KR20180038565A - 집광 백라이트 및 이를 이용한 근안 디스플레이 - Google Patents

집광 백라이트 및 이를 이용한 근안 디스플레이 Download PDF

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Abstract

집광 백라이트는 광을 안내하는 광 가이드 및; 회절적으로 커플링-아웃된 광으로서 상기 안내 광의 일부를 커플링-아웃(diffractively couple out)하고 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 아이 박스로 집중시키도록 구성된 회절격자를 포함한다. 근안 디스플레이 시스템은 상기 광 가이드 및 상기 회절격자를 포함하고, 상기 아이 박스에 이미지를 형성하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 변조하도록 구성되는 광 밸브 어레이를 더 포함한다. 상기 형성된 이미지는 사용자에 의해 상기 아이 박스 내에서 볼 수 있도록 구성된다.

Description

집광 백라이트 및 이를 이용한 근안 디스플레이
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 전체를 본원에 참조로 포함하는 2016년 9월 5일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/214,976호의 우선권을 주장한다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
N/A
전자 디스플레이는 다양한 디바이스 및 제품의 사용자에게 정보를 통신하기 위한 거의 유비쿼터스적인 매체이다. 가장 일반적으로 채용되는 전자 디스플레이는 음극선관(CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 액정 디스플레이(LCD), 전계발광 디스플레이(EL), 유기 발광 다이오드(OLED) 및 능동 매트릭스 OLED(AMOLED) 디스플레이, 전기 영동 디스플레이(EP), 및 전기기계적 또는 전기유체 광 변조(예를 들면, 디지털 마이크로미러 디바이스, 일렉트로웨팅 디스플레이, 등)를 채용하는 다양한 디스플레이를 포함한다. 일반적으로, 전자 디스플레이는 능동 디스플레이(즉, 광을 방출하는 디스플레이) 또는 수동 디스플레이(즉, 다른 소스에 의해 제공된 광을 변조하는 디스플레이)로서 유별될 수 있다. 능동 디스플레이의 가장 자명한 예 중에는 CRT, PDP, 및 OLED/AMOLED가 있다. 방출되는 광을 고려할 때 전형적으로 수동으로서 분류되는 디스플레이는 LCD 및 EP 디스플레이이다. 수동 디스플레이는 본질적으로 저전력 소모를 포함하지만 이에 국한되지 않는 유익한 성능 특징을 종종 나타내지만, 광을 방출하는 능력이 없기 때문에 많은 실제 응용에서 다소 제한된 사용을 발견할 수 있다.
능동형 또는 수동형으로 분류되는 것 외에도, 전자 디스플레이는 전자 디스플레이의 의도된 가시거리에 따라 특성화될 수 있다. 예를 들어, 대다수의 전자 디스플레이는 인간 눈의 정상 또는 '자연적' 조정 범위 내에 있는 거리에 위치하도록 의도된다. 이와 같이, 전자 디스플레이는 추가적인 광학 장치 없이도 직접적으로 그리고 자연적으로 보일 수 있다. 반면에 일부 디스플레이는 일반 적응 범위보다 사용자의 눈에 더 가까이 위치하도록 특별히 설계된다. 이러한 전자 디스플레이는 종종 '근안(near-eye)' 디스플레이로 불리며, 일반적으로 보기를 용이하게 하는 몇 가지 형태의 광학 장치를 포함한다. 예를 들어, 광학 장치는 물리적 전자 디스플레이 자체가 직접 볼 수 없더라도 편안한 보기를 가능하게 하기 위해 정상 조정 범위 내에 있는 물리적 전자 디스플레이의 가상 이미지를 제공할 수 있다. 근안 디스플레이를 사용하는 애플리케이션의 예로는 헤드 장착 디스플레이(HMD) 및 유사한 웨어러블 디스플레이뿐만 아니라 일부 헤드 업 디스플레이가 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 증강 현실 시스템뿐만 아니라 다양한 가상 현실 시스템은 종종 근안 디스플레이를 포함하는데, 이는 근안 디스플레이가 그러한 애플리케이션에서 종래의 디스플레이보다 더 몰입감있는 경험을 제공할 수 있기 때문이다.
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 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트의 측면도를 도시한다.
도 1b는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 도 1a의 집광 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 1c는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 도 1a의 집광 백라이트의 다른 부분의 단면도를 도시한다.
도 1d는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 도 1a의 집광 백라이트의 평면도를 도시한다.
도 2는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 거리의 함수로서 회절 피처 간격의 플롯을 도시한다.
도 3a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 3b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 3c는 본원에 설명된 원리의 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다.
도 4a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들을 갖는 집광 백라이트의 측면도를 도시한다.
도 4b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들을 갖는 집광 백라이트의 평면도를 도시한다.
도 4c는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들을 갖는 집광 백라이트의 평면도를 도시한다.
도 4d는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들을 갖는 집광 백라이트의 평면도를 도시한다.
도 5a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 시스템의 측면도를 도시한다.
도 5b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 시스템의 사시도를 도시한다.
도 6은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 두 개의 광 밸브 어레이를 갖는 근안 디스플레이 시스템의 측면도를 도시한다.
도 7은 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 두 개의 광 밸브 어레이를 갖는 근안 디스플레이 시스템의 측면도를 도시한다.
도 8은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 헤드 마운트형 디스플레이(HMD)로서 구성된 근안 디스플레이 시스템의 사시도를 도시한다.
도 9는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 헤드 마운트형 디스플레이(HMD)로서 구성된 근안 디스플레이 시스템의 사시도를 도시한다.
도 10은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 동작의 방법의 흐름도를 도시한다.
특정 예들 및 실시형태들은 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 실시형태들은 근안(near-eye) 디스플레이 시스템에 적용되는 집광 백라이트를 제공한다. 다양한 실시형태에 따르면, 집광 백라이트는 광 가이드의 광을 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된 회절격자를 사용한다. 또한, 회절격자는 다양한 실시형태에 따라, 회절적으로 커플링-아웃된(diffractively coupled-out) 광을 아이 박스로 집중시키도록 구성된다. 일부 실시형태들에서, 아이 박스는 사전 결정된 폭을 가지며, 다른 실시형태에서는 아이 박스는 사전 결정된 폭 및 사전 결정된 길이를 가질 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 집광 백라이트는 근안(near-eye) 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 특히, 증강 현실 시스템 및 가상 현실 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않는 근안 디스플레이 시스템은 일부 실시형태에 따라 본원에 기술된 집광 백라이트를 사용하여 실현될 수 있다.
여기에서, "회절격자"는 일반적으로 회절격자에 입사하는 광의 회절을 제공하도록 배치된 복수의 피처(features)(즉, 회절 피처)로서 정의된다. 일부 예에서, 복수의 피처는 주기적 또는 준 주기적 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 회절격자는 1차원(ID) 어레이로 배열된 복수의 피처(예를 들어, 재료 표면의 복수의 홈 또는 리지)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 회절격자는 피처의 2차원(2D) 어레이일 수 있다. 회절격자는 예를 들어, 재료 표면상의 요철 또는 홀의 2D 어레이일 수 있다.
이와 같이, 본원에서 정의에 의해, '회절격자'는 회절격자에 입사하는 광의 회절을 제공하는 구조이다. 광이 광 가이드로부터 회절격자에 입사되는 경우, 제공된 회절 또는 회절 산란은 회절격자가 회절에 의해 광가이드에서의 광을 커플링-아웃할 수 있다는 점에서 '회절 커플링'을 초래하는데, 이에 따라 '회절 커플링'이라 지칭될 수 있다. 또한, 회절격자는 회절에 의해 광의 각도(즉, 회절 각도에서)를 재지향 또는 변경한다. 특히, 회절의 결과로서, 회절격자를 떠나는 광은 회절격자에 입사되는 광(즉, 입사광)의 전파 방향과는 다른 전파 방향을 갖는다. 회절에 의한 광의 전파 방향에서의 변화를 본원에서는 '회절 재지향'이라 지칭한다. 따라서, 회절격자는 회절격자에 입사하는 광을 회절적으로 재지향시키는 회절 피처를 포함하는 구조인 것으로 이해될 수 있고, 광이 광 가이드로부터 입사한다면, 회절격자는 광 가이드로부터 광을 회절적으로 커플링-아웃할 수 있다.
또한, 본원의 정의에 따르면, 회절격자의 피처는 '회절 피처'라 지칭하고 재료 표면(예를 들면, 두 물질 간에 경계)에서, 재료 표면 내에, 재료 표면상에 중 하나 이상일 수 있다. 상기 표면은 예를 들면 광 가이드의 표면일 수도 있다. 회절 피처는 상기 표면에, 또는 표면 내에, 또는 표면상에 홈, 리지, 홀 및 요철 중의 하나 이상을 포함하지만, 그에 제한되지는 않는, 광을 회절하는, 다양한 구조들 중의 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 회절격자는 재료 표면 내에 복수의 실질적으로 평행한 홈을 포함할 수도 있다. 또 다른 예에서, 회절격자는 재료 표면으로부터 상승한 복수의 평행한 리지를 포함할 수도 있다. 회절 피처(예를 들면, 홈, 리지, 홀, 요철 등)는 사인곡선적 프로파일, 직사각형 프로파일(예, 2진 회절격자), 3각형 프로파일 및 톱니 프로파일(예, 블레이즈 격자) 중의 하나 이상을 포함하지만, 그에 제한되지는 않는 회절을 제공하는 다양한 단면 형상 또는 프로파일 중의 임의의 것을 가질 수 있다.
