KR20200034571A

KR20200034571A - 조명 장치 및 이를 포함하는 전자 장치

Info

Publication number: KR20200034571A
Application number: KR1020190082826A
Authority: KR
Inventors: 한승훈; 유장우; 이민경
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-03-31

Abstract

조명 장치 및 이를 포함한 전자 장치가 개시된다.
개시된 조명 장치는, 광원과 상기 광원으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈를 포함하고, 어퍼처를 포함하는 디스플레이 패널의 배면에 배치되며, 상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 광이 어퍼처를 통과하여 피사체에 조명되도록 한다.

Description

조명 장치 및 이를 포함하는 전자 장치{Illumination device and electronic apparatus including the same}

예시적인 실시예는 조명 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.

최근, 인간이나 기타 사물 등의 객체 인식에 있어, 정밀한 3차원 형상 인식에 의해, 객체의 형상, 위치나 움직임 등을 정확히 식별해야 할 필요성이 점차적으로 높아지고 있다. 예를 들어, 모바일(mobile) 및 웨어러블(wearable) 기기에서 홍채 인식 센서, 안면 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 센서에 대한 수요가 있으며, 이를 위한 여러 개의 광원, 광학 부품들을 포함하는 조명 장치가 함께 전자 장치에 구비되고 있다. 3차원 영상 인식을 하는 센서에는 레이저가 많이 사용된다.

또한, 스마트 폰(smart phone)의 디스플레이는 전면 디스플레이(full screen display) 향으로 베젤 없는 스크린으로 발전하는 추세이며, 기기의 전면 대부분이 표시면으로 사용 됨에 따라 조명 장치를 적절히 배치하는 것이 용이하지 않다.

예시적인 실시예는 디스플레이 배면에 배치되는 조명 장치를 제공한다.

예시적인 실시예는 디스플레이 배면에 배치되는 조명 장치를 포함하는 전자장치를 제공한다.

예시적인 실시예에 따른 조명 장치는, 광원; 상기 광원으로부터 출사된 광을 면 광으로 만드는 면 광원층; 상기 면 광원층으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈; 상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 광이 통과하는 어퍼처를 포함하는 디스플레이 패널;을 포함한다.

상기 면 광원층은 상기 포커싱 렌즈의 초점 거리에 배치될 수 있다.

상기 면 광원층은 구조광 형성을 위한 패턴을 가지는 마스크를 포함할 수 있다.

상기 마스크는 광을 투과시키거나 차단하도록 서로 다른 투광도를 가지는 물질을 포함하는 진폭 마스크일 수 있다.

상기 면 광원층은 확산부를 포함할 수 있다.

상기 확산부는 마이크로 렌즈 어레이, 메타 렌즈 어레이, 또는 랜덤 광학 구조를 포함할 수 있다.

상기 마이크로 렌즈 어레이 또는 메타 렌즈 어레이는 상기 디스플레이 패널의 픽셀의 피치와 같거나 작은 크기를 가질 수 있다.

상기 랜덤 광학 구조는 그레인을 포함하며, 상기 그레인은 상기 광원으로부터의 광의 파장의 2배 이하의 평균 사이즈를 가질 수 있다.

상기 랜덤 광학 구조는 투과 위상을 가지는 메타 표면을 포함할 수 있다.

상기 어퍼처는 0.5mm 이하의 직경을 가질 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈 또는 메타 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 메타 렌즈는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 상기 복수 개의 나노 구조체는 상기 광의 파장의 1/2이하의 피치와 3/4이하의 높이를 가질 수 있다.

상기 나노 구조체는 주변 물질의 굴절률보다 0.5 이상 큰 굴절률을 가질 수 있다.

상기 어퍼처가 상기 디스플레이 패널의 하나의 픽셀을 기준으로 20×20 픽셀 이하의 영역에 대응되게 구비될 수 있다.

상기 포커싱 렌즈가 서브파장의 형상 치수를 가지는 복수 개의 나노 구조체를 포함할 수 있다.

상기 광원의 후방에 히트 싱크가 더 구비될 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 전자 장치가, 광을 피사체에 조사하는 조명 장치; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 상기 센서에서 수광한 광으로부터 상기 피사체에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서;를 포함하고, 상기 조명 장치가, 광원, 상기 광원으로부터 출사된 광을 면 광으로 만드는 면 광원층, 상기 면 광원층으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈, 상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 광이 통과하는 어퍼처를 포함하는 디스플레이 패널을 포함한다.

