KR20220140540A - 조명 광학부들에 대한 마이크로-렌즈 어레이 편광 재활용 광학부 - Google Patents

조명 광학부들에 대한 마이크로-렌즈 어레이 편광 재활용 광학부 Download PDF

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KR20220140540A
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조슈아 마크 허드먼
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밸브 코포레이션
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Abstract

액정 디스플레이 어셈블리를 포함하는 디스플레이 시스템들과 같은 애플리케이션들에서 사용하기 위한 편광 재활용 구조체를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들. 편광 재활용 구조체는 제2 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격된 제1 공간적으로 변화하는 편광기를 포함할 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기는, 광원으로부터 광을 수신하고 제1 편광 상태의 광을 포커싱하며 제2 편광 상태의 광을 통과시키는 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 광을 수신하고, 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 통과시키며, 제2 편광 상태의 광을 제1 편광 상태로 변환하고, 그럼으로써 편광 재활용 구조체의 출력에서 제1 편광 상태의 광만을 제공한다. 편광 재활용 구조체들은 조명 서브시스템들의 효율을 향상시키며, 그럼으로써 전력 소비, 비용, 공간 요건들을 감소시키고, 다른 장점들을 제공한다.

Description

조명 광학부들에 대한 마이크로-렌즈 어레이 편광 재활용 광학부
본 개시는 전반적으로 디스플레이 시스템들에 관한 것으로서, 보다 더 구체적으로 디스플레이 시스템들에 대한 편광기들에 관한 것이다.
스마트폰들, 태블릿들, 착용형 디바이스들, 및 고-화질 텔레비전들뿐만 아니라 다른 전자 디바이스들의 성장을 포함하여 향상된 성능을 갖는 디스플레이들에 대한 수요가 증가하고 있다. 가상 현실 및 증강 현실 시스템들, 특히 이러한 머리 착용 디바이스들을 사용하는 가상 현실 및 증강 현실 시스템들의 성장하고 있는 인기가 이러한 수요를 추가로 증가시키고 있다. 가상 현실 시스템들은 전형적으로 착용자의 눈들을 완전히 감싸고 착용자의 전방에서 실제 뷰(view)(또는 실제 현실)를 "가상" 현실로 치환하며, 반면 증강 현실 시스템들은 전형적으로, 실제 뷰가 추가적인 정보로 증강되도록 착용자의 눈들의 전방에 하나 이상의 스크린들의 반-투명 또는 투명 오버레이(overlay)를 제공한다. 다수의 가상 현실 및 증강 현실 시스템들에 있어서, 보여지고 있는 이미지들이 사용자의 움직임들을 반영하는 것을 가능하게 하기 위하여, 이러한 머리-착용 디스플레이의 착용자의 움직임은 다양한 방식들로, 예컨대 머리-착용 디스플레이 내의 및/또는 그 외부의 센서들을 통해 추적될 수 있다.
현재 이용가능한 것에 비해 개선된 성능을 가지면서 또한 크기가 더 작거나 또는 더 크고, 더 적은 전력을 소비하며, 더 적은 열을 생성하는 디스플레이들에 대한 수요가 점점 더 증가하고 있다. 따라서, 개선된 디스플레이 패널들, 및 디스플레이 패널들을 제조하고 사용하기 위한 개선된 기술들에 대한 필요성이 존재한다.
