KR20190027381A - 2차원 라이트 필드 및 홀로그램 릴레이들을 이용한 에너지 전파와 횡방향 앤더슨 편재 - Google Patents

2차원 라이트 필드 및 홀로그램 릴레이들을 이용한 에너지 전파와 횡방향 앤더슨 편재 Download PDF

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KR20190027381A
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Abstract

광 필드 및 홀로그래픽 에너지 소스들에 대한 횡방향 앤더슨 편재를 나타내는 이미지 릴레이 요소들이 개시된다. 릴레이 요소들은 하나 이상의 구조체들을 갖는 릴레이 요소 본체를 포함할 수 있으며, 이 구조체들은 직렬, 병렬 및/또는 적층 구성들로 결합될 수 있다. 이 구조체들은 릴레이 요소들을 통해 전파되는 에너지 파들이 공간 확대 또는 축소를 경험할 수 있도록 하는 복수의 표면들을 가질 수 있다.

Description

2차원 라이트 필드 및 홀로그램 릴레이들을 이용한 에너지 전파와 횡방향 앤더슨 편재
본 발명은 일반적으로 초고해상도 홀로그램 에너지 소스들의 구현에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 횡방향 앤더슨 편재의 원리를 활용하는 일반화된 에너지 파 릴레이들에 관한 것이다.
Gene Roddenberry의 스타 트랙(Star Trek)에 의해 대중화되고 1900년대 초에 작가인 Alexander Moszkowski에 의해 처음 구상되었던 "홀로덱(holodeck)" 챔버 내에서의 상호작용식 가상 세계의 꿈은 거의 한 세기 동안 과학 소설과 기술 혁신에 영감을 주었다. 하지만, 문학, 미디어 및 어린이와 성인의 집단적 상상력 외에는 이 경험에 대한 강력한 구현은 존재하지 않는다. Gene Roddenberry의 스타 트랙(Star Trek)에 의해 대중화되고 1900년대 초에 작가인 Alexander Moszkowski에 의해 처음 구상되었던 "홀로덱(holodeck)" 챔버 내에서의 상호작용식 가상 세계의 꿈은 거의 한 세기 동안 과학 소설과 기술 혁신에 영감을 주었다. 하지만, 문학, 미디어 및 어린이와 성인의 집단적 상상력 외에는 이 경험에 대한 강력한 구현은 존재하지 않는다.
고해상도 라이트 필드를 위한 릴레이 요소들 및 광 릴레이 및 횡방향 앤더슨 편재를 활용하는 홀로그램 에너지 소스들을 사용하는 고해상도 2차원 에너지 소스 시스템들이 개시된다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템에 대한 장치는 하나 이상의 구조체들로 형성되고, 제 1 표면, 제 2 표면, 횡 배향(transverse orientation) 및 종 배향(longitudinal orientation)을 갖는 릴레이 요소를 포함한다. 이 실시예에서, 제 1 표면은 제 2 표면과 상이한 표면적을 가지며, 릴레이 요소는 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 경사진 프로파일 부분을 포함한다.
동작시, 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 전파하는 에너지 파들은 횡 배향에서보다 종 배향에서의 실질적으로 더 높은 전달 효율로 인해 종 배향에 실질적으로 평행하게 진행하고, 릴레이 요소를 통과하는 에너지 파들은 공간 확대 또는 공간 축소(de-magnification)를 초래한다.
일 실시예에서, 제 1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 가지며, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일 실시예들에서, 릴레이 요소의 하나 이상의 구조체들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 폴리머 또는 이들의 혼합물들을 포함한다. 다른 실시예에서, 장치의 릴레이 요소는 종 배향으로 적층된 구성의 복수의 요소들을 포함하고, 복수의 요소들 중의 제 1 요소는 제 1 표면을 포함하고, 이에 의해 복수의 요소들 중의 제 2 요소는 제 2 표면을 포함한다.
일 실시예들에서, 제 1 요소 및 제 2 요소의 각각은 에너지의 공간 확대를 발생시킨다. 다른 실시예에서, 제 1 요소 및 제 2 요소의 각각은 에너지의 공간 축소를 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 제 1 요소는 에너지의 공간 확대를 발생시키고, 제 2 요소는 에너지의 공간 축소를 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 제 1 요소는 에너지의 공간 축소를 발생시키고, 제 2 요소는 에너지의 공간 확대를 발생시킨다.
일부 실시예들에서, 적층된 구성의 복수의 요소들은 복수의 페이스 플레이트(faceplate)들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복수의 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들이다.
일 실시예에서, 릴레이 요소의 경사진 프로파일 부분은 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 에너지가 횡 배향으로 편재되도록 무작위화된 굴절률 가변성을 포함한다. 다른 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은, 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소의 제 1 표면은 에너지 소스 유닛으로부터 에너지를 수신하도록 구성되며, 에너지 소스 유닛은 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프(envelope)를 갖는다. 다른 실시예들에서, 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합이다.
일 실시예에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치된다. 일부 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치된다. 다른 실시예들에서, 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭(telecentric) 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 장치는 릴레이 요소와 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 제 1 표면은 평면이고 제 2 표면은 평면이거나, 또는 제 1 표면은 평면이고 제 2 표면은 비평면이거나, 또는 제 1 표면은 비평면이고 제 2 표면은 평면이거나, 또는 제 1 표면은 비평면이고 제 2 표면은 비평면이다.
일부 실시예들에서, 제 1 표면은 오목형이고 제 2 표면은 오목형이거나, 또는 제 1 표면은 오목형이고 제 2 표면은 볼록형이거나, 또는 제 1 표면은 볼록형이고 제 2 표면은 오목형이거나, 또는 제 1 표면은 볼록형이고 제 2 표면은 볼록형이다.
일 실시예에서, 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나는 오목하다. 다른 실시예에서, 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나는 볼록하다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 배치된 복수의 릴레이 요소들을 포함하며, 여기서 복수의 릴레이 요소들 각각은 무작위화된 굴절률 가변성을 가지며 각각의 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 표면들 사이에서의 종 배향을 따라 연장된다. 이 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제 1 및 제 2 표면들은 일반적으로 제 1 및 제 2 방향들에 의해 정의되는 횡 배향을 따라 연장되는 한편, 종 배향은 횡 배향에 대하여 실질적으로 수직이다. 일부 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 시스템은 제 1 방향 또는 제 2 방향에 걸쳐 배치되어 제 1 방향 또는 제 2 방향을 따라 단일 타일 표면을 각각 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 적어도 2Х2 구성을 갖는 매트릭스로 배치되거나 또는 당업자에 의해 이해될 수 있는 다른 구성 중에서 3Х3 구성, 4Х4 구성, 3Х10 구성을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 매트릭스들로 배치된다. 다른 실시예들에서, 단일 타일 표면 사이에서의 심(seam)들은 단일 타일 표면의 최소 치수의 2배의 시인 거리(viewing distance)에서 인지 불가능할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들 각각은 종 배향을 따라 에너지를 전송하도록 구성되며, 여기서, 복수의 릴레이 요소들을 통해 전파하는 에너지 파들은 에너지가 횡 배향에서 공간적으로 편재화되도록 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소들 사이에서 전파하는 에너지 파들은 횡 배향에서보다 종 배향 배향에서 실질적으로 더 높은 전송 효율로 인해 종 배향에 실질적으로 평행하게 진행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제 1 표면 및 제 2 표면은 일반적으로 횡 배향을 따라 만곡될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 일체로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 일체로 어셈블리될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 시스템은 제 1 방향 또는 제 2 방향에 걸쳐 배치되어 제 1 방향 또는 제 2 방향을 따라 단일 타일 표면을 각각 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 적어도 2Х2 구성을 갖는 매트릭스로 배치되거나 또는 당업자에 의해 이해될 수 있는 다른 구성 중에서 3Х3 구성, 4Х4 구성, 3Х10 구성을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 매트릭스들로 배치된다. 다른 실시예들에서, 단일 타일 표면 사이에서의 심(seam)들은 단일 타일 표면의 최소 치수의 2배의 시인 거리에서 인지 불가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 공간 확대 또는 에너지의 공간 축소를 발생시킨다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소는 복수의 페이스 플레이트들을 포함하며, 여기서, 페이스 플레이트들은 상이한 길이들을 가질 수 있거나 또는 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트(coherent) 광학 릴레이들일 수 있다.
일 실시예에서, 시스템의 복수의 릴레이 요소들 각각은 각각의 릴레이 요소의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 경사진 프로파일 부분을 포함하고, 여기서, 경사진 프로파일 부분은 복수의 릴레이 요소들의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제 1 표면은 에너지 소스 유닛으로부터 에너지를 수신하도록 구성되며, 에너지 소스 유닛은 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함한다. 다른 실시예들에서, 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합이다.
일 실시예에서, 제 1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 가지며, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치된다.
일 실시예에서, 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 장치는 복수의 릴레이 요소들과 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스를 더 포함한다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템은 에너지 표면을 제공하도록 구성된 복수의 에너지 소스 유닛들, 제 1 피치를 갖는 복수의 에너지 소스 유닛, 에너지 소스에 인접하여 배치된 복수의 릴레이 요소들, 제 2 피치를 갖는 복수의 릴레이 요소들, 제 1 피치보다 작은 제 2 피치를 포함하며, 여기서, 복수의 에너지 소스 유닛들 중 제 1 에너지 소스 유닛은 제 1 에너지 소스 유닛을 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위에 의해 정의되는 제 1 시야를 갖도록 구성되고, 여기서, 에너지 전파 경로들에 배치된 복수의 릴레이 요소들의 서브세트는 에너지 전파 경로들을 재분배하도록 구성되어, 복수의 릴레이 요소들의 서브세트를 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위는 제 1 시야보다 넓은 제 2 시야를 갖는다.
일 실시예에서, 복수의 에너지 소스 유닛들의 에너지 소스 유닛 각각은 픽셀이다. 다른 실시예에서, 복수의 에너지 소스 유닛들의 각 에너지 소스 유닛은 테이퍼형 릴레이 요소이다. 일부 실시예들에서, 에너지 전파 경로들은 광 경로들이다. 다른 실시예들에서, 에너지 소스는 복수의 에너지 소스 유닛들의 표면 상에 제공된다.
일 실시예에서, 에너지 소스가 제공되는 표면은 가상 표면이며, 여기서, 가상 표면은 복수의 에너지 소스 유닛들로부터 중계된 에너지를 수신하도록 구성된 표면이다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 페이스 플레이트들, 릴레이 요소들 및 광섬유들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들 각각은, 에너지가 횡 배향으로 편재되도록 복수의 릴레이 요소들 각각의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 전파 경로들을 통해 에너지를 재분배하도록 동작 가능하다. 다른 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템은 각각의 릴레이 요소들의 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 에너지를 전송하도록 각각 구성된 복수의 가요성 릴레이 요소들을 포함하며, 여기서, 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 1 단부들은 복수의 에너지 소스 유닛들에 광학적으로 커플링되고, 복수의 에너지 소스 유닛들은 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 2 단부들로부터 이격되어 배치되고, 여기서, 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 2 단부들은 집성된 에너지 표면을 형성하도록 묶여 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 가요성 릴레이 요소들은 복수의 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 집성된 에너지 표면은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 비해 공간적으로 확대되지 않는다. 다른 실시예에서, 집성된 에너지 표면은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 비해 공간적으로 확대된다. 또 다른 실시예에서, 집성된 에너지 표면은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 비해 공간적으로 축소된다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템은 제 1 및 제 2 상이한 재료들을 갖는 릴레이 요소를 포함하고, 제 1 및 제 2 재료들은 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 반복되는 내부 구조로 배열되어, 릴레이 요소는 횡 배향에 비해 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가지며, 여기서, 에너지는 릴레이 요소의 제 1 단부에 제공되도록 동작 가능하고, 에너지는 제 1 단부에서의 제 1 해상도를 가지며, 여기서, 릴레이 요소의 제 1 단부는 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 반복하는 내부 구조의 피치를 갖도록 구성되고, 피치는 횡 배향에서의 제 1 단부에서의 에너지의 제 1 해상도와 대략 같거나 작으며, 이에 의해 릴레이 요소의 제 2 단부를 빠져 나가는 에너지는 제 2 해상도를 가지며, 여기서 제 2 해상도는 제 1 해상도의 50 % 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 제 1 및 제 2 재료들과는 상이한 제 3 재료를 포함하며, 여기서, 제 3 재료는 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 반복되는 내부 구조로 배치된다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소는 제 1 및 제 2 재료들과는 상이한 제 3 재료를 포함하며, 여기서, 제 3 재료는 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 무작위화된 내부 구조로 배치된다. 일부 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일 실시예에서, 릴레이 요소의 제 1 단부의 중심부는 릴레이 요소의 제 1 단면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 입구 콘(entry cone)을 갖도록 구성된다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소의 제 2 단부의 중심부는 릴레이 요소의 제 2 단면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 출구 콘(exit cone)을 갖도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 요소의 제 1 단부의 중심부는 릴레이 요소의 제 1 단면에 수직이 아닌 방향으로 정렬된 에너지 입구 콘을 갖도록 구성되며, 여기서, 릴레이 요소의 제 1 단부는 비평면형 단면을 포함한다.
일 실시예에서, 릴레이 요소의 제 2 단부의 중심부는 릴레이 요소의 제 2 단면에 수직이 아닌 방향으로 정렬된 에너지 출구 콘을 갖도록 구성되며, 여기서, 릴레이 요소의 제 2 단부는 비평면형 단면을 포함한다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 단면의 제 1 영역을 포함하며, 여기서, 릴레이 요소의 제 2 단부는 단면의 제 2 영역을 포함한다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들 각각은 복수의 개별 단부 부분들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 공간 확대 또는 에너지의 공간 축소를 발생시킨다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 복수의 페이스 플레이트들을 갖는 적층된 구성을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이들을 가질 수 있거나 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들이다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 경사진 프로파일 부분을 포함하며, 여기서, 경사진 프로파일 부분은 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지는 에너지 소스 유닛으로부터 수신되며, 에너지 소스 유닛은 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 갖는다. 또 다른 실시예들에서, 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합이다.
일 실시예에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치된다. 다른 실시예에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 시스템은 릴레이 요소와 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 비평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 비평면이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 비평면이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 비평면이다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 오목형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 오목형이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 볼록형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 볼록형이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 오목형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 볼록형이다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나는 오목하다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나는 볼록하다.
본 개시의 이들 및 다른 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항들로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 에너지 지향 시스템에 대한 설계 파라미터를 나타내는 개략도이다.
도 2는 기계적 엔벨로프(envelope)를 갖는 능동 소자 영역을 갖는 에너지 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 에너지 릴레이 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4는 베이스 구조체에 함께 접착되어 고정된 에너지 릴레이 요소들의 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5a는 멀티 코어 광섬유를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 5b는 횡방향 앤더슨 편재 원리의 특성들을 나타내는 광학 릴레이를 통해 중계된 이미지의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 6은 에너지 표면으로부터 관찰자(viewer)로 전파된 광선을 나타내는 개략도이다.
도 7은 내부 반사의 근본 원리들의 직각형 도면(orthogonal view)을 나타낸다.
도 8은 광섬유로 입사되는 광선의 직각도 및 릴레이의 출구에서의 결과적인 원추형 광 분포를 나타낸다.
도 9는, 픽실레이션(pixilation) 및 광섬유 노이즈가 광섬유들의 특성들로 인해 나타날 수 있는 종래의 다중 코어 광섬유들을 통해 중계된 예시적인 이미지의 직각도를 나타낸다.
도 10은 앤더슨 편재 원리의 특성들을 나타내는 광학 릴레이를 통해 중계된 예시적인 이미지의 직각도를 나타낸다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라 하나의 그러한 테이퍼형 에너지 릴레이 모자이크 배치의 직각형 도면을 나타낸다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스에 대향하는 축소형 단부를 양방 모두가 갖는, 직렬로 된 2개의 복합 테이퍼형 에너지 릴레이들의 직각도를 나타낸다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 제 1 테이퍼의 축소형 단부에 대해 축소형 단부 짝(mate)을 갖도록 회전된 제 2 테이퍼를 갖는 복합 테이퍼형 에너지 릴레이의 직각도를 나타낸다.
도 14는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 3:1 배율 인자(factor) 및 부착된 에너지 소스의 광의 결과적인 시야각을 갖는 광학 테이퍼 릴레이 구성의 직각도를 나타낸다;.
도 15는 도 14의 광학 테이퍼 릴레이이지만, 본 개시의 일 실시예에 따라 광학 테이퍼 릴레이의 에너지 소스 측면 상에 곡면을 형성하여 에너지 소스의 전체 시야각을 증가시키는 광학 테이퍼 릴레이의 직각도를 나타낸다.
도 16은 도 15의 광학 테이퍼 릴레이이지만, 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스 측면 상에서의 수직이 아닌 평면인 표면을 갖는 광학 테이퍼 릴레이의 직각도를 나타낸다.
도 17은 에너지 소스의 측면 상에 오목형 표면을 갖는 도 14의 광학 릴레이 및 조명 콘들의 직각도를 나타낸다.
도 18은, 에너지 소스의 측면 상에 동일한 볼록면을 갖는 도 17의 광학 테이퍼 릴레이 및 광 조사 콘들이지만, 본 개시의 일 실시예에 따라 오목형 출력 에너지 표면 기하학적 구조를 갖는 광학 테이퍼 릴레이 및 광 조사 콘들의 직각도를 나타낸다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따라 수직 에너지 소스 표면으로부터 에너지 소스 가시 이미지를 형성하기 위해 만곡형 에너지 소스 측의 표면들과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 모듈들의 직각도를 나타낸다.
도 20a는 본 개시의 일 실시예에 따라 수직 에너지 소스 측면 기하학적 구조들 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록형 에너지 소스 표면 반경과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 모듈들의 직각도를 나타낸다.
도 20b는 본 개시의 일 실시예에 따라 수직 에너지 소스 측면 기하학적 구조들 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록형 에너지 소스 측 표면과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 직각도를 나타낸다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라 광의 가시 출력 광선들이 에너지 소스에서 보았을 때보다 균일하도록 각 에너지 소스가 독립적으로 구성된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 직각도를 나타낸다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스 측면 및 에너지 소스 양방 모두가 다양한 기하학적 구조들로 구성되어 입력 및 출력 광선들에 대한 제어를 제공하는 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 직각도를 나타낸다.
도 23은, 릴레이들의 소스 단부들은 평평하고 각각 에너지 소스에 접합되어, 관찰자를 둘러싸는 심리스 오목 원통형 에너지 소스를 형성하기 위해 개별적인 출력 에너지 표면들이 연마된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 배치의 직각도를 나타낸다.
도 24는 본 개시의 일 실시예에 따라 광학 테이퍼 릴레이 투영 기반의 기술을 사용하는 이미지 생성의 직각도를 나타낸다.