예시적인 실시예에 따른 조명 장치는 디스플레이 패널의 배면에 배치된 광원에서의 광을 디스플레이 패널의 전면으로 출사할 수 있다. 따라서, 디스플레이 패널의 표시면 크기에 영향을 주지 않고, 다양한 센서에 필요한 광원을 효과적으로 배치할 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 조명 장치는 베젤 없는(bezel-less) 타입의 모바일 기기 등에 채용될 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시에에 따른 조명 장치의 확산부로 채용된 마이크로 렌즈 어레이를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시에에 따른 조명 장치의 확산부로 채용된 메타 렌즈 어레이를 도시한 것이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 조명 장치의 확산부로 채용된 랜덤 광학 구조를 도시한 것이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 조명 장치의 디스플레이 패널을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 내지 도 14는 예시적인 실시예에 따른 조명 장치의 발광 광원 어레이 소자의 메타 표면층의 나노 구조체의 다양한 예들을 도시한 것이다.
도 15는 도 1에 도시된 조명 장치에 히트 싱크가 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 16은 일 실시예에 따른 전자 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 17는 다른 실시예에 따른 전자 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전자 장치의 외형을 예시적으로 보이는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 조명 장치 및 이를 포함한 전자 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

조명 장치는 광원(110), 광원(110)으로부터 나온 광을 면 광으로 만들어 주는 면 광원층(120), 면 광원층(120)으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈(140)를 포함한다. 포커싱 렌즈(140)는 영상을 형성하는 디스플레이 패널(150)에 구비된 어퍼처(155)에 광을 포커싱하여 통과시키도록 구성될 수 있다. 면 광원층(120)과 포커싱 렌즈(140) 사이에 투명층(130)이 더 구비될 수 있다. 투명층(130)은 면 광원층(120)과 포커싱 렌즈(140)를 지지함과 아울러 면 광원층(120)을 통과한 광이 포커싱 렌즈(140)로 전달되도록 할 수 있다.

광원(110)은 복수의 발광 요소(113)들의 어레이로 이루어질 수 있다. 발광 요소(113)는 LED 혹은 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다. 발광 요소(113)는 예를 들어, 수직 캐비티 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)일 수 있다. 발광 요소(113)는 예를 들어, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질로 이루어지고 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 가지는 활성층을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 발광 요소(113)는 3차원 형상 인식 센서에 적용 시, 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 출사할 수 있고, 또는, 근적외선 혹은 가시광 파장대역의 광을 출사할 수 있다. 발광 요소(113)에서 출사하는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며, 원하는 파장 대역의 광을 다양하게 출사할 수 있다.

면 광원층(120)은 예를 들어, 특정한 패턴을 가지는 마스크를 포함할 수 있다. 마스크에 의해 패턴광을 만들어 구조광을 형성할 수 있다. 마스크는 빛을 투과시키거나 차단시키는 서로 다른 투광도를 가지는 물질로 구성된 진폭 마스크(amplitude mask)일 수 있다.

또는, 면 광원층(120)은 확산부(diffuser)를 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 4는 확산부의 예들을 도시한 것이다. 확산부는 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈 어레이(124)를 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(124)는 마이크로 단위의 렌즈(124a)들이 배열되어 구성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 확산부는 메타 렌즈 어레이(125)를 포함할 수 있다. 메타 렌즈 어레이(125)는 서브파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조체(125a)를 포함할 수 있다. 여기서, 서브파장의 형상 치수라 함은 나노 구조체(125a)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭이, 광원(110)에서 출사되는 광의 파장보다 작은 것, 예를 들어 1/2 파장보다 작은 것을 나타낼 수 있다.

나노 구조체(125a)는 주변 물질(예를 들어, 공기)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 서브파장의 형상 치수, 구체적인 형상, 배열 형태 등에 의해 소정 파장 대역의 광을 확산시키는 역할을 할 수 있다. 나노 구조체(125a)는 일종의 메타 구조(meta-structure)를 가질 수 있다. 나노 구조체(125a)의 두께, 폭, 배치 간격(즉, pitch) 중 적어도 어느 하나는 광의 파장(λ)의 1/2 이하일 때 메타 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(125a)의 폭이 광의 파장(λ)의 1/2 이하일 때, 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있다. 그러나, 나노 구조체(125a)의 폭이 이에 한정되지는 않는다.

