KR102253212B1 - 지향성 조명식 도파관 배열체 - Google Patents

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마이클 지. 로빈슨
조나단 해럴드
밀러 에이치. 슈크
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리얼디 스파크, 엘엘씨
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Abstract

국소화된 광원으로부터 대면적의 시준된 조명을 제공하기 위해 광학 밸브, 2차원 광원 어레이 및 집속 광학계를 포함하는 광 안내 밸브 장치가 개시된다. 단차형 도파관은 단차형 구조체일 수 있으며, 여기에서 단차부는 제1 전방 방향으로 전파되는 안내된 광에 대해 광학적으로 숨겨진 추출 특징부일 수 있다. 제2 후방 방향으로 전파되는 복귀 광은 도파관의 상부 표면으로부터 출사하는 별개의 조명 빔을 제공하기 위해 특징부에 의해 굴절되거나 회절되거나 반사될 수 있다. 관찰 윈도우의 2차원 어레이가 생성될 수 있다. 그러한 제어식 조명은 넓은 관찰 자유도 및 낮은 크로스토크를 갖는 효율적인 다중-사용자 무안경 입체 디스플레이와 실질적으로 투과성인 근안 디스플레이를 제공할 수 있다.

Description

지향성 조명식 도파관 배열체{DIRECTIONALLY ILLUMINATED WAVEGUIDE ARRANGEMENT}
본 개시 내용은 일반적으로 광 변조 디바이스(light modulation device)의 조명에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 2D, 3D 및/또는 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 디바이스에 사용하기 위해 국소화된 광원으로부터 대면적 조명을 제공하기 위한 도광체(light guide)에 관한 것이다.
공간 다중화(spatially multiplexed) 무안경 입체 디스플레이는 전형적으로 렌티큘러 스크린(lenticular screen) 또는 패럴랙스 배리어(parallax barrier)와 같은 패럴랙스 구성요소를 공간 광 변조기(spatial light modulator), 예를 들어 LCD 상에 적어도 픽셀의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀의 세트 각각으로부터 광을 상이한 각각의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀의 제2 세트로부터의 광으로 제2 이미지를 볼 수 있다.
그러한 디스플레이는 공간 광 변조기의 기본 해상도에 비해 감소된 공간 해상도를 갖고, 또한 관찰 윈도우의 구조는 픽셀 개구(pixel aperture) 형상과 패럴랙스 구성요소 이미지 형성 기능에 의해 결정된다. 예를 들어 전극에 대한 픽셀들 사이의 갭(gap)은 전형적으로 불균일한 관찰 윈도우를 생성한다. 바람직하지 않게도, 그러한 디스플레이는 관찰자가 디스플레이에 대해 측방향으로 움직일 때 이미지 깜박거림을 보이며, 따라서 디스플레이의 관찰 자유도를 제한한다. 그러한 깜박거림은 광학 요소를 탈초점화(defocusing)시킴으로써 감소될 수 있지만; 그러한 탈초점화는 이미지 크로스토크(cross talk)의 증가된 수준을 초래하고, 관찰자에 대한 시각적 부담을 증가시킨다. 그러한 깜박거림은 픽셀 개구의 형상을 조절함으로써 감소될 수 있지만, 그러한 변화는 디스플레이 휘도를 감소시킬 수 있고, 공간 광 변조기 내에 어드레싱(addressing) 전자 장치를 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 일 태양에 따르면, 지향성-조명식 도파관 배열체(directionally-illuminated waveguide arrangement)가 제공되고, 지향성-조명식 도파관 배열체는 도파관으로서, 입력 단부와, 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 포함하는 도파관을 포함한다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있다. 제2 안내 표면은 도파관을 가로질러 측방향으로 연장되는 그리고 입력 단부로부터의 입력 광을 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들을 포함하는 단차형 형상을 가질 수 있다. 제2 안내 표면은 또한 광을 도파관을 통해 그 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는, 소면들 사이의 중간 영역들을 구비할 수 있다. 도파관 배열체는 (a) 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치들로부터 그리고 (b) 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향들로 지향되는 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 조명 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 제1 안내 표면을 통해 출력되는 입력 광은 (a) 입력 광의 측방향 위치에 따라 측방향으로 제1 안내 표면의 법선에 대해 분포되는 출력 방향들로 지향될 수 있다. 제1 안내 표면을 통해 출력되는 입력 광은 (b) 입력 광의 입력 방향에 따라 측방향에 수직 방향으로 제1 안내 표면의 법선에 대해 분포되는 출력 방향들로 지향될 수 있다.
본 실시예는 유리하게는 도파관의 영역을 가로지른 점들로부터 제1 및 제2 각도 직교 방향들로 변조될 수 있는 조명을 달성할 수 있다.
하나의 사용에서, 그러한 지향성 조명은 원거리장 관찰(far field viewing)을 위해 배열되는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우들의 2차원 어레이를 달성할 수 있다. 그러한 경우에, 도파관은 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 그리고 그를 통해 출력되는 광을 변조시키도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기를 추가로 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 일부를 형성할 수 있다. 그러한 지향성 디스플레이는 무안경 입체 3D 디스플레이, 프라이버시(privacy) 디스플레이 및 고효율 디스플레이 모드들에 사용될 수 있다. 그러한 디스플레이들은 가로형(landscape) 및 세로형(portrait) 모드들로 그리고 둘 사이의 배향들을 위해 작동하도록 배열될 수 있으며, 따라서 이동 디스플레이 플랫폼들에 아주 적합하다. 또한, 그러한 디스플레이들은 관찰자의 수평 및 수직 움직임들에 대한 관찰자 추적 기능들을 달성할 수 있다. 추가의 태양에 따르면, 디스플레이 장치가 지향성 디스플레이 디바이스와, 광을 상기 출력 방향들에 대응하는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 조명 시스템을 선택적으로 작동시키도록 배열되는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 디스플레이 장치는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있고, 여기에서 제어 시스템은 시간 다중화된(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들을 표시하기 위해 그리고 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 동기식으로 지향시키기 위해 디스플레이 디바이스를 제어하도록 추가로 배열된다. 제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로질러 관찰자의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 제어 시스템은 관찰자의 검출된 위치에 따라 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 배열될 수 있다.
추가의 사용에서, 그러한 지향성 조명은 시준된 이미지를 표시하여 근안 디스플레이 장치(near-eye display apparatus)를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 조명 시스템은 출력 광이 표시될 이미지를 시준된 이미지로서 나타내도록 상기 이미지에 따라 (a) 상이한 측방향 위치들로부터 그리고 (b) 상이한 입력 방향들로 지향되는 입력 광을 제공하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 근안 디스플레이 장치에서, 조명 시스템은 이미지를 나타내는 이미지 데이터에 따라 제어 시스템에 의해 작동될 수 있다. 그 결과, 출력 광은 이미지를 시준된 이미지로서 나타낼 수 있다. 2차원 각도 변조된 출력은 관찰자의 각막에 근접하게 배치될 때 관찰자의 눈에 의해 망막 이미지로 이미지 형성될 수 있다. 도파관은 외부 광에 대해 높은 투과율을 가질 수 있지만, 밝은 이미지를 제공할 수 있다. 하나의 눈 또는 두 눈이 단일 관찰자에 의해 조명될 수 있고, 큰 출력의 광학 동공 크기가 눈의 입력 동공에 대한 도파관의 편리한 배치를 위해 제공될 수 있다.
근접장 디스플레이로서의 사용을 허용하기 위해, 그러한 도파관 배열체는 편리하게는 사용자의 머리 상에 착용되도록 구성되는 머리-장착식 장치(head-mounted apparatus) 내에 통합될 수 있으며, 이때 머리-장착식 장치가 착용될 때 도파관은 사용자의 적어도 한 눈을 가로질러 연장되도록 배열된다. 이러한 장치는 또한 이미지 데이터의 제공을 가능하게 하기 위해 통신 시스템과 함께 배열될 수 있다.
본 개시 내용의 추가의 태양에 따르면, 지향성 조명 장치가 광을 지향시키기 위한 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함할 수 있으며, 이러한 이미지 형성 지향성 백라이트는 도파관과, 제1 및 제2 광 안내 표면들 사이에 위치되는, 조명 요소들의 어레이의 각각의 요소로부터의 광을 이미지 형성 지향성 백라이트 내에서 각각의 상이한 방향 분포들로 지향시키도록 작동가능한 입력 광학계를 포함할 수 있다. 도파관은 제1 광 안내 표면과 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면을 포함할 수 있다.
디스플레이 백라이트들은 일반적으로 도파관들과 에지 방출 광원들을 채용한다. 소정 이미지 형성 지향성 백라이트들은 조명을 디스플레이 패널을 통해 관찰 윈도우들 내로 지향시키는 추가의 능력을 갖는다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원들과 각각의 윈도우 이미지들 사이에 형성될 수 있다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는, 폴딩된(folded) 광학 시스템을 채용할 수 있어 또한 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례일 수 있는 광학 밸브(optical valve)이다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이, 광이 광학 밸브를 통해 한 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있는 한편, 반대 방향으로 전파되는 광이 틸팅된 소면(tilted facet)들로부터의 반사에 의해 추출될 수 있다.
본 실시예는 이미지 형성 지향성 백라이트, 특히 추가의 입력 집속 광학계를 포함하는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 디스플레이 장치로부터 윈도우들의 2차원 어레이를 달성한다. 그러한 2차원 윈도우 어레이는 유리하게는 수직 룩-어라운드(look-around), 머리 틸트 추적, 가로형-세로형 작동 및 증가된 수의 독립적으로 추적된 관찰자를 비롯한 향상된 기능성을 달성할 수 있으며, 따라서 대면적 디스플레이에 특히 적합하다. 또한, 본 실시예는 단차형 도파관 내에서 전파되는 각도의 범위를 효율적으로 제한할 수 있으며, 이는 더욱 콤팩트한 디스플레이 구조들을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 대면적 및 얇은 구조를 갖는 무안경 입체 디스플레이를 제공할 수 있다. 또한, 기술될 바와 같이, 본 개시 내용의 광학 밸브들은 큰 후방 작동 거리들을 갖는 얇은 광학 구성요소들을 달성할 수 있다. 그러한 구성요소들은 무안경 입체 디스플레이들을 비롯한 지향성 디스플레이들을 제공하기 위해 지향성 백라이트들에 사용될 수 있다. 또한, 실시예들은 효율적인 무안경 입체 디스플레이를 위해 제어식 조명기를 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 실시예는 다양한 광학 시스템들에 사용될 수 있다. 실시예는 다양한 프로젝터들, 프로젝션 시스템들, 광학 구성요소들, 디스플레이들, 마이크로디스플레이들, 컴퓨터 시스템들, 프로세서들, 자급식(self-contained) 프로젝터 시스템들, 시각 및/또는 시청각 시스템들 및 전기 및/또는 광학 디바이스들을 포함하거나 그것과 함께 작동할 수 있다. 본 개시 내용의 태양들은 광학 및 전기 디바이스들, 광학 시스템들, 프리젠테이션 시스템들 또는 임의의 유형의 광학 시스템을 포함할 수 있는 임의의 장치와 관련된 사실상 임의의 장치와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시예들은 광학 시스템들, 시각 및/또는 광학 프리젠테이션들에 사용되는 디바이스들, 시각 주변 장치 등에 그리고 다수의 컴퓨팅 환경들에 채용될 수 있다.
개시되는 실시예들로 상세히 진행하기 전에, 본 개시 내용이 다른 실시예들을 가능하게 하기 때문에, 본 개시 내용이 그의 응용 또는 생성에 있어 도시된 특정 배열들의 상세 사항으로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시 내용의 태양들은 그 자체로서 특유한 실시예들을 한정하기 위해 상이한 조합들 및 배열들로 기재될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 제한이 아닌 설명의 목적을 위한 것이다.
지향성 백라이트들은 전형적으로 광학 도파관의 입력 개구측에 배열되는 독립적인 LED 광원들의 변조를 통해 제어되는 실질적으로 전체 출력 표면으로부터 나오는 조명에 대한 제어를 제공한다. 방출된 광 방향 분포를 제어하는 것은 디스플레이를 단지 제한된 범위의 각도들로부터 1인 관찰자가 볼 수 있는 보안 기능을 위한 1인 관찰; 조명이 단지 작은 각도의 방향 분포에 걸쳐 제공되는 높은 전기 효율; 시계열적(time sequential) 입체 및 무안경 입체 디스플레이를 위한 교번하는 좌안 및 우안 관찰; 및 낮은 비용을 달성할 수 있다.
본 개시 내용의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 개시 내용을 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백할 것이다.
유사한 도면 부호가 유사한 부분을 가리키는 첨부 도면에 실시예들이 예로서 예시된다.
<도 1a>
도 1a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
<도 1b>
도 1b는 본 개시 내용에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
<도 2a>
도 2a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도를 예시한 개략도.
<도 2b>
도 2b는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 2c>
도 2c는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 3>
도 3은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 4a>
도 4a는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 4b>
도 4b는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 5>
도 5는 본 개시 내용에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 개시 내용에 따른, 제1 시간 슬롯(time slot)에서 시간 다중화(time multiplexed) 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
<도 6b>
도 6b는 본 개시 내용에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 6c>
도 6c는 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 7>
도 7은 본 개시 내용에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 8>
도 8은 본 개시 내용에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 9>
도 9는 본 개시 내용에 따른, 프라이버시(privacy) 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 10>
도 10은 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 11>
도 11은 본 개시 내용에 따른, 조명 요소로부터 지향성-조명식 도파관 배열체 내로의 광 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 12>
도 12는 본 개시 내용에 따른, 지향성-조명식 도파관 배열체로부터 관찰 윈도우로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 13>
도 13은 본 개시 내용에 따른, 관찰 윈도우의 2차원 어레이를 예시한 개략도.
<도 14a>
도 14a는 본 개시 내용에 따른, 조명 요소로부터 집속 광학 요소에 의해 지향성-조명식 도파관 배열체의 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 14b>
도 14b는 본 개시 내용에 따른, 지향성-조명식 도파관 배열체의 집속 단차형 도파관 내의 단일 조명 요소로부터 관찰 윈도우로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 14c>
도 14c는 본 개시 내용에 따른, 지향성-조명식 도파관 배열체의 단차형 도파관과 집속 광학 요소에 정렬된 조명 요소를 측면도로 예시한 개략도.
<도 15a>
도 15a는 본 개시 내용에 따른, 추가의 집속 광학 요소에 의한 지향성-조명식 도파관 배열체 내에의 관찰 윈도우의 컬럼의 형성을 예시한 개략도.
<도 15b>
도 15b는 본 개시 내용에 따른, 추가의 집속 광학 요소에 의한 지향성-조명식 도파관 배열체 내에의 관찰 윈도우의 컬럼의 형성을 예시한 개략도.
<도 16>
도 16은 본 개시 내용에 따른, 조명 요소의 어레이를 예시한 개략도.
<도 17>
도 17은 본 개시 내용에 따른, 관찰 윈도우의 어레이를 예시한 개략도.
<도 18>
도 18은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 19>
도 19는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 20>
도 20은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관 장치와 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 21>
도 21은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관 장치와 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 22>
도 22는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 반사 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 23>
도 23은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 추가의 반사 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 24>
도 24는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 25>
도 25는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 지향성-조명식 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 26>
도 26은 본 개시 내용에 따른, 조명 요소로부터 추가의 집속 광학 요소에 의해 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 27>
도 27은 본 개시 내용에 따른, 조명 요소로부터 추가의 집속 광학 요소에 의해 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 28>
도 28은 본 개시 내용에 따른, 조명 요소로부터 집속 광학 요소에 의해 경사진 입력 면을 갖춘 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 29>
도 29는 본 개시 내용에 따른, 레이저 조명 요소로부터 틸팅 미러를 포함한 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 30>
도 30은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관 내로의 입력부에서 스캔식 시준된 광원을 측면도로 예시한 개략도.
<도 31a>
도 31a는 본 개시 내용에 따른, 도파관 배열체를 위한 제어 시스템과 선형 광원을 측면도로 예시한 개략도.
<도 31b>
도 31b는 본 개시 내용에 따른, 도파관 배열체를 위한 추가의 선형 광원을 측면도로 예시한 개략도.
<도 32>
도 32는 본 개시 내용에 따른, 홀로그램 편향기 요소(holographic deflector element)를 포함한 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 33>
도 33은 본 개시 내용에 따른, 프리즘형 편향기 요소를 포함한 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도.
<도 34a>
도 34a는 본 개시 내용에 따른, LED의 어레이를 측면도로 예시한 개략도.
<도 34b>
도 34b는 본 개시 내용에 따른, LED의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 34c>
도 34c는 본 개시 내용에 따른, LED의 추가의 어레이를 측면도로 예시한 개략도.
<도 35>
도 35는 본 개시 내용에 따른, 도파관 배열체와 관찰자 추적 시스템을 포함한 시간 다중화 지향성 디스플레이 장치의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 36>
도 36은 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관의 길이를 따라 경사가 변하는 광 추출 특징부의 어레이를 포함한 단차형 도파관을 포함한 시간 다중화 지향성 디스플레이 장치의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 37>
도 37은 본 개시 내용에 따른, 관찰 윈도우의 어레이와 관찰자 위치를 예시한 개략도.
<도 38a>
도 38a는 본 개시 내용에 따른, 출력 관찰 방향을 제한하도록 배열된 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도.
<도 38b>
도 38b는 본 개시 내용에 따른, 공간 광 변조기와 통합된 단차형 도파관을 측면도로 예시한 개략도.
<도 39a>
도 39a는 본 개시 내용에 따른, 관찰자의 눈에 커플링된 근안 디스플레이 장치로부터 출력되는 광을 측면도로 예시한 개략도.
<도 39b 내지 도 39e>
도 39b 내지 도 39e는 본 개시 내용에 따른, 도 39a의 근안 디스플레이 장치 내의 단차형 도파관으로 입력되는 광을 측면도로 예시한 개략도.