도 25는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 지정된 구성에 의해 생성된 주 광선 각도(chief ray angle)들을 갖는 테이퍼형 광학 릴레이들로부터의 광의 출력 가시 광선들에 대해 요구되는 바와 같은 개별 이미지들을 생성하는 도 24의 5개의 오프셋 투영 소스들의 배치의 직각도를 나타낸다.
도 26은, 본 개시의 일 실시예에 따라, 투영 소스들이 방사상 대칭 구성들을 통해 수렴되어 에너지 소스 모듈들 상에 이미지들을 중첩시키는 도 24의 변형예의 직각도를 나타낸다.
도 27은, 5개의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들이 각각 독립적으로 계산된 오목형 에너지 소스 측 표면 및 독립적으로 계산된 볼록형 에너지 소스 구성으로 정렬되며, 5개의 투영 소스들 각각은 입력, 출력 및 시야 프로파일들의 가시 각도에 대한 제어를 제공하는 방사상 수렴 방식으로 구성되는, 실시예의 직각도를 나타낸다.
도 28은 도 27로부터의 모듈들을 활용하지만 본 개시의 일 실시예에 따라 각 투영기가 모든 광학 릴레이를 조명하는 배치의 직각도를 나타낸다.
도 29는 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스 및 테이퍼 사이에 기계적 오프셋을 제공하는 추가적인 광학 페이스 플레이트를 포함하는 시스템의 직각도를 나타낸다.
도 30은 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스 및 테이퍼 사이에 기계적 오프셋을 제공하는 부가적인 광학 페이스 플레이트를 포함하는 시스템의 직각도를 나타낸다.
도 31은 9개의 광학 릴레이들이지만 시스템 내의 에너지 소스들 각각에 대한 기계적 엔벨로프들에 대해 충분한 간극을 제공하는 페이스 플레이트의 5개의 상이한 스태거드(staggered) 길이들을 갖는 어레이를 갖는 실시예를 나타낸다.
도 32는 본 개시의 일 실시예에 따라 느슨한 그리고/또는 벤트형(bent) 광학 릴레이들을 활용함으로써 임의의 확대없이 함께 커플링된 다수의 에너지 소스들의 직각도를 나타낸다.
도 33은 본 개시의 일 실시예에 따라 이미지를 축소하고 전체 디스플레이에 더 작은 치수를 제공하기 위해 능동 디스플레이 측에 부가된 부가적인 테이퍼 에너지 릴레이를 갖는 도 32의 직각도를 나타낸다.
도 34는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 축소된 에너지 소스 표면, 제 2 의 느슨한 코히어런트 광학 릴레이 또는 벤트형 광학 릴레이를 형성하여, 이미지를 전파하고 부가적인 광학 페이스 플레이트 또는 기계적 설계를 위해 준비된 테이퍼를 짝짓기 위한 제 1 테이퍼형 광학 릴레이를 갖는 배치의 직각도를 나타낸다.
도 35는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 한정된 기계적 엔렐로프 간격을 갖는 갭들을 제거하기 위해 전체 어레이 내의 광학 릴레이 요소의 위치에 따라 광학 릴레이 페이스 플레이트를 다양한 각도로 경사지게 하는 능력을 갖는 실시예의 직각도를 나타낸다.
도 36은 본 개시의 일 실시예에 따라 광학 테이퍼 릴레이형 설계로 생성되는 일반적인 기하학적 구조의 직각도를 나타낸다.
도 37은 축소형 단부가 공간적으로 균일한 광 분포를 방출하는 디스플레이에 접합되는 경우 오프-축 관찰자가 테이퍼의 확대형 단부를 빠져 나가는 광으로부터 관찰할 음영을 나타낸다.
도 38은, 오프-축 관찰자가 테이퍼들의 어레이의 심리스 출력 에너지 표면 상에서 관찰할 음영으로서, 각 테이퍼의 축소형 단부가 공간적으로 균일한 광 분포를 방출하는 디스플레이에 접합되는, 음영을 나타낸다.
도 39는 본 개시의 일 실시예에 따라 미세 섬유 피치 및 더 높은 NA를 갖는 광학 페이스 플레이트가 에너지 소스 표면에 걸쳐 균일성에 있어서의 증가 및 증가된 시야각을 나타내는 시야 확장을 위한 부가적인 광학 릴레이의 직각도를 나타낸다.
도 40은 본 개시의 일 실시예에 따라 종래의 디스플레이가 시야 연장 광학 페이스 플레이트 이외의 어떤 다른 광학 요소들 없이 유효 시야각을 증가시키는 도 39로부터의 설계의 적용 가능성의 직각도를 나타낸다.
도 41은, 본 개시의 일 실시예에 따라, 연마된 비평면형 표면 및 제어된 배율을 갖는 단일 테이퍼의 확대형 단부로부터 방출된 주 광선 각도들의 직각도를 나타낸다.
도 42는 본 개시의 일 실시예에 따라 테이퍼들의 어레이가 테이퍼의 표면 및 배율 설계를 통해 공간에 제공되는 전체 광을 제어할 수 있는 어레이의 직각도를 나타낸다.
도 43은 인터레이스(interlace)된 릴레이 요소의 하나의 레그에 연결된 에너지 소스, 인터레이스된 릴레이 요소의 다른 레그에 연결된 에너지 센서를 갖는 시스템에서의 단일 릴레이 요소의 설계의 직각도를 나타내며, 여기서, 릴레이 요소는 본 개시의 일 실시예에 따라 인터리브(interleave)된 단일 에너지 표면뿐만 아니라 2개의 레그들 각각을 포함한다.
홀로덱("홀로덱 설계 파라미터들"이라고 통칭함)의 실시예는 가상의 사회적 상호작용식 환경 내에서 수신된 에너지 자극들이 실제적이라고 믿게 하기 위해 인간의 감각 수용체들을 속이기에 충분한 에너지 자극을 제공하며, 다음을 제공한다: 1) 외부 액세서리들 없이 양안 디스패러티, 머리 장착식 안경류 또는 기타 주변 장치들; 2) 임의의 수의 관찰자들을 위해 동시에 시인 체적(viewing volume) 전체에 걸친 정확한 운동 시차(motion parallax), 오클루젼(occlusion) 및 혼탁(opacity); 3) 모든 인지된 광선에 대한 눈의 동기식 수렴(convergence), 원근조절(accommodation) 및 축동(miosis)을 통한 시각 초점(visual focus); 및 4) 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 및/또는 균형을 위한 인간의 감각 "해상력"을 초과하는 충분한 밀도 및 해상도의 수렴 에너지 파 전파.
시각계, 청각계, 체성감각계, 미각계, 후각계 및 전정(vestibular)계를 포함하는 홀로덱 설계 파라미터들에 의해 제안되는 바와 같은 강력한 방식으로 모든 수용장들(receptive fields)을 위해 제공할 수 있는 기술이, 현재까지의 종래 기술에 기초하여, 수 세기는 아니더라도, 수 십년이 걸렸다.
본 개시에서, 라이트 필드(light field) 및 홀로그램이라는 용어들은 임의의 감각 수용체 반응의 자극에 대한 에너지 전파를 정의하기 위해 상호교환 가능하게 사용될 수 있다. 초기 개시들은 홀로그래픽 이미지 및 부피 측정 햅틱스를 위한 에너지 표면들을 통한 전자기 및 기계 에너지 전파의 예들을 지칭할 수 있는 한편, 모든 형태의 감각 수용체들이 이 개시에서 구상된다. 또한, 전파 경로들을 따른 에너지 전파를 위해 본원에 개시된 원리들은 에너지 방출 및 에너지 캡처 양방 모두에 적용 가능할 수 있다.
렌티큘러 프린팅(lenticular printing), 페퍼의 유령(Pepper's Ghost), 안경없는 스테레오스코픽(stereoscopic) 디스플레이, 수평 시차 디스플레이, 머리 장착식 VR 및 AR 디스플레이(HMD) 및 "폭슬로그래피(fauxlography)"로서 일반화된 이러한 다른 환상(illusions)을 포함하는 홀로그램과 종종 불행하게도 혼동되는 많은 기술들이 오늘날 존재한다. 이러한 기술들은 진정한 홀로그램 디스플레이의 원하는 특성들 중 일부를 나타낼 수 있기는 하지만, 4개의 식별된 홀로덱 설계 파라미터들 중 적어도 2개를 해결하기에 충분한 임의의 방식으로 인간의 시각적 감각 반응을 자극하는 능력이 부족하다.
이러한 도전들은 홀로그램 에너지 전파에 충분한 심리스 에너지 표면을 생성하기 위해 종래 기술에 의해 성공적으로 구현되지 못했다. 시차 배리어(parallax barriers), 호겔(hogels), 복셀(voxels), 회절 광학, 멀티 뷰 투영, 홀로그램 디퓨저(diffuser)들, 회전 거울, 다층형 디스플레이, 시간 순차 디스플레이, 머리 장착식 디스플레이 등을 포함하는 체적 및 방향 다중화 라이트 필드 디스플레이를 구현하기 위한 다양한 접근법들이 있기는 하지만, 종래의 접근법들은 이미지 품질, 해상도, 각도 샘플링 밀도, 크기, 비용, 안전성, 프레임 속도 등에 대한 타협을 수반할 수 있으며, 이는 궁극적으로 실현 불가능한 기술을 초래할 수 있다.
시각계, 청각계, 체성감각계들에 대한 홀로덱 설계 파라미터들을 달성하기 위해 각 계들의 각각의 인간의 예민성(acuity)이 연구되고 이해되어 인간의 감각 수용체들을 충분히 속일 수 있도록 에너지 파들을 전파한다. 시각계는 약 1각분(arc min)으로 분해할 수 있으며, 청각계는 배치에 있어서의 차이를 적게는 3도만큼 구별할 수 있으며 손에 있는 체성감각계는 2-12mm로 분리된 지점들을 식별할 수 있다. 이러한 예민성을 측정하기 위한 다양하고 상충되는 방식이 존재하기는 하지만, 이러한 값들은 에너지 전파의 인지를 자극하기 위한 시스템들과 방법들을 이해하기에 충분하다.
언급된 감각 수용체들 중에서 인간의 시각계는, 심지어 단일 광자조차도 감각을 유발할 수 있음을 고려하면, 단연코 가장 민감하다. 이러한 이유로, 이 소개의 대부분은 시각적인 에너지 파 전파에 초점을 맞출 것이고, 개시된 에너지 도파관 표면 내에 커플링된 상당히 낮은 해상도의 에너지 시스템들은 홀로그램 감각 인지를 유도하기 위해 적절한 신호들을 수렴할 수 있다. 달리 언급하지 않는 한, 모든 개시는 모든 에너지 및 감각 도메인들에 적용된다.
시인 체적 및 시인 거리가 주어진 시각계에 대한 에너지 전파의 효과적인 설계 파라미터들을 계산할 때, 원하는 에너지 표면은 많은 기가픽셀의 유효 에너지 위치 밀도를 포함하도록 설계될 수 있다. 넓은 시인 체적 또는 근접 필드 시인(near field viewing)에 대해서는, 원하는 에너지 표면의 설계 파라미터들이 수백 기가픽셀 또는 그 이상의 유효 에너지 위치 밀도를 포함할 수 있다. 이와 비교하여, 원하는 에너지 소스는 볼륨 햅틱의 초음파 전파를 위한 1 내지 250메가픽셀의 에너지 위치 밀도 또는 입력 환경 변수들에 따른 홀로그램 사운드의 음향 전파를 위한 36 내지 3,600개의 유효 에너지 위치들의 어레이를 갖도록 설계될 수 있다. 주목해야 할 중요한 점은 개시된 양방향 에너지 표면 아키텍처를 이용하면 모든 컴포넌트가 홀로그램 전파를 가능하게 하기 위해 임의의 에너지 영역에 대해 적합한 구조체들을 형성하도록 구성될 수 있다는 것이다.
하지만, 오늘날 홀로덱을 사용하기 위한 주요 과제는 이용 가능한 시각적 기술들과 전자기 장치 제한들을 수반한다. 청각 및 초음파 장치들은, 복잡성이 과소 평가되어서는 안되지만, 각각의 수용장에서의 감각 예민성에 기초하여 원하는 밀도에 있어서의 규모 차이의 순서들이 주어지면 덜 어렵다. 홀로그램 에멀젼은 정적 이미지에서 간섭 패턴들을 인코딩하기 위해 원하는 밀도를 초과하는 해상도로 존재하지만, 최첨단 디스플레이 장치들은 해상도, 데이터 스루풋 및 제조 가능성에 의해 제한된다. 현재까지, 고유 디스플레이 장치는 시력에 대해 거의 홀로그램 해상도를 갖는 라이트 필드를 의미있게 생성할 수 없었다.
강력한 라이트 필드 디스플레이를 위해 원하는 해상도를 충족시킬 수 있는 단일 실리콘 기반의 장치를 제작하는 것은 실용적이지 않을 수 있으며 현재의 제조 능력을 넘어선 극히 복잡한 제조 공정들을 수반할 수 있다. 다수의 기존 디스플레이 장치를 함께 타일링하는 것에 대한 제한은, 패키징, 전자 장치, 인클로저, 광학 및 필연적으로 이미징, 비용 및/또는 크기 관점으로부터 실행 불가능한 기술을 초래하는 다수의 다른 과제들의 물리적 크기에 의해 형성된 심 및 갭을 수반한다.
본원에 개시된 실시예들은 홀로덱을 구축하기 위한 실제 경로를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예들은 이제 본 명세서의 일부를 형성하고, 실시될 수 있는 예시적인 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 개시 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같이, "실시예", "예시적인 실시예" 및 "예시의 실시예"라는 용어들은 반드시 단일 실시예를 지칭하는 것이 아니며, 예시적인 실시예들의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서, 다양한 예시적인 실시예들이 용이하게 결합되고 상호교환될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위한 것이지, 제한하려고 의도되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "에서"는 "안에" 및 "위에"를 포함할 수 있고, 용어 "하나", "일" 및 "그"는 단수 및 복수의 참조들을 포함할 수 있다. 또한, 본원에 사용된 용어 "~에 의해"는 또한 문맥에 따라 "~로부터"를 의미할 수도 있다. 또한, 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "~이면"은 또한 문맥에 따라 "~일 때" 또는 "~할 때"를 의미할 수도 있다. 또한, 본원에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 단어는 관련된 목록화된 항목들 중 하나 이상의 임의의 그리고 모든 가능한 조합들을 지칭하고 포괄할 수 있다.
홀로그램 시스템 고려사항:
라이트 필드 에너지 전파 해상도의 개요
라이트 필드 및 홀로그램 디스플레이는 에너지 표면 위치들이 시인 체적 내에서 전파되는 각도, 색 및 강도 정보를 제공하는 복수의 투영들의 결과이다. 개시된 에너지 표면은, 부가적인 정보가 공존하고, 동일한 표면을 통해 전파되어 다른 감각계 반응들을 유도할 수 있는 기회들을 제공한다. 스테레오스코픽 디스플레이와는 달리, 공간에서의 수렴된 에너지 전파 경로들의 보이는 위치는 관찰자가 시인 체적 주위를 이동함에 따라 변하지 않으며, 임의의 수의 보는 사람들이 실제로 거기에 존재하는 것처럼 전파된 물체들을 실제 공간에서 동시에 볼 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지의 전파는 동일한 에너지 전파 경로에 위치될 수도 있지만 반대 방향에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 에너지 전파 경로를 따른 에너지 방출 및 에너지 포획은 양방 모두가 본 발명의 일부 실시예들에서 가능하다.
도 1은 감각 수용체 반응의 자극에 관련된 변수들을 나타내는 개략도이다.　 이들 변수들은 표면 대각선(01), 표면 폭(02), 표면 높이(03), 결정된 타겟 시팅(seating) 거리(18), 디스플레이의 중심으로부터의 뷰의 타겟 시팅 필드(04), 눈 사이의 샘플들로서 여기에서 시사된 중간 샘플들의 수(05), 평균 성인의 안구 간격(06), 각분에서 인간의 눈의 평균 해상도(07), 타겟 관찰자 위치와 표면 폭 사이에 형성된 수평 시야(08), 타겟 관찰자 위치와 표면 높이 사이에 형성된 수직 시야(09), 표면에 걸친, 결과적인 수평 도파관 요소 해상도 또는 요소들의 전체 수(10), 표면을 가로지르는, 결과적인 수직 도파관 요소 해상도 또는 요소들의 전체 수(11), 눈 사이의 안구 간격과 눈 사이의 각도 투영을 위한 중간 샘플들의 수에 기초한 샘플 거리(12), 샘플 거리 및 타겟 시팅 거리에 기초할 수 있는 각도 샘플링(13), 원하는 각도 샘플링으로부터 도출된 도파관 요소 당 전체 해상도 수평도(14), 원하는 각도 샘플링으로부터 도출된 도파관 요소 당 전체 해상도 수직도(15), 원하는 이산(discreet) 에너지 소스들의 결정된 수의 계수(count)인 장치(16) 수평도, 그리고 원하는 이산 에너지 소스들의 결정된 수의 계수인 장치 수직도(17)를 포함할 수 있다.
원하는 최소 해상도를 이해하는 방법은, 시각적(또는 다른) 감각 수용체 반응의 충분한 자극을 보장하기 위해 다음의 기준, 즉, 표면 크기(예컨대, 84" 대각선), 표면 종횡비(예컨대, 16:9), 시팅 거리(예컨대, 디스플레이로부터 128"), 시팅 시야(예컨대, 디스플레이의 센터를 중심으로 120도 또는 +/-60도), 일 거리에 있는 원하는 중간 샘플들(예컨대, 눈 사이에서의 하나의 부가적인 전파 경로), 성인의 평균 안구 간격(약 65mm), 그리고 인간의 눈의 평균 해상도(약 1각분)에 기초할 수 있다. 이러한 예시적인 값들은 특정 애플리케이션 설계 파라미터들에 따른 플레이스홀더(placeholders)로 간주되어야 한다.
또한, 시각 감각 수용체에 기인한 값들의 각각은 원하는 전파 경로 파라미터들을 결정하기 위해 다른 시스템들로 대체될 수 있다. 다른 에너지 전파의 실시예들에 대해서는, 청각계의 각도 민감도는 3도 정도로 낮을 수 있고, 손의 체성감각계의 공간 해상도는 2-12mm 정도로 작을 수 있음이 고려될 수 있다.
이러한 감각 예민성을 측정하기 위한 다양하고 상충되는 방식이 존재하기는 하지만, 이러한 값들은 가상의 에너지 전파의 인지를 자극하기 위한 시스템들과 방법들을 이해하기에 충분하다.. 설계 해상도를 고려하는 많은 방식들이 있으며, 아래 제안된 방법론은 실용적인 제품 고려사항을 감각계의 생물학적 분해 한계와 결합시킨다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다음의 개요는 임의의 그러한 시스템 설계의 단순화이며, 단지 예시의 목적을 위해 고려되어야 한다.
당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다음의 개요는 임의의 그러한 시스템 설계의 단순화이며, 단지 예시의 목적을 위해 고려되어야 한다.
