KR20070100729A - 광학적 크기변경을 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

광학적 크기변경을 위한 디바이스 및 방법 Download PDF

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Abstract

광학적 크기변경 디바이스가 개시된다. 디바이스는 제1 파셋 및 제2 파셋을 구비하는 기판을 형성하는 복수의 층들을 포함한다. 복수의 층들의 각 층은 층에 형성되고/되거나 이에 내장된 도파로들의 배열을 구비한다. 일 실시예에서, 층들은 각 층이 제2 파셋에서 광학적으로 노출된 영역을 갖도록 하는 부분적으로 중첩한 광학적 배열로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 디바이스는 2개의 광학적 크기변경 요소들을 포함하며, 각각은 디바이스를 전파하는 광이 2차원의 광학적 크기변경을 경험하게, 일 차원에서 광학적 확장 혹은 축소를 제공하게 구성된다.

Description

광학적 크기변경을 위한 디바이스 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR OPTICAL RESIZING}
본 발명은 광학에 관한 것으로, 특히 광학적 크기변경을 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
전자 디바이스들의 소형화는 항시 전자 분야에서 계속되는 목적이었다. 전자 디바이스들은 흔히 사용자에게 보여 질 수 있는 어떤 형태의 디스플레이를 갖추고 있다. 이들 디바이스들이 크기가 감소함에 따라, 이들의 디스플레이 크기도 감소된다. 그러나, 어떤 크기를 넘어 전자 디바이스의 디스플레이는 맨눈으로는 보여 질 수 없어 이의 이미지는 확대되어야 할 것이다.
전자 디바이스는 디스플레이 디바이스의 물리적 크기에 의해 결정되는 크기의 실제 이미지, 혹은 디스플레이 디바이스의 차원들을 확장할 수 있는 크기의 가상 이미지를 제공할 수 있다.
소형 크기의 이미지 디스플레이 시스템들에 의해 생성되는 이미지들의 확대는 이미지를 대형 스크린에 투사함으로써 혹은 사용자에게 확대된 가상 이미지를 제공하는 수동 광학 확대 요소를 통해 수행될 수 있다. 가상 이미지는 어떠한 광선도 이미지와 관찰자를 연결하지 않기 때문에 보이는 표면에 투사될 수 없는 이미지 로서 정의된다.
그러나, 위에 확대기술들은 최적이지 않은 것으로 여겨진다. 투사된 실제 이미지들은 투사에서 이미지의 확장이 디스플레이에 수직으로 전파(propagation)에 의해 달성되기 때문에 부피가 커지게 된다. 가상 이미지들을 생성하는 디바이스들은 제한된 시야를 가지며 대부분 부피가 크다.
또 다른 확대 기술에서 이미지는 투사되지 않고 작은 파셋(facet)에서 큰 파셋으로 확장하는 광섬유 번들을 통해 안내된다. 작은 파셋은 흔히 "물체 평면"이라고 하고 큰 파셋은 흔히 "이미지 평면"이라고 한다.
도면들을 참조하면, 도 1-2는 광섬유 기반 안내 확대기들을 제조하는 몇몇의 종래 기술을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1a는 미국특허 2,825,260에 교시된 바에 기초한 광학 이미지 전송 디바이스를 도시한 것이다. 작은 파셋에서 큰 파셋으로 확대는 번들 내 광섬유들간의 분리를 증가시킴으로써 달성된다. 도 1b는 이 방법의 수정예를 도시한 것으로 미국특허 2,992,587 및 3,853,658에 개시되어 있다. 이 기술에서, 광섬유들은 큰 파셋쪽으로 업-테이퍼되어 있다. 그러나, 이들 기술들은 광섬유들의 분리 및 업-테이퍼링에 연관된 기술적 한계 때문에 제작될 수 없다.
업-테이퍼링 문제를 극복하려는 시도가 미국특허 3,909,109에 개시되어 있는데, 추가의 층이 큰 파셋에 추가되어 있다. 층의 두께는 광섬유들의 원 필드(far field) 빔들이 겹칠 때까지 층을 통해 자유롭게 전파되게 하는 두께로 선택된다. 그러나, 이 기술은 원 필드 라인의 가우시안 형상이 추가 층의 최적 두께를 결정하 는 것을 어렵게 하기 때문에, 주요한 문제가 있다.
도 1c는 미국특허 3,043,910 및 4,208,096에 교시된 바에 기초하여 개선된 도 1a의 디바이스의 또 다른 개선을 도시한 것이다. 이 개선에서, 광섬유 분리는 1차원으로만 수행되고 이에 의해 다른(실질적으로 직교) 차원의 분리는 테라스 혹은 경사진 컷(cut)에 의해 행해진다. 이러한 구성에서, 일 방향으로 분리된 후에 광섬유들은 큰 파셋쪽으로 재-지향되고 여기서 이들은 실질적으로 직교 방향으로 분리되게 하기 위해서 테라스 혹은 경사되게 컷이 된다. 이러한 해결책의 주된 한계는 제조의 어려움이다.
도 2a-b는 미국특허 3,402,000 및 6,326,939에 교시된 바에 따라, 광섬유 광학 확대 요소를 생성하는 또 다른 기술을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 1차원 확대 요소는 원형 단면이 일측 상에 형성되고 타원 단면이 다른 측 상에 형성되게 절단된 원통형상의 광섬유들을 포함한다. 원형 단면은 원통의 길이방향 축에 수직하며, 따라서 원통과 동일한 직경을 갖는다. 타원 단면은 길이방향 축에 관하여 경사져 있고, 따라서 원통의 직경과 동일한 단축과 원통의 직경보다 큰 장축을 갖는다. 광이 원형측에서 타원측으로 광섬유들을 통해 전달되었을 때, 일차원 확대는 타원 단면의 장축 방향에서 이루어진다.
도 2b를 참조하면, 2개의 이러한 1차원 확대요소는 한 요소의 출력이 다른 요소의 입력으로서 사용되게 하는 재-지향 층을 통해 연결된다. 제2 재-지향층은 제2 확대요소로부터 광을 결합하는데 사용된다. 제1 요소와 제2 요소간의 적합한 광학적 결합을 달성하기 위해서, 제2 요소의 입력측에 광섬유들의 단면은 제1 요소 의 출력측에 광섬유들의 동일 타원 단면을 가져야 한다.
그러나, 제2 요소의 광섬유들의 타원 입력 단면은 광섬유들의 입력 단면이 이들의 길이방향 축에 수직해야 하기 때문에 경사 컷에 의해 얻어질 수 없다. 한편, 타원형상의 광섬유들을 가진 광섬유 번들은 존재하지 않는다. 그러므로, 제2 확대에서 분해능을 잃지 않기 위해서, 제2 요소에 광섬유들의 수는 제1 요소의 1차원 확대비와 동일한 배율만큼, 제1 요소의 광섬유들의 수보다 많아야 한다. 이러한 기술의 다른 결점들은 재-지향층이 필요하고 디스플레이 어스펙트비를 없앨 수 있는 안내되지 않은 광이 필요하다는 것이다.
미국특허 5,511,141 및 5,600,751는 병치되어 있고 길이방향으로 테이퍼된 광섬유 번들에 의해 형성된 판독 확대기를 개시한다. 확대기는 Taper Vision Co. Ltd., USA[E. PeIi, W.P. Siegmund "Fiber-optic reading magnifiers for the visually impaired," J Opt Soc Am A 12(10): 2274-2285, 1995]로부터 상표명 TaperMag™ 으로 구입될 수 있다. 그런, TaperMag™은 이의 두께가 파셋 직경의 크기와 비슷해야 하기 때문에 부피가 크다(2인치 스크린까지 단지 x2 확대에 약 5c의 두께).
Kawashima 등의 미국특허 No. 6,480,345는 작은 파셋에서 큰 파셋으로 확장하는 고 굴절률 영역들을 이용하는 확대기를 개시한다. Kawashima 등에 의해 수행된 시뮬레이션들에서, 30인치 확대기는 4cm 미만의 두께를 가질 수 있고 10배의 확대를 수행할 수 있음이 발견되었다. 그러나, Kawahima의 확대기의 제조공정은 다소 복잡하다. 예를 들면, Kawashima 등의 일 실시예는 증가하는 코어 치수들과 더불어 마스크들에 의해 생성된 수십 개의 적층된 박판들의 정렬을 수반한다. Kashima 등의 또 다른 실시예는 2차원 광섬유 취급을 수반한다. Kawashime 등이 보다 간단한 제조공정들을 교시하고 있으나, 이들은 2 이하의 확대비로 제한된다.
따라서, 위의 한계들이 없는, 광학적 크기변경을 위한 디바이스 및 방법에 대한 필요성이 널리 인식되고, 이를 구비하는 것이 매우 이점이 있을 것이다.
<발명의 요약>
배경기술은 광학적 크기변경을 제공하기 위해 내장된 도파로들의 사용을 교시하고 있지 않다. 본 실시예들은 하나 혹은 2개의 차원에서 광학적 크기변경을 제공하는 내장된 도파로들의 기술을 활용한다.
따라서, 본 발명의 일 면에 따라, 광학적 크기변경 디바이스가 제공된다. 디바이스는 제1 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비하는 제1 광학적 크기변경 요소; 및 제2 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비한 제2 광학적 크기변경 요소를 포함한다. 상기 제2 광학적 크기변경 요소는 상기 제1 광학적 크기변경 요소에서 출사하는 광이 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 진입하게 상기 제1 광학적 크기변경 요소에 결합되고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 차원들 둘 다에서 크기가 변경되게 상기 제1 광학적 크기변경 요소에 결합된다. 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 적어도 부분적으로 테이퍼된다.
이하 기술된 발명의 바람직한 실시예들에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 광학적 크기변경을 제공하게 길이방향으로 확장하는 구성으로 기판에 형성 및/또는 내장된다.
기술된 바람직한 실시예들에서 또 다른 특징들에 따라서, 길이방향으로 확장하는 구성은 도파로들의 층들을 포함하고, 각 층은 상기 도파로들이 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하고 그럼으로써 상기 층 내에 주변경계를 정의하게 구성되며, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위해서, 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 광학적 크기변경 요소가 제공된다. 광학적 크기변경 요소는 제1 파셋 및 상기 제1 파셋보다 큰 제2 파셋을 구비하는 기판을 형성하는 복수의 층들을 포함한다. 각 층은 상기 층에 형성되며/되거나 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하는 실질적으로 평행한 도파로들의 배열을 구비한다. 이러한 면에서, 상기 층들은 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 배열되고 이에 의해서 각 층의 제2 영역은 일 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 상기 제2 파셋에서 광학적으로 노출된다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서 광학적 크기변경 요소가 제공된다. 광학적 크기변경 요소는 적어도 한 층으로 형성된 기판을 포함하고, 각 층은, 상기 층에 형성되며/되거나 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하는 도파로들의 배열을 구비하고, 이에 의해서 각 층 내에 주변경계를 정의한다. 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 일 차원에서 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위해서, 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작다.
아래 기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 서로 대향하는 양측에 위치한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 이웃한 양측에 위치한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 동일 측에 위치한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 제1 영역 및 제2 영역은 실질적으로 평행하다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 실질적으로 직교한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 실질적으로 공선이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소들 중 적어도 하나는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위한 경사진 층을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소들 중 적어도 하나는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위한 테라스를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소의 적어도 하나는 상기 광이 제1 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에 진입하고 상기 동일 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에서 출사하게 설계 및 구성된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소의 적어도 하나는 상기 광이 제1 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에 진입하고 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에서 출사하게 설계 및 구성된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 제2 파셋은 제1 파셋에 실질적으로 평행하다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제2 파셋은 상기 제1 파셋에 실질적으로 직교한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제2 파셋은 상기 제1 파셋에 관하여 경사진다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제2 파셋 및 상기 제1 파셋은 실질적으로 공면이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 한 광학적 크기변경 요소는 복수의 소스들로부터 광을 수신하고 상기 광을 또 다른 광학적 크기변경 요소에 전달하게 구성 및 설계된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 디바이스는 또한, 적어도 한 추가의 광 소스로부터 광을 수신하고 상기 광을 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 전달하게 구성 및 설계된 적어도 하나의 추가의 광학적 크기변경 요소를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 적어도 한 추가의 광 소스는 단색 광 소스를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소는 광을 복수의 방향들로 방출하게 설계 및 구성된다. 광은 서로 다른 소스들로부터 발원될 수 있고, 이 경우 각 방향은 다른 소스에 기인한다. 광은 또한 단일 소스 혹은 또 다른 광학적 크기변경 요소로부터 발원될 수 있고, 이 경우 동일 광은 복수의 방향들로 방출된다. 예를 들면, 단일 이미지는 디바이스의 2개의 서로 다른 파셋들 상에 형성될 수 있다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 디바이스는 상기 적어도 2개의 서로 다른 방향들 중 하나에 위치하고 상기 제1 광학적 크기변경 요소로부터 광을 수신하게 구성된 적어도 하나의 추가의 광학적 크기변경 요소를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 요소들 중 적어도 하나는 복수의 부분적인 광학적 크기변경 요소들을 포함하고 이에 의해서 각각의 부분적인 광학적 크기변경 요소는 각각의 차원에서 부분적인 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소는 제2 파셋에 부착된 혹은 이에 에칭된 확산층을 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소는 확장 구조를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장 구조는 홀로그래픽 광학적 요소를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장 구조는 고 굴절률 영역들 및 저 굴절률 영역들로 번갈아 패터닝된 층들의 적층을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장 구조는 홈들로 패터닝된 층들의 적층을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장구조는 테이퍼된 도파로들의 층들의 적층을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장구조는 미러들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들은 완전 내부 반사 미러들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들은 고 반사 코팅으로 코팅된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 확장구조는 브래그 반사기들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 하나의 광학적 크기변경 디바이스는 광을 편광하게 설계 및 구성된다.
본 발명의 추가의 면에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스가 제공된다. 디바이스는 제1 파셋 및 제2 파셋을 구비하는 기판을 형성하며, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 구성된 복수의 층들을 포함한다. 각 층은 상기 층에 형성된 및/또는 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하며 그럼으로써 상기 층 내에 주변경계를 정의하는 도파로들의 배열을 구비한다. 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작으며, 상기 제2 영역은 상기 제2 파셋에서 광학적으로 노출된다.
아래 기술된 발명의 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 파셋은 상기 복수의 층들의 중첩하는 영역들의 단부들에 의해 정의된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 각 층은 상기 제1 파셋에서 부분적으로 노출된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 개의 층들은 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 반사광에 대한 미러들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들의 적어도 일부는 완전 내부 반사 미러들이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들의 적어도 일부는 에칭된 미러들이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들 중 적어도 일부는 고 반사 코팅에 의해 코팅된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들의 적어도 일부는 평탄한 파셋을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 미러들 중 적어도 일부는 비-평탄한 파셋을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 개의 층들은 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위한 브래그 반사기들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 개의 층들은 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위한 홀로그래픽 광학적 요소들을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 디바이스는 디바이스에 의해 크기변경되는 광의 밝기를 실질적으로 유지하기 위해서 충분히 작게 선택된 시야인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추가의 면에 따라서, 광학적 크기변경 요소를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 확장 배열로 복수의 도파로들을 형성하고 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 복수 회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및 (c) 상기 복수의 층들의 단부들에 의해 정의되는 제1 파셋 및 상기 복수의 층들 중 한 층의 노출된 표면에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해 상기 복수의 층들 적층하고; 그럼으로써 상기 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 (d) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 실질적으로 평행한 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계; (e) 상기 단계(d)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; (f) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고; 그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계; 및 (g) 상기 광학적 크기변경 요소로부터 상기 제2 광학적 크기변경 요소로 광이 전파할 수 있게 상기 광학적 크기변경 요소를 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 광학적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 광은 상기 광학적 크기변경 요소 내에서 제1 차원에서 그리고 상기 제2 광학적 크기변경 요소 내에서 제2 차원에서 크기변경된다.
본 발명의 추가의 면에 따라서, 복수의 광학적 크기변경 요소들을 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; (c) 적층을 제공하기 위해서 상기 복수의 층들을 적층하는 단계; 및 (d) 복수의 광학적 크기변경 요소들을 제공하기 위해서 상기 적층에 적어도 한 절단을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 광학적 크기변경 요소를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 병렬 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및 (c) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고; 그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, (d) 제2 광학적 크기변경 요소를 형성하기 위해 상기 단계들 (b)-(c)를 반복하는 단계; 및 (e) 상기 광학적 크기변경 요소로부터 상기 제2 광학적 크기변경 요소로 광이 전파할 수 있게 상기 광학적 크기변경 요소를 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 광학적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 광은 상기 광학적 크기변경 요소 내에서 제1 차원에서 그리고 상기 제2 광학적 크기변경 요소 내에서 제2 차원에서 크기변경된다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스를 제공하는 방법이 제공된다. 방법은 (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 도파로들을 형성하고 그럼으로써 상기 기판 내에 주변경계를 정의하는 단계로서, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작은, 단계; (b) 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및 (c) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고, 그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 상기 기판으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위해 미러들을 배치하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 제1 파셋 및 상기 제2 파셋 중 적어도 하나를 형성하기 위해서, 상기 복수의 층들을 적층하는 상기 단계에 이어, 상기 복수의 층들을 절단하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 절단하는 단계는 적어도 한 파셋은 경사지게 되도록 수행된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 상기 복수의 층들을 적층시키는 상기 단계에 앞서, 각 층에 대해, 복수의 도파로들의 단부들을 노출시키는 층 단부를 형성하기 위해서 상기 복수의 층들을 절단하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 상기 복수의 층들을 적층하는 상기 단계에 앞서, 상기 층들의 적어도 부분 상에 편광자를 피착하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 적어도 한 파셋을 커플러에 결합하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 커플러는 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 상기 파셋 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하기 위해서 적어도 한 파셋 중 적어도 하나를 에칭하는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 테이퍼 혹은 부분적으로 테이퍼된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 테이퍼링은 매끄러운 프로파일인 것을 특징으로 한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 테이퍼링은 실질적으로 계단형상 프로파일인 것을 특징으로 한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 복수의 층들은 상기 제2 파셋에서 부분적으로 노출된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 평면형 광 회로를 형성한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 광섬유 어레이를 형성한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 단일모드 도파로들이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 복수모드 도파로들이다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 상기 도파로들의 코어들 간에 도입된 광 흡수체들을 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 코어 및 클래딩을 포함하고 상기 코어는 상기 클래딩보다 큰 굴절률을 갖는다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 적어도 몇 도파로들은 광 밴드갭 물질을 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 상기 광을 상기 광학적 크기변경 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소에 결합하기 위한 마이크로렌즈 어레이를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 상기 광을 상기 광학적 크기변경 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소에 결합하기 위한 적어도 하나의 광섬유 번들을 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 가요성이 있다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 접을 수 있다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소는 디스플레이 시스템 내 성분으로서 작용한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 광학적 크기변경 디바이스 혹은 요소는 오토스테레오스코픽 디스플레이 시스템 내 성분으로서 작용한다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 광의 스폿의 크기를 변경하는 방법에 있어서, 전술한 면들 혹은 특징들 중 어느 하나의 상기 광학적 크기변경 디바이스를 통해 광을 전달하는 단계를 도파하는 방법이 제공된다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 방법은 광의 스폿에 걸쳐 밝기 기울기를 제공하여 비-균질 광학적 손실들을 보상하기 위해 상기 광의 스폿을 왜곡시키는 단계를 더 포함한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 상기 방법에서 상기 광은 이미지를 구성한다.
기술된 바람직한 실시예에서 또 다른 특징들에 따라서, 이미지에 걸쳐 밝기 기울기를 제공하여 비-균질 광학적 손실들을 보상하기 위해 상기 이미지를 왜곡시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 종래 기술을 훨씬 넘는 특징들을 향유하는 광학적 크기변경 요소, 광학적 크기변경 디바이스 및 방법을 제공함으로써 현 공지된 구성들의 단점들을 성공적으로 해결한다.
