KR20230019407A - 전환 가능 다층 콜레스테릭 액정 반사 편광기 - Google Patents

전환 가능 다층 콜레스테릭 액정 반사 편광기 Download PDF

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펭린 펭
준렌 왕
유게 후앙
루 루
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

광학 디바이스는 광원과 편광 선택 광학 요소를 포함한다. 편광 선택 광학 요소는 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와는 상이하다.

Description

전환 가능 다층 콜레스테릭 액정 반사 편광기
본 개시는 일반적으로 반사 편광기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 디스플레이 디바이스에 사용되는 전환 가능 반사 편광기에 관한 것이다.
머리 장착형 디스플레이 디바이스(head-mounted display devices)(여기서 머리 장착형 디스플레이라고도 함)는 사용자에게 시각적 정보를 제공하는 수단으로서 인기를 얻고 있다. 예를 들어, 머리 장착형 디스플레이 디바이스는 가상 현실 동작 및 증강 현실 동작에 사용된다.
향상된 사용자 경험을 위해서는 넓은 시야를 가진 머리 장착형 디스플레이 디바이스가 필요하지만 머리 장착형 디스플레이 디바이스의 소형 크기는 종종 시야를 제한한다.
따라서, 가상 현실 및/또는 증강 현실 환경에 대한 사용자의 전반적인 경험을 향상시키기 위해 증가된 시야로 이미지를 렌더링할 수 있는 머리 장착형 디스플레이 디바이스가 필요하다. 또한, 머리 장착형 디스플레이 디바이스는 가볍고 소형이어야 한다.
종래의 머리 장착형 디스플레이와 연관된 상기 결점 및 다른 문제는 개시된 광학 디바이스 및 방법에 의해 감소되거나 제거된다.
일부 실시예에 따르면, 광학 디바이스는 광원 및 편광 선택 광학 요소(polarization selective optical element)를 포함한다. 편광 선택 광학 요소는 복수의 콜레스테릭 액정층(cholesteric liquid crystal layers)의 스택을 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와는 상이하다.
일부 실시예에 따르면, 방법은 제1 파장 및 제2 파장을 포함하는 광을 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 통해 광을 투과시키는 단계를 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장을 포함하는 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이하고 제2 파장을 포함하는 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다. 투과시키는 단계는 제2 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키기 전에 제1 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키는 단계를 포함한다.
본 개시의 제1 양상에 따라, 광학 디바이스가 제공되며, 광학 디바이스는, 광원; 및 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 포함하고, 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이한 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다.
제1 피치 범위는 제2 피치 범위의 임의의 피치보다 큰 피치를 포함할 수 있다.
제1 파장 범위는 녹색에 대응하는 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 청색에 대응하는 파장을 포함할 수 있고, 제1 콜레스테릭 액정층은 광원으로부터 제1 거리에 위치될 수 있으며, 제2 콜레스테릭 액정층은 광원으로부터의 제1 거리보다 더 큰 제2 거리에 위치될 수 있다.
복수의 콜레스테릭 액정층은 또한 제3 파장 범위의 광에 대해 제3 피치 범위를 갖는 제3 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제3 콜레스테릭 액정층을 포함할 수 있고, 제3 파장 범위는 적색에 대응하는 파장을 포함할 수 있으며, 제3 콜레스테릭 액정층은 광원으로부터의 제1 거리보다 큰 제3 거리에 위치될 수 있다.
제 복수의 콜레스테릭 액정층 중 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 제1 상태와 구별되는 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하다.
각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 각각의 콜레스테릭 액정층의 액정 분자는 특정 좌우성(handedness) 및 특정 피치 범위를 갖는 나선형 구성으로 배열될 수 있으며, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제2 상태에 있는 동안, 각각의 콜레스테릭 액정층의 액정 분자는 선형 구성으로 배열될 수 있다.
복수의 콜레스테릭 액정층의 각각의 콜레스테릭 액정층은 개별적으로 전환 가능할 수 있다.
복수의 콜레스테릭 액정층은 4개 이상의 콜레스테릭 액정층을 포함할 수 있다.
제1 나선형 구성과 제2 나선형 구성은 동일한 좌우성을 가질 수 있다.
제1 콜레스테릭 액정층은 제1 편광을 갖고 제1 파장 범위 내에 있는 수신된 광의 제1 부분을 재지향시키고 제1 편광에 직교하는 제2 편광을 갖거나 제1 파장 범위 밖의 파장을 갖는 수신된 광의 제2 부분을 투과시키도록 구성될 수 있으며, 제2 콜레스테릭 액정층은 광의 제2 부분을 수신하도록 배치될 수 있다.
제1 콜레스테릭 액정층과 제2 콜레스테릭 액정층은 공통 기하축을 가질 수 있다.
광학 디바이스는 광원과 편광 선택 광학 요소 사이에 위치된 부분 반사기를 더 포함할 수 있다.
광학 디바이스는 편광 선택 광학 요소와 부분 반사기 사이에 배치된 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.
광학 디바이스는, 편광 선택 광학 요소가 제2 렌즈와 부분 반사기 사이에 배치되도록 편광 선택 광학 요소에 대해 배치된 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
편광 선택 광학 요소는 제2 렌즈의 곡면과 접촉할 수 있다.
편광 선택 광학 요소는 제2 렌즈의 평평한 표면과 접촉할 수 있다.
편광 선택 광학 요소는 제1 렌즈 및 제2 렌즈와 접촉할 수 있다.
편광 선택 광학 요소는 부분 반사기로부터 제1 광을 수신하도록 배치될 수 있으며, 제1 광은 제1 편광을 가지며, 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 제1 상태와 구별되는 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능할 수 있어, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 광학 디바이스는 제1 렌즈로부터 제1 거리를 갖는 제1 위치에서 제1 광의 적어도 일부를 포커싱하고, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제2 상태에 있는 동안, 광학 디바이스는 제1 렌즈로부터의 제1 거리와는 구별되는 제2 거리를 갖는 제2 위치에서 제1 광의 적어도 일부를 포커싱한다.
본 개시의 제2 양상에 따라, 방법이 제공되며, 이 방법은, 제1 파장 및 제2 파장을 포함하는 광을 수신하는 단계; 및 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 통해 광을 투과시키는 단계를 포함하고, 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장을 포함하는 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이하고 제2 파장을 포함하는 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함하며, 광을 투과시키는 단계는, 제2 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키기 전에 제1 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키는 단계를 포함한다.
방법은, 제1 콜레스테릭 액정층을, 광의 적어도 일부를 재지향시키기 위한 제1 상태와, 제2 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적으로 광을 투과시키는 제2 상태 사이에서 전환하는 단계; 및 제2 콜레스테릭 액정층을, 제1 상태와, 제1 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적인 제2 상태 사이에서 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다양한 설명된 실시예의 더 나은 이해를 위해, 유사한 참조 번호가 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 참조하는 다음 도면과 함께 아래의 실시예의 설명을 참조해야 한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 디스플레이 디바이스의 사시도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 디스플레이 디바이스를 포함하는 시스템의 블록도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 디스플레이 디바이스의 등각도이다.
도 4a 내지 도 4c는 일부 실시예에 따른 액정층을 예시하는 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따른 편광 선택 광학 요소를 예시하는 개략도이다.
도 5d는 6개의 액정층을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 예시하는 개략도이다.
도 5e는 일부 실시예에 따른 편광 선택 광학 요소를 예시하는 개략도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 폴딩된(folded) 광학 시스템을 통해 전파되는 광을 예시하는 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 일부 실시예에 따른 도 5a의 편광 선택 광학 요소를 포함하는 폴딩된 광학 시스템을 통해 전파되는 광을 예시하는 개략도이다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 팬케이크 렌즈를 예시하는 개략도이다.
도 8b 및 도 8c는 일부 실시예에 따른 팬케이크 렌즈를 예시하는 개략도이다.
이 도면들은 달리 표시되지 않는 한 축척대로 도시되지 않았다.
머리 장착형 디스플레이 디바이스의 근안 디스플레이에 적용 가능한 경량 및 소형 광학 디바이스에 대한 요구가 있다. 개시된 실시예는 편광 선택 광학 요소 및 이러한 편광 선택 광학 요소를 포함하는 폴딩된 광학 시스템(예컨대, 팬케이크 렌즈)을 제공한다. 편광 선택 광학 요소는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal; CLC) 층의 스택을 포함한다. CLC 층은 광의 편광, 파장 및/또는 입사각에 기초해 입사광과 선택적으로 상호 작용한다. 예를 들어, 액정층은, 제1 편광과는 구별되는 편광을 갖는 광 및/또는 제1 파장 범위와는 구별되는 파장을 갖는 광을 투과시키면서 제1 편광과 제1 파장 범위를 갖는 입사광을 재지향시킬 수 있다. 이러한 편광 선택 광학 요소는 폴딩된 광학 시스템에서 반사 편광기와 파장판의 조합 대신에 사용될 수 있다.
일부 경우에, 액정층은 액정이 나선형 구성인 상태와 액정이 선형으로 정렬된 상태 사이에서 전환 가능하다. 이러한 전환 가능 편광 선택 광학 요소는 폴딩된 광학 시스템의 초점 거리를 변경하는 데 사용될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어가 일부 경우에 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되지만, 이러한 요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 한 요소를 또 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 제1 층은 제2 층으로 명명될 수 있고, 유사하게, 제2 층은 다양한 설명된 실시예의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 층으로 명명될 수 있다. 제1 층과 제2 층은 모두 층이지만 동일한 층은 아니다.
본 명세서에서 설명되는 다양한 실시예의 설명에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고 한정하려는 의도가 아니다. 다양한 설명된 실시예 및 첨부된 청구항들의 설명에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 연관된 나열된 항목 중 하나 이상의 임의의 조합 및 모든 가능한 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다", "포함하는", "함유하다" 및/또는 "함유하는"은 명시된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 컴포넌트의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다. "예시적인"이라는 용어는 "최상의 종류를 대표하는" 의미가 아니라 "예시, 사례 또는 예증으로서 제공되는"의 의미로 여기에서 사용된다.
도 1은 일부 실시예에 따른 디스플레이 디바이스(100)를 예시한다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(100)는 (예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이 안경(spectacles 또는 eyeglasses)의 형태를 가짐으로써) 사용자의 머리 상에 착용되도록 또는 사용자에 의해 착용되기 위한 헬멧의 일부로서 포함되도록 구성된다. 디스플레이 디바이스(100)가 사용자의 머리 상에 착용되도록 또는 헬멧의 일부로서 포함되도록 구성되는 경우, 디스플레이 디바이스(100)는 머리 장착형 디스플레이라고 지칭된다. 대안적으로, 디스플레이 디바이스(100)는 머리에 장착되지 않고 고정된 위치에서 사용자의 눈 또는 눈들 가까이에 배치되도록 구성된다(예컨대, 디스플레이 디바이스(100)는 예를 들어, 자동차 또는 비행기와 같은 차량에 장착되어 사용자의 눈 또는 눈들 앞에 배치됨). 도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이 디바이스(100)는 디스플레이(110)를 포함한다. 디스플레이(110)는 시각적 콘텐츠(예컨대, 증강 현실 콘텐츠, 가상 현실 콘텐츠, 혼합 현실 콘텐츠, 또는 이들의 임의의 조합)를 사용자에게 제시(present)하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(100)는 도 2와 관련하여 본 명세서에 설명된 하나 이상의 컴포넌트를 포함한다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(100)는 도 2에 도시되지 않은 추가 컴포넌트를 포함한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 시스템(200)의 블록도이다. 도 2에 도시된 시스템(200)은 콘솔(210)에 각각 결합된 디스플레이 디바이스(205)(도 1에 도시된 디스플레이 디바이스(100)에 대응함), 이미징 디바이스(235), 및 입력 인터페이스(240)를 포함한다. 도 2는 하나의 디스플레이 디바이스(205), 이미징 디바이스(235), 및 입력 인터페이스(240)를 포함하는 시스템(200)의 예를 도시하지만, 다른 실시예에서, 임의의 수의 이들 컴포넌트가 시스템(200)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 각각 연관된 입력 인터페이스(240)를 갖고 하나 이상의 이미징 디바이스(235)에 의해 모니터링되는 다수의 디스플레이 디바이스(205)가 있을 수 있으며, 각각의 디스플레이 디바이스(205), 입력 인터페이스(240) 및 이미징 디바이스(235)는 콘솔(210)과 통신한다. 대안적인 구성에서, 상이한 그리고/또는 추가 컴포넌트가 시스템(200)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 콘솔(210)은 네트워크(예컨대, 인터넷)를 통해 시스템(200)에 접속되거나 디스플레이 디바이스(205)의 일부로서 자체 포함된다(self-contained)(예컨대, 디스플레이 디바이스(205) 내부에 물리적으로 위치됨). 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 실제 환경의 뷰를 추가함으로써 혼합 현실을 생성하는 데 사용된다. 따라서, 여기에 설명된 디스플레이 디바이스(205) 및 시스템(200)은 증강 현실, 가상 현실 및 혼합 현실을 전달할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이 디바이스(205)는 사용자에게 미디어를 제시하는 머리 장착형 디스플레이이다. 디스플레이 디바이스(205)에 의해 제시되는 미디어의 예는 하나 이상의 이미지, 비디오, 오디오, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 오디오는 디스플레이 디바이스(205), 콘솔(210), 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하고 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제시하는 외부 디바이스(예컨대, 스피커 및/또는 헤드폰)를 통해 제시된다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 사용자를 증강 환경에 몰입시킨다.
