KR20230066124A - 직사각형 도파관을 사용하는 개구 배율기 - Google Patents

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Abstract

광학 개구 배율기는 직사각형 횡단면을 갖고 도파관의 신장 방향에 대해 경사진 각도에서 부분 반사 표면(40)을 포함하는 제1 광 도파관(10)을 포함한다. 경사진 각도에서 부분 반사 표면(45)을 또한 포함하는 제2 광 도파관(20)은 제1 광 도파관에 광학적으로 결합된다. 비스듬한 결합 각도에서 초기 전파 방향으로 제1 광 도파관 안으로 결합된 이미지는 제2 광 도파관안에 결합되도록 부분 반사 표면에서 반사된 이미지의 강도의 비율로 제1 광 도파관을 따라 4-접(4-fold) 내부 반사에 의해 진행하고, 및 그 다음에 가시적인 이미지로서 평행면 중 하나로부터 외부로 향하도록 부분 반사 표면에서 반사된 이미지의 강도의 비율로, 제2 광 도파관내의 2-접 반사를 통해 전파한다.

Description

직사각형 도파관을 사용하는 개구 배율기{APERTURE MULTIPLIER USING A RECTANGULAR WAVEGUIDE}
본 발명은 광학 개구 배율기에 관한 것으로, 특히 직사각형 도파관을 포함하는 광학 개구 배율기, 및 이러한 개구 배율기를 이용하는 근안(near-eye) 디스플레이 및 헤드업(head-up) 디스플레이에 관한 것이다.
근안 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이용 광학 장치는 관찰자의 눈이 위치하는 공간(눈-동작-박스(eye-motion-box))을 덮기 위해 큰 개구를 필요로 한다. 소형 디바이스를 구현하기 위해, 큰 개구를 생성하도록 곱해진 작은 개구를 갖는 소형 광학 이미지 발생기에 의해 이미지가 생성된다.
일차원의 개구 곱셈에 대한 접근법은 이미지가 내부 반사에 의해 전파되는 표면이 평행한 투명 물질 슬래브(slab)를 기반으로 개발되었다. 이미지 파면(wavefront)의 일부는 비스듬하게 각진 부분 반사기를 사용하거나 슬래브의 한 면에서 회절 광학 소자를 사용하여 슬래브 외부에 결합된다. 이러한 슬래브는 여기에서 일차원으로 내부 반사에 의해 이미지 파면을 내부에 포함하는 일차원 도파관으로 불린다. 슬래브의 평면에서(즉, 슬래브 표면의 평면에서), 이미지는 도파관을 가로질러 이미지 품질을 유지하도록 시준되어야 한다.
슬래브-전파 접근법은 개구 곱셈의 제2 단계에 대해 아주 적합한데, 여기서 슬래브는 관찰자의 눈 맞은편에 배치되고(근안 디스플레이용 유리 렌즈, 또는 더욱 큰 헤드업 디스플레이용 창처럼), 이미지가 눈에 도달하는 최종 출력 표면을 형성한다. 그러나 이 접근법은 이미지 파면의 폭에 비해 슬래브의 폭에 대한 요구사항이 디바이스에 벌크 및 중량을 부가하는, 제1 곱셈 단계에 대해 최적이 아니다.
본 발명은 직사각형 도파관을 포함하는 광학 개구 배율기이다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, (a) 신장(elongation) 방향을 갖고, 직사각형 횡단면을 형성하는 제1 및 제2 쌍의 평행면을 갖는 제1 광 도파관으로서, 다수의 부분적으로 반사하는 표면은 제1 광 도파관을 적어도 부분적으로 횡단하고, 부분적으로 반사하는 표면은 신장 방향에 대해 경사진 각도로 존재하는, 제1 광 도파관; 및 (b) 제1 광 도파관에 광학적으로 결합되고, 슬래브-형 도파관을 형성하는 제3 쌍의 평행면을 갖는 제2 광 도파관으로서, 다수의 부분적으로 반사하는 표면은 제2 광 도파관을 적어도 부분적으로 횡단하고, 부분적으로 반사하는 표면은 제3 쌍의 평행면에 대해 경사진 각도로 존재하는, 제2 광 도파관을 포함하는 광학 개구 배율기가 제공되며, 제1 및 제2 광 도파관의 광학 결합 및 부분적으로 반사하는 표면은 제1 및 제2 쌍의 평행면 둘 다에 대해 비스듬한 결합 각도에서 초기 전파 방향으로 이미지가 제1 광 도파관 안에 결합될 때, 이미지는 제2 광 도파관안에 결합되도록 부분적으로 반사하는 표면에서 반사된 이미지의 강도의 비율 및 가시적인 이미지로서 평행면 중 하나로부터 외부로 향하도록 부분적으로 반사하는 표면에서 반사된 이미지의 강도의 비율로 제1 광 도파관을 따라 4-접(4-fold) 내부 반사에 의해 진행한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 평행면 쌍은 제1 면과 제2 면을 포함하고, 제2 평행면 쌍은 제3 면 및 제4 면을 포함하고, 제1 근위 에지(proximal edge)에서 종료되는 제1 면의 단부(end) 및 제2 근위 에지에서 종료되는 제3 면의 단부, 광 도파관에 일체로 형성되거나, 광학적으로 결합되는 결합 반사기 장치를 추가로 포함하는 광학 개구 배율기를 포함하고, 결합 반사기 장치는 (a) 제3 면의 근위 연장으로서 또는 제3 면의 외부에 평행한 반사기로서 배치되고, 제3 면의 폭보다 크고 신장(elongation) 방향에 수직인 폭을 갖는 제1 반사기, 및 (b) 제4 면의 근위 연장부(proximal extension)로서 또는 제4면의 외부에 평행한 반사기로서 배치되고, 제4 면의 폭보다 크고 연신 방향에 수직인 폭을 갖는 제2 반사기를 포함하여, 광 입력 축을 따라 볼 때, 제1 및 제2 근위 에지가 제1 및 제2 근위 에지에 의해 구획된 분명한 도파관 개구와 결합 반사기 장치에서 반사된 제1 및 제2 근위 에지의 이미지를 제공한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 광 입력 축은 제1 및 제2 반사기 모두에 대해 비스듬하다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 결합 반사기 장치는 광 도파관과 일체로 형성되거나 광학적으로 결합되는 결합 프리즘으로서 구현되고, 이 결합 프리즘은 광 입력 축에 일반적으로 수직인 결합 표면을 제공한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 결합 반사기 장치는 광 도파관과 일체로 형성되거나 광학적으로 결합되는 결합 프리즘으로서 구현되고, 이 결합 프리즘은 이미지 투사 장치의 적어도 하나의 광학 소자와 통합된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 광학 소자는 입력 면, 반사기 면, 내부 경사 빔-분할 소자 및 출력 이미지 전파의 주 방향에 일반적으로 직교하는 출력 면을 포함하고, 결합 반사기의 제1 및 제2 반사기의 적어도 일부는 출력 면의 평면을 가로질러 연장된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 결합 반사기 장치는 광 도파관과 일체로 형성되거나 광학적으로 결합되는 결합 프리즘으로서 구현되고, 결합 프리즘은 분명한 도파관 개구상에 충돌하도록 제1 및 제2 반사기 중 하나에 수직인 광학 축을 따라 입력된 반사 광에 대한 경사 반사 표면을 제공한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 분명한 도파관 개구와 완전히 중첩되도록 광 입력 축을 따라 무한대로 시준된(collimated) 이미지를 투사하도록 배치된 이미지 프로젝터가 또한 제공된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 이미지 프로젝터와 결합 반사기 장치 사이의 광 경로에 삽입된 탈편광자 소자가 또한 제공된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 광 도파관은 제2 광 도파관의 단부 표면에 광학적으로 결합되고, 이 단부 표면은 제3 평행 면 쌍 사이에서 연장된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 단부 표면은 제3 평행 면 쌍에 직교한다. 본 발명의 실시예의 다른 특징에 따르면, 단부 표면은 제3 평행 면 쌍에 비스듬하게 경사진다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제2 도파관의 부분 반사면은 평행선 세트에서 제3 평행 면 쌍 중 첫 번째를 교차하며, 단부 표면은 에지를 따라 제3 평행 면 쌍 중 첫 번째와 만나고, 이 에지는 평행선 세트에 평행하지 않다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 광 도파관은 제3 평행 면 쌍중 하나에 광학적으로 결합된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 도파관의 부분 반사 표면은 제1 평행 면 쌍과 제2 평행 면 쌍 모두에 대해 비스듬한 각도로 존재한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 및 제2 평행 면 쌍으로부터의 적어도 하나의 면은 유전체 물질의 층으로 코팅되어 유전체 거울을 형성한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 광 도파관의 면 중 하나는 제1 광 도파관이 제2 광 도파관과 광학적으로 결합하는 결합 면이고, 제1 도파관의 다수의 부분 반사 표면은 중첩 관계로 있어서, 결합 면상에 주요 이미지 전파 방향을 따른 부분 반사 표면의 기하학적 투사시, 프로젝션 내에 놓이는 영역의 대부분이 부분 반사 표면 중 적어도 둘의 프로젝션 내에 포함된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 제1 도파관과 연관되고 제1 확산 각도 방향을 구비한 제1 이미지를 제1 도파관안으로 도입하도록 배치된 이미지 투사 장치가 또한 제공되며, 4-접(four-fold) 내부 반사는 각각 제2, 제3 및 제4 확산 각도 방향을 갖는 제2, 제3 및 제4 공액 이미지(conjugate image)를 발생시키고, 제1 광 도파관의 다수의 부분 반사 표면은 부분 반사 표면에 제1 범위의 각도 내에서 입사하는 이미지의 광선에 실질적으로 투명하게 되도록 코팅되고 제2 범위의 각도 내에서 입사하는 이미지의 광선까지 부분적으로 반사하며, 제1 확산 각도 방향 및 다수의 부분 반사 표면의 기울어진 각도는 4개의 공액 이미지 중 3개에 대한 확산 각도 방향이 제1 범위의 각도내에서 다수의 부분 반사 표면상에 모두 입사하고 4개의 공액 이미지 중 오직 하나에 대한 확산 각도 방향이 제2 범위의 각도 내에서 다수의 부분 반사 표면상에 입사하도록 선택된다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따라, (a) 신장(elongation) 방향을 갖는 광 도파관으로서, 광 도파관은 제1 면 및 제2 면을 포함하는 제1 평행 면 쌍, 및 제3 면 및 제4 면을 포함하는 제2 평행 면 쌍을 포함하고, 평형 면 쌍들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 제1 면의 단부는 제1 근위 에지에서 종료되고 제3 면의 단부는 제2 근위 에지에서 종료되는, 광 도파관; 및 (b)광 도파관과 일체로 형성되거나 광 도파관과 광학적으로 결합된 결합 반사기 장치를 포함하는 광학 개구 배율기가 제공되며, 결합 반사기 장치는 : (ⅰ) 제3 면의 근위 연장으로서, 또는 제3 면에 평행이고 외부에 있는 반사기로서 배치되고, 제3 표면의 폭보다 큰 신장 방향에 수직인 폭을 갖는 제1 반사기, 및 (ⅱ) 제4 면의 근위 연장으로서, 또는 제4 면에 평행이고 외부에 있는 반사기로서 배치되고, 제4 표면의 폭보다 큰 신장 방향에 수직인 폭을 갖는 제2 반사기를 포함하여, 광 입력 축을 따라 볼 때, 제1 및 제2 근위 에지는 제1 및 제2 근위 에지에 의해 경계가 정해진 분명한 도파관 개구 및 결합 반사기 장치에서 반사된 제1 및 제2 근위 에지의 이미지를 제공한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 광 입력 축은 제1 및 제2 반사기 모두에 대해 비스듬하다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 결합 반사기 장치는 광 도파관과 일체로 형성되거나 광 도파관에 광학적으로 결합된 결합 프리즘으로서 구현되고, 이 결합 프리즘은 광 입력 축에 일반적으로 수신인 결합 표면을 제공한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 광 입력 축을 따라 무한대로 시준된 이미지를 투사하도록 배치되어 분명한 도파관 개구와 완전히 중첩시키는 이미지 프로젝터가 제공된다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 이미지 프로젝터와 결합 반사기 장치 사이의 광학적 경로에 삽입된 탈편광자 소자(depolarizer element)를 추가로 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따라, (a) 신장 방향을 갖고, 직사각형 단면을 형성하는 제1 및 제2 평행 면 쌍을 갖는 제1 광 도파관으로서, 다수의 부분 반사 표면은 제1 광 도파관을 적어도 부분적으로 횡단하고(traverse), 부분 반사 표면은 신장 방향에 비스듬한 각도로 있고, 제1 광 도파관의 다수의 부분 반사 표면은 부분 반사 표면에 대해 제1 각도 범위내에서 입사하는 광선에 실질적으로 투명하게 하고 제1 각도 범위내에서 입사하는 광선에 부분적으로 반사하게 하도록 코팅되는, 제1 광 도파관; (b) 제1 도파관과 연관되고 제1 확산 각도 방향으로 제1 이미지를 제1 도파관 안으로 도입하도록 배치되는 이미지 투사 장치로서, 제1 이미지는 제1 광 도파관을 따라 4-접(four-fold) 내부 반사에 의해 전진하여, 각각 제2, 제3 및 제4 확산 각도 방향을 갖는 제2, 제3 및 제4 공액 이미지를 발생시키며, 제1 확산 각도 방향 및 다수의 부분 반사 표면의 비스듬한 각도는 4개의 공액 이미지 중 3개에 대한 확산 각도 방향이 제1 각도 범위 내에서 다수의 부분 반사 표면상에 입사하고 4개의 공액 이미지 중 오직 하나에 대한 확산 각도 방향이 제2 각도 범위 내에서 다수의 부분 반사 표면상에 입사하도록 선택되는, 이미지 투사 장치를 포함하는 광학 개구 배율기가 제공된다.
