KR20170097661A - 기판 유도식 광학 장치 - Google Patents

Abstract

광학 시스템은 적어도 두 개의 외부 주면과 가장자리를 구비한 광 투과성 기판과 내부 전반사에 의해 기판에 광파를 결합하기 위한 광학 소자를 포함한다. 적어도 하나의 부분 반사면이 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위해 기판 내에 위치하며, 광 투과성 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 투명 층이 기판의 주면 중 적어도 하나에 광학적으로 부착되어 계면을 형성한다. 기판의 내부에 결합된 광파는 기판의 주면과 투명 층 사이의 계면으로부터 실질적으로 전반사된다.

Description

기판 유도식 광학 장치{SUBSTRATE-GUIDED OPTICAL DEVICE}

본 발명은 기판 유도식 광학 장치에 관한 것으로, 특히, 도광 소자(light-guide element)로도 일컬어지는, 일반적인 광 투과성 기판에 수반된 복수 개의 반사면을 포함하는 장치에 관한 것이다.

소형 광학 소자를 위한 중요한 응용예로서, 광학 모듈이 촬상 렌즈의 역할을 할 뿐만 아니라 2차원 이미지 소스(source)가 무한대로 촬상되어 관찰자의 눈으로 반사되는 결합기로서의 역할을 하는 헤드 장착식 디스플레이(head-mounted display:HMD)가 있다. 디스플레이 소스는 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드 어레이(OLED), 스캐닝 소스 또는 유사한 장치와 같은 공간 광 변조기(SLM)로부터 직접 획득될 수도 있으며, 또는 릴레이 렌즈(relay lens) 또는 광섬유 번들에 의해 간접적으로 획득될 수도 있다. 디스플레이 소스는 조준 렌즈에 의해 이미지가 무한대로 촬상되어 반사면 또는 부분 반사면에 의해 시청자의 눈으로 전달되도록 함으로써 가시성 응용예 및 비가시성 응용예 각각에 대해 결합기로서 작용하는 소자(픽셀) 어레이를 포함한다. 일반적으로, 통상의 자유 공간 광학 모듈이 이러한 용도로 사용되고 있다. 그러나, 시스템의 소망 시야(FOV:field of view)가 증가함에 따라 이러한 통상의 광학 모듈은 크기, 무게, 부피가 증가하게 되며, 따라서, 중간 정도의 성능을 가진 장치용으로도 비실용적이다. 이것은 모든 종류의 디스플레이에 대해서 뿐만 아니라, 특히, 시스템이 가능한 한 경량이면서 소형이어야만 하는 헤드 장착식 응용예에 있어서 중대한 단점이 된다.

소형화를 위한 노력에 따라 여러 가지 서로 다른 복잡한 광학적 해결 방안이 도출되어 왔지만, 이들 해결 방안은 모두, 한편으로는 여전히 대부분의 실제 응용예에 충분할 만큼 소형이 아니며, 다른 한편으로는 제조 가능성의 관점에서 중대한 단점을 갖는다. 또한, 이들 디자인으로부터 초래하는 광학 시야각의 아이-모션-박스(eye-motion-box)가 보통은 매우 작아, 일반적으로 8mm 미만이다. 이에 따라, 광학 시스템의 성능은 시청자의 눈에 상대적인 광학 시스템의 작은 이동에도 상당히 민감하게 반응하며, 이러한 디스플레이에서 문자를 편하게 읽을 수 있도록 하기에 충분한 동공 모션을 허용하지 않는다.

본 출원인의 이름으로 출원된 공보 제 WO 01/95027 호, 제 WO 03/081320 호, 제 WO 2005/024485 호, 제 WO 2005/024491 호, 제 WO 2005/024969 호, 제 WO 2005/124427 호, 제 WO 2006/013565 호, 제 WO 2006/085309 호, 제 WO 2006/085310 호, 제 WO 2006/087709 호, 제 WO 2007/054928 호, 제 WO 2007/093983 호, 제 WO 2008/023367 호, 제 WO 2008/129539 호, 제 WO 2008/149339 호, 제 WO 2013/175465 호, 제 IL 232197 호, 그리고 제 IL 235642 호에 포함된 개시 내용이 본 명세서에 참조로써 인용된다.

본 발명은 기타 여러 응용예 중에서도 HMD용의 매우 소형의 도광용 광학 소자(LOE:light-guide optical element)의 개발을 용이하게 한다. 본 발명은 비교적 큰 EMB 값과 함께 비교적 넓은 FOV를 허용한다. 이렇게 해서 초래되는 광학 시스템은 눈의 큰 움직임을 수용하는 크기가 큰 고품질 이미지를 제공한다. 본 발명에 의해 제공되는 광학 시스템은 실질적으로 최첨단의 구현예보다도 소형일 뿐만 아니라 특화된 구성을 갖는 광학 시스템에도 즉각적으로 통합될 수 있기 때문에 특히 유리하다.

