KR20150071612A - 근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법 - Google Patents

근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

근안 디스플레이(NED)에 있어서 광원으로부터 아이 박스(eye box)로 전파하는 광의 색상 분포를 균일하게 하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 시스템 및 방법의 예에서는, 가시광선 스펙트럼에 있어서의 서로 다른 색상에 최적화된 2 또는 그 이상의 웨이브가이드를 포함하는 광학 소자가 이용된다. 상기 광학 소자는, 상기 웨이브가이드에 입사한 광의 편광을 제어하여 광을 매치된 웨이브가이드와의 커플링을 촉진하는 한편 매치되지 않은 웨이브가이드와의 커플링을 저해하는 하나 또는 복수의 편광상태 생성기를 더 포함한다.

Description

근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법{NED POLARIZATION SYSTEM FOR WAVELENGTH PASS-THROUGH}
본 발명은 근안 디스플레이에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법에 관한 것이다.
착용부위가 비치는 근안(近眼) 디스플레이 (Near-Eye Display 또는 Near-to-Eye Display. 이하, NED) 유닛은, 물리적 환경에서 실제 물체와 가상의 이미지를 혼합하여 디스플레이하기 위해 사용된다. 이러한 NED 유닛은, 이미지를 생성하는 광 엔진(light engine)과, 일부 투과성을 갖는 동시에 일부 반사성을 갖는 광학 소자를 포함한다. 구체적으로, 광학 소자는 NED 유닛의 외부로부터의 광이 착용자의 눈에 도달할 수 있도록 투과성을 갖는 한편, 상기 광 엔진으로부터의 광이 상기 착용자의 눈에 도달할 수 있도록 일부 반사성을 갖는다. 또한, 광학 소자는 상기 이미지를 마이크로 디스플레이에서 착용자의 눈으로 회절하기 위한 평면 형상의 웨이브가이드(waveguide) 내에 위치하는 복수의 회절 광학 소자 (Diffract Optical Element. 이하, DOE) 또는 홀로그램 등을 포함할 수 있다.
실제에 있어서, NED 유닛은, 각각이 소정의 파장 성분에 할당된 복수의 웨이브가이드가 적층된 스택 구조를 포함할 수 있다. 특히, 복수의 웨이브가이드 각각은, 웨이브가이드 내의 DOE의 어스펙트(aspect)를 제어함으로써, 소정의 파장 성분과 높은 효율로 커플링하도록 매칭 또는 최적화될 수 있다. 이렇게 서로 다른 DOE들을 가시광선 스펙트럼의 서로 다른 색상에 최적화함으로써, NED 유닛이 풀 컬러(full color)를 표시하는 것이 가능해진다.
그런데, 웨이브가이드의 스택구조에 있어서, 상대적으로 원거리에 위치한 (즉, 광 엔진으로부터 멀리 떨어져 있는) 웨이브가이드와 매치(match)된 파장 성분은, 상대적으로 근거리에 위치한 웨이브가이드를 통과한다. 이때, 원거리의 웨이브가이드에 매치되었던 파장 성분이, 근거리에 위치한 웨이브가이드를 그대로 통과하지 않고, 해당 근거리의 웨이브가이드에 커플링하는 경우가 발생할 수 있다. 이는 착용자의 눈에 도달하는 광의 밝기를 감소시키고, 색상을 불균일하게 하며, 재생된 가상 이미지의 품질의 떨어뜨리는 결과를 낳을 수 있다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 고안된 것으로, NED 유닛에서 서로 다른 파장대역들이 웨이브가이드를 통과할 때에, 원래 매치되었던 웨이브가이드에 커플링되도록 제어하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은, NED 유닛에서 서로 다른 파장대역들이 웨이브가이드를 통과할 때에, 서로 다른 파장대역들의 편광 상태를 선택적으로 변경하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 웨이브가이드 위의 또는 웨이브가이드 내부의 DOE는 편광에 민감하다. 파장대역의 편광을 웨이브가이드상의 DOE가 덜 민감하게 되는 상태로 변경함으로써, 파장대역은 대체로 또는 전혀 감쇠함 없이 해당 DOE를 통과할 수 있다. 파장대역의 편광은, 광이 웨이브가이드에 진입하기 전에 DOE를 통하여 원하는 웨이브가이드에 커플링하는 상태에 있도록 제어된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 이미지를 표시하기 위한 방법으로서, (a) 적어도 제 1 파장대역 및 제 2 파장대역을 포함하는 광을, 광원으로부터, 적어도 제 1 웨이브가이드 및 제 2 웨이브가이드를 포함하고 상기 제 1 웨이브가이드 및 상기 제 2 웨이브가이드 각각이 적어도 하나의 광학 격자를 갖는 광학 소자로 주사하는 것과, (b) 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 제 1 파장대역이, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 1 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 제 1 파장대역의 편광을, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장의 편광과 달라지게 제어하는 것과, (c) 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 제 2 파장대역이, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 2 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 제 2 파장대역의 편광을, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역의 편광과 달라지게 제어하는 것을 포함하는 이미지 표시 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이미지를 표시하기 위한 방법으로서, (a) n 개(단, n은 2 이상)의 파장대역을 포함하는 광을, m 개(단, m은 2 이상)의 웨이브가이드를 포함하는 광원으로부터, 광학소자로 광을 주사하는 것과, (b) 상기 n 개의 파장대역 중에서 하나 또는 복수의 파장대역이, 각각이 상기 m개의 웨이브가이드 중 어느 하나와 연관되어 있는 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것을 포함하되, 상기 (a)의 상기 광을 주사하는 것에 있어서, i 번째(단, i 는 1 이상 n 이하) 파장대역은 j 번째(단, j 는 1 이상 m 이하) 웨이브가이드에 매치되어 있고, 상기 (b)의 상기 하나 또는 복수의 파장대역이 상기 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것에 있어서, 상기 복수의 편광 상태 생성기는, 이들을 통과하는 상기 하나 또는 복수의 파장대역의 편광을, i 번째 파장대역이 j 번째 웨이브가이드에 커플링하는 것을 촉진하면서도 상기 j 번째 웨이브가이드를 통과하는 나머지 파장대역이 상기 j 번째 웨이브가이드에 커플링하는 것을 저해하는 상태가 되도록 제어하는 이미지 표시 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광을, 광원으로부터 아이 박스로 전달하기 위한 광학 소자로서, 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 1 부분과 커플링하기 위한 제 1 광학 격자를 포함하는 제 1 웨이브가이드와, 상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 2 부분과 커플링하기 위한 제 2 광학 격자를 포함하는 제 2 웨이브가이드와, 상기 광원과 상기 제 1 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 1 부분의 편광을 변경하는 제 1 편광상태 생성기와, 상기 광원과 상기 제 2 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 2 부분의 편광을 변경하는 제 2 편광상태 생성기를 포함하는 광학 소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 근안 디스플레이 유닛에 있어서 광원으로부터 착용자의 눈으로 전달되는 광의 색분포를 균일하게 할 수 있다.
