KR20220110783A - 광학 층 및 광학 시스템 - Google Patents

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자오후이 양
프제미스라우 피 마르코윅즈
마크 에이 뢰리그
트라이 디 팜
세레나 엘 슐레우스너
데이비드 에이 로젠
양 류
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광학 시스템은 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 렌즈 층; 및 렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구를 내부에 한정하는 적어도 하나의 광학적으로 불투명한 마스크 층을 포함한다. 마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 개구들은 렌즈 층과 동일한 경사각을 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 둔다. 광학 층은 렌즈 층, 및 광학 층에 매립된 광학적으로 불투명한 마스크 층을 포함할 수 있다.

Description

광학 층 및 광학 시스템
액정 디스플레이를 포함하는 장치는 디스플레이의 후방에서 지문 센서를 포함할 수 있다.
일부 태양에서, 본 발명은 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 렌즈 층; 및 렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 관통 개구들을 내부에 한정하는 적어도 하나의 광학적으로 불투명한 마스크 층을 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 마이크로렌즈들과 개구들 사이에 일대일 대응이 있을 수 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 개구들은 렌즈 층과 동일한 경사각을 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 둔다. 광학 층은 렌즈 층, 및 광학 층에 매립된 광학적으로 불투명한 마스크 층을 포함할 수 있다.
일부 태양에서, 본 발명은 광학 시스템으로서, 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 렌즈 층; 렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층; 및 렌즈 층 및 제1 마스크 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층을 포함하는, 광학 시스템을 제공한다. 제1 마스크 층은 렌즈 층과 제2 마스크 층 사이에 배치된다. 마이크로렌즈들과 제1 및 제2 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 및 제2 개구들은 렌즈 층과 동일한 경사각을 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 둔다. 이미지를 지니는 이미지 광이 마이크로렌즈를 실질적으로 채우는 상태로 이미지 광이 직선을 따라 마이크로렌즈에 입사할 때, 입사하는 이미지 광의 약 35% 초과, 또는 약 40% 초과, 또는 약 45% 초과, 또는 약 50% 초과가 제2 개구에 의해 투과된다. 제1 및 제2 개구들 중 적어도 하나는 마이크로렌즈로 인한 이미지 품질 열화를 감소시키는 크기로 된다.
일부 태양에서, 본 발명은 광학 층으로서, 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면(structured first major surface), 및 반대편의 제2 주 표면; 및 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층을 포함하는, 광학 층을 제공한다. 제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정한다. 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 마스크 층의 평균 두께보다 더 큰 최대 두께를 갖는 공극 영역(voided region)을 한정한다.
일부 태양에서, 본 발명은 광학 층으로서, 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면, 및 반대편의 제2 주 표면; 및
제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층을 포함하는, 광학 층을 제공한다. 제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정한다. 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 주 표면을 향하는 상부 주 표면, 및 제2 주 표면을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 갖는 공극 영역을 한정한다. 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 적어도 하나의 단면에서, 광학 층은 공극 영역들의 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나를 따라 집중된 복수의 나노입자들을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 마스크 층은 제1 재료를 포함하고, 나노입자들은 제1 재료 또는 제1 재료의 산화물 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 태양에서, 본 발명은 광학 층으로서, 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면, 및 반대편의 제2 주 표면; 및 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층을 포함하는, 광학 층을 제공한다. 제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정한다. 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 주 표면을 향하는 상부 주 표면, 및 제2 주 표면을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 갖는 공극 영역을 한정한다. 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 상부 및 저부 표면들은 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리(separation)가 공극 영역의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리보다 더 크다. 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 10 nm 내지 200 nm의 범위 내의 표면 조도(surface roughness)를 가질 수 있다.
일 태양에서, 본 발명은 광학 층의 제조 방법을 제공한다. 광학 층은 본 명세서의 다른 곳에 기술된 광학 층들 중 임의의 것일 수 있다. 방법은 복수의 마이크로렌즈들을 통해 매립된 광학적으로 불투명한 마스크 층을 조사하여 마스크 층 내에 복수의 제1 관통 개구들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 태양에서, 본 발명은 광학 요소 및 굴절 구성요소를 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 광학 요소는 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 렌즈 층; 및 렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층을 포함한다. 마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 개구는 직선 상에 실질적으로 중심을 둔다. 각각의 직선은 렌즈 층과 동일한 경사각을 이룬다. 굴절 구성요소는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되고 광학 요소에 근접하게 배치되어, 렌즈 층에 실질적으로 직교하는 제3 방향을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔에 대해, 굴절 구성요소는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향들을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트들로 분할한다. 2개 내지 9개의 주 방향들에서의 제1 주 방향은 각각의 직선에 실질적으로 평행하다.
일부 태양에서, 본 발명은 굴절 구성요소, 광학 요소, 광원, 및 광학 센서를 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 굴절 구성요소는 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되어, 제1 및 제2 방향들에 실질적으로 직교하는 제3 방향을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔에 대해, 굴절 구성요소는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향들을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트들로 분할한다. 2개 내지 9개의 주 방향들은 제1 주 방향을 포함한다. 광학 요소는 굴절 구성요소에 근접하게 배치되어, 임의의 다른 주 방향이 아닌 제1 주 방향을 따라 광학 요소에 입사하는 빔 세그먼트에서 광의 45% 이상이 광학 요소를 통해 투과된다. 광원은 2개 내지 9개의 주 방향들에서의 제2 주 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 광을 방출하도록 배치된다. 광학 센서는 제1 주 방향을 따라 광학 요소를 통해 투과된 광을 수광하도록 배치된다.
도 1은 광학 시스템의 개략 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 마이크로렌즈에 입사하는 광을 개략적으로 도시하는 도면.
도 3은 마이크로렌즈를 통해 투과된 광의 강도 분포의 개략적인 플롯(plot).
도 4는 광학 요소 또는 층의 개략 단면도.
도 5a 내지 도 5d는 광학 요소 또는 층의 부분의 개략 단면도.
도 6은 광학 요소 또는 층을 포함하는 광학 시스템의 개략 단면도.
도 7은 관통 개구들 및 마이크로렌즈들의 어레이의 개략 상부 투영도.
도 8 및 도 9는 광학 시스템의 개략 단면도.
도 10a 및 도 10b는 광학 요소 및 굴절 구성요소의 최대 투영 면적들의 개략도.
도 11은 굴절 구성요소의 개략 단면도.
도 12a 내지 도 12c는 개략적인 코노스코픽(conoscopic) 플롯.
도 13a는 마이크로렌즈 및 광학 디커플링 구조체(optical decoupling structure)를 포함하는 광학 요소 또는 층의 개략 단면도.
도 13b는 인접 층에 부착된 도 13a의 광학 요소 또는 층의 개략 단면도.
도 14는 두 가지 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 광학 요소 또는 층의 개략 단면도.
도 15 내지 도 17은 광학 시스템의 계산된 점 확산 함수(point spread function)의 플롯.
도 18 내지 도 20은 매립된 마스크 층 내의 개구를 통한 단면의 이미지.
하기의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 다양한 실시 형태가 예시로서 도시되어 있는 첨부 도면을 참조한다. 도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 다른 실시 형태가 고려되고 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 하기 상세한 설명은 제한의 의미로 취해지지 않아야 한다.
스마트폰 또는 태블릿 컴퓨터 애플리케이션과 같은 일부 애플리케이션의 경우, 액정 디스플레이(LCD) 후방에 지문 센서를 배치하는 것이 요구된다. 그러나, 액정 디스플레이는 종종 액정 디스플레이 패널 후방에서, 교차된 프리즘 필름들과 같은 굴절 구성요소를 포함한다. 지문으로부터 반사된 광은 전형적으로 굴절 구성요소에 의해 다수의 빔 세그먼트로 분할되고, 이는 센서에 입사할 때 지문의 광학 이미지의 품질을 감소시킬 수 있다. 일부 실시 형태에 따르면, 이러한 이미지 품질 감소를 피하거나 실질적으로 감소시키는 광학 요소, 층, 및 시스템이 제공된다.
도 1은 렌즈 층(110), 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120), 및 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층(125)을 포함하는 광학 시스템(150)의 개략 단면도이다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소 또는 층(100)이 렌즈 층(110)과 제1 및 제2 마스크 층(120, 125)들의 각각을 포함한다. 광학 요소 또는 층(100)은 구조화된 제1 주 표면(103) 및 반대편의 제2 주 표면(104)을 가질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상이한 광학 요소들은 상이한 층들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 요소가 렌즈 층(110) 및 제1 마스크 층(120)을 포함하고, 제1 광학 요소로부터 이격된 제2 광학 요소는 제2 마스크 층(125)을 포함할 수 있다.