Figure pct00001
위의 계산들은 대략적으로 32Х18°의 시야를 초래하고, 이는 약 1920Х1080(가장 가까운 형식으로 반올림됨) 에너지 도파관 요소들이 요구되는 것을 초래한다. 또한, (u, v) 양방 모두가 에너지 위치들의 보다 규칙적인 공간 샘플링(예컨대, 픽셀 종횡비)을 제공하기 위해 시야가 일정하도록 변수들이 제약될 수 있다. 시스템의 각도 샘플링은, 다음과 같은, 최적화된 거리에 있는 두 지점들 사이에 정의된 타겟 시인 체적 위치와 부가적인 전파 에너지 경로들을 가정한다:
Figure pct00002
이 경우, 주어진 거리만큼 적절한 샘플 수를 설명하기 위해 임의의 메트릭(metric)이 활용될 수 있지만, 안구간 거리는 샘플 거리를 계산하기 위해 활용된다. 위의 변수들을 고려할 때, 0.57° 당 약 1개의 광선이 요구될 수 있으며, 독립적인 감각계 당 전체 계의 해상도는 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure pct00003
시력 시스템에 대해 해결된 에너지 표면 및 각도 해상도의 크기를 고려한 상기의 시나리오를 이용하면, 결과적인 에너지 표면은 바람직하게는 약 400kХ225k 픽셀의 에너지 해상도 위치들, 또는 90기가픽셀의 홀로그램 전파 밀도를 포함할 수 있다. 제공된 이러한 변수들은 오직 예시의 목적으로 제공되며, 에너지의 홀로그램 전파의 최적화를 위해 많은 다른 감각 및 에너지 계측 고려사항이 고려되어야 한다. 추가적인 실시예에서, 입력 변수들에 기초하여 1기가픽셀의 에너지 해상도 위치들이 바람직할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 입력 변수들에 기초하여 1,000기가픽셀의 에너지 해상도 위치들이 요구될 수 있다.
현재 기술 제한사항:
능동 영역, 소자 전자 장치, 패키징 및 기계적 엔벨로프
도 2는 소정의 기계적 폼 팩터를 갖는 능동 영역(22)을 갖는 디바이스(20)를 나타낸다. 장치(20)는 능동 영역(22)에 전력을 공급하고 인터페이스하기 위한 드라이버(24) 및 전자 장치(24)를 포함할 수 있으며, 능동 영역은 x 및 y 화살표들로 나타낸 치수를 갖는다. 이 장치(20)는 컴포넌트를 구동, 전력 및 냉각시키기 위한 케이블류 및 기계적 구조들을 고려하지 않고, 플렉스(flex) 케이블을 장치(20)에 도입함으로써 기계적 풋프린트가 더 최소화될 수 있다. 이러한 장치(20)의 최소 풋프린트는 또한 M:x 및 M:y 화살표들로 나타낸 치수를 갖는 기계적 엔벨로프(21)로 지칭될 수 있다. 이 장치(20)는 단지 설명의 목적일 뿐이고 주문형 전자 설계는 기계적 엔벨로프 오버헤드를 더 감소시킬 수 있지만, 거의 모든 경우에 장치의 능동 영역의 정확한 크기가 아닐 수 있다. 일 실시예에서, 이 장치(20)는 마이크로 OLED, DLP 칩 또는 LCD 패널에 대한 능동 이미지 영역(22), 또는 이미지 조명의 목적을 갖는 임의의 다른 기술에 관한 전자 장치의 의존성을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 다른 투영 기술들을 고려하여 다수의 이미지를 더 큰 전체 디스플레이에 집성(aggregate)하는 것이 또한 가능할 수 있다. 하지만, 이것은, 투사 거리, 최소 초점, 광학 품질, 균일한 필드 해상도, 색수차(chromatic aberration), 열 특성, 교정(calibration), 정렬, 부가적인 크기 또는 폼 팩터에 대한 더 큰 복잡성의 대가를 치를 수 있다. 대부분의 실제 애플리케이션들에 대해서는, 수 십 또는 수 백개의 이들 투영 소스(20)를 호스팅하는 것은 신뢰성이 떨어지면서 훨씬 더 큰 설계를 초래할 수 있다.
오직 예시적인 목적으로, 3840Х2160개의 사이트의 에너지 위치 밀도를 갖는 에너지 장치들을 가정하면, 다음과 같이 주어진, 에너지 표면에 대해 요구되는 개별 에너지 장치(예컨대, 장치(100))의 수를 결정할 수 있다:
Figure pct00004
상기의 해상도 고려사항을 고려하면, 도 2에 나타낸 것과 유사한 약 105Х105 장치들이 요구된다. 많은 장치들이 정규 그리드에 맵핑될 수도 있고 맵핑되지 않을 수도 있는 다양한 픽셀 구조체들을 포함한다는 것에 유의해야 한다. 각각의 전체 픽셀 내에 부가적인 서브 픽셀 또는 위치가 존재하는 경우, 이들이 활용되어 부가적인 해상도 또는 각도 밀도를 생성할 수 있다. 픽셀 구조체(들)의 지정 위치에 따라 라이트 필드를 올바른 (u, v) 좌표로 변환하는 방법을 결정하기 위해 부가적인 신호 처리가 사용될 수 있으며, 알려지고 교정된 각 장치의 명시적인 특성이 될 수 있다. 또한, 다른 에너지 도메인들은 이들 비율들 및 장치 구조들의 상이한 취급을 수반할 수 있고, 당업자는 원하는 주파수 도메인의 각각 사이의 직접적인 본질적인 관계를 이해할 것이다. 이것은 이후의 개시에서 보다 상세히 설명되고 논의될 것이다.
결과적인 계산은 얼마나 많은 이러한 개별 장치들이 전체 해상도 에너지 표면을 생성하기를 원하는지를 이해하는 데 사용될 수 있다. 이 경우, 약 105Х105 또는 약 11,080개의 장치들이 시력 임계치를 달성하는 데 필요할 수 있다. 충분한 감각 홀로그램 전파를 위해 이러한 가용 에너지 위치들로부터 심리스 에너지 표면을 제작하는 과정 내에는 과제와 신규함이 존재한다.
심리스 에너지 표면들의 개요:
에너지 릴레이들의 어레이들의 구성 및 설계
일부 실시예들에서, 장치들에 대한 기계적 구조의 제한으로 인해 심을 갖지 않는 개별 장치들의 어레이로부터 고 에너지 위치 밀도를 생성하는 과제를 해결하기 위한 접근법들이 개시된다. 일 실시예에서, 에너지 전파 릴레이 시스템은 능동 소자 영역의 유효 크기의 증가를 허용하여 기계적 치수들을 충족시키거나 초과하여 릴레이들의 어레이를 구성하고 고유 심리스 에너지 표면을 형성할 수 있다.
도 3은 이러한 에너지 릴레이 시스템(30)의 일 실시예를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 릴레이 시스템(30)은 기계적 엔벨로프(32)에 장착된 장치(31)를 포함할 수 있으며, 에너지 릴레이 요소(33)는 장치(31)로부터 에너지를 전파한다. 릴레이 요소(33)는 장치의 다수의 기계적 엔벨로프(32)가 다수의 장치(31)의 어레이 내에 배치될 때 생성될 수 있는 임의의 갭(34)을 완화시키는 능력을 제공하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 디바이스의 능동 영역(31)이 20mmХ10mm이고 기계적 엔벨로프(32)가 40mmХ20mm라면, 에너지 릴레이 요소(33)는 축소형 단부(화살표 A) 상에서 약 20mmХ10mm이고 확대형 단부(화살표 B) 상에서 40mmХ20mm인 테이퍼 형상을 생성하도록 2:1의 배율로 설계될 수 있으며, 각각의 장치(31)의 기계적 엔벨로프(32)를 변경하거나 이와 충돌시키지 않으면서 이들 요소(33)의 어레이를 함께 심리스로(seamlessly) 정렬하는 능력을 제공한다. 기계적으로, 릴레이 요소들(33)은 장치들(31) 사이의 최소 심 갭(seam gap)(34)을 보장하면서 정렬 및 연마하기 위해 함께 접합되거나 융합될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 눈의 시력 한계보다 작은 심 갭(34)을 달성하는 것이 가능하다.
도 4는 함께 형성되고 부가적인 기계적 구조(43)에 견고하게 고정된 에너지 릴레이 요소들(41)을 갖는 베이스 구조체(40)의 일례를 나타낸다. 심리스 에너지 표면(42)의 기계적 구조는 릴레이 요소들(41, 45)을 장착하기 위해 접합 또는 다른 기계적 공정을 통해 동일한 베이스 구조체에 직렬로 다수의 에너지 릴레이 요소들(41, 45)을 커플링하는 능력을 제공한다. 일부 실시예들에서, 각각의 릴레이 요소(41)는 융합, 결합, 접착, 압력 맞춤, 정렬 또는 그렇지 않은 방식으로 함께 부착되어 결과적인 심리스 에너지 표면(42)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 장치(48)는 릴레이 요소(41)의 후방에 장착될 수 있고, 결정된 공차(tolerance) 내에서 적절한 에너지 위치 정렬이 유지되는 것을 보장하기 위해 수동적으로 또는 능동적으로 정렬될 수 있다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 하나 이상의 에너지 위치들을 포함하고, 하나 이상의 에너지 릴레이 요소 스택들은 제 1 및 제 2 면을 포함하고, 각각의 에너지 릴레이 요소 스택은 하나 이상의 에너지 위치들과 심리스 디스플레이 표면 사이에서 연장되는 전파 경로들을 따라 에너지를 지향시키는 고유 심리스 디스플레이 표면을 형성하도록 배치되며, 여기서, 말단 에너지 릴레이 요소들의 임의의 2개의 인접한 제 2 면들의 에지들 사이의 이격 거리는, 고유 심리스 디스플레이 표면의 폭보다 큰 거리를 두고 20/100 시력보다 좋은 시력을 갖는 인간의 눈의 시력에 의해 정의되는 최소 인지 가능한 윤곽보다 작다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면들의 각각은 횡 배향 및 종 배향을 갖는 제 1 및 제 2 표면을 형성하는 하나 이상의 구조체들을 각각 갖는 하나 이상의 에너지 릴레이 요소들을 포함한다. 제 1 릴레이 표면은 포지티브 또는 네거티브 확대를 초래하는 제 2 릴레이 표면과는 상이한 영역을 가지며, 제 2 릴레이 표면을 통해 에너지를 통과시키는 제 1 및 제 2 표면 양방 모두에 대해 명시적인 표면 윤곽들로 구성되어 제 2 릴레이 표면 전체에 걸친 표면 윤곽의 법선에 대해 +/-10도의 각도를 실질적으로 채운다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파 경로들을 지향하도록 단일 에너지 릴레이 내에 또는 다수의 에너지 릴레이들 사이에 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 동시에 수신 및 방출하기 위해 각각의 제 2 면에 대한 2이상의 제 1 면들을 포함하는 에너지 릴레이들로 구성된다.
일 실시예에서, 에너지 릴레이들은 느슨한 코히어런트(coherent) 요소들로서 제공된다.
컴포넌트 엔지니어드 구조체들에 대한 소개:
횡방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이들에서의 개시된 진전들
에너지 릴레이들의 특성들은 횡방향 앤더슨 편재를 유도하는 에너지 릴레이 요소들에 대해 본원에 개시된 원리들에 따라 상당히 최적화될 수 있다. 횡방향 앤더슨 편재는 횡방향으로 무질서하지만 종방향으로 일정한 재료를 통해 전송되는 광선의 전파이다.
이것은 앤더슨 편재 현상을 유도하는 재료들의 효과는 다중 산란 경로들 사이의 무작위화에 의한 것보다 전체 내부 반사에 의한 영향이 더 적을 수 있으며, 여기서, 파 간섭은 종 배향으로 계속되면서 횡 배향으로의 전파를 완전히 제한할 수 있음을 의미한다.
중요한 부가적인 이점은 전통적인 다중-코어 광섬유 재료들의 클래딩(cladding)의 제거이다. 클래딩은 섬유들 사이의 에너지의 산란을 기능적으로 제거하는 것이지만, 동시에 에너지의 광선들에 대한 장벽으로서 작용하므로, 적어도 코어 대 클래드 비율(예컨대, 70:30의 코어 대 클래드 비율은 수신된 에너지 전송을 최대 70%로 전송할 것이다)에 의해 전송을 감소시키고, 부가적으로 전파된 에너지에서 강한 픽셀화 패터닝을 형성한다.
도 5a는 광섬유의 본질적인 특성으로 인해 픽실레이션(pixilation) 및 광섬유 노이즈가 나타날 수 있는 다중-코어 광섬유를 통해 이미지가 릴레이되는, 이러한 비-앤더슨 편재(non-Anderson Localization) 에너지 릴레이(50)의 예의 단면도를 나타낸다. 종래의 다중-모드 및 다중-코어 광섬유들을 이용하면, 중계된 이미지들이 코어들 사이의 혼선(cross-talk)이 변조 전달 함수를 감소시키고 번짐(blurring)을 증가시킬 코어들의 개별 어레이의 전체 내부 반사의 특성들로 인해, 중계된 이미지들이 본질적으로 픽셀화될 수 있다. 종래의 다중-코어 광섬유를 이용하여 생성된 결과 이미지는 도 3에 나타낸 것과 유사한 잔류 고정형 노이즈 섬유 패턴을 갖는 경향이 있다.
도 5b는 도 5a로부터의 고정형 섬유 패턴과 비교하여, 중계된 패턴이 더 큰 밀도의 결정립 구조들을 갖는 횡방향 앤더슨 편재의 특성들을 나타내는 재료들을 포함하는 에너지 릴레이를 통해 동일한 중계된 이미지(55)의 예를 나타낸다. 일 실시예에서, 무작위화된 미세(microscopic) 컴포넌트 엔지니어드 구조체들을 포함하는 릴레이들은 횡방향 앤더슨 편재를 유도하고 상업적으로 이용 가능한 다중 모드 유리 광섬유보다 더 높은 분해 가능 해상도의 전파를 이용하여 광을 보다 효율적으로 전송한다.
유사한 광학 등급의 유리 재료가 실시예 내에서 생성된 동일한 재료에 대한 비용보다 10 내지 100배 이상 비싸고 무게가 나가는, 비용 및 중량 양방 모두의 측면에서 횡방향 앤더슨 편재 재료 특성들에 상당한 이점이 존재하며, 여기서, 개시된 시스템들 및 방법들은 당업계에 공지된 다른 기술들에 비해 비용 및 품질 양방 모두를 개선할 수 있는 중요한 기회들을 시사하는 무작위화된 미세 컴포넌트 엔지니어드 구조체들을 포함한다.
일 실시예에서, 횡방향 앤더슨 편재를 나타내는 릴레이 요소는 차원 격자로 배치된 3개의 직교 평면들의 각각에 복수의 적어도 2개의 상이한 컴포넌트 엔지니어드 구조체들을 포함할 수 있으며, 복수의 구조는 차원 격자 내의 횡방향 평면에서의 재료 파 전파 특성들의 무작위화된 분포들 그리고 차원 격자 내의 종방향 평면에서 재료 파 전파 특성들의 유사한 값들의 채널들을 형성하며, 여기서, 에너지 릴레이를 통해 전파되는 편재형 에너지 파들은 횡 배향에 비해 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파 경로들을 지향하도록 단일 에너지 릴레이 내에 또는 다수의 횡방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이들 사이에 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 동시에 수신 및 방출하기 위해 각각의 제 2 면에 대한 2이상의 제 1 면들을 포함하는 횡방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이들로 구성된다.
일 실시예에서, 횡방향 앤더슨 편재 에너지 릴레이들은 느슨한 코히어런트 또는 가요성 에너지 릴레이 요소들로서 구성된다.
4D 플렌옵틱(Plenoptic) 함수들에 대한 고려사항:
홀로그램 도파관 어레이들을 통한 에너지의 선택적 전파
전술한 바와 같이, 본 명세서 전반에 걸쳐서, 라이트 필드 디스플레이 시스템은 일반적으로 에너지 소스(예컨대, 조명 원) 및 상기의 설명에서 언급된 바와 같이 충분한 에너지 위치 밀도로 구성된 심리스 에너지 표면을 포함한다. 다수의 릴레이 요소들은 에너지를 에너지 장치들로부터 심리스 에너지 표면으로 릴레이하는 데 사용될 수 있다. 필요한 에너지 위치 밀도로 심리스 에너지 표면에 에너지가 전달되면, 에너지는 개시된 에너지 도파관 시스템을 통해 4D 플렌옵틱 함수에 따라 전파될 수 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 4D 플렌옵틱 함수는 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 본원에서는 더 이상 설명되지 않을 것이다.
에너지 도파관 시스템은, 4D 플렌옵틱 함수의 각도 컴포넌트를 나타내는, 통과하는 에너지 파들의 각도 방향을 변경하도록 구성된 구조를 갖는 4D 플렌옵틱 함수의 공간 좌표를 나타내는 심리스 에너지 표면을 따르는 복수의 에너지 위치들을 통해 에너지를 선택적으로 전파하되, 전파된 에너지 파들은 4D 플렌옵틱 함수에 의해 지향된 복수의 전파 경로들에 따라 공간에서 수렴할 수 있다.
이제 4D 플렌옵틱 함수에 따른 4D 이미지 공간에서의 라이트 필드 에너지 표면의 예를 나타내는 도 6을 참조한다. 이 도면은 시인 체적 내의 다양한 위치들로부터 에너지의 광선들이 공간(63)에서 수렴하는 방법을 설명하는 관찰자(62)에 대한 에너지 표면(60)의 광선 트레이스(trace)들을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 각각의 도파관 요소(61)는 에너지 표면(60)을 통한 에너지 전파(64)를 기술하는 정보의 4차원을 정의한다. 2개의 공간 차원들(본원에서 x 및 y로 지칭 됨)은 이미지 공간에서 볼 수 있는 물리적인 복수의 에너지 위치들이고, 가상 공간에서 관찰되는 각도 성분들인 세타(theta) 및 파이(phi)(본원에서 u 및 v로 지칭됨)이며, 이것은 에너지 도파관 어레이를 통해 투영될 때 가상 공간에서 관찰된다. 일반적으로 그리고 4D 플렌옵틱 함수에 따라, 복수의 도파관(예컨대, 렌즈릿(lenslet)들)은, 본원에 기술된 홀로그램 또는 라이트 필드 시스템을 형성함에 있어서, x, y 차원로부터 가상 공간에서의 고유한 위치로 u, v 각도 컴포넌트에 의해 정의된 방향을 따라 에너지 위치를 지향시킬 수 있다.