본원에 사용되는 '적응(accommodation)'이라는 용어는 눈의 광 출력을 변화시킴으로써 대상 또는 이미지 요소에 초점을 맞추는 과정을 말한다. 다시 말해, 적응은 집중할 수 있는 눈의 능력이다. 여기서, '적응 범위' 또는 이와 동등하게 '적응 거리'는 대상의 투명하거나 "초점이 맞는" 이미지가 눈으로 볼 수 있는, 눈으로부터 대상의 최소 거리로 정의된다. 바꾸어 말하면, 눈은 일반적으로 여기에서 정의에 따라, 적응 거리보다 눈에 더 가까운 대상에 명확하게 초점을 맞출 수 없다. 적응 범위는 개인마다 다를 수 있지만, 여기서는 예를 들어 단순함을 위해 약 25cm의 최소의 '정상' 적응 거리가 가정된다. 이와 같이, 소위 '정상 적응 범위' 내에 있는 대상의 경우에, 상기 대상은 일반적으로 눈으로부터 약 25cm 초과하여 위치하는 것으로 이해된다. 또한, 본원의 정의에 따르면, 근안(near-eye) 디스플레이는 근안 디스플레이의 사용자의 눈으로부터 25cm보다 가까운 곳에 위치된 디스플레이의 적어도 일부를 갖는 디스플레이이다.
여기에서, '아이 박스(eyebox)'는 디스플레이 또는 다른 광학 시스템(예를 들어, 렌즈 시스템)에 의해 형성된 이미지가 보일 수 있는 공간의 체적 또는 영역으로서 정의된다. 다시 말하면, 아이 박스는 디스플레이 시스템에 의해 생성된 이미지를 보기 위해 사용자의 눈이 위치할 수 있는 공간의 위치를 정의한다. 일부 실시형태에서, 아이 박스는 공간의 2차원 영역(예를 들어, 길이 및 폭은 있지만 실질적인 깊이가 없는 영역)을 나타낼 수 있는 반면, 다른 실시형태에서는 아이 박스는 공간의 3차원 영역(예를 들어, 길이, 폭 및 깊이를 갖는 영역)을 포함할 수 있다. 또한, '박스'라고 불리는 반면에, 아이 박스는 다각형 또는 직사각형인 박스로 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 아이 박스는 일부 실시형태에서 공간의 원통형 영역을 포함할 수 있다.
여기서, σ로 표시된 '콜리메이션 팩터(collimation factor)'는 광이 시준되는(collimated) 정도로 정의된다. 특히, 시준 팩터는 본원에서 정의에 의해, 시준된 광빔 내에서 광선의 각도 확산을 정의한다. 예를 들어, 콜리메이션 팩터(σ)는 시준된 광빔의 대다수의 광선이 특정한 각도 확산(예를 들어, 시준된 광빔의 중심 또는 주 각도 방향에 대해 +/- σ 정도)내에 있음을 명시할 수 있다. 시준된 광빔의 광선은 각도 측면에서 가우시안 분포를 갖을 수 있으며, 상기 각도 확산은 일부 예시들에 따른, 상기 시준된 광빔의 피크 강도의 1/2에서 결정된 각도일 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 단수표현은 특허법에서의 통상적 의미, 즉 '하나 이상'의 의미를 갖는 것으로 의도된 것이다 예를 들면, '격자'는 하나 이상의 격자를 의미하며, 따라서 '격자'는 본원에서는 '격자(들)'을 의미한다. 또한, 본원에서 '상부', '하부', '상측', '하측', '위', '아래', '전방','후방', '좌측' 또는 '우측'에 대한 임의의 언급은 본원에서 제한을 의도한 것이 아니다. 본원에서, 값에 적용될 때 '약'이라는 용어는 일반적으로 값을 생성하기 위해 사용되는 장비의 공차 범위 이내를 의미하며, 또는 일부 예에서는 달리 분명하게 명시되지 않는 한, 플러스 또는 마이너스 10%, 또는 플러스 또는 마이너스 5%, 플러스 또는 마이너스 1%를 의미한다. 또한, 본원에서 사용되는 용어 '실질적으로'는 약 51% 내지 약 100%의 범위 내의 과반수, 또는 대부분, 또는 모두, 또는 상당한 양을 의미한다. 또한, 본원에서 예들은 단지 예시를 의도한 것으로 한정으로서가 아니라 논의 목적을 위해 제시된다.
본원에 설명된 원리의 일부 실시형태에 따르면, 집광 백라이트가 제공된다. 도 1a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서, 집광 백라이트(100)의 측면도를 도시한다. 도 1b는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 도 1a의 집광 백라이트의 일부의 단면도를 도시한다. 도 1c는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서, 도 1a의 집광 백라이트의 다른 부분의 단면도를 도시한다. 도 1d는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서, 도 1a의 집광 백라이트의 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 집광 백라이트(100)는 상기 집광 백라이트(100)로부터 멀리 향하는 '회절적으로 커플링-아웃된(diffractively coupled out)' 광(102)으로 지칭되는 광을 제공하거나 방출하도록 구성된다. 또한, 집광 백라이트(100)(예를 들어, 위)에 인접한 사전 정의된 영역으로 상기 제공되거나 방출된 광을 집중시키도록 구성된다. 특히, 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)은, 하기에 더욱 상세히 기술된 바와 같이, 집광 백라이트(100)에 의해 상기 집광 백라이트(100)에 인접한 아이 박스(108)로 집중될 수 있다.
다양한 실시형태에 따르면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 집광 백라이트(100)는 광 가이드(110)를 포함한다. 일부 실시형태들에서(예를 들어, 본원에 도시된 바와 같이), 광 가이드(110)는 플레이트형 광 가이드(110)일 수 있다. 상기 광 가이드(110)는 안내 광(104)으로서 광을 안내하도록 구성된다(도 1c 참조). 특히, 다양한 실시형태에 따라, 안내 광(104)은 광 가이드(110)의 길이를 따라 종 방향(도시된 바와 같이, x-방향)으로 전파될 수 있다. 또한, 도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 안내 광(104)은 광 가이드(110)의 광-입구 에지(112)로부터 대체로 멀리 전파될 수 있다. 도 1a에서, 광 가이드(110) 내에서 광-입구 에지(112)로부터 멀어지는 방향의 화살표는 안내 광(104) 그 자체 및 종 방향으로의, 예를 들어, 광 가이드 길이를 따르는 안내 광(104)의 전파 모두를 도시한다.
다양한 실시형태에 따르면, 광 가이드(110)는 전체 내부 반사를 사용하거나 또는 그에 따라 상기 안내 광(104)을 안내하도록 구성된다. 특히, 광 가이드(110)는 확장된, 실질적으로 평면의 시트 또는 광학적으로 투명한 유전체 재료의 슬래브를 포함하는 광학 도파관일 수 있다. 플레이트형 광 가이드 도파관으로서, 광 가이드(110)는 석영 유리, 알칼리-알루미늄 규산염 유리, 붕규산염 유리와 같은 다양한 유형의 유리뿐만 아니라, 예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 아크릴 유리 및 폴리카보네이트이지만, 그에 제한되지는 않는, 실질적으로 광학적으로 투명한 플라스틱 또는 중합체를 포함하는 다수의 상이한 광학적으로 투명한 물질들 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 가이드(110)는 전체 내부 반사를 더 용이하게 하기 위해 광 가이드(110)(도시되지 않음)의 표면의 적어도 일부 상에 클래딩 층을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 광은 그 광-입구 에지(112)를 따라 광 가이드(110)에 커플링될 수 있다. 특히, 광은 소정 각도로 주입되거나 커플링 되어 안내 광(104)으로서 광 가이드(110) 내에서 전파될 수 있다. 또한, 광은 소정 각도 범위 또는 콜리메이션 팩터(σ)에서 커플링될 수 있고 가질 수 있다. 즉, 안내 광(104)은 시준광일 수 있고, 콜리메이션 팩터(σ)의 또는 에 의해 정의된 각도 범위는, 안내 광(104)으로서 플레이트형 광 가이드(110) 내에서 궁극적으로 전파되는 커플링-인(coupled-in)한 광 내의 광선의 각도 분포를 나타낼 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 상기 회절적으로 커플링-아웃한 광(102)은 콜리메이션 팩터(σ)에 실질적으로 유사하거나 또는 콜리메이션 팩터(σ)에 의해 적어도 결정되는 다양한 각도, 또는 본원에 정의된 각도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a의 회절적으로 커플링-아웃한 광(102)을 나타내는 실선 화살표에 인접한 점선 화살표는 회절적으로 커플링-아웃한 광(102) 내의 다양한 광선 또는 광빔의 각도 범위를 도시한다.
일 예에서, 콜리메이션 팩터(σ)는 대략 40도 이하의 각도 확산(즉, σ≤± 40)을 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 콜리메이션 팩터(σ)는 약 30도 이하(즉, σ ≤± 30), 약 20도 이하(즉, σ≤± 20°), 약 10도 이하(즉, σ≤± 10), 또는 약 10도 이하(즉, σ≤± 10°)의 각도 확산을 나타낼 수 있다. 또 다른 예에서, 콜리메이션 팩터(σ)는 등식(1)과 관련하여 후술되는 바와 같이, 비교적 작은 아이 박스(108)를 산출하는, 약 5도 미만(즉, σ≤± 5°)인 각도 확산을 나타낼 수 있다. 일부 실시형태들에서, 안내 광(104)은 사전 결정된 콜리메이션 팩터(a)를 갖는 것 이외에 0이 아닌 전파 각도(예를 들어, 플레이트형 광 가이드(110)의 임계각 미만)로 전파되도록 구성될 수 있다
도시된 바와 같이, 집광 백라이트(100)는 회절격자(120)를 더 포함한다. 다양한 실시형태에서, 회절격자(120)는 광 가이드(110)에 광학적으로 커플링 된다. 예를 들어, 회절격자(120)는 광 가이드(110)의 표면상에 또는 그 표면에 인접하여 위치될 수 있다. 상기 표면은, 예를 들어, 광 가이드(110)의 '상부' 표면(예를 들어, 발광면) 및 '하부(bottom)' 표면 중의 어느 하나 또는 양쪽일 수 있다. 도 1a 내지 도 1d에서, 회절격자(120)는 광 가이드(110)의 상부 표면에 예시로서 제한되지 않는 방식으로 도시된다.
