KR20210042929A

KR20210042929A - 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 광학 요소

Info

Publication number: KR20210042929A
Application number: KR1020217005557A
Authority: KR
Inventors: 자오후이 양; 프제미스라우 피 마르코윅즈; 존 에이 휘틀리; 칭빙 왕; 마크 에이 뢰리그; 트라이 디 팜; 세레나 엘 슐레우스너; 케네스 에이 피 메이어; 레벤트 비이클리; 토마스 브이 웨이그맨
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-04-20
Also published as: WO2020035768A1; CN112585506A; JP2021534451A; US20210271003A1; TW202020484A

Abstract

마이크로렌즈들의 어레이, 핀홀 마스크, 및 파장 선택적 필터를 포함하는 광학 요소가 기술된다. 핀홀 마스크는 핀홀들의 어레이를 포함하며, 이때 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 파장 선택적 필터는, 제1 파장을 갖고 마이크로렌즈들의 어레이 내의 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제1 핀홀을 통해 투과되는 제1 광선을 투과시키고, 제1 파장을 갖고 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈에 인접한 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 제2 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제2 핀홀을 통해 투과되는 제2 광선을 감쇠시키도록 구성된다.

Description

마이크로렌즈 어레이를 포함하는 광학 요소

디스플레이 디바이스는 지문에 의해 반사된 광을 검출하는 지문 센서를 포함할 수 있다.

이미지 인식 시스템은 마이크로렌즈 어레이, 검출기 어레이, 및 핀홀 어레이를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 태양에서, 마이크로렌즈들의 제1 어레이, 핀홀 마스크, 및 파장 선택적 필터(wavelength selective filter)를 포함하는 광학 요소가 제공된다. 핀홀 마스크는 핀홀들의 어레이를 포함하며, 여기서 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 파장 선택적 필터는, 제1 파장을 갖고 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제1 핀홀을 통해 투과되는 제1 광선을 투과시키고, 제1 파장을 갖고 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈에 인접한 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 제2 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제2 핀홀을 통해 투과되는 제2 광선을 감쇠시키도록 구성된다.

본 발명의 일부 태양에서, 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 갖는 제1 층 - 여기서 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함함 -, 핀홀들의 어레이를 포함하는 제2 층 - 여기서 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터 광을 수광하도록 배치됨 -, 및 제1 및 제2 층들 중 적어도 하나에 인접한 다층 광학 필름을 포함하는 광학 요소가 제공된다. 다층 광학 필름은, 수직 입사에서, 미리결정된 파장 범위에 걸쳐 연장되고 가시 또는 근적외선 파장 범위에서 수직 입사에서 장파장 대역 에지 파장(long wavelength band edge wavelength)을 갖는 통과 대역을 갖는다.

본 발명의 일부 태양에서, 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 갖는 제1 층 - 여기서 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함함 -, 핀홀들의 어레이를 포함하는 제2 층 - 여기서 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터 광을 수광하도록 배치됨 -, 및 대향하는 제1 및 제2 주 표면을 갖는 선택적인 제3 층 - 여기서 선택적인 제3 층의 제1 주 표면은 제1 층의 제1 주 표면 상에 배치되고, 선택적인 제3 층의 제2 주 표면이 아닌 제1 주 표면은 제1 층의 제1 주 표면에 실질적으로 정합(conform)하는 형상을 가짐 - 을 포함하는 광학 요소가 제공된다. 제1 층 또는 선택적인 제3 층 중 적어도 하나는, 층 전체에 걸쳐 분산되고 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직 입사 광에 대해 50% 이상의 흡수율을 갖는 흡수 대역을 제공하는 파장 선택적 흡수성 재료를 포함한다.

본 발명의 일부 태양에서, 마이크로렌즈들의 제1 어레이, 및 파장 선택적 층 내의 또는 이를 관통하는 핀홀들의 어레이를 포함하는 파장 선택적 층 - 여기서 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 마이크로렌즈와 정렬됨 - 을 포함하는 광학 요소가 제공된다. 적어도 하나의 편광 상태에 대해, 인접한 핀홀들 사이의 파장 선택적 층의 영역들은 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 투과시키고 미리결정된 제2 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 차단한다.

본 발명의 일부 태양에서, 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 포함하는 제1 층을 포함하는 광학 요소가 제공된다. 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 - 여기서 각각의 마이크로렌즈는 제2 주 표면을 향해 오목함 -, 및 포스트들의 어레이 - 여기서 포스트들의 어레이 중 적어도 대부분의 포스트들 내의 각각의 포스트는 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치되고 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 위로 제2 주 표면으로부터 멀어지는 방향으로 연장됨 - 를 포함한다.

본 발명의 일부 태양에서, 마이크로렌즈들의 적어도 하나의 어레이 및 핀홀들의 적어도 하나의 어레이를 포함하는 광학 요소가 제공된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 각각의 어레이는 핀홀들의 어레이와 미리결정된 방식으로 정렬된다. 일부 실시예에서, 광학 요소는 마이크로렌즈들의 적어도 하나의 어레이 및 핀홀들의 적어도 하나의 어레이와 광학적으로 연통되는 파장 선택적 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 광학 요소는 포스트들의 어레이를 포함하며, 여기서 포스트들의 어레이 중 적어도 대부분 내의 각각의 포스트는 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치된다.

본 발명의 일부 태양에서, 본 명세서에 기술된 광학 요소를 포함하는 전자 디바이스가 제공된다.

도 1 내지 도 4는 마이크로렌즈들을 포함하는 광학 요소들의 개략 단면도들이다.
도 5는 간섭 필터의 개략 단면도이다.
도 6a는 광학 흡수성 필터 및 다층 광학 필름에 대한 수직 입사에서의 투과율 대 파장의 개략적인 플롯이다.
도 6b는 도 6a의 광학 흡수성 필터 및 다층 광학 필름에 대한 경사 입사각에서의 투과율 대 파장의 개략적인 플롯이다.
도 6c는 수직 입사에서의 다층 광학 필름의 투과율에 중첩된, 광원의 방출 스펙트럼의 개략적인 플롯이다.
도 7은 마이크로렌즈들의 2개의 어레이들을 포함하는 광학 요소의 개략 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 마이크로렌즈들과 핀홀들의 정렬을 개략적으로 예시하는 광학 요소들의 개략 단면도들이다.
도 11은 센서에 인접한 광학 요소를 포함하는 전자 디바이스의 개략도이다.
도 12는 디스플레이 패널과 광학 센서 사이에 배치된 광학 요소를 포함하는 전자 디스플레이 디바이스의 개략도이다.
도 13a는 마이크로렌즈들의 어레이 및 포스트들의 어레이를 포함하는 광학 요소의 개략 단면도이다.
도 13b는 인접 층에 부착된 마이크로렌즈들의 어레이 및 포스트들의 어레이를 포함하는 광학 요소의 개략 단면도이다.
도 14는 마이크로렌즈들의 정사각형 어레이를 포함하는 광학 요소의 개략 평면도이다.
도 15는 마이크로렌즈들의 정사각형 어레이 및 포스트들의 정사각형 어레이를 포함하는 광학 요소의 개략 평면도이다.
도 16은 마이크로렌즈들의 육각형 어레이의 일부분 및 포스트들의 육각형 어레이의 일부분의 개략 평면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 핀홀들의 개략 평면도들이다.
도 18a 및 도 18b는 마이크로렌즈들의 개략 평면도들이다.
도 19는 다른 층 상에 배치된 배리어 층의 개략 단면도이다.
도 20은 마이크로렌즈들의 어레이 및 다층 광학 필름을 포함하는 광학 요소의 개략 단면도이다.
도 21은 제1 및 제2 영역들을 포함하는 광학 요소의 개략 평면도이다.
도 22 및 도 23은 스페이서 층들에 의해 분리된 제1 및 제2 마스크 층들의 개략 단면도들이다.

하기 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 다양한 실시예들이 예시로서 도시되어 있는 첨부 도면을 참조한다. 도면은 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다. 다른 실시예가 고려되며 본 명세서의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

광학 센서의 해상도를 개선하기 위해 광을 광학 센서로 투과시키도록 배치된 시준 광학 요소를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 적합한 시준 광학 요소는 마이크로렌즈 어레이 및 핀홀 마스크를 포함하며, 여기서 마이크로렌즈들은 핀홀들에서 초점을 갖는다. 마이크로렌즈들의 표면에 걸쳐 굴절률 차(index contrast)를 최대화하기 위해 마이크로렌즈 어레이의 표면에서 공기 간극을 갖는 것이 전통적으로 요구되어 왔다. 공기 간극이 존재하지 않을 때, 마이크로렌즈 어레이와 인접 층 사이의 굴절률 차는 감소되고, 이는 마이크로렌즈에 입사하는 광의 일부분이 인접한 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀을 통과하도록 허용할 수 있으며, 이는 공기 간극이 존재했다면 핀홀 층에 의해 차단되었을 것이다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 인접한 핀홀에서의 광학 필터에 대한 증가된 입사각으로 인한 대역 에지의 이동으로 인해 광이 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀을 통과하지만 인접한 핀홀은 통과하지 못하도록 하는 광학 필터가 제공된다. 이는 마이크로렌즈들 및 핀홀들의 정렬된 어레이들에 의해 제공되는 시준을 실질적으로 희생시키지 않고서 마이크로렌즈 어레이가 접착제 층 중에 침지되게 한다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이를 포함하는 층은 또한, 마이크로렌즈들 위에 공기 간극을 남기면서 층이 포스트들을 통해 접착제 층에 접합될 수 있게 하는 포스트들의 어레이를 포함한다. 이는 마이크로렌즈들에 걸쳐 굴절률 차를 유지하면서 층이 인접 층에 접합될 수 있게 하며, 따라서 접합은 마이크로렌즈들 및 핀홀들의 정렬된 어레이들에 의해 제공되는 시준을 희생시키지 않는다.

본 명세서에 기술된 광학 요소는 예를 들어 전자 디스플레이 디바이스를 포함하는 다양한 전자 디바이스에서 유용하다. 본 발명의 광학 요소가 포함될 수 있는 다양한 디바이스들은, 예를 들어, 미국 특허 출원 제2007/0109438호(Duparre 등), 제2008/0005005호(He 등), 및 제2018/00129069호(Chung 등)에 기술되어 있다.

