KR20220027836A - 분산 애퍼처들에 기초한 라이트 필드 디스플레이들을 위한 광학 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

라이트 필드 디스플레이와 같은 3D 디스플레이를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들이 설명된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 디바이스는 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층을 포함한다. 광학 층은 발광 층을 오버레이한다. 광학 층은 복수의 분산 렌즈들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 분산 렌즈들은 비인접 렌즈 영역들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상이한 광학 중심들을 갖는 분산 렌즈 영역들은 서로 인터레이스된다. 공간 광 변조기는 렌즈 영역들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작한다. 일부 실시예들에서, 인터레이스된 및/또는 비인접 분산 렌즈들의 이용은 회절 효과들이 감소되는 개선된 디스플레이 해상도를 제공한다.

Description

분산형 광시야 표시장치의 광학적 방법 및 시스템조리개

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 6월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Optical Method and System for Light Field Displays Based on Distributed Apertures"인 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/858,671호 및 2019년 7월 5일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Optical Method and System for Light Field Displays Based on Varifocal Mosaic Lenses"인 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/870,858호의 정식 출원이고, 35 U.S.C.§119(e) 하에서 이익을 주장하며, 이들 출원들 둘 다는 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

상이한 3D 디스플레이들은 그들의 폼 팩터들에 기초하여 상이한 카테고리들로 분류될 수 있다. 헤드 장착형 디바이스들(Head-mounted devices)(HMD)은 고글리스 솔루션들(goggleless solutions)보다 더 적은 공간을 점유하며, 이는 또한 그들이 더 작은 컴포넌트들 및 더 적은 재료들로 제조될 수 있어 그들을 비교적 낮은 비용으로 만들 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 헤드 장착형 VR 고글들 및 스마트 글래스들이 단일-사용자 디바이스들이므로, 그들은 고글리스 솔루션들만큼 자연스럽게 공유된 경험들을 허용하지 않는다. 체적(volumetric) 3D 디스플레이들은 모든 3개의 공간 방향들로부터 공간을 취하고, 일반적으로 많은 물리적 재료를 요구하여, 이러한 시스템들을 쉽게 무겁고, 제조하기에 비싸고, 수송하기 어렵게 만든다. 재료들의 무거운 이용으로 인해, 체적 디스플레이들은 또한 작은 "윈도우들" 및 제한된 시야(FOV)를 갖는 경향이 있다. 스크린 기반 3D 디스플레이들은 전형적으로 하나의 크지만 평탄한 컴포넌트를 갖는데, 이는 스크린이고, 소정 거리로부터 자유 공간에 걸쳐 이미지(들)를 투영하는 시스템이다. 이러한 시스템들은 수송을 위해 더 콤팩트하게 만들어질 수 있고, 이들은 또한, 예를 들어, 체적 디스플레이들보다 훨씬 더 큰 FOV들을 커버한다. 이러한 시스템들은 그들을 전문적인 이용 사례들을 위해 최상으로 만드는 투영 서브-어셈블리들 및 예를 들어, 상이한 부분들 사이의 정확한 정렬을 그들이 요구하므로 복잡하고 비쌀 수 있다. 평탄한 폼-팩터 3D 디스플레이들은 2개의 공간 방향들에서 많은 공간을 요구할 수 있지만, 제3 방향은 단지 가상적이기 때문에, 그들은 상이한 환경들에서 수송하고 조립하기가 비교적 쉽다. 디바이스들이 평탄하기 때문에, 그들에 이용되는 적어도 일부 광학 컴포넌트들은 시트(sheet) 또는 롤(roll) 포맷으로 제조될 가능성이 더 많아서, 그들을 큰 체적들에서 비교적 낮은 비용으로 만든다.

인간의 마음은, 부분적으로, 각각의 눈을 배향하는데 이용되는 근육들로부터 신호들을 수신함으로써 관찰된 물체들의 심도들(depths)을 인지하고 결정한다. 뇌는 눈들의 상대적 각도 배향들을 결정된 초점 심도(depths of focus)와 연관시킨다. 정확한 초점 큐들(focus cues)은 관찰된 초점면(focal plane) 밖의 물체들 상에 자연적인 블러(natural blur)와 자연적인 동적 시차 효과(natural dynamic parallax effect)를 발생시킨다. 정확한 초점 큐들을 제공할 수 있는 한 가지 타입의 3D 디스플레이는 진정한(true) 3D 공간에서 3D 이미지들을 생성할 수 있는 체적 디스플레이 기술들을 이용한다. 3D 이미지의 각각의 "복셀(voxel)"은 그것이 있어야 하는 공간 위치에 물리적으로 위치되며, 해당 위치로부터 관찰자들 쪽으로 광을 반사 또는 방출하여 뷰어들(viewers)의 눈들에 실제 이미지를 형성한다. 3D 체적 디스플레이들의 주된 문제점들은, 그들의 낮은 해상도(resolution), 큰 물리적 크기 및 고가의 제조 비용들이다. 이러한 문제점들은 특별한 경우들, 예를 들어, 제품 디스플레이들, 박물관들, 쇼 등 외에는 이용하기가 너무 번거롭게 만든다. 정확한 망막 초점 큐들을 제공할 수 있는 다른 타입의 3D 디스플레이 디바이스는 홀로그래픽 디스플레이이다. 홀로그래픽 디스플레이들은 자연스러운 설정들에서 물체들로부터 산란된 전체 광 파면들을 재구성하는 것을 목표로 한다. 이 기술의 주된 문제점은, 극히 상세한 파면들의 생성에 이용될 수 있는 적절한 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)(SLM) 컴포넌트가 부족하다는 것이다.

자연적인 망막 초점 큐들을 제공할 수 있는 다른 타입의 3D 디스플레이 기술은 라이트 필드(Light Field)(LF) 디스플레이라고 지칭된다. LF 디스플레이 시스템들은 공간에서 모든 방향들로 이동하는 광선들(light rays)을 나타내는 소위 라이트 필드들을 생성하도록 설계된다. LF 시스템들은 기본적으로 더 높은 픽셀 밀도들로 공간 도메인만을 제어할 수 있는 종래의 입체(stereoscopic) 3D 디스플레이들과 달리, 공간 및 각도 도메인들 모두에서 광 방출들을 제어하는 것을 목표로 한다. 라이트 필드들을 생성하기 위한 적어도 2개의 근본적으로 상이한 방식들이 존재한다. 제1 접근법에서, 뷰어의 각각의 개별 눈에 걸쳐 시차(parallax)가 생성되어, 뷰잉되는 물체의 3D 위치에 대응하는 정확한 망막 블러를 생성한다. 이는 단일의 눈 당 다수의 뷰를 제시함으로써 행해질 수 있다. 제2 접근법은 물체의 이미지가 그의 3D 위치에 대응하는 적절한 초점면에 투영되는 다초점면(multi-focal-plane) 접근법이다. 많은 라이트 필드 디스플레이들은 이들 2개의 접근법들 중 하나를 이용한다.

VAC(vergence-accommodation conflict)는 현재의 입체 3D 디스플레이들에서의 하나의 문제이다. 평탄한 폼-팩터 LF 3D 디스플레이는 정확한 눈 수렴 및 정확한 초점 각도들 모두를 동시에 생성함으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 현재의 소비자 디스플레이들에서, 이미지 포인트는 디스플레이의 표면 상에 놓이며, 그 포인트를 정확하게 표현하기 위해, 양 눈에 보이는 하나의 조명된 픽셀만이 필요하다. 양 눈은 포커싱되고 동일한 포인트로 수렴된다. 시차 장벽(parallax-barrier) 3D 디스플레이들의 경우에, 픽셀들의 2개의 클러스터들이 단일 포인트를 정확하게 표현하도록 조명된다. 그에 부가하여, 이들 2개의 공간적으로 분리된 픽셀 클러스터들로부터의 광선들의 방향은 방출된 광이 정확한 눈에만 보이도록 하는 방식으로 제어되고, 따라서 눈이 동일한 단일 가상 포인트로 수렴할 수 있게 한다.

현재의 비교적 저밀도 멀티-뷰 이미징 디스플레이들에서, 뷰들은 뷰어가 디바이스 앞에서 이동함에 따라 대략적인 단계적 방식으로 변화한다. 이것은 3D 경험의 품질을 낮추고, 심지어 3D 지각의 완전한 단절을 야기할 수 있다. (VAC와 함께) 이 문제를 완화하기 위해, 일부 수퍼 멀티 뷰(Super Multi View)(SMV) 기법들은 무려 512개 정도의 뷰들로 테스트되었다. 아이디어는 2개의 시점들 사이의 임의의 전이를 매우 매끄럽게 하기 위해 극히 많은 수의 뷰들을 생성하는 것이다. 약간 상이한 시점들로부터의 적어도 2개의 이미지들로부터의 광이 동시에 눈 동공에 들어가는 경우, 훨씬 더 현실적인 시각적 경험이 뒤따른다. 이 경우, 움직임 시차 효과들은 뇌가 움직임으로 인한 이미지 변화를 무의식적으로 예측함에 따라 자연 조건들과 더 잘 유사하다. SMV 조건은 정확한 뷰잉 거리에서의 2개의 뷰들 사이의 간격을 눈 동공의 크기보다 더 작은 값으로 감소시킴으로써 충족될 수 있다. SMV 디스플레이들로 달성될 수 있는 최대 각도 밀도는 회절에 의해 제한되고, 공간 해상도(픽셀 크기)와 각도 해상도 사이에 역 관계가 존재한다. 회절은 애퍼처를 통과하는 광 빔의 각도 확산을 증가시키고, 이 효과는 매우 높은 밀도의 SMV 디스플레이들의 설계에서 고려될 수 있다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층; 발광 층을 오버레이하는 광학 층―광학 층은 복수의 분산 렌즈들(distributed lenses)을 포함하고, 각각의 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 분산 렌즈와 인터레이스됨―; 및 렌즈 영역들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 분산 렌즈들 각각은 복수의 렌즈 영역들을 포함하고, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치되고, 제1 및 제2 분산 렌즈들은 상이한 광학 중심들을 갖는다.

일부 실시예들에서, 개개의 분산 렌즈 내의 렌즈 영역들 각각은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는다.

일부 실시예들에서, 각각의 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 복수의 광 변조 픽셀들을 포함하고, 공간 광 변조기의 각각의 픽셀은 렌즈 영역들 중 하나 이하에 대응한다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치로 포커싱하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치를 향해 시준하도록 구성된다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스를 동작하는 방법은: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이에서의 발광 요소로부터 광을 선택적으로 방출하는 단계―방출된 광은 복수의 렌즈 영역들을 포함하는 광학 층을 향해 방출됨―; 및 방출된 광이 선택된 복수의 렌즈 영역들을 통해 디스플레이 디바이스 외부로 이동하는 것을 허용하도록 공간 광 변조기를 동작하는 단계―선택된 복수의 렌즈 영역들은 선택된 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 선택된 렌즈 영역들을 포함함―를 포함한다.

일부 실시예들에서, 선택된 렌즈 영역들은 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심을 갖고, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심과 상이한 제2 광학 중심을 갖는 제2 분산 렌즈와 인터레이스된다.

일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치된다. 일부 실시예들에서, 선택된 비인접 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는다.

일부 실시예들에서, 방법은 디스플레이될 복셀의 위치를 결정하는 단계; 및 결정된 복셀 위치에 기초하여 발광 요소 및 제1 분산 렌즈를 선택하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예들에서, 발광 요소 및 분산 렌즈는 발광 요소 및 제1 분산 렌즈의 광학 중심이 실질적으로 동일 선상에 있도록 선택된다.

일부 실시예들에서, 발광 요소 및 분산 렌즈는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치에서 실질적으로 포커싱되도록 선택된다.

도 1a는 하나 이상의 개시된 실시예들이 구현될 수 있는 예시적인 통신 시스템을 도시하는 시스템도이다.
도 1b는 실시예에 따른, 도 1a에 도시된 통신 시스템 내에서 이용될 수 있는 예시적인 무선 송신/수신 유닛(wireless transmit/receive unit)(WTRU)을 도시하는 시스템도이다.
도 2는 디스플레이로부터의 광의 광 방출 각도들을 도시한다.
도 3a는 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 초점 각도 및 수렴 각도를 도시한다.
도 3b는 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 뒤에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 초점 각도 및 수렴 각도를 도시한다.
도 3c는 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 뒤의 무한 거리에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 초점 각도 및 수렴 각도를 도시한다.
도 3d는 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 앞에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 초점 각도 및 수렴 각도를 도시한다.
도 4a는 렌즈의 기하학적 인자들에 의해 야기된 빔 발산을 도시한다.
도 4b는 회절에 의해 야기된 빔 발산을 도시한다.
도 5는 상이한 굴절력들의 3개의 렌즈들에 대한 이미지 배율을 도시한다.
도 6a는 하나의 연장된 소스 및 작은 렌즈 애퍼처에 대한 기하학적 인자들 및 회절의 결합된 효과들을 도시한다.
도 6b는 2개의 소스들 및 작은 렌즈 애퍼처에 대한 기하학적 인자들 및 회절의 결합된 효과들을 도시한다.
도 6c는 하나의 소스 및 큰 렌즈 애퍼처에 대한 기하학적 인자들 및 회절의 결합된 효과들을 도시한다.
도 6d는 2개의 소스들 및 큰 렌즈 애퍼처에 대한 기하학적 인자들 및 회절의 결합된 효과들을 도시한다.
도 7은 일부 실시예들에 따른, 디스플레이의 예시적인 뷰잉 기하 구조를 도시한다.
도 8a는 일부 실시예들에 따른, 디스플레이의 제1 예시적인 뷰잉 기하 구조를 도시한다.
도 8b는 일부 실시예들에 따른, 디스플레이의 제2 예시적인 뷰잉 기하 구조를 도시한다.
도 9a는 2개의 교차 빔들을 갖는 복셀의 생성을 도시한다.
도 9b는 모자이크 렌즈 3D 디스플레이를 갖는 복셀의 생성을 도시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이의 광학 구조 및 기능을 도시한다.
도 11a는 일부 실시예들에서 주기적 피처(periodic feature)로서 이용된 모자이크 셀의 예시적인 모자이크 패턴을 도시한다.
도 11b는 일부 실시예들에서 주기적 피처로서 이용된 모자이크 셀의 예시적인 모자이크 패턴을 도시한다.
도 12a는 일부 실시예들에 따른, 모자이크 패턴 주기적 피처들의 예시적인 어레이를 도시한다.
도 12b는 일부 실시예들에 따른, 모자이크 패턴 주기적 피처들의 예시적인 어레이를 도시한다.
도 13a는 일부 실시예들에 따른, 주기적 피처를 갖는 예시적인 공간 광 변조기(SLM) 픽셀 컬러 필터 배열들을 도시한다.
도 13b는 일부 실시예들에 따른, 주기적 피처를 갖는 예시적인 SLM 픽셀 컬러 필터 배열을 도시한다.
도 14는 일부 실시예들에 따른, 복셀들의 형성을 도시한다.
도 15a 내지 도 15c는 인터레이스될 수 있는 예시적인 애퍼처 클러스터 설계들을 도시한다.
도 16은 모바일 7" 3D 디스플레이 디바이스를 350mm의 거리에서 본 경우의 예시적인 디스플레이 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 17a 내지 도 17c는 예시적인 광학 디스플레이 설계를 개략적으로 도시한다.
도 18은 디스플레이 디바이스의 광학 층에서의 분산 렌즈들의 광학 특성들을 도시한다.
도 19a는 9개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하는 분산 렌즈의 예시적인 형태를 도시한다.
도 19b는 도 19a의 형태를 갖고 광학 층에서 인터레이스되는 복수의 분산 렌즈들을 도시한다.
도 20은 16개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하고 광학 층에서 4x4 간격으로 인터레이스될 수 있는 분산 렌즈의 예시적인 형태를 도시한다.
도 21은 16개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하고 광학 층에서 4x4 간격으로 인터레이스될 수 있는 분산 렌즈의 다른 예시적인 형태를 도시한다.
도 22는 비주기적 인터레이스된 분산 렌즈들을 포함하는 광학 층의 일부를 도시한다.
도 23은 가변 초점 길이 마이크로렌즈 어레이 및 그 기능을 도시한다.
도 24는 일부 실시예들에 따른, 모자이크 렌즈가 연속적인 원형 대칭 렌즈로부터 형성되는 모자이크 렌즈 설계의 제1 예를 도시한다.
도 25는 일부 실시예들에 따른, 모자이크 렌즈가 2개의 상이한 렌즈 형상들로부터 형성되고, 모자이크 타일들이 추가적인 마이크로렌즈 표면들을 포함하는 모자이크 렌즈 설계를 도시한다.
도 26은 일부 실시예들에 따른, 예시적인 가변 초점 모자이크 렌즈(varifocal mosaic lens)(VFML)의 광학 구조 및 기능을 도시한다.
도 27은 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이의 광학 구조 및 기능을 도시한다.
도 28은 일부 실시예들에 따른, 디스플레이 디바이스로부터 동일한 거리에 3개의 소스들을 이미징하기 위한 공통 모자이크 피처 클러스터의 이용을 도시한다.
도 29a는 일부 실시예들에 따른, 공간 광 변조기(SLM)의 제1 예시적인 컬러 필터 배열을 도시한다.
도 29b는 일부 실시예들에 따른, SLM의 제2 예시적인 컬러 필터 배열을 도시한다.
도 30은 일부 실시예들에 따른, 눈 추적 모듈을 갖는 3D 디스플레이를 도시한다.
도 31은 일부 실시예들에 따른, 연장된 초점 심도(extended depth of focus)(EDoF)를 갖는 3D 디스플레이의 변형을 도시한다.
도 32는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 VFML 모자이크 렌즈 설계의 구조 및 측정들(μm 단위)을 도시한다.
도 33은 예시적인 3D 디스플레이 광학 설계의 구조 및 측정들(μm 단위)을 도시한다.
도 34는 일부 실시예들에 따른, 디스플레이를 동작하는 방법의 흐름도이다.
도 35는 작은 애퍼처들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들(simulated irradiance distributions)을 도시한다.
도 36은 상이한 크기의 애퍼처들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 37은 2개의 상이한 분산 애퍼처들(distributed apertures)의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 38은 3개의 상이한 컬러 소스들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 39는 3개의 상이한 크기의 소스들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 40은 5개의 상이한 분산 애퍼처들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 41은 2개의 상이한 크기의 분산 애퍼처들의 시뮬레이션된 방사조도 분포들을 도시한다.
도 42는 상이한 눈 초점 거리들 및 광 파장들에서 단일 및 분산 애퍼처 망막 이미지를 비교하는 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 43은 3개의 상이한 VFML 및 눈 초점 거리들에 대해 시뮬레이션된 망막 스폿의 시뮬레이션 결과들을 도시한다.

실시예들의 구현을 위한 예시적인 네트워크들

도 1a는 하나 이상의 개시된 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 통신 시스템(100)의 도면이다. 통신 시스템(100)은 음성, 데이터, 비디오, 메시징, 브로드캐스트 등과 같은 콘텐츠를 다수의 무선 사용자들에게 제공하는 다중 액세스 시스템일 수 있다. 통신 시스템(100)은 다수의 무선 사용자들이, 무선 대역폭을 포함한, 시스템 자원들의 공유를 통해 그러한 콘텐츠에 액세스하게 할 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템들(100)은 CDMA(code division multiple access), TDMA(time division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), OFDMA(orthogonal FDMA), SC-FDMA(single-carrier FDMA), ZT UW DTS-s OFDM(zero-tail unique-word DFT-Spread OFDM), UW-OFDM(unique word OFDM), 자원 블록 필터링된(resource block-filtered) OFDM, FBMC(filter bank multicarrier) 등과 같은 하나 이상의 채널 액세스 방법을 이용할 수 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 통신 시스템(100)은 WTRU(wireless transmit/receive unit)들(102a, 102b, 102c, 102d), RAN(104), CN(106), PSTN(public switched telephone network)(108), 인터넷(110), 및 다른 네트워크들(112)을 포함할 수 있지만, 개시된 실시예들은 임의의 수의 WTRU들, 기지국들, 네트워크들 및/또는 네트워크 요소들을 고려한다는 것을 이해할 것이다. WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d) 각각은 무선 환경에서 동작하고/하거나 통신하도록 구성된 임의의 타입의 디바이스일 수 있다. 예로써, WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d)―이들 중 임의의 것은 "스테이션(station)" 및/또는 "STA"라고 지칭될 수 있음―은 무선 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있고, 사용자 장비(UE), 이동국, 고정 또는 모바일 가입자 유닛, 가입 기반 유닛, 페이저, 셀룰러 전화, PDA(personal digital assistant), 스마트폰, 랩톱, 넷북, 개인용 컴퓨터, 무선 센서, 핫스폿 또는 Mi-Fi 디바이스, IoT(Internet of Things) 디바이스, 시계 또는 다른 웨어러블, HMD(head-mounted display), 차량, 드론, 의료 디바이스 및 애플리케이션들(예를 들어, 원격 수술), 산업 디바이스 및 애플리케이션들(예를 들어, 로봇 및/또는 산업 및/또는 자동화된 처리 체인 컨텍스트들에서 동작하는 다른 무선 디바이스들), 소비자 전자 디바이스, 상업 및/또는 산업 무선 네트워크들 상에서 동작하는 디바이스 등을 포함할 수 있다. WTRU들(102a, 102b, 102c 및 102d) 중 임의의 것은 UE라고 상호교환가능하게 지칭될 수 있다.

통신 시스템들(100)은 또한 기지국(114a) 및/또는 기지국(114b)을 포함할 수 있다. 기지국들(114a, 114b) 각각은, CN(106), 인터넷(110), 및/또는 다른 네트워크들(112)과 같은 하나 이상의 통신 네트워크에 대한 액세스를 용이하게 하기 위해 WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d) 중 적어도 하나와 무선으로 인터페이스하도록 구성된 임의의 타입의 디바이스일 수 있다. 예로써, 기지국(114a, 114b)은 베이스 트랜시버 스테이션(base transceiver station)(BTS), Node-B, eNode B, Home Node B, Home eNode B, gNB, NR NodeB, 사이트 제어기(site controller), 액세스 포인트(AP), 무선 라우터 등일 수 있다. 기지국들(114a, 114b)은 각각이 단일 요소로서 도시되어 있지만, 기지국들(114a, 114b)이 임의의 수의 상호접속된 기지국들 및/또는 네트워크 요소들을 포함할 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

기지국(114a)은 기지국 제어기(base station controller)(BSC), 라디오 네트워크 제어기(radio network controller)(RNC), 릴레이 노드들(relay nodes) 등과 같은 다른 기지국들 및/또는 네트워크 요소들(도시되지 않음)도 포함할 수 있는 RAN(104)의 일부일 수 있다. 기지국(114a) 및/또는 기지국(114b)은 셀(cell)(도시되지 않음)이라고 지칭될 수 있는 하나 이상의 캐리어 주파수 상에서 무선 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다. 이러한 주파수들은 허가 스펙트럼(licensed spectrum), 비허가 스펙트럼, 또는 허가 스펙트럼과 비허가 스펙트럼의 조합일 수 있다. 셀은 비교적 고정될 수 있거나 시간 경과에 따라 변할 수 있는 특정 지리적 영역에 무선 서비스에 대한 커버리지를 제공할 수 있다. 셀은 셀 섹터들(cell sectors)로 추가로 분할될 수 있다. 예를 들어, 기지국(114a)과 연관된 셀은 3개의 섹터들로 분할될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서 기지국(114a)은 3개의 트랜시버들, 즉, 셀의 각각의 섹터마다 하나씩의 트랜시버를 포함할 수 있다. 실시예에서, 기지국(114a)은 MIMO(multiple-input multiple-output) 기술을 이용할 수 있고, 셀의 각각의 섹터에 대해 다수의 트랜시버들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 빔형성(beamforming)은 신호들을 원하는 공간 방향들로 송신 및/또는 수신하는데 이용될 수 있다.

기지국들(114a, 114b)은 임의의 적절한 무선 통신 링크(예를 들어, RF(radio frequency), 마이크로파, 센티미터파(centimeter wave), 마이크로미터파(micrometer wave), IR(infrared), UV(ultraviolet), 가시광 등)일 수 있는 공중 인터페이스(air interface)(116)를 통해 WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d) 중 하나 이상과 통신할 수 있다. 공중 인터페이스(116)는 임의의 적절한 RAT(radio access technology)를 이용하여 확립될 수 있다.

보다 구체적으로, 앞서 살펴본 바와 같이, 통신 시스템(100)은 다중 액세스 시스템일 수 있고, CDMA, TDMA, FDMA, OFDMA, SC-FDMA 등과 같은 하나 이상의 채널 액세스 방식들을 이용할 수 있다. 예를 들어, RAN(104)에서의 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은 WCDMA(wideband CDMA)를 이용하여 공중 인터페이스(116)를 확립할 수 있는 UTRA(Universal Mobile Telecommunications System(UMTS) Terrestrial Radio Access)와 같은 라디오 기술을 구현할 수 있다. WCDMA는 HSPA(High-Speed Packet Access) 및/또는 HSPA+(Evolved HSPA)와 같은 통신 프로토콜들을 포함할 수 있다. HSPA는 HSDPA(High-Speed Downlink(DL) Packet Access) 및/또는 HSUPA(High-Speed UL Packet Access)를 포함할 수 있다.

실시예에서, 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은 LTE(Long Term Evolution) 및/또는 LTE-A(LTE-Advanced) 및/또는 LTE-A Pro(LTE-Advanced Pro)를 이용하여 공중 인터페이스(116)를 확립할 수 있는 E-UTRA(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access)와 같은 라디오 기술을 구현할 수 있다.

실시예에서, 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은, NR(New Radio)을 이용하여 공중 인터페이스(116)를 확립할 수 있는, NR 라디오 액세스와 같은 라디오 기술을 구현할 수 있다.

실시예에서, 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은 다수의 라디오 액세스 기술들을 구현할 수 있다. 예를 들어, 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은, 예를 들어, 듀얼 접속(dual connectivity)(DC) 원리들을 이용하여, LTE 라디오 액세스 및 NR 라디오 액세스를 함께 구현할 수 있다. 따라서, WTRU들(102a, 102b, 102c)에 의해 이용된 공중 인터페이스는 다수의 타입들의 기지국들(예를 들어, eNB 및 gNB)로/로부터 전송된 다수의 타입들의 라디오 액세스 기술들 및/또는 송신들에 의해 특징지어질 수 있다.

다른 실시예들에서, 기지국(114a) 및 WTRU들(102a, 102b, 102c)은 IEEE 802.11(즉, WiFi(Wireless Fidelity), IEEE 802.16(즉, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)), CDMA2000, CDMA2000 1X, CDMA2000 EV-DO, IS-2000(Interim Standard 2000), IS-95(Interim Standard 95), IS-856(Interim Standard 856), GSM(Global System for Mobile communications), EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution), GSM EDGE(GERAN) 등과 같은 라디오 기술들을 구현할 수 있다.

도 1a에서의 기지국(114b)은, 예를 들어, 무선 라우터, Home Node B, Home eNode B, 또는 액세스 포인트일 수 있고, 사업장, 가정, 차량, 캠퍼스, 산업 설비, (예를 들어, 드론들에 의한 이용을 위한) 공중 회랑(air corridor), 도로(roadway) 등과 같은 국부화된 영역에서의 무선 접속을 용이하게 하기 위해 임의의 적절한 RAT를 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 기지국(114b) 및 WTRU들(102c, 102d)은 WLAN(wireless local area network)을 확립하기 위해 IEEE 802.11과 같은 라디오 기술을 구현할 수 있다. 실시예에서, 기지국(114b) 및 WTRU들(102c, 102d)은 WPAN(wireless personal area network)을 확립하기 위해 IEEE 802.15와 같은 라디오 기술을 구현할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기지국(114b) 및 WTRU들(102c, 102d)은 피코셀(picocell) 또는 펨토셀(femtocell)을 확립하기 위해 셀룰러 기반 RAT(cellular-based RAT)(예를 들어, WCDMA, CDMA 2000, GSM, LTE, LTE-A, LTE-A Pro, NR 등)를 이용할 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 기지국(114b)은 인터넷(110)에 대한 직접 접속(direct connection)을 가질 수 있다. 따라서, 기지국(114b)은 CN(106)을 통해 인터넷(110)에 액세스할 필요가 없을 수 있다.

RAN(104)은 음성, 데이터, 애플리케이션들, 및/또는 VoIP(voice over internet protocol) 서비스들을 WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d) 중 하나 이상에 제공하도록 구성된 임의의 타입의 네트워크일 수 있는 CN(106)과 통신할 수 있다. 데이터는 상이한 처리량 요건들, 레이턴시 요건들, 에러 허용오차 요건들, 신뢰성 요건들, 데이터 처리량 요건들, 이동성 요건들 등과 같은 다양한 서비스 품질(QoS) 요건들을 가질 수 있다. CN(106)은 호 제어(call control), 과금 서비스들, 모바일 위치 기반 서비스들, 선불 전화(pre-paid calling), 인터넷 접속, 비디오 배포 등을 제공하고/하거나 사용자 인증과 같은 높은 수준 보안 기능들을 수행할 수 있다. 도 1a에 도시되어 있지는 않지만, RAN(104) 및/또는 CN(106)이 RAN(104)과 동일한 RAT 또는 상이한 RAT를 이용하는 다른 RAN들과 직접 또는 간접 통신을 할 수 있음을 잘 알 것이다. 예를 들어, NR 라디오 기술을 이용하고 있을 수 있는 RAN(104)에 접속되는 것에 부가하여, CN(106)은 또한 GSM, UMTS, CDMA2000, WiMAX, E-UTRA, 또는 WiFi 라디오 기술을 이용하는 다른 RAN(도시되지 않음)과 통신할 수 있다.

CN(106)은 또한 WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d)이 PSTN(108), 인터넷(110), 및/또는 다른 네트워크들(112)에 액세스하기 위한 게이트웨이로서 역할할 수 있다. PSTN(108)은 POTS(plain old telephone service)를 제공하는 회선 교환 전화 네트워크들(circuit-switched telephone networks)을 포함할 수 있다. 인터넷(110)은 TCP/IP 인터넷 프로토콜 세트에서의 송신 제어 프로토콜(TCP), 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP) 및/또는 인터넷 프로토콜(IP)과 같은 공통 통신 프로토콜들을 이용하는 상호접속된 컴퓨터 네트워크들 및 디바이스들의 글로벌 시스템을 포함할 수 있다. 네트워크들(112)은 다른 서비스 제공자들에 의해 소유되고/되거나 운영되는 유선 및/또는 무선 통신 네트워크들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 네트워크들(112)은 RAN(104)과 동일한 RAT 또는 상이한 RAT를 이용할 수 있는 하나 이상의 RAN에 접속된 다른 CN을 포함할 수 있다.

통신 시스템(100)에서의 WTRU들(102a, 102b, 102c, 102d) 중 일부 또는 전부는 다중 모드 능력들을 포함할 수 있다(예를 들어, WTRU들(102a, 102b, 102c, 및 102d)은 상이한 무선 링크들을 통해 상이한 무선 네트워크들과 통신하기 위해 다수의 트랜시버들을 포함할 수 있다). 예를 들어, 도 1a에 도시된 WTRU(102c)는 셀룰러 기반 라디오 기술을 이용할 수 있는 기지국(114a), 및 IEEE 802 라디오 기술을 이용할 수 있는 기지국(114b)과 통신하도록 구성될 수 있다.

도 1b는 예시적인 WTRU(102)를 도시하는 시스템도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, WTRU(102)는, 다른 것들 중에서, 프로세서(118), 트랜시버(120), 송신/수신 요소(transmit/receive element)(122), 스피커/마이크로폰(124), 키패드(126), 디스플레이/터치패드(128), 비이동식 메모리(130), 이동식 메모리(132), 전원(134), GPS(global positioning system) 칩셋(136), 및/또는 다른 주변기기들(138)을 포함할 수 있다. 실시예와 부합한 채로 있으면서 WTRU(102)가 전술한 요소들의 임의의 부조합(sub-combination)을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

프로세서(118)는 범용 프로세서, 특수 목적 프로세서, 종래의 프로세서, DSP(digital signal processor), 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 연관된 하나 이상의 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)들, FPGA(Field Programmable Gate Array) 회로들, 임의의 다른 타입의 IC(integrated circuit), 상태 머신(state machine) 등일 수 있다. 프로세서(118)는 WTRU(102)가 무선 환경에서 동작할 수 있게 하는 신호 코딩, 데이터 처리, 전력 제어, 입력/출력 처리, 및/또는 임의의 다른 기능을 수행할 수 있다. 프로세서(118)는 트랜시버(120)에 결합될 수 있고, 트랜시버(120)는 송신/수신 요소(122)에 결합될 수 있다. 도 1b가 프로세서(118) 및 트랜시버(120)를 별도의 컴포넌트들로서 도시하고 있지만, 프로세서(118) 및 트랜시버(120)가 전자 패키지 또는 칩에 함께 통합되어 있을 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

송신/수신 요소(122)는 공중 인터페이스(116)를 통해 기지국(예를 들어, 기지국(114a))으로 신호들을 송신하거나 기지국으로부터 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 송신/수신 요소(122)는 RF 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성된 안테나일 수 있다. 실시예에서, 송신/수신 요소(122)는, 예를 들어, IR, UV 또는 가시광 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성된 방출기/검출기일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 송신/수신 요소(122)는 RF 및 광 신호들 둘 다를 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다. 송신/수신 요소(122)가 무선 신호들의 임의의 조합을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

또한, 송신/수신 요소(122)가 단일 요소로서 도 1b에 도시되어 있지만, WTRU(102)는 임의의 수의 송신/수신 요소들(122)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는, WTRU(102)는 MIMO 기술을 이용할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, WTRU(102)는 공중 인터페이스(116)를 통해 무선 신호들을 송신 및 수신하기 위한 2개 이상의 송신/수신 요소들(122)(예를 들어, 다수의 안테나들)을 포함할 수 있다.

트랜시버(120)는 송신/수신 요소(122)에 의해 송신되는 신호들을 변조하고, 송신/수신 요소(122)에 의해 수신되는 신호들을 복조하도록 구성될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, WTRU(102)는 다중 모드 능력들을 가질 수 있다. 따라서, 트랜시버(120)는, 예를 들어, NR 및 IEEE 802.11과 같은 다수의 RAT들을 통해 WTRU(102)가 통신할 수 있게 하는 다수의 트랜시버들을 포함할 수 있다.

WTRU(102)의 프로세서(118)는 스피커/마이크로폰(124), 키패드(126), 및/또는 디스플레이/터치패드(128)(예를 들어, LCD(liquid crystal display) 디스플레이 유닛 또는 OLED(organic light-emitting diode) 디스플레이 유닛)에 결합될 수 있고, 그로부터 사용자 입력 데이터를 수신할 수 있다. 프로세서(118)는 또한 사용자 데이터를 스피커/마이크로폰(124), 키패드(126), 및/또는 디스플레이/터치패드(128)에 출력할 수 있다. 더욱이, 프로세서(118)는 비이동식 메모리(130) 및/또는 이동식 메모리(132)와 같은 임의의 타입의 적절한 메모리로부터의 정보에 액세스하거나 그 메모리에 데이터를 저장할 수 있다. 비이동식 메모리(130)는 RAM(random-access memory), ROM(read-only memory), 하드 디스크, 또는 임의의 다른 타입의 메모리 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 이동식 메모리(132)는 SIM(subscriber identity module) 카드, 메모리 스틱, SD(secure digital) 메모리 카드 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로세서(118)는, 서버 또는 홈 컴퓨터(도시되지 않음) 상에 있는 것과 같이, WTRU(102) 상에 물리적으로 위치되지 않은 메모리로부터의 정보에 액세스하고 그 메모리에 데이터를 저장할 수 있다.

