KR20210143823A - 마이크로 led 어레이를 갖는 mems 구동 광학 패키지 - Google Patents

마이크로 led 어레이를 갖는 mems 구동 광학 패키지 Download PDF

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KR20210143823A
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매튜 이. 워드
제레미 호치만
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매튜 이. 워드
제레미 호치만
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Abstract

광학 광 패키지는 광학 출력 렌즈, 그 아래에 그리고 출력 렌즈와 LED 사이에 위치되는 광학 필터, 스테이지가 이동 가능한 방식으로 분포된 선형 콤(linear comb) 기반의 MEMS 장치 상에 장착된 스테이지에 배열된 LED 트레이 및 스테이지의 이동을 제어하는 드라이버를 포함한다.

Description

마이크로 LED 어레이를 갖는 MEMS 구동 광학 패키지
몰입형 경험의 미래에 대한 모든 현재의 비전은 픽셀의 광 필드 기반(light-field-based) 시스템을 포함하는 기술 스택에 구축된 주변 이미지(imagery), 임시 표시자(indicator), 주문형(on-demand) 컨텐츠를 중심으로 전개된다. 메뉴가 벽에서 떠오르거나 광고판이 건물의 측면에서 떠오르기 위해서는, 이미지는 서로 다른 각도로부터의 뷰어(viewer)를 수용하여야 한다. 홀로데크(holodeck)를 만들거나 광의 다른 아키텍처에서 전달하기 위하여, 사용자는 3D로 인식되는 컨텐츠를 전달하고 디스플레이에 상대적인 다양한 위치에 걸쳐 뷰어에게 실제 시차(parallax), 양안전도(vergence) 및 원근 조절(accommodation)을 제공하는 디스플레이 시스템을 가져야 한다. 시스템은 뷰어가 안경을 착용하는지 여부에 관계없이 이것을 수행해야 한다. 시스템은 배럴 회전과, 레거시 3D 시스템 내의 제한 때문에 각각의 뷰어가 약간 다른 위치에서 물체를 인식하게 하는 결함 없이 실내의 임의의 지점으로부터 이 작업을 수행해야 한다.
상업적으로 확장 가능하고 다른 시야각의 효과적인 소광(extinction) 또는 고스팅(ghosting)을 전달하는 방식으로 임의의 표면에 걸쳐 광 필드 디스플레이를 효과적으로 관리하는 스크린은 현재 없다.
소형 디스플레이에 사용되는 LCD 파생물 및 디스플레이는 현재 출시되어 있으며, 이는 시차 장벽 시스템(parallax barrier system)을 사용하여 투사되거나 직접적인 뷰 소스(view source)로 여러 각도의 광을 전달한다.
Philips(R) 3D LCD 시스템은 뷰어가 특정 세트의 시점(point of view)로부터 3D 이미지를 볼 수 있도록 정의된 개수의 슬라이스로 LCD의 표면을 분할한 렌티큘러 렌즈로 스크린 영역을 체크 무늬로 분할함으로써 이를 다루지만, 눈 추적이 없는 공유된 경험에 대한 기회가 거의 없었고, 경험은 항상 이미지 영역을 수직 슬라이스에서 분할해야 하는 필요에 의해 제한될 것이다.
Leia(R) 디스플레이는 Nintendo(R)가 Nintendo 3DS(R)에서 제공한 디스플레이와 일부 특성을 공유한다. 디스플레이는 디스플레이 오른쪽 및 왼쪽 눈을 가진 단일 사용자를 중심으로 최적화된다.
다양한 대형 모듈이 고려되고 있으며, Philips 3D 시스템과 다르지 않은 방식으로 기존 디스플레이를 처리하는 복잡한 시차 장벽 시스템이 있다.
이러한 모놀리식(monolithic) 시스템들은 모두 실내 규모의 몰입형 환경으로 확장하는 데 문제를 가질 것이다. 또한, 이러한 시스템들은 임의의 최종 제품에서 중요하게 될 베젤을 종종 가지며, 관리되거나 용인되어야 하는 경계선(seam)으로 완성된 디스플레이를 손상시킨다. 이들은 개별 뷰어를 대상으로 하고, 스마트폰 시장은 거대하므로 상업적으로 의미가 있다.
그러나 이는 이 시스템들 중 어느 것도 애플리케이션을 시작하고 기존 기계 시스템을 활용하기 위해 유연한 모듈식 접근이 요구될 대규모 공공 디스플레이 애플리케이션에서 사용하기에 적합하지 않다는 것을 의미한다.
하나의 해결 방안은 다양한 제품을 허용하기 위해 PLCC SMD 패키지를 채택한 LED 시스템에서의 컴포넌트를 모델링하는 것이다. 그러나, 뷰어가 스크린에 상대적인 위치를 기반으로 주어진 시간에 특정 서브 픽셀 세트만 보도록만 의도된 대규모 LED 어레이를 사용하는 데 문제가 있다.
첫째, 완전한 컴포넌트에 대한 각각의 서브 픽셀의 상대적인 표면 영역은 매우 작은 활성 영역을 산출할 것이다. 현재 LED 시장에서 2 mm 픽셀 피치 스크린에서의 발광 소자는 픽셀의 전체 표면 영역의 몇 퍼센트 포인트 미만일 수 있다. 수백 개의 픽셀을 동일한 공간으로 패키징하는 광 필드 디스플레이에서, 인지된 스크린 밝기를 유지하는 데 필요한 그 픽셀의 출력 전력은 실질적으로 급등할 것이고, 어떤 면에서는 도움이 되지 않을 것이다.