편광 재활용 구조체는, 광원으로부터 입사광을 수신하도록 구성된 제1 공간적으로 변화하는 편광기(spatially varying polarizer)로서, 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 각각 제1 편광 상태의 광을 포커싱하는 복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하며, 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 입사광을 렌즈 어레이의 렌즈 요소들에 의해 포커싱되지 않는 상태로 통과시키도록 더 구성되는, 제1 공간적으로 변화하는 편광기; 및 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격되며 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 광을 수신하도록 위치되는 제2 공간적으로 변화하는 편광기로서, 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 어레이 내의 선형 편광기 영역들의 각각은 제1 공간적으로 변화하는 편광기들의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 치수가 결정되며, 제2 공간적으로 변화하는 편광기는, 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 제2 편광 상태를 갖는 광을 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기 및 제2 공간적으로 변화하는 편광기의 각각은 멀티-트위스트 지연기를 포함할 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 렌즈 어레이는 멀티-트위스트 지연기 내의 마이크로-렌즈 어레이 회절 패턴을 포함할 수 있다. 편광 변환 영역은 위상 지연기를 포함할 수 있다. 편광 변환 영역은 1/4 파장 지연기를 포함할 수 있다. 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치될 수 있다. 선형 편광기 영역들의 각각은 100 마이크론 미만인 최대 치수를 가질 수 있으며, 선형 편광기 영역들의 각각은 적어도 0.5 밀리미터만큼 각각의 다른 선형 편광기 영역으로부터 이격될 수 있다. 선형 편광기 영역들은 편광 변환 영역의 표면적의 5 퍼센트 미만인 표면적을 누적적으로 포함할 수 있다.
디스플레이는, 광원; 편광 재활용 구조체로서, 광원으로부터 입사광을 수신하도록 구성된 제1 공간적으로 변화하는 편광기로서, 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 각각 제1 편광 상태의 광을 포커싱하는 복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하며, 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 입사광을 렌즈 어레이의 렌즈 요소들에 의해 포커싱되지 않는 상태로 통과시키도록 더 구성되는, 제1 공간적으로 변화하는 편광기; 및 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격되며 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 광을 수신하도록 위치되는 제2 공간적으로 변화하는 편광기로서, 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 어레이 내의 선형 편광기 영역들의 각각은 제1 공간적으로 변화하는 편광기들의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 치수가 결정되며, 제2 공간적으로 변화하는 편광기는, 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 제2 편광 상태를 갖는 광을 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 포함하는, 편광 재활용 구조체; 및 제2 공간적으로 변화하는 편광기로부터 제1 편광 상태의 광을 수신하도록 위치되는 비-발광 디스플레이 어셈블리를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 비-발광 디스플레이 어셈블리는 액정 디스플레이 어셈블리를 포함할 수 있다. 광원은 발광 다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 디스플레이는 머리-착용 디스플레이 디바이스, 텔레비전, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 또는 착용형 전자 디바이스의 디스플레이일 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기 및 제2 공간적으로 변화하는 편광기의 각각은 멀티-트위스트 지연기를 포함할 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 렌즈 어레이는 멀티-트위스트 지연기 내의 마이크로-렌즈 어레이 회절 패턴을 포함할 수 있다. 편광 변환 영역은 위상 지연기를 포함할 수 있다. 편광 변환 영역은 1/4 파장 지연기를 포함할 수 있다. 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치될 수 있다. 선형 편광기 영역들의 각각은 100 마이크론 미만인 최대 치수를 가질 수 있다. 선형 편광기 영역들의 각각은 적어도 0.5 밀리미터만큼 각각의 다른 선형 편광기 영역으로부터 이격될 수 있다.
편광 재활용 구조체는, 복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하는 제1 멀티-트위스트 지연기로서, 렌즈 요소들의 각각은 제1 편광 상태의 광을 포커싱하며, 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태의 광을 포커싱하지 않고 통과시키는, 제1 멀티-트위스트 지연기; 및 제1 멀티-트위스트 지연기의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치되는 제2 멀티-트위스트 지연기로서, 제2 멀티-트위스트 지연기는 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 어레이 내의 선형 편광기 영역들의 각각은 제1 멀티-트위스트 지연기의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 위치되며, 제2 멀티-트위스트 지연기는, 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 제2 편광 상태를 갖는 광을 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 제2 멀티-트위스트 지연기를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다.
도면들에서, 동일한 참조 번호들은 유사한 요소들 또는 행동들을 식별한다. 도면들 내에서 요소들의 크기들 및 상대적인 위치들은 반드시 축적이 맞춰져야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소들의 형상들 및 각도들이 반드시 축적이 맞춰져야 할 필요는 없으며, 이러한 요소들 중 일부는 도면 가독성을 개선하기 위하여 임의적으로 확장되고 위치될 수 있다. 추가로, 도시되는 요소들의 특정 형상들은 반드시 특정 요소들의 정확한 형상에 관한 임의의 정보를 전달하도록 의도되는 것은 아니며, 단지 도면들 내에서의 인식의 용이성을 위하여 선택될 수 있다.
