KR20240005987A - 상이한 파장의 광을 도파관 밖으로 출력하기 위한 아키텍쳐 및 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지를 형성하기 위한 광을 선택적으로 출력하기 위한 아키텍쳐가 제공되는데, 광은 상이한 파장을 가지며 낮은 레벨의 크로스토크를 가지고 출력된다. 몇몇 실시형태에서, 광은 도파관 안으로 인커플링되고, 파장에 따라, 상이한 방향으로 전파하도록 편향된다. 그 다음, 인커플링된 광은, 광의 전파의 방향에 기초하여 광을 아웃커플링하는 아웃커플링 광학 엘리먼트에 의해 아웃커플링된다. 몇몇 다른 실시형태에서, 컬러 필터는 도파관과 아웃커플링 엘리먼트 사이에 있다. 컬러 필터는, 아웃커플링 엘리먼트와 상호작용하는 그리고 아웃커플링 엘리먼트에 의해 아웃커플링되는 광의 파장을 제한한다. 또 다른 실시형태에서, 출력될 각각의 범위의 파장에 대해 상이한 도파관이 제공된다. 인커플링 광학 엘리먼트는, 적절한 범위의 파장의 광을 대응하는 도파관 안으로 선택적으로 인커플링하는데, 광은, 대응하는 도파관으로부터 아웃커플링된다.
Description
우선권 주장
본 출원은 2014년 9월 29일자로 출원된 발명의 명칭이 "VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS"인 미국 특허 가출원 제62/057,165호의 우선권 이익을 주장하는데, 상기 가출원의 전체는 참조에 의해 본원에 통합된다.
참조에 의한 통합
본 출원은 다음의 특허 출원 각각의 전체를 참조에 의해 통합한다: 미국 출원 제14/331,218호(대리인 관리 번호 20020.00); 미국 가출원 제62/012,273호(대리인 관리 번호 30019.00); 및 미국 가출원 제62/005,807호(대리인 관리 번호 30016.00).
배경분야
본 개시는 가상 현실 및 증강 현실 이미징 및 시각화 시스템에 관한 것이다.
현대의 컴퓨팅 및 디스플레이 기술은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험을 위한 시스템의 개발을 가능하게 하였는데, "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험에서는, 디지털적으로 재생성된 이미지 또는 그 일부가, 이들이 현실인 것처럼 생각되거나, 또는 현실로서 인식될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실(virtual reality), 또는 "VR" 시나리오는, 통상적으로, 다른 실제의 현실 세계 시각적 입력에 투명하지 않은 디지털 또는 가상 이미지 정보의 표시를 수반한다; 증강 현실(augmented reality), 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위의 실세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 표시를 수반한다. 예를 들면, 도 1을 참조하면, 사람들, 나무, 배경 건물, 및 콘크리트 플랫폼(1120)을 특징으로 하는 실세계의 공원과 유사한 설정(1100)을 AR 기술의 사용자가 보고 있는 증강 현실 장면(1)이 묘사된다. 이들 아이템 외에, AR 기술의 사용자는 또한, 그가 실세계 플랫폼(1120) 상에 서있는 로봇 상(robot statue)(1110), 및 호박벌을 의인화한 것처럼 보이는 날고 있는 카툰형 아바타 캐릭터(1130)를, 이들 엘리먼트(1130, 1110)가 실세계에서는 존재하지 않을지라도, "보고" 있다는 것을 인식한다. 인간의 시각적 인식 시스템이 복잡하기 때문에, 다른 가상의 또는 실세계의 화상(imagery) 엘리먼트 사이에서, 가상 이미지 엘리먼트의 편안하고, 자연스러운 느낌이 나며, 풍부한 표현을 가능하게 하는 VR 또는 AR 기술을 생성하는 것은 도전 과제이다.
본원에서 개시되는 시스템 및 방법은 VR 및 AR 기술에 관련되는 다양한 도전 과제를 중점적으로 다룬다.
실시형태 1: 광학 시스템으로서:
제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 도파관 - 도파관은 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이의 내부 전반사에 의해 광을 전파하도록 구성됨 - ;
입사광을 제1 방향을 따라 제1 복수의 파장에서 도파관 안으로 인커플링하도록 그리고 입사광을 제2 방향을 따라 하나 이상의 제2 파장에서 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트 - 제1 복수의 파장의 인커플링된 광은 내부 전반사에 의해 제1 방향을 따라 도파관을 통해 전파하고 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광은 내부 전반사에 의해 제2 방향을 따라 도파관을 통해 전파함 - ; 및
인커플링된 광을 도파관 밖으로 아웃커플링하도록 구성되는 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 2: 실시형태 1의 광학 시스템으로서, 인커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 3: 실시형태 2의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(analog surface relief grating; ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(binary surface relief structure; BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 4: 실시형태 3의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC) 격자이다.
실시형태 5: 실시형태 1 내지 실시형태 4 중 어느 하나의 광학 시스템으로서,
제1 복수의 파장 이외의 파장의 광을 통과시키면서, 제1 방향을 따라 전파하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성되는 제1 파장 선택 반사기; 및
하나 이상의 제2 파장 이외의 파장의 광을 통과시키면서, 제2 방향을 따라 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성되는 제2 파장 선택 반사기를 더 포함한다.
실시형태 6: 실시형태 5의 광학 시스템으로서,
제1 파장 선택 반사기를 통과하는 인커플링된 광을 흡수하도록 구성되는 제1 흡수기; 및
제2 파장 선택 반사기를 통과하는 인커플링된 광을 흡수하도록 구성되는 제2 흡수기를 더 포함한다.
실시형태 7: 실시형태 5의 광학 시스템으로서, 제1 및 제2 파장 선택 반사기는 이색성 필터(dichroic filter)이다.
실시형태 8: 실시형태 1 내지 실시형태 7 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 복수의 파장의 광은 적색 광 및 청색 광을 포함한다.
실시형태 9: 실시형태 1 내지 실시형태 8 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 제2 파장의 광은 녹색 광을 포함한다.
실시형태 10: 실시형태 1 내지 실시형태 9 중 어느 하나의 광학 시스템으로서,
제1 방향을 따라 이동하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 수신하도록 그리고 제1 복수의 파장의 광을 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트로 분배하도록 구성되는 제1 광 분배 엘리먼트; 및
제2 방향을 따라 이동하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 수신하도록 그리고 하나 이상의 제2 파장의 광을 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트로 분배하도록 구성되는 제2 광 분배 엘리먼트를 더 포함한다.
실시형태 11: 실시형태 10의 광학 시스템으로서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 12: 실시형태 11의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는 하나 이상의 격자를 포함한다.
실시형태 13: 실시형태 10 내지 실시형태 12 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 광 분배 엘리먼트는, 제2 광 분배 엘리먼트가 하나 이상의 제2 파장의 광을 재지향시키도록 구성되는 방향과는 상이한 방향을 따라 도파관 내에서 전파하도록 제1 복수의 파장의 광을 재지향시키도록 구성된다.
실시형태 14: 실시형태 10 내지 실시형태 13 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 광 분배 엘리먼트는, 도파관 내에서 제2 방향을 따라 전파하도록 제1 복수의 파장의 광을 재지향시키도록 구성되고, 제2 광 분배 엘리먼트는, 도파관 내에서 제1 방향을 따라 전파하도록 하나 이상의 제2 파장의 광을 재지향시키도록 구성된다.
실시형태 15: 실시형태 10 내지 실시형태 14 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트는 직교 동공 확장기(orthogonal pupil expander)이다.
실시형태 16: 실시형태 1 내지 실시형태 15 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 복수의 파장의 광을 도파관 밖으로 아웃커플링하도록 구성되는 하나 이상의 격자를 포함하고; 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 제2 파장의 광을 도파관 밖으로 아웃커플링하도록 구성되는 하나 이상의 격자를 포함한다.
실시형태 17: 실시형태 16의 광학 시스템으로서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는 도파관의 제1 주 표면 상에 배치되고 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는 도파관의 제2 주 표면 상에 배치된다.
실시형태 18: 실시형태 16의 광학 시스템으로서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는 도파관의 동일한 주 표면 상에 배치된다.
실시형태 19: 실시형태 16 내지 실시형태 18 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 20: 실시형태 19의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함한다.
실시형태 21: 광학 시스템으로서:
복수의 적층된 도파관을 포함하고, 각각의 도파관은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 각각의 도파관은 제1 및 제2 주 표면 사이의 내부 전반사에 의해 광을 전파하도록 구성되며, 각각의 도파관은:
제1 방향을 따라 제1 복수의 파장에서 입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 그리고 제2 방향을 따라 하나 이상의 제2 파장에서 입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트; 및
인커플링된 광을 도파관 밖으로 아웃커플링하도록 구성되는 아웃커플링 광학 엘리먼트를 더 포함한다.
실시형태 22: 실시형태 21의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 관련된 깊이 평면(depth plane)을 구비하며, 각각의 도파관은 그 도파관의 관련된 깊이 평면으로부터 비롯되는 것으로 보이는 이미지를 생성하도록 구성된다.
실시형태 23: 실시형태 21 및 실시형태 22 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 상이한 도파관은 상이한 관련된 깊이 평면을 갖는다.
실시형태 24: 실시형태 21 내지 실시형태 23 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 상이한 깊이 평면에 대한 아웃커플링 광학 엘리먼트는 각각의 깊이 평면에 대해 출사 광(exiting light)의 상이한 발산을 제공하도록 상이한 광학적 파워(optical power)를 갖는다.
실시형태 25: 광학 시스템으로서:
제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 도파관;
입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
제1 주 표면 상의 제1 파장 선택 필터 - 제1 파장 선택 필터는 제1 주 표면에 인접한 제1 후방 표면(rearward surface) 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면(forward surface)을 구비하며, 제1 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 제1 후방 표면을 통해 투과시키고 제1 복수의 파장의 투과된 광의 일부를 제1 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
다른 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ; 및
제1 파장 선택 필터 상에 배치되는 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - 를 포함한다.
실시형태 26: 실시형태 25의 광학 시스템으로서,
제2 주 표면 상의 제2 파장 선택 필터 - 제2 파장 선택 필터는 제2 주 표면에 인접한 제2 후방 표면 및 제2 후방 표면과 대향하는 제2 전방 표면을 구비하며, 제2 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장과는 상이한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 제2 후방 표면을 통해 투과시키고 하나 이상의 제2 파장의 투과된 광의 일부를 제2 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ; 및
제2 파장 선택 필터 상에 배치되는 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제2 파장 선택 필터를 투과한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - 를 더 포함한다.
실시형태 27: 실시형태 26의 광학 시스템으로서, 제1 및 제2 파장 선택 필터는 이색성 필터를 포함한다.
실시형태 28: 실시형태 26 및 실시형태 27 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 및 제2 파장 선택 필터는, 도파관의 대응하는 제1 또는 제2 주 표면에 대한 법선에 대해 0도와 20도 사이의 각도에서 입사하는 제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 투과시키도록 구성된다.
실시형태 29: 실시형태 26 내지 실시형태 28 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 제2 파장의 광은 녹색 광을 포함한다.
실시형태 30: 실시형태 26 내지 실시형태 29 중 어느 하나의 광학 시스템으로서,
광 분배 엘리먼트를 더 포함하고, 광 분배 엘리먼트는:
인커플링 광학 엘리먼트로부터 제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 수신하도록; 그리고
제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트로 분배하도록 구성된다.
실시형태 31: 실시형태 30의 광학 시스템으로서, 광 분배 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 32: 실시형태 30 및 실시형태 31 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 광 분배 엘리먼트는 직교 동공 확장기이다.
실시형태 33: 실시형태 30 내지 실시형태 32 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 복수의 파장의 광의 제1 부분은 제1 파장 선택 필터의 제1 전방 표면으로부터 반사되고 제1 복수의 파장의 광의 제2 부분은 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향된다.
실시형태 34: 실시형태 33의 광학 시스템으로서, 제1 복수의 파장의 광의 제1 부분은 제2 주 표면으로부터 반사된 이후 제1 파장 선택 필터 상에 입사하고, 광의 제1 부분 중 일부는 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향된다.
실시형태 35: 실시형태 30 내지 실시형태 34 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 제2 파장의 광의 제3 부분은 제2 파장 선택 필터의 제2 전방 표면으로부터 반사되고 하나 이상의 제2 파장의 광의 제4 부분은 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향된다.
실시형태 36: 실시형태 35의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 제2 파장의 광의 제3 부분은 제1 주 표면으로부터 반사된 이후 제2 파장 선택 필터 상에 입사하고, 광의 제3 부분 중 일부는 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향된다.
실시형태 37: 실시형태 26 내지 실시형태 36 중 어느 하나의 광학 시스템으로서,
제1 아웃커플링 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하고; 그리고
제2 아웃커플링 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 38: 실시형태 37의 광학 시스템으로서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 39: 실시형태 38의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함한다.
실시형태 40: 실시형태 37의 광학 시스템으로서, 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 41: 실시형태 40의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함한다.
실시형태 42: 실시형태 25 내지 실시형태 41 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 인커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 43: 실시형태 42의 광학 시스템으로서, 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 44: 실시형태 43의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자이다.
실시형태 45: 실시형태 25 내지 실시형태 44 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 인커플링 광학 엘리먼트는 프리즘을 포함한다.
실시형태 46: 실시형태 25 내지 실시형태 46 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 제1 복수의 파장의 광은 적색 광 및 청색 광을 포함한다.
실시형태 47: 광학 시스템으로서:
복수의 적층된 도파관을 포함하고, 각각의 도파관은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하고, 각각의 도파관은:
입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
제1 주 표면 상의 제1 파장 선택 필터 - 제1 파장 선택 필터는 제1 주 표면에 인접한 제1 후방 표면 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면을 구비하며, 제1 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 제1 후방 표면을 통해 투과시키고 제1 복수의 파장의 투과된 광의 일부를 제1 전방 표면으로부터 반사하도록 구성됨 - ; 및
제1 파장 선택 필터 상에 배치되는 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - 를 더 포함한다.
실시형태 48: 실시형태 47의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은:
제2 주 표면 상의 제2 파장 선택 필터 - 제2 파장 선택 필터는 제2 주 표면에 인접한 제2 후방 표면 및 제2 후방 표면과 대향하는 제2 전방 표면을 구비하며, 제2 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장과는 상이한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 제2 후방 표면을 통해 투과시키고 하나 이상의 제2 파장의 투과된 광의 일부를 제2 전방 표면으로부터 반사하도록 구성됨 - ; 및
제2 파장 선택 필터 상에 배치되는 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제2 파장 선택 필터를 투과한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - 를 더 포함한다.
실시형태 49: 실시형태 47 및 실시형태 48 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 관련된 깊이 평면을 가지며, 각각의 도파관은 그 도파관의 관련된 깊이 평면으로부터 비롯되는 것으로 보이는 이미지를 생성하도록 구성된다.
실시형태 50: 실시형태 47 내지 실시형태 49 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 상이한 도파관은 상이한 관련된 깊이 평면을 갖는다.
실시형태 51: 실시형태 47 내지 실시형태 50 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 상이한 깊이 평면에 대한 아웃커플링 광학 엘리먼트는 각각의 깊이 평면에 대해 출사 광의 상이한 발산을 제공하도록 상이한 광학적 파워를 갖는다.