렌즈 층(110)은 직교하는 제1 및 제2 방향들(x- 및 y-방향들)을 따라 (예컨대, 규칙적인 어레이로) 배열된 복수의 마이크로렌즈(102)를 포함한다. 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)은, 예를 들어 2 내지 35 마이크로미터의 범위일 수 있는, 거리(d1)만큼 렌즈 층(110)으로부터 이격된다. 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구(122)를 내부에 한정한다. 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층(125)은 렌즈 층(110)과 제1 마스크 층(120)으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구(127)를 내부에 한정한다. 제1 마스크 층(120)은 렌즈 층(100)과 제2 마스크 층(125) 사이에 배치된다. 제2 마스크 층(125)은, 예를 들어 1 내지 20 마이크로미터의 범위일 수 있는 거리(d2)만큼 제1 마스크 층(120)으로부터 이격된다. 일부 실시 형태에서, d2 < d1, 또는 d2 < 0.7 d1, 또는 d2 < 0.5 d1이다. 마이크로렌즈(102)들과 제1 및 제2 개구(122, 127)들 사이에 일대일 대응(즉, 각각의 마이크로렌즈(102)에 대해, 하나의 제1 개구(122) 및 하나의 제2 개구(127)가 마이크로렌즈에 대응함)가 있을 수 있어서, 각각의 마이크로렌즈(102)에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 및 제2 개구(122, 127)들은 렌즈 층(110)과 동일한 경사각(θ)을 이루는 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 둔다. 예를 들어, 마이크로렌즈(102a)는 제1 및 제2 개구(122a, 127a)들에 대응하고, 마이크로렌즈(102a) 및 대응하는 제1 및 제2 개구(122a, 127a)들은 직선(140a) 상에 실질적으로 중심을 둔다. 이러한 선이 렌즈 또는 개구의 중심을 통과하거나 예를 들어 각각 렌즈 또는 개구의 직경의 약 20% 이내, 또는 약 10% 이내, 또는 약 5% 이내로 중심을 통과할 때, 렌즈 또는 개구가 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 두는 것으로 기술될 수 있다.
마이크로렌즈는 일반적으로 1 mm 미만 및 100 nm 초과의 적어도 2개의 직교 치수(예컨대, 높이 및 직경, 또는 2개의 축을 따른 직경)를 갖는 렌즈이다. 마이크로렌즈는 예를 들어 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위의 평균 직경을 가질 수 있다. 마이크로렌즈는 예를 들어 5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터의 범위의 평균 곡률 반경을 가질 수 있다. 마이크로렌즈는 예를 들어 구면 또는 비구면 마이크로렌즈일 수 있다. 비구면 마이크로렌즈가 (예컨대, 선(140)을 따라) 요구되는 축외(off-axis) 각도로 입사하는 광에 대해 개선된 광학 특성(예컨대, 개선된 초점)을 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 광학 요소 또는 층(100), 또는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 다른 광학 요소 또는 층은 예를 들어 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위의 총 두께를 가질 수 있다.
마스크 층은, 개구들 사이의 영역에서 층에 수직으로 입사되는 비편광된 가시광의 20% 미만, 또는 15% 미만, 또는 10% 미만, 또는 5% 미만, 또는 3% 미만이 층을 통해 투과될 때 광학적으로 불투명한 것으로 기술될 수 있다. 마스크 층은 광학적으로 흡수성이거나 광학적으로 반사성일 수 있다. 적합한 마스크 층은 (예컨대, 증착되거나 스퍼터링된) 금속 층, 금속 산화물 층, (예컨대, 광학적으로 흡수성인 염료(들)를 포함하는) 어두운 재료 코팅, 및 광학적으로 흡수성이거나 반사성인 필름을 포함한다. 마스크 층은 재료가 적절하게 광학적으로 불투명하게 하기에 충분한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 마스크 층의 평균 두께(t, t')는 각각 5 nm 내지 5 마이크로미터의 범위일 수 있다. 일부 실시 형태에서, t 및/또는 t'는 예를 들어 10 nm 내지 500 nm, 또는 10 nm 내지 150 nm, 또는 15 nm 내지 100 nm, 또는 15 nm 내지 50 nm, 또는 20 nm 내지 40 nm의 범위이다.
제1 및 제2 마스크 층(120, 125)들은 광학 요소를 통해 투과된 광을 실질적으로 선(140)을 따른 광만으로 제한하도록 포함될 수 있다. 하나의 마이크로렌즈에 입사하는 광이 다른 마이크로렌즈에 대응하는 개구를 통해 투과되는 크로스토크(cross-talk)를 감소시키기 위해 제2 마스크 층(125)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 크로스토크를 달리 초래하였을 광선(108)이 제2 마스크 층(125)에 의해 차단된다. 일부 실시 형태에서, 제2 마스크 층(125)이 생략된다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 제2 마스크 층(125) 대신에 픽셀화된 광센서(pixelated photosensor)가 사용될 수 있다. 관련된 광학 요소들이 국제 출원 제IB2019/056781호(양(Yang) 등)에 기술되어 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)는 물리적 개구(physical opening)이다. 물리적 개구는 물리적 구멍이 존재하도록 마스크 층으로부터 제거된 재료를 갖는다. 예를 들어, 물리적 개구 또는 구멍은 레이저 절제(laser ablation)에 의해 광학적으로 불투명한 층에 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구는 광학 개구(optical opening)이다. 광학 개구는 광학 개구에 재료가 존재할지라도 광이 광학 개구를 통해 투과될 수 있도록 처리된 재료를 갖는다. 예를 들어, 광학 개구는 표백에 의해 광학적으로 불투명한 층에 형성될 수 있다(예컨대, 염료를 포함하는 광학적으로 불투명한 층은 광표백되거나 열표백되어 표백된 염료가 더 이상 광학적으로 흡수성이지 않도록 함). 광학 개구는, 예를 들어 미국 특허 제9,575,233호(메릴(Merrill) 등)에 전반적으로 기술된 바와 같이 개구에서 복굴절성을 감소시킴으로써 복굴절성 반사 필름에 형성될 수 있다. 레이저로부터의 에너지의 흡수를 증가시키기 위해 흡수 오버코트(overcoat)가 선택적으로 광학 필름에 적용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 개구(127)는 물리적 개구이다. 일부 실시 형태에서, 제2 개구(127)는 광학 개구이다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)는 예를 들어 500 nm 내지 50 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 40 마이크로미터, 또는 2 마이크로미터 내지 30 마이크로미터, 또는 3 마이크로미터 내지 20 마이크로미터, 또는 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터의 범위의 평균 직경(d)을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 제2 개구(127)는 예를 들어 500 nm 내지 50 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 40 마이크로미터, 또는 2 마이크로미터 내지 30 마이크로미터, 또는 3 마이크로미터 내지 20 마이크로미터, 또는 5 마이크로미터 내지 15 마이크로미터의 범위의 평균 직경(d')을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 공극 영역을 한정한다. 공극 영역은 제1 주 표면(103)을 향하는 상부 주 표면, 및 제2 주 표면(104)을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 적어도 하나의 단면에서, 광학 층은 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 공극 영역의 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나를 따라 집중된 복수의 나노입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 상부 및 저부 표면들은 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리가 공극 영역의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리보다 더 크다. 일부 그러한 실시 형태에서 또는 다른 실시 형태에서, 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 10 nm 내지 200 nm의 범위 또는 다른 곳에서 기술된 범위의 표면 조도를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 추가 층(244)이 제1 마스크 층(120)의 반대편의 제2 마스크 층(125) 상에 배치된다. 다른 실시 형태에서, 추가 층(244)이 생략된다. 일부 실시 형태에서, 제2 개구(127)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제2 개구에 대해, 제2 개구는 공극 영역을 한정한다. 공극 영역은 제1 주 표면(103)을 향하는 상부 주 표면, 및 제2 주 표면(104)을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 적어도 하나의 단면에서, 광학 층은 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 공극 영역의 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나를 따라 집중된 복수의 나노입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 상부 및 저부 표면들은 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리가 공극 영역의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리보다 더 크다. 일부 그러한 실시 형태에서 또는 다른 실시 형태에서, 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 10 nm 내지 200 nm의 범위 또는 다른 곳에서 기술된 범위의 표면 조도를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 추가의 추가 층이 포함된다. 예를 들어, 프라이머(primer) 층 또는 타이(tie) 층과 같은 추가 층이 인접 층들 사이의 접합을 개선하기 위해 도 1에 도시된 인접 층들 사이의 임의의 하나 이상의 계면에 배치될 수 있다.