다양한 실시형태에 따르면, 회절격자(120)는 광 가이드(110) 내부로부터 안내 광(104)의 일부를 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된다. 특히, 안내 광(104)의 일부는 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)으로서 회절적으로 커플링-아웃될 수 있다. 또한, 회절격자(120)는 광 가이드 표면에 인접하게 위치하고 그로부터 이격 된(예를 들어, 도시된 바와 같이, 상부 표면 위의) 아이 박스(108)에 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 집중시키도록 구성된다. 예를 들어, 도 1a는 광 가이드 표면으로부터 아이 박스(108)까지 연장하는 광선 또는 광빔을 나타내는 화살표로서 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 도시한다. 광 가이드(110)의 대향하는 에지 또는 단부로부터 아이 박스(108)로 연장하는 점선으로 도시된 바와 같이, 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광은 상기 광 가이드(110)의 상기 표면에 인접하여 위치한(즉, 상부에), 아이 박스(108)를 나타내는 공간의 소정의 및 실질적으로 국부 영역에 집중될 수 있다. 또한, 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)은 다양한 실시형태들에 따른, 상기 회절격자(120)의 집중 효과에 의해 상기 광 가이드(110)와 상기 아이 박스(108) 사이의 영역(예, 원추/피라미드 영역 또는 '광-투과 원추(106))으로 실질적으로 국한될 수 있다.
도 1b의 단면도에 도시된 집광 백라이트(100)의 일부는 z-방향으로 돌출한 리지(124)로서 회절격자(120)의 회절 피처를 나타낸다. 또한, 리지(124)는 도시된 바와 같이, 홈(122)에 의해 서로 분리된다. 홈(122)과 인접한 리지(124)의 조합은 본원에서 '회절 피처'로 지칭될 수 있다. 대안적으로, 상기 리지(124) 및 홈(122) 그들 자체는 회절 피처로 지칭될 수 있다. 홈(122)의 폭을 wg로 나타내고, 리지(124)의 폭을 wr로 나타낸다. 홈 폭(wg)과 리지 폭(wr )의 합은 본원에서 '피처 간격'으로 정의되고 도시된 바와 같이 Λ로 표시된다. '피처 간격'의 다른 정의는 예를 들어, 인접한 쌍의 리지들(124)(홈(122)에 의해 분리) 또는 인접한 쌍의 홈들(122)(리지(124)에 의해 분리) 사이의 중심 대 중심 거리일 수 있다. 일부 실시형태들에 따르면(예를 들어, 아래에 설명된 도 1d에 도시된 바와 같이), 홈(122) 및 리지(124)의 폭은 회절 피처의 길이(예를 들어, 홈(122) 및 리지(124)의 길이)를 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 회절 피처의 길이를 따른 피처 간격(Λ)은 예를 들어, 도 1d에 도시된 바와 같이 실질적으로 일정 할 수 있다.
도 1c의 단면도는 집광 백라이트(100)의 일부, 특히 광-입구 에지(112) 근처의 광 가이드(110)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광-입구 에지(112)를 따라 광 가이드(110)에 커플링되는 광은 다양한 연장 화살표로 표시된 방향으로 안내 광(104)으로서 상기 광 가이드(110) 내에서 전파된다. 특히, 상기 안내 광(104,104a)의 일부는 전체 내부 반사로 인해 광 가이드(110) 내에 잔존하도록 구성된다. 도 1c에 더 도시된 바와 같이, 상기 안내 광(104, 104b)의 다른 부분들은 회절격자(120)에 의해 커플링-아웃되어 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)이 될 수 있다. 또한, 안내 광의 방향은 후술하는 바와 같이, 회절격자(120)의 피처 간격(Λ)을 감소시키는 일반적인 방향이다.
예를 들어, 도 1c의 연장된 화살표는 전체 내부 반사에 의해 광 가이드(110) 내에 실질적으로 포획된 채로 유지되는 소정의 콜리메이션 팩터(σ) 내에서 안내 광선(104a)의 경로를 나타낼 수 있다. 특히, 광선의 경로는 도시된 바와 같이, 광 가이드(110)의 상면과 하면 사이에서 '튀거나' 교대할 수 있다. 즉, 대향하는 상부면 및 하부면으로부터의 다양한 반사 지점에서, 안내 광(104a)은 광 가이드(110)의 임계각보다 작은 각도로 대향면에 부딪칠 수 있다. 이와 같이, 안내 광(104a)은 광 가이드(110) 내에서의 전체 내부 반사에 의해 갇힐 수 있다.
도 1c의 또 다른 연장된 화살표는, 회절적으로 커플링-아웃된 광(102), 예를 들어, 회절적으로 커플링-아웃된 광선(102)으로서, 상기 회절격자(120)에 의해 광 가이드(110)에서 커플링-아웃된 소정의 콜리메이션 팩터(σ) 내에서 또 다른 안내 광선(104,104b)의 경로를 나타낼 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 회절격자(120)와 상호 작용하는 안내 광(104b)은 1차 회절빔으로서 광 가이드(110)에서 회절적으로 커플링-아웃될 수 있다. 즉, 회절격자(120)는 제1 회절 차수에 따라서 상기 안내 광 부분을 회절적으로 커플링 아웃하도록 구성된다. 다양한 실시형태에서, 0차 회절 광빔 및 더 높은 차수의 회절 광빔이 실질적으로 억제될 수 있다. 예를 들어, 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)은 광 가이드(110)의 표면 법선에 대해 회절 각도(θ)로 광 가이드(110)에서 회절적으로 커플링-아웃된, 1차 회절 광을 나타낼 수 있다.
일부 실시형태(도시되지 않음)에서, 회절격자(120)는 실질적으로 직선인 회절 피처를 포함할 수 있다. 실질적으로 직선인 회절 피처(예를 들어, 직선 홈(122) 및 리지(124) 모두)는 실질적으로 1차원인 아이 박스(108)를 제공할 수 있다. 즉, 아이 박스(108)는(예를 들어, 종 방향으로) 폭을 가질 수 있고 폭의 방향에 직각 인 방향으로 다른 치수(예를 들어, 길이)를 더 가질 수 있다. 다른 치수 또는 길이는, 예를 들어, 광 가이드(110)의 유사한 정도로 실질적으로 제한되지 않거나 혹은 제한될 수 있다.
다른 실시형태에서, 회절격자(120)는 곡선 회절 피처 또는 곡선과 근사하도록 배열된 회절 피처를 포함할 수 있다. 도 1d의 평면도는 집광 백라이트(100)의 광 가이드(110)의 표면에서의 회절격자(120)를 도시한다. 회절격자(120)의 회절 패턴은 회절격자(120)의 회절 피처를 나타내는 교호하는 흑백 밴드들로서, 예를 들어, 광 가이드(110)의 표면에서 홈(122) 및 리지(124)의 하나 또는 양쪽으로서 나타내어진다. 또한, 도 1d에 도시된 바와 같이, 회절 피처는 제한이 아닌 예로서 곡선 회절 피처이다. 특히, 도 1d에 도시된 바와 같이, 동심의(concentric) 흑백 곡선은 광 가이드 표면상에 동심의 곡선 회절 피처(예를 들어, 동심의 곡선 리지 및 동심의 곡선 홈의 모두)를 나타낸다. 동심의 곡선 회절 피처는 광 가이드(110)의 에지를 지나 위치하는 곡률 중심(C)을 갖는다. 일부 실시형태에서, 회절격자(120)의 곡선 회절 피처는 반원으로 표시될 수 있는 반면에(즉, 반원의 곡선 회절 피처), 다른 실시형태에서는 또 다른 실질적으로 비-원형인 곡선이 곡선 회절 피처를 구현하는데 사용될 수 있다. 회절 피처의 곡선은 아이 박스(108)의 평면에서 2개의 직교 방향으로 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 집중시키도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 곡선 회절 피처는 2차원 아이 박스(108)를 제공하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 2차원 아이 박스(108)는 광 가이드 표면에 평행 평면 내에 위치될 수 있다(예를 들어, 이하에서 설명되는 도 5b 참조).
다양한 실시형태에 따르면, 회절격자(120) 내의 회절 피처의 피처 간격은 광 가이드 길이를 따르는 거리의 함수 또는 광 가이드(110) 내의 광의 전파 방향으로 변할 수 있다. 예를 들어, 도 1d에 도시된 바와 같이, 회절격자(120)의 피처 간격(Λ)은 곡률 중심(C)으로부터 멀어질수록 감소한다. 동일하게, 피처 간격(Λ)은 도 1d의 광 가이드(110)의 광-입구 에지(112)로부터의 거리의 함수로서 감소하는 것으로 도시되어 있다. 곡률 중심으로부터 또는 광-입구 에지(112)로부터의 거리는 예를 들어, 반경(R)을 따라 측정될 수 있다. 거리의 함수로서의 피처 간격(Λ) 감소는 '처프(chirp)로 지칭될 수 있고, 도 1d에 도시된 회절격자(120)는, 예를 들어 '처프형(chirped)' 회절격자일 수 있다. 또한, 일부 실시형태들에서, 피처 간격(Λ)의 감소는 거리의 선형 함수를 나타낼 수 있다. 다른 실시형태에서, 피처 간격은 거리의 지수 함수 및 거리의 쌍곡선 함수를 포함하지만 이에 한정되지 않는 거리의 또 다른(즉, 비-선형) 함수에 따라 감소할 수 있다.
