KR20190002425U - 가요성 층을 구비한 도광 광학 소자 - Google Patents

가요성 층을 구비한 도광 광학 소자 Download PDF

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Abstract

도광 광학 소자를 구비한 광학 장치가 개시된다. 도광 광학 소자는 제1 경질층, 제2 경질층, 및 제1 경질층 및 제2 경질층 사이에 개재되어(interposed) 기계적으로 연결하는 폴리머 재료의 가요성층을 포함하고, 도광 광학 소자는 내부 전반사가 발생하는 두 개의 주요 평행 내부 표면을 갖고, 경질층 중 적어도 하나는 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하고, 부분 반사 표면은 외부 표면에 대해 평행하지 않다.

Description

가요성 층을 구비한 도광 광학 소자{LIGHT GUIDE OPTICAL ELEMENT WITH FLEXIBLE LAYER}
본 고안은 도광(道光) 광학 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가요성-층을 구비한 도광(light guide) 광학 소자에 관한 것이다.
근안용 디스플레이(near eye display)에 사용되는 것과 같은 도광 광학 소자(도파관이라고도 불리는)에는 도파관으로 도입되는 광의 내부 전반사를 생성하기에 충분한 편평도(flatness) 및 평활도(smoothness)를 모두 보장하기 위해 고품질의 광학 재료로 만들어진 평행한 외부 표면이 필요하다. 이상적으로는, 이러한 외부 표면은 유리처럼 단단한 재료로 만들어진다. 불행히도, 단단한 재료는 충역을 받을때 날카로운 단편으로 부서지는 경향이 있다. 사용시, 근안용 디스플레이는 전형적으로 사용자의 눈 가까이에 위치한다. 이러한 도파관이 날카로운 단편으로 부서질 경우, 이는 사용자에게 심각한 위험을 제기할 것이다.
본 고안은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 고안의 일 양태에 따르면, 도광 광학 소자를 갖는 광학 장치가 제공된다. 도광 광학 소자는 제1 경질층, 제2 경질층, 및 제1 경질층 및 제2 경질층 사이에 개재되어(interposed) 기계적으로 연결하는 폴리머 재료의 가요성층을 포함하고, 도광 광학 소자는 내부 전반사가 발생하는 두 개의 주요 평행 내부 표면을 갖고, 경질층 중 적어도 하나는 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하고, 부분 반사 표면은 외부 표면에 대해 평행하지 않다.
가요성층은 경질층에 인덱스 매칭(index)되거나 상기 경질층 각각과 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 가요성층은 안전 유리 속성을 제공하기에 충분한 인장 강도를 갖는 재료로 만들어지며, 폴리비닐 부티랄(PVB), 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 및 에틸렌-메타크릴 산(아이아노플라스트)로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다. 각각의 경질층은 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함할 수 있다. 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면은 제1 경질층내에 포함될 수 있다.
도광 광학 소자는 제2 경질층 내에 제2 세트의 상호 평행한 부분 반사 표면을 추가로 포함할 수 있고, 제2 경질층의 부분 반사 표면은 제1 경질층의 부분 반사 표면에 평행하지 않을 수 있다. 도광 광학 소자는 가요성층과 적어도 하나의 경질층 사이에 개재된 적어도 하나의 제3 층을 추가로 포함할 수 있는데, 적어도 하나의 제3 층은 부분 반사성이고 도광 관학 소자의 적어도 일부분을 가로질러 연장된다. 도광 광학 소자는 근안용 디스플레이의 일부일 수 있다. 도광 광학 소자는 내부 전반사에 의해 도광 광학 소자내에서 전파하고 부분 반사 표면에 의해 관찰자의 눈을 향해 방향이 바뀌게 하기 위해 도광 광학 소자안으로 이미지를 도입하도록 배치되는 이미지 프로젝터를 추가로 포함할 수 있다.
본 고안에 따르면 전술한 목적을 달성할 수 있다.
도1a는 본 고안의 특정 실시예에 따르는 도광 광학 소자("LOE")의 단면을 도시한다.
도1b는 본 고안의 특정 실시예에 따르는 도1a의 부서진 LOE의 단면을 도시한다.
도2a는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제1 예에 따르는 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하는 LOE의 단면을 도시한다.
도2b는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제2 예에 따르는 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하는 LOE의 단면을 도시한다.
도2c는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제3 예에 따르는 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하는 LOE의 단면을 도시한다.