"상부" 및 "저부"를 포함하지만 이로 제한되지 않는, 공간적으로 관련된 용어는 설명의 용이함을 위해 일정 요소(들)의 다른 요소(들)에 대한 공간적 관계를 기술하는 데 이용된다. 그러한 공간적으로 관련된 용어들은 도면들에 도시되고 본 명세서에 설명된 특정 배향에 부가하여, 사용 또는 동작 시의 장치의 상이한 배향들을 포괄한다. 예를 들어, 도면에 도시된 물체가 반전되거나 뒤집히면, 다른 요소들 아래에 또는 밑에 있는 것으로 이전에 기술된 부분이 그때는 이들 다른 요소 위에 있을 것이다.
도 2a는 일부 실시 형태에 따른, 마이크로렌즈(102)에 입사하는 광(130)의 개략도이다. 도 2b는 마이크로렌즈가 이미지 품질 열화를 야기하는 일부 실시 형태에 따른, 마이크로렌즈(102)에 입사하는 광(130)의 개략도이다. 도 2c는 제1 및 제2 개구(122, 127)들 중 적어도 하나가 마이크로렌즈로 인한 이미지 품질 열화를 감소시키는 크기로 된 마이크로렌즈(102)에 입사하는 광(130)의 개략도이다. 일부 실시 형태에서, 이미지(133)를 지니는 이미지 광(130)이 직선(140)을 따라 마이크로렌즈(102)에 입사할 때(여기서, 이미지 광(130)은 마이크로렌즈(102)를 실질적으로 채움), 입사하는 이미지 광의 약 35% 초과, 또는 약 40% 초과, 또는 약 45% 초과, 또는 약 50% 초과가 제2 개구(127)에 의해 투과된다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 개구(122, 127)들 중 적어도 하나는 마이크로렌즈로 인한 이미지 품질 열화를 감소시키는 크기로 된다. 이미지 광은, 이미지 광이 마이크로렌즈를 채울 때 또는 예를 들어 이미지 광이 마이크로렌즈의 외측 표면의 면적의 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 90% 이상을 채울 때, 마이크로렌즈를 실질적으로 채우는 것으로 기술될 수 있다.
도 3은 이미지 품질 열화를 야기하는 마이크로렌즈를 통해 투과된 광의 공칭 이미지 평면에서의 강도 분포의 개략적인 플롯이다. 마이크로렌즈로 인한 이미지 품질 열화를 감소시키는 크기로 된 마스크 층 내의 개구의 직경(D)이 도시되어 있다. 마이크로렌즈는, 예를 들어 마이크로렌즈의 표면이 제조 제한들로 인해 이상적인 형상으로부터 벗어날 때, 이미지 품질 열화를 야기할 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈를 형성하기 위해 사용되는 공구는 마이크로렌즈의 이상적인 형상과 근사하지만 이를 정확하게 따르지 않는 복수의 소면(facet)을 초래하는, 층으로부터의 재료의 제거에 의해 형성되는 표면을 가질 수 있다.
일부 실시 형태에서, 광학 시스템은 지문을 검출하도록 구성된다. 디스플레이 패널의 전방 표면에서 임의의 지점으로부터 광학 시스템을 통해 전파되는 광은 바람직하게는, 요구되는 (예컨대, 적합하게 선명한) 지문 이미지를 형성하기 위해, 지문 센서에 입사할 때 제한된 공간적 범위를 갖는다. 이러한 공간적 범위는 광학 시스템의 점 확산 함수에 의해 정량화될 수 있다. 점 확산 함수의 공간 확산이 클수록, 지문 이미지는 더 흐릿해진다. 일부 실시 형태에 따르면, 본 명세서에 기술된 광학 요소를 광학 시스템에서 포함하는 것이 점 확산 함수의 폭을 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 일부 실시 형태에서, 광학 시스템은 광학 요소의 후방에 배치된 광학 센서에서의 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)(예컨대, 도 8 및 도 9 참조)이 약 300 마이크로미터 미만, 또는 약 200 마이크로미터 미만, 또는 약 150 마이크로미터 미만, 또는 약 100 마이크로미터 미만인 램버시안 점광원(Lambertian point source)으로부터 광학 시스템에 입사하는 광에 대한 점 확산 함수를 갖는다.
본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이(예컨대, 도 8 및 도 9 참조), 일부 실시 형태에서, 광학 요소(100)(또는 예를 들어, 300)는 렌즈 층(110)과 제1 및 제2 마스크 층(120, 125)들을 포함하고, 광학 시스템(150)은 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되고 광학 요소(100)에 근접하여 배치되는 굴절 구성요소(160)를 더 포함하여, 렌즈 층(110)에 대해 실질적으로 직교하는(예컨대, 직교의 30도 이내, 또는 20도 이내, 또는 10도 이내인) 제3 방향(-z 방향)을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔(230)에 대해, 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향(131, 132)을 따라 굴절 구성요소를 빠져 나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트(112, 114)로 분할하도록 하는데, 2개 내지 9개의 주 방향에서의 제1 주 방향(131)은 각각의 직선(140)에 실질적으로 평행하다(예컨대, 평행의 30도 이내, 또는 20도 이내, 또는 10도 이내임). 적어도 하나의 제1 광 빔(230)은 예를 들어 굴절 구성요소 내의 프리즘(또는 다른 굴절 요소)의 폭보다 더 큰 폭을 갖는 임의의 광 빔일 수 있다. 더 좁은 폭을 갖는 다른 광 빔은 2개 내지 9개 미만의 주 방향으로 분할될 수 있다. 각각의 빔 세그먼트는 주 방향으로 지칭되는 동일한 방향을 따라 대체로 전파되는 입사 빔의 투과된 부분이다. 빔 세그먼트 및 주 방향은, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 예를 들어 투과된 광 강도의 코노스코픽 플롯으로부터 식별될 수 있다(예컨대, 도 12a 내지 도 12c 참조).
일부 실시 형태에서, 광학 시스템(150)은 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되는 액정 디스플레이(270), 액정 디스플레이를 조명하도록 배치된 도광체(265), 액정 디스플레이(270)와 도광체(265) 사이에 배치된 굴절 구성요소(160), 및 액정 디스플레이(270)의 반대편에서 도광체(265)에 근접하게 배치된 광학 센서(145)를 더 포함한다(예컨대, 도 9 참조). 일부 실시 형태에서, 렌즈 층(110)과 제1 및 제2 마스크 층(120, 125)들을 포함하는 광학 요소(100)(또는 예를 들어, 300)는 제2 마스크 층(125)이 광학 센서(145)를 향하도록 도광체(265)와 광학 센서(145) 사이에 배치된다(예컨대, 도 1의 광학 요소 또는 층(100)은, 도 1 및 도 8의 x-y-z 좌표계에 의해 나타내어진 바와 같이 배향된 광학 요소(300)에 대해, 도 8에 나타내어진 바와 같이 배치될 수 있음).
일부 실시 형태에서, 광학 요소(100)의 각각의 하위 층(예컨대, 렌즈 층(110), 제1 및 제2 마스크 층(120, 125)들)은 광학 요소(100)의 인접 층에 접합된다. 그러한 실시 형태에서, 광학 요소(100)는 광학 층으로 지칭될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 마스크 층(120)은 광학 층에 매립된다. 일부 실시 형태에서, 제2 마스크 층(125)이 또한 매립된 층이 되도록 제1 마스크 층(120)의 반대편에서 제2 마스크 층(125) 상에 추가 층(244)이 배치된다. 일부 실시 형태에서, 제2 마스크 층(125)이 생략될 수 있다.
도 4는 광학 요소 또는 층(200)의 개략 단면도이다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소 또는 층(200)은 구조화된 제1 주 표면(103) 및 반대편의 제2 주 표면(104)을 포함하는데, 여기서 구조화된 제1 주 표면(103)은 직교하는 제1 및 제2 방향들(x- 및 y-방향들)을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈(102)를 포함한다. 광학 층은 제1 주 표면(103)과 제2 주 표면(104) 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)을 더 포함한다. 제1 마스크 층(120)은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구(122)를 내부에 한정한다. 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 공극 영역(123)을 한정한다.
