KR102323870B1 - 초미세 구조체에 의해 보호되는 콤팩트한 헤드 마운트 디스플레이 시스템 - Google Patents

Abstract

광학계로서, 적어도 두 개의 외부 주면 및 에지를 가지는 광-투과성 기판(20), 내부 반사에 의해 광파를 상기 기판(20) 내로 커플링하기 위한 광학 요소, 광파를 상기 기판(20)밖으로 커플링하기 위한, 상기 기판(20) 내에 위치된 적어도 하나의 부분 반사면, 및 베이스(112) 및 상기 베이스 상에 구성된 요철 형상(relief formation)을 형성하는 초미세 구조체(hyperfine structure)(111)를 포함하는 적어도 하나의 투명 에어 갭 필름(110)을 포함하고, 상기 요철 형상이 경계면(58)을 형성하는 상기 기판(20)을 바라보면서 상기 에어 갭 필름이 상기 기판의 주면들 중 하나에 부착되어, 상기 기판(20) 내에 커플링된 광파가 상기 경계면(58)으로부터 실질적으로 전반사되게 하는, 광학계가 제공된다.

Description

초미세 구조체에 의해 보호되는 콤팩트한 헤드 마운트 디스플레이 시스템{COMPACT HEAD-MOUNTED DISPLAY SYSTEM PROTECTED BY A HYPERFINE STRUCTURE}

본 발명은 기판-유도형 광 디바이스에 관한 것이고, 특히 도광 소자(light-guide element)라고도 불리는 공통 투광 기판에 의하여 운반되는 복수 개의 반사면을 포함하는 디바이스에 관한 것이다.

콤팩트한 광학 소자에 대한 하나의 중요한 애플리케이션은 광학 모듈이 이미징 렌즈 및 결합기 모두로서 역할을 하는 헤드 마운트 디스플레이(head-mounted displays; HMDs)에 관련되는데, 여기에서 2-차원의 이미지 소스는 무한대로 이미징되고 관찰자의 눈 속으로 반사된다. 표시원은 예를 들어, 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM), 예컨대 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드 어레이(OLED), 스캐닝 소스 또는 유사한 디바이스로부터, 또는 간접적으로, 릴레이 렌즈, 또는 광학 섬유 번들로부터 획득될 수 있다. 표시원은, 시준 렌즈에 의하여 무한대로 이미징되고, 각각 비투과성 및 투과성 애플리케이션들을 위한 결합기로서의 역할을 하는 반사 또는 부분 반사면에 의하여 시청자의 눈으로 투과되는 화소(픽셀)들의 어레이를 포함한다. 통상적으로, 종래의 자유 공간 광학 모듈이 이러한 목적을 위하여 사용된다. 그러나, 시스템의 원하는 가시 범위(FOV)가 증가함에 따라, 이러한 종래의 광학 모듈은 더 커지고 더 무거워지며 더 공간을 많이 차지하게 되고, 따라서 적당한-성능의 디바이스, 예컨대 시스템에 대해서도 실용적이지 않게 된다. 이것은 모든 종류의 디스플레이에 대하여 특히 시스템이 가능한 한 가볍고 콤팩트해야만 하는 헤드 마운트 애플리케이션에서는 큰 단점이다.

콤팩트하게 만들기 위한 노력의 결과로서 여러 상이한 복합 광학 솔루션들이 소개되었는데, 이들 모두는 일면으로는 여전히 거의 모든 실용적 애플리케이션들에 대해서 충분히 콤팩트하지 않고 다른 면으로는 제조가능성의 관점에서 커다란 단점이 있다. 더욱이, 이러한 디자인으로부터 초래되는 광 시야각의 안구-운동-박스(eye-motion-box; EMB)는 보통 매우 작고 통상적으로는 8 mm보다 더 작다. 그러므로, 이러한 광학계의 성능은 시청자의 눈에 대한 광학계의 매우 작은 운동에 대해서도 매우 민감하고, 이러한 디스플레이로부터 텍스트를 쾌적하게 읽게 하기 위한 충분한 동공 모션을 허용하지 않는다.

모두 본 출원의 출원인 명의인 공개 번호 제 WO01/95027 호, 제 WO03/081320 호, 제 WO2005/024485 호, 제 WO2005/024491 호, 제 WO2005/024969 호, 제 WO2005/124427 호, 제 WO2006/013565 호, 제 WO2006/085309 호, 제 WO2006/085310 호, 제 WO2006/087709 호, 제 WO2007/054928 호, 제 WO2007/093983 호, 제 WO2008/023367 호, 제 WO2008/129539 호, 제 WO2008/149339 호, 제 WO2013/175465 호 및 제 IL 2014/232197 호에 포함된 교시 내용들은 원용에 의하여 본 명세서에 통합된다.

본 발명은, 다른 애플리케이션들 중에서 특히 HMD 용인 매우 콤팩트한 도광 광학 소자(light-guide optical elements; LOE)가 활용될 수 있게 한다. 본 발명은 상대적으로 큰 EMB 값과 함께 상대적으로 넓은 FOV를 허용한다. 결과적으로 얻어지는 광학계는 큰 고품질 이미지를 제공하는데, 이것은 또한 눈의 큰 운동을 수용한다. 본 발명에 의하여 제공되는 광학계는, 이것이 최신식 구현형태들보다 실질적으로 더욱 콤팩트하고, 더 나아가 전문화된 구성을 가지는 광학계에도 용이하게 통합될 수 있기 때문에 특히 유리하다.

