KR102162994B1 - Ned polarization system for wavelength pass-through - Google Patents

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Abstract

근안 디스플레이(NED)에 있어서 광원으로부터 아이 박스(eye box)로 전파하는 광의 색상 분포를 균일하게 하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 시스템 및 방법의 예에서는, 가시광선 스펙트럼에 있어서의 서로 다른 색상에 최적화된 2 또는 그 이상의 웨이브가이드를 포함하는 광학 소자가 이용된다. 상기 광학 소자는, 상기 웨이브가이드에 입사한 광의 편광을 제어하여 광을 매치된 웨이브가이드와의 커플링을 촉진하는 한편 매치되지 않은 웨이브가이드와의 커플링을 저해하는 하나 또는 복수의 편광상태 생성기를 더 포함한다.A system and method are disclosed for homogenizing the color distribution of light propagating from a light source to an eye box in a near-eye display (NED). In an example of the system and method, an optical element comprising two or more waveguides optimized for different colors in the visible spectrum is used. The optical element includes one or more polarization state generators that control polarization of light incident on the waveguide to promote coupling of the light to the matched waveguide while inhibiting coupling with the unmatched waveguide. Include more.

Description

근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법{NED POLARIZATION SYSTEM FOR WAVELENGTH PASS-THROUGH}Polarization system and method for wavelength pass control for near-eye display {NED POLARIZATION SYSTEM FOR WAVELENGTH PASS-THROUGH}

본 발명은 근안 디스플레이에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a near-eye display, and more particularly, to a polarization system and method for controlling a wavelength pass for a near-eye display.

착용부위가 비치는 근안(近眼) 디스플레이 (Near-Eye Display 또는 Near-to-Eye Display. 이하, NED) 유닛은, 물리적 환경에서 실제 물체와 가상의 이미지를 혼합하여 디스플레이하기 위해 사용된다. 이러한 NED 유닛은, 이미지를 생성하는 광 엔진(light engine)과, 일부 투과성을 갖는 동시에 일부 반사성을 갖는 광학 소자를 포함한다. 구체적으로, 광학 소자는 NED 유닛의 외부로부터의 광이 착용자의 눈에 도달할 수 있도록 투과성을 갖는 한편, 상기 광 엔진으로부터의 광이 상기 착용자의 눈에 도달할 수 있도록 일부 반사성을 갖는다. 또한, 광학 소자는 상기 이미지를 마이크로 디스플레이에서 착용자의 눈으로 회절하기 위한 평면 형상의 웨이브가이드(waveguide) 내에 위치하는 복수의 회절 광학 소자 (Diffract Optical Element. 이하, DOE) 또는 홀로그램 등을 포함할 수 있다.Near-Eye Display (Near-Eye Display or Near-to-Eye Display, hereinafter referred to as NED) unit is used to display a mixture of real objects and virtual images in a physical environment. Such a NED unit includes a light engine that generates an image, and an optical element having some transmittance and some reflectivity. Specifically, the optical element has transmittance so that light from the outside of the NED unit can reach the wearer's eyes, while having some reflectivity so that light from the light engine can reach the wearer's eyes. In addition, the optical element may include a plurality of diffracting optical elements (DOE) or holograms positioned within a planar waveguide for diffracting the image from the microdisplay to the wearer's eye. have.

실제에 있어서, NED 유닛은, 각각이 소정의 파장 성분에 할당된 복수의 웨이브가이드가 적층된 스택 구조를 포함할 수 있다. 특히, 복수의 웨이브가이드 각각은, 웨이브가이드 내의 DOE의 어스펙트(aspect)를 제어함으로써, 소정의 파장 성분과 높은 효율로 커플링하도록 매칭 또는 최적화될 수 있다. 이렇게 서로 다른 DOE들을 가시광선 스펙트럼의 서로 다른 색상에 최적화함으로써, NED 유닛이 풀 컬러(full color)를 표시하는 것이 가능해진다.In practice, the NED unit may include a stack structure in which a plurality of waveguides each assigned to a predetermined wavelength component are stacked. In particular, each of the plurality of waveguides can be matched or optimized to couple with a predetermined wavelength component with high efficiency by controlling the aspect of the DOE in the waveguide. By optimizing the different DOEs to different colors of the visible light spectrum, it becomes possible for the NED unit to display full color.

그런데, 웨이브가이드의 스택구조에 있어서, 상대적으로 원거리에 위치한 (즉, 광 엔진으로부터 멀리 떨어져 있는) 웨이브가이드와 매치(match)된 파장 성분은, 상대적으로 근거리에 위치한 웨이브가이드를 통과한다. 이때, 원거리의 웨이브가이드에 매치되었던 파장 성분이, 근거리에 위치한 웨이브가이드를 그대로 통과하지 않고, 해당 근거리의 웨이브가이드에 커플링하는 경우가 발생할 수 있다. 이는 착용자의 눈에 도달하는 광의 밝기를 감소시키고, 색상을 불균일하게 하며, 재생된 가상 이미지의 품질의 떨어뜨리는 결과를 낳을 수 있다.
However, in the waveguide stack structure, a wavelength component matched with a waveguide located at a relatively far distance (ie, far from the light engine) passes through the waveguide located at a relatively short distance. In this case, there may be a case in which the wavelength component matched with the far waveguide does not pass through the waveguide located at the near distance as it is but is coupled to the waveguide at the corresponding distance. This may reduce the brightness of light reaching the wearer's eyes, make the color uneven, and result in deterioration of the quality of the reproduced virtual image.

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 고안된 것으로, NED 유닛에서 서로 다른 파장대역들이 웨이브가이드를 통과할 때에, 원래 매치되었던 웨이브가이드에 커플링되도록 제어하기 위한 것이다.
The present invention has been devised to solve the above problem, and is to control the NED unit to be coupled to the originally matched waveguide when different wavelength bands pass through the waveguide.

본 발명의 실시예들은, NED 유닛에서 서로 다른 파장대역들이 웨이브가이드를 통과할 때에, 서로 다른 파장대역들의 편광 상태를 선택적으로 변경하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 웨이브가이드 위의 또는 웨이브가이드 내부의 DOE는 편광에 민감하다. 파장대역의 편광을 웨이브가이드상의 DOE가 덜 민감하게 되는 상태로 변경함으로써, 파장대역은 대체로 또는 전혀 감쇠함 없이 해당 DOE를 통과할 수 있다. 파장대역의 편광은, 광이 웨이브가이드에 진입하기 전에 DOE를 통하여 원하는 웨이브가이드에 커플링하는 상태에 있도록 제어된다.Embodiments of the present invention relate to a system and method for selectively changing polarization states of different wavelength bands when different wavelength bands pass through a waveguide in a NED unit. The DOE on or inside the waveguide is sensitive to polarization. By changing the polarization of the wavelength band to a state in which the DOE on the waveguide becomes less sensitive, the wavelength band can pass through the DOE with little or no attenuation. The polarization of the wavelength band is controlled so that the light is in a state of coupling to the desired waveguide through the DOE before entering the waveguide.

본 발명의 일실시예에 따르면, 이미지를 표시하기 위한 방법으로서, (a) 적어도 제 1 파장대역 및 제 2 파장대역을 포함하는 광을, 광원으로부터, 적어도 제 1 웨이브가이드 및 제 2 웨이브가이드를 포함하고 상기 제 1 웨이브가이드 및 상기 제 2 웨이브가이드 각각이 적어도 하나의 광학 격자를 갖는 광학 소자로 투사하는 것과, (b) 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 제 1 파장대역이, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 1 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 제 1 파장대역의 편광을, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장의 편광과 달라지게 제어하는 것과, (c) 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 제 2 파장대역이, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 2 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 제 2 파장대역의 편광을, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역의 편광과 달라지게 제어하는 것을 포함하는 이미지 표시 방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a method for displaying an image includes: (a) receiving light including at least a first wavelength band and a second wavelength band, from a light source, at least a first waveguide and a second waveguide. And projecting the first waveguide and the second waveguide to an optical element having at least one optical grating, and (b) a first wavelength band incident on the first waveguide, the first wave Polarization of the first wavelength band incident on the first waveguide is determined to be further coupled to the first waveguide than a wavelength band other than the first wavelength band among a plurality of wavelength bands incident on the guide. Controlling to be different from polarization of a wavelength different from the first wavelength band among the plurality of wavelength bands incident on the waveguide, and (c) a second wavelength band incident on the second waveguide, the second waveguide Polarization of the second wavelength band incident on the second waveguide is determined to be more coupled to the second waveguide than a wavelength band other than the second wavelength band among a plurality of wavelength bands incident on the second waveguide. An image display method is provided which includes controlling polarization of a wavelength band different from that of the second wavelength band among the plurality of wavelength bands incident on a guide.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이미지를 표시하기 위한 방법으로서, (a) n 개(단, n은 2 이상)의 파장대역을 포함하는 광을, m 개(단, m은 2 이상)의 웨이브가이드를 포함하는 광원으로부터, 광학소자로 광을 투사하는 것과, (b) 상기 n 개의 파장대역 중에서 하나 또는 복수의 파장대역이, 각각이 상기 m개의 웨이브가이드 중 어느 하나와 연관되어 있는 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것을 포함하되, 상기 (a)의 상기 광을 투사하는 것에 있어서, i 번째(단, i 는 1 이상 n 이하) 파장대역은 j 번째(단, j 는 1 이상 m 이하) 웨이브가이드에 매치되어 있고, 상기 (b)의 상기 하나 또는 복수의 파장대역이 상기 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것에 있어서, 상기 복수의 편광 상태 생성기는, 이들을 통과하는 상기 하나 또는 복수의 파장대역의 편광을, i 번째 파장대역이 j 번째 웨이브가이드에 커플링하는 것을 촉진하면서도 상기 j 번째 웨이브가이드를 통과하는 나머지 파장대역이 상기 j 번째 웨이브가이드에 커플링하는 것을 저해하는 상태가 되도록 제어하는 이미지 표시 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, as a method for displaying an image, (a) light including n (where n is 2 or more) wavelength bands, m (however, m is 2 or more) Projecting light from a light source including a waveguide to an optical device, and (b) one or a plurality of wavelength bands among the n wavelength bands, each of which is associated with any one of the m waveguides. Including passing through a polarization state generator, in projecting the light of (a), the i-th (however, i is 1 or more and n or less) wavelength band is the j-th (however, j is 1 or more and m or less) ) Matched to a waveguide, and allowing the one or more wavelength bands of the (b) to pass through the plurality of polarization state generators, the plurality of polarization state generators, wherein the one or more The polarization of the wavelength band is controlled so that the coupling of the i th wavelength band to the j th waveguide is promoted, while the rest of the wavelength band passing through the j th waveguide is inhibited from coupling to the j th waveguide. An image display method is provided.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광을, 광원으로부터 아이 박스로 전달하기 위한 광학 소자로서, 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 1 부분과 커플링하기 위한 제 1 광학 격자를 포함하는 제 1 웨이브가이드와, 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 2 부분과 커플링하기 위한 제 2 광학 격자를 포함하는 제 2 웨이브가이드와, 상기 광원과 상기 제 1 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 1 부분의 편광을 변경하는 제 1 편광상태 생성기와, 상기 광원과 상기 제 2 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 2 부분의 편광을 변경하는 제 2 편광상태 생성기를 포함하는 광학 소자가 제공된다.
According to another embodiment of the present invention, an optical element for transmitting light from a light source to an eye box, comprising: a first optical grating for receiving light from the light source and coupling with a first portion of the light. A second waveguide including a first waveguide and a second optical grating for receiving light from the light source and coupling with the second portion of the light, and positioned between the light source and the first waveguide, the second waveguide A first polarization state generator configured to change the polarization of the first portion of the light to be coupled with the first waveguide, and the light is positioned between the light source and the second waveguide, and the light is coupled to the first waveguide. An optical element is provided that includes a second polarization state generator that changes the polarization of the second portion.

