KR20230077736A - 축외 포커싱 기하학적 위상 렌즈 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

축외 포커싱 기하학적 위상 렌즈 및 이를 포함하는 시스템 Download PDF

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KR20230077736A
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light
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올렉 야로쉬추크
윤한 이
스콧 찰스 맥엘다우니
루 루
와이 쓰 티파니 람
맥스웰 파슨스
앤드류 존 아우더커크
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

축외 포커싱 기하학적 위상(Pancharatnam-Berry 위상) 렌즈(300, 1120)는 평면 내 광학 축 배향이 위치의 함수로서, 렌즈의 렌즈 패턴의 중심으로부터 정반대 주변 부분들로 연장되는 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향을 따라 평면 내 회전을 나타내는, 능동 또는 수동 광학 이방성 필름을 포함한다. 광학 축은 동일한 의미로 해당 평면 내 방향들을 따라 회전하도록 배열된다. 평면 내 광학 축의 투영과 기준 방향 사이의 방위각의 변화율은 적어도 렌즈 패턴 중심을 포함하는 렌즈의 해당 부분에서 렌즈 패턴의 중심으로부터 주변부로 갈수록 증가하도록 구성된다. 렌즈 패턴 중심은 렌즈의 기하학적 중심으로부터 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 이동된다.

Description

축외 포커싱 기하학적 위상 렌즈 및 이를 포함하는 시스템
본 개시내용은 일반적으로 광학 디바이스들 및 시스템들에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 축외 포커싱 기하학적 위상 렌즈(off-axis focusing geometric phase lens) 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
종래의 광학 시스템에서는, 축외 수차(off-axis aberration)를 보정하기 위해, 종래의 렌즈들이 상대적으로 큰 각도들로 틸팅될 수 있다. 종래의 렌즈들의 틸팅 구성은 광학 시스템의 크기를 증가시킬 수 있다. 회절 축외 포커싱 렌즈(diffractive off-axis focusing lens)들은 틸팅이 없는 축외 포커싱을 제공할 수 있거나, 종래의 렌즈들에 비해 더 작은 각도들로 틸팅이 있는 축외 포커싱을 제공할 수 있다. 따라서, 회절 축외 포커싱 렌즈들은 광학 시스템의 폼팩터를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 회절 축외 포커싱 렌즈들은, 광의 편향, 포커싱, 스펙트럼 및 편광 선택과 같은, 2 개 이상의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 기하학적 위상("GP") 렌즈들(Pancharatnam-Berry 위상("PBP") 렌즈들이라고도 지칭됨)은 고유(intrinsic) 또는 유도된(induced)(예를 들면, 광-유도된(photo-induced)) 광학 이방성(optical anisotropy)을 갖는 광학 이방성 재료 층(optically anisotropic material layer)에 형성될 수 있다. 광학 이방성 재료는 액정들, 액정 중합체들 또는 메타표면(metasurface)들일 수 있다. 광학 이방성 재료에서, 바람직한 렌즈 위상 프로파일은 광학 이방성 재료 층의 광학 축의 국소 배향(local orientation)으로 직접 인코딩될 수 있다. GP 또는 PBP 렌즈들은 기하학적 위상을 통해 제공되는 렌즈 위상 프로파일에 기초하여 원형 편광된 광을 변조한다. PBP 렌즈들은 원형 편광된 입사광 또는 타원 편광된 입사광의 선회성(handedness)에 민감한 평면(flat) 또는 곡면(curved) 회절 렌즈들일 수 있다. PBP 렌즈들은 원형 편광된 입사광의 선회성을 반전시키는 것에 의해 포커싱 상태(focusing state)와 디포커싱 상태(defocusing state) 사이에서 스위칭 가능할 수 있다.
본 개시내용의 일 양상은 렌즈를 제공한다. 상기 렌즈는 광학 이방성 필름을 포함한다. 상기 광학 이방성 필름은 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전(in-plane rotation)으로 구성된 광학 축을 갖는다. 상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전한다. 상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성된다. 상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심(geometry center)으로부터 이동(shift)된다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분은 실질적으로 전체 렌즈이다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분은 상기 전체 렌즈보다 작은 부분이다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈는 편광 선택적이며 상기 렌즈에 결합되는 편광 스위치를 통해 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이에서 스위칭 가능하다.
일부 실시예들에서, 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 광이 경험하는 위상 변이(phase shift)는
Figure pct00001
이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면(lens plane)과 초점면(focal plane) 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표이다.
일부 실시예들에서, 상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심을 통과하는 반경 방향들이다.
일부 실시예들에서, 상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심을 통과하는 가로 방향(lateral direction)들이다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈 패턴 중심은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 광학 이방성 필름의 상기 광학 축의 상기 방위각 변화율이 가장 작은 지점이다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈는 축외 포커싱 Pancharatnam-Berry 위상("PBP") 렌즈이고, 상기 축외 포커싱 PBP 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심은 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 대칭 중심이다.
본 개시내용의 다른 양상은 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 광학 결합기(optical combiner)를 포함한다. 상기 시스템은 디스플레이 어셈블리를 또한 포함한다. 상기 디스플레이 어셈블리는 광을 방출하도록 구성된 광원을 포함한다. 상기 디스플레이 어셈블리는 상기 광을 편향시키도록 구성된 렌즈를 또한 포함한다. 상기 렌즈는 광학 이방성 필름을 포함한다. 상기 광학 이방성 필름은 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전으로 구성된 광학 축을 갖는다. 상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전한다. 상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성된다. 상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동된다. 상기 디스플레이 어셈블리는 상기 광학 결합기를 향하여 상기 렌즈로부터 수신되는 상기 광을 스티어링(steer)하도록 구성된 빔 스티어링 디바이스를 또한 포함한다. 상기 광학 결합기는 상기 빔 스티어링 디바이스로부터 수신되는 상기 광을 상기 시스템의 아이 박스(eye-box)로 지향시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 상기 광이 경험하는 위상 변이는
Figure pct00002
이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표이다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈는 상기 광원으로부터 방출되는 축상 발산광(on-axis diverging light)을 축외 평행화된 광(off-axis collimated light)으로 변환하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 반경 방향들 또는 가로 방향들이다.
일부 실시예들에서, 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser) 중 적어도 하나를 포함한다.
본 개시내용의 다른 양상은 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 광을 방출하도록 구성된 광원을 포함한다. 상기 시스템은 물체를 조명하기 위해 상기 광을 편향시키도록 구성된 렌즈를 또한 포함한다. 상기 렌즈는 광학 이방성 필름을 포함한다. 상기 광학 이방성 필름은 상기 렌즈의 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전으로 구성된 광학 축을 갖는다. 상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전한다. 상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성된다. 상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동된다. 상기 시스템은 상기 물체에 의해 반사되는 상기 광을 방향 전환(redirect)시키도록 구성된 방향 전환 요소(redirecting element)를 또한 포함한다. 상기 시스템은 상기 방향 전환 요소로부터 수신되는 상기 방향 전환된 광에 기초하여 상기 물체의 이미지를 생성하도록 구성된 광학 센서를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 상기 광이 경험하는 위상 변이는
Figure pct00003
이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표이다.
일부 실시예들에서, 상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 렌즈는 상기 물체를 실질적으로 균일하게 조명하기 위해 상기 광원으로부터 방출되는 상기 광을 확장시키도록 구성되고, 상기 방향 전환 요소는 상기 광 센서를 향하여 상기 물체에 의해 반사되는 상기 광을 회절시키도록 구성된 격자(grating)를 포함한다.
본 개시내용의 다른 양상들은 본 개시내용의 설명, 청구항들, 및 도면들을 바탕으로 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다.
첨부 도면들은 다양한 개시된 실시예들에 따라 예시를 위해 제공되며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 도면들에서:
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 기하학적 위상("GP") 렌즈 또는 Pancharatnam-Berry 위상("PBP") 렌즈의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 1b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 1c는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 1d는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 2a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축상 포커싱 PBP 렌즈에서의 액정("LC") 정렬 패턴을 예시한다.
도 2b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 2a에 도시된 축상 포커싱 PBP 렌즈에서 x축을 따라 취해진 LC 정렬 패턴의 단면을 예시한다.
도 2c는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축상 포커싱 PBP 렌즈에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다.
도 2d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 2a 또는 도 2c에 도시된 축상 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다.
도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3a에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈에서 x축을 따른 LC 정렬 패턴의 단면을 예시한다.
도 3c는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다.
도 3d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3a 또는 도 3c에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈에 의한 광들의 편향을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이의 스위칭을 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(active off-axis focusing PBP lens)의 포커싱 상태와 중립 상태(neutral state) 사이의 스위칭을 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈의 포커싱 상태와 중립 상태 사이의 스위칭을 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른, 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택(lens stack)의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 근안 디스플레이(near-eye display, "NED")의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 10은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 도 9에 도시된 NED의 절반의 단면도를 예시한다.
도 11a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 물체 추적 시스템에서의 눈 조명 배열의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 11b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 물체에서의 도 11a에 도시된 물체 추적 시스템에 의해 제공되는 광 강도 분포를 예시한다.
도 12a는 종래의 눈 추적 시스템에서의 눈 조명 배열의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 12b는 사용자의 눈에서의 도 12a에 도시된 종래의 눈 추적 시스템에 의해 제공되는 광 강도 분포를 예시한다.
도 13은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 물체 추적 시스템의 개략적인 다이어그램을 예시한다.
도 14a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 변하는 주기성을 예시한다.
도 14b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 변하는 주기성을 예시한다.
본 개시내용에 따른 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 첨부 도면들은 예시를 위한 예들일 뿐이며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 부분들을 참조하기 위해 도면들 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호들이 사용되고, 이에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
게다가, 본 개시내용에서, 개시된 실시예들과 개시된 실시예들의 특징들이 조합될 수 있다. 설명된 실시예들은 본 개시내용의 실시예들의 전부가 아니라 일부이다. 개시된 실시예들에 기초하여, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용에 따른 다른 실시예들을 도출할 수 있다. 예를 들어, 개시된 실시예들에 기초하여 수정들, 개조들, 대체들, 추가들, 또는 다른 변형들이 이루어질 수 있다. 개시된 실시예들의 그러한 변형들은 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있다. 그에 따라, 본 개시내용은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다. 그 대신에, 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 규정된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "결합하다(couple)", "결합된(coupled)", "결합(coupling)" 등의 용어들은 광학적 결합, 기계적 결합, 전기적 결합, 전자기적 결합, 또는 이들의 조합을 포괄할 수 있다. 2 개의 광학 요소 사이의 "광학적 결합"은 2 개의 광학 요소가 광학 시리즈(optical series)로 배열되고, 하나의 광학 요소로부터 출력되는 광이 다른 광학 요소에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 수신될 수 있는 구성을 지칭한다. 광학 시리즈는, 하나의 광학 요소로부터 출력되는 광이 다른 광학 요소들 중 하나 이상에 의해 투과, 반사, 회절, 변환, 수정, 또는 다른 방식으로 프로세싱 또는 조작될 수 있도록, 광 경로에 있는 복수의 광학 요소들의 광학적 배치를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 복수의 광학 요소들이 배열되는 순서는 복수의 광학 요소들의 전체 출력에 영향을 미칠 수도 있거나 그렇지 않을 수 있다. 결합은 직접 결합 또는 간접 결합(예를 들면, 중간 요소를 통한 결합)일 수 있다.
"A 또는 B 중 적어도 하나"라는 문구는, A만, B만, 또는 A 및 B와 같은, A 및 B의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. 마찬가지로, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구는, A만, B만, C만, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 또는 A 및 B 및 C와 같은, A, B, 및 C의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. "A 및/또는 B"라는 문구는 "A 또는 B 중 적어도 하나"라는 문구의 방식과 유사한 방식으로 해석될 수 있다. 예를 들어, "A 및/또는 B"라는 문구는 A만, B만, 또는 A 및 B와 같은, A 및 B의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. 마찬가지로, "A, B, 및/또는 C"라는 문구는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구의 의미와 유사한 의미를 갖는다. 예를 들어, "A, B, 및/또는 C"라는 문구는, A만, B만, C만, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 또는 A 및 B 및 C와 같은, A, B, 및 C의 모든 조합들을 포괄할 수 있다.
제1 요소가 제2 요소에, 제2 요소 상에, 제2 요소에서, 또는 적어도 부분적으로 제2 요소 내에 "부속된", "제공된", "형성된", "부착된", "장착된", "고정된", "연결된", "본딩된", "기록된", 또는 "배치된" 것으로 설명될 때, 제1 요소는, 퇴적, 코팅, 에칭, 본딩, 접착(gluing), 나사 체결(screwing), 압입(press-fitting), 스냅 피팅(snap-fitting), 클램핑(clamping) 등과 같은, 임의의 적합한 기계적 또는 비기계적 방식을 사용하여 제2 요소에, 제2 요소 상에, 제2 요소에서, 또는 적어도 부분적으로 제2 요소 내에 "부속될", "제공될", "형성될", "부착될", "장착될", "고정될", "연결될", "본딩될","기록될", 또는 "배치될" 수 있다. 추가적으로, 제1 요소는 제2 요소와 직접 접촉할 수 있거나, 제1 요소와 제2 요소 사이에 중간 요소가 있을 수 있다. 제1 요소는 제2 요소의 임의의 적합한 측면에, 예컨대, 좌측, 우측, 전면, 후면, 상단, 또는 하단에 배치될 수 있다.
제1 요소가 제2 요소 "상에" 배치 또는 배열되는 것으로 도시되거나 설명될 때, "상에"라는 용어는 단지 제1 요소와 제2 요소 사이의 예시적인 상대 배향을 나타내기 위해 사용된다. 이 설명은 도면에 도시된 기준 좌표계에 기초할 수 있거나, 도면에 도시된 현재 뷰 또는 예시적인 구성에 기초할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 뷰가 설명될 때, 제1 요소가 제2 요소 "상에" 배치되는 것으로 설명될 수 있다. "상에"라는 용어는 수직 중력 방향에서 제1 요소가 제2 요소 위에 있다는 것을 반드시 암시하는 것은 아닐 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 제1 요소와 제2 요소의 어셈블리가 180도 회전될 때, 제1 요소가 제2 요소 "아래쪽"에 있을 수 있다(또는 제2 요소가 제1 요소 "상에" 있을 수 있다). 따라서, 도면이 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있는 것으로 도시할 때, 그 구성이 단지 예시적인 예라는 것이 이해된다. 제1 요소는 제2 요소에 대해 임의의 적합한 배향으로(예를 들면, 제2 요소 위에 또는 위쪽에, 제2 요소 아래에 또는 아래쪽에, 제2 요소 좌측에, 제2 요소 우측에, 제2 요소 후방에, 제2 요소 전방에 등) 배치 또는 배열될 수 있다.
"통신 가능하게 결합된(communicatively coupled)" 또는 "통신 가능하게 연결된(communicatively connected)"이라는 용어는 관련 항목들이, 유선 또는 무선 통신 연결, 채널 또는 네트워크와 같은, 전기적 또는 전자기적 결합 또는 연결을 통해 결합 또는 연결되는 것을 나타낸다.
본 개시내용에서 언급되는 파장 범위들, 스펙트럼들, 또는 대역들은 예시를 위한 것이다. 개시된 광학 디바이스, 시스템, 요소, 어셈블리, 및 방법은 가시 파장 범위는 물론, 자외선("UV") 파장 범위, 적외선 파장 범위, 또는 이들의 조합과 같은, 다른 파장 범위들에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "프로세서"라는 용어는, 중앙 프로세싱 유닛("CPU"), 그래픽 프로세싱 유닛("GPU"), 주문형 집적 회로("ASIC"), 프로그래머블 로직 디바이스("PLD"), 또는 이들의 조합과 같은. 임의의 적합한 프로세서를 포괄할 수 있다. 위에 나열되지 않은 다른 프로세서들이 또한 사용될 수 있다. 프로세서는 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.
"제어기"라는 용어는 디바이스, 회로, 광학 요소 등을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된 임의의 적합한 전기 회로, 소프트웨어, 또는 프로세서를 포괄할 수 있다. "제어기"는 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 프로세서를 포함할 수 있거나, 프로세서의 일부로서 포함될 수 있다.
"물체 추적 시스템", "물체 추적 디바이스", "눈 추적 시스템" 또는 "눈 추적 디바이스"라는 용어는 눈 추적 정보를 획득하도록 또는 눈 추적 정보를 결정하기 위한 센서 데이터를 획득하도록 구성된 적합한 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템 또는 디바이스는 추적된 물체(예를 들면, 사용자의 눈)의 센서 데이터(예를 들면, 이미지들)를 캡처하기 위해 하나 이상의 적합한 센서(예를 들면, 카메라와 같은 광학 센서, 모션 센서들 등)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템 또는 디바이스는 추적된 물체(예를 들면, 사용자의 눈)를 조명하기 위해 광을 방출하도록 구성된 광원을 포함할 수 있다. 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템 또는 디바이스는 물체 추적 정보(예를 들면, 눈 추적 정보)를 획득하기 위해 추적된 물체(예를 들면, 사용자의 눈)의 센서 데이터(예를 들면, 이미지들)를 프로세싱하도록 구성된 프로세서 또는 제어기를 또한 포함할 수 있다. 프로세서 또는 제어기는 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 정보를 다른 디바이스에게 제공할 수 있거나, 격자, 렌즈, 파장판(waveplate) 등과 같은, 다른 디바이스를 제어하기 위해 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 정보를 프로세싱할 수 있다. 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템 또는 디바이스는 컴퓨터 실행 가능 명령어들, 및, 캡처된 이미지 및/또는 캡처된 이미지를 프로세싱하는 것으로부터 획득되는 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 정보와 같은, 센서 데이터 또는 정보를 저장하도록 구성된, 메모리와 같은, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템 또는 디바이스는 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 정보를 결정하기 위해 센서 데이터를 다른 프로세서 또는 제어기(예를 들면, 클라우드 기반 디바이스와 같은, 다른 디바이스의 프로세서)에게 전송할 수 있다.
"비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 데이터, 신호, 또는 정보를 저장, 전달, 통신, 방송, 또는 전송하기 위한 임의의 적합한 매체를 포괄할 수 있다. 예를 들어, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 메모리, 하드 디스크, 자기 디스크, 광학 디스크, 테이프 등을 포함할 수 있다. 메모리는 판독 전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "액정 화합물" 또는 "메조겐 화합물(mesogenic compound)"이라는 용어는 하나 이상의 칼라미틱(calamitic)(막대(rod) 형상 또는 보드(board)/라스(lath) 형상) 또는 디스코틱(discotic)(디스크 형상) 메조겐기(mesogenic group)들을 포함하는 화합물을 지칭할 수 있다. "메조겐기"라는 용어는 액정 상(liquid crystalline phase)(또는 메조상(mesophase)) 거동을 유도하는 능력을 갖는 기를 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메조겐기들을 포함하는 화합물들은 자체적으로 액정("LC") 상을 나타내지 않을 수 있다. 그 대신에, 이 화합물들은 다른 화합물들과 혼합될 때 LC 상을 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 화합물들 또는 화합물들을 함유하는 혼합물이 중합될 때 화합물들은 LC 상을 나타낼 수 있다. 논의의 단순함을 위해, "액정"이라는 용어는 이후부터 메조겐 재료 및 LC 재료 둘 다에 대해 사용된다. 일부 실시예들에서, 칼라미틱 메조겐기는 서로 직접 연결되거나 연결기(linkage group)들을 통해 연결되는 하나 이상의 방향족 또는 비방향족 환형기를 포함하는 메조겐 코어(mesogenic core)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 칼라미틱 메조겐기는 메조겐 코어의 단부들에 부착되는 말단기(terminal group)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 칼라미틱 메조겐기는 메조겐 코어의 장측(long side)에 부착되는 하나 이상의 측기(lateral group)를 포함할 수 있다. 이러한 말단기들 및 측기들은, 예를 들면, 카르빌기(carbyl group)들 또는 하이드로카르빌기(hydrocarbyl group)들, 할로겐, 니트로, 하이드록시 등과 같은 극성기(polar group)들, 또는 중합성기(polymerizable group)들로부터 선택될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "반응성 메조겐(reactive mesogen)"("RM")이라는 용어는 중합성 메조겐 화합물 또는 액정 화합물을 지칭할 수 있다. 하나의 중합성기를 갖는 중합성 화합물은 "일가 반응성(mono-reactive)" 화합물이라고도 지칭될 수 있다. 2 개의 중합성기를 갖는 화합물은 "이가 반응성(di-reactive)" 화합물이라고 지칭될 수 있고, 2 개 초과의 중합성기를 갖는 화합물은 "다가 반응성(multi-reactive)" 화합물이라고 지칭될 수 있다. 중합성기를 갖지 않는 화합물들은 "비반응성(non-reactive)" 화합물들이라고도 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "디렉터(director)"라는 용어는 LC 또는 RM 분자들의 긴 분자 축(long molecular axis)들(예를 들면, 칼라미틱 화합물들의 경우) 또는 짧은 분자 축(short molecular axis)들(예를 들면, 디스코틱 화합물들의 경우)의 바람직한 배향 방향을 지칭할 수 있다. 일축 양성 복굴절(uniaxially positive birefringent) LC 또는 RM 재료를 포함하는 필름에서, 광학 축은 디렉터에 의해 제공될 수 있다.
