KR20180115311A - 디스플레이용 광학 시스템 - Google Patents

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에릭 제이. 한소테
구오린 펑
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세 백 오
폴 겔싱거-오스틴
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Abstract

전자 디바이스는 사용자의 눈 가까이에 이미지들을 제공하기 위한 디스플레이 시스템을 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템은 광을 지향시키는 디스플레이 유닛 및 디스플레이 유닛으로부터의 광을 사용자의 눈을 향해 방향전환하는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 도파관 상에 형성된 입력 커플러 및 출력 커플러를 포함할 수 있다. 입력 커플러는 디스플레이 유닛으로부터의 광을, 그것이 출력 커플러를 향해 도파관 내에서 전파되도록 방향전환할 수 있다. 출력 커플러는 입력 커플러로부터의 광을, 그것이 사용자의 눈을 향해 도파관을 빠져나가도록 방향전환할 수 있다. 광-방향전환 요소는 그렇지 않으면 사용자의 시야 외부에 있을 에지 광을, 사용자의 눈을 향해 방향전환하기 위해 사용될 수 있다.

Description

디스플레이용 광학 시스템
본 출원은 2017년 6월 6일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US2017/036205 및 2016년 6월 21일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/352,754호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원은 이로써 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 광학 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 근안(near-eye) 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것이다.
전자 디바이스는 사용자의 눈 가까이에 이미지들을 제공하는 근안 디스플레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가상 현실 및 증강 현실 헤드세트와 같은 디바이스는 사용자가 디스플레이를 볼 수 있게 하는 광학 요소들을 구비한 근안 디스플레이를 포함할 수 있다.
이와 같은 디바이스를 설계하는 것은 어려울 수 있다. 주의를 기울이지 않는다면, 근안 디스플레이에 의해 생성된 시야의 일부는 단일 눈 위치로부터 볼 수 없을 수 있다.
헤드-장착형 디바이스와 같은 전자 디바이스는 사용자를 위해 이미지들을 생성하는 하나 이상의 근안 디스플레이들을 가질 수 있다. 헤드-장착형 디바이스는 한 쌍의 가상 현실 안경일 수 있거나 또는 뷰어(viewer)가 컴퓨터-생성 이미지들 및 뷰어의 주변 환경 내의 실제 세계의 객체들 둘 모두를 볼 수 있게 하는 증강 현실 헤드세트일 수 있다.
근안 디스플레이는 광을 지향시키는 디스플레이 유닛 및 디스플레이 유닛으로부터 사용자의 눈을 향해 광을 방향전환하는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 도파관 상에 형성된 입력 커플러 및 출력 커플러를 포함할 수 있다. 입력 커플러는 디스플레이 유닛으로부터의 광을, 그것이 도파관 내에서 출력 커플러를 향해 전파되도록 방향전환할 수 있다. 출력 커플러는 입력 커플러로부터의 광을, 그것이 사용자의 눈을 향해 도파관을 빠져나가도록 방향전환할 수 있다. 입력 및 출력 커플러들은 얇은 홀로그램, 체적 홀로그램, 또는 표면 양각 격자(surface relief grating)와 같은 홀로그래픽 광학 요소들로부터 형성될 수 있다.
광-방향전환 요소는 그렇지 않으면 사용자의 시야 외부에 있을 광을, 사용자의 눈을 향해 방향전환 또는 재분배하기 위해 사용될 수 있다. 광-방향전환 요소는 디스플레이 유닛과 입력 커플러 사이에 개재되거나, 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 개재되거나, 출력 커플러와 통합될 수 있다.
광-방향전환 요소가 디스플레이 유닛과 입력 커플러 사이에 개재되는 구성에서, 광-방향전환 요소는 제2 도파관 상에 2차 입력 커플러 및 2차 출력 커플러를 포함할 수 있다.
광-방향전환 요소가 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 개재되는 구성에서, 광-방향전환 요소는, 1차 입력 및 출력 커플러들과 동일한 도파관 상에 2차 입력 커플러 및 2차 출력 커플러를 포함할 수 있다. 다른 구성에서, 광-방향전환 요소는 입력 커플러와 출력 커플러 사이의 (예컨대, 입력 및 출력 커플러 둘 모두로서 기능하는) 하나의 홀로그래픽 요소로부터 형성될 수 있다.