도 1은 마이크로렌즈들의 어레이(150), 및 핀홀들의 어레이(180)를 포함하는 핀홀 마스크(189)를 포함하는 광학 요소(100)의 개략 단면도이다. 핀홀 마스크는 적어도 하나의 파장에 대해 그리고 적어도 하나의 편광 상태에 대해 핀홀들 사이에서 마스크에 입사하는 광을 실질적으로 차단한다(예컨대, 흡수, 반사, 또는 이들의 조합에 의해 광의 60% 이상을 차단한다). 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189)는 실질적으로 광학적으로 불투명한 재료 내의 핀홀들을 포함하거나, 또는 예를 들어 파장 선택적 필터 내의 핀홀들을 포함한다. 실질적으로 광학적으로 불투명한 재료 또는 층은 근자외선(예컨대, 400 nm 미만 및 350 nm 이상), 가시광(예컨대, 400 nm 내지 700 nm) 및/또는 적외선(700 nm 초과 및 2500 nm 이하)의 미리결정된 파장 범위에서 수직으로 입사하는 비편광된 광에 대해, 10% 미만의 투과율을 갖는 재료 또는 층이다. 일부 실시예에서, 미리결정된 파장 범위는 적어도 400 nm 내지 700 nm로 연장된다. 투과율은 재료 특성(예를 들어, 흡광도) 및 재료 두께에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189)는 핀홀들의 어레이(180) 내의 인접한 핀홀들 사이에서 실질적으로 광학적으로 불투명하다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189)는 파장 선택적 층이거나 이를 포함하며, 여기서 핀홀들의 어레이(180)는 파장 선택적 층 내의 또는 파장 선택적 층을 관통하는 핀홀들을 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 편광 상태에 대해(그리고 일부 실시예에서, 2개의 직교 편광 상태들 각각에 대해), 파장 선택적 층은 미리결정된 제1 파장 범위(예를 들어, 근자외선, 가시광, 또는 근적외선 범위)에서 수직 입사 광의 60% 이상을 투과시키고 미리결정된 제2 파장 범위(예를 들어, 상이한 근자외선, 가시광, 또는 근적외선 범위)에서 수직 입사 광의 60% 이상을 차단하는, 인접한 핀홀들 사이의 영역들을 갖는다. 일부 실시예에서, 파장 선택적 층은 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직으로 입사하는 비편광된 광의 60% 이상을 투과시키고 미리결정된 제2 파장 범위에서 수직으로 입사하는 비편광된 광의 60% 이상을 차단하는, 인접한 핀홀들 사이의 영역들을 갖는다. 파장 선택적 층은 예를 들어 파장 선택적 미러 또는 파장 선택적 반사 편광기일 수 있다. 일부 실시예에서, 파장 선택적 층은 적어도 하나의 파장 범위에서 실질적으로 광학적으로 불투명하다. 투과율, 반사율 및 흡광도는, 달리 지시되지 않는 한(예컨대, 편광 상태를 참조함으로써) 또는 달리 문맥으로부터 명백하지 않는 한, 비편광된 광에 대한 투과율, 반사율 및 흡광도를 각각 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 전체 가시 범위일 수 있는 미리결정된 파장 범위 내의 광을 필터링하기 위해 실질적으로 광학적으로 불투명한 재료가 사용될 수 있다. 파장 선택적 층이 제1 미리결정된 파장 범위가 아닌 제2 미리결정된 파장 범위 내의 광을 필터링하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 미리결정된 파장 범위들 중 하나는 가시 범위일 수 있고 제1 및 제2 미리결정된 파장 범위들 중 다른 하나는 근적외선 범위일 수 있다. 가시광은 상이하게 지시되지 않는 한 400 nm 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 광을 지칭한다. 근적외선은 상이하게 지시되지 않는 한 700 nm 초과이고 2500 nm 이하의 파장을 갖는 광을 지칭한다.

핀홀은 예를 들어 물리적 핀홀 또는 광학적 핀홀일 수 있다. 광학적으로 불투명한 재료 내의 또는 파장 선택적 층 내의 물리적 핀홀은, 예를 들어, 대응하는 마이크로렌즈로부터의 광이 통과할 수 있게 하는, 재료 또는 층을 관통하는 개구이다. 개구의 크기는 마이크로렌즈들의 평균 직경(D)보다 실질적으로 더 작고/작거나(예컨대, 적어도 5배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배 더 작음) 마이크로렌즈들의 평균 초점 거리보다 실질적으로 더 작다. 층 또는 필름 내의 광학적 핀홀은 물리적 핀홀과 유사한 기하학적 구조를 갖는 층 또는 필름 내의 영역이며(예컨대, 핀홀의 크기는 대응하는 마이크로렌즈의 직경 또는 초점 거리보다 실질적으로 더 작음), 여기서 층 또는 필름의 재료는 그렇지 않으면 차단되었을 광이 투과되도록 변경되었다. 예를 들어, 복굴절성 다층 광학 필름 내의 광학적 핀홀들은 핀홀 영역들에서의 복굴절을 감소시키거나 제거하기 위해 광학 필름을 국부적으로 가열함으로써 생성되어, 핀홀 영역들이 광학 필름의 다른 영역들보다 광학 필름의 반사 대역의 적어도 일부분 내의 파장에 대해 실질적으로 더 광학적으로 투과성이 되도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 광학 필름은 핀홀을 가로질러 연속적으로 물리적으로 연장된다. 다층 광학 필름의 광학 특성을 공간적으로 맞춤화하는 것은 일반적으로, 예를 들어, 미국 특허 제9,575,233호(Merrill 등)에 기술되어 있다. 일부 실시예에서, 다층 핀홀 마스크 내의 핀홀은, 예를 들어, 마스크의 하나 이상의 층 내의 핀홀들을 포함하지만, 반드시 모든 층에 있는 것은 아니다. 예를 들어, 다층 핀홀 마스크는 스페이서 층이 사이에 있는 제1 및 제2 마스크 층들(및 선택적으로 추가의 이격된 마스크 층들)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 마스크 층들은 물리적 또는 광학적 핀홀들의 정렬된 어레이들을 포함할 수 있다. 이 경우, 정렬된 핀홀들 사이의 스페이서 층의 영역과 함께 정렬된 핀홀들 사이의 광학 경로를 제공하는 정렬된 핀홀들의 각각의 쌍은, 스페이서 층이 제1 핀홀과 제2 핀홀 사이에서 연장되는 물리적 핀홀을 포함하는지 여부에 관계없이 다층 마스크 내의 핀홀인 것으로 간주될 수 있다.

마이크로렌즈는 1 mm 미만의 적어도 하나의 측방향 치수(예컨대, 직경)를 갖는 렌즈이다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 평균 직경(D)은 5 마이크로미터 내지 1000 마이크로미터의 범위이다.

일부 실시예에서, 마이크로렌즈들은 2개의 직교 방향들에 대해 만곡되고, 핀홀들은 마이크로렌즈의 대응하는 측방향 치수들보다 실질적으로 더 작은 2개의 직교 방향들 각각에서의 최대 측방향 치수들을 갖는다. 다른 실시예에서, 마이크로렌즈들은 렌티큘러 마이크로렌즈들이고, 핀홀들은 렌티큘러 마이크로렌즈들의 폭보다 실질적으로 더 작은 폭을 갖고 렌티큘러 마이크로렌즈들의 길이를 따른 방향으로 연장되는 길이를 갖는 슬릿들(광학적으로 또는 물리적으로)이다. 일부 실시예에서, 상이한 방향들로 연장되는 렌티큘러 마이크로렌즈들을 갖는 2개의 그러한 광학 요소들이 센서 디바이스에 사용될 수 있거나, 또는 하나의 그러한 광학 요소가 광학 센서 디바이스에서 렌티큘러 마이크로렌즈들의 방향과 상이한 방향으로 연장되는 루버들을 갖는 루버 필름과 조합될 수 있다.

광학 요소(100)는 대향하는 제1 및 제2 주 표면들(162, 164)을 갖는 제1 층(160)을 포함하고, 제2 주 표면(164) 상에 배치된 제2 층(188)을 포함한다. 제1 주 표면(162)은 마이크로렌즈들의 어레이(150)를 포함한다. 제2 층(188)은 핀홀 마스크(189) 및 핀홀들의 어레이(180)를 포함한다. 제2 층(188)은 예를 들어 핀홀 마스크(189) 및 추가의 코팅 또는 층을 포함할 수 있거나, 또는 제2 층(188)은 핀홀 마스크(189)로 이루어지거나 본질적으로 이루어질 수 있다. 제1 층(160)은 두께(T)를 갖고, 제2 층(188)은 예시된 실시예에서 또한 핀홀 마스크(189)의 두께인 두께(t)를 갖는다. 일부 실시예에서, t/T는 0.5 미만, 또는 0.2 미만, 또는 0.1 미만, 또는 0.05 미만, 또는 0.02 미만, 또는 0.01 미만이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, t는 0.01 내지 0.2 마이크로미터의 범위이고, T는 10 내지 200 마이크로미터의 범위이다. 예를 들어, 핀홀 마스크의 더 큰 두께는 크로스토크(상이한 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀에 입사하는 하나의 마이크로렌즈로부터의 광)를 감소시키도록 선택될 수 있거나, 핀홀 마스크의 더 작은 두께는 핀홀들을 통해 투과되는 광을 증가시키도록 선택될 수 있다. 어느 경우든, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 크로스토크를 감소시키거나 더 감소시키기 위해 광학 필터가 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀들의 어레이는 S의 인접한 핀홀들 사이의 평균 중심간 거리를 갖고, 0.1 ≤ S/T ≤ 2이다. 일부 실시예에서, 직경(D)은 거리(S)와 대략 동일하다(예컨대, 10% 이내). 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이(150)는 거리(S)와 동일하거나 대략 동일할 수 있는(예컨대, ±10% 이내 또는 ±5% 이내) S0의 인접한 마이크로렌즈들 사이의 평균 중심간 거리를 갖는다. 마이크로렌즈들의 어레이(150)와 제2 층(188) 또는 핀홀 마스크(189) 사이의 거리는 예시된 실시예에서 T0이다. 일부 실시예에서, 핀홀들의 어레이(180)는 T0보다 실질적으로 더 작을 수 있는(예컨대, 적어도 4배, 또는 적어도 8배, 또는 적어도 10배) 평균 핀홀 직경(d)을 갖는다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189) 또는 제2 층(188)은 크로스토크(예컨대, 다른 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀을 통과하는, 하나의 마이크로렌즈에 입사하는 광)의 감소를 제공하기에 충분히 두꺼울 수 있다. 핀홀 마스크(189) 또는 제2 층(188)은 원하는 두께를 갖는 단일 층일 수 있거나, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 이격된 마스크 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189) 또는 제2 층(188)의 두께(t)는 0.1 T0*d/S0 이상이다. 일부 실시예에서, 10 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.1 T0*d/S0, 또는 8 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.2 T0*d/S0, 또는 6 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.4 T0*d/S0, 4 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.5 T0*d/S0이다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189) 또는 제2 층(188)은 수직 입사 광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189) 또는 제2 층(188)은 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 미리결정된 경사 입사각에서 경사 입사 광(obliquely incident light)을 투과시키도록 구성될 수 있다.