도3은 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 도2c에 따르는 도파관의 분해된 3차원도를 도시한다.
도4a는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제1 예에 따르는 특정 광학 특성을 갖는 LOE의 단면을 도시한다.
도4b는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제2 예에 따르는 특정 광학 특성을 갖는 LOE의 단면을 도시한다.
도4c는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제3 예에 따르는 특정 광학 특성을 갖는 LOE의 단면을 도시한다.
도5a는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제1 예에 따라 제조된 LOE의 단면을 도시한다.
도5b는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제2 예에 따라 제조된 LOE의 단면을 도시한다.
도5c는 본 고안의 특정 실시예에 따르는, 제3 예에 따라 제조된 LOE의 단면을 도시한다.
도6은 본 고안의 특정 실시예에 따르는, LOE 제조 방법을 도시한다.
이하의 상세한 설명에서, 다수의 특정 세부사항은 고안의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자라면 개시된 주제가 이들 특정 세부사항 없이도 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예에서, 공지된 방법, 절차, 및 구성요소들은 개시된 주제를 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다.
용어 "도관 광학 소자". "LOE" 및 "도파관"은 여기에서 상호교환적으로 사용된다는 것을 유의해야 한다.
이를 염두에 두고, 본 고안의 특정 실시예에 따르는 도광 광학 소자("LOE")의 단면이 도시되어 있는 도1a을 참조한다. 도1a에 도시된 바와 같이, LOE는 경질층(12, 14) 및 경질층(12, 14) 사이에 개재되어 경질층(12, 14) 사이를 기계적으로 연결하는 폴리머 재료의 가요성층(280)을 포함한다. 폴리머 층은 안전 유리 속성을 제공하기에 충분한 인장 강도를 갖는 재료로 만들어진다. 도1a에 추가로 도시된 바와 같이, LOE는 LOE에 도입된 광의 내부 전반사가 발생하는 두 개의 주요 평행 내부 표면을 갖는다. 광선은 도1a에 도시된 화살표로 표시되는 것처럼 도파관 내에서 전파된다.
경질층(12, 14)은 외부 표면이 높은 편평도를 가지며 서로 평행하도록 제조되는 유리처럼 단단한 광학 재료로 만들어질 수 있다. 가요성층(280)은 가요성 재료, 바람직하게는 폴리머-계 재료로 만들어진다. 안전 유리 속성 제공에 충분한 인장 강도를 구비한 적합한 폴리머-계 재료의 일부 예는 폴리비닐 부티랄(PVB), 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 및 에틸렌-메타크릴 산(아이아노플라스트)을 포함한다. 바람직하게는, 가요성층(280)은, 이하 추가로 설명되는 것처럼, 경질층(12, 14) 모두에 접착(glued) 또는 접합(bonded)된다. 일부 실시예에서, 가요성층(280)은 가요성층과 경질층(들) 사이에 접착제 코팅을 적용함으로써 하나 또는 두 경질층에 접합될 수 있다.
도1a의 부서진 LOE를 도시하는 도1b에 추가 도시된 바와 같이, 기계적 충격시, LOE의 단단한 부분은 부서지지만, 가요성층(280)의 존재로 인해 부서진 조각들은 함께 유지되고, 그로 인해 흩어짐을 방지하고 사용자에 대한 위험을 감소시킨다. 부서진 조각을 제자리에 유지하는 것 이외에, 가요성층(280)의 가요성은 이 층이 충격에 의해 부서지는 것을 방지하는 역할도 한다.
도2a 내지 2c를 살펴보면, 경질층(12, 14) 중 적어도 하나는 도파관의 외부 표면에 평행하지 않은 다수의 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함한다. 일부 경우, 경질층(12, 14)은, 이하 추가로 설명되는 것처럼, 동일하거나, 상이하거나, 상호보완적인 광학 속성을 가질 수 있다.
비제한적인 제1 실시예로서, 도2a는 경질층(12)은 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하지만, 경질층(14)은 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하지 않는 도파관을 도시한다. 이 예에서, 경질층(14)은 주로 높은 품질의 외부 표면을 제공하는 기능을 한다.