다른 것이 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 이 발명에 관계된 당업자에 의해 공통적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 여기에 기술된 것들과 유사 혹은 동등한 방법들 및 물질들이 실제적으로 혹은 본 발명의 테스트에서 사용될 수 있을 지라도, 적합한 방법들 및 물질들이 이하 기술된다. 상충되는 경우, 정의들을 포함하여 특허 명세서에서 밝힐 것이다. 또한, 물질들, 방법들 및 예들은 단지 예시적인 것이며 제한하려는 것은 아니다.
발명은 첨부한 도면들을 참조로 예로서만 여기 기술된다. 도면들을 상세히 구체적인 참조에 관련하여, 도시된 상세는 예로서 그리고 본 발명의 바람직한 실시예들의 예시적 논의의 목적을 위한 것이고 발명의 원리 및 개념적 면들의 가장 유용하고 쉽게 이해되는 설명일 것으로 생각되는 것을 제공하는 이유로 제공된 것이라는 것을 강조한다. 이에 관하여, 발명의 기본적 이해에 필요한 것보다 더 상세히 발명의 구조적 상세를 나타내려는 어떠한 시도도 하지 않았으며, 도면과 함께 취해진 설명은 발명의 몇몇의 형태들이 실제로 어떻게 실현될 수 있는가가 당업자들에게 명백하게 한다.
도 1a-2b는 광섬유 기반으로 안내되는 확대기들을 제조하기 위한 종래 기술을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a-c는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 도파로들의 길이방향 확장 배열(도 3a), 부분적으로 테이퍼된 도파로(도 3b), 및 부분적으로 테이퍼된 도파로들의 길이방향으로 확장한 배열(도 3c)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3d는 2이상 층을 가진 도 3c의 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a-i는 발명의 여러 실시예들에서, 광학적 크기변경 요소를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 발명의 여러 실시예들에서, 2개의 광학적 크기변경 요소들을 구비하는 광학적 크기변경 디바이스를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a는 발명의 여러 실시예들에서, 수신하는 광학적 크기변경 요소의 작은 파셋을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6b는 발명의 여러 실시예들에서, 도 6a의 요소의 도파로들의 3차원 예시도이다.
도 7a는 각각의 광학적 크기변경 요소의 입사 및 출사 파셋들이 실질적으로 서로 직교하는 실시예에서 디바이스의 3차원 개략적 예시도이다.
도 7b는 두 쌍의 광학적 크기변경 요소들이 채용되는 바람직한 실시예에서, 도 7a의 디바이스의 3차원 개략적 예시도이다.
도 8은 하나의 광학적 크기변경 요소의 파셋들이 실질적으로 평행하고 다른 광학적 크기변경 요소의 파셋들이 실질적으로 직교하는 바람직한 실시예에서 디바이스의 개략적 예시도이다.
도 9는 광학적 크기변경 요소들의 파셋들이 실질적으로 공면인 바람직한 실시예에서 디바이스의 개략적 예시이다.
도 10a-b는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 도파로들의 배열을 제조하기 위한 포토마스크 레이아웃의 개략적 예시도들이다.
도 11a-b는 수직 및 수평으로 테이퍼된 도파로들을 제조하기 위한 공정의 개략적 예시도들이다.
도 12a-f는 복수의 광 소스들이 채용되는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 디바이스의 개략적 예시도들이다.
도 13a-c는 디바이스로부터 2이상 광학적 출력이 있는 바람직한 실시예에서 디바이스의 개략적 예시도들이다.
도 14a-b 디바이스가 하나 이상의 추가의 광학적 요소들을 포함하는 바람직한 실시예들에서 디바이스의 개략적 예시도들이다.
도 15는 층이 편광자를 포함하는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 요소의 층의 개략적 예시도이다.
도 16a-b는 광 소스가 이미지 소스인 바람직한 실시예에서, 디바이스와 광 소스간 결합의 개략적 예시도들이다.
도 17은 렌즈를 사용하여 입력 이미지가 디바이스 상에 집점되는 바람직한 실시예의 개략적 예시도이다.
도 18a-b는 하나 이상의 광섬유 번들들이 채용되는 바람직한 실시예에서 디바이스와 광 소스간의 결합의 개략적 예시도들이다.
도 19는 도파로들이 층의 단부에 관하여 경사진 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 요소의 한 층의 개략적 예시도이다.
도 20-22f는 부분적으로 중첩하는 광학적 배열의 원리에 따라 디바이스가 제조되는 바람직한 실시예들에서 광학적 크기변경 디바이스의 개략적 예시도이다.
도 23a-b는 파셋이 2차원의 계단형상을 갖는 바람직한 실시예에서 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 파셋의 부분의 측면도(도 23a) 및 평면도(도 23b)의 개략적 예시도이다. 도 23c-d는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 미러 형상들의 개략적 예시도들이다.
도 24a-e는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 2차원의 계단 혹은 경사진 프로파일을 갖는 광학적 크기변경 요소의 측면도의 개략적 예시도들이다.
도 25는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 접을 수 있는 광학적 크기변경 디바이스의 개략적 예시도이다.
도 26a-b는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 전달 요소들의 배열을 통해 디바이스로부터 광이 결합되는 구성의 개략적 예시도이다.
도 27a-b는 발명의 여러 실시예들에서, 경사진 광학적 크기변경 요소를 제조하기 이한 공정의 개략적 예시도들이다.
도 27c-h는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 확장 구조의 개략적 예시도들이다.
도 28a-c는 층들이 저 무게 층들인 바람직한 실시예에서 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 층들의 평면도(도 28a-b) 및 측면도(도 28c)의 개략적 예시도들이다.
도 29a-e는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스를 제조하기 위한 바람직한 절첩 기술의 개략적 예시도들이다. 도 30a-b는 발명의 여러 실시예들에서, 복수의 광학적 크기변경 요소들을 제조하기 위한 동시 적 공정의 개략적 예시도들이다.
도 31은 복수의 소스들로부터 디바이스가 광을 수신하는 바람직한 실시예에서 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 개략적 예시도이다.
도 32a-b는 디바이스가 복수의 단색 광 소스들 형태로 광학적 입력을 수신하는 바람직한 실시예에서 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 평면도(도 32a) 및 단면도(도 32b)의 개략적 예시도들이다.
도 33a-c는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 층들로부터 광을 결합하기 위한 기술의 개략적 예시도이다.
도 34a-35c는 디바이스가 오토스테레오스코픽 이미지를 제공하는데 사용되는 바람직한 실시예에서 도 20-22의 디바이스와 유사한 디바이스의 개략적 예시도들이다.
도 36은 도 34a-35c의 디바이스와 유사한 디바이스의 시야에서 서로 다른 광학적 영역들의 개략적 예시도이다.
도 37a-b는 복수의 오토스테레오스코픽 이미지들이 제공되는 바람직한 실시예에서 한 층(도 37a) 및 결과적인 시야(도 37b)의 개략적 예시도들이다.
도 38은 차(differential) 도파로 손실들을 보상하기 위해서 입력 이미지가 비균일 밝기를 갖는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 디바이스의 개략적 예시도이다.
도 39a는 층이 광 흡수체들을 포함하는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 요소의 층의 개략적 예시도이다.
도 39b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 가변 단면들을 가진 도파로들의 개략적 예시도이다.
도 40은 발명의 여러 실시예들에서, 출력광의 밝기를 개선하기 위한 절차의 개략적 예시도이다.
도 41은 발명의 여러 실시예들에서, 디바이스의 시야를 수정하기 위한 절차의 개략적 예시도이다.
본 실시예들은 광학적 크기변경에 사용될 수 있는 방법, 광학요소 및 디바이스를 포함한다. 구체적으로, 다음의 것만은 아니지만, 본 발명은 디스플레이 시스템들 등과 같은 각종 애플리케이션들에서 광학적 크기변경을 제공하는데 사용될 수 있다.
여기에서 사용되는 "광학적 크기변경"이라는 용어는 예를 들면 평면형 광 스폿일 수 있는 광학 파면(optical wavefront)의 확장 혹은 축소를 지칭한다. 즉, 광학적 크기변경은 광학 파면에 의해 점유되는 영역의 변화(확장 혹은 축소)를 말한다. 예를 들면, 광이 이미지를 구성할 때, 광학적 크기변경은 이미지의 화소들의 분리 변화들 혹은 크기 변화들에 의해 달성될 수 있는 이미지의 확대 혹은 축소를 지칭한다. 광학 파면에 의해 점유되는 영역의 크기는 여기에서는 광빔의 횡단 영역을 상호교환적으로 지칭한다.
본 발명에 따른 디바이스 및 방법의 원리 및 동작은 도면 및 다음의 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
발명의 적어도 일 실시예를 상세히 설명하기 전에, 발명은 이의 애플리케이션이 다음의 설명에 개시되거나 혹은 도면들에 도시된 성분들의 구조 및 배열의 상세들로 제한되는 것은 아님을 알아야 한다. 발명은 다른 실시예들이 가능하고 혹은 다양한 방법들로 실시 혹은 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 채용되는 용어는 설명하기 위한 것이고 한정하는 것으로 간주되지 않음을 알아야 한다.
본 실시예들은 광학적 크기변경을 제공하는 내장된 도파로들의 기술을 활용한다. 내장된 도파로들은 이를테면 평면 광 회로들(PLC) 혹은 그외 어레이들과 같은, 이 기술에 공지된 임의의 유형일 수 있다. 또한, 도파로들은 단일 모드 혹은 복수-모드 도파로들일 수 있다. 도파로들의 단면은 일반적으로 둥글거나, 일반적으로 사각형상이거나, 이외 임의의 다른 기하학적 형상일 수 있다.
바람직하게, 그러나 필수적이지 않고, 내장된 도파로들은 층 형태로 제조할 수 있게 하나 이상의 층들로 배열된다. 그러나, 이것은 어떤 애플리케이션들에 있어서는 광학적 크기변경이 후술하는 바와 같이 벌크 물질로 만들어지는 광학적 크기변경 요소에 의해 달성될 수 있기 때문에, 반드시 그럴 필요는 없는 것이다.
내장된 도파로들이 층들 내 배열되는 실시예들에서, 광은 후술하는 바와 같이 층들의 표면을 통해서 혹은 이들의 단부를 통해서 이들 층들에 진입 혹은 출사할 수 있다. 본 실시예의 광학적 크기변경은 임의의 유형 및 형상의 도파로들의 길이방향으로 확장하는 배열들에 의해 달성될 수 있다. 보다 구체적으로, 길이방향으로 확장하는 배열들은 테이퍼된 도파로들, 부분적으로 테이퍼된 도파로들, 비-테이퍼된 도파로들 혹은 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도면들을 참조하면, 도 3a-c는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 비-테이퍼된 도파로들의 길이방향으로 확장하는 배열(도 3a), 부분적으로 테이퍼된 도파로(도 3b), 및 부분적으로 테이퍼된 도파로들의 길이방향으로 확장한 배열(도 3c)을 예시한다. 도 3d는 2이상 층을 가진 도 3c의 실시예를 예시한다.
본 실시예들의 보다 상세한 설명을 제공하기 전에, 이에 의해 제공되는 이점들 및 잠재적 애플리케이션들에 주목할 것이다. 내장된 도파로들의 사용은 평면의 라우팅 및 테이퍼링 요소들을 제조할 수 있게 한다. 또한, PLC 기술이 채용될 때, 도파로들 각각 혹은 일부는 미러 코너들을 통해 상호열결된 몇몇의 부분들을 포함할 수 있다. 이러한 설계는 도파로 굴곡들을 감소 혹은 제거할 수 있게 하므로 최종 제품의 두께를 감소시킬 수 있다.
본 실시예들의 추가의 이점은 PLC 기술이 사각형 코어 단면을 가진 도파로들을 제조할 수 있게 하므로 충전률을 증가시키고 결합손실들을 감소시킨다는 것이다.
내장된 도파로들의 사용은 쉽게 조립될 수 있는 가요성 요소들의 제조를 할 수 있게 한다. 예를 들면, 광학적 디바이스는 부분적으로 중첩하는 가요성 층들로 조립될 수 있고, 이에 의해서 개개의 도파로들의 굴곡 대신에 혹은 그에 더하여, 전체 층이 굴곡될 수 있다. 또한, 층에 의한 제작 공정은 접철 광학적 디바이스들의 제조를 용이하게 하며, 이에 의해서 서로 다른 층들이 이들 간에 부분적으로만 부착된다.
도 4a-b를 참조하면, 본 발명의 일 면에 따라 여기에서는 요소(10)이라 칭한 광학적 크기변경 요소가 제공되어 있다. 요소(10)는 하나 이상의 층들(14)로 형성된 기판(12)을 포함한다. 요소(10)의 각 층은 이에 형성된/되거나 내장된 도파로들의 배열을 구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 각 층에 도파로의 배열은 길이방향으로 확장하는 배열이다. 도 4b는 요소(10)의 층(14)을 개략적으로 도시한 것이다. 층(14)은 바람직하게는 층(14)의 제1 영역(18)에서 제2 영역(20)으로 확장하여 층(14) 내에 주변경계(22)를 정하는 복수의 도파로들(16)을 포함한다. 경계(22)는 도 4b에서 점선으로 도시되었다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 영역(18) 및 제2 영역(20)은 실질적으로 평행하고 층(14)의 서로 대향하는 양측에 놓여져 있다. 그러나, 이것은 어떤 애플리케이션들에 있어서는 영역들이 서로간에 평행할 필요가 없을 수도 있기 때문에 반드시 그럴 필요가 없다. 따라서, 영역(18) 및 영역(20)은 이들간에 임의의 기하학적 관계를 가질 수 있다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이(예를 들면, 도 4e-f 참조), 영역(18) 및 영역(20)은 층(14)의 이웃한 측들에(예를 들면, 실질적으로 직교 관계로), 혹은 층(14)의 동일 측에(예를 들면, 실질적으로 공선(collinear) 관계 혹은 실질적으로 평행한 오프셋 관계) 놓여져 있을 수 있다.
여기에서 사용되는, "실질적으로 평행한"이라는 것은 20°미만, 보다 바람직하게는 10°미만, 가장 바람직하게는 5°미만, 즉 약 0°의 상대적 방위를 말한다. 여기에서 사용되는 "평행"이라는 용어는 실질적으로 평행한 것으로 이해해야 한다.
여기에서 사용되는 "실질적으로 직교"라는 것은 약 70°내지 약 110°, 보다 바람직하게는 80° 내지 약 100°, 가장 바람직하게는 약 85°내지 약 95°, 즉 약 90°의 상대적 방위를 지칭한다.
여기에서 사용되는 "실질적으로 공선"이라는 것은 20°미만, 보다 바람직하게는 10°미만, 가장 바람직하게는 5°미만, 즉 0°의 상대적 방위를 지칭한다. 또한, 여기에서 사용되는 "실질적으로 평행한 오프셋"이라는 것은 파셋(facet)들이 실질적으로 평행하나 50mm미만, 보다 바람직하게는 1mm미만, 가장 바람직하게는 0.1mm 미만, 즉 약 0.01mm만큼 실질적으로 오프셋된 경우를 말한다.
또한, 도파로들이 실질적인 선형 형상들을 갖는 것으로 도시되었으나, 이것은 어떤 애플리케이션들에 있어서는 비선형(즉, 만곡된) 형상들을 갖는 것이 요망될 수 있기 때문에 반드시 그러할 필요는 없다. 또한, 도파로들은 후술하는 바와 같이 코너 미러들에 의해 서로 연결된 비연속적 부분들로 형성될 수 있다.
여하튼, 경계(22)를 특징짓는 길이는 제2 영역(20)에서보다 제1 영역(18)에서 더 작다. 당업자는 이러한 배열은 층의 영역들(18, 20)에 의해 정의된 한 1차원에서 광학적 크기변경을 제공함을 알 것이다. 예를 들면, 광빔이 제1 영역(18)으로부터 층(14)으로 들어가 도파로들(16)을 통해 전파하여 제2 영역(20)으로부터 나올 때, 이의 횡단 영역은 영역들(18, 20)에 실질적으로 평행한 방향으로 확장된다. 반대로, 광빔이 제2 영역(20)으로부터 층(14)에 들어가 제1 영역(18)에서 나올 때, 이의 횡단 영역은 영역들(18, 20)에 평행한 방향으로 감소된다.
도 4c-d는 층들의 작은 영역들이 작은 파셋(24)을 형성하고 층들의 큰 영역들이 큰 파셋(26)을 형성하게 층들이 적층되는 바람직한 실시예에서의 요소(10)의 파셋들을 개략적으로 도시한 것이다.
언급한 바와 같이, 도파로들은 크기변경이 길이방향으로 확장하는 배열 및 개개의 도파로들의 테이퍼링 둘 다에 기인하여 달성되게 테이퍼될 수 있다. 도 4e는 제1 영역(18)이 제2 영역(20)에 실질적으로 직교하는 구성에 테이퍼된 도파로들이 채용된 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 여전히, 광학적 크기변경을 확실하게 하기 위해서, 제2 영역(20)에서보다 제1 영역(18)에서 더 작다. 도 4f는 제1 영역(18)이 제2 영역(20)과 공선인 구성에 테이퍼된 도파로들이 채용된 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
요소(10)의 층들의 영역들(18, 20)의 구조에 따라, 작은 파셋(24) 및 큰 파셋(26)은 이들 사이에 임의의 기하학적 관계들을 가질 수 있다. 도 4g-i는 본 발명의 여러 실시예들에 따라, 파셋(24)과 파셋(26)간의 몇몇의 기하학적 관계들을 개략적으로 도시한 것이다. 따라서, 층들의 영역들(19, 20)이 평행하고 층들의 서로 대향하는 양측에 놓여져 있을 때(예를 들면, 도 4b 참조), 작은 파셋(24)은 큰 파셋(26)에 평행하고 이와 대향하여 있고(도 4g); 영역들(18, 20)이 서로에 관하여 각도로 정렬되어 있을 때(예를 들면, 실질적으로 직교한 것으로, 예를 들면 도 4e를 참조), 파셋들(24, 26)은 동일 각도로 정렬되고; 영역들(18, 20)이 층의 동일 측에 놓여져 있을 때(예를 들면, 실질적으로 공선인 것으로, 예를 들면 도 4f 참조), 파셋들(24, 26)은 공면(coplanar)이다(도 4i). 도 4g-i에 도시된 기하학적 관계들에 보다 상세한 참조는 파셋(24)과 파셋(26) 사이의 임의의 특정한 각으로 본 실시예들의 범위를 제한하려는 것은 아님을 알아야 한다. 따라서, 본 실시예들은 파셋(24)과 facet(26) 사이의 각에 대해 임의의 값을 고찰한다.
본 실시예들에 적합한 도파로들은 고굴절율의 코어와 저굴절율의 클래딩을 구비할 수 있고, 혹은 이들은 광밴드갭 물질들을 포함할 수 있다. 따라서, 본 실시예들에 적합한 도파로들의 층들은 예를 들면, 도파로 클래딩으로서 작용하는 저 굴절률 물질의 층들에 홈들을 에칭하고, 도파로 코어로서 작용하는 고 굴절률 물질을 홈들에 피착함으로써 제조될 수 있다. 이서, 도파로 코어는 상부 클래딩층으로서 작용하는 저 귤절률의 추가의 층에 의해 코팅될 수 있다.
광밴드갭 물질의 도파로는 유전물질의 기판 상에 광학적 주기적 구조들을 형성하고(예를 들면, 에칭하고), 주기적 구조가 없이 코어 도파로로서 작용하는 스트립들을 남겨놓음으로써 제조될 수 있다. 광학적 주기적 구조들은, 광의 어떠한 전파도 일어나지 않는(광 밴드갭) 파장 대역을 정의하는 것으로 서브-마이크론 내지 마이크로미터 범위의 사이클들로 굴절률이 공간적 주기적 변화되는 것을 특징으로 한다. 광학적 주기적 구조들은 클래딩 층에 의해 코팅될 수 있다. 광 밴드갭 물질들을 사용하는 이점은 곡률이 큰 도파로 부분들에서도, 광 밴드갭에 방사 손실이 없다는 것이다.
