KR20180038446A - 회절 백라이트 디스플레이 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

회절 백라이트 시스템은 광원 및 평면 플레이트 광 가이드를 포함한다. 플레이트 광 가이드의 표면은 플레이트 광 가이드로부터 광을 커플링-아웃하고 광을 공간의 국부적인 영역에 집중시키는 회절 격자로 구성된다. 회절 백라이트 시스템은 공간의 국부적인 영역에서 보기 위한 이미지를 생성하는 디스플레이를 형성하기 위해 적어도 하나의 광 밸브 어레이와 함께 사용될 수 있다. 디스플레이는 착용자를 위해 포커싱된 증강 또는 가상 현실 이미지를 생성하기 위해 헤드 장착 디스플레이에 탑재될 수 있다.

Description

회절 백라이트 디스플레이 및 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 전체 내용이 본원에 참고로 인용되는 2015년 9월 5일자로 출원된 미국 가특허 출원번호 62/214,976 및 2016년 6월 30일자로 출원된 국제(PCT) 출원번호 PCT/U2016/40582의 우선권을 주장한다.
최근에, 헤드-장착 디스플레이("HMD") 기술은 가상 현실 및 증강 현실에응용에 인기가 증가하였다. HMD는 전형적으로 안경, 고글, 헬멧, 또는 바이저 형태로 사용자의 머리에 착용되는 디스플레이 디바이스이다. 디스플레이 디바이스는 HMD가 사용자에 의해 착용될 때 사용자의 한 눈의 뷰 필드 내 위치되는 단일 소형 전자 디스플레이 유닛일 수 있거나, 또는 디스플레이 디바이스는 HMD가 사용자에 의해 착용될 때 사용자의 양쪽 눈의 뷰 필드 내 위치된 2개의 개별적 소형 전자 디스플레이 유닛으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 소형 전자 디스플레이 유닛은 소형 플라즈마 디스플레이 패널 또는 액정 디스플레이를 사용하여 구현될 수 있다. HMD에 사용되는 소형 디스플레이 유닛은 또한 디스플레이 패널로 생성된 이미지에 초점을 맞추는 하나 이상의 렌즈, 콜리메이트 반사기, 및 반투명 미러로 구현될 수 있다. HMD는 증강 현실 뷰 경험을 생성하기 위해 하나의 디스플레이 유닛을 사용하거나, HMD는 가상 현실 뷰 경험을 생성하기 위해 2개의 디스플레이 유닛으로 구현될 수 있다.
본원에 설명된 원리에 따른 예 및 실시예의 다양한 특징들은 동일한 도면 부호가 동일한 구조적 요소를 나타내는 첨부된 도면에 도시된 예와 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1a는 회절 격자로 구성된 플레이트 광 가이드의 평면도를 도시한다.
도 1b는 회절 격자의 확대된 단면도를 도시한다.
도 1c는 거리의 함수로서 회절 격자의 회절 피처 간격의 플롯을 도시한다.
도 2a-도 2c는 상이한 회절 격자 구성의 단면도를 도시한다.
도 3a는 회절 백라이트 시스템의 평면도를 도시한다.
도 3b는 광 진입 에지 근처의 플레이트 광 가이드의 단면도를 도시한다.
도 4는 회절 백라이트 시스템의 등각도를 도시한다.
도 5는 공간의 국부화된 영역에 광을 집중시키는 플레이트 광 가이드의 측입면도이다.
도 6은 디스플레이의 등각도이다.
도 7은 디스플레이의 측입면도이다.
도 8-도 9는 2개의 상이한 디스플레이의 측입면도이다.
도 10a-도 10c는 상이한 플레이트 광 가이드 구성의 평면도이다.
도 11은 회절 백라이트 시스템의 측입면도이다.
도 12는 공간의 국부화된 영역에서 디스플레이 이미지에 대한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 13은 증강 현실 이미지를 보이기 위해 사용되는 헤드 장착 디스플레이를 도시한다.
도 14는 가상 현실 이미지를 보이기 위해 사용되는 헤드 장착 디스플레이를 도시한다.
어떤 예 및 실시예는 위에 언급된 도면에 도시된 특징에 추가되거나 대신에 포함되는 다른 특징들을 가질 수 있다. 이들 및 다른 특징은 상술한 도면을 참조하여 이하에서 설명된다.
본원에 설명된 원리에 따른 실시예는 회절 백라이트 시스템으로 구현된 회절 격자 기반의 백라이트 디스플레이를 제공한다. 회절 백라이트 시스템은 광원 및 플레이트 광 가이드를 포함한다. 플레이트 광 가이드의 표면은 회절 격자로 구성된다. 일부 실시예에 따라, 회절 격자는 곡선 회절 피처(예를 들어, 곡선 리지 및 홈)를 포함할 수 있다. 광원에 의해 생성된 광은 플레이트-광 가이드 에지를 따라 플레이트 광 가이드 내에 결합될 수 있다. 회절 격자는 플레이트 광 가이드로부터 광을 커플링-아웃하고, 회절 격자로부터 거리에 위치된 공간의 국부적인 영역에 광을 집중시키도록 구성된다. 예를 들어, 회절 격자는 플레이트 광 가이드에 결합된 광의 일부를 커플링-아웃할 수 있다. 액정 디스플레이와 같은 제1 광 밸브 어레이는 공간의 국부적인 영역에서 보기 위해 이미지를 집중시키는 디스플레이를 형성하기 위해 회절 격자로부터 출력된 광의 경로에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이는 공간의 국부적인 영역에서 눈의 어코모데이트를 제공하기 위해 제1 광 밸브 어레이를 통과하는 광의 경로에 배치된 제2 광 밸브 어레이를 포함할 수 있다. 실시예에서, 제2 광 밸브 어레이는 평면 광 밸브 어레이일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 광 밸브 어레이는 뷰어에 의해 착용하는 픽셀화된 콘택트 렌즈일 수 있다. 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이 중 하나 또는 두 개는 착용자를 위해 초점이 맞추어진 증강 또는 가상 현실 이미지를 생성하기 위해 헤드 장착 디스플레이에 사용될 수 있다.
