KR20100092059A - 구면 및 비구면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들 - Google Patents

구면 및 비구면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들 Download PDF

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KR20100092059A
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Abstract

명세서와 도면은 관람용 디스플레이의 출사동공을 확장하여 이미지 확산을 줄이기 위해 복수 개의 회절 요소들과 구면 또는 비구면 비-평면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들(EPE)을 사용하는 새로운 징치 및 방법을 제시한다. 이것은 또한 영상 분해능을 향상시킬 수 있게 하고 더 짧은 초점 거리들을 이용할 수 있게 한다.

Description

구면 및 비구면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들{Exit pupil expanders with spherical and aspheric substrates}
본 발명은 대체로 디스플레이 기기에 관한 것으로, 더 상세하게는, 구면 또는 비구면의 비-평면 기판들 및 관람용 디스플레이의 출사동공(exit pupil)을 확장하기 위한 복수 개의 회절 요소를 가지는 출사동공 확장기들에 관한 것이다.
평면 기판들 상에 형성된 회절 출사동공 확장기들(EPE)을 사용하는 근안(near-to-eye) 디스플레이(NED)들은 무한 관람 거리에서 가상 디스플레이들의 이미지들을 생성하는데 적합하다. 근거리 물체들에 대해 사용된다면, 각 물점(object point)은 EPE 플레이트에 복제되는데, 그것은 가상 디스플레이에서 화소 흐려짐(pixel blurring)이 나타난다. 예를 들면, NED의 영상화 광학계가 유한한 관람 거리에서 입력 이미지를 제공하도록 디자인된다면, 각 디스플레이 화소는 한 범위의 광선(ray) 각도들로 구성된다. 평평한 EPE 속으로 커플링될 때 입사 광선 각도들의 전체 범위는 아웃커플링 격자를 따르는 모든 광선 차단점들로부터 나올 것이다. 그래서, 단일 디스플레이 화소가 EPE를 통해 관찰될 때 복제되었거나 흐려진 것으로 보일 것이다. 무한한 관람거리라는 제약은 근시의 사람에게 문제가 될 수 있다. 특히, 통상의 안경을 착용하는 것이 적절하지 않은 모바일 애플리케이션들에서는 콤팩트 안경형 NED들이 바람직하다. 더욱이, 무한 이미지 거리의 제약은 관람 경험의 현저한 저하를 이끌 수 있고 잠재 애플리케이션들, 이를테면 입체 3D(3차원) 관람의 범위를 제약한다.
이 상황은 국제공개번호 WO2006064301의 PCT 특허출원에서 설명된 바와 같은 실린더형 EPE의 사용으로 개선될 수 있다. 그런 배치구성에서 물체면(object plane)의 중앙으로부터 나오는 수평 광선들(EPE 기판의 실린더 표면의 축에 수직한 방향에 있음)이 완전하게 영상화될 수 있다, 즉, 평평한 EPE 플레이트로 관찰되는 수평 방향을 따르는 물점 복제는 취소된다. 그러나, 수직 전파 성분(실린더 표면의 축에 평행한 방향에 있음)은 수직 방향에서 시프트되고, 그래서, 물점들은 실질적으로 확장하는 실린더형 EPE를 통해 관찰될 때 선들로서 보일 것이다. 일반적으로, 물점들의 수직 확산 량은 관찰자의 초점거리(EPE 곡률), 수직 확장, 및 동공 사이즈에 의존한다.
관람용 디스플레이의 출사동공을 확장하여 이미지 확산을 줄이기 위해 복수 개의 회절 요소들과 구면 또는 비구면 비-평면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들(EPE)을 사용하는 새로운 방법 및 장치가 제시된다.
본 발명의 제1양태에 의하면, 장치는 제1표면 및 제1표면에 대향하는 제2표면을 가지는 광 재료의 비-평면 기판으로서 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상을 가지는 비-평면 기판; 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치되어 입사 광빔을 받는 인-커플링 회절 요소; 및 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 포함하며, 인-커플링 회절 요소는 입사 광빔을 회절하도록 구성되어, 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들 중의 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하고, 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 각각은 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해 비-평면 기판으로부터 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 회절에 의해 커플링하도록 구성된다.
추가로 본 발명의 제1양태에 의하면, 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대해 1차원 또는 2차원에서 확장된 출사동공을 가질 수 있다.
게다가 본 발명의 제1양태에 의하면, 입사 광빔은 디스플레이 또는 마이크로디스플레이의 가상 이미지로부터 나올 수 있다.
더욱이 본 발명의 제1양태에 의하면, 인-커플링(in-coupling) 회절 요소 및 하나 이상의 아웃-커플링(out-coupling) 회절 요소의 회절 격자 선들 사이의 거리들은 소정의 기준에 따라 가변될 수 있다.
또한 본 발명의 제1양태에 의하면, 기판의 두께가 실질적으로 균일하게 될 수 있다.
더군다나 본 발명의 제1양태에 의하면, 입사 광빔은 제1 또는 제2 표면 중에서 초점면에 더 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면에 위치된 물체 또는 가상 물체에 의해 생성될 수 있다. 더더구나, 구면 내표면 및 초점면 사이의 거리가 구면 내표면의 반경과 동일할 수 있다. 더욱이, 물체의 중심점은 실질적으로 장치에 의한 수차(aberrations) 없이 영상화될 수 있다.