도 2는 본원에 설명된 원리들에 일관된 일 실시형태에 따른, 일예에서의 거리 함수로서의 회절 피처 간격의 플롯을 도시한다. 도시된 바와 같이, 수평축은 도 1d의 반경 R을 따른 거리(예를 들어, 곡률 중심(C)으로부터 반경 방향 거리)를 나타내며, 여기서, 수평축 상의 '0'으로 표시된 점은 반경 R 및 광 가이드(110)의 광-입구 에지(112)의 교차점을 나타낼 수 있다. 플롯 내의 수직축은 회절격자 회절 피처의 피처 간격(Λ)을 나타낸다. 곡선(130, 140, 150)은 곡률 중심(C)으로부터의 거리가 증가함에 따라 회절 피처의 피처 간격이 감소하는 방식을 나타낸다. 곡선(130)은 곡률 중심(C)으로부터의 거리가 증가함에 따라 피처 간격의 지수 감소를 나타낸다. 곡선(140)은 곡률 중심(C)으로부터 거리가 증가하는 함수로서 피처 간격의 선형 감소를 나타낸다. 곡선(150)은 곡률 중심(C)으로부터의 거리가 증가함에 따라 피처 간격의 쌍곡선 감소를 나타낸다.
도 1d에 도시된 예시적인 회절격자뿐만 아니라 본원의 다양한 다른 도면들에서, 회절 피처의 단면도는 예시를 용이하게 하지만 제한하는 것은 아닌 직사각형의 홈 및 리지에 의해 표시된다. 특히, 다양한 실시형태에 따르면, 회절격자(120)의 회절 피처는 톱니형상, 사다리꼴 형상 또는 반구 형상을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 다른 단면 형상 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 회절격자(120)의 회절 피처들은 사다리꼴 단면을 갖는 리지를 가질 수 있다.
다양한 실시형태에 따르면, 회절격자(120)는 습식 에칭, 이온 밀링, 포토리소그래피, 임프린트 리소그래피, 이방성 에칭, 플라즈마 에칭 또는 이들의 하나 이상의 조합을 포함하지만, 그에 제한되지 않는 많은 상이한 미세 제조 또는 나노 스케일 제조 기술 중 임의의 것에 따라 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 1a-1d에 도시된 바와 같이, 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)는 이온 밀링 또는 플라즈마 에칭을 사용하여 광 가이드(110)의 광학적으로 투명한 유전체 재료의 슬래브의 표면에 제공될 수 있다. 다른 실시형태에서, 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)는 광 가이드(110)의 표면상에 유전체 재료 또는 금속의 층을 증착함으로써 제공될 수 있다. 상기 층을 증착하는 단계는 회절격자(120)를 형성하기 위해 상기 증착된 층을 에칭함으로써 수행될 수 있다. 또 다른 예에서, 회절격자(120)는 후속하여 광 가이드(110)의 표면에 부착되는 재료 층에 형성될 수 있다.
도 3a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 집광 백라이트(100)의 도시된 일부는 유전체 재료의 슬래브로 형성된 광 가이드(110)(즉, 플레이트형 광 가이드(110))를 포함한다. 또한, 상기 플레이트형 광 가이드(110)의 표면(즉, 상부 표면)에 회절격자(120)가 도시된다. 회절격자(120)는 도시된 바와 같이 플레이트형 광 가이드(110)의 상부 표면상에 제공된 리지(124)를 포함한다. 도 3a의 실시형태에 따르면, 리지(124)는 예를 들어, 도 3a의 교차 해칭(cross-hatching)에 의해 도시된 바와 같이, 플레이트형 광 가이드(110)의 유전체 재료 슬래브와 다른 재료(즉, 유전체 재료 또는 금속)를 포함할 수 있다. 도 3a의 리지(124)의 상이한 재료는 예를 들어, 플레이트형 광 가이드(110)의 상부 표면상에 재료를 증착시킴으로써 제공될 수 있다. 다른 실시형태(예컨대, 도 1a-1c에 도시된 바와 같이)에서, 홈(122) 및 리지(124)가 광 가이드(110)의 재료, 예를 들어, 유전체 재료의 슬래브를 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 회절격자(120)는 집광 백라이트(100)의 광 가이드(110)의 하부 표면에 제공될 수 있다. 도 3b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 특히, 도 3b는 플레이트형 광 가이드(110) 및 회절격자(120)를 포함하는 집광 백라이트(100)의 일부를 도시한다. 그러나, 도 3b에서, 회절격자(120)는 플레이트형 광 가이드의 유전체 재료 슬래브의 하부면에 제공된다. 도시된 바와 같이, 재료의 층(126)은 회절격자(120)의 회절 피처(예를 들어, 플레이트형 광 가이드 재료의 홈(122))를 실질적으로 덮고 홈(122)을 실질적으로 채운다. 다양한 예에 따르면, 재료 층(126)은 플레이트형 광 가이드(110)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 금속, 반사 재료 또는 유전체 재료를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3b에 도시된 회절격자(120)는 예를 들어, 반사 모드 회절격자를 나타낼 수 있다. 상기 회절격자(120)가 반사 모드 회절격자인 경우, 상기 회절격자(120)를 갖는 하부면과 대향하는 상부면을 통해 상기 광 가이드(110)로부터 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)이 나가거나 방출될 수 있다.
도 3c는 본원에 설명된 원리의 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 집광 백라이트(100)의 일부의 단면도를 도시한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 집광 백라이트 부는 하부면에 회절격자(120)를 갖는 플레이트형 광 가이드(110)를 포함한다. 이 실시형태에서, 홈(122)은 금속 또는 플레이트형 광 가이드(110)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 채워진다. 또한, 반사층(128)(예를 들어, 금속층 또는 저 굴절률 유전체 재료층)은 도시된 바와 같이, 플레이트형 광 가이드(110)의 하부면을 덮는다.
도 1a를 다시 참조하면, 전술한 바와 같이, 도시된 바와 같이, 회절격자(120)의 피처 간격은 집광 백라이트(100)로부터 거리를 두고 위치하는 아이 박스(108)에서 광을 집중시키도록 구성된다. 예를 들어, 거리(f)는 도시된 바와 같이, 광 가이드(110)의 상부면으로부터 측정될 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 아이 박스(108)의 대략적인 폭(weyebox)은 광 가이드(110) 내에서 전파하는 광의 콜리메이션 팩터(σ), 등가적으로, 광-입구 에지(112)를 따라 광 가이드(110)에 광이 진입하는 콜리메이션 팩터(σ)와 거리(f)의 곱에 의해 주어질 수 있다. 특히, 아이 박스 폭(weyebox)은 등식(1)에 의해 다음과 같이 주어질 수 있다:
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일부 실시형태에서, 종 방향의 아이 박스 폭(weyebox)(예를 들어, 광 전파 방향)은 약 25 밀리미터(25 ㎜) 미만일 수 있다. 예를 들어, 25 ㎜의 아이 박스 폭(weyebox)은 집광 백라이트(100) 또는 집광 백라이트(100)를 사용하는 디스플레이를 보는 사용자의 눈의 대략적인 평균 폭에 대응할 수 있다. 특히, 일부 실시형태에 따르면, 사용자의 눈이 집광 백라이트(100)를 보기 위해 아이 박스(108) 내에 위치될 때, 사용자의 눈은 아이 박스(108)와 크기에서 실질적으로 유사할 수 있다.
전술한 바와 같이, 집광 백라이트(100)에 의해 제공되는 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)은 실질적으로 아이 박스(108)에 집중되거나 도 1a의 점선으로 표시된 원추 영역 또는 '광-투과 원추'(106) 내에 등가적으로 실질적으로 집중될 수 있다. 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)의 집중의 결과로서, 집광 백라이트(100)에 의해 생성된 광은 사용자의 눈이 아이 박스(108) 내에 위치될 때 사용자의 눈에 '집중될' 수 있다. 예를 들어, 알반적인 인간의 눈의 평균 직경은 약 25mm이다. 일부 예에서, 집광 백라이트(100)는 상기 아이 박스(108)에 위치한 사용자의 눈 상에 광을 집중시키도록 약 14 밀리미터 내지 약 27 밀리미터(14 mm 내지 27 mm)의 범위 내의 아이 박스 폭(weyebox)을 갖는 아이 박스(108)를 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 알반적인 인간의 눈의 홍채는 직경이 약 10 밀리미터 내지 약 13 밀리미터(10 mm 내지 13 mm)이며, 홍채의 평균 직경은 약 12 밀리미터이다(예를 들어, 12 mm). 일부 예에서, 집광 백라이트(100)는 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 아이 박스(108) 내에 위치한 사용자의 눈의 홍채 상에 집중시키기 위해 약 9 밀리미터 내지 약 14 밀리미터(9 mm 내지 14 mm) 범위의 아이 박스 폭(weyebox)을 제공하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 인간 동공의 평균 직경은 밝은 빛에서 약 1.5 mm으로부터 희미한 빛에서 약 8 mm의 범위 일 수 있고, 집광 백라이트(100)는 아이 박스(108) 내에 위치된 사용자 눈의 아이 포인트 박스(108)는 1.5 밀리미터와 8 밀리미터(1.5 mm - 8 mm) 사이의 동공 범위에 대응하도록 약 8 밀리미터 (8 mm) 이하인 아이 박스 폭(weyebox)을 갖는 아이 박스(108)를 제공하도록 구성될 수 있다.
