 그러한 필름을 이용할 때 콘트라스트 비가 상당히 더 높을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 다른 반사 편광기들, 예컨대 비-일축 배향된 다층 중합체 필름 반사 편광기들 또는 와이어 그리드 편광기들이 또한 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 일축 배향된 다층 반사 편광기는 APF(어드밴스트 폴라라이징 필름(Advanced Polarizing Film), 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능함)이다. 일부 실시 형태에서, 광학 시스템은 열성형된 APF 또는 압력-성형된 APF를 포함하고, 열성형된 APF 또는 압력-성형된 APF 상에 입사되는 광학 시스템에서의 임의의 또는 실질적으로 임의의 주 광선은 낮은 입사각(예컨대, 약 30도 미만, 약 25도 미만, 또는 약 20도 미만)을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 만곡된 반사 편광기보다는 오히려 실질적으로 평탄한 반사 편광기를 포함하는 렌즈 시스템이 이용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기는 하나의 축에 대해 만곡되어 있고, 일부 실시 형태에서, 반사 편광기는 2개의 직교 축들에 대해 만곡되어 있다. 반사 편광기는, 실질적으로 평탄하거나 또는 일 축에 대해 또는 2개의 직교 축들에 대해 실질적으로 만곡되어 있는 다층 광학 필름일 수 있다. 반사 편광기는, 실질적으로 평탄하거나 또는 일 축에 대해 또는 2개의 직교 축들에 대해 실질적으로 만곡되어 있는 와이어 그리드 편광기일 수 있다.
다양한 주 표면들(예컨대, 제2 주 표면(126) 및 제1 주 표면(114))의 형상들을 적합하게 선택함으로써, 광학 시스템은 이미지가 사전-왜곡될 필요가 없는 충분히 낮은 왜곡을 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 일부 실시 형태에서, 발광 시스템(132)은 왜곡되지 않은 이미지를 방출하도록 구성된다. 부분 반사기(117) 및 반사 편광기(127)는, 출사 동공(135)을 통하여 투과되는 방출된 왜곡되지 않은 이미지의 왜곡이 출사 동공(135)에서의 시야의 약 10% 미만, 또는 약 5% 미만, 또는 약 3% 미만이도록 선택된 상이한 형상들을 가질 수 있다. 출사 동공에서의 시야는, 예를 들어 80도 초과, 90도 초과, 또는 100도 초과일 수 있다.
도 2a는 렌즈 시스템(219), 발광 시스템(232) 및 출사 동공(235)을 포함하는 광학 시스템(200)의 단면도이다. 렌즈 시스템(219)은 제1 광학 적층물(210) 및 제2 광학 적층물(220)을 포함한다. 픽셀들(241, 242, 243)로부터 방출된 광이 도 2a에 도시되어 있다. 픽셀(241)로부터의 광(247)은 출사 동공(235)의 중심을 통하여 투과되는 주 광선을 포함한다. 제1 광학 적층물(210)은 렌즈(212), 및 출사 동공(235)에 대면하는 렌즈(212)의 주 표면 상에 배치된 부분 반사기를 포함한다. 제2 광학 적층물(220)은 렌즈(222)를 포함하고, 발광 시스템(232)에 대면하는 렌즈(222)의 주 표면 상에 배치된 반사 편광기를 포함한다. 부분 반사기에 대면하는 반사 편광기 상에 배치되거나 또는 반사 편광기에 대면하는 부분 반사기 상에 배치된 1/4 파장 지연기가 포함되어 있다. 렌즈(212) 및 렌즈(222)는 직교 축들(예컨대, x-축 및 y-축)에 대해 발광 시스템(232)을 향해 볼록하다. 다른 실시 형태에서, 제1 및 제2 렌즈들 중 하나 또는 둘 모두는 볼록하지 않은 하나 이상의 표면들을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 하나 또는 둘 모두의 렌즈들은 평볼록(plano-convex)이고, 일부 실시 형태에서, 하나 또는 둘 모두의 렌즈들은 평오목(plano-concave)이다. 일부 실시 형태에서, 하나의 렌즈는 평볼록이고, 다른 하나의 렌즈는 평오목이다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기는 디스플레이를 향해 볼록한 표면 상에 배치되고, 1/4 파장 지연기는 평탄한 표면 상에 배치된다. 디스플레이를 향해 볼록한 표면은, 예를 들어 렌즈의 만곡된 표면이 디스플레이에 대면하는 상태로 배치되는 평볼록 렌즈의 만곡된 표면, 또는 렌즈의 평탄한 표면이 디스플레이에 대면하는 상태로 배치되는 평오목 렌즈의 만곡된 표면일 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 발광 시스템(232b)의 픽셀(241b)로부터 방출된 광 및 발광 시스템(232c)의 픽셀(241c)에 의해 방출된 광을 개략적으로 도시하는데, 두 픽셀들은 도 2a의 발광 시스템(232)의 픽셀(241)에 대응한다. 종래의 디스플레이 패널로부터의 광은 전형적으로 광선속(239b) 내에서 방출될 것인데, 이는, 예를 들어 디스플레이 패널에 대한 법선을 따른 중심 광선(237b)을 갖는 램버트 분포(Lambertian distribution)를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 발광 시스템(232c)은 중심 광선(237b)의 방향을 주 광선(247)의 방향을 향해 굽히는 광 방향전환 층을 포함한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(232b)은 그와 달리 광 방향전환 층을 갖지 않는 것 이외에는 발광 시스템(232c)과 등가일 수 있다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 광 방향전환 층은 복수의 광 방향전환 요소들을 포함할 수 있는데, 이때 각각의 광 방향전환 요소는 디스플레이 패널에서의 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 도 2b에서 주 광선(247)과 중심 광선(237b) 사이에 각도 α가 도시되어 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 픽셀에 대해, 픽셀에 대응하는 광 방향전환 요소는 픽셀에 의해 방출된 주 광선(247)과 중심 광선(247c) 사이의 각도 α를 감소시킨다. 일부 실시 형태에서, 발광 시스템(232c)은 중심 광선(237c)의 방향이 주 광선(247)의 방향을 향해 굽혀지도록 광 출력을 지향시킬 수 있는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트를 포함한다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는 램버트 출력보다 상당히 더 많이 시준되는 광 출력을 생성한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(232b)은, 디스플레이 표면에 수직으로 지향되는 중심 광선을 갖는 실질적인 램버트 출력을 생성하는 백라이트를 갖지만 이외에는 발광 시스템(232c)과 등가일 수 있다.
광 방향전환 층에 의해 수신된 광의 발산각을 감소시키는 광 방향전환 층은 광을 적어도 부분적으로 시준하는 것으로 말할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 각도 α는 발광 시스템(232c)의 경우 다른 등가의 발광 시스템(232b)에 비해 적어도 하나의 픽셀에 대해, 5도 이상 또는 10도 이상만큼 감소되어 있다. 일부 실시 형태에서, 각도 α는 발광 시스템(232c)의 경우 다른 등가의 발광 시스템(232b)에 비해 픽셀들의 대다수(1/2 초과)에 대해 또는 픽셀들의 실질적으로 전부에 대해, 5도 이상 또는 10도 이상만큼 감소되어 있다.
렌즈 시스템(219)에 대한 수용각(acceptance angle) φ가 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있다. 광 방향전환 층 또는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트를 포함하지 않는 다른 등가의 발광 시스템(232b)의 픽셀(241b)로부터 방출된 광의 비율과 비교하여, 발광 시스템(232c)의 픽셀(241c)로부터 방출된 광의 더 큰 비율이 수용각 φ 내에 있다. 이것은, 중심 광선을 주 광선에 더 가깝게 방향전환시키는 것 및 광 출력을 적어도 부분적으로 시준하는 것 중 하나 또는 둘 모두로 인한 것일 수 있다. 복수의 픽셀들을 포함하는 발광 시스템은 또한 픽셀화된 시스템 또는 픽셀화된 디스플레이로 지칭될 수 있고, 발광 시스템 및 렌즈 시스템을 포함하는 광학 시스템은 디스플레이 시스템으로 또는 이미징 시스템으로 지칭될 수 있다. 광 방향전환 구성요소(예컨대, 광 방향전환 층 또는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트)를 포함하지 않는 다른 등가의 발광 시스템은 기준 픽셀화된 시스템으로 지칭될 수 있고, 기준 픽셀화된 디스플레이 시스템을 포함하는 대응하는 디스플레이 시스템은 다른 등가의 디스플레이 시스템으로 또는 기준 디스플레이 시스템으로 지칭될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 픽셀들 중 각각의 픽셀에 대해, 픽셀화된 시스템은 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성되고, 여기서 중심 광선은 픽셀화된 시스템에서의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 가져서, 광학 렌즈 시스템의 수용각 내에 있는 픽셀화된 시스템에 의해 방출된 총 발광 에너지가, 기준 픽셀화된 시스템의 중심 광선들의 방향들이 픽셀들에 수직인 것 이외에는 픽셀화된 시스템과 등가인 기준 픽셀화된 시스템의 총 발광 에너지보다 30 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 50 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 100 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 200 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 300 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 400 퍼센트 이상 더 높도록 한다.
일부 실시 형태에서, 광학 시스템의 출사 동공에서의 본 발명의 광학 시스템의 휘도는 광 방향전환 구성요소를 포함하지 않는 다른 등가의 광학 시스템의 휘도보다 20 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 30 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 100 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 200 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 300 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 400 퍼센트 이상 더 높다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 광 방향전환 구성요소는 광 방향전환 층, 복수의 광 방향전환 요소들(예컨대, 마이크로렌즈 어레이 또는 복수의 프리즘형 요소들), 또는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있다.
도 3은 발광 시스템(332), 출사 동공(335), 제1 및 제2 주 표면들(314, 316)을 갖는 광학 렌즈(312)를 포함하는 일체형 광학 적층물(310)을 포함하는 광학 시스템(300)의 개략 단면도이다. 발광 시스템(332)은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 발광 시스템들 중 임의의 것일 수 있고, 예를 들어 광 방향전환 층 및/또는 부분적으로 시준형인 백라이트를 포함할 수 있다. 제1 1/4 파장 지연기(325)가 광학 렌즈(312)의 제1 주 표면(314) 상에 배치되고, 반사 편광기(327)가 광학 렌즈(312)의 반대편인 제1 1/4 파장 지연기(325) 상에 배치된다. 부분 반사기(317)가 광학 렌즈(312)의 제2 주 표면(316) 상에 배치되고, 제2 1/4 파장 지연기(315)가 광학 렌즈(312)의 반대편인 부분 반사기(317) 상에 배치된다. 광학 시스템(300)은 발광 시스템(332)으로부터 출사 동공(335)을 통하여 투과되는 중심 광선의 광학 경로에 의해 한정될 수 있는 절첩된 광학 축(340) 상에 중심설정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 렌즈(312)는 모놀리식(monolithic) 구성요소이다.
일체형 광학 적층물(310)은, 먼저 반사 편광기(327)를, 반사 편광기(327)에 코팅 또는 라미네이팅된 제1 1/4 파장 지연기(325)와 함께 형성하고 이어서 생성된 필름을 원하는 형상으로 열성형함으로써 제조될 수 있다. 이전에 본 명세서에 참고로 포함되고 2015년 9월 3일자로 출원된 공동 계류중인 미국 가특허 출원 제62/214,049호에 추가로 기술되는 바와 같이, 열성형 공구는 필름이 냉각 이후에 원하는 형상을 획득하도록 원하는 형상과는 상이한 형상을 가질 수 있다. 부분 반사기(317) 및 제2 1/4 파장 지연기(315)는, 부분 반사기 필름 상으로 1/4 파장 지연기를 코팅함으로써, 1/4 파장 지연기 필름 상으로 부분 반사기 코팅을 코팅함으로써, 부분 반사기 필름 및 1/4 파장 지연기 필름을 함께 라미네이팅함으로써, 또는 먼저 필름 인서트 성형 공정에서 렌즈(312)(이는 반사 편광기(327) 및 제1 1/4 파장 지연기(325)를 포함하는 필름 상에 형성될 수 있음)를 형성하고 이어서 제2 주 표면(316) 상에 부분 반사기(317)를 코팅하고 부분 반사기(317) 상에 1/4 파장 지연기(315)를 코팅함으로써 준비될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기(327) 및 제1 1/4 파장 지연기(325)를 포함하는 제1 필름이 제공되고, 부분 반사기(317) 및 제2 1/4 파장 지연기(315)를 포함하는 제2 필름이 제공되고, 이어서 필름 인서트 성형 공정 중에 제1 열성형된 필름과 제2 열성형된 필름 사이에 렌즈(312)를 사출 성형함으로써 일체형 광학 적층물(310)이 형성된다. 제1 및 제2 필름들은 사출 성형 단계 이전에 열성형될 수 있다. 본 발명의 다른 광학 적층물들은 광학 필름 - 이는 코팅된 필름 또는 라미네이트일 수 있음 - 을 열성형하고 광학 적층물을 제조하기 위한 필름 인서트 성형 공정을 이용함으로써 유사하게 제조될 수 있다. 제2 필름이 필름 인서트 성형 공정 중에 포함될 수 있어서, 성형 공정 중에 형성된 렌즈가 필름들 사이에 배치되도록 한다.
대안적인 실시 형태에서, 제1 1/4 파장 지연기(325)는 제1 주 표면(314) 상에보다는 제2 주 표면(316) 상에 배치될 수 있다. 일체형 광학 적층물은 반사 편광기(327)를 원하는 형상으로 열성형하고 반사 편광기(327) 상에 렌즈(312)를 사출 성형함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 제1 1/4 파장 지연기(325)가 제2 주 표면(316) 상에 코팅(예컨대, 스핀 코팅)될 수 있고, 이어서 부분 반사기(317)가 제1 1/4 파장 지연기(325) 상에 증기 코팅될 수 있다. 제2 1/4 파장 지연기가 부분 반사기 상에 코팅되거나, 또는 디스플레이 패널(332) 상에 배치되거나 또는 부분 반사기(317)와 디스플레이 패널(332) 사이에 위치될 수 있다.
