KR20070023622A - 기판 유도형 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

서로 평행한 적어도 2개의 주 표면(26)과 에지를 갖는 광전성 기판, 시계(field-of-view)에 위치된 광파를 내부 반사에 의해 상기 기판 내로 유도하는 광학 수단(16), 및 상기 기판에 위치되고 상기 기판의 상기 주 표면에 평행하지 않은 적어도 하나의 부분 반사 표면(22)을 포함하며, 상기 주 표면의 적어도 하나가 다이크로익 코팅으로 코팅된 광학 장치가 제공된다.
프리즘, 내부 반사, 투과율, 반사율, 헤드-마운트형 디스플레이

Description

기판 유도형 광학 장치{SUBSTRATE-GUIDED OPTICAL DEVICES}
본 발명은 기판 유도형 광학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 도광판(light guide)으로 지칭되기도 하는 일반적인 투광성 기판에 의해 운반되는 복수의 반사 표면을 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 예컨대 헤드-마운트형 디스플레이(HMD : head-mounted display) 및 헤드-업형 디스플레이(HUD : head-up display), 셀룰러 폰, 컴팩트 디스플레이, 3-D 디스플레이, 컴팩트 빔 익스팬더 등의 다수의 영상 응용기기뿐만 아니라 평판형 인디케이터, 컴팩트 일루미네이터 및 스캐너 등의 비영상 응용기기를 유용하게 하도록 실시될 수 있다.
소형 광학 소자를 이용한 중요한 응용기기 중의 하나는 광학 모듈이 영상 렌즈와 합성기(combiner) 모두로서 기능하는 HMD이며, 이 HMD에서는 2차원 디스플레이가 정밀하게 이미지가 형성되고, 이 이미지가 관찰자의 육안으로 반사된다. 이 디스플레이는 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED : Organic Light Emitting Diode) 어레이 또는 스캐닝 소스 및 유사 기기 등의 공간 광변조기(SLM : Spatial Light Modulator) 중의 하나로부터 직접 얻어지거나, 또는 릴레이 렌즈 혹은 광섬유 묶음을 통해 간접적으로 얻어질 수 있다. 이 디스플레이 는 소자(픽셀)의 어레이를 포함하며, 이 소자의 어레이는 시준 렌즈(collimating lens)에 의해 정밀하게 이미지가 형성되고, 이 이미지가 비광전성 응용기기와 광전성 응용기기에 대한 합성기로서 각각 기능하는 반사 표면 또는 부분 반사 표면을 통해 관찰자의 육안으로 전송된다. 통상적으로, 종래의 자유-공간 광학 모듈은 이러한 용도로 사용되었다. 시스템의 요구된 시계(FOV : field-of-view)가 증가할 때, 이러한 종래의 광학 모듈은 크기가 더욱 대형화되고, 중량이 더욱 무겁게 되고, 부피가 더욱 커지게 되며, 따라서 중간 성능의 장치에 대해서 조차도 실현 불가능하게 된다. 이러한 점은 모든 종류의 디스플레이에 대해 커다란 단점이 되지만, 특히 시스템이 가능한 한 경량이면서 소형화되어야 하는 헤드 마운트형 응용기기에서는 더욱 더 커다란 단점이 된다.
소형화를 위한 노력으로 기존의 솔루션과는 상이한 몇몇의 복잡한 광학적 솔루션이 개발되었으나, 이들 솔루션의 전부는 아직까지도 가장 실용적인 응용기기에 대해서는 충분하게 소형화되지 못하고 있고, 다른 한편으로는 제조 가능성면에 있어서 주요한 단점을 안고 있다. 더욱이, 이러한 설계로 제작된 광학적 시청 각도의 아이-모션-박스(EMB : eye-motion-box)는 일반적으로 통상 8㎜ 미만으로 매우 소형이다. 그러므로, 광학 시스템의 성능은 심지어는 관찰자의 육안에 관련한 광학 시스템의 작은 움직임에 대해서도 매우 민감하여, 이러한 디스플레이로부터 문자를 편리하게 판독하기 위한 충분한 동공(pupil) 움직임을 허용하지 못한다.
본 발명은 다른 응용기기 중에서도 헤드-마운트형 디스플레이를 위한 초소형의 도광판 광학 소자(LOE : light-guide optical element)의 구조 및 제조를 용이하게 한다. 본 발명은 비교적 작은 EMB 값과 함께 비교적 넓은 시계(FOV) 값을 허용한다. 그 결과의 광학 시스템은 대형의 고품질 화상을 제공하며, 또한 사람의 육안의 커다란 움직임을 가능하게 한다. 본 발명에 의해 제공된 광학 시스템은 종래 기술의 구현예보다 실질적으로 더욱 소형이고 또한 특수한 구성을 갖는 광학 시스템에 용이하게 통합될 수 있기 때문에 매우 유용하다.
본 발명은 또한 향상된 HUD의 구축을 가능하게 한다. HUD는 보편화되어 가고 있으며, 최신형의 전투기에서뿐만 아니라 이 HUD 시스템이 낮은 가시도(low-visibility)에서의 착륙 조작을 위한 중요한 장치가 되고 있는 민간 항공기 분야에서도 중용한 역할을 수행하고 있다. 더욱이, 최근에서는 자동차 응용기기에서도 HUD를 이용하고자 하는 여러 가지의 계획과 설계가 추진 중이어서, 운전자의 운전 및 네비게이션 부담을 경감시킬 수 있게 될 것이다. 그럼에도 불구하고, 종래의 HUD는 몇몇의 중요한 단점을 안고 있다. 현재 설계의 모든 HUD는 디스플레이 소스가 전체 합성기 표면을 조사(illumination)하도록 하기 위해 합성기로부터의 상당한 거리를 보상해야만 하는 디스플레이 소스를 필요로 한다. 그 결과, 합성기-프로젝터 HUD 시스템은 필연적으로 부피가 커지고 대형화되어, 상당한 설치 공간을 필요로 하며, 그에 따라 설치가 불편하고 간혹 사용상의 안전을 보장하지 못하게 된다. 종래의 HUD의 대형의 광학 애퍼쳐 또한 중대한 광학적 설계 도전에 직면해 있으며, HUD에게 중간적인 성능을 제공하거나 또는 고성능이 요구되는 곳에서는 고비용이 수반되고 있다. 고품질 홀로그래픽 HUD의 색분산(chromatic dispersion)이 특별한 관심 사항이 되고 있다.