집광 백라이트(100)의 회절격자(120)의 작용은 일반적으로 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 상기 광-투과 원추(106) 및 아이 박스(108)에 한정한다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 집광 백라이트(100)으로부터의 광은 다양한 실시형태에 따라, 사용자의 눈이 아이 박스(108) 외부 또는 광-투과 원추(106) 외부에 위치될 때 사용자의 눈으로 들어가지 않는다. 이와 같이, 집광 백라이트(100) 및 특히 회절격자(120)는, 예를 들어 아이 박스(108)의 외부 또는 광-투과 원추(106)의 외부에서 볼 때 실질적으로 흑색(즉, 불이켜지지 않은)으로 나타날 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, 집광 백라이트(100)는 아이 박스(108)가 집광 백라이트(100)에 대한 정상 적응 거리보다 더 가까이 위치될 수 있는 '근안(near-eye)'백라이트로 지칭될 수 있다. 특히, 일부 실시형태에서, '근안 백라이트(near-eye backlight)'로서의 집광 백라이트(100)는 집광 백라이트로부터 25cm(25 센티미터) 이하의 거리(f)에 아이 박스(108)를 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 거리(f)는 예를 들어, 광 가이드(110)와 아이 박스(108) 사이에 위치하며 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 변조하고 아이 박스(108)에 보일 이미지(예를 들어, 하기에 기술된 바와 같은)를 형성하도록 사용되는 광 밸브 어레이로부터 대략 정상 적응 거리보다 작을 수 있다. 집광 백라이트(100)는 아이 박스(108) 내에 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 집중시키기 때문에, 다양한 실시형태에 따라, 상기 이미지를 보는 사용자는 사용자의 눈이 상기 아이 박스(108) 내에 있는 경우에, 초점 이미지를 감지할 수 있다.
일부 실시형태들에서(예를 들어, 도 1a 및 도 1d에 도시된 바와 같이), 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)는 광 가이드(110)의 광-방출부를 실질적으로 덮도록 구성된 단일 회절격자일 수 있다. 다른 실시형태에서, 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)는 광 가이드(110)의 상이한 영역에 각각 위치하는 복수의 회절격자 세그먼트들을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 회절격자 세그먼트는 서로 분리 될 수 있다(즉, 회절 피처 없이 광 가이드(110) 상의 공간 또는 영역에 의해). 다양한 실시형태들에서, 복수의 회절격자 세그먼트들은 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 아이 박스(108)에 협력하여 집중시키도록 구성된다.
도 4a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들(120')을 갖는 집광 백라이트(100)의 측면도를 도시한다. 특히, 도 4a는 복수의 회절격자 세그먼트들(120')(아래에서 설명하기 위해 개별적으로 표시되는 세그먼트들(120'a, 120'b, 120'c)를 갖는 회절격자(120)를 도시한다. 또한, 복수의 회절격자 세그먼트들(120')은 도시된 바와 같이 광 가이드(110)의 표면에서 서로 이격되어 있다. 도 4a의 집광 백라이트(100)에서, 광은 내부 반사 각도 회절(σ)을 갖는 광-입구 에지(112)를 따라 광 가이드(110)에 커플링될 수 있다. 복수의 회절격자 세그먼트들(120')은 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)으로서 광 가이드(110) 내에 안내된 광의 일부를 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된다. 또한, 복수의 회절격자 세그먼트들(120')은 광 가이드(110)로부터 거리(f)에서 상기 아이 박스(108) 내에 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(102)을 협력하여 집중시키도록 구성된다.
도 4b는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들(120')을 갖는 집광 백라이트(100)의 평면도를 도시한다. 도 4b에 도시된 집광 백라이트(100)는 예를 들어, 도 4a에 도시된 집광 백라이트(100)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 도 4b에 도시된 바와 같이, 개별적으로 표시된 세그먼트들(120'a, 120'b, 120'c)를 포함하는 회절격자 세그먼트들(120 ')은 y-방향으로 광 가이드 표면을 가로 질러 스트립들을 형성한다. 또한, 도시된 바와 같이, 회절격자 세그먼트들(120')을 형성하는 상기 스트립들의 인접한 것들 사이에 공간이 제공된다. 상기 공간은, 예를 들어, 광 가이드 표면의 패턴화되지 않은 영역 또는 에칭되지 않은 영역을 나타낼 수 있다. 함께, 회절격자 세그먼트(120')는 예를 들어, 도 1d에 도시된 회절격자(120)의 분할된 버전과 실질적으로 유사한 단일 회절격자(120)를 근접할 수 있다.
도 4c는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들(120')을 갖는 집광 백라이트의 평면도를 도시한다. 특히, 도 4c에 도시된 바와 같이, 회절격자 세그먼트들(120')은 x-방향 및 y-방향 모두로 진행하는 공간에 의해 분리된 영역(예를 들어, 곡선 홈 및 곡선 리지 중 하나 또는 둘 모두의 직사각형 영역)을 포함한다. 도 4c에 도시된 집광 백라이트(100)는 예를 들어, 도 4a에 도시된 집광 백라이트(100)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 도 4c에 도시된 바와 같이, 개별적으로 표시된 세그먼트들(120'a, 120'b, 120'c)을 포함하는 회절격자 세그먼트들(120')은 x-방향 및 y-방향 모두로 광 가이드 표면을 가로지르는 2차원 어레이를 형성한다. 또한, 도 4b에서와 같이, 도 4c에 도시된 회절격자 세그먼트들(120')은 예를 들어, 도 1d에 도시된 회절격자(120)의 다른 분할 버전과 실질적으로 유사한 단일 회절격자(120)를 근접할 수 있다.
일부 실시형태에서, 회절격자 세그먼트들(120')은 곡선 회절 피처에 근접하기 위해 광 가이드(110) 상에 배치된 실질적으로 직선인 회절 피처를 포함할 수 있다. 도 4d는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 복수의 회절격자 세그먼트들(120')을 갖는 집광 백라이트(100)의 평면도를 도시한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 회절격자 세그먼트들(120')의 상이한 것들은 회절격자(120)의 곡선(그러나, 불연속으로 만곡된) 회절 피처에 집합적으로 근접하는 상이한 피처 간격 및 상이한 회절격자 배향을 갖는다. 예를 들어, 조합에서, 근사화된 곡선 회절 피처는 도 1d에 도시된 회절격자(120)의 곡선 회절 피처에 실질적으로 근사할 수 있다. 또한, 도 4d에 도시된 집광 백라이트(100)는 예를 들어, 도 4a에 도시된 집광 백라이트(100)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 도 4d에 도시된 바와 같이, 개별적으로 표시된 세그먼트들(120'a, 120'b, 120'c)을 포함하는 회절격자 세그먼트들(120')은 x-방향 및 y-방향 모두로 광 가이드 표면을 가로지르는 또 다른 2차원 어레이를 형성한다.
본원에 설명된 원리들에 일관되는 다른 실시형태들에 따라, 근안(near-eye) 디스플레이 시스템이 제공된다. 도 5a는 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 시스템(200)의 측면도를 도시한다. 도 5b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 시스템(200)의 사시도를 도시한다. 일부 실시형태에서, 근안 디스플레이 시스템(200)은 전술한 집광 백라이트(100)와 실질적으로 유사한 집광 백라이트를 사용할 수 있다. 특히, 다양한 실시형태에 따르면, 근안 디스플레이 시스템(200)은 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 제공하고 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 아이 박스(208)를 향해 및 그로 집중시키기 위해 구성된다. 또한, 상기 근안 디스플레이 시스템(200)은 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 변조하여 아이 박스(208) 내에 이미지를 형성하도록 구성된다. 형성된 이미지는 다양한 실시형태에 따라 아이 박스(208) 내의 사용자가 볼 수 있다. 또한, 아이 박스(208)는 도시된 바와 같이 2차원 아이 박스일 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이 시스템(200)은 광 가이드(210)를 포함한다. 플레이트형 광 가이드(210)는 광을 안내하도록 구성되고, 일부 실시형태에서는 플레이트형 광 가이드(210)일 수 있다. 일부 실시형태에 따르면, 상기 광 가이드(210)는 집광 백라이트(100)에 대해 전술한 광 가이드(110)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 광 가이드(110)는 전체 내부 반사에 의해 광을 안내하도록 구성된 투명 재료 슬래브를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 광 가이드(210)에 의해 안내되는 광은 콜리메이션 팩터(σ)를 가질 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 근안 디스플레이 시스템(200)은 회절격자(220)를 더 포함한다. 회절격자(220)는 광 가이드(210)에 광학적으로 커플링 된다. 또한, 회절격자(220)는 광 가이드 내의 안내 광의 일부를 회절적으로 커플링 아웃하고, 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 아이 박스(208)를 향해 그로 집중시키도록 구성된다. 다양한 실시형태에 따르면, 아이 박스(208)는 광 가이드(210)의 표면에 인접한다. 일부 실시형태에 따르면, 회절격자(220)는 전술한 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 회절격자(220)는 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 커플링-아웃하고 아이 박스(208)를 향해 그로 집중시키도록 구성된 복수의 회절 피처들을 포함한다. 또한, 아이 박스(208)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 광 가이드 표면으로부터 떨어진 거리(f)에 위치한다. 일부 실시형태에 따르면, 거리(f)는 근안 디스플레이 시스템(200)의 사용자의 눈의 정상 적응 범위(예를 들어, 25cm)보다 작다. 또한, 회절격자(220)는 일부 실시형태에서, 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 아이 박스(208) 내로 협력하여 집중시키도록 구성된 복수의 회절격자 세그먼트들을 포함할 수 있다.
