KR102350385B1 - 출사동 확장 회절 광학 웨이브가이딩 장치 - Google Patents

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Abstract

증강 현실 디스플레이에서 입력 광을 이차원에서 확장하기 위해 본 발명이 개시되었다. 상기 장치는 웨이브가이드(wave guide)(12) 및 세 개의 선형 회절 격자들 H0, H1, H2를 포함한다. 프로젝터로부터의 입사광(incident beam)은 입력 격자 H0를 다색광(poly chromatic light)으로 비추고, 상기 광은 웨이브가이드(12)로 커플링된다. 다른 두 개의 격자들 H1, H2는 서로의 위에 겹쳐진다. 광은 하나의 격자 H1에 의하여 제1 회절 오더(first diffracted order) 및 상기 광을 상기 웨이브가이드 밖으로 뷰어(viewer)를 향하도록 커플링할 수 있는 다른 격자 H2를 향해 회절될 수 있다. 또 다른 방식에서, 교차된 격자 H1, H2는 다수의 효과적인 회절 격자들을 생성하는 필라(pillar)(20)들의 규칙적인 배열을 가지는 광 결정에 의해 대체될 수 있다.

Description

출사동 확장 회절 광학 웨이브가이딩 장치{EXIT PUPIL EXPANDING DIFFRACTIVE OPTICAL WAVEGUIDING DEVICE}
본 발명은 증강 현실 디스플레이 또는 헤드-업 디스플레이(head-up display)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 입력 광(input light)이 두 개의 직교하는 방향으로 확장되거나, 웨이브가이드의 밖으로 뷰어(viewer)를 향해 커플링(coupling)되는 디스플레이에 관한 것이다. 이것은 증강 현실 디스플레이에서 이미지의 물리적 확장을 가능하게 할 수 있다.
증강 현실 디스플레이는 사용자가 투영된 이미지뿐만 아니라 그들의 주위 환경도 볼 수 있게 한다. 군사용 혹은 운송용 적용에 있어서, 투영된 이미지들은 사용자에 의해 인식되는 실제 세계에 겹쳐질 수 있다. 이러한 디스플레이들의 다른 응용들은 안경과 같은 웨어러블 디바이스들 및 비디오게임들을 포함한다.
일반적인 구성에서 투명한 디스플레이 스크린은 사용자가 현실 세계를 계속 볼 수 있도록 사용자의 앞에 제공된다. 디스플레이 스크린은 전형적으로 유리 웨이브가이드고, 프로젝터는 한쪽 면에 제공된다. 프로젝터로부터의 광은 회절 격자(diffraction grating)에 의해 웨이브가이드로 커플링된다. 투영된 광은 웨이브가이드에서 완전히 내부적으로 반사된다. 사용자가 볼 수 있도록 광은 그 후에 다른 회절 격자에 의해 웨이브가이드 밖으로 커플링된다. 프로젝터는 사용자의 현실 세계에 대한 시야를 증강시키는 이미지들 및/또는 정보를 제공한다.
넓은 화면의 증강 현실 디스플레이들의 생산에는 도전이 존재한다. 왜냐하면 입력 프로젝터로부터의 광이 (만약 증강된 현실이 전체 넓이에 걸쳐 보여지길 원한다면) 디스플레이의 전체 넓이에 걸쳐 제공될 필요가 있기 때문이다.
그러한 하나의 장치는 도 1에 도시된 바와 유사한 방식을 설명하는 US 6,580,529에 개시되어 있다. 도 1은 표면들 중 하나 위에 입력 격자 4를 포함하는 웨이브가이드 2의 투시도이다. 입력 프로젝터는 웨이브가이드 2의 평면에 직교하는 방향으로 입력 광을 제공할 수 있다. 입력 격자 4는 제1 회절 오더(diffraction order)가 웨이브가이드 2로 커플링되도록 입력 광을 회절시킬 수 있다. 캡쳐된 광(captured light)은 웨이브가이드 2 내에서 내부 전반사에 의하여 그루브들(grooves)이 입사광에 대해 45도 방향을 향하는 제2 격자 6을 향해 나아간다. 제2 격자 6과의 상호 작용의 각 지점에서, 광은 전송되거나 혹은 회절된다. 제2 격자 6에 의해 회절되는 광은 90도 방향을 바꾸고, 제1 회절 오더는 웨이브가이드 2 내에서 제3 격자 8을 향하여 확장된다. 제2 격자 6에서 처음에 전송된 광은 제3 격자 8을 향하여 회절되기 전에 격자 6내에서 더 확장된다. 이것은 제2 격자 6의 길이(length)를 따라 입사광의 1차원 확장을 제공한다. 제3 격자 8의 그루브들은 입사광에 대해 직교하는 방향을 향한다. 제3 격자 8과의 상호작용의 각 지점에서, 광은 전송되거나 회절될 수 있다. 전송된 광은 내부 전반사에 의하여 웨이브가이드 8 내에서 나아간다. 제3 격자 8에 의하여 회절된 광은 웨이브가이드 2의 밖으로 커플링되고 뷰어(viewer)를 향한다. 그러므로 제3 격자는 제3 격자의 그루브들에 직교하는 방향으로 광의 1차원 확장을 제공한다. 이러한 방식으로, 도1의 광학 장치는 입력 광의 2차원 확장을 달성할 수 있고, 여기에서, 1차원 확장은 제2 격자 6에 의해, 2차원 확장은 제3 격자 8에 의해 제공된다.