도 1은, 하나의 예시된 구현예에 따른, 듀얼 디스플레이 패널들을 포함하는 머리-착용 디스플레이 디바이스의 일 예이다.
도 2는, 하나의 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 패널을 포함하는 랩탑의 일 예이다.
도 3은, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 패널을 포함하는 스마트폰의 일 예이다.
도 4는, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 편광 재활용 구조체(polarization recycling structure) 및 백라이트 어셈블리를 포함하는 디스플레이 패널의 단면도이다.
도 5는, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 도 4에 도시된 편광 재활용 구조체의 간략화된 단면도이다.
도 6a는, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 마이크로-렌즈 어레이를 제공하는 편광 재활용 구조체의 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 정면도이다.
도 6b는, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 편광 변환 영역에 의해 둘러싸인 선형 편광기 영역들의 어레이를 제공하는 편광 재활용 구조체의 제2 공간적으로 변화하는 편광기의 정면도이다.
다음의 설명에 있어, 어떤 특정 세부사항들이 개시된 다양한 구현예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 기술되었다. 그러나, 당업자는 구현예들이 이러한 특정 세부사항들 중 하나 이상이 없는 상태로 또는 다른 방법들, 구성 요소들, 재료들 등과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 컴퓨터 시스템들, 서버 컴퓨터들, 및/또는 통신 네트워크들과 연관된 잘 알려진 구조들은 구현예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않는다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "구성되는"은 "포함하는"과 동의어이며, 포괄적이고 개방적이다(즉, 추가적인, 언급되지 않은 요소들 또는 방법 행동들을 배제하지 않는다).
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예"에 대한 이러한 설명의 언급은 구현예와 함께 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 문구들 "하나의 구현예에서" 또는 "일 구현예에서"의 출현이 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것이 아니다. 추가적으로, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "일", 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로, 문맥이 명백히 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.
본원에서 제공되는 본 개시의 표제 및 요약은 오로지 편의를 위한 것이며, 구현예들의 의미 또는 범위를 해석하지 않는다.
다수의 직접 뷰(view) 평면 패널 디스플레이들 및 투영 유형 디스플레이들은 주변 광, CCFL 램프들, 발광 다이오드들, 또는 다른 유형들의 광원들과 같은 편광되지 않은 광원들을 사용한다. 그러나, 액정(liquid crystal; LC) 디스플레이(LCD)들 또는 실리콘 위 액정(LC on silicon; LCoS) 마이크로-디스플레이들과 같은 액정(LC) 재료들을 사용하는 디스플레이 시스템들과 같은 다수의 디스플레이 시스템들은 적절하게 동작하기 위해 광이 편광될 것을 요구할 수 있다. 희망되는 편광을 갖는 광만이 통과하는 것을 허용하는 통상적인 편광기들이 이용가능하지만, 이들은, 원치 않는 광이 전형적으로 상이한 방향을 향해 반사되거나 또는 흡수되기 때문에 비효율적이다. 이러한 유형들의 편광기들은 50% 미만의 효율을 가질 수 있으며, 이는 전력 소비, 크기, 열 생성, 또는 비용이 중요한 인자들인 애플리케이션들에서 특히 바람직하지 않다. 다른 접근방식들은, 원치 않는 편광 광을 반복적으로 반사하고 그런 다음 이것 중 적어도 일부가 올바른 편광인 상태로 광을 다시 수신함으로써 원치 않는 편광을 재활용한다. 이러한 기술은 반사 또는 흡수 편광기에 비해 상대적으로 더 큰 효율(예를 들어, 50-75 %)을 제공하지만, 랜덤하게 편광된 광원으로부터의 광의 상당한 부분이 여전히 손실된다.