도 1은 한 명 또는 복수의 사용자에게 가상 환경을 표시하기 위한 시스템의 일실시예의 예시적인 구성요소를 도시한 도면이다.
도 2는 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 사시도이다.
도 3은 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 부분 측면도이다.
도 4는 복수의 회절 격자를 가진 웨이브가이드를 포함하는 NED 유닛의 광학 소자의 단면도이다.
도 5는 표면 부조 회절 격자 구조의 부분 확대도이다.
도 6은 복수의 웨이브가이드를 가진 광학 소자를 포함하는, 머리에 착용하는 NED 유닛의 일실시예의 부분 측면도이다.
도 7은 회절 격자에 입사하는 광의 입사면을 나타낸 도면이다.
도 8은 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 1 실시예의 단면도이다.
도 9는 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 2 실시예의 단면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 제 1 실시예의 촬상 광학계의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 도 9에 도시된 제 2 실시예의 촬상 광학계의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 12는 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 3 실시예의 단면도이다.
도 13은 복수의 웨이브가이드와 해당 웨이브가이드를 통과하는 파장대역의 편광을 변경하기 위한 편광상태 생성기를 포함하는 NED 유닛에서의 촬상 광학계의 제 4 실시예의 단면도이다.
도 14는 편광을 제어하지 않은 상태로 한 쌍의 웨이브가이드를 통과하여 전달되는 파장대역을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 편광이 제어되어 한 쌍의 웨이브가이드를 통과하여 전달되는 파장대역을 나타내는 단면도이다.
도 16은 도 14~도 15의 파장대역의 커플링 효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 16을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명한다. 도 1 내지 16은 파장대역이 NED 유닛 내의 웨이브가이드를 통해 통과할 때, 다른 파장대역의 편광 상태를 선택적으로 변경하기 위한 촬상 광학계에 일반적으로 관련된 도면이다. 웨이브가이드 상의 DOE는 광 편광에 민감하다. 그러므로 웨이브가이드 상의 DOE에 들어가는 파장대역의 편광을 선택적으로 제어하는 것에 의해, 웨이브가이드에 매치되는 파장대역은 높은 효율로 DOE와 커플링 될 수 있다. 반면, 매치되지 않은 파장대역은 큰 폭으로 또는 전체적으로 영향받지 않은 웨이브가이드 및 DOE를 통과할 수 있다. DOE를 사용하는 한 예가 여기 설명되지만, 웨이브가이드는 DOE, 홀로그램, 표면 릴리프 격자 또는 광학 소자의 주기 구조의 다른 타입을 포함 할 수 있는 것으로 이해된다. 이러한 구조는 “광학 격자”로 지칭될 수 있다.
아래의 실시예에서, NED 유닛은 복합 현실감 시스템에서 사용되는, 머리에 착용하는(head-worn. 이하, 머리 착용) 디스플레이 유닛일 수 있다. 그러나, NED 유닛 및 그 안에 포함된 촬상 광학계의 실시예는 다른 다양한 광학의 어플리케이션, 예를 들어, 광학 커플러 및 다른 광 모듈레이터 디바이스에서 사용될 수 있다. 도면은 현재 기술의 이해를 위해 제공되고, 실제 비율로 도시되지 않을 수 있다.
도 1은 현실감 시스템(10)에서 사용되는 머리 착용 디스플레이로써 NED 유닛(2)의 하나의 예를 나타낸다. NED 유닛(2)은 사용자의 시야(Field Of View. 이하, FOV) 내의 실제 물체(27)를 디스플레이 소자를 통해 볼 수 있을 정도로 투명한 렌즈를 포함한 안경으로써 착용할 수 있다. NED 유닛(2)은 또한 사용자의 FOV로 가상 이미지(21)를 주사할 수 있는 기능을 제공하여 가상 이미지는 또한 실제 물체와 함께 나타날 수 있다. 본 발명에 있어서 필수적인 것은 아니나, 시스템이 사용자의 FOV 내에 가상 이미지를 삽입하는 것을 결정할 수 있도록 사용자가 보고 있는 곳을 혼합 현실 시스템이 자동으로 추적할 수 있다. 일단 시스템이 가상 이미지를 주사할 곳을 알면, 이미지는 디스플레이 소자를 사용하여 사용 하여 주사된다.
도 1은 머리 착용 NED 유닛(2)을 착용한 각각의 사용자(18a, 18b, 18c)를 나타낸다. 일실시예에서 안경 형상인 머리 착용 NED 유닛(2)은 사용자가 디스플레이를 통해 보고, 사용자 앞 공간의 실제적이고 직접적인 시야를 가질 수 있도록 수 있도록 사용자의 머리에 착용된다. 머리 착용 NED 유닛(2)의 더 자세한 내용은 아래에 제공된다.
NED 유닛(2)은 프로세싱 유닛(4)과 허브 컴퓨팅 디바이스(12)에 신호를 제공하고 프로세싱 유닛(4)과 허브 컴퓨팅 디바이스(12)로부터 신호를 수신 할 수 있다. NED 유닛(2), 프로세싱 유닛(4) 및 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 각 사용자(18)의 FOV, FOV 내에 제공되어야 하는 가상 이미지가 무엇이고, 어떻게 표현되어야 하는지를 결정하기 위해 협력할 수 있다. 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 또한 그것의 FOV 내의 장면의 일부로부터 이미지 데이터를 캡처 하는 캡처 디바이스(20)를 포함한다. 허브 컴퓨팅 디바이스(12)는 또한, 게임, 어플리케이션 영상 및 소리를 제공할 수 있는 시청각 디바이스(16) 및 스피커(25)와 연결될 수 있다. 프로세스 유닛(4), 허브 컴퓨팅 디바이스(12), 캡처 디바이스(20) 시청각디바이스(16) 및 스피커(25)에 관한 상세사항은, 예를 들어, “Low-Latency Fusing of Virtual and Real Content”라는 제목의 2012년 5월 3일에 공개된 미국특허출원공개공보 제 2012/0105473호에서 개시되고, 그 전체가 본 출원에 참고로 결합된다.