둘째, 각각의 뷰어가 자신을 위해 의도된 광 필드 서브 픽셀만을 보도록 광 출력을 제어하기 위하여 마스크가 필요하다. 이 마스크는 실질적으로 축에서 벗어난 보기(viewing) 문제를 갖는 픽셀을 생성할 것이고, 이웃하는 광 필드 서브 픽셀의 불완전한 소광으로 인해 시각적 아티팩트를 생성할 것으로 예상될 것이다.
셋째, 각각의 광 필드 서브 픽셀에 대한 듀티 사이클은 LED 패키지의 전체 수에 비해 작다. LED 다이의 1/3을 사용하도록 멀티플렉싱을 사용하는 것이 가능할 수 있어, 레이아웃을 단순화하고 비용을 절감한다. 또한, 시스템의 목적에 따라 1/5 또는 1/8의 LED 재료를 사용하는 것도 가능하다.
더 많은 문제가 있지만, 다이의 개수와 소광 문제가 핵심이다. 사용자가 자신을 위해 의도된 이미지만 볼 수 없고 다른 사람을 위해 의도된 이미지로부터 고스트도 본다면(소광비(extinction ratio)), 기술은 성공하지 못할 것이다.
제안된 해결 방안은 전체 광 필드 서브 픽셀 공간의 1/3 내지 1/4인 다수의 LED를 사용할 수 있고, LED가 장착되는 플랫폼을 이동시켜 각각의 광 필드 서브 픽셀이 원하는 각도로부터만 보일 수 있도록 LED의 출력을 효율적으로 관리하며, 이러한 방식으로의 플랫폼의 이동은 본 명세서에서 광학 멀티플렉싱(optical multiplexing)이라 하는 시스템/방법을 사용한다.
광학 멀티플렉싱은 적은 양의 LED를 사용하지만 또한 컨텐츠에 기반한 처리를 통해 구동되는 방식으로 광의 분배를 제어한다. 이러한 시스템은 장면에서 이동의 리플레시 레이트(refresh rate)를 증가시키거나 낮은 색상 대비(color contrast)가 있는 색상 공간을 증가시킬 수 있으며, 다른 파장에서의 추가 LED를 사용하여 색상 가능성을 확장할 수 있다.
대형 광 필드 시스템은 배우가 녹색 스크린 배경에 대해 촬영되는 동안 배우에게 차원적인 컴퓨터 그래픽 요소를 보여주기 위해 영화 제작에서 카메라에 사용될 수 있다. 실제로, 카메라 추적 및 미디어 서버와의 통합을 통해 카메라만 녹색 화면을 볼 수 있도록 이미지가 생성될 수 있다.
그리고 더 작은 형태의 기술은 주택, 엘리베이터 및 자동차에서의 표시자(indicator)에 적용될 수 있다. 사실, 자율 주행 자동차가 도로를 주행하기 시작할 때, 자동차로부터의 표시는 명확하게 훨씬 더 중요해질 것이다.
도 1은 스마트폰 카메라 모듈을 나타낸다.
도 2는 PLCC6 LED 패키지를 나타낸다.
도 3a는 단거리 이동 광 필드 패키지 입면도를 도시한다.
도 3b는 패키지와 함께 사용될 수 있는 렌즈를 통한 광 경로의 예시를 도시한다.
도 4는 광학 멀티플렉싱의 표상적인 예이다.
도 5는 광학 멀티플렉싱의 다른 조형도이다.
도 6은 컴포넌트들을 통한 신호 흐름을 도시한다.
도 7은 단거리 이동 광 필드 패키지를 도시한다.
도 8은 마이크로 LED 어레이를 노출시키기 위해 외부의 일부를 잘라낸 단거리 이동 광 필드 픽셀을 도시한다.
도 9는 RGB LED 및 픽셀이 클로즈업된 장거리 이동 광 필드 패키지의 입면도를 도시한다.
도 10은 장거리 이동 광 필드 패키지의 예시를 도시한다.
도 11은 장거리 이동 광 필드 패키지의 분해도를 도시한다.
도 12는 트위스트 광 필드 패키지의 입면도를 도시한다.
도 13은 트위스트 광 필드 패키지를 도시한다.
도 14는 트위스트 광 필드 패키지의 분해도를 도시한다.
도 15는 트위스트 광 필드 패키지 LED 어레이의 분해도의 상세도이다.
도 16은 광 필드 디스플레이 모듈을 도시한다.
도 17은 광 필드 패널을 도시한다.
도 18은 광 필드 디스플레이 벽을 도시한다.
도 19는 개념적인 자동차에 대한 광 필드 디스플레이의 적용을 도시한다.
도 20은 제1 뷰에서의 자동차에 대한 광 필드 디스플레이의 적용을 도시한다.
도 21은 제2 뷰에서의 자동차에 대한 광 필드 디스플레이의 적용을 도시한다.
도 22는 제3 뷰에서의 자동차에 대한 광 필드 디스플레이의 적용을 도시한다.
도 23은 자동차 산업에서의 적용의 예시를 도시한다.
도 24는 2개의 시점을 보여주는 자동차 분야에서의 적용을 도시한다.
도 25는 2개의 시점을 보여주는 차량의 대안적인 예시를 도시한다.
도 26은 자동차 적용예에서의 알림(notification)을 도시한다.
도 27은 시스템 캘리브레이션을 도시한다.
도 28은 좌석별 캘리브레이션을 도시한다.
[하드웨어 고려 사항]
디스플레이는, 본 명세서에 제시된 바와 같이, LED로 구성된 픽셀을 구비하는 패키지를 포함한다. 본 명세서에 논의된 제안된 적용예는, 광학 멀티플렉싱이라고 하는 방법을 이용하여 3D 이미지를 생성하기 위하여, 교대로 활성화 가능한 LED의 이동하는 어레이/테이블/스테이지를 이용하며, 각각의 LED는 상이한 뷰어들에게 보일 수 있다.
