KR102127588B1 - 동공 확장 - Google Patents

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아담 어니스
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아코니아 홀로그래픽스 엘엘씨
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Abstract

제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관을 포함하는 디바이스가 개시된다. 디바이스는 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소가 반사시키도록 구조화되는 입사광은, 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소가 반사시키도록 구조화되는 입사광은, 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 가질 수 있다.

Description

동공 확장
관련 특허 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2016년 6월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "SKEW MIRROR PUPIL EXPANSION"인 공동 계류중인 미국 출원 제62/352,534호, 2016년 9월 9일자로 출원되고 발명의 명칭이 "PUPIL EXPANDER"인 제62/385,686호, 2017년 3월 31일자로 출원되고 발명의 명칭이 "PUPIL EXPANDER"인 제62/479,985호, 및 2017년 5월 11일자로 출원되고 발명의 명칭이 "PUPIL EXPANDER"인 제62/504,890호로부터의 우선권을 주장한다. 상기 출원들은 모든 목적을 위해 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 대체로 광학 반사형 디바이스들에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 광학 반사형 디바이스들 내에서 광 빔들을 확장시키는 것에 관한 것이다.
종래의 유전체 미러는, 유전율(electric permittivity)이 서로 상이한 재료들의 층들로 표면(전형적으로 유리)을 코팅함으로써 제조된다. 재료들의 층들은 전형적으로, 층 경계들로부터의 프레넬 반사들이 구조적으로 보강되어 큰 순 반사율(net reflectivity)을 생성하도록 배열된다. 이러한 조건이 비교적 넓은 특정 범위의 파장들 및 입사각들에 걸쳐 획득되는 것을 보장함으로써 광대역 유전체 미러들이 설계될 수 있다. 그러나, 층들이 표면 상에 침착되기 때문에, 유전체 미러의 반사 축은 반드시 표면 법선과 일치해야 한다(즉, 반사 축은 미러 표면에 수직이다). 반사 축에 대한 이러한 제약조건 때문에, 유전체 미러가 준최적인 구성으로 일부 디바이스들 내에 배치된다. 유사하게, 반사 축이 표면 법선으로 제약되는 것은, 유전체 미러가 일부 목적들에 부적절하게 한다. 또한, 유리 유전체 미러들은 비교적 무거운 경향이 있어, 그들이 비교적 경량의 반사형 컴포넌트를 요구하는 응용들에 준최적이거나 또는 부적절하게 한다.
역으로, 종래의 격자(grating) 구조들은, 격자 구조가 존재하는 매체의 표면 법선과는 상이한 반사 축에 대해 광을 반사시킬 수 있다. 그러나, 주어진 입사각에 대해, 종래의 격자 구조들에 대한 반사각들은 전형적으로 입사광의 파장에 따라 함께 변한다. 그에 따라서, 종래의 격자 구조를 사용하여 광을 반사시키는 것은, 반사 축이 표면 법선과 일치하는 종래의 미러들에 고유한 제약조건을 피할 수 있다. 그러나, 실질적으로 일정한 반사 축이 요구되는 경우, 종래의 격자 구조는 주어진 입사각에 대해 단일 파장(또는 매우 좁은 범위의 파장들)으로 실질적으로 제한된다. 유사하게, 일정한 반사 축에 대해 특정 파장의 광을 반사시키기 위하여, 종래의 격자 구조는 단일 입사각(또는 매우 좁은 범위의 입사각들)으로 제한된다.
따라서, 반사형 격자 구조들 또는 종래의 미러들을 포함하는 종래의 반사형 디바이스들은, 표면 법선으로 제약되지 않는 반사 축에 대한 광 반사율, 및 일정 범위의 입사각들에 걸쳐 일정한 반사각을 포함하는, 디바이스의 필요한 특성들을 만족시키지 못할 수 있다. 게다가, 종래의 반사형 디바이스의 종래의 구조들 및 커플링 컴포넌트들은 디바이스의 광과(예컨대, 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 모드의 반사된 광 및 비-TIR의 일직선 통과 외부 광과) 상호작용하여, 투영의 광학 투명도(optical clarity)를 방해할 수 있다. 결과적으로, 종래의 반사형 디바이스들은 준최적의 이미지 투영을 제공하고, 이러한 디바이스들의 산출된 FOV에서 광학 투명도를 지연시킬 수 있다. 그러한 결과들은 헤드 마운트 디스플레이(head mounted display, HMD) 디바이스들에서 특히 극심할 수 있다.
기술된 특징들은 대체로, 광 빔들을 입사 동공으로부터 출사 동공으로 확장(즉, 동공 확장)시키기 위한 하나 이상의 개선된 방법들, 시스템들, 또는 디바이스들에 관한 것이다. 본 방법들, 시스템들, 또는 디바이스들은 투영된 이미지의 증가된 시야(field of view, FOV)를 가능하게 하기 위해 광학 디바이스 또는 시스템에서 하나 이상의 동공 확장기들 또는 동공 확장 기법들을 채용할 수 있다.
일 실시예에서, 디바이스 또는 시스템은, 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관, 및 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화될 수 있다. 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 TIR 범위 내의 제1 입사각 및 제2 축과 관련한 제2 입사각을 가질 수 있다. 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이할 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축과는 상이하게 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향될 수 있는 제1 반사 축을 가질 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 제1 반사 축은 x-y 평면에 대해 배향될 수 있고 제2 반사 축은 y-z 평면에 대해 배향될 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체를 포함할 수 있다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 격자 매체 내의 제1 격자 구조를 포함할 수 있고, 제1 격자 구조는, 제1 축과 관련한 TIR 범위 내의 제1 입사각에서 제1 파장의 입사광의 적어도 일부분을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구조화된다.
전술된 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체 내의 제2 격자 구조를 추가로 포함하고, 제2 격자 구조는, 제1 입사각과는 상이한 다른 입사각에서 제1 파장의 입사광의 적어도 일부분을 다른 반사 축에 대해 반사시키도록 구조화된다. 전술된 일부 예들에서, 제2 격자 구조와 연관된 다른 입사각은 제1 축과 관련한 TIR 범위 내에 있을 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 제2 격자의 다른 반사 축은 반사 축 각도가 제1 반사 축의 반사 축 각도와 0.25도 이하로 상이할 수 있다.
전술된 일부 예들에서, 제1 격자 구조 및 제2 격자 구조는 이미지 광의 내부 시야각과 연관된 동일한 궤적(locus)에 대응한다. 전술된 일부 예들에서, 제1 격자 구조는 이미지 광의 제1 내부 시야(FOV)각과 연관된 하나 이상의 체적 홀로그램들의 제1 궤적에 대응하고, 제2 격자 구조는, 제1 내부 FOV각과는 상이한, 이미지 광의 제2 내부 FOV각과 연관된 하나 이상의 체적 홀로그램들의 제2 궤적에 대응한다. 전술된 일부 예들에서, 제1 궤적 및 제2 궤적은 적어도 부분적으로 중첩된다.
전술된 정의되지 않은 것의 일부 예들에서, 제1 격자 구조는, 제1 입사각을 포함하는 제1 범위의 입사각들에서 그 파장의 입사광의 적어도 일부분을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 추가로 구성될 수 있고, 제1 범위의 입사각들 중 각각의 입사각은 제1 축과 관련한 TIR 범위 내에 있다.
전술된 일부 예들에서, 제1 격자 구조는 적어도 3개의 체적 홀로그램들을 포함하고, 적어도 3개의 체적 홀로그램들 중 각각의 체적 홀로그램은 제1 범위의 입사각들 내의 고유한 입사각에 대응하고, 적어도 3개의 홀로그램들에 대한 인접한 |ΔKG|는 미터당 1.0 × 104 내지 1.0 × 106 라디안(rad/m)으로 존재하는 평균 값을 가질 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 적어도 70 μm 두께일 수 있는 격자 매체를 포함하고, 격자 매체는 TIR 범위 내의 적어도 일부 입사각들에 대한 입사광에 브래그-매칭(Bragg-match)되도록 구조화된 복수의 체적 홀로그램들을 포함한다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있는 제1 커플링 부분, 및 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서, 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제2 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있는 제2 커플링 부분을 포함하고, 제2 반사 축은 제1 반사 축에 평행하지 않다.
전술된 일부 예들에서, 제1 반사 축은 도파관의 제1 위치 내에서 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성될 수 있고, 제2 반사 축은 도파관의 제2 위치 내에서 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성될 수 있다.
전술된 일부 예들에서, 제1 커플링 부분은 제2 커플링 부분과 적어도 부분적으로 중첩되어, 제1 반사 축이 중첩 위치에서 입사광의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성될 수 있고 제2 반사 축이 중첩 위치에서 입사광의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성될 수 있게 한다. 전술된 시스템의 일부 예들은 또한 제1 커플링 부분 및 제2 커플링 부분과 연관된 접합부와 정렬되는 입사 동공 요소 - 입사 동공 요소가 입력 광이 제1 커플링 부분 및 제2 커플링 부분 안으로 들어가는 것을 허용하도록 구조화될 수 있게 함 - 를 포함할 수 있다.
전술된 것의 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제1 커플링 부분 및 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제2 커플링 부분은 접합부에서 정렬될 수 있다.
전술된 일부 예들에서, 상호커플링된(intercoupled) 도파관은 중첩 접합부에 의해 도파관에 커플링될 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 상호커플링된 도파관은 광학 접착제 요소를 이용하여 도파관에 커플링될 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 상호커플링된 도파관은 단부간 접합부에 의해 도파관에 동작가능하게 커플링될 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 도파관에 커플링되는 상호커플링된 도파관을 포함할 수 있다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 도파관 내에 위치된 제1 도파관 섹션을 포함할 수 있는데, 여기서 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 섹션 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 제1 도파관 섹션의 제1 에지에 위치된 제1 입사 동공을 포함할 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 제1 도파관 섹션 및 제2 도파관 섹션은 적어도 부분적으로 중첩된다.
전술된 시스템의 일부 예들은 또한 도파관 내에 위치된 제2 도파관 섹션을 포함할 수 있는데, 여기서 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 섹션 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 전술된 시스템의 일부 예들은 또한 제2 도파관 섹션의 제2 에지에 위치된 제2 입사 동공을 포함할 수 있다.
전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한, 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관을 포함할 수 있다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 교차 커플링 요소를 포함할 수 있고, 교차 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 갖는다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있고, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면과는 상이한 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 갖는다.
전술된 일부 예들에서, 교차 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화될 수 있고, 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이하다.
일 실시예에서, 디바이스 또는 시스템은, 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 갖는 교차 커플링 요소, 및 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있고, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면과는 상이한 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 갖는다. 전술된 디바이스 또는 시스템의 일부 예들에서, 교차 커플링 요소는 부분 반사형 루버(louver)를 포함하고, 부분 반사형 루버는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화된다.
전술된 일부 예들에서, 제1 반사 축은 제1 도파관 표면의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있을 수 있다. 전술된 일부 예들에서, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제2 반사 축은 제1 반사 축과는 상이하게 배향될 수 있다. 예를 들어, 제2 반사 축은 제1 반사 축에 직교하여 배향될 수 있다. 전술된 정의되지 않은 것의 일부 예들에서, 교차 커플링 요소는 단부간 접합부에 의해 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소에 커플링될 수 있다.
전술된 일부 예들에서, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체를 포함한다. 전술된 시스템의 일부 예들은 또한 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 격자 매체 내의 제1 격자 구조를 포함할 수 있고, 제1 격자 구조는 제1 내부 전반사(TIR) 입사각에서 일정 파장의 TIR 광을 제2 반사 축에 대해 반사시키도록 구성된다.
전술된 일부 예들에서, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 격자 구조와 적어도 부분적으로 중첩되지 않는, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 격자 매체 내의 제2 격자 구조를 추가로 포함하고, 제2 격자 구조는 제2 TIR 입사각에서 그 파장의 TIR 광을 제2 반사 축에 대해 반사시키도록 구성된다. 전술된 일부 예들에서, 제2 TIR 입사각은 제1 TIR 입사각과 적어도 5°만큼 상이하다. 전술된 정의되지 않은 것의 일부 예들에서, 파장은 적색 가시광 파장, 청색 가시광 파장, 또는 녹색 가시광 파장 중 하나를 포함한다.
전술된 일부 예들에서, 제1 격자 구조는 적어도 3개의 체적 홀로그램들을 포함하고, 적어도 3개의 체적 홀로그램들 각각은 일정 범위의 TIR 입사각들 내의 고유한 입사각에 대응하고, 적어도 3개의 홀로그램들에 대한 인접한 |ΔKG|는 미터당 1.0 × 104 내지 1.0 × 106 라디안(rad/m)으로 존재하는 평균 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 디바이스 또는 시스템은 이미지 담지 광(image-bearing light)을 제공하기 위한 광원, 이미지 담지 광을 수신하기 위한 광학 렌즈의 광 입력 섹션을 포함하는 광학 렌즈, 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관, 및 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있고, 제1 체적 홀로그래픽 광은 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이하다.
전술된 일부 예들에서, 광학 렌즈는 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 추가로 포함하고, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축과는 상이하게 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 디바이스 또는 시스템은 이미지 담지 광을 제공하기 위한 광원, 이미지 담지 광을 수신하기 위한 광학 렌즈의 광 입력 섹션을 포함하는 광학 렌즈, 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관, 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 교차 커플링 요소 - 교차 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 가짐 -, 및 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함할 수 있고, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면과는 상이한 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 갖는다.
일 실시예에서, 교차 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이하다.
전술된 일부 예들에서, 본 방법은 하나 이상의 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소들을 포함하는 디바이스를 제조하는 단계를 포함할 수 있는데, 본 방법은, 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔이 제1 프리즘을 통과하여 기록 매체 상에 간섭 패턴을 기록하도록 제1 프리즘과 관련하여 기록 매체를 위치시키는 단계, 및 제1 반사 축이 기록 매체의 두께 치수에 평행하게 배향되도록 기록 매체에 제1 반사 축을 기록하는 단계를 포함한다.
본 발명의 구현예들의 본질 및 이점들의 추가의 이해가 하기의 도면을 참조하여 실현될 수 있다. 첨부 도면에서, 유사한 컴포넌트들 또는 특징부들은 동일한 참조 라벨을 가질 수 있다. 추가로, 동일한 유형의 다양한 컴포넌트들은, 대시 기호(dash)에 의한 참조 라벨, 및 유사한 컴포넌트들 사이를 구별하는 제2 라벨을 따름으로써 구별될 수 있다. 제1 참조 라벨만이 명세서에서 사용되는 경우, 이 설명은 제2 참조 라벨에 상관없이 동일한 제1 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트들 중 임의의 하나에 적용가능하다.
도 1은 본 명세서에 포함된 원리들이 구현될 수 있는 HMD 디바이스의 예시이다.
도 2a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른, 실제 공간에서의 스큐 미러(skew mirror)의 반사 특성들을 예시하는 다이어그램이다.
도 2b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른, k-공간에서의 스큐 미러를 예시한다.
도 3은 본 발명의 다양한 태양들에 따른 스큐 미러 출사 동공 확장 기법들을 포함한 광학 시스템의 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 복수의 격자 구조들을 예시하는 광학 컴포넌트의 다이어그램이다.
도 5a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 갖는 스큐 미러를 제조하는 데 사용될 수 있는 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 5b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 갖는 스큐 미러를 제조하는 데 사용될 수 있는 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 6은 본 발명의 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 7a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 본 명세서에서 기술된 동공 확장 기법들과는 대조적인 종래의 기법들을 도시하는 플롯이다.
도 7b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 본 명세서에서 기술된 동공 확장 기법들과는 대조적인 종래의 기법들을 도시하는 플롯이다.
도 7c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장 기법들을 예시하는 플롯이다.
도 8a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 8b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 9a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 9b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 10a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 10b는 도 10a를 참조하여 기술되는 바와 같이 격자 구조들의 겹침(교차된 스큐 미러)의 k-공간 표현을 예시한다.
도 11a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 11b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 11c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 11d는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 11e는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템의 일례를 예시한다.
도 12는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 13a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 13b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 13c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈의 일례를 예시한다.
도 14는 본 발명의 다양한 태양들에 따른, 광 등화 장치(apparatus for equalizing light)를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
체적 홀로그래픽 격자(volumetric holographic grating, VHG)들은 이미지 투영 시스템 내의 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러, 출력 커플러, 및/또는 교차 커플러)로서 사용될 수 있다. 각각의 종래의 커플링 디바이스는 커플링 디바이스의 추가적인 특징부들에 따라, 광을 도파관을 통해 투과시키고, 동공 확장을 채용하고, 이미지 투영을 제공할 수 있다. 종래의 커플링 디바이스는, 적어도 전술한 특징부들을 지원하기 위해 엠보싱된 회절 격자들, 회절 광학 요소(DOE)들, 홀로그래픽 광학 요소(HOE)들, 및 각진 부분 반사형 표면들을 포함할 수 있다. 두께 및 벌크 굴절률을 포함하는, 종래의 커플링 디바이스의 하나 이상의 특성들은, 산출된 시야(FOV) 능력뿐만 아니라, 액세스가능한 내부 전반사(TIR) 입력 각도 범위를 결정할 수 있다. 일부 경우에, 종래의 커플링 디바이스는, 단독으로 또는 추가적인 커플링 디바이스들과 조합하여, 광학 투명도 및 FOV에 대한 제한들 또는 임피던스들을 초래할 수 있다. 예를 들어, 종래의 커플링 디바이스는 TIR 모드에서 동작하는 광의 양방향 반사들 각각과 상호작용하여, 이에 의해 산출된 FOV를 방해할 수 있다. 다른 예들에서, 종래의 커플링 디바이스는, 디바이스를 일직선으로 통과하는 광(예컨대, 비-TIR 모드들)과 상호작용하거나 또는 색채 분산을 경험하여, 이미지 투영 시스템의 광학 투명도를 방해할 수 있다.
하나 이상의 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들이 동공 확장을 위해 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러, 출력 커플러, 및/또는 교차 커플러)에서 채용될 수 있다. 하나 이상의 광 커플링 디바이스들에서 스큐 미러 기술을 이용하는 것은, 연관된 이미지 투영 디바이스, 예컨대 헤드 마운트 디스플레이 유닛의 관찰 능력 및 광학 투명도를 개선시킬 수 있다. 스큐 미러 유형의 디바이스는 무색 특성들을 나타낼 수 있다. 스큐 미러 유형의 디바이스(예컨대, 출력 커플러 실시예)는, 기판들 사이에서 반사되는 TIR 모드 입력 광 중 하나의 반사 및 스큐 미러 유형의 디바이스를 일직선으로 통과하는 입력 광(예컨대, 기판 표면 상에 입사되는 외부 광)에 브래그-미스매칭(Bragg-mismatch)될 수 있다. 스큐 미러 기술을 이용하는 이미지 투영 디바이스는 종래의 커플링 디바이스들을 사용하는 이미지 투영 디바이스와 비교할 때, 더 확장된 FOV를 제공하고, 광학 투명도에 대한 임피던스들을 피할 수 있다.