"광학 축"이라는 용어는 결정에서의 방향을 지칭할 수 있다. 광학 축 방향으로 전파하는 광은 복굴절(또는 이중 굴절(double refraction))을 경험하지 않을 수 있다. 광학 축은 단일 선이 아닌 방향일 수 있다: 해당 방향에 평행한 광들은 복굴절을 경험하지 않을 수 있다. 렌즈의 "렌즈면" 또는 "렌즈층(lens layer)"은 렌즈에 포함된 광학 이방성 필름의 필름면(film plane) 또는 필름층(film layer)을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "필름" 및 "층"이라는 용어는, 지지 기판 상에 또는 기판들 사이에 배치될 수 있는, 강성 또는 가요성, 자기 지지형(self-supporting) 또는 독립형(free-standing) 필름, 코팅, 또는 층을 포함할 수 있다. "평면 내 방향(in-plane direction)", "평면 내 배향(in-plane orientation)", "평면 내 정렬 패턴(in-plane alignment pattern)", "평면 내 회전 패턴(in-plane rotation pattern)" 및 "평면 내 피치(in-plane pitch)"라는 문구들에서의 "평면 내"라는 용어는 필름 또는 층의 평면(예를 들면, 필름 또는 층의 표면 평면, 또는 필름 또는 층의 표면 평면에 평행한 평면) 내에서를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "렌즈의 조리개"라는 문구는 렌즈의 유효 수광 영역(effective light receiving area)을 지칭한다. 렌즈의 "기하학적 중심"은 렌즈의 유효 수광 영역(예를 들면, 조리개)의 형상의 중심을 지칭한다. 기하학적 중심은 조리개의 형상의 제1 대칭축과 제2 대칭축의 교점(point of intersection)(즉, 제1 대칭축과 제2 대칭축 사이의 교차점(crossing point))일 수 있다. 렌즈의 전체 형상이 렌즈의 유효 수광 영역을 구성할 때, 렌즈의 기하학적 중심은 렌즈의 형상의 중심이다. 예를 들어, 조리개가 원형 형상을 가질 때, 기하학적 중심은 렌즈의 조리개의 제1 직경(또한 제1 대칭축)과 제2 직경(제2 대칭축)의 교점이다. 조리개가 직사각형 형상을 가질 때, 기하학적 중심은 렌즈의 조리개의 세로 대칭축(또한 제1 대칭축)과 가로 대칭축(또한 제2 대칭축)의 교점이다.
Pancharatnam-Berry 위상("PBP")은 광이 광학 이방성 재료에서 전파하는 동안 광이 경험하는 편광 상태의 변화들에 관련된 기하학적 위상("GP")이다. 그러한 기하학적 위상은
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구 상에서 광 전파 경로를 따라 편광 상태에 의해 정의되는 입체각에 비례할 수 있다. 광학 이방성 재료에서, PBP의 횡방향 구배(transverse gradient)는 광학 축의 국소 회전들에 의해 유도될 수 있다. 광학 이방성 플레이트(optically anisotropic plate)의 두께가 정상광(ordinary light)과 이상광(extraordinary light) 사이의 반파장판 위상 차이(half-wave plate phase difference)에 대응할 때, 광 빔 프로파일에 걸쳐 2 개의 지점 사이의 PBP는 2 개의 지점에서의 광학 축의 상대 회전의 두 배와 동일할 수 있다. 따라서, 광의 파면은 편광 의존적일 수 있고, 평면 내에서의 광학 축의 공간적 회전에 의해 구성될 수 있다.
PBP 렌즈들은, 액정들, 액정 중합체들, 비정질 중합체들 또는 메타표면들과 같은, 고유 또는 유도된(예를 들면, 광-유도된) 광학 이방성을 갖는 하나 이상의 복굴절 재료의 얇은 층(광학 이방성 필름이라고 지칭됨)에 의해 형성될 수 있다. 복굴절 재료들은 광학 이방성 분자들을 포함할 수 있다. 바람직한 렌즈 위상 프로파일은 광학 이방성 필름의 광학 축의 국소 배향들로 직접 인코딩될 수 있다. PBP 렌즈들은 편평성(flatness), 소형성(compactness), 높은 효율, 높은 구경비(aperture ratio), 축상 수차들의 부재, 스위칭의 가능성, 유연한 설계, 간단한 제조, 및 낮은 비용 등과 같은 특징들을 가지고 있다. 따라서, GP 렌즈들 또는 PBP 렌즈들은 휴대용 또는 웨어러블 광학 디바이스들 또는 시스템들과 같은 다양한 응용 분야들에 구현된다.
광학 이방성 필름의 광학 축의 평면 내 배향은 필름 내의 길쭉한 분자들 또는 분자 단위(molecular unit)들(예를 들면, 중합체 분자들의 소분자들 또는 단편들)의 배향들(예를 들면, 정렬 방향들)에 의해 결정될 수 있다. 논의를 위해, PBP 렌즈에서의 정렬 패턴을 설명하기 위한 예들로서 길쭉한 광학 이방성 분자들이 사용된다. 길쭉한 광학 이방성 분자들의 정렬은 길쭉한 광학 이방성 분자들의 디렉터들의 배향이라고도 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 패턴은 평면 내 배향 패턴, 즉, 필름의 표면 평면 또는 필름의 표면과 평행한 평면과 같은, 평면에서의 배향 패턴을 포함할 수 있다. 광학 이방성 분자들의 평면 내 배향 패턴은 광학 이방성 필름의 광학 축의 평면 내 배향 패턴을 결과할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분자들은 광학 이방성 필름의 필름면(예를 들면, 표면 평면)을 따라 적어도 2 개의 정반대 방향에서 연속적인 평면 내 회전을 가질 수 있다. 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 방향들일 수 있다. 광학 이방성 필름의 표면 평면을 따라 있는 적어도 2 개의 정반대 방향은 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향이라고 지칭될 수 있다. 대응적으로, 광학 이방성 필름의 광학 축은 광학 이방성 필름의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 연속적인 평면 내 회전을 가질 수 있다.
광학 이방성 필름의 광학 축의 평면 내 배향은 광학 축의 평면 내 투영, 예를 들면, 필름면 상의 광학 축의 투영에 대응할 수 있다. 필름면에서의 미리 결정된 기준 방향(예를 들면, +x축 방향)과 투영이 형성하는 각도는 국소 지점에서의 광학 축의 방위각으로서 정의될 수 있으며, 이는 대응하는 분자의 방위각과 동일할 수 있다. 광학 축의 방위각(또는 분자들의 방위각들)이 국소 지점마다 변할 수 있어, 광학 축의 평면 내 투영의 변화들을 결과할 수 있다.
PBP 렌즈의 렌즈 패턴(또는 광학 축 패턴)은 광학 이방성 필름의 광학 축의 배향 패턴, 또는 길쭉한 분자들 또는 길쭉한 분자 단위들의 배향 패턴, 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각들의 변화 패턴, 또는 광학 이방성 필름에서의 광학 이방성 분자들의 방위각들의 변화 패턴을 지칭한다. 광학 이방성 필름의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각들이 변할 수 있다. 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 방향들일 수 있다. 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 동일한 거리에서, PBP 렌즈의 광학 이방성 필름의 광학 축은, 제각기, 동일한 회전 방향(예를 들면, 시계 방향 또는 반시계 방향)으로 회전할 수 있다. PBP 렌즈의 렌즈 패턴(또는 광학 축 패턴)은 광학 이방성 필름에서의 길쭉한 분자들 또는 분자 단위들(예를 들면, 중합체 분자들의 소분자들 또는 단편들)의 정렬 패턴에 대응할 수 있다. PBP 렌즈의 프린지(fringe)는 광학 축의 방위각들(또는 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 시작하여 국소 지점들까지 광학 축의 회전각들)이 동일한 국소 지점들의 세트를 지칭한다. PBP 렌즈는 복수의 프린지들을 가질 수 있다. 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, 프린지들은 동심 링들일 수 있다. 원통형 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, 프린지들은 평행한 선들일 수 있다.
축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 중심은 렌즈 패턴 중심이라고 지칭되며, 이는 렌즈 패턴의 대칭 중심일 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심은 축상 포커싱 PBP 렌즈의 기하학적 중심과 일치할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 기하학적 중심에 대해 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심을 이동시키는 것에 의해 획득되는 렌즈로 간주될 수 있다. 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심이 또한 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심일 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈는 동일한 렌즈 패턴 중심을 갖는 축상 포커싱 대응물을 가질 수 있다.
PBP 렌즈의 기하학적 중심은 PBP 렌즈의 유효 수광 영역(즉, 조리개)의 형상의 중심으로서 정의될 수 있다. PBP 렌즈의 전체 영역이 유효 수광 영역을 구성할 때, PBP 렌즈의 기하학적 중심은 PBP 렌즈의 형상의 중심에 대응될 수 있다. 평면 외(out-of-plane) 기하학적 중심축(렌즈축이라고도 지칭됨)은 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름의 표면 평면에 수직인 기하학적 중심을 통과하는 축을 지칭한다. 평면 내 기하학적 중심축은 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름의 표면 평면 내에 있는 기하학적 중심을 통과하는 축을 지칭한다. 평면 외 기하학적 중심축은 평면 외 렌즈 패턴 중심축과 평행할 수 있다.
일부 실시예들에서, PBP 렌즈가 축상 포커싱 PBP 렌즈일 때, 렌즈 패턴 중심은 PBP 렌즈의 기하학적 중심(즉, 렌즈의 유효 수광 영역의 형상의 중심)에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, PBP 렌즈가 축외 포커싱 PBP 렌즈일 때, PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심은 PBP 렌즈의 기하학적 중심에 대응하지 않을 수 있다. 그 대신에, PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심은 PBP 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동될 수 있다. "평면 외 렌즈 패턴 중심축"은 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름의 표면 평면에 수직인 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축을 지칭한다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축은 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름의 표면 평면 내에 있는 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축을 지칭한다. 따라서, 평면 내 렌즈 패턴 중심축은 평면 외 렌즈 패턴 중심축에 수직이다.
구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈(PBP 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈라고 지칭됨)의 경우, 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 복수의 정반대 반경 방향들을 포함할 수 있다. PBP 구면/비구면 렌즈는 광을 한 지점(예를 들면, 초점(focal point) 또는 초점(focus))에 포커싱시킬 수 있다. PBP 구면/비구면 렌즈는 조리개의 형상의 제1 평면 내 대칭축(예를 들면, 제1 직경)과 제2 평면 내 대칭축(예를 들면, 제2 직경)의 교점인 기하학적 중심을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, PBP 구면/비구면 렌즈의 렌즈 패턴 중심 및 기하학적 중심은 PBP 구면/비구면 렌즈의 조리개의 동일한 평면 내 대칭축 상에 위치할 수 있다.
축상 포커싱 PBP 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭(centrosymmetric)일 수 있다. 추가적으로, PBP 렌즈의 프린지들은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축에 대해 대칭일 수 있다. PBP 렌즈의 정렬 패턴은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축에 대해 비대칭일 수 있다.
축외 포커싱 PBP 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, 전체 PBP 렌즈에 걸친 PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭이 아닐 수 있다. 그 대신에, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 축외 포커싱 PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭일 수 있다. 추가적으로, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 축외 포커싱 PBP 렌즈의 프린지들은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축에 대해 대칭일 수 있다. 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 축외 포커싱 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 PBP 렌즈의 정렬 패턴은 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심을 통과하는 축에 대해 비대칭일 수 있다.
PBP 구면 렌즈(예를 들면, 축상 또는 축외 포커싱 PBP 구면 렌즈)는, PBP 구면 렌즈의 나머지 지점들에 비해, 정반대 반경 방향들에서 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율(또는 광학 이방성 분자들의 방위각 변화율)이 가장 작은 지점을 가질 수 있다. 즉, PBP 구면 렌즈에서, 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율은 실질적으로 전체 PBP 렌즈에서 정반대 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성될 수 있다. PBP 구면 렌즈에서, 렌즈 패턴 중심은 또한 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 광학 이방성 필름의 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율(또는 광학 이방성 분자들의 방위각 변화율)이 가장 작은 지점으로서 정의될 수 있다. 비교로서, PBP 비구면 렌즈(예를 들면, 축상 또는 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈)에서는, 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율이 적어도 렌즈 패턴 중심을 포함하는 PBP 렌즈의 부분(전체 PBP 렌즈보다 작음)에서 정반대 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성될 수 있다.
구면 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 1D 사례로서 간주될 수 있는, 원통형 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈(PBP 원통형 렌즈라고 지칭됨)의 경우, 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 2 개의 정반대 가로 방향을 포함할 수 있다. PBP 원통형 렌즈는 광을 선(line)(예를 들면, 초점들의 선 또는 선초점(line focus))으로 포커싱시킬 수 있다. PBP 원통형 렌즈는 조리개의 형상의 2 개의 대칭축, 예를 들면, PBP 원통형 렌즈의 가로 방향(또는 폭 방향)에서의 가로 대칭축과 PBP 원통형 렌즈의 세로 방향(또는 길이 방향)에서의 세로 대칭축을 가질 수 있다. PBP 원통형 렌즈의 기하학적 중심은 2 개의 대칭축의 교점일 수 있다. 원통형 렌즈가 직사각형 형상을 가질 때, 기하학적 중심이 또한 2 개의 대각선의 교점일 수 있다. PBP 원통형 렌즈는, 각각의 지점에서 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서의 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율(또는 광학 이방성 분자들의 방위각 변화율)이 가장 작을 수 있는, 복수의 지점들을 가질 수 있다. 각각의 지점에서 방위각 변화율이 가장 작은, 복수의 지점들이 선으로(in a line) 배열될 수 있다. 이 선은 PBP 원통형 렌즈의 "평면 내 렌즈 패턴 중심축"이라고 지칭될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축은 세로 방향으로 있을 수 있다. PBP 원통형 렌즈의 렌즈 패턴 중심이 또한, PBP 원통형 렌즈의 기하학적 중심과 동일한 대칭축(예를 들면, 가로 대칭축) 상에 위치하는, 복수의 지점들 중 하나로 간주될 수 있다. 환언하면, 렌즈 패턴 중심이 또한 평면 내 렌즈 패턴 중심축과 가로 대칭축의 교점이다.
PBP 원통형 렌즈는 2 개의 정반대 가로 방향에서(그리고 일부 실시예들에서는, 2 개의 정반대 가로 방향에서만) 렌즈 패턴 중심에 대해 프린지 및 정렬 패턴의 중심 대칭성(central symmetry)을 가질 수 있다. 축상 포커싱 PBP 원통형 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, 전체 PBP 렌즈에 걸친 PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 2 개의 정반대 가로 방향에서(그리고 일부 실시예들에서는, 2 개의 정반대 가로 방향에서만) 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭일 수 있다. 추가적으로, PBP 렌즈의 프린지들은 PBP 렌즈의 평면 내 렌즈 패턴 중심축에 대해 대칭일 수 있다. PBP 렌즈의 정렬 패턴은 PBP 렌즈의 평면 내 렌즈 패턴 중심축에 대해 비대칭일 수 있다.
축외 포커싱 PBP 원통형 렌즈로서 기능하는 PBP 렌즈의 경우, 전체 PBP 렌즈에 걸친 PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 2 개의 정반대 가로 방향에서 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭이 아닐 수 있다. 그 대신에, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 PBP 렌즈의 정렬 패턴 및 프린지들은 2 개의 정반대 가로 방향에서 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심에 대해 중심 대칭일 수 있다. 추가적으로, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 PBP 렌즈의 프린지들은 PBP 렌즈의 평면 내 렌즈 패턴 중심축에 대해 대칭일 수 있다. 렌즈 패턴 중심을 포함하는 전체 PBP 렌즈의 미리 결정된 영역에서의 PBP 렌즈의 정렬 패턴은 PBP 렌즈의 평면 내 렌즈 패턴 중심축에 대해 비대칭일 수 있다.
본 개시내용은 축외 포커싱 PBP 렌즈를 틸팅시키지 않고 들어오는 광에 대한 축외 포커싱 능력을 제공하도록 구성된 축외 포커싱 GP 렌즈 또는 PBP 렌즈를 제공한다. 축외 포커싱 PBP 렌즈는 광학 이방성 필름을 포함할 수 있다.
광학 이방성 필름(또는 축외 포커싱 PBP 렌즈)의 광학 축은, 축외 포커싱 PBP 렌즈에 대한 기하학적 위상 프로파일을 생성하도록, 렌즈 패턴 중심으로부터의 광학 이방성 필름의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 연속적인 평면 내 회전으로 구성될 수 있다. 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 방향들일 수 있다. 광학 이방성 필름의 광학 축은 렌즈 패턴 중심으로부터의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향을 따라 동일한 회전 방향(예를 들면, 시계 방향 또는 반시계 방향)으로 회전할 수 있다. 미리 결정된 회전 방향(예를 들면, 시계 방향 또는 반시계 방향)으로의 광학 이방성 필름의 광학 축의 회전은 선회성, 예를 들면, 우선회성(right handedness) 또는 좌선회성(left handedness)을 나타낼 수 있다. 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 렌즈 패턴 중심을 포함하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 미리 결정된 부분에서 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 증가하도록 구성된다. 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 축외 포커싱 PBP 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동된다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심은 적어도 렌즈 패턴 중심을 포함하는 렌즈의 부분에서 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각 변화율이 가장 작은 지점일 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴 중심은 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 대칭 중심일 수 있다.
축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴은 광학 이방성 필름의 광학 축의 방위각(θ)이 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 π만큼 변하는 거리로서 정의되는 주기(P)를 가질 수 있다. 렌즈 패턴의 주기(P)는 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 달라질 수 있다. 렌즈 패턴의 주기(P)는 적어도 렌즈 패턴 중심을 포함하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 미리 결정된 부분에서 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 단조적으로 감소할 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 미리 결정된 부분은 실질적으로 전체 축외 포커싱 PBP 렌즈일 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈 패턴 중심을 포함하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 미리 결정된 부분은 전체 축외 포커싱 PBP 렌즈보다 작을 수 있다. 예를 들어, 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심을 포함하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 제1 미리 결정된 부분에서 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 단조적으로 감소할 수 있고, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 제2 미리 결정된 부분에서 렌즈 패턴 중심으로부터 주변부로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 렌즈 패턴 중심으로부터 증가할 수 있다. 제1 미리 결정된 부분은 제2 미리 결정된 부분과 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 미리 결정된 부분은 제2 미리 결정된 부분에 인접할 수 있다.
일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈는 축상 PBP 렌즈를 비대칭으로 크로핑(cropping) 또는 절단(cutting)하는 것에 의해 획득될 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈는 홀로그램 기록(holographic recording), 직접 묘화(direct writing), 마스터 마스크를 통한 노출, 또는 복사(photocopying) 중 하나 이상에 의해 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름의 광학 축의 배향 패턴은 2 개의 간섭성 편광된 광(coherent polarized light)에 의해 기록 매체의 층에 홀로그래픽으로 기록될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 편광된 광은 기록 매체의 동일한 표면에 조사되는 정반대 선회성(opposite handedness)들을 갖는 2 개의 원형 편광된 광일 수 있다. 제조된 축외 포커싱 PBP 렌즈는 투과형(transmissive type) 광학 요소일 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 원형 편광된 광 중 하나는 평행화된 광일 수 있고, 다른 하나는 수렴광 또는 발산광일 수 있다.
일부 실시예들에서, 2 개의 원형 편광된 광은 기록 매체의 상이한 표면들(예를 들면, 2 개의 대향 표면)에 조사되는 동일한 선회성을 갖는 2 개의 원형 편광된 광일 수 있다. 제조된 축외 포커싱 PBP 렌즈는 반사형(reflective type) 광학 요소일 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 원형 편광된 광 중 하나는 평행화된 광일 수 있고, 다른 하나는 수렴광 또는 발산광일 수 있다.
기록 매체는 편광된 광 조사를 받을 때 광-유도된 이방성(photo-induced anisotropy)을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광학적으로 기록 가능한 편광 감응 재료를 포함할 수 있다. 기록 매체의 분자들(단편들) 및/또는 광 생성물(photo-product)들은 광 조사 하에서 배향 질서(orientational ordering)를 생성하도록 구성될 수 있다. 2 개의 원형 편광된 광의 간섭은, 강도 변조를 결과하지 않고, 광 편광 패턴들(또는 편광 간섭 패턴들)을 결과할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학적으로 기록 가능한 편광 감응 재료들의 분자들은 길쭉한 이방성 감광성 단위들(예를 들면, 중합체 분자들의 소분자들 또는 단편들)을 포함할 수 있다. 광 편광 패턴들은 기록 매체의 층에서 이방성 감광성 단위들의 국소 정렬 방향을 유도하여, 이방성 감광성 단위들의 광 정렬(photo-alignment)로 인한 광학 축의 변조를 결과할 수 있다. 기록 매체에 새겨지는 광학 축 배향은 기록 매체 상에, 액정들("LC들") 또는 반응성 메조겐들("RM들")과 같은, 고유 복굴절(intrinsic birefringence)을 갖는 복굴절 재료들의 층을 배치하는 것에 의해 더욱 향상될 수 있다. LC들 또는 RM들은 기록 매체의 층에서 이방성 감광성 단위들의 국소 정렬 방향을 따라 정렬될 수 있다. 따라서, 기록 매체에서의 광학 축의 배향 패턴이 LC들 또는 RM들에 전사될 수 있다. 즉, 기록 매체의 조사된 층은 LC들 또는 RM들에 대한 광 정렬(PAM) 층으로서 기능할 수 있다. 그러한 정렬 절차는 표면 매개 광 정렬(surface-mediated photo-alignment)이라고 지칭될 수 있다.
일부 실시예들에서, 감광성 단위들의 광 정렬은 하나 이상의 광학적으로 기록 가능한 편광 감응 재료의 볼륨에서 발생할 수 있다. 홀로그래픽으로 생성된 광 편광 패턴들로 조사가 제공될 때, 기록 매체의 층에서 감광성 단위들의 정렬 패턴들이 발생할 수 있다. 그러한 정렬 절차는 벌크 매개 광 정렬(bulk-mediated photo-alignment)이라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 벌크 매개 광 정렬을 위한 광학적으로 기록 가능한 편광 감응 재료는, 비정질 중합체들, 액정("LC") 중합체들 등과 같은, 감광성 중합체들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비정질 중합체들은 초기에 기록 프로세스를 거치기 전에 광학 등방성(optically isotropic)일 수 있고, 기록 프로세스 동안 유도된(예를 들면, 광-유도된) 광학 이방성을 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 및 배향 패턴들은 광-유도된 광학 이방성의 효과로 인해 LC 중합체들에 기록될 수 있다. LC 중합체들에서의 광-유도된 광학 이방성은 LC 중합체들의 메조겐 단편들의 내재적 자기 조직화(intrinsic self-organization)로 인해 LC 중합체들의 액정 상태에 대응하는 온도 범위에서 후속 열처리(예를 들면, 어닐링)에 의해 상당히 향상될 수 있다.