프로세서(118)는 전원(134)으로부터 전력을 수신할 수 있고, WTRU(102)에서의 다른 컴포넌트들에 전력을 분배하고/하거나 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 전원(134)은 WTRU(102)에 전력을 공급하기 위한 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 전원(134)은 하나 이상의 건전지(예를 들어, 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 아연(NiZn), 니켈 금속 수소화물(NiMH), 리튬 이온(Li-ion) 등), 태양 전지들(solar cells), 연료 전지들(fuel cells) 등을 포함할 수 있다.

프로세서(118)는 또한 WTRU(102)의 현재 위치에 관한 위치 정보(예를 들어, 경도 및 위도)를 제공하도록 구성될 수 있는 GPS 칩셋(136)에 결합될 수 있다. GPS 칩셋(136)으로부터의 정보에 부가하여 또는 그 대신에, WTRU(102)는 기지국(예를 들어, 기지국들(114a, 114b))으로부터 공중 인터페이스(116)를 통해 위치 정보를 수신할 수 있고/있거나 2개 이상의 근방의 기지국들로부터 수신되고 있는 신호들의 타이밍에 기초하여 그의 위치를 결정할 수 있다. WTRU(102)가 실시예와 부합한 채로 있으면서 임의의 적절한 위치 결정 방법에 의해 위치 정보를 획득할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

프로세서(118)는, 추가의 특징들, 기능 및/또는 유선 또는 무선 접속을 제공하는 하나 이상의 소프트웨어 및/또는 하드웨어 모듈을 포함할 수 있는, 다른 주변기기들(138)에 추가로 결합될 수 있다. 예를 들어, 주변기기들(138)은 가속도계, e-나침반(e-compass), 위성 트랜시버, 디지털 카메라(사진 및/또는 비디오용), USB(universal serial bus) 포트, 진동 디바이스, 텔레비전 트랜시버, 핸즈 프리(hands free) 헤드셋, Bluetooth® 모듈, FM(frequency modulated) 라디오 유닛, 디지털 음악 플레이어, 미디어 플레이어, 비디오 게임 플레이어 모듈, 인터넷 브라우저, VR/AR(Virtual Reality and/or Augmented Reality) 디바이스, 활동 추적기(activity tracker) 등을 포함할 수 있다. 주변기기들(138)은 하나 이상의 센서를 포함할 수 있고, 센서들은 자이로스코프, 가속도계, 홀 효과 센서(hall effect sensor), 자력계(magnetometer), 배향 센서, 근접 센서, 온도 센서, 시간 센서, 지오로케이션 센서(geolocation sensor), 고도계, 광 센서, 터치 센서, 자력계, 기압계, 제스처 센서, 생체인식 센서(biometric sensor), 및/또는 습도 센서 중 하나 이상일 수 있다.

WTRU(102)는 (예를 들어, (예를 들어, 송신을 위한) UL 및 (예를 들어, 수신을 위한) 다운링크 둘 다에 대한 특정 서브프레임들과 연관된) 신호들의 일부 또는 전부의 송신 및 수신이 공존하고/하거나 동시적일 수 있는 풀 듀플렉스 라디오(full duplex radio)를 포함할 수 있다. 풀 듀플렉스 라디오는 하드웨어(예를 들어, 초크(choke)) 또는 프로세서(예를 들어, 별도의 프로세서(도시되지 않음) 또는 프로세서(118)를 통해)를 통한 신호 처리 중 어느 하나를 통한 자기-간섭(self-interference)을 감소 및/또는 실질적으로 제거하는 간섭 관리 유닛을 포함할 수 있다. 실시예에서, WRTU(102)는 (예를 들어, (예를 들어, 송신을 위한) UL 또는 (예를 들어, 수신을 위한) 다운링크 중 어느 하나에 대한 특정 서브프레임들과 연관된) 신호들의 일부 또는 전부의 송신 및 수신을 위한 하프 듀플렉스 라디오(half-duplex radio)를 포함할 수 있다.

WTRU가 도 1a 내지 도 1b에서 무선 단말기로서 설명되지만, 특정한 대표적인 실시예들에서, 그러한 단말기는 통신 네트워크와의 유선 통신 인터페이스들을 (예를 들어, 일시적으로 또는 영구적으로) 이용할 수 있다는 것을 고려한다.

대표적인 실시예들에서, 다른 네트워크(112)는 WLAN일 수 있다.

인프라스트럭처 기본 서비스 세트(BSS) 모드에서의 WLAN은 BSS에 대한 액세스 포인트(AP) 및 AP와 연관된 하나 이상의 스테이션(STA)을 가질 수 있다. AP는 분배 시스템(DS), 또는 BSS 내로 및/또는 밖으로 트래픽을 운반하는 다른 타입의 유선/무선 네트워크에 대한 액세스 또는 인터페이스를 가질 수 있다. BSS 외부에서 유래하는 STA들로의 트래픽은 AP를 통해 도착할 수 있고, STA들로 전달될 수 있다. STA들로부터 BSS 외부의 목적지들까지 유래되는 트래픽은 각각의 목적지들로 전달되도록 AP로 전송될 수 있다. BSS 내의 STA들 사이의 트래픽은 AP를 통해 전송될 수 있고, 예를 들어, 소스 STA가 트래픽을 AP로 전송할 수 있고, AP는 트래픽을 목적지 STA로 전달할 수 있다. BSS 내의 STA들 사이의 트래픽은 피어-투-피어 트래픽으로 간주 및/또는 지칭될 수 있다. 피어-투-피어 트래픽은 직접 링크 셋업(DLS)을 통해 소스 및 목적지 STA들 사이에서(예를 들어, 사이에서 직접적으로) 전송될 수 있다. 특정 대표적인 실시예들에서, DLS는 802.11e DLS 또는 802.11z 터널링된 DLS(TDLS)를 이용할 수 있다. 독립 BSS(IBSS) 모드를 이용하는 WLAN은 AP를 가질 수 없고, IBSS 내의 또는 IBSS를 이용하는 STA들(예를 들어, 모든 STA들)은 서로 직접적으로 통신할 수 있다. IBSS 통신 모드는 때때로 본 명세서에서 "애드혹" 통신 모드로 지칭될 수 있다.

802.11ac 인프라스트럭처 동작 모드 또는 유사한 동작 모드를 이용하는 경우, AP는 주(primary) 채널과 같은 고정 채널을 통해 비컨(beacon)을 송신할 수 있다. 주 채널은 고정 폭(예를 들어, 20MHz 폭의 광대역폭) 또는 시그널링을 통해 동적으로 설정된 폭일 수 있다. 주 채널은 BSS의 동작 채널일 수 있고, AP와의 접속을 확립하기 위해 STA들에 의해 이용될 수 있다. 특정한 대표적인 실시예들에서, 충돌 회피를 갖는 캐리어 감지 다중 액세스(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)(CSMA/CA)가, 예를 들어, 802.11 시스템들에서 구현될 수 있다. CSMA/CA에 대해, AP를 포함하는 STA들(예를 들어, 모든 STA)은 주 채널을 감지할 수 있다. 주 채널이 감지/검출되고 및/또는 특정 STA에 의해 비지 상태(busy)라고 결정되는 경우, 특정 STA는 백오프(back off)할 수 있다. 하나의 STA(예를 들어, 단지 하나의 스테이션)가 주어진 BSS에서 임의의 주어진 시간에 송신할 수 있다.

HT(High Throughput) STA들은, 예를 들어, 주(primary) 20MHz 채널 및 인접하거나 비인접한 20MHz 채널을 결합하여 40MHz 폭의 채널을 형성하는 것을 통해, 통신을 위한 40MHz 폭의 채널을 이용할 수 있다.

VHT(Very High Throughput) STA들은 20MHz, 40MHz, 80MHz, 및/또는 160MHz 폭의 채널들을 지원할 수 있다. 40MHz, 및/또는 80MHz 채널들은 인접한 20MHz 채널들을 결합하여 형성될 수 있다. 160MHz 채널은 8개의 인접한 20MHz 채널들을 결합하거나, 80+80 구성이라고 지칭될 수 있는, 2개의 비인접한 80MHz 채널들을 결합함으로써 형성될 수 있다. 80+80 구성의 경우, 채널 인코딩 후 데이터는 데이터를 두 개의 스트림들로 분할할 수 있는 세그먼트 파서(segment parser)를 통과할 수 있다. 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform)(IFFT) 처리 및 시간 영역 처리는 각각의 스트림에 대해 개별적으로 수행될 수 있다. 스트림들은 2개의 80MHz 채널들로 맵핑될 수 있고, 데이터는 송신하는 STA에 의해 송신될 수 있다. 수신하는 STA의 수신기에서, 80+80 구성에 대해 위에 설명된 동작은 역전(reverse)될 수 있고, 결합된 데이터는 매체 액세스 제어(Medium Access Control)(MAC)로 전송될 수 있다.

서브 1GHz 동작 모드들은 802.11af 및 802.11ah에 의해 지원된다. 채널 동작 대역폭들 및 캐리어들은 802.11n 및 802.11ac에서 이용되는 것들에 비해 802.11af 및 802.11ah에서 감소된다. 802.11af는 TV 화이트 스페이스(TV White Space)(TVWS) 스펙트럼에서 5MHz, 10MHz 및 20MHz 대역폭들을 지원하고, 802.11ah는 비-TVWS 스펙트럼을 이용하여 1MHz, 2MHz, 4MHz, 8MHz 및 16MHz 대역폭들을 지원한다. 대표적인 실시예에 따르면, 802.11ah는 매크로 커버리지 영역(macro coverage area)에서의 MTC 디바이스들과 같은, 미터 타입 제어/머신-타입 통신들(Meter Type Control/Machine-Type Communications)을 지원할 수 있다. MTC 디바이스들은, 예를 들어, 특정한 및/또는 제한된 대역폭들에 대한 지원(예를 들어, 그것들에 대해서만의 지원)을 포함하는 제한된 능력들과 같은 특정 능력들을 가질 수 있다. MTC 디바이스들은 (예를 들어, 배터리 수명을 매우 길게 유지하기 위해) 배터리 수명이 임계값 위인 배터리를 포함할 수 있다.

802.11n, 802.11ac, 802.11af, 및 802.11ah와 같은, 다수의 채널들 및 채널 대역폭들을 지원할 수 있는 WLAN 시스템들은 주 채널로서 지정될 수 있는 채널을 포함한다. 주 채널은 BSS에서의 모든 STA들에 의해 지원되는 최대 공통 동작 대역폭(largest common operating bandwidth)과 동일한 대역폭을 가질 수 있다. 주 채널의 대역폭은 최소 대역폭 동작 모드를 지원하는 BSS에서 동작하는 모든 STA들 중에서, STA에 의해 설정 및/또는 제한될 수 있다. 802.11ah의 예에서, AP 및 BSS에서의 다른 STA들이 2MHz, 4MHz, 8MHz, 16MHz, 및/또는 다른 채널 대역폭 동작 모드들을 지원하는 경우에도, 주 채널은 1MHz 모드를 지원(예를 들어, 오직 그것만을 지원)하는 STA들(예를 들어, MTC 타입 디바이스들)에 대해 1MHz 폭일 수 있다. 캐리어 감지 및/또는 네트워크 할당 벡터(NAV) 설정들은 주 채널의 상태에 의존할 수 있다. 주 채널이, 예를 들어, (오직 1MHz 동작 모드만을 지원하는) STA가 AP에 송신하는 것으로 인해 비지 상태인 경우, 대부분의 이용가능한 주파수 대역들이 아이들 상태(idle)로 유지되고 이용가능할 수 있는 경우에도, 이용가능한 전체 주파수 대역들이 비지 상태인 것으로 간주될 수 있다.

미국에서, 802.11ah에 의해 이용될 수 있는 이용가능한 주파수 대역들은 902MHz 내지 928MHz이다. 한국에서, 이용가능한 주파수 대역들은 917.5MHz 내지 923.5MHz이다. 일본에서, 이용가능한 주파수 대역들은 916.5MHz 내지 927.5MHz이다. 802.11ah에 이용가능한 총 대역폭은 국가 코드에 따라 6MHz 내지 26MHz이다.

WTRU(102a-d), 기지국(114a-b), eNode-B(160a-c), MME(162), SGW(164), PGW(166), gNB(180a-c), AMF(182a-b), UPF(184a-b), SMF(183a-b), DN(185a-b), 및/또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 디바이스(들) 중 하나 이상과 관련하여 본 명세서에 설명된 기능들 중 하나 이상 또는 전부는 하나 이상의 에뮬레이션 디바이스(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다. 에뮬레이션 디바이스들은 본 명세서에 설명된 기능들 중 하나 이상 또는 전부를 에뮬레이션하도록 구성된 하나 이상의 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 에뮬레이션 디바이스들은 다른 디바이스들을 테스트하고/하거나 네트워크 및/또는 WTRU 기능들을 시뮬레이션하기 위해 이용될 수 있다.

에뮬레이션 디바이스들은 실험실 환경 및/또는 운영자 네트워크 환경에서 다른 디바이스들의 하나 이상의 테스트를 구현하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 에뮬레이션 디바이스는 통신 네트워크 내의 다른 디바이스들을 테스트하기 위해 유선 및/또는 무선 통신 네트워크의 일부로서 완전히 또는 부분적으로 구현 및/또는 배치되면서 하나 이상의 또는 모든 기능을 수행할 수 있다. 하나 이상의 에뮬레이션 디바이스는 유선 및/또는 무선 통신 네트워크의 일부로서 일시적으로 구현/배치되면서 하나 이상의 또는 모든 기능들을 수행할 수 있다. 에뮬레이션 디바이스는 테스트를 위해 다른 디바이스에 직접 결합될 수 있고/있거나 오버-디-에어(over-the-air) 무선 통신을 이용하여 테스트를 수행할 수 있다.

하나 이상의 에뮬레이션 디바이스는 유선 및/또는 무선 통신 네트워크의 일부로서 구현/배치되지 않으면서, 모든 기능들을 포함하는 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 에뮬레이션 디바이스들은 하나 이상의 컴포넌트의 테스팅을 구현하기 위해 테스팅 실험실 및/또는 비-배치된(non-deployed) (예를 들어, 테스팅) 유선 및/또는 무선 통신 네트워크에서의 테스팅 시나리오에서 이용될 수 있다. 하나 이상의 에뮬레이션 디바이스는 테스트 장비일 수 있다. RF 회로(예를 들어, 하나 이상의 안테나를 포함할 수 있음)를 통한 직접 RF 결합 및/또는 무선 통신들은 데이터를 송신 및/또는 수신하기 위해 에뮬레이션 디바이스들에 의해 이용될 수 있다.

상세한 설명

본 개시내용은 특히 3차원(3D) 이미지들의 디스플레이를 위한 디스플레이 디바이스들에 관한 것이다. 도 2는 디스플레이 디바이스의 상이한 뷰어들 쪽으로 향하는 예시적인 광 방출 각도들을 도시하는 개략적인 평면도이다. 도 2의 디스플레이는 단일의 평탄한 폼-팩터 패널에서 3D 콘텐츠의 다수의 뷰들 및 원하는 망막 초점 큐들을 생성한다. 단일 3D 디스플레이 표면(300)은 대략적인 3D 지각 효과를 생성하기 위해 각각의 사용자의 2개의 눈에 적어도 2개의 상이한 뷰를 투영한다. 뇌는 3D 거리를 결정하기 위해 이들 2개의 상이한 눈 이미지들을 이용한다. 논리적으로 이것은 삼각측량(triangulation) 및 동공간 거리(interpupillary distance)에 기초한다. 이 효과를 제공하기 위해, 적어도 2개의 뷰가 도 2에 도시된 바와 같이 광 소스(318)로부터 단일-사용자 시야각(single-user viewing angle)(SVA)(310)으로 투영된다. 또한, 적어도 하나의 실시예에서, 디스플레이는 정확한 망막 초점 큐들을 제공하기 위해 단일 눈 동공 내부에 적어도 2개의 상이한 뷰를 투영한다. 광학 설계 목적을 위해, 뷰잉가능한 이미지(viewable image)가 형성되는 공간의 체적을 결정하는 경우 "아이-박스(eye-box)"(308)가 뷰어 눈 동공 주위에 정의될 수 있다. 디스플레이의 일부 실시예들에서, 적어도 2개의 부분적으로 중첩하는 뷰들은 특정 뷰잉 거리(316)에서 아이-박스에 의해 커버되는 아이-박스 각도(EBA)(314) 내부에 투영된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이는 상이한 시야각들로부터 디스플레이를 보는 다수의 뷰어들(302, 304, 306)에 의해 뷰잉된다. 그러한 실시예들에서, 동일한 3D 콘텐츠의 몇몇 상이한 뷰들은 전체 의도된 다중 사용자 시야각(MVA)(312)을 커버하는 개개의 뷰어들에게 투영된다.

도 2는 디스플레이가 3개의 상이한 각도 범위들, 즉, 단일의 눈의 동공을 커버하기 위한 하나의 범위, 단일 사용자의 2개의 눈들을 커버하기 위한 하나의 범위 및 다중 사용자 경우를 위한 하나의 범위를 동시에 커버하는 것이 바람직할 수 있는 것을 도시한다. 이들 3개의 각도 범위들 중에서, 후자의 2개의 각도 범위는, 예를 들어, 렌티큘러 또는 시차 배리어 구조 아래의 몇몇 발광 픽셀들을 이용함으로써, 또는 공통 스크린을 갖는 몇몇 프로젝터들을 이용함으로써 해결(resolved)될 수 있다. 그러한 기술들은 다수의 뷰의 생성에 이용되는 비교적 큰 광 방출 각도의 생성에 적합할 수 있다. 그러나, 정확한 망막 초점 큐들을 생성하고 VAC를 극복하기 위해 눈 동공을 커버하는 범위를 해결하는 것이 바람직할 수 있다.

평탄한 폼-팩터 고품질 3D 디스플레이가 눈 수렴(CA) 및 망막 초점(FA) 각도들 모두를 동시에 생성할 수 있는 것이 바람직할 것이다.

도 3a는 일부 실시예들에 따른, 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 초점 각도(FA) 및 수렴 각도(CA)를 예시하는 개략적인 평면도를 도시한다. 평탄한 폼-팩터 고품질 3D 디스플레이가 눈 수렴 각도들(CA)(424) 및 망막 초점 각도들(FA)(422) 둘 다를 동시에 생성할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 도 3a 내지 도 3d는 4개의 상이한 3D 이미지 콘텐츠 경우에 이들 각도들을 도시한다. 도 3a에 도시된 제1 경우에, 이미지 포인트(420)가 디스플레이(405)의 표면 상에 놓이고, 두 눈들(410)에 보이는 단지 하나의 조명된 디스플레이 픽셀이 필요하다. 두 눈들(410)이 동일한 포인트(420)에 포커싱되어 수렴된다.

도 3b는 일부 실시예들에 따른, 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 뒤에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 FA 및 CA를 예시하는 개략적인 평면도를 도시한다. 도 3b에 도시된 바와 같은 제2 경우에, 가상 이미지 포인트(복셀)(430)는 디스플레이(405) 뒤에 있고, 픽셀들의 2개의 클러스터들(432)이 조명된다. 그에 부가하여, 이러한 2개의 디스플레이 픽셀 클러스터들(432)로부터의 광선들의 방향은 방출된 광이 정확한 눈에만 보이도록 하는 방식으로 제어되고, 따라서 눈들(410)이 동일한 단일 가상 포인트(430)로 수렴할 수 있게 한다.

도 3c는 일부 실시예들에 따른, 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 뒤의 무한 거리에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 FA 및 CA를 예시하는 개략적인 평면도를 도시한다. 도 3c에 도시된 바와 같은 제3 경우에, 가상 이미지(440)는 스크린(405) 뒤에서 무한대에 있고, 2개의 픽셀 클러스터들(442)로부터 디스플레이 표면으로부터 평행한 광선들만이 방출된다.

도 3d는 일부 실시예들에 따른, 한 쌍의 눈 및 디스플레이 표면 앞에 형성된 복셀에 대해 디스플레이에 의해 생성된 FA 및 CA를 예시하는 개략적인 평면도를 도시한다. 도 3d에 도시된 바와 같은 마지막 경우에, 이미지 포인트 또는 복셀(450)이 디스플레이(405)의 앞에 있고, 2개의 픽셀 클러스터들(452)이 활성화되며, 방출된 빔들이 동일한 포인트(450)에서 교차하고, 여기서 이들은 포커싱된다. 마지막 3개의 제시된 일반화된 경우들(도 3b, 도 3c, 및 도 3d)에서, 방출된 광의 공간 및 각도 제어 둘 다가 3D 이미지 콘텐츠에 대한 자연적인 눈 응답들에 대한 수렴 및 초점 각도들 둘 다를 생성하기 위해 디스플레이 디바이스에 의해 이용된다.

평탄-패널-타입 멀티-뷰 디스플레이는 공간 다중화에만 기초할 수 있다. 발광 픽셀들의 행 또는 매트릭스(서브-픽셀들이라고 지칭될 수 있음)는 렌티큘러 렌즈 시트 또는 마이크로렌즈 어레이 뒤에 위치될 수 있고, 각각의 픽셀은 디스플레이 구조의 앞에서 고유한 뷰 방향 또는 제한된 세트의 뷰 방향들로 투영될 수 있다. 각각의 광 빔 시준 피처 뒤의 발광 층 상에 더 많은 픽셀들이 존재할수록, 더 많은 뷰들이 생성될 수 있다. 이것은 생성된 고유 뷰들의 수와 공간 해상도 사이의 직접적인 트레이드-오프 상황으로 이어진다. 3D 디스플레이로부터 더 작은 픽셀 크기가 요구되는 경우, 개별 서브-픽셀들의 크기가 감소될 수 있거나; 또는 대안적으로, 더 적은 수의 뷰 방향들이 생성될 수 있다. 서브-픽셀 크기들은 적절한 컴포넌트들의 결여로 인해 비교적 큰 영역들로 제한될 수 있다. 고품질 디스플레이가 높은 공간 및 각도 해상도들 둘 다를 갖는 것이 바람직할 것이다. SMV 조건을 충족시키는데 높은 각도 해상도가 바람직하다.

교차 빔들을 이용하여 충분한 해상도로 상이한 초점면들에서 3D 이미지들을 생성하기 위해, 각각의 빔은 바람직하게는 좁은 직경으로 잘 시준된다. 일부 실시예들에서, 시준의 레벨은 디스플레이되는 초점면의 위치와 관련된다. 예를 들어, 빔들은 실질적으로 시준될 수 있지만 디스플레이 뒤의 초점면들의 디스플레이를 위해 약간 발산할 수 있고, 빔들은 실질적으로 시준될 수 있지만 디스플레이 앞의 초점면들의 디스플레이를 위해 약간 수렴할 수 있다.

또한, 빔 웨이스트(beam waist)는 눈에 대한 모순되는 초점 큐들을 회피하기 위해 빔들이 교차하는 동일한 스폿에 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 빔 직경이 큰 경우, 빔 교차부에 형성된 복셀은 큰 스폿으로서 눈 망막에 이미징된다. 큰 발산 값은 (디스플레이와 뷰어 사이의 중간 이미지에 대해) 복셀과 눈 사이의 거리가 더 작아짐에 따라 빔이 더 넓어진다는 것을 의미한다. 더 작은 거리들에서, 눈은 이미지를 더 상세하게 해상한다. 그러나, 가상 초점면의 공간 해상도는 더 작은 거리에서 더 악화된다. 디스플레이 표면 뒤에 위치된 복셀들은 방출된 빔들의 가상 확장들로 형성되고, 더 넓은 빔들은 눈의 해상도가 또한 더 긴 거리들에서 더 악화되기 때문에 수용가능할 수 있다. 디스플레이 표면의 앞 및 뒤 모두에서 높은 해상도를 갖기 위해, 개별 빔들이 조정가능한 초점들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 조정가능한 초점이 없으면, 빔들은 최소 달성가능한 복셀 크기를 설정하는 단일 고정 초점을 갖는다. 그러나, 눈 해상도가 더 큰 거리들에서 더 낮기 때문에, 빔 가상 확장들은 디스플레이 뒤에서 넓어지도록 허용될 수 있고, 빔 초점은 3D 이미지의 가장 가까운 지정된 뷰잉 거리로 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 초점 표면 해상도들은 또한 복셀 크기들을 균일하게 만들기 위한 시도로 이미지가 몇몇 이웃 빔들을 조합함으로써 형성되는 체적에 걸쳐 균형화될 수 있다.

도 4a는 기하학적 인자들에 의해 야기된 빔 발산의 증가의 예를 도시하는 개략도들을 도시한다. 이상적인 렌즈의 경우에, 달성가능한 광 빔 시준은 2개의 기하학적 인자들, 즉, 광 소스의 크기 및 렌즈의 초점 길이에 의존한다. 임의의 빔 발산이 없는 완벽한 시준은 단일 컬러 포인트 소스(PS)(502)가 이상적인 포지티브 렌즈(positive lens)로부터 초점 길이 거리에 정확하게 위치되는 이론적인 경우에만 달성될 수 있다. 이 경우는 도 4a의 상부에 도시되어 있다. 불행하게도, 모든 실생활 광 소스들은 광이 그로부터 방출되어 연장된 소스들(ES)(504, 506)를 형성하는 소정의 표면 영역을 갖는다. 소스의 각각의 포인트가 렌즈에 의해 개별적으로 이미징됨에 따라, 총 빔은 렌즈 이후에 다소 상이한 방향들로 전파하는 시준된 서브-빔들의 그룹으로부터 구성되게 된다. 그리고, 일련의 렌즈 구성들(500)을 갖는 도 4a에 제시된 바와 같이, 소스(502, 504, 506)가 더 커짐에 따라, 총 빔 발산(508, 510, 512)이 증가한다. 이 기하학적 인자는 임의의 광학 수단에 의해 회피되지 않을 수 있고, 이는 비교적 큰 광 소스들에 의한 빔 발산을 야기하는 지배적인 특징이다.

빔 발산을 야기하는 다른 비기하학적 특징은 회절이다. 이 용어는 (광의) 파(wave)가 장애물 또는 슬릿을 만날 때 발생하는 다양한 현상들을 지칭한다. 이는 기하학적 음영의 영역 내로의 애퍼처의 코너들 둘레의 광의 굴곡으로서 설명될 수 있다. 회절 효과들은 모든 이미징 시스템들로부터 발견될 수 있고, 이들은 모든 광학 수차들을 균형화할 수 있는 완벽한 렌즈 설계로도 제거될 수 없다. 실제로, 가장 높은 광학 품질에 도달할 수 있는 렌즈는 종종 이미지에 남아 있는 블러링의 대부분이 회절로부터 나오기 때문에 "회절 제한(diffraction limited)"이라고 지칭된다. 회절 제한 렌즈로 달성가능한 각도 해상도는 식 sin

로부터 계산될 수 있고, 여기서, λ는 광의 파장이고, D는 렌즈의 입사 동공(entrance pupil)의 직경이다. 이는 광의 컬러 및 렌즈 애퍼처 크기가 회절의 양에 영향을 미치는 식으로부터 알 수 있다. 도 4b는 렌즈 애퍼처 크기가 감소될 때 빔 발산이 어떻게 증가되는지의 개략적 표현을 도시한다. 이 효과는 이미징 광학 설계에서 일반적인 원리로 공식화될 수 있다: 설계가 회절 제한되면, 해상도를 향상시키는 방식은 애퍼처를 더 크게 하는 것이다. 회절은 비교적 작은 광 소스들로 빔 발산을 야기하는 지배적인 특징이다.

도 4b는 일부 실시예들에 따른, 회절에 의해 야기된 빔 발산의 증가의 예를 도시하는 개략도들을 도시한다. 도 4b는 렌즈 애퍼처 크기(614, 616, 618)가 감소되면 빔 발산(608, 610, 612)이 어떻게 증가하는지에 대한 포인트 소스들(602, 604, 606)의 개략적 표현(600)을 도시한다. 이 효과는 이미징 광학계 설계에서 일반적인 원리로 공식화될 수 있다: 설계가 회절 제한되면, 해상도를 향상시키는 방식은 애퍼처를 더 크게 하는 것이다. 회절은 비교적 작은 광 소스들로 빔 발산을 야기하는 지배적인 특징이다.

도 4a에 제시된 바와 같이, 연장된 소스의 크기는 달성가능한 빔 발산에 큰 영향을 미친다. 소스 기하구조 또는 공간 분포는 빔의 각도 분포에 맵핑되고, 이는 소스-렌즈 시스템의 결과적인 "원거리장 패턴(far field pattern)"에서 볼 수 있다. 실제로, 이는 시준 렌즈가 소스로부터 초점 거리에 위치되면, 소스가 렌즈로부터 비교적 큰 거리에 이미징되고, 이미지의 크기가 시스템 "배율 비율(magnification ratio)"로부터 결정될 수 있다는 것을 의미한다. 간단한 이미징 렌즈의 경우에, 이 비율은 도 5에 도시된 바와 같이 렌즈와 이미지 사이의 거리를 소스와 렌즈 사이의 거리로 나눔으로써 계산될 수 있다. 소스와 렌즈 사이의 거리가 고정되면, 상이한 이미지 거리들은 렌즈 곡률로 렌즈의 굴절력을 변경함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이미지 거리가 렌즈 초점 길이에 비해 점점 더 커질 때, 렌즈 굴절력의 요구되는 변경들은 점점 더 작아지고, 렌즈가 방출된 광을 각도 분포로 맵핑되는 소스의 공간 분포를 갖는 빔으로 효과적으로 시준하고 소스 이미지가 포커싱없이 형성되는 상황에 접근한다.

도 5는 다양한 배율 비율들을 갖는 3개의 예시적인 렌즈들을 도시한다. 간단한 이미징 렌즈의 경우에, 배율 비율은 도 5에 도시된 바와 같이 렌즈(712, 742, 772)와 이미지(714, 744, 774) 사이의 거리(704, 734, 764)를 소스(710, 740, 770)와 렌즈(712, 742, 772) 사이의 거리(702, 732, 762)로 나눔으로써 계산될 수 있다. 소스(710, 740, 770)와 렌즈(712, 742, 772) 사이의 거리(702, 732, 762)가 고정되면, 상이한 이미지 거리들(704, 734, 764)은 렌즈 곡률에 따라 렌즈(704, 734, 764)의 굴절력을 변경함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이미지 거리(704, 734, 764)가 렌즈 초점 길이(702, 732, 762)에 비해 점점 더 커지면, 렌즈 굴절력에서의 요구되는 변경은 점점 더 작아지고, 렌즈가 방출된 광을 각도 분포로 맵핑된 소스의 공간 분포를 갖는 빔으로 효과적으로 시준하고 소스 이미지가 포커싱없이 형성되는 상황에 접근한다. 렌즈 구성들(700, 730, 760)의 세트에서, 소스(706, 736, 766)가 더 커짐에 따라, 투영된 이미지 높이(708, 738, 768)가 증가한다.

평탄한 폼 팩터 고글리스 디스플레이들에서, 픽셀 투영 렌즈들이 평탄한 구조를 달성하기 위해 그리고 단일 투영 셀로부터의 빔들이 비교적 큰 뷰잉 거리로 투영되는 것을 허용하기 위해 매우 작은 초점 길이들을 갖는 것이 도움이 될 수 있다. 이것은 광의 빔들이 뷰어에게 전파될 때 소스들이 높은 배율로 효과적으로 이미징될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 소스 크기가 50μm x 50μm이고, 투영 렌즈 초점 길이가 1mm이고, 뷰잉 거리가 1m이고, 결과적인 배율 비율이 1000:1이고, 소스 기하학적 이미지가 50mm x 50mm 크기일 것이다. 이것은 단일 광 방출기가 이 50mm 직경 아이-박스 내부에서 하나의 눈으로만 보일 수 있다는 것을 의미한다. 소스가 100μm의 직경을 갖는 경우, 결과적인 이미지는 100mm 폭일 것이고, 눈 동공들 사이의 평균 거리가 단지 64mm이기 때문에 동일한 픽셀이 두 눈들에 동시에 가시적일 수 있다. 후자의 경우에, 입체 3D 이미지는 두 눈들이 동일한 이미지들을 보기 때문에 형성되지 않을 것이다. 예시적인 계산은 광 소스 크기, 렌즈 초점 길이 및 뷰잉 거리와 같은 기하학적 파라미터들이 어떻게 서로 연결되는지를 보여준다.

광의 빔들이 디스플레이 픽셀들로부터 투영됨에 따라, 발산은 빔들이 확장되게 한다. 이것은 디스플레이로부터 뷰어를 향해 방출되는 실제 빔뿐만 아니라, 디스플레이 뒤에 방출되는 것으로 보이는 가상 빔에도 적용되어, 디스플레이 표면에 가까운 단일 가상 초점 포인트에 수렴한다. 멀티-뷰 디스플레이의 경우, 이는 발산이 아이-박스의 크기를 확장하기 때문에 도움이 될 수 있다. 그러나, 2개의 눈들 사이의 거리를 초과하지 않는 빔 크기를 제공하는 것이 유용할 수 있는데, 그 이유는 이것이 입체 효과를 파괴할 수 있기 때문이다. 디스플레이 표면 밖의 어딘가에 있는 2개 이상의 교차 빔들을 갖는 가상 초점면에 복셀을 생성하는 것이 요구되는 경우, 발산이 증가함에 따라 빔들로 달성가능한 공간 해상도가 악화된다. 또한 주목할 수 있는 점은, 뷰잉 거리에서의 빔 크기가 눈 동공의 크기보다 크다면, 동공이 전체 광학 시스템의 제한 애퍼처가 된다는 점이다.

복셀 해상도에 대한 최적의 솔루션을 달성하기 위해 기하학적 및 회절 효과들이 디스플레이의 설계에 이용된다. 매우 작은 광 소스들로, 광학 시스템 측정들은 광의 파장에 더 가까워지고 회절 효과들은 더 중요해진다. 도 6a 내지 도 6d의 개략적 표현들은 하나의 연장된 소스(802, 852) 또는 2개의 연장된 소스들(822, 824, 872, 874)이 고정된 배율로 고정된 거리로 이미징되도록 기하학적 및 회절 효과들이 경우들(800, 820, 850, 870)에서 어떻게 함께 작용하는지를 도시한다. 도 6a는 렌즈 애퍼처 크기(804)가 비교적 작고, 연장된 광 소스(802)가 렌즈로부터 초점 거리(810)만큼 떨어져 위치되는 경우(800)를 도시한다. 도 6a에서, 기하학적 이미지(GI)(806)는 회절 이미지(DI)(808)를 훨씬 더 크게 만드는 회절로부터 오는 블러에 의해 둘러싸인다.