부분 반사기(317)는 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖고, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 투과율을 가질 수 있는데, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 파장 범위들 중 임의의 것일 수 있다. 광학 시스템(300) 내에 포함된 제1 1/4 파장 지연기(325) 및 임의의 추가 1/4 파장 지연기들은 미리 결정된 또는 원하는 복수의 파장들 중의 적어도 하나의 파장에서의 1/4 파장 지연기들일 수 있다. 다층 반사 편광기(327)는 (예컨대, 제1 방향으로 선형 편광된) 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고, (예컨대, 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 선형 편광된) 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사시킨다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 예를 들어, 다층 반사 편광기(327)는 중합체 다층 반사 편광기(예컨대, APF)일 수 있거나 또는 와이어 그리드 편광기일 수 있다.
광선(337)이 발광 시스템(332)으로부터 방출되고 출사 동공(335)을 통하여 투과된다. 광선(337)은 제2 1/4 파장 지연기(315) 및 부분 반사기(317)를 통하여 렌즈(312) 내로 그리고 그를 통하여 투과된다. 다른 광선들(도시되지 않음)이 제2 1/4 파장 지연기(315)를 통과한 후에 부분 반사기(317)로부터 반사되고, 광학 시스템(300)으로부터 소실된다. 먼저 렌즈(312)를 통과하게 한 후에, 광선은 제1 1/4 파장 지연기(325)를 통과하고 반사 편광기(327)로부터 반사된다. 발광 시스템(332)은 반사 편광기(327)에 대한 통과 축을 따른 편광을 갖는 광을 방출하여서, 제2 1/4 파장 지연기(315) 및 제1 1/4 파장 지연기(325) 둘 모두를 통과한 후에, 광이 최초로 반사 편광기 상에 입사될 때 광이 반사 편광기(327)에 대한 차단 축을 따라 편광되므로 반사 편광기(327)로부터 반사되도록 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 선형 편광기가 발광 시스템(332)과 제2 1/4 파장 지연기(317) 사이에 포함되어서, 제2 1/4 파장 지연기(315) 상에 입사된 광이 원하는 편광을 갖도록 한다. 광선(337)이 반사 편광기(327)로부터 반사된 후에, 광선은 제1 1/4 파장 지연기(325) 및 렌즈(312)를 다시 통과하고, 이어서 부분 반사기(317)로부터 반사되어(도시되지 않은 다른 광선들이 부분 반사기(317)를 통하여 투과됨) 다시 렌즈(312)를 통과하고 이어서 반사 편광기(327) 상에 다시 입사된다. 제1 1/4 파장 지연기(325)를 통과하고, 부분 반사기(317)로부터 반사되고 다시 제1 1/4 파장 지연기(325)를 통과한 후에, 광선(337)은 반사 편광기(327)에 대한 통과 축을 따른 편광을 갖는다. 따라서, 광선(337)이 반사 편광기(327)를 통하여 투과되고, 이어서 출사 동공(335)을 통하여 투과된다.
도 4는 광학 적층물(410), 발광 시스템(432) 및 출사 동공(435)을 포함하는 광학 시스템(400)의 단면도이다. 발광 시스템(432)은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 발광 시스템들 중 임의의 것일 수 있다. 픽셀들(441, 442, 443)로부터 방출된 광이 도 4에 도시되어 있다. 픽셀(441)로부터의 광은 출사 동공(435)의 중심을 통하여 투과되는 주 광선을 포함한다. 발광 시스템은, 광 출력의 더 큰 비율이 광학 적층물(410)의 수용각 내로 지향되도록 디스플레이 패널의 광 출력을 조종하고/하거나 부분적으로 시준하는 복수의 광 방향전환 요소들을 포함할 수 있다. 광학 적층물(410)은 렌즈(412), 출사 동공(435)에 대면하는 렌즈(412)의 주 표면 상에 배치된 반사 편광기(427), 및 이미지 표면(430)에 대면하는 렌즈(412)의 주 표면 상에 배치된 부분 반사기(417)를 포함한다. 1/4 파장 지연기가 광학 적층물(410) 내의 반사 편광기와 렌즈(412) 사이에 또는 부분 반사기와 렌즈(412) 사이에 포함되어 있다. 렌즈(412)는 직교 축들(예컨대, x-축 및 y-축)에 대해 이미지 표면(430)을 향해 볼록하다.
도 5는 발광 시스템(532), 렌즈 시스템(519) 및 출사 동공(535)을 포함하는 광학 시스템(500)의 단면도이다. 발광 시스템(532)은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술된 발광 시스템들 중 임의의 것일 수 있고, 디스플레이 패널, 및 디스플레이 패널의 광 출력을 조정하고/하거나 부분적으로 시준하도록 구성되어, 광 출력의 더 큰 비율이 렌즈 시스템(519)의 수용각 내에 있도록 하는 하나 이상의 광학 구성요소들(예컨대, 광 방향전환 층 및/또는 부분적으로 시준형인 백라이트)을 포함할 수 있다.
렌즈 시스템(519)은 제1 렌즈(512), 제2 렌즈(522)를 포함하는 광학 적층물(520), 및 제3 렌즈(562)를 포함하는 광학 적층물(560)을 포함한다. 광학 적층물(520)은 출사 동공(535)에 대면하는 제2 렌즈(522)의 주 표면 상에 배치된 부분 반사기를 포함하고, 이미지 표면(530)에 대면하는 제3 렌즈(562)의 주 표면 상에 배치된 반사 편광기를 포함한다. 부분 반사기에 대면하는 반사 편광기 상에 배치되거나 또는 반사 편광기에 대면하는 부분 반사기 상에 배치된 1/4 파장 지연기가 광학 시스템(500) 내에 포함되어 있다. 반사 편광기 및 부분 반사기는 각각 직교 축들(예컨대, x-축 및 y-축)에 대해 이미지 표면(530)을 향해 볼록하다. 발광 시스템(532) 상의 3개의 위치들에서의 3개의 광선속들이 도시되어 있다. 각각의 광선속 내의 광선들은 출사 동공(535)에서 실질적으로 평행하다.
도 6은 픽셀화된 광원(630) 및 광 방향전환 층(650)을 포함하는 발광 시스템(632)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(632)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 광 방향전환 층(650)은 픽셀화된 광원(630)으로부터 분리될 수 있거나, 또는 픽셀화된 광원(630)에 부착 또는 그와 통합될 수 있다. 픽셀화된 광원(630)은 별개의 이격된 복수의 픽셀들을 포함한다. 예를 들어, 픽셀화된 광원(630)은 1080×1920 픽셀들의 어레이를 갖는 고화질 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 단일 픽셀로부터의 광이 도 6에 도시되어 있다. 픽셀(641)은 중심 광선(637)을 포함하는 원추광(639)을 방출한다. 원추광(639)은 θ1의 원추각을 갖는 발산 광이다. 광 방향전환 층(650)의 각각의 부분 또는 광 방향전환 층(650)의 각각의 광 방향전환 요소는 그 부분 또는 광 방향전환 요소에 대응하는 픽셀에 의해 방출된 원추광을 수신하고, 수신된 광을, 송신되는 광의 중심 광선의 방향 및 원추각 중 하나 또는 둘 모두가 수신된 원추광의 중심 광선의 방향 및 원추각과는 상이한 원추광으로서 송신한다. 예시된 실시 형태에서, 부분(656)은 원추광(639)을 수신하고, 수신된 광을 중심 광선(647)을 갖는 원추광(649)으로서 송신한다. 원추광(649)은 발산 광일 수 있고, θ2의 원추각을 갖는다. 중심 광선(647)은 중심 광선(637)과는 상이한 방향을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 중심 광선(647)의 방향과 중심 광선(639)의 방향 사이의 각도 α는, 예를 들어 5도 이상 또는 10도 이상일 수 있고, 80도 미만, 또는 60도 미만, 또는 50도 미만일 수 있다. 원추각 θ2는 원추각 θ1보다 2도 이상, 또는 5도 이상, 또는 10도 이상, 또는 15도 이상 더 낮을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 원추각들 θ1 및 θ2 중 하나 또는 둘 모두는 10도 초과, 또는 15도 초과, 또는 20도 초과, 또는 30도 초과일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 그 사이의 각도 α는 대략 0일 수 있고, 원추각 θ2는 원추각 θ1보다 실질적으로 더 작을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 원추각들 θ1 및 θ2는 대략 동일할 수 있고, 그 사이의 각도α는 0보다 실질적으로 더 클 수 있다. 일부 실시 형태에서, 각도 α는 0보다 실질적으로 더 클 수 있고, 원추각 θ2는 원추각 θ1보다 실질적으로 더 작을 수 있다.
본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 광 방향전환 층(650)은 복수의 광 방향전환 요소들을 포함할 수 있는데, 이때 각각의 광 방향전환 요소는 픽셀화된 광원(630)에서의 픽셀들의 그룹에 대응한다. 픽셀들의 그룹은 적어도 하나의 픽셀을 포함하고, 단일 픽셀 또는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 픽셀들의 상이한 그룹들은 하나 이상의 공통 픽셀들을 공유할 수 있다. 다른 경우에, 픽셀들의 어떠한 2개의 상이한 그룹들도 공통 픽셀을 포함하지 않는다. 광 방향전환 층은, 복수의 광 방향전환 요소들이 별개의 요소들인 경우 또는 광 방향전환 층이 마이크로렌즈들 또는 프레넬(Fresnel) 렌즈들과 같은 급격하게 변화하는 구조들을 포함하는 경우 복수의 광 방향전환 요소들을 포함한다고 말할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 방향전환 층(650)은 복수의 부분들을 포함할 수 있는데, 이때 각각의 상이한 부분은 픽셀화된 광원(630)에서의 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 일부 실시 형태에서, 부분들은 별개의 광 방향전환 요소들 또는 복수의 별개의 광 방향전환 요소들일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광 방향전환 층은, 급격하게 변화하는 구조들을 갖지 않는 복수의 실질적으로 연속해서 변화하는 부분들을 포함할 수 있다.
도 7은 픽셀화된 광원(730) 및 광 방향전환 층(750)을 포함하는 발광 시스템(732)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(732)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 픽셀화된 광원(730)은 적어도 제1 및 제2 픽셀들(751, 752)을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함한다. 픽셀(741)의 이미지(751)는 (픽셀화된 광원(730)으로부터 z-방향으로) 픽셀(741)의 후방에 위치된 가상 이미지이다. 유사하게, 픽셀(742)의 이미지(752)는 픽셀(742)의 후방에 위치된 가상 이미지이다. 이미지들(751, 752)은 실질적으로 평면이거나 또는 실질적으로 비평면일 수 있는 이미지 표면(755) 상에 배치된다. 광 방향전환 층(750)은 복수의 부분들을 포함하고, 각각의 상이한 부분은 픽셀화된 광원(730)에서의 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 예시된 실시 형태에서, 픽셀들의 각각의 그룹은 단일 픽셀이다. 광 방향전환 층(750)의 부분(756)은 픽셀(741)에 대응하고, 광 방향전환 층(750)의 부분(757)은 픽셀(742)에 대응한다. 이미지들(751, 752)은 부분들(756, 757)로부터 상이한 거리들에 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 방향전환 층(750)은 복수의 렌즈들(또는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 다른 광 방향전환 요소들)을 포함하고, 부분들(756, 757) 각각은 렌즈를 포함한다. 이미지들(751, 752)은 부분들(756, 757)에서의 각각의 렌즈들로부터 상이한 거리들에 위치될 수 있다. 픽셀화된 광원(730)은 복수의 픽셀들을 포함하고, 제1 이미지를 방출할 수 있다. 광 방향전환 층(750)은 복수의 픽셀들의 후방에 제1 이미지의 가상 제2 이미지를 형성할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광 방향전환 층은 가상 이미지 대신에 실제 이미지를 생성할 수 있다. 이것은 도 8에 예시되어 있다.
도 8은 픽셀화된 광원(830) 및 광 방향전환 층(850)을 포함하는 발광 시스템(832)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(832)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 픽셀화된 광원(830)은 적어도 제1 및 제2 픽셀들(851, 852)을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함한다. 픽셀(841)의 이미지(851)는 (픽셀화된 광원(830)으로부터 마이너스 z-방향으로) 픽셀(841)의 전방에 위치된 실제 이미지이다. 유사하게, 픽셀(842)의 이미지(852)는 픽셀(842)의 전방에 위치된 실제 이미지이다. 이미지들(851, 852)은 실질적으로 평면이거나 또는 실질적으로 비평면일 수 있는 이미지 표면(855) 상에 배치된다. 광 방향전환 층(850)은 복수의 부분들을 포함하고, 각각의 상이한 부분은 픽셀화된 광원(830)에서의 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 예시된 실시 형태에서, 픽셀들의 각각의 그룹은 단일 픽셀이다. 광 방향전환 층(850)의 부분(856)은 픽셀(841)에 대응하고, 광 방향전환 층(850)의 부분(857)은 픽셀(842)에 대응한다. 픽셀화된 광원(830)은 복수의 픽셀들을 포함하고, 제1 이미지를 방출할 수 있다. 광 방향전환 층(850)은 복수의 픽셀들의 전방에 제1 이미지의 실제 제2 이미지를 형성할 수 있다. 이미지들(851, 852)은 부분들(856, 857)로부터 상이한 거리들에 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 방향전환 층(850)은 복수의 렌즈들(또는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 다른 광 방향전환 요소들)을 포함하고, 부분들(856, 857) 각각은 렌즈를 포함한다. 이미지들(851, 852)은 부분들(856, 857)에서의 각각의 렌즈들로부터 상이한 거리들에 위치될 수 있다.