<도 40>
도 40은 본 개시 내용에 따른, 근안 디스플레이 장치의 작동을 측면도로 예시한 개략도.
<도 41>
도 41은 본 개시 내용에 따른, 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 42>
도 42는 본 개시 내용에 따른, 근안 제어 시스템을 포함한 근안 디스플레이 장치의 측면도를 예시한 개략도.
<도 43a 내지 도 43d>
도 43a 내지 도 43d는 본 개시 내용에 따른, 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 평면도로 예시한 개략도.
<도 43e 내지 도 43g>
도 43e 내지 도 43g는 본 개시 내용에 따른, 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 44a 내지 도 44c>
도 44a 내지 도 44c는 본 개시 내용에 따른, 안경 내에 근안 디스플레이 장치를 형성하기 위한 방법의 정면도를 예시한 개략도.
<도 45>
도 45는 본 개시 내용에 따른, 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 측면도로 예시한 개략도.
<도 46a>
도 46a는 본 개시 내용에 따른, 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 정면도로 예시한 개략도.
<도 46b>
도 46b는 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 정면도로 예시한 개략도.
<도 47>
도 47은 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 48>
도 48은 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 49>
도 49는 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 50>
도 50은 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 51>
도 51은 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 52>
도 52는 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도.
<도 53>
도 53은 본 개시 내용에 따른, 근안 입체 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도.
<도 54>
도 54는 본 개시 내용에 따른, 근안 입체 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도.
<도 55>
도 55는 본 개시 내용에 따른, 추가의 근안 입체 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도.
<도 56>
도 56은 본 개시 내용에 따른, 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 개략적으로 예시한 개략도.
<도 57>
도 57은 본 개시 내용에 따른, 폴딩된 근안 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도.
<도 58>
도 58은 본 개시 내용에 따른, 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 개략적으로 예시한 개략도.
<도 59>
도 59는 본 개시 내용에 따른, 도파관 배열체를 포함한 프로젝션 디스플레이 장치를 예시한 개략도.
<도 60>
도 60은 본 개시 내용에 따른, 다기능 디스플레이 장치를 예시한 개략도.
시간 다중화 무안경 입체 디스플레이는 유리하게는 광을 공간 광 변조기의 모든 픽셀로부터 제1 시간 슬롯에서 제1 관찰 윈도우로 그리고 모든 픽셀로부터 제2 시간 슬롯에서 제2 관찰 윈도우로 지향시킴으로써 무안경 입체 디스플레이의 공간 해상도를 개선할 수 있다. 따라서, 눈이 제1 및 제2 관찰 윈도우에서 광을 수광하도록 배열된 관찰자는 다수의 시간 슬롯에 걸쳐 디스플레이의 전체를 가로질러 최대 해상도 이미지를 볼 것이다. 시간 다중화 디스플레이는 유리하게는 조명 어레이를 지향성 광학 요소를 사용하여 실질적으로 투과성인 시간 다중화 공간 광 변조기를 통해 지향시킴으로써 지향성 조명을 달성할 수 있으며, 여기에서 지향성 광학 요소는 실질적으로 윈도우 평면 내에 조명 어레이의 이미지를 형성한다.
관찰 윈도우의 균일성은 유리하게는 공간 광 변조기 내에서의 픽셀의 배열과 관계없을 수 있다. 유리하게는, 그러한 디스플레이는 움직이는 관찰자에 대해 낮은 크로스토크 수준과 함께 낮은 깜박거림을 갖는 관찰자 추적 디스플레이를 제공할 수 있다.
윈도우 평면 내에서 높은 균일성을 달성하기 위해, 높은 공간 균일성을 갖는 조명 요소의 어레이를 제공하는 것이 바람직하다. 시계열적 조명 시스템의 조명 요소가 예를 들어 렌즈 어레이와 조합되는 대략 100 마이크로미터의 크기를 갖는 공간 광 변조기의 픽셀에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 픽셀은 공간 다중화 디스플레이에 대해서와 유사한 어려움을 겪는다. 또한, 그러한 디바이스는 낮은 효율과 보다 높은 비용을 가져 추가의 디스플레이 구성요소를 필요로 할 수 있다.
높은 윈도우 평면 균일성은 편리하게는 거시적 조명기, 예를 들어 전형적으로 1 mm 이상의 크기를 갖는 균질화 및 확산 광학 요소와 조합되는 LED의 어레이로 달성될 수 있다. 그러나, 조명 요소의 증가된 크기는 지향성 광학 요소의 크기가 비례하여 증가함을 의미한다. 예를 들어, 65 mm 폭의 관찰 윈도우에 이미지 형성되는 16 mm 폭의 조명기는 200 mm의 후방 작동 거리를 필요로 할 수 있다. 따라서, 광학 요소의 증가된 두께는 예를 들어 모바일 디스플레이 또는 대면적 디스플레이에 대한 유용한 응용을 방해할 수 있다.
전술된 단점을 해소하는, 공동-소유된 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같은 광학 밸브가 유리하게는 깜박거림이 없는 관찰자 추적과 낮은 크로스토크 수준을 갖는 고 해상도 이미지를 제공하면서 얇은 패키지에서 시간 다중화 무안경 입체 조명을 달성하기 위해 고속 스위칭 투과성 공간 광 변조기와 조합되어 배열될 수 있다. 전형적으로 수평인 제1 방향으로 상이한 이미지를 표시할 수 있지만 전형적으로 수직인 제2 방향으로 움직일 때 동일한 이미지를 포함할 수 있는, 관찰 위치 또는 윈도우의 1차원 어레이가 기재된다.
종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트는 흔히 광학 도파관을 채용하고, LED와 같은 광원으로부터의 에지 조명을 갖는다. 그러나, 그러한 종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트와 본 개시 내용에서 논의되는 이미지 형성 지향성 백라이트 사이에는 기능, 설계, 구조 및 작동에 있어 많은 근본적인 차이가 있다는 것을 이해하여야 한다.
일반적으로, 예를 들어, 본 개시 내용에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 다수의 광원으로부터의 조명을 디스플레이 패널을 통해 각각의 다수의 관찰 윈도우로 적어도 하나의 축으로 지향시키도록 배열된다. 각각의 관찰 윈도우는 이미지 형성 지향성 백라이트의 이미지 형성 시스템에 의해 광원의 적어도 하나의 축 내에서 이미지로서 실질적으로 형성된다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원과 각각의 윈도우 이미지 사이에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 각각의 관찰 윈도우 밖에 있는 관찰자의 눈에 실질적으로 보이지 않는다.
이와 대조적으로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트 또는 도광판(light guiding plate, LGP)은 2D 디스플레이의 조명을 위해 사용된다. 예를 들어 문헌 [
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Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004)]을 참조한다. 비-이미지 형성 백라이트는 전형적으로 넓은 관찰 각도와 높은 디스플레이 균일성을 달성하기 위해 다수의 광원 각각에 대해 다수의 광원으로부터 조명을 디스플레이 패널을 통해 실질적으로 공통 관찰 구역 내로 지향시키도록 배열된다. 따라서, 비-이미지 형성 백라이트는 관찰 윈도우를 형성하지 않는다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 관찰 구역을 가로질러 실질적으로 모든 위치에서 관찰자의 눈에 보일 수 있다. 그러한 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 예를 들어 쓰리엠(3M)으로부터의 BEF™와 같은 휘도 향상 필름에 의해 제공될 수 있는 램버시안 조명에 비해 스크린 이득(screen gain)을 증가시키기 위해 어느 정도의 지향성을 가질 수 있다. 그러나, 그러한 지향성은 각각의 광원 각각에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 당업자에게 명백할 이들 이유 및 다른 이유로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 이미지 형성 지향성 백라이트와 상이하다. 에지형(edge lit) 비-이미지 형성 백라이트 조명 구조체가 2D 랩톱, 모니터 및 TV에서 볼 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광은 산재하는 특징부, 전형적으로는 광이 광의 전파 방향에 상관없이 손실되게 하는 안내체의 표면 내의 국소적인 함입부를 포함할 수 있는 손실성 도파관(lossy waveguide)의 에지로부터 전파된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광학 밸브는 예를 들어 광 밸브, 광학 밸브 지향성 백라이트 및 밸브 지향성 백라이트(valve directional backlight, "v-DBL")로 지칭되는 일종의 광 안내 구조체 또는 디바이스일 수 있는 광학 구조체이다. 본 개시 내용에서, 광학 밸브는 공간 광 변조기(때때로 "광 밸브"로 지칭됨)와 상이하다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있는 광학 밸브이다. 광은 광학 밸브를 통해 일방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 이미지 형성 반사기에 입사할 수 있으며, 광이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이 틸팅된 광 추출 특징부로부터 반사에 의해 추출되고 관찰 윈도우로 지향될 수 있도록 반대 방향으로 전파될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지 형성 지향성 백라이트의 예는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트, 웨지 유형 지향성 백라이트, 또는 광학 밸브를 포함한다.
또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트는 광학 밸브일 수 있다. 단차형 도파관은, 제1 광 안내 표면과; 단차부로서 배열되는 복수의 추출 특징부가 사이사이에 배치되는 복수의 광 안내 특징부를 추가로 포함하는, 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면을 추가로 포함하는, 광을 안내하기 위한 도파관을 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트를 위한 도파관이다.
또한, 사용되는 바와 같이, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트는 웨지 유형 지향성 백라이트 또는 광학 밸브 중 적어도 하나일 수 있다.
작동 중, 광은 예시적인 광학 밸브 내에서 입력 단부로부터 반사 단부까지 제1 방향으로 전파될 수 있고, 실질적으로 손실 없이 투과될 수 있다. 광은 반사 단부에서 반사될 수 있고, 제1 방향과 실질적으로 반대되는 제2 방향으로 전파된다. 광이 제2 방향으로 전파될 때, 광은 광을 광학 밸브 밖으로 방향 전환시키도록 작동가능한 광 추출 특징부에 입사할 수 있다. 달리 말하면, 광학 밸브는 일반적으로 광이 제1 방향으로 전파되도록 허용하고, 광이 제2 방향으로 전파되는 동안 추출되도록 허용할 수 있다.
광학 밸브는 큰 디스플레이 면적의 시계열적 지향성 조명을 달성할 수 있다. 또한, 거시적 조명기로부터 광을 윈도우 평면으로 지향시키기 위해 광학 요소의 후방 작동 거리보다 얇은 광학 요소가 채용될 수 있다. 그러한 디스플레이는 실질적으로 평행한 도파관 내에서 반대 방향으로 전파되는 광을 추출하도록 배열되는 광 추출 특징부의 어레이를 사용할 수 있다.
LCD와 함께 사용하기 위한 얇은 이미지 형성 지향성 백라이트 구현예가 제시되었고, 모두 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 쓰리엠의 예를 들어 미국 특허 제7,528,893호에 의해; 본 명세서에서 "웨지 유형 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 마이크로소프트(Microsoft)의 예를 들어 미국 특허 제7,970,246호에 의해; 본 명세서에서 "광학 밸브" 또는 "광학 밸브 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 리얼디(RealD)의 예를 들어 미국 특허 출원 제13/300,293호에 의해 실증되었다.
본 개시 내용은 광이 예를 들어 제1 면 안내 표면과 일 세트의 복수의 광 추출 특징부 및 중간 영역을 포함하는 제1 제2 안내 표면을 포함할 수 있는 단차형 도파관의 내부 면들 사이에서 앞뒤로 반사될 수 있는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트를 제공한다. 광이 단차형 도파관의 길이를 따라 이동할 때, 광은 제1 및 제2 안내 표면에 대한 입사각을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있으며, 따라서 이들 내부 표면에서 매질의 임계각에 도달하지 않을 수 있다. 광 추출은 유리하게는 제1 세트의 표면 중간 영역(단차부 "트레드(tread)")에 대해 경사진 제2 안내 표면의 소면(단차부 "라이저(riser)")일 수 있는 제2 세트의 표면 광 추출 특징부에 의해 달성될 수 있다. 제2 세트의 표면 광 추출 특징부가 단차형 도파관의 광 안내 작동의 일부가 아닐 수 있지만, 구조체로부터 광 추출을 제공하도록 배열될 수 있는 것에 유의하여야 한다. 반면에, 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트는 광이 연속적인 내부 표면을 갖춘 웨지 프로파일화된 도파관 내에서 안내되도록 허용할 수 있다. 따라서, 단차형 도파관(광학 밸브)은 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트가 아니다.
도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도이다.
도 1a는 광학 밸브의 xy 평면 내에서의 정면도를 예시하고, 단차형 도파관(1)을 조명하기 위해 사용될 수 있는 조명 어레이(15)를 포함한다. 조명 어레이(15)는 조명 요소(15a) 내지 조명 요소(15n)를 포함한다(여기에서 n은 1보다 큰 정수임). 일례에서, 도 1a의 단차형 도파관(1)은 단차형의, 디스플레이 크기의 도파관(1)일 수 있다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 광원을 구성하고, 발광 다이오드(LED)일 수 있다. LED가 본 명세서에서 조명 요소(15a-15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은 그러나 그에 제한되지 않는 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, 도 1b는 xy 평면 내에서의 측면도를 예시하고, 도시된 바와 같이 배열되는, 조명 어레이(15), SLM(공간 광 변조기)(48), 추출 특징부(12), 안내 특징부(10) 및 단차형 도파관(1)을 포함한다. 도 1b에 제공된 측면도는 도 1a에 도시된 정면도의 대체 도면이다. 따라서, 도 1a와 도 1b의 조명 어레이(15)는 서로 상응하고, 도 1a와 도 1b의 단차형 도파관(1)은 서로 상응할 수 있다.
또한, 도 1b에서, 단차형 도파관(1)은 얇은 입력 단부(2)와 두꺼운 반사 단부(4)를 구비할 수 있다. 따라서, 도파관(1)은 입력 광을 수광하는 입력 단부(2)와 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하는 반사 단부(4) 사이에서 연장된다. 도파관을 가로질러 측방향으로 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명 요소(15a-15n)는 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치에 배치된다.
도파관(1)은 광을 내부 전반사에 의해 도파관(1)을 따라 앞뒤로 안내하기 위해 입력 단부(2)와 반사 단부(4) 사이에 연장되는 제1 및 제2 대향 안내 표면을 구비한다. 제1 안내 표면은 평탄하다. 제2 안내 표면은 반사 단부(4)를 향하는 그리고 반사 단부로부터 다시 도파관(1)을 통해 안내되는 광의 적어도 일부를 제1 안내 표면에서의 내부 전반사를 파괴하는 그리고 SLM(48)에 공급되는, 제1 안내 표면을 통한, 예를 들어 도 1b에서 상향으로의 출력을 허용하는 방향으로 반사하도록 경사지는 복수의 광 추출 특징부(12)를 구비한다.
이 예에서, 광 추출 특징부(12)는 반사 소면이지만, 다른 반사 특징부가 사용될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 광을 도파관을 통해 안내하지 않는 반면, 광 추출 특징부들(12) 중간에 있는 제2 안내 표면의 중간 영역은 광을 그 광을 추출함이 없이 안내한다. 제2 안내 표면의 그들 영역은 평탄하고, 제1 안내 표면에 평행하게, 또는 비교적 낮은 경사로 연장될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 그들 영역으로 측방향으로 연장되어, 제2 안내 표면은 광 추출 특징부(12)와 중간 영역을 포함하는 단차형 형상을 갖는다. 광 추출 특징부(12)는 광원으로부터의 광을 반사 단부(4)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 반사하도록 배향된다.
광 추출 특징부(12)는 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치로부터의 입력 광을 제1 안내 표면에 대해 입력 위치에 의존하는 상이한 방향으로 지향시키도록 배열된다. 조명 요소(15a-15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각각의 조명 요소(15a-15n)로부터의 광이 그들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a-15n) 각각이 광을 입력 위치에 따라 측방향으로 분포되는 출력 방향으로 각각의 광학 윈도우 내로 지향시킨다. 입력 위치가 분포되는 입력 단부(2)를 가로지르는 측방향은 출력 광에 대해 제1 안내 표면의 법선에 대한 측방향에 해당한다. 입력 단부(2)에서 그리고 출력 광에 대해 한정되는 바와 같은 측방향은 이 실시예에서 평행하게 유지되며, 여기에서 반사 단부(4)와 제1 안내 표면에서의 편향은 측방향에 대체로 직교한다. 제어 시스템의 제어 하에, 조명 요소(15a-15n)는 광을 선택가능한 광학 윈도우 내로 지향시키도록 선택적으로 작동될 수 있다.
본 개시 내용에서, 광학 윈도우는 광학 윈도우가 디스플레이 디바이스의 전체를 가로질러 형성되는 공칭 평면인 윈도우 평면 내의 단일 광원의 이미지에 해당할 수 있다. 대안적으로, 광학 윈도우는 함께 구동되는 광원의 군의 이미지에 해당할 수 있다. 유리하게는, 그러한 광원의 군은 어레이(121)의 광학 윈도우의 균일성을 증가시킬 수 있다.
비교로서, 관찰 윈도우는 디스플레이 영역을 가로질러 실질적으로 동일한 이미지의 이미지 데이터를 포함하는 광이 제공되는 윈도우 평면 내의 영역이다. 따라서, 관찰 윈도우는 제어 시스템의 제어 하에 단일 광학 윈도우로부터 또는 복수의 광학 윈도우로부터 형성될 수 있다.
SLM(48)은 도파관을 가로질러 연장되고, 투과성이며, 그것을 통과하는 광을 변조시킨다. SLM(48)이 액정 디스플레이(LCD)일 수 있지만, 이는 단지 예로서일 뿐이며, LCOS, DLP 디바이스 등을 비롯한 다른 공간 광 변조기 또는 디스플레이가 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 조명기가 반사 작동을 할 수 있기 때문이다. 이 예에서, SLM(48)은 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 배치되고, 광 추출 특징부(12)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통한 광 출력을 변조시킨다.