도 1a는 플레이트 광 가이드(100)의 표면 상에 형성된 회절 격자(102)의 회절 격자 패턴의 평면도를 도시한다. 직교하는 x, y 및 z 축을 갖는 직교 좌표 시스템은 이하에서 플레이트 광가이드(100)의 상이한 방위를 기술하기 위해 사용된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 흑색 곡선(104) 및 백색 곡선(106)과 같은 동심 흑색 및 백색 곡선은 곡선 회절 피처를 나타낸다. 곡선(104, 106)으로 나타낸 곡선 회절 피처는, 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(100)의 표면 상에 교대로 곡선 리지 및 홈을 포함할 수 있다. 교번하는 곡선 리지 및 홈은, 도시된 바와 같이, 에지(180)로부터 거리에 위치된 곡률의 공통 중심(110)을 갖거나 공유할 수 있다. 따라서, 교번하는 곡선 리지 및 홈은 교번하는 동심의 곡선 리지 및 홈일 수 있고 동심원의 곡선 회절 피처를 나타낼 수 있다. 교번하는 곡선 리지 및 홈, 또는 보다 일반적으로 곡선 회절 피처는, 다양한 실시예에 따라, 회절 격자(102)의 회절 격자 패턴을 형성한다.
일부 실시예에서, 곡선 회절 피처는 쌍곡선 곡선을 따르거나 이에 의해 정의될 수 있고(즉, 쌍곡선에 정의되거나 또는 이에 기초할 수 있고), 따라서 "쌍곡선-형상"일 수 있다. 특히, 일부 실시예에 따라, 곡선 회절 피처는 동심 쌍곡선-형상 곡선 회절 피처(예를 들어, 동심 쌍곡선-형상의 교번하는 곡선 리지 및 홈)일 수 있다. 다른 실시예에서, 회절 격자(102)를 형성하는 곡선 회절 피처 또는 곡선 리지 및 홈은 형상이 반원 또는 동심 반원(예를 들어, 곡률의 공통 중심(110)이 에지(108)로부터 떨어져 위치된 반원)일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 실질적으로 쌍곡선-형상도 아니고 반원 형상도 아닌 또 다른 곡선 형상이 곡선 회절 피처의 곡선을 정의하기 위해 채용될 수 있다.
도 1b는 플레이트 광 가이드(100)의 확대된 xz-평면, 횡단면도를 도시한다. 이 도면에서, 회절 격자(102)는 z-방향으로 돌출하고 홈(116)과 같은 홈에 의해 분리된, 리지(114)와 같은 리지를 포함한다. 홈의 폭을 wg로 표기하고, 리지의 폭을 wr로 표기한다. 홈 폭(wg)과 리지 폭(wr)과의 합을 "피처 간격"이라 하고, Λ로 표기한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 홈 및 리지의 폭은 홈 및 리지의 길이를 따라 실질적으로 일정하다. 인접한 홈 및 리지의 각 쌍은 "회절 피처"라 하고, 회절 피처의 길이를 따른 피처 간격(Λ)은 실질적으로 일정하다.
도 1c는 공통 중심(110)으로부터 방사상 방향 거리의 함수로서 회절 피처 간격의 플롯을 도시한다. 수평축(118)은 공통 중심(110)으로부터 연장되는 도 1a에 반경(120)과 같은 반경을 따라 공통 중심(110)으로부터의 방사상 거리를 나타낸다. 수직축(122)은 피처 간격(Λ)을 나타낸다. 곡선(124-126)은 피처 간격이 공통 중심(110)으로부터 증가하는 거리에 따라 변하는 방식을 나타낸다. 곡선(124)은 공통 중심(110)으로부터의 거리가 증가함에 따라 피처 간격이 지수적으로 감소함을 나타낸다. 곡선(125)은 공통 중심(110)으로부터의 거리가 증가함에 따라 f로 선형 감소를 나타낸다. 곡선(126)은 공통 중심(110)으로부터 거리가 증가함에 따라 피처 간격의 쌍곡선 감소를 나타낸다.
도 1b의 예 및 후속하는 예시에서, 회절 피처의 단면도는 직사각형 형상의 홈 및 리지에 의해 표현된다. 다른 실시예에서, 회절 격자(102)의 리지 및 홈은 톱니, 사다리꼴 또는 반구형 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 회절 격자(102)의 회절 피처는 사다리꼴 단면을 갖는 리지를 가질 수 있다.