하나 이상의 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 입력 커플러 실시예)은 광원으로부터의 입력 광을 입사 동공으로 안내할 수 있다. 하나 이상의 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 교차 커플러 실시예)은 일 방향으로 전파하는 입사 동공으로부터의 입력 광을 안내하고, 입력 광을 도파관을 통한 전파를 위해 상이한 방향으로 반사시킬 수 있다. 교차 커플러 실시예는, 유리하게도, 일정 치수(예컨대, 수직 또는 수평 치수)의 투영된 이미지가 입사-출사 동공 광학 경로 전체에 걸쳐 안내되지 않은 채로 유지되게 할 수 있다(즉, 투영된 치수는 TIR 치수를 가로지르는 각도에 대응할 수 있다). 하나 이상의 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 출력 커플러 실시예)은 감소된 발산 광 손실을 갖는 이미지 투영을 허용할 수 있다. 이미지 투영 시스템의 스큐 미러 기술을 이용하는 광 커플링 디바이스 실시예들은 하나 이상의 상호커플링된 도파관들 내에 포함되어서, 이미지 투영 효율을 추가로 개선시키고 디바이스 콤팩트함을 증가시킬 수 있다. 스큐 미러 기술을 이용하는 광 커플링 디바이스 실시예들은, 다른 비-스큐 미러(non-skew mirror) 광 커플링 디바이스 실시예들을 또한 이용하는 이미지 투영 시스템 내에 통합될 수 있다.
하나 이상의 홀로그래픽 광학 요소들이 광학 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 디바이스의 도파관에서 사용될 수 있다. HMD 디바이스는, 투영된 이미지들을 반사시키는 능력을 갖고 사용자가 증강 현실을 경험하는 것을 가능하게 할 수 있는 웨어러블 디바이스이다. 헤드 마운트 디스플레이들은 전형적으로 가상 이미지들을 투영하는 근안 광학계들을 수반한다. 과거에는, HMD들의 기술적 제한들이 감소된 이미지 품질 및 증가된 무게 및 크기를 비롯한 방해들을 경험하는 것을 야기하였다. 과거의 구현예들은 광을 반사, 굴절 또는 회절시키기 위해 종래의 광학계들을 포함하였지만, 그 설계들은 부피가 큰 경향이 있다. 추가적으로, 종래의 미러들 및 격자 구조들은 고유한 제한들을 갖는다. 예를 들어, 종래의 미러는, 반사 축이 반드시 표면 법선과 일치해야 하여서, 미러에서의 장애 반사 출력 또는 준최적의 미러 배향을 부과할 수 있다. 또한, 종래의 격자 구조들은, 구조 상에 입사되는 광의 입사각 및/또는 파장에 따라 허용 불가능하게 함께 변하는 다수의 반사 축들을 포함할 수 있다.
따라서, 광을 반사시키기 위한 디바이스는, 주어진 입사각에 대해, 다수의 파장들에서 일정한 반사각으로, 표면 법선으로 제약되지 않는 반사 축에 대해 광을 반사시키는 특징부들을 포함할 수 있다. 디바이스의 실시예들은 주어진 파장의 입사광에 대한 입사각들의 범위를 가로질러 실질적으로 일정한 반사 축들(즉, 1.0도 미만으로 변하는 반사 축 각도들을 갖는 반사 축들)을 가질 수 있고, 이러한 현상은 다양한 파장들의 입사광에서 관찰될 수 있다.
본 발명의 태양들은 초기에, 스큐 미러로부터 멀리 고정된 거리에 위치된 아이 박스(eye box)를 향해 광을 반사시키기 위한 장치의 맥락에서 기술된다. 특정 실시예들이 격자 매체를 포함하는 장치에 대해 기술된다. 일부 경우에, 격자 매체는 하나 이상의 격자 구조들을 포함할 수 있다. 격자 구조는 특정 복수의 입사각들에서 격자 구조의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있는 반사 축에 대해, 특정 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 태양들은, 동공 확장에 관한 장치 다이어그램들, 시스템 다이어그램들, 및 흐름도들을 참조하여 추가로 예시되고 기술된다.
이러한 설명은 예들을 제공하고, 본 명세서에서 기술된 원리들의 구현예들의 범주, 적용가능성 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 후속하는 설명은 당업자들에게 본 명세서에서 기술된 원리들의 구현예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 제공할 것이다. 요소들의 기능 및 배열에 있어서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다.
따라서, 다양한 구현예들은 적절하게 다양한 절차들 또는 컴포넌트들을 생략, 대체 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 방법들이 기술된 것과는 상이한 순서로 수행될 수 있고, 다양한 단계들이 추가, 생략 또는 조합될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 소정 구현예들과 관련하여 기술된 태양들 및 요소들은 다양한 다른 구현예들에서 조합될 수 있다. 또한, 하기 시스템들, 방법들, 디바이스들, 및 소프트웨어가 개별적으로 또는 집합적으로 더 큰 시스템의 컴포넌트들일 수 있는데, 여기서 다른 절차들이 그들의 응용보다 우선시되거나 또는 달리 그를 수정할 수 있음을 인식해야 한다.
도 1은 본 명세서에 포함된 원리들이 구현될 수 있는 HMD 디바이스(100)의 예시이다. HMD 디바이스(100)는, 근안 디스플레이(NED)(105)가 사용자의 눈 앞에 부착될 수 있는 아이웨어(eyewear) 또는 헤드웨어(headwear)를 포함할 수 있다. NED(105)는, HMD 디바이스(100)의 렌즈 조립체 내에 배치되거나 또는 그와 통합되는 회절 요소 부분을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 회절 요소 부분은 홀로그래픽 광학 요소(HOE)일 수 있는데, 이는 스큐 미러(110)로 구성될 수 있다. 좌표들(x, y, 및 z-축)은 스큐 미러(110)를 참조하여 제공된다. HMD 디바이스(100)는, 추가적인 스큐 미러들을 포함하는 다수의 광 커플링 요소들(도시하지 않음), 스큐 미러 기술 및 원리들을 사용하여 구조화되지 않은 HOE들(도시하지 않음), DOE들(도시하지 않음), 및/또는 스큐 미러(110)와 함께 조립되는 루버형 미러들(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. HMD(100)는 또한 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링된 광원 또는 광 프로젝터(115)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광원 또는 광 프로젝터(115)는 도파관 구성의 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 광원 또는 광 프로젝터(115)는 자유 공간 구성의 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다.
스큐 미러(110)는 반사형 디바이스일 수 있고, 하나 이상의 체적 홀로그램들 또는 다른 격자 구조들이 내부에 존재하는 격자 매체를 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)는 유리 커버 또는 유리 기판과 같은 추가 층을 포함할 수 있다. 추가 층은 오염, 수분, 산소, 반응성 화학 종들, 손상 등으로부터 격자 매체를 보호하는 역할을 할 수 있다. 추가 층은 또한 격자 매체와 굴절률이 매칭될 수 있다. 격자 매체는, 그 내부에 존재하는 격자 구조에 의하여, 그 매체가 반사 축으로 지칭되는 축에 대해 광을 회절시키게 하는 물리적 특성들을 가질 수 있는데, 여기서 회절각(이후로, 반사각으로 지칭됨)은 주어진 입사각에서 격자 매체 상에 입사되는 광의 다수의 파장들에 대해 1° 미만으로 변한다. 일부 경우에, 반사 축은 또한 다수의 파장들 및/또는 입사각들에 대해 일정하다. 일부 경우에, 격자 구조는 하나 이상의 홀로그램들에 의해 형성된다. 하나 이상의 홀로그램들은 일부 구현예들에서 체적-위상 홀로그램들일 수 있다. 다른 유형의 홀로그램들이 또한 격자 구조의 다양한 구현예들에서 사용될 수 있다.
유사하게, 구현예들은 주어진 파장의 입사광에 대한 입사각들의 범위를 가로질러 실질적으로 일정한 반사 축들을 가질 수 있고(즉, 반사 축들은 1° 미만으로 변하는 반사 축 각도들을 가짐), 이러한 현상은 다양한 파장들의 입사광에서 관찰될 수 있다. 일부 구현예들에서, 반사 축들은 다수의 입사각들의 세트 및 다수의 파장들의 세트의 모든 조합에 대해 실질적으로 일정하게 유지된다.
홀로그램은 간섭 패턴의 기록물일 수 있고, 기록물에 대해 사용되는 광으로부터의 세기 및 위상 정보 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 이러한 정보는 감광성 매체에 기록될 수 있는데, 감광성 매체는 간섭 패턴을, 초기 간섭 패턴의 세기에 따라, 후속 입사광 빔들의 진폭 또는 위상을 수정하는 광학 요소로 변환한다. 격자 매체는 광중합체, 광굴절 결정(photorefractive crystal)들, 이색성 젤라틴, 광열 굴절(photo-thermo-refractive) 유리, 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름, 또는 입사 간섭 패턴에 반응하고 그를 기록하는 능력을 갖는 다른 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 기록된 홀로그램을 기록 및/또는 판독하기 위해 간섭성 레이저 광이 사용될 수 있다.
일부 경우에, 홀로그램은, 기록 빔들로서 알려진 2개의 레이저 빔들을 사용하여 기록될 수 있다. 일부 경우에, 기록 빔들은, 그들이 격자 매체 상에 입사되는 각도들 이외에는 서로 유사한 단색 시준된 평면파 빔들일 수 있다. 일부 구현예들에서, 기록 빔들은 진폭 또는 위상 분포들이 서로 상이할 수 있다. 기록 빔들은 그들이 기록 매체 내에서 교차하도록 지향될 수 있다. 기록 빔들의 교차점에서, 기록 빔들은, 간섭 패턴의 각각의 포인트의 세기에 따라 변하고 기록 매체 내에 다양한 광학 특성들의 패턴을 생성하는 방식으로 기록 매체와 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 굴절률은 기록 매체 내에서 변할 수 있다. 일부 경우에, 생성된 간섭 패턴은, 격자 매체 상에 기록된 그러한 격자 구조들 모두에 대해 균일한 방식으로 (예컨대, 마스크 등을 이용하여) 공간적으로 분포될 수 있다. 일부 경우에, 다수의 격자 구조들은, 기록 매체 내에 상이한 간섭 패턴들을 생성하기 위해 파장 또는 입사각을 가변시킴으로써 단일 기록 매체 내에서 겹칠 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 홀로그램들이 매체에 기록된 후에, 매체는 후기록 광 처리에서 광으로 처리될 수 있다. 후기록 광 처리는 고도로 비간섭성인 광으로 수행되어 광개시제 또는 광활성 단량체와 같은 남은 반응성 매체 성분들을 실질적으로 소비하여서, 기록 매체의 광감도가 크게 감소되거나 제거되도록 할 수 있다. 기록 매체에 홀로그램들 또는 다른 격자 구조들을 기록하는 것이 완료된 후에, 매체는 전형적으로 격자 매체로 지칭된다. 일부 경우에, 격자 매체들은 비감광성으로 렌더링되었다.
일부 구현예들에서, 격자 구조는 기록 빔들로 지칭되는 다수의 광 빔들 사이의 간섭을 통해 생성되는 홀로그램을 포함할 수 있다. 격자 구조는 다수의 홀로그램들을 포함할 수 있다. 다수의 홀로그램들은, 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 각도들(즉, 멀티플렉싱된 각도)로 격자 매체 상에 입사되는 기록 빔들을 사용하여, 그리고/또는 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 파장들(즉, 멀티플렉싱된 파장)을 가진 기록 빔들을 사용하여, 그리고/또는 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 위치들을 가진(즉, 공간적으로 멀티플렉싱된) 기록 빔들을 사용하여 기록될 수 있다. 일부 구현예들에서, 격자 구조는, 홀로그램이 기록되고 있는 동안 격자 매체 상의 그 입사각들이 변하고/하거나, 홀로그램이 기록되고 있는 동안 그 파장들이 변하는 2개의 기록 빔들을 사용하여 기록되는 홀로그램을 포함할 수 있다. 구현예들은, 반사 축이 격자 매체의 표면 법선과 적어도 1.0도만큼; 또는 적어도 2.0도 만큼; 또는 적어도 4.0도 만큼; 또는 적어도 9.0도 만큼 상이한 디바이스를 추가로 포함한다.
광 프로젝터(115)는 이미지 담지 광을 렌즈 조립체에 제공할 수 있다. 일부 경우에, 렌즈 조립체 및 스큐 미러는 시스템의 배향 평면과 관련하여 실질적으로 편평할 수 있다. 다른 경우에, 렌즈 조립체는 배향 평면과 관련한 곡률을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 렌즈 조립체 및 스큐 미러(110)는 x-y 평면과 관련하여 실질적으로 편평할 수 있다. 다른 경우에, 렌즈 조립체는 소정 구현예들에서 x-y 평면과 관련한 일부 곡률을 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)로부터의 반사된 광(120)은 스큐 미러(110)로부터 멀리 z-축을 따라 고정된 거리에 위치된 아이 박스를 향해 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 스큐 미러(110)는 적어도 부분적으로 도파관 내에 포함될 수 있다. 도파관은 입사광(130)을 내부 전반사에 의해 스큐 미러(110)를 향해 전파할 수 있다. 일부 예들에서, 입사광(130)은 자유 공간에 의해 스큐 미러(110)를 향해 전파할 수 있다. 스큐 미러(110)는 광중합체로 제조된 격자 매체를 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)는 또한 격자 매체 내에 하나 이상의 격자 구조들을 포함할 수 있다. 각각의 격자 구조는, 서로 중첩될 수 있는 하나 이상의 정현파 체적 격자들을 포함할 수 있다. 격자 구조는 특정 복수의 입사각들에서 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있는 반사 축에 대해, 특정 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 격자 매체 내의 각각의 격자 구조는, 도파관으로부터의 고정된 거리에 있는 아이 박스에서의 출사 동공을 향해 광의 일부분을 반사시키도록 구성될 수 있다.
각각의 격자 구조는 다른 격자 구조와는 상이한 방식으로 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 격자 구조는 제1 입사각에서 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있는 반면, 제2 격자 구조는 제1 입사각에서 제2 파장의 입사광을 반사시킬 수 있다(예컨대, 상이한 격자 구조들은 동일한 입사각의 입사광에 대해 상이한 파장들의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다). 또한, 제1 격자 구조는 제1 입사각에서 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있는 반면, 제2 격자 구조는 제2 입사각에서 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있다(예컨대, 상이한 격자 구조들은 상이한 입사각들의 입사광에 대해 동일한 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다). 게다가, 격자 구조는 제1 파장 및 제1 입사각의 제1 입사광을 반사시킬 수 있고, 격자 구조는 제2 파장 및 제2 입사각에서의 제2 입사광을 동일한 반사 축에 대해 반사시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 일정 범위의 입사각들에서의 입사광에 대해 특정 파장의 광을 선택적으로 반사시키기 위해 상이한 격자 구조들이 사용될 수 있다. 상이한 격자 구조들은 스큐 미러(110)의 격자 매체 내에서 중첩될 수 있다. 스큐 미러(110)는 실질적으로 일정한 반사 축을 가질 수 있다(즉, 스큐 미러(110)의 각각의 격자 구조는 동일한 실질적으로 일정한 반사 축을 갖는다).
일부 예들에서, HMD 디바이스는 이미지 담지 광을 제공하기 위한 광원 또는 광 프로젝터(115), 및 렌즈 조립체를 포함할 수 있다. 렌즈 조립체는 적어도 하나의 스큐 미러(110)를 포함할 수 있다. 렌즈 조립체는 광원 또는 광 프로젝터(115)로부터 이미지 담지 광을 수신하기 위한 광 입력 섹션을 포함할 수 있다. 도파관이 렌즈 조립체 내에 배치되고, 광 입력 섹션에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 도파관은 생략될 수 있고, 광원 또는 광 프로젝터(115)는 자유 공간 구성의 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성 또는 구조화될 수 있다. 도파관에서의 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축(예컨대, z-축)과 관련한 TIR 범위 내의 제1 입사각 및 제2 축(예컨대, x-축 또는 y-축)과 관련한 제2 입사각을 가질 수 있다. 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이할 수 있다.
전술된 HMD 디바이스 또는 시스템의 일부 예들은 또한 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 스큐 미러(110))를 포함할 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축과는 상이하게 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 실제 공간에서 스큐 미러(205)의 반사 특성들을 예시하는 단면도(200)이다. 단면도(200)는 격자 매체 내의 홀로그램(230)과 같은 격자 구조를 포함할 수 있다. 도 2a는 격자 매체 이외의 스큐 미러 컴포넌트들, 예컨대 격자 매체에 대한 기판 또는 보호 층으로서의 역할을 할 수 있는 추가 층을 생략한다. 기판 또는 보호 층은 오염, 수분, 산소, 반응성 화학 종들, 손상 등으로부터 격자 매체를 보호하는 역할을 할 수 있다. 동공 등화(pupil equalization)를 위한 스큐 미러의 구현예들은 부분 반사형일 수 있다. 이러한 방식으로, 동공 등화를 위한 하나 이상의 스큐 미러들은 광학 디바이스의 다양한 부분들로 광선들을 선택적으로 반사시키도록 구성 또는 구조화될 수 있다(예컨대, 입력 커플러 구성의 도파관을 향해 광을 방향전환하는 것, 교차 커플러 구성의 도파관 내에서 TIR 모드로 전파하는 광을 방향전환하는 것, 및/또는 광학 디바이스의 아이 박스를 향하는 출사 동공을 형성하는 것). 동공 등화를 위한 스큐 미러는 소정 입사각들에 대한 광선들을 반사시키는 것을 피하도록 구성될 수 있는데, 여기서 그러한 반사는 원하는 출사 동공을 향하지 않는 영역으로 광선들을 반사시킬 것이다. 일부 스큐 미러 실시예들의 구현예들은 생성된 격자 매체에 대한 비교적 넓은 파장 대역폭 및 각도 범위에 걸쳐 높은 반사율을 달성하기 위해 비교적 높은 동적 범위의 기록 매체를 요구할 수 있다. 대조적으로, 동공 등화를 위한 스큐 미러는 덜 동적인 범위를 요구하여, 이에 의해 각각의 홀로그램이 더 강해지는(예컨대, 더 큰 세기 및/또는 더 긴 노출 시간으로 기록되는) 것을 허용할 수 있다. 더 강한 홀로그램들로 구성된 스큐 미러는, 더 밝은 이미지를 제공하거나, 또는 더 어두운 광 프로젝터가 유사한 밝기의 이미지를 제공하게 할 수 있다. 스큐 미러(205)는, z-축과 관련하여 측정된 각도에서의, 반사 축(225)에 의해 특징지어질 수 있다. z-축은 스큐 미러 표면에 수직일 수 있다. 스큐 미러(205)는, z-축과 관련하여 측정된 내부 입사각을 갖는 입사광(215)으로 조명된다. 주 반사된 광(220)은, z 축과 관련하여 측정된 내부 반사각 180°로 반사될 수 있다. 주 반사된 광(220)은 가시광 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역들에 존재하는 광의 파장들에 대응할 수 있다.
스큐 미러(210)는, z-축과 관련하여 측정된 각도에서의, 반사 축(225)에 의해 특징지어질 수 있다. z-축은 스큐 미러 축(205)에 수직이다. 스큐 미러(210)는, z-축과 관련하여 측정된 내부 입사각을 갖는 입사광(215)으로 조명된다. 주 반사된 광(220)은 스큐 미러(210)의 표면에 실질적으로 수직인 내부 반사각 축으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 주 반사된 광(220)은 가시광 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역들에 존재하는 광의 파장들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 가시광 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역들은 적색 파장(예컨대, 610 내지 780 nm) 대역, 녹색 파장(예컨대, 493 내지 577 nm) 대역, 및 청색 파장(예컨대, 405 내지 492 nm) 대역을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 주 반사된 광(220)은 가시광 스펙트럼 바깥쪽에 존재하는 광의 파장들(예컨대, 적외선 및 자외선 파장들)에 대응할 수 있다.