본 발명에 따르면, 근안 디스플레이 유닛에 있어서 광원으로부터 착용자의 눈으로 전달되는 광의 색분포를 균일하게 할 수 있다.
According to the present invention, in the near-eye display unit, the color distribution of light transmitted from the light source to the wearer's eyes can be made uniform.

도 1은 한 명 또는 복수의 사용자에게 가상 환경을 표시하기 위한 시스템의 일실시예의 예시적인 구성요소를 도시한 도면이다.
도 2는 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 사시도이다.
도 3은 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 부분 측면도이다.
도 4는 복수의 회절 격자를 가진 웨이브가이드를 포함하는 NED 유닛의 광학 소자의 단면도이다.
도 5는 표면 부조 회절 격자 구조의 부분 확대도이다.
도 6은 복수의 웨이브가이드를 가진 광학 소자를 포함하는, 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 부분 측면도이다.
도 7은 회절 격자에 입사하는 광의 입사면을 나타낸 도면이다.
도 8은 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 1 실시예의 단면도이다.
도 9는 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 제 1 실시예의 촬상 광학계의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 도 9에 도시된 제 2 실시예의 촬상 광학계의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 12는 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 3 실시예의 단면도이다.
도 13은 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 4 실시예의 단면도이다.
도 14는 편광을 제어하지 않은 상태로 한 쌍의 웨이브가이드를 통과하여 전달되는 파장대역을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 편광이 제어되어 한 쌍의 웨이브가이드를 통과하여 전달되는 파장대역을 나타내는 단면도이다.
도 16은 도 14~도 15의 파장대역의 커플링 효율을 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram illustrating exemplary components of an embodiment of a system for displaying a virtual environment to one or a plurality of users.
2 is a perspective view of an embodiment of the NED unit worn on the head.
3 is a partial side view of an embodiment of the NED unit worn on the head.
4 is a cross-sectional view of an optical element of a NED unit including a waveguide having a plurality of diffraction gratings.
5 is a partially enlarged view of a surface relief diffraction grating structure.
6 is a partial side view of an embodiment of an NED unit worn on the head, including an optical element having a plurality of waveguides.
7 is a diagram showing an incident surface of light incident on a diffraction grating.
8 is a cross-sectional view of a first embodiment of an imaging optical system in an NED unit including a plurality of waveguides and a polarization state generator for changing polarization of a wavelength band passing through the waveguides.
9 is a cross-sectional view of a second embodiment of an imaging optical system in an NED unit including a plurality of waveguides and a polarization state generator for changing polarization of a wavelength band passing through the waveguides.
10 is a flowchart showing the operation of the optical system according to the first embodiment shown in FIG. 8.
11 is a flowchart showing the operation of the optical system according to the second embodiment shown in FIG. 9.
12 is a cross-sectional view of a third embodiment of an imaging optical system in an NED unit including a plurality of waveguides and a polarization state generator for changing polarization of a wavelength band passing through the waveguides.
13 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of an imaging optical system in an NED unit including a plurality of waveguides and a polarization state generator for changing polarization of a wavelength band passing through the waveguides.
14 is a cross-sectional view showing a wavelength band transmitted through a pair of waveguides without controlling polarization.
15 is a cross-sectional view showing a wavelength band transmitted through a pair of waveguides with polarization controlled according to an embodiment of the present invention.
16 is a graph showing coupling efficiency in the wavelength band of FIGS. 14 to 15.

이하, 도 1 내지 도 16을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명한다. 도 1 내지 16은 파장대역이 NED 유닛 내의 웨이브가이드를 통해 통과할 때, 다른 파장대역의 편광 상태를 선택적으로 변경하기 위한 촬상 광학계에 일반적으로 관련된 도면이다. 웨이브가이드 상의 DOE는 광 편광에 민감하다. 그러므로 웨이브가이드 상의 DOE에 들어가는 파장대역의 편광을 선택적으로 제어하는 것에 의해, 웨이브가이드에 매치되는 파장대역은 높은 효율로 DOE와 커플링 될 수 있다. 반면, 매치되지 않은 파장대역은 큰 폭으로 또는 전체적으로 영향받지 않은 웨이브가이드 및 DOE를 통과할 수 있다. DOE를 사용하는 한 예가 여기 설명되지만, 웨이브가이드는 DOE, 홀로그램, 표면 릴리프 격자 또는 광학 소자의 주기 구조의 다른 타입을 포함 할 수 있는 것으로 이해된다. 이러한 구조는 “광학 격자”로 지칭될 수 있다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 16. 1 to 16 are diagrams generally related to an imaging optical system for selectively changing a polarization state of another wavelength band when a wavelength band passes through a waveguide in the NED unit. The DOE on the waveguide is sensitive to light polarization. Therefore, by selectively controlling the polarization of the wavelength band entering the DOE on the waveguide, the wavelength band matching the waveguide can be coupled with the DOE with high efficiency. On the other hand, unmatched wavelength bands may pass through unaffected waveguides and DOEs largely or entirely. One example using DOE is described herein, but it is understood that the waveguide may include DOE, holograms, surface relief gratings, or other types of periodic structures of optical elements. This structure may be referred to as an “optical grating”.

아래의 실시예에서, NED 유닛은 복합 현실감 시스템에서 사용되는, 머리에 착용하는(head-worn. 이하, 머리 착용) 디스플레이 유닛일 수 있다. 그러나, NED 유닛 및 그 안에 포함된 촬상 광학계의 실시예는 다른 다양한 광학의 어플리케이션, 예를 들어, 광학 커플러 및 다른 광 모듈레이터 디바이스에서 사용될 수 있다. 도면은 현재 기술의 이해를 위해 제공되고, 실제 비율로 도시되지 않을 수 있다.In the following embodiment, the NED unit may be a head-worn (head-worn) display unit used in a complex reality system. However, embodiments of the NED unit and the imaging optical system contained therein can be used in a variety of other optical applications, such as optical couplers and other optical modulator devices. The drawings are provided for an understanding of the current technology and may not be drawn to scale.

도 1은 현실감 시스템(10)에서 사용되는 머리 착용 디스플레이로써 NED 유닛(2)의 하나의 예를 나타낸다. NED 유닛(2)은 사용자의 시야(Field Of View. 이하, FOV) 내의 실제 물체(27)를 디스플레이 소자를 통해 볼 수 있을 정도로 투명한 렌즈를 포함한 안경으로써 착용할 수 있다. NED 유닛(2)은 또한 사용자의 FOV로 가상 이미지(21)를 투사할 수 있는 기능을 제공하여 가상 이미지는 또한 실제 물체와 함께 나타날 수 있다. 본 발명에 있어서 필수적인 것은 아니나, 시스템이 사용자의 FOV 내에 가상 이미지를 삽입하는 것을 결정할 수 있도록 사용자가 보고 있는 곳을 혼합 현실 시스템이 자동으로 추적할 수 있다. 일단 시스템이 가상 이미지를 투사할 곳을 알면, 이미지는 디스플레이 소자를 사용하여 사용 하여 투사된다.1 shows an example of a NED unit 2 as a head worn display used in the realism system 10. The NED unit 2 can be worn as glasses including lenses that are transparent enough to be able to see the actual object 27 in the field of view (FOV) of the user through the display element. The NED unit 2 also provides the ability to project a virtual image 21 with the user's FOV so that the virtual image can also appear with real objects. Although not essential for the present invention, the mixed reality system can automatically track where the user is looking so that the system can determine to insert a virtual image into the user's FOV. Once the system knows where to project the virtual image, the image is projected using a display element.

도 1은 머리 착용 NED 유닛(2)을 착용한 각각의 사용자(18a, 18b, 18c)를 나타낸다. 일실시예에서 안경 형상인 머리 착용 NED 유닛(2)은 사용자가 디스플레이를 통해 보고, 사용자 앞 공간의 실제적이고 직접적인 시야를 가질 수 있도록 수 있도록 사용자의 머리에 착용된다. 머리 착용 NED 유닛(2)의 더 자세한 내용은 아래에 제공된다. 1 shows each user 18a, 18b, 18c wearing a head-worn NED unit 2. In one embodiment, the head-wearing NED unit 2 in the shape of glasses is worn on the user's head so that the user can see through the display and have a real and direct view of the space in front of the user. More details of the head worn NED unit 2 are provided below.

NED 유닛(2)은 프로세싱 유닛(4)과 허브 컴퓨팅 디바이스(12)에 신호를 제공하고 프로세싱 유닛(4)과 허브 컴퓨팅 디바이스(12)로부터 신호를 수신 할 수 있다. NED 유닛(2), 프로세싱 유닛(4) 및 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 각 사용자(18)의 FOV, FOV 내에 제공되어야 하는 가상 이미지가 무엇이고, 어떻게 표현되어야 하는지를 결정하기 위해 협력할 수 있다. 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 또한 그것의 FOV 내의 장면의 일부로부터 이미지 데이터를 캡처 하는 캡처 디바이스(20)를 포함한다. 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 또한, 게임, 어플리케이션 영상 및 소리를 제공할 수 있는 시청각 디바이스(16) 및 스피커(25)와 연결될 수 있다. 프로세스 유닛(4), 허브 컴퓨팅 디바이스(12), 캡처 디바이스(20) 시청각디바이스(16) 및 스피커(25)에 관한 상세사항은, 예를 들어, “Low-Latency Fusing of Virtual and Real Content”라는 제목의 2012년 5월 3일에 공개된 미국특허출원공개공보 제 2012/0105473호에서 개시되고, 그 전체가 본 출원에 참고로 결합된다.The NED unit 2 can provide signals to the processing unit 4 and the hub computing device 12 and receive signals from the processing unit 4 and the hub computing device 12. The NED unit 2, the processing unit 4 and the hub computing device 12 may cooperate to determine what is the FOV of each user 18, the virtual image that should be provided within the FOV, and how it should be represented. The hub computing device 12 also includes a capture device 20 that captures image data from a portion of the scene within its FOV. The hub computing device 12 may also be connected to the audio-visual device 16 and the speaker 25 that can provide games and application images and sounds. Details regarding the process unit 4, the hub computing device 12, the capture device 20, the audio-visual device 16, and the speaker 25 are, for example, "Low-Latency Fusing of Virtual and Real Content". It is disclosed in US Patent Application Publication No. 2012/0105473 published on May 3, 2012 titled, the entirety of which is incorporated herein by reference.