도 2와 3은 머리 착용 NED 유닛(2)의 사시도 및 측면도이다. 도 3은 안경다리(102) 및 코받침(104)을 갖는 디바이스의 일부를 포함하는 머리 착용 NED 유닛(2)의 우측을 나타낸다. 머리 착용 NED 유닛(2)의 프레임의 일부는 디스플레이(하나 이상의 렌즈를 포함한다)를 둘러싼다. 디스플레이는 도광 광학 소자(115), 시스루 렌즈(116, see-through len) 및 시스루 렌즈(118)를 포함한다. 일실시예에서, 도광 광학 소자(115)는 시스루 렌즈(116)뒤에 있고 시스루 렌즈(116)와 정렬하며 시스루 렌즈(118)는 도광 광학 소자(115)뒤에 있고 도광 광학 소자(115)와 정렬한다. 시스루 렌즈(116, 118)은 안경에 사용되는 표준 렌즈이며,(처방 없는 경우를 포함) 처방에 의할 수 있다. 도광 광학 소자(115)는 눈에 인공광을 보낸다. 도광 광학 소자(115)의 더 자세한 내용은 아래에 제공된다.
(일실시예에서) 가상 이미지를 주사하는 마이크로 디스플레이(120)같은 광 엔진과 마이크로 디스플레이(120)로부터 도광 광학 소자(115)로 이미지를 향하게 하는 렌즈(122)를 포함하는 이미지 소스가 안경다리(102)에 탑재되거나 내부에 탑재된다. 일실시예에서, 렌즈(122)는 콜리메이트 렌즈(collimate lens)이다. 마이크로 디스플레이(120)는 렌즈(122)를 통해 이미지를 주사한다.
마이크로 디스플레이(120) 를 구현하는데 사용될 수 있는 다른 이미지 생성 기술 이 있다. 예를 들어, 마이크로 디스플레이(120)는 광원이 백색광 백라이트 광학 활성 물질에 의해 변조되는 투과형 주사 기술을 사용하여 구현 될 수 있다. 이러한 기술은 일반적으로 강력한 백라이트와 높은 광 에너지 밀도를 갖는 LCD 형 디스플레이를 사용하여 구현된다. 마이크로 디스플레이(120)는 또한 외부 광이 반사되어 광학적으로 활성 물질에 의해 조절되는 반사 기술을 사용하여 구현 될 수 있다. 조명은 기술에 따라, 화이트 소스 또는 RGB 소스 중 하나에 의해 전면에서 조광된다. 퀄컴사로부터의 디지털 라이트 프로세싱(Digital Light Processing. 이하, DLP), 실리콘 액정 표시(Liquid Crystal On Silicon. 이하, LCOS) 및 Mirasol 디스플레이 기술은 대부분의 에너지가 변조 구조에서 반사되는 효율적인, 반사 기술의 예들이고, 본 시스템에서 사용될 수 있다. 부가적으로, 마이크로 디스플레이(120)는 광이 디스플레이에 의해 생성되는 방출 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 비전사의 PicoP ™ 디스플레이 엔진은 투과형 소자(transmissive element) 로서 작용하는 작은 화면 상에 또는 눈에 직접적인 빔(예를 들면, 레이저)으로 작용하는 마이크로 미러 조향 레이저 신호를 방출한다.
도광 광학 소자(또는, 광학 소자)(115)는 마이크로 디스플레이(120)로부터의 광을 아이 박스(13)로 전송할 수 있다. 아이 박스(130)는 2차원 영역이고, 광이 광학 소자(115)를 떠날 때 통과하는 2차원 영역으로, 머리 착용 NED 유닛(2)을 착용한 사용자의 눈(132)의 전면에 위치한다. 광학 소자(115)는 또한 화살표(142)에 의해 도시된 바와 같이, 머리 착용 NED 유닛(2)의 앞으로부터의 광이, 도광 광학 소자(115)를 통해 아이 박스(130)로 전송될 수 있도록 한다. 이것은 사용자가 마이크로 디스플레이(120)로부터 가상 이미지를 수신하는 것에 더하여 머리 착용 NED 유닛(2)의 앞의 공간에 대한 직접적인 시야를 가질 수 있도록 한다.
도 3은 머리 착용 NED 유닛(2)의 절반을 도시한다. 전체적인 머리 착용 디스플레이 디바이스는 다른 광학 소자(115), 다른 마이크로 디스플레이(120) 및 다른 렌즈(122)를 포함 할 수 있다. 머리 착용 NED 유닛(2)이 두 개의 광학 소자(115)를 갖는 경우, 각각의 눈은 두 눈에 동일한 이미지 또는 두 눈에 다른 이미지를 표시 할 수 있는 각각의 눈의 마이크로 디스플레이(120)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 마이크로 디스플레이(120)로부터 양쪽 눈에 광을 반사하는 광학 소자(115)가 있을 수 있다.
도광 광학 소자(115)의 추가의 세부 사항은 도 4 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 일반적으로, 광학 소자(115)는 광학 트레인을 형성하기 위해, 하나의 광학 소자(115)를 다른 하나의 광학 소자(115) 상에 적층한 두 개 이상의 웨이브가이드를 포함한다. 하나의 도파관(140)은 도 4에 도시된다. 다른 실시예에서, 플라스틱 또는 다른 재료로 형성될 수 있지만 웨이브가이드(140)는, 유리의 얇은 평면형 시트로 형성될 수 있다. 웨이브가이드(140)는 웨이브가이드(140) 내부로 광선을 커플링하는 입력 회절 격자(144) 및 광선을 웨이브가이드(140) 외부로 회절시키는 출사 회절 격자(148) 등 두 개 이상의 회절 격자를 포함 할 수 있다. 격자(144, 148)는 기판(150)의 하부면(150a) 내부의 또는 기판(150)의 하부면(150a) 에 부착된 투과형 회절 격자로 도시된다. 기판(150)의 대향 표면에 부착된 반사 회절 격자는 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
도 4는 웨이브가이드(140) 내부 또는 외부로 커플링된 파장대역 λ1의 총 내부반사를 보여준다. 본원에서 사용되는 파장대역은, 예를 들어, 가시광 스펙트럼에서, 하나 이상의 파장으로 구성될 수 있다. 도 4는 2차 및 그 이상의 회절 차수가 나타나지 않는 시스템에서 단일 파장대역의 단순화된 도면이다. 도 4에 도시되지는 않았지만, 광학 소자(115)는 아래에 설명된 바와 같이, 웨이브가이드 앞에 그리고, 웨이브가이드 사이에 끼워져 있는 편광 상태 발생기를 더 포함할 수 있다.
마이크로 디스플레이(120)로부터의 파장대역 λ1은 렌즈(122)를 통해 콜리메이트(collimate)되고, 입사각 θ1에서 입력회절격자(144)에 의해 기판(150)에 커플링된다. 입력 격자 회절(144)는 회절각 θ2를 통해 파장대역을 리디렉션한다. 굴절율 N2, 입사각 θ1 및 회절각θ2은 파장대역 λ1이 기판(150) 내에서 내부 전반사가 되도록 제공된다. 파장대역 λ1은 출사 회절 격자(148)에 도달할 때까지 기판(150)의 표면에서 반사되고, 파장대역 λ1은 아이 박스(130)를 향해 기판(150)으로부터 회절된다. 웨이브가이드(140)와 같은 웨이브가이드의 세부 사항은 1987년 12월 8일에 발행된 미국등록특허 4,711,512호인 "Compact Head-Up Display" 에 일 예로써 개시되고, 그 전체가 본 출원에 참고로 결합된다.