바람직하게는, 그러나 다음의 것만은 아니지만, PLC 폴리머 리소그래피 기술이 채용된다(예를 들면, Eldada et al., "Advances in polymer integrated optics," IEEE J. Selected Topics in QE, vol. 6, 54-68, 2000, 참조). 도파로들의 층들을 제조하기 위한 고찰된 공정들은, 한정이 없이, 포토브리칭(photobreaching) 공정[Gallo et al., "High-density interconnects for 2-dimensional VCSEL arrays suitable for mass scale production," ITCom 2001, paper 4532-47, 2001], 캐스팅/몰딩 공정[Kopetz et al., "Polysiloxane optical waveguide layer integrated in printed circuit board," Elec. Lett. Vol. 40, 668-669, 2004], 및 소프트 리소그래피 공정[Huang et al., "Bottom-up soft lithography fabrication of three-dimensional multilayer polymer integrated optical microdevices," Appl. Phys. Lett., vol 85, 3005-3007, 2004]을 포함한다.
본 실시예들의 도파로들은 공지된 바와 같이, 바람직하게는 외부 프레임 없이, 접착물질들에 의해, 층들에 내장되는 광섬유 어레이들일 수 있다(이에 대해서, 예를 들면 미국특허 5,381,506, 6,597,845, 6,885,800 참조).
본 실시예들의 광학 요소는 바람직하게는 많은 층들의 도파로들을 포함한다. 통상적으로, 층들의 수는 수 백(예를 들면, 500개의 층들) 내지 수 천(예를 들면, 약 5000개의 층)개의 층이다. 층들은 층 다음에 폴리머 웨이퍼 층을 가공하거나 함께 적층된 층들을 적층함으로써 함께 적층될 수 있다. 층들은 이들 기술들의 조합을 사용하여 적층될 수 있다. 웨이퍼 층들이 일단 적층되면, 웨이퍼는 스트립들로 잘라내어(saw)지고 요구된 파셋들은 연마된다. 대안적으로, 스트립들은 적층하기 전에 잘라내어질 수 있다. 광학적 크기변경 요소는 넓고 짧기 때문에, 많은 이러한 요소들은 병행 공정으로 제조될 수 있음을 알 것이다.
본 실시예들은 성공적으로 2차원으로, 바람직하게는 실질적으로 직교의 2차원들로 광학적 크기변경을 제공하는 광학적 크기변경을 성공적으로 제공한다. 발명의 각종의 실시예들에서, 2차원 광학적 크기변경은 요소(10)에 원리 및 동작들(반 드시 크기일 필요는 없음)이 유사한 몇몇의 광학적 크기변경 요소들을 조립함으로써 달성된다. 발명의 다른 실시예들에서, 2차원 광학적 크기변경은 요소(10)의 수정에 의해 달성된다. 다음은 몇몇의 광학적 크기변경 요소들이 조립되는 바람직한 실시예들을 기술한 것이다. 2차원 광학적 크기변경이 요소(10)의 수정에 의해 달성되는 바람직한 실시예들의 설명을 이하 제공한다.
본 발명의 여러 실시예들에 따라, 광학적 크기변경 디바이스(30)를 개략적으로 도시한 도 5를 참조한다. 바람직하게 디바이스(30)는 제1 차원(36)에서 광학적 크기변경을 제공하는 제1 광학적 크기변경 요소(32), 및 제2 차원(38)에서 광학적 크기변경을 제공하는 제2 광학적 크기변경 요소(34)를 포함한다. 요소들(32, 34)은 각각 독립적으로 위의 요소(10)와 유사하게 동작할 수 있다. 대안적으로, 요소들(32, 34) 중 하나는 요소(10)와 유사하게 제조될 수 있고 다른 것은 종래의 기술들로 제조될 수 있다.
제1 차원(36) 및 제2 차원(38)에서 광학적 크기변경을 제공하기 위해서, 요소(34)는 광 출사 요소(32)가 요소(34)에 진입하게 요소(32)에 결합된다. 따라서, 요소(34)는 수신 요소로서 작용하고 요소(32)는 디바이스(30) 내에서 전달요소로서 작용한다. 요소(32)와 요소(34)간의 결합은 이를테면 직접적인 접촉, 광섬유 번들, 혹은 이외 어떤 다른 광학 적 결합 구성을 통해, 이 기술에 공지된 임의의 방법으로 행해질 수 있다. 일 요소의 작은 파셋이 다른 요소의 큰 파셋과 맞게 되도록 광학적 크기변경 요소들을 제조하는 것이 이점이 있다. 이러한 식으로 제조되기 때문에, 광학적 크기변경 요소들 중 하나는 다른 것보다는 더 크다. 구체적으로, 디바 이스(30)가 광빔을 확장하는데 사용될 때(즉, 광빔의 횡단 영역이 입력에서보다 출력에서 더 크다), 제1 요소는 제2 요소보다 작으며, 디바이스(30)가 수축 광에 사용될 때(즉, 광빔의 횡단 영역이 입력에서보다 출력에서 더 작다), 제1 요소는 제2 요소보다 더 크다.
예를 들면, 도 5에 도시된 실시예에서, 요소들(32, 34)은 광이 요소(32)의 작은 파셋(40)에 진입하여 차원(36)을 따라 확장되어 파셋(42)을 통해 요소(32)에서 나와 바람직하게는 요소(32)의 파셋(42)으로서 크기를 갖는 파셋(44)을 통해 요소(34)에 진입하게 제조된다. 이어서, 광은 요소(34) 내에서 전파하여, 차원(38)을 따라 확장되고 양 차원들로 확장되어 큰 파셋(36)을 통해 나오게 된다.
두 요소들(32, 34)이 요소(10)와 유사하게 제조될 때, 이들은 동일한 포토마스크 레이아웃(이를테면, 도 3a, 3c, 4e, 4f에 도시된 포토마스크들)을 사용하여 그러나 하지만 다른 층 두께로 가공될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 요소(32)는 위의 도 4d에 도시된 큰 파셋을 정하는 얇은 층들로 형성될 수 있고(도 3d의 3차원 도시를 참조) 요소(34)는 도 6a에 도시된 작은 파셋을 정하는 두꺼운 층들로 형성될 수 있다. 발명의 현 바람직한 실시예에 따라 요소(34)의 도파로들의 3차원 예시가 도 6b에 도시되었다.
각 광학적 크기변경 요소의 진입 파셋 및 출사 파셋이 실질적으로 서로 직교하는 실시예에서 디바이스(30)의 개략적 3차원 도시의 도 7a을 참조한다. 구체적으로, 요소(32)에서, 작은 파셋(40)은 큰 파셋(42)에 실질적으로 직교하며, 요소(34)에서, 작은 파셋(44)은 큰 파셋(46)에 실질적으로 직교한다. 파셋(42) 및 파셋(44) 은 평행하며 바람직하게는 요소(32)와 요소(34)간에 광학적으로 결합될 수 있게 접촉하여 있다. 이 실시예가 이미지를 전달하는데 사용될 때 이미지 출사 디바이스(30)는 원 이미지의 미러 이미지임을 알 것이다. 도 7a에 도시된 실시예의 잇점들은 도파로 굴곡들(48)이 적고 큰 파셋을 향한 전파하는 빔으로부터 광의 산란이 없다는 것이다.
본 실시예의 크기변경 기술은 반복될 수 있다. 구체적으로, 디바이스(30)는 2이상 쌍들의 광학적 크기변경 요소들을 포함할 수 있고 이에 의해서 각 쌍은 위의 기술된 바에 따라 기능한다. 즉 쌍의 한 요소는 일차원으로 광학적 크기변경을 제공하고 쌍의 다른 요소는 다른 차원으로 광학적 크기변경을 제공한다. 이 실시예는 고 확대 혹은 축소가 요구될 때 혹은 제조공정동안 고 어스펙트비 도파로들을 다루는 것을 피하기 위해 특히 유용하다. 예를 들면, 30배 확대는 두 쌍의 광학적 크기변경 요소들로 달성될 수 있고, 이에 의해서 제1 쌍은 3배의 확대(두 차원들로)를 제공하고 제2 쌍은 10배의 확대(두 차원들로)를 제공한다.
발명의 본 바람직한 실시예의 대표적 예가 도 7b에 도시되었고, 이 경우에 있어서는 두 쌍의 광학적 크기변경 요소들(32, 33, 34, 35)이 채용된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 요소(33)는 일차원(즉, x 방향을 따라)으로 광빔(72)을 확장하여 확장된 광빔(74)을 제공하며, 요소(35)는 또 다른 차원(즉, y 방향을 따라) 광빔(74)을 확장하여 확장된 광빔(76)을 제공하며, 또한, 요소(32)는 일차원(즉, x 방향을 따라)으로 광빔(76)을 확장하여 확장된 광빔(78)을 제공하고, 요소(34)는 또 다른 차원(즉, y 방향을 따라) 광빔(78)을 확장하여 확장된 광빔(80)을 제공한 다. 그러므로 원 광빔(72)은 x 방향을 따라 2번 y 방향을 따라 2번 확장된다.
본 실시예들의 광학적 크기변경 요소의 각 층의 도파로들은 위의 도 4e에 도시된 포토마스크와 유사한 포토마스크를 사용하여 형성될 수 있다. 도 7a-b에 도시된 도파로 굴곡들(48)은 광학적 크기변경 요소들의 두께를 더 감소시키기 위해서 코너 미러들(50)(도 4e 참조)로 교체될 수 있다. 한 광학적 크기변경 요소의 파셋들이 평행하고 다른 광학적 크기변경 요소의 파셋들이 실질적으로 직교하여 있는 바람직한 실시예에서 디바이스(30)를 개략적으로 도시한 도 8을 참조한다. 본 실시예를 구체적으로 참조하여, 요소(32)(본 예에서 전달요소)에서, 작은 파셋(40)는 큰 파셋(42)에 평행하고, 요소(34)(본 예에서 수신요소)에서 작은 파셋(44)은 실질적으로 큰 파셋(46)에 평행하다. 파셋(42) 및 파셋(44)은 평행하고 바람직하게는 요소(32)와 요소(34)간의 광학적 결합을 허용하게 접촉한다. 이 실시예의 이점은 요소(32) 내 도파로들의 길이가 더 짧아(도 7에 도시된 실시예와 비교해서 약 반) 디바이스의 전체 광학적 손실을 감소시킨다는 것이다. 여전히, 큰 요소(요소(34))의 입력/출력 파셋들은 실질적으로 직교하기 때문에, 디바이스는 감소된 두께와 감소된 산란광의 언급된 이점을 누린다.
광학적 크기변경 요소들의 파셋들(파셋들(40, 42, 44, 46))이 공면인 바람직한 실시예에서 디바이스(30)를 개략적으로 도시한 도 9를 참조한다. 광학적 크기변경 요소의 각 층의 도파로들은 위의 도 4f에 도시된 포토마스크와 유사한 포토마스크를 사용하여 형성될 수 있고, 이에 의해서 영역들(18, 20)은 공선이다. 따라서, 광빔(92)은 요소(32)의 작은 파셋(40)에 진입하고, 요소(32)에 의해 전파하고, 방 향이 180°변경되고 제1 차원을 따라 확장되어 파셋(42)에서 나간다. (확장된) 광빔 출사 파셋(42)은 도 9에 94로 표기되었다. 확장된 광빔(94)은 요소(34)의 작은 파셋(44)에 진입하고, 요소(34)에 의해 전파하고, 차원(38)을 따라 추가 확장 및 방향이 추가로 180°변경되고, 두 차원들(36, 38)을 따라 확장되어 파셋(46)에서 나간다. 광빔 출사 파셋(46)은 96으로 표기되었다. 따라서 디바이스(30)를 통과하는 광은 각 차원에서 한번씩, 두 번의 전파 플립(flip)들로 2번 확장된다. 이 결과로, 광은 원 방향을 따라 전파하여 두 차원들에서 확장하여 디바이스(30)에서 나간다.
위의 설명에서 출사하는 광빔의 특정의 전파방향들에 대한 보다 상세한 언급은 임의의 진입-출사 각 관계들로 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 알 것이다. 본 발명의 여러 실시예들에서 광은 이의 진입각에 관하여 임의의 소정의 각도로 디바이스(30)에서 나간다. 따라서, 광의 진입 전파방향과 출사 전파방향간 각은 0°, 90°, 180°혹은 임의의 다른 각일 수 있다. 진입-출사 각 관계는 광학적 크기변경 요소들의 파셋들에 대한 도파로들의 방위에 따른다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 광은 입력 파셋의 표면에 직각으로 디바이스(30)의 광학적 크기변경 요소들 중 어느 것에 진입하여 출력 파셋으로부터 비-직각의 각으로 방출될 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 평행 혹은 실질적으로 직교 파셋들에 대해서, 이러한 구성은 0°, 90°혹은 180° 외의 진입-출사 각에 대응한다.
넓게 말하여, 디바이스(30)가 작은 요소 및 큰 요소를 포함할 때, 디바이스(30)의 대부분의 혹은 모든 영역은 큰 요소의 두께를 갖는다. 당업자가 아는 바 와 같이, 각 광학적 크기변경 요소의 두께는 도파로들의 확장 배열에 기인하여 다소 작을 수 있다. 이 두께는 각 층의 소정의 부분들에서 도파로들을 다운-테이퍼링함으로써 더욱 감소될 수 있다. 본 실시예들의 광학적 크기변경 요소의 두께의 대표적인 예들은, 제한이 없이, 약 0.1mm 내지 약 100mm의 두께, 보다 바람직하게는 약 1mm 내지 약 10mm의 두께를 포함한다.
본 발명의 여러 실시예들에 따라, 도파로들의 배열을 제조하기 위한 포토마스크 레이아웃을 개략적으로 도시한 도 10a-b를 참조한다. 도 10a-b는 영역들(18, 20)이 평행하고 층의 서로 대향하는 양측에 놓인 바람직한 실시예들을 도시한 것이다. 여기에 기술된 상세가 제공된 당업자는 다른 경우들을 위해 본 실시예의 포토마스크 레이아웃을 조정하는 방법을 알 것이다.
도 10a에 도시한 바와 같이, 도파로들은 이들이 영역(20)쪽으로 업-테이퍼되고 확장되기 전에 다운-테이퍼되고 밀접해진다. 다운-테이퍼링은 먼저 각각의 광학적 크기변경 요소의 두께를 더욱 감소시킬 수 있고, 두 번째로 크로스토크를 감소 혹은 제거하기 위해 평행한 도파로들이 서로 이격될 수 있게 하기 때문에, 이점이 있다.
영역들(18, 20)이 평행하고 층의 서로 대향하는 양측에 놓인 실시예에서, 디바이스(30)의 두께는 주로 도파로 이격 Sy에 의해 규정되며, 도 10b를 참조한다. 두께는 0.5 Sy(N1 + N2) 표현으로 근사화될 수 있고 N1 x N2는 도파로들의 수이다(예를 들면, 디바이스(30)가 이미지를 크기변경 하는데 사용될 때, N1 x N2는 이미지 내 화 소 수일 수 있다).
영역들(18, 20)이 층의 이웃한 측들에 놓인 실시예에서(예를 들면, 실질적으로 직교한 관계로, 위에 도 4e 참조), 광학적 크기변경 요소의 두께는 입력 화소 어레이 크기에 의해 규정된다. 도파로 굴곡들(48)이 채용된다면(코너 미러들(50)이 아니라), 굴곡 반경이 요소의 전체 두께에 더해져야 한다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 굴곡 반경을 감소시킴으로써 짧은 도파로들에 기생 손실들이 더해지는 것이 바람직하다. 따라서, 디바이스(30)의 두께는 화소들/도파로들의 수에 관계없이, 굴곡 반경에 의해 규정될 수 있다.
수직방향을 따라 도파로 이격을 증가시키기 위해서(크로스토크를 제거하기 위해), 도파로들은 입력 파셋과 출력 파셋에서 수직으로 테이퍼될 수 있다. PLC 기술에 있어서, 수직 테이퍼링은 공지의 기술이다(예를 들면, T. Bakke, et al., "Polyene optical spot-size transformer with vertical and lateral tapers," J. Light. Tech., vol 20, 1188-1197, 2002을 참조). 수직으로 그리고 측방향으로 테이퍼된 도파로들을 제조하는 공정이 단일 도파로(도 11a) 및 도파로 적층(도 11b)에 대해 도 11a-b에 도시되었다. 수직 테이퍼들을 제작하기 위한 다른 방법들이 Moerman et al., "A review on fabrication technologies for the monolithic integration of tapers with III-V semiconductor devices", IEEE J. SeI. Topics Quantum Electron. VoI 3, 1308-1320, 1997에 의해 다루어져 있다. 따라서, 파셋에서 도파로 이격은 전체 디바이스에서보다 훨씬 작아, 도파로들에 광 결합에 있어(파셋에서) 개선된 효율과 디바이스 내 도파로들간의 크로스토크의 감소 혹은 제거 를 할 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 디바이스(30)는 복수의 소스들로부터 광을 수신한다. 이 실시예에 있어 몇 가지 이점들이 있다. 먼저, 보다 많은 광 소스들의 사용은 디바이스(30)의 두께를 감소시킬 수 있는데, 두께는 입력 파셋에서 출력 파셋으로 평행한 도파로의 수가 줄어들기 때문에 감소될 수 있다. 두께 감소율은 채용된 입력 광 소스들의 수와 같다. 예를 들면, 2개의 광 소스들에 있어 두께는 반이 될 수 있다. 또 다른 이점은 각 개개의 광 소스가 원하는 밝기를 유지하면서도 낮은 분해능(소수의 화소들)을 가질 수 있다는 것이다. 추가의 이점은 복수의 소스들의 사용은 후술하는 바와 같이 3차원 이미지의 형성을 용이하게 할 수 있다는 것이다.
복수의 소스들로부터 광을 수신하는 것은 2이상의 방법으로 달성될 수 있다. 그러므로, 도 12a에 예시된 일 실시예에서, 2개의 광선들(122, 124)이 먼저 2개의 서로 다른 광 소스들(도시생략)로부터 광학적 크기변경 요소(32)에 진입하는데, 그러나 임의의 수의 광 소스들이 채용될 수 있다. 도 12a에 예시된 것에서, 요소(32)가 영역들(18, 20)(도시생략)이 공선인 실시예에 따라 제조될지라도, 그러나 이것은 당업자가 아는 바와 같이 다른 경우들에 있어서는 몇몇의 광빔이 요소(32)에 입력될 수 있기 때문에 반드시 그럴 필요는 없다. 따라서, 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 요소(32)는 40a 및 40b로 표기한 2개의 입력 파셋들, 및 하나의 출력 파셋(42)을 포함한다. 3이상의 광 소스들이 채용될 때, 요소(32)의 입력 파셋들의 수는 그에 따라 바람직하게 조정된다(즉, 3개의 광 소스들에 대해 3개의 입력 파셋 들, 등등).
두 광빔들은 한 차원에서 확장되어 파셋(42)을 통해 요소(32)에서 나가, 파셋(44)을 통해 요소(34)에 진입하여 이들은 후술하는 바와 같이 다른 차원에서 확장된다.
도 12b-c에 예시된 또 다른 실시예에서, 디바이스(30)는 32a 및 32b로 표기된 두 개의 광학적 크기변경 요소들을 포함하고 이들은 디바이스(30) 내에서 전달요소들로서 작용하며, 34로 표기한 한 광학적 크기변경 요소는 디바이스(30) 내에서 수신 요소로서 작용한다. 4개의 광선들(122a,b 및 124a,b)은 요소들(32a, 32b)에 진입하여 후술하는 바와 같이 공동으로 요소(34)에서 나간다. 도 12b에 도시한 것은 영역들(18, 20)(도시생략)이 공선인 실시예에 따라 광학적 크기변경 요소들(32a, 32b) 각각이 제조되는 실시예에 대한 것이고, 도 12c에 도시된 것은 영역들(18, 20)이 층의 이웃한 측들에 놓여진 실시예에 따라 광학적 크기변경 요소들(32a, 32b) 각각이 제조되는 실시예에 대한 것이다. 위의 실시예들간 모든 조합들 또한 고찰된다.
