KR102534653B1

KR102534653B1 - 섬유 스캐너용 미세구조 광섬유 발진기 및 도파관

Info

Publication number: KR102534653B1
Application number: KR1020227017114A
Authority: KR
Inventors: 티모시 마크 달림플; 클린턴 칼라일; 제이슨 섀퍼; 앤드류 씨. 두에너; 바이하브 마터
Original assignee: 매직 립, 인코포레이티드
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2023-05-18
Also published as: US20180180875A1; CN112363270A; AU2017382882B2; KR102402464B1; US20210286171A1; CN112363270B; EP3559715A4; CN110100196A; US11556001B2; IL267414A; WO2018119278A1; IL301938B1; JP7198756B2; JP2020502581A; KR20220070574A; AU2022201967A1; KR20190095444A; IL267414B2; US20200004010A1; CN110100196B

Abstract

광섬유들, 및 광섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이들이 설명된다. 개시된 광섬유들은, 복수의 질량 조정 구역들이 없는 광섬유와 비교할 때 광섬유의 질량을 감소시키기 위해 중앙 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝된 복수의 질량 조정 구역들, 이를테면 가스-충전 구역들을 포함한다.

Description

섬유 스캐너용 미세구조 광섬유 발진기 및 도파관{MICROSTRUCTURED FIBER OPTIC OSCILLATOR AND WAVEGUIDE FOR FIBER SCANNER}

[0001] 본 출원은, 2016년 12월 23일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/438,898호, 및 2017년 2월 27일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/464,298호를 우선권으로 주장하며, 이들은 이로써 그 전체가 인용에 의해 통합된다.

[0002] 광섬유(optical fiber)들은 통신, 센서들 및 이미징을 포함하는 다양한 용도들에 사용되었다. 다양한 구성(construction)들의 광섬유들이 존재하며, 일반적으로, 도파관 구조, 이를테면 중앙 코어 및 주위의 클래딩 층으로 만들어진 도파관과, 환경 조건들에 대한 노출 또는 핸들링 동안 보호를 제공하기 위해 선택적으로 포함되는 부가적인 버퍼 및 자켓 층들을 포함한다. 광섬유들이 사용되거나 또는 사용될 수 있는 다양한 애플리케이션들을 개선시키고 확장시키기 위해서는 부가적인 광섬유 설계들 및 최적화들이 필요하다.

[0003] 본 출원은 광 도파관들에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 그리고 제한 없이, 본 출원은 이를테면 스캐닝 섬유 디스플레이들에 사용되는 광섬유들 및 광섬유 발진기들에 관한 것이며, 여기서, 광섬유들은 도파 엘리먼트, 및 광섬유의 외주와 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝된 하나 이상의 질량 감소 엘리먼트들을 갖는 기계적 구역을 포함한다. 질량 감소 엘리먼트들의 포함은 유리하게, 이를테면 종래의 광섬유 발진기(fiber optic oscillator)들의 사용과 비교할 때 시야에 대한 개선을, 광섬유를 통합하는 스캐닝 섬유 디스플레이에 제공한다.

[0004] 스캐닝 디바이스들은 일반적으로, 스캐닝 범위와 주파수를 절충(trade off)한다. 예컨대, 일반적으로, 주파수가 증가함에 따라, 스캐닝 범위는 감소한다. 유사하게, 스캐닝 범위가 증가함에 따라, 주파수는 감소한다. 그러나, 많은 어플리케이션들, 이를테면 스캐닝 광학 프로젝터들에서는, 큰 동작 주파수 및 넓은 범위를 갖는 것이 바람직하다. 주파수는 해상도와 재생률(refresh rate) 둘 모두에 중요할 수 있다. 예컨대, 스캐닝 섬유 디스플레이에서, 주파수는 재생률에 직접적으로 영향을 줄 수 있는데, 그 이유는 섬유의 반복되는 발진(oscillation)들이 출력 뷰가 얼마나 자주 변화될 수 있는지를 지시할 수 있기 때문이다.

[0005] 그러나, 범위는 주어진 프로젝터 설계에 대해 시야에 중요할 수 있다. 예컨대, 발진 섬유의 최대 진폭 또는 범위는 섬유에 의해 생성되는 출력 이미지가 얼마나 넓을 수 있는지에 대한 제한을 제공할 수 있다. 발진 범위가 증가됨에 따라, 더 넓은 시야가 제공될 수 있다.

[0006] 스캐닝 디바이스들은 또한, 그들의 소형 폼 팩터와 유용한 해상도 및 시야에 기인하여 디스플레이 디바이스들로서 유용할 수 있다. 그러나, 높은 스캐닝 범위를 갖는 고주파수 스캐닝 디바이스들을 얻기 위해서는, 이 분야에서의 혁신들이 요구된다. 현재 설명된 광섬유들은, 소형 폼 팩터를 유지하면서 개선된 시야 프로젝터들을 가능하게 한다. 예로서, 개시된 광섬유들을 스캐닝 섬유 디스플레이 프로젝터에 통합시킴으로써, 프로젝터의 시야는 종래의 스캐닝 섬유 디스플레이 디바이스들에 비해 증가될 수 있다.

[0007] 제1 양상에서, 광섬유들이 제공된다. 개시된 광섬유들은 또한, 본원에서 미세구조(microstructured) 광섬유들로 지칭될 수 있다. 예시적인 광섬유들은, 축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트; 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역, 이를테면 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함하는 기계적 구역; 및 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 질량 조정 구역들, 이를테면 제1 밀도보다 더 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 재료를 포함하는 복수의 질량 조정 구역들을 포함하는 광섬유들을 포함한다. 이러한 질량 조정 구역들은 선택적으로, 공기를 포함할 수 있거나, 또는 재료가 제거되거나 또는 그렇지 않으면 기계적 구역에 존재하지 않는 구역들에 대응할 수 있다. 제1 재료와 제2 재료가 또한, 상이한 광학 특성들, 이를테면 상이한 굴절률들을 가질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0008] 다른 예로서, 개시된 광섬유들은, 축을 따라 연장되는 도파 엘리먼트; 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역, 이를테면 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 제1 재료를 포함하는 기계적 구역; 및 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 단면 이차 모멘트(second moment of area) 조정 구역들, 이를테면, 동일한 광섬유의 대응하는 기계적 구역이 동일한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 단면 이차 모멘트 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 동일한 광섬유와 비교할 때, 기계적 구역의 전체 단면 이차 모멘트를 수정하는 역할을 하는 복수의 단면 이차 모멘트 조정 구역들을 포함하는 광섬유들을 포함한다. 예로서, 단면 이차 모멘트 조정 구역들은 제1 재료의 단위 단면적(unit cross-sectional area)당 질량과는 상이한 단위 단면적당 질량을 나타낼 수 있고, 기계적 구역의 전체 단면 이차 모멘트의 수정을 야기할 수 있다. 추가적인 예로서, 단면 이차 모멘트 조정 구역들은 제1 재료의 밀도들과는 상이한 밀도들을 나타낼 수 있고, 기계적 구역의 전체 단면 이차 모멘트의 수정을 야기할 수 있다. 단면 이차 모멘트라는 용어가 기계 공학 분야에서 알려진 바와 같이 면적 또는 객체의 기하학적 특성을 지칭하며, 면적 관성 모멘트, 단면 이차 모멘트 및 평면 면적의 관성 모멘트를 포함하여, 다른 용어들이 단면 이차 모멘트에 대해 상호교환가능하게 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0009] 본원에서 설명된 광섬유들에 대해 다양한 도파 엘리먼트들이 유용하다. 도파 엘리먼트는 중앙 코어 구역, 및 중앙 코어 구역을 둘러싸는 클래딩 층을 포함할 수 있다. 선택적으로, 중앙 코어 구역은 약 5 ㎛ 내지 약 25 ㎛의 직경을 갖는다. 선택적으로, 클래딩 층은 약 5 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 직경을 갖는다. 선택적으로, 클래딩 층은 제1 재료를 포함한다. 선택적으로, 중앙 코어 구역은 제3 재료를 포함한다. 선택적으로, 중앙 코어 구역은 제2 재료를 포함한다. 선택적으로, 클래딩 층은 제3 재료를 포함한다. 선택적으로, 클래딩 층 및 기계적 구역은 단일체를 포함한다. 예컨대, 질량 조정 구역들은 선택적으로, 클래딩 층 내에 또는 클래딩 층의 일부로서 포지셔닝될 수 있다.

[0010] 선택적으로, 도파 엘리먼트는 단일 모드 도파 엘리먼트 또는 멀티모드 도파 엘리먼트에 대응한다. 다른 유용한 도파 엘리먼트들은, 복수의 코어 구역들 및 복수의 코어 구역들을 둘러싸는 클래딩 층을 포함하는 도파 엘리먼트들을 포함한다. 선택적으로, 복수의 코어 구역들 각각은 동일한 또는 상이한 재료들일 수 있다. 중공(즉, 진공배기) 또는 가스-충전 또는 공기-충전 구역, 이를테면 가스-충전 코어 구역을 포함하는 도파 엘리먼트들을 포함하여, 다른 도파 엘리먼트들이 고려된다. 가스 또는 공기가 유리 또는 다른 고체(solid) 재료보다 더 적은 에너지를 흡수할 수 있기 때문에 중공 또는 가스-충전 또는 공기-충전 코어들이 고전력 애플리케이션들에서 유용할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 선택적으로, 진공배기 구역들(즉, 진공 충전 구역들)이 또한 활용될 수 있다. 코어와 클래딩 구역들이 상이한 광학 특성들, 이를테면 상이한 굴절률들을 나타낼 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다.

[0011] 본원에서 설명된 광섬유들과 함께 다양한 질량 조정 구역들이 사용될 수 있다. 예컨대, 질량 조정 구역들은 하나 이상의 가스-충전 또는 공기-충전 구역들, 하나 이상의 폴리머-충전 구역들, 하나 이상의 유리-충전 구역들, 하나 이상의 진공배기 구역들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함(그러나, 이에 제한되지 않음)할 수 있다. 예로서, 기계적 구역은 제1 유리를 포함할 수 있고, 질량 조정 구역들은 제1 유리와는 상이한 제2 유리를 포함할 수 있다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은 질량 조정 엘리먼트들의 복수의 행(row)들을 포함한다. 예컨대, 복수의 행들은 중앙 도파 엘리먼트를 중심으로 동심형으로 배열될 수 있다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은 축을 중심으로 대칭 구성으로 배열된다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들 각각은 원형 단면 형상, 계란형(oval) 단면 형상 또는 다각형 단면 형상을 갖는다. 단면 형상들의 조합들이 또한 활용될 수 있다. 선택적으로, 각각의 질량 조정 구역은 약 1 ㎛ 내지 약 25 ㎛의 직경 또는 측면 치수를 갖는 단면 형상을 갖는다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은, 각각의 질량 조정 구역이 자신만의 길이방향 축을 갖는 경우와 같이, 광섬유의 길이를 가로지른다(traverse). 선택적으로, 각각의 길이방향 축은 광섬유의 축에 평행한 축들(axes)에 따라 배열된다. 질량 감소 재료의 개별적인 셀들 또는 구역들이 광섬유의 섹션들에 포함되는 경우를 포함하여, 다른 구성들이 가능하다. 질량 조정 구역들은 선택적으로, 광섬유의 전체 길이에서 또는 이 광섬유의 단지 일부분에서 이어질(run) 수 있다. 대안적으로, 질량 조정 구역들은 기계적 구역 전체에 걸쳐 무작위로 또는 균등하게 분산되거나, 또는 광학 또는 도파관 축에 수직으로 또는 광학 또는 도파관 축으로부터 각을 이루며 이어진다. 선택적으로, 복수의 질량 감소 구역들 사이의 피치는 약 1 ㎛ 내지 약 25 ㎛이다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은 기계적 구역의 볼륨의 약 30% 내지 약 90%를 점유한다. 그러한 분율(fractional) 또는 백분율 볼륨은 본원에서 질량 감소 분율 또는 질량 감소 충전 분율로 지칭될 수 있다. 공기 또는 가스를 포함하는 질량 감소 구역의 경우, 이러한 분율 또는 백분율 볼륨은 공기-충전 분율 또는 가스-충전 분율로 지칭될 수 있다.