감광성 중합체들의 분자들은 중합체 주쇄(main polymer chain) 또는 중합체 측쇄(side polymer chain)에 포함(embed)된 편광 감응 광 반응성기(polarization sensitive photo-reactive group)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 감응기(polarization sensitive group)들은 아조벤젠기, 신나메이트기 또는 쿠마린기 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 감광성 중합체는 중합체 측쇄에 포함(incorporate)된 편광 감응 신나메이트기를 갖는 LC 중합체를 포함할 수 있다. 중합체 측쇄에 포함된 편광 감응 신나메이트기를 갖는 LC 중합체의 예는 중합체 M1이다. 중합체 M1은 약 115℃ 내지 약 300℃의 온도 범위에서 네마틱 메조상(nematic mesophase)을 갖는다. 편광된 UV 광(예를 들면, 325 nm 또는 355 nm의 파장을 갖는 레이저 광)으로 M1 필름을 조사하는 것에 의해 광학 이방성이 유도될 수 있으며, 후속적으로 약 115℃ 내지 약 300℃의 온도 범위로 어닐링하는 것에 의해 10배 초과만큼 향상될 수 있다. 재료 M1이 예시를 위한 것이며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 노출 에너지에 대한 광-유도된 복굴절의 의존성은 M 시리즈의 액정 중합체들로부터의 다른 재료들에 대해 정성적으로 유사하다. M 시리즈의 액정 중합체들은, 참조에 의해 모든 목적들을 위해 포함되는, 2019년 6월 17일에 출원되고 발명의 명칭이 “Photosensitive Polymers for Volume Holography”인 미국 특허 출원 제16/443,506호에서 논의된다. 일부 실시예들에서, 적합한 감광제(photo-sensitizer)들과 함께, 이 재료에 이방성을 유도하기 위해 가시 광(예를 들면, 보라색 광)이 또한 사용될 수 있다.
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)는 표면 매개 광 정렬 기술에 기초하여 제조될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)는 광학 이방성 필름(105) 및 광학 이방성 필름(105)에 결합되는 정렬 층(110)(예를 들면, PAM 층(110))을 포함할 수 있다. PAM 층(110)은 하나 이상의 기록 매체를 포함할 수 있으며, 여기서 복굴절 재료의 광학 축의 미리 결정된 국소 배향 패턴은 광 정렬 프로세스에서 직접 기록되었다. 예를 들어, PAM 층(110)은 렌즈 패턴을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 평면 정렬(또는, 예를 들면, 15도 미만인, 작은 프리틸트 각(pretilt angle)으로 정렬)을 제공할 수 있다. 광학 이방성 필름(105)은, LC들 또는 RM들과 같은, 고유 복굴절을 갖는 하나 이상의 복굴절 재료를 포함할 수 있다. PAM 층(110)에 기록되는 광학 축의 국소 배향 패턴이 광학 이방성 필름(105)에서의 LC들 또는 RM들에 전사될 수 있도록, PAM 층(110)은 PAM 층(110)과 접촉하는 광학 이방성 필름(105)에서의 LC들 또는 RM들을 적어도 부분적으로 정렬시킨다. 일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(105)은 변하는 피치를 갖는 렌즈 패턴을 정의하기 위해 광학 이방성 필름(105)의 표면을 따라 적어도 하나의 방향에서 (예를 들면, 비선형적으로) 변하는 국소 광학 축 배향들을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬된 RM들이 필름을 고화(solidify)시키고 광학 이방성 필름(105)에서의 RM들의 정렬 패턴을 안정화시키기 위해 인-시츄(in-situ) 광중합/광가교(photo-polymerize/crosslink) 또는 열중합/열가교(thermo-polymerize/crosslink)될 수 있도록, RM들이 광 개시제(photo-initiator)들 또는 열 개시제(thermo-initiator)들과 혼합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬된 LC들이 필름을 고화시키고 광학 이방성 필름(105)에서의 LC들의 정렬 패턴을 안정화시키기 위해 인-시츄 광중합/광가교 또는 열중합/열가교될 수 있도록, LC들이 광 개시제들 또는 열 개시제들 및 중합성 단량체들과 혼합될 수 있다.
일부 실시예들에서, PAM 층(110)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)를 제조, 보관, 또는 이송하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 다른 부분들이 제조되거나 다른 장소 또는 디바이스로 이송된 후에 PAM 층(110)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 다른 부분들로부터 분리 가능하거나 제거 가능할 수 있다. 즉, PAM 층(110)은 제조, 이송, 및/또는 보관 시에 PAM 층(110)의 표면에 제공되는 광학 이방성 필름(105)을 지지하는 데 사용될 수 있고, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 제조가 완료될 때, 또는 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)가 광학 디바이스에 구현되어야 할 때 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 광학 이방성 필름(105)으로부터 분리 또는 제거될 수 있다.
일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)는 지지 및 보호를 위해 하나 이상의 기판(115)을 포함할 수 있다. 광학 이방성 필름(105)은 기판(115)의 표면에 배치(예를 들면, 형성, 부착, 퇴적, 접합 등)될 수 있다. 논의를 위해, 도 1a는 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)가 하나의 기판(115)을 포함하는 것을 도시한다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 기록 프로세스 동안 기록 필름이 배치되는 기판일 수 있다. 기판(115)은 하나 이상의 미리 결정된 스펙트럼 대역에서 투명하고/하거나 반사성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 가시 대역의 적어도 일 부분(예를 들면, 약 380 nm 내지 약 700 nm)에서 투명하고/하거나 반사성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 적외선("IR") 대역(예를 들면, 약 700 nm 내지 약 1 mm)의 적어도 일 부분에서 투명하고/하거나 반사성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 가시 대역의 적어도 일 부분 및 IR 대역의 적어도 일 부분에서 투명하고/하거나 반사성일 수 있다. 기판(115)은 위에서 나열된 스펙트럼 대역들의 광에 대해 실질적으로 투명한 유기 재료 및/또는 무기 재료에 기초하여 제조될 수 있다. 기판(115)은 강성이거나 가요성일 수 있다. 기판(115)은 편평한 표면들 또는 적어도 하나의 곡면 표면을 가질 수 있으며, 곡면 표면에 배치(예를 들면, 형성, 부착, 퇴적, 접합 등)되는 광학 이방성 필름(105)이 또한 곡면 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 또한 다른 광학 요소, 다른 광학 디바이스 또는 다른 광전기 디바이스의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은, 디스플레이 스크린과 같은, 기능 디바이스의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은, 유리, 플라스틱, 사파이어 또는 이들의 조합과 같은, 적합한 재료에 기초하여 제조되는 광학 도파관(optical waveguide)의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 다른 광학 요소 또는 다른 광학 디바이스의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(115)은 종래의 렌즈, 예를 들어, 유리 렌즈일 수 있다. 도 1a에서는 하나의 기판(115)이 도시되어 있지만, 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)는 광학 이방성 필름(105)을 끼우고 있는(sandwich) 2 개의 기판(115)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 기판(115)은 광학 이방성 필름(105)에서의 LC들 또는 RM들의 정렬을 제공하도록 구성된 PAM 층(110)과 함께 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판(115)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)를 제조, 보관, 또는 이송하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 다른 부분들이 제조되거나 다른 장소 또는 디바이스로 이송된 후에 기판(115)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 다른 부분들로부터 분리 가능하거나 제거 가능할 수 있다. 즉, 기판(115)은 제조, 이송, 및/또는 보관 시에 기판(115) 상에 제공되는 PAM 층(110) 및 광학 이방성 필름(105)을 지지하는 데 사용될 수 있고, 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 제조가 완료될 때, 또는 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)가 광학 디바이스에 구현되어야 할 때 PAM 층(110) 및 광학 이방성 필름(105)으로부터 분리 또는 제거될 수 있다.
도 1b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(130)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(130)는 벌크 매개 광 정렬 기술에 기초하여 제조될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(130)는 광학 이방성 필름(120)을 포함할 수 있다. 광학 이방성 필름(120)은, 편광 감응 광 반응성기들을 갖는 비정질 또는 액정 중합체들과 같은, 광-유도된 복굴절을 생성하도록 구성된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 광학 이방성 필름(120)은 도 1a에 도시된 PAM 층(110)보다 상대적으로 더 두꺼울 수 있다. 광학 이방성 필름(120)의 광학 축의 미리 결정된 국소 배향 패턴은 기록 프로세스 동안 벌크 매개 광 정렬을 통해 광학 이방성 필름(120)에 직접 기록될 수 있다. 광학 이방성 필름(120)은 변하는 피치를 갖는 패턴을 정의하기 위해 광학 이방성 필름(120)의 표면을 따라 적어도 하나의 방향에서 비선형적으로 변하는 국소 광학 축 배향들을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(130)는 지지 및 보호를 위해 하나 이상의 기판(115)을 또한 포함할 수 있다. 기판(115)에 대한 상세한 설명들은 도 1a와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 1b에서는 하나의 기판(115)이 도시되어 있지만, 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(130)는 광학 이방성 필름(120)을 끼우고 있는 2 개의 기판(115)을 포함할 수 있다.
도 1c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(150)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 1c에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(150)는 도 1a에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)에 포함된 것들과 동일하거나 유사한 요소들을 포함할 수 있다. 동일하거나 유사한 요소들에 대한 상세한 설명들은 도 1a와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 광학 이방성 필름(105)은 2 개의 기판(115) 사이에 배치될(예를 들면, 끼워질) 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 각각의 기판(115)에는 전도성 전극(140) 및 PAM 층(110)이 제공될 수 있다. 전극(140)은 PAM 층(110)과 기판(115) 사이에 배치될 수 있다. PAM 층(110)은 전극(140)과 광학 이방성 필름(105) 사이에 배치될 수 있고, 렌즈 패턴을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 평면 정렬(또는 작은 프리틸트 각을 갖는 정렬)을 제공하도록 구성될 수 있다. 전극(140)은 적어도 기판(115)과 동일한 스펙트럼 대역에서 투과성 및/또는 반사성일 수 있다. 전극(140)은 연속적인 평면 전극이거나 패턴 전극일 수 있다. 도 1c는 전극(140)을 연속적인 평면 전극으로서 도시한다. 기판들(115)에 수직인 수직 전계를 광학 이방성 필름(105)에 생성하기 위해 2 개의 대향 기판(115)에 배치되는 전극들(140)에 구동 전압이 인가될 수 있다. 전계는 이방성 분자들을 재배향시킬 수 있으며, 이에 의해 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 광학적 특성들을 스위칭시킬 수 있다. 수직 전계는 광학 이방성 필름(105)에서의 이방성 분자들의 평면 외 재배향(out-of-plane reorientation)을 실현할 수 있다. "평면 외 재배향"이라는 용어는 광학 이방성 필름(105)의 표면 평면과 평행하지 않은(따라서 표면 평면 외부에 있는) 방향에서의 광학 이방성 분자들의 디렉터들의 회전(또는 재배향)을 지칭한다. 도 1c에 도시되어 있지 않지만, 일부 실시예들에서, 2 개의 기판(115) 중 하나에는 PAM 층(110)이 제공될 수 있고, 2 개의 기판(115) 중 다른 하나에는 PAM 층이 제공되지 않을 수 있다.
도 1d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(170)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 1d에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(170)는 도 1a에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)에 포함된 것들과 동일하거나 유사한 요소들을 포함할 수 있다. 동일하거나 유사한 요소들에 대한 상세한 설명들은 도 1a와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 광학 이방성 필름(105)은 2 개의 기판(115) 사이에 배치될(예를 들면, 끼워질) 수 있다. 기판EMF(115) 중 적어도 하나(예를 들면, 각각)에는 PAM 층(110)이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 기판(115)에 배치되는 PAM 층들(110) 각각은 렌즈 패턴을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 평면 정렬(또는 작은 프리틸트 각을 갖는 정렬)을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 기판(115) 각각에 배치되는 PAM 층(110)은 렌즈 패턴을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 평면 정렬(또는 작은 프리틸트 각을 갖는 정렬)을 제공하도록 구성될 수 있다. 2 개의 기판(115)에 배치되는 PAM 층들(110)은 평행 표면 정렬들 또는 역평행 표면 정렬들을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 개의 기판(115)에 배치되는 PAM 층들(110)은 하이브리드 표면 정렬들을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 기판(115) 중 하나에 배치되는 PAM 층(110)은 렌즈 패턴을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 평면 정렬(또는 작은 프리틸트 각을 갖는 정렬)을 제공하도록 구성될 수 있고, 다른 기판(115)에 배치되는 PAM 층(110)은 호메오트로픽 정렬(homeotropic alignment)을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 전극(165) 및 하부 전극(155)은 동일한 기판(115)(예를 들면, 도 1d에 도시된 하부 기판(115))에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 전극(155)은 하부 기판(115)의 표면 상에 직접 배치될 수 있다. 상부 전극(165)과 하부 전극(155) 사이에는 전기 절연 층(160)이 배치될 수 있다. 하부 기판(115)에 제공되는 PAM 층(110)은 상부 전극(165)과 광학 이방성 필름(105) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 전극(155)은 평면 전극을 포함할 수 있고, 상부 전극(165)은 패터닝된 전극(예를 들면, 평행하게 배열되는 복수의 인터리빙된 줄무늬 전극(striped interleaved electrode)들)을 포함할 수 있다. 광학 이방성 필름(105)에 수평 전계를 생성하여 이방성 분자들을 재배향시키고, 이에 의해 축외 포커싱 PBP 렌즈(100)의 광학적 특성들을 스위칭시키기 위해, 동일한 기판(115)(예를 들면, 하부 기판(115))에 배치되는 하부 전극(155) 및 상부 전극(165)에 전압이 인가될 수 있다. 수평 전계는 광학 이방성 필름(105)에서의 이방성 분자들의 평면 내 재배향(in-plane reorientation)을 실현할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(105)에 수평 전계를 생성하기 위한 전극들의 다른 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전극들의 다른 구성은 이방성 분자들의 평면 내 스위칭을 위해 동일한 기판에 배치되는 인터디지털 전극(interdigital electrode)들(예를 들면, 평면 내 스위칭 전극)을 포함할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 일부 실시예들에서, 기판들(115) 중 하나에는 PAM 층(110)이 제공될 수 있고, 기판들(115) 중 다른 하나에는 PAM 층(110)이 제공되지 않을 수 있다.
이하에서는, 축외 포커싱 PBP 렌즈에서의 이방성 분자들의 배향이 상세히 설명될 것이다. 논의를 위해, 칼라미틱(막대 모양) LC 분자들이 이방성 분자들의 예들로서 사용될 것이다. 도 2a 및 도 2b는 구면 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(축상 포커싱 PBP 구면 렌즈라고 지칭됨)에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 도 2c는 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(축상 포커싱 PBP 원통형 렌즈라고 지칭됨)에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 도 2d는 렌즈의 광학 이방성 필름의 기하학적 중심을 통과하는 평면 외 기하학적 중심축과 일치하는 평면 외 렌즈 패턴 중심축을 갖는 도 2a 또는 도 2c에 도시된 축상 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다. 도 3a 및 도 3b는 구면 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈(축외 포커싱 PBP 구면 렌즈라고 지칭됨)에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 도 3c는 원통형 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈(축외 포커싱 PBP 원통형 렌즈라고 지칭됨)에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 도 3d는 평면 외 기하학적 중심축으로부터 미리 결정된 거리만큼 이동된 평면 외 렌즈 패턴 중심축을 갖는 도 3a 또는 도 3c에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다.
광학 이방성 필름을 포함하는 기록된 PBP 렌즈에 대해, 도 2a, 도 2c, 도 3a 및 도 3c는 각각 PBP 렌즈의 필름층 또는 렌즈층(예를 들면, 광학 이방성 필름을 포함하는 층)에서 취해지는 표면 평면(예를 들면, x-y 평면)의 (z축 방향 또는 두께 방향에서 본) 단면도를 도시한다. x-y 평면은 광학 이방성 필름의 표면 평면 또는 표면 평면과 평행한 평면을 나타낸다. x-y 평면은 또한 수광 평면(light receiving plane)일 수 있다. 즉, z축 방향 또는 x-y 평면과 평행하지 않은 방향으로부터 광이 렌즈에 입사할 수 있다. z축은 필름층 또는 렌즈층에 수직인 축이고, 이는 PBP 렌즈의 두께 방향으로 있을 수 있다.
도 2a는 구면 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 렌즈층에서의 LC 정렬 패턴(또는 렌즈 패턴)을 예시한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)에서 x축을 따라 취해진 LC 디렉터 필드(LC director field)의 단면을 예시한다. 도 2a는 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)가 원형 형상을 갖는다는 것을 도시한다. x-y 평면의 원점(도 2a에서의 지점 "O")은 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 유효 수광 영역의 렌즈 패턴 중심(OL)(210) 및 기하학적 중심(OG)에 대응한다. 즉, 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)에서, 렌즈 패턴 중심(OL)은 기하학적 중심(OG)와 일치할 수 있다. 논의를 위해, 렌즈의 전체 원형 영역이 유효 수광 영역(또는 조리개)인 것으로 가정된다. 따라서, 기하학적 중심(OG)(220)은 렌즈(200)의 원형 형상(또는 렌즈(200)의 조리개)의 중심이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)는 광학 이방성 필름(201)을 포함할 수 있다. 광학 이방성 필름(201)은 LC 분자들(205)을 포함하는 하나 이상의 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 렌즈층은 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)에 포함된 광학 이방성 필름(201)의 층을 지칭한다. LC 분자들의 디렉터들은 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있거나, LC 분자들의 방위각들은 연속적인 평면 내 변화 패턴으로 구성될 수 있다. 그 결과, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축은 연속적인 평면 내 회전 패턴을 가질 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 광학 축(또는 LC 분자들의 방위각들, 또는 LC 분자들의 디렉터들의 배향)은 복수의 반경 방향들에서 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 렌즈 주변부(215)까지 평면 내 회전 또는 배향 패턴을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 반경 방향에서 방위각이 변할 때, 방위각 변화율은 반경 방향을 따라 일정하지 않을 수 있다. 광학 이방성 필름(201)의 광학 축의 방위각 변화율은 반경 방향들에서 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 렌즈 주변부(215)로 갈수록 증가할 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 렌즈 패턴 중심(OL)(210)은 방위각 변화율이 가장 작은 지점일 수 있다. 즉, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축의 평면 내 회전은 복수의 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 렌즈 주변부(215)로 갈수록 가속될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축의 방위각은 렌즈 패턴 중심으로부터 광학 축 상의 국소 지점까지의 거리에 비례하여 변할 수 있다. 예를 들어, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축의 방위각은 방정식
Figure pct00005
에 따라 변할 수 있으며, 여기서 θ는 광학 이방성 필름(201)의 국소 지점에서의 광학 축의 방위각이고, r은 광학 렌즈의 렌즈 패턴 중심(OL)(210)(또한 x-y 평면의 원점(O))으로부터 렌즈면에서의 국소 지점까지의 거리이며, L은 PBP 렌즈(200)의 렌즈면과 초점면 사이의 거리(즉, 축상 포커싱 PBP 렌즈의 경우에 초점 거리)이고, λ는 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)에 입사하는 광의 파장이다. 방위각 변화율(즉, θ의 변화율 또는 θ의 회전 속도)은 도함수(derivative)
Figure pct00006
이고, 이는 r=0일 때 0이다. 따라서, r=0인 지점은 θ의 가장 작은 회전율(rotation rate) 또는 가장 작은 방위각 변화율을 갖는 지점일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(201)은 칼라미틱(막대 모양) LC 분자들(205)을 포함할 수 있다. LC 분자들(205)은 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 배열되는 LC 분자들(205)의 디렉터들(또는 LC 디렉터들)과 정렬될 수 있다. 그 결과, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축은 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)는, 렌즈 프로파일을 생성할 수 있는, 변조된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬되는 LC 분자들(205)을 갖는 반파장 지연기(half-wave retarder)(또는 반파장판)일 수 있다. LC 디렉터들의 배향들(또는 LC 분자들(205)의 방위각들(θ))은 복수의 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(210)으로부터 렌즈 주변부(215)까지 변하는 피치를 갖는 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있다. 따라서, 광학 이방성 필름(201)의 광학 축은 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(210)으로부터 렌즈 주변부(215)까지 변하는 피치를 갖는 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있다. 연속적인 평면 내 회전의 피치(
Figure pct00007
)는 LC 분자(205)의 방위각(θ)(또는 LC 디렉터들의 배향)이 미리 결정된 양(예를 들면, 180°)만큼 변하는 거리로서 정의된다. 연속적인 평면 내 회전의 피치(
Figure pct00008
)는 렌즈 패턴의 주기(P)와 동일할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, x축을 따른 LC 디렉터 필드에 따라, 피치(
Figure pct00009
)는 렌즈 패턴 중심(210)으로부터의 거리의 함수일 수 있다. 피치는 x-y 평면에서 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심(210)으로부터 렌즈 주변부(215)로 갈수록 단조적으로 감소할 수 있으며, 즉
Figure pct00010
일 수 있으며, 여기서
Figure pct00011
은 렌즈 패턴 중심(210)을 포함하는 렌즈 패턴의 중앙 영역에서의 피치이며, 이는 가장 클 수 있다. 피치(
Figure pct00012
)는 렌즈 패턴의 가장자리 영역에서의 피치이며, 이는 가장 작을 수 있다. 렌즈 패턴 중심(OL)(210)은 방위각 변화율이 가장 작은 지점일 수 있다.
x-y 평면에서, LC 분자들(205)의 LC 디렉터는 정반대 반경 축들 또는 방향들을 따라 변하는 피치
Figure pct00013
를 갖는 회전 패턴으로 연속적으로 회전할 수 있고, LC 디렉터 필드는 렌즈 패턴 중심(OL)(210)을 중심으로 회전 대칭성을 가질 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)에서, 렌즈 패턴 중심(OL)(210)은 렌즈(200)의 유효 수광 영역 또는 렌즈 조리개의 기하학적 중심(OG)(220)과 일치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기하학적 중심은 조리개 중심이라고도 지칭될 수 있다. 도 2a에 도시된 실시예에서, 기하학적 중심(OG)(220)은 원형 형상의 중심이고, 렌즈 패턴 중심(OL)(210)과 일치한다. 렌즈 패턴 중심(OL)(210)이 기하학적 중심(OG)(220)과 일치하므로, 피치는 또한 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 기하학적 중심(OG)(220)으로부터의 거리의 함수일 수 있다.