도 2에 도시된 바와 유사한 장치가 설명된 WO 2008/081070에서 대안적인 시스템이 개시된다. 도 2는 도 1의 것들과 유사한 제1 격자 4 및 제 3 격자 8을 포함하는 웨이브가이드 2의 투시도이다. 교차된 격자 10은 또한 제1 격자 4 및 제3 격자 8 사이에 제공된다. 교차된 격자 10은 서로 90도 각도를 이루는 그루브들을 가지는 겹쳐진 격자들을 포함한다. 입력 격자 4로부터의 광이 교차된 격자 10을 마주칠 때에, 광은 입력 광빔(input light beam)과 서로 직교하고 웨이브가이드 2 상의 반대의 방향으로 동시에 회절 된다. 광은 그 후 제3 격자 8로 확장할 수 있도록 교차된 격자에서 다시 회절된다. 이러한 방식으로 교차된 격자 10은 두 개의 반대되는 방향으로 입력 광의 확장을 제공한다.
교차된 격자 10에 의한 광 출력은 제3 격자 8을 향하여 나아간다. 입력 광이 제3 격자 8과 마주칠 때에, 광은 전송되거나 또는 회절된다. 전송된 일부의 빔은 제3 웨이브가이드 8에서 확장되고, 회절된 일부의 빔(beam)은 웨이브가이드 2의 밖으로, 뷰어(viewer)를 향해 커플링된다. 임의의 전송된 일부의 빔은 격자 8의 나중(later)의 그루브들에 의해 웨이브가이드 2의 밖으로 회절될 수 있다. 따라서, 1차원의 확장(a first dimension of expansion)은 교차된 격자 10에 의해 제공되고, 2차원의 확장(a second dimension of expansion)은 제3 격자 8에 의하여 제공된다. 이것이 효과적이기 위해, 격자 주기는 교차된 격자 10에 의한 광의 임의의 아웃 커플링(out-coupling)을 막기 위하여 분명하게 결정된다. 따라서, 유일한 광의 아웃 커플링은 제3 격자 8에 의한다.
도 1 및 도 2의 방식(arrangement)에서의 문제점은 웨이브가이드에서 세 개의 분리된 영역들에 회절 격자들을 제공하기 위한 공간과 관련된다. 이러한 큰 광학 시스템들은 모든 장치들에 적합하지는 않을 수 있다. 더 큰 문제는 매우 많은 회절 상호작용이 요구된다는 점이다. 각각의 회절 상호작용은 산란을 일으키고, 따라서, 결과 이미지의 컨트라스트(contrast)를 감소시킨다. 그러나, 또 다른 문제는 이러한 장치들이 반드시 컬러 디스플레이들에 적합한 것은 아니라는 점이다. 이러한 단점들의 일부를 해결하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 웨이브가이드((waveguide)); 입력 광(input light)을 웨이브가이드로 커플링하도록 구성된 입력 회절 광학 소자(input diffractive optical element); 및 웨이브가이드 내부 혹은 위에서 적어도 부분적으로 겹쳐 있는 두 개의 회절 광학 소자들(two diffractive optical elements)을 포함하는 증강 현실 디스플레이에서, 이차원에서 입력 광을 확장하는 제공된 광학 장치가 있다. 상기 두 개의 회절 광학 소자들 중 적어도 하나는 광이 웨이브가이드 외부에서 뷰어(viewer)를 향하도록 커플링하는 출력 회절 광학 소자로써 동작한다.
이러한 방식을 통하여, 사용자가 볼 수 있도록 웨이브가이드 밖으로 동시에 커플링하면서, 광학 장치는 입력 광 소스의 이차원 확장을 달성할 수 있다. 이차원 확장은 웨이브가이드의 동일한 영역 내에서 출력 커플링(output coupling)으로써 제공될 수 있기 때문에, 이것은 광학 장치 내 공간의 더욱 효율적인 사용을 가능하게 한다. 이것은 제조 비용을 유리하게 감소시킬 수 있다. 장치는 또한 향상된 광학적 특성을 제공할 수 있다. 예를 들면 이차원 확장은 감소된 회절 상호작용을 통해 달성되기 때문에 본 장치는 또한 향상된 배경 컨트라스트(improved background contrast)를 제공할 수 있다. 두 개의 회절 광학 소자들은 부분적으로 혹은 전체로 웨이브가이드 내부 혹은 위에서 서로 겹쳐질 수 있다.