관찰 윈도우의 1차원 어레이를 제공할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스의 작동이 도 1a에 정면도로 예시되며, 이때 그것의 측면 프로파일이 도 1b에 도시된다. 작동 중, 도 1a와 도 1b에서, 광이 단차형 도파관(1)의 x=0인 입력 단부(2)의 표면을 따라 상이한 위치 y에 위치된 조명 요소(15a 내지 15n)의 어레이와 같은 조명 어레이(15)로부터 방출될 수 있다. 광은 단차형 도파관(1) 내에서 제1 방향으로 +x를 따라 전파될 수 있음과 동시에, 광은 xy 평면 내에서 확산될 수 있고, 양의 광파워를 갖도록 만곡되는 반사 단부(4)에 도달시, 반사 단부(4)를 실질적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 전파되는 동안, 광은 안내 재료의 임계각에 이르기까지 그러나 그것을 초과하지 않고서 xz 평면 내에서 일단의 각도로 확산될 수 있다. 단차형 도파관(1)의 제2 안내 표면의 안내 특징부(10)를 연결하는 추출 특징부(12)는 임계각보다 큰 틸트각을 가질 수 있으며, 따라서 제1 방향으로 +x를 따라 전파되는 실질적으로 모든 광에 의해 회피될 수 있어, 실질적으로 무손실 전방 전파를 보장할 수 있다.
도 1a와 도 1b의 논의를 계속하면, 단차형 도파관(1)의 반사 단부(4)는 전형적으로 예를 들어 은과 같은 반사 재료로 코팅됨으로써 반사성으로 만들어질 수 있지만, 다른 반사 기술이 채용될 수 있다. 따라서, 광은 -x의 방향으로 안내체를 따라 후방으로 제2 방향으로 방향 전환될 수 있고, xy 또는 디스플레이 평면 내에서 실질적으로 시준될 수 있다. 각도 확산은 주 전파 방향을 중심으로 xz 평면 내에서 실질적으로 보존될 수 있으며, 이는 광이 라이저 에지와 충돌하고 안내체 밖으로 반사되도록 허용할 수 있다. 대략 45도 틸팅된 추출 특징부(12)를 갖는 실시예에서, 광은 xz 각도 확산이 전파 방향에 대해 실질적으로 유지되는 상태로 xy 디스플레이 평면에 대략 수직하게 효과적으로 지향될 수 있다. 이러한 각도 확산은 광이 단차형 도파관(1)으로부터 굴절을 통해 출사할 때 증가될 수 있지만, 어느 정도 추출 특징부(12)의 반사 특성에 따라 감소될 수 있다.
코팅되지 않은 추출 특징부(12)를 갖춘 몇몇 실시예에서, 반사는 내부 전반사(TIR)가 실패될 때 감소될 수 있어, xz 각도 프로파일이 축소되고 수직에서 벗어나 이동된다. 그러나, 은 코팅된 또는 금속화된 추출 특징부를 갖춘 다른 실시예에서, 증가된 각도 확산과 중심 수직 방향이 보존될 수 있다. 은 코팅된 추출 특징부를 가진 실시예의 설명을 계속하면, xz 평면 내에서, 광은 단차형 도파관(1)으로부터 대략 시준되어 출사할 수 있고, 입력 에지 중심으로부터 조명 어레이(15) 내의 각각의 조명 요소(15a-15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명 요소(15a-15n)를 입력 단부(2)를 따라 구비하는 것은 광이 전체 제1 안내 표면(6)으로부터 출사할 수 있게 하고 도 1a에 예시된 바와 같이 상이한 외각으로 전파될 수 있게 한다.
그러한 디바이스를 갖춘 고속 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 공간 광 변조기(SLM)(48)를 조명하는 것은 도 2a에 조명 어레이(15) 단부로부터 본 yz-평면 또는 평면도로, 도 2b에 정면도로, 그리고 도 2c에 측면도로 도시된 바와 같이 무안경 입체 3D를 달성할 수 있다. 도 2a는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 평면도로 예시한 개략도이고, 도 2b는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 정면도로 예시한 개략도이며, 도 2c는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 순차적인 좌안 및 우안 이미지를 표시하는 고속(예컨대, 100 ㎐ 초과) LCD 패널 SLM(48) 뒤에 위치될 수 있다. 동기화 중, 조명 어레이(15)의 특정 조명 요소(15a 내지 15n)(여기에서 n은 1보다 큰 정수임)가 선택적으로 켜지고 꺼져, 시스템의 지향성에 의해 실질적으로 독립적으로 우안 및 좌안에 입사하는 조명 광을 제공할 수 있다. 가장 간단한 경우에, 조명 어레이(15)의 조명 요소의 세트가 함께 켜져, 수평 방향으로 제한된 폭을 갖지만 수직 방향으로 긴, 수평으로 분리된 양안이 좌안 이미지를 볼 수 있는 1차원 관찰 윈도우(26) 또는 광학 동공과, 양안이 주로 우안 이미지를 볼 수 있는 다른 관찰 윈도우(44)와, 양안이 상이한 이미지를 볼 수 있는 중심 위치를 제공한다. 이러한 방식으로, 관찰자의 머리가 대략 중심에 정렬될 때 3D를 볼 수 있다. 중심 위치로부터 멀어지게 옆으로 움직이는 것은 2D 이미지 상으로의 신 붕괴(scene collapsing)를 유발할 수 있다.
반사 단부(4)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 전형적으로 반사 단부(4)가 양의 광파워를 갖는 실시예에서, 광학 축은 반사 단부(4)의 형상과 관련하여 한정될 수 있으며, 예를 들어 반사 단부(4)의 곡률 중심을 통과하는 그리고 x-축을 중심으로 단부(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 반사 표면(4)이 평평한 경우에, 광학 축은 광파워를 갖는 다른 구성요소, 예를 들어 그들이 만곡된 경우의 광 추출 특징부(12), 또는 아래에 기술되는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(62)에 대해 유사하게 한정될 수 있다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 전형적으로 단부(4)에서 실질적으로 실린더형 반사 표면을 포함하는 본 실시예에서, 광학 축(238)은, 단부(4)에서 표면의 곡률 중심을 통과하는 x-축을 중심으로 면(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 단부(4)에 있는 실린더형 반사 표면은 전형적으로 축상 및 축외 관찰 위치에 대한 성능을 최적화시키기 위해 구면 프로파일을 포함할 수 있다. 다른 프로파일이 사용될 수 있다.
도 3은 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 3은 투명 재료일 수 있는 단차형 도파관(1)의 작동의 측면도의 추가의 상세 사항을 예시한다. 단차형 도파관(1)은 입력 단부(2), 반사 단부(4), 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 안내 표면(6), 및 안내 특징부(10)와 광 추출 특징부(12)를 포함하는 제2 안내 표면(8)을 포함할 수 있다. 작동 중, 예를 들어 LED의 어드레스가능한(addressable) 어레이일 수 있는 조명 어레이(15)(도 3에 도시되지 않음)의 조명 요소(15c)로부터의 광선(16)이 제1 안내 표면(6)에 의한 내부 전반사와 제2 안내 표면(8)의 안내 특징부(10)에 의한 내부 전반사에 의해 경면화된 표면(mirrored surface)일 수 있는 반사 단부(4)로 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 반사 단부(4)가 경면화된 표면일 수 있고 광을 반사할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 광이 반사 단부(4)를 통과하는 것도 또한 가능할 수 있다.
도 3의 논의를 계속하면, 반사 단부(4)에 의해 반사된 광선(18)이 반사 단부(4)에서의 내부 전반사에 의해 단차형 도파관(1) 내에서 추가로 안내될 수 있고, 추출 특징부(12)에 의해 반사될 수 있다. 추출 특징부(12)에 입사하는 광선(18)은 실질적으로 단차형 도파관(1)의 안내 모드로부터 벗어나게 편향될 수 있고, 광선(20)에 의해 도시된 바와 같이, 제1 안내 표면(6)을 통해 무안경 입체 디스플레이의 관찰 윈도우(26)를 형성할 수 있는 광학 동공으로 지향될 수 있다. 관찰 윈도우(26)의 폭은 적어도 조명기의 크기, 출력 설계 거리 및 반사 단부(4) 및 추출 특징부(12)에서의 광파워에 의해 결정될 수 있다. 관찰 윈도우의 높이는 주로 추출 특징부(12)의 반사 원추각과 입력 단부(2)에서의 조명 원추각 입력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 관찰 윈도우(26)는 SLM(48)의 표면 수직 방향에 대해 공칭 관찰 거리에서 평면과 교차하는 다양한 별개의 출력 방향을 나타낸다.
도 4a는 제1 조명 요소에 의해 조명될 수 있는 그리고 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 4a에서, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1)과 광원 조명 어레이(15)를 포함할 수 있다. 또한, 도 4a는 조명 어레이(15)의 조명 요소(15c)로부터의 광선의 단차형 도파관(1) 내에서의 추가의 안내를 정면도로 도시한다. 출력 광선 각각은 각각의 조명 요소(15c)로부터 동일한 관찰 윈도우(26)를 향해 지향된다. 따라서, 광선(30)은 윈도우(26) 내에서 광선(20)과 교차할 수 있거나, 광선(32)에 의해 도시된 바와 같이 윈도우 내에서 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 광학 밸브의 측면(22, 24)이 투명한, 경면화된, 또는 흑화된 표면일 수 있다. 도 4a의 논의를 계속하면, 광 추출 특징부(12)가 길 수 있고, 광 지향 제2 안내 표면(8)(이러한 제2 안내 표면(8)은 도 3에는 도시되지만 도 4a에는 도시되지 않음)의 제1 영역(34)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향은 안내 표면(8)의 제2 영역(36)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향과 상이할 수 있다.
도 4b는 제2 조명 요소에 의해 조명될 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4b는 조명 어레이(15)의 제2 조명 요소(15h)로부터의 광선(40, 42)을 도시한다. 반사 단부(4) 상의 반사 표면 및 광 추출 특징부(12)의 곡률이 협동하여 조명 요소(15h)로부터의 광선으로 관찰 윈도우(26)로부터 측방향으로 이격되는 제2 관찰 윈도우(44)를 생성한다.
유리하게는, 도 4b에 예시된 배열은 조명 요소(15c)의 실제 이미지를 관찰 윈도우(26)에 제공할 수 있으며, 여기에서 이러한 실제 이미지는 반사 단부(4)에서의 광파워와 도 4a에 도시된 바와 같이 영역들(34, 36) 사이의 긴 광 추출 특징부(12)의 상이한 배향에 기인할 수 있는 광파워의 협동에 의해 형성될 수 있다. 도 4b의 배열은 관찰 윈도우(26) 내의 측방향 위치로의 조명 요소(15c)의 이미지 형성의 개선된 수차를 달성할 수 있다. 개선된 수차는 낮은 크로스토크 수준을 달성하면서 무안경 입체 디스플레이에 대한 확장된 관찰 자유도를 달성할 수 있다.
도 5는 실질적으로 선형의 광 추출 특징부(12)를 갖춘 도파관(1)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 5는 도 1과 유사한 구성요소 배열을 도시하며(대응하는 요소가 유사함), 이때 차이점 중 하나는 광 추출 특징부(12)가 실질적으로 선형이고 서로 평행하다는 것이다. 유리하게는, 그러한 배열은 디스플레이 표면을 가로질러 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있고, 도 4a와 도 4b의 만곡된 추출 특징부보다 제조하기에 더욱 편리할 수 있다.
도 6a는 제1 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6b는 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이며, 도 6c는 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이다. 또한, 도 6a는 단차형 도파관(1)으로부터 조명 윈도우(26)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명 어레이(15) 내의 조명 요소 군(31)이 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되는 광 원추(17)를 제공할 수 있다. 도 6b는 조명 윈도우(44)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명 어레이(15) 내의 조명 요소 군(33)이 관찰 윈도우(44)를 향해 지향되는 광 원추(19)를 제공할 수 있다. 시간 다중화 디스플레이와 협동하여, 윈도우(26, 44)가 도 6c에 도시된 바와 같이 순서대로 제공될 수 있다. 공간 광 변조기(48)(도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시되지 않음) 상의 이미지가 광 방향 출력에 상응하게 조절되면, 적합하게 위치된 관찰자에 대해 무안경 입체 이미지가 달성될 수 있다. 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 지향성 백라이트와 지향성 디스플레이 디바이스로 달성될 수 있다. 조명 요소 군(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기에서 n은 1보다 큰 정수임)로부터 하나 이상의 조명 요소를 포함하는 것에 유의하여야 한다.
도 7은 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 축(29)을 따라 조명 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 켜고 끄는 것은 관찰 윈도우의 방향 제어를 제공한다. 머리(45) 위치가 카메라, 동작 센서, 동작 검출기, 또는 임의의 다른 적합한 광학적, 기계적 또는 전기적 수단으로 모니터링될 수 있고, 조명 어레이(15)의 적절한 조명 요소가 머리(45) 위치와 관계없이 각각의 눈에 실질적으로 독립적인 이미지를 제공하도록 켜지고 꺼질 수 있다. 머리 추적 시스템(또는 제2 머리 추적 시스템)은 하나 초과의 머리(45, 47)(머리(47)는 도 7에 도시되지 않음)의 모니터링을 제공할 수 있고, 각각의 관찰자의 좌안 및 우안에 동일한 좌안 및 우안 이미지를 제공하여 모든 관찰자에게 3D를 제공할 수 있다. 이번에도, 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 지향성 백라이트와 지향성 디스플레이 디바이스로 달성될 수 있다.
도 8은 지향성 백라이트를 포함하는 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 관찰자가 공간 광 변조기(48) 상의 상이한 이미지를 볼 수 있도록 적어도 2개의 2D 이미지가 한 쌍의 관찰자(45, 47)를 향해 지향될 수 있다. 도 8의 2개의 2D 이미지는 2개의 이미지가 순서대로 그리고 그것의 광이 2명의 관찰자를 향해 지향되는 광원과 동기화되어 표시될 것이라는 점에서 도 7에 관하여 기술된 바와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 하나의 이미지가 제1 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시되고, 제2 이미지가 제1 위상과 상이한 제2 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 상응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 윈도우(26) 내에 있는 관찰자가 제1 이미지를 인식할 것인 한편, 양안이 윈도우(44) 내에 있는 관찰자가 제2 이미지를 인식할 것이다.
도 9는 지향성 백라이트를 포함하는 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 2D 이미지 디스플레이 시스템이 또한 도 9에 도시된 바와 같이 광이 주로 제1 관찰자(45)의 눈으로 지향될 수 있는 지향성 백라이팅을 보안 및 효율 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 도 9에 예시된 바와 같이, 제1 관찰자(45)가 디바이스(50) 상의 이미지를 볼 수 있지만, 광이 제2 관찰자(47)를 향해 지향되지 않는다. 따라서, 제2 관찰자(47)는 디바이스(50) 상의 이미지를 보는 것이 방지된다. 본 개시 내용의 실시예 각각은 유리하게도 무안경 입체 이중 이미지 또는 프라이버시 디스플레이 기능을 제공할 수 있다.
도 10은 지향성 백라이트를 포함하는 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 10은 단차형 도파관(1)과 단차형 도파관(1) 출력 표면을 가로질러 실질적으로 시준된 출력을 위해 관찰 윈도우(26)를 제공하도록 배열되는 프레넬 렌즈(62)를 포함할 수 있는 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 도시한다. 수직 확산기(68)가 윈도우(26)의 높이를 더욱 연장시키도록 배열될 수 있다. 광은 이어서 공간 광 변조기(48)를 통해 이미지 형성될 수 있다. 조명 어레이(15)는 예를 들어 인광체 변환 청색 LED일 수 있거나 별개의 RGB LED일 수 있는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명 어레이(15) 내의 조명 요소는 별개의 조명 영역을 제공하도록 배열되는 균일한 광원과 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명 요소는 레이저 광원(들)을 포함할 수 있다. 레이저 출력은 예를 들어 갈보(galvo) 또는 MEMS 스캐너를 사용한 스캐닝에 의해 확산기 상으로 지향될 수 있다. 일례에서, 레이저 광은 따라서 적절한 출력각을 갖는 실질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 그리고 또한 스페클(speckle)의 감소를 제공하기 위해 조명 어레이(15) 내의 적절한 조명 요소를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 조명 어레이(15)는 레이저 조명 요소의 어레이일 수 있다. 또한, 일례에서, 확산기는 파장 변환 인광체일 수 있어, 조명이 가시 출력 광과 상이한 파장에 있을 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 10은 도파관(1); 그러한 도파관(1)과 조명 어레이(15)를 포함하는 지향성 백라이트; 및 그러한 지향성 백라이트와 SLM(48)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 다양하게 기술한다. 따라서, 도 1 내지 도 10에 관하여 위에 개시된 다양한 특징부는 임의의 조합으로 조합될 수 있다.
이제 지향성으로 조명되는 도파관(1)과 조명 시스템을 포함하는 몇몇 도파관 배열체가 설명될 것이다. 설명될 바와 같이, 다음의 도파관 배열체는 전술된 바와 같이 SLM(48)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에 또는 SLM(48)이 생략되는 근접장 디스플레이 디바이스 또는 장치에 적용될 수 있다. 도파관 배열체의 도파관(1)과 다른 구성요소는 이제 설명될 변경을 제외하고는 전술된 바와 같이 배열된다. 그러한 변경의 일례는 근접장 디스플레이 디바이스 또는 장치의 경우에 SLM(48)의 생략이다. 따라서, 위의 설명이 다음의 도파관 배열체와 디스플레이 디바이스에 동일하게 적용되지만, 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다. 유사하게, 다음의 도면을 참조하여 아래에 개시되는 다양한 특징이 임의의 조합으로 조합될 수 있다.