광 방향전환 층의 일례가, 층(930) 상의 복수의 렌즈들(954)을 포함하는 광 방향전환 층(950)의 단면도인 도 9에 도시되어 있다. 층(930)은, 예를 들어 디스플레이 패널 또는 디스플레이 패널 내의 외부 층일 수 있고, 복수의 렌즈들(954)은 디스플레이 패널 바로 위에 형성될 수 있다. 대안적으로, 층(930)은, 예를 들어 중합체 기재일 수 있고, 광 방향전환 층(950)은 디스플레이 패널에 부착 또는 라미네이팅될 수 있다. 복수의 마이크로렌즈들일 수 있는 복수의 렌즈들(954)은 피치(P)를 갖고서 주기적으로 배열될 수 있다. 피치(P)는 디스플레이 패널 내의 픽셀들 사이의 피치와 유사하지만 그것보다 클 수 있다. 피치(P)는, 디스플레이 패널의 중심 근처에 위치된 렌즈들이, 대응하는 픽셀과 대략 정렬된 광학 축을 갖는 한편, 디스플레이 패널의 중심으로부터 멀리 있는 렌즈들이, 대응하는 픽셀로부터 횡방향으로 오프셋(예컨대, 도 9의 x-y 평면에 평행할 수 있는 디스플레이 패널의 평면에서 오프셋)된 광학 축을 갖도록 선택될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 오프셋은 디스플레이 패널의 중심으로부터 디스플레이 패널의 에지로 단조적으로 증가한다. 오프셋에서의 단조 증가는 선형 증가 또는 비선형 증가일 수 있다.
광 방향전환 층들, 예컨대 마이크로렌즈 어레이들을 포함하는 것들은 다양한 상이한 기법들에 의해 제조될 수 있다. 그러한 기법들은 광중합체 리플로우(reflow), 그레이 스케일 리소그래피, 레이저 어블레이션(laser ablation), 패턴화된 소수성/친수성 기재들 상의 경화성 단량체들의 딥 코팅, 경화성 단량체들의 잉크젯 인쇄, 다이아몬드 선삭(diamond turning), 이온 빔 또는 습식 에칭, 및 전착을 포함한다. 다른 적합한 공정들은 미국 특허 제7,583,444호(데보에(DeVoe) 등)에 기술된 것들과 같은 2-광자 공정들을 포함한다.
도 10은 별개의 이격된 복수의 픽셀들(1044), 및 복수의 광 방향전환 요소들(1054)을 포함하는 광 방향전환 층(1050)을 포함하는 발광 시스템(1032)의 개략 측면도이다. 광 방향전환 요소들(1054)은 렌즈들(954)에 대응할 수 있다. 디스플레이 패널에서의 모든 픽셀들에 대해 또는 픽셀들 중 일부에 대해서만 렌즈가 포함될 수 있다. 예를 들어, 발광 시스템(1032)을 포함하는 광학 시스템의 광학 축 근처의 영역의 픽셀은 선택적으로 광 방향전환 요소들을 포함하지 않을 수 있다. 발광 시스템(1032)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 광 방향전환 요소(1056)는 픽셀(1041)로부터 원추광(1039)을 수신하고, 수신된 광을 원추광(1049)으로서 송신한다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 원추광(1049)은 원추각 및 중심 광선 방향 중 하나 또는 둘 모두가 원추광(1039)의 원추각 및 중심 광선 방향으로부터 변화되어 있을 수 있다. 복수의 픽셀들(1044)은 표면(1033)을 따라 배치되는데, 이 표면은 예시된 실시 형태에서 실질적으로 평면인 표면이다. 다른 실시 형태에서, 표면(1033)은 만곡되어 있을 수 있다. 예를 들어, 만곡된 디스플레이 패널(예컨대, LCD 또는 OLED 패널)이 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 표면, 예컨대 표면(1033) - 픽셀들이 그를 따라 배치됨 - 은 픽셀화된 표면으로 지칭될 수 있다.
도 10에서의 복수의 픽셀들은 별개의 이격된 어두운 선들에 의해 나타내어져 있다. 다른 도면들에서, 픽셀들은 어두운 선들 사이의 개방 공간들에 의해 나타내어질 수 있다. 도 10에서, 어두운 선들 사이의 공간들은 인접한 픽셀들 사이의 갭들을 나타낸다. 픽셀들(1044)은 픽셀들의 반복 방향(예컨대, 도 10에서의 y-방향)을 따라 픽셀을 가로지르는 폭일 수 있는 픽셀 폭(w), 및 반복 방향을 따라 인접한 픽셀들 사이의 공간의 폭일 수 있는 갭(g)을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 인접한 픽셀들은 픽셀 폭의 약 10 퍼센트 내지 약 100 퍼센트만큼 이격되어 있다(예컨대, g/w는 약 0.1 내지 약 1의 범위이다). 일부 실시 형태에서, 인접한 픽셀들 사이의 갭은, 예를 들어 블랙 크롬(black chrome)일 수 있는 광 흡수 재료(1036)를 포함한다. 예를 들어, OLED 디스플레이들에서, 본 기술 분야에 알려져 있는 바와 같이 인접한 픽셀들 사이에 광 흡수 블랙 매트릭스가 포함될 수 있다. 인접한 픽셀들 사이에 광 흡수 재료를 포함하면, 발광 시스템 및 부분 반사기를 갖는 렌즈 시스템을 포함하는 광학 시스템에서의 콘트라스트를 개선시킬 수 있는데, 이는 발광 시스템으로 다시 반사되는 렌즈 시스템 상에 입사되는 광이 광 흡수 재료에 의해 적어도 부분적으로 흡수될 수 있기 때문이다. 다른 실시 형태에서, 인접한 픽셀들 사이의 갭은 실질적으로 광 투과성이다. 이것은, 예를 들어, 적어도 부분적으로 투명한 OLED 디스플레이 패널과 같은 적어도 부분적으로 투명한 디스플레이 패널에서의 경우일 수 있다. 이 경우에, 발광 시스템으로 다시 반사되는 렌즈 시스템 상에 입사되는 광이, 콘트라스트의 감소를 야기할 수 있는 렌즈 시스템을 통하여 다시 반사하지 않고서 발광 시스템을 통하여 적어도 부분적으로 투과될 수 있기 때문에 콘트라스트가 개선될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 인접한 픽셀들 사이의 간격은 작을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 인접한 픽셀들 사이의 갭은 픽셀 폭의 10 퍼센트 미만, 또는 픽셀 폭의 5 퍼센트 미만이다(예컨대, g/w는 0.1 미만, 또는 0.05 미만이다). 일부 실시 형태에서, 인접한 픽셀들 사이의 갭(g)은 2 마이크로미터 미만, 또는 1 마이크로미터 미만, 또는 0.5 마이크로미터 미만이다.
도 11a는 발광체(1141) 및 렌즈(1154a)를 포함하는 픽셀(1142)을 도시한다. 발광체(1141)는 중심 광선(1137)을 갖는 원추광(1139)을 방출하고, 렌즈(1154a)는 원추광(1139)을 수신하고 수신된 광을 중심 광선(1147)을 갖는 원추광(1149)으로서 송신한다. 렌즈(1154a)는 발광체(1141)로부터 거리(d)만큼 횡방향으로 오프셋된 광학 축(1140) 상에 중심설정된다. 픽셀(1142)은 예를 들어 픽셀(1041)과 광 방향전환 요소(1056)의 조합에 대응할 수 있다. 복수의 픽셀들(1142)을 포함하는 발광 시스템은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 횡방향 오프셋 거리(d)는 디스플레이 패널의 중심으로부터 디스플레이 패널의 에지로 단조적으로 증가할 수 있다.
광 방향전환 요소는 렌즈의 광학 축에 대해 회전 대칭인 구면 또는 비구면 부분을 포함할 수 있는 렌즈일 수 있거나, 또는 하나 이상의 만곡된 표면들을 가질 수 있는 프리즘형 요소일 수 있다. 도 11b는 렌즈(1154a) 대신에 사용될 수 있는 렌즈 또는 광 방향전환 요소(1154b)를 도시한다. 일부 실시 형태에서, 복수의 광 방향전환 요소(1154b)가 픽셀화된 광원에서의 대응하는 픽셀 피치와 매칭되도록 선택된 피치를 갖고서 주기적으로 배열될 수 있다. 픽셀화된 광원에서의 픽셀들은 실질적으로 평면인 표면 또는 실질적으로 만곡된 표면일 수 있는 픽셀화된 표면(1133)을 따라 배치될 수 있다. 광 방향전환 요소(1154b)는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 측부들(1131a, 1131b), 및 제1 및 제2 측부들(1131a, 1131b)을 연결하는 만곡된 표면(1131c)을 포함한다. 광 방향전환 요소(1154b)는 프리즘형 베이스 부분(1196) 및 만곡된 표면(1131c)을 포함하는 렌즈 부분(1194)을 갖는 것으로 기술될 수 있다. 베이스 부분(1196)은, 예를 들어 발광체(1141b)를 포함하는 표면(1133)에 평행한 평면(도 11b의 x-y 평면에 평행한 평면)에서 정사각형 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 측부들(1131a, 1131b)은 평면인 면들일 수 있다. 베이스 부분(1196)은, 예를 들어 표면(1133)에 평행한 평면에서 원형 단면을 가질 수 있다. 제1 및 제2 측부들(1131a, 1131b)은 그때 원통형 베이스(1196)의 반대편 측부들일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 측부(1131a)는 표면(1133)으로부터 표면(1133)에 대한 법선을 따라(통상 마이너스 z-방향을 따라) 제2 측부(1131b)보다 더 멀리 연장된다. 프리즘형 요소가 프리즘 구성요소(예컨대, 베이스 부분(1196)) 및 렌즈 구성요소(예컨대, 만곡된 표면(1131c))를 포함하는 것으로 이해될 수 있고, 여기서 렌즈 구성요소는 적어도 하나의 볼록한 표면을 갖는다.
발광체(1141b)는 중심 광선(1137b)을 갖는 제1 원추광을 방출한다. 제1 원추광은 광 방향전환 요소(1154b)에 의해 수신되고 중심 광선(1147b)을 갖는 제2 원추광으로서 송신된다. 중심 광선(1137a)은 제1 원추 축을 따라 있을 수 있고, 중심 광선(1137b)은 제2 원추 축을 따라 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 원추 축과 제2 원추 축 사이의 각도 α는 5도 이상 또는 10도 이상일 수 있거나, 또는 5도 내지 50도 또는 60도의 범위일 수 있다. 광 방향전환 요소(1154b)는 제1 원추 축에 대해 비대칭일 수 있다. 만곡된 표면(1131c)은 제1 원추 축에 대해 회전 비대칭이고, 제1 원추 축에 평행하지 않으며 제2 원추 축에 평행하지 않을 수 있는 축(1193)에 대해 실질적으로 회전 대칭일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 이미징 시스템은 복수의 발광체들(1141b) 및 복수의 광 방향전환 요소들(1154b)을 포함한다. 발광체(1141b)는 대응하는 광 방향전환 요소(1154b)와 함께 픽셀로 지칭될 수 있고, 이미징 시스템은 복수의 그러한 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 픽셀들 중 제1 픽셀에 대해, 제1 원추 축과 제2 원추 축 사이의 제1 각도가 5도 초과, 또는 10도 초과이고, 복수의 픽셀들 중 상이한 제2 픽셀에 대해, 제1 원추 축과 제2 원추 축 사이의 제2 각도가 5도 초과, 또는 10도 초과이고, 제1 각도와는 상이하다. 일부 실시 형태에서, 복수의 픽셀들 중 대다수의 픽셀들에 대해, 제1 및 제2 원추 축들은 평행하지 않고, 일부 실시 형태에서, 복수의 픽셀들 중 대다수의 픽셀들에 대해, 제1 원추 축과 제2 원추 축 사이의 각도는 5도 이상, 또는 10도 이상, 또는 5도 내지 50도 또는 60도의 범위이다.
도 12는 별개의 이격된 복수의 픽셀들을 포함하고 백라이트(1236)로부터 광을 수신하며 패턴화된 광을 광 방향전환 층(1250)을 통하여 투과시키도록 배치되는 디스플레이 패널(1230)을 포함하는 발광 시스템(1232)의 개략 측면도이다. 디스플레이 패널(1230)은 액정 디스플레이(LCD) 패널, 또는 격자 기반 변조기, 또는 간섭 기반 변조기, 또는 전기변색 변조기, 또는 전기영동 변조기와 같은 임의의 적합한 공간 광 변조기일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 유기 발광 디스플레이(OLED)가 별개의 이격된 복수의 픽셀들을 포함하고, 백라이트(1236)는 생략될 수 있다. 발광 시스템(1232)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 백라이트(1236)는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있다. 백라이트는, 백라이트로부터의 광 출력이 램버트 광 출력보다 상당히 더 많이 시준되는 경우 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트라고 말할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트의 루멘 출력의 50 퍼센트 이상이 60도, 또는 50도, 또는 40도, 또는 30도, 또는 25도, 또는 20도 전폭 원추 내에 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트의 루멘 출력의 60 퍼센트 이상이 70도, 또는 60도, 또는 50도, 또는 40도, 또는 30도, 또는 25도 전폭 원추 내에 있다.
도 13은 픽셀들(1341, 1342, 1343)을 포함하는 발광 시스템(1332)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(1332)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 각각의 픽셀은 중심 광선 및 원추각을 갖는 원추광을 방출하도록 구성된다. 픽셀(1341)은, 예시된 실시 형태에서 광학 축(1340)에 평행한 중심 광선(1347)을 갖는 원추광(1349)을 방출하는데, 이 광학 축은 발광 시스템(1332)으로부터 광을 수신하도록 배치된 렌즈 시스템의 광학 축일 수 있다. 픽셀(1342)은 전폭 원추각 θ를 갖는 원추광을 방출한다. 발광 시스템(1332)은 디스플레이 패널에 의해 방출된 광의 원추각을 감소시키도록 구성된 광 방향전환 층을 갖는 디스플레이 패널을 포함할 수 있는데, 디스플레이 패널은, 예를 들어 LCD 또는 OLED 디스플레이 패널일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는, 종래의 백라이트로 생성된 것과 비교하여 낮아진 원추각을 갖는 출력을 생성하기 위해 디스플레이 패널과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는, 루멘 출력의 50 퍼센트 이상이 50도 전폭 원추 내에 또는 부분적으로 시준형인 백라이트에 대해 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 범위들 중 임의의 범위 내에 있도록 광 출력을 생성할 수 있다. 원추각을 추가로 감소시키기 위해 광 방향전환 층이 포함될 수 있거나, 또는 광 방향전환 층은 선택적으로 생략될 수 있다. 예시된 실시 형태에서, 픽셀들(1341, 1342, 1343) 각각의 광 출력 방향은 광학 축(1340)에 실질적으로 평행하다. 다른 실시 형태에서, 광 방향전환 층 및/또는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는 발광 시스템으로부터 방출된 광의 방향을 변경할 수 있다. 이것은 도 14 및 도 15에 도시되어 있다.