광-방향전환 요소가 출력 커플러와 통합(예컨대, 다중화)되는 구성에서, 광-방향전환 요소는 출력 커플러의 간섭 패턴들과 비-평행인 하나 이상의 간섭 패턴들을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 근안 디스플레이 시스템을 갖는 예시적인 전자 디바이스의 다이어그램이다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 도파관 기판 내에 적어도 부분적으로 임베딩된 입력 커플러 및 출력 커플러를 포함하는 광학 시스템을 갖는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 평면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른, 도파관 기판 상에 형성된 입력 커플러 및 출력 커플러를 포함하는 광학 시스템을 갖는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 광학 간섭 패턴들이 입력 커플러 및 출력 커플러 내에서 어떻게 엔코딩될 수 있는지를 보여주는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 정면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 디스플레이로부터의 광이 어떻게 광학 시스템을 향해 방출될 수 있는지를 보여주는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 측면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른, 광학 시스템이 디스플레이로부터의 광을 사용자의 눈을 향해 어떻게 방향전환할 수 있는지를 보여주는 도 4의 근안 디스플레이 시스템의 측면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른, 디스플레이와 입력 커플러 사이에 광-방향전환 요소를 포함하는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 측면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른, 그렇지 않으면 사용자의 시야 외부에 있을 광이 어떻게 사용자의 시야를 향해 방향전환되었는지를 보여주는 도 6의 근안 디스플레이 시스템의 측면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른, 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 광-방향전환 요소를 포함하는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 정면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른, 입력 커플러와 출력 커플러 사이의 공간에 걸쳐 있는 광-방향전환 요소를 포함하는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 정면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른, 출력 커플러와 통합된 또는 다중화된 광-방향전환 요소를 포함하는 예시적인 근안 디스플레이 시스템의 정면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른, 출력 커플러의 중앙에 통합된 광-방향전환 요소를 갖는 예시적인 출력 커플러의 정면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른, 출력 커플러의 치수를 따라 크기가 증가하는 통합된 또는 다중화된 광-방향전환 요소를 갖는 예시적인 출력 커플러의 정면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른, 출력 커플러 전체에 걸쳐 위치된 통합된 광-방향전환 요소를 갖는 예시적인 출력 커플러의 정면도이다.
하나 이상의 근안 디스플레이 시스템들을 갖는 디바이스를 갖는 예시적인 시스템이 도 1에 도시된다. 시스템(10)은 지지 구조체(12)에 장착된 근안 디스플레이(20)와 같은 하나 이상의 디스플레이들을 갖는 헤드-장착형 디바이스일 수 있다. 지지 구조체(12)는 한 쌍의 안경(예컨대, 지지 프레임)의 형상을 가지거나, 헬멧 형상을 갖는 하우징을 형성하거나, 또는 근안 디스플레이(20)의 구성요소들을 헤드 상에 또는 사용자의 눈 근처에 장착 및 고정시키는 것을 돕기 위한 다른 구성들을 가질 수 있다. 근안 디스플레이(20)는 디스플레이(20A)와 같은 하나 이상의 디스플레이 모듈들 및 광학 시스템(20B)과 같은 하나 이상의 광학 시스템들을 포함할 수 있다. 디스플레이 모듈(20A)은 지지 구조체(12)와 같은 지지 구조체 내에 장착될 수 있다. 디스플레이 모듈(20A)은 연관된 광학 시스템(20B)을 사용하여 사용자의 눈(16)을 향해 방향전환되는 광을 방출할 수 있다. 원하는 경우, 시스템(10)은, 각각이 개개의 디스플레이 모듈(20A) 및 광학 시스템(20B)을 갖는 두 개의 근안 디스플레이들(20)(예컨대, 사용자의 눈 각각에 대해 하나)을 포함할 수 있다.
디스플레이(20A)는 액정 디스플레이, 유기 발광 다이오드 디스플레이, 또는 다른 유형의 디스플레이일 수 있다. 광학 시스템(20B)은 뷰어(예컨대, 뷰어의 눈(16))가 디스플레이(20) 상의 이미지들을 볼 수 있게 하는 렌즈를 형성할 수 있다. 각각의 좌측 및 우측 눈(16)과 연관된 두 개의 광학 시스템들(20B)(예컨대, 좌측 및 우측 렌즈를 형성하기 위한)이 있을 수 있다. 단일 디스플레이(20)가 하나 또는 두 눈 모두(16)를 위해 이미지들을 생성하거나, 한 쌍의 디스플레이(20)가 눈(16)을 위해 이미지들을 디스플레이하는데 사용될 수 있다. 예로서, 디스플레이들(20)은 좌측 광학 시스템(20B) 및 뷰어의 좌측 눈과 정렬된 좌측 디스플레이 모듈(20A)을 포함할 수 있고, 우측 광학 시스템(20B) 및 뷰어의 우측 눈과 정렬된 우측 디스플레이 모듈(20A)을 포함할 수 있다. 다수의 디스플레이들을 갖는 구성들에서, 구성요소들(20B)에 의해 형성된 렌즈들의 초점 거리 및 위치들은 디스플레이들 사이에 존재하는 임의의 갭이 사용자에게 보이지 않을 수 있도록(즉, 좌측 및 우측 디스플레이들의 이미지들이 중첩되거나 이음매 없이 병합되도록) 선택될 수 있다.
시스템(10)이 한 쌍의 가상 현실 안경인 구성들에서, 근안 디스플레이(20)는 사용자의 주변 환경의 사용자의 시야를 흐릿하게 할 수 있다. 시스템(10)이 한 쌍의 증강 현실 안경인 구성에서, 디스플레이(20)는, 뷰어(16)가 디스플레이(20) 상의 이미지들 및 주변 환경의 객체(18)와 같은 외부 객체들을 동시에 볼 수 있게 하기 위해, 투명할 수 있고/있거나 디스플레이(20)가 반-도금(half silvered) 거울과 같은 광학 믹서들과 함께 제공될 수 있다.