또한 본 발명의 제1양태에 의하면, 입사 광빔을 생성하는 물체 또는 가상 물체가 비평면 기판으로부터 유한한 거리에 위치될 수 있다.
더군다나 본 발명의 제1양태에 의하면, 구면 형상에 대해, 인-커플링 회절 요소 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들이 구면좌표계의 위선(parallel)들을 따라서 존재할 수 있다. 더구나 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 사이의 기준면에 투영된 간격(spacing)이 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 중의 하나의 중간점 및 구면좌표계의 원점을 가로지르는 선과 중간점 및 구면좌표계의 극을 가로지르는 선 사이의 각도의 사인(sine)에 역비례할 수 있는데, 여기서 기준면은 비평면 기판의 제1표면 또는 제2 표면 중에서 초점면에 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면이다. 더구나, 인-커플링 회절 요소는 인-커플링 회절 요소의 중간점에 위치된 그루브에 대해 각도가 90도가 되도록 위치될 수 있다.
더욱이 본 발명의 제1양태에 의하면, 이 장치는 비-평면 기판에 배치된 하나 이상의 중간 회절 요소들을 더 포함함으로써 인-커플링 회절 요소에서 회절된 입사 광빔의 적어도 하나 이상의 부분들이 하나 이상의 중간 회절 요소들에 먼저 커플링될 수 있는데, 하나 이상의 중간 회절 요소들은 하나 이상의 출사 광빔들에 입사 광빔에 대하여 2차원으로 확장된 출사동공을 제공하기 위해 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들에 상응하는 광빔들을 회절에 의해 추가로 커플링하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제2양태에 의하면, 방법은 입사 광빔을 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 인-커플링 회절 요소에 의해 수신하는 단계로서, 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상이고 서로 대향하는 것들인 단계; 입사 광빔을 회절시켜 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들 중 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하는 단계; 및 비-평면 기판으로부터의 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 사용하여 회절에 의해 커플링함으로써 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하는 단계를 포함한다.
추가로 본 발명의 제2양태에 의하면, 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대해 1차원 또는 2차원으로 확장된 출사동공을 가질 수 있다.
게다가 본 발명의 제2양태에 의하면, 입사 광빔은 디스플레이 또는 마이크로디스플레이의 가상 이미지로부터 나올 수 있다.
더욱이 본 발명의 제2양태에 의하면, 인-커플링(in-coupling) 회절 요소 및 하나 이상의 아웃-커플링(out-coupling) 회절 요소들의 회절 격자 선들 사이의 거리들은 소정의 기준에 따라 가변될 수 있다.
또한 본 발명의 제2양태에 의하면, 기판의 두께가 실질적으로 균일하게 될 수 있다.
더군다나 본 발명의 제2양태에 의하면, 입사 광빔은 제1 또는 제2 표면 중에서 초점면에 더 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면에 위치된 물체 또는 가상 물체에 의해 생성될 수 있다.
더더구나, 본 발명의 제2양태에 의하면, 구면 내표면 및 초점면 사이의 거리가 구면 내표면의 반경과 동일할 수 있다.
또한 본 발명의 제2양태에 의하면, 입사 광빔을 생성하는 물체 또는 가상 물체가 비-평면 기판으로부터 유한한 거리에 위치될 수 있다.
더군다나 본 발명의 제2양태에 의하면, 구면 형상에 대해, 인-커플링 회절 요소 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들이 구면좌표계의 위선들을 따라서 존재할 수 있다. 더구나 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 사이의 기준면에 투영된 간격(spacing)이 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 중의 하나의 중간점 및 구면좌표계의 원점을 가로지르는 선과 중간점 및 구면좌표계의 극을 가로지르는 선 사이의 각도의 사인(sine)에 역비례할 수 있는데, 여기서 기준면은 비평면 기판의 제1표면 또는 제2 표면 중에서 초점면에 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면이다.
본 발명의 제3양태에 의하면, 전자기기가
- 데이터 처리부;
- 데이터 처리부에 동작적으로 연결되어 데이터 처리부로부터 이미지 데이터를 수신하는 광 엔진;
- 광 엔진에 동작적으로 연결되어 이미지 데이터에 기초하여 이미지를 형성하는 디스플레이 기기; 및
- 출사동공 확장기를 포함하며, 상기 출사동공 확장기는
: 제1표면 및 제1표면에 대향하는 제2표면을 가지는 광 재료의 비-평면 기판으로서 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상을 가지는 비-평면 기판; 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치되어 입사 광빔을 수신하는 인-커플링 회절 요소; 및 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 포함하며, 인-커플링 회절 요소는 입사 광빔을 회절하도록 구성되어, 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하고, 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 각각은 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해 비-평면 기판으로부터 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 회절에 의해 커플링하도록 구성된다.
추가로 본 발명의 제3양태에 의하면, 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대해 1차원 또는 2차원으로 확장된 출사동공을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 관람용 디스플레이의 출사동공을 확장하여 이미지 확산을 줄일 수 있다. 또한, 영상 분해능을 향상시킬 수 있게 하고 더 짧은 초점 거리들을 이용할 수 있게 한다.
