KR102315190B1 - 메타-물질로 코팅된 도파관이 있는 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

디스플레이 광을 수광하고 디스플레이 광을 광도파관에 따른 유도된 전파를 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 1 회절부를 포함하는 광도파관을 포함하는 광학 디스플레이를 생산하는 장치가 개시된다. 도파관의 제 2 회절부는 광도파관에 의하여 제 1 회절부에 광학적으로 커플링되고, 광을 제 1 회절부로부터 수광하고 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절시키도록 배치된다. 유도 광이 내부로 반사되는 도파관의 외면은 1.0(1)보다 작은 값의 굴절률을 가지는 메타-재료로 코팅된다.

Description

메타-물질로 코팅된 도파관이 있는 디스플레이
본 발명은, 비한정적으로 광도파관을 채용한 광학 디스플레이와 같은 광학 디스플레이를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이미지-포함 광이 도파관 내로 주입된 후 시청을 위하여 도파관으로부터 방출되는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
이러한 타입의 디스플레이 디바이스를 위한 광도파관은 통상적으로, 도파관 안으로 주입된 광을 전반사(TIR)에 의해 도파관을 따라 전파되도록 유지하는 도파관의 능력에 의해 진술되고 그에 따라 한정되는 가시 범위(field of view; FOV)를 제공한다. 광이 특정 각도 범위 밖에서 도파관 내에 주입되면, 광은 도파관에 따라 전파되도록 보유될 수 없고, 도파관을 따라 전파되지 않고 단순하게 도파관을 빠져나올 것이다.
도 1a 는 선행 기술의 광도파관 디스플레이(1A)의 일 예를 개략적으로 도시하는데, 디스플레이의 배면 상에는, 브래그 격자의 대향면에 입사하도록 광(3A) 입력을 도파관의 반대면을 통해 수광하도록 배치되는 브래그 격자(2A)가 배치된다. 브래그 격자의 구조(예를 들어 격자 상수)는, 수광된 광이 회절 차수(보통 제 1 차수)로 회절되어 입력 광을 마주보는 내면(7A, 8A) 사이의 TIR에 의해 내부적으로 도파관의 보디에 따라 전파되기 위한 광(6A)으로 재지향시키게 한다. 도파관의 입력단만이 도시된다. 광도파관(1A)의 재료의 굴절률은 TIR이 발생되게 할 회절된 광(6A)의 입사각을 결정함으로써, 내면(7A, 8A)에 충돌할 때의 광도파관 내에서의 허락된 범위 안에 있지 않는 광(6A)의 입사각이 전반사되지 않게 한다. 도파관 내의 TIR을 위한 이러한 각도 제한은 브래그 격자의 구조체가 맞춰서 튜닝되는 광의 특정(제 1) 파장에 관련된다. 그 자체가 해당 특정 파장, 예컨대 녹색 광의 입력 광(3A)의 총 가시 범위(TFOV)에서의 각도 제한이 된다. TFOV의 극단 각도 위치가 도 1 에 표시된다(4A 및 5A).
도 1b 는 브래그 격자가 맞춰서 튜닝되는 광의 파장보다 긴 제 2 의 더 긴 파장의 광(예를 들어 적색 광)을 입력하는 결과를 보여준다. 브래그 격자는 더 긴 파장의 광을, 자신이 튜닝된 광을 회절시키는 것(도 1a)과 다른 각도로 회절시킨다. 결과적으로, 장치에 진입하고 극단 각도 위치 중 하나(4A) 근방에 있는 제 2 파장의 광 중 일부는, 해당 광의 TIR을 허용하지 않을 각도로 도파관(1A) 내에서 브래그 격자에 의해 후속 회절된다. 그 결과, 입력 광 중 일부는 단순하게 도파관을 빠져나간다(60B). 그러면, 제 1 파장의 광에 관련된 가시 범위에 비하여, 제 2 파장을 가지는 광과 관련된 도파관의 가시 범위가 감소된다.
도 1c 는 브래그 격자가 맞춰서 튜닝되는 광의 파장보다 짧은 제 3 의 더 짧은 파장의 광(예를 들어 청색 광)을 입력하는 결과를 보여준다. 다시 한 번 말하건데, 브래그 격자는 더 짧은 파장의 광을, 자신이 튜닝된 광을 회절시키는 것(도 1a)과 다른 각도로 회절시킨다. 또한, 장치에 진입하고 극단 각도 위치 중 하나(5A) 근방에 있는 제 3 파장의 광 중 일부는, 해당 광의 TIR을 허용하지 않을 각도로 도파관(1A) 내에서 브래그 격자에 의해 후속 회절된다. 그 결과, 입력 광 중 일부는 단순하게 도파관을 빠져나간다(60C). 그러면, 제 1 파장의 광에 관련된 가시 범위에 비하여, 제 3 파장을 가지는 광과 관련된 도파관의 가시 범위가 감소된다.
상이한 광의 색상에서 디스플레이 장치의 도파관 내로 진입하는 입력 광의 총 가시 범위의 이와 같은 색상 변동은 심각한 제한사항이 된다.