시스템(10)은 제어 회로부(26)를 포함할 수 있다. 제어 회로부(26)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로제어기, 기저대역 프로세서, 이미지 프로세서, 프로세싱 회로부를 갖는 응용-특정 집적 회로, 및/또는 다른 프로세싱 회로부와 같은 프로세싱 회로부를 포함할 수 있고, 랜덤-액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 저장소, 하드 디스크 저장소, 및/또는 다른 저장소(예컨대, 제어 회로부(26) 상에서 동작하는 소프트웨어를 위한 컴퓨터 명령어들을 저장하기 위한 비-일시적 저장 매체)를 포함할 수 있다.
시스템(10)은 터치 센서, 버튼, 음성 입력 및 다른 입력을 모으기 위한 마이크로폰, 센서, 및 입력(예컨대, 뷰어(16)로부터의 사용자 입력)을 모으는 다른 디바이스들과 같은 입출력 회로부를 포함할 수 있고, 발광 다이오드, 하나 이상의 디스플레이(20), 스피커, 및 출력(예컨대, 뷰어(16)를 위한 출력)을 제공하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 시스템(10)은, 원하는 경우, 컴퓨터 또는 다른 외부 장비(예컨대, 디스플레이(들)(20)에 이미지 콘텐츠를 공급하는 컴퓨터)와의 통신을 지원하기 위한 무선 회로부 및/또는 다른 회로부를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 가속도계, 콤파스, 주변광 센서 또는 다른 광 검출기, 근접 센서, 스캐닝 레이저 시스템, 이미지 센서, 및/또는 다른 센서와 같은 센서가 디스플레이(20)의 동작 중에 입력을 모으는데 사용될 수 있다. 동작 중에, 제어 회로부(26)는 이미지 콘텐츠를 디스플레이(20)에 공급할 수 있다. 콘텐츠는 (예컨대, 시스템(10)에 결합된 컴퓨터 또는 다른 콘텐츠 소스로부터) 원격으로 수신될 수 있고/있거나 제어 회로부(26)에 의해 생성될 수 있다(예컨대, 텍스트, 기타 컴퓨터-생성 콘텐츠, 등). 제어 회로부(26)에 의해 디스플레이(20)에 공급되는 콘텐츠를 뷰어(16)가 볼 수 있다.
도 2는 도 1의 시스템(10)에서 사용될 수 있는 예시적인 근안 디스플레이(20)의 평면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이(20)는 디스플레이 모듈(20A)과 같은 하나 이상의 디스플레이 모듈들 및 광학 시스템(20B)과 같은 광학 시스템을 포함할 수 있다. 광학 시스템(20B)은 도파관(28), 입력 커플러(30), 및 출력 커플러(32)와 같은 광학 요소들을 포함할 수 있다. 디스플레이 모듈(20A)은 디스플레이 유닛(36) 및 시준 렌즈(34)를 포함할 수 있다. 원하는 경우, 디스플레이 모듈(20A)이 도 1의 지지 구조체(12) 내에 장착될 수 있고, 동시에 광학 시스템(20B)이 (예컨대, 사용자의 눈(16)과 정렬되는 렌즈를 형성하기 위해) 지지 구조체(12)의 부분들 사이에 장착될 수 있다 원하는 경우, 다른 장착 구성들이 사용될 수 있다.
디스플레이 유닛(36)은 액정 디스플레이, 유기 발광 다이오드 디스플레이, 캐소드 레이 튜브, 플라즈마 디스플레이, 프로젝터 디스플레이(예컨대, 마이크로미러들의 어레이에 기초한 프로젝터), 실리콘 디스플레이 상의 액정, 또는 다른 적합한 유형의 디스플레이에 기초한 디스플레이 유닛일 수 있다. 디스플레이(36)는 뷰어(16)에게 디스플레이될 3차원 콘텐츠와 연관된 광(38)을 생성할 수 있다. 광(38)은 시준 렌즈(34)와 같은 렌즈를 사용하여 시준될 수 있다. 광학 시스템(20B)은 디스플레이 유닛(36)으로부터 출력되는 광(38)을 뷰어(16)에게 제공하는데 사용될 수 있다.
광학 시스템(20B)은 입력 커플러(30) 및 출력 커플러(32)와 같은 하나 이상의 커플러들을 포함할 수 있다. 도 2a의 예에서, 입력 커플러(30) 및 출력 커플러(32)는 도파관(28)과 같은 도파관 구조체(예컨대, 중합체, 유리, 또는 전체 내부 반사를 통해 광을 안내할 수 있는 다른 투명 기판) 내에 적어도 부분적으로 임베딩된다. 도 2b의 예에서, 입력 커플러(30) 및 출력 커플러(32)는 도파관(28)의 외부 표면 상에 형성된다.
입력 커플러(30)는 디스플레이 유닛(36)으로부터의 광(38)을 도파관(28) 내에 결합시키도록 구성될 수 있는 반면, 출력 커플러(32)는 도파관(28) 내로부터의 광(38)을 사용자의 눈(16)을 향해 도파관(28) 외부에 결합시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(36)는 광학 시스템(20B)을 향해 방향 Z로 광(38)을 방출할 수 있다. 광(38)이 입력 커플러(30)에 충돌할 때, 입력 커플러(30)는 광(38)을, 그것이 출력 커플러(32)를 향해(예컨대, X 방향으로) 전체 내부 반사를 통해 도파관(28) 내에서 전파되도록 방향전환할 수 있다. 광(38)이 출력 커플러(32)에 충돌할 때, 출력 커플러(32)는 광(38)을 뷰어의 눈(16)을 향해(예컨대, Z-축을 따라 뒤쪽으로) 도파관(28) 외부로 방향전환할 수 있다.