본 발명의 본질과 목적들의 보다 나은 이해를 위해, 다음 도면들에 관련하여 취해진 아래의 상세한 설명을 참조하는데, 도면들 중에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판을 가지는 근 초점(near focus) 출사동공 확장기의 기하를 설명하는 개략도이며;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단안 관람(monocular viewing)을 위한 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판을 가지는 출사동공 확장기의 회절 격자들의 기하를 설명하는 개략도이며;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쌍안 관람(binocular viewing)을 위한 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판을 가지는 출사동공 확장기의 회절 격자들의 기하를 설명하는 개략도이며;
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따른 비-평면 구면 기판을 가지는 EPE에 의해 중심 물점(도 4a) 및 탈중심(off-center) 물점(도 4b)의 영상화를 설명하는 개략도들이며;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 2 또는 도 3에 보인 인-커플링 및 아웃-커플링 회절 격자들 사이에서 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판과 함께 사용하기 위한 중간 회절 격자의 기하를 설명하는 개략도이며;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비-평면 기판을 가지는 EPE에서 입사 광빔의 전파를 설명하는 흐름도이며; 그리고
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 출사동공 확장기 시스템을 가지는 전자 기기의 개략도이다.
관람용 디스플레이의 출사동공을 확장하여 이미지 확산을 줄이기 위해 복수 개의 회절 요소들과 구면 또는 비구면 비-평면 기판들을 가지는 출사동공 확장기들(EPE)을 사용하는 새로운 방법 및 장치가 제시된다. 이것은 또한 영상 분해능을 향상시킬 수 있게 하고 더 짧은 초점 거리들을 이용할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들은 넓은 스펙트럼 범위의 광빔(optical beam)들에 적용될 수 있지만 광빔들이 라이트 빔(light beams)이라 불리는 경우의 광학적 스펙트럼의 가시적인 부분에 대해 가장 중요하다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하기 위해 "비-평면 기판(non-flat substrate)이란 용어는 두 개의 표면(예컨대, 제1 및 제2 표면들)과 보통 실질적으로 균일한 두께를 가지는 얇은 비-평면 도파체(waveguide)로서 해석될 수 있음에도 주의한다. 또한 "비구면(aspheric)"은 구의 일부가 아니고 원형 실린더의 일부도 아닌 프로파일을 가지는 평평하지 않고 복소 방정식들로서 설명될 수 있는 표면으로서 넓게 정의될 수 있는데, 복소 방정식들의 단순한 예들로는 포물선, 쌍곡선, 타원 등을 포함할 수 있지만 이것들에 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 광학 기기(예컨대, 광학 기기는 가상 현실 디스플레이의 일부일 수 있다) 이를테면 출사동공 확장기는 제1표면과 제1표면에 대향하는 제2표면을 가지며 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상을 가질 수 있는 광학 재료의 비-평면 기판을 포함할 수 있다.
더구나, 물체 또는 가상 물체(예컨대, 디스플레이 또는 마이크로디스플레이의 가상 이미지)로부터 나오는 입사 광빔은 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 적절히 선택된 격자 선 기하를 가지는 인-커플링 회절 요소에 의해 수신될 수 있다. 그 다음 입사 광빔은 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공하도록 인-커플링 회절 요소(예컨대, 회절 격자)에 의해 회절될 수 있어 하나 이상의 회절된 광빔의 각각의 일부는 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 적절히 선택된 격자 선 기하를 가지는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 (예컨대, 비-평면 기판 내의 전반사(total internal reflection)를 사용하고 2차원 확장을 위한 중간 회절 격자를 옵션으로 사용하여) 커플링될 수 있다. 그 다음 하나 이상의 회절 광빔들의 부분들은 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들(예컨대, 단안 관람을 위한 하나의 아웃-커플링 회절 요소, 쌍안 관람을 위한 두 개의 아웃-커플링 회절 요소들, 등)을 사용하여 비-평면 기판으로부터 회절에 의해 커플링될 수 있다. 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대하여 1차원 또는 2차원으로 확장된 출사동공과, 수차 감소 및 빔 확산 때문인 높은 분해능을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 입사 광빔을 생성하는 물체 또는 가상 물체(예컨대, 마이크로디스플레이의 가상 이미지)는 제1 또는 제2 표면(초점면에 가까운 표면)을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면에 위치될 수 있고 물체의 중심점은 실질적으로 수차 없이 EPE에 의해 영상화된다. 일반적으로 입사 광빔을 생성하는 물체는 비-평면 기판으로부터 유한한 거리에 위치될 수 있다. 구면 기판들의 경우, 비-평면 기판의 구면 내표면과 초점면 사이의 거리는 구면 내표면의 반경과 동일할 수 있다.
여기서 설명된 비-평면 기판들을 가지는 가상 디스플레이는 단안 또는 쌍안 관람을 위해 사용 및/또는 디자인될 수 있고, 그러므로 여기서 설명되는 시나리오는 단안 및 쌍안 관람 둘 다를 위해 사용될 수 있다는 것에 추가로 유의한다.
더구나, 2개의 아웃-커플링 회절 요소들이 사용된다면, 전형적으로 이들 2개의 아웃-커플링 회절 요소들은 인-커플링 회절 요소에 대하여 대칭적일 수 있다. 또한, 각 기판에서의 아웃-커플링 회절 요소들과 인-커플링 회절 요소들은 평행한 주기적 선들을 가질 수 있다.