또한, 회절격자(220)는 광 가이드(210)의 광-입구 에지(212)로부터 거리가 증가함에 따라 감소하는 인접한 회절 피처들 사이의 피처 간격을 갖는 회절 피처들을 갖는다. 즉, 일부 실시형태에서, 회절격자(220)는 전술한, 회절격자(120)의 일부 실시형태와 실질적으로 유사한 처프된(chirped) 회절격자일 수 있다. 일부 실시형태에서, 회절 피처 간격은 거리의 선형 함수로서 감소하지만, 다른 실시형태에서는 상기 감소는 실질적으로 비선형 거리 함수를 나타낸다.
일부 실시형태에서(예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같은), 회절격자(220)는 곡선 회절 피처들(222)을 포함한다. 상기 곡선 회절 피처들(222)(예를 들어, 곡선 홈 및 곡선 리지 중 하나 또는 둘 모두)은 2차원(2D) 아이 박스(208)를 제공하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 두 개의 직교 방향으로 집중시키도록 구성될 수 있다. 도 5b는 광 가이드 표면에 평행한 평면에 위치한 두 개의 직교 방향(즉, x-방향 및 y-방향)을 갖는 예시적인 2D 아이 박스(208)를 도시한다. 또한, 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)의 광선을 나타내는 화살표는 곡선 회절 피처(222)에 의해 제공되는 바와 같이, 2D 아이 박스(208)상에 수렴되고 집중되는 것으로 도시된다.
근안 디스플레이 시스템(200)은 광 밸브 어레이(230)를 더 포함한다. 광 밸브 어레이(230)는 광 가이드(210)와 아이 박스(208) 사이에 위치된다. 광 밸브 어레이(230)는 아이 박스(208)에서 또는 아이 박스(208) 내에 이미지를 형성하도록 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 변조하도록 구성된다. 특히, 광 밸브 어레이(230)의 개별적인 광 밸브는 아이 박스(208)에서 이미지를 함께 형성하는 화소을 제공하도록 독립적으로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 밸브 어레이(230)로부터 아이 박스(208)까지의 거리(d)는 정상 적응 거리보다 작다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 거리(f) 및/또는 거리(d) 중 하나 또는 둘 모두는 근안 디스플레이 시스템(200)의 사용자의 눈의 정상 적응 거리(예를 들어, 약 25cm)보다 작을 수 있다.
다양한 실시형태에 따르면, 형성된 이미지는 아이 박스(208) 내에서 사용자에 의해 볼 수 없다. 이와 같이, 사용자는 사용자가 아이 박스(208) 내에서 눈을 배치할 때에 형성된 이미지를 볼 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 사용자의 눈이 상기 아이 박스(208) 외부에 있을때에 상기 형성된 이미지는 볼 수 없다. 또한, 상기 아이 박스(208) 내의 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)의 집중은, 사용자의 눈에 의한 적응을 용이하게 하여, 아이 박스(eye box)(208)가 상기 광 가이드(210) 및 광 밸브 어레이(230)의 하나 또는 모두로부터 정상 적응 거리 미만에 위치할 때에도 형성된 이미지가 초점으로 보일 수 있게 할 수 있다. 특히, 광 밸브 어레이(230)에 의해 변조되어 이미지를 형성하는 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)은 아이 박스(208) 내에 집중되거나 '초점화'되기 때문에, 아이 박스(208)가 다양한 실시형태에 따라, 상기 정상 적응 거리 미만임에도, 사용자는 형성된 이미지를 여전히 편안하게 볼 수 있다.
다양한 실시형태에 따르면, 광 밸브 어레이(230)는 액정 광 밸브, 전기습윤 광 밸브 및 전기영동 광 밸브를 포함하지만, 그에 제한되지는 않는 다양한 광 밸브 중 실질적으로 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 광 밸브 어레이(230)는 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)에 의해 형성된 광-투과 원추(또는 피라미드)와 교차하도록 광 가이드(210)에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 예를 들어, 광 밸브 어레이(230)는 광 밸브를 통과하는 광의 양을 변조함으로써 각각이 화소로서 개별적으로 작동될 수 있는 액정 광 밸브 어레이를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 밸브는 컬러 광 밸브일 수 있다(즉, 광 밸브는 컬러 필터를 포함할 수 있다). 예를 들어, 광 밸브 어레이(230)는 복수의 적색광 밸브, 복수의 녹색광 밸브 및 복수의 청색광 밸브를 포함할 수 있다. 광 밸브 어레이(230)의 적색, 녹색 및 청색 광 밸브들은 예를 들어, 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 변조함으로써 적색 - 녹색 - 청색(RGB) 기반의 "풀 컬러" 형성 이미지를 제공할 수 있다. 특히, 광 밸브 어레이(230)의 광 밸브들 중 개별 광 밸브를 통과하는 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)은 사용자의 눈이 아이 박스(208)에 위치할 때에 사용자의 눈의 망막에 집중되는 풀 컬러 또는 흑백 이미지를 생성하도록 선택적으로 변조될 수 있다.
일부 실시형태에서(예를 들어, 도 5b에 도시된), 근안 디스플레이 시스템(200)은 광 가이드(210)에 광학적으로 커플링된 광원(240)을 더 포함한다. 예를 들어, 광원(240)은 도 5b에 도시된 바와 같이, 광-입구 에지(212)를 따라서 상기 광 가이드(210)에 광학적으로 커플링될 수 있다. 광원(240)은 다양한 실시형태에 따라, 콜리메이션 팩터(σ)를 갖는 안내 광으로서 광 가이드(210) 내로 광(242)을 생성하여 주입하도록 구성된다. 광원(240)은 발광 다이오드(LED), 유기 LED(OLED), 폴리머 LED, 플라즈마 기반 광 방출기, 형광 램프 또는 백열 램프와 같은 광학 이미터를 포함하지만, 그에 제한되지는 않는다. 다양한 실시형태에 따르면, 광원(240)에 의해 출력된 광은 단색광 또는 다색광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광은 단색의 광(예를 들어, 적색광, 녹색광 또는 청색광), 복수의 색상의 광 또는 실질적으로 백색광인 광을 포함할 수 있다. 도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 광원(240)으로부터의 광(242)은 광-입구 에지(212)를 따라 광 가이드(210)에 커플링되어 실질적으로 광-입구 에지(212)로부터 멀어지는 광 가이드(210) 내의 방향(204)으로 전파된다. 환언하자면, 광(242)은 다양한 실시형태에 따라, 상기 광(242)이 회절격자(220)의 회절 피처들의 피처 간격이 감소하는 일반적인 방향으로 광 가이드(210) 내에서 전파되도록 상기 광 가이드(210)내에 커플링된다.
일부 실시형태들에서, 상기 근안 디스플레이 시스템(200)은 도 5a-5b와 관련하여 전술한 광 밸브 어레이(230)에 추가하여 또 다른(예를 들어, 제2) 광 밸브 어레이를 포함할 수 있다. 도 6은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 두 개의 광 밸브 어레이를 갖는 근안 디스플레이 시스템(200)의 측면도를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광 밸브 어레이(230)(즉, 제1 광 밸브 어레이(230))에 더하여, 근안 디스플레이 시스템(200)은 광 가이드(210)와 아이 박스(208) 사이에 위치하는 또 다른 광 밸브 어레이(250)(즉, 제2 광 밸브 어레이(250))를 더 포함한다. 특히, 다른 광 밸브 어레이(250)는 예시로서 제시되지만 제한하는 것은 아닌 도 6에 도시된 바와 같이, 광 밸브 어레이(230)와 아이 박스(208) 사이에 위치한다. 예를 들어, 또 다른 광 밸브 어레이(250)는 아이 박스(208)로부터 거리(d2)에 있을 수 있지만, 광 밸브 어레이(230)는 도 6에 도시된 바와 같이, 아이 박스(208)로부터 거리(d1)에 있을 수 있다(예를 들어, 여기서 d2 < d1). 일부 실시형태에서, 다른 광 밸브 어레이(250)는 광 밸브 어레이(230)와 실질적으로 유사할 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서, 다른 광 밸브 어레이(250)는 광 밸브 어레이(230)보다 낮은 광 밸브 밀도 또는 낮은 변조 해상도를 가질 수 있다.
다양한 실시형태에 따르면, 다른 광 밸브 어레이(250)는 아이 박스(208)에서 이미지를 형성하도록 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 추가로 변조하도록 구성될 수 있다. 즉, 다른 광 밸브 어레이(250)는 광 밸브 어레이(230)에 마찬가지로 변조되는 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)을 추가로 변조할 수 있다. 이와 같이, 형성된 이미지는 광 밸브 어레이들(230,250) 모두로부터 변조된 광을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)의 추가의 변조는 사용자에게 안구 적응 신호(eye accommodation cue)를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 두 개의 광 밸브 어레이(230, 250) 각각의 광 밸브는 독립적으로 제어되어 아이 박스(208) 내에 위치된 사용자 눈의 동공에 들어가는 빛의 밝기를 변조할 수 있다. 결과적으로, 두 개의 광 밸브 어레이들(230, 250)의 조합은 형성된 이미지 상에 디스플레이된 대상들이 사용자의 눈에 근접하거나 멀리 떨어지게 나타나는 것을 의도로 하는지에 따라 상이한 양의 흐림(blur)을 갖도록 상기 형성된 이미지 내의 대상들을 협력하여 디스플레이함으로써 눈 적응을 제공하는데 사용될 수 있다.