도 5는 입력 회절 격자(144) 및/또는 출사 회절 격자(148)(도 5는 기판(150)내로 광을 회절시키는 회절 격자(144)를 보여준다)와 같은 투과형 회절 격자의 일부를 형성하는 표면 부조 격자(154)의 일 예를 도시하는 부분 확대도이다. 표면 부조 격자(154)는 주기 p로, 경사진 프로필을 가질 수 있지만, 격자는 다른 실시예에서, 사각형 및 톱니와 같은 다른 프로파일을 가질 수 있다. 언급한 바와 같이, 입력 회절 격자(144) 및 출사 회절 격자(148)는 다른 실시예에서 반사형일 수 있다.
웨이브가이드는 특정 파장대역에 매치되거나 최적화될 수 있다. 그 관계는 다음과 같은 수학식 1의 격자 방정식에 따라 정해진다.
[수학식 1]
mλ = p(n1sinθ1 + n2sinθ2)
여기서, m 은 회절차수, λ은 웨이브가이드/회절격자와 매치되는 파장대역, p 는 격자 주기, n1 은 입사 매체의 굴절율, n2 은 웨이브가이드(140)의 굴절율, θ1 은 입사각, θ2 는 회절각을 각각 의미한다.
격자주기 p 및 기판(150)의 반사율 n2 같은 파라미터를 달리하여, 입력 회절 격자(144) 및 출사 회절 격자(148)를 포함하는 특정 웨이브가이드(140)는 특정 파장대역에 매치될 수 있다. 즉, 다른 파장대역보다 더 높은 커플링 효율을 갖는 매치된 웨이브가이드(140)에 특정 파장대역이 커플링될 수 있다. 또한, 엄밀한 결합파 이론(Rigorous Coupled Wave Theory, 이하 RCWT)는 격자(154)(도 5)의 프로파일 파라미터를 최적화하는데 사용되어 각도 대역폭(angular bandwidth), 회절 효율 및 편광과 같은 웨이브가이드의 성능을 향상시킬 수 있다(후술).
도 4는 회절 격자(144, 148)를 통해 특정 파장대역에 대한 단일 웨이브가이드(140)를 도시한다. 본 발명에 따른 실시예에서, 광학 소자(115)는 옵티컬 트레인에서 함께 층을 이룬 것을 도시하는 도 4에 대하여 설명된 두 개 이상의 웨이브가이드(140)를 포함할 수 있다. 이러한 각 도파로 광학 소자(115)내의 웨이브가이드(140)는 다른 파장대역에 매치 될 수 있다. 일례로 도 6에 도시된 것과 같이, 서로 상부에 층을 이룬 네 개의 웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)가 있을 수 있다. 4 개의 층보다 더 제공 하는 것은 비실용적 일 수 있지만, 광학 소자 4 개 이상의 층을 포함하는 것은 손쉽게 도출될 수 있다. 각각 다른 파장의 광, 예를 들어, 약 400 nm의 파장에서 보라색광, 약 445 nm에서 남색광, 약 475 nm에서 청색광, 약 510 nm에서 녹색광, 약 570 nm에서 황색광, 약 590 nm에서 주황색광, 및/또는 약 650 nm적색광을 포함하는 광을 위해 최적화될 수 있다.
웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)는 임의의 순서로 제공 될 수 있으며, 하나 이상의 웨이브가이드(1401, 1402, 1403, 1404)는 위에 제시된 것과 다른 파장과 매치될 수 있다. 일 예로, 단일 웨이브가이드(140)는 가시 광선 스펙트럼의 다른 색의 파장을 커버하는 파장대역에 매치될 수 있다.
적층 웨이브가이드의 스택 내에서, 스택 내의 원위 웨이브가이드(distal waveguide)와 매치된 방출 파장대역은 스택 내의 모든 근위 웨이브가이드(proximal waveguide)를 통과한다. 예를 들어, 도 6의 실시예에서, 가장 원위 웨이브가이드(1401)와 매치되는 마이크로 디스플레이(120)으로부터의 파장대역 λ1은 더 근위의 웨이브가이드(1402, 1404)를 통과한다. 배경기술에서 설명한 것과 같이, 적층 웨이브가이드의 종래 스택이 갖는 문제점은 원위 웨이브가이드 내로 커플링하는 경향이 있는 파장대역이 또한 더 근위의 웨이브가이드 내로 부분적으로 커플링하여, 아이박스(130)에 도달하는 이미지의 색상을 저하시키는 것이다.
회절격자들이, 통과하는 파장대역의 편광에 민감한 것은 웨이브가이드(140) 내의 회절 격자의 속성이다. 따라서, 제 1 편광에서의 파장대역은 그것이 통과하는 하나 이상의 웨이브가이드 층과 커플링할 수 있으나, 상기 제 1 편광과 다른 제 2 편광에서의 동일 파장대역은 커플링 없이 하나 이상의 웨이브가이드 층을 통과할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 광의 파장대역의 편광은 다른 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하면서, 매치된 웨이브가이드의 내부로 커플링되도록 제어된다. 그러므로, 도 5의 예에서, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)내로 매치되는 경우, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)내에서 커플링하기 이전에 웨이브가이드(1402, 1404)를 통과하도록 이의 편광이 제어된다.
도 7을 참조하면, 회절 격자(144, 148) 에 입사되는 광의 편광이 입사평면(Pi)에 대해 그것의 전자기장의 방향에 의해 정의될 수 있다. 평면(Pi)은 격자 법선 벡터(GN) 및 조사 광원으로부터의 전파 벡터(PV)에 의해 정의 될 수 있다. 전파 벡터(PV)는 웨이브가이드(144, 148) 상의 광의 K-벡터의 주사이다. 격자 벡터(GV)는 격자 라인의 방향을 정의하는 회절 격자(144, 148)의 평면에서의 벡터이다. 본원에서 사용되는 용어 "E 상태"는 격자 벡터(GV)를 따라 파장대역의 전계 성분이 제로인 편광 상태를 말한다. 본원에서 사용되는 용어 "M 상태"은 격자 벡터(GV)를 따라 자계 성분이 제로인 편광 상태를 말한다.
아래에 설명되는 예에서, 다양한 웨이브가이드(140)의 회절 격자에 입사하는 파장대역의 편광은 E 상태 및 M 상태 사이에서 제어되어 변화한다. 일실시예에서, 회절 격자로 입사하여 편광된 M 상태의 파장대역은 회절 격자를 통과하고, 반면 회절 격자로 입사하여 편광된 E 상태의 파장대역은 그 회절 격자를 포함하는 웨이브가이드 내로 커플링된다.