일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 또한 증강 현실(AR) 헤드셋으로서 작용한다. 이들 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 컴퓨터 생성 요소(예컨대, 이미지, 비디오, 사운드 등)로 물리적 실세계 환경의 뷰를 증강한다. 더욱이, 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 상이한 유형의 동작 사이를 순환할 수 있다. 따라서, 디스플레이 디바이스(205)는 애플리케이션 엔진(255)으로부터의 명령어에 기초하여 가상 현실(VR) 디바이스, 증강 현실(AR) 디바이스로서, 안경 또는 이들의 일부 조합(예컨대, 광학 교정이 없는 안경, 사용자를 위해 광학적으로 교정된 안경, 선글라스, 또는 이들의 일부 조합)으로서 동작한다.
디스플레이 디바이스(205)는 전자 디스플레이(215), 하나 이상의 프로세서(216), 눈 추적 모듈(217), 조정 모듈(218), 하나 이상의 정위기(locators)(220), 하나 이상의 위치 센서(225), 하나 이상의 위치 카메라(222), 메모리(228), 관성 측정 유닛(inertial measurement unit; IMU)(230), 하나 이상의 반사 요소(260) 또는 이들의 서브세트 또는 슈퍼세트(예컨대, 임의의 다른 나열된 컴포넌트가 없이 전자 디스플레이(215), 하나 이상의 프로세서(216) 및 메모리(228)를 갖는 디스플레이 디바이스(205))를 포함한다. 디스플레이 디바이스(205)의 일부 실시예는 여기에 설명된 것과는 상이한 모듈을 갖는다. 유사하게, 기능은 여기에 설명된 것과 다른 방식으로 모듈 간에 분산될 수 있다.
하나 이상의 프로세서(216)(예컨대, 프로세싱 유닛 또는 코어)는 메모리(228)에 저장된 명령어를 실행한다. 메모리(228)는 예를 들어, DRAM, SRAM, DDR RAM 또는 다른 랜덤 액세스 솔리드 스테이트 메모리 디바이스와 같은 고속 랜덤 액세스 메모리를 포함하고; 예를 들어, 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스, 광 디스크 저장 디바이스, 플래시 메모리 디바이스, 또는 다른 비휘발성 고체 상태 저장 디바이스와 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(228), 또는 대안적으로 메모리(228) 내의 비휘발성 메모리 디바이스(들)는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다. 일부 실시예에서, 메모리(228) 또는 메모리(228)의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 전자 디스플레이(215) 상에 하나 이상의 이미지를 디스플레이하기 위한 프로그램, 모듈 및 데이터 구조, 및/또는 명령어를 저장한다.
전자 디스플레이(215)는 콘솔(210) 및/또는 프로세서(들)(216)로부터 수신된 데이터에 따라 사용자에게 이미지를 디스플레이한다. 다양한 실시예에서, 전자 디스플레이(215)는 단일 조정가능한 디스플레이 요소 또는 다수의 조정 가능한 디스플레이 요소(예컨대, 사용자의 각 눈을 위한 디스플레이)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 디스플레이(215)는 이미지를 하나 이상의 반사 요소(260) 상에 투영함으로써 사용자에게 이미지를 디스플레이하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 디스플레이 요소는 하나 이상의 발광 디바이스 및 공간 광 변조기의 대응하는 어레이를 포함한다. 공간 광 변조기는 전기 광학 픽셀 어레이, 광전자 픽셀 어레이, 각 디바이스에 의해 송신되는 광량을 동적으로 조정하는 일부 다른 디바이스 어레이 또는 이들의 일부 조합이다. 이 픽셀은 하나 이상의 렌즈 뒤에 배치된다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display; LCD)에서 액정 기반 픽셀의 어레이이다. 발광 디바이스의 예는 유기 발광 다이오드, 능동 매트릭스 유기 발광 다이오드, 발광 다이오드, 가요성 디스플레이에 배치될 수 있는 일부 유형의 디바이스, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 발광 디바이스는 이미지 생성에 사용되는 가시광(예컨대, 적색, 녹색, 청색 등)을 생성할 수 있는 디바이스를 포함한다. 공간 광 변조기는 개별 발광 디바이스, 발광 디바이스 그룹 또는 이들의 일부 조합을 선택적으로 감쇠하도록 구성된다. 대안적으로, 발광 디바이스가 개별 발광 디바이스 및/또는 발광 디바이스의 그룹을 선택적으로 감쇠하도록 구성되는 경우, 디스플레이 요소는 별도의 발광 강도 어레이 없이 이러한 발광 디바이스의 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 전자 디스플레이(215)는 사용자의 눈 쪽으로 광의 적어도 일부를 반사하는 하나 이상의 반사 요소(260)에 이미지를 투영한다.
하나 이상의 렌즈는 발광 디바이스 어레이로부터 (선택적으로 발광 강도 어레이를 통해) 각 아이박스(eyebox) 내의 위치로, 그리고 궁극적으로 사용자의 망막(들) 뒤쪽으로 광을 지향시킨다. 아이박스는 디스플레이 디바이스(205)로부터 이미지를 보기 위해 디스플레이 디바이스(205)에 근접하게 위치된 사용자(예컨대, 디스플레이 디바이스(205)를 착용한 사용자)의 눈에 의해 점유되는 영역이다. 경우에 따라 아이박스는 10 mm x 10 mm의 정사각형으로서 표시된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 렌즈는 예를 들어, 반사 방지 코팅과 같은 하나 이상의 코팅을 포함한다.
일부 실시예에서, 디스플레이 요소는 관찰 사용자(viewing user)의 망막으로부터, 각막의 표면, 눈의 수정체, 또는 이들의 일부 조합으로부터 역반사되는 적외선(infrared; IR) 광을 검출하는 IR 검출기 어레이를 포함한다. IR 검출기 어레이는 관찰 사용자 눈의 동공의 상이한 위치에 각각 대응하는 IR 센서 또는 복수의 IR 센서를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 다른 눈 추적 시스템이 또한 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, IR은 750 nm 내지 1500 nm 범위의 근적외선(near infrared; NIR)을 포함하여 700 nm 내지 1 mm 범위의 파장을 갖는 광을 지칭한다.
눈 추적 모듈(217)은 사용자 눈의 각 동공의 위치를 결정한다. 일부 실시예에서, 눈 추적 모듈(217)은 (예컨대, 디스플레이 요소의 IR 방출 디바이스를 통해) 전자 디스플레이(215)에게 IR 광으로 아이박스를 조명하도록 지시한다.
방출된 IR 광의 일부는 관찰 사용자의 동공을 통과하고 망막으로부터 IR 검출기 어레이 쪽으로 역반사되어 동공의 위치를 결정하는 데 사용된다. 대안적으로, 눈 표면의 반사는 동공의 위치를 결정하는 데에도 사용된다. IR 검출기 어레이는 역반사를 스캔하고 역반사가 검출될 때 활성화된 IR 방출 디바이스를 식별한다. 눈 추적 모듈(217)은 추적 조회 테이블 및 식별된 IR 방출 디바이스를 사용하여 각각의 눈에 대한 동공 위치를 결정할 수 있다. 추적 조회 테이블은 IR 검출기 어레이에서 수신된 신호를 각 아이박스의 위치(동공 위치에 해당)에 매핑한다. 일부 실시예에서, 추적 조회 테이블은 교정 절차를 통해 생성된다(예컨대, 사용자는 이미지에서 다양한 알려진 기준점을 보고, 눈 추적 모듈(217)은 기준점을 보면서 사용자의 동공 위치를 IR 추적 어레이 상에서 수신된 해당 신호에 매핑함). 위에서 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서 시스템(200)은 여기에 설명된 내장형 IR 이외의 다른 눈 추적 시스템을 사용할 수 있다.
조정 모듈(218)은 동공의 결정된 위치에 기초하여 이미지 프레임을 생성한다. 일부 실시예에서, 이 모듈은 하위 이미지를 함께 타일링할 디스플레이에 개별 이미지를 송신하여 일관된 스티칭된 이미지(coherent stitched image)가 망막 후면에 나타날 것이다. 조정 모듈(218)은 동공의 검출된 위치에 기초하여 전자 디스플레이(215)의 출력(즉, 생성된 이미지 프레임)을 조정한다. 조정 모듈(218)은 결정된 동공 위치에 이미지 광을 전달하도록 전자 디스플레이(215)의 부분에 지시한다. 일부 실시예에서, 조정 모듈(218)은 또한 결정된 동공 위치 이외의 위치로 이미지 광을 전달하지 않도록 전자 디스플레이에 지시한다. 조정 모듈(218)은, 예를 들어, 이미지 광이 결정된 동공 위치 외부에 진입(fall)하는 발광 디바이스를 차단 및/또는 중지하고, 결정된 동공 위치 내에 진입하는 이미지 광을 다른 발광 디바이스가 방출하도록 허용하고, 하나 이상의 디스플레이 요소를 병진 및/또는 회전시키고, 렌즈(예컨대, 마이크로렌즈) 어레이에서 하나 이상의 활성 렌즈의 곡률 및/또는 굴절력을 동적으로 조정하거나, 또는 이들의 일부 조합을 수행할 수 있다.
선택적인 정위기(220)는 서로에 대해 그리고 디스플레이 디바이스(205) 상의 특정 기준점에 대해 디스플레이 디바이스(205) 상의 특정 위치에 위치된 객체이다. 정위기(220)는 발광 다이오드(light emitting diode; LED), 코너 큐브 반사기, 반사 마커, 디스플레이 디바이스(205)가 동작하는 환경과 대조(contrast)되는 유형의 광원, 또는 이들의 일부 조합일 수 있다. 정위기(220)가 활성인 실시예(즉, LED 또는 다른 유형의 발광 디바이스)에서, 정위기(220)는 가시 대역(예컨대, 약 500 nm 내지 750 nm)에서, 적외선 대역(예컨대, 약 750 nm 내지 1 mm)에서, 자외선 대역(약 100 nm 내지 500 nm)에서, 전자기 스펙트럼의 일부 다른 부분에서, 또는 이들의 일부 조합에서 광을 방출할 수 있다.
일부 실시예에서, 정위기(220)는 정위기(220)에 의해 방출 또는 반사된 광의 파장에 투명하거나 정위기(220)에 의해 방출 또는 반사된 광의 파장을 실질적으로 감쇠하지 않을 만큼 충분히 얇은 디스플레이 디바이스(205)의 외부 표면 아래에 위치된다. 추가적으로, 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)의 외부 표면 또는 다른 부분은 가시광 파장 대역에서 불투명하다. 따라서, 정위기(220)는 IR 대역에서 투명하지만 가시 대역에서 불투명한 외부 표면 아래의 IR 대역의 광을 방출할 수 있다.
IMU(230)는 하나 이상의 위치 센서(225)로부터 수신된 측정 신호에 기초해 교정 데이터를 생성하는 전자 디바이스이다. 위치 센서(225)는 디스플레이 디바이스(205)의 모션에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성한다. 위치 센서(225)의 예는 하나 이상의 가속도계, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 모션을 검출하는 또 다른 적절한 유형의 센서, IMU(230)의 오류 수정에 사용되는 유형의 센서, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 위치 센서(225)는 IMU(230) 외부에, IMU(230) 내부에, 또는 이들의 일부 조합에 위치될 수 있다.