본 개시의 하나 이상의 구현예들은, 머리-착용 디스플레이 디바이스들, 랩탑 컴퓨터들, 태블릿 컴퓨터들, 텔레비전들, 스마트폰들, 착용형 컴퓨터들, 컴퓨터 모니터들, 등과 같은 전자 디바이스들에 대한 디스플레이들을 포함하는 다양한 애플리케이션들에서 사용하기 위한 편광 재활용 구조체들에 관한 것이다. 이러한 디스플레이들을 포함할 수 있는 전자 디바이스들의 비-제한적인 예들이 도 1 내지 도 3에 도시된다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 본 개시는, 편광되지 않은 또는 45 도 편광된 광을 수신하고 디스플레이 시스템들과 같은 다양한 애플리케이션들에서 사용하기 위한 편광된 광을 효율적으로 제공하는 편광 재활용 구조체를 제공함으로써 디스플레이 시스템들(예를 들어, LCD, LCoS) 또는 다른 유형들의 구성요소들의 성능을 개선한다.
도 1은, 인간 사용자에게 가상 현실 디스플레이를 제공하기 위해 유선 또는 무선 연결을 통해 비디오 렌더링 컴퓨팅 시스템에 결합될 수 있는, 머리-착용 디스플레이 디바이스(100) 형태의 전자 디바이스의 비-제한적인 예를 예시한다. 동작 시에, 사용자는 하나 이상의 스트랩들(101)을 통해 고정되는 HMD 디바이스(100)를 그들의 머리에 착용하고, 실제 물리적 환경과는 상이한 시뮬레이션된 환경의 컴퓨팅 시스템으로부터 HMD 디바이스의 지지 구조체(104)에 의해 지지되는 디스플레이들(102a 및 102b)을 통해 각각의 눈에서 디스플레이되는 정보를 수신하며, 여기에서 컴퓨팅 시스템은, 컴퓨팅 시스템 상에서 실행 중인 게임 프로그램(미도시) 및/또는 다른 소프트웨어 프로그램(미도시)에 의해 생성되는 이미지들과 같은, 사용자에 대한 디스플레이를 위하여 HMD 디바이스로 시뮬레이션된 환경의 이미지들을 공급하는 이미지 렌더링 시스템으로서 역할한다. 이러한 예에 있어서, 사용자는 추가로 실제 물리적 환경 주위를 움직일 수 있고, 사용자가 시뮬레이션된 환경과 추가로 상호작용하는 것을 가능하게 하기 위한 하나 이상의 I/O("입력/출력") 디바이스들, 예컨대, 유선 또는 무선 연결들을 통해 컴퓨팅 시스템에 통신가능하게 결합된 핸드-헬드 제어기들을 가질 수 있다. 사용자가 HMD 디바이스(100)의 로케이션(location)을 움직이거나 및/또는 이의 배향을 변화시킴에 따라, 예컨대, 시뮬레이션된 환경의 대응하는 부분이 HMD 디바이스 상에서 사용자에게 디스플레이되는 것을 가능하게 하기 위하여 HMD 디바이스의 위치가 추적될 수 있으며, 제어기들은, 제어기들의 위치를 추적하는데 사용하기 위하여 (그리고 선택적으로 HDM 디바이스의 위치를 결정하거나 및/또는 검증하는 것을 보조하기 위하여 그 정보를 사용하기 위하여) 유사한 기술들을 추가로 이용할 수 있다. HMD 디바이스(100)의 추적된 위치가 알려진 이후에, 대응하는 정보가 컴퓨팅 시스템으로 송신되며, 이는 디스플레이들(102a 및 102b)을 통해 사용자에게 디스플레이할 시뮬레이션된 환경의 하나 이상의 다음 이미지들을 생성하기 위해 추적된 위치 정보를 사용한다.
도 2는, 하우징들이 서로에 대해 회전하는 것을 허용하는 힌지들(206)을 통해 함께 결합된 상부 하우징(202) 및 하부 하우징(204)을 갖는 랩탑 컴퓨터(200) 형태의 예시적인 전자 디바이스를 도시한다. 하부 하우징(204)은 키보드(208)를 포함하며, 다른 구조체들(예를 들어, 터치패드, 다양한 포트들)을 포함할 수 있다. 상부 하우징(202)은 사용자에게 콘텐트를 디스플레이하기 위해 사용될 수 있는 디스플레이 패널(210)을 포함한다.
