KR102504998B1 - 헤드업 디스플레이용 광 도파관 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

반사성 출력 커플링 구조체가 분리되지만 메인 도파관에 연결된 컴포넌트로 형성되는, 헤드업 디스플레이 용 도파관 구조체. 이러한 도파관의 제조 방법에서, 출력 커플링 구조체는 메인 도파관 상에 재료를 증착하고, 반사 구조체를 해당 재료 내에 압날(impressing)하며, 재료를 경화시킴으로써 형성될 수 있다.

Description

헤드업 디스플레이용 광 도파관 및 그 제조 방법
본 발명은 광 도파관의 제조 기법에 관한 것이고, 특히 헤드업 디스플레이용 도파관의 제조에 비 배타적으로 관련된다.
헤드업 디스플레이는 이미지를 사용자의 실제 배경 뷰에 이미지를 오버레이하기 위하여, 사용자가 통과해서 보는 투명 컴포넌트를 활용한다. 사용자의 눈은 보통 방식으로 그러한 주변으로부터 광을 수광하고, 사용자의 눈은 헤드업 디스플레이 시스템으로부터의 광도 수광하기 때문에, 양자 모두의 이미지를 한 번에 볼 수 있다.
헤드업 디스플레이의 투명 컴포넌트는 사용자에 의해 사용되는 장비(예를 들어 항공기의 조종석)의 고정된 위치에, 또는 컴포넌트가 사용자의 머리와 함께 움직여서 사용자의 눈과 관련하여 고정된 위치에 유지되도록 사용자의 머리에(예를 들어 안경, 또는 헬멧에) 장착될 수 있다.
헤드업 디스플레이의 기본적인 요건은 이미지 소스로부터 사용자가 시청하기 위해 요구되는 위치로 광을 커플링하는 것이다. 통상적으로 이것은 도 1 에 단면도로 도시된 바와 같은 도파관 시스템을 활용하여 달성된다.
도파관(10)은 요구된 파장에서 광을 전파시키는 투광 재료로 형성된다. 프로젝터(사용자의 가시선 밖에서 예를 들어 조종석 또는 헬멧 내에 탑재됨)로부터 나온 이미지 광(예시적인 광선(13)으로 표시됨)은 커플링 디바이스(12), 예를 들어 프리즘을 사용하여 도파관의 제 1 단부(11) 내로 주입된다. 그러면 광선(13)은 도파관의 표면에서 전반사에 의해 도파관의 길이를 따라 전파된다. 도파관 표면은 그 자체일 수 있고 또는 성능을 개선하기 위해 코팅될 수 있다. 요구된 위치에는 출력 커플링 구조체(14)가 제공되어 광을 사용자의 눈(15)을 향해 도파관(10) 밖으로 재지향시킨다. 도 1 은 척도에 맞게 도시되지 않았으며, 출력 커플링 구조체는 그 존재 및 일반적인 구조를 나타내기 위해서 크게 확대되어 도시된다. 도시된 바와 같은 반사성 커플링 구조체는 통상적으로 마이크론 단위이다. 광선(16)에 의해 표시된 바와 같이, 외부 세계로부터의 광은 도파관을 통해 사용자의 눈으로 전파된다.
따라서, 도 1 의 구조체는 사용자의 가시 범위 안에 임의의 비-투명 컴포넌트를 배치하지 않고서 프로젝터로부터 사용자의 눈으로 이미지가 전파되게 한다.
사용자에게 제공되는 이미지는 광 도파관(10) 또는 광학 체인 내의 임의의 다른 요소에 있는 불균일성(irregularities)(예를 들어 평평하지 않은 표면 또는 평행하지 않은 페이스들)에 의해서 왜곡될 것이다. 도 1 에서 알 수 있는 바와 같이, 출력 커플링 구조체(14)는 통상적으로 스탬핑 또는 표면 내로의 음각(engraving)에 의하여 도파관의 표면 내에 형성된다. 출력 구조체를 형성하는 것은, 도파관 내에 스트레스 및/또는 불균일성을 유도하여 광학 성능이 열화되는 것을 포함할 수 있다. 이러한 곤란한 점이 제조 비용 및 시간을 증가시킬 수 있다.
그러므로 도파관 시스템이 개선된 이미지 품질을 제공해야 한다는 요구가 존재한다.
이하 설명되는 실시예는 공지된 시스템의 단점 중 임의의 것 또는 전부를 해결하는 구현형태들로 한정되지 않는다.
