KR20020092986A - 도파관 디스플레이 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광학 도파관 시스템은 광이 투사기에 의해 평면 외부 각도 범위에서 하나의 엣지로 주입되도록 배열된 통상적인 평면 도파관(1)을 포함한다. 도파관(1)은 평면 외부 각이 서로 다르도록 테이퍼되고, 일정한 거리에서 완전히 내부로 반사된 후에, 도파관을 따라 각각 별개의 점에서 도파관을 이탈한다. 이것은 도파관을 따라 전파방향으로 영상을 확장한다. 한편, 상기 영상은 평행 배열된 입력 도파관(3)에 의해 횡으로 확장된다. 대영역 평판 디스플레이는 이와 같이 제조되며, 평면 도파관은 광원을 조준하는 평면으로 이용되거나, 또는 제어 가능한 광학률을 갖는 층으로 사용되어 광학 스위치로 사용될 수 있다.

Description

도파관 디스플레이{WAVEGUIDE DISPLAY}

말초 시력의 빠른 반응을 자극할 정도로 큰 스크린을 갖는 평판 디스플레이는 화면을 생동감 있게 제공하는 것으로, 평판이기 때문에 실내 벽에 용이하게 고정되게 된다. 그러나, 기존의 평판 디스플레이의 크기는 행과 열 투과성 도체의 레지스터/캐패시터 시정수와, 리소그래피(석판인쇄술)가 트랜지스터의 제조에 상당한 정밀성을 부여할 수 있는 영역에 의해 제한되었다. 화면 대각선의 길이가 1미터 이상인 활성 매트릭스 액정 디스플레이의 제조비용은 매우 고가인데, 이는 그보다 저렴한 플라즈마 디스플레이보다도 훨씬 비싼 것이다. 그러나, 제조비용은 크기에 따라 상당액 감소할 수 있으며, 2" x 2"(5cm x 5cm) 크기의 액정 디스플레이는 비교적 가격이 저렴하고, 손톱정도 크기의 마이크로디스플레이는 단 몇 달러로도 제조할 수 있다.

비디오 투사기는 2차원 디스플레이, 투사렌즈, 반투명 스크린으로 구성된다. 상기 투사렌즈는 원하는 만큼 확대가 가능한 2차원 디스플레이의 확대된 영상을 반투명 스크린에 형성한다. 비디오 투사기는 가격이 저렴하여 대중화되는 추세이지만, 종종 투사기는 뷰어(viewer)와 같은 방식으로, 혹은 뷰어는 투사된 광방식으로 얻어진다. 또한, 실내조명이 어둡지 않은 한 스크린엔 투사된 영상뿐만 아니라 배경광까지 화면에 확산시키기 때문에 영상은 마치 물이 씻겨져 나간 것처럼 보이게 된다.

비디오 투사기류는 모든 영상을 스크린 크기인 렌즈의 초점 평면내에 담을 수 있다면 3차원 영상을 투사하는 것이 가능하다. 각각의 투사기는 렌즈가 반투명 스크린이라면 필드렌즈의 평면 내에 영상을 형성하도록 위치되지만, 반투명 스크린과 달리 필드렌즈는 영상을 단지 한 방향에서만 볼 수 있도록 광을 조준한다. 그 외 투사기들은 뷰어가 자동입체 3차원 영상을 볼 수 있도록 타 방향으로 필드렌즈에 의해 볼 수 있는 시야를 형성한다. 그러나, 이때 상기 투사된 광은 쉽게 차단된다. 디스플레이는 비디오 투사기만큼 저렴하면서도, 두께는 얇으며, 평판 디스플레이와 같은 집적장치일 것을 필요로 한다.

대형 평면에 소형 투사기로 영상을 확장하는 디스플레이는 US 5381502(James T. Veligdan)에 잘 나타나 있다. 상기 평면은 디스플레이의 라인을 형성하는 일측면 엣지를 얇은 시트 도파관을 축적하여 형성한다. 상기 더미(stack)는 얇은 웨지(wedge)를 형성하도록 테이퍼(taper)되고, 각각의 영상 라인(line)은 테이퍼된 평면으로부터 배출되도록, 웨지의 무딘 단부에 적합한 시트로 주사된다. 이와 같은 더미의 제조는 그리 간단한 것이 아니다.

본 발명은 마이크로디스플레이로부터 영상을 투사하여 평판 디스플레이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명을 보다 잘 이해하기 위하여, 다음과 같은 도면들이 참고되고 명시되었다.