그러므로, 본 발명의 큰 목적은 선행 기술의 콤팩트 광학 디스플레이 디바이스의 단점을 완화시키는 것과 특정한 요구 사항에 따라 개선된 성능을 가지는 다른 광학 컴포넌트 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 많은 수의 이미징 애플리케이션, 예컨대 휴대용 DVD, 셀룰러 폰, 모바일 TV 수신기, 비디오 게임, 휴대용 미디어 플레이어 또는 임의의 다른 모바일 디스플레이 디바이스에 장점을 가지도록 구현될 수 있다.

LOE의 동작에 대한 주된 물리적 원리는, 광파가 LOE의 외부면으로부터의 전반사에 의해 기판 내에 포획된다는 것이다. 그러나, 다른 광학 요소를 외부면 중 적어도 하나에 부착할 필요가 있는 상황이 생긴다. 그러한 경우에, 일면에서는 외부면으로부터의 광파의 반사가 이러한 부착에 의해 열화되지 않을 것을 확인하면서, 다른 면에서는 LOE로부터 그리고 LOE로의 광파의 커플링-아웃 및 커플링-인 메커니즘이 교란되지 않을 것을 확인하는 것이 필수적이다. 결과적으로, LOE 내에 커플링되고 비스듬한 각도로 표면에 부딪치는 전체 광파를 실질적으로 반사하면서, 표면에 수직 입사에 가깝게 부딪치는 광파는 실질적으로 투과하는 각도 감응 반사성 메커니즘을 외부면에 추가하는 것이 필요하다.

이전의 발명(예를 들어, 공개 문헌 제 WO 2005/024491 호에 기술된 발명)에서, 각도 감응 박막 유전체 코팅이 LOE의 표면에 도포되는 반사성 메커니즘이 예시되었다. 본 발명에 따르면, 모스 아이(moth-eye) 구조를 포함하는 에어 갭 필름을 활용하는 다른 반사성 메커니즘이 제공된다. 모스 아이는 특이한 특성을 가진다: 그들의 표면은 반사를 제거하는 자연적인 나노구조 필름으로 덮혀 있다. 그러면 반사가 없이 나방이 어둠 속에서 잘 볼 수 있으며, 따라서 포식자로부터 벗어나는 위치를 알 수 있게 된다. 이러한 구조체는 각각 높이가 약 200 nm이고 중심이 약 300 nm만큼 이격되어 있는 범프들의 육각형의 패턴으로 이루어진다. 이러한 종류의 반사-방지 코팅은 범프들이 가시 광의 파장보다 작기 때문에 작동하며, 따라서 빛은 표면이 공기와 매질 사이에 연속 굴절률 그레디언트를 가지고 있는 것처럼 "느끼게(see)"되어, 공기-렌즈 인터페이스를 효과적으로 제거함으로써 반사를 감소시킨다. 실용적인 반사-방지 필름이 이러한 효과를 사용하여 제조되어 왔으며, 이것은 생물 모방학(bio-mimicry)의 한 형태이다. 모스 아이 복제물은 수직 입사 광에 대한 반사율이 이러한 구조체에 대해서 거의 완벽하게 제거된다는 것을 보여준다. 다른 형상 및 치수를 가진 이러한 조밀한 비평탄 초미세 주기적 구조체를 가지고 광학적 모델링 및 실험을 수행한 결과, 더 넓은 파장 범위(UV로부터 IR까지)에서 그리고 더 넓은 광 입사각(0±60 도)에서 반사를 억제하는 것이 가능하다는 것이 증명되었다.

본 발명에 따르면, 모스 아이 필름, 또는 임의의 유사한 초미세 구조체는 반사 방지 필름으로서 활용되지 않는다. 그 대신에, 요구된 각도 감응 반사성 메커니즘으로서 특수 초미세 구조체가 활용된다. 광학 요소를 LOE의 외부면에 부착하는 것이 필요할 경우, 부착된 이후에 초미세 구조체가 LOE를 바라보도록 에어 갭 필름이 광학 요소에 접합된다. 그러므로, LOE 내의 커플링-인된 광파가 상이한 비스듬한 각도에서 초미세 구조체에 충돌할 때, 커플링-인된 광파는 주기적 구조의 외부 부분만을 "보게 된다(see)". 그러므로, 인입하는 광학적 광파에 의해서 "목격되는(seen)" 실제 굴절률은 공기의 굴절률에 가까워지고, 전반사 메커니즘이 보존된다. 반면에, 에어 갭 필름은 외부 장면으로부터 오는 인입하는 광파 또는 LOE로부터 커플링 아웃되는 광파에 대해서는 실질적으로 투명하다.

그러므로, 본 발명은 적어도 두 개의 외부 주면 및 에지를 가지는 광-투과성 기판, 내부 반사에 의해 광파를 상기 기판 내로 커플링하기 위한 광학 요소, 광파를 상기 기판 밖으로 커플링하기 위한, 상기 기판 내에 위치된 적어도 하나의 부분 반사면, 및 베이스 및 상기 베이스 상에 구성된 요철 형상(relief formation)을 형성하는 초미세 구조체(hyperfine structure)를 포함하는 적어도 하나의 투명 에어 갭 필름을 포함하는 광학계를 제공하는데, 상기 요철 형상이 경계면을 형성하는 상기 기판을 바라보면서 상기 에어 갭 필름이 상기 기판의 주면들 중 하나에 부착되어, 상기 기판 내에 커플링된 광파가 상기 경계면으로부터 실질적으로 전반사되게 한다.