나노 구조체(125a)는 유전체나 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(125a)는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(poly-crystalline Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si₃N₄, GaP, TiO₂, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP₂ 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또는, 나노 구조체(125a)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예컨대, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 또는, 나노 구조체(125a) 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 다른 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다.

도 4는 확산부가 랜덤 광학 구조(126)를 포함하는 예를 도시한 것이다. 랜덤 광학 구조(126)는 그레인(grain)이 랜덤하게 배열된 구조를 가질 수 있다. 그레인이 예를 들어 광원(110)으로부터의 광의 파장의 2배 이하의 평균 사이즈를 가질 수 있다. 또는, 랜덤 광학 구조(126)는 랜덤한 투과 위상(phase)을 가지는 메타 표면을 포함할 수 있다.

면 광원층(120)이 확산부를 포함하는 경우, 광원(110)에서의 광이 플러드 조명(flood illumination)으로 피사체에 전달되도록 할 수 있다.

확산부가 마이크로 렌즈 어레이(124) 또는 메타 렌즈 어레이(125)를 포함하는 경우, 마이크로 렌즈(124a)의 배열 피치(P1) 또는 나노 구조체(125a)의 배열 피치(P2)가 광원(110)의 발광 요소(113)들의 배열의 피치(P3)와 같거나 작을 수 있다. 나노 구조체(125a)의 배열 피치(P2)는 나노 구조체(125a)의 배열이 주기적으로 반복될 때, 주기적 배열 간격을 나타낼 수 있다. 나노 구조체(125a)는 하나의 배열 주기에서, 같은 크기를 가질 수도 있고, 다른 크기를 가질 수도 있다.

디스플레이 패널(150)은 영상을 형성 및 표시할 수 있다. 도 5를 참조하면, 디스플레이 패널(150)은 복수 개의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 디스플레이 패널(150)은 적어도 하나의 어퍼처(155)를 포함할 수 있다. 어퍼처(155)는 광원(110)으로부터의 광이 그대로 통과하도록 할 수 있다. 어퍼처(155)는 예를 들어, 하나의 픽셀(PX)에 구비될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 어퍼처(155)가 소정 개수의 픽셀에 구비되는 것도 가능하다. 예를 들어, 어퍼처(155)가 20Х20 픽셀 이하의 영역에 구비될 수 있다. 어퍼처(155)는 사람의 눈으로 인지되지 않는 사이즈를 가질 수 있다.

디스플레이 패널(150)은 예를 들어, OLED와 같은 디스플레이 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 어퍼처(155)가 OLED와 같은 디스플레이의 공통 전극 층을 제거한 영역일 수 있다. 디스플레이 요소는 영상 정보에 따라 전기적으로 온/오프 제어되는 복수의 영역으로 구획되며, 이러한 영역을 픽셀(px)로 지칭할 수 있다. 디스플레이 패널(150)은 상세히 도시되지는 않았으나 디스플레이 요소와 이를 제어하기 위한 회로 요소들을 포함하며, 이에 포함되는 금속 물질에 의해 불투명 영역이 될 수 있다. 즉, 디스플레이 패널(150)의 하부에서 광원(110)으로부터 픽셀(px)로 입사된 광은 디스플레이 패널(150)의 전면으로 출사되지 못한다. 어퍼처(155)는 광원(110)으로부터의 광을 투과시킬 수 있는 영역이다. 따라서, 어퍼처(155)로 입사된 광은 디스플레이 패널(150) 전면으로 출사될 수 있다.

도 5에서 p3은 디스플레이 패널(150)의 픽셀(px)의 피치 간격을 나타낸다.

면 광원층(120)은 광을 확산시켜 광도가 균일하도록 조명할 수 있다. 예를 들어, 면 광원층(120)을 통과한 광의 확산각은 10도 내지 30도일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 면 광원층(120)을 통과한 광의 확산각은은 60도보다 클 수 있다. 면 광원층(120)은 포커싱 렌즈(140)의 초점 거리에 배치될 수 있다.