도 12d-f에 예시된 추가의 실시예에서, 디바이스(30)는 복수의 단색 광 소스들 형태로 광학 입력을 수신하고 이 광학 입력을 사용하여 크기변경된 색채 광빔을 생성한다. 예를 들면, 복수의 단색 이미지들은 디바이스(30)에 의해 확대 및 조합되어 확대된 색채 이미지를 제공할 수 있다.
도 12d에 도시한 대표적인 예에서, 3개의 단색성 이미지들(예를 들면, 적색 이미지, 녹색 이미지 및 청색 이미지)이 단색 이미지 소스들(도시생략)로부터 전달 되어 3개의 광학적 크기변경 요소들(32a, 32b, 32c)에 각각 진입한다. 요소들(32a, 32b, 32c) 각각은 일 차원에서 각각의 단색 이미지를 확대하여 이를 요소(34)에 전달한다. 요소(34)는 단색 이미지들을 확대하고 이들을 다른 차원에서 결합하여 확대된 색채 이미지를 제공한다.
단색 이미지들을 색채 이미지로 결합하기 위해서, 요소(34)는 바람직하게는 층들을 교번하는 순서로 제조되며, 이에 의해서 각 층의 도파로들은 바람직하게는 한 단색 이미지의 평균 파장에 따라 최적화된다. 도 23d는 참조부호 37a, 37b, 37c로 표기한 3 유형들의 층들을 도시한 것이다. 층들(37a, 37b, 37c)은 예를 들면 각각 적색, 녹색 및 청색 단색 이미지들의 전형적인 평균 파장들로 최적화될 수 있다. 도파로들의 길이는 요소(34)에 대한 요소들(32a, 32b, 32c)의 위치에 따라 선택된다. 도 12d는 적색, 녹색 및 청색 이미지들의 경우에 있어, 교번하는 순서로 층들(37a, 37b, 37c)를 개략적으로 도시한 것이다. 이 실시예는 파장에 특정한 도파로들의 사용이, 있을 수 있는 분산(dispersion)을 감소 혹은 제거하기 때문에 이점이 있다. 이 실시예의 추가의 이점은 이미지 소스가 렌즈들 및 멀티플렉서들과 같은 광학 요소들을 더 구비할 수 있다는 것이다. 따라서, 입력 소스에 멀티플렉서들 및 렌즈들을 구비하는 대신, 이미지 소스는 요소(34)에서 멀티플렉스된다.
언급된 바와 같이 단색 이미지들을 수신 및 전달하는 요소들(32a, 32b, 32c)은 모두가 유사한 혹은 동일한 포토마스크들을 사용하여 제조될 수 있고, 예를 들면 도 12f에 도시된 포토마스크를 참조한다.
본 실시예들은 비-이미지성 광학 데이터뿐만 아니라 이미지성 광학 데이터에 적합하고 이미지성 데이터에 보다 상세한 참조는 발명의 범위를 어떤 식으로든 한정하는 것으로서 해석되지 않음을 알 것이다. 따라서, 예를 들면, 본 실시예들은 색채 이미지를 제공하거나, 3개의 필터링된 광 소스, LED들 혹은 레이저 소스들로부터 스트라이프 매트릭스의 적색-녹색-청색(RGB) 광으로 또 다른 디스플레이 디바이스, 예를 들면 LCD 패널용으로 색채 백 조명을 제공하는데 사용될 수 있다.
디바이스로부터 2이상 광학 출력이 있는 바람직한 실시예들에서 디바이스(30)를 개략적으로 도시한 도 13a-c를 참조한다.
도 13a에 개략적으로 도시된 일 실시예에서, 광학적 크기변경 요소(32)는 2이상의 방향으로 광을 전달한다. 도 13a는 3개의 광학적 크기변경 요소(32, 34a, 34b)를 도시한 것으로, 이에 의해서 요소(32)는 두 요소들(34a, 34b)에 광을 전달한다. 따라서, 발명의 본 바람직한 실시예에서 요소(32)는 디바이스(30) 내에서 전달요소로서 작용하고 요소들(34a, 34b)은 디바이스(30) 내에서 수신 요소들로서 작용한다. 구체적으로, 광빔(132)은 요소(32)에 진입하고 이에 의해서 2개의 광빔들(134a, 134b)의 형태로 전달된다. 요소(32)는 3이상(예를 들면, 3개, 4개)의 광빔들을 전달할 수 있다.
적어도 하나, 바람직하게는 2개의 광빔들(134a, 134b)은 광빔(132)에 관하여 일 차원에서 독립적으로 크기변경된다(예를 들면, 확장된다). 예를 들면, 빔(132)이 이미지를 구성할 때, 빔들(134a, 134b)은 각각, 원 이미지의 3개의 시간 확대 이미지 및 2개의 시간 확대 이미지일 수 있다. 대안적으로, 원한다면, 한 빔은 원 이미지의 확대 이미지일 수 있고 다른 것은 그의 축소일 수 있다. 요소들(34a, 34b)은 각각 광빔(134a, 134b)을 요소(32)로부터 수신하고 이들을 바람직하게는 어스펙트비를 유지하기 위해 요소(32)에 의해 수행되는 크기변경과 동일한 정도만큼 다른 차원에서 크기변경한다. 이에 따라 디바이스(30)는 2개의 출력 광빔들(136a(요소(34a)에 의해 생성됨) 및 136b(요소(34b)에 의해 생성됨)을 제공하고, 각각은 독립적으로 입력 광빔(132)에 대해 두 차원들에서 크기변경된다.
도 13b에 개략적으로 도시된 또 다른 실시예에서, 광학적 크기변경 요소(34)는 요소(32)로부터 (확장된) 광빔(134)을 수신하고 이를 2이상 방향으로 전달한다. 도 13b의 대표적인 예에서 요소(34)는 광을 둘로 나누어 2개의 서로 대향하는 방향들로 전파하는 2개의 광빔(136a, 136b)을 생성한다.
도 13a-b에 도시된 실시예들은 광빔들(134a, 134b)(도 13a 참조)이 둘 다가 요소(34)에 전달되어 2개의 광학 출력들(빔들(136a, 136b))이 동일 광학적 크기변경 요소에 의해 생성하게 결합될 수 있다.
또한, 요소(34)는 각각이 다른 광 소스로부터 발원된 다른 광빔을 요소(34)에 전달하는 것인 복수의 광학적 크기변경 요소들에 의해 광학적으로 공급될 수 있다. 빔들을 일 차원에서 각각 크기변경하여 광빔들(134a, 134b)을 생성하는 2개의 광학적 크기변경 요소들(32a, 32b)에 광빔들(132a, 132b)을 전달하는 2개의 광 소스들(138a, 138b)이 있는 이 실시예의 대표적인 예가 도 13c에 개략적으로 도시되었다. 요소(34)는 요소들(32a, 32b)로부터 광빔들(134a, 134b)을 수신하고 이들을 또 다른 차원에서 확장하여 광빔들(136a, 136b)을 생성하고 이들을 2개의 서로 다른 방향들(본 예에서는 서로 대향하는 방향들)로 전달한다.
도 14a-b를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 디바이스(30)는 각종의 광학 동작들을 수행하여/하거나 제조공정을 용이하게 하는 하나 이상의 추가의 광학요소들(142)을 포함한다. 추가의 광학 요소(들)는 이의 요망되는 기능에 따라, 확장 혹은 비-확장 배열로 복수의 도파로들로 형성될 수 있다. 도 14b에 도시된 대표적인 예에서, 추가의 요소(142)는 이미지 회전 요소(144)이다. 사용에서, 이미지를 구성하고 있는 광빔(146)은 요소(144)에 진입하여 여기서 이미지는 예를 들면 90°만큼 회전되고, 회전된 광빔(148)으로서 요소(144)에서 나간다. 이어서, 광빔(148)은 요소들(32, 34)에 진입하고 여기서, 후술하는 바와 같이, 먼저 일 차원에서(광빔(150))에 확장되고 이어서 다른 차원에서(광빔(152)) 확장된다. 이미지 회전요소(144)는 광학적 크기변경 요소들이 이들의 작은 파셋 및 큰 파셋이 실질적으로 서로간에 직교하게 제조되는 실시예들에서 특히 유용하다.
도 15는 층이 편광자(154)를 포함하는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 요소의 층(예를 들면, 층(14))을 개략적으로 도시한 것이다. 편광자(154)는 횡 편광 모드를 감쇄시키기 위해서 도파로들(16) 사이의 갭들(156)에 예를 들면 금속 혹은 합금(예를 들면, Cr, Au, Al, 등)을 피착함으로써 형성될 수 있다. 바람직하게, 도파로들은 횡 편광모드들을 효율적으로 제거(strip)하기 위해 편광자의 영역에서 좁아지게 하였다. 편광자(154)와 함께 광학적 크기변경 요소들의 사용으로 비-편광된 광을 생성하는 입력 광 소스가 사용될 수 있고, 혹은 편광된 광빔들의 편광 상태를 개선할 수도 있다.
디바이스(30)와 광 소스간 결합은 직접적인 접촉에 의해서, 혹은 대안적으로 는, 다음으로 한정되는 것은 아니나 이를테면 마이크로렌즈들 혹은 회절 광학 요소들의 배열과 같은 하나 이상의 추가의 광학 요소들을 통해 행해질 수 있다.
광 소스가 이미지 소스인 바람직한 실시예에서 디바이스(30)와 광 소스간 결합을 개략적으로 도시한 도 16a-b를 참조한다. 도 16a는 디바이스(30)의 몇몇의 도파로들(16), 이미지 소스(160), 및 디바이스(30)와 이미지 소스(160)간 광학적 결합을 제공하는 커플러(162)를 도시한 것이다. 본 예에서, 이미지 소스(160)는 LCD 마이크로-디스플레이이다. 커플러(162)는 바람직하게는 마이크로렌즈 어레이(164) 및 편광자(166)를 포함한다. 마이크로렌즈 어레이(164)의 사용은 통상적으로 LCD 패널이 출력측에 편광자 및 LCD 보호유리를 포함하기 때문에 이점이 있으며, 마이크로렌즈 어레이는 보다 나은 결합효율을 제공한다. 마이크로렌즈 어레이는 예를 들면 미국특허 5,508,834 및 미국특허출원번호 20040100700에 개시된 바와 같은 공지의 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
도 16b를 참조하면, 마이크로렌즈 어레이(164)는 각 도파로 코어가 하나의 마이크로렌즈로 캡핑되게 입력 광학요소 상에 배치될 수 있고, 예를 들면, 도 16b에 코어(161) 및 마이크로렌즈(168) 참조한다. 이것은 코어(161)보다 빠르게 도파로(16)의 클래딩(163)을 에칭하는 에처(etcher)로 광학적 크기변경 요소의 입력 파셋을 에칭함으로써 행해질 수 있다.
대안적으로, LCD 패널이 충분히 얇은 편광자 및 보호유리층들을 구비할 때, 결합은 예를 들면 직접 접촉에 의해, 마이크로렌즈 어레이 없이 실행될 수 있다. 예를 들면, 편광자 및 보호유리의 총 두께가 약 20㎛ 이하일 때, LCD 패널에 결합 하는 광학적 크기변경 요소의 도파로들은 충분히 작은 개구수(numerical aperture)(즉, 약 0.25 이하)를 갖는다. 이러한 구성에서 이웃 화소들간의 크로스토크는 -화상을 흐리게 할 수 있음- 최소화될 수 있다.
도 17은 입력 이미지가 렌즈(176)를 사용하여 디바이스(30)에 집점되는 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 이러한 구성에서 선(pre)-확대가 얻어질 수 있으므로, 도파로들의 요구되는 어스펙트비를 완화시키거나 후술하는 바와 같이 2 스테이지 확대의 필요성을 제거할 수 있다. 이 구성은 이를테면 다음으로 제한되는 것은 아니나 LCD 온 실리콘(LCOS)와 같은 반사 액정 마이크로-디스플레이들, 혹은 디지털 광 프로세서(DLP)와 같은 다른 입력 패널들에 특히 유용하다. 도 17은 반사 액정 마이크로-디스플레이(170), 외부 광 소스(172) 및 디바이스(30)를 도시한 것이다. 광 소스(172)로부터의 광(174)은 렌즈(175)에 의해 마이크로-디스플레이(170) 상에 집점되며, 이는 광을 반사시킨다. 반사된 광은 이에 이미지를 구성하며 또 다른 렌즈(176)에 의해 디바이스(30) 상에 집점된다.
선-확대는 일 차원에서만 수행될 수도 있다. 왜곡된 입력(일 차원에서 확대된)을 광학적 크기변경 요소와 결합함으로써 이 경우 디바이스(30) 내 두 개의 광학적 크기변경 요소들에 대한 필요성이 없고 선-확대 요소(렌즈일 수 있음)가 얇으므로 때문에 콤팩트한 얇은 디바이스가 될 수 있다.
결합이 광섬유 번들에 의한 것인 바람직한 실시예에서, 디바이스(30)와 광 소스간 결합을 개략적으로 도시한 도 18a-b를 참조한다. 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 하나(도18a) 혹은 그 이상의(도 18b) 광섬유 번들들(180)은 광을 직접 디바이스(30)의 수신 광학적 크기변경 요소에 안내한다. 디바이스(30)가 이미지를 크기변경하는데 사용되는 실시예들에서, 광섬유 번들(들)은 고해상도 이미지들을 전달할 수 있게 작은 코어들을 가진 많은 광섬유들로 구성되는 것이 바람직하다. 광섬유 번들 내 행들의 수와 열들의 수를 각각 X1 및 X2로 표기하면, 광섬유들 내 광섬유들의 총 수는 X1 x X2이다. X1 밑 X2에 대한 대표적인 예들은, 제한이 없이, 약 500 내지 약 2000을 포함한다. X1 = X2인 것이 바람직하나 필수는 아니다. 광섬유들의 코어의 직경은 바람직하게는 20㎛ 미만, 보다 바람직하게는 15㎛ 미만, 예를 들면 10㎛이다.
디바이스(30)가 복수의 광 소스들로부터 광학 입력을 수신할 때(도 18b 참조), 각 번들은 하나의 광학 채널을 전달한다. 도 18b에 도시된 예에서, 입력 광섬유 번들(180)은 각각 디바이스(30)의 4개의 입력 파셋(182a, 182b, 182c, 182d)을 공급하는 4개의 광섬유 번들들(180a, 180b, 180c, 18Od)로 분리된다.
디바이스(30)는 하나 이상의 코히런트 광빔들, 예를 들면 레이저 빔 형태로 광학 입력을 수신할 수도 있다. 색 이미지는 복수의(예를 들면 3 이상) 단색 레이저 디바이스들, 예를 들면, 화상을 형성하기 위해 스캐닝되는 적색, 녹색 및 청색 레이저 디바이스들로부터 생성될 수 있다. 이러한 이미지는 작은 단면을 갖는 디바이스(30)의 입력 파셋 상에 투사될 수 있다. 레이저광을 사용하는 잇점은 고 밝기 및 디바이스(30) 내 도파로들의 투명성과 위치에 따라 레이저광 스폿 세기 및 위치를 교정할 수 있는 능력이다. 본 발명의 각종 실시예들에 따라 바람직한 투명성 최 적화 절차들이 다음의 예들에서 제공된다.
위에 언급한 바와 같이, 광은 방출 파셋에 관하여 임의의 소정의 각도로 디바이스(30)로부터 방출될 수 있다. 소정의 각은 약 90°일 수 있고, 이 경우 도파로들은 출력 파셋에 대해 실질적으로 직교 관계로 형성되며, 혹은 임의의 다른 각일 수도 있는데 이 경우 도파로들은 출력 파셋에 관하여 경사진다.
도파로들(16)이 층의 끝에 관하여 기울어진 바람직한 실시예에서 디바이스(30)의 한 광학 크기변경 요소의 한 층을 개략적으로 도시한 도 19를 참조한다. 결과적인 광학 크기변경 요소는 출력 파셋에 관하여 각 θ(도19에 참조부호 190으로 표기된)로 광(194)을 방출한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 디바이스(30)는 3차원 이미지들을 제공하게 설계 및 구성된다. 3차원 이미지들은 두 개의 서로 다른 편광들 혹은 2개의 서로 다른 색들의 2개의 서로 다른 이미지들을 생성함으로써 얻어질 수 있다. 사용자는 각 눈마다 다른 편광 혹은 다른 색을 갖는 쌍안경 디바이스를 사용하여 이미지의 3차원 인지를 흉내낸 이미지들을 볼 수 있다.
대안적으로, 디바이스(30)는 오토스테레오스코픽 디스플레이로서 기능할 수 있고, 이에 의해서 뷰어가 두 개의 이미지들을 분리하여 유지하기 위해 특별한 뷰 기구를 착용할 필요가 없다. 오토스테레오스코픽은 사용자에게 사용자의 좌안과 우안에 보내지는 2개의 서로 다른 이미지들 형태로 제공된다. 본 발명의 여러 실시예들에 따라 오토스테레오스코픽 디스플레이의 대표적 예가 이하 제공된다(도 34a-35c 및 첨부된 설명을 참조).
디스플레이 디바이스들은 통상적으로 광학적으로 결합된 디스플레이 패널들 간에 "화소 대 화소" 정렬의 제약 하에 제작된다. 구체적으로, 디스플레이 디바이스가 올바르게 기능하게 하기 위해서, 마이크론 혹은 서브-마이크론의 허용공차를 갖고 광학적 결합의 패널들의 화소들을 정렬시킬 것이 요구된다. 이러한 요건은 제조공정을 복잡하게 하고 흔히 제품 제조성을 무능화시키는 것으로 인지된다. 본 실시예들에서, 입력 화상 이미지와 요소(32)간에 혹은 요소(34)와 요소(34)간에 화소 대 화소 정렬의 필요성은 없다.
또한, 화상 이미지 내 화소수는 요소(32) 내 화소수와 다를 수 있어 요소(34) 내 화소수와 다를 수 있다. 이와 같이 하기 위해서, 해상도를 잃지 않고, 수락된 요소 내 화소(도파로들) 수는 전달요소 내 화소(도파로) 수보다 k배 많은 것이 바람직하고, 여기서 k는 1보다 큰 수로서 예를 들면 약 2이상, 바람직하게는 약 3이다. 보다 상세한 것에 대해선, 미국특허 6,326,939를 참조하고, 이 내용은 참조로 여기 포함시킨다. 따라서, 입력 이미지 화소들과 디바이스(30)의 화소들간에 상관에 대한 필요성이 없으며, 2개의 광학 크기변경 요소들의 도파로들을 정렬시킬 필요가 없다.
동일 광학요소의 층간 오정렬에 관하여, 층들간 x 마이크론의 오정렬은 작은 파셋 및 큰 파셋이 서로 대향하고 평행한 경우에 있어서는 x(M-1)의 유효 오정렬(출력에서)로 나타나고 작은 파셋 및 큰 파셋이 실질적으로 직교한 경우에 있어서는 xM으로 나타나고, 작은 파셋 및 큰 파셋이 공면인 경우에 있어선 x(M+1)로 나타나게 된다. 따라서, 약 0.2mm의 출력 허용공차 및 약 10배의 확대에 있어서, 층들 은 약 20 마이크론 정확성 내에서 입력 도파로 영역에 적층될 수 있다. 정렬요건은 일 차원에서만이다. 작은 파셋 큰 파셋이 평행한(대향하거나 공면인) 실시예들에서, 횡 방향으로 정렬요건은 없다. 한편, 작은 파셋 및 큰 파셋이 실질적으로 직교하는 실시예에서, 횡 방향에서 허용공차는 약 x 마이크론이다.