패키지 컴포넌트의 모듈식 성질은 엔터테인먼트 소비로부터 시스템이 자율 자동차가 무엇을 하는지를 명확하고 비침습적인 방식으로 보행자에게 알려주는 물리적 세계에 대한 가상 세트에서의 컨텐츠의 생성에 이르기까지 다양한 특징 및 기능을 제공하는데 사용될 수 있는 정밀한 이미지 생성을 제공한다.
시스템의 모듈식 성질은 기존 표면 실장 생산 및 PCB 토폴로지와 통합되면서 다양한 형태에 걸쳐 이러한 다양한 적용예의 생성을 허용한다.
드라이버 시스템은, 발광 다이오드 어레이에 대하여 통상적인 방식으로 비디오를 구동하고, 동시에 MEMS(Micro-Electromechanical System) 스테이지의 위치, LED 다이의 패턴 및 광 필드 LED의 조명이 비디오 컨텐츠의 출력과 동기화되도록 MEMS 시스템의 이동을 제어할 수 있다. 이것은 이동(move) - 깜박임(blink) - 이동 - 깜박임 - 이동 - 깜박임 - 반복의 패턴으로 생각될 수 있다.
또한, 드라이버 시스템은 MEMS 장치에서의 허용 오차 및 LED 다이의 배치를 조정하기 위해 캘리브레이션을 필요로 할 수 있다. 이것은 시스템을 캘리브레이션하고 정렬할 목적으로 영점에 상대적으로 스테이지를 위치시키는데 사용될 수 있는 MEMS 스테이지 상에 하나 이상의 IR LED를 배치하는 것을 포함하여 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 이 IR 이미터(emitter)는 광학 시스템을 참조하는 위치에 위치된 센서로 판독될 수 있다. 이러한 방식으로, IR LED와 마이크로 LED 어레이 사이의 위치 차이가 설정되어 시스템을 구동하는데 사용될 수 있다.
MEMS 스테이지 상에 배치될 수 있는 기판 상으로의 LED 다이의 전달은 별도의 개시 문서(disclosure)에서 고려할 가치가 있는 제조 공정에서의 단계일 수 있다: LED 배치는 광 필드 픽셀 어셈블리들 사이의 편차가 합리적인 허용 오차 내에 있도록 하는 정밀도를 요구할 수 있다.
또한, 일부 드라이버 실리콘은 MEMS 스테이지와 구동 시스템 사이의 연결 개수를 최소화하기 위해 MEMS 스테이지 상에 배치될 수 있다.
MEMS 섹션 자체는 콤 드라이브(comb drive), 자기(magnetic) 또는 열(thermal) 액추에이터, 압전 또는 다른 시스템일 수 있다. 시스템의 선택은 디스플레이 적용예 측면에서의 장치의 규모와 요구되는 속도 및 정확도뿐만 아니라, 장치 측면에서의 내구성에 따라 구동될 것이다. CMOS 호환 시스템은 MEMS, MEMS 스테이지, 기판 및 디스플레이 시스템의 신호 레이아웃을 단일 컴포넌트로의 통합하는 것을 허용할 수 있다.
디스플레이의 마이크로 LED 섹션은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 한 가지 방식은 MEMS 플랫폼 자체에서의 드라이버 전자 장치의 구조화를 포함하는 것일 수 있다. 이것은 CMOS 제조 공정의 일부로서 MEMS 스테이지 상으로 수동 매트릭스 백플레인을 직접 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 이것은 게이트 및 컬럼 드라이버가 마이크로 LED 기판 상에 직접 배치되는 TFT 백플레인을 허용할 수 있다.
또한, 마이크로 LED를 포함하지만 이에 한정되지 않는 디스플레이 컴포넌트의 생산을 위한 다양한 옵션이 있다. OLED 또는 다른 디스플레이가 사용될 수 있다. 디스플레이는 능동 백라이트에 의해 구동되는 매우 작은 마이크로 디스플레이일 수 있다.
마이크로 LED의 경우, 지배적인 접근 방식은 전통적인 적색, 녹색, 청색 접근 방식과, 인광체(phosphor), 퀀텀 닷(quantum dot) 또는 일부 다른 변환 재료를 사용하는 색 변환 접근 방식이다.
MEMS 스테이지는 선형 방식으로 앞뒤로 이동할 수 있지만, MEMS의 스캐닝은 광 필드 픽셀로부터 광 필드 픽셀로 동일한 방식으로 발생하지 않을 수 있다는 것이 상당히 가능하다.
픽셀 1은 C, A, D, B, F, C, A, D, B, F, C, A, D, B ...의 패턴으로 LED를 스캔할 수 있다.
픽셀 2는 D, B, F, C, A, D, B, F, C, A, D, B, F, C ...의 패턴으로 LED를 스캔할 수 있다.
픽셀 3은 A, D, B, F, C, A, D, B, F, C, A, D, B, F ...의 패턴으로 LED를 스캔할 수 있다.
스캐닝 순서를 변경하는 것은 광 필드 픽셀들 사이의 노이즈 및 크로스토크를 감소시킬 수 있다. 이것은 스캔 순서가 스크린 전체에 걸쳐 정렬되지 않은 방식으로 분포되는 것을 보장하는 시스템의 의사 랜덤(pseudo-random) 패터닝을 통해 달성될 수 있다. 또한, 더 낮은 주파수의 스캔이 사용될 때 인지할 수 있는 스캔 순서를 제거하기 위해 스캔 순서 내에서 LED의 조명을 변경하는 것이 필요할 수도 있다.