일부 실시 형태에서, 광학 요소 또는 층(200)은 예를 들어, 예컨대 미국 특허 제5,175,030호(루(Lu) 등), 제5,183,597호(루) 및 제9,919,339호(존슨(Johnson)등)에 그리고 미국 특허 출원 공개 제2012/0064296호(워커, 주니어(Walker, JR) 등)에 전반적으로 기술된 바와 같이 수지가 기판(substrate) 상에 캐스팅되고 복제 공구 표면과 접촉한 상태에서 경화되는 캐스트 및 자외선(UV) 경화 공정을 사용하여, 복수의 마이크로렌즈(102)를 미세복제함으로써 제조된다. 이어서, 예를 들어 제1 주 표면(103)의 반대편에서 마이크로렌즈 기판의 주 표면(143) 상으로 불투명 재료를 코팅함으로써, 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)이 형성될 수 있다. 불투명 재료는 재료가 적절하게 광학적으로 불투명하게 하기에 충분한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 불투명 재료는 두께가 10 nm 내지 5 마이크로미터일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 불투명 재료는 예를 들어 표준 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 코팅될 수 있는 10 nm 내지 500 nm(예컨대, 15 nm 내지 150 nm, 또는 15 nm 내지 100 nm, 또는 20 nm 내지 50 nm) 두께의 알루미늄이다. 추가 층(144)이 불투명 재료 층 상에 코팅되거나 라미네이팅될 수 있다. 이어서, 원하는 경우, 선택적인 제2 마스크 층이 추가 층(144) 상에 침착될 수 있다. 이어서, 원하는 경우, 추가 층(144)의 반대편에서 제2 마스크 층 상에 선택적인 제2 추가 층이 배치될 수 있다. 이어서, 개구(122)가 예를 들어 마이크로렌즈(102)를 통해 레이저 절제에 의하여 형성될 수 있다. 적합한 레이저는, 예를 들어 1070 nm의 파장을 동작시키는 40W 펄스형 광섬유 레이저(pulsed fiber laser)와 같은 광섬유 레이저를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 층(120)은 반사성 다층 광학 필름을 주 표면(143) 상으로 적용함으로써 형성된다. 이어서, 마이크로렌즈를 통해 레이저로 조사함으로써 물리적 또는 광학적 관통 개구가 광학 필름 내에 형성될 수 있다. 마이크로렌즈 어레이를 통해 레이저를 사용하여 층 내에 개구를 생성하는 것은 전반적으로, 예를 들어 US2007/0258149호(가드너(Gardner) 등)에 기술되어 있다. 개구를 형성하는 다른 적합한 방법은 (예컨대, 포토리소그래픽 마스크를 노광시키기 위해 마이크로렌즈 층을 사용하는 것을 포함한) 포토리소그래픽 및 마이크로프린팅 기법들을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 광학 층의 제조 방법이 제공된다. 방법은 구조화된 제1 주 표면(103) 및 반대편의 제2 주 표면(104)을 포함하는 제1 층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 구조화된 제1 주 표면(103)은 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈(102)를 포함한다. 제1 층은 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층을 더 포함한다. 방법은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 제1 마스크 층 내의 복수의 제1 관통 개구(122)를 형성하도록 복수의 마이크로렌즈(102)를 통해 제1 마스크 층을 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 층은 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층을 더 포함하는데, 여기서 제1 마스크 층은 제1 주 표면(103)과 제2 마스크 층 사이에 배치되고 이들로부터 이격된다. 제1 마스크 층을 조사하는 단계는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 제2 마스크 층 내의 복수의 제2 관통 개구(127)를 형성하도록 복수의 마이크로렌즈(102)를 통해 그리고 제1 마스크 층을 통해 제2 마스크 층을 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마이크로렌즈(102)와 제2 개구(127) 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 일부 실시 형태에 따른, 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120) 부근에서의 광학 요소 또는 층 내의 영역의 개략 단면도이다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 마스크 층(120)의 평균 두께(t)보다 더 큰 최대 두께(h)를 갖는 공극 영역(723)을 한정한다. 일부 실시 형태에서, 제1 마스크 층(120)은 평균 두께(t)를 갖고, 제1 개구(122)는 평균 최대 측방향 치수(d)를 가지며, t/d < 0.05, 또는 t/d < 0.01, 또는 t/d < 0.005이다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구를 통해 연장되는 공극 영역(123 또는 723)은 제1 개구와 실질적으로 측방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있다. 공극 영역은, 공극 영역이 제1 개구의 총 면적의 60 퍼센트 이상(또는 70% 이상 또는 80% 또는 90% 이상)을 채울 때, 제1 개구와 실질적으로 측방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있는 것으로 기술될 수 있다. 도 5a는 개구(122)들 및 개구(122)들과 측방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있는 공극 영역(723)들을 포함하는 마스크 층(120)을 포함하는 광학 층의 일부분의 개략 단면도이다. 도 5b는 개구(122)들 및 개구(122)들과 실질적으로 측방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있지만 개구들과 완전히 측방향으로 동일한 공간에 걸쳐 있지 않은 공극 영역(723)들을 포함하는 마스크 층(120)을 포함하는 광학 층의 일부분의 개략 단면도이다. 공극 영역은 고체 재료가 제거된 영역이다. 공기 또는 가스가 공극 영역에 존재할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 공극 영역(723)은 제1 주 표면(103)을 향하는 상부 주 표면, 및 제2 주 표면(104)을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 가지는데, 여기서 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 상부 및 저부 표면들은 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리(h1)(도 5c 참조) 및 공극 영역의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리(h2)를 갖고, h1 > h2이다. 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 표면 조도(R)를 가질 수 있다. 표면 조도(R)는 예를 들어 10 nm 이상, 또는 12 nm 이상, 또는 15 nm 이상, 또는 20 nm 이상일 수 있다. 표면 조도(R)는 예를 들어 200 nm 이하, 또는 150 nm 이하, 또는 120 nm 이하일 수 있다. 표면 조도는 마스크 층의 레이저 절제로부터 생길 수 있다. 예를 들어, 마스크 층의 레이저 절제는 표면을 따라 나노입자들을 침착함으로써 공극 영역(723)의 표면을 거칠게 할 수 있다. 표면 조도는 평균 평활 표면으로부터의 표면의 평균 편차를 지칭한다.
일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 주 표면(103)을 향하는 상부 주 표면(171), 및 제2 주 표면(104)을 향하는 반대편의 저부 주 표면(173)을 갖는 공극 영역(723)을 한정한다. 일부 실시 형태에서, 도 5d에 개략적으로 도시된 바와 같이, (예컨대, 광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서) 광학 층은 공극 영역의 상부 및 저부 주 표면(171, 173)들 중 적어도 하나를 따라 집중된 복수의 나노입자(177)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 광학 층에 실질적으로 직각인 단면에서(예컨대, 도 5d에 개략적으로 도시된 x-z 단면에서), 상부 및 저부 표면(171, 173)들은 (예컨대, 중심 부근에서의 격리 거리가 h이고 에지 부근에서의 격리 거리가 약 t인 도 5a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 또는 h1 > h2인 도 5c에 개략적으로 도시된 바와 같이) 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리가 공극 영역(723)의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리보다 더 크다. 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 10 nm 내지 200 nm의 범위 또는 다른 곳에서 기술된 범위의 표면 조도를 가질 수 있다.
일부 실시 형태에서, 상부 및 저부 표면(171, 173)들은 서로를 향해 실질적으로 오목하다(예컨대, 표면들 중 하나 또는 둘 모두의 면적의 50% 초과 또는 60% 이상 또는 70% 이상을 따라 서로를 향해 오목함).
일부 실시 형태에서, 제1 마스크 층(120)은 제1 재료를 포함하고, 나노입자(177)는 제1 재료 또는 제1 재료의 산화물 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 재료는 금속이다. 임의의 적합한 금속이 제1 재료를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속은 알루미늄, 티타늄, 크롬, 아연, 주석, 텅스텐, 금, 은, 또는 이들의 합금일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 나노입자는 금속의 산화물을 포함한다. 예를 들어, 나노입자는 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화크롬, 산화아연, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 나노입자(177)는 알루미늄 및 알루미늄 산화물이거나 이를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 나노입자(177)는 약 50 중량 %초과로 산화알루미늄을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 나노입자(177)들 중 90% 이상은 약 150 nm 미만, 또는 약 100 nm 미만의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 나노입자들 중 90% 이상은 약 1 nm 초과, 또는 약 5 nm 초과, 또는 약 10 nm 초과의 평균 직경을 갖는다. 나노입자의 평균 직경은 나노입자의 부피와 동일한 부피를 갖는 구의 직경이다.
일부 실시 형태에서, 광학 층은 제1 주 표면과 마스크 층 사이에 배치된 제1 중합체 층, 및 마스크 층과 제2 주 표면 사이에 배치된 제2 중합체 층을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 중합체 층들 중 적어도 하나는 내부에 균일하게 분산된 복수의 제2 나노입자를 포함한다. 예를 들어, 제2 나노입자는 당업계에 공지된 바와 같이 층의 굴절률을 증가시키기 위해 포함될 수 있다(예컨대, 미국 특허 제8,202,573호(포코니(Pokorny) 등) 참조).