도 11은 조명 요소로부터 지향성-조명식 도파관 배열체 내로의 광 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 11은 공기 갭(100)에 의해 분리된 조명 요소(102)로부터 평탄한 입력 단부(2)를 갖춘 단차형 도파관(1) 내로의 광의 전파에 대한 상세 사항을 측면도로 도시한다. 도 11은 측방향(도 11에서 수직 방향)에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 지향되는 입력 광이 입력 단부(2)를 통해 입력되는 것을 예시한다. 수직으로 방출된 광이 안내 표면(6, 10)에 실질적으로 평행하게 지향될 수 있는 중심 광선(114)을 제공할 수 있지만, 축외 광선(104, 106)이 대략 공기-단차형 도파관 재료 계면의 임계각 주위의 또는 그러한 임계각의 입력 각도(108)로 단차형 도파관 내로 지향될 수 있다. 축외 광선(104, 106)은 이어서 안내 표면(6)과 광 안내 특징부(10)로부터 각도(110)로 반사되어 단차형 도파관을 따라 안내될 수 있다.
도 12는 도 11의 지향성-조명식 도파관 배열체로부터 관찰 윈도우로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 12는 단차형 도파관의 면(4)의 표면에서의 반사 후 반대 방향으로 전파되는 광선을 측면도로 도시한다. 도 12는 입력 단부(2)를 통해 입력되는 입력 광이 제1 안내 표면(6)을 통해 출력되는 것을 예시한다. 중심 광선(114)은 출력부 상에서 상이한 방향으로 에지 광선(104, 106)으로 지향될 수 있다. 추가의 광선(111, 113)이 광 안내 특징부(10)에서의 반사 후 광선(114)보다 큰 각도로 지향될 수 있다. 이러한 배열에서, 광선(104, 106, 111, 113, 114) 모두는 단일 조명 요소(102)로부터 나온다. 따라서, 도 12는 제1 안내 표면을 통해 출력되는 출력 광이 도 11에 예시된 바와 같이 입력 광의 입력 방향에 따라 측방향에 수직 방향(이러한 수직 방향은 도 12에서 수평 방향임)으로 제1 안내 표면(6)의 법선에 대해 분포되는 출력 방향으로 지향되는 것을 도시한다.
도 12에 관하여 논의된 바와 같이, 광이 단일 조명 요소로부터 나오지만, 단일 조명 요소는 광이 하나 초과의 조명 요소로부터 나올 수 있기 때문에 단지 논의 목적을 위해서만 사용된다. 따라서, 주로 각각의 광선(104, 106, 111, 113, 114)에 의해 결정될 수 있는 측방향에 수직한 방향으로의 출력 지향성은 각각의 조명 요소(102)에 의해 변조될 수 있고, 단차형 도파관은 수직으로 확장된 관찰 윈도우(26)를 가질 수 있다. 따라서, 이러한 배열에서, 윈도우(26)의 수직 영역이 독립적으로 변조되지 않을 수 있다.
따라서, 더욱 상세히 후술되는 바와 같이, 도파관(1)은 (a) 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치로부터(예를 들어 도 1 내지 도 10의 경우와 마찬가지로) 그리고 (b) 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로(도 11 및 도 12의 경우와 마찬가지로) 지향되는 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 조명 시스템에 의해 지향성으로 조명될 수 있다. 그러한 경우에, 제1 안내 표면(6)을 통해 출력되는 입력 광은 (a) 입력 광의 측방향 위치에 따라 측방향으로 제1 안내 표면의 법선에 대해 분포되는(도 1 내지 도 10에 관하여 전술된 바와 같이) 출력 방향으로 지향된다. 또한, 제1 안내 표면(6)을 통해 출력되는 입력 광은 (b) 입력 광의 입력 방향에 따라 측방향에 수직 방향으로 제1 안내 표면의 법선에 대해 분포되는(도 1 내지 도 10에 관하여 전술된 바와 같이) 출력 방향으로 지향된다. 이는 광이 관찰 윈도우의 2차원 어레이 내로 지향되도록 허용한다.
도 13은 그러한 관찰 윈도우의 2차원 어레이의 일례를 예시한 개략도이다. 또한, 도 13은 아래의 실시예에 기술될 바와 같이, 입력 단부(2)를 통해 입력되는 입력 광이 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 지향되도록 조명 어레이(15)의 조명 요소의 각도 출력 프로파일이 독립적으로 변조되면 달성될 수 있는 관찰 윈도우의 어레이를 도시한다. 그러한 독립적으로 변조된 광선은 각각이 실질적으로 각각의 광선 원추와 관련되는 관찰 윈도우의 중복 세트를 달성할 수 있다. 광선(114)은 이어서 윈도우 평면 내에서 관찰 윈도우의 2차원 어레이의 관찰 윈도우(78)의 수평축(129)으로 지향될 수 있다. 조명 어레이(15)의 인접 조명 요소로부터의 광선(114)에 대략 평행한 광선이 선(129) 상에서 측방향으로 편향될 수 있다. 1차원 관찰 윈도우(26)는 관찰 윈도우(26)로부터 형성되며; 따라서 개별 관찰 윈도우(78)의 수직 크기가 1차원 관찰 윈도우(26)보다 더욱 제한된다.
도 12와 도 13의 논의를 계속하면, 광선(104, 106)과 동일측에서 반사되는 광선은 축(129) 아래로 지향될 수 있는 한편, 광선(111)과 동일측에서 지향되는 광선은 축(129) 위로 지향될 수 있다. 따라서, 관찰 윈도우(131, 133, 135)가 축(129) 아래에 있을 수 있고, 관찰 윈도우(137, 139, 141)가 축 위에 있을 수 있으며, 이때 윈도우(131, 137) 내의 변조된 데이터는 실질적으로 동일하고; 윈도우(133, 139) 내의 변조된 데이터는 실질적으로 동일하며; 윈도우(135, 141) 내의 변조된 데이터는 실질적으로 동일하다. 따라서, 특징부(12)에 인접한 특징부(10)에서의 광선의 반사가 축(129)을 중심으로 윈도우의 반사된 세트를 생성할 수 있다.
도 12와 도 13의 논의에 추가하여, 광 추출 특징부(12) 틸트각(125)이 충분히 작으면, 고각 광선이 도광체 내에서 내부 반사되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 대략 1.5의 굴절률을 갖는 재료에서 대략 24도의 틸트각이 광선(114)에 대해 내부 전반사를 달성할 수 있으며, 따라서 광선(111, 113)이 내부 전반사될 수 있고, 유리하게는 반복 윈도우(137, 139, 141)가 출력으로부터 적어도 부분적으로 제거될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 보다 큰 각도(125)가 본 실시예에 채용될 수 있고, 관찰자의 위치를 검출하는 센서 시스템이 관찰자 위치에 따라 이들 윈도우에 어드레스하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 유리하게는, 디스플레이의 수직 관찰 자유도가 확장될 수 있다.
이제 조명 시스템이 (a) 상이한 측방향 위치로부터 그리고 (b) 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 지향되는 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 몇몇 특정 도파관 배열체가 설명될 것이다.
도 14a는 조명 요소의 2차원 어레이로부터 집속 광학 요소에 의해 지향성-조명식 도파관 배열체의 단차형 도파관(1) 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 14a는 수직으로 구별되는 조명 요소(126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140)의 어레이로서 또한 제공되는, 별개인 조명 요소의 조명 어레이(15)를 포함할 수 있는 제1 실시예를 측면도로 도시한다. 따라서, 조명 요소는 측방향으로 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 분포된다. 따라서, 그것들은 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치로부터 입력 광을 제공한다. 또한, 조명 요소는 방출된 광이 유사하게 분배되도록 수직 방향으로 분포된다.
측방향에 수직한 방향으로 양의 광파워를 갖는 집속 광학 요소(101)가 조명 어레이(15)와 도파관(1) 사이에 제공된다. 이러한 예에서, 집속 광학 요소(101)는 입력 단부(2)에 부착될 수 있어 입력 단부(2)의 표면에 평행하게 실질적으로 길 수 있는 평탄한 출력 표면(97)을 갖춘 실린더형 곡면 프로파일 렌즈 요소에 의해 형성된다. 집속 광학 요소(101)는 예를 들어 단차형 도파관(1)의 단부 상에 형성되거나 그것에 부착되거나 성형 공정 중 구조체 내에 통합될 수 있다. 대안적으로, 공기 갭, 색 필터를 포함하는 광학 필터, 확산기 또는 다른 광학 구조체가 단차형 도파관(1)과 집속 광학 요소(101) 사이에 배열될 수 있다. 집속 광학 요소(101)가 측방향에 수직한 방향으로 양의 광파워를 갖기 때문에, 그것은 수직 방향으로 분포되는 상이한 조명 요소로부터의 광을 도파관(1) 내로의 입력 광으로서 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 지향시킨다.
조명 어레이(15)는 집속 광학 요소(101)가 공칭 초점 거리(99)를 갖도록 집속 광학 요소(101)의 초점면 내에 배열될 수 있다. 그 결과, 개별 조명 요소로부터의 광이 단차형 도파관 내에서 한정된 원추각으로 실질적으로 지향될 수 있다. 따라서, 조명 요소(126)로부터의 광선(124, 122)이 광학 요소(101)에 의해 집광되어 실질적으로 시준되거나 원추각(118)을 갖는 방향 분포를 제공할 수 있으며, 따라서 그것들은 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 도 14a의 논의를 계속하면, 유사하게, 조명 요소(130)로부터의 광이 광선(120, 122) 사이로 지향되어 인접 방향 분포를 제공할 수 있다. 단차형 도파관(1) 내에서의 반사로 인해, 조명 요소(128, 132)의 경계로부터의 광이 조명 요소들(126, 130) 사이의 경계로부터의 광선(122)에 실질적으로 평행할 수 있는 광선(123)을 따라 지향될 수 있다. 표면(95)의 입력 개구는 조명 요소 조명 어레이(15)로부터 광을 효율적으로 집광하도록 배열될 수 있다. 프리즘형 필름과 같은 편향 필름(도 14a에 도시되지 않음)이 또한 출력의 수직 지향 방향을 디스플레이에 대한 관찰 각도로 이동시키도록 배열될 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에서, 대략 3 mm의 높이를 갖는 입력 단부(2)를 포함할 수 있는 단차형 도파관(1)이 배열되되, 집속 광학 요소(101)가 대략 3 mm의 거리에서 대략 3.6 mm의 총 높이의 조명 요소 조명 어레이(15)를 이미지 형성하도록 배열되는 상태로 배열되어, 단차형 도파관 내에서 대략 +/-20도의 총 원추각을 달성할 수 있다. 조명 어레이(15)는 대략 0.3 mm의 간격을 갖는 조명 요소를 포함하여, 총 12개의 어드레스가능한 조명 요소와 6개의 어드레스가능한 광원추를 달성할 수 있다. 광 추출 특징부(12)가 금속화될 수 있고, 12개의 수직 윈도우(78)가 수평축(129)을 중심으로 반사된, 6개의 윈도우의 2개의 군으로 윈도우 평면에 생성될 수 있도록 대략 45도 각도(125)로 배열될 수 있다. 대략 500 mm의 공칭 관찰 거리에서, 수직 윈도우 피치는 대략 45 mm일 수 있으며, 이때 총 윈도우 높이는 대략 540 mm일 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 후술될 바와 같이 수평 및 수직 룩-어라운드 및 머리 틸트 능력을 달성할 수 있다.
추가의 예시적인 실시예에서, 단차형 도파관은 대략 3 mm의 입력 개구 높이로 배열될 수 있다. 대략 200 마이크로미터의 x 방향으로의 간격(93)을 갖는 16개의 조명 요소를 갖춘 조명 어레이(15)가 입력 표면(95)으로부터 대략 4.5 mm의 거리에 배열될 수 있다. 특징부(12)는 광선(111, 113)을 단차형 도파관 내에서 커플링시키도록 배열될 수 있다. 대략 +/-13도의 총 원추각이 단차형 도파관 내에 생성되어, 수직 방향으로 8개의 출력 윈도우로부터 출력시 대략 +/-10도 원추각을 생성할 수 있다. 수직 방향으로 각각의 윈도우는 대략 2.5도만큼 분리될 수 있다. 대략 500 mm의 관찰 거리에서, 이는 대략 22 mm의 관찰 윈도우의 수직 간격을 제공할 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 은 도금된 광 추출 특징부(12)를 필요로 하지 않을 수 있으며, 따라서 원추각이 틸팅된 소면으로부터 내부 전반사에 의해 전달될 수 있어, 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다.
예를 들어 도 4b에 도시된 바와 같이, 공기 중의 램버시안 조명 요소가 전형적으로 xy 평면에서 단차형 도파관의 임계각의 대략 2배와 동일한 원추각(39)으로 지향될 수 있는 한편, 집속 광학 요소는 xz 평면에서 원추각(118)을 달성할 수 있다. 단차형 도파관에서 출력의 방향 분포는 원추각(39, 118)에 의해 한정되는 입체각 내에서의 광선의 분포로 지칭될 수 있다. 따라서, 조명 요소(126, 128)가 제1 방향 분포에 대한 제1 조명 쌍을 형성할 수 있고, 조명 요소(130, 132)가 제2 방향 분포를 형성할 수 있으며, 조명 요소(134, 136)가 제3 방향 분포를 형성할 수 있고, 조명 요소(138, 140)가 제4 방향 분포를 형성할 수 있다. 각각은 xy 평면 내에서 원추각(39)을 갖는다.
단부 미러 면(4)에 대한 입사 후, 반대 방향으로 전파되는 광선(120, 122, 124)이 도 14b에 도시된 바와 같이 반사 광 추출 특징부(12)에 입사할 수 있다. 도 14b는 집속 지향성 디스플레이 디바이스 내의 단일 조명 요소로부터 관찰 윈도우로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 조명 요소(126, 128)로부터의 광 원추(118)가 단차형 도파관으로부터 출사한 후에 공기 중에서 제1 광 원추(119)로 지향될 수 있는 반면, 조명 요소(130, 132)로부터의 광 원추(117)가 원추(119)와 상이한 제2 광 원추(121)로 지향될 수 있는 것을 볼 수 있다. 측방향 원추각은 단부 미러 표면의 광학 기능과 광 추출 특징부(12) 상의 곡선 반경에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 집속 광학 요소(101)에 대한 조명 요소(126)의 위치가 단차형 도파관의 출력 원추 방향 분포를 결정할 수 있다. 유리하게는, 본 실시예는 어드레스가능한 관찰 윈도우의 2차원 어레이를 달성할 수 있으며, 이는 본 명세서에 기술될 바와 같이 유리한 디스플레이 특성을 달성할 수 있다.
도 14c는 지향성-조명식 도파관 배열체의 단차형 도파관과 집속 광학 요소에 정렬된 조명 요소를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 14c의 실시예는 집속 광학 요소(101)와 조명 요소 조명 어레이(15)의 에지 사이의 광 배플(80)을 또한 포함하는 것을 제외하고는 도 14a의 실시예와 동일하다. 유리하게는, 집속 광학 요소(101)의 입력 개구 내에 커플링되지 않는 조명 요소 어레이로부터의 축외 광선(82)이 이러한 배플 내에 흡수될 수 있다.
도 14c의 논의를 계속하면, 광학 필터 요소(84, 86)가 조명 요소 조명 어레이(15)의 각각의 부분과 대략 정렬되어 배열될 수 있다. 요소(84, 86)는 편광기 요소일 수 있거나, 상이한 투과 파장을 제공할 수 있다. 예를 들어, 요소(84, 86)는 적색 및 녹색 파장이 조명 요소의 상이한 부분에 생성되고 단차형 도파관 내에서의 반사에 의해 조합될 수 있도록 상이한 인광체일 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 보다 높은 효율을 달성할 수 있다. 대안적으로, 요소(84)는 청색 방출 요소(128, 132, 136, 140)를 위한 황색 인광체일 수 있는 한편, 요소(86)는 적색 방출 요소(126, 130, 134, 138)에 대해 투과성일 수 있다. 유리하게는, 출력의 색역이 개선될 수 있다. 대안적으로, 요소(84, 86)는 편광기, 상이한 확산기, 또는 다른 광학 요소일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 15a는 추가의 집속 광학 요소(101)에 의한 지향성-조명식 도파관 배열체 내에의 관찰 윈도우의 컬럼의 형성을 예시한 개략도이다. 또한, 도 15a는 예를 들어 도 14a에 도시된 바와 같은 조명 어레이(15)의 조명 요소(14)의 단일 컬럼(17)에 의한 관찰 윈도우(78)의 단일 컬럼의 형성을 정면도로 개략적으로 도시한다. 따라서, 유리하게는, 무안경 입체 디스플레이가 제1 및 제2 방향으로 지향성을 제공할 수 있다. 따라서, 광 추출 특징부(12) 및 선택적으로 프레넬 렌즈와 같은 임의의 추가의 광학계와 조합되어 반사 단부(4)의 이미지 형성에 의해 윈도우의 열이 생성될 수 있다. 예를 들어 도 5와 일치하는 이러한 실시예에서, 이는 측방향으로 양의 광파워를 갖는 반사 단부(4)에 의해 달성되며, 따라서 측방향을 가로질러 연장되는 광 추출 특징부(12)는 선형일 수 있다.
도 15b는 추가의 집속 광학 요소(101)에 의한 지향성-조명식 도파관 배열체 내에의 관찰 윈도우의 컬럼의 형성을 예시한 개략도이다. 또한, 도 15b는 반사 단부(4)가 평탄하며, 광 추출 특징부(12)가 측방향을 가로질러 연장되고, 그것들이 측방향으로 양의 광파워를 갖도록 선형인 대신에 만곡되는 추가의 실시예를 도시한다.