제2 층은 제1 층의 제2 주 표면이 제1 층의 제1 주 표면과 제2 층 사이에 배치된 상태로 제2 주 표면 상에 직접 배치됨으로써, 또는 하나 이상의 개재하는 층을 통해 제2 주 표면 상에 간접적으로 배치됨으로써, 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 갖는 제1 층의 제2 주 표면 상에 배치될 수 있다. 인접한 제1 및 제2 층들은 바로 인접할 수 있거나, 인접한 제1 및 제2 층들은 하나 이상의 개재하는 층에 의해 분리될 수 있다.

층은 단층일 수 있거나, 서로 접합된 하위층(sublayer)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층(160)은 모놀리식 또는 단일형이다. 일부 실시예에서, 제1 층(160)은 서로 접합된 하나 이상의 하위층을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 층(160)은 중합체 필름 기판, 및 기판 상에 배치된 마이크로렌즈들(150)을 포함하는 모놀리식 또는 단일형 층을 포함한다.

광학 요소(100)는 예를 들어 캐스트 및 자외선(UV) 경화 공정을 사용하여 마이크로렌즈들의 어레이를 마이크로-복제함으로써 제조될 수 있으며, 여기서 수지가 기재 상에 캐스팅되고 복제 도구 표면과 접촉하여 경화되는데, 이는 예를 들어 미국 특허 제5,175,030호(Lu 등), 제5,183,597호(Lu) 및 제9,919,339호(Johnson 등), 및 미국 특허 출원 공개 제2012/0064296호(Walker, JR. 등)에 일반적으로 기술된 바와 같다. 핀홀 마스크(189)는 이어서 예를 들어 제2 주 표면(164) 상으로 실질적으로 불투명한 재료를 코팅함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 불투명한 재료는 100 nm 내지 150 nm 두께의 알루미늄일 수 있고, 예를 들어 표준 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 사용하여 코팅될 수 있다. 핀홀들(180)은 이어서 예를 들어 마이크로렌즈들을 통한 레이저 어블레이션에 의해 형성될 수 있다. 적합한 레이저는, 예를 들어 1070 nm의 파장을 동작시키는 40W 펄스형 광섬유 레이저(pulsed fiber laser)와 같은 광섬유 레이저를 포함한다. 일부 실시예에서, 핀홀 마스크(189)는 파장 선택적 다층 광학 필름을 제2 주 표면(164) 상으로 적용함으로써 형성된다. 이어서, 마이크로렌즈들을 통해 레이저로 조사함으로써 물리적 또는 광학적 핀홀들이 광학 필름 내에 형성될 수 있다. 레이저로부터의 에너지의 흡수를 증가시키기 위해 흡수 오버코트가 선택적으로 광학 필름에 적용될 수 있다. 마이크로렌즈 어레이를 통해 레이저를 사용하여 층 내에 개구들을 생성하는 것은 일반적으로, 예를 들어 US2007/0258149호(Gardner 등)에 기술되어 있다.

도 2는 마이크로렌즈들의 어레이(250), 핀홀들의 어레이(280)를 포함하는 핀홀 마스크(289), 및 파장 선택적 필터(210)를 포함하는 광학 요소(200)의 개략 단면도이다. 광학 요소(200)는 파장 선택적 필터(210)의 추가를 제외하고는 광학 요소(100)에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 파장 선택적 필터(210)는: 제1 파장을 갖고 마이크로렌즈들의 제1 어레이(250) 내의 제1 마이크로렌즈(251)로부터 제1 마이크로렌즈(251)와 정렬된 핀홀들의 어레이(280) 내의 제1 핀홀(281)을 통해 투과되는 제1 광선(233)을 투과시키고; 제1 파장을 갖고 제1 마이크로렌즈(251)로부터 제1 마이크로렌즈(251)에 인접한 마이크로렌즈들의 제1 어레이(250) 내의 제2 마이크로렌즈(252)와 정렬된 핀홀들의 어레이(280) 내의 제2 핀홀(282)을 통해 투과되는 제2 광선(234)을 감쇠시키도록 구성된다. 제1 파장은, 예를 들어 350 nm 내지 400 nm, 또는 400 nm 내지 700 nm, 또는 700 nm 내지 2500 nm의 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 광선들(233, 234)은 동일한 제1 편광 상태를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 광선들(233, 234)은 비편광된다. 필터(210)는 흡수, 반사, 또는 이들의 조합에 의해 필터(210)를 통해 투과되는 입사 광의 양을 감소시킴으로써 입사 광(234)을 감쇠시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 입사 광(234)의 50% 초과 또는 70% 초과를 흡수하고/하거나 반사한다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 입사 광(234)을 차단한다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 파장 선택적 미러이거나 이를 포함한다(예컨대, 2개의 직교 편광 상태들 각각에 대해 반사 대역에서 수직 입사 광의 70% 이상을 반사함). 일부 실시예에서, 필터(210)는 파장 선택적 반사 편광기이거나 이를 포함한다(예컨대, 제1 편광 상태에 대해 반사 대역의 파장 범위에서 수직 입사 광의 70% 이상을 반사하고, 직교하는 제2 편광 상태에 대해 동일한 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 투과시킴). 일부 실시예에서, 필터(210)는 제1 파장 및 제1 편광 상태를 갖는 수직 입사 광에 대해 70% 초과 또는 80% 초과의 투과율을 갖는다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 법선에 대해 60도로 입사하고 제1 파장 및 제1 편광 상태를 갖는 광에 대해 30% 미만 또는 20% 미만의 투과율을 갖는다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 제1 파장을 갖는 수직으로 입사하는 비편광된 광에 대해 70% 초과 또는 80% 초과의 투과율을 갖는다. 일부 실시예에서, 필터(210)는 법선에 대해 60도로 입사하고 제1 파장을 갖는 비편광된 광에 대해 30% 미만 또는 20% 미만의 투과율을 갖는다.

일부 실시예에서, 파장 선택적 필터(210)는 간섭 필터, 흡수성 필터, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 파장 선택적 필터(210)는 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 다층 광학 필름일 수 있거나 이를 포함할 수 있는 간섭 필터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 갖는 제1 층(260)은 제1 주 표면 상에 마이크로렌즈들의 어레이(250)를 포함하고, 제2 층(288)은 핀홀들의 어레이(280)(예컨대, 실질적으로 광학적으로 불투명한 재료 내의 핀홀들 또는 파장 선택적 필터 내의 핀홀들)를 포함하는 핀홀 마스크(289)를 포함하며, 이때 핀홀들의 어레이(280) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 어레이(250) 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터 광을 수광하도록 배치된다. 파장 선택적 필터(210)는 필터(210)가 마이크로렌즈들의 어레이(250) 및 핀홀들의 어레이(280)와 광학적으로 연통되도록 광학 요소(200) 내의 다른 위치들에 배치될 수 있다. 2개의 물체에 적용될 때의 용어 "광학적 연통"은 광이 광학적 방법(예를 들어, 반사, 회절, 굴절)을 사용하여 직접적으로 또는 간접적으로 한 물체로부터 다른 물체로 투과될 수 있음을 의미한다. 일부 실시예에서, 간섭 필터일 수 있거나 이를 포함할 수 있는 필터(210)는 제1 및 제2 층들(260, 268) 중 적어도 하나에 인접하게 배치되고, 수직 입사에서, 미리결정된 파장 범위에 걸쳐 연장되고 가시 또는 근적외선 파장 범위에서 장파장 대역 에지 파장을 갖는 통과 대역을 갖는다(예를 들어, 장파장 대역 에지 파장은 400 nm 내지 2500 nm의 범위, 또는 500 nm 내지 2000 nm의 범위, 또는 600 nm 내지 1500 nm의 범위일 수 있음). 적합한 간섭 필터는 교번하는 무기 층들, 교번하는 유기 층들(예를 들어, 등방성 또는 복굴절성 중합체 다층 광학 필름들), 또는 교번하는 유기 및 무기 층들을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 광학 요소는 서로 바로 인접할 수 있거나 하나 이상의 층에 의해 분리될 수 있는 하나 초과의 구성요소를 포함하는 파장 선택적 필터를 포함한다. 예를 들어, 파장 선택적 필터는 광학 흡수성 층, 및 흡수성 층에 바로 인접하거나 하나 이상의 층에 의해 분리될 수 있는 다층 광학 필름을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층(260)은 광학 흡수성 층이고, 일부 실시예에서, 광학 흡수성 층은 제1 층(260)에 대향하는 마이크로렌즈들의 어레이에 인접하게 배치된 추가 층이다. 다층 광학 필름은 흡수성 층에 인접하게 그리고/또는 제1 층(260)의 양측 상에 배치될 수 있다.

도 3은 제1 및 제2 주 표면들(362, 364)을 갖는 제1 층(360) - 여기서 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 어레이(350)를 포함함 -, 제2 층(388) 내의 핀홀들의 어레이(380), 및 일부 실시예에서 선택적으로 생략되는 제3 층(323)을 포함하는 광학 요소(300)의 개략 단면도이다. 광학 요소(300)는 제3 층(323)의 추가를 제외하고는 광학 요소(100)에 대응할 수 있다. 광학 요소(200)에 대해 기술된 바와 같이 파장 선택적 필터가 포함될 수 있다. 제3 층(323)은 대향하는 제1 및 제2 주 표면들(324, 325)을 갖는다. 제3 층(323)의 제1 주 표면(324)은 제1 층(360)의 제1 주 표면(362) 상에 배치된다. 제3 층(323)의 제2 주 표면(325)이 아닌 제1 주 표면(324)은 제1 층(360)의 제1 주 표면(362)에 실질적으로 정합하는 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 층(360) 또는 선택적인 제3 층(323) 중 적어도 하나는, 층 전체에 걸쳐 분산되고 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직 입사 광에 대해 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상의 흡수율을 갖는 흡수 대역을 제공하는 파장 선택적 흡수성 재료(예컨대, 염료, 안료, 또는 이들의 조합)를 포함한다. 미리결정된 제1 파장 범위는 주어진 응용에 대해 임의의 적합한 범위일 수 있고, 가시 및/또는 근적외선 파장 및/또는 근자외선 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 선택적인 제3 층(323)이 포함되고, 제1 및 제3 층들(360, 323) 각각은 파장 선택적 흡수성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 층(360)이 아닌 제3 층(323)은 파장 선택적 흡수성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 제3 층(323)이 아닌 제1 층(360)은 파장 선택적 흡수성 재료를 포함한다.