본 광학 장치의 하나의 장점은 동시의 이차원 빔 확장 및 아웃커플링이 회절 광학 소자들에 제공된(devoted) 웨이브가이드의 오직 두 영역들에서 제공될 수 있다는 점이다(한 영역은 입력 회절 광학 소자를 위함이고, 한 영역은 겹쳐진 회절 광학 소자들을 위함이다). 이것은 장치의 전체적인 크기를 줄여줄 수 있다. 추가적으로, 유사한 광학 성능이 장치가 더 싼 가격에 생산될 수 있음을 의미하는, 기판의 편평도 및 웨지(wedge)에 대한 감소된 공차(tolerances)를 통해 달성될 수 있다. 대안적으로, 더 나은 광학적 성능이 생산에 있어서 공차(tolerances)를 증가시키지 않고 달성될 수 있다.
겹쳐진 광학 소자들에서, 소자들 중 하나는 바람직하게는 입력 회절 광학 소자로부터 획득한 광을 겹쳐진 짝의 다른 소자를 향해 보낸다. 다른 회절 광학 소자는 그 후 광을 웨이브가이드 밖으로, 뷰어를 향하도록 커플링한다. 바람직하게는, 이것은 대칭적인 방식이므로, 각각의 겹쳐진 회절 광학 소자는 밖으로의 커플링(outward coupling)을 위하여 획득된 광을 다른 소자를 향해 커플링할 수 있다.
각각의 회절 광학 소자는 바람직하게는 그루브들(grooves) 및 그루브들의 평면상의 격자 벡터(grating vector)를 포함한다. 격자 벡터는 그루브들에 수직한 방향 및 그루브들의 피치(pitch)에 반비례하는 크기(magnitude)를 가지도록 정의될 수 있다. 입력 및 출력 회절 광학 소자들은 각각 실질적으로 동일한 크기의 격자 벡터들을 가질 수 있다.
동일한 크기의 입력 및 출력 격자 벡터들을 제공함에 의하여, 입력빔과 동일한 각 특성들(angular properties)을 가지는 출력빔(exit beam)을 획득할 수 있다. 따라서, 출력빔은 입력빔과 동일한 각으로 제공될 수 있다. 이것은 모든 작동 파장들에서 이루어 질 수 있고, 이는 장치가 효과적으로 컬러(즉, 다양한 파장에 걸쳐)에서 동작할 수 있음을 의미한다.
입력 회절 광학 소자 및 두 개의 회절 광학 소자들 각각의 격자 벡터들의 결합(combination)은 실질적으로 0의 크기를 가지는 결과 벡터(resultant vector)일 수 있다. 이 격자들의 결합된 특성은 출력광이 실질적으로 각도 및 색채의 변화 없이 제공될 수 있음을 의미하고, 이것은 컬러 증강 현실 디스플레이에서 장치의 사용을 가능하게 한다.
몇몇 방식에서 결과 벡터는 작은 크기를 가질 수 있다. 일반적으로 이러한 실시예들은 단색의 광에 더 적절하다. 왜냐하면 이 방식은 일반적으로 컬러 디스플레이에 적합하지 않은 색 분산을 야기하기 때문이다.
회절 광학 소자의 그루브들은 선형적일 수 있고, 웨이브가이드의 표면에 애칭(etching)에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 그루브들은 볼륨형의 광중합체(volume type photopolymer)에서 발견될 수 있는 것과 같이, 굴절률의 변화에 의해 형성될 수 있다. 이러한 것들은 굴절률의 부드러운 변화 혹은 큰 변화일 수 있다.
두 개의 회절 광학 소자들의 격자 벡터들은 입력 회절 광학 소자의 격자 벡터와 동일하거나 대각(opposite angle)의 각을 이룰 수 있다. 이러한 방식으로 겹쳐진 회절 광학 소자들은 서로 교차될 수 있고, 입력 회절 광학 소자에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다. 그러므로 입력 회절 광학 소자로부터의 광은 두 개의 회절 광학 소자들에 의하여 동시에 방사상의 방향으로 회절될 수 있다. 회절 광학 소자들에 동일한 혹은 반대의 격자 벡터들을 제공함에 의하여, 이차원 확장은 대칭적으로 될 수 있고, 두 개의 격자에 의한 각도의 변화는 모두 동일할 수 있다.
입력 회절 광학 소자 및 두 개의 회절 광학 소자들의 격자 벡터들은 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다. 이 세 개의 벡터들의 결합은 실질적으로 0의 크기를 가지기 때문에, 벡터들은 서로에 대해 대략적으로 60도를 이루는 등변 삼각형을 생성하도록 조합될 수 있다. 이러한 방식은 심지어 교차된 회절 광학 소자들에 의한 방사상의 방향들로의 회절도 허용할 수 있다. 광을 웨이브가이드 밖으로 커플링하기 위하여 동일한 차후의 회절들은 그 후에 교차된 회절 광학 소자들에 기인하여 발생한다. 이러한 방식으로, 각각의 두 개의 회절 광학 소자들은 출력 격자로써 동작하고, 다른 겹쳐진 회절 광학 소자에 의한 광의 회절을 뒤따른다. 이것은 광이 입력된 방향과 동일한 방향으로 웨이브가이드 밖으로 커플링되는 것을 허용할 수 있다. 모든 파장들은 유익하게(advantageously) 컬러 디스플레이를 가능하게 하는 동일한 결과를 경험할 수 있다.