본 발명은 특히 소형의 HUD를 구현할 수 있도록 하여 전술한 단점을 경감시킨다. 본 발명의 HUD의 설계에서, 합성기는 기판에 부착될 수 있는 소형의 디스플레이 소스를 이용하여 조사된다. 그러므로, 전체 시스템은 매우 소형이고, 광범위한 응용기기를 위해 다양한 구성으로 용이하게 설치될 수 있다. 또한, 디스플레이의 색분산은 무시 가능할 정도이어서 종래의 백색광 소스를 포함한 와이드형 스펙트럼 소스와 동작할 수 있다. 또한, 본 발명은 합성기의 활성 면적이 광소스에 의해 실제로 조사되는 면적보다 더 커질 수 있도록 화상을 확대시킨다.
또한, 본 발명은 셀룰러 폰과 같은 휴대용의 파지형 응용기기에 대한 넓은 FOV를 소형의 디스플레이에 제공하는데에도 적용할 수 있다. 현재의 무선 인터넷 접속 시장에 있어서, 완전한 비디오 전송을 위해 충분한 대역폭이 이용 가능하다. 아직 제한되고 있는 요소로는 최종 사용자의 장치에서의 디스플레이의 화질이다. 이동성에 대한 요구에 의해 디스플레이의 물리적인 크기가 제한되고 있고, 그 결과 열악한 화상 시청 품질을 갖는 직시-디스플레이가 사용되고 있다. 본 발명은 물리적으로 초소형의 디스플레이가 매우 큰 가상 화상을 갖도록 해준다. 이것은 이동 통신 특히 모바일 인터넷 접속에 있어서 핵심적 특징이며, 실제적으로 실시될 수 있도록 주된 제한요소 중의 하나를 해결한다. 이에 의해, 본 발명은 셀룰러 폰 등의 소형의 파지형 장치 내에서 완전한 포맷의 인터넷 페이지의 디지털 콘텐츠를 시청할 수 있도록 해준다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 종래의 소형 광학 장치의 단점을 해소하고, 구체적인 요건에 따라 향상된 성능을 갖는 기타 광학 소자 및 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 서로 평행한 적어도 2개의 주 표면과 에지를 갖는 투광성 기판과, 시계 내에 위치된 광파를 내부 반사에 의해 상기 기판에 유도하는 광학 수단과, 상기 기판에 위치되고 상기 기판의 주 표면에 평행하지 않은 적어도 하나의 부분 반사 표면을 포함하며, 상기 주 표면의 적어도 하나가 다이크로익 코팅(dichroic coating)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 광학 장치를 제공한다.
본 발명을 보다 완전하게 이해할 수 있도록 다음의 첨부 도면을 참조하여 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 본 발명을 설명할 것이다.
첨부 도면을 구체적으로 참조하여 상세하게 설명되지만, 도시된 특정 구성은 본 발명의 바람직한 실시예의 예시를 목적으로 하는 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적인 특징에 대해 가장 유용하면서 용이하게 이해할 수 있을 것으로 생각되는 구성일 것이라는 이유로 제공된 것이다. 이러한 점에서, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것이 아닌 구조적인 세부사항에 대하여서는 예시하지 않았으며, 도면에 대한 설명은 본 기술분야에 익숙한 사람에게 본 발명의 몇몇 형태가 실제로 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 지침으로서 제공된 것이다.
도 1은 종래 기술의 폴딩 광학 장치의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 LOE의 실시예에 대한 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 2가지 범위의 입사각에 대하여 본 발명에서 사용된 선택 반사 표면의 요구된 반사율 및 투과율 특성을 예시하는 도면이다.
도 4는 P-편광을 위한 일례의 다이크로익 코팅에 이용되는 파장을 함수로 하는 반사율 곡선을 예시하고 있는 그래프이다.
도 5는 S-편광을 위한 일례의 다이크로익 코팅에 이용되는 파장을 함수로 하는 반사율 곡선을 예시하고 있는 그래프이다.
도 6은 일례의 다이크로익 코팅을 위한 입사각을 함수로 하는 반사율 곡선을 예시하고 있는 그래프이다.
도 7은 일례의 선택 반사 표면 어레이의 세부 단면도를 예시하는 도면이다.
도 8은 또 다른 다이크로익 코팅을 위한 입사각을 함수로 하는 반사율 곡선을 예시하는 그래프이다.
도 9는 표준형 안경테(standard eye-glass frame)에 삽입된 본 발명의 일례의 실시예를 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 일례의 HUD 시스템을 예시하는 도면이다.