따라서, 본 발명의 개괄적인 목적은 종래 기술의 소형의 광학 디스플레이 장치의 단점을 줄이면서 특정 요건에 따른 개선된 성능을 갖는 그외 다른 광학 구성 요소 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 휴대용 DVD, 휴대폰, 이동식 TV 수신기, 비디오 게임, 휴대용 미디어 플레이어, 또는 그외 다른 이동식 디스플레이 장치와 같은 다수의 촬상 응용예에서 유리하게 구현될 수 있다.

LOE 작동의 주요 물리적 원리에 따르면, 광파는 LOE의 외면으로부터의 내부 전반사에 의해 기판 내부에 포획된다. 그러나, 상황에 따라서는, 외면 중 적어도 하나에 별도의 광학 소자를 부착하여야 한다. 이 경우, 한편으로는 외면으로부터의 광파의 반사가 이러한 부착 구성에 의해 저하되지는 않는지, 그리고 다른 한편으로는 LOE에 광파를 결합하며 LOE로부터 광파를 결합 해제하기 위한 광학 장치가 방해를 받지는 않는지를 반드시 확인하여야 한다. 그 결과, 한편으로는 LOE의 내부에 결합되어 비스듬한 각도로 외면을 침범하는 전체 광파를 실질적으로 반사시키면서, 다른 한편으로는 직각에 가까운 입사각으로 표면을 침범하는 광파를 실질적으로 투과시키는 각도 감응성 반사 광학 장치를 외면에 추가할 필요가 있다.

이전의 발명(예를 들어, 제 WO 2005/024491 호)에는, LOE의 표면에 각도 감응성의 박막 유전체 코팅이 적용되어 있는 반사 광학 장치가 예시되어 있다. 본 발명에 따른 대안으로서의 반사 광학 장치는 굴절률이 상당히 낮은 투명한 유전체 재료를 사용한다.

따라서, 본 발명은 적어도 두 개의 외부 주면과 가장자리를 구비한 광 투과성 기판과, 내부 전반사에 의해 광파를 상기 기판에 결합하기 위한 광학 소자와, 광파를 기판으로부터 결합 해제하기 위한, 기판 내에 위치한 적어도 하나의 부분 반사면, 그리고 상기 광 투과성 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 가지며, 상기 기판의 주면 중 적어도 하나에 광학적으로 부착되어 계면을 형성하는 적어도 하나의 투명 층을 포함하며, 상기 기판의 내부에 결합된 광파는 상기 기판의 주면과 상기 투명 층 사이의 계면으로부터 실질적으로 전반사되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템을 제공한다.

본 발명이 보다 완전히 이해될 수 있도록, 아래의 예시적인 도면을 참조하여, 본 발명이 소정의 바람직한 실시예와 관련하여 설명된다.
도면을 상세히 구체적으로 참조함으로써, 도시된 특정 구성은 단지 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예의 예시적인 논의를 목적으로 한 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적인 태양의 설명을 가장 유용하면서도 즉각적으로 이해할 수 있도록 하기 위한 용도로만 제시되는 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 본 발명의 근본적인 이해에 필요한 것보다 더 상세히 본 발명의 구조상의 세부 사항을 보여주려는 시도는 이루어지고 있지 않다. 도면을 참조한 설명은 본 발명의 여러 가지 형태가 실제로 어떻게 구현될 수 있는지에 관한 방향을 당 업자에게 제공하기 위한 것이다.
이하 도면에서:
도 1은 종래 기술의 예시적인 LOE의 측면도이며;
도 2는 디스플레이 광원으로부터의 입력 광파를 조준하기 위한 종래 기술의 광학 장치를 나타내는 모식도이며;
도 3은 본 발명에 따른, 디스플레이 광원으로부터의 입력 광파를 LOE에 조준하여 결합하기 위한 시스템을 나타내는 모식도이며;
도 4는 본 발명에 따른, 디스플레이 광원으로부터의 입력 광파를 조준 모듈이 부착되어 있는 기판에 조준하여 결합하기 위한 다른 실시예를 나타내는 모식도이며;
도 5는 본 발명에 따른, 네거티브 렌즈가 도광용 광학 소자의 외면에 부착되어 있는 예시적인 일 실시예를 나타내며;
도 6은 본 발명에 따른, 네거티브 렌즈와 포지티브 렌즈가 도광용 광학 소자의 외면에 부착되어 있는 예시적인 일 실시예를 나타내며;
도 7은 본 발명에 따른, 네거티브 렌즈가 굴절률이 낮은 접착제를 사용하여 도광용 광학 소자의 외면에 접합되어 있는 예시적인 일 실시예를 나타내며;
도 8은 본 발명에 따른, 굴절률이 낮은 재료로 제조되는 기판이 도광용 광학 소자의 외면에 광학적으로 부착되어 있는 예시적인 일 실시예를 나타내며;
도 9는 본 발명에 따른, 네거티브 렌즈 및 포지티브 렌즈가 두 개의 투명한 층을 사용하여 도광용 광학 소자의 외면에 접합되어 있는 예시적인 일 실시예를 나타내며;
도 10은 본 발명에 따른, (a) 비접합 LOE와, (b) 굴절률이 낮은 재료로 이루어진 기판에 접합되어 있으며 반사 방지 코팅으로 피복되어 있는 LOE, 그리고 (c) 굴절률이 낮은 재료로 이루어진 기판에 접합되어 있으며 각도 감응성의 반사 코팅으로 피복되어 있는 LOE의 반사율 곡선을 나타낸 그래프이며;
도 11은 결합 소자 및 결합 해제 소자가 모두 회절성 광학 소자인 본 발명의 예시적인 일 실시예를 나타내며; 그리고
도 12는 광학 모듈이 손 휴대용 디스플레이 시스템으로 구체화되어 있는 본 발명의 예시적인 일 실시예를 나타낸다.

