KR20230112710A - 디스플레이 패널을 위한 패터닝된 백라이트 - Google Patents

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KR20230112710A
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펭린 펭
잉 젱
알렉산더 코셸레프
쥬세페 칼라피오레
링후이 라오
자크 골리에
윤한 이
루 루
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

디스플레이 패널은 광가이드와 복수의 아웃커플링 격자를 포함하는 백라이트에 의해 배면 조명되는 픽셀 어레이를 갖는다. 아웃커플링 격자들의 위치는 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 위치들과 조정된다. 백라이트는 픽셀 어레이의 행에 평행하게 뻗는 광전도성 투명 슬래브 또는 선형 도파관 어레이를 포함할 수 있고, 격자들은 슬래브에 또는 도파관에 형성된다. 도파관에 의해 방출되는 광의 파장 조성 및 편광은 디스플레이 패널의 투과 스펙트럼 대역 및 투과 편광과 매칭될 수 있다.

Description

디스플레이 패널을 위한 패터닝된 백라이트
본 개시내용은 광학 디바이스, 특히 시각적 디스플레이 패널을 배면 조명(backlighting)하기 위한 광가이드, 시각적 디스플레이 디바이스, 시각적 디스플레이 시스템, 및 관련 방법에 관한 것이다.
시각적 디스플레이는 정지 이미지, 비디오, 데이터 등을 포함한 정보를 뷰어(들)에게 제공하는 데 사용된다．시각적 디스플레이는 몇가지만 예를 들면 엔터테인먼트, 교육, 엔지니어링, 과학, 전문 트레이닝, 광고를 포함한 다양한 분야에서 애플리케이션을 갖는다. TV 세트와 같은 일부 시각적 디스플레이, 여러 사용자를 위한 이미지 디스플레이, 및 일부 시각적 디스플레이 시스템은 개별 사용자를 위한 것이다. 헤드 마운티드 디스플레이(HMD), 근안형 디스플레이(NED), 등은 개별 사용자에게 콘텐츠를 디스플레이하는 데에 점점 더 많이 사용되고 있다. HMD/NED에 의해 디스플레이되는 콘텐츠는 가상 현실(VR) 콘텐츠, 증강 현실(AR) 콘텐츠, 혼합 현실(MR) 콘텐츠 등을 포함한다．디스플레이된 VR/AR/MR 콘텐츠는 경험을 향상시키기 위한 3차원(3D), 또는 AR/MR 애플리케이션의 경우, 가상 객체들을 사용자가 관찰한 실제 객체들과 매칭시키기 위한 3차원(3D)일 수 있다.
헤드 마운티드 디스플레이에 있어서 컴팩트하고 효율적인 디스플레이 디바이스가 요망되고 있다. 대개 HMD 또는 HMD의 디스플레이가 사용자의 머리에 착용되기 때문에, 대형의, 부피가 크고 불균형적이며 비효율적이거나 또/또는 무거운 디스플레이 디바이스는 번거롭고 사용자가 착용하기에 불편할 수 있다. 컴팩트하고 효율적인 디스플레이 디바이스는 컴팩트하고 효율적인 광가이드 및 디스플레이 패널을 필요로 한다.
본 개시내용의 제1 양태에 따르면, 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이― 픽셀들은 가변의 광 투과율을 가짐 ―; 및 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며 광을 거기에 제공하기 위한 백라이트를 포함하는 디스플레이 패널이 제공되며, 백라이트는 제1 평면을 따라 광을 확산시키기 위한 광가이드; 및 광가이드에 광학적으로 결합되며, 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 픽셀 어레이를 통해 전파되도록 광가이드 내에서 광의 부분들을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함하고, 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 격자 어레이의 격자들의 위치가 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정된다.
일부 실시형태에서, 광가이드는 제1 평면에 평행한 제1의 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제1 부분, 및 제1 평면에 평행한 제2의 상이한 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제2 부분을 포함하며, 격자 어레이의 격자들은 광가이드의 제2 부분에 광학적으로 커플링된다.
일부 실시형태에서, 광가이드는 제1 평면에 평행한 복수의 방향으로 광가이드 내에서 전파되게 광을 재지향시키도록 구성된 격자들을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 격자들은 픽셀들을 통해 재지향된 광 부분들을 포커싱하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 디스플레이 패널은, 백라이트 반대편의 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며, 픽셀들을 통해 전파되는 재지향된 광 부분들을 확장시키도록 구성된 마이크로렌즈 어레이를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 마이크로렌즈 어레이는 판차라트남 베리 위상(PBP, Pancharatnam-Berry phase) 마이크로렌즈를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이는, 격자 어레이의 상이한 격자들의 회절 차수들이 픽셀 어레이의 동일한 픽셀을 통해 전파되게 하기 위하여, 광 부분들을 복수의 회절 차수로 분할하고 그리고 복수의 회절 차수의 상이한 회절 차수들을 픽셀 어레이의 상이한 픽셀들을 통해 포커싱하도록 구성된 다중 회절 차수 격자들을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 격자들은 외부 제어 신호를 인가함으로써 회절 효율을 변화시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 피치는 픽셀 어레이의 피치와 동일할 수 있다.
일부 실시형태에서, 픽셀 어레이는 액정 광 밸브 어레이를 포함한 액정 디스플레이(LCD) 패널을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, LCD 패널은 한 쌍의 기판들 사이에 액정층을 포함할 수 있고, 이들 기판 중 하나는 백라이트를 포함한다.
일부 실시형태에서, 백라이트의 광가이드는 기판; 및 기판에 의해 지지되고 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이를 포함할 수 있고, 격자 어레이는 선형 도파관 어레이에 광학적으로 결합되며, 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 선형 도파관 내에서 전파되는 광 부분들을 아웃커플링하기 위한 것이다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 격자들은 선형 도파관 어레이의 선형 도파관들에 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 격자들은, 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 처핑(chirp)될 수 있다.
일부 실시형태에서, 디스플레이 패널은, 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 격자 어레이와 픽셀 어레이 사이의 광학 경로에 마이크로렌즈 어레이를 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 백라이트의 광가이드는 슬래브의 대향 표면들로부터의 일련의 연속적인 반사에 의해 광을 내부 전파하기 위한 투명 재료의 슬래브를 포함할 수 있으며, 격자 어레이는 슬래브에 의해 지지된다.
일부 실시형태에서, 격자 어레이의 격자들은 제1 편광의 광은 회절시키고 제1 편광에 직교하는 제2 편광의 광은 실질적으로 회절시키지 않도록 구성될 수 있고, 백라이트는 슬래브와 격자 어레이 사이의 광학 경로에서 슬래브에 광학적으로 커플링된 튜닝 가능 편광 회전기 어레이를 더 포함하며, 튜닝 가능 편광 회전기 어레이의 개별 튜닝 가능 편광 회전기들은, 외부 제어 신호를 인가하고 이에 의해 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광 부분들의 광 전력을 제어함으로써 제1 편광과 제2 편광 사이의 광 부분들의 편광을 튜닝하도록 구성된다.
본 개시내용의 추가 양태에 따르면, 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이를 포함하는 디스플레이 패널을 위한 백라이트가 제공되며, 픽셀들은 가변의 광 투과율을 갖고, 백라이트는 기판; 기판에 의해 지지되며 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이; 및 선형 도파관 어레이에 광학적으로 커플링되며, 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 픽셀 어레이의 픽셀들을 통해 전파되도록 선형 도파관 어레이 내에서 전파되는 광을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함하고, 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 격자 어레이의 격자들의 위치가 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정된다.
본 개시내용의 추가 양태에 따르면, 백라이트에 의해 방출되고 디스플레이 패널의 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위한 방법이 제공되며, 방법은, 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 광을 재지향시키기 위해, 디스플레이 패널의 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 공간적 분포와 매칭되도록 상기 백라이트의 광 재지향 엘리먼트 어레이의 광 재지향 엘리먼트들의 공간적 분포를 선택하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은, 픽셀 어레이의 픽셀들의 컬러 필터 엘리먼트들의 스펙트럼 투과율과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 스펙트럼 조성, 및 픽셀 어레이의 픽셀들의 투과 편광과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 편광, 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시내용의 하나 이상의 양태 또는 실시형태로의 통합에 적합한 것으로 여기에서 설명하는 임의의 특징은 본 개시내용의 임의의 그리고 모든 양태 및 실시형태에 걸쳐 일반화될 수 있도록 의도된다는 것이 이해될 것이다. 본 개시내용의 다른 양태들은 본 개시내용의 설명, 청구범위, 및 도면에 비추어 당업자에 의해 이해될 수 있다. 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 예시적이고 설명에 도움이 될 뿐이며 청구범위를 제한하지 않는다.