도 2와 3은 머리 착용 NED 유닛(2)의 사시도 및 측면도이다. 도 3은 안경다리(102) 및 코받침(104)을 갖는 디바이스의 일부를 포함하는 머리 착용 NED 유닛(2)의 우측을 나타낸다. 머리 착용 NED 유닛(2)의 프레임의 일부는 디스플레이(하나 이상의 렌즈를 포함한다)를 둘러싼다. 디스플레이는 도광 광학 소자(115), 시스루 렌즈(116, see-through len) 및 시스루 렌즈(118)를 포함한다. 일실시예에서, 도광 광학 소자(115)는 시스루 렌즈(116)뒤에 있고 시스루 렌즈(116)와 정렬하며 시스루 렌즈(118)는 도광 광학 소자(115)뒤에 있고 도광 광학 소자(115)와 정렬한다. 시스루 렌즈(116, 118)은 안경에 사용되는 표준 렌즈이며,(처방 없는 경우를 포함) 처방에 의할 수 있다. 도광 광학 소자(115)는 눈에 인공광을 보낸다. 도광 광학 소자(115)의 더 자세한 내용은 아래에 제공된다.2 and 3 are a perspective view and a side view of the head worn NED unit (2). 3 shows the right side of a head worn NED unit 2 comprising part of a device with temples 102 and nose rest 104. Part of the frame of the head worn NED unit 2 surrounds the display (including one or more lenses). The display includes a light guide optical element 115, a see-through lens 116, and a see-through lens 118. In one embodiment, the light guiding optical element 115 is behind the see-through lens 116 and aligned with the see-through lens 116 and the see-through lens 118 is behind the light guiding optical element 115 and aligned with the light guiding optical element 115. . The see-through lenses 116 and 118 are standard lenses used for eyeglasses (including the case of no prescription), and can be by prescription. The light guide optical element 115 transmits artificial light to the eye. Further details of the light guide optical element 115 are provided below.

(일실시예에서) 가상 이미지를 투사하는 마이크로 디스플레이(120)같은 광 엔진과 마이크로 디스플레이(120)로부터 도광 광학 소자(115)로 이미지를 향하게 하는 렌즈(122)를 포함하는 이미지 소스가 안경다리(102)에 탑재되거나 내부에 탑재된다. 일실시예에서, 렌즈(122)는 콜리메이트 렌즈(collimate lens)이다. 마이크로 디스플레이(120)는 렌즈(122)를 통해 이미지를 투사한다.(In one embodiment) An image source including an optical engine such as a microdisplay 120 for projecting a virtual image and a lens 122 for directing an image from the microdisplay 120 to the light guide optical element 115 is a temple ( 102) or mounted inside. In one embodiment, lens 122 is a collimate lens. The micro display 120 projects an image through the lens 122.

마이크로 디스플레이(120) 를 구현하는데 사용될 수 있는 다른 이미지 생성 기술 이 있다. 예를 들어, 마이크로 디스플레이(120)는 광원이 백색광 백라이트 광학 활성 물질에 의해 변조되는 투과형 투사 기술을 사용하여 구현 될 수 있다. 이러한 기술은 일반적으로 강력한 백라이트와 높은 광 에너지 밀도를 갖는 LCD 형 디스플레이를 사용하여 구현된다. 마이크로 디스플레이(120)는 또한 외부 광이 반사되어 광학적으로 활성 물질에 의해 조절되는 반사 기술을 사용하여 구현 될 수 있다. 조명은 기술에 따라, 화이트 소스 또는 RGB 소스 중 하나에 의해 전면에서 조광된다. 퀄컴사로부터의 디지털 라이트 프로세싱(Digital Light Processing. 이하, DLP), 실리콘 액정 표시(Liquid Crystal On Silicon. 이하, LCOS) 및 Mirasol 디스플레이 기술은 대부분의 에너지가 변조 구조에서 반사되는 효율적인, 반사 기술의 예들이고, 본 시스템에서 사용될 수 있다. 부가적으로, 마이크로 디스플레이(120)는 광이 디스플레이에 의해 생성되는 방출 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 비전사의 PicoP ™ 디스플레이 엔진은 투과형 소자(transmissive element) 로서 작용하는 작은 화면 상에 또는 눈에 직접적인 빔(예를 들면, 레이저)으로 작용하는 마이크로 미러 조향 레이저 신호를 방출한다.There are other image generation techniques that can be used to implement the micro display 120. For example, the microdisplay 120 may be implemented using a transmissive projection technique in which a light source is modulated by a white light backlight optically active material. These techniques are generally implemented using LCD-type displays with strong backlights and high light energy density. The micro-display 120 may also be implemented using a reflection technique in which external light is reflected and optically controlled by an active material. The lighting is dimmed from the front by either a white source or an RGB source, depending on the technology. Digital Light Processing (DLP), Liquid Crystal On Silicon (LCOS) and Mirasol display technologies from Qualcomm are examples of efficient, reflective technologies in which most of the energy is reflected from the modulation structure. And can be used in this system. Additionally, micro-display 120 may be implemented using emission techniques in which light is generated by the display. For example, Micro Vision's PicoP™ display engine emits a micro-mirror steered laser signal that acts as a direct beam (eg laser) on the eye or on a small screen that acts as a transmissive element.

도광 광학 소자(또는, 광학 소자)(115)는 마이크로 디스플레이(120)로부터의 광을 아이 박스(13)로 전송할 수 있다. 아이 박스(130)는 2차원 영역이고, 광이 광학 소자(115)를 떠날 때 통과하는 2차원 영역으로, 머리 착용 NED 유닛(2)을 착용한 사용자의 눈(132)의 전면에 위치한다. 광학 소자(115)는 또한 화살표(142)에 의해 도시된 바와 같이, 머리 착용 NED 유닛(2)의 앞으로부터의 광이, 도광 광학 소자(115)를 통해 아이 박스(130)로 전송될 수 있도록 한다. 이것은 사용자가 마이크로 디스플레이(120)로부터 가상 이미지를 수신하는 것에 더하여 머리 착용 NED 유닛(2)의 앞의 공간에 대한 직접적인 시야를 가질 수 있도록 한다.The light guide optical element (or optical element) 115 may transmit light from the microdisplay 120 to the eye box 13. The eye box 130 is a two-dimensional area, and is a two-dimensional area through which light passes when leaving the optical element 115, and is located in front of the eyes 132 of a user wearing the head-worn NED unit 2. The optical element 115 also allows light from the front of the head-worn NED unit 2 to be transmitted to the eye box 130 through the light guide optical element 115, as shown by arrow 142. do. This allows the user to have a direct view of the space in front of the head worn NED unit 2 in addition to receiving a virtual image from the micro display 120.

도 3은 머리 착용 NED 유닛(2)의 절반을 도시한다. 전체적인 머리 착용 디스플레이 디바이스는 다른 광학 소자(115), 다른 마이크로 디스플레이(120) 및 다른 렌즈(122)를 포함 할 수 있다. 머리 착용 NED 유닛(2)이 두 개의 광학 소자(115)를 갖는 경우, 각각의 눈은 두 눈에 동일한 이미지 또는 두 눈에 다른 이미지를 표시 할 수 있는 각각의 눈의 마이크로 디스플레이(120)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 마이크로 디스플레이(120)로부터 양쪽 눈에 광을 반사하는 광학 소자(115)가 있을 수 있다.3 shows a half of the head worn NED unit 2. The overall head worn display device may include other optical elements 115, other micro-displays 120, and other lenses 122. When the head-worn NED unit 2 has two optical elements 115, each eye has a micro-display 120 of each eye capable of displaying the same image for both eyes or a different image for both eyes. I can. In another embodiment, there may be an optical element 115 that reflects light from a single micro-display 120 to both eyes.

도광 광학 소자(115)의 추가의 세부 사항은 도 4 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 일반적으로, 광학 소자(115)는 광학 트레인을 형성하기 위해, 하나의 광학 소자(115)를 다른 하나의 광학 소자(115) 상에 적층한 두 개 이상의 웨이브가이드를 포함한다. 하나의 도파관(140)은 도 4에 도시된다. 다른 실시예에서, 플라스틱 또는 다른 재료로 형성될 수 있지만 웨이브가이드(140)는, 유리의 얇은 평면형 시트로 형성될 수 있다. 웨이브가이드(140)는 웨이브가이드(140) 내부로 광선을 커플링하는 입력 회절 격자(144) 및 광선을 웨이브가이드(140) 외부로 회절시키는 출사 회절 격자(148) 등 두 개 이상의 회절 격자를 포함 할 수 있다. 격자(144, 148)는 기판(150)의 하부면(150a) 내부의 또는 기판(150)의 하부면(150a) 에 부착된 투과형 회절 격자로 도시된다. 기판(150)의 대향 표면에 부착된 반사 회절 격자는 다른 실시예에서 사용될 수 있다.Further details of the light guide optical element 115 will be described with reference to FIGS. 4 to 13. In general, the optical element 115 includes two or more waveguides in which one optical element 115 is stacked on another optical element 115 to form an optical train. One waveguide 140 is shown in FIG. 4. In other embodiments, the waveguide 140 may be formed from a thin planar sheet of glass, although it may be formed of plastic or other material. The waveguide 140 includes two or more diffraction gratings, such as an input diffraction grating 144 that couples light rays into the waveguide 140 and an emission diffraction grating 148 that diffracts light rays outside the waveguide 140. can do. The gratings 144 and 148 are shown as transmission type diffraction gratings inside the lower surface 150a of the substrate 150 or attached to the lower surface 150a of the substrate 150. A reflective diffraction grating attached to the opposite surface of the substrate 150 may be used in other embodiments.

도 4는 웨이브가이드(140) 내부 또는 외부로 커플링된 파장대역 λ1의 총 내부반사를 보여준다. 본원에서 사용되는 파장대역은, 예를 들어, 가시광 스펙트럼에서, 하나 이상의 파장으로 구성될 수 있다. 도 4는 2차 및 그 이상의 회절 차수가 나타나지 않는 시스템에서 단일 파장대역의 단순화된 도면이다. 도 4에 도시되지는 않았지만, 광학 소자(115)는 아래에 설명된 바와 같이, 웨이브가이드 앞에 그리고, 웨이브가이드 사이에 있는 편광 상태 발생기를 더 포함할 수 있다.4 shows the total internal reflection of the wavelength band λ 1 coupled to the inside or outside of the waveguide 140. The wavelength band as used herein may consist of one or more wavelengths, for example in the visible spectrum. 4 is a simplified diagram of a single wavelength band in a system in which the second and higher diffraction orders do not appear. Although not shown in FIG. 4, the optical element 115 may further include a polarization state generator in front of the waveguide and between the waveguides, as described below.

마이크로 디스플레이(120)로부터의 파장대역 λ1은 렌즈(122)를 통해 콜리메이트(collimate)되고, 입사각 θ1에서 입력회절격자(144)에 의해 기판(150)에 커플링된다. 입력 격자 회절(144)는 회절각 θ2를 통해 파장대역을 리디렉션한다. 굴절율 N2, 입사각 θ1 및 회절각θ2은 파장대역 λ1이 기판(150) 내에서 내부 전반사가 되도록 제공된다. 파장대역 λ1은 출사 회절 격자(148)에 도달할 때까지 기판(150)의 표면에서 반사되고, 파장대역 λ1은 아이 박스(130)를 향해 기판(150)으로부터 회절된다. 웨이브가이드(140)와 같은 웨이브가이드의 세부 사항은 1987년 12월 8일에 발행된 미국등록특허 4,711,512호인 "Compact Head-Up Display" 에 일 예로써 개시되고, 그 전체가 본 출원에 참고로 결합된다.The wavelength band λ 1 from the micro display 120 is collimated through the lens 122 and coupled to the substrate 150 by the input diffraction grating 144 at the incident angle θ 1 . The input grating diffraction 144 redirects the wavelength band through the diffraction angle θ 2 . The refractive index N 2 , the incident angle θ 1, and the diffraction angle θ 2 are provided so that the wavelength band λ 1 is total internal reflection in the substrate 150. The wavelength band λ 1 is reflected from the surface of the substrate 150 until it reaches the emission diffraction grating 148, and the wavelength band λ 1 is diffracted from the substrate 150 toward the eye box 130. The details of the waveguide such as the waveguide 140 are disclosed as an example in “Compact Head-Up Display”, US Patent No. 4,711,512 issued on December 8, 1987, and the whole is incorporated by reference in this application. do.