도 6b는 2개의 연장된 소스들(822, 824)이 렌즈로부터 초점 거리(836)에 나란히 배치되고, 동일한 작은 애퍼처 크기(826)를 갖는 렌즈로 이미징되는 경우(820)를 도시한다. 양 소스들(822, 824)의 GI들(828, 830)이 명확하게 분리되더라도, 2개의 소스 이미지들은 회절된 이미지들(832, 834)이 중첩하기 때문에 분해될 수 없다. 실제로, 이 상황은 결과적인 소스 이미지 크기가 양 개별 방출기들의 영역을 커버하는 하나의 더 큰 소스를 갖는 것과 같이 2개의 개별 광 소스들을 갖는 것과 동일하기 때문에 광 소스 크기의 감소가 달성가능한 복셀 해상도를 향상시키지 않을 것이라는 것을 의미할 것이다. 2개의 소스 이미지들을 개별 픽셀들/복셀들로서 분해하기 위해, 이미징 렌즈의 애퍼처 크기가 증가되어야 한다.

도 6c는 렌즈가 동일한 초점 길이(860)를 갖지만 더 큰 애퍼처(854)가 연장된 소스(852)를 이미징하는데 이용되는 경우(850)를 도시한다. 이제, 회절은 감소되고, DI(858)는 배율이 고정됨에 따라 동일하게 유지된 GI(856)보다 약간만 더 크다.

도 6d는 2개의 연장된 소스들(872, 874)이 렌즈의 크기와 동일한 애퍼처 크기(876)를 갖는 렌즈로부터 초점 거리(886)만큼 떨어져 위치되는 경우(870)를 도시한다. DI들(882, 884)은 GI들(878, 880)보다 약간만 더 크다. DI들(882, 884)이 더 이상 중첩하지 않기 때문에 2개의 스폿들이 이제 분해되어, 2개의 상이한 소스들(872, 874)의 이용을 가능하게 하고 복셀 그리드의 공간 해상도를 개선한다.

교차 빔들에 기초한 디스플레이들의 광학 설계 특징들

일부 실시예들은 디스플레이를 생성하는 능력을 제공한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이는 VAC(vergence-accommodation conflict) 문제를 해결하면서 3D 이미지의 다수의 초점면들을 제시할 수 있는 라이트 필드 디스플레이(light field display)와 같은 3D 디스플레이로서 이용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 디스플레이는 3D 디스플레이와 뷰어 사이의 광 산란 매체들 없이 뷰어의 두 눈들을 향해 방출기 이미지들을 투영한다. 디스플레이 표면 밖에 위치된 복셀을 생성함으로써 입체 이미지를 생성하기 위해, 그 복셀과 연관된 디스플레이 내부의 방출기가 두 눈들에 동시에 보이지 않도록 디스플레이가 구성되는 것이 유용할 수 있다. 따라서, 방출된 빔 번들의 시야(FOV)가 두 눈들을 커버하는 것이 유용할 수 있다. 또한, 단일 빔들이 뷰잉 거리에서 2개의 눈 동공들 사이의 거리(평균적으로 ~64mm)보다 좁게 하는 FOV들을 갖는 것이 유용할 수 있다. 하나의 디스플레이 섹션의 FOV 뿐만 아니라, 단일 방출기들의 FOV들은 방출기 행/방출기의 폭들 및 이미징 광학계의 배율에 의해 영향을 받을 수 있다. 포커싱 빔으로 생성된 복셀은 빔이 초점 포인트 후에 그의 전파를 계속하고 지정된 뷰잉 거리에서 눈 동공에 들어가는 경우에만 눈에 보일 수 있다는 점에 유의할 수 있다. 복셀의 FOV가 두 눈들을 동시에 커버하는 것이 특히 유용할 수 있다. 복셀이 단일 눈에만 보일 수 있다면, 입체 효과가 형성되지 않을 수 있고, 3D 이미지가 보이지 않을 수 있다. 단일 디스플레이 방출기가 한 번에 하나의 눈에만 보일 수 있기 때문에, 사람 POV(persistence-of-vision) 시간 프레임 내에서 하나보다 많은 디스플레이 방출기로부터의 다수의 교차 빔들을 동일한 복셀로 지향시킴으로써 복셀 FOV를 증가시키는 것이 유용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 총 복셀 FOV는 개별 방출기 빔 FOV들의 합이다.

로컬 빔 번들 FOV들을 그들의 연관된 지정된 뷰잉 거리들에서 중첩시키기 위해, 일부 실시예들은 특정 반경을 갖는 곡면 디스플레이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투영된 빔 방향들은, 예를 들어, 평탄한 프레넬 렌즈 시트를 이용하여, 특정 포인트를 향해 회전될 수 있다. FOV들이 중첩되도록 구성되지 않은 경우, 3D 이미지의 일부 부분들이 형성되지 않을 수 있다. 디스플레이 디바이스의 실제 크기 한계들 및 가능한 초점 거리들에 대한 실제 한계들로 인해, 3D 이미지가 보이는 특수 영역에 대응하는 디스플레이 디바이스의 앞 및/또는 뒤에 이미지 구역이 형성될 수 있다.

도 7은 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이 구조로 이용가능한 예시적인 뷰잉 기하구조를 도시하는 개략적인 평면도이다. 도 7은 교차 빔들의 이용에 기초하여 3D 디스플레이 구조(902)로 달성될 수 있는 예시적인 뷰잉 기하구조의 개략적 표현(900)을 도시한다. 곡면 디스플레이(902)의 앞에서, 3D 이미지 구역(904)의 한계는 합리적인 공간 해상도를 갖는 디스플레이로부터 가장 먼 초점 거리인 것으로 간주될 수 있다. 이미지 구역(904)은 또한 전체 디스플레이의 FOV(906)에 의해 제한되는 것으로 간주될 수 있다. 최소 이미지 거리에서 최대 해상도를 얻기 위해, 디스플레이 광학 피처들은 소스 이미지들을 이 구역의 가장 먼 에지에 포커싱하도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출된 빔들의 가상 확장들에 의해 형성된 디스플레이 뒤에 다른 이미지 구역이 또한 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(902) 뒤의 복셀들은 더 큰 허용가능한 크기들을 가질 수 있는데, 그 이유는 뷰어가 더 멀리 배치되기 때문이고 눈 해상도가 더 큰 거리들에서 더 낮을 수 있기 때문이다. 일부 실시예들에서, 최대 이미지 거리는 확장 빔 가상 확장들로 달성가능한 최소 허용가능한 해상도에 기초하여 선택될 수 있다.

도 7은 일부 실시예들에 따른, 디스플레이(902)의 예시적인 뷰잉 기하구조를 도시한다. 특히, 도 7에 도시된 디스플레이 표면은 지정된 뷰잉 거리와 동일한 반경으로 만곡되어 있다. 이 예에서, 중첩하는 빔 번들 FOV들(910)은 뷰어(912)의 얼굴 영역 주위에 뷰잉 구역을 형성한다. 이 뷰잉 구역의 크기는 뷰어 머리에 대해 허용된 움직임의 양에 영향을 미칠 수 있다. 입체 이미지를 가능하게 하기 위해 양쪽 눈 동공들(및 동공들 사이의 거리(914))이 구역 내부에 동시에 위치되는 것이 유용할 수 있다. 뷰잉 구역의 크기는 빔 번들 FOV들(908)을 변경함으로써 선택될 수 있다. 특정한 설계는 특정한 이용 사례에 기초하여 선택될 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이들의 예시적인 뷰잉 기하구조 시나리오들을 도시하는 개략적인 평면도들이다. 도 8a 및 도 8b는 2개의 상이한 예시적인 뷰잉 기하구조 경우들(1000, 1100)의 개략적 표현들을 도시한다.

제1 시나리오(1000)는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 디스플레이의 앞에 있는 단일 뷰어(1004)의 시나리오 및 작은 뷰잉 구역이 양쪽 눈의 동공을 커버하는 대응하는 뷰잉 기하구조를 도시한다. 이것은 좁은 빔 번들 FOV들(1002)을 이용하여 달성될 수 있다. 구역의 최소 기능 폭은 눈 동공 거리에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 평균 동공 거리는 약 64mm일 수 있다. 좁은 FOV들(1002)이 최적의 뷰잉 위치의 앞 및 뒤 양쪽 모두에서 증가하는 거리에서 서로 신속하게 분리되는 경향이 있기 때문에 작은 폭은 또한 뷰잉 거리 변경들에 대한 작은 허용오차를 암시할 수 있다.

제2 시나리오(1100)는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 보다 넓은 빔 번들 FOV들(1102)을 갖는 뷰잉 기하구조를 도시한다. 이 뷰잉 기하구조는 뷰잉 구역 내부에 상이한 뷰잉 거리들에 있는 다수의 뷰어들(1104)을 가질 수 있게 한다. 이 예에서, 위치 허용오차가 클 수 있다.

뷰잉 구역은 각각의 디스플레이 빔 번들의 FOV를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 광 방출기 행의 폭을 증가시킴으로써 또는 빔 시준 광학계들의 초점 길이를 변경함으로써 행해질 수 있다. 더 작은 초점 길이들은 더 큰 복셀들을 초래할 수 있고, 따라서 더 양호한 해상도를 달성하기 위해 초점 길이를 증가시키는 것이 유용할 수 있다. 광학 설계 파라미터들과 설계 요구들 사이에 트레이드-오프가 발견될 수 있다. 따라서, 상이한 이용 사례들이 이러한 인자들 사이에서 상이하게 균형을 이룰 수 있다.

일부 실시예들에서 다루어지는 문제들.

통합 이미징에 기초한 3D 디스플레이(950)는 도 9a에 도시된 바와 같이 원하는 공간 위치에서 2개의 광 빔들(954, 956)을 교차시킴으로써 복셀(952)을 형성할 수 있다. 뷰어의 눈들(958)은 복셀을 복셀 위치를 통해 디스플레이로부터 눈 동공들로 투영되는 소스 이미지로서 본다. 복셀은 또한 디스플레이 뒤의 발산 빔들의 가상 확장들을 갖도록 형성될 수 있다. 단일 투영된 빔이 복셀 위치에 포커싱되는 경우, 눈은 복셀 위치 앞 및 뒤 모두에서 소스의 블러링된 이미지를 본다. 이는 눈 렌즈가 정확한 거리에 포커싱될 때에만 선명하게 보이는 3D 이미지를 초래한다. 2개의 교차 빔들은 2개의 눈들에 복셀 이미지를 생성하기 위해 이용되고, 이들 사이의 각도는 정확한 눈 수렴을 생성하기 위해 이용된다. 그러한 시스템은 망막 초점 큐들 및 눈 수렴 둘 다를 개별적으로 생성할 수 있고, 3D 이미지는 VAC 없이 보일 수 있다.

디스플레이된 3D 이미지의 해상도는 소스가 복셀 위치에 얼마나 잘 이미징되는지에 의존한다. 전술한 바와 같이, 투영된 이미지들의 크기 및 선명도를 결정하는 기하학적 및 회절 기반 인자들 모두가 존재한다. 디스플레이 구조에서의 빔 투영 렌즈의 광학 애퍼처가 크게 만들어질 수 있는 경우, 투영 렌즈 초점 길이 및 발광 영역의 크기와 같은 기하학적 인자들이 달성가능한 소스 이미지 크기를 결정할 것이다. 그러나, 광학 애퍼처가 작은 경우, 회절 효과들은 이미지가 심하게 블러링될 수 있으므로 최소 복셀 크기로 한계를 설정할 것이다. 예를 들어, 모바일 전화들에서 이용되는 작은 디스플레이들의 경우, 2D 디스플레이 픽셀 크기들은 통상적으로 30μm-75μm의 범위에 있다. 디스플레이 표면 상의 유사한 2D 공간 해상도에 도달하기 위해, 3D 통합 이미징 디스플레이는 동일한 크기 범위의 광학 애퍼처들을 가져야 하지만, 회절이 문제들을 야기할 수 있다.

디스플레이 투영 렌즈 애퍼처의 크기가 증가될 때, 투영된 복셀들의 공간 해상도가 개선되지만, 불행하게도 동시에 디스플레이 표면에서의 공간 해상도는 더 큰 애퍼처들에 의해 감소된다. 이러한 트레이드-오프 문제는 특히 몇몇 초점면들을 생성하는 것을 목표로 하는 3D 디스플레이들에서 또는 3D 및 2D 모드들 둘 다에서 이용되도록 의도되는 디스플레이들에서 명백하다. 예를 들어, 50μm 픽셀들을 갖는 6-인치 모바일 전화 디스플레이는 2660 x 1500 픽셀 매트릭스 및 ~500 ppi(pixels per inch) 해상도를 갖지만, 250μm 픽셀들을 갖는 동일한 크기의 디스플레이는 532 x 300 픽셀들 및 ~100 ppi 해상도의 어레이만을 가질 것이다. 전자는 하이-엔드 모바일 전화 디스플레이로서 고려될 것인 반면, 후자는 심지어 VGA 레벨 해상도를 갖지 않고, 픽셀들은 육안으로 분명히 보일 것이다. 이러한 2개의 애퍼처 크기 예들은 적절한 3D 이미지 공간 해상도 및 2D 디스플레이 해상도의 조합이 통합 이미징 솔루션들에서 현재 이용되는 광학계들을 갖는 작은 디스플레이들에서 달성하기 어렵다는 것을 보여준다.

디스플레이 표면 상의 공간 해상도를 잃지 않고 투영 렌즈 애퍼처 크기를 증가시키기 위한 시스템들 및 방법들이 본 명세서에 설명된다. 모자이크 렌즈 솔루션에서, 투영 렌즈들은 디스플레이 표면에서 인터레이스될 수 있는 분산된 더 작은 광학 피처들의 클러스터로부터 생성된다. 이는 도 9b에 도시된 바와 같이 복셀 위치(966)에서 교차하고 포커싱하는 2개 이상의 빔 섹션들(962, 964)을 단일 소스(960)로 생성하는 것을 가능하게 한다. 디스플레이 표면 상의 큰 애퍼처 크기는 디스플레이 광학 구조로 넓은 인터레이스된 빔을 생성하는 것을 가능하게 하는 적응적 공간 광 변조기(도 9b에 도시되지 않음)로 개방 또는 폐쇄될 수 있는 몇몇 더 작은 애퍼처들로 샘플링된다.

μLED 광 소스들.

일부 실시예들에서 이용될 수 있는 디스플레이 기술은 μLED들이다. 이들은 오늘날 이용 중인 표준 LED 칩들과 동일한 기본 기술들로 그리고 동일한 재료들로 제조되는 LED 칩들이다. 그러나, μLED들은 소형화된 버전들이고 그들은 크기가 1μm-10μm 정도로 작게 만들어질 수 있다. 제조된 하나의 조밀한 매트릭스는 3μm 피치로 조립된 2μm x 2μm 칩들을 갖는다. OLED들과 비교할 때, μLED들은 더 안정적인 컴포넌트들이고, 그들은 매우 높은 광 강도들에 도달할 수 있으며, 이는 그들을 헤드 장착형 디스플레이 시스템들과 같은 응용들에 유용하게 한다. μLED들은 예시적인 실시예들에서 매우 빠르게 스위칭 온 및 오프될 수 있는 개별적으로 어드레싱가능한 광 방출기들의 조밀한 매트릭스들을 제공하기 위해 이용될 수 있다.

하나의 베어(bare) μLED 칩은 ~20-30nm의 스펙트럼 폭을 갖는 특정 컬러를 방출한다. 백색 소스는 청색 또는 UV LED들에 의해 방출된 광을 더 넓은 백색 광 방출 스펙트럼들로 변환하는 인광체(phosphor)의 층으로 칩을 코팅함으로써 생성될 수 있다. 풀-컬러 소스는 또한 별개의 적색, 녹색 및 청색 LED 칩들을 나란히 배치함으로써 생성될 수 있는데, 그 이유는 이들 3개의 원색들의 조합이 별개의 컬러 방출들이 인간 시각 시스템에 의해 결합될 때 풀 컬러 픽셀의 감각을 생성하기 때문이다. 이전에 언급된 매우 조밀한 매트릭스는 10μm(3 x 3μm 피치) 미만의 총 폭을 갖는 자기-방출 풀-컬러 픽셀들의 제조를 허용할 것이다.

반도체 칩으로부터의 광 추출 효율은 LED 구조들의 전기-대-광 효율을 결정하는 파라미터들 중 하나이다. 추출 효율을 향상시키고 따라서 가능한 한 효율적으로 가용 전기 에너지를 이용하는 LED-기반 광 소스들을 구축하는 것을 목표로 하는 여러 방법들이 존재하며, 이는 제한된 전력 공급을 갖는 모바일 디바이스들에서 특히 중요하다. 하나의 방법은 LED 칩의 최상부에 직접 통합되는 성형된 플라스틱 광학 요소를 이용한다. 더 낮은 굴절률 차이로 인해, 플라스틱 형상의 통합은 칩이 공기에 의해 둘러싸이는 경우에 비해 칩 재료로부터 더 많은 광을 추출한다. 플라스틱 형상은 또한 플라스틱 피스로부터의 광 추출을 향상시키고 방출 패턴을 더 지향성으로 만드는 방식으로 광을 지향시킨다. 다른 방법은 μLED 칩으로부터의 광 추출을 향상시킨다. 이것은 칩 자체를 반도체 칩의 전방 패싯(facet)을 향해 더 수직인 광 방출 각도들을 선호하는 형태로 성형하고, 광이 높은 굴절률 재료를 탈출하는 것을 더 쉽게 함으로써 행해진다. 이러한 구조들은 또한 칩으로부터 방출되는 광을 지향시킨다. 후자의 경우에, 추출 효율은 하나의 예시적인 경우에 정규의 μLED들에 비해 2배만큼 양호한 것으로 계산되었고, 광이 주변 반구에 고르게 분포되는 표준 칩 램버시안 분포(standard chip Lambertian distribution)에 비해 상당히 더 많은 광이 30°의 방출 원뿔로 방출되었다.

일부 예시적인 디스플레이 구조들의 개요.

본 개시내용은 교차 빔들을 갖는 고해상도 3D 이미지들을 생성하기 위해 이용될 수 있는 광학 방법들 및 시스템들을 설명한다. 광은 개별적으로 어드레싱가능한 픽셀들을 포함하는 발광 층(LEL) 상에 생성된다. 발광 층은, 예를 들어, μLED 또는 레이저 다이오드(LD) 매트릭스 또는 OLED 디스플레이일 수 있다. 반복하는 광학 요소들의 층은 방출된 광을 시준하여 구조로부터 상이한 거리들에 포커싱하는 몇몇 빔들 및 빔 섹션들로 분할한다. 예를 들어, UV-경화 굴절 또는 회절 구조들을 갖는 폴리카보네이트 포일(polycarbonate foil)일 수 있는 주기적 층에서의 몇몇 개별 피처들은 클러스터로서 함께 작동한다. 주기적 층은 모자이크 패턴으로서 배열된 반복하는 작은 피처들을 갖고, 각각의 피처는 특정 곡률, 경사각 및 표면 특성들을 갖는다. 예를 들어, LCD 패널일 수 있는 공간 광 변조기(SLM)는 3D 이미지 형성을 위해 이용되는 빔 섹션들의 선택적 차단 또는 통과를 위해 주기적 층의 앞에 이용된다. 모자이크 렌즈 및 SLM은 회절 블러의 효과들을 낮추고 이미지 해상도를 증가시키는 것을 목표로 하는 동기화된 분산된 작은 애퍼처 클러스터들을 갖는다.

본 명세서의 일부 예들이 주기적 층을 참조하여 설명되지만, 광학 층의 피처들은 반드시 주기적일 필요는 없다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 상이한 분산 렌즈들은 대응하는 분산 렌즈를 구성하는 렌즈 영역들의 상이한 배열들을 가질 수 있다.

전체 광학 시스템은 교차 빔들을 갖는 복셀들을 형성하는데 이용될 수 있다. 복셀들은 디스플레이의 앞 및 뒤 둘 다에서뿐만 아니라 디스플레이 표면 상에 상이한 거리들에 위치될 수 있다. 상이한 빔 섹션들은 거리에 따라 소스들을 상이한 크기의 스폿들로 이미징하는 광학 구조로부터의 상이한 거리들에 포커싱한다. 각각의 모자이크 피처에 대한 유효 초점 길이가 개별적으로 선택될 수 있기 때문에, 기하학적 배율 비율이 또한 영향을 받을 수 있어서 더 작은 소스 이미지 스폿들 및 더 양호한 해상도로 된다. 애퍼처 클러스터들은 회절 효과들을 감소시키고 공간 해상도를 증가시키는 것을 목표로 선택된다. 단일 소스로부터 유래하는 빔은 몇 개의 섹션들로 분할되고 하나의 눈에 복셀 이미지를 형성하는데 이용되고, 정확한 망막 초점 큐들을 생성한다. 정확한 복셀 거리에서 교차하는 2개의 빔들은 2개의 눈에 전체 복셀을 생성하는데 이용되고, 이들은 정확한 눈-수렴 각도들을 유도한다. 망막 초점 큐들 및 수렴 각도들 둘 다가 개별적으로 생성될 수 있기 때문에, 시스템은 VAC를 감소시키도록 설계될 수 있다. 소스 매트릭스, 주기적 층 피처들 및 SLM은 함께 디스플레이 주변의 3D 공간에 몇몇 가상 초점 표면들을 생성할 수 있는 시스템을 형성한다.

본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 일부 실시예들은 움직이는 부분 없이 비교적 간단하고 얇은 디스플레이 광학계를 갖는 3D 디스플레이를 생성하는데 이용될 수 있다. 일부 방법들은 다수의 초점면들을 갖는 3D 디스플레이를 제공함으로써 VAC 문제를 해결한다.

모자이크 주기적 층 및 SLM의 이용은 디스플레이 시야(FOV) 및 빔 애퍼처 크기를 과도하게 감소시키지 않고 광학 시스템 유효 초점 길이 및 기하학적 배율 비율에 대한 개별 제어를 허용한다. 이는 더 작은 복셀들을 이미징하고 디스플레이 표면 외부의 가상 초점면들 상의 이미지 해상도를 개선하는 것을 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 발광 층 상의 연속적인 방출기 매트릭스는 매우 넓은 FOV들을 허용하고, 이는 다수의 사용자들을 위한 넓은 뷰잉 윈도우들을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이러한 디스플레이들은 디스플레이 에지 영역들로부터의 FOV들과 중첩할 곡률 또는 추가적인 포커싱 광학계 없이 만들어질 수 있어, 시스템을 더 단순화한다. 단일 복셀-형성 빔이 몇몇 섹션들로 분할되고 분산 애퍼처들이 이용됨에 따라, 회절 효과들은 전체 빔 애퍼처 크기를 확장함으로써 감소될 수 있다.

모자이크 주기적 층 또는 다른 분산 렌즈 광학 층이 고해상도 복셀들 및 비교적 얇은 디스플레이 구조들을 허용하기 때문에, 본 명세서에 설명된 예시적인 디스플레이 구조들은 모바일 디바이스들에 적합할 수 있다. 모바일 디바이스들은 또한 가까운 범위에서 이용되어, 해상도를 높은 우선순위로 만든다.

공간 광 변조기 기능은 일부 실시예들에서 LCD 패널들의 이용을 허용한다. SLM 픽셀들은 발광 픽셀들(예를 들어, μLED들)이 개별적으로 변조되는 경우에 이진 온-오프 기능과 함께만 이용될 수 있다. 그러나, LCD 패널은 또한 일부 실시예들에서 픽셀 강도 변조를 위해 이용될 수 있어, 발광 층 제어들을 더 간단하게 유지하는 것을 가능하게 한다. 공간 광 변조기에 대한 스위칭 속도 요건들은, 일부 실시예들에서 SLM으로 ~60Hz의 플리커 없는 이미지들에 도달하는 것이 바람직하기 때문에 달성가능하다. 주요 3D 이미지 생성은 애퍼처 제어 구조 뒤의 더 빠른 픽셀화된 광 방출기 모듈로 행해지고, 공간 광 변조기는 뷰어 눈들에 도달하도록 의도된 빔들의 부분들을 통과시키거나 차단하기 위해서만 이용되어, 인간 시각 시스템을 공간 광 변조기 업데이트 주파수에 대한 결정 인자로서 만든다.

3D 디스플레이 광학 구조 및 기능.

본 개시내용은 교차 빔들을 갖는 고해상도 3D 이미지들을 생성하기 위해 이용될 수 있는 광학 방법들 및 시스템들을 제시한다. 도 10은 3D 디스플레이 광학 구조 및 그 기능의 예를 개략적으로 도시한다. 광은 개별적으로 어드레싱가능한 픽셀들을 포함하는 층 상에 생성된다. 반복하는 광학 요소들의 층은 방출된 광을 시준하여 구조로부터 상이한 거리들에 포커싱하는 몇몇 빔 섹션들로 분할한다. 주기적 광학 층에서의 몇몇 개별 피처들은 클러스터로서 함께 작용한다. 반복하는 작은 피처들은 모자이크 패턴으로서 배열될 수 있고, 여기서 각각의 피처는 특정 곡률, 경사각 및 표면 특성들을 갖는다. 공간 광 변조기(SLM)는 디스플레이 표면 외부에 위치될 수 있는 초점 표면들 상의 3D 이미지 형성을 위해 이용되는 빔 섹션들의 선택적 차단 또는 통과를 위해 주기적 층의 앞에 이용된다. 모자이크 패턴들은 작은 애퍼처들의 경우에 회절 효과들을 감소시키도록 설계될 수 있는 분산 애퍼처 형상들을 따른다. 조정가능한 애퍼처 패턴들은 SLM으로 생성된다.

도 10은 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이의 일부를 도시하는 개략적인 측단면도 또는 평면도이다. 일부 실시예들은 교차 빔들을 갖는 고해상도 3D 이미지들을 생성하는데 이용될 수 있는 광학 시스템의 기본 구성 및 광학 방법을 제공한다. 도 10의 예에 도시된 바와 같이, 광은 개별적으로 어드레싱가능한 픽셀들의 2차원 어레이를 포함하는 층(1302) 상에 생성된다. 여기서 주기적 층으로서 지칭되는 반복하는 광학 요소들의 층(1304)은 방출된 광을 시준하고 구조로부터 상이한 거리들에 포커싱하는 몇몇 빔 섹션들로 분할한다. 주기적 층에서의 몇몇 개별 피처들은 클러스터로서 함께 작용할 수 있다. 반복하는 작은 피처들은 모자이크 패턴으로서 배열될 수 있고, 각각의 피처는 특정 곡률, 경사각, 및 표면 특성들을 갖는다. 공간 광 변조기(SLM)(1306)는 3D 이미지 형성을 위해 이용되는 빔 섹션들을 선택적으로 차단하거나 통과시키는데 이용될 수 있다. SLM(1306)은 주기적 층의 앞 또는 뒤에 배치될 수 있다. 빔 섹션들의 차단 및 통과는 주기적 모자이크 층 특성들에 의해 결정될 수 있는 다수의 초점 표면들 상에 이미지들을 형성하는데 이용될 수 있다.

도 10의 예에서, 디스플레이 표면 앞의 위치(1310)에서 복셀을 생성하기 위해, 광은 위치(1308)로부터(예를 들어, 위치(1308)의 픽셀로부터) 방출된다. 방출된 광은 광학 층(1304)을 통과하고, SLM(1306)은 디스플레이 표면을 빠져나가는 광을 제어하도록 동작한다. (SLM의 투명한 부분들은 빈 박스들로서 도시되고, SLM의 불투명한 부분들은 흑색 박스들로서 도시된다.) 이 예에서, SLM(1306)은 모자이크 셀(1312)의 중심 부분들로부터의 광만이 디스플레이를 빠져나가게 허용한다. 그 광선들은 복셀(1310)에서 수렴한다. 복셀(1310)은 이미지 평면(1314) 상에 놓인다. 복셀(1310)은 위치(1308)에서 발광 요소의 이미지일 수 있다. 다른 복셀들은 유사한 기술들을 이용하여 이미지 평면(1314) 상에 디스플레이될 수 있다.

위치(1316)에서 복셀을 생성하기 위해, 광은 발광 층의 위치들(1318 및 1320)에서 픽셀들로부터 방출되고, SLM(1306)은 다른 광을 차단(예를 들어, 이미지 평면(1314) 상에 또는 다른 곳에 다른 방식으로 포커싱될 광을 차단)하면서 복셀 위치(1316) 상에 포커싱된 광만의 통과를 허용하도록 동작한다. 복셀(1316)은 위치들(1318 및 1320)에서 발광 요소들의 중첩된 이미지들을 포함할 수 있다. 복셀(1316)은 이미지 평면(1322) 상에 놓인다. 다른 복셀들은 유사한 기술들을 이용하여 이미지 평면(1322) 상에 디스플레이될 수 있다. 도 10으로부터 명백한 바와 같이, 복셀은 단일 픽셀로부터의 광 또는 하나보다 많은 픽셀로부터의 광을 이용하여 생성될 수 있다. 유사하게, 복셀은 단일 모자이크 셀을 통과하는 광 또는 하나보다 많은 모자이크 셀을 통과하는 광을 이용하여 생성될 수 있다. 도 10은 디스플레이 표면 앞에 복셀들의 생성을 도시하지만, 복셀들이 디스플레이 표면 상에 또는 그 뒤에 생성되는 추가 예들이 아래에 주어진다.

발광 층(LEL)은, 예를 들어, μLED 매트릭스, OLED 디스플레이 또는 백라이트를 갖는 LCD 디스플레이일 수 있다. 모자이크 광학 피처들을 갖는 주기적 층과 같은 광학 층은 LEL 구조의 앞에 배치되고, 그것은, 예를 들어, 롤-투-롤(roll-to-roll) 프로세스에서 UV-경화에 의해 제조된 굴절 광학 형상들을 갖는 폴리카보네이트 포일 또는 시트일 수 있다. 대부분의 소스들(예를 들어, μLED들)이 상당히 큰 애퍼처수(numerical aperture)(NA)들 내로 광을 방출하기 때문에, 층에서의 몇몇 개별 광학 피처들은 단일 방출기로부터의 광을 시준하여 광 소스 이미지들을 형성하는 몇몇 빔 섹션들로 포커싱하는 클러스터로서 함께 작용한다. 단일 광 소스 이미지의 형성에 이용되는 피처들의 수는 소스 NA, LEL과 주기적 층 사이의 거리, 및 층 피처 설계에 의존한다. 일부 경우들에서, 적어도 2개의 빔 섹션들은 단일 눈에 대한 초점 큐들을 제공하기 위해 하나의 소스 이미지에 대해 이용된다. 적어도 2개의 섹션들을 갖는 적어도 2개의 빔들은 정확한 눈 수렴 큐들에 대해 이용된다. 광학 구조들은 수평 뷰들만이 요구된다면 1차원(예를 들어, 한 방향으로 기울어진 원통형 굴절 피처들)일 수 있거나, 또는 광학 구조들은 뷰들이 양 방향으로 요구된다면 2차원(예를 들어, 바이콘 마이크로렌즈들)일 수 있다.

광학 층은 모자이크 패턴으로 구성된 더 작은 광학 서브-피처들로부터 형성된 반복하는 주기적 피처들을 포함하는 주기적 층일 수 있다. 주기적 층 반복 피처의 각각의 더 작은 모자이크 서브-피처 또는 타일은 굴절률, 표면 형상 및/또는 표면 특성에 따라 상이한 광학 특성들을 가질 수 있다. 이용되는 표면 형상들은 단순한 평탄한 패싯들, 2개의 방향에서 상이한 곡률을 갖는 연속적인 만곡된 표면들, 또는 다른 대안들 중에서 광학적으로 거친 표면들을 갖는 확산 직사각형들일 수 있다. 타일들은 반복하는 피처 상에 상이한 패턴들을 갖는 상이한 표면 영역들을 채울 수 있다.

모자이크 패턴의 타일들은 방출된 광을 시준하여, 타일 광학 특성들에 따라 약간 상이한 방향들로 이동하는 상이한 빔 섹션들로 분할할 수 있다. 빔 섹션들은 광학 구조로부터 상이한 거리들로 포커싱될 수 있고, 포커싱은 수직 및 수평 방향들 둘 다로 이루어질 수 있다. 디스플레이로부터 더 멀리 이미징된 스폿들은 일반적으로 위에서 논의된 바와 같이 더 짧은 거리로 이미징된 스폿들보다 더 크다. 그러나, 각각의 모자이크 피처 타일에 대한 유효 초점 길이가 개별적으로 선택될 수 있기 때문에, 기하학적 배율 비율은 또한 더 작은 소스 이미지 스폿들 및 더 양호한 해상도에 도달하기 위해 영향을 받을 수 있다. 분산 애퍼처들은 작은 모자이크 피처 애퍼처 크기들로부터의 회절을 감소시키는데 이용되어 망막 초점 큐 생성을 위해 기하학적 이미징을 이용하는 것을 가능하게 한다. 하나의 소스 매트릭스 내부의 이웃하는 광 방출기들은 스폿들의 매트릭스로 이미징된다. 소스 매트릭스, 주기적 층 모자이크 피처들 및 SLM은 함께 디스플레이 주위의 3D 공간 내로 몇몇 가상 초점 표면들을 생성할 수 있는 시스템을 형성한다.

도 11a는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 모자이크 셀을 갖는 광학 타일들의 배열을 도시한 개략적인 정면도이다. 이 예에서, 광학 타일들(1402a)은 그들을 통해 이동하는 광을 산란시키는 반투명(translucent)(예를 들어, 광학적으로 거친) 광학 타일들이다. 광학 타일들(1404a-b 및 1406a-b)은 광을 제1 초점 거리로 포커싱하도록 구성된다. 이들 타일들 중 2개(1406a-b)는 빔 섹션들을 x 방향으로 포커싱하기 위해 이용되고, 이들 중 2개(1404a-b)는 직교 y 방향으로 포커싱하기 위해 이용된다. 유사하게, 4개의 더 많은 타일들(1408a-b 및 1410a-b)은 빔 섹션들을 제2 초점 거리로 포커싱하기 위해 이용된다. 모자이크 셀(1412a-b 및 1414a-b)의 중심에 있는 4개의 타일은 빔들을 양 방향으로 제3 초점 거리로 포커싱하기 위해 이용된다. 제1 예시적인 패턴에 제시된 배열에서, 각각의 네스팅된 초점 구역의 직사각형 코너들은 더 높은 픽셀 해상도를 갖는 2D 디스플레이 이미지들을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 타일들, 또는 "2D 픽셀들"은 모든 뷰잉 방향들로부터 픽셀들이 보이게 하는 모든 각도들로 광을 산란시키기 위해 거친 표면들 또는 다른 반투명 피처를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 2D 픽셀들은 복셀들이 디스플레이 표면에 위치될 때 3D 이미지 형성에 이용될 수 있다.

도 11b는 일부 실시예들에 따른, 주기적 피처의 모자이크 셀의 예시적인 모자이크 패턴을 도시하는 개략적인 정면도이다. 도 11b에 도시된 예시적인 패턴은 유사한 배열을 도시하지만, 반투명 2D 픽셀 피처들은 없다. 광학 타일들(1502a-b 및 1504a-b)은 광을 제1 초점 거리에 포커싱하도록 동작한다. 광학 타일들(1506a-b 및 1508a-b)은 광을 제2 초점 거리에 포커싱하도록 동작하고, 광학 타일들(1510a-b 및 1512a-b)은 광을 제3 초점 거리에 포커싱하도록 동작한다. 제2 및 제3 거리들에 포커싱하는 타일들은 동일한 총 영역을 가지며, 이는 이러한 2개의 초점 층들 상에 속하는 광 강도를 밸런싱하는 것을 도울 수 있다. 이 경우, 제1 초점 층은 더 큰 표면 영역 타일들로 생성되고, 이는 예를 들어, 더 높은 광 강도를 갖는 일부 초점 표면을 강조하거나 방사 조도를 밸런싱하기 위해 더 큰 크기의 복셀 상의 광의 양을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 더 큰 영역들은 또한 3D 이미지가 형성되지 않을 때 더 높은 강도를 갖는 2D 디스플레이 픽셀들로서 이용될 수 있다.