도 1은 광선이 테이퍼된 도파관을 따라 전파되는 거리가 광선이 주사되는 각도에 의해 어떻게 결정되는지를 도시한 도면;

도 2는 테이퍼된 도파관 디스플레이를 도시한 도면;

도 3은 한 쌍의 프리즘으로 도파관 디스플레이를 절첩하는 방법을 도시한 도면;

도 4는 절첩되고 테이퍼된 도파관 디스플레이를 도시한 도면;

도 5는 디스플레이의 해상도를 향상시키기 위해 판 도파관의 입구에 원통형 렌즈와 구형렌즈를 구비한 테이퍼된 도파관 디스플레이를 도시한 도면;

도 6은 2차원 영상을 투사하는 테이퍼된 도파관 디스플레이를 도시한 도면;

도 7은 전자기장에 의해 용해된 금속의 표면에 경사를 유도하여 테이퍼된 유리를 생산해내는 유리부양시스템을 도시한 도면;

도 8은 상기 테이퍼의 작용이 격자에 의해 영향을 받는 테이퍼된 도파관을 도시한 도면;

도 9는 판 도파관 내의 렌즈가 얇은 도파관에 의해 어떻게 영향을 받는지를 도시한 도면;

도 10은 테이퍼된 제2도파관이 전파축에 대해 수직인 1차원으로 투사된 영상을 확대하는데 이용되는 방법을 도시한 도면;

도 11은 형광램프가 조준된 광선으로 액정 디스플레이를 조사하도록 확장되듯이, 테이퍼된 도파관으로 투사된 광이 비변조된 소스로부터 디스플레이 되도록, 테이퍼된 도파관 광학이 조준렌즈의 평판 버전 같이 동작하는 방법을 도시한 도면;

도 12는 타 광변조 디스플레이와 같이 테이퍼된 도파관 디스플레이가 광학스위치로 사용될 수 있는 방법을 도시한 도면;

도 13은 영상확장을 위한 도파관 원리를 이용한 다른 실시예를 도시한 도면.

본 발명은 통상의 방향에 대해 각도 범위를 초과하는 전파방향을 따라 변조된 광선을 방사하도록 배열되는 비디오 투사기와; 전파축을 따라 확장되며, 투사기로부터 주사된 광선을 수신하고, 주사각에 의존하는 도파관을 따라 전파축에 근거하여 일정한 거리에서 광선을 배출하도록 배열되는 도파관으로 구성되는 도파관 디스플레이와 광 변조기를 제공한다. 이런 수단들은 또한 도파관에 주입되기 전에 횡방향으로 투사된 영상을 확대하도록 제공되고; 상기 도파관은 대형 디스플레이 패널을 형성할 수 있도록 제공되는 것이 바람직하다.

길이를 따라(도파관내 광선의 전파방향을 따라) 일정한 거리에서 광선을 배출하는 도파관을 제조하는 간단한 방법은, 길이를 따라 테이퍼된 일정한 물질을 판 형상으로 제조하되, 그 길이를 따라 테이퍼된 도파관을 만드는 것이다. 이것은 판 표면에 사출된 광선의 입사각이, 도파관 제조가 더 이상 가능하지 않고, 광선 혹은 그 일부가 도파관 표면에서 이탈하며, 제조공정은 적절한 비반사 코팅을 이용하는 것이 도움이 될 때까지 스티퍼(steeper) 되는 것을 의미한다. 그것은 뷰어 쪽으로 적절히 지향된다. 물론, 도파관으로 광선의 초기각이 스티퍼될수록 그들은 더 빨리 이탈되는바, 이는 가장 스티퍼된 주사광이 투사기와 가장 근접한 도파관 부분에 영상을 만들고, 가장 평탄한(평행에 가까운) 광선은 가장 먼 부분의 영상을 형성하는 것을 의미한다. 이런 원리는 EP 0663600(Nitto Jushi Kogyo K.K.)에서 알 수 있다.

확대경은 그 자체가 판 도파관이 될 수 있고, 투사기와 배출 도파관 사이의 모서리에 위치하며, 광선을 횡방향으로 퍼지게 하지만(확대된 도파관의 측면은 평행이라는 가정하에) 광선의 평면 외부각을 보존하도록 스크린(즉, 배출 도파관)과 동일한 크기를 갖는다. 본 시스템은 테이퍼된 도파관과 확대되는 도파관이 중첩되어 절첩될 수 있다.

판 도파관 확대경의 대안으로서, 광입력이 입력 도파관의 굵은 단부에서 배출 도파관으로 그 길이를 따라 배출되도록 하는 방법으로 후단 도파관의 입력 엣지를 따라 배열되고 배출 도파관에 횡으로 테이퍼된 실질적인 1차원 입력 도파관이 사용될 수 있다.