직사각형 도파관을 포함하는 광학 개구 배율기를 제공한다.
도1a 및 1b는 각각 본 발명의 일 실시예의 교시에 따라 구성되고 동작할 수 있는 광학 개구 배율기의 개략적인 측면 및 전면도이다.
도2a 및 2b는 도1a 및 1b의 광학 개구 배율기로부터 도파관의 부분 반사 내부 파셋들(facets)에 대해 전파하는 이미지 광선의 두 가지 가능한 기하학적 구조를 도시하는 개략도이다.
도3은 도1a 및 1b의 광학 개구 배율기의 내부 파셋들과 다양한 반사된 이미지 사이의 각도 연관성의 개략적인 2차원적 투사이다.
도4a 내지 4d는 도1a 및 1b의 다양한 공액 이미지와 광학 개구 배율기에 대한 내부 파셋들에서의 반사 사이의 상호관계를 나타내는 개략적인 등각 투사도이다.
도5a 내지 5d는 도파관의 다양한 초기 광선 방향 및 다양한 기하학적 형태에 대해, 도1a 및 1b의 광학 개구 배율기로부터 2D 도파관을 따라 전파하는 공액 이미지의 다양한 광선 사이의 개략적인 관계도이다.
도6은 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 도1a 및 1b의 광학 개구 배율기로부터 2D 도파관에 이미지를 결합시키기 위한 결합 반사기 장치의 개략적인 등각 투사도이다.
도7은 도6의 결합 반사기 장치의 변형된 구현 예이다.
도8a 및 8b는 결합 반사기 장치가 결합 프리즘의 일부로서 구현되는 도6과 동등한 도파관 및 결합 반사기 장치의 상이한 관점에서 본 등각 투사도이다.
도9a 및 9b는 각각 결합 프리즘의 변형 구현예를 나타내는, 도8a 및 8b와 유사한 도면이다.
도10a-10c는 각각 결합 프리즘 및 2D 도파과의 다른 구현예의, 등각 투사도, 상면도 및 측면도이다.
도11, 12 및 13a는 도10a의 결합 프리즘 및 2D 도파관의 또 다른 구현예의 등각 투사도이다.
도13b는 도13a의 결합 프리즘 및 2D 도파관의 상면도이다.
도14a 내지 14c는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 도10a의 결합 프리즘 및 2D 도파관 제조 도중의 3단계의 개략적인 등각 투사도이다.
도15는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 2D 도파관과 이미지 투사 장치의 통합을 도시하는 개략적으로 측면도이다.
도16 및 17은 도15의 통합된 이미지 투사 장치 및 2D 도파관의 두 가지 변형 구현예를 도시하는 개략적인 측면도이다.
도18은 도15-17의 원리의 예시적인 구현예의 3차원 등각 투사도이다.
도19a-19c는 각각 본 발명의 또 다른 구현예에 따르는 2D 도파관과 1D 도파관 사이의 변형 결합 구조를 도시하는, 개략적인 등각 투사도, 측면도, 및 상면도이다.
도20은 도19a-19c의 광학 개구 배율기에 대한 내부 파셋들에서의 반사 민 다양한 공액 이미지 사이의 상호관계를 나타내는 개략적인 등각 투사도이다.
도21a-21c는 본 발명의 교시에 따르는 2D 도파관과 1D 도파관 사이의 결합 구조의 3가지 변형 구현예를 도시하는 등각 투사 측면도이다.
도22a 및 22b는 본 발명의 구현예에 따르는 1D 도파관에 대해 비스듬한 각도로 있는 2D 도파관 사이의 결합 구조의 또 다른 변형 구현예를 각각 도시하는, 개략적인 등각 투사도 및 측면도이다.
도22c 내지 22e는 다양한 변형 구현예를 도시하는 도22b와 유사한 개략적인 측면도이다.
도23은 도1a와 유사하지만 두 도파관 사이에 삽입된 굴절 층을 이용하는 광학 개구 배율기의 개략적인 측면도이다.
도24는 도23의 디바이스에 대한 관련 각도 관계를 도시하는 도3과 유사한 도면이다.
도25a 내지 25c는 두 도파관의 기계적 상호연결을 위한 다양한 구현예를 도시하는 도1a의 것과 유사한 디바이스의 측면도이다.
도25d는 두 도파관의 기계적 상호연결을 위한 구현예를 도시하는 도22e의 것과 유사한 디바이스의 측면도이다.
도26은 제2 도파관에서의 이미지 전파 방향과 제1 도파관 사이의 상대적인 기울기를 도시하는 도1b의 것과 유사한 디바이스의 정면도이다.
도27은 두 세트의 세장형 평행 외부 면에 대해 비스듬하게 경사진 내부 부분 반사 파셋들을 구비한 2D 도파관의 구현예를 도시하는 개략적인 등각 투사도이다.
도28 및 29a는 각각 제1 및 제2 내부 파셋 방향으로 도27의 2D 도파관을 이용하는 디바이스의 두 개의 예시적인 구현예에 대한 기하학적 각도 관계를 도시하는 도3과 유사한 도면이다.
도29b는 도29a의 구현예에 따르는 2D 도파관내에서의 이미지 전파 각도의 개략적인 등각 투사도이다.
도30은 균일성 개선을 제공하기 위해 하나의 인접한 도파관과 중첩하는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 도파관의 개략적인 정면도이다.
도31a 및 31b는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 이미지 균일성에 대한 내부 파셋 간격 변화의 영향을 도시하는 도파관의 개략적인 도면이다.
도31c는 이미지 균일성을 개선하기 위한 다중-경로 구현예를 도시하는 도1b의 것과 유사한 시스템의 정면도이다.
도32a 및 32b는 도1b의 것과 유사한 시스템의 두 개의 또 다른 변형 다중-경로 구현예이다.
도33a는 낮은 각도의 입사 광선을 선택적으로 반사시키도록 코팅된 내부 파셋들을 이용하는 도1b와 유사한 디바이스의 또 다른 구현예의 개략적인 정면도이다.
도33b는 도33a의 광학 개구 배율기의 내부 파셋들과 다양한 반사된 이미지 사이의 각도 관계를 도시하는 도3과 유사한 도면이다.
도33c는 도34a의 디바이스에 사용되는 코팅된 파셋들에 대한 S 및 P 편광된 방사선에 대한 반사성의 각도 의존성을 예시하는 그래프이다.
도34a 내지 34e는 본 발명이 일 양태에 따르는 2D 도파관과 결합 프리즘의 제조 단계에서의 순서를 도시하는 개략적인 등각 투사도이다.
도35a 및 35b는 직접 관찰되는 장면의 투과도의 강도에 대한 본 발명의 일 실시예의 잠재적인 영향을 각각 도시하는 개략적인 정면 및 측면도이다.
도35c 및 35d는 본 발명의 또 다른 양태에 따르는 투과도 강도 수정을 도시하는 도35a 및 35b와 유사한 도면이다.
본 발명은 직사각형 도파관을 포함하는 광학 개구 배율기이다.
본 발명에 따르는 광학 개구 배율기의 원리 및 동작은 도면 및 첨부된 설명을 참고로 이해될 수 있을 것이다.
도면을 살펴보면, 도1a 내지 35는 본 발명의 특정 싱시예에 따라 구성되고 동작하는 광학 개구 배율기의 다양한 양태를 도시한다. 일반적인 용어에서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 광학 개구 배율기는 여기에 "x-축"에 대응하는 것으로 임의로 도시된 신장 방향을 갖는 제1 광 도파관(10)을 포함한다. 제1 광 도파관(10)은 직사각형 단면을 형성하는 제1 및 제2 쌍의 평행면(12a, 12b, 14a, 14b)을 갖는다. 본 발명의 특히 바람직한 특정 실시예에 따르면, 여기에서 "파셋(facets)"이라고 불리는, 다수의 내부 부분 반사 표면(40)은 적어도 부분적으로 제1 광 도파관(10)을 신장 방향으로 비스듬한 각도(즉, 평행도 아니고 수직도 아닌)로 가로지른다.
광학 개구 배율기는 또한 바람직하게는 제1 광 도파관(10)과 광학적으로 결합되고, 평판형(slab-type) 도파관을 형성하는 제3 쌍의 평행면(22a, 22b)을 갖는, 제2 광 도파관(20)을 포함하는데, 즉, 도파관의 다른 두 차원(dimension)은 제3 쌍의 평행면(22a, 22b) 사이의 거리보다 적어도 큰 크기의 순서이다.
도파관 사이의 광학적 결합, 및 다수의 반사 표면(40, 45)의 배치 및 구성은, 이미지가 제1 및 제2 쌍의 평행면(12a, 12b, 14a, 14b) 모두에 비스듬한 결합 각도에서 초기 전파 방향(30)으로 제1 광 도파관(10) 안에 결합될 때, 이미지는 부분 반사 표면(40)에서 반사된 이미지의 강도의 비율로 제1 광 도파관(10)을 따라 4-접(four-fold) 내부 반사(이미지(a1, a2, a3, a4) 만큼 전진하여 제2 광 도파관(20) 안에 결합된 다음, 사용자의 눈(47)으로 보이는, 가시 이미지(c)로서 평행 면 중 하나로부터 외부로 향하도록 부분 반사 표면(45)에서 반사된 이미지의 강도의 비율로 제2 광 도파관(20) 내의 2-접(two-fold) 반사(이미지(b1, b2))를 통해 전파한다.
도1a 및 1b를 더욱 구체적으로 살펴보면, 이것은 상기 설명의 일 구현예의 첫번째 실례를 나타낸다. 제1 도파관(10)은 두 세트의 평행 면사이의 반사에 의해 두 차원(dimension)으로 투입된 이미지를 안내한다는 점에서 2D 도파관으로서 불리지만, 제2 도파관(20)은 한 쌍의 평행 면 사이의 오직 한 차원으로 투입된 이미지를 안내하는 1D 도파관으로 불린다. 광학 이미지 발생기(도시되지 않음)로부터의 광속(light beam)은 제1 도파관(102) 안으로 비스듬하게 투입된다. 결과적으로, 광은 도1a의 측면도에 도시된 바와 같이 도파관의 네 개의 외부 면 전부로부터 반사되는 동안 도파관(10)을 따라 전파된다. 이 과정에서, 면들에 의해 내부적으로 반사되는 것과 동일한 이미지를 나타내는 네 개의 공액 빔 벡터(a1, a2, a3, a4)가 생성된다.
도파관(10) 안으로 투입되는 빔(30)의 각도는 이 도파관의 네 개의 내부 면 모두로부터 반사되도록 설정된다. 이 광속은 제1 도파관(10)의 바닥면(12b), 즉 제2 도파관(20)에 인접한 면으로부터, 낮은 각도로 반사되어야 하고, 제1 도파관(10)으로터 제2 도파관(20)으로 가파른 각도로 전파되어야 한다. 이 속성은 전체 내부 반사에 의해 또는 광학적 코팅에 의해 달성될 수 있다. 회절 패턴은 동일한 표면상의 회절과 투과를 결합함으로써 이 광학 속성을 수행할 수 있다. 제1 도파관(10)의 다른 3개의 면(12a, 14a, 14b)로부터의 반사는 동일한 방식으로 또는 반사 코팅을 사용하여 발생할 수 있다.
제1 도파관(10) 내에서 안내된 광속의 일부(예를 들어 a1 및 a2)는 제2 도파관(20)의 입력 결합 표면상에 하방으로 내부 평행 부분 반사기(파셋, 40)에 의해 반사된다. 제2 도파관(20)에서, 이 광속들은 b1 및 b2로 규정된다.
광속(b1 및 b2)은 외부 면에 의해 반사되고 결합하게 되는데, 즉, 광속(b1)은 반사되어 광속(b2)이 되고 반대로 광속(b2)은 반사되어 광속(b1)이 된다(도1a에 도시된 바와 같이). 제1 도파관(10)의 외부 전방 및 후방 면(14a, 14b)은 서로에 대해, 및 이 구현예에서 제2 도파관(20)의 대응하는 외부 면(22a, 22b)에 대해 평행이어야 한다. 평행으로부터 벗어남은 결합된 이미지(b1 및 b2)가 정확한 공액 이미지가 되지 않게 할 것이며, 이미지 품질은 저하될 것이다.
제2 도파관(20)내의 외부 파셋(45)은 광속(b2)을 도파관 외부로 및 관찰자(47)의 눈 안으로 반사한다.
도파관(10 및 20)의 내부 파셋에 의한 반사 과정은 도2a 및 2b에서 추가로 설명된다. 두 개의 기본 구성이 그려져 있으며, 광속 및 파셋의 상대 각도에 의해 구별된다. 이 개략적인 도면에서, 해당 도파관의 측면도로부터 관찰되는 것처럼 동일한 기하학적 고려사항이 각각 적용되기 때문에 광속(a1, a2, b1)은 동일한 벡터(기준은 오직 b1일 것이다)로 도시된다. 광속(a3, a4, b2)도 동일한 벡터(기준은 오직 b2일 것이다)로 도시된다.
광속(b2)은 실제로는 도2a에서 두 개의 벡터로 도시된 것처럼 동일한 방향으로 전파하는 광선 다발이다. 이 경우, 하나의 벡터는 외부면에 의해 반사되어 b1이 되어 내부 파셋(40)(또는 파셋(45)) 상에 놓이고 그 중의 일부는 c1으로 반사된다. 다른 b2 벡터는 파셋에 의해 벡터 c2로 직접 반사된다. 벡터들(c1 및 c2)은 반드시 이 순서대로 정상 이미지(normal image) 및 고스트 이미지(ghost image)를 나타내지는 않는다. 이 구성에서, b1 및 b2는 동일한 측면으로부터 파셋(45)상에 충돌한다.
덧붙여서, 이미지가 광속으로 표현되는 어디에서든, 광속은 이미지의 샘플 광속이며, 일반적으로 이미지의 점 또는 픽셀에 각각 대응하는 약간 다른 각도로 다중 빔으로 형성된다는 것을 주목해야 한다. 특별히 이미지의 말단이라고 언급되는 경우를 제외하고, 도시된 광속은 일반적으로 이미지의 중심이다.