도 3은 스마트폰(300) 형태의 예시적인 전자 디바이스를 도시한다. 스마트폰(300)은, 디스플레이 패널(304) 및 복수의 입력 구성요소들(306)(예를 들어, 버튼들)을 포함하는 하우징(302)을 포함한다. 적어도 일부 구현예들에서, 디스플레이 패널(304)은, 예를 들어, 터치스크린일 수 있다.
보다 일반적으로, 본 개시의 디스플레이들은, 도 1 내지 도 3에 도시된 디바이스들, 또는 뮤직 플레이어, 증강 현실 디바이스들, 게이밍 디바이스들, 네비게이션 유닛들, 차량 디스플레이들, 착용형 디바이스들, 키오스크들, 또는 하나 이상의 디스플레이들을 포함하는 다른 유형들의 디바이스들과 같은 임의의 유형의 전자 디바이스에 구현될 수 있다.
도 4는, 본 개시의 하나 이상의 실시예들에 따른 예시적인 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)(400)의 측면 단면도를 도시한다. 디스플레이(400)는, 도 1, 도 2, 및 도 3의 디바이스들(100, 200, 및 300) 각각과 같은 임의의 유형의 전자 디바이스에 구현될 수 있다. 추가로, 본 개시의 구현예들은 다른 유형들의 디스플레이들(예를 들어, LCoS)과 함께 또는 편광되지 않은(랜덤하게 편광된) 광으로부터 편광된 광을 효율적으로 획득하는 것이 바람직한 임의의 다른 애플리케이션들에서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
디스플레이(400)는, 각기 전반적으로 형상이 유사할(예를 들어, 직사각형) 수 있는 다수의 적층된 층들을 포함한다. 디스플레이(400)는, 백라이트 어셈블리(402)의 에지에 실질적으로 인접하여 위치된 광원(404)으로부터 광(403)을 수신하는 백라이트 어셈블리(402)를 포함할 수 있다. 디스플레이(400)는 또한, LCD 패널(406) 또는 다른 디스플레이 층들(예를 들어, 임의의 비-발광(non-emissive) 디스플레이 어셈블리 층들), 다른 광 프로세싱 층들 예컨대 광학적 필름(들)(408), 및 편광 재활용 광학부 또는 구조체(410)를 포함하는 디스플레이 모듈을 포함한다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 편광 재활용 구조체(410)는, 편광되지 않은 광을 수신하고 LCD 패널(406)에 의해 사용하기 위한 선형적으로 편광된 광을 효율적으로 출력하도록 동작가능하다. 광학적 필름 층(408)은, 핫스팟들을 감소시키는 하나 이상의 확산기 층들(예를 들어, 확산기 필름들), 축-외(off-axis) 뷰잉을 향상시키기 위한 보상 필름들, 또는 다른 유형의 필름들(예를 들어, 백라이트(402)를 콜리메이팅하기 위한 프리즘 필름들)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 구성이 단지 예시적이며, 상이하게 배열된 동일한 층들, 더 적거나 또는 더 많은 층들, 또는 상이한 층들을 포함할 수 있는 다른 구성들이 고려된다는 것이 이해되어야 한다.
도 5는 본 개시의 특징들을 구현할 수 있는 예시적인 편광 재활용 구조체(500)의 간략화된 측면 단면도를 도시한다. 편광 재활용 구조체(500)는, 도 1, 도 2, 및 도 3의 디바이스들(100, 200, 및 300) 각각과 같은 임의의 유형의 전자 디바이스에 구현될 수 있으며, 도 4의 편광 재활용 구조체(410)와 유사하거나 또는 동일할 수 있다.
편광 재활용 구조체(500)는 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)로부터 이격된 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)를 포함한다. 편광기들(502 및 504)은, 예를 들어, 적절한 투명 스페이서(spacer) 요소 또는 층(미도시)을 사용하여 이격될 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)의 간략화된 평면도가 도 6a에 도시되며, 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)의 간략화된 평면도가 도 6b에 도시된다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 제1 및 제2 공간적으로 변화하는 편광기들(502 및 504)의 각각은 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR) 재료로 형성될 수 있다. 동작 시에, 편광 재활용 구조체(500)는, 이상에서 논의된 바와 같이, 광원(예를 들어, LED들)으로부터 랜덤하게 편광된 광(506)을 수신하고, 디스플레이의 액정 구성요소와 같은 구성요소로 제1 편광 상태의 편광된 광(508)을 제공하도록 동작한다.