도 16은 도 14a에 도시된 바와 같은 조명 요소(126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140)의 컬럼(150, 152, 154, 156)을 포함한, x-y 평면에서 본 2차원 조명 어레이(15)의 일례를 도시한다. x-z 평면에서 지향성을 제공하는 집속 광학 요소(101)와 함께 사용되고, 반사 단부(2)의 광학계(또는 다른 실시예에서 다른 광학계)가 x-y 평면에서 지향성을 제공할 때, 출력 윈도우 형상은 전형적으로 상이한 종횡비를 가질 수 있다. 따라서, 2차원 조명 어레이(15)가 측방향으로 그리고 측방향에 수직한 방향으로 상이한 피치를 가질 수 있다. 이는 도 12에 기술된 바와 같은 반복 윈도우와 축(129)을 또한 도시한 도 17에 2차원 윈도우 어레이(78)에 의해 예시될 수 있다. 또한, 반사 광학계는 면(4)의 단부 표면과 추출 특징부(12)에 의해 제공될 수 있다. 도 17은 관찰 윈도우의 어레이를 예시한 개략도이다. 고 비대칭 광 방출 요소는 특정 실시예에 적합한 대로 정사각형의 또는 긴 수직 윈도우 프로파일을 제공할 수 있다.
이제 집속 광학 요소(101)의 몇몇 대안적인 형태가 설명될 것이다.
도 18 내지 도 20은 집속 광학 요소(101)가 도파관(1)으로부터 추가의 렌즈 요소인 예를 예시한다.
긴 만곡된 표면이 단차형 도파관(1)의 면(2)의 평탄한 표면을 향하도록 대략 역전되는 대안적인 집속 광학 요소(101)가 도 18에 도시된다. 도 18은 도파관 배열체와 추가의 집속 광학계를 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 그러한 실시예는 도 14a의 실시예에 비해 개선된 수차 성능을 제공할 수 있다. 따라서, 관찰 윈도우의 수직 간격이 덜 블러링될(blurred) 수 있고, 둘 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다.
도 19는 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 19는 집속 광학 요소(101)가 조명 요소 조명 어레이(15)에 접합될 수 있는 긴 렌즈를 포함할 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 시스템에서의 수차를 조정하기 위해 사용될 수 있고, 공기 표면의 개수를 감소시켜 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 에지 표면(103)은 경면 반사를 제공하여 조명 어레이(15)의 사이드 로브 이미지(side lobe image)를 제공하도록 배열될 수 있다. 이는 유리하게는 단차형 도파관 내에 커플링되기 위한 수직 방향으로의 추가의 관찰 방향을 달성하여, 수직 방향으로 관찰 자유도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 조명 요소 조명 어레이(15)로부터의 비-도파 모드가 집속 섹션 내에서 차단되어, 단차형 도파관의 가용 영역을 증가시킬 수 있다.
도 20은 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 20은 집속 광학 요소(101)가 유리하게는 이전 실시예의 재료-공기 계면에서의 프레넬 반사로 인한 손실을 감소시킬 수 있는 추가의 재료(105)를 포함할 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 재료(105)는 집속 광학 요소(101)의 재료에 비해 낮은 굴절률을 가질 수 있고, 예를 들어 플루오르화 재료, 실리콘, 에어로겔 또는 다른 저 굴절률 재료일 수 있다.
도 21은 집속 광학 요소(101)가 입력 단부(2) 그 자체를 형상화함으로써 형성되는 예를 예시한다. 도 21은 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 21은 유리하게는 광학 구성요소(101)의 두께를 감소시키도록 배열되는 프레넬 렌즈 구성요소를 포함할 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 요소는 공구 상에 형성될 수 있으며, 따라서 단차형 도파관(1)의 구조의 제조 중에 복제될 수 있다.
도 22와 도 23은 집속 광학 요소(101)가 렌즈 요소인 것보다는 반사성인 예를 예시한다.
도 22는 단차형 도파관과 반사 집속 광학 요소인 반사 집속 광학계를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 22는 만곡된 틸팅된 미러(115)를 포함한 반사 집속 광학 요소(101)를 포함할 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 미러는 색 수차를 감소시킬 수 있고, 실질적으로 밸브의 후방에 배열된 조명 어레이(15)로부터 광을 지향시키도록 배열될 수 있다.
도 23은 단차형 도파관과 추가의 반사 집속 광학 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 23은 예를 들어 미러(115)가 만곡될 수 있는 단차형 도파관의 단부(2) 상에 형성될 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 따라서, 미러의 형상이 공구 상에 형성될 수 있으며, 따라서 단차형 도파관(1)의 구조의 제조 중에 복제될 수 있다.
도 24와 도 25는 집속 광학 요소(101)가 도파관(1)으로부터 추가의 렌즈 요소와 도파관의 입력 단부(2)를 포함하는 다수의 섹션에 의해 형성되는 추가의 예를 예시한다.
도 24는 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소 조명 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 24는 집속 광학 요소(101)가 제1 및 제2 집속 섹션(107, 95)을 포함할 수 있으며, 제1 집속 섹션(95)이 도파관(1)의 입력 단부를 형상화함으로써 형성되는 렌즈 요소이고, 제2 집속 섹션(107)이 추가의 렌즈 요소에 의해 형성되는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 특히 고속 시스템에서 축외 조명에 대한 수차를 개선하여 휘도를 개선하기 위해 사용될 수 있다.
도 25는 단차형 도파관과 추가의 집속 광학 요소 조명 요소를 포함한 도파관 배열체를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 25는 도 26과 동일하지만 집속 광학 요소(101)가 또한 추가의 부가적인 렌즈 요소에 의해 형성되는 제3 집속 섹션(109)을 포함하는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 특히 고속 시스템에서 축외 조명에 대한 수차를 개선하여, 윈도우 평면에서 휘도와 색 균일성을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
이제 집속 광학 요소(101)가 주로 그것의 광학 축의 일측에 제공되는 몇몇 윈도우 배열이 설명될 것이다.
도 26은 조명 요소로부터 집속 광학 요소(101)에 의해 도파관(1) 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 예를 들어 도 14a의 조명 요소 쌍(126, 128)을 생성하는 단차형 도파관(1) 내에서의 반사로 인해, 각각의 수직 관찰 윈도우에 대해 단일 조명 요소를 구비하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 집속 광학 요소(101)는 전적으로 그것의 광학 축의 일측에 제공되는 반-렌즈 표면(90)에 의해 형성될 수 있으며, 따라서 조명 요소(142)가 광선(91, 92)으로 이미지 형성되어 단차형 도파관의 xz 평면에서 원추각(94)을 달성할 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 주어진 수직 윈도우 구조에 대해 조립하기에 더욱 간단하여 비용을 감소시킬 수 있다.
도 27은 추가의 렌즈 요소에 의해 형성되는 추가의 섹션(96)을 포함하는 것을 제외하고는 도 26의 그것과 동일한 집속 광학 요소(101)에 의한 조명 요소로부터 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 26에서와 같이, 집속 광학 요소(101)는 전적으로 그것의 광학 축의 일측에 형성된다. 이전에 기술된 바와 같이, 그러한 실시예는 유리하게는 시스템의 수차를 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 기술된 그리고 당업계에 알려져 있는 다른 수차 및 휘도 개선 기술이 이들 반 렌즈 실시예에 채용될 수 있다. 유사한 이점이 반드시 전적으로는 아니지만 주로 그것의 광학 축의 일측에 제공되는 집속 광학 요소(101)에 의해 제공될 수 있다.
도 28은 조명 요소로부터 집속 광학 요소(101)에 의해 경사진 입력 면을 갖춘 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 28은 입력 단부(2)가 단차형 도파관(1)의 제1 안내 표면(6)의 표면과 제2 안내 표면(10)에 대해 경사지는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 단차형 도파관(1)으로의 입력은 입력의 반-원추 내로 제공될 수 있으며, 따라서 조명 어레이(15)의 조명 요소는 도 14a에 관하여 기술된 중복을 갖지 않을 수 있다. 또한, 조명 요소는 밸브의 타일링(tiling)의 용이함을 개선하기 위해 단차형 도파관(1)의 후방에 배열될 수 있고, 단차형 도파관(1) 내에서 반대 방향으로 전파되는 광의 면(2)으로부터의 반사로 인한 크로스토크가 더욱 감소될 수 있다.
위의 실시예에서, 조명 요소는 측방향에 수직하게(그리고 측방향으로) 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 분포되고, 집속 광학 요소가 입력 광을 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 도파관(1) 내에서 지향시키기 위해 사용된다. 이와 대조적으로, 이제 조명 요소가 단지 측방향으로 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 분포되고, 편향기 요소가 입력 광을 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향으로 도파관(1) 내에서 지향시키기 위해 사용되는 몇몇 도파관 배열체가 설명될 것이다.
도 29는 틸팅 미러 형태의 편향기 요소를 포함한 도파관 배열체에서 조명 요소로부터 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 29는 입력 각도의 범위를 갖는 광을 단차형 도파관(1) 내로 지향시키기 위한 추가의 실시예를 도시한다. 조명 시스템은 측방향으로 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 분포되는 조명 요소(271)의 1차원 어레이를 포함한다. 따라서, 그것들은 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치로부터 입력 광을 제공한다.
이러한 실시예에서, 예를 들어 레이저 또는 다른 고 지향성 광원인 조명 요소(271)는 빔으로 광을 출력할 수 있다. 광원 어레이는 예를 들어 모놀리식 또는 수직-캐비티 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)일 수 있는 에지 방출 레이저의 어레이를 포함할 수 있다.
조명 요소(271)는 광을 실질적으로 조명 요소(271)와 도파관(1)의 입력 단부(2) 사이에 배열되는 편향기 요소를 형성하는 회전가능 미러(273) 상으로 지향시킨다. 미러(273)는 측방향에 수직하게 조명 요소에 의해 출력된 광을 편향시키고, 광을 상이한 양만큼 편향시키기 위해 회전될 수 있다. 예를 들어, 제1 미러 위치에서, 광선(275)이 도입될 수 있고, 제2 미러 위치에서, 광선(277)이 도입될 수 있으며, 제3 위치에서, 광선(279)이 도입될 수 있다. 따라서, 광선들(275, 277, 279) 사이의 입력 각도가 입력 광의 입력 방향에 따라 측방향에 수직 방향으로 제1 안내 표면(6)의 법선에 대해 분포되는 방향으로 출력 광을 제공할 수 있다. 이는 관찰 윈도우(78)의 형성을 제공한다.
이러한 방식으로, 관찰 윈도우의 2차원 어레이가 달성될 수 있다. 유리하게는, 그러한 조명 요소(271)는 감소된 크기의 입력 개구(2)를 채용하여, 단차형 도파관(1) 효율을 증가시키고 크로스토크를 감소시킬 수 있다. 또한, 홀로그램과 같은 회절 광학 요소, 예를 들어 홀로그램 반사기가 면(4)에 사용될 수 있다. 또한, 광원은 2차원 윈도우 어레이를 달성하기 위해 어드레스가능한 어레이로 제공될 수 있다.
또한, 위의 실시예에서, 확산기(281)가 미러(273)와 도파관(1) 사이에, 예를 들어 도 29에 도시된 바와 같이 도파관의 입력 단부(2) 상에 제공될 수 있다. 확산기(281)는 광을 주로 측방향에 수직한 방향에 비해 측방향으로 확산시키도록 배열되는 비대칭 확산기일 수 있다. 확산기(281)는 스페클의 가시성을 감소시키면서 단차형 도파관(1)의 평면에서의 측방향 빔 확산을 증가시키기 위해 통합될 수 있다. 안내 부분 내에서의 광의 제한된 확산이 수직 방향으로 윈도우들(78) 사이의 블러링을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 30은 다음의 변경을 제외하고는 도 29의 그것과 유사한 도파관 배열체에서 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 광을 빔으로 출력하는 조명 요소(271) 대신에, 광을 모든 방향으로 출력하는 패키지(501) 내의 조명 요소(500)가 사용된다. 이러한 도파관 배열체는 조명 요소(500)와 미러(273) 사이에 배열되는, 측방향에 수직한 방향으로 양의 광파워를 갖는 집속 광학 요소(502)를 포함한다(그러나 그것은 더욱 일반적으로는 조명 요소(500)와 도파관(1) 사이의 어딘가에 있을 수 있음). 조명 요소(500)는 실질적으로 시준된 광을 출력하기 위해 집속 광학 요소(502)를 조명하도록 배열된다. 따라서, 광선속(504, 508, 506)이 미러(273)의 각각의 상이한 위치에 대해 도파관(401) 내에 제공된다. 도 29의 배열과 비교하면, 작동은 실질적으로 동일하지만, 조명 요소(500)는 비간섭성 광원일 수 있으며, 따라서 백색 광원에 의해 제공될 수 있다.
도 31a는 조명 요소(500)가 도 30에 도시된 배향으로 배열된, 도 30의 도파관 배열체에 사용될 수 있는 조명 시스템을 측면도로 예시한 개략도이다. 조명 요소(500)는 1차원 어레이로서 도시되지만, 미러(273)의 단일 위치로부터 도파관 내에서 다수의 제어가능한 전파 방향을 달성하기 위해 하나 초과의 광원의 스트라이프(stripe)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(505)가 동기화 신호를 미러(273) 컨트롤러(507)에 그리고 픽셀 데이터를 이미지원(503)으로부터 입력 어레이의 광원(500)에 분배하도록 배열될 수 있다. 따라서, 공급된 이미지 데이터가 미러 위치와 수평 및 수직 각도가 상응하게 변조된 출력 방향과 동기화될 수 있다. 무안경 입체 데이터와 같은 원거리장 디스플레이에서, 이미지원(503)은 윈도우 조명 데이터를 제공하는 한편, 도 39a에 관하여 설명될 바와 같은 근안 디스플레이에서, 이미지원(503)은 픽셀 데이터를 제공한다.
도 31b는 도 30의 도파관 배열체에 사용될 수 있는 추가의 조명 시스템을 측면도로 예시한 개략도이다. 단일 미러(273)는 도파관으로의 윈도우 또는 픽셀 데이터의 분배의 증가된 제어를 달성하고 미러 질량을 감소시켜, 미러 액추에이터의 비용과 복잡성을 감소시키기 위해 개별적으로 제어가능한 미러(510, 512, 514)의 어레이로서 배열될 수 있다. 미러 액추에이터는 예를 들어 갈보 또는 MEMS일 수 있다. 유리하게는, 측방향에 직교하는 방향으로 낮은 해상도를 갖는 광원으로부터 높은 해상도의 지향성 출력이 달성될 수 있다. 또한, 그러한 디스플레이는 고속 임펄스 응답 기능을 달성할 수 있고, 고속 이동 데이터에 적합할 수 있다.
도 32와 도 33은 입력 단부가 안내 표면 중 하나의 연장부이고, 입력 단부를 향하는 커플러(coupler)가 입력 광을 도파관을 따라 지향시키기 위해 사용되는, 도파관(1)의 입력 단부에 대한 대안적인 배열을 예시한다.
도 32는 격자 커플링 요소(grating coupling element)(287) 형태의 홀로그램 편향기 요소인 커플러를 포함한 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 조명 어레이(15)와 집속 광학 요소(101)는 입력 단부가 광을 실질적으로 안내 표면 중 다른 하나 상에 대향하여 배열되는 격자 커플링 요소(287)를 향해 커플링시키기 위해 안내 표면 중 하나의 연장부이도록 단차형 도파관(1)의 후방에 배열될 수 있다. 입사 광선(289)이 격자 커플링 요소(287)에 입사할 수 있고, 이때 그것들은 단차형 도파관(1)의 입력 개구 내로 반사되어 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 격자 커플링 요소(287)는 예를 들어 효율을 최적화시키기 위해 홀로그램의 적층체를 포함하는 체적 반사 홀로그램 또는 표면 양각 회절 반사기를 포함할 수 있다. 또한, 광학 요소(101)의 기능은 격자 커플링 요소(287)의 편향 기능과 조합될 수 있다.
도 33은 경사진 긴 반사 표면(291, 293)의 어레이 형태의 프리즘형 편향기 요소인 커플러를 포함한 단차형 도파관 내로의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 조명 어레이(15)와 집속 광학 요소(101)는 입력 단부가 안내 표면 중 하나의 연장부이도록 단차형 도파관(1)의 후방에 배열될 수 있다. 반사 표면(291, 293)은 실질적으로 광을 조명 어레이(15)와 광학 요소(101)로부터 단차형 도파관(1) 내로 지향시키도록 조명 어레이(15)에 대향하여 배열된다. 따라서, 광선(283)이 표면(291)에 입사하고 실질적으로 단차형 도파관 내로 반사될 수 있다. 표면(293)에 입사하는 광선(285)이 대략 반대 방향으로 반사될 수 있고, 표면(295)에 입사할 수 있으며, 이어서 광학 밸브의 단차형 도파관(1) 내로 반사될 수 있다. 표면(291, 293)은 또한 더욱 편리하게 복제되고 반사 재료로 코팅될 수 있는 보다 낮은 높이의 구조체를 제공하기 위해 프리즘의 어레이로서 배열될 수 있다.
도 34a는 본 실시예의 조명 요소로서 LED의 2차원 조명 어레이(15)에 대한 배열을 측면도로 도시하고, 도 34b는 그것을 정면도로 도시한다. 조명 어레이(15)는 다음과 같이 배열된다. 기판(210)이 그것 상에 형성되는 질화 갈륨 청색 방출 LED(212)의 어레이와 LED의 어레이에 대한 제어가능한 전기 접속을 제공하도록 배열되는 와이어 본드(wire bond)(214)를 구비할 수 있다. 캐비티(216)의 어레이가 유리하게는 실질적으로 개별적으로 제어가능한 실질적으로 분리된 그러나 인접한 백색 조명 요소의 어레이를 제공하기 위해 출력부에 배열된 캐리어 판(220) 상의 인광체 층(218)을 포함한 인광체 판과 청색 광 사이의 광학적 분리를 제공하도록 LED(212) 주위에 형성될 수 있다.