이제 도면과 함께 예시적인 실시형태들을 설명할 것이다.
도 1a는 본 개시내용의 백라이트에 커플링된 광 밸브 픽셀 어레이를 포함하는 시각적 디스플레이 디바이스의 측단면도이다.
도 1b는 1D + 1D 빔 확장기 구성을 따른 도 1a의 백라이트 실시형태의 평면도이다.
도 1c는 2D 빔 확장기 구성을 따른 도 1a의 백라이트 실시예의 평면도이다.
도 2a는 본 개시내용의 포토닉 집적 회로(PIC) 백라이트의 상부 개략도이다.
도 2b는 디스플레이 패널의 단일 RGB 픽셀과 중첩된 도 2a의 백라이트 부분의 상부 개략도이다.
도 2c는 도 2a의 PIC 백라이트의 선형 도파관의 3차원 개략도이다.
도 3a는 복수의 격자 아웃커플러에 커플링된 슬래브 광가이드를 포함하는 백라이트의 측단면도이다.
도 3b는 도 3a의 백라이트에서 사용 가능한 처핑된 아웃커플링 편광 볼륨 홀로그램(PVH) 격자의 상부 확대도이다.
도 3c는 지지 도파관으로부터의 격자에 의해 추출되고 액정 어레이의 픽셀들을 통해 지향되는 광빔의 포커싱을 예시하는 디스플레이 패널의 측단면도이다.
도 3d는 본 개시내용의 백라이트를 사용하는 디스플레이 패널의 측단면도이며, 백라이트는 액정 픽셀 어레이의 하류에서 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.
도 3e 및 도 3f는 본 개시내용의 백라이트를 사용하는 디스플레이 패널의 측단면도이며, 백라이트는 다차 회절 격자를 포함한다.
도 4는 도 3b의 PVH 격자의 아웃커플링 효율의 스펙트럼 플롯을 도시한다.
도 5a는 전압 제어 아웃커플링 격자를 포함하는 디밍 가능 패터닝된 백라이트의 측단면도이다.
도 5b는 아웃커플링 격자에 커플링된 튜닝 가능 액정 파장판 어레이를 포함하는 디밍 가능 패터닝된 백라이트의 측단면도이다.
도 6은 통합된 백라이트 기판을 갖는 액정(LC) 디스플레이 패널의 분해된 측단면도이다.
도 7은 편광 기반 컬러 필터를 사용하는 LCD 패널의 측단면도이다.
도 8은 도 7의 편광 기반 컬러 필터의 투과 스펙트럼이다.
도 9는 백라이트 효율을 증가시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 10a는 본 개시내용의 백라이트를 이용한 반투명 디스플레이의 개략도이다.
도 10b는 도 10a의 반투명 디스플레이를 통한 광 전파의 연속을 도시하는 광학도이다
도 11은 본 개시내용의 헤드 마운티드 디스플레이의 도면이다.
본 교시들이 다양한 실시형태 및 예와 함께 설명되지만, 본 교시들은 그러한 실시형태들에 제한되는 것은 의도되지 않는다. 이와 달리, 본 교시내용은 당업자라면 이해하는 바와 같이 다양한 대안 및 등가물을 포함한다. 본 개시내용의 원리, 양태, 및 실시형태뿐만 아니라 그 특정 예를 인용하는 본원의 모든 진술들은 그 구조적 등가물 및 기능적 등가물을 모두 포함하는 것이 의도된다. 추가적으로, 그러한 등가물은 현재 알려진 등가물뿐만 아니라 미래에 개발될 등가물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하도록 개발된 모든 엘리먼트를 포함하는 것이 의도된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "제1", "제2" 등은 명시적으로 언급되지 않는 한, 순차적 순서를 암시하는 것이 의도되지 않고, 하나의 엘리먼트를 다른 엘리먼트와 구별하기 위한 것이다. 마찬가지로, 방법 단계들의 순차적 순서는 명시적으로 언급되지 않는 한, 해당 실행의 순차적 순서를 암시하지 않는다. 도 1, 도 3a 내지 도 3b, 및 도 5a 내지 도 5b에서, 유사한 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들을 나타낸다.
백라이트에 커플링된 투과성 픽셀들의 패널을 포함하는 시각적 디스플레이에서, 광 이용 효율은 디스플레이 패널의 전체 영역에 대한 픽셀에 의해 점유되는 기하학적 영역의 비율에 의존한다. 근안형 디스플레이 및/또는 헤드 마운티드 디스플레이에 종종 사용되는 소형 디스플레이의 경우, 해당 비율은 50% 미만일 수 있다. 효율적인 백라이트 이용은 디스플레이 패널 상의 컬러 필터에 의해서 또한 저해될 수 있는데, 이들 컬러 필터는 평균 입사광의 30% 이하를 투과시킨다. 뿐만 아니라, 액정(LC) 디스플레이 패널과 같은 편광 기반 디스플레이 패널의 경우 50%의 편광 손실이 존재할 수 있다. 이러한 모든 요인들이 디스플레이의 광 이용률 및 월 플러그(wall plug) 전체 효율을 상당히 감소시키므로 바람직하지 않다.
본 개시내용에 따르면, 디스플레이 패널의 개별 픽셀들과 정렬되는 광점 어레이를 포함하는 백라이트를 제공함으로써, 백라이트 디스플레이의 광 이용률 및 월 플러그 효율을 개선할 수 있다. 예를 들어, RGB 디스플레이 패널의 각 픽셀마다 심지어 각 컬러 서브픽셀마다 점 광원이 제공될 수 있다. 점 광원 어레이는 디스플레이 패널의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 백라이트의 도파관에 의해 전달되는 광의 부분들을 아웃커플링하는 반사기, 예컨대 소형 회절 격자의 어레이를 포함할 수 있다.
처리량을 증가시키기 위해 백라이트에 의해 방출되는 광의 중심 파장은 대응하는 컬러 필터의 투과 파장과 매칭되도록 선택될 수 있다. 백라이트가 원색, 예컨대 적색, 녹색, 및 청색의 광을 방출하는 디스플레이에서는, 컬러 필터층이 생략될 수도 있다. 또한, 편광 기반 디스플레이의 경우, 방출된 광의 편광은 디스플레이 패널의 픽셀들에 의해 투과되는 편광에 매칭될 수 있다. 다시 말하면, 디스플레이 패널의 픽셀들의 공간 분포, 투과 파장, 및 투과 편광 특성을 매칭시킴으로써, 뷰어의 눈에 닿는 도중에 디스플레이 패널에 의해 반사 또는 흡수되지 않는 광의 부분을 상당히 개선할 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 제공되는 디스플레이 패널은 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이― 픽셀들은 가변의 광 투과율을 가짐 ―; 및 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며, 광을 픽셀 어레이에 제공하기 위한 백라이트를 포함한다. 백라이트는 제1 평면을 따라 광을 확산시키기 위한 광가이드, 및 광가이드에 광학적으로 커플링되며, 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 픽셀 어레이의 픽셀들을 통해 전파되도록 광가이드 내에서 광의 부분들을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 격자 어레이의 격자들의 위치가 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정된다.
일부 실시형태에서, 광가이드는 제1 평면에 평행한 제1의 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제1 부분, 및 제1 평면에 평행한 제2의 상이한 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제2 부분을 포함한다. 격자 어레이의 격자들은 광가이드의 제2 부분에 광학적으로 커플링된다. 일부 실시형태에서, 광가이드는 제1 평면에 평행한 복수의 방향으로 광가이드 내에서 전파되게 광을 재지향시키도록 구성된 격자들을 포함할 수 있다. 격자 어레이의 격자들은 픽셀들을 통해 재지향된 광 부분들을 포커싱하도록 구성될 수 있다.