플레이트 광 가이드(100)는 광학적으로 투명한 유전체 재료의 연장된, 실질적으로 평평한 시트 또는 슬랩 형태의 플레이트 광학 도파로일 수 있다. 플레이트 광 가이드(100)는 다수의 광학적으로 투명한 상이한 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 또는 다양한 유형의 유리, 이를테면 실리카 유리, 알칼리-알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 및 실질적으로 광학적으로 투명한 플라스틱 또는 중합체, 이를테면 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 아크릴 유리, 폴리카보네이트 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 임의의 다양한 유전체 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(100)는 전반사를 용이하게 하기 위해 플레이트 광 가이드(100)(도시되지 않음)의 표면의 적어도 일부에 클래딩 층을 포함할 수 있다.
회절 격자(102)는 습식 에칭, 이온 밀링, 포토리소그래피, 이방성 에칭, 및 플라즈마 에칭을 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않는, 많은 상이한 마이크로 제조 기술 중 임의의 것을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 플레이트 광 가이드(100)의 회절 격자(102)는 이온 밀링을 사용하여 유전체 재료의 슬랩으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 플레이트 광 가이드(100)의 회절 격자(102)는 유전체 재료층 또는 유전체 재료의 슬랩의 표면 상에 금속을 피착한 후, 피착된 층을 회절 격자(102)로부터 에칭함으로써 형성될 수 있다.
도 2a는 슬랩(202)의 재료와는 상이한 재료(즉, 유전체 재료 또는 금속)으로부터 슬랩(202)의 상면 상에 형성된 회절 격자의 리지(204)를 갖는 유전체 재료의 슬랩(202)로부터 형성된 플레이트 광 가이드(100)의 확대된 xz-평면 단면도이다. 도 다른 실시예에서, 회절 격자(102)는 플레이트 광 가이드(100)의 저면에 형성될 수 있다. 도 2b는 유전체 재료의 슬랩(206)의 저면에 형성된 회절 격자(102)를 갖는 플레이트 광 가이드(100)의 확대된 xz-평면 단면도이다. 이 실시예에서, 재료의 저층(208)은 회절 격자(102)를 덮고 리지 사이의 홈을 실질적으로 채운다. 저층(208)은 슬랩(206)보다 낮은 굴절률을 갖는 금속, 반사 재료, 또는 유전체 재료일 수 있다. 도 2c는 유전체 재료의 슬랩(210)의 저면에 형성된 회절 격자(102)를 갖는 플레이트 광 가이드(100)의 확대된 xz-평면의 단면도이다. 이 실시예에서, 홈(212)과 같은 홈은 슬랩(210)보다 낮은 굴절률을 갖는 금속 또는 유전체 재료로 채워진다. 반사층(214)은 플레이트 광 가이드(100)의 저면을 덮는다.
도 3a는 회절 백라이트 시스템(300)의 평면도를 도시한다. 회절 백라이트 시스템(300)은 광원(302) 및 플레이트 광 가이드(100)를 포함한다. 광원(302)에 의해 생성된 광은, "광 진입 에지"라고 하는 에지(108)를 따라 플레이트 광 가이드(100)에 결합된다. 광원(302) 및 플레이트 광 가이드(100)는 회절 백라이트 시스템을 형성한다. 광원(302)은, 예를 들어, 발광 다이오드("LED"), 유기 LED, 중합체 LED, 플라즈마-기반 광학 이미터, 형광 램프 또는 백열 램프일 수 있다. 광원(302)으로부터 출력된 광은 백색광(즉, 가시 스펙트럼에 거의 모든 파장을 포함하는) 또는 가시 스펙트럼의 협 파장 대역의 특정 색일 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 광 진입 에지(108)를 따라 플레이트 광 가이드(100)에 결합된 광은 플레이트 광 가이드(100) 내에서 광 진입 에지(108)로부터 멀어지는 방향(304)으로 전파한다. 즉, 광은 광이 회절 피처의 감소하는 피처 간격의 일반적인 방향으로 플레이트 광 가이드(100) 내에서 전파하도록 광 진입 에지(108)를 따라 플레이트 광 가이드(100)에 결합된다.
도 3b는 광 진입 에지(108) 근처의 플레이트 광 가이드(100)의 xz-평면 단면도를 도시한다. 광은 광 진입 에지(108)를 따라 플레이트 광 가이드(100)에 결합되고 감소하는 피처 간격의 일반적인 방향으로 플레이트 광 가이드(100) 내에서 전파한다. "내부 반사 각도 발산"이라 불리는, σ로 표기된 일 범위의 각도 내에서 플레이트 광 가이드(100)에 결합되는 광은 전반사를 경험하고 플레이트 광 가이드(100) 내에 트랩된다. 예를 들어, 곡선(306)은 내부 반사 각도 발산(σ)을 나타내고, 방향 화살표(308-310)는 내부 반사 각도 발산(σ) 내에서 플레이트 광 가이드(100)에 입력되는 광의 광선 경로를 나타낸다. 상면(312) 및 하면(314)과 같은 대향하는 상면 하면으로부터 반사의 각 지점에서, 광은 임계각보다 작은 각도로 대향 표면에 부딪쳐서 플레이트 광 가이드(100) 내에 트랩된다. 그러나, 플레이트 광 가이드(100) 내에 트랩된 적어도 광의 일부는 광선 경로(316)를 따라 전파하는 광과 같이, 회절 격자(102)와 상호작용한다. 회절 격자(102)와 상호작용하는 광은 1차 회절 빔으로서 플레이트 광 가이드(100)로부터 커플링-아웃된다. 예를 들어, 0차 및 더 높은 차수의 회절 광빔은 억제될 수 있다. 예를 들어, 광선(318)은 플레이트 광 가이드(100)의 법선 방향(320)에 관하여 회절 각(θ)으로 플레이트 가이드(100)로부터 커플링-아웃되는 1차 회절된 광을 나타낸다.