실시형태 52: 실시형태 48 내지 실시형태 51 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 광 재분배 엘리먼트를 더 포함하고, 광 재분배 엘리먼트는:
제1 및 제2 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광의 일부를 수신하도록; 그리고
제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트로 분배하도록 구성된다.
실시형태 53: 광학 시스템으로서:
복수의 적층된 도파관을 포함하고, 각각의 도파관은:
입사광의 특성에 기초하여 입사광을 도파관 안으로 선택적으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
도파관 안으로 인커플링되는 광을 아웃커플링하도록 구성되는 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 54: 실시형태 53의 광학 시스템으로서, 입사광의 특성은 파장이다.
실시형태 55: 실시형태 53 및 실시형태 54 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 인커플링 광학 엘리먼트는 파장 선택 반사기(wavelength selective reflector)이다.
실시형태 56: 실시형태 55의 광학 시스템으로서, 파장 선택 반사기는 이색성 반사기이다.
실시형태 57: 실시형태 55 및 실시형태 56 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은, 복수의 적층된 도파관 중 다른 도파관의 파장 선택 반사기와는 상이한 파장 범위의 광을 반사하도록 구성되는 파장 선택 반사기를 포함한다.
실시형태 58: 실시형태 55 내지 실시형태 57 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 파장 선택 반사기는, 복수의 적층된 도파관 중 다른 도파관의 파장 선택 반사기와는 상이한 컬러에 대응하는 파장 범위의 광을 반사하도록 구성된다.
실시형태 59: 실시형태 53 내지 실시형태 58 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 복수의 적층된 도파관은, 적색 광을 출력하도록 구성되는 제1 도파관, 녹색 광을 출력하도록 구성되는 제2 도파관, 및 청색 광을 출력하도록 구성되는 제3 도파관을 포함하는 세 개의 도파관을 포함한다.
실시형태 60: 실시형태 53 내지 실시형태 59 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 아웃커플링 광학 엘리먼트는 회절 광학 엘리먼트이다.
실시형태 61: 실시형태 60의 광학 시스템으로서, 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 62: 실시형태 61의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함한다.
실시형태 63: 실시형태 53 내지 실시형태 62 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 각도 수정 광학 엘리먼트를 더 포함하고, 각도 수정 광학 엘리먼트는, 입사광이 각도 수정 광학 엘리먼트에 충돌한 이후 도파관 표면에 대해 더 얕은 각도에서 전파하도록, 입사광의 전파 각도를 수정하도록 구성된다.
실시형태 64: 실시형태 63의 광학 시스템으로서, 각도 수정 광학 엘리먼트는 입사광의 초점을 변경하도록 구성된다.
실시형태 65: 실시형태 63의 광학 시스템으로서, 각도 수정 광학 엘리먼트는 프리즘이다.
실시형태 66: 실시형태 63의 광학 시스템으로서, 각도 수정 광학 엘리먼트는 회절 광학 엘리먼트이다.
실시형태 67: 실시형태 53 내지 실시형태 66 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 광 분배 엘리먼트를 더 포함하고, 인커플링 광학 엘리먼트는 광을 광 분배 엘리먼트로 지향시키도록 구성되고, 광 분배 엘리먼트는 광을 아웃커플링 광학 엘리먼트로 지향시키도록 구성된다.
실시형태 68: 실시형태 67의 광학 시스템으로서, 광 분배 엘리먼트는 직교 동공 확장기이다.
실시형태 69: 실시형태 67 및 실시형태 68 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 광 분배 엘리먼트, 인커플링 광학 엘리먼트 및 아웃커플링 광학 엘리먼트는 도파관의 표면 상에 배치된다.
실시형태 70: 실시형태 67 내지 실시형태 69 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 광 분배 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함한다.
실시형태 71: 실시형태 70의 광학 시스템으로서, 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함한다.
실시형태 72: 광학 시스템으로서:
적층된 도파관의 다수의 세트를 포함하고, 각각의 세트는 복수의 적층된 도파관을 포함하고, 각각의 도파관은:
입사광의 특성에 기초하여 입사광을 도파관 안으로 선택적으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트; 및
도파관 안으로 인커플링되는 광을 아웃커플링하도록 구성되는 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함한다.
실시형태 73: 실시형태 72의 광학 시스템으로서, 각각의 도파관은 관련된 깊이 평면을 가지며, 각각의 도파관은 그 도파관의 관련된 깊이 평면으로부터 비롯되는 것으로 보이는 이미지를 생성하도록 구성되고, 도파관의 상이한 세트의 도파관은 상이한 관련된 깊이 평면을 갖는다.
실시형태 74: 실시형태 72 내지 실시형태 73 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 적층된 도파관의 각각의 세트의 도파관은 동일한 관련된 깊이 평면을 갖는다.
실시형태 75: 실시형태 72 내지 실시형태 74 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 아웃커플링 광학 엘리먼트는 발산하는 광 빔을 제공하도록 광학적 파워를 갖는다.
실시형태 76: 실시형태 72 내지 실시형태 75 중 어느 하나의 광학 시스템으로서, 상이한 깊이 평면에 대한 아웃커플링 광학 엘리먼트는 각각의 깊이 평면에 대해 출사 광의 상이한 발산을 제공하도록 상이한 광학적 파워를 갖는다.
도 1은 증강 현실(AR) 디바이스를 통한 AR의 사용자 뷰를 예시한다.
도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
도 3은 사용자에 대한 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
도 4는 다수의 깊이 평면을 사용하여 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 접근 방식(approach)의 양태를 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는, 곡률 반경과 초점 반경 사이의 관계를 예시한다.
도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
도 7은 도파관에 의해 출력되는 출사 빔의 예를 도시한다.
도 8은, 다수의 상이한 성분 컬러를 사용하여 형성되는 이미지를 각각의 깊이 평면이 포함하는 적층된 도파관 어셈블리의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9a는, 도파관, 인커플링 광학 엘리먼트, 및 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 디스플레이 디바이스의 상면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9b는 도 9a에서 묘사되는 디스플레이 디바이스의 축 A-A'을 따른 단면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9c는 이색성 파장 선택 필터의 예를 예시하고 이색성 파장 선택 필터의 동작을 묘사한다.
도 10a는, 도파관, 인커플링 광학 엘리먼트, 파장 선택 필터, 및 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 디스플레이 디바이스의 상면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 10b 및 도 10c는 도 10a에서 묘사되는 디스플레이 디바이스의 축 A-A'을 따른 단면도의 예를 예시한다.
도 11a는, 상이한 파장 또는 파장 범위의 광을 출력하도록 각각 구성되는 복수의 적층된 도파관의 측단면도의 예를 예시한다.
도 11b는, 도 11a의 복수의 적층된 도파관의 사시도의 예를 예시한다.
도 12a 및 도 12b는, 도파관 안으로의 광의 인커플링을 가능하게 하는 각도 수정 광학 엘리먼트를 갖는 도파관의 측단면도의 예를 예시한다.
도 13은 시야에 대한 굴절률의 예상된 영향을 나타내는 플롯이다.
도면은 소정의 예시적인 실시형태를 예시하기 위해 제공되며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 동일한 도면 부호는 전체에 걸쳐 동일한 부분을 가리킨다.
도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
도 3은 사용자에 대한 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
도 4는 다수의 깊이 평면을 사용하여 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 접근 방식(approach)의 양태를 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는, 곡률 반경과 초점 반경 사이의 관계를 예시한다.
도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
도 7은 도파관에 의해 출력되는 출사 빔의 예를 도시한다.
도 8은, 다수의 상이한 성분 컬러를 사용하여 형성되는 이미지를 각각의 깊이 평면이 포함하는 적층된 도파관 어셈블리의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9a는, 도파관, 인커플링 광학 엘리먼트, 및 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 디스플레이 디바이스의 상면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9b는 도 9a에서 묘사되는 디스플레이 디바이스의 축 A-A'을 따른 단면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9c는 이색성 파장 선택 필터의 예를 예시하고 이색성 파장 선택 필터의 동작을 묘사한다.
도 10a는, 도파관, 인커플링 광학 엘리먼트, 파장 선택 필터, 및 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 디스플레이 디바이스의 상면도의 예를 개략적으로 예시한다.
도 10b 및 도 10c는 도 10a에서 묘사되는 디스플레이 디바이스의 축 A-A'을 따른 단면도의 예를 예시한다.
도 11a는, 상이한 파장 또는 파장 범위의 광을 출력하도록 각각 구성되는 복수의 적층된 도파관의 측단면도의 예를 예시한다.
도 11b는, 도 11a의 복수의 적층된 도파관의 사시도의 예를 예시한다.
도 12a 및 도 12b는, 도파관 안으로의 광의 인커플링을 가능하게 하는 각도 수정 광학 엘리먼트를 갖는 도파관의 측단면도의 예를 예시한다.
도 13은 시야에 대한 굴절률의 예상된 영향을 나타내는 플롯이다.
도면은 소정의 예시적인 실시형태를 예시하기 위해 제공되며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 동일한 도면 부호는 전체에 걸쳐 동일한 부분을 가리킨다.
복수의 깊이 평면에 대응하는 이미지가 보는 이에게 제공되는 디스플레이를 갖는 디스플레이 시스템에 의해 VR 및 AR 경험이 제공될 수 있다. 이미지는 각각의 깊이 평면에 대해 상이할 수 있고(예를 들면, 장면 또는 오브젝트의 약간 상이한 표현을 제공할 수 있고) 보는 이의 눈에 의해 개별적으로 초점이 맞을 수 있고, 그에 의해, 상이한 깊이 평면 상에 위치되는 장면에 대한 상이한 이미지 피쳐에 초점을 맞추는 데 필요한 눈의 원근조절(accommodation)에 기초하여 및/또는 상이한 깊이 평면 상의 상이한 이미지 피쳐가 초점을 벗어나는 것을 관측하는 것에 기초하여 깊이 단서(cue)를 사용자에게 제공하는 것을 돕게 된다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 이러한 깊이 단서는 깊이의 신뢰할 수 있는 인식을 제공한다.
몇몇 구성에서, 특정한 성분 컬러(component color)를 각각 갖는 성분 이미지(component image)를 중첩시키는 것에 의해, 다양한 깊이 평면에 대한 풀 컬러 이미지가 형성될 수 있다. 예를 들면, 적색, 녹색, 및 청색 이미지 각각이 출력되어 각각의 풀 컬러 이미지를 형성할 수 있다. 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 자신과 관련되는 다수의 성분 컬러 이미지를 구비할 수 있다. 본원에서 개시되는 바와 같이, 성분 컬러 이미지는, 이미지 정보를 포함하는 광을 인커플링하고, 인커플링된 광을 도파관에 걸쳐 분배하고, 그 다음 광을 보는 이를 향해 아웃커플링하는 도파관을 사용하여 출력될 수 있다.
광은, 인커플링 광학 엘리먼트, 예컨대 회절 엘리먼트를 사용하여 도파관으로 인커플링될 수 있고, 그 다음, 또한 회절 엘리먼트일 수 있는 아웃커플링 광학 엘리먼트를 사용하여 도파관 밖으로 아웃커플링될 수 있다. 통상적으로, 인커플링 및 아웃커플링 광학 엘리먼트의 쌍이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 배열은 이미지 품질을 저하시킬 수 있다. 예를 들면, 이러한 광학 엘리먼트는 통상적으로는 특정한 설계 파장을 가장 효율적으로 편향시키며, 바람직하지 않게는, 이러한 시스템을 통해 공급되는 적색, 녹색 및 청색 성분 이미지에 의해 형성되는 풀 컬러 이미지는, 파장에 따라, 상당한 크로핑(cropping) 및 오정렬(mis-focusing)을 나타낼 수 있다(예를 들면, 크로핑 및 오정렬은 비설계 파장 채널에 대해 발생할 수 있다). 또한, 이러한 인커플링 및 아웃커플링 광학 엘리먼트에 의해, 크로스토크, 또는 고스트 효과(ghosting)가 야기될 수 있다. 몇몇 경우에, 하나의 파장에 대해 최적화되는 회절 광학 엘리먼트는, 다른 파장의 광에 의한 충돌시, 고스트형 이미지가 형성되게 할 수 있다. 예를 들면, 보는 이로부터 1미터 떨어진 깊이 평면 상에 녹색 이미지를 배치하도록 설계되는 회절 광학 엘리먼트는, 1미터보다 더 가까운 또는 더 먼 깊이 평면 상에 청색 및 적색 이미지를 배치할 수 있다. 깊이 평면 사이의 이 크로스토크는 보는 이의 깊이 인식을 저해할 수 있고 이미지 명확성을 감소시킬 수 있다.
또한, 컬러 밸런스는, 광학 엘리먼트가 편향시키도록 명시적으로 설계되지 않은 파장에서 조차도 약간의 양의 광을 편향시키는, 회절 광학 엘리먼트와 같은 인커플링 및 아웃커플링 광학 엘리먼트의 경향에 의해 악영향을 받을 수 있다. 다수의 성분 컬러 이미지를 사용하여 풀 컬러 이미지가 형성되기 때문에, 풀 컬러 이미지에서의 컬러 정확도 및 이용가능할 수 있는 컬러의 범위는, 보는 이에게 도달하는 성분 컬러의 광의 양을 정확하게 조정하는 능력에 의존할 수 있다. 상이한 성분 컬러 이미지 사이의 크로스토크는 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들면, 풀 컬러 이미지는 성분 적색, 녹색, 및 청색 이미지를 사용하여 형성될 수 있다. 적색 컬러의 광을 사용하여 형성되며, 의도치 않은 녹색 광 및 청색 광을 또한 포함하는 적색 성분 컬러 이미지는, 다른 것들 중에서도, 최종적인 풀 컬러 이미지를 구성하는 녹색 또는 청색 광의 양을 정확하게 조정하는 능력을 저하시키기 때문에, 바람직하지 않다. 이것은 풀 컬러 이미지의 컬러 정확도를 감소시킬 수 있고 또한 생성되는 컬러의 범위를 감소시킬 수 있는데, 광의 상이한 컬러의 비율을 정확하고 세밀하게 조절하는 능력이 크로스토크에 의해 감소되기 때문이다. 다른 방식으로 말하면, 풀 컬러 이미지는, 성분 컬러 이미지 각각이, 어떤 범위의 다른 의도치 않은 컬러를 포함하는 "오염된(dirty)" 성분 컬러 대신, "순수한(pure)" 성분 컬러의 광으로 형성될 때, 더 높은 품질을 가질 수 있다.
유익하게는, 본원에서 개시되는 다양한 실시형태는 낮은 레벨의 크로스토크 및 의도치 않은 아웃커플링 거동을 제공한다.
몇몇 실시형태에서, 낮은 레벨의 크로스토크를 갖는 상이한 파장의 광을 선택적으로 출력하기 위한 다양한 아키텍쳐가 제공된다. 몇몇 실시형태에서, 광은 도파관 안으로 인커플링되고, 파장에 따라, 상이한 방향으로 전파하도록 편향된다. 그 다음, 인커플링된 광은, 광의 전파의 방향에 기초하여 광을 선택적으로 아웃커플링하는 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트에 의해 아웃커플링된다. 몇몇 실시형태에서, 도파관의 표면 상의 하나 이상의 아웃커플링 엘리먼트와 도파관 사이에 컬러 필터가 제공된다. 컬러 필터는, 하나 이상의 아웃커플링 엘리먼트와 상호작용하는 그리고 하나 이상의 아웃커플링 엘리먼트에 의해 아웃커플링되는 파장의 광을 제한한다. 또 다른 실시형태에서, 출력될 각각의 범위의 파장 또는 컬러에 대해 상이한 도파관이 제공된다. 하나 이상의 인커플링 광학 엘리먼트는, 적절한 범위의 파장의 광을 대응하는 도파관 안으로 선택적으로 인커플링하는데, 광은 대응하는 도파관으로부터 아웃커플링된다.