디스플레이 패널은, 백라이트 반대편의 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며, 픽셀들을 통해 전파되는 재지향된 광 부분들을 확장시키도록 구성된 마이크로렌즈 어레이를 더 포함할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이는 판차라트남 베리 위상(PBP) 마이크로렌즈들을 포함한다. 일부 실시형태에서, 격자 어레이는, 격자 어레이의 상이한 격자들의 회절 차수들이 픽셀 어레이의 동일한 픽셀을 통해 전파되게 하기 위하여, 광 부분들을 복수의 회절 차수로 분할하고 그리고 복수의 회절 차수의 상이한 회절 차수들을 픽셀 어레이의 상이한 픽셀들을 통해 포커싱하도록 구성된 다중 회절 차수 격자들을 포함한다.
격자 어레이의 격자들은 외부 제어 신호를 인가함으로써 회절 효율을 변화시킬 수 있다. 격자 어레이의 피치는 픽셀 어레이의 피치와 동일해질 수 있다. 일부 실시형태에서, 픽셀 어레이는 액정 광 밸브 어레이를 포함하는 액정 디스플레이(LCD) 패널을 포함한다. LCD 패널은 한 쌍의 기판들 사이에 액정층을 포함할 수 있다. 기판들 중 하나는 백라이트를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 디스플레이 패널의 백라이트는 기판과, 기판에 의해 지지되고 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이를 포함할 수 있다. 격자 어레이는 선형 도파관 어레이에 광학적으로 커플링될 수 있으며, 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 선형 도파관 내에서 전파되는 광 부분들을 아웃커플링하기 위한 것이다. 격자 어레이의 격자들은 선형 도파관 어레이의 선형 도파관들에 형성될 수 있다. 격자 어레이의 격자들은, 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 처핑될 수 있다. 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 격자 어레이와 픽셀 어레이 사이의 광학 경로에 마이크로렌즈 어레이가 제공될 수 있다.
본 개시내용의 디스플레이 패널의 백라이트는 슬래브의 대향 표면들로부터의 일련의 연속적인 반사에 의해 슬래브에서 광을 전파하기 위한 투명 재료의 슬래브를 포함할 수 있다. 격자 어레이는 슬래브에 의해 지지될 수 있다. 격자 어레이의 격자들은 제1 편광의 광은 회절시키고 제1 편광에 직교하는 제2 편광의 광은 실질적으로 회절시키지 않도록 구성될 수 있다. 백라이트는 슬래브와 격자 어레이 사이의 광학 경로에서 슬래브에 광학적으로 커플링된 튜닝 가능 편광 회전기 어레이를 더 포함할 수 있다. 튜닝 가능 편광 회전기 어레이의 개별 튜닝 가능 편광 회전기들은 외부 제어 신호를 인가하고 이에 의해 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광 부분들의 광 전력을 제어함으로써 제1 편광과 제2 편광 사이의 광 부분들의 편광을 튜닝하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이를 포함하는 디스플레이 패널을 위한 백라이트가 제공되고, 픽셀들은 가변의 광 투과율을 갖는다. 백라이트는 기판과, 기판에 의해 지지되고 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이와, 선형 도파관 어레이에 광학적으로 커플링되며, 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 선형 도파관 어레이 내에서 전파되는 광 부분들을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 격자 어레이의 격자들의 위치가 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정될 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이를 포함하는 디스플레이 패널을 위한 방법이 또한 제공되며, 픽셀은 가변의 광 투과율을 갖는다. 방법은 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 광을 재지향시키기 위해, 디스플레이 패널의 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 공간적 분포와 매칭되도록 백라이트의 광 재지향 엘리먼트 어레이의 광 재지향 엘리먼트들의 공간적 분포를 선택하는 단계를 포함한다. 방법은, 픽셀 어레이의 픽셀들의 컬러 필터 엘리먼트들의 스펙트럼 투과율과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 스펙트럼 조성을 선택하는 단계, 및/또는 픽셀 어레이의 픽셀들의 투과 편광과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 편광을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이제 도 1a를 참조하면, 디스플레이(100)는 백라이트(104)에 커플링된 디스플레이 패널(102)을 포함한다. 디스플레이 패널(102)은 상부 기판(114)과 하부 기판(111) 사이에서 XY 평면에 배치된 광 밸브 픽셀(103)(즉, 가변의 투과율을 갖는 픽셀)의 어레이를 포함한다. 디스플레이 패널(102)은 예컨대 액정 광 밸브(103)의 어레이를 포함하는 액정 디스플레이(LCD) 패널일 수 있다. 백라이트(104)는 XY 평면에 평형하게, 즉 디스플레이 패널(102)의 폭 및 길이 치수를 따라, 광원(110)에 의해 방출되는 광(108)을 확산시키도록 구성된 광가이드(106)를 포함한다. 백라이트(104)는 광가이드(106)에 광학적으로 커플링된 격자(112)의 어레이를 더 포함한다. 격자(112)는 광가이드(106) 내에서 전파되는 광(108)을 재지향하여, 픽셀 어레이의 픽셀들(103)을 통해 전파되는 광빔(109)의 어레이를 형성한다. 픽셀(103)의 광 투과율은 디스플레이 패널(102)에 의해 필요한 이미지를 디스플레이하기 위해 제어 가능한 방식으로 달라질 수 있다. 광빔(109)은 XY 평면에 대해 주로 수직으로, 즉 도 1에서는 주로 Z 방향으로 전파된다.
격자(112)에 의해 아웃커플링되는 광빔(109)이 대부분 픽셀(103)을 통해 전파되고, 픽셀들(103) 사이의 경계(115)에 의해 실질적으로 차단되지 않게 하기 위해, 어레이 내의 격자들(112)의 위치는 픽셀 어레이의 픽셀들(103)의 위치와 조정된다. 픽셀(103) 어레이 및 격자(112) 어레이는 1차원, 예컨대 X축 또는 Y축을 따라 연장되거나, 또는 2차원, 즉 X축 및 Y축 둘 다를 따라 연장될 수 있다. 격자들(112)의 공간 위치는 디스플레이 패널(102)의 픽셀들(103)의 공간 위치와 매칭되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 격자(112) 어레이의 피치는 픽셀(103) 어레이의 피치의 정수배일 수 있다. 도 1에 도시한 실시형태에서, 각각의 격자(112)가 대응하는 픽셀(103) 아래에 정확하게 배치되도록, 양 피치는 동일하다.
픽셀들(103) 사이의 경계(115)에서의 광 손실을 더욱 감소시키기 위해, 광원(110)에 의해 방출된 광(108)으로부터 개별 격자(112)에 의해 분할된 개별 광 부분 또는 광빔(109)은 도시된 바와 같이 개별 픽셀들(103)을 통해 포커싱될 수 있다. 디스플레이 패널(102)의 하류(도 1에서는 상류)의 확장되는 원뿔형의 광(109)은 점선으로 개략적으로 도시하는 안구 렌즈(117)에 의해 시준되고, 각각의 픽셀(103) 특유의 각도로 아이박스(116)에 지향될 수 있다. 따라서, 아이박스(116)에 각도 영역의 이미지가 형성된다. 여기서, "아이박스(eyebox)"라는 용어는 디스플레이의 사용자가 허용 가능한 품질의 이미지를 볼 수 있는 기하학적 영역을 의미한다.
아이박스(116)의 사이즈는 광 원뿔(109)의 원뿔 폭에 비례한다. 디스플레이의 기하형상으로 인해, 격자(112)와 대응하는 픽셀(103) 사이의 거리가 감소할 때 광 원뿔의 폭이 증가한다. 격자(112)와 대응하는 픽셀(103) 사이의 거리를 줄임으로써, 광 원뿔이 더 넓어질 수 있고, 이에 따라 아이박스(116)는, 예컨대 디스플레이 패널(102)의 하부 기판(111)에 백라이트(104)를 통합함으로써 더 커질 수 있다. 통합된 백라이트에 대한 더 많은 상세는 아래에서 더 제공될 것이다.