도 1은 종래의 폴더형 광학장치 구성을 예시하는 도면으로, 이 도면에서의 기판(2)은 디스플레이 소스(4)에 의해 조사된다. 디스플레이는 시준 렌즈(6)에 의해 시준된다. 디스플레이 소스(4)로부터의 광은 메인 광선(10)이 기판 평면에 평행을 이루는 방식으로 제1 반사 표면(8)에 의해 기판(2)에 유도된다. 제2 반사 표면(12)은 광을 기판 외부로 벗어나게 하여 관찰자(14)의 육안으로 유도한다. 이러한 구성의 소형화에도 불구하고, 특히 매우 제한된 시계(FOV)만이 유효하게 될 수 있다는 단점을 안고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판 내부의 최대 허용된 오프-축은 다음의 수학식 1로 표현된다:
Figure 112006017089869-PCT00001
여기서, T는 기판 두께이고, deye는 요구된 출사동(exit-pupil) 직경이며, l은 2개의 반사 기판(8, 12) 간의 거리이다.
αmax 보다 더 큰 각도를 가지면, 광선은 기판 표면(12)에 도달하기 전에 기판 표면으로부터 반사된다. 그러므로, 반사 표면(12)은 요구된 방향으로 조사될 것이며, 허상이 나타나게 된다.
따라서, 이러한 구성으로 달성할 수 있는 최대 FOV는 다음의 수학식 2와 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00002
여기서, υ는 기판의 굴절율이다. 통상적으로, 굴절율값은 1.5 내지 1.6의 범위를 갖는다.
통상, 눈의 동공의 지름은 2 내지 6㎜이다. 디스플레이의 변동 또는 불일치를 수용하기 위해서는 더 큰 출사동 직경이 요구된다. 최소의 바람직한 값을 대략 8 내지 10㎜라 하면, 육안의 광축과 머리의 측면 간의 거리 l은 통상적으로 40∼80㎜이다. 결과적으로, 8°의 작은 시계(FOV)에 대해서도, 요구된 기판 두께는 12㎜ 정도가 될 것이다.
상기한 문제점을 해소하기 위한 방법들이 제시되어 왔으며, 이러한 방법은 기판 내부의 확대 망원경과 비평형 유도 방향을 이용하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 해법으로도, 그리고 오직 하나의 반사 표면이 고려된다 하더라도, 시스템 두께는 여전히 유사한 값으로 제한된다. 시계(FOV)는 기판 평면 상의 반사 표면(12)의 돌출부의 직경에 의해 제한된다. 이러한 한계로 인해 달성 가능한 최대 시계(FOV)는 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
Figure 112006017089869-PCT00003
여기서, αsur은 반사 평면의 법선과 반사 표면 간의 각도이고, Reye는 관찰자의 육안과 기판 간의 거리(통상적으로, 약 30∼40㎜)이다.
실질적으로, tanαsur는 1보다 훨씬 클 수 없으며, 그러므로 8°의 FOV에 대해 전술한 동일한 파라미터에 대해서는, 요구된 기판 두께가 7㎜ 정도이고, 이것은 이전의 한계치에 비해 향상된 값이다. 그럼에도 불구하고, 요구된 FOV가 증가될 때, 기판 두께는 급격하게 증가한다. 예컨대, FOV가 15°및 30°로 요구되는 경우, 기판 한계 두께는 각각 18㎜ 또는 25㎜이다.
전술한 한계치를 경감시키기 위해, 본 발명은 LOE 내에 제조된 선택 반사 표면 어레이를 이용한다. 도 2는 본 발명에 따른 LOE의 단면도를 예시하는 도면이다. 제1 반사 표면(16)은 광학 장치의 후면에 위치된 디스플레이 광원(도시하지 않음)에서 방사되는 조준된 입력 평면파(18)에 의해 조사되며, 여기서 평면파(18)는 소정 FOV 내에 위치되어 LOE 내로 유도될 광파의 세트 중의 하나이다. 반사 표면(16)은 광이 내부 전반사에 의해 평면형 기판(20) 내부에서 트래핑되도록 광원으로부터의 입사광을 반사한다. 기판 표면 외부로의 반사 후, 트래핑된 파는 선택 반사 표면(22)의 어레이에 도달하고, 선택 반사 표면은 기판 외부의 광파(23)를 관찰자의 EMB(24)으로 유도한다. 허상을 방지하기 위해, 출력 광파(23)는 평면파가 되어야 하며, 그렇지 않은 경우에는, 디스플레이 소스에서 단일 지점을 나타내는 상이한 광선이 상이한 입사각으로 관찰자의 EMB(24)에 도달할 것이며, 1차 화상과 간섭하는 허상이 관찰자에 의해 관찰될 것이다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 출력 광파(23) 및 그에 따라 입력 광파(18)가 평면파가 되어야 한다. 즉, 동일한 광파 상에 위치된 2개의 상이한 광선 간의 각도 편차가 광학 장치의 각도 분해능 αres 미만이 되어야 한다. 통상적으로, 대부분의 시각 시스템에 대해 αres 는 ∼1 내지 2 밀리라디언이지만, 다른 장치에서는 다른 각도 분해능을 산출할 수도 있다. 광원의 중심파가 기판 표면(26)의 법선 방향으로 기판(20) 외부로 유도되고, 기판(20) 내부에서의 유도된 파의 오프축 각도가 αin 이라고 가정하면, 반사 표면과 기판 평면 간의 각도 αsur2 는 수학식 4와 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00004
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 트래핑된 광선은 2개의 상이한 방향(28, 30)으로부터 반사 표면에 도달한다. 이러한 특정의 실시예에서, 트래핑된 광선은 기판 표면(26)으로부터의 우수 횟수의 반사 후에 이들 방향 중의 한 방향(28)으로부터 반사 표면에 도달하며, 여기서 트래핑된 광선과 반사 표면의 법선 간의 입사각 βref은 다음의 수학식 5와 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00005
트래핑된 광선은 기판 표면(26)으로부터의 기수 횟수의 반사 후에 제2 방향(30)으로부터 반사 표면에 도달하며, 여기서 오프축 각도 α'in = 180°- αin이고, 트래핑된 광선과 반사 표면의 법선 간의 입사각은 다음과 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00006
원하지 않는 반사와 허상을 방지하기 위해, 이들 2개의 방향 중의 한 방향에 대한 반사가 무시될 수 있어야 한다. 하나의 각도가 다른 하나의 각도보다 현저히 작다면, 2개의 입사 방향 간의 바람직한 구분이 달성될 수 있다. 큰 입사각에서 매우 낮은 반사율을 갖고 작은 입사각에 대해서는 높은 반사율을 갖는 코팅을 제공하는 것도 가능하다. 이 성질은 2개의 방향 중의 한 방향에서의 반사율을 제거함으로써 원하지 않는 반사 및 허상을 방지하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 수학식 5 및 수학식 6으로부터 βref∼25°를 선택하면, 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112006017089869-PCT00007
이제 β'ref에서는 반사되지 않고 βref에서는 반사되는 반사 표면이 결정되었다면, 요구된 조건이 달성된다. 도 3a 및 도 3b는 선택 반사 표면의 요구된 반사 동작을 예시하고 있다. βref∼25°의 오프축 각도를 갖는 광선(32)(도 3a)이 부분 반사되어 기판(34)의 외부로 유도되는 한편, β'ref∼75°의 오프축 각도에서 반사 표면에 도달하는 광선(36)(도 3b)(β'ref∼105°와 동일한)은 어떠한 주목할만한 반사 없이 반사 표면(34)에 투과된다.