축상 포커싱 PBP 렌즈(200)는 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 정반대 렌즈 주변부들(215)로의 정반대 반경 방향들에서 변하는 주기성을 갖는 PBP 격자일 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(200)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 광학 이방성 필름(201)의 광학 축의 방위각(θ)이 반경 방향들에서 π만큼 변하는 거리로서 정의될 수 있다. PBP 격자(즉, 축상 포커싱 PBP 렌즈(200))의 프린지들은 렌즈 패턴 중심(OL)(210)을 중심으로 중심 대칭성을 가질 수 있다. PBP 격자의 프린지는 광학 축의 방위각(또는 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각)이 동일한 국소 지점들의 세트를 지칭한다. 예를 들어, 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각이
Figure pct00014
로서 표현될 때, θ1 및 n 둘 다는 동일한 프린지 상의 국소 지점들에 대해 동일할 수 있다. 이웃하는 프린지들의 회전각(θ)의 차이는 π이다, 즉 이웃하는 프린지들 사이의 거리는 주기(P)이다. 동일한 θ에 대응하는 국소 지점들의 세트는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈에 대해 동일한 원 상에 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 방위각(또는 회전각)(θ)은 PBP 구면 렌즈에 대한 2차 위상 변이
Figure pct00015
를 제공하는 방정식
Figure pct00016
에 따라 대략 단조적으로 변할 수 있으며, 여기서 r은 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 렌즈 상의 국소 지점까지의 거리이고, L은 렌즈면과 초점면 사이의 거리이다. 거리(r)가 렌즈 패턴의 주기(P)보다 훨씬 더 긴(r>> P인) 국소 지점에서, 주기(P)는 방정식
Figure pct00017
에 따라 변할 수 있다. 즉, 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)(210)으로부터 광학 축 상의 국소 지점까지의 거리(r)에 대략 반비례할 수 있다. 일부 실시예들에서, 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는 전체 렌즈에서 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 반경 방향들에서 단조적으로 변하지 않을 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소하지 않을 수 있음). 그 대신에, 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는, 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 반경 방향들에서, 렌즈 패턴 중심(OL)을 포함하는 렌즈의 부분(전체 렌즈보다 작음)에서만 단조적으로 변할 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소할 수 있음). 그에 따라, 축상 포커싱 PBP 렌즈는 비구면 PBP 렌즈(축상 포커싱 PBP 비구면 렌즈라고 지칭됨)로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 축상 포커싱 PBP 비구면 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 렌즈 주변부로의 반경 방향들에서 먼저 감소하고 이어서 증가할 수 있다. 렌즈 패턴 중심(OL)은 축상 포커싱 PBP 비구면 렌즈에서의 기하학적 중심에 대응할 수 있다.
도 2c는 축상 포커싱 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 렌즈층에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 축상 포커싱 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈는 표면 평면(즉, x-y 평면)에서 직사각형 형상을 가질 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)는 LC 분자들(255)을 포함하는 하나 이상의 복굴절 재료를 포함하는 광학 이방성 필름(251)을 포함할 수 있다. 렌즈층은 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)에 포함된 광학 이방성 필름(251)의 층을 지칭한다. x-y 평면의 원점(도 2c에서의 지점 "O")은 렌즈 패턴 중심(OL)(260)에 대응한다. 렌즈 패턴 중심(OL)(260)은 방위각 변화율이 가장 작은 지점일 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 기하학적 중심(OG)(270)은 직사각형 렌즈 형상의 중심일 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 렌즈 패턴 중심(OL)(260) 및 기하학적 중심(OG)(270)은 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 동일한 대칭축(예를 들면, 가로 대칭축)(예를 들면, x축)에 위치할 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)에서, 기하학적 중심(OG)(270)은 렌즈 패턴 중심(OL)(260)과 일치할 수 있다.
직사각형 형상(또는 직사각형 렌즈 조리개)을 갖는 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)인 경우, 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 폭 방향은 가로 방향(예를 들면, 도 2c에서의 x축 방향)이라고 지칭될 수 있으며, 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 길이 방향은 세로 방향(예를 들면, 도 2c에서의 y축 방향)이라고 지칭될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)은 표면 평면(예를 들면, x-y 평면)에서 세로 방향에 평행하고 렌즈 패턴 중심(OL)(260)을 통과하는 축일 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)은 y축 방향에 평행할 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 평면 내 기하학적 중심축(273)은 표면 평면(예를 들면, x-y 평면)에서 세로 방향에 평행하고 기하학적 중심(OG)(270)을 통과하는 축일 수 있다. 도 2c에 도시된 실시예에서, 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)은 평면 내 기하학적 중심축(273)과 일치할 수 있다.
광학 이방성 필름(251)의 광학 축은 가로 방향(예를 들면, x축 방향)에서 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 렌즈 패턴 중심(OL)(260)으로부터 렌즈 주변부(265)까지 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있다. 광학 이방성 필름(251)의 광학 축의 방위각 변화율은 가로 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(260)으로부터 렌즈 주변부(265)로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 광학 이방성 필름의 광학 축의 연속적인 평면 내 회전은 가로 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(260)으로부터 렌즈 주변부(265)로 갈수록 가속될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)의 동일한 측면에서의 위치들에 있고 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)으로부터 동일한 거리를 갖는 광학 축의 방위각들은 실질적으로 동일할 수 있다.
축상 포커싱 PBP 렌즈(250)는 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)으로부터 정반대 렌즈 주변부(265)로의(예를 들면, 좌측 렌즈 주변부 및 우측 렌즈 주변부로의) 정반대 가로 방향들에서 변하는 주기성을 갖는 PBP 격자일 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 광학 이방성 필름(251)의 광학 축의 방위각(θ)이 반경 방향들에서 π만큼 변하는 거리로서 정의될 수 있다. PBP 격자의 프린지들은 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)을 중심으로 축 대칭성(axial symmetry)을 가질 수 있다. PBP 격자의 정렬 패턴은 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)을 중심으로 비대칭일 수 있다. PBP 격자(즉, 축상 포커싱 PBP 렌즈(250))의 프린지는 광학 축의 방위각(또는 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각)이 동일한 국소 지점들의 세트를 지칭한다. 예를 들어, 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)으로부터 국소 지점까지 광학 축의 회전각이
Figure pct00018
로서 표현될 때, θ1 및 n 둘 다는 동일한 프린지 상의 국소 지점들에 대해 동일할 수 있다. 이웃하는 프린지들의 회전각들의 차이는 π이다, 즉 이웃하는 프린지들 사이의 거리는 주기(P)이다. 국소 지점들의 세트는 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 세로 방향에 평행한 동일한 선 상에 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)는 2 개의 정반대 가로 방향에서(그리고 일부 실시예들에서는, 2 개의 정반대 가로 방향에서만) 렌즈 패턴 중심에 대해 프린지들 및 정렬 패턴의 중심 대칭성을 갖는 것으로 간주될 수 있다. PBP 구면 렌즈에 대한 방정식
Figure pct00019
및 대응하는 위상 변이 방정식
Figure pct00020
이 또한 원통형 렌즈로서 기능하는 축상 포커싱 PBP렌즈(250)에 적용될 수 있으나, 2 개의 정반대 가로 방향에서만 적용될 수 있다. 즉, r은 2 개의 정반대 가로 방향에서 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)의 렌즈 패턴 중심(OL)(260)으로부터 국소 지점까지의 거리이다. 이러한 의미에서, 원통형 렌즈는 구면 렌즈의 1d 사례로서 간주될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(251)은 칼라미틱(막대 모양) LC 분자들(255)을 포함할 수 있다. LC 분자들(255)의 디렉터들(LC 디렉터들)은 표면 평면 내에서 연속적으로 회전할 수 있어, 광학 축의 연속적인 평면 내 회전을 결과할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)는, 렌즈 프로파일을 생성할 수 있는, 변조된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬되는 LC 분자들(255)을 갖는 반파장 지연기(또는 반파장판)일 수 있다. LC 분자들(255)의 디렉터들(또는 LC 분자들(255)의 방위각들(θ))은 가로 방향(예를 들면, 도 2c에서의 x축 방향)에서 렌즈 패턴 중심(OL)(260)으로부터 렌즈 주변부(265)까지 변하는 피치
Figure pct00021
를 갖는 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 구성될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)의 동일한 측면에 위치하고 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)으로부터 동일한 거리에 있는 LC 분자들(255)의 디렉터들(LC 디렉터들)의 배향들은 실질적으로 동일할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 렌즈 패턴의 피치는 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)까지의 거리의 함수일 수 있다. 일부 실시예들에서, 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(263)까지의 거리가 증가함에 따라 렌즈 패턴의 피치는 단조적으로 감소할 수 있으며, 즉
Figure pct00022
일 수 있으며, 여기서
Figure pct00023
은 렌즈 패턴의 중앙 부분에서의 피치이며, 이는 가장 클 수 있다. 피치(
Figure pct00024
)는 렌즈 패턴의 가장자리 영역에서의 피치이며, 이는 가장 작을 수 있다.
도 2d는, 축상 포커싱 PBP 렌즈(200) 또는 축상 포커싱 PBP 렌즈(250)일 수 있는, 축상 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다. 측면도는 렌즈 패턴 중심(OL) 및 기하학적 중심(OG)을, 제각기, 통과하는 평면 외 렌즈 패턴 중심축(288) 및 평면 외 기하학적 중심축(299)을 도시한다. 평면 외 렌즈 패턴 중심축(288) 및 평면 외 기하학적 중심축(299)은 표면 평면(예를 들면, x-y 평면)에 수직일 수 있다. 즉, 평면 외 렌즈 패턴 중심축(288)과 평면 외 기하학적 중심축(299)은 렌즈의 z축 방향 또는 두께 방향으로 있을 수 있다. 축상 포커싱 PBP 렌즈의 경우, 렌즈 패턴 중심(OL)과 기하학적 중심(OG)이 서로 일치하기 때문에, 평면 외 렌즈 패턴 중심축(288)과 평면 외 기하학적 중심축(299)이 또한 서로 일치한다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에 포함된 광학 이방성 필름(301)의 렌즈층에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. x-y 평면은 광학 이방성 필름(301)의 수광 평면일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)는 구면 렌즈로서 기능할 수 있다. 도 3a는 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)가 원형 형상을 갖는다는 것을 도시한다. x-y 평면의 원점(도 3a에서의 지점 "O")은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)에 대응한다. 렌즈의 기하학적 중심(OG)(320)은 렌즈의 원형 형상의 중심일 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에서, 렌즈 패턴 중심(OL)(310)은 기하학적 중심(OG)(320)으로부터 미리 결정된 방향(예를 들면, x축 방향)으로 미리 결정된 거리(D)만큼 이동된다.
광학 이방성 필름(301)은 LC 분자들(305)을 포함하는 하나 이상의 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 광학 이방성 필름(301)의 광학 축은 복수의 반경 방향들에서 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 렌즈 주변부(315)까지 연속적인 평면 내 회전(또는 회전 패턴)으로 구성될 수 있다. 즉, 광학 이방성 필름(301)에 포함된 광학 이방성 분자들의 디렉터들은 복수의 반경 방향들을 따라 연속적으로 회전할 수 있다. 환언하면, 광학 이방성 필름(301)의 광학 이방성 분자들의 방위각들은 복수의 반경 방향들에서 연속적으로 변할 수 있다. 광학 이방성 필름(301)의 광학 축의 방위각 변화율은 반경 방향들에서 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 렌즈 주변부(315)로 갈수록 증가할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)은 방위각 변화율이 가장 작은 지점일 수 있다. 즉, 광학 이방성 필름(301)의 광학 축의 평면 내 회전은 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 렌즈 주변부(315)로 갈수록 가속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(301)의 광학 축의 방위각은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)(또한 x-y 평면의 원점(O))으로부터 렌즈면에서의 국소 지점까지의 거리에 비례할 수 있다.
예를 들어, 구면 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에서의 광학 이방성 필름(301)의 광학 축의 방위각(θ)은 대략적으로 방정식
Figure pct00025
에 따라 변할 수 있으며, 여기서 θ는 광학 이방성 필름(301)의 국소 지점에서의 광학 축의 방위각이고, r은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)(또한 x-y 평면의 원점(O))으로부터 광학 축 상의 국소 지점까지의 거리이며, L은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, λ는 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에 입사하는 광의 파장이며,
Figure pct00026
는 파장(λ)을 갖는 렌즈에 입사하는 광이 경험하는 위상 변이이다. 방위각 변화율(즉, θ의 변화율 또는 θ의 회전 속도)은 도함수
Figure pct00027
이고, 이는 r=0일 때 0이다. 따라서, r=0인 지점은 θ의 가장 작은 회전율 또는 가장 작은 방위각 변화율을 갖는 지점일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(301)은 칼라미틱(막대 모양) LC 분자들(305)을 포함할 수 있다. LC 분자들(305)의 디렉터들(LC 디렉터들)은 표면 평면(즉, x-y 평면)에서 연속적인 평면 내 회전 패턴으로 연속적으로 회전할 수 있다. 그 결과, 광학 이방성 필름(301)의 광학 축은 연속적인 평면 내 회전(또는 회전 패턴)을 가질 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)는 표면 평면에서의 LC 분자들(305)의 정렬 패턴(예를 들면, 도 3a에 도시된 x-y 평면에서의 LC 분자들(305)의 정렬 패턴)에 기초한 렌즈 프로파일로 구성된 반파장 지연기(또는 반파장판)일 수 있다. LC 디렉터들의 정렬을 특성화하는 방위각(θ)은, 변하는 피치(
Figure pct00028
)로, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 렌즈 주변부(315)까지 연속적으로 변할 수 있다. LC 디렉터들의 연속적인 평면 내 회전은 x-y 평면에서 LC 분자들(305)의 방위각(θ)의 연속적인 변동 또는 변화를 지칭한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)은 기하학적 중심(OG)(320)과 일치하지 않을 수 있다. 그 대신에, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)은 기하학적 중심(OG)(320)으로부터 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리(D)만큼 이동될 수 있다. 이동의 거리(D) 및 이동 방향은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 초점면에서의 초점(focus)(초점(focal point))의 바람직한 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 초점의 편차는 이동의 거리(D) 및 이동 방향에 의해 결정될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 전체 렌즈 패턴은 렌즈 패턴 중심(OL)(310) 또는 기하학적 중심(OG)(320) 중 어느 하나에 대해 회전 중심 비대칭(rotationally centrally asymmetric)일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 전체 렌즈 패턴의 미리 결정된 부분(예를 들면, 전체 렌즈 패턴보다 작음)은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)에 대해 회전 중심 대칭(rotationally centrally symmetric)일 수 있다. 도 3a는 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)이 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 기하학적 중심(OG)(320)으로부터 +x 방향으로 거리(D)만큼 이동된 것을 도시한다. 이 이동은 예시를 위한 것이며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이 이동은 임의의 다른 적합한 방향들로 그리고 임의의 다른 적합한 거리들만큼 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 렌즈 패턴 중심(OL)(310)은 기하학적 중심(OG)(320)으로부터 -x축 방향으로 미리 결정된 거리만큼 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 미리 결정된 방향은 다른 방향들일 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에서 x축을 따라 취해진 LC 디렉터 필드의 단면을 예시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, x축을 따른 LC 디렉터 필드에 따라, 피치는 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터의 거리의 함수일 수 있다. 렌즈 패턴 중심(OL)(310)이 기하학적 중심(OG)(320)과 일치하지 않기 때문에, 피치는 (렌즈 패턴 중심(OL)에 위치하는) 원점(O)으로부터의 반경 방향들에서 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터의 거리의 함수로서 표현될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 반경 방향(예를 들면, x축 방향)에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터의 거리가 증가함에 따라 피치는 단조적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 패턴 중심(OL)(310)을 포함하는 중앙 영역에서의 피치는 0일 수 있으며, 이는 가장 클 수 있다. 제1 가장자리(315R)(예를 들면, 도 3b에서의 우측 가장자리)에 있는 제1 가장자리 영역에서의 피치는
Figure pct00029
일 수 있으며, 이는
Figure pct00030
보다 작을 수 있다. 제2 가장자리(315L)(예를 들면, 도 3b에서의 좌측 가장자리)를 포함하는 제2 가장자리 영역에서의 피치는
Figure pct00031
일 수 있으며, 이는 가장 작을 수 있다, 즉,
Figure pct00032
일 수 있다.
일부 실시예들에서, x-y 평면의 원점(도 3a에서의 지점 "O")은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)이 아니라 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 기하학적 중심(OG)(320)에 구성될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)가 포물선 위상 프로파일을 제공할 때, 그리고 렌즈 패턴 중심(OL)(310)이 x축을 따라 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 기하학적 중심(OG)(320)에 대해 이동될 때, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에 입사하는 파장(λ)을 갖는 광이 경험하는 위상 변이는
Figure pct00033
로서 표현될 수 있으며, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 국소 지점까지의 거리이며, L은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 기하학적 중심(OG)에 대한 렌즈 패턴 중심(OL)(310)의 미리 결정된 이동의 미리 결정된 방향에서의 좌표이다. 방위각(θ)에 대한 대응하는 방정식은
Figure pct00034
이다. 첫 번째 항
Figure pct00035
은 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 굴절력(optical power)에 대응하고, 두 번째 항은 기하학적 중심(OG)에 대한 렌즈 패턴 중심(OL)(310)의 이동에 대응한다. 이동 방향(예를 들면, x축 방향, r = x)에서의 방위각 변화율은
Figure pct00036
에 따라 계산될 수 있다. 방위각 변화율은
Figure pct00037
일 때 지점 xc=D=KL에서 가장 작을 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 광이 경험하는 위상 변이는
Figure pct00038
으로서 표현될 수 있다.
축외 포커싱 PBP 렌즈(300)는 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 정반대 렌즈 주변부들(315)로의 정반대 반경 방향들에서 변하는 주기성을 갖는 PBP 격자일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 광학 이방성 필름(301)의 광학 축의 방위각(θ)이 반경 방향들에서 π만큼 변하는 거리로서 정의될 수 있다. 전체 PBP 격자에 걸친 PBP 격자의 프린지들은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)을 중심으로 중심 대칭성을 갖지 않을 수 있다. 렌즈 패턴 중심(OL)(310)을 포함하는 전체 PBP 격자의 미리 결정된 영역에서의 PBP 격자의 프린지들은 렌즈 패턴 중심(OL)(310)에 대해 중심 대칭성을 가질 수 있다. PBP 격자(즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300))의 프린지는 광학 축의 방위각(또는 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각)이 동일한 국소 지점들의 세트를 지칭한다. 예를 들어, 반경 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각이
Figure pct00039
로서 표현될 때, θ1 및 n 둘 다는 동일한 프린지 상의 국소 지점들에 대해 동일할 수 있다. 이웃하는 프린지들의 회전각들의 차이는 π이다, 즉 이웃하는 프린지들 사이의 거리는 주기(P)이다. 국소 지점들의 세트는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈에 대해 동일한 원 상에 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 축의 방위각(θ)이 대략적으로 방정식
Figure pct00040
에 따라 변할 때, 렌즈 패턴의 주기(P)는 대략적으로 방정식
Figure pct00041
에 따라 변할 수 있다. 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터의 거리(r)가 렌즈 패턴의 주기(P)보다 훨씬 더 클 때(r>>P일 때), 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 광학 축 상의 국소 지점까지의 거리(r)에 대략 반비례할 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 정반대 렌즈 주변부들(315)로의 정반대 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 전체 축외 포커싱 PBP 렌즈에서 단조적으로 변할 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소할 수 있음). 그에 따라, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)는 구면 PBP 렌즈로서 기능할 수 있다. 도 14a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3a 및 도 3b에 도시된 축외 포커싱 PBP 구면 렌즈(300)의 프린지들의 구성 및 변하는 주기성을 예시한다. 도 14a는 도 3a 및 도 3b에 도시된 축외 포커싱 PBP 구면 렌즈(300)의 광학 이방성 필름(301)의 렌즈층의 x-y 단면도를 예시하고, LC 분자들을 도시하지 않는다. 도 14a에서의 원들 또는 원호들은 격자 프린지들을 나타낸다. 동일한 격자 프린지 상의 광학 축의 국소 지점들은 동일한 방위각(θ)(또는 회전각)을 가질 수 있다. 2 개의 인접한 격자 프린지 상의 광학 축의 국소 지점들은 π의 방위각(θ) 변화를 가질 수 있다. 따라서, 2 개의 인접한 격자 프린지의 반경들 사이의 차이는 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴의 주기(P)를 나타낼 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 구면 렌즈(300)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 정반대 렌즈 주변부들(315)로의 정반대 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(OL)(310)으로부터 전체 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)에서 단조적으로 변할 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소할 수 있음).
일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 반경 방향들에서 단조적으로 변하지 않을 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소하지 않을 수 있음). 그 대신에, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는, 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 정반대 반경 방향들에서, 렌즈 패턴 중심(OL)을 포함하는 렌즈의 부분(전체 렌즈보다 작음)에서만 단조적으로 변할 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소할 수 있음). 그에 따라, 축외 포커싱 PBP 렌즈는 비구면 PBP 렌즈(축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈라고 지칭됨)로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)으로부터 렌즈 주변부로의 반경 방향들에서 먼저 감소하고 이어서 증가할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈의 렌즈 패턴 중심(OL)은 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈의 기하학적 중심에 대응하지 않을 수 있다.