도 34c는 LED의 대안적인 조명 어레이(15)를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 34c는 인광체 판이 캐비티(216) 내에의 인광체의 통합에 의해 대체되는 LED의 대안적인 배열을 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 LED들 사이의 추가의 광학적 식별을 제공하여 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
도 34c는 또한 조명 요소(214)의 어레이와 정렬될 수 있는 선택적 공간 광 변조기(219)를 도시한다. 공간 광 변조기(219)는 LED(212)보다 높은 해상도로 배열되는 픽셀(221)을 구비할 수 있고, 액정 셔터(liquid crystal shutter)를 포함할 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 편리하게는 개별 LED로 달성될 수 있는 보다 높은 조명 요소 어레이 해상도를 제공할 수 있다. LED(212)는 연속적으로 조명될 수 있거나, 유리하게는 크로스토크를 감소시키기 위해 SLM(219)의 픽셀과 협동하여 조명되도록 배열될 수 있다.
도 11 내지 도 34c에 관하여 전술된 도파관 배열체 중 임의의 것이 지향성 디스플레이 디바이스에 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 투과성 SLM(48)이 도 1 내지 도 10의 지향성 디스플레이 디바이스와 유사한 방식으로 도파관의 제1 안내 표면(6)을 가로질러 연장되도록 배열된다. SLM(48)은 도파관(1)으로부터 출력되는 광을 변조시킨다. 디스플레이 장치가 그러한 지향성 디스플레이 디바이스와, 광을 출력 방향에 대응하는 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 조명 어레이(15)를 선택적으로 작동시키도록 배열되는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 이제 전술된 도파관 배열체 중 임의의 것을 포함하도록 구성될 수 있는 그러한 디스플레이 장치의 일례가 설명될 것이다.
도 35는 지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함한 시간 다중화 디스플레이 장치의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 그것 자체가 단차형 도파관(1)과 조명 어레이(15)를 포함하는 도파관 배열체를 포함한다. 이러한 예에서, 집속 광학 요소(101)는 지향성 조명을 제공하는 것으로 예시된다. 집속 광학 요소(101)는 조명 어레이(15)로부터의 광을 전술된 바와 같이 윈도우(78)의 2차원 세트를 생성할 수 있는 단차형 도파관 내로 지향시킬 수 있다. 그러나, 지향성 디스플레이 디바이스는 대안적으로 예를 들어 미러(238)를 비롯한 전술된 다른 도파관 배열체 중 하나를 포함할 수 있다.
단차형 도파관(1)은 광 지향 면(8), 반사 단부(4), 안내 특징부(10) 및 광 추출 특징부(12)를 포함한다. 지향성 디스플레이 디바이스(100)는 도파관(1)의 제1 안내 표면(6)을 가로질러 연장되는 그리고 그것으로부터 출력되는 광을 변조시키는 SLM(48)을 추가로 포함한다.
도파관(1)은 전술된 바와 같이 배열된다. 반사 단부(4)는 반사된 광을 수렴시킨다. 프레넬 렌즈(62)가 단차형 도파관으로부터의 시준된 출력 광을 관찰 평면에 있는 관찰 윈도우(78)로 지향시켜, 단차형 도파관(1)의 출력을 가로질러 디스플레이 출력을 퓨필레이팅(pupillating)하기 위해 반사 단부(4)와 협동하도록 배열될 수 있다.
또한, 확산기(68)가 도파관(1)과 SLM(48)의 픽셀 및 프레넬 렌즈 구조체(62) 사이의 모아레 맥놀이(
Figure 112019134013488-pat00002
)를 실질적으로 제거하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 예시적인 예에서, 대략 2.5도의 간격의 윈도우의 경우, 확산기(68)는 적절한 윈도우 간격과 관찰 거리에 따라, 예를 들어 대략 1-3도의 대칭 확산각을 가질 수 있다(측방향으로(y-축) 그리고 측방향에 수직하게(x-축)). 대안적으로, 윈도우 크기가 수평 및 수직 관찰 방향으로 상이하면, 확산기는 비대칭일 수 있고, 특정 방향으로 윈도우 원추각으로 적절히 블러링하도록 배열될 수 있다.
도 35는 또한 단차형 도파관(1)의 면(8)을 가로질러 상이한 광 추출 특징부(12)로부터 광선(71, 73)의 전파를 도시한다. 특징부(12) 각각은 동일한 경사 또는 틸트로 배열될 수 있으며, 따라서 광선(71, 73)은 프레넬 렌즈(62)에 입사하기 전에 대략 평행할 수 있고, 윈도우 평면 내의 윈도우(78)를 향해 집속될 수 있다.
이제 제어 시스템의 배열과 작동이 설명될 것이다. 제어 시스템은 관찰 영역으로부터 디스플레이를 관찰하는 관찰자(238)의 디스플레이 디바이스에 대한 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 센서 시스템은 카메라와 같은 위치 센서(70)와, 예를 들어 컴퓨터 비전 이미지 처리 시스템을 포함할 수 있는 머리 위치 측정 시스템(72)을 포함한다. 제어 시스템은 둘 모두 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터 제공되는 관찰자(238)의 검출된 위치를 제공받는 조명 컨트롤러(74)와 이미지 컨트롤러(76)를 추가로 포함할 수 있다.
조명 컨트롤러(74)는 도파관(1)과 협동하여 광을 2차원 윈도우 어레이 내의 선택된 관찰 윈도우(76) 내로 지향시키도록 조명 어레이(15)의 조명 요소를 선택적으로 작동시킨다. 조명 컨트롤러(74)는 광이 지향되는 관찰 윈도우(78)가 관찰자(238)의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있도록 머리 위치 측정 시스템(72)에 의해 검출된 관찰자(238)의 위치에 따라 작동될 조명 요소(15)를 선택한다. 이러한 방식으로, 도파관(1)의 출력 지향성이 관찰자 위치에 상응한다. 조명 컨트롤러(74)는 관찰자(238)의 위치가 주어지면 출력에 대한 정확한 조명 위상과 방향을 결정하며, 따라서 주어진 시간에 조명 어레이(15)의 어느 조명 요소가 조명되어야 하는지를 결정할 수 있다.
이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 이미지를 표시하도록 제어한다. 무안경 입체 디스플레이를 제공하기 위해, 이미지 컨트롤러(76)와 조명 컨트롤러(74)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 시간 다중화된 좌안 및 우안 이미지를 표시하도록 제어한다. 조명 컨트롤러(74)는 광원(15)을 좌안 및 우안 이미지의 디스플레이와 동기식으로 광을 관찰자(238)의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 각각의 관찰 윈도우(78) 내로 지향시키도록 작동시킨다. 이러한 방식으로, 무안경 입체 효과가 시분할 다중화 기술을 사용하여 달성된다.
도 36은 다음의 변경을 제외하고는 도 35의 그것과 동일한 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 이러한 예에서, 단차형 도파관은 도파관(1)의 광학 축을 따라 변하는 경사를 갖는 광 추출 특징부(12)의 어레이를 포함한다. 예를 들어, 광 추출 특징부(75)가 광 추출 특징부(77)의 경사각(177)보다 큰 경사각(175)을 가질 수 있다. 특징부(75, 77)의 경사는 퓨필레이션 기능을 제공하여, 어레이(15) 내의 광원의 주어진 열에 대해 윈도우 평면 내의 실질적으로 동일한 윈도우(79)를 향한 광선(71, 73)의 이미지 형성을 제공하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 프레넬 렌즈(62)가 생략되어 장치의 비용과 부피를 감소시킬 수 있다.
도 37은 도 35의 제어 시스템에 의해 구현되는 가능한 유형의 제어를 예시하기 위해 관찰 윈도우(160)의 2차원 어레이와 관찰자 위치를 도시한 개략도이다. 또한, 도 37은 제어 시스템이 다수의 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이를 구현할 때 디스플레이 장치의 출력의 일부를 도시한다. 2차원 어레이는 수직 방향으로의 피치가 수평 방향으로의 피치보다 크도록 긴 수직 윈도우(160)를 포함할 수 있다. 관찰자 눈 위치가 좌안 동공 위치(162, 164)와 우안 동공 위치(163)에 의해 표시된다. 유리하게는, 그러한 실시예는 한 관찰자의 우안 동공 위치(162)가 대체로 상이한 관찰자의 좌안 동공 위치(164) 바로 아래에 정렬되는 것을 달성할 수 있다. 따라서, 윈도우(165)가 우안 이미지 위상으로 조명되는 한편, 윈도우(167)가 좌안 이미지 위상으로 조명된다. 또한, 본 실시예는 관찰자가 경사진 위치로부터 디스플레이를 볼 때 일어날 수 있는 것과 같은 틸팅된 눈 배향을 갖는 관찰자의 동공 위치(166)를 가능하게 할 수 있다. 이러한 경우에, 이미지 데이터는 눈 간격의 틸팅된 기준선 방향에 맞게 조절될 수 있으며, 이는 이미지 컨트롤러(76)에 의해 달성될 수 있다.
도 37의 논의를 계속하면, 디스플레이(48) 상의 이미지 데이터의 어드레싱 중에, 동일한 좌안 및 우안 데이터가 동일한 머리 틸트를 갖는 관찰자의 각각의 눈에 제공될 수 있다. 따라서, 좌안 동공 위치(162)와 대략 정렬된 윈도우는 상이한 사용자의 좌안 동공 위치(164)와 대략 정렬된 윈도우와 실질적으로 동시에 조명될 수 있다. 그러나, 동공 위치(166)를 갖는 관찰자가 일정 틸트각으로 위치될 수 있어, 뷰 데이터가 그들의 눈 배향으로 가장 잘 정렬되지 않을 수 있다. 추가의 실시예에서, 동공 위치(166)를 갖는 관찰자의 우안 및 좌안은 다른 관찰자와 상이한 시간에 조명될 수 있고, 그 관찰자에 대한 정확한 이미지 데이터가 제공될 수 있다. 유리하게는, 그러한 디스플레이는 상이한 눈 배향을 갖는 다수의 관찰자를 정확하게 추적할 수 있다.
유리하게는, 수직으로 확장된 윈도우는 다양하게 위치된 관찰자들 사이의 구별을 제공하기 위해 조명 어레이(15) 내의 소수의 수직으로 분리된 조명 광 방출 요소로부터 x 방향으로 보다 높은 수직 관찰 범위를 제공할 수 있다. 관찰 윈도우의 y 방향으로의 보다 좁은 측방향 간격은 낮은 수준의 깜박거림을 갖는 낮은 크로스토크 측방향 추적이 달성될 수 있게 할 수 있다.
도 38a는 출력 관찰 방향을 제한하도록 배열된 도파관 배열체를 측면도로 예시한 개략도이다. 도파관 배열체는 조명 요소(314), 집속 광학 요소(101) 및 단차형 도파관(1)을 포함한다. 또한, 도 38a는 입력 조명 어레이(15)가 집속 광학 요소(101)와 조합된, 수직 방향으로 단일 조명 요소(314)를 포함하는 추가의 실시예를 도시한다. 본 실시예는 단차형 도파관 내에서 좁은 조명 원추(316)를 달성할 수 있다. 이는 반대 전파 방향으로 광 추출 특징부(12)와 면(4)의 미러 표면에 입사하는 각도의 작은 범위를 제공할 수 있으며, 따라서 윈도우 필드 곡률이 최대 원추각 조명에 비해 감소될 수 있다. 출력은 수직 확산기(68)에 의해 수직 방향으로 확산될 수 있다. 또한, 광 원추(316)는 은 도금을 채용함이 없이 광 추출 특징부(12)에 의해 효율적으로 지향되어, 비용을 감소시키고 효율을 증가시킬 수 있다. 유리하게는, 이러한 실시예는 광 추출 특징부(12)에서의 굴절을 감소시킴으로써 단차형 도파관의 후방으로의 광의 감소된 누출로 인해 감소된 크로스토크를 달성할 수 있다.
도 38a의 논의에 추가하여, 밸브, 2D 백라이트, 반사기, 편광 재순환 광학 요소 등과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 추가의 광학 구성요소(318)가 단차형 도파관(1)의 후방에 배열될 수 있다. 유리하게는, 본 실시예는 광이 실질적으로 구성요소(318)를 향해 출사함이 없이 내부 전반사에 의존하여, 광 추출 특징부(12)가 금속화되지 않을 수 있게 할 수 있다. 비교로서, 광이 구성요소(318)를 향해 출사하였으면, 광은 광학 시스템 내에서 재순환되어, 방향(320)으로 전파되어서, 원하지 않는 크로스토크와 이미지 아티팩트(image artifact)를 생성할 수 있다. 또한, 본 실시예는 금속화된 특징부(12)를 채용하지 않을 수 있어, 유리하게는 특징부(12)와 구성요소(318)의 구조 사이의 모아레가 감소되거나 제거될 수 있다.
도 38b는 공간 광 변조기(48)와 통합된 도파관 배열체를 포함한 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 38b는 편광기(324, 332), 기판(326, 330) 및 전환가능 액정 층(328)을 포함한 액정 디스플레이를 포함한 공간 광 변조기(48)의 입력 표면에 배열된 도 38a의 장치를 포함한 추가의 실시예를 도시한다. 단차형 도파관 내에서 전파되는 제한된 원추각(316)은 면(4)에서 단차형 도파관에 의해 제공될 수 있는 임계각을 증가시킬 수 있다. 예시적인 예에서, 대략 77° 미만의 면(6)의 표면 계면에서의 임계각을 갖는 단차형 도파관에 의해 대략 26°의 총 원추각(316)이 안내될 수 있다. 그러한 계면은 예를 들어 대략 71°의 임계각을 제공하는, 대략 1.4의 굴절률의 저 굴절률 코팅 층(322)과 함께, 대략 1.5의 단차형 도파관(1)의 벌크 굴절률에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 층(322)의 재료는 실리콘, 에어로겔, 플루오르화 중합체 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않을 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 액정 패널에 의해 기계적으로 안정화될 수 있는 감소된 두께의 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 프레넬 반사로 인한 광 손실이 특징부(12)로부터의 출력 광에 대해 최소화되어, 디스플레이 시스템에서의 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
도 11 내지 도 34c에 관하여 전술된 도파관 배열체 중 임의의 것이 이미지의 근안 디스플레이를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 조명 시스템은 출력 광이 이미지를 시준된 이미지로서 나타내도록 표시될 이미지에 따라 작동될 수 있다. 즉, 측방향 및 수직 방향으로 지향된 출력 광의 상이한 방향이 이미지에 따라 변조된다. 따라서, 근안 디스플레이 장치에서, 도파관 배열체는 표시될 이미지를 나타내는 이미지 데이터에 따라 입력 광을 제공하도록 조명 시스템을 작동시키는 제어 시스템과 조합될 수 있다. 특히, 조명 시스템은 이미지 데이터의 횡렬 및 종렬에 따라, (a) 상이한 측방향으로 출력 광의 분포를 제공하는 상이한 측방향 위치와 (b) 측방향에 수직한 상이한 방향으로 출력 광의 분포를 제공하는 측방향에 수직한 상이한 방향으로 지향시키도록 제어된다.
광선이 시준됨에 따라, 관찰자가 도파관(1)을 볼 때, 관찰자의 눈은 망막 상에 이미지의 초점을 맞추며, 따라서 원거리 이미지로서 인지된다. 용어 "시준된"은 정확히 평행하거나 어느 정도의 발산을 갖는 광을 비롯하여 광이 관찰자의 망막에 초점이 맞추어지도록 충분히 시준됨을 의미하기 위해 사용된다.
이제 전술된 도파관 배열체 중 임의의 것을 포함하도록 구성될 수 있는 그러한 근안 디스플레이 장치의 예가 설명될 것이다.
도 39a는 관찰자의 눈에 커플링된 근안 디스플레이 장치로부터 출력되는 광을 측면도로 예시한 개략도이다. 도 39a는 지향성-조명식 도파관(401)의 제1 안내 표면(406)에 근접한 관찰자(238)의 눈에 의한 광선(417)의 이미지 형성을 예시한다. 조명 어레이(415)는 조명 요소의 2차원 어레이를 포함한다. 원하는 해상도를 제공하기 위해, 조명 어레이(415)는 도 39b 내지 도 39e에 관하여 예시적인 실시예에 의해 기술될 바와 같이 백라이트와 공간 광 변조기에 의해 형성될 수 있다.
각각의 픽셀로부터의 광선이 관찰자(238)에 대한 조명 어레이(415)의 확대된 이미지를 달성하기 위해 각각의 출력 방향으로 각각의 각도 출력 윈도우(78) 내로 지향된다. 따라서, 각각의 각도 출력 윈도우(78)는 관찰된 이미지의 확대된 픽셀을 제공한다.
조명 요소의 2차원 어레이를 포함하는 조명 어레이(415)에 대한 대안으로서, 조명 어레이는 단지 측방향으로 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 분포되는 조명기 요소의 1차원 어레이와, 예를 들어 도 31a에 도시된 바와 같이 배열되고 전술된 바와 같이 작동하는 편향기 요소를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 제어 시스템은 이미지 데이터의 연속적인 선을 표시하도록 조명기 요소를 작동시키고, 그들 연속적인 선의 광을 측방향에 수직한 상이한 방향으로 지향시키도록 그것과 동기화되어 편향기 요소를 작동시킨다.
예시적인 실시예에서, 도파관(401)은 1 mm 두께의 입력 단부(2)와 3 mm 두께의 반사 단부(4)를 구비할 수 있다. 도파관(401)의 길이는 40 mm일 수 있고, 반사 단부에서의 폭은 20 mm일 수 있으며, 실질적으로 도 31a에 도시된 것과 같은 조명 시스템에 의해 측방향으로 충전될 수 있다. 따라서, 측방향으로 공기 중에서 각도 필드 크기는 대략 21도일 수 있다. 따라서, 근안 디스플레이 디바이스는 300 mm 관찰 거리에 대해 110 mm의 등가 폭을 갖는 것으로 보일 수 있다. 광 지향 특징부(412)는 제2 안내 표면(8)의 전체 영역에 걸쳐 배열될 수 있거나, 제어된 이미지를 제공하고 디바이스 효율을 증가시키기 위해 보다 작은 영역, 예를 들어 반경 7 mm의 원형 영역에 걸쳐 배열될 수 있다. 도파관(401)은 입력 면에서 z-방향으로 공기 중에서 +/-12도의 총 입력각을 갖는 광 원추에 의해 조명될 수 있다. 따라서, 미러(273)는 +/-6도의 총 각도를 통해 회전할 수 있다. 조명 어레이는 크기 10x10 마이크로미터의 1920개 광원을 포함하는 20 mm 길이 및 10 마이크로미터 높이를 갖는 선형 어레이로서 배열될 수 있다. 미러(273)는 60 ㎐ 주파수로 진동할 수 있고, 광원은 15 마이크로초마다 업데이트될 수 있다. 따라서, 해상도 1920x1080의 60 ㎐ 이미지가 달성될 수 있다.