도 4 및 도 5는 4개의 상이한 입사각, 즉 20°, 25°, 30° 및 75°에 대하여 각각 P-편광 및 S-편광으로 상기한 반사 특성을 달성하기 위해 설계된 다이크로익 코팅의 반사율 곡선을 나타내는 그래프이다. 높은 각도의 광선의 반사율은 전 체 관련 스펙트럼에 걸쳐 무시 가능한 한편, 20°, 25° 및 30°의 오프축에서의 광선은 동일한 스펙트럼에 걸쳐 P-편광에 대해서는 각각 26％, 29％ 및 32％와 S-편광에 대해서는 각각 32％, 28％ 및 25％의 거의 일정한 반사율을 얻는다. 명백히, 반사율은 P-편광 광에 대해서는 입사 광선의 경사와 함께 감소하고 S-편광 광에 대해서는 입사 광선의 경사와 함께 증가한다.
도 6은 λ=550㎜의 파장에서의 양측 편광에 대한 입사각을 함수로 하는 동일한 다이크로익 코팅의 반사율 곡선을 예시하고 있다. 이 그래프에서는 반사율이 매우 낮으며 15°와 45°사이에서는 반사율이 입사각의 감소에 따라 단조롭게 변화하는(P-편광 광에 대해서는 증가하고, S-편광 광에 대해서는 감소함) 2개의 중요한 영역이 존재한다. 그러므로, 소정의 시계(FOV)에 대하여, 매우 낮은 반사가 요구되는 β'ref의 전체 각도가 제1 영역의 내부에 위치되도록 하는 한편, 더 높은 반사가 요구되는 βref의 전체 반사 각도가 제2 영역의 내부에 위치되도록 할 수 있는 한, 관찰자의 육안으로의 단일 기판 모드의 반사와 무허상(ghost-free image) 반사를 보장할 수 있다.
2개의 편광의 동작 간에 약간의 상이점이 있으며, 그 주된 상이점은 반사율이 매우 낮은 높은 각도의 영역이 S-편광에 대해서는 훨씬 더 협소하다는 점과, P편광 광에 대해서보다 S-편광 광에 대해서 전체 스펙트럼 대역폭에 걸쳐 소정 각도에 대해 일정한 반사율을 달성하는 것이 훨씬 더 어렵다는 점이다. 따라서, P-편광 광에 대해서만 LOE를 설계하는 것이 바람직하다. 이것은 LCD 등의 편광 디스플 레이 소스를 사용하는 시스템 또는 출력 밝기가 그리 중요하지 않고 S-편광 광이 필터링되어 제거될 수 있는 시스템에 대해서는 만족스러운 결과로 나타나게 될 것이다. 그러나, CRT 또는 OLED와 같은 비편광 디스플레이 소스에 대해, 또는 밝기가 중요한 요소인 시스템에 대해, S-편광 광은 무시될 수 없어서 설계 과정 동안에 고려되어야만 한다. 또 다른 상이점은 더 높은 반사가 요구되는 βref의 각도 스펙트럼에서의 S-편광 광의 단조로운 동작이 P-편광 광의 동작과 반대라는 점, 즉 S-편광 광에 대한 반사율이 입사 광선의 경사와 함께 증가한다는 점이다. βref의 각도 스펙트럼에서의 2개의 편광의 서로 상반된 동작은 각각의 시스템의 특정 요건에 따라 전체 광의 요구된 반사율을 달성하기 위한 시스템의 광학 설계 동안에 활용될 수 있다.
유도된 파가 반사 표면의 전체 영역을 조사하는 것으로 가정하면, 표면(16)으로부터의 반사 후, 이 유도된 파는 기판 표면 상의 2S1=2Ttan(α)의 영역을 조사한다. 한편, 기판 평면 상의 반사 표면(22)의 투사율은 S2=Ttan(αsur2)이다. 반사 표면들 간의 중첩 또는 갭을 방지하기 위해, 각각의 표면의 투사는 그 이웃 표면에 인접하여 이루어진다. 그러므로, 각각의 유도된 광선이 1 사이클(기판의 동일한 표면으로부터의 2개의 반사 사이) 동안 통과하는 반사 표면(22)의 수 N은 다음의 수학식 8과 같이 구해진다:
Figure 112006017089869-PCT00008
이 예에서, αsur2=25° 및 αsur1=25°이고, N=2가 된다. 즉, 각각의 광선은 1 사이클 동안 2개의 상이한 표면을 통과한다.