바람직하게는 입력 격자는 두 개의 회절 광학 소자들과 멀리 떨어져 위치한다. 입력 격자는 광을 웨이브가이드 내부로 커플링하고, 광은 내부 전반사로 웨이브가이드를 통해 다른 회절 광학 소자들로 나아간다.
바람직하게는 프로젝터는 입력 회절 광학 소자를 향해 광을 투영하기 위해 제공된다. 프로젝터는 다색광을 낼 수 있으며, 웨이브가이드의 평면을 가로지르는 방향으로 제공될 수 있다.
투영된 광은 입력 회절 광학 소자에 대해 제1 각도로 제공될 수 있고, 출력 회절 광학 소자에 의해 웨이브가이드의 밖으로 커플링된 광은 또한 제1 각도로 제공될 수 있다. 따라서 출력광은 어떠한 각도의 변화도 없이 제공될 수 있다.
두 개의 겹쳐진 회절 광학 소자들은 서로 다른 평면 상에서 웨이브가이드의 위 혹은 내부에 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 겹쳐진 회절 광학 소자들은 물리적으로 서로 분리될 수 있다. 그러한 방식은 쉽게 제조될 수 있고, 바람직한 결과들을 만들어낼 수 있다.
회절 광학 소자들은 웨이브가이드의 서로 반대의 표면들(opposing surfaces)에 제공될 수 있다. 그들은 필요에 따라 웨이브가이드의 내부 표면 혹은 외부 표면에 제공될 수 있다. 대안적으로 두 개의 회절 광학 소자들은 실질적으로 웨이브가이드의 동일한 평면 상에 제공될 수 있다. 이것은 광 결정(photonic crystal)을 사용함에 의하여 달성될 수 있다. 회절 광학 소자들은 결정의 물질에서 굴절률 및/또는 표면 높이의 변화에 의하여 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광 전송 기판(light transmissive substrate); 상기 기판이 지니는 제1 회절 광학 소자; 상기 기판이 지니는 제2 회절 광학 소자를 포함하는 회절 광학 장치가 제공된다. 상기 광 전송 기판은 이차원에서 두 개의 실질적으로 평행한 표면들을 포함한다. 상기 제1 회절 광학 소자는 광원으로부터 광선들을 커플링하고 내부 전반사에 의하여 상기 기판 내부에 광들을 가둔다. 상기 제2 회절 광학 기판은 상기 광선을 삼차원에서 많은 오더들로 회절시키고, 다수의 이러한 상기 오더들은 여전히 내부 전반사를 통하여, 적어도 하나의 상기 오더들은 웨이브가이드 밖으로 커플링하면서, 서로 다른 방향들(2차원에서는 상기 기판의 주된 표면들을 포함함)로 회절된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광 전송 기판(light transmissive substrate), 상기 기판이 지니는 회절 광학 소자를 포함하는 회절 광학 장치가 제공된다. 상기 광 전송 기판은 이차원에서 두 개의 실질적으로 평행한 표면들을 포함한다. 상기 단일 회절 기판은 광원으로부터의 광선들을 커플링하고 내부 전반사에 의하여 상기 기판의 내부에 광들을 가두고, 상기 단일 회절 광학 소자는 또한 상기 광선들을 3차원에 있는 많은 오더들로 회절시킨다. 상기 오더들 중 일부는 여전히 내부 전반사를 통하여 서로 다른 방향(이차원에서 상기 기판의 주된 표면들을 포함함)으로 회절되고, 상기 오더들 중 적어도 하나가 웨이브가이드 밖으로 커플링되는 동안에 상기 광선들의 이차원적 레플리케이션(replication)를 야기한다.
본 발명의 실시예들은 오직 예로써(by way of example only), 첨부된 도면들을 참조하여 지금부터 설명될 것이다. 첨부된 도면은 다음과 같다.
도 1은 입력빔을 두 개의 직교하는 방향으로 확장하는 광학 장치의 투시도이다.
도 2는 입력빔을 두 개의 직교하는 방향으로 확장하는 또 다른 광학 장치의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 광학 장치의 투시도이다.
도 4는 도 3의 광학 장치에 있는 회절 격자들의 하나의 그루브들의 상면도이다.
도 5는 도 3의 광학 장치에 있는 다른 회절 격자의 그루브들의 상면도이다.
도 6은 도 3의 광학 장치에서 또 다른 회절 격자의 그루브들의 상면도이다.
도 7은 격자 벡터들을 도시하는 도 3에 있는 광학 장치의 도식도(schematic view)이다.
도 8은 도 3에 도시되는 광학 장치를 통하여 얻을 수 있는 일부 광로의 예시이다.
도 9는 도 3에 도시되는 광학 장치를 위한 격자 벡터들의 조합을 도시한다.
도 10은 도 3에 도시되는 광학 장치를 통해 얻을 수 있는 광로의 다른 예시를 도시하는 웨이브가이드의 상면도이다.