하나 이상의 위치 센서(225)로부터의 하나 이상의 측정 신호에 기초하여, IMU(230)는 디스플레이 디바이스(205)의 초기 위치에 대한 디스플레이 디바이스(205)의 추정된 위치를 나타내는 제1 교정 데이터를 생성한다. 예를 들어, 위치 센서(225)는 병진 모션(앞/뒤, 위/아래, 왼쪽/오른쪽)을 측정하는 다수의 가속도계 및 회전 모션(예컨대, 피치, 요, 롤)을 측정하는 다수의 자이로스코프를 포함한다. 일부 실시예에서, IMU(230)는 측정 신호를 신속하게 샘플링하고 샘플링된 데이터로부터 디스플레이 디바이스(205)의 추정된 위치를 계산한다. 예를 들어, IMU(230)는 시간에 따라 가속도계로부터 수신된 측정 신호를 통합하여 속도 벡터를 추정하고 시간에 따라 속도 벡터를 통합하여 디스플레이 디바이스(205) 상의 기준점의 추정된 위치를 결정한다. 대안적으로, IMU(230)는 샘플링된 측정 신호를 제1 교정 데이터를 결정하는 콘솔(210)에 제공한다. 기준점은 디스플레이 디바이스(205)의 위치를 설명하는데 사용될 수 있는 점이다. 기준점은 일반적으로 공간의 한 점으로서 정의될 수 있다; 그러나, 실제로 기준점은 디스플레이 디바이스(205) 내의 한 점(예컨대, IMU(230)의 중심)으로서 정의된다.
일부 실시예에서, IMU(230)는 콘솔(210)로부터 하나 이상의 교정 파라미터를 수신한다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 교정 파라미터는 디스플레이 디바이스(205)의 추적을 유지하는 데 사용된다. 수신된 교정 파라미터에 기초하여, IMU(230)는 하나 이상의 IMU 파라미터(예컨대, 샘플 레이트)를 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 특정 교정 파라미터는 IMU(230)가 기준점의 다음 교정된 위치에 대응하도록 기준점의 초기 위치를 갱신하게 한다. 기준점의 다음 교정 위치로서 기준점의 초기 위치를 갱신하면 결정된 추정 위치와 연관된 누적 오류를 감소시키는 데 도움이 된다. 드리프트 오류라고도 하는 누적 오류는 기준점의 추정된 위치가 시간이 지남에 따라 기준점의 실제 위치로부터 "드리프트"하게 야기한다.
이미징 디바이스(235)는 콘솔(210)로부터 수신된 교정 파라미터에 따라 교정 데이터를 생성한다. 교정 데이터는 이미징 디바이스(235)에 의해 검출 가능한 정위기(220)의 관찰된 위치를 나타내는 하나 이상의 이미지를 포함한다. 일부 실시예에서, 이미징 디바이스(235)는 하나 이상의 스틸 카메라, 하나 이상의 비디오 카메라, 하나 이상의 정위기(220)를 포함하는, 이미지를 캡처할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 추가적으로, 이미징 디바이스(235)는(예컨대, 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해 사용되는) 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(235)는 이미징 디바이스(235)의 시야에서 정위기(220)로부터 방출되거나 반사된 광을 선택적으로 검출하도록 구성된다. 정위기(220)가 수동 요소(예컨대, 역반사체)를 포함하는 실시예에서, 이미징 디바이스(235)는 이미징 디바이스(235)의 광원 쪽으로 광을 역반사하는, 정위기(220)의 일부 또는 전부를 조명하는 광원을 포함할 수 있다. 제2 교정 데이터는 이미징 디바이스(235)로부터 콘솔(210)로 전달되고, 이미징 디바이스(235)는 하나 이상의 이미징 파라미터(예컨대, 초점 거리, 초점, 프레임 속도, ISO, 센서 온도, 셔터 속도, 조리개 등)를 조정하기 위해 콘솔(210)로부터 하나 이상의 교정 파라미터를 수신한다.
일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(205)는 선택적으로 하나 이상의 반사 요소(260)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전자 디스플레이 디바이스(205)는 선택적으로 단일 반사 요소(260) 또는 다수의 반사 요소(260)(예컨대, 사용자의 각 눈을 위한 반사 요소(260))를 포함한다. 일부 실시예에서, 전자 디스플레이(215)는 컴퓨터 생성 이미지(computer-generated images)를 하나 이상의 반사 요소(260)에 투영하고, 이는 결국 사용자의 눈 또는 눈들 쪽으로 이미지를 반사한다. 컴퓨터 생성 이미지는 정지 이미지, 애니메이션 이미지 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 컴퓨터 생성 이미지는 2차원 개체 및/또는 3차원 객체로 보이는 객체를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 반사 요소(260)는 부분적으로 투명하여(예컨대, 하나 이상의 반사 요소(260)는 적어도 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 50%, 55%, 또는 60%의 투과율을 가짐) 주변 광의 투과를 허용한다. 그러한 실시예에서, 전자 디스플레이(215)에 의해 투영된 컴퓨터 생성 이미지는 증강 현실 이미지를 제공하기 위해 투과된 주변 광(예컨대, 송신된 주변 이미지)과 중첩된다.
입력 인터페이스(240)는 사용자가 콘솔(210)에 액션 요청을 보낼 수 있게 하는 디바이스이다. 작업 요청은 특정 작업을 수행하기 위한 요청이다. 예를 들어, 작업 요청은 애플리케이션을 시작 또는 종료하거나 애플리케이션 내에서 특정 작업을 수행하는 것일 수 있다. 입력 인터페이스(240)는 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 입력 디바이스는 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러, 뇌 신호로부터의 데이터, 인체의 다른 부분으로부터의 데이터, 또는 액션 요청을 수신하고 수신된 액션 요청을 콘솔(210)에 전달하기 위한 임의의 다른 적절한 디바이스를 포함한다. 입력 인터페이스(240)에 의해 수신된 액션 요청은 액션 요청에 대응하는 액션을 수행하는 콘솔(210)에 전달된다. 일부 실시예에서, 입력 인터페이스(240)는 콘솔(210)로부터 수신된 명령어에 따라 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 액션 요청이 수신될 때 햅틱 피드백이 제공되거나, 콘솔(210)이 액션을 수행할 때 입력 인터페이스(240)가 햅틱 피드백을 생성하게 하는 명령어를 콘솔(210)이 입력 인터페이스(240)에 전달한다.
콘솔(210)은 이미징 디바이스(235), 디스플레이 디바이스(205) 및 입력 인터페이스(240) 중 하나 이상으로부터 수신된 정보에 따라 사용자에게 제시하기 위해 디스플레이 디바이스(205)에 미디어를 제공한다. 도 2에 도시된 예에서, 콘솔(210)은 애플리케이션 스토어(245), 추적 모듈(250), 및 애플리케이션 엔진(255)을 포함한다. 콘솔(210)의 일부 실시예는 도 2와 관련하여 설명된 것과는 상이한 모듈을 갖는다. 유사하게, 여기에 추가로 설명된 기능은 여기에 설명된 것과 다른 방식으로 콘솔(210)의 컴포넌트들 사이에 배포될 수 있다.
애플리케이션 스토어(245)가 콘솔(210)에 포함될 때, 애플리케이션 스토어(245)는 콘솔(210)에 의한 실행을 위한 하나 이상의 애플리케이션을 저장한다. 애플리케이션은 프로세서에 의해 실행될 때 사용자에게 제시할 콘텐츠를 생성하는 데 사용되는 명령어 그룹이다. 애플리케이션에 기초하여 프로세서에 의해 생성된 콘텐츠는 디스플레이 디바이스(205) 또는 입력 인터페이스(240)의 움직임을 통해 사용자로부터 수신된 입력에 응답할 수 있다. 애플리케이션의 예는 게임 애플리케이션, 회의 애플리케이션, 비디오 재생 애플리케이션, 또는 다른 적절한 애플리케이션을 포함한다.
추적 모듈(250)이 콘솔(210)에 포함될 때, 추적 모듈(250)은 하나 이상의 교정 파라미터를 사용하여 시스템(200)을 교정하고 디스플레이 디바이스(205)의 위치 결정에서 오류를 감소시키기 위해 하나 이상의 교정 파라미터를 조정할 수 있다. 예를 들어, 추적 모듈(250)은 디스플레이 디바이스(205) 상의 관찰된 정위기에 대한 보다 정확한 위치를 획득하기 위해 이미징 디바이스(235)의 초점을 조정한다. 또한, 추적 모듈(250)에 의해 수행된 교정은 IMU(230)로부터 수신된 정보도 고려한다. 추가적으로, 디스플레이 디바이스(205)의 추적이 손실되면(예컨대, 이미징 디바이스(235)가 정위기(220)의 적어도 문턱 수의 시선을 잃음), 추적 모듈(250)은 시스템(200)의 일부 또는 전부를 재교정한다.
일부 실시예에서, 추적 모듈(250)은 이미징 디바이스(235)로부터의 제2 교정 데이터를 사용하여 디스플레이 디바이스(205)의 움직임을 추적한다. 예를 들어, 추적 모듈(250)은 제2 교정 데이터 및 디스플레이 디바이스(205)의 모델로부터 관찰된 정위기를 사용하여 디스플레이 디바이스(205)의 기준점의 위치를 결정한다. 일부 실시예에서, 추적 모듈(250)은 또한 제1 교정 데이터로부터의 위치 정보를 사용하여 디스플레이 디바이스(205)의 기준점의 위치를 결정한다. 추가적으로, 일부 실시예에서, 추적 모듈(250)은 디스플레이 디바이스(205)의 미래 위치를 예측하기 위해 제1 교정 데이터, 제2 교정 데이터, 또는 이들의 일부 조합의 부분을 사용할 수 있다. 추적 모듈(250)은 디스플레이 디바이스(205)의 추정된 또는 예측된 미래 위치를 애플리케이션 엔진(255)에 제공한다.
애플리케이션 엔진(255)은 시스템(200) 내의 애플리케이션을 실행하고 추적 모듈(250)로부터 디스플레이 디바이스(205)의 위치 정보, 가속도 정보, 속도 정보, 예측된 미래 위치, 또는 이들의 일부 조합을 수신한다. 수신된 정보에 기초하여, 애플리케이션 엔진(255)은 사용자에게 제시하기 위해 디스플레이 디바이스(205)에 제공할 콘텐츠를 결정한다. 예를 들어, 수신된 정보가 사용자가 왼쪽을 보았다는 것을 나타내면, 애플리케이션 엔진(255)은 증강 환경에서 사용자의 움직임을 미러링하는 디스플레이 디바이스(205)에 대한 콘텐츠를 생성한다. 추가적으로, 애플리케이션 엔진(255)은 입력 인터페이스(240)로부터 수신된 액션 요청에 응답하여 콘솔(210) 상에서 실행되는 애플리케이션 내에서 액션을 수행하고 액션이 수행되었다는 피드백을 사용자에게 제공한다. 제공된 피드백은 디스플레이 디바이스(205)를 통한 시각적 피드백 또는 청각적 피드백이거나 입력 인터페이스(240)를 통한 햅틱 피드백일 수 있다.
도 3은 일부 실시예에 따른 디스플레이 디바이스(300)의 등각도이다. 일부 다른 실시예에서, 디스플레이 디바이스(300)는 일부 다른 전자 디스플레이(예컨대, 디지털 현미경, 머리 장착형 디스플레이 디바이스 등)의 일부이다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(300)는 발광 디바이스(310)(예컨대, 발광 디바이스 어레이) 및 광학 어셈블리(330)를 포함하며, 이는 하나 이상의 렌즈 및/또는 다른 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(300)는 또한 IR 검출기 어레이를 포함한다.
발광 디바이스(310)는 이미지 광 및 선택적 IR 광을 관찰 사용자 쪽으로 방출한다. 발광 디바이스(310)는 가시광에서 광을 방출하는 하나 이상의 발광 컴포넌트(및 선택적으로 IR에서 광을 방출하는 컴포넌트를 포함함)를 포함한다. 발광 디바이스(310)는 예를 들어, LED 어레이, 마이크로 LED 어레이, OLED 어레이, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 발광 디바이스(310)는 발광 디바이스(310)로부터 방출된 광을 선택적으로 감쇠시키도록 구성된 방출 강도 어레이(예컨대, 공간 광 변조기)를 포함한다. 일부 실시예에서, 방출 강도 어레이는 복수의 액정 셀 또는 픽셀, 발광 디바이스의 그룹, 또는 이들의 일부 조합으로 구성된다. 액정 셀 각각, 또는 일부 실시예에서 액정 셀의 그룹은, 특정 수준의 감쇠를 갖도록 주소 지정 가능할(addressable) 수 있다. 예를 들어, 주어진 시간에 일부 액정 셀은 감쇠가 없는 것으로 설정되고 다른 액정 셀은 최대 감쇠로 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 방출 강도 어레이는 이미지 광을 제공할 수 있고 그리고/또는 이미지 광의 어느 부분이 광학 어셈블리(330)에 전달되는지를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이 디바이스(300)는 방출 강도 어레이를 사용하여 사용자의 눈(340)의 동공(350)의 위치에 이미지 광을 제공하는 것을 용이하게 하고, 아이박스 내의 다른 영역에 제공되는 이미지 광의 양을 최소화한다.