제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)는 랜덤하게 편광된 입사광(506)을 수신하도록 구성된다. 도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)는, 각각 제1 편광 상태의 광(512)을 포커싱하는 복수의 렌즈 요소들(510)을 포함하는 렌즈 어레이(예를 들어, 2D 마이크로-렌즈 어레이)를 형성하는 회절 패턴을 제공할 수 있다. 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)는, 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 (도 5에서 점선으로 표시된) 입사광(514)을 통과시키도록 더 구성되며, 여기서 이러한 광은 렌즈 어레이의 렌즈 요소들(510)에 의해 포커싱되지 않는다. 다시 말해서, 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)는, 이것이 렌즈 요소들을 통해 제1 편광 상태의 광을 포커싱하고 제2 편광 상태의 광은 실질적인 수정 없이 통과시킨다는 점에서 편광 민감(sensitive)할 수 있다.
제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)는 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격될 수 있으며, 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)로부터 광(512 및 514)을 수신하도록 위치될 수 있다. 일 예로서, 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)는 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 렌즈 요소들(510)의 초점 평면에 또는 이에 근접하여 위치될 수 있다. 도 5 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)는 제1 편광 상태를 갖는 포커싱된 광(512)을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들(516)의 어레이를 포함한다. 도시된 바와 같이, 어레이 내의 선형 편광기 영역들(516)의 각각은 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)의 렌즈 어레이의 렌즈 요소들(510)의 각각의 렌즈 요소로부터 제1 편광 상태의 포커싱된 광(512)을 수신하도록 크기가 결정되고 치수가 결정될 수 있다.
제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)는, 선형 편광기 영역들(516)을 둘러싸고 제2 편광 상태를 갖는 광(514)을 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역(518)을 더 포함한다. 일 예로서, 편광 변환 영역(518)은 위상 지연기, 예컨대 1/4 파장 지연기를 포함할 수 있다. 따라서, 편광 재활용 구조체(500)를 빠져나오는 광(508)은, 디스플레이 시스템(예를 들어, LCD, LCoS)의 액정 어셈블리와 같은 하나 이상의 하류측 구성요소들에 의해 요구되는 제1 편광 상태의 광이다.
선형 편광기 영역들(516)의 각각은 100 마이크론 이하(예를 들어, 20 마이크론, 50 마이크론, 80 마이크론)인 최대 치수(520)(도 5)를 가질 수 있으며, 선형 편광기 영역들의 각각은, 일부 구현예들에서 적어도 0.5 밀리미터일 수 있는(예를 들어, 0.5 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터) 거리(522)만큼 각각의 다른 선형 편광기 영역으로부터 이격될 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 선형 편광기 영역들(516)은 편광 변환 영역(518)의 표면적의 5 퍼센트 이하인(예를 들어, 0.5 퍼센트, 1 퍼센트, 3 퍼센트) 표면적을 누적적으로(cumulatively) 포함한다. 선형 편광기 영역들(516)은 임의의 적절한 표면 영역 형상(예를 들어, 원형, 직사각형)을 가질 수 있다.