[0012] 선택적으로, 광섬유는 복수의 상이한 단면 구성들을 갖는 복합 광섬유를 포함한다. 예컨대, 광섬유는 제1 단면 구성을 포함하는 제1 세그먼트, 및 제2 단면 구성을 포함하는 제2 세그먼트를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 광섬유는 미세구조화되는(microstructured) 세그먼트 및 미세구조화되지 않은 세그먼트를 포함할 수 있다. 분할된(segmented) 광섬유들은 다양한 단면 구성을 갖는 단일 섬유로서 제조될 수 있다. 분할된 광섬유들은 또한, 상이한 단면 구성들의 광섬유들을 스플라이싱(splicing)함으로써 구성될 수 있다.

[0013] 질량-감소 구역들의 포함이, 광섬유의 기계적 특성들의 선택, 튜닝 또는 그렇지 않으면 수정을 가능하게 할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 광섬유의 외경은 광섬유의 포인팅 각도에 비례할 수 있다. 선택적으로, 기계적 구역의 질량 조정 충전 분율은 광섬유의 포인팅 각도에 비례한다. 선택적으로, 질량 조정 충전 분율은 질량 조정 구역들의 직경 대 질량 조정 구역들 사이의 피치의 비(ratio)에 의해 표현된다.

[0014] 복수의 질량 조정 구역들은, 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 단위 길이당 광섬유의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이 때, 대응하는 도파 엘리먼트는 도파 엘리먼트와 동일하고, 대응하는 기계적 구역은, 대응하는 기계적 구역이 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 기계적 구역과 동일하다는 것이 인식될 것이다.

[0015] 광섬유들은 유효(effective) 캔틸레버 길이를 나타낼 수 있다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은, 유효 캔틸레버 길이를 가지며 그리고 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 광섬유의 공진 발진 주파수를 증가시키며, 이 때, 대응하는 도파 엘리먼트는 도파 엘리먼트와 동일하고, 대응하는 기계적 구역은, 대응하는 기계적 구역이 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 기계적 구역과 동일하다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은, 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 주어진 동작 또는 공진 주파수에 대해 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 이 때, 대응하는 도파 엘리먼트는 도파 엘리먼트와 동일하고, 대응하는 기계적 구역은, 대응하는 기계적 구역이 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 기계적 구역과 동일하다.

[0016] 광섬유들, 이를테면 유효 캔틸레버 길이를 갖는 광섬유들은 공진 주파수를 가질 수 있다. 선택적으로, 복수의 질량 조정 구역들은, 공진 주파수를 가지며 그리고 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 이 때, 대응하는 도파 엘리먼트는 도파 엘리먼트와 동일하고, 대응하는 기계적 구역은, 대응하는 기계적 구역이 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 기계적 구역과 동일하다.

[0017] 다른 양상에서, 스캐닝 섬유 디스플레이들이 제공된다. 예컨대, 스캐닝 섬유 디스플레이는 선택적으로, 위에서 설명된 광섬유들 중 임의의 광섬유, 그리고 광섬유와 기계적으로 접촉하는 액추에이터를 포함할 수 있으며, 액추에이터는 광섬유의 발진을 유도하기 위한 것이다. 예로서, 스캐닝 섬유 디스플레이에서의 광섬유는 선택적으로, 축을 따라 연장되는 도파 엘리먼트; 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역, 이를테면 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함하는 기계적 구역; 및 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 질량 조정 구역들, 이를테면 제1 밀도보다 더 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 재료를 포함하는 복수의 질량 조정 구역들을 포함할 수 있다.

[0018] 본원에서 설명된 스캐닝 섬유 디스플레이들에 대해 다양한 액추에이터들 및 액추에이터 구성들이 유용하다. 예컨대, 액추에이터는 선택적으로, 압전 트랜스듀서, 전자기 보이스 코일 또는 열 액추에이터를 포함한다. 선택적으로, 액추에이터는 2 차원으로 광섬유의 단부의 모션을 제어하기 위한 2 차원 액추에이터를 포함한다. 유용한 액추에이터들은, 제어가능 주파수에서 발진하며 그리고 광섬유의 고유(natural) 또는 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 동작하도록 구성될 수 있는 액추에이터들을 포함한다.

[0019] 개시된 스캐닝 섬유 디스플레이들은 선택적으로, 광섬유의 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 가시 광원을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 광섬유의 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 멀티-컬러 스위칭가능 광원이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 광섬유의 포지션의 함수로써, 도파 엘리먼트로의 광 입력을 제어함으로써, 이를테면 컬러 또는 세기를 조정함으로써, 스캐닝 섬유 디스플레이에 의해 컬러 이미지들이 출력될 수 있다.

[0020] 전술된 내용은, 다른 특징들 및 실시예들과 함께, 다음의 설명, 청구항들 및 첨부된 도면들을 참조할 때 더욱 자명해질 것이다. 위의 양상들의 광섬유들 및 스캐닝 섬유 디스플레이들이 선택적으로, 아래의 설명에서 설명되는 특징들 및 양상들을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0021] 도 1a 및 도 1b는 일부 실시예들에 따른 예시적인 광섬유 시스템들의 개략적인 예시들을 제공한다.
[0022] 도 2a는 예시적인 종래의 광섬유의 단면의 개략적인 예시를 제공한다. 도 2b는 예시적인 미세구조 광섬유의 단면의 개략적인 예시를 제공한다.
[0023] 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 미세구조 광섬유의 상이한 단면들의 개략적인 예시들을 제공한다.
[0024] 도 4a 및 도 4b는 종래의 광섬유를 사용하는 것과 미세구조 광섬유를 사용하는 것 사이의 비교를 나타내는, 예시적인 광섬유 시스템들의 개략적인 예시들을 제공한다.
[0025] 도 5a는 종래의 광섬유를 사용하는 스캐닝 섬유 디스플레이에 의해 달성되는 나선형 출력 패턴의 개략적인 예시를 제공한다. 도 5b는 미세구조 광섬유를 사용하는 스캐닝 섬유 디스플레이에 의해 달성되는 나선형 출력 패턴의 개략적인 예시를 제공한다.
[0026] 도 6은 질량 감소 구역들의 직경 대 피치의 비의 함수로써 그리고 질량 감소 구역들의 직경의 함수로써 광섬유의 포인팅 각도에서의 이득을 나타내는 플롯을 제공한다.

[0027] 본원에서 광섬유들, 광섬유 발진기들 및 스캐닝 섬유 디스플레이들의 실시예들이 설명된다. 개시된 광섬유들은 유리하게, 이를테면, 동일한 고정 발진 주파수 또는 공진 주파수를 갖지만 종래의 광섬유를 사용하는 광섬유 발진기들과 비교할 때, 고정 발진 주파수 또는 공진 주파수에 대해 발진 진폭 또는 포인팅 각도에 대한 개선을 제공한다.

[0028] 개시된 광섬유들은, 그들의 구성 및 재료 특성들에 기인하여, 종래의 섬유들의 기계적 특성들과는 상이한 기계적 특성들을 지닌다. 예컨대, 종래의 광섬유는 도파 엘리먼트를 정의하기 위해 코어 구역 및 클래딩 구역을 포함할 수 있다. 이들 구역들은, 광섬유의 축을 따라 광학 빔의 내부 전반사 및 도파를 달성하기 위하여 상이한 굴절률들을 지니는 광학 재료들의 고체 바디들일 수 있다.

[0029] 미세구조 광섬유들로 또한 지칭되는, 본원에서 개시된 광섬유들은 선택적으로, 예컨대 상이한 굴절률들을 갖는 재료들의 유사한 도파 엘리먼트를 사용할 수 있지만, 이러한 광섬유들은 또한, 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역, 이를테면 광학 빔을 도파하기 위해 주로 사용되는 것이 아니라, 대신에, 이를테면 원하는 기계적 특성들을 달성하기 위해 광섬유의 기계적 특성들을 튜닝하거나, 선택하거나 또는 그렇지 않으면 수정하기 위해 사용되는 기계적 구역을 포함한다. 예로서, 하나 이상의 단면 이차 모멘트 조정 구역들이 기계적 구역에 포함될 수 있으며, 이는, 하나 이상의 단면 이차 모멘트 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 동일한 광섬유와 비교할 때, 광섬유의 단면 이차 모멘트를 수정하는 역할을 할 수 있다. 특정 예에서, 단면 이차 모멘트는, 기계적 구역의 질량을 수정함으로써 조정될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 질량 조정 구역들이 기계적 구역에 포함될 수 있으며, 이는, 하나 이상의 질량 감소 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 동일한 광섬유와 비교할 때, 광섬유의 질량 또는 단위 길이당 질량을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 예시적인 질량 조정 구역들은 공기-충전 구역들(또는 다른 가스-충전 구역들), 또는 도파 엘리먼트 또는 기계적 구역에 사용되는 재료의 밀도보다 더 낮은 밀도를 갖는 다른 재료들을 포함하는 구역들을 포함한다. 예컨대, 도파 엘리먼트 또는 기계적 구역에서 사용되는 재료보다 더 낮은 밀도들을 갖는 플라스틱들, 폴리머들 또는 유리들이 사용될 수 있다. 이러한 질량의 감소는 예컨대, 원하는 기계적 특성들의 광섬유들이 생성 및 사용될 수 있게 할 수 있다. 부가하여, 질량의 감소는 기계적 구역의 단면 모멘트(moment of area)의 수정에 대응할 수 있다.

[0030] 동일한 광섬유들은 동일한 기하학적 구조들, 재료들 및/또는 구성들을 갖는 2 개의 광섬유들을 지칭할 수 있으며, 그리고 동일한 광섬유들 사이의 예외에 대한 지칭은, 하나의 광섬유가 미세구조화되고 하나의 광섬유가 미세구조화되지 않은 것과 같이, 다른 섬유와는 상이한, 하나의 광섬유의 하나의 특성임을 표시할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 광섬유는 코어, 이를테면 제1 단면 치수(이를테면, 직경)를 갖고 제1 광학 재료로 제조된 코어, 및 코어를 둘러싸는 클래딩, 이를테면 제2 단면 치수(이를테면, 외경)를 갖고 제2 광학 재료로 제조된 클래딩을 포함할 수 있다. 하나 이상의 질량 조정 구역들, 이를테면 공기-충전 또는 가스-충전 구역들을 포함한다는 점을 제외하고는 동일한 광섬유는 코어, 이를테면 제1 단면 치수를 갖고 제1 광학 재료로 제조된 코어, 코어를 둘러싸는 클래딩, 이를테면 제2 단면 치수를 갖고 제2 광학 재료로 제조된 클래딩, 및 클래딩에 위치된 하나 이상의 질량 조정 구역들을 포함하는 미세구조 광섬유를 지칭할 수 있다. 동일한 광섬유들이, 질량 감소 구역들의 존재에 기인하여 생기는, 질량 감소 구역들 외의 다른 특성 차이들, 이를테면 단위 길이당 상이한 질량, 또는 고정 발진 섬유 길이에 대한 상이한 공진 주파수, 또는 고정 공진 주파수에 대한 상이한 발진 섬유 길이를 가질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0031] 추가로, 동일한 광섬유들이, 동일한 광섬유들 사이에서 소정의 속성들이 동일한지의 여부에 따라 약간 상이한 특성들을 가질 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 이를테면 미세구조 광섬유가 더 높은 공진 주파수를 갖는 경우, 미세구조 기계적 구역의 포함을 제외하고는 동일하며 동일한 발진 길이를 갖는 2 개의 광섬유들은 상이한 공진 주파수들을 가질 것이다. 다른 예로서, 이를테면 미세구조 광섬유가 더 긴 발진 길이를 갖는 경우, 미세구조 기계적 구역의 포함을 제외하고는 동일하며 그리고 동일한 공진 주파수들을 갖는 2 개의 광섬유들은 상이한 발진 길이를 가질 것이다.