하지만, 라이트 필드 및 홀로그램 디스플레이 기술들에 대한 중요한 도전은 회절, 산란, 확산, 각도 방향, 교정, 포커스, 시준(collimation), 곡률, 균일성, 요소 혼선뿐만 아니라 감소된 유효 해상도 그리고 충분한 충실도로 정확하게 에너지를 수렴하는 것에 대한 불능에 기여하는 다수의 다른 파라미터들 중 임의의 것을 정확히 설명하지 않은 설계들로 인해 제어되지 않은 에너지의 전파로부터 발생한다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
일 실시예에서, 홀로그램 디스플레이와 연관된 도전 과제들을 해결하기 위한 선택적 에너지 전파에 대한 접근법은 에너지 금지 요소들을 포함할 수 있고, 4D 플렌옵틱 함수에 의해 정의된 환경 내에 거의 시준된 에너지를 갖는 도파관 개구(aperture)들을 실질적으로 채우는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 도파관들의 어레이는 규정된 4D 함수에 의해 정의된 고유한 방향들로 도파관 요소의 유효 개구를 연장통과하여, 단일 도파관 요소만을 통과하도록 각각의 에너지 위치의 전파를 제한하도록 배치된 하나 이상의 요소들에 의해 금지된 심리스 에너지 표면을 따르는 복수의 에너지 위치들에 실질적으로 채우도록 구성된 각각의 도파관 요소에 대한 복수의 에너지 전파 경로들을 정의할 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 에너지 도메인들은 시각, 청각, 촉각 또는 다른 에너지 도메인들을 포함하는 하나 이상의 감각 홀로그램 에너지 전파들을 지향하도록 단일 에너지 릴레이 내에 또는 다수의 에너지 도파관들 사이에 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 도파관들 및 심리스 에너지 표면은 시스템 전체에 걸쳐 양방향 에너지 전파를 제공하기 위해 하나 이상의 에너지 도메인들을 수신 및 방출하도록 구성된다.
일 실시예에서, 에너지 도파관들은, 벽, 테이블, 바닥, 천장, 실내 또는 기타 기하학적 구조 기반의 환경들을 포함하는 임의의 심리스 에너지 표면 배향을 위해 디지털 방식으로 인코딩된, 회절식, 굴절식, 반사식, 그린식(grin), 홀로그램, 프레넬(Fresnel) 등의 도파관 구성들을 활용하여, 비-전송 공극(void) 영역들을 포함하는 비선형 또는 비규칙적 에너지의 분포들을 전파하도록 구성된다. 추가적인 실시예에서, 에너지 도파관 요소는 임의의 표면 프로파일 및/또는 탁상 시인(tabletop viewing)을 제공하는 다양한 기하학적 구조들을 생성하도록 구성되어, 사용자가 360도 구성에서 에너지 표면 주위의 모든 곳에서 홀로그램 이미지를 볼 수 있게 한다.
일 실시예에서, 에너지 도파관 어레이 요소들은 반사 표면들일 수 있고, 요소들의 배치는 육각형, 정사각형, 불규칙형, 반정칙형(semi-regular), 만곡형, 비평면형, 구형, 원통형, 경사식(tilted) 규칙형, 경사식 불규칙형, 공간적 변화형 및/또는 다중 계층형일 수 있다.
심리스 에너지 표면 내의 임의의 컴포넌트에 대해서는, 도파관, 또는 릴레이 컴포넌트들은, 광섬유, 실리콘, 유리, 폴리머, 광학 릴레이들, 회절, 홀로그램, 굴절, 또는 반사 요소들, 광학면 판, 에너지 결합기들, 빔 스플리터들, 프리즘들, 편광 요소들, 공간 광 변조기들, 능동 픽셀들, 액정 셀들, 투명 디스플레이들, 또는 앤더슨 편재 또는 전체 내부 반사를 나타내는 유사한 재료들을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
홀로덱을 실현하는 것:
홀로그램 환경들 내에서 인간의 감각 수용체들을 자극하는 양방향 심리스 에너지 표면 시스템들의 집성
전체 룸(room)들을 포함하는 임의의 크기들, 형상들, 윤곽들 또는 폼 팩터들을 형성하는 다수의 심리스 에너지 표면들을 함께 타일링(tiling), 융합, 본딩, 부착 및/또는 스티칭(stitching)함으로써 심리스 에너지 표면 시스템들의 대규모 환경들을 구축하는 것이 가능하다. 각각의 에너지 표면 시스템은 양방향 홀로그램 에너지 전파, 방출, 반사 또는 감지를 위해 집합적으로 구성된 베이스 구조체, 에너지 표면, 릴레이들, 도파관, 장치들 및 전자 장치를 갖는 어셈블리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 타일링된 심리스 에너지 시스템들의 환경은 주어진 환경에서 모든 표면들을 포함하는 설비들을 포함하는 큰 심리스 평면 또는 곡선 벽들을 형성하도록 집성되며, 심리스, 불연속의 평면, 패시트, 만곡형, 원통형, 구형, 기하 또는 비규칙적 기하학적 구조의 임의의 조합으로서 구성된다.
일 실시예에서, 평면의 표면들의 집성된 타일(tile)들은 무대 또는 장소 기반의 홀로그램 엔터테인먼트를 위한 벽 크기의 시스템들을 형성한다. 일 실시예에서, 평면의 표면들의 집성된 타일들은 동굴 기반의 홀로그램 설비들을 위해 천장과 바닥 양방 모두를 포함하는 4개 내지 6개의 벽들을 갖는 룸을 커버한다. 일 실시예에서, 곡면들의 집성된 타일들은 몰입형(immersive) 홀로그램 설비들을 위한 원통형의 심리스 환경을 생성한다. 일 실시예에서, 심리스 구형 표면들의 집성된 타일들은 몰입형 홀로덱 기반의 경험들을 위한 홀로그램 돔을 형성한다.
일 실시예에서, 심리스 만곡형 에너지 도파관들의 집성된 타일들은 에너지 도파관 구조체 내의 에너지 금지 요소들의 경계를 따른 정확한 패턴을 따르는 기계적 에지들을 제공하여, 인접한 도파관 표면들의 인접한 타일링된 기계적 에지들을 결합, 정렬 또는 융합함으로써 모듈식 및 심리스 에너지 도파관 시스템을 초래한다.
집성된 타일링 환경의 다른 실시예에서, 에너지는 다수의 동시 에너지 도메인들에 대해 양방향으로 전파된다. 추가적인 실시예에서, 에너지 표면은 라이트 필드 데이터가 도파관을 통해 조명원에 의해 투영되고 동시에 동일한 에너지 표면을 통해 수신될 수 있도록 설계된 도파관들을 갖는 동일한 에너지 표면으로부터 동시에 디스플레이 및 캡처하는 능력을 제공한다. 추가적인 실시예에서, 추가 깊이 감지 및 능동 스캐닝 기술들이 활용되어 정확한 세계 좌표계에서 에너지 전파와 관찰자 사이의 상호 작용을 허용할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 에너지 표면 및 도파관은 주파수들을 방출, 반사 또는 수렴하여 촉각 감각 또는 체적 햅틱 피드백을 유도하도록 동작 가능하다. 일부 실시예들에서, 양방향 에너지 전파 및 집성된 표면들의 임의의 조합이 가능하다.
일 실시예에서, 시스템은 적어도 2개의 에너지 장치를 심리스 에너지 표면의 동일한 부분에 페어링(pair)할 수 있도록 2개 이상의 경로 에너지 결합기들과 독립적으로 페어링된 하나 이상의 에너지 장치들을 이용하여 에너지 표면을 통한 에너지의 양방향 방출 및 감지가 가능한 에너지 도파관을 포함하거나, 또는 하나 이상의 에너지 장치들이 베이스 구조체에 또는 편축(off-axis)의 직접 또는 반사 투영 또는 감지를 위해 도파관의 FOV의 전방 및 외측에서의 위치에 고정된 부가적인 컴포넌트에 근접하여 에너지 표면 뒤에 고정되고, 또한 결과적인 에너지 표면은 도파관이 에너지를 수렴할 수 있게 하는 에너지의 양방향 전송, 에너지를 방출하는 제 1 장치 및 에너지를 감지하는 제 2 장치를 제공하며, 여기서, 정보는 전파된 에너지 패턴들, 깊이 추정, 근접도, 모션 추적, 이미지, 색상 또는 사운드 형성 또는 기타 에너지 주파수 분석 내에서 4D 플렌옵틱 눈 및 망막 추적 또는 간섭의 감지를 포함하는, 하지만 이에 한정되지는 않는, 컴퓨터 비전 관련 작업들을 수행하도록 처리된다. 추가적인 실시예에서, 추적된 위치들은 양방향 캡처된 데이터와 투영 정보 간의 간섭에 기초하여 에너지의 위치들을 능동적으로 계산 및 수정한다.
일부 실시예들에서, 초음파 센서, 가시적인 전자기 디스플레이 및 초음파 방출 장치를 포함하는 3개의 에너지 장치들의 복수의 조합들은, 각각의 장치의 에너지 도메인, 그리고 초음파 및 전자기 에너지 각각을 위해 구성된 2개의 엔지니어드 도파관 요소들에 특정한 엔지니어드 특성들을 포함하는 3개의 제 1 표면들의 각각과 함께 단일의 제 2 에너지 릴레이 표면에 결합된 에너지를 전파하는 3개의 제 1 릴레이 표면들의 각각에 대해 함께 구성되어, 별도의 에너지 도메인을 위해 구성된 다른 도파관 요소들에 의해 독립적으로 그리고 실질적으로 영향을 받지 않은 각각의 장치의 에너지를 지향 및 수렴하는 능력을 제공한다.
일부 실시예들에서, 시스템 아티팩트(artifact)들을 제거하고 인코딩/디코딩 기술들과 함께 사용하기 위해 결과적인 에너지 표면의 기하학적 맵핑을 생성하기 위한 효율적인 제조를 가능하게 하는 교정 절차뿐만 아니라 교정된 구성 파일들에 기초하여 데이터를 에너지 전파에 적절한 교정된 정보로 변환하기 위한 전용 통합 시스템이 개시된다.
일부 실시예들에서, 일련의 부가적인 에너지 도파관들 및 하나 이상의 에너지 장치들이 불투명한 홀로그램 픽셀들을 생성하기 위해 시스템에 통합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파관의 직경보다 큰 공간 해상도 및/또는 각도 해상도를 제공하기 위해 또는 다른 초해상도(super-resolution) 목적을 위해 에너지 금지 요소들, 빔 스플리터들, 프리즘들, 능동 시차 배리어들 또는 편광 기술들을 포함하는 부가적인 도파관 요소가 통합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 개시된 에너지 시스템은 또한 가상 현실(VR) 또는 증강 현실(AR)과 같은 착용형 양방향 장치로서 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 에너지 시스템은 디스플레이되거나 수신된 에너지로 하여금 관찰자를 위한 공간에서 결정된 평면에 근접하게 포커싱되도록 하는 조정 광학 요소(들)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관 어레이는 홀로그램 헤드 장착식 디스플레이에 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템은 관찰자가 에너지 시스템 및 실제 환경(예컨대, 투과형 홀로그램 디스플레이) 양방 모두를 볼 수 있게 하는 다수의 광학 경로들을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 시스템은 다른 방법들에 더하여 근접 필드로서 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 데이터의 전송은 정보 및 메타데이터의 임의의 데이터세트를 수신하는 선택 가능하거나 가변적인 압축 비율들로 프로세스들을 인코딩하는 것; 상기 데이터세트를 분석하고, 더 희박한 데이터세트를 형성하는 재료 특성들, 벡터들, 표면 ID들, 새로운 픽셀 데이터를 수신 또는 할당하며, 수신된 데이터는 2차원, 스테레오스코픽, 멀티 뷰, 메타데이터, 라이트 필드, 홀로그램, 기하학적 구조, 벡터들 또는 벡터화된 메타데이터를 포함하고, 인코더/디코더는, 깊이 메타데이터를 갖거나 갖지 않은 깊이 추정 알고리즘들을 통해, 2D; 2D + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 스테레오스코픽, 스테레오스코픽 + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 멀티 뷰; 멀티 뷰 + 깊이, 메타데이터 또는 기타 벡터화된 정보; 홀로그램; 또는 라이트 필드 컨텐츠에 대한 이미지 처리를 포함하여 실시간 또는 오프라인에서의 데이터를 변환하는 능력을 제공할 수 있으며, 역 광선 추적 방법론은 특성화된 4D 플렌옵틱 함수를 통해 다양한 2D, 스테레오스코픽, 다중 뷰, 체적, 라이트 필드 또는 홀로그램 데이터로부터의 역 광선 추적에 의해 생성된 결과적인 변환 데이터를 실제 좌표들에 적절히 맵핑한다. 이들 실시예에서, 원하는 전체 데이터 전송은 원시 라이트 필드 데이터세트보다 다수의 자리수만큼 덜 전송된 정보일 수 있다.
광학 이미지 릴레이 및 테이퍼 요소들
매우 조밀한 섬유 묶음들은 픽셀 일관성 및 높은 투과율로 광이 중계될 수 있게 하는 많은 재료들로 제조될 수 있다. 광섬유들은 유리, 플라스틱 또는 유사한 매체의 투명 섬유들을 따른 광의 안내를 제공한다. 이 현상은 전체 내부 반사로 지칭되는 개념에 의해 제어된다. 광의 광선은 재료의 임계각 내에 포함되고 광선은 보다 조밀한 재료의 방향으로부터 입사할 때, 상이한 굴절률을 갖는 2개의 투명 광학 재료들 사이에서 완전히 내부적으로 반사될 것이다.
도 7은, 최대 수용 각도 Ψ 72(또는 재료의 NA), 상이한 굴절률들을 갖는 코어(74) 및 클래드(76) 재료들 그리고 반사된(78) 및 굴절된(79)의 광선들로 상세히 열거되는, 내부 반사(70)의 근본 원리들의 직각도를 도시한다. 일반적으로, 광의 투과율은 반사 당 0.001퍼센트 미만으로 감소하고 직경이 약 50미크론인 섬유는 피트 당 3,000개의 반사기들을 가질 수 있으며, 이는 다른 복합 광학 방법론들과 비교하여 광 전송이 얼마나 효율적일 수 있는지를 이해하는 데 도움이 된다.
다음
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의 스넬(Snell)의 법칙에 따라 입사각(I)과 굴절각(R) 간의 관계를 계산할 수 있으며, 여기서, n 1은 공기의 굴절률이고, n 2는 코어 재료(74)의 굴절률이다.
광섬유의 분야에서의 당업자는 광 수집 방법, 최대 허용 각도 및 광섬유 재료들을 통해 광이 어떻게 진행되는지를 이해하는 데 필요한 다른 계산들과 연관된 부가적인 광학 원리들을 이해할 것이다. 광섬유 재료들은 다음의 실시예들에서 설명될 바와 같이 초점을 맞추는 방법론보다는 광의 릴레이로 간주되어야 하기 때문에, 이 개념을 이해하는 것이 중요하다.
광섬유를 빠져 나가는 광의 각도 분포를 이해하는 것은 본 개시에 중요하며, 입사각에 기초하여 예상되는 것과 같지 않을 수도 있다. 섬유로부터의 출사 시의 방위각(azimuthal angle)은 섬유의 최대 수용 각, 길이 및 직경뿐만 아니라 출사 광선이 입사각 및 굴절각에 의해 정의되는 바와 같은 원추 형상으로 나타나는 경향이 있는 재료들의 다른 파마리터들에 따라 급격하게 변하는 경향이 있다.
도 8은 광섬유(82)에 입사하는 광선(84)이 특정 방위각 Ψ를 갖는 광(86)의 원추 형상 분포에서 어떻게 나갈 수 있는지를 시사한다. 이 효과는 레이저 포인터를 광섬유를 통해 비추고 표면 상의 다양한 거리들과 각도들에서 출력 광선을 시인함으로써 관찰될 수 있다. 전체 원추형 영역(예컨대, 원추 형상의 반경뿐만은 아님)에 걸쳐 광의 분포를 갖는 출구의 원추 형상은 제안된 설계들을 이용하여 전진하는 중요한 개념이 될 것이다.
섬유 재료들에서의 전송 손실의 주요 원인은 클래딩, 재료의 길이 및 수용 각을 벗어난 광선들에 대한 광의 손실이다. 클래딩은 코어를 단열시키고 개별 광섬유들 사이를 진행하는 광선을 완화시키는 데 도움이 되도록 더 큰 번들 내의 각 개별 섬유를 둘러싼 재료이다. 이 외에도 엑스트라 뮤럴 흡수(EMA: extra mural absorption)로 지칭되는 수용 각도를 벗어난 광을 흡수하는 데 불투명한 부가적인 재료들이 사용될 수 있다. 재료들 양방 모두 콘트라스트(contrast), 분산 및 기타 인자들의 수를 고려하여 시인 이미지 품질을 개선하는 데 도움이 될 수 있지만 입구로부터 출구로의 전반적인 광 투과율은 감소할 수 있다. 간략함을 위해 광섬유의 대략적인 전송 포텐셜을 이해하기 위해 코어 대 클래드의 백분율이 사용될 수 있으며, 이것은 광의 손실의 원인 중 하나일 수 있기 때문이다. 대부분의 재료들에서, 코어 대 클래드 비는 약 50% 내지 약 80%의 범위 내일 수 있지만, 다른 유형의 재료들이 이용 가능할 수 있고, 이하의 논의에서 탐구될 것이다.
각 섬유는 섬유 직경 당 약 0.5개의 사진 선(photographic line) 쌍을 해상하는 것이 가능할 수 있으므로, 픽셀들을 중계할 때 픽셀 당 단일 섬유보다는 많은 섬유를 갖는 것이 중요할 수 있다. 일부 실시예들에서, 섬유들 각각 사이의 평균 해상도가 이들 재료들을 활용할 때 연관된 MTF 손실을 완화하는 것을 돕기 때문에, 픽셀 당 12개 정도가 이용될 수 있거나, 3개 이상의 섬유들이 수용 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 광섬유는 광섬유 페이스 플레이트의 형태로 구현될 수 있다. 페이스 플레이트는 진공의 단단한 유리 플레이트를 형성하기 위해 함께 융합된 단일 또는 다중 혹은 다중-다중 섬유들의 집합이다. 이 플레이트는 페이스 플레이트의 일 면에 제시된 이미지가 고효율로 외부 표면으로 전송될 수 있기 때문에 이론적으로 두께가 0인 창으로서 간주될 수 있다. 전통적으로, 이러한 페이스 플레이트들은 약 6미크론 이상의 피치를 갖는 개별적인 섬유들로 구성될 수 있지만, 콘트라스트 및 이미지 품질을 궁극적으로 감소시킬 수 있는 클래딩 재료의 유효성에도 불구하고 더 높은 밀도가 달성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광섬유 번들은 테이퍼형일 수 있어서, 결과적으로, 각 표면의 상이한 크기들 및 상응하는 배율을 갖는 픽셀들의 코히어런트 맵핑을 초래할 수 있다. 예를 들어, 확대형 단부는 더 큰 섬유 피치 및 더 높은 배율을 갖는 광섬유 요소의 측면을 지칭할 수 있고, 축소형 단부는 더 작은 섬유 피치 및 더 낮은 배율을 갖는 광섬유 요소의 측면을 지칭할 수 있다. 다양한 형상들을 생성하는 공정은 원하는 배율을 가열 및 제작하는 것을 수반할 수 있으며, 이는 광섬유들의 원시(original) 피치를 그들의 원시 크기로부터 더 작은 피치로 물리적으로 변경하여 테이퍼 및 NA 상의 위치에 따라 수용 각도를 변경시킬 수 있다. 다른 인자는 제작 공정이 평평한 표면들에 대한 섬유들의 직각성을 왜곡시킬 수 있다는 것이다. 무엇보다도, 테이퍼 설계와 관련된 과제들 중 하나는, 각 단부의 유효 NA가 배율의 백분율에 거의 비례하여 변경될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 2:1 비율을 갖는 테이퍼는 10mm의 직경을 갖는 축소형 단부와 20mm의 직경을 갖는 확대형 단부를 가질 수 있다. 원시 재료가 10미크론의 피치로 0.5의 NA를 갖는다면, 축소형 단부는 대략 1.0의 유효 NA 및 5미크론의 피치를 가질 것이다. 결과적인 수용 및 출구 각도들도 또한 비례적으로 변경될 수 있다. 이 공정으로부터의 정확한 결과들을 이해하기 위해 수행할 수 있는 훨씬 더 복잡한 분석이 존재하며, 당업자는 이러한 계산들을 수행할 수 있을 것이다. 이 논의의 목적을 위해, 이러한 일반화들은 전체 시스템들 및 방법들뿐만 아니라 이미징의 영향을 이해하기에 충분하다.