또한, 렌즈 스택은 광원의 초점을 조정하는 데 사용될 수 있다. 광원 바로 위의 광학 소자는 카메라 모듈 내의 광학 기기와 매우 유사하게 스프링에 의해 제자리에서 인장된다. 필요한 경우, 액츄에이터가 광원에 상대적으로 광학 레이어를 이동시켜 픽셀의 초점을 순간적으로 흐리게 할 수 있다. 이것은 영화 감독이 일부 더 많은 영화적 요소를 광 필드 기반 디스플레이로 도입할 수 있게 한다. 이 렌즈 스택은 전통적인 렌즈, 액정 또는 기타 가변 렌즈 구조일 수 있다.
광학 체인의 하나의 가능한 구현은 반전된 컨텐츠를 디스플레이할 수 있고 이미지가 디스플레이의 광학 기기에서 뒤집힐 수 있다. 이 접근 방식은 크로스토크를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
완전한 시스템은 가요성 또는 강성일 수 있는 기판 상에 장착된 광학 멀티플렉싱 패키지(OMP)의 어레이를 포함할 수 있다. 기판은 물리적 표면에 부착되고 선행 LF 모듈 또는 전체 데이터의 하위 집합을 가져와 LF 모듈 세트에 이를 배포하는 시스템에서의 허브로서 기능하는 보드에 연결된다.
실시간 렌더링에 대한 필요성은 렌더링을 모듈에 더 가깝게 이동시키는 이점이 있을 수 있다는 것을 의미한다. 모듈 세트는 실시간 렌더링을 할 수 있는 하나 또는 여러 렌더링 장치와 수 백만 픽셀의 디스플레이를 포함할 수 있다. 이러한 컨텐츠는 렌더링된 파일로 저장되지 않고 Unreal 또는 Unity와 같은 게임 엔진에 의해 실시간으로 렌더링될 수 있을 것이다. 전통적인 카메라 캡처는 이러한 시스템의 일부일 수 있지만, 파일은 장면의 시각적 컴포넌트가 분리되어 모델 및 텍스처 맵과 조명이 모두 신호 체인에서의 개별 실시간 요소이고 그 순간에 청중을 위하여 조정될 수 있는 방식으로 저장될 수 있다.
OMP 및 특정 환경 모두에 대한 캘리브레이션 요소가 디스플레이를 구동하도록 설계된 처리 시스템에서 필요할 수 있다. 로봇 아암 상에 스테레오 센서 시스템을 포함하는 로컬 캘리브레이션을 위한 시스템이 특정 환경에 대하여 필요할 수 있다.
렌더링이 모두 실시간이기 때문에, 단일 체어에 대해 데이터가 완전히 최적화될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 디스플레이는 동적으로 구동되어, 색상, 움직임, 그레이 스케일 및 기타 세부 사항을 사람의 시각 과정에 더 잘 맞춰진 방식으로 전달할 수 있다.
[컴포넌트 배경]
나중의 상황에 유용할 수 있는 특정 컴포넌트를 도입하는 것을 통해 본 명세서에 포함되는 도 1은 광학 기기와, MEMS 액추에이터와, 처리 및 드라이버 회로를 통합할 수 있는 고집적된 컴포넌트를 포함하는 최신 스마트 폰 내의 카메라 모듈(101)을 도시한다. 시스템은 1 내지 2 미크론 픽셀로 렌즈 초점을 추적할 수 있을 만큼 정확하다. 외부적으로, 시스템은 연성 인쇄 회로 기판(FPCB)(103) 및 시스템의 주요 가시 요소인 광학 기기(104)에 컴포넌트를 부착하는 수단과 함께 주요 컴포넌트를 포함하는 캔(102)을 포함한다.
도 2는 표면 실장 호환 패키지 주위에 구축된 최신 LED 스크린에 의해 사용될 수 있는 PLCC6 LED 패키지(201)를 도시한다. 패키지(201)는 하우징(202), PCB(203)에 부착하기 위한 지점 및 발광 다이오드(LED)를 수용하는 웰(well)(205)을 특징으로 한다. PLCC6 패키지 내의 LED 다이는 200 내지 500 미크론의 범위 내에 있을 수 있다. 그러나 새로운 기술은 30 내지 50 미크론 범위 내의 LED를 제공한다. 꽃가루 알갱이 크기의 이러한 LED는 새로운 디자인과 시장의 가능성을 열어준다.
스크린이 상이한 시장 요구에 응답하기 위해 다양한 보드 크기를 포함할 수 있고 고해상도 스크린은 더 조밀하게 패킹된 LED를 필요로 하기 때문에, PLCC 패키지 디자인(201)은 유용할 수 있다. 창의적인 디스플레이는 선형 LED 어레이를 필요로 할 수 있다. 임의의 치수의 대형 스크린을 구축하기 위한 이러한 모듈식 접근 방식은 칩-온-보드 기술을 사용하고 그리고/또는 마이크로 LED 및 미니 LED를 통합하는 다양한 디자인으로 바뀌고 있다. 그러나, 모듈식 접근 방식은 많은 유연성을 제공한다.
또한, PLCC 패키지가 유용한 이유는 광 필드 디스플레이에도 적용될 수 있다. 대형 극장 규모의 디스플레이는 광 필드 디스플레이에 필요한 장면의 100개 또는 심지어 1000개에 가까운 다양한 뷰를 정의하는 대형 LED 어레이를 특징으로 하는 PLCC 유형의 패키지로 쉽게 구성될 수 있다. 그리고, 해결될 필요가 있는 인접하는 광 필드 LCD들 사이의 크로스토크를 포함하는 그 레이아웃에서의 엄청난 양의 비효율이 있다.