도 14는 픽셀들(1441, 1442, 1443)을 포함하는 발광 시스템(1432)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(1432)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 각각의 픽셀은 원추각 및 중심 광선을 갖는 원추광을 방출한다. 픽셀(1441)은 발광 시스템(1432)의 또는 발광 시스템(1432)으로부터 광을 수신하도록 배치된 렌즈 시스템의 광학 축(1440)에 대해 각도 α를 이루는 방향을 따라 방출된 중심 광선(1447)을 갖는 원추광(1449)을 방출한다. 픽셀(1442)은 원추각 θ를 갖는 원추광을 방출한다. 픽셀들(1441, 1443) 각각으로부터의 광은 광학 축(1440)을 향해 굽혀지는 한편, 픽셀(1442)로부터의 광은 실질적으로 광학 축(1440)을 따라 방출된다. 일부 실시 형태에서, 픽셀들(1441, 1442, 1443) 각각으로부터의 광은 적어도 부분적으로 시준된다. 다른 실시 형태에서, 픽셀들로부터의 광은, 적어도 부분적으로 시준되지 않고서 변경된 방향을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는 발광 시스템(1432)으로부터 적어도 부분적으로 시준되는 광 출력을 생성하는 데 사용된다. 일부 실시 형태에서, 백라이트의 제1 부분이 제1 방향에서 적어도 부분적으로 시준되는 광을 방출하도록 구성되고, 백라이트의 상이한 제2 부분이 제2 상이한 방향에서 적어도 부분적으로 시준되는 광을 방출하도록 구성된다. 예를 들어, 픽셀(1441)에 대응하는 위치에서의 백라이트로부터의 광은 중심 광선(1447)의 방향을 따라 적어도 부분적으로 시준될 수 있고, 픽셀(1442)에 대응하는 위치에서의 백라이트로부터의 광은 광학 축(1440)에 평행한 방향을 따라 적어도 부분적으로 시준될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트로부터의 광은 백라이트의 방출 표면을 가로질러 매끄럽게 변화하는 방향을 따라 부분적으로 시준될 수 있다.
도 15는 픽셀들(1541, 1542, 1543)을 포함하는 발광 시스템(1532)의 개략 측면도이다. 각각의 픽셀은 원추각 및 중심 광선을 갖는 원추광을 방출한다. 픽셀(1541)은 발광 시스템(1532)의 또는 발광 시스템(1532)으로부터 광을 수신하도록 배치된 렌즈 시스템의 광학 축(1540)에 대해 각도 α를 이루는 방향을 따라 방출된 중심 광선(1547)을 갖는 원추광(1549)을 방출한다. 픽셀(1542)은 원추각 θ를 갖는 원추광을 방출한다. 픽셀들(1541, 1543) 각각으로부터의 광은 광학 축(1540)으로부터 멀어지게 굽혀지는 한편, 픽셀(1542)로부터의 광은 실질적으로 광학 축(1540)을 따라 방출된다. 일부 실시 형태에서, 픽셀들(1541, 1542, 1543) 각각으로부터의 광은 적어도 부분적으로 시준된다. 다른 실시 형태에서, 픽셀들로부터의 광은, 적어도 부분적으로 시준되지 않고서 변경된 방향을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는 도 14와 관련하여 추가로 기술된 바와 같이 발광 시스템(1532)으로부터 적어도 부분적으로 시준되는 광 출력을 생성하는 데 사용된다.
도 16a는 렌즈 시스템(1619), 및 액정 디스플레이 패널(1630) 및 백라이트(1636)를 포함하는 발광 시스템(1632)을 포함하는 광학 시스템(1600)의 단면도인데, 백라이트는 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트이고 위치에 따라 변화하는 출력 방향을 제공하도록 구성될 수 있다. 백라이트(1636)는 도광체(1663)를 포함하는데, 도광체는 시준 광학 요소(1660), 및 광이 도광체(1663)로부터 적어도 부분적으로 시준되는 광으로서 추출되도록 구조화된 표면(1667)을 갖는 광 추출 요소(1665)를 포함한다. 백라이트(1636)는 광을 시준 광학 요소(1660) 내로 주입하도록 구성된 광원(1661), 및 광 추출 요소(1665)에 인접하게 배치된 후방 반사기(1668)를 추가로 포함한다. 광원(1661)은 발광 다이오드(LED) 또는 복수의 LED들과 같은 임의의 적합한 광원일 수 있다. 광원(1661)으로부터의 광은, 그것이 시준 광학 요소(1660)의 테이퍼진 기하형상으로 인해 시준 광학 요소(1660)를 통과하기 때문에 적어도 부분적으로 시준될 수 있다. 광이 광 추출 부분(1665)으로부터 후방 반사기(1668)를 향해 추출되고, 그 광은 이어서 후방 반사기(1668)로부터 반사되고, 원하는 출력 방향들을 따라 렌즈 시스템(1619)을 향해 적어도 부분적으로 시준되는 광으로서 광 추출 부분(1665)을 통하여 투과된다.
일부 실시 형태에서, 위치에 따라 변화하는 출력 방향을 제공하도록 구성된 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트가 광 방향전환 층과 조합된다. 그러한 실시 형태에서, 백라이트는 렌즈 시스템에 의해 이용될 원하는 방향을 향해 부분적으로 터닝(turning)되는 출력을 제공하고, 광 방향전환 층은 이러한 부분적으로 터닝된 광을 수신하고 렌즈 시스템에 대한 원하는 방향에 더 가깝게 매칭되는 방향으로 광을 송신한다.
시준 요소(1660)는 도광체(1663)의 광 삽입 부분이다. 도광체(1663)는, 시준 광학 요소(1660)로부터 제1 절첩부(1671)를 통하여 광을 수신하고 광을 제2 절첩부(1674)를 통하여 광 추출 요소(1665)로 전송하도록 배치된 광 전송 부분(1664)을 추가로 포함한다. 광 추출 요소(1665)의 구조화된 표면(1667)은 원하는 출력 방향들을 따라 광 출력을 생성하도록 배향된 광 추출기들을 포함할 수 있다. 그 표면은, 예를 들어 구조화된 니켈 스탬핑 공구와 같은, 구조화된 스탬핑 공구를 사용하여 적합하게 구조화될 수 있다. 적합한 스탬핑 공구들은 기계가공에 의해, 예컨대 단일 지점 다이아몬드 기계가공에 의해 제조될 수 있다. 예시적인 다이아몬드 선삭 시스템들 및 방법들은, 예를 들어, PCT 출원 공개 WO 00/48037호(캠프벨(Campbell) 등), 및 미국 특허 제7,350,442호(에니스(Ehnes) 등) 및 제7,328,638호(가디너(Gardiner) 등)에서 기술된 바와 같은 고속 공구 서보(FTS)를 포함 및 이용할 수 있다. 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트는 원하는 출력 방향들을 따라 광 출력을 생성하도록 구성된 격자들을 포함할 수 있다. 그러한 백라이트들은 문헌[Fattal et al., "A multi-directional backlight for a wide-angle, grasses-free three dimensional display", Nature, Vol. 495, pp. 348-351, March 21, 2013]에 의해 설명된다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 표면(1667)은, 예를 들어, 본 발명에 모순되지 않는 정도로 본 명세서에 참고로 포함되는 U.S. 2013/0321913호(해럴드(Harold) 등)에 기술된 바와 같이 단차부들 사이에 경사진 부분들(1669)을 갖는 일련의 단차부들(1666)을 포함할 수 있다. 구조화된 표면(1667)에서의 단차부들(1666) 및 경사진 부분들(1669)은, 예를 들어 기계가공에 의해 형성될 수 있다. 경사진 부분들(1669)은 광이 광 추출 요소(1665)로부터 추출되게 한다. 그러한 백라이트들의 출력 방향들의 분포는 단차부들(1666) 사이의 경사진 부분들(1669)의 기울기들의 분포를 조정함으로써 조정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 단차부들은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 만곡된 형상을 갖는다(예컨대, 도 16c 참조).
광학 시스템(1600)은 출사 동공(1635)을 갖고, 광학 편광기(1670)를 추가로 포함하는데, 광학 편광기는 반사 편광기, 흡수 편광기, 흡수 편광기와 반사 편광기의 조합일 수 있거나, 또는 선택적으로 생략될 수 있다.
렌즈 시스템(1619)은 제1 및 제2 광학 렌즈들(1610, 1620)을 포함한다. 제1 렌즈(1610)는 주 표면(1614)을 포함하는데, 그 주 표면 상에 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 원하는 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는 부분 반사기가 배치된다. 제2 렌즈(1620)는 주 표면(1626)을 포함하는데, 그 주 표면 상에 반사 편광기가 배치되고, 반사 편광기는 열성형된 또는 압력-성형된 반사 편광기일 수 있고, 예를 들어 중합체 다층 반사 편광기 또는 와이어 그리드 편광기일 수 있다. 반사 편광기 상에 1/4 파장 지연기가 배치될 수 있다.
광학 시스템들(100, 200, 300, 400, 500 또는 1600) 중 임의의 것은, 예를 들어 디스플레이 시스템으로 또는 이미징 시스템으로 지칭될 수 있다. 이러한 광학 시스템들 중 임의의 것은 가상 현실 디스플레이와 같은 헤드 마운트 디스플레이에 사용될 수 있다.
도 16b 및 도 16c는 각각, 이미지를 형성하기 위한 이미저(1630b) 및 이미저(1630b)에 의해 형성된 이미지를 투영하기 위한 투영 렌즈 시스템(1619b)을 포함하는 디스플레이 시스템(1600b)의 단면도 및 사시도이다. 이미저(1630b)는 복수의 픽셀들을 포함한다. 복수의 픽셀들 중 각각의 픽셀에 대해, 이미저는 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성된다. 중심 광선은 광 추출 요소(1665)의 기하형상으로 인해 이미저(1630b)에서의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 중심 광선 방향의 변화는 투영 렌즈 시스템을 통하여 투영되는 이미지의 휘도를 30 퍼센트 이상, 또는 50 퍼센트 이상 또는 100 퍼센트 이상, 또는 200 퍼센트 이상만큼 증가시킨다. 투영 렌즈를 통하여 투영되는 이미지는, 이미지 전체에 걸쳐 초점이 맞거나 또는 맞지 않을 수 있는 패턴화된 광이다. 예를 들어, 투영 렌즈를 통하여 투영되는 이미지는, 정초점(in-focus) 이미지를 형성하는 중심 부분 및 초점이 맞지 않을 수 있는 주변 부분을 가질 수 있다. 투영 렌즈 시스템(1619b)은 도 16b에 도시된 바와 같은 굴절 렌즈 시스템일 수 있거나, 또는 서로 인접한 그리고 서로로부터 이격되어 있는 제1 및 제2 부분 반사기들을 포함하는 절첩형 광학 시스템일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 투영 렌즈 시스템(1619b)은 렌즈 시스템(119)에 대응하고, 제1 부분 반사기는 부분 반사기(117)에 대응하는 한편 제2 부분 반사기는 반사 편광기(127)에 대응한다. 일부 실시 형태에서, 투영 렌즈 시스템(1619b)은 수용각을 갖고, 중심 광선 방향의 변화는 수용각 내에 있는 이미저(1630b)에 의해 방출된 광을 30 퍼센트 이상, 또는 50 퍼센트 이상 또는 100 퍼센트 이상, 또는 200 퍼센트 이상만큼 증가시킨다.
일부 실시 형태에서, 투영 렌즈 시스템(1619b)은, 이미저(1630b)의 최대 횡방향 광학 활성 치수(D2)의 약 80 퍼센트 미만(또는 약 60% 미만, 또는 약 50% 미만, 또는 약 40% 미만)인 최대 횡방향 광학 활성 치수(D1)를 갖는다. 구성요소의 최대 횡방향 광학 활성 치수는, 디스플레이 시스템(1600b)의 출력을 형성할 때 광학적으로 이용되는 구성요소의 부분의, 도 16b의 x-y 평면에서의 최대 치수인 최대 횡방향 치수를 지칭한다. 예를 들어, 픽셀화된 디스플레이 패널은 전형적으로, 광학적으로 활성이 아닌 픽셀들의 직사각형 영역 주위에 일부 경계 영역을 갖는 광학적으로 활성인 픽셀들의 직사각형 영역을 갖는다. 최대 횡방향 광학 활성 치수는 이 경우에 픽셀들의 직사각형 영역의 대각선이다. 다른 예로서, 렌즈는 광을 수신 및 송신하는 원형 영역을 가질 수 있고, 이 경우에 이러한 원형 영역의 직경이 최대 횡방향 광학 활성 치수이다.