다른 실시형태에서, 다른 광 밸브 어레이(250)는 특수한 광 밸브 어레이일 수 있다. 도 7은 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 두 개의 광 밸브 어레이를 갖는 근안 디스플레이 시스템(200)의 측면도를 도시한다. 특히, 도 7은 사용자의 눈에 착용 되게 구성된 화소화된 콘택트렌즈를 포함하는 특수한 광 밸브 어레이로서의 다른 광 밸브 어레이(250)를 도시한다. 다양한 실시형태에 따르면, 상기 화소화된 콘택트렌즈는 사용자의 눈이 아이 박스(208) 내에 위치될 때 사용자의 눈에 들어오는 빛의 양을 제어하도록 동작 가능하게 구성된 개별 광 밸브(또는 화소)를 가질 수 있다. 개별 광 밸브를 사용하여 사용자의 눈에 진입하는 광을 제어함에 의해, 예를 들어 적응 신호(accommodation cue)가 사용자에게 제공될 수 있다.
예를 들어, 다른 광 밸브 어레이(250)를 포함하는 화소화된 콘택트렌즈는 단 하나의 광 밸브를 턴 '온'(즉, 투명하게 렌더링되는)함에 의해 한꺼번에 작동되는 동공 영역당 약 2개 내지 약 9개의 광 밸브들(즉, 약 2-9 화소들)의 어레이를 포함할 수 있지만, 반면에 나머지 광 밸브들은 턴 '오프'된다(즉, 불투명하게 렌더링되는). 상기 화소화된 콘택트렌즈는 예를 들어, 독립적으로 제어되는 광 밸브를 갖는 '생체 공학(bionic)'렌즈일 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 다른 광 밸브 어레이(250)를 포함하는 화소화된 콘택트렌즈는 상기 화소화된 콘택트렌즈를 통해 사용자의 눈으로 통과하는 광의 양을 변조하기 위해 액정 광 밸브를 사용할 수 있다. 일부 예에서, 광 밸브 어레이(230) 내의 광 밸브 및 다른 광 밸브 어레이(250)의 화소화된 콘택트렌즈 내의 광 밸브는 변조된 회절적으로 커플링-아웃된 광(202)이 사용자의 눈에 진입하는 방향을 제어하도록 독립적으로 변조될 수 있다. 이러한 방향을 제어하는 것은 또한 사용자의 눈에 안구 적응 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어 한 번에 단 하나의 광 밸브만 '온'으로 전환하면 사용자의 눈동자에 들어오는 빛의 방향이 바뀔 수 있다. 변화는 상이하게 형성된 이미지가 사용자의 눈의 망막 상의 다른 위치에 표시되게 할 수 있다. 그 결과, 사용자의 눈의 초점 응답이 트리거되어 사용자의 눈으로부터 상이한 거리에 있는 대상의 효과(즉, 적응 응답)를 생성할 수 있다.
본원에 설명된 원리들의 다양한 실시형태들에 따라, 전술한 근안 디스플레이 시스템(200)은 가상현실(VR) 이미지 및 증강 현실(AR) 이미지 중 하나 또는 모두를 사용자에게 제공하기 위해 헤드 장착 디스플레이에 통합될 수 있다. 이와 같이, 근안 디스플레이 시스템(200)은 증강 현실(AR) 시스템 및 가상현실(VR) 시스템 중 하나 일 수 있다.
도 8은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 헤드 마운트형 디스플레이(HMD)로서 구성된 근안 디스플레이 시스템(200)의 사시도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이 시스템(200)은 HMD와 같이 사용자의 눈앞에 근안 디스플레이 시스템(200)을 위치시키도록 구성된 헤드셋(260)을 더 포함한다. 특히, 헤드셋(260)은, 사용자의 눈앞에서, 예를 들어, 사용자의 눈의 시야에서 광 가이드(210), 회절격자(220) 및 광 밸브 어레이(230)를 포함하는 광학 어셈블리(200')를 유지 또는 위치시키도록 구성된다. 또한, 헤드셋(260)은, 다양한 실시형태에 따라, 사용자의 눈(예를 들어, 사용자의 눈의 홍채)에 아이 박스를 위치시키도록 구성된다. 예를 들어, 헤드셋(260)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 안경들의 프레임을 닮은 프레임을 포함할 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(200)의 광학 어셈블리(200')는, 예를 들어, 상기 한 쌍의 안경들의 렌즈 대신에 헤드셋 프레임에 장착될 수 있다. 도 8에서, 광학 어셈블리(200')는 렌즈들 중 하나 대신에 위치되고 상기 렌즈들 중의 다른 것은 도시되지 않는다. 일부 예에서, 다른 렌즈는 포함되지 않는다. 다른 예에서, 다른 렌즈는 표준 안경 렌즈일 수 있다.
일부 실시형태에서, 광학 어셈블리(200')는 광 가이드 표면에 직교하는 방향으로 실질적으로 광학적으로 투명할 수 있다. 상기 광학적으로 투명한 광학 어셈블리(200')는 아이 박스 너머의 물리적 환경의 뷰 상에 중첩된 이미지로서 상기 아이 박스에서 형성된 이미지를 제공할 수 있다. 특히, 근안 디스플레이 시스템(200)은 아이 박스 내에 제공된 형성 이미지로 물리적 환경의 뷰를 보강하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 근안 디스플레이 시스템(200)은, 예를 들어, AR 시스템의 AR 디스플레이로서 기능할 수 있다.
도 9는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시형태에 따른, 일 예에서 헤드 마운트형 디스플레이(HMD)로서 구성된 근안 디스플레이 시스템(200)의 사시도를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 헤드셋(260)은 한 쌍의 광학 어셈블리(200')를 수용하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 쌍의 각각의 광학 어셈블리(200')는 사용자의 상이한 눈앞에, 예를 들어, 각각의 눈앞에 하나씩 배치될 수 있다. 도 9에 도시된 헤드셋(260)은 예를 들어 한 쌍의 고글과 유사할 수 있다. 한 쌍의 광학 어셈블리들(200')에 있어서, 근안 디스플레이 시스템(200)은 입체적 쌍의 형성 이미지들을 제공하여 사용자를 위한 3차원 이미지를 시뮬레이팅할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 근안 디스플레이 시스템(200)은, 예를 들어, 광학 어셈블리(200') 너머의 상기 환경의 뷰를 실질적으로 차단함으로써 VR 시스템의 VR 디스플레이로서의 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 근안 디스플레이 시스템(200)은, 예를 들어, 사용자 눈의 시야를 차단함에 의해, 아이 박스들의 각각에서 형성된 이미지로 물리적 환경의 뷰(즉, '실제 세계' 뷰)를, 대체하거나 또는 적어도 실질적으로 대체하도록 구성될 수 있다. 물리적 환경 뷰를 대체함에 의해, 사용자는 상기 물리적 환경 뷰 대신에 근안 디스플레이 시스템(200)에 의해 제공된 가상현실 뷰(예를 들어, 형성 이미지)가 제공된다.
본원에 기술된 원리들의 다른 실시형태에 따라, 근안 디스플레이 동작 방법이 제공된다. 도 10은 본원에 설명된 원리에 일관된 일 실시형태에 따른, 일 예에서 근안 디스플레이 동작의 방법(300)의 흐름도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이 동작 방법(300)은 안내 광으로서 광 가이드(예를 들어, 플레이트형 광 가이드)에서 광을 안내하는 단계(310)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 안내 광은 광 가이드의 길이를 따라 안내될 수 있다(310). 예를 들어, 광은 종 방향으로 안내될 수 있다. 일부 실시형태에 따르면, 광 가이드는 집광 백라이트(100)와 관련하여 전술한 광 가이드(110)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 광 가이드는 전체 내부 반사를 이용하여 광을 안내(310)하도록 구성된 광학적으로 투명한 재료의 슬래브를 포함하는 플레이트형 광 가이드일 수 있다 또한, 상기 안내 광은 상기 광 가이드(110)에 대해 전술한 콜리메이션 팩터(σ)와 실질적으로 유사한 사전 결정된 콜리메이션 팩터를 가질 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이 동작 방법(300)은 회절격자를 사용하여 광 가이드에 인접하여 위치된 아이 박스에 광을 집중시켜서 안내 광의 일부를 회절적으로 커플링-아웃하여 아이 박스로 지향시키는(direct) 단계(320)를 더 포함한다. 광을 집중(320)시키는데 사용되는 회절격자는 일부 실시형태에서 광 가이드의 표면에 위치될 수 있다. 또한, 광이 집중되는(320) 아이 박스는 광 가이드 표면에 인접하여 위치할 수 있다. 특히, 일부 실시형태에서, 아이 박스는 사용자의 눈의 정상 적응 거리보다 작은 광 가이드 표면으로부터 떨어져 위치한다. 빛을 집중시키는데(320) 사용되는 회절격자는 전술한 집광 백라이트(100)의 회절격자(120)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 회절격자는 광 가이드의 광-입구 에지로부터 거리가 증가함에 따라 감소하는 피처 간격을 갖는 회절 피처를 포함하는 처프된 회절격자일 수 있다. 또한, 회절격자는 곡선 회절 피처를 포함할 수 있다. 곡선 회절 피처는 예를 들어 2차원(2D) 아이 박스를 제공하기 위해 2개의 직교 방향으로 회절적으로 커플링-아웃된 광을 집중시키도록 구성될 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 아이 박스는 전술한 아이 박스(108)와 실질적으로 유사할 수 있다.