도 7과 관련하여 전술된 실시예는 입력 파를 기판에 유도하기 위한 방법의 예이다. 그러나, 입력 파는 폴딩 프리즘(folding prism), 광섬유 묶음, 회절 격자 및 기타 솔루션을 포함한 다른 광학 수단에 의해 기판 내로 유도될 수도 있으며, 광학 수단의 예는 기재된 것으로만 제한되지는 않는다.
또한, 도 2에 예시된 예에서, 입력 파 및 이미지 파는 기판의 동일 측면 상에 위치된다. 입력 파와 이미지 파가 기판의 반대 측면 상에 위치될 수 있는 다른 구성 또한 가능하며, 또한 어떤 응용에서는 입력 파를 기판의 주변 측면 중의 하나를 통해 기판 내로 유도하도록 하는 것도 가능하다.
도 7은 기판 내부에 트래핑된 광을 외부로 벗어나게 하여 관찰자의 눈으로 유도하는 선택 반사 표면의 어레이에 대한 상세 단면도를 도시하고 있다. 도시를 통해 알 수 있는 바와 같이, 각각의 사이클에서, 유도된 광선은 α'in=130°의 각도에서 반사 표면(43)을 통과하며, 이에 의해 광선과 반사 표면의 법선 간의 각도는 대략 75°가 된다. 이들 기판으로부터의 반사는 무시할 수 있다. 또한, 광선은 각각의 사이클에서 αin=50°의 각도로 반사 표면(44)을 2회 통과하며, 여기서 입사 각은 25°이다. 광선의 에너지의 일부는 기판의 외부로 유도된다. 2개의 선택 반사 표면(22)의 한 어레이가 광을 관찰자의 육안 상에 유도하도록 사용되는 것으로 가정하면, 최대 시계(FOV)는 다음의 수학식 9와 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00009
그러므로, 상기한 예의 동일한 파라미터에 대해서는 8°의 시계(FOV)에 대한 한계 기판 두께가 2.8㎜ 정도이고, 15°및 30°의 FOV에 대해서는 한계 기판 두께가 각각 3.7㎜과 5.6㎜이다. 이러한 기판 두께는 전술한 종래의 해결방안의 한계 두께보다 더 바람직한 값이다. 더욱이, 2개 이상의 선택 반사 표면이 사용될 수 있다. 예컨대, 3개의 선택 반사 표면(22)에 대해서는 15°와 30°의 시계(FOV)에 대한 한계 기판 두께가 대략적으로 각각 2.4㎜와 3.9㎜이다. 유사하게, 다른 장점 중에서도 한계 광학 두께를 감소시키기 위해 추가의 반사 표면이 제공될 수도 있다.
상대적으로 작은 FOV가 요구되는 구성에 대해서는 단일의 부분 반사 표면으로도 충분할 수 있다. 예컨대, 다음의 파라미터, 즉 Reye=25㎜, αsur=72° 및 T=5㎜를 갖는 시스템에 대해, 단일의 반사 표면(22)으로도 17°의 중간 FOV가 달성될 수 있다. 광선의 일부분은 외부로 벗어나 요구된 방향으로 유도되기 전에 표면(22)을 수회 관통할 것이다. BK7 재료 또는 유사 재료에 대한 내부 전반사를 달성하기 위 한 기판 내부에서의 최소 전파 각도가 αin(min)=42°이므로, FOV의 중심각의 전파 방향은 αin ( cen )=48°이다. 결과적으로, 투사된 이미지는 기판에 수직이지 않고 그 보다 12°오프축으로 경사진다. 그럼에도 불구하고, 이러한 점은 다수의 응용기기에 대해 받아들여질 수 있다.
본 실시예의 해결방안이 항상 만족스러운 것은 아니다. 다수의 다른 응용기기에 대해, 투사된 이미지가 기판 표면에 수직이어야만 한다는 제약이 있으며, 내부 전반사 조건과 연관되는 또 다른 문제점으로는 기판 내부에 트래핑될 수 있는 이미지의 최대 시계(FOV)가 있다. 또한, 본 실시예의 해결방안은 82°를 초과하는 오프축 각도에 대해서는 매우 낮은 반사율을 달성하는 것이 극히 곤란하다. 기판 내부에서의 요구된 시계(FOV)가 αFOV인 것으로 가정하면, 중앙파와 반사 표면의 법선 간의 최대 입사각은 다음의 수학식 10과 같이 계산된다:
Figure 112006017089869-PCT00010
기판 내부에서 αFOV∼20°에 대응하는 30°의 외부 FOV를 가정하면, β'ref=72°가 된다. 이 값을 수학식 6에 대입하면, αin=48°가 되고, 그러므로 트래핑된 파의 최소 요구 각도는 다음과 같이 된다:
Figure 112006017089869-PCT00011
명확히, 이 각도에서는 광이 BK7 또는 다른 유사 재료 내부에 트래핑될 수 없다. 1.8을 초과하는 더 높은 굴절율을 갖는 플린트 광학 재료(flint optical material)가 존재하는 것은 사실이지만, 이들 재료의 투명도는 통상 기판-모드 광학 소자에 충분한 정도로 높지 않다. 또 다른 가능한 해결방안으로는 기판 표면을 정규의 반사방지 코팅이 아닌 각도-민감성 반사 코팅으로 코팅하는 방안이 있으며, 이 각도 민감성 반사 코팅은 임계 각도보다 더 낮은 각도에 대해서도 기판 내부에서 전체 FOV를 트래핑한다. 기판 표면 중의 하나가 불투명이고 그에 따라 종래의 반사 표면으로 코팅될 수 있는 비투시 어플리케이션(non see-through application)에 대해서도, 그 다음에 관찰자의 눈이 위치되는 다른 표면은 적어도 요구된 외부 FOV의 각도에 대하여 투명하여야 한다는 점에 유의하기 바란다. 따라서, 요구된 반나 코팅은 임계 각도보다 더 낮은 각도의 영역에 대해서는 매우 높은 반사율을 가져야 하고 이미지의 전체 FOV에 대해서는 매우 높은 반사율을 가져야 한다.