[0032] 유리하게, 개시된 광섬유들은, 주어진 스캐닝 주파수에 대해, 스캐닝 섬유 디스플레이의 개선된 시야를 제공할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 질량 감소 구역들을 포함하는 기계적 구역을 포함하는 미세구조 광섬유를 사용하는 스캐닝 섬유 디스플레이는, 하나 이상의 질량 감소 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고 동일한 공진 주파수를 갖는 동일한 광섬유(즉, 비-미세구조 광섬유)를 사용하는 스캐닝 섬유 디스플레이의 시야와 비교할 때, 증가된 시야를 가질 수 있다. 시야가 증강 현실 디바이스들의 소비자 수용에서의 제한 팩터일 수 있기 때문에, 시야를 증가시키는 것은 소비자 채택을 증가시키는 데 유익할 수 있다. 일부 스캐닝 섬유 디스플레이 실시예들에서, 주어진 동작 주파수에 대해, 발진 섬유의 길이를 증가시킴으로써 시야가 증가될 수 있는데, 그 이유는 이것이, 발진 섬유의 최대 포인팅 각도의 증가를 야기할 것이기 때문이란 것이 인식될 것이다.

[0033] 도 1a는 예시적인 광섬유 시스템(100)의 개략적인 예시를 제공한다. 예시적인 광섬유 시스템은 광원(105), 커플링 옵틱스(optics)(110), 및 광섬유(115)를 포함한다. 광원(105)은 예컨대 발광 다이오드, 레이저 또는 다른 가시 광원을 포함할 수 있다. 광원(105)은 선택적으로, 복수의 서브-소스들 또는 멀티-컬러 광원, 이를테면 전자기 방사선의 상이한 파장들을 출력하는 소스들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 광원(105)은 이를테면 시간의 함수로써 광원(105)의 출력 또는 세기에 대한 제어를 가능하게 하기 위해 스위칭가능할 수 있다.

[0034] 커플링 옵틱스(110)는, 광원(105)으로부터의 광이 도파를 위해 광섬유(115)의 코어(120)로 적절히 지향되는 것을 가능하게 하는 구성으로 배열된 하나 이상의 광학 엘리먼트들, 이를테면 렌즈들, 미러들, 반사기들 등을 포함할 수 있다. 따라서, 광원(105)은 광섬유(115)의 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하게 포지셔닝될 수 있다. 광원(105)으로부터의 광을 효율적으로 커플링시키는 데 필요한 커플링 옵틱스가 광원(105), 그리고 광섬유(115)의 기하학적 구조, 재료들 및/또는 개구수(numerical aperture)에 따라 좌우될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0035] 예시된 바와 같이, 광섬유(115)는 코어(120) 및 클래딩(125)을 포함하며, 예컨대 광학 축 또는 도파 축에 대응할 수 있는 축(130)을 갖는다. 코어(120)에 커플링되고 광섬유(115)의 길이를 따라 도파되는, 광원(105)으로부터의 광은, 광섬유(115)의 대향 단부에서 출력될 수 있다. 광섬유(115)로부터 출력된 광의 스폿 형상 및 방향이 광섬유(115)의 기하학적 구조, 재료들 및/또는 개구수에 따라 좌우될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 통상적으로, 광섬유로부터의 출력은 원뿔 형상(135)을 나타내는데, 원뿔(135)의 각도는 다시, 광섬유(115)의 기하학적 구조, 재료들 및/또는 개구수에 의해 정의된다. 시야의 측면에서, 비-발진 구성의 광섬유(115)는 원뿔(135)의 각도를 넘어서는 시야(140)의 증가를 나타내지 않는다. 편향각의 측면에서, 비-발진 구성의 광섬유(115)는 0의 편향각을 나타낸다.

[0036] 도 1b는 이를테면 스캐닝 섬유 디스플레이 시스템에 존재할 수 있는 광섬유 시스템(150)의 개략적인 예시를 제공한다. 스캐닝 섬유 디스플레이 시스템의 일반적인 세부사항들은, 예컨대, 2014년 1월 15일자로 출원되고 공개 번호 US 2015/0268415 하에서 공개된 미국 특허 출원 번호 제14/156,366호에서 발견될 수 있으며, 이 특허 출원은 이로써 그 전체가 인용에 의해 통합된다.

[0037] 도 1b는 다른 세부사항들을 방해하지 않기 위하여, 광섬유 시스템(150)으로부터 임의의 광원 또는 커플링 엘리먼트들의 묘사를 생략한다. 광섬유 시스템(150)은 광섬유(115)에 대응할 수 있는 광섬유(155), 및 액추에이터(160)를 포함한다. 액추에이터(160)는 광섬유(155)에 발진 모션을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 광섬유(155)의 발진들은, 고정 단부 및 자유 단부를 갖는 캔틸레버형 발진기에 대응하거나 또는 이로서 모델링될 수 있다. 액추에이터(160)는 예컨대 압전 액추에이터, 전자기 보이스 코일 또는 열 액추에이터일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 액추에이터(160)는 2 차원으로 광섬유(155)의 발진 모션에 대한 제어를 가능하게 할 수 있고, 둘 이상의 독립적인 작동가능 축들(axes)을 포함할 수 있다. 광섬유(155)의 발진 모션의 정도는 도 1b에서 점선들로 묘사된다. 발진 모션에 기인하여, 광섬유(155)는 광섬유(155)의 출력 원뿔을 넘어서는 시야의 증가를 나타낸다. 시야의 측면에서, 광섬유 시스템(150)은 광섬유(155)의 출력 원뿔보다 더 큰 시야(165)를 나타낸다.

[0038] 도 2a는 광섬유(200)의 개략적인 단면 예시를 제공한다. 광섬유(200)는 종래의 광섬유에 대응할 수 있으며, 코어(205) 및 코어(205)를 둘러싸는 클래딩(210)을 포함한다. 코어(205)는 코어 직경(215)을 갖는 것으로서 예시되며, 클래딩(210)은 외경(220)을 갖는 것으로 예시된다. 코어 직경(215) 및 외경(220)이 특정 광섬유 실시예의 특성일 수 있으며, 이에 따라 임의의 적절한 값들을 취할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0039] 도면 또는 상이한 도면의 소정의 양상들이 상이한 구성들 또는 엘리먼트들 사이의 치수의 차이를 예시하도록 묘사되지만, 달리 표시되지 않는 한, 첨부된 도면들에서 예시된 특징들의 치수들이 스케일링되지 않을 수 있다는 것이 인식될 것이다. 또한, 부가적인 재료들, 이를테면 버퍼, 자켓, 또는 다른 코팅된 또는 보호성 재료들이 클래딩 또는 기계적 구역의 외부에 구성될 수 있지만, 첨부된 도면들에는 도시되지 않을 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0040] 도 2b는 미세구조 광섬유(230)의 실시예의 개략적인 단면 예시를 제공한다. 미세구조 광섬유(230)는 도파 엘리먼트(235) 및 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역(240)을 포함한다. 예시 목적들을 위해, 도파 엘리먼트(235)와 기계적 구역(240) 사이의 전이를 더욱 잘 식별하도록 점선이 도 2b에서 도시된다. 도 2b에서, 도파 엘리먼트(235)는 코어(245) 및 코어(245)를 둘러싸는 클래딩(250)을 포함한다. 코어(245)는 코어 직경(255)을 갖는 것으로서 묘사되고, 도파 엘리먼트(235)는 클래딩 직경(260)을 갖는 것으로서 묘사되며, 그리고 광섬유(230)는 외경(265)을 갖는 것으로서 묘사된다.

[0041] 기계적 구역(240)은 도 2b에서, 미세구조 광섬유(230)의 기계적 구역(240)의 외주와 도파 엘리먼트(235) 사이에 포지셔닝된 질량 감소 구역들(275) 및 고체 구역들(270)을 포함하는 것으로서 묘사된다. 예시적인 질량 조정 구역들은 유체-충전 구역들, 가스-충전 또는 공기-충전 구역들, 폴리머-충전 구역들, 유리-충전 구역들, 및/또는 진공배기 구역들(예컨대, 진공-충전 구역들)을 포함(그러나, 이에 제한되지 않음)하는데, 유체-충전, 가스-충전 또는 공기-충전, 폴리머-충전, 유리-충전 또는 진공배기 구역들은, 고체 구역들(270), 클래딩(250), 코어(245), 또는 이들의 임의의 조합의 밀도보다 더 낮은 밀도를 갖는다. 선택적으로, 고체 구역들(270)은 클래딩(250)과 동일한 재료를 포함하며, 그리고/또는 유사한 또는 동일한 광학적 및/또는 기계적 특성들을 갖는다. 선택적으로, 고체 구역들(270)과 클래딩(250)은 상이한 재료들을 포함하며, 그리고/또는 상이한 광학적 및/또는 기계적 특성들을 갖는다. 부가적인 재료들, 이를테면 버퍼, 자켓, 또는 다른 코팅된 또는 보호성 재료들이 기계적 구역(240)의 외주의 외부에 구성될 수 있지만, 여기서 예시되지 않는다는 것이 인식될 것이다.

[0042] 질량 감소 구역들(275)은 기계적 구역(240) 전체에 걸쳐 균일하게 그리고/또는 규칙적으로 분산될 수 있으며, 미세구조 광섬유(230)에 대한 관심 대상의 특정 기계적 특성들을 얻기 위하여 임의의 적절한 또는 바람직한 기하학적 구조들 및 분산이 사용될 수 있다. 질량 감소 구역들(275)이 서로 평행한, 그리고/또는 광섬유의 축, 이를테면 도파 축 또는 광학 축에 평행한 축들을 따라 배열될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 선택적으로, 질량 감소 구역들(275)은, 광학 축에 수직이거나 또는 광학 축에 대해 각을 이루는 다른 방향들을 따라, 이를테면 교차하는 축들을 따라 배열될 수 있지만, 기계적 구역(240)의 적어도 일부는 질량 감소 구역들을 포함한다. 질량 감소 구역들(275)은 또한, 기계적 구역(240) 전체에 걸쳐 무작위적으로, 균등하게, 또는 불균등하게 분산될 수 있다(선택적으로, 특정 축을 따르지 않음). 도 2b에서 예시된 바와 같이, 질량 감소 구역들(275)은, 원형으로서 그리고 직경(280)을 갖는 것으로서 도시되는 균일한 단면들을 나타낸다. 피치(285)는 인접한 질량 감소 구역들(275) 사이의 중앙-대-중앙 간격에 대응한다. 질량 감소 구역들(275)은 미세구조 광섬유(230)의 축, 이를테면 도파 축 또는 광학 축을 중심으로 대칭, 이를테면 원통형 대칭을 나타낼 수 있다. 광섬유(230)는 선택적으로, 회전 대칭을 나타낼 수 있다.