이러한 개요는 아래의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명에서 추가로 설명되는, 단순화된 형태로의 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 개요는 청구된 요지의 키 특징들 또는 본질적 특징들을 식별하기 위해 의도된 것이 아니며, 청구된 요지의 범위를 결정하는 데에 도움을 주도록 이용되는 의도도 아니다.
헤드업 디스플레이용 광 도파관으로서, 입력단으로부터 출력단으로 연장되는 도파관 보디, 광을 상기 도파관 보디 내로 커플링하기 위한, 상기 도파관 보디의 입력단에 있는 입력 커플링 디바이스 - 상기 광은 상기 도파관 보디를 따라 전반사에 의해 상기 출력단을 향해 전파됨 -, 및 상기 출력단에 있는 상기 도파관 보디의 페이스 상에 있는 출력 커플링 구조체 - 상기 커플링 구조체는 상기 도파관 보디와 분리되지만 부착되도록 형성됨 -를 포함하고, 상기 출력 커플링 구조체는 반사에 의해 광을 상기 광 도파관 밖으로 지향시키도록 구성되는 반사 구조체인, 헤드업 디스플레이용 광 도파관이 제공된다.
또한, 헤드업 디스플레이용 도파관의 제조 방법으로서, 입력단 및 출력단을 가지는 도파관 보디를 제공하는 단계, 상기 출력단에 있는 출력 커플링 지역 내의 상기 도파관의 페이스 상에 투광 재료를 증착하는 단계, 상기 투광 재료 내에 반사 구조체를 압날(impress)하는 단계, 및 출력 커플링 디바이스를 형성하도록 상기 투광 재료를 경화시키는 단계를 포함하는, 도파관 제조 방법이 제공된다.
입력 커플링 디바이스는 프리즘일 수 있다.
출력 커플링 구조체는 톱니 격자일 수 있다.
출력 커플링 구조체는 변형된 변동하는 반사도를 제공하도록 상기 도파관 보디의 전파축에 따라 그레이딩되는(graded) 변형된 톱니 격자일 수 있다. 그레이딩은 격자의 피쳐의 크기, 깊이, 또는 스페이싱을 변경함으로써 이루어질 수 있다.
광 도파관은, 상기 도파관 보디와 상기 출력 커플링 구조체 사이에 광학 코팅을 더 포함할 수 있다.
광 도파관은, 상기 출력 커플링 구조체의 노출된 페이스 상에 광학 코팅을 더 포함할 수 있다.
출력 커플링 구조체는 투과성 UV 경화 재료로 형성될 수 있다.
경화시키는 단계는 투광 재료를 UV 광에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.
투광 재료는 액체 또는 젤-형 형태로 증착될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 기법은 최종 제품 전체를 개선하고 또한 이러한 공정으로 형성된 사용가능한 도파관의 수율을 개선함으로써 전체 제조 비용을 낮추려고 한다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시에 의하여 설명될 것이다:
도 1 은 도파관 구조체의 단면을 도시한다;
도 2 는 도파관 구조체의 단면과 제조 단계들을 보여준다; 그리고
도 3 은 제조 공정의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 추가적인 세부 사항, 양태 및 실시예가 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시적인 방식으로 설명될 것이다. 도면에 있는 요소들은 간결하고 명확하도록 도시되며 반드시 척도에 맞게 도시된 것은 아니다. 이해를 돕기 위해서 유사한 참조 번호가 개별 도면 내에 포함되었다.
도 2 는 도 1 에 도시되는 것에 비견되는 도파관을 형성하는 제조 단계의 시퀀스를 나타내고, 도 3 은 제조 기법의 흐름도를 나타낸다.
도 2 의 (a) 에서(단계 30) 도파관(10)과 등가이지만 입력 커플러(12)가 없으며 출력 커플링 구조체(14)가 생성되기 전의 광 도파관(20)이 제공된다. 도파관은 요구된 동작 파장에서 투과성인 임의의 적합한 유리 또는 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 도파관은 광학적으로 평평한 평행 표면으로 제조되어 수락가능한 왜곡 수준 내에서 광 유도를 제공한다.
출력 커플링 구조체가 요구될 지역 내에, 투광 재료(21)의 층이 증착된다(단계 31). 이러한 재료는 경화될 때까지 액체 또는 젤-형 형태로 남아 있는 경화가능한 폴리머 또는 접착제일 수 있다. 후술되는 공정에서 요구되는 바와 같은, 그리고 요구되는 출력 커플링 구조체로 형성될 수 있는 임의의 재료가 활용될 수 있다. 재료의 굴절률은 도파관(20)의 굴절률과 매칭될 필요는 없지만, 올바른 광학 성능을 보장하려면 어떠한 차이도 광학 설계 시에 고려돼야 한다.