도 14b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 프린지들의 구성 및 변하는 주기성을 예시한다. 도 14b는 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 광학 이방성 필름(1451)의 렌즈층의 x-y 단면도를 예시하고, LC 분자들을 도시하지 않는다. 도 14a에서의 원들 또는 원호들은 격자 프린지들을 나타낸다. 동일한 격자 프린지 상의 광학 축의 국소 지점들은 동일한 방위각(θ)을 가질 수 있다. 2 개의 인접한 격자 프린지 상의 광학 축의 국소 지점들은 π의 방위각(θ) 변화를 가질 수 있다. 따라서, 2 개의 인접한 격자 프린지의 반경들 사이의 차이는 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)를 나타낼 수 있다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 렌즈 패턴 중심(OL)(1460)으로부터 정반대 렌즈 주변부들(1465)로의 정반대 반경 방향들에서 전체 렌즈에서 단조적으로 변하지 않을 수 있다(예를 들면, 단조적으로 감소하지 않을 수 있음). 그 대신에, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 반경 방향들에서 먼저 감소하고 이어서 증가할 수 있다. 예시를 위해, 도 14b는 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)가 정반대 반경 방향들에서 렌즈 패턴 중심(OL)(1460)을 포함하는 렌즈의 부분에서만, 예를 들어, 격자 프린지(1452)에 의해 둘러싸인 렌즈의 영역 내에서, 단조적으로 감소할 수 있다. 격자 프린지(1452)에 의해 둘러싸인 렌즈의 영역 외부에서, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 정반대 반경 방향들에서 단조적으로 증가할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 비구면 렌즈(1450)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 정반대 반경 방향들에서 먼저 감소하고, 이어서 증가하며, 이어서 또다시 감소하는 등일 수 있다.
도 3c는 축외 포커싱 원통형 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)에 포함된 광학 이방성 필름(351)의 렌즈층에서의 LC 정렬 패턴을 예시한다. 광학 이방성 필름(351)은 LC 분자들(소분자들) 또는 메조겐 단편들(LC 중합체들)(355)을 포함하는 하나 이상의 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)는 직사각형 형상(또는 직사각형 렌즈 조리개)을 가질 수 있다. x-y 평면의 원점(도 3c에서의 지점 "O")은 렌즈 패턴 중심(OL)(360)에 대응할 수 있다. 기하학적 중심(OG)(370)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 직사각형 렌즈 형상의 중심일 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 렌즈 패턴 중심(OL)(360)은 기하학적 중심(OG)(370)으로부터 미리 결정된 평면 내 방향(예를 들면, x축 방향)으로 미리 결정된 거리(D)(또는 이동(D))만큼 이동될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360) 및 기하학적 중심(OG)(370)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 조리개의 동일한 대칭축(예를 들면, 가로 대칭축)(예를 들면, x축)에 위치할 수 있다.
직사각형 형상(또는 직사각형 렌즈 조리개)을 갖는 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)인 경우, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 폭 방향은 가로 방향(예를 들면, 도 3c에서의 x축 방향)이라고 지칭될 수 있으며, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 길이 방향은 세로 방향(예를 들면, 도 3c에서의 y축 방향)이라고 지칭될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)은 세로 방향과 평행하고 렌즈 패턴 중심(OL)(360)을 통과하는 축일 수 있다. 평면 내 기하학적 중심축(373)은 세로 방향과 평행하고 기하학적 중심(OG)(370)을 통과하는 축일 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)과 평면 내 기하학적 중심축(373)은 서로 평행하고 미리 결정된 방향에서 미리 결정된 거리(D)를 두고 서로 분리되어 있다.
광학 이방성 필름(351)의 광학 축은 가로 방향에서 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360)으로부터 렌즈 주변부(365)까지 연속적인 평면 내 회전으로 구성될 수 있다. 광학 이방성 필름(351)의 광학 축의 방위각 변화율은 가로 방향에서 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360)으로부터 렌즈 주변부(365)로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 광학 이방성 필름(351)의 광학 축의 연속적인 평면 내 회전은 가로 방향에서 렌즈 패턴 중심(OL)(360)으로부터 렌즈 주변부(365)로 갈수록 가속될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)의 동일한 측면에서의 위치들에 있고 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터 동일한 거리를 갖는 광학 축의 방위각들은 실질적으로 동일할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 이방성 필름(351)은 칼라미틱(막대 모양) LC 분자들(355)을 포함할 수 있다. 분자들(355)의 디렉터들(또는 LC 디렉터들)은 광학 이방성 필름(351)의 표면 평면에서 미리 결정된 평면 내 방향으로 연속적으로 회전할 수 있다. 분자들(355)의 디렉터들의 연속적인 평면 내 회전은 광학 이방성 필름(351)의 광학 축의 연속적인 평면 내 회전(또는 회전 패턴)을 결과할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)는, 렌즈 프로파일을 생성할 수 있는, 변조된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬되는 LC 분자들(355)을 갖는 반파장 지연기(또는 반파장판)일 수 있다. LC 분자들(355)의 디렉터들(또는 LC 분자들(355)의 방위각들(θ))은 가로 방향(예를 들면, 도 3c에서의 x축 방향)에서 렌즈 패턴 중심(OL)(360)으로부터 렌즈 주변부(365)까지 변하는 피치
Figure pct00042
를 갖는 연속적인 평면 내 회전으로 구성될 수 있다. 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)의 동일한 측면에 위치하고 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터 동일한 거리에 있는 LC 분자들(355)의 디렉터들(LC 디렉터들)의 배향들은 실질적으로 동일할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 렌즈 패턴(또는 광학 축 패턴)의 피치는 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터의 거리의 함수일 수 있다. 가로 방향(예를 들면, x축 방향)에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터의 거리가 증가함에 따라 렌즈 패턴의 피치는 단조적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 패턴 중심(OL)(360)을 포함하는 파선 직사각형(367)으로 라벨링된 영역에서의 피치는
Figure pct00043
일 수 있으며, 이는 가장 클 수 있다. 렌즈 주변부(365)(예를 들면, 도 3c에서의 우측 렌즈 주변부)를 포함하는 영역에서의 피치는
Figure pct00044
일 수 있으며, 이는
Figure pct00045
보다 작을 수 있다. 렌즈 주변부(365)(예를 들면, 도 3c에서의 좌측 렌즈 주변부)를 포함하는 영역에서의 피치는
Figure pct00046
일 수 있으며, 이는 가장 작을 수 있다, 즉,
Figure pct00047
일 수 있다.
도 3c에 도시된 광학 이방성 필름(351)에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360)은 기하학적 중심(OG)(370)과 일치하지 않을 수 있다. 그 대신에, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360)이 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 기하학적 중심(OG)(370)으로부터 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리(D)만큼 이동될 수 있다. 그에 따라, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 평면 내 기하학적 중심축(373)과 일치하지 않을 수 있다. 그 대신에, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)이 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 평면 내 기하학적 중심축(373)으로부터 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리(D)만큼 이동될 수 있다. 이동의 거리(D) 및 이동 방향은 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 초점면에서의 초점선(focal line)의 바람직한 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 초점선의 편차는 이동의 거리(D) 및 이동 방향에 의해 결정될 수 있다. 도 3c에 도시된 실시예에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 렌즈 패턴 중심(OL)(360)이 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 기하학적 중심(OG)(370)으로부터 +x 방향으로 거리(D)만큼 이동된다. 그에 따라, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300)의 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)이 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 평면 내 기하학적 중심축(373)으로부터 +x 방향으로 거리(D)만큼 이동된다. 이 이동은 예시를 위한 것이며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이 이동은 임의의 다른 적합한 방향들로 그리고 임의의 다른 적합한 거리들만큼 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 렌즈 패턴 중심(OL)(360)은 기하학적 중심(OG)(370)으로부터 -x축 방향으로 미리 결정된 거리만큼 이동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 미리 결정된 방향은 다른 방향들일 수 있다.
축외 포커싱 PBP 렌즈(350)는 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터 정반대 렌즈 주변부(365)로의 정반대 가로 방향들에서 변하는 주기성을 갖는 PBP 격자일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(350)의 렌즈 패턴의 주기(P)는 광학 이방성 필름(351)의 광학 축의 방위각(θ)이 가로 방향들에서 π만큼 변하는 거리로서 정의될 수 있다. 전체 PBP 격자에 걸친 PBP 격자의 프린지들은 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)을 중심으로 축 대칭성을 갖지 않을 수 있다. 전체 PBP 격자의 미리 결정된 영역에서의 PBP 격자의 프린지들은 렌즈 패턴 중심(OL)(360)을 중심으로 중심 대칭성을 가질 수 있다. PBP 격자의 프린지는 광학 축의 방위각(또는 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터 시작하여 국소 지점까지 광학 축의 회전각)이 동일한 국소 지점들의 세트를 지칭한다. 예를 들어, 가로 방향에서 평면 내 렌즈 패턴 중심축(363)으로부터 국소 지점까지 광학 축의 회전각이
Figure pct00048
로서 표현될 때, θ1 및 n 둘 다는 동일한 프린지 상의 국소 지점들에 대해 동일할 수 있다. 이웃하는 프린지들의 회전각들의 차이는 π이다, 즉 이웃하는 프린지들 사이의 거리는 주기(P)이다. 국소 지점들의 세트는 원통형 렌즈로서 기능하는 축외 포커싱 PBP 렌즈의 세로 방향에 평행한 동일한 선 상에 있을 수 있다.
도 3d는, 축외 포커싱 PBP 렌즈(300 또는 350)일 수 있는, 축외 포커싱 PBP 렌즈의 측면도를 예시한다. 측면도는 렌즈 패턴 중심(OL)(360) 및 기하학적 중심(OG)(370)을, 제각기, 통과하는 평면 외 렌즈 패턴 중심축(388) 및 평면 외 기하학적 중심축(399)을 도시한다. 평면 외 렌즈 패턴 중심축(388) 및 평면 외 기하학적 중심축(399)은 표면 평면(예를 들면, x-y 평면)에 수직일 수 있다. 즉, 평면 외 렌즈 패턴 중심축(388)과 평면 외 기하학적 중심축(399)은 렌즈의 z축 방향 또는 두께 방향으로 있을 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈의 경우, 렌즈 패턴 중심(OL)(360)은 기하학적 중심(OG)(370)으로부터 미리 결정된 거리(D)만큼 이동된다. 이 이동은 또한 평행한 평면 외 렌즈 패턴 중심축(388)과 평면 외 기하학적 중심축(399) 사이의 이동 또는 거리에 대응할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)에 의한 광들의 편향들을 예시한다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 도 1a 내지 도 1d 및 도 3a 내지 도 3d에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들의 실시예일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈 또는 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈(passive off-axis focusing PBP lens)일 수 있다. 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름은, 외부 필드, 예를 들면, 전계에 의해 재배향 가능하지 않을 수 있는, 광-유도된 정렬을 갖는 중합된 RM들, LC 중합체들, 또는 비정질 중합체들을 포함할 수 있다. 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈의 광학 이방성 필름은, 외부 필드, 예를 들면, 전계에 의해 재배향 가능할 수 있는, 능동 LC들을 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 위상 지연(phase retardation)은 반파 또는 홀수 개의 반파일 수 있다.
축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 미리 결정된 선회성(예를 들면, 좌선회성 또는 우선회성)을 갖는 원형 편광된 광에 대한 포커싱 상태에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 우선회성 원형 편광된(right-handed circularly polarized, "RHCP") 입사광에 대해 포커싱 상태(또는 수렴 상태)에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 축상 평행화된 RHCP 광(401)을 축외 초점(focal point)(또는 초점(focus))(Foff)에 포커싱시킬 수 있다. 축외 초점(Foff)은 미리 결정된 방향으로, 예를 들어, +x축 방향으로 거리(d)만큼 평면 외 기하학적 중심축(또는 렌즈축)으로부터 이동될 수 있다. 초점면(422)에서의 초점 이동(d)은 d=L*tan(α)로서 표현될 수 있으며, 여기서 α는 평면 외 기하학적 중심축(예를 들면, 도 4a에서의 z축)을 기준으로 축외 초점(Foff)과 렌즈 조리개의 기하학적 중심(O)을 연결시키는 선에 의해 형성되는 각도이고, L은 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 렌즈면과 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 초점면(422) 사이의 거리이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 LHCP 입사광에 대해 디포커싱 상태(또는 발산 상태)에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 축상 평행화된 LHCP 광(402)을 디포커싱(또는 발산)시킬 수 있다. 따라서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 입사광의 선회성을 스위칭시키는 것에 의해 포커싱 상태에서 작동하는 것과 디포커싱 상태에서 작동하는 것 사이에서 간접적으로 스위칭될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예들은 예시를 위한 것이다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 LHCP 입사광에 대해 포커싱 상태에서 작동하고 RHCP 입사광에 대해 디포커싱 상태에서 작동하도록 구성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 원형 편광된 입사광을 포커싱 또는 디포커싱(또는 수렴/발산)시키는 것 외에도 그를 통과하는 원형 편광된 광의 선회성을 반전시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 입사 측(light incidence side)과 광 출사 측(light exiting side)이 플리핑(flip)되도록 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)가 플리핑될 때, 동일한 선회성을 갖는 원형 편광된 입사광에 대해 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 포커싱 상태와 디포커싱 상태가 반전될 수 있다. 예를 들어, 플리핑 이후에, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 LHCP 입사광에 대해 포커싱 상태에서 작동하고 RHCP 입사광에 대해 디포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 축상 평행화된 LHCP 광(402)을 축외 초점에 포커싱시킬 수 있고 축상 평행화된 RHCP 광(401)을 디포커싱시킬 수 있다.
축상 평행화된 광을 포커싱 또는 디포커싱시키는 것 외에도, 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)는 또한 다른 특징들을 가질 수 있다. 도 4c는 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)가 초점면(411)에 위치하는 점 광원으로부터 방출되는 축상 발산광(403)을 축외 평행화된 광(404)으로 변환할 수 있다는 것을 도시한다. 도 4d는 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)가, 초점면(411)에 위치할 수 있고 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 평면 외 기하학적 중심축을 기준으로 축외 위치에 배치될 수 있는, 점 광원으로부터 방출되는 축외 발산광(405)을 축상 평행화된 광(406)으로 변환할 수 있다는 것을 도시한다. 도 4e는 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)가, 초점면(411)에 위치할 수 있고 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)의 평면 외 기하학적 중심축을 기준으로 축외 위치에 배치될 수 있는, 점 광원으로부터의 축외 발산광(407)을 축외 평행화된 광(408)으로 변환할 수 있다는 것을 도시한다. 도 4c 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 초점면(411)에서 평면 외 기하학적 중심축으로부터의 점광원의 변위는 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)를 통해 전파한 후의 평행화된 광(408)의 편향각을 변경할 수 있다. 도 4f는 축외 포커싱 PBP 렌즈(400)가 축외 평행화된 광(409)을, 축상 초점(Fon)에 수렴하는, 수렴광(410)으로서 포커싱시킬 수 있다.
본 개시내용의 실시예에 따른 축외 포커싱 PBP 렌즈는 외부 편광 스위치를 통해 축외 포커싱 PBP 렌즈의 입사광의 선회성을 변경하는 것을 통해 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이에서 간접적으로 스위칭 가능할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)의 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이의 간접적인 스위칭을 예시한다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 도 1a 내지 도 1d 및 도 3a 내지 도 4f에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들의 실시예일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(예를 들면, 능동 LC들에 기초하여 제조됨) 또는 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈(예를 들면, 비능동(non-active) LC들, 예를 들어, 반응성 메조겐("RM")에 기초하여 제조됨)일 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 편광 스위치(510)를 통해 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)의 입사광의 선회성을 변경하는 것을 통해 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 편광 스위치(510)는 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)와 광학적으로 결합될 수 있으며, 원형 편광된 광이 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)에 입사하기 전에 원형 편광된 광의 선회성을 제어하도록 구성될 수 있다. 편광 스위치(510)는 임의의 적합한 편광 회전기(polarization rotator)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 스위치(510)는 작동 상태(예를 들면, 스위칭 상태(switching state) 또는 비스위칭 상태(non-switching state))에서 원형 편광된 광을 투과시키도록 구성된 스위칭 가능한 반파장판(switchable half-wave plate, "SHWP")(515)을 포함할 수 있다. 스위칭 상태에서 작동하는 SHWP(515)는 원형 편광된 입사광의 선회성을 반전시킬 수 있고, 비스위칭 상태에서 작동하는 SHWP(515)는 선회성에 영향을 주지 않으면서 원형 편광된 입사광을 투과시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 RHCP 입사광에 대해 포커싱 상태에서 작동할 수 있고, LHCP 입사광에 대해 디포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 따라서, SHWP(515)는 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)에 입사하는 원형 편광된 광의 선회성을 제어하는 것에 의해 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)의 광학 상태(포커싱 또는 디포커싱 상태)를 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, SHWP(515)는 LC 층을 포함할 수 있다. SHWP(515)의 작동 상태(스위칭 또는 비스위칭 상태)는 LC 층에 인가되는 외부 전계를 제어하는 것에 의해 제어 가능할 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 비스위칭 상태에서 작동하는 SHWP(515)는 선회성에 영향을 미치지 않으면서 RHCP 광(502)을 투과시킬 수 있고, 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)를 향하여 RHCP 광(504)을 출력할 수 있다. 그에 따라, 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 RHCP 광(504)에 대해 포커싱 상태에서 작동하고, 수렴하는 LHCP 광(506)을 출력할 수 있다. RHCP 광(504)이 축상 평행화된 RHCP 광일 때, RHCP 광(504)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)에 의해 축외 초점에 포커싱될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 스위칭 상태에서 작동하는 SHWP(515)는 원형 편광된 입사광의 선회성을 반전시킬 수 있다. 따라서, SHWP(515)에 입사하는 축상 평행화된 RHCP 광(502)은 축상 평행화된 LHCP 광(508)으로서 투과될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(500)는 축상 평행화된 LHCP 광(508)에 대해 디포커싱 상태에서 작동할 수 있고, 발산 RHCP 광(512)을 출력할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 축외 포커싱 PBP 렌즈는 축외 포커싱 PBP 렌즈에 입사하는 원형 편광된 광의 선회성 및 축외 포커싱 PBP 렌즈에서의 LC 디렉터들의 회전의 선회성에 따라 포커싱 또는 디포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 입사광에 양의(또는 음의) 굴절력이 제공되는 포커싱 상태(또는 디포커싱 상태)와 입사광에 실질적으로 0인 굴절력이 제공되는 중립 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 논의를 위해, 도 6a 및 도 6b는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)의 포커싱 상태와 중립 상태 사이의 스위칭을 예시한다. 디포커싱 상태와 중립 상태 사이의 스위칭은 도시되어 있지 않지만, 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)의 입사광의 선회성이 반대 선회성으로 스위칭될 때 도 6a에서 디포커싱 상태가 실현될 수 있다는 것이 이해된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 능동 네마틱(active nematic) LC들을 포함하는 광학 이방성 필름(610)을 가질 수 있다. 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 광학 이방성 필름(610)의 2 개의 측면에 배치되는 2 개의 기판(611 및 612)을 포함할 수 있다. 기판들(611 및 612)은 각각 전극(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 기판들(611 및 612) 중 적어도 하나에는 렌즈 패턴(도시되지 않음)을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 PAM 층이 제공될 수 있다. 전극들의 구성의 실시예는 도 1c에 도시되어 있다. 광학 이방성 필름(610) 양단에 전압을 공급함으로써 기판들(611, 612)에 수직인 (예를 들면, z축에서의) 수직 전계를 생성하기 위해, 전원(620)이 기판들(611 및 612)에 포함된 전극들과 전기적으로 결합될 수 있다.
전압 오프 상태에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 광학 이방성 필름(610) 내의 LC 분자들(605)은, 입사광에 굴절력을 제공하기 위해(즉, 입사광을 포커싱 또는 디포커싱시키기 위해), 패터닝된 LC 정렬로 정렬될 수 있다. 도 6a에 도시된 예에서, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 RHCP 광(602)에 대해 포커싱 상태에서 작동할 수 있고, RHCP 광(602)을 LHCP 광(604)으로서 수렴시킬 수 있다. 예를 들어, RHCP 광(602)이 축상 평행화된 RHCP 광일 때, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 축상 평행화된 RHCP 광을 축외 초점에 포커싱시킬 수 있다.
전압 온 상태에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 기판들(611 및 612)에 수직인 수직 전계(예를 들면, z축에서의 전계)가 제1 및 제2 기판들(611 및 612)에 개별적으로 배치되는 전극들에 인가되는 전압을 통해 광학 이방성 필름(610)에 생성될 수 있다. LC 분자들(605)은 수직 전계의 방향(예를 들면, z축)을 따라 재배향될 수 있다. 논의를 위해, 도 6a 및 도 6b는 능동 네마틱 LC들이 양의 유전율 이방성(positive dielectric anisotropy)을 갖는다는 것을 보여준다. LC 분자들(605)은 수직 전계가 충분히 강할 때 기판들(611 및 612)에 대해 수직인 경향이 있을 수 있다. 즉, LC 분자들(605)은 호메오트로픽 상태(homeotropic state)에 있도록 재배향될 수 있다. 따라서, 광학 이방성 필름(610)은 입사광에 대해 광학 등방성 매질로서 작동할 수 있다. 그에 따라, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 중립 상태에서 작동할 수 있고, 들어오는 광의 전파 방향, 파면 및 편광 선회성에 무시해도 될 정도로 영향을 미치거나 영향을 미치지 않을 수 있다. 즉, 원형 편광된 입사광에 대해, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)는 실질적으로 동일한 전파 방향, 파면 및 편광 선회성을 갖는 원형 편광된 광을 출력할 수 있다. 예를 들어, 도 6b에 도시된 바와 같이, 중립 상태에서 작동하는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)에 입사하는 축상 평행화된 RHCP 광(602)은 실질적으로 동일한 축상 평행화된 RHCP 광(606)으로서 출력될 수 있다. 즉, 광학 이방성 필름(610) 내의 LC 분자들(605)은 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(600)의 굴절력을 스위치 오프(switch off)시키기 위해 (전계에 의해) 평면 외 회전될 수 있다. 여기서, "평면 외" 회전은 광학 이방성 필름(610)의 표면에 수직인(또는 기판들(611, 612)에 수직인) 평면에서의 LC 디렉터들의 회전을 지칭한다. 도 6b에 도시된 예에서, 평면 외는, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 x-y 평면에 수직인, x-z 평면을 지칭한다.