다음 예들은, E 상태 및 M 상태의 편광 조건을 제어의 관점에서 현재의 기술을 설명하지만, 제 1 편광 상태에서 파장대역이 웨이브가이드를 통과하나, 제 2 편광 상태에서 파장대역이 웨이브가이드와 커플링되도록 다른 편광 상태가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 제 1 및 제 2 편광 상태의 다른 예는 웨이브가이드(140)를 통과하는 파장의 좌측 및 우측 편광이다. 또한, 다음은 두 상태 가운데 하나에 있는 편광된 광을 설명하지만, 편광된 광이 두 상태 이상을 차지할 수 있음은 고려되어야 한다. 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 상태가 웨이브가이드 내에서 커플링하고, 반면 적어도 하나의 다른 상태는 커플링 없이 통과한다.
예시적인 실시예는 두 개의 웨이브가이드(140)로 구성된 광학 소자(115)를 도시하는 도 8 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 아래에 설명된 도 12는 광학 소자(115)가 n 개의 웨이브가이드로 구성될 수 있는 광학 소자(115)에 관한 실시예의 예시를 도시한다. n 은 웨이브가이드의 다른 번호일 수 있다. 제 1 실시예는 도 8과 도 10의 순서도를 참조하여 설명될 것이다. 도 8은 한 쌍의 웨이브가이드(1401,1402)를 보여준다. 단계 300에서, 별개의 파장대역 λ1 및 λ2이 마이크로 디스플레이(120)으로부터 방출되고 렌즈(122)를 통해 콜리메이트된다. 웨이브가이드들은 마이크로 디스플레이(120)으로부터 광이 웨이브가이드(1402)를 먼저 통과하고, 그 다음 웨이브가이드(1401)를 통과하도록 어레인지된다.
웨이브가이드(1401, 1402)는 마이크로 디스플레이(120)으로부터 방출되는 2개의 상이한 파장대역에 각각 매치될 수 있다. 일 예로, 웨이브가이드(1401)는 적색광으로 튜닝될 수 있고, 웨이브가이드(1402)는 청색 및 녹색 광으로 튜닝될 수 있다. 추가 실시예에서 웨이브가이드(1401및 1402)는 가시 광선의 하나 이상의 파장의 다른 파장대역으로 매치될 수도 있다.
본 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 광은 편광되지 않은 광이거나 E 상태 편광되거나 할 수 있다. 제 1 웨이브가이드(1402)에 진입하기 전에, 파장대역 λ1 및 λ2 모두는 편광 상태 생성기(Polarization State Generator. 이하, PSG)를 통과한다. PSG(160, 후술될 PSG들도 포함)는, 다른 파장의 광이 영향 받지 않도록 하면서, 2개의 수직의 편광 상태 사이에서 특정 파장대역의 위상을 시프트할 수 있는 편광 지연기(polarization retarder) 또는 파장판(waveplate)과 같은 알려진 편광 상태 생성기일 수 있다.
PSG(160)는 광학 소자(115) 내에서 웨이브가이드(1402)에서의 기판(150)의 회절 격자(144) 앞에서 부착될 수 있는 복굴절 재료의 박판(thin plate)으로 형성될 수도 있다. 회절 격자가 반사형인 경우, PSG(160)는 웨이브가이드(1402)의 회절 격자(144)의 앞에서 웨이브가이드(1402)의 기판(150)에 통합될 수도 있다. PSG(160, 후술된 PSG들도 포함)는, 웨이브가이드(140)와 동일한 공간(footprint)을 차지할 수도 있으며, 실시예들에서 더 작아지거나 더 커질 수도 있다. 더 작아지는 경우, PSG(160)는 적어도 입력 회절 격자(114) 위에 위치하도록 할 수도 있다. 예를 들어 PSG(160)는 폴리머 필름 지연기(polymer film retarder), 복굴절결정 지연기(birefringent crystal retarder), 액정 지연기(liquid crystal retarder), 또는 이들의 결합으로 형성될 수도 있다. PSG(160)는 추가적인 실시예에서 다른 재료들로 구성될 수도 있다. 예를 들어 PSG(160, 후술될 PSG들도 포함)는 Meadowlark Optics, Inc., Frederick, CO, USA에 의해 제조될 수도 있다.
단계 304에서 PSG(160)는 파장대역 λ1의 편광을 E 상태에서 M 상태로 변경시키도록 구성될 수도 있다. PSG(160)는 파장대역 λ1의 강도와 방향은 영향을 받지 않도록 할 수도 있다. PSG(160)는 또한 파장대역 λ2의편광, 강도 및 방향이 영향을 받지 않도록 하여, 파장대역 λ2가조금의 변화도없이 또는 전혀 변화없이 곧장 통과하도록 할 수도 있다.
전술한 것과 같이, 실시예들에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 비연속적인 파장은 편광되지 않을 수도 있다. 이러한 실시예에서, PSG(160)는 전술된 것과 같이 파장대역 λ1을 M 상태로 변조할 수도 있으며, 제 2 PSG(미도시)는 파장대역 λ2를 E 상태로 변조할 수도 있다.
전술한 것과 같이, M 상태 편광된 광이 웨이브가이드(140)에 커플링되지 않는 반면(또는 더 작은 정도로 커플링되는 반면), E 상태 편광된 광은 웨이브가이드(140)에 커플링될 수도 있다. 따라서, PSG(160)를 통한 상태 변경 이후에, 단계 308에서, E 상태 편광된 파장대역 λ2는 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되고, 웨이브가이드(1402)에 캡쳐되어 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 전송된다.
M 상태 편광된 파장대역 λ1은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과한다. 웨이브가이드(1401) 내에서의 파장대역 λ1의 커플링을 위해서는, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)를 떠난 후 웨이브가이드(1402)에 진입하기 이전에 제 2 PSG(162)를 통과해야 한다.
PSG(162)는 PSG(160)와 동일한 재료로 형성될 수도 있지만, 단계 310에서 파장대역 λ1의 편광을 M 상태로부터 E 상태로 변조시키도록 구성될 수도 있다. PSG(162)는 광학 소자(115) 내에서 웨이브가이드(1401)와 웨이브가이드(1402) 사이에 끼워지도록 형성될 수도 있다. 다른 경우, PSG(162)는 웨이브가이드(1402)의 기판(150) 내에서 그 회절 격자(144)의 뒤에 형성되거나, 웨이브가이드(1401)의 기판(150) 내에서 그 회절 격자(144)의 앞에 형성될 수도 있다.
PSG(162)를 통한 위상 변화 이후, 단계 314에서 파장대역 λ1은 전술한 것과같이 캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 전송될 수도 있다. 이러한 방식으로, 광학 소자(115)를 통해 전송되는 파장의 색 품질(color quality)을 유지하면서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 상이한 파장의 광들은 웨이브가이드(140)를 이용하여 전송될 수도 있다.