[0043] 제한 없이, 미세구조 광섬유(230)는, 미세구조 광섬유(230)를 생성하도록 목표가 정해진 전체 프리폼 구조를 형성하기에 적합한 사이즈들의 재료들의 길이들을 적층함으로써, 이를테면 적절한 직경들, 벽 두께, 재료들, 형상 등의 중공 튜브들 및/또는 고체 튜브들을 사용함으로써 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유리 재료들이 사용된다. 예시적인 유리들은 실리카 유리들, 플루오라이드 유리들, 포스페이트 유리들, 칼코게나이드 유리들을 포함(그러나, 이에 제한되지 않음)할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라스틱들 또는 폴리머들, 이를테면 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 플루오로폴리머들 또는 폴리실록산들이 사용될 수 있다. 제작 방법 및 재료들에 따라, 프리폼의 상이한 성분들을 가열 및 융합시키기 위해 프리폼은 노(furnace)에 배치될 수 있고, 가열된 프리폼은 광섬유의 스트랜드로 인발될(drawn) 수 있다. 선택적으로, 이를테면 폴리머 또는 플라스틱 재료들을 포함하는 섬유들의 경우, 압출 방법들이 사용될 수 있다. 광섬유를 제조하기 위해 다양한 기법들, 재료들 및 방법들이 사용될 수 있으며, 다수의 상업 섬유 제조자들이 존재하며 특정 파라미터들에 기초하여 광섬유들을 제조하기 위한 서비스들을 제공할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

[0044] 비교의 예시적인 목적들을 위해, 광섬유(200)의 코어(205)의 코어 직경(215)은 선택적으로, 미세구조 광섬유(230)의 코어(245)의 코어 직경(255)과 동일할 수 있다. 광섬유(200)의 외경(220)은 선택적으로, 미세구조 광섬유(230)의 외경(265)과 동일할 수 있다. 코어(205)와 코어(255)는 선택적으로, 동일한 재료로 구성될 수 있다. 클래딩(210), 그리고 기계적 구역(240)의 클래딩(250) 및 고체 구역들(270)(비-질량 감소 구역들)은 선택적으로, 동일한 재료로 구성될 수 있다. 이 점에 있어서, 미세구조 광섬유(230)가 질량 감소 구역들(275)을 포함하는 반면에, 광섬유(200)는 질량 감소 구역들을 포함하지 않는 고체 클래딩(210)을 포함한다는 점을 제외하고는, 광섬유(200)는 미세구조 광섬유(230)와 동일한 것으로 간주될 수 있다.

[0045] 미세구조 광섬유(230)의 상이한 구성요소들은 임의의 적절한 치수들을 취할 수 있으며, 소정의 치수들은 특정 특성들, 이를테면 광학적 특성들 및 기계적 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 코어(245)는 약 5 ㎛ 내지 약 25 ㎛의 직경을 가질 수 있다(그러나, 이에 제한되지 않음). 본원에서 사용되는 "약"이란 용어는, 특정 값 주위의 변동(variation), 이를테면 값이 약간 더 작거나 또는 약간 더 큰 경우 동작 효과(operational effect)를 수정하지 않을 변동을 포함하는 것으로 의도된다는 것이 인식될 것이다. 일부 실시예들에서, "약"이란 용어는 값의 정밀도 또는 공차와 관련될 수 있다. 일부 실시예들에서, "약"이란 용어는 ±1% 이하의 변동, ±5% 이하의 변동 또는 ±10% 이하의 변동에 대응할 수 있다.

[0046] 다른 예로서, 도파 엘리먼트(235)는 약 5 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 이를테면 약 5 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 직경을 가질 수 있다(그러나, 이에 제한되지 않음). 일부 실시예들에서, 클래딩(250)은 약 5 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 이를테면 약 5 ㎛ 내지 약 125 ㎛의 직경 또는 두께를 가질 수 있으며(그러나, 이에 제한되지 않음), 선택적으로, 기계적 구역(240)을 포함하는 것으로 간주될 수 있거나 또는 기계적 구역(240)과 일체형 또는 단일체일 수 있으며, 이에 따라 외경(265)에 대응하는 직경 또는 두께를 가질 수 있다. 외경(265)은 또한, 임의의 적절한 값, 이를테면 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛를 취할 수 있고, 종래의 광섬유(200)의 외경(220)과 일치할 수 있다. 예시적인 외경들은 약 40 ㎛, 약 50 ㎛, 약 80 ㎛, 약 100 ㎛, 약 125 ㎛, 약 150 ㎛, 약 175 ㎛ 및 약 200 ㎛를 포함할 수 있다.

[0047] 질량 감소 구역들(275) 각각은 임의의 적절한 치수들 또는 형상들을 취할 수 있으며, 예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 25 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 약 15 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 25 ㎛의 단면 치수, 이를테면 직경, 반경, 측면 길이 또는 축 길이를 가질 수 있다(그러나, 이에 제한되지 않음). 질량 감소 구역들(275) 사이의 피치(285)는 또한, 임의의 적절한 치수들을 취할 수 있고, 질량 감소 구역들(275)의 단면 치수들에 의해 제한될 수 있다. 예컨대, 피치(285)는 질량 감소 구역들(275)의 직경보다 더 클 수 있다. 피치(285)는 약 1 ㎛ 내지 약 25 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 약 15 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 25 ㎛의 길이를 가질 수 있다(그러나, 이에 제한되지 않음). 기계적 구역(240) 및/또는 광섬유(230)의 질량 감소 분율(fraction)은 질량 감소 구역들의 사이즈, 개수, 간격 및 어레인지먼트에 기초하여 임의의 적절한 값을 취할 수 있다. 실시예들에서, 복수의 질량 감소 구역들은 광섬유(230)의 볼륨의 또는 기계적 구역(240)의 볼륨의 약 1% 내지 90%를 점유한다. 선택적으로, 복수의 질량 감소 구역들은 광섬유(230)의 볼륨의 또는 기계적 구역(240)의 볼륨의 약 30% 내지 약 90%, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상 또는 약 90%를 점유한다.

[0048] 특정 구성에 따라, 일부 실시예들에서, 질량 감소 구역들은 미세구조 광섬유의 축을 중심으로 4-폴드(fold) 또는 6-폴드 또는 다른 대칭, 이를테면 원통형 대칭, 회전 대칭 또는 방사형 대칭을 나타낼 수 있다. 부가하여, 질량 감소 구역들에 대한 다른 단면 형상들이 활용될 수 있다. 예컨대, 질량 감소 구역의 단면은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 육각형 등과 같은 다각형 형상, 라운드, 원형 또는 계란형 형상, 또는 임의의 다른 적절한 형상을 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 질량 감소 구역의 단면은 규칙적인 대칭을 갖는 형상, 이를테면 원형, 계란형, 타원형(ellipse), 다각형 등을 가질 수 있다. 실시예들에서, 상이한 단면 형상의 질량 감소 구역들의 조합들이 활용될 수 있다. 실시예들에서, 인접한 질량 감소 구역들 사이의 간격은 균일하거나 또는 불-균일할 수 있다. 실시예들에서, 상이한 질량 감소 구역들의 단면 치수들, 이를테면 직경, 반경, 축 길이, 측면 길이 등은 균일하거나 또는 불-균일할 수 있다.

[0049] 도 3a-도 3d는 다양한 실시예들에 따른, 기계적 구역에 의해 둘러싸인 도파 엘리먼트를 나타내는 상이한 미세구조 광섬유들의 개략적인 단면 예시들을 묘사한다. 도 3a의 미세구조 광섬유(300A)는, 중앙 도파 엘리먼트를 중심으로 동심형으로 배열된 질량 감소 구역들의 복수의 행들을 포함한다. 도 3b의 미세구조 광섬유(300B)는 6-폴드 대칭 구성으로 배열된 원형 질량 감소 구역들을 포함한다. 도 3c의 미세구조 광섬유(300C)는 4-폴드 대칭 구성으로 배열된 정사각형 질량 감소 구역들을 포함한다. 도 3d의 미세구조 광섬유(300D)는 계란형 형상의 질량 감소 구역들의 동심형 링들을 포함한다.

[0050] 위에서 설명된 미세구조 광섬유들의 도파 엘리먼트들이 종래의 코어/클래딩 설계들에 대응하지만, 다른 도파 엘리먼트 구성들이 가능하고 고려된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 다수의 코어 구역들이 단일 클래딩 층 또는 구역에 의해 둘러싸일 수 있다. 부가하여, 스캐닝 섬유 디스플레이(섬유 스캔 디스플레이로 또한 지칭됨)에 대한 적층식 시야들(additive fields-of-view)을 제공하기 위해 다수의 광섬유들이 나란히 또는 2 차원 어레이 구성으로 배열될 수 있다. 미국 특허 출원 번호 제14/156,366호는 이를테면 육각형으로 배열된 구성의 7 개 또는 19 개의 코어들을 포함하는, 육각형으로 패킹된 멀티코어 섬유들 뿐만 아니라, 섬유 스캔 디스플레이용 발진 섬유들의 어레이들을 설명한다. 실시예들에서, 재료들 사이, 이를테면 코어와 클래딩 사이 또는 유리와 공기 사이의 굴절률의 변화가, 이를테면 내부 전반사의 프로세스에 의해 도파 효과를 제공할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이와 같이, 재료들 사이의 전이가, 도파를 달성하는 데 필요한 모든 것일 수 있으며, 이에 따라 종래의 광섬유의 큰 클래딩은, 도파를 제공하는 더 높은 굴절률 재료의 코어를 둘러싸는 고체 중앙부를 여전히 유지하면서 질량 감소 구역들을 포함하도록 수정될 수 있다. 단일-모드 구성 및 멀티-모드 구성을 포함하는 다양한 섬유 구성들이 가능한다. 광학 디스플레이를 생성하는 목적들을 위해, 광섬유가 가시 전자기 구역에서 높은 투명도(transparency)/낮은 손실을 갖는 것이 유리하다.

[0051] 도 4a 및 도 4b는 비교 목적들을 위해 광섬유 시스템들(400 및 450)의 개략적인 예시들을 제공한다. 광섬유 시스템들(400 및 450)은 예컨대 스캐닝 섬유 디스플레이 시스템에서 사용될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 다른 세부사항들을 방해하지 않기 위하여, 광섬유 시스템들(400 및 450)로부터 임의의 광원 또는 커플링 엘리먼트들의 묘사를 생략한다. 도 4a에서, 광섬유 시스템(400)은 광섬유(405) 및 액추에이터(410)를 포함한다. 광섬유(405)가 코어 및 클래딩 층을 포함하는 종래의 광섬유임을 예시하는, 광섬유(405)의 단면(415)이 도 4a에서 또한 도시된다. 액추에이터(410)는 광섬유(405)에 발진 모션을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 광섬유(405)의 발진 모션의 정도는 도 4a에서 점선들로 묘사된다. 시야의 측면에서, 광섬유 시스템(400)은 시야(420)를 나타낸다. 광섬유(405)의 캔틸레버형 부분은 길이(425)를 갖는다.

[0052] 도 4b에서, 광섬유 시스템(450)은 미세구조 광섬유(455) 및 액추에이터(460)를 포함한다. 미세구조 광섬유(455)가 도파 엘리먼트, 및 복수의 질량 감소 구역들을 포함하는, 도파 엘리먼트를 둘러싸는 미세구조 기계적 구역을 포함하는 것을 예시하는, 미세구조 광섬유(455)의 단면(465)이 도 4b에서 또한 도시된다. 액추에이터(460)는 미세구조 광섬유(455)에 발진 모션을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 액추에이터(460)는 미세구조 광섬유(455)의 공진 주파수에서 또는 그 근처에서, 이를테면 미세구조 광섬유(455)의 고유 주파수의 5% 내에서 또는 미세구조 광섬유(455)의 공진 주파수의 1% 내에서 발진할 수 있다. 실시예들에서, 공진 주파수는 아이겐주파수(eigenfrequency) 또는 고유 주파수에 대응할 수 있다. 실시예들에서, 액추에이터(460)는 미세구조 광섬유(455)의 포인팅 각도 또는 편향에서의 이득을 제공하는 주파수로 동작한다. 미세구조 광섬유(455)의 발진 모션의 정도는 도 4b에서 점선들로 묘사된다. 시야의 측면에서, 미세구조 광섬유 시스템(450)은 시야(470)를 나타낸다. 미세구조 광섬유(455)의 캔틸레버형 부분은 길이(475)를 갖는다.