스큐 미러(210)는 다수의 홀로그램 영역들을 가질 수 있는데, 홀로그램 영역들 모두는 실질적으로 동일한 반사 축(225)을 공유한다. 그러나, 이러한 다수의 영역들은 각각 상이한 범위의 입사각들에 대한 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 스큐 미러(210)를 포함하는 HOE의 하부 3분점은, 대응하는 아이 박스를 향해 상향으로 광을 반사시키는 격자 구조들의 그러한 서브세트만을 포함할 수 있다. 이어서, 중간 3분점은, 대응하는 아이 박스를 향해 직접 광을 반사시킬 수 있다. 이어서, 상부 3분점은, 대응하는 아이 박스로 하향으로 광을 반사시키는 격자 구조들의 서브세트만을 포함할 필요가 있다.
도 2b는 도 2a의 스큐 미러(210)의 k-공간 표현(250)을 예시한다. 공간적으로 변하는 굴절률 성분들의 k-공간 분포들은 전형적으로
Figure 112018095943261-pct00001
으로 나타낸다.
Figure 112018095943261-pct00002
k-공간 분포(260)는, z-축과 관련하여 측정된, 반사 축(225)과 동일한 각도로 원점을 통과할 수 있다. 기록 k-구(k-sphere)(255)는 특정 기입 파장에 대응하는 k-구일 수 있다. k-공간(250)은 가시광 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 영역들에 존재하는 광의 파장들에 대응하는 다양한 k-구들을 포함할 수 있다.
k-공간 형식론은 홀로그래픽 기록 및 회절을 분석하기 위한 방법을 표현할 수 있다. k-공간에서, 전파하는 광파들 및 홀로그램들은, 실제 공간에서의 그들의 분포들의 3차원 푸리에 변환들에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 무한 시준된 단색 참조 빔이 실제 공간 및 k-공간에서 수학식(1)에 의해 표현될 수 있는데:
Figure 112018095943261-pct00003
, (1)
여기서
Figure 112018095943261-pct00004
는 모든
Figure 112018095943261-pct00005
3D 공간 벡터 위치들에서의 광학 스칼라(scalar) 필드 분포이고, 분포의 변환
Figure 112018095943261-pct00006
는 모든
Figure 112018095943261-pct00007
3D 공간 주파수 벡터들에서의 광학 스칼라 필드 분포이다. A r 은 필드의 스칼라 복소 진폭을 나타낼 수 있고;
Figure 112018095943261-pct00008
는, 그 길이가 광파들의 공간 주파수를 나타내고 그 방향이 전파 방향을 나타내는 파수 벡터(wave vector)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예들에서, 모든 빔들은 동일한 파장의 광으로 구성될 수 있고, 따라서 모든 광학 파수 벡터들은 동일한 길이를 가질 수 있는데, 즉,
Figure 112018095943261-pct00009
이다. 따라서, 모든 광학 전파 벡터들은 반경
Figure 112018095943261-pct00010
의 구(sphere) 상에 놓일 수 있는데, 여기서 n 0는 홀로그램의 평균 굴절률("벌크 굴절률")이고, λ는 광의 진공 파장이다. 이 구조가 k-구로서 공지되어 있다. 다른 구현예들에서, 다수의 파장들의 광은, 상이한 k-구들 상에 놓이는, 상이한 길이들의 파수 벡터들의 겹침으로 분해될 수 있다.
다른 중요한 k-공간 분포는 홀로그램들 자체의 그것이다. 체적 홀로그램들은 격자 매체 내의 굴절률의 공간적 변동들로 이루어질 수 있다. 전형적으로
Figure 112018095943261-pct00011
로 나타내는 굴절률 공간적 변동들은, 굴절률 변조 패턴들로 지칭될 수 있는데, 이들의 k-공간 분포들은
Figure 112018095943261-pct00012
로 나타낼 수 있다. 제1 기록 빔과 제2 기록 빔 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있는 굴절률 변조 패턴은, 수학식(2)에 나타낸 바와 같이, 기록 간섭 패턴의 공간적 세기에 전형적으로 비례하는데:
Figure 112018095943261-pct00013
, (2)
여기서
Figure 112018095943261-pct00014
는 신호 제1 기록 빔 필드의 공간적 분포이고,
Figure 112018095943261-pct00015
는 제2 기록 빔 필드의 공간적 분포이다. 단항 연산자 *는 복소 켤레(complex conjugation)를 나타낸다. 수학식(2)에서의 최종 항
Figure 112018095943261-pct00016
는 입사되는 제2 기록 빔을 회절된 제1 기록 빔에 맵핑시킬 수 있다. 따라서, 하기 수학식이 생성될 수 있는데:
Figure 112018095943261-pct00017
, (3)
여기서
Figure 112018095943261-pct00018
는 3D 교차 상관(cross correlation) 연산자이다. 즉, 공간 도메인에서의 하나의 광학 필드와 다른 광학 필드의 복소 켤레의 곱(product)은 주파수 도메인에서의 그들 각각의 푸리에 변환의 교차 상관이 될 수 있다.
전형적으로, 홀로그램(230)은 실제 공간에서 실수 값인 굴절률 분포를 구성한다. 홀로그램(230)의
Figure 112018095943261-pct00019
k-공간 분포들의 위치들은 각각 교차 상관 연산들
Figure 112018095943261-pct00020
및
Figure 112018095943261-pct00021
로부터 수학적으로, 또는 벡터 차들
Figure 112018095943261-pct00022
및
Figure 112018095943261-pct00023
로부터 기하학적으로 결정될 수 있는데, 여기서
Figure 112018095943261-pct00024
및
Figure 112018095943261-pct00025
는 각각의 홀로그램
Figure 112018095943261-pct00026
k-공간 분포들로부터 원점까지의 격자 벡터들(개별적으로 도시하지 않음)을 나타낼 수 있다. 관례상, 파수 벡터들은 소문자 "k"에 의해 표현되고, 격자 벡터들은 대문자 "K"에 의해 표현된다는 것에 유의한다.
일단 기록되면, 홀로그램(230)은 회절된 빔을 생성하기 위해 프로브 빔에 의해 조명될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 회절된 빔은 프로브 빔의 반사로 간주될 수 있는데, 이는 입사광 빔(예컨대, 이미지 담지 광)으로 지칭될 수 있다. 프로브 빔 및 그의 반사된 빔은 반사 축(225)에 의해 각도적으로 이등분될 수 있다(즉, 반사 축에 대한 프로브 빔의 입사각은 반사 축에 대한 반사된 빔의 반사각과 동일한 크기를 갖는다). 회절 프로세스는 기록 프로세스의 그것들과 유사하게 k-공간에서의 수학적 및 기하학적 연산들의 세트에 의해 표현될 수 있다. 약한 회절 한계에서, 회절된 빔의 회절된 광 분포는 수학식(4)에 의해 주어지는데,
Figure 112018095943261-pct00027
, (4)
여기서
Figure 112018095943261-pct00028
및
Figure 112018095943261-pct00029
는 각각 회절된 빔 및 프로브 빔의 k-공간 분포들이고; "*"는 3D 컨벌루션(convolution) 연산자이다. 표기법 "
Figure 112018095943261-pct00030
"는, 전술한 수학식이,
Figure 112018095943261-pct00031
, 즉, 결과가 k-구 상에 놓이는 경우에만 평가됨을 나타낸다. 컨벌루션
Figure 112018095943261-pct00032
는 편광 밀도 분포를 나타내고, 프로브 빔에 의해 유도된 격자 매체의 비균질 전기 쌍극자 모멘트들의 거시적인 합계
Figure 112018095943261-pct00033
에 비례한다.
일부 경우에, 프로브 빔이 기록용으로 사용되는 기록 빔들 중 하나의 기록 빔과 유사할 때, 컨벌루션의 효과는 기록 동안 교차 상관을 반전시키는 것일 수 있고, 회절된 빔은 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 다른 기록 빔과 실질적으로 유사할 수 있다. 프로브 빔이 기록용으로 사용되는 기록 빔들과는 상이한 k-공간 분포를 가질 때, 홀로그램은 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 빔들과는 실질적으로 상이한 회절된 빔을 생성할 수 있다. 또한, 기록 빔들은 전형적으로 상호 간섭성(mutually coherent)이지만, 프로브 빔(및 회절된 빔)은 그렇게 제약되지 않는다는 것에 유의한다. 다파장 프로브 빔은, 각각이 상이한 k-구 반경으로 수학식(4)을 따르는, 단일-파장 빔들의 겹침으로서 분석될 수 있다.
당업자들은, 본 발명의 이점을 고려하여, k-공간에서의 스큐 미러 특성들을 기술할 때 사용되는 용어 프로브 빔이, 실제 공간에서의 스큐 미러 반사 특성들을 기술할 때 사용되는 용어 입사광과 유사하다는 것을 인식할 것이다. 유사하게, k-공간에서의 스큐 미러 특성들을 기술할 때 사용되는 용어 회절된 빔은, 실제 공간에서의 스큐 미러 특성들을 기술할 때 사용되는 용어 주 반사된 광과 유사하다. 따라서, 실제 공간에서의 스큐 미러의 반사 특성들을 기술할 때, 입사광이 홀로그램(또는 다른 격자 구조)에 의해 주 반사된 광으로서 반사된다고 진술하는 것이 전형적일 수 있지만, 프로브 빔이 홀로그램에 의해 회절되어 회절된 빔을 생성한다고 진술하는 것은 동의어이다. 유사하게, k-공간에서의 스큐 미러의 반사 특성들을 기술할 때, 프로브 빔이 홀로그램(또는 다른 격자 구조)에 의해 회절되어 회절된 빔을 생성한다고 진술하는 것이 전형적이지만, 입사광이 격자 구조에 의해 반사되어 주 반사된 광을 생성한다고 진술하는 것은 본 발명의 구현예들의 맥락에서 동일한 의미를 갖는다.
도 3은 본 발명의 다양한 태양들에 따른 2차원 스큐 미러 출사 동공 확장 기법들을 포함한 광학 시스템의 다이어그램이다. 광학 시스템(300)은, 도 1의 HMD(100)와 같은 그러나 이로 제한되지 않는, HMD, 증강 현실(AR), 또는 가상 현실(VR) 응용에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(300)은 또한, 대형 스크린 디스플레이 및 광 센서 응용들과 같은 그러나 이로 제한되지 않는 다양한 광학 커플링 응용들에서 시용될 수 있다. 광학 시스템(300)은 선택적 커플링을 채용하여 스큐 미러(305)가 특정 위치, 예컨대 아이 박스(315-a)를 향해 광을 회절시키게 하여, 이에 의해 광도측정 효율(예컨대, 이미지 밝기)을 개선시킬 수 있다. 선택적 커플링은 아이 박스(315-a)에서 외부 출사 동공을 생성하는 유리한 효과를 가질 수 있다. 출사 동공은 스큐 미러(305)로부터의 고정된 거리에 있을 수 있다. 외부 출사 동공은 내부 출사 동공에 비해 광학 효율을 증가시킬 수 있다. 표현된 각도들은 격자 매체의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 격자 매체 및/또는 기판 계면에서의 그러한 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다.
광학 시스템(300)은 디스플레이(355), 시준기(360), 수평 도파관(365), 수직 도파관(370), 및 아이 박스(315-a)를 포함할 수 있다. 아이 박스(315-a)는, 본 명세서에서 아이 릴리프(eye relief)(375)로서 알려진, 수직 도파관(370)으로부터의 거리에 있을 수 있다. 광학 시스템(300)은 스큐 미러들을 이용할 수 있는 2차원 동공 확장기의 일례를 예시한다. 수평 도파관(365) 내에 배치된 스큐 미러는 교차 커플러로 지칭될 수 있다. 일부 경우에, 수직 도파관(370) 내에 배치된 스큐 미러는 출력 커플러로 지칭될 수 있다.
기술되는 바와 같은 출사 동공 확장 기법들은, 2개의 스큐 미러들을 이용함으로써 2차원 동공 확장을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 수평 도파관(365)은 제1 스큐 미러를 포함할 수 있는데, 제1 스큐 미러는 제2 스큐 미러에 동작가능하게 커플링된다. 제1 스큐 미러는 동공을 수평 방향으로 확장시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러(예컨대, 교차 커플러)는 별개의 2D(덕트-유형) 도파관 내에 배치될 수 있다. 제2 스큐 미러는 동공을 수직 방향으로 확장시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제2 스큐 미러(예컨대, 출력 커플러)는 별개의 1D(슬래브-유형) 도파관 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러(예컨대, 교차 커플러) 및 제2 스큐 미러(예컨대, 출력 커플러)는 단일 1D(슬래브-유형) 도파관 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러 및 제2 스큐 미러는 수직으로(예컨대, y-축을 따라) 맞닿거나 또는 달리 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러 및 제2 스큐 미러는 수평으로(예컨대, x-축을 따라) 맞닿거나 또는 달리 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러 및 제2 스큐 미러는 중첩 방식으로(예컨대, z-축을 따라) 맞닿거나 또는 달리 동작가능하게 커플링될 수 있다.
일부 예들에서, 제1 스큐 미러(예컨대, 교차 커플러)는 본 명세서에서 기술된 바와 같이 선택적 커플링을 채용하여 출사 동공 등화 기법들을 구현할 수 있다. 일부 예들에서, 제2 스큐 미러(예컨대, 출력 커플러)는 본 명세서에서 기술된 바와 같이 선택적 커플링을 독립적으로 채용하여 출사 동공 등화 기법들을 구현할 수 있다.
도 4는 복수의 격자 구조들(405)을 예시하는 광학 컴포넌트(400)의 다이어그램이다. 격자 구조들(405)은 본 명세서에서 기술된 격자 매체를 갖는 격자 구조들과 유사할 수 있다. 격자 구조들(405)은 논의의 목적을 위해 분해도 방식으로 예시되어 있지만, 이러한 격자 구조들(405)은 본 명세서에서 기술된 바와 같이 격자 매체의 체적 또는 공간 내에서 중첩되고 혼재되어 있을 수 있다. 또한, 각각의 격자 구조는 상이한 회절각 응답을 가질 수 있고, 다른 격자 구조와는 상이한 파장에서 광을 반사시킬 수 있다.
광학 컴포넌트(400)는 격자 구조(405-a) 및 격자 구조(405-b)를 도시한다. 격자 구조(405-a)는 대응하는 k-공간 다이어그램(410-a)을 가질 수 있고, 격자 구조(405-b)는 대응하는 k-공간 다이어그램(410-b)을 가질 수 있다. k-공간 다이어그램들(410-a, 410-b)은 홀로그램을 조명함으로써 브래그-매칭된 재구성의 경우들을 예시할 수 있다.
k-공간 다이어그램(410-a)은 격자 구조(405-a)에 의한 입사광의 반사를 예시할 수 있다. k-공간 다이어그램(410-a)은 홀로그램에 의한 프로브 빔의 미러형 회절(이는 반사로 지칭될 수 있음)의 표현인데, 여기서 반사 축과 관련한 프로브 빔 입사각은 반사 축과 관련한 회절된 빔 반사각과 동일하다. k-공간 다이어그램(410-a)은, 격자 구조(405-a)의 반사 축(430-a)의 그것과 동일한, z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 양의 측파대(sideband)
Figure 112018095943261-pct00034
k-공간 분포(450-a)를 포함할 수 있다. k-공간 다이어그램(410-a)은 또한, 반사 축(430-a)의 그것과 동일한, z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 음의 측파대
Figure 112018095943261-pct00035
k-공간 분포(453-a)를 포함할 수 있다. k-구(440-a)는 청색 가시광, 녹색 가시광, 또는 적색 가시광을 표현할 수 있다.
k-공간 다이어그램(410-a)은, 프로브 빔(435-a)이, 포인트형이고 프로브 빔 k-구(440-a) 상에 놓이는 회절된 빔 k-공간 분포(425-a), 즉,
Figure 112018095943261-pct00036
를 생성하는 경우를 도시한다. 회절된 빔 k-공간 분포(425-a)는 수학식(4)의 컨벌루션에 따라 생성된다.
프로브 빔은, 또한 포인트형인 k-공간 분포(435-a), 즉,
Figure 112018095943261-pct00037
를 가질 수 있다. 이 경우에, 프로브 빔 파장이, 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 기록 빔들의 파장과 상이하더라도, 프로브 빔은 홀로그램에 "브래그-매칭"되는 것으로 칭해지고, 홀로그램은 현저한 회절을 생성할 수 있다. 컨벌루션 연산은 또한 벡터 합
Figure 112018095943261-pct00038
에 의해 기하학적으로 표현될 수 있는데, 여기서
Figure 112018095943261-pct00039
는 회절된 빔 파수 벡터(420-a)를 나타내고,
Figure 112018095943261-pct00040
는 프로브 빔 파수 벡터(415-a)를 나타내고,
Figure 112018095943261-pct00041
는 양의 측파대 격자 벡터(451-a)를 나타낸다. 벡터(445-a)는 수학식(4)의 컨벌루션에 따른 프로브 빔 파수 벡터(415-a)와 양의 측파대 격자 벡터(451-a)의 합을 표현한다. k-공간 다이어그램(410-a)은 또한 음의 측파대 격자 벡터(452-a)를 갖는다.
프로브 빔 파수 벡터(415-a) 및 회절된 빔 파수 벡터(420-a)는 실질적으로 이등변 삼각형의 변(leg)들을 형성할 수 있다. 이 삼각형의 등각들은 입사각 및 반사각과 합동일 수 있는데, 둘 모두는 반사 축(430-a)과 관련하여 측정된 것이다. 따라서, 격자 구조(405-a)는 반사 축(430-a)에 대해 실질적으로 미러형 방식으로 광을 반사시킬 수 있다.
k-공간 다이어그램(410-b)은 격자 구조(405-b)에 의한 입사광의 반사를 예시할 수 있다. 격자 구조(405-b)는 격자 구조(405-a)에 의해 반사되는 입사각들과는 상이한 복수의 입사각들에서 입사광을 반사시킬 수 있다. 격자 구조(405-b)는 또한 격자 구조(405-a)와는 상이한 파장에서 광을 반사시킬 수 있다. k-공간 다이어그램(410-b)은 홀로그램에 의한 프로브 빔의 미러형 회절(이는 반사로 지칭될 수 있음)의 표현일 수 있는데, 여기서 반사 축과 관련한 프로브 빔 입사각은 반사 축과 관련한 회절된 빔 반사각과 동일하다. k-공간 다이어그램(410-b)은, 격자 구조(405-b)의 반사 축(430-b)의 그것과 동일한, z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 양의 측파대
Figure 112018095943261-pct00042
k-공간 분포(450-b)를 갖는다. k-공간 다이어그램(410-b)은 또한, 반사 축(430-b)의 그것과 동일한, z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 음의 측파대
Figure 112018095943261-pct00043
k-공간 분포(453-b)를 갖는다. k-구(440-b)는 청색 가시광, 녹색 가시광, 또는 적색 가시광을 표현할 수 있다. 일부 실시예들에서, k-구는, 자외선 또는 적외선 파장들을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 전자기 방사선의 다른 파장들을 표현할 수 있다.
k-공간 다이어그램(410-b)은, 프로브 빔(435-b)이, 포인트형이고 프로브 빔 k-구(440-b) 상에 놓이는 회절된 빔 k-공간 분포(425-b), 즉,
Figure 112018095943261-pct00044
를 생성하는 경우를 도시한다. 회절된 빔 k-공간 분포(425-b)는 수학식(4)의 컨벌루션에 따라 생성된다.