편광 재활용 구조체(500)의 동작의 개요로서, 입사광(506)은 제1 및 제2 직교 편광 상태들 둘 모두의 광을 포함한다. 제1 편광 상태를 갖는 광(506)의 부분은 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)의 렌즈 요소들(510)에 의해 포커싱되고 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)의 선형 편광기 영역들(516)을 통과하여 제1 편광 상태를 갖는 광(508)으로서 편광 재활용 구조체(500)를 빠져나간다. 제2 편광 상태를 갖는 광(506)의 부분은 렌즈 요소들(510)에 의해 포커싱되지 않고 제1 공간적으로 변화하는 편광기(502)를 통과하고(광(514) 참조), 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)의 편광 변환 영역(518)에 의해 제1 편광 상태로 변환되어 제1 편광 상태의 광(508)으로서 편광 재활용 구조체(500)를 또한 빠져나간다. 따라서, 편광 재활용 구조체(500) 상에 입사하는 광(506)의 전부는, 제2 공간적으로 변화하는 편광기(504)의 선형 편광기 영역들(516)에 의해 차단되는 제2 편광 상태의 광(514)을 제외하고는 제1 편광 상태의 광(508)으로서 출력에서 제공된다. 그러나, 선형 편광기 영역들의 면적이, 편광 변환 영역(518)을 주로 포함하는 공간적으로 변화하는 편광기(504)의 전체 면적에 비해 작을 수 있기 때문에, 광(506)의 작은 부분(예를 들어, 1 퍼센트, 5 퍼센트)만이 손실된다. 따라서, 편광 재활용 구조체(500)는 유익하게는 매우 높은 효율(예를 들어, 90 퍼센트 초과, 95 퍼센트 초과)로 편광되지 않은 광으로부터 편광된 광을 제공할 수 있다.
이상에서 논의된 바와 같이, 편광 재활용 구조체(500)의 제1 및 제2 공간적으로 변화하는 편광기들(502 및 504) 중 하나 또는 둘 모두는 복굴절 재료들로 형성된 파장 지연기를 포함할 수 있다. 복굴절은, 광의 편광 및 전파 방향에 의존하는 굴절률을 갖는 재료의 속성이다. 파장 지연기는 파장 지연기를 통해 이동하는 광의 편광 상태 또는 위상을 변경한다. 파장 지연기는 느린 축(또는 비정상 축(extraordinary axis)) 및 빠른 축(보통 축(ordinary axis))을 가질 수 있다. 편광된 광이 파장 지연기를 통해 이동함에 따라, 빠른 축을 따른 광은 느린 축을 따른 것보다 더 빠르게 이동한다.
적어도 일부 구현예들에서, 공간적으로 변화하는 편광기들(502 및 504)들은, 단일 박막에서 정밀하고 맞춤화된 레벨들의 광대역, 협대역 또는 다중 대역 지연을 제공하는 파장판-형(waveplate-like) 지연 필름인, 멀티-트위스트 지연기(multi-twist retarder; MTR)로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, MTR은 단일 정렬 층을 가지며 단일 기판 상에 2개 이상의 트위스트된 액정(liquid crystal; LC) 층들을 포함한다. 후속 LC 층들은 이전 층들에 의해 직접적으로 정렬되며, 이는 단순한 제조를 허용하고, 자동 층 정합을 달성하며, 연속적으로 변화하는 광학 축을 갖는 모놀리식(monolithic) 필름을 야기한다.
이상에서 설명된 다양한 구현예들이 추가적인 구현예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 이상의 상세한 설명을 고려하여 구현예들에 대하여 이러한 그리고 다른 변화들이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에 있어, 사용되는 용어들은 청구항들을 명세서 및 청구항들에 개시된 특정 구현예들로 한정하도록 해석되지 않아야만 하며, 오히려 이러한 청구항들에 대한 등가물들의 완전한 범위와 함께 가능한 모든 구현예들을 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. 따라서, 청구항들은 본 개시에 의해 한정되지 않는다.

Claims (20)

  1. 편광 재활용 구조체로서,
    광원으로부터 입사광을 수신하도록 구성된 제1 공간적으로 변화하는 편광기(spatially varying polarizer)로서, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 각각 제1 편광 상태의 광을 포커싱하는 복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하며, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 입사광을 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들에 의해 포커싱되지 않는 상태로 통과시키도록 더 구성되는, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기; 및
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격되며 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 광을 수신하도록 위치되는 제2 공간적으로 변화하는 편광기로서, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 상기 어레이 내의 상기 선형 편광기 영역들의 각각은 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기들의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 상기 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 치수가 결정되며, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는, 상기 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 상기 제2 편광 상태를 갖는 광을 상기 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기 및 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기의 각각은 멀티-트위스트 지연기를 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 상기 렌즈 어레이는 멀티-트위스트 지연기 내의 마이크로-렌즈 어레이 회절 패턴을 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 변환 영역은 위상 지연기를 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 변환 영역은 1/4 파장 지연기를 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치되는, 편광 재활용 구조체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형 편광기 영역들의 각각은 100 마이크론 미만인 최대 치수를 가지며, 상기 선형 편광기 영역들의 각각은 적어도 0.5 밀리미터만큼 각각의 다른 선형 편광기 영역으로부터 이격되는, 편광 재활용 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형 편광기 영역들은 상기 편광 변환 영역의 표면적의 5 퍼센트 미만인 표면적을 누적적으로 포함하는, 편광 재활용 구조체.