도 11은 도 3에 도시된 광학 장치를 통하여 얻을 수 있는 일부 광로들의 다른 예시이다.
도 12는 도 3에 도시되는 광학 장치를 통해 얻을 수 있는 광로들의 또 다른 예시를 도시하는 웨이브가이드의 상면도이다.
도 13은 입력 격자에 의해 획득되거나 회절되는 광을 도시하는 다이어그램이다.
도 14는 출력 격자에 의해 획득되거나 회절되는 광을 도시하는 다이어그램이다.
도 15a 및 15b는 내부 및 외부 격자들을 각각 도시하는 대안적인 방식들에서의 웨이브가이드의 측면도들이다.
도 16은 본 발명의 실시예에서 사용을 위한 삼각형 격자 구조를 가지는 광 결정의 도식도이다.
도 17은 도 16에 도시된 광 결정의 삼각형 격자의 구조를 도시하는 도식도이다.
도 18은 도 16에 도시된 광 결정을 통해 얻을 수 있는 광로들을 도시하는 다이어그램이다.
도 19는 본 발명의 실시예의 한 쌍의 안경의 투시도이다.
도 20은 본 발명의 실시예의 전방 시현 디스플레이의 투시도이다.
도 3은 3개의 선형 격자들 H0, H1, H2를 포함하는 웨이브가이드 12의 투시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 입력 격자 H0의 그루브들은 y 축과 평행하고, 격자 피치 p를 가지며 웨이브가이드 12의 제1 표면 상에 있는 x-y 평면에 놓여 있다. 선형 격자 H1은 x-y 평면 상에서 입력 격자 H0로부터 좌우로(laterally) 분리되어 있고, 웨이브가이드 12의 제2 표면에 놓여있다. 도 5에 도시된 바와 같이 격자 H1의 그루브들은 x 축에 대해 30도 방향을 향하고, 격자 피치 p를 가지며 x-y 평면에 놓여 있다. 선형 격자 H2는 x-y 평면 상에서 H1과 겹쳐져 있고, 격자 H2와는 반대로 웨이브가이드 12의 제1 표면에 놓여있다. 그러므로 교차된 격자 H1, H2는 z축에 대한 웨이브가이드 12의 두께에 의하여 분리된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 격자 H2의 그루브들은 x축에 대해 -30도 방향을 향하고, 격차 피치p를 가지며 x-y 평면상에 놓여있다.
격자 벡터는 격자들 H0, H1, H2의 각각에 대해 정의될 수 있다. 격자 벡터들은 격자의 그루브들의 평면 상에 놓여있고, 그루브들의 방향에 대해 오른쪽 각도의 방향으로 확장될 수 있다.(extends in a direction which is at right angles to the direction of grooves). 벡터의 크기는 G=
Figure 112021130598070-pct00001
(d는 격자의 피치(예를 들어 인접한 그루브들 사이의 거리))의 형태로 주어진다. 도 7은 격자 H0, H1 및 H2 각각에 대응하는 격자 벡터 G0, G2, G3를 도시하는 웨이브가이드 12의 플랜 뷰(plan view)이다. 비록 분리되어 도시되어 있지만, 벡터 G2 및 G3는 실제로 서로 겹쳐있다는 사실은 분명하다. 모든 벡터들 G0/G2/G3은 동일한 크기를 가지고, 서로에 대하여 60도의 각도를 이루고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 벡터들 G0, G2, G3는 그들이 결과 벡터를 생성하지 않거나 결과 벡터가 작은 크기를 가지도록 그들이 결합될 때에 등변 사다리 꼴을 형성한다.
도 8은 웨이브가이드 12를 통해 얻을 수 있는 광로를 도시하는 음선도(ray diagram)이다. 이 방식에서, 프로젝터로부터의 입사빔은 입력 격자 H0를 다색광으로 비춘다. 입사빔은 웨이브가이드 12의 아래로부터 제공되고, 웨이브가이드 12의 평면에 대해 직교하는 방향으로 확장한다. 입력 격자 H0는 입사빔을 회절시키고, 제1 회절 오더는 웨이브가이드 12로 커플링된다. 회절된 광은 내부 전반사에 의해 웨이브가이드 12의 내부에서 나아간다. 상기 광은 그 후에 교차된 격자 10과 마주치고, 교차된 격자 H1, H2와 동시에 상호작용한다.
격자 H1(벡터 G2와 함께)은 광을 제로 오더 0R 및 제1 회절 오더 1R로 회절시킨다. 제1 회절 오더 1R은 x축에 대하여 -120도를 향하고, 여전히 웨이브가이드 12에서 내부 전반사하고 있다. 제1 회절 오더 1R은 그 후에 교차된 격자 10의 다른 부분인 H2(벡터 G3과 함께)와 마주친다. 이 지점에서 H2는 또한 광을 제로 오더 및 제1 회절 오더로 회절시킨다. 제로 오더는 웨이브가이드 12 내에서 계속 나아가고, 1차 회절 오더는 웨이브가이드웨이브가이드 12의 밖으로 z축을 따라 뷰어를 향해 커플링된다. 본 예시에서 광이 웨이브가이드 12로부터 출력이 되는 각도는 광이 프로젝터로부터 웨이브가이드 12에 입사하는 각도와 동일하다.