횡방향 앤더슨 편재
1950년 대에 앤더슨 편재 원리가 소개되었지만, 재료들과 공정들에서의 최근의 기술적인 돌파구들이 이루어지기 전까지는 광학 전송에서 그 원리가 실제로 탐색될 수 없었다. 횡방향 앤더슨 편재는 횡방향 평면에서 파의 확산없이 횡방향으로 무질서하지만 종방향으로 일정한 재료를 통해 전송되는 파의 전파이다.
선행 기술에서, 횡방향 앤더슨 편재는 섬유 광학 페이스 플레이트가 무작위로 혼합되고 함께 융합된 상이한 RI를 갖는 섬유의 수백만 개의 가닥(strand)들을 인출하는 것을 통해 제작되는 실험을 통해 관찰되었다. 입력 빔이 면판의 표면들 중 하나에 걸쳐 스캐닝될 때, 대향 표면들 상의 출력 빔은 입력 빔의 횡방향 위치를 따른다. 앤더슨 편재는 무질서한 매체들에서 파들의 확산의 부재를 나타내므로, 정돈된(ordered) 광섬유 릴레이들에 대한 이전의 계산들과 비교할 때 근본적인 물리학 중 일부는 상이하다. 이것은 앤더슨 편재 현상을 유도하는 광섬유들의 효과는 다중 산란 경로들 사이의 무작위화에 의한 것보다 전체 내부 반사에 의한 영향이 더 적으며, 여기서, 파 간섭은 종방향 경로로 계속되면서 횡 배향으로의 전파를 완전히 제한할 수 있음을 의미한다.
도 9는, 픽실레이션(pixilation) 및 광섬유 노이즈가 종래의 광섬유들의 특성들로 인해 나타날 수 있는 종래의 다중 코어 광섬유들(90)을 통해 중계된 예시적인 이미지의 직각도를 나타낸다. 도 10은 본 개시의 일 실시예에 따라 앤더슨 편재 원리의 특성들을 나타내는 광섬유(100)를 통해 중계된 동일한 이미지의 직각도를 나타낸다.
일 실시예에서, 횡방향 앤더슨 편재 재료들은 보다 높은 MTF를 갖는 상업적으로 이용 가능한 최고 품질의 다중 모드 유리 이미지 섬유들뿐만 아니라, 또는 그보다 더 양호하게 광을 전송하는 것이 가능하다. 종래의 다중 모드 및 다중 코어 광섬유들을 이용하면, 중계된 이미지들이 코어들 사이의 혼선이 MTF를 감소시키고 번짐을 증가시킬 코어들의 개별 어레이의 전체 내부 반사의 특성들로 인해, 중계된 이미지들이 본질적으로 픽셀화된다. 다중 코어 광섬유를 이용하여 생성된 결과 이미지는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 잔류 고정형 노이즈 섬유 패턴을 갖는 경향이 있다. 대조적으로, 도 11은 노이즈 패턴이 고정된 섬유 패턴보다 입자(grain) 구조와 훨씬 더 유사하게 나타나는 횡방향 앤더슨 편재 원리의 특성들을 나타내는 예시적인 재료 샘플을 통해 동일한 중계된 이미지를 나타낸다.
횡방향 앤더슨 편재 현상을 나타내는 광학 릴레이들에 대한 다른 중요한 이점은 폴리머 재료로부터 제작되어서 결과적으로 비용과 중량을 감소시킬 수 있는 것이다. 일반적으로 유리 또는 다른 유사한 재료들로 이루어진 유사한 광학 등급 재료는 폴리머들로 생성된 동일한 치수의 재료의 비용보다 10배 내지 100(또는 그 이상)배 비쌀 수 있다. 또한, 폴리머 릴레이 광학의 중량은 재료의 거의 대부분의 밀도가 공기 및 다른 경량 플라스틱임을 고려하면 10-100배 미만일 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 상기의 비용 및 중량 제안들을 충족시키지 않더라도, 앤더슨 편재 특성을 나타내는 임의의 재료가 본원에서의 이 개시에 포함된다. 당업자는 상기의 제안이 유사한 유리 제품들이 배제시키는 중요한 상업적 실행 가능성에 적합한 단일 실시예임을 이해할 것이다. 중요한 추가 이점 중 하나는 횡방향 앤더슨 편재가 작동하기 위해 광섬유 클래딩이 필요하지 않으며, 종래의 다중 코어 광섬유들에 대한 이러한 것은 광섬유들 사이에서의 광의 산란을 방지하는 동시에 광선들의 일부를 차단하므로 적어도 코어 대 클래드 비율만큼 전송을 감소시킨다(예컨대, 70:30의 코어 대 클래드 비율은 수신된 조명의 최고 70%만을 전송할 것이다).
다른 중요한 이점은, 재료가 근본적으로 종래의 의미에서 에지들을 갖지 않으므로 심 없이 접합되거나 융합될 수 있는 더 작은 다수의 부품들을 생산하는 능력이며, 임의의 두 피스(piece)들의 병합은 둘 이상의 피스들을 함께 병합하는 공정에 따라 컴포넌트를 고유 피스로서 생성하는 것과 거의 동일하다. 대규모 애플리케이션들에 대해서는, 이것은 막대한 기반시설 또는 도구화 비용 없이 제조자가 수행할 수 있는 중요한 이점이며, 그렇지 않고 다른 방법들로는 불가능한 단일 피스의 재료를 생성하는 능력을 제공한다. 종래의 플라스틱 광섬유들은 이러한 장점들 중 일부를 가지고 있지만 클래딩으로 인해 일반적으로 여전히 일부 거리의 심 라인(seam line)을 수반한다.
횡방향 앤더슨 편재를 나타내는 광학 릴레이들은, 그 각각이 제어된 굴절률(RI), 가시광의 파장의 대략적인 크기인 약 1um의 크기, 그리고 구조체의 장축을 따라 전자기 에너지의 전송을 용이하게 하는 세장형(elongated) 형상을 갖는 하나 이상의 건축형 블록 구조체들로 구성될 수 있음이 제안된다. 구조체들은 최소한의 RI 변화의 채널들이 광학 릴레이 길이를 통해 종방향으로 형성되도록 배치되어야 하지만, RI는 횡방향 평면에서 무작위로 변한다. 가시적인 전자기 에너지 파 릴레이들에 대한 일 실시예에서, 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA, 1.49의 RI) 및 폴리스티렌(1.59의 PS, RI)의 세장형 입자들을 포함하여 ~0.1의 굴절률 오프셋을 갖는 2개의 건축형 블록 구조체들이 선택된다. 제 1 및 제 2 구조체들은 배치되고, 광 접합제와 상호혼합되고, 그런 다음, 경화된다. 일 실시예에서, 재료들의 비율은 50:50일 수 있다.
횡방향 앤더슨 편재는 전자기파, 음향파, 양자파 등의 전송에 적용되는 일반적인 파 현상이다. 횡방향 앤더슨 편재를 나타내는 에너지 파 릴레이를 형성하는 데 요구되는 하나 이상의 건축형 블록 구조체들은 각각 대략적으로 대응 파장인 크기를 갖는다. 건축형 블록들에 대한 다른 중대한 파라미터는 전자기파들에 대한 굴절률 및 음향파들에 대한 음향 임피던스를 포함하는 이들 건축형 블록에 사용되는 재료들에서의 에너지 파의 속도이다. 예를 들어, 건축형 블록 크기들 및 굴절률들은 X선으로부터 라디오파로 전자기 스펙트럼의 임의의 주파수를 수용하도록 변경될 수 있다.
이러한 이유로, 광학 릴레이들에 대한 본 개시에 있어서의 논의들은 전체 전자기 스펙트럼뿐만 아니라 음향 에너지 및 기타 여러 유형들의 에너지로 일반화될 수 있다. 이러한 이유로, 가시적인 전자기 스펙트럼과 같은 일 에너지 형태에 대해 논의가 초점을 맞추더라도, 에너지 소스, 에너지 표면 및 에너지 릴레이라는 용어의 사용이 종종 이용될 것이다.
의심의 여지를 피하기 위해, 재료의 양, 공정, 유형, RI 등은 단지 예시적인 것이며 앤더슨 편재 특성을 나타내는 임의의 광학 재료가 여기에 포함된다. 게다가, 무질서한 재료들 및 공정들의 임의의 사용이 본 명세서에 포함된다.
본 개시에서 언급된 광학 설계의 원리는 일반적으로 모든 형태들의 에너지 릴레이들에 일반적으로 적용되며, 특정 제품, 시장, 폼 팩터, 장착 등을 위해 선택된 설계 구현예들은 이러한 기하학적 구조들을 해결할 필요가 있을 수도 있거나 없을 수도 있지만, 간략화를 위해, 개시된 임의의 접근법은 모든 잠재적인 에너지 릴레이 재료들을 포괄함에 유의해야 한다.
에너지 모자이크 어레이
상기 에너지 파 소스들에 대한 기계적 요건들의 제한으로 인해 심들을 갖지 않은 개별 에너지 파 소스들의 어레이로부터 고해상도를 생성하는 과제를 추가로 해결하기 위해, 테이퍼형 광학 릴레이들의 사용은 테이퍼들의 어레이를 함께 심리스로 스티칭하고 고유 인접 전자기 에너지 표면을 형성하기 위해 요구되는 기계적 치수들을 충족시키거나 초과하도록 능동 디스플레이 영역의 유효 크기를 증가시키는 데 채용될 수 있다.
예를 들어, 에너지 파 원의 능동 영역이 20mmХ10mm이고 기계적 엔벨로프가 40mmХ20mm라면, 테이퍼형 에너지 릴레이는 축소형 단부 상에 20mmХ10mm(절삭시)이고 확대형 단부 상에 40mmХ20mm(절단시)인 테이퍼를 생성하도록 2:1의 배율로 설계될 수 있으며, 각각의 에너지 파 원의 기계적 엔벨로프를 변경 또는 위반하지 않으면서 이들 테이퍼형의 어레이를 함께 심리스로 정렬할 수 있는 능력을 제공한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라 직각도에서의 그러한 하나의 테이퍼형 에너지 릴레이 모자이크 배치(110)를 나타낸다. 일 실시예에서, 릴레이 장치(110)는 2이상의 릴레이 요소들(112)을 포함할 수 있으며, 각각의 릴레이 요소(112)는 하나 이상의 구조체들로 형성되며, 각각의 릴레이 요소(112)는 제 1 표면(114), 제 2 표면(116), 횡 배향(일반적으로 표면들(114, 116)에 평행) 및 종 배향(일반적으로 표면들(114, 116)에 수직)을 갖는다. 일 실시예에서, 제 1 표면(114)의 표면적은 제 2 표면(116)의 표면적과 상이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 표면(114)의 표면적은 제 2 표면(116)의 표면적보다 크거나 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 표면(114)의 표면적은 제 2 표면(116)의 표면적과 동일할 수 있다. 에너지 파들은 제 1 표면(114)으로부터 제 2 표면(116)으로 또는 그 반대로 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이 요소 장치(110)의 릴레이 요소(112)는 제 1 표면(114)과 제 2 표면(116) 사이에 경사진 프로파일 부분(118)을 포함한다. 동작시, 제 1 표면(114)과 제 2 표면(116) 사이에서 전파하는 에너지 파들은 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 가질 수 있고, 릴레이 요소(112)를 통과하는 에너지 파들은 공간 확대 또는 공간 축소를 초래할 수 있다. 바꾸어 말하면, 릴레이 요소 장치(110)의 릴레이 요소(112)를 통과하는 에너지 파들은 증가된 배율 또는 감소된 배율을 경험할 수 있다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소 장치(110)를 형성하기 위한 하나 이상의 구조체들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 폴리머 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 표면(114)을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면(116)을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 가지며, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 1 표면(114)은 에너지 파 원으로부터 에너지를 수신하도록 구성될 수 있으며, 에너지 파 원은 제 1 표면(114) 및 제 2 표면(116) 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함한다.
기계적으로, 이러한 테이퍼형 에너지 릴레이들은 서로 접합되거나 융합되어, 정렬하고, 연마하고, 파동 에너지 소스들 사이의 가능한 최소 심 갭이 가능하도록 보장한다. 하나의 이러한 실시예에서, 테이퍼 재료에 열적으로 정합되는 에폭시를 사용하여, 최대 심 갭을 50㎛로 달성하는 것이 가능하다. 다른 실시예에서, 압축 및/또는 가열하에 테이퍼 어레이를 배치하는 제조 공정은 요소들을 함께 융합하는 능력을 제공한다. 다른 실시예에서, 플라스틱 테이퍼의 사용은 부가적인 접합없이 접합을 생성하기 위해보다 용이하게 화학적으로 융합되거나 열처리될 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해, 중력 및/또는 힘 이외의 접합을 명시적으로 포함하도록 어레이를 함께 접합시키기 위해 임의의 방법론이 사용될 수 있다.
광섬유 모자이크 설계
기계적 구조는 특정 공차 사양을 충족시키는 방식으로 다수의 컴포넌트를 유지하는 데 필수적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 테이퍼형 릴레이 요소들의 표면들(114, 116)은 원형, 타원형, 타원형(elliptical), 계란형(oval), 삼각형, 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 사다리꼴, 마름모형, 오각형, 육각형 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 다각형 형태를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 직사각형 테이퍼들과 같은 비-정사각형 테이퍼들에 대해서는, 예를 들어, 릴레이 요소들(110)은 전체 에너지 소스의 최대 치수들에 평행한 최소 테이퍼 치수를 갖도록 회전될 수 있다. 이 접근법은 에너지 소스의 중심점에서 보았을 때와 같이 확대된 릴레이 요소의 수용 콘으로 인해 광의 광선의 가장 낮은 거부를 나타내는 에너지 소스의 최적화를 허용한다. 예를 들어, 원하는 에너지 소스 크기가 100mmХ60mm이고 각각의 테이퍼형 에너지 릴레이가 20mmХ10mm이면, 릴레이 요소들은 3Х10개의 테이퍼 에너지 릴레이 요소들의 어레이가 결합되어 원하는 에너지 소스 크기를 생성할 수 있도록 정렬 및 회전될 수 있다. 어떠한 것도, 여기에 다른 조합들 중에서 6Х5 행렬의 어레이의 대안적인 구성을 갖는 어레이가 이용될 수 없다는 것을 제안하지 않아야 한다. 3Х10 레이아웃으로 구성된 어레이는 일반적으로 대안적인 6Х5 레이아웃보다 우수하게 수행할 것이다.
에너지 소스 시스템의 가장 단순한 형성은 단일 테이퍼형 에너지 릴레이 요소로 구성되지만, 다수의 요소들이 커플링되어 증가된 품질 또는 가요성을 갖는 단일 에너지 소스 모듈을 형성할 수 있다. 그러한 일 실시예는 에너지 소스에 부착된 축소형 단부를 갖는 제 1 테이퍼형 에너지 릴레이와, 제 1 릴레이 요소에 연결된 제 2 테이퍼형 에너지 릴레이를 포함하며, 제 1 릴레이 요소의 확대형 단부와 접촉하는 제 2 광학 테이퍼의 축소형 단부는 2개의 개별 테이퍼 배율들의 곱과 동일한 총 배율을 생성한다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라 에너지 소스 표면(126)에 대향하는 축소형 단부를 양방 모두가 갖는, 직렬로 된 2개의 복합 광학 릴레이 테이퍼들(122, 124)의 직각도를 나타낸다. 이 예에서, 입력 NA는 테이퍼(124)의 입력에 대해 1.0이지만, 테이퍼(122)의 출력에 대해 단지 약 0.16이다. 출력은 테이퍼(124)에 대한 2와 테이퍼(122)에 대한 3의 곱인 총 배율 6으로 분할됨에 유의한다. 이 접근법의 한 가지 이점은 제 2 에너지 파 릴레이의 변경없이 에너지 소스의 다양한 치수들을 설명하기 위해 제 1 에너지 파 릴레이를 개별맞춤화하는 능력이다. 또한 제 1 릴레이 요소의 설계를 변경하지 않고도 출력 에너지 표면의 크기를 변경할 수 있는 가요성을 제공한다. 또한 디스플레이(126) 및 기계적 엔벨로프(128)를 나타낸다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 제 1 테이퍼(132)의 축소형 단부에 대해 축소형 단부 짝을 갖도록 회전된 제 2 테이퍼(134)를 갖는 복합 테이퍼형 에너지 릴레이(130)의 직각도를 나타낸다. 이것은 도 12에 나타낸 것과 유사한 이점들을 갖는다. 에너지 파들에 대해서는, 거부된 광선들은 복원될 수 없지만 출구의 각도를 보다 제어 가능할 수 있더라도, 축소된 양단들 양방 모두가 짝을 이루기 때문에 광의 원시 각도를 부분적으로 복원하는 부가적인 장점을 유지한다. 다시 한번, 0.5의 입력 NA는 시스템 1.5의 총 배율과 동일한 인자에 의해 0.3의 출력 값으로 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 도 12 및 도 13에 나타낸 것과 같이 종 배향으로 적층된 구성에서의 복수의 릴레이 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 적층 구성들에서, 복수의 요소들 중 제 1 요소(예컨대, 124)는 제 1 표면(예컨대, 에너지 소스 표면(126)에 근접한 표면)을 포함할 수 있고, 복수의 요소들 중 제 2 요소(예컨대, 122)는 제 2 표면(예컨대, 에너지 소스 표면(126)으로부터 가장 먼 표면)을 포함한다. 제 1 요소 및 제 2 요소 각각은 전술한 바와 같이 에너지의 공간 확대 또는 공간 축소 중 어느 일방을 개별적으로 또는 함께 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 갖게 되고, 이에 의해 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 적층 구성에서의 복수의 요소들은 복수의 페이스 플레이트들을 포함할 수 있다(도 29에 가장 잘 나타냄). 일부 실시예들에서, 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이들을 가질 수 있거나 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들일 수 있다(도 31 내지 도 35에 가장 잘 나타냄). 다른 실시예들에서, 복수의 요소들은 도 11의 부분과 유사한 경사진 프로파일 부분들을 가질 수 있으며, 여기서, 경사진 프로파일 부분들은 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각도형, 직선형, 만곡형, 테이퍼형으로 되거나, 패시트 또는 정렬될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 요소는 에너지가 횡 배향으로 편재되도록 무작위화된 굴절률 가변성을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다. 이것은 후속하는 도면들 및 논의에서 보다 상세히 설명될 것이다.