개별 픽셀(103)의 투과값은 디스플레이(100)에 의해 디스플레이될 이미지에 따라 설정될 수 있다. 이미지의 더 밝은 픽셀은 대응하는 디스플레이 패널 픽셀(103)의 더 높은 투과값에 대응하고, 이미지의 더 어두운 픽셀은 대응하는 디스플레이 패널 픽셀(103)의 더 낮은 투과값에 대응한다. 일부 실시형태에서, 격자(112)는 외부 제어 신호를 인가함으로써 회절 효율을 변화시킬 수 있다. 격자(112)의 회절 효율의 가변성은 이미지의 전체 콘트라스트 또는 동적 범위를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 높은 투과율을 갖는 픽셀(103) 아래의 격자(112)의 회절 효율은 이미지의 광 영역이 훨씬 더 밝게 보이도록 턴업될 수 있고, 높은 투과율을 갖는 픽셀(103) 아래의 격자(112)의 회절 효율은 이미지의 어두운 영역이 더 어둡게 보이도록 턴다운될 수 있다. 제어 가능한 격자에 대한 더 많은 상세는 아래에서 더 제공될 것이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 백라이트(104)의 슬래브형 광가이드 구현을 예시한다. 도 1b의 백라이트(124)는 투명 슬래브 기판의 외측의 평행한 표면들로부터 광(108)의 일련의 연속적인 반사에 의해 2개의 비평행한 방향들을 따라 광(108)을 확장시키는 2개의 슬래브 광가이드 부분들을 포함하는 광가이드에 커플링된 광원(110)을 포함한다. 제1 및 제2 1D 빔 확장기(131 및 132)는 광(108)을 Y 방향 및 X 방향으로 각각 확장한다. 제1 1D 빔 확장기는 광원(110)으로부터 광빔(108)을 수신하고 Y-확장 광빔(126)을 생성하며, 이 광빔(126)은 Y축에 평행한 에지(127)를 따라 제2 1D 빔 확장기(132)에 커플링된다. 이어서, Y-확장 광빔(126)은 X축을 따라 제2 1D 빔 확장기(132)에 의해 확장되고, 광빔 부분(109)은 제2 1D 빔 확장기(132)에 광학적으로 커플링된 격자(112)를 통해 전파되고 이에 의해 부분적으로 아웃커플링된다. 따라서, 제1 및 제2 1D 빔 확장기(131 및 132)는 디스플레이 패널(102)의 평면에 평행한 XY 평면을 따라 광(108)을 확장시킨다(도 1a).
구체적으로 도 1c를 참조하면, 백라이트(144)는 슬래브 광가이드에 기초한 도 1a의 백라이트(104)의 예시적인 구현이다. 도 1c의 백라이트(144)는 슬래브 광가이드(130)에 커플링된 광원(110)을 포함한다. 슬래브 광가이드(130)는 제1 격자(141)를 포함하는데, 제1 격자(141)는 도시 생략한 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되게 광 부분들을 아웃커플링하도록 구성된다. 슬래브 광가이드(130)는 제2 격자(142)를 더 포함하는데, 제2 격자는 광가이드(130) 내에서 전파되도록 광(108)을 재지향하여 XY 평면에서 확장시키도록 구성된다. 광(108)은 슬래브 광가이드(130)의 외측의 평행한 표면들로부터의 일련의 전(全) 내부 반사에 의해 XY 평면에서 확장되고, 즉 XY 평면에서 전파된다는 것을 이해해야 할 것이다.
도 1a의 백라이트(104)의 선형 도파관 구현이 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 도시되어 있다. 먼저 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 포토닉 집적 회로(PIC) 백라이트(204)는 기판(206)과, 기판(206)에 의해 지지되고 도시 생략된 디스플레이 패널의 픽셀 어레이를 따라 뻗는 선형 도파관(207)의 어레이를 포함한다. 여기서, "선형 도파관(linear waveguide)"이라는 용어는 광선처럼 광 전파를 2차원으로 제한하는 도파관을 가리킨다. 선형 도파관은 직선, 곡선 등일 수 있고; 다시 말하면, "선형"이라는 용어는 직선형의 도파관 단면을 의미하지 않는다. 선형 도파관의 일례는 리지 타입(ridge-type) 도파관이다.
도 2a에 도시한 PIC 백라이트(204)에서, 선형 도파관(207)은 적색 파장으로 광을 전달하기 위한 "적색 도파관"(207R), 녹색 파장으로 광을 전달하기 위한 "녹색 도파관"(207G), 및 청색 파장으로 광을 전달하기 위한 "청색 도파관"(207B)을 포함한다. 상이한 파장들에서의 광(208)은 다중 파장의 광원(210)에 의해 생성될 수 있고, PIC의 일부인 광학 디스패치 회로(219)에 의해 상이한 도파관들(207R, 207G, 207B) 사이에서 분배될 수 있다. 디스패치 회로(219)의 기능은 Y 방향을 따라 광을 확장시키는 것이다. 디스플레이 패널의 픽셀들의 하나의 행은 적색, 녹색, 및 청색 컬러 채널들의 모든 선형 도파관들(207R, 207G, 207B)에 걸쳐 각각 배치될 수 있는데, 선형 도파관들은 도 2a에서 수직으로 연장된다. 픽셀 행은 도 2a에서 점선 직사각형(213)으로 윤곽이 형성된다.
도 2b는 디스플레이 패널의 단일 픽셀 아래에 있는 3개의 컬러 채널 도파관의 확대도이다. 3개의 컬러 서브픽셀 각각은 이미지의 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B) 컬러 채널 중 하나에 각각 대응한다. 3개보다 더 많은 컬러 서브픽셀이 예컨대 RGGB 체계로 제공될 수 있다. 광 부분들은 도 2c에 도시한 각각의 격자(212R, 212G, 및 212B)에 의해 리지 도파관(207R, 207G, 207B)으로부터 아웃커플링되거나 또는 재지향될 수 있다. 격자(212R, 212G, 및 212B)는 도파관을 따르는 방향으로, 즉 도 2a 및 도 2b에서 수직으로(X 축을 따라) 아웃커플링된 광빔을 포커싱하도록 처핑(chirp)될 수 있다. 추가적으로, 격자 홈은 도 2a 및 도 2b에서 수평 방향으로(즉, Y 축을 따라) 광을 포커싱하도록 곡면화될 수 있다. 도 2c의 예에서, 격자(212R, 212G, 및 212B)는 선형 도파관(207R, 207G, 및 207B)에 각각 형성되지만, 일부 실시형태에서 격자 어레이는 별도로 형성되어 선형 도파관(207)의 어레이에 광학적으로 커플링될 수도 있다.
도 2b에서 아웃커플링된 광빔을 수평 방향으로 포커싱하기 위해, 도시된 바와 같이 1D 마이크로렌즈(218)가 제공될 수 있다. 여기서, "1D 렌즈"라는 용어는 주로 1차원으로 광을 포커싱하는 렌즈, 예컨대 원통형 렌즈를 가리킨다. 2D 렌즈, 즉 1D 렌즈 대신에 2개의 직교 평면에서 광을 포커싱하는 렌즈가 제공될 수도 있다. 격자(212R, 212G, 및 212B)와 픽셀(203R, 203G, 및 203B) 사이의 광학 경로에 배치된 마이크로렌즈(218)의 어레이는 대응하는 픽셀(203R, 203G, 및 203B)을 통한 전파를 위해 격자(212R, 212G, 및 212B)에 의해 재지향되는 광의 적어도 부분적으로 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 하나의 흰색 픽셀(203)에 대한 구성이 도 2b에 도시되어 있다. 흰색 픽셀 구성은 디스플레이 패널의 각각의 흰색 픽셀마다 반복될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 도 3a의 백라이트(304)는 도 1a의 디스플레이(100)의 백라이트(104)의 슬래브형 광가이드 구현이다. 도 3a의 백라이트(304)는 광가이딩 기판으로서 기능하는 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 재료의 슬래브(306)를 포함한다. 광(308)(기울어진 화살표로 도시됨)은 슬래브(306)의 외측의 대향하는 평행한 표면들로부터의 일련의 연속적인 반사, 전형적으로는 전 내부 반사에 의해 슬래브 광가이드 내에서 전파된다. 슬래브(306) 상에 제공되는 격자 구조(312)는 대응하는 컬러 채널의 광을 아웃커플링한다. 비제한적인 예로서, 격자 구조(312)는 표면 릴리프 격자(surface-relief gratings; SRG), 체적 브래그 격자(volume Bragg gratings; VBG), 편광 체적 홀로그램(polarization volume hologram; PVH) 격자 등을 포함할 수 있다. 격자 구조(312)는 도 3b에 예시하는 바와 같이, 디스플레이 패널의 기판(311) 및 픽셀들(303)을 통해 아웃커플링된 광빔(309)의 1D 포커싱(XZ 평면에서)을 제공하기 위해 X축을 따라 처핑될 수 있다. 2D 포커싱(XZ 및 YZ 평면 모두에서)은 또한 격자 홈의 처핑(chirping) 및/또는 커빙(curving)에 의해 제공될 수 있다. 기판(311)을 박형화하면 광빔(309)의 원뿔각(θ)을 증가시켜서 아이박스의 사이즈를 효과적으로 증대시킬 수 있다. 추가 렌즈 또는 렌즈들을 1D/2D 포커싱에 사용할 수도 있거나 또는 그렇지 않으면 아웃커플링된 광빔(309)을 컨디셔닝할 수 있다.