추가 실시예들에 의하면, 비-평면 기판에 배치되며 인-커플링 회절 요소에 대하여 적절히 위치된 하나 이상의 중간 회절 요소들과 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 사용함으로써 2차원 확장이 제공될 수 있으므로 인-커플링 회절 요소에서 회절된 입사 광빔의 적어도 부분들은 상응하는 하나 이상의 중간 회절 요소들과 먼저 커플링될 수 있는데, 상응하는 하나 이상의 중간 회절 요소들은 2차원으로 확장된 출사동공을 가지는 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해, 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들에 상응하는 광빔들을 회절에 의해 추가로 커플링하도록 구성될 수 있다. 평면 기판의 경우에서처럼, 중간 회절 요소는 이 기술분야에서 알려지고 T. Levola의 "Diffractive Optics for Virtual Reality Displays", SID Eurodisplay 05, Edinburg (2005), SID 02 Digest, Paper 22.1에 기재된 바와 같이 홀수의 1차 회절 또는 짝수의 추가 1차 반사를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 인-커플링 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들(회절 격자들)은 인-커플링 및 아웃-커플링 영역들 내에 비-평면 기판(도파체)의 내부(및/또는 외부) 표면에 일련의 그루브들을 각인함으로써 형성될 수 있다. 그루브들은 표준 리소그래픽, 식각, 및 복제(replication) 방법들을 사용하여 다수의 방식으로 제작될 수 있다. 인-커플링 회절 요소들(즉, 그것들의 그루브들)은 예컨대, 인-커플링 회절 요소(예컨대, 도 3에 보임)에 대하여 좌측 및 우측 절반 공간들 사이의 "광학적 크로스토크"를 줄이고 커플링 효율을 증가시키기 위한 경사 격자들을 사용하여 대칭적으로 또는 비대칭적이 될 수 있다. 예를 들어, 경사형 격자들은 비대칭적일 수 있으므로 그것들의 경사각도들은 동일하지만 입사 광빔의 광축에 대하여 반대의 부호(sign)를 가진다, 즉, 그루브 형상들은 서로의 미러 이미지들이다.
추가 실시예에 의하면, 인-커플링 회절 요소 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 회절 격자 선들(예컨대, 격자 그루브들의 밀도 또는 선들 사이의 거리)은 소정 기준에 따라 가변될 수 있다. 예를 들면 구면 비-평면 기판의 경우, 인-커플링 회절 요소들 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들은 구면좌표계의 위선들을 따라 있을 수 있다. 더욱이, 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절요소들의 인접한 그루브들 사이의 간격은 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절요소들의 인접한 그루브들 중의 하나의 중간점 및 구면좌표계의 원점을 가로지르는 선과 이 중간점 및 구면좌표계의 극을 가로지르는 선 사이의 각도의 사인(sine)에 역비례할 수 있는데, 인-커플링 회절 요소는 이 각도가 인-커플링 회절 요소의 중간점에 위치된 그루브에 대해 90도 각도이며(그래서 최소 그루브 간격에 상응하도록 위치된다(도 3에 관련한 논의 참조)).
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판(12)을 가지는 근 초점(near focus) 출사동공 확장기(EPE)(10)의 기하형상을 설명하는 개략도들 가운데 한 예를 보인다. EPE 형상은 예컨대 가상 디스플레이의 소망의 초점 거리 즉, 관람 거리와 동일한 내직경 R1을 가지는 구형 셸(spherical shelll)의 단면이 되도록 변형된다. 물체면(18)은 구형 EPE 단면의 초점면에 있고 관찰자는 EPE를 통해 초점면 쪽으로 가상 이미지를 바라본다. 입사 이미지는 EPE(10)의 입사 단면 옆에 위치된 마이크로디스플레이(도 1에는 도시 않음)의 가상 이미지가 될 수 있고 이 마이크로 디스플레이의 가상 이미지는 구형 EPE 단면의 초점면(18)에 위치된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단안 관람(monocular viewing)을 위한 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판을 가지는 출사동공 확장기(10a)의 회절 격자들의 기하를 설명하는 개략도들 중에서 한 예를 보인다. 인-커플링 회절 요소(예컨대 회절 격자)(14)와 아웃-커플링 회절요소(예컨대, 회절 격자)(16)는 비-평면(예컨대, 구면) 기판(12)의 표면들 중 하나에 배치된다. 인-커플링 및 아웃-커플링 격자들(14 및 16)의 격자 그루브들(14a 및 16a)은 구면좌표계의 위선들 또는 지리학적인 용어들로는 등위원들(circles of latitude)을 따라 존재하도록 한다. 이러한 격자 선들의 선택으로 물체면의 중심점은 EPE(10a)를 통해 완전히 영상화될 수 있다는 것이 보여질 수 있다(도 4a에 관한 논의 참조). 물체면(물체면(18)은 도 1에 관련하여 설명되었음)의 주어진 입력 화소의 상점(image point)은 주광선(chief ray)들, 즉 입력 화소로부터 입사 동공의 중심(인-커플링 영역)쪽으로 나오는 입사 광선들로부터 결정될 수 있다.