프로브 빔(435-b)은, 또한 포인트형인 k-공간 분포, 즉,
Figure 112018095943261-pct00045
를 갖는다. 이 경우에, 프로브 빔 파장이, 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 기록 빔들의 파장과 상이하더라도, 프로브 빔은 홀로그램에 "브래그-매칭"되는 것으로 칭해지고, 홀로그램은 현저한 회절을 생성할 수 있다. 컨벌루션 연산은 또한 벡터 합
Figure 112018095943261-pct00046
에 의해 기하학적으로 표현될 수 있는데, 여기서
Figure 112018095943261-pct00047
는 회절된 빔 파수 벡터(420-b)를 나타내고,
Figure 112018095943261-pct00048
는 프로브 빔 파수 벡터(415-b)를 나타내고,
Figure 112018095943261-pct00049
는 양의 측파대 격자 벡터(451-b)를 나타낸다. 벡터(445-b)는 수학식(4)의 컨벌루션에 따른 프로브 빔 파수 벡터(415-b)와 양의 측파대 격자 벡터(451-b)의 합을 표현한다. k-공간 다이어그램(410-b)은 또한 음의 측파대 격자 벡터(452-b)를 갖는다.
프로브 빔 파수 벡터(415-b) 및 회절된 빔 파수 벡터(420-b)는 실질적으로 이등변 삼각형의 변들을 형성할 수 있다. 이 삼각형의 등각들은 입사각 및 반사각과 합동일 수 있는데, 둘 모두는 반사 축(430-b)과 관련하여 측정된 것이다. 따라서, 격자 구조(405-b)는 반사 축(430-b)에 대해 실질적으로 미러형 방식으로 광을 반사시킬 수 있다.
도 5a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 등화를 갖는 스큐 미러를 제조하기 위한 시스템(500-a)이다. 시스템(500-a)은 샘플 스테이지 캐리어(505), 샘플 캐리어 레일(510), 제1 기록 빔(515-a), 신호 미러(520), 제2 기록 빔(525-a), 참조 미러(530), 참조 미러 캐리어 레일(535), 참조 미러 캐리어(540), 격자 매체(545-a), 홀로그램(550), 제1 프리즘(555-a), 및 제2 프리즘(560-a)을 포함할 수 있다.
시스템(500-a)은 글로벌 좌표들(xG, yG, zG) 및 스큐 미러 좌표들(x, y, z)을 포함할 수 있다. 원점은 격자 매체(545-a)의 중심에 있는 것으로 정의될 수 있다. 일부 경우에, 격자 매체(545-a)는 대체로 직사각형인 형상을 포함할 수 있는데, 여기서 'z'는 격자 매체(545-a)의 두께에 대응하고, 'x'는 격자 매체(545-a)의 면내(in-plane) 측부의 길이에 대응하고, 'y'는 격자 매체(545-a)의 면내 측부의 길이에 대응한다. 기록을 위한 글로벌 각도(θG)는 격자 매체(545-a) 내부의 x G 축과 관련한 제1 기록 빔(515-a)의 각도로서 정의될 수 있다. 스큐 미러 좌표들(x, y, z)은 하기 수학식에 의해 글로벌 좌표들로 변환될 수 있다:
Figure 112018095943261-pct00050
(8)
시스템(500-a)은 원하는 아이 박스 크기와 대략 동일한 크기를 갖도록 기록 빔들을 구성하는 데 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 시스템(500-a)은 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)에 대한 정확한 각도들을 생성하기 위해 신호 미러(520) 및 참조 미러(530)와 같은 회전 미러들을 배치할 수 있다. 신호 미러(520)의 각도는, 폭이 약 dEB인 제1 기록 빔(515-a)의 원하는 각도(θG1)를 생성하도록 변경될 수 있다. 샘플 스테이지 캐리어(505) 및 참조 미러 캐리어(540)는 각각의 노출에 대해 기록 빔들로 정확한 위치를 조명하기 위해 위치설정될 수 있다. 시스템(500-a)의 샘플 스테이지 캐리어(505)는, 원하는 위치에서의 제1 기록 빔(515-a)에 의한 격자 매체(545-a)의 조명을 가능하게 하기 위해 샘플 캐리어 레일(510) 상에 위치설정될 수 있다. 참조 미러 캐리어(540)는, 원하는 위치에서의 제2 기록 빔(525-a)에 의한 격자 매체(545-a)의 조명을 가능하게 하기 위해 참조 미러 캐리어 레일(535) 상에 위치설정될 수 있다. 격자 매체(545-a)는 홀로그램 기록 이전 또는 기록 동안 기록 매체로 지칭될 수 있고, 광중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 매체는 광굴절 결정들, 이색성 젤라틴, 광열 굴절 유리, 및/또는 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름을 포함할 수 있다.
설정된 신호 미러(520) 및 참조 미러(530)의 회전에 의하면, 미러들은, 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)이 서로 교차하고 간섭하여 격자 매체(545-a) 내에 홀로그램(550)으로서 기록되는 간섭 패턴을 형성하도록 기록 빔들을 지향시키기 위해 배열될 수 있다. 홀로그램(550)은 격자 구조의 일례일 수 있다. 시스템(500-a)은 다수의 격자 구조들을 형성할 수 있는데, 격자 구조들 각각은 복수의 입사각들에서 특정 파장의 광을 스큐 축(565-a)에 대해 반사시키도록 구성된다. 각각의 격자 구조는 특정 파장을 갖는 간섭성 광에 대한 격자 매체(545-a)의 복수의 노출을 사용하여 형성될 수 있다. 각각의 격자 구조에 대응하는 복수의 입사각들은, 최소 범위의 각도들만큼 서로 오프셋되어 있을 수 있다.
일부 구현예들에서, 기록 빔들은 서로 상이한 폭들을 가질 수 있거나, 또는 그들은 동일할 수 있다. 기록 빔들은 각각 서로 동일한 세기를 가질 수 있거나, 또는 세기가 빔들 사이에서 상이할 수 있다. 빔들의 세기는 불균일할 수 있다. 격자 매체(545-a)는 전형적으로 제1 프리즘(555-a)과 제2 프리즘(560-a) 사이의 제자리에, 프리즘들 및 격자 매체 양쪽 모두에 굴절률 매칭된 유체를 사용하여 고정된다. 스큐 축(565-a)은 표면 법선(570-a)에 대한 스큐 각도로 존재한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 스큐 각도는 표면 법선(570-a)에 대해 -30.25도일 수 있다. 제1 기록 빔과 제2 기록 빔 사이의 각도는 0 내지 180도의 범위에 존재할 수 있다. 이어서, 표면 법선(570-a)에 대한 기록된 스큐 각도는 면내 시스템(500-a)의 경우 φ' = (θR1 + θR2 ― 180°)/2 + φ G 로 된다. θG2 = 180° - θG1인 공칭 경우에, φ' = φ G 이다. 도 5에서, φ G 는 표면 법선에 대한 공칭 스큐 각도를 나타낸다. 추가적으로, 도 5에서, θG1 및 θG2의 각도들의 정확한 묘사는 나타나 있지 않다. θ'G1 및 θ'G2의 각도들이 예시되어 있고, θG1 및 θG2의 각도들에 대응한다. θG1 및 θG2의 각도들은 제1 프리즘(555-a) 및 제2 프리즘(560-a) 내에서, 각각 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a) 빔과 관련이 있다. θ'G1 및 θ'G2의 각도들은 기록 빔들이 프리즘들에 들어갈 때 공기와 프리즘들 사이의 경계에서의 굴절률 미스매칭(예컨대, 스넬의 법칙(Snell's Law) 또는 굴절의 법칙의 효과들) 때문에 θG1 및 θG2의 각도들과는 상이할 것이다.
제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)은 공칭상 스큐 축(565-a)에 대해 대칭적이어서, 스큐 축에 대한 제1 기록 빔 내부 각도와 스큐 축에 대한 제2 기록 빔 내부 각도의 합이 180도와 동일시되도록 될 수 있다. 제1 및 제2 기록 빔들 각각은 레이저 광원으로부터 비롯되는 시준된 평면파 빔들일 수 있다.
예를 들어, 제1 기록 빔(515-a)이 제1 프리즘(555-a)의 공기/프리즘 경계와 교차하고 제2 기록 빔(525-a)이 제2 프리즘(560-a)의 공기/프리즘 경계와 교차하는, 공기/프리즘 경계들에서의 굴절은, 엄격하게 정량적으로보다는 오히려 상징적으로 도시되어 있다. 프리즘/격자 매체 경계에서의 굴절이 또한 발생할 수 있다. 구현예들에서, 격자 매체 및 프리즘들은 각각 405 nm의 기록 빔 파장에서 대략 1.5471의 굴절률을 갖는다.
(홀로그램들의 집합에 대한 평균 스큐 각도를 포함하는) 홀로그램에 대한 스큐 각도는, 반사 축 각도와 실질적으로 동일할 수 있고, 이는 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도가 반사 축 각도의 1.0도 이내에 있음을 의미한다. 본 발명의 이점을 고려하여, 당업자들은, 스큐 각도 및 반사 축 각도가 이론적으로 동일할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 시스템 정밀도 및 정확도의 제한들, 홀로그램들을 기록하는 동안 발생하는 기록 매체의 수축, 및 오차의 다른 공급원들로 인해, 기록 빔 각도들에 기초하여 측정되거나 추정되는 바와 같은 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도는, 스큐 미러에 의해 반사되는 광의 반사각들 및 입사각들에 의해 측정되는 바와 같은 반사 축 각도와 완벽하게 매칭되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 매체 수축 및 시스템 결함들이 스큐 각도 및 반사 축 각도를 추정하는 데에 있어서 오차들에 기여하더라도, 기록 빔 각도들에 기초하여 결정되는 스큐 각도는, 입사광 및 그의 반사의 각도들에 기초하여 결정되는 반사 축 각도의 1.0도 이내일 수 있다. 이러한 매체 수축 및 시스템 결함들이 동공 등화를 갖는 스큐 미러들의 제조 시에 임의로 작게 될 수 있다는 것이 이해된다. 이와 관련하여, 이러한 매체 수축 및 시스템 결함들은 통상적인 또는 종래의 미러의 편평함과 유사한 것으로 간주될 수 있다. 일부 예들에서, 체적 홀로그램들을 사용한 스큐 미러들의 제조와 연관된 기본 제한은 기록 매체의 두께에 기초할 수 있다.
스큐 축/반사 축은 일반적으로, 스큐 미러의 제조를 언급할 때(예를 들어, 스큐 미러 격자 매체에 홀로그램을 기록하는 것을 기술할 때) 스큐 축으로, 그리고 스큐 미러의 광 반사 특성들을 언급할 때 반사 축으로 불린다. (홀로그램들의 집합에 대한 평균 스큐 각도를 포함하는) 홀로그램에 대한 스큐 각도는, 반사 축 각도와 실질적으로 동일할 수 있고, 이는 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도가 반사 축 각도의 1.0도 이내에 있음을 의미한다. 당업자들은, 본 발명의 이점을 고려하여, 스큐 각도 및 반사 축 각도가 이론적으로 동일할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 시스템 정밀도 및 정확도의 제한들, 홀로그램들을 기록하는 동안 발생하는 기록 매체의 수축, 및 오차의 다른 공급원들로 인해, 기록 빔 각도들에 기초하여 측정되거나 추정되는 바와 같은 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도는, 스큐 미러에 의해 반사되는 광의 반사각들 및 입사각들에 의해 측정되는 바와 같은 반사 축 각도와 완벽하게 매칭되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 매체 수축 및 시스템 결함들이 스큐 각도 및 반사 축 각도를 추정하는 데에 있어서 오차들에 기여하더라도, 기록 빔 각도들에 기초하여 결정되는 스큐 각도는, 입사광 및 그의 반사의 각도들에 기초하여 결정되는 반사 축 각도의 1.0도 이내일 수 있다. 본 발명의 이점을 고려하여, 당업자들은 주어진 홀로그램에 대한 스큐 각도가 그 홀로그램에 대한 격자 벡터 각도와 동일하다는 것을 인식할 것이다.
시스템(500-a)의 변형예에서, 가변 파장 레이저가 제1 및 제2 기록 빔들의 파장을 가변시키는 데 사용될 수 있다. 제1 및 제2 기록 빔들의 입사각들은 제1 및 제2 기록 빔들의 파장이 변경되는 동안 일정하게 유지될 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 파장들은 적색 가시광 파장, 청색 가시광 파장, 녹색 가시광 파장, 자외선(UV) 파장, 및/또는 적외선(IR) 파장으로 구성될 수 있다. 시스템(500-a)의 각각의 격자 구조는 다른 격자 구조와는 상이한 파장에서 입사각을 반사시킬 수 있다. 시스템(500-a)은, 그것이 기록 빔 파장과는 실질적으로 상이한 파장, 및 특히 그보다 상당히 더 긴 파장의 광을 반사시키게 하는 반사 특성들을 가질 수 있다.
도 5b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 등화를 갖는 스큐 미러를 제조하기 위한 시스템(500-b)이다. 시스템(500-b)은 제1 기록 빔(515-b), 제2 기록 빔(525-b), 격자 매체(545-b), 제1 프리즘(555-b), 제2 프리즘(560-b), 및 스큐 축(565-b)을 포함할 수 있다. 시스템(500-b)은 도 5a를 참조하여 논의된 실시예들을 참조하는 확대도일 수 있다.
일부 경우에, 교차 커플러로서 사용되는 광 커플링 디바이스에 대해 하나 이상의 스큐 미러들이 제작될 수 있다. 예를 들어, 각각의 반사 축은 동공 확장기 내의 하나 이상의 도파관들의 표면들에 평행하거나 또는 각도적으로 오프셋되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 프리즘(555-b) 및 제2 프리즘(560-b) 내의 격자 매체(545-b)를 재배향시킴으로써 교차된 스큐 미러 교차 커플러 구성을 갖는 교차 커플러가 제작될 수 있다. 일부 기록 구현예들에서, 제2 프리즘(560-b)은 생략될 수 있고, 격자 매체(545-b)를 고정시키거나 안정화시키기 위한 컴포넌트로 대체될 수 있다. 격자 매체(545-b)를 고정시키거나 안정화시키기 위한 컴포넌트는 또한 광 흡수 특성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 기록 빔(515-b) 및 제2 기록 빔(525-b)은 둘 모두, 교차 커플러를 구성할 때 제1 프리즘(555-b)에 들어갈 수 있다.
일부 경우에, 재배향된 격자 매체(545-b) 상에 제2 스큐 미러 배향이 기록될 수 있다.제2 스큐 미러는, 제1 스큐 미러와 적어도 부분적으로 중첩되는 방식 또는 중첩되지 않는 방식으로 배향될 수 있다. 따라서, 격자 매체(545-b)(즉, 재배향 및 경화 프로세스들 이후의 기록 매체)의 주어진 체적에서 교차된 스큐 미러 구성이 형성된다. 재배향 프로세스는 광 커플링 디바이스의 원하는 스큐 축들 모두를 기록하기 위해 반복될 수 있다. 일부 경우에, 제2 스큐 미러는 제1 스큐 미러와 중첩되지 않는 방식으로 배향될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(600)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(600)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(600)은 선택적 커플링을 채용하여 광 커플링 디바이스(605)가 특정 위치를 향해 광(610)을 반사시키고 복제된 동공들(615-a, 615-b)을 투영하게 할 수 있다. 표현된 각도들은 도파관(620)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다. 복제된 동공들(615-a, 615-b)은 각각 반사 축(625-a, 625-b)에 대응하는 이미지를 투영할 수 있다. 광 커플링 디바이스(605)는 격자 매체, 및 격자 매체 내의 격자 구조를 포함할 수 있다. 격자 구조는 복수의 홀로그램들 또는 정현파 체적 격자들을 가질 수 있다.
광학 시스템(600)은, 광학 시스템(600)의 다른 부분으로부터 도파관(620) 내의 TIR 모드로 전파하는 광(610)을 예시한다. 광(610)이 광 커플링 디바이스(605)를 향해 반사되고 복제된 동공들(615-a, 615-b)을 투영하기 위하여, 광(610)은 내부 전반사에 의해 도파관(620)을 통해 전파할 수 있다. 예를 들어, 광(610)은 도파관(620)을 통해 전파하고, 하향 모드 방향과 상향 모드 방향 사이에서 반사될 수 있다. 광(610)은 하나의 픽셀(예컨대, 이미지 포인트)로부터의 광의 일례일 수 있고, 대응하는 폭(예컨대, 동공 폭)을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 광(610)은 다수의 픽셀들로부터의 광의 일례일 수 있다.
일부 경우에, TIR 디바이스 내의 반사된 광(610)은 모드 비균질성을 경험할 수 있다. 예를 들어, 광의 TIR 모드들(예컨대, 전파 방향을 따른 공간적 모드들)에 의해 야기되는 갭(635)은 광과 도파관의 표면의 연속 상호작용들 사이에 존재할 수 있다. 일부 경우에, 도파관(620)의 표면 법선과 관련한 큰 입사각들을 갖는 전파하는 광(610)은, 광(610)과 도파관(620)의 상호작용 사이에서 갭(635)의 크기를 증가시킬 수 있다. 광(610)의 커플링된 모드(coupled mode)에 의해 야기되는 갭(635)의 크기에 따라, 도파관(620) 내에 반사되는 광(610)은, 광 커플링 디바이스(605)와 부분적으로만 상호작용할 수 있다. 도 6의 비중첩 모드 비균질성 예에서의 이러한 부분 상호작용은, 광 커플링 디바이스(605)에서 불균일한 세기 프로파일을 야기할 수 있다. 불균일한 세기 프로파일은 공간적으로 비균질한 파워 분포(640)를 초래할 수 있다. 공간적으로 비균질한 파워 분포(640)는 광 커플링 디바이스(605)의 복제된 동공들과 연관된 출력 빔의 점 확산 함수(point spread function, PSF)의 폭 넓히기를 야기하여, 이에 의해 투영된 이미지의 해상도를 감소시킬 수 있다. 일부 예들에서, 광 균질화 기법들이 광학 시스템(600)에 적용될 수 있다.
일부 예들에서, 광 커플링 디바이스(605)는 격자 매체, 및 격자 매체 내의 격자 구조를 포함할 수 있다. 격자 구조는 복수의 홀로그램들 또는 정현파 체적 격자들을 가질 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 본 명세서에서 기술된 동공 확장 기법들과는 대조적인 종래의 기법들을 도시하는 플롯(700-a)이다. 플롯(700-a)은, 축(705) 상의 외부 각도 단위로 측정된 반사된 각도 및
축(710) 상의 회절 효율을 포함한다. 스큐 미러 기술을 사용하는 구현예를 제외한, 종래의 출력 커플러는 외부 FOV 제한들을 경험할 수 있다. 일부 경우에, 출력 커플러는 광 커플링 시스템 내의 제한된 TIR 각도 범위에 비례하는 외부 FOV(1 미만)를 달성할 수 있다. 예를 들어, 1.5의 벌크 굴절률에서, 외부 FOV는 광 커플링 시스템의 TIR 각도 범위(예컨대, 도파관 부분의 임계각의 몇 도 초과 내지 도파관 부분의 기판들에 평행한 15도)의 0.7배에 대응할 수 있다. 이상적으로는, TIR 광선들은 41.8도 내지 90도의 범위로 각도 제한될 수 있다. TIR 각도 범위에 기초하여, 종래의 커플러는 대략 29도의 외부 FOV를 생성할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 종래의 출력 커플러에 대한 TIR 각도 범위는 41.8도 내지 78도의 범위로 제한되어서, 방출된 외부 FOV를 추가로 제약할 수 있다.