전달 광학 크기변경 요소(예를 들면, 요소(32))에서 편광이 없음에 기인한 x 마이크론의 오정렬은 출력에서 xM 마이크론(M은 수신요소의 확대))의 오정렬로 나타나게 된다. 2개의 광학 크기변경 요소들간의 회전 오정렬은 이미지 왜곡을 감소시키기 위해 최소화되는 것이 바람직하다.
도파로들의 투명성에 차이로 이어지는 도파로들의 두께 및 폭의 변화들은 도파로들의 총 손실 버젯에 추가될 수 있다. 바람직하게, 모아레 무늬(Moire fringe) 효과를 억제하기 위해서 어떤 폭 및 두께 변화가 도입될 수 있다.
발명의 여러 실시예들에 따라, 광학 크기변경 디바이스(200)를 개략적으로 도시한 도 20을 참조한다. 위에 디바이스(30)와 유사하게, 디바이스(200)는 광의 2차원 광학적 크기변경을 제공할 수 있다. 디바이스는 제1 파셋(206) 및 제2 파셋(208)을 구비한 기판(204)을 형성하는 복수의 층들(202)을 포함한다. 층들(202)은 부분적으로 중첩한 광학적 배열로 구성된다.
여기서 사용되는 층들의 "부분적으로 중첩한 광학적 배열"은 각 층이 층의 표면에서 광학적으로 노출된 적어도 한 영역을 포함하는 배열을 지칭한다. 여기서 사용되는 광학적으로 노출된 영역은 환경과의 광학적 교신을 수립할 수 있는 영역을 말한다. 따라서, 환경과 디바이스(200)의 각 층간에 실질적으로 자유로운 광학 적 경로가 있으며, 이 광학적 경로는 층들의 표면들 및 광학적으로 노출된 영역들을 통과한다. 그러므로 광학적으로 노출된 영역은 이웃한 층들로부터 실질적으로 흡수되거나, 반사되거나 혹은 산란됨이 없이, 층의 표면으로부터 외부로 지향된 광을 방출할 수 있다.
광학적으로 노출된 영역들은 이웃한 층들로부터 실질적으로 흡수되거나, 반사되거나 혹은 산란됨이 없이, 층들의 표면으로부터 외부로 지향되는 광을 방출하거나 내부로 지향된 광을 수신할 수 있다.
도 21a-b는 본 발명의 각종 실시예들에 따라, 2개의 부분적으로 중첩하는 광학적 배열들의 개략적 측면도이다. 도 21a-b는 각각이 표면(29) 및 단부(292)를 구비하는 층들(202)을 도시한 것이다. 도파로들(16)은 층들(202) 내 내장되고 각 층에서는 층의 제1 영역(293)에서 제2 영역(294)으로 확장하여 있다. 제2 영역들(294)은 광학적으로 노출되어 있다. 이에 따라, 적층 내 층의 위치와 관계없이, 표면(290)을 통과하고 광학적으로 노출된 영역(294)에 환경(298)을 연결하는 실질적으로 자유로운 광학적 경로(296)가 있다. 따라서, 층들(202 내에서 전파하는(도파로들(16)을 통해) 광(291)은 표면(290)을 통해 층(202)에서 환경(298)으로 나갈 수 있게 된다.
도 21a에 도시된 실시예에서, 영역들(294)은 환경에 물리적으로 노출되어, 광학적 경로(296)를 수립한다. 도 21b에 도시된 실시예에서는 광학적 경로(296)가 층들을 통과하게, 영역들(294)에서 이웃한 층들간에 중첩이 있다. 이 실시예에서, 층들(202)(혹은 각 층의 적어도 일부)은 광학적 경로(296)를 유지하기 위해 가시광 을 전달할 수 있게 하는 물질로부터 제조된다.
당업자는 층들이 광학적으로 노출된 영역들에서 끝나 있든(도 21a에 예시된 바와 같은) 이들을 넘어 확장하든(도 21b) 관계없이 표면(290)을 통해 층들로부터 광이 결합될 수 있음을 알 것이다. 본 발명의 각종 실시예들에 따라 층들로부터 광을 결합하기 위한 바람직한 구성들이 이하 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 디바이스(200)의 파셋(208)은 층들의 광학적으로 노출된 영역들에 의해 정의된다. 파셋(208)은 경사질 수 있고 혹은 2차원적 계단형상(테라스)을 가질 수 있다. 각 층은 위에 상세히 한 바와 같이 주변경계에 의해 정의된 도파로들의 확장 배열을 가지며, 예를 들면 도 4b, 4e, 4f, 10a에서 주변경계(22)를 참조한다. 위에 요소(10) 및 디바이스(30)와 유사하게, 각 층 내 일부 혹은 모든 도파로들(16)은 원하는 바에 따라 테이퍼되거나 혹은 부분적으로 테이퍼될 수 있다. 또한, 도파로들(16)의 확장 배열은 도파로 굴곡들 및/또는 코너 미러들에 의해 달성될 수 있고, 이에 의해서 도파로 굴곡들이 광학손실 견지에서 바람직하나 코너 미러들은, 후술하는 바와 같이, 디바이스 두께의 견지에서 바람직하다.
당업자가 아는 바와 같이, 디바이스(200)의 각 층 내 도파로들의 확장 배열은 도 20에서 화살표(210)로 도시된 일 차원에서 광학적으로 크기변경이 되게 하고, 파셋(208)에서 층들의 부분적으로 중첩한 광학적 배열은 화살표(212)로 도시된 또 다른 차원에서 광학적으로 크기변경이 되게 한다.
도 20의 대표적 예에서 도시된 바와 같이, 제1 파셋(206)은 층들(202)의 중 첩하는 영역들(218)의 단부들(216)에 의해 정의된다. 도 21c-d는 디바이스(200)의 하나의 층(도 21c) 및 몇 개의 층(도 21d)을 개략적으로 도시한 것으로 비-노출된 영역(218)의 단부(216)를 더 잘 도시하고 있다. 파셋(208)을 형성하는 층들(202)의 노출된 영역들은 참조부호 220에 의해 도 21c-d에 지정되어 있다.
도 22a-c에 도시된 대안적 실시예에서, 층들(202)은 제1 파셋(206) 및 제2 파셋(208) 둘 다에서 부분적으로 노출되어 있다. 구체적으로, 파셋(206)(도 22a-b)은 노출된 영역들(222)(도 22c)에 의해 정의되고 파셋(208)은 노출된 영역들(220)에 의해 정의된다. 위의 실시예들간의 차이는 파셋(206)이 중첩영역들의 단부들에 의해 정의될 때, 광이 특정방향으로 디바이스(200)에서 입사에서 그의 방향으로 로 나가고, 파셋(206)이 정의된 노출된 영역들일 때, 광이 평행(도 22b) 혹은 서로 대향하는(도 22a) 방향으로 디바이스(220)에서 입사에서 그의 방향으로 나간다는 것이다.
디바이스(200)가 2개의 광학 크기변경 요소들(232, 234)을 포함하는 바람직한 실시예에 디바이스(200)를 개략적으로 도시한 도 22d를 참조한다. 요소(232)는 일 차원에서(화살표(212)로 나타낸) 광학적 크기변경을 제공하며 요소(234)는 부분적으로 크기변경된 광을 수신하고 이를 다른 차원(화살표(210))에서 다시 크기변경한다. 요소(232)가 요소(234)보다 크기가 작은 것이 바람직하나, 필수는 아니다.
요소들(232, 234)은 개별적 제조공정들로 제조되어 이후 광학적으로 결합될 수 있고, 혹은 더 바람직하게는 이들은 일체화된 요소일 수 있는데 이 경우 이들의 광학적 결합은 제조공정 동안 달성될 수 있다. 후자의 실시예에서, 디바이스(200) 의 각 층은 2개의 부분들(432, 434)(도시생략)을 갖는데(도 22e-f 참조), 부분(432)은 요소(232)용으로 지정되고 부분(434)은 요소(234)용으로 지정된다. 이 실시예는 한 층(도 22e) 및 부분적 중첩된 광학 배열에서 적층된 몇 개의 층들(22f)의 윗면을 도시한 도 22e-f에 잘 도시되었다. 도 22e에 도시된 층에서, 도파로들은 제1 영역(18)에서 제2 영역(20)으로 확장하고, 그럼으로써, 후술하는 바와 같이, 길이방향으로 확장하는 배열을 형성한다. 또한, 도 22e에는 언급된 바와 같이 각각 요소들(232, 234)에 대해 지정되는 제1 부분(432) 및 제2 부분(434)이 도시되었다. 일단 층들이 적층되면, 요소(232)가 부분들(432)로부터 형성되고 요소(234)가 부분들(434)로부터 형성된다.
개별적 제조공정들로 제조되는 실시예에서, 요소들(232, 234) 각각은 후술하는 바와 같이(도 26-27h 및 첨부한 설명) 층별로 혹은 벌크로서 독립적으로 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 요소(232)는 디바이스(200) 내에 전달요소로서 작용하고 이에 의해서 파셋(236)을 통해 요소(232)에 진입하는 광은 요소들(232, 234) 간 인터페이스에 놓인 파셋(238)을 통해 요소(232)에 의해 전달된다. 이 실시예에서, 요소(234)는 디바이스(200) 내에 수신요소로서 작용하고 이에 의해서 요소(232)에 의해 전달된 광은 디바이스들간 인터페이스에 놓인 파셋(24)을 통해 요소(234)에 의해 수신된다. 차원(210)에서 크기변경된 후에 광은 파셋(242)을 통해 요소(234)에서 나간다.
도 22d에 도시된 예시된 구성에서 광학 크기변경 요소(234)는 위에 상세히 기술된 바와 같이, 부분적으로 중첩된 광학 배열의 원리에 따라 제조되고, 이에 의 해서 그의 층들의 노출된 부분들은 파셋(242)을 형성한다. 위에 파셋(208)과 유사하게, 파셋(242)은 경사질 수 있고 혹은 테라스 형상을 취할 수 있다. 도 22d에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 파셋(242)에 광학적으로 결합되는 확장구조(24)가 도시되었다. 확장구조(224)는 후술하는 바와 같이 그를 통과하는 광선들을 확장하게 작용한다.
당업자가 아는 바와 같이, 요소(232) 내 도파로들의 확장 배열은 차원(212)에서 광학적으로 크기변경이 되게 하고 요소(234)의 테라스 혹은 경사된 형상은 차원(210)에서 광학적으로 크기변경되게 한다.
디바이스(200)의 클래딩 층들은 원하는 바에 따라, 흡수 혹은 비-흡수 물질로 만들어질 수 있다. 흡수물질을 사용하는 이점은 이것이 콘트라스트를 향상시킨다는 것이며 투명물질을 사용하는 이점은 이것이 뒤쪽 장면을 차단하지 않는 투명한 디스플레이를 제조할 수 있게 한다는 것이다. 또한, 편광자들은 후술하는 바와 같이 도파로들의 코어들 사이에 추가될 수 있다(도 15 참조).
본 발명의 부분적 중첩하는 광학 배열로부터 광의 결합은 2이상의 방법으로 달성될 수 있다. 한 바람직한 실시예에서, 광은 반사요소들의 배열을 사용하여 파셋(208)으로부터 결합된다. 이 실시예에서, 광은 표면을 통해 밖으로 광을 재지향시키는 반사요소들에 입사할 때까지 층의 표면에 실질적으로 평행하게 도파로들을 통해 전파한다. 또 다른 실시예에서, 광은 전달요소들(통상적으로 도파로들)의 배열을 사용하여 파셋(208)으로부터 결합된다. 반사요소와 전달요소와의 결합도 생각된다. 광이 반사요소들의 배열을 통해 결합되는 실시예가 이하 기술되고, 광이 전 달요소들의 배열 혹은 반사요소와 전달요소와의 조합을 통해 결합되는 실시예가 이하 기술된다(도 26-27h 참조).
파셋(208)이 2차원 계단형상(테라스)을 갖는 바람직한 실시예에서 디바이스(200)의 파셋(208)의 부분의 측면도(도 23a) 및 평면도(도 23b)를 개략적으로 도시한 도 23a-b를 참조한다. 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 디바이스(200)의 층들 내 놓여진 미러(282)를 개략적으로 도시한 도 23c-d를 참조한다.
도 23a-b에 도시된 바와 같이, 서로 다른 반사계수들을 가진 소수의 미러들(282)(예를 들면, 완전 내부 반사 미러들)이 디바이스(200)의 각 층(202)의 반사영역(283)에 배치되는 것이 바람직하다. 미러들(282)은 층들 내에서 전파하는 광을 수집하고 이를 파셋(208)으로부터 광을 결합하기 위해 재지향시킨다. 전파하는 광 및 재지향된 광은 도 23a-b에서 참조부호 284, 286로 표시되었다. 미러들(282)은 광의 수집 및 결합을 최적화하기 위해 넓은 것이 바람직하다. 미러들(282)의 서로 다른 반사계수들은 서로 다른 높이들의 미러들을 제공함으로써 실현될 수 있다.
대안적으로, 미러들(282)은 미러들에 입사하는 광이 완전히 반사되게 반사계수들의 변동없이 좁을 수 있다. 바람직하게, 미러들(282)은 광(284)의 효율적 수집을 용이하게 하기 위해서 반사영역(283)에 걸쳐 실질적으로 균질로 배치된다. 이러한 구성은 파셋(208)으로부터 광의 실질적 균질한 반사가 되게 한다. 파셋(208)의 평면도로 보인 바와 같이(도 23b) 반사된 광(286)은 파셋(284)과 외부매질간 경계에 입사할 때 2차원에서 더욱 확장될 수 있다. 이러한 확장은 통상적으로 파셋(284)이 이를테면 다음으로 한정되는 것은 아니라 유리 혹은 폴리머와 같은 보호 코팅에 의해 코팅될 때, 혹은 광이 도 33b에 도시된 바와 같이 아래쪽에서 결합될 때 행해진다. 보호 코팅에서 확장 전 및 후에 재지향된 광은 각각 사각형들(286)과 원들(288)로 도 23b에 도시되었다.
또 다른 대안으로, 두 방법들이, 예를 들면, 테라스 표면에 걸쳐 부분적으로 반사하는 좁은 미러들에 의해 조합될 수 있다. 미러들은 예를 들면 몰딩 혹은 삭마(ablation) 공정에 의해 폴리머 도파로들에 제조될 수 있다.
도 23c-d를 참조하면, 미러들(282)은 평면형(도 23c) 혹은 비-평면형(도 23d) 형상을 가질 수 있다. 좁은 혹은 적당한 시야가 요구되는 애플리케이션들에서는 평탄한 미러들이 바람직하고 이들 미러들은 예를 들면 일련의 레이저 삭마 펄스들을 사용하여 얻어질 수 있다. 비평면형 미러들은 요구되는 시야가 넓은 애플리케이션들에서 바람직하고 소수의(예를 들면 하나) 레이저 삭마 펄스를 사용하여 얻어질 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들에 따라, 광학 크기변경 요소(234)를 개략적으로 도시한 도 24a-e를 참조한다. 요소(234)의 층들(202)은 2가지 목적으로서 (i) 요소(234)로부터 광을 결합하는 것과, (ii) 차원(210)에서 광학적 크기변경(본 예에서 확장)을 용이하게 하는 작용을 한다. 전파하는 광과 출사하는 광은 도 24a-e에서 참조부호 246 및 247로 각각 표시되었다. 또한, 도 24a-e에는 출사광(248)을 특징짓는 전형적인 화소 크기이다. 화소크기는 도 24a-e에서 참조부호 249로 표시되었다.
요소(234)로부터 광의 결합은 2이상의 방법으로 달성될 수 있다. 도 24a-b에 도시된 일 실시예에서, 층들(202)은 도파로를 통해 전파하는 광선들(246)을 재지향시키기 위해서 도파로의 단말들 상에 배치된 미러들(248)을 포함한다. 미러들(248)은 45°미러들 - 완전 내부 반사(TIR) 미러들, 완전 혹은 부분적 반사 미러들일 수 있고 이들은 전술한 바와 같이, 평면 혹은 비-평면 형상을 취할 수 있다. 또한, 미러들은 고 반사 물질로 코팅될 수 있다. 도 24a는 45°미러들이 사용되는 바람직한 실시예를 도시한 것이고 도 24b는 TIR 미러들이 사용된 바람직한 실시예를 도시한 것이다.
도 24c에 도시된 또 다른 실시예에서, 완전 내부 반사를 강제하고 이에 따라 층들로부터 광이 재지향되게 하기 위해서 홈들(250)이 층들(202) 내 형성된다. 도 24d에 도시된 대안적 실시예에서, 요소(234)는 요소(234)로부터의 광의 광선들을 재지향시키는 브래그 반사기(261)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 요소(234)는 요소(234)로부터의 광의 광선들을 재지향시키게 설계 및 구성된 홀로그래픽 광학요소(263)를 포함한다.
요소(234)는 요소(232)의 일부로서 제조될 수 있는데, 이 경우 요소들을 이루는 층들은 예를 들면 위에 도 21c에 도시된 유형의 포토마스크를 사용하여 단일 기판으로 만들어진다. 보다 바람직하게, 각 층은 잠재적인 수직적 결합을 감소시키기 위해서 다른 마스크를 사용하여 가공될 수 있다. 이러한 제조공정은 도파로들의 길이를 감소시키고, 이에 의해서 단일 대각 경로(2개의 수직한 경로들이 아니라)가 이용될 수 있다. 층들은 이들의 정확한 길이로 제조되어 적층됨으로써 파셋(242)을 형성할 수 있고 혹은 이들은 먼저 적층되어 파셋(242)을 형성하고 이어서 연마 혹 은 절단된 후 파셋(236)을 형성할 수 있다.
요소(234)는 또한, 파셋(242)이 경사진 혹은 테라스 형상을 갖는 부분적으로 중첩하는 광학적 배열을 형성하기 위해 예를 들면 적층으로 실질적으로 평행한 도파로들로 층들을 적층함으로써 별도의 유닛으로서 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 디바이스(200)의 층들은 디바이스(200)의 가요성을 용이하게 하기 위해서 중합물질, 보다 바람직하게는 유연한 중합물질로 만들어진다. 또한, 디바이스(200)의 층들은 이들의 타측들(예를 들면 출력측)은 분리되게 하면서 일측(예를 들면, 입력측)에서 서로 부착될 수 있다. 이러한 구성으로, 디바이스(200)는 접어지게 할 수 있다. 층들(202)이 이들의 입력측(251)에 부착되고 이들의 출력측(255)에서 분리되게 한 디바이스를 도시한 도 25에 절첩 디바이스의 대표적 예가 도시되었다. 디바이스(200)가 2개의 개별적 요소들(232, 234)로서 제조되고 이들이 이후 결합되는 바람직한 실시예에서, 요소(232)의 층들을 완전히 부착하고 요소(234)의 층들을 부분적으로 부착함으로써 접어지게 할 수 있다.
광이 전달요소들의 배열을 통해 결합되는 바람직한 실시예의 측면도(도 26a) 및 분해도(도 26b)를 간단히 도시한 도 26a-b를 참조한다. 도 26a를 참조하면, 광학 크기변경 요소(110)는 제1 파셋(112) 및 제2 파셋(114)을 구비하고, 파셋(114)은 각 β로 기울어있어 파셋(112)보다 크다. 요소(110)는 파셋(112)으로부터 확장하고 파셋(114)쪽으로 굴곡된 복수의 도파로들을 구비하여, 방향(115)을 따른 광학적 크기변경을 제공한다.
도 26a에 도시된 예시된 구성에서, 도파로들(16)은 편의상 파셋에 수직선(116)에 대해 정의된 각 ψ으로 파셋(114)에 도달하고, ψ는 요소(110)와 환경간에 광학적 교신을 허용하는 임의의 값을 가질 수 있고 광학적 크기변경을 제공한다. 일반적으로, 광학적 교신과 광학적 크기변경은 어떤 각 ψc보다 작은 ψ의 임의의 각 ψ의 환경에서는 언제나 달성될 수 있다. 바람직하게, ψ는 근사적으로 제로이고, 이 경우 도파로들(16)은 거의 수직하게 파셋(114)에 도달한다.