일부 실시예들에서, 실질적으로 0인 굴절력을 갖는 중립 상태에서 작동하는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 또한 투과광의 선회성에 영향을 미칠 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 양의 굴절력을 갖는 포커싱 상태와 실질적으로 0인 굴절력을 갖는 중립 상태 사이의 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)의 스위칭을 예시한다. 디포커싱 상태와 중립 상태 사이의 스위칭은 도시되어 있지 않지만, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)의 입사광의 선회성이 반대 선회성으로 스위칭될 때 디포커싱 상태가 실현될 수 있다는 것이 이해된다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)는 능동 네마틱 LC들을 포함하는 광학 이방성 필름(710)을 가질 수 있다. 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)는 광학 이방성 필름(710)의 2 개의 측면에 배치되는 제1 및 제2 기판들(711 및 712)을 포함할 수 있다. 전극들(도시되지 않음)은 제1 및 제2 기판들(711 및 712) 중 하나에 배치될 수 있다. 기판들(711 및 712) 중 적어도 하나에는 렌즈 패턴(도시되지 않음)을 제공하기 위해 평면 내 패터닝되는 PAM 층이 제공될 수 있다. 예시를 위해, 전극들은 제1 기판(711)에 배치되는 것으로 가정된다. 하나의 기판에 배치되는 전극들의 구성의 실시예는 도 1d에 도시되어 있다. 광학 이방성 필름(710)의 x축 방향으로 수평 전계를 생성하기 위한 전압을 공급하기 위해, 전원(720)이 제1 기판(711)과 전기적으로 결합될 수 있다.
전압 오프 상태에서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 광학 이방성 필름(710) 내의 LC 분자들(705)은 굴절력을 제공하기 위해 평면 패터닝된 LC 정렬(planar patterned LC alignment)로 정렬될 수 있다(LC 분자들(705)은, 0도를 포함하여, 15도 미만의 프리틸트 각을 가질 수 있음). 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)는 RHCP 광(702)에 대해 포커싱 상태에서 작동할 수 있고, RHCP 광(702)을 LHCP 광(704)으로서 수렴시킬 수 있다. 예를 들어, RHCP 광(702)이 축상 평행화된 RHCP 광일 때, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)는 축상 평행화된 RHCP 광을 축외 초점에 포커싱시킬 수 있다.
전압 온 상태에서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 동일한 기판(예를 들면, 제1 기판(711))에 배치되는 전극들에 의해 광학 이방성 필름(710)에 수평 전계가 생성될 수 있다. 수평 전계를 생성하기 위한 전극들의 구성은 "IPS"(in-plane switching) 전극들 또는 "FFS"(fringe-field switching) 전극들을 포함할 수 있다. 논의를 위해, 도 7a 및 도 7b는 양의 유전율 이방성을 갖는 능동 네마틱 LC들을 도시한다. LC 분자들(705)은 수평 전계의 방향을 따라 재배향될 수 있으며, 광학 이방성 필름(710)은 수평 전계가 충분히 강할 때 광학 일축성 필름(optical uniaxial film)으로서 기능할 수 있다. 그 결과, 굴절력을 제공하도록 구성된 패터닝된 LC 정렬(도 7a에 도시됨)은 굴절력을 제공하지 않거나 무시해도 될 정도의 굴절력을 제공하는 균일한 일축성 평면 구조(도 7b에 도시됨)로 변환될 수 있다. PBP 렌즈(700)의 위상 지연이 반파 또는 홀수 개의 반파이므로, 광학 이방성 필름(710)은 반파장판으로서 기능할 수 있다. 따라서, 중립 상태에서 작동하는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)는 광을 포커싱(또는 디포커싱)시키지 않으면서 반파장판을 통해 투과되는 광의 선회성을 반전시킬 수 있다. 예를 들어, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전압 온 상태에서 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)에 입사하는 축상 평행화된 RHCP 광(702)은 그를 통해 축상 평행화된 LHCP 광(706)으로서 투과될 수 있다. 즉, LC 분자들(705)은 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈(700)의 굴절력을 스위치 오프시키기 위해 전계에 의해 평면 내 회전될 수 있다. 그를 통해 투과되는 광의 선회성이 반전될 수 있다.
논의를 위해, 도 6a 및 도 6b와 도 7a 및 도 7b는 양의 유전율 이방성을 갖는 능동 네마틱 LC들(예를 들면, 포지티브 LC들)을 포함하는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈들의 스위칭을 도시한다. 일부 실시예들에서, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는, PBP 렌즈를 활성화시키기 위해 수직 전계를 인가하는 것에 의해 재배향 가능할 수 있는, 음의 유전율 이방성을 갖는 능동 네마틱 LC들(예를 들면, 네거티브 LC들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전압 오프 상태에서, 광학 이방성 필름 내의 네거티브 LC들은 호메오트로픽 상태에 있도록 구성될 수 있고, 광학 이방성 필름은 수직으로 들어오는 광에 대해 광학 등방성 매질로서 작동할 수 있다. 그에 따라, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 중립 상태에서 작동할 수 있고, 들어오는 광의 전파 방향, 파면 및 편광 선회성에 무시해도 될 정도로 영향을 미칠 수 있거나 영향을 미치지 않을 수 있다. (기판들에 수직인) 인가된 수직 전계가 충분히 강할 때, 네거티브 LC들의 디렉터들은 기판에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 즉, 네거티브 LC들은 PAM 층의 패턴들에 따라 패터닝된 LC 정렬을 갖는 평면 상태에 있도록 재배향될 수 있다. 그에 따라, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 포커싱 상태 또는 디포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 음의 유전율 이방성을 갖는 능동 네마틱 LC들(예를 들면, 네거티브 LC들)을 포함할 수 있다. 음의 유전율 이방성을 갖는 능동 네마틱 LC들은 PBP 렌즈를 비활성화시키기 위해 수평 전계를 인가하는 것에 의해 재배향 가능할 수 있다. 예를 들어, 전압 오프 상태에서, 광학 이방성 필름 내의 네거티브 LC들은 굴절력을 제공하기 위해 평면 LC 정렬 패턴으로 정렬될 수 있다. 인가된 수평 전계가 충분히 강할 때, 네거티브 LC들은 수평 전계의 방향에 수직인 방향으로 평면 내 재배향될 수 있다. 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈는 중립 상태에서 작동할 수 있다. 중립 상태에서, 광학 이방성 필름은 광학 일축성 필름으로서 기능할 수 있다. PBP 렌즈의 위상 지연이 반파 또는 홀수 개의 반파이므로, 광학 이방성 필름은 반파장판으로서 기능할 수 있다.
본 개시내용은 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 스택을 추가로 제공한다. 복수의 렌즈들은 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈 스택에 포함된 렌즈들 전부는 축외 포커싱 PBP 렌즈들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈 스택은 적어도 하나의 축상 포커싱 PBP 렌즈와 적어도 하나의 축외 포커싱 PBP 렌즈의 조합을 포함할 수 있다. 도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른, 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택(800)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 렌즈 스택(800)은 광학 시리즈로 배열되는 복수의 렌즈들(805)(예를 들면, 805a, 805b 및 805c)을 포함할 수 있다. 복수의 렌즈들(805)은 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 수 있고, 이들 각각은 도 1a 내지 도 1d 및 도 3a 내지 도 7b와 관련하여 위에서 설명된 축외 포커싱 PBP 렌즈들의 실시예일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 복수의 렌즈들(805)은 하나 이상의 축상 포커싱 PBP 렌즈를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈들(805a, 805b, 및 805c) 중 하나 이상은 축상 포커싱 PBP 렌즈일 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 렌즈들(805)은, 하나 이상의 종래의 렌즈, 예를 들면, 하나 이상의 유리 렌즈와 같은, 하나 이상의 다른 유형의 적합한 렌즈들을 또한 포함할 수 있다.
복수의 렌즈들(805)은 복수의 광학 상태들을 제공할 수 있다. 복수의 광학 상태들은 렌즈 스택(800)에 대한 일정 범위의 굴절력 조정들 및 일정 범위의 빔 편차 조정들을 제공할 수 있다. 렌즈 스택(800)의 굴절력(P)은 P=1/f(단위: 디옵터(diopter))에 의해 계산될 수 있으며, 여기서 f는 렌즈 스택(800)의 초점 거리이다. 렌즈 스택(800)의 굴절력(P)은 렌즈 스택(800)에 포함된 각자의 렌즈들(805)의 굴절력들의 합일 수 있다. 각자의 렌즈들(805)의 굴절력들은 양이거나, 음이거나, 0일 수 있다. 결과적인 빔 편차들은 각자의 렌즈들(805)에서의 구조적 중심의 이동(또는 구조적 중심 이동) 및 렌즈들(805) 사이의 상대 배향들에 의존할 수 있다. 예를 들어, 구조적 중심이 렌즈들(805)에 의해 x축에서 이동될 때, 결과적인 구조적 중심 이동은 x축에 있을 수 있다. 렌즈 스택(800)의 구조적 중심 이동은 렌즈 스택(800)에 포함된 렌즈들(805)의 구조적 중심 이동들의 합일 수 있다. 렌즈들(805) 각각의 구조적 중심 이동은 양이거나, 음이거나, 0일 수 있다. 예를 들어, 렌즈 조리개 중심에 대해 +x축에서의 구조적 중심 이동은 양의 구조적 중심 이동으로서 정의될 수 있고, 렌즈 조리개 중심에 대해 -x축에서의 구조적 중심 이동은 음의 렌즈 조리개 중심 이동으로서 정의될 수 있다.
일부 실시예들에서, 렌즈 스택(800)은 포커싱 상태(또는 디포커싱 상태)와 중립 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 포커싱된 빔의 초점 거리 및 편향각(또는 포커싱된 빔의 빔 편차)는 조정 가능할 수 있다. 그에 따라, 포커싱을 통한 2D 및 3D 빔 스티어링이 구현될 수 있다. 초점의 3D 포지셔닝(3D positioning)은, 예를 들어, 감광성 재료들에 직접 3D 광학 기록(direct 3D optical recording)을 하는 데 유용할 수 있다. 도 6a 내지 도 7b에 설명된 바와 같이, 스위칭 가능한 렌즈 스택(800)은, 전계에 의해 포커싱 상태(또는 디포커싱 상태)와 중립 상태 사이에서 직접 스위칭 가능할 수 있는, 하나 이상의 능동 PBP 렌즈를 포함할 수 있다. 하나 이상의 능동 PBP 렌즈는 축상 포커싱 PBP 렌즈 또는 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 렌즈 스택(800)은 PBP 렌즈에 인접하게 배열되는 적어도 하나의 SHWP를 포함할 수 있다. 예시를 위해, 도 8은 렌즈 스택(800)이 교대로 배열되는 복수의 SHWP들(810)(예를 들면, 3 개의 SHWP(810a, 810b, 및 810c))과 복수의 PBP 렌즈들(805)(예를 들면, 3 개의 PBP 렌즈(805a, 805b, 및 805c))을 포함할 수 있다는 것을 보여준다. 도 5a 및 도 5b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, SHWP(810)는 SHWP의 작동 상태에 따라 편광된 광의 선회성을 반전시키거나 유지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈들(805)은, PBP 렌즈(805)에 입사하는 원형 편광된 광의 선회성, PBP 렌즈(805)에서의 LC 디렉터 회전의 선회성, 및 인가된 전압에 따라 굴절력(0 또는 0이 아닌 굴절력)을 제공할 수 있는, 하나 이상의 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 수 있다. 개별 PBP 렌즈(805)(예를 들면, 805a, 805b, 또는 805c)의 두께는 1 내지 10 미크론일 수 있으며, 이는 기판의 두께와 비교할 때 무시해도 될 정도일 수 있다. 따라서, 렌즈 스택(800)의 전체 두께는 실질적으로 유리 또는 플라스틱 기판(들)의 두께에 의해 결정될 수 있다. 렌즈 스택(800)의 전체 두께는, 예를 들어, 1 내지 10 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 렌즈 스택(800)은 PBP 렌즈들을 물리적으로 틸팅시키지 않으면서 축외 포커싱 능력을 제공할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈에 기초하여 제조되는 렌즈 스택(800)은 렌즈 스택(800)을 포함하는 광학 시스템의 폼 팩터를 상당히 감소시키는 소형성을 가질 수 있다. 3 개의 렌즈(805a, 805b, 및 805c) 및 3 개의 SHWP(810a, 810b, 및 810c)가 예시를 위해 도 8에 도시되어 있지만, 렌즈 스택(800)은, 1 개, 2 개, 4 개, 5 개 등과 같은, 임의의 적합한 수의 렌즈들(임의의 적합한 수의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들을 포함함) 및, 1 개, 2 개, 4 개, 5 개 등과 같은, 임의의 적합한 수의 SHWP들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 렌즈 스택(805)은, PBP 렌즈(805)에 입사하는 원형 편광된 광의 선회성 및 PBP 렌즈(805)에서의 LC 디렉터 회전의 선회성에 따라 굴절력(0 또는 0이 아닌 굴절력)을 제공할 수 있는, 하나 이상의 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 대응하는 축외 포커싱 PBP 렌즈(805)와 결합되는 적어도 하나의 SHWP(810)의 작동 상태(스위칭 또는 비스위칭 상태)를 제어하는 것을 통해, 렌즈 스택(800)은 복수의 광학 상태들을 제공할 수 있다. 복수의 광학 상태들은 입사광에 대한 일정 범위의 굴절력 조정들 및 일정 범위의 빔 편차 조정들을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, 렌즈 스택(800)는 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈들 및 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈들 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 대응하는 수동 축외 포커싱 PBP 렌즈와 결합되는 적어도 하나의 SHWP(810)의 작동 상태(스위칭 또는 비스위칭 상태)를 제어하는 것, 및 대응하는 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈와 결합되는 적어도 하나의 SHWP(810)의 작동 상태(스위칭 또는 비스위칭 상태) 및 능동 축외 포커싱 PBP 렌즈의 인가 전압를 제어하는 것을 통해, 렌즈 스택(800)은 복수의 광학 상태들을 제공할 수 있다. 복수의 광학 상태들은 입사광에 대한 일정 범위의 굴절력 조정들 및 일정 범위의 빔 편차 조정들을 제공할 수 있다.
개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 및 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택은 편평성, 소형성, 작은 중량, 얇은 두께, 높은 효율, 높은 구경비, 유연한 설계, 간단한 제조, 및 낮은 비용 등과 같은 특징들을 포함할 수 있다. 따라서, 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 및 렌즈 스택은 휴대용 또는 웨어러블 광학 디바이스들 및 시스템들과 같은 다양한 응용 분야들에서 구현될 수 있다. 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 및 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택은 소형 폼 팩터, 소형성 및 가벼운 중량을 유지하면서 복잡한 광학 기능들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들 및/또는 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택은 근안 디스플레이(near-eye display, "NED")에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들 및/또는 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택은 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 컴포넌트들, 디스플레이 컴포넌트들, 인간의 눈의 이향운동 조절(vergence-accommodation) 등을 위한 적응적 광학 컴포넌트들에서 구현될 수 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 근안 디스플레이("NED")(900)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, NED(900)는 프레임(905), 프레임(905)에 장착된 우안 디스플레이 시스템(910R) 및 좌안 디스플레이 시스템(910L), 및 물체 추적(예를 들면, 눈 추적) 시스템(도 11a에 도시된 실시예)을 포함할 수 있다. 프레임(905)은 사용자에게 미디어 콘텐츠를 함께 디스플레이하는 하나 이상의 광학 요소에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프레임(905)은 안경(eye-wear glasses)의 프레임을 나타낼 수 있다. 우안 및 좌안 디스플레이 시스템들(910R 및 910L) 각각은 컴퓨터 생성 가상 이미지들을 사용자의 시야("FOV") 내의 우측 디스플레이 창 및 좌측 디스플레이 창에 투사하도록 구성된 이미지 디스플레이 컴포넌트를 포함할 수 있다.
NED(900)는 가상 현실("VR") 디바이스, 증강 현실("AR") 디바이스, 혼합 현실("MR") 디바이스 또는 이들의 조합으로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, NED(900)가 AR 및/또는 MR 디바이스로서 기능할 때, 우측 및 좌측 디스플레이 창들은 사용자에게 주변 실세계 환경의 뷰를 제공하기 위해 실세계 환경으로부터의 광에 대해 적어도 부분적으로 투명할 수 있다. 일부 실시예들에서, NED(900)가 VR 디바이스로서 기능할 때, 사용자가 NED(900)를 통해 제공되는 VR 이미지에 몰입할 수 있도록, 좌측 및 우측 디스플레이 창들이 불투명할 수 있다. 일부 실시예들에서, NED(900)는 조광 요소(dimming element)를 더 포함할 수 있으며, 이 조광 요소는 조광 요소를 통해 투과되는 실제 세계 광들의 투과율을 동적으로 조정할 수 있고, 이에 의해 NED(900)를 VR 디바이스로서 기능하는 것과 AR 디바이스로서 기능하는 것 사이에서 또는 VR 디바이스로서 기능하는 것과 MR 디바이스로서 기능하는 것 사이에서 스위칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, AR 또는 MR 디바이스로서 기능하는 것과 VR 디바이스로서 기능하는 것 사이의 스위칭과 함께, 조광 요소는 실제 이미지 광들과 가상 이미지 광들의 밝기 차이들을 완화시키기 위해 AR 디바이스에서 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, NED(900)는 우측 및 좌측 디스플레이 시스템들(910R 및 910L)과 눈(920) 사이에 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 이 광학 요소들은 좌측 및 우측 디스플레이 시스템들(910R 및 910L)로부터 방출되는 이미지 광에서의 수차들을 보정하거나, 좌측 및 우측 디스플레이 시스템(910R 및 910L)으로부터 방출되는 이미지 광을 확대하거나, 좌측 및 우측 디스플레이 시스템(910R 및 910L)으로부터 방출되는 이미지 광의 다른 광학적 조정들을 수행하도록 구성될 수 있다. 광학 요소들의 예들은 조리개, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 편광기, 또는 이미지 광에 영향을 미치는 임의의 다른 적합한 광학 요소를 포함할 수 있다. 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들 또는 렌즈 스택들 중 하나 이상을 포함하는 예시적인 우측 및 좌측 디스플레이 시스템들(910R 및 910L)이 도 10 및 도 12를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 10은 사용자의 좌안(1040)을 마주하는, 도 9에 도시된 NED(900)의 좌측 절반의 단면을 예시한다. 좌안 디스플레이 시스템(910L)은 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 및/또는 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 각각 포함하는 하나 이상의 개시된 렌즈 스택을 포함할 수 있다. 도 10은 축외 포커싱 PBP 렌즈가 NED의 레이저 빔 스캐닝 프로젝터에 구현될 수 있다는 것을 도시한다. 일부 실시예들에서, 좌안 디스플레이 시스템(910L)은 프레임(905)의 좌측 부분에 장착되는 디스플레이 어셈블리(930) 및 광학 결합기(1010)를 포함할 수 있다. 사용자의 우안의 출사동(exit pupil)에 위치하는 아이 박스(eye-box)에 이미지 광을 제공하기 위해, 유사한 디스플레이 어셈블리(930) 및 유사한 광학 결합기(1010)가 프레임(905)의 우측 부분에 별개로 배치될 수 있다는 것이 이해된다.
도 10에 도시된 디스플레이 어셈블리(930)는 광원(1020), 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 광학 요소(1045)(따라서 광학 요소(1045)는 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)라고도 지칭될 수 있음), 및 "MEMS"(micro-electromechanical system)(1050)를 포함할 수 있다. 디스플레이 어셈블리(930)는, 본 개시내용에 의해 제한되지 않는, 다른 요소들을 포함할 수 있다. 광원(1020)은 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 광원(1020)으로부터 수신되는 이미지 광을 평행화 및 편향시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 축외 평행화된 이미지 광을 MEMS(1050)를 향하여 출력하도록 구성될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들 중 임의의 것의 실시예일 수 있다. 일부 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 개시된 렌즈 스택으로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, MEMS(1050)는 1차원으로 또는 2차원으로 광을 스티어링하도록 구성된 전기적으로 회전 가능한 미러들을 포함할 수 있다. MEMS(1050)는 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)로부터 수신되는 이미지 광을 광학 결합기(1010)로 방향 전환시키도록 구성될 수 있다. MEMS(1050)는 빔 스티어링 디바이스의 예일 수 있다. 일부 실시예들에서, MEMS(1050)는 다른 적합한 빔 스티어링 디바이스로 대체될 수 있다. 광학 결합기(1010)는 MEMS(1050)로부터 수신되는 이미지 광을 NED(900)의 아이 박스로 방향 전환시키도록 구성될 수 있다.