도 12a는 일부 실시예들에 따른, 광학 층에서의 모자이크 셀들의 예시적인 2차원 어레이를 나타내는 개략 정면도이다. 모자이크 셀들은 주기적 층 상에 상이한 어레이 패턴들로 배열될 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 일부 실시예들에 따른 어레이 패턴들의 2개의 예를 도시한다. 도 12a에 도시된 제1 예에서, 모자이크 셀들은 행들 및 열들이 직선 수평 및 수직 라인들을 형성하는 직사각형 매트릭스를 형성한다. 이 패턴은 생성된 복셀들이 또한 직사각형 매트릭스로 배열됨에 따라 더 용이한 렌더링 계산들을 허용할 수 있다.

도 12b는 일부 실시예들에 따른, 주기적 피처의 모자이크 패턴의 예시적 어레이를 도시하는 개략적인 정면도이다. 도 12b에 도시된 제2 예시적 어레이 패턴은 이웃하는 열들 사이에 오프셋(예를 들어, 수직 또는 수평)이 있는 대안적 배열을 도시한다. 이 패턴은, 예를 들어, 수평 교차 빔들만이 생성되는 경우에, 유효 해상도를 증가시키는데 유용할 수 있다.

주기적 층은, 예를 들어, 롤-투-롤 프로세스에서 UV-경화가능 재료로 제조된 광학적 형상들을 갖는 폴리카보네이트 시트로서 제조될 수 있거나, 또는 다른 옵션들 중에서, 엠보싱된 회절 구조들을 갖는 포일일 수 있다. 그것은 또한 레이저-생성된 간섭 패턴에 포토레지스트 재료를 노출시킴으로써 제조된 그레이딩된 굴절률 렌즈(graded index lens) 피처들 또는 홀로그래픽 격자를 갖는 시트일 수 있다. 개별적인 서브-피처 크기들 및 패턴 충전-인자들(pattern fill-factors)은 달성가능한 해상도에, 그리고 예를 들어, 시스템에 도입된 미광(stray light)을 감소시키는 이미지 콘트라스트의 양에 직접적인 영향을 미친다. 고품질 광학 제조 방법들은 마스터를 생산하기 위해 바람직하고, 이는 이후 복제된다. 단일 피처가 매우 작기 때문에, 적절한 형상들을 갖는 제1 마스터는 또한 크기가 매우 작을 수 있어, 제조를 더 낮은 비용으로 만든다. 그리고 이러한 동일한 패턴이 전체 디스플레이 표면에 걸쳐 반복되기 때문에, 발광 층을 수평 또는 수직 방향들로 주기적 층과 정확하게 정렬할 필요가 없다. 심도 방향은 그것이 디스플레이 표면 외부의 초점 표면들의 위치를 결정함에 따라 정렬에 더 민감하다.

일부 실시예들에서, SLM은 주기적 모자이크 층의 앞에 배치된다. 일부 실시예들에서, SLM은 LCD 패널이고, 그것은 투영된 빔들의 부분들을 선택적으로 차단하거나 통과시키기 위해 이용된다. 전체 연속적 광학 구조가 다중 빔 섹션들의 생성을 위해 이용될 수 있기 때문에, 명확하게 정의된 디스플레이 픽셀 구조가 반드시 존재하는 것은 아니며, LCD는 시스템의 광-빔-생성 부분의 앞에 적응적 마스크로서 이용될 수 있다. 픽셀 크기들은 바람직하게는 작고, 주기적 피처 타일 크기보다 더 작거나 동일한 크기 범위에 있을 수 있다. 픽셀들이 피처 타일들보다 훨씬 더 작으면, SLM에 대한 주기적 층의 정확한 정렬에 대한 필요성이 더 적지만, 픽셀들이 동일한 크기이면, 이러한 2개의 층들 사이에 양호한 정렬이 바람직하다. 픽셀들은 규칙적인 직사각형 패턴일 수 있거나, 또는 그것들은 주기적 모자이크 층 광학 피처들에 맞춤화될 수 있다. 픽셀들은 또한, 예를 들어, 인광체 오버코팅된 청색 μLED 매트릭스의 경우에서와 같이 LEL로부터 방출되는 광이 백색이면 컬러 생성을 위한 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 2개의 예시적인 컬러 필터 배열들이 도 13a 및 도 13b에 도시된다. LEL이 컬러 픽셀들(예를 들어, 별개의 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) μLED들)을 포함하면, SLM은 빔들의 강도 조정을 위해 이용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 공간 및 시간 다중화의 조합을 이용한다. 이 경우, 플리커 없는 이미지에 대한 적절한 리프레시 레이트를 달성하기에 충분히 빠른 SLM 컴포넌트를 갖는 것이 유용하다. SLM 및 발광 층은 이미지가 렌더링될 때 일제히 작동할 수 있다. LEL 및 SLM이 동기화되는 것이 특히 유용할 수 있다. SLM은, 예를 들어, 단일 소스 또는 소스들의 그룹이 활성화될 때 디스플레이 표면에 걸쳐 스위핑되는 애퍼처 패턴을 갖는 적응적 마스크로서 이용될 수 있다. 이러한 패턴들 중 몇몇은 LEL의 상이한 부분들에서 동시에 소스 클러스터들을 마스킹함으로써 동시에 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM보다 더 빠른 리프레시 레이트들을 갖는 발광 컴포넌트들(예를 들어, μLED들)을 구현하는 것이 도움이 될 수 있다. 이러한 방식으로, 소스들은 SLM의 리프레시 기간 내에 여러 번 활성화될 수 있다(예를 들어, SLM은 60Hz 리프레시 레이트를 가짐). 눈 추적은 또한 이미지들을 디스플레이의 전체 FOV로 렌더링하는 것이 아니라 이미지들을 일부 특정된 아이박스 영역들에만 렌더링함으로써 업데이트 속도에 대한 요건들을 낮추기 위해 이용될 수 있다.

도 14는 일부 실시예들에 따른, 복셀들의 형성을 위해 이용되는 예시적인 구성을 도시하는 개략적인 측단면도 또는 평면도이다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템은 복셀들을 형성하기 위해 교차하는 빔들의 이용을 구현할 수 있다. 이러한 복셀들은 디스플레이 표면으로부터 상이한 거리들에(예를 들어, 디스플레이 앞에, 디스플레이 뒤에, 및/또는 디스플레이 표면 상에) 형성될 수 있다. 도 14는 발광 층(2010) 상의 위치들(2004, 2006, 2008)에 있는 광 소스들로부터 유래하는 빔들로 특정 초점 거리에서 디스플레이의 앞에 생성되는 예시적인 복셀(2002)을 도시하는 개략도이다. 위치들(2004, 2006, 2008)에 있는 광 소스들로부터의 광은 광학 층(2012)에 의해 상이한 방향들로 굴절되고, 공간 광 변조기(2014)는 복셀(2002)을 향해 지향되지 않고 다른 복셀들을 생성하는데 이용되지 않는 광을 차단하면서 복셀(2002)을 향해 지향되는 광의 투과를 허용한다.

도 14의 예에서, 복셀(2016)은 발광 층(2010) 상의 위치들(2018, 2020, 및 2022)에서 광 소스들로부터 방출된 빔 섹션들의 가상 확장들을 교차함으로써 디스플레이 뒤의 복셀 위치에서 생성된다. 위치들(2018, 2020, 및 2022)에서의 소스들로부터의 광은 광학 층(2012)에 의해 상이한 방향들로 굴절되고, 공간 광 변조기(2014)는 복셀(2016)의 위치로부터 지향되지 않고 다른 복셀들을 생성하는데 이용되지 않는 광을 차단하면서 복셀(2016)의 위치로부터 지향된 광의 투과를 허용한다. 일부 실시예들에서, 몇몇 소스들은 빔 섹션들의 더 넓은 각도 확산으로 인해 눈 방향으로 전파되는 더 낮은 광 강도를 보상하기 위해 이용될 수 있다.

도 14의 예에서, 복셀(2024)은 디스플레이 상의 위치에서 생성된다. 위치(2026)에서의 소스로부터의 광은 복셀 위치(2024)에서의 광학 층(2012) 상의 반투명 광학 타일에 의해 산란된다. 공간 광 변조기(2014)는 다른 광학 타일들로부터의 광의 투과를 차단하면서 산란된 광의 디스플레이의 외부로의 투과를 허용한다.

도 14는 복셀(2024)이 디스플레이 표면 상에 생성되는 반면 다른 복셀들(2002, 2016)이 디스플레이 표면의 앞 및 뒤에 생성되는 예를 도시한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 디스플레이는 디스플레이 표면 상에 복셀들만을 생성하도록 동작할 수 있다. 이는 반투명 광학 타일들을 통과하는 광만이 디스플레이 디바이스의 외부에 도달하도록 공간 광 변조기를 동작시킴으로써 행해질 수 있다. 그러한 복셀들은 디스플레이 표면 상에 2D 이미지의 디스플레이를 위한 2D 픽셀들로서 이용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 복셀들은 2개의 이웃하는 소스들로부터 유래하는 2개의 빔들은 물론 단일 소스로부터 유래하는 2개의 빔 섹션들을 결합함으로써 생성된다. 2개의 빔 섹션들은 정확한 눈 망막 초점 큐에 대한 단일 빔 초점을 생성하는데 이용될 수 있는 반면, 2개의 결합된 빔들은 뷰어 눈 쌍의 더 큰 FOV를 커버하는데 이용될 수 있다. 이 구성은 시각 시스템이 눈 수렴에 대해 정확하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 방식으로, 단일 눈 망막 초점 큐들에 대한 작은 광 방출 각도들의 생성 및 입체 효과에 필요한 눈 수렴에 대한 더 큰 방출 각도들의 생성은 광학 구조에서 서로 분리된다. 이 배열은 디스플레이의 광학 설계로 2개의 각도 도메인들을 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 초점 표면 거리들은 광학 하드웨어 내로 코딩될 수 있다. 예를 들어, 주기적 층 피처 타일들의 굴절력들은 복셀 심도 좌표들을 이산적인 위치들에 고정할 수 있다. 단일 눈 망막 초점 큐들이 단일 방출기 빔들로 생성될 수 있기 때문에, 일부 실시예들에서, 복셀은 2개의 방출기들로부터의 2개의 빔만을 이용함으로써 형성될 수 있다. 이러한 배열은 렌더링의 작업을 단순화하는데 도움이 될 수 있다. 주기적 피처들 없이, 적절한 소스 애퍼처수 및 기하학적 배율 비율의 조합은 복셀 크기들이 매우 클 것을 요구할 수 있고 해상도를 낮게 할 수 있다. 주기적 피처들은 이미징 시스템의 초점 길이를 개별적으로 선택하는 능력을 제공할 수 있고, 더 양호한 해상도의 3D 이미지들을 위해 더 작은 복셀들을 만들 수 있다.

일부 실시예들에서, 생성된 빔들은 주기적 층 이후에 상이한 방향들로 전파될 수 있다. 발광 층과 주기적 빔 포커싱 층 사이의 거리는 애퍼처 확장기로서 이용될 수 있다. 특정 광학 성능에 도달하기 위해, 적용가능한 거리 값들을 주기적 층 피처의 크기/피치 및 개별 타일들의 크기들에 매칭시키는 것이 도움이 될 수 있다. 빔 초점을 개선하고 작은 애퍼처들에 연결된 회절 효과들을 감소시키기 위해 단일 빔 애퍼처를 가능한 한 많이 확장시키는 것이 유용할 수 있다. 이것은 눈 해상도가 더 높아지고 기하학적 배율이 더 큰 복셀 크기들을 강제함에 따라 뷰어에 더 가깝게 생성된 복셀 층들에 특히 유용할 수 있다. 빔 섹션들 둘 다는 너무 많은 회절 블러 없이 우측 망막 초점 큐들을 생성하기 위해 초점 표면들 상의 복셀 위치에서 교차하고 뷰어의 단일 눈 동공에 도달할 수 있다.

회절 블러의 감소를 위한 분산 애퍼처 설계 특징들.

앞서 논의된 바와 같이, 작은 애퍼처들이 모자이크 피처들과 함께 이용될 때, 회절은 투영된 소스 이미지들을 블러링하고 3D 이미지 복셀 해상도를 상당히 낮춘다. 애퍼처 크기들이 충분히 작은 경우, 회절 효과들이 빔 발산을 지배하기 때문에 기하학적 이미징이 실현가능하지 않다. 이러한 경우들에서, 빔들은 애퍼처들이 광을 회절시키는 디스플레이 표면 상에 위치된 최소 가시 스폿을 가질 것이고, 기하학적 이미징은 충분한 망막 초점 큐들을 제공하지 않는다. 광학 애퍼처를 더 크게 함으로써 회절 효과들이 완화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 애퍼처 설계들은 디스플레이 표면 상의 공간 해상도를 실질적으로 희생시키지 않고 투영 광학 애퍼처 크기를 증가시키는데 이용된다. 분산 설계들은 애퍼처 인터레이싱을 허용하고, 이는 투영된 빔들이 또한 인터레이스될 수 있고 복셀들이 표준 연속 애퍼처들을 갖는 것보다 더 높은 공간 해상도로 형성될 수 있기 때문에 복셀 해상도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.

회절 블러를 억제하는 분산 애퍼처들을 제공하기 위해, 일부 실시예들에서, 원하는 더 큰 애퍼처 영역을 샘플링하는 더 작은 애퍼처들의 세트가 이용된다. 일부 실시예들에서, 더 작은 애퍼처들은 연속적인 체인 내에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 작은 애퍼처들의 세트는 대칭의 중심점을 갖고, 일부 실시예들에서, 더 작은 애퍼처들 중 하나는 대칭의 중심점에 위치된다. 애퍼처 클러스터 극단 치수들은 제한된 회절 블러를 갖는 작은 빔 발산 및 양호한 소스 이미징 특성들을 제공하기 위해 적절히 크도록 선택될 수 있다.

더 작은 애퍼처들의 배열은 소스 망막 이미지에서의 중심 강도 최대치가 너무 커지지 않도록 선택될 수 있고, 이는 낮은 3D 이미지 복셀 공간 해상도로 이어질 수 있다. 더 작은 애퍼처들의 배열은 또한 이미지 콘트라스트를 낮추는 회절된 2차 스폿들의 강도를 실질적으로 최소화하도록 선택될 수 있다. 분산된 더 작은 애퍼처들의 세트의 이용에 의해, 중심 망막 이미지 스폿은 기하학적 이미징에 의해 결정된 스폿 크기에 근접하여 매우 작게 만들어질 수 있고, 투영된 소스 이미지를 둘러싸는 회절 블러는 크게 감소될 수 있다.

분산 애퍼처 인터레이싱.

모자이크 렌즈 3D 디스플레이 접근법과 호환가능하기 위해, 애퍼처 패턴들은 인터레이스될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 애퍼처 클러스터는 오버랩들 또는 미활용된 표면 영역들 없이 다른 애퍼처 클러스터들과 오버레이될 수 있는 설계를 갖는다. 반복하는 패턴들 사이의 피치가 클러스터들이 SLM 상에 정렬될 수 있는 방식에 의존하기 때문에, 상이한 설계들은 또한 다소 상이한 달성가능한 공간 해상도들로 이어질 것이다.

12개의 정사각형 애퍼처들을 갖는 도 15c의 체커보드 패턴은 적절한 회절 제거 및 인터레이싱의 가능성을 조합하기 때문에 소규모 디스플레이에 유리할 수도 있다. 직사각형 및 삼각형 애퍼처 클러스터 예시 경우들의 광학 성능들은 4개의 원형 애퍼처 경우와 체커보드 패턴 경우 사이의 어딘가에 속한다. 이들은 또한 약간 저하된 광학 성능을 갖는 소규모 디스플레이에 이용될 수도 있거나, 또는 이들은 디스플레이 크기가 소형 모바일과 대형 벽 크기 스크린 사이의 중간 범위에 있을 때 이용될 수도 있다. 애퍼처 설계 경우의 다른 예가 도 15b에 제시되어 있는데, 이는 적절한 망막 초점 큐를 생성하기 위해 삼각형들을 갖는 750μm 폭 애퍼처 패턴을 이용할 수도 있다. 모자이크 디스플레이 접근법에서, 애퍼처 클러스터 및 모자이크 렌즈의 설계는 얼마나 많은 회절 제거가 바람직한지에 영향을 미치는 모자이크 피처 애퍼처 크기를 갖는 특정 이용 경우를 위해 적응될 수도 있다. 대형 스크린 크기는 인터레이스된 애퍼처 설계들을 위한 더 많은 자유도를 갖는 반면, 고해상도를 갖는 소형 모바일 스크린들은 더 큰 회절 억제를 위해 설계될 수도 있다.

인터레이스형 설계들의 예로서, 상이한 애퍼처 클러스터들이 도 15a 내지 도 15c에 도시되어 있다. 모든 이들 예에서, 2개의 상이한 렌즈 형상들은 서로의 미러 이미지들인 2개의 애퍼처 클러스터들로 커버된다. 이들 2개의 분산 애퍼처 기하구조들은 인터레이싱에 의해 조합되고, 함께 하나의 애퍼처 클러스터 타일을 형성한다. 타일들은 애퍼처 클러스터들 사이에 중첩하거나 비어 있는 영역들 없이 원래 애퍼처들의 형상들을 반복하는 연속적인 모자이크 패턴으로 배치될 수 있다.

도 15a를 참조하면, 제1 분산 렌즈(1552)가 종래의(예를 들어, 원형 대칭) 렌즈(1550)의 샘플링된 부분들을 나타내는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 유사하게, 제2 분산 렌즈(1556)가 종래의(예를 들어, 원형 대칭) 렌즈(1554)의 샘플링된 부분들을 나타내는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 분산 렌즈들(1552 및 1554)은 서로의 미러 이미지들이다. 그들은 동일한 굴절력을 가질 수 있거나, 그들은 상이한 굴절력들을 가질 수 있다. 분산 렌즈들(1552 및 1554)은, 1557에 도시된 바와 같이, 중첩 없이 결합될 수 있고, 그 분산 렌즈들의 복수의 예들은, 1558에 도시된 바와 같이, 광학 층 상에 패턴으로 인터레이스될 수 있다.

유사하게, 도 15b를 참조하면, 제1 분산 렌즈(1560) 및 제2 분산 렌즈(1562)는 서로의 미러 이미지들이다. 그들은 동일한 굴절력을 가질 수 있거나, 그들은 상이한 굴절력들을 가질 수 있다. 분산 렌즈들(1560 및 1562)은 1564에 도시된 바와 같이, 중첩 없이 결합될 수 있고, 그 분산 렌즈들의 복수의 예들은, 1566에 도시된 바와 같이, 광학 층 상에 패턴으로 인터레이스될 수 있다.

도 15c를 참조하면, 제1 분산 렌즈(1570) 및 제2 분산 렌즈(1572)는 서로의 미러 이미지들이다. 그들은 동일한 굴절력을 가질 수 있거나, 그들은 상이한 굴절력들을 가질 수 있다. 분산 렌즈들(1570 및 1572)은 1574에 도시된 바와 같이, 중첩 없이 결합될 수 있고, 그 분산 렌즈들의 복수의 예들은, 1576에 도시된 바와 같이, 광학 층 상에 패턴으로 인터레이스될 수 있다.

디스플레이로부터 방출되는 2개의 풀 이미징 빔들 사이의 피치는 최종 분산 애퍼처 인터레이스드 모자이크 패턴(final distributed aperture interlaced mosaic pattern)이 생성될 때 결정된다. 애퍼처 클러스터들은 이용 경우에 따라 수직, 수평 및 대각선 방향들에 대해 상이한 피치 값들을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 정적 탁상 디스플레이는 수평 방향에서 더 양호한 각도 해상도를 가질 수 있지만, 모바일 전화 디스플레이는 세로(portrait) 또는 가로(landscape) 모드들에서 동작될 수 있는 바와 같이 양 방향들에서 동일한 해상도들을 가질 수 있다. 도 15a 및 15b에 도시된 모자이크 패턴들은 수직 및 수평 방향들에서 상이한 피치들을 갖지만, 도 15c에 도시된 예시적인 모자이크 패턴은 2개의 방향들에서 동일한 피치들을 갖는다.

일부 실시예들에서, 분산된 인터레이스형 모자이크 패턴은 몇몇 상이한 애퍼처 클러스터 기하구조들로부터 형성된다. 이러한 애퍼처 클러스터들 중 일부는 더 양호한 회절 제어를 위해 더 클 수 있고, 일부는, 예를 들어, 복셀이 디스플레이 표면 상에 생성되는 경우에 큰 회절 패턴을 생성하기 위해 더 작을 수 있다. 원하는 복셀 크기는 상이한 3D 이미지 초점 심도들에 대해 상이할 수 있다. 일부 실시예들은 뷰어에 더 가까운 복셀들의 생성을 위해 더 크고 더 연속적인 애퍼처들을 이용하고, 더 높은 해상도의 소스 이미지들을 이용한다. 그러한 실시예들은 더 먼 복셀들에 대해 더 작거나 덜 연속적인 분산 애퍼처들을 이용할 수 있다.

예시적인 3D 디스플레이 특성들.

3D 디스플레이 구조의 설계에서 고려될 하나의 인자는 광학 재료들이 상이한 파장들을 갖는 광을 상이한 각도들(컬러 분산)로 굴절시킨다는 사실이다. 그 결과, 3개의 컬러 픽셀들(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)이 이용되는 경우, 상이한 컬러 빔들은 굴절 피처들로부터 다소 상이한 방향들 및 거리들로 경사지고 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 컬러 분산은, 예를 들어, 회절 피처들이 컬러 보정을 위해 이용되는 하이브리드 층을 이용함으로써 구조 자체에서 보상될 수 있다. 컬러 서브-픽셀들이 LEL 상에서 공간적으로 분리될 수 있기 때문에, 컬러 빔 투영 각도들에 대한 일부 작은 각도 차이들이 또한 존재할 수 있다. 소스 컴포넌트들의 투영된 이미지들이 초점 표면 층들 상에서 충분히 작게 유지되는 경우, 3개의 컬러 픽셀들은 서로의 옆에 이미징되고, 컬러 서브-픽셀들이 공간적으로 분리되는 현재의 정규 2D 스크린들에서 보이는 것과 유사한 방식으로 눈에 의해 풀-컬러 복셀들로 결합될 것이다. 3D 디스플레이 구조의 컬러 서브픽셀 이미지들은 고도로 지향성이고, 모든 3개의 상이한 컬러 빔들이 동공을 통해 눈에 들어가는 것을 보장하는 것이 유용할 수 있다.

발광 요소들의 물리적 크기 및 디스플레이 광학계의 총 배율은 각각의 3D 이미지 가상 초점 표면 상의 달성가능한 공간 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 발광 픽셀들이 디스플레이 디바이스로부터 더 멀리 위치하는 표면에 포커싱되는 경우에, 기하학적 배율은 초점 표면이 디스플레이에 더 가깝게 위치하는 경우보다 픽셀 이미지들을 더 크게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주기적 층의 이용은 디스플레이 표면에서의 광학계들 또는 소스 이미지들의 애퍼처 크기를 너무 크게 하지 않고 초점 길이를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이것은 디스플레이 표면 및 디스플레이 외부의 초점 표면들 둘 다에서 비교적 높은 해상도 3D 이미지 층들을 달성하는 것을 가능하게 하기 때문에, 제시된 방법의 성능 이점이다.

이전에 설명된 바와 같이, 회절은 또한, 예를 들어, 광 방출기 및 마이크로렌즈 애퍼처 크기들이 매우 작은 경우에, 달성가능한 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 디스플레이 및 렌더링 방식으로 달성가능한 심도 범위는 각각의 서브-픽셀로부터 오는 빔 시준의 품질에 의해 영향을 받을 수 있다. 발광 픽셀들의 크기들, 주기적 층 타일 애퍼처의 크기, 및 타일의 유효 초점 길이는 시준 품질에 영향을 미칠 수 있는 3개의 파라미터들이다. 주기적 층 앞의 작은 SLM 애퍼처들은 또한 픽셀 크기가 작은 경우에 회절을 야기할 수 있다(예를 들어, 모바일 디바이스들의 경우에). 그러나, 애퍼처 크기의 선택은 복셀 거리가 더 클 때 더 큰 애퍼처 클러스터들이 이용되는 방식으로 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 회절 효과들은 더 양호한 해상도를 달성하기 위해 최소화될 수 있다. 특히, 일부 실시예들은 광학 구조의 도움으로 2개 이상의 빔 섹션들을 생성하는 단일 소스로 단일 눈 초점에 대한 복셀들을 렌더링하도록 동작한다. 이것은 빔 간섭 및 감소된 회절 블러를 허용한다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 분산 애퍼처 클러스터들의 이용은 회절 블러 제거에 기여한다.

일부 실시예들에서, LEL 상의 연속적인 방출기 매트릭스는 넓은 FOV들을 허용한다. 기하학적 이미징에 이용되는 초점 길이가 주기적 모자이크 층과 별도로 달성될 수 있다는 사실로 인해, 예시적인 실시예들은 양호한 해상도 및 큰 뷰잉 구역 둘 다를 동시에 달성하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이것은 더 양호한 해상도를 위해 포커싱 타일들의 유효 초점 길이가 증가될 때 방출된 광의 더 작은 부분만이 복셀 형성에 이용되기 때문에 더 낮은 광 효율의 대가가 될 수 있다. 빔들의 일부 부분들만이 이미지 형성을 위해 통과됨에 따라 굴절력의 큰 부분이 SLM 층에 흡수된다.

광 소스들 앞의 주기적 층은 OLED들 및 μLED들과 같은 컴포넌트들에 전형적인 더 양호한 넓은 광 방출 패턴들을 이용하는 것을 가능하게 한다. 렌즈 클러스터 층이 연속적인 실시예들에 대해, 소스 층이 방출기들의 실질적으로 연속적인 매트릭스를 가지면 모자이크 타일들을 특정 소스들에 정렬할 필요가 없다. 그러나, 전형적인 램버시안 방출 패턴이 표면 법선 방향에 비해 더 큰 각도들을 향해 광 강도를 강하시키기 때문에, 빔 각도에 대해 빔 강도들을 교정하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 교정 또는 강도 조정은, 예를 들어, 공간 광 변조기 송신들을 그에 따라 선택함으로써 또는 전류 또는 펄스 폭 변조로 소스의 광 방출을 조정함으로써 이루어질 수 있다.

일부 실시예들에서, 주기적 층의 앞에 위치된 공간 광 변조기는 또한 이전 광학 층들로부터 오는 미광을 차단하기 위해 이용될 수 있다. 광학 층들은 굴절 표면들로부터의 다수의 반사들을 회피하기 위해 반사방지 코팅들로 처리될 수 있다. 이러한 반사들은 이미지 콘트라스트를 낮추는 미광을 야기할 수 있다. SLM은 방출된 빔들의 부분들을 차단하기 위해 이용되기 때문에, 그것은 또한 광학 요소들로부터의 미광 반사들을 차단하기 위해 효과적으로 이용될 수 있다. SLM은 선택된 소스 클러스터들의 앞에 작은 조정가능한 애퍼처들을 갖는 적응적 마스크로서 기능하고, 이러한 마스크는 디스플레이 표면을 가로질러 스위핑될 수 있다. 이러한 스위핑들 동안, 이는 적절한 빔들을 차단하거나 통과시키고, 국부화된 미광 방출들을 동시에 억제할 수 있다.

SLM이 본 명세서에서의 예들 중 다수에서 발광 층과 광학 층 사이에 위치되는 것으로서 설명되지만, 일부 실시예들에서, 광학 층은 발광 층과 SLM 사이에 있고, 따라서 SLM은 광학 층을 이미 통과한 광을 변조한다.

예시적인 3D 디스플레이 렌더링 방식들.

몇몇 상이한 종류의 렌더링 방식들이 제시된 디스플레이 구조들 및 광학 방법들과 함께 이용될 수 있다. 선택된 렌더링 방식에 따라, 실현된 디스플레이 디바이스는 다수의 뷰들 및 초점 표면들을 갖는 3D 디스플레이로서 또는 정규 2D 디스플레이로서 동작될 수 있다. 후자의 기능은 또한 광학 하드웨어 설계에 의해 지원될 수 있다.

일부 실시예들에 따른 3D 렌더링 방식에서, 하나의 목표는 다수의 뷰잉 방향들에 더하여 물리적 디스플레이 표면의 앞 또는 뒤에서 뷰어(들)의 앞에 몇몇 초점 포인트들 또는 초점 표면들을 생성하는 것이다. 일반적으로, 이것은 각각의 3D 물체 포인트 또는 복셀에 대한 적어도 2개의 투영된 빔들의 생성을 필요로 한다. 디스플레이 내의 단일 서브-픽셀은 임의의 주어진 시간에만 하나의 눈에 보이게 하는 FOV를 가질 수 있지만, 생성된 복셀은 일반적으로 입체 뷰를 생성하기 위해 동시에 두 눈들을 커버하는 FOV를 가져야 한다. 복셀 FOV는 하나보다 많은 빔이 동시에 이용될 때 개별 빔 FOV들의 합으로서 생성된다. 디스플레이와 관찰자 사이에 있는 모든 복셀들에 대해, 수렴 빔들은 정확한 복셀 거리에서 디스플레이의 앞에서 교차할 수 있다. 유사한 방식으로, 디스플레이보다 관찰자로부터 더 먼 거리에 위치된 복셀들은 디스플레이 뒤에서 가상적으로 교차하는 빔 쌍을 가질 수 있다. (적어도) 2개의 빔들의 교차는 디스플레이 표면에 있지 않은 초점 포인트(또는 표면)을 생성할 수 있다. 별개의 빔들이 그들이 교차하는 동일한 스폿에 포커싱하는 것이 바람직하다. 모자이크 주기적 층 피처들의 이용은 이 방법으로 단일 빔 초점들을 생성하는 것을 가능하게 하고, 더 자연적인 망막 초점 큐들이 생성될 수 있다. 일부 경우들에서, 분산 애퍼처들은 또한 확장된 필드 심도 이미징 빔들을 생성할 수 있다. 확장된 빔 웨이스트들은 해상도 감소 없이 연속적인 교차 심도 범위를 허용하고, 더 자연적인 망막 초점 큐들은 정확한 빔 각도 선택 및 눈 수렴의 개시를 위해 방출기 포지셔닝만을 이용하는 간단한 렌더링 방법들로 생성될 수 있다.

3D 렌더링이 과중한 계산들을 요구할 수 있기 때문에, 관찰자 시각 시스템이 연속적인 3D 심도 경험을 갖도록 서로 충분히 가까운 특정 이산 심도 층들로 3D 데이터를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 50cm로부터 무한대까지의 시각 범위를 커버하는 것은 추정된 인간 시각 시스템 평균 심도 해상도에 기초하여 약 ~27개의 상이한 심도 층들을 취할 것이다. 예시적인 방법들 및 광학 하드웨어는 공간적으로 분리된 모자이크 타일들 및 SLM이 심도 층 선택을 위해 이용된다는 사실로 인해 동시에 디스플레이될 수 있는 다수의 초점 표면들의 생성을 허용한다. 일부 실시예들에서, 관찰자 위치들은 디바이스에서 능동적으로 검출되고, 복셀들은 관찰자가 위치하는 방향들로만 렌더링된다. 능동적인 관찰자 눈 추적은 디스플레이 구조 주위의 또는 디스플레이 구조에서의 카메라들을 이용하여 근적외선 광을 이용하여 수행될 수 있다.

렌더링 방식과 연관된 하나의 트레이드-오프 상황은 공간/각도 및 심도 해상도들 사이에서 발견될 수 있다. 제한된 수의 픽셀들 및 컴포넌트 스위칭 속도들에 의해, 더 적은 수의 초점면들을 대가로 하여 높은 공간/각도 해상도를 강조할지 또는 더 많은 픽셀화된 이미지를 대가로 하여 더 우수한 심도 효과를 위해 더 많은 초점면들을 가질지를 선택할 수 있다. 더 많은 초점면들이 일반적으로 더 많은 계산들 및 더 높은 데이터 전송 속도들을 이용하기 때문에 시스템 레벨에서의 데이터 처리에 동일한 것이 적용된다. 인간 시각 시스템은 심도 해상도가 대수적으로 감소함에 따라 물체들이 더 멀리 떨어져 있을 때 심도 정보의 감소를 허용한다. 동시에, 이미지 평면이 더 멀리 떨어져 있을 때 눈들은 더 큰 상세들만을 해결할 수 있다. 이것은 예를 들어, 뷰어로부터 상이한 거리들에서 상이한 복셀 해상도들을 생성하는 렌더링 방식들을 이용하는 것을 가능하게 하여, 이미지 렌더링을 위한 처리 속도 요건을 낮춘다. 렌더링 방식에 접속된 이러한 트레이드오프들 모두는 또한 제시된 이미지 콘텐츠에 기초하여 적응될 수 있어, 예를 들어, 더 높은 해상도 또는 이미지 밝기를 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 풀-컬러 픽처를 생성하기 위해, 3개의 상이한 컬러 픽셀들이 LEL 상에서 또는 SLM 상에서 이용될 수 있다. 컬러 렌더링 방식은 상이한 컬러들이 주기적 층에서 다소 상이한 각도 방향들로 굴절된다는 사실에 적응할 수 있다. 컬러 렌더링 방식에 더하여, 이러한 분산의 일부는 하드웨어로, 예를 들어, 주기적 층 피처들에 회절 구조들을 통합하여 이들이 컬러 보정되게 함으로써 제거될 수 있다. 이것은 굴절 타일들의 상이한 초점 거리들을 보상하는데 유용할 수 있다. 하나의 컬러 렌더링 방식은 백색 조명 및 컬러 필터들을 갖는 SLM을 이용하는 것이다. 백색 빔들은, 예를 들어, 청색 μLED들 및 인광체의 얇은 층의 조합으로 생성될 수 있다. 이 경우에, 빔 컬러들은 각각의 초점 층 복셀에 대해 SLM(예를 들어, LCD 패널) 층에서 개별적으로 선택되고, 3개의 컬러들은 눈에서 결합된다.

예시적인 구현.

본 명세서에 설명된 실시예들에 따른 하나의 예시적인 디스플레이가 이하에 제시되어 있다. 도 16은 7" 3D 디스플레이를 갖는 모바일 디바이스(2102)가 단일 뷰어(2104)로부터 350mm 거리에 배치되어 있는 이용 사례를 도시한다. 디스플레이는 모바일 디바이스의 앞 및 뒤 둘 다에 위치해 있는 가상 이미지 구역으로 이미지를 형성한다. 일부 실시예들에서, 이미지 구역은 뷰어 눈 위치로부터 측정될 때 281mm 내지 463mm의 거리들을 커버할 수 있다. 디스플레이는 제시된 광학 구조를 갖는 수평 및 수직 방향들 둘 다로 다수의 복셀 형성 빔들을 생성할 수 있다. 모자이크 렌즈들은 빔들이 기하학적으로 디스플레이로부터 69mm 거리로 포커싱되는 방식으로 배열되어 있다. 그러나, 분산 애퍼처 기하구조 및 회절은 빔 초점 심도를 연장시키고, 특정의 가시 초점 포인트가 없다. 3D 이미지는 3개의 개별 이미지 평면들 및 교차 빔 및 눈 수렴만으로 생성된 복셀로 렌더링된다. 이들 3개의 개별 복셀 평면들 사이의 거리들은 서로로부터 0.7 디옵터(diopters)의 눈 렌즈 굴절력 변경에 대응하도록 설정되어, 3D 이미지가 연속적으로 보이게 한다.