이러한 이유로, 우리는 카메라 모듈의 일부 요소를 취하고 마이크로 LED 어레이를 MEMS 구동 광학 패키지에 접목하여 광학 멀티플렉싱 패키지(OMP)를 생성하는 하이브리드 솔루션을 제안한다.
[설명]
도 3a는, OMP(301)가, 광학 출력(302)과, 광학 필터(303)와, 광학 시스템이 상이한 대응하는 신호를 출력하도록 컬럼 A(311)와 컬럼 C(312)를 정확한 위치에 배치하기 위하여 시스템이 컬럼 B(310)으로부터 단지 60 미크론 이하로 이동할 필요만 있도록 스테이지(304a)가 좌우로 이동하고 각각의 대응하는 단일 로우(row)의 LED가 스테이지(304a)와 함께 양 방향으로 이동하는 방식으로 분포된 선형 콤 기반의 MEMS 장치(305) 상에 장착된 스테이지(304a) 상에 배열된 마이크로 LED 어레이(304)를 포함하는 컴포넌트인 예를 도시한다. 또한, 다수의 LED(A, B, C)가 이에 따라 상이한 색상들을 디스플레이하기 위하여 조합되는 픽셀(314)을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이 MEMS 장치(305) 및 스테이지(304a)의 이동은 패키지(301)에 내장된 드라이버(306)에 의해 조정될 수 있다.
LED 스테이지(304a)는 1차 드라이버로부터 개별 적색, 녹색 및 청색 LED로 요구되는 연결의 수를 감소시키는 LED 드라이버 회로를 포함할 수 있다. 이론적으로, 시스템은 MEMS 스테이지에 2개 이상의 로우를 추가하여 색상 스펙트럼을 확장하기 위해 RGB가 아닌 추가적인 LED 또는 백색 LED를 추가할 수 있다.
또한, MEMS 스테이지(304a)의 프로그래밍은 백색 또는 시안(예로서)이 필요에 따라 사용되어 1차 드라이브를 RGB 픽셀에 남기도록 각각의 보충 화상 요소(picture element)의 듀티 사이클을 제어할 수 있다.
패키지(301)는 시스템에 걸쳐 그리고 스테이지와 LED(304)의 조명 사이에서 클록을 유지하는 것에 추가하여 스테이지(304a) 및 임의의 능동 광학 요소의 이동을 제어하기 위해 드라이버(306)를 통합할 수 있다.
도 3b는 뷰어(107a, 107b)에게 가는 도중에 반전되는(필수는 아니지만) 광(307a, 307b)을 투사하는 스테이지/LED(304a, 304)의 모형을 도시한다. 이 반전은 뷰어가 스테이지/LED 어레이의 다른 부분 또는 제한된 부분을 볼 수 있기 때문에 도움이 될 수 있으며 광학 경로에서의 교차는 패키지 내에 포함된 인접하는 광 필드 픽셀들 사이의 임의의 크로스토크를 감소시키는 데 유용하다. 이 도면으로부터 이해되어야 하는 점은, 렌즈(302)가 광(307a, 307b)을 구부리는 역할을 하고 뷰어가 극단적인 시야각에 도시되지만 단일 뷰어의 두 눈은 서로 다른 광파를 수신할 수 있고 그렇게 함으로써 물체를 3차원으로 렌더링하는 패키지 또는 패키지 어레이로부터의 출력을 수신한다는 것이다. 다른 시차 또는 랜티큘러 렌즈가 유사한 효과를 달성할 수 있다. 일부 실시예에서, MEM은 만곡된 입력 광학계의 후방을 가로질러 통과하는 일련의 와이퍼 블레이드와 유사할 수 있다.
도 4는 제1 위치(350) 내지 제5 위치(354)로 이동하는 5개의 시점(point of time)에서의 렌즈 어레이(340) 및 미니 LED 어레이(341)를 도시한다. 이것은, 미니 LED 어레이가 결코 LED의 하나의 컬럼으로부터 인접한 컬럼으로 이동하지 않는 방식으로 예시된다. 따라서, 우리는 위치 C에서의 350으로부터 위치 A에서의 351, 위치 D에서의 352, 위치 B에서의 353, 위치 E에서의 354로 이동한다. 디스플레이가 선형 방식으로 스캔할 수 있지만, 이것이 시각적 아티팩트를 생성할 가능성이 있다.
도 5는 시스템에서의 모든 활성 위치를 나타내는 고스팅된/밝아진 위치와 함께 활성 LED 및 픽셀(314)(여기서 픽셀은 다시 다중 LED(314)이다) 위치를 나타내는 렌즈 어레이(340) 및 미니 LED 어레이(341)를 도시한다. 위치 E(354)와 위치 A(351)는 2개의 활성 픽셀 컬럼을 예시하는 것을 알 수 있으며, 이는 해당 지점에서 예시가 이러한 위치들에서 2개의 픽셀 컬럼을 포함하기 때문이다.
도 6은 더 큰 시스템의 하나의 작은 부분인 단일 광 필드 패키지(373)를 도시한다. 신호는 모든 픽셀 및/또는 LED 위치의 맵을 포함하는 디스플레이 프로세서(370)에서 발생한다. 이 맵은 데이터를 출력하고 그 데이터는 스크린의 해당 섹션에 대한 로컬 데이터를 추출하는 수신기 카드(371)에 도달한다. 이 데이터는 수신기 카드(371)를 LED 패널과 통합하는 허브(372)를 통해 출력된다. 허브(372)의 출력은 아마도 패널 내의 많은 LED 모듈에 도달할 것이다. 패널에서, 데이터는 종종 광 필드 패키지에서 광 필드 패키지로 캐스케이드된다. 각각의 광 필드 패키지(373)는 MEMS 스테이지(380) 및 IR LED(391)와 함께 LED 드라이버(375)에 로컬 데이터를 공급하는 드라이버(374)를 포함할 수 있다.