도 8은 λ=550㎜ 파장에서의 양측 편광에 대하여 입사각을 함수로 하는 상기의 반사율 특성을 달성하기 위해 설계된 다이크로익 코팅의 반사율 곡선을 나타내는 도면이며, 여기에서 각도는 대기 중에서 측정된 것이다. 명백히, 이 그래프에는 2개의 중요한 영역, 즉 반사율이 매우 높은 30°와 90°사이(기판 내부에서의 20°내지 42°와 동일함)의 영역과 반사율이 매우 낮은 0°와 22°사이(기판 내부에서의 0°내지 15°와 동일함)의 영역이 존재한다. 매우 높은 반사가 요구되는 αin의 전체 각도 스펙트럼이 제1 영역 내부에 위치될 수 있도록 할 수 있다면, 반드시 무반사가 요구되는 외부 FOV의 전체 각도 스펙트럼이 소정 FOV에 대해 제2 영역 내부에 위치되는 동안에는, 전체 FOV가 내부 반사에 의해 기판 내부에 트래핑되고 관찰자가 전체 이미지를 볼 수 있도록 할 수 있다. LOE의 제조 공정이 일반적으로 광학 소자를 견고하게 결합시키는 단계를 포함하기 때문에, 그리고 요구된 각도-민감성 반사 코팅이 LOE 몸체가 완성된 후에야 기판 표면에 도포되기 때문에, 견고하게 결합된 지역에 손상을 줄 수도 있는 종래의 고온-코팅 처리를 이용하는 것이 불가능하다는 점에 유의하여야 한다. 이온-응용(ion-assisted) 코팅 처리로서의 신규의 박막 기술이 냉각 처리를 위해 사용될 수 있다. 일부분을 가열시킬 필요성을 제거함으로써 LOE와 같은 견고하게 결합된 부분이 안정하게 코팅될 수 있다.
일반적으로, LOE는 디스플레이 응용기기용의 다른 소형 광학장치에 비해 몇 가지의 중요한 장점을 제공하며, 이러한 장점에는 다음의 특징이 포함된다;
1) 입력 디스플레이 소스가 기판에 매우 근접하게 위치될 수 있어서, 전체적인 광학 시스템이 매우 소형이면서 경량화될 수 있으므로, 비교할 수 없을 정도의 폼팩터를 제공한다.
2) 다른 소형의 디스플레이 구성에 비해, 본 발명은 접안 렌즈에 대한 입력 디스플레이 소스의 위치에 관해 가요성을 제공한다. 이 가요성은, 확장 기판에 근접하게 소스를 위치시키는 성능과 조합될 때에는, 다른 디스플레이 시스템에 공통적인 오프축 광학 구성을 이용할 필요성을 완화시킨다. 또한, LOE의 입력 애퍼쳐가 출력 애퍼쳐의 활성 영역보다 훨씬 더 작기 때문에, 시준 렌즈(6)의 애퍼쳐 수치가 필적하는 종래의 영상 시스템에 대해 요구된 것보다 훨씬 더 작다. 결과적으로, 현저하게 더욱 편리한 광학 시스템이 구현될 수 있고, 시계 수차(field aberration) 및 색수차(chromatic aberration) 등의 오프축 광학장치 및 높은 수치의 애퍼쳐 렌즈(high numerical-aperture lens)에 관련된 다수의 어려움이 비교적 용이하고 효율적으로 보상될 수 있다.
3) 본 발명에서의 선택 반사 표면의 반사율 계수는 전체 관련 스펙트럼에 걸쳐 반드시 동일하다. 그러므로, 단색 및 다색 양자 모두, 광원이 디스플레이 소스로서 사용될 수도 있다. LOE는 무시할 수 있는 파장-의존도를 가지므로 고해상도를 갖는 고화질 컬러 디스플레이를 보장한다.
4) 입력 디스플레이로부터의 각각의 포인트가 반사 어레이의 많은 부분으로부터 관찰자의 육안으로 반사되는 평면 파로 변환되기 때문에, 눈의 정확한 위치에 대한 허용오차가 현저하게 완화될 수 있다. 이로써, 관찰자는 전체 FOV를 볼 수 있고, EMB는 다른 소형의 디스플레이 구성에서보다 현저하게 더 크게 될 수 있다.
5) 디스플레이 소스로부터의 세기의 많은 부분이 기판 내로 유도되고, 이 유도된 에너지의 많은 부분이 "재순환"되고, 외부에서 관찰자의 눈으로 유도되기 때문에, 저전력 소비를 갖는 디스플레이 소스를 가지고도 비교적 고밝기의 디스플레 이가 달성될 수 있다.
도 9는 LOE(20)가 안경테(eye-glass frame)(58)에 삽입되는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 디스플레이 소스(4), 시준 렌즈(6) 및 폴딩 렌즈(folding lens)(60)는 안경테의 아암부(62) 내부에서 LOE(20)의 가장자리에 조립된다. 디스플레이 소스가 소형 CRT, LCD 또는 OLED 등의 전자 소자인 경우에, 디스플레이 소스를 위한 구동 전자장치(64)가 아암(62)의 후면부 내부에 조립될 수도 있다. 전원 공급 및 데이터 인터페이스(66)가 리드(68) 또는 무선 전송이나 광 전송을 포함한 다른 통신 수단에 의해 아암(62)에 연결될 수 있다. 이와 달리, 배터리 및 소형의 데이터 링크 전자장치가 안경테에 통합될 수도 있다.