도 17a는 예시적인 디스플레이 광학 설계의 개략적인 단면도이다. 광은 컴포넌트 크기가 3μm의 피치로 2μm x 2μm인 연속적인 μLED 매트릭스(1702)로부터 방출된다. 인터레이스형 매트릭스로 본딩된 적색, 녹색 및 청색 컴포넌트들은 풀-컬러 빔 생성을 위해 이용된다. 주기적 광학 빔 포커싱 층(1704)은 방출기들로부터 ~1.9mm 거리에 배치되고, UV-경화에 의해 만들어진 마이크로-광학 피처들 및 폴리카보네이트 기판 층을 갖는 ~0.08mm 두께의 포일로서 만들어진다. 일 예에서, 주기적 피처들은 176μm의 폭을 가질 수 있다. 컬러 필터들이 없는 LCD 패널(1706)은 SLM으로서 기능하고 주기적 층 바로 옆에 (예를 들어, 오버레이 또는 아래에) 배치된다. 개별 LCD 픽셀들은 44μm의 폭을 가질 수 있다. 전체 광학 구조는 2.5mm 미만의 두께를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 주기적 피처들은 88μm의 폭 및 높이를 가질 수 있는 중앙 정사각형, 및 44μm의 폭 및 높이를 가질 수 있는 4개의 코너 정사각형들을 가짐으로써, 176μm x 176μm의 총 치수들을 제공하는, 도 17b에 도시된 분산 애퍼처 기하구조를 따른다. 이 형상은 도 17c에 도시된 인터레이스형 패턴으로서 전체 주기적 층을 통해 반복될 수 있다. 패턴은 수평(88μm) 및 수직(176μm) 방향들에서 상이한 피치 값들을 갖는다. 그 결과, 복셀들은 디스플레이 "가로" 모드에서 눈 쌍의 방향인 수평 방향에서 2배 더 양호한 해상도를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, ~2.0mm 초점 길이를 갖는 단일 비구면 광학 형상이 광 수집 및 빔 생성을 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이용되는 작은 애퍼처 클러스터는 광학계를, 모자이크 층에서 하나보다 많은 초점 심도의 광학계를 가질 필요가 없는 확장된 초점 심도 시스템으로 만든다.

일부 실시예들에서, 편광기들 및 패터닝된 액정 층을 갖는 0.5mm 두께의 LCD 패널 스택이 시스템의 광 생성부의 앞에 실용적으로 주기적 층 컴포넌트에 가깝게 배치된다. LCD는 임의의 컬러 필터들 없이 44μm x 44μm 픽셀들을 갖는다. 패널의 픽셀 크기는 가장 작은 주기적 층 피처 크기와 동일하여, 상이한 애퍼처 형상 위치들로부터 유래하는 빔들을 선택적으로 차단하는 것을 가능하게 한다. 주기적 피처들과 LCD 사이에 정확한 정렬이 수행된다. 그러한 픽셀 배열은 복셀들이 디스플레이 표면 상에 생성되거나 디스플레이가 2D 모드에서 이용될 때 4개의 이웃하는 주기적 피처 코너들로부터 4개의 더 작은 정사각형 부분들을 동시에 이용하는 것을 가능하게 한다. 후자의 경우, 픽셀 FOV를 더 크게 만들기 위해 하나의 디스플레이 픽셀에 대해 수개의 방출기가 동시에 이용될 수 있다. 이 접근법은 디스플레이 표면 상에서 또한 수직 방향으로 더 높은 공간 해상도를 허용하며, 이는 가로 모드와 세로 모드 사이에서 스위칭될 수 있는 모바일 디바이스 디스플레이에서 유용한 피처이다. 최종 2D 이미지 픽셀 크기는 88μm x 88μm이고, 7" 디스플레이는 3D 이미지 없이 풀 HD 해상도에서 동작될 수 있다.

제시된 방법들 및 광학 구조들은 작은 스크린 크기들을 갖는 모바일 디바이스들에 그리고 헤드-장착형 또는 다른 근안 디스플레이들에 적합할 수 있다.

분산 렌즈들의 예들.

일부 실시예들에서, 광학 층은 복수의 분산 렌즈들을 포함한다. 각각의 분산 렌즈는 본 명세서에 설명된 바와 같은 분산 애퍼처에 대응할 수 있다. 분산 렌즈는 2개 이상의 렌즈 영역들을 가질 수 있다. 분산 렌즈 내에서, 렌즈 영역들 중 2개 이상은 비인접할 수 있다. 코너에서만 만나는 렌즈 영역들은 비인접 영역들로 간주될 수 있다.

일부 실시예들에서, 렌즈 영역들이 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 가질 때, 렌즈 영역들이 동일한 분산 렌즈의 일부인 것으로 간주될 수 있다. 광학 층에서의 렌즈 영역의 주 초점 포인트는 광학 층에 수직인 입사 광선들이 포커싱되는 포인트이다. 분산 렌즈 영역의 주 초점 포인트들이 도 18에 개략적으로 도시되어 있다. 복수의 분산 렌즈들(렌즈들 A, B, C, D, 및 E)을 갖는 광학 층(1802)이 단면으로 도시되어 있다. 광학 층에 수직인 시준된 광선들이 좌측으로부터 광학 층(1802)에 들어가는 것으로 도시되어 있다. 동작 시에, 광학 층이 반드시 그러한 시준된 광에 대해 동작하는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다; 오히려, 도 18은 예시적인 광학 층의 광학 특성들을 설명하기 위해서만 제공되어 있다.

도 18에 보이는 바와 같이, 분산 렌즈 A는 4개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하고, 이들 영역들은 모두 입사 광을 단일 주 초점 포인트(1800a)에 포커싱하며, 따라서 이들은 단일 분산 렌즈의 일부로 간주될 수 있다. 유사하게, 분산 렌즈 B는 7개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하고, 이들 영역들은 모두 입사 광을 단일 주 초점 포인트(1800b)에 포커싱하며, 따라서 이들은 단일 분산 렌즈의 일부로 간주될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상이한 공간 위치들에 상이한 주 초점 포인트들을 갖는 렌즈들은 동일한 초점 길이를 가질 수 있다는 점에 또한 유의해야 한다. 예를 들어, 분산 렌즈들 B 및 D는 동일한 초점 길이를 갖는 것으로 도시되지만, 이들은 상이한 수직 위치들에 상이한 주 초점 포인트들(각각 1800b 및 1800d)을 갖는다. 분산 렌즈들 A, C 및 E는 동일한 초점 길이를 갖는 것으로 도시되지만, 이들은 상이한 주 초점 포인트들(각각 1800a, 1800c 및 1800e)을 갖는다. 일반적으로, 광학 층은 동일한 표면 상에 인터레이스된, 제1 초점 길이를 갖는 분산 렌즈들의 제1 2차원 어레이, 제2 초점 길이를 갖는 분산 렌즈들의 제2 2차원 어레이 등을 포함할 수 있다.

곡면 광학 층의 경우, 단일 "수직" 방향이 없을 수 있다. 이 경우, 렌즈 영역의 주 초점 포인트는 그 렌즈 영역 부근에서 광학 층에 수직인 입사 광선들이 포커싱되는 포인트인 것으로 간주될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 목표는 2개의 렌즈 영역들이 주 초점 포인트의 정확한 위치를 결정하기보다는 동일한 주 초점 포인트를 갖는지를 결정하는 것인 한, 그 목표는 입사 광 방향의 선택에 있어서의 작은 변경들에 비교적 둔감하다.

발광 층에서의 복수의 발광 요소들 각각에 대해, 상이한 렌즈 영역들 각각이 공간 내의 실질적으로 동일한 위치에서 개개의 발광 요소의 (실제 또는 가상) 이미지를 생성하는 경우, 상이한 렌즈 영역들이 또한 동일한 분산 렌즈의 일부로 간주될 수 있다. 주 초점 포인트 또는 이미지가 가상 초점 포인트 또는 이미지인 것을 제외하고는, 도 18에 도시된 수렴 렌즈들뿐만 아니라 발산 렌즈들에 분산 렌즈들에 대한 전술한 기준들이 적용될 수 있다는 점에 유의한다.

각각의 분산 렌즈는 광학 축을 더 가질 수 있고, 분산 렌즈의 광학 축은 분산 렌즈의 주 초점 포인트를 통과하고 광학 층에 수직이다. 예를 들어, 분산 렌즈 B의 광학 축은 1804b에 도시된다. 분산 렌즈의 광학 축이 광학 층을 통과하는 포인트는 분산 렌즈의 광학 중심으로서 지칭될 수 있다. 예를 들어, 분산 렌즈 B의 광학 중심은 1806b에 도시된다. 분산 렌즈의 광학 중심은 반드시 그 분산 렌즈 내의 임의의 렌즈 영역 내에 포함되는 것은 아니다. 광학 중심은 분산 렌즈 내의 각각의 개별 렌즈 영역에 대해 정의될 수 있고, 분산 렌즈 내의 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 광학 중심을 갖는다.

도 15a 내지 도 15c에 도시된 분산 렌즈 형태들 외에도, 분산 렌즈들의 추가 예들이 도 19 내지 도 22에 제공된다. 도 19a는 9개의 1x1 정사각형 렌즈 영역들(임의 단위)로 구성된 분산 렌즈 형태를 도시한다. 각각의 정사각형 렌즈 영역은 공간 광 변조기의 단일 정사각형 픽셀에 대응할 수 있다(그러나 반드시 그럴 필요는 없다). 렌즈 형태가 그의 가장 큰 범위에서 5x5의 크기를 갖더라도, 동일한 형태를 갖는 분산 렌즈들은 3x3 간격들로 모자이크식으로 만들어질 수 있다. 9개의 그러한 분산 렌즈들의 배열이 도 19b에 도시되어 있다. 동일한 타입의 해칭으로 나타낸 렌즈 영역들은 동일한 분산 렌즈의 부분이다. 각각의 분산 렌즈의 광학 중심은 또한 종래의 "무게 중심(center of gravity)" 심볼을 이용하여 도시된다.

도 19a 및 도 19b의 분산 렌즈들은 대략 5x5 렌즈의 회절 성능을 나타낼 것으로 예상될 수 있지만, 이들 분산 렌즈는 3x3 간격들로 배열될 수 있다는 것을 유의한다. 대조적으로, 비분산 5x5 정사각형 렌즈들은 5x5 간격들로만 배열될 수 있다. 따라서, 분산 렌즈들의 이용은 회절로 인한 문제들을 감소시키면서 더 큰 디스플레이 해상도에 기여할 수 있다. 또한, 분산 렌즈들은 반드시 동일한 수직 및 수평 치수들을 가질 필요는 없고, 분산 렌즈들이 배열되는 수평 간격들 및 수직 간격들은 동일할 필요가 없다는 점에 유의한다.

전술한 것들에 대한 대안들로서 다양한 분산 렌즈 형태가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 20의 분산 렌즈 형태는 그의 가장 큰 범위에서 10x10의 크기를 갖지만 4x4 정사각형 간격들로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분산 렌즈 형태는 다른 분산 렌즈들과 여전히 인터레이스될 수 있으면서 의사랜덤 특성들(pseudorandom characteristics)을 갖도록 선택될 수 있다. 분산 렌즈에서의 규칙적인 피처들의 결여는 회절 패턴에서의 원하는 중심 피크로부터 강한 회절 피크의 가능성을 감소시킬 수 있다. 도 21은 그럼에도 불구하고 동일한 형태를 갖는 다른 분산 렌즈들과 4x4 간격들로 정사각형 어레이로 인터레이스될 수 있는 명확한 패턴들 또는 대칭들이 없는 예시적인 12x12 분산 렌즈 형태를 도시한다.

도 19 내지 도 22의 개개의 분산 렌즈 형태들에 대해 예시적인 광학 중심들이 예시되어 있지만, 그러한 광학 중심들의 위치는 분산 렌즈들의 광학 특성들에 의해 결정된다는 점에 유의해야 한다. 광학 중심들은 반드시 분산 렌즈들의 대칭 축 또는 기하학적 중심에 위치되는 것은 아니다.

일부 실시예들의 하나의 특징은 상이한 광학 중심들을 갖는 분산 렌즈들이 광학 층에서 서로 인터레이스된다는 것이다. 2개의 분산 렌즈들은 하나의 광학 중심을 갖는 하나의 분산 렌즈의 렌즈 영역이 상이한 광학 중심을 갖는 상이한 분산 렌즈의 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치될 때 인터레이스되는 것으로 간주될 수 있다.

도 22에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서의 분산 렌즈들은 반드시 주기적인 것은 아니다. 도 22는 9개의 인터레이스형 분산 렌즈들을 포함하는 광학 층의 일부를 도시한다. 각각의 분산 렌즈는 9개의 정사각형 렌즈 영역들을 포함하고, 단일 분산 렌즈의 영역들은 동일한 타입의 해칭으로 도시된다. 해칭이 없는 영역들은 9개의 도시된 렌즈들 이외의 분산 렌즈들과 연관될 수 있다. 9개의 도시된 분산 렌즈들 각각은 광학 층에서의 다른 분산 렌즈들의 형태와 상이한 형태를 갖는다. 주기적 피처들의 이용은 일부 경우들에서 디스플레이의 제조 및/또는 디스플레이의 동작에 이용되는 계산들을 단순화할 수 있지만, 주기적 피처들의 이용은 모든 실시예들에 대해 필요한 것은 아니고, 비주기적 피처들이 일부 실시예들에서 회절을 감소시키기 위해 이용될 수 있다.

예시적인 디스플레이 방법.

본 명세서에 설명된 바와 같은 디스플레이 디바이스들은 다양한 기술들을 이용하여 동작될 수 있다. 하나의 그러한 기술은 다음과 같다. 특정 복셀 위치에 복셀을 디스플레이하기 위해, 발광 요소, 분산 렌즈의 광학 중심, 및 복셀 위치가 실질적으로 동일 선상에 있도록, 적어도 하나의 발광 요소 및 대응하는 분산 렌즈가 선택된다. 발광 요소가 활성화되고, 발광 요소로부터의 광이 대응하는 분산 렌즈를 통해 복셀 위치를 향해(디스플레이의 앞에 있는 복셀의 경우) 또는 복셀 위치로부터 바로 멀리(디스플레이 뒤에 있는 복셀의 경우) 통과하도록 SLM이 동작된다. 일부 실시예들에서, 발광 요소 및 대응하는 분산 렌즈의 복수의 그러한 쌍들이 선택되고, 복셀 위치에서 교차하는(또는 사실상 교차하는) 빔들을 생성하기 위해 동시에 또는 시간 다중화된 방식으로 활성이다.

일부 실시예들에서, 발광 요소들 및 대응하는 분산 렌즈들의 쌍들의 선택을 위해 추가 선택 기준이 적용된다. 그러한 쌍들은 발광 요소와 함께 이용되는 선택된 분산 렌즈가 복셀 위치에서 발광 요소의 실제 또는 가상 이미지를 생성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 분산 렌즈들이 발광 요소들로부터의 광을 실질적으로 시준하는데 이용되는 다른 실시예들에서는 그러한 기준이 적용되지 않을 수 있다.

다수의 복셀들을 디스플레이하기 위해, 각각의 복셀은 위에 설명된 방법들과 같은 방법을 이용하여 디스플레이될 수 있다. 일부 경우들에서, 상이한 복셀들에 대한 빔들은 상이한 시간들에 (예를 들어, 시간 다중화된 방식으로) 생성될 수 있다. 예를 들어, 상이한 발광 요소/분산 렌즈 쌍들이 바람직하지 않은 광 누설을 피하기 위해 디스플레이 표면 상에 충분히 멀리 떨어져 있는 다른 경우들에서는, 빔들 상이한 복셀들이 동시에 디스플레이될 수 있다.

3D 디스플레이 응용들에서의 비-기계적 빔 조정 컴포넌트들.

일부 실시예들에서, 일렉트로웨팅 셀들(electrowetting cells)이 비-기계적 빔 스티어링을 위해 구현될 수 있다. 일렉트로웨팅 셀들은, 예를 들어, Neil R. Smith, Don C. Abeysinghe, Joseph W. Haus, and Jason Heikenfeld, "Agile wide-angle beam steering with electrowetting microprisms," Optics Express Vol. 14, Issue 14, pp. 6557-6563, (2006)에 논의된 기법들을 이용하여, 높은 스위칭 속도들(~ms)로 비교적 큰 각도 범위(예를 들어, ±7°)를 통해 빔들의 연속적인 스캐닝을 제공하는데 이용될 수 있는 튜닝가능한 마이크로프리즘들을 형성하도록 구성될 수 있다. 일렉트로웨팅 셀 접근법에 의해 제공되는 편광 독립성은 컴포넌트들에 대한 더 높은 광학 효율들을 달성하는데 도움이 될 수 있다. 일렉트로웨팅 셀들은, 예를 들어, CA2905147에서 2D 및 3D 디스플레이 모드들 간의 스위칭을 위해 발견되는 기법들, 및 WO2008142156에서 지향성 백라이트 시스템에서의 빔 스티어링을 위해 발견되는 기법들을 포함하는 기법들을 이용하여 일부 실시예들에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 일렉트로웨팅은, 예를 들어, J. Kim, D. Shin, J. Lee, G. Koo, C. Kim, J-H. Sim, G. Jung, Y-H. Won, "Electro-wetting lenticular lens with improved diopter for 2D and 3D conversion using lens-shaped ETPTA chamber," Opt. Express 26, No. 15, 19614-19626 (2018)에 설명된 기법들을 이용하여 멀티-뷰 디스플레이 시스템의 렌티큘러 구조들을 형성하기 위해 구현될 수 있다.

일부 실시예들에서, 액정(LC) 재료들의 이용에 기초한 컴포넌트들 및 시스템들이 비-기계적 빔 스티어링을 위해 구현된다. 고도로 복굴절성인 재료로서, LC 층들은 2개의 직교 방향들에서 상이한 굴절률들을 갖는다. 이 특성은, 예를 들어, H. Wang, O. Yaroshchuk, X. Zhang, Z. Zhuang, P. Surman, X. Wei Sun, Y. Zheng, "Large-aperture transparent beam steering screen based on LCMPA," Applied Optics Vol. 55, Issue 28, (2016)에 기술된 바와 같은 기법들을 이용하여, 중합체 마이크로프리즘들과 함께 구현될 때 유용할 수 있다. H. Wang, et al. (2016)에 기술된 바와 같이, 중합체 마이크로프리즘들은 2개의 LC 층들을 포함하는 구조를 갖는 2개의 빔 스티어링 상태들 사이의 스위칭을 위해 이용된다. 제1 능동 LC 층은, 예를 들어, 전극들을 포함하는 2개의 유리 시트들 사이에 샌드위치된다. 제2 수동 층은 유리 또는 중합체 기판과 중합체 마이크로프리즘 시트 사이에 형성된다. 스위칭은 입사 빔 선형 편광을 전압이 인가될 때 광 전파에 대해 수직 방향으로 90°만큼 트위스트하는 능동 LC 층으로 개시된다. 이 트위스트는 복굴절 수동 LC 층의 굴절률들 중 어느 것이 시스템의 제2 부분에서 이용되는지를 선택한다. 스티어링 시스템의 제1 상태에서, 수동 LC 층과 마이크로프리즘 중합체 재료 사이의 굴절률 차이는 광 굽힘이 일어나지 않을 정도로 작은 반면, 제2 상태에서, 굴절률 차이는 광선들이 계면에서 미리 결정된 각도로 굽혀지게 한다. 이 각도는 보통 상당히 작지만(~1°), 일부 실시예들에서, 다양한 기법들을 이용함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 광선들은, 예를 들어, P. McManamon, P. Bos, M. Escuti, J. Heikenfeld, S. Serati, H. Xie, E. Watson, "A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems," Proceedings of the IEEE, Vol 97, Issue 6, (2009)에 기술된 기법들을 이용하여 LC 층들 이후에 홀로그래픽 격자들을 추가하는 것에 의해 보다 큰 각도들로 굽혀질 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도가 증가될 수 있는 다른 방식은, WO2011014743에 기술된 바와 같이, 몇 개의 편광-기반 빔 스티어링 컴포넌트들을 적층함으로써, 예를 들어, ±15°만큼 큰 각도들에 도달할 수 있게 하는 것이다.

LC-기반 빔 스티어링 방법들의 하나의 이점은 컴포넌트들이 현재 이용가능한 제조 기술 및 장비로 상당히 쉽게 생산될 수 있어, 대량으로 저비용에 도달하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 빔 스티어링을 개시하기 위해 어떠한 기계적 이동도 필요하지 않다는 사실은 또한 3D 디스플레이들에서 그러한 기술들을 이용하는 것을 선호하는 인자이다. 기술의 하나의 단점은 선형 편광된 광의 이용이고, 이는 시스템의 광학 효율을 낮추고 전력 소비를 증가시킨다. 그러나, 현재의 LCD 디스플레이들이 이미 편광-종속적 시스템들이기 때문에, 새로운 스티어링 컴포넌트들은 효율에 있어서 고비용 없이 더 쉽게 통합될 수 있다. 또한, 일부 실시예들은 편광 종속성 없이 빔 스티어링을 위해 이용될 수 있는 (더 일반적인 네마틱 위상 결정들 대신에) 콜레스테릭 LC들을 이용할 수 있다. 콜레스테릭 LC들의 이용은, 예를 들어, Shang X, Meeus L, Cuypers D, De Smet H, "Fast switching cholesteric liquid crystal optical beam deflector with polarization independence," Scientific Reports, Jul 26, 7(1):6492, (2017)에 논의된 기술들과 같은 기술들을 이용하여 구현될 수 있다. 그러한 실시예들은, 예를 들어, OLED들 또는 μLED들에 기초한 디스플레이 패널들에 대한 컴포넌트 투과율을 증가시키는 것을 도울 수 있다.

액정 컴포넌트들은, 예를 들어, US9664914에서 논의된 기술들을 이용하여, 전기적으로 스위칭가능한 시차 장벽들로서 일부 실시예들에서 구현될 수 있고, 여기서, 흑색 격자 구조는 액정 층이 활성화될 때 일부 디스플레이 픽셀 뷰 방향들을 차단하도록 구현된다. 이 구성은 뷰어의 2개의 눈에 보여질 수 있는 상이한 이미지들을 생성할 수 있다. 활성화된 격자 없이, 디스플레이는 통상의 2D 디스플레이로서 기능할 수 있다. 액정 층은 또한, 예를 들어, US9709851에서 논의된 기술들을 이용하여 전류로 액정 재료 분자들 중 일부를 재배향함으로써 조밀한 픽셀 매트릭스의 최상부에 렌티큘러 렌즈 구조를 형성하는데 이용될 수 있다. 그러한 구성은 특별한 전극 설계를 요구할 수 있지만, 액정 렌즈들이 픽셀 이미지들을 상이한 뷰 방향들로 투영하기 때문에 2D 모드와 3D 모드 사이에서 스위칭하는데 이용될 수도 있다. 3D 모드에서, 공간 다중화만이 멀티-뷰 이미지의 생성에 이용되기 때문에 더 낮은 공간 해상도의 비용으로 다수의 뷰들이 얻어질 수 있다. 일부 실시예들은, Y-P. Huang, C-W. Chen, T-C. Shen, J-F. Huang, "Autostereoscopic 3D Display with Scanning Multi-Electrode Driven Liquid Crystal (MeD-LC) Lens," 3D Research, Vol. 1, Issue 1, pp 39-42, (2010)에서 논의된 기술들과 같은 기술들을 이용하여, 전기적으로 형성된 렌티큘러 액정 렌즈들을 디스플레이 표면을 통해 스캐닝하는 것을 이용할 수 있다. 그러한 실시예들은 시간 다중화를 허용하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 동작에 동기화된 픽셀들은 단일 스캔 타임프레임 내에서 여러 번 활성화될 수 있고, 수개의 추가 뷰를 생성한다. 일부 실시예들은 하이브리드 시스템들을 이용할 수 있고, 여기서, 빔 스티어링 액정 요소는 강성 중합체 렌티큘러 시트 구조 이전에 또는 이후에 이용된다. 그러한 하이브리드 시스템들의 예들은 WO2012025786 및 Xiangyu Zhang, Hongjuan Wang, Phil Surman, Yuanjin Zheng, "A Novel Spatio-temporal Multiplexing Multi-view 3D Display," IEEE Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR), (2017)에서 논의된 것들을 포함한다. 이러한 하이브리드 시스템들은 픽셀 위치들과 렌티큘러 광학에 의해 결정된 방향들 사이의 추가 각도 뷰 방향들의 생성을 허용할 수 있다. 일부 그러한 실시예들에서, 시간 다중화는 3D 멀티-뷰 디스플레이들에서 공간 다중화와 함께 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정-기반 빔 스티어링 스크린 컴포넌트들은, 예를 들어, X. Xia, X. Zhang, L. Zhang, P. Surman, and Y. Zheng, "Time-multiplexed Multi-view Three-dimensional Display with Projector Array and Steering Screen," Optics Express Vol. 26, Issue 12, pp. 15528-15538, (2018)에서 논의된 기술들을 이용함으로써, 다수의 프로젝터들과 유사한 방식으로 이용될 수 있다.

빔 각도 스티어링에 더하여, 하이브리드 구조들을 갖는 일렉트로웨팅 셀들 및 LC-기반 컴포넌트들 모두는 기계적 이동 없이 빔 초점을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서 구현될 수 있는 일렉트로웨팅 셀들의 예들은 US6369954 및 K. Mishra, H. van den Ende, F. Mugele, "Recent Developments in Optofluidic Lens Technology," Micromachines 7(6):102, (2016)에서 논의된 것을 포함한다. 일부 실시예들에서 구현될 수 있는 하이브리드 구조들의 예들은 US7408601, US9709829, 및 WO2016135434에서 논의된 것을 포함한다.

일부 실시예들에서, 전자 초점 조정은 헤드 장착형 디바이스들에서 이용될 수 있는데, 예를 들어, 여기서 입체 3D 디스플레이 가상 이미지는, 예를 들어, G. Love, D. Hoffman, P. Hands, J. Gao, A. Kirby, and M. Banks, "High-speed switchable lens enables the development of a volumetric stereoscopic display," Opt. Express, 17(18): 15716-15725, (2009)에 논의된 기술들을 이용하여 눈으로부터 상이한 초점 거리들로 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 이미지들은 더 자연스럽게 보이게 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 초점 조정은, 예를 들어, N. Matsuda, A. Fix, D. Lanman, "Focal Surface Displays," ACM Transactions on Graphics 36(4):1-14, (2017)에 기술된 바와 같이 투영된 이미지 초점 표면의 위치 또는 형상을 조정함으로써 고글리스 3D 디스플레이들에서 이용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시예들에서, 초점 조정은 전체 투영된 이미지를 변경하거나 다수의 빔들의 초점을 개별적으로 조정하는 능력을 제공할 수 있다.

일부 실시예들은, 예를 들어, L.G. Commander, S.E. Day, and D.R. Selviah, "Variable focal length microlenses," Optics Communications. 177(1-6), 157-170(2000)에 기술된 것들과 같은 기술들을 이용하여 초점 조정가능 마이크로렌즈들의 어레이를 구현한다. 도 23은, 일부 실시예들에 따른, 가변 초점 길이 마이크로렌즈 어레이 및 그 기능을 도시한다. 예에서, 액정(LC) 층(2302)은 유리 기판(2304)과 마이크로렌즈 어레이(MLA)(2306) 사이에 샌드위치된다. 일부 실시예들에서, 경계 재료 계면들은 액정 층의 능동 조정을 위한 애노드 및 캐소드로서 작용할 수 있는 투명 전도성 ITO(indium tin oxide) 패턴들(2308, 2310)을 갖는다. 예를 들어, 전압이 인가될 때, 전계가 액정 분자들을 회전시키고 재료 굴절률이 하나의 선형 편광 방향으로 변경될 수 있다. 굴절률 변경의 양은, 예를 들어, 0-12V의 범위 내의 저전압들을 이용하는 네마틱 액정 재료들로, 예를 들어, ~0.2 정도일 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 재료의 굴절률(예를 들어, ~1.5)은 마이크로렌즈 어레이 재료의 굴절률에 가깝도록 구성된다. 도 23은 선형 편광된 광만을 투과시키는 편광기 컴포넌트(2312)에 먼저 부딪히는 시준된 광의 3개의 예시적인 빔들을 도시한다. 전압으로 LC 층 굴절률을 조정함으로써, 빔들은, 예를 들어, 초점(빔 2314), 발산(빔 2316), 또는 변하지 않은 채로 남겨질 수 있다(빔 2318). 예를 들어, 액정 굴절률이 마이크로렌즈 어레이 굴절률과 매칭하도록 조정되면, 계면은 사라지고, 빔 시준은 영향을 받지 않을 수 있다. 굴절률이 마이크로렌즈 어레이 굴절률 값 아래 또는 위에 있도록 조정되면, 빔은 굴절될 것이고, 실제 초점(2320) 또는 가상 초점(2322)이 구조의 앞 또는 뒤에 생성될 수 있다.

비-기계적 빔 조정을 이용하는 예시적인 구조 및 기능.

일부 실시예들은 교차 빔들을 갖는 고해상도 3D 이미지들을 생성하는데 이용될 수 있는 광학 시스템의 광학 방법 및 구성을 제공한다. 일부 그러한 실시예들에서, 광은 개별적으로 어드레싱가능한 픽셀들(예를 들어, μLED 매트릭스 또는 OLED 디스플레이)을 포함하는 층 상에 생성된다. 가변 초점 모자이크 렌즈(VFML)는 방출된 광을 수개의 빔들 및 빔 섹션들로 시준하고 분할하기 위해 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, VFML은, 예를 들어, 유리 기판, LC 재료, 및 UV 경화 굴절 또는 회절 구조들을 갖는 중합체 포일을 포함하는 샌드위치 구조를 포함한다. 구조들은 모자이크 패턴으로 배열될 수 있고, 여기서 각각의 피처는 특정 곡률, 경사각, 및 표면 특성들을 갖는다. 모자이크 패턴 내의 수개의 개별 피처들은 클러스터로서 함께 작용하도록 구성될 수 있다. 개별 빔들 및 빔 섹션들은, 예를 들어, LC 층의 양 측면에 패터닝된 투명 애노드 및 캐소드에 구동 전압을 인가함으로써, 구조로부터 상이한 거리들에 포커싱될 수 있다. 공간 광 변조기(SLM)(예를 들어, LCD 패널)는 미광을 선택적으로 차단하는 모자이크 애퍼처 마스크들을 생성하기 위해 VFML의 앞에 위치될 수 있다.

일부 실시예들에서, 광학 시스템은 교차 빔들을 이용하여 복셀들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복셀들은 디스플레이의 표면으로부터 상이한 거리들에 형성될 수 있다. 예를 들어, 복셀들은 디스플레이 표면의 앞에, 뒤에, 및/또는 디스플레이 표면 상에 형성될 수 있다. 생성된 이미지 구역은 구동 전압으로 VFML의 초점 거리를 전자적으로 조정함으로써 연속적일 수 있다. 빔 섹션들은 광학 구조로부터 상이한 거리들에 포커싱되고, 거리에 따라 소스들을 상이한 크기의 스폿들로 이미징할 수 있다. 이 구성은 각각의 모자이크 피처의 유효 초점 길이를 개별적으로 선택하는데 유용할 수 있기 때문에, 기하학적 배율 비율은 또한 더 작은 소스 이미지 스폿들 및 더 양호한 해상도를 달성하기 위해 영향을 받을 수 있다. 눈에서의 복셀 이미지의 형성 및 정확한 망막 초점 큐들의 생성은 단일 소스로부터 유래하는 하나의 빔을 여러 섹션들로 분할함으로써 달성될 수 있다. 정확한 복셀 거리에서 교차하는 다수의(예를 들어, 2개 이상의) 빔들은 2개의 눈으로의 전체 복셀을 생성하고 정확한 눈 수렴 각도들을 유도하는데 이용될 수 있다. 망막 초점 큐들 및 수렴 각도들은 개별적으로 생성된다. 이 구성은 수렴-수용 충돌을 극복하는 것을 도울 수 있다.

가변 초점 모자이크 렌즈(VFML).

일부 실시예들은 후술하는 바와 같이 가변 초점 모자이크 렌즈(VFML)를 구현한다. VFML은 도 23에 도시된 가변 초점 마이크로렌즈 어레이와 다소 유사한 구조 및 기능을 가질 수 있다. 그러나, 도 23에서와 같이 전체 광학 표면들의 정렬된 어레이를 갖는 것이 아니라, VFML은 가변 광학 피처들을 갖는 모자이크 패턴을 가질 수 있다.

VFML의 굴절력은 광학 층으로부터 나온다. 일부 실시예들에서, 광학 층은 모자이크 패턴으로 배열된 UV-경화 굴절 구조들을 갖는 중합체 포일이다. 이들 피처들 각각은 특정 곡률 및 경사각을 갖도록 구성될 수 있다. 도 24는 모자이크 렌즈의 제1 예를 도시하며, 여기서 렌즈는 직사각형 애퍼처를 갖는 연속적인 원형 대칭 렌즈(2402)로부터 형성된 것으로서 개념화될 수 있다. 이 예에서, 더 큰 렌즈(2402)로부터의 4개의 정사각형 섹션들은 하나의 모자이크 타일(2404)로 조합된다. 이 예에서, 섹션들은 수직 및 수평 방향들 모두에서 전체 렌즈 애퍼처의 에지들로부터 선택된다. 이러한 방식으로, 렌즈 섹션들의 파라미터들(예를 들어, 곡률 및 경사각들)는 모자이크 렌즈가 양 방향으로 이미징할 수 있게 하도록 선택된다. 모자이크 렌즈는 별개의 모자이크 타일들로부터 컴파일될 수 있다. 도 24의 예에 도시된 바와 같이, 결과적인 모자이크 렌즈 구조(2406)는 렌즈 섹션들이 원래의 연속 렌즈(2402)에서와 동일한 배열(예를 들어, 서로 동일한 거리)로 위치되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모자이크 타일은 4개보다 많은 피처들로부터 컴파일될 수 있다. 예를 들어, 도 24에 도시된 예에서, 추가의 렌즈 섹션들이, 예를 들어, 도 24에 도시된 애퍼처 위치들 사이의 영역들로부터 선택될 수 있다. 그러한 경우들에서, 4개보다 많은 이미지 빔 섹션들이 하나의 소스로부터 생성될 수 있다. 이 구성은, 예를 들어, 작은 애퍼처 회절 효과들을 최소화하는 것이 바람직한 경우에 유익할 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 다른 분산 렌즈 배열들 중 임의의 것이 가변 초점 모자이크 렌즈 배열에서 광학 피처들로서 이용될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 도 15a에 도시된 바와 같은 분산 렌즈 배열은 가변 초점 모자이크 렌즈 시스템에서 이용될 수 있고, 모자이크 렌즈는 2개의 상이한 렌즈 형상들로부터 형성되고, 모자이크 타일은 인터레이스된다. 예에서, 2개의 상이한 렌즈 형상들은 형상이 정사각형이 아닌 모자이크 타일을 형성하는데 이용되지만, 오히려 중공 플러스-심볼 윤곽(hollow plus-symbol outline)을 갖는 형상의 형태를 취한다. 이들 타일은 2개의 상이한 렌즈 형상들의 굴절력을 조합하는 인터레이스형 모자이크 렌즈 패턴으로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배열은 또한 2개의 상이한 분산 애퍼처 패턴들과 인터레이스된다. 이 구성은, 예를 들어, 상이한 애퍼처 패턴들이 상이한 심도들에서 복셀들을 디스플레이하는데 이용되는 디스플레이 설계에서, 예를 들어, 제1 렌즈 형상이 디스플레이 뒤에 복셀들을 형성하는데 이용되고 제2 렌즈 형상이 디스플레이의 앞에 복셀 표면을 형성하는데 이용되는 경우에 유용할 수 있다. 그러한 실시예들은 3D 이미지를 위한 더 많은 심도 범위를 허용할 수 있거나 또는 대안적으로 LC 재료 굴절률 튜닝이 더 낮은 동적 범위로 설정될 수 있다.