평면 광원에 관련된 본 발명의 다른 실시예는 상기 배출 도파관과, 도파관 평면에서 배출되도록 그 출력이 도파관 내로 유입되는 1차원 또는 0차원 광원으로 구성된다. 이것은 평면, 특히 조준된 광원을 제공하는 간단한 방법으로서 디스플레이에 유용하다.

본 발명은 또한, 영상이 도파관 평면내에 포함되지만 횡으로 확장되고, 평행 배열된 스크린 상에 투사되도록 도파관으로부터 투사되지만 판(slab)에 대해 오프셋(offset)되도록, 소영역 영상원이 그보다 훨씬 넓은 판 도파관으로 영상을 투사하기 위해 배열되는 대영역 디스플레이를 교시한다. 이때, 도파관 내에는 횡 확산에 의해 영상의 2차원 확산이 달성되고, 다른 한편으로는, 광선이 도파관 단부로부터 배출되어 실질적으로 조준될 때까지 스크린에 비스듬히 비추어 지도록 함으로서 상기 방법과는 다른 동작이 수행된다.

충분히 적은 평면 외부 각도에서 투명재질의 입방체 판으로 비추어진 광은, 주사된 반대편 단부에 도달할 때까지, 입방체 측면에서의 완전한 내부 반사에 의해 전후 반사된다는 것은 잘 알려져 있다. 상기 광은 안내되어진다고 말할 수 있고, 상기 재질의 판은 도파관이라고 말할 수 있으며, 광의 평면 외부 각은 도파관을 통해 전파되어 일정하게 유지된다.

그러나, 도 1에 도시한 바와 같이, 광이 테이퍼된 도파관(1)의 두꺼운 단부에 비추어지면, 테이퍼(1)의 일면에 대해 측정된 평면 외부 각은 테이퍼(1)의 반대면에서 광선이 반사할 때마다 변화될 것이다. 결국, 광선은 평면 외부 각이 임계각보다 커진 테이퍼(1)를 따라 매우 멀리 전파되며, 이 점에서 광은 테이퍼(1)를 이탈하게 된다. 따라서, 광선이 테이퍼(1)를 떠나는 테이퍼된 도파관(1) 내로의 거리는 광선이 주사되는 각에 의해 결정되며, 이것이 본 발명의 핵심인 것이다.

도 2에 도시된 테이퍼된 도파관 디스플레이는 개별적으로 조준된 광선을 비디오 투사기(2)의 각 픽셀중 하나의 픽셀로 테이퍼된 직사각형 도파관(1)의 두꺼운 단부로 주사함으로서 작동되며, 마이크로디스플레이(2a)와 투사 렌즈(2b)로 구성된다. 상기 주사는 테이퍼된 도파관과 동일한 폭을 갖는 입력 판 도파관(3)을 통해 수행된다. 상기 투사기는 평면에 대해 임의의 각도로 광선을 주사하도록 도파관 평면의 약간 외측에 배열된다. 비디오 투사기(2)로부터의 광선은, 두께가 균일하고,테이퍼된 도파관(1)의 두꺼운 단부 두께와 동일한 입력 판 도파관(3)의 두께와 대략 동일한 직경을 갖는 스폿(spot)에 결합된다. 초점이 맞은 스폿으로부터의 광선은, 직사각형이고 일정한 두께를 갖지만, 광선이 그 단부에 도달할 때까지 전체 폭으로 확장되는 판(3)의 평면으로 한정되도록 판 도파관(3)의 엣지에 주사된다. 상기 광선은 그 축이 전파 면에 대해 수직인 원통형 렌즈(4)를 지나 판(3)의 반대편 엣지 밖으로 통과되고, 테이퍼된 도파관(1)의 두꺼운 단부로 주사된다. 이 같은 전이 동작 중에 광선은 그 전면이 은처리된 표면이 판 도파관(3)의 각 면과 동일 평면상에 있게 되는 한 쌍의 거울(5a)(5b)에 의해 한정 규정되도록 연속 주사된다.

원형렌즈(4)의 초점라인은, 광선이 테이퍼된 도파관(1)에 주입되자마자 동일한 평면 내부 각으로 모두 분배되도록, 광이 판 도파관(3)에 주사되는 점을 통해 이어진다. 테이퍼된 도파관(1)으로 전파되는 광선의 열은 광선이 최초 발생되는 마이크로디스플레이(2a)의 행에 의해 결정되고, 광선의 평면 외부 각은 광선이 최초 발생되는 마이크로디스플레이(2a)의 행에 의해 결정된다. (도 2에 도시한 평면에서 보는바와 같이, 열은 평면을 가로지르고, 행은 대략 바닥면 좌측으로부터 상우측으로 확장된다). 광선이 테이퍼된 도파관(1)을 떠나는 높이가 그들의 평면 외부 각에 의해 결정되므로, 마이크로디스플레이(2a) 상의 픽셀의 2차원 어레이는 테이퍼된 도파관(1)의 표면상의 2차원 픽셀과 1:1로 맵핑된다.