포커싱 렌즈(140)는 면 광원층(120)으로부터 조사된 확산된 광을 평행하게 혹은 포커싱하여 디스플레이 패널(150)의 어퍼처(155)를 통과하도록 적절하게 편향(deflect)시킬 수 있다. 포커싱 렌즈(140)를 통과할 때, 가장 크게 편향되어서 어퍼처(155)를 통과하는 빛의 각도가 전체 프로젝터(projector)의 시야각(Field of View)을 결정할 수 있다. 포커싱 렌즈(140)에 의해 광의 사이즈가 작게 될 수 있다. 따라서, 포커싱 렌즈(140)에 의해 광을 포커싱함으로써 어퍼처(155)의 사이즈를 작게 하여도 광이 통과될 수 있다. 예를 들어, 어퍼처(155)는 0.5mm 이하의 직경을 가질 수 있다. 또는, 어퍼처(155)는 0.4mm 이하의 직경을 가질 수 있다. 포커싱 렌즈(140)는 예를 들어, 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈 또는 메타 렌즈를 포함할 수 있다.

포커싱 렌즈(140)가 메타 렌즈로 구성된 경우에 대해 설명한다.

도 6은 메타 렌즈의 일 예를 보여주는 사시도이다.

도 6을 참조하면, 메타 렌즈(141)는 지지층(141a) 및 지지층(141a) 상에 구비된 복수의 나노 구조체(141b)를 포함할 수 있다. 지지층(141a)은 도 1에 도시된 투명층(130)으로 대체되는 것도 가능하며, 또는 투명층(130)과 별도로 구비되는 것도 가능하다. 나노 구조체(141b)는 원기둥, 타원기둥, 사각기둥 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 여기서는, 나노 구조체(141b)가 원기둥 형태를 갖는 경우가 도시되어 있다. 나노 구조체(141b)는 주변 물질(예를 들어, 공기)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 서브파장의 형상 치수, 구체적인 형상, 배열 형태 등을 포함할 수 있다. 나노 구조체(141b)는 일종의 메타 구조(meta-structure)를 가질 수 있다. 나노 구조체(141b)의 두께, 폭, 배치 간격(즉, pitch) 중 적어도 어느 하나는 광의 파장(λ)의 1/2 이하의 사이즈를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(141b)의 폭이 광의 파장(λ)의 1/2 이하일 때, 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있다. 그러나, 나노 구조체(141b)의 폭이 이에 한정되지는 않는다.

나노 구조체(141b)는 유전체나 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(141b)는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(poly-crystalline Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si₃N₄, GaP, TiO₂, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP₂ 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또는, 나노 구조체(141b)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예컨대, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 또는, 나노 구조체(141b) 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 다른 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 나노 구조체(141b)는 예를 들어, 주변 물질의 굴절률보다 0.5 이상 큰 굴절률을 가질 수 있다.

도 7은 다른 예의 메타 렌즈를 보여주는 단면도이다.

도 7을 참조하면, 메타 렌즈(142)는 지지층(142a) 및 지지층(142a) 상에 구비된 복수의 나노 구조체(142b)들을 포함할 수 있다. 도 7에서는 나노 구조체(142b)들이 사각 격자 형태로 배열된 예를 보인 것이다. 이 밖에도 나노 구조체(142b)들이 육각 격자 형태로 배열되는 것도 가능하며, 배열 형태는 다양하게 변경될 수 있다.

도 8은 다른 예의 메타 렌즈에 적용될 수 있는 나노 구조체의 구조를 보여주는 사시도이다.

도 8을 참조하면, 나노 구조체(143)는 XY 평면 상에 제1 방향, 예컨대, X축 방향으로 장축을 가질 수 있고, 제2 방향, 예컨대, Y축 방향으로 단축을 가질 수 있다. 장축 방향으로의 치수를 길이(L)라 할 수 있고, 단축 방향으로의 치수를 폭(W)이라 할 수 있다. 한편, Z축 방향으로의 치수는 두께(T) 또는 높이(H)라 할 수 있다. 길이(L)는 폭(W)보다 클 수 있고, XY 평면 상에서 나노 구조체(143)는 타원형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 이러한 나노 구조체(143)는 비등방성(anisotropic) 구조를 갖는다고 할 수 있다.

나노 구조체(143)의 폭(W), 길이(L) 및/또는 두께(T)는 광원(110)으로부터의 광의 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다. 또한, 나노 구조체(143)가 규칙적으로 배열될 때, 인접한 두 개의 나노 구조체(143) 사이의 간격(중심 사이의 간격)도 광의 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다.