디스플레이 시스템(1600b)은, 광 삽입 부분(1660b), 및 광 삽입 부분(1660b) 및 이미저(1630b)와 광학 연통하는 광 추출 부분(1665b)을 갖는 도광체(1663)를 포함한다. 도광체(1663b)는 광 추출 부분(1665b)이 광 삽입 부분(1660b)에 대면하도록 절첩된다. 도광체(1663b)는, 제1 절첩부(1671b)로부터 광 삽입 부분(1660b)으로부터의 광을 수신하며 그 광을 제2 절첩부(1673b)를 통하여 광 추출 부분(1665b)으로 전송하도록 구성된 광 전송 부분(1664b)을 포함한다. 이미저(1630b)는 광 추출 부분(1665b)과 광 삽입 부분(1660b) 사이에 배치된 반사성 공간 광 변조기(예컨대, 액정 온 실리콘(LCoS) 패널)일 수 있다. 대안적으로, 이미저는 도 16a에 도시된 바와 같이 광 삽입 부분의 반대편인 광 추출 부분에 근접하게 배치된 투과성 공간 광 변조기일 수 있다. 도 16b의 실시 형태에서, 광이 광 추출 부분(1665b)으로부터 이미저(1630b)를 향해 적어도 부분적으로 시준되는 광으로서 추출되는데, 이미저는 이미징된 광을 다시 광 추출 부분(1665b)을 통하여 렌즈 시스템(1619b)을 향해 반사시킨다.
렌즈 시스템(1619b)은 (z-축에 평행한) 광학 축(1640b)을 갖는다. 광 삽입 부분(1660b) 및 광 추출 부분(1665b)은 렌즈 시스템(1619b)의 광학 축(1640b)을 따라 이격되어 있다. 광학 축(1640b)은 광 삽입 부분(1660b) 및 광 추출 부분(1665b)과 교차한다.
일부 실시 형태에서, 구조화된 표면(1667b)은, 도 16a의 구조화된 표면(1667), 단차부들(1666) 및 경사진 부분들(1669)에 대해 기술된 바와 같이 단차부들(1666b) 사이에 경사진 부분들(1669b)을 갖는 일련의 단차부들(1666b)을 포함한다. 단차부들(1666 또는 1666b)은 별개의 이격된 광 추출 특징부들로서 기술될 수 있다. 광 추출 부분으로부터 광을 추출하는 데 적합한 다른 별개의 이격된 광 추출 특징부들이 단차부들 대신에 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 추출 특징부들의 형상은, x-축을 따라 광을 집광시키는 z-축을 중심으로 하는 곡률과, y-축을 따라 광을 집광시키는 y-축을 따른 추출 특징부들의 각도의 변화들의 조합에 의해 이미저를 향해 광을 집광시킨다. 추출 특징부들은 광을 추출하기 위해 내부 전반사(TIR)에 의존하는, 코팅되지 않은 재료일 수 있거나, 또는 금속 또는 유전체 반사기로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 전체 추출 표면(1667 또는 1667b)은 반사 편광기로 코팅될 수 있다. 이것은 맥닐(MacNeille) 편광기, 와이어 그리드 편광기, 또는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 APF 또는 이중 휘도 향상 필름(Dual Brightness Enhancement Film, DBEF)과 같은 중합체 다층 광학 필름 반사 편광기를 통하여 생성될 수 있다. 반사 편광기는 추출 요소들에 순응시키도록 형상화될 수 있다. 이것은, 예를 들어 구조화된 표면(1667 또는 1667b)에 접착제의 박층을 적용하고, 열 및/또는 압력으로 그 표면에 반사 편광기 필름(예컨대, APF)을 적용하여 그 필름을 구조화된 표면에 순응시킴으로써 수행될 수 있다. 도광체(1663 또는 1663b)의 하나 이상의 표면들은 저 굴절률 코팅을 가질 수 있는데, 이때 코팅의 굴절률은 도광체 내에 TIR 조건들을 유지할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저 굴절률 코팅은 도광체의 굴절률보다 약 0.05 내지 0.2 더 낮은 굴절률을 갖는다(달리 특정되지 않는 한, 굴절률은 532 nm에서 측정된 바와 같은 굴절률을 지칭한다). 저 굴절률 코팅은 광학적으로 두꺼울 수 있고, 예를 들어 0.5 마이크로미터 이상 또는 1 마이크로미터 이상의 물리적 두께를 가질 수 있다.
광학 시스템(1600) 또는 디스플레이 시스템(1600b)에 사용하기에 적합한 다른 적합한 도광체들이 도 26 내지 도 28에 도시되어 있다.
도 26은 광(2638)을 수신하도록 구성된 광 삽입 부분(2660); 광 삽입 부분(2660)으로부터 광을 수신하도록 배치된 광 전송 부분(2664) - 광 전송 부분(2664)은 제1 세그먼트(2664-1) 및 제2 세그먼트(2664-2)를 가짐 -; 및 광 전송 부분(2664)으로부터 광을 수신하도록 배치된 광 추출 부분(2665)을 포함하는 도광체(2663)의 개략 단면도이다. 광 삽입 부분(2660)에 의해 수신된 광(2638)은 주로 제1 방향(2681)을 따라 전파되고, 광 전송 부분(2683)에 의해 수신된 광은 제1 세그먼트(2664-1) 내에서 주로 제2 방향(2683)을 따라 전파되고, 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제3 방향(2685)을 따라 전파된다. 제1 방향(2681)과 제2 방향(2683) 사이의 제1 끼인각은 140 이상, 또는 150도 이상, 또는 160도 이상이거나, 또는 약 180도이고, 제1 방향과 제3 방향 사이의 제2 끼인각은 40도 미만, 또는 30도 미만, 또는 20도 미만이다. 예시된 실시 형태에서, 제1 끼인각은 약 180도이고, 제2 끼인각은 약 0도이다. 제1 및 제2 끼인각들은, 광 삽입 부분(2660)의 배향 및/또는 광 추출 부분(2685)의 배향을 변경하여 그 부분들 중 하나 또는 둘 모두가 x-y 평면으로부터 기울어져 있도록 함으로써 변경될 수 있다. 2개의 방향들 사이의 끼인각은, 2개의 방향들을 따른 단위 벡터들의 내적(dot product)의 역코사인의 주치(principle value)(이는 정의에 의해, 0 내지 180도의 범위에 있음)를 지칭한다. 예를 들어, 2개의 방향들 사이의 끼인각의 개략도인 도 29를 참조하면, 단위 벡터들(2981, 2985)의 내적의 역코사인은, 단위 벡터(2981)를 따른 제1 방향과 단위 벡터(2985)를 따른 제2 방향 사이의 끼인각인 각도 φ를 제공한다. 끼인각이 0도와 180도 사이에 있어야 하기 때문에, 예를 들어, 끼인각을 140도 초과로 특정하는 것은, 끼인각을 140도와 180도 사이에 있는 것으로 특정하는 것과 등가이다.
광 전송 부분(2664)은 광 삽입 부분(2660)으로부터 제1 절첩부(2671)를 통하여 광을 수신하고 그 광을 제2 절첩부(2674)를 통하여 광 추출 부분(2665)으로 전송하도록 배치된다. 제2 절첩부(2674)는 제1 하위-절첩부(2674-1) 및 제2 하위-절첩부(2674-2)를 포함한다.
도 27은 광(2738)을 수신하도록 구성된 광 삽입 부분(2760), 및 광 삽입 부분(2760)으로부터 광을 수신하도록 배치된 광 추출 부분(2765)을 포함하는 도광체(2763)의 개략 단면도이다. 광 추출 부분(2765)은 광 삽입 부분(2760)으로부터 절첩부(2771)를 통하여 광을 수신한다. 광 삽입 부분(2760)에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향(2781)을 따라 전파되고, 광 추출 부분(2765)에 의해 수신된 광은 주로 제2 방향(2765)을 따라 전파된다. 제1 방향(2781)과 제2 방향(2785) 사이의 끼인각은 120도 이상, 또는 140도 이상, 또는 160도 이상이다. 예를 들어, 끼인각은 160 내지 180도의 범위일 수 있거나, 또는 도시된 바와 같이 약 180도일 수 있다. 광 추출 부분(2765)은, 광 추출 부분으로부터, 예를 들어, 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같은 투영 렌즈 시스템을 향해 광을 추출하도록 구성된 복수의 광 추출 특징부들을 포함할 수 있다. 0도에서 5도 이내의 각도는 약 0도로서 기술될 수 있고, 180도에서 5도 이내의 각도는 약 180도로서 기술될 수 있다.
도광체들(2663, 2763) 각각은, 광을 수신하도록 구성된 광 삽입 부분; 광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치된 광 전송 부분; 및 광 전송 부분으로부터 제2 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치된 광 추출 부분을 포함한다. 각각의 경우에, 광 추출 부분은 광 삽입 부분으로부터 이격되어 있고 그에 대면한다. 일부 실시 형태에서, 광 추출 부분과 광 삽입 부분은 서로 접촉할 수 있거나, 또는 작은 갭에 의해서만 분리되어 있을 수 있다. 도 28은 절첩부(2871)를 통하여 서로 광학적으로 연결된 광 삽입 부분(2860) 및 광 추출 부분(2865)을 포함하는 도광체(2863)의 개략 단면도이다. 광 추출 부분(2865)은, 광 추출 부분(2865)으로부터, 예를 들어, 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같은 투영 렌즈 시스템을 향해 광을 추출하도록 구성된 복수의 광 추출 특징부들을 포함할 수 있다. 광은 광 삽입 부분(2860) 내에서 주로 제1 방향(2881)을 따라 전파되고, 광은 광 추출 부분(2865) 내에서 주로 제2 방향(2885)을 따라 전파된다. 제1 방향(2881)과 제2 방향(2885) 사이의 끼인각은, 예를 들어 140도 이상으로 있을 수 있다.
일부 실시 형태에서, 광 방향전환 층은 픽셀화된 광원을 향해 오목한 오목 표면을 포함하는데, 이때 오목 표면의 각각의 상이한 부분은 픽셀화된 광원에서의 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 오목 표면의 부분들은 픽셀들의 그룹들과 일대일 대응으로 있을 수 있다. 이것은 광 방향전환 층(1750) 및 픽셀화된 광원(1730)을 포함하는 발광 시스템(1732)의 개략 측면도인 도 17에 도시되어 있다. 발광 시스템(1732)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 예시된 실시 형태에서, 광 방향전환 층(1750)은, 광 방향전환 층(1730)을 향해 오목한 오목 표면(1758)을 갖는 단일 광학 요소를 포함한다. 픽셀화된 광원(1730)은 복수의 픽셀들(1744)을 포함하는데, 복수의 픽셀들은 그룹들(1741a, 1741b, 1741c, 1741d)을 포함하는 픽셀들의 복수의 그룹들을 포함한다. 오목 표면(1758)은 복수의 부분들(1756a, 1756b, 1756c, 1756d)을 포함한다. 각각의 상이한 부분은 픽셀들의 상이한 그룹에 대응한다. 예를 들어, 픽셀들의 그룹(1741a)으로부터의 광은 오목 표면(1758)의 부분(1756a)을 통과할 수 있고, 오목 표면(1758)의 다른 부분들을 실질적으로 통과하지 않을 수 있다. 이것은 픽셀들을 오목 표면(1758)에 매우 근접하게 배치하여 달성될 수 있다. LCD 패널이 복수의 픽셀들을 포함하는 실시 형태에서, 광 방향전환 층(1750)을 복수의 픽셀들에 더 가깝게 위치시키기 위해 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같이 얇은 외부 유리 층이 사용될 수 있다. LCD 패널이 복수의 픽셀들을 포함하는 실시 형태에서, 광 방향전환 층(1750)은, 표면(1758)을 복수의 픽셀들(1744)에 가깝게 위치시키기 위해 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같이 LCD 패널의 외부 유리 층으로부터 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같이 부분 반사기 및 반사 편광기를 포함하는 것들과 같은, 렌즈 시스템을 포함하는 광학 시스템에 픽셀화된 광원(1732)이 사용될 때, 픽셀들의 그룹에 대응하는 부분 이외의 오목 표면(1758)의 임의의 부분을 통과하는 픽셀들의 그룹으로부터의 임의의 광은 렌즈 시스템의 수용각 외측에 있을 수 있고 이에 따라 광학 시스템에 의해 이용되지 않을 수 있다.
도 18은 액정 디스플레이 패널(1830), 백라이트(1836), 및 오목 광 방향전환 표면(1858)을 갖는 광 방향전환 층(1850)을 포함하는 발광 시스템(1832)의 개략 단면도이다. 액정 디스플레이 패널이 도 18에 도시되어 있지만, 광 방향전환 층(1850)은, 예를 들어 OLED 디스플레이와 같은, 다른 유형의 픽셀화된 디스플레이들과 함께 사용될 수 있다. 발광 시스템(1832)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 액정 디스플레이 패널(1830)은 제1 유리 층(1876)과 제2 유리 층(1878) 사이에 배치된 복수의 픽셀들(1844)을 포함한다. 복수의 픽셀들(1844)은 제1 픽셀(1841) 및 제2 픽셀(1842)을 포함한다. 광 방향전환 층(1850)과 액정 디스플레이 패널(1830) 사이에 제1 편광기(1872)가 배치되고, 액정 디스플레이 패널(1830)과 백라이트(1836) 사이에 제2 편광기(1873)가 배치된다. 백라이트(1836)는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있다. 발광 시스템(1832)은 광학 축(1840) 상에 중심설정된다. 광 방향전환 층(1850)은 예시된 실시 형태에서 단일 광 방향전환 요소이다. 광 방향전환 층(1850)은 액정 패널(1830)을 향해 오목한 오목 광 방향전환 표면(1858)을 포함한다. 오목 광 방향전환 표면(1858)은 제1 픽셀(1841)로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 부분(1856)을 포함하고, 제2 픽셀(1842)로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 부분(1857)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 오목 광 방향전환 표면(1858)은 복수의 상이한 부분들을 포함하는데, 이때 각각의 상이한 부분은 복수의 픽셀들(1844) 중, 상이한 픽셀과, 또는 픽셀들의 상이한 그룹과 일대일 대응으로 있다.