도 4는 마이크로렌즈들의 어레이(450)를 포함하는 주 표면(462)을 갖는 제1 층(460), 제2 층(488) 내의 핀홀들의 어레이(480), 제3 층(423), 제1 층(460)에 대향하는 제3 층(434) 상에 배치된 접착제 층(예를 들어, 광학적으로 투명한 접착제 층), 제2 층(488) 상에 배치된 광학 필터(410)(예컨대, 파장 선택적 필터), 및 광학 필터(410) 상에 배치된 배리어 층(466)을 포함하는 광학 요소(400)의 개략 단면도이다. 요소들(480, 488, 460, 450, 424, 425, 462, 423)은 각각 요소들(380, 388, 360, 350, 324, 325, 362, 323)에 대해 기술된 바와 같을 수 있다. 배리어 층(466)은 임의의 적합한 유형의 배리어 층일 수 있다. 예시적인 배리어 층들은 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술된다. 일부 실시예에서, 제3 층(423)은 1.3 이하(예를 들어, 1.1 내지 1.3의 범위)의 굴절률을 갖는 저-굴절률 층이고, 제1 층(460)의 제1 주 표면(462)에 실질적으로 정합하는 주 표면(424) 상에 배치되고 그를 갖는다. 굴절률은, 달리 지시되지 않는 한, 633 nm에서의 굴절률을 지칭한다. 1.3 이하의 굴절률을 갖는 층은 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2013/0011608호(Wolk 등) 및 제2013/0235614호(Wolk 등)에 기술된 바와 같은 나노공극형 층일 수 있다.

일부 실시예에서, 광학 필터(410)는 2개의 필터(412, 414)를 포함하며, 여기서 2개의 필터(412, 414) 중 하나는 흡수성 필터이고 다른 하나는 간섭 필터(예컨대, 교번하는 간섭 층들을 갖는 다층 광학 필름)이다. 흡수성 필터는 전형적으로 입사각에 따라 실질적으로 이동하지 않는 흡수 대역을 갖는 반면, 간섭 필터는 전형적으로 입사각의 증가에 따라 이동하는 투과 대역 및/또는 반사 대역을 갖는다. 흡수성 필터와 간섭 필터의 조합을 이용하는 것은 필터들의 대역 에지들의 상대적인 이동으로 인해 감소된 크로스토크(상이한 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀에 입사하는 하나의 마이크로렌즈로부터의 광)를 야기할 수 있다. 다층 광학 필름 간섭 필터 및 흡수 광학 필터를 사용하는 광학 필터가 PCT 공개 WO 2018/013363호(Wheatley 등) 및 WO 2017/213911호(Wheatley 등)에 기술되어 있다.

도 5는 교번하는 제1 및 제2 층들(504, 506)을 포함하는 간섭 필터(510)의 개략 단면도이다. 일부 실시예에서, 간섭 필터(510)는 다층 광학 필름이고, 교번하는 제1 및 제2 층들(504, 506)은 제1 및 제2 층들(504, 506) 중 적어도 하나가 배향된 복굴절성 중합체 층들인 교번하는 중합체 층들이다. 일부 실시예에서, 간섭 필터(510)는 파장 선택적 미러 또는 파장 선택적 반사 편광기이다. 그러한 중합체 필터(예컨대, 미러 또는 반사 편광기)는 예를 들어 미국 특허 제5,882,774호(Jonza 등); 제5,962,114호(Jonza 등); 제5,965,247호(Jonza 등); 제6,939,499호(Merrill 등); 제6,916,440호(Jackson 등); 제6,949,212호(Merrill 등); 및 제6,936,209호(Jackson 등)에 일반적으로 기술되어 있다. 간략히 요악하면, 중합체 다층 광학 필름은 복수의 교번하는 중합체 층(예컨대, 수백 개의 층)을 공압출하고, 편광기의 경우에 압출된 필름을 (예컨대, 선형 또는 포물선형 텐터(tenter) 내에서) 일축으로 또는 실질적으로 일축으로 연신시켜 필름을 배향시키거나 또는 미러의 경우에 필름을 이축으로 연신시켜 필름을 배향시킴으로써 제조될 수 있다.

다층 광학 필름은 교번하는 간섭 층들을 보호하기 위해 외측 표면(들)에 스킨 층(들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡수성 필터를 제공하기 위해, 예를 들어, 흡수 염료(들) 및/또는 안료(들)가 스킨 층(들)에 포함된다. 다른 실시예에서, 흡수성 층은 별도로 형성되고 다층 광학 필름에 부착되거나, 또는 광학 요소를 통한 광학 경로 내의 다른 곳에 배치된다.

도 6a는 λ1의 장파장 대역 에지 파장을 갖는 흡수 대역(694)을 갖고 통과 대역 또는 투과 대역(696)을 갖는 흡수성 필터에 대한, 그리고 장파장 대역 에지 λ2를 갖는 통과 대역 또는 투과 대역(690)을 갖고 반사 대역(692)을 갖는 다층 광학 필름에 대한, 수직 입사에서의 투과율 대 파장의 개략적인 플롯이다. 장파장 대역 에지는 대역의 더 긴 파장 대역 에지 또는 우측 대역 에지이며, 대역은 또한 더 낮은 파장에서의 단파장 대역 에지 또는 좌측 대역 에지를 가질 수 있다. 도 6b는 도 6a의 흡수성 필터 및 다층 광학 필름에 대한 경사(예를 들어, 법선에 대한 45도 또는 60도) 입사각에서의 투과율 대 파장의 개략적인 플롯이다. 흡수 대역(694)의 장파장 대역 에지는 여전히 파장 λ1에 있는 반면, 투과 대역(690)의 장파장 대역 에지는 λ2로부터 λ3으로 이동하였다. 일부 실시예에서, 흡수 대역(694)의 장파장 대역 에지 λ1은 수직 입사에서 통과 대역(690)의 장파장 대역 에지 λ2와 200 nm 이하만큼 상이하다(즉, |λ1-λ2| ≤ 200 nm). 일부 실시예에서, 적어도 하나의 경사 입사각에 대해, λ3 < λ1이다. 일부 실시예에서, 다층 광학 필름은 하나의 편광 상태에 대해 반사 대역(692)을 갖고 직교 편광 상태에 대해서는 그렇지 않다. 다른 실시예에서, 다층 광학 필름은 2개의 직교 편광 상태들 각각에 대해 반사 대역(692)을 갖는다.

일부 실시예에서, 광학 조립체는 본 발명의 광학 요소를 포함하며, 광학 요소와 광학적으로 연통되는 광원을 추가로 포함한다. 예를 들어, 도 12에서, 디스플레이(1290) 및 광학 요소(1200)는, 디스플레이(1290)가 광원이거나 광원을 포함하는 광학 조립체인 것으로 간주될 수 있다. 다른 예로서, 도 11의 광학 요소(1100)를 갖는 광원(1102)은 광학 조립체인 것으로 간주될 수 있다. 도 6c는 수직 입사에서의 다층 광학 필름의 투과율에 중첩된, 광원의 방출 스펙트럼(698)을 개략적으로 예시한다. 일부 실시예에서, 방출 스펙트럼은 수직 입사에서의 다층 광학 필름의 통과 대역의 장파장 대역 에지 파장 λ2와 200 nm 이하만큼 상이한 단파장 대역 에지 파장 λ0을 갖는다(즉, |λ0-λ2| ≤ 200 nm). 일부 실시예에서, 적어도 하나의 경사 입사각에 대해 λ3 < λ0이다. 일부 실시예에서, 광원의 방출 스펙트럼(698)은 장파장 대역 에지 파장 λ4를 갖는다. 일부 실시예에서, λ4-λ0은 100 nm 미만, 또는 50 nm 미만, 또는 10 nm 내지 45 nm의 범위이다. 일부 실시예에서, 광원은 λ4-λ0의 반치전폭을 갖는 방출 스펙트럼을 갖는다.

대역 에지 파장은 관련 양(예를 들어, 투과율, 반사율, 흡광도, 방출)이 대역 에지의 양측의 그의 베이스라인 값 사이에서 중간에 있는 파장인 것으로 간주될 수 있다.

광학 요소는 광학 요소를 통한 광학 경로 내에 임의의 적합한 수의 마이크로렌즈들의 어레이들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 요소는 마이크로렌즈들의 제1 어레이만을 포함한다. 다른 실시예에서, 광학 요소는 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들을 포함하고, 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들 중 마이크로렌즈들의 각각의 어레이와 정렬된 핀홀들의 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 및 마이크로렌즈들의 제2 어레이를 포함하는데, 이때 핀홀들의 어레이는 마이크로렌즈들의 제1 및 제2 어레이들 사이에 배치된다.

도 7은 마이크로렌즈들의 제1 어레이(750)를 포함하는 제1 마이크로렌즈 층(760), 마이크로렌즈들의 제2 어레이(757)를 포함하는 제2 마이크로렌즈 층(767), 및 핀홀들의 어레이(780)를 포함하는 핀홀 마스크(788)를 포함하는 광학 요소(700)의 개략 단면도이다. 핀홀 마스크(788)는 제1 및 제2 마이크로렌즈 층들(760, 757) 사이에 배치된다. 핀홀 마스크(788)는 실질적으로 불투명한 재료의 층을 포함할 수 있거나, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 파장 선택적 층을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈는 제1 초점 거리(f1)를 갖고, 마이크로렌즈들의 제2 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈는 제2 초점 거리(f2)를 갖는다. 일부 실시예에서, f2는 f1과 실질적으로 동일하다(예를 들어, 5% 이내). 일부 실시예에서, f2는 f1과 상이하다(예를 들어, 5% 초과 또는 10% 초과로 상이함).