광학 어셈블리(330)는 하나 이상의 렌즈를 포함한다. 광학 어셈블리(330)의 하나 이상의 렌즈는 발광 디바이스(310)로부터 수정된 이미지 광(예컨대, 감쇠된 광)을 수신하고 수정된 이미지 광을 동공(350)의 위치로 지향시킨다. 광학 어셈블리(330)는 예를 들어, 컬러 필터, 거울 등과 같은 추가적인 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다.
선택적인 IR 검출기 어레이는 눈(340)의 망막, 눈(340)의 각막, 눈(340)의 수정체 또는 이들의 일부 조합으로부터 역반사된 IR 광을 검출한다. IR 검출기 어레이는 단일 IR 센서 또는 복수의 IR 감지 검출기(예컨대, 포토다이오드)를 포함한다. 일부 실시예에서, IR 검출기 어레이는 발광 디바이스 어레이(310)와 분리되어 있다. 일부 실시예에서, IR 검출기 어레이는 발광 디바이스 어레이(310)에 통합된다.
일부 실시예에서, 발광 강도 어레이를 포함하는 발광 디바이스(310)는 디스플레이 요소를 구성한다. 대안적으로, 디스플레이 요소는 발광 강도 어레이 없이 발광 디바이스(310)(예컨대, 발광 디바이스 어레이(310)가 개별적으로 조정가능한 픽셀을 포함하는 경우)를 포함한다. 일부 실시예에서, 디스플레이 요소는 IR 어레이를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 동공(350)의 결정된 위치에 응답하여, 디스플레이 요소는 방출된 이미지 광을 조정하여, 디스플레이 요소에 의해 출력된 광이 하나 이상의 렌즈에 의해 동공(350)의 결정된 위치 쪽으로 굴절되고 아이박스의 다른 위치 쪽으로는 굴절되지 않도록 한다.
도 4a 내지 도 4c는 일부 실시예에 따른 액정층(400)을 예시하는 개략도이다. 도 4a에서, 액정층(400)은 나선형 구성(404)(예컨대, 콜레스테릭 액정)으로 배열된 액정(412)을 포함한다. 나선형 구성(404)은 액정층(400)의 표면(예컨대, 기판(402-1 및 402-2)에 의해 정의된 표면)에 수직인 나선형 축을 갖는다.
나선형 구성은 나선형 액정의 방위각이 360도 회전한 나선형 축(예컨대, 축(404-1))을 따른 거리로서 정의된 피치(예컨대, 주기성)를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하프 피치는 피치의 절반을 지칭하며, 하프 피치는 나선형 액정의 방위각이 180도 회전한 나선형 축을 따른 거리에 대응한다. 도 4a에서, 나선형 구성(404)은 하프 피치(406-1, 406-2, 및 406-3)를 포함하는 상이한 피치를 갖는 복수의 부분을 가지며, 여기서 하프 피치(406-1)는 하프 피치(406-2)보다 크고 하프 피치(406-2)는 하프 피치(406-3)보다 크다(예컨대, 나선형 구성(404)은 제1 하프 피치(406-1)를 갖는 제1 부분, 제2 하프 피치(406-2)를 갖는 제2 부분, 및 제3 하프 피치(406-3)를 갖는 제3 부분을 가짐). 일부 실시예에서, 피치는 점진적으로 변한다. 일부 실시예에서, 피치는 기판(402-1)과 기판(402-2) 사이에서 일정하게 유지된다. 일부 실시예에서, 나선형 구성의 상이한 피치는 나선형 구성을 형성하기 위해 사용되는 키랄 도펀트(chiral dopant)의 농도 및/또는 유형을 제어함으로써 달성된다. 일부 실시예에서, 나선형 구성의 피치는 액정층의 파장 선택성을 결정한다. 일부 실시예에서, 다양한 피치를 갖는 액정층(액정층은 피치의 범위를 가짐)은 넓은 파장 범위의 광을 반사하는 데 사용되어(예컨대, 광대역 반사 편광기), 하프 피치(406-1)에 대응하는 액정층(400)의 제1 영역은 제1 파장 범위를 반사하고, 하프 피치(406-2)에 대응하는 액정층(400)의 제2 영역은 제2 파장 범위를 반사하며, 하프 피치(406-3)에 대응하는 액정층(400)의 제3 영역은 제3 파장 범위를 반사한다. 일부 실시예에서, 제1 파장 범위는 적색(예컨대, 635 nm 내지 700 nm)에 대응하고, 제2 파장 범위는 녹색(예컨대, 495 nm 내지 570 nm)에 대응하며, 제3 파장 범위는 청색(예컨대, 450 nm 내지 490 nm)에 대응하여, 액정층(400)은 넓은 파장 범위(예컨대, 450 nm 내지 700 nm의 파장 범위)를 반사한다. 일부 실시예에서, 넓은 파장 범위는 150 nm 이상(예컨대, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 400 nm 등)의 대역폭(예컨대, 반치전폭(a full-width at half-maximum))에 대응한다. 일정한 피치를 갖는 액정층은 좁은 파장 범위의 광을 반사하도록 구성된다(예컨대, 협대역 반사 편광기). 일부 실시예에서, 좁은 파장 범위는 100 nm 이하(예컨대, 50 nm, 30 nm, 20 nm, 10 nm, 5 nm, 또는 1 nm 이하)의 대역폭(예컨대, 반치전폭)에 대응한다. 예를 들어, 녹색에 대해 선택적인 일정한 피치를 갖는 액정층(400)은 495 nm와 570 nm 사이에서 광을 재지향시키도록 구성된다. 도 4a 및 4c는 상이한 피치를 갖는 3개의 부분을 갖는 액정층(400)을 도시하지만, 액정층(400)은 상이한 피치를 갖는 더 적거나 더 많은 부분(예컨대, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 부분, 여기서 각 부분은 10개 이하의 피치, 또는 20개, 30개, 40개, 50개, 60개, 70개, 80개 또는 90개의 피치, 또는 피치들의 개수들 사이의 임의의 수의 부분들을 가짐). 일부 실시예에서, 액정층(400)은 구배 피치의 범위를 특징으로 하는 하나 이상의 부분(예컨대, 피치가 나선형 축을 따라 구배적으로 변하는 부분)을 포함한다. 예를 들어, 액정층(400)의 세 부분 중 각각(또는 어느 하나 또는 둘)은 일정한 피치 대신에 일정한 범위의 피치를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 액정층(400)은 연속 파장 범위(예컨대, 450 nm 내지 650 nm 사이의 전체 스펙트럼) 내의 임의의 파장을 갖는 광을 반사하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 액정층(400)은 2개 이상의 개별 파장 범위 내의 파장을 갖는 광을 반사하도록 구성된다(예컨대, 액정층(400)은 다수의 영역을 포함하고, 각각의 영역은 각각의 개별 파장 범위를 반사하도록 구성됨). 예를 들어, 액정층(400)은 430 nm 내지 470 nm를 반사하도록 구성된 제1 영역 및 630 nm 내지 670 nm를 반사하도록 구성된 제2 영역을 포함하여, 470 nm 내지 630 nm 사이의 파장을 갖는 광의 상당 부분이 액정층(400)을 통과하도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 나선형 구성은 액정층(400)을 가로질러 연장되는 복수의 반사면을 정의한다. 반사면은 액정층(400)에 의해 수신된 입사광(408)의 각 부분을 회절시킨다. 예를 들어, 하프 피치(406-1)에 대응하는 액정층(400)의 제1 영역은 입사광(408)의 제1 부분(예컨대, 제1 파장에 대응하는 광(410-1))을 회절시키고, 하프 피치(406-2)에 대응하는 액정층(400)의 제2 영역은 입사광(408)의 제2 부분(예컨대, 제2 파장 범위에 대응하는 광(410-2))을 회절시키며, 하프 피치(406-3)에 대응하는 액정층(400)의 제3 영역은 입사광(408)(예컨대, 제3 파장 범위에 대응하는 광(410-3))의 제3 부분을 회절시킨다. 도 4a에서, 입사광(408)의 제1 부분, 입사광(408)의 제2 부분, 및 입사광(408)의 제3 부분은 동일한 방향으로 회절된다. 일부 다른 실시예에서, 입사광(408)의 제1 부분, 입사광(408)의 제2 부분, 및 입사광(408)의 제3 부분은 별개의 방향으로 회절된다.
예를 들어, 도 4a의 액정층(400)과 같은 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal; CLC)층은 반사 편광기로서 동작하고 그 위에 입사하는 광의 좌우성(handedness), 입사각, 및/또는 파장 범위에 대해 선택적이다. 예를 들어, 미리 정의된 좌우성을 갖는 (그리고 미리 정의된 입사각 범위 내 및 미리 정의된 파장 범위 내) 원편광을 회절시키도록 구성된 CLC 층의 경우, 미리 정의된 좌우성 (및 미리 정의된 입사각 내의 입사각 및 미리 정의된 파장 범위 내의 파장)을 갖는 원편광이 CLC 층에 충돌할 때, CLC 층은 (직교 편광을 회절시키지 않고) 원편광을 회절시킨다. 광의 방향을 반사적으로 회절시키는 동안, CLC 층은 반사적으로 회절된 광의 편광을 유지한다(예컨대, 왼쪽 광은 왼쪽 광으로서 반사 회절됨). 이에 비해, CLC 층은 미리 정의된 좌우성을 갖지 않는(그리고 미리 정의된 입사각 내에서 입사각을 갖지 않거나 미리 정의된 파장 범위 내에서 파장을 갖지 않는) 회절 광을 포기(forgo)한다. 예를 들어, 오른손 원편광(right-handed circularly polarized; RCP) 광을 반사적으로 회절시키도록 구성된 CLC 층은, 편광 또는 방향을 변경하지 않고 왼손 원편광(left-handed circularly polarized; LCP) 광을 투과시키면서, 편광을 변경하지 않고 RCP 광을 재지향시킨다(예컨대, CLC 층은 제1 원편광 및 제1 파장 범위를 갖는 광을 반사적으로 회절시키고, 제1 원편광과는 구별된 편광을 갖는 광 및/또는 제1 파장 범위와는 구별된 파장을 갖는 광을 투과시킬 수 있음). CLC는 파장에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 미리 정의된 좌우성(예컨대, RCP) 및 미리 정의된 입사각 범위 내의 입사각을 갖는 입사광이 미리 정의된 파장 범위에 대응하는 파장을 갖는 경우, CLC 층은 편광을 유지하면서 RCP 광을 반사 회절시킨다. 이에 비해, 미리 정의된 파장 범위를 벗어나는 파장을 갖는 입사광(미리 정의된 좌우성(예컨대, RCP)이 있거나 없으며 미리 정의된 입사각 범위 내의 입사각을 가짐)은 편광을 유지하면서 재지향 없이 CLC 층을 통해 투과된다. CLC는 입사각에 특유할 수 있다. 따라서 미리 정의된 좌우성(예컨대, RCP)과 미리 정의된 파장 범위 내의 파장을 갖는 입사광이 설계된 입사각 범위 내에서 입사각을 갖는 경우, CLC 층은 재지향된 광의 편광을 변환하지 않고 RCP 광을 재지향시킨다. 이에 비해, 설계된 입사각 범위를 벗어나는 입사각을 갖는 입사광(미리 정의된 좌우성(예컨대, RCP) 및 미리 정의된 파장 범위 내의 파장을 갖거나 갖지 않음)은 편광을 유지하면서 재지향 없이 CLC 층을 통해 투과된다.