도2b는 본질적으로 동일한 과정이지만 b1 및 b2가 대향 측면으로부터 파셋(40(또는 45))상에 충돌하는 기하학적 구조를 설명한다.
두 경우, S 및 P 편광의 이미지(c1 및 c2)에 대한 반사의 크기는 이 파셋 상의 코팅에 의해 결정된다. 바람직하게는 하나의 반사는 이미지이고 나머지 하나는 그것이 원치않는 "고스트" 이미지에 해당하기 때문에 억제된다(suppressed). 어느 범위의 입사 빔 각도가 반사되고 어느 범위의 입사 빔 각도가 투과되는지를 컨트롤하기 위해 적합한 코팅은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명에 공동양도된, 미국특허 제93911573호 및 제7457040호에 상세하게 설명된 것을 알 수 있다.
"고스트" 이미지가 메인 또는 공액 이미지(c1 및 c2 중첩)와 중첩되지 않도록 시스템을 디자인하는 것이 특히 바람직하다. 도파관 내의 이미지 전파를 위한 TIR(total internal reflection, 내부 전반사) 조건을 유지하는 동시에 고스트-오버랩을 피하면서 빔의 적합한 각도를 디자인하는 과정은 도3에서 설명된다. 이 도면은 이 발명의 현재 추가적인 실시예 이후로 추가로 사용될 개략적인 표현을 도입한다.
따라서, 도3은 직선 축을 따르는 거리에서 회전이 도시되는 도파관(10 및 20)의 기하학적 형상의 투사을 도시한다. 도표는 따라서 직교좌표의 구면 좌표계를 나타낸다. 이 표현은 다양한 왜곡을 가져오고, 상이한 축을 따르는 변위(displacements)는 비-교환적이다(상이한 축에 대한 회전의 특성처럼). 그럼에도 불구하고, 이 도표 형태는 설명을 단순화하기 위해 발견되었으며 시스템 디자인을 위한 유용한 도구를 제공한다. 설명을 위해, X, Y, 및 Z 축을 따르는 방향은 한 번의 회전 순서에 따라 표시된다.
큰 원은 도파관의 다양한 외부 면의 임계 각도(내부 전반사(TIR)의 경계)를 나타낸다. 따라서, 원 밖의 한 점은 TIR에 의해 반사될 빔의 각도 방향을 나타내지만, 원 안의 한 점은 면을 통과하여 도파관 밖으로 투과될 빔을 나타낸다. 원(57 및 59)은 도파관(10)의 전방 및 후방 외부 면(14a 및 14b)의 임계각도 및 도파관(20)의 전방 및 후반 외부 면(22a 및 22b)의 임계 각도를 나타낸다. 마주보는 파셋의 원 사이의 "거리"는 180도이다. 원(61 및 63)은 도파관(10)의 상단 및 하단 외부 면(12a 및 12b)의 임계 각도를 나타낸다. 일점 쇄선(doted-dashed line, 65 및 67)은 도파관의 이 외부 면들의 방향을 나타낸다.
전술된 바와 같이, 내부 반사를 경험하는 동안 도파관 안으로 이미지가 주입된다. 이어지는 예에서, 모든 반사는 TIR 기반이며, 따라서 주입된 이미지(a1)는 도3에서 임의의 원 밖에 존재하는 것으로 도시된다. 각도 공간의 사각형 이미지는 사각형 형상을 갖는다.
이미지(a1)가 도파관(10)의 외부 면(12a, 12b, 14a, 14b)으로부터 반사되면(방향 65 및 67로 표시됨), a2, a3, a4로 배가되어(multiplied) a1으로 돌아간다(네 개의 구부러진 실선에 의해 개략적으로 표시됨). 모든 이미지의 반사는 이미지 자체와 동일하지만, 다른 한편으로는 반사 각도가 입사 각도와 동일하다는 광학 원리에 따라, 각각의 면(선 65 및 67)으로부터의 각도 "거리"를 갖는다.
내부 파셋(40)의 배향(orientation)(도1b의)은 여기에서 파셋의 각도 경사에 따라 배치되는 선(70)으로 그려진다. 이미지(a1 또는 a2)가 파셋(70)(40)을 만나면, 이미지(a1 또는 a2)는 이미지(b1, b2)에 각각 파선 화살표로 그려진 바와 같이 선(70)으로부터 맞은편의 동일한 각도 거리까지 반사된다.
b1 및 b2는 제1 도파관(10)의 하단 외부 면의 임계 각 경계(61) 내에 존재하기 때문에, 이 도파관으로부터 분리되고 제2 도파관(20) 안에 결합될 것이다.
이미지(b1 및 b2)가 도파관(20) 내에서 전파되면 각도 배향성(67)을 갖는 전방 및 후방 외부 면(22a 및 22b)으로부터의 반사에 의해 상호 교환된다(반사는 곡선형 실선의 이중 화살표로 그려짐).
마지막으로, 이미지(b1)는 배향(72)에서 내부 파셋(45)을 만나고(도1a) 이미지(c)로 반사된다. 이미지(c)는 임계 각도 원(57)내에 존재하기 때문에, 제2 도파관(20)으로부터 분리되어 눈(도1a의 47)에 결합된다.
이 모든 구성에서, 이렇게 교차하는 것은 "고스트" 이미지가 정상 이미지에 중첩되게 하기 때문에, 내부 파셋(70 및 72)의 각도는 이미지의 각도 형상(정사각형)을 교차하지 않아야 한다.
이미지(c)는 도3에 예시된 바와 같이, 도파관(20)에 대해 임의의 각도로(반드시 수직일 필요는 없다) 빠져나오도록(emerge) 설계될 수 있는데, c는 z 방향의 중심에 있지 않다.
파셋(40 및 45)에는 바람직하게는 낮은 각도 이미지(a3, a4, b2)를 각각 감소시키거나 실질적으로 제거하는, 전술된 바와 같은, 코팅이 제공된다.
도3에 도시된 계산 과정은 표현의 용이성 및 명확성을 위한 2D 직교 좌표계로 개략적으로 도시되어 있다. 최종적인 정확한 디자인의 시스템은 도4a 내지 4d에 도시된 바와 같이 구면 좌표계에서 수행된다. 도4a는 이미지 a1 내지 a4 사이의 결합을 나타낸다. 도4b는 파셋(40)상의 반사에 의해 a1을 b1에, a2를 b2에 결합하는 것을 도시한다. 도4c는 제2 도파관(20)에서 b1과 b2 사이의 결합을 나타낸다. 도4d는 파셋(45)상의 반사에 의해 b1으로부터 c로 결합하는 것을 나타낸다.
도파관(10) 내의 내부 반사 도중에, 도5a 내지 5d에 도시된 바와 같이 라운드트립(roundtrip) 당 모든 차원(y 또는 z)에서 임의의 수의 반사가 존재할 수 있다. 도5a는 외부 면 당 하나의 반사를 묘사한다. 이 상태에서 b1은 a1에 의해 시작된다. 그러나, 상이한 이미지 필드의 다양한 광속은 상이한 각도를 갖기 때문에, 결국 반사의 배향은 빔이 도파관(10)의 x 축을 따라 전파할 때 변경될 수 있다. 도5b는 a2에 의해 생성되는 b2로 결과를 이끌어낼 수 있는 상이한 배향을 나타낸다. 따라서, 모든 디자인에서 b1 및 b2의 생성이 모두 가정되어야 한다. 도파관(10)의 종횡비는 도5c에 그려진 바와 같이 외부 파셋 당 한번 이상의 반사를 갖도록 디자인될 수 있다. 상이한 필드 각도에 대해, 반사의 배향은 도5d에 도시된 바와 같이 변할 수 있다. 실제로, 본 발명의 어떤 특히 바람직한 구현예는 이하 논의되는 바와 같이, 경로 중 하나를 억제하도록 특별한 주의사항이 취해지는 경우를 제외하고, 두 이미지(a1 및 a2)는 항상 결합 해제되어(out-coupled) b1 및 b2를 만들도록, 도파관(10)이 모든 네 개의 공액 이미지(a1-a4)로 체적적으로(volumetrically) 채워지도록 보장한다.
도파관(10 및 20)의 외부 면과 내부 파셋에 의한 조합된 반사는 원래 주입된 개구를 x 및 y 차원 모두로 연장시킨다. 도파관(10)은 x 차원으로 개구를 연장시키고 도파관(20)은 y 차원(도1b에서처럼 표시되는 축)으로 개구를 연장시킨다. 제1 도파관(10)의 개구 연장은, 이하 모두 상세히 논의되는 것처럼, 바람직하게는 이미지로 도파관을 채우고 도파관의 길이를 따라 연속적인 방식으로 파셋을 거쳐 도파관 밖으로 이미지를 결합함으로써 달성된다.
커플링-인 장치(coupling-in arrangements)
연장된 개구를 가로질러 균일한 강도를 획득하기 위해, 빔의 주입된 추기 개구는 균일해야 하고 도파관을 "채워야(fill)" 한다. 용어 "채우다(fill)"은 이미지의 각각의 점(픽셀)에 해당하는 광선이 도파관의 전체 단면을 가로질러 존재한다는 것을 표시하기 위해 이 문맥에서 사용된다. 개념적으로, 이 속성은, 도파관(10)이 임의의 점에서 횡방향으로 절단된 경우, 및 핀홀(pinhole)을 구비한 투명 시트가 절단 단부상에 배치되는, 핀홀은 단면을 가로질러 어디든지 배치될 수 있으며 완전한 투사 이미지를 야기할 것이라는 것을 의미한다. 실제로, 2D 도파관(10)에 대해, 4개의 완전한 이미지(a1, a2, a3, a4)의 투사를 초래하고, 그 중 a2 및 a4는 반전된다(inverted).
입력된 이미지로 도파관을 채우는 것을 보장하기 위해, 약간 큰 크기의 입력 이미지는 도파관으로 들어갈 때의 크기로 잘려야(trim) 한다. 이것은 배가된(multiplied) 인접 구경이 한편으로는 중첩되지 않으며 다른 한편으로는 간극을 갖지 않도록 보장한다. 자르기(trimming)는 광속이 도파관 안에 주입될 때 수행된다.
제1 도파관(10)에 효과적인 이미지 커플링-인을 달성하기 위한 다수의 구성이 도6 내지 13b에 도시된다. 먼저 도6 및 7을 참조하면, 이들은 제1 도파관(10)을 균일하게 채우기 위해 입력 이미지를 자르기 위한 커플링-인 장치의 자유-공간 거울 구현 예를 개략적으로 도시한다. 이 경우, 면(12a)은 제1 근위 에지(16a)에서 종료되고 면(14a)은 제2 근위 에지(16b)에서 종료된다. 도파관을 완전히 채우기 위해, 광학 개구 배율기가 제1 도파관(10)과 일체로 형성되거나 제1 도파관(10)과 광학적으로 결합되는 결합 반사기 장치를 포함하는 것이 본 발명의 특정 실시예의 특히 바람직한 특성이다. 결합 반사기 장치는 표면(12b)의 폭보다 큰 신장(elongation)의 방향에 대해 수직인 폭을 갖는, 면(12b)의 근위 연장으로서(도6), 또는 면(12b)에 평행이고 외부의 반사기로서(도7) 배치된 제1 반사기(18a)를 포함한다. 결합 반사기 장치는 또한 표면(14b)의 폭보다 큰 신장의 방향에 대해 수직인 폭을 갖는, 면(14b)의 근위 연장으로서(도6), 또는 면(14b)에 대해 평행이고 외부의 반사기로서 배치된 제2 반사기(18b)를 포함한다. 이 결합 반시가 장치의 결과로서, 이미지가 도입되는 광 입력 축을 따라 볼 때(도6 및 7의 관점), 제1 및 제2 근위 에지(16a 및 16b)는 물리적 개구의 4배(2x2)인 외관상(apparent) 개구에 전체적으로 해당하는, 제1 및 제2 근위 에지 및 결합 반사기 장치에서 반사된 제1 및 제2 근위 에지의 이미지들에 의해 경계가 지어진 외관상 도파관 개구를 제시한다. 결합 반사기기 도파관의 면들에 대해 외부에 놓이는 경우, 외관상 개구는 물리적 개구 자체로부터 약간 이격된 물리적 개구의 3개 이미지로 구성되며, 각각의 개구는 물리적 개구의 4개 에지 모두에 의해 만들어진다. 이것은 개구 사이의 "공간"에서 떨어지는 이미지 강도로 인해 약간 비효율적이지만, 개구를 채우는 것은 여전히 달성된다.
여기에 도시된 바와 같은 하나의 바람직한 기하학적 구조에서, 광 입력 축은 제1 및 제2 반사기(18a 및 18b) 모두에 대해 비스듬하다. 이 도면들에서 분명히 볼 수 있듯이, 반사기가 도파관의 것보다 큰 차원을 갖도록 하는 요구사항은 여기에서 이미지의 클리핑 및 도파관의 불완전한 채움이 발생하지 않도록 보장하기 위해 요구된다. 이 방식으로, 도파관은 그 전체 단면을 가로질러 모두 4개의 이미지로 확실하게 채워진다.
자유 공간 거울의 사용이 일부 경우 실현 가능하지만, 도파관(10)과 일체로 형성되거나 광학적으로 결합된 결합 프리즘으로서 결합 반사기 장치를 구현하는 것이 일반적으로 유리하며, 제1 및 제2 반사기(18a 및 18b)는 결합 프리즘(91)의 면에 의해 제공된다. 결합 프리즘의 다른 면은 바람직하게는 이미지가 도입되는 광 입력 축에 일반적으로 수직인 결합 표면을 제공한다. 이러한 장치의 예는 도8a 내지 8b 및 9a 내지 9b에 도시되어 있으며, 도8a 내지 8b는 도6와 기하학적으로 동일하고 도9a 내지 9b는 도7과 기하학적으로 동일하다. 이 경우, 도파관(10)의 근위 "에지"는 도파관 표면과 결합 프리즘의 교차에 의해 규정된 에지이다. 이 경우, 다른 인접하는 표면은 바람직하게는 그 근위 에지 외부로 떨어지는 광이 도파관에 들어가지 않는 방향으로 반사(또는 투과)될 수 있도록 외부로 경사진다. 선택적으로, 빗나간(stray) 방사선이 원하지 않는 위치에 도달하는 것을 추가로 막기 위해 이 표면들에 흡수성 물질이 도포된다.