전술한 실시예는 투시(see-through) 및 비투시(non see-through) 시스템 양측 모두에서 작용할 수 있다. 후자의 경우, 불투명한 층이 LOE의 전면에 위치된다. 전체 LOE를 차단할 필요는 없으며, 대표적으로 디스플레이가 가시적이 되는 활성 영역만이 차단될 필요가 있다. 이로써, 광학 장치는 컴퓨터 또는 텔레비전 화면의 시청을 반복하면서 사용자의 주변 시각(peripheral vision)이 유지되도록 하여, 이러한 주변 시각은 중요한 인식 기능으로서 작용할 수 있다. 이와 달리, 관찰자가 외부 장면으로부터 나오는 광의 밝기 레벨을 제어할 수 있도록 하는 방식으로 시스템의 전면에 가변 필터가 배치될 수도 있다. 이 가변 필터는 폴딩 필터 또는 2개의 회전 편광기(polarizer) 등의 기계적으로 제어되는 장치, 전자적으로 제어되는 장치, 또는 자동화된 장치 중의 하나에 의해 제어될 수 있으며, 이에 의해 필터의 투과율은 외부 배경의 밝기에 의해 결정된다. 요구된 가변 투과율 필터 를 달성하기 위한 한 가지 방법은 광학 투과율의 전기적 제어를 제공하기 위해 전기변색 재료(electrochromic material)를 사용하는 것이며, 여기에서 전기적으로 제어 가능한 광학 성질을 갖는 재료는 적층 구조로 통합된다.
본 실시예에서 LOE가 이용될 수 있도록 하는 방식에 대한 일부 실시예가 있으며, 가장 간략한 옵션은 하나의 눈에 대하여 하나의 소자를 사용하는 것이다. 또 다른 옵션은 각각의 눈에 대해 하나의 소자와 디스플레이 소스를 사용하는 것이지만, 이것은 동일한 이미지를 갖는다. 이와 달리, 2개의 눈 사이에 약간의 중첩을 가지면서 동일한 이미지의 2개의 상이한 부분을 투사하여 더 넓은 FOV를 가능하게 할 수도 있다. 또한, 입체 이미지를 형성하기 위해 각각의 눈에 하나씩 2개의 상이한 장면을 투사하는 것도 가능하다. 이러한 다른 방안을 이용하면, 3차원 입체 영화, 진보된 가상 현실, 트레이닝 시스템 등을 포함하는 유용한 구현예가 가능하게 된다.
도 9의 실시예는 본 발명의 간략한 구현예를 예시하는 도면이다. 본 시스템의 핵심을 이루고 있는 기판 유도형 광학 소자(substrate-guided optical element)는 매우 소형이고 경량이기 때문에 매우 다양한 구성장치에 설치될 수 있다. 그러므로, 바이저(visor), 폴딩 디스플레이, 단안경(monocle) 등을 포함한 다수의 다른 실시예 또한 가능하게 된다. 본 실시예는 디스플레이가 눈에 근접 위치되거나 머리에 장착되거나 머리에 착용되거나 또는 머리에 의해 지지되어야 하는 응용기기를 위해 설계된 것이다.
전술한 실시예는 단안용의(mono-ocular) 광학 시스템, 즉 이미지가 단일의 눈에 투사되는 광학 시스템이다. 그러나, 양쪽의 눈에 이미지가 투사되도록 요구되는 헤드-업 디스플레이(HUD) 등의 응용기기도 있다. 최근까지, HUD 시스템은 주로 진보된 전투 및 민간 항공기에 사용되고 있다. 운전 네비게이션을 지원하고 낮은 가시 조건 동안에 운전자에게 열적 이미지를 투사하기 위해 자동차 운전자의 전면에 HUD를 설치하기 위한 다수의 제안 및 설계가 최근에 이루어지고 있다. 현재의 항공우주 HUD 시스템은 단일 유닛의 가격이 수십만 달러 정도에 이를 정도로 매우 고가이다. 또한, 기존의 시스템은 크기가 매우 크고 중량이 무거우며 부피가 커서, 자동차는 물론이고 소형의 항공기에 설치하기가 매우 곤란하다. 또한, LOE 기반 HUD는 한정된 공간에 용이하게 설치될 수 있는 매우 소형의 자체 내장된 HUD에 대한 가능성을 제공할 수도 있다. 또한, HUD에 관련된 광학 시스템의 구축 및 제조를 간략화하며, 그에 따라 항공우주 HUD를 향상시킬 뿐만 아니라 자동차 산업을 위한 소형이면서 저렴한 고객용 장치의 제공에 적합할 것이다.
도 10은 본 발명에 기초한 HUD 시스템을 구현하는 방법을 예시하고 있다. 디스플레이 소스(4)로부터의 광은 렌즈(6)에 의해 정밀하게 시준되어 제1 반사 표면(16)에 의해 기판(20) 내로 유도된다. 제2 반사 어레이(도시하지 않음)에서의 반사 후, 광학 파가 제3 반사 표면(22) 상에 충돌하고, 이 반사 표면(22)은 광을 외부로 향하게 하여 관찰자의 눈(24)으로 유도한다. 전체적인 시스템은 수 밀리미터의 두께를 갖는 대형 우편엽서의 크기 정도로 매우 소형이면서 가벼운 무게를 갖게 될 수 있다. 수 입방 센티미터의 체적을 갖는 디스플레이 소스가 기판의 코너 중의 하나에 부착될 수 있으며, 전기 배선이 파워 및 데이터를 시스템에 전송할 수 있다. 본 발명의 HUD 시스템의 설치가 간편한 상업적인 오디오 시스템의 설치보다 더 복잡하지는 않을 것이다. 더욱이, 이미지 투사를 위한 외부 디스플레이 소스의 필요성이 없기 때문에, 안전하지 않은 장소에 부품을 설치할 필요가 없다.