회절 격자(102)의 패턴 및 피처 간격은 1차 회절 광이 플레이트 광 가이드(100)로부터 회절적으로 커플링-아웃되게 하고, "아이박스(eyebox)"라고 불리는 공간의 실질적으로 국부화된 영역에 수렴시킨다. 도 4는 광원(302)에 의해 생성된 광이 플레이트 광 가이드(100)에 결합되는 회절 백라이트 시스템(300)의 등각도를 도시한다. 회절 격자(102)는 내부 반사 각도 발산(σ) 내에서 플레이트 광 가이드(100)에 입력되는 광의 적어도 일부가 피라미드 형상 또는 원추형상 광 투과 영역(404) 내의 플레이트 광 가이드(100)로부터 회절적으로 커플링-아웃하여 아이박스(406)에 수렴되게 한다. 방향 화살표(401-403)는 광 투과 영역(404) 내의 회절 격자(102)의 상이한 지점에서 아이박스(406)로 플레이트 광 가이드(100)로부터 커플링-아웃된 1차 회절 광을 나타낸다. 아이박스(406)를 넘어 플레이트 광 가이드(100)로부터 멀어진 거리에서 광은 발산한다.
도 5는 플레이트 광 가이드(100)로부터 그리고 아이박스(406) 내에 위치된 뷰어의 눈(502)으로의 광 출력의 xz-평면, 측입면도이다. 아이박스(406)의 대략적인 폭은 플레이트 광 가이드(100)으로부터 아이박스(406) 거리(f)와 내부 반사 각도 발산(σ)와의 곱에 의해 주어진다.
아이박스 폭 = f x σ
도 5에서, 광 입사 에지(108)로부터 멀어지는 회절 피처의 감소하는 피처 간격 및 내부 반사 각도 발산(σ)은 회절 격자(102)로부터 플레이트 광 가이드(100)로부터의 거리(f)에 위치된 아이박스(406)에 커플링-아웃된 광을 집중시킨다. 결과적으로, 뷰어의 눈이 아이박스(406)에 위치될 때, 플레이트 광 가이드(100)로부터 커플링-아웃된 광 필드의 적어도 일부는 뷰어의 눈(502)의 망막에 집중될 수 있다.
또한, 회절격자(102)로부터 커플링-아웃된 것은 광 투과 영역 (404) 및 아이박스(406)에 효과적으로 국한된다는 것을 유의해야 한다. 결과적으로, 뷰어의 눈(502)이 아이박스(406)의 바깥에 또는 투광 영역(404) 바깥에 위치될 때, 회절 격자(102)로부터 출력된 광은 뷰어의 눈(502)에 들어가지 않고 회절 격자 102)는 흑색으로 나타난다.
회절 백라이트 시스템(300)은 뷰어의 눈이 아이박스(406)에 위치될 때 뷰어의 눈의 망막 상에 이미지를 투영하는 디스플레이를 형성하기 위해 평면 광 밸브 어레이와 조합될 수 있다. 도 6은 플레이트 광 가이드(100), 평면 광 밸브 어레이(602), 및 광원(302)을 포함하는 디스플레이(600)의 등각도를 도시한다. 광 밸브 어레이(602)는 회절 격자(102)로부터 커플링-아웃된 광이 광 밸브 어레이(602)를 통과하여 아이 박스(406)에 집중되도록 플레이트 광 가이드(100)에 실질적으로 평행하게 배치되고(즉, y-평면 내에 놓이고), 광-투과 영역(404)과 교차한다.
도 7은 광 밸브 어레이(602)가 아이박스(406)로부터 거리(d)에 위치된 디스플레이(600)의 xz-평면의 측입면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광 밸브 어레이(602)는 광 투과 영역(404)과 교차하기 위해 플레이트 광 가이드(100)에 실질적으로 평행한 방위로 놓여진다. 광 밸브 어레이(602)는 광 밸브(702)와 같은 별도로 동작되는 광 밸브 어레이를 포함한다. 광 밸브 어레이(602)는 액정의 광 밸브 어레이로부터 형성될 수 있고, 그 각각은 광 밸브를 통과하는 광의 양을 변조하는 픽셀로서 개별적으로 동작될 수 있다. 광 밸브(702)는 광 밸브(702)를 통과하는 광의 량을 제어하기 위해 불투명과 투명 간에 스위칭될 수 있다. 광 밸브는 풀 컬러 이미지를 생성하기 위해 사용되는, 적색, 녹색 및 청색 광 밸브와 같은 착색된 광 밸브일 수 있다. 광 밸브 어레이(602)의 각 광 밸브를 통과하는 광은 아이박스(406)에서 보기 위해 풀 컬러 또는 흑백 이미지를 생성하도록 선택적으로 변조될 수 있다.