일부 실시 형태에서, 도 4에 개략적으로 도시된 광학 요소 또는 층(200)은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구(127)를 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층(125)(예컨대, 도 1 참조)을 더 포함하는데, 여기서 제1 마스크 층(120)은 제1 주 표면(103)과 제2 마스크 층(125) 사이에 배치되고 이들로부터 이격되며, 여기서 마이크로렌즈와 제2 개구 사이에 일대일 대응이 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 및 제2 개구들은 제1 마스크 층과 동일한 경사각을 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 둔다. 제1 및/또는 제2 개구들은 다른 곳에서 기술된 바와 같을 수 있다(예컨대, 도 5a 내지 도 5d 참조).
도 6은 광센서(225) 상에 배치된 광학 요소 또는 층(200)의 개략 단면도이다. 일부 실시 형태에서, 광학 시스템(250)은 광학 요소 또는 층(200), 및 복수의 센서 픽셀(227)을 포함하는 광센서(225)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)와 센서 픽셀(227) 사이에 일대일 대응이 있어, 마이크로렌즈(102)들 중 적어도 대부분에서 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈(102) 및 대응하는 제1 개구(122)와 센서 픽셀(227)은 제1 마스크 층(120)과 동일한 경사각(θ)을 이루는 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 둔다.
도 7은 복수의 마이크로렌즈(102) 및 (예컨대, 제1 관통 개구(122)들 또는 제2 관통 개구(127)들에 대응하는) 관통 개구(126)들의 개략 상부 투영도이다. 마이크로렌즈(102)들은 직교하는 제1 및 제2 방향들(x- 및 y-방향들)을 따라 배열되고, 개구(126)들은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된다. 도시된 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들 및 관통 개구(126)들은 규칙적인 삼각형 어레이 상에 있다. 다른 패턴(예컨대, 정사각형 또는 직사각형 어레이, 다른 주기적 어레이, 또는 불규칙한 패턴)이 또한 가능하다.
도 8은 일부 실시 형태에 따른 광학 시스템(350)의 개략도이다. 도 9는 광학 시스템(350)의 일부 실시 형태의 개략도이다.
일부 실시 형태에서, 광학 시스템(350)은 (예컨대, 100 또는 200에 대응하는) 광학 요소(300) 및 굴절 구성요소(160)를 포함한다. 광학 요소(300)는 직교하는 제1 및 제2 방향들(x- 및 y-방향들)을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 렌즈 층(110); 및 렌즈 층(110)으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구를 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈와 제1 개구 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 개구는 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 두는데, 여기서 각각의 직선은 렌즈 층(110)과 동일한 경사각(θ)을 이룬다. 일부 실시 형태에서, 굴절 구성요소(160)는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되고 광학 요소에 근접하게 배치되어, 렌즈 층에 실질적으로 직교하는 제3 방향(-z-방향)을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔(230)에 대해, 굴절 구성요소(160)는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향(667)(도 12a 내지 도 12c 참조)을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트(665)(도 12a 내지 도 12c 참조)로 분할하는데, 여기서 2개 내지 9개의 주 방향에서의 제1 주 방향(131)은 각각의 직선(140)에 실질적으로 평행하다.
일부 실시 형태에서, 광학 요소(300)는, 렌즈 층(110) 및 제1 마스크 층(120)으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구(127)를 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층(125)을 더 포함하는데, 이때 제1 마스크 층(120)은 렌즈 층(110)과 제2 마스크 층(125) 사이에 배치된다(예컨대, 도 1 참조). 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈와 제2 개구 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈(102a) 및 대응하는 직선(140a)에 대해, 마이크로렌즈 (102a) 및 대응하는 제1 및 제2 개구(122a, 127a)들은 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 둔다.
일부 실시 형태에서, 광학 시스템(350)은 광학 요소(300)에 인접하여 광센서(225)를 더 포함한다(예컨대, 도 6 참조). 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 광센서(225)는 복수의 센서 픽셀을 포함할 수 있다. 마이크로렌즈와 센서 픽셀 사이에 일대일 대응이 있을 수 있어, 각각의 마이크로렌즈 및 대응하는 직선에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 개구 및 센서 픽셀은 직선(140) 상에 실질적으로 중심을 둔다.
일부 실시 형태에서, 복수의 마이크로렌즈에서의 적어도 대부분의 마이크로렌즈에서 각각의 마이크로렌즈에 대해, 빔 세그먼트(112, 114)들 중 적어도 2개는 마이크로렌즈에 입사하는데, 여기서 빔 세그먼트(112, 114)들 중 적어도 2개는 제1 주 방향(131)을 따라 전파하는 제1 빔 세그먼트(112)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 임의의 다른 주 방향인 아닌 제1 주 방향(131)을 따라 광학 요소(300)에 입사하는 빔 세그먼트들에서 광의 30% 이상, 또는 40% 이상, 또는 45% 이상, 또는 50% 이상, 또는 55% 이상이 광학 요소(300)를 통해 투과된다. 일부 실시 형태에서, 제1 주 방향(131)을 제외한 각각의 주 방향(132)에 대해, 주 방향을 따라 광학 요소(300)에 입사하는 빔 세그먼트에서 광의 10% 이하, 또는 5% 이하가 광학 요소를 통해 투과된다.
일부 실시 형태에서, 광학 시스템(350)은 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되는 굴절 구성요소(160)를 포함하여, 제1 및 제2 방향들에 실질적으로 직교하는 제3 방향을 따라 굴절 구성요소(160)에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔(230)에 대해, 굴절 구성요소는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트로 분할하는데, 여기서 2개 내지 9개의 주 방향은 제1 주 방향(131)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 2개 내지 9개의 주 방향은 이들 사이에서 각도(β)들을 한정하는데, 여기서 각각의 각도(β)는 약 30도 초과이다. 일부 실시 형태에서, 굴절 구성요소(160)는 렌즈 층(110)에 실질적으로 평행한 제1 길이방향(x-방향)을 따라 연장되는 제1 복수의 프리즘(254)을 포함하는 제1 프리즘 필름(252)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 굴절 구성요소(160)는 제1 프리즘 필름(252)에 인접하여 제2 프리즘 필름(256)을 더 포함한다. 제2 프리즘 필름(256)은 렌즈 층(110)에 실질적으로 평행하고 제1 길이방향에 실질적으로 직교하는 제2 길이방향(y-방향)을 따라 연장되는 제2 복수의 프리즘(258)을 포함할 수 있다.
광학 시스템(350)은 굴절 구성요소(160)에 근접하게 배치된 광학 요소(300)를 더 포함할 수 있어, 임의의 다른 주 방향(132)이 아닌 제1 주 방향(131)을 따라 광학 요소(300)에 입사하는 빔 세그먼트에서 광의 45% 이상(또는 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 범위들 중 임의의 범위)이 광학 요소(300)를 통해 투과된다. 광학 시스템(350)은 2개 내지 9개의 주 방향에서의 제2 주 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 광(142 및/또는 147)을 각각 방출하도록 배치된 광원(139 및/또는 141)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원은 적외선 광원이다. 일부 실시 형태에서, 광학 시스템(350)은 적외선 확산기(130)를 포함한다. 예를 들어, 적외선 확산기는 적외선 광원과 디스플레이의 터치 표면 사이에 위치되어 터치 표면에 입사하는 적외선 광의 균일성을 개선할 수 있다. 광학 시스템(350)은 제1 주 방향(131)을 따라 광학 요소(300)를 통해 투과된 광을 수광하도록 배치된 광학 센서(145)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 센서(145)는 적외선 광 센서이다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 주 방향들은 상이하다(예컨대, 제1 주 방향은 방향(131)일 수 있고, 제2 주 방향은 방향(132)일 수 있음). 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 주 방향들은 동일하다(예컨대, 제1 및 제2 주 방향들 각각은 방향(131)일 수 있음).
도 10a 및 도 10b는 일부 실시 형태에 따른, 광학 요소(300)와 굴절 구성요소(160)의 최대 투영 면적들의 개략도이다. 도 10a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 광학 요소(300)는 굴절 구성요소(160)의 적어도 일부분과 실질적으로 동일한 공간에 걸쳐 있는데, 여기서 굴절 구성요소(160)의 부분은 굴절 구성요소(160)의 최대 투영 면적의 약 30% 이상의 최대 투영 면적을 갖는다. 도 10b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 광학 요소(300) 및 굴절 구성요소(160)는 실질적으로 동일한 공간에 걸쳐 있다. 층 또는 표면은, 층 또는 표면의 총 면적의 60% 이상 또는 70% 이상 또는 80% 이상 또는 90% 이상이 다른 층 또는 표면의 총 면적의 60% 이상 또는 70% 이상 또는 80% 이상 또는 90% 이상과 각각 동일한 공간에 걸쳐 있을 때, 다른 층 또는 표면과 실질적으로 동일한 공간에 걸쳐 있을 수 있다.