비제한적인 제2 실시예로서, 도2b는 경질층(12, 14) 둘 다가 상호 평행한 부분 반사 표면을 포함하고, 경질층(12)의 부분 반사 표면은 경질층(14)의 부분 반사 표면에 평행한 도파관을 도시한다. 이 예에서, 경질층(12, 14)은 유사한 광학 속성을 제공하고 관찰자를 향해 도파관 밖으로 나오는 광선을 결합하는 역할을 한다. 바람직하게는, 경질층(14)의 부분 반사 표면은 경질층(12)의 부분 반사 표면의 각각의 연장선을 형성하도록 배열되기 때문에, 관찰자에게 균일한 이미지를 발생시키는 것을 돕는다. 가장 바람직하게는, 예를 들어 본 명세서에 그 전체가 참고로 포함된 PCT/IL2018/050025에서 충분히 설명되어 있는 것처럼, 부분 반사 표면은 중첩을 발생시키도록 배열되기 때문에, 균일성을 추가로 개선한다.
비제한적인 제3 실시예로서, 도 2c는 두개의 경질층(12, 14)이 상호 평행한 부분 반사면을 포함하고, 경질층(12)의 부분 반사면이 경질층(14)의 부분 반사면에 비평행한 도파관을 도시한다. 이 실시예에서, 경질층(12, 14)은 상보적인 광학 특성을 제공한다. 도 3은 도 2c에 따른 도파관의 분해된 3차원 도면을 도시하며, 경질층(12)에 포함된 부분 반사면이, 경질층(14)에 포함된 부분 반사면의 각도 및 배열에 대해 어떻게 상이하게 각도지고 및 배열되지는 나타낸다. 이 구성에서, 상호 평행한 부분 반사면의 2개의 비평행 세트는 입사 어페처(aperture)의 2차원 측방향 확장을 생성하는데 사용될 수 있으며, 이는 PCT/IL2018/050701에 더욱 상세히 기술되어 있으며, 본 명세서에 그 전문이 내포된다.
일부 실시예에서, 가요성층은 경질층에 대해 인덱스 정합(index matched)될 수 있는 반면, 다른 실시예에서 가요성층은 각각의 경질층과 상이한 굴절률을 가질 수 있음에 유의해야한다.
일부 실시예에서, 도 4a 내지 도 4c에 비제한적인 실시예로 도시된 바와 같이, 도파관은 가요성층과 적어도 하나의 경질층 사이에 삽입되고, 외부 표면(22)에 대해 평행하고 도파관의 적어도 일부분을 가로질러 연장하는 하나 이상의 제3 층(250)을 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 제3 층(250)은 도파관을 통해 전파되는 광의 경로를 나타내기 위해 화살표를 사용하여 도시된 바와 같이, 도파관의 특정 바람직한 광학 특성을 제공하도록 기능한다. 예를 들어, 화살표를 참조하여 도시된 바와 같이, 하나 이상의 제3 층은 부분적으로 반사성일 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 층(250)은 또한 코팅일 수 있거나, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이 일련의 코팅으로 구성될 수있다
도 4a 내지 도 4c의 도파관에서, 제3 층(250)의 존재로 인해, 모든 광선은 다수 스플리팅 및 반사(도 4a 내지 도 4c에 명확하게 하기 위해 제1 스플리팅 만이 도시됨)에도 불구하고 그들의 최초 방향을 유지하고 따라서 균일성이 향상된다.
일부 실시예에서, 도파관은 근안(near eye) 디스플레이의 일부일 수 있다. 일부 실시예에서, 도 4a-4c에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이는, 내부 전반사에 의해 도파관내에서 전파되고 부분 반사면에 의해 관찰자의 눈을 향해 편향되는 이미지를 도파관 내로 도입하도록 채용된 이미지 프로젝터(252)를 더 포함한다. 균일한 출력 이미지 조명은 프로젝터가 도파관 입구 개구 전체를 비추는 것을 필요로 하지만, 층(250)은 이미지 프로젝터(252)의 크기를 줄이는데 기여하고, 따라서 레이저(250)에 의해 야기된 증가된 크로스-커플링은 도 4b 및 4c에 도시된 바와 같이 더 작은 이미지 프로젝터의 사용을 허용하기 때문에 전체 시스템 비용을 감소시킨다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 특정 광학 특성을 갖는 본 고안의 도파관을 제조하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 여기서 화살표는 광의 경로를 나타낸다. 