도 2 의 (b)에서 스탬퍼 툴(22)이 재료(21)와 접촉하여(단계 32) 출력 커플링 구조체의 재료 내로 압날(impress)된다. 스탬퍼는 요구된 형상을 재료(21) 내에 압날하기에 적절한 재료로 형성된다. 스탬퍼는 요구되는 최종 형상의 역일 수 있고, 또는 스탬핑 및 경화 중에 재료(21) 내에서 발생될 것으로 알려지는 형상 변화를 허용하도록 변경될 수 있다.
도 1 과 관련하여 설명된 바와 같이, 구조체는 척도에 맞게 도시되지 않고 통상적으로 마이크론 스케일로 훨씬 작다. 구조체는, 예를 들어 간격이 있는(평평 상단의) 톱니 격자 구조체일 수 있고, 또는 요구된 광학 성능을 제공하기 위하여 더 복잡한 구조체가 활용될 수도 있다. 커플링 구조체는 통상적으로 마이크론 스케일이고 충분히 작아서 사용자의 눈에 가깝게 제공될 때 디바이스를 통한 정상적인 시야를 방해하지 않는다(즉 시각적 왜곡이 없거나 수락가능한 레벨임). 커플링 구조체는 자신의 길이를 따라 그레이딩되어(graded) 휘도가 디바이스의 출사 퓨필에 걸쳐서 균일하도록 도파관에서 나오는 반사를 그레이딩한다. 그레이딩은 톱니 피쳐의 크기, 형상, 및 깊이, 또는 인접한 피쳐들 사이의 간격을 그레이딩하는 것을 포함할 수 있다. 톱니 격자는 평평한 상단을 가져서 구조체와 상호작용하는 광의 일부만이 디바이스 밖으로 반사되고, 나머지는 계속하여 전반사를 통해 전파되게 할 수 있다; 예를 들어 평평-상단(flat-topped) 톱니 프로파일이 활용될 수 있다.
그러면 재료(21)가 경화되어(단계 33) 재료를 요구된 구조로 세팅한다. 경화는 이용되는 재료에 대해서 적합할 경우 수행될 수 있다. 예를 들어, 투과성 UV 경화 폴리머 또는 접착제가 UV 광에 노출되어 재료를 경화시킬 수 있다. 경화 단계는 스탬퍼가 제 자리에 있는 동안, 또는 사용되는 재료에 대해 적절하다면 스탬퍼가 제거된 후에 수행될 수 있다.
도 2 의 (c)에 도시된 바와 같이, 재료가 경화되고 스탬퍼가 제거되면(단계 34) 도파관(20)에는 도 1 에 도시되는 구조체(14)에 비견되는 출력 커플링 구조체(23)가 제공된다. 출력 커플링 구조체(23)는 경화 프로세스 중에 형성된 결합에 의해서 도파관(20)에 부착된다. 출력 커플링 구조체(23)의 뒷면은, 구조체의 반사도를 개선하고 광의 손실을 피하며, 외부 광원으로부터의 이차 반사에 대한 반작용(counter)을 하도록 코팅될 수 있다.
도 2 의 (d)는 추가된(단계 35) 입력 프리즘이 있는 디바이스(프리즘은 단지 일 예로서 제공되며, 예를 들어 회절 요소와 같은 임의의 입력 커플러가 활용될 수 있음) 및 참조를 위하여 예시적인 광선(24 및 25)을 도시한다. 광선(24 및 25)은 마이크로디스플레이 프로젝터로부터 전파되는 이미지 광을 표시한다. 광선(24 및 25)은 평평-상단 격자의 퓨필 복제 효과(pupil replication effect)를 시연한다.
광선(24)은, 출력 커플링 구조체에서 광이 구조체(23) 내로 투과된다는 것을 제외하고는 도 1 을 참조하여 설명된 것과 같은 방식으로 도파관 구조체를 통해 전파된다. 도파관(20)과 구조체(23) 사이의 굴절률들이 유사하기 때문에 이러한 계면에서는 전반사가 일어나지 않지만, 굴절률에 차이가 있으면 이러한 계면에서는 굴절이 발생할 수 있다. 이러한 굴절은 광학 설계에서 수용될 수 있다.