도 7b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 본 명세서에서 기술된 동공 확장 기법들과는 대조적인 종래의 기법들을 도시하는 플롯(700-b)이다. 플롯(700-b)은 축(715-a) 상의 각도 단위로 측정된 TIR 각도 및 축(720-a) 상의 각도 단위로 측정된 FOV 각도를 포함한다. 플롯(700-b)의 플롯 라인(725-a)은 내부 FOV 범위의 일례를 예시한다. 플롯(700-b)의 플롯 라인(730-a)은 외부 FOV 범위의 일례를 예시한다. 예를 들어, 도 7b는 종래의 출력 커플러에 의해 생성되는 내부 FOV 범위 및 외부 FOV 범위 양쪽 모두를 예시할 수 있다. 종래의 출력에 의해 생성되는 내부 FOV 범위는 41.8도 내지 90도의 TIR 광선 각도 범위에 대응할 수 있다. 그러나, 종래의 출력에 의해 생성되는 외부 FOV 범위는 41.8도 내지 78도의 대응하는 TIR 광선 각도 범위로 제한될 수 있다. 일부 경우에, 플롯(700-b)은 하나 이상의 특성들의 커플러들(예컨대, DOE들 및 HOE들)에 대응할 수 있다.
일부 실시예들에서, 엠보싱된 회절 격자들, DOE들, 및 각진 부분 반사형 표면들을 포함하는 다른 종래의 커플러들은 FOV에 대한 별개의 제한들을 부과할 수 있다. 일부 경우에, 다른 종래의 커플러들은, 각각의 TIR 모드의 다수의 반사들과 커플러 사이의 상호작용으로 인해 FOV 제한들을 초래할 수 있다. 예를 들어, 종래의 커플러들은 일직선 통과 광과 커플링 요소 사이의 상호작용들의 결과로서 감소된 광학 투명도를 초래할 수 있다. 다른 종래의 커플러들(예컨대, DOE들 및 HOE들)은 커플러 요소들에 의해 색채 분산을 경험할 수 있다. 대조적으로, 일부 체적 홀로그램들 및 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들은, TIR 모드에서 동작하는 광의 반사들 중 하나(예컨대, 광 커플링 시스템의 아이 박스에 대해 근위에 있는 기판을 향한 하향 바운스(bounce))에 브래그-미스매칭될 수 있다. 결과적으로, 종래의 커플러들에 적용가능한 일부 FOV 제한들은 체적 홀로그램들에 의해 초래되지 않을 수 있다. 일부 체적 홀로그램들 및 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들은 광 커플링 시스템을 일직선으로 통과하는 입력 광(예컨대, 기판 표면 상에 입사되는 외부 또는 환경 광)에 브래그-미스매칭될 수 있다.
스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들을 이용하는 광 커플링 디바이스들은 실질적으로 무색일 수 있고, 그에 따라서 종래의 커플러들과 같은 색채 분산을 겪지 않을 수 있다. 스큐 미러 유형의 컴포넌트들 또는 디바이스들을 이용하는 광 커플링 디바이스들의 전술한 품질들에 적어도 부분적으로 기초하여, 스큐 미러 기술을 사용하는 출력 커플러는 TIR 각도 범위에 더 크게 비례하는 외부 FOV를 달성할 수 있다. 스큐 미러 기술을 사용하는 출력 커플러는, 커플러에서의 내부 입사각들의 범위가 내부 반사각들의 범위와 동등하기 때문에 TIR 각도 범위와 동일한 내부 FOV를 달성할 수 있다. 예를 들어, 1.5의 벌크 굴절률에서, 외부 FOV는 광 커플링 시스템의 TIR 각도 범위의 대략 1.5배일 수 있다. 그와 같이, 결과는 종래의 출력 커플러와 비교할 때 상당히 더 큰 외부 FOV일 수 있다. 34.9도의 TIR 각도 범위(예컨대, 광 커플링 시스템의 도파관 부분 내의 내부 범위)는 53.4도의 외부 FOV를 생성할 수 있다.
도 7c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장 기법들을 예시하는 플롯(700-c)을 예시한다. 플롯(700-c)은 축(715-b) 상의 각도 단위로 측정된 TIR 각도 및 축(720-b) 상의 각도 단위로 측정된 FOV 각도를 포함한다. 플롯(700-c)의 플롯 라인(725-b)은 내부 FOV 범위의 일례를 예시한다. 플롯(700-c)의 플롯 라인(730-b)은 외부 FOV 범위의 일례를 예시한다. 예를 들어, 도 7c는, 43도 내지 78도의 각도 범위에 따른, 스큐 미러 기술을 사용하는 출력 커플러에 의해 생성된 내부 FOV 범위 및 외부 FOV 범위 양쪽 모두를 예시할 수 있다.
일부 실시예들에서, 플롯 라인(730-b)에서 알 수 있는 바와 같이, 스큐 미러 기술을 사용하는 출력 커플러의 외부 FOV는 선형 FOV이다. 따라서, 출력 커플러는 출력 이미지 투영의 경우 종래의 출력 커플러보다 더 큰 대각선 시야를 지원할 수 있다. 예시적인 광 커플링 시스템 배향에서(예컨대, 출력 커플러와 관련하여 수평으로 배치된 교차 커플러를 가짐), 수평 방향으로 53.4도의 외부 FOV를 갖는 16:9 디스플레이 필드(display field)는 31.6도의 수직 FOV 및 60도의 대각선 FOV를 지원할 수 있다. 일례에서, 광 커플링 시스템 배향에서(예컨대, 출력 커플러와 관련하여 수직으로 배치된 교차 커플러를 가짐), 수직 방향으로 53.4도의 외부 FOV를 갖는 16:9 디스플레이 필드는 83.9도의 수평 FOV 및 91.7도의 대각선 FOV를 지원할 수 있다. 정사각형 디스플레이 필드와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 다른 디스플레이 필드 구현예들은 스큐 미러 기술을 이용하는 광 커플링 시스템 배향들에 의해 지원될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(800-a)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(800-a)는 도파관(805-a), 광 입력 섹션(810-a), 제1 광 커플링 디바이스(815-a)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축(820-a), 제2 광 커플링 디바이스(825-a)(예컨대, 출력 커플러) 및 아이 박스(830-a)를 포함할 수 있다. 도파관(805-a)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(805-a)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(810-a)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(810-a)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 입력 광은 광 입력 섹션(810-a)에서 인-커플링되고, 도파관(805-a)을 통해 전파될 수 있다. 예를 들어, 광 입력 섹션(810-a)은 도파관(805-a)에 에지 커플링될 수 있다. 다른 예들에서, 광 입력 섹션(810-a)은 프리즘 커플링되거나, DOE, HOE, 또는 스큐 미러 기반 입력 커플러에 의해 커플링되거나, 또는 등등일 수 있다(도시하지 않음). 입력 광은, 광 커플링 디바이스의 배향 평면(예컨대, x-y 평면) 내에서 도파관(805-a)에 의해 안내되어서 광 입력 섹션(810-a)의 개구(aperture)로부터 발산각으로(예컨대, 20.4도의 발산각으로) 확장되어, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)(예컨대, 대체적인 파이 형상(pie shape) 구성을 갖는 스큐 미러 기법들을 사용하는 교차 커플러)를 충전할 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 격자 매체, 및 격자 매체 내의 복수의 격자 구조들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는, x-y 평면에서 45도로 배향된 반사 축(820-a)을 갖는 부분 반사형 스큐 미러를 포함할 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는, 반사 축(820-a)에 따라, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)에서의 도파된(waveguided) 광을, 제2 광 커플링 디바이스(825-a)(예컨대, 출력 커플러)를 향해 입력 광의 전파 방향으로부터 오프셋되어 있는 각도로 반사시킬 수 있다. 광은 제2 광 커플링 디바이스(825-a)를 통해 전파하고, 아이 박스(830-a)를 향해 반사되어, 내부 TIR 각도 범위를 아이 박스에서 표현되는 방출된 외부 FOV에 맵핑시킬 수 있다. 예를 들어, 34.9도의 TIR 각도 범위는 53.4도의 외부 수평 FOV에 맵핑되고, 20.4도의 면내 내부 각도 범위는 31.6도의 외부 수직 FOV에 맵핑되어서, 60도의 대각선 FOV를 야기할 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)의 반사 축(820-a)은 도파관 표면(예컨대, 도파관(805-a)의 주 기판 표면)에 평행할 수 있다. 도파관 표면과의 평행 배향으로 인해, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)의 반사 축(820-a)은 회절된(또는 반사된) 광의 면외(out-of-plane) 방향 성분을 유지할 수 있다. 면외 치수에서의 회절된 광의 방향성을 유지함으로써, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 제2 광 커플링 디바이스(825-a)에 대한 양방향(예컨대, 상향 및 하향) TIR 반사들 양쪽 모두를 회절시킬 수 있다. 결과적으로, 동공 복제 밀도가 증가될 수 있다.
다른 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)의 반사 축(820-a)은 면외 성분을 유지하여, 제2 광 커플링 디바이스(825-a)에 대한 단방향 TIR 반사를 허용할 수 있다. 즉, 반사 축(820-a)의 면외 성분은, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)가 TIR 반사와 유사하게, 회절된 광을 면외 방향으로 반사시키게 할 수 있다. 예를 들어, 면외 방향과 관련한 45도의 입사각에서의 입사광은, 제2 광 커플링 디바이스(825-a)(예컨대, 스큐 미러 기법들을 사용하는 출력 커플러)를 향해 면외 방향과 관련한 135도의 각도로 반사될 수 있다.
제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 투영된 이미지의 치수가 광 입력 섹션(810-a)으로부터 아이 박스(830-a)로의 경로를 통해 안내되지 않은 채로 유지되게 할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 제2 광 커플링 디바이스(825-a)의 횡방향에 있을 수 있다.안내되지 않은 치수는 수직 FOV일 수 있는데, 이는 최대 TIR 범위보다 더 작은 FOV 범위를 포함한다. 대안적으로, 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 제2 광 커플링 디바이스(825-a)의 다른 위치에(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(825-a)의 하부 또는 상부를 따라) 구성될 수 있다. 안내되지 않은 치수는 수평 FOV일 수 있고, 이 FOV는 최대 TIR 범위를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 광 커플링 디바이스(815-a)는 광 커플링 시스템의 일부분 상에서 제2 광 커플링 디바이스(825-a)와 관련하여 수직으로 배치될 수 있다. 최대로 안내된 외부 53.4도 FOV를 갖는 수직 FOV를 사용하면, 16:9 디스플레이 필드는 수평으로 83.9도 및 대각선으로 91.7도의 범위를 정할 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 8a의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(815-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성 또는 구조화될 수 있다. 도파관에서의 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축(예컨대, z-축)과 관련한 TIR 범위 내의 제1 입사각 및 제2 축(예컨대, x-축 또는 y-축)과 관련한 제2 입사각을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(820-a))을 가질 수 있다. 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이할 수 있다.
일부 경우에, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(825-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축과는 상이하게 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 반사 축은 제1 반사 축에 직교하여 배향될 수 있다. 도 8a의 예에 예시된 바와 같이, 제1 반사 축(820-a)은 도파관(805-a)의 표면 법선에 직교한다. 역으로, 일부 실시예들에서, 제1 반사 축은 도파관 표면 법선에 직교하지 않고, 일부 실시예들에서, 제2 반사 축은 제1 반사 축에 직교하지 않는다. 제2 반사 축은 전형적으로 표면 법선과 일치하지 않는다.
일부 경우에, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체, 및 격자 매체 내의 제1 격자 구조를 가질 수 있다. 제1 격자 구조는 제1 입사각에서 일정 파장의 광을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 또한, 제1 격자 구조와 적어도 부분적으로 중첩되지 않는 격자 매체 내의 제2 격자 구조를 포함할 수 있고, 여기서 제2 격자 구조는 제1 입사각과는 상이한 제2 입사각에서 그 파장의 광을 제1 반사 축 매체에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다.
제1 격자 구조는 적어도 3개의 홀로그램들을 포함할 수 있고, 여기서 적어도 3개의 홀로그램들 각각은 제1 범위의 입사각들 내의 고유한 입사각에 대응하고, 적어도 3개의 홀로그램들에 대한 인접한 |ΔKG|는 미터당 1.0 × 104 내지 1.0 × 106 라디안(rad/m)으로 존재하는 평균 값을 가질 수 있다. 일부 경우에, 파장은 적색 가시광 파장, 청색 가시광 파장, 또는 녹색 가시광 파장 중 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 8b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(800-b)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(800-b)는 도파관(805-b), 광 입력 섹션(810-b), 제1 광 커플링 디바이스(815-b)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축(820-b), 제2 광 커플링 디바이스(825-b)(예컨대, 출력 커플러), 아이 박스(830-b), 및 궤적들(835)을 포함할 수 있다. 도파관(805-b)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(805-b)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(810-a)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(810-b)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)(예컨대, 바나나 구성(banana configuration)으로 배열된 커플러 컴포넌트들을 갖는 스큐 미러 기법들을 사용하는 교차 커플러)는 궤적들(835) 중 궤적(835-a)을 포함할 수 있는데, 궤적(835-a)은 궤적들(835) 중 각각의 다른 궤적(835-b, 835-c, 835-d, 835-e)과는 적어도 일부 상이한 수직 시야각들 또는 상이한 수직 시야각 범위들에 대응한다. 궤적들(835) 중 각각의 궤적(835-a, 835-b, 835-c, 835-d, 835-e)은, 특정 수직 시야각의 광을 반사시켜 그 광을 제2 광 커플링 디바이스(825-b)(예컨대, 스큐 미러 기법들을 사용하는 출력 커플러)로 지향시키기 위한 격자 구조의 일례일 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는 격자 매체, 및 격자 매체 내의 복수의 격자 구조들을 포함할 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는, x-축과 관련한 50.1도의 x-y 평면에서의 반사 축(820-b)을 갖는 부분 반사형 스큐 미러 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는, 가장 먼 코너들이 제2 광 커플링 디바이스(825-b)로부터 등거리에 있도록 배향되어, 그에 따라 제1 광 커플링 디바이스(815-b)의 요구되는 크기를 최소화할 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)의 궤적들(835)은 부분 반사형 스큐 미러 컴포넌트들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 입력 광은 커플러의 배향 평면(예컨대, x-y 평면) 내에서 광 입력 섹션(810-b)에 들어가고 도파관(805-b)에 의해 안내되고, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)의 궤적들(835) 중 적어도 하나의 궤적(예컨대, 궤적(835-a))으로 전파할 수 있다. 부분 반사형 스큐 미러 컴포넌트들은 광을 반사시킬 수 있고, 그 광은 제2 광 커플링 디바이스(825-b)를 향하는 방향으로 전파할 수 있다. 이어서, 광은 제2 광 커플링 디바이스(825-b)에 의해 추가로 반사될 수 있다(예컨대, 아이 박스(830-b)를 향해 지향될 수 있다).
제1 광 커플링 디바이스(815-b)의 궤적들(835) 중 각각의 궤적(835-a, 835-b, 835-c, 835-d, 835-e)은 광 입력 섹션(810-b)으로부터 이미지 광의 일부분을 제2 광 커플링 디바이스(825-b)를 향해 반사시킬 수 있다. 일부 경우에, 특정 궤적(835-a, 835-b, 835-c, 835-d, 835-e)에 의해 반사된 이미지 광의 일부분은, 광 커플링 시스템의 아이 박스(830)에 후속하여 투영되는 이미지의 수평 행에 대응할 수 있다. 예를 들어, 후속하여 투영된 이미지의 상부 수평-연장 에지 부분에 대응하는 이미지 광의 일부분은 광 입력 섹션(810-b)에 대해 근위에 있는 제1 궤적(835-a)(예컨대, 최상위 궤적)에 의해 제2 광 커플링 디바이스(825-b)를 향해 반사될 수 있다(예컨대, 궤적(835-a)은 궤적들(835) 중 나머지 궤적(835-b, 835-c, 835-d, 835-e)의 다른 홀로그램들보다 더 높은 입사각 및 더 낮은 격자 주파수에서 TIR 범위의 입사광을 반사시키는 하나 이상의 홀로그램들을 포함할 수 있다). 다른 예들에서, 후속하여 투영된 이미지의 하부 에지에 대응하는 이미지 광의 일부분은 광 입력 섹션(810-b)으로부터 원위에 있는 다른 궤적(835-e)(예컨대, 최하위 궤적)에 의해 제2 광 커플링 디바이스(825-b)를 향해 반사될 수 있다. 도 8b의 비제한적인 예에 예시된 5개의 궤적들(835-a, 835-b, 835-c, 835-d, 835-e)은 하부 궤적(835)으로부터 상부 궤적(835)으로의 오름차순으로, 100%, 75%, 50%, 25%, 및 0% 수직 시야각들에 대응할 수 있다(즉, 내부 수직 FOV 시야각의 방사상 스윕(sweep)). 일부 경우에, 적어도 하나의 궤적(예컨대, 궤적(835-a))은 광 입력 섹션(810-b)의 중심으로부터 제1 방사상 거리에 있는 하나 이상의 홀로그램들을 포함하고, 다른 궤적(예컨대, 궤적(835-e))은 광 입력 섹션(810-b)의 중심으로부터 제1 방사상 거리에 있는 홀로그램들을 포함하지 않는다. 일부 경우에, 궤적들(835)의 궤적 수는 내부 수직 FOV 시야각에서의 각도들의 수보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 20.4도의 내부 수직 FOV를 갖는 광학 시스템은 20개 초과의 궤적들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 궤적은 단일 홀로그램에 대응한다. 일부 경우에, 제1 궤적에 대응하는 제1 홀로그램은, 제2 궤적에 대응하는 제2 홀로그램과 중첩되지 않는 프린지 패턴(fringe pattern)을 포함한다.
일부 예들에서, 광 커플링 디바이스가 대체적인 파이 형상 구성을 가질 수 있는 경우에 하부 우측 부분은, 대응하는 홀로그램들이 후속하여 투영된 이미지의 상부 에지 부분에 대한 각도 선택도를 가짐에 따라 생략될 수 있다. 후속하여 투영된 이미지의 다른 수평-연장 부분들에 대응하는 이미지 광에 대한 각도 선택도를 가질 수 있는 홀로그램들은, 제2 광 커플링 디바이스(825-b)에 대해 비교적 근위에 있는 위치에 위치될 수 있다. 하부 궤적들(835)의 수직 크기는, 임의의 특정 궤적(835)이 범위를 정해야 하는 수직 영역을 제한함으로써 더 작아질 수 있다. 따라서, 더 콤팩트한 제1 광 커플링 디바이스(815-b)가 구성될 수 있다.