광선이 테이퍼된 도파관을 따라 지그재그로 움직일 때, 그것은 단지 테이퍼된 도파관의 일측 면만을 한꺼번에 조사할 것이다. 테이퍼진 도파관의 양면을 계속적으로 조사하기 위해선, 마이크로디스플레이(2a)의 모든 픽셀은 반대쪽 평면 외부각도를 제외한 모든 점에서 동일한 한 쌍의 카운터-전파 광선을 생성해 내야 한다. 이것은, 도 2에 도시한 바와 같이 전면이 은처리된 거울(6)을 광 주입시에 판 도파관(3) 밑에 위치시키는 실시예에 의해 가능하다.

모든 안내되지 않은 광선들은 그들의 직경이 최소가 되는 점으로부터 집중 혹은 분기된다는 것은 잘 알려진 사실이다. 광선은 또한, 테이퍼된 도파관(1)의 면에 형성된 픽셀들이 작아지도록, 테이퍼된 도파관(1)으로부터의 배출을 염두에 두고 도파관 내에서 동작함과 동시에 최소 직경이 되도록 하는 것이 이상적이다.

그러나, 이 방법은 기술적으로 구현하기엔 어려우므로, 대안으로서 전체 내부 반사의 안내작용이 추가적인 광선의 분기를 방지하도록, 주입된 광선의 직경을 테이퍼된 도파관(1)의 두꺼운 단부의 두께와 동일하게 하는 방법이 있다. 이에 따라, 픽셀 직경은 웨지의 두꺼운 단부의 두께와 대략 동일해지며, 따라서, 이 두께는 가능한 많이 감소되어야 한다. 실질적으로 웨지의 두꺼운 단부는 1mm 정도이고, 얇은 단부는 0.2mm 정도이다. 만약 스크린이 1미터 높이라면 테이퍼(taper)의 각은 대략 0.05°정도이다.

테이퍼된 도파관을 떠날 때, 광선은 단지 임계각을 초과하게 될 것이다. 이것의 중요성은 광선과 테이퍼된 도파관(1)의 면 사이의 각이 대략 테이퍼(1)의 각과 동일해 질 것이라는 데 있다. 대부분의 디스플레이에 있어서, 반투명 스크린(7)과 같은 엘레멘트는 적절한 가시각도를 부여하기 위해 광선을 산란시키는데 필요로 하지만, 이러한 엘레멘트는 대략 20 마이크론 보다 더 정밀해질 수 없으며, 반사된 광선의 소멸 파동에 의해 간섭받는다는 문제점이 있다. 광선에 의해 반투명스크린(7)에 형성되는 픽셀의 크기는 광선과 스크린 사이의 각에 의해 분배된 광선의 직경과 동일할 것이다. 배출 광선의 직경은 광선이 배출되기 직전에 소멸되는 파동의 깊이에 따르게 될 것이며, 만일 이것이 대략 20마이크론이면 스크린에 대해 0.8mrad 각도로 형성하는 픽셀의 크기는 20/.8 = 25mm가 될 것이다. 더 작은 픽셀이 요구되면, 빗변과 빗변이 대향 위치되도록 하되, 테이퍼진 제2도파관이 제1도파관과 동일해지도록 하여 테이퍼진 제1도파관(1)과 반투명 스크린(7) 사이에 제공될 수 있다.

광선의 평면 외부 각이 도파관의 임계각을 약간 초과할 때, 광선의 극히 일부만이 통상적인 도파관으로부터 이탈될 것이다. 광선의 나머지 부분이 도파관 아래로 계속 전파 되도록 연속 배출되며, 매번 이탈하는 광선 은 도파관 표면상에 입사된다. 이 같은 현상은 광선이 하나의 픽셀이 다른 픽셀에 중첩되도록 하여 허상 영상을 초래하는 원인이 된다. 이를 해결하기 위한 방법은 비반사 코팅을 적용하는 것이다. 코팅층의 두께 및 지수(index)는 센서 및 감쇄기 B의 71-79 페이지에 기재된 A.J.C. Tubb, F.P.Payane, R.B. Millinton과 C.R.Lowe 저서인 "단일 -모드 광학 섬유표면 플라즈마 파동 화학적 센서"에 기초하여 매트릭스 원리를 이용 설계 될 수 있다: 1997년 Elsevier Science에 의해 공표된 Chemical 41권에 개시되어 있다.