격자 구조 및/또는 격자 구조의 상부에 배치된 추가 마이크로렌즈에 의한 광빔(309)의 포커싱은 단면도로 디스플레이(300)를 도시하는 도 3c에 더 예시되어 있다. 디스플레이(300)는 광빔(309)을 포커싱하도록 구성된 PVH 격자 구조(313)의 어레이를 지지하는 광가이드 슬래브(306)를 포함한다. 간결성을 위해 하나의 격자 구조(313)만이 도시된다. 선택적인 QWP(quarter-wave plate)(344)는 PVH 격자 구조(313)를, 편광기(350)를 탑재한 기판(도시 생략)에 의해 상측에 결합된 LC층(348)에서 픽셀을 규정하는 TFT 그리드(346)를 갖는 기판(311)(박막 트랜지스터 또는 "TFT" 기판)에 커플링한다.
동작시, PVH 격자 구조(313)는 광(308)의 부분들을 아웃커플링하고, 아웃커플링된 부분들을 포커싱하여 광빔(309)을 형성한다. 각각의 광빔(309)은 광 밸브 픽셀을 규정하는 TFT 그리드(346) 내의 대응하는 개구부를 통해 전파되도록 수렴된다. 디스플레이(300)의 출구 동공 사이즈를 규정하는 초점 이후의 빈 수렴(bean convergence) 및 후속 발산(subsequent divergence)의 최대 각도는 PVH 격자 구조(313)의 폭 대 기판(311)의 두께의 비율에 의존한다. 디스플레이(300)의 출구 동공 사이즈가 클수록 사용자에게 보다 편안한 시청 조건을 제공한다. 수렴/발산 각도 및 연관된 배출 동공 사이즈는 PVH 격자 구조(313)의 폭을 증가시키거나, 기판(311) 두께를 감소시키거나, 또는 둘 다에 의해 증대될 수 있다. 그러나, PVH 격자 구조(313)의 폭은 디스플레이(300)의 픽셀 피치에 의해 제한되고, 기판(311)의 두께는 기판(311)의 구조적 강도 및/또는 평탄도 요건에 의해 제한된다.
빔 발산 및 연관된 출구 동공 사이즈 제한을 극복하는 한가지 방법은 백라이트의 반대편에 있는 디스플레이 패널 픽셀 상에 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 것이다. 비제한적인 예를 위해 도 3d를 참조하면, 디스플레이(360)는 격자 구조(315)의 어레이를 지지하는 광가이드 슬래브(306)를 포함하며, 이 예에서 PVH는 포커싱 없이 또는 중간 포커싱으로 광빔(309)을 아웃커플링하도록 구성된다. 선택적인 QWP(quarter-wave plate)(344)는 격자 구조(315)를, LC층(348)에서 픽셀들을 규정하는 TFT 그리드(346)를 갖는 기판(311)(이 예에서는 TFT 기판)에 커플링한다. LC층(348)은 선형 편광기(350)를 탑재한 기판에 의해 상측에 결합된다. 선택적인 제2 QWP(344)는 선형 편광기(350) 상에 배치될 수 있다. 선형 편광기(350) 및 제2 QWP(344)에 의해 규정된 편광에서 광빔(309)에 원하는 발산을 제공하기 위해 PBP(판차라트남 베리 위상) 마이크로렌즈(352)의 어레이가 제2 QWP(344)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 QWP(344) 및 PBP 마이크로렌즈 어레이(352) 대신에 굴절 또는 회절 마이크로렌즈 어레이가 사용될 수도 있다.
픽셀 평면에서의 초점 이전의 포커싱된 빔 수렴과 픽셀 평면 이후의 발산을 개선하는 다른 방법은 다차 회절을 사용하는 것이다. 비제한적인 예시를 위해 도 3e를 참조하면, 디스플레이(380)는 격자 구조의 어레이를 지지하는 광가이드 슬래브(306)를 포함한다. 간결성을 도 3e에는 하나의 격자 구조(318)만이 도시된다. 격자 구조(318)는 충돌 광(308)을 예컨대 0차(360), +1차(361), 및 -1차(362)를 포함하는 복수의 회절 차수로 분할하도록 구성된 다중 회절 차수 격자이다. 상이한 회절 차수들(360, 361, 362)은 LC층(348)을 제어하는 TFT 그리드(346)에 의해 규정되는 픽셀 어레이의 상이한 픽셀들(364)에서 TFT 기판(311)을 통해 포커싱된다.
도 3f는 전체적인 수렴 및 발산 각도를 증가시키는 격자 구조의 어레이의 결합 효과를 나타낸다. 도 3f는 격자 구조 어레이의 3개의 인접한 격자 구조, 특히 중앙 격자 구조(318)와 동일한 방식으로, 즉 적어도 3개의 회절 차수를 생성하도록 구성된 2개의 격자 구조(381 및 382)에 의해 둘러싸이는 격자 구조(318)를 도시한다. 중앙 격자 구조(318)의 회절 차수는 도면부호 372에서 실선으로 표시되고, 좌측 격자 구조(381)의 회절 차수는 도면부호 371에서 점선으로 표시되며, 우측 격자 구조(383)의 회절 차수는 도면부호 373에서 긴 점선으로 표시된다. 격자 어레이의 상이한 격자들의 회절 차수들이 픽셀 어레이의 동일한 픽셀을 통해 전파되고, 이에 따라 픽셀에서의 수렴 각도가 3배가 될 수 있는 것을 볼 수 있다. 예를 들어, 중앙 격자 구조(318)에 대응하는 중앙 픽셀(364*)의 경우, 좌측 격자 구조(371)의 -1차 회절 차수가 중앙 격자 구조(318)의 0차와, 그리고 우측 격자 구조(373)의 1차 회절 차수와 더해진다. 수렴 각도는 각 픽셀(364)에서 3배가 되고, 픽셀(364)을 빠져나가는 광빔의 전체 발산 각도가 3배로 되어, 디스플레이(380)의 결과로서 얻어지는 출구 동공 사이즈는 거의 3배가 된다.