주 방향의 개수는, 예를 들어 굴절 구성요소(160)에 포함된 광 방향전환(redirecting) 필름의 개수 및 형상에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 단일 프리즘 필름에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔(예컨대, 프리즘 폭보다 더 큰 직경을 갖는 실질적으로 수직으로 입사하는 광 빔)은 2개의 주 방향을 생성할 것인 반면, 교차된 프리즘 필름들에 입사하는 제1 광 빔은 4개의 주 방향을 생성할 것이다. 도 11은 제1 방향(x-방향)을 따라 배열되고 직교하는 제2 방향(y-방향)을 따라 연장되는 복수의 절두 프리즘(354)을 포함하는 절두 프리즘 필름(352)의 개략 단면도이다. 필름(352)에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔은 절두 프리즘(354)들의 각각의 소면에 대해 하나씩 3개의 빔 세그먼트로 분할될 것이다. 보다 일반적으로, n개의 비수직 소면은 n개의 빔 세그먼트를 생성할 수 있다. 2개의 교차된 절두 프리즘 필름(352)은 9개의 주 방향을 생성할 것이다. 일부 실시 형태에서, 2개 내지 9개의 주 방향은 2개, 4개 또는 9개의 주 방향이다. 일부 실시 형태에서, 2개 내지 9개의 주 방향은 4개의 주 방향이다.
도 12a 내지 도 12c는 빔 세그먼트(665) 및 주 방향(667)을 도시하는 코노스코픽 플롯이다. 코노스코픽 플롯의 각각의 점은 (방위각 및 편각에 의해 지정되는) 방향을 나타낸다. 더 어두운 영역은 투과된 광의 더 높은 강도를 나타낸다. 빔 세그먼트(665)는 강도가 국소 최대치를 갖는 방향인 것으로 취해질 수 있는 주 방향(667)을 따라 주로 전파되는 광 빔을 나타내는 더 높은 강도의 영역이다. 도 12a에서, 2개의 주 방향(667)으로 전파되는 2개의 빔 세그먼트(665)가 있고; 도 12b에서, 4개의 주 방향(667)으로 전파되는 4개의 빔 세그먼트(665)가 있으며; 도 12c에서, 9개의 주 방향(667)으로 전파되는 9개의 빔 세그먼트(665)가 있다.
일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈 층은 저굴절률 층을 통해 디스플레이 패널에 접합된다. 일부 실시예에서, 저굴절률 층은 1.3 이하의(예컨대, 1.1 내지 1.3의 범위의) 굴절률을 가지며, 렌즈 층(110)의 제1 주 표면(103) 상에 배치되고, 이에 실질적으로 정합하는 주 표면을 갖는다. 굴절률은, 달리 지시되지 않는 한, 633 nm에서의 굴절률을 지칭한다. 1.3 이하의 굴절률을 갖는 층은 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2013/0011608호(월크(Wolk) 등) 및 제2013/0235614호(월크 등)에 기술된 바와 같은 나노공극(nanovoided) 층일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 광학 디커플링 구조체(세장형 스페이서 요소(elongated spacer element)로도 지칭됨)가 제1 주 표면(103) 상에 제공되어, 광학 디커플링 구조체가 예를 들어 마이크로렌즈들과 접착제 층 사이에 공기 간극을 생성하면서 접착제 층에 의해 인접 디스플레이 패널에 접합될 수 있다.
도 13a는 반대편의 제1 및 제2 주 표면(1362, 1364a)들을 갖는 층(1360a)을 포함하는 광학 요소(1300a)(예컨대, 100, 200, 또는 300에 대응함)의 개략 단면도이다. 제1 주 표면(1362)은 마이크로렌즈(1350)들의 어레이, 및 층(1360a)으로부터 마이크로렌즈(1350)들의 상부 위로 연장되는 광학 디커플링 구조체(1355)들의 어레이를 포함한다. 광학 디커플링 구조체(1355)는 예를 들어 지주(post)일 수 있다. 마이크로렌즈(1350)들의 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈는 제2 주 표면(1364a)을 향해 오목하다. 광학 디커플링 구조체(1355)들의 어레이 내의 적어도 대부분의 광학 디커플링 구조체들에서의 각각의 광학 디커플링 구조체(1357)는 마이크로렌즈(1350)들의 어레이 내의 2개 이상의 인접 마이크로렌즈(1351, 1352)들 사이에 위치되고, 제2 주 표면(1364a)으로부터 멀어지는 방향(예컨대, 도 13a에 도시된 x-y-z 좌표계를 참조하면, z-방향)으로 2개 이상의 인접 마이크로렌즈(1351, 1352)들 위로 연장된다. 예를 들어, 광학 디커플링 구조체(1355)들의 어레이 내의 모든 광학 디커플링 구조체는 마이크로렌즈(1350)들의 어레이 내의 2개 이상의 인접 마이크로렌즈 사이에 위치될 수 있거나, 마이크로렌즈(1350)들의 어레이의 코너들 또는 에지들 근처의 광학 디커플링 구조체들을 제외한 모든 광학 디커플링 구조체가 2개 이상의 인접 마이크로렌즈 사이에 위치될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 층(1360a)은 (예컨대, 예를 들어 캐스트 및 경화 공정에서 마이크로렌즈(1350)들과 함께 형성되는) 모놀리식(monolithic) 층이다. 다른 실시 형태에서, 광학 디커플링 구조체(1355)들은 마이크로렌즈 층 상에 인쇄되어, 광학 디커플링 구조체들의 층 및 마이크로렌즈 층이 층(1360a)의 하위 층들이 되도록 한다.
일부 실시 형태에서, 광학 디커플링 구조체(1355)들의 어레이는 광학 요소(1300a)에 비스듬히 입사하는 광을 실질적으로 발산, 확산, 반사, 또는 흡수하도록 구성된다. 이는, 예를 들어, 인쇄된 광학 디커플링 구조체에 확산 입자를 부가함으로써, 또는 광학 디커플링 구조체의 형상(예컨대, 면들의 곡률)을 적합하게 선택함으로써, 또는 광학 디커플링 구조체에 코팅(예컨대, 반사 코팅)을 적용함으로써 달성될 수 있다. 이는 이웃하는 마이크로렌즈들 사이의 감소된 크로스토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 비스듬히 입사하는 광선(1303)은 광학 디커플링 구조체를 통해 그리고 제1 마이크로렌즈를 통해, 인접 마이크로렌즈들과 정렬된 마스크 층(예컨대, 도 13b 참조) 내의 개구로 투과될 수 있다. 광학 디커플링 구조체가 비스듬히 입사하는 광을 실질적으로 발산, 확산, 반사 또는 흡수하는 경우, 그것은 이러한 크로스토크를 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이는 광선(1308)에 대해 개략적으로 도시되는데, 광선은 광학 디커플링 구조체(1355)들의 어레이 내의 광학 디커플링 구조체에 의해 확산됨으로써 잠재적인 크로스토크를 감소시킨다.
광학 디커플링 구조체들은, 인접 층이 마이크로렌즈들과 접촉하지 않도록, 인접 층에 부착하기 위해 마이크로렌즈들을 넘어서 돌출되는 임의의 물체들일 수 있다. 광학 디커플링 구조체는 원통형 지주일 수 있거나, 비-원형 단면(예컨대, 직사각형, 정사각형, 타원형, 또는 삼각형 단면)을 갖는 지주일 수 있다. 광학 디커플링 구조체는 일정한 단면을 가질 수 있거나, 단면은 두께 방향으로 변할 수 있다(예컨대, 광학 디커플링 구조체는 지주의 상부 근처에서 더 얇아지도록 테이퍼 형성된 지주일 수 있음). 일부 실시 형태에서, 광학 디커플링 구조체는 테이퍼 형성된 타원형 단면을 갖는다. 예를 들어, 광학 디커플링 구조체는 국제 출원 공개 WO 2019/135190호(팜(Pham) 등)에 기술된 광학 디커플링 구조체들의 기하학적 형상들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 디커플링 구조체들은 마이크로렌즈들의 어레이의 기부로부터 연장된다. 일부 실시 형태에서, 적어도 일부 광학 디커플링 구조체는 마이크로렌즈들 중 적어도 일부의 마이크로렌즈의 상부에 배치된다.