제1 광 커플링 디바이스(815-b)는 투영된 이미지의 치수가 광 입력 섹션(810-b)으로부터 아이 박스(830-b)로의 경로를 통해 안내되지 않은 채로 유지되게 할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는 제2 광 커플링 디바이스(825-b)의 횡방향에 있을 수 있다. 안내되지 않은 치수는 수직 FOV일 수 있는데, 이는 최대 TIR 범위보다 더 작은 FOV 범위를 포함한다. 대안적으로, 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는 제2 광 커플링 디바이스(825-b)의 다른 위치에(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(825-b)의 하부 또는 상부를 따라) 구성될 수 있다. 안내되지 않은 치수는 수직 FOV일 수 있고, 이 FOV는 최대 TIR 범위를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 광 커플링 디바이스(815-b)는 광 커플링 시스템의 일부분 상에서 제2 광 커플링 디바이스(825-b)와 관련하여 수직으로 배치될 수 있다. 최대로 안내된 외부 53.4도 FOV를 갖는 수직 FOV를 사용하면, 16:9 디스플레이 필드는 수평으로 83.9도 및 대각선으로 91.7도의 범위를 정할 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 8b의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(815-b))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성 또는 구조화될 수 있다. 도파관에서의 입사광은 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축(예컨대, z-축)과 관련한 TIR 범위 내의 제1 입사각 및 제2 축(예컨대, x-축 또는 y-축)과 관련한 제2 입사각을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(820-b))을 가질 수 있다(예컨대, 제1 반사 축은 제1 도파관 표면의 표면 법선과 관련하여 직교하여 배향될 수 있다). 반사된 광은 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 제2 축과 관련한 제2 반사각을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 반사각은 제2 입사각과는 상이할 수 있다.
일부 경우에, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(825-b))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면에 직교하는 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
도파관은 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소 내에 배치된 제1 궤적(예컨대, 궤적(835-a))을 가질 수 있고, 여기서 제1 궤적은 제1 입사각에서 일정 파장의 광을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 도파관은 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소 내에 배치된 제2 궤적(예컨대, 궤적(835-b))을 가질 수 있고, 여기서 제2 궤적은 제1 입사각과는 상이한 제2 입사각에서 일정 파장의 광을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 제1 궤적 및 제2 궤적은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 9a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(900-a)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(900-a)는 도파관(905-a), 광 입력 섹션(910-a), 제1 광 커플링 디바이스(915-a)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축(920-a), 제2 광 커플링 디바이스(925-a)(예컨대, 출력 커플러) 및 아이 박스(930-a)를 포함할 수 있다. 도파관(905-a)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(905-a)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(910-a)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(910-a)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 광 커플링 디바이스(915-a)(예컨대, 스큐 미러 기법들 및 잠망경 반사율 구성을 사용하는 교차 커플러)는, 입사광(935-a)을 제2 광 커플링 디바이스(925-a)(예컨대, 스큐 미러 기법들을 사용하는 출력 커플러)를 향해 반사시키기 위한 짝수의 회절들을 포함할 수 있다. 입력 광(935-a)은 광 입력 섹션(910-a)(예컨대, 입사 동공)에 들어갈 수 있다. 일부 경우에, 입력 광(935-a)은 제1 광 커플링 디바이스(915-a)를 통해 제1 방향으로 전파할 수 있고, 제1 부분 반사형 컴포넌트(예컨대, 홀로그램)에 의해 반사되어 제1 반사된 광선 및 제1 투과된 광선을 생성할 수 있다. 제1 반사된 광선은 제1 광 커플링 디바이스(915-a)를 통해 제2 방향으로 전파할 수 있고, 제2 부분 반사형 컴포넌트에 의해 반사되어 제2 반사된 광선을 생성할 수 있는데, 제2 반사된 광선은 광 전파의 원래 방향에 평행한 제1 방향으로 전파될 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(915-a)의 각각의 회절은 스큐 미러 내의 동일한 격자의 복제물들에 대응하여, 평행한 미러 배향과 유사한 입사광 반사를 허용할 수 있다. 광(935-a)은 제1 광 커플링 디바이스(915-a)를 통해 제1 방향으로 전파하고, 스큐 축(920-a)과 관련하여 배향된, 제1 부분 반사형 컴포넌트에 의해 반사될 수 있다. 제1 부분 반사형 컴포넌트로부터 반사된 광선은 제1 광 커플링 디바이스(915-a) 내에서 전파하고 후속하여, 제1 부분 반사형 컴포넌트 및 스큐 축(920-a)과 공통 배향의, 제2 부분 반사형 컴포넌트에 의해 반사되어, 입력 광(925-a)의 원래 방향으로 전파될 수 있는 광선을 방출할 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(915-a)의 반사 축(920-a)은 도파관 표면(예컨대, 도파관(905-a)의 주 기판 표면)에 평행할 수 있다. 도파관 표면과의 평행 배향으로 인해, 제1 광 커플링 디바이스(915-a)의 반사 축(920-a)은 회절된 광의 면외 방향 성분을 유지할 수 있다. 면외 치수에서의 회절된 광의 방향성을 유지함으로써, 제1 광 커플링 디바이스(915-a)는 제2 광 커플링 디바이스(925-a)에 대한 양방향(예컨대, 상향 및 하향) TIR 반사들 양쪽 모두를 회절시킬 수 있다. 결과적으로, 동공 복제 밀도가 증가될 수 있다.
일부 예들에서, 반사 축은 면외 성분을 가져서, 제2 광 커플링 디바이스(925-a)에 대한 단방향 TIR 반사를 허용할 수 있다. 반사 축의 면외 성분은, 스큐 미러가 TIR 반사와 유사하게, 회절된 광을 면외 방향으로 반사시키게 할 수 있다. 예를 들어, 면외 방향과 관련한 45도의 각도에서의 입사광은, 제2 광 커플링 디바이스를 향해 면외 방향과 관련한 125도의 각도로 반사될 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 9a의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(915-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(920-a))을 가질 수 있다.
일부 경우에, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(925-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면에 직교하는 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 9b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(900-b)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(900-b)는 도파관(905-b), 광 입력 섹션(910-b), 제1 광 커플링 디바이스(915-b)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축(920-b), 제2 광 커플링 디바이스(925-b)(예컨대, 출력 커플러) 및 아이 박스(930-b)를 포함할 수 있다. 도파관(905-b)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(905-b)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(910-b)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(910-b)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
제1 광 커플링 디바이스(915-b)는 제1 광 커플링 컴포넌트(915-c) 및 제2 광 커플링 컴포넌트(915-d)(예컨대, 잠망경 구성의 스큐 미러 기법들을 사용하는 2개의 교차 커플러 섹션들)를 포함할 수 있다. 제1 커플링 컴포넌트(915-c) 및 제2 커플링 컴포넌트(915-d)는 대체로 광 입력 섹션(910-b)에 대해 근위에 있는 각각의 에지에서 맞닿을 수 있다. 광 입력 섹션(910-b)(예컨대, 입사 동공)은 제1 광 커플링 디바이스(915-b)의 에지 중심과 관련하여 배향될 수 있다. 이러한 배향은 확장된 입사 동공을 허용할 수 있다. 일부 경우에, 제1 커플링 컴포넌트(915-c) 및 제2 커플링 컴포넌트(915-d)의 맞닿은 또는 인접한 에지 부분들 사이에 갭이 위치될 수 있다. 다른 예들에서, 제1 커플링 컴포넌트(915-c) 및 제2 커플링 컴포넌트(915-d)의 에지 부분들은 중첩될 수 있다.
입력 광은 광 입력 섹션(910-b)에 들어가고, 제1 광 커플링 디바이스(915-b)로 안내될 수 있다. 광(935-b)은 커플링 디바이스의 광 커플링 컴포넌트(915-c)로 지향되고, 스큐 축(920-b)과 관련하여 배향된, 광 커플링 컴포넌트(915-c) 내의 제1 부분 반사형 컴포넌트로 전파할 수 있다. 제1 부분 반사형 컴포넌트로부터 반사된 광선은 광 커플링 컴포넌트(915-c) 내에서 전파하고 후속하여, 제1 부분 반사형 컴포넌트 및 스큐 축(920-b)과 공통 배향의, 제2 부분 반사형 컴포넌트에 의해 반사되어, 안내된 입력 광(935-b)의 원래 방향으로 전파될 수 있는 광선을 방출할 수 있다. 방출된 광은 제2 광 커플링 디바이스(925-b)로 지향될 수 있다.
유사하게, 광(935-c)은 광 커플링 컴포넌트(915-d)로 지향되고, 스큐 축(920-c)과 관련하여 배향된, 광 커플링 컴포넌트(915-d) 내의 제1 부분 반사형 컴포넌트로 전파할 수 있다. 제1 부분 반사형 컴포넌트로부터 반사된 광선은 광 커플링 컴포넌트(915-d) 내에서 전파하고 후속하여, 제1 부분 반사형 컴포넌트 및 스큐 축(920-c)과 공통 배향의, 제2 부분 반사형 컴포넌트에 의해 반사되어, 안내된 입력 광(935-c)의 원래 방향으로 전파될 수 있는 광선을 방출할 수 있다. 방출된 광은 제2 광 커플링 디바이스(925-b)로 지향될 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 9b의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(915-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(920-a))을 가질 수 있다.
일부 경우에, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(925-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면에 직교하는 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
일부 경우에, 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(920-b))에 대해 광을 반사시키도록 구성될 수 있는 제1 커플링 부분(예컨대, 제1 커플링 컴포넌트(915-c)), 및 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제2 반사 축(예컨대, 반사 축(920-c))에 대해 광을 반사시키도록 구성될 수 있는 제2 커플링 부분(예컨대, 제2 커플링 컴포넌트(915-d))을 포함할 수 있는데, 제2 반사 축은 제1 반사 축에 평행하지 않다. 제1 반사 축은 제1 위치에서 광을 반사시키도록 구성될 수 있고 제2 반사 축은 제2 위치에서 광을 반사시키도록 구성될 수 있는데, 여기서 제1 위치는 제2 위치와는 상이할 수 있다.
일부 예들에서, 제1 커플링 부분은 제2 커플링 부분과 적어도 부분적으로 중첩될 수 있어서, 제1 반사 축이 중첩 위치에서 광을 반사시키도록 구성될 수 있고 제2 반사 축이 중첩 위치에서 광을 반사시키도록 구성될 수 있게 한다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제1 커플링 부분 및 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제2 커플링 부분은 접합부에서 정렬될 수 있다.
일부 예들에서, 입사 동공 요소(예컨대, 광 입력 섹션(910-b))는, 입사 동공 요소가 제1 커플링 부분 및 제2 커플링 부분에 걸쳐 연장되도록 제1 커플링 부분 및 제2 커플링 부분의 접합부와 정렬될 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제1 커플링 부분 및 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 제2 커플링 부분은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 10a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(1000-a)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(1000-a)는 도파관(1005-a), 광 입력 섹션(1010-a), 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축들(1020-a, 1020-b), 제2 광 커플링 디바이스(1025-a)(예컨대, 출력 커플러) 및 아이 박스(1030-a)를 포함할 수 있다. 도파관(1005-a)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(1005-a)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(1010-a)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(1010-a)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 한 쌍의 잠망경 커플러들이, 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)와 중첩되고 그를 포함하도록 구성될 수 있다. 중첩된 영역은 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 전체 영역을 포괄할 수 있거나, 또는 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 서브영역으로 제한될 수 있다. 각각의 잠망경 교차 커플러는 다수의 격자 구조들을 포함하여, 디바이스의 격자 구조들의 겹침을 허용할 수 있다. 중첩된 영역은 반사 축들(1020-a, 1020-b)의 겹침을 통합하여, 교차 스큐 축 배향(1040)을 형성할 수 있다. 격자 구조들의 반사 축들(1020-a, 1020-b)은 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 중첩된 영역 내에서 직교할 수 있다. 일부 예들에서, 격자 구조들의 반사 축들(1020-a, 1020-b)은 도파관(1005-a)의 표면들에 평행할 수 있다. 다른 예들에서, 격자 구조들의 반사 축들(1020-a, 1020-b)은 면외 성분을 가져서, 제2 광 커플링 디바이스(1025-a)에 대한 단방향 TIR을 허용할 수 있다.
교차된 스큐 축 배향(1040)에 따른, 격자 구조들의 직교 배향은 모드 확산을 구현할 수 있다. 도파관(1005-a) 내에서, 각각의 광선은 공통 배향 평면(예컨대, x-y 평면)을 공유하는 상보적 TIR 쌍을 나타낼 수 있는데, 이때 대향하는 각들이 배향 평면 내에 또는 외에 있다(즉, z-축과 관련한 상향 및 하향 TIR 반사들). 상보적 TIR 쌍은 도파관(1005-a) 내에서 한 쌍의 도파 모드(guided mode)들을 나타내어, 배향 축의 수평 및 수직 상보물(complement)들 양쪽 모두에서 전파할 수 있다. 상보적 쌍의 도파 모드들은 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 공통 방향으로 전파하고, 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 중첩된 영역 내의 격자 구조들의 겹침을 부분적으로 또는 전체적으로 충전하여, 교차 스큐 축 배향(1040)의 총 8개의 커플링된 모드들을 생성할 수 있다.
제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 중첩되지 않은 부분들에서의 입력 광(1035)은, 반사 축(1020-a 또는 1020-b)에 따라 배향된, 하나 이상의 부분 반사형 컴포넌트들로 전파할 수 있다. 부분 반사형 컴포넌트들의 반사된 광선들은 교차된 스큐 미러 영역을 향해 전파하여, 제2 광 커플링 디바이스(1025-a)로부터 발산되는 광량을 최소화할 수 있다.
격자 구조들의 배향으로 인해, 커플링된 모드들 중 하나로 도입된 임의의 광은 회절되어서 모드들 각각을 파퓰레이팅(populating)할 수 있다. 각각의 입력 광선은 반사되고 회절되어서, 제1 광 커플링 디바이스(1015-a)의 방향 제한에 따라, 입력 광선과 방향적으로 정렬된 광선을 재생할 수 있다. 재생된 광선은 원래 입력 광선에 의해 조명되지 않는 공간적 위치에서 발생하여, 동공 확장을 구성할 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 10a의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 도파관은 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 가질 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(1015-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축(예컨대, 반사 축들(1020-a, 1020-b))을 가질 수 있다.
일부 경우에, 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(1025-a))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면에 직교하는 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 10b는 도 10a를 참조하여 기술되는 바와 같이 격자 구조들의 겹침(교차된 스큐 미러)의 k-공간 표현(1045)을 예시한다. 한 쌍의 도파 모드들을 나타내는 입력 광선은, 직교 스큐 축들(1050-a, 1050-b)을 포함하는 교차된 스큐 미러를 충전할 수 있다. 도파 모드들은 모드 확산을 경험하고, 8개의 커플링된 모드들로 파퓰레이팅될 수 있는데, 여기서 광선들 중 하나는 원래 입력 광선의 방향을 보존할 수 있다.
예를 들어, 입사 동공을 통해 도입된 입력 광선, 또는 평행 방향(1055-d)으로 전파하는 광선은 교차된 스큐 미러로 전파할 수 있다. 광선은 방향들(1055-a, 1055-c)에 평행한 반사된 광선들로 회절될 수 있는데, 각각은 z 방향으로의 상보적 쌍의 도파 모드들을 포함한다. 교차된 스큐 미러의 후속 위치들에서, 반사된 광선들은 후속하여 방향들(1055-b, 1055-d)에 평행한 광선들로 회절될 수 있는데, 각각은 z 방향으로의 상보적 쌍의 도파 모드들을 포함한다. 결과적으로, 반사된 광선들은 배향의 각각의 방향(1055)으로 전파하여, 교차된 스큐 미러의 일부 또는 모든 위치들을 충전할 수 있다. 도 10a를 참조하여, 프로세스는 광 커플링 디바이스(1015-a) 전체에 걸쳐 연속적으로 지속되어, 입사 동공(1010-a)에서 도입된 광을 디바이스의 일부 또는 모든 위치들로 확산시킬 수 있다.
일부 경우에, 스큐 축들(1050)은 비직교 방식으로 배향되어서, 배향 축들에 따른 대안적인 수의 도파 모드들을 허용할 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 격자 구조들의 겹침은 2개를 초과하는 복수의 겹친 스큐 축들을 부과할 수 있다. 겹친 스큐 축들에서의 도파 모드들은 교차된 스큐 미러의 배향된 구성에 따라 모드 확산을 경험할 수 있다.
도 11a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(1100-a)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(1100-a)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(1100-a)은 선택적 커플링을 채용하여 제1 도파관(1105-a) 및 제2 도파관(1110-a)이 특정 위치를 향해 광(1115-a)을 반사시키게 할 수 있다. 표현된 각도들은 제1 도파관(1105-a) 및 제2 도파관(1110-a)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이다. 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다.
일부 경우에, 이종(heterogeneous) 커플러들이 이미지 투영 시스템 내에서 사용될 수 있다. 이종 커플러들은 하나 이상의 스큐 미러 또는 비-스큐 미러 체적 홀로그래픽 커플러들, 표면 매체 상에 스탬핑되거나 에칭된 DOE들, 도파관 내에 매설된 부분 반사형 표면들 등에 대응할 수 있다. 이종 도파관들은 또한 (예컨대, 제1 도파관(1105-a) 및 제2 도파관(1110-a)을 포함하는) 단일 구조체 내에 접합되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상호커플링 접합부(1120-a)가 제1 도파관(1105-a) 및 제2 도파관(1110-a)을 단일 구조체로 통합하기 위해 사용될 수 있다. 제1 도파관(1105-a)과 제2 도파관(1110-a)의 접합은 광학적으로 투과성인 접합부(1120-a)(예컨대, Norland 광학 접착제)에 의해 접합되어서, 중첩 접합부 아키텍처를 형성할 수 있다. 하나 이상의 광선들(1115-a)이 도파관(1105-a) 내에서 반사되고 투과성 접합부(1120-a)를 향해 전파할 수 있다. 도파관(1105-a)과 도파관(1110-a) 사이의 중첩 시에(예컨대, 투과성 접합부(1120-a)가 존재하는 경우), 광선들(1115-a)은 투과성 접합부(1120-a)에 대해 도파관 매체들 양쪽 모두 내에서 반사될 수 있다. 이어서, 광선(1115-a)은 투과성 접합부(1120-a)를 넘어서 전파하고, 제2 도파관(1110-a) 내에서만 반사될 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 11a의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 디바이스는 도파관(제2 도파관(1110-a))에 커플링된 상호커플링된 도파관(예컨대, 제1 도파관(1105-a))을 가질 수 있다. 일부 경우에, 상호커플링된 도파관은 중첩 접합부(예컨대, 접합부(1120-a))에 의해 도파관에 커플링될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 11b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(1100-b)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(1100-b)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(1100-b)은 선택적 커플링을 채용하여 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)이 특정 위치를 향해 광(1115-b)을 반사시키게 할 수 있다. 표현된 각도들은 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다.