만일, 유전체의 굴절지수 n₀인 유동되는 파장 λ의 광선이 굴절률 n_m및 두께 d_m를 갖는 m-차 유전체로 2차원 평면 유전체의 표준계열에 대해 각도 θ₀로 입사된다면 굴절계수 ｒ는 다음과 같이 주어진다.

광선은 접촉면의 각이 임계각보다 크다면 완전히 내부적으로 반사될 것이며, 알고리즘은 임계각보다 약간 큰 각도에서 반사계수가 0으로 주어지는 코팅 시리즈의 두께와 굴절률에 관한 실험과 오차에 의해 계산될 수 있다.

또한, 코팅은 픽셀이 너무 커지지 않는 반투명 스크린(7)에 의해 흩어지도록 표준 접촉면 쪽으로 방사파동이 휘어지도록 하기 위해 행해지며, 이들 층들은 상기 식들에 의한 알고리즘을 이용하여 요구한데로 설계될 수 있다. 칼라 디스플레이를 위해선, 각각의 적색, 녹색, 청색 소스의 파장을 갖는 광선이 각각 반사 없이 배출되도록 코팅을 설계하는 것이 필요하며, 백색 광 디스플레이를 위해서는 코팅이 등급별 지수를 갖도록 하는 것이 필요하다.

도 2의 스크린은 소형화되도록 완전히 절첩되지만, 도파관내 절첩부위는 그 부위를 주위의 광선의 평면 내외부 각도를 보존하도록 유지되어야 한다. 이와 같이 하는 한가지 방법은 각은 변화시키지 않고 점진적으로 충분히 도파관에 굴곡을 주되, 굴곡의 반경은 대략 5cm 정도로 하여, 결과적으로 부피가 커지도록 하는 방법이 있다. 도 3은 은처리된 빗변과, 다른 두 개의 프리즘 표면이 저 굴절률의 물질로 된 45°의 한쌍의 프리즘(8)을 평면 내부각 또는 평면 외부각의 손실 없이 180°로 광을 절첩하는데 사용되는 방법을 도시한 것이다. 도 4는 프리즘(8)을 소형화한 테이퍼진 도파관 디스플레이를 제작하는데 사용하는 방법을 도시한 것이다. 두개의 도파관은 전파방향으로 동일한 폭과 대략 동일한 범위를 갖는다.

도 5에 도시한 바와 같이, 판 도파관(3)의 입구에 배치된 렌즈(2b)가 투사렌즈로 동작하며, 이는 광선을 초점에 모으는 역할을 한다. 이것은 픽셀의 폭을 감소시킴에 따라 디스플레이의 잠재적인 해상도를 향상시킨다. 디스플레이에서 각 행의 광학적 경로 길이가 조금 다르다면, 적절한 비구면 표면을 최적화하는 것이 필요할 것이므로 렌즈(2b)의 초점력이 평면 외부 광선 각도와 함께 변화해야 이상적이다. 광학 경로 길이가 평면 외부 광선 각도가 소멸됨에 따라 증가하는 경우, 그 초점력이 평면 외부 광선 각과 함께 증가하므로 원통형 렌즈(9)를 추가하는 것이 적절하다.

테이퍼된 도파관 디스플레이를 떠나는 광은 방위각으로 조준되며, 그 광 축이 수평인(도 2의 방향으로) 원통형 렌즈 어레이에 의해 흩어지면 영상은 단일 방위각에서 관찰될 것이다. 따라서, 다른 투사기들(21)(22)(23)은 도 6에 도시한 바와 같이 판 도파관의 바닥부에 추가 될 수 있고, 각각의 투사기는 도파관 디스플레이의 테이퍼(1) 상에서 관찰 가능한 영상을 스스로 생성해 낸다. 그러나, 각각의 투사기에서 생성된 영상은 다른 방향에 대해 관찰 가능해지며, 각각의 투사기가 투사기에 적합한 관점에서 영상화된 3차원 물체의 그림을 보여준다면, 테이퍼된 도파관의 스크린(1) 상의 영상은 3차원으로 나타날 것이다. 방위각으로 약간 확산된 엘레멘트는 3차원 영상에 인접한 가시영역 사이의 어두운 구역을 제거하는데 필요하다.