광선이 구조체(23)에 진입하면, 이것은 구조체에 의해서 사용자의 눈(25)을 향해 가이드 밖으로 반사된다. 따라서 도 2 의 (d)의 도파관은 도 1 의 도파관과 동일한 기능을 제공하지만, 구조체는 도 1 의 디바이스와 비교할 때 도파관(20)의 감소된 기계적 처리로 형성된다. 도파관(20)의 처리가 감소되면 해당 디바이스에 있는 왜곡 및 스트레스가 감소된다. 그러면, 도파관 기판 내의 불균일성(예를 들어 평행하지 않거나 휘어진 표면)이 감소됨으로써 최종 디바이스의 이미지 품질이 개선된다. 스트레스가 감소되기 때문에 수율은 증가될 가능성이 있으며, 따라서 제조 비용이 줄어든다.
출력 커플링 구조체를 별개의 컴포넌트로서 형성하면, 또한 디바이스의 성능을 개선시키기 위해서 다른 기법이 활용될 수 있다. 예를 들어, 광학 코팅이 도파관(20)의 상단 페이스에 증착되어 출력 커플링 구조체(23) 내로의 광의 전파를 제어할 수 있다. 예를 들어, 이러한 코팅은 광의 일부만이 구조체(23) 내로 전파되게 할 수 있고, 나머지는 반사할 수 있다. 그러면 광이 출력 커플링 구조체(23)에 걸쳐서 분산될 수 있어서, 헤드업 디스플레이용 퓨필 크기가 증가된다. 규정된 방식으로 광과 상호작용하기 위해서 복잡한 다중층 유전체 코팅이 활용될 수도 있다. 예를 들어, 출력 구조체(23)와 도파관(20) 사이의 코팅은 편광에 의존하도록 설계될 수 있다.
이전에 회절 요소는 현재의 디바이스의 퓨필 확대를 제공하기 위해서 요구되어 왔지만, 회절 요소는 생산하기가 힘들고 디바이스의 광학 대역폭을 제한할 수 있다.
본 발명이 몇 가지 실시예와 연관하여 설명된 바 있지만, 이것은 본 명세서에 설명된 특정 형태로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 추가하여, 비록 어떤 특징이 특정 실시예와 관련하여 설명된 것으로 보일 수 있지만, 당업자는 설명된 실시예의 다양한 특징들이 본 발명에 따라서 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 청구항에서, '포함하는'이라는 용어는 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.
더욱이, 청구항 내에서 특징들의 순서는 특징들이 수행되어야 하는 임의의 특정한 순서를 암시하지 않으며, 특히 방법 청구항에 있는 개개의 단계들의 순서는 이러한 단계들이 이러한 순서로 수행되어야 한다는 것을 암시하지 않는다. 오히려, 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 추가하여, 단수로 참조하는 것이 복수를 배제하는 것은 아니다. 따라서, '하나 (a)', '하나의(an)', '제 1', '제 2' 등을 참조하는 것은 복수가 될 수 없다는 것이 아니다. 청구항에서, '포함하는(comprising)' 또는 "포함하는(including)"은 다른 요소의 존재를 배제하지 않는다.

Claims (19)

  1. 헤드업 디스플레이용 광 도파관으로서,
    입력단으로부터 출력단으로 연장되고, 전반사(total internal reflection)에 의해 상기 입력단으로부터 상기 출력단으로 광을 유도하도록 구성되는 도파관 보디 - 상기 도파관 보디는 광학적으로 평평하고(optically flat) 평행한 외향면을 가짐 -;
    광을 상기 도파관 보디 내로 커플링하기 위한, 상기 도파관 보디의 입력단에 있는 입력 커플링 디바이스;
    상기 출력단에 있는 상기 도파관 보디 외부의 상기 외향면 중 하나에 부착되는 출력 커플링 구조체 - 상기 출력 커플링 구조체는 상기 도파관 보디와 별개이고, 상기 출력 커플링 구조체는 반사에 의하여 광을 상기 광 도파관 밖으로 지향시키도록 구성되는 반사 구조체이고, 상기 출력 커플링 구조체는 광을 상기 광 도파관 밖으로 지향시키기 위한 평평-상단(flat-topped) 톱니 격자를 포함하며, 상기 평평-상단 톱니 격자는 상기 도파관 보디의 외향면에 평행한, 평평한 상단면을 가져서, 상기 출력 커플링 구조체와 상호작용하는 광의 일부만이 광 도파관 밖으로 반사되고, 나머지는 계속하여 전반사를 통해 전파되게 함 -; 및
    상기 도파관 보디와 상기 출력 커플링 구조체 사이의 광학 코팅 - 상기 광학 코팅은 광의 일부만이 상기 출력 커플링 구조체 내로 전파되게 하고 나머지는 반사되도록 하기 위한 것임 -