굴곡된 도파로들은 예를 들면 위에서 요소(10)의 원리에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 도 26b의 분해도를 참조하면, 사다리꼴 혹은 유사 형상의 층들이 이들의 표면들(117)이 실질적으로 중첩하고 이들의 단부들(119)이 경사진 파셋(114)을 형성하게 적층될 수 있다. 이에 따라 광은 층들(도파로들을 통해) 내에서 전파하고 단부(119)를 통해 층에서 나간다.
요소(110)는 두 차원들에서 광학적 크기변경을 제공하도록 위에서 광학적 크기변경 요소들 중 어느 하나에 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 요소(110)는 디바이스(30)의 요소(34) 혹은 디바이스(200)의 요소(234)를 대체할 수 있다.
도 27a-b는 요소(234)의 또 다른 바람직한 제조공정을 개략적으로 도시한 것이다. 이 실시예에서, 요소(234)는 도파로들(233)을 형성하기 전에 적층(231)을 형성하기 위해 고 굴절률 물질 및 저 굴절률 물질의 시트들을 번갈아 적층함으로써 가공된다. 이어서, 경사진 파셋(242)을 형성하기 위해 적층(23)에 경사 절단이 수행된다. 일단 파셋(242)이 준비되면 이를 통해 홈들(235)을 에칭함으로써 개개의 도파로들(233)이 적층(231) 내 형성된다. 너무 깊은 에칭을 피하기 위해서, 공정은 예를 들면 수십 혹은 수백 개의 층의 배치(batch)로 실행될 수 있고, 이에 의해서 홈들은 배치별로 에칭된다. 이에 따라 제조공정은 바람직하게는 4개의 단계들을 포함하고, 여기서 제1 단계에서 적층된 층들의 배치들이 준비되고, 제2 단계에서 배치들은 이에 홈들을 형성하게 에칭되고, 제3 단계에서 배치들은 서로 적층되고, 제4 단계에서 배치들의 적층은 경사진 파셋(242)을 형성하기 위해 경사 라인을 따라 절단된다.
각 층의 도파로들간을 분리하는 홈들(235)는 도파로들(고 굴절률 물질)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 충전물질로 채워질 수 있다. 원한다면, 충전물질의 굴절률과 도파로들의 굴절률간의 차이는 요소(234)의 출력에서 광 시야를 제공하기 위해 큰 것이 바람직하고(예를 들면, 약 0.1 이상), 충전물질은 산란광을 감소시키기 위해서 향상된 강 흡수 특성들을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 물질의 대표적인 예는 제한이 없이 저 굴절률 폴리머에 추가된 흑색 톤이다. 대안적으로, 홈들(235)은 가공되지 않은 채로 있을 수 있는데 이 경우 도파로들은 공기에 의해 분리된다.
디바이스(200)를 위한 추가의 제조공정이 이하 제공된다(도 29a-e 참조).
본 발명의 여러 실시예에 따라, 확장 구조(224)를 개략적으로 도시한 도 27c-h를 참조한다.
언급한 바와 같이, 구조(224)는 요소(232)에 의해 제공되는 광학적 크기변경 외에도 혹은 이에 대한 대안으로서, 그를 통과하는 광빔을 확장하는 작용을 한다. 이에 따라, 구조(224)가 채용되는 바람직한 실시예들에서, 디바이스(200)는 광학적 크기변경 요소(232)를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.
도 27c-e를 참조하면, 도 27c에 도시된 바람직한 실시예에서, 구조(224)는 패터닝된 층들의 적층을 포함하고, 도 27d에 도시된 바람직한 실시예에서 구조(224)는 패터닝되고 홈이 형성된 안내 물질 벌크를 포함하고, 도 27e-f에 도시된 바람직한 실시예에서 구조(224)는 광학적 크기변경 요소(10)의 구조 및 동작과 유사하게, 확장 배열 내 굴곡된 도파로의 층들의 적층을 포함한다. 요소(234)와 구조(224)간의 인터페이스에서의 반사를 줄이기 위해서, 반사방지 코팅 혹은 굴절률 정합 물질(254)이 파셋들(242)과 구조(224) 사이에 추가될 수 있다.
후자의 실시예(도 27e-f)에서, 요소(234)와 구조(224)의 형상 및 물질들은 안내된 광이 파셋(242)의 내측을 향상하여 굴곡되고 산란 및 안내되지 않은 광은 완전 내부 반사를 위한 임계각 이상의 각으로 파셋(242)의 내측(275)에 입사하는 그의 원 방향으로 계속하여 전파하게 선택되는 것이 바람직하다. 당업자가 아는 바와 같이, 안내되지 않은 광이 파셋(242)으로부터 방출되지 않을 때, 디바이스(200)는 안내되지 않은 광에 기인한 콘트라스트 감소에 덜 민감하다.
이에 따라, 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 산란광은 파셋(242)으로부터 방출되지 않는다. 또 다른 실시예에서 구조(224)의 도파로들은 요소(234)가 도파로들에 비해 고 굴절률을 갖는다. 그러므로, 요소(224)의 어스펙트비(클래딩 층의 폭 대 두께)는 용이해질 수 있다. 도 27f에 도시된 요소(234)는 코어 물질의 층들과 클래딩 물질의 층들로 구성된다. 피착되고 에칭되지 않으므로, 실질적으로 코어 층 들보다 얇을 수 있는 클래딩 층들이 제조될 수 있다. 도 27e에 도시된 실시예에서, 구조(224)는 넓은 코어와 비교적 넓은 클래딩 배리어를 가진 두꺼운 층들로 구성된다. 너무 좁은 클래딩 배리어들은 두꺼운 층에 제조되기가 어렵기 때문에, 도파로들( 및 배리어들)의 폭을 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 요소(234) 및 구조(224)의 공간 및 광학적 파라미터들은 스넬의 법칙을 만족시키게 선택된다. 구체적으로, N1 sinθ1 = N2 sinθ2 및 W1/W2 = sinφ1/sinφ2이며, N1, N2는 각각 요소(234)와 구조(224)의 도파로들의 굴절률들이며, W1, W2는 각각 요소(234)의 층들의 두께 및 구조(224)의 층들의 폭이고, φ1는 파셋(242)의 경사각 φ1이고, φ2는 구조(224)의 도파로들의 굴곡 각이고, θ1 = 90°-φ1및 θ2 = 90°-φ2이다. 수치 예로서, N1=1.50, φ1 = 5.7°, N2 = 1.7인 경우, W2와 W1간의 비는 W2/ W1 = 4.8이다.
요소(234)의 도파로들이 홈들에 의해 분리될 때(개개의 층들에 형성되기보다는. 도 27a-b 및 첨부 설명을 참조), 구조(224)는 동일 기술을 사용하여 제조되는 것이 바람직하다. 이 실시예의 이점은 요소(234)와 구조(224)간의 인터페이스에서 광학적 유실들을 감소시킬 수 있다는 것이다. 또한, 에칭 기술의 사용은 고 굴절률 대비를 보존한다. 이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구조(224)는 제조되어 에칭 전에 적층(231)에 부착된다(도 27a-b 참조). 이후에, 적층(231) 및 구조(224)는 홈들을 형성하기 위해 에칭된다. 구조(224) 내에, 저 공간모드들(홈들에 수직한)이 이의 클래딩 층들 사이로 안내되고 고 공간모드들은 홈들 사이로 안내된다.
도 27g-h에 도시된 실시예에서, 구조(224)는 고 굴절률의 영역들(252) 및 저 굴절률의 영역들(253)을 가진 층들의 적층(256)을 포함한다. 영역들은 입방형일 수 있고 혹은 이외 어떤 다른 형상을 취할 수 있다. 광은 실질적으로 층들(258)에 수직하여 영역들(252)을 통해 전파한다. 구조(224)의 하위의 층(층(258a)로 표기된)은, 필수는 아니지만 구조(224)에서 빔 발산을 향상시키기 위해 만곡되는 것이 바람직한 미러들(260)(예를 들면, TIR 미러들)로 끝난 고 굴절률의 입방형 어레이이다. 구조(224)의 다른 층들(258)의 영역들(252)은 정렬 공차 요건을 줄이기 위해 층(258a)의 영역들(252)보다 큰 것이 바람직하다. 미러들이 금속으로 형성되거나 이것으로 코팅되었을 때, 요소(234)와 구조(224)간 공간은 역 반사 및 빔 발산을 줄이기 위해 저 굴절률의 충전물질로 채워지는 것이 바람직하다. 구조(224)의 층 내에서, 영역들(252)간 공간은 산란광을 감소시키고 디스플레이 콘트라스트를 향상시키기 위해서 흡수 흑색 물질로 채워질 수 있다. 요소(234)와 구조(224)간의 광학적 결합은 요소(234) 내 경사진 단부들을 가진 도파로들을 제공함으로써 달성될 수도 있다(도 27h 참조).
층들이 저 무게의 층들인 바람직한 실시예에서 디바이스(200)의 층들의 평면도(도 28a-b) 및 측면도(도 28c)를 개략적으로 도시한 도 28a-c를 참조한다. 도 28a는 한 광학적 크기변경 요소(요소(232), 요소(234) 혹은 공통의 층들을 갖는 실시예에서 이들 요소들(232, 234))의 층(202)의 평면도이다. 도 28a에 도시된 바와 같이, 도파로들(16)은 이들의 단부(262)에서 부분적으로만 테이퍼되어 있고, 이들의 길이 대부분을 따라 단면은 실질적으로 변경되어 있지 않은 채로 있다. 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 도파로들(16)은 저 굴절률의 클래딩 물질(도시없음, 도 28c 참조)의 박층(264)으로 코팅되어 있고 나머지 공간은 실질적으로 비워둔 상태로 둘 수 있다. 이러한 구성은 각 층의 무게를 줄일 수 있게 하므로 디바이스(200)의 무게도 줄어든다. 구성 목적으로, 각 층의 평면 형상을 유지하고 층들의 와해를 방지하기 위해서, 도파로들(16)사이에 지지부재들(260)이 배치되는 것이 바람직하다. 지지부재들(260)은 전체 도파로들과 병렬로 제조되는 짧은 구간의 도파로들로 만들어진다. 부재들(260)은 임의의 기하학적 형상(예를 들면, 입방형)을 취할 수 있다.
도 28b는 확장 구조(224)의 층(258)의 평면도이다. 층(202)과 유사한 방법으로, 구조(24)의 고 굴절률 영역들(252)은 구조(224)의 각 층의 무게를 줄이기 위해서 서로 이격되어 있을 수 있다. 구조(224)의 각 층의 평면 형상을 유지하고 와해를 방지하기 위해서, 영역들(252)사이에 지지부재들(260)이 배치되는 것이 바람직하다.
도 28c는 층들(202, 258)의 측면도로서, 이웃한 광 전달요소들(도파로들(16) 혹은 고 굴절률 영역들(252)) 사이에 배치된 부재들(260)을 도시한 것이다. 도 28c에는 광 전달요소들이 하부 클래딩 층(266) 상에 형성되고 상부 클래딩 층(264)에 의해 코팅되는 각각의 개개의 층들의 바람직한 구성이 도시되었다.
디바이스(200)의 전체 무게를 줄이는 또 다른 방법은 위에 도 21c에 도시된 바와 같이, 주변경계(22)의 형상으로 층들을 제조함으로써 각 층 상에 빈 영역들을 최소화하는 것이다.
본 발명의 여러 실시예들에 따라, 디바이스(200)를 제조하기 위한 바람직한 절첩기술을 개략적으로 도시한 도 29a-e를 참조한다. 절첩기술은 예를 들면 층들의 대량 제작을 용이하게 하기 위해서, 사각형 층들을 제조하는 것이 바람직한 애플리케이션들에서 이점이 있다. 절첩기술은 디바이스(200)의 임의의 부분도 함께 제조하기 위해서 채용될 수 있다. 구체적으로, 절첩기술은 한 차원 혹은 두 차원들에서 광학적 크기변경을 제공하는 요소들을 제조하기 위해 채용될 수 있다. 도 29a-e에 도시된 대표적인 예들에서, 두 차원들에서 광학적 크기변경을 제공하고, 이에 의해서 각 층에 도파로들의 확장 배열이 제1 차원에서 광학적 크기변경을 제공하고 부분적으로 중첩한 광학적 배열이 제2 차원에서 광학적 크기변경을 제공하는 광학적 요소를 제조하기 위해 접철기술이 채용된다.
위에 언급된 바와 같이, 디바이스(200)의 층들은 가요성 폴리머로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 층들은 이들의 접철을 가능하게 하기 위해서 충분히 얇게 만들어진다. 사각형 층이 일단 형성되면 약 90°의 소정의 각을 형성하게 접어지고 있다(굴곡 손실을 증가시키기 않기 위해서 폴리머 도파로들에 의해 허용되는 곡률의 반경을 가지고). 따라서 접어진 층은 도파로들의 확장 배열을 포함하고, 이에 의해서 입력 영역은 출력영역보다 작다. 입력영역(273)과 출력영역(271)을 가진 접철 층(270)의 대표적인 예가 도 29a에 도시되었고 제조공정의 선택된 단계들이 도 29a-d에 도시되었다.
도 29a-d에는 층(272)의 출력 도파로들(274)이 층(270)의 출력 도파로들(276)에 정렬되게(도 29c), 입력 도파로들(280) 및 출력 도파로들(276)을 구비한 접철 층(270)(도 29a)과 접철층(270)에 추가되는 추가의 층(272)(도 29b)을 구비하는 접철층(270)(도 29a)이 도시되었다. 층(272)은 층(272)의 입력 도파로들(278)이 층(270)의 입력 도파로들(280)과 정렬되게 접어진다(도 29d). 층들의 결과적인 부분적으로 중첩한 배열의 평면도가 도 29e에 개략적으로 도시되었고 노출된 영역들(220) 및 중첩하는 영역들(218)이 도시되었다.
위의 제조공정은 역 순서로 수행될 수도 있음을 알 것이다. 이 실시예에서, 층(270)의 입력 도파로들(280)이 먼저 정렬되고 층(272)의 출력 도파로들(274)이 그후에 정렬된다.
도 30a-b는 발명의 여러 실시예들에서, 4개의 광학적 크기변경 요소들을 제공하기 위한 동시 공정을 개략적으로 도시한 것이다. 도 30a는 4개의 광학적 요소들을 형성하는데 사용될 수 있는 층들(300)의 평면도이다. 일단 층들(300)이 준비되면, 이들은 적층되고 수직경로(306)를 따라 절단되어 층들의 2개의 적층들(302)을 형성한다(도 30b 참조). 이어서 적층(302)은 경사진 경로(304)를 따라 절단될 수 있다.
디바이스(200)가 복수의 소스들로부터 광을 수신하는 바람직한 실시예에서 디바이스(200)를 개략적으로 도시한 도 31을 참조한다. 도 31에 도시된 대표적인 예에서, 디바이스(200)는 4개의 광 소스들(도시생략)로부터 광학 입력을 수신한다. 디바이스(200)는 디바이스(200) 내에서 전달요소들로서 작용하는, 132a 및 132b로 표기한 2개의 광학적 크기변경 요소들, 및 디바이스(200) 내에서 수신요소로서 작용하는, 134로 표기한 하나의 광학적 크기변경 요소를 포함한다. 요소(134)는 경사진 혹은 테라스 파셋(242)을 포함하고, 두 요소들(132a, 132b)에 광학적으로 결합된다. 요소들(132a, 132b)의 원리 및 동작들은 위의 요소들(32a, 32b)의 원리 및 동작과 유사하고, 필요한 변경을 가하여, 경사된 요소(134)에 결합한다. 두 개의 광빔들은 요소들(132a, 132b) 중 하나에 진입한다(빔들(310a, 311a)은 요소(132a)에 진입하고 빔들(310b, 311b)은 요소(132b)에 진입한다). 광 빔들은 요소들(132a, 132b)에서 요소(134)로 전달되고 결합하여 확장된 광빔(314)으로부터 요소(134)에서 나간다.
디바이스(200)는 복수(예를 들면, 2 이상)의 단색 광 소스들 형태로 광학적 입력을 수신하고 크기변경된 색채 광빔을 생성하기 위해 이 광학적 입력을 이용하는 바람직한 실시예에서 디바이스(200)의 평면도(도 32a) 및 단면도(도 32b)를 개략적으로 도시한 도 32a-b)를 참조한다. 도 32b는 도 32a에서 AA'을 따라 절단된 단면도이다. 디바이스(200)는 예를 들면 상술한 바와 같이 복수의 단색 이미지들을 사용하여 확대된 색채 이미지를 제공하는데 사용될 수 있다.
도 32a-b에 도시된 대표적인 예에서, 디바이스(200)는 전술한 바와 같이 3개의 입력 파셋들(326a, 326b, 326c), 및 경사진 혹은 테라스 형상을 취한 하나의 출력 파셋(328)을 형성하는 부분적으로 중첩한 광학적 배열에서 복수의 층들(320)을 포함한다. 층들(320)은 접철기술을 사용하거나 위에 언급된 어떤 다른 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 도 32a-b가 단일 요소(도파로 적층)가 두 차원의 광학적 크 기변경을 제공하는 실시예를 기술할지라도 2개의 광학적 요소들이 사용되는(예를 들면, 위에 요소들(132, 132)) 실시예를 배제하려고 한 것은 아님을 알아야 한다.
도 32a-b를 참조하면, 3개의 단색 광학 입력들(322)(예를 들면, RGB 입력)이 3개의 단색 이미지 소스들(도시생략)에서 디바이스(200)로 전달된다. 디바이스(200)의 층들(320)은 교번 순서로 배열되는 것이 바람직하고, 이에 의해서 각 층의 도파로들은 하나의 단색 입력의 평균 파장에 따라 최적화된다. 이에 따라, 예를 들면, 제1 유형의 층들(320a)은 적색광에 대해 최적화되고, 제2 유형의 층들(320b)은 녹색광에 대해 최적화되고, 제3 유형의 층들(320c)은 청색광에 대해 최적화된다. 층들은 이들의 파장 최적화에 따라 서로 다른 단색광 소스들에 결합된다. 각 층은 미러들(324)(예를 들면, TIR 미러들)을 사용하거나 전술한 바와 같이 어떤 다른 방법을 사용하여 디바이스(200)로부터 광을 결합한다. 미러들은 대응하는 광학적 입력의 평균 파장에 최적화될 수도 있다.
언급한 바와 같이, 본 실시예들은 비-이미지성 광학적 데이터뿐만 아니라 이미지성 광학적 데이터에 적합하다. 구체적으로, 본 실시예들은 전술한 바와 같이, 또 다른 디스플레이 디바이스에 색채 이미지 혹은 색채 백 조명을 제공하는데 사용될 수 있다.
디바이스(200)의 층들은 층들로부터 광의 결합을 개략적으로 도시한 도 33a-c에 더 잘 도시되었다. 도 33a-c에는 부분적으로 중첩한 광학적 배열로 배열된 층들(331)이 도시되었다. 각 층은 층들(331) 내에서 전파하는 광(335)이 미러들(333)에 의해 재지향되어 층들로부터 결합되도록, 바람직하게는 TRI 미러인 미러(333)로 끝난다.
미러들(333)의 방위에 따라, 광(335)은 층의 반사영역(345)의 자유 측(337)을 통해서(도 33a 참조) 혹은 이웃한 층들에 의해 연루된 반사영역(345)의 측(339)을 통해(도 33b-c) 출사할 수 있다. 도 33a에 도시한 실시예는 여기에서는 순방향 광 결합이라 하고 도 33b에 도시된 실시예는 여기에서는 역방향 광 결합이라 한다. 역방향 광 결합은 층들이 실질적인 균일한 두께를 가지며 디바이스(200)의 방출 영역에서 층들의 총 두께는 작은(전형적으로, 제한이 없이, 10mm 미만, 예를 들면 약 2mm) 구성들에서 바람직하다. 역방향 광 결합의 이점은 이의 보다 간단한 제조공정에 있고 미러들 상에 코팅의 간단한 피착(고 반사)에 있다. 미러들은 도파로들의 제작 중에 혹은 후에 제작될 수 있고, 혹은 이들은 일단 층들의 몇몇 혹은 전부가 적층되면 단일 단계로 제작될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 디바이스(200)는 층들(331) 상에 경사진 방위로 배치된 광 전달 플레이트(341)를 포함한다. 또한, 층들(331)과 플레이트(341) 간의 갭은 광(335)이 플레이트(341)에 실질적으로 수직하게 디바이스(200)로부터 결합되도록 굴절률 매칭 물질(341)로 채워질 수 있다. 플레이트(341)는 이면(back surface)의 거칠기가 광 결합(light out-coupling)을 저하시킬 수 있는 역방향 광 결합 실시예에서 특히 유용하다.