도 1d 는 도 1a 에 도시되는 선행 기술 광도파관 디스플레이(1A)의 일 예를 개략적으로 도시하는데, 브래그 격자(2A)가 맞춰서 튜닝되는 제 1 파장의 광(예를 들어 녹색 광)은 기대된 가시 범위(FOV) 밖에서 입사한다. 브래그 격자는 격자 내의 입사각이 더 넓기 때문에, 이러한 인입하는 FOV의 광 전부를 주입할 수 없다. 따라서, 인입 허용 각도의 제한의 관점에서 도파관의 총 FOV의 치수가 설명된다.
디스플레이 장치의 도파관 내로 진입하는 입력 광의 이러한 총 가시 범위는 큰 제한사항이 된다.
본 발명의 목적은 개선된 광학 디스플레이 도파관을 제공하는 것이다.
가장 일반적으로, 본 발명은, 수광된 광을 도파관의 전반사(TIR)의 한계에 의해 규정되는 장치의 입력 가시 범위 내에서 광도파관에 따라 전파되도록 회절시키기 위한 입력 회절부를 가지는, 디스플레이 디바이스용 도파관 광학 디스플레이 장치의 가시 범위를 향상시키는 것이다. 이것은, 실질적으로 이하 약 1.0(1) 이하인 값의 굴절률을 가지는 재료(예를 들어 메타-재료, 또는 다른 재료)로, 유도 광이 내부로 반사되는 도파관의 외면을 코팅함으로써 이루어진다.
그 결과, 광이 광도파관에 따라 전파되도록 입력 회절부에 의해 지향될 때, 코팅된 도파관 표면에 의하여 광의 TIR에 대한 임계 내부 각도가 감소된다. 따라서, 그렇지 않으면 장치의 가시 범위 밖에서 진입했을 광이 TIR에 의해 보유되고 및 후속 출력/디스플레이를 위하여 도파관을 따라 지향/유도될 수 있다.
제 1 양태에서, 본 발명은 광학 디스플레이를 생산하는 장치로서, 광도파관을 포함하고, 상기 광도파관은, 디스플레이 광을 수광하고 상기 디스플레이 광을 TIR에 의한 광도파관에 따른 유도된 전파를 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 1 회절부; 및 상기 광도파관에 의하여 상기 제 1 회절부에 광학적으로 커플링되고, 상기 제 1 회절부로부터 광을 수광하고 상기 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 2 회절부;를 포함하며, 유도 광이 내부로 반사되는 상기 도파관의 외면은 광학 파장에서 실질적으로 1.0(1) 이하의 값의 굴절률을 가지는 재료(예를 들어, 메타-재료)로 외부 코팅되는, 광학 디스플레이 생산 장치를 제공할 수 있다. 가장 바람직하게는, 굴절률의 값은 굴절률이 복소수라면 굴절률의 실수부의 값이다. 가장 바람직하게는, 굴절률의 값은 양의 값이다. 재료는 메타-재료를 포함할 수 있다. 메타-재료는, 마주보는 도전성(예를 들어, 은, Ag) 메시들 사이에 샌드위치된 자기 공진기를 각각 포함하는 유닛 셀들의 공간적으로 주기 반복되는 평면형 어레이를 포함할 수 있다. 자기 공진기는 실질적으로 평면인 평행 도전판들(예를 들어 은, Ag)의 쌍 사이에 샌드위치된 알루미나의 층을 포함할 수 있다. 각각의 와이어 메시는 교차하는 도전성 라인 또는 스트립의 그리드 또는 네트를 규정하도록 형성될 수 있다. 바람직하게는, 유닛 셀 내의 교차하는 도전성 라인 또는 스트립의 교차점(예를 들어 교차 구조체를 규정함)은 유닛 셀 내에서 자기 공진기에 인접하게 위치된다. 유닛 셀 내의 두 개의 메시 중 각각의 메시의 교차점은 공진기의 두 개의 도전판 중 각각의 도전판에(도전판 위에 또는 도전판 상에) 위치될 수 있다. 교차점(들)은 자기 공진기의 중심축과 실질적으로 일치하거나 실질적으로 레지스트레이션 상태(register with)일 수 있다. 따라서, 각각의 유닛 셀의 자기 공진기는 마주보는 도전성 메시의 두 개의 마주보는 인-레지스터(in-register) 교차점들 사이에서 샌드위치되고 이들과 레지스트레이션 상태에서 중앙에 위치될 수 있다.
또는, 메타-재료는 도전성 와이어(예를 들어 50 nm를 초과하지 않는, 예를 들어 약 15 nm의 반경/폭의 나노-와이어)를 각각 포함하는 유닛 셀의 공간적으로 주기 반복되는 어레이를 포함할 수 있다. 유닛 셀은, 메타-재료의 도전성 와이어가 실질적으로 평행하고 이격되도록(예를 들어 약 100nm와 300 nm 사이에서, 예를 들어 약 200 nm로) 배치될 수 있다.
도파관은, 제 1 색상(파장)의 디스플레이 광의 입력 및 출력 각각을 위하여 적응/튜닝된 개별 입력 및 출력 회절부를 가지는, 전술된 바와 같은 제 1 성분 슬래브 도파관(component slab waveguide) 및 상기 제 1 색상과 다른 제 2 색상(파장)의 디스플레이 광의 입력 및 출력 각각을 위하여 적응/튜닝된 개별 입력 및 출력 회절부를 가지는, 전술된 봐와 같은 제 2 성분 슬래브 도파관을 포함하는 다층 슬래브 도파관을 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 성분 슬래브 도파관은 실질적으로 약 1.0(1) 이하인 값의 굴절률을 가지는 재료(예를 들어, 메타-재료 또는 다른 재료)의 중간층에 의해 결합된다.