이들 다양한 실시형태에서, 본원에서 설명되는 바와 같이, 도파관은 직접 뷰(direct view) 디스플레이 디바이스 또는 니어 아이(near-eye) 디스플레이 디바이스를 형성할 수 있는데, 도파관은 입력 이미지 정보를 수신하도록 그리고 입력 이미지 정보에 기초하여 출력 이미지를 생성하도록 구성된다. 이들 디바이스는 웨어러블일 수 있고 아이웨어를 구성할 수 있다. 도파관에 의해 수신되는 입력 이미지 정보는, 하나 이상의 도파관 안으로 인커플링되는 상이한 파장의 다중화된 광 스트림(예를 들면, 적색, 녹색, 및 청색 광)에 인코딩될 수 있다. 인커플링된 광은, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트에 의해 도파관으로부터 아웃커플링될 수 있다(또는 출력될 수 있다). 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트는, 예를 들면, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(Volume Holographic Optical Elements; VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(volume phase holographic material)(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자)와 같은 회절 구조체를 포함할 수 있다. 아날로그 표면 요철 격자는 다수의 기능을 단일의 구조체 안에 결합할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이들 구조체는, 연속하는 제조 단계를 통해 기능성을 추가적으로 구축할 수 있다(예를 들면, 하나의 기능성은, 특정한 파장 또는 특정한 파장 범위의 광을 편향시키기 위한 선택도(selectivity)일 수 있고, 다른 기능성은, 다른 파장 또는 다른 파장 범위의 광을 편향시키기 위한 선택도일 수 있다)(예를 들면, 이 경우, 하나의 기능성을 갖는 구조체가 다른 기능성을 갖는 구조체의 상부 상에 구축된다).
본원에서 설명되는 다양한 실시형태는, 격자에 실질적으로 평행한 방향을 따라 전파하는 광이 도파관 밖으로 커플링되도록 자신의 경로로부터 충분히 편향되지 않도록 구성되는 하나 이상의 격자(예를 들면, 선형 그루브)를 포함할 수 있다. 대조적으로, 격자와 충돌하도록 또는 부딪치도록 격자에 대해 어떤 각도의(예를 들면, 그루브에 수직인) 방향을 따라 전파하는 광은, 내부 전반사(total internal reflection; TIR)에 대한 요건을 충족하지 않는 각도에서 회절되고 따라서 도파관 밖으로 커플링된다. 몇몇 실시형태에서, 도파관은, 대응하는 회절 구조체의 방위(orientation)와 적합하는 상이한 방향에서 광을 재지향시킬 수 있는 하나 이상의 인커플링 광학 엘리먼트를 포함한다.
본원에서 설명되는 다양한 실시형태는, 특정한 파장의 광을 투과시키는 광학 필터를 포함할 수 있다. 필터는, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트와 상호작용하는 또는 충돌하는 파장의 광을 제한할 수 있고, 그에 의해, 의도치 않은 파장의 광의 아웃커플링의 가능성을 감소시킨다.
본원에서 개시되는 실시형태는 다음의 이점 중 하나 이상을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본원에서 언급되는 바와 같이, 의도치 않은 파장의 광의 아웃커플링은 감소될 수 있고, 그에 의해, 상기에서 논의되는 바와 같은 고스트 효과의 발생을 감소시킬 수 있다. 고스트 효과의 이 감소 또는 제거는 이미지 명확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 의도치 않은 파장의 광의 아웃커플링에서의 감소는, 광을 사용하여 형성되는 이미지의 인식되는 컬러 품질을 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 소망의 파장 또는 파장 범위의 광을 명시적으로 아웃커플링하는 능력은, 높은 컬러 정확도 및 정밀도를 이미지에 제공할 수 있다. 또한, 디스플레이될 수 있는 컬러의 범위는 증가될 수 있는데, 개별적인 파장의 광의 아웃커플링에 대한 높은 제어도가, 최종적인 풀 컬러 이미지에서의 특정한 파장의 광의 궁극적인 비율에 대한 높은 제어도를 제공할 수 있기 때문이다. 상이한 파장의 광의 비율을 정확하게 제어하는 능력은, 성분 컬러의 반복가능한 조합의 수를 증가시킬 수 있고, 그에 의해 디스플레이될 수 있는 (성분 컬러의 혼합으로부터의) 컬러의 수를 증가시킨다. 몇몇 실시형태에서, 다수의 파장 또는 컬러의 광은 동일한 도파관으로부터 아웃커플링될 수 있는데, 이것은 제조가능성 및 수율을 향상시키는, 그리고 예를 들면, 디스플레이 시스템에서 활용되는 부품의 수를 감소시키는 것에 의해 디바이스 단가를 감소시키고, 그에 의해 디스플레이 시스템의 구조적 및 전기적 복잡도를 감소시키는 이점을 가질 수 있다.
본원에서 개시되는 실시형태는 일반적으로 디스플레이 시스템으로서 구현될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 디스플레이 시스템은, 더욱 몰입적인 VR 또는 AR 경험을 유익하게 제공할 수 있는 아이웨어의 형태를 취한다(예를 들면, 이들은 웨어러블이다). 예를 들면, 다수의 깊이 평면을 디스플레이하기 위한, 도파관, 예를 들면, 도파관의 스택(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 도파관 또는 도파관의 세트)을 포함하는 디스플레이는, 사용자 또는 보는 이의 눈 앞에 착용되도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 각각의 눈에 상이한 이미지를 제공하기 위해, 다수의 도파관, 예를 들면, 보는 이의 각각의 눈에 대해 하나씩의 도파관의 두 개의 스택이 활용될 수 있다.
도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(80)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(80)은, 디스플레이(62), 및 그 디스플레이(62)의 기능성을 지원하는 다양한 기계적 및 전자적 모듈 및 시스템을 포함한다. 디스플레이(62)는 아이웨어를 구성하고 프레임(64)에 커플링될 수 있는데, 프레임(64)은 디스플레이 시스템 사용자 또는 보는 이(60)에 의해 착용될 수 있고 디스플레이(62)를 사용자(60)의 눈 앞에 배치하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 스피커(66)가 프레임(64)에 커플링되고 사용자(60)의 외이도(ear canal)에 인접하게 배치된다(몇몇 실시형태에서, 스테레오/형상화가능한(shapeable) 사운드 제어를 제공하기 위해, 도시되지 않은 다른 스피커가 사용자의 다른 외이도에 인접하게 배치된다). 몇몇 실시형태에서, 디스플레이 시스템은 또한 하나 이상의 마이크(67) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 마이크는 사용자가 시스템(80)으로 입력 또는 커맨드를 제공하는 것을 허용하도록 구성되고(예를 들면, 음성 메뉴 커맨드, 자연 언어 질의, 등등의 선택) 및/또는 다른 사람과의(예를 들면, 유사한 디스플레이 시스템의 다른 사용자와의) 오디오 통신을 허용할 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 디스플레이(62)는, 예컨대 유선 리드 또는 무선 연결에 의해, 다양한 구성으로 마운팅될 수 있는, 예컨대 프레임(64)에 고정적으로 부착될 수 있거나, 사용자에 의해 착용되는 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착될 수 있거나, 헤드폰에 임베딩될 수 있거나, 또는 다르게는 사용자(60)에게 (예를 들면, 백팩 스타일의 구성으로, 벨트 연결 스타일의 구성으로) 착탈가능하게 부착될 수 있는 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)에 동작 가능하게 커플링된다(68). 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은, 하드웨어 프로세서뿐만 아니라, 디지털 메모리, 예컨대 불휘발성 메모리(예를 들면, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브)를 포함할 수 있는데, 이들 양자는 데이터의 프로세싱, 캐싱, 및 저장을 돕기 위해 활용될 수 있다. 데이터는, a) 이미지 캡쳐 디바이스(예컨대 카메라), 마이크, 관성 측정 유닛, 가속도계, 콤파스, GPS 유닛, 라디오 디바이스, 및/또는 자이로스코프와 같은 센서(이들은, 예를 들면, 프레임(64)에 동작 가능하게 커플링될 수 있거나 또는 다르게는 사용자(60)에게 부착될 수 있다)로부터 캡쳐되는 데이터; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(72) 및/또는 원격 데이터 저장소(74)를 사용하여 획득되고 및/또는 프로세싱되는 데이터를 포함하고, 어쩌면 이러한 프로세싱 또는 취출(retrieval) 이후에 디스플레이(62)로 전달된다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은, 통신 링크(76, 78)에 의해, 예컨대 유선 또는 무선 통신 링크를 통해, 원격 프로세싱 모듈(72) 및 원격 데이터 저장소(74)에, 이들 원격 모듈(72, 74)이 서로에게 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)에 대한 리소스로서 이용가능하도록, 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 위치 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은, 이미지 캡쳐 디바이스, 마이크, 관성 측정 유닛, 가속도계, 콤파스, GPS 유닛, 라디오 디바이스, 및/또는 자이로 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 이들 센서 중 하나 이상은 프레임(64)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로에 의해 위치 프로세싱 및 데이터 모듈(70)과 통신하는 독립형 구조체일 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 몇몇 실시형태에서, 원격 프로세싱 모듈(72)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 원격 데이터 저장소(74)는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있는데, 디지털 데이터 저장 설비는 인터넷 또는 "클라우드" 리소스 구성의 다른 네트워킹 구성을 통해 이용가능할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 계산은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터의 완전 자동 사용을 허용하게 된다.
"삼차원" 또는 "3D"인 것으로서의 이미지의 인식은, 이미지의 약간 상이한 표현을 보는 이의 각각의 눈에 제공하는 것에 의해 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 두 개의 별개의 이미지(5, 7) - 각각의 눈(4, 6)에 대해 하나씩 - 가 사용자에게 출력된다. 이미지(5, 7)는, 보는 이의 시선에 평행한 광축 또는 z축을 따라 거리(10)만큼 눈(4, 6)에서 이격된다. 이미지(5, 7)는 편평하고 눈(4, 6)은 단일의 원근조절된 상태(single accommodated state)를 취하는 것에 이미지에 초점을 맞출 수 있다. 이러한 시스템은, 결합된 이미지에 대한 깊이의 인식을 제공하기 위해, 이미지(5, 7)를 결합하는 인간의 시각적 시스템에 의존한다.
그러나, 인간의 시각적 시스템은 더욱 복잡하고 깊이의 현실성 있는 인식을 제공하는 것은 더욱 어렵다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 종래의 "3D" 디스플레이 시스템의 많은 보는 이는, 이러한 시스템이 편안하지 않다는 것을 알아차리거나 또는 깊이의 느낌을 전혀 인식할 수 없을 수 있다. 이론에 의해 국한되지 않으면, 오브젝트의 보는 이는 폭주(vergence) 및 원근조절의 조합으로 인해 오브젝트를 "삼차원"인 것으로 인식할 수 있다는 것이 믿어진다. 두 눈의 서로에 대한 폭주 움직임(즉, 오브젝트 상에 고정하도록 눈의 시선을 수렴시키기 위한 서로를 향하는 또는 서로로부터 멀어지는 동공의 두리번거리는 움직임)은 눈의 수정체의 초점맞춤(또는 "원근조절")과 밀접하게 관련된다. 일반적인 조건 하에서, 하나의 오브젝트로부터 상이한 거리의 다른 오브젝트로 초점을 변경하기 위해 눈의 수정체의 초점을 변경시키는 것, 또는 눈의 원근을 조절하는 것은, "원근조절-폭주 반사(accommodation-vergence reflex)"로서 알려진 관계 하에서, 동일한 거리에 대한 폭주에서의 매치하는 변경을 자동적으로 야기할 것이다. 마찬가지로, 폭주에서의 변경은, 일반적인 조건 하에서, 원근조절에서 매치하는 변경을 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 많은 입체시 또는 "3D" 디스플레이 시스템은, 삼차원의 원근감이 인간의 시각적 시스템에 의해 인식되도록 각각의 눈에 약간 상이한 표현(및, 따라서, 약간 상이한 이미지)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 이러한 시스템은 많은 보는 이에게 편안하지 않은데, 그 이유는, 다른 것들 중에서도, 시스템이 단순히 장면의 상이한 표현을 제공하지만, 그러나 눈은 단일의 원근조절된 상태에서 모든 이미지 정보를 보고 있고, "원근조절-폭주 반사"에 반하여 작동하기 때문이다. 원근조절과 폭주 사이의 더 나은 매치를 제공하는 디스플레이 시스템은, 삼차원 화상의 더욱 현실적이고 안락한 시뮬레이션을 형성할 수 있다.
도 4는 다수의 깊이 평면을 사용하여 삼차원 화상을 시뮬레이팅하기 위한 접근 방식의 양태를 예시한다. 도 4를 참조하면, 눈(4, 6)으로부터 다양한 거리의 z축 상의 오브젝트는, 이들 오브젝트가 초점이 맞는 상태에 있도록 눈(4, 6)에 의해 원근조절된다. 눈(4 및 6)은, z축을 따라 상이한 거리의 오브젝트에 초점을 맞추기 위해 특정한 원근조절된 상태를 취한다. 결과적으로, 특정한 원근조절된 상태는, 관련된 초점 거리를 갖는, 깊이 평면(14) 중 특정한 하나와 관련된다고 말할 수 있고, 그 결과 특정한 깊이 평면의 오브젝트 또는 오브젝트 중 일부는, 눈이 그 깊이 평면에 대한 원근조절된 상태에 있을 때, 초점이 맞게 된다. 몇몇 실시형태에서, 삼차원 화상은, 눈(4, 6)의 각각에 대해 이미지의 상이한 표현을 제공하는 것에 의해, 또한 깊이 평면의 각각에 대응하는 이미지의 상이한 표현을 제공하는 것에 의해 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 분리된 것으로 도시되지만, 눈(4, 6)의 시야는, 예를 들면, z축을 따른 거리가 증가함에 따라, 중첩할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 추가적으로, 예시의 용이성을 위해 편평한 것으로 도시하지만, 깊이 평면의 윤곽선은, 깊이 평면의 모든 피쳐가 특정한 원근조절된 상태에서 눈과 초점이 맞도록, 물리적 공간에서 휘어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
오브젝트와 눈(4 또는 6) 사이의 거리는 또한, 그 눈에 의해 보여지는 그 오브젝트로부터의 광의 발산량을 변경할 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는, 광선의 발산과 거리 사이의 관계를 예시한다. 오브젝트와 눈(4) 사이의 거리는, 감소하는 거리 순서의 R1, R2, 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a 내지 도 5c에서 도시되는 바와 같이, 광선은 오브젝트까지의 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선은 더욱 평행하게 된다. 다른 방식으로 말하면, 한 지점(point)(오브젝트 또는 오브젝트의 일부)에 의해 생성되는 명시야(light field)는 구면의 파면 곡률(spherical wavefront curvature)을 갖는데, 구면의 파면 곡률은, 그 한 지점이 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 오브젝트와 눈(4) 사이의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면에서, 광선의 발산의 정도도 또한 상이한데, 깊이 평면과 보는 이의 눈(4) 사이의 거리가 감소함에 따라 발산의 정도는 증가한다. 도 5a 내지 도 5c 및 본원의 다른 도면에서 예시의 명확화를 위해 단일의 눈(4)만이 예시되지만, 눈(4)에 관한 논의는 보는 이의 양 눈(4 및 6)에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
이론에 의해 국한되지 않으면, 인간의 눈은 통상적으로 유한한 수의 깊이 평면을 해석하여 깊이 인식을 제공할 수 있는 것으로 믿어진다. 결과적으로, 인식된 깊이의 고도로 신뢰가능한 시뮬레이션은, 이들 제한된 수의 깊이 평면의 각각에 대응하는 이미지의 상이한 표현을 눈에 제공하는 것에 의해 달성될 수 있다. 상이한 표현은 보는 이의 눈에 의해 개별적으로 초점이 맞춰질 수 있고, 그에 의해, 상이한 깊이 평면 상에 위치되는 장면에 대한 상이한 이미지 피쳐에 초점을 맞추는 데 필요한 눈의 원근조절에 기초하여 및/또는 상이한 깊이 평면 상의 상이한 이미지 피쳐가 초점을 벗어나는 것을 관측하는 것에 기초하여 깊이 단서를 사용자에게 제공하는 것을 돕게 된다.