도 1은 본 발명에서 사용 가능한, 종래 기술의 기판(20) 및 연관 구성 요소(이후 "LOE"로도 일컬어짐)의 단면도를 나타낸다. 광원(도시하지 않음)으로부터 방출되는 조준 표시 광파(18)가 광학 수단, 예를 들어, 반사면(16)에 조사된다. 반사면(16)이 광원으로부터의 입사 광파를 반사함으로써, 광파가 내부 전반사에 의해 LOE의 평면형 기판(20)의 내부에 포획된다. 기판(20)의 주면인 상하면(26, 28)에서 몇 차례 반사가 이루어진 후, 포획 광파는 선택적 반사면(22)의 어레이에 도달하며, 이들 선택적 반사면은 기판에서 결합 해제된 광파를 시청자의 동공(25)을 갖는 눈(24)에 결합한다. 여기서, LOE의 입력면은 입력 광파가 LOE에 들어가면서 통과하게 되는 표면으로 간주하며, LOE의 출력면은 포획 광파가 LOE를 빠져나가면서 통과하게 되는 표면으로 간주한다. 도 1에 도시된 LOE의 경우에, 입력면 및 출력면이 모두 하면(26)이다. 그러나, 입력 광파 및 이미지 광파가 기판(20)의 양측에 위치할 수 있거나, 광파가 기판의 경사진 가장자리를 통해 LOE에 결합되는 그외 다른 구성도 고려된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 디스플레이 광원(4)으로부터의 s-편광 입력 광파(2)는 보통 광파 투과성 재료로 구성되는 조준 모듈(6)의 하면(30)을 통해 조준 모듈에 결합된다. 편광 빔 스플리터(31)에서 반사가 이루어진 후, 광파는 조준 모듈(6)의 표면(32)을 통해 기판으로부터 결합 해제된다. 이후 광파는 1/4-파장 지연판(34)을 통과한 다음, 예를 들어, 평평한 미러와 같은 반사용 광학 소자(36)에 의해 반사되어 다시 지연판(34)을 통과하도록 되돌아가, 표면(32)을 통해 조준 모듈(6)로 다시 들어간다. 이제 p-편광 광파는 편광 빔 스플리터(31)를 통과하여 조준 모듈(6)의 도광용 관통 표면(38)으로부터 결합 해제된다. 이후 광파는 제 2의 1/4-파장 지연판(40)을 통과한 다음, 예를 들어, 렌즈와 같은 구성 요소(42)에 의해 구성 요소의 반사면(44)에 조준되어, 다시 지연판(40)을 통과하도록 되돌아가, 표면(38)을 통해 조준 모듈(6)로 다시 들어간다. 이제 s-편광 광파는 편광 빔 스플리터(31)에서 반사되어 상면(46)을 통해 조준 모듈에서 빠져나온다. 반사면(36, 44)은 금속제 코팅 또는 유전체 코팅에 의해 실현될 수 있다.