도 5는 입력 회절 격자(144) 및/또는 출사 회절 격자(148)(도 5는 기판(150)내로 광을 회절시키는 회절 격자(144)를 보여준다)와 같은 투과형 회절 격자의 일부를 형성하는 표면 부조 격자(154)의 일 예를 도시하는 부분 확대도이다. 표면 부조 격자(154)는 주기 p로, 경사진 프로필을 가질 수 있지만, 격자는 다른 실시예에서, 사각형 및 톱니와 같은 다른 프로파일을 가질 수 있다. 언급한 바와 같이, 입력 회절 격자(144) 및 출사 회절 격자(148)는 다른 실시예에서 반사형일 수 있다.5 is a surface forming part of a transmission type diffraction grating, such as an input diffraction grating 144 and/or an emission diffraction grating 148 (FIG. 5 shows a diffraction grating 144 that diffracts light into the substrate 150) It is a partial enlarged view showing an example of the relief grid 154. The surface relief grating 154 may have an inclined profile with period p, but the grating may have other profiles, such as squares and teeth, in other embodiments. As mentioned, the input diffraction grating 144 and the exit diffraction grating 148 may be reflective in other embodiments.

웨이브가이드는 특정 파장대역에 매치되거나 최적화될 수 있다. 그 관계는 다음과 같은 수학식 1의 격자 방정식에 따라 정해진다.Waveguides can be matched or optimized for specific wavelength bands. The relationship is determined according to the lattice equation of Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

mλ = p(n1sinθ1 + n2sinθ2)mλ = p(n 1 sinθ 1 + n 2 sinθ 2 )

여기서, m 은 회절차수, λ은 웨이브가이드/회절격자와 매치되는 파장대역, p 는 격자 주기, n1 은 입사 매체의 굴절율, n2 은 웨이브가이드(140)의 굴절율, θ1 은 입사각, θ2 는 회절각을 각각 의미한다.Here, m is the diffraction order, λ is the wavelength band matched with the waveguide/diffraction grating, p is the grating period, n 1 is the refractive index of the incident medium, n 2 is the refractive index of the waveguide 140, θ 1 is the incident angle, θ 2 means diffraction angles, respectively.

격자주기 p 및 기판(150)의 반사율 n2 같은 파라미터를 달리하여, 입력 회절 격자(144) 및 출사 회절 격자(148)를 포함하는 특정 웨이브가이드(140)는 특정 파장대역에 매치될 수 있다. 즉, 다른 파장대역보다 더 높은 커플링 효율을 갖는 매치된 웨이브가이드(140)에 특정 파장대역이 커플링될 수 있다. 또한, 엄밀한 결합파 이론(Rigorous Coupled Wave Theory, 이하 RCWT)는 격자(154)(도 5)의 프로파일 파라미터를 최적화하는데 사용되어 각도 대역폭(angular bandwidth), 회절 효율 및 편광과 같은 웨이브가이드의 성능을 향상시킬 수 있다(후술).By varying parameters such as the grating period p and the reflectance n 2 of the substrate 150, the specific waveguide 140 including the input diffraction grating 144 and the emission diffraction grating 148 may be matched to a specific wavelength band. That is, a specific wavelength band may be coupled to the matched waveguide 140 having a higher coupling efficiency than other wavelength bands. In addition, Rigorous Coupled Wave Theory (RCWT) is used to optimize the profile parameters of the grating 154 (Fig. 5) to improve the performance of the waveguide such as angular bandwidth, diffraction efficiency and polarization. It can be improved (described later).

도 4는 회절 격자(144, 148)를 통해 특정 파장대역에 대한 단일 웨이브가이드(140)를 도시한다. 본 발명에 따른 실시예에서, 광학 소자(115)는 옵티컬 트레인에서 함께 층을 이룬 것을 도시하는 도 4에 대하여 설명된 두 개 이상의 웨이브가이드(140)를 포함할 수 있다. 이러한 각 도파로 광학 소자(115)내의 웨이브가이드(140)는 다른 파장대역에 매치 될 수 있다. 일례로 도 6에 도시된 것과 같이, 서로 상부에 층을 이룬 네 개의 웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)가 있을 수 있다. 4 개의 층보다 더 제공 하는 것은 비실용적 일 수 있지만, 광학 소자 4 개 이상의 층을 포함하는 것은 손쉽게 도출될 수 있다. 각각 다른 파장의 광, 예를 들어, 약 400 nm의 파장에서 보라색광, 약 445 nm에서 남색광, 약 475 nm에서 청색광, 약 510 nm에서 녹색광, 약 570 nm에서 황색광, 약 590 nm에서 주황색광, 및/또는 약 650 nm적색광을 포함하는 광을 위해 최적화될 수 있다.4 shows a single waveguide 140 for a specific wavelength band through diffraction gratings 144 and 148. In an embodiment according to the present invention, the optical element 115 may include two or more waveguides 140 described with respect to FIG. 4 which are shown layered together in an optical train. The waveguides 140 in each of these waveguide optical elements 115 may be matched to different wavelength bands. For example, as illustrated in FIG. 6, there may be four waveguides 140 1 , 140 2 , 140 3 , and 140 4 layered on top of each other. Providing more than four layers may be impractical, but including more than four layers of optical elements can be easily derived. Light of different wavelengths, e.g. purple light at a wavelength of about 400 nm, indigo light at about 445 nm, blue light at about 475 nm, green light at about 510 nm, yellow light at about 570 nm, orange at about 590 nm It can be optimized for light, and/or light comprising about 650 nm red light.

웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)는 임의의 순서로 제공 될 수 있으며, 하나 이상의 웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)는 위에 제시된 것과 다른 파장과 매치될 수 있다. 일 예로, 단일 웨이브가이드(140)는 가시 광선 스펙트럼의 다른 색의 파장을 커버하는 파장대역에 매치될 수 있다.Waveguides (140 1 , 140 2 , 140 3 , 140 4 ) can be provided in any order, and one or more waveguides (140 1 , 140 2 , 140 3 , 140 4 ) match other wavelengths than those presented above. Can be. For example, the single waveguide 140 may be matched to a wavelength band covering wavelengths of different colors in the visible light spectrum.

적층 웨이브가이드의 스택 내에서, 스택 내의 원위 웨이브가이드(distal waveguide)와 매치된 방출 파장대역은 스택 내의 모든 근위 웨이브가이드(proximal waveguide)를 통과한다. 예를 들어, 도 6의 실시예에서, 가장 원위 웨이브가이드(1401)와 매치되는 마이크로 디스플레이(120)으로부터의 파장대역 λ1은 더 근위의 웨이브가이드(1402, 1404)를 통과한다. 배경기술에서 설명한 것과 같이, 적층 웨이브가이드의 종래 스택이 갖는 문제점은 원위 웨이브가이드 내로 커플링하는 경향이 있는 파장대역이 또한 더 근위의 웨이브가이드 내로 부분적으로 커플링하여, 아이박스(130)에 도달하는 이미지의 색상을 저하시키는 것이다.Within the stack of stacked waveguides, the emission wavelength band matched with the distal waveguide in the stack passes through all proximal waveguides in the stack. For example, in the embodiment of FIG. 6, the wavelength band λ 1 from the microdisplay 120 that matches the most distal waveguide 140 1 passes through the proximal waveguides 140 2 and 140 4 . As described in the background art, a problem with the conventional stack of stacked waveguides is that the wavelength band that tends to couple into the distal waveguide also partially couples into the proximal waveguide, reaching the eyebox 130. It degrades the color of the image.

회절격자들이, 통과하는 파장대역의 편광에 민감한 것은 웨이브가이드(140) 내의 회절 격자의 속성이다. 따라서, 제 1 편광에서의 파장대역은 그것이 통과하는 하나 이상의 웨이브가이드 층과 커플링할 수 있으나, 상기 제 1 편광과 다른 제 2 편광에서의 동일 파장대역은 커플링 없이 하나 이상의 웨이브가이드 층을 통과할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 광의 파장대역의 편광은 다른 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하면서, 매치된 웨이브가이드의 내부로 커플링되도록 제어된다. 그러므로, 도 5의 예에서, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)내로 매치되는 경우, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)내에서 커플링하기 이전에 웨이브가이드(1402, 1404)를 통과하도록 이의 편광이 제어된다. It is a property of the diffraction grating in the waveguide 140 that the diffraction gratings are sensitive to polarization in the wavelength band passing through. Therefore, the wavelength band in the first polarization can be coupled with one or more waveguide layers through which it passes, but the same wavelength band in the second polarization different from the first polarization passes through one or more waveguide layers without coupling. can do. According to an aspect of the present invention, the polarization of the wavelength band of light is controlled to be coupled to the inside of the matched waveguide while passing through another unmatched waveguide. Thus, in the example of Figure 5, the wavelength λ 1, the waveguide (140 1) that match into a wavelength band λ 1 the wave guide (140 1) coupled in a ring to the previous wave guide (140 2, 140 4 ), its polarization is controlled to pass through.

도 7을 참조하면, 회절 격자(144, 148) 에 입사되는 광의 편광이 입사평면(Pi)에 대해 그것의 전자기장의 방향에 의해 정의될 수 있다. 평면(Pi)은 격자 법선 벡터(GN) 및 조사 광원으로부터의 전파 벡터(PV)에 의해 정의 될 수 있다. 전파 벡터(PV)는 웨이브가이드(144, 148) 상의 광의 K-벡터의 투사이다. 격자 벡터(GV)는 격자 라인의 방향을 정의하는 회절 격자(144, 148)의 평면에서의 벡터이다. 본원에서 사용되는 용어 "E 상태"는 격자 벡터(GV)를 따라 파장대역의 전계 성분이 제로인 편광 상태를 말한다. 본원에서 사용되는 용어 "M 상태"은 격자 벡터(GV)를 따라 자계 성분이 제로인 편광 상태를 말한다.Referring to FIG. 7, the polarization of light incident on the diffraction gratings 144 and 148 may be defined by the direction of its electromagnetic field with respect to the incidence plane P i . The plane (P i ) can be defined by the grating normal vector (GN) and the propagation vector (PV) from the irradiation light source. The propagation vector (PV) is the projection of the K-vector of light on the waveguides 144 and 148. The grating vector GV is a vector in the plane of the diffraction gratings 144 and 148 that defines the direction of the grating line. The term "E state" as used herein refers to a polarization state in which the electric field component of the wavelength band is zero along the grating vector (GV). As used herein, the term "M state" refers to a polarization state in which the magnetic field component is zero along the grating vector (GV).