액정(412)은 기판(402-1)과 기판(402-1) 사이에 배치된다. 기판(402-1, 402-2) 중 적어도 하나는 광학적으로 투명한 기판(예컨대, 유리 또는 플라스틱)으로 제조된다. 일부 실시예에서, 기판(402-1 및 402-2)은 예를 들어, 전도성 박막(예컨대, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO)) 또는 반사 방지 코팅과 같은 하나 이상의 박막을 포함한다. 전도성 박막은 액정의 구성을 변경하기 위해 액정층(400)의 적어도 일부 양단에 전압을 인가하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 액정층(400)은 인가된 전압을 턴온하고 턴오프함으로써 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하다. 예를 들어, 제1 상태에 있는 동안 인가된 전압은 턴오프되고 액정층(400)은 도 4a에 도시된 나선형 구성(404)을 포함한다. 제1 상태에서, 액정층(400)은 매칭되는 편광 좌우성을 갖는 광에 대해 회절을 일으킨다. 제2 상태에서, 도 4b에 도시된 바와 같이 액정층(400) 양단에 전압이 인가되고 막대 형상을 갖는 액정이 인가된 전압에 따라 선형으로 정렬된다. 예를 들어, 제2 상태에서, 액정층(400)은 호메오트로픽 구성(homeotropic configuration)의 액정(412)을 포함한다. 호메오트로픽 구성에서, 막대형 형상을 갖는 액정(412)은 각각의 액정층(예컨대, 기판(402-1 및 402-2))을 지지하는 기판에 수직으로 정렬된다. 도 4b에 예시된 제2 상태에서, 액정층(400)은 회절을 일으키지 않고 대신 광의 편광, 입사각 또는 광의 파장에 관계없이 편광 또는 방향을 변경하지 않고 광을 투과시킨다.
도 4c는 일부 실시예에 따른 액정층(420)을 예시하는 개략도이다. 액정층(420)은 액정층(420)이 평평하지 않은 표면(예컨대, 곡면(422-1)) 상에 배치된다는 점을 제외하고는 도 4a 및 4b와 관련하여 전술한 액정층(400)과 유사하다. 일부 실시예에서, 곡면(422-1)은 렌즈의 볼록, 구면, 또는 비구면 표면이다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 액정층(420)은 곡면(422-1)과 곡면(422-1)의 곡률에 대응하는 곡률을 갖는 곡면(422-2) 사이에 배치된다. 액정층(420)의 반사면에 의해 재지향된 광(410-1, 410-2, 및 410-3)의 방향은 곡면(422-1)의 곡률에 따라 액정층(420)을 가로질러 변화하여, 광(410-1, 410-2, 및 410-3)은 광(410-1, 410-2, 및 410-3)에 대응하는 별개의 방향으로 재지향되고(예컨대, 제1 반사면(414-1)을 갖는 액정층(420)의 제1 부분에 충돌하는 광(408-1)은 제1 방향(또는 제1 방향 그룹)으로 지향됨), 제1 반사면(414-1)에 평행하지 않은 제2 반사면(414-2)을 갖는 액정층(420)의 제2 부분에 충돌하는 광(408-2)은 광(410-4, 410-5 및 410-6)에 대응하는, 제1 방향과는 상이한, 제2 방향(또는 제2 그룹의 방향)으로 지향된다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따른 편광 선택 광학 요소(500)를 예시하는 개략도이다. 편광 선택 광학 요소(500)는 3개 이상의 액정층(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506))을 포함하는 액정층의 스택을 포함한다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506)은 도 4a 내지 도 4b와 관련하여 위에서 설명된 액정층(400)에 집합적으로 대응한다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506)은 층들이 공통 기하축(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506)의 기하학적 중심을 통과하는 기하축(500-1))을 갖도록 서로에 대해 배치된다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506)은 인접한 층이 서로 직접 접촉하는 방식으로 배치된다(예컨대, 각각의 액정층(502, 504, 및 506)은 나머지 액정층(502, 504, 및 506) 중 적어도 하나와 접촉함). 예를 들어, 액정층(504)은 액정층(502)과 직접 접촉하는 제1 표면 및 액정층(506)과 직접 접촉하는 반대편 제2 표면을 갖는다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506)은 적어도 2개의 층이 서로 분리되도록 배치된다(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506) 중 적어도 하나는 액정층(502, 504, 및 506) 중 다른 적어도 하나와 분리됨). 예를 들어, 액정층(502)은 액정층(506)과 직접 접촉하지 않는다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506) 중 어느 것도 액정층(502, 504, 및 506) 중 임의의 다른 것과 접촉하지 않는다(예컨대, 각각의 액정층(502, 504, 및 506)은 나머지 액정층(502, 504, 및 506)과 분리되어 있다).
일부 실시예에서, 제1 상태의 액정층(502, 504, 및 506)은 동일한 좌우성을 갖는 나선형 구성으로 배열된 콜레스테릭 액정을 포함한다. 예를 들어, 액정층(502, 504, 및 506)의 나선형 구성은 동일한 좌우성으로 각각의 나선형 축을 중심으로 회전한다(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506)의 모든 나선형 구성은 오른손잡이성(right-handed)이거나, 대안적으로 액정층(502, 504, 및 506)의 모든 나선형 구성은 왼손잡이성임(left-handed)). 제1 상태에서 액정층(502, 504, 및 506)의 이러한 구성은 동일한 좌우성을 갖는 광을 재지향(예컨대, 반사, 편향 또는 회절)시키는 것을 가능하게 하는 한편, 상이한(예컨대, 직교) 좌우성을 갖는 광이 재지향 없이 액정층(502, 504, 및 506)을 투과하도록 허용한다.
일부 실시예에서, 제1 상태의 액정층(502, 504, 및 506)은 별개의 피치 또는 별개의 피치 범위를 갖는 콜레스테릭 액정을 포함한다. 예를 들어, 액정층(502)은 제1 피치를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정을 포함하고, 액정층(504)은 제2 피치를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정을 포함하고, 액정층(506)은 제3 피치를 갖는 제3 나선형 구성으로 배열되며, 제1 피치, 제2 피치 및 제3 피치는 서로 구별된다. 따라서, 제1 상태의 액정층(502, 504, 및 506)은 별개의 파장 범위의 광을 재지향시키도록 구성된다(예컨대, 액정층(502)은 액정층(504 또는 506)에 의해 재지향되지 않는 제1 파장의 광을 재지향시키고, 액정층(504)은 액정층(502 또는 506)에 의해 재지향되지 않은, 제1 파장과는 상이한 제2 파장의 광을 재지향시키며, 액정층(506)은 액정층(502 또는 504)에 의해 재지향되지 않은, 제1 파장 및 제2 파장과는 상이한 제3 파장의 광을 재지향시킴). 예를 들어, 액정층(502)은 제1 파장 범위(및 제1 편광)를 갖는 광을 재지향시키고, 액정층(504)은 제2 파장 범위(및 제1 편광)를 갖는 광을 재지향시키고, 액정층(506)은 제3 파장 범위(및 제1 편광)를 갖는 광을 재지향시키며, 여기서 제1 파장 범위, 제2 파장 범위, 및 제3 파장 범위는 서로 구별된다. 일부 실시예에서, 제1 파장 범위, 제2 파장 범위, 및 제3 파장 범위는 별개의 색상에 대응한다. 일부 실시예에서, 액정층 각각은 도 4a와 관련하여 전술한 바와 같이 협대역 반사 편광기에 대응하는 일정한 피치를 갖는다.
일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 506)은, 입사광(508)을 수신하는 3개의 액정층(502, 504, 및 506) 중 제1 층인 액정층(502)(예컨대, 입사광(508)을 제공하는 광원과의 거리가 가장 짧은 액정층(502))이 녹색에 대응하는 파장 범위를 갖는 광을 반사하도록 순서대로 배열된다. 결과적으로, 액정층(504 및 506)은 예를 들어, 적색 또는 청색과 같은 다른 색상에 대응하는 광을 반사한다. 일부 실시예에서, 층의 색상 선택성의 순서는 녹색-적색-청색 또는 녹색-청색-적색이므로, (예컨대, 청색 또는 적색과 같은 임의의 다른 색상의 광을 투과시키면서) 광원으로의 최단 거리를 갖는 액정층(502)이 녹색의 광을 재지향시킨다. 위에서 설명한 바와 같이 CLC의 파장 선택성은 CLC 구성의 피치에 기초한다. 따라서, 녹색광을 반사하는 액정층(502)은 제1 피치 범위를 갖는 CLC를 포함하는 반면에, 적색광을 반사하는 액정층은 제1 피치 범위와는 상이한 제2 피치 범위를 갖는 CLC를 포함하고, 청색광을 반사하는 액정층은 제1 피치 범위 및 제2 피치 범위와는 상이한 제3 피치 범위를 갖는 CLC를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 피치 범위는 제2 피치 범위보다 크고, 제3 피치 범위는 제1 피치 범위보다 크다. 일부 실시예에서, 제1 피치 범위는 제2 피치 범위의 임의의 피치보다 큰 피치를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 피치 범위는 제3 피치 범위의 임의의 피치보다 짧은 피치를 포함한다.
액정층(502, 504, 및 506)의 순서(또는 시퀀스 또는 상대적인 위치)는 광이 편광 선택 광학 요소(500)를 통과하는 동안 형성된 "고스트 이미지(ghost images)"의 제거 또는 감소에 중요하다. 일부 경우에, 고스트 이미지는 하나 이상의 광학 표면에서 광이 반사되어 발생하는 광학 아티팩트(optical artifacts)를 포함한다. 고스트 이미지와 연관된 문제는 광이 다수의 광학 표면(예컨대 액정층과 같은 광학 요소의 스택)에서 반사될 때 악화된다. 인간의 눈은 일반적으로 녹색에 가장 민감하다. 따라서, 녹색을 갖는 광이 다수의 광학 표면을 통과하지 않도록 녹색에 대응하는 파장 범위를 반사하는 층을, 입사광을 수신하는 제1 층으로 배치시킴으로써(예컨대, 액정층(502)은 녹색 파장 범위를 반사하도록 구성됨) 지각된 고스트 이미지가 감소될 수 있다.
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(500)의 액정층(502, 504, 및 506)의 각각의 액정층은 도 4a 및 도 4b에 대해 상술된 제1 상태 및 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하다(결과적으로, 편광 선택 광학 요소(500)는 적어도 8개의 상이한 상태 사이에서 전환 가능할 수 있음). 제1 상태는 (예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이) 전압이 인가되지 않은 상태에 대응하고, 제2 상태는 (예컨대, 도 4b에 도시된 바와 같이) 전압이 액정층 양단에 인가된 상태에 대응한다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 및 506)은 제1 상태와 제2 상태 사이에서 개별적으로 그리고 독립적으로 전환 가능하다(예컨대, 액정층(502)은 제1 상태에 놓여 있을 수 있는 반면에 액정층(504 및 506)은 제2 상태에 놓여 있거나, 액정층(504)은 제1 상태에 놓여 있을 수 있는 반면에 액정층(502 및 506)은 제2 상태에 놓여 있거나, 액정층(506)은 제1 상태에 놓여 있을 수 있는 반면에 액정층(502 및 504)은 제2 상태에 놓여 있다.)
도 5b에 도시된 바와 같이, 액정층(502-1)으로서 표시된 액정층(502)은 도 4a와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 나선형 구성으로 배열된 액정을 가지며, 제1 상태에 있다. 동시에, 액정층(504-2 및 506-2)으로서 표시된 액정층(504 및 506)은 도 4b와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 선형 구성의 액정을 가지며, 제2 상태에 있다. 도 5b에서, 액정층(502-1)은 제1 편광 및 제1 파장 범위를 갖는 입사 광(510-1)을 수신하고, 수신된 광의 적어도 일부를 광(511-1)으로서 재지향(예컨대, 반사, 편향 또는 회절)시킨다. 제1 편광과 구별된(예컨대, 직교하는) 편광 및/또는 제1 파장 범위 밖의 파장을 갖는 입사광(512)은 액정층(502-1)을 통해 투과된다. 또한, 입사광(512)은 예를 들어, 액정층(504-2 및 506-2)과 같은 제2 상태의 임의의 액정층을 통해서도 투과된다.
또한, 액정층(502, 504, 및 506) 중 어느 2개는 제1 상태가 되고 나머지 액정층은 제2 상태가 될 수 있다. 예를 들어, 도 5c에서, 액정층(504-1)으로서 표시된 액정층(504)은 또한 제1 상태로 전환된다. 액정층(504-1)은 제1 편광 및 제2 파장 범위를 갖는 입사광(510-2)을 수신하고, 수신된 광의 적어도 일부를 광(511-2)으로서 재지향(예컨대, 반사)시킨다. 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위 밖의 파장(및/또는 제1 편광과 구별된 편광)을 갖는 입사광(512)은 제1 상태에서 액정층(502-1 및 504-1)을 통해 투과된다. 결과적으로, 입사광(512)은 액정층(506-2)에 도달하고, 제2 상태에서 액정층(506-2)을 통해 투과된다. 일부 경우에, 액정층(502, 504, 및 506)의 3개 모두가 제1 상태가 될 수 있다.