[0053] 캔틸레버형 광섬유의 공진 주파수가 일반적으로, 캔틸레버의 길이의 제곱에 비례할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 광섬유(405)의 길이(425)가 2 배로 되면, 4 배만큼의 광섬유(405)의 공진 주파수의 증가가 예상될 것이다. 유사하게, 미세구조 광섬유(455)의 길이(475)가 절반으로 되면, 4 배만큼의 미세구조 광섬유(455)의 공진 주파수의 감소가 예상될 것이다.

[0054] 또한, 캔틸레버형 광섬유의 질량의 분산이 공진 주파수에 또한 영향을 줄 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 미세구조 광섬유(455)의 질량 감소 구역들을 제외하고는 광섬유(405)와 미세구조 광섬유(455)가 동일(직경들, 재료들 등)하다고 가정하면, 질량 감소 구역들의 포함은 광섬유(405)와 비교할 때 미세구조 광섬유(455)의 단위 길이당 질량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 광섬유(405)와 미세구조 광섬유(455)의 공진 주파수들이 동일하도록 하기 위하여, 광섬유들(405)과 미세구조 광섬유(455)는 상이한 길이들을 나타낼 것인데, 길이(425)는 길이(475)보다 더 짧다. 유리하게, 이러한 길이의 차이는 미세구조 광섬유(455)의 시야(470) 및/또는 포인팅 각도가 광섬유(405)의 시야(420) 및/또는 포인팅 각도보다 더 클 수 있게 할 것이다.

[0055] 광섬유의 다른 특성들이 광섬유의 공진 주파수 및/또는 포인팅 각도, 이를테면 최대 포인팅 각도에 영향을 줄 수 있다는 것이 인식될 것이다. 주파수 또는 포인팅 각도에 영향을 줄 수 있는 예시적인 특성들은 섬유 외경, 도파 엘리먼트의 직경, 질량 감소 분율, 질량 감소 구역들의 양(quantity), 분산 및 단면 치수들(예컨대, 직경들), 인접한 질량 감소 구역들 사이의 피치, 질량 감소 구역 재료 밀도들, 도파 엘리먼트 설계, 코어 재료, 클래딩 재료, 기계적 구역의 고체 재료 등을 포함한다.

[0056] 일부 실시예들에서, 스캐닝 섬유 디스플레이는 광섬유를 사용하여 이미지를 투사(project)하기 위해 캔틸레버형 광섬유의 발진 모션을 사용한다. 예컨대, 캔틸레버형 광섬유의 발진 모션은, 이를테면 액추에이터를 적합하게 구동시킴으로써 나선형 패턴을 생성하도록 2 차원으로 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발진하는 광섬유의 출력이 나선형 패턴 내에서 원하는 이미지를 생성할 수 있도록, 입력 광이 제어 및 타이밍될 수 있는데, 반복되는 발진 모션 및 타이밍된 광학 출력들은 이미지들의 시퀀스를 생성하기 위해 사용된다. 미국 특허 출원 번호 제14/156,366호는 투사된 이미지 또는 이미지들의 시퀀스를 생성하기 위해 캔틸레버형 섬유가 어떻게 사용될 수 있는지를 설명한다. 그러나, 본원에서 설명된 실시예들은 유리하게, 미세구조 광섬유를 사용함으로써, 스캐닝 섬유 디스플레이의 시야, 포인팅 각도, 그리고 투사된 출력 이미지 사이즈 및/또는 해상도가 증가될 수 있게 한다.

[0057] 예컨대, 도 5a는, 코어 및 클래딩을 가지며 클래딩 재료에 질량 감소 구역들을 갖지 않는, 이를테면 도 4a의 광섬유 시스템(400)과 유사한 종래의 광섬유를 통합하는 종래의 스캐닝 섬유 디스플레이를 위한 나선형 패턴(500)을 묘사한다. 나선형 패턴의 직경(505)은 사용된 스캐닝 섬유 디스플레이의 최대 포인팅 각도에 의해 제한된다.

[0058] 그에 반해서, 도 5b는 도파 엘리먼트, 및 복수의 질량 감소 구역들을 포함하는, 도파 엘리먼트를 둘러싸는 미세구조 기계적 구역을 포함하는, 도 4b의 광섬유 시스템(450)과 유사한 비슷한 미세구조 광섬유를 통합하는 스캐닝 섬유 디스플레이를 위한 비슷한 나선형 패턴(550)을 묘사한다. 나선형 패턴(550)은 사용된 스캐닝 섬유 디스플레이의 최대 포인팅 각도에 의해 제한되는 직경(555)을 나타낸다.

[0059] 동일한 공진 주파수에서 동작하는 동일한, 종래의 광섬유와 미세구조 광섬유(즉, 미세구조 광섬유에의 질량 감소 구역들의 포함을 제외하고는 동일함)(이는 증가된 캔틸레버 길이를 암시함)의 경우, 나선형 패턴(550)에 대한 직경(555)은 나선형 패턴(500)에 대한 직경(505)보다 더 클 것이며, 이는 미세구조 광섬유의 사용에 의해 달성되는 시야 및/또는 최대 포인팅 각도의 증가에 대응한다. 제한 없이, 미세구조 광섬유의 사용은 유리하게, 시야 및/또는 포인팅 각도를 최대 약 30%만큼 증가시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 최대 약 50% 또는 최대 약 70%의 시야 및/또는 포인팅 각도의 증가가 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 약 30% 내지 약 40%의 시야 및/또는 포인팅 각도의 증가가 달성될 수 있다.

[0060] 다양한 미세구조 광섬유들은 상이한 광학적 및 기계적 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 미세구조 광섬유는 다음의 광학적 사양들 중 하나 이상을 가질 수 있다: 약 435 nm 내지 약 645 nm의 광 전송 범위; 공차가 약 ±0.15 ㎛인, 약 1.4 ㎛의, 적색, 녹색 및/또는 청색 광에 대한 출력 모드 필드 직경; 약 0.25의, 적색, 녹색 및/또는 청색 광에 대한 개구수; 약 435 내지 645 nm의 임의의 또는 모든 파장들에 대해, 약 30 dB/km 이하의 광 전송 손실; 및 단일 모드에 대한 낮은 스플라이싱 손실(ф1.2 ㎛, NA).

[0061] 일부 실시예들에서, 미세구조 광섬유는 다음의 기계적 사양들 중 하나 이상을 가질 수 있다: 약 80 ㎛ 내지 약 125 ㎛, 또는 약 40 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 외경; 약 40 ㎛ 내지 외경의, 기계적 구역의 직경; 약 70% 이상의, 기계적 구역에서의 질량 감소 분율(예컨대, 가스-충전 또는 공기-충전 분율); 약 500 nm 이하의 동심도 코어/외경; 미세구조 광섬유가 x 및 y 축들에서 대략 대칭임을 표시하는(여기서, z는 섬유 길이 축임), 약 0.4% 이하의, 수직 관성 모멘트들 사이의 퍼센트 차이; 및 1% 이하의, 공기-충전 구역들에서 수집되는 물에 기인하는 중량 변화.

[0062] 회전 대칭이 본원에서 개시된 광섬유들에 유용할 수 있고, 일부 실시예들에 유리할 수 있으며, 이에 따라 미세구조 광섬유가 선택적으로 회전 대칭을 지닐 수 있다는 것이 인식될 것이다. 회전 대칭은, 광섬유의 스티프니스(K_r)가 모든 반경 방향들(θ)에서 동일함을 지칭할 수 있다(방향 참조를 위해, 도 2a 참조). 달리 말하면, θ에 의해 정의되는 임의의 반경 방향을 따라 작용하는 힘에 대해, 광섬유는 순수하게 반경 방향으로 병진(translate)할 것이다. 정적인 경우에서, 훅의 법칙은

을 제공한다. 회전 대칭에 따라, 반경 방향에 수직인 어떤 병진도 없다는 것이 주목된다. 이는 또한, 광섬유의 주요 방향들이 고유하지 않다는 것을 진술함으로써 특성화될 수 있다.

[0063] 사용된 용어들 및 표현들은 설명의 용어들로서 사용되고 제한의 용어들로서 사용되지 않으며, 그러한 용어들 및 표현들의 사용에서, 도시되고 설명된 특징들 또는 그 일부분들의 임의의 등가물들을 배제하는 의도는 없지만, 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정들이 가능하다는 것이 인식된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예들 및 선택적인 특징들에 의해 특정하게 개시되었지만, 본원에서 개시된 개념들의 수정 및 변형이 당업자들에 의해 취해질 수 있고 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 이러한 수정들 및 변형들이 있는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야 한다.

[0064] 본 발명의 예시적인 실시예들의 위의 설명은 예시 및 설명의 목적들을 위해 제시되었다. 본 발명을 설명된 정확한 형태로 제한하거나 또는 철저한 것이 되는 것은 의도되지 않으며, 위의 교시를 고려하여 많은 수정들 및 변형들이 가능하다. 실시예들은, 본 발명의 원리들 및 그것의 현실적인 적용들을 설명하여서, 당업자들이, 고려되는 특정 용도에 적절한 다양한 수정들을 이용하여 그리고 다양한 실시예들에서 본 발명을 활용하는 것을 가능하게 하기 위하여 선정 및 설명되었다.

[0065] 치환기(substituent)들의 그룹이 본원에서 개시될 때, 그러한 그룹들, 그리고 치환기들을 사용하여 형성될 수 있는 모든 서브그룹들 및 부류들의 모든 개별적인 멤버들이 별개로 개시된다는 것이 이해된다. 마쿠쉬(Markush) 그룹 또는 다른 그룹핑이 본원에서 사용될 때, 그룹 그리고 그룹의 가능한 모든 조합들 및 하위조합들의 모든 개별적인 멤버들이 본 개시내용에 개별적으로 포함되는 것으로 의도된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이란 "및/또는"에 의해 분리되는, 목록 내의 항목들 중 하나의 항목, 모든 항목들 또는 임의의 조합이 목록에 포함된다는 것을 의미하며; 예컨대, "1, 2 및/또는 3"은 "'1' 또는 '2' 또는 '3' 또는 '1 및 2' 또는 '1 및 3' 또는 '2 및 3' 또는 '1, 2 및 3'"과 등가이다.

[0066] 설명되거나 또는 예시된 구성요소들의 모든 각각의 공식화 또는 조합은, 달리 진술되지 않는 한, 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있다. 당업자가 동일한 재료를 상이하게 명명할 수 있다는 것이 알려져 있으므로, 재료들의 특정 명칭들은 예시적인 것으로 의도된다. 당업자는, 특정하게 예시된 것들 이외의 방법들, 디바이스 엘리먼트들, 시작 재료들 및 합성 방법들이 과도한 실험에 의지하지 않고 본 발명의 실시에 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 임의의 이러한 방법들, 디바이스 엘리먼트들, 시작 재료들 및 합성 방법들의 기술분야에서 알려진 모든 기능적 등가물들이 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 범위, 예컨대 온도 범위, 시간 범위 또는 조성 범위가 주어질 때마다, 모든 중간 범위들 및 하위 범위들 뿐만 아니라, 주어진 범위들에 포함된 모든 개별적인 값들은 본 개시내용에 포함되는 것으로 의도된다. 특정 실시예들의 특정 세부사항들은, 본 발명의 실시예들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예들은 각각의 개별적인 양상 또는 이러한 개별적인 양상들의 특정 조합들에 관한 특정 실시예들에 관한 것일 수 있다.