  9. 디스플레이로서,
    광원;
    편광 재활용 구조체로서,
    상기 광원으로부터 입사광을 수신하도록 구성된 제1 공간적으로 변화하는 편광기로서, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 각각 제1 편광 상태의 광을 포커싱하는 복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하며, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 입사광을 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들에 의해 포커싱되지 않는 상태로 통과시키도록 더 구성되는, 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기; 및
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 이격되며 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기로부터 광을 수신하도록 위치되는 제2 공간적으로 변화하는 편광기로서, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 상기 어레이 내의 상기 선형 편광기 영역들의 각각은 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기들의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 상기 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 치수가 결정되며, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는, 상기 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 상기 제2 편광 상태를 갖는 광을 상기 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기를 포함하는, 상기 편광 재활용 구조체; 및
    상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기로부터 상기 제1 편광 상태의 광을 수신하도록 위치되는 비-발광 디스플레이 어셈블리를 포함하는, 디스플레이.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 비-발광 디스플레이 어셈블리는 액정 디스플레이 어셈블리를 포함하는, 디스플레이.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드들의 어레이를 포함하는, 디스플레이.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 디스플레이는 머리-착용 디스플레이 디바이스, 텔레비전, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 또는 착용형 전자 디바이스의 디스플레이인, 디스플레이.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기 및 상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기의 각각은 멀티-트위스트 지연기를 포함하는, 디스플레이.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 상기 렌즈 어레이는 멀티-트위스트 지연기 내의 마이크로-렌즈 어레이 회절 패턴을 포함하는, 디스플레이.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 편광 변환 영역은 위상 지연기를 포함하는, 디스플레이.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 편광 변환 영역은 1/4 파장 지연기를 포함하는, 디스플레이.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 공간적으로 변화하는 편광기는 상기 제1 공간적으로 변화하는 편광기의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치되는, 디스플레이.
  18. 청구항 9에 있어서,
    상기 선형 편광기 영역들의 각각은 100 마이크론 미만인 최대 치수를 갖는, 디스플레이.
  19. 청구항 9에 있어서,
    상기 선형 편광기 영역들의 각각은 적어도 0.5 밀리미터만큼 각각의 다른 선형 편광기 영역으로부터 이격되는, 디스플레이.
  20. 편광 재활용 구조체로서,
    복수의 렌즈 요소들을 포함하는 렌즈 어레이를 형성하는 제1 멀티-트위스트 지연기로서, 상기 렌즈 요소들의 각각은 제1 편광 상태의 광을 포커싱하며, 상기 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태의 광을 포커싱하지 않고 통과시키는, 상기 제1 멀티-트위스트 지연기; 및
    상기 제1 멀티-트위스트 지연기의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 초점 평면에 위치되는 제2 멀티-트위스트 지연기로서, 상기 제2 멀티-트위스트 지연기는 상기 제1 편광 상태를 갖는 광을 통과시키도록 구성된 선형 편광기 영역들의 어레이를 포함하며, 상기 어레이 내의 상기 선형 편광기 영역들의 각각은 상기 제1 멀티-트위스트 지연기의 상기 렌즈 어레이의 상기 렌즈 요소들의 각각의 렌즈 요소로부터 상기 제1 편광 상태의 포커싱된 광을 수신하도록 크기가 결정되고 위치되며, 상기 제2 멀티-트위스트 지연기는, 상기 선형 편광기 영역들을 둘러싸고 상기 제2 편광 상태를 갖는 광을 상기 제1 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 편광 변환 영역을 더 포함하는, 상기 제2 멀티-트위스트 지연기를 포함하는, 편광 재활용 구조체.
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