도 3은 도 2와 관련하여 상세히 설명된 구성 요소로 이루어지는 조준 모듈(6)이 LOE와 조합되어 광학 시스템을 형성할 수 있는 방식을 나타낸다. 조준 모듈(6)로부터의 출력 광파(48)는 기판의 하면(26)을 통해 기판(20)으로 들어간다. 유입 광파(기판(20)에 관한)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 소자(16)에서 반사되어 기판 내에 포획된다. 이제, 디스플레이 광원(4), 폴딩 프리즘(folding prism)(52, 54), 편광 빔 스플리터(31), 지연판(34, 40) 그리고 반사용 광학 소자(36, 42)를 포함하는 조준 모듈(6)이 상당히 여유로운 기계적 허용 오차를 가지면서, 기판과 독립적으로 조립될 수 있는, 단일 기계 모듈로 일체화될 수 있다. 또한, 지연판(34, 40)과 반사용 광학 소자(36, 42)는 각각 함께 접합되어 단일 구성 요소를 형성할 수 있다.

조준 모듈(6)의 다양한 구성 요소를 모두 기판(20)에 부착하여 상당히 더 간단한 기계 모듈을 갖는 소형의 단일 소자를 형성하는 것이 유리하다. 도 4는 조준 모듈(6)의 상면(46)이 계면(58)에서 LOE의 하면(26)에 부착되어 있는 이러한 모듈을 나타낸다. 이러한 구성은, 부착 절차로 인해 LOE와 조준 모듈(6) 사이의 이전부터 있어왔던 공기 간극(50)(도 3에 도시됨)이 삭제된다는 주요한 문제점을 갖는다. LOE(20)의 내부에 입력 광파(48)를 포획하기 위해서는 이러한 공기 간극이 반드시 필요하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 포획 광파(48)는 계면(58) 상의 지점(62, 64)에서 반사되어야 한다. 따라서, 이러한 계면에, 즉, LOE의 주면(26)이나 조준 모듈(6)의 상면(46)에 반사 광학 장치가 적용되어야 한다. 그러나, 간단한 반사 코팅을 용이하게 적용할 수는 없는데, 그 이유는 이들 표면이 또한 예시적인 지점(66)에서는 LOE를 출입하는 광파에 대해 투과성을 가져야 하기 때문이다. 광파는 작은 입사각으로 평면(64)을 통과하여야 하며, 이보다 큰 입사각으로 반사되어야 한다. 보통, 통과 입사각은 0° 내지 15°이며, 반사 입사각은 38° 내지 80°이다.

본 발명의 전술한 모든 실시예에서, LOE에 결합되는 이미지는 무한대로 조준된다. 그러나, 응용예에 따라서는, 예를 들어, 근시로 고생하는 사람 및 원거리에 위치한 이미지를 잘 볼 수 없는 사람을 위해 투과 이미지가 더 가까운 거리에 초점이 맞추어져야 한다.

도 5는 본 발명에 기초한 렌즈를 구현하기 위한 방법을 나타낸다. 무한대로부터의 이미지(80)가 반사면(16)에 의해 기판(20)에 결합된 다음 부분 반사면(22)의 어레이에 의해 시청자의 눈(24)으로 반사된다. 안과용 렌즈(82)가 이미지의 초점을 편안한 거리에 맞추어 난시를 포함한 시청자의 기타 눈의 이상을 임의로 교정한다. 평면 오목 렌즈(82)의 평평한 표면(84)이 기판의 표면에 부착될 수 있다. 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 내부 전반사에 의해 이미지 광선이 기판의 내부에 포획되는 것을 보장하기 위해서는, 렌즈(82)와 기판(20)의 사이에 얇은 공기 간극이 보존되어야 한다.

또한, 본 발명에 관한 대부분의 응용예에서는, 외부 장면(scene)이 무한대로 위치하는 것으로 가정하기로 한다. 그러나, 전문적인 용도나 의학적 용도의 응용예에 따라서는, 외부 장면이 더 가까운 거리에 위치한다.

도 6은 본 발명에 기초한 이중 렌즈 구성을 실현하기 위한 방법을 나타낸다. 무한대로부터의 이미지(80)가 반사면(16)에 의해 기판(20)에 결합된 다음, 부분 반사면(22)의 어레이에 의해 시청자의 눈(24)으로 반사된다. 근거리로부터의 다른 장면의 이미지(86)가 렌즈(88)에 의해 무한대로 조준된 다음 기판(20)을 통해 눈으로 들어간다. 렌즈(82)는 편안한 거리에, 보통 외부 장면(86)의 원래 거리에 이미지(80, 86)의 초점을 맞추며, 필요하다면, 시청자 눈의 기타 이상을 교정한다.