도 25는 일부 실시예들에 따른, 모자이크 렌즈가 2개의 상이한 렌즈 형상들로부터 형성되고, 모자이크 타일들이 추가적인 마이크로렌즈 표면들을 포함하는 모자이크 렌즈 설계의 다른 예를 도시한다. 도 25의 예에서, 모자이크 타일(2557)은 인접 렌즈(2550)로부터의 샘플들로서 개념화될 수 있는 분산 렌즈 부분들(2552) 및 인접 렌즈(2554)로부터의 샘플들로서 개념화될 수 있는 분산 렌즈 부분들(2556)을 포함한다.

분산 렌즈들에 부가하여, 모자이크 타일(2557)은, 예를 들어, 수직 렌티큘러 구조를 이용하여 수평 방향으로 광을 확산시키는 동작을 하는 영역들(2558a,b)을 포함한다. 영역들(2558a,b)은, 예를 들어, FOV를 증가시키거나 빔 발산을 변경함으로써 수평으로 투영된 이미지들에 대한 특정의 배율 인자로 각도 해상도를 변경하는데 이용될 수 있다. 모자이크 타일(2557)은 또한, 예를 들어, 수평 렌티큘러 구조를 이용하여 수직 방향으로 광을 확산시키는 동작을 하는 영역들(2560a,b)을 포함한다. 이들 확산 영역들은 디스플레이 기능을 스위칭하기 위해 함께 구현될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 모바일 디스플레이가 회전되고 픽처 모드가 가로 모드와 세로 모드 사이에서 변경되는 시나리오들에서 특히 유용할 수 있다. 모자이크 타일(2557)에서의 영역(2562)은 수직 및 수평 방향들 둘 다로 광을 확산시키는 동작을 할 수 있다. 영역(2562)은, 예를 들어, 수직 및 수평 방향들 둘 다로 광을 효과적으로 확산시키는 작은 곡률의 마이크로렌즈 어레이일 수 있다. 그러한 표면 형상은 디스플레이 표면 상에 위치된 복셀들을 형성하기 위해 구현될 수 있고, 두 눈들에 동시에 보이도록 큰 FOV를 제공할 수 있다. 모자이크 렌즈 설계에서 이들 피처들을 보다 조밀하게 채우는 것은, 예를 들어, 2D 이미지들을 디스플레이하기 위해 디스플레이 표면에서 보다 높은 이미지 픽셀 해상도를 달성하는 것을 도울 수 있다.

모자이크 타일들(2557)은 2558에 도시된 것과 같은 주기적 어레이로 배열될 수 있다.

도 26은 일부 실시예들에 따른, 예시적인 가변 초점 모자이크 렌즈(VFML)의 광학 구조 및 기능을 도시한다. 예에서, 편광기(2600)가 제공되고, 액정(LC) 재료(2602)의 층이 얇은 유리 기판(2604)과 모자이크 렌즈 시트(2606) 사이에 샌드위치된다. LC 재료의 굴절률은 모자이크 렌즈 재료의 굴절률에 맞춰질 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, ~1.5의 굴절률을 갖는 네마틱 액정들이, 예를 들어, 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate)(PMMA) 광학 중합체 재료의 굴절률(1.49)에 근접하도록 이용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 굴절률은 국부적으로 변조될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 개별 광학 모자이크 피처들에 걸쳐 재료 굴절률의 국부적 변조를 지원하기 위해 미세 패턴으로 LC 재료의 양 측면 상의 층들 상에 코팅된 투명 ITO 전극(2608, 2610)을 구현한다. 이들 패턴은, 예를 들어, 불균일한 LC 재료 두께에 걸쳐 적절한 방식으로 재료 굴절률을 수정하는 불균일한 전기장들을 생성하는 비대칭 정공-패터닝된 전극들(asymmetric hole-patterned electrodes)일 수도 있다. 전극들은, 예를 들어, 광학 형상들의 최상부 상에 패터닝되거나, 광학 형상 제조에 이용된 얇은 기판 층(예를 들어, 중합체 포일)의 평탄한 측 상에 개별적으로 도포될 수도 있다. 전극들 및 광학 형상들은, 예를 들어, 롤-투-롤 처리를 이용하여 제조될 수 있는데, 이는 큰 표면 영역들 및 높은 체적에서 낮은 비용에 도달하는데 도움이 될 수 있다.

일부 실시예들에서, VFML 컴포넌트 및 편광기는 소스들을 가변 초점 거리들로 이미징하기 위해 함께 이용된다. 도 26에 도시된 예에서, 광 소스(2612)는 렌즈 구조의 앞에 위치된 초점 포인트(2614) 내로 이미징되는 반면, 광 소스(2616)는 VFML 뒤에 가상 이미지(2618)를 갖는다. 이는, 예를 들어, 그 특정 포인트들을 이미징하는 것을 담당하는 모자이크 피처 쌍들의 최상부 상의 전극들에 상이한 구동 전압들을 인가함으로써 수행될 수 있다. LC 굴절률이 모자이크 렌즈의 굴절률보다 낮도록 튜닝되는 경우, 피처는 빔 섹션들을 포커싱 빔으로 굴절시킨다. 다른 한편으로, LC 굴절률이 렌즈 재료의 굴절률보다 높도록 튜닝되는 경우, 빔 섹션들은 발산하기 시작하고, 그들의 가상 확장들은 VFML 뒤에 가상 초점 포인트를 형성한다. 도 26에 제시된 예는 또한 이미징에 이용되는 2개의 애퍼처들이 일부 실시예들에서 중첩하도록 구성될 수 있다는 것을 도시한다. 이 구성은 회절 효과들을 완화시킴으로써 큰 애퍼처 렌즈 컴포넌트들을 이용하지 않고 더 작은 초점 포인트 크기들을 제공하는데 특히 유용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 광학 모자이크 피처들은, 예를 들어, 롤-투-롤 프로세스에서 UV-경화가능 재료로 만들어진 광학 형상들을 갖는 폴리카보네이트 시트로서 또는 엠보싱된 회절 구조들을 갖는 포일로서 제조될 수 있다. VFML의 가변 초점 특성은 LC 층과 모자이크 렌즈 사이의 조정가능한 굴절률 차이의 구현을 수반할 수 있기 때문에, 광학 피처들이 기하학적 형상들을 갖는 것이 유용할 수 있다. 개별 서브-피처 크기들 및 패턴 충전-인자들은 시스템에 도입된 미광을 감소시킴으로써 달성가능한 해상도 및 예를 들어 이미지 콘트라스트의 양에 영향을 미칠 수 있다.

각각의 VFML 모자이크 렌즈 피처는 그것의 굴절률, 표면 형상, 및/또는 표면 특성과 같은 파라미터들에 따라 상이한 광학 특성들을 가질 수 있다. 모자이크 타일들은 반복 피처 상에 상이한 패턴들을 갖는 상이한 표면 영역들을 채우도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서 구현되는 예시적인 표면 형상들은 단순한 평탄한 경사진 패싯들(프리즘들), 상이한 축들을 따라 상이한 곡률들을 갖는 연속적인 만곡된 표면들, 및/또는 광학적으로 거친 표면들을 갖는 확산 직사각형들을 포함한다. 확산 표면들의 경우에, 확산 표면은 LC 층의 굴절률을 모자이크 렌즈 재료의 굴절률과 동일한 값으로 튜닝함으로써 광학적으로 사라지도록 구성될 수 있다. 그러한 피처는, 예를 들어, 3D 디스플레이 표면 상에 위치된 픽셀들 또는 복셀들을 스위치 온 및 오프하는데 이용될 수 있다. 또한, LC 재료가 고도로 복굴절성일 수 있기 때문에, 그것은 2개의 직교 방향들로 층의 확산 특성들을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 3D 디스플레이가 회전되고, 튜닝될 수 있는 하나의 방향으로 투영된 라이트 필드를 확산시키려는 요구가 있는 시나리오들에서 유용한 특징일 수 있다. 디스플레이로부터 더 멀리 떨어진 소스 이미지들은 이전에 논의된 바와 같이 더 짧은 거리들에서 소스 이미지들보다 더 클 수 있다. 그러나, 각각의 모자이크 피처에 대한 유효 초점 길이가 개별적으로 선택될 수 있기 때문에, 더 작은 소스 이미지 스폿들을 달성하고 해상도를 개선하기 위해 기하학적 배율 비율이 또한 영향을 받을 수 있다.

모자이크 렌즈 피처들은 다양한 어레이 패턴들에 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 피처들은 (예를 들어, 도 24에 제시된 바와 같이) 행들 및 열들이 직선 수평 및 수직 라인들에 있는 간단한 직사각형 매트릭스를 형성한다. 이 매트릭스 패턴은, 예를 들어, 생성된 소스 이미지들이 또한 직사각형 매트릭스로 배열될 수 있기 때문에 3D 디스플레이에 의한 더 용이한 렌더링 계산들을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서 구현되는 다른 예시적인 어레이 패턴은 이웃하는 열들 사이에 수직 오프셋이 있는 배열을 포함한다. 이 패턴은, 예를 들어, 수평 교차 빔들만이 생성되는 시나리오에서 유효 해상도를 증가시키는데 유용할 수 있다. 그러한 경우들에서, 반복하는 모자이크 타일은 오프셋을 고려하는 방식으로 구성될 수 있다.

일부 실시예들에서, VFML은 다수의 상이한 피처들을 이용할 수 있다. 그러나, 소스로부터 방출된 굴절력이 다수의 피처들에 걸쳐 확산되기 때문에 단일 소스 이미지를 생성하는데 이용되는 피처들의 수가 이미지 밝기에 영향을 미칠 수 있다는 것을 고려하는 것이 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 더 많은 수의 고유한 피처들은 이미징 클러스터로서 함께 작용하는 피처들에 대한 더 적은 공간을 초래할 수 있다. 그러한 시나리오들에서, 소스 광의 더 많은 비율이 미광에 낭비될 수 있다. 따라서, VFML에 이용되는 고유한 피처의 수를 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 더 적은 수의 고유한 피처들은 또한, 모자이크 렌즈 시트의 제조 프로세스의 복잡성을 감소시키고 잠재적으로 비용을 낮추는데 바람직할 수 있다.

3D 디스플레이 광학 구조 및 기능.

일부 실시예들에서, 교차 빔들에 기초한 고해상도 3D 디스플레이는 디스플레이 영역을 VFML 구조들로 덮음으로써 생성된다. 도 27은 일부 실시예들에 따른, 3D 디스플레이의 광학 구조 및 기능을 도시한다. 예에서, 광은 픽셀들(2712 및 2716)과 같은 개별적으로 어드레싱가능한 픽셀들을 포함하는 층(2701) 상에서 생성된다. 편광 컴포넌트(2700)는 광을 선형 편광시킨다. 가변 초점 모자이크 렌즈(2706)는 방출된 광을 시준하여, 전극 층들(2710, 2708)을 이용하여 액정 층(2702)에 인가되는 전압에 따라 디스플레이로부터 상이한 거리들에 있는 위치들(예를 들어, 2714, 2718)에 포커싱하는 빔 섹션들로 분할한다. 모자이크 층에서의 복수의 개별 피처들은 클러스터로서 함께 작용한다. 공간 광 변조기(SLM)(2720) 및 제2 편광기 시트(2722)는 모자이크 층의 앞에 위치하여, 3D 이미지 형성에 이용되는 대응하는 빔 섹션들을 선택적으로 차단하거나 통과시키는데 이용될 수 있다.

일부 실시예들은 발광 층(LEL)을 포함한다. 일부 실시예들에서 구현된 발광 층들의 예들은 μLED 매트릭스들, OLED 디스플레이들, 및 백라이트 LCD 디스플레이들을 포함한다. 편광기 시트는 광을 선형 편광시키기 위해 방출기들 앞에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광기는, 예를 들어, 구조를 더 콤팩트하고/하거나 강건하게 만들기 위해 VFML의 유리 기판에 포일로서 적층된다. 대부분의 소스들(예를 들어, μLED들)은 광을 상당히 큰 애퍼처수(NA)로 방출하기 때문에, 모자이크 렌즈에서의 여러 개별 광학 피처들은 단일 방출기로부터의 광을 시준하여 광 소스 이미지들을 형성하는 여러 빔 섹션들로 포커싱하는 클러스터로서 함께 작용하도록 구성될 수 있다. 단일 광 소스 이미지의 형성에 이용될 피처들의 수는 소스 NA, LEL과 VFML 사이의 거리, 및/또는 모자이크 피처 설계와 같은 파라미터들에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들은 한 방향으로 기울어진 원통형 굴절 피처들과 같은 1차원 광학 구조들을 구현한다. 예를 들어, 수평 뷰들만이 필요한 경우, 1차원 광학 구조들이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 바이코닉(biconic) 마이크로렌즈들과 같은 2차원 광학 구조들이 구현된다. 예를 들어, 2개의(예를 들어, 수평 및 수직) 방향들로 뷰들을 생성하는 것이 요구되는 경우, 2차원 광학 구조들이 바람직할 수 있다.

도 27의 예에 도시된 바와 같이, VFML은 단일 소스들을 디스플레이로부터 특정 거리로 이미징한다. 이 거리는, 예를 들어, 가변 초점 렌즈의 구동 전압을 이용함으로써 조정될 수 있다. 예에서, 소스(2712)는 소스(2716)의 이미지를 갖는 위치(2718)보다 디스플레이에 더 가까운 위치(2714)로 이미징된다. 애퍼처들이 중첩하기 때문에, 복셀 형성 이미지들 사이의 피치는 이미징 애퍼처 크기보다 작을 수 있다. 모자이크 렌즈 피처들의 설계는 복셀들이 생성될 수 있는 일반적인 이미지 구역 위치에 영향을 미칠 수 있다. 이미지 구역들은 디스플레이 디바이스의 앞, 뒤 또는 양 측에 있을 수 있다. LC 재료 굴절률의 튜닝 범위는 얼마나 많은 초점 범위 및 이미지 구역 심도가 구조에 의해 달성될 수 있는지에 영향을 미칠 수 있다. 이미지 구역 자체는 빔 초점 거리들이 초점 범위 내에서 자유롭게 조정될 수 있기 때문에 연속적이 될 수 있다.

하나보다 많은 발광 요소가 모자이크 피처들의 클러스터와 동시에 이용될 때, 소스 이미지들은 디스플레이 법선으로부터 상이한 방향들로 투영된다. 소스가 피처 클러스터의 공통 광학 축으로부터 더 멀리 떨어져 있을수록, 빔의 각도가 더 크다. 도 28은 일부 실시예들에 따른, 3개의 소스들을 디스플레이 디바이스로부터 동일한 거리로 이미징하기 위한 공통 모자이크 피처 클러스터의 이용을 도시한다. 도 28에 도시된 디스플레이는 도 27의 디스플레이와 동일하다. 도 28의 예는 동일한 특정 모자이크 피처들에 입사하는 빔 섹션들이 SLM 및 제2 편광기 조합을 통과하도록 허용될 때 광 소스들(2711, 2712, 2713)이 디스플레이로부터 동일한 거리로 어떻게 이미징되는지를 도시한다. SLM(2720)의 부분들은 미광의 투과를 방지하기 위해 불투명하게 된다(실선으로 흑색으로 도시됨)(도면을 과도하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 미광은 도시되지 않음).

이미징 피처 클러스터의 공통 광학 축 상에 위치된 소스(2712)는 광학 축 방향으로 소스 이미지(2714)를 형성하는 2개의 빔 섹션들을 생성한다. 소스(2711) 및 소스(2713)는 동일한 거리에, 그러나 중심 소스의 대향 측면들 상에 위치된다. 소스들(2711 및 2713)의 빔 섹션들은 광학 축의 양 측들에 이미지들을 투영한다. 소스(2711)는 2715에서 이미징되고 소스(2713)는 2717에서 이미징된다. 이들 2개의 소스가 광학 시스템에 대해 허용된 한계에 위치되면, 이들은 디스플레이의 시야(FOV)를 정의한다. 발광 층이 연속적으로 될 수 있기 때문에 그리고 이미징 피처 애퍼처들이 디스플레이 표면 상에 중첩하도록 구성될 수 있기 때문에, 시스템의 FOV는 매우 클 수 있다. 큰 FOV는, 예를 들어, 다중 사용자 설계들에 대해 및/또는 뷰어 움직임을 수용하기 위한 큰 허용오차들에 대해 바람직할 수 있다.

일부 실시예들에서, 광학 시스템은 교차 빔들을 갖는 복셀들을 형성하는데 이용된다. 복셀들은 디스플레이의 앞 및 뒤 둘 다 뿐만 아니라 디스플레이 표면 상에서 상이한 거리들에 위치될 수 있다. 도 9b는 일부 실시예들에 따른, 복셀의 형성을 도시한다. 예에서, 복셀은 특정 초점 거리에서 디스플레이의 앞에 생성된다. 복셀은 3D 디스플레이 내부의 소스들(960 및 961)로부터 유래하는 2개의 빔들로부터 생성된다. 각각의 빔은 복셀 위치에서 또한 교차하는 2개의 빔 섹션들로 구성된다. 2개의 빔 섹션들은 정확한 눈 망막 초점 큐들에 대한 단일 빔 초점을 생성하는데 이용되는 반면, 2개의 결합된 빔들은 뷰어 눈 쌍의 더 큰 FOV를 커버하는데 이용된다. 이러한 방식으로, 시각 시스템에는 입체 효과를 생성하기 위한 정확한 눈 수렴이 제공될 수 있다. 광학 구조에 관하여, 단일-눈 망막 초점 큐들을 제공하는 더 작은 광 방출 각도들의 생성은 적절한 눈 수렴을 제공하는 더 큰 방출 각도들의 생성과 별도로 제어된다.

소스 이미지당 2개의 빔 섹션들은 단일 눈에 대한 정확한 초점 큐들을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 빔 섹션들의 수는, 예를 들어, 수직 및 수평 방향들 모두에서 빔 섹션들을 생성하기 위해 더 클 수 있다. 도 24에 제시된 모자이크 렌즈 패턴은 빔을 2개의 빔 섹션 쌍들, 즉, 수직 방향에 대해 하나 및 수평 방향에 대해 하나를 형성하는 4개의 섹션들로 분할하기 위해 이용될 수 있는 구조의 일 예이다. 단일 빔 섹션들은 디스플레이 표면 상의 다수의 위치들로부터 시작하기 때문에, 기하학적 배율이 소스 이미지를 더 크게 만들더라도, 모자이크 렌즈 애퍼처 크기보다 작은 초점 포인트를 형성하는 것이 가능하다. 그 결과, 단일 눈이 디스플레이에 포커싱할 때, 단일 눈이 빔 섹션들이 교차하는 초점 포인트에 포커싱할 때보다 더 넓은 스폿을 본다. 따라서, 대응하는 망막 초점 큐가 2개의 개별 소스 빔들로 생성된 눈 수렴 각도와 일치하면, 복셀은 VAC 없이 인식된다.

일부 실시예들은 공간 광 변조기(SLM)를 포함한다. 공간 광 변조기는 모자이크 렌즈의 앞에 배치될 수 있고, 투영된 빔들의 부분들을 선택적으로 차단 또는 통과시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, LCD 패널은 SLM으로서 이용된다. SLM은 원하지 않는 미광이 뷰어 눈 동공들에 들어가는 것을 차단하도록 동작할 수 있다. 미광은, 예를 들어, 잘못된 배향 및/또는 굴절력을 갖는 VFML 모자이크 피처들에서 생성될 수 있다. 이러한 피처들은, 예를 들어, 원하지 않는 광을 흡수하는 편광기와 LCD 패널의 조합으로 효과적으로 마스킹될 수 있다. LCD 및 편광기가 SLM으로서 이용되는 일부 실시예들에서, 픽셀들을 VFML 구동 제어들에 동기화시키는 것이 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 선형 편광된 광은 각각의 컴포넌트에 의해 트위스트될 수 있지만, 편광된 광이 제2 편광기에서의 적절한 흡수를 위한 특정 배향을 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 동기화는 반복 디스플레이 구조에 대한 각각의 고유한 복셀 xyz-위치에 대한 양 컴포넌트들에 대한 구동 파라미터 값들을 열거하는 룩업 테이블을 이용함으로써 달성된다. 제2 편광기의 위치는 또한 예를 들어, 모자이크 렌즈 애퍼처들로부터 유래하는 다른 미광 전파 경로들을 억제하는데 유익하다. 이러한 미광 반사들 및 굴절들은 랜덤하게 편광되는 경향이 있고, 제2 편광기는 특정 편광 상태를 갖는 광을 투과시키도록 설계되기 때문에, 미광은 이미지를 위한 빔들이 통과하는 동안 감쇠될 수 있다.

SLM 픽셀 크기가 모자이크 피처 크기보다 더 작거나 동일한 크기 범위에 있는 것이 바람직할 수 있다. 픽셀들이 피처들보다 훨씬 더 작으면, SLM에 대한 모자이크 층의 정확한 정렬에 대한 필요성이 더 적을 수 있다. 그러나, 픽셀들이 동일한 크기이면, 정확한 정렬이 바람직할 수 있다. 픽셀들은, 예를 들어, 규칙적인 직사각형 패턴으로 또는 모자이크 층의 광학 피처들에 맞도록 맞춤화된 패턴으로 배열될 수 있다. 픽셀들은 또한, LEL로부터 방출된 광이, 예를 들어, 인광체 오버코팅된 청색 μLED 매트릭스의 경우에서와 같이 백색이면 컬러 생성을 위한 컬러 필터들을 포함할 수 있다. LEL이 컬러 픽셀들(예를 들어, 별개의 적색, 녹색 및 청색 μLED들)을 포함하면, SLM은 빔들의 강도 조정을 위해 이용될 수 있다. 도 29a 및 도 29b는 일부 실시예들에 따른, 공간 광 변조기(SLM)의 2개의 예시적인 컬러 필터 배열들을 도시한다. 도 29a는 SLM 상의 컬러 필터 배열의 제1 예를 도시하고, 여기서 픽셀 매트릭스는 직사각형 인터레이스된 패턴으로 배열된 적색, 녹색 및 청색에 대한 컬러 필터들을 포함한다. 어레이는 또한, 예를 들어, 백색 픽셀들이 더 높은 휘도를 갖는 일부 이미지 영역들을 강조할 수 있는 높은 동적 범위(HDR) 이미지들에 대해 이용될 수 있는 백색 픽셀을 갖는다. 도 29b는 어레이가 대역 구조들로 배열된 3개의 컬러 필터들을 갖는 제2 예시적인 컬러 필터 배열을 도시한다.

일부 실시예들은 VFML의 앞에 공간 광 변조기를 이용하지 않고 3D 필드 디스플레이를 제공하기 위해 눈 추적 모듈을 구현한다. 도 30은 일부 실시예들에 따른, 눈 추적 모듈(3002)을 갖는 3D 디스플레이를 도시한다. 눈 추적 모듈은 뷰어의 눈 동공들 주위에 아이 박스들을 위치시키도록 동작할 수 있다. 발광 컴포넌트들과 VFML 제어 신호들을 동기화함으로써, 의도된 빔들은 이러한 아이 박스들로 지향될 수 있다. 한 사용자를 위한 선명한 이미지는 이미지 복셀을 형성하고 눈 동공들에 부딪히는 그 광선들만을 (한 시점에서) 렌더링함으로써 생성될 수 있다. 미광(3004)과 같은, 사용자의 동공들에 도달하지 않을 미광은 3D 이미지의 렌더링에서 무시될 수 있고 SLM에 의해 차단될 필요가 없다. 소스들로부터 방출된 미광들은 빔들을 포커싱할 뿐만 아니라, 굴절률 튜닝을 통해 축외(off-axis) 빔들의 방향을 기울이기 위해 VFML을 이용함으로써 동공들로부터 멀리 지향될 수 있다. 이 구성은 빔들을 형성하는 복셀에 더하여 금지된 광선 방향 구역들을 다루기 위해 렌더링 알고리즘들을 요구할 수 있지만, SLM 없이 동작하도록 구성될 수 있다. SLM을 떠남으로써, 시스템은 SLM과 연관된 동기화 및 구동 전자기기들을 더 이상 요구하지 않을 수 있다. 이 구성의 이점들은 제2 편광기 층의 결여로 인해 더 얇은 디스플레이, 더 낮은 비용, 및 더 밝은 이미지들을 포함할 수 있다. 이 경우에, LEL은 컬러 이미지가 요구되면 컬러 방출기들을 갖는 것을 요구할 수 있다.

모바일 전화들은 SLM이 없는 디스플레이 구조 변동이 이용될 수 있는 하나의 응용 예이다. 현재 전화들은 눈 추적을 수행할 수 있는 전방 카메라들을 이미 갖고, 그들의 계산 능력은 렌더링 작업에 적절하고, 그들은 단일 사람에 의해 가장 자주 이용된다. 모바일 전화들은 전형적으로 이러한 특정 디스플레이 구조 변동에 잘 맞는 높은 공간 해상도를 갖는 얇은 디스플레이 구조들을 요구한다. 미광이 아이 박스들 밖에서 보일 수 있기 때문에, 이미지는 뷰어의 동공들에만 보일 수 있고, 일부 실시예들에서, 광학 구조는 효과적인 프라이버시 필터로서 이용될 수 있다.

3D 디스플레이 특성들.

일부 실시예들에서, 3D 디스플레이 시스템은 공간 및 시간 다중화의 조합을 이용한다. 그러한 실시예들에서, VFML 및 SLM이 플리커 없는 이미지에 대해 적절한 리프레시 레이트들을 갖는 것이 바람직하다. SLM, VFML 및 발광 층은 이미지가 렌더링될 때 일제히 작용하도록 동기화될 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM은, 예를 들어, 단일 소스 또는 소스들의 그룹이 활성화될 때 디스플레이 표면에 걸쳐 스위핑되는 애퍼처 패턴을 갖는 적응적 미광 마스크로서 이용될 수 있다. 이러한 패턴들 중 몇몇은 LEL의 상이한 부분들에서 동시에 소스 클러스터들을 동시에 마스킹하는데 이용될 수 있다. VFML의 리프레시 주파수는 SLM과 동일한 리프레시 주파수를 갖도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, VFML은 단일 SLM 마스크 구성 동안 몇몇 초점 심도 복셀들을 제공하기 위해 SLM의 리프레시 레이트보다 더 빠르게 초점 거리들을 스위칭하도록 구성된다. 발광 컴포넌트들(예를 들어, μLED들)의 전형적으로 더 빠른 리프레시 레이트들은 광 소스들이 SLM(예를 들어, 60Hz 리프레시 레이트를 갖는 SLM)의 리프레시 기간 내에서 여러 번 활성화될 수 있도록 유리하게 이용될 수 있다. 눈 추적을 이용하는 실시예들에서, 더 낮은 업데이트 속도들이 더 실현가능할 수 있는데, 그 이유는 이미지들이 전체 디스플레이 FOV 대신에 일부 지정된 아이박스 영역들에 렌더링될 수 있기 때문이다.

VFML 및 SLM 둘 다는 컴포넌트 제어 값들의 테이블에 의해 구동될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 분산된 VFML 모자이크 피처들의 하나의 세트가 복셀 형성을 위해 이용될 때마다, 연관된 애퍼처들은 SLM 층에서 개방된다. SLM 제어들을 일정하게 유지하면서 VFML 구동 전압을 변경함으로써 초점 거리들의 시간적 스위핑 동안 동일한 VFML 피처들 및 SLM 애퍼처들을 이용하는 것이 또한 가능하다. 구동 신호 값들의 단일 룩업 테이블이 또한 발광 층 제어들로 확장될 수 있는데, 그 이유는 소스 선택이 정확한 빔 방향들을 생성하기 위해 이용될 수 있기 때문이고, 이 경우에 미리 결정된 세트의 개별 복셀 위치들이 활성 층들 모두를 동시에 제어하기 위해 결정될 수 있다. 이 접근법은 렌더링 프로세스들을 가속화하는 것을 도울 수 있다. 전체적으로, 3개의 활성 층들의 이용은 전체 디스플레이 시스템 하드웨어를 많은 상이한 렌더링 접근법들에 대해 매우 유연하게 만든다.

전체 연속적인 광학 구조가 다중 빔 섹션들의 생성을 위해 이용될 수 있기 때문에, 일부 실시예들에서, 디스플레이 픽셀 구조들은 명확하게 정의되지 않을 수 있다. 광학 모자이크 층 상에서, 동일한 패턴이 전체 디스플레이 표면에 걸쳐 반복될 수 있다. 이것은 수평 또는 수직 방향들에서 모자이크 층과 발광 층을 정확하게 정렬할 필요가 적게 한다. 심도 방향은 디스플레이 표면 외부의 초점 표면들의 위치에 영향을 미치기 때문에 정렬에 더 중요할 수 있다. 그러나, 복셀 초점 위치들이 VFML로 조정될 수 있기 때문에, 심도 허용오차는 여전히 상당히 완화될 수 있다. 이 구성의 이점들은 제조 프로세스에서의 비용 절감 및 예를 들어, 상이한 온도들에 대한 상이한 구동 파라미터들로 VFML을 교정하는 것에 의한 온도 변화들과 같은 환경 인자들에 대한 강건성을 포함할 수 있다. 이 후자의 특징은 다양한 환경들에서 이용되는 모바일 디바이스들에 특히 유용할 수 있다.

생성된 빔들은 모자이크 층 후에 상이한 방향들로 전파된다. LEL과 VFML 사이의 거리는 일부 실시예들에서 애퍼처 확장기로서 이용될 수 있다. 특정 광학 성능을 달성하는 것은 적용가능한 거리가 주기적 층 피처 크기/피치 및 개별 모자이크 피처들의 크기들에 매칭되는 것을 요구할 수 있다. 단일 빔 출사 애퍼처는 소스의 포커싱된 이미지가 기하학적 배율 인자를 고려하면서 더 작도록 하는 방식으로 확장될 수 있다. 큰 분산 애퍼처는 또한 단일 작은 애퍼처들과 연관된 회절 효과들을 감소시킬 수 있다. 이는 눈 해상도가 더 높아지고 기하학적 배율이 복셀 크기들을 더 크게 하기 때문에 뷰어에 더 가깝게 생성된 복셀 층들에 대해 특히 중요할 수 있다. 너무 많은 회절 블러 없이 정확한 망막 초점 큐들을 생성하기 위해 모든 빔 섹션들이 복셀 위치에서 교차하고 뷰어의 단일 눈 동공에 도달하는 것이 바람직할 수 있다.

3D 디스플레이를 구현 시에 고려될 하나의 인자는 광학 재료들이 상이한 파장들을 갖는 광을 상이한 각도들(컬러 분산)로 굴절시킨다는 사실이다. 3개의 컬러 픽셀들(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)이 이용되는 경우, 상이한 컬러 빔들은 굴절 피처들로부터 다소 상이한 방향들 및 거리들로 경사지고 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 컬러 분산은, 예를 들어, 회절 피처들이 컬러 보정을 위해 이용되는 하이브리드 층을 이용함으로써 광학 구조 자체에서 보상될 수 있다. 컬러 서브-픽셀들이 발광 층 상에서 공간적으로 분리될 수 있기 때문에, 컬러 빔 투영 각도들에 대한 일부 작은 각도 차이들이 존재할 수 있다. 소스 컴포넌트들의 투영된 이미지들이 초점 포인트들 상에서 충분히 작게 유지되는 경우, 3개의 컬러 픽셀들은 서로의 옆에 이미징되고, 컬러 서브-픽셀들이 공간적으로 분리되는 현재의 정규 2D 스크린들에서 보이는 것과 유사한 방식으로 눈에 의해 풀 컬러 복셀들로 결합될 것이다. 3D 디스플레이의 컬러 서브-픽셀 이미지들은 고도로 지향성일 수 있고, 3개의 상이한 컬러 빔들 모두가 동공을 통해 눈에 들어가는 것을 보증하는 것이 유용할 수 있다.

발광 요소들의 물리적 크기 및 디스플레이 광학계의 총 배율은 각각의 3D 이미지의 가상 초점 위치에 대한 달성가능한 공간 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 발광 픽셀들이 디스플레이 디바이스로부터 더 멀리 떨어져 위치하는 표면에 포커싱될 때, 기하학적 배율은 초점 표면이 디스플레이에 더 가깝게 위치하는 경우보다 픽셀 이미지들을 더 크게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모자이크 렌즈를 이용하는 것은 디스플레이 표면에서 광학계의 애퍼처 크기 및 소스 이미지들을 너무 크게 하지 않고 초점 길이를 증가시키는데 도움이 된다. 일부 실시예들은 디스플레이 표면에서뿐만 아니라 디스플레이 외부의 초점 표면들에서도 비교적 고해상도 3D 이미지 층들을 달성하도록 동작한다.

회절은 또한, 예를 들어, 광 방출기 및 광학 애퍼처 크기들이 매우 작은 경우에, 달성가능한 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 디스플레이 및 렌더링 방식으로 달성가능한 심도 범위는 각각의 광학 피처로부터 오는 빔 시준의 품질에 의해 영향을 받을 수 있다. 시준 품질을 결정할 수 있는 파라미터들은 발광 픽셀들의 크기들, 모자이크 피처 애퍼처의 크기, 및 유효 초점 길이를 포함한다. 모자이크 렌즈의 앞의 작은 SLM 애퍼처들은 또한, 예를 들어, 모바일 디바이스들의 경우에서와 같이 픽셀 크기가 작은 경우에 회절을 야기할 수 있다. 그러나, 애퍼처 크기의 선택은 복셀 거리가 더 클 때 더 큰 분산 애퍼처들(또는 애퍼처 클러스터 거리들) 및 더 많은 모자이크 피처들이 이용되는 방식으로 이루어질 수 있고, 더 양호한 해상도를 달성하기 위해 회절 효과들을 최소화하는 것이 특히 바람직하다.

LEL 상의 연속적인 방출기 매트릭스는 매우 넓은 FOV들을 허용할 수 있다. 기하학적 이미징에 이용되는 초점 길이가 모자이크 층에 의해 별개로 영향을 받을 수 있기 때문에, 고해상도 및 큰 뷰잉 구역이 동시에 달성될 수 있다.

광 소스들 앞의 모자이크 렌즈는 OLED들 및 μLED들과 같은 컴포넌트들에 대해 전형적인 넓은 광 방출 패턴들을 더 잘 이용하는 것을 가능하게 한다. 렌즈가 연속적이기 때문에, 소스 층이 방출기들의 연속적인 매트릭스를 가지면 모자이크 타일들을 특정 소스들에 정렬할 필요가 없을 수 있다. 그러나, 전형적인 램버시안 방출 패턴은 표면 법선 방향으로부터 더 큰 각도들에 대해 광 강도 강하를 만들기 때문에, 빔 각도에 대해 빔 강도들을 교정하는 것이 도움이 될 수 있다. 이러한 교정 또는 강도 조정은, 예를 들어, 공간 광 변조기 송신들을 그에 따라 선택함으로써 또는 전류 또는 펄스 폭 변조로 소스의 광 방출을 조정함으로써 이루어질 수 있다.