나노 구조체의 비등방성 구조는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, XY 평면 상에서 나노 구조체는 타원형 모양이 아닌 다른 형태의 비등방성 구조를 가질 수 있다. 그 예들이 도 9 및 도 10에 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 나노 구조체(144)는 사각기둥 모양을 가질 수 있다. 나노 구조체(144)는 XY 평면 상에서 직사각형 모양의 비등방성 구조를 가질 수 있다.

도 10을 참조하면, 나노 구조체(145)는 십자형 기둥 모양을 가질 수 있다. 이때, X축 방향으로의 길이(L)는 Y축 방향으로의 폭(W)보다 클 수 있다. 따라서, 나노 구조체(145)는 비등방성 구조를 갖는다고 할 수 있다.

도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 나노 구조체(143)(144)(145)가 비등방성 구조를 갖는 경우, 이들 각각의 어레이를 이용해서 광(출사광)의 편광 방향을 제어할 수 있다. 비등방성 구조를 갖는 나노 구조체(143)(144)(145)들을 특정 방향 및 방향의 변화 분포를 가지게 배열함으로써, 광(출사광)이 특정 편광 방향을 갖도록 제어할 수 있다. 그러나 여기에 도시한 나노 구조체(143)(144)(145)의 구조는 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 메타 렌즈는 메타 렌즈, 메타 프리즘, 또는 메타 회절 소자로 사용하도록 설계될 수 있다. 다시 말해, 메타 렌즈를 구성하는 복수의 나노 구조체의 크기 분포 및 배열 규칙은 메타 렌즈가 오목 렌즈나 볼록 렌즈, 프리즘, 회절 소자로 작용하도록 설계될 수 있다.

도 11은 다른 예의 메타 렌즈의 나노 구조체의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.

도 11을 참조하면, 메타 렌즈(146)는 지지층(146a)과 지지층(146a) 상에 형성된 복수의 나노 구조체(146b)를 포함할 수 있다. 메타 렌즈(146)가 볼록 렌즈와 같은 역할을 하도록 나노 구조체(146b)의 크기 분포와 배열 규칙이 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노 구조체(146b)의 폭(W)은 메타 렌즈(146)의 중심에서 소정 거리(d)만큼 멀어질수록 증가할 수 있다. 나노 구조체(146b)의 위치를 메타 렌즈(146)의 중심으로부터의 이격 거리(d)로 정의할 때, 주어진 위치에 있는 나노 구조체(146b)의 폭(W)은 메타 렌즈(146)가 볼록 렌즈로 동작하도록 구체적인 값으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 메타 렌즈의 중심으로부터 멀어질 수록 나노 구조체(146b)의 폭(W)은 커질 수 있다.

또 다른 예로는, 도 11에서 설명한 나노 구조체(146)의 폭(W)의 변화 규칙이 반복될 수 있다. 그 예가 도 12에 도시되어 있다.

도 12를 참조하면, 메타 렌즈(147)는 지지층(147a)과 복수의 나노 구조체(147b)를 포함할 수 있고, 복수의 나노 구조체(147b)의 폭(W)은 메타 렌즈(147)의 중심에서 멀어질수록 소정 규칙에 따라 증가할 수 있다. 메타 렌즈(147)는 중심(O)에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각에서 상기 복수의 나노 구조체(147b)의 폭(W)은 중심에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 여기서는, 중심(d=0)에서 R1 위치까지 폭(W)이 증가하고, R1 위치에서 거리(d)가 증가할수록 다시 폭(W)이 증가하는 경우가 도시되어 있다. 폭(W)이 증가하는 규칙이 반복되는 주기는 일정하지 않고 변화될 수도 있다. 이러한 메타 렌즈(147)는 볼록 렌즈로 작용할 수 있다.

메타 렌즈(146)(147)가 볼록 렌즈와 같이 작용하는 경우, 광원(110)으로부터 출사된 광의 세기를 강화할 수 있고, 파면 프로파일을 제어할 수 있다. 메타 렌즈(146)(147)를 구성하는 복수의 나노 구조체의 크기 분포 및 배열 규칙 등을 조절함으로써, 메타 렌즈(146)(147)의 광학적 특성을 제어할 수 있고, 결과적으로, 출사광의 빔 정형(beam forming) 및 빔 쉐이핑(beam shaping)이 가능할 수 있다.