도 5 및 도 6에 도시된 렌즈(82, 88)는 각각, 간단한 평면 오목 렌즈 및 평면 볼록 렌즈이다. 그러나, LOE의 평면 형상을 유지하기 위하여, 대신, 미세 공정에 의해 성형 플라스틱 박판으로 형성될 수 있는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 사용할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같은 고정 렌즈 대신, 렌즈(82 또는 88)를 구현하기 위한 다른 대안은 전자 제어식 동적 렌즈를 개발하는 것이다. 응용예에 따라, 사용자가 비조준 이미지를 볼 수 있어야 할 뿐만 아니라 이미지의 초점을 동적으로 제어할 수 있어야 한다. 알려진 바와 같이, 고해상도의 공간 광 변조기(SLM)가 동적 소자를 형성하도록 사용될 수 있다. 이러한 용도로 가장 인기 있는 소스는 LCD 장치이지만, 그외 다른 동적 SLM 장치가 또한 사용될 수 있다. 수백 개의 라인(mm)을 갖는 고해상도의 동적 렌즈가 알려져 있다. 이러한 종류의 전자 광학 제어식 렌즈가 본 발명에서, 도 5 및 도 6을 참조하여 전술한 고정 렌즈 대신, 소망하는 동적 소자로서 사용될 수 있다. 따라서, 조작자는 외부 광경의 실제 이미지와 LOE에 의해 투사된 가상 이미지 모두의 정확한 초점면을 실시간으로 결정하여 설정할 수 있다. 물론, 도 5 및 도 6에 도시된 렌즈가 도 5에 도시된 바와 같이 안경 프레임(83)의 내부에 용이하게 조립될 수도 있다.

도 6에서 전술한 바와 같이, 모든 렌즈(82, 88)를 LOE에 부착하여 상당히 더 간단한 기계 모듈을 갖는 소형의 단일 소자를 형성하는 것이 유리하다. 마찬가지로, 이러한 구성은, 부착 절차로 인해 LOE의 내부에 입력 광파를 포획하기 위해 반드시 필요한 LOE와 렌즈(82, 88)의 사이의 이전부터 있어왔던 공기 간극이 삭제된다는 주요한 문제점을 갖는다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 포획 광선(80)은 계면(84)의 지점(90)에서 반사되어 지점(92)에서 해당 계면을 통과하여야 한다. 따라서, 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 유사한 반사 광학 장치가 이러한 계면에 적용되어야 한다.

이와 같이 필요한 반사 광학 장치를 달성하기 위한 가능한 일 접근법은 LOE의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 갖는 투명한 층을 LOE의 주면에 광학적으로 부착하는 것이다. 이러한 접근법을 실현하기 위한 일 방법은 굴절률이 낮은 접착제를 사용하여 필요한 광학 소자에 LOE를 접합하는 것이다. 1.3 이상의 굴절률을 갖는 광학 접착제가 시판되고 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 교정 렌즈(82)를 LOE에 접합하기 위해 굴절률이 낮은 접착제(100)가 사용된다. LOE의 내부에 포획된 광선은 접착제(100)와 LOE의 사이의 계면(101)으로부터 전반사된다. 이러한 접합 절차는 필요한 공기 간극을 간단히 대체할 수 없다. 예를 들어, 굴절률이 1.52인 BK7로 제조된 LOE에서, 임계각은 41.8°이다. 굴절률이 낮은 접착제로 공기 간극을 대체할 경우 임계각이 58.8°로 증가한다. 이러한 높은 임계각에 의해, 상당히 제한된 FOV를 제공하는 광파만이 내부 전반사에 의해 LOE에 포획될 수 있다. 그러나, LOE를 제조하기 위해 굴절률이 높은 재료를 사용함으로써, 달성 가능한 FOV를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, LOE를 제조하기 위해 굴절률이 1.8인 광학 재료를 사용할 경우, 임계각을 46.2°로 감소시켜, 보다 이상적인 FOV를 가능하게 할 수 있다.

FOV를 증가시키기 위한 변형예로서, LOE와 부착 광학 소자 사이에 굴절률이 낮은 고상의 유전체 재료로 이루어진 중간 박막을 삽입하는 방법이 있다. 안정화된 기계적 특성을 가질 뿐만 아니라 굴절률이 상당히 낮은(1.1 내지 1.2의 범위) 에어로겔(Aerogel) 물질 군이 개발되어 왔다. 이러한 용도의 다른 가능한 대안은 경사각 증착에 의해 제조된 다공성의 고상 유전체 재료이다.