도 10에 예시된 실시예는 차량용 HUD 시스템 외에도 다른 응용기기에 실시될 수 있다. 이들 실시예의 한 가지 가능한 활용 방안은 컴퓨터 또는 텔레비전용의 평판형 디스플레이이다. 이러한 디스플레이의 주요한 고유 특성은 이미지가 스크린 평면에 위치되지 않고 정밀한 거리 또는 그와 유사한 편리한 거리에 초점이 맞추어 진다는 점이다. 기존의 컴퓨터 디스플레이의 주요 단점 중의 하나는 사용자가 자신의 눈을 40 내지 60㎝ 사이의 매우 근접한 거리에 초점을 맞추도록 하여야 하는 반면에, 건강한 눈의 자연적인 초점은 정밀하다는 점이다. 많은 사람들이 컴퓨터 앞에서 장기간 동안 작업한 후에 두통으로 고생한다. 컴퓨터를 빈번하게 이용하여 작업하는 다수의 사람들은 근시가 진행되곤 한다. 또한, 근시와 원시 모두로 고생하는 일부 사람들은 컴퓨터를 이용한 작업을 위해 특수 안경을 필요로 한다. 본 발명에 기초한 평판형 디스플레이는 전술한 문제점으로 고생하고 헤드-마운트형 디스플레이를 이용하여 작업하는 것을 원하지 않는 사람들을 위한 적절한 해결책이 될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 화면의 물리적 크기에 있어서 상당한 감소를 가능하게 한다. LOE에 의해 형성된 이미지가 장치보다 더 크기 때문에, 더 적은 프레임 상에 대형 화면을 구현하는 것이 가능하게 될 것이다. 이 점은 랩탑 또는 팜탑 컴퓨터와 같은 이동용 응용기기에 특히 중요하다.
본 실시예는 개인용 디지털 보조장치(PDA)용의 화면으로서 구현될 수도 있다. 현재 사용되는 기존의 화면의 크기는 10㎝ 미만이다. 이들 디스플레이가 판독될 수 있는 최소 거리가 40㎝ 정도이므로, 획득 가능한 FOV는 15°미만이며, 그에 따라 이들 디스플레이 상의 정보 콘텐츠, 특히 문자와 관련되어 있는 콘텐츠가 제한된다. 도 10에 예시된 실시예를 이용하면 투사된 FOV에서의 중대한 향상이 이루어질 수 있다. 이미지는 정밀하게 초점이 맞추어 지며, 화면이 관찰자의 눈에 훨씬 더 근접하게 위치될 수 있다. 또한, 각각의 눈이 중앙부에서 중첩부를 갖는 전체 시계(TFOV)의 상이한 부분을 보기 때문에, TFOV에서의 또 다른 증가가 달성될 수 있다. 따라서, 40°또는 그 이상의 FOV를 갖는 디스플레이가 실현 가능하게 된다.
본 발명은 전술한 예시 실시예의 구성으로 제한되지 않으며 본 발명의 정신에서 일탈함이 없이 다른 구체적인 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로 제한적인 의미를 갖는 것은 아니며, 본 발명의 사상은 전술한 상세한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되며, 청구의 범위의 등가물의 범위 내에 있는 모든 변경은 따라서 본 발명에 포함되는 것으로 간주될 것이다.

Claims (16)

  1. 광학 장치에 있어서,
    에지와, 서로 평행한 적어도 2개의 주 표면을 갖는 광전성 기판;
    시계(field-of-view)에 위치한 광파를 내부 반사에 의해 상기 기판 내로 유도하는 광학 수단; 및
    상기 기판 내에 위치되고 상기 기판의 상기 주 표면에 평행하지 않은 적어도 하나의 부분 반사 표면
    을 포함하며,
    상기 주 표면의 적어도 하나가 각도 민감성 코팅(angular sensitive coating)으로 코팅된 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 표면은 각도 스펙트럼의 한 부분에 대해서는 무시 가능한 반사성을 갖고, 상기 각도 스펙트럼의 다른 부분에 대해서는 현저한 반사성을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주 표면은 낮은 입사각에 대해서는 낮은 반사율을 갖고, 높은 입사각에 대해서는 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각도 민감성 코팅은 상기 시계 전체가 상기 내부 반사에 의해 상기 기판 내부에 트래핑되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 부분 반사 표면은 내부 반사에 의해 트래핑된 광을 상기 기판의 밖으로 유도하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각도 민감성 코팅은 상기 시계 전체가 소정 위치에서 상기 기판을 빠져나와 관찰자의 적어도 한쪽 눈에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각도 민감성 코팅은 이온-응용 코팅(ion-assisted coating) 처리를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    디스플레이 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 디스플레이 광원은 액정 디스플레이인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 디스플레이 광원은 유기 발광 다이오드 디스플레이(OLED)인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 부분적으로 투명하여 투시 조작(see-through operation)을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 또는 상기 기판 내에 위치되어, 외부로부터 기판을 관통하는 광의 유입을 차단하는 불투명 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    외부로부터 상기 광학 장치를 관통하는 광의 밝기를 제어하기 위해, 상기 기판을 관통하는 광의 유입을 감쇄시키도록 배치된 가변 투과율 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가변 투과율 표면의 투과율은 기판을 관통하여 들어오는 광의 밝기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    안경테에 장착되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    헤드-업 디스플레이에 장착되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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