도 9 및 도 11의 흐름도를 참조로 하여 추가적인 실시예가 설명된다. 단계 320에서 광의 비연속적인 파장들은 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되어, 렌즈(122)를 통과하며 콜리메이트된다. 그 후, 콜리메이트된 광은 최초로 웨이브가이드(1402)를 통과한다. 웨이브가이드(1402 및 1401)는, 전술한 것과 같이 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되는 비연속적인 파장들에 대응되는, 2개의 상이한 파장대역 λ1 및 λ2 에 대하여 최적화될 수 있다. 본 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 모든 파장의 광은 편광되지 않거나 M 상태 편광될 수도 있다. 제 1 웨이브가이드(1402)에 진입하기에 앞서, 파장대역 λ1 및 λ2 모두는 PSG(166)를 통과한다.
PSG(166)는 PSG(160)와 동일한 재료 및 크기로 형성될 수도 있으나, 단계 324에서 파장대역 λ2의 편광을 M 상태에서 E 상태로 변경시키도록 구성될 수도 있다. PSG(166)는 파장대역 λ2의 강도 및 방향은 영향을 받지 않도록 할 수도 있다. PSG(166)는 파장대역 λ1의 편광, 강도 및 방향이 영향을 받지 않도록 하여, 파장대역 λ1이 변화 없이 곧장 통과하도록 할 수도 있다.
마이크로 디스플레이(120)로부터의 광이 편광되지 않는 경우, PSG(166)는 전술한 것과 같이 파장대역 λ2를 E 상태로 변조할 수도 있으며, 제 2 PSG(미도시)는 파장대역 λ1을 M 상태로 변조할 수도 있다.
PSG(166)를 통한 상태 변경 이후, E 상태 변조된 파장대역 λ2는 전술한 것과 같이 이가 캡쳐링되는 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되고, 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송된다.
M 상태 편광된 파장대역 λ1은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과할 수도 있다. 웨이브가이드(1401) 내에서의 파장대역 λ1의커플링을 위해서는, 파장대역 λ1이 웨이브가이드(1401)를 떠난 후 웨이브가이드(1402)에 진입하기 이전에 제 2 PSG(168)를 통과해야 한다. PSG(168)는 도 8에서의 PSG(162)와 동일할 수 있고, 또한, 단계 334에서 파장대역 λ1을 M 상태로부터 E 상태로 변조할 수도 있다. 그 후에, 단계 338에서 파장대역 λ1은 전술한 것과 같이캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다.
PSG들을 웨이브가이드 이전에 및 웨이브가이드 사이에 배치하는 시스템을 사용하는 경우, 전술한 것과 같이 다양한 수의 파장대역이 편광되어, 매치되지 않은 웨이브가이드들을 통과하면서 그들과 매치된 웨이브가이드 내에서 최대한 또는 거의 최대한의 강도를 갖고 커플링될 수도 있다. PSG들의 시스템은 매치되지 않은 웨이브가이드에 근접하는 파장대역의 편광이 이미 M 상태 조건에 있도록 할 수 있고, 이로 인해 매치되지 않은 웨이브가이드를 영향받지 않고 통과하게 된다. 다른 경우, 매치되지 않은 웨이브가이드에 근접하는 파장대역의 편광이 E 상태 조건에 있을 수 있고, 따라서 M 상태로 변조되기 위해 PSG를 통과한 뒤, 매치되지 않은 웨이브가이드를 영향 받지 않고 통과할 수도 있다. 이러한 파장대역은 그 이후에도 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달할 때까지 M 상태 조건으로 남아 있을 수 있고, 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달하는 경우 E 상태로 변조되기 위하여 PSG를 통과하여 이와 매치되는 웨이브가이드에 커플링될 수 있다.
n 개의 파장대역과 웨이브가이드를 포함하는 일 예가 도 13을 참조로 하여 이하에서 설명된다. 도 13의 예는 n 이 4 이상인 파장대역과 웨이브가이드를 도시하고 있으나, 추가적인 예시는 3개의 파장대역과 웨이브가이드를 포함할 수도 있다.
비연속적인 파장대역 λ1, λ2, λ3, … λn은 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출되어, 렌즈(122)를 통과하며 콜리메이트된다. 일 예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 모든 파장의 광은 M 상태로 편광될 수도 있다. 이 경우, 이 실시예는 전술한 것과 같은 PSG(1701)를 포함할 수도 있고, λ1의 편광을 E 상태로 변조하면서 나머지 파장대역은 M 상태로 편광되도록 구성될 수도 있다. 추가적인 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터 방출된 파장대역은 다른 편광을 가지거나 또는 편광되지 않도록 할 수도 있다. 이러한 추가적인 실시예에서, 하나 이상의 PSG는 웨이브가이드(1401)의 앞에(또는 웨이브가이드(1401)에 통합되어) 위치될 수도 있고, 따라서, 하나 이상의 PSG를 통과한 후에 웨이브가이드(1401)의 입력 회절 격자(144)에 진입할 때에 파장대역 λ1은 E 상태 편광되고, 파장대역 λ2 내지λn은 M 상태 편광된다.
그 후, E 상태 편광된 파장대역 λ1은 전술한 것과 같이 캡쳐되는 웨이브가이드(1401)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1401)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다. M 상태 편광된 나머지 파장대역 λ2 내지 λn은 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1401)를 통과한다.
다음에, 나머지 파장대역 λ2 내지λn은 제 2 PSG(1702)를 통과하고, 제 2 PSG(1702)는 파장대역 λ2를 E 상태로 변조하면서 나머지 파장대역 λ3 내지 λn이 실질적으로 또는 완전히 영향받지 않도록 한다.
그 후, E 상태 편광된 파장대역 λ2는전술한것과같이이가캡쳐되는웨이브가이드(1402)로 커플링될 수도 있고, 웨이브가이드(1402)의 밖에서 아이 박스(130)로 다시 전송될 수도 있다. M 상태 편광된 나머지 파장대역 λ3 내지 λn은, 커플링 또는 감쇄 없이 실질적으로 또는 완전히 웨이브가이드(1402)를 통과한다.
이러한 절차는 남은 웨이브가이드 각각에 대해 반복된다. 파장대역 각각은 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달할 때까지 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하기 위해 편광될 수도 있으며, 이와 매치되는 웨이브가이드에 도달하는 경우 매치되는 웨이브가이드에 커플링되도록 편광될 수도 있다. 마지막 파장대역 λn은 웨이브가이드(140n)에 도달할 때까지 웨이브가이드(1401) 내지 웨이브가이드(140n-1)전체를 통과한다. 웨이브가이드(140n)를 통과하기 앞서 파장대역 λn은 PSG(170n)을 통과하고 웨이브가이드(140n)에 커플링할 수 있는 상태로 편광된다.