    을 포함하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 커플링 디바이스는 프리즘 또는 회절 격자를 포함하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 톱니 격자는, 변동하는 반사도를 제공하도록 상기 도파관 보디의 전파축에 따라 그레이딩되는(graded), 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 톱니 격자는, 상기 격자의 피쳐의 크기, 깊이, 또는 스페이싱을 상기 전파축에 따라 변경함으로써 그레이딩되는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도파관은, 상기 출력 커플링 구조체의 노출된 페이스 상에 광학 코팅을 더 포함하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 커플링 구조체는 투과성 UV 경화 재료를 포함하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  8. 헤드업 디스플레이용 도파관의 제조 방법으로서,
    입력단, 출력단, 및 광학적으로 평평하고 평행한 외향면을 가지는 도파관 보디를 제공하는 단계;
    상기 출력단에 있는 출력 커플링 지역에서 상기 도파관의 상기 외향면 중 하나에 투광 재료(optically transmissive material)를 부착하는 단계;
    상기 투광 재료 내에 반사 구조체를 압날(impress)하는 단계;
    출력 커플링 디바이스를 형성하도록 상기 투광 재료를 경화시키는 단계 - 상기 출력 커플링 디바이스는 광을 도파관 밖으로 지향시키기 위한 평평-상단 톱니 격자를 포함하며, 상기 평평-상단 톱니 격자는 상기 도파관 보디의 외향면에 평행한, 평평한 상단면을 가져서, 상기 출력 커플링 디바이스와 상호작용하는 광의 일부만이 도파관 밖으로 반사되고, 나머지는 계속하여 전반사를 통해 전파되게 함 -; 및
    광의 일부만이 상기 출력 커플링 디바이스 내로 전파되게 하고 나머지는 반사할 수 있게 하도록 상기 도파관 보디와 상기 투광 재료 사이에 광학 코팅을 도포하는 단계
    를 포함하는, 도파관 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 경화시키는 단계는 상기 투광 재료를 UV 광에 노출시키는 것을 포함하는, 도파관 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 투광 재료는 액체 또는 젤-형 형태로 부착되는, 도파관 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 도파관 제조 방법은,
    상기 출력 커플링 디바이스의 노출된 표면에 광학 코팅을 도포하는 단계를 더 포함하는, 도파관 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 톱니 격자는, 변동하는 반사도를 제공하도록 상기 도파관 보디의 전파축에 따라 그레이딩되는, 도파관 제조 방법.
  15. 헤드업 디스플레이용 광 도파관으로서,
    입력단으로부터 출력단으로 연장되고, 전반사에 의해 상기 입력단으로부터 상기 출력단으로 광을 유도하도록 구성되는 도파관 보디 - 상기 도파관 보디는 광학적으로 평평하고 평행한 외향면을 가짐 -;
    광을 상기 도파관 보디 내로 커플링하기 위한, 상기 도파관 보디의 입력단에 있는 입력 커플링 디바이스;
    상기 출력단에 있는 상기 도파관 보디 외부의 상기 외향면 중 하나에 부착되는 출력 커플링 구조체 - 상기 출력 커플링 구조체는 상기 도파관 보디와 별개이고, 상기 출력 커플링 구조체는 반사에 의하여 광을 상기 광 도파관 밖으로 지향시키도록 구성되는 반사 구조체임 -; 및
    상기 도파관 보디와 상기 출력 커플링 구조체 사이의 광학 코팅 및 상기 출력 커플링 구조체의 노출된 페이스 상의 광학 코팅 중 적어도 하나 - 상기 적어도 하나는 광의 일부만이 상기 출력 커플링 구조체 내로 전파되게 하고 나머지는 반사되도록 하기 위한 것임 -
    를 포함하고,
    상기 출력 커플링 구조체는 광을 광 도파관 밖으로 지향시키기 위한 평평-상단 톱니 격자를 포함하며, 상기 평평-상단 톱니 격자는 상기 도파관 보디의 외향면에 평행한, 평평한 상단면을 가져서, 상기 출력 커플링 구조체와 상호작용하는 광의 일부만이 광 도파관 밖으로 반사되고, 나머지는 계속하여 전반사를 통해 전파되게 하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 출력 커플링 구조체는 투과성 UV 경화 재료를 포함하는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 톱니 격자는, 변동하는 반사도를 제공하도록 상기 도파관 보디의 전파축에 따라 그레이딩되는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 톱니 격자는, 상기 격자의 피쳐의 크기, 깊이, 또는 스페이싱을 상기 전파축에 따라 변경함으로써 그레이딩되는, 헤드업 디스플레이용 광 도파관.
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