도 10은 도 8에 도시된 또 다른 음선도의 관점(view)이다. 교차된 격자에 대한 입사광이 격자 H1에 의하여 웨이브가이드 내의 복수의 다른 지점들에서 회절될 수 있다는 사실은 도 10으로부터 분명하다. 이것은 각각의 상호작용의 지점에서 광이 제로 오더 혹은 제1 회절 오더로 회절될 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 입사빔은 제1 방향으로 확장될 수 있다. 격자 H1에 의해 제1 오더로 회절될 수 있는 광은 그 후에 광이 제로 오더 혹은 제1 오더로 회절될 수 있는 격자 H2와 마주친다. 이것은 입사광이 H2의 그루브들과 직교하는 제2 방향으로 확장될 수 있게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 아웃커플링된 오더들(outcoupled orders)은 격자 H2에 의해 2차원 영역에 걸쳐 제공될 수 있다. 이것은 이차원 확장 및 광의 아웃커플링이 작은 물리적 영역에 함께 제공될 수 있도록 할 수 있다.
도 11은 웨이브가이드 12를 통해 얻을 수 있는 광로를 도시하는 음선도의 다른 예시이다. 본 방식에서, 입력 격자 H0로부터의 광은 교차된 격자 10과 마주치고, 이것은 격자 H2(G3 벡터와 함께)와 함께 상호작용한다. 격자 H2는 광을 제로 오더 0R 및 제1 회절 오더 1R로 회절시킨다. 제1 회절 오더 1R는 x축에 대하여 +120도를 향하고, 여전히 웨이브가이드 12에서 내부 전반사하고 있다. 제1 회절 오더 1R은 그 후 교차된 격자 10의 다른 부분인 H1과 마주친다. 이 지점에서, H1은 광을 웨이브가이드 12의 밖으로, 윗 방향으로 뷰어를 향하여 커플링한다. 이 예시에서 광이 웨이브가이드 12로부터 출력이 되는 각도는 웨이브가이드 12에 광이 입사하는 각도와 동일하다.
도 12는 도 11에 도시된 음선도의 또 다른 관점(view)이다. 이 격자들의 방식은 2차원 디스플레이를 채우기 위하여 입사빔을 확장할 수 있음이 이해될 수 있다. 당연히, 광은 심지어 2차원 영역을 넘어서는 입사빔의 확장을 제공하는 도 12에 도시된 경로와 동시에 함께 도 10에 도시된 경로를 따른다.
이 예시에서, 광은 벡터 G0, G2, G3를 가지는 세 개의 회절 격자들과 마주친다. 회절의 시퀀스는 G0/G2/G3 또는 G0/G3/G2일 수 있다. 이 벡터들의 각각은 동일한 크기를 가진다. 도 9에 도시된 바와 같이, 만약 벡터들이 서로에게 더해진다면, 벡터 다이어그램은 동일한 시작과 끝점을 가지는 등변 삼각형의 모양으로 얻어진다. 회절 격자들의 물리학은 이러한 방식이 출력빔(exit beam)에게 입사빔과 동일한 각도 및 색채 특성을 제공한다는 것을 지시한다.
도 13은 입력 격자 H0에서 광이 회절되는 것을 도시하는 다이어그램이다. 이 상황에서 입사빔은 z 축에 대해 입사각
Figure 112021130598070-pct00002
, x 축에 대해 입사각
Figure 112021130598070-pct00003
으로 제공된다. 이 입력빔은 그 후 입력 격자 H0에 의해 회절되고, 웨이브가이드 12에 의해 캡쳐된다.(captured).
도 14는 출력 격자에서 회절되는 광을 도시하는 다이어그램이다. 이 예시에서, 출력 격자는 웨이브가이드 12를 통하는 광에 의해 선택되는 경로에 따라서, H1 또는 H2가 될 수 있다. 여기에서 볼 수 있는 바와 같이, 광은 웨이브가이드 12 내에서 내부 전반사로 출력 격자에서 획득되고, 이는 z축에 대해서
Figure 112021130598070-pct00004
및 x축에 대해서
Figure 112021130598070-pct00005
의 각도를 가지는 출력이다. 여기에서
Figure 112021130598070-pct00006
이고,
Figure 112021130598070-pct00007
이다. 이러한 관계는 파장과 독립적으로 적용된다. 이는 컬러 디스플레이에서 각도 혹은 색채의 변화가 없음을 의미한다.
도 15a는 두 개의 유리 판들 14, 16에 중간에 끼인 웨이브가이드 12의 측면도이다. 이 방식에서, 격자 17은 유리판들 14, 16의 표면들에 제공되고, 웨이브가이드 12는 광학 시멘트의 얇은 층을 가지는 이 판들 14, 16에 결합된다. 따라서, 격자 17은 유리 판 14, 16의 내부 표면 상에 제공된다. 도 15b는 격자 17이 그 표면들에 직접 제공되는 대안적인 구성에서의 웨이브가이드 12의 측면도이다. 이 방식에 의하여, 격자 17은 웨이브가이드 12의 외부 표면 상에 제공될 수 있다.