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소는 4개, 5개 또는 6개의 액정층을 포함한다. 도 5d는 6개의 액정층(예컨대, 액정층(502, 504, 506, 522, 524, 및 526))을 포함하는 편광 선택 광학 요소(520)를 예시하는 개략도이다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 506, 522, 524, 및 526)의 각각의 액정층은 별개의 파장 범위 내의 광을 반사하도록 구성된다. 예를 들어, 각각의 액정층은 고유한 피치 또는 피치의 범위를 갖는 나선형 구조의 콜레스테릭 액정을 포함하여, 각 액정층은 고유한 파장 범위 내의 광을 반사한다. 일부 실시예에서, 액정층(502, 504, 506, 522, 524, 및 526) 중 2개 이상은 별개의 파장을 갖지만 동일하거나 유사한 색상에 대응하는 광을 반사하도록 구성된다. 예를 들어, 액정층(502)은 제1 녹색에 대응하는 제1 파장 범위의 광을 반사하도록 구성되고, 액정층(504)은 제2 녹색 색상에 대응하는 제2 파장 범위의 광을 반사하도록 구성된다(예컨대, 제2 녹색 색상은 제1 녹색 색상과 다른 녹색 음영임). 예를 들어, 제1 파장 범위는 제2 파장 범위와 중첩될 수 있거나, 제1 파장 범위는 제2 파장 범위에 인접할 수 있다.
도 5e는 일부 실시예에 따른 편광 선택 광학 요소(530)를 예시하는 개략도이다. 편광 선택 광학 요소(530)는 하나 이상의 액정층(예컨대, 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 설명된 액정층(502, 504, 및 506))을 포함한다. 편광 선택 광학 요소(530)는 반사 편광기(532)(예컨대, 빔 분할 편광기)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 반사 편광기(532)는 하나 이상의 액정층(502, 504, 및 506)과 직접 접촉한다. 예를 들어, 반사 편광기(532)는 도 5e에 도시된 바와 같이 액정층(506)과 직접 접촉할 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 편광기(532)는 입사광을 편광에 기초하여 별개의 방향으로 전파하는 2개의 성분으로 분리한다. 예를 들어, 제1 편광을 갖는 입사광의 일부는 반사되고 제2 편광을 갖는 광의 일부는 투과된다. 일부 실시예에서, 반사 편광기(532)는 박막 편광기, 와이어 그리드 편광기, 복굴절 편광기(예컨대, 석영 또는 방해석 편광기), 또는 프레넬 편광기이다. 이러한 반사 편광기는 일반적으로 CLC 기반 편광기와 같이 입사각 및/또는 파장 선택성을 갖지 않는다. 따라서, CLC(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506))를 포함하는 하나 이상의 액정층은 입사각 및/또는 파장 선택성을 제공하기 위해 반사 편광기(532)와 조합될 수 있다.
도 6은 일부 실시예에 따른 폴딩된 광학 시스템(600)을 통해 전파되는 광을 예시하는 개략도이다. 도 6, 7a 내지 7c 및 8a에서, 광의 편광은 각 광선의 전파 방향을 고려하지 않은 보편적인 주석(universal annotations)으로 주석 처리되는 것에 유의한다(예컨대, 오른손 원편광은 광의 전파 방향에 관계없이 반시계 방향 화살표로 주석 처리되고, 왼손 원편광은 광의 전파 방향에 관계없이 시계 방향 화살표로 주석 처리된다). 폴딩된 광학 시스템(600)은 편광 선택 광학 요소(602) 및 부분 반사기(604)(예컨대, 50/50 미러)를 포함한다. 일부 실시예에서, 폴딩된 광학 시스템(600)은 곡면을 갖는 편광 선택 광학 요소(602)와 부분 반사기(604) 중 하나 또는 둘 모두를 갖는 팬케이크 렌즈이다. 일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(602) 및/또는 부분 반사기(604)는 하나 이상의 렌즈의 곡면과 결합된다(예컨대, 도 8a에 도시된 렌즈의 곡면과 결합된 부분 반사기(604)). 일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(602)는, 편광 선택 광학 요소(602)가 전환 가능하지 않다는 점을 제외하고는 도 5a와 관련하여 설명된 편광 선택 광학 요소(500)와 유사하다. 대신에, 편광 선택 광학 요소(602)는 (예컨대, 도 4a에 대해 설명된 바와 같이) 고정 나선형 구성으로 배열된 콜레스테릭 액정을 갖는 3개 이상의 액정층을 포함한다. 편광 선택 광학 요소(602)는 적어도 특정 파장 범위 또는 특정 파장 범위들을 갖는 광을 재지향시키도록 구성된다. 부분 반사기(604)는 디스플레이(608)(예컨대, 도 3의 발광 디바이스(310)의 어레이에 대응하는 디스플레이(608))로부터 (예컨대, 광학 경로(OP-1)를 따라) 광(610)을 수신한다. 일부 실시예에서, 광(610)은 광(610)의 편광을 (예컨대, 광학 경로(OP-2)를 따라) 제1 원편광으로 변환하는 원편광기(606)를 통과한다. 부분 반사기(604)는 편광을 변경하지 않고 광(610)의 일부를 (예컨대, 광학 경로(OP-3)를 따라) 편광 선택 광학 요소(602) 쪽으로 투과시킨다. 편광 선택 광학 요소(602)는 부분 반사기(604)로부터 광(610)을 수신하고, 제1 원편광을 갖고 특정 파장 범위 내에 있는 수신된 광의 적어도 일부를 (예컨대, 광학 경로(OP-3)와 동일선상에 있을 수 있지만 명확성을 위해 광학 경로(OP-3)로부터 오프셋된 것으로 예시되는, 광학 경로(OP-4)를 따라) 부분 반사기(604) 쪽으로 다시 재지향시킨다. 광(610)의 편광은 편광 선택 광학 요소(602)에 의해 재지향될 때 변경되지 않으므로 편광 선택 광학 요소(602)로부터 부분 반사기(604)에 의해 수신된 광은 제1 원편광을 갖는다. 부분 반사기(604)는, 광의 편광이 제1 원편광으로부터 제1 원편광에 직교하는 제2 원편광으로 변하도록, (예컨대, 광학 경로(OP-4)와 동일선상에 있을 수 있지만 명확성을 위해 광학 경로(OP-4)로부터 오프셋된 것으로 예시되는, 광학 경로(OP-5)를 따라) 광의 일부를 편광 선택 광학 요소(602) 쪽으로 반사한다. 편광 선택 광학 요소(602)는 (예컨대, 광학 경로(OP-6)를 따라) 제2 원편광을 갖는 광을 (예컨대, 그 방향을 변경하지 않고) 투과시킨다.
대조적으로, 제1 원편광과 구별되는 (예컨대, 이에 직교하는) 편광 및/또는 특정 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광(612)은 편광 선택 광학 요소(602)와 부분 반사기(604) 사이에서 바운싱 없이 부분 반사기(604) 및 편광 선택 광학 요소(602)를 통해 적어도 부분적으로 투과된다. 일부 실시예에서, 광(612)은 디스플레이(608)에 의해 출력된다. 일부 실시예에서, 광(612)은 디스플레이(608)의 외부로부터 발생한다(예컨대, 디스플레이(608)는 증강 현실 콘텐츠를 제공하도록 구성된 부분적으로 투과하는 디스플레이이다). 예를 들어, 광(612)은 주변 광일 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이(608) 외부로부터 발생하는 광의 일부, 예를 들어, 특정 파장 범위의 파장을 갖는 광(614)은 디스플레이(608)를 통해 투과되고 폴딩된 광학 경로(OP-1 내지 OP-6)를 따라 광학 시스템(600)을 통해 계속 전파된다.
일부 실시예에서, CLC를 갖는 편광 선택 광학 요소(602)는 종래의 폴딩된 광학 시스템에서 반사 편광기와 파장판의 조합을 대체한다. 따라서, 폴딩된 광학 시스템(600)은 종래의 폴딩된 광학 시스템(예컨대, 반사 편광기 및 파장판을 포함하는 팬케이크 렌즈)보다 더 가벼운 무게를 가질 수 있다. 예를 들어, 폴딩된 광학 시스템(600)과 같은 폴딩된 광학 시스템은 디스플레이로부터 사용자의 눈으로 투영되는 광의 광학 경로를 증가시킨다. 따라서 이러한 폴딩된 광학 시스템은 디스플레이와 사용자의 눈 사이의 물리적 거리를 증가시키거나 이미지 품질을 손상시키지 않으면서 증가된 시야를 제공한다.
도 7a 내지 도 7c는 일부 실시예에 따른 편광 선택 광학 요소(500)를 포함하는 폴딩된 광학 시스템(700)을 통해 전파되는 광을 예시하는 개략도이다. 일부 실시예에서, 폴딩된 광학 시스템(700)은, 폴딩된 광학 시스템(700)이 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 전술한 바와 같이 제1 상태와 제2 상태를 포함하는 상이한 상태 사이에서 전환 가능 액정층을 갖는 편광 선택 광학 요소(500)를 포함한다는 것을 제외하고는, 도 6과 관련하여 위에서 설명한 폴딩된 광학 시스템(600)과 유사하다. 일부 실시예에서, 폴딩된 광학 시스템(700)은 디스플레이(608)와 아이박스(704)(예컨대, 디스플레이 디바이스의 사용자의 눈의 위치에 대응하는 아이박스(704)) 사이에 배치된다.
도 7a에서, 편광 선택 광학 요소(500-A)로서 표시된 편광 선택 광학 요소(500)의 액정층은 편광 선택 광학 요소(500) 양단에 인가된 전압을 갖지 않으며(예컨대, 전압 소스(V)는 상태(702-A)에 있음), 제1 상태에 있다. 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 편광 선택 광학 요소(500-A)의 나선형 액정의 피치의 조합에 대응하는 파장 범위를 갖는 광(610)은 도 6에 대하여 설명된 바와 같이, 광학 경로(OP-1 내지 OP-6)를 따라 폴딩된 광학 시스템(600)을 통해 전파된다.
도 7b에서, 전압은 편광 선택 광학 요소(500) 양단에 인가된다(예컨대, 전압 소스(V)는 상태(702-B)에 있음). 따라서 편광 선택 광학 요소(500-B)로서 표시된 편광 선택 광학 요소(500)의 액정층은 제2 상태에 있다. 제2 상태의 편광 선택 광학 요소(500-B)의 액정층은 도 4b와 관련하여 전술한 바와 같이 선형(예컨대, 호메오트로픽(homeotropic)) 구성으로 배열된 액정을 포함한다. 도시된 바와 같이, 디스플레이(608)로부터의 광(610)은 접힘 없이 폴딩된 광학 시스템(600)을 통해 (예컨대, 광학 경로(OP-1, OP-2, 및 OP-3)를 따라) 전파된다.
도 7c에서, 편광 선택 광학 요소(500)의 (예컨대, 액정층(504-2 및 506-2)으로서 표시된) 액정층(504 및 506) 양단에(그러나 액정층(502) 양단에는 아님) 전압이 인가되어, 액정층(504 및 506)은 선형 구성의 액정을 갖는 제2 상태에 있는 반면에, (액정층(502-1)으로서 표시된) 액정층(502)은 제1 상태에 있게 된다. 따라서, 액정층(504-2 및 506-2)은 편광 또는 광의 파장에 관계없이 디스플레이(608)로부터의 광(예컨대, 광(610-1 및 610-2))을 투과시킨다. 도 6에 대하여 설명된 바와 같이, 액정층(502-1)은 CLC의 피치 또는 피치의 범위에 대응하는 특정 파장 범위를 갖는 광을 재지향시켜, 특정 파장 범위 내의 디스플레이(608)로부터의 광(예컨대, 광(610-1))의 일부가 광학 경로(OP-1 내지 OP-6)를 따라 폴딩된 광학 시스템(700)을 통해 전파되도록 한다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 전환 가능 편광 선택 광학 요소(500)를 갖는 폴딩된 광학 시스템(700)은 광의 특성(예컨대, 광의 편광 및/또는 파장 범위)에 따라 상이한 광학 경로를 통해 광을 안내한다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 팬케이크 렌즈(800)를 예시하는 개략도이다. 일부 실시예에서, 팬케이크 렌즈(800)는 도 7a 내지 도 7c와 관련하여 설명된 폴딩된 광학 시스템(700)과 유사하지만 하나 이상의 곡면을 갖는 하나 이상의 렌즈(예컨대, 렌즈(802 및 804))를 더 포함한다.