도 13b는 광학 요소(1300a)를 포함하고 층(1360b)을 더 포함하는 광학 요소(1300b)의 개략 단면도이다. 층(1360a, 1360b)들은 함께, 제1 주 표면(1362) 및 반대편의 제2 주 표면(1364b)을 갖는 제1 층을 한정한다. 광학 요소(1300b)는 제2 주 표면(1364b) 상에 배치된 마스크 층(1388)을 더 포함한다. 마스크 층(1388)은 또한 제2 주 표면(1364a) 상에 간접적으로 배치된다. 추가 층(1374)이 마스크 층(1388) 상에 배치된다. 원하는 경우, 선택적인 제2 마스크 층이 마스크 층(1388)의 반대편에서 추가 층(1374) 상에 배치될 수 있다.
마스크 층(1388)은 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같은 관통 개구(1380)들의 어레이를 포함한다. 광학 요소(1300b)는 제1 주 표면(1362)에 인접한 접착제 층(1343)을 더 포함한다. 각각의 광학 디커플링 구조체(1355)는 접착제 층(1343)을 적어도 부분적으로 관통하고, 각각의 마이크로렌즈(1350)는 공기 간극(1344)에 의해 접착제 층(1343)으로부터 완전히 분리된다. 접착제 층(1343)은 예시된 실시 형태에서 디스플레이(1390)에 부착된다.
일부 실시 형태에서, 광학 요소 또는 층은 두 가지 복수의 마이크로렌즈를 포함한다. 도 14는 반대편의 제1 및 제2 주 표면(103, 104)들을 갖는 광학 요소 또는 층(400)(예컨대, 100, 200, 또는 300에 대응함)의 개략적인 단면도인데, 여기서 제1 주 표면(103)은 제1 복수의 마이크로렌즈(102)를 포함하고, 제2 주 표면(104)은 제2 복수의 마이크로렌즈(202)를 포함한다. 광학 요소 또는 층(400)은 제1 주 표면(103)과 제2 주 표면(104) 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층(120)을 포함한다. 제1 마스크 층(120)은 복수의 제1 관통 개구(122)를 내부에 한정한다. 마이크로렌즈(102, 202)들은 예를 들어 캐스트 및 경화 공정을 사용하여 (예컨대, 중합체 층들 사이에 매립된) 마스크 층(120)의 반대 측들에 형성될 수 있는데, 여기서 마이크로렌즈(102, 202)들은 정렬되며, 마이크로렌즈(102, 202)들이 형성된 후에 마스크 층(120)에 제1 개구(122)들이 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들과 제1 개구(122)들 사이에 일대일 대응이 있다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들 및 대응하는 제1 개구(122)들은 제1 렌즈 층(110) 또는 제1 마스크 층(120)과 동일한 경사각(θ)을 이루는 직선(140)들 상에 실질적으로 중심을 둔다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들 중 적어도 대부분과 마이크로렌즈(202)들 중 적어도 대부분 사이에 일대일 대응이 있다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들과 마이크로렌즈(202)들 사이에 일대일 대응이 있다. 일부 실시 형태에서, 마이크로렌즈(102)들 및 대응하는 제1 개구(122)와 대응하는 마이크로렌즈(202)들은 직선(140)들 상에 실질적으로 중심을 둔다. 일부 실시 형태에서, 제1 개구(122)들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 공극 영역(123)을 한정한다. 공극 영역은 다른 곳에서 추가로 기술된 바와 같이 제1 마스크 층(120)의 평균 두께보다 더 큰 최대 두께를 가질 수 있다. 마이크로렌즈(102)들은 광을 개구(122)들에 집속하기 위해 사용될 수 있고, 마이크로렌즈(202)들은 예를 들어 개구(122)들을 통해 투과된 광을 시준하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소 또는 층(400)은 제1 주 표면(103)과 제2 주 표면(104) 사이에 배치된 2개의 이격된 마스크 층(예컨대, 도 1 참조)을 포함한다.
실시예
실시예 1 내지 실시예 2 및 비교예 C1
라이트툴스(LightTools) 광선 추적 소프트웨어(미국 캘리포니아주 마운틴 뷰 소재의 시놉시스, 인크.(Synopsis, Inc.)로부터 입수 가능함)를 사용한 광학 모델링을 다음과 같이 수행하였다. 지문을 나타내기 위해 램버시안 점광원을 사용하였다. 모델에서, 교차된 프리즘 필름들을 점광원과 이미지 센서 사이에 배치하였고, LCD 디스플레이 패널을 점광원과 교차된 프리즘 필름들 사이에 배치하였으며, 광학 요소 또는 층(100 또는 200)과 유사한 광학 요소를, 마이크로렌즈들이 교차된 프리즘 필름들을 향하고 마스크 층(들)이 이미지 센서를 향하는 상태로, 교차된 프리즘 필름들과 이미지 센서 사이에 배치하였다. 광학 요소의 평면에 대한 법선에 대해 52도로 마이크로렌즈들에 입사하는 광이 광학 요소를 통과하도록 관통 개구들을 위치시켰다. 모델 파라미터들은 다음과 같았다: LCD 패널 두께는 0.5 mm였고; 점광원으로부터 광학 요소까지의 거리는 1 mm였으며; 마이크로렌즈의 곡률 반경은 25 마이크로미터였고, 마이크로렌즈 층의 상부로부터 제1 마스크 층까지의 거리는 32 마이크로미터였으며; 2개의 마스크 층이 포함되었을 때, 2개의 마스크 층 사이의 간격은 5 마이크로미터였고; 관통 개구 직경은 3 마이크로미터였으며; 마이크로렌즈의 굴절률은 1.65였고; 마스크 층의 재료를 완벽한 광학 흡수재로서 모델링하였다.
도 15 내지 도 17은 광학 요소가 2개의 마스크 층을 포함하는 경우(실시예 1)에 대해, 광학 요소가 하나의 마스크 층만을 포함하는 경우(실시예 2)에 대해, 그리고 광학 요소가 생략된 경우(비교예 C1)에 대해 각각 결정된 점 확산 함수를 도시한다. 광학 요소가 생략된 경우에 비해 광학 요소가 포함된 때 점 확산 함수의 폭이 상당히 감소되었다. 2개의 마스크 층을 포함하는 것은 단일 마스크 층을 사용한 경우에 비해 점 확산 함수를 상당히 감소시켰다.
실시예 3
광학 요소(100)와 유사한 광학 요소를 다음과 같이 제조하였다. 캐스트 및 경화 공정을 사용하여 0.92 밀(mil) 두께의 PET 기판 상에 마이크로렌즈 층을 형성하였다. 532 nm에서 약 1.69의 굴절률을 갖는 아크릴 수지로부터 마이크로렌즈 층을 형성하였다. 마이크로렌즈들은 약 17 마이크로미터의 평균 곡률 반경을 가졌고, 약 20 마이크로미터의 피치(pitch)로 배치되었다. 마이크로렌즈 층의 반대편의 기판의 측에 30 nm 두께의 알루미늄 층을 진공 코팅하였고, 알루미늄 층 상에 4 마이크로미터 두께의 중합체 층을 코팅하고 경화시켰으며, 중합체 층 상에 제2의 30 nm 두께의 알루미늄 층을 진공 코팅하였고, 제2의 알루미늄 층 상에 1 마이크로미터 두께의 중합체 층을 코팅하고 경화시켰다. 이어서, 마이크로렌즈 층을 통한 레이저 절제에 의해 알루미늄 층 내의 관통 구멍들을 형성하였다. 설치된 7x 확장기, 167 mm F-세타 렌즈, 30 nm 펄스 길이, 20 ㎑ 반복률, 2 m/s 주사 속도, 및 100 마이크로미터 간격을 가지고 50% 출력으로 40W SPI 레이저(영국 사우샘프턴 소재의 에스피아이 레이저스(SPI Lasers)로부터 입수가능함)를 사용하였다.
생성된 광학 층의 대략 120 nm 두께의 섹션들을 샘플로부터 마이크로토밍(microtoming)하였다. 도 18은 광학 요소(100)의 매립된 층인 제1 마스크 층(120) 내의 개구를 통한 섹션의 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지이다. 절제 공정으로부터 생성된 공극 영역(723) 또는 가스 포켓을 이미지에서 볼 수 있다. 마이크로토밍 공정으로부터 생성된 마스크 층(120, 125)들 내의 균열들을 볼 수 있다. 마스크 층(125) 내에 공극 영역들을 형성하였는데, 이들은 도면에 도시된 영역의 외부에 있다. 공극 영역(723)은 제1 마스크 층의 두께보다 더 큰 최대 두께를 가졌다. 도 19는 제1 마스크 층(120) 내의 개구를 통한 섹션의 고각 환형 암장(High-Angle Annular Dark-Field, HAADF) 이미지이다. 도 20은 도 19의 일부분의 고배율 이미지이다. 공극 영역의 대향 표면들에서 나노입자들을 볼 수 있다. STEM-EDS(주사 투과 전자 현미경 - 에너지 분산 분광법) 분석은 나노입자들이 대부분 알루미늄과 산소로 구성되었음을 나타내었다.