아래에 설명되는 예에서, 다양한 웨이브가이드(140)의 회절 격자에 입사하는 파장대역의 편광은 E 상태 및 M 상태 사이에서 제어되어 변화한다. 일실시예에서, 회절 격자로 입사하여 편광된 M 상태의 파장대역은 회절 격자를 통과하고, 반면 회절 격자로 입사하여 편광된 E 상태의 파장대역은 그 회절 격자를 포함하는 웨이브가이드 내로 커플링된다.In the example described below, the polarization of the wavelength band incident on the diffraction gratings of the various waveguides 140 is controlled and changed between the E-state and the M-state. In one embodiment, the wavelength band of the M state incident and polarized to the diffraction grating passes through the diffraction grating, whereas the wavelength band of the E state incident and polarized to the diffraction grating is coupled into a waveguide including the diffraction grating. .

다음 예들은, E 상태 및 M 상태의 편광 조건을 제어의 관점에서 현재의 기술을 설명하지만, 제 1 편광 상태에서 파장대역이 웨이브가이드를 통과하나, 제 2 편광 상태에서 파장대역이 웨이브가이드와 커플링되도록 다른 편광 상태가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 제 1 및 제 2 편광 상태의 다른 예는 웨이브가이드(140)를 통과하는 파장의 좌측 및 우측 편광이다. 또한, 다음은 두 상태 가운데 하나에 있는 편광된 광을 설명하지만, 편광된 광이 두 상태 이상을 차지할 수 있음은 고려되어야 한다. 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 상태가 웨이브가이드 내에서 커플링하고, 반면 적어도 하나의 다른 상태는 커플링 없이 통과한다.The following examples describe the current technology in terms of controlling the polarization conditions of the E-state and M-state, but the wavelength band passes through the waveguide in the first polarization state, but the wavelength band is coupled with the waveguide in the second polarization state. It will be appreciated that other polarization states may be used to ring. Other examples of the first and second polarization states are left and right polarizations of the wavelength passing through the waveguide 140. Further, the following describes polarized light in one of the two states, but it should be considered that the polarized light can occupy more than one state. In this embodiment, at least one state couples within the waveguide, while at least one other state passes without coupling.

예시적인 실시예는 두 개의 웨이브가이드(140)로 구성된 광학 소자(115)를 도시하는 도 8 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 아래에 설명된 도 12는 광학 소자(115)가 n 개의 웨이브가이드로 구성될 수 있는 광학 소자(115)에 관한 실시예의 예시를 도시한다. n 은 웨이브가이드의 다른 번호일 수 있다. 제 1 실시예는 도 8과 도 10의 순서도를 참조하여 설명될 것이다. 도 8은 한 쌍의 웨이브가이드(1401,1402)를 보여준다. 단계 300에서, 별개의 파장대역 λ1 및 λ2이 마이크로 디스플레이(120)으로부터 방출되고 렌즈(122)를 통해 콜리메이트된다. 웨이브가이드들은 마이크로 디스플레이(120)으로부터 광이 웨이브가이드(1402)를 먼저 통과하고, 그 다음 웨이브가이드(1401)를 통과하도록 어레인지된다.An exemplary embodiment will be described with reference to FIGS. 8 to 9 showing an optical element 115 composed of two waveguides 140. FIG. 12 described below shows an example of an embodiment of an optical element 115 in which the optical element 115 may be composed of n waveguides. n may be another number of the waveguide. The first embodiment will be described with reference to the flow charts of FIGS. 8 and 10. 8 shows a pair of waveguides 140 1 and 140 2 . In step 300, separate wavelength bands λ 1 and λ 2 are emitted from the micro display 120 and collimated through the lens 122. The waveguides are arranged so that light from the microdisplay 120 first passes through the waveguide 140 2 and then passes through the waveguide 140 1 .

웨이브가이드(1401, 1402)는 마이크로 디스플레이(120)으로부터 방출되는 2개의 상이한 파장대역에 각각 매치될 수 있다. 일 예로, 웨이브가이드(1401)는 적색광으로 튜닝될 수 있고, 웨이브가이드(1402)는 청색 및 녹색 광으로 튜닝될 수 있다. 추가 실시예에서 웨이브가이드(1401및 1402)는 가시 광선의 하나 이상의 파장의 다른 파장대역으로 매치될 수도 있다.The waveguides 140 1 and 140 2 may each be matched to two different wavelength bands emitted from the micro display 120. For example, the waveguide 140 1 may be tuned to red light, and the wave guide 140 2 may be tuned to blue and green light. In further embodiments, the waveguides 140 1 and 140 2 may be matched to different wavelength bands of one or more wavelengths of visible light.

본 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 광은 편광되지 않은 광이거나 E 상태 편광되거나 할 수 있다. 제 1 웨이브가이드(1402)에 진입하기 전에, 파장대역 λ1 및 λ2 모두는 편광 상태 생성기(Polarization State Generator. 이하, PSG)를 통과한다. PSG(160, 후술될 PSG들도 포함)는, 다른 파장의 광이 영향 받지 않도록 하면서, 2개의 수직의 편광 상태 사이에서 특정 파장대역의 위상을 시프트할 수 있는 편광 지연기(polarization retarder) 또는 파장판(waveplate)과 같은 알려진 편광 상태 생성기일 수 있다.In this embodiment, the light emitted from the micro-display 120 may be unpolarized light or E-state polarized light. Before entering the first waveguide 140 2 , both wavelength bands λ 1 and λ 2 pass through a polarization state generator (PSG). PSG (160, including PSGs to be described later) is a polarization retarder or wavelength that can shift the phase of a specific wavelength band between two vertical polarization states while preventing light of other wavelengths from being affected. It may be a known polarization state generator such as a waveplate.

PSG(160)는 광학 소자(115) 내에서 웨이브가이드(1402)에서의 기판(150)의 회절 격자(144) 앞에서 부착될 수 있는 복굴절 재료의 박판(thin plate)으로 형성될 수도 있다. 회절 격자가 반사형인 경우, PSG(160)는 웨이브가이드(1402)의 회절 격자(144)의 앞에서 웨이브가이드(1402)의 기판(150)에 통합될 수도 있다. PSG(160, 후술된 PSG들도 포함)는, 웨이브가이드(140)와 동일한 공간(footprint)을 차지할 수도 있으며, 실시예들에서 더 작아지거나 더 커질 수도 있다. 더 작아지는 경우, PSG(160)는 적어도 입력 회절 격자(114) 위에 위치하도록 할 수도 있다. 예를 들어 PSG(160)는 폴리머 필름 지연기(polymer film retarder), 복굴절결정 지연기(birefringent crystal retarder), 액정 지연기(liquid crystal retarder), 또는 이들의 결합으로 형성될 수도 있다. PSG(160)는 추가적인 실시예에서 다른 재료들로 구성될 수도 있다. 예를 들어 PSG(160, 후술될 PSG들도 포함)는 Meadowlark Optics, Inc., Frederick, CO, USA에 의해 제조될 수도 있다.PSG (160) may be formed in the optical element 115, a wave guide (140 2) of the birefringent thin sheet material which may be attached in front of the diffraction grating 144 of the substrate 150 in the inside (thin plate). When a diffraction grating type reflection, PSG (160) may be in front of the diffraction grating 144 of the wave guide (140 2) to be integrated to the substrate 150 of the wave guide (140 2). The PSG 160 (including PSGs to be described later) may occupy the same footprint as the waveguide 140 and may be smaller or larger in embodiments. If smaller, the PSG 160 may be positioned at least above the input diffraction grating 114. For example, the PSG 160 may be formed of a polymer film retarder, a birefringent crystal retarder, a liquid crystal retarder, or a combination thereof. PSG 160 may be constructed of other materials in additional embodiments. For example, PSG (160, including PSGs to be described later) may be manufactured by Meadowlark Optics, Inc., Frederick, CO, USA.

단계 304에서 PSG(160)는 파장대역 λ1의 편광을 E 상태에서 M 상태로 변경시키도록 구성될 수도 있다. PSG(160)는 파장대역 λ1의 강도와 방향은 영향을 받지 않도록 할 수도 있다. PSG(160)는 또한 파장대역 λ2의편광, 강도 및 방향이 영향을 받지 않도록 하여, 파장대역 λ2가조금의 변화도없이 또는 전혀 변화없이 곧장 통과하도록 할 수도 있다.In step 304, the PSG 160 may be configured to change the polarization of the wavelength band λ 1 from the E state to the M state. The PSG 160 may prevent the intensity and direction of the wavelength band λ 1 from being affected. The PSG 160 also prevents the polarization, intensity, and direction of the wavelength band λ 2 from being affected, so that the wavelength band λ 2 may pass directly without any change or change at all.

전술한 것과 같이, 실시예들에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 비연속적인 파장은 편광되지 않을 수도 있다. 이러한 실시예에서, PSG(160)는 전술된 것과 같이 파장대역 λ1을 M 상태로 변조할 수도 있으며, 제 2 PSG(미도시)는 파장대역 λ2를 E 상태로 변조할 수도 있다.As described above, in embodiments, non-contiguous wavelengths from micro-display 120 may not be polarized. In this embodiment, the PSG 160 may modulate the wavelength band λ 1 into the M state as described above, and the second PSG (not shown) may modulate the wavelength band λ 2 into the E state.

전술한 것과 같이, M 상태 편광된 광이 웨이브가이드(140)에 커플링되지 않는 반면(또는 더 작은 정도로 커플링되는 반면), E 상태 편광된 광은 웨이브가이드(140)에 커플링될 수도 있다. 따라서, PSG(160)를 통한 상태 변경 이후에, 단계 308에서, E 상태 편광된 파장대역 λ2는 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되고, 웨이브가이드(1402)에 캡쳐되어 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 전송된다.As described above, while the M-state polarized light is not coupled to the waveguide 140 (or is coupled to a smaller extent), the E-state polarized light may be coupled to the waveguide 140. . Thus, in a subsequent state change through the PSG (160), step 308, E state polarized wavelength λ 2 has a wave guide (140 2) being coupled in, is captured in the wave guide (140 2) Waveguide ( 140 2 ) is transmitted to the eye box 130 outside.

M 상태 편광된 파장대역 λ1은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과한다. 웨이브가이드(1401) 내에서의 파장대역 λ1의 커플링을 위해서는, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)를 떠난 후 웨이브가이드(1402)에 진입하기 이전에 제 2 PSG(162)를 통과해야 한다.The M state polarized wavelength band λ 1 passes substantially or completely through the waveguide 140 1 without coupling or attenuation. Wave guide (140 1) to the coupling of the wavelength bands λ 1 within a wavelength band λ 1 is the second PSG (162) prior to entering the wave guide (140 2) after leaving the wave guide (140 1) Must pass.

PSG(162)는 PSG(160)와 동일한 재료로 형성될 수도 있지만, 단계 310에서 파장대역 λ1의 편광을 M 상태로부터 E 상태로 변조시키도록 구성될 수도 있다. PSG(162)는 광학 소자(115) 내에서 웨이브가이드(1401)와 웨이브가이드(1402) 사이에 있도록 형성될 수도 있다. 다른 경우, PSG(162)는 웨이브가이드(1402)의 기판(150) 내에서 그 회절 격자(144)의 뒤에 형성되거나, 웨이브가이드(1401)의 기판(150) 내에서 그 회절 격자(144)의 앞에 형성될 수도 있다.The PSG 162 may be formed of the same material as the PSG 160, but may be configured to modulate the polarization of the wavelength band λ 1 from the M state to the E state in step 310. The PSG 162 may be formed to be between the waveguide 140 1 and the waveguide 140 2 in the optical element 115. In other cases, the PSG 162 is formed after the diffraction grating 144 in the substrate 150 of the waveguide 140 2 , or the diffraction grating 144 in the substrate 150 of the waveguide 140 1 It can also be formed before ).