도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(1000)은, 복수의 도파관(182, 184, 186, 188, 190)을 사용하여 눈/뇌(brain)에 삼차원 인식을 제공하기 위해 활용될 수 있는 도파관의 스택, 또는 적층된 도파관 어셈블리(178)를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 디스플레이 시스템(1000)은 도 2의 시스템(80)인데, 도 6은 그 시스템(80)의 일부 부분을 더 상세히 개략적으로 도시한다. 예를 들면, 도파관 어셈블리(178)는 도 2의 디스플레이(62)의 일부일 수 있다.
도 6을 계속 참조하면, 도파관 어셈블리(178)는 도파관 사이에 복수의 피쳐(198, 196, 194, 192)를 또한 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 피쳐(198, 196, 194, 192)는 렌즈일 수 있다. 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 및/또는 복수의 렌즈(198, 196, 194, 192)는, 다양한 레벨의 파면 곡률 또는 광선 발산을 사용하여 이미지 정보를 눈으로 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정한 깊이 평면과 관련될 수 있고 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)는 도파관에 대한 광의 소스로서 기능할 수 있고 이미지 정보를 도파관(182, 184, 186, 188, 190)에 주입하기 위해 활용될 수 있는데, 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)의 각각은, 본원에서 설명되는 바와 같이, 유입하는 광을, 눈(4)을 향한 출력을 위해, 각기 각각의 도파관에 걸쳐 분배하도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)의 출력 표면(300, 302, 304, 306, 308)을 빠져나와 도파관(182, 184, 186, 188, 190)의 대응하는 입력 표면(382, 384, 386, 388, 390)으로 주입된다. 몇몇 실시형태에서, 입력 표면(382, 384, 386, 388, 390)은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면(즉, 세상(144) 또는 보는 이의 눈(4)과 직접적으로 대향하는 도파관 표면 중 하나)의 일부일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 특정한 도파관과 관련되는 깊이 평면에 대응하는 특정한 각도(및 발산의 양)에서 눈(4)을 향해 지향되는 복제된 시준된 빔(cloned collimated beam)의 전체 필드를 출력하기 위해, 광의 단일 빔(예를 들면, 시준된 빔)이 각각의 도파관 안으로 주입될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208) 중 단일의 하나가 관련될 수 있고 광을 복수의(예를 들면, 세 개의) 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 안으로 주입할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)는, 대응하는 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 각각으로 주입하기 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 별개의 디스플레이이다. 몇몇 다른 실시형태에서, 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)는, 예를 들면, 하나 이상의 광학적 도관(optical conduit)을 통해 이미지 정보를 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)의 각각으로 전달할 수 있는 단일의 다중화된 디스플레이의 출력 단(output end)이다. 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)에 의해 제공되는 이미지 정보는, 상이한 파장, 또는 컬러(예를 들면, 본원에서 논의되는 바와 같이, 상이한 성분 컬러)의 광을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
컨트롤러(210)는 적층된 도파관 어셈블리(178) 및 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)의 동작을 제어한다. 몇몇 실시형태에서, 컨트롤러(210)는 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)의 일부이다. 컨트롤러(210)는, 도파관(182, 184, 186, 188, 190)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을, 예를 들면, 본원에서 개시되는 다양한 스킴 중 임의의 것에 따라 조절하는 프로그래밍(예를 들면, 비일시적 매체의 명령어)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 컨트롤러는 단일의 일체형 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널에 의해 연결되는 분산형 시스템일 수 있다. 컨트롤러(210)는 몇몇 실시형태에서 프로세싱 모듈(70 또는 72)(도 1)의 일부일 수 있다.
도 6을 계속 참조하면, 도파관(182, 184, 186, 188, 190)은 내부 전반사(TIR)에 의해 각기 각각의 도파관 내에서 광을 전파하도록 구성될 수 있다. 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 각각은 평면일 수 있거나 또는 다른 형상(예를 들면, 곡면)일 수 있는데, 주 상면(major top surface)과 주 하면(major bottom surface) 및 이들 주 상면과 주 하면 사이에서 연장하는 에지를 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 각각은, 이미지 정보를 눈(4)으로 출력하기 위해, 각기 각각의 도파관 내에서 전파하는 광을 도파관 밖으로 재지향시키는 것에 의해 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성되는 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)를 포함한다. 추출된 광은 또한 아웃커플링된 광으로 칭해질 수 있고 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트는 광 추출 광학 엘리먼트(light extracting optical element)로 칭해질 수 있다. 광의 추출된 빔은, 도파관에서 전파하는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치에서 도파관에 의해 출력된다. 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290) 중 일부 또는 전체는, 예를 들면, 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 회절 광학 피쳐를 포함하는 하나 이상의 격자일 수 있다. 설명의 용이성 및 도면의 명확성을 위해 도파관(182, 184, 186, 188, 190)의 하부(bottom) 주 표면에 배치되는 것으로 예시되지만, 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)는 상부(top) 및/또는 하부 주 표면에 배치될 수 있고, 및/또는, 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 도파관(182, 184, 186, 188, 190)의 볼륨에 직접적으로 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)는, 도파관(182, 184, 186, 188, 190)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착되는 재료의 층에 형성될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 도파관(182, 184, 186, 188, 190)은 단일체의(monolithic) 재료의 단편(piece)일 수 있고 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)는 그 재료의 단편의 표면 및/또는 내부에 형성될 수 있다.
도 6을 계속 참조하면, 본원에서 논의되는 바와 같이, 각각의 도파관(182, 184, 186, 188, 190)은, 특정한 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하게끔 광을 출력하도록 구성된다. 예를 들면, 눈에 가장 가까운 도파관(182)은, 이러한 도파관(182)에 주입되는 시준된 광(collimated light)을 눈(4)으로 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학적 무한대 초점면을 나타낼 수 있다. 다음 번 위쪽의 도파관(184)은, 눈(4)에 도달할 수 있기 이전에 제1 렌즈(192)(예를 들면, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 이러한 제1 렌즈(192)는, 눈/뇌가 그 다음 번 위쪽의 도파관(184)으로부터 유래하는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(4)을 향해 안쪽으로 더 가까운 제1 초점면으로부터 유래하는 것으로 해석하도록, 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 세 번째 위쪽의 도파관(186)은, 눈(4)에 도달하기 이전에 자신의 출력 광을 제1 렌즈(192) 및 제2 렌즈(194) 둘 다를 통과시키고; 제1 렌즈(192) 및 제2 렌즈(194)의 결합된 광학적 파워는, 눈/뇌가 제3 도파관(186)으로부터 유래하는 광을, 다음 번 위쪽의 도파관(184)으로부터의 광이었던 것보다 광학적 무한대로부터 사람을 향해 안쪽으로 더욱 가까운 제2 초점면으로부터 유래하는 것으로 해석하도록, 파면 곡률의 다른 증분량을 생성하도록 구성될 수 있다. 이들 인식된 컬러를 생성하는 다른 방식이 가능할 수 있다.
다른 도파관 층(188, 190) 및 렌즈(196, 198)도 유사하게 구성되는데, 스택의 가장 높은 도파관(190)은 사람에게 가장 가까운 초점면을 나타내는 총 초점 파워(aggregate focal power)를 위해, 자신의 출력을 자신과 눈 사이의 모든 렌즈를 통해 전송한다. 적층된 도파관 어셈블리(178)의 다른 면 상에서 세상(144)으로부터 유래하는 광을 볼 때/해석할 때, 렌즈(198, 196, 194, 192)의 스택을 보상하기 위해, 아래쪽의 렌즈 스택(198, 196, 194, 192)의 총 파워를 보상하는 보상 렌즈 층(180)이 스택의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은, 이용가능한 도파관/렌즈 쌍이 존재하는 만큼 많은 인식된 초점면을 제공한다. 도파관의 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트 및 렌즈의 집광 양태 둘 다는 정적일 수 있다(즉, 동적이지 않거나 또는 전기 활성이 아니다). 몇몇 대안적인 실시형태에서, 어느 하나 또는 둘 다는 전기 활성 피쳐를 사용하여 동적일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 중 둘 이상은 동일한 관련된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예를 들면, 다수의 도파관(182, 184, 186, 188, 190)이 동일한 깊이 평면에 이미지 세트를 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 중 다수의 서브셋이 동일한 복수의 깊이 평면에 이미지 세트를, 각각의 깊이 평면에 대해 하나의 세트씩, 출력하도록 구성될 수 있다. 이것은 이들 깊이 평면에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일식 이미지를 형성하기 위한 이점을 제공할 수 있다.
도 6을 계속 참조하면, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)는, 그들 각각의 도파관 밖으로 광을 재지향시키는 것 및 도파관과 관련되는 특정한 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준을 가지고 이 광을 출력하는 것 둘 다를 하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 상이한 관련된 깊이 평면을 구비하는 도파관은 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)의 상이한 구성을 가질 수 있는데, 그 상이한 구성은 관련된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산을 가지고 광을 출력한다. 몇몇 실시형태에서, 피쳐(198, 196, 194, 192)는 렌즈가 아닐 수 있고; 대신, 이들은 단순히 스페이서(예를 들면, 에어 갭을 형성하기 위한 클래딩 층 및/또는 구조체)일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)는, 회절 패턴을 형성하는 회절 피쳐, 또는 "회절 광학 엘리먼트(diffractive optical element)"(본원에서 "DOE"로 또한 칭해짐)이다. 바람직하게는, DOE는, 빔의 광 중 일부만이 DOE의 각각의 교차점을 가지고 눈(4)을 향해 편향되어 나가고, 나머지는 내부 전반사를 통해 계속 도파관을 통해 이동하도록 충분히 낮은 회절 효율성을 갖는다. 따라서, 이미지 정보를 반송하는 광은, 다수의 위치에서 도파관을 빠져 나오는 다수의 관련된 출사 빔으로 분할되고, 결과는, 도파관 내에서 사방으로 튀는(bounce around) 이 특정한 시준된 빔 때문에, 눈(4)을 향한 출사 방출의 상당히 균일한 패턴이다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 DOE는, 이들이 활성적으로 회절하는 "온" 상태와 이들이 유의미하게 회절하지 않는 "오프" 상태 사이에서 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 스위칭가능한 DOE는 고분자 분산형 액정의 층을 포함할 수 있는데, 고분자 분산형 액정의 층에서는, 미세 액적(microdroplet)이 호스트 매체(host medium)에서 회절 패턴을 포함하고, 미세 액적의 굴절률은 호스트 재료의 굴절률과 실질적으로 매치하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우 패턴은 입사광을 상당히 회절시키지 않는다) 또는 미세 액적은 호스트 매체의 것과 매치하지 않는 굴절률로 스위칭될 수 있다(이 경우, 패턴은 입사광을 활성적으로 회절시킨다).
도 7은 도파관에 의해 출력되는 출사 빔의 예를 도시한다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 어셈블리(178)가 다수의 도파관을 포함하는 경우, 도파관 어셈블리(178)의 다른 도파관이 유사하게 기능할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 광(400)은 도파관(182)의 입력 에지(382)에서 도파관(182) 안으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(182) 내에서 전파한다. 광(400)이 DOE(282)와 충돌하는 지점에서, 광의 일부가 출사 빔(402)으로서 도파관을 빠져나간다. 출사 빔(402)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 그러나, 본원에서 논의되는 바와 같이, 이들은, 도파관(182)과 관련되는 깊이 평면에 따라, 어떤 각도(예를 들면, 발산하는 출사 빔을 형성함)에서 눈(4)으로 전파하도록 또한 재지향될 수 있다. 실질적으로 평행한 출사 빔은, 눈(4)으로부터 먼 거리(예를 들면, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 설정되는 것처럼 보이는 이미지를 형성하도록 광을 아웃커플링하는 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트를 갖는 도파관을 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 다른 도파관 또는 아웃커플링 광학 엘리먼트의 다른 세트가 더욱 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있는데, 더욱 발산하는 출사 빔 패턴은, 더욱 발산하는 출사 빔 패턴을 망막 상에 초점을 맞추기 위해서, 눈(4)이 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 필요로 할 것이고, 광학적 무한대보다 눈(4)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
도 8은, 다수의 상이한 성분 컬러를 사용하여 형성되는 이미지를 각각의 깊이 평면이 포함하는 적층된 도파관 어셈블리의 예를 개략적으로 예시한다. 몇몇 실시형태에서, 성분 컬러, 예를 들면, 세 개 또는 그 이상의 성분 컬러의 각각의 이미지를 중첩시키는 것에 의해 각각의 깊이 평면에서 풀 컬러 이미지가 형성될 수 있다. 예시된 실시형태는 깊이 평면(14a-14f)을 도시하지만, 더 많은 또는 더 적은 깊이도 또한 고려된다. 각각의 깊이 평면은 자신과 관련되는 세 개의 성분 컬러 이미지를 구비할 수 있다: 제1 컬러인 G의 제1 이미지; 제2 컬러인 R의 제2 이미지; 및 제3 컬러인 B의 제3 이미지. 상이한 깊이 평면은 도면에서 문자 G, R, 및 B에 후속하는 디옵터에 대한 상이한 숫자에 의해 나타내어진다. 단지 예로서, 이들 문자의 각각에 후속하는 숫자는 디옵터(1/m), 또는 보는 이로부터의 깊이 평면의 거리를 나타내고, 도면에서의 각각의 박스는 개별 성분 컬러 이미지를 나타낸다.
몇몇 실시형태에서, 각각의 성분 컬러의 광은 단일의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 자신과 관련되는 다수의 도파관을 구비할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 문자 G, R, 또는 B를 포함하는 도면에서의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 깊이 평면마다 세 개의 성분 컬러 이미지가 제공되는 경우 깊이 평면마다 세 개의 도파관이 제공될 수 있다. 설명의 용이성을 위해 이 개략적인 도면에서는 각각의 깊이 평면과 관련되는 도파관이 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관은 모두, 레벨마다 하나의 도파관을 갖는 스택으로 정렬될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 몇몇 다른 실시형태에서, 예를 들면, 깊이 평면마다 단일의 도파관만이 제공될 수 있도록, 다수의 성분 컬러는 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있다.