3D 디스플레이 렌더링 방식들.

몇가지 상이한 종류의 렌더링 방식들이 본 명세서에 설명된 디스플레이 구조들 및 광학 방법들과 함께 이용될 수 있다. 선택된 렌더링 방식에 따라, 디스플레이 디바이스는 다수의 뷰들 및 초점 표면들을 갖는 3D 디스플레이 또는 정규 2D 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 2D 디스플레이 모드는 3D 이미지들을 생성하는데 이용되는 동일한 하드웨어를 이용하여 동일한 이미지를 모든 가능한 방향들로 동시에 디스플레이함으로써 활성화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2D 기능은, 앞서 논의된 바와 같이, 스위칭가능한 확산 표면들을 이용함으로써 모자이크 렌즈에 의해 지원된다.

일부 실시예들에서, 3D 렌더링 방식은 다수의 뷰잉 방향들에 부가하여 물리적 디스플레이 표면의 앞 또는 뒤에 있는 뷰어(들)의 앞에 몇개의 초점 포인트들 또는 초점 표면들을 생성한다. 각각의 3D 물체 포인트 또는 복셀에 대해 적어도 2개의 투영된 빔을 생성하는 것이 유용할 수 있다. 적어도 2개의 빔을 이용하는 이유는, (i) 디스플레이 내부의 단일 서브-픽셀이 임의의 주어진 시간에 한쪽 눈에만 보이게 하는 FOV를 가져야만 하는 것, 및 (ii) 생성된 복셀이 입체 뷰를 생성하기 위해 양쪽 눈을 동시에 커버하는 FOV를 가져야만 하는 것을 포함할 수 있다. 복셀 FOV는 하나보다 많은 빔이 동시에 이용될 때 개개의 빔 FOV들의 합으로서 생성될 수 있다. 디스플레이와 관찰자 사이에 있는 모든 복셀들에 대해, 수렴 빔들이 정확한 복셀 거리에서 디스플레이의 앞에서 교차하는 것이 도움이 될 수 있다. 유사한 방식으로, 디스플레이보다 관찰자로부터 더 먼 거리에 위치된 복셀들이 디스플레이 뒤에서 가상적으로 교차하는 빔 쌍을 갖는 것이 도움이 될 수 있다. (적어도) 2개의 빔들의 교차는 디스플레이 표면에 제한되지 않는 초점 포인트(또는 표면)을 생성하는데 도움을 준다. 빔들의 교차는 또한 입체 3D 이미지 인식에 필요한 눈 수렴을 개시할 수 있다. 개별 빔 초점을 이들이 교차하는 동일한 스폿에 가지는 것이 유용할 수 있다. 모자이크 렌즈의 이용은 보다 많은 자연적인 망막 초점 큐들이 생성될 수 있도록 빔 섹션들로 원하는 단일 빔 초점들을 생성하는데 도움을 줄 수 있다.

3D 디스플레이 상에 심도들의 연속적인 범위를 렌더링하는 것은 과중한 계산을 수반할 수 있다. 일부 실시예들에서, 3D 데이터는 계산 요건들을 감소시키기 위해 특정의 별개의 심도 층들로 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 별개의 심도 층들은 관찰자의 시각 시스템에 연속적인 3D 심도 경험을 제공하기에 충분히 서로 가깝게 배열될 수 있다. 50cm 내지 무한대의 시각 범위를 커버하는 것은, 추정된 인간 시각 시스템 평균 심도 해상도에 기초하여, 약 27개의 상이한 심도 층들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제시된 방법들 및 광학 하드웨어는 VFML 모자이크 피처들의 초점 거리를 제어함으로써 상이한 시점들에서 동일한 방향으로 디스플레이될 수 있는 다수의 초점 표면들의 생성을 허용한다. 일부 실시예들에서, 관찰자 위치들은 디바이스에서 능동적으로 검출될 수 있고, 복셀들은 관찰자들이 위치해 있는 방향들로만 렌더링될 수 있다. 일부 실시예들에서, (예를 들어, 디스플레이 구조 주위 또는 디스플레이 구조에 카메라들을 갖는 근적외선(NIR) 광을 이용하여) 관찰자 위치들을 검출하는데 능동적 관찰자 눈 추적이 이용된다.

렌더링 방식과 연관된 하나의 트레이드-오프 상황은 공간/각도 및 심도 해상도들 사이에서 발견될 수 있다. 제한된 수의 픽셀들 및 컴포넌트 스위칭 속도들에 의해, 높은 공간/각도 해상도를 강조하는 것은 더 적은 초점면들(더 낮은 심도 해상도)의 비용을 가질 수 있다. 반대로, 더 양호한 심도 해상도를 위해 더 많은 초점면들을 갖는 것은 더 많은 픽셀화된 이미지(낮은 공간/각도 해상도)의 비용으로 올 수 있다. 더 많은 초점면들이 더 많은 계산들 및 더 높은 데이터 전송 속도들을 수반할 수 있기 때문에, 시스템 레벨에서의 데이터 처리에 동일한 트레이드오프가 적용될 수 있다. 인간 시각 시스템에서, 심도 해상도는 거리에 따라 대수적으로 감소하여, 물체들이 더 멀리 있을 때 심도 정보의 감소를 허용할 수 있다. 추가적으로, 눈들은 이미지 평면이 더 멀리 떨어짐에 따라 더 큰 상세들만을 해결할 수 있고, 이는 먼 거리들에서의 해상도의 감소를 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌더링 방식들은 이미지 렌더링을 위한 처리 요건들을 낮추기 위해 뷰어로부터의 상이한 거리들에서 상이한 복셀 해상도들을 생성하도록 구성된다. 렌더링 방식에 연결된 트레이드오프들은 또한 제시된 이미지 콘텐츠에 기초하여 어드레싱될 수 있어, 예를 들어, 더 높은 해상도 또는 이미지 밝기를 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 풀-컬러 픽처를 생성하기 위해 3개의 상이한 컬러 픽셀들이 발광 층(LEL) 상에 및/또는 공간 광 변조기(SLM) 상에 구현된다. 컬러 렌더링 방식은 상이한 컬러들이 주기적 층에서 다소 상이한 각도 방향들로 굴절된다는 사실에 적응하기 위한 시스템들 및/또는 방법들을 포함할 수 있다. 특수 컬러 렌더링 방식에 더하여, 이 분산의 일부는 하드웨어로, 예를 들어, 컬러 보정을 위해 회절 구조들을 통합함으로써 제거될 수 있다. 이것은 굴절 피처들의 상이한 초점 거리들을 보상하는데 특히 유용하다. 일부 실시예들에 따르면, 예시적인 컬러 렌더링 방식은 백색 조명 및 컬러 필터들을 갖는 SLM을 이용하는 것이다. 백색 빔들은, 예를 들어, 청색 μLED들 및 인광체의 얇은 층의 조합으로 생성될 수 있다. 이 경우에, 빔 컬러들은 각각의 초점 층 복셀에 대해 개별적으로 SLM 층(예를 들어, LCD 패널)에서 선택될 수 있다. 컬러들은 현재의 2D 디스플레이들의 것과 유사한 방식으로 눈에서 결합될 수 있다.

구현 예들.

도 31은 일부 실시예들에 따른, 연장된 초점 심도(EDoF)를 갖는 3D 디스플레이의 변형을 도시한다. 이 경우에, 모자이크 렌즈 광학 피처들(3106)은 상이한 애퍼처 크기들이 동시에 이용될 수 있는 방식으로 설계된다. 이것은, 예를 들어, 더 큰 렌즈로부터 모자이크 타일까지의 상이한 방사상 거리들로부터 여러 상이한 영역들을 선택함으로써 달성될 수 있다. 그러한 구조에 의해, 서로로부터 더 짧은 거리들에 위치된 피처들은 더 큰 애퍼처 피처들과 함께 이용될 수 있고, 결과적인 빔 섹션들은 여전히 동일한 방향으로 투영될 수 있다.

도 31에 도시된 예는 중심 및 에지 피처 초점 길이들이 약간 상이한 초점 거리들을 갖도록 조정되는 경우, 연장된 초점 심도(EDoF) 빔이 생성될 수 있다는 것을 예시한다. 2개의 EDoF 빔들은 눈 수렴 및 망막 초점에 대한 혼합된 큐들을 야기하지 않고 연장된 초점 범위 내의 모든 거리들에서 그들을 교차시킴으로써 복셀을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 이 배열은 빔 내부 초점과 2개의 빔 교차 위치들의 매칭을 단순화할 수 있다. 이는 또한 더 밝은 이미지들 및 더 적은 에너지 소비를 제공할 수 있는데, 그 이유는 VFML의 더 큰 영역들이 단일 빔 생성을 위해 이용되고, 따라서 더 적은 광이 차단되거나 낭비되기 때문이다. 연장된 초점 심도 범위는 VFML LC 재료 인덱스 튜닝으로 조정될 수 있다. EDoF 범위는 이전에 설명된 동일한 하드웨어를 이용하여, 그러나 LC 재료 인덱스 튜닝 동적 범위를 이용함으로써 생성될 수 있다. 이 후자의 경우에, 변동은 하드웨어 설계를 변경하는 대신에 VFML 구동 파라미터들을 제어함으로써 시스템 레벨에서 행해질 수 있다. 도 31의 예에서, 광 소스(3112)로부터의 광은 3개의 상이한 거리들(3114, 3115, 3117)에서 동시에 포커싱된다.

도 16은 7" 3D 디스플레이를 갖는 모바일 디바이스가 단일 뷰어로부터 350mm 거리에 배치되는 시나리오를 도시한다. 디스플레이는 모바일 디바이스 뒤에 위치하는 가상 이미지 구역에 이미지를 형성한다. 디스플레이는 3D 공간에 대한 윈도우인 외관을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 연속 이미지 구역은 뷰어 눈 위치로부터 측정되는 바와 같은 390mm 내지 800mm의 거리들을 커버한다. 더 깊은 이미지 구역은 초점 조정 범위로 가능할 수 있다. 디스플레이는 제시된 광학 구조로 수평 및 수직 방향들 둘 다에서 다수의 복셀 형성 빔들을 생성하도록 구성될 수 있다.

도 32는 예시적인 VFML 모자이크 렌즈 설계의 구조 및 측정들(μm 단위)을 도시한다. 예에서, 각각의 모자이크 타일(3202)은 LC 재료 굴절률 공칭 상태에서 2mm의 초점 길이를 갖는 원형 대칭 렌즈(3204)로부터 취해진 4개의 영역들로부터 샘플링되는 것으로서 개념화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모자이크 타일(3202) 내의 각각의 사분면은 크기가 27.5μm x 27.5μm이고, 결과적인 타일(3202)은 55μm 정사각형이다. 3204에 도시된 바와 같이, 타일은 디스플레이 표면 영역에 걸쳐 직사각형 그리드 패턴을 가로질러 모자이크식으로 만들어질 수 있다. 이 크기는 또한 이웃하는 복셀들이 하나의 각도 방향에서 가질 수 있는 피치이다. 55μm 픽셀 크기를 갖고, 7" 디스플레이는 현재 모바일 전화들에 대해 고해상도로 고려될 수 있는 1440 x 2880 픽셀의 어레이를 갖는다. 4개의 렌즈 피처들이 각각의 빔에 대해 함께 이용될 수 있고, 여기서 각각의 빔은 수평 방향에서 2개의 개별 빔 섹션들 및 수직에서 2개를 갖는다. 이들 4개의 섹션들이 모자이크 렌즈로부터 적절하게 선택될 때, (3206에 표시된) 원래의 연속 렌즈의 전체 330μm 애퍼처의 광학 기능은 3208에 도시된 바와 같이 모방될 수 있다. 모자이크 렌즈는, 예를 들어, UV-경화가능 광학 재료를 갖는 PMMA 포일 기판 상에 제조될 수 있다.

도 33은 예시적인 3D 디스플레이 광학 설계의 구조를 도시한다. 예에서, 광은 연속적인 μLED 매트릭스로부터 방출되고, 여기서 컴포넌트 크기는 2μm x 2μm이고, 피치는 3μm이다. 컴포넌트들은 방출된 청색 광을 더 넓은 백색 광 스펙트럼으로 변환하는 인광체 층(도시되지 않음)으로 오버코팅된다. VFML 및 LCD 디스플레이 서브-어셈블리들은 정확한 정렬로 함께 접착될 수 있다. 일부 실시예들에서, VFML 및 LCD는 모두 300μm 두께이다. 2개의 50μm 두께의 선형 편광기 시트들(2700, 2722)은 전체 스택 두께를 ~700μm로 만드는 능동 컴포넌트들의 양 측에 적층된다. μLED 매트릭스(2701)는 대략 2mm VFML 렌즈 공칭 초점 거리(편광기(2700)로부터 1950μm일 수 있음)에 위치될 수 있어, 전체 디스플레이 광학 설계 두께를 3mm 미만으로 만든다. 단일 소스들은, 일부 실시예들에서, 4개의 모자이크 렌즈 애퍼처들로부터 오는 4개의 섹션들, 즉, 수평 방향으로 분리된 2개의 섹션 및 수직으로 분리된 2개의 섹션을 갖는 잘 시준된 빔들을 생성한다. 디스플레이 표면에서 양 방향들에서의 빔의 전체 폭(3302)은 330μm일 수 있고, 섹션들 사이의 공간(3304)은 모자이크 광학 피처 간격 및 크기에 의해 주어지는 바와 같이, 220mm 폭일 수 있다.

예에서, VFML은 얇은 유리 시트 기판 및 모자이크 렌즈 구조로 구성된다. 두 컴포넌트들은 ITO 전극 코팅을 갖고 네마틱 액정 재료의 얇은 층을 한정한다. 액정 재료의 굴절률은 렌즈 피처들의 공칭 초점 길이가 2.0mm인 방식으로 모자이크 렌즈 굴절률에 맞도록 튜닝된다. LC 재료 굴절률의 튜닝 범위는 렌즈의 초점 거리를 공칭 값으로부터 ~2.1mm까지 증가시키기 위해 이용된다. 초점에서의 이러한 작은 변화는 빔 섹션들이 서로로부터 발산하게 하는데 적절하다. 각각의 빔은 광학 구조로부터 40mm 내지 450mm의 거리 범위 내에서 디스플레이 뒤에 가상 초점 포인트들을 생성할 수 있다.

LCD 패널은 컬러 복셀들을 생성하기 위해 이용되는 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터들(각각 ~9μm 폭)을 갖는 27.5μm x 27.5μm 픽셀들을 갖는다. 이것은 LCD 패널의 해상도가 디스플레이 복셀 공칭 해상도보다 4배 더 높다는 것(2880 x 5760 픽셀 ~ 6K 해상도)을 의미한다. 컬러 필터 배열은 도 29a에 도시된 것과 동일하다. 패널의 픽셀 크기는 모자이크 렌즈 단일 피처 크기와 동일하여, 상이한 피처들로부터 유래하는 빔 섹션들을 선택적으로 차단하는 것을 가능하게 한다.

가변 초점 모자이크 렌즈 및 SLM의 이용은 디스플레이 시야(FOV) 및 빔 애퍼처 크기를 과도하게 감소시키지 않고 광학 시스템 유효 초점 길이 및 기하학적 배율 비율에 대한 개별 제어를 허용한다. 이는 더 작은 복셀들을 이미징하고 디스플레이 표면 외부의 가상 초점면들 상의 이미지 해상도를 개선하는 것을 가능하게 한다.

발광 층 상의 연속적인 방출기 매트릭스는 매우 넓은 FOV들을 허용하고, 이는 다수의 사용자들을 위한 넓은 뷰잉 윈도우들을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 디스플레이 에지 영역들로부터 FOV들을 중첩할 곡률 또는 추가적인 포커싱 광학계들 없이 디스플레이들이 제조되는 것을 허용하여, 시스템을 더 단순화한다.

일부 실시예들에서, 전체 연속적인 광학 구조가 다중 빔 섹션들의 생성을 위해 이용된다. 그러한 실시예들에서, 수평 또는 수직 방향들에서 모자이크 층과 발광 층을 정확하게 정렬할 필요성이 감소될 수 있다. 복셀 초점 거리들이 VFML로 조정될 수 있기 때문에 심도 방향은 또한 완화된 허용오차를 가질 수 있다. 이는 제조 프로세스에서 비용 절감을 초래할 수 있고, 디스플레이는 또한 예를 들어 상이한 온도들에 대한 상이한 구동 파라미터로 VFML을 교정함으로써 환경 인자들에 대해 강건하게 될 수 있다. 이 후자의 특징은 다양한 환경에서 이용되는 모바일 디바이스에 특히 유용하다.

일부 실시예들에서, 3D 디스플레이의 가변 초점 피처는 근시안(myopic eye) 또는 원시안(hyperopic eye)을 가진 사람들에 대한 이미지 초점을 정정하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 예를 들어, 처방 안경 없이 또는 디스플레이가 뷰어에 가깝게 배치되고 눈 렌즈들이 적절히 수용될 수 없는 상황에서 디스플레이를 이용하는 것을 가능하게 한다.

단일 복셀 형성 빔이 여러 섹션들로 분할됨에 따라, 회절 효과들은 전체 빔 애퍼처 크기를 확장함으로써 다소 감소될 수 있다.

일부 실시예들은 모자이크 가변 초점 렌즈가 고해상도 복셀들 및 비교적 얇은 디스플레이 구조들을 허용하기 때문에 모바일 디바이스들에 특히 적합하다. 모바일 디바이스들은 가까운 범위에서 이용되어, 공간 해상도를 높은 우선순위로 만든다. 이러한 디바이스들은 또한 일반적으로 눈 추적을 위해 이용될 수 있는 전면 카메라를 갖게 되어, SLM 없이 제시된 디스플레이 구조 변형을 이용하는 것을 가능함으로써, 구조를 더 간단하고, 더 얇고 더 낮은 비용으로 만든다.

SLM 기능은 LCD 패널들로 구현될 수 있다. 발광 픽셀들(예를 들어, μLED들)이 별도로 변조되는 경우 SLM 픽셀들은 이진 온-오프 기능성으로만 이용될 수 있다. 그러나, LCD 패널은 또한 일부 실시예들에서 픽셀 강도 변조를 위해 이용될 수 있어, 발광 층 제어들을 더 간단하게 유지하는 것을 가능하게 한다. SLM 및 VFML에 대한 스위칭 속도 요건들은, ~60 Hz의 플리커 없는 이미지들에 도달하는 것이 목표이기 때문에 어렵지 않다. 주 3D 이미지 생성은 포커싱 및 애퍼처 제어 구조들 뒤의 더 빠른 픽셀화된 광 방출기 모듈로 행해지고, SLM은 뷰어 눈들에 도달할 필요가 있는 빔들의 부분들을 통과시키거나 차단하기 위해서만 이용되어, 인간 시각 시스템이 SLM 업데이트 주파수에 대한 결정 인자를 만들게 한다.

예시적인 렌더링 방법.

디스플레이 디바이스를 동작하는 예시적인 방법이 도 34에 도시되어 있다. 예시적인 방법에서, 광은 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이(예를 들어, 1302, 2701)에서의 적어도 하나의 발광 요소(예를 들어, 요소들(1308, 1318, 1320, 2711, 2712, 2713, 2716))로부터 선택적으로 방출된다. 방출된 광은 복수의 렌즈 영역들을 포함하는 광학 층(예를 들어, 1304, 2706)을 향해 방출된다. 공간 광 변조기(예를 들어, 1306, 2720)는 방출된 광이 선택된 복수의 렌즈 영역들을 통해 디스플레이 디바이스 외부로 이동하게 허용하도록 동작된다. 선택된 복수의 렌즈 영역들은 선택된 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 선택된 렌즈 영역들을 포함한다.

그러한 방법을 수행하기 위해, 일부 실시예들에서, 디스플레이될 복셀의 위치가 결정된다(3402). 복셀 위치에 기초하여, 발광 요소들 중 적어도 하나가 선택되고(3404), 적어도 제1 분산 렌즈가 선택된다(3406).

선택된 렌즈 영역들은 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함할 수 있다. 선택된 비인접 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 15a 내지 도 15c, 도 17c, 도 18 내지 도 22, 도 24, 도 25 및 도 32에 도시된 바와 같이, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심을 가질 수 있고, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심과 상이한 제2 광학 중심을 갖는 적어도 제2 분산 렌즈와 인터레이스될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치된다.

일부 실시예들에서, 발광 요소(3404) 및 분산 렌즈(3404)의 선택은, 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 발광 요소 및 제1 분산 렌즈의 광학 중심이 실질적으로 동일 선상에 있도록 이루어진다. 일부 실시예들에서, 복수의 발광 요소들(예를 들어, 요소들(1318 및 1320)) 및 대응하는 분산 렌즈들은 단일 복셀 위치(예를 들어, 위치(1316))에 대해 선택될 수 있다. 발광 요소(들) 및 분산 렌즈(들)는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치(예를 들어, 위치(1316))에 실질적으로 포커싱되도록 선택될 수 있거나, 또는 이들은 방출된 광이 결정된 복셀 위치를 향해 실질적으로 시준되도록 선택될 수 있다.

일부 실시예들에서, 발광 요소(들) 및 분산 렌즈(들)의 선택은 복수의 복셀 위치들 각각에 대해, 발광 요소들 및 분산 렌즈들의 어느 조합 또는 조합들이 복셀을 디스플레이하기 위해 이용되어야 하는지를 표시하는 룩업 테이블 또는 다른 미리 구성된 정보를 이용하여 이루어질 수 있다. 가변 초점 렌즈들을 이용하는 실시예들에서, 그러한 구성 정보는 가변 초점 렌즈에 대한 설정들에 대한 정보(예를 들어, 액정 층을 가로질러 인가할 전압의 레벨을 표시하는 정보)를 추가로 포함할 수 있다.

광은 선택된 발광 요소(들)(3408)로부터 선택적으로 방출되고, 공간 광 변조기는 방출된 광이 분산 렌즈(들)의 렌즈 영역들을 통해 디스플레이 디바이스 외부로 이동하게 허용하도록 동작된다(3410). 공간 광 변조기는 또한 미광을 야기하는 광선들(예를 들어, 원하는 이미지의 디스플레이에 기여하지 않는 광선들)을 차단하도록 동작될 수 있다. 공간 광 변조기는 렌즈 층의 어느 한 측 상에 구성될 수 있어, 원하지 않는 광이 렌즈 층에 도달하기 전에 또는 렌즈 층을 통과한 후에 차단되게 한다.

추가적인 실시예들.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층; 발광 층을 오버레이하는 광학 층―광학 층은 복수의 분산 렌즈들을 포함하고, 각각의 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 분산 렌즈와 인터레이스됨―; 및 렌즈 영역들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 분산 렌즈들 각각은 복수의 렌즈 영역들을 포함하고, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치되고, 제1 및 제2 분산 렌즈들은 상이한 광학 중심들을 갖는다.

일부 실시예들에서, 개개의 분산 렌즈 내의 렌즈 영역들 각각은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는다.

일부 실시예들에서, 각각의 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 복수의 광 변조 픽셀들을 포함하고, 공간 광 변조기의 각각의 픽셀은 렌즈 영역들 중 하나 이하에 대응한다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치로 포커싱하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치를 향해 시준하도록 구성된다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층; 발광 층을 오버레이하는 광학 층―광학 층은 복수의 분산 렌즈들을 포함하고, 각각의 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함함―; 및 렌즈 영역들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 분산 렌즈 내의 비인접 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는다.

일부 실시예들에서, 각각의 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 분산 렌즈와 인터레이스된다.

일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 상이한 광학 중심을 갖는 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치된다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치로 포커싱하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 복수의 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치를 향해 시준하도록 구성된다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스를 동작하는 방법은: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이에서의 발광 요소로부터 광을 선택적으로 방출하는 단계―방출된 광은 복수의 렌즈 영역들을 포함하는 광학 층을 향해 방출됨―; 및 방출된 광이 선택된 복수의 렌즈 영역들을 통해 디스플레이 디바이스 외부로 이동하는 것을 허용하도록 공간 광 변조기를 동작하는 단계―선택된 복수의 렌즈 영역들은 선택된 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 선택된 렌즈 영역들을 포함함―를 포함한다.

일부 실시예들에서, 선택된 렌즈 영역들은 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심을 갖고, 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심과 상이한 제2 광학 중심을 갖는 제2 분산 렌즈와 인터레이스된다.

일부 실시예들에서, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치된다.

일부 실시예들에서, 선택된 비인접 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는다.

일부 실시예들에서, 방법은 디스플레이될 복셀의 위치를 결정하는 단계; 및 결정된 복셀 위치에 기초하여 발광 요소 및 제1 분산 렌즈를 선택하는 단계를 더 포함한다. 발광 요소 및 분산 렌즈는 발광 요소 및 제1 분산 렌즈의 광학 중심이 실질적으로 동일 선상에 있도록 선택될 수 있다. 발광 요소 및 분산 렌즈는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치를 향해 실질적으로 시준되도록 선택될 수 있다. 발광 요소 및 분산 렌즈는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치에서 실질적으로 포커싱되도록 선택될 수 있다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층; 발광 층을 오버레이하는 광학 층―광학 층은 복수의 가변 초점 분산 렌즈들을 포함하고, 각각의 가변 초점 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 가변 초점 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 가변 초점 분산 렌즈와 인터레이스됨―; 및 가변 초점 분산 렌즈들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 가변 초점 분산 렌즈들 각각은 복수의 가변 초점 렌즈 영역들을 포함하고, 제1 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 영역은 제2 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 2개의 가변 초점 렌즈 영역들 사이에 위치되고, 제1 및 제2 가변 초점 분산 렌즈들은 상이한 광학 중심들을 갖는다.

일부 실시예들에서, 개개의 분산 렌즈 내의 가변 초점 렌즈 영역들은 가변 공통 초점 포인트에 광을 포커싱하도록 동작가능하고, 공통 초점 포인트는 광학 층에 대한 입력에 의해 제어된다.

일부 실시예들에서, 각각의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 가변 초점 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 복수의 광 변조 픽셀들을 포함하고, 가변 초점 공간 광 변조기의 각각의 픽셀은 가변 초점 렌즈 영역들 중 하나 이하에 대응한다.

일부 실시예들에서, 복수의 가변 초점 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 복셀 위치로 포커싱하도록 구성되고, 복셀 위치의 초점 거리는 광학 층에 대한 입력에 의해 제어가능하다.

일부 실시예들에서, 복수의 가변 초점 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 복셀 위치를 향해 시준하도록 광학 층에 대한 입력에 응답한다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층; 발광 층을 오버레이하는 광학 층―광학 층은 복수의 가변 초점 분산 렌즈들을 포함하고, 각각의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 가변 초점 렌즈 영역들을 포함함-; 및 가변 초점 렌즈 영역들이 디스플레이 디바이스 외부의 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 가변 초점 분산 렌즈 내의 비인접 가변 초점 렌즈 영역들은 가변 공통 초점 포인트에 광을 포커싱하도록 동작가능하고, 공통 초점 포인트는 광학 층에 대한 입력에 의해 제어된다.

일부 실시예들에서, 각각의 가변 초점 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 가변 초점 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 가변 초점 분산 렌즈와 인터레이스된다.

일부 실시예들에서, 제1 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 영역은 상이한 광학 중심을 갖는 제2 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 2개의 가변 초점 렌즈 영역들 사이에 위치된다.

일부 실시예들에서, 복수의 가변 초점 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 복셀 위치로 포커싱하도록 구성되고, 복셀 위치의 초점 거리는 광학 층에 대한 입력에 의해 제어가능하다.

일부 실시예들에서, 복수의 가변 초점 분산 렌즈들 각각에 대해, 개개의 가변 초점 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 복셀 위치를 향해 시준하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 광학 층은 적어도 하나의 액정 층을 포함한다.

일부 실시예들에서, 광학 층은 편광 층을 포함한다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스를 동작하는 방법은: 발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이에서의 발광 요소로부터 광을 선택적으로 방출하는 단계―방출된 광은 복수의 가변 초점 렌즈 영역들을 포함하는 광학 층을 향해 방출됨―; 및 방출된 광이 선택된 복수의 가변 초점 렌즈 영역들을 통해 디스플레이 디바이스 외부로 이동하는 것을 허용하도록 공간 광 변조기를 동작하는 단계―선택된 복수의 가변 초점 렌즈 영역들은 선택된 제1 가변 초점 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 선택된 가변 초점 렌즈 영역들을 포함함―를 포함한다.

일부 실시예들에서, 선택된 가변 초점 렌즈 영역들은 제1 가변 초점 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 비인접 가변 초점 렌즈 영역들을 포함한다.

일부 실시예들에서, 제1 가변 초점 분산 렌즈는 제1 광학 중심을 갖고, 제1 가변 초점 분산 렌즈는 제1 광학 중심과 상이한 제2 광학 중심을 갖는 제2 가변 초점 분산 렌즈와 인터레이스된다.

일부 실시예들에서, 제1 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 하나의 가변 초점 렌즈 영역은 제2 가변 초점 분산 렌즈의 적어도 2개의 가변 초점 렌즈 영역들 사이에 위치된다.

일부 실시예들에서, 선택된 비인접 가변 초점 렌즈 영역들은 가변 공통 초점 포인트에 광을 포커싱하도록 동작가능하고, 공통 초점 포인트는 광학 층에 대한 입력에 의해 제어된다.

일부 실시예들에서, 방법은: 디스플레이될 복셀의 위치를 결정하는 단계; 및 결정된 복셀 위치에 기초하여 발광 요소, 제1 가변 초점 분산 렌즈, 및 제1 가변 초점 분산 렌즈의 초점 거리를 선택하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 발광 요소 및 가변 초점 분산 렌즈는 발광 요소 및 제1 분산 렌즈의 광학 중심이 실질적으로 동일 선상에 있도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 발광 요소, 가변 초점 분산 렌즈, 및 가변 초점 분산 렌즈의 초점 거리는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치를 향해 실질적으로 시준되도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 발광 요소, 가변 초점 분산 렌즈, 및 가변 초점 분산 렌즈의 초점 거리는 발광 요소로부터의 광이 결정된 복셀 위치에서 실질적으로 포커싱되도록 선택된다.

일부 실시예들에서, 디스플레이 방법은: 복수의 발광 요소들로부터 광을 방출하는 단계; 모자이크 패턴으로 배열된 복수의 광학 피처들을 포함하는 가변 초점 모자이크 층을 이용하여 방출된 광을 포커싱함으로써 광의 빔들을 생성하는 단계―복수의 광학 피처들 중 적어도 하나는 제어가능한 초점 길이를 포함함―; 공간 광 변조기를 이용하여 광의 빔들을 선택적으로 통과시키는 단계; 및 시간 동기화된 방식으로 발광 요소들, 가변 초점 모자이크 층, 및 공간 광 변조기에 대한 제어 입력들을 변경하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제어 입력들을 변경하는 단계는 원하는 컬러, 각도, 초점 심도 및 강도에 기초하여 제어 입력들을 변경하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 제어 입력들을 변경하는 단계는 룩업 테이블을 이용해서 발광 요소들, 가변 초점 모자이크 층 및 공간 광 변조기를 조정된 방식으로 구동하여 원하는 복셀 분포를 생성하고 원하지 않는 미광을 차단하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 복수의 제어가능한 발광 요소들을 포함하는 발광 층; 광학 요소들의 반복 패턴을 포함하는 가변 초점 모자이크 층―각각의 광학 요소는 광학 특성들의 세트 및 조정가능한 초점 길이를 가짐―; 및 발광 층으로부터 방출된 광을 디스플레이 외부로 선택적으로 통과시키도록 동작하는 제어가능한 공간 광 변조기를 포함한다.

일부 실시예들에서, 라이트 필드 디스플레이 장치는: 제어가능한 발광 요소 어레이; 및 광학 요소 스택―광학 요소 스택은 편광 층; 생성된 광 빔들의 초점 거리들을 제어하도록 동작하는 제어가능한 가변 초점 모자이크 층; 및 조정가능한 애퍼처들을 이용하여 미광을 차단하도록 동작하는 제어가능한 공간 광 변조 층을 포함함―을 포함한다.

일부 실시예들에 따른 디스플레이 디바이스는: 발광 요소들의 어레이를 포함하는 발광 층(LEL); 광학 특성들을 갖는 복수의 타일들을 포함하는 광학 층; 및 공간 광 변조기(SLM)를 포함하고; 타일들은 발광 요소들로부터 방출된 광을 광의 빔들로 포커싱하고; 각각의 광의 빔은 개개의 타일의 광학 특성들에 의존하는 방향으로 포커싱되고; 복수의 타일들 중 적어도 하나의 광학 특성들은 조정가능한 초점 길이를 포함하고; SLM은 라이트 필드의 특성들을 복제하기 위해 발광 층과 동기화된 방식으로 광의 빔들을 제어한다.

설명된 실시예들 중 하나 이상의 실시예의 다양한 하드웨어 요소들은 각각의 모듈들과 관련하여 본 명세서에 설명된 다양한 기능들을 수행(즉, 수행, 실행 등)하는 "모듈들"로서 지칭된다는 점에 유의한다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 모듈은 주어진 구현에 대해 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 적절하다고 생각되는 하드웨어(예를 들어, 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 마이크로제어기, 하나 이상의 마이크로칩, 하나 이상의 ASIC(application-specific integrated circuit), 하나 이상의 FPGA(field programmable gate array), 하나 이상의 메모리 디바이스)를 포함한다. 각각의 설명된 모듈은 각각의 모듈에 의해 수행되는 것으로 설명된 하나 이상의 기능을 수행하기 위해 실행가능한 명령어들을 또한 포함할 수 있고, 그러한 명령어들은 하드웨어(즉, 하드와이어드) 명령어들, 펌웨어 명령어들, 소프트웨어 명령어들 등의 형태를 취하거나 이들을 포함할 수 있고, 통상적으로 RAM, ROM 등으로 지칭되는 임의의 적절한 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체 또는 매체들에 저장될 수 있다는 점에 유의한다.

특징부들 및 요소들이 위에서 특정한 조합들로 설명되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 각각 특징부 또는 요소가 단독적으로, 또는 다른 특징부들 및 요소들과 임의의 조합으로 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 방법들은 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행하기 위한 컴퓨터 판독가능 매체에 통합된 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어, 또는 펌웨어로 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체들의 예들은, 제한적인 것은 아니지만, 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 레지스터, 캐시 메모리, 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 이동식 디스크들과 같은 자기 매체들, 광자기 매체들(magneto-optical media), 및 CD-ROM 디스크들과 같은 광학 매체들 및 DVD(digital versatile disk)들을 포함한다. 소프트웨어와 연관된 프로세서는 WTRU, UE, 단말기, 기지국, RNC, 또는 임의의 호스트 컴퓨터에서 이용하기 위한 라디오 주파수 트랜시버를 구현하는데 이용될 수 있다.

시뮬레이션 결과들.