[0067] 본 발명은 다음의 비-제한적인 예들을 참조로 추가로 이해될 수 있다.

예 1: 기계적 메리트 함수의 설명:

캔틸레버형 광섬유 발진기

[0068] 이 예는, 발진기의 고유 주파수를 일정하게 유지하면서, 포인팅 각도를 최대화하고 이에 따라 광섬유의 단부에서 시야를 증가시키는 방법을 설명한다. 일부 실시예들에서, 이는, 단면 이차 모멘트를 최대화하면서 캔틸레버형 발진기의 질량을 최소화함으로써 달성될 수 있다. 이 예는, 주어진 사이즈의 섬유에 대해, 얇은 벽의 튜브 섬유에 대한 최적의 성능(주어진 동작 주파수에 대한 최대 편향)이 달성되는 방법을 도출한다. 유리하게, 이 기술을 통합하는 미세구조 광섬유들은, 동일한 통상적인 섬유와 비교할 때, 대략 30% 이상의 메리트 함수 증가(즉, 포인팅 각도의 증가)를 나타낼 수 있다.

[0069] 메리트 함수를 결정하기 위해, 광섬유의 섹션의 단면 이차 모멘트가 필요하다. 다음의 정의들이 단면 이차 모멘트의 계산에 사용된다:

I_T,MS: 단면의 단면 이차 모멘트(T=표준 섬유, MS=미세구조 섬유)

A_T,MS: 단면적

A_{H_i}: 미세구조에서의 홀(공기-충전 구역) 면적

r_i: 홀로부터 면적 섹션의 중립 축까지의 수직 거리

_T: 고체 섬유를 표시하는 첨자

_MS: 미세구조 섬유를 표시하는 첨자

j: 고유 주파수 모드/조화수

β(j): j번째 모드에 대한 모드 상수

d: 로드(Rod) 직경.

[0070] 고체 로드의 경우, I_T=d⁴/64이다. 제약으로서, 고유 주파수(f_n)는 고체 설계와 미세구조 설계의 직접적인 비교를 위해 동일하도록 고정된다. 캔틸레버형 빔의 경우, 고유 주파수는 오일러 방정식들로부터 획득된다:

[0071] 높은 재생률들의 디스플레이들의 경우, 스캐닝 섬유의 동작 주파수가 높은 것이 유용하다. 동시에, 편향이 시야 및 해상도에 비례하기 때문에, 발진기의 큰 편향을 달성하는 것이 바람직하다.

[0072] 스캐닝 섬유 프로젝터가 공진 디바이스이기 때문에, 동작 주파수는 고유 주파수와 거의 동일하다(1% 내). 이는, 위의 방정식에 의해 추정된 시스템 고유 주파수가 높게 유지되도록 시스템 파라미터들을 선정해야 함을 의미한다.

[0073] 미세-구조 섬유의 관점으로부터, 위의 방정식은 발진기의 고유 주파수 및 연관된 길이에 대한, I(단면 이차 모멘트)와 A(고체 섬유의 고체 단면적)로부터 홀들의 면적을 뺀 것의 효과에 대한 직접적인 통찰력을 제공한다.

[0074] 이 방정식의 검사에 의해, I 대 A의 비(ratio)를 증가시키는 것은 고유 주파수를 증가시킨다. 이 특성은, 중립 축 가까이에 홀들을 삽입하여 중립 축에 가까운 질량을 제거함으로써(I에 대한 작은 효과) ―그 이유는 이것이, 중립 축으로부터의 거리의 제곱의 함수인 것에 기인하는 I에 대한 작은 효과를 갖기 때문임―, 그리고 외경 또는 외주에 가까운 질량을 유지함으로써, 미세구조 섬유들에서 활용될 수 있다. 이는 다음의 방정식으로부터 더 진행되며, 여기서, 단면 이차 모멘트에 대한 섹션(홀)의 기여도(contribution)는 중립 축으로부터의 거리의 제곱의 함수임이 나타난다.

[0075] 평행 축 정리로부터, 미세-구조 섬유에 대한 단면 이차 모멘트는 다음과 같다:

따라서, 고유 주파수를 부스팅하거나, 또는 주어진 고유 주파수에 대해, 발진기 길이(L)를 증가시키기 위해, 중립 축으로부터 가장 멀리 있는 섹션들이 제거될 수 있다(즉, 홀들 또는 감소된 질량 구역들이 삽입됨). 홀들을 삽입하는 것은 발진기 고유 주파수를 부스팅하는 것, 또는 주어진 고유 주파수에 대해, 발진기 길이(L)를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 모든 홀들이 그들의 포지션에 관계 없이 면적(A)에 대한 동일한 효과를 갖는 한편, 중립 축에 가장 가까운 홀들이 중립 축으로부터 가장 멀리 있는 홀들보다 더 많이 고유 주파수를 부스팅한다는 것에 주목한다.

[0076] 아래의 메리트 함수 분석은, 편향각의 측면에서 미세구조 섬유가 고체 섬유와 어떻게 비교되는지를 설명한다. 이 분석에서, 주파수는 일정하게 유지되고, 단면 이차 모멘트와 빔 섹션의 면적은 변화된다. 메리트 함수는 편향각에서의 이득을 정량화한다. 고유 주파수에 대해 위의 수식을 사용하면 다음과 같다:

주파수가 일정하도록 제약하는 L의 값을 풀면 다음이 산출된다:

주파수(f_n), 밀도(ρ), 모드 상수(βL(n_i))(제1 모드와 제1 모드 비교, 제2 모드와 제2 모드 비교 등), 및 모듈러스(E) 상수를 고정시키면, 위의 수식은 다음과 같이 감소된다:

[0077] 주파수 응답 함수로부터, 공진에서의 응답이 정적 편향에 따른 스케일링으로서 식별된다. 따라서, 점 및 분산된 하중(load)들 하에서의 빔들의 정적 편향이 고려된다. 각각의 경우, 구조화된 디바이스의 편향 대 고체 광섬유 캔틸레버의 편향각의 비가 결정된다. 미세구조의 패턴은 최대 편향을 위해 최적화될 수 있지만, 이러한 미세구조의 패턴은 또한, 단일 모드를 이용한 가시광의 투과(transmission)를 위해 튜닝되어야 한다는 것에 주목한다.

[0078] 단부에 하중이 집중된 빔의 기울기(slope)를 컴퓨팅하면 다음과 같다:

여기서, α는 편향각이고, E는 영률(Young's Modulus)이고, I는 단면 이차 모멘트이고, L은 캔틸레버 길이이며, 그리고 F는 힘이다. 하중이 분산된 빔의 기울기를 컴퓨팅하면 다음과 같다

여기서, W는 단위 길이당 하중이다.

[0079] 일정 주파수 발진기들에 대한 각도 편향 이득들에 대한 수식들은 다음과 같이 도출된다. 집중된 힘 모델의 경우, E_MS = E_T을 가정하면 다음과 같다:

이는, 섹션들에 대한 단면 이차 모멘트 및 면적을 사용한 계산을 가능하게 하는 이득 관계를 표현한다.

[0080] 분산된 힘 모델의 경우:

[0081] 동적 모드 형상을, 상대 응력 계산을 위한 분산된 하중의 동적 모드 형상으로서 근사하면 다음과 같다:

z와 ρ가 일정하다고 가정하면 다음과 같다:

이는 동일한 발진 주파수에 대해, 감소된 질량의 섬유가 더 긴 캔틸레버 길이를 갖는다는 것을 표시한다.

[0082] 도 6은 위의 방정식들에 기초한 125 ㎛의 섬유 외경에 기초하여 고체 또는 종래의 광섬유보다 미세구조 광섬유에 대한 포인팅 각도에서의 이득을 나타내는 메리트 함수의 플롯을 제공한다. 이 예가 공기-충전 구역들의 측면에서 질량 감소를 설명하지만, 유사한 분석 하에서 다른 질량 감소 재료들이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 플롯은 공기-충전 구역들의 직경 대 피치의 비의 함수로써 그리고 공기-충전 구역들의 직경의 함수로써 광섬유의 포인팅 각도에서의 최대 이득을 나타내는 표면을 제공하며, 그리고 섬유의 효과를 표시한다. 가능한 최대 이득이 바람직하지만, 소정의 기계적 고려사항들이 고려되어야 한다는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 섬유는 파괴되지 않고 발진할 수 있어야 한다. 이와 같이, 섬유가 기계적 무결성을 갖도록 하기 위해, 미세구조 영역의 직경은 섬유의 외경보다 더 작아야 한다. 부가적으로, 공기-충전 구역들의 직경 대 공기-충전 구역들의 피치의 비는 1보다 더 작아야 하며, 그렇지 않으면 공기 충전 구역들은 겹치며 섬유의 사용할 수가 없는 양(amount)을 점유할 것이다. 도 6에서 예시된 바와 같이, 직경/피치가 0.873인, 102.9 ㎛의 미세구조 (공기-충전) 구역의 직경은 1.725의 이득을 제공할 것으로 예상되며, 이는 포인팅 각도에서의 72.5% 증가에 대응한다.

예 2: 미세구조 섬유 성능 분석

[0083] 기계적 시스템의 고유 주파수를 최대화하기 위한 요건은 단순하다. 집중(lumped) 파라미터 시스템, 이를테면 댐핑이 없는 단일 자유도 스프링에 연결된 질량의 경우, 고유 주파수(

)는 모달 스티프니스(

)와 모달 질량(

)의 함수이다. 고유 주파수는 다음과 같다

이 경우, 문제에 대한 주어진 제약들에 대해, 단 2 개의 파라미터들만이 있으며, 고유 주파수를 부스팅하기 위해 스티프니스가 증가될 수 있거나 또는 질량이 감소될 수 있다. 또한, 실제의 연속적인 시스템의 경우, 도 1b에서 예시된 섬유 스캐너의 캔틸레버형 빔(모듈러스(E), 밀도(ρ), 단면적(A), 및 단면 이차 모멘트(I)를 가짐)처럼, 질량 분산, 재료 특성들, 경계 조건들(섬유에 대한 홀딩 방법) 및 빔 치수들 사이의 관계, 그리고 디스플레이의 동작 파라미터들(시야, 재생률, 해상도)이 고려되어야 한다. 또한, 빔의 길이의 기하학적 함수를 변화시키는 것이 가능하다. 이는 테이퍼형(tapered) 빔의 경우 고전적으로 수행되지만, 여기서는 고려되지 않는다. 그보다는, 미세구조 또는 포토닉 밴드갭 타입 섬유들이 그들의 잠재적인 이익들에 대해 조사된다. 먼저, 발진기들의 간단한 배경이 제공된다.