도파관(다층 또는 그 외의 방식)은 도파관을 코팅하는 상기 재료(예를 들어 메타-재료)의 하나 또는 각각의 층의 최외각 면 상에 배치된 보호 외층(예를 들어 플라스틱 재료)을 포함할 수 있다.
장치는 디스플레이 광을 생성하도록 배치되고 디스플레이 광을 도파관의 제 1 회절부를 통해 도파관으로 입력되도록 지향시키기 위한 광원을 포함할 수 있다.
회절부들 중 하나, 일부 또는 각각은 브래그 격자를 포함할 수 있다. 하나 이상의(예를 들어 각각의) 회절부는 표면 프로파일 격자(예를 들어 표면 프로파일 브래그 격자)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 회절부는 상호 공액관계일 수 있다. 다시 말해서, 제 2 회절부가 광을 회절시키는 차수는 해당 광이 제 2 회절부에 의해 수광되기 전에 제 1 회절부가 그 광을 회절시키는 차수에 반대일 수 있다.
이러한 공액화의 장점에는, 제 1 회절 격자 영역에서 발생되는 회절에 의하여 이미지-포함 광에 부과되는 기하학적 왜곡이 감소된다는 것이 포함된다. 제 2 회절부를 바람직하게 공액처리하면, 제 1 스위칭가능 회절부에 의해 부과되는 왜곡을 적어도 부분적으로 반전시키는 역할을 하는 기하학적 왜곡을 반대 개념으로 어느 정도 부과시키는 효과를 가져온다. 공액처리한 결과 색 분산도 크게 감소되고, 실제로는 효과적으로 실질적 무효화/제거된다. 이것은 LED 광원과 같은 광대역 광학 소스가 도파관으로 입력되는 광을 생성하기 위하여 채용되는 경우 특히 유익하다. 이것은 잘 알려진 "격자 방정식"으로부터 알 수 있다:
Figure 112018115563510-pct00001
여기에서, 파장 λ이고 주기 d인 격자에 격자의 법선에 대한 각도(θin)로 입사하는 광의 회절의 각도(θout)가 해당 출력 광의 회절의 차수를 규정한다. 이것은 광의 파장 λ에 따라 달라진다. 광대역 광학 소스로부터의 회절된 빔은 구성색으로의 각도 분할/분산(색상의 무지개)을 포함할 수 있는데 - 이것은 이미지-포함 광에서는 특히 바람직하지 않다. 광의 더 긴 파장은 주어진 비-제로 차수로의 회절에 의해서 가장 많이 편향되고, 더 짧은 파장은 덜 편향된다. 출력 격자에 상대적으로 입력 격자를 공액처리하면 이러한 문제가 해결된다.
제 2 양태에서, 본 발명은 제 1 회절부 및 광도파관에 의하여 상기 제 1 회절부에 광학적으로 커플링되는 제 2 회절부를 포함하는 상기 광도파관을 포함하는 광도파관 디스플레이를 사용하여 디스플레이 광을 디스플레이하는 방법으로서, 상기 제 1 회절부에서 디스플레이 광을 수광하고, 그와 함께 수광된 디스플레이 광을 전반사(TIR)에 의하여 상기 제 2 회절부로 상기 광도파관에 따른 유도된 전파를 위하여 회절시키는 단계; 및 상기 제 2 회절부에서, 상기 제 1 회절부로부터 광을 수광하고 상기 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절하는 단계를 포함하고, 유도 광이 내부로 반사되는 상기 도파관의 외면은 광 파장에서 실질적으로 1.0(1) 이하인 값의 굴절률을 가지는 재료로 외부 코팅되는, 디스플레이 광 디스플레이 방법을 제공할 수 있다. 가장 바람직하게는, 굴절률의 값은 굴절률이 복소수라면 굴절률의 실수부의 값이다. 가장 바람직하게는, 굴절률의 값은 양의 값이다. 재료는 메타-재료를 포함할 수 있다.
회절부 중 임의의 하나, 일부 또는 전부는 광학적으로 투광성이거나 광학적으로 반사성일 수 있다.
이제, 예시를 위하여 예시적이고 비한정적인 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a, 1B, 1C 및 1D는, 제 1 파장의 광(예를 들어 녹색 광)이 입력되고(도 1a), 제 2 파장의 광(예를 들어 적색 광)이 입력되며(도 1b), 제 3 파장의 광(예를 들어 청색 광)이 입력되고(도 1c), 그리고 제 1 파장이지만 도파관의 가시 범위(FOV) 밖에서 입력되는, 슬래브 광도파관과 같은 광도파관의 입력단의 단면도를 각각 도시한다;
도 2 는 제 2 파장의 파장의 광(예를 들어 적색 광)이 입력되는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래브 광도파관의 입력단의 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 3 은 넓은 가시 범위(FOV)로부터 광이 입력되는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래브 광도파관의 입력단의 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 4 는 도 2 또는 도 3 에 도시된 입력단을 포함하고 슬래브 도파관의 출력단을 보여주는 슬래브 도파관을 개략적으로 도시한다;
도 5 는 도 2 또는 도 3 에 도시된 입력단을 포함하고 네 개의 회절부를 포함하는 슬래브 도파관을 개략적으로 도시한다;
도 6 은 메타-재료의 유닛 셀의 구조를 개략적으로 도시한다.