추가의 예시적인 실시예에서, 도파관(401)은 도 16에 도시된 바와 같은 조명 어레이(15)를 추가로 포함하는 3 mm 두께의 반사 단부(4)와 1 mm 두께의 입력 단부(2)를 구비할 수 있다. 도파관(401)의 길이는 20 mm일 수 있고, 반사 단부(4)에서의 폭은 10 mm일 수 있으며, 이때 조명 어레이의 측방향 폭은 10 mm이다. 따라서, 측방향으로 공기 중에서 각도 필드 크기는 대략 21도일 수 있다. 도파관은 입력 면(2)에서 측방향에 수직한 z-방향으로 공기 중에서 12도의 총 입력각을 갖는 광 원추에 의해 조명될 수 있다. 광학 집속 요소(101)의 초점 거리는 5 mm일 수 있고, 조명 요소의 총 높이는 1 mm일 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같은 조명 요소는 개별 픽셀 피치가 대략 15x3 마이크로미터이도록 640x360 픽셀의 컬러 픽셀의 해상도를 가질 수 있다. 색 출력은 백색 광원의 어레이와 정렬되는 색 선택 스위칭 요소를 추가로 포함하는, 대략 5x3 마이크로미터의 피치의 별개의 적색, 녹색 및 청색 픽셀에 의해 또는 시계열적 색 작동에 의해 제공될 수 있다.
도 39b 내지 도 39e는 도 39a의 근안 디스플레이 장치 내의 단차형 도파관으로 입력되는 광을 측면도로 예시한 개략도이고, 조명 어레이(415)의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 39b는 규소 상층 액정(liquid crystal on silicon, LCOS)과 같은 반사 SLM(800)을 측면도로 예시한 개략도이다. 적색, 녹색 및 청색 LED를 포함할 수 있는 광원(804)이 빔스플리터 입방체(806) 또는 대안적으로 빔스플리터 판에 의해 SLM(800)을 순차적으로 조명하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 고 해상도 픽셀이 시간 다중화에 의해 달성되는 색 성능을 갖고서 배열되어, 별개의 적색, 녹색 및 청색 픽셀을 포함하는 SLM에 비해 생성된 이미지의 해상도를 더욱 증가시킬 수 있다.
도 39c는 백라이트(808)에 의해 조명되는 LCD와 같은 투과성 SLM(810)을 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 도 39b의 빔스플리터(806)가 제거되어, 비용, 부피 및 복잡성을 감소시킨다.
도 39d는 규소 디스플레이 상의 OLED와 같은 방출 SLM(812)을 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 도 39b의 빔스플리터(806)가 제거되어, 비용, 부피 및 복잡성을 감소시키고, 도 39c의 추가의 백라이트(808)가 요구되지 않는다.
도 39e는 LED 바와 같은 방출 SLM(814)을 측면도로 예시한 개략도이다. SLM(814)은 미러(273)의 회전시, 색 및 공간 데이터가 미러 위치와 동기화되어 도파관 내의 각도 공간에서 정렬을 달성하도록, 적색, 녹색 및 청색 광 방출 요소일 수 있는 광 방출 요소의 열(816, 818, 820)을 포함할 수 있다. 유리하게는, 측방향에 수직한 방향으로 어레이(415)의 해상도가 도 39b 내지 도 39d의 배열에 비해 증가될 수 있다.
그러한 디스플레이는 예를 들어 규소 백플레인(backplane) 상에 배열된 유기 발광 다이오드 구조체, 또는 규소 디바이스 구조체 상의 액정에 의해 달성될 수 있다.
도 40과 도 41은 집속 광학 요소(101)를 통해 조명 요소의 2차원 어레이를 포함한 조명 어레이(415)에 의해 지향성으로 조명된 도파관(401)을 포함한 근안 디스플레이 장치의 작동을 각각 측면도와 정면도로 예시한 개략도이다.
도파관(401)은 조명 어레이(415) 내의 픽셀(414)로부터의 광선(405)을 실질적으로 시준시키도록 배열되는 반사 단부(404)를 포함한다. 도파관(401)은 3개의 비-추출 영역(403)과 비-추출 영역들(403) 중간에 있는 2개의 광 추출 영역(407, 409)을 구비한다. 비-추출 영역(403)에서, 제2 안내 표면(400)은 어떠한 광 추출 특징부 없이 평탄하며, 따라서 제1 안내 표면(406)과 제2 안내 표면(400)의 평탄한, 평행한 부분을 포함한다. 광 추출 영역(407, 409)에서, 제2 안내 표면(400)은 광 추출 특징부(412)를 구비하여 단차형 도파관을 제공한다. 관찰자(238)의 눈 동공 위치가 광 추출 영역(407, 409)에 정렬되어 도시된다.
작동 중, 제1 패스에서, 광선(405)이 비-추출 영역(403)과, 제2(반대 방향 전파) 패스에서 광 추출을 제공할 수 있는 제2 광 추출 영역(407, 409)을 통해 전파된다. 광은 제1 패스 중에 추출되지 않는다. 광선(405)은 이어서 반사 단부(4)에 대해 전술된 것과 유사한 방식으로 면(404)에서 반사되며, 거기에서 그것은 제2 패스에서 시준되고 다시 밸브를 따라 복귀될 수 있다. 따라서, 비-추출 영역(403)을 통과하는 광은 그것이 광 추출 영역(407, 409)에 입사할 때까지 실질적으로 손실 없이 통과되며, 거기에서 그것은 광 추출 특징부(412)에서 상향으로 지향된다. 따라서, 눈이 광 추출 영역(407, 409)에 근접하게 위치된 관찰자(238)가 어레이(415)로부터 광을 수광할 것이다. 어레이의 광 출력의 지향성이 보존되어, 후술될 바와 같이 관찰자가 어레이의 직교 축에 대해 상이한 배율로 어레이(415)의 확대된 이미지를 볼 수 있다. 유리하게는, 영역(403)이 광 추출을 제공하지 않아, 디바이스 효율이 증가될 수 있다. 대안적으로, 영역(403)은 최상의 관찰 위치를 발견할 자유도를 증가시키기 위해 생략되거나 크기가 감소될 수 있다.
제1 및 제2 광 추출 영역(407, 409)은 디스플레이를 두 눈으로 볼 수 있도록 제공될 수 있다. 대안적으로, 디스플레이는 단안용일 수 있다.
도 42는 전술된 바와 같은 도파관 배열체와 제어 시스템을 포함한 근안 디스플레이 장치의 측면도를 예시한 개략도이다. 제어 시스템은 요소를 포함하고, 조명기 어레이(415)를 제어하기 위해 다음과 같이 작동하도록 배열된다.
디바이스 통신기(720), 예를 들어 휴대 전화와 같은 원격 디바이스(719)에 대한 블루투스 인터페이스가 표시될 이미지를 나타내는 이미지 데이터를 디바이스에 전달하도록 그리고 예를 들어 안경의 암(arm) 상에 배열될 수 있는 인터페이스 컨트롤러(722)와 터치 패널(721)로부터 제어 데이터 인터페이스를 제공하도록 배열될 수 있다. 이미지 데이터는 조명 어레이(415)를 구동시키도록 배열되는 디스플레이 드라이버(724)로 지향될 수 있다. 이미지 데이터는 안경 상에 장착된 카메라 디바이스와 같은 주변 광 센서로부터의 신호에 의해 변조될 수 있다. 주변 환경이 광 수준을 증가시켰으면, 디스플레이로의 출력이 그에 맞춰 보상하도록 변조될 수 있다.
외부 광원(730)으로부터의 주변 광선(732)이 실질적으로 도파관(401)을 통과하는 한편, 어레이(415)로부터의 광은 광 추출 특징부(12)에 의해 관찰자(238)의 눈으로 지향된다. 예시적인 실시예에서, 광 추출 특징부(12)는 입력부 상으로 방향 전환되는 주변 광의 양이 최소이도록 5 마이크로미터의 x-방향으로의 폭과 250 마이크로미터의 피치를 가질 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 원거리장 이미지의 회절 블러링을 제공하는 역할을 할 수 있다. 그러한 블러링은 피치가 불규칙해지도록 관찰자(238)의 동공의 개구의 면적을 가로질러 광 추출 특징부(12)의 피치를 랜덤화시킴으로써 출현이 감소될 수 있다.
선택적으로, 도파관 배열체는 도파관(401)의 제2 안내 표면을 가로질러 연장되는 보상 광학 구성요소(729)를 추가로 포함할 수 있다. 보상 광학 구성요소(729)는 제2 안내 표면에 정합하는 형상을 가져 광 추출 특징부(12)와 형상이 유사한 특징부를 포함하는, 제2 안내 표면을 향하는 표면(731)을 구비한다. 보상 광학 구성요소(729)는 도파관(401)과 정렬되어 배치되어, 특징부(12)의 영역을 통해 보이는 미광의 가시성을 감소시켜서, 유리하게는 관찰의 원거리장에서 보이는 물체에 대한 콘트라스트의 손실을 감소시킬 수 있다. 관찰자에 의한 관찰을 용이하게 하기 위해, 도파관 장치는 사용자의 머리 상에 착용되도록 구성되는 머리-장착식 장치 내에 통합될 수 있다. 도파관은 머리-장착식 장치가 착용될 때 사용자의 적어도 한 눈을 가로질러 연장되도록 배열된다. 이제 머리-장착식 장치가 안경이지만, 일반적으로 다른 머리-장착식 장치, 예를 들어 고글 또는 헬멧 또는 모자에 대한 부착물이 제공될 수 있는 이것의 몇몇 예가 설명될 것이다.
도 43a 내지 도 43d는 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 평면도로 예시한 개략도이다. 광 추출 특징부(12)를 포함하는 도파관(401)의 제2 안내 표면(8)을 착용 중에 손상으로부터 보호하는 것이 바람직할 것이다. 도 43a에 도시된 바와 같이, 추가의 안경 구성요소(740)가 도파관(1)의 전방에 적용될 수 있으며, 이때 공기 갭(742)이 그들 사이에 배열된다. 구성요소(740)는 본 명세서에 기술된 실시예에 의해 달성되는 디스플레이 기능과 조합되어 시력의 교정을 위한 광학 굴절력을 갖는 교정 렌즈일 수 있다.
또한, 구성요소(740)는 도 42에 도시된 바와 같은 구조화된 면(731)을 구비할 수 있다. 또한, 구성요소(740)는 광색성 재료, 편광 재료 또는 선글라스에 바람직한 다른 흡수 재료 또는 향상된 안경 효과를 위한 다른 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 좌안 및 우안을 위한 구성요소(740)는 직교 편광 인코딩된 이미지를 포함하는 입체 디스플레이를 관찰하기에 적합한 각각의 파장판과 편광기를 포함할 수 있다.
도 43b는 실리콘과 같은 저 굴절률 재료(744)가 구성요소(740)와 도파관(401) 사이에 배열되는 것을 제외하고는 도 43b의 그것과 유사한 추가의 실시예를 도시한다. 광은 여전히 도파관(401)의 재료와 재료(744) 사이의 굴절률 차이로 인해 도파관(401) 내로 지향될 수 있다. 외부 광원(732)으로부터의 입사 광이 갭(742)의 양측의 표면에서 반사를 덜 겪어, 주변 환경의 콘트라스트를 개선한다.
도 43a에서, 교정 렌즈로서의 역할을 하는 구성요소(740)가 도파관과 별개의 요소인 반면에, 도 43c는 도파관(401)의 제1 안내 표면(743)이 광학 굴절력을 제공하기 위해 곡률을 갖고서 배열됨으로써 교정 렌즈를 형성하는 추가의 실시예를 도시한다. 그러한 배열은 도파관(1)으로부터의 광 손실을 증가시킬 수 있지만, 발생할 수 있는 불균일성이 보상될 수 있도록 관찰자의 동공이 도파관으로부터 일정 범위의 위치를 가로질러 통합된다. 도 43d는 시력 교정의 조합이 제2 안내 표면(743)과 구성요소(740)의 곡률에 의해 달성될 수 있는 것을 보여준다. 유리하게는, 제2 안내 표면(8)이 보호될 수 있고, 시력 교정의 질이 향상될 수 있다.
도 43e 내지 도 43g는 관찰자의 두 눈에 걸쳐 연장되도록 배열된 렌즈를 포함한 안경 내에의 도파관 배열체의 통합을 예시한다. 각각의 경우에, 도 43a 내지 도 43d의 배열체 중 임의의 것이 적용될 수 있다.
도 43e 내지 도 43g는 안경 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 43e는 좌안 프레임(762)과 우안 프레임(750)을 갖춘 제1 안경을 도시한다. 광원(미도시)이 입력 단부(2)에서 광을 입력하도록 배열되며, 이는 전술된 바와 같이 터닝 미러(turning mirror) 또는 다른 광학 구성요소에 의해 이루어질 수 있다. 광은 도파관을 통과하고, 반사 단부(4)에서 반사되며, 도 42에 관하여 기술된 바와 같이 주변 광을 실질적으로 차단함이 없이 실질적으로 관찰자의 시야의 중심에 정렬될 수 있는 영역(756)에 배열되는 광 추출 특징부(12)를 통해 출력된다. 투명 영역(752)이 영역(756) 밖에 제공된다. 좌안 및 우안 안경을 위한 광원은 2D 또는 입체 이미지 쌍을 제공할 수 있다. 유리하게는, 도파관은 원하는 안경의 스타일에 정합하도록 배열되는 면(22, 24)을 구비할 수 있다. 그러한 도파관은 제조 중 보다 큰 블랭크(blank)가 제공되고 적합한 프레임 크기로 절단되도록 기준 블랭크를 기계 가공함으로써 제조될 수 있다. 유리하게는, 원하는 안경 프레임과의 통합의 비용이 감소될 수 있다.
관찰 영역을 축상 관찰 위치로부터 떨어지게 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 도 43f와 도 43g는 단안 및 양안 관찰에 대해, 광 추출 영역(764, 766)이 시야의 중심으로부터 떨어져 배열될 수 있는 것을 보여준다. 그러한 배열은 주변 광선과 이미지의 간섭 및 광 추출의 증가된 효율을 달성할 수 있다.
또한, 도 43g에서, 어레이(415)는 도 43e 및 도 43f의 배열체에 비해 안경의 상부를 향해 배열된다. 영역(751)이 안경의 프레임을 완성하기 위해 그리고 가능하게는 도 43a 내지 도 43d에 기술된 바와 같이 추가의 광파워를 제공하기 위해 도파관(401) 밖에 배열될 수 있다. 도파관(401)과 영역(751) 사이의 경계는 도파관(401)의 각각의 에지의 금속성 코팅을 포함할 수 있다. 그러한 배열은 유리하게는 관찰자에게 레터박스 포맷(letterbox format) 유형 이미지를 제공하기 위해 측방향으로 증가된 개수의 픽셀을 달성할 수 있다. 예를 들어, 이미지는 도 43e 및 도 43f의 배열체에 비해 감소된 수차와 광 손실을 갖는 16개 수평 픽셀 대 9개 수직 픽셀의 비를 포함할 수 있다.
도 44a 내지 도 44c는 안경 내에 근안 디스플레이 장치를 형성하기 위한 방법의 정면도를 예시한 개략도이다. 도 44a에 도시된 바와 같은 제1 단계에서, 광 추출 영역(756)과 함께 입력 단부(2) 및 반사 단부(4)를 포함하는 도파관 블랭크(772)가 제공된다. 원하는 안경 형상(774)이 도시된 바와 같이 배열되고, 도 44b에 도시된 바와 같이, 워터 제트 커터와 같은 절단 기계 또는 다른 알려진 절단 방법이 에지 형상(776)을 제공하기 위해 사용된다. 원하는 형상(776)을 갖춘 절단된 도파관(401)이 광원(415), 집속 광학 요소(101) 및 드라이버(724)에 대한 전기 접속부와 조립되어 안경 조립체를 제공할 수 있다.
도파관(401)으로부터의 광의 전파가 또한 고려될 것이다. 이와 관련하여, 도 45는 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 측면도로 예시한 개략도이다. 도 45에 도시된 바와 같이, xy 평면에서 시준 기능을 제공할 수 있는 단부 미러 표면(4)에 대한 입사 후에, 반대 방향으로 전파되는 광선(120, 122, 124)이 반사 광 추출 특징부(412)에 입사할 수 있다. 조명 요소(126, 128)로부터의 광 원추(118)가 광학 밸브로부터의 출사 후에 공기 중에서 제1 광 원추(119)로 지향되는 반면, 조명 요소(130, 132)로부터의 광 원추(117)는 원추(119)와 상이한 제2 광 원추(121)로 지향된다. 측방향 원추각은 단부 미러 표면의 광학 기능과 광 추출 특징부(412) 상의 곡선 반경에 의해 결정된다. 따라서, 집속 광학 요소(101)에 대한 조명 요소(126)의 위치가 도파관(401)의 출력 원추 방향 분포를 결정한다. 유리하게는, 본 실시예는 기술될 바와 같이 유리한 디스플레이 특성을 달성하는 어드레스가능한 각도 윈도우의 2차원 어레이를 달성할 수 있다.
프리즘형 필름과 같은 편향 필름(450)이 또한 디스플레이에 대한 원하는 관찰 각도로 출력의 방향을 이동시키도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 광선(111, 113)이 도파관(401) 내에서 안내되도록 배열되는 실시예에서, 편향 필름은 출력 방향을 면(406)의 법선으로 회전시킬 수 있다.