물체면의 모든 화소들로부터 나오는 입사 광빔은 인-커플링 회절 요소(14)에 커플링되고 인-커플링 격자(14)에 의해 비-평면 기판(12)의 제1 및 제2 표면들 내에서 회절된다. 인-커플링 격자(14)의 기하형상은 선택된 회절 차수들(예컨대, +1 및/또는 -1)의 존재와 소망의 시야(FOV) 내의 입사각들에 대한 비-평면 회절 격자(14) 내부의 총 내부 반사(TIR)의 존재를 위한 조합된 기준들을 고려함으로써 선택될 수 있다.
인-커플링 광 전파는 국소 좌표 프레임으로부터/에 도 2에 보인 기준 데카르트 XYZ 좌표계에/로부터 좌표 변환을 요구할 수 있는 인-커플링 격자(14)의 국소 좌표 프레임에서 수행될 수 있다.
회절되고 커플링된 광빔은 비-평면 기판(도파체; 12)을 통한 전반사(TIR)에 의하여 아웃-커플링 격자(16)에 전파할 수 있다. 씬 요소 근사(즉, 도 1에 보인 곡률반경들(R1 및 R2) 사이의 차이가 R1보다 훨씬 작은)의 경우에, 이 TIR 전파는 평면 기판(도파체)에서의 전파에 매우 가깝다. 하지만 일반적으로 구면 비-평면 기판의 경우, 전파된 광선들의 방향 벡터는 주어진 각도를 통해 전파면의 표면 법선에 대한 인-커플링된 방향 벡터의 회전에 의해 얻어질 수 있고, 그래서 방향 벡터, 예컨대, 아웃-커플링 격자(16)상의 방향 벡터를 제공한다. 비-평면 기판의 더 복잡한 프로파일들의 경우 광선 전파는 단순한 평면으로 한정되지 않을 것이다.
끝으로 아웃-커플링 회절 요소(16)는 확장된 동공을 가지는 출사 광빔을 제공하기 위해 비-평면 기판(12)으로부터 수신된 광빔을 회절에 의해 커플링하도록 구성될 수 있다. 평면 EPE 판들에서처럼 아웃-커플링 격자(16)는 가능한 한 많이 인-커플링 격자(14)와 매치되도록 선택될 수 있다(도 3에 관련한 예 참조). 아웃-커플링 광 전파는 국소좌표프레임에로의/로부터 도 2에 보인 기준 데카르트 XYZ 좌표계로부터/에로의 좌표 변환을 필요로 할 수도 있는 아웃-커플링 격자(16)의 국소 좌표 프레임에서 수행될 수 있다.
일반적으로 입사 광빔은 3차원인 물체 공간(예컨대, 물체 공간의 차원은 회절 격자로부터 물체 공간으로의 거리보다 훨씬 작을 수 있다)로부터, 즉, 단일 또는 다중 3D화소들(또는 3차원 화소들)로부터 나올 수 있고 그리고/또는 출사 광빔/광빔들은 입사 광빔과 관계가 있는 이미지 공간에서 상응하는 단일 또는 다수 3D화소들레 가상적으로 수렴할 수 있다는 것에 주의한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쌍안 관람(binocular viewing)을 위한 비-평면(구면 형상) 기판(12)을 가지는 출사동공 확장기(10)의 회절 격자들의 기하형상을 설명하는 개략도들 중에서 다른 예를 보인다. 비-평면 EPE(10에 대한 물체면 (18)의 위치는 도 1에 보인 것과 동일하다. 도 2와의 차이점은 쌍안 관람을 위한 2개의 출사 광빔들을 각각 제공하는 2개의 아웃-커플링 회절 요소들(격자들)(16-1 및 16-2)이 있다는 것이다. 인-커플링 회절 격자(14)는 아웃-커플링 회절 격자들(16-1 및 16-2)에 (예컨대, TIR에 의해) 커플링된2개의 회절된 광빔들을 제공할 수 있다. 인-커플링 회절 격자(14)는 예컨대 커플링 효율을 증가시키고 왼쪽 및 오른쪽 아웃-커플링 격자들(16-1 및 16-2) 사이의 "광학적 크로스토크"를 줄이기 위한 비대칭 경사형 격자들로서 구현될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회절 격자들(14, 16-1 및 16-2)을 위한 매개변수들의 선택을 추가로 도시할 것이다.
인-커플링 회절 요소(14) 및 2개의 아웃-커플링 회절요소들(16-1 및 16-2)의 그루브들(14a 및 16a)은 XZ면(도 2에 보임)에 평행한 차단선들을 추종하는 구면좌표계(XYZ)의 위선들을 따라서 각각 존재할 수 있다. 즉, 그루브 선들은 Y-축과 일치하는 그것들의 축들로써 작은 원들을 형성할 수 있다. 예를 들면, 인-커플링 회절 요소(14)의 중간점(또는 꼭지점)을 가로지르는 그루브는 XYZ-면 상에 놓여있다.