일부 경우에, 이종 커플러들이 이미지 투영 시스템 내에서 사용될 수 있다. 이종 커플러들은 하나 이상의 스큐 미러 또는 비-스큐 미러 체적 홀로그래픽 커플러들, 표면 매체 상에 스탬핑되거나 에칭된 DOE들, 도파관 내에 매설된 부분 반사형 표면들 등에 대응할 수 있다. 이종 도파관들은 또한 (예컨대, 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)을 포함하는) 단일 구조체 내에 접합되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상호커플링 접합부(1120-b)가 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)을 단일 구조체로 통합하기 위해 사용될 수 있다. 제1 도파관(1105-b)과 제2 도파관(1110-b)의 접합은, 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)이 에지 커플링 접합부(1120-b)에서 공통 에지를 공유하도록 커플링되는(예컨대, 버트 커플링되는(butt coupled)) 접합부 아키텍처를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 에지 커플링 접합부(1120-b)는 광학적으로 투명할 수 있다. 일부 경우에, 이종 커플러들 및 접합 재료들은 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 도파관(1105-b)과 제2 도파관(1110-b)은 이종이고, 버트 커플링 아키텍처를 사용하여 상호커플링될 수 있다. 제1 도파관(1105-b) 및 제2 도파관(1110-b)은 광학적으로 투과성인 접합부를 이용하여 접합될 수 있다. 접합부는 광학 접착제를 포함할 수 있다. 하나 이상의 광선들(1115-b)이 제1 도파관(1105-b) 내에서 반사되고 제2 도파관(1110-b)의 커플링된 에지를 향해 전파할 수 있다. 에지 커플링 접합부(1120-b)의 광학적으로 투과성인 특성들은 광이 제1 도파관(1105-b)을 통해 제2 도파관(1110-b)으로 전파하게 할 수 있다. 이어서, 광(115-b)은 제2 도파관(1110-b) 내에서 반사될 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 11b의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 디바이스는 도파관(제2 도파관(1110-b))에 커플링된 상호커플링된 도파관(예컨대, 제1 도파관(1105-b))을 가질 수 있다. 일부 경우에, 상호커플링된 도파관은 단부간 접합부(예컨대, 접합부(1120-b))에 의해 도파관에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 다른 예들에서, 상호커플링된 도파관은 광학 접착제 요소를 이용하여 도파관에 커플링될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 11c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(1100-c)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(1100-c)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(1100-c)은 선택적 커플링을 채용하여 제1 도파관(1105-c) 및 제2 도파관(1110-c)이 특정 위치를 향해 광을 반사시키게 할 수 있다. 표현된 각도들은 제1 도파관(1105-c) 및 제2 도파관(1110-c)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다. 일부 경우에, 도파관들 중 하나 이상은 홀로그래픽 기록 층(예컨대, 도파관 매체(1125-a))을 포함할 수 있다.
에지 커플링 소면(facet)(예컨대, 표면(1120-c)은, 광학 접착제 또는 도파관 매체(1125-a)를 사용하여, 도파관 매체(1125-a)를 포함하는 제2 도파관(1110-c)의 에지에 접합될 수 있다. 예를 들어, 표면(1120-c)은 제2 도파관(1110-c)에 접합되어 접합부(예컨대, 버트 커플링된 접합부)를 형성할 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어 흡수 코팅부의 적용에 의해, 도파관 매체(1125-a)의 노출된 에지를 통한 광의 안내를 방해하는 것은, 이미지 충실도를 유지할 수 있다.
도 11d는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(1100-d)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(1100-d)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(1100-d)은 선택적 커플링을 채용하여 제1 도파관(1105-d) 및 제2 도파관(1110-d)이 특정 위치를 향해 광을 반사시키게 할 수 있다. 표현된 각도들은 제1 도파관(1105-d) 및 제2 도파관(1110-d)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다. 일부 경우에, 도파관들 중 하나 이상은 홀로그래픽 기록 층(예컨대, 도파관 매체(1125-b))을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 버트 커플링된 접합부(1120-d)가 에지 커플링 소면 없이, 도파관 매체(1125-b)를 포함하는 제2 도파관(1110-d)에 커플링될 수 있다. 결과적으로, 버트 커플링된 접합부(1120-d)는 홀로그래픽 기록 층(1125-b)을 포함하는, 제2 도파관(1110-d)의 제작과 동일한 프로세스 단계에서 형성될 수 있다.
도 11e는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 시스템(1100-e)의 일례를 예시한다. 광학 시스템(1100-e)은, HMD 디바이스와 같은 그러나 이로 제한되지 않는 응용물에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(1100-e)은 선택적 커플링을 채용하여 제1 도파관(1105-e) 및 제2 도파관(1110-e)이 특정 위치를 향해 광을 반사시키게 할 수 있다. 표현된 각도들은 제1 도파관(1105-e) 및 제2 도파관(1110-e)의 표면 법선에 대한 내부 각도들이고, 기판 공기 계면에서 뿐만 아니라, 기판 계면에서의 굴절은 예시 목적을 위해 무시된다. 일부 경우에, 도파관들 중 하나 이상은 홀로그래픽 기록 층(예컨대, 도파관 매체(1125-c))을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 버트 커플링된 접합부(1120-e)가, 도파관 매체(1125-c)를 포함하지만, 도파관 매체(1125-c)의 노출된 에지를 포함하지 않는, 제2 도파관(1110-e)의 기판의 에지에 접합될 수 있다. 제2 도파관(1110-e)의 기판에 커플링하는 것은, 도파관 매체(1125-c)의 노출된 에지를 통한 광의 안내를 방해하고 이미지 충실도를 유지할 수 있다.
일부 예들에서, 광학 시스템(1100)에 의해 표현되는 바와 같은 커플링 접합부 아키텍처는 흡수형, 반사형, 복굴절성, 또는 대안적인 광학 요소를 포함할 수 있다. 광이 도파관 매체(1125)의 에지에 커플링되는 것을 방지하기 위해 흡수형 또는 반사형 차단 층이 사용될 수 있다. 커플링 접합부(1120)를 통과하는 광의 편광을 회전시키기 위해 복굴절성 층이 포함될 수 있다. 접합부(1120)는 중첩되어 있을 수 있고(도시하지 않음), 커플링된 광을 제어하기 위하여 부분 반사형 층을 포함할 수 있다. 반사형 층은, 커플링 접합부 아키텍처에 의해 형성된 개구의 선명한 이미지들을 감소시키기 위하여 (예컨대, 에지들 근처에서 높게 그리고 중심 근처에서 낮게) 공간적으로 변하여, 그에 따라 산란을 감소시키고 세기 균질성을 개선시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(1200)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(1200)는 도파관(1205), 광 입력 섹션(1210), 제1 광 커플링 디바이스(1215)(예컨대, 교차 커플러), 반사 축(1220), 제2 광 커플링 디바이스(1225)(예컨대, 출력 커플러), 아이 박스(1230), 및
하나 이상의 부분 반사형 루버들(1235)을 포함할 수 있다. 도파관(1205)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(1205)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(1210)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(1210)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(1215)는 하나 이상의 루버들(1235), DOE들, VHG들, 프리즘들, 액정들 등을 포함할 수 있다. 제1 광 커플링 디바이스(1215)로부터 제2 광 커플링 디바이스(1225)로의 빔 방향에 대한 특징부는, 다양한 수직 시야각들에 대응하는, 제1 광 커플링 디바이스(1215)의 하나 이상의 궤적들(도시하지 않음) 내에 있을 수 있다. 입력 광은 광 입력 섹션(1210)에 들어가고, 제1 광 커플링 디바이스(1215)의 하나 이상의 궤적들로 전파할 수 있다. 일부 경우에, 광은 제2 광 커플링 디바이스(1225)를 향해, 다른 방향으로 반사되고/되거나 회절될 수 있다. 이어서, 반사된 광은 제2 광 커플링 디바이스(1225)에서 지향되고, 아이 박스(1230)를 향해 반사될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 광 커플링 디바이스(1215)는 투영된 이미지 치수들 중 하나가 광 입력 섹션(1210)으로부터 아이 박스(1230)로의 경로를 통해 안내되지 않은 채로 유지되게 할 수 있다. 하나 이상의 루버 미러들(1235)을 갖는 제1 광 커플링 디바이스(1215)는 임의의 주어진 편광 상태에서의 입력 광을 반사시킬 수 있는 반면, 회절 기반 제1 광 커플링 디바이스는 일부 편광 상태들을 부분적으로 반사시킬 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 12의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 디바이스는 제1 도파관 표면, 및 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관을 가질 수 있다. 광 커플링 요소(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(1215))가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 광 커플링 요소는 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향될 수 있는 제1 반사 축(예컨대, 반사 축(1220))을 가질 수 있다. 디바이스는 또한, 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(예컨대, 제2 광 커플링 디바이스(1225))를 가질 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축이 배향되는 평면에 직교하는 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 가질 수 있다.
일부 경우에, 광 커플링 요소는 부분 반사형 루버(예컨대, 루버 미러(1235))를 포함할 수 있다. 부분 반사형 루버는 제1 입사각에서 일정 파장의 광을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 광 커플링 요소는 단부간 접합부(예컨대, 접합부(1240))에 의해 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소에 커플링될 수 있다.
디바이스는 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 격자 매체 내의 제1 격자 구조를 추가로 포함할 수 있다. 제1 격자 구조는 제1 입사각에서 일정 파장의 광을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 제1 반사 축은 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있을 수 있다. 일부 경우에, 격자 매체의 표면 법선은 도파관의 표면 법선에 대응할 수 있다. 디바이스는 또한, 제1 격자 구조와 적어도 부분적으로 중첩되지 않는 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 격자 매체 내의 제2 격자 구조를 포함할 수 있다. 제2 격자 구조는 제1 입사각과는 상이한 제2 입사각에서 그 파장의 광을 제2 반사 축에 대해 반사시키도록 구성될 수 있다. 제2 반사 축은 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있다. 일부 경우에, 격자 매체의 표면 법선은 도파관의 표면 법선에 대응할 수 있다.
일부 경우에, 제1 격자 구조는 제1 입사각을 포함하는 제1 범위의 입사각들에서 그 파장의 광을 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있는 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 추가로 구성될 수 있는데, 여기서 제1 범위의 입사각들 중 각각의 입사각은 제2 입사각보다 더 크다. 제1 격자 구조는 적어도 3개의 홀로그램들을 포함할 수 있고, 적어도 3개의 홀로그램들 각각은 제1 범위의 입사각들 내의 고유한 입사각에 대응할 수 있고, 적어도 3개의 홀로그램들에 대한 인접한 |ΔKG|는 미터당 1.0 × 104 내지 1.0 × 106 라디안(rad/m)으로 존재하는 평균 값을 갖는다.
일부 예들에서, 파장은 적색 가시광 파장, 청색 가시광 파장, 또는 녹색 가시광 파장 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 격자 구조는 제1 입사각에서 복수의 파장들의 광을 반사시키도록 추가로 구성될 수 있고, 제2 격자 구조는 제2 입사각에서 복수의 파장들의 광을 반사시키도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 경우에, 복수의 파장들은 적색 가시광 파장, 청색 가시광 파장, 또는 녹색 가시광 파장 중 적어도 2개를 포함한다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 13a는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(1300-a)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(1300-a)는 도파관(1305-a), 광 입력 섹션(1310-a), 제1 광 커플링 디바이스(1315-a)(예컨대, 교차 커플러), 및 제2 광 커플링 디바이스(1325-a)(예컨대, 출력 커플러)를 포함할 수 있다. 도파관(1305-a)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(1305-a)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션(1310-a)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션(1310-a)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
도 13b는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(1300-b)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(1300-b)는 도파관(1305-b), 광 입력 섹션들(1310-b, 1310-c), 제1 광 커플링 디바이스들(1315-b, 1315-c)(예컨대, 교차 커플러), 및 제2 광 커플링 디바이스들(1325-b, 1325-c)(예컨대, 출력 커플러)를 포함할 수 있다. 도파관(1305-b)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(1305-b)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션들(1310-b, 1310-c)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션들(1310-b, 1310-c)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
광학 렌즈(1300-b)의 일부 아키텍처들은 복수의 도파관들, 입력 커플러들, 제1 광 커플링 디바이스들, 및/또는 제2 광 커플링 디바이스들을 구현할 수 있다. 다수의 광 커플링 디바이스들의 사용은 이미지 투영 시스템의 FOV를 확장시킬 수 있다. 예를 들어, 수평 시야의 좌측을 디스플레이하는 광 커플링 디바이스가, 수평 시야의 우측을 디스플레이하는 광 커플링 디바이스와 조합될 수 있다. 그와 같이, 확장되고 조합된 수평 FOV가, 이러한 배열의 광 커플링 디바이스들로부터 야기될 수 있다. 예를 들어, 조합된 FOV 이미지의 2개의 절반들은 이미지 프로세싱 기법들을 채용할 수 있고 블렌딩될 수 있다. 조합된 FOV는 단일 광 커플링 디바이스로 획득가능한 범위를 초과할 수 있다. 예를 들어, 조합된 FOV는 83.9도의 조합된 수평 FOV, 53.4도의 조합된 수직 FOV, 및 91.7도의 조합된 대각선 FOV를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 입력 섹션들(1310-b, 1310-c)은 다수의 참조 배향들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 광 입력 섹션(1310-b)은 제1 광 커플링 디바이스(1315-b)의 외측 에지 상에 위치될 수 있고, 광 입력 섹션(1310-c)은 제1 광 커플링 디바이스(1315-c)의 외측 에지 상에 위치될 수 있다. 입력 동공에 대한 이미지 투영을 위해 하나 이상의 프로젝터들이 구현될 수 있다. 하나 이상의 도파관들(1305-b)은 다수의 구성된 광 커플링 디바이스들을 포함할 수 있다. 공통 도파관의 경우, 2개의 제1 광 커플링 디바이스들 및 단일의 제2 광 커플링 디바이스 구성이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 도파관(1305-b)은 제2 광 커플링 디바이스(1320-b) 및 제2 광 커플링 디바이스(1320-c)를 포함할 수 있다.
본 발명의 창작적 태양들은 도 13b의 비제한적인 예들에 의해 예시되어 있다. 예를 들어, 디바이스는 도파관 내에 위치된 제1 도파관 섹션(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(1315-b)), 도파관 내에 위치된 제2 도파관 섹션(예컨대, 제1 광 커플링 디바이스(1315-c)), 제1 도파관 섹션의 제1 에지에 위치된 제1 입사 동공(예컨대, 광 입력 섹션(1310-b)), 및 제2 도파관 섹션의 제2 에지에 위치된 제2 입사 동공(예컨대, 광 입력 섹션(1310-c))을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 도파관 섹션 및 제2 도파관 섹션은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 동공 등화 기법들을 사용하는 추가의 예들 및 다양한 구현예들이 고려된다.
도 13c는 본 발명의 다양한 태양들에 따른 동공 확장을 지원하는 광학 렌즈(1300-c)의 일례를 예시한다. 광학 렌즈(1300-c)는 도파관(1305-c), 광 입력 섹션들(1310-d, 1310-e), 제1 광 커플링 디바이스들(1315-d, 1315-e)(예컨대, 교차 커플러), 및 제2 광 커플링 디바이스들(1325-d, 1325-e)(예컨대, 출력 커플러)를 포함할 수 있다. 도파관(1305-b)은 또한 다른 광 커플링 디바이스(예컨대, 입력 커플러)를 포함할 수 있지만; 입력 커플러는 예시 목적을 위해 무시된다. 도파관(1305-c)은, 서로 평행한 제1 및 제2 표면, 광 입력 섹션들(1310-d, 1310-e)에 대해 근위에 있는 광 수신 단부, 및 광 입력 섹션들(1310-d, 1310-e)에 대해 원위에 있는 광 출력 단부를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 입력 섹션들(1310-d, 1310-e)은 다수의 참조 배향들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 광 입력 섹션(1310-e)은 제1 광 커플링 디바이스(1315-e)의 내측 에지 상에 위치될 수 있고, 광 입력 섹션(1310-e)은 제1 광 커플링 디바이스(1315-e)의 내측 에지 상에 위치될 수 있다. 입력 동공에 대한 이미지 투영을 위해 하나 이상의 프로젝터들이 구현될 수 있다. 하나 이상의 도파관들(1305-b)은 다수의 구성된 광 커플링 디바이스들을 포함할 수 있다. 공통 도파관의 경우, 2개의 제1 광 커플링 디바이스들 및 단일의 제2 광 커플링 디바이스 구성이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 도파관(1305-c)은 제2 광 커플링 디바이스(1320-d) 및 제2 광 커플링 디바이스(1320-e)를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스(1315-d, 1315-e)는 제1 광 커플링 디바이스(1315-d, 1315-e)의 FOV 중심들에 대해 정렬될 수 있다. 즉, FOV 중심 정렬은 더 콤팩트한 다중 광 커플링 디바이스 아키텍처를 제공할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 커플링 디바이스들(1315-d, 1315-e)은 FOV 중심들을 정렬하도록 하는 그러한 방식으로 타일링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 타일링 패턴들이 이용될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 태양들에 따른 교차 커플러 스큐 미러를 제조하는 방법(1400)을 예시하는 흐름도를 도시한다. 방법(1400)의 동작들은 본 명세서에서 기술된 바와 같은 스큐 미러 또는 그의 컴포넌트들을 제조하기 위한 시스템에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 방법(1400)의 동작들은 도 1 내지 도 13을 참조하여 수행될 수 있다.
블록(1405)에서, 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔이 제1 프리즘을 통과하여 기록 매체 상에 간섭 패턴을 기록하도록 제1 프리즘과 관련하여 기록 매체가 위치될 수 있다. 블록(1405)의 동작들은 본 명세서에서 기술된 방법들에 따라 수행될 수 있다. 소정 예들에서, 블록(1405)의 동작들의 태양들은 교차 커플러 스큐 미러를 제조하기 위한 시스템(예컨대, 도 5a 및 도 5b에서 기술된 바와 같은 시스템)에 의해 수행될 수 있다.
블록(1410)에서, 제1 반사 축이 기록 매체의 두께 치수에 평행한 평면 상에 배향되도록 기록 매체에 제1 반사 축이 기록될 수 있다. 블록(1410)의 동작들은 본 명세서에서 기술된 동공 확장 기법들에 따른 교차 커플러 스큐 미러를 제조하기 위한 시스템에 의해 수행될 수 있다. 도 1 내지 도 13을 참조하여 기술된 바와 같은 추가적인 특징부들은, 도파관 및 광학 디바이스 또는 시스템 내의 격자 매체로서 사용하기 위한 기록 매체 내에 형성될 수 있다.
이러한 방법들은 가능한 구현예를 기술하고, 동작들 및 단계들은 다른 구현예들이 가능하도록 재배열되거나 달리 수정될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 일부 예들에서, 방법들 중 2개 이상으로부터의 태양들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 방법들 각각의 태양들은, 다른 방법들의 단계들 또는 태양들, 또는 본 명세서에서 기술된 다른 단계들 또는 기법들을 포함할 수 있다.
다양한 본 발명의 실시예가 본 명세서에서 기술되고 예시되었지만, 당업자는 그 기능을 수행하고 그리고/또는 결과 및/또는 본 명세서에서 기술된 이점 중 하나 이상을 획득하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 구상할 것이고, 이러한 변형예 및/또는 수정예 각각은 본 명세서에서 기술되는 본 발명의 실시예의 범주 내인 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는, 본 명세서에서 기술된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것으로 의도되고, 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시 내용이 사용되는 특정 응용 또는 응용들에 의존할 것임을 용이하게 인식할 것이다. 당업자는, 본 발명의 이점을 고려하여 본 명세서에서 기술된 특정한 본 발명의 실시예에 대해 통상적인 것을 넘지 않는 실험을 사용하여 많은 등가물들을 인식하거나 확인할 수 있다. 따라서, 전술된 실시예는 오직 예로서 제시되며, 첨부된 청구범위 및 이에 대한 등가물의 범주 내에서, 본 발명의 실시예는 구체적으로 기술되고 청구된 것 이외에 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 창작적 실시예는 본 명세서에서 기술된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트(kit) 및/또는 방법으로 의도된다. 또한, 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는다면, 본 발명의 창작적 범주 내에 포함된다.