[0084] 오일러 베르누이 빔의 측면 모션에 대한 고유 주파수 방정식은 다음과 같다

여기서,

α: 캔틸레버형 섬유의 단부에서의 포인팅 각도

I, I_T,MS: 단면의 단면 이차 모멘트

_T: 표준, 직선, 원통형 섬유에 대한 첨자

_MS: 미세 구조 섬유에 대한 첨자

A, A_T,MS: 캔틸레버의 단면적(길이에 걸쳐 일정함, 즉, 테이퍼형 섬유들이 없음)

A_{H_i}: 미세 구조에서의 홀의 면적(일부 설계들에서는 일정하지 않음)

r_i: 홀로부터 중립 축까지의 수직 거리

_T: 고체의 통상적인 섬유를 표시하는 첨자

_MS: 미세 구조 섬유를 표시하는 첨자

i: 진동 모드 번호(예컨대, 제1, 제2, 제3의 진동 모드 및 고유 주파수)

β(i): 경계 조건들(캔틸레버형, 자유, 단순 지지)에 따라 좌우되는, i번째 모드에 대한 모드 상수

D: 발진기 (섬유) 외경

d: 튜브에 대한 발진기 (섬유) 내경

δ: 측면 빔 편향

L: 캔틸레버의 길이

E: 영률

ρ: 밀도

f_n: 빔의 고유 주파수 ―제1 모드만을 고려함

SM: 특정 모듈러스(또는 특정 스티프니스),

: 선회 반경,

ξ: 발진기의 댐핑비

선회 반경은 다음과 같이 위에서 정의된다

방정식 2를 검사함으로써, 빔 고유 주파수에 대한 독립 변수들의 효과들이 다음과 같이 인식될 수 있다:

· 영률(E)을 증가시키는 것은 고유 주파수를 증가시킨다

· 단면 이차 모멘트(I)를 증가시키는 것은 고유 주파수를 증가시킨다

· 밀도를 증가시키는 것은 고유 주파수를 감소시킨다

· 단면적(A)을 증가시키는 것은 고유 주파수를 감소시킨다

· 길이(L)를 증가시키는 것은 고유 주파수를 감소시킨다

· 고유 주파수는 모드 상수(β)에 따라 선형으로 변한다. 이 상수는 경계 조건의 함수이다.

고유 주파수를 부스팅하기 위해 다음 중 임의의 하나 이상이 수행될 수 있다.

[0085] 경계 조건들을 수정한다.

상수 βL(i)를 증가시키기 위해 도파관 홀딩 방법들을 변화시킨다. 홀딩 방법들은 안정성 요건들, 구동 에너지 커플링 및 제작 기법들에 의해 제한된다.

[0086] 재료 특성들을 수정한다.

영률(E)을 증가시킨다. 이는 어려운데, 그 이유는 광학 도파관 재료들이 제한되기 때문이다.

밀도(ρ)를 감소시킨다. 이는 또한 어려운데, 그 이유는 특히 대량 생산의 맥락에서 광학 도파관 재료들이 제한되기 때문이다.

이러한 목표들은, (

)로서 정의된, 특정 모듈러스 또는 특정 스티프니스의 아이디어를 도입함으로써 조합된다. 따라서, 상업용 재료들에 의해 제한되지만, 특정 스티프니스를 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 직접적인 재료 비교를 가능하게 하기 위해 재료 특성들의 변화를 밸런싱한다.

[0087] 질량 분산을 수정한다.

캔틸레버 길이(L)를 감소시킨다. 이것이 가능하지만, 이러한 변화는 측면 편향을 감소시킬 수 있다(가해지는 단부 하중에 대한 정적 편향은 L³에 비례함).

단면적(A)을 감소시킨다. 이는 질량을 감소시키지만, 단면 이차 모멘트(I), 그리고 대응하게 스티프니스를 또한 감소시킨다.

단면 이차 모멘트(I)를 증가시킨다. 이는, 단면 이차 모멘트의 증가가 면적의 증가보다 더 큰 정도까지, 고유 주파수를 증가시킨다. 단면적 및 이에 따라 질량을 부스팅하며, 이는 고유 주파수를 감소시킨다. 따라서, I 대 A의 비는 여기서 중요한 팩터(

)이다. 따라서, (A)에 대해 단면 이차 모멘트(I)를 정규화하는 것이 유리하다. 방정식 3으로부터, 이것이 선회 반경의 정의임을 상기한다. 이는, 미세-구조 발진기들을 설계할 때 유용한 접근법이다. 방정식 14를 참조한다.

따라서, 재료 특성들에 대해서와 같이, 고유 주파수에 대한 질량 분산 효과를 정규화하는 것이 유용하다. 유리하게, 이는, 중앙 축을 중심으로 면적의 분산을 설명하기 위해 사용되는 선회 반경의 특성에 의해 수행된다.

[0088] 방정식 2로부터, 발진기 설계 무역 공간(관계로부터 떨어지는 엘리먼트들은 일정함)을 정의하는 비례 관계들이 사용될 수 있다. 상이한 발진기 타입들 사이의 상대 성능이 관심 대상이기 때문에, 비례 관계들이 사용된다. 방정식 2에 기초하여:

빔의 고유 주파수(f_n)의 측면에서,

고정 주파수에 대해, 캔틸레버 길이(L)는 다음과 같다

[0089] 상이한 발진기들 사이의 주파수 이득은 특정 모듈러스의 제곱근, 선회 반경(I/A의 제곱근), 경계 상수(

)에는 비례하고, 캔틸레버 길이의 제곱근에는 반비례한다.

[0090] 섬유 스캐너 애플리케이션에서, 고유 주파수(f_n)와 측면 편향(δ)을 동시에 최대화하는 것이 바람직하다. 최대 달성가능 편향은 방정식 11에서 식별되며, 여기서, 일반적으로, 고유 주파수의 증가는 측면 편향의 감소에 대응한다. 따라서, 다른 변화들 없이 전체 시스템 성능을 증가시킬 때, 길이의 변화들이 항상 유용한 것은 아니다.

[0091] 준-정적 분석의 경우, 단위 길이당 하중(w)이 분산된 캔틸레버형 빔의 편향은 다음과 같다는 것을 상기한다.

그러나, 분산된 하중은 캔틸레버 길이(L¹)에 비례하며, 이에 따라 편향(δ)과 캔틸레버 길이는 다음과 같이 관련된다.

따라서, 방정식 8로부터의 선회 반경(

)의 측면에서 메리트 함수가 기록될 수 있다:

동일한 고유 주파수를 갖는 2 개의 발진기들(첨자 1, 첨자 2)을 비교하기 위해, 편향 이득은 다음과 같다:

그리고 포인팅 각도 이득은 다음과 같다

통상적인 테이퍼되지 않은 광섬유 발진기들과 비교하여 예상되는 상대 이득을 탐구하기 위해, 이러한 메리트 함수들은 미세-구조 섬유들에 적용된다.

[0092] 외경(D) 및 내경(d)을 갖는 중공 섬유에 대한 선회 반경은 다음과 같다:

따라서, 미세-구조 섬유의 경우, 얇은 벽의 튜브에 대한 선회 반경의 최고 값이 달성된다.

[0093] 고체 섬유에 대한 선회 반경은 다음과 같다:

발진기의 고유 주파수가 선회 반경에 비례하기 때문에, 이 파라미터는 특정 섬유 직경에 대해 최대화될 수 있다.

단면 이차 모멘트는 다음과 같다

단면적은 다음과 같다

[0094] 미세구조 섬유들에 의해 달성되는 이득을 예시하기 위해, 일부 공통 섬유 사이즈들 및 얇은 벽의 튜브들에 기초한 미세구조 섹션들(제한들)의 예들이 고려된다. 125 ㎛ 직경의 고체 섬유, 그리고 10 ㎛ 벽 두께와 125 ㎛ 직경의 미세구조 섬유(내경 105 ㎛)의 단순화된 모델이 고려된다.

고체 섬유에 대한 단면 이차 모멘트는 다음과 같다:

고체 섬유에 대한 단면적은 다음과 같다:

미세-구조 섬유의 단면 이차 모멘트는 다음과 같다:

미세-구조 섬유에 대한 단면적은 다음과 같다:

선회 반경비(radius of gyration ratio)는 다음과 같다

[0095] 방정식 14로부터의 상대 편향 이득을 사용하여, 그리고 10 ㎛ 벽 두께를 갖는 125 ㎛ 외경 섬유(중공)에 대한 최선의 경우의 이득을 얻기 위해 방정식 23으로부터의 결과를 치환하여, 고체 섬유와 비교하여 미세-구조 섬유에 대한 편향 이득은 다음과 같다

이에 따라서, 이 변화는, 주어진 고유 주파수 및 재료에 대해, 편향의 ~50% 증가를 야기한다.

[0096] 이제, 2 개의 설계들에 대한 모든 파라미터들이 검증하도록 결정된다. 캔틸레버 길이에 대한 방정식 2를 풀면 다음과 같다:

고체 섬유에 대한 캔틸레버 길이를 계산하면 다음과 같다:

미세-구조 섬유에 대한 캔틸레버 길이를 계산하면 다음과 같다:

메리트 함수를 검증하여, 이러한 결과들은 방정식 8을 사용하여 비교된다:

[0097] 마지막으로, 결과들을 체크하기 위해, 예상된 편향은, 방정식 24로부터의 메리트 함수로서 준 정적 분석을 사용하여 일정한 하중에 대해 비교된다:

마지막으로, 방정식 23으로부터의 선회 반경량(radius of gyration ration)에 기초하여 직접적으로 방정식 14를 적용하는 것은 편향 이득을 제공한다:

[0098] 여기서 설명된 ~ 1.5x 이득이, 125 ㎛ 외경을 갖는 섬유에 대한 이상적인 10 ㎛ 벽 두께에 기초한다는 것에 주목한다. 실제로, 동일한 치수들을 갖는 실제 섬유에 대한 결과들은 다소 낮았다.

[0099] 방정식 2는 다음과 같이 길이에 대해 풀릴 수 있다

이로부터,

방정식 31로부터, 단면 이차 모멘트 대 면적의 비가 최대화될 때, 길이가 최대화된다는 것이 자명하다.

[0100] 다른 예로서, 80 ㎛의 외경 및 약 60 kHz의 고유 주파수를 갖는 고체 광섬유가 고려되며, 포인팅 각도의 증가를 결정하기 위해, 약 43.7%의 전체 공기 충전 분율(위와 같이, 10 ㎛ 벽 두께를 갖는 80 ㎛ 섬유를 이용하여 모델링됨) 및 약 60 kHz의 고유 주파수를 갖는 미세구조 광섬유와 비교된다.

[0101] 미세구조 섬유에 대한 단면 이차 모멘트는 다음과 같다

미세구조 섬유에 대한 단면적은 다음과 같다

미세구조 섬유에 대한 길이는 다음과 같다

고체 섬유에 대한 단면 이차 모멘트는 다음과 같다

고체 섬유에 대한 단면적은 다음과 같다

고체 섬유에 대한 길이는 다음과 같다

미세구조 섬유의 길이 대 고체 섬유의 길이의 비(LMS/LT)는 1.12이다. 방정식 16을 사용하면, 포인팅 각도에서의 상대 증가는 다음과 같다

따라서, 80 ㎛ 섬유를 미세구조화함으로써, 포인팅 각도는 25%만큼 증가될 수 있다.

예 3: 스캐닝 섬유 디스플레이를 위한 예시적인 광섬유

[0102] 이 예는, 다수의 질량 감소 구역들을 포함하는 미세구조 광섬유 실시예 및 스캐닝 섬유 디스플레이에서의 광섬유의 사용을 설명한다. 미세구조 광섬유는, 전체 프리폼 구조를 형성하기 위해 광학 실리카 튜브들의 길이들을 적층함으로써 이루어진다. 광학 재료의 단일 고체 튜브가, 프리폼의 중앙에 포지셔닝되며, 그리고 최종 형성된 광섬유의 도파 구역의 코어에 대응하도록 사용된다. 일련의 고체 실리카 튜브들이, 프리폼에서 고체 튜브 주위에 포지셔닝되며, 그리고 최종 형성된 광섬유의 도파 구역의 클래딩 층에 대응하도록 사용된다. 중공 실리카 튜브들이, 프리폼에서 일련의 고체 실리카 튜브들 주위에 포지셔닝되며, 그리고 최종 형성된 광섬유의 기계적 구역의 질량 조정 구역들에 대응하도록 사용된다. 최종적으로, 고체 실리카 튜브들의 링이, 중공 실리카 튜브들의 외부에 포지셔닝되며, 그리고 최종 형성된 광섬유의 기계적 구역의 외부 고체 에지 또는 외주에 대응하도록 사용된다. 어셈블링된 프리폼은, 구성요소들을 서로 융합시키도록 가열되며, 그런 다음, 알려진 광섬유 인발 기법들에 따라 광섬유로 인발된다.