더욱이, 인-커플링 회절 요소(14) 또는 아웃-커플링 회절요소들(16-1 및 16-2)의 인접한 그루브들 사이의 yz-면상에서 돌출된(또는 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면 중 초점면에 더 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면상에서 동일하게 돌출된) 간격은 이들 격자들 중의 어느 것의 인접한 그루브들 중의 하나의 중간점 및 데카르트좌표계(XYZ)의 원점(점 0)을 가로지르는 선과 상기 구면좌표계의 극(즉, 양 또는 음의 방향으로의 축 X) 및 원점을 가로지르는 선 사이의 극각도(예컨대, 각도 θyA, θyB 또는 θyC의 사인(sine)에 역비례할 수 있다는 것을 보일 수 있다.. 그래서 인-커플링 회절 요소(14)의 중간점에 위치된 그루브의 경우, 이 각도(θyA)는 90도이다. 그러면 인-커플링 회절 요소(14)의 지점 B의 경우, 각도 θyB는 θyA 보다 작고, 그러므로 yz-면상에서 돌출된 그루브들(회절선들) 사이의 간격은 중앙에서부터 오른쪽 에지로 점차 감소된다(극 각도의 사인에 역비례). 인-커플링 회절 격자(14)의 지점 A로부터 왼쪽에 위치한 그루브들은 인-커플링 회절 격자(14)의 우측의 그루브들에 대해 대칭이다. 아웃-커플링 회절 격자들(16-1 및 16-2)에도 동일한 것이 적용된다. 예를 들면, 아웃-커플링 회절요소들(16-2)의 지점 C의 경우, 각도 θyC는 θyA보다 작거나 θyA이고, 그러므로 격자(16-2)의 yz-면상에서 돌출된 그루브들(회절선들) 사이의 간격은 여기서 설명된 바와 같이, 지점 A에서부터 멀리 위치된 선들일수록 점차 감소된다(극 각도의 사인에 역비례).
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따른 중심 물점(도 4a) 및 탈-중심 물점(도 4b)의 영상화를 위한 구면 비-평면 EPE를 통한 광선 경로들의 시뮬레이션을 설명하는 개략도를 보인다. 이 시뮬레이션의 초점거리는 50mm로 선택된다. 탈-중심 물점 좌표들은 14.1mm 및 14.1mm (y, z)이다. 시뮬레이션들은 표준 레이 트레이싱 방법들을 사용하여 수행되었다. 회절 격자들의 효과는 방향 광선(direction ray) 코사인들을 위한 회절 방정식들의 도움으로 고려될 수 있었다. 회절 효율들은 모든 입사각들에 대해 일정하다고 가정되었다. 시뮬레이션들에서 사용된 매개변수들은 다음과 같다: 기판의 굴절계수는 1.73, 기판의 내표면의 반경은 50mm, 기판의 외표면의 반경은 51mm, 인-커플링 회절 요소(격자)의 중간점에서의 격자 주기는 365nm, 그리고 파장은 550nm이다.
도 4a에 보인 시뮬레이션은 실린더형 EPE와 비교하면 수평 및 수직 면들 둘 다에서 완전한 포커싱을 설명하는데, 물점들의 수직 확산 량은 초점거리(EPE 곡률), 수직확장, 및 관찰자의 동공 크기에 의존한다. 비-평면 구면 EPE에 대한 수직 확산의 동일한 감소는 도 4b에 보인 것처럼, 탈 중심 물점들에 적용할 수 있지만 잔여 수차들(불완전 영상화)(22)을 포함한다. 도 4a 및 4b에서 보인 시뮬레이션들에서 초점거리는 양호한 가시화를 위해 매우 짧게 선택되었다. 실용상, 초점거리는 어떤 수치에서 그 10배까지의 범위로 더 크게 될 수 있는데, 이것은 축옆(paraxial) 영상화 조건들 및 양호한 분해능 특성들에 근접해지게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 2 또는 도 3에 보인 인-커플링 및 아웃-커플링 회절 격자들 사이에서 비-평면(예컨대, 구면 형상) 기판과 함께 사용하기 위한 중간 회절 격자(30)의 기하구조를 설명하는 개략도이다. 수직 확장을 위한 가능한 중간 격자들은 극의 방향이 예컨대 도 5에 보인 것처럼 YZ면에서 회전될 수 있다는 것을 제외하면 여기에 설명된 바와 같이 인-커플링 및 아웃-커플링 회절 요소의 선택에 유사하게 선택될 수 있다. 회절 그루브 선들(30a)은 여전히 일련의 작은 원들이지만 그것들은 새로운 회전 축에 중심을 둔다. 평면 기판의 경우에서처럼, 중간 회절 요소는 이 기술분야에서 알려지고 예컨대 T. Levola의 "Diffractive Optics for Virtual Reality Displays", SID Eurodisplay 05, Edinburg (2005), SID 02 Digest, Paper 22.1에 기재된 바와 같이 홀수의 1차 회절 또는 짝수의 추가 1차 반사를 가질 수 있다. 짝수의 경우는 도 5에 보인 예에 상응할 수 있다.
하지만 비-평면 기판들을 가지는 EPE는 (원칙적으로 평면 기판 경우와 유사하게) 홀수의 1차 반사들을 위해 구성될 수 있고, 그러면 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들은 평면=기판의 경우와 유사하게 인-커플링 회절 요소의 그루브들에 평행한 상태로부터 적절한 각도만큼 회전될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비-평면 기판을 가지는 EPE에서 입사 광빔의 전파를 설명하는 흐름도를 보인다.