본 발명이 더욱 완전하게 이해될 수 있도록, 본 발명은 후속하는 예시도를 참조하면서 특정한 바람직한 실시예와 관련하여 설명된다.
세부 도면들을 특정하여 참조할 때, 도시된 특이사항들은 오직 예시로써 그리고 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 논의하기 위하여 도시되는 것일 뿐이며, 본 발명의 이론적이고 개념적인 양태들의 가장 유용하면서도 쉽게 이해되는 설명일 것으로 여겨지는 내용을 제공하기 위해서 제시된다는 것을 강조해 둔다. 이러한 관점에서, 본 발명을 기본적으로 이해하기 위해 필요한 것보다 더 자세하게 본 발명의 구조적 세부사항을 나타내기 위한 노력은 불필요하다. 도면과 함께 이해되는 상세한 설명은, 본 발명의 여러 형태들이 어떻게 실제로 구현될 수 있는지에 대하여 당업자들에게 제공되는 지침으로서의 역할을 한다.
도면에서:
도 1 은 예시적인 선행 기술 LOE의 측면도이다;
도 2 는 디스플레이 광원으로부터의 입력 광-파를 시준하기 위한 선행 기술 광학 디바이스를 예시하는 개략도이다;
도 3 은 디스플레이 광원으로부터의 입력 광-파를 LOE 내로 시준 및 커플링-인하기 위한 선행 기술 시스템을 예시하는 개략도이다;
도 4 는 디스플레이 광원으로부터의 입력 광-파를 기판 내로 시준 및 커플링-인하기 위한 다른 선행 기술 시스템을 예시하는 개략도인데, 시준 모듈이 기판에 부착된다;
도 5 는 본 발명에 따른, 음의 렌즈가 광-가이드 광학 요소의 외부면에 부착되는 본 발명의 예시적인 실시예를 예시한다;
도 6 은 본 발명에 따른, 음의 렌즈와 양의 렌즈가 광-가이드 광학 요소의 외부면에 부착되는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 7a 및 도 7b 는 에어 갭 필름의 예시적인 실시예의 2차원- 및 3-차원 개략도들인데, 초미세 명소 지역(photopic region)의 파장보다 더 짧은 작은 피치로 배치된 투명 유전체 재료의 주기적 구조체가 평탄한 투명 기판 상에 구성된다;
도 8a 및 도 8b 는 예시적인 에어 갭 필름의 측면도 및 상면도를 각각 도시한다;
도 9a 및 도 9b 는 베이스에 근접한 내부 단면에 대한 예시적인 에어 갭 필름의 측면도 및 상면도를 각각 도시한다;
도 10a 및 도 10b 는 공기에 근접한 외부 단면에 대한 예시적인 에어 갭 필름의 측면도 및 상면도를 각각 도시한다;
도 11 은 본 발명에 따른, 비스듬한 각도에서 초미세 구조체의 상부측에 충돌하는 광파의 측면도를 도시한다;
도 12 는 본 발명에 따른, LOE의 외부면에 부착되는 에어-갭 필름을 예시하는데, 커플링된 광파는 LOE와 필름 사이의 경계면에 충돌한다;
도 13a 및 도 13b 는 각각 본 발명에 따른, 안경 시스템의 전면 뷰 및 두 개의 광학 렌즈 사이에 임베딩되고 안경테 안에 조립되는 LOE의 상면도를 각각 도시한다;
도 14a, 도 14b 및 도 14c 는 본 발명에 따른, 전면 양의 렌즈와 후면 음의 렌즈 사이에 임베딩되는 LOE를 포함하고 접착제가 없이 테 안에 함께 탑재되는 비-모놀리식 광학 요소를 각각 예시한다;
도 15a, 도 15b 및 도 15c 는 본 발명에 따른, 외주 결합 기법을 사용하여 두 개의 광학 렌즈들 사이에 LOE를 임베딩하기 위한 다른 방법을 각각 예시한다;
도 16a, 도 16b 및 도 16c 는 본 발명에 따른, 두 개의 광학 렌즈들 사이에 LOE를 일체식으로 임베딩하기 위한 다른 방법을 각각 예시한다;
도 17a, 도 17b 및 도 17c 는 본 발명에 따른, 두 개의 평탄한 기판들 사이에 임베딩되고 테 안에 조립된 LOE를 각각 예시한다;
도 18 은 커플링-인 및 커플링-아웃 요소가 회절형 광학 요소인 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다, 그리고
도 19 는 광학 모듈이 손에 들고 소지되는 디스플레이 시스템 내에 임베딩되는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다.