이제 도 12로 돌아가면, 동작시, 제 1 표면은 에너지 소스 유닛(예컨대, 126)으로부터 에너지 파들을 수신하도록 구성되며, 에너지 소스 유닛은 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프(128)를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 갖게 되어, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 기계적 엔벨로프(128)는 렌즈를 갖는 투영 시스템(234)(도 24에 가장 잘 나타냄), 및 렌즈(236)에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함할 수 있고, 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합이다(도 24 내지 도 28 그리고 도 30 및 도 31에 가장 잘 나타냄). 이들 후속 도면에 나타낸 바와 같이, 일부 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 패널들(예컨대, 242, 252, 262, 274)은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상 대칭 구성(도 27, 도 28 및 도 30에 가장 잘 나타냄)으로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 투영 시스템은 또한 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함할 수 있으며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다. 이들 실시예는, 다른 것들과 함께, 후속하는 도면들 및 논의에서 보다 상세히 설명될 것이다.
가요성 에너지 소스 및 만곡형 에너지 릴레이 표면들의 사용
만곡형 표면들을 갖는 특정 에너지 소스 기술들 또는 에너지 투영 기술들을 제조하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 에너지의 소스에 대해서는, 만곡형 OLED 디스플레이 패널이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지의 소스에 대해서는, 자동 초점 레이저 투영 시스템이 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 투영된 표면에 걸쳐 초점을 유지하기에 충분히 넓은 피사계 심도(depth of field)를 갖는 투영 시스템이 채용될 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 이들 예들은 예시적인 목적을 위해 제공되며 기술들의 이러한 설명에 대한 기술적 구현예들의 범위를 결코 제한하지 않는다.
만곡형 에너지 표면 또는 광의 공지된 입력 각도들 및 각각의 출력 수정형 각도로 완전히 포커싱된 투영 이미지를 유지할 수 있는 만곡형 표면을 활용함으로써, 광학 기술들이 광학 구성의 주 광선 각도(CRA)에 기초하여 조향된(steered) 콘형 광을 생성하는 능력을 감안할 때, 보다 이상화된 광의 시야각을 제공할 수 있다.
그러한 일 실시예에서, 광학 릴레이 요소의 에너지 표면 측은 모듈 당 기초로 원통형, 구형, 평면형, 또는 비평면형 연마된 구성(본원에서, "기하학적 구조" 또는 "기하학"으로 지칭됨)으로 만곡될 수 있으며, 여기서, 에너지 소스는 하나 이상의 소스 모듈들로부터 유래된다. 각각의 효과적인 발광 에너지 소스는 변형의 공정을 통해 변경되는 그 자체의 각각의 시야각을 갖는다. 이 만곡형 에너지 소스 또는 유사한 패널 기술을 활용하면 CRA의 변형 및 재구성 또는 각 유효 픽셀의 최적 시야각에 덜 민감할 수 있는 패널 기술을 사용할 수 있다.
도 14는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 3:1 배율 인자 및 부착된 에너지 소스의 광의 결과적인 시야각을 갖는 광학 릴레이 테이퍼 구성(140)의 직각도를 나타낸다. 광학 릴레이 테이퍼는 테이퍼형 에너지 릴레이와 축소형 단부에 부착된 에너지 소스의 어느 일 단부 상에 평면형 및 수직형 표면들을 갖는 약 0.33(여기에 수반된 많은 다른 인자들이 존재하며, 이는 오직 간략화된 참조용이다)의 출력 광선들에 대해 유효한 NA를 초래하는 3:1 배율 인자를 갖는 1.0의 입력 NA를 갖는다. 이 접근법을 단독으로 활용하면, 에너지 표면의 시야각은 입력 각도의 시야각의 약 1/3이 될 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, (광학 페이스 플레이트 또는 다른 방법을 활용하여) 1:1의 유효 배율을 갖는 유사한 구성이 부가적으로 사용될 수 있거나, 임의의 다른 광학 릴레이 유형 또는 구성이 활용될 수 있다.
도 15는 도 14의 것과 동일하기는 하지만, 이제는 만곡형 기하학적 구성(152)을 갖는 에너지 소스 측면 상의 표면이면서, 평면형 표면을 가지고 모듈(150)의 광축에 수직인 에너지 소스 측면(154)에 대향하는 표면을 갖는 테이퍼형 에너지 릴레이 모듈(150)을 나타낸다. 이 접근법을 이용하면, 각각의 유효 발광 소스의 가시성 출구 콘은 전체 에너지 소스보다 작을 수 있지만, 도 15에 예시된 바와 같은 만곡형 표면(152)을 감안하면, 입력 각도들(152 근처의 화살표들을 참조)은 이 기하학적 구조에 기초하여 편향(bias)될 수 있고, 출력 각도들(예컨대, 154 근처의 화살표들을 참조)은 도 14의 것과는 상이한, 표면 상의 위치에서 더 독립하도록 튜닝될 수 있다. 이것은 이용 가능한 광선의 더 넓거나 더 압축된 밀도에 대한 광의 시야각을 최적화하는 특정 에너지 표면을 고려할 때 유리할 수 있다.
다른 실시예에서, (도 17 내지 도 18에 나타낸 바와 같이) 도 15의 에너지 표면을 형상에 있어서 볼록하게 함으로써 출력 각도에 있어서의 변화가 달성될 수 있다. 이러한 변경이 이루어지면, 에너지 표면(152)의 에지 근처의 광의 출력 콘들은 중심을 향하여 회전될 것이다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소 장치는 릴레이 요소와 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스(미도시)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 릴레이 요소 장치의 표면들 양방 모두는 평면형일 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 하나의 표면은 평면형일 수 있고 다른 표면은 비평면형일 수 있거나 또는 그 반대일 수 있다. 마지막으로, 다른 예에서, 릴레이 요소 장치의 표면들 양방 모두는 비평면형일 수 있다. 다른 실시예들에서, 비평면형 표면은 다른 비평면형 구성들 중에서 오목형 표면 또는 볼록형 표면일 수 있다. 예를 들어, 릴레이 요소의 표면들 양방 모두는 오목형일 수 있다. 대안으로, 양 표면은 볼록형일 수 있다. 다른 예에서, 하나의 표면은 오목형이고 다른 표면은 볼록형일 수 있다. 평면형, 비평면형, 볼록형 및 오목형 표면들의 다수의 구성들이 본원에서 고려되고 개시됨은 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따라 에너지 소스 측면 상에서의 수직이 아닌 평면형 표면(162)을 갖는 광학 테이퍼 릴레이(160)의 직각도를 나타낸다. 에너지 소스 측면 기하학적 구조들에서 개별맞춤 가능한 상당한 변화를 나타내기 위해, 도 16은 도 15와 비교하기 위해 에너지 소스 측에 대해 수직이 아닌 평면형 기하학적 구조를 간략히 생성한 결과를 나타내며, 무한한 잠재 표면 특성으로 가능한 입력 수용 콘 각도 및 광 1, 2, 3의 출력 가시 방출 콘 각도들을 직접 제어하는 능력을 추가로 시사한다.
애플리케이션에 따라서는, 에너지 소스가 수직이 아닌 기하학적 구성이되, 수직으로 유지되는 에너지 소스 측면을 갖거나 또는 다양한 비수직형 기하학적 구성들을 나타내는 에너지 소스와 에너지 소스 측면 기하학적 구성 양방 모두를 갖는, 에너지 소스 구성을 설계하는 것도 또한 가능할 수 있다. 이 방법론을 이용하면, 입력 및 출력 에너지 소스 광시야각에 대한 제어를 더 증가시키는 것이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 테이퍼들은 또한 특정 시야각을 최적화하기 위해 비수직형일 수도 있다. 그러한 일 실시예에서, 단일 테이퍼가 사분면으로 절단될 수 있고, 그런 다음, 개별 광학 중심축을 중심으로 180도만큼 회전된 각각의 테이퍼로 재-어셈블리되어 테이퍼의 축소형 단부가 재-어셈블리된 사분면들의 중심으로부터 멀어지게 대향하게 하므로 시야를 최적화할 수 있다. 다른 실시예들에서, 비수직형 테이퍼들은 또한 물리적 확대형 단부의 크기 또는 스케일을 증가시키지 않으면서 축소형 단부 상의 에너지 소스들 사이에서의 증가된 간극을 제공하도록 직접 제조될 수도 있다. 이들 및 다른 테이퍼형 구성들이 본원에 개시된다.
도 17은 에너지 소스(170)의 측면 상에 오목면을 갖는 도 14의 광학 릴레이 및 광 조명 콘들의 직각도를 나타낸다. 이 경우에, 출력 광의 콘들은, 도 14와 비교하여, 에너지 소스 측면이 평평한 경우보다 출력 에너지 표면의 평면의 에지들 근처에서 상당히 더 발산된다.
도 18은 에너지 소스의 측면 상에 볼록형 표면을 갖는 도 17의 광학 릴레이 및 광 조명 콘들의 직각도를 나타낸다. 이 예에서, 출력 에너지 표면(180)은 오목형 기하학적 구조를 갖는다. 도 17과 비교하여, 오목형 출력 표면(180) 상의 출력 광의 콘들은 입력 수용 콘들 및 이 기하학적 구성으로부터 생성된 광의 출구 콘으로 인해 에너지 소스 표면에 걸쳐 더욱 시준된다. 의심의 여지를 피하기 위해, 제공된 예들은 단지 예시적인 것이고, 입력 에너지 소스 측면 및 출력 에너지 표면에 대한 임의의 기하학적 구성은, 원하는 출력 에너지에 대한 시야각 및 광의 밀도, 그리고 에너지 소스 자체로부터 생성된 광의 각도에 따라 채용될 수 있는 명백한 표면 특성을 지시하도록 의도되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 다수의 릴레이 요소들이 직렬로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 일련의 임의의 2개의 릴레이 요소들은 의도적으로 왜곡된 파라미터들과 함께 추가로 커플링될 수 있어서, 다른 요소에 관련하여 하나의 요소로부터의 역왜곡이 그러한 임의의 아티팩트들을 광학적으로 완화시킨다. 다른 실시예에서, 제 1 광학 테이퍼는 광학 배럴 왜곡을 나타내고, 제 2 광학 테이퍼는 이 아티팩트의 역을 나타내도록 제조되어, 함께 집성될 때와 같은 광학 핀 쿠션 왜곡(pin cushion distortions)을 생성할 수 있으며, 결과적인 정보는 2개의 요소들 중 어느 하나에 의해 도입된 임의의 그러한 광학 왜곡을 부분적으로 또는 완전히 취소한다. 이것은 화합물 보정들이 직렬로 적용될 수 있도록 임의의 둘 이상의 요소들에 부가적으로 적용 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 에너지 소스들의 어레이 등을 소형 및/또는 경량 폼 팩터로 생성하기 위한 단일 에너지 소스 보드, 전자 장치 및/또는 이와 유사한 것은 제조자에게 가능할 수 있다. 이러한 배치를 이용하면, 광학 릴레이의 단부들이 개별 컴포넌트 및 전자 장치에 비해 매우 작은 폼 팩터로 에너지 소스 능동 영역들에 정렬되도록 광학 릴레이 모자이크를 추가로 포함시키는 것이 실현 가능할 수 있다. 이 기법을 사용하면, 모니터, 스마트폰 등과 같은 소형 폼팩터 장치들을 수용하는 것이 실현 가능할 수 있다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따라 복수의 수직 출력 에너지 소스 표면들(192)로부터 최적의 가시 이미지(194)를 형성하기 위해 만곡형 에너지 소스 측의 표면들(196)과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들(192)의 어셈블리(190)의 직각도를 나타낸다. 이 경우, 테이퍼 릴레이 모듈들(192)은 병렬로 형성된다. 비록 단일 행의 테이퍼 릴레이 모듈들(192)만이 나타나 있지만, 일부 실시예들에서, 도 12 및 도 13에 나타낸 것과 유사한 적층 구성을 갖는 테이퍼들은 또한 연속적으로 심리스 가시 이미지(194)를 형성하도록 함께 병렬로 그리고 일 행으로 커플링될 수 있다.
이제 도 19로 돌아가면, 각각의 테이퍼 릴레이 모듈(192)은 독립적으로 동작하거나 광 릴레이들의 어레이에 기초하여 설계될 수 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 광학 테이퍼 릴레이들(192a, 192b, 192c, 192d, 192e)을 갖는 5개의 모듈들이 함께 정렬되어 더 큰 광학 테이퍼 출력 에너지 표면(194)을 생성한다. 이 구성에서, 출력 에너지 표면(194)은 수직일 수 있고, 5개의 에너지 소스 측면들(196a, 196b, 196c, 196d, 196e) 각각은 중심축을 중심으로 변형될 수 있어서, 전체 어레이가 개별 모듈들이 아닌 단일 출력 에너지 표면으로서 기능할 수 있도록 허용한다. 추가적으로 광의 출력 시야각을 컴퓨팅하고 에너지 소스 측면 기하학적 구조에 대해 요구되는 이상적인 표면 특성을 결정함으로써 이 어셈블리 구조(190)를 최적화하는 것이 부가적으로 가능할 수 있다. 도 19는 다수의 모듈들이 함께 커플링되고 에너지 소스 측 곡률이 보다 큰 출력 에너지 표면의 광시야각을 설명하는 하나의 그러한 실시예를 나타낸다. 5개의 릴레이 모듈들(192)이 나타나 있지만, 더 많은 또는 더 적은 릴레이 모듈들이 어플리케이션에 따라 함께 커플링될 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다.
일 실시예에서, 도 19의 시스템은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐(예컨대, 행에 걸쳐 또는 적층형 구성으로) 배치된 복수의 릴레이 요소들(192)을 포함하며, 여기서 복수의 릴레이 요소들 각각은 무작위화된 굴절률 가변성을 가지며 각각의 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 표면들 사이에서의 종 배향을 따라 연장된다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제 1 및 제 2 표면들은 일반적으로 제 1 및 제 2 방향들에 의해 정의되는 횡 배향을 따라 연장되며, 여기서, 종 배향은 횡 배향에 대하여 실질적으로 수직이다. 다른 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 시스템은 제 1 방향 또는 제 2 방향에 걸쳐 배치되어 제 1 방향 또는 제 2 방향을 따라 단일 타일 표면을 각각 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 적어도 2Х2 구성을 갖는 매트릭스로 배치되거나 또는 당업자에 의해 이해될 수 있는 다른 구성 중에서 3Х3 구성, 4Х4 구성, 3Х10 구성을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 매트릭스들로 배치된다. 다른 실시예들에서, 단일 타일 표면 사이에서의 심(seam)들은 단일 타일 표면의 최소 치수의 2배의 시인 거리에서 인지 불가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들(192) 각각은 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성을 가지며, 이것은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다. 릴레이가 다중 코어 섬유로 구성되는 일부 실시예들에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지 파들은 이 배향에서의 섬유들의 정렬에 의해 결정된 종 배향으로 진행할 수 있다.
다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들(192) 각각은 종 배향을 따라 에너지를 전송하도록 구성되며, 여기서, 복수의 릴레이 요소들을 통해 전파하는 에너지 파들은 에너지가 횡 배향에서 공간적으로 편재화되도록 하는 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소들 사이에서 전파하는 에너지 파들은 횡 배향에서보다 종 배향 배향에서 실질적으로 더 높은 전송 효율로 인해 종 배향에 실질적으로 평행하게 진행할 수 있다. 다른 실시예들에서, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
도 20a는 본 개시의 일 실시예에 따라 수직 에너지 소스 측면 기하학적 구조들(202a, 202b, 202c, 202d, 202e) 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록형 에너지 소스 표면(204)과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 배치(200)의 직각도를 나타낸다. 도 20a는 수직 에너지 소스 측면 기하학적 구조들 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록형 에너지 소스를 갖는 도 19의 구성을 나타낸다.
도 20b는 본 개시의 다른 실시예에 따라 수직 에너지 소스 표면(208) 기하학적 구조들 및 중심축을 중심으로 방사상인 볼록형 에너지 소스 측 표면(209)과 함께 커플링된 다수의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들의 배치(206)의 직각도를 나타낸다.
일부 실시예들에서, 에너지 릴레이들의 어레이의 소스 측을 중심 반경에 대해 원통형으로 만곡된 형상으로 구성하고, 평평한 에너지 출력 표면을 가짐으로써, 입력 에너지 소스 수용 각과 출력 에너지 소스 방출 각들이 디-커플링될 수 있으며, 다른 인자들 중에서 에너지 테이퍼 릴레이 배율(NA)과 같은 파라미터들의 제약들로 인해 그 자체로 제한될 수 있는 에너지 릴레이 수용 콘에 각 에너지 소스 모듈을 보다 양호하게 정렬하는 것이 가능할 수 있다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라 광의 가시 출력 광선들이 더욱 균일하도록 각 에너지 출력 표면이 독립적으로 구성된 다수의 에너지 릴레이 모듈들의 배치(210)의 직각도를 나타낸다. 도 21은 도 20a의 구성과 유사한 구성을 나타내지만, 각각의 에너지 릴레이 출력 표면은 가시적인 출력 광선이 더 크게 결합된 에너지 출력 표면을 고려하여 더욱(또는 채용된 정확한 기하학적 구조들에 따라서는 덜) 균일하도록 독립적으로 구성된다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따라 방출형 에너지 소스 측면 및 에너지 릴레이 출력 표면 양방 모두가 다양한 기하학적 구조들로 구성되어 입력 및 출력 광선들에 대한 명확한 제어를 생성하는 다수의 광학 릴레이 모듈들의 배치(220)의 직각도를 나타낸다. 이를 위해, 도 22는 도 14로부터의 5개의 모듈들을 갖는 구성을 나타내며, 여기서, 방출형 에너지 소스 측면 및 릴레이 출력 표면 양방 모두는 입력 및 출력 광선에 대한 더 큰 제어를 허용하는 만곡형 기하학적 구조로 구성된다.