웨이브가이드에 매치되는 파장대역이 편광되어 그 웨이브가이드에 커플링되는 동안 다른 파장대역은 그 웨이브가이드를 통과하도록 편광되는 PSG들의 다른 구현 방법이 제공될 수도 있다. 이 경우, 상이한 파장의 광은 전술한 것과 같이 웨이브가이드와 PSG들을 이용하여 광학 소자(115)를 통과하면서, 해당 광학 소자(115)를 통과하는 모든 파장의 색 품질을 유지할 수도 있다.
파장대역은, 원위 웨이브가이드 내에서 커플링되고 이를 떠난 뒤에, 아이 박스(130)로 가는 도중에 근위 웨이브가이드 각각을 통과한다. 도 4와 관련하여 전술한 것과 같이, 웨이브가이드(140) 각각은 웨이브가이드 밖으로 웨이브가이드에 이미 존재하는 광을 커플링하는 출사 회절 격자(148)을 포함한다. 출사 회절 격자(148)는 원위 웨이브가이드로부터 되돌아오는 입사 파장대역이 커플링 없이 넓게 또는 완전히 곧장 통과하도록 할 수도 있다. 그러나, 원위 웨이브가이드로부터의 광선이 적어도 부분적으로 아이 박스(130)로 가는 도중에 근위 웨이브가이드에 커플링되는 일이 발생될 수도 있다.
예를 들어, 추가적인 실시예에서, 마이크로 디스플레이(120)로부터의 광을 각각의 웨이브가이드 내에서 커플링하는 것을 제어하기 위한 입력 회절 격자(144)에 대한 PSG들을 제공하는 것에 부가하여, 출사 회절 격자(148)에 대하여 PSG들이 또한 제공될 수도 있다. 출사 격자 PSG들은 원위 웨이브가이드로부터의 광이 아이 박스(130)로 가능 도중에 근위 웨이브가이드 내에서 커플링되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 일실시예는 도 13에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 파장대역 λ1 내지λn은 전술한 것과 같이 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하면서 그들의 매치된 웨이브가이드에 커플링된다. 파장대역이 그 매치되는 웨이브가이드로부터 출사되는 경우, 그 편광은 PSG들(1801 내지 180n)에 의하여, 예를 들어 E 상태 내지 M 상태로부터, 다시 변경된 후, 커플링 없이 근위 웨이브가이드를 통과한다. 이 실시예에서, 아이 박스 이전의 마지막 PSG인 PSG(1801)는, 아이 박스(130)를 통해 사용자의 눈(132)에 프레젠테이션하기 위하여, 소망하는 다양한 방식으로 파장대역 λ1 내지λn을 편광시킨다.
전술된 실시예 중 일부에서, E 상태 편광된 파장들은 그들의 매치되는 웨이브가이드 내에서 커플링되도록 하고 M 상태 편광된 파장들은 약화되지 않은 채로 매치되지 않은 웨이브가이드를 통과하는 것으로 설명되어 있다. 그러나, 완전한 커플링/완전한 통과 대신에, E 상태 및 M 상태 편광된 파장들 모두가 그들이 입사하는 웨이브가이드에 부분적으로 커플링되게 할 수도 있다. 그러나, 전술한 것과 같은 PSG들의 사용에 의하여, E 상태 편광 파장의 커플링 효율은 M 상태 편광 파장의 커플링 효율에 비하여 증가될 수도 있다.
도 14 내지 16의 실시예에 대해 설명한다. 도 14 및 15 각각은 한 쌍의 웨이브가이드(1401및 1402)에 입사하는 파장대역 λ의 에지뷰(edge view)를 도시한다. 파장대역 λ는 웨이브가이드(1402)에 매치되나, 우선은 웨이브가이드(1401)를 통과한다. 도 15에서 파장대역의 편광이 PSG(160)를 사용하여 제어되는 반면, 도 14에서는 PSG가 사용되지 않으며, 이 외에는 도 14와 도 15가 서로 동일하다.
도 14에서, 입력 파장대역은 매치되지 않은 웨이브가이드(1401)에서의 회절 격자(144)상에 θ1의 입사각으로 입사된다. 제어되지 않은 파장대역은 E 상태 편광을 가질 수도 있으며, 이로 인해 부분 λ1c가 웨이브가이드(1401)와 커플링되도록 할 수도 있다. 제 2 부분 λ1m은제 2 순서 회절(second order diffraction)으로 회절된다(도시되지 않은, 추가적인 격자 순서 회절이 있을 수 있다). 나머지 부분 λ1t는 웨이브가이드(1401)를 통해 전송되고 이와 매치되는 웨이브가이드(1402)에 진입한다. 웨이브가이드(1401)와 커플링된 파장대역 λ의 상대적으로 큰 요소로서, 더 작은 부분 λ2c는 웨이브가이드(1402)에 커플링되도록 남겨진다.
반대로, 도 15에서, 동일한 파장대역 λ는 웨이브가이드(1401)에 진입하기에 앞서(예를 들어, 미도시된 PSG에 의해) M 상태로 편광된다. 표기된 것과 같이, 파장대역의 상대적으로 작은 부분 λ1c가 웨이브가이드(1401)로 커플링된다. 이와 같이, 웨이브가이드(1401)를 통과하는 부분 λ1t가 커진다. 웨이브가이드(1401)와 웨이브가이드(1402) 사이에서, 파장대역의 편광은 PSG(160)에 의해 M 상태로부터 E 상태로 변경된다. 그 결과, E 상태 편광된 파장 λ는 그 매치된 웨이브가이드(1402) 내에서 커플링되는 상대적으로 큰 부분 λ2c를 가진다.
도 16은 인-커플링(in-coupling) 입사각에 따른 커플링 효율을 도시한 그래프이다. 여기서 커플링 효율은 광원으로부터 방출되는 파장대역의 강도와 매치되는 웨이브가이드 내에서 커플링되는 파장의 강도의 비(0과 1 사이의 숫자로 표현됨)로 정의된다. 본 예시는 웨이브가이드(1402)와 매치되는 파장대역으로서 도 14 및 15에서 도시되는 적색광(650 nm)을 이용한다. 그래프는 또한 녹색광(540 nm)의 제 2 파장대역을 도시한다. 녹색 파장대역은 도 14 및 15에 도시되어 있지는 않으나, 제 1 웨이브가이드(1401)에 매치되고 그 안에서 커플링된다. 제 1 웨이브가이드(1401)에 대한 회절 격자(1441)에 대한 격자 간격은 450 nm이고 제 2 웨이브가이드(1402)에 대한 회절 격자(1442)에 대한 격자 간격은 550 nm이다.