도 1 은 본 발명에서 사용될 수 있는, 평면 기판(20) 및 연관된 컴포넌트(이하, "LOE"라고 지칭됨)를 포함하는 종래 기술의 광학계의 단면도를 도시한다. 광학 수단, 예를 들어 반사면(16)이 광원(미도시)의 디스플레이로부터 시준된 광파(18)에 의해 조명된다. 반사면(16)은 소스로부터의 입사 광을 반사하여, 이 광이 전반사에 의하여 LOE의 평면형 기판(20) 내에 포획되도록 한다. 기판(20)의 하부 및 상부 주면(26, 28)으로부터의 수 차례의 반사 이후에, 포획된 파는 선택적 반사면(22)의 어레이에 도달하는데, 이것은 광을 기판 밖으로, 동공(24)을 가지는 시청자의 눈(25) 안으로 커플링한다. 본 명세서에서, LOE의 입력면은 입력 파가 LOE에 진입하는 데에 통과하는 면으로서 간주될 것이고, LOE의 출력면은 포획된 파가 LOE를 탈출하는 데에 통과하는 면으로서 간주될 것이다. 도 1 에서 예시된 LOE의 경우, 입력 및 출력면 모두가 하부면(26)에 있다. 그러나, 입력 및 이미지 파가 기판(20)의 반대면에 위치될 수 있는 다른 구성, 또는 광이 기판의 기울어진 에지를 통해 LOE 내로 커플링될 경우가 구상된다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 디스플레이 광원(4)으로부터의 s-편광된 입력 광-파(2)가 시준 모듈의 하면(30)을 통해서 시준 모듈(6) 내로 커플링되는데, 이러한 모듈은 보통 광-파 투과 재료로 구성된다. 편광 빔 스플리터(31)의 반사-오프(reflection-off) 이후에, 광파들은 시준 모듈(6)의 면(32)을 통과하여 기판에서 커플링-아웃된다. 그러면, 광파는 사분파장 지연판(34)을 통과하고, 반사 광 소자(36), 예를 들어 평판 미러에 의해 반사되며, 복귀하여 다시 지연판(34)을 통과하고, 면(32)을 통해서 시준 모듈(6)에 재진입한다. 이제 p-편광된 광파는 편광 빔 스플리터(31)를 통하여 지나가고 시준 모듈(6)의 면(38)을 통해 시준 모듈에서 커플링 아웃된다. 그러면 광파는 제 2 사분파장 지연판(40)을 통과하여 지나고, 이것의 반사면(44)에서 컴포넌트(42), 예를 들어 렌즈에 의하여 시준되며, 복귀하여 지연판(34)을 통하여 다시 지나가고, 그리고 면(38)을 통해서 시준 모듈(6)에 재진입한다. 이제 s-편광된 광-파는 편광 빔 분할기(31)에서 반사되고 상부면(46)을 통해서 시준 모듈을 탈출한다. 반사면(36 및 44)은 금속성 또는 유전체 코팅으로 처리될 수 있다.

도 3 은 도 2 에 상세히 도시된 컴포넌트로 구성되는 시준 모듈(6)이 어떻게 기판(20)과 결합되어 광학계를 형성할 수 있는지를 예시한다. 시준 모듈(6)로부터의 출력 광-파(48)는 기판의 하면(26)을 통해 기판(20)에 진입한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 기판(20)에 진입하는 광파는 광학 요소(16)로부터 반사되고 기판 내에 포획된다. 이제, 디스플레이 광원(4), 폴딩 프리즘(52 및 54), 편광 빔 스플리터(31), 지연판(34 및 40) 및 반사 광학 요소(36 및 42)를 포함하는 시준 모듈(6)은, 정확하지 않은 기계적 공차를 가지고서도, 용이하게 단일 기계적 모듈 내에 통합되고 기판으로부터 독립적으로 조립될 수 있다. 추가하여, 지연판(34 및 40) 및 반사 광학 요소(36 및 42)는 각각 함께 접합되어 단일 요소를 형성할 수 있다.

시준 모듈(6)의 모든 다양한 컴포넌트를 기판(20)에 부착하여, 단순화된 기계적 모듈이 되는 콤팩트한 단일 요소를 형성하는 것이 이로울 것이다. 도 4 는 이러한 모듈을 도시하는데, 시준 모듈(6)의 상면(46)은 경계면(58)에 그리고 기판(20)의 하면(26)에 부착된다. 이러한 구성의 주된 문제점은, 부착 프로시저에 의해 기판(20)과 시준 모듈(6) 사이에 이전에 존재했던 에어 갭(50)(도 3 에 도시됨)을 없앤다는 것이다. 이러한 에어 갭은 입력 광파(48)를 기판(20) 내에 포획하기 위해 필수적인 것이다. 포획된 광파(48)는 경계면(58)의 포인트(62 및 64)에서 반사돼야 한다. 그러므로, 반사 메커니즘이 기판(20)의 주면(26)에서, 또는 시준 모듈(6)의 상면(46)에서 이러한 평면에 적용돼야 한다. 그러나, 이러한 표면들이 예시적인 포인트(66)에서 기판(20)에 진입하거나 진출하는 광파에 대해서 투명하기도 해야 하기 때문에, 단순한 반사 코팅은 쉽게 적용될 수 없다. 광파는 작은 입사각에서 평면(48)을 통과하고 더 높은 입사각에서 반사해야 한다. 보통, 통과하는 입사각은 0° 와 15° 사이이고, 반사하는 입사각은 40° 와 80° 사이이다.

본 발명의 전술된 실시예에서, LOE 내로 커플링되는 이미지는 무한대로 시준된다. 그러나, 예를 들어 근시가 있고 먼 거리에 위치된 이미지를 적절하게 볼 수 없는 사람을 위해서, 투과된 이미지가 더 가까운 거리로 포커싱되어야 하는 애플리케이션이 존재한다. 도 5 는 본 발명에 따르는, 렌즈를 이용하는 광학계를 예시한다. 무한대로부터 온 이미지(80)는 반사면(16)에 의해 기판(20) 내로 커플링되고, 부분 반사면(22)의 어레이에 의해 시청자의 눈(24) 안으로 반사된다. (평면-오목) 렌즈(82)는 이미지를 편리한 거리에 포커싱하고, 난시를 포함한 시청자의 눈의 다른 수차를 선택적으로 정정한다. 렌즈(82)는 이러한 렌즈(82)의 평탄면(84)에서 기판의 면에 부착될 수 있다. 도 4 와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 이미지 광파(80)가 전반사에 의해 기판 내에 포획되도록 보장하려면 렌즈와 기판 사이에 얇은 에어 갭이 보존돼야 한다.