격자 구조(312, 313, 315, 및 318)는 편광 선택적일 수 있다. 다시 말해, 격자 구조(312)는, 제1 편광의 광은 회절시키고 제1 편광에 직교하는 제2 편광의 광은 실질적으로 회절시키지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, PVH 격자는 편광 선택적일 수 있다. PVH 격자는 또한 도 4에 예시하는 바와 같이 컬러 선택적일 수 있다. 각각의 PVH 격자는, 예시하는 바와 같이, 특정 파장 대역 내에서, 예컨대 0.6 마이크로미터 내지 0.64 마이크로미터 사이의 적색 파장 대역(400R), 0.525 마이크로미터 내지 0.575 마이크로미터 사이의 녹색 파장 대역(400G), 및 0.425 마이크로미터 내지 0.465 마이크로미터 사이의 청색 파장 대역(400B)에서만 광을 회절시키도록 구성될 수 있다. PVH 격자의 편광 선택성은 백라이트 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이제 도 5a를 참조하면, 백라이트(504A)는 1D 또는 2D로 픽셀화될 수 있는 활성 격자 구조(512)를 지지하는 광가이드 판 또는 슬래브(506)를 포함하는데, 즉 XY 평면에 배치된 아웃커플링 격자(542)의 1D 또는 2D 어레이를 포함할 수 있다. 광원(510)에 의해 제공되는 조명광(508)은 슬래브(506)의 대향하는 상부 및 하부 표면들로부터의 일련의 지그재그 반사에 의해 슬래브(506) 내에서 전파된다. 조명광은 아웃커플링 격자(542)에서 충돌하는데, 이 아웃커플링 격자(542)는 조명 광(508)의 일부를 아웃커플링하여 광빔(509)을 형성한다. 아웃커플링 격자(542)는 광빔(509)이 수렴하도록 처핑 및/또는 커빙될 수 있다. 격자 구조(542)에 의한 아웃커플링의 효율은 외부 제어 신호, 예컨대 격자 구조(512)의 개별 아웃-커플링 격자(542) 양단에 전압을 인가함으로써 제어될 수 있다. 전압은 예컨대 슬래브(506)에 의해 지지되는 픽셀화된 투명 전극층(530)과 백플레인 상부 투명 전극층(532) 사이에 인가될 수 있다. 이를 통해, 격자 구조(512)의 각각의 아웃커플링 격자에 의해 아웃커플링되는 광량을 독립적으로 제어할 수 있는데, 즉 디스플레이 패널의 컬러 서브픽셀, 픽셀, 또는 픽셀들의 서브 어레이를 조명하는 광빔의 밝기를 제어할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 백라이트(504B)는 도 5a의 백라이트(504A)의 변형으로, 유사한 엘리먼트들을 포함한다. 도 5b의 백라이트(504B)는 개별적으로 튜닝 가능한 LC 편광 회전기(564)를 포함하는 픽셀화된 활성 액정(LC) 파장판(534)을 포함한다. 편광 선택적 아웃커플링 격자(552)가 활성 픽셀화된 LC 파장판(534)의 상부에 배치될 수 있다. LC 파장판(534)은 예를 들어, 픽셀화된 투명 전극층(530)과 백플레인 상부 투명 전극층(532) 사이의 LC층을 포함할 수 있다. 편광 선택적 아웃커플링 격자(552)는 미리 정의된 특정 편광 상태("제1 편광 상태")의 광은 아웃커플링하도록 구성될 수 있고, 실질적으로 직교 편광("제2 편광 상태")의 광은 아웃커플링하지 않도록 구성될 수 있다. 광가이드판 내에서 전파되는 광(508)은 2개의 편광 상태 중 하나를 가질 수 있다. 활성 픽셀화된 LC 파장판(534)은 공간 선택적 방식으로 광(508)의 편광을 스위칭하거나 튜닝하도록 구성된다. LC 편광 회전기(564)를 통해 전파된 광이 제1 편광 상태일 경우, 광(508)은 광빔(509)으로서 아웃커플링된다. LC 편광 회전기(564)를 통해 전파된 광(508)이 제2 편광 상태일 경우, 광(508)은 아웃커플링되지 않는다. LC 편광 회전기를 통해 전파된 광(508)이 일부 중간 편광 상태일 경우, 해당 광의 일부만이 광빔(509)으로서 아웃커플링된다.
본 개시내용의 일부 실시형태에서, 패터닝된 백라이트가 디스플레이 패널 자체에 통합될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 컬러 필터층(622) 및 박막 트랜지스터(TFT) 어레이(624)에 의해 경계가 형성되는 트위스트 네마틱(TN, twisted nematic) LC층(620)을 포함하는 활성 매트릭스(AM) 액정 디스플레이(LCD) 패널(600)을 예시한다. 컬러 필터층(622) 및 상부 편광기(626)는 상부 기판(614)의 내측 표면 상에 배치된다. TFT 어레이(624) 및 하부 편광기(628)는 본원에 개시하는 바와 같이, 격자 어레이를 포함한 광가이드 패널(lightguide panel; LGP)(604)의 내면에 의해 지지된다. LCD 패널(600)에 별도의 하부 기판이 없으면, LC층(620)과 LGP(604)의 격자 사이의 거리를 줄일 수 있고, 이에 따라 격자에 의해 LC 픽셀로 재지향되는 광의 더욱 엄격한 포커싱이 가능하여, 포커싱된 광의 원뿔각을 증가시킨다. 원뿔각이 증가하면 디스플레이(100)의 아이박스(116)가 더 넓어진다. 이것은 도 1을 참조하여 전술하였다.
이제 도 7을 참조하면, 시각적 디스플레이(700)는 광 밸브 픽셀의 어레이, 예컨대 외측에서 편광기(754)를 지지하는 이격된 기판들 사이에 LC층(752)을 포함하는 LC 패널(702)에 커플링된 백라이트(704), 예컨대 본원에 개시하는 임의의 백라이트를 포함한다. 컬러 선택 파장판(756)의 어레이, 예컨대 적색, 녹색, 및 청색 색상 중 하나에 대한 반파 파장판과 다른 2개의 색상에 대한 단파(one-wave) 파장판인 두꺼운 파장판이 LC 패널(702)의 하류에 배치된다. 여기서, 용어 "반파 파장판"은 대응하는 파장에서 광의 홀수 개의 반파장의 광학 지연을 갖는 파장판을 포함하고, 용어 "단파 파장판"은 광의 짝수 개의 반파장의 광학 지연을 갖는 파장판을 포함한다. 어레이 내의 개별 컬러 선택적 파장판들(756)의 위치는 LC 패널(702)의 개별 픽셀들의 위치에 대응한다. 출력 편광기(758)가 컬러 선택적 파장판(756) 어레이의 하류에 배치된다.
동작시, 백라이트(704)는 LC 패널(702)의 개별 픽셀의 위치에 대응하여 광점 어레이를 제공한다. 광점은 광가이드(706) 상의 아웃커플링 격자(712), 예컨대 전술한 PLC 도파관 또는 슬래브형 도파관에 의해 제공된다. 아웃커플링 격자 어레이에 의해 반사되는 광은 LC 패널(702)에 의해 공간적으로 변조된다. LC 패널(702)의 광학 밸브 어레이의 상이한 서브픽셀들은 상이한 컬러 선택적 파장판들에 대응한다. 컬러 선택적 파장판은 컬러 선택 방식으로 광의 선형 편광을 90도만큼 회전시키는 편광 위상 지연을 제공한다. 출력 편광기(758)는 특정 편광의 광, 예컨대 LC 패널(702)을 빠져나가는 광의 편광에 직교하는 편광만을 선택한다. 컬러 선택적 파장판(756)의 어레이와 출력 편광기(758)가 함께 편광 기반 컬러 필터 어레이를 형성한다.
도 8은 적색 픽셀 투과 대역(800R), 녹색 픽셀 투과 대역(800G), 및 청색 픽셀 투과 대역(800B)을 포함한, 도 7의 시각적 디스플레이(700)의 개별 컬러 선택 파장판(756)의 투과 스펙트럼을 예시한다. 투과 대역(800R, 800G, 및 800B)의 스펙트럼 형상은 컬러 선택적 파장판(756) 각각의 컬러 선택적 파장판(756) 내의 복굴절층의 수 및 배향에 의해 결정된다.