NED(900)는 제어기(990)를 포함할 수 있다. 제어기(990)는 프로세서(991), 메모리(991) 및 입출력 디바이스(예를 들면, 통신 디바이스)(993)를 포함할 수 있다. 프로세서(991)는, 중앙 프로세싱 유닛("CPU"), 그래픽 프로세싱 유닛("GPU") 등과 같은, 컴퓨팅 능력으로 구성된 임의의 적합한 프로세서일 수 있다. 메모리(991)는, 판독 전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 플래시 메모리 등과 같은, 임의의 적합한 메모리일 수 있다. 입출력 디바이스(993)는 데이터를 외부 디바이스로 출력하거나 외부 디바이스로부터 수신하도록 구성된 임의의 적합한 입출력 인터페이스 또는 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서 입출력 디바이스(993)는, WiFi 모듈, 블루투스 모듈 등과 같은, 유선 및/또는 무선 통신을 위해 구성된 통신 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(990)는 NED(900)에 포함되지 않을 수 있다. 그 대신에, 제어기(990)는 NED(900)와 통신 가능하게 결합된 원격 제어기일 수 있다. 논의를 위해, 제어기(990)는 NED(900)에 포함된 것으로 가정된다. 제어기(990)는 NED(900)에 포함된 다양한 디바이스들과 통신 가능하게 연결될 수 있으며, 디바이스들의 동작들을 제어하거나 디바이스들로부터 정보를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(990)는 광원(1020) 및 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045) 및/또는 MEMS(1050)를 제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 디스플레이 어셈블리(930)는 레이저 빔 스캐닝 프로젝터일 수 있다. 광원(1020)은 좁은 방출 스펙트럼을 갖는 이미지 광(1022), 예를 들면, 광 빔(1022)을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(1020)은 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드 또는 "VCSEL"(vertical cavity surface emitting laser) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광 빔(1022)은 광원(1020)에 따라 발산 정도(divergence degree)가 달라지는 발산 축상 레이저 빔(diverging on-axis laser beam)일 수 있다. 광원(1020)은 광학 결합기(1010)에 대해 축외 위치에 배치될 수 있다. 디스플레이 어셈블리(930)는 광원(1020)으로부터 수신되는 광 빔(1022)을 컨디셔닝하도록 구성된 하나 이상의 광학 요소(축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)를 포함함)를 포함할 수 있다. 광 빔(1022)을 컨디셔닝하는 것은, 예를 들면, 광 빔(1022)을 전송하는 것, 감쇠시키는 것, 확장시키는 것, 평행화하는 것, 편광시키는 것, 및/또는 광 빔(1022)의 배향을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 광학 결합기(1010)에 대해 축외 위치에 배치될 수 있다. 광원(1020)은 관심 파장 또는 관심 파장 범위를 위해 구성된 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)의 평면 외 기하학적 중심축과 초점면의 교점에 배치될 수 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 광 빔(1022)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)의 평면 외 기하학적 중심축에 대해 축상 레이저 빔일 수 있고, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 MEMS(1050)를 향하여 광원(1020)으로부터 방출되는 광 빔(1022)을 평행화 및 편향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 빔(1022)은 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광 빔일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 빔(1022)은 선형 편광된 광 빔일 수 있다. 디스플레이 어셈블리(930)는 선형 편광된 광 빔(1022)을 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광 빔으로 변환하기 위해 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)와 광원(1020) 사이에 배치되는 1/4 파장판(quarter-wave plate)(도 10에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 빔(1022)은 편광되지 않은 광 빔일 수 있다. 디스플레이 어셈블리(930)는 광 빔(1022)을 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광 빔으로 변환하기 위해 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)와 광원(1020) 사이에 배치되는 적합한 광학 요소(예를 들면, 원형 편광된기) 또는 광학 요소들의 적합한 조합(예를 들면, 선형 편광기와 1/4 파장판의 조합)을 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광 빔을 평행화된 광 빔(1024)(반대 선회성을 갖는 원형 편광된 광 빔일 수 있음)으로 변환할 수 있고, 평행화된 광 빔(1024)을 MEMS(1050)를 향하여 지향시킬 수 있다. 평행화된 광 빔(1024)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)의 평면 외 기하학적 중심축에 대해 축외 평행화된 광 빔(1024)일 수 있다.
MEMS(1050)는 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)와 광학 결합기(1010) 사이에 배치될 수 있다. MEMS(1050)는, 광학 결합기(1010)에 걸쳐 광 빔(1026)을 스캔하도록, 광 빔(1026)을 스티어링하기 위해 회전 가능한 전기적으로 회전 가능한 미러들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 빔(1026)의 각각의 스캔된 각도는 이미지의 포인트(픽셀)에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1020)은 단일 조명기, 예를 들면, 단일 레이저 다이오드 또는 단일 VCSEL을 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 축상 발산광 빔(1022)을 축외 평행화된 광 빔(1024)으로 변환하는 구면 렌즈로서 기능할 수 있다. MEMS(1050)는 광 빔(1026)을 광학 결합기(1010)에 걸쳐 2차원으로 스티어링하도록 구성된 2차원("2D") 스캐닝 MEMS일 수 있다. 따라서, 광 빔(1026)은 2D 이미지를 제공하기 위해 광학 결합기(1010)에 걸쳐 MEMS(1050)에 의해 2차원으로 스캔될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1020)은 조명기들의 1차원("1D") 어레이, 예를 들면, 마이크로 레이저들 또는 마이크로 LED들의 1D 어레이를 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 원통형 축외 포커싱 PBP 렌즈 또는 1D 축외 포커싱 PBP 렌즈 어레이로서 기능할 수 있다. MEMS(1050)는 광학 결합기(1010)에 걸쳐 1차원으로 광 빔(1026)을 스티어링하도록 구성된 1차원("1D") 스캐닝 MEMS일 수 있다. 따라서, 광 빔(1026)은 2D 이미지를 제공하기 위해 광학 결합기(1010)에 걸쳐 1차원으로 MEMS(1050)에 의해 스캔될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는 사용자의 눈(1040)을 마주하는 기판(1015)에 배치될 수 있다. 기판(1015)은 가시 대역(예를 들면, 약 380 nm 내지 약 700 nm)의 적어도 일 부분에서 투명할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010) 및 기판(1015)은 단안(monocular) 또는 양안(binocular) NED에서 아이피스(eyepiece)로서 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는, 사용자의 눈(1040)이 가상 이미지를 관찰할 수 있도록, MEMS(1050)로부터 수신되는 광 빔(1026)을 NED(900)의 아이 박스로 지향시키도록 구성될 수 있다. AR 응용 분야들을 위해 구성될 때, 광학 결합기(1010)는 가상 이미지를 형성하는 광 빔(1026)과 실제 세계 환경으로부터의 광을 결합시키고, 결합된 광들을 NED(900)의 아이 박스를 향하여 지향시킬 수 있다. 그에 따라, 사용자는 실제 세계 물체들의 뷰와 광학적으로 결합되는 가상 이미지(예를 들면, 사용자의 실제 세계 장면 뷰에 중첩(superimpose)되는 가상 이미지)를 관찰할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는, 사용자의 눈(1040)이 가상 이미지를 관찰할 수 있도록, 광학 결합기(1010)에 걸쳐 스캔되는 광 빔(1026)을 NED(900)의 아이 박스로 지향시키도록 구성될 수 있다. 광학 결합기(1010)는 임의의 적합한 광학 결합기일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는 홀로그래픽 광학 요소(holographic optical element, "HOE")를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, HOE는 광학 결합기(1010)에 걸쳐 스캔되는 광 빔(1026)을 눈(1040)으로 방향 전환시키도록 구성된 하나 이상의 다중 반사 브래그 격자(multiplexed reflective Bragg grating)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 브래그 격자들은 강하게 파장 선택적(strongly wavelength selective)일 수 있고, 광원(1020)은 좁은 방출 스펙트럼을 갖는 이미지 광, 예를 들면, 레이저 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 개시된 실시예들에서, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1045)는 NED(900)의 보다 콤팩트한 설계를 가능하게 할 수 있다. NED(900)가 사용자의 머리에 안경(eyewear)으로서 착용될 때 보다 콤팩트한 설계가 바람직할 수 있다. 축외 설계는 머리의 형상 및 종래의 안경의 형상에 보다 가깝게 순응하는 광학 경로를 제공한다. 따라서, 축외 설계는 NED(900)가 종래의 축상 설계보다 더 작은 폼 팩터를 가질 수 있게 한다.
개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 도 10에 도시된 레이저 빔 스캐닝 프로젝터에서 사용하는 것은 예시를 위한 것이다. 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 사용한 광 빔 스캐닝 원리는 상이한 광원들, 예를 들면, 다이오드 레이저들, "VCSEL"(vertical cavity surface emitting laser)들, "SLED"(super-luminescent light-emitting diode)들, "OLED"(organic light-emitting diode)들, "LED"(light-emitting diode)들, 마이크로 LED들이 사용될 수 있는 도파관 디스플레이들로 확장될 수 있다. 일부 실시예들에서, ("빔"으로 간주될 수 있는) 보다 높은 강도 및 보다 작은 방출 입체각을 제공하는 광원들, 예를 들면, 다이오드 레이저들, VCSEL들, SLED들이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은, 관심 파장 또는 관심 파장 범위를 위해 구성된 축외 포커싱 PBP 렌즈의 평면 외 기하학적 중심축과 초점면의 교점에 실질적으로 배치될 수 있는, 실질적인 점광원일 수 있다.
일부 실시예들에서, 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 또는 렌즈 스택은, "LCoS"(liquid-crystal-on-silicon) 프로젝터 시스템, "DLP"(digital light processing) 프로젝터 시스템, 또는 "LCD"(liquid crystal display) 프로젝터 시스템 등과 같은, 다른 유형들의 프로젝션 디스플레이 시스템들에서 폼 팩터를 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1020)은, "LCD"(liquid crystal display) 패널, "LCoS"(liquid-crystal-on-silicon) 디스플레이 패널, "LED"(light-emitting diode) 디스플레이 패널, "OLED"(organic light-emitting diode) 디스플레이 패널, "마이크로 LED"(micro light-emitting diode) 디스플레이 패널, "DLP"(digital light processing) 디스플레이 패널, 또는 이들의 조합과 같은, 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1020)은, OLED 디스플레이 패널 또는 마이크로 LED 디스플레이 패널과 같은, 자발광 패널(self-emissive panel)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1020)은, LCD 패널, LCoS 디스플레이 패널 또는 DLP 디스플레이 패널과 같은, 외부 소스에 의해 조명되는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 외부 소스의 예는 마이크로 LED, LED, OLED 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 HOE를 포함하는 광학 결합기(1010)는 예시를 위한 것이다. 일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는 인-커플링 회절 요소(in-coupling diffractive element) 및 아웃-커플링 회절 요소(out-coupling diffractive element)와 결합되는 도파관을 포함하는 회절 도파관 결합기를 포함할 수 있다. 인-커플링 회절 요소는 이미지 프로젝터로부터 수신되는 이미지 광을 회절을 통해 도파관에 결합시키도록 구성될 수 있고, 아웃-커플링 회절 요소는 회절을 통해 도파관 외부의 이미지 광을 아이 박스를 향하여 결합시키도록 구성될 수 있다. 인-커플링 회절 요소 및 아웃-커플링 회절 요소는 표면 부조 격자(surface relief grating)들, 볼륨 홀로그램들, 편광 격자들, 편광 볼륨 홀로그램들, 메타표면 격자들, 다른 유형들의 회절 요소들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 결합기(1010)는 이미지 프로젝터로부터 수신되는 이미지 광을 수신하여 아이 박스를 향하여 반사시키도록 결합되는 반사 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 빔 스캐닝 프로젝터에 사용되는 유사한 스캐닝 원리들이 회절 도파관 결합기(diffractive waveguide combiner), 반투명 미러 결합기(semi-transparent mirror combiner) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 회절 도파관 결합기의 경우, MEMS(1050)는 인-커플링 회절 요소에 광 빔(1026)을 스캔할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 회절 요소 및 아웃-커플링 회절 요소는 약하게 파장 선택적(weakly wavelength selective)인 격자들(예를 들면, 일부 표면 부조 격자들, 일부 PBP 격자들)을 포함할 수 있다. 광원(1020)은 보다 넓은 방출 스펙트럼을 갖는 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다(예를 들면, LED들, 마이크로 LED들 등).
도 11a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 물체(1110)를 추적하기 위한 물체 추적 시스템(1100)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 예시를 위해, 눈 추적 시스템이 도 11a에서 물체 추적 시스템(1100)의 예로서 도시되어 있고, 눈(1110)이 추적된 물체의 예로서 사용된다. 논의를 위해, 물체 추적 시스템(1100)은 눈 추적 시스템(1100)이라고 지칭될 수 있다. 눈 추적 시스템(1100)은 NED(900)에 또는 NED(900)와 결합하여 구현될 수 있다. 눈 추적 시스템(1100)은 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈 및/또는 하나 이상의 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택을 포함할 수 있다. 제어기(990)는 눈 추적 시스템(1100)의 하나 이상의 컴포넌트와 통신 가능하게 결합될 수 있고, 눈 추적 시스템(1100)의 동작들을 제어할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(990)는, 눈(1110)의 눈 추적 정보 및/또는 이미지 데이터와 같은, 데이터를 눈 추적 시스템(1100)으로부터 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(990)는 눈 추적 시스템(1100)의 동작들을 제어하기 위해 눈 추적 시스템(1100)에게 명령들 또는 지시들을 송신할 수 있다. 제어기(990)는 눈 추적 시스템(1100)의 일부일 수 있거나 아닐 수 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 눈 추적 시스템(1100)은 눈 추적 정보 또는 눈 추적 정보가 추출될 수 있는 이미지들을 획득하도록 구성된 광학 시스템일 수 있다. 그러한 광학 시스템이 사용자의 눈 이외의 임의의 적합한 물체를 추적하는 데 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 일부 실시예들에서, 눈 추적 시스템(1100)은 사용자의 눈(1110)을 조명하기 위해 광(예를 들면, 적외선 광)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 소스 어셈블리(1105)를 포함할 수 있다. 소스 어셈블리(1105)는 사용자의 가시선(line of sight) 밖에 위치될 수 있다. 소스 어셈블리(1105)는 광을 방출하도록 구성된 광원(1115) 및 광원(1115)의 광 경로와 눈(1110) 사이에 배치되는 하나 이상의 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 컴포넌트는 광원(1115)에 의해 생성되는 광을 컨디셔닝하고 컨디셔닝된 광을 눈(1110)을 조명하도록 지향시키도록 구성될 수 있다. 제어기(990)는 광원 어셈블리(1105)와 통신 가능하게 결합될 수 있고, 광원(1115)으로부터의 광을 컨디셔닝하는 것, 예컨대, 광을 편광시키는 것, 평행화하는 것, 확장시키는 것 및/또는 광의 배향을 조정하는 것을 수행하기 위해 하나 이상의 광학 컴포넌트를 제어할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원(1115)은 상대적으로 좁은 스펙트럼 또는 상대적으로 넓은 스펙트럼을 갖는 광을 방출할 수 있다. 광의 하나 이상의 파장은 적외선("IR") 스펙트럼에 있을 수 있다, 즉, 광원(1115)의 스펙트럼은 IR 스펙트럼 내에 있거나, IR 스펙트럼과 겹치거나, IR 스펙트럼을 내포(encompass)할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1115)은 근적외선("NIR") 대역(약 750 nm 내지 1250 nm에 중심이 있음) 또는 전자기 스펙트럼의 어떤 다른 부분에서의 광들을 방출할 수 있다. NIR 스펙트럼 광들은 눈 추적 응용 분야들에서 바람직할 수 있는데, 그 이유는 NIR 스펙트럼 광들이 인간의 눈에 보이지 않으며, 따라서 작동 동안 NED(900)의 사용자의 주의를 분산시키지 않기 때문이다. IR 스펙트럼 또는 NIR 스펙트럼에서의 광들은 집합적으로 적외선 광들이라고 지칭된다. 적외선 광들은 눈(1110)의 적어도 동공 영역(동공(eye pupil) 및 동공을 둘러싼 피부들을 포함함)에 의해 반사될 수 있다. 광원(1115)은 광원으로부터 방출되어 눈(1110)으로 지향되는 이미지 광의 방해를 감소시키거나 억제하기 위해 작은 크기를 가질 수 있다. 광원(1115)은, 예를 들면, 레이저 다이오드, 파이버 레이저, "VCSEL"(vertical-cavity surface-emitting laser), 및/또는 LED를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1110)은 마이크로 LED를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 눈 추적 시스템(1100)은 눈(1110)에 의해 반사되는 광을 광학 센서(1150)(또는 이미징 디바이스(1150))를 향하여 지향시키도록 구성된 방향 전환 요소(1145)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, NED(900)가 AR 응용 분야들에 사용될 때, 방향 전환 요소(1145)는 또한 눈 추적 결합기(eye-tracking combiner)로서 기능할 수 있다. 눈 추적 결합기는 눈(1110)에 의해 반사되는 광을 광학 센서(1150)를 향하여 방향 전환시키도록 구성될 수 있다. 눈 추적 결합기는 또한 컴퓨터 생성 가상 이미지들을 실제 세계의 직접 뷰(direct view)에 중첩시키도록 구성될 수 있다. 방향 전환 요소(1145)(예를 들면, 눈 추적 결합기)는 실제 세계 광들에 대해 실질적으로 투명할 수 있고 가시 광에 왜곡을 야기하지 않을 수 있다. 도 11a에 도시된 실시예에서, 방향 전환 요소(1145)는 하나 이상의 반사 격자를 포함할 수 있다. 반사 격자는 0 또는 0이 아닌 굴절력으로 구성될 수 있다(즉, 격자는 광을 수렴 또는 발산시킬 수 있거나 시키지 않을 수 있다). 일부 실시예들에서, 반사 격자는 홀로그래픽 광학 요소("HOE")를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 격자는, 편광 볼륨 홀로그램(polarization volume hologram, "PVH") 격자와 같은, 편광 선택적 (또는 감응) 격자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 격자는, "VBG"(volume Bragg grating)와 같은, 비-편광 선택적(또는 감응) 격자를 포함할 수 있다.
광학 센서(1150)는, 눈 추적 목적으로 방향 전환 요소(1145)로부터 광을 수신하고 수신된 광에 기초하여 눈(1110)(또는 동공을 포함하는 눈(1110)의 부분)의 이미지를 생성하기 위해, 방향 전환 요소(1145)에 상대적으로 배열될 수 있다. 광학 센서(1150)는 IR 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 내의 파장을 갖는 광들에 기초하여 이미지들을 형성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는 가시 광들이 아닌 IR 광들에 기초하여 이미지들을 형성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는 적합한 유형의 카메라, 예를 들어, 실리콘 기반 "CCD"(charge-coupled device) 어레이 카메라, "CMOS"(complementary metal-oxide-semiconductor) 센서 어레이 카메라, 적외선 감응(예를 들면, 근적외선, 단적외선, 중파 적외선, 장파 적외선 감응) 초점면 어레이(예를 들면, 수은 카드뮴 텔루르화물 어레이, 인듐 안티몬화물 어레이, 인듐 갈륨 비화물 어레이, 바나듐 산화물 어레이 등)를 갖는 카메라를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는 위치 감지 검출기(position sensitive detector, "PSD")를 포함할 수 있다. 광학 센서(1150)는 눈(1110)으로부터 반사되는 광들을 수신하기 위해 방향 전환 요소(1145)를 마주하도록 눈 추적 시스템(1100)의 임의의 적합한 부분에 장착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는 NED(900)의 프레임(1101)에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는 눈(1110)의 하나 이상의 이미지를 생성하고/하거나 눈(1110)의 이미지들을 분석하여 눈 추적 정보를 획득하기 위해 수신된 IR 광들을 프로세싱하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 눈 추적 정보는 다른 광학 디바이스들 또는 시스템들의 제어들을 결정하기 위해, 사용자에게 제시될 정보를 결정하기 위해, 및/또는 정보의 제시의 레이아웃을 결정하는 등을 위해 제어기(990)에게 전송될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 센서(1150)는, 생성된 이미지들과 같은, 데이터를 저장하도록 구성된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(예를 들면, 컴퓨터 판독 가능 메모리)를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 본 명세서에서 개시되는 임의의 방법의 다양한 단계들을 수행하기 위해 프로세서에 의해 실행 가능할 수 있는 코드들 또는 명령어들을 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서 및 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 광학 센서(1150)와 별개로 제공될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 광학 센서(1150)와 통신 가능하게 결합될 수 있고 광학 센서(1150)로부터 데이터(예를 들면, 이미지 데이터)를 수신하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 눈 추적 정보를 획득하기 위해 광학 센서(1150)로부터 수신되는 데이터(예를 들면, 눈(1110)의 이미지 데이터)를 분석하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 11a에 도시된 바와 같이, 광원(1115)의 광 경로와 눈(1110) 사이에 배치되는 하나 이상의 광학 컴포넌트는 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1115)은, 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광일 수 있는, 광(1125)을 방출할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 눈(1110)을 조명하기 위해 광(1125)을 발산시키도록 구성될 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 눈(1110)을 조명하기 위해 광(1125)을 확장 및 방향 전환시킬 수 있다. 그에 따라, 눈(1110)과 광원(1115) 사이의 제한된 거리 내에서 적어도 눈(1110)의 각막 영역에 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)에 의해 실질적으로 균일한 조명이 제공될 수 있다. 예를 들어, 눈(1110)과 광원(1115) 사이의 제한된 거리 내에서 사용자의 전체 눈(1110)에, 사용자의 눈(1110)의 위, 아래, 왼쪽, 또는 오른쪽과 같은, 눈(1110)에 인접한 영역에, 또는 눈(1110)을 포함하는 영역 및 눈(1110)을 둘러싼 영역에 균일한 조명이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1115)으로부터 방출되는 광(1125)은 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)에 입사하는 축상 평행화된 LHCP 광이 되도록 컨디셔닝될 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 LHCP 광에 대해 디포커싱 상태에서 작동할 수 있고, 눈(1110)을 조명하는 축외 발산 RHCP 광(1130)으로서 축상 평행화된 LHCP 광(1125)을 디포커싱시킬 수 있다. 축외 발산 RHCP 광(1130)은 광(1135)으로서 눈(1110)에 의해 반사될 수 있고, 이는 방향 전환 요소(1145)에 의해 수신되고 방향 전환 요소(1145)에 의해 광학 센서(1150)를 향하여 광(1140)으로서 방향 전환된다. 광학 센서(1150)는 수신된 광(1140)에 기초하여 눈(1110)의 이미지를 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원(1115)으로부터 방출되는 광은 선형 편광된 광일 수 있다. 선형 편광된 광을 바람직한 선회성을 갖는 원형 편광된 광으로 변환하기 위해, 광원(1115)과 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120) 사이에 1/4 파장판이 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1115)으로부터 방출되는 광은 편광되지 않은 광일 수 있다. 편광되지 않은 광을 원형 편광된 광으로 변환하는 적합한 광학 요소(예를 들면, 원형 편광기(circular polarizer)) 또는 광학 요소들의 적합한 조합(예를 들면, 선형 편광기와 1/4 파장판의 조합)이 광원(1115)과 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120) 사이에 배치될 수 있다.