도 8은 눈 어코모데이트를 제공하는 니어-아이(near-eye) 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이(800)를 도시한다. 니어-아이 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이(800)는, 디스플레이(800)가 플레이트 광 가이드(100)에 실질적으로 평행한 방위로 놓여지고 제1 광 밸브 어레이(702)와 아이박스(406) 사이에 위치된 제2 평면 광 밸브 어레이(802)를 포함한다는 점을 제외하고는, 니어-아이 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이(700)와 유사하다. 도 8에서, 제2 광 밸브 어레이(802)는 아이박스(406)로부터 거리(d1)에 위치되고, 제1 광 밸브 어레이(702)는 아이박스(406)로부터 거리(d2)에 그리고 제2 광 밸브 어레이(802)와 플레이트 광 가이드(100) 사이의 위치된다. 광은 제1 광 밸브 어레이(602)의 광 밸브 및 제2 광 밸브 어레이(802)의 광 밸브를 통과한다. 제1 및 제2 광 밸브 어레이(602, 802)는 눈 어코모데이트를 제공하도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 광 밸브 어레이(602, 802)는 눈 어코모데이트를 용이하게 하는 이미지를 얻기 위해 증배(multiplicative) 방식으로(예를 들어, 팩터화된 광 필드 합성을 구현하기 위해) 동작될 수 있다. 뷰어의 눈은, 예를 들어, 두 광 밸브 어레이(602, 802)의 투과 특성의 증배에 의해 생성된 가상 필드 깊이에 따라 제1 광 밸브 어레이(602)와 제2 광 밸브 어레이(802)와의 조합된 동작으로 생성된 이미지에 초점을 맞춘다.
도 9는 눈 어코모데이트를 제공하는 니어-아이 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이(900)를 도시한다. 니어-아이의 회절 격자 기반 백라이트 디스플레이(900)는 뷰어의 눈(502) 상에 배치된 픽셀화된 콘택트 렌즈(902) 형태의 제2 광 밸브 어레이로 동작된다. 픽셀화된 콘택트 렌즈(902)는 뷰어의 눈이 아이박스에 위치될 때 뷰어의 눈에 들어가는 광의 양을 제어하게 구성된 복수의 개별적으로 동작되는 픽셀을 포함한다. 예를 들어, 픽셀화된 콘택트 렌즈(902)는 동공 영역당 2-9 개의 광 밸브(즉, 픽셀) 어레이를 포함할 수 있으며, 한번에 하나의 광 밸브만을 개별적으로 턴 "온"하고(즉, 투명) 반면 나머지 광 밸브는 턴 "오프"(즉, 불투명)되게 함으로써 동작될 수 있다. 예를 들어, 픽셀화된 콘택트 렌즈(902)는 독립적으로 제어되는 광 밸브를 갖는 바이오닉 렌즈일 수 있다. 픽셀화된 콘택트 렌즈(902)는 렌즈(902)를 통과해 뷰어의 눈(502)으로 통과하는 광의 양을 조절하는 액정 광 밸브를 포함할 수 있다. 제1 광 밸브 어레이(602)에 광 밸브 및 픽셀화된 콘택트 렌즈(902)는 눈 어코모데이트를 용이하게 하기 위해 뷰어의 눈(502)으로 들어가는 방향을 제어하도록 독립적으로 변조된다. 예를 들어, 한번에 하나의 광 밸브만을 "온"으로 스위칭함으로써, 뷰어의 눈에 들어가는 광의 방향이 변경되는데, 이는 제1 광 밸브 어레이(702)로 디스플레이된 상이한 이미지가 상이한 방향으로부터 뷰어의 눈에 들어갈 수 있게 하여, 뷰어의 눈(502)의 포커싱 응답을 트리거할 수 있게 되어, 대상이 상이한 이미지 및 뷰어로부터 상이한 거리에 디스플레이되는 효과를 생성한다. 뷰어의 눈의 어코모데이트 응답 시간은 약 0.3초일 수 있는데, 이는, 예를 들어, 어코모데이트 응답을 지원하기 위해 필요로 될 수 있는 제1 광 밸브 어레이(602)의 유효 리프레시 레이트를 감소시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 플레이트 광 가이드는 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하고 패터닝되지 않은 공간에 의해 분리되는 복수의 회절 격자 세그먼트를 포함할 수 있다. 복수의 회절 격자 세그먼트는, 예를 들어, 2차원 회절 격자 세그먼트일 수 있다. 회절 격자 세그먼트가 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하고 패터닝되지 않은 공간에 의해 분리될지라도, 회절 격자 세그먼트는 회절 격자(102)와 동일한 방식으로 광을 총괄적으로 커플링-아웃시키고 광을 집중시킨다.
도 10a-도 10c는 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하는 회절 격자 세그먼트를 포함하는 플레이트 광 가이드를 도시한다. 도 10a는 위에 설명한 플레이트 광 가이드(100)와 유사한 플레이트 광 가이드(1002)를 도시하는데, 그러나 플레이트 광 가이드(1002)는 1차원으로 패터닝되지 않은 공간(1010-1013)에 의해 분리된 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하는 5개의 회절 격자 세그먼트(1004-1008)를 포함한다. 도 10b는 상술한 플레이트 광 가이드(100)와 유사한 플레이트 광 가이드(1020)를 도시하는데, 그러나 회절 격자 세그먼트(1022)와 같은 회절 격자 세그먼트는 2차원으로 패터닝되지 않은 공간에 의해 분리된다(즉, 회절 격자 세그먼트는 2차원이다). 회절 격자 세그먼트의 회절 격자 패턴은 또한 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응한다. 다른 실시예에서, 회절 격자 세그먼트는 직선 피처를 포함할 수 있다. 도 10c는 전술한 플레이트 광 가이드(1020)와 유사한 플레이트 광 가이드(1024)를 도시하는데, 그러나 플레이트 광 가이드(1022)는 직선 피처로부터 형성된, 회절 격자 세그먼트(1026)와 같은 25개의 회절 격자 세그먼트를 포함한다. 회절 격자 세그먼트들 사이의 공간에 의해 차지된 표면 영역 때문에, 플레이트 광 가이드(1002, 1020, 1024)는 플레이트 광 가이드(100)보다 광을 적게 커플링-아웃한다.