테이퍼된 도파관은 임의 각도로 다른 쪽으로 하나의 판 도파관의 표면을 다듬어서 제조할 수 있으나 이 작업이 어렵고 가격도 비싸다. 테이퍼된 플라스틱 도파관은 금형주입에 의해 제조되지만, 일반적으로 유리가 플라스틱보다 더 싸다. 도 7은 유리부양방식을 테이퍼된 도파관 제조에 적용하는 것을 도시한 것이다. 교류로 구동되는 전자석은, 변화하는 자장의 전자석으로 유도되는 통(tin)내에 유입되도록 통상적인 유리부양방식의 용해된 통 옆에 위치된다. 따라서, 상기 통은 표면에 생성된 유리가 테이퍼된 단면을 갖도록 경사면이 생긴다.

테이퍼된 도파관의 작용은 광선이 도파관을 따라 전파되는 거리에 의해 광선의 평면 외부 각이 연속적인 변화율을 나타내도록 하는 것이다. 도파관을 테이퍼지게 제조하는 것만이 이를 위한 유일한 방법이다.

대안으로는 도 8에 도시한 바와 같이 판 도파관(1)의 표면 중 하나의 표면에 엠보싱된 회절격자 무늬를 형성한 판 도파관(1)을 제공하고; 약간 다른 주기율의 회절격자 무늬를 갖는 판 도파관(1)의 양 표면을 엠보싱하고; 클래딩(cladding)된 판 도파관의 굴절률을 향상시키는 방법이 있다. 뒤에 두가지 방법은 도시되지 않았다.

전면이 은처리된 한쌍의 거울 사이에서의 원통형렌즈(4)의 역할은 비디오 투사기로부터의 광을 조준시키는 것이다. 가능한 대안으로는 중심 광선의 속도를 줄이기 위해 도파관의 두께를 가변 가능하도록 하는 것이 있다. 예컨데, 중심이 좀 더 얇아지면 도 9에 도시한 바와 같이 광선은 스티퍼 각에서 바운드되며, 이에 따라 전파축을 따른 진행비율이 느려진다. 이 원리는 물론 디스플레이만이 아닌 일반적인 도파관에 적용될 수 있다.

만일 테이퍼된 도파관의 큰 표면이 평탄하고 비디오 투사기의 픽셀이 균일하게 이격되어 있다면 테이퍼된 도파관의 영상은 왜곡될 것이다. 이 왜곡은 비디오 투사기의 광 방사 어레이 내의 픽셀 행간의 간격이 변화되거나 혹은 세밀한 설계에 의해 만들어진 형상을 갖는 테이퍼된 도파관의 경사를 변화시킴에 따라 제거될 수 있다.

원통형 렌즈(4) 및 평탄 도파관(3)은 도 10에 도시한 바와 같이, 그 전파경로에서 최초로 직교하는 테이퍼된 제2도파관(25)으로 함께 교체되며, 테이퍼된 제1 도파관의 입력 엣지를 따라 배열된다. 제2도파관(25)은 선형이거나 1차원이며, 출력측으로 테이퍼된 도파관(1) 평면에 존재하게 된다. 각 한 쌍의 도파관은 2차원인 것 중 하나가 선형도파관(25)의 두꺼운 단부로 광을 주입하는 단일 투사기(27)로부터의 광을 확장시킨다. 제2도파관은 또한, 테이퍼되지만 필연적으로 1차원이며 수평평면에 각도가 보존된다.(즉, 제1도파관 및 2도파관의 전파방향에 대해 수직인 평면내에 보존된다.) 그 같은 프리즘 시리즈(26)는, 스코치 광학 광 필름(Scotch optical lighting film)이 테이퍼된 제1도파관의 표면으로부터 먼 지점에서 제2도파관의 엣지로 광을 구부리기 위하여 테이퍼된 제1 및 제2도파관 사이에 위치되어야만 하는 원리를 토대로 구비된다.

단 파장에서의 광선은 더 긴 파장에서의 광선보다 덜 분기되게 된다.

이 같은 분기는 단일 파장을 사용해야만 방지할 수 있다. 예컨데, 테이퍼진 도파관 디스플레이의 스크린 상의 영상은 초음파 혹은 다른 적절한 파장으로 생성될 수 있으므로, 적색, 녹색 및 청색 인으로 만든 스크린을 이용하여 칼라로 변환된다. 초음파 활성 조사는 스크린이 어떤 색체 이탈에서 자유롭도록 레이저에 의해 생성될 수도 있는 단색인 것이 이상적이다. 액정이 이 방법으로 광을 포토 발광성(photoluminescent)의 스크린에 변조시킬 경우 만일 초음파 광이 조준된다면 좀 더 효율적이 되는 것으로 알려져 있다.