PSG(162)를 통한 위상 변화 이후, 단계 314에서 파장대역 λ1은 전술한 것과같이 캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 전송될 수도 있다. 이러한 방식으로, 광학 소자(115)를 통해 전송되는 파장의 색 품질(color quality)을 유지하면서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 상이한 파장의 광들은 웨이브가이드(140)를 이용하여 전송될 수도 있다.After the phase change through the PSG 162, in step 314, the wavelength band λ 1 may be coupled to the captured waveguide 140 1 as described above, or the eye box 130 outside the waveguide 140 1 It can also be sent to. In this way, while maintaining the color quality of the wavelength transmitted through the optical element 115, light of different wavelengths from the microdisplay 120 may be transmitted using the waveguide 140.

도 9 및 도 11의 흐름도를 참조로 하여 추가적인 실시예가 설명된다. 단계 320에서 광의 비연속적인 파장들은 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되어, 렌즈(122)를 통과하며 콜리메이트된다. 그 후, 콜리메이트된 광은 최초로 웨이브가이드(1402)를 통과한다. 웨이브가이드(1402 및 1401)는, 전술한 것과 같이 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되는 비연속적인 파장들에 대응되는, 2개의 상이한 파장대역 λ1 및 λ2 에 대하여 최적화될 수 있다. 본 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 모든 파장의 광은 편광되지 않거나 M 상태 편광될 수도 있다. 제 1 웨이브가이드(1402)에 진입하기에 앞서, 파장대역 λ1 및 λ2 모두는 PSG(166)를 통과한다.Additional embodiments will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 9 and 11. In step 320, non-contiguous wavelengths of light are emitted from the micro-display 120, pass through the lens 122, and collimate. Then, the collimated light is passed through the first wave guide (140 2). The waveguides 140 2 and 140 1 may be optimized for two different wavelength bands λ 1 and λ 2 , corresponding to discontinuous wavelengths emitted from the microdisplay 120 as described above. In this embodiment, light of all wavelengths emitted from the microdisplay 120 may not be polarized or may be M-state polarized. Before entering the first waveguide 140 2 , both wavelength bands λ 1 and λ 2 pass through the PSG 166.

PSG(166)는 PSG(160)와 동일한 재료 및 크기로 형성될 수도 있으나, 단계 324에서 파장대역 λ2의 편광을 M 상태에서 E 상태로 변경시키도록 구성될 수도 있다. PSG(166)는 파장대역 λ2의 강도 및 방향은 영향을 받지 않도록 할 수도 있다. PSG(166)는 파장대역 λ1의 편광, 강도 및 방향이 영향을 받지 않도록 하여, 파장대역 λ1이 변화 없이 곧장 통과하도록 할 수도 있다.The PSG 166 may be formed of the same material and size as the PSG 160, but may be configured to change the polarization of the wavelength band λ 2 from the M state to the E state in step 324. The PSG 166 may prevent the intensity and direction of the wavelength band λ 2 from being affected. The PSG 166 may prevent the polarization, intensity, and direction of the wavelength band λ 1 from being affected, so that the wavelength band λ 1 may pass directly without change.

마이크로 디스플레이(120)로부터의 광이 편광되지 않는 경우, PSG(166)는 전술한 것과 같이 파장대역 λ2를 E 상태로 변조할 수도 있으며, 제 2 PSG(미도시)는 파장대역 λ1을 M 상태로 변조할 수도 있다.When the light from the micro-display 120 is not polarized, the PSG 166 may modulate the wavelength band λ 2 to the E state as described above, and the second PSG (not shown) changes the wavelength band λ 1 to M It can also be modulated to state.

PSG(166)를 통한 상태 변경 이후, E 상태 변조된 파장대역 λ2는 전술한 것과 같이 이가 캡쳐링되는 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되고, 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송된다.After the state change through the PSG 166, the E-state modulated wavelength band λ 2 is coupled in the waveguide 140 2 in which the tooth is captured as described above, and the eye box outside the waveguide 140 2 ( 130).

M 상태 편광된 파장대역 λ1은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과할 수도 있다. 웨이브가이드(1401) 내에서의 파장대역 λ1의커플링을 위해서는, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)를 떠난 후 웨이브가이드(1402)에 진입하기 이전에 제 2 PSG(168)를 통과해야 한다. PSG(168)는 도 8에서의 PSG(162)와 동일할 수 있고, 또한, 단계 334에서 파장대역 λ1을 M 상태로부터 E 상태로 변조할 수도 있다. 그 후에, 단계 338에서 파장대역 λ1은 전술한 것과 같이캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다.The M state polarized wavelength band λ 1 may substantially or completely pass through the waveguide 140 1 without coupling or attenuation. Wave guide (140 1) to the coupling of the wavelength bands λ 1 within a wavelength band λ 1 is the second PSG (168) prior to entering the wave guide (140 2) after leaving the wave guide (140 1) Must pass. The PSG 168 may be the same as the PSG 162 in FIG. 8, and may also modulate the wavelength band λ 1 from the M state to the E state in step 334. Thereafter, in step 338, the wavelength band λ 1 may be coupled to the captured waveguide 140 1 as described above, or may be transmitted back to the eye box 130 outside the waveguide 140 1 .

PSG들을 웨이브가이드 이전에 및 웨이브가이드 사이에 배치하는 시스템을 사용하는 경우, 전술한 것과 같이 다양한 수의 파장대역이 편광되어, 매치되지 않은 웨이브가이드들을 통과하면서 그들과 매치된 웨이브가이드 내에서 최대한 또는 거의 최대한의 강도를 갖고 커플링될 수도 있다. PSG들의 시스템은 매치되지 않은 웨이브가이드에 근접하는 파장대역의 편광이 이미 M 상태 조건에 있도록 할 수 있고, 이로 인해 매치되지 않은 웨이브가이드를 영향받지 않고 통과하게 된다. 다른 경우, 매치되지 않은 웨이브가이드에 근접하는 파장대역의 편광이 E 상태 조건에 있을 수 있고, 따라서 M 상태로 변조되기 위해 PSG를 통과한 뒤, 매치되지 않은 웨이브가이드를 영향 받지 않고 통과할 수도 있다. 이러한 파장대역은 그 이후에도 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달할 때까지 M 상태 조건으로 남아 있을 수 있고, 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달하는 경우 E 상태로 변조되기 위하여 PSG를 통과하여 이와 매치되는 웨이브가이드에 커플링될 수 있다.When using a system in which PSGs are placed before and between the waveguides, as described above, various number of wavelength bands are polarized, passing through unmatched waveguides, and as much as possible within the matched waveguides. It can also be coupled with almost maximum strength. The system of PSGs can ensure that the polarization of the wavelength band close to the unmatched waveguide is already in the M state condition, which causes the unmatched waveguide to pass through unaffected. In other cases, the polarization of the wavelength band that is close to the unmatched waveguide may be in the E state condition, so after passing through the PSG to be modulated to the M state, the unmatched waveguide may pass through unaffected. . These wavelength bands may remain in the M state condition until the matching waveguide is reached thereafter, and when the waveguide matching it is reached, it passes through the PSG to be modulated to the E state, and the matching waveguide is Can be coupled.

n 개의 파장대역과 웨이브가이드를 포함하는 일 예가 도 13을 참조로 하여 이하에서 설명된다. 도 13의 예는 n 이 4 이상인 파장대역과 웨이브가이드를 도시하고 있으나, 추가적인 예시는 3개의 파장대역과 웨이브가이드를 포함할 수도 있다.An example including n wavelength bands and waveguides will be described below with reference to FIG. 13. The example of FIG. 13 shows a wavelength band and a waveguide in which n is 4 or more, but an additional example may include three wavelength bands and a waveguide.

비연속적인 파장대역 λ1, λ2, λ3, … λn은 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되어, 렌즈(122)를 통과하며 콜리메이트된다. 일 예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 모든 파장의 광은 M 상태로 편광될 수도 있다. 이 경우, 이 실시예는 전술한 것과 같은 PSG(1701)를 포함할 수도 있고, λ1의 편광을 E 상태로 변조하면서 나머지 파장대역은 M 상태로 편광되도록 구성될 수도 있다. 추가적인 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 파장대역은 다른 편광을 가지거나 또는 편광되지 않도록 할 수도 있다. 이러한 추가적인 실시예에서, 하나 이상의 PSG는 웨이브가이드(1401)의 앞에(또는 웨이브가이드(1401)에 통합되어) 위치될 수도 있고, 따라서, 하나 이상의 PSG를 통과한 후에 웨이브가이드(1401)의 입력 회절 격자(144)에 진입할 때에 파장대역 λ1은 E 상태 편광되고, 파장대역 λ2 내지λn은 M 상태 편광된다.Discontinuous wavelength bands λ1, λ 2, λ 3,… λ n is emitted from the micro-display 120, passes through the lens 122, and collimates. In one example, light of all wavelengths from the micro display 120 may be polarized to the M state. In this case, this embodiment may include the PSG 170 1 as described above, or may be configured to modulate the polarization of λ 1 to the E state while the remaining wavelength bands are polarized to the M state. In an additional embodiment, the wavelength band emitted from the micro-display 120 may or may not have a different polarization. In this further embodiment, one or more of the PSG is (are integrated into or wave guides (140 1)) in front of the waveguide (140: 1) may be located, and thus, the waveguide after passing through one or more PSG (140 1) When entering the input diffraction grating 144 of, the wavelength band λ 1 is polarized in the E state, and the wavelength band λ 2 to λ n is polarized in the M state.

그 후, E 상태 편광된 파장대역 λ1은 전술한 것과 같이 캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다. M 상태 편광된 나머지 파장대역 λ2 내지 λn은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과한다.Thereafter, the E-state polarized wavelength band λ 1 may be coupled to the captured waveguide 140 1 as described above, or may be transmitted back to the eye box 130 outside the waveguide 140 1 . . The remaining M-state polarized wavelength bands λ 2 to λ n substantially or completely pass through the waveguide 140 1 without coupling or attenuation.

다음에, 나머지 파장대역 λ2 내지λn은 제 2 PSG(1702)를 통과하고, 제 2 PSG(1702)는 파장대역 λ2를 E 상태로 변조하면서 나머지 파장대역 λ3 내지 λn이 실질적으로 또는 완전히 영향받지 않도록 한다.Next, the remaining wavelength range λ 2 to λ n to pass the 2 PSG (170 2), and claim 2 PSG (170 2) the remaining wavelength band and modulating the wavelength λ 2 to the E state λ 3 to λ n is Make sure it is not substantially or completely affected.

그 후, E 상태 편광된 파장대역 λ2는전술한것과같이이가캡쳐되는웨이브가이드(1402)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다. M 상태 편광된 나머지 파장대역 λ3 내지 λn은, 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1402)를 통과한다.Then, E state polarized wavelength λ 2 may be coupled to a wave guide (140 2) The teeth are captured as described above, a wave guide (140 2) outside the eye box 130 to be sent back to the have. M state polarized remaining wavelength λ 3 to λ n is passed through a substantially or completely wave guide (140 2), without coupling or attenuation.