입력 커플러(30) 및 출력 커플러(32)는 반사 및 굴절 광학을 기반으로 하거나 홀로그래픽(예컨대, 회절) 광학을 기반으로 할 수 있다. 커플러(30, 32)가 반사 및 굴절 광학으로부터 형성되는 구성들에서, 커플러(30, 32)는 하나 이상의 반사기들(예컨대, 마이크로미러들 또는 다른 반사기들의 어레이)을 포함할 수 있다. 커플러들(30, 32)이 홀러그래픽 광학에 기초하는 구성들에서, 커플러들(30, 32)은 포토폴리머와 같은 체적 홀로그래픽 매체, 중크롬산 젤라틴과 같은 젤라틴, 할로겐화 은, 홀로그래픽 폴리머 분산 액정, 또는 다른 적합한 체적 홀로그래픽 매체를 포함할 수 있다.
홀로그래픽 기록은 감광성 광학 재료 내에 광학 간섭 패턴(예컨대, 상이한 굴절률의 교대 영역)으로서 저장될 수 있다. 광학 간섭 패턴은, 주어진 광원으로 조명될 때, 광을 회절시켜 홀로그래픽 기록의 3 차원 재구성을 생성하는 홀로그래픽 격자를 생성할 수 있다. 회절 격자는 영구 간섭 패턴으로 인코딩된 스위칭 불가(non-switchable) 회절 격자일 수 있거나 또는 회절된 광이 홀로그래픽 기록 매체에 인가된 전기장을 제어함으로써 변조될 수 있는 스위칭가능 회절 격자일 수 있다.
원하는 경우, 커플러들(30, 32)은 도파관(28)의 두께에 비해 상대적으로 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 커플러들(30, 32)의 두께(T1)는 500 마이크론과 1000 마이크론 사이, 200 마이크론과 800 마이크론 사이, 1000 마이크론 초과, 또는 다른 적합한 두께일 수 있는 반면, 도파관(28)의 두께(T2)는 100 마이크론과 500 마이크론 사이, 200 마이크론과 300 마이크론 사이, 1 mm와 2mm 사이, 3 mm 미만, 3 mm 초과, 또는 다른 적합한 두께일 수있다. 도 2b에 도시된 바와 같이 커플러들(30, 32)이 도파관(28)의 표면 상에 형성되는 구성들에서(예컨대, 도 2a에 도시된 바와 같이 도파관(28) 내에 임베딩된 것과는 대조적으로), 원하는 경우, 커플러들(30, 32)의 두께(T1)는 도파관(28)의 두께(T2)보다 클 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 커플러들(30, 32)은 상대적으로 얇을 수 있고(예컨대, 50 마이크론), 도파관(28)은 상대적으로 두꺼울 수 있다(예컨대, 500 마이크론).
커플러들(30, 32)을 위해 두꺼운 필름을 사용하는 것은 출력 이미지에서 균일성을 향상시키는 것을 도울 수 있고, 상이한 광학 기능들을 기록하기 위한 더 많은 물질을 제공할 수 있다. 예를 들어, 더 두꺼운 커플러들의 경우, 상이한 간섭 패턴들을 기록하는데 더 많은 물질이 이용 가능하다(예컨대, 제1 광학 기능을 갖는 제1 간섭 패턴이 커플러 내의 하나의 깊이에 기록될 수 있고, 제2 광학 기능을 갖는 제2 간섭 패턴이 커플러 내의 다른 깊이에 기록될 수 있다, 등). 예를 들어, 커플러(30)에 기록된 하나의 광학 기능은 주어진 입력 각도를 가진 광을 제1 출력 각도(예컨대, 45°)로 방향전환할 수 있는 반면, 커플러(30)에 기록된 다른 광학 기능은 주어진 입력 각도를 가진 광을 제2 출력 각도(예컨대, 60°)로 방향전환할 수 있다.
원하는 경우, 커플러들(30, 32)은 유색 3차원 이미지를 형성하기 위한 다중 홀로그램(예컨대, 적-녹-청 홀로그램과 같은 3색 홀로그램)일 수 있다. 각각의 커플러(30, 32) 내의 회절 효율은 광이 각각의 커플러를 매끄럽고 균일한 방식으로 빠져나가도록 변조될 수 있다(예컨대, 커플러(30, 32)의 폭에 걸쳐 변할 수 있다). 예를 들어, 회절 효율은 광원으로부터 더 멀리 있는 영역들에서 더 높을 수 있다(예컨대, 예를 들어 디스플레이 유닛(36)에 더 가까이 있는 커플러(30 또는 32)의 영역 내의 회절 효율이 10%일 수 있는 반면, 디스플레이 유닛(36)으로부터 더 멀리 있는 커플러(30 또는 32)의 영역 내의 회절 효율은 70%일 수 있다).