일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈는 핀홀들의 어레이 내의 대응하는 핀홀에서(예컨대, 핀홀 내에서, 또는 핀홀의 상부 또는 하부에서) 초점을 갖는다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 제1 및 제2 어레이들이 포함되고, 마이크로렌즈들의 제1 및 제2 어레이들 각각 내의 각각의 마이크로렌즈는 핀홀들의 어레이 내의 대응하는 핀홀에서 초점을 갖는다. 예를 들어, f1 및 f2는 동일할 수 있고 마이크로렌즈 층들(760, 767)의 두께는 동일할 수 있거나, 또는 f2는 f1보다 더 클 수 있고 층(767)의 두께는 층(760)의 두께보다 더 두꺼울 수 있어서 각각의 렌즈가 초점이 대응하는 핀홀에 있도록 갖는다.

광학 요소(700)는 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같은 파장 선택적 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 광학 경로 내의 어느 곳에나 포함될 수 있다. 예를 들어, 광학 필터는 외측 주 표면(예를 들어, 마이크로렌즈들의 어느 하나의 어레이(750 또는 757)에 인접함)에 배치될 수 있거나, 또는 광학 필터는 제1 및 제2 마이크로렌즈 층들(760, 767) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 필터는 2개 이상의 필터(예를 들어, 흡수성 필터 및 간섭 필터)를 포함한다. 2개 이상의 필터는 서로 바로 인접할 수 있거나, 광학 경로 내의 상이한 위치들에 배치될 수 있다(예컨대, 하나는 마이크로렌즈들의 하나의 어레이에 인접하고 다른 하나는 마이크로렌즈들의 다른 어레이에 인접하거나, 또는 2개의 마이크로렌즈 층들 사이에 있음).

일부 실시예에서, 마이크로렌즈들 및 핀홀들의 어레이들은, 어레이(750) 내의 마이크로렌즈 및 어레이(757) 내의 마이크로렌즈의 광학 축들이 서로 일치하고 핀홀들의 어레이(780) 내의 대응하는 핀홀을 통과하는 상태로, 정렬된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들 및 핀홀들의 어레이들은, 광학 요소(700)가 경사 입사 광(광학 요소(700)의 주 평면(예를 들어, 핀홀 마스크(788)의 평면)에 대해 비스듬한 방향을 따라 광학 요소(700)에 입사하는 광)을 투과시키도록 구성되게 오프셋을 갖고서, 정렬된다.

핀홀들의 어레이는, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀이 마이크로렌즈들의 어레이 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터의 광(예컨대, 고정된 방향으로부터 마이크로렌즈에 입사함)을 수광하도록 배치되는 경우, 마이크로렌즈들의 어레이와 정렬되는 것으로 간주될 수 있다. 일부 실시예에서, 고정된 방향으로부터의 광은 마이크로렌즈의 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈에 의해 핀홀들의 어레이 내의 대응하는 핀홀로 주로 지향된다(예컨대, 마이크로렌즈에 입사하고, 그리고 마이크로렌즈 표면과 핀홀 마스크 사이의 어떠한 선택적인 흡수성 재료에 의해서도 흡수되지 않는, 광의 50% 초과, 또는 70% 초과가, 대응하는 핀홀로 투과된다). 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이 내의 각각의 렌즈는 광축을 갖고, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 대응하는 마이크로렌즈의 광축을 따라 배치된다. 일부 실시예에서, 각각의 마이크로렌즈는 대칭이며(예를 들어, 마이크로렌즈의 중심을 통과하는 광축을 중심으로), 각각의 핀홀은 마이크로렌즈의 중심 바로 아래에 배치된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈의 어레이는 제1 주기적 격자 상에 배치되고, 핀홀들의 어레이는 제1 주기적 격자와 동일한 대칭성, 피치 및 배향을 갖는 제2 주기적 격자 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 제2 주기적 격자는 미리결정된 방향을 따라 고정된 미리결정된 거리만큼 제1 주기적 격자로부터 측방향으로 오프셋된다.

도 8은 마이크로렌즈들의 어레이(850) 및 핀홀들의 어레이(880)를 포함하는 광학 요소(800)의 개략 단면도이다. 광(805)은 고정된 미리결정된 방향(809)을 따라 마이크로렌즈들의 어레이(850)에 입사한다. 마이크로렌즈들의 어레이(850) 내의 각각의 마이크로렌즈(851)는 광(805)을 핀홀들의 어레이(880) 내의 대응하는 핀홀(881)로 주로 지향시킨다. 핀홀들의 어레이(880) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 어레이(850) 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 핀홀들(880)은 고정된 거리만큼 마이크로렌즈들(850)의 중심들로부터 측방향으로 오프셋된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들(850)은 대칭 렌즈들이다.

도 9는 비대칭 마이크로렌즈들의 어레이(950), 및 핀홀들의 어레이(980)를 포함하는 광학 요소(900)의 개략 단면도이다. 광(905)은 고정된 미리결정된 방향(909)을 따라 마이크로렌즈들의 어레이(950)에 입사한다. 마이크로렌즈들의 어레이(950) 내의 각각의 마이크로렌즈(951)는 광(905)을 핀홀들의 어레이(980) 내의 대응하는 핀홀(981)로 주로 지향시킨다. 핀홀들의 어레이(980) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 어레이(950) 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 핀홀들(980)은 마이크로렌즈들(950)의 중심들 바로 아래에 배치될 수 있다.

도 10은 마이크로렌즈들의 어레이(1050) 및 핀홀들의 어레이(1080)를 포함하는 광학 요소(1000)의 개략 단면도이다. 광(1005)은 고정된 미리결정된 방향(1009)을 따라 마이크로렌즈들의 어레이(1050)에 입사한다(예를 들어, 수직으로 입사한다). 마이크로렌즈들의 어레이(1050) 내의 각각의 마이크로렌즈(1051)는 광(1005)을 핀홀들의 어레이(1080) 내의 대응하는 핀홀(1081)로 주로 지향시킨다. 핀홀들의 어레이(1080) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 어레이(1050) 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 핀홀들(1080)은 고정된 거리만큼 마이크로렌즈들(1050)의 중심들로부터 측방향으로 오프셋될 수 있고, 마이크로렌즈들(1050)은 비대칭 렌즈들일 수 있다.

일부 실시예에서, 전자 디바이스는 광학 센서, 및 광학 센서에 인접하게 배치된 본 발명의 광학 요소를 포함한다. 도 11은 센서(1199), 및 마이크로렌즈들의 어레이(1150)를 포함하는 주 표면을 갖는 제1 층(1160), (예컨대, 실질적으로 광학적으로 불투명한 재료 내의 또는 파장 선택적 층 내의) 핀홀들의 어레이(1180)를 포함하는 핀홀 마스크 층인 제2 층(1188), 및 광학 필터(1110)를 포함하는 광학 요소(1100)를 포함하는 전자 디바이스(1101)의 개략 단면도이다. 핀홀들의 어레이(1180) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 어레이(1150) 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터 광을 수광하도록 배치된다. 광학 필터(1110)는, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 미리결정된 파장 범위에 걸쳐 연장되고 가시 또는 근적외선 파장 범위에서 수직 입사에서 장파장 대역 에지 파장을 갖는 통과 대역을 갖는 다층 광학 필름일 수 있다. 광학 필터는 예를 들어 접착제 층을 통해 제2 층(1188)에 부착될 수 있고/있거나, 예를 들어 접착제 층을 통해 센서(1199)에 부착될 수 있다.

센서(1199)에 대략 수직인(예컨대, 도 11에 도시된 x-y-z 좌표계를 참조한 x-y 평면에 대략 수직인) 방향으로 디바이스(1101)에 입사하는 광선들(1105)은, 마이크로렌즈, 대응하는 핀홀, 및 필터(1110)를 통해, 센서(1199)로 투과된다. 디바이스(1101)에 비스듬히 입사하는 광선들(1107)은 제2 층(1188)에 의해 차단된다. 광선들(1107)보다 더 높은 입사각(z-방향에 대한 각도)으로 디바이스(1101)에 입사하는 광선(1108)은, 마이크로렌즈를 통해 인접 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀로 통과하고, 필터(1110)에 의해 차단된다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이(1150)는 예를 들어 접착제 층 중에 침지되고, 이는, 광선들이 광학 필터(1110) 또는 광학 요소(1100)의 다른 파장 선택적 층에 의해 차단되지 않았다면 많은 응용들에서 광선(1108)과 같은 광선들을 문제가 되게 만들 수 있는 마이크로렌즈들에 걸친 굴절률 차를 감소시킨다. 광선(1108)은 입사각(θ)으로 필터(1110)에 입사한다. 일부 실시예에서, 필터(1110)는 광선(1108)이 통과 대역 밖에 있고 차단되는 입사각(θ)에 대해 충분히 작은 파장들로 이동하는 장파장 대역 에지 파장을 갖는 통과 대역을 갖는 간섭 필터를 포함한다.

일부 실시예에서, 디바이스(1101)는 적어도 하나의 광원 또는 적어도 하나의 광원 어레이를 추가로 포함한다. 광원(들)은 예를 들어 하나 이상의 발광 다이오드(LED), 하나 이상의 레이저, 또는 하나 이상의 레이저 다이오드(예를 들어, 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL))를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 광원은 제1 광원(1102)을 포함한다. 일부 실시예에서, 광원(1102)은 예를 들어 100 nm 미만, 또는 50 nm 미만, 또는 10 nm 내지 45 nm 범위의 반치전폭을 갖는 방출 스펙트럼을 갖는다. 일부 실시예에서, 광원(1102)은 적어도 부분적으로 시준된다. 적어도 부분적으로 시준된 광원을 이용하는 것은 예를 들어 감소된 크로스토크(상이한 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀에 입사하는 하나의 마이크로렌즈로부터의 광)를 야기할 수 있다.

디바이스(1101)는 다양한 상이한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서를 이용하는 생체측정, 생분석 및 분자 분석 디바이스들이 당업계에 알려져 있으며, 본 발명의 광학 요소는 그러한 디바이스들에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 디바이스(1101)는 생체측정 디바이스(예컨대, 지문을 검출함), 생분석 디바이스(예컨대, 헤모글로빈 농도를 광학적으로 결정함), 및/또는 분자 분석 디바이스(예컨대, 혈당 수준을 광학적으로 결정함)이다.

일부 실시예에서, 전자 디바이스(1101)는 디스플레이를 추가로 포함하며, 이때 디스플레이와 광학 센서(1199) 사이에 광학 요소(1100)가 배치된다.