도 8을 계속 참조하면, 몇몇 실시형태에서, G는 녹색이고, R은 적색이고, B는 청색이다. 몇몇 다른 실시형태에서, 마젠타 및 시안을 포함하는 다른 컬러가 추가적으로 사용될 수 있거나 또는 적색, 녹색, 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있다.
본 개시의 전체에 걸친 주어진 컬러의 광에 대한 참조는, 그 주어진 컬러를 갖는 것으로 보는 이에 의해 인식되는 광의 파장의 범위 내의 하나 이상의 파장의 광을 포괄하는 것으로 이해될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 적색 광은 약 620-780 nm의 범위의 하나 이상의 파장을 갖는 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577 nm의 범위의 하나 이상의 파장을 갖는 광을 포함할 수 있고, 그리고 청색 광은 약 435-493 nm의 범위의 하나 이상의 파장을 갖는 광을 포함할 수 있다.
이제 도 9a를 참조하면, 도파관(905), 인커플링 광학 엘리먼트(907) 및 하나 이상의 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a/909b)를 포함하는 디스플레이 디바이스(900)의 상면도의 예가 개략적으로 예시된다. 도파관(905)은 평면일 수 있으며, 제1 주 표면(905a), 제1 주 표면(905a)과 대향하는 제2 주 표면(905b) 및 이들 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 사이에서 연장하는 에지를 구비한다. 이러한 실시형태에서, 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b)은 x-y 평면에서 연장할 수 있고 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b)과 교차하는 표면 법선은 z축을 따라 지향될 수 있다. 도파관(905)은, 도파관(905)에 의해 출력될 성분 컬러에 대응하는 파장 또는 가시 스펙트럼의 파장에 대해 투과성이도록 구성되는 광학 등급 재료를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 도파관(905)을 비롯한 본원에서 개시되는 도파관은 단일체의 재료의 단편일 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 및 두 주 표면(905a 및 905b) 사이의 공간은 동일한 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 도파관은 재료의 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 사이의 공간은 제1 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있고 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 사이의 공간은 상이한 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
하나 이상의 아웃커플링 광학 커플링 엘리먼트는, 축 A-A'을 따른 디스플레이 디바이스(900)의 단면도의 예를 개략적으로 예시하는 도 9b에서 묘사되는 바와 같이, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a) 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)는, 예를 들면, 동일한 주 표면 상에 또는 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 둘 다 상에, 단일의 아웃커플링 광학 엘리먼트를 형성하도록 함께 결합될 수 있다.
인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 제1 복수의 파장의 입사광이 내부 전반사에 의해 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하도록 제1 복수의 파장의 입사광을 인커플링하도록 그리고 하나 이상의 제2 파장의 입사하는 광이 내부 전반사에 의해 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하도록 하나 이상의 제2 파장의 입사하는 광을 인커플링하도록 구성된다. 제1 및 제2 방향은, 도파관(905)의 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)과 동일 평면 상의 평면에서 연장한다. 예를 들면, 도 9a에서 도시되는 바와 같이, 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)에 대한 표면 법선에 평행한 방향을 따라 도파관(905)을 봤을 때(예를 들면, 제1 주 표면(905a)이 위쪽을 가리키는 상태로 도파관(905)이 배향되어 있는 경우에 위에서 아래로 봤을 때), 제1 방향은 y축에 평행할 수 있고 제2 방향은 x축에 평행할 수 있다. 따라서, 도 9a는, 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)과 동일 평면 상의 평면에서 제1 및 제2 방향이 서로 직교한다는 것을 예시한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 제1 및 제2 방향은, 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)에 대한 표면 법선에 평행한 방향을 따라 봤을 때, 90도와는 상이한 각도에서 서로에 대해 배향될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 방향은, 약 60도와 약 120도 사이, 약 70도와 약 110도 사이, 약 80도와 약 100도 사이, 약 85도와 약 95도 사이, 또는 이들 사이의 각도에서 서로에 대해 배향될 수 있다. 바람직하게는, 각도는, 제1 방향에서 전파하는 광이 아웃커플링 엘리먼트 중 하나에 의해 높은 효율성으로 그리고 아웃커플링 광학 엘리먼트의 나머지에 의해 낮은 효율성으로 편향되도록, 그리고 제2 방향에서 전파하는 광이 전자의 아웃커플링 엘리먼트에 의해 높은 효율성으로 그리고 후자의 아웃커플링 광학 엘리먼트에 의해 낮은 효율성으로 편향되도록, 선택된다.
하나 이상의 제2 파장은 제1 복수의 파장과는 상이할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 다수의 성분 컬러(예를 들면, 적색, 녹색, 청색)를 갖는 광이 도파관 안으로 커플링될 수 있다. 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a)는, 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 재지향시키도록 구성되고; 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)는, 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 재지향시키도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 제1 복수의 파장은 두 성분 컬러, 예를 들면, 적색 및 청색의 광을 포괄하고; 하나 이상의 제2 파장은 제3 성분 컬러, 예를 들면, 녹색의 광을 포괄한다. 바람직하게는, 두 성분 컬러는, 두 성분 컬러 중 어느 하나와 제3 컬러의 파장 사이에서의 차이보다, 이들 두 성분 컬러의 파장 사이에서 더 큰 차이를 갖는데, 이것은 크로스토크의 감소를 용이하게 할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a)는, 두 성분 컬러의 각각의 광을 편향시키는 ASR을 포함한다.
도파관(905)은 디스플레이 시스템(1000)(도 6)의 도파관의 스택의 일부일 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도파관(905)은 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 중 하나에 대응할 수 있고, 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)는 도 6의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)에 대응할 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 계속 참조하면, 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 상이한 파장의 광이 TIR에 의해 도파관(905)을 통해 상이한 방향을 따라 전파하도록 상이한 파장의 광을 편향시키도록 구성되는 파장 선택 광학 컴포넌트일 수 있다. 예를 들면, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 제1 복수의 파장의 광과 상호작용하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트의 제1 세트 및 하나 이상의 제2 파장의 광과 상호작용하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트의 제2 세트를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)를 형성하는 엘리먼트는 하나 이상의 광학 프리즘, 또는 하나 이상의 회절 엘리먼트 및/또는 굴절 엘리먼트를 포함하는 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 하나 이상의 파장의 광과 상호작용할 수 있는 하나 이상의 격자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입사광이 적색, 녹색 및 청색 파장의 광을 포함하면, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 모든 세 개의 파장과 상호작용하는 격자 또는 적색 광과 상호작용하는 제1 격자, 녹색 광과 상호작용하는 제2 격자 및 청색 광과 상호작용하는 제3 격자를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 적색 광과 상호작용하는 제1 격자 및 청색 광과 상호작용하는 제3 격자는 단일의 격자 구조체에서 결합될 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트(907)에 포함되는 하나 이상의 격자는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 기능성을 제공하는 다른 타입의 격자, 홀로그램, 및/또는 회절 광학 엘리먼트가 또한 사용될 수 있다. 하나 이상의 격자는, 제1 복수의 파장의 광이 제1 방향을 따라(예를 들면, y축에 평행한 방향을 따라) 도파관(905)을 통해 전파하도록 제1 복수의 파장의 입사광 - 광선(903i1 및 903i2)에 의해 표현됨 - 을 지향시키도록 그리고 하나 이상의 제2 파장의 광이 제2 방향을 따라(예를 들면, x축에 평행한 방향을 따라) 도파관을 통해 전파하도록 하나 이상의 제2 파장의 입사광 - 광선(903i3)에 의해 표현됨 - 을 지향시키도록 구성된다. 따라서, 하나 이상의 격자는, 입사광이 도파관(905)에서 TIR을 겪게 되는 것으로 나타나는 적절한 각도에서 제1 주 표면(905a)의 앞쪽 또는 제2 주 표면(905b)의 뒤쪽의 방향으로부터 입사하는 광을 편향시키는 것에 의해, 광을 도파관(905) 안으로 커플링시키도록 구성된다. 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 반사성 격자 및/또는 투과성 격자를 포함할 수 있다. 하나 이상의 반사성 격자를 포함하는 몇몇 실시형태에서, 유입하는 광은, 도파관(905) 내부에서부터 격자에 입사하고 도파관(905)의 제1 또는 제2 방향을 따라 회절된다.
몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 파장 선택 필터(913a 및 913b)는 인커플링 광학 엘리먼트(907)와 통합될 수 있거나 또는 인커플링 광학 엘리먼트(907)에 인접하게 배치될 수 있다. 하나 이상의 파장 선택 필터(913a 및 913b)는, 제1 방향을 따라 전파할 수 있는 하나 이상의 제2 파장의 광의 일부 및 제2 방향을 따라 전파할 수 있는 제1 복수의 파장의 광의 일부를 각각 필터링하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 파장 선택 필터(913a 및 913b)는 흡수성 필터(absorptive filter)일 수 있다. 예를 들면, 다양한 실시형태에서, 파장 선택 필터(913a 및 913b)는 컬러 대역 흡수기일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 파장 선택 필터(913a 및 913b)는 이색성 필터를 포함할 수 있다. 도 9c는 이색성 파장 선택 필터(913b)의 예를 예시하고 이색성 파장 선택 필터의 동작을 묘사한다. 이색성 파장 선택 필터(913b)(또는 913a)는 TIR에 의해 제2 방향(또는 제1 방향)을 따라 전파하고 있는 제1 복수의 파장(또는 하나 이상의 제2 파장)의 광을 통과 또는 투과시키도록 그리고 TIR에 의해 제2 방향(또는 제1 방향)을 따라 전파하는 하나 이상의 제2 파장(또는 제1 복수의 파장) 광을 반사하도록 구성된다. 이색성 파장 선택 필터(913b)(또는 913a)를 통과한 광은, 이색성 파장 선택 필터(913b)(또는 913a)와 통합되는 또는 이색성 파장 선택 필터(913b)(또는 913a)에 인접하게 배치되는 흡수기(915b)에 의해 흡수된다. 이 방식에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 개별적으로 또는 파장 선택 필터(913b)(또는 913a) 및 흡수기(915b)와 조합하여, 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광과 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광 사이의 분리의 정도를 증가시킬 수 있다. 다시 말하면, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 개별적으로 또는 파장 선택 필터(913b)(또는 913a) 및 흡수기(915b)와 조합하여, 도파관(905)을 통해 전파하는 상이한 파장의 광의 양을 제한하는 것에 의해, 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광과 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광 사이의 크로스토크를 감소시킬 수 있다. 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광과 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광 사이의 크로스토크를 감소시키는 것은, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)의 아웃커플링 효율성을 향상시킴에 있어서 유익할 수 있고 또한 아웃커플링된 광에 의해 생성되는 컬러 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)의 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)에 인접하게 배치될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)의 코너에 인접하게 배치될 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)과는 별개일 수 있다. 대안적으로, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)의 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b) 중 하나 또는 둘 다와 통합될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907) 및 도파관(905)은 단일체로 통합될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)의 일부에 형성될 수 있다. 예를 들면, 인커플링 광학 엘리먼트(907)가 하나 이상의 격자를 포함하는 실시형태에서, 하나 이상의 격자는 도파관(905)의 제1 및/또는 제2 주 표면(905a 및/또는 905b)의 일부에 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는, 도파관(905)의 제1 및/또는 제2 주 표면(905a 및/또는 905b)에 인접하게 배치되는 광학적 투과성 재료의 층에 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 본원에서 개시되는 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트(907)는 도파관(905)의 대부분에(in the bulk) 배치될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스(900)는, 제1 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 인커플링된 광의 광 경로에 배치되는 제1 광 분배 엘리먼트(911a)를 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스(900)는 또한, 제2 방향을 따라 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광의 광 경로에 배치되는 제2 광 분배 엘리먼트(911b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 복수의 파장의 그리고 하나 이상의 제2 파장의 광을, 각각, 제1 및 제2 방향을 따라 분배하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 복수의 파장의 그리고 하나 이상의 제2 파장의 광을, 각각, 제1 및 제2 방향을 따라 연장하도록(예를 들면, 광을 길이에 걸쳐 확산시키도록) 구성된다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는 동공 확장기 또는 직교 동공 확장기(orthogonal pupil expander; OPE)로 칭해지는데, 그 이유는, 제1 및 제2 방향을 따라 광을 분배하는 덕분에, 이들은, 유익하게도, 제1 복수의 파장의 광을 포함하는 제1 광 빔 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 포함하는 제2 광 빔의 스팟 사이즈를 증가시킬 수 있기 때문이다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는 또한, 디스플레이 디바이스(900)의 출사 동공의 사이즈를 증가시키는 데 유용할 수 있다. 출사 동공의 사이즈를 증가시키는 것은, 사용자에 의해 및/또는 눈 근접 디스플레이 애플리케이션(near-to-eye display application)에서 디스플레이 디바이스(900)가 직접적으로 관찰되도록 구성되는 경우에, 유용할 수 있다. 출사 동공의 사이즈를 증가시키는 것은, 또한, 디스플레이 디바이스(900)를 볼 때 눈에 대한 긴장을 완화하는 데 유익할 수 있다.