디바이스들(200, 30)은 전술한 바와 같이, 2개의 서로 다른 편광 혹은 2개의 서로 다른 색들의 2개의 서로 다른 이미지들을 생성함으로써 3차원 이미지들을 제공하는데 사용될 수 있다. 2개의 서로 다른 편광들에 있어서 디바이스(200)는 2개 의 서로 다른 편광들(서로 다른 색들 대신에)에 2개의 광학적 입력들을 갖고, 도 32와 유사하게 구성될 수 있다. 그러면 사용자는 각 눈에 다른 편광을 갖는 쌍안경 디바이스를 사용하여 이미지들을 볼 수 있다.
또 다른 실시예에서, 디바이스들(200, 30)은 오토스테레오스코픽 디스플레이로서 기능할 수 있다. 이것은 도 34a-d 및 35a-c를 참조로 후술하는 바와 같이, 2이상의 방법으로 행해질 수 있다.
따라서, 발명의 여러 실시예들에서 디바이스(200)는 사용자의 좌안 및 우안에 의해 보여질 수 있게 설계된, 각각이 상이한 이미지를 수신하는 2개의 입력 파셋들(330, 332)을 갖고 제조된다. 출력 파셋(338)은 입력(330)에 도달하는 광학적 정보를 좌안에 보내고 입력(332)에 도달하는 광학적 정보를 우안에 보낸다.
도 34a-d를 참조하면, 디바이스(200)의 층들은 입력(330)에 도달하는 광학적 정보가 좌안에 보내지고 입력(332)에 도달하는 광학적 정보가 우안에 보내지게 배열될 수 있다. 이것은, 오토스테레오스코픽 이미지의 "스위트 스폿(sweet spot)"이라고도 알려진, 출력빔을 단일 스폿(336)에 집점시키기 위해 서로 다른 층들의 미러들(334)의 적합한 방위에 의해 행해질 수 있다(도 34c 참조). 그러면 사용자는 스위치 스폿의 좌측부분(344)에 좌안을 두고 스위치 스폿의 우측부분(342)에 우안을 둠으로써 3차원을 볼 수 있다. 디바이스(200)가 가요성이 있을 때, 스폿(336)에 출력 빔을 집점시키는 것은 도 34d에 도시된 바와 같이, 출력 파셋(338)을 굴곡시킴으로써 달성될 수 있다. 후자의 실시예의 이점은 스위트 스폿 위치가 파셋(338)의 곡률을 가변시킴으로써 가변될 수 있다는 것이다.
도 35a-c를 참조하면, 디바이스(200)의 층들은 도파로들(16)이 출력빔을 스폿(336)에 집점시키는데 있어 적합한 방위를 갖게 배열될 수 있다. 이 실시예의 이점은 빔의 방위가 미러 파셋 각이 아니라 도파로의 방위에 의해 결정된다는 것이다. 제어된 방위를 갖는 도파로들의 제조는 제어된 파셋 각을 가진 미러들의 제조보다 훨씬 간단하다. 또 다른 바람직한 실시예에서 도파로들의 방위는 동일하나 미러 방위는 요망되는 방향으로 빔들을 반사시키기 위해서 변경된다.
도 36은 디바이스들(200)이 2개의 광학적 출력들, "좌측" 출력(346) 및 "우측" 출력(348)을 제공하는 바람직한 실시예에서 디바이스(200)의 시야에 서로 다른 광학적 영역들을 개략적으로 도시한 것이다. 도 36에 도시된 바와 같이, 시야는 일반적으로 4개의 광학적 영역들을 포함한다. 두 출력들이 2차원 이미지로 결합되는 혼합된 뷰 영역(350), 두 출력들이 3차원 이미지로 결합되는 스위트 스폿 영역(336), 및 한 출력으로부터 그림자 지는 2개의 단일측 영역들(352, 354)은 다른 출력, 각각 348 혹은 346의 2차원 정보만을 내포한다. 영역들(352, 354)은 출력 필드의 폭을 제어함으로써 요망되는 대로 크기변경될 수 있다(감소 혹은 확대).
디바이스(200)가 복수의 오토스테레오스코픽 이미지들을 제공하는 바람직한 실시예에서 한 층(도 37a) 및 결과적인 시야(도 37b)를 개략적으로 도시한 도 37a-b를 참조한다. 도시된 바와 같이, 출력 파셋을 통해 광을 방출하는 것으로 나타낸 각 도파로(16)의 단부(360)는 복수의 도파로들(본 예에서 3개의 도파로들(362a, 362b, 362c))로 분할되고, 각각은 본 예에서 개별적 미러(본 예에서 미러들(364a, 364b, 364c)로 끝난다. 도파로들은 서로 다른 스위트 스폿들(본 예에서 스폿 들(366a, 366b, 366c))에 광의 각각의 부분을 집점시키는 방위로 놓인다. 당업자가 아는 바와 같이, 본 실시예는 복수의 방향들로 복수의 2차원 이미지들을 제공하게 채용될 수 있다. 예를 들면, 디바이스(200)가 디스플레이 디바이스에 구현될 때, 서로 다른 방향들로부터 디스플레이를 관측하는 사용자들은 서로 다른 이미지들을 볼 수 있다.
위의 디바이스(30)와 유사하게, 디바이스(200)를 광 소스에 결합하는 몇가지 방법들이 있다. 결합은 커플러, 예를 들면 전술한 바와 같이(도 16a 참조) 편광기를 구비한 혹은 구비하지 않은 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 행해질 수 있다. 대안적으로, 디바이스(200)는 커플러 없이, 혹은 전술한 바와 같이(도 16b 참조), 입력 광학적 요소 상에 놓여지거나 형성된 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 기능할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 입력 이미지는 도 17에 도시되고 전술한 바와 같이 렌즈 혹은 또 다른 집점 요소를 사용하여 디바이스(200) 상에 집점될 수 있다. 추가의 실시예에서, 디바이스(200)와 광 소스간의 결합은 전술한 바와 같이(도 18a-b 참조), 하나 이상의 광섬유 번들들을 통해 결합된다. 디바이스(200)는 디바이스(200)의 입력 파셋 상에 투사될 수 있는 레이저 빔 형태로 광학적 입력을 수신할 수 있다.
이 특허의 유효기간 동안 많은 관계된 광 전달 디바이스들이 개발될 것이고 도파로라는 용어의 범위는 선험적으로 이러한 모든 새로운 기술들을 포함할 것으로 예상된다.
본 발명의 추가의 목적들, 이점들 및 신규한 특징들은 한정하려는 것은 아닌 다음의 예들의 검토시 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 앞에서 서술되고 청구항들에서 청구된 여러 실시예들 및 본 발명의 면들의 각각은 다음의 예들에서 실험적 지지된다.
예
위에 설명과 함께 발명을 비제한적 형태로 예시하는 다음의 예들을 참조한다.
예 1
광학적 손실 최적화
디바이스의 투명성은 몇 가지 손실 메커니즘들로서 (i) 디바이스 내 전파 손실, (ii) 디바이스 내 굴곡 및 테이퍼링 손실, (iii) 디바이스의 광학적 요소들간의 결합 손실, 및 (iv) 인터페이스들에서 반사손실에 의해 영향을 받는다.
폴리머 도파로들에 대해서 보고된 가장 낮은 전파손실은 폴리메칠메타크릴레이트(PMMA) 및 C-H 흡수 진동 본드(vibration bond)를 함유하지 않는 중수 폴리플루오로메타크릴레이트(d-PFMA) 물질들에 의해 달성되었다. 가시영역에서 벌크에 대해 0.001 dB/cm 미만의 값들[L. Hornak, "Polymers for lightwave and integrated optics," Marcel Dekker, Inc, 1992]; λ=0.68㎛의 파장에서 복수모드 도파로에 있어 0.01dB/cm[Yoshimura et al, "Low loss polymeric optical waveguides fabricated with Deuterated Polyfluoromethcrylate," J. Lightwave Tech, vol 16, 1030-1037, 1998], 및 λ=1.3㎛의 파장에서 단일모드 도파로에 있어 0.05dB/cm[Yeniary et al., "Ultra-low-loss polymer waveguides," J. Lightwave Tech, vol 22, 154-158, 2004]이 보고되었다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 도파로들은 폴리머 도파로들, 보다 바람직하게는 PMMA 도파로들 혹은 d-PFMA 도파로들이다.
발명의 여러 실시예들에서 굴곡 손실은 코너 미러와의 광의 상호작업에 기인한다. 1.2dB의 코너 손실은 공기-클래딩 미러를 구비한 50x50㎛ 복수모드 폴리머 도파로에 대해 보고되었다[J-S Kim and J-J Kim, "Stacked polymeric multimode waveguide arrays for two-dimensional optical interconnects," J. Lightwave Tech, vol 22, 840-844, 2004]. 0.5dB 미만의 낮은 손실들이 달성될 수도 있다[Ahmad, "Ultracompact corner-mirrors and T-branches in silicon-on-insulator," IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 14, 65-67, 2002]. 수 mm의 반경들을 가진 도파로 굴곡이 코너 미러들 대신으로 사용될 때, 손실들은 0.1dB보다 작을 수 있다.
디바이스가 광 확장(예를 들면, 이미지의 확대)에 사용될 때, 테이퍼링 손실은 무시될 수 있다. 축소 사용들에 있어서, 전형적인 테이퍼링 손실은 입력 빔 및 테이퍼 길이의 모드 구조에 따르며, 기본 입력모드 및 수 mm 길이의 테이퍼에 있어서 손실은 0.1dB 미만일 수 있다. 이에 따라, 디바이스가 광 확장을 위해 사용될 때, 테이퍼링은 계단형으로 될 수 있고, 축소 사용들에 있어선 손실을 최소화하기 위해서 매끄러운 테이퍼링이 바람직하다.
입력 광 소스와 디바이스간의 인터페이스에서의 결합손실의 범위는 결합을 용이하게 하는데 사용되는 광학적 배열, 도파로 내 코더 대 클래딩의 비, 및 화소들의 폭 대 갭의 비(파셋에서 에칭된 렌즈들처럼 집점 요소가 없는 정도에서)에 따른다. 도파로들이 사각형 단면들을 가질 때, 충전율은 둥근 단면을 가진 도파로들의 경우에 충전율보다 크다. 디바이스의 광학요소들간에 결합손실의 정도는 도파로들의 개구수의 적합한 선택에 의해 무시할 정도로 낮게될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 수신 광학적 크기변경 요소(예를 들면, 요소(34))의 개구수는 방출 광학적 크기변경 요소(예를 들면, 요소(32))의 개구수보다 크거나 같다.
입력 광 소스와 디바이스(30)간의 반사는 광 소스를 디바이스(30)에 결합하는 광학적 배열과 디바이스(30)간에 굴절률 매칭 접착제를 배치함으로써 무시할 정도로 낮을 수 있다. 동일하게 디바이스의 광학 요소들간에 반사에도 적용된다. 제2 광학적 크기변경 요소의 큰 파셋에서의 반사는 (n-1)2/(n+1)2에 의해 주어지며 n은 코어의 굴절률이다. 이 파셋은 반사를 더 줄이기 위해서 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
디바이스 콘트라스트 비는 손실된 산란광이 실질적으로 디바이스(30)의 큰 파셋에 평행하게 전파하기 때문에 전파손실에 의해 약간만 영향받는다. 그럼에도 불구하고, 인터페이스들과 굴곡들에서 산란된 광간에 결합에서 손실된 광은 특히 층들의 영역들(18, 20)이 평행하고 층의 서로 대향하는 양측에 놓인 실시예들에서, 콘트라스트 비를 감소시킬 수 있다.
도파로 비균질 전파손실에 기인한 광학적 손실들은 입력 이미지를 비균질 방법으로 조사함으로써 감소 혹은 실질적으로 제거될 수 있다(예를 들면, 20%미만까지, 보다 바람직하게는 10%미만, 예를 들면 이의 전자 값의 약 5% 이하로 감소된다). 예를 들면, 도 38을 참조하면, 입력 이미지(380)는 차(differential) 도파로 손실들을 보상하기 위해 이미지의 길이 및 폭에 걸쳐 밝기 기울기(382)가 있도록 왜곡될 수 있다.
도 39a는 도파로들(16) 내에서 전파하는 광의 콘트라스트 비를 향상시키기 위해서 선택된 광 흡수체들(370)을 층이 포함하는 바람직한 실시예에서 광학적 크기변경 요소의 층(예를 들면, 층(14))을 개략적으로 도시한 것이다. 광 흡수체들(370)은 층(14)에 걸쳐서 혹은 층(14) 내 소 영역들에 피착될 수 있다. 광 흡수체들은 클래딩 물질에 첨가된 흑색 톤일 수 있다. 영역들(18, 20)이 공선이거나 층(14)의 이웃한 양 측 상에 있는 실시예에서, 감소된 콘트라스트 비의 효과는 덜 뚜렷하고 당업자들은 광 흡수체들(370)을 포함하지 않을 것을 선호할 수도 있다. 그러나, 이들 실시예들에서 광 흡수체들의 사용이 고찰된다. 콘트라스트 비를 향상시키는 대안적 방법은 도파로들 사이에 약간 흡수성의 클래딩층을 사용하는 것이다. 예를 들면, 약 1dB/cm의 흡수계수를 가진 클래딩층은 도파로 손실에 0.01 dB/cm 미만을 더하지만 산란광 전부 혹은 대부분을 흡수할 수 있다.
전파손실들이 균일하지 않을 때 출력 광빔은 비균일 밝기를 가질 수 있다. 이러한 효과를 피하기 위해서, 기생 손실들이 짧은 도파로들에 추가될 수 있다. 이것은 2이상의 방법으로 행해질 수 있다. 일 실시예에서, 기생 손실들은 도파로 폭을 감소시킴으로써 더해지고, 또 다른 실시예에서 기생 손실들은 굴곡 반경들을 감소시킴으로써 더해지고, 추가의 실시예에서 기생 손실들은 굴곡들 혹은 기생적 교차된 도파로들을 층들에 추가함으로써 생성된다.
대안적으로, 도파로들에 결합은 테이퍼 폭(도파로에 결합되는 광량을 제어하는) 혹은 테이퍼 길이(테이퍼의 효율[투명성]을 제어하는) 수정함으로써 재단될 수 있다.
균질 패널이 크기변경될 필요가 있는 경우, 도파로들의 상이한 손실은 도파로들에 상이한 단면들을 할당함으로써 보상될 수 있다. 도 39b는 층의 보다 긴 도파로들이 폭이 더 긴 도파로들의 보다 큰 손실(이들의 긴 길이에 기인하여)을 극복하기 위해 이들에 더 많은 광이 결합되게 더 넓은 단면들을 갖는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 이 예에서 도파로들은 동일 폭을 얻기 위해서 출력 패널쪽으로 테이퍼된다. 테이퍼되지 않은 도파로들이 또한 고찰된다. 90°도파로 굴곡들은 매끄러운 굴곡들로 대치될 수 있다.
도파로들은 층에서만이 아니라 층들간에서도 상이한 길이를 가질 수 있다. 위에 층에 도파로들은 아래 층 내 도파로들보다 짧다. 서로 다른 층들 내 도파로들에 대한 동일 투명성은 각 층마다 상이한 도파로 폭을 할당함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 층 내 (코어) 도파로들의 두께는 층들의 상이한 도파로 길이를 보상하기 위해 변경될 수 있다. 이 실시예에서 위에 층들 내 도파로들은 아래의 층들 내 도파로들보다 얇다.
예2
시야 최적화
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 디바이스(30)는 소정의 시야에서 크기변경된 광을 제공하기 위해 설계 및 구성된다. 디바이스(30)에 대해 소정의 시야를 달성하는 한 방법은 디바이스(30)가 광을 출력하는 광학요소(예를 들면, 요소(34))에 대해 도파로 파라미터들의 적합한 선택에 의한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 도파로들의 굴절률들 및 개구수(N.A.)는 N.A.=sinα=√(n1 2-n2 2)을 만족하기 위해 선택되고, n1 및 n2는 각각 코어 및 클래딩의 굴절률들이고, α는 반의 회절각이다. 선형 테이퍼링으로 끝난 도파로에 있어서, 유효 개구수는 N.A./M이고 M은 테이퍼링 확대이다[[Peli et al., supra]. 이에 따라, 유효 시야는 테이퍼링 형상을 재단함으로써, 즉 비선형 테이퍼 형상을 사용함으로써 선택될 수 있다. 특히, 상이한 시야들이 서로 다른 방향들에 대해 얻어질 수 있다.
서로 다른 방향들에 대한 서로 다른 시야들은 층들 내에 제1 클래딩 물질과 층들간에 제2의 상이한 클래딩 물질을 길이방향(층들에 평행한)으로 시야가 횡방향(층들에 실질적으로 직교하는)으로 시야와 다르게 되게 선택함으로써 달성될 수 있다.
디바이스(30)의 시야는 출력 파셋에 확산성 스크린을 추가하거나 확산성이 되게 출력 파셋을 에칭함으로써 확대될 수 있다. 확산성 스크린은 광학적 손실들을 보상하게 구성될 수도 있다.
추가로 혹은 대안적으로, 시야는 코어의 굴절률과 클래딩의 굴절률간에 차 Δn을 증가시킴으로써 확대될 수 있다. 큰 Δn 값은 전체 광학적 크기변경 요소에 대해 선택될 수 있고 혹은 대안적으로 Δn은 출력 파셋쪽으로 점진적으로 증가될 수 있다. 점진적으로 변하는 Δn은 예를 들면 다이렉트 기입 UV 리소그래피에 의해 코어가 기입되는 제작공정에서 달성될 수 있고, 클래딩에 대한 코어 Δn은 UV 노출 시간의 함수이다. 바람직하게, 굴절률 증가는 코어 물질 내 추가된 산란 센터들 혹은 도파로들에 추가된 굴곡들에 의한 산란과 같은 확산 메커니즘과 함께 온다. 이들 산란 메커니즘들은 하위 오더 모드들을 상위 오더 모드들로 변환하므로 상위 오더 모드들을 유지하기 위해 보다 큰 Δn 도파로의 능력을 이용한다. 큰 시야 패턴들에 기여하는 것은 상위 오더 모드들이다.
당업자가 아는 바와 같이, 시야를 조절하는 능력은 출력된 광의 밝기를 현저하기 향상시킬 수 있다.
출력광의 밝기를 향상시키는 절차를 예시한 도 40을 참조한다. 넓게 말하여 개선은 최소 혹은 전혀 밝기 손실이 없게 광 소스(392)로부터 광(390)의 효율적 수거 및 디바이스(30)의 시야의 조절을 수반한다. 구체적으로, 발명의 본 바람직한 실시예에 따라 시야는 밝기에 예상 감소와 동일한 량만큼 감소되는데, 광(390)의 이러한 모든 혹은 대부분(예를 들면 적어도 90%)의 광학적 에너지는 출력광(394)에 의해 운반된다. 예를 들면, 3dB 삽입손실을 갖는 광학적 크기변경 디바이스를 사용하여 5" 스크린이 10" 스크린으로 확대된다고 가정한다. 이 경우 디바이스(30)의 밝기에 예상 감소는 2x 2x 2 =8이다. 디바이스(30)는 광(390)의 120°가 디바이스(30)에 진입하게 광 소스(392)에 결합되는 것으로 또한 가정한다. 밝기 감소를 제거하기 위해서, 디바이스(30)의 시야는 120/√8=42°가 되게 선택된다. 본 실시예는 예를 들면 디스플레이되는 이미지의 프라이버시를 유지할 목적으로 시야의 감소와 함께 스크린 크기의 확대를 동반하는 것이 요망되는 상황들에서 특히 유용하다.