도 13은 다른 예의 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.

도 13을 참조하면, 메타 렌즈(148)는 지지층(148a)과 지지층(148a) 상에 형성된 복수의 나노 구조체(148b)를 포함할 수 있다. 메타 렌즈(148)가 오목 렌즈와 같은 역할을 하도록 나노 구조체(148b)의 크기 분포와 배열 규칙이 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노 구조체(148b)의 폭(W)은 메타 렌즈(148)의 중심에서 소정 거리(d)만큼 멀어질수록 감소할 수 있다. 중심(O)으로부터 멀어질수록 나노 구조체(148b)의 폭(W)은 감소할 수 있다.

도 13에서 설명한 나노 구조체(148b)의 폭(W)의 변화 규칙은 반복될 수 있다. 그 일례가 도 14에 도시되어 있다.

도 14를 참조하면, 메타 렌즈(149)는 지지층(149a)과 복수의 나노 구조체(149b)를 포함할 수 있고, 복수의 나노 구조체(149b)의 폭(W)은 메타 렌즈(149)의 중심(O)에서 멀어질수록 소정 규칙에 따라 감소할 수 있다. 메타 렌즈(149)는 중심(O)에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각에서 상기 복수의 나노 구조체(149b)의 폭(W)은 중심(O)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 폭(W)이 감소하는 규칙이 반복되는 주기는 일정하지 않고 변화될 수도 있다. 이러한 메타 렌즈(149)는 오목 렌즈로 작용할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 메타 렌즈는 출사광을 편향(deflect)시키는 기능을 수행할 수 있도록, 복수의 나노 구조체의 치수, 배열이 정해질 수 있다. 복수의 나노 구조체의 폭이나 크기가 일 방향(수평 방향)을 따라 점진적으로 감소하거나 증가하도록 배열 규칙 및 크기 분포가 정해질 수 있다. 또한, 해당 배열이 하나의 주기 단위가 되어 수평 방향으로 반복될 수 있다. 메타 렌즈는 출사광의 빔 직경, 수렴/발산 형태, 방향 등의 광학 성능이 제어되도록 다양하게 조절될 수 있으며, 또한 출사광의 편광 방향이 제어되도록 조절될 수 있다.

도 15는 도 1에 도시된 조명 장치에 히트 싱크가 더 구비된 예를 도시한 것이다. 광원(110)에서 발생되는 열을 방출하기 위해 히트 싱크(105)가 광원(110)의 후방에 더 구비될 수 있다. 히트 싱크(105)를 통해 열을 효과적으로 방출함으로써 조명 장치의 오작동 발생률을 낮추고, 수명을 연장시킬 수 있다.

도 16은 일 실시예에 따른 전자 장치(광학 장치)의 개략적인 구조를 보여주는 블록도이다.

도 16을 참조하면, 실시예에 따른 전자 장치(광학 장치)는 피사체(OBJ)를 향해 광(L10)을 조사하는 조명 장치(1000) 및 조명 장치(1000)에서 출사되어 피사체(OBJ)에 의해 변조된 광(L20)을 검출하는 센서부(2000)를 포함할 수 있다. 여기서, 조명 장치(1000)로는 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명된 실시예들이 적용될 수 있다. 또한, 상기 전자 장치는 센서부(2000)에서 검출한 광을 분석하여 피사체(OBJ)의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 분석부(3000)를 더 포함할 수 있다.

조명 장치(1000)와 피사체(OBJ) 사이에는 조명 장치(1000)에서 발생된 광의 방향을 피사체(OBJ)를 향하도록 조절하거나, 빔의 크기를 조절하거나, 패턴광으로 변조하는 등의 추가적인 기능을 수행하는 광학 요소들(미도시)이 더 배치될 수 있다. 또는, 조명 장치(1000)에 구비된 면 광원층(도 1의 120)이 이러한 기능을 수행하기에 알맞게 디자인된 경우, 이러한 광학 요소는 생략될 수도 있다. 센서부(2000)는 피사체(OBJ)에 의해 변조(반사)된 광(L20)을 센싱한다. 센서부(2000)는 광검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서부(2000)는 피사체(OBJ)에 의해 변조(반사)된 광(L20)을 파장 별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수 있다.