도 9를 참조하면, 방법(900)은 백라이트에 의해 방출되고 디스플레이 패널의 픽셀들의 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시킴으로써, 백라이트 디스플레이 패널을 사용하는 디스플레이 시스템에 의한 백라이트 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 방법(900)은 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 광을 재지향시키기 위해, 디스플레이 패널의 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 공간적 분포와 매칭되도록 백라이트의 광 재지향 엘리먼트 어레이의 광 재지향 엘리먼트들의 공간적 분포를 선택하는 단계(902)를 포함한다. 이를 통해, 도 1, 도 3a 내지 도 3b, 및 도 7을 참조하여 전술한 바와 같이, 광 밸브 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 재지향 엘리먼트들(예컨대, 격자들)에 의해 아웃커플링되는 개별 광빔을 재지향시킬 수 있다. 방법(900)은 또한, 픽셀 어레이의 픽셀들의 컬러 필터 엘리먼트들의 스펙트럼 투과율과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 스펙트럼 조성을 선택하는 단계(904)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광의 스펙트럼 조성은 도 8에 도시한 투과 스펙트럼의 적색(800R), 녹색(800G), 및/또는 청색(800B) 투과 대역의 투과 파장의 광을 포함하도록 선택될 수 있다. 이를 통해 컬러 필터 엘리먼트들에 의한 광의 흡수를 저감할 수 있고, 그럼으로써 전반적인 백라이트 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 방법(900)은 픽셀 어레이의 픽셀들의 투과 편광과 매칭되도록 광 재지향 엘리먼트들에 의해 재지향되는 광의 편광을 선택하는 단계(906)를 더 포함할 수 있다. 이에 의해 또한 디스플레이 패널에서 광학 손실을 감소시켜, 전반적인 백라이트 이용 효율을 향상시킨다.
본 개시내용의 백라이트와 디스플레이는 적어도 부분적으로 광을 투과하도록 구성될 수 있는데, 이것은 증강 현실(AR) 디스플레이에 적합하게 한다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, AR 디스플레이 시스템(1000)(도 10a)은 예컨대, 도 1의 디스플레이(100) 또는 그 변형들 중 임의의 것, 도 6의 LC 디스플레이(600), 도 7의 시각적 디스플레이(700) 등을 포함한다. 디스플레이 디바이스(1072)는 선형 편광기(LP)(1004)(도 10b)를 통해 팬케이크 렌즈(1074)에 광학적으로 커플링된다. 팬케이크 렌즈(1074)는 순차적으로 배치된 반사 편광기(RP)(1006), 쿼터파 파장판(QWP)(1008), 및 50/50 미러(1010)를 포함한다.
동작시, 팬케이크 렌즈(1074)의 방향으로 디스플레이 디바이스(1072)에 의해 방출된 이미지 광(1082)은 선형 편광기(1004), 반사 편광기(1006)를 통해 전파되고, 50/50 미러(1010)에 의해 반사된다. 50/50 미러(1010)가 오목형이기 때문에, 반사된 이미지 광(1082)은 부분적으로 시준되고, QWP(1008)를 통해 다시 전파되고, 그 편광이 직교 편광으로 변경된다. 그런 후, 이미지 광(1082)은 반사 편광기(1006)에 의해 반사되고, 다시 50/50 미러(1010)를 향해 전파되고, 그에 의해 반사되고 시준됨으로써, 그 편광이 원래의 편광으로 다시 변경된다. 그런 후, 이미지 광(1082)은 반사 편광기(1006), 선형 편광기(1004), 및 디스플레이 디바이스(1072)를 통해 사용자의 눈(1080)을 향해 전파된다. 도 10b의 편광 구성은 이미지 광(1082)의 광 경로가 두 번 접히도록 하여, 디스플레이 디바이스(1072)를 위한 매우 콤팩트한 안구 렌즈를 제공한다. 적절한 편광의 주변 광(1084)은 팬케이크 렌즈(1074) 및 디스플레이 디바이스(1072)를 통해 직접 전파될 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, HMD(1100)는 AR/VR 환경에 대한 몰입도를 높이기 위해 사용자의 얼굴을 에워싸는 웨어러블 디스플레이 시스템의 일례이다. HMD(1100)는 AR/VR 시스템의 일부로서 사용자에게 콘텐츠를 제시할 수 있다. 시스템은 사용자 위치 및 배향(orientation) 추적 시스템, 외부 카메라, 제스처 인식 시스템, 시스템에 사용자 입력 및 제어를 제공하기 위한 제어 수단, 및 AR/VR 환경과 상호작용하기 위해 사용자와 상호작용하는 소프트웨어 프로그램 및 다른 데이터를 저장하기 위한 중앙 콘솔을 더 포함할 수 있다. HMD(1100)의 기능은 물리적, 실세계 환경의 뷰를 컴퓨터 생성 이미지로 증강시키거나, 또는 완전히 가상 3D 이미지를 생성하는 것이다.
HMD(1100)는 전면 본체(front body)(1102) 및 밴드(1104)를 포함할 수 있다. 전면 본체(1102)는 안정적이고 편안한 방식으로 사용자의 눈 앞에 배치되도록 구성되고, 밴드(1104)는 사용자의 머리에 전면 본체(1102)를 고정시키도록 늘어날 수 있다. 디스플레이 시스템(1180)은 본원에서 설명한 디스플레이 및/또는 백라이트 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템(1180)은 AR/VR 이미지를 사용자에게 제시하기 위해 전면 본체(1102)에 배치될 수 있다. 전면 본체(1102)의 측면부(1106)은 불투명하거나 투명할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전면 본체(1102)는 로케이터(1108), HMD(1100)의 가속도를 추적하기 위한 관성 측정 유닛(IMU)(1110), 및 HMD(1100)의 위치를 추적하기 위한 위치 센서(1112)를 포함한다. 로케이터(1108)가 가상 현실 시스템의 외부 이미징 디바이스에 의해 트레이싱되어, 가상 현실 시스템은 전체 HMD(1100)의 위치 및 배향을 추적할 수 있다. IMU 및 위치 센서(1112)에 의해 생성된 정보는 HMD(1100)의 위치 및 배향의 향상된 추적을 위해 로케이터(1108)를 추적함으로써 획득된 위치 및 배향과 비교될 수 있다. 정확한 위치 및 배향은 사용자가 3D 공간에서 이동 및 회전할 때 사용자에게 적절한 가상 장면을 제시하기 위해 중요하다.
HMD(1100)는 실시간으로 사용자의 눈의 배향 및 위치를 결정하는 시선 추적 시스템(1114)을 더 포함할 수 있다. 획득된 눈의 위치 및 배향에 따라 HMD(1100)는 사용자의 시선 방향을 결정하고 그에 따라 디스플레이 시스템(1180)에 의해 생성된 이미지를 조정할 수 있다. 일 실형태에서, 버전스(vergence), 즉 사용자의 눈 시선의 수렴 각도가 결정된다. 결정된 시선 방향 및 버전스 각도(vergence angle)는 또한 시야각 및 눈 위치에 따라 시각적 아티팩트를 실시간 보정하는 데에 사용될 수도 있다. 또한, 결정된 시선 “‡향 및 버전스 각도는 사용자와의 상호작용, 객체를 강조 표시하기, 객체를 전경으로 가져오기, 추가 객체 또는 포인터 생성 등에 사용될 수 있다. 또한, 예컨대 전면 본체(1102)에 내장된 소형 스피커의 세트를 포함한 오디오 시스템이 제공될 수도 있다.
본 개시내용의 실시형태는 인공 현실 시스템을 포함하거나 이와 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은 시각 정보, 청각, 촉각(체성 감각) 정보, 가속도, 균형 등과 같은 감각을 통해 획득된 외부 세계에 대한 감각 정보를 사용자에게 제시하기 전에 몇몇 방식으로 조정한다. 비제한적인 예로서, 인공 현실은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 일부 조합 및/또는 파생물을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 완전히 생성된 콘텐츠 또는 캡처된 (예를 들어, 실제 세계)콘텐츠와 결합하여 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이 콘텐츠 중 임의의 콘텐츠는 단일 채널로 제시되거나 또는 예컨대 시청자에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오와 같이 복수의 채널로 제시될 수 있다.
더불어, 일부 실시형태에서, 인공 현실은 또한 예컨대 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되고/사용되거나 달리 인공 현실에서 (예를 들어, 활동을 수행하기 위해) 사용되는 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은 호스트 컴퓨터 시스템에 접속된 HMD, 독립형 HMD, 안경의 폼팩터를 갖는 근안형 디스플레이, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 한 명 이상의 시청자에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 비롯한 다양한 플랫폼에서 구현될 수 있다.