이러한 절차는 남은 웨이브가이드 각각에 대해 반복된다. 파장대역 각각은 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달할 때까지 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하기 위해 편광될 수도 있으며, 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달하는 경우 매치되는 웨이브가이드에 커플링되도록 편광될 수도 있다. 마지막 파장대역 λn은 웨이브가이드(140n)에 도달할 때까지 웨이브가이드(1401) 내지 웨이브가이드(140n-1)전체를 통과한다. 웨이브가이드(140n)를 통과하기 앞서 파장대역 λn은 PSG(170n)을 통과하고 웨이브가이드(140n)에 커플링할 수 있는 상태로 편광된다.This procedure is repeated for each remaining waveguide. Each of the wavelength bands may be polarized to pass through an unmatched waveguide until a matching waveguide is reached, or may be polarized to couple to a matched waveguide when a matching waveguide is reached. End wavelength λ n is passed through the wave guide (140 1) to the waveguide (140 n-1) the total to reach the waveguide (140 n). Before passing through the waveguide 140 n , the wavelength band λ n passes through the PSG 170 n and is polarized to a state capable of being coupled to the waveguide 140 n .

웨이브가이드에 매치되는 파장대역이 편광되어 그 웨이브가이드에 커플링되는 동안 다른 파장대역은 그 웨이브가이드를 통과하도록 편광되는 PSG들의 다른 구현 방법이 제공될 수도 있다. 이 경우, 상이한 파장의 광은 전술한 것과 같이 웨이브가이드와 PSG들을 이용하여 광학 소자(115)를 통과하면서, 해당 광학 소자(115)를 통과하는 모든 파장의 색 품질을 유지할 수도 있다. Other implementations of PSGs may be provided in which a wavelength band matching a waveguide is polarized and coupled to the waveguide while the other wavelength band is polarized to pass through the waveguide. In this case, light having different wavelengths may pass through the optical element 115 using a waveguide and PSG as described above, while maintaining color quality of all wavelengths passing through the corresponding optical element 115.

파장대역은, 원위 웨이브가이드 내에서 커플링되고 이를 떠난 뒤에, 아이 박스(130)로 가는 도중에 근위 웨이브가이드 각각을 통과한다. 도 4와 관련하여 전술한 것과 같이, 웨이브가이드(140) 각각은 웨이브가이드 밖으로 웨이브가이드에 이미 존재하는 광을 커플링하는 출사 회절 격자(148)을 포함한다. 출사 회절 격자(148)는 원위 웨이브가이드로부터 되돌아오는 입사 파장대역이 커플링 없이 넓게 또는 완전히 곧장 통과하도록 할 수도 있다. 그러나, 원위 웨이브가이드로부터의 광선이 적어도 부분적으로 아이 박스(130)로 가는 도중에 근위 웨이브가이드에 커플링되는 일이 발생될 수도 있다.The wavelength band passes through each of the proximal waveguides on the way to the eye box 130 after being coupled and leaving the distal waveguide. As described above with respect to FIG. 4, each of the waveguides 140 includes an emission diffraction grating 148 that couples light already present in the waveguide out of the waveguide. The emission diffraction grating 148 may allow the incident wavelength band returning from the distal waveguide to pass widely or completely straight through without coupling. However, it may happen that the light rays from the distal waveguide are at least partially coupled to the proximal waveguide on their way to the eye box 130.

예를 들어, 추가적인 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 광을 각각의 웨이브가이드 내에서 커플링하는 것을 제어하기 위한 입력 회절 격자(144)에 대한 PSG들을 제공하는 것에 부가하여, 출사 회절 격자(148)에 대하여 PSG들이 또한 제공될 수도 있다. 출사 격자 PSG들은 원위 웨이브가이드로부터의 광이 아이 박스(130)로 가능 도중에 근위 웨이브가이드 내에서 커플링되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 일실시예는 도 13에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 파장대역 λ1 내지λn은 전술한 것과 같이 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하면서 그들의 매치된 웨이브가이드에 커플링된다. 파장대역이 그 매치되는 웨이브가이드로부터 출사되는 경우, 그 편광은 PSG들(1801 내지 180n)에 의하여, 예를 들어 E 상태 내지 M 상태로부터, 다시 변경된 후, 커플링 없이 근위 웨이브가이드를 통과한다. 이 실시예에서, 아이 박스 이전의 마지막 PSG인 PSG(1801)는, 아이 박스(130)를 통해 사용자의 눈(132)에 프레젠테이션하기 위하여, 소망하는 다양한 방식으로 파장대역 λ1 내지λn을 편광시킨다. For example, in a further embodiment, in addition to providing PSGs for the input diffraction grating 144 for controlling the coupling of light from the microdisplay 120 within each waveguide, an emission diffraction grating PSGs may also be provided for 148. The exit grating PSGs can prevent light from the distal waveguide from being coupled within the proximal waveguide on the way to the eye box 130. One such embodiment is shown in FIG. 13. In this embodiment, the wavelength bands λ 1 to λ n are coupled to their matched waveguides while passing through the unmatched waveguides as described above. When the wavelength band is emitted from the matched waveguide, the polarization passes through the proximal waveguide without coupling after being changed again from the E state to the M state by the PSGs 180 1 to 180 n do. In this embodiment, the PSG 180 1 , which is the last PSG before the eye box, to present to the user's eye 132 through the eye box 130, the wavelength bands λ 1 to λ n in various desired manners. Polarized.

전술된 실시예 중 일부에서, E 상태 편광된 파장들은 그들의 매치되는 웨이브가이드 내에서 커플링되도록 하고 M 상태 편광된 파장들은 약화되지 않은 채로 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하는 것으로 설명되어 있다. 그러나, 완전한 커플링/완전한 통과 대신에, E 상태 및 M 상태 편광된 파장들 모두가 그들이 입사하는 웨이브가이드에 부분적으로 커플링되게 할 수도 있다. 그러나, 전술한 것과 같은 PSG들의 사용에 의하여, E 상태 편광 파장의 커플링 효율은 M 상태 편광 파장의 커플링 효율에 비하여 증가될 수도 있다. In some of the embodiments described above, E-state polarized wavelengths are described as allowing them to couple within their matched waveguide and M-state polarized wavelengths passing through an unmatched waveguide without attenuating. However, instead of full coupling/full pass, it is also possible to cause both E-state and M-state polarized wavelengths to be partially coupled to the waveguide they are incident on. However, by the use of PSGs as described above, the coupling efficiency of the E-state polarization wavelength may be increased compared to the coupling efficiency of the M-state polarization wavelength.

도 14 내지 16의 실시예에 대해 설명한다. 도 14 및 15 각각은 한 쌍의 웨이브가이드(1401및 1402)에 입사하는 파장대역 λ의 에지뷰(edge view)를 도시한다. 파장대역 λ는 웨이브가이드(1402)에 매치되나, 우선은 웨이브가이드(1401)를 통과한다. 도 15에서 파장대역의 편광이 PSG(160)를 사용하여 제어되는 반면, 도 14에서는 PSG가 사용되지 않으며, 이 외에는 도 14와 도 15가 서로 동일하다. 14 to 16 will be described. Each of FIGS. 14 and 15 shows an edge view of a wavelength band λ incident on a pair of waveguides 140 1 and 140 2 . The wavelength band λ matches the waveguide 140 2 , but first passes through the waveguide 140 1 . In FIG. 15, the polarization of the wavelength band is controlled using the PSG 160, whereas in FIG. 14, the PSG is not used, except that FIG. 14 and FIG. 15 are the same.

도 14에서, 입력 파장대역은 매치되지 않은 웨이브가이드(1401)에서의 회절 격자(144)상에 θ1의 입사각으로 입사된다. 제어되지 않은 파장대역은 E 상태 편광을 가질 수도 있으며, 이로 인해 부분 λ1c가 웨이브가이드(1401)와 커플링되도록 할 수도 있다. 제 2 부분 λ1m은제 2 순서 회절(second order diffraction)으로 회절된다(도시되지 않은, 추가적인 격자 순서 회절이 있을 수 있다). 나머지 부분 λ1t는 웨이브가이드(1401)를 통해 전송되고 이와 매치되는 웨이브가이드(1402)에 진입한다. 웨이브가이드(1401)와 커플링된 파장대역 λ의 상대적으로 큰 요소로서, 더 작은 부분 λ2c는 웨이브가이드(1402)에 커플링되도록 남겨진다. In Fig. 14, the input wavelength band is incident on the diffraction grating 144 in the unmatched waveguide 140 1 at an angle of incidence of θ 1 . The uncontrolled wavelength band may have E-state polarization, and thus, a portion λ 1c may be coupled to the waveguide 140 1 . The second part λ 1m is diffracted with a second order diffraction (not shown, there may be additional grating order diffraction). Rest λ 1t is transmitted through a wave guide (140 1) is entered in this way it matches the wave guide (140 2). As a relatively large element of the wavelength band λ coupled with the waveguide 140 1 , a smaller portion λ 2c is left to be coupled to the waveguide 140 2 .

반대로, 도 15에서, 동일한 파장대역 λ는 웨이브가이드(1401)에 진입하기에 앞서(예를 들어, 미도시된 PSG에 의해) M 상태로 편광된다. 표기된 것과 같이, 파장대역의 상대적으로 작은 부분 λ1c가 웨이브가이드(1401)로 커플링된다. 이와 같이, 웨이브가이드(1401)를 통과하는 부분 λ1t가 커진다. 웨이브가이드(1401)와 웨이브가이드(1402) 사이에서, 파장대역의 편광은 PSG(160)에 의해 M 상태로부터 E 상태로 변경된다. 그 결과, E 상태 편광된 파장 λ는 그 매치된 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되는 상대적으로 큰 부분 λ2c를 가진다.Conversely, in FIG. 15, the same wavelength band λ is polarized to the M state prior to entering the waveguide 140 1 (eg, by a PSG not shown). As indicated, a relatively small portion λ 1c of the wavelength band is coupled to the waveguide 140 1 . In this way, the portion λ 1t passing through the waveguide 140 1 increases. Between the waveguide 140 1 and the waveguide 140 2 , the polarization of the wavelength band is changed from the M state to the E state by the PSG 160. As a result, E-polarized state wavelength λ has its match the wave guide (140 2) coupled λ relatively large portion 2c to be within.

도 16은 인-커플링(in-coupling) 입사각에 따른 커플링 효율을 도시한 그래프이다. 여기서 커플링 효율은 광원으로부터 방출되는 파장대역의 강도와 매치되는 웨이브가이드 내에서 커플링되는 파장의 강도의 비(0과 1 사이의 숫자로 표현됨)로 정의된다. 본 예시는 웨이브가이드(1402)와 매치되는 파장대역으로서 도 14 및 15에서 도시되는 적색광(650 nm)을 이용한다. 그래프는 또한 녹색광(540 nm)의 제 2 파장대역을 도시한다. 녹색 파장대역은 도 14 및 15에 도시되어 있지는 않으나, 제 1 웨이브가이드(1401)에 매치되고 그 안에서 커플링된다. 제 1 웨이브가이드(1401)에 대한 회절 격자(1441)에 대한 격자 간격은 450 nm이고 제 2 웨이브가이드(1402)에 대한 회절 격자(1442)에 대한 격자 간격은 550 nm이다.16 is a graph showing coupling efficiency according to an in-coupling incident angle. Here, the coupling efficiency is defined as the ratio (expressed as a number between 0 and 1) of the intensity of the wavelength band emitted from the light source and the intensity of the wavelength coupled in the matched waveguide. This example uses the red light (650 nm) shown in Figs. 14 and 15 as a wavelength that matches the wave guide (140 2). The graph also shows the second wavelength band of green light (540 nm). The green wavelength band is not shown in FIGS. 14 and 15, but is matched to and coupled to the first waveguide 140 1 . The lattice spacing of the diffraction grating (144 1) for a first wave guide (140 1) is 450 nm and the lattice spacing of the second wave guide (140 2) the diffraction grating (144 2) is about 550 nm.