도 12는 디스플레이 또는 디스플레이 패널(1290), 광학 센서(1299), 및 디스플레이 패널(1290)과 광학 센서(1299) 사이에 배치된 광학 요소(1200)를 포함하는 전자 디스플레이 디바이스(1201)의 개략도이다. 광학 요소(1200)는 본 발명의 임의의 광학 요소일 수 있다. 디스플레이 패널(1290)은 예를 들어 액정 디스플레이(LCD) 패널 또는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 패널일 수 있다. 디스플레이 패널(1290)은 적어도 일부 광이 디스플레이 패널(1290)을 통해 광학 센서(1299)로 투과되도록 하는 반투명 디스플레이 패널일 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 센서(1299)는 지문을 검출하도록 구성되고, 전자 디스플레이 디바이스(1201)는 검출된 지문이 인가된 사용자의 지문과 매칭하는지 여부를 결정하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 광학 요소는 크로스토크를 감소시키기 위해 광학 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이는 광학적으로 투명한 접착제 층 중에 침지될 수 있고, 광학 필터는 마이크로렌즈들에 걸친 감소된 굴절률 차로부터 기인하는 크로스토크를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로렌즈 층이 인접 층에 접합될 때 마이크로렌즈 층에 인접한 공기 간극을 제공하기 위해 추가의 구조물들이 마이크로렌즈 층에 포함될 수 있다. 이러한 경우에, 공기 간극으로 인해 낮은 크로스토크가 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 크로스토크를 추가로 감소시키기 위해 광학 필터가 포함된다.

도 13a는 대향하는 제1 및 제2 주 표면들(1362, 1364a)을 갖는 층(1360a)을 포함하는 광학 요소(1300a)의 개략 단면도이다. 제1 주 표면(1362)은 마이크로렌즈들의 어레이(1350) 및 포스트들의 어레이(1355)를 포함한다. 마이크로렌즈들의 어레이(1350) 내의 각각의 마이크로렌즈는 제2 주 표면(1364a)을 향해 오목하다. 포스트들의 어레이(1355) 중 적어도 대부분의 포스트들 내의 각각의 포스트(1357)는 마이크로렌즈들의 어레이(1350) 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들(1351, 1352) 사이에 위치되고, 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들(1351, 1352) 위로 제2 주 표면(1364a)으로부터 멀어지는 방향(예컨대, 도 13a에 도시된 x-y-z 좌표계를 참조한, z-방향)으로 연장된다. 예를 들어, 포스트들의 어레이(1355) 내의 모든 포스트들은 마이크로렌즈들의 어레이(1350) 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치될 수 있거나, 또는 마이크로렌즈들의 어레이(1350)의 코너들 근처의 포스트들을 제외한 모든 포스트들이 그러할 수 있다.

일부 실시예에서, 층(1360a)은 모놀리식 층이다. 다른 실시예에서, 포스트들(1355)은 마이크로렌즈 층 상에 인쇄되어, 인쇄된 포스트들의 층 및 마이크로렌즈 층이 층(1360a)의 하위층들이 되도록 한다.

일부 실시예에서, 포스트들의 어레이(1355)는 광학 요소(1300a)에 비스듬히 입사하는 광을 실질적으로 발산, 확산, 반사, 또는 흡수하도록 구성된다. 이는, 예를 들어, 인쇄된 포스트에 확산 입자를 부가함으로써, 또는 포스트의 형상(예를 들어, 면들의 곡률)을 적합하게 선택함으로써, 또는 포스트에 코팅(예컨대, 반사 코팅)을 적용함으로써 달성될 수 있다. 이는 이웃하는 마이크로렌즈들 사이의 감소된 크로스토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 경사 입사 광선(1303)은 포스트를 통해 그리고 제1 마이크로렌즈를 통해, 인접한 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀 마스크(예컨대, 도 13b 참조) 내의 핀홀로 투과될 수 있다. 포스트가 실질적으로 경사 입사 광을 발산, 확산, 반사 또는 흡수하는 경우, 그것은 이러한 크로스토크를 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이는 광선(1308)에 대해 개략적으로 예시되는데, 광선(1308)은 포스트들의 어레이(1355) 내의 포스트에 의해 확산됨으로써 잠재적인 크로스토크를 감소시킨다.

포스트들은, 인접 층이 마이크로렌즈들과 접촉하지 않도록, 인접 층에 부착하기 위해 마이크로렌즈들을 넘어서 돌출되는 임의의 물체들일 수 있다. 포스트들은 원통형 포스트들일 수 있거나, 또는 비-원형 단면(예컨대, 직사각형, 정사각형, 타원형, 또는 삼각형 단면)을 가질 수 있다. 포스트들은 일정한 단면을 가질 수 있거나, 또는 단면은 두께 방향으로 변할 수 있다(예컨대, 포스트들은 포스트들의 상부 근처에서 더 얇아지도록 테이퍼질 수 있다). 포스트들은 광학 디커플링 구조물들로 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 포스트들 또는 광학 디커플링 구조물들은 테이퍼진 타원형 단면을 갖는다. 예를 들어, 광학 디커플링 구조물들은 2018년 1월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Optical Film Assemblies"인 미국 가특허 출원 제62/614709호에 기술된 광학 디커플링 구조물들의 임의의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 포스트들은 마이크로렌즈들의 어레이의 베이스로부터 연장된다. 일부 실시예에서, 적어도 일부 포스트들은 마이크로렌즈들 중 적어도 일부의 마이크로렌즈들의 상부에 배치된다.

도 13b는 광학 요소(1300a)를 포함하고 층(1360b)을 추가로 포함하는 광학 요소(1300b)의 개략 단면도이다. 층들(1360a, 1360b)은 함께, 제1 주 표면(1362) 및 대향하는 제2 주 표면(1364b)을 갖는 제1 층을 한정한다. 광학 요소(1300b)는 제2 주 표면(1364b) 상에 배치된 제2 층(1388)을 추가로 포함한다. 제2 층(1388)은 또한 제2 주 표면(1364a) 상에 간접적으로 배치된다.

제2 층(1388)은 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같은 핀홀들의 어레이(1380)를 포함한다. 광학 요소(1300b)는 제1 주 표면(1362)에 인접한 접착제 층(1343)을 추가로 포함한다. 각각의 포스트(1355)는 접착제 층(1343)을 적어도 부분적으로 관통하고, 각각의 마이크로렌즈(1350)는 공기 간극(1344)에 의해 접착제 층(1343)으로부터 완전히 분리된다. 접착제 층(1343)은 예시된 실시예에서 디스플레이(1390)에 부착된다.

광학 요소(1300b)는 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이 광학 필터(들) 및 마이크로렌즈들의 추가 어레이(들)를 추가로 포함할 수 있다.

마이크로렌즈들의 어레이들, 및 포함되는 경우 포스트들은, 임의의 적합한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 어레이는 규칙적(예를 들어, 정사각형 또는 육각형 격자) 또는 불규칙적(예컨대, 랜덤 또는 의사랜덤)일 수 있다. 도 14는 정사각형 격자 상에 배열된 마이크로렌즈들의 어레이(1450)를 포함하는 광학 요소(1400)의 개략 평면도이다. 도 15는 정사각형 격자 상에 배열된 마이크로렌즈들의 어레이(1550) 및 정사각형 격자 상에 배열된 포스트들의 어레이(1555)를 포함하는 광학 요소(1500)의 개략 평면도이다. 도 16은 육각형 격자 상에 배열된 마이크로렌즈들의 어레이(1650)의 일부분 및 육각형 격자 상에 배열된 포스트들의 어레이(1655)의 일부분의 개략 평면도이다. 마이크로렌즈들의 의사랜덤 어레이들의 예들은 제약조건들의 세트(예를 들어, 인접한 마이크로렌즈들 사이의 특정된 최소 및/또는 최대 중심간 거리)를 충족하는 랜덤화된 위치들을 갖는 마이크로렌즈들, 또는 반복 단위 셀 내에서 랜덤화된 위치들을 갖는(예를 들어, 50 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 반복 거리를 갖는) 마이크로렌즈들을 포함한다. 일부 실시예에서, 불규칙적인 어레이들은 모아레 및/또는 원하지 않는 회절을 감소시키는 데 유용하다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 것에 사용되는 핀홀들은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀들의 어레이는 타원형 핀홀, 원형 핀홀, 직사각형 핀홀, 정사각형 핀홀, 삼각형 핀홀, 및 불규칙적인 핀홀 중 적어도 하나를 포함한다. 핀홀들의 어레이는 이러한 핀홀 형상들의 임의의 조합들을 포함할 수 있다. 도 17a 내지 도 17d는 핀홀들(1780a 내지 1780d)의 개략 평면도들이다. 핀홀(1780a)은 원형 핀홀(원은 타원의 특수한 경우임)일 수 있거나 단축보다 큰 장축을 가질 수 있는 타원형 핀홀이고, 핀홀(1780b)은 정사각형 핀홀(정사각형은 직사각형의 특수한 경우임)일 수 있거나 폭보다 큰 길이를 가질 수 있는 직사각형 핀홀이고, 핀홀(1780c)은 삼각형 핀홀이고, 핀홀(1780d)은 불규칙적인 핀홀이다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 것에 사용되는 마이크로렌즈들은 임의의 적합한 유형의 마이크로렌즈들일 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이는 굴절 렌즈들, 회절 렌즈들, 메타렌즈(metalens)들(예컨대, 광을 집속시키기 위해 나노구조물들을 사용하는 표면), 프레넬 렌즈들, 구면 렌즈들, 비구면 렌즈들, 대칭 렌즈들(예를 들어, 광축을 중심으로 회전 대칭임), 비대칭 렌즈들(예를 들어, 광축을 중심으로 회전 대칭이 아님), 또는 이들의 조합들 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 도 18a는 프레넬 렌즈(1850a)의 개략 평면도이고, 도 18b는 메타렌즈(1850b)의 개략 평면도이다.