제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 및 제2 방향을 따라 전파하는 광을, 각각, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)를 향해 지향시키도록 구성되는 하나 이상의 격자를 포함할 수 있다. 하나 이상의 격자는, 예를 들면, 제1 방향을 따라 전파하는 제1 복수의 파장의 광 또는 제2 방향을 따라 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 광과 상호작용하도록 구성되는 방위 및 사이즈(예를 들면, 그루브 깊이 또는 그루브 높이, 형상, 간격, 및/또는 주기성)를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 복수의 파장의 광이 적색 및 청색 광을 포함하면, 제1 광 분배 엘리먼트(911a)는, 적색 및 청색 광과 상호작용하도록 구성되는 격자 또는 적색 광과 상호작용하는 제1 격자 및 청색 광과 상호작용하는 제2 격자를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 제2 파장의 광이 녹색 광을 포함하면, 제2 광 분배 엘리먼트(911b)는 녹색 광과 상호작용하도록 구성되는 격자를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b) 각각은, 광이 모든 바운스마다 제1 복수의 파장의 그리고 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광으로서 TIR에 의해 도파관을 통해 전파함에 따라 격자에 충돌하는 광의 일부를 재지향시키도록 구성된다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 및 제2 방향을 따라 전파하는 제1 및 제2 광 빔을, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)를 향해 재지향되는 다수의 관련된 빔으로 분할할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 다수의 관련된 빔은 서로의 사본(copy)일 수 있다. 이 방식에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)의 더 큰 영역을 균일하게 또는 실질적으로 균일하게 조명하도록 구성될 수 있는데, 이것은 도파관(905)으로부터의 출사 방출의 상당히 균일한 패턴으로 나타날 수 있다. 일반성의 어떠한 손실 없이도, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 단일의 파장 또는 파장 범위 내의 다수의 파장에서 입사하는 광을 재지향시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)에 포함되는 하나 이상의 격자는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료, 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 기능성을 제공하도록 구성되는, 다른 타입의 격자, 홀로그램, 및/또는 회절 광학 엘리먼트가 또한 사용될 수 있다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는 도파관(905)의 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b)에 인접하게 배치될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)가 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)와는 이격되도록 배치될 수 있지만, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 몇몇 실시형태에서는 그렇게 구성될 필요가 없다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 도파관(905)의 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b) 중 하나 또는 둘 다와 통합될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b) 및 도파관(905)은 단일체로 통합될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 도파관(905)의 제1 및/또는 제2 주 표면(905a 및/또는 905b)의 일부에 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는, 도파관(905)의 제1 및/또는 제2 주 표면(905a 및/또는 905b)에 인접하게 배치되는 광학적 투과성 재료의 하나 이상의 층에 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 본원에서 개시되는 바와 같이, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)는 도파관(905)의 대부분에 배치될 수 있다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a) 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)는, 자신들에게 입사하는 인커플링된 광을 도파관(905)의 평면 밖으로 재지향시키도록 구성된다. 제1 및 제2 아웃커플링 엘리먼트(909a 및 909b)는, 제1 및 제2 아웃커플링 엘리먼트(909a 및 909b)에 입사하는 인커플링된 광을, 양호한 시각적 품질의 컬러 이미지를 보는 이가 인식할 수 있도록 상이한 파장의 광의 적절한 중첩을 보장하는 적절한 각도에서 보는 이(예를 들면, 도 7의 눈(4))를 향해 재지향시키도록 구성된다. 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)는, 도파관(905)을 통해 빠져나오는 광에 의해 형성되는 이미지가 소정의 깊이로부터 비롯되는 것으로 보이도록, 도파관(905)을 통해 빠져나오는 광의 발산을 제공하는 광학적 파워를 가질 수 있다. 따라서, 도파관(905)은, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)의 광학적 파워와 상관되는 관련된 깊이 평면을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 디스플레이 디바이스의 다양한 실시형태는, 상기에서 설명되는 도파관(905) - 인커플링 광학 엘리먼트(907) 및 상이한 광학적 파워를 갖는 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)를 포함함 - 과 유사한, 서로 적층되는 복수의 상이한 도파관을 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상이한 도파관은, 내부에 포함하는 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)의 상이한 광학적 파워에 대응하는 상이한 깊이 평면과 관련될 수 있다. 서로 적층된 이러한 복수의 상이한 도파관을 포함하는 디스플레이 디바이스는 3D 이미지 및 특히 명시야 기반의 3D 이미지를 생성하는 데 유용할 수 있다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a) 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)는 하나 이상의 격자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 아웃커플링 엘리먼트(909a)는, 제1 복수의 파장의 광과 상호작용하도록 구성되는 하나 이상의 격자를 포함할 수 있고 제2 아웃커플링 엘리먼트(909b)는, 하나 이상의 제2 파장의 광과 상호작용하도록 구성되는 하나 이상의 격자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 복수의 파장이 적색 및 청색 파장을 포함하면, 제1 아웃커플링 엘리먼트(909a)는, 적색 및 청색 광 둘 다와 상호작용하는 격자 구조체 또는 적색 광과 상호작용하는 제1 격자 및 청색 광과 상호작용하는 제2 격자를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 제2 파장이 녹색 파장을 포함하면, 제2 아웃커플링 엘리먼트(909b)는 녹색 광과 상호작용하는 격자를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 아웃커플링 엘리먼트(909a 및 909b)는 선형 그루브를 포함할 수 있는데, 선형 그루브는, 그루브의 길이와 실질적으로 평행한 방향을 따라 전파하는 광이, 도파관 밖으로 커플링되도록 자신의 경로에서 충분히 편향되지 않도록 구성된다. 대조적으로, 그루브와 충돌하거나 부딪치도록 그루브에 대해 어떤 각도의(예를 들면, 그루브의 길이에 수직인) 방향을 따라 전파하는 광은, TIR에 대한 요건을 충족하지 않는 각도에서 편향되고 따라서 도파관(905) 밖으로 커플링된다. 따라서, 제2 방향을 따라 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 광이 도파관(905) 밖으로 아웃커플링되도록 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a)에 의해 충분히 편향되지 않도록 그리고 제1 방향을 따라 전파하는 제1 복수의 파장의 광이 도파관(905) 밖으로 아웃커플링되도록 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a)에 의해 충분히 편향되도록, 제1 아웃커플링 엘리먼트(909a)의 그루브는 제2 방향과 평행한 또는 실질적으로 평행한 방향을 따라 배향된다. 제1 방향을 따라 전파하는 제1 복수의 파장의 광이 도파관(905) 밖으로 아웃커플링되도록 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)에 의해 충분히 편향되지 않도록 그리고 제2 방향을 따라 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 광이 도파관(905) 밖으로 아웃커플링되도록 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)에 의해 충분히 편향되도록, 제2 아웃커플링 엘리먼트(909b)의 그루브는 제1 방향과 평행한 또는 실질적으로 평행한 방향을 따라 배향된다.
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a) 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자)를 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 기능성을 제공하는 다른 타입의 격자, 홀로그램, 및/또는 회절 광학 엘리먼트가 또한 사용될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)는 단일의 아웃커플링 광학 엘리먼트(909)로서 통합될 수 있다. 예를 들면, 서로의 상부에 기록되는 상이한 파장(예를 들면, 적색, 녹색 및 청색)에 대한 상이한 홀로그램을 포함하는 단일의 아웃커플링 광학 엘리먼트(909)는, 도 9b에 도시되는 바와 같이 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 상에 배치되는 두 개의 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b) 대신, 주 표면(905a 및 905b) 중 하나 상에 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a)는 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b) 중 하나 상에 배치될 수 있고 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)는 나머지 주 표면 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)는 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 중 하나 또는 둘 다 상에 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 아웃커플링 엘리먼트는, 제1 또는 제2 주 표면(905a 또는 905b) 중 하나 상에 배치되는 층 상에 형성될 수 있다.
도 10a는, 도파관(905), 인커플링 광학 엘리먼트(1007), 파장 선택 필터(1013a 및 1013b), 및 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)를 포함하는 디스플레이 디바이스(1000)의 상면도의 예를 개략적으로 예시한다. 도 10b 및 도 10c는 도 10a에서 묘사되는 디스플레이 디바이스(1000)의 축 A-A'을 따른 단면도의 예를 예시한다. 디스플레이 디바이스는, 광선(903i1, 903i2 및 903i3)에 의해 표현되는 상이한 파장의 유입하는 입사광이 인커플링 광학 엘리먼트(1007)에 의해 도파관(905) 안으로 커플링되도록 구성된다. 인커플링 광학 엘리먼트(1007)는, TIR에 의한 도파관을 통한 전파를 지원하는 적절한 각도에서, 입사광의 모든 파장을 도파관(905) 안으로 커플링하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(1007)는, 상이한 파장의 입사광이 상이한 방향을 따라 전파하도록, 상이한 파장의 입사광을 인커플링하도록 구성될 필요는 없다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 모든 파장의 입사광은, 모든 파장의 입사광이 동일한 방향을 따라 도파관을 통해 전파하도록, 도파관(905) 안으로 커플링될 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트는, 예를 들면, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자)와 같은 복수의 격자를 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 기능성을 제공하는 다른 타입의 격자, 홀로그램, 및/또는 회절 광학 엘리먼트가 또한 사용될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(1007)는 하나 이상의 광학 프리즘, 또는 하나 이상의 회절 엘리먼트 및/또는 굴절 엘리먼트를 포함하는 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다.
디스플레이 디바이스(1000)는 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)를 포함하는데, 각각의 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b) 중 하나와 관련된다. 예시된 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013a)는 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)와 관련되고 파장 선택 필터(1013b)는 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)와 관련된다. 파장 선택 필터(1013a)는 제1 후방 표면 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면을 포함한다. 파장 선택 필터(1013b)는 제2 후방 표면 및 제2 후방 표면과 대향하는 제2 전방 표면을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013a)는, 예를 들면, 도 10b에서 예시되는 바와 같이, 제1 전방 표면이 도파관(905)의 제1 주 표면(905a)의 일부와 동일한 레벨 상에 있도록, 도파관(905)의 제1 주 표면 상에서 리세스에 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013a)는, 제1 후방 표면이 도 10c에서 예시되는 바와 같이 (리세스에 배치되지 않고) 단순히 제1 주 표면(905a) 위에 놓이도록 배치될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013b)는, 예를 들면, 도 10b에서 예시되는 바와 같이, 제2 전방 표면이 도파관(905)의 제2 주 표면(905b)과 동일한 레벨 상에 있도록, 도파관(905)의 제2 주 표면의 리세스에 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013b)는, 제2 후방 표면이 도 10c에서 예시되는 바와 같이 (리세스에 배치되지 않고) 단순히 제2 주 표면(905b) 아래에 놓이도록 배치될 수 있다. 도파관(905)에서 전파하는 광은, 제1 또는 제2 파장 선택 필터(1013a 또는 1013b)의 제1 또는 제2 후방 표면 상에 각각 입사한다. 제1 복수의 파장(또는 하나 이상의 제2 파장)의 광은 제1 파장 선택 필터(1013a)(또는 제2 파장 선택 필터(1013b))의 제1 후방 표면(또는 제2 후방 표면)을 투과한다. 제1 및 제2 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는 제1 또는 제2 후방 표면을 투과한 광의 일부를 반사할 수 있다.
파장 선택 필터(1013a)는, 제1 복수의 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 편향시키도록 구성되는 각각의 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)를 향해 다수의 반사에 의해 도파관(905)을 통해 전파하는 제1 복수의 파장의 광(예를 들면, 적색 및 청색 파장 범위의 광)의 일부를 투과시키도록 구성된다. 파장 선택 필터(1013a)는, 제1 복수의 파장과는 상이한 파장의 광을 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)로부터 멀어지게 편향시키도록 구성된다. 마찬가지로, 파장 선택 필터(1013b)는, 하나 이상의 제2 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 편향시키도록 구성되는 각각의 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)를 향해 다수의 반사에 의해 도파관(905)을 통해 전파하는 하나 이상의 제2 파장의 광(예를 들면, 녹색 파장 범위의 광)의 일부를 투과시키도록 구성된다. 파장 선택 필터(1013b)는, 하나 이상의 제2 파장과는 상이한 파장의 광을 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)로부터 멀어지게 편향시키도록 구성된다. 이 방식에서, 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는, 도파관(905) 밖으로 커플링되어 컬러 이미지를 생성하는 상이한 파장의 광 사이의 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
다양한 실시형태에서, 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는 하나 이상의 이색성 필터를 포함할 수 있다. 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는 도파관(905)의 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 상에 배치될 수 있다. 일반성의 어떠한 손실도 없이, 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는, 거의 수직의 각도에서 필터(1013a 및 1013b)에 입사하는 광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)가 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b)에 평행하게 배치되는 경우, 예를 들면, 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b)에 대한 법선에 대해 약 0도와 약 20도 사이의 각도에서 입사하는 광은 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)를 투과할 수 있다. 따라서, 파장 선택 필터(1013a 및 1013b)는, 보는 이가 보는 주변 풍경으로부터의 광을 도파관을 통해 투과시키도록 구성될 수 있다.
제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)는 대응하는 파장 선택 필터(1013a 및 1013b) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)는 대응하는 파장 선택 필터(1013a) 상에 배치되고, 파장 선택 필터(1013a)를 투과하는 제1 복수의 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 아웃커플링하도록 구성된다. 마찬가지로, 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)는 대응하는 파장 선택 필터(1013b) 상에 배치되고, 파장 선택 필터(1013b)를 투과하는 하나 이상의 제2 파장의 광을 도파관(905) 밖으로 아웃커플링하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 본원에서 언급되는 바와 같이, 제1 복수의 파장은 두 성분 컬러, 예를 들면, 적색 및 청색의 광을 포괄하고; 하나 이상의 제2 파장은 제3 성분 컬러, 예를 들면, 녹색의 광을 포괄한다. 바람직하게는, 두 성분 컬러는, 두 성분 컬러 중 어느 하나와 제3 컬러의 파장 사이에서의 차이보다, 이들 두 성분 컬러의 파장 사이에서 더 큰 차이를 갖는데, 이것은 크로스토크의 감소를 용이하게 할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)는, 두 성분 컬러의 각각의 광을 편향시키는 하나 이상의 ASR을 포함하고, 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)는, 제3 성분 컬러의 광을 편향시키는 ASR을 포함한다.
도파관(905)은 디스플레이 시스템(1000)(도 6)의 도파관의 스택의 일부일 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도파관(905)은 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 중 하나에 대응할 수 있고, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a, 1009b) 및 파장 선택 필터(1013a, 1013b)는 도 6의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290)에 대응할 수 있다.
제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)는, 도 9a 및 도 9b를 참조로 상기에서 설명되는 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a 및 909b)와 물리적으로 그리고 기능적으로 유사할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)는, 예를 들면, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자) 중 하나 이상과 같은 회절 구조체를 포함할 수 있다.
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a) 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909b)와 유사하게, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)는 자신에게 입사하는 인커플링된 광을, 보는 이가 양호한 시각적 품질의 컬러 이미지를 인식할 수 있도록 상이한 파장의 광의 적절한 중첩을 가능하게 하는 또는 보장하는 적절한 각도 및 효율성에서 도파관(905)의 평면 밖으로 재지향시키도록 구성된다. 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)는, 도파관(905)을 통해 빠져나오는 광에 의해 형성되는 이미지가 소정의 깊이로부터 비롯되는 것으로 보이도록, 도파관(905)을 통해 빠져나오는 광의 발산을 제공하는 광학적 파워를 가질 수 있다.
예를 들면, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)와 같은 광 재분배 엘리먼트는 광 경로에 배치될 수 있는데, 상이한 파장의 광은 그 광 경로를 따라 도파관(905)을 통해 전파한다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는, 도 9a 및 도 9b를 참조로 상기에서 설명되는 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)와 물리적으로 그리고 기능적으로 유사할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는, 예를 들면, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그래픽 재료(예를 들면, 볼륨 위상 홀로그래픽 재료에 기록되는 홀로그램), 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자) 중 하나 이상과 같은 회절 구조체를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는, 광이 도파관(905)을 통해 전파할 때 자신들과 상호작용하는 광의 일부를 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a 및 1009b)를 향해 재지향시키도록 구성될 수 있고, 그에 의해 상호작용하는 광의 빔 사이즈를 전파 방향을 따라 확대하게 된다. 따라서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는, 도파관(905)을 포함하는 디스플레이 디바이스(1000)의 출사 동공을 확대함에 있어서 유익할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는 따라서 직교 동공 확장기(OPE)로서 기능할 수 있다.
제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(911a 및 911b)와 유사하게, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는 도파관의 제1 및 제2 주 표면(905a 및 905b) 중 하나 또는 둘 다 상에 배치될 수 있다. 도 10a 및 도 10b에서 예시되는 실시형태에서, 제1 광 분배 엘리먼트(1011a)는 제1 주 표면(905a) 상에 배치되고 제2 광 분배 엘리먼트(1011b)는 제2 주 표면(905b) 상에 배치된다. 다른 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는 도파관(905)의 동일한 주 표면 상에 배치될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는 단일의 광 분배 광학 엘리먼트를 형성하도록 결합될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트(1011a 및 1011b)는, 이들이 다른 파장의 광보다 소정 파장의 광에 대해 더 높은 재지향 효율성을 가지도록, 파장 선택적이도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 다양한 실시형태에서, 제1 광 재분배 엘리먼트(1011a)는 제1 복수의 파장의 광을 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)를 향해 재지향시키도록 구성될 수 있고 제2 광 재분배 엘리먼트(1011b)는 하나 이상의 제2 파장의 광을 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009b)를 향해 재지향시키도록 구성될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 제1 광 분배 엘리먼트(1011a)는 제1 파장 선택 필터(1013a) 위에 배치될 수 있고 제2 광 분배 엘리먼트(1011b)는 제2 파장 선택 필터(1013b) 위에 배치될 수 있다. 이 방식에서, 제1(또는 제2) 광 분배 엘리먼트(1011a)(또는 1011b)에 의해 제1(또는 제2) 아웃커플링 광학 엘리먼트(1009a)(또는 1009b)를 향해 재지향되는 하나 이상의 제2(또는 제1 복수의) 파장의 광의 양은 감소될 수 있다.