회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하는 회절 격자 세그먼트로부터 형성된 플레이트 광 가이드는 도 10a-도 10c에 도시된 바와 같은 직사각형 형상의 회절 격자 세그먼트로 제한되지 않는다는 것에 유의해야 한다. 다른 실시예에서, 플레이트 광 가이드는 회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하고 패터닝되지 않은 공간에 의해 분리되는 원형, 타원형, 삼각형 또는 불규칙한 형상의 회절 격자 세그먼트로 구성될 수 있다.
회절 격자(102)의 상이한 영역에 대응하는 회절 격자 세그먼트로 구성된 플레이트 광 가이드는 도 5 및 도 6을 참조하여 전술한 플레이트 광 가이드(100)와 동일한 방식으로 광을 공간의 국부적인 영역에 집중시킨다. 도 11은 플레이트 광 가이드(1102)와 거리(f)에 위치된 아이박스(1110)에 광을 집중시키도록 구성된 회절 격자 세그먼트(1104-1108)을 갖는 플레이트 광 가이드(1102)의 xz-평면, 측입면도이다. 광은 내부 반사 각 회절(σ) 내에 광 진입 에지(1112)를 따라 플레이트 광 가이드(1102)에 진입한다. 광의 일부는 회절 격자 세그먼트(1104-1108)로부터 커플링-아웃되어 아이박스(1110)에 집중된다. 광은 패터닝되지 않은 공간(1116-1119)을 통해 커플링-아웃되지 않기 때문에, 플레이트 광 가이드(100)에 의해 생성된 아이박스(406)에 집중되는 것보다 적은 광이 아이박스(1110)에 집중될 수 있다. 광 투과 영역(1114)(점선을 사용하여 아웃라인된)은, 예를 들어, 회절 격자 세그먼트(1104-1108)에 의한 광 집중과 패턴이 없는 공간(1116-1119)을 통한 광의 커플링-아웃의 부재와의 조합으로부터 비롯될 수 있다. 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(1102)는 부분적 니어-아이 회절 백라이트 시스템을 형성하기 위해 전술한 니어-아이 회절 백라이트 시스템(300)에서 플레이트 광 가이드(100)를 대체할 수 있다.
도 12는 공간의 국부적인 공간 영역에 이미지를 디스플레이하는 방법의 흐름도를 도시한다. 블록(1201)에서, 광은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 전술한 바와 같이 플레이트 광 가이드에 결합된다. 플레이트 광 가이드는 도 1a-도 1c 및 도 10a-도 10c를 참조하여 전술한 2차원 회절 격자로 구성된다. 블록(1202)에서, 플레이트 광 가이드에서 전파하는 광의 일부는 회절 격자를 통해 플레이트 광 가이드로부터 회절적으로 커플링-아웃되고, 도 4 및 도 5를 참조하여 위에 기술된 바와 같이, "아이박스"라 불리는 공간의 국부적인 영역에 집중된다. 블록(1203)에서, 커플링-아웃된 광 부분은 도 6-도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 아이박스에 가시 이미지를 형성하기 위해 하나 이상의 광 밸브 어레이를 사용하여 변조된다. 뷰어의 눈이 아이박스에 위치되었을 때, 뷰어가 이미지를 볼 수 있게 이미지가 뷰어의 망막에 집중된다.