본 개시내용은 본원에서 설명한 특정 실시형태들에 의해 범위가 제한되는 것은 아니다. 실제로, 본원에서 설명한 것에 더하여, 다른 다양한 실시형태 및 변형이 전술한 설명 및 첨부 도면들로부터 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 그러한 다른 실시형태 및 변형은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것이 의도된다. 또한, 본 개시내용이 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현의 맥락에서 본원에 설명되었지만, 당업자는 본 개시내용의 유용성이 이에 제한되지 않으며, 본 개시내용은 임의 수의 목적을 위해 임의 수의 환경에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (15)

  1. 디스플레이 패널에 있어서,
    제1 평면에 배치된 픽셀 어레이― 픽셀들은 가변의 광 투과율을 가짐 ―; 및
    상기 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며, 상기 픽셀 어레이에 광을 제공하기 위한 백라이트
    를 포함하고, 상기 백라이트는,
    상기 제1 평면을 따라 광을 확산시키기 위한 광가이드; 및
    상기 광가이드에 광학적으로 커플링되며, 상기 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 광가이드 내에서 광의 부분들을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 상기 격자 어레이의 격자들의 위치가 상기 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정되는 것인, 디스플레이 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광가이드는 상기 제1 평면에 평행한 제1의 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제1 부분, 및 상기 제1 평면에 평행한 제2의 상이한 방향을 따라 광을 확장시키기 위한 제2 부분을 포함하며, 상기 격자 어레이의 격자들은 상기 광가이드의 제2 부분에 광학적으로 커플링되는 것인, 디스플레이 패널.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광가이드는 상기 제1 평면에 평행한 복수의 방향으로 상기 광가이드 내에서 전파되게 광을 재지향시키도록 구성된 격자들을 포함하는 것인, 디스플레이 패널.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 어레이의 격자들은 상기 픽셀들을 통해 상기 재지향된 광 부분들을 포커싱하도록 구성되는 것인, 디스플레이 패널.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 백라이트 반대편의 상기 픽셀 어레이에 광학적으로 커플링되며, 상기 픽셀들을 통해 전파되는 상기 재지향된 광 부분들을 확장시키도록 구성된 마이크로렌즈 어레이를 더 포함하고, 바람직하게는 상기 마이크로렌즈 어레이는 판차라트남 베리 위상(PBP, Pancaratnam-Berry phase) 마이크로렌즈들을 포함하는 것인, 디스플레이 패널.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 어레이는, 상기 격자 어레이의 상이한 격자들의 회절 차수들이 상기 픽셀 어레이의 동일한 픽셀을 통해 전파되게 하기 위하여, 광 부분들을 복수의 회절 차수로 분할하고 그리고 상기 복수의 회절 차수의 상이한 회절 차수들을 상기 픽셀 어레이의 상이한 픽셀들을 통해 포커싱하도록 구성된 다중 회절 차수 격자들을 포함하는 것인, 디스플레이 패널.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 어레이의 격자들은 외부 제어 신호를 인가함으로써 회절 효율을 변화시키는 것인, 디스플레이 패널.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 어레이의 피치는 상기 픽셀 어레이의 피치와 동일한 것인, 디스플레이 패널.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는 액정 광 밸브 어레이를 포함한 액정 디스플레이(LCD) 패널을 포함하고, 바람직하게는, 상기 LCD 패널은 한 쌍의 기판들 사이에 액정층을 포함하고, 상기 기판들 중 하나는 백라이트를 포함하는 것인, 디스플레이 패널.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 백라이트의 광가이드는,
    기판; 및
    상기 기판에 의해 지지되고 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이를 포함하고,
    상기 격자 어레이는 상기 선형 도파관 어레이에 광학적으로 커플링되며, 상기 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 선형 도파관 내에서 전파되는 광 부분들을 아웃커플링하기 위한 것인, 디스플레이 패널.
  11. 제10항에 있어서,
    i. 상기 격자 어레이의 격자들은 상기 선형 도파관 어레이의 선형 도파관들에 형성되고, 및/또는
    ii. 상기 격자 어레이의 격자들은, 상기 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 처핑(chirp)되고, 및/또는
    iii. 상기 디스플레이 패널은, 상기 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광을 적어도 부분적으로 포커싱하기 위해 상기 격자 어레이와 상기 픽셀 어레이 사이의 광학 경로에 마이크로렌즈 어레이를 더 포함하는 것인, 디스플레이 패널.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 백라이트의 광가이드는 슬래브의 대향 표면들로부터의 일련의 연속적인 반사에 의해 광을 내부 전파하기 위한 투명 재료의 슬래브를 포함하고, 상기 격자 어레이는 상기 슬래브에 의해 지지되며, 바람직하게는, 상기 격자 어레이의 격자들은 제1 편광의 광은 회절시키고 상기 제1 편광에 직교하는 제2 편광의 광은 실질적으로 회절시키지 않도록 구성되며, 상기 백라이트는 상기 슬래브와 상기 격자 어레이 사이의 광학 경로에서 상기 슬래브에 광학적으로 커플링된 튜닝 가능 편광 회전기 어레이를 더 포함하고,
    상기 튜닝 가능 편광 회전기 어레이의 개별 튜닝 가능 편광 회전기들은, 외부 제어 신호를 인가하고 이에 의해 상기 픽셀 어레이의 대응하는 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 격자 어레이의 격자들에 의해 재지향되는 광 부분들의 광 전력을 제어함으로써 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 광 부분들의 편광을 튜닝하도록 구성되는 것인, 디스플레이 패널.
  13. 제1 평면에 배치된 픽셀 어레이를 포함하는 디스플레이 패널을 위한 백라이트에 있어서, 픽셀들은 가변의 광 투과율을 가지며, 상기 백라이트는,
    기판;
    상기 기판에 의해 지지되고 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 따라 뻗는 선형 도파관 어레이; 및
    상기 선형 도파관 어레이에 광학적으로 커플링되며, 상기 제1 평면에 대해 수직으로 그리고 상기 픽셀 어레이의 픽셀들을 통해 전파되도록 상기 선형 도파관 어레이 내에서 전파되는 광을 재지향시키기 위한 격자 어레이를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위해 상기 격자 어레이의 격자들의 위치가 상기 픽셀 어레이의 픽셀들의 위치와 조정되는 것인, 백라이트.
  14. 백라이트에 의해 방출되고 디스플레이 패널의 픽셀 어레이를 통해 전파되는 광의 일부를 증가시키기 위한 방법에 있어서, 상기 디스플레이 패널의 픽셀 어레이의 개별 픽셀들을 통해 전파되도록 광을 재지향시키기 위해, 상기 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 공간적 분포와 매칭되도록 상기 백라이트의 광 재지향 엘리먼트 어레이의 광 재지향 엘리먼트들의 공간적 분포를 선택하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이의 픽셀들의 컬러 필터 엘리먼트들의 스펙트럼 투과율과 매칭되도록 상기 광 재지향 엘리먼트에 의해 재지향되는 광의 스펙트럼 조성을 선택하는 것; 및
    상기 픽셀 어레이의 픽셀들의 투과 편광과 매칭되도록 상기 광 재지향 엘리먼트에 의해 재지향되는 광의 편광을 선택하는 것, 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3295242B1 (en) * 2015-05-09 2020-05-06 LEIA Inc. Colour-scanning grating-based backlight and electronic display using the same
EP3363197A4 (en) * 2015-10-16 2019-05-22 LEIA Inc. MULTILAYER GRID BASED EYE-ONLY DISPLAY
CN106959542A (zh) * 2016-01-08 2017-07-18 京东方科技集团股份有限公司 一种显示装置及控制方法
US10379419B1 (en) * 2016-11-23 2019-08-13 Facebook Technologies, Llc Focus adjusting pancharatnam berry phase liquid crystal lenses in a head-mounted display
JP7245835B2 (ja) * 2017-12-05 2023-03-24 エアリー３ディー インコーポレイティド 奥行取得のためのライトフィールド画像処理方法
CN109031736B (zh) * 2018-09-04 2021-03-09 京东方科技集团股份有限公司 准直背光源、显示装置及其驱动方法
CN109061948B (zh) * 2018-10-30 2021-02-12 京东方科技集团股份有限公司 光学基板和显示装置

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