분석부(3000)는 센서부(2000)가 수광한 광을 분석하여 피사체(OBJ)의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석할 수 있다. 피사체(OBJ)에 조사된 광(L10)의 패턴과 피사체(OBJ)로부터 반사된 광(L20)의 패턴을 비교하여 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임 등을 분석할 수 있고, 또는, 입사광(즉, L10)에 의해 피사체(OBJ)에서 여기된 광의 파장 등을 분석하여 피사체(OBJ)의 물성을 분석할 수도 잇다.

본 실시예에 따른 전자 장치(광학 장치)는 광원부(1000)의 구동이나 센서부(2000)의 동작 등을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 또한, 분석부(3000)에서 수행할 3차원 정보 추출을 위한 연산 프로그램이 저장되는 메모리(미도시) 등을 더 포함할 수 있다. 분석부(3000)의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치, 물성 등에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치가 채용된 기기의 제어부에 상기 정보가 전송될 수 있다.

실시예에 따른 전자 장치(광학 장치)는 전방 객체에 대한 3차원 정보를 정밀하게 획득하는 센서로도 활용될 수 있어 다양한 기기에 채용될 수 있다. 이러한 기기는, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론(drone) 등과 같은 자율 구동 기기를 포함할 수 있고, 이외에도, 증강현실(augmented reality) 기기, 이동통신 기기 또는 사물인터넷(internet of thing)(IOT) 기기 등을 포함할 수 있다.

도 16을 참조하여 설명한 전자 장치(광학 장치)의 구성은 예시적인 것이고, 실시예에 따른 조명 장치는 다양한 전자 장치(광학 장치)에 적용될 수 있다. 조명 장치는 이미징 장치나 프로젝터, 스캐너, 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

전술한 실시예들의 조명 장치는 디스플레이 패널의 배면에 배치되어 디스플레이 패널을 통해 피사체를 조명하는 개념을 사용하는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.

도 17은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.

전자 장치(4000)는 피사체(OBJ)를 향해 광(Li)을 조명하는 디스플레이(4100), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광(Lr)을 수광하는 센서(4300) 및 센서(4300)에서 수광한 광으로부터 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서(4200)를 포함할 수 있다. 디스플레이(4100)는 광을 조사하는 조명 장치(4110) 및 영상을 표시하는 디스플레이 패널(4120)을 포함할 수 있다.

전자 장치(4000)는 또한, 프로세서(4200)의 실행을 위한 코드나 데이터가 저장되는 메모리(4400)를 포함할 수 있다.

조명 장치(4110)에서 출사된 광(L)은 디스플레이 패널(4120)의 어퍼처(도 1의 155)를 통해 피사체(OBJ)를 조명할 수 있다.

조명 장치(4110)는 피사체(OBJ)를 구조광으로 조명하거나, 스캔할 수 있다. 센서(4300)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 광(L_r)을 센싱한다. 센서(4300)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.

프로세서(4200)는 센서(4300)에서 수광한 광으로부터 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행하며, 또한, 전자 장치(4000) 전체의 처리 및 제어를 총괄할 수 있다. 프로세서(3200)는 피사체(OBJ)에 대한 정보 획득, 예를 들어, 2차원 또는 3차원 영상 정보를 획득 및 처리할 수 있고, 그 외, 조명 장치(4110)의 구동이나 센서(4300)의 동작 등을 전반적으로 제어할 수 있다. 프로세서(4200)는 또한, 피사체(OBJ)로부터 획득한 정보에 근거하여 사용자 인증 등의 여부를 판단할 수 있고, 기타, 다른 어플리케이션을 실행할 수도 있다.

메모리(4400)에는 프로세서(4200)에서의 실행을 위한 코드가 저장될 수 있고, 이외에도, 전자 장치(4000)가 실행하는 다양한 실행 모듈들, 이를 위한 데이터들이 저장될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(4200)가 피사체(OBJ)의 정보 획득을 위한 연산에 사용되는 프로그램 코드가 저장될 수 있고, 피사체(OBJ)의 정보를 활용하여 실행할 수 있는 어플리케이션 모듈등의 코드가 저장될 수 있다. 또한, 전자 장치(4000)에 추가적으로 구비될 수 있는 장치, 이를 구동하기 위한 프로그램으로, 통신 모듈, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈, 등이 더 저장될 수 있다.