축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)의 파라미터들을 구성하는 것 및 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)에 입사하는 광(1125)을 편광시키는 것을 통해, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)로부터 출력되는 축외 발산 RHCP 광(1130)은 눈(1110)의 적어도 각막 영역의 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있다. 예를 들어, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 눈(1110)과 광원(1115) 사이의 제한된 거리 내에서, 사용자의 전체 눈(1110), 사용자의 눈(1110)의 위, 아래, 왼쪽, 또는 오른쪽과 같은, 눈(1110)에 인접한 영역, 또는 눈(1110)을 포함하는 영역 및 눈(1110)을 둘러싼 영역의 균일한 조명을 제공할 수 있다. 눈(1110)의 균일한 조명으로, 눈(1110)의 보다 나은 이미지들이 광학 센서(1150)에 의해 캡처될 수 있다. 그에 따라, 눈 추적의 정확도가 향상될 수 있다. 추가적으로, 눈 추적 시스템(1100)은, 소형 폼팩터, 소형성, 및 가벼운 중량과 같은, 매력적인 특징들을 가질 수 있다.
도 11a는 예시를 위해 2 개의 소스 어셈블리(1105), 하나의 눈(1110) 및 소스 어셈블리들(1105)로부터의 광의 광학 경로들을 도시한다. 도 11a에 도시되지 않은 다른 눈을 추적하기 위해 유사하거나 동일한 컴포넌트들이 NED(900)에 포함될 수 있다는 것이 이해된다.
도 11b는 도 11a에 도시된 물체 추적 시스템(예를 들면, 눈 추적 시스템)(1100)에 의해 제공되는 추적된 물체(예를 들면, 눈(1110))에서의 광 강도 분포를 예시한다. 그레이 레벨 바는 눈(1110)에서의 광 강도를 나타내며, 여기서 보다 어두운 색상은 보다 낮은 광 강도를 나타낸다. 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 축외 발산 RHCP 광(1130)의 조명 하에서, 광 강도 분포는 눈(1110) 및 눈(1110)을 둘러싼 영역에서 실질적으로 균일할 수 있다. 즉, 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 눈(1110)과 광원(1115) 사이의 제한된 거리 내에서 눈(1110)에 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있다. 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120)는 눈 추적 시스템(1100)의 눈 추적 정확도를 개선시키면서 소형 폼 팩터를 유지한다.
도 12a는 광원으로부터의 광을 디포커싱시키기 위한 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하지 않는 종래의 눈 추적 시스템(1200)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 종래의 눈 추적 시스템(1200)은 사용자의 눈(1210)을 조명하기 위해 광을 방출하도록 구성된 광원(1205)을 포함할 수 있다. 종래의 눈 추적 시스템(1200)은 눈(1210)에 의해 반사되는 광을 광학 센서(1215)를 향하여 안내하도록 구성된 방향 전환 요소(1210)를 또한 포함할 수 있다. 광원(1205)은, 눈(1210)의 특정 영역들만을 조명할 수 있는, 실질적으로 평행화된 광 또는 발산광(1220)을 방출할 수 있다. 도 12b는 도 12a에 도시된 눈 추적 시스템(1200)에 의해 제공되는 눈(1210)에서의 광 강도 분포를 예시한다. 그레이 레벨 바는 눈(1210)에서의 광 강도를 나타내며, 여기서 보다 어두운 색상은 보다 낮은 광 강도를 나타낸다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 광(1220)의 조명 하에서, 눈(1210) 및 눈(1210)을 둘러싼 영역에서의 광 강도 분포는 불균일하며, 여기서 일부 부분들은 실질적으로 낮은 광 강도를 갖는 반면 다른 부분들은 실질적으로 높은 강도를 갖는다. 눈(1210)에서의 그러한 불균일한 조명은 눈 추적의 정확도를 상당히 감소시킬 수 있다.
도 13은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 물체(1310)를 추적하기 위한 물체 추적 시스템(1300)의 개략적인 다이어그램을 예시한다. 예시를 위해, 눈을 추적하기 위한 눈 추적 시스템이 물체 추적 시스템(1300)의 예로서 사용된다. 눈은 추적된 물체의 예이다. 따라서, 논의를 위해, 물체 추적 시스템(1300)은 눈 추적 시스템(1300)이라고도 지칭될 수 있다. 눈 추적 시스템(1300)은 도 9에 도시된 NED(900)에 포함될 수 있거나 NED(900)와 결합하여 구현될 수 있다. 눈 추적 시스템(1300)은 축외 포커싱 PBP 렌즈 및/또는 하나 이상의 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함하는 렌즈 스택을 포함할 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 눈 추적 시스템(1300)은 사용자의 눈(1310)을 조명하기 위해 광을 방출하도록 구성된 광원(1305)을 포함할 수 있다. 눈 추적 시스템(1300)은 눈(1310)에 의해 반사되는 광을 광학 센서(1320)를 향하여 안내하도록 구성된 광학 결합기(1315)를 포함할 수 있다. 광학 센서(1320)는 눈(1310)에 의해 반사되는 광을 수신하고 광학 결합기(1315)로부터 수신되는 광에 기초하여 눈(1310)의 이미지를 생성하도록 배향될 수 있다. 광원(1305) 및 광학 센서(1320)는, 제각기, 도 11a에 도시된 광원(1115) 및 광학 센서(1150)와 유사할 수 있다. 유사한 요소들에 대한 설명들은 도 11a와 관련하여 위에서 이루어진 설명들을 참조할 수 있다. NED(900)가 AR 응용 분야들에서 구현될 때, 눈(1310)이 실제 세계 장면의 뷰와 광학적으로 결합되는 가상 이미지를 관찰할 수 있고, 이에 의해 광학 투시(optical see-though) AR 또는 MR 디바이스를 달성할 수 있도록, 광학 결합기(1315)는 또한 실제 세계로부터의 가시 광(1345)을 눈(1310)을 향하여 투과시키도록 구성될 수 있다. 광학 결합기(1315)는 눈 추적 결합기라고도 지칭될 수 있다. 눈 추적 결합기는 눈(1310)에 의해 반사되는 광을 광학 센서(1320)를 향하여 지향시키고 컴퓨터 생성 가상 이미지들을 실제 세계의 직접 보기에 중첩시키도록 구성될 수 있다. 광학 결합기(1315)는 실제 세계 광들에 대해 실질적으로 투명할 수 있고, 가시 광들에 왜곡을 야기하지 않을 수 있다.
개시된 실시예들에서, 도 13에 도시된 바와 같이, 광학 결합기(1315)는 0 또는 0이 아닌 굴절력을 갖는 투과 PBP 격자, 예를 들면, 축외 포커싱 투과 PBP 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1305)은, 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광일 수 있는, 광(1330)을 방출할 수 있다. 광(1330)은 광(1335)으로서 눈(1310)에 의해 반사될 수 있다. 광학 결합기(1315)는 눈(1310)에 의해 반사되는 광(1335)을 광(1340)으로서 광학 센서(1320)를 향하여 방향 전환시키도록(그리고 광학 결합기(1315)가 개시된 축외 포커싱 투과 PBP 렌즈를 포함할 때 수렴시키도록) 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 결합기(1315)가 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈를 포함할 때, 광원(1305)으로부터 방출되는 광(1330)은 LHCP 발산광일 수 있다. LHCP 발산광(1330)이 반사광(1335)으로서 눈(1310)에 의해 반사될 때, 반사광(1335)은 발산 RHCP 광일 수 있다. 반사광(1335)이 축외 포커싱 투과 PBP 렌즈를 갖는 광학 결합기(1315)에 입사될 때, 반사광(1335)은 축외 포커싱 투과 PBP 렌즈에 의해 축외 수렴광(1340)으로 변환될 수 있다. 광학 결합기(1315)는 축외 수렴광(1340)을 광학 센서(1320)를 향하여 지향시킬 수 있다. 광학 결합기(1315)에 포함된 축외 포커싱 PBP 렌즈로부터 출력되는 축외 수렴광(1340)은 LHCP 광일 수 있다.
광학 결합기(1315)는 눈(1310)을 마주하는 제1 표면 및 실제 세계를 마주하는 반대편의 제2 표면을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 눈 추적 시스템(1300)은 광학 결합기(1315)의 제2 표면에 배치되는 원형 편광기(1325)를 더 포함할 수 있다. 원형 편광기(1325)는 광학 결합기(1315)로부터 출력되는 광을 광학 센서(1320)를 향하여 실질적으로 투과시키도록 구성될 수 있다. NED(900)가 AR 응용 분야들에서 구현될 때, 실제 세계로부터의 편광되지 않은 광은 원형 편광기(1325)를 통과한 후에 원형 편광된 광으로 변환될 수 있다. 광학 결합기(1315)는 수신된 원형 편광된 광을 눈(1310)을 향하여 방향 전환시키도록(그리고 광학 결합기(1315)가 개시된 축외 포커싱 투과 PBP 렌즈를 포함할 때 수렴시키도록) 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원(1305)으로부터 방출되는 광(1330)은 선형 편광된 광일 수 있고, 선형 편광된 광을 원하는 선회성을 갖는 원형 편광된 광으로 변환하기 위해 1/4 파장판이 광원(1305)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1305)으로부터 방출되는 광(1330)은 편광되지 않은 광일 수 있다. 편광되지 않은 광을 바람직한 선회성을 갖는 원형 편광된 광으로 변환하기 위해, 적합한 광학 요소(예를 들면, 원형 편광기) 또는 광학 요소들의 적합한 조합(예를 들면, 선형 편광기와 1/4 파장판의 조합)이 광원(1305)에 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 눈 추적 시스템(1300)은 광원(1035)과 눈(1310) 사이에 배치되는 축외 포커싱 PBP 렌즈(1317)를 또한 포함할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1317)는 도 11a에 도시된 축외 포커싱 PBP 렌즈(1120) 또는 본 명세서에서 개시되는 임의의 적합한 축외 포커싱 PBP 렌즈의 실시예일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1317)에 대한 설명들은 개시된 축외 포커싱 PBP 렌즈들과 관련하여 위에서 이루어진 설명들을 참조할 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1317)는 눈(1110)을 조명하기 위해 광원(1035)으로부터 방출되는 광을 발산시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(1035)으로부터 방출되는 광은 미리 결정된 선회성을 갖는 원형 편광된 광일 수 있다. 축외 포커싱 PBP 렌즈(1317)는, 눈(1310)과 광원(1315) 사이의 제한된 거리 내에서 눈(1310)의 적어도 각막 영역의 실질적으로 균일한 조명을 제공하도록, 광원(1035)으로부터 방출되는 원형 편광된 광을 축외 발산광으로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 전체 눈(1310)에, 사용자의 눈(1310)의 위, 아래, 왼쪽, 또는 오른쪽과 같은, 눈(1310)에 인접한 영역에, 또는 눈(1310)을 포함하는 영역 및 눈(1310)을 둘러싼 영역에 균일한 조명이 제공될 수 있다. 눈(1310)의 균일한 조명으로, 눈(1310)의 보다 나은 이미지들이 광학 센서(1320)에 의해 캡처될 수 있다. 그 결과, 눈 추적의 정확도가 향상될 수 있다. 추가적으로, 눈 추적 시스템(1300)은, 소형 폼팩터, 소형성, 및 가벼운 중량과 같은, 매력적인 특징들을 가질 수 있다.
이 설명의 일부 부분들은 정보에 대한 동작들의 알고리즘들 및 심벌 표현들로 본 개시내용의 실시예들을 설명할 수 있다. 이 동작들은, 기능적으로, 계산적으로, 또는 논리적으로 설명되지만, 컴퓨터 프로그램들 또는 동등한 전기 회로들, 마이크로코드 등에 의해 구현될 수 있다. 게다가, 일반성을 잃지 않고, 이러한 동작 배열들을 모듈들로서 지칭하는 것이 때로는 편리하다는 것이 또한 입증되었다. 설명된 동작들 및 그들의 연관된 모듈들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 임의의 조합들로 구체화될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 임의의 것이 하나 이상의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로, 단독으로 또는 다른 디바이스들과 조합하여, 수행되거나 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 소프트웨어 모듈은 설명된 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하기 위해 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현된다. 일부 실시예들에서, 하드웨어 모듈은 디바이스, 시스템, 광학 요소, 제어기, 전기 회로, 논리 게이트 등과 같은 하드웨어 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 또한 본 명세서에서의 동작들을 수행하기 위한 장치에 관한 것일 수 있다. 이 장치는 요구된 목적들을 위해 특별히 구성될 수 있고/있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 그러한 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터 시스템 버스에 결합될 수 있는, 비일시적, 유형적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 또는 전자 명령어들을 저장하기에 적합한 임의의 유형의 매체들에 저장될 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 프로그램 코드를 저장할 수 있는 임의의 매체, 예를 들어, 자기 디스크, 광학 디스크, 판독 전용 메모리(“ROM”), 또는 랜덤 액세스 메모리(“RAM”), “EPROM”(Electrically Programmable read only memory), “EEPROM”(Electrically Erasable Programmable read only memory), 레지스터, 하드 디스크, 솔리드 스테이트 디스크 드라이브, "SMC"(smart media card), "SD"(secure digital card), 플래시 카드 등일 수 있다. 게다가, 본 명세서에서 설명되는 임의의 컴퓨팅 시스템들은 단일 프로세서를 포함할 수 있거나, 증대된 컴퓨팅 능력을 위해 다수의 프로세서들을 이용하는 아키텍처들일 수 있다. 프로세서는 중앙 프로세싱 유닛("CPU"), 그래픽 프로세싱 유닛("GPU"), 또는 데이터를 프로세싱하고/하거나 데이터에 기초하여 계산을 수행하도록 구성된 임의의 프로세싱 디바이스일 수 있다. 프로세서는 소프트웨어 및 하드웨어 컴포넌트들 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는, 주문형 집적 회로("ASIC"), 프로그래머블 로직 디바이스("PLD"), 또는 이들의 임의의 조합과 같은, 하드웨어 컴포넌트를 포함할 수 있다. PLD는 “CPLD”(complex programmable logic device), “FPGA”(field-programmable gate array) 등일 수 있다.
게다가, 도면에 예시된 실시예가 단일 요소를 도시할 때, 도면들에 도시되어 있지 않지만 본 개시내용의 범위 내에 있는 실시예 또는 다른 실시예가 복수의 그러한 요소들을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 마찬가지로, 도면에 예시된 실시예가 복수의 그러한 요소들을 도시할 때, 도면들에 도시되어 있지 않지만 본 개시내용의 범위 내에 있는 실시예 또는 다른 실시예가 단지 하나의 그러한 요소를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 도면에 예시된 요소들의 수는 단지 예시를 위한 것이며, 실시예의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 달리 언급되지 않는 한, 도면들에 도시된 실시예들은 상호 배타적이지 않다. 본 명세서에서 설명되고/되거나 도면들에 도시되는 개시된 실시예들은 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에(예를 들면, 하나의 도면에) 도시되어 있지만 다른 실시예에(예를 들면, 다른 도면에) 도시되지 않은 요소들은 그럼에도 불구하고 다른 실시예에 포함될 수 있다. 일 실시예에(예를 들면, 하나의 도면에) 도시된 요소들은 적층된 구성을 형성하기 위해 반복될 수 있다. 상이한 실시예들에(예를 들면, 상이한 도면들에) 도시된 요소들이 개시된 실시예들의 변형을 형성하기 위해 조합될 수 있다. 상이한 실시예들에 도시된 요소들이 개시된 실시예들의 변형들을 형성하기 위해 반복 및 조합될 수 있다. 본 설명들에서 언급되지만 도면들에 도시되지 않은 요소들은 개시된 실시예 또는 개시된 실시예의 변형에 여전히 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 층, 필름, 플레이트, 또는 요소를 포함하는 본 명세서에서 개시되는 광학 디바이스 또는 시스템에서, 도면들에 도시된 층들, 필름들, 플레이트들 또는 요소들의 수들은 단지 예시를 위한 것이다. 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있는, 도면들에 도시되지 않은 다른 실시예들에서, 동일하거나 상이한 도면들/실시예들에 도시된 동일하거나 상이한 층들, 필름들, 플레이트들 또는 요소들은 개시된 실시예들의 변형들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합 및/또는 반복될 수 있다. 개시된 실시예들의 이러한 변형들이 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다.
예시적인 구현들을 예시하기 위해 다양한 실시예들이 설명되었다. 개시된 실시예들에 기초하여, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 다른 변경들, 수정들, 재배열들, 및 대체들을 수행할 수 있다. 따라서, 본 개시내용이 위의 실시예들을 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 개시내용이 위에서 설명된 실시예들로 제한되지 않는다. 본 개시내용은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 균등한 형태들로 구체화될 수 있다. 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들에 규정되어 있다.

Claims (15)

  1. 렌즈에 있어서,
    렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전으로 구성된 광학 축을 갖는 광학 이방성 필름
    을 포함하고,
    상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전하고,
    상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성되며,
    상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동되는 것인, 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분은 실질적으로 전체 렌즈이거나; 바람직하게는 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분은 상기 전체 렌즈보다 작은 부분인 것인, 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 렌즈는 편광 선택적이며 상기 렌즈에 결합되는 편광 스위치를 통해 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이에서 스위칭 가능한 것인, 렌즈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 광이 경험하는 위상 변이는
    Figure pct00049
    이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표인 것인, 렌즈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 렌즈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심을 통과하는 반경 방향들이거나; 바람직하게는 상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심을 통과하는 가로 방향들인 것인, 렌즈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 중심은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 광학 이방성 필름의 상기 광학 축의 상기 방위각 변화율이 가장 작은 지점인 것인, 렌즈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈는 축외 포커싱 Pancharatnam-Berry 위상("PBP") 렌즈이고, 상기 축외 포커싱 PBP 렌즈의 상기 렌즈 패턴 중심은 대응하는 축상 포커싱 PBP 렌즈의 렌즈 패턴의 대칭 중심인 것인, 렌즈.
  9. 시스템에 있어서,
    광학 결합기; 및
    디스플레이 어셈블리
    를 포함하고, 상기 디스플레이 어셈블리는:
    광을 방출하도록 구성된 광원;
    상기 광을 편향시키도록 구성된 렌즈 ― 상기 렌즈는:
    렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전으로 구성된 광학 축을 갖는 광학 이방성 필름을 포함하고,
    상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전하고,
    상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성되며,
    상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동됨 ― ; 및
    상기 광학 결합기를 향하여 상기 렌즈로부터 수신되는 상기 광을 스티어링하도록 구성된 빔 스티어링 디바이스
    를 포함하며,
    상기 광학 결합기는 상기 빔 스티어링 디바이스로부터 수신되는 상기 광을 상기 시스템의 아이 박스로 지향시키도록 구성되는 것인, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 상기 광이 경험하는 위상 변이는
    Figure pct00050
    이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표인 것인, 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 광원으로부터 방출되는 축상 발산광을 축외 평행화된 광으로 변환하도록 구성되고/되거나; 바람직하게는 상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향은 상기 렌즈의 반경 방향들 또는 가로 방향들이고/이거나; 바람직하게는 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 수직 공동 표면 방출 레이저 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
  13. 시스템에 있어서,
    광을 방출하도록 구성된 광원;
    물체를 조명하기 위해 상기 광을 편향시키도록 구성된 렌즈 ― 상기 렌즈는:
    상기 렌즈의 렌즈 패턴 중심으로부터 정반대 렌즈 주변부들로의 적어도 2 개의 정반대 평면 내 방향에서 평면 내 회전으로 구성된 광학 축을 갖는 광학 이방성 필름을 포함하고,
    상기 광학 축은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들까지 동일한 회전 방향으로 회전하고,
    상기 광학 축의 방위각 변화율은 적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 부분에서 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 정반대 렌즈 주변부들로 갈수록 증가하도록 구성되며,
    상기 렌즈 패턴 중심은 미리 결정된 방향으로 미리 결정된 거리만큼 상기 렌즈의 기하학적 중심으로부터 이동됨 ― ;
    상기 물체에 의해 반사되는 상기 광을 방향 전환시키도록 구성된 방향 전환 요소; 및
    상기 방향 전환 요소로부터 수신되는 상기 방향 전환된 광에 기초하여 상기 물체의 이미지를 생성하도록 구성된 광학 센서
    를 포함하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    적어도 상기 렌즈 패턴 중심을 포함하는 상기 렌즈의 상기 부분에서 상기 렌즈에 입사하는 파장(λ)을 갖는 상기 광이 경험하는 위상 변이는
    Figure pct00051
    이고, 여기서 K는 0이 아닌 계수이고, r은 상기 렌즈 패턴 중심으로부터 상기 렌즈의 국소 지점까지의 거리이며, L은 상기 렌즈의 렌즈면과 초점면 사이의 거리이고, x는 상기 기하학적 중심에 대한 상기 렌즈 패턴 중심의 상기 미리 결정된 이동의 상기 미리 결정된 방향에서의 좌표이고/이거나; 바람직하게는 상기 광학 이방성 필름은 능동 액정들, 반응성 메조겐들, 액정 중합체 또는 비정질 중합체 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 물체를 실질적으로 균일하게 조명하기 위해 상기 광원으로부터 방출되는 상기 광을 확장시키도록 구성되고,
    상기 방향 전환 요소는 상기 물체에 의해 반사되는 상기 광을 상기 광학 센서를 향하여 회절시키도록 구성된 격자를 포함하는 것인, 시스템.
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