도 3은 근안 디스플레이 시스템(20)에서 사용될 수 있는 예시적인 광학 시스템(20B)의 정면도이다. 도 3의 예에서, 입력 커플러(30)는 출력 커플러(32)보다 다소 작다. 입력 커플러(30)는, 예를 들어, 약 16 mm의 폭(W1) 및 약 32 mm의 길이(L1)를 가질 수 있는 반면, 출력 커플러(32)는 약 37 mm의 폭(W2) 및 약 26 mm의 길이를 가질 수 있다. 입력 커플러(30)의 중심과 출력 커플러(32)의 중심 사이의 거리(D)는 약 45 mm이거나 다른 적합한 거리일 수 있다. 그러나, 이들 치수들은 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 다른 치수들이 사용될 수 있다(예컨대, 입력 커플러(30)는 출력 커플러(32)와 동일한 사이즈이거나 더 클 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입력 커플러(30)는 하나 이상의 광학 간섭 패턴들(40)을 가지고 출력 커플러(32)는 하나 이상의 광학 간섭 패턴들(42)을 가진다. 각각의 광학 간섭 패턴은 연관된 광학 기능에 따라 입사 광(38)을 방향전환할 수 있다. 도 3의 예에서, 간섭 패턴들(40, 42)이 교대하는 굴절률의 수직 스트립들(예컨대, 도 3의 Y-축에 평행한 스트립들)로부터 형성된다. 이는 유입 광을 원하는 각도로 방향전환하는 회절 격자를 형성한다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 타입의 광학 시스템(20B)이 어떻게 사용자의 눈(16)을 향해 광을 방향전환할 수 있는지를 보여주는 예시적인 근안 디스플레이(20)의 측면도이다. 도 4는 광이 어떻게 광학 시스템(20B) 내로 입력되는지를 보여주고, 도 5는 광이 어떻게 광학 시스템(20B)을 빠져나가는지를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 디스플레이 유닛(36)은 광(38)을 광학 시스템(20B)을 향해 방출할 수 있다. 시준 렌즈(34)는 광학 시스템(20B) 상에 광(38)을 포커싱하도록 광(38)을 시준할 수 있다. 시준기(34)로부터 시스템(20B)으로 이동하는 광(38)은 X-성분(X-축에 평행), Y-성분(Y-축에 평행), 및 Z-성분(Z-축에 평행)을 갖는 벡터에 의해 표시될 수 있다.
입력 커플러(30) 내의 간섭 패턴들(40)은 유입 광(38)을, 그것이 출력 커플러(32)를 향해 도파관(28) 내에서 X-축을 따라 전파될 수 있도록 방향전환할 수 있다. 출력 커플러(32) 내의 간섭 패턴들(42)은 유입 광(38)을, 그것이 X-방향으로 전파되는 것을 멈추고 대신에 방향 Z로 도파관(28)을 빠져나가도록 방향전환할 수 있다(도 5에 도시된 바와 같음).
주의를 기울이지 않는다면, 광(38)의 일부가 뷰어의 눈(16)의 시야 외부에 있을 수 있다. 예를 들어, 에지 광선(38')과 같은 일부 광선들은 사용자의 눈(16)에 도달하지 않을 수 있다. 이는 도 3의 수직-스트립 간섭 패턴들(40, 42)이 입사 광(38)의 X-성분을 변경(예컨대, 광(38)이 출력 커플러(32)를 향해 방향 X로 전파되도록)하지만 입사 광(38)의 Y-성분을 변경하지 않기 때문이다. 따라서, 출력 커플러(32)의 상부(50T) 및 하부(50B)로부터 출력 커플러(32)를 빠져나가는 광선들(38)은 사용자의 시야 위 또는 아래로 통과할 수 있다.
사용자의 시야 외부에 있는 광(38)의 양을 최소화하기 위해, 근안 디스플레이 시스템(20)은 에지 광(예컨대, 도 4의 광(38'))을, 그것이 사용자의 시야 내에 있도록 상이한 장소로 방향전환하는 광-방향전환 요소를 포함할 수 있다. 도 6 및 도 7은 광-방향전환 요소(48)가 입력 커플러(30) 앞에(예컨대, 디스플레이(36)와 입력 커플러(30) 사이에) 위치되어 있는 예를 도시한다. 도 8 및 도 9는 광-방향전환 요소(48)가 입력 커플러(30)와 출력 커플러(32) 사이에 위치되어 있는 예들을 도시하고; 도 10 내지 도 13은 광-방향전환 요소(48)가 출력 커플러(32)와 통합되어 있는 예들을 도시한다. 원하는 경우, 도 1 내지 도 13에 도시된 피쳐들의 조합을 활용하는 실시예들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 광-방향전환 요소들은 하나 초과의 위치에 위치될 수 있다(예컨대, 제1 광-방향전환 요소가 입력 커플러(30)와 출력 커플러(32) 사이에 위치될 수 있고, 제2 광-방향전환 요소가 출력 커플러(32)와 통합될 수 있다).