도파로들(16)이 층들의 단부에 관하여 경사진(예를 들면 도 19 참조) 바람직한 실시예에서 디바이스(30)를 개략적으로 도시한 도 41을 참조한다. 결과적인 광학적 크기변경 요소는 출력 파셋에 관하여 각 θ로 광(394)을 방출한다. 도 41에 도시된 바와 같이 본 실시예는 디바이스(30)의 시야를 수정하게 된다.
시야의 조절은 수신 요소에서 공간모드들을 증가시키기 위해, 디바이스(30)의 광학적 크기변경 요소들간에 인터페이스에 채용될 수도 있다. 조절은 다른 광학 요소의 도파로들 및/또는 Δn의 값간의 상대적 방위를 가변시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 전달요소(예를 들면, 요소(32))의 도파로들이 수신요소(예를 들면, 요소(34))의 도파로들에 평행하지 않고, 수신요소의 Δn이 전달요소의 Δn보다 클 때, 두 개의 요소들간의 인터페이스에 여기하는 보다 큰 공간모드들은 수신요소 내에서 성공적으로 전파한다. 결국, 디바이스의 출력 파셋에서 시야는 증가된다. 공간모드들의 증가는 광학적 크기변경 요소의 두 개의 도파로들간에 경사진 연결을 수립함으로써 광학적 크기변경 요소 내에서(2개의 이러한 요소들간의 인터페이스에서가 아니라) 달성될 수도 있다.
여기에서 사용되는 "약"이라는 용어는 ±10 %를 말한다.
명확성을 위해서 개별적 실시예들의 맥락에서 기술된 발명의 어떤 특징들은 단일 실시예에서 조합하에 제공될 수도 있음을 알 것이다. 반대로, 간략성을 위해서 단일 실시예의 맥락에서 기술된 발명의 여러 특징들은 개별적으로 혹은 어떤 적합한 서브-조합으로 제공될 수도 있다.
발명을 이의 구체적인 실시예들과 함께 기술하였지만, 많은 대안들, 수정들 및 변경들이 당업자들에게 명백할 것이 명백하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 정신 및 넓은 범위 내에 드는 모든 이러한 대안들, 수정들 및 변경들을 포괄한다. 이 명세서에서 언급된 모든 공보들, 특허들 및 특허출원들은 각각의 개개의 공보, 특허 혹은 특허출원이 구체적으로 및 개별적으로 참조로 여기 포함되게 표시된 것과 같게 한 정도로 이들의 전체를 참조로 명세서에 포함된다. 또한, 이 출원에 임의의 참조문헌의 인용 혹은 확인은 이러한 참조문헌이 본 발명에 종래 기술로서 사용될 수 있다는 자인으로서 해석되지 않을 것이다.

Claims (94)

  1. 광학적 크기변경 디바이스에 있어서,
    제1 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비하는 제1 광학적 크기변경 요소; 및
    제2 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비한 제2 광학적 크기변경 요소를 포함하고, 상기 제2 광학적 크기변경 요소는 상기 제1 광학적 크기변경 요소에서 출사하는 광이 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 진입하게 상기 제1 광학적 크기변경 요소에 결합되고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 차원들 둘 다에서 크기가 변경되며;
    상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 적어도 부분적으로 테이퍼된 것인, 광학적 크기변경 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 광학적 크기변경을 제공하게 길이방향으로 확장하는 구성으로 기판에 형성 및/또는 내장되는, 광학적 크기변경 디바이스.
  3. 광학적 크기변경 디바이스에 있어서,
    제1 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비하는 제1 광학적 크기변경 요소; 및
    제2 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된 복수의 도파로들을 구비한 제2 광학적 크기변경 요소를 포함하고, 상기 제2 광학적 크기변경 요소는 상기 제1 광학적 크기변경 요소에서 출사하는 광이 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 진입하게 상기 제1 광학적 크기변경 요소에 결합되고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 차원들 둘 다에서 크기가 변경되며;
    상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 상기 광학적 크기변경을 제공하게 길이방향으로 확장하는 구성으로 기판에 형성 및/또는 내장되는, 광학적 크기변경 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나의 상기 복수의 도파로들은 적어도 부분적으로 테이퍼된 것인, 광학적 크기변경 디바이스.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 길이방향으로 확장하는 구성은 도파로들의 층들을 포함하고, 각 층은 상기 도파로들이 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하고 그럼으로써 상기 층 내에 주변경계를 정의하며, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위해서, 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작은, 광학적 크기변경 디바이스.
  6. 광학적 크기변경 요소에 있어서, 제1 파셋 및 상기 제1 파셋보다 큰 제2 파셋을 구비하는 기판을 형성하는 복수의 층들을 포함하며, 상기 복수의 층들의 각 층은 상기 층에 형성되며/되거나 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하는 실질적으로 평행한 도파로들의 배열을 구비하고, 상기 복수의 층들은 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 배열되고 이에 의해서 각 층의 제2 영역은 일 차원에서 광학적 크기변경을 제공하게 상기 제2 파셋에서 광학적으로 노출된 것인, 광학적 크기변경 디바이스.
  7. 적어도 한 층으로 형성된 기판을 포함하는 광학적 크기변경 요소로서, 상기 적어도 한 층의 각 층은
    상기 층에 형성되며/되거나 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하는 도파로들의 배열을 구비하고, 이에 의해서 각 층 내에 주변경계를 정의하며, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 일 차원에서 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위해서, 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작은, 광학적 크기변경 디바이스.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 적어도 부분적으로 테이퍼된 것인, 광학적 크기변경 디바이스.
  9. 제5항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 서로 대향하는 양측에 위치하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 평행한, 광학적 크기변경 디바이스.
  11. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 이웃한 양측에 위치하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 실질적으로 직교한, 광학적 크기변경 디바이스.
  13. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 층의 동일 측에 위치한, 광학적 크기변경 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 실질적으로 공선(collinear)인, 광학적 크기변경 디바이스.
  15. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위한 경사 진 층을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  16. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나는 상기 광학적 크기변경을 제공하기 위한 테라스를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  17. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 광학적 크기변경 요소의 적어도 하나는 상기 광이 제1 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에 진입하고 상기 제1 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에서 출사하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  18. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 광학적 크기변경 요소의 적어도 하나는 상기 광이 제1 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에 진입하고 상기 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 전파하면서 상기 광학적 크기변경 요소에서 출사하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  19. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 각각은 독립적으로 제1 파셋 및 상기 제1 파셋과는 크기가 다른 제2 파셋을 포함하고, 이에 의해서 상기 복수의 도파로들은 상기 제1 파셋에서 상기 제2 파셋으로 확장하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 파셋은 상기 제1 파셋에 실질적으로 평행한, 광학적 크기변경 디바이스.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제2 파셋은 상기 제1 파셋에 실질적으로 직교하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  22. 제19항에 있어서, 상기 제2 파셋은 상기 제1 파셋에 관하여 경사진, 광학적 크기변경 디바이스.
  23. 제19항에 있어서, 상기 제2 파셋 및 상기 제1 파셋은 실질적으로 공면(coplanar)인, 광학적 크기변경 디바이스.
  24. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소는 복수의 소스들로부터 광을 수신하고 상기 광을 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 전달하게 구성 및 설계되는, 광학적 크기변경 디바이스.
  25. 제6항 또는 제7항에 있어서, 복수의 소스들로부터 광을 수신하고 상기 광을 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 전달하게 구성 및 설계되는, 광학적 크기변경 디바이스.
  26. 제1항 또는 제3항에 있어서, 적어도 한 추가의 광 소스로부터 광을 수신하고 상기 광을 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 전달하게 구성 및 설계된 적어도 하나의 추가의 광학적 크기변경 요소를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  27. 제26항에 있어서, 상기 적어도 한 추가의 광 소스는 단소 광 소스를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  28. 제24항 또는 제26항에 있어서, 상기 제2 광학적 크기변경 요소는 서로 다른 소스들로부터 발원된 광을 서로 다른 방향들로 방출하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  29. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 광학적 크기변경 요소는 상기 제1 광학적 크기변경 요소로부터 수신된 광을 복수의 방향들로 방출하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  30. 제6항 또는 제7항에 있어서, 광을 복수의 방향들로 방출하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  31. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소는 단일 소스로 부터 광을 수신하고 상기 광을 적어도 두 개의 서로 다른 방향으로 방출하게 구성 및 설계된, 광학적 크기변경 디바이스.
  32. 제6항 또는 제7항에 있어서, 단일 소스로부터 광을 수신하여 광을 적어도 2개의 서로 다른 방향들로 방출하게 구성 및 설계된, 광학적 크기변경 디바이스.
  33. 제31항에 있어서, 상기 적어도 2개의 서로 다른 방향들 중 하나에 위치하고 상기 제1 광학적 크기변경 요소로부터 광을 수신하게 구성된 적어도 하나의 추가의 광학적 크기변경 요소를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  34. 제1항, 제3항, 제6항, 제7항 및 제19항 중 한 항에 있어서, 상기 제2 파셋에 부착 혹은 이에 에칭된 확산층을 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  35. 제1항, 제3항, 제16항 및 제16항 중 한 항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나는 확장 구조를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  36. 제35항에 있어서, 상기 확장 구조는 홀로그래픽 광학적 요소를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  37. 제35항에 있어서, 상기 확장 구조는 고 굴절률 영역들 및 저 굴절률 영역들로 번갈아 패터닝된 층들의 적층을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  38. 제35항에 있어서, 상기 확장 구조는 홈들로 패터닝된 층들의 적층을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  39. 제35항에 있어서, 상기 확장구조는 테이퍼된 도파로들의 층들의 적층을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  40. 제35항에 있어서, 상기 확장구조는 미러들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  41. 제40항에 있어서, 상기 미러들은 완전 내부 반사 미러들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  42. 제40항에 있어서, 상기 미러들은 고 반사 코팅으로 코팅된, 광학적 크기변경 디바이스.
  43. 제35항에 있어서, 상기 확장구조는 브래그 반사기들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  44. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나는 복수의 부분적인 광학적 크기변경 요소들을 포함하고 이에 의해서 각각의 부분적인 광학적 크기변경 요소는 각각의 차원에서 부분적인 광학적 크기변경을 제공하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  45. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 광학적 크기변경 요소 및 상기 제2 광학적 크기변경 요소 중 적어도 하나는 광을 편광하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  46. 제6항 또는 제7항에 있어서, 광을 편광하게 설계 및 구성된, 광학적 크기변경 디바이스.
  47. 광학적 크기변경 디바이스에 있어서,
    제1 파셋 및 제2 파셋을 구비하는 기판을 형성하며, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 구성된 복수의 층들;
    상기 복수의 층들의 각 층은 상기 층에 형성된 및/또는 내장되고 상기 층의 제1 영역에서 상기 층의 제2 영역으로 확장하며 그럼으로써 상기 층 내에 주변경계를 정의하는 도파로들의 배열을 구비하며, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작으며, 상기 제2 영역은 상기 제2 파셋에 서 광학적으로 노출된, 광학적 크기변경 디바이스.
  48. 제47항에 있어서, 상기 제1 파셋은 상기 복수의 층들의 중첩하는 영역들의 단부들에 의해 정의되는, 광학적 크기변경 디바이스.
  49. 제47항에 있어서, 각 층은 상기 제1 파셋에서 부분적으로 노출된, 광학적 크기변경 디바이스.
  50. 제47항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 적어도 부분적으로 테이퍼된, 광학적 크기변경 디바이스.
  51. 제47항에 있어서, 상기 복수의 층들 중 적어도 몇 개의 층들은 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 반사광에 대한 미러들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  52. 제51항에 있어서, 상기 미러들의 적어도 일부는 완전 내부 반사 미러들인, 광학적 크기변경 디바이스.
  53. 제51항에 있어서, 상기 미러들의 적어도 일부는 에칭된 미러들인, 광학적 크기변경 디바이스.
  54. 제51항에 있어서, 상기 미러들 중 적어도 일부는 고 반사 코팅에 의해 코팅된, 광학적 크기변경 디바이스.
  55. 제51항에 있어서, 상기 미러들의 적어도 일부는 평탄한 파셋을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  56. 제51항에 있어서, 상기 미러들 중 적어도 일부는 비-평탄한 파셋을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  57. 제47항에 있어서, 상기 복수의 층들 중 적어도 몇 개는 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위한 브래그 반사기들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  58. 제47항에 있어서, 상기 복수의 층들 중 적어도 몇 개의 층들은 상기 층으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위한 홀로그래픽 광학적 요소들을 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  59. 제1항, 제3항 및 제47항 중 한 항에 있어서, 디바이스에 의해 크기변경되는 광의 밝기를 실질적으로 유지하기 위해서 충분히 작게 선택된 시야인 것을 특징으 로 하는, 광학적 크기변경 디바이스.
  60. 광학적 크기변경 요소를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 확장 배열로 복수의 도파로들을 형성하고 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)를 복수 회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및
    (c) 상기 복수의 층들의 단부들에 의해 정의되는 제1 파셋 및 상기 복수의 층들 중 한 층의 노출된 표면에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해 상기 복수의 층들 적층하고;
    그럼으로써 상기 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  61. 제60항에 있어서,
    (d) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 실질적으로 평행한 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계;
    (e) 상기 단계(d)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계;
    (f) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고;
    그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계; 및
    (g) 상기 광학적 크기변경 요소로부터 상기 제2 광학적 크기변경 요소로 광이 전파할 수 있게 상기 광학적 크기변경 요소를 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 광학적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 광은 상기 광학적 크기변경 요소 내에서 제1 차원에서 그리고 상기 제2 광학적 크기변경 요소 내에서 제2 차원에서 크기변경되는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  62. 복수의 광학적 크기변경 요소들을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계;
    (c) 적층을 제공하기 위해서 상기 복수의 층들을 적층하는 단계; 및
    (d) 복수의 광학적 크기변경 요소들을 제공하기 위해서 상기 적층에 적어도 한 절단을 수행하는 단계를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  63. 광학적 크기변경 요소를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 병렬 도파로들을 형성하고, 그럼으로써 도파로들의 층을 제공하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및
    (c) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고;
    그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  64. 제60항 또는 제63항에 있어서,
    (d) 제2 광학적 크기변경 요소를 형성하기 위해 상기 단계들 (b)-(c)를 반복하는 단계; 및
    (e) 상기 광학적 크기변경 요소로부터 상기 제2 광학적 크기변경 요소로 광이 전파할 수 있게 상기 광학적 크기변경 요소를 상기 제2 광학적 크기변경 요소에 광학적으로 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 광은 상기 광학적 크기변경 요소 내에서 제1 차원에서 그리고 상기 제2 광학적 크기변경 요소 내에서 제2 차원에서 크기변경되는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  65. 광학적 크기변경 디바이스를 제공하는 방법에 있어서,
    (a) 기판 상에 상기 기판의 제1 영역에서 상기 기판의 제2 영역으로 확장하는 복수의 도파로들을 형성하고 그럼으로써 상기 기판 내에 주변경계를 정의하는 단계로서, 상기 주변경계를 특징짓는 길이는 상기 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 더 작은, 단계;
    (b) 단계 (a)를 복수회 반복하고, 그럼으로써 복수의 층들을 제공하는 단계; 및
    (c) 제1 파셋 및 상기 복수의 층들의 광학적으로 노출된 부분에 의해 정의되는 제2 파셋을 형성하기 위해서, 부분적으로 중첩하는 광학적 배열로 상기 복수의 층들을 적층하고 이에 의해서 각층의 상기 제2 영역이 광학적으로 노출되고, 그럼으로써 제2 광학적 크기변경 요소를 제조하는 단계를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  66. 제60항, 제62항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로들을 형성하는 단계는 복수의 테이퍼된 도파로들을 형성하는 단계를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  67. 제62항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 기판으로부터 상기 복수의 도파로들 내에서 전파하는 광을 재지향시키기 위해 미러들을 배치하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  68. 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 제1 파셋 및 상기 제2 파셋 중 적어도 하나를 형성하기 위해서, 상기 복수의 층들을 적층하는 상기 단계에 이어, 상기 복수의 층들을 절단하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  69. 제68항에 있어서, 상기 절단하는 단계는 상기 제1 파셋 및 상기 제2 파셋 중 적어도 하나는 경사지게 수행되는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  70. 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 층들을 적층시키는 상기 단계에 앞서, 각 층에 대해, 복수의 도파로들의 단부들을 노출시키는 층 단부를 형성하기 위해서 상기 복수의 층들을 절단하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  71. 제60항, 제62항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 층들을 적층하는 상기 단계에 앞서, 상기 층들의 적어도 부분 상에 편광자를 피착하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  72. 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 제1 파셋 및 상기 제2 파셋 중 적어도 하나를 커플러에 결합하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  73. 제72항에 있어서, 상기 커플러는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  74. 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 파셋 상에 마이크로렌즈 어레이를 형성하기 위해서 상기 제1 파셋 및 상기 제2 파셋 중 적어도 하나를 에칭하는 단계를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  75. 제6항, 제47항, 제61항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 층들은 상기 제2 파셋에서 부분적으로 노출된, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  76. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 제47항, 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 평면형 광 회로를 형성하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  77. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 제47항, 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 광섬유 어레이를 형성하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이 스 제조방법.
  78. 제76항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 단일 모드 도파로들인, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  79. 제76항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 복수모드 도파로들인, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  80. 제76항에 있어서, 상기 도파로들의 코어들 간에 도입된 광 흡수체들을 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  81. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 제47항, 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 코어 및 클래딩을 포함하고 상기 코어는 상기 클래딩보다 큰 굴절률을 갖는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  82. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 제47항, 제60항, 제63항 및 제65항 중 한 항에 있어서, 상기 복수의 도파로들 중 적어도 몇 개는 광 밴드갭 물질을 포함하는, 광 학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  83. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 상기 광을 상기 광학적 크기변경 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소에 결합하기 위한 마이크로렌즈 어레이를 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  84. 제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 상기 광을 상기 광학적 크기변경 디바이스 혹은 광학적 크기변경 요소에 결합하기 위한 적어도 하나의 광섬유 번들을 더 포함하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  85. 제1항, 제4항, 제8항, 제39항, 제50항 및 제66항 중 한 항에 있어서, 상기 테이퍼링은 매끄러운 프로파일인 것을 특징으로 하는 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  86. 제1항, 제4항, 제8항, 제39항, 제50항 및 제66항 중 한 항에 있어서, 상기 테이퍼링은 실질적으로 계단형상 프로파일인 것을 특징으로 하는 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소, 혹은 광학적 크기변경 디바이스 제조방법.
  87. 제1항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 가요성인, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  88. 제1항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 절첩되는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  89. 제1항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 디스플레이 시스템 내 성분으로서 작용하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  90. 제1항, 제3항, 제6항, 제7항, 및 제47항 중 한 항에 있어서, 오토스테레오스코픽 디스플레이 시스템 내 성분으로서 작용하는, 광학적 크기변경 디바이스, 혹은 광학적 크기변경 요소.
  91. 광의 스폿의 크기를 변경하는 방법에 있어서, 전술한 청구항들 중 한 항의 상기 광학적 크기변경 디바이스를 통해 광을 전달하는 단계를 도파하는, 방법.
  92. 제91항에 있어서, 광의 스폿에 걸쳐 밝기 기울기를 제공하여 비-균질 광학적 손실들을 보상하기 위해 상기 광의 스폿을 왜곡시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  93. 제91항에 있어서, 상기 광은 이미지를 구성하는, 방법.
  94. 제93항에 있어서, 상기 이미지에 걸쳐 밝기 기울기를 제공하여 비-균질 광학적 손실들을 보상하기 위해 상기 이미지를 왜곡시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
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