도 8은 LOE와 교정 렌즈(82)의 사이에 삽입된 굴절률이 낮은 재료(LIM)로 이루어진 박판(104)을 나타낸다. 이러한 LIM으로 이루어진 판(104)은 LOE의 외면(26)에 직접 증착되거나, 접착 박막(106)을 이용하여 해당 표면에 접합될 수 있다. 이 경우, 서로 다른 표면으로부터의 복수 회의 반사를 방지하기 위하여, LOE의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. 판(104)의 상면(107)에 의해 LOE 내부 포획 광선의 내부 반사가 이루어진다. 따라서, 복수 개의 이미지를 방지하기 위하여, 이러한 표면은 LOE의 외면(26)과 평행하여야 한다. 그 결과로서, 또한 이미지 중의 검은색 띠를 방지하기 위하여, 접착 층(106)의 두께가 최소화되어야 하며, 어느 경우에나, 수 미크론을 초과하지 않아야 한다. 또한, 표면(107)의 평탄도 및 광학 품질이 상당히 우수하여야 한다. 필요한 각도 감응성 광학 장치를 달성하기 위해 기판의 주면에 LIM으로 이루어진 판을 부착하는 방식은 LOE의 두 개의 외면 중 일면 뿐만 아니라 타면에도 적용될 수 있다.

도 9는 LOE(20)와 포지티브 렌즈(88)의 사이에 삽입된 LIM으로 이루어진 제 2 박판(108)을 나타낸다. 이러한 판의 하면(110)이 LOE의 상면(28)에 광학적으로 부착되어 있다.

전술한 양 실시예의 성능을 개선할 수 있는 또 다른 절차는, 반사 계면의 임계각보다 작은 각도에서도 기판의 내부에 전체 FOV 광파를 포획하는 각도 감응성 반사 코팅(ASR)을 추가하는 것이다. 기판 표면 중 하나가 불투명할 수 있으며 이에 따라 통상의 반사면으로 코팅될 수 있는 비가시성 응용예에서도, 시청자의 눈 옆에 위치한 외면은 적어도 필요한 외부 FOV 각도에서는 투명하여야 한다. 따라서, 필요한 반사 코팅은 임계각보다 낮은 각도 영역에서 상당히 높은 반사율을 갖추어야 하며, 또한 이미지의 전체 FOV에 대해 상당히 높은 반사율을 갖추어야 한다.

도 10은 LOE가 파장(λ)이 550nm이며 굴절률이 1.6인 광학 재료로 제조되는 예시적인 일 실시예의 반사율 곡선을 나타낸다. 세 가지 상이한 그래프가 도시되어 있다:

a) 실선은 비접합 LOE, 즉, 외부 재료가 공기이며 외면이 일반적인 반사 방지(AR) 코팅으로 피복되어 있는 LOE의 반사율 곡선을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 임계각은 38.7°이며, 이 아래 값에서는 반사율이 급격히 떨어진다.

b) 점선은 굴절률이 1.1인 LIM으로 이루어진 기판에 접합되며 계면이 일반적인 AR 코팅으로 피복되어 있는 LOE의 반사율 곡선을 보여준다. 여기서, 임계각은 43.4°이다. LOE에 결합될 수 있는 잠재 FOV 광파는 감소하지만, 여전히 이상적인 범위 내에 있으며, 임계각이 41.8°인 BK7로 제조된 비접합 LOE에서와 유사하다.

c) 파선은 굴절률이 1.1인 LIM으로 이루어진 기판에 접합되는 LOE의 반사율 곡선을 나타낸다. 그러나, 여기서, 계면은 특정 ASR 코팅으로 피복되어 있다. 43.4°보다 낮은 입사각에서의 계면으로부터의 LOE 내부 포획 광선의 반사 광학 장치는 더 이상 내부 전반사가 아니며, ASR 코팅에 의한 반사이다. 34.7°보다 큰 입사각으로 계면을 침범하는 광선의 반사율은 99%보다 높으며, 광선은 실제로 계면에서 전반사된다. 그 결과, 이러한 LOE의 내부에 포획될 수 있는 광파의 잠재 FOV는 그래프(a)에 도시된 비접합 LOE에서와 비교하여 상당히 더 높다.

이러한 그래프에서는, 반사율이 상당히 높은 34° 내지 90° 사이 및 반사율이 상당히 낮은 0° 내지 29° 사이(기판 외부의 0° 내지 46°과 등가)의 두 개의 영역이 중요하다. 이에 따라, 상당히 높은 반사율이 소망되는 포획 광파의 전체 각도 스펙트럼은 제 1 영역 내에 위치하는 반면, 반사율이 반드시 제로(zero)이어야 하는 외부 FOV의 전체 각도 스펙트럼은 제 2 영역 내에 위치하는 것을 보장할 수 있는 한, 그리고 시청자가 전체 이미지를 볼 수 있는 한, 주어진 FOV에 대해 전체 FOV 광파가 내부 반사에 의해 기판 내부에 포획된다.