원하는 경우, 광-방향전환 요소(48)는 유색 3차원 이미지들을 형성하기 위한 다중 홀로그램(예컨대, 적-녹-청 홀로그램과 같은 3색 홀로그램)을 포함할 수 있다. 광-방향전환 요소(48) 내의 회절 효율은 변조될 수 있다(예컨대, 광이 광-방향전환 요소(48)를 매끄럽고 균일한 방식으로 빠져나가도록 광-방향전환 요소(48)의 폭에 걸쳐 달라질 수 있다. 예를 들어, 회절 효율은 광원으로부터 더 멀리 있는 영역들에서 더 높을 수 있다(예컨대, 예를 들어 디스플레이 유닛(36)에 더 가까이 있는 광-방향전환 요소(48)의 영역 내의 회절 효율이 10%일 수 있는 반면, 디스플레이 유닛(36)으로부터 더 멀리 있는 커플러 광 방향전환 요소(48)의 영역 내의 회절 효율은 70%일 수 있다).
도 6에 도시된 바와 같이, 광-방향전환 요소(48)는 도파관(46)과 같은 도파관 상에 형성된 입력 커플러(52) 및 출력 커플러(54)를 포함할 수 있다. 광-방향전환 요소(48)는 광학 시스템(20B)에 부착될 수 있거나 디스플레이(20) 내의 다른 구조체들에 장착될 수 있다. 광-방향전환 요소(48)는 광학 시스템(20B)과 유사하게 동작할 수 있다. 예를 들어, 커플러들(52, 54)은 주어진 광학 기능에 따라 입사 광을 방향전환하는 엔코딩된 간섭 패턴들을 갖는 홀로그래픽 광학 요소들일 수 있다. 그러나, 광을 X-방향으로 전파하는 대신, 광학 시스템(20B)에서와 같이, 광-방향전환 요소(48)가 Y-방향을 따라(예컨대, 입력 커플러(52)로부터 출력 커플러(54)로) 광을 전파하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 입력 커플러(52)는 디스플레이 모듈(20A)로부터의 에지 광(38')을, 그것이 출력 커플러(54)를 향해 총 내부 반사를 통해 방향 Y로 도파관(46) 내에서 전파되도록 방향전환하는 하나 이상의 간섭 패턴들을 가질 수 있다. 출력 커플러(54)는 광(38')이 광학 시스템(20B)을 향해 요소(48)를 빠져나가도록 광(38')을 방향전환할 수 있다. (대시 선(44)에 의해 표시된 바와 같이) 입력 커플러(30)의 상부(56T)에 충돌하는 대신, 광(38')은 입력 커플러(30)의 하부(56B)를 향해 방출된다. 따라서, 광(38')이 도 7에 도시된 바와 같이 출력 커플러(32)를 빠져나갈 때, 그것은 사용자의 눈(16)을 향해 출력 커플러(32)의 하부(50B)로부터 빠져나갈 것이다(화살표(44)에 의해 표시된 것과 같이 출력 커플러(32)의 상부(50T)로부터 빠져나가는 것과 대조적으로).
입력 커플러(52) 및 출력 커플러(54)가 도파관(46) 내에 임베딩된 도 6의 예는 단지 예시적이다. 원하는 경우, 커플러들(52, 54)은 도파관(46)의 외부 표면에 부착될 수 있다(예컨대, 디스플레이 유닛(36)에 대면하는 도파관(46)의 전면 상에 둘 모두, 도파관(28)에 대면하는 도파관(46)의 후면 상에 둘 모두, 또는 도파관(46)의 전면 상에 하나 및 도파관(46)의 후면 상에 다른 하나).
도 8의 예에서, 광-방향전환 요소(48)는 입력 커플러(30)와 출력 커플러(32) 사이에 개재될 수 있다. 개별 도파관 상에 장착되는 것 대신, 도 6의 예에서와 같이, 광-방향전환 요소(48)의 입력 커플러(52) 및 출력 커플러(54)는 입력 커플러(30)와 출력 커플러(32) 사이의 도파관(28) 상에 또는 내에 형성된다.
입력 커플러(30)는 에지 광(38')이 입력 커플러(52)를 향해 X-방향으로 전파되도록 에지 광(38')을 방향전환할 수 있다. 입력 커플러(52)는 입력 커플러(30)로부터의 에지 광(38')을 그것이 출력 커플러(54)를 향해 총 내부 반사를 통해 방향 Y로 도파관(28) 내에서 전파되도록 방향전환하는 하나 이상의 간섭 패턴들을 가질 수 있다. 출력 커플러(54)는 광(38')이 출력 커플러(32)를 향해 X-방향으로 전파되도록 광(38')을 방향전환하는 하나 이상의 간섭 패턴들을 가질 수 있다. 출력 커플러(32)는 출력 커플러(54)로부터의 광을, 그것이 사용자의 눈(16)을 향해 도파관(28)을 빠져나가도록 방향전환할 수 있다(화살표(44)에 의해 표시된 것과 같이 출력 커플러(32)의 상부(50T)로부터 빠져나가는 것과 대조적으로).