"약"과 같은 용어는 그것이 본 설명에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에 의해 이해될 것이다. 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 양에 적용되는 바와 같은 "약"의 사용이, 그것이 본 설명에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에게 달리 명백하지 않다면, "약"은 명시된 값의 10% 이내를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 명시된 값이 약으로서 주어진 양은 정확하게 그 명시된 값일 수 있다. 예를 들어, 본 설명에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에게 달리 명백하지 않다면, 약 1의 값을 갖는 양은 그 양이 0.9 내지 1.1의 값을 갖는다는 것, 그리고 그 값이 1일 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 내용에서 참조된 모든 참고 문헌, 특허, 및 특허 출원은 이로써 전체적으로 일관된 방식으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 출원과 포함되는 참고 문헌의 부분들 사이에 불일치 또는 모순이 있는 경우, 전술한 설명에서의 정보가 우선할 것이다.
도면 내의 요소에 대한 설명은 달리 지시되지 않는 한, 다른 도면 내의 대응하는 요소에 동등하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 특정 실시 형태가 본 명세서에 예시 및 기술되었지만, 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안 및/또는 등가의 실시 형태가 도시되고 기술된 특정 실시 형태를 대체할 수 있음이 당업자에 의해 인식될 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 적응 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 청구범위 및 그의 균등물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 광학 시스템으로서,
    직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 렌즈 층;
    렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층; 및
    렌즈 층 및 제1 마스크 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층
    을 포함하고,
    제1 마스크 층은 렌즈 층과 제2 마스크 층 사이에 배치되며,
    마이크로렌즈들과 제1 및 제2 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 및 제2 개구들은 렌즈 층과 동일한 경사각을 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 두고,
    이미지를 지니는 이미지 광이 직선을 따라 마이크로렌즈에 입사할 때, 이미지 광은 마이크로렌즈를 실질적으로 채우고, 입사하는 이미지 광의 약 45% 초과가 제2 개구에 의해 투과되며, 제1 및 제2 개구들 중 적어도 하나는 마이크로렌즈로 인한 이미지 품질 열화를 감소시키는 크기로 된, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 개구들은 물리적 개구(physical opening)들인, 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 개구들은 광학 개구(optical opening)들인, 광학 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 방향들을 따라 연장되는 액정 디스플레이;
    액정 디스플레이를 조명하도록 배치된 도광체;
    액정 디스플레이와 도광체 사이에 배치된 굴절 구성요소 - 굴절 구성요소는 렌즈 층에 실질적으로 평행한 제1 길이방향을 따라 연장되는 제1 복수의 프리즘들을 포함하는 제1 프리즘 필름을 포함함 -; 및
    액정 디스플레이의 반대편에서 도광체에 근접하게 배치된 광학 센서
    를 더 포함하고,
    렌즈 층과 제1 및 제2 마스크 층들을 포함하는 광학 요소가 제2 마스크 층이 광학 센서를 향하도록 도광체와 광학 센서 사이에 배치되는, 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 굴절 구성요소는 제1 프리즘 필름에 인접한 제2 프리즘 필름을 더 포함하고, 제2 프리즘 필름은 렌즈 층에 실질적으로 평행하고 제1 길이방향에 실질적으로 직교하는 제2 길이방향을 따라 연장되는 제2 복수의 프리즘들을 포함하는, 광학 시스템.
  6. 광학 층으로서,
    직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면(structured first major surface), 및 반대편의 제2 주 표면; 및
    제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층
    을 포함하고,
    제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하며,
    마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있고,
    제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 마스크 층의 평균 두께보다 더 큰 최대 두께를 갖는 공극 영역(voided region)을 한정하는, 광학 층.
  7. 제6항에 있어서, 제1 마스크 층의 평균 두께는 t이고, 제1 개구들은 평균 최대 측방향 치수(d)를 가지며, t/d < 0.05인, 광학 층.
  8. 광학 층으로서,
    직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면, 및 반대편의 제2 주 표면; 및
    제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층
    을 포함하고,
    제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하며,
    마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있고,
    제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 주 표면을 향하는 상부 주 표면 및 제2 주 표면을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 갖는 공극 영역을 한정하며,
    광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 광학 층은 공극 영역들의 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나를 따라 집중된 복수의 나노입자들을 포함하는, 광학 층.
  9. 제8항에 있어서, 제1 마스크 층은 제1 재료를 포함하고, 나노입자들은 제1 재료 또는 제1 재료의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 층.
  10. 광학 층으로서,
    직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 구조화된 제1 주 표면, 및 반대편의 제2 주 표면; 및
    제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 배치되고 이들로부터 이격되어진 매립된 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층
    을 포함하고,
    제1 마스크 층은 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하며,
    마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있고,
    제1 개구들 중 적어도 대부분에서 각각의 제1 개구에 대해, 제1 개구는 제1 주 표면을 향하는 상부 주 표면 및 제2 주 표면을 향하는 반대편의 저부 주 표면을 갖는 공극 영역을 한정하며,
    광학 층에 실질적으로 직각인 광학 층의 단면에서, 상부 및 저부 표면들은 공극 영역의 중심에 더 가까이에서의 격리 거리(separation)가 공극 영역의 에지에 더 가까이에서의 격리 거리보다 더 크고, 상부 및 저부 주 표면들 중 적어도 하나는 10 nm 내지 200 nm의 범위 내의 표면 조도(surface roughness)를 갖는, 광학 층.
  11. 광학 시스템으로서,
    광학 요소; 및
    굴절 구성요소를 포함하고,
    광학 요소는,
    직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 포함하는 렌즈 층, 및
    렌즈 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제1 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제1 마스크 층
    을 포함하고, 마이크로렌즈들과 제1 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 개구는 렌즈 층과 동일한 경사각을 각각 이루는 직선 상에 실질적으로 중심을 두며,
    굴절 구성요소는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되고 광학 요소에 근접하게 배치되어, 렌즈 층에 실질적으로 직교하는 제3 방향을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔에 대해, 굴절 구성요소는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향들을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트들로 분할하며, 2개 내지 9개의 주 방향들에서의 제1 주 방향은 각각의 직선에 실질적으로 평행한, 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 광학 요소는, 렌즈 층 및 제1 마스크 층으로부터 이격되고, 제1 및 제2 방향들을 따라 배열된 복수의 제2 관통 개구들을 내부에 한정하는 광학적으로 불투명한 제2 마스크 층을 더 포함하며, 제1 마스크 층은 렌즈 층과 제2 마스크 층 사이에 배치되고, 마이크로렌즈들과 제2 개구들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈 및 대응하는 직선에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 및 제2 개구들은 직선 상에 실질적으로 중심을 두는, 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 광학 요소에 인접하고 복수의 센서 픽셀들을 포함하는 광센서(photosensor)를 더 포함하고, 마이크로렌즈들과 센서 픽셀들 사이에 일대일 대응이 있어, 각각의 마이크로렌즈 및 대응하는 직선에 대해, 마이크로렌즈 및 대응하는 제1 개구 및 센서 픽셀은 직선 상에 실질적으로 중심을 두는, 광학 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 내지 9개의 주 방향들에서의 제2 주 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 굴절 구성요소를 향해 광을 방출하도록 배치된 적외선 광원을 더 포함하는, 광학 시스템.
  15. 광학 시스템으로서,
    굴절 구성요소 - 굴절 구성요소는 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 연장되어, 제1 및 제2 방향들에 실질적으로 직교하는 제3 방향을 따라 굴절 구성요소에 입사하는 적어도 하나의 제1 광 빔에 대해, 굴절 구성요소는 제1 광 빔을 각자의 2개 내지 9개의 주 방향들을 따라 굴절 구성요소를 빠져나가는 2개 내지 9개의 빔 세그먼트들로 분할하고, 2개 내지 9개의 주 방향들은 제1 주 방향을 포함함 -;
    광학 요소 - 광학 요소는 굴절 구성요소에 근접하게 배치되어, 임의의 다른 주 방향이 아닌 제1 주 방향을 따라 광학 요소에 입사하는 빔 세그먼트에서 광의 45% 이상이 광학 요소를 통해 투과됨 -;
    2개 내지 9개의 주 방향들에서의 제2 주 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 광을 방출하도록 배치된 광원; 및
    제1 주 방향을 따라 광학 요소를 통해 투과된 광을 수광하도록 배치된 광학 센서
    를 포함하는, 광학 시스템.
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