도 7은 PLCC6 패키지(301)의 많은 요소를 공유하고 표준 픽 앤 플레이스 장비와 함께 사용될 수 있는 패키지(401)를 도시한다. 광 필드 패키지(401)는 많은 경우에 바람직할 수 있기 때문에 선형 분포를 위해 최적화될 수 있지만 대략 램버시안(lambertian) 방식으로 출력을 분포시키도록 설계된 광학 시스템(410)을 포함한다. 광원의 출력을 시준하거나 마스크 역할을 하는 2차 광학 장치(411)가 있을 수 있다.
광 필드 패키지(401)의 전기적 기능은 통합 드라이버(422)에 의해 제어되는 MEMS 액추에이터(421)에 의해 선형 경로를 따라 구동되는 스테이지(420a) 상의 광 이미터(420)의 배열에 의해 정의될 수 있다. 광 필드 패키지(401)는 표면 실장 호환 도체 어레이를 사용하여 연결될 수 있다.
도 8은 마이크로 LED 어레이(520)를 유지하는 스테이지(519)를 갖는 노출된 마이크로 LED 어레이(501)가 있는 단거리 이동(short travel) 광 필드 패키지를 도시한다. LED 배열은 선형일 수 있거나 LED(가능한 색상을 나타내기 위해 R, G, B로 표시됨) 또는 다른 광원은 적색 LED(532)가 여러 인접 픽셀(531)의 일부가 되도록 하는 트라이어드 배열(530)로 배열될 수 있다.
도 9는 대안적인 실시예가 정적 광학 시스템(630)의 후방을 가로질러 더 컴팩트한 광원 어레이(620)를 이동시키기 위해 더 작은 스테이지(619)를 사용하는 패키지(601)를 제공하는 장거리 이동(long travel) 광 필드 패키지 입면도를 도시한다. 이것은 발광 어레이를 위한 더 작은 기판의 사용을 허용하는 생산에 있어서의 이점을 가질 수 있으며, 더 많은 광학 멀티플렉싱이 가능한 경우 더 바람직할 수 있다. 이 장거리 이동 패키지(601)를 단거리 이동 패키지(401)에 비교하면, 스테이지가 LED 간격처럼 상이하게 크기 설정되어, 해당하는 스테이지의 더 적거나 더 많은 이동을 필요로 할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 10 및 11에 도시된 바와 같이, 더 긴 이동을 사용하는 시스템은 필요한 곳에만 잉크를 적용하는 프린트 헤드와 매우 유사하게 활용도를 기반으로 픽셀을 동적으로 어드레싱할 수 있다. 수평 축에서 54 픽셀을 나타내는 시스템에서, MEMS 스테이지는 중앙 또는 기본 위치에서 양측으로 2 mm를 조금 넘거나 1 mm를 조금 넘게 이동할 필요가 있을 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 장거리 이동 시스템(801)은 스테이지(820a)를 기본 위치로 다시 빠르게 이동시키기 위해 스프링(802) 또는 스프링들의 효과에 더 의존할 수 있다.
도 12 내지 15는 중심축을 중심으로 LED 패키지를 이동시키기 위해 회전 스테이지(902)를 사용하는 트위스트 광 픽셀의 대안적인 실시예를 도시한다. 이것은 광학적으로 더 복잡할 수 있지만, 디자인은 확장된 동적 범위를 갖는 가상 픽셀을 생성하기 위하여 개별적인 적색, 녹색, 청색, 시안, 주황색 및 백색 마이크로 LED를 사용하는 다양한 옵션을 제공할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 트위스트 시스템(1002)에서의 MEMS 스테이지(902)는 광학 시스템 뒤에서 LED 스테이지를 회전시키는 힌지 상에서 이동하는 3개의 포스트(1003)에 의해 구동된다. 회전 스테이지의 한 가지 문제는 스테이지 중앙에 있는 LED가 스테이지 외부에 있는 LED보다 더 작은 디스플레이 영역을 덮고 있다는 것이며, 이는 이들이 상이한 듀티 사이클로 동작할 것이지만, 이것이 드라이버에 의해 보상될 수 있다는 것을 의미한다.
도 14는 시스템이 적색, 녹색 및 청색 LED의 그룹화를 이용하거나 조밀한 LED 어레이에 예시된 바와 같이 다양한 색상의 개별 LED의 시스템을 이용할 수 있다는 것을 도시한다. 이 어레이는 적색, 녹색, 청색 LED가 하나의 시야각에 관련된 특정 광학 기기를 통과하도록 다양한 상이한 위치에서 구성될 수 있다. 그리고, 추가적인 LED가 색상 스펙트럼을 확장하기 위하여 추가될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, LED(1202)의 어레이는 스테이지(1203) 및 광학계(1204)로부터 분리되어 보여질 수 있다.
도 16은 어셈블리(1301)가 LED 패키지(1303)로 채워진 PCB(1302) 주위에 구축된 광 필드 픽셀 디스플레이 모듈을 도시한다. 그러나 이 설계에서, LED 패키지는 광 필드 디스플레이 패키지이다. 예시는 각각 256 시점(point of view) 또는 65,000 광 필드 서브 픽셀을 나타내는 16 x 16 픽셀 어레이를 도시한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 현재 LED 디스플레이에 사용되는 기계 시스템은 광 필드 디스플레이에서의 사용을 위해 쉽게 맞추어질 수 있다. 여기에서, 16개의 광 필드 디스플레이 모듈(1410)을 포함하는 패널(1401)은, 이 패널(1401)이 단독으로 백만 픽셀을 포함하기 때문에, 사용될 수 있는 작은 로컬화된 컨텐츠 서버(1461)에 추가하여 전력(1462) 및 데이터 분배(1460)를 수용하는 프레임(1411)에 장착된다.