도 5a에서, 경질층(12,14)의 내부 표면은 가요성층(280)에 접착되기 이전에 반사방지 코팅(262)로 코팅된다. 도 5b에서, 하나의 경질층(이 경우 경질층(12))의 내부 표면은 반사방지 코팅(262)으로 코팅되고, 반면 다른 하나의 경질층(이 경우 경질층(14))은 부분 반사 코팅(264)으로 코팅된다(코팅 264는 도 4a 내지 도 4c의 부분 반사 제3 층(250)에 대응함). 도 5b에 도시된 것에 대한 대안적인 실시예에서, 하나의 경질층(12)이 반사방지 코팅(262)로 코팅되고 다른 경질층(14)이 코팅되지 않을 때, 유사한 광학적 특징이 달성될 수 있으며, 따라서 프레넬 반사(층 280과 층 14 사이의 인덱스 비정합에 기인함)는 내부 반사를 생성하게 된다. 도 5c는 글루(266) 또는 접착제를 사용하여 경질층(12,14) 사이에 투명한 가요성 층(280)이 배치되는 추가의 예를 나타낸다. 글루는 가요성층(280) 또는 경질층(12,14)에 인덱스 정합될 수 있고, 인덱스 정합되지 않는 층에는 내부 표면에 반사방지 코팅이 인가될 수 있다. 내부 반사가 요구되는 경우, 이들 표면이 일반적으로 높은 평탄도와 외부 표면(24,22)에 대해 평행도를 가지기 때문에, 이는 경질층들 중 하나의 내부 표면 상에 바람직하게 생성될 수 있다(전술한 바와 같이 반사 코팅의 인가에 의해 또는 플레넬 반사에 의함). 도 5a 내지 도 5c로부터 자명하듯이, 일부 경우 가요성층 및 경질층(12 및 14)을 접착하기 위한 접착제로서 작용할 수도 있다.
이제 도 6을 참조하면, 도 6은 특정 실시예에 따른 본 고안의 도파관을 제조하는 방법을 나타낸다. 광학 재료의 코팅된 플레이트(400)는 함께 접착 및 적층되고(402), 적층은 두 개의 부분으로 절단되어 슬라이스(403)(경질층에 대응)를 생성한다. 제2 슬라이스(404)는 유사한 방식으로 생성될 수 있다(두 개의 경질층이 상호 평행한 부분 반사면을 포함하는 경우에는 다른 경질층에 대응함). 슬라이스들(403,405)은 도 2a-2c를 참조하여 위에서 설명된 다양한 옵션들에 따라, 서로 동일하거나 서로 상이한 상호 평행한 부분 반사면들을 포함하도록 생성될 수 있다. 하나 또는 양자의 슬라이스들(403,405)(전술한 경질층(12,14)에 대응함)은 필요에 따라 그 외측 표면 상에 평평한 투명 커버(405)로 덮여질 수 있다. 내부 가요성층(280)은 최종 도파관(407)을 생성하도록 슬라이스들(403,405) 사이에 배치된다. 대안적으로, 단일 슬라이스(403)만이 사용되는 경우(예를 들어, 다른 경질층이 도 2a에서와 같이 상호 평행한 부분 반사면이 없는 투명 플레이트인 경우), 최종 도파관은 408에 나타낸 바와 같다. 전술한 바와 같이, 가요성층(280)은 슬라이스(403,404)를 함께 결합시키는 접착제일 수도 있다. 양면 폴리싱이 최종 도파관(407 또는 408) 상에 수행될 수 있다. 대안적으로, 양면 폴리싱은 슬라이스(403,404)(커버(405)의 유무에 상관없이)에서 수행될 수 있으며, 이 경우 이들 슬라이스(및/또는 커버)의 정밀한 평행 결합은 도파관의 외부 표면과 내부 표면의 평행을 유지한다.
가요성층은 경질층(및/또는 이들 층의 표면에 도포된 임의의 코팅) 사이에 삽입되는 액체 또는 페이스트 형태의 폴리머 전구체로부터 형성될 수 있으며, 예를 들면, 가열, UV 방사선 노출 및/또는 촉매와의 혼합 등의 적절한 중합반응 프로세스에 의해 적당한 위치에 폴리머화를 거친다. 대안적으로 가요성 폴리머층의 일부 또는 전부는 경질층들 사이에 삽입된 예비-형성된(pre-formed) 가요성층으로서 도입될 수 있다. 후자의 경우, 경질층에 대한 가요성 폴리머층의 결합은 일반적으로 층들 사이에 광학 접착제를 포함시키는 것으로 달성된다.