도 19는 액정 디스플레이 패널(1930), 백라이트(1936), 및 오목 광 방향전환 표면(1958)을 갖는 광 방향전환 층(1950)을 포함하는 발광 시스템(1932)의 개략 단면도이다. 액정 디스플레이 패널(1930)은 제1 유리 층(1976)과 제2 유리 층(1978) 사이에 배치된 복수의 픽셀들(1944)을 포함한다. 광 방향전환 층(1950)은, 예를 들어 제1 유리 층(1976)의 외부 표면을 에칭하여 오목 광 방향전환 표면(1958)을 형성함으로써, 제1 유리 층(1976)으로부터 형성된다. 오목 광 방향전환 표면(1958)을 형성하는 데 사용될 수 있는 적합한 유리 에칭 방법들은 본 기술 분야에 공지되어 있고, 예를 들어 미국 특허 공개 제2002/0079289호(도우(Doh))에 기술되어 있다. 적합한 유리 에천트(etchant)들은 헥사플루오로규산 및 플루오르화수소를 포함한다.
복수의 픽셀들(1944)은 제1 픽셀(1941) 및 제2 픽셀(1942)을 포함한다. 오목 광 방향전환 표면(1958) 상에 제1 편광기(1972)가 배치되고, 액정 디스플레이 패널(1930)과 백라이트(1936) 사이에 제2 편광기(1973)가 배치된다. 백라이트(1936)는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있다. 발광 시스템(1932)은 광학 축(1940) 상에 중심설정된다. 오목 광 방향전환 표면(1958)은 제1 픽셀(1941)로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 부분(1956)을 포함하고, 제2 픽셀(1842)로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 부분(1957)을 포함한다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 오목 광 방향전환 표면(1958)은 복수의 상이한 부분들을 포함하는데, 이때 각각의 상이한 부분은 복수의 픽셀들(1944) 중, 상이한 픽셀과, 또는 픽셀들의 상이한 그룹과 일대일 대응으로 있다. 발광 시스템(1932)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다.
발광 시스템(1832 또는 1932)의 일부 실시 형태에서, 오목 광 방향전환 표면의 각각의 상이한 부분은 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 상이한 그룹에 대응하고, 제1 원추각을 갖는 픽셀들의 그룹에서의 픽셀에 의해 방출된 제1 발산 광을 수신하고 수신된 광을 제1 원추각보다 작은 제2 원추각을 갖는 제2 발산 광으로서 송신한다. 일부 실시 형태에서, 픽셀들의 그룹에서의 하나의 픽셀로부터의 광은, 발광 시스템으로부터 광을 수신하도록 구성된 렌즈 시스템의 수용각 내에 있지 않은 방향으로, 픽셀들의 그룹에 대응하지 않는 광 방향전환 층의 일부분을 통하여 최대한 부분적으로 투과되거나, 또는 픽셀들의 그룹에 대응하지 않는 광 방향전환 층의 임의의 부분을 통하여 실질적으로 투과되지 않는다.
도 20은 광 방향전환 요소(2056, 2057)를 포함하는 복수의 광 방향전환 요소들, 제1 유리 층(2076)과 제2 유리 층(2078) 사이의 액정 층에 의해 제공되는 별개의 이격된 복수의 픽셀들(2044)을 갖는 액정 디스플레이 패널(2030)을 포함하는 발광 시스템(2032)의 개략 단면도이다. 제1 유리 층(2076)은, 광 방향전환 요소들(2056, 2057)을 복수의 픽셀들(2044)을 한정하는 개구들에 더 가깝게 위치시키기 위해 종래의 LCD 디스플레이들과 비교하여 또는 제2 유리 층(2078)과 비교하여 감소된 두께를 가질 수 있다. 액정 디스플레이 패널이 도 20에 도시되어 있지만, 광 방향전환 요소들(2056, 2057)은, 예를 들어 OLED 디스플레이와 같은, 다른 유형의 픽셀화된 디스플레이들과 함께 사용될 수 있다. 액정 디스플레이 패널(2030)은 제1 편광기(2072)와 제2 편광기(2073) 사이에 배치되고, 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있는 백라이트(2036)에 의해 조명된다. 각각의 광 방향전환 요소는 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 그룹에 대응할 수 있고, 여기서 그룹은 단일 픽셀 또는 복수의 픽셀들일 수 있다. 광 방향전환 요소들은 픽셀들의 일부, 대다수, 또는 전부에 대해 포함될 수 있다. 예를 들어, 광 방향전환 요소들은, 발광 시스템(2032)의, 또는 렌즈 시스템 및 발광 시스템(2032)을 포함하는 광학 시스템의 광학 축 근처에 위치된 픽셀들을 제외한 모든 픽셀들에 대해 포함될 수 있다. 발광 시스템(2032)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다. 광 방향전환 요소들의 각각은 프리즘형 요소들일 수 있고, 하나 이상의 만곡된 표면들을 선택적으로 포함할 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 복수의 마이크로렌즈들은 프리즘형 요소들의 일부 또는 전부 대신에 사용될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 프레넬 렌즈를 포함하는 광 방향전환 층이 개별 광 방향전환 요소들 대신에 사용될 수 있다. 이것은 도 21에 예시되어 있다.
도 21은 광 방향전환 층(2150), 및 별개의 이격된 복수의 픽셀들(2144)을 포함하는 액정 디스플레이 패널(2130)을 포함하는 발광 시스템(2132)의 단면도이다. 액정 디스플레이 패널이 도 21에 도시되어 있지만, 광 방향전환 층(2150)은, 예를 들어 OLED 디스플레이와 같은, 다른 유형의 픽셀화된 디스플레이들과 함께 사용될 수 있다. 액정 패널(2130)은 제1 편광기(2172)와 제2 편광기(2173) 사이에 배치되고, 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트일 수 있는 백라이트(2136)에 의해 조명된다. 광 방향전환 층(2150)은 광 방향전환 요소들(2156)을 포함하고, 프레넬 렌즈일 수 있거나 또는 블레이즈식 회절 격자(blazed diffraction grating)일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 방향전환 요소(2156)의 적어도 일부는 동심 링들이다. 각각의 상이한 광 방향전환 요소(2156)는 별개의 이격된 복수의 픽셀들(2144) 중 픽셀들의 상이한 그룹에 대응할 수 있다. 예를 들어, 광 방향전환 요소가 동심 링 형상의 요소인 경우, 광 방향전환 요소에 대응하는 픽셀들의 그룹은 동심 링 아래에 배치된 복수의 픽셀들일 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 광 방향전환 층(2150)은 다른 유형의 광 방향전환 요소들에 의해 대체될 수 있다. 예를 들어, 광 방향전환 층(2150)은 홀로그래픽 광학 요소일 수 있다.
발광 시스템(2132)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다.
도 22는 복수의 픽셀들(2244) 및 제1 및 제2 유리 층들(2276, 2278)을 포함하는 액정 디스플레이 패널(2230)을 포함하는 발광 시스템(2232)의 개략 단면도이다. 렌즈들(2256, 2257)을 포함하는 복수의 렌즈들이 제1 유리 층(2276) 내에 형성된다. 렌즈들은 제1 유리 층(2276)을 에칭하고 에칭된 영역들을 제1 유리 층(2276)의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 재료로 충전함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 굴절률 재료는 대응하는 픽셀에 의해 방출된 광의 발산각을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 적합한 고 굴절률 재료들은, 본 발명에 모순되지 않는 정도로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제8,343,622호(류(Liu) 등)에 기술된 것들과 같은 고 굴절률 나노입자들로 충전된 중합체 재료들을 포함한다. 복수의 렌즈들 중 각각의 상이한 렌즈는 복수의 픽셀들 중 픽셀들의 상이한 그룹에 대응할 수 있다. 픽셀들의 각각의 그룹은 단일 픽셀일 수 있거나, 또는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 발광 시스템(2232)은, 예를 들어 광학 시스템(100, 200, 300, 400, 500) 각각에서의, 발광 시스템들(132, 232, 332, 432, 532) 중 임의의 것에 대해 사용될 수 있다.
발광 시스템들(1732, 1832, 1932, 2032, 2132, 2232) 중 임의의 발광 시스템의 광 방향전환 층 또는 광 방향전환 요소들은, 광 방향전환 층 또는 광 방향전환 요소들의 광학 축을 향해 또는 그로부터 멀어지게, 또는 렌즈 시스템 및 광 방향전환 층 또는 요소들을 포함하는 디스플레이 시스템의 광학 축을 향해 또는 그로부터 멀어지게, 적어도 하나의 픽셀로부터의, 또는 대다수의 픽셀들의 광 출력을 굽히도록 구성될 수 있다.
디스플레이 패널 상에 광 방향전환 층을 포함하는 것에 대한 대안은, 디스플레이 패널로부터 광을 수신하도록 배치된 렌즈 상에 광 방향전환 층을 포함하는 것이다. 도 23은 제1 및 제2 광학 렌즈들(2310, 2320)을 포함하는 렌즈 시스템(2319)의 개략 단면도이다. 제1 광학 렌즈(2310)는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 주 표면들(2314, 2316)을 포함하는데, 제1 주 표면(2314)은 내부 주 표면이고 제2 주 표면(2316)은 외부 주 표면이다. 제2 광학 렌즈(2320)는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 주 표면들(2324, 2326)을 포함한다. 렌즈 시스템(2319)은 제1 렌즈(2310)의 제1 주 표면(2314) 상에 배치될 수 있는 부분 반사기를 포함한다. 렌즈 시스템(2319)은 또한, 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사시키도록 구성된 반사 편광기를 포함한다. 반사 편광기는 부분 반사기에 인접하게 배치되고 그것으로부터 이격되어 있고, 제2 렌즈(2320) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기는 제2 주 표면(2326) 상에 배치된다. 일부 실시 형태에서, 1/4 파장 지연기가 반사 편광기 상에 배치된다. 부분 반사기는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같이 원하는 복수의 파장들에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 가질 수 있다.
제1 광학 렌즈(2310)의 제2 주 표면(2316)은 광 방향전환 요소들(2356, 2357)을 포함하는 복수의 광 방향전환 요소들(2350)을 포함한다. 각각의 광 방향전환 요소는 제1 원추광을 수신하고 수신된 광을 제2 원추광으로서 부분 반사기를 향해 송신하도록 구성된다. 예를 들어, 광 방향전환 요소(2356)는 제1 원추광(2339)을 수신하고 수신된 광을 제2 원추광(2349)으로서 송신하도록 구성된다. 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 각각의 광 방향전환 요소는 수신된 원추광의 발산각 및 중심 광선 방향 중 하나 또는 둘 모두를 변화시키도록 구성될 수 있다. 렌즈 시스템(2319)은, 예를 들어, 광학 시스템들(100 또는 200) 각각에서의 렌즈 시스템들(119 또는 219) 대신에 사용될 수 있다.
렌즈 시스템(2319) 내에 포함된 반사 편광기는 하나 또는 2개의 직교 축들에 대해 만곡되어 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 편광기는 다층 중합체 필름이고, 일부 실시 형태에서 반사 편광기는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 APF와 같은 열성형된 또는 압력-성형된 다층 반사 편광기이다.
일부 실시 형태에서, 픽셀화된 발광 시스템 및 픽셀화된 시스템에 의해 방출된 광을 수신하도록 배치된 렌즈 시스템(2319)을 포함하는 디스플레이 시스템의 출사 동공에서의 디스플레이 시스템의 휘도는, 복수의 광 방향전환 요소들(2350)을 포함하지 않는 다른 등가의 디스플레이 시스템의 휘도보다 30 퍼센트 이상 더 높다. 일부 실시 형태에서, 디스플레이 시스템의 출사 동공에서의 휘도는 다른 등가의 디스플레이 시스템의 휘도보다 100 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 200 퍼센트 이상 더 높거나, 또는 300 퍼센트 이상 더 높다.
도 24는 복수의 발광 픽셀들(2444)을 포함하는 발광 시스템(2432)을 포함하는 디스플레이 시스템(2400)의 일부분의 개략 단면도이다. 각각의 발광 픽셀은, 원하는 복수의 파장들에서 50% 이상의 평균 광학 투과율을 갖는 선택적인 광학적으로 투명한 제1 광 방향전환 요소(2456), 제1 광 방향전환 요소(2456)를 향해 오목하며 원하는 복수의 파장들에서 50% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는 광학적으로 반사성인 제2 광 방향전환 요소(2457), 및 제1 광 방향전환 요소(2456)와 제2 광 방향전환 요소(2457) 사이에 배치된 발광 재료(2441)를 포함한다. 발광 재료(2441)는, 예를 들어, 적어도 부분적으로 투과성인 OLED 디스플레이 패널일 수 있는 디스플레이 패널(2430) 내에 포함될 수 있다. 디스플레이 패널(2430)은 도 24에서 실질적으로 평면인 패널로서 도시되어 있지만, 다른 실시 형태에서 디스플레이 패널은 만곡되어 있을 수 있거나(예컨대, 도 1b 참조), 또는 전부 동일한 평면 내에 있지는 않은 복수의 평면인 부분들을 포함할 수 있다(예컨대, 도 1c 참조). 일부 실시 형태에서, 제2 광 방향전환 요소(2457)의 중심(2442)은 발광 재료(2441) 내에 놓인다. 예를 들어, 제2 광 방향전환 요소(2457)는 발광 재료(2441) 내에 놓이는 초점 또는 곡률의 중심을 갖는 오목 반사 표면을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 발광 재료(2441)에 의해 방출된 광은 제1 및 제2 광 방향전환 요소들(2456, 2457)에 의해 실질적으로 시준된다. 일부 실시 형태에서, 선택적인 제1 광 방향전환 요소(2456)는 생략되고, 발광 재료(2441)에 의해 방출된 광은 제2 광 방향전환 요소(2457)에 의해 실질적으로 시준된다. 예를 들어, 패널(2430)에서의 발광 재료는 발산 제1 원추광(2439)을 방출할 수 있는데, 발산 제1 원추광은 오목 제2 광 방향전환 요소로부터 반사되고 실질적으로 시준되는 광(2449)으로서 제1 광 방향전환 요소를 통하여 투과된다.