추가하여, 본 발명에 관련된 대부분의 애플리케이션에서 외부 장면은 무한대에 위치된다고 가정되지만, 외부 장면이 더 가까운 거리에 위치되는 전문 애플리케이션 또는 의학 애플리케이션도 존재한다. 도 6 은 본 발명에 기초하여 듀얼 렌즈 구성을 구현하기 위한 광학계를 예시한다. 무한대로부터 온 이미지 광파(80)는 반사면(16)에 의해 기판(20) 내로 커플링되고, 부분 반사면(22)의 어레이에 의해 시청자의 눈(24) 안으로 반사된다. 가까운 거리에 있는 장면으로부터의 다른 이미지(86)는 렌즈(88)에 의해 무한대로 시준되고, 기판(20)을 지나서 시청자의 눈(24) 안으로 들어간다. 렌즈(82)는 이미지(80 및 86)를 보통(하지만 늘 그런 것은 아님) 외부 장면 이미지의 원래의 거리와 같은 편리한 거리로 포커싱하고, 필요할 경우 시청자의 눈의 다른 수차를 정정한다.

도 5 및 도 6 에 도시되는 렌즈(82 및 88)는 각각 간단한 평면-오목 및 평면-볼록 렌즈이지만, 기판의 평면형 형상을 유지하기 위해서, 미세한 스텝들이 있는 얇게 몰딩된 플라스틱 판으로 이루어지는 프레넬 렌즈를 대신 사용하는 것이 가능하다. 더욱이, 위에서 설명된 바와 같이 고정된 렌즈를 이용하는 대신에 렌즈(82 또는 88)를 구성하는 다른 방식은 전자적으로 제어되는 동적 렌즈를 사용하는 것이다. 사용자가 시준되지 않은 이미지를 볼 수 있을 뿐만 아니라 이미지의 초점을 동적으로 제어할 수 있을 애플리케이션들이 존재한다. 높은 해상도의 공간 광 변조기(SLM)가 홀로그램 요소를 형성하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 현재, 이러한 목적을 위한 가장 인기 있는 소스는 LCD 디바이스이지만, 다른 동적 SLM 디바이스도 역시 사용될 수 있다. 1mm당 수 백 개의 라인을 가지는 높은 해상도의 동적 렌즈가 공지되어 있다. 위에서 도 5 및 도 6 과 함께 전술된 고정된 렌즈 대신에 이러한 종류의 전자-광학적으로 제어되는 렌즈가 본 발명에 있는 원하는 동적 요소로서 사용될 수 있다. 그러므로, 실시간으로, 사용자는 기판에 의해 투영된 가상 이미지 및 외부 뷰의 실제 이미지 양자 모두의 정확한 초점면을 결정하고 설정할 수 있다.

도 6 에 도시된 바와 같이, 렌즈(82 및 88)를 기판(20)에 부착하여 단일하고 콤팩트한 단순화된 기계적 모듈을 형성하는 것이 이로울 것이다. 전술된 바와 같은 주된 문제점은 부착 프로시저에 의해 기판(20)과 렌즈(82 및 88) 사이에 이전에 존재했던 에어 갭이 사라진다는 것이라는 것이 분명하고, 이러한 갭은 이미지 광파(80)를 기판(20) 내에 포획하기 위해 필수적인 것이다. 포획된 이미지 광파(80)는 경계면(84)의 포인트(90)에서 반사되고 포인트(92)에서 같은 면을 통해 투과돼야 한다. 그러므로, 도 4 와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 유사한 부분 반사형 메커니즘이 이러한 평면에 적용되어야 한다.

요구되는 부분 반사형 메커니즘을 얻기 위해서, 각도 감응 박막 코팅을 기판의 주면에 도포하는 것이 가능하지만, 이러한 실시예를 제작하는 것은 복잡하고 고비용일 수 있다. 요구되는 부분 반사형 메커니즘을 구현하기 위한 다른 방법은, 도 7a 및 도 7b 에 도시된 바와 같이 투명 에어 갭 필름(110)을 기판의 주면에 부착하는 것이다. 에어 갭 필름이라는 용어는 명소 지역의 파장 보다 더 짧은 작은 피치로 배치된 투명 유전체 재료의 초미세 주기적 구조체(111)를 그 자신의 표면에 가지는 광학 디바이스를, 예를 들어 평탄한 투명 기판(112)(이하, "베이스"(112) 또는 "베이스 필름"(112)이라고 불림) 상에 형성된 조밀한 (요철) 초미세 주기적 구조체(111)(이하, "요철 형상"이라고 불림)를 가지는 모스 아이 필름과 같은 광학 디바이스와 관련된다. 요철 형상의 높이는 1 마이크론 미만인 것이 바람직하다(하지만 반드시 그래야 하는 것은 아니다).

도 8a 및 도 8b 에서 볼 수 있는 바와 같이, 에어 갭 필름(110)의 표면과 평행한 임의의 단면(121)은 주기적 형상을 가지는데, 요철 형상 내의 유전체 재료(123)의 비율분(proportional portion)은 필름 자체의 함수로서 점진적으로 변경된다.

도 9a 와 도 9b 및 도 10a 와 10b에서 더 알 수 있는 바와 같이, 베이스 필름(112)에 더 가까운 내부 단면(124), 즉 초미세 구조체(111)의 하부에서 요철 형상(126) 내의 유전체 재료(125)의 비율분은 최대이고 실질적으로 1 에 가까운 반면에, 외부 단면(127), 즉 초미세 구조체(111)의 상부에 가까운 곳에서, 요철 형상(129) 내의 유전체 재료(128)의 비율분은 최소, 즉 재료(125)에서보다 훨씬 낮은 값이고 실질적으로 제로와 같다.