다른 실시예에서 교차된 격자 10은 광 결정에 의해 대체될 수 있다. 광 결정은 가변적인 굴절률이 규칙적인 패턴을 생성하는 물질이다. 이 예시에서, 광 결정은 삼각형 격자의 형태이다(in forms of triangular lattice). 이차원 광 결정은 직교 방향들에서 주기적인 나노 구조들이다. 본 예시에서 광 결정은 등변 삼각형 격자의 형태이다. 도 16은 웨이브가이드 12에 대해 증가된 굴절률을 가지는 원형 필라들 20(circular pillars)을 포함하는 광 결정 19의 상면도이다. 필라들 20은 규칙적인 패턴으로 배열되고, 모두 동일한 x-y 평면 상에 제공된다. 도 17은 필라들 20의 세 개를 도시한다. 필라들은 x축 혹은 y축에 따르는 거리 p에 상응하는 거리 e에 의하여 분리된다.
필라들의 규칙적인 배열은 많은 효과적인 회절 격자들 또는 회절 광학 소자들을 생성한다. 특히
거리 p로 분리된 필라들 20의 인접한 열들과 함께 y축을 따라 정렬된 필라들을 포함하는 격자 H1을 정의할 수 있다. 격자 H2는 거리 p에 의해 분리된 인접한 열들과 함께, x축에 대해 +30도의 각도를 이루는 필라들 20의 열들로 배열되어 있다. 결국, 격자 H3은 거리 p에 의해 분리된 인접한 열들과 함께, x축에 대해 -30도의 각도를 이루는 필라들 20의 열들로 배열되어 있다. 격자들 H1 및 H2는 도 3에 도시된 교차된 격자 실시예에서 상응하는 격자들과 동일한 특성을 가진다는 것이 언급된다.
입력 격자 H0로부터의 광이 광 결정 19 상에 입사될 때에, 광은 다양한 회절 광학 소자들에 의해 다중적 동시 회절들(multiple simultaneous diffractions)을 겪는다. 도 18은 광 결정을 통해 얻을 수 있는 광로를 도시하는 다이어그램이다. 광은 동시에 네 개의 오더들로의 회절을 겪을 수 있는 광 결정에서의 A 지점에서 획득된다. 첫 번째로, 광은 제로 오더 a0로 회절되는데, 이는 입사광의 전파(propagation)의 연속이다. 상기 제로 오더는 지점 B 및 C에서 광 결정과 더 많은 상호작용들을 하는 것을 계속할 수 있다. 둘째로, 광은 격자 H1에 의하여 제1 회절 오더 ae로 회절된다. 이 광(light beam) ae는 뷰어를 향하여 z축의 양의 방향을 따라서 웨이브가이드 12의 밖으로 커플링 된다. 격자 H1의 그루브의 방향과 피치는 격자 H0와 동일하다. 따라서, 회절의 각 및 색 분산 효과들은 격자 H0 및 H1의 결합 효과들(conjugate effects)에 기인하여 상쇄된다. 따라서, 광(light beam) ae는 프로젝터로부터 H0로 입사한 광과 동일한 각도 및 색채 특성들로 제공된다. 셋째로, 광은 H2 격자 컴포넌트에 의해 1차 회절 오더 a1으로 회절된다. a1 광은 x축에 대하여 +60도로 회절되고, 이 광은 지점 D에서 광 결정과 더 많은 상호작용들을 야기하기 위하여 진행한다. a1 회절된 광은 도 12를 참조하여 설명된 바에 따라, 교차된 격자 H2에 의해 회절된 광과 효과적으로(effectively the same as) 동일하다. 넷째로, 광은 H1 격자 컴포넌트에 의해 제1 회절 오더 a2로 회절된다. 이 광은 격자 지점 F에서 H2와 상호작용할 수 있다. 광 결정의 각각의 지점들에서 광은 이러한 네 개의 분리된 회절 상호작용들을 야기할 수 있다. 따라서, 광은 각각의 지점에서 웨이브가이드 밖으로 커플링될 수 있더라도, 광은 2차원에서 웨이브가이드 12 내에서 확장을 계속할 수 있다. 광 결정의 대칭은 모든 출력광이 입사광과 동일한 각도 및 색채 특성들을 가지는 것을 의미하는데, 이는 다색(뿐만 아니라 단색) 광원이 본 광 결정 방식(photonic crystal arrangement)의 입사광으로써 사용될 수 있음을 의미한다.
여기에 설명된 광로들의 수는 간결을 위하여 제한되어 있다. 하지만, 매우 많은 수의 광로들이 가능하고, 이 모든 것들이 증강 현실 이미지의 생성을 가능하게 하는 아웃커플링된 오더들을 생성한다는 점은 당업자(skilled reader)에게 명백할 것이다. 또한, 광 결정 구현(photonic crystal implementation)의 본 예시에서 사용된 원형 구조 모양(circular structure shape)은 설명을 위한 목적일 뿐이다. 통상의 지식을 가진 실시자들(practitioners skilled in the art)은 많은 수의 적절한 구조 모양이 존재함을 이해할 것이다.