그러나, 비디오 투사기에 사용된 광원 포인트는 좀 더 고가이며 형광 튜브에 비해 효과적이지 못하다. 대안으로는 도 11에 도시한 바와 같이 비변조된 광을 초음파 발광성의 튜브(31)로부터 테이퍼된 도파관 광학성분으로 주입하여, 인에 의해 가시되도록 변환되기 전에 광을 변조시키도록, 큰 영역의 액정 디스플레이를 테이퍼된 스크린에 위치시키는 방법이 있다. 대안으로 가시 광은, 만일 단색 디스플레이가 충분하다면 인 없이 사용될 수 있다. 테이퍼된 도파관 광학성분은 광을 작은 람베르티안 소스로부터 큰 조준된 소스로 조준 할 때의 렌즈와 동일한 작용을 수행하나, 테이퍼된 도파관은 평탄하다는 이점을 갖는다.

적절하게 변형시킨 광 변조 디스플레이가 광학 스위치로 사용될 수 있는 바, 도 12는 테이퍼진 도파관 광학성분이 스위치로 작용하도록 재배열 될 수 있는 방법을 도시한 것이다. 주입된 광의 방향은, 임의 시간에서의 광이 단지 하나의 점에서만 각 도파관에 존재하도록 일정하며, 도 10에 도시한 바와 같이 동일한 방식으로 광을 재지향 하도록 두 개의 테이퍼가 배열된다. 각 테이퍼의 출구측 상의 클래딩은, 도파관으로부터 출구점을 제거하기 위하여 조절가능한 방식으로 굴절률이 가변될 수 있는 물질층(41)으로 코팅된다. 이는 주입된 광이 방사되는 스크린의 평면상 위치를 결정한다.

광섬유 따위의 광학 집적기는 스위칭된 광선을 집적하기 위하여 스크린에 대향 배치된다. 위치지정이 가능한 층(45)의 굴절률은 전기적으로 활성화된 폴리머 예컨데 혹은 가변 가능한 굴절률 층이 밀집된 광 조사에 의해 스위치되는 케르 효과(Kerr effect) 따위를 이용하여 대략 100ps에서 0.1%의 가변율을 나타낸다.

후자의 경우 가변 가능한 굴절율 층은 그 자체가, 테이퍼진 도파관의 표면에 평행인 광학 도파관과, 광학 도파관의 엣지로 조사된 광으로 구성된다. 최종적인 과정은 두 개의 클래딩된 테이퍼 층의 굴절률을, 스크린 상의 광 방사점이 원형이 되도록 네모꼴인 사인파적으로 가변시킨다. 방사점은 일단 모든 100ps의 원형 해상도를 완전히 만족시키지만 일부 광섬유는, 스위치가 가능한 한 1THz 보다 큰 비율로 디멀티플렉스 광을 만들도록 원형 주변에 놓이게 된다.

도 13에 도시한 바와 같이, 평탄 입력 도파관(3)은, 비교적 작은 투사기(2)로부터 투사된 영상이 도파관을 통해 흐르듯이 횡으로 확장되는 타입의 대영역 디스플레이에 이용될 수 있다. 따라서, 광은 테이퍼진 도파관에 입력되지는 않고 단순히 평탄 도파관의 먼 엣지로부터 배출되어지며, 스크린(7)이 도파관의 평면으로부터 다소 뒤쪽에 세트되도록 평면 내외부 각도로 보존된다. 이 같이 배열하므로 다소간의 키스톤 왜곡이 발생하지만 이 정도는 허용되어도 상관없다.

Claims (23)