본 발명의 광학 요소들 중 임의의 것은 도 4에 도시된 배리어 층(466)과 같은 배리어 층을 포함할 수 있다. 배리어 층은 최외측 주 표면에 포함될 수 있고, 광학 요소가 OLED 디스플레이와 같은 수분 또는 산소 민감성 디바이스에 부착될 때 배리어가 디바이스를 보호하는 것을 돕도록 포함될 수 있다. 배리어 층은 임의의 적합한 유형의 배리어 층일 수 있다. 유용한 배리어 층은, 예를 들어 미국 특허 제6,218,004호(Shaw 등), 제7,186,465호(Bright), 및 제10,199,603호(Pieper 등)에 기술되어 있다. 일부 실시예에서, 배리어 층은 평탄화 중합체성 층(예를 들어, 결함을 생성하지 않고서 무기 층이 침착될 수 있는 매끄러운 표면을 제공함), 평탄화 중합체성 층 상에 배치된 무기 층, 및 무기 층 상에 배치된 중합체성 보호 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 배리어 층은 복수의 무기 층들 및 중합체성 보호 층들을 포함한다.

도 19는 배리어 층(1966)의 개략도이며, 이는, 예를 들어 배리어 층(466)에 대응할 수 있고, 예를 들어 광학 필터일 수 있는 층(1910) 상에 배치된다. 배리어 층(1966)은 평탄화 중합체성 층(1961), 평탄화 중합체성 층(1961) 상에 배치된 무기 층(1963a), 및 무기 층(1963a) 상에 배치된 중합체성 보호 층(1965a)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 배리어 층(1966)은 복수의 무기 층들(1963a, 1963b) 및 복수의 중합체성 보호 층들(1965a, 1965b)을 포함한다.

일부 실시예에서, 광학 요소는 핀홀들의 어레이를 포함하는 파장 선택적 필터를 포함하며, 여기서 파장 선택적 필터는 중합체성 다층 광학 필름이고 핀홀들의 어레이는 광학적 핀홀들의 어레이이다. 일부 실시예에서, 다층 광학 필름은 광학적 핀홀들에 걸쳐 연속적으로 연장되고, 광학 필름의 인접 영역들에 비해 광학적 핀홀들에서 감소된 복굴절을 갖는다.

도 20은 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2050), 파장 선택적 층(2088) 내의 또는 이를 관통하는 핀홀들의 어레이를 포함하는 파장 선택적 층(2088)을 포함하는 광학 요소(2000)의 개략 단면도이며, 여기서 핀홀들의 어레이(2088) 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2050) 내의 마이크로렌즈와 정렬된다. 제1 층(2060)은 대향하는 제1 및 제2 주 표면들(2062, 2064)을 포함하며, 여기서 제1 주 표면(2062)은 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2050)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 파장 선택적 층(2088)은 다층 광학 필름이다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 편광 상태에 대해, 인접한 핀홀들 사이의 파장 선택적 층의 영역들은 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 투과시키고 미리결정된 제2 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 차단한다. 대략 수직으로 입사하는 광선들(2005)이 마이크로렌즈 및 핀홀을 통해 투과되는 반면, 경사 입사 광선들(2007)은 파장 선택적 층(2088)에 의해 반사된다.

일부 실시예에서, 핀홀들(2080)의 적어도 대부분(예컨대, 핀홀들(2080) 모두)은 광학적 핀홀들이다. 일부 실시예에서, 파장 선택적 층(2088)은 복굴절성 다층 광학 필름이고, 광학적 핀홀들은 예를 들어 미국 특허 제9,575,233호(Merrill 등)에 일반적으로 기술된 바와 같이 필름에서 복굴절을 감소시킴으로써 형성되고, 다층 광학 필름은 핀홀들의 적어도 대부분에 걸쳐 연속적이다. 다른 실시예에서, 핀홀들(2080)의 적어도 대부분(예컨대, 핀홀들(2080) 모두)은 물리적 핀홀들이다.

파장 선택적 층(2088)이 제2 주 표면(2064) 상에 배치된다. 흡수성 재료일 수 있는 선택적인 개재 층(2011)이 파장 선택적 층(2088)과 제2 주 표면(2064) 사이에 배치된다. 일부 실시예에서, 선택적인 개재 층(2011)은 핀홀들(2080)을 형성하는 데 사용되는 레이저에 의한 열의 흡수를 개선하기 위해 파장 선택적 층(2088)에 적용되거나 제2 주 표면(2064)에 적용되는 흡수 오버코트이다.

일부 실시예에서, 광학 요소(200)를 제조하는 방법은 대향하는 제1 및 제2 주 표면들(2062, 2064)을 갖는 제1 층(2060)을 제공하는 단계 - 여기서 제1 주 표면(2062)은 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2050)를 포함함 -; 파장 선택적 층(2088)을 제2 주 표면에 (직접적으로 또는 간접적으로) 부착하는 단계; 핀홀들의 어레이를 형성하기 위해 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 통해 파장 선택적 층을 (예를 들어, 레이저로) 조사하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 제1 층(2060)의 제2 주 표면(2064)과 파장 선택적 층(2088) 사이에 흡수성 재료(예컨대, 흡수 오버코트)를 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 조사하는 단계는 파장 선택적 층을 실질적으로 어블레이팅하지 않는다. 일부 실시예에서, 이는, 파장 선택적 층이 핀홀들(2080)을 가로질러 연속적인, 광학적 핀홀들(2080)을 생성한다.

일부 실시예에서, 마이크로렌즈들의 어레이, 핀홀들의 어레이, 또는 파장 선택적 필터(예컨대, 다층 광학 필름) 중 적어도 하나는 공간적으로 변형(spatially variant)된다. 공간적으로 변동이라는 용어는, 마이크로렌즈 직경보다 실질적으로 더 큰 길이 스케일에서 광학 특성의 공간적 변동성을 지칭하며, 이는 예를 들어 마이크로렌즈의 형상으로 인한 미시적 변동성과 구별된다. 일부 실시예에서, 공간적으로 변형되는 양은 광학 요소의 주 평면(예컨대, 도 21에 도시된 x-y 평면)에서 변하여, 광학 특성의 평균 값이 주 평면의 제1 및 제2 영역들에서 상이하도록 하며, 여기서 제1 및 제2 영역들 각각은 각자의 제1 및 제2 영역들 내의 마이크로렌즈들의 평균 직경보다 적어도 5배 더 크다. 도 21은 제1 및 제2 영역들(2191, 2192)을 포함하는 광학 요소(2100)의 개략 평면도이다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 영역들(2191, 2192) 내의 마이크로렌즈들의 어레이, 핀홀들의 어레이, 또는 파장 선택적 필터(예컨대, 다층 광학 필름) 중 적어도 하나는 상이하다. 예를 들어, 제1 영역(2191) 내의 마이크로렌즈들 및 핀홀들은 제1 방향을 따라 제1 영역에 입사하는 광을 투과시키도록 배열될 수 있고, 제2 영역(2192) 내의 마이크로렌즈들 및 핀홀들은 상이한 제2 방향을 따라 제2 영역에 입사하는 광을 투과시키도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(2191)은 도 9 및 도 10 중 임의의 하나에서와 같이 단면으로 나타날 수 있고, 제2 영역(2192)은 도 9 및 도 10 중 임의의 다른 하나에서와 같이 단면으로 나타날 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 요소(2100)는 공간적으로 변형된 다층 광학 필름을 포함한다. 공간적으로 변형된 다층 광학 필름은, 예를 들어, 미국 특허 제9,575,233호(Merrill 등)에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다.

예를 들어, 공간적으로 변형된 광학 요소는 센서 응용에서 유용하다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스는 센서, 광원 및 광학 요소를 포함하며, 여기서 외부 광은 광학 요소의 하나의 영역에서 제1 방향을 따라 광학 요소를 통해 센서로 투과되고, 광학 요소의 다른 영역에서 제1 방향에 평행하지 않은 제2 방향을 따라 광원으로부터 광학 요소를 통해 투과될 수 있다. 마이크로렌즈들 및 핀홀들은 상이한 제1 및 제2 방향들에 대해 원하는 광학계를 제공하기 위해 2개의 영역들에서 상이하게 배열될 수 있다.

일부 실시예에서, 그리고 핀홀들의 어레이를 포함하는 핀홀 마스크들 중 임의의 것에 대해, 또는 핀홀들의 어레이를 포함하는 제2 층들 중 임의의 것에 대해, 핀홀 마스크 또는 제2 층은 스페이서 층에 의해 분리된 제1 및 제2 마스크 층들(및 선택적으로 추가의 이격된 마스크 층들)을 포함할 수 있으며, 여기서 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 제1 마스크 층 내의 제1 핀홀 및 제1 핀홀과 정렬된(그리고 임의의 선택적인 추가의 마스크 층이 포함되는 경우, 선택적인 추가의 이격된 마스크 층들의 핀홀들과 정렬된) 제2 마스크 층 내의 제2 핀홀을 포함한다. 이는 스페이서 층(2277)에 의해 분리된 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b)을 포함하는 제2 층 또는 핀홀 마스크(2289)의 개략도인 도 22에 개략적으로 예시되어 있다. 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀(2280)은 제1 마스크 층(2289a) 내의 제1 핀홀(2280a), 및 제1 핀홀(2280a)과 정렬되는 제2 마스크 층(2289b) 내의 제2 핀홀(2280b)을 포함한다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 미리결정된 방향을 따르는(예컨대, 스페이서 층(2277)의 주 평면에 수직인) 직선이 제1 및 제2 핀홀들(2280a, 2280b)을 통과하여, 핀홀들의 어레이(2280)가 수직 입사 광(2205)을 투과시키도록 구성된다.

이격된 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b)을 사용하는 것은 크로스토크의 개선된 감소를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 도 11의 제2 층(1188)을 제2 층 또는 핀홀 마스크(2289)로 대체하는 것은 광선(1108)이 제2 층 또는 핀홀 마스크(2289)에 의해 차단되게 하여, 광학 필터(1110)가 선택적으로 생략되게 할 수 있다. 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b)은 바람직하게는 그러한 크로스토크를 현저하게 감소시키기 위해 충분히 이격된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광학 요소는 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함하며, 여기서 마이크로렌즈들의 제1 어레이와 제1 마스크 층(2289a) 사이의 거리는 T0이고(도 1의 거리 T0은, 제2 층 또는 핀홀 마스크(2289)가 제2 층(188) 또는 핀홀 마스크(189)로서 사용될 때, 마이크로렌즈들의 어레이(150)와 제1 마스크 층(2289a) 사이의 거리에 대응함), 마이크로렌즈들의 제1 어레이는 S0의 인접 마이크로렌즈들 사이의 평균 중심간 거리를 갖고, 핀홀들의 어레이는 평균 핀홀 직경 d를 갖고, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 사이의 거리 ts(ts는 예시된 실시예에서 스페이서 층(2277)의 두께와 동일함)는 0.1 T0*d/S0 이상이다. 일부 실시예에서, 10 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.1 T0*d/S0, 또는 8 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.2 T0*d/S0, 또는 6 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.4 T0*d/S0, 4 T0*d/S0 ≥ ts ≥ 0.5 T0*d/S0이다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 각각은 스페이서 층(2277)의 두께의 0.2배 미만, 또는 0.1배 미만, 또는 0.05배 미만의 두께를 갖는다.