디스플레이 시스템(2400)은, 예를 들어 발광 시스템(2432)으로부터 광을 수신하며 적어도 수신된 광의 일부분을 디스플레이 시스템(2400)의 출사 동공으로 송신하도록 배치된 렌즈 시스템들(119 또는 219)과 같은, 렌즈 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
다양한 구성요소들(예컨대, 부분 반사기, 1/4 파장 지연기, 투과성 광학 요소들, 및 반사성 광학 요소들)의 광학 투과율 또는 반사율은 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들에서의 평균에 의해 특정될 수 있다. 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은, 예를 들어, 광학 시스템이 동작하도록 설계되는 임의의 파장 범위일 수 있다. 미리 결정된 또는 원하는 복수의 파장들은 가시광 범위일 수 있고, 예를 들어, 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은 적외선 범위일 수 있거나, 또는 적외선, 가시광 및 자외선 파장들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은 좁은 파장 대역 또는 복수의 좁은 파장 대역들일 수 있고, 부분 반사기는, 예를 들어 노치 반사기일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 원하는 또는 미리 결정된 복수의 파장들은 반치전폭이 100 nm 이하 또는 50 nm 이하인 적어도 하나의 연속 파장 범위를 포함한다.
본 발명의 광학 시스템들 중 임의의 것은, 헤드 마운트 디스플레이(예컨대, 가상 현실 디스플레이)와 같은 디바이스에 사용될 수 있다. 도 25는 본 발명의 광학 시스템들 중 임의의 것을 포함할 수 있는, 프레임(2592), 제1 및 제2 디스플레이 부분들(2594a, 2594b)을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이(2590)의 개략 평면도이다. 예시된 실시 형태에서, 제1 디스플레이 부분(2594a)은 렌즈 시스템(2519a) 및 발광 시스템(2532a)을 포함하고, 디스플레이 부분(2594b)은 렌즈 시스템(2519b) 및 발광 시스템(2532b)을 포함한다. 렌즈 시스템들(2519a, 2519b)의 각각은 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 반사 편광기 및 부분 반사기를 포함할 수 있다. 발광 시스템들(2532a, 2532b)의 각각은 복수의 픽셀들 및 광 방향전환 층 및/또는 본 명세서의 어딘가 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 적어도 부분적으로 시준형인 백라이트를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 렌즈 시스템들(2519a, 2519b)은 광학 축(예컨대, 도 25의 z-축에 평행한 축) 상에 중심설정되고, 발광 시스템들(2532a, 2532b)은 대응하는 광학 축에 대해 둔각으로 배치된다. 다른 실시 형태에서, 발광 시스템들(2532a, 2532b)은 대응하는 광학 축에 직각으로 배치되고, 대응하는 광학 축 상에 중심설정될 수 있다. 발광 시스템들(2532a, 2532b)의 광 방향전환 층들은 대응하는 픽셀들에 의한 광 출력을 방향전환시켜 그것이 대응하는 렌즈 시스템의 수용각 내에 있도록 할 수 있다. 발광 시스템이 렌즈 시스템의 광학 축에 대해 둔각으로 배치되는 실시 형태에서, 발광 시스템의 광 방향전환 요소들은 만곡된 표면, 예컨대, 광학 축에 대해 비대칭인 만곡된 표면(1131c)을 포함할 수 있다.
실시예
실시예 1
하기 표에 기술되는 요소들을 갖는 절첩형 광학 렌즈 시스템이 제맥스(Zemax) 15 렌즈 설계 소프트웨어를 사용하여 모델링되었다.
Figure pct00001
상기 표에서, OB는 물체를 지칭하고, 표면들은 조리개 표면(ST)으로부터 이미지 표면(IM)으로 순서대로 열거되어 있다. 비구면 다항식 계수들은 표면 7을 제외하고는 0으로 취하였는데, 표면 7은 2차, 4차, 6차, 8차, 및 10차 계수들이 각각 0.000, -2.805 × 10-5, 1.232 × 10-7, -1.936 × 10-10, 및 -3.088 × 10-13을 가졌다.
렌즈를 라이트툴즈(LightTools)로 임포트하였고, 여기서 중심 및 주변 방출 요소를 갖는 디스플레이 평면을 생성하였다. 각각의 요소를 0.1 mm 직경 및 0.05 mm 반경을 갖는 NBK7 렌즈 내에 두었다. 방출 요소들은 0.004 제곱 밀리미터의 방출 면적을 갖도록 설계되었다. 방출 요소에 대한 렌즈의 배치는, 동공에서의 휘도와 균일성의 최상의 조합을 제공하도록 최적화되었다. 마이크로렌즈 어레이를 갖는 근안 디스플레이는, 렌즈 어레이를 갖지 않는 것보다 8.1배 더 밝았다(710 퍼센트 휘도 증가).
실시예 2
광학 시스템(200)과 유사한 광학 시스템이 하기와 같이 광선 추적을 이용하여 모델링되었다. 광학 적층물(210)은 렌즈(212)의 외부 표면(패널(232)에 대면하는 표면) 상의 1/4 파장 지연기, 및 렌즈(212)의 내부 표면(출사 동공(235)에 대면하는 표면) 상의 부분 반사기를 포함하였다. 광학 적층물(220)은 렌즈(222)의 외부 표면(렌즈(212)에 대면하는 표면) 상에 선형 편광기를 포함하였고, 선형 편광기 상에 배치된 1/4 파장 지연기를 포함하였다. 1/4 파장 지연기들은 이상적인 지연기들로서 모델링되었고, 부분 반사기는 50 퍼센트의 투과율 및 50 퍼센트의 반사율을 갖는 것으로 모델링되었고, 선형 편광기는, 선형 차단 축을 따라 편광된 광에 대해 1 퍼센트 투과율 및 99 퍼센트 반사율, 및 직교하는 선형 통과 축을 따라 편광된 광에 대해 99 퍼센트 투과율 및 1 퍼센트 반사율을 갖는 것으로 모델링되었다. 렌즈들은 하기 표에 특정된 바와 같았다:
Figure pct00002
렌즈 표면들에 대해 사용되는 2차 내지 8차 비구면 다항식 계수들이 하기 표에 주어져 있다:
Figure pct00003
렌즈 표면들에 대해 사용되는 10차 및 더 고차의 비구면 다항식 계수들이 하기 표에 주어져 있다:
Figure pct00004
디스플레이 패널(235)이 밝고 어두운 정사각형들의 체커판(checker-board) 패턴을 생성하는 것으로 모델링되었고, 각각의 정사각형들은 6 mm × 6 mm의 치수를 가졌다. 디스플레이 패널은 2.4 cm × 2.4 cm의 치수를 가졌다. 광 출력이 디스플레이 패널의 표면에 수직인 중심 광선을 갖고 5도 반치반폭(HWHM)의 원추각을 갖는 것으로 모델링되었다. 이것은 부분적으로 시준형인 백라이트와 함께 또는 광 출력을 부분적으로 시준하는 광 방향전환 층과 함께 디스플레이 패널을 시뮬레이팅하기 위해 선택되었다. 비교를 위해, 35도 HWHM의 원추각을 갖는 종래의 디스플레이 패널이 또한 모델링되었다. 수신기들이 출사 동공(235)에 위치되었다. 콘트라스트 비는, 어두운 정사각형에서 수신된 평균 출력에 대한 밝은 정사각형에서 수신된 평균 출력으로서 계산되었다. 부분적으로 시준되는(5도 HWHM) 경우에 대해, 콘트라스트 비는 747인 것으로 결정되었고, 한편 종래의 경우(35도 HWHM)에 대해서는, 콘트라스트 비는 100인 것으로 결정되었다.
실시예 3
(도 16a에 도시된) 광학 시스템(1600), 및 백라이트(1636)가 상이한 백라이트 유닛들로 대체된 유사한 광학 시스템들의 상대 효율을 계산하였다. 램버트 출력을 갖는 백라이트 유닛을 이용하는 광학 시스템의 상대 효율이 1인 것으로 정의되었다. 이어서, 다른 광학 시스템들의 상대 효율은, 램버트 출력을 갖는 백라이트 유닛을 갖는 광학 시스템의 출사 동공(1635)에서의 휘도에 대한 그 광학 시스템의 출사 동공(1635)에서의 휘도의 비로서 정의되었다. 백라이트 유닛이 하나의 휘도 향상 필름(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 BEF)을 포함한 경우, 백라이트 유닛으로부터의 출력은 수평 방향(디스플레이의 폭 방향)에서 44도 및 수직 방향(디스플레이의 높이 방향)에서 80도의 반치전폭(FWHM)을 가졌고, 광학 시스템은 1.4의 상대 효율을 가졌다(40 퍼센트 휘도 증가). 백라이트 유닛이 2개의 교차형 BEF들을 포함한 경우, 백라이트 유닛으로부터의 출력은 수평 방향 및 수직 방향 둘 모두에서 44도의 FWHM을 가졌고, 광학 시스템은 1.6의 상대 효율을 가졌다(60 퍼센트 휘도 증가). 백라이트 유닛이 디스플레이에 수직인 방향에서(마이너스 z-방향에서) 높은 시준도를 제공하도록 구성된 구조화된 표면(1667)을 포함한 경우, 백라이트 유닛으로부터의 출력은 수평 방향에서 16도 및 수직 방향에서 12도의 FWHM을 가졌고, 광학 시스템은 2.4의 상대 효율을 가졌다(140 퍼센트 휘도 증가). 백라이트 유닛이 렌즈 시스템(1619)을 향해 터닝된 방향에서 높은 시준도를 제공하도록 구성된 구조화된 표면(1667)을 포함한 경우, 백라이트 유닛으로부터의 출력은 수평 방향에서 12도 및 수직 방향에서 11도의 FWHM을 가졌고, 광학 시스템은 3의 상대 효율을 가졌다(200 퍼센트 휘도 증가). 그 결과가 하기의 표에서 요약되어 있다:
Figure pct00005
다음은 본 발명의 예시적인 실시 형태의 목록이다.
실시 형태 1은 디스플레이 시스템으로서,
이미지를 형성하기 위한 이미저 - 이미저는 별개의 이격된 복수의 픽셀을 포함함 -; 및 이미저에 의해 형성되는 이미지를 투영하기 위한 투영 렌즈 시스템을 포함하고,
복수의 픽셀 중 각각의 픽셀에 대해, 이미저는 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성되고, 중심 광선은 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 갖고, 상기 변화는 투영 렌즈 시스템을 통해 투영되는 이미지의 휘도를 30 퍼센트 이상만큼 증가시키는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 2는, 투영 렌즈 시스템이 절첩형 광학 시스템을 포함하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 3은, 절첩형 광학 시스템이,
원하는 복수의 파장에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는 제1 부분 반사기; 및
제1 부분 반사기에 인접한 그리고 제1 부분 반사기로부터 이격되어 있는 제2 부분 반사기를 포함하는, 실시 형태 2의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 4는, 제2 부분 반사기가 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사시키는 반사 편광기인, 실시 형태 3의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 5는, 제2 부분 반사기가 원하는 복수의 파장에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는, 실시 형태 3의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 6은, 투영 렌즈 시스템이 굴절 광학 시스템을 포함하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 7은, 투영 렌즈 시스템이 수용각을 갖고, 중심 광선 방향의 상기 변화는 수용각 내에 있는 이미저에 의해 방출되는 광을 30 퍼센트 이상만큼 증가시키는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 8은, 투영 렌즈 시스템이 광학 축을 갖고, 중심 광선과 광학 축 사이의 각도가 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 9는, 이미저가 표면 법선(surface normal)을 갖고, 중심 광선과 표면 법선 사이의 각도가 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 10은, 이미저가 실질적으로 평면인, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 11은, 이미저가 서로에 대해 사각(oblique angle)으로 배치되는 복수의 평면 부분을 포함하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 12는, 이미저가 만곡되어 있는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 13은, 투영 렌즈 시스템이 이미저의 최대 광학 활성 치수의 1/2 미만인 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 14는, 광 삽입 부분, 및 광 삽입 부분 및 이미저와 광학 연통하는 광 추출 부분을 갖는 도광체를 추가로 포함하는, 실시 형태 1의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 15는, 광 삽입 부분 및 광 추출 부분이 렌즈 시스템의 광학 축을 따라 이격되어 있는, 실시 형태 14의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 16은, 도광체가 광 삽입 부분으로부터 광을 수신하고 상기 광을 광 추출 부분으로 전송하도록 구성되는 광 전송 부분을 추가로 포함하는, 실시 형태 15의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 17은, 광학 축이 광 삽입 부분, 광 전송 부분 및 광 추출 부분 각각과 교차하는, 실시 형태 16의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 18은, 도광체가 광 추출 부분이 광 삽입 부분에 대면하도록 절첩되는, 실시 형태 14의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 19는, 광 삽입 부분에 의해 수신된 광이 주로 제1 방향을 따라 전파되고, 광 추출 부분에 의해 수신된 광이 주로 제2 방향을 따라 전파되고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 끼인각이 40도 미만 또는 140도 초과인, 실시 형태 14의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 20은, 이미저가 광 삽입 부분의 반대편인 광 추출 부분에 근접하게 배치되는 투과성 공간 광 변조기를 포함하는, 실시 형태 14의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 21은, 이미저가 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이에 배치되는 반사성 공간 광 변조기를 포함하는, 실시 형태 14의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 22는 디스플레이 시스템으로서,
광학 축 상에 중심설정되는 하나 이상의 렌즈를 갖는 투영 렌즈 시스템;
도광체 - 도광체는,
광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분;
광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및
광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함하고, 광 추출 부분은 광 추출 부분의 출력 표면 상의 위치에 따라 변화하는 광학 축에 대한 각도를 갖는 광 출력 중심 광선 방향을 제공하도록 구성되고, 광 추출 부분은 광학 축을 따라 광 삽입 부분으로부터 분리되어 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이의 공간을 형성함 -; 및
광 추출 부분과 광학 연통하는 공간 광 변조기를 포함하고,
도광체는 광 추출 부분이 광 삽입 부분에 대면하도록 절첩되는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 23은, 광학 축이 광 삽입 부분 및 광 추출 부분과 교차하는, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 24는, 광학 축이 광 전송 부분과 교차하는, 실시 형태 23의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 25는, 공간 광 변조기가 렌즈 시스템과 광 추출 부분 사이에 배치되는, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 26은, 공간 광 변조기가 투과성 액정 패널인, 실시 형태 25의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 27은, 반사기가 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이의 공간 내에 배치되는, 실시 형태 25의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 28은, 공간 광 변조기가 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이의 공간 내에 배치되는, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 29는, 공간 광 변조기가 반사성 액정 패널인, 실시 형태 28의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 30은, 반사성 액정 패널이 액정 온 실리콘(LCoS) 패널인, 실시 형태 29의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 31은, 투영 렌즈 시스템이 절첩형 광학 시스템을 포함하는, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 32는, 투영 렌즈 시스템이,
원하는 복수의 파장에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는 부분 반사기; 및
제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사시키는 반사 편광기를 포함하는, 실시 형태 31의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 33은, 투영 렌즈 시스템이 굴절 광학 시스템인, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 34는, 광학 렌즈 시스템이 공간 광 변조기의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 1/2 미만인 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는, 실시 형태 22의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 35는 디스플레이 시스템으로서,
하나 이상의 렌즈를 갖고 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는 투영 렌즈 시스템;
최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는 이미저 - 이미저에 의해 형성되는 이미지가 투영 렌즈 시스템에 의해 투영됨 -;
광원으로부터 광을 수신하기 위한 도광체 - 도광체는 투영 렌즈 시스템과 이미저 사이에 배치되는 광 추출 부분을 포함하고, 광 추출 부분은 수신된 광을 추출하여 이미저를 향해 지향시키기 위한 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함함 - 를 포함하고,
투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수는 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 80 퍼센트 이하인, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 36은, 투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수가 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 60 퍼센트 이하인, 실시 형태 35의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 37은, 투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수가 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 50 퍼센트 이하인, 실시 형태 35의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 38은, 투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수가 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 40 퍼센트 이하인, 실시 형태 35의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 39는, 도광체가 광 추출 부분과 광학 연통하는 광 삽입 부분을 추가로 포함하는, 실시 형태 35의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 40은, 도광체가 광 삽입 부분이 광 추출 부분에 대면하도록 절첩되는, 실시 형태 39의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 41은, 도광체가 광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부를 통해 광을 수신하도록 그리고 상기 광을 제2 절첩부를 통해 광 추출 부분으로 전송하도록 배치되는 광 전송 부분을 추가로 포함하는, 실시 형태 39의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 42는, 렌즈가 광학 축을 갖고, 광학 축이 광 삽입 부분 및 광 추출 부분과 교차하는, 실시 형태 41의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 43은, 광학 축이 광 전송 부분과 교차하는, 실시 형태 42의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 44는, 이미저가 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이에 배치되는, 실시 형태 39의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 45는, 공간 광 변조기가 반사성 액정 패널인, 실시 형태 44의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 46은, 반사성 액정 패널이 액정 온 실리콘(LCoS) 패널인, 실시 형태 45의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 47은, 광 삽입 부분이 광 삽입 부분 내로 주입된 광을 적어도 부분적으로 시준하도록 구성되는 광학 요소를 포함하는, 실시 형태 38의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 48은 도광체로서,
광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분;
광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및
광 전송 부분으로부터 제2 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함하고,
광 추출 부분은 광 삽입 부분으로부터 이격되어 있고 광 삽입 부분에 대면하는, 도광체이다.