도면에서, 유사한 부재에는 유사한 참조 기호가 부여된다.
도 2 및 도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이 장치를 위한 슬래브 도파관의 입력단의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이러한 도면들 각각에 도시된 입력단은 도 4 에 개략적으로 예시된 전체 광도파관 장치의 일부로서 도시한다.
이러한 장치는 슬래브 도파관의 형태인 광도파관(1)을 포함하는데, 그 배면 상에는 주어진 파장의 광(예를 들어 가시 광) 입력을 슬래브 도파관의 마주보는 표면(8)을 통해 광도파관에 회절시키도록 배치되고 튜닝되는 입력 브래그 격자(2)가 형성된다. 입력 브래그 격자(2)의 회절 격자 구조체는 광도파관에 따른 유도된 전파를 위한 각도로 배치되어, 입력 브래그 격자의 회절면에 충돌하는 입력 광(40, 50)이 전반사(TIR)에 의해 도파관에 따라 전파되게끔 제 1 회절 차수로 회절되게 한다. 제 2 브래그 격자(11)는 광도파관(1)에 의하여 입력 격자에 광학적으로 커플링되는 출력 격자를 규정한다. 출력 격자는 자신을 향해 유도되는 디스플레이 광(60)을 입력 브래그 격자로부터 수광하고, 수광된 해당 디스플레이 광을 광도파관으로부터 출력되기 위한 각도로 회절시키도록 배치된다. 다시 말해서, 출력 브래그 격자에 의해 회절되는 디스플레이 광은 도파관의 마주보는 내면(8)을 향해서 TIR이 발생되지 않는 각도로 지향된다. 따라서, 그러한 내면에 충돌하는 회절된 광 중 일부는 사용자에 의해 시청가능한(통상적으로는 직접 시청됨) 디스플레이 광(63)으로서 도파관의 그러한 내면을 통과해서 도파관 밖으로 투과된다. 유도 광(61, 62)이 내부로 반사되는 도파관의 외면(7, 8)은 1.0(하나의) 미만의 값의 굴절률을 가지는 메타-재료(9, 10)로 코팅된다.
입력 광이 입력 브래그 격자에 의하여(그리고 후속하여, 출력 브래그 격자에 의하여) 회절되는 각도는, 광이 입력 브래그 격자(2)의 회절 격자 표면에 입사하는 각도에 의해 부분적으로 결정된다. 선택된 파장의 입력 광이 전반사(60)에 의해서 슬래브 도파관 내에 포획될 수 있고 포획되기에 적합한 각도로 회절되게 하는 입력 각도의 범위가 존재한다. 극단 입력 각도의 이러한 범위가 시스템의 입력 광(30)의 총 가시 범위(TFOV)를 규정한다. 캡쳐된 광(60; 61, 62)의 슬래브 도파관 내에서의 전파는 마주보는 내부 슬래브 표면(7, 8) 사이에서의 캡쳐된 광의 연속적인 전반사에 의해서 지원된다.
메타-재료(9, 10)는 디스플레이 광(40, 50)이 도파관으로 입력되고 그로부터 출력되는(63) 슬래브 도파관의 광학적 표면(8) 상에 형성되는 코팅으로서 배치된다. 또한, 메타-재료는 슬래브 도파관의 반대/역 광학적 표면(7) 상에 형성되는 코팅으로서도 배치된다. 또는, 메타-재료는 입력 브래그 격자 및 출력 브래그 격자의 배면 도 역시 커버하는데, 이러한 면은 도파관의 슬래브를 직접적으로 바라보지 않는(예를 들어 접촉되지 않는) 그리고 메타-재료가 없으면 노출되었을 수 있는 격자의 외부를 바라보는 면이다. 이것은, 슬래브 도파관의 메타-재료가 없으면 노출되었을, 그리고 특히 손상 및/또는 오염에 취약했을 수 있는 표면 상에 형성될 경우, 브래그 격자를 보호하기 위한 보호 코팅으로서 특히 유리할 수 있는데, 손상과 오염 모두는 격자의 성능, 그리고 따라서 도파관 디스플레이 전체의 성능을 열화시킬 것이다. 노광된 브래그 격자를 이러한 방식으로 보호하면, 표면-프로파일 브래그 격자가 채용되는 경우(예를 들어 도 5 를 참조한다) 특히 유리하지만, 다른 타입의 브래그 격자가 사용되는 경우에도 역시 유리하다. 사실상, 입력 브래그 격자와 출력 브래그 격자 사이의 도파관의 부분을 따른 TIR 프로세스에 의해 입력 브래그 격자를 출력 브래그 격자로 광학적으로 커플링하는 것을 담당하는, 도파관의 대응하는 내면(7, 8)의 반사 성능을 제어하는 것이 도파관(1)의 메타-재료가 없으면 노출되었을 평평한 표면들에 의해 규정되는 계면이기 때문에, 그러한 면들을 보호하는 것은 역시 유리하다.