LIM 기판이 LOE의 상면에 접합되는 경우, 전술한 바와 같이, ASR 코팅이 LOE에 인접하게 위치한 LIM 판의 외면(107)(도 9)에 적용될 수 있다. 그러나, LIM 층이 LOE 상에 직접 증착되면, 필요한 ASR 코팅을 적용할 수 있는 유일한 방법은 LOE의 외면(26)이다. LOE의 제조 공정이 보통 광학 소자 접합 단계를 포함하기 때문에 그리고 LOE 몸체가 완전해진 후에만 필요한 ASR 코팅이 기판 표면에 적용되기 때문에, 접합 영역에 손상을 줄 수도 있는 통상의 열간 피복 절차를 사용할 수 없다. 이온 보조 코팅 절차와 같은 신규의 박막 기술이 또한 냉간 처리를 위해 사용될 수 있어, 부품을 가열할 필요가 없게 되어 LOE와 같은 접합 부품이 안전하게 피복되도록 할 수 있다.

지금까지 예시된 모든 실시예에서, 기판으로부터 광파의 결합을 해제하기 위한 소자는, 보통 부분 반사 유전체 코팅으로 피복되어 있으며 상기 기판의 주면에 평행하지 않은, 상기 기판 내에 위치한 적어도 하나의 평평한 부분 반사면이다. 그러나, 본 발명에 따른 특정한 반사 광학 장치가 또한 그외 다른 결합 해제 기술을 위해 개발될 수도 있다.

도 11은 결합 소자(102) 또는 결합 해제 소자(104)가 회절성 소자이며, 얇은 LIM 기판이 기판의 상면(28)에 광학적으로 접합되어 있는 기판(20)을 나타낸다. 또한, 곡선형의 부분 반사면 및 기타 수단과 같은 그외 다른 결합 해제 소자가 사용될 수 있다.

도 5 내지 도 9의 소자는 단지 안경 프레임 내부에서의 본 발명의 간단한 실시를 예시하기 위한 것이다. 시스템의 핵심을 구성하는 기판 유도식 광학 소자는 상당히 소형이며 경량이므로 상당히 다양한 장치에 설치될 수 있다. 가리개(visor), 접이식 디스플레이, 외알 안경, 그리고 그외 다수의 기타 장치를 포함하는 그외 다른 다수의 실시예가 또한 가능하다. 이러한 실시예는 디스플레이가 니어-투-아이(near-to-eye), 헤드 장착식, 헤드 착용식 또는 헤드 지지식이어야 하는 응용예로 지정된다. 그러나, 응용예에 따라서는, 디스플레이가 상이한 위치에 있을 수도 있다. 이러한 일 응용예의 예로서, 예를 들어, 스마트폰이나 스마트워치와 같은 이동식 응용예의 손 휴대용 장치가 있다. 이러한 스마트 장치의 중요한 문제점은 필요로 하는 작은 크기 및 체적과 소망하는 고품질 이미지가 서로 상충 된다는 점이다.

도 12는 이동식 장치의 소형 크기와 전체 포맷 디스플레이 상에 디지털 콘텐츠를 보여주기 위한 욕구를 서로 절충할 필요가 없는 본 발명에 기초한 변형예를 나타낸다. 이러한 응용예는 사용자의 눈에 직접 고품질 이미지를 투사함으로써 전체 포맷 디스플레이 상에 디지털 콘텐츠를 보여주기 위한 욕구와 소형의 이동식 장치를 달성하기 위한 이전의 대립되는 요건을 해결한 손 휴대용 디스플레이(HHD)에 관한 것이다. 디스플레이 광원(4), 굴절 및 조준 광학 소자(108) 및 기판(20)을 포함하는 광학 모듈이 스마트 장치(110)의 몸체 내에 일체화되어 있으며, 이 경우 기판(20)이 전화기의 기존의 보호 커버 윈도우를 대체한다. 구체적으로, 디스플레이 광원(4)과 광학 소자(108)를 포함하는 지지 구성 요소의 체적이 현대 기술의 스마트 장치용으로 허용 가능한 크기에 맞춰지기에 충분할 만큼 작다. 장치에 의해 전송된 전체 화면을 보여주기 위하여, 장치의 윈도우가 사용자 눈(24)의 전방에 위치하게 되면, 높은 FOV, 넓어진 아이-모션-박스 및 편안한 눈동자 거리를 갖는 이미지의 관찰이 가능하다. 또한, 이미지의 상이한 부분들을 표시하기 위하여 장치를 기울임으로써 더 길어진 눈동자 거리에서 전체 FOV를 보여줄 수 있다. 또한, 광학 모듈이 가시성을 갖는 구성에서 작동할 수 있기 때문에, 장치의 이중 작동이 가능하며, 다시 말해, 통상의 디스플레이(112)를 온전히 유지하기 위한 사양이 마련된다. 이에 따라, 디스플레이 광원(4)의 전원이 차단된 경우, 기판(20)을 통해 표준 디스플레이를 볼 수 있다. 방대한 인터넷 서핑 또는 고품질 비디오 작업용으로 지정된 제 2 의 가상 모드에서는, 통상의 디스플레이(112)는 전원이 차단되는 반면, 디스플레이 광원(4)은 기판(20)을 통해 필요로 하는 넓은 FOV 이미지를 시청자의 눈으로 투사한다. 일반적으로, 대부분의 손 휴대용 스마트 장치에서, 사용자는 장치의 전방 윈도에 매립되어 있는 터치스크린을 사용하여 스마트 장치를 조작할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 터치스크린(114)은 기판(20)에 위치한 LIM 층(120)의 외면에 직접 접합됨으로써 스마트 장치에 부착될 수 있다.