도 9a 내지 도 10b를 참조로 상기에서 논의되는 실시형태에서, 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a, 909b, 1009a 및 1009b)는, 도파관으로부터의 광이 주 표면(905a 및 905b)의 전방뿐만 아니라 후방으로 회절되도록, 그들이 배치되는 제1 또는 제2 주 표면의 양 측 상에서 광을 대칭적으로 회절시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 컬러 이미지의 품질은, 컬러 이미지의 컬러 중 일부가 도파관의 하나의 주 표면 상에 배치되는 아웃커플링 엘리먼트에 의해 출력되더라도 그리고 컬러 이미지 중 몇몇 다른 컬러가 도파관의 다른 주 표면 상에 배치되는 아웃커플링 엘리먼트에 의해 출력되는 광에 의해 생성되더라도, 손상되지 않는다.
추가적으로, 다양한 인커플링 및 아웃커플링 광학 엘리먼트 및 광 분배 엘리먼트는, 회절 구조체의 상이한 세트를 결합하는 것에 의해 복수의 상이한 파장의 광과 상호작용하도록 구성될 수 있는데, 회절 구조체의 상이한 세트의 각각은 단일 파장의 광과 상호작용하도록 구성된다. 회절 구조체의 상이한 세트는, 사출 압축 성형, UV 복제 또는 회절 구조체의 나노 임프린팅과 같은 제조 방법을 사용하는 것에 의해 도파관 상에 배치될 수 있다.
이제 도 11a를 참조하면, 상이한 파장 또는 파장 범위의 광을 출력하도록 각각 구성되는 복수의 적층된 도파관 또는 적층된 도파관의 세트(1200)의 측단면도의 예가 예시된다. 적층된 도파관의 세트(1200)는 도파관(1210, 1220, 및 1230)을 포함한다. 각각의 도파관은, 예를 들면, 도파관(1210)의 주 표면(예를 들면, 하부 주 표면) 상에 배치되는 인커플링 광학 엘리먼트(1212), 도파관(1220)의 주 표면(예를 들면, 하부 주 표면) 상에 배치되는 인커플링 광학 엘리먼트(1222), 및 도파관(1230)의 주 표면(예를 들면, 하부 주 표면) 상에 배치되는 인커플링 광학 엘리먼트(1232)를 갖는 관련된 인커플링 광학 엘리먼트를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232) 중 하나 이상은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 상부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히 이 경우 하나 이상의 인커플링 광학 엘리먼트는 투과성의 편향 광학 엘리먼트이다). 바람직하게는, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 그들 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 하부 주 표면(또는 다음으로 더 낮은 도파관의 상부) 상에 배치된다. 몇몇 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 몸체(body)에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는, 다른 파장의 광을 투과시키는 동안, 하나 이상의 파장의 광을 선택적으로 반사하는 필터를 비롯한 컬러 필터이다. 컬러 필터의 예는, 본원에서 논의되는 바와 같은 이색성 필터를 포함한다. 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는, 그들 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 한 면 또는 코너 상에서 예시되지만, 몇몇 실시형태에서 그들 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 다른 영역에 배치될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
각각의 도파관은 또한, 예를 들면, 도파관(1210)의 주 표면(예를 들면, 상부 주 표면) 상에 배치되는 광 분배 엘리먼트(1214), 도파관(1220)의 주 표면(예를 들면, 상부 주 표면) 상에 배치되는 광 분배 엘리먼트(1224), 및 도파관(1230)의 주 표면(예를 들면, 상부 주 표면) 상에 배치되는 광 분배 엘리먼트(1234)를 갖는 관련된 광 분배 엘리먼트를 포함한다. 몇몇 다른 실시형태에서, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는 관련된 도파관(1210, 1220, 1230)의 하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는 관련된 도파관(1210, 1220, 1230)의 상부 및 하부 주 표면 둘 다 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는 상이한 관련된 도파관(1210, 1220, 1230)의 상부 및 하부 주 표면 중 상이한 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다.
도파관(1210, 1220, 1230)은 기체 및/또는 고체의 재료 층에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예를 들면, 예시되는 바와 같이, 층(1216a 및 1218a)은 도파관(1210 및 1220)을 분리할 수 있고; 층(1216b 및 1218b)은 도파관(1220 및 1230)을 분리할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 층(1216a 및 1216b)은, 도파관(1210, 1220, 1230) 중 바로 인접한 도파관을 형성하는 재료와 지표가 매치하는 재료로 형성된다. 유익하게는, 지표가 매치하는 층(1216a 및 1216b)은, 광이, 예를 들면, 도파관(1210, 1220 및 1230)을 통해 반사 또는 손실이 거의 없이 인커플링 광학 엘리먼트(1232)로 이동할 수 있도록, 도파관의 세트(1200)의 두께를 통한 광의 전파를 가능하게 할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 층(1216b 및 1218b)은 낮은 굴절률 재료(즉, 도파관(1210, 1220, 1230) 중 바로 인접하는 도파관을 형성하는 재료보다 더 낮은 굴절률을 갖는 재료)로 형성된다. 바람직하게는, 층(1216b, 1218b)을 형성하는 재료의 굴절률은, 도파관(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 또는 그 이상, 또는 0.10 또는 그 이상 더 적다. 유익하게는, 더 낮은 굴절률 층(1216b, 1218b)은, 도파관(1210, 1220, 1230)을 통한 광의 내부 전반사(TIR)(예를 들면, 각각의 도파관의 상부 주 표면과 하부 주 표면 사이의 TIR)를 가능하게 하는 클래딩 층으로서 기능할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 층(1216b, 1218b)은 공기로 형성된다. 도시되지는 않지만, 도파관의 예시된 세트(1200)의 상부 및 하부는 바로 이웃하는 클래딩 층을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
바람직하게는, 제조의 용이성 및 다른 고려 사항을 위해, 도파관(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 유사하거나 또는 동일하고, 층(1216b, 1218b)을 형성하는 재료는 유사하거나 또는 동일하다. 몇몇 실시형태에서는, 상기에서 언급되는 다양한 굴절률 관계를 여전히 유지하면서, 도파관(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관 사이에서 상이할 수 있고, 및/또는 층(1216b, 1218b)을 형성하는 재료는 상이할 수 있다.
도 11a를 계속 참조하면, 광선(1240, 1242, 1244)이 도파관의 세트(1200) 상으로 입사한다. 도파관의 세트(1200)는 디스플레이 시스템(1000)(도 6)의 도파관의 스택의 일부일 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도파관(1210, 1220, 1230)은 도파관(182, 184, 186, 188, 190) 중 세 개에 대응할 수 있고, 광선(1240, 1242, 1244)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스(200, 202, 204, 206, 208)에 의해 도파관(1210, 1220, 1230) 안으로 주입될 수 있다.
바람직하게는, 광선(1240, 1242, 1244)은 상이한 특성, 예를 들면, 상이한 컬러에 대응할 수 있는 상이한 파장 또는 파장의 범위를 가질 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는, 광의 특성 중 특정한 특징에 기초하여, 그 특성 또는 특징을 갖지 않는 광을 투과시키면서, 광선(1240, 1242, 1244)을 선택적으로 편향시킨다. 몇몇 실시형태에서, 광의 특성은 파장이고 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 122, 1232) 각각은, 다른 파장을 기저의 도파관 및 관련된 인커플링 광학 엘리먼트로 투과시키면서, 하나 이상의 특정한 파장의 광을 선택적으로 편향시킨다.
예를 들면, 인커플링 광학 엘리먼트(1212)는, 상이한 제2 및 제3 파장 또는 파장의 범위를 각각 갖는 광선(1242 및 1244)을 투과시키면서, 제1 파장 또는 파장의 범위를 갖는 광선(1240)을 선택적으로 편향시키도록(예를 들면, 반사하도록) 구성될 수 있다. 그 다음, 투과된 광선(1242)은 인커플링 광학 엘리먼트(1222) 상에 충돌하고 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 의해 편향되는데, 인커플링 광학 엘리먼트(1222)는, 제2 파장 또는 파장의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록(예를 들면, 반사하도록) 구성된다. 광선(1244)은 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 의해 투과되고 계속 진행하여 인커플링 광학 엘리먼트(1232)에 충돌하고 인커플링 광학 엘리먼트(1232)에 의해 편향되는데, 인커플링 광학 엘리먼트(1232)는, 제3 파장 또는 파장의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록(예를 들면, 반사하도록) 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 반사성 컬러 필터, 예컨대 이색성 필터이다.
도 11a를 계속 참조하면, 편향된 광선(1240, 1242, 1244)은, 이들이 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파하도록 편향된다; 즉, 각각의 도파관의 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 광을 그 대응하는 도파관 안으로 인커플링하기 위해 광을 그 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230) 안으로 편향시킨다. 광선(1240, 1242, 1244)은, 광으로 하여금 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 TIR에 의해 전파하게 하는 각도에서 편향된다.
몇몇 실시형태에서, 광선(1240, 1242, 1244)으로 하여금 TIR을 위한 적절한 각도에서 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)에 충돌하게 하기 위해, 광선(1240, 1242, 1244)이 인커플링 광학 엘리먼트와 부딪치는 각도를 수정하도록 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)가 제공될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 광선(1240, 1242, 1244)은 도파관(1210)에 수직인 각도에서 각도 수정 광학 엘리먼트(1260) 상으로 입사할 수 있다. 그 다음, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)는, 광선(1240, 1242, 1244)이 도파관(1210)의 표면에 대해 90도 미만의 각도에서 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)와 부딪치도록, 광선(1240, 1242, 1244)의 전파의 방향을 변경한다. 몇몇 다른 실시형태에서, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)는 격자이다. 몇몇 실시형태에서, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)는 프리즘이다.
도 11a를 계속 참조하면, 광선(1240, 1242, 1244)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)와 충돌할 때까지, TIR에 의해 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파한다.
이제, 도 11b를 참조하면, 도 11a의 복수의 적층된 도파관의 사시도의 예가 예시된다. 상기에서 언급되는 바와 같이, 인커플링된 광선(1240, 1242, 1244)은 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)에 의해 각각 편향되고, 그 다음, 각각, 도파관(1210, 1220, 1230) 내에서 TIR에 의해 전파한다. 그 다음, 광선(1240, 1242, 1244)은, 각각, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)와 충돌한다. 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는, 광선(1240, 1242, 1244)이 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)를 향해 각각 전파하도록, 광선(1240, 1242, 1244)을 편향시킨다.
몇몇 실시형태에서, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는 직교 동공 확장기(OPEs)이다. 몇몇 실시형태에서, OPEs는 광을 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)로 편향시키거나 또는 분배하고 또한 광이 아웃커플링 광학 엘리먼트로 전파함에 따라 이 광의 빔 또는 스팟 사이즈를 증가시킨다. 몇몇 실시형태에서, 예를 들면, 빔 사이즈가 이미 소망의 사이즈를 갖는 경우, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는 생략될 수 있고 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 광을 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)로 직접적으로 편향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 11a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234)는, 몇몇 실시형태에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)로 각각 대체될 수 있다.
본원에서 개시되는 바와 같이, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)는, 예를 들면, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 볼륨 홀로그래픽 광학 엘리먼트(VHOE), 디지털 표면 요철 구조체 및/또는 볼륨 위상 홀로그램, 또는 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트(예를 들면, 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자) 중 하나 이상과 같은 회절 구조체를 포함할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 몇몇 실시형태에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)는 도 6의 아웃커플링 광학 엘리먼트(282, 284, 286, 288, 290) 중 세 개일 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 몇몇 실시형태에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)는, 광을 보는 이의 눈(4)(도 7)에 지향시키는 출사 동공(exit pupils; EPs) 또는 출사 동공 확장기(exit pupil expanders; EPEs)이다.
따라서, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 몇몇 실시형태에서, 도파관의 세트(1200)는 별개의 도파관(1210, 1220, 1230); 광 분배 엘리먼트(예를 들면, OPEs)(1214, 1224, 1234); 및 각각의 성분 컬러에 대한 아웃커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, EPs)(1250, 1252, 1254)를 포함한다. 세 개의 도파관(1210, 1220, 1230)은, 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212, 1222, 1232)가 위치되는 곳을 제외하고는, 서로 간에 공기 갭을 가지고 적층될 수 있다. 컬러 필터는, 다른 컬러의 광을 투과시키면서, 소망의 컬러를 자신의 적절한 도파관으로 반사한다. 예를 들면, 광은, 최초, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260), 예컨대 인커플링 격자 또는 프리즘에 의해 제1 도파관(1210) 안으로 커플링된다. 그 다음, 광은, 광이 조우하는 표면이, 그 표면의 다른 면 상에서 상대적으로 낮은 굴절률 재료(예를 들면, 공기)를 가지면 TIR로 귀결될 각도에서 전파하고, 또는 광이 적절한 파장을 갖는 경우 광이 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212, 1222, 1232), 예컨대 적절히 설계된 이색성 필터와 충돌하면, 광은 거의 대부분 반사할 것이다. 도시된 예에서, 광선(1240)(예를 들면, 녹색 광)은 제1 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212)로부터 반사할 것이고, 그 다음 도파관을 따라 계속 되반사하여, 광 분배 엘리먼트(예를 들면, OPEs)(1214)와 그리고 그 다음 아웃커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, EPs)(1250)와 앞서 설명된 방식으로 상호작용한다. 광선(1242 및 1244)(예를 들면, 청색 및 적색 광)은 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212)를 통과하여 다음 번 도파관(1220)으로 나아갈 것이다. 광선(1242)은 다음 번 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1222)로부터 반사할 것이고 그 다음 TIR을 통해 도파관(1220)을 따라 되반사하여, 자신의 광 분배 엘리먼트(예를 들면, OPEs)(1224)로 그리고 그 다음 아웃커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, EPs)(1252)로 계속 진행한다. 최종적으로, 광선(1244)(예를 들면, 적색 광)은 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1232)를 통과하여 자신의 도파관(1230)으로 나아갈 것인데, 그 도파관(1230)에서, 광선(1244)은 자신의 광 분배 엘리먼트(예를 들면, OPE)(1234)로 그리고 그 다음 아웃커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, EP)(1254)로 전파하고, 최종적으로는, 다른 도파관(1210, 1220)으로부터의 광과 함께, 보는 이에게 아웃커플링된다.
이제 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 도파관 안으로의 광의 인커플링을 가능하게 하는 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)를 갖는 도파관의 측단면도의 예가 도시된다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)는, 예를 들면, 광선을 회절에 의해 편향시킬 수 있는 격자를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 각도 수정 광학 엘리먼트(1260)는, 광선의 전파의 방향 또는 각도를, 예를 들면, 굴절에 의해 변경할 수 있는 프리즘일 수 있다. 도 12a는, 프리즘(1260)을 통해 인커플링되고 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212)로부터 반사되고 TIR에 의해 제1 도파관(1210) 내에서 전파되는 파장 대역의 광을 도시한다. 도 12b는, 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1212)를 투과하고 인커플링 광학 엘리먼트(예를 들면, 컬러 필터)(1222)로부터 반사되고 TIR에 의해 제2 도파관(1220) 내에서 전파되는 제2 파장 대역의 광을 도시한다.