커플링-인 기하구조의 또 다른 예는 도10a 내지 10c에 도시되어 있으며, 도파관에 대한 이미지의 커플링-인 도중에 샘플 파면의 진행을 더욱 상세하게 설명한다. 이 경우, 빔(30)은 도10b에 도시된 바와 같이, x-축을 따라 측정될 때 임의의 초기 개구 측방향 차원(81)을 가지고 주입된다. 이 개구의 전방 단부는 빔이 도파관에 들어갈 때 제1 근위 에지(16a)에 의해 잘린다. 입사 도중에 일 측면상에서 잘라진 빔 개구는 대향하는 결합 반사기(18a) 및/또는 그 연속 면(12b)에 의해, 그 후방 측면이 동일한 제1 근위 에지(16a)에 의해 한번 더 잘리는, 전방 면(12a)으로 반사된다. 도파관을 따라 빔이 전파될 때, 그 개구(84 및 88)는 이제 중첩 또는 간극 없이 인접하여, 도파관을 채운다.
본 발명의 특히 바람직한 구현예에 따르면, 빔 개구의 제2 차원은 제2 근위 에지(16b)에 의해 동시에 잘린다. 근위 에지(16a 및 16b)의 상대적인 배향은 중요하지 않다. 예를 들어, 도10 내지 10cc에서 에지(16a)가 종방향 x-축에 대해 경사진 것으로 도시되어 있지만, 근위 에지(16a 및 16b)가 종방향 x-축에 대해 모두 수직인 도11에 도시된 다른 기하학적 형태는 일부 경우 제작이 단순화된다. 두 근위 에지(16a 및 16b)는 바람직하게는 코너에서 교차하지만, 광학이 충분히 넓어서 금의 에지(16a 및 16b) 및 그 반사에 의해서만 트리밍이 수행되는 한 필수적인 것은 아니다. 교차하지 않는 예는 도12에 도시되어 있다.
제1 차원에서의 자르기는 도10b를 참고로 하여 제1 차원에 대해 기재되는 것과 동일한 방식으로 발생한다. 따라서 도10c에서, 초기의 잘리지 않은 투사 이미지 개구는 x-축을 따라 측정될 때 초기 개구 수직 차원(92)을 갖는다. 섹션(91)으로부터 도파관(10) 안으로 경사져서 들어갈 때, 그 전방은 제2 근위 에지(16b)에 의해 잘린다. 빔(92)이 대향 외부 면(14a) 및/또는 그 연속부로부터 반사된 후, 그 뒤쪽은 또한 적절한 크기(94)로 제2 근위 에지(16b)에 의해 잘린다. 결과적으로, 이 차원을 따르는 모든 반사된 개구는 또한 인접해 있다. 두 차원으로의 이 트리밍의 전체적인 결과는 도파관(10)이 반드시 모든 네 개의 이미지/공액 이미지(a1-a4)로 채워져서, 두 차원을 따라 개구의 연속적인 중단없는 연장을 용이하게 한다는 것이다.
끝(stop)(16a, 16b)은 흡수 물질 또는 굴절 물질(프리즘 또는 코팅과 같은)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 도10 내지 13에서, 진입 광을 분산시키는 역할을 하는 도파관의 입구에서 계단 형태로 그려져 있다.
결합 프리즘(91)은 도파관(10)과 일체로 또는 두 부품을 공지의 기술로 부착함으로써 제조된다. 이 부품들을 부착하기 위한 특정의 특히 바람직한 접근방법은 이하 추가로 설명될 것이다.
앞서 지적한 바와 같이, 도파관(10)안에 결합된 이미지의 광 축은 두 세트의 평행한 면에 대해 비스듬하게 경사진다. 그러나, 예를 들어, x-축에 수직인 광 축을 따라 입력된 광을 반사하도록 배치되어 외관상의 도파관 개구상에 부딪히도록 결합 프리즘(91)의 비스듬한 반사 표면(91a)에서의 추가적인 반사 입력처럼, 이것은, 이미지 전파의 필요한 각도는 다른 광학 부품에 의해 달성될 수도 있기 때문에, 반드시 이미지 프로젝터의 비스듬한 배향을 필요로 하지는 않는다.
이러한 옵션은 도13a 및 13b에 도시되어 있으며, 여기에서 비스듬한 반사 표면(91a)이 백 미러(back mirror)를 제공한다. 도13b에 도시된 바와 같이, 임의의(대형) 개구(81)는 16a에 의해 다듬어지는 동안 반사 표면(91a)에 의해 반사되도록 도파관안으로 들어간다. 한 번의 반사(82) 후, 개구의 후방 측은 동일한 에지(16a)에 의해 다듬어진다.
개구(81)의 나머지 빛은 두 가지 메커니즘을 사용하는 에지(16a)에 의해 다듬어진다 : 입구에서, 나머지 광은 전파를 계속하고 에지(16a) 너머로 외부로 투과하지만, 반사(82에서 84로) 후 파면의 후방 측은 에지의 우측에 있고 따라서 TIR 외부 또는 관련 이미지의 외부에 경사지게 91a에 의해 한번 더 반사된다.
에지(16b)는 다른 차원에서 이전처럼 수직 축을 다듬기를 계속한다. 선택적으로, 미러(91a)는 두 축에 대해서 기울어져서 입력 이미지(30)가 도파관의 한 면에 수직일 때 이미지의 원하는 전파 방향을 생성하도록 한다. 따라서, 요약하면, 원하는 각도로 도파관에 이미지/빔을 결합하는 것은 프리즘, 도파관의 전방, 후방 또는 내부에 배치된 미러, 또는 다른 공지된 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 모든 방법은 기재된 이중-정지 구조가 존재하는 한 실현 가능하다.
연장된 개구를 가로질러 균일한 강도를 달성하기 위해, 트리밍 에지(16a 및 16b)는 최소 편차 및 산란을 구비한 깨끗한 에지이어야 하는 것이 바람직하다. 접착제 또는 다른 교란 요소의 잔류물은 균일성의 열화를 초래할 수 있다. 도14a 내지 14c는 깨끗한 트리밍 에지(또는 다른 응용예에서는, 연속적인 외부 표면)의 구성을 용이하게 하는, 광학 소자가 결합되는 다른 상황에서도 적용할 수 있는, 본 발명의 추가 양태를 도시한다. 도파관(10)의 관련 외부 면(12a 및 14b)은 먼저 반사성 또는 보호성 코팅(1610)에 의해 코팅된다. 다음으로 도파관(10)의 에지는 필요한 트리밍 에지(1630)에 따라 연마되고(polished) 마지막으로 프리즘(1640)이 부착된다. 이 부착에서, 두 면(도시된 바와 같은 모양의 후방 측상의)은 이 면들의 연속으로서 결합 반사기를 제공하기 위해 도파관의 외부 표면의 정확한 연속이어야 한다. 이 면들이 연속적이지 않으면, 반사성 코팅(1610)은 바람직하게는 대향 면(12b 및 14a)도 또한 바람직하게 덮어야 한다. 이 접근법은 1D 도파관을 구비한 시스템과도 연관된다. 결합 표면의 각도는 임의의 배향일 수도 있다.
상기 기술, 즉 두 광학 부품을 결합하기 위해 표면을 마무리하기(finishing) 전에 보호성 유전체 또는 반사성 코팅을 제공하는 것은 여기에 기재된 특정 응용을 넘어서는 광범위한 문제를 다룬다는 점에 주목해야 한다. 구체적으로, 두 부품이 하나에서 다른 곳으로 관학 경로를 제공하도록 결합될 때마다, 부품들은 적합한 광학 접착제에 의해 결합되어야 하며, 전형적으로 부품에 인덱스-매칭된다. 최적의 광학 결합을 보장하기 위해, 전체 인터페이스 표면은 접착제로 완전히 덮여야 한다. 다른 한편으로, 정확하게는 접착제의 원하는 광학적 속성 때문에, 인터페이스로부터 부품의 하나의 외부 표면까지의 접착제의 과잉(overspill)은 전형적으로 부품의 광학적 속성을 손상시킨다. 바람직하게는 인터페이스 표면의 연마 전에, 보호성 코팅으로 인접 표면을 우선적으로 코팅함으로써, 외부 표면상의 접착제의 과잉은 줄어들거나 제거될 수 있다. 결합 후에 특정 표면이 편평하게 되도록 두 부품이 결합되는 경우, 이러한 코팅은 결합 전에 부품 모두에 유리하게 제공될 수 있다. 특정 응용에서, 오직 한 측만, 또는 면의 서브셋을 코팅하는 것은 예를 들어, 특정 표면상의 과도한 접착제가 다른 연마 단계에 의한 본딩후에 쉽게 제거될 수 있는 경우, 충분하다.
커플링-인 장치의 상기 구현예는 바람직하게는 외관상 도파관 개구를 완전히 중첩시키도록 광 입력 축을 따라 무한대로 시준되는 이미지를 투사하도록 배치되는 이미지 프로젝터와 함께 사용된다. 임의의 적합한 유형 및 기술의 이미지 프로젝터가 사용될 수 있으며, 다양한 자유-공간 이미지 프로젝터를 포함한다. 어떤 경우, 특히 소형의 튼튼한 구현예를 제공하기 위해, 이미지 프로젝터는 결합 프리즘과 기계적으로 일체화될 것이다(즉, 일체형으로 구성 또는 견고하게 상호연결됨). 이 유형의 다양한 구현예는 도15-18을 참고로 설명될 것이다.
먼저 도15를 살펴보면, 이것은 여기에 503으로 번호 붙여진 2D 도파관의 상황에서 사용하기 위한 PCT 특허공개 WO2015/162611의 소형 이미지 프로젝터의 변화를 도시한다. 소형 이미지 프로젝터는 조명 편광 빔 분리기(Polarizing Beam Splitter, PBS, 500), 시준 PBS(501), 도파관(503) 안에 결합되는 결합 프리즘(502)(도10a-10c의 91과 동일함)을 포함한다.
다음 설명에서, 편광 관리 부품(파장판 및 편광자)은 명확성을 위해 생략된다. 조명 광(505)은 조명 프리즘(500) 안으로 들어가고 외부 표면(507)에 의해, 실리콘 액정(liquid crystal on silicon, LCOS) 디스플레이와 같은 이미지 생성기(509)상에 반사된다. 디스플레이로부터 반사된 광(511)은 시준 프리즘(501) 안으로 통과하고, 표면(513)은 광의 시준을 달성하도록 광학 파워로 표면(515) 상으로 광을 반사하여 무한대로 투사된 이미지를 구성한다. 시준된 광은 결합 프리즘(502)를 통해 도파관(503)으로 들어간다.
표면(515)은 가장 높은 각도의 이미지 각도(518a)로부터 가장 낮은 각도(518b)까지, 이미지의 전체 관측 시야(field of view, FOV)로 도파관을 "채우는"데 필요한 모든 입력 이미지 각도를 제공하기에 충분하도록 선택되고, FOV 지정된 519에서 가장 낮은 광선을 포함하는 폭(517)을 갖는다. 반대로, 표면(515)의 필요한 크기는 프리즘(501, 500)의 필요한 크기를 결정한다. 더욱 구체적으로, 도6-10c를 참고로 하여 전술된 바와 같이, 도파관(10)은 이미지 및 그 공액 이미지로 채워지는 것이 바람직한데, 이미지에 의해 둘러싸인 빔 각도의 전체 범위가 도파관의 물리적 개구의 전체 폭 상의 입사뿐만 아니라 결합 반사기의 개구의 이미지이어야 한다는 것을 의미한다. 시준 PBS(501)을 통해 도파관 개구로부터 후방으로 이 광선을 추적함으로써, 시준 PBS의 최소 필요 폭(517)을 결정하는 것이 가능하며, 따라서, 조명/이미지-생성 PBS(500)의 최소 필요 폭을 결정하는 것이 가능하다. 그 다음에 근위 에지(523)(상기 에지(16a)에 대응하는)는 전술된 바와 같이 이미지 파면의 다듬기를 수행한다.
도15는 일 차원만을 도시하고 있지만, 도파관의 축은 PBS의 축에 대해 기울어져 있어서, 전술한 바와 같이, 이 동일한 다듬기가 양쪽 차원에서 발생하도록 한다.
다른 통상적인 1D 도파관에 이미지를 결합하는데 유리하게 사용될 수 있는 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 결합 프리즘(502)의 일부 또는 전부를 시준 프리즘(501)에 통합하여, 시스템의 크기를 줄이는 것이 가능하다. 대안적으로, 표면(513) 아래/위에 놓이는 시준 PBS(501)의 일부는 필요한 결합 반사기 표면을 제공하기 위해 절단될 수 있다.
이 접근법의 한 예가 도16에 도시되어 있다. 이 도면에서, 광은 도15에서처럼 전파되고, 동일한 번호가 사용된다. 여기서, 시준 프리즘(526)은 근위 에지(523)와 인접하고 결합 반사기를 제공하기 위해 도파관(503)의 하단 표면의 연속부를 형성하는 수정된 하단 면(528)을 갖는다는 점에서 프리즘(501)과 다르다. 이 구성에서, 광학 면(515)과 트리밍 에지(523) 사이의 거리는 실질적으로 도15의 구현예에서보다 짧다. 원하는 각도 관측 시야를 가로질러 광학 개구 및 외관상 광학 개구로부터 후방으로 광선을 추적함으로써, 면(515)의 필요한 차원이 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 결국 이미지 생성 PBS(500)의 차원 감소를 가능하게 한다.