위에 기술된 디스플레이 중 임의의 하나는 가상 또는 증강 현실 이미지를 보이기 위해 헤드 장착 디스플레이("HMD")에 포함될 수 있다. 도 13은 증강 현실 이미지를 디스플레이하기 위해 사용되는 HMD(1300)의 예를 도시한다. HMD(1300)는 프레임(1302), 디스플레이(1304), 및 디스플레이 콘트롤(1306)를 포함한다. 디스플레이(1304)는 플레이트 광 가이드(1308) 및 광 밸브 어레이(1310)를 포함한다. 도 1b를 참조하여 전술한 플레이트 광 가이드(100)와 같이, 플레이트 광 가이드(1308)는 투명할 수 있다. 플레이트 광 가이드(1308) 및 광 밸브 어레이(1310)는, 디스플레이(1304)의 회절 백라이트 시스템을 형성하기 위해, 도 3a-도 3b를 참조하여 상기한 바와 같이, 광 진입 에지(1312)를 따라 광을 플레이트 광 가이드(1308)에 결합시키는 광원(도시되지 않음)을 포함하는 디스플레이 콘트롤(1306)에 연결된다. 광 밸브 어레이(1310)는 디스플레이 콘트롤(1306)에 연결된다. 디스플레이 콘트롤(1306)은 광 밸브 어레이(1310)의 광 밸브를 변조하는 신호를 보낸다. 도 13에 도시된 바와 같이, 디스플레이(1304) 및 디스플레이 콘트롤(1306)은 HMD(1300)를 착용하는 사람의 우측 눈의 뷰 필드에 디스플레이(1304)가 위치하게 되도록 프레임(1302)으로부터 서스펜드된다. 디스플레이 콘트롤(1306)은 무선 통신 유닛에 신호를 송신할 수 있는, 이동 전화와 같은, 브로드캐스트 디바이스에 디스플레이 콘트롤(1306)을 무선으로 연결하는 무선 통신 유닛을 포함할 수 있다. 디스플레이 콘트롤(1306)은 광 밸브 어레이(1310)에 디스플레이된 이미지를 HMD(1300)를 착용한 사람의 오른쪽 눈에 집중시킴으로써 증강 현실 뷰 경험을 생성한다. 예를 들어, 디스플레이(1304)는 HMD(1300)를 착용한 사람의 이동 전화에 전화한 사람의 전화 번호를 디스플레이함으로써, 증강 현실 뷰 경험을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 플레이트 광 가이드(1308)는 투명하기 때문에, HMD(1300)를 착용한 사람은 디스플레이(1304)에 디스플레이된 이미지에 포커싱하지 않을 때 여전히 이들의 주변을 볼 수 있다.
도 14는 가상 현실 이미지를 디스플레이하기 위해 사용되는 고글 형태의 HMD(1400)의 예를 도시한다. HMD (1400)는 아이 커버(1402) 및 스트랩(1404)을 포함한다. 아이 커버(1402)는 HMD(1400)를 착용한 사람의 양 눈을 감싸고 스트랩 (1404)은 아이 커버(1402)를 사람의 머리에 고정시킨다. 아이 커버(1402)는 좌측 눈 디스플레이(1406), 우측 눈 디스플레이(1408), 및 아이 커버(1402) 내에 위치될 수 있는 디스플레이 콘트롤(미도시)를 포함한다. 디스플레이(1406, 1408) 각각은 플레이트 광 가이드(1410)와 같은 플레이트 광 가이드, 및 광 밸브 어레이(1412)를 포함한다. 플레이트 광 가이드는 도 1b 및 도 2a-도 2c를 참조하여 전술한 바와 같이 구성될 수 있다. 플레이트 광 가이드 및 광 밸브 어레이는 각각의 디스플레이(1408, 1406)에 대한 회절 백라이트 시스템을 형성하기 위해, 도 3a-도 3b를 참조하여 전술한 바와 같이, 플레이트 광 가이드의 광 진입 에지에 광을 결합하는 적어도 한 광원(도시되지 않음)을 포함하는, 디스플레이 콘트롤에 연결된다. 디스플레이의 광 밸브 어레이는 또한 디스플레이 콘트롤에 연결되고, 광 밸브 어레이의 광 밸브를 변조하는 제어 신호를 수신한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 디스플레이(1406, 1408)는 완전히 아이 커버(1402) 내에 그리고 HMD(1400)를 착용하는 사람의 양 눈의 뷰 필드에 위치된다. 디스플레이 콘트롤은 디스플레이(1406, 1408)의 광 밸브 어레이에 이미지를 발생함으로써 2차원 및 3차원 가상 현실 뷰 경험을 생성할 수 있고, 디스플레이(1406, 1408)의 플레이트 광 가이드는 HMD(1400)를 착용한 사람의 양 눈에 이미지를 집중시킨다. 다른 실시예에서, 좌측 눈 디스플레이(1406) 및 우측 눈 디스플레이(1408)는 각각 눈 어코모데이트를 갖고 뷰 경험을 생성하기 위해, 도 8을 참조하여 전술 한 바와 같이, 제2 광 밸브 어레이를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, HMD(1400)를 착용한 사람은 눈 어코모데이트를 갖고 뷰 경험을 생성하기 위해, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 바이오닉 콘택트 렌즈를 착용할 수 있다.
개시된 실시예의 앞에 설명은 당업자가 본 개시물을 제작 또는 사용할 수 있도록 제공된 것을 알 수 있다. 이들 실시예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 쉽게 명백할 것이며, 본원에 정의된 일반적인 원리는 본 개시물의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시물은 본원에 보인 실시예로 한정되는 것으로 의도되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규 특징들에 일관되는 가장 넓은 범위에 따른다.

Claims (20)

  1. 플레이트 광 가이드의 표면에 회절 격자를 갖는 플레이트 광 가이드로서, 상기 회절 격자는 상기 플레이트 광 가이드로부터 광을 회절적으로 커플링-아웃하고 상기 광을 아이박스에 집중시키게 구성된 곡선 회절 피처를 갖는, 상기 플레이트 광 가이드; 및
    상기 플레이트 광 가이드에 실질적으로 평행한 방위로 놓여지고, 상기 플레이트 광 가이드로부터 커플링-아웃된 상기 광이 상기 아이박스 내에 이미지를 형성하도록 제1 광 밸브 어레이를 통과하도록 위치되는, 제1 평면 광 밸브 어레이를 포함하는, 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들은 상기 플레이트 광 가이드의 에지로부터 거리에 위치된 공통 중심을 공유하는 교번하는 동심 곡선 리지들 및 홈들을 포함하는, 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들은 쌍곡선-형상 곡선을 갖는, 디스플레이.