1. 광이 엣지로부터 전체 내부 반사에 의해 전파되도록 하는 입력 엣지 및 평면 확장부와, 평면 외부각 범위에서 입력 엣지로 광선을 주사하도록 배열된 변조된 광원(2)으로 이루어지고, 그 전파방향을 따라 각각 다른 점에서 전체적으로 내부 반사되는 대신에 다른 평면 외부 각에서 입사하는 광선이 배출 도파관을 떠나도록 광-배출 도파관이 구성된 것을 특징으로 하는 일반적인 평면 도파관(1)을 포함하는 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 도파관(1)은 그 전파방향을 따라 폭이 좁아지도록 테이퍼진 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 도파관 일면에 비반사 코팅부를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 도파관의 표준 평면쪽으로 도파관으로부터 배출되는 광을 재지향하는 수단을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광이 실질적으로 배출 도파관(1)의 입력 엣지 전체에 걸쳐 주입되도록 광원으로부터 입력되는 광을 지향시키는 입력 도파관(3)(25)을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 입력 도파관(3)은 입력 엣지가 구비된 2차원 평면이거나 판 도파관이고, 광을 배출 도파관(1)의 엣지로 주입하기 위하여 평면 외부 각이 보존되는 동안에 평면내 입력 엣지 상에 있는 점으로부터 발생되는 광을 확산시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
7. 제6항에 있어서, 입력 도파관(3)으로부터 상기 배출 도파관(1)의 입력 엣지로 광을 결합하는 수단(5)을 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
8. 제5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 변조된 광을 다양한 평면 외부 각에서 입력 도파관(3)으로 주입하도록 배열된 투사기(2)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
9. 제8항에 있어서, 입력 도파관(3)의 입력 엣지를 따라 배열된 수 개의 투사기(21)(22)(23)를 구비한 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 디스플레이인 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 각각의 투사기들은 3차원 디스플레이를 형성하는 방법으로 별개의 영상을 입력하는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 평면 내외부 각을 보존하고, 두 개의 평면 도파관이 서로 절첩되도록 하는 광학 변환기(8)를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
13. 제5항에 있어서, 상기 입력 도파관(25)은 반드시 1차원으로서, 상기 배출 도파관의 입력 엣지를 따라 배열되고, 광선이 평면 도파관으로 주입되도록 일측 단부로 주입된 라인 외부 각도의 광선을 그 길이를 따라 다른 점에서 이탈시키기 위하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 광원은 변조된 광을 선형 도파관으로 주입하도록 배열된 투사기(2)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 투사기(27)는 광을 다양한 라인 외부 각에서 선형 도파관(25)으로 주입하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
16. 광이 엣지로부터 전체 내부 반사에 의해 전파되도록 하는 입력 엣지 및 평면 확장부를 구비하고, 도파관을 따라 각각 다른 점에서 전체적으로 내부 반사되는 대신에 다른 평면 외부 각에서 입사하는 광선이 도파관을 떠나도록 광-배출 도파관인 일반적인 평면 도파관(1),

    반드시 1차원으로서 실질적으로 상기 배출 도파관의 입력 엣지 전체에 걸쳐 광원으로부터 입력되는 광을 지향시키기 위하여 상기 배출 도파관의 입력 엣지를 따라 배열되는 입력 도파관(25), 및

    입력 도파관으로 광선을 주사하도록 배열되는 변조된 광원(47)으로 구성되고,

    상기 도파관은 광이 각 도파관을 떠나는 위치를 가변시키도록 배열된 어드레서블(addressable)한 부분(41)을 추가 포함하고, 상기 광원은 광학섬유가 방사점이 가변되듯이 평면 배출 도파관으로부터 방사된 광선을 집적하도록 배열되는 바와 같이 입력 광을 단일 각에서 입력 도파관으로 입력시키는 것을 특징으로 하는 광학 변조 장치.
17. 평면광원보다 폭이 더 좁은 광원과, 하나의 엣지에 광을 수신하고, 광이 판을 가로질러 움직이도록 광원폭으로 확장하는 입력 판 도파관(3)과, 입력 도파관에서 방사되어 확장된 광을 엣지에서 수신하여 배출 도파관의 평면 외부로 재지향하는 배출 도파관(1)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 평면 광원.
18. 도파관 평면에서의 파동전면전파를 전환하도록 입력단부와 출력단부를 구비하고, 두께를 선택적으로 가변시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 일반적인 평면시트형 광학 도파관.
19. 제18항에 있어서, 상기 두께는 도파관의 폭을 가로질러 가변되는 것을 특징으로 하는 도파관.
20. 제19항에 있어서, 상기 두께는 원형 파두면을 직선 파두면으로 변환시키는 방법으로 가변되는 것을 특징으로 하는 도파관.
21. 테이퍼된 표면이 배스(bath) 일측면으로부터의 전자기력에 의해 금속배스 상에 생성되는 것을 특징으로 하는 유리 부양 공정에 의한 테이퍼된 유리 시트 제조방법.
22. 영상 투사기(2)와, 입력 엣지 및 스크린으로 구성되는 일반적인 평면 도파관(3)으로 구성되고, 영상이 투사기(2)로부터 입력 엣지로 투사되고 도파관 평면을 통과하여 스크린(7)에 전달되도록 디스플레이가 배열되는 것을 특징으로 하는 투사 디스플레이.
23. 제22항에 있어서, 상기 도파관(3)은 영상을 배출하는 투사기(2) 부분보다 훨씬 폭이 넓은 균일한 두께의 판으로서 투사된 영상이 스크린에 전달되기 전에 횡으로 확장시키는 것을 특징으로 하는 투사 디스플레이.