도 46a는 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 정면도로 예시한 개략도이다. 도 46a는 예를 들어 도 40에 도시된 바와 같은 조명 어레이(415)의 단일 픽셀(414)에 의한 각도 윈도우(78)(단일 출력 방향 포함)의 형성을 예시한다. 예를 들어 도 5와 일치하는 이러한 실시예에서, 반사 단부(404)는 측방향으로 양의 광파워를 가지며, 따라서 측방향을 가로질러 연장되는 광 추출 특징부(412)는 선형일 수 있다. 따라서, 광학 요소(101), 반사 단부(404) 및 광 추출 요소(412)는 픽셀(414)로부터의 모든 광선(417)을 단일 방향과 따라서 동일한 각도 윈도우 내로 지향시키도록 협동한다. 따라서, 조명 어레이(415)의 인접 픽셀은 상이한 각도 출력을 제공하도록 배열된다. 시스템의 광파워는 프레넬 렌즈와 같은 출력 렌즈를 추가로 포함할 수 있거나, 디바이스는 기술될 바와 같이 안경 내에 통합될 수 있다.
도 46b는 추가의 근안 디스플레이 장치로부터의 광의 출력을 정면도로 예시한 개략도이다. 도 46b는 프레넬 미러를 포함할 수 있는 반사 단부(404)와 조합된 집속 광학 요소(101)를 포함하고, 측방향을 가로질러 연장되는 광 추출 특징부(412)가 그것들이 측방향으로 양의 광파워를 갖도록 선형인 대신에 만곡되는 실시예를 예시한다. 유리하게는, 이러한 실시예는 도 46a의 실시예에 비해 면(404)의 처짐을 제거함으로써 광학 요소의 크기를 실질적으로 감소시킨다.
도 47은 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 47은 반사 단부(404)가 반사 평탄형 표면으로서 배열되고, 광 추출 영역(407, 409)이 조명 어레이(415)의 이미지 형성을 제공하기 위해 광파워를 제공하도록 만곡되는 광 추출 특징부(412)와 광 안내 특징부(410)를 포함하는 실시예를 예시한다. 유리하게는, 그러한 실시예는 더욱 콤팩트한 크기를 제공한다.
도 47은 또한 백라이트(417)와 SLM(419)을 포함한 조명 어레이(415)를 예시한다. 백라이트는 광을 SLM(419)을 통해 이미지 형성 지향성 도파관(401) 내로 지향시킨다. SLM(419)은 투과성 또는 반사성 공간 광 변조기일 수 있다. 백라이트(417)는 단순 백라이트일 수 있거나, 광을 광원으로부터 도파관 내로 지향시키도록 배열되는 집광 시스템일 수 있다. 다른 실시예에서, 조명 어레이(415)는 OLED 디스플레이와 같은 방출 디스플레이에 의해 제공될 수 있다.
도 48은 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 48은 유리하게는 밸브 평탄형 디스플레이 이미지 형성 지향성 도파관(401)의 가로형 배향을 제공하기 위해 단일 광 추출 영역(407)이 제공되는 실시예를 예시한다.
도 49는 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 49는 각각의 픽셀 어레이(407, 409)에 정렬된 제1 및 제2 이미지 형성 영역(460, 462)과 집속 광학 요소(101)를 포함한 가로형 배향 도파관(401)을 포함한 실시예를 예시한다. 유리하게는, 출력 이미지의 수차가 도 48의 배열체에 비해 개선될 것이다. 또한, 그러한 실시예는 좌안 및 우안에 상이한 이미지를 제공할 수 있으며, 이는 입체 디스플레이 장치를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 광 추출 특징부(412)는 관찰자(238)의 동공이 이미지의 관찰을 위해 광 추출 특징부(412)와 함께 배열될 수 있도록 제한된 영역에 걸쳐 배열될 수 있거나, 특징부(412)를 포함하는 영역 밖에 눈을 위치시킴으로써 주변 조명에 대한 높은 이미지 충실도를 달성할 수 있다.
도 50은 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 50은 렌즈 요소(424, 426)에 의해 형성된 복합 렌즈가 반사 단부(404)의 전방에 제공된 실시예를 예시한다. 따라서, xy 평면에서 시준 광학 요소의 광파워는 반사 단부(404)에 있는 반사기, 렌즈 요소(424)(제1 재료 포함) 및 렌즈 요소(426)(제1 재료와 상이한 굴절률을 갖는 제2 재료 포함)에 의해 결정된다. 제2 재료는 도파관(401)을 형성하기 위해 사용되는 재료와 동일할 수 있는 반면, 렌즈 요소(424)는 도파관(401)에 부착될 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 도파관(401)의 시준 기능의 수차 성능을 개선할 수 있다.
도 51은 추가의 광학 요소(430)가 통합되어 수차 성능을 개선하는 추가의 실시예를 예시한 개략도이다.
도 52는 추가의 근안 디스플레이 장치를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 52는 어떠한 광 추출 특징부(12)도 없는 연장된 길이의 입력 섹션(509)이 반사 단부(504)와 광 추출 특징부(12)가 제공된 광 추출 영역(511) 사이에 제공된 실시예를 예시한다. 또한, 비-추출 섹션(510)이 도파관(510)의 길이를 더욱 증가시키기 위해 광 추출 영역(511)과 반사 단부(504) 사이에 제공될 수 있다. 유리하게는, 단부(504)의 후방 작동 거리가 증가되어, 미러의 축외 이미지 형성 성능이 개선되고, 특히 축외 픽셀에 대해 이미지 충실도가 증가된다.
도 53은 각각의 독립적으로 조명된 도파관(420, 422)을 포함한 근안 디스플레이 장치의 타일형(tiled) 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 그러한 실시예는 좌안 및 우안에 별개의 이미지를 제공하여, 이미지 크로스토크를 감소시키고, 휘도를 증가시키며, 입체 디스플레이 기능을 달성할 수 있다.
도 54는 통합된 미러 요소(424)를 포함한 각각의 독립적으로 조명된 도파관(420, 422)을 포함한 근안 디스플레이 장치의 타일형 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 미러(424)는 예를 들어 홀로그램일 수 있다. 유리하게는, 그러한 실시예는 후술될 바와 같이 시임의 낮은 가시성을 갖고서 직시형 디스플레이의 전방에 설치될 수 있는 콤팩트한 입체 배열체를 제공할 수 있다.
도 55는 SLM(407, 409)에 의해 독립적으로 조명된 각각의 도파관(417, 419)을 포함한 근안 디스플레이 장치의 적층된 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 그러한 실시예는 좌안 및 우안에 별개의 이미지를 제공하여, 이미지 크로스토크를 감소시키고 휘도를 증가시킴과 동시에 만일 밑에 있는 디스플레이 장치와 함께 사용되면 균일성을 유지시킬 수 있다. 평탄한 영역은 광학 보정을 포함할 수 있고, 연장된 길이는 개선된 수차를 달성할 수 있다.
도 56은 안경(600) 내에 통합된 근안 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 공간 광 변조기(415)와 전자 장치가 안경의 프레임 내에 제공될 수 있다. 또한, 본 실시예는 유리하게는 수직 입사 광에 실질적으로 투과성이며, 따라서 유리하게는 실제 이미지에 오버레이되는, 이미지 데이터의 증강 현실 관찰을 위해 사용될 수 있다. 또한, 안경은 집속 광학 요소(101)와 면(404)에 의해 제공되는 굴절력의 양을 감소시키기 위해 광학 교정 렌즈를 또한 구비할 수 있다.
도 57은 안경에 장착될 때 인지된 도파관 크기를 감소시키도록 배열된 폴딩된 도파관(420)을 포함한 근안 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도이다. 터닝 미러(440)가 안내된 이미지를 도파관의 추출 영역 내로 지향시키도록 배열될 수 있다. 유리하게는, SLM(415)과 도파관(401)의 빔 확장 영역(451)이 도 58에 도시된 바와 같이 안경(600)의 암 상에 장착될 수 있다.
도 59는 도파관(601)을 포함한 도파관 배열체를 포함한 프로젝션 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 조명기 어레이(615)가 집속 광학 요소(101)와 지향성 조명식 도파관(601)을 조명한다. 조명기 어레이(615)는 전술된 근안 디스플레이 디바이스와 동일한 방식으로 작동된다. 반사 단부(604)는 조명 어레이(615)로부터의 광을 안내 특징부(610)를 통해 광 추출 특징부(612)로 지향시킨다. 도파관(601)은 집속 광학 요소(101), 반사 단부(604) 및 광 추출 특징부(612)가 디스플레이 디바이스의 전방에서 윈도우 평면(106)에 디스플레이(615)의 광원의 광학 이미지를 제공하도록 협동하는 전술된 바와 같은 배열을 갖는다. 따라서, 도 59의 배열체의 작동은 위에서 논의된 배열체와 유사하다. 특징부로부터의 추출된 광은 윈도우 평면(106)에 있는 스크린(618)에 입사하며, 거기에서 이미지(620)를 볼 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 평탄할 수 있는 콤팩트한 프로젝션 장치를 제공할 수 있다.
도 60은 본 실시예의 밸브와 단방향 평탄형 디스플레이 이미지 형성 지향성 도파관을 조합하여 사용하여 달성될 수 있는 다기능 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 디스플레이 적층체가 2D 출력 백라이트(301) 및 광원(315), 지향성 디스플레이 디바이스의 도파관(1), 투과성 직시형 공간 광 변조기(48), 근안 디스플레이 디바이스의 지향성-조명식 도파관(401)(전술된 바와 같은) 및 프로젝션 디스플레이 디바이스의 지향성-조명식 도파관(501)(전술된 바와 같은)을 포함한다.
작동 중, 2D 모드가 백라이트(301)를 조명하기 위해 광원(315)을 작동시킴으로써 달성될 수 있고; 유리하게는, 광이 요소의 나머지를 통해 투과된다.
무안경 입체 디스플레이 모드에서, 지향성 디스플레이 디바이스의 도파관(1)은 SLM(48)에 제공된 시간 다중화 데이터와 협동하여 무안경 입체 윈도우를 제공하도록 조명 어레이(15)에 의해 조명된다.
근안 디스플레이 모드에서, 근안 디스플레이 디바이스의 조명 어레이(415)는 시준된 출력을 제공하도록 조명된다.
마지막으로, 작동의 프로젝션 모드에서, 프로젝션 디스플레이 디바이스의 조명 어레이(601)가 도파관(601)에 의해 투사된 이미지를 제공하도록 작동된다.
유리하게는, 그러한 배열은 각각의 도파관(1, 401, 601)의 투과성으로 인해 단일 플랫폼으로 다수의 디스플레이 기능을 달성할 수 있다. 따라서, 예를 들어 스마트폰 디바이스가 직시형 작동을 위해, 무안경 입체 디스플레이로서, 또는 큰 크기의 확대된 이미지를 이미지 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로"와 "대략"은 그것의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대해 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 0 퍼센트로부터 10 퍼센트까지의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 이로 제한됨이 없이 해당한다. 항목들 사이의 그러한 상대성은 대략 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이다.
본 명세서에 개시된 원리에 따른 다양한 실시예가 전술되었지만, 그것들이 제한이 아닌 단지 예로서 제시되었음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 개시 내용의 범위와 범주는 전술된 예시적인 실시예 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 특허청구범위와 그것들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점과 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 특허청구범위의 적용을 제한하지 않아야 한다.
또한, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77 하의 제안과의 일관성을 위해 또는 달리 조직적 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이들 표제는 본 개시 내용으로부터 유래될 수 있는 임의의 특허청구범위에 기재된 실시예(들)를 제한하거나 특성화하지 않아야 한다. 구체적으로 그리고 예로서, 표제가 "기술분야"를 지칭하지만, 특허청구범위는 그렇게 불리는 분야를 설명하기 위해 이러한 표제 하에 선택된 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "배경기술"에서의 기술의 설명은 소정 기술이 본 개시 내용의 임의의 실시예(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "발명의 내용"도 또한 유래된 특허청구범위에 기재된 실시예(들)의 특성화로 간주되지 않아야 한다. 또한, 본 개시 내용에서 단수형으로 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 개시 내용에 단지 하나의 신규성의 사항만이 존재한다고 주장하기 위해 사용되지 않아야 한다. 다수의 실시예가 본 개시 내용으로부터 유래되는 다수의 특허청구범위의 제한에 따라 기재될 수 있으며, 따라서 그러한 특허청구범위는 그에 의해 보호되는 실시예(들)와 그 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 특허청구범위의 범주는 본 개시 내용을 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.

Claims (11)

  1. 머리 장착식 장치(head-mounted apparatus)에 있어서,
    도파관으로서, 상기 도파관은 입력 단부와, 광을 상기 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 포함하고, 상기 제1 대향 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 상기 제2 대향 안내 표면은 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 연장되는 그리고 상기 입력 단부로부터의 입력 광을 상기 제1 대향 안내 표면을 통해 출력 광으로서 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는, 상기 소면들 사이의 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖고, 사용자의 머리에 착용될 때 상기 도파관이 사용자의 적어도 한 눈을 가로질러 연장되도록 배열되는, 상기 도파관; 및
    상기 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치들로부터 지향되고, 상기 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향들로 또한 지향되는 상기 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 조명 시스템(illumination system)으로서, 출력 방향들의 출력 광은, 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 측방향 위치에 따라 상기 측방향으로 분포되고, 또한 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 입력 방향에 따라 상기 측방향에 수직하게 분포되는, 상기 조명 시스템을 포함하는, 머리 장착식 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    소면의 피치가 불규칙적인, 머리 장착식 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    도파관의 제 2 대향 안내 표면을 가로질러 연장하고 매칭 형상을 갖는 제 2 대향 안내 표면에 접하는 표면을 갖는 보상 광학 요소를 더 포함하는, 머리 장착식 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조명 시스템을 상이한 측면 위치들로부터 지향되고, 또한 이미지를 나타내는 이미지 데이터에 따라 상이한 입력 방향들로 지향되는 입력 광을 제공하도록 작동시키는 제어 시스템을 더 포함하는, 머리 장착식 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 스펙터클이, 한 쌍의 스펙터클을 착용할 때 사용자의 두 눈을 가로질러 연장하는 렌즈들을 포함하는, 머리 장착식 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    렌즈들은 시력의 교정을 위한 광학 굴절력을 갖는 교정 렌즈인, 머리 장착식 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    교정 렌즈는 도파관과 별개의 요소인, 머리 장착식 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    교정 렌즈는 도파관의 안내 표면에 의해 형성되는, 머리 장착식 장치.
  9. 이미지 데이터에 의해 표시되는 시준된 이미지를 디스플레이하는 근안 디스플레이 장치에 있어서,
    도파관으로서, 상기 도파관은 입력 단부와, 광을 상기 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 포함하고, 상기 제1 대향 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 상기 제2 대향 안내 표면은 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 연장되는 그리고 상기 입력 단부로부터의 입력 광을 상기 제1 대향 안내 표면을 통해 출력 광으로서 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는, 상기 소면들 사이의 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 상기 도파관;
    상기 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치들로부터 지향되고, 상기 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향들로 또한 지향되는 상기 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 조명 시스템으로서, 출력 방향들의 출력 광은, 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 측방향 위치에 따라 상기 측방향으로 분포되고, 또한 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 입력 방향에 따라 상기 측방향에 수직하게 분포되는, 상기 조명 시스템; 및
    상기 조명 시스템을, 상이한 측면 위치들로부터 지향되고, 또한 이미지를 나타내는 이미지 데이터에 따라 상이한 입력 방향들로 지향되는 입력 광을 제공하도록 작동시키는 제어 시스템을 포함하는, 근안 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조명 시스템은, 상기 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치들로부터 입력 광을 제공하도록 상기 측방향으로 상기 도파관의 입력 단부를 가로질러 분포되는 광원들의 1차원 어레이와, 상기 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향들로 입력 광을 제공하도록 상기 측방향에 수직하게 상이한 양들만큼 광원들의 어레이에 의해 출력되는 광을 편향시키도록 선택적으로 작동가능한 상기 광원들의 어레이와 상기 도파관 사이에 배열되는 편향기 요소(deflector element)를 포함하고, 상기 제어 시스템은, 광원들의 어레이가 이미지 데이터의 연속적인 선들을 디스플레이하게 작동하고, 편향기 요소가 동기하여 작동하도록 배열되는, 근안 디스플레이 장치.
  11. 시준된 이미지를 디스플레이 하는 방법에 있어서,
    도파관을 포함하는 도파관 장치로서, 상기 도파관은 입력 단부와, 광을 상기 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 포함하고, 상기 제1 대향 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 상기 제2 대향 안내 표면은 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 연장되는 그리고 상기 입력 단부로부터의 입력 광을 상기 제1 대향 안내 표면을 통해 출력 광으로서 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는, 상기 소면들 사이의 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖고, 상기 도파관은 또한, 상기 측방향으로 분포되는 상이한 측방향 위치들로부터 지향되고, 상기 측방향에 수직하게 분포되는 상이한 입력 방향들로 또한 지향되는 상기 입력 광을 제공하도록 선택적으로 작동가능한 조명 시스템으로서, 출력 방향들의 출력 광은, 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 측방향 위치에 따라 상기 측방향으로 분포되고, 또한 상기 제1 대향 안내 표면의 법선에 관해, 상기 입력 광의 입력 방향에 따라 상기 측방향에 수직하게 분포되는, 상기 조명 시스템을 포함하는, 상기 도파관 장치를 사용하는 단계;
    상기 조명 시스템을, 상이한 측면 위치들로부터 지향되고, 또한 이미지를 나타내는 이미지 데이터에 따라 상이한 입력 방향들로 지향되는 입력 광을 제공하도록 작동시켜, 출력 광이 이미지를 시준된 이미지로 나타내는 단계; 및
    사용자에 의해 관찰하기 위한 시준된 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함하는, 시준된 이미지를 디스플레이 하는 방법.
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