핀홀 마스크(2289)의 제2 층은 예를 들어 마이크로렌즈들을 통한 조사(예컨대, 레이저 어블레이션)에 의해 형성될 수 있다. 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 내의 핀홀들은 동일한 레이저 어블레이션 단계에서 형성될 수 있으며, 이는, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b)이 별도로 형성된 다음에 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 사이에 스페이서 층(2277)을 가지면서 함께 라미네이팅되는 실시예들에 비해, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 사이의 정렬 정확도를 향상시키는 것으로 밝혀졌다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 각각은 인접한 핀홀들 사이에서 실질적으로 광학적으로 불투명하다(예컨대, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b)은 알루미늄 층들 내에 핀홀들을 형성함으로써 형성될 수 있다). 일부 실시예에서, 제1 및 제2 마스크 층들(2289a, 2289b) 중 하나 또는 둘 모두는 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같은 파장 선택적 층들이다. 일부 실시예에서, 스페이서 층(2277)은 실질적으로 투명하다. 실질적으로 투명한 층은 근자외선(예컨대, 400 nm 미만 및 350 nm 이상), 가시광(예컨대, 400 nm 내지 700 nm) 및/또는 적외선(700 nm 초과 및 2500 nm 이하)의 미리결정된 파장 범위에서 수직으로 입사하는 비편광된 광에 대해, 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 85% 이상의 투과율을 갖는다. 일부 실시예에서, 스페이서 층은 광학 흡수성 재료를 포함한다. 크로스토크를 추가로 감소시키기 위해 광학 흡수성 재료(예를 들어, 염료(들) 및/또는 안료(들))가 포함될 수 있다.

핀홀들의 어레이 내의 핀홀들은 제2 층 또는 핀홀 마스크(2289)를 통해 물리적으로 연장될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀(2280)에 대해, 제1 마스크 층(2289a) 내의 제1 핀홀(2280a) 및 제2 마스크 층(2289b) 내의 제2 핀홀(2280b)은 물리적 핀홀들이다. 일부 실시예에서, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀에 대해, 스페이서 층(2277) 내의 물리적 핀홀이 제1 및 제2 핀홀들 사이에서 연장된다. 다른 실시예에서, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀에 대해, 스페이서 층 내의 어떠한 물리적 핀홀도 제1 및 제2 핀홀들 사이에서 연장되지 않는다. 즉, 일부 실시예에서 스페이서 층(2277)에는 물리적 핀홀들이 존재하지 않는다.

도 23은 스페이서 층(2377)에 의해 분리된 제1 및 제2 마스크 층들(2389a, 2389b)을 포함하는 제2 층 또는 핀홀 마스크(2389)의 개략도이다. 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀(2380)은 제1 마스크 층(2389a) 내의 제1 핀홀(2380a), 및 제1 핀홀(2380a)과 정렬되는 제2 마스크 층(2389b) 내의 제2 핀홀(2380b)을 포함한다. 제2 층 또는 핀홀 마스크(2389)는 제1 및 제2 핀홀들(2380a, 2380b)의 정렬을 제외하고는 제2 층 또는 핀홀 마스크(2280)에 대응할 수 있다. 예시된 실시예에서, 미리결정된 방향을 따르는(예컨대, 스페이서 층(2377)의 주 평면에 비스듬한) 직선이 제1 및 제2 핀홀들(2380a, 2380b)을 통과하여, 핀홀들의 어레이(2380)가 경사 입사 광(2308)을 투과시키도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 단일의 두꺼운 핀홀 층이, 미리결정된 경사 입사각으로 기울어진 핀홀과 함께, 이용된다. 이격된 제1 및 제2 마스크 층들을 관통하는 단일 층 핀홀 또는 핀홀들은, 예를 들어 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 바와 같이, 마이크로렌즈들의 어레이를 통한 조사(예컨대, 레이저 어블레이션)에 의해 형성될 수 있다.

전술한 내용에 언급된 모든 참고 문헌, 특허 및 특허 출원은 본 명세서에 전체적으로 일관된 방식으로 참고로 포함된다. 본 출원과 포함되는 참고 문헌의 부분들 사이에 불일치 또는 모순이 있는 경우, 전술한 설명에서의 정보가 우선할 것이다.

도면의 요소들에 대한 설명은, 달리 지시되지 않는 한, 다른 도면의 대응하는 요소들에 동등하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 구체적인 실시예가 본 명세서에 예시 및 기술되어 있지만, 당업자는 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고서 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예가 도시 및 기술된 구체적인 실시예를 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 구체적인 실시예의 임의의 개조 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 개시내용은 오직 청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims

광학 요소로서,
마이크로렌즈들의 제1 어레이;
핀홀들의 어레이를 포함하는 핀홀 마스크 - 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 마이크로렌즈와 정렬됨 -; 및
파장 선택적 필터(wavelength selective filter)를 포함하며, 파장 선택적 필터는,
제1 파장을 갖고, 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제1 핀홀을 통해 투과되는 제1 광선을 투과시키고;
제1 파장을 갖고, 제1 마이크로렌즈로부터 제1 마이크로렌즈에 인접한 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 제2 마이크로렌즈와 정렬된 핀홀들의 어레이 내의 제2 핀홀을 통해 투과되는 제2 광선을 감쇠시키도록 구성되는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 광학 요소는,
대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 포함하는 제1 층을 추가로 포함하며, 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함하고, 핀홀 마스크는 제1 층의 제2 주 표면 상에 배치되는, 광학 요소.
제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 요소는 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들을 추가로 포함하며, 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들은 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함하고, 핀홀들의 어레이는 마이크로렌즈들의 복수의 어레이들 중 마이크로렌즈들의 각각의 어레이와 정렬되는, 광학 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 파장 선택적 필터는, 미리결정된 파장 범위에 걸쳐 연장되고 가시 또는 근적외선 파장 범위에서 장파장 대역 에지(long wavelength band edge)를 갖는 통과 대역을 갖는 다층 광학 필름을 포함하는, 광학 요소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 파장 선택적 필터는 광학 흡수성 필터를 포함하는, 광학 요소.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로렌즈들의 제1 어레이는 경사 입사 광(obliquely incident light)을 핀홀들의 어레이로 투과시키도록 구성되는, 광학 요소.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 요소는 제1 및 제2 주 표면들을 포함하는 제1 층을 추가로 포함하며, 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 및 포스트들의 어레이를 포함하고, 포스트들의 어레이 중 적어도 대부분의 포스트들 내의 각각의 포스트는 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치되고 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 위로 제2 주 표면으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는, 광학 요소.
광학 요소로서,
대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 갖는 제1 층 - 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이를 포함함 -;
핀홀들의 어레이를 포함하는 제2 층 - 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 대응하는 마이크로렌즈로부터 광을 수광하도록 배치됨 -; 및
제1 및 제2 층들 중 적어도 하나에 인접하고, 수직 입사에서, 미리결정된 파장 범위에 걸쳐 연장되고 가시 또는 근적외선 파장 범위에서 수직 입사에서 장파장 대역 에지 파장을 갖는 통과 대역을 갖는 다층 광학 필름을 포함하는, 광학 요소.
제8항에 있어서, 다층 광학 필름과 광학적으로 연통되고, 수직 입사에서 다층 광학 필름의 통과 대역의 장파장 대역 에지 파장과 200 nm 이하만큼 상이한 장파장 대역 에지 파장을 갖는 흡수 대역을 갖는 광학 흡수성 층을 추가로 포함하는, 광학 요소.
제8항 또는 제9항에 있어서, 제2 층은 파장 선택적 층을 포함하고, 핀홀들의 어레이는 파장 선택적 층 내의 또는 파장 선택적 층을 관통하는 핀홀들을 포함하는, 광학 요소.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 광학 요소를 포함하고 광학 요소와 광학적으로 연통되는 광원을 추가로 포함하는 광학 조립체로서, 광원은 수직 입사에서 다층 광학 필름의 통과 대역의 장파장 대역 에지 파장과 200 nm 이하만큼 상이한 단파장 대역 에지 파장을 포함하는 방출 스펙트럼을 갖는, 광학 조립체.
광학 요소로서,
마이크로렌즈들의 제1 어레이;
파장 선택적 층 내의 또는 파장 선택적 층을 관통하는 핀홀들의 어레이를 포함하는 파장 선택적 층을 포함하며, 핀홀들의 어레이 내의 각각의 핀홀은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 마이크로렌즈와 정렬되고,
적어도 하나의 편광 상태에 대해, 인접한 핀홀들 사이의 파장 선택적 층의 영역들은 미리결정된 제1 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 투과시키고 미리결정된 제2 파장 범위에서 수직 입사 광의 60% 이상을 차단하는, 광학 요소.
제12항에 있어서, 광학 요소는 대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 포함하는 제1 층을 추가로 포함하며, 제2 주 표면은 파장 선택적 층 상에 배치되고, 제1 주 표면은 마이크로렌즈들의 제1 어레이 및 포스트들의 어레이를 포함하고, 포스트들의 어레이 중 적어도 대부분의 포스트들 내의 각각의 포스트는 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치되고 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 위로 제2 주 표면으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는, 광학 요소.
광학 요소로서,
대향하는 제1 및 제2 주 표면들을 포함하는 제1 층을 포함하며, 제1 주 표면은,
마이크로렌즈들의 제1 어레이 - 각각의 마이크로렌즈는 제2 주 표면을 향해 오목함 -; 및
포스트들의 어레이를 포함하고, 포스트들의 어레이 중 적어도 대부분의 포스트들 내의 각각의 포스트는 마이크로렌즈들의 제1 어레이 내의 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 사이에 위치되고 2개 이상의 인접한 마이크로렌즈들 위로 제2 주 표면으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는, 광학 요소.
제14항에 있어서, 광학 요소는 제1 층의 제2 주 표면 상에 배치된 제2 층을 추가로 포함하며, 제2 층은 마이크로렌즈들의 어레이와 정렬되는 핀홀들의 어레이를 포함하는, 광학 요소.