메타-재료는, 메타-재료를 광 파장에서 양수이고 1.0(1)보다 값을 가지는 굴절률로 채우는(imbue) 소위 주기적 "어망(fish-net)" 또는 메시 나노-광자 구조체를 포함한다. 이러한 굴절률 값은 공기의 굴절률보다 크지 않고, 따라서 메타-재료는 n=1.0(근사적으로)일 경우 적어도, 그렇지 않으면 노출되었을 유리 도파관 표면 상에 도파관의 광학적 성능을 해치지 않고 보호 커버를 제공할 수 있다 - 즉 메타-재료는 적어도 공기를 광학적으로 '모사한다(mimic)'. 그러면 도파관은 계속하여 보호용 메타-재료 코팅이 존재하지 않는 것처럼 동작하지만, 도파관의 성능을 열화시킬 그 유리면(예를 들어 표면 격자) 상의 손상 및 오염으로부터 보호될 수 있다. 더욱이, 더 낮은 굴절률 재료(예를 들어 n<1.0)를 사용함으로써, 도파관의 성능도 좀 더 자세하게 후술되는 바와 같이 향상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 메타-재료 코팅을 구현하는 바람직한 방법은 다음과 같이 기술된다:
참조 문헌 1: Do-Hoon Kwon and Douglas H. Werner: "Low-index meta-material design in the visible spectrum". OPTICS EXPRESS; Vol. 15, No. 15, 23 July 2007, pp9267 - 9272.
다른 바람직한 방법은 다음에 기술된다:
참조 문헌 2: B. T. Scwartz and R Piestun: "Total external reflection from meta-materials with ultra-low refractive index". J. Opt. Soc. Am. B 20, 2003, pp2448 - 2453.
메타-재료 코팅(9, 10)의 굴절률이 낮아지는 영향은, 회절된 디스플레이 광(61, 62)이 도파관(1)의 내면(7, 8)에서 총 전반사를 경험할 수 있는 임계 각도(θ TIR )가 감소된다는 것이다.
스넬법칙에 따르면:
Figure 112018115563510-pct00002
여기에서, n wg 는 도파관 재료의 굴절률(예를 들어 유리: n wg = 약 1.5, 사용되는 유리에 따라 달라짐)이고 n 0 는 메타-재료의 굴절률이다. 따라서, n 0 가 작아지면 θ TIR 이 작아진다.
공칭 레퍼런스 파장 λ(예를 들어 녹색 광)에 대하여, 입력 브래그 격자(2)는 격자 방정식을 따른다:
Figure 112018115563510-pct00003
여기에서 θ i 는 광이 도파관 내로 임계 각도(θ TIR )로 회절되어 나가는 브래그 격자 상으로 입력되는 광의 입사각이다. 격자는 d wg 로 주어지는 격자 피치를 가진다. 그러면, 스넬법칙을 임계 각도에 대해서 치환하면 다음이 된다:
Figure 112018115563510-pct00004
.
이것을 재정렬하면 다음이 된다:
Figure 112018115563510-pct00005
.
결과적으로, n 0 가 작아질 수 있으면, θ i 는 커질 수 있다 - 또는 다르게 말하면, 주어진 격자 및 광의 주어진 파장에 대해서 도파관의 FOV가 증가된다.
이와 유사하게, 그 결과, 위의 방정식의 우측이 일정하다면, n 0 의 값을 λ의 값이 감소되는 것에 맞춰 적절하게 감소시킴으로써, 광의 더 짧은 파장에 대해서 동일한 가시 범위(θ i )가 얻어질 수 있다는 것을 나타낸다. 다시 말해서, λ는 n0를 차이:
Figure 112018115563510-pct00006
가 변하지 않게 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이러한 저-굴절률(n0) 코팅을 TIR이 내부적으로 발생하는 계면을 규정하는 면들인 도파관의 외면에 적용한 결과, 장치의 가시 범위를 증가시키고 및/또는 장치가 주어진 가시 범위에서 동작할 수 있는 파장 범위를 확장하기 위하여, 도파관의 입력 격자 상으로의 입력 광의 입력 광의 입사각 θi를 바람직하게 제어하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
이러한 효들 양자 모두는 도 1a 내지 도 1d 를 참조하여 전술된 바와 같은 현존하는 도파관 디스플레이 시스템의 결함 중 적어도 일부를 해결하기 위한 것이다. 그러면 색상(예를 들어 다색 또는 풀-컬러) 도파관 디스플레이가 더 넓은 가시 범위를 가질 수 있다.