통상적으로, 광파가 주기적 구조체를 가지는 광학 디바이스를 통과할 경우, 광의 회절이 발생하고 회절된 광의 제로차수, 즉 회절이 없이 디바이스를 통과해서 투과되는 광의 휘도는 상당히 감소된다. 그러나, 초미세 주기적 구조체의 피치가 인입하는 광파의 파장 보다 훨씬 짧으면, 회절은 발생하지 않는다. 그 대신에, 광학 파가 매질이 이러한 매질에 포함된 재료의 평균인 굴절률을 가진다고 "인식(see)"하기 때문에, 효과적인 반사 방지 특성을 얻을 수 있다.

반면에, 도 11 에 도시된 바와 같이, 광파(130)가 비스듬한 각도에서 구조체의 상부측에서 주기적 초미세 구조체(111)에 충돌하면, 광파(130)는 투명 재료의 비율분이 매우 낮은 주기적 구조체의 외부 부분만을 "바라보게(see)" 된다. 그러므로, 인입하는 광학적 파가 "느끼는(seen)" 실제 굴절률은 공기(131)의 굴절률에 가깝다.

결과적으로, 그리고 도 12 에 도시된 바와 같이, 이러한 에어-갭 필름이 기판(20)의 외부면(28)에 부착되면, 커플링된 광파(130)는 기판과 필름 사이의 경계면(132)에 임계 각도보다 높은 각도도 충돌하고, 필름과 기판 사이에 구속된 공기(131)가 경계 표면에서의 공기와 유사한 굴절률 때문에 광학적 격리를 제공한다. 그러므로, 외부면으로부터의 커플링-인된 광파의 전반사 현상들이 보존될 것이고 광파는 기판 내에 보유될 것이다.

구조체의 높이, 피크-피크 및 폭과 같은 초미세 구조체의 기하학적 특성은 보통 10 내지 800 나노미터 사이에 있을 수 있다. 추가적으로, 초미세 구조체의 정확한 형상은 반드시 모스 아이의 형상일 필요가 없다. 피라미드, 프리즘, 원뿔 등과 같은 임의의 다른 나노-구조 형상이 사용될 수도 있다. 더 나아가, 주기적 구조체가 보통 제작하기가 더 쉽긴 하지만, 초미세 구조체는 엄격하게 주기적이어야 하는 것도 아니다. 그러나, 이러한 초미세 구조체는 다음의 요구 사항을 만족해야 한다: 일면으로는, 구조체는 부착 프로세스 중에 파괴되지 않을 만큼 충분히 고형물이어야 하고, 다른 면으로는, 구조체의 외부 단면에 있는 유전체 재료의 비율분은 기판 내의 전반사 현상을 유지하기 위해서 실질적으로 제로와 같아야 한다. 추가하여, 초미세 구조체의 기본 요소의 크기는 회절 효과를 피하기 위해서 너무 크지 않아야 한다. 그러나, 초미세 구조체의 두께를 100 nm 아래로 줄이면 포획된 파가 원치 않게 에어 갭 필름을 통과할 수 있고 전반사 현상들이 깨질 수 있다. 결과적으로, 초미세 구조체 두께에 대한 통상적인 요구된 값은 200 내지 300 nm 사이이다.

도 13a 는 안경 시스템(140)의 전면 뷰를 도시하고, 도 13b 는 두 개의 광학 렌즈(141, 142) 사이에 임베딩되고 안경테(143) 내에 조립된 기판(20)의 상면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광학 요소에 추가하여, 테는 카메라(144), 마이크로폰(145), 이어폰(146), USB 커넥터, 메모리 카드, 관성 측정 유닛(IMU), 등의 다른 부속물을 포함할 수 있다.

도 14a, 도 14b 및 도 14c 는 접착제가 없이 테(154) 안에 함께 탑재된 전면 양의 렌즈(151)와 후면 음의 렌즈(152) 사이에 임베딩된 기판(20)을 포함하는 비-모놀리식 광학 요소(150)를 도시한다. 에어 갭 필름(110)(도 14c)은 기판(20)과 렌즈(151, 152) 사이에 배치되거나 결합되는데, 초미세 구조체들(111)은 기판(20)의 외부면(26 및 28)을 각각 바라본다. 에어 갭 필름(110)은 압력-감응 접착제(PSA)를 사용하여 광학 렌즈(151 및 152)의 평면형 표면에 직접적으로 접합될 수 있고, 또는 엠보싱, 사출 성형, 주물, 머시닝, 소프트 리소그래피 또는 임의의 다른 직접적 제작 방법을 사용하여 렌즈의 일체형 부분으로서 직접적으로 제조될 수 있다. 임베딩된 광학 요소(150)는 압력 또는 접합 기법을 이용하여 테(154) 안에 조립될 수 있다.

기판(20)을 두 개의 광학 렌즈들 사이에 일체형으로 임베딩하기 위한 다른 방법이 도 15a, 도 15b 및 도 15c 에 도시된다. 기판(20)은 외주 결합 기법을 이용하여 광학 렌즈들 사이에 임베딩된다. 전면 렌즈(151) 및 후면 렌즈(152)는 모든 컴포넌트를 함께 탑재시키는 비-광학적 접착제 또는 임의의 다른 높은-점성 접착제(156)를 사용하여 기판(20)의 주변 에지에 접합된다. 접착제의 점성은 필름(110)과 기판(20) 사이에 구속된 에어 포켓(131)내로 접착제가 누설되지 않게 하기 위해서 충분히 커야 한다. 이러한 누설이 생기면, 기판의 외부면으로부터의 광파의 전반사를 보존하기 위해서 요구되는 에어 갭이 없어질 수 있다. 요구된 접착제(156)는, 예를 들어 OP-67-LS 또는 임의의 실온 가황(room temperature vulcanization; RTV) 실리콘일 수 있다.