  4. 제3항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들은 동심 쌍곡선-형상 곡선 회절 피처들을 포함하는, 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 광을 제공하도록 구성된 광원을 더 포함하며, 상기 제공된 광은 에지를 따라 상기 플레이트 광 가이드에 결합되는, 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들의 피처 간격은 광이 상기 플레이트 광 가이드에 결합되는 상기 플레이트 광 가이드의 에지로부터 증가하는 거리에 따라 감소하는, 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 플레이트 광 가이드 내에 트랩된 광을 회절시켜 상기 플레이트 광 가이드로부터 1차 회절 광을 커플링-아웃하고 상기 1차 회절 광을 상기 아이박스에 집중시키는, 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 플레이트 광 가이드에 실질적으로 평행한 방위로 놓이고 상기 제1 광 밸브 어레이로부터 나오는 상기 광이 상기 제2 광 밸브 어레이를 통과하도록 위치된 제2 평면 광 밸브 어레이를 더 포함하는, 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서, 뷰어의 눈에 착용되도록 구성된 픽셀화된 콘택트 렌즈를 더 포함하고, 상기 픽셀화된 콘택트 렌즈는 상기 뷰어의 눈이 상기 아이박스에 위치되었을 때 상기 뷰어의 눈에 들어가는 광의 양을 제어하는 개별적으로 동작되는 복수의 픽셀들을 포함하는, 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 광을 상기 아이박스에 집중시키는 복수의 2차원 회절 격자 세그먼트들을 더 포함하는, 디스플레이.
  11. 이미지를 디스플레이하는 방법에 있어서,
    광원에 의해 생성된 광을 평면의 플레이트 광 가이드에 결합시키는 단계;
    상기 플레이트 광 가이드의 표면에 회절 격자를 통해 상기 플레이트 광 가이드로부터 상기 광의 일부를 회절적으로 커플링-아웃하는 단계로서, 상기 회절 격자는 상기 커플링-아웃된 광 부분을 아이박스에 집중시키는, 단계; 및
    상기 아이박스 내에 가시 이미지들을 형성하기 위해 상기 플레이트 광 가이드에 실질적으로 평행한 방위로 놓여진 제1 평면 광 밸브 어레이를 사용하여 상기 커플링-아웃된 광 부분을 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 광이 상기 플레이트 광 가이드에 결합되는 상기 플레이트 광 가이드의 에지로부터 증가하는 거리에 따라 감소하는 피처 간격을 갖는 곡선 회절 피처들을 포함하는, 방법.
  13. 헤드 장착 디스플레이에 있어서,
    플레이트 광 가이드에 입력된 광의 일부를 아이박스로 회절적으로 집중시키게 구성된 회절 격자를 갖는 평면 플레이트 광 가이드;
    상기 플레이트 광 가이드에 실질적으로 평행한 방위로 놓여지고, 상기 플레이트 광 가이드로부터 커플링-아웃된 상기 광이 상기 제1 광 밸브 어레이를 통과하도록 위치되는, 제1 평면 광 밸브 어레이; 및
    상기 제1 평면 광 밸브 어레이에 연결되고, 상기 아이박스에 이미지를 형성하기 위해 상기 제1 평면 광 밸브 어레이를 동작시키는, 디스플레이 콘트롤을 포함하는, 헤드 장착 디스플레이.
  14. 제13항에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 플레이트 광 가이드의 표면에 곡선 회절 피처들을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이.
  15. 제14항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들은 동심 쌍곡선-형상 곡선 회절 피처들인, 헤드-장착 디스플레이.
  16. 제14항에 있어서, 상기 곡선 회절 피처들은 상기 광이 상기 플레이트 광 가이드에 입력되는 상기 플레이트 광 가이드의 에지로부터 거리에 위치된 공통 중심을 공유하는 교번하는 곡선 리지들 및 홈들 포함하는, 헤드-장착 디스플레이.
  17. 제13항에 있어서, 상기 회절 격자는 광이 광원으로부터 상기 플레이트 광 가이드에 결합되는 상기 플레이트 광 가이드의 에지로부터 증가하는 거리에 따라 감소하는 피처 간격을 갖는 곡선 회절 피처들을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이.
  18. 제13항에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 플레이트 광 가이드 내에 트랩된 광을 회절시켜 상기 플레이트 광 가이드로부터 1차 회절 광을 커플링-아웃하고 상기 1차 회절 광을 상기 아이박스에 집중시키게 구성된, 헤드-장착 디스플레이.
  19. 제13항에 있어서, 상기 플레이트 광 가이드와 실질적으로 평행한 방위로 놓이고 상기 제1 광 밸브 어레이로부터 나오는 상기 광이 상기 제2 광 밸브 어레이를 통과하도록 위치된 제2 평면 광 밸브 어레이를 더 포함하는, 헤드-장착 디스플레이.
  20. 제13항에 있어서, 뷰어의 눈에 착용되도록 구성된 픽셀화된 콘택트 렌즈를 더 포함하고, 상기 픽셀화된 콘택트 렌즈는 상기 뷰어의 눈이 아이박스에 위치되었을 때 상기 뷰어의 눈에 들어가는 광의 양을 제어하는 개별적으로 동작되는 복수의 픽셀들을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이.
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