도 18은 벽(1501)이 단일 연속 이미지를 전달하도록 패널이 배열될 수 있는 광 필드 픽셀 디스플레이 벽을 도시한다. 현재의 LED 벽에서, 이는 주로 2D 이미지이다. 대조적으로, 광 필드 디스플레이는 안경을 사용하지 않고도 다양한 시점으로부터 3차원 이미지를 전달할 수 있다. 평평한 전통적인 스크린 적용예에서 사용되든 돔 또는 구형 적용예에서 사용되든, 디스플레이 시스템은 공간 내의 뷰어의 위치에 따라 모든 뷰어에게 다른 경험을 전달할 수 있을 것이다.
도 19는 자동차(1602) 및 평면 디스플레이(1601)의 예를 사용하는 적용예를 도시하며, 자동차는 광 필드 픽셀에 사용된 LED 어레이에 따라 48 내지 180개의 다른 뷰로부터 보일 수 있다. 뷰의 수는 엔지니어링 및 비용의 함수일 수 있지만, 180개보다 많은 개별의 수평 뷰를 특징으로 하는 대형 스크린이 가능하다는 것이 이해될 수 있다.
도 20 내지 22는 서로 다른 자동차 뷰로부터 광 필드 디스플레이의 적용을 도시한다.
도 20에서, 뷰어는 벽(1701)으로부터의 시점에 의존하는 자동차(1702)의 3차원 표현을 본다. 도 21에서, 뷰어는 벽(1801)으로부터의 시점에 의존하는 자동차(1802)의 3차원 표현을 본다. 그리고 도 22에서, 뷰어는 두 개의 다른 시점에서 스크린(1901) 상의 자동차(1902)를 본다. 한 뷰어(1911)는 더 가까이 왼쪽으로 앉아 있고, 다른 뷰어는 뒤로 멀리 오른쪽(1912)으로 앉아 있어, 극장에서의 임의의 위치에서와 같이, 이 두 뷰어에게 이미지가 다르게 나타난다.
도 23은 표시자(indicator)가 자동차의 표면에서 떠다니는 것으로 보일 수 있는 자동차 내의 컴포넌트에 대한 하나의 가능한 사용을 도시한다. 여기에서, 출력이 자동차(2003) 뒤에 떠 있는 것처럼 보이는 방식으로 광 필드 모듈(2002)이 통합된 자동차의 후미(2001)가 도시된다.
도 24에 도시된 바와 같이, 자동차에서의 후미는 2개의 다른 위치(2101, 2102)에서 광 필드 컴포넌트에 의해 생성된 표시자 이미지와 함께 도시된다.
그리고 2개의 시점을 도시하는 대안적인 도면에서, 차량의 후방에 광 필드 어레이(2510)가 있는 자동차(2500)가 도시된다. 이 어레이는 차량(2511)의 뒤쪽에서 떠 있는 것처럼 보일 수 있고, 차량이 주행 속도에 도달함에 따라 차량(2512, 2513) 뒤로 더 연장될 수 있다. 이것은 디자인 요소로서 또는 다른 차량 및 보행자에 대한 표시자로서 사용될 수 있다.
도 26은 본 명세서에서의 시스템을 사용하는 자동차 상황에서의 알림(notification)을 도시한다. 자동차(2600)로부터 정보를 전달하는 한 가지 방법은 문자이다. 자동차 후방에 광 필드 어레이(2610)가 있는 차량은 텍스트(2611)를 표시하여 보행자가 차량에서의 자율 주행 시스템이 보행자의 존재를 감지한다는 것을 알 수 있다. 보행자는 차량 뒤로 몇 피트에 떠 있는 것으로 문자(2601)를 인식할 수 있다.
도 27 및 28은 캘리브레이션 기술을 도시한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 광 필드 픽셀의 내부 캘리브레이션에 더하여, 어레이가 극장 내의 좌석 배치(seating plan)와 정렬되도록 극장(2700) 내로 설치된 시스템이 또한 캘리브레이션될 필요가 있다. 이는 공연에 따라 좌석 배치(2710)가 변경되는 극장에 특히 중요할 수 있다. 이 경우, 좌석은 디스플레이에 공간에서의 좌석 배치를 참조하기 위해 필요에 따라 내장되거나 추가된 센서(2715)를 가질 수 있다.
도 28에 도시된 바와 같이, 좌석(2810, 2811)에 있는 개인 및 좌석에 대한 스크린(2800)의 캘리브레이션이 중요할 수 있다. 좌석(2820, 2830)에 센서를 포함하는 시스템이 간단하지만 이를 수행할 수 있는 여러 가능성이 있다. 이 시스템에서, 좌석(2810)이 픽셀(2823)에 의해 디스플레이되는 비디오(2822)의 정확한 부분을 보도록, 참조 컨텐츠(2840)가 시스템을 캘리브레이션하는 데 사용된다. 좌석(2811)의 경우, 테스트 컨텐츠(2832)에서의 동일한 지점이 픽셀(2833)에 의해 디스플레이된다. 센서(2830)는 좌석(2811)에 대한 이 캘리브레이션 데이터를 수집하고 프로세서로 데이터를 다시 전송하고, 필요에 따라 조정이 이루어진다. 프로세서는 물리적 공간과 디지털 테스트 컨텐츠를 단일 맵으로 병합하는 공간 맵을 포함한다. 따라서, 이 디지털 지도에서 이루어진 조정은 컨텐츠의 렌더링에 즉시 영향을 미친다. 이것은 광 필드 픽셀로 구성된 임의의 시스템에 대한 설치 프로세서의 일부가 된다.