도 6의 흐름도는 시나리오들 중 가능한 하나의 시나리오만을 나타낸다. 도 6에 보인 단계들의 순서는 절대적으로 필요한 것은 아니고, 그래서 원칙적으로는, 각종 단계들이 순서를 뒤바꾸어 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방법에서는, 제1단계 40에서, 입사 광빔이 구면 또는 비구면 형상을 가지는 비-평면 EPE 기판의 인-커플링 회절 격자에 의해 수신된다.
다음 단계 42에서, 입사 광빔은 인-커플링 격자에 의해 회절되어 비-평면 기판의 제1 및 제2 표면들 내에서 하나 이상의 회절된 광빔들을 제공한다.
다음 단계 44에서, 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부는 (예컨대, 비-평면 기판의 TIR을 사용하여 그리고 옵션으로 중간의 하나 이상의 회절 요소들을 사용하여) 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 상응하는 아웃-커플링 회절요소에 커플링된다.
다음 단계 46에서, 제공된 광 성분들은 입사 광빔에 비하여 확장된 출사동공을 가지는 비-평면 기판으로부터 아웃-커플링 격자들에 의해 커플링된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비-평면 출사동공 확장기(EPE) 시스템(10)(또는 10a)을 가지는 전자 기기(100)의 개략도의 예를 보인다.
사출 동공 확장기(EPE)(10)(또는 10a)는 전자(예컨대, 휴대형) 기기(100), 이를테면 이동 전화기, 개인휴대 정보단말(PDA), 커뮤니케이터, 휴대형 인터넷 기기, 핸드 헬드 컴퓨터, 디지털 비디오 및 스틸 카메라, 착용형 컴퓨터, 컴퓨터 게임 기기, 관람용 특수 접안식 제품 및 다른 휴대형 전자 기기들에서 사용될 수 있다. 도 7에 보인 것처럼, 휴대형 기기(100)는 외부 기기(미도시)로부터/에 정보를 수신하고 전송하는 통신 유닛(212)을 수용하기 위한 하우징(210)을 가진다. 휴대형 기기(100) 또한 수신된 및 전송된 정보를 다루기 위한 제어 및 처리 유닛(214)과, 관람용 가상 디스플레이 시스템(230)을 가진다. 가상 디스플레이 시스템(230)은 마이크로-디스플레이 또는 이미지 소스(192)와 광학적 엔진(190)을 구비한다. 제어 및 처리 유닛(214)은 광학적 엔진(190)에 동작적으로 연결되어 이미지 데이터를 이미지 소스(192)에서 디스플레이하기 위해 그 이미지 소스에 제공한다. 본 발명에 따른 EPE(10)는 광학적 엔진(190)에 광학적으로 링크될 수 있다.
더욱이, 이미지 소스(192)는 도 7에 묘사된 바와 같이, 순차 컬러 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 기기, OLED(Organic Light Emitting Diode) 어레이, MEMS (MicroElectro Mechanical System) 기기 또는 투과, 반사 또는 방사 시에 동작하는 어떤 다른 적당한 마이크로-디스플레이 기기일 수 있다.
더구나, 전자 기기 (100)는 휴대형 기기, 이를테면 이동 전화기, 개인휴대 정보단말(PDA), 커뮤니케이터, 휴대형 인터넷 기기, 핸드 헬드 컴퓨터, 디지털 비디오 및 스틸 카메라, 착용형 컴퓨터, 컴퓨터 게임 기기, 관람용 특수 접안식 제품 및 다른 휴대형 전자 기기들에서 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 사출 동공 확장기는 비-휴대형 기기, 이를테면 게이밍 기기, 자동판매기, 밴드-오-메틱(band-o-matic), 그리고 가전 제품들, 이를테면 전자레인지 및 다른 전자제품과 비-휴대형 기기들에서 사용될 수 있다.
여기에서 설명된 본 발명의 각종 실시예들은 특정 응용들을 위해 개별적으로, 조합하여 또는 선택적으로 조합하여 사용될 수 있다.
위에서 설명된 배치구성들은 본 발명의 원리의 적용만을 예시한다고 이해된다. 다양한 변형들 및 대체 배치구성들이 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 이 기술분야의 숙련된 자들에 의해 고안될 수 있고, 첨부의 청구항들은 그러한 변형들 및 배치구성들을 포괄하도록 의도된다.