도 23은, 릴레이들의 소스 단부들은 평평하고 각각 에너지 소스에 접합되어, 관찰자를 둘러싸는 심리스 오목 원통형 에너지 소스 표면을 형성하기 위해 개별적인 출력 에너지 표면들이 구성된 다수의 광학 릴레이 모듈들의 배치(225)의 직각도를 나타낸다.
도 23에 나타낸 실시예에서 그리고 유사하게, 도 19, 도 20a, 도 20b, 도 21 및 도 22에 나타낸 실시예에서, 시스템은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 배치된 복수의 에너지 릴레이들을 포함할 수 있으며, 여기서, 릴레이들 각각에서, 종 배향을 정의하는 제 1 및 제 2 표면들 사이에서 에너지가 전송되며, 릴레이들 각각의 제 1 및 제 2 표면들은 일반적으로 제 1 및 제 2 방향들에 의해 정의되는 횡 배향을 따라 연장되며, 여기서, 종 배향은 횡 배향에 실질적으로 수직이다. 또한 이 실시예에서, 복수의 릴레이들을 통해 전파하는 에너지 파들은, 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해, 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 각각의 릴레이가 다중 코어 섬유로 구성되는 일부 실시예들에서, 각각의 릴레이 요소 내에서 전파하는 에너지 파들은 이 배향에서의 섬유들의 정렬에 의해 결정된 종 배향으로 이동할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전술한 바와 유사하게, 복수의 릴레이 요소들 각각의 제 1 및 제 2 표면들은, 일반적으로, 횡 배향을 따라 만곡될 수 있고, 복수의 릴레이 요소들은 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 일체로 형성될 수 있다. 복수의 릴레이는 제 1 및 제 2 방향들에 걸쳐 어셈블리될 수 있고, 적어도 2Х2 구성을 갖는 매트릭스로 배치되고, 유리, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 폴리머 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 릴레이들의 시스템은 제 1 방향 또는 제 2 방향에 걸쳐 배치되어 제 1 방향 또는 제 2 방향을 따라 단일 타일 표면을 각각 형성할 수 있다. 상기와 같이, 복수의 릴레이 요소들은 당업자에 의해 이해될 수 있는 다른 구성 중에서 3Х3 구성, 4Х4 구성, 3Х10 구성을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 매트릭스들로 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 단일 타일 표면 사이에서의 심(seam)들은 단일 타일 표면의 최소 치수의 2배의 시인 거리에서 인지 불가능할 수 있다.
에너지 릴레이들의 모자이크에 대해서는, 다음의 실시예들, 즉, 제 1 및 제 2 표면들 양방 모두는 평면형일 수 있거나, 제 1 및 제 2 표면들 중 하나는 평면형이고 다른 하나는 비평면형이거나, 또는 제 1 및 제 2 표면들 양방 모두가 비평면형일 수 있는 것이 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 및 제 2 표면들 양방 모두는 오목형일 수 있거나, 제 1 및 제 2 표면들 중 하나는 오목형이고 다른 하나는 볼록형이거나, 또는 제 1 및 제 2 표면들 양방 모두가 볼록형일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 1 및 제 2 표면들 중 적어도 하나는 평면형, 비평면형, 오목형 또는 볼록형일 수 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이들은 다른 유형의 에너지 파 중에서, 전자기파, 광파, 음향파를 포함하는, 하지만 이에 한정되지는 않는, 에너지 소스들의 공간 확대 또는 공간 축소를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 복수의 릴레이들은 또한 다른 치수들 중에서도 상이한 폭, 길이를 갖는 (예컨대, 에너지 소스를 위한 페이스 플레이트들과 같은) 복수의 에너지 릴레이들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 에너지 릴레이들은 또한 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들 또는 광섬유들을 포함할 수 있다.
빔 조향을 위한 투영 기술들의 사용
가요성 에너지 소스들 및 빔 조향을 위한 투영 기술들의 다양한 구현예들에 대해서는, 투영 기술을 활용하고 추가 제어를 통해 출력 가시 각도를 제어하는 것이 부가적으로 가능하다.
도 24는 본 개시의 일 실시예에 따라 앞서 설명된 패널 기반의 방법론들에 비해 광학 릴레이 투영 기반의 기술들을 사용하여, 광학 테이퍼 릴레이 투영 기반의 기술을 사용하는 이미지 생성의 직각도를 나타낸다. 투영기 기계적 엔벨로프(234)는 렌즈(226)를 사용하여 테이퍼형 광학 릴레이(236)의 축소형 단부 상에 투영되는 디스플레이를 포함한다.
가장 단순한 형태에서, 알려진 투영기는 에너지 소스 패널(또는 당업계에 알려진 광 변조기 등), 광 소스 및 포커싱 렌즈(226)로 구성된다. 일부 최신 기술 구현예들은 시준된 또는 제어된 광을 활용함으로써 포커싱 요소들 또는 에너지 소스 패널들의 사용을 감소시킬 수 있으며, 이 실시예에 대해 동등하게 관련된다. 투영의 핀 홀 설명에 대한 도시들을 단순화함으로써, (의심의 여지를 피하기 위해, 이것은 예시 목적을 위한 것이지 투영 시스템 또는 관련 가시 광선을 어떻게 설계할 것인지는 아니지만) 투영된 이미지로부터의 각각의 가시 픽셀은 명시적으로 정의된 가시 광선을 형성한다. 전통적으로, 이들 광선은 광을 산란시키고 보다 균일한 이미지를 생성하는 경향이 있는 더 많은 램버트(Lambertian) 표면들에 투영된다. 하지만, 편광 상태들을 포함하는 광의 특정 반사 특성들을 유지하기 위해 전통적으로 사용되는 은 스크린이 이용되는 경우, 투영된 이미지는 투영 시스템의 시야각 의존성들을 더 많이 유지하고, 투영된 이미지의 핫 스폿들 또는 비네팅(vignetting)을 포함하는, 관찰된 이미지에서의 불균일성들을 생성하는 경향이 있다.
이러한 특성들은 전통적으로 이상적이지는 않고 투영된 이미징 애플리케이션들에서는 피할 수 있는 한편, 광섬유들을 통해 특정 광각을 릴레이하는 능력은 상당한 잠재적 관찰 에너지 소스 특성들을 갖는다.
도 24에 나타낸 바와 같이, 단일 투영 소스(234) 및 단일 광학 릴레이(236)(도 14에 나타낸 것과 유사함)를 활용하는 것은 몇몇 경우들에 매우 상이한 관찰 출력 결과를 생성할 수 있다. 이 접근법에 대한 의존성은, 광학 테이퍼 릴레이의 에너지 소스 측면으로부터의 투영 시스템의 거리뿐만 아니라 투영 기술의 광학 및 광 전송 시스템에 의해 정의된 시야, 개구, 조명 방법론 및 다른 특성들을 초래하는 투영 시스템에 의해 생성된 픽셀(들) 내에 포함된 각 픽셀에 대한 진입 각도에 기초한다.
(오직 단순화를 위해) 핀홀 투영 시스템을 가정하면, 도 24는, 도 24에 나타낸 바와 같이 단일 투영기가 광학 재료의 단일 에너지 소스 측면 상으로 투영할 때 에너지 소스 표면으로부터의 결과적인 광선들의 상대적인 시야각 의존성을 나타낸다. 투영된 이미지의 에지들에 위치된 픽셀(들)에 의해 정의된 가장 넓은 각도들은 동일한 결과적인 투영 이미지 크기 또는 픽셀 피치의 패널 기반 에너지 소스에 의해 어드레스되는 동일한 픽셀들과는 상이한 결과적인 가시적인 출력 조명 콘을 생성할 수 있다. 이것은 투영 기반 기술들에 의해 설명된 보다 많은 각도 유지 방법론들에 비해 패널 기반 에너지 소스들로부터의 광의 상대적으로 균일한 각도 분포에 기인할 수 있다.
도 25는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 지정된 구성에 의해 생성된 주 광선 각도들(243)을 갖는 테이퍼형 광학 릴레이들(236)로부터의 광의 출력 가시 광선들에 대해 요구되는 바와 같은 개별 이미지들을 생성하는 도 25의 5개의 오프셋 투영 소스들(242a, 242b, 242c, 242d, 242e)의 배치(240)의 직각도를 나타낸다. 이러한 접근법을 이용하면, 가시 광선이 각각의 기술된 광선에 대해 각도 편향을 유지할 수 있는 평행 광학 구성에서 하나 이상의 투영 소스들(242a, 242b, 242c, 242d, 242e)로부터 다수의 이미지들을 투영하는 것이 가능하다. 디스플레이 패널(244)이 어레이의 중심으로부터의 디스플레이 패널 거리에 비례하는 양만큼 디스플레이 렌즈(226)의 광학 축으로부터 변위된, 편축 투영 광학의 사용은, 병렬 어레이 구조를 유지하면서 이들 정의된 이미지들 각각의 중첩을 허용할 수 있다. 이 접근법은 동일한 이미지들이 에너지 소스 측에 제시되고 교정될 때 에너지 소스의 가시적인 시야각을 확장하거나, 또는 상이한 이미지들을 투영하고 시야각에 의해 정의된 다수의 2D 가시 이미지들을 교정하거나, 또는 홀로그램 및/또는 라이트 필드 디스플레이를 위해 제어된 광각을 보다 균일하게 분배하는 능력을 제공한다.
다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들(236) 각각은 각각의 릴레이 요소의 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 경사진 프로파일 부분을 포함할 수 있고, 여기서, 경사진 프로파일 부분은 복수의 릴레이 요소들의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있다.
동작시, 전술한 바와 유사하게, 복수의 에너지 릴레이 요소들 각각의 제 1 표면은 방출형 에너지 소스 유닛으로부터 에너지 파를 수신하도록 구성되며, 방출형 에너지 소스 유닛은 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프(예컨대, 개별 유닛(242) 각각의 전체 길이 및 폭)를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 1 해상도를 갖는 한편, 제 2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제 2 해상도를 가지며, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
기계적 엔벨로프는, 위치의 함수로서 파 에너지를 조향하는 도파관을 갖는 투영 시스템과, 릴레이 요소들에 인접하여 배치된 복수의 방출형 에너지 소스들을 포함하며, 복수의 방사형 에너지 소스들은 평면형, 비평면형 또는 이들의 조합이다. 일부 실시예들에서, 복수의 방출형 에너지 소스들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치될 수 있다(도 26 내지 도 28에 가장 잘 나타냄). 다른 실시예에서, 복수의 방출형 에너지 소스들은 방사상 대칭 구성(도 26 내지 도 28에 가장 잘 나타냄)으로 배치될 수 있다. 이것은 후속하는 도면들 및 논의에서 보다 명백하게 될 것이다.
투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함할 수 있으며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다. 시스템은 복수의 에너지 릴레이들과 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스를 더 포함할 수 있다.
광학 오프셋 없이 또는 보다 적은 광학 오프셋으로 조명 중첩을 생성하도록 투영 시스템들을 수렴시킴으로써 투영 소스들을 정렬하는 것이 부가적으로 유리할 수 있다. 이것은 정확한 거리들과 투영된 각도들이 제조 또는 교정 공정들을 통해 알려진 방사형, 대칭형, 비대칭형, 평면 회전식 또는 상기의 임의의 조합으로 수행될 수 있다.
도 25의 변형예에서, 투영 소스들의 배치는 본 개시의 일 실시예에 따라, 각 모듈의 에너지 소스 측면에서 중첩을 생성하기 위해 회전과 함께 평면 배향으로 정렬된다.
도 26은, 본 개시의 일 실시예에 따라, 투영 소스들(262a, 262b, 262c, 262d, 262e)의 배치(260)가 방사상 대칭 구성들을 통해 수렴되어 에너지 소스 모듈들 상에 이미지들을 중첩시키는 도 25의 변형예의 직각도를 나타낸다.
임의의 회전식 수렴이 활용될 때, 투영된 이미지의 결과적인 키스톤(keystone)뿐만 아니라 모듈의 에너지 소스 측면에 제공되는 모든 픽셀들에 걸쳐 초점을 유지하기에 충분히 넓은 영역이 아닐 수 있는 수용 가능한 초점을 또한 설명해야 한다.
이미지 키스토닝(keystone-ing)을 수용하려면 각 개별 투영 시스템에 의해 생성된 정확한 요구된 변위를 설명하는 뒤틀린(warped) 이미지들을 투영하도록 시스템을 교정할 수 있으며, 투영된 이미지의 가장 큰 폭 또는 높이로 정렬되는 경우 조명 정보를 초래하지 않는 임의의 투영된 영역들을 제거하기 위해 각 투영기에 의해 생성된 이미지 서클을 오버-스캔(over-scan)할 수 있다.
충분하지 않은 임의의 광학 시스템에 대해 증가된 수용 가능한 초점 범위를 수용하기 위해, 더 넓은 피사계 심도를 생성하도록 개구 크기를 감소시키고, 요구되는 상이한 초점 평면을 수용하도록 광학을 변경하고, 보다 많은 시준된 광 소스들을 채용하는 다른 투영 기술들을 활용하고, 그리고/또는 당업계에 알려진 임의의 다른 투영 변형예를 활용할 수 있다. 그러한 일 실시예에서, MEM형 투영 시스템은 거리에 관계없이 자동 초점 이미지를 생성하기 위해 공간적으로 변조된 시준된 광을 조향한다.
상기의 패널 기반 에너지 소스 섹션에서 이전에 정의된 바와 같이 모듈들의 어레이를 갖는 구성들뿐만 아니라 비-수직 에너지 소스 측면 및 에너지 소스 표면 구성들을 갖는 상기의 투영 접근법들을 활용하는 것도 또한 가능할 수 있다.
도 27은, 본 개시의 일 실시예에 따라, 5개의 광학 테이퍼 릴레이 모듈들(272a, 272b, 272c, 272d, 274e)이 각각 독립적으로 계산된 오목형 에너지 소스 측 표면 및 독립적으로 계산된 볼록형 에너지 소스 구성으로 정렬되며, 5개의 투영 소스들(274a, 274b, 274c, 274d, 274e)은 입력, 출력 및 시야 프로파일들의 가시 각도에 대한 극도의 제어를 제공하는 방사상 수렴 방식으로 구성되는, 배치(270)의 직각도를 나타낸다. 의심의 여지를 피하기 위해, 도 27은 임의의 표면 기하학적 구조들이 활용되었고 임의의 투영 구성이 채용되었을 수 있거나, 또는 특정 에너지 소스 요건들에 따라 임의의 패널 기반 접근법을 이용한 이러한 접근법들의 임의의 조합이 활용되었을 수 있는 하나의 예시적인 도면이다.
도 28은 도 27로부터의 모듈들을 활용하기는 하지만, 각각의 투영기(242a, 242b, 242c, 242d, 242e)가 모든 광학 릴레이를 조명하는 배치(280)의 직각도를 나타낸다. 각각의 개별 투영 소스(282)로부터의 이미지는 광학 릴레이들(232)의 개수에 의해 세분될 수 있다. 렌즈 어레이(284)로부터의 전용 다중 요소 렌즈릿은 모든 투영기들로부터의 중첩된 광을 각 릴레이의 제 1 표면 상에 포커싱한다. 이것은 각 부분 이미지가 투영기로부터 나올 때 근사(near) 텔레센트릭 광선들을 생성한다. 이 아키텍처는 각각의 광학 릴레이 전용의 다수의 투영 소스들에 대한 필요성을 제거한다.
일부 경우들에서는, 에너지 소스 측 직경과 동일한(또는 유사한, 또는 의도적으로 이와 다르게 설계된) 직경인 (그리고, 수렴형 카메라들로부터 요구되는 임의의 오버 스캐닝을 설명하는) 이미지 서클을 갖는 개구를 갖는 렌즈릿 어레이를 생성하는 것이 가능할 수 있다. 고밀도 투영 어레이들의 경우, 각각의 중첩 이미지는 각각의 생성된 렌즈릿 이미지의 CRA에 기초하여 약간 오프셋될 수 있다. 이 잠재적인 정렬 과제 또는 아티팩트를 수용할 수 있도록 렌즈릿 배열의 출구에서 텔레센트릭 또는 근사 텔레센트릭 광선들을 추가로 생성하기 위해 보다 복잡한 광학이 구현될 수 있다.
오프-축 투영 소스가 렌즈릿의 바로 아래에 있는 에너지 소스 측 모듈에 더 이상 정렬되지 않을 수 있는 각각의 렌즈릿으로부터 투영된 이미지를 초래할 정확한 투영 거리 및/또는 CRA를 계산하는 것이 부가적으로 가능하다. 이러한 방식으로, 보다 복잡한 광학 시스템들의 추가를 피하기 위해 투영된 서브 이미지들을 의도적으로 보정하는 시스템을 설계하는 것이 가능하다. 이 보정은 주로 오프-축 왜곡들을 제거하기 위한 시프트이기 때문에 이 보정은 오프셋으로서 표시된다. 현실적으로, 이것은 부가적인 이미지 교정 및 특성화를 요구하는 오프셋과 뒤틀림(warp)이다.
그러한 일 실시예에서, 5개의 투영 소스들은 10개의 렌즈릿들 및 10개의 광학 릴레이들로 활용되고, 여기서, 투영기 N은 에너지 소스 측 이미지들 각각을 직접 어드레스하고, 각 투영기 N-1 또는 N+1은 N 투영기에 대한 그 배향에 대해 1 모듈(또는 X로 표현되는 일부 양)만큼 오프셋되고, N-2 또는 N+2는 고유 투영 어레이로부터의 증가된 화각들을 제공하는 것을 피하기 위해 N 투영기에 대한 그 배향에 대해 2 모듈(X보다 큰 몇몇 수)만큼 오프셋된다. 이 설명은 단지 예시적인 것이며, 임의의 밀도 또는 전술한 다른 구성과 결합될 수 있다. 또한, 더 복잡한 광학 시스템을 활용하여 더 많은 텔레센트릭 광선들을 생성할 수 있을뿐만 아니라 사전결정된 교정된 양만큼 투영 클러스터들에 보정 오프셋을 적용하는 동시에 더 많은 텔레센트릭 구조의 이점을 얻을 수 있다.
의심의 여지를 피하기 위해, 상기의 제안된 구성들 중 임의의 구성은 수평 및/또는 어레이 분배들을 나타낼 수 있으며, 이러한 설명들 또는 예시들에 포함된 것은 단일 수평 또는 수직 구성으로서 해석되어서는 안된다.
리지드 (Rigid) 및 가요성 에너지 릴레이들 또는 벤트형 릴레이들의 섬유 광학 모자이크 설계로의 부가
더 효율적인 기계적 정렬을 갖기 위해 방출형 에너지 소스와 출력 에너지 표면 사이에 부가적인 에너지 릴레이를 도입하는 것이 종종 유리하다. 이를 위해, 에너지 소스에 대해서는, 하나 이상의 광학 페이스 플레이트들, 광섬유들, 광학 요소들 또는 부가적인 릴레이 요소들이 기계적 설계, 정렬 및/또는 교정 공정에 대한 필요에 따라 도입될 수 있다. 도 29는, 유리할 수 있는, 에너지 소스 및 테이퍼 사이에 기계적 오프셋을 제공하는 부가적인 광학 페이스 플레이트(292)를 포함하는 시스템(290)의 직각도를 나타낸다. 다수의 부가적인 광학 요소들이 도입될 수 있고 도 29에 도시된 실시예는 단지 예시적인 목적을 위해 제공된다.