도 16의 그래프에 도시된 것과 같이, 녹색 파장은 다른 웨이브가이드를 통과할 필요 없이 매치되는 웨이브가이드에 커플링된다는 사실 때문에, 녹색 파장대역의 커브(184)는 90%를 넘는 가장 높은 커플링 효율을 나타낸다. 본 발명에 따른 편광 제어를 사용하여 그 웨이브가이드에 커플링된 도 15의 적색 파장대역의 커브(186)는 약 88%의 커플링 효율을 나타낸다. 편광 제어를 사용하지 않는 도 14의 적색 파장대역의 커브(188)는, 70%보다 낮은, 저 커플링 효율을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 PSG들은 매치되지 않은 웨이브가이드로의 광의 커플링을 방지할 수 있고, 매치되는 웨이브가이드로의 광의 커플링을 가능하게 할 수 있다. As shown in the graph of Fig. 16, due to the fact that the green wavelength is coupled to the matched waveguide without having to pass through another waveguide, the curve 184 in the green wavelength band has the highest coupling efficiency over 90%. Represents. The curve 186 of the red wavelength band of Fig. 15 coupled to the waveguide using the polarization control according to the present invention shows a coupling efficiency of about 88%. The curve 188 of the red wavelength band of FIG. 14 in which the polarization control is not used shows a low coupling efficiency, which is lower than 70%. Accordingly, the PSGs of the present invention can prevent coupling of light to an unmatched waveguide, and enable coupling of light to a matched waveguide.

청구 대상이 구조적 특징 및/또는 방법론적인 행동에 특정된 언어로 기술되었으나, 첨부된 청구항에서 정의된 청구 대상이 전술된 특정 특징 또는 행동으로 필연적으로 한정되는 것은 아니다. 전술된 특정 특징 및 행동은 청구항을 구현하는데 있어 예시적인 형식으로 기술된 것이다. 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구항에 의해 정의되는 것이 의도된다.While the claimed subject matter has been described in language specific to structural features and/or methodological behavior, the subject matter defined in the appended claims is not necessarily limited to the specific features or behavior described above. The specific features and actions described above are described in an exemplary form in implementing the claims. It is intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto.

Claims (10)

근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법으로서,
(a) 적어도 제 1 파장대역 및 제 2 파장대역을 포함하는 광을, 광원으로부터, 적어도 제 1 웨이브가이드 및 제 2 웨이브가이드를 포함하고 상기 제 1 웨이브가이드 및 상기 제 2 웨이브가이드 각각이 적어도 하나의 광학 격자를 갖는 광학 소자로 투사(project)하는 단계와,
(b) 제1 편광 상태 생성기에 의해, 제 1 시간 동안에, 제 2 파장대역이 상기 제 1 웨이브가이드 내에서 커플링하지 않도록, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 2 파장대역의 편광을 제 1 상태에서 제 2 상태로 변경하는 단계와,
(c) 상기 제 1 파장대역이 상기 제 1 웨이브가이드 내에서 상기 제 1 파장대역 이외의 것보다 더 많이 커플링하도록, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 1 파장대역의 편광을 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 2 파장대역의 편광과 상이하게 되도록 제어하는 단계와,
(d) 제2 편광 상태 생성기에 의해, 제 2 시간 동안에, 제 2 파장대역이 상기 제 2 웨이브가이드 내에서 커플링하도록 상기 제 2 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 2 파장대역의 편광을 상기 제 2 상태에서 상기 제 1 상태로 변경하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 파장대역의 편광을 상기 제 2 파장대역의 편광과 상이하게 되도록 제어하는 단계는, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 1 파장대역의 편광을, 격자 벡터에 따른 상기 제 1 파장대역의 자계 성분이 제로가 되는 편광으로부터, 격자 벡터에 따른 상기 제 1 파장대역의 전계 성분이 제로가 되는 편광으로 변경하는 단계를 포함하고,
상기 제2 편광 상태 생성기는 상기 제1 웨이브 가이드와 상기 제2 웨이브 가이드 사이에 있는 것인, 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.
As a method for displaying an image on a near-eye display (NED),
(a) light including at least a first wavelength band and a second wavelength band, from a light source, including at least a first waveguide and a second waveguide, and each of the first waveguide and the second waveguide is at least one Projecting onto an optical element having an optical grating of,
(b) The polarization of the second wavelength band incident on the first waveguide is determined by the first polarization state generator so that the second wavelength band does not couple within the first waveguide during a first time. Changing from state 1 to state 2,
(c) Polarization of the first wavelength band incident on the first waveguide is applied to the first waveguide so that the first wavelength band couples more than the first wavelength band within the first waveguide. Controlling to be different from the polarization of the second wavelength band incident on the waveguide,
(d) by a second polarization state generator, polarization of the second wavelength band incident on the second waveguide so that the second wavelength band is coupled within the second waveguide during a second time period is converted to the second Including the step of changing from the state to the first state,
The controlling of the polarization of the first wavelength band to be different from the polarization of the second wavelength band may include the polarization of the first wavelength band incident on the first waveguide and the first wavelength band according to a grating vector. Including the step of changing from polarized light in which the magnetic field component of is zero, to polarized light in which the electric field component of the first wavelength band according to the grating vector becomes zero,
Wherein the second polarization state generator is between the first wave guide and the second wave guide. A method for displaying an image on a near-eye display (NED).
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 파장대역의 편광을 상기 제 2 파장대역의 편광과 상이하게 되도록 제어하는 단계는, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 1 파장대역의 편광을 변경하는 단계를 포함하는 것인 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.
The method of claim 1,
The controlling of the polarization of the first wavelength band to be different from the polarization of the second wavelength band comprises changing the polarization of the first wavelength band incident on the first waveguide. Method for displaying images on (NED).
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 파장대역의 편광을 상기 제 2 파장대역의 편광과 상이하게 되도록 제어하는 단계는, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 1 파장대역의 편광을 제 1 상태에서 제 2 상태로 변경하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 파장대역은 상기 제 1 웨이브가이드 내에서 상기 제 1 상태와 비교하여 상기 제 2 상태에서 더 많이 커플링하는 것인 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.The method of claim 1, wherein the controlling of the polarization of the first wavelength band to be different from the polarization of the second wavelength band comprises: polarization of the first wavelength band incident on the first waveguide in a first state. And changing to a second state, wherein the first wavelength band is more coupled in the second state compared to the first state within the first waveguide. How to display. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 광은 제 3 파장대역을 더 포함하고, 상기 방법은, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사하는 상기 제 2 파장대역의 편광을, 상기 격자 벡터 에 따른 상기 제 2 파장대역의 자계 성분이 제로가 되는 편광으로부터, 상기 격자 벡터에 따른 상기 제 2 파장대역의 전계 성분이 제로가 되는 편광으로 변경함으로써, 상기 제 2 파장대역의 편광을 상기 제 3 파장대역의 편광과 상이하게 되도록 제어하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 3 파장대역은 상기 격자 벡터에 따른 상기 제 3 파장대역의 자계 성분이 제로가 되는 편광을 가지는 것인 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.The method of claim 1, wherein the light further includes a third wavelength band, and the method comprises: polarization of the second wavelength band incident on the second waveguide, and the second wavelength band according to the grating vector The polarization of the second wavelength band is different from the polarization of the third wavelength band by changing the polarization in which the magnetic field component becomes zero and the electric field component in the second wavelength band according to the grating vector becomes zero. The method for displaying an image on a near-eye display (NED) further comprising the step of controlling, wherein the third wavelength band has polarization in which a magnetic field component of the third wavelength band according to the grating vector becomes zero. 제 1 항에 있어서, 디스플레이로부터 광학 소자로 제 1 파장대역을 포함하는 광을 투사하는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 파장대역이 가시광선 스펙트럼으로부터의 광으로 이루어지는 광을 투사하는 단계를 포함하는 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.The method of claim 1, wherein projecting light including a first wavelength band from a display to an optical element comprises projecting light in which the first and second wavelength bands are composed of light from a visible spectrum. A method for displaying an image on a near-eye display (NED). 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 웨이브가이드는 4개의 웨이브가이드를 포함하는 것인 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.The method of claim 1, wherein the at least first and second waveguides comprise four waveguides. 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법에 있어서,
(a) 광원으로부터의 광을 광학소자에 투사하는 단계로서, 상기 광은 복수의 파장대역을 포함하며, 상기 광학소자는 복수의 웨이브가이드를 포함하고, 상기 복수의 파장대역 중 하나의 파장대역은 상기 복수의 웨이브가이드 중 하나의 웨이브가이드와 매치되는 것인, 광을 광학 소자에 투사하는 단계와,
(b) 상기 파장대역을 복수의 편광 상태 생성기에 통과시키는 단계로서, 각각의 편광 상태 생성기는 상기 복수의 웨이브가이드 중 하나의 웨이브가이드와 연관되고, 상기 복수의 편광 상태 생성기는, 제 1 시간 동안, 제 1 상태에서 하나 이상의 웨이브가이드를 통과하는 제 2 상태로 변경하고, 그리고 제 2 시간 동안, 상기 제 2 상태로부터 상기 매칭된 웨이브가이드 내의 파장대역의 커플링을 용이하게 하면서 상기 매칭된 웨이브가이드를 통과하는 나머지 파장대역의 커플링을 지연시키는 상기 제 1 상태로 다시 변경하도록, 통과하는 파장대역의 편광을 제어하는 것인, 상기 파장대역을 통과시키는 단계
를 포함하고,
상기 통과하는 파장대역의 편광을 제어하는 것은, 상기 파장대역의 편광을, 격자 벡터에 따른 상기 파장대역의 자계 성분이 제로가 되는 편광으로부터, 격자 벡터에 따른 상기 파장대역의 전계 성분이 제로가 되는 편광으로 변경하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 편광 상태 생성기는 상기 복수의 웨이브가이드 사이에 있는 것인, 근안 디스플레이(NED) 상에서 이미지를 표시하기 위한 방법.
In a method for displaying an image on a near-eye display (NED),
(a) projecting light from a light source to an optical device, wherein the light includes a plurality of wavelength bands, the optical device includes a plurality of waveguides, and one of the plurality of wavelength bands is Projecting light onto an optical element that matches one of the plurality of waveguides,
(b) passing the wavelength band through a plurality of polarization state generators, wherein each polarization state generator is associated with one of the plurality of waveguides, and the plurality of polarization state generators are configured for a first time period. , Changing from the first state to a second state passing through one or more waveguides, and for a second time, the matched waveguide facilitates coupling of the wavelength band in the matched waveguide from the second state The step of passing the wavelength band to control the polarization of the passing wavelength band to change back to the first state that delays coupling of the remaining wavelength bands passing through
Including,
The controlling of the polarization of the wavelength band passing through is the polarization of the wavelength band, from polarization in which the magnetic field component of the wavelength band according to the grating vector becomes zero, and the electric field component of the wavelength band according to the grating vector becomes zero. Including the step of changing to polarized light,
Wherein the plurality of polarization state generators are between the plurality of waveguides. A method for displaying an image on a near-eye display (NED).
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