10, 10a: 출사동공 확장기(EPE) 12: 비-평면 기판
14: 인-커플링 회절 요소(회절격자) 14a, 16a: 격자 그루브
16, 16-1, 16-2: 아웃-커플링 회절 요소(회절격자)
18: 물체면 30: 중간 회절 격자
30a; 회절 그루브 선들 100: 전자 기기
190: 광학적 엔진 192: 마이크로디스플레이(이미지소스)
210: 하우징 212: 통신 유닛
214: 제어 및 처리 유닛 230: 관람용 가상 디스플레이 시스템

Claims (25)

  1. 제1표면 및 제1표면에 대향하는 제2표면을 가지는 광 재료의 비-평면 기판으로서 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상을 가지는 비-평면 기판;
    비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치되어 입사 광빔을 수신하는 인-커플링 회절 요소; 및
    비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 포함하며,
    상기 인-커플링 회절 요소는 입사 광빔을 회절하도록 구성되어, 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 상기 하나 이상의 회절 요소들의 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하고,
    상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 각각은 상기 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해 비-평면 기판으로부터 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 회절에 의해 커플링하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대하여 1차원 또는 2차원에서 확장된 출사동공을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입사 광빔은 디스플레이 또는 마이크로디스플레이의 가상 이미지로부터 나오는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 인-커플링 회절 요소의 회절 격자 선들 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 회절 격자 선들 사이의 거리들은 소정의 기준에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판의 두께는 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 입사 광빔은 제1 또는 제2 표면 중에서 초점면에 더 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면에 위치된 물체 또는 가상 물체에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구면 내표면 및 상기 초점면 사이의 거리는 상기 구면 내표면의 반경과 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 물체의 중심점은 상기 장치에 의해 실질적으로 수차 없이 영상화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입사 광빔을 생성하는 물체 또는 가상 물체는 상기 비-평면 기판으로부터 유한한 거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 구면 형상의 경우, 인-커플링 회절 요소들 및 상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들은 구면좌표계의 위선들을 따라서 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 사이의 기준면에 투영된 간격(spacing)이 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 중 하나의 중간점 및 구면좌표계의 원점을 가로지르는 선과 상기 중간점 및 상기 구면좌표계의 극(pole)을 가로지르는 선 사이의 각도의 사인(sine)에 역비례하고, 상기 기준면은 비평면 기판의 제1표면 또는 제2 표면 중에서 초점면에 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면인 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 인-커플링 회절 요소는 상기 각도가 인-커플링 회절 요소의 상기 중간점에 위치된 그루브를 위한 90도와 동일하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 비-평면 기판에 배치된 하나 이상의 중간 회절 요소들을 더 포함함으로써 인-커플링 회절 요소에서 회절된 입사 광빔의 적어도 하나 이상의 부분들이 상기 하나 이상의 중간 회절 요소들에 먼저 커플링되고, 상기 하나 이상의 중간 회절 요소들은 하나 이상의 출사 광빔들에 입사 광빔에 대하여 2차원으로 확장된 출사동공을 제공하기 위해 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들에 상응하는 광빔들을 회절에 의해 추가로 커플링하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 다음을 포함하는 방법:
    입사 광빔을 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 인-커플링 회절 요소에 의해 수신하는 단계로서, 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상이고 서로 대향하는 것들인 단계;
    입사 광빔을 회절시켜 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 상기 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들 중 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하는 단계; 및
    비-평면 기판으로부터 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 사용하여 회절에 의해 커플링함으로써 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하는 단계.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대하여 1차원 또는 2차원에서 확장된 출사동공을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 입사 광빔은 디스플레이 또는 마이크로디스플레이의 가상 이미지로부터 나오는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 인-커플링 회절 요소의 회절 격자 선들 및 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 회절 격자 선들 사이의 거리들은 소정의 기준에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 기판의 두께는 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 입사 광빔은 제1 또는 제2 표면 중에서 초점면에 더 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면에 위치된 물체 또는 가상 물체에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 구면 내표면 및 상기 초점면 사이의 거리는 상기 구면 내표면의 반경과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 입사 광빔을 생성하는 물체 또는 가상 물체는 상기 비-평면 기판으로부터 유한한 거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 구면 형상의 경우, 인-커플링 회절 요소들 및 상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 그루브들은 구면좌표계의 위선들을 따라서 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 사이의 기준면에 투영된 간격(spacing)이 인-커플링 회절 요소 또는 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 인접한 그루브들 중 하나의 중간점 및 구면좌표계의 원점을 가로지르는 선과 상기 중간점 및 상기 구면좌표계의 극(pole)을 가로지르는 선 사이의 각도의 사인(sine)에 역비례하고, 상기 기준면은 비평면 기판의 제1표면 또는 제2 표면 중에서 초점면에 가까운 표면을 포함하는 구면 또는 비구면 내표면의 초점면인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 전자 기기에 있어서,
    데이터 처리부;
    데이터 처리부에 동작적으로 연결되어 데이터 처리부로부터 이미지 데이터를 수신하는 광 엔진;
    광 엔진에 동작적으로 연결되어 이미지 데이터에 기초하여 이미지를 형성하는 디스플레이 기기; 및
    출사동공 확장기를 포함하며, 상기 출사동공 확장기는
    제1표면 및 제1표면에 대향하는 제2표면을 가지는 광 재료의 비-평면 기판으로서 제1 및 제2 표면들은 구면 또는 비구면 형상을 가지는 비-평면 기판;
    비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치되어 입사 광빔을 수신하는 인-커플링 회절 요소; 및
    비-평면 기판의 제1 또는 제2 표면에 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들을 포함하며,
    상기 인-커플링 회절 요소는 입사 광빔을 회절하도록 구성되어, 하나 이상의 회절된 광빔들을 실질적으로 제1 및 제2 표면들 내에 제공함으로써 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 각각의 일부가 상기 하나 이상의 회절 요소들의 상응하는 아웃-커플링 회절 요소에 커플링되도록 하고,
    상기 하나 이상의 아웃-커플링 회절 요소들의 각각은 상기 비-평면 기판 밖으로 하나 이상의 출사 광빔들을 제공하기 위해 비-평면 기판으로부터 상기 하나 이상의 회절된 광빔들의 부분들을 회절에 의해 커플링하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  25. 제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 출사 광빔들은 입사 광빔에 대하여 1차원 또는 2차원에서 확장된 출사동공을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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