도15-17의 예는 1D 도파관 또는 2D 도파관으로 구현하기에 적합한 단면 형상을 도시한다. 2D 도파관 안에 결합할 때, 프리즘(526)(및 그에 인접한 500)은 도파관(503)에 대해 2차원의 경사각에 존재한다(도10Aa-10c의 결합 프리즘(91)의 커플링-인 면에 대해 도시된 바와 같이). 따라서, 도16에 도시된 형상은 다음 축에서(상이한 각도로) 재생된다. 면(528)에 수직인 프리즘(526)의 제2 면은 도파관(503)(이전 도면의 도파관(10))의 제2 표면의 연속부일 수 있다. 이러한 조립체의 3차원 그림이 도18에 도시되어 있다. 이 경우, 이미지 생성 소자, 프리즘 및 도파관의 배향은 각각의 구체적인 디자인의 필요에 따라 모두 서로에 대해 임의의 회전에 존재할 수 있다.
이 소형 구현예에 따르는 프리즘(526)의 구성은 바람직하게는 다음 조건을 충족시킨다:
1) 광학 면(515)로부터의 광은 도파관 상으로 직접 반사되고 표면(513)(도15의 상기 설명과 동일함)에 의해 반사되지 않는다.
2) 트리밍 에지(523)(빔(521)에 의해 이미지의 가장 얕은 각도 부분에 대해 표시된)은 반사 표면(513)도 아니고 프리즘의 외부 표면도 아닌 것에 의해 절단되지 않아야 한다.
3) 표면(528)은 도파관 표면의 연속부이어야 한다.
4) 2차원 도파관에 대해, 상기 조건은 도파관의 두 가지 차원에 대해 충족되어야 한다.
도17은 이 제한사항이 결합 프리즘(502)을 시준 프리즘(531)안에 통합할 수 있는 정도를 표시할 수 있는 방법을 도시한다. 이 예에서, 도파관 안으로의 결합 각도는 매우 얕다. 결과적으로, 결합 프리즘(통합되기 전에)은 매우 커서 시준 및 조명 프리즘이 될 것이다. 이 실시예에서 결합 프리즘은 이미지의 가장 얕은 각도 부분에 대한 트리밍 에지의 이미지가 프리즘(531)의 외부 면에 이해 손상되지 않는 지점까지만 시준 프리즘(531) 안으로 통합되었다. 이 지점(533)은 결합 프리즘의 에지가 된다. 그 다음에 광학 소자(515)의 차원(517)은 방해받지 않는 에지(523)에 도달해야 하는 이미지의 가장 가파른 각도 부분에 의해 지시된다. 이 차원의 시준 프리즘(531)은 에지(523)와의 직접 접촉이 부족하기 때문에, 작은 결합 프리즘(535)이 도파관(503)의 입구에 제공된다.
도파관(10) 안에 이미지를 커플링-인하기 위한 상기 옵션 중 각각에서, 제시된 해결책은 전술된 부분-반사성 파셋 커플링-아웃(coupling-out) 접근법, 경사-면 커플링 아웃(PCT 공개 특허 WO2017/141242A2에 개시된 것처럼)와 같은 임의의 아웃-커플링 응용예 또는 커플링-아웃을 위해 회절 소자를 사용하는 응용예에 대해 바람직할 것으로 여겨진다. 도파관의 표면상에 내부적으로 입사하는 방사선의 일부를 커플링-아웃하는데 사용되는 경사-면 및 회절 소자는 당업계에 공지되어 있으며, 여기에서 상세히 설명하지 않을 것이다.
제1 및 제2 도파관 사이의 결합
도1a 및 1b에 따르는 제1 도파관(10)으로부터 제2 도파관(20) 안으로의 결합은 이중 이미지를 생성하지 않으면서 이미지 품질을 유지하기 위해 도파관의 정확한 정렬을 필요로 한다. 구체적으로, 도1a, 3, 5d에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 도파관(10) 내의 이미지의 두 개의 출력 이미지(a1, a2)는 제2 도파관(20) 안에 결합되어, 도파관(20)을 따라 전파하는 공액 이미지(b1 및 b2)로서 서로 상호 교환을 계속한다. 우수한 품질을 달성하기 위해, 도파관(10 및 20)의 외부 면은 서로 정확하게 평행하거나 수직이어야 한다. 도1a 및 1b의 실시예에 따르면, 도파관(10)은 도파관(20)의 상단에 배치된다. 덧붙여서, 위, 아래, 상단, 하단 등과 같은 방향으로 참조되는 어디서나, 이 용어들은 단비 표현의 용이함을 위해 사용되며 도면에 도시된 임의의 방향을 참조한다. 최종 디바이스는 임의의 필요한 배향으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 도파관으로 이미지를 도입하기 위한 커플링-인 장치 및 제1 도파관으로부터 제2 도파관으로 이미지를 결합하기 위한 커플링-아웃 장치의 상대적인 배향에는 제한이 없다.
도19a-19c는 도19a에 가장 잘 보이는 것처럼, 제2 도파관(20)의 평행면 중 하나에 인접한 제1 도파관(10)을 배치함으로써 도파관을 결합하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르는 상이한 구성을 도시한다. 광은 도1a에 참고로 전술된 바와 같이, 우측에서 좌측으로 제1 도파관(10) 안에서 전파되고, 중간 굴절 층(99)(이하 논의되는)을 통해 제2 도파관(20)의 면 안에 이미지를 결합하도록 편향된 이미지를 편향시키도록 여기에 배향된 도파관(10)의 내부 파셋(도19c의 상면도에서 볼 수 있는)을 마주한다. 결합은 제2 도파관920) 내에서, 바람직하게는 TIR(도19b의 실선 화살표)을 통해 광속이 지속적으로 반사되도록 선택된 각도에 있다. 공액 방향(도19b의 점선 화살표)으로 제2 도파관(20) 안으로 결합하는 공액 빔은 제2 도파관(20)의 인접 단부로 전파하고 외부 산란에 의해 손실된다.
이 구현예에서, 제1 도파관(10)으로부터 결합된 이미지로 제2 도파관(20)을 채우는 것은 바람직하게는 제1 도파관(10)의 폭을 충분하게 선택함으로써 달성되어, 이미지의 가장 얕은 각도 영역에 대한 도파관(10)의 원거리 단부(도19b의 도시된 바와 같은 상단)에서 나타나는 광속(101)이 제1 도파관(10)의 다른 단부(102)를 지나치지 않을 것이다.
도19a-19c의 구성을 구현하기 위해, 다수의 조건이 충족되어야 한다. 먼저, 제1 도파관(10)을 따르는 전파를 지원하기 위해, 도파관(10) 안으로 도입된 광속은 굴절 층(99)와의 인터페이스에 의해 반사되어야 한다. 도파관(10)의 내부 파셋에 의한 반사 후에, 광속은 제2 도파관(20) 안으로 굴절 층(99)을 통해 결합되어야 하지만, 도파관(20)의 대향하는 외부 면으로부터 벗어나서는 안 된다. 도20은 상기 조건을 충족시키도록 이 구성을 구현하기 위한 접근법을 구 좌표계로 도시한다.
따라서, 도20에서, 이미지(106LU, 106RU, 106LD, 106RD)는 도1a의 a1, a2,a3 및ㅁ4와 동일하다. 도파관과 공기 사이의 임계 각도는 각각 도3의 61 및 63과 동일한 원(107 및 108)로 표시된다. 원(109)은 도19b 및 19c의 도파관(10)과 중간 굴절 층(99) 사이의 임계 각도를 나타낸다. 도파관과 굴절 층(99)의 굴절률의 비가 공기 보자 작기 때문에, TIR 원은 공기 경계에서보다 크다. 제1 도파관(10)을 따라 전파하는 4개의 공액 이미지는 모두 두 원(107 및 109) 외부에 존재하여, 이미지는 도파관을 따라 TIR을 통해 전파한다. 106LU가 도파관(10)의 내부 파셋을 마주하면, 110LU 상에 결합되고 106RU는 110RU에 결합된다. 빔(110LU 및 110RU)은 임계 각도(109 내에 존재하지만 임계 각도(107) 외부에 존재한다. 결과적으로, 그것들은 층(99)을 통해 도파관(20) 안으로 도파관(10)을 효과적으로 커플 아웃하지만, 도파관(20)의 외부 면으로부터 공기를 커플 아웃하지는 않을 것이다.
110LU 및 110RU가 제2 도파관 내에서 반사되면, 그들의 대응하는 공액 이미지(110LD 및 110RD)를 각각 생성한다. 이 반사는 도1a의 b2와 동일하다.
전술된 바와 같이, 이 구현예에서, 110RU 및 110RD는 도19b의 점선 화살표에 의해 설명된 바와 같이 산란된다. 이미지(110LD)는 도파관(20)의 내부 파셋에 의해 눈에 커플 아웃된다(도1a의 45에서 도시된 바와 같이).
이 실시예의 다양한 구현예가 도21a 및 21b에 도시되어 있다. 도21a에서, 빔(110RU, 110RD)(점선 화살표로 도시된)은 반사되어 중첩되고 보강된다(110LU, 110LD)(실선 화살표). 이 조합은 도21a에 도시된 바와 같이 제2 도파관(20)의 단부에서 수직으로 반사기(112)를 도입함으로써 달성된다. 이 반사기는 이미지(110RU, 110RD)의 일부분이 역으로 반사되고 대향 방향으로 제1 도파관(10)에 다시 들어가도록 한다. 내부 파셋에 의해 반사된 후에 이 빔들을 포함하도록 제1 도파관(10)의 두 개의 대향 외부 파셋(114R, 114L)상에 반사성 코팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
도21b는 도21a의 구성과 동일한 기능을 유지하면서 제1 도파관 반사기(114R)과 제2 도파관 반사기(112)를 단일 반사기(116)로서 결합하는 구성을 도시한다.
도21c에서, 도파관(10)은 또한 중간 유전체 또는 공기-간극에 의해 이격된 도파관(20)에 인접한다. 도파관(10)으로부터 커플-아웃된 광(실선 화살표)은 도13a 및 13b를 참고로 전술된 과정과 유사한 과정으로 도파관(20) 상의 백 미러(117)에 의해 반사된다. 미러(117)의 각도는 도파관(20)의 필요한 유도된 광 각(점선)에 도파관(10)으로부터 투과된 광을 정합(match)시키도록 선택된다. 일부 경우, 미러(117)는 사용된 도파관(10) 및 이미지 전파 각도에 의해 생성된 커플링-아웃 각도에 따르는 도파관(10)의 에지를 넘어 연장된다.
내부 파셋(또는 회절 광학 소자)에 의한 이미지 커플링-아웃의 상이한 형상은 예를 들어 도2a 및 2b를 참고로 전술된 다양한 형상 및 적절한 코팅과 같은 도19a-21c의 구현예에 적용될 수 있다.
도19a-21b의 구현예는 도20을 참고로 설명된 기하학적 형상 요건에 의해 사용가능한 관측 시야에 어느 정도 한정된다. 그럼에도 불구하고, 적용 범위에 있어서, 이 옵션은 디자인의 단순성 및 제조의 용이성으로 인해 특히 유리할 수 있다.
제1 도파관(10)과 제2 도파관0) 사이의 결합 구현예의 또 다른 세트가 도22a 및 도22e에 도시되어 있다. 이 구현예에서, 도22b에 도시된 바와 같이, 2D 도파관(10)은 제2 도파관(20)에 대해 경사져 있어서 도파관(10)으로부터 커플 아웃된 이미지 중 오직 하나가 포함되고 도파관(20) 내에 안내된다. 제1 도파관(10)은 중간 투명 쐐기(730)의 사용에 의해 1D 도파관(20)에 대해 필요한 경사로 장착될 수 있다. 이 경사는 도파관(10)으로부터 하나의 이미지를 결합하고(도19b의 실선 화살표와 유사한, 실선 화살표) 도파관(10)으로부터 다른 이미지를 결합하지 않도록(도19b의 점선 화살표와 유사한, 점선 화살표) 선택된다. 결합되지 않은 이미지는 외부 흡수체, 예를 들어 736에 의해 흡수되거나 관찰자가 볼 수 없는 방향을 향하게 된다. 선택적으로, 736은 광을 대향 방향으로 도파관(10) 안으로 다시 반사시키고, 도파관(20) 안으로 결합하는데, 도21a-21b의 점선 화살표와 동일하다. 이 옵션에 따르면, 도22b에 도시된 바와 같이, 반사 코팅은 2D 도파관의 외부 파셋 중 적어도 하나 상에 제공된다. 설명의 명확성을 위해, 도파관의 내부 파셋은 이 도면에서 생략되었다.
도파관(20)에 대한 도파관(10)의 경사는 도파관 및 그 사이에서 전파하는 이미지의 필요한 각도에 따라 선택될 수 있으며, 도22c에 도시된 바와 같이, 제2 도파관(20)의 경사진 결합 표면에 대해 경사를 감소시키거나 도22d에 도시된 바와 같이 각도를 증가시키기 위해, 투명한 쐐기 결합 프리즘(730)을 이용할 수 있다. 도22e에 도시된 바와 같이 특히 바람직한 구현예에서, 제2 도파관(20)에 대한 제1 도파관(10)의 필요한 경사는 제2 도파관 결합 표면의 각도와 일치하므로, 어떤 중간 결합 프리즘도 필요하지 않다. 이 옵션을 구현하기 위해, 제2 도파관(20) 안으로 결합된 이미지의 출력 각도는 도파관(20) 내의 필요한 전파 각도와 일치하여야 하며, 도파관(10)의 경사진 단부 표면(734) 및 차원에 의해 구성된 쐐기의 범위는 이미지 및 그 공액으로 제2 도파관을 채우는 것이 도6-12를 참고로 전술된 것과 유사한 방식으로 달성되게 할 수 있는 것이다.