도 8a에서, 팬케이크 렌즈(800)는 부분 반사기(604)와 결합된 렌즈(802) 및 제1 상태(예컨대, 전압이 인가되지 않음)의 액정층(502-1, 504-1, 및 506-1)을 포함하는 편광 선택 광학 요소(500)와 결합된 렌즈(804)를 포함한다. 일부 실시예에서, 부분 반사기(604)는 도 8a에 도시된 바와 같이 렌즈(802)의 곡면과 직접 접촉한다. 일부 실시예에서, 렌즈(802 및 804)는 광학적으로 투명한 기판으로 제조된다. 일부 실시예에서, 각각의 렌즈는 적어도 하나의 곡면을 포함한다. 일부 실시예에서, 렌즈(802 및 804)는 볼록면, 오목면, 구면 또는 비구면 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 부분 반사기(604)는 도 8a에 도시된 바와 같이 부분 반사기(604)가 디스플레이(608)를 향하도록 렌즈(802)의 볼록 표면 상에 배치된다(부분 반사기(604)는 디스플레이(608)와 렌즈(802) 사이에 위치함). 일부 실시예에서, 렌즈(802)는 편광 선택 광학 요소(500)를 향하는 반대편 평평한 표면(802-1)을 포함한다. 일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(500)는 도 8a에 도시된 바와 같이 부분 반사기(604) 및 디스플레이(608)를 향하는 렌즈(804)의 평평한 표면 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 렌즈(804)는 사용자의 눈(예컨대, 아이박스(704))을 향하는 반대편 볼록 표면(804-1)을 포함한다. 일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(500)는 렌즈(804)의 볼록한 표면(804-1) 상에 배치된다(예컨대, CLC는 도 4c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 곡면 상에 배열된다).
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소(500)는 렌즈(802)뿐만 아니라 렌즈(804)와 직접 접촉한다(예컨대, 편광 선택 광학 요소(500)는 렌즈(802)와 렌즈(804) 사이에 끼워진다).
일부 실시예에서, 팬케이크 렌즈(800)는 하나 이상의 반사방지 코팅을 포함한다. 예를 들어, 도 8a에서, 렌즈(802)의 표면(802-1), 렌즈(804)의 표면(804-1), 및 편광 선택 광학 요소(500)의 표면(806)은 이러한 표면(예컨대, 표면(804-1) 상의 코팅(808))에서 반사로 인해 발생하는 광학 아티팩트를 감소시키기 위해 반사 방지 코팅을 포함한다.
도 8a에서, 편광 선택 광학 요소(500)의 적어도 하나의 액정층은 제1 상태에 있고 디스플레이(608)로부터의 광(610)은 원편광기(606)를 통과하며, 광(610)의 적어도 일부(예컨대, 제1 상태에서 액정층(들)에 대응하는 광(610)의 성분)는 도 6에 대하여 전술한 바와 같이 폴딩된 광학 경로를 따라 팬케이크 렌즈(800)를 통해 전파된다.
도 5a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예에서 액정층(예컨대, 액정층(502-1, 504-1, 및 506-1))은, 디스플레이(608)로부터 최단 거리에 배치된 액정층(502)이 녹색광에 대해 선택적이도록 정렬된다. 결과적으로, 디스플레이(608)로부터 더 멀리 위치된 액정층(504 및 506)은 어느 순서로든 청색 광 및 적색 광에 대해 선택적이다(예컨대, 액정층(504)은 청색 광에 대해 선택적이고 액정층(506)은 적색 광에 대해 선택적이거나, 그 반대이다).
도 8b 및 도 8c는 일부 실시예에 따른 팬케이크 렌즈(820)를 예시하는 개략도이다. 일부 실시예에서, 팬케이크 렌즈(820)는, 팬케이크 렌즈(820)가 렌즈(802)를 포함하지 않고 부분 반사기(604)가 평평한 형상을 갖는다는 점을 제외하고는 도 8a와 관련하여 설명된 팬케이크 렌즈(800)와 유사하다. 도 8b에서, 액정층(504-2 및 506-2)은 선형 구성의 콜레스테릭 액정을 포함하는 제2 상태에 있고(예컨대, 액정층(504 및 506) 양단에 전압이 인가됨), 액정층(502-1)은 나선형 구성의 콜레스테릭 액정을 포함하는 제1 상태에 있다(예컨대, 액정층(502) 양단에 전압이 인가되지 않음). 디스플레이(608)로부터의 광의 제1 부분(예컨대, 액정층(502-1)이 재지향시키도록 구성된 특정 파장 범위 내의 파장을 갖는 광(610-1))은 도 6에 대하여 전술한 것과 유사한 방식으로 폴딩된 광학 경로를 따라 전파된다. 광(610-1)은 이에 의해 부분 반사기(604)에 의해 정의된 팬케이크 렌즈(820)의 전면으로부터 광축(800-1) 상의 거리(D1)에 포커싱된다. 디스플레이(608)로부터의 광의 제2 부분(예컨대, 액정층(502-1)이 재지향시키도록 구성된 특정 파장 범위와는 구별되는 파장을 갖는 광(610-2))은 (폴딩된 광학 경로를 따르지 않고) 팬케이크 렌즈(820)를 통해 직접 전파된다. 광(610-2)은 이에 의해 부분 반사기(604)에 의해 정의된 팬케이크 렌즈(820)의 전면으로부터 광축(800-1) 상의 거리(D2)에 포커싱된다. 디스플레이(608)로부터 팬케이크 렌즈(820)까지의(예컨대, 부분 반사기(604)에 의해 정의된 팬케이크 렌즈(820)의 전면까지의) 거리가 알려져 있기 때문에, 광(610-1)에 대한 초점 거리(F1)와 광(610-2)에 대한 초점 거리(F2)가 결정될 수 있다. 예를 들어, 팬케이크 렌즈(820)의 두께가 거리 Ds, D1 및 D2에 비해 작을 때 초점 거리 F1 및 F2는 얇은 렌즈 수학식으로부터 결정될 수 있다:
1/Ds + 1/D1 = 1/F1
1/Ds + 1/D2 = 1/F2
폴딩된 광학 경로로 인해, 광(610-1)의 초점 길이(F1)는 광(610-2)의 초점 길이(F2)보다 짧다.
도 8c는, 액정층(502-2)이 선형 구성의 콜레스테릭 액정을 포함하는 제2 상태에 또한 있다는 점을 제외하고는 도 8b와 유사하다. 따라서, 디스플레이(608)로부터의 광의 제1 부분(예컨대, 액정층(502-1)이 재지향시키도록 구성된 특정 파장 범위 내의 파장을 갖는 광(610-1))은 폴딩된 광학 경로를 따르지 않고 전파되고, 부분 반사기(604)에 의해 정의된 팬케이크 렌즈(820)의 전면으로부터 광축(800-1) 상의 거리 D2에서 포커싱된다. 따라서, 액정층(502)을 제1 상태에서 제2 상태로 전환함으로써, 팬케이크 렌즈(820)는 광(610-1)을 상이한 위치에 포커싱한다.
전술한 바와 같이, 예를 들어, 팬케이크 렌즈(800 및 820)와 같은 본 개시의 팬케이크 렌즈는 별개의 파장 범위 및/또는 별개의 편광을 갖는 광에 대해 별개의 초점 길이를 제공한다. 예를 들어, 제1 파장을 갖는 광은 제1 초점 길이에 포커싱될 수 있고, 제1 파장과 구별되는 제2 파장을 갖는 광은 제1 초점 길이와 구별되는 제2 초점 길이에 포커싱될 수 있다. 또한, 편광 선택 광학 요소의 하나 이상의 액정층의 상태를 변경함으로써 특정 파장 범위에 대한 팬케이크 렌즈의 초점 거리는 변경될 수 있다.
이러한 원칙에 비추어 이제 우리는 특정 실시예를 살펴본다.
일부 실시예에 따르면, 광학 디바이스는 광원(예컨대, 도 8a의 디스플레이(608)) 및 편광 선택 광학 요소(예컨대, 편광 선택 광학 요소(500))를 포함한다. 편광 선택 광학 요소는 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 콜레스테릭 액정층(예컨대, 액정층(502)) 및 제2 콜레스테릭 액정층(예컨대, 액정층(504))을 포함한다. 제1 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위(예컨대, 하프-피치(406-1)의 두 배의 피치를 갖는 나선형 구성(404))을 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자들을 가지므로, 제1 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위를 갖는 광을 재지향시킨다(예컨대, 반사한다). 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층은 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 가지므로(예컨대, 하프-피치(406-2)의 두 배의 피치를 갖는 나선형 구성(404)), 제2 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위와는 구별되는 제2 파장 범위를 갖는 광을 재지향시킨다(예컨대, 반사한다). 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와는 상이하다. 이러한 구조는 각각의 콜레스테릭 액정층이, 제1 편광 및 각각의 파장 범위 내의 파장을 갖는 광을 재지향시키고, 제1 편광과는 구별되는 제2 편광을 갖는 광 및 각각의 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광을 투과시키는 것을 허용한다.
일부 실시예에서, 제1 피치 범위는 제2 피치 범위의 임의의 피치보다 큰 피치를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 파장 범위는 녹색에 대응하는 파장을 포함하고, 제2 파장 범위는 청색에 대응하는 파장을 포함한다. 제1 콜레스테릭 액정층(예컨대, 도 8a의 액정층(502))은 광원(예컨대, 디스플레이(608))으로부터 제1 거리에 위치되고 제2 콜레스테릭 액정층(예컨대, 액정층(504))은 광원으로부터의 제1 거리보다 더 큰 제2 거리에 위치된다. 일부 실시예에서, 제1 콜레스테릭 액정층 및 제2 콜레스테릭 액정층은, 제1 콜레스테릭 액정층이 제2 콜레스테릭 액정층보다 먼저 입사광을 수신하도록 서로에 대해 배치된다.
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층은 또한 제3 파장 범위의 광에 대해 제3 피치 범위(예컨대, 하프-피치(406-3)의 두 배의 피치를 갖는 나선형 구성(404))를 갖는 제3 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제3 콜레스테릭 액정층(예컨대, 액정층(506))을 포함한다. 제3 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위와 구별되는 제3 파장 범위를 갖는 광을 재지향(예컨대, 반사)시킨다. 제3 파장 범위는 적색에 대응하는 파장을 포함하고, 제3 콜레스테릭 액정층은 광원(예컨대, 녹색/적색/청색 또는 녹색/청색/적색)으로부터의 제1 거리보다 큰 제3 거리에 위치된다. 일부 실시예에서, 제3 거리는 제2 거리보다 더 작다(예컨대, 녹색/적색/청색). 일부 실시예에서, 제3 거리는 제2 거리보다 더 크다(예컨대, 녹색/청색/적색). 일부 실시예에서, 제3 거리는 제1 거리보다 더 작다(예컨대, 적색/녹색/청색).
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층은 4개 이상의 콜레스테릭 액정층(예컨대, 4개, 5개 또는 6개의 콜레스테릭 액정층)을 포함한다(예컨대, 도 5d의 편광 선택 광학 요소(520)는 6개의 액정층을 포함한다) .
일부 실시예에서, 제1 나선형 구성 및 제2 나선형 구성은 동일한 좌우성을 갖는다(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506)은 동일한 좌우성을 갖는 나선형 구성의 CLC를 포함한다).
일부 실시예에서, 제1 콜레스테릭 액정층(예컨대, 도 8b의 액정층(502))은 제1 편광을 갖고 제1 파장 범위(예컨대, 광(610-1)) 내에 있는 수신된 광의 제1 부분을 재지향시키고, 제1 편광에 직교하는 제2 편광을 갖거나 제1 파장 범위(예컨대, 광(610-2)) 밖의 파장을 갖는 수신된 광의 제2 부분을 투과시키도록 구성된다. 제2 콜레스테릭 액정층은 상기 광의 상기 제2 부분을 수신하도록 배치된다.
일부 실시예에서, 제1 콜레스테릭 액정층과 제2 콜레스테릭 액정층은 공통 기하 축을 갖는다(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506)은 도 5a에서 공통 기하 축(500-1)을 가짐).
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층들의 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 제1 상태와 구별되는 제2 상태(예컨대, 도 4a에 도시된 나선형 구성에서 CLC를 포함하는 제1 상태 및 도 4b에 도시된 선형 구성에서 CLC를 포함하는 제2 상태)를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하다.