작은 애퍼처 공간 해상도 문제를 추가로 조사하기 위해, 광학 설계 프로그램 OpticStudio 18을 이용하여 한 세트의 시뮬레이션들이 이루어졌다. 단일 550nm 파장을 갖는 직사각형 2μm x 2μm 소스가 2mm 거리까지 투영 렌즈 뒤에 배치되었다. 이용된 녹색 광은 풀-컬러 디스플레이에 이용된 가시 범위의 중심 파장을 나타낸다. 투영 렌즈는 디스플레이 표면을 나타내는 렌즈로부터 350mm 거리에 위치된 눈 모델로의 전파를 계속한 단일 광 빔을 이용하여 50mm 거리까지 소스를 이미징하였다. 투영 렌즈 애퍼처는 광학 효과들을 보기 위해 각각의 시뮬레이션 경우에 대해 변경되었다. 눈 모델은 4mm 직경 동공, 17mm 초점 길이 눈 렌즈, 및 3개의 상이한 눈 초점 거리들로 조정된 제2 포커싱 렌즈를 가졌다. 눈 모델은 투영된 빔을 이용하여 생성된 망막 이미지들을 획득하기 위해 이용되었다. 350mm의 제1 눈 초점 거리는 디스플레이 표면 상의 투영 렌즈 애퍼처 위치로 설정되었고, 300mm의 제2 초점 거리는 투영된 복셀 위치로 설정되었다. 제3 초점 거리는 250mm였고, 이는 복셀로부터 눈 모델을 향해 50mm였다. 상이한 광학 효과들 및 서로에 대한 그들의 관계를 보기 위해 기하학적 및 회절 기반 시뮬레이션들 둘 다가 수행되었다.

도 35는 50μm 및 250μm의 2개의 작은 투영 렌즈 원형 애퍼처 크기로 수행된 시뮬레이션들의 결과를 도시한다. 처음 2개의 경우에, 단일 중심 애퍼처가 이용되었지만, 제3 경우에, 중심으로부터 100μm 거리에 배치된 4개의 50μm 애퍼처들을 갖는 분산 애퍼처 클러스터가 테스트되었다. 열들은 3개의 행들 상에 도시된 3개의 상이한 눈 초점 거리들에 연결된 2D 방사조도 맵들로서 나란히 하나의 애퍼처 타입의 기하학적 및 회절 시뮬레이션들의 결과들을 제시한다. 각각의 망막 이미지에서의 검출기 영역 크기는 50μm x 50μm이다. 최하부 행의 기하학적 분포들은 눈이 디스플레이 표면에 직접 포커싱될 때의 원형 애퍼처 형상들을 도시한다. 제2 행의 기하학적 분포들은 단일 직사각형 소스의 확대된 이미지들인 작은 직사각형 방사조도 분포들을 도시한다. 이들 3개의 이미지 모두는 각각의 시뮬레이션된 경우에 동일하였던 기하학적 이미징 인자들과 동일한 크기 및 형상을 갖고, 유일한 차이는 광학 애퍼처들의 상이한 영역들에 의해 결정된 각각의 스폿에서의 총 굴절력이다.

도 35의 단일 50μm 애퍼처의 기하학적 시뮬레이션 결과들이 상이한 눈 초점 거리들에서 비교될 때, 광학계가 디스플레이 표면 상에 보여지는 것보다 300mm 복셀 거리에서 더 작은 스폿을 생성할 수 없다는 것이 명백해진다. 이는 2mm 초점 길이 투영 렌즈가 2μm 소스를 디스플레이로부터 50mm 복셀 거리에서 50μm 스폿으로 이미징한다는 사실에 의해 야기된다. 이 경우에, 눈 망막에서의 소스의 직사각형 이미지는 350mm의 추가 디스플레이 거리에서 보여지는 원형 애퍼처와 거의 동일한 폭을 갖는다. 250mm의 최단 눈 초점 거리에서, 빔 및 눈 조합은 여전히 직사각형 패턴을 이미징하고 있다. 그러나, 디스플레이 투영 렌즈로부터의 거리가 더 클수록, 기하학적 배율 비율은 더 높고, 따라서 소스 이미지는 더 크고, 또한 이미지가 초점이 맞지 않음에 따라 다소 블러링된다. 기하학적 방사조도 분포들은 50μm 애퍼처가 눈이 의도된 복셀 위치 대신에 최소 스폿이 가시적인 디스플레이 표면에 포커싱할 것임을 보여준다. 그러나, 회절 시뮬레이션 결과들로부터, 그러한 작은 애퍼처에 의해, 회절 효과들은 방사조도 분포들을 지배하고, 기하학적 배율은 물론, 빔 초점 거리는 무관해진다는 것을 알 수 있다. 회절 블러는 또한 소스 망막 이미지 크기를 상당히 증가시켜, 달성가능한 복셀 해상도에 대한 하드 한계를 설정한다.

디스플레이 투영 렌즈 애퍼처 기하학적 이미지를 복셀 크기보다 더 크게 보이게 하기 위해, 그리고 회절 블러의 양을 낮추기 위해, 투영 렌즈의 크기를 증가시킬 수 있다. 도 35의 제2 열은 250μm 애퍼처 렌즈로 수행된 시뮬레이션들의 결과들을 도시한다. 기하학적 방사조도 분포들은 이제 5배 더 큰 애퍼처 크기가 눈이 디스플레이 표면(350mm)에 포커싱될 때 또는 복셀의 250mm 앞에 50mm 포커싱될 때보다 복셀 위치(300mm 거리)에 포커싱될 때 소스 망막 이미지 크기가 상당히 더 작은 상황을 발생시키는 것을 가능하게 한다는 것을 도시한다. 불행하게도, 회절 효과 시뮬레이션들은 회절 블러가 여전히 전체 이미징 성능을 지배하고, 애퍼처 크기가 250μm이더라도, 빔은 적절한 망막 초점 큐를 생성할 수 없다는 것을 보여준다. 그러나, 회절된 빔들이 이제 100mm 깊이의 눈 초점 범위를 통해 실질적으로 일정한 망막 이미지를 보여주기 때문에, 렌즈는 실제로 확장된 필드 심도(extended-depth-of-field)(EDoF) 투영 시스템과 같이 작용한다. 이는 눈 수렴만을 유도함으로써 교차 빔들을 갖는 복셀을 생성하는 것을 가능하게 하고, 망막 스폿이 일정하게 유지됨에 따라 어떠한 VAC도 없어야 한다. 눈이 복셀 위치에 포커싱될 때, 소스 망막 이미지는 기하학적 배율이 예측할 만큼 작지 않지만, 더 작은 50μm 애퍼처로 획득된 큰 블러링된 스폿보다 훨씬 더 작다. 이는 애퍼처 크기를 50μm로부터 250μm로 증가시킴으로써, 디스플레이의 앞에 투영된 복셀들에 대한 더 합리적인 공간 해상도를 획득하는 것이 가능하다는 것을 의미한다.

하나의 예시적인 모자이크 애퍼처 클러스터는 도 35의 마지막 열에 제시된 시뮬레이션 결과들에 도시된다. 이 경우에, 250μm 폭의 원형 애퍼처는 제2 열에 도시된 단일의 더 큰 애퍼처와 동일한 수평 및 수직 치수들을 십자형 패턴으로 커버하도록 배치된 4개의 50μm 폭의 원형 애퍼처들로 샘플링되었다. 기하학적 시뮬레이션들의 결과들은, 눈이 복셀 위치에 포커싱될 때 그러한 배열이 적절한 작은 소스 망막 이미지를 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 눈이 디스플레이에 포커싱될 때, 그것은 애퍼처 클러스터를 보고, 그것이 복셀의 앞에 포커싱될 때, 그것은 4개의 블러링된 소스 이미지들의 클러스터를 본다. 이들 후자의 경우 모두에서, 전체 조명된 망막 표면 영역은 복셀 위치에서 가시적인 이미징된 스폿의 크기보다 크다. 기하학적 이미징만이 발생하면, 눈은 적절한 망막 초점 큐를 가질 것이고, 눈 렌즈는 정확한 복셀 거리에 자연스럽게 적응할 것이다. 이는 클러스터에서의 단일 애퍼처가 기하학적 인자들이 방사조도 분포들을 지배하기에 충분히 큰 경우에 적용될 것이다. 불행하게도, 상황은 회절이 지배하기 시작하는 작은 애퍼처들과 상이하다. 예시적인 경우의 회절 시뮬레이션들은 분산된 십자형 애퍼처 클러스터가 단일 중심 스폿 이미지뿐만 아니라 작은 애퍼처들로부터 회절된 일련의 사이드 스폿들을 생성한다는 것을 보여준다. 분산 애퍼처 설계는 투영된 빔들을 갖는 적절한 복셀 공간 해상도에 도달하기 위해 작은 애퍼처들로부터의 회절 현상들을 고려할 수 있다.

기하학적 및 회절 지배 이미징 경우들을 비교하기 위해, 3개의 광학 시뮬레이션들의 세트가 전술한 바와 동일한 기본 광학 구성으로 이루어졌다. 이 경우에, 투영 렌즈 애퍼처 크기들은 250μm, 500μm 및 750μm로 설정되었다. 도 36은 결과들을 도시하고 있다. 앞에서 논의된 바와 같이, 250μm 애퍼처는 모든 3개의 눈 초점 거리들을 갖는 매우 유사한 망막 이미지들을 생성한다. 이 상황은 회절된 망막 이미지가 눈이 복셀 위치를 보고 있는 300mm 초점 거리에서보다 350mm 눈 초점 거리에서 명백히 더 크기 때문에 애퍼처가 500μm로 증가될 때 변경된다. 또한, 가장 가까운 250mm 눈 초점 거리는 더 밝은 중앙 스폿 주위에서 몇몇 회절 블러를 야기한다. 이 500μm 애퍼처 크기를 이용함으로써, 디스플레이 앞의 50mm 공간에서 단일 눈에 적절한 망막 초점 큐들을 생성하는 것이 가능할 것이다. 도 36의 마지막 열은 750μm 애퍼처로 얻어진 결과들을 도시한다. 이 애퍼처 크기는 이제 눈을 복셀 거리에 포커싱함으로써 얻어진 스폿이 복셀의 양 측 상에서 2개의 다른 거리들로 보여진 스폿들보다 상당히 작기 때문에 망막 이미지들을 지배하기 위한 기하학적 이미징 인자들을 만들기에 충분히 크다. 이들 시뮬레이션 결과들은 단일 550nm 파장을 갖는 2μm 소스 및 2mm 초점 길이 투영 렌즈가 이용된 설명된 시뮬레이션 경우에만 적용된다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 더 긴 파장을 갖는 적색 광이 이용되면, 결과들은 다소 상이할 것이다. 그러나, 시뮬레이션된 경우들은 몇몇 트레이드-오프를 갖는 3D 디스플레이 구조들을 설계하는 것과 연관된 복잡성을 도시하고, 회절이 고해상도 투영된 3D 이미지들을 목표로 하는 소규모 디스플레이들에서의 실제 문제라는 사실을 강조한다.

분산 애퍼처들의 잠재성 및 기능성을 예시하기 위해, 시뮬레이션들의 세트가 광학 설계 프로그램 OpticStudio 18로 이루어졌다. 단일 550nm 파장을 갖는 직사각형 2μm x 2μm 소스가 2mm 거리로 투영 렌즈 뒤에 배치되었다. 이용된 녹색 광은 풀-컬러 디스플레이에 이용된 가시 범위의 중심 파장을 나타낸다. 투영 렌즈는 디스플레이 표면을 나타내는 렌즈로부터 350mm 거리에 위치된 눈 모델로의 전파를 계속한 단일 광 빔으로 소스를 50mm 거리로 이미징하였다. 투영 렌즈 애퍼처는 광학 효과들을 보기 위해 각각의 시뮬레이션 경우에 대해 변경되었다. 눈 모델은 4mm 직경 동공, 17mm 초점 길이 눈 렌즈 및 3개의 상이한 눈 초점 거리들로 조정된 제2 포커싱 렌즈를 가졌다. 눈 모델은 투영된 빔으로 생성된 망막 이미지들을 획득하기 위해 이용되었다. 350mm의 제1 눈 초점 거리는 디스플레이 표면 상의 투영 렌즈 애퍼처 위치로 설정되었고, 300mm의 제2 초점 거리는 투영된 복셀 위치로 설정되었다. 제3 초점 거리는 250mm였으며, 이는 복셀로부터 눈 모델을 향해 50mm였다. 기하학적 및 회절 기반 시뮬레이션들 둘 다는 상이한 광학 효과들 및 서로에 대한 그들의 관계를 보기 위해 수행되었다.

도 37은 2개의 상이한 분산 애퍼처 설계들로 수행된 시뮬레이션들의 결과들 뿐만 아니라 비교를 위해 이용되는 단일 250μm 원형 애퍼처로 수행된 시뮬레이션의 결과들을 도시하고 있다. 열들은 3개의 행들 상에 도시된 3개의 상이한 눈 초점 거리들에 연결된 2D 방사조도 맵들로서 나란히 하나의 애퍼처 타입의 기하학적 및 회절 시뮬레이션들의 결과들을 제시한다. 각각의 망막 이미지에서의 검출기 영역 크기는 50μm x 50μm이다. 최하부 행의 기하학적 분포들은 눈이 디스플레이 표면에 직접 포커싱됨에 따른 애퍼처 기하구조들을 도시한다. 제2 행의 기하학적 분포들은 단일 직사각형 소스의 확대된 이미지들인 작은 직사각형 방사조도 분포들을 도시한다. 이들 3개의 이미지 모두는 각각의 시뮬레이션된 경우에 동일하였던 기하학적 이미징 인자들과 동일한 크기 및 형상을 가지며, 유일한 차이는 광학 애퍼처들의 상이한 영역들에 의해 결정된 각각의 스폿에서의 총 굴절력이다.

도 37의 제2 열에 제시된 제1 분산 애퍼처 경우에서, 중심으로부터 100μm 거리에 배치된 4개의 50μm 원형 애퍼처의 클러스터가 테스트되었다. 결과들은 기하학적 이미징이 복셀 위치에 대한 양호한 망막 초점 큐를 제공할 것이지만(300mm에서의 눈 초점은 가장 작은 스폿을 가짐), 회절된 망막 이미지는 모든 눈 초점 거리들에 걸쳐 실제로 동일하게 유지된다는 것을 보여준다. 이미지는 또한 망막 초점 큐 생성을 위해 이 분산 애퍼처 경우를 이용하는 것을 불가능하게 하는 여러 개의 회절된 2차 소스 이미지들을 포함한다. 마지막 열에 제시된 제2 분산 애퍼처 경우는 9개의 50μm 원형 애퍼처가 250μm 폭인 십자형 패턴으로 이용되는 애퍼처 기하구조를 도시한다. 기하학적 시뮬레이션 결과들은 눈이 복셀 위치에 포커싱될 때 양호한 망막 초점 큐를 다시 보여주지만, 회절 이미지들은 스폿 크기가 전체 눈 초점 범위에 걸쳐 동일하게 유지된다는 것을 보여준다. 그러나, 이 경우에, 대부분의 광 에너지는 중심 스폿에 집중되고 회절된 2차 스폿들은 매우 희미하다. 이는 적절한 분산 애퍼처 설계를 이용함으로써 잠재적인 3D 이미지 해상도가 상당히 증가될 수 있다는 것을 표시한다. 이 후자의 경우에, 중심 스폿은 연속적인 250μm 원형 애퍼처를 이용하여 획득된 스폿보다 다소 크지만, 그 차이는 매우 크지 않다. 투영 빔 망막 스폿 크기가 전체 눈 초점 범위에 걸쳐 동일하게 유지된다는 사실은, 분산 애퍼처가 또한 확장된 필드 심도(EDoF) 시스템에서 이용될 수 있고 복셀들이 눈 수렴만으로 형성될 수 있다는 것을 의미한다.

도 38은 광 파장에 대한 회절 패턴 의존성을 테스트하기 위해 행해진 시뮬레이션의 결과들을 제시한다. 이전의 시뮬레이션 경우로부터의 동일한 십자형 패턴이 이용되었지만, 이제 또한 적색 650nm 및 청색 450nm 소스들이 시뮬레이션되었다. 모든 경우에, 기하학적 이미징은 컬러 보정된 광학계에 의해 행해졌고, 모든 투영 렌즈들은 50mm의 동일한 이미징 거리를 가졌다. 회절된 이미지들은 적색 소스에 의해 얻어진 망막 스폿들이 녹색 소스에 의해 얻어진 스폿들보다 약간 더 크고, 청색 소스가 최소 망막 스폿 크기를 제공한다는 것을 보여준다. 적색 소스 이미지들은 또한 중심 강도 최대치 주위에 희미하지만 뚜렷한 2차 회절 스폿들을 갖고, 이들은 청색 소스 경우에서 거의 누락되어 있다. 이들은 회절 현상이 더 짧은 파장을 갖는 청색 광보다 더 용이하게 더 긴 파장 회절들을 갖는 적색 광 및 광 파장에 의존하기 때문에 예상된 결과들이다. 그러나, 시뮬레이션들은 상이한 컬러 스폿들 사이의 차이들이 비교적 작고, 550nm의 단일 중심 녹색 파장을 이용하여 분산 애퍼처의 일반적인 회절 거동이 상당히 양호하게 추정될 수 있다는 것을 보여준다.

도 39는 3개의 상이한 크기의 소스들을 갖는 동일한 교차 형상 분산 애퍼처의 이미징 거동을 테스트하는데 이용된 시뮬레이션들의 결과들을 제시한다. 모든 소스들은 단일 녹색 550nm 파장을 갖고, 이들은 정사각형 형상을 갖는다. 이용된 3개의 소스 크기들은 2μm, 8μm 및 16μm이고, 이는 예를 들어 몇몇 매우 작은 μLED 컴포넌트들을 나타낼 수 있다. 8μm의 중간 소스 크기를 갖고, 기하학적 망막 이미지들은 눈이 복셀(300mm)에 그리고 디스플레이(350mm) 상의 애퍼처에 포커싱될 때 크기가 대략 동일하지만, 250mm의 더 가까운 범위에서 스폿 이미지는 상당히 더 크다. 그러나, 이 거동은 스폿 크기들이 모든 눈 초점 거리들에서 동일한 회절된 이미지들에서 가시적이지 않다. 2μm 및 8μm 소스들의 결과들이 서로 비교될 때, 기하학적 이미징 인자는 양 소스 크기들이 시뮬레이션된 눈 초점 범위를 통해 동일한 일정한 스폿 크기를 생성하기 때문에 이용된 분산 애퍼처에서 매우 중요하지 않다는 것이 명백해진다. 기하학적 이미지 배율 인자는 8μm 소스가 2μm 소스들보다 4배 더 넓은 스폿 이미지들을 가져야 한다는 것을 제안하지만, 이 경우 이미징이 이제 회절에 의해 지배되는 것은 아니다. 8μm 소스 망막 스폿 크기는 단지 2μm 소스 망막 이미지의 크기의 ∼2x이다. 이는 또한 회절이 서로 바로 옆에 위치된 2개의 2μm 소스들 갖고 생성된 2개의 빔들을 함께 효율적으로 융합할 수 있다는 것을 의미한다. 그러한 특징은 공간 해상도에 대해 불량하지만, 이는 또한 예를 들어, 작은 상이한 컬러 소스 컴포넌트들의 매트릭스로부터 상이한 컬러 빔들을 함께 융합하는데 이용될 수 있다.

도 39의 마지막 열은 16μm 폭의 소스의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 이 경우에, 회절된 망막 이미지들은 블러링된 직사각형 형상을 나타내고, 이는 2개의 더 작은 소스 경우에 대한 망막 스폿들보다 명백히 더 크다. 이는 가장 큰 시뮬레이션된 소스가 기하학적 인자들이 이미징 성능을 지배하기 시작하는 크기에 접근하고 있다는 것을 표시한다. 회절은 여전히 소스 이미지의 에지들을 블러링하지만, 직사각형 형상은 이미 가시적이다. 마지막 예는 이미징 성능이 기하학적 효과와 회절 효과 사이의 미세한 균형에 의존하기 때문에 작은 분산 애퍼처들을 갖는 시스템을 설계할 때 소스 크기가 또한 고려될 수도 있다는 것을 보여준다.

도 37에 제시된 2개의 예시적인 분산 애퍼처 경우들은 샘플링될 단일의 큰 애퍼처의 극단 치수들에 더 작은 애퍼처들의 그룹을 단순히 배치하기보다는 더 작은 애퍼처들의 특정 배열들을 선택하는 것이 바람직할 수 있다는 것을 예시한다. 상이한 기하구조들의 거동을 테스트하기 위해, 5개의 상이한 분산 애퍼처들의 세트는 이전에 설명된 것과 동일한 광학 시뮬레이션 셋업으로 모델링되었다. 도 40은 최하부 행에서의 결과들을 눈이 뷰어로부터 300mm 및 디스플레이로부터 50mm의 거리에서 중간 복셀 위치에 포커싱될 때 획득된 회절된 망막 방사조도 패턴들로서 제시한다. 단일 250μm 원형 애퍼처의 시뮬레이션 결과는 참조로서 포함되었다. 각각의 경우에, 제1 행 이미지는 상이한 충전-인자들 및 형상들로 원형 단일 애퍼처 기하구조를 샘플링하는, 250μm의 전체 폭 및 높이로 설정된 애퍼처 클러스터 기하구조를 보여준다.

4개의 50μm 애퍼처들을 갖는 도 40의 제1 분산 애퍼처 경우는 양호한 품질의 복셀 형성을 위해 너무 많은 노이즈를 가질 수도 있는 망막 스폿을 생성한다. 바로 다음의 제2 경우는 8개의 50μm 애퍼처들로 얻어진 개선된 결과를 도시한다. 이 후자의 망막 스폿은 제1 망막 스폿에 비해 개선일 수도 있지만, 도 38의 이전의 시뮬레이션 결과들에 제시된 바와 같이 9개의 50μm 애퍼처들로 얻어진 망막 스폿만큼 양호하지는 않다. 중앙의 작은 애퍼처는 분산 애퍼처에 많은 영역을 추가하지 않지만, 추가된 작은 애퍼처의 중앙 위치는 도 40의 8개의 애퍼처 망막 이미지 상에서 가시적인 희미한 회절 스폿들을 제거하는 것을 도울 수도 있다. 중앙 애퍼처 영역의 효과는 4개의 직사각형 애퍼처들이 이용되는 제3 시뮬레이션된 분산 애퍼처 경우에서 강조된다. 본 예에서, 애퍼처 패턴에서의 중앙 구멍은 중앙 강도 최대치 주위에 더 명확한 2차 회절 스폿을 야기한다.

도 40에 도시된 제4 분산 애퍼처 경우는 애퍼처 중심 대칭점을 가로지르는 수직 및 수평 라인들을 따라 서로 연결된 8개의 삼각형 애퍼처들을 갖는다. 시뮬레이션 결과는, 애퍼처 기하구조가, 예를 들어, 이전의 4개의 직사각형 애퍼처들보다 작은 전체 표면 영역을 갖지만, 여전히 선명한 중심 강도 최대치를 생성할 수 있고 주변의 2차 회절 스폿들은 비교적 희미하다는 것을 보여준다. 제5 및 마지막 예시적인 애퍼처 경우는 체커보드 패턴으로 배열된 12개의 42μm 폭의 정사각형들을 갖는다. 이 분산 애퍼처 형상은 중심 최대치 주위에 매우 희미한 2차 스폿들을 갖는 양호한 망막 회절 이미지를 생성할 수 있다. 스폿 크기는 또한 하나의 대각선 방향에서 연속적인 원형 250μm 애퍼처로 획득된 스폿 크기에 필적한다. 이 마지막 예는, 분산 애퍼처의 양호한 설계로, 단일의 샘플링된 연속적인 더 큰 애퍼처의 기능성에 가까운 이미징 성능을 얻는 것이 가능하다는 것을 보여준다.

이용된 광학 애퍼처의 전체 크기는 망막 이미지 회절 블러의 양에 큰 영향을 미친다. 도 41은 2개의 상이한 크기의 분산 애퍼처들로 수행된 시뮬레이션의 결과뿐만 아니라 비교로서 이용된 단일 250μm 연속 애퍼처로 수행된 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 분산 애퍼처 경우들 둘 다는 이전의 도 40에서 제4 경우로서 제시된 동일한 연결된 삼각형 기하구조를 이용하지만, 제1 크기 시뮬레이션 경우에서, 총 애퍼처 클러스터 높이 및 폭은 250μm인 반면, 제2 경우에서, 클러스터는 3배 더 크다. 더 작고 더 큰 삼각형 애퍼처들이 비교될 때, 눈이 복셀 위치(300mm)에 포커싱될 때 스폿 크기가 가장 작기 때문에 더 큰 애퍼처는 회절을 또한 갖는 적절한 망막 초점 큐를 생성할 수 있다는 것이 명백해진다. 또한, 분산된 750μm 폭 애퍼처는 단일 삼각형이 단지 ~188μm 폭이지만 단일 연속 250μm 원형 애퍼처보다 더 작은 회절 스폿을 형성할 수 있다는 것이 명백하다. 따라서, 시뮬레이션은 충분히 큰 총 크기를 갖는 분산 애퍼처로 적절한 망막 큐가 생성될 수 있다는 것을 나타낸다.

구조 기능 및 달성가능한 해상도를 테스트하기 위해, 광학 시뮬레이션 소프트웨어 OpticsStudio 17로 한 세트의 시뮬레이션들이 수행되었다. 디스플레이 광학 구조는 뷰잉 윈도우로부터 350mm 거리에 배치되었다. 단순화된 눈 모델은 눈 초점 길이(~17mm)를 적절한 초점 거리들로 조정하기 위해 이용된 4mm 애퍼처(눈 동공) 및 2개의 이상적인 근축(paraxial) 렌즈들로부터 구성되었다. 시뮬레이션 소스들은 2μm x 2μm 표면 영역의 μLED 측정들로 이루어졌고, 3개의 컬러들인 적색 650nm, 녹색 550nm 및 청색 450nm는 상이한 가시 파장들을 갖는 회절 패턴들을 보여주기 위해 이용되었다. 눈 모델은 3개의 복셀 형성 심도 평면들을 나타내는 3개의 상이한 거리들 281mm, 350mm 및 463mm에 포커싱되었다. 분산된 작은 애퍼처 설계로부터 오는 해상도 향상을 보여주기 위해 한 세트의 비교 시뮬레이션들이 또한 이루어졌다. 이들 시뮬레이션들에서, 정사각형 88μm x 88μm 애퍼처들이 이용되었고, 이들은 특별히 설계된 분산 애퍼처의 중심 정사각형과 동일한 크기였다.

도 42는 눈 모델 망막 상에 위치한 50μm x 50μm 크기 검출기 표면 상의 방사조도 분포들로서 복셀 해상도 시뮬레이션 결과를 도시한다. 분산 애퍼처 설계의 효과들을 보여주기 위해 회절 시뮬레이션들만이 수행되었다. 3개의 주요 열들은 3개의 상이한 소스 파장들로 얻어진 결과들을 보여주고, 행들은 이용된 눈 초점 거리들을 보여준다. 각각의 파장/초점 거리의 경우에, 한 쌍의 시뮬레이션된 방사조도 분포들이 보여진다. 좌측의 분포들은 단일 직사각형 애퍼처로 얻어진 망막 이미지들을 보여주고, 우측의 분포들은 분산 애퍼처 설계로 얻어진 이미지들을 보여준다.

시뮬레이션된 스폿들이 이용된 눈 초점 범위에 걸쳐 비교될 때, 작은 애퍼처들로부터의 회절이 이미징을 지배한다. 모든 망막 스폿들은 전체 눈 초점 범위에 걸쳐 크기가 대략 동일하고, 이용가능한 적절한 망막 초점 큐들은 존재하지 않는다. 도 42는 또한 소스 컬러들 사이의 회절된 스폿 크기들 사이에 차이들이 존재한다는 것을 도시한다. 모든 경우에, 적색 광으로 얻어진 스폿들은 녹색 및 청색 스폿으로 시뮬레이션된 스폿들이 최소 직경을 갖는 것보다 크다. 전체적으로, 회절 블러는 회절된 상이하게 컬러링된 빔이 풀-컬러 이미징 빔으로 함께 융합됨에 따라 컬러 혼합을 돕는다.

도 42에 도시된 단일 애퍼처 경우들이 분산 애퍼처 경우들과 비교될 때, 분산 애퍼처들의 해상도 향상 특성들이 명백하다. 애퍼처 클러스터 배열은 일부 회절된 2차 스폿들을 생성하지만, 광 에너지의 대부분은 하나의 중심 최대에 집중된다. 분산 애퍼처들은 단일 애퍼처로 생성된 이미지 스폿들의 폭의 약 절반인 중심 스폿들을 갖는 망막 이미지들을 생성할 수 있다. 이것은 애퍼처 크기들이 작은 공간 해상도의 배가(doubling)를 허용할 수 있다.

가변 초점 모자이크 렌즈(VFML)의 기능을 테스트하기 위해, 광학 시뮬레이션 소프트웨어 OpticsStudio 17로 한 세트의 시뮬레이션들이 수행되었다. 디스플레이 광학 구조는 눈 초점 거리(~17mm)를 적절한 초점 거리로 조정하기 위해 이용된 4mm 애퍼처(동공) 및 2개의 이상적인 근축 렌즈들로부터 구성된 단순화된 눈 모델로부터 350mm 거리에 배치되었다. 눈 모델로부터 0.7 디옵터 간격: 390mm, 500mm 및 800mm 거리를 갖는 3개의 초점 거리들이 이용되었다. 눈 초점을 먼저 언급된 거리들 중 하나에 고정한 다음 VFML 초점 거리를 3개의 예시적인 복셀 투영 거리들로 조정함으로써 총 9개의 시뮬레이션들이 이루어졌다.

시뮬레이션 소스들은 2μm 정사각형 표면 영역의 μLED 측정들로 이루어졌다. 하나의 녹색 550nm 소스만이 단일 눈 망막 초점 큐들의 생성을 보여주기 위한 목적으로 이용되었다. 이러한 이유로, LCD 애퍼처 크기들은 9μm x 27μm의 녹색 필터 애퍼처 크기로 고정되었다. 시뮬레이션들은 또한 기하학적 광 추적만으로 이루어졌고, 그들은 회절 효과들을 포함하지 않았다. 그러나, 회절 패턴들은 스폿들을 더 블러링할 뿐이고, 예를 들어, 4개의 빔 섹션 스폿들을 함께 융합하기 때문에, 기하학적 시뮬레이션들은 원하는 효과를 보여주기 위해 적절한 것으로 보였다.

도 43은 3개의 상이한 VFML 및 눈 초점 거리들에 대해 시뮬레이션된 망막 스폿들의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 시뮬레이션 결과들은 그 크기가 모든 경우에 80μm x 80μm인 검출기 표면 상의 망막 이미지들의 표로서 제시된다. 열들은 상이한 복셀 초점 거리들에 대응하고, 행들은 눈 초점 거리들에 대응한다. 표는 눈이 복셀과 동일한 위치에 포커싱될 때, 소스의 단일의 선명한 정사각형 이미지가 망막 상에서 가시적임을 보여준다. 소스 이미지는 또한 복셀이 350mm 뷰잉 거리에 위치된 디스플레이로부터 더 멀리 이동할 때 크기가 증가한다. 또한, 눈이 복셀과 동일한 심도로 포커싱되지 않을 때, 4개의 소스 이미지들의 그룹이 가시적이 된다는 것이 명백하다. 이들 4개의 스폿은 모자이크 렌즈에서 생성된 4개의 빔 섹션들로부터 나온다. 빔 섹션들이 복셀 초점 위치에서 만날 때, 단일 소스 이미지는 2개의 거리들이 동일할 때마다 후속한다. 모든 시뮬레이션된 눈 초점의 경우에, 4개의 초점이 맞지 않는 스폿들은 정확한 초점을 갖는 단일 이미지보다 큰 표면 영역을 점유한다. 이는 단일 눈이 지정된 복셀 초점 거리에서만 복셀에 대해 정확한 초점을 가질 것임을 의미한다. 전체적으로, 시뮬레이션 결과들은 방법이 실질적인 VAC 없이 교차하는 빔들을 갖는 3D 이미지들을 생성하는데 이용될 수 있다는 것을 보여준다.

Claims (15)

1. 디스플레이 디바이스로서,
   발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이를 포함하는 발광 층;
   상기 발광 층을 오버레이하는 광학 층―상기 광학 층은 복수의 분산 렌즈들을 포함하고, 각각의 분산 렌즈는 광학 중심을 갖고, 상기 분산 렌즈들 각각은 상이한 광학 중심을 갖는 적어도 하나의 다른 분산 렌즈와 인터레이스됨―; 및
   렌즈 영역들이 상기 디스플레이 디바이스 외부의 상기 발광 층으로부터의 광을 투과시키는 제어를 제공하도록 동작하는 공간 광 변조기
   를 포함하는, 디스플레이 디바이스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분산 렌즈들 각각은 복수의 렌즈 영역들을 포함하고, 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치되고, 상기 제1 및 제2 분산 렌즈들은 상이한 광학 중심들을 갖는, 디스플레이 디바이스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   개개의 분산 렌즈 내의 상기 렌즈 영역들 각각은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는, 디스플레이 디바이스.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 분산 렌즈는 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공간 광 변조기는 복수의 광 변조 픽셀들을 포함하고, 상기 공간 광 변조기의 각각의 픽셀은 상기 렌즈 영역들 중 하나 이하에 대응하는, 디스플레이 디바이스.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 상기 분산 렌즈들 각각에 대해, 상기 개개의 분산 렌즈는 적어도 하나의 미리 결정된 발광 요소로부터의 광을 적어도 하나의 미리 결정된 복셀 위치로 포커싱하도록 구성되는, 디스플레이 디바이스.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 분산 렌즈들 중 적어도 하나는 가변 초점 분산 렌즈인, 디스플레이 디바이스.
8. 디스플레이 디바이스를 동작하는 방법으로서,
   발광 요소들의 어드레싱가능한 어레이에서의 발광 요소로부터 광을 선택적으로 방출하는 단계―상기 방출된 광은 복수의 렌즈 영역들을 포함하는 광학 층을 향해 방출됨―; 및
   상기 방출된 광이 선택된 복수의 렌즈 영역들을 통해 상기 디스플레이 디바이스 외부로 이동하는 것을 허용하도록 공간 광 변조기를 동작하는 단계―상기 선택된 복수의 렌즈 영역들은 선택된 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 선택된 렌즈 영역들을 포함함―
   를 포함하는, 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 선택된 렌즈 영역들은 상기 제1 분산 렌즈 내의 적어도 2개의 비인접 렌즈 영역들을 포함하는, 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 분산 렌즈는 제1 광학 중심을 갖고, 상기 제1 분산 렌즈는 상기 제1 광학 중심과 상이한 제2 광학 중심을 갖는 제2 분산 렌즈와 인터레이스되는, 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 분산 렌즈의 적어도 하나의 렌즈 영역은 상기 제2 분산 렌즈의 적어도 2개의 렌즈 영역들 사이에 위치되는, 방법.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택된 비인접 렌즈 영역들은 실질적으로 동일한 주 초점 포인트를 갖는, 방법.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이될 복셀의 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 복셀 위치에 기초하여 상기 발광 요소 및 상기 제1 분산 렌즈를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 발광 요소 및 상기 분산 렌즈는 상기 발광 요소 및 상기 제1 분산 렌즈의 광학 중심이 실질적으로 동일 선상에 있도록 선택되는, 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 발광 요소 및 상기 분산 렌즈는 상기 발광 요소로부터의 광이 상기 결정된 복셀 위치에서 실질적으로 포커싱되도록 선택되는, 방법.

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