6: 조준 모듈 16: 반사면
20: 기판 22: 부분 반사면
31: 빔 스플리터 34, 40: 지연판
48: 광파 52, 54: 프리즘

Claims (25)

1. 적어도 두 개의 외부 주면과 가장자리를 구비한 광 투과성 기판과;
   내부 전반사에 의해 광파를 상기 기판에 결합하기 위한 광학 소자와;
   광파를 기판으로부터 결합 해제하기 위한, 기판 내에 위치한 적어도 하나의 부분 반사면; 그리고
   상기 광 투과성 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 가지며, 상기 기판의 주면 중 적어도 하나에 광학적으로 부착되어 계면을 형성하는 적어도 하나의 투명 층을 포함하며,
   상기 기판의 내부에 결합된 광파는 상기 기판의 주면과 상기 투명 층 사이의 계면으로부터 실질적으로 전반사되는, 광학 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 투과성 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 가지며, 상기 기판의 주면 중 나머지 면에 광학적으로 부착되는 제 2 투명 층을 추가로 포함하는, 광학 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 층은 광학 접착제로 구성되는, 광학 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 층은 고상의 유전체 재료로 구성되는, 광학 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 고상의 유전체 재료는 에어로겔(Aerogel) 재료 군에 속하는, 광학 시스템.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 고상의 유전체 재료는 경사각 증착(glancing angle deposition)에 의해 제조되는 다공성의 고상 유전체 재료인, 광학 시스템.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 투명 층은 상기 기판의 주면에 직접 증착되는, 광학 시스템.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 투명 층은 상기 기판의 주면에 광학적으로 접합되는, 광학 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 계면에 적용되는 코팅을 추가로 포함하는, 광학 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 코팅은 반사 방지 코팅인, 광학 시스템.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 코팅은 각도 감응성 반사 코팅인, 광학 시스템.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 기판의 주면에 코팅이 적용되는, 광학 시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 냉간 코팅 기술을 사용하여 코팅이 적용되는, 광학 시스템.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 투명 층의 외면에 코팅이 적용되는, 광학 시스템.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 투명 층이 안경 프레임의 내부에 조립되는, 광학 시스템.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위한 상기 부분 반사면은 평평한 표면인, 광학 시스템.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위한 상기 부분 반사면은 부분 반사 유전체 코팅으로 피복되는, 광학 시스템.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위한 상기 부분 반사면은 상기 기판의 주면에 비-평행한, 광학 시스템.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 기판에 내부 반사에 의해 광파를 결합하기 위한 상기 광학 소자는 회절성 소자인, 광학 시스템.
20. 제 1 항에 있어서, 상기 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위한 상기 부분 반사면은 회절성 소자인, 광학 시스템.
21. 제 1 항에 있어서, 상기 기판으로부터 광파를 결합 해제하기 위한 상기 부분 반사면은 곡선형 표면인, 광학 시스템.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 기판과 상기 투명 층은 스마트 장치 내부에 조립되는, 광학 시스템.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 스마트 장치는 스마트폰인, 광학 시스템.
24. 제 22 항에 있어서, 상기 스마트 장치는 스마트워치(smartwatch)인, 광학 시스템.
25. 제 22 항에 있어서, 상기 광학 소자는 터치스크린인, 광학 시스템.

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