도 9는 광-방향전환 요소(48)가 입력 커플러(30)와 출력 커플러(32) 사이에 개재된 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 광-방향전환 요소(48)는 출력 커플러(32)의 길이(L2)보다 큰 길이(L3)를 갖는 필름으로부터 형성된다. 광-방향전환 요소(48)는 Y-축에 대해 비-평행인 간섭 패턴들(62)을 가진다. 간섭 패턴들(32)은 광(38')이 사용자의 눈(16)을 향해 지향되도록 광(38')의 Y-성분을 방향전환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 광-방향전환 요소(48)의 상부(48T) 내의 간섭 패턴(62)은 상부(48T)에 충돌하는 에지 광(38')의 Y-성분을 광-방향전환 요소(48)의 하부(48B) 내의 간섭 패턴(62)을 향해 Y-방향으로 아래쪽으로 방향전환할 수 있고, 이는 결국 에지 광(38')의 Y-성분을 출력 커플러(32)를 향해 위쪽으로 방향전환할 수 있다. 유사하게, 광-방향전환 요소(48)의 하부(48B) 내의 간섭 패턴(62)은 하부(48B)에 충돌하는 에지 광(38')의 Y-성분을 광-방향전환 요소(48)의 상부(48T) 내의 간섭 패턴(62)을 향해 Y-방향으로 위쪽으로 방향전환할 수 있고, 이는 결국 에지 광(38')의 Y-성분을 출력 커플러(32)를 향해 아래쪽으로 방향전환할 수 있다. 출력 커플러(32)는 광-방향전환 요소(48)로부터의 광을, 그것이 사용자의 눈(16)을 향해 도파관(28)을 빠져나가도록 방향전환할 수 있다.
도 10의 예에서, 하나 이상의 광-방향전환 요소들(48)이 출력 커플러(32) 내에 통합될 수 있다. 도 10의 광-방향전환 요소들(48)은 커플러(32) 내에 엔코딩된 광학 간섭 패턴들을 포함할 수 있다. 따라서, 커플러(32)는 Y-축에 평행한 간섭 패턴들(42)의 수직 스트립들뿐만아니라, 또한 Y-축에 비-평행인 간섭 패턴들(58)도 포함한다. 간섭 패턴들(58)은 광(38')이 사용자의 눈(16)을 향해 지향되도록 광(38')의 Y-성분을 방향전환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 출력 커플러(32)의 상부(50T) 내의 간섭 패턴(58)은 상부(50T)에 충돌하는 에지 광(38')의 Y-성분을 눈 레벨(60)을 향해 Y-방향으로 아래쪽으로 방향전환할 수 있는 반면, 출력 커플러(32)의 하부(50B) 내의 간섭 패턴(58)은 하부(50B)에 충돌하는 에지 광(38')의 Y-성분을 눈 레벨(60)을 향해 Y-방향으로 위쪽으로 방향전환할 수 있다.
간섭 패턴들(58)이 출력 커플러(50)의 상부(50T)와 하부(50B) 내에만 위치된 도 10의 예는 단지 예시적이다. 원하는 경우, 간섭 패턴들(58)은 도 11의 예에 도시된 바와 같이, 출력 커플러(32)의 중심부(50C)에서 엔코딩될 수 있다. 도 12의 예에서, 간섭 패턴들(58)은 출력 커플러(32)의 중심부(50C)에서 엔코딩되고 X-방향을 따라 사이즈가 증가한다(예컨대, 사이즈 P1에서 사이즈 P2로). 이는 광이 출력 커플러(32)로부터 매끄럽고 균일한 방식으로 회절되는 것을 보장하도록 도울 수 있다. 도 13의 예에서, 간섭 패턴들(58)은 출력 커플러(32) 전체에 걸쳐 엔코딩된다. 그러나, 이들 예들은 단지 예시적이다. 원하는 경우, 간섭 패턴들(58)은 출력 커플러(32) 내에서 다른 적합한 위치, 사이즈, 패턴, 등으로 엔코딩될 수 있다. (예컨대, Y-축에 비-평행인 간섭 패턴들을 엔코딩함으로써) 광-방향전환 요소(48)가 입력 커플러(30)와 통합된 배열들이 또한 사용될 수있다.
일 실시예에 따르면, 디스플레이 유닛, 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 광학 시스템은, 입력 커플러, 출력 커플러, 및 제1 방향을 따라 광을 전파하는 제1 도파관을 포함함 -, 및 디스플레이 유닛과 광학 시스템 사이에 개재된 광-방향전환 요소 - 광-방향전환 요소는 제2 방향을 따라 광을 전파하는 제2 도파관을 포함함 - 를 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 입력 커플러 및 출력 커플러 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 입력 커플러는 광-방향전환 요소로부터 광을 수신하고 출력 커플러를 향해 광을 방향전환한다.
다른 실시예에 따르면, 출력 커플러는 입력 커플러로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 광을 방향전환한다.
다른 실시예에 따르면, 광-방향전환 요소는 제2 도파관 상에 추가의 입력 커플러 및 추가의 출력 커플러를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 추가의 입력 커플러 및 추가의 출력 커플러 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 추가의 입력 커플러는 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 추가의 출력 커플러를 향해 광을 방향전환한다.
다른 실시예에 따르면, 추가의 출력 커플러는 추가의 입력 커플러로부터 광을 수신하고 입력 커플러를 향해 광을 방향전환한다.
다른 실시예에 따르면, 제1 방향은 제2 방향에 수직이다.