[0103] 결과적 광섬유는 미세구조 광섬유에 대응한다. 결과적 광섬유는 이를테면 약 5 ㎛ 직경의 코어를 갖는 코어 구역, 이를테면 약 25 ㎛ 외경을 갖는 클래딩 구역, 및 약 80 ㎛ 직경을 갖는 기계적 구역을 갖는다. 미세구조 광섬유는 예컨대 약 44%의 전체 공기-충전 분율을 나타낸다. 미세구조 광섬유는, 등가의 비-미세구조 광섬유와 비교할 때, 기계적 구역에서의 대응하는 감소된 질량을 나타낸다.

[0104] 스캐닝 섬유 디스플레이는, 미세구조 광섬유의 길이가 자유롭도록(즉, 지지되지 않도록), 기계적 액추에이터에 대하여 캔틸레버형 구성으로 미세구조 광섬유를 포지셔닝함으로써 생성된다. 미세구조 광섬유의 지지되지 않는 부분의 길이는 약 1.159 mm이다. 1.159 mm의 캔틸레버형 미세구조 광섬유는 약 60 kHz의 공진 주파수를 나타낸다. 공진 주파수에서 발진할 때의 미세구조 광섬유의 최대 포인팅 각도는 약 12.5 도이다.

[0105] 비교로서, 약 60 kHz 공진 주파수(즉, 위에서 설명된 미세구조 광섬유와 동일한 공진 주파수)를 갖는, 캔틸레버형 구성의 등가의 비-미세구조(즉, 고체) 광섬유는 길이가 약 1.037 mm이며, 약 10 도의 최대 포인팅 각도를 갖는다.

Claims

광섬유로서,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트;
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함함―; 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 질량 조정 구역들
을 포함하며,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 제1 밀도보다 더 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 재료를 포함 ― 상기 제2 재료는 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성함 ― 하고,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 광섬유가 0.4% 이하의 수직 관성 모멘트들 사이의 퍼센트 차이를 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고, 상기 단면 이차 모멘트에 대한 상기 복수의 질량 조정 구역들의 기여도는 중립 축으로부터의 거리에 기초하여 결정되는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 도파 엘리먼트는 중앙 코어 구역 및 상기 중앙 코어 구역을 둘러싸는 클래딩 층을 포함하는,
광섬유.
제2 항에 있어서,
상기 클래딩 층은 상기 제1 재료를 포함하고, 상기 중앙 코어 구역은 제3 재료를 포함하는,
광섬유.
제2 항에 있어서,
상기 클래딩 층 및 상기 기계적 구역은 단일체를 포함하는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 도파 엘리먼트는 복수의 코어 구역들 및 상기 복수의 코어 구역들을 둘러싸는 클래딩 층을 포함하는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 하나 이상의 가스-충전 구역들, 공기-충전 구역들, 하나 이상의 폴리머-충전 구역들, 하나 이상의 유리-충전 구역들, 하나 이상의 진공배기 구역들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 질량 조정 엘리먼트들의 복수의 행(row)들을 포함하고, 상기 질량 조정 엘리먼트들의 복수의 행들은 상기 도파 엘리먼트를 중심으로 동심형으로 배열되는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 축을 중심으로 대칭 구성으로 배열되는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 축에 평행한 축들(axes)에 따라 배열되는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 기계적 구역의 볼륨의 30% 내지 90%를 점유하는,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은, 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유 ― 상기 대응하는 도파 엘리먼트는 상기 도파 엘리먼트와 동일함 ― 와 비교할 때, 단위 길이당 상기 광섬유의 질량을 감소시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 광섬유는 유효 캔틸레버 길이를 가지며, 상기 복수의 질량 조정 구역들은, 상기 유효 캔틸레버 길이를 가지며 그리고 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유 ― 상기 대응하는 도파 엘리먼트는 상기 도파 엘리먼트와 동일함 ― 와 비교할 때, 상기 광섬유의 공진 발진 주파수를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 질량 조정 구역들은, 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유 ―상기 대응하는 도파 엘리먼트는 상기 도파 엘리먼트와 동일함 ― 와 비교할 때, 주어진 동작 주파수에 대해 상기 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제1 항에 있어서,
상기 광섬유는 공진 주파수를 가지며, 상기 복수의 질량 조정 구역들은, 상기 공진 주파수를 가지며 그리고 대응하는 도파 엘리먼트 및 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유 ― 상기 대응하는 도파 엘리먼트는 상기 도파 엘리먼트와 동일함 ― 와 비교할 때, 상기 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 질량 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
광섬유 ―상기 광섬유는,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트,
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함함―, 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 질량 조정 구역들
을 포함하며, 상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 제1 밀도보다 더 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 재료를 포함하며, 상기 제2 재료는 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성하고, 상기 복수의 질량 조정 구역들은 상기 광섬유가 0.4% 이하의 수직 관성 모멘트들 사이의 퍼센트 차이를 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고, 상기 단면 이차 모멘트에 대한 상기 복수의 질량 조정 구역들의 기여도는 중립 축으로부터의 거리에 기초하여 결정됨―; 및
상기 광섬유와 기계적으로 접촉하는 액추에이터
를 포함하며,
상기 액추에이터는 상기 광섬유의 발진을 유도하기 위한 것인,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제15 항에 있어서,
상기 액추에이터는 압전 트랜스듀서, 전자기 보이스 코일 또는 열 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제15 항에 있어서,
상기 액추에이터는 2 차원으로 상기 광섬유의 단부의 모션을 제어하기 위한 2 차원 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제15 항에 있어서,
상기 광섬유의 상기 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 가시 광원
을 더 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제15 항에 있어서,
상기 광섬유의 상기 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 멀티-컬러 스위칭가능 광원
을 더 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
광섬유로서,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트;
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 제1 재료를 포함함―; 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 단면 이차 모멘트(second moment of area) 조정 구역들을 포함하며,
상기 복수의 단면 이차 모멘트 조정 구역들은 상기 광섬유가 0.4% 이하의 수직 관성 모멘트들 사이의 퍼센트 차이를 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고,
상기 복수의 단면 이차 모멘트 조정 구역들은, 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성하기 위한 제2 재료를 포함하며, 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트는, 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유의 단면 이차 모멘트와 상이하고, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 복수의 단면 이차 모멘트 조정 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
광섬유로서,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트;
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함함―; 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들 ―상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성함―
을 포함하며,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 광섬유가 방사형 대칭 강성을 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고, 상기 단면 이차 모멘트에 대한 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들의 기여도는 중립 축으로부터의 거리에 기초하여 결정되는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 도파 엘리먼트는 중앙 코어 구역 및 상기 중앙 코어 구역을 둘러싸는 클래딩 층을 포함하는,
광섬유.
제22 항에 있어서,
상기 클래딩 층은 상기 제1 재료를 포함하고, 상기 중앙 코어 구역은 제3 재료를 포함하는,
광섬유.
제22 항에 있어서,
상기 클래딩 층 및 상기 기계적 구역은 단일체를 포함하는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 도파 엘리먼트는 복수의 코어 구역들 및 상기 복수의 코어 구역들을 둘러싸는 클래딩 층을 포함하는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 하나 이상의 가스-충전 구역들, 하나 이상의 공기-충전 구역들, 하나 이상의 진공배기 구역들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 중공 또는 가스-충전 엘리먼트들의 복수의 행(row)들을 포함하고, 상기 복수의 행들은 상기 도파 엘리먼트를 중심으로 동심형으로 배열되는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 축을 중심으로 대칭 구성으로 배열되는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 축에 평행한 축들(axes)에 따라 배열되는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 기계적 구역의 볼륨의 30% 내지 90%를 점유하는,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은, 상기 도파 엘리먼트와 동일한 대응하는 도파 엘리먼트 및 상기 기계적 구역과 동일한 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 단위 길이당 상기 광섬유의 질량을 감소시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 중공 또는 가스-충전 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 광섬유는 유효 캔틸레버 길이를 가지며, 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은, 상기 유효 캔틸레버 길이를 가지며 그리고 상기 도파 엘리먼트와 동일한 대응하는 도파 엘리먼트 및 상기 기계적 구역과 동일한 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 상기 광섬유의 공진 발진 주파수를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 중공 또는 가스-충전 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은, 상기 도파 엘리먼트와 동일한 대응하는 도파 엘리먼트 및 상기 기계적 구역과 동일한 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 주어진 동작 주파수에 대해 상기 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 중공 또는 가스-충전 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
제21 항에 있어서,
상기 광섬유는 공진 주파수를 가지며, 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은, 상기 공진 주파수를 가지며 그리고 상기 도파 엘리먼트와 동일한 대응하는 도파 엘리먼트 및 상기 기계적 구역과 동일한 대응하는 기계적 구역을 포함하는 비슷한 광섬유와 비교할 때, 상기 광섬유의 유효 캔틸레버 길이를 증가시키며, 상기 대응하는 기계적 구역이 상기 비슷한 광섬유의 대응하는 외주와 상기 대응하는 도파 엘리먼트 사이에 포지셔닝되는 중공 또는 가스-충전 구역들을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는, 상기 대응하는 기계적 구역은 상기 기계적 구역과 동일한,
광섬유.
광섬유 ―상기 광섬유는,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트,
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 제1 밀도를 갖는 제1 재료를 포함함―, 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들 ―상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성함―
을 포함하며, 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 광섬유가 방사형 대칭 강성을 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고, 상기 단면 이차 모멘트에 대한 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들의 기여도는 중립 축으로부터의 거리에 기초하여 결정됨―; 및
상기 광섬유와 기계적으로 접촉하는 액추에이터
를 포함하며,
상기 액추에이터는 상기 광섬유의 발진을 유도하기 위한 것인,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제35 항에 있어서,
상기 액추에이터는 압전 트랜스듀서, 전자기 보이스 코일 또는 열 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제35 항에 있어서,
상기 액추에이터는 2 차원으로 상기 광섬유의 단부의 모션을 제어하기 위한 2 차원 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제35 항에 있어서,
상기 광섬유의 상기 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 가시 광원
을 더 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
제35 항에 있어서,
상기 광섬유의 상기 도파 엘리먼트와 광학적으로 통신하는 멀티-컬러 스위칭가능 광원
을 더 포함하는,
스캐닝 섬유 디스플레이.
광섬유로서,
축(axis)을 따라 연장되는 도파 엘리먼트;
상기 도파 엘리먼트를 둘러싸는 기계적 구역 ―상기 기계적 구역은 상기 도파 엘리먼트와 외주 사이에 포지셔닝되고, 상기 기계적 구역은 실리카를 포함함―; 및
상기 기계적 구역 내에 포지셔닝된 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들 ―상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은 상기 기계적 구역의 단면 이차 모멘트를 생성함―
을 포함하며,
상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들은, 상기 기계적 구역의 볼륨의 30% 내지 90%를 점유하고, 그리고 상기 광섬유가 방사형 대칭 강성을 나타내도록 상기 기계적 구역 내에 배열되고, 상기 단면 이차 모멘트에 대한 상기 복수의 중공 또는 가스-충전 구역들의 기여도는 중립 축으로부터의 거리에 기초하여 결정되는,
광섬유.