도 10에 도시된 근안 디스플레이 동작 방법(300)은 광 밸브 어레이를 사용하여 상기 집중된 광을 변조하는 단계(330)를 더 포함한다. 광 밸브 어레이는 광 가이드와 아이 박스 사이에 위치한다. 변조하면(330), 아이 박스 내에 이미지가 형성된다. 일부 실시형태에 따르면, 변조(330)에 사용되는 광 밸브 어레이는 근안 디스플레이 시스템(200)과 관련하여 전술한 광 밸브 어레이(230)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 일부 실시형태에서, 단일 광 밸브 어레이는 회절적으로 커플링-아웃된 광을 변조(330) 하는데 사용된다. 다른 실시형태에서, 한 쌍의 광 밸브 어레이가 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 변조(330)하는데 사용될 수 있다.
일부 실시형태들(도 10에 도시되지 않음)에서, 근안 디스플레이 동작의 방법은, 예를 들어 광원을 사용하여 안내 광으로서 광-입구 에지에서 광 가이드로 광을 광학적으로 커플링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광원은 전술한 근안 디스플레이 시스템(200)의 광원(240)과 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 일부 실시형태에 따르면, 광을 광 가이드에 광학적으로 커플링하는 단계는 전술한 바와 같이, 소정의 콜리메이션 팩터로 안내 광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 아이 박스에 집중되는 회절적으로 커플링-아웃된 광을 제공하는 집광 백라이트, 근안(near-eye) 디스플레이 시스템 및 근안 디스플레이 동작 방법의 예시 및 실시형태가 설명되었다. 전술한 예는 본원에 설명된 원리를 나타내는 많은 특정 예들 중 일부를 설명하기 위한 것임을 이해해야 한다. 명백하게, 당업자는 다음의 청구 범위에 의해 정의된 범위를 벗어나지 않고 다수의 다른 장치를 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (22)

  1. 집광 백라이트에 있어서,
    광 가이드로서, 상기 광 가이드의 길이를 따라 광을 안내하도록 구성된 상기 광 가이드; 및
    상기 광 가이드의 표면에 있는 회절격자로서, 상기 회절격자는 회절적으로 커플링-아웃된 광(diffractively coupled-out light)으로서 상기 광 가이드로부터 상기 안내 광의 일부를 회절적으로 커플링-아웃(diffractively couple out)하고 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 상기 광 가이드 표면에 인접하여 그로부터 이격된 아이 박스(eyebox)로 집중시키도록 구성되는, 상기 회절격자를 포함하는, 집광 백라이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 아이 박스는 상기 광 가이드 표면에 평행한 평면 내에 위치된 2차원 아이 박스이고, 상기 회절격자는 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 2개의 직교 방향으로 상기 아이 박스의 상기 평행 평면에 집중시키도록 구성된 복수의 곡선 회절 피처들을 포함하는, 집광 백라이트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 곡선 회절 피처들은 곡률 중심을 갖는 동심의 곡선 리지 및 동심의 곡선 홈 중의 하나 또는 양쪽을 포함하는, 집광 백라이트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회절격자는 상기 광 가이드의 광-입구 에지(light-entrance edge)로부터의 거리의 함수로서 선형적으로 감소하는 인접한 회절 피처들 사이의 피처 간격을 갖는 회절 피처들을 포함하는, 집광 백라이트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 회절격자는 제1 회절 차수(first diffraction order)에 따라 상기 안내 광 일부를 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성되는, 집광 백라이트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 아이 박스의 폭은 25 밀리미터(25 mm) 미만인, 집광 백라이트.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 아이 박스는 사용자의 눈의 정상 적응 거리(normal accommodation distance) 미만인, 상기 광 가이드로부터의 거리에 위치되는, 집광 백라이트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 회절격자는 공간에 의해 분리된 복수의 회절격자 세그먼트들을 포함하고, 상기 복수의 회절격자 세그먼트들은 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 상기 아이 박스로 협력하여 집중시키도록 구성되는, 집광 백라이트.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 집광 백라이트는 상기 광 가이드 표면과 직교하는 방향으로 광학적으로 투명한, 집광 백라이트.
  10. 제 1 항에 따른 상기 집광 백라이트를 포함하는 근안 디스플레이(near-eye display)로서, 상기 근안 디스플레이는 상기 광 가이드와 상기 아이 박스 사이에 위치한 광 밸브 어레이를 더 포함하고, 상기 광 밸브 어레이는 상기 아이 박스 내에 이미지를 제공하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 변조하게 구성되며, 상기 이미지는 사용자에 의해 상기 아이 박스 내에 보이도록 구성되는, 근안 디스플레이.
  11. 근안 디스플레이 시스템에 있어서,
    광을 안내하도록 구성된 광 가이드;
    상기 광 가이드에 광학적으로 커플링되는 회절격자로서, 상기 회절격자는 상기 안내 광의 일부를 회절적으로 커플링-아웃하고 상기 광 가이드의 표면에 인접한 아이 박스에 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 집중시키도록 구성되는, 상기 회절격자; 및
    상기 광 가이드와 상기 아이 박스 사이에 위치하는 광 밸브 어레이로서, 상기 광 밸브 어레이는 상기 아이 박스에 이미지를 형성하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 변조하도록 구성되는, 상기 광 밸브 어레이를 포함하고,
    상기 형성된 이미지는 사용자에 의해 상기 아이 박스 내에서 볼 수 있도록 구성되는, 근안 디스플레이 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 회절격자는 상기 광 가이드의 광-입구 에지(light-entrance edge)로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 인접한 회절 피처들 사이의 피처 간격을 갖는 회절 피처들을 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 회절격자는 2차원 아이 박스로서 상기 아이 박스를 제공하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 2개의 직교 방향으로 집중시키도록 구성되는 복수의 곡선 회절 피처들을 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 광 가이드의 광-입구 에지에 광학적으로 커플링된 광원을 더 포함하며, 상기 광원은 소정의 콜리메이션 팩터(collimation factor)를 갖는 상기 안내 광으로서 상기 광 가이드 내로 광을 주입하도록 구성되는, 근안 디스플레이 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 광 가이드와 상기 아이 박스 사이에 위치한 다른 광 밸브 어레이를 더 포함하고, 상기 다른 광 밸브 어레이는 상기 아이 박스에 상기 이미지를 형성하도록 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 추가로 변조하도록 구성되고, 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광의 추가 변조는 사용자에게 안구 적응 신호(eye accommodation cues)를 제공하도록 구성되는, 근안 디스플레이 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 다른 광 밸브 어레이는 상기 사용자의 눈에 착용 되게 구성된 화소화된 콘택트렌즈를 포함하고, 상기 화소화된 콘택트렌즈는 사용자의 눈이 상기 아이 박스 내에 위치할 때 사용자의 눈에 들어오는 광의 양을 제어하도록 동작적으로 구성되는 개별적인 광 밸브들을 갖는, 근안 디스플레이 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 회절격자는 공간에 의해 서로 분리된 복수의 회절격자 세그먼트들을 포함하고, 상기 복수의 회절격자 세그먼트들은 상기 회절적으로 커플링-아웃된 광을 상기 아이 박스로 협력하여 집중시키도록 구성되는, 근안 디스플레이 시스템.
  18. 제 11 항에 있어서, 헤드 장착 디스플레이로서 사용자의 눈앞에 상기 근안 디스플레이 시스템을 위치시키도록 구성된 헤드셋을 더 포함하고, 상기 근안 디스플레이 시스템은 상기 아이 박스 내에 상기 사용자의 눈을 위치시키도록 상기 헤드셋에 의해 배치되며, 상기 근안 디스플레이 시스템은 증강 현실 시스템 및 가상현실 시스템 중의 하나인, 근안 디스플레이 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 근안 디스플레이 시스템은 상기 광 가이드 내의 상기 안내 광의 전파 방향과 직교하는 방향으로 광학적으로 투명하고, 상기 근안 디스플레이 시스템은 물리적 환경의 뷰 상에 상기 형성된 이미지를 중첩하도록 구성된 상기 증강현실 시스템인, 근안 디스플레이 시스템.
  20. 근안 디스플레이 동작 방법으로서, 상기 방법은,
    안내 광으로서 광 가이드에서 광을 안내하는 단계;
    회절격자를 사용하여 상기 광 가이드에 인접하여 위치된 아이 박스에 광을 집중시켜 상기 안내 광의 일부를 회절적으로 커플링 아웃하여 상기 아이 박스로 지향시키는(direct) 단계; 및
    상기 아이 박스 내에 이미지를 형성하도록 상기 광 가이드와 상기 아이 박스 사이의 광 밸브 어레이를 사용하여 상기 집중된 광을 변조하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 광원에 의해 제공된 광을, 상기 안내 광으로서 광-입구 에지에서 상기 광 가이드 내로 광학적으로 커플링하는 단계를 더 포함하고, 상기 광학적으로 커플링한 광은 상기 안내 광에 콜리메이션 팩터(collimation factor)를 제공하는, 근안 디스플레이 동작 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 회절격자는 상기 광 가이드의 광-입구 에지로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 피처 간격을 갖는 복수의 곡선 회절 피처들을 포함하는, 근안 디스플레이 동작 방법.
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