재료의 복소 굴절률:
Figure 112018115563510-pct00007
, 및 복소 임피던스:
Figure 112018115563510-pct00008
가 주어지면, 재료의 상대 투전율(relative permittivity):
Figure 112018115563510-pct00009
및 상대 투자율:
Figure 112018115563510-pct00010
이 다음과 같이 규정된다:
Figure 112018115563510-pct00011
;
Figure 112018115563510-pct00012
및
Figure 112018115563510-pct00013
;
Figure 112018115563510-pct00014
ε 및 μ의 값을 독립적으로 조절함으로써 m 및 Z에 대한 값들의 세트를 찾는 것이 가능하다. 이것은 메타-재료의 유닛 셀 내에 어떤 구조체를 구현함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 메타-재료는 도 6 에 개략적으로 예시된 바와 같은 유닛 셀을 포함할 수 있다. 이러한 유닛 셀은 두 개의 마주보는 평행한 도전성 메시(71, 72), 예컨대 은(Ag) 와이어 메시 사이에 배치된 자기 공진기(70)를 포함한다. 자기 공진기는 평면 평행 도전판(예를 들어 은)(74)의 쌍 사이에 샌드위치된 알루미나(Al2O3)(73)를 포함할 수 있다. 각각의 메시는, 유닛 셀 내의 교차하는 도전성 라인 또는 스트립의 교차점(예를 들어 교차 구조체(75)를 규정함)이 유닛 셀 내에서 자기 공진기에 인접하게 위치되는, 교차된 도전성 라인 또는 스트립의 그리드 또는 네트를 규정하도록 형성될 수 있다. 유닛 셀 내의 두 개의 메시 중 각각의 메시의 교차점은 공진기의 두 개의 도전판 중 각각의 도전판에(도전판 위에 또는 도전판 상에) 위치될 수 있다. 교차점(들)은 자기 공진기의 중심축과 실질적으로 일치하거나 실질적으로 레지스트레이션 상태(register with)일 수 있다. 따라서, 각각의 유닛 셀의 자기 공진기는 마주보는 도전성 메시의 두 개의 마주보는 인-레지스터(in-register) 교차점들 사이에서 샌드위치되고 이들과 레지스트레이션 상태에서 중앙에 위치될 수 있다.
마주보는 평행 도전성 메시들 사이에 자기 공진기에 의해 점유되지 않는 영역은 실리카(SiO2)와 같은 유전체 재료로 충진될 수 있다. 반복하는 유닛 셀의 이러한 주기적 구조는 슬래브 도파관 디스플레이의 외면(예를 들어 유리(76)) 상에 직접적으로 형성될 수 있다. 유닛 셀 구조체가 도 6 에 개략적으로 도시되는데, 여기에서 메타재료의 두 개의 도전성 메시들 중 하나는 도파관 표면(1)과 직접적으로 접촉한다.
자기 공진기의 도전성 메시 및 각각의 유닛 셀 내의 도전성 메시가 메타-재료의 μ 및 ε 각각의 값에 대해 주로 영향을 준다. 예를 들어, μ의 값은 자기 공진기의 높이 및 폭, 및 그 알루미나 및은 층 성분의 상대적인 두께에 의해 크게 영향받는다. 이와 유사하게, 도전성 메시의 도전성 라인 또는 스트립의 두께 및 폭은 ε의 값에 크게 영향을 준다. 이러한 디자인 파라미터는 선택된 광 파장(들) 또는 광 파장의 범위에 걸쳐서 굴절률(실수부)
Figure 112018115563510-pct00015
을 제공하도록 요구되는 바에 따라 선택되고 최적화될 수 있다. 최적화의 효과적인 방법은 참조 문헌 1(전술됨)에 상세히 기술되거나 당업자가 쉽게 입수가능한 임의의 다른 적합한 최적화 방법에 따를 수 있고, 당업자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 6 을 참조하면, 각각의 유닛 셀 내의 자기 공진기(70) 및 도전성 메시(71, 72)의 기하학적/구조적 파라미터는 표 1 에 나열된 후속하는 범위 안으로 한정되는 것이 바람직하다.
Figure 112018115563510-pct00016
표 1: 최적 메타-재료에 대한 기하학적/구조적 파라미터 범위
기하학적 파라미터가 이러한 범위에 속하는 경우
Figure 112018115563510-pct00017
의 굴절률 값(실수 부분)이 최적으로(예를 들어 구조적 최적화에 의해) 가능해진다는 것이 밝혀졌다. 특히, 굴절률의 실수부에 대한 요구된/바람직한 값(n)을 얻기 위하여, 기하학적 파라미터의 세트의 값들은 참조 문헌 1(전술됨)에 기술된 최적화 프로세스를 사용하거나 당업자가 쉽게 입수가능한 임의의 다른 적합한 최적화 방법에 따라서 선택될 수 있다. 메타-재료의 광학적 감쇠 특성을 제어하기 위하여, 굴절률의 허수부 (k)도 역시 최적화될 수 있다.
예를 들어, 제로에 가까운 굴절률의 값(실수 부분)(n=0.159)을 얻기 위한 광학적 감쇠 특성은 다음과 같다:
Figure 112018115563510-pct00018
다른 극단에서, 제로에 가까운 굴절률의 값(실수 부분)(n=0.959)을 얻기 위한 광학적 감쇠 특성은 다음과 같다:
Figure 112018115563510-pct00019
Figure 112018115563510-pct00020
의 다른 타겟 값은, 참조 문헌 1(전술됨)에 기술된 최적화 방법에 따라서, 또는 당업자가 용이하게 입수가능한 임의의 다른 적합한 최적화 방법에 따라서 디자인 파라미터를 최적으로 조절함으로써 획득될 수 있다.