두 개의 광학 렌즈들 사이에 기판(20)을 일체형으로 임베딩하기 위한 다른 대안적인 방법이 도 16a, 도 16b 및 도 16c 에 도시된다. 임베딩된 요소의 생산 프로시저는 다음과 같다: 초미세 구조체(111)가 기판(20)의 외부면(26 및 28)을 바라보게 에어 갭 필름(110)을 배치한다; 정전기와 같은 부착 기법을 이용한다; 요소의 요구된 외부 형상을 가지는 몰드(160)를 준비한다; 기판(20)을 몰드 안에 삽입한다; 폴리머를 몰드 내에 캐스팅하거나 주입하고, UV에 의하여 또는 폴리머 온도를 변경하여 폴리머를 경화시킨다; 그리고 마지막으로, 임베딩된 요소를 몰드로부터 방출한다. 도 15a 내지 도 15c 와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 기판(20)과 에어 갭 필름(110) 사이의 에어 포켓(131)으로 재료가 누설되는 것을 막기 위해서 초미세 지역이 사출 성형 프로세스 중에 주입된 재료로부터 격리되는 것도 역시 중요하다.

도 13a 내지 도 16c 가 두 개의 광학 렌즈들 사이에 임베딩된 기판을 포함하는 광학 컴포넌트를 형성하기 위한 다양한 방법들을 예시하지만, 평면 요소를 기판의 외부면에 부착할 필요가 있는 실시예도 존재한다. 이러한 실시예의 일 예가 도 4 에 도시되는데, 여기에서 시준 요소(6)는 기판(20)에 부착된다. 평탄한 요소를 기판에 부착하는 다른 이유는, 사용자의 눈의 안전성을 향상시키기 위해서 기판을 기계적으로 보호하는 것, 또는 평탄한 요소의 외부면에 코팅을 도포하여 광색성 응답성(photochromic response), 스크래치 저항성, 높은 친수성, 유색(가색) 뷰, 편광, 지문 방지 등과 같은 다양한 특성을 얻는 것일 수 있다.

두 개의 평탄한 기판(162 및 164) 사이에 임베딩되고 테(166, 167) 안에 조립된 기판(20)이 도 17a, 도 17b 및 도 17c 에 도시된다. 기판 및 평탄한 기판(20)의 임베딩 프로세스는 기계적 부착, 주변 접합 또는 모놀리식 제작법을 사용하여 구체화될 수 있다. 임베딩 프로세스는 기판의 외부면들 중 하나에 하나의 요소만을 부착하는 것 또는 평탄한 기판 및 만곡형 렌즈와 같은 상이한 요소들을 결합하는 것을 포함할 수 있다.

지금까지 예시된 모든 실시예에서, 광파를 기판 밖으로 커플링하기 위한 요소는 상기 기판 내에 위치되는 적어도 하나의 평탄한 부분 반사면인데, 이것은 보통 부분 반사형 유전체 코팅으로 코팅되고 상기 기판의 주면과 평행하지 않다. 그러나, 본 발명에 따르는 특수 반사성 메커니즘이 다른 커플링-아웃 기술을 위해 활용될 수 있다. 도 18 은 커플링-인 요소(170) 또는 커플링-아웃 요소(172)가 회절 요소인 기판(20)을 도시한다. 추가하여, 만곡형 부분 반사면, 및 다른 수단과 같은 다른 커플링-아웃 요소가 사용될 수 있다.

도 13 내지 도 17 의 실시예들은 본 발명의 간단한 구현형태를 예시하는 예들일 뿐이다. 시스템의 코어를 구성하는 기판-유도형(guided) 광학 요소가 매우 콤팩트하고 경량이기 때문에, 매우 다양한 장치에 설치될 수 있다. 차양, 폴딩 디스플레이, 단안경(monocle), 및 더 많은 것을 포함하는 많은 다른 실시예들도 역시 가능하다. 이러한 실시예는 디스플레이가 눈에 가깝거나; 머리에 탑재되거나, 머리 위에 쓰거나, 머리로 운반돼야 하는 애플리케이션들에 대해 지정된다. 그러나, 디스플레이가 이와 달리 위치되는 애플리케이션들도 존재한다. 이러한 애플리케이션의 일 예는 예를 들어 스마트 폰 또는 스마트워치와 같은, 모바일 애플리케이션을 위한 손으로 운반되는 디바이스이다. 이러한 스마트 디바이스의 주된 문제는 크기와 부피가 작아야 한다는 것과 이미지의 품질이 높아야 한다는 가치의 충돌이다.