[기술의 적용예]
극장 - 광 필드는 공연자를 현실적 또는 추상적인 장면에 배치하는 대중적 극장 공연 및 예술적 극장 공연 모두에 사용되어, 물리적 세트가 너무 어려웠을 수 있는 공연을 디자이너가 시작할 수 있게 한다.
영화 - 이론적으로, 배우가 렌더링된 장면에서 있는 그대로 모든 것을 볼 것이기 때문에 이것은 매우 효과적인 가상 세트가 될 수 있다. 그리고, 배우와 카메라 또는 카메라들이 서로 다른 데이터를 얻을 수 있다는 사실은 배우가 장면에 볼 필요가 있는 컨텐츠를 보는 동안 2D 가상 배경에서 캡처하면서 동시에 녹색 스크린에서 캡처할 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 제대로 작동하려면, 시스템이 카메라 주파수에서 작동해야 하므로, 시스템이 24 FPS 재생을 지원해야 한다.
영화관 - 영화관 경험을 향상시키는 명백한 이점 외에도, 시스템은 2명의 인접한 개인이 서도 다른 언어로 자막을 보고 있을 수 있도록 개인에게 자막을 디스플레이하는 데 사용될 수 있다.
라이브 엔터테인먼트 - 이것은 현재 사용되는 기존의 비디오용의 무거운 세트를 향상시키는 콘서트 투어의 일부일 수 있다. 유명한 국립 공원에서 앨범을 만든 밴드는 환경을 동적으로 디지털 방식으로 재조명하면서 공원에 자신을 배치할 수 있다.
환경 - 광 필드 픽셀로 구성된 표면은 물리적 장면 요소 뒤에 위치할 수 있다. 보조 조명과 결합될 때, 로컬화된 물리적 공간이 섬이나 숲의 한가운데에 놓일 수 있다. 공간의 윈도우는 클리블랜드의 지하실에 있는 퐁듀 레스토랑에 있는 손님들이 알프스 너머를 내다보고 있다는 느낌을 주는 광 필드 픽셀로 구성될 수 있다.
자동차 - 자동차의 표면이 더욱 기능적인 재료로 대체되고 자율 주행 차량에서의 운전 경험이 더 보편화됨에 따라, 자동화된 차량이 외부 세계와 효과적으로 통신하는 것이 필요할 것이다. 보행자는 운전자와 눈을 맞출 수 없어도 이해할 필요가 있을 것이다. 동적인 광은 자동차 주위로 광 필드를 변환하여 그 상호 작용을 대체할 수 있다. 또한, 이것은 자동차가 자신의 기능에 기초하여 설계 프로필을 채택할 수 있게 한다. 낮에는 회사 운송 수단으로 사용되는 자동차가 밤에는 빛나는 리무진이 될 수 있다.
건축 - 하이브리드 메시 시스템은 인공 조명 소스를 생성하는 건물에서의 동적 라인을 생성하기 위해 스폿 및 워시 라이트(wash light)로부터의 투사된 광과 함께 디스플레이에 의해 생성된 근거리 광(near field light)을 통합할 수 있다.
이러한 모든 환경에서, 광 출력은 필요한 광 필드 픽셀만 조명되도록 제어될 수 있다. 이는 주변 광 레벨을 감소시켜 이러한 각각의 적용예에 이점을 제공한다.
도시되지 않은 대안적인 실시예에서, 백색 광 필드 픽셀을 갖는 OMP는 LCD에 백라이트를 제공하기 위해 어레이에서 사용될 수 있다.
본 발명이 위의 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 당업자는 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 그에 대해 다양한 변경 또는 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 광학 렌즈;
    이동 가능한 스테이지 상에 장착된 LED들의 어레이로서, 상기 LED들은 상기 광학 렌즈를 통해 광을 투사하는, LED 어레이; 및
    상기 렌즈를 통과하는 광이 상기 스테이지의 이동에 따라 변화하도록 상기 스테이지의 이동을 제어하는 드라이버
    를 포함하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지는 선형 콤(linear comb) 기반 장치인, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LED들은 60 미크론 이하만큼 서로 이격된 마이크로 LED인, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지는 2개의 축을 따라 선형으로 이동하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지는 축을 중심으로 회전 가능한, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 LED 스테이지는 상기 드라이버로부터 개별적인 적색, 녹색 및 청색 LED들로의 필요한 연결의 개수를 감소시키는 LED 드라이버 회로를 포함하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LED들은 픽셀을 형성하도록 조합되는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    인접한 픽셀들은 동일한 색상의 LED들을 공유하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광은 상기 LED들과 상기 광학 렌즈 사이에서 반전되는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 멀티플렉싱 패키지는 광 필드 디스플레이(light field display)에 사용되는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  11. 제1항에 있어서,
    디스플레이는 다수의 광학 멀티플렉싱 패키지를 포함하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지의 이동은 다수의 광 경로를 생성하고, 뷰어(viewer)는 상기 다수의 광 경로에서 서로 다른 이미지들을 인지하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 서로 다른 이미지들은 뷰어에게 단일 3차원 이미지로서 나타나는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 LED 어레이는 CMOS MEMS 장치 상에 직접 장착되는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
  15. 제1항에 있어서,
    센서와 통신하고 상기 LED 어레이의 위치를 설정하기 위하여 상기 스테이지의 상대 위치를 설정하는, LED를 포함하는 캘리브레이션 시스템을 포함하는, 광학 멀티플렉싱 패키지.
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