일 실시예에 따르면, 디스플레이 유닛, 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 광학 시스템은 제1 입력 커플러, 제1 출력 커플러, 및 도파관을 포함함 -, 및 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 개재된 광-방향전환 요소 - 광-방향전환 요소는 도파관 상에 제2 입력 커플러 및 제2 출력 커플러를 포함하고, 제2 입력 커플러는 제1 입력 커플러로부터 광을 수신하고 제1 출력 커플러는 제2 출력 커플러로부터 광을 수신함 - 를 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 입력 커플러들 및 제1 및 제2 출력 커플러들 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 도파관은 제1 방향을 따라 제1 입력 커플러로부터 제2 입력 커플러로 광을 전파하고 도파관은 제2 방향을 따라 제2 입력 커플러로부터 제2 출력 커플러로 광을 전파한다.
다른 실시예에 따르면, 제1 방향은 제2 방향에 수직이다.
다른 실시예에 따르면, 제1 입력 커플러는 제1 출력 커플러보다 작은 치수를 가진다.
일 실시예에 따르면, 디스플레이 유닛, 및 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 광학 시스템은 입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러로부터 출력 커플러로 광을 전파하는 도파관을 포함하고, 출력 커플러는 제1 및 제2 비-평행 간섭 패턴들을 포함함 - 을 포함하는, 디스플레이 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 입력 및 출력 커플러들의 두께는 도파관의 두께보다 크다.
다른 실시예에 따르면, 입력 및 출력 커플러들 각각은 홀로그래픽 광학 요소들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 홀로그래픽 광학 요소들은 색 다중화(color multiplex)된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 간섭 패턴들 각각이 변조된 굴절 효율을 가진다.
다른 실시예에 따르면, 제2 간섭 패턴이 출력 커플러의 상부 및 출력 커플러의 하부에 위치된다.
상기 내용은 단지 예시일 뿐이며, 기술된 실시예들에 대해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 디스플레이 시스템으로서,
    디스플레이 유닛;
    상기 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 상기 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 입력 커플러, 출력 커플러, 및 제1 방향을 따라 광을 전파하는 제1 도파관을 포함함 -; 및
    상기 디스플레이 유닛과 상기 광학 시스템 사이에 개재된 광-방향전환 요소 - 상기 광-방향전환 요소는 제2 방향을 따라 광을 전파하는 제2 도파관을 포함함 - 를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 커플러 및 상기 출력 커플러 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입력 커플러는 상기 광-방향전환 요소로부터 상기 광을 수신하고 상기 출력 커플러를 향해 상기 광을 방향전환하는, 디스플레이 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 출력 커플러는 상기 입력 커플러로부터 상기 광을 수신하고 상기 광학 시스템 외부로 상기 광을 방향전환하는, 디스플레이 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 광-방향전환 요소는 상기 제2 도파관 상에 추가의 입력 커플러 및 추가의 출력 커플러를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 추가의 입력 커플러 및 상기 추가의 출력 커플러 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 추가의 입력 커플러는 상기 디스플레이 유닛으로부터 상기 광을 수신하고 상기 추가의 출력 커플러를 향해 상기 광을 방향전환하는, 디스플레이 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 추가의 출력 커플러는 상기 추가의 입력 커플러로부터 상기 광을 수신하고 상기 입력 커플러를 향해 상기 광을 방향전환하는, 디스플레이 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 수직인, 디스플레이 시스템.
  10. 디스플레이 시스템으로서,
    디스플레이 유닛;
    상기 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 상기 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 제1 입력 커플러, 제1 출력 커플러, 및 도파관을 포함함 -; 및
    상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 개재된 광-방향전환 요소 - 상기 광-방향전환 요소는 상기 도파관 상에 제2 입력 커플러 및 제2 출력 커플러를 포함하고, 상기 제2 입력 커플러는 상기 제1 입력 커플러로부터 상기 광을 수신하고 상기 제1 출력 커플러는 상기 제2 출력 커플러로부터 상기 광을 수신함 - 를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 입력 커플러들 및 상기 제1 및 제2 출력 커플러들 각각은 홀로그래픽 광학 요소를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 도파관은 제1 방향을 따라 상기 제1 입력 커플러로부터 상기 제2 입력 커플러로 광을 전파하고 상기 도파관은 제2 방향을 따라 상기 제2 입력 커플러로부터 상기 제2 출력 커플러로 광을 전파하는, 디스플레이 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 수직인, 디스플레이 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 입력 커플러는 상기 제1 출력 커플러보다 작은 치수를 갖는, 디스플레이 시스템.
  15. 디스플레이 시스템으로서,
    디스플레이 유닛; 및
    상기 디스플레이 유닛으로부터 광을 수신하고 광학 시스템 외부로 상기 광을 방향전환하는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 입력 커플러, 출력 커플러, 및 상기 입력 커플러로부터 상기 출력 커플러로 광을 전파하는 도파관을 포함하고, 상기 출력 커플러는 제1 및 제2 비-평행 간섭 패턴들을 포함함 - 을 포함하는, 디스플레이 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 입력 및 출력 커플러들의 두께는 상기 도파관의 두께보다 큰, 디스플레이 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 입력 및 출력 커플러들 각각은 홀로그래픽 광학 요소들을 포함하는, 디스플레이 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 홀로그래픽 광학 요소들은 색 다중화(color multiplex)되는, 디스플레이 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 간섭 패턴들 각각은 변조된 굴절 효율을 가지는, 디스플레이 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제2 간섭 패턴이 상기 출력 커플러의 상부 및 상기 출력 커플러의 하부에 위치되는, 디스플레이 시스템.
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