다양한 도파관(예를 들면, 905, 도 9a 내지 도 10b; 및 1210, 1220, 1230, 도 11a 및 도 11b)은 높은 굴절률을 갖는 재료를 사용하여 만들어지는 것이 유익하다는 것이 밝혀졌다. 도 13은 시야에 대한 굴절률의 예상된 영향을 나타내는 플롯이다. 도 13은, 디스플레이(62)에 대한 단일 컬러 아이피스로부터의 시뮬레이션 결과를 예시하는데, 아이피스는 도 11a 및 도 11b의 도파관(1210, 1220, 1230) 중 하나와 상당히 유사하다. 시뮬레이션에서, 도파관의 굴절률은, 위로는 다양한 수지와 관련되는 값까지(상한), 아래로는 용융 실리카를 나타내는 값까지(하한) 변하였다. 사용가능한 시야에서의 명확한 증가가 발견되었고 그래프에서 도시된다. 이 이유 때문에, 몇몇 실시형태에서, 본원에서 개시되는 다양한 도파관은 높은 굴절률 도파관을 제공하는 재료로 형성될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 본원에서 개시되는 다양한 도파관(예를 들면, 도파관(905), 도 9a 내지 도 10c; 및 도파관(1210, 1220, 1230), 도 11a 및 도 11b)은, 가시 스펙트럼의 파장에 대해 투과성인 유리, 폴리머, 플라스틱, 사파이어, 수지, 또는 다른 재료로 형성될 수 있다. 본원에서 개시되는 바와 같이, 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 재료를 포함하는 도파관은 더 높은 사용가능한 시야(field of view; FoV)를 가질 수 있다. 예를 들면, 사용가능한 FoV는, 도파관의 재료의 굴절률이 약 1.45에서부터 약 1.75로 증가하는 경우, 약 35도에서부터 약 60도까지 증가할 수 있다. 따라서, 본원에서 설명되는 다양한 실시형태는, 1.5보다 더 큰, 약 1.5와 1.8 사이의, 1.6보다 더 큰, 또는 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는 재료를 포함하는 도파관을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 도파관 상에 회절 구조체(예를 들면, 격자)를 갖는 도파관은, 예를 들면, 고굴절률 기판의 상부 상에서의 사출 압축 성형, UV 복제 또는 회절 구조체의 나노 임프린팅에 의해 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 몇몇 실시형태에서, 이러한 방법은 ASR 구조체 기반의 설계 또는 바이너리 표면 요철 설계 중 어느 하나를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시형태가 본원에서 설명된다. 이들 예에 대한 참조는 비제한적인 의미에서 이루어진다. 이들 예는 본 발명의 보다 광의적으로 적용가능한 양태를 예시하기 위해 제공된다. 본 발명의 진정한 취지와 범위를 벗어나지 않으면서, 설명되는 본 발명에 대해 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 대체될 수 있다.
유익한 예로서 웨어러블 시스템에서의 아이웨어로서 예시되지만, 본원에서 개시되는 도파관 및 관련된 구조체와 모듈은 비웨어러블(non-wearable) 디스플레이를 형성하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 웨어러블 프레임(64)(도 2)에 수용되는 대신, 디스플레이(62)는, (예를 들면, 데스크 또는 테이블탑(table-top) 모니터로서) 디스플레이(62)를 지지하는 그리고 디스플레이(62)가 보는 이(60)에 의해 착용되지 않은 상태에서 보는 이(60)에게 이미지를 제공하는 것을 허용하는 스탠드, 마운트, 또는 다른 구조체에 부착될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 소정의 도면을 참조로 본원에서 설명되는 다양한 피쳐는, 다른 도면을 참조로 논의되는 실시형태에서 활용될 수 있다. 예를 들면, 도 9b를 참조하면, 도 10b 및 도 10c의 컬러 필터(1013a, 1013b)와 같은 컬러 필터는, 아웃커플링 광학 엘리먼트(909a, 909b) 각각과 도파관(905) 사이에 제공될 수 있다. 마찬가지로, 도 11a를 참조하면, 도 10b 및 도 10c의 컬러 필터(1013a, 1013b)와 같은 컬러 필터는, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1214, 1224, 1234)와 그들 각각의 도파관(1210, 1220, 1230) 사이에 제공될 수 있다. 각각의 아웃커플링 광학 엘리먼트의 경우, 그 엘리먼트를 그것의 대응하는 도파관과 분리하는 컬러 필터는, 다른 파장의 광을 반사하는 동안, 아웃커플링 광학 엘리먼트가 아웃커플링하도록 구성되는 파장 또는 파장의 광을 투과시키도록 구성된다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, 특정한 상황, 재료, 재료의 조성, 프로세스, 목표(들)에 대한 프로세스 액트(들) 또는 단계(들), 본 발명의 취지 또는 범위에 적응시키기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 또한, 기술 분야의 숙련된 자가 알 수 있는 바와 같이, 본원에서 설명되고 예시되는 개별 변형예의 각각은, 본 발명의 범위 또는 취지를 벗어나지 않으면서 다른 여러가지 실시형태 중 임의의 것의 피쳐로부터 즉시 분리될 수 있거나 또는 그 피쳐와 결합될 수 있는 별개의 컴포넌트 및 피쳐를 갖는다. 모든 이러한 수정예는 본 개시와 관련되는 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.
본 발명은, 본 디바이스를 사용하여 수행될 수 있는 방법을 포함한다. 방법은 이러한 적절한 디바이스를 제공하는 액트를 포함할 수 있다. 이러한 제공은 엔드 사용자에 의해 수행될 수 있다. 다시 말하면, "제공하는" 액트는, 단지, 본 방법에서 필수 디바이스를 제공하기 위해 엔드 사용자가 획득해야 하는, 액세스해야 하는, 접근해야 하는, 위치 결정해야 하는, 셋업해야 하는, 활성화해야 하는, 전력 인가해야 하는 또는 다르게는 동작해야 하는 것을 규정한다. 본원에서 열거되는 방법은, 논리적으로 가능한 언급된 이벤트의 임의의 순서뿐만 아니라, 이벤트의 언급된 순서로 실행될 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태는, 재료 선택 및 제조에 관한 상세와 함께, 상기에서 설명되었다. 본 발명의 다른 상세에 관해서, 이들은, 상기에서 참조된 특허 및 공보뿐만 아니라 기술 분야에서 숙련된 자가 일반적으로 알고 있는 또는 인식하고 있는 것과 연계하여 인식될 수 있다. 일반적으로 또는 논리적으로 활용되는 추가적인 액트의 관점에서, 본 발명의 방법 기반의 양태에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 다양한 피쳐를 옵션적으로(optionally) 통합하는 여러가지 예를 참조로 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은, 본 발명의 각각의 변형예와 관련하여 고려되는 것으로 설명되거나 또는 나타내어지는 것으로 제한되지 않는다. 본 발명의 진정한 취지와 범위를 벗어나지 않으면서, 설명되는 본 발명에 대해 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물(본원에서 열거되든 또는 어떤 간략화를 위해 포함되지 않든 간에)이 대체될 수 있다. 또한, 한 범위의 값이 제공되는 경우, 상한과 하한 사이의, 그 범위의 모든 개재하는 값 및 그 언급된 범위의 임의의 다른 언급된 또는 개재하는 값은 본 발명 내에 포괄된다는 것이 이해된다.
또한, 설명되는 발명적 변형예의 임의의 옵션적 피쳐는, 독립적으로, 또는 본원에서 설명되는 피쳐 중 임의의 하나 이상과 조합하여 제시되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 단수 용어에 대한 참조는, 복수의 동일한 아이템이 존재할 가능성을 포함한다. 더 구체적으로는, 본원에서 그리고 본원과 관련되는 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "한(a)", "한(an)", "상기(said)", 및 "상기("the")는, 구체적으로 그렇지 않다고 언급되지 않는 한, 복수의 지시 대상물을 포함한다. 다시 말하면, 관사의 사용은, 상기의 설명뿐만 아니라 본 개시와 관련되는 청구범위에서 대상 아이템의 "적어도 하나"를 허용한다. 이러한 청구범위는 임의의 옵션적인 엘리먼트를 배제하도록 입안될 수 있다는 것을 또한 유의한다. 이와 같이, 이 진술은 청구항 엘리먼트의 인용 또는 "부정적인" 제한의 사용과 관련하여 "단독으로", "오직" 등등과 같은 배타적인 용어의 사용을 위한 선행 기준으로서의 기능하도록 의도된다.
이러한 배타적인 용어의 사용 없이, 본 개시와 관련되는 청구범위에서의 용어 "포함하는(comprising)"은, 주어진 수의 엘리먼트가 이러한 청구범위에서 열거되든, 또는 피쳐의 추가가 이러한 청구범위에서 제시되는 엘리먼트의 본질을 변환하는 것으로 간주될 수 있든지의 여부에 무관하게, 임의의 추가적인 엘리먼트의 포함을 허용할 것이다. 본원에서 명시적으로 정의된 바를 제외하면, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는, 청구범위 유효성을 유지하면서, 가능한 한 광의의 일반적으로 이해되는 의미를 부여 받아야 한다.
본 발명의 범위는 제공되는 예 및/또는 본 명세서로 제한되는 것이 아니라, 오히려 본 개시와 관련되는 청구범위 언어의 범위에 의해서만 제한된다.
Claims (22)
- 디스플레이 시스템으로서,
제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 도파관;
입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
제1 주 표면 상의 제1 파장 선택 필터 - 제1 파장 선택 필터는 제1 주 표면에 인접한 제1 후방 표면(rearward surface) 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면(forward surface)을 구비하며, 제1 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 제1 후방 표면을 통해 투과시키고 제1 복수의 파장의 투과된 광의 일부를 제1 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
다른 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ;
제1 파장 선택 필터 상에 배치되는 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - ;
제2 주 표면 상의 제2 파장 선택 필터 - 제2 파장 선택 필터는 제2 주 표면에 인접한 제2 후방 표면 및 제2 후방 표면과 대향하는 제2 전방 표면을 구비하며, 제2 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장과는 상이한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 제2 후방 표면을 통해 투과시키고 하나 이상의 제2 파장의 투과된 광의 일부를 제2 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ;
제2 파장 선택 필터 상에 배치되는 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제2 파장 선택 필터를 투과한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - ; 및
제1 및 제2 광 분배 엘리먼트 - 제1 및 제2 광 분배 엘리먼트는 각각:
제1 파장 선택 필터를 통해 전달된 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 수신하고 제2 파장 선택 필터를 통해 전달된 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 수신하도록; 그리고
제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 제1 및 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트로 분배하도록 구성됨 -
를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 및 제2 파장 선택 필터는 이색성 필터를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 및 제2 파장 선택 필터는, 도파관의 대응하는 제1 또는 제2 주 표면에 대한 법선에 대해 0도와 20도 사이의 각도에서 입사하는 제1 복수의 파장 및 하나 이상의 제2 파장의 광을 투과시키도록 구성된,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
하나 이상의 제2 파장의 광은 녹색 광을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
광 분배 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
광 분배 엘리먼트는 직교 동공 확장기인,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 복수의 파장의 광의 제1 부분은 제1 파장 선택 필터의 제1 전방 표면으로부터 반사되고 제1 복수의 파장의 광의 제2 부분은 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향되는,
디스플레이 시스템. - 제7항에 있어서,
제1 복수의 파장의 광의 제1 부분은 제2 주 표면으로부터 반사된 이후 제1 파장 선택 필터 상에 입사하고, 광의 제1 부분 중 일부는 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향되는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
하나 이상의 제2 파장의 광의 제3 부분은 제2 파장 선택 필터의 제2 전방 표면으로부터 반사되고 하나 이상의 제2 파장의 광의 제4 부분은 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향되는,
디스플레이 시스템. - 제9항에 있어서,
하나 이상의 제2 파장의 광의 제3 부분은 제1 주 표면으로부터 반사된 이후 제2 파장 선택 필터 상에 입사하고, 광의 제3 부분 중 일부는 광 재분배 엘리먼트에 의해 재지향되는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하고; 그리고
제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제11항에 있어서,
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제12항에 있어서,
스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제11항에 있어서,
제2 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 격자는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제14항에 있어서,
스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
인커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제16항에 있어서,
하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제17항에 있어서,
스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트는 스위칭가능한 고분자 분산형 액정(PDLC) 격자인,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
인커플링 광학 엘리먼트는 프리즘을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 복수의 파장의 광은 적색 광 및 청색 광을 포함하는,
디스플레이 시스템. - 디스플레이 시스템으로서,
제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 도파관;
입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
제1 주 표면 상의 제1 파장 선택 필터 - 제1 파장 선택 필터는 제1 주 표면에 인접한 제1 후방 표면(rearward surface) 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면(forward surface)을 구비하며, 제1 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 제1 후방 표면을 통해 투과시키고 제1 복수의 파장의 투과된 광의 일부를 제1 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
다른 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ;
제1 파장 선택 필터 상에 배치되는 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 - ;
제2 주 표면 상의 제2 파장 선택 필터 - 제2 파장 선택 필터는 제2 주 표면에 인접한 제2 후방 표면 및 제2 후방 표면과 대향하는 제2 전방 표면을 구비하며, 제2 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장과는 상이한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 제2 후방 표면을 통해 투과시키고 하나 이상의 제2 파장의 투과된 광의 일부를 제2 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ; 및
제2 파장 선택 필터 상에 배치되는 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제2 파장 선택 필터를 투과한 하나 이상의 제2 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 -
를 포함하고,
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하고; 그리고
제2 아웃커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하고,
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는,
디스플레이 시스템. - 디스플레이 시스템으로서,
제1 주 표면 및 제2 주 표면을 포함하는 도파관;
이미지 정보를 포함하는 입사광을 도파관 안으로 인커플링하도록 구성되는 인커플링 광학 엘리먼트;
제1 주 표면 상의 제1 파장 선택 필터 - 제1 파장 선택 필터는 제1 주 표면에 인접한 제1 후방 표면(rearward surface) 및 제1 후방 표면과 대향하는 제1 전방 표면(forward surface)을 구비하며, 제1 파장 선택 필터는:
제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 제1 후방 표면을 통해 투과시키고 제1 복수의 파장의 투과된 광의 일부를 제1 전방 표면으로부터 반사하도록; 그리고
다른 파장의 인커플링된 광을 반사하도록 구성됨 - ; 및
제1 파장 선택 필터 상에 배치되는 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트 - 제1 아웃커플링 광학 엘리먼트는 제1 파장 선택 필터를 투과한 제1 복수의 파장의 인커플링된 광을 아웃커플링하도록 구성됨 -
를 포함하고,
인커플링 광학 엘리먼트는 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트를 포함하고, 하나 이상의 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트 중 하나 이상을 포함하고,
제1 아웃커플링 광학 엘리먼트의 하나 이상의 회절 광학 엘리먼트는, 아날로그 표면 요철 격자(ASR), 바이너리 표면 요철 구조체(BSR), 홀로그램, 및 스위칭가능한 회절 광학 엘리먼트로 구성된 그룹으로부터 선택된 복수의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는,
디스플레이 시스템.
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