실시 형태 49는, 광 삽입 부분이 광 삽입 부분 내로 수신된 광을 적어도 부분적으로 시준하도록 구성되는 광학 요소를 포함하는, 실시 형태 48의 도광체이다.
실시 형태 50은, 광 추출 부분이 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖고, 제1 주 표면은 광 추출 부분으로부터 제2 주 표면을 통해 광 삽입 부분을 향해 광을 추출하도록 배치되는 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함하는, 실시 형태 48의 도광체이다.
실시 형태 51은, 반사 편광기가 제1 주 표면 상에 배치되는, 실시 형태 50의 도광체이다.
실시 형태 52는, 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이에 배치되는 반사기를 추가로 포함하고, 반사기는 광 추출 부분으로부터 추출된 광을 수신하고 상기 광을 다시 광 추출 부분을 통해 반사시키는, 실시 형태 48의 도광체이다.
실시 형태 53은 실시 형태 52의 도광체, 및 반사기로부터 광 추출 부분을 통해 반사된 광을 수신하도록 배치되는 투과성 공간 광 변조기를 포함하는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 54는 실시 형태 48의 도광체, 및 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이에 배치되는 반사성 공간 광 변조기를 포함하는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 55는 도광체로서,
광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분 - 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파됨 -;
광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분 - 광 전송 부분은 제1 세그먼트를 갖고, 광 전송 부분에 의해 수신된 광은 제1 세그먼트 내에서 주로 제2 방향을 따라 전파됨 -; 및
광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분 - 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제3 방향을 따라 전파됨 - 을 포함하고,
제1 방향과 제2 방향 사이의 제1 끼인각이 140도 이상이고, 제1 방향과 제3 방향 사이의 제2 끼인각이 40도 미만인, 도광체이다.
실시 형태 56은, 제1 끼인각은 160도 이상이고, 제2 끼인각은 20도 미만인, 실시 형태 55의 도광체이다.
실시 형태 57은, 광 전송 부분이 광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부를 통해 광을 수신하고, 광 추출 부분이 광 전송 부분으로부터 제2 절첩부를 통해 광을 수신하는, 실시 형태 55의 도광체이다.
실시 형태 58은, 광 추출 부분이 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖고, 제1 주 표면은 광 추출 부분으로부터 제2 주 표면을 통해 광 삽입 부분을 향해 광을 추출하도록 배치되는 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함하는, 실시 형태 55의 도광체이다.
실시 형태 59는 실시 형태 55의 도광체, 및 광 삽입 부분의 반대편인 광 추출 부분에 근접하게 배치되는 투과성 공간 광 변조기를 포함하는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 60은 실시 형태 55의 도광체, 및 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이에 배치되는 반사성 공간 광 변조기를 포함하는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 61은 디스플레이 시스템으로서,
투영 렌즈 시스템;
도광체를 포함하고, 도광체는,
광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분 - 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파됨 -;
광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분 - 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제2 방향을 따라 전파되고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 끼인각이 120도 이상임 - 을 포함하고,
광 추출 부분은 광 추출 부분으로부터 투영 렌즈 시스템을 향해 광을 추출하도록 구성되는 복수의 광 추출 특징부를 포함하는, 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 62는, 끼인각이 140도 이상인, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 63은, 끼인각이 160도 이상인, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 64는, 끼인각이 약 180인, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 65는, 광 추출 부분이 광 삽입 부분으로부터 절첩부를 통해 광을 수신하는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 66은, 광 추출 부분이 광 삽입 부분에 대면하는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 67은, 광 추출 부분과 광학 연통하는 공간 광 변조기를 추가로 포함하는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 68은, 공간 광 변조기가 투영 렌즈 시스템과 공간 광 변조기 사이에 배치되는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 69는, 광 추출 부분이 공간 광 변조기와 투영 렌즈 시스템 사이에 배치되는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 70은, 투영 렌즈 시스템이 절첩형 광학 시스템을 포함하는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
실시 형태 71은, 투영 렌즈 시스템이 굴절 광학 시스템을 포함하는, 실시 형태 61의 디스플레이 시스템이다.
관련된 광학 시스템들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 하기 미국 특허 출원에 기술되어 있다: 본원과 동일자로 출원된 광학 시스템(OPTICAL SYSTEM)(출원 번호 제62/347650호).
도면 내의 요소에 대한 설명은, 달리 지시되지 않는 한, 다른 도면 내의 대응하는 요소에 동등하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 특정 실시 형태가 본 명세서에 예시 및 기술되어 있지만, 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예가 도시 및 기술된 특정 실시 형태를 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 개조 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 오직 청구범위 및 이의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (17)

  1. 디스플레이 시스템(display system)으로서,
    이미지를 형성하기 위한 이미저(imager) - 이미저는 별개의 이격된 복수의 픽셀(pixel)을 포함함 -; 및 이미저에 의해 형성되는 이미지를 투영하기 위한 투영 렌즈 시스템(projection lens system)을 포함하고,
    복수의 픽셀 중 각각의 픽셀에 대해, 이미저는 중심 광선을 갖는 원추광을 방출하도록 구성되고, 중심 광선은 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는 방향을 갖고, 상기 변화는 투영 렌즈 시스템을 통해 투영되는 이미지의 휘도를 30 퍼센트 이상만큼 증가시키는, 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 투영 렌즈 시스템은 절첩형 광학 시스템(folded optical system)을 포함하는, 디스플레이 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 절첩형 광학 시스템은,
    원하는 복수의 파장에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는 제1 부분 반사기(partial reflector); 및
    제1 부분 반사기에 인접한 그리고 제1 부분 반사기로부터 이격되어 있는 제2 부분 반사기를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제2 부분 반사기는 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사시키는 반사 편광기(reflective polarizer)인, 디스플레이 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 제2 부분 반사기는 원하는 복수의 파장에서 30% 이상의 평균 광학 반사율을 갖는, 디스플레이 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 투영 렌즈 시스템은 굴절 광학 시스템(refractive optical system)을 포함하는, 디스플레이 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 투영 렌즈 시스템은 수용각(acceptance angle)을 갖고, 중심 광선 방향의 상기 변화는 수용각 내에 있는 이미저에 의해 방출되는 광을 30 퍼센트 이상만큼 증가시키는, 디스플레이 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 이미저는 표면 법선(surface normal)을 갖고, 중심 광선과 표면 법선 사이의 각도가 이미저 내의 픽셀의 위치에 따라 변화하는, 디스플레이 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 투영 렌즈 시스템은 이미저의 최대 광학 활성 치수(largest optically active dimension)의 1/2 미만인 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는, 디스플레이 시스템.
  10. 디스플레이 시스템으로서,
    광학 축 상에 중심설정되는 하나 이상의 렌즈를 갖는 투영 렌즈 시스템;
    도광체(light guide) - 도광체는,
    광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분(light insertion portion);
    광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분(light transport portion); 및
    광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분(light extraction portion)을 포함하고, 광 추출 부분은 광 추출 부분의 출력 표면 상의 위치에 따라 변화하는 광학 축에 대한 각도를 갖는 광 출력 중심 광선 방향을 제공하도록 구성되고, 광 추출 부분은 광학 축을 따라 광 삽입 부분으로부터 분리되어 광 추출 부분과 광 삽입 부분 사이의 공간을 형성함 -; 및
    광 추출 부분과 광학 연통(optical communication)하는 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 포함하고,
    도광체는 광 추출 부분이 광 삽입 부분에 대면하도록 절첩되는, 디스플레이 시스템.
  11. 디스플레이 시스템으로서,
    하나 이상의 렌즈를 갖고 최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는 투영 렌즈 시스템;
    최대 횡방향 광학 활성 치수를 갖는 이미저 - 이미저에 의해 형성되는 이미지가 투영 렌즈 시스템에 의해 투영됨 -;
    광원으로부터 광을 수신하기 위한 도광체 - 도광체는 투영 렌즈 시스템과 이미저 사이에 배치되는 광 추출 부분을 포함하고, 광 추출 부분은 수신된 광을 추출하여 이미저를 향해 지향시키기 위한 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함함 - 를 포함하고,
    투영 렌즈 시스템의 최대 횡방향 광학 활성 치수는 이미저의 최대 횡방향 광학 활성 치수의 80 퍼센트 이하인, 디스플레이 시스템.
  12. 도광체로서,
    광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분;
    광 삽입 부분으로부터 제1 절첩부(fold)를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분; 및
    광 전송 부분으로부터 제2 절첩부를 통해 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분을 포함하고,
    광 추출 부분은 광 삽입 부분으로부터 이격되어 있고 광 삽입 부분에 대면하는, 도광체.
  13. 제12항에 있어서, 광 삽입 부분은 광 삽입 부분 내로 수신된 광을 적어도 부분적으로 시준하도록 구성되는 광학 요소를 포함하는, 도광체.
  14. 도광체로서,
    광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분 - 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파됨 -;
    광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 전송 부분 - 광 전송 부분은 제1 세그먼트(segment)를 갖고, 광 전송 부분에 의해 수신된 광은 제1 세그먼트 내에서 주로 제2 방향을 따라 전파됨 -; 및
    광 전송 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분 - 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제3 방향을 따라 전파됨 - 을 포함하고,
    제1 방향과 제2 방향 사이의 제1 끼인각(included angle)이 140도 이상이고, 제1 방향과 제3 방향 사이의 제2 끼인각이 40도 미만인, 도광체.
  15. 제14항에 있어서, 광 추출 부분은 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖고, 제1 주 표면은 광 추출 부분으로부터 제2 주 표면을 통해 광 삽입 부분을 향해 광을 추출하도록 배치되는 별개의 이격된 복수의 광 추출 특징부를 포함하는, 도광체.
  16. 디스플레이 시스템으로서,
    투영 렌즈 시스템;
    도광체를 포함하고, 도광체는,
    광을 수신하도록 구성되는 광 삽입 부분 - 광 삽입 부분에 의해 수신된 광은 주로 제1 방향을 따라 전파됨 -;
    광 삽입 부분으로부터 광을 수신하도록 배치되는 광 추출 부분 - 광 추출 부분에 의해 수신된 광은 주로 제2 방향을 따라 전파되고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 끼인각이 120도 이상임 - 을 포함하고,
    광 추출 부분은 광 추출 부분으로부터 투영 렌즈 시스템을 향해 광을 추출하도록 구성되는 복수의 광 추출 특징부를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 투영 렌즈 시스템은 절첩형 광학 시스템을 포함하는, 디스플레이 시스템.
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