또한, 다양한 본 발명의 개념은 하나 이상의 방법으로 구현될 수 있고, 그 중의 일례가 제공되었다. 방법의 일부로서 수행되는 동작은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적인 동작으로 도시된 경우에도, 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과 상이한 순서로 동작이 수행되는 실시예가 구성될 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 본 명세서에서 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전적 정의, 참조로 통합된 문헌에서의 정의 및/또는 정의된 용어의 통상적 의미에 대한 제어로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 부정관사 "a" 및 "an"은 명시적으로 반대로 표시되지 않는 한 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 문구 "및/또는"은, 그렇게 결합된 요소, 즉, 일부 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소 중 "어느 하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 구에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소는, 그러한 요소와 관련되는 것이 구체적으로 식별되든 관련되지 않는 것으로 구체적으로 식별되든지 간에 임의선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 확장가능(open-ended) 언어와 함께 사용되는 경우 "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시예에서는 오직 A(임의선택적으로 B 이외의 다른 요소를 포함함); 다른 실시예에서는 오직 B(임의선택적으로 A 이외의 다른 요소를 포함함); 또 다른 실시예에서는 A 및 B 둘 모두(임의선택적으로 다른 요소를 포함함) 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 앞서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트 내의 항목을 분리하는 경우, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉, 적어도 하나의 포함 뿐만 아니라 다수의 요소 또는 요소들의 리스트 중 하나보다 많이, 그리고 임의선택적으로 추가적인 나열되지 않은 항목들의 포함으로 해석될 것이다. 오직 반대로 명시적으로 나타낸 용어, 예를 들어, "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나" 또는 청구범위에서 사용되는 경우 "~로 이루어진"은, 다수의 요소 또는 요소의 리스트 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "또는"은 오직, "어느 하나", "~중 하나", "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어로 선행되는 경우의 배타적 대안(즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 모두는 아님")을 나타내는 것으로 해석될 것이다. "~로 본질적으로 이루어진"은, 청구범위에서 사용되는 경우 특허법 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 통상적인 의미를 가질 것이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 리스트에 대한 참조에서 문구 "적어도 하나"는, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 나열된 각각의 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것 및 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하는 것이 아니라, 그 요소들의 리스트 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한, 문구 "적어도 하나"가 지칭하는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외의 요소가, 그러한 요소와 관련되는 것이 구체적으로 식별되든 관련되지 않는 것으로 구체적으로 식별되든지 간에 임의선택적으로 존재할 수 있도록 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서는, 적어도 하나 - 임의선택적으로 하나보다 많이 포함 - 의 A, 및 B 없음(및 임의선택적으로 B 이외의 요소를 포함함); 다른 실시예에서는, 적어도 하나 - 임의선택적으로 하나보다 많이 포함 -의 B, 및 A 없음(및 임의선택적으로 A 이외의 요소를 포함함); 또 다른 실시예에서는, 적어도 하나 - 임의선택적으로 하나보다 많이 포함 - 의 A 및 적어도 하나 - 임의선택적으로 하나보다 많이 포함 - 의 B(및 임의선택적으로 다른 요소를 포함함) 등을 지칭할 수 있다.
상기 명세서에서 뿐만 아니라 청구범위에서, "포함하는(comprising)", "구비하는(including)", "지닌(carrying)", "갖는(having)", "포함한(containing)", "수반하는(involving)", "유지하는(holding)", "구성된(composed of)" 등과 같은 모든 전이 문구는 확장가능한 것으로, 즉, 포함하지만 그로 제한하는 것은 아닌 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지, 전이 문구 "~로 이루어진" 및 "~로 본질적으로 이루어진"은, 미국 특허 상표청의 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 221.03에 기재된 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 전이 문구여야 할 것이다.
용어 "대략적으로"는 주어진 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 지칭한다.
용어 "약"은 주어진 값의 플러스 또는 마이너스 20%를 지칭한다.
용어 "반사 축"은 입사광의 반사에 대한 입사광의 각도를 이등분하는 축을 지칭한다. 반사 축에 대한 입사광의 입사각의 절대값은, 반사 축에 대한 입사광의 반사의 반사각의 절대값과 동일하다. 종래의 미러들의 경우, 반사 축은 표면 법선과 일치한다(즉, 반사 축은 미러 표면에 수직이다). 역으로, 본 발명에 따른 스큐 미러들의 구현예들은 표면 법선과는 상이한 반사 축을 가질 수 있거나, 또는 일부 경우에 표면 법선과 일치하는 반사 축을 가질 수 있다. 당업자들은, 본 발명의 이점을 고려하여, 입사각을 그 각각의 반사각에 더하고 얻어진 합계를 2로 나눔으로써 반사 축 각도가 결정될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 입사각들 및 반사각들은, 평균 값을 생성하는 데 사용되는 다수의 측정치들(일반적으로 3개 이상의 측정치들)에 의해 경험적으로 결정될 수 있다.
용어 "반사" 및 유사한 용어들은 본 발명에서 "회절"이 대체로 적절한 용어로 고려될 수 있는 일부 경우에 사용된다. 이러한 "반사"의 사용은 스큐 미러들에 의해 나타내지는 미러형 특성들과 일치하고, 잠재적으로 용어를 혼동하는 것의 방지를 돕는다. 예를 들어, 격자 구조가 입사광을 "반사"시키도록 구성된다고 칭해지는 경우, 종래의 숙련자는 격자 구조가 입사광을 "회절"시키도록 구성된다고 말하는 것을 선호할 수 있는데, 이는 격자 구조들이 일반적으로 회절에 의해 광에 작용한다고 생각되기 때문이다. 그러나, 용어 "회절"의 그러한 사용은 "입사광이 실질적으로 일정한 반사 축들에 대해 회절된다"와 같은 표현들을 생성할 것인데, 이는 혼동을 일으킬 수 있다. 따라서, 입사광이 격자 구조에 의해 "반사"된다고 칭해지는 경우, 당업자는, 본 발명의 이점을 고려하여, 격자 구조가 사실상 회절 메커니즘에 의해 광을 "반사"시키고 있음을 인식할 것이다. 종래의 미러들이 일반적으로, 그러한 반사에서 회절이 작용하는 주된 역할에도 불구하고 광을 "반사"시킨다고 칭해지기 때문에, "반사"의 그러한 사용은 광학계에서 선례가 없는 것은 아니다. 따라서, 당업자들은, 대부분의 "반사"가 회절의 특성들을 포함하고, 스큐 미러 또는 그의 컴포넌트들에 의한 "반사"가 또한 회절을 포함한다는 것을 인식한다.
용어 "광"은 당업자들에게 익숙한 전자기 방사선을 지칭한다. 사람의 눈에 가시적인 전자기 스펙트럼의 일부를 지칭하는, "가시광"과 같은, 특정 파장 또는 일정 범위의 파장들에 대해 언급하지 않는 한, 전자기 방사선은 임의의 파장을 가질 수 있다.
용어들 "홀로그램" 및 "홀로그래픽 격자"는, 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성되는 간섭 패턴의 기록을 지칭한다. 일부 예들에서, 홀로그램 또는 홀로그래픽 격자는 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있는데, 여기서 다수의 교차하는 광 빔들 각각은 노출 시간 동안 변함없이 유지된다. 다른 예들에서, 홀로그램 또는 홀로그래픽 격자는 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있는데, 여기서 홀로그램이 기록되고 있는 동안 격자 매체 상의 다수의 교차하는 광 빔들 중 적어도 하나의 광 빔의 입사각이 변하고/하거나, 홀로그램이 기록되고 있는 동안 파장들이 변한다(예컨대, 복소 홀로그램 또는 복소 홀로그래픽 격자).
용어 "정현파 체적 격자"는, 체적 영역 전체에 걸쳐 실질적으로 정현파 프로파일로 변조되는 광학 특성, 예컨대 굴절률을 갖는 광학 컴포넌트를 지칭한다. 각각의 (단순한/정현파) 격자는 k-공간에서의 단일 상보적 벡터 쌍(또는 k-공간에서의 실질적으로 포인트형인 상보적 쌍 분포)에 대응한다.
용어 "입사 동공"은, 이미징 광학계들로 들어가는 광 빔을 그의 최소 크기로 통과시키는 실제 또는 가상 개구를 지칭한다.
용어 "아이 박스"는, 격자 구조로부터의 고정된 거리에서 전체 시야를 관찰하기 위해 사람의 동공이 배치될 수 있는 영역의 윤곽을 나타내는 2차원 영역을 지칭한다.
용어 "아이 릴리프"는, 격자 구조와 대응하는 아이 박스 사이의 고정된 거리를 지칭한다.
용어 "출사 동공"은, 이미징 광학계들로부터 나오는 광 빔을 그의 최소 크기로 통과시키는 실제 또는 가상 개구를 지칭한다. 사용시, 이미징 광학계 시스템은 전형적으로 광 빔을 이미지 캡처 수단을 향해 지향시키도록 구성된다. 이미지 캡처 수단의 예들은 사용자의 눈, 카메라, 또는 다른 광검출기를 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
용어 "격자 매체"는 광을 반사시키기 위한 격자 구조를 갖도록 구성되는 물리적 매체를 지칭한다. 격자 매체는 다수의 격자 구조들을 포함할 수 있다.
용어 "격자 구조"는 광을 반사시키도록 구성된 하나 이상의 격자들을 지칭한다. 일부 예들에서, 격자 구조는 적어도 하나의 공통 속성 또는 특성을 공유하는 격자들의 세트를 포함할 수 있다(예컨대, 격자들의 세트 각각이 응답하는 동일한 파장의 광). 일부 구현예들에서, 격자 구조는 하나 이상의 홀로그램들을 포함할 수 있다. 다른 구현예들에서, 격자 구조는 하나 이상의 정현파 체적 격자들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 격자 구조들은 하나 이상의 격자들(예컨대, 홀로그램들 또는 정현파 격자들) 각각에 대한 반사 축과 관련하여 균일할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 격자 구조들은, 격자 매체 내의 하나 이상의 격자들(예컨대, 홀로그램들 또는 정현파 체적 격자들) 각각에 대한 길이 또는 체적과 관련하여 균일할 수 있다.
본 명세서에서의 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 또는 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 본 발명에 대한 다양한 수정들이 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반 원리들은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 다른 변형예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 예들 및 설계들로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 부합되는 가장 넓은 범주로 허용되어야 한다.
첨부 도면에서, 유사한 컴포넌트들 또는 특징부들은 동일한 참조 라벨을 가질 수 있다. 추가로, 동일한 유형의 다양한 컴포넌트들은, 대시 기호(dash)에 의한 참조 라벨, 및 유사한 컴포넌트들 사이를 구별하는 제2 라벨을 따름으로써 구별될 수 있다. 제1 참조 라벨만이 명세서에서 사용되는 경우, 이 설명은 제2 참조 라벨에 상관없이 동일한 제1 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트들 중 임의의 하나에 적용가능할 수 있다.

Claims (42)

  1. 디바이스로서,
    제1 도파관 표면, 및 상기 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관; 및
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함하고, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 상기 입사광은 상기 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 상기 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 상기 반사된 광은 상기 제1 축과 관련한 상기 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 상기 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 상기 제2 반사각은 상기 제2 입사각과는 상이한, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 갖고, 상기 디바이스는,
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 추가로 포함하고, 상기 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 반사 축과는 상이한 제2 반사 축을 갖고, 상기 제2 반사 축은 상기 제1 반사 축에 직교하여 배향되는, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는,
    격자 매체; 및
    상기 격자 매체 내의 제1 격자 구조를 포함하고, 상기 제1 격자 구조는, 상기 제1 축과 관련한 상기 TIR 범위 내의 상기 제1 입사각에서 제1 파장의 입사광의 적어도 일부분을 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구조화되는, 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는,
    상기 격자 매체 내의 제2 격자 구조를 추가로 포함하고, 상기 제2 격자 구조는, 상기 제1 입사각과는 상이한 다른 입사각에서 상기 제1 파장의 입사광의 적어도 일부분을 다른 반사 축에 대해 반사시키도록 구조화되는, 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 격자 구조와 연관된 상기 다른 입사각은 상기 제1 축과 관련한 상기 TIR 범위 내에 있는, 디바이스.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 격자의 상기 다른 반사 축은 반사 축 각도가 상기 제1 반사 축의 반사 축 각도와 0.25도 이하로 상이한, 디바이스.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1 격자 구조 및 상기 제2 격자 구조는 이미지 광의 내부 시야각과 연관된 동일한 궤적(locus)에 대응하는, 디바이스.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1 격자 구조는 이미지 광의 제1 내부 시야(field of view, FOV)각과 연관된 하나 이상의 체적 홀로그램들의 제1 궤적에 대응하고, 상기 제2 격자 구조는, 상기 제1 내부 FOV각과는 상이한, 상기 이미지 광의 제2 내부 FOV각과 연관된 하나 이상의 체적 홀로그램들의 제2 궤적에 대응하고, 상기 제1 궤적 및 상기 제2 궤적은 적어도 부분적으로 중첩되는, 디바이스.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제1 격자 구조는, 상기 제1 입사각을 포함하는 제1 범위의 입사각들에서 상기 파장의 입사광의 적어도 일부분을 상기 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 추가로 구성되고, 상기 제1 범위의 입사각들 중 각각의 입사각은 상기 제1 축과 관련한 상기 TIR 범위 내에 있고, 상기 제1 격자 구조는 적어도 3개의 체적 홀로그램들을 포함하고, 상기 적어도 3개의 체적 홀로그램들 중 각각의 체적 홀로그램은 상기 제1 범위의 입사각들 내의 고유한 입사각에 대응하고, 상기 적어도 3개의 홀로그램들에 대한 인접한 |ΔKG|는 미터당 1.0 x 104 내지 1.0 x 106 라디안(rad/m)으로 존재하는 평균 값을 갖는, 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 적어도 70 μm 두께인 격자 매체를 포함하고, 상기 격자 매체는 상기 TIR 범위 내의 적어도 일부 입사각들에 대한 입사광에 브래그-매칭(Bragg-match)되도록 구조화된 복수의 체적 홀로그램들을 포함하는, 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 제1 반사 축에 대해 반사시키도록 구성된 제1 커플링 부분, 및 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서, 상기 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제2 반사 축에 대해 반사시키도록 구성된 제2 커플링 부분을 포함하고, 상기 제2 반사 축은 상기 제1 반사 축에 평행하지 않는, 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 반사 축은 상기 도파관의 제1 위치 내에서 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성되고, 상기 제2 반사 축은 상기 도파관의 제2 위치 내에서 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구성되는, 디바이스.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 커플링 부분은 상기 제2 커플링 부분과 적어도 부분적으로 중첩되어, 상기 제1 반사 축이 중첩 위치에서 입사광의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성되고 상기 제2 반사 축이 상기 중첩 위치에서 입사광의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성되게 하는, 디바이스.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 상기 제1 커플링 부분 및 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 상기 제2 커플링 부분은 접합부에서 정렬되고, 상기 디바이스는,
    상기 제1 커플링 부분 및 상기 제2 커플링 부분과 연관된 상기 접합부와 정렬되는 입사 동공 요소 - 상기 입사 동공 요소가 입력 광이 상기 제1 커플링 부분 및 상기 제2 커플링 부분 안으로 들어가는 것을 허용하도록 구조화되게 함 - 를 추가로 포함하는, 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 도파관에 커플링되는 상호커플링된(intercoupled) 도파관을 추가로 포함하는, 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 상호커플링된 도파관은 중첩 접합부에 의해 상기 도파관에 커플링되는, 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 내에 위치된 제1 도파관 섹션 - 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 도파관 섹션 내에 적어도 부분적으로 배치됨 -; 및
    상기 제1 도파관 섹션의 제1 에지에 위치된 제1 입사 동공;
    상기 도파관 내에 위치된 제2 도파관 섹션 - 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 도파관 섹션 내에 적어도 부분적으로 배치됨 -; 및
    상기 제2 도파관 섹션의 제2 에지에 위치된 제2 입사 동공을 추가로 포함하고, 상기 제1 도파관 섹션 및 상기 제2 도파관 섹션은 적어도 부분적으로 중첩되는, 디바이스.
  18. 디바이스로서,
    제1 도파관 표면, 및 상기 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관;
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 교차 커플링(cross-coupling) 요소 - 상기 교차 커플링 요소는 상기 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 가짐 -; 및
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 반사 축이 배향되는 평면과는 상이한 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 갖는, 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 교차 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 상기 입사광은 상기 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 상기 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 상기 반사된 광은 상기 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 상기 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 상기 제2 반사각은 상기 제2 입사각과는 상이하고, 상기 교차 커플링 요소는 부분 반사형 루버(louver)를 포함하고, 상기 부분 반사형 루버는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되는, 디바이스.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1 반사 축은 상기 제1 도파관 표면의 표면 법선으로부터 오프셋되어 있는, 디바이스.
  21. 제18항에 있어서, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소의 상기 제2 반사 축은 상기 제1 반사 축에 직교하여 배향되는, 디바이스.
  22. 헤드 마운트 디스플레이(head mounted display) 디바이스로서,
    이미지 담지 광(image-bearing light)을 제공하기 위한 광원; 및
    광학 렌즈를 포함하고, 상기 광학 렌즈는,
    상기 이미지 담지 광을 수신하기 위한 상기 광학 렌즈의 광 입력 섹션;
    제1 도파관 표면, 및 상기 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관; 및
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함하고, 상기 제1 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 상기 입사광은 상기 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 상기 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 상기 반사된 광은 상기 제1 축과 관련한 상기 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 상기 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 상기 제2 반사각은 상기 제2 입사각과는 상이한, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 광학 렌즈는,
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 추가로 포함하고, 상기 제2 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 반사 축과는 상이한 제2 반사 축을 갖는, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스.
  24. 헤드 마운트 디스플레이 디바이스로서,
    이미지 담지 광을 제공하기 위한 광원; 및
    광학 렌즈를 포함하고, 상기 광학 렌즈는,
    상기 이미지 담지 광을 수신하기 위한 상기 광학 렌즈의 광 입력 섹션;
    제1 도파관 표면, 및 상기 제1 도파관 표면에 평행한 제2 도파관 표면을 갖는 도파관;
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 교차 커플링 요소 - 상기 교차 커플링 요소는 상기 제1 도파관 표면에 평행한 평면 상에 배향된 제1 반사 축을 가짐 -; 및
    상기 제1 도파관 표면과 상기 제2 도파관 표면 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 반사 축이 배향되는 평면과는 상이한 평면 상에 배향된 제2 반사 축을 갖는, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스.
  25. 제24항에 있어서, 상기 교차 커플링 요소는 입사광의 적어도 일부분을 반사된 광으로서 반사시키도록 구조화되고, 상기 입사광은 상기 도파관의 표면 법선에 대응하는 제1 축과 관련한 내부 전반사(TIR) 범위 내의 제1 입사각 및 상기 제1 축과는 상이한 제2 축과 관련한 제2 입사각을 갖고, 상기 반사된 광은 상기 TIR 범위 내의 제1 반사각 및 상기 제2 축과 관련한 제2 반사각을 갖고, 상기 제2 반사각은 상기 제2 입사각과는 상이한, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스.
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