도 3 은 도 1d 를 참조하여 전술된 배치구성에 따라, 슬래브 도파관(1A) 내에서 TIR에 의해 캡쳐될 수 있는 것보다 넓은 입력 가시 범위(3A)로부터 캡쳐될 수 있는(6B) 제한된 총 가시 범위(TFOV) 사이의 비교를 개략적으로 예시한다. 또한, 도 2 를 참조하여 전술된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 캡쳐되는 확장된 입력 TFOV(31)가 도시된다. 본 발명의 실시예에 의해 캡쳐되는 TFOV(60)는 도 1d 의 배치구성의 경우(6B)에 상대적으로 확장되고, 도 1d 의 배치구성에 의해 달성되는 TFOV(6B)에, 도 1d 의 배치구성에 의한 TIR에는 노출되지 않지만 도 3 의 실시예에 의한 TIR에 노출되는 TFOV의 추가적으로-캡쳐된 부분(60B)을 더한 것과 실질적으로 같다. 이러한 추가적인 TFOV 캡쳐는 전술된 바와 같은 메타-재료 코팅(9, 10)을 채용한 결과이고, 그 결과 출력 격자(11)에 의해 도파관 디스플레이의 사용자에게 제공되는 더 넓은 총 가시 범위(63)가 얻어진다.
도 5 는 다층 슬래브 도파관 구조체(12)의 형태인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 다층 광학 디스플레이 도파관 구조체는 다색 디스플레이 성능을 제공하기 위하여 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제 1 성분 슬래브 도파관(13)은 제 1 색상(파장)의 디스플레이 광의 입력/출력을 위해 적응된/튜닝된 브래그 격자(15, 18)를 포함할 수 있고, 제 2 성분 슬래브 도파관(14)은 제 1 색상과 다른 제 2 색상(파장)의 디스플레이 광의 입력/출력을 위해 적응된/튜닝된 브래그 격자(16, 17)를 포함할 수 있다. 물론, 소망되는 경우에는, 추가적인 층(예를 들어 제 3 층, 미도시)이 이러한 다중층 구조체에 추가되어, 추가적인 3 색상(파장)을 위해 튜닝된 브래그 입력/출력 격자를 수용할 수 있다.
이러한 구조체는 2-슬래브 평행 적층 도파관 구조체 내의 두 개의 슬래브 도파관(13, 14) 각각의 외면에 메타-재료 코팅(21, 22, 23)을 도포함으로써 달성되는 보호 효과를 예시한다. 이러한 코팅은 이러한 다층 도파관 구조체에서, 성분 슬래브 도파관(13, 14) 양자 모두가 그들 사이에 샌드위치된 메타-재료의 동일한 중간층(22)에 의해 보호되고 서로 결합되게 한다. 이러한 층/충진재(22)는 오염물(예를 들어 먼지)이 장치(12)의 마주보는 성분 슬래브 도파관(13, 14) 사이에 들어가는 것을 막는다. 또한, 이러한 층/충진재는 전술된 이유 때문에, 메타-재료의 중간층에 의해 코팅된 각각의 도파관의 표면에 반대인 각각의 성분 슬래브 도파관의 표면 상에 배치된 추가 메타-재료 표면 코팅(21, 23)과 결합될 경우 양자 모두의 도파관의 성능을 향상시켜서, TIR에 의해 디스플레이 광을 유도하는 것을 담당하는 각각의 성분 도파관의 모든 마주보는 내면이 메타-재료의 외부 코팅을 보유하게 한다.
성분 슬래브 도파관의 브래그 격자가 슬래브 도파관(15, 16) 내로의 광의 입력 및 슬래브 도파관(17, 18)으로부터의 광의 출력을 위해 사용되는 표면-프로파일 회절 격자 구조체라면, 메타-재료 코팅의 보호 효과는 코팅이 도 5 의 예에 도시된 바와 같이 그러한 브래그 격자를 커버하도록 연장된다면 특히 유용할 수 있다. 그러면, 예를 들어 플라스틱의 외부 보호층(19, 20)이, 그 아래의 메타-재료의 코팅의 TIR-향상 효과에 간섭을 일으키지 않고 메타-재료(21, 23)의 두 개의 최외곽 층 중 각각의 하나의 외면에 걸쳐 도포될 수 있다. 외부 보호층은 장치/어셈블리의 강성을 향상시키도록 선택될 수 있고 또한 이들의 충격-흡수 특성, 및/또는 그들의 강성 및 굽힘에 대한 저항, 및/또는 그들의 스크래치-방지 특성을 위하여 요구되는 바에 따라 선택될 수 있다.
또는, 본 발명의 임의의 실시예(도 4 또는 도 5, 또는 다른 구현형태)에 따르면, 메타-재료는 단지 도파관의 TIR 성능을 지원하기 위해서 사용될 수 있고, TIR에 의하여 디스플레이 광을 유도하는 역할을 하는 도파관의 모든 마주보는 내면이 메타-재료의 외부 코팅을 보유하도록 도파관의 적절한 표면 상에 배치될 수 있다. 결과적으로, 디스플레이 광이 통과해서, 예를 들어 브래그 격자 구조체에 의하여 도파관으로 입력되거나 그로부터 출력되게 되는 도파관의 표면 부분으로부터 메타-재료가 생략될 수 있다. 따라서, 대안적 배치구성에서, 메타-재료 코팅은 입력 또는 출력 브래그 격자의 동작성 부분 위로 연장되거나, 이것을 덮거나 방해하지 않도록 배치되어, 회절을 위해 브래그 격자로 입력되거나 회절에 의하여 브래그 격자로부터 출력되는 광이 메타-재료를 통과해서 투과할 필요가 없게 한다. 그러면 메타-재료에 의한 광학적 감쇠/흡수에 기인하여 발생할 수 있는 광 손실을 피하게 된다. 요구되는 입력/출력 브래그 격자 위에 레지스트레이션되어, 윈도우가 메타-재료 코팅(10)내에 형성될 수 있다.