일부 실시예에서,가요성층에 대해 선택된 재료는 특정의 원하는 특성을 가질 수있다. 예를 들어, 자외선( "UV") 방사선을 차단하거나 도파관에 대한 다른 바람직한 특성을 나타내는 재료가 선택 될 수있다. 상기 논의 된 바와 같이,가요 성 재료는 접착제로서 작용할 수 있거나 또는 경질층에 접착되거나 열 및 / 또는 압력(도파관의 다른 부분을 손상시키지 않도록 선택된 조건을 사용)을 사용하여 접착 될 수있다. 대안으로,가요성층은 자외선 조사 또는 가열하에 경화되는 경화 된 수지 일 수있다. 경화 된 수지의 경우, 층의 두께를 한정하기 위해 스페이서가 사용되는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 가요성층에 선택되는 재료는 특정 원하는 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 재료는 UV 방사선을 차단하거나 도파관에 대해 특정 원하는 특성을 부여하기 위해 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가요성 재료는 글루로서 기능할 수 있고 경질층에 접착될 수 있으며, 또는 열 및/또는 압력을 이용하여 접착될 수 있다(도파관의 어떤 부분들에 손상을 주지않도록 선택된 조건을 사용함). 대안적으로 가요성층은 UV 조명 또는 열 아래서 경화하는 경화수지일 수 있다. 경화 수지인 경우, 층의 두께를 정의하기 위해 스페이서(spacers)가 바람직하게 이용된다.
도 1 내지 도 6의 도파관 예는 일정한 축척으로 도시되어 있지 않으며, 도파관의 평면내(in-plane) 치수는 통상적으로 도파관의 전체 두께보다 1 또는 2차 정도 크며, 다양한 결합 구성이 투사 이미지의 효율적 결합을 위해 사용될 수 있다. 가장 바람직하게는, 가요성층은 일반적으로 경질층보다 얇고, 일반적으로 경질층의 두께의 10% 보다 작다.
본 고안은 본 고안에 포함되거나 도면에 예시된 설명에 기재된 상세한 설명으로 본 고안이 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 고안은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수있다. 따라서, 여기에 사용된 표현 및 용어는 본 고안의 설명을 위한 것이며 이들이 제한적인 요소로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 이와 같이, 당업자는 본 개시 내용을 기초로 하는 기술적 사상이 현재 개시된 주제의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템을 설계하기 위한 기초로서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
당업자라면 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 고안의 범위를 벗어나지 않고서 앞에서 설명한 본 고안의 실시예에 다양한 수정 및 변경이 가해질 수 있음을 쉽게 알수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 도광 광학 소자를 포함하는 광학 장치에 있어서,
    도광 광학 소자는,
    제1 경질층;
    제2 경질층; 및
    상기 제1 경질층과 상기 제2 경질층 사이에 개재되고 기계적으로 연결된 폴리머 재료의 가요성층을 포함하고,
    상기 폴리머 재료는 안전 유리 특성을 제공하기 위한 충분한 인장 강도를 가지며, 상기 도광 광학 소자는 내부 전반사가 발생하는 두개의 주 평행한 외부 표면을 가지며,
    경질층 중 적어도 하나는 복수의 상호 평행한 부분 반사면을 포함하고, 부분 반사면은 상기 외부 표면에 대해 비평행한 것을 특징으로 하는
    광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가요성층은 상기 경질층에 대해 인덱스 매칭되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가요성층은 상기 경질층의 각각에 대해 상이한 굴절률을 갖는 것을 특징으로하는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가요성층과 상기 경질층 중 적어도 하나의 사이에 삽입되는 적어도 하나의 제3층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제3층은 부분적으로 반사성을 가지며 도광 광학 소자의 적어도 일부분을 가로질러 연장하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경질층들의 각각은 상기 복수의 상호 평행한 부분 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 상호 평행한 부분 반사면은 상기 제1 경질층 내에 포함되고, 제2 경질층 내에 상호 평행한 부분 반사면들의 제2 세트를 더 포함하고, 제2 경질층의 부분 반사면은 상기 제1 경질층의 상기 부분 반사면에 비평행한 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도광 광학 소자는 근안 디스플레이(near-eye display)의 일부분인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    도광 광학 소자에 이미지를 도입하기 위해 채용된 이미지 프로젝터를 더 포함하고, 그에 따라 이미지는 도광 광학 소자 내에서 내부 전반사에 의해 전파되고 부분 반사면에 의해 관찰자의 눈을 향해 편향(deflected)되어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가요성층은 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral )(PVB), 에틸렌-비닐 아세테이트(ethylene-vinyl acetate)(EVA) 및 에틸렌-메타크릴산(ethylene-methacrylic acid)Ionoplast)으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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