각각의 경우, 인터페이스 불연속성은 도파관 속성이 손상되지 않도록 제1 도파관의 출력 면에 필요하다. 도22a-22e에 도시된 구현예에서, 도파관(10)과 도파관(20) 사이에 광학적 불연속성을 제공하는 중간 매체는 공기이지만, 임의의 다른 굴절 물질 또는 코팅도 사용될 수 있다. 옵션은 전술된 내부의 부분 반사 파셋의 대안으로서, 출력 결합을 수행할 수 있는 회절 격자를 포함한다.
따라서 도22a-22e는 제1 도파관(10)이 제3의 평면 면(22a, 22b) 쌍 사이에서 연장되고 제3의 평면 면(22a, 22b) 쌍에 대해 비스듬하게 경사진 제2 광학 도파관(20)의 단부 표면에 광학적으로 결합되는 도파관(10)의 경사를 도시한다. 이 유현의 경사는 예를 들어 도26-29를 참고로 이하 설명되는 다양한 상이한 유형의 내부 파셋 경사와 같은, 여기에 제시된 모든 다른 다양한 구성과 결합될 수 있다.
도23 및 24를 살펴보면, 이들은 전술된 도1a-1b의 것과 본질적으로 유사한 구현예에 관한 것이지만, 다수의 가변적인 특성을 도시한다. 따라서, 도23은 중간 굴절 층(120)이 도파관(10 및 20) 사이에 개재된 구현예를 도시한다. 이 층은 바람직하게는 얇아야하며, 다양한 물질 또는 다층 코팅으로 제조될 수 있다. 층(120)의 존재는 도3의 임계 각 원(61)을 확대하는 기능을 하며, 도24의 각도 공간도의 임계 각 원(121)으로서 도시된다. 굴절률의 적합한 선택에 의해, 이 임계 원의 크기를 선택하는 것이 가능하여, 광학 디자인에서 추가적인 자유도를 제공하고, 일부 경우 공기 간극으로 달성될 수 있는 것보다 큰 FOV를 갖는 구현을 용이하게 한다.
독립적인 양태에서, 도24는 또한 a3 및 a4가 a1 및 a2에 대해 도파관(10)의 파셋의 각도의 동일 측면상에 존재하는 구현을 묘사한다. 이것은 도2a의 C1의 시나리오와 동일하다.
또 다른 독립적인 양태에 따르면, 도24는 도파관(10, 20)이 상이한 굴절률을 갖는 물질로 구성되는 구성을 도시한다. 상이한 결과적인 특성을 나타내기 위해, 제2 도파관의 기하적인 형상 특정은 도24의 좌측에 별도로 도시되어 있으며, 이미지의 각도 크기와 임계 각 원이 두 그림에서 상이하다.
상기 변형 모두는 당업자에게 명백한 바와 같이, 시스템 디자인의 추가적인 자유도를 제공하도록 여기에 기재된 실시예와 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 부품, 특히 두 도파관의 상대적인 배치에서 정밀한 정렬 및 구조적 안정성은 높은 이미지 품질을 보장하는데 중요할 수 있다. 도25a-25d는 본 발명에 따르는 디바이스의 조립체에 대한 다수의 상이한 옵션으로, 다양한 추가적인 장점을 제공한다.
도25a는 이미지 품질을 보존하기 위해 외부 면 표면 수직성을 유지하면서 도파관(20)의 상단에 도파관(10)을 구현하기 위한 제1 옵션을 도시한다. 이 옵션에 따르면, 연속적인 외부 커버(132)가 도파관(10 및 20)에 제공된다. 하나의 바람직한 옵션에 따르면, 외부 커버(132)는 도파관의 물질과 광학적으로 일치하여, 실제 도파관이 커버(132)의 외부 면에 의해 실제로 규정되는 반면, 내부 파셋은 커버의 내부를 향하는 인터페이스 사이에만 제공된다. 이 경우, 외부 커버(132)는 광학 누출(136)을 최소화하기 위해 가능한 한 얇아야 한다. 도파관(10 및 20) 사이에 도시된 간극은 임계 각도 관리를 위한 공기 간극 또는 굴절 간극일 수 있다.
도25b는 도25a의 것과 유사하지만, 도파관(10)의 상단 및 하단을 따라 광학 커버(142)를 추가로 갖는 구현예를 도시한다. 이러한 커버의 사용은 이 면을 따라 높은 광학 품질 획득을 용이하게 한다.
도25c는 도파관 사이의 부착이 임의의 간극 또는 편차에도 불구하고 도파관(20)에 대한 입구의 완전한 커버리지(채움)를 보장하기 위해 도파관보다 약간 넓은 구현예를 도시한다. 이 경우, 중간 굴절 물질 층(149)은 바람직하게는 도파관(10)의 전체 하단 표면을 덮는다.
도25d는 두 도파관 사이의 공기 간극으로 구현된, 도22a-22e와 유사한 기하학적 형상을 갖는 구현예에 관한 것이다. 도파관의 상대적인 위치를 고정하고 도파관의 내부 반사의 최소 섭동(perturbation)으로 그들 사이의 공기-간극을 밀봉하기 위해, 반사 코팅(1149)이 바람직하게는 적어도 연결(joinning)이 수행될 때의 영역의 도파관의 외부 면상에 도포된다. 그 다음에 연결 기구(joining attachment, 1150)는 기계적으로 도파관을 상호연결하기 위해 이들 코팅의 각각에 부착되며, 바람직하게는 밀봉을 생성한다. 코팅은 간극에 가깝게 국한될 수 있거나, 2D 도파관의 전체 측방향 면을 덮는다.
코팅(1149)은 금속성 반사 코팅일 수 있거나, 산란으로부터 가파른 광선 또는 임의의 원하지 않는 이미지가 투과되는 동안 이미지 광의 그레이징 각도(grazing angle)가 반사되도록 유전체 코팅이 선택될 수 있다.
도26을 살펴보면, 이 구현예에서, 도파관(10)의 연장 방향은 제2 도파관(20) 내의 파셋의 연장 방향에 대해 기울어진자(비-평행). 다시 말해서, 제2 도파관(20)의 부분 반사 표면(파셋(45))은 한 세트의 평행선(150)에서 면(22a)과 교차하고, 제2 도파관(20)의 커플링-인 단부 표면은 에지(151)에서 면(22a)과 만나며, 이 에지는 이 평행선 세트에 비-평행이다. 이 경사는 이미지의 아웃-커플링 각도을 변경하고 특정 응용의 인체공학적 디자인에 대한 요건을 충족시키기 위해 사용될 수 있다. 이 각도 제한은 임계 각도를 초과하지 않도록 하는 제한, 또는 정상 이미지를 중첩시키는 고스트 이미지(도24의 122와 같은 파셋 라인을 교차하지 않는 이미지 직사각형)를 갖지 않도록 하는 요건을 포함한다.
도26의 구현예에서, 제2 도파관(10) 내의 파셋의 각도는 제2 도파관(20)에 공급된 링크- 아웃된 이미지가 제2 도파관 파셋에 수직으로 전파되도록 선택된다.
도파관(20)에 대한 도파관(10)의 경사는 선택적으로 파셋 구조(도2a 및 2b의 옵션), 결합 방법(도19a-23), 필요한 이미지 FOV, 및/또는 공기 및 도파관 사이의 임계 각(도24)에 따라 여기에 도시된 것과 반대의 의미일 수 있다.
도27은 제1 도파관(10)의 부분 반사 표면(155)이 두 면(12a 및 14a)에 비스듬한 각도로 존재하는 본 발명의 또 다른 변형 예를 도시한다(점선은 두 외부 면에 수직인 평면과, 오직 한 면에 대해 기울어진 다른 평면을 보여줌으로써, 파셋의 경사를 용이하게 시각화하기 위한 것이다). 각도 공간에서의 이 구현예의 설명은 도28에 도시되어 있다. 도파관(10)의 초기 이미지는 "가로로 긴"(광(wide)) 종횡비를 갖는 a1-a4로서 표시된다. 이미지들은 최종 수평 이미지를 획득하기 위해 비뚤어진 각도에 있는 이미지(a1)처럼 도파관 안으로 주입된다. 2D 경사 내부 파셋(155)의 평면은 157로 표시된다. 이 파셋은 도파관(10)으로부터 도파관(20) 안으로 아웃-커플된 b1에 a1을 결합한다. 다른 한편으로, a2는 임계 각도 여분에 존재하지 않고 따라서 도파관(20)에 결합되지 않고, 그 대신에 손실되는 b2에 결합된다. 이미지(b1)는 자신의 공액 이미지(b3)를 도파관(20) 내에 생성하고 결국 이미지 c처럼 눈에 결합된다(전술된 바와 같이). 이 구조에서, 도파관(10 및 20) 사이의 정렬의 정밀도에 대한 요구는 완화된다.
도29a 및 29b의 각도 공간에 표시된 도27의 또 다른 변형 예에 따르면, 파셋(40)의 배향은 제1 도파관(10) 내에서 전파하는 4개의 이미지 중 오직 하나의 상당한 부분을 선택적으로 반사하도록, 110으로 표시된 2D 틸트 및 적합한 코팅으로 선택될 수 있다. 따라서, 도29a에 도시된 형상에서, 이미지(a2)는 선택적으로, 도파관(20) 안에서의 전파 및 연장을 위해 커플 아웃된 b1 안에, 결합된다. 나머지 이미지(a1, a3 및 a4)는 충분히 작은 각도에 존재하여, 코팅의 적합한 선택에 의해, 파셋(40)에서의 이 이미지들의 반사를 실질적으로 제거하는 것이 가능하다. 이미지(a2 보다 파셋 평면에 더 가까운 a1, a3)의 각도 차이는 도29b의 3D 표현에서 가장 잘 보인다. 따라서, 특히 바람직한 일 예에서, 표면에 대한 법선에 대해 55°내지 85°사이로 입사하는 광선에 대해 실질적으로 투명하게 하고(즉, 관련 파장 범위에서 입사 방사선의 5% 미만의 반사를 생성하는), 법선에 대해 45°미만의 경사로 입사라는 광선에 대해 부분적으로 반사하도록(입사 방사선 강도의 적어도 10%에서, 상당히 많은, 전형적으로 "실질적으로 투명한" 각도 범위보다 적어도 두 배의 반사 강도로, 전형적으로 반사하는), 파셋(40)이 코팅된다. 이미지의 각도 방향의 입사 각도 및 파셋 경사 각도는 3개 이미지(여기서는 a1, a3, 및 a4)에 대한 전체 분포(spread) 각도가 실질적으로 투명한 각도 범위 내에 있지만, 한 이미지(여기서는 a2)에 대한 이미지 각도는 부분 반사 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 이것은 오직 한 이미지의 선택적인 커플링-아웃을 야기하여, 시스템 디자인의 다양한 양태를 단순화합니다. 커플-아웃된 이미지는 원래 생성된 것과 동일할 필요가 없으며, 대신에 원래 생성된 이미지의 역전된 공액 이미지일 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 필요하다면, 원래 이미지 생성 소자는 주입을 위한 역전된 공액 이미지를 생성하여 우측 이미지가 도파관으로부터 아웃-커플되도록 한다.
균일성 향상(Uniformity Enhancement)
최종 연장된 개구 조명의 비-균일성은 때때로 원래의 투사된 이미지 개구의 비-균일 광 또는 이 개구의 최적화되지 않은 트리밍으로부터 야기될 수 있다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이러한 비-균일성은 도파관의 다중-경로 구성을 구현함으로써 평탄화(smoothed-out)될 수 있다.
도30을 구체적으로 살펴보면, 이것은 인접한 평행 도파관(172)이 나란히 놓인 도파관(170)(도파관(10 또는 20)의 측면도일 수 있음)을 도시한다. 중간 면(도파관(170 및 172) 사이의) 및 외부 면(도시된 바와 같이 상단 및 하단)은 평행하다. 중간 인터페이스에서의 부분 반사는 도파관 사이의 코팅 또는 굴절률 불연속성을 기반으로 한다. 도파관(170) 내에서 전파하는 반사된 개구(174)는 176(점선으로 표시된)처럼 도파관(172) 안에 결합된다. 개구의 이미지는 또한 도파관(170) 안에, 그리고 내부 파셋(40 또는 45)에 의해 "원래" 개구(179)와 함께 출력 개구(178)에 대해 외부에 결합된다. 출력 개구(178 및 179)는 평행하지만, 위치가 오프셋되어 있어(offset), 개구를 가로지르는 비-균일성을 평균화한다.
감지된 비-균일성의 다른 원인은 도31a에 도시된 바와 같이 상이한 관측 시야의 내부 파셋의 각도 중첩에 관한 것이다. 여기에 도시된 도파관(10 또는 20)의 영역에서, 도파관은 내부 파셋을 포함한다(40 또는 45와 동일한, 두 파셋(2515 및 2517)이 표시되어 있다). 아웃-커플된 광의 대부분은 단일 내부 파셋으로부터 반사된다. 그러나, 파셋의 에지에는, 축과 다른 방향(off-axis)의 각도에 비균일성이 있다. 좌측을 가리키는 FOV의 영역(실선 화살표로 표시된)에 대해, 2520으로 표시된 영역은, 이 각도에서 감지된 어두운 스트립을 초래하는, 파셋(2515) 및 파셋(2517)에 의해 반사된 광 사이의 효과적인 간극이 존재하기 때문에, 어떤 광도 반사하지 않을 것이다. 다른 한편으로, 우측에 커플-아웃된 광(점선 화살표로 표시된)은 파셋(2515 및 2517)로부터 반사된 광의 중첩이 존재하는 영역(2525)을 가져서 거의 2배의 광 량을 반사할 것이다. 따라서, 도31a의 비-균일성은 FOV 및 눈 위치의 상이한 영역에서 연장된 개구를 가로질러 대략 200% 내지 0%의 중간 이미지 강도에서 변할 것이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 도31b에 도시된 바와 같이, 상당한 중첩이 파셋 사이에 도입된다. 이 경우, 인접한 파셋 사이의 간격은 절반이 되어, 대부분의 눈 위치에서 FOV의 대부분이 두 파셋으로부터의 중첩된 반사를 통해 이미지로부터 조명을 수신하게 된다. 이미지의 각도 맨 끝(extremities) 및 파셋의 맨 끝 근처에는, 3개의 인접한 파셋에 의해 제공되는 빔(2545) 및 오직 하나의 파셋으로부터 유래되는 빔(2540)에 의해 도시되는 바와 같이, 이미지의 특정 영역의 원인이 되는 중첩 파셋 수의 변화는 여전히 존재할 것이다. 그럼에도 불구하고, 비-균일성은 크게 감소하며, 일반적으로 대략 ±50%에 해당한다. 게다가, 개구를 가로질러 더욱 가깝게 이격된 위치에서 발생하는 변형은 관찰자의 동공에서 평균화되어 변형이 눈에 띄지 않게 되는 경향이 있다.