프로세서(4200)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 필요에 따라 다른 기기나 유닛으로 전송될 수도 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)에 대한 정보를 사용하는 다른 전자 기기의 제어부에 피사체(OBJ)에 대한 정보가 전송될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

메모리(4400)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

전자 장치(4000)는 예를 들어, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 전자 장치(4000)는 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.

도 18은 도 17에 도시된 전자 장치의 외형을 예시적으로 보이는 사시도이다.

전자 장치(4000)는 도시된 바와 같이, 풀 스크린 디스플레이(full screen display) 타입의 디스플레이를 채용할 수 있다. 즉, 표시면(4100a)이 기기의 전면부의 거의 전 영역을 차지하는 베젤리스(bezel-less) 타입일 수 있다. 또한, 표시면(4100a)의 형태는 노치(notch)가 없는 사각형 형태일 수 있다.

전술한 바와 같이, 실시예들에 따른 조명 장치는 디스플레이 패널의 배면에 배치되어 디스플레이 패널의 어퍼처를 통해 디스플레이 전면을 조명할 수 있다. 따라서, 도시된 외형의 베젤리스(bezel-less), 노치프리(notch-free) 디스플레이를 전자 장치(4000)에 적용할 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

110: 광원, 113: 광원 엘리먼트
120:면 광원층, 130:투명층
140:포커싱 렌즈, 150:디스플레이 패널
155:어퍼처, 141,142:메타 렌즈
141b,142b,143,144,145,146b,147b,148b,149b:나노 구조체

Claims

광원;
상기 광원으로부터 출사된 광을 면 광으로 만드는 면 광원층;
상기 면 광원층으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈;
상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 광이 통과하는 어퍼처를 포함하는 디스플레이 패널;을 포함하는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 면 광원층은 상기 포커싱 렌즈의 초점 거리에 배치된 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 면 광원층은 구조광 형성을 위한 패턴을 가지는 마스크를 포함하는 조명 장치.
제3항에 있어서,
상기 마스크는 광을 투과시키거나 차단하도록 서로 다른 투광도를 가지는 물질을 포함하는 진폭 마스크인 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 면 광원층은 확산부를 포함하는 조명 장치.
제5항에 있어서,
상기 확산부는 마이크로 렌즈 어레이, 메타 렌즈 어레이, 또는 랜덤 광학 구조를 포함하는 조명 장치.
제6항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이 또는 메타 렌즈 어레이는 상기 광원의 발광 요소의 피치와 같거나 작은 크기를 가지는 조명 장치.
제6항에 있어서,
상기 랜덤 광학 구조는 그레인을 포함하며, 상기 그레인은 상기 광원으로부터의 광의 파장의 2배 이하의 평균 사이즈를 가지는 조명 장치.
제6항에 있어서,
상기 랜덤 광학 구조는 투과 위상을 가지는 메타 표면을 포함하는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 어퍼처는 0.5mm 이하의 직경을 가지는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 포커싱 렌즈는 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈 또는 메타 렌즈를 포함하는 조명 장치.
제11항에 있어서,
상기 메타 렌즈는 복수 개의 나노 구조체를 포함하고, 상기 복수 개의 나노 구조체는 상기 광의 파장의 1/2이하의 피치와 3/4이하의 높이를 가지는 조명 장치.
제12항에 있어서,
상기 나노 구조체는 주변 물질의 굴절률보다 0.5 이상 큰 굴절률을 가지는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 어퍼처가 상기 디스플레이 패널의 픽셀을 기준으로 20×20 픽셀 이하의 영역에 대응되게 구비되는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 포커싱 렌즈가 서브파장의 형상 치수를 가지는 복수 개의 나노 구조체를 포함하는 조명 장치.
제1항에 있어서,
상기 광원의 후방에 히트 싱크가 더 구비된 조명 장치.
광을 피사체에 조사하는 조명 장치;
상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서;
상기 센서에서 수광한 광으로부터 상기 피사체에 대한 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서;를 포함하고,
상기 조명 장치가, 광원, 상기 광원으로부터 출사된 광을 면 광으로 만드는 면 광원층, 상기 면 광원층으로부터 나온 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈, 상기 포커싱 렌즈에 의해 포커싱된 광이 통과하는 어퍼처를 포함하는 디스플레이 패널을 포함하는 전자 장치.