일부 실시예에서, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 각각의 콜레스테릭 액정층의 액정 분자는 특정 좌우성 및 특정 피치 범위를 갖는 나선형 구성으로 배열된다(예컨대, 도 4a). 각각의 콜레스테릭 액정층이 제2 상태에 있는 동안, 각각의 콜레스테릭 액정층의 액정 분자는 선형 구성으로 배열된다(예컨대, 도 4b). 일부 실시예에서, 선형 구성은 호메오트로픽 구성을 지칭한다. 호메오트로픽 구성에서 막대형 형상을 갖는 액정은 각 액정층을 지지하는 기판에 수직으로 정렬된다.
일부 실시예에서, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안(예컨대, 도 5c의 액정층(504-1)), 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 편광을 갖고 각각의 파장 범위 내의 광(예컨대, 광(510-1))을 재지향시키고, 각각의 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광(예컨대, 광(510-2)) 및 제2 편광을 갖는 광을 투과시킨다. 각각의 콜레스테릭 액정층(예컨대, 도 5b의 액정층(504-2))이 제2 상태에 있는 동안, 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 편광을 갖고 각각의 파장 범위 내의 광, 제2 편광을 갖는 광, 및 각각의 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광(예컨대, 광(512))을 투과시킨다.
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층 내의 각각의 콜레스테릭 액정층은 개별적으로 전환 가능하다(예컨대, 도 5a 내지 5c). 예를 들어, 제1 콜레스테릭 액정층은 제2 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적인 제1 상태 또는 제2 상태에 있을 수 있고, 제2 콜레스테릭 액정층은 제1 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적인 제1 상태 또는 제2 상태에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층은 집합적으로 전환 가능하다(예컨대, 제1 콜레스테릭 액정층과 제2 콜레스테릭 액정층은 함께 제1 상태 또는 제2 상태에 있을 필요가 있음)(예컨대, 도 7a 및 7b)).
일부 실시예에서, 광학 디바이스는 광원과 편광 선택 광학 요소 사이에 위치된 부분 반사기(예컨대, 도 8a의 부분 반사기(604))를 포함한다.
일부 실시예에서, 광학 디바이스는 편광 선택 광학 요소와 부분 반사기(예컨대, 도 8a의 렌즈(802)) 사이에 배치된 제1 렌즈를 포함한다.
일부 실시예에서, 광학 디바이스는, 편광 선택 광학 요소가 제2 렌즈와 부분 반사기 사이에 배치되도록 편광 선택 광학 요소에 대해 배치된 제2 렌즈(예컨대, 도 8a의 렌즈(804))를 포함한다.
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소는 제2 렌즈의 곡면과 접촉하고 있다(예컨대, 편광 선택 광학 요소는 도 4c에 도시된 바와 같이 곡면 상에 액정 층(420)을 배치하는 것과 유사한 방식으로 도 8a에 도시된 렌즈(804)의 곡면(804-1) 상에 배치될 수 있다).
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소는 제2 렌즈의 평평한 표면과 접촉한다(예컨대, 편광 선택 광학 요소(500)는 도 8a에서 렌즈(804)의 평평한 표면과 접촉한다).
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소는 제1 렌즈 및 제2 렌즈와 접촉한다(예컨대, 편광 선택 광학 요소(500)는 렌즈(802)와 렌즈(804) 사이에 끼워져 렌즈와 반사 편광기 사이에 공극이 없다).
일부 실시예에서, 편광 선택 광학 요소는 부분 반사기로부터 제1 광을 수신하도록 배치된다. 제1 광은 제1 편광을 갖는다. 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 제1 상태와 구별되는 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하다. 각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 광학 디바이스는 제1 렌즈로부터 제1 거리를 갖는 제1 위치에 제1 광의 적어도 일부를 포커싱하고, 각각의 콜레스테릭 액정층이 제2 상태에 있는 동안, 광학 디바이스는 제1 렌즈로부터의 제1 거리와는 구별되는 제2 거리를 갖는 제2 위치에서 제1 광의 적어도 일부를 포커싱한다(예컨대, 도 8b 및 8c). 일부 경우에, 제1 위치는 제1 렌즈의 제1 초점에 대응하고 제2 위치는 제1 렌즈의 제2 초점에 대응한다.
일부 실시예에 따르면, 방법은 제1 파장 및 제2 파장을 포함하는 광을 수신하는 단계를 포함한다(예컨대, 도 7b). 방법은 또한 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 통해 광을 투과시키는 단계를 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장을 포함하는 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이하고 제2 파장을 포함하는 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다. 투과시키는 단계는 제2 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키기 전에 제1 콜레스테릭 액정층을 통해 광을 투과시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 파장은 녹색에 대응하고 제2 파장은 청색에 대응한다.
일부 실시예에서, 방법은 제1 콜레스테릭 액정층을 광의 적어도 일부를 재지향시키기 위한 제1 상태와 제2 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적으로 광을 투과시키는 제2 상태 사이에서 전환하는 단계를 포함한다(예컨대, 도 7a 및 도 7b). 이 방법은 또한 제1 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와 무관하게 제1 상태와 제2 상태 사이에서 제2 콜레스테릭 액정층을 전환하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 편광 선택 광학 요소(예컨대, 도 5a의 편광 선택 광학 요소(500))는 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이한 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층 내의 각각의 콜레스테릭 액정층은 개별적으로 전환 가능하다(예컨대, 도 5b 및 5c).
일부 실시예에 따르면, 광학 디바이스(예컨대, 도 5e)는 복수의 콜레스테릭 액정층(예컨대, 액정층(502, 504, 및 506))의 스택을 포함한다. 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 제1 파장 범위와는 상이한 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함한다. 광학 디바이스는 또한 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택과 결합된 반사 편광기(예컨대, 반사 편광기(532))를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 콜레스테릭 액정층의 스택은 반사 편광기와 접촉한다.
다양한 도면이 한쪽 눈에 대한 특정 컴포넌트 또는 컴포넌트의 특정 그룹의 동작을 예시하고 있지만, 당업자는 유사한 동작이 다른 쪽 눈 또는 양쪽 눈에 대해 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 간결함을 위해 이러한 세부 사항은 여기에서 반복되지 않는다.
다양한 도면 중 일부가 특정 순서로 다수의 논리적 단계를 예시하지만, 순서에 의존하지 않는 단계는 재정렬될 수 있고 다른 단계는 결합되거나 분할될 수 있다. 일부 재정렬 또는 다른 그룹화가 구체적으로 언급되지만, 다른 것들은 당업자에게 명백할 것이고, 따라서 여기에 제시된 순서 및 그룹화는 대안의 완전한 목록이 아니다. 또한, 단계는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있음을 인식해야 한다.
전술한 설명은 설명을 위해 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 위의 예시적인 논의는 완전한 것으로 의도되거나 청구항들의 범위를 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 상기 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하다. 실시예는 청구항들의 기초가 되는 원리 및 그들의 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되어, 이에 의해 다른 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정을 갖는 실시예를 가장 잘 사용할 수 있게 한다.

Claims (20)

  1. 광학 디바이스에 있어서,
    광원; 및
    복수의 콜레스테릭(cholesteric) 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소(polarization selective optical element)
    를 포함하고, 상기 복수의 콜레스테릭 액정층은 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 상기 제1 파장 범위와는 상이한 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피치 범위는 상기 제2 피치 범위의 임의의 피치보다 큰 피치를 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 범위는 녹색에 대응하는 파장을 포함하고, 상기 제2 파장 범위는 청색에 대응하는 파장을 포함하고, 상기 제1 콜레스테릭 액정층은 상기 광원으로부터 제1 거리에 위치되며, 상기 제2 콜레스테릭 액정층은 상기 광원으로부터의 상기 제1 거리보다 더 큰 제2 거리에 위치되는 것인, 광학 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    복수의 콜레스테릭 액정층은 또한 제3 파장 범위의 광에 대해 제3 피치 범위를 갖는 제3 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제3 콜레스테릭 액정층을 포함하고, 상기 제3 파장 범위는 적색에 대응하는 파장을 포함하며, 상기 제3 콜레스테릭 액정층은 상기 광원으로부터의 상기 제1 거리보다 큰 제3 거리에 위치되는 것인, 광학 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 콜레스테릭 액정층의 각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 상기 제1 상태와는 구별되는 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능한 것인, 광학 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각각의 콜레스테릭 액정층이 제1 상태에 있는 동안, 상기 각각의 콜레스테릭 액정층의 상기 액정 분자는 특정 좌우성(handedness) 및 특정 피치 범위를 갖는 나선형 구성으로 배열되고,
    상기 각각의 콜레스테릭 액정층이 상기 제2 상태에 있는 동안, 상기 각각의 콜레스테릭 액정층의 상기 액정 분자는 선형 구성으로 배열되는 것인, 광학 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 콜레스테릭 액정층의 각각의 콜레스테릭 액정층은 개별적으로 전환 가능한 것인, 광학 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 콜레스테릭 액정층은 4개 이상의 콜레스테릭 액정층을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나선형 구성 및 상기 제2 나선형 구성은 동일한 좌우성을 갖는 것인, 광학 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 콜레스테릭 액정층은 제1 편광을 갖고 제1 파장 범위 내에 있는 수신된 광의 제1 부분을 재지향시키고 상기 제1 편광에 직교하는 제2 편광을 갖거나 상기 제1 파장 범위 밖의 파장을 갖는 상기 수신된 광의 제2 부분을 투과시키도록 구성되며,
    상기 제2 콜레스테릭 액정층은 상기 광의 상기 제2 부분을 수신하도록 배치되는 것인, 광학 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 콜레스테릭 액정층과 상기 제2 콜레스테릭 액정층은 공통 기하축을 갖는 것인, 광학 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 편광 선택 광학 요소 사이에 위치된 부분 반사기를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소와 상기 부분 반사기 사이에 배치된 제1 렌즈를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소가 상기 제2 렌즈와 상기 부분 반사기 사이에 배치되도록 상기 편광 선택 광학 요소에 대해 배치된 상기 제2 렌즈를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소는 상기 제2 렌즈의 곡면과 접촉하는 것인, 광학 디바이스.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소는 상기 제2 렌즈의 평평한 표면과 접촉하는 것인, 광학 디바이스.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소는 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈와 접촉하는 것인, 광학 디바이스.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 편광 선택 광학 요소는 상기 부분 반사기로부터 제1 광을 수신하도록 배치되며, 상기 제1 광은 제1 편광을 가지며,
    각각의 콜레스테릭 액정층은 제1 상태 및 상기 제1 상태와는 구별되는 제2 상태를 포함하는 상이한 상태들 사이에서 전환 가능하여, 상기 각각의 콜레스테릭 액정층이 상기 제1 상태에 있는 동안, 상기 광학 디바이스는 상기 제1 렌즈로부터 제1 거리를 갖는 제1 위치에서 상기 제1 광의 적어도 일부를 포커싱하고, 상기 각각의 콜레스테릭 액정층이 상기 제2 상태에 있는 동안, 상기 광학 디바이스는 상기 제1 렌즈로부터의 상기 제1 거리와는 구별되는 제2 거리를 갖는 제2 위치에서 상기 제1 광의 적어도 일부를 포커싱하는 것인, 광학 디바이스.
  19. 방법에 있어서,
    제1 파장 및 제2 파장을 포함하는 광을 수신하는 단계; 및
    복수의 콜레스테릭 액정층의 스택을 포함하는 편광 선택 광학 요소를 통해 상기 광을 투과시키는 단계
    를 포함하고, 상기 복수의 콜레스테릭 액정층은 상기 제1 파장을 포함하는 제1 파장 범위의 광에 대해 제1 피치 범위를 갖는 제1 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제1 콜레스테릭 액정층과, 상기 제1 파장 범위와는 상이하고 상기 제2 파장을 포함하는 제2 파장 범위의 광에 대해 제2 피치 범위를 갖는 제2 나선형 구성으로 배열된 액정 분자를 갖는 제2 콜레스테릭 액정층을 포함하며, 상기 광을 투과시키는 단계는, 상기 제2 콜레스테릭 액정층을 통해 상기 광을 투과시키기 전에 상기 제1 콜레스테릭 액정층을 통해 상기 광을 투과시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 콜레스테릭 액정층을, 상기 광의 적어도 일부를 재지향시키기 위한 제1 상태와, 상기 제2 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적으로 상기 광을 투과시키기 위한 제2 상태 사이에서 전환하는 단계; 및
    상기 제2 콜레스테릭 액정층을, 상기 제1 상태와, 상기 제1 콜레스테릭 액정층이 있는 상태와는 독립적인 상기 제2 상태 사이에서 전환하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
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