도 19 는 모바일 디바이스의 작은 크기와 풀 포맷 디스플레이에서 디지털 콘텐츠를 시청하려는 희망을 절충하기 위해 현재 필요한 불이익을 제거하는, 본 발명에 기초한 다른 방법을 예시한다. 이러한 애플리케이션은 모바일 디바이스를 작게 하면서 풀 포맷 디스플레이에서 디지털 콘텐츠를 보고 싶어 한다는 과거의 상반된 요구 사항을 고품질 이미지를 사용자의 눈에 직접 투영함으로써 해결하는 핸드-헬드 디스플레이(hand-held display; HHD)이다. 광학 모듈은 디스플레이 소스(4), 폴딩 및 시준 광학기(190)를 포함하고, 기판(20)은 스마트 디바이스(210)의 몸체 내에 통합되는데, 기판(20)이 전화기의 현존하는 보호 커버-윈도우를 대체한다. 구체적으로 설명하면, 소스(4) 및 광학기(190)를 포함하는 지원 컴포넌트의 부피는 현대의 스마트 디바이스의 수락가능한 부피 안에 맞춤될 만큼 충분히 작다. 디바이스에 의해 송출된 풀 스크린을 보기 위해서, 디바이스의 윈도우는 높은 FOV, 큰 눈-모션-박스 및 쾌적한 눈동자 거리(eye-relief)를 가지고 이미지를 관찰하는 사용자의 눈(24) 앞에 위치된다. 이미지의 다른 부분을 디스플레이하도록 디바이스를 틸팅함으로써 더 큰 눈동자 거리에서 전체 FOV를 시청하는 것도 역시 가능하다. 더 나아가, 광학 모듈이 시스루 구조에서 작동할 수 있기 때문에, 디바이스의 듀얼 동작이 가능하다; 즉 종래의 디스플레이(212)를 온전히 유지하는 옵션이 존재한다. 이러한 방식으로, 디스플레이 소스(4)가 셧오프된 경우 기판(20)을 통해서 표준 디스플레이가 시청될 수 있다. 방대한 인터넷 서핑 또는 고품질 비디오 동작을 위해 지정되는 제 2 의 가상-모드에서, 종래의 디스플레이(212)는 셧오프되는 반면에, 디스플레이 소스(4)는 요구된 넓은 FOV 이미지를 기판(20)을 통해 시청자의 눈 안으로 투영시킨다. 보통, 손으로 운반되는 대부분의 스마트 디바이스에서, 사용자는 디바이스의 전면 윈도우에 임베딩된 터치스크린을 사용하여 스마트 디바이스를 작동시킬 수 있다. 도 19 에 도시된 바와 같이, 터치스크린(220)은 기판(20) 상에 위치된 외부면 에어 갭 필름(110) 상에 터치스크린을 직접 접합함으로써 스마트 디바이스에 부착될 수 있다.

Claims (33)

1. 광학계로서,
   적어도 두 개의 외부 주면 및 에지를 가지는 광-투과성 기판(20);
   내부 반사에 의해 광파(48)를 상기 기판 내로 커플링하기 위한 광학 요소(16);
   광파를 상기 기판 밖으로 커플링하기 위한, 상기 기판 내에 위치된 적어도 하나의 부분 반사면(22); 및
   베이스(112) 및 상기 베이스 상에 구성된 요철 형상(relief formation)을 형성하는 초미세 구조체(hyperfine structure)(111)를 포함하는 적어도 하나의 투명 에어 갭 필름(110)을 포함하되, 상기 요철 형상이 상기 기판을 바라보면서 경계면을 형성하도록 상기 에어 갭 필름(110)이 상기 기판의 주면들 중 하나에 부착되어, 상기 기판 내에 커플링된 광파가 상기 경계면으로부터 실질적으로 전반사되게 하고,
   상기 베이스에 평행한 단면에서의 상기 요철 형상의 비율분(proportional portion)은, 상기 베이스로부터의 상기 단면의 거리의 함수로서 점진적으로 변하는, 광학계.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 에어 갭 필름은 상기 요철 형상과 기판 사이에 에어 포켓을 형성하는, 광학계.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 요철 형상은 유전체 재료를 포함하는, 광학계.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 요철 형상의 유전체 재료의 비율분은 상기 베이스에 근접한 내부 단면에서 최대인, 광학계.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 요철 형상의 유전체 재료의 비율분은 상기 베이스에 근접한 내부 단면에서 실질적으로 1과 같은, 광학계.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 요철 형상의 유전체 재료의 비율분은 상기 경계면에 근접한 외부 단면에서 최소인, 광학계.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 요철 형상의 유전체 재료의 비율분은 상기 경계면에 근접한 외부 단면에서 실질적으로 0과 같은, 광학계.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 경계면에 근접한 외부 단면에서의 상기 요철 형상의 굴절률은 공기의 굴절률과 실질적으로 같은, 광학계.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 형상은 주기적 요철 형상인, 광학계.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 형상은 모스 아이(moth eye)의 구조를 가지고 및/또는 프리즘, 원뿔 및 피라미드의 어레이들의 군으로부터 선택되는, 광학계.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 초미세 구조체의 기하학적 특성은, (a) 인입하는 광파의 파장보다 작은 것, (b) 나노구조 필름 및 (c) 10 내지 800 나노미터 범위로 이루어진 군에서 선택되는, 광학계.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 형상의 높이는 1 마이크론 미만인, 광학계.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 기판을 바라보는 적어도 하나의 평탄한 외부면을 가지는 적어도 하나의 광학 요소를 더 포함하고,
    상기 베이스는 상기 요소의 외부면 및 상기 기판을 바라보는 요철 형상에 광학적으로 접합되는, 광학계.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 요철 형상이 기판 표면을 바라보면서 상기 광-투과성 기판의 주면들 중 제 2 주면에 부착되는 제 2 에어 갭 필름을 더 포함하는, 광학계.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학계는, 적어도 하나의 평탄면을 각각 가지는 두 개의 렌즈를 더 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 에어 갭 필름의 베이스들은 상기 렌즈의 평탄면에 접합되는, 광학계.
17. 제 1 항에 있어서,
    광파를 기판 밖으로 커플링하기 위한 상기 부분 반사면은 곡면인, 광학계.
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
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