도 16의 그래프에 도시된 것과 같이, 녹색 파장은 다른 웨이브가이드를 통과할 필요 없이 매치되는 웨이브가이드에 커플링된다는 사실 때문에, 녹색 파장대역의 커브(184)는 90%를 넘는 가장 높은 커플링 효율을 나타낸다. 본 발명에 따른 편광 제어를 사용하여 그 웨이브가이드에 커플링된 도 15의 적색 파장대역의 커브(186)는 약 88%의 커플링 효율을 나타낸다. 편광 제어를 사용하지 않는 도 14의 적색 파장대역의 커브(188)는, 70%보다 낮은, 저 커플링 효율을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 PSG들은 매치되지 않은 웨이브가이드로의 광의 커플링을 방지할 수 있고, 매치되는 웨이브가이드로의 광의 커플링을 가능하게 할 수 있다.
청구 대상이 구조적 특징 및/또는 방법론적인 행동에 특정된 언어로 기술되었으나, 첨부된 청구항에서 정의된 청구 대상이 전술된 특정 특징 또는 행동으로 필연적으로 한정되는 것은 아니다. 전술된 특정 특징 및 행동은 청구항을 구현하는데 있어 예시적인 형식으로 기술된 것이다. 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구항에 의해 정의되는 것이 의도된다.

Claims (10)

  1. 이미지를 표시하기 위한 방법으로서,
    (a) 적어도 제 1 파장대역 및 제 2 파장대역을 포함하는 광을, 광원으로부터, 적어도 제 1 웨이브가이드 및 제 2 웨이브가이드를 포함하고 상기 제 1 웨이브가이드 및 상기 제 2 웨이브가이드 각각이 적어도 하나의 광학 격자를 갖는 광학 소자로 주사하는 것과,
    (b) 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 제 1 파장대역이, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 1 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 제 1 파장대역의 편광을, 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장의 편광과 달라지게 제어하는 것과,
    (c) 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 제 2 파장대역이, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역보다도 상기 제 2 웨이브가이드에 더 커플링하도록, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 제 2 파장대역의 편광을, 상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역의 편광과 달라지게 제어하는 것
    을 포함하는
    이미지 표시 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 제 1 파장대역의 상기 편광을, 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역의 상기 편광과 달라지게 제어하는 것은,
    상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장의 상기 편광을 유지하면서 상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 제 1 파장대역의 상기 편광을 변경하는 단계
    를 포함하는
    이미지 표시 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 제 1 파장대역의 상기 편광을, 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역의 상기 편광과 달라지게 제어하는 것은,
    상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 제 1 파장대역의 상기 편광을 제 1 상태에서 제 2 상태로 변경하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제 2 상태에서는, 상기 제 1 상태에 비하여, 상기 제 1 파장대역이 상기 제 1 웨이브가이드에 더 커플링되는
    이미지 표시 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)의 상기 제 1 파장대역의 상기 편광을, 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역의 상기 편광과 달라지게 제어하는 것은,
    상기 제 1 웨이브가이드에 입사한 상기 복수의 파장대역 중에서 상기 제 1 파장대역과 다른 파장대역의 상기 편광을 제 1 상태에서 제 2 상태로 변경하는 단계
    를 포함하는
    이미지 표시 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (c)의 상기 제 2 파장대역의 상기 편광을, 상기 제 2 파장대역과 다른 파장대역의 상기 편광과 달라지게 제어하는 것은,
    상기 제 2 웨이브가이드에 입사한 상기 제 2 파장대역의 상기 편광을 상기 제 2 상태에서 상기 제 1 상태로 변경하는 단계
    를 포함하는
    이미지 표시 방법.

  6. 이미지를 표시하기 위한 방법으로서,
    (a) n 개(단, n은 2 이상)의 파장대역을 포함하는 광을, m 개(단, m은 2 이상)의 웨이브가이드를 포함하는 광원으로부터, 광학소자로 광을 주사하는 것과,
    (b) 상기 n 개의 파장대역 중에서 하나 또는 복수의 파장대역이, 각각이 상기 m개의 웨이브가이드 중 어느 하나와 연관되어 있는 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것
    을 포함하되,
    상기 (a)의 상기 광을 주사하는 것에 있어서, i 번째(단, i 는 1 이상 n 이하) 파장대역은 j 번째(단, j 는 1 이상 m 이하) 웨이브가이드에 매치되어 있고,
    상기 (b)의 상기 하나 또는 복수의 파장대역이 상기 복수의 편광 상태 생성기를 통과하도록 하는 것에 있어서, 상기 복수의 편광 상태 생성기는, 이들을 통과하는 상기 하나 또는 복수의 파장대역의 편광을, i 번째 파장대역이 j 번째 웨이브가이드에 커플링하도록 하면서도 상기 j 번째 웨이브가이드를 통과하는 나머지 파장대역이 상기 j 번째 웨이브가이드에 커플링되지 않도록 하는 상태가 되도록 제어하는
    이미지 표시 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원과 제 1 웨이브가이드 사이에 위치한 제 1 편광상태 생성기를 통과한 이후에, 제 1 파장대역은, 전기적 벡터가 격자벡터에 대하여 수직인 제 1 편광상태에 있고, 제 2 파장대역 내지 제 n 파장대역은, 전기적 벡터가 상기 제 1 파장대역의 전기적 벡터에 대하여 수직인 제 2 편광상태에 있는
    이미지 표시 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    n 번째 파장대역은, 상기 n 번째 파장대역과 m - 1 번째 웨이브가이드와의 커플링이 저해되는 상태가 되도록 편광되어 상기 m - 1 번째 웨이브가이드를 통과하고, 상기 n 번째 파장대역과 m 번째 웨이브가이드와의 커플링이 가능한 상태가 되도록 편광되어 상기 m 번째 웨이브가이드를 통과하는
    이미지 표시 방법.
  9. 광을, 광원으로부터 아이 박스로 전달하기 위한 광학 소자로서,
    상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 1 부분과 커플링하기 위한 제 1 광학 격자를 포함하는 제 1 웨이브가이드와,
    상기 광원으로부터 광을 수신하고 상기 광의 제 2 부분과 커플링하기 위한 제 2 광학 격자를 포함하는 제 2 웨이브가이드와,
    상기 광원과 상기 제 1 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 1 부분의 편광을 변경하는 제 1 편광상태 생성기와,
    상기 광원과 상기 제 2 웨이브가이드의 사이에 위치하고, 상기 제 1 웨이브가이드와 커플링하도록 상기 광의 상기 제 2 부분의 편광을 변경하는 제 2 편광상태 생성기
    를 포함하는
    광학 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 웨이브가이드, 상기 제 2 웨이브가이드, 상기 제 1 편광상태 생성기 및 상기 제 2 편광상태 생성기는, 혼합 현실 환경을 생성하기 위한 근안 디스플레이 내에 형성된 평면형상의 부재들인
    광학 소자.
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