비-균일성을 감소시키기 위한 또 다른 개선은 도31c에 도시된 바와 같이, 중첩하는 내부 파셋에 의해 생성되는 "다중경로" 이미지의 도입으로부터 초래될 수 있다. 도파관(10)내에서 전파하는 광(실선 화살표로 표시되고 'a'로 표기된)은 커플 아웃되지만('b'로 표기된), b로부터의 광의 일부는 'b'로서 커플 아웃되기 전에 'a'(점선 화살표로 표시된)에 다시 결합된다. 'a'와 'b' 사이의 앞-뒤(back-and -forth) 결합은 광 평행도(parallelism)를 유지하면서 개구를 가로질러 강도를 평균화함으로써, 광 균일성을 추가로 향상시킨다.
본 발명의 특정 구현예에 따르는 교차-결합의 다른 방법은 도32a 및 32b에 도시되어 있다. 도32a에서, 내부 파셋(2670)(40과 동일한)은 내부 파셋에서 우측에서 좌측으로 TIR을 통해 전파하는 이미지 조명의 일부를 상부 외부 면(2675)상까지 위쪽으로 반사하도록 "역" 방향으로 있다. 이 면(2675)은 코팅되어 전체 반사기가 되도록 하며, 따라서 광을 도파관(20) 안으로 아래쪽으로(광선(2672)) 반사시킨다.
상부 외부 면(2675)으로부터 반사된 광의 일부는 내부 파셋에 의해 다시 반사되고(점선 화살표로 도시된) 광선(2680)처럼 아래쪽으로 다른 내부 파셋에 의해 반사될 때까지 도파관(10)을 따라 후방으로 전파된다. 광속(2672 및 2680)은 평행하고 서로로부터 떨어져 있기 때문에, 이미지 강도의 비-균일성의 평탄화 및 교차 결합을 달성하는 것이 명확하다.
도32b에서, 내부 파셋은 광을 아래쪽으로 결합하도록 도시되어 있으며(위쪽 결합도 이 실시예에 포함되어 있다), 하단 외부 면(2705)은 부분 반사기로서 구현되고 상단 외부 면(2710)은 전체(예를 들어, 금속화된) 반사기로서 구현된다. 이 구성의 결과로, 내부 파셋(40)에 의해 아래쪽으로 반사되고 통상적으로 커플-아웃되는 광의 일부는 그 대신에 제1 도파관(10) 안으로 다시-반사될 것이다. 상향 광선(점선으로 표시된)은 그 다음에 다중 경로 안으로 분할되는데, 일부는 내부 파셋을 통과하고 상부 면(2710)으로부터 반사하고, 일부는 후속 내부 파셋에서 위쪽으로 반사되도록 들어오는 광선 경로를 따라 역방향으로 다시 반사된다. 상부 면(2710)으로부터 반사된 광선은 마찬가지로 커플링 아웃을 위해 내부 파셋을 곧게 통과할 수 있거나, 상이한 위치에서 커플 아웃되도록 내부 파셋상에서 또 다른 쌍의 반사를 겪을 수 있다. 이미지 사이의 다중-경로 혼합 및 교차-결합은 비-균일성을 감소시키는 역할을 추가로 한다.
커플링-아웃 면에 대해 높은 각도에서 발생하는 전술된 다중 내부 반사는 또한 도파관(10)의 전방 및 후방 면에 충돌할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 빔의 각도에 따라, 반사 코팅으로 도파관(10)의 전방 및 후방 면을 추가로 코팅하는 것이 바람직할 수 있다.
도33a-33c를 살펴보면, 도3, 24, 28 및 29를 참고로 전술된 체계에서, 내부 파셋에서의 선택 부분 반사는 파셋에 대해 상대적으로 높은 경사에 있는 입사 이미지(a1 및 a2)에 대해 발생하지만, 낮은 경사 각 이미지(a3 및 a4)가 투과되도록 도록 디자인된다. 전술된 바와 같이, 이 선택적인 특성을 달성하기에 적합한 파셋 코팅은 당업계에 공지되어 있고, 양수인의 종래 미국 특허 제7391573호 및 제7457040호에 설명되어 있는 것을 알 수 있다.
이 접근법에 대한 대안으로서, 도33a-33c는 낮은-경사 이미지는 커플 아웃된 이미지이고, 높은 경사 이미지는 파셋을 통해 투과되는 구현예를 도시한다. 따라서, 도33b의 각도 도면에서, b1 및 b2를 제공하도록 커플 아웃된 이미지는 a3 및 a4이고, 이미지 a1 및 a2는 최소 반사로 내부 파셋(40)을 통과한다. 이 광선 형상은 도33a에 도시되어 있고, 도2a의 광선(c2)의 커플링 아웃과 기하학적으로 동일하다.
도33c는 이 선택성을 달성하는데 사용되는 내부 파셋의 각도 반사율의 예를 도시한다. 이 그래프에서, 파셋에 대한 법선에 대한 각도는 x-축을 따라 디스플레이되고, 각각의 편광의 반사율은 y-축에 디스플레이된다. 실선 사각형은 a3 또는 a4의 각도 범위를 나타낸다. S-편광은 부분적으로 반사되지만, P-편광은 대부분 투과되는 것이 분명하다(상기 실시예에에 설명된 바와 같이). 점선 사각형은 공액 이미지(a1 및 a2)를 나타낸다. 두 편광에서의 반사는 최소한이어서 도파관(10) 밖으로 반사되지 않을 것이다.
이 반사율 프로필을 달성하기 위해 필요한 코팅은 전술된 US7391573 및 US7457040에서와 같이, 1D 도파관의 맥락에서 개시된 코팅을 사용하여 구현될 수 있다.
편광 체계
파셋 코팅의 반사 속성은 편광 의존적이다. 이 강력한 의존성은 편광이 일정하게 유지되지 않는 경우 관찰자에게 투사된 이미지의 비-균일 강도 출력을 생성할 수 있다. 따라서, 1D 도파관을 써서 작업할 때 통상적인 관행은 도파관 표면에 대해 직교하는 배향으로 단일 편광(바람직하게는 S)을 사용하여 그들을 조명하는 것이다. 이 분광 배향은 그 다음에 광이 1D 도파관을 따라 전파할 때 변하지 않는다.
본 발명의 일 양태의 교시에 따르는 2D 도파관(10)의 맥락에서, 입력 이미지에 대한 단일 편광의 사용은 광이 다양한 각도에서 면에 충돌하여 이 반사들을 통해 편광 배향의 수정을 야기하기 때문에, 최적 해법을 제공하지 않는다. 결과적으로, 단일 편광이 도파관상에 주입되는 경우, 그 배향은 도파관을 따라 변경되고 이미지 균일성은 손상될 것이다.
대신에, 본 발명의 특정한 특히 바람직한 구현예에 따르면, 제1 도파관(10) 안으로 도입된 이미지는 2D 도파관 안으로 무편광(또는 후술되는 바와 같이, 의사(pseudo)-무편광)처럼 커플 인된다. 무편광 입력을 사용함으로써, 편광의 회전은 이미지 균일성에 어떤 영향도 미치지 않는다. 또한, 내부 파셋(40)으로부터의 아웃-커플링 반사가 크게 편광된 출력을 생성할지라도, 부분적으로 편광되고 투과된 이미지는 도파관 면에서 후속 반사에 의해 연속적으로 변환된(scrambled) 자신의 편광을 갖고, 따라서 후속 내부 파셋에서 커플 아웃된 이미지의 균일성에 기여한다.
광학 이미지는 스캔 레이저, LCD, LCOS, DLP, OLED 또는 광을 방출하는 다른 디바이스에 의해 생성될 수 있다. 투사된 광이 편광화될 경우, 또는 편광화가 편광된 빔 스플리터에 의해 도입되는 경우, 광은 바람직하게는 제1 도파관(10)의 개구에 들어가기 전에 탈편광자(depolarizer)를 통해 투과된다. 탈편광자는 광의 상이한 스펙트럼 성부의 편광 변화에 기반하는 수동 탈편광자("Lyot" 탈편광자, "Cornu" 탈편광자, 또는 "웨지(Wedge)" 탈편광자)일 수 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색 LED의 스펙트럼 폭은 대략 50나노미터이며, 1mm 두께의 크리스털 석영은 우수한 탈편광을 달성할 수 있다. 이러한 탈편광자는 이미지 투사 장치의 마지막 편광 소자 뒤에 있는 이미지 전파 경로를 따라 임의의 광학 인터페이스에 도입될 수 있다. 예를 들어, 도16의 편광된 빔 스플리터(513) 바로 아래에, 또는 도파관 제조 도중에 결합되는 임의의 소자 사이의 중간 인터페이스에 도입될 수 있다.
대안적으로, 단일 셀 LCD는 인간의 시각적 인식의 시간-평균 효과에 의해 인지된 것처럼 의사-탈편광을 달성하기 위해 편광의 신속한 전환(switching)을 위해 사용될 수 있다. LCD가 투사된 이미지의 단일 프레임의 시간 내에 두 직교 상태 사이에서 주입된 광 편광을 변경할 경우, 광은 이 응용에서 편광되지 않은 것으로 간주될 수 있다. 어떤 경우에는 더 많은 상태가 바람직하지만(예를 들어, 중간 상태를 생성하기 위해 감소된 전압으로 LCD 셀을 작동시킴으로써 생성됨), 두 직교하는 상태는 일반적으로 만족스러운 결과를 생성할 것이다. 예를 들어, 투사된 이미지 프레임 속도가 100FPS가 될 경우, 그렇게 되자마자 LCD는 200Hz 속도로 편광을 변경해야 하고 수 밀리 초 동안 각각의 편광에 머물러 있을 것이다.
편광되지 않은 광이 도파관(10) 안으로 주입된 후, 제1 내부 파셋(40)을 맞닥뜨린다. 광의 일부는 이 파셋에 의해 반사된다. 반사는 부분적으로 편광되기 때문에, 전파를 계속하는 광의 나머지는 또한 부분적으로 편광된다. 따라서, 예를 들어, 그것이 제2 도파관(20)에 대해 커플 아웃하기 위해 부분적으로 반사되는 S 편광인 경우, 투과된 광은 부분적으로 P 편광된다.
이 투과된 광은 후속 내부 파셋(40) 상에 충돌하기 전에 TIR 또는 반사를 계속 겪는다. 이 TIR은 광의 편광을 무작위로 회전시키고 어느 정도까지는 탈편광시킨다. 이 편광 변환(회전 및 탈편광)은 유익하며, 도파관(10)을 따르는 출력 결합의 균일성에 기여한다. 편광 변환(polarization scrambling)은 도파관(20) 및 그 환경, 예를 들어, 도파관(10)의 상단 외부 파셋 위의 매체가 공기인, 사이의 높은 굴절률 차이를 사용함으로써 향상된다(프레넬 방정식으로 표현되는 바와 같이).
하나의 바람직한 옵션에 따르면, 편광 변환을 향상시키기 위해 도파관(10) 내에 복굴절(birefringent) 물질 또는 코팅이 도입된다. 다른 바람직한 옵션에 따르면, 편광 변환을 향상시키기 위해 도파관(10)의 외부면 외부에 코팅이 도입된다. 편광 변환이 뒤따르는 내부 파셋에서의 부분 편광 프로세스는 각각의 연속적인 내부 파셋에서 반복된다.
도파관(10) 밖으로 및 도파관(20) 안으로 결합하기 위해 내부 파셋에서 반사된 광과 관련하여, 이 광은 일반적으로 S 편광으로, 일반적으로 부분적으로 편광되지만, 제1 도파관을 빠져나오기 전에 및 도파관 사이의 간극 안으로 도파관(10)을 빠져나올 때 도파관(10)의 측면에서 발생하는 추가 반사에서 추가 편광 수정을 겪을 수 있다. 제2 도파관과 관련하여 임의의 편광의 배향 및 커플-아웃 광의 결과적인 편광 속성은 따라서 이용되는 특정 결합 형상의 다양한 특징에 따른다. 다수의 옵션이 제2 도파관(20)의 편광의 관리에 관해 채택될 수 있다.
선택적으로, S 편광으로부터 누적된 편차는 도파관(10 및 20) 사이의 간극에 파장 판을 배치함으로써 감소될 수 있다. 파장판(또는 파장판들)의 실제 파라미터는 도파관(20)에 필요한 편광에 대한 도파관(10)으로부터의 광 편광 결합된 특정 출력에 따라 결정되어야 한다. 선택적으로, 원하지 않는 편광, 산란 및 고스트 이미지을 감소시키기 위해 도파관(10 및 20) 사이에 편광자가 배치될 수 있다.
파셋(45)의 연장 방향이 파셋(40)에 직교하는 경우, 파셋(40)에 의해 반사된 S-편광은 파셋(45)에 대해 P-편광으로서 배향된다. S-편광이 파셋(45)에 대해 최적일 경우, λ/2 파장판이 도파관 사이에 배치되어 파셋(45)에 대해 원하는 것과 편광을 일치시킬 수 있다. 이 λ/2 는 전술된 편광자 전 또는 후에 배치될 수 있다.