광 결정(photonic crystal)은 입력 광이 이차원 디스플레이 스크린을 채우기 위하여 이차원에서 광의 동시적이고 빠른 확장을 가능하게 할 수 있다. 웨이브가이드 사이즈가 이차원 빔 확장(two dimensional beam expansion)에 기인하여 최소화 될 수 있기 때문에 이것은 초소형 디스플레이(ultra compact diplay)를 가능하게 할 수 있다.
도 19는 한 쌍의 안경 40을 도시한다. 아이 피스들(eye pieces) 44은 사용자의 눈 앞에 교차된 격자들 또는 광 결정들을 포함하는 웨이브가이드들이다. 본 예시에서, 입력 격자 42는 안경 40의 브릿지(bridge)에 제공된다. 따라서, 광은 입력 격자 위에 투영될 수 있고, 아이 피스들(eye pieces)44를 향할 수 있다. 안경알들에 있는 교차된 격자들 또는 광 결정들은 그리고 광을 이차원에서 확장 시키고, 사용자의 눈을 향하여 웨이브가이드 밖으로 커플링할 수 있다.
도 20은 사용자의 앞에 전방 시현 디스플레이 50이 제공되는 다른 예시를 도시한다. 교차된 격자들 또는 광 결정은 전방 시현 디스플레이에 있는 웨이브가이드 52에 제공된다. 입력 격자 54는 디스플레이의 상단부에 제공되고, 웨이브가이드 52에 있는 교차된 격자들 또는 광 결정은 이미지의 빠른 이차원 확장 및 뷰어를 향한 광의 외부로 향하는 커플링(outward coupling)을 허용한다.

Claims (14)

  1. 증강 현실 디스플레이에서 이차원에서 입력 광을 확장하는 광학 장치에 있어서,
    웨이브가이드;
    입력 광을 상기 웨이브가이드에 커플링하도록 구성된 입력 회절 광학 소자; 및
    상기 웨이브가이드 위 또는 내부에서 전체적으로 겹쳐 있는 두 개의 회절 광학 소자들
    을 포함하고,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들의 각각은,
    상기 입력 회절 광학 소자로부터 나온 광을 수신하고,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들 중 다른 회절 광학 소자를 향해 상기 수신한 광을 커플링하여, 상기 다른 회절 광학 소자가 뷰어를 향하여 아웃커플링된 오더들(outcoupled orders)을 제공하는 출력 회절 광학 소자로서 동작할 수 있도록 하고,
    상기 입력 광은,
    상기 웨이브가이드 위 또는 내부에서 전체적으로 겹쳐 있는 상기 두 개의 회절 광학 소자들에 의하여 이차원으로 확장되는
    광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 회절 광학 소자는,
    그루브들과 상기 그루브들의 피치에 반비례하는 크기 및 상기 그루브들과 수직한 방향을 가지고, 상기 그루브들의 평면에 있는 격자 벡터를 포함하고,
    상기 입력 회절 광학 소자 및 출력 회절 광학 소자는,
    각각 실질적으로 동일한 크기의 격자 벡터를 가지는
    광학 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력 회절 광학 소자와 상기 두 개의 회절 광학 소자들 각각의 격자 벡터들의 조합은,
    실질적으로 0의 크기를 가지는 결과 벡터(resultant vector)인
    광학 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들의 격자 벡터들은,
    상기 입력 회절 광학 소자의 상기 격자 벡터에 동일하거나 대각(opposite angle)의 각을 이루는
    광학 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들 및 상기 입력 회절 광학 소자의 상기 격자 벡터들은, 실질적으로 동일한 크기를 가지는
    광학 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들 및 상기 입력 회절 광학 소자의 상기 격자 벡터들은, 실질적으로 등변인 삼각형으로 결합될 수 있는
    광학 장치.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 격자(input grating)는, 상기 두 개의 회절 광학 소자들로부터 떨어져 위치하는
    광학 장치
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 회절 광학 소자를 향해 광을 투영하도록 구성된 프로젝터(projector)를 포함하는
    광학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투영된 광은,
    상기 입력 회절 광학 소자에 대해 제1 각도로 제공되고,
    상기 출력 회절 광학 소자에 의해 상기 웨이브가이드 밖으로 커플링된(coupled) 광은,
    상기 제1 각도로 제공되는
    광학 장치.
  10. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 겹쳐 있는 회절 광학 소자들은,
    서로 다른 평면들에 있는 상기 웨이브가이드 내부 또는 위에 제공되는
    광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 두 개의 회절 광학 소자들은,
    상기 웨이브가이드의 서로 반대의 표면들(opposing surfaces) 상에 제공되는
    광학 장치.
  12. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 회절 광학 소자들은, 실질적으로 상기 웨이브가이드 상의 동일 평면 상에 제공되는
    광학 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 두 개의 회절 광학 소자들은, 광 결정(photonic crystal)으로 제공되는
    광학 장치.
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