위에서 설명된 실시예들은 예를 들기 위한 것이고, 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것과 같은 변경예, 변형예, 및 이들에 대한 모든 균등물들은, 예를 들어 청구 범위에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 망라된다.

Claims (15)

  1. 광학 디스플레이를 제공하는 장치로서,
    제 1 광도파관, 및 상기 제 1 광도파관 위에 적층된 제 2 광도파관을 포함하고,
    상기 제 1 광도파관은,
    제 1 색상의 디스플레이 광을 수광하고 상기 제 1 색상의 디스플레이 광을 제 1 광도파관에 따른 유도된 전파를 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 1 회절부, 및
    상기 제 1 광도파관에 의하여 상기 제 1 회절부에 광학적으로 커플링되고, 상기 제 1 회절부로부터 광을 수광하고 상기 제 1 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 2 회절부를 포함하고,
    상기 제 2 광도파관은,
    제 2 색상의 디스플레이 광을 수광하고 상기 제 2 색상의 디스플레이 광을 제 2 광도파관에 따른 유도된 전파를 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 3 회절부, 및
    상기 제 2 광도파관에 의하여 상기 제 3 회절부에 광학적으로 커플링되고, 상기 제 3 회절부로부터 광을 수광하고 상기 제 2 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절시키도록 배치되는 제 4 회절부를 포함하고,
    유도 광이 내부로 반사되는 상기 제 1 및 제 2 광도파관의 외면들은 1.0(1) 이하의 값의 굴절률을 가지는 재료로 외부 코팅되는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절부들 중 하나 또는 몇몇은 상기 광도파관 내에 또는 위에 형성되는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절률의 값은 양의 값인, 광학 디스플레이 제공 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광도파관은 상기 재료의 하나 또는 각각의 층 중 최외각 면 상에 배치된 보호 외층을 포함하는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 재료는 메타-재료를 포함하는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 메타-재료는, 마주보는 도전성 메시들 사이에 샌드위치된 자기 공진기를 각각 포함하는 유닛 셀들의 공간적으로 주기 반복되는 평면형 어레이를 포함하는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 메타-재료는 도전성 배선을 각각 포함하는 유닛 셀들의 공간적으로 주기 반복되는 어레이를 포함할 수 있는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유닛 셀은, 상기 메타-재료의 도전성 배선들이 평행하고 이격되도록 배치되는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는, 디스플레이 광을 생성하고 상기 디스플레이 광을 상기 제 1 회절부로 지향시키도록 배치되는 광원을 포함하는, 광학 디스플레이 제공 장치.
  11. 제 1 광도파관 및 상기 제 1 광도파관 위에 적층된 제 2 광도파관을 포함하는 광도파관 디스플레이를 사용하여 디스플레이 광을 디스플레이하는 방법으로서,
    상기 제 1 광도파관은, 제 1 회절부 및 상기 제 1 광도파관에 의하여 상기 제 1 회절부에 광학적으로 커플링되는 제 2 회절부를 포함하고,
    상기 제 2 광도파관은, 제 3 회절부 및 상기 제 2 광도파관에 의하여 상기 제 3 회절부에 광학적으로 커플링되는 제 4 회절부를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제 1 회절부에서 제 1 색상의 디스플레이 광을 수광하고, 그와 함께 수광된 제 1 색상의 디스플레이 광을 전반사(TIR)에 의하여 상기 제 2 회절부로 상기 제 1 광도파관에 따른 유도된 전파를 위하여 전달시키는 단계;
    상기 제 2 회절부에서, 상기 제 1 회절부로부터 광을 수광하고 상기 제 1 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절하는 단계;
    상기 제 3 회절부에서 제 2 색상의 디스플레이 광을 수광하고, 그와 함께 수광된 제 2 색상의 디스플레이 광을 전반사(TIR)에 의하여 상기 제 4 회절부로 상기 제 2 광도파관에 따른 유도된 전파를 위하여 전달시키는 단계; 및
    상기 제 4 회절부에서, 상기 제 3 회절부로부터 광을 수광하고 상기 제 2 광도파관으로부터의 출력을 위한 각도로 회절하는 단계를 포함하고,
    유도 광이 내부로 반사되는 상기 제 1 및 제 2 광도파관의 외면들은 1.0 이하인 값의 굴절률을 가지는 재료로 외부 코팅되는, 디스플레이 광 디스플레이 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 굴절률의 값은 양의 값인, 디스플레이 광 디스플레이 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 재료는 메타-재료를 포함하는, 디스플레이 광 디스플레이 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020187033595A 2016-04-21 2017-04-10 메타-물질로 코팅된 도파관이 있는 디스플레이 KR102315190B1 (ko)

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