선택적인 구현예에서, 시스템은 일부 경우 도파관(10 및 20) 사이에 편광 관리를 구현하지 않고 수용가능한 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이 경우, 파셋으로부터 반사된 광(b1 및 b2)의 편광은 도파관(20)의 아래 쪽으로 전파하면서 회전하여 도파관(20)의 파셋(45)을 가로질러 평균화하는 편광을 생성할 것이다. 이 구성의 또 다른 최적화는 50 -75°범위에서 도33c에 도시된 바와 같이, 양쪽 편광을 반사하는 코팅을 가짐으로써 달성된다(이 예에서, 두 편광의 반사는 동일하지 않지만, 둘 모두 상당히 반사된다).
두 도파관 사이의 간극에 편광자(제1 도파관 안으로 이미지 주입시 탈편광자 이외에)를 도입하는 것도 가능하다. 부가적으로, 또는 선택적으로, 복굴절 물질(예를 들어, 특정 플라스틱)이 도파관에 대해 사용되어, 시스템의 편광 변환 속성을 추가로 향상시킬 수 있다.
제조 과정
제2 도파관(20) 제조에 적합한 기술은 일반적으로 공지되어 있으며, 예를 들어, 도32 내지 36을 참고로 설명된, 양수인의 종래 특허 US6,829,095호에서 발견할 수 있다.
도34a는 제1 도파관(10)을 제작하는데 사용될 수 있는 비-제한적이지만 바람직한 과정을 도시한다. 명확성을 위해, 도면에서, 내부 파셋은 일정한 비율 또는 두께로 도시하지 않았다.
한 세트의 코팅된 투명 평행 판이 적층물(400)로서 함께 부착된다. 적층물은 절편(slice)을 생성하기 위해 비스듬하게(diagonally) 절단된다. 필요한 경우, 커버 투명 판(405)이 절편(404)의 상단 및/또는 하단(도시되지 않음)에 부착될 수 있다. 그 다음에 절편은 1D 파셋 경사가 필요한 경우 파셋의 에지에 직각으로 절단되거나, 2D 파셋 경사가 필요한 경우 비스듬하게 절단되어, 2D 도파관을 생성한다(406).
많은 전술된 실시예에 대해, 결합 프리즘은 그 다음에 도파관(10)에 부착된다. 결합 프리즘의 예시적인 부착 공정은 도34b-34e에 도시되어 있다. 얇게 잘린 2D 도파관(406)은 중첩 파셋을 구비한 채로 도34b에 도시되어 있다(각각의 가시선에 대해 반사하는 두 개의 파셋). 이것은 비-제한적인 예이지만, 중첩되지 않는 파셋도 가능하다.
도34b에 도시된 바와 같이, 2D 도파관(406)(명확성을 위해 투명하지 않게 도시된)은 예를 들어 도시된 바와 같이 점선을 따라 절단된다. 이 절단은 임의의 배향일 수 있지만, 수직 절단은 엄격한 인덱스 매칭 요건을 완화한다. 바람직하게는, 도34c에서 볼 수 있듯이, 조명의 균일성을 유지하기 위해 중첩 파셋이 존재하는(도34c의 절단 단부 참조) 곳에서 절단이 수행된다. 그렇지 않으면, 제1 파셋은 감소된 조명에 의해 일어나는 중첩이 없이 반사할 것이다. 필요한 경우 투명 연장부(413)가 제공될 것이며 프리즘(414)(91과 동일하고, 투명하게 도시된)은 406에 부착되어, 연장부 및 결합 프리즘을 구비한 2D 도파관을 생성한다. 연장부가 필요하지 않은 경우, 결합 프리즘(414)은 도파관에 직접 부착되어 조립 도파관(417)을 생성할 수 있다. 도파관의 원위 단부는 왼쪽에 존재하여, 임의의 나머지 광이 산란될 수 있도록 하며, 선택적으로 광 흡수 물질(예를 들어, 검은 페인트)로 페인팅되어 빗나간 반사를 최소화할 수 있다.
도35a-35d를 살펴보면, 관찰자는 1D 도파관을 통해 세상을 본다. 따라서, 내부 파셋(45)의 투명성의 변형은 관찰가능하고 불편할 수 있다. 그러나, 도파관으로부터의 균일한 조명(가상 이미지)을 유지하기 위해 내부 파셋의 반사성은 도파관 조명 지점으로부터 더 멀수록 높아야 한다.
도35a-35d에서, 1D 도파관의 조명은 두꺼운 화살표로 표시되고 파셋의 높은 반사성은 도35a 및 35c의 정면도에서는 더 어두운 투명도로 표시되고, 도35b 및 35d의 측면도에서는 두꺼운 선으로 표시된다.
도35a 및 35b의 구역(450)은 도파관의 단부에 투명한 유리를 도시한다. 이 구역은 광을 내부로 안내하지 않으며, 투사된 이미지의 영역을 넘어서, 관찰자에게 도파관 창(window)의 연속성을 위해서만 사용된다. 이것은 일반적으로 구역(450)과 마지막 파셋 사이의 명백한 불연속을 초래한다. 그 외의 일반적인 시스템에 적용할 수 있는 도35c 및 35d에 도시된 이 발명의 추가 양태에 따르면, 마지막 구역(454)은 덜 투명하도록 의도적으로 만들어져서, 마지막 파셋과 구역(454) 사이의 실제 세계의 풍경 투과시 명백한 불연속을 감소시킨다. 이것은 이미지의 이 부분이 관찰자를 훨씬 덜 방해하게 한다. 구역(454)에 대해 요구되는 감소된 투과는 또한 구역(450)의 상단의 코팅을 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 추가 등급의 투명 창(457)이 도파관에 인접하게(전 또는 후에) 도입될 수 있다. 등급화된 투명도는 연속적으로 더욱 두꺼은 내부 파셋의 배열로 인한 등급화된 투명도에 대해 대향 방향으로 변하여, 디스플레이를 통해 보이는 실제 세상의 모양의 변화를 보상하고 거의 균일한 전체적으로 결합된 투명도를 생성한다.
첨부된 청구범위가 다중 종속성이 없이 초안작성되는 한, 이러한 다중 종속성을 허용하지 않는 사법권의 공식 요구사항을 수용하기 위해서만 수행되었다. 청구범위 다중 종속성을 제공함으로써 암시될 수 있는 특징의 모든 가능한 조합은 명시적으로 고려되며 본 발명의 일부로 간주되어야 한다.
상기 설명은 단지 예로서 제공되는 것이고, 많은 다른 실시예들이 첨부된 청구범위에 규정되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다.
10 : 제1 광 도파관 12a : 전방 면
12b : 후방 면 14a, 14b : 외부면
16a : 제1 근위 에지 16b : 제2 근위 에지
18a : 제1 반사기 18b : 제2 반사기
20 : 제2 광 도파관 30 : 빔
40, 45 : 파셋 81, 84, 89 : 개구
91 : 결합 프리즘 91a : 반사 표면
112 : 제2 도파관 반사기 114R : 제1 도파관 반사기
116 : 단일 반사기 117 : 백미러
120 : 중간 굴절층 155 : 부분 반사 표면
170 : 도파관 179 : 출력 개구
400 : 적층물 404 : 절편
405 : 커버 투명판 406 : 2D 도파관
413 : 투명 확장부 414 : 프리즘
417 : 조립 도파관 500 : PBS
501 : 시준 PBS 502 : 결합 프리즘
503 : 2D 도파관 509: 이미지 생성기
523 : 트리밍 에지 526 : 시준 PBS
1149 : 반사성 코팅 1150 : 연결 기구
1610 : 반사성 코팅 1630 : 트리밍 에지
1640 : 프리즘 2670 : 내부 파셋

Claims (11)

  1. 광학 개구 배율기로서,
    (a) 투명 물질의 블록으로서 형성된 제1 도파관으로서, 상기 제1 도파관은 직사각형 단면을 형성하는 제1 및 제2 평행 면 쌍을 갖고, 상기 제1 도파관은 상기 제1 도파관을 적어도 부분적으로 가로지르는 상호 평행한, 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트를 포함하고, 상기 부분 반사 표면들은 적어도 상기 제1 평행 면 쌍에 대해 비스듬한 각도에 있는, 상기 제1 도파관;
    (b) 상기 제1 도파관과 광학적으로 결합된 투명 물질의 블록으로서 형성된 제2 도파관으로서, 상기 제2 도파관은 슬래브-형 도파관을 형성하는 제3 평행 면 쌍을 가지며, 부분 반사 표면들의 제2 세트는 상기 제2 도파관을 적어도 부분적으로 가로지르고, 상기 부분 반사 표면들의 제2 세트는 상기 제3 평행 면 쌍에 대해 비스듬한 각도를 이루는, 상기 제2 도파관; 및
    (c) 무한대로 시준된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터로서, 상기 이미지 프로젝터는, 상기 제1 및 제2 평행 면 쌍에서 4-접(four-fold) 내부 반사에 의해 상기 제1 도파관 내에서 전파하도록 상기 제1 도파관 내로 상기 이미지를 도입하기 위해 상기 제1 도파관에 광학적으로 결합되고, 이에 의해 4개의 내부 반사된 이미지들의 세트를 생성하는, 상기 이미지 프로젝터를 포함하고;
    상기 광학 결합 및 상기 제1 및 제2 도파관들의 상기 부분 반사 표면들의 상기 제1 및 제2 세트들은, 상기 4개의 내부 반사 이미지들의 세트 중 적어도 하나의 강도의 비율이 상기 부분 반사 표면들에서의 반사에 의해 점진적으로 편향되어 상기 제2 도파관 내로 결합되고, 상기 제2 도파관 내에서 2-접(two-fold) 반사에 의해 전파되도록 구성되고, 상기 이미지의 강도의 비율은 상기 부분 반사 표면들에서 반사되어 가시적인 이미지로서 상기 평행한 면들 중 하나로부터 밖으로 향하게 되고,
    그리고 상기 제1 도파관 내에서 전파되는 상기 이미지는 각도 관측 시야에 걸쳐 있고, 상기 4개의 내부 반사 이미지 중 임의의 것의 광선이 상기 제1 및 제2 평행 면 쌍 중 임의의 것 또는 상기 부분 반사 표면들의 상기 제1 세트에 평행하지 않고,
    그리고 상기 편향된 이미지의 광선 또는 상기 제2 도파관 내에서 전파하는 그의 반사는 상기 제3 평행 면 쌍 또는 상기 부분 반사 표면들의 제2 세트에 평행하지 않는, 광학 개구 배율기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면들의 제1 세트는 상기 제2 평행 면 쌍에 수직인, 광학 개구 배율기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 평행 면 쌍은 상기 제3 평행 면 쌍에 평행한 것인, 광학 개구 배율기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 부분 반사 표면들의 제1 세트는 상기 4개의 반사 이미지들 중 제1 2개의 관측 시야를 포함하는 제1 각도 범위 내에서 입사하는 광선들에 대해 실질적으로 투명하고, 상기 4개의 반사 이미지들 중 제2 2개의 관측 시야를 포함하는 제2 각도 범위 내에서 입사하는 광선들에 대해 부분적으로 반사하는 다층 유전체 코팅을 사용하여 구현되고, 이에 의해 상기 제2 도파관 내로 결합되도록 상기 제2 2개의 이미지들을 점진적으로 편향시키는, 광학 개구 배율기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면들의 제1 세트의 반사율은 상기 반사된 이미지들의 전파 방향을 따라 증가하는, 광학 개구 배율기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면들의 제1 세트는 상기 제1 및 제2 평행 면 쌍 중 적어도 하나의 면에 인접한 주변 매체에서 상기 제1 도파관의 물질에 대한 임계 각보다 작은 각도로 상기 제1 평행 면 쌍에 대한 법선에 대해 경사진, 광 개구 배율기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 도파관은 상기 제1 평행 면 쌍 또는 상기 제2 평행 면 쌍 사이에 이격되고 그에 평행한 부분 반사 내부 표면을 더 포함하는, 광학 개구 배율기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터와 상기 제1 도파관 사이의 광학 결합은 상기 제1 도파관과 일체로 형성되거나 광학적으로 결합되는 결합 프리즘을 통해 이루어지고, 상기 결합 프리즘은 상기 이미지 프로젝터로부터의 투사된 이미지의 광 축에 대체로 수직인 결합 표면을 제공하고, 상기 결합 프리즘은 상기 제1 평행 면 쌍의 제1 면과 동일 평면 상에 있거나 평행한 제1 연장 표면 및 상기 제2 평행 면 쌍의 제1 면과 동일 평면 상에 있거나 평행한 제2 연장 표면을 제공하는, 광학 개구 배율기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 연장 표면은 상기 제1 도파관의 신장 방향에 수직인 폭이 상기 제1 평행 면 쌍의 폭보다 크고, 상기 제2 연장 표면은 상기 제1 도파관의 신장 방향에 수직인 폭이 상기 제2 평행 면 쌍의 폭보다 큰 것인, 광 개구 배율기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 결합 프리즘은 상기 제1 도파관의 입구 개구의 제1 차원을 규정하는 제1 컷-오프 에지 및 상기 제1 도파관의 입구 개구의 제2 차원을 규정하는 제2 컷-오프 에지를 규정하고, 상기 제1 컷-오프 에지 및 상기 제2 컷-오프 에지는 동일 평면 상에 있지 않는, 광 개구 배율기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 결합 프리즘은 상기 제1 도파관의 입구 개구의 제1 차원을 규정하는 제1 컷-오프 에지 및 상기 제1 도파관의 입구 개구의 제2 차원을 규정하는 제2 컷-오프 에지를 규정하고, 상기 제1 및 제2 컷-오프 에지들 중 적어도 하나는 상기 제1 도파관의 신장 방향에 비스듬하게 경사진, 광 개구 배율기.
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