다수의 좌우배치형(side-by-side) 광학 릴레이들을 갖는 시스템에서, 에너지 소스에 수직인 z축을 따라 각 에너지 소스의 위치를 오프셋시킴으로써, 제 1 광학 테이퍼의 광학 중심의 위치를 변경시키지 않으면서 에너지 소스들의 기계적 엔벨로프를 위한 간극을 제공하기 위해 도 29에 나타낸 바와 같이 페이스 플레이트들을 스태거링(stagger)하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로, 페이스 플레이트 또는 광학 테이퍼가 인접한 에너지 소스 모듈과 관련하여 다양한 길이로 존재할 수 있으며, 이 스태거링은 어레이 내의 다수의 열 또는 행에 걸쳐 발생하여 에너지 소스들을 다른 수단으로 오프셋시키지 않으면서 보다 높은 전체 기계적 밀도를 생성할 수 있다.
도 30은 본 개시의 다른 실시예에 따라 부가적인 광학 페이스 플레이트를 포함하는 시스템(300)의 다른 직각도를 나타낸다. 도 29의 시스템과 유사하게, 도 30의 시스템(30)은 상이한 릴레이 표면(예컨대, 오목면)을 가지며, 광학 페이스 플레이트 및 릴레이 요소는 길이가 더 짧다. 임의의 수의 부가적인 릴레이 요소들이, 부가적인 광학 페이스 플레이트 릴레이 요소의 유무에 관계없이, 임의의 광학 구성에 도입될 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 31은 9개의 테이퍼형 광학 릴레이들(236)이지만 전체 에너지 소스 시스템 내의 에너지 소스들 각각에 대한 기계적 엔벨로프들에 대해 충분한 간극을 제공하는 페이스 플레이트들(1-5)의 5개의 상이한 스태거드(staggered) 길이들을 갖는 어레이를 갖는 실시예를 나타낸다.
에너지 소스 픽셀 피치 및 요구되는 출력 픽셀 및 각도 밀도의 특성에 따라, 요구되는 기계적 엔벨로프들에 대해 충분한 간극을 기계적으로 제공하면서 능동 이미지 영역 치수들을 동일하게 유지하거나 감소시킬 필요성이 종종 발생한다.
도 32는 본 개시의 일 실시예에 따라 느슨한 그리고/또는 벤트형 광학 릴레이들을 활용함으로써 임의의 확대없이 함께 커플링된 다수의 에너지 소스들(326)의 배치(320)의 직각도를 나타낸다. 능동 이미지 영역에 변화들이 요구되지 않는 가장 단순한 형태에서, 느슨한 코히어런트 광학 릴레이(322), 이미지 도관(conduit) 또는 벤트형 광학 릴레이를 활용하는 것이 가능하다. 느슨한 코히어런트 광학 릴레이(322)는 에너지 소스 측면과 에너지 소스 영역들 사이의 일관성을 유지하기 위해 2개의 치밀한 단부들로 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 벤트형 광학 릴레이 또는 이미지 도관은 기계적 설계에 요구되는 특정 곡선으로 설계된 압출 성형된 페이스 플레이트일 수 있다. 일단 느슨하거나 벤트형 광학 릴레이가 설계되면, 단일 출력 디스플레이 표면을 형성하기 위해 연속적으로 집성될 수 있고, 교대 단부들은 기계적 엔벨로프 간섭 없이 에너지 소스의 능동 영역에 합류될 수 있다. 도 32는 다수의 에너지 소스가 임의의 배율없이 함께 커플링되는 설계를 나타낸다.
일 실시예에서, 시스템(320)은 각각의 릴레이 요소들의 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 에너지를 전송하도록 각각 구성된 복수의 가요성 에너지 릴레이들(322)을 포함할 수 있으며, 여기서, 복수의 가요성 에너지 릴레이들의 제 1 단부들은 복수의 방출형 에너지 소스 유닛들(326)에 광학적으로 커플링되고, 복수의 방출형 에너지 소스 유닛들(326)은 복수의 가요성 에너지 릴레이들의 제 2 단부들로부터 이격되어 배치되고, 여기서, 복수의 가요성 에너지 릴레이들의 제 2 단부들은 집성된 출력 에너지 표면(324)을 형성하도록 묶여 있다. 부가적인 테이퍼형 에너지 릴레이가 없다면, 집성된 출력 에너지 표면은 방출형 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 비해 공간적으로 확대되지 않을 수 있다. 테이퍼형 에너지 릴레이가 집성된 출력 에너지 표면에 부착되면, 집성된 출력 에너지 표면은 테이퍼의 제 2 표면으로 중계될 수 있으며, 이것은 테이퍼 확대 또는 축소에 따라 방사 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 대해 공간적으로 축소되거나 확대될 수 있다. 릴레이 요소들에 대한 상기의 개시들이 본원에 통합될 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 33은 본 개시의 일 실시예에 따라 이미지를 축소하고 전체 에너지 소스에 더 작은 치수를 제공하기 위해 능동 에너지 소스에 부가된 부가적인 테이퍼 광학 테이퍼 릴레이(332)를 갖는 도 32의 배치인 배치(330)의 직각도를 나타낸다.
일 실시예에서, 시스템(330)은 각각의 릴레이 요소들의 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 에너지를 전송하도록 각각 구성된 복수의 가요성 릴레이 요소들(334)을 포함할 수 있으며, 여기서, 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 1 단부들은 복수의 에너지 소스 유닛들(336)에 광학적으로 커플링되고, 복수의 에너지 소스 유닛들(336)은 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 2 단부들로부터 이격되어 배치되고, 여기서, 복수의 가요성 릴레이 요소들의 제 2 단부들은 집성된 에너지 표면(332)을 형성하도록 묶여 있다.
일부 실시예들에서, 복수의 가요성 릴레이 요소들(334)은 복수의 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 집성된 에너지 표면(332)은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들(336)로부터의 에너지에 비해 공간적으로 확대되지 않는다. 다른 실시예에서, 집성된 에너지 표면(332)은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들(336)로부터의 에너지에 비해 공간적으로 확대된다. 또 다른 실시예에서, 집성된 에너지 표면(332)은 시스템의 단부 부분이며, 단부 부분에서의 에너지는 에너지 소스 유닛들(336)로부터의 에너지에 비해 공간적으로 축소된다.
기계적인 이유로, 부가될 필요가 있는 임의의 부가적인 광학 요소들을 오프셋시키기 위해 에너지 소스에 대해 일부 양의 확대를 생성하는 테이퍼형 광학 릴레이를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 2개 또는 3개(또는 그 초과)의 광학 요소들을 갖는 시스템을 설계하는 것이 가능할 수 있는데, 여기서 제 1의 테이퍼형 광학 릴레이는 어레이 내의 다른 테이퍼들과 집합적으로 결합된 확대된 치수를 가지며, 가능하다면, 느슨한 코히어런트 광학 릴레이 또는 벤트형 광학 릴레이를 커플링하는데 필요한 확대의 양을 갖는 정확한 치수와 동일하다. 이 제 2 요소는 설계에 최적화되는 능동 에너지 소스 영역, 또는 제 3 광학 페이스 플레이트 혹은 테이퍼형 광학 릴레이에 직접 부착될 수 있다.
도 34는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 축소된 이미지를 전파하고 단일 에너지 표면(348)을 갖는 테이퍼형 광학 릴레이 모자이크의 일부인 추가의 테이퍼형 광학 릴레이(346)에 짝짓기 위해, 기계적 엔벨로프(342)를 갖는 디스플레이(343)에 연결된 제 1 테이퍼형 광학 릴레이, 축소된 이미지 표면을 제공하기 위한 테이퍼형 광학 릴레이의 광학적인 축소형 단부, 제 2 의 느슨한 코히어런트 광학 릴레이 또는 벤트형 광학 릴레이(344)를 갖는 배치(340)의 직각도를 나타낸다.
도 35는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 한정된 기계적 엔벨로프 간격을 갖는 갭들을 제거하고 단일 에너지 표면(358)을 생성하기 위해 전체 어레이 내의 광학 릴레이 요소의 위치에 따라 광학 페이스 플레이트(356)를 다양한 각도로 경사지게 하는 능력을 갖는 배치(350)의 직각도를 나타낸다. 비-수직 페이스 플레이트들은 또한 완전한 테이퍼형 설계를 요구하지 않는 에너지 소스들 사이의 보다 작은 갭을 완화시키기 위한 추가적인 실시예에서 구성될 수 있다. 도 35에서, 에너지 파 소스(354)는 구동 전자 장치용 기계적 엔벨로프(352) 내에 제공될 수 있다.
의심의 여지를 피하기 위해, 예시들은 단지 예시를 위한 것이며, 광학 릴레이 요소들의 임의의 조합은 실용적, 제품 또는 기계적 목적에 요구되거나 적합할 때 결합될 수 있다. 명확히 하기 위해, 테이퍼형 광학 릴레이는 1:1을 포함할 수 있는 일부 비율의 배율을 가지므로, 광학 릴레이 테이퍼들에 관련된 모든 개시들은, 광학 릴레이 테이퍼들, 광학 페이스 플레이트들, 벤트형 광학 릴레이들, 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들 또는 다수의 에너지 소스들을 고유의 근접한 에너지 소스로 집성하기 위한 목적으로 이러한 특성들 및 재료들의 임의의 다른 사용 사이에서 교환 가능하게 고려될 수 있다.
광섬유들의 시야 종속성
도 36은 본 개시의 일 실시예에 따라 광학 테이퍼 릴레이 설계(360)로 생성되는 일반적인 기하학적 구조의 직각도를 나타낸다 . 테이퍼의 축소형 단부(362)로 진입하는 광의 각도는 광선들이 진행하는 매체가 더 이상 평행하지 않고 결과적인 출구 각도가 감소되기 때문에 직경이 증가함에 따라 점점 더 시준된다. 하지만, 보다 많은 시준된 광선들은 에너지 소스의 표면에 수직이 아닐 수 있는 각도인 경향이 있을 수 있다. 반대의 경우에도 동일하게 적용되는데, 테이퍼의 확대형 단부로 진입하는 광선은 직경이 감소함에 따라 점점 덜 시준된다. 도 36은 이러한 테이퍼형 릴레이 요소 설계로 생성된 일반적인 기하학적 구조를 갖는 개념을 나타낸다.
일 실시예에서, 시스템은 에너지 표면을 제공하도록 구성된 복수의 에너지 소스 유닛들, 제 1 피치를 갖는 복수의 에너지 소스 유닛, 에너지 소스에 인접하여 배치된 복수의 릴레이 요소들, 제 2 피치를 갖는 복수의 릴레이 요소들, 제 1 피치보다 작은 제 2 피치를 포함할 수 있으며, 여기서, 복수의 에너지 소스 유닛들 중 제 1 에너지 소스 유닛은 제 1 에너지 소스 유닛을 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위에 의해 정의되는 제 1 시야를 갖도록 구성되고, 여기서, 에너지 전파 경로들에 배치된 복수의 릴레이 요소들의 서브세트는 에너지 전파 경로들을 재분배하도록 구성되어, 복수의 릴레이 요소들의 서브세트를 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위는 제 1 시야보다 넓은 제 2 시야를 갖는다.
일부 실시예들에서, 복수의 에너지 소스 유닛들의 각 에너지 소스 유닛은 픽셀이거나 복수의 에너지 소스 유닛들의 각 에너지 소스 유닛은 테이퍼형 릴레이 요소이고 에너지 전파 경로들은 광 경로들이다. 다른 실시예들에서, 에너지 소스는 복수의 에너지 소스 유닛들의 표면 상에 제공된다. 일부 실시예들에서, 에너지 소스가 제공되는 표면은 가상 표면이며, 여기서, 가상 표면은 복수의 에너지 소스 유닛들로부터 중계된 에너지를 수신하도록 구성된 표면이다. 다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들은 페이스 플레이트들, 광학 요소들 및 광섬유들을 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 릴레이 요소들 각각은, 에너지가 횡 배향으로 편재되도록 복수의 릴레이 요소들 각각의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 전파 경로들을 통해 에너지를 재분배하도록 동작 가능할 수 있다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소의 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 커플링된, 릴레이 요소의 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성은, 종 배향을 따라 실질적으로 더 높은 전송 효율을 갖는 릴레이 요소를 통해 전파하는 에너지 파들 및 횡 배향을 따르는 공간 편재를 초래한다.
광 소스 밑면을 이용하여 위로부터 테이퍼를 볼 때, 축소형 단부(에너지 소스 측면)을 아래로 배치하면, 광 소스를 보는 능력이 오프 축으로부터 감소되고 광 소스에서의 이미징 데이터는 더 이상 보이지 않을 때까지 콘트라스트 오프-축을 빠르게 느슨하게 할 것이다. 이것은, 축소형 단부의 수용 각도가 릴레이 배향에 상응하는 각도로 이용 가능한 광 또는 이미지를 보다 시준된 콘으로 릴레이하여 이에 의해 배율에 기초하여 광을 보는 능력을 감소시키기 때문이다. 예를 들어, 테이퍼 확대형 단부가 1의 NA를 갖고 3:1로 테이퍼되는 경우, 완전한 상황들 하에서 그리고 광 소스가 +/-60도로 광을 방출하면, 3:1 배율은 광 소스를 보는 능력을, 약 +/-20도이고 약 0.33의 유효 NA를 초래하는 콘으로 변경될 것이다. 이것은 오직 예시적인 목적을 위한 대략적인 것이다.
도 37은 축소형 단부가 공간적으로 균일한 광 분포를 방출하는 에너지 소스에 접합되는 경우 오프-축 관찰자가 테이퍼(370)의 확대형 단부를 빠져 나가는 광으로부터 관찰할 음영을 나타낸다. 테이퍼가 반대로 배치되면, 축소형 단부로부터의 시야가 설계 및 재료들의 물리학에 기초하여 증가되는 경우와 반대가 가능하다.
도 38은, 오프-축 관찰자가 테이퍼들(380)의 어레이의 심리스 출력 에너지 표면 상에서 관찰할 음영으로서, 각 테이퍼의 축소형 단부가 공간적으로 균일한 광 분포를 방출하는 에너지 소스에 접합되는, 음영을 나타낸다. 발생하는 음영은 각각의 개별 광학 릴레이 표면에 걸쳐 출사되는 광의 콘의 주 광선 각도에서의 경사의 위치 의존성의 결과이다. 이것은 에너지 소스로부터의 광 출력이 시야에 의존함을 의미한다.
일반적으로 말하면, 다중 테이퍼들 및/또는 다른 섬유 요소들의 어레이로 구성된 에너지 소스로부터의 광 출력의 시야 의존성은 2D 에너지 소스뿐만 아니라 라이트 필드 디스플레이에 대해 바람직하지 않은 특징이다.
시야 확장을 위한 광학 릴레이
부가적인 확대를 도입하지 않고서도 임의의 광 소스의 시야각을 증가시키기 위해 부가적인 릴레이 요소들을 사용하는 것이 가능할 수 있다.
도 39는 본 개시의 일 실시예에 따라 수 미크론과 같이 작은 미세 피치 및 테이퍼의 확대형 단부보다 더 높은 NA를 갖는 광학 페이스 플레이트가 디스플레이 표면(390)에 걸쳐 균일성에 있어서의 증가 및 증가된 시야각을 나타내는 시야 확장을 위한 부가적인 광학 릴레이의 직각도를 나타낸다.
그러한 실시예에서, 설계는 테이퍼형 광학 릴레이(396) 및 작은 갭(394)을 형성하는 테이퍼의 확대형 단부로부터 수 마이크론 떨어져 배치된 광학 릴레이 페이스 플레이트(395)로 구성될 수 있다. 이 거리는 원하는 효과, 페이스 플레이트 섬유들의 피치, 접합 재료들, 페이스 플레이트 재료들 또는 광학 설계의 다른 요건들에 따라 튜닝될 수 있다. 페이스 플레이트는 테이퍼의 출구의 유효 NA보다 큰 NA를 가져야 한다. 도 39에서, 광의 경로는 테이퍼형 광학 릴레이(392)의 축소형 단부로부터 일반적으로 라인들(393)에 의해 나타낸 경로들을 따라, 그리고 디스플레이 표면으로 진행한다. 이러한 조건들이 충족될 때, 테이퍼로부터의 광선은, 광선들이 교차하는 다수의 페이스 플레이트 섬유들 각각에 대해 광선들 각각이 이제 오프-축을 시작하고 있는 방식으로, 더 높은 수용 광각으로 페이스 플레이트 내에 포함된 다수의 상이한 소형 섬유들로 진행하는 광선 그룹(397)을 형성하는, 콘 반경에 걸친 에너지의 분포를 갖는 콘으로서 출사하는데, 이들 오프-축 페이스 플레이트 섬유들은 광학 중심의 왼쪽으로 빠져 나가는 광선들이 이제는 오른쪽으로 볼 수 있는 그 자신의 출구 콘(398)을 각각 생성하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 설계에 따라서는, 이러한 구현예는 광학 페이스 플레이트 재료의 수용 각도 근처의 출구까지 달성할 수 있으며, 이것은 균일성에 있어서의 상당한 증가이다. 하지만, 테이퍼의 출구 각도는 테이퍼를 빠져 나가는 광선이 페이스 플레이트 재료의 수용 각도 내에서 콘을 형성해야만 하는 페이스 플레이트의 수용 각도와의 관계를 유지해야만 하므로, 광선들은, 테이퍼로부터 광학 페이스 플레이트를 통해 출구 광선의 보다 균일한 분포를 충분히 형성한다. 좋은 경험 법칙은 페이스 플레이트가 테이퍼의 출구 NA의 2배의 NA를 가져야 한다는 것이다.
일 실시예에서, 광섬유들로 구성된 릴레이 요소는 릴레이 요소의 확대형 단부에서 2:1 배율, 9미크론의 섬유 피치 및 0.5의 NA를 갖는 테이퍼를 제공하도록 생성될 수 있다. 광이 테이퍼의 확대형 단부를 벗어날 때, 광은, 예를 들어, 빠져 나가는 수용 콘(397)의 효과적인 감소로 인해 약 +/-26.5도의 시야 내에서만 볼 수 있다. 1의 NA 및 3미크론의 섬유 피치를 갖는 부가적인 광섬유 페이스 플레이트는 테이퍼의 표면 위에 4.5미크론 갭(394)으로 배치될 수 있고, 시야각은, 예를 들어 +/-45도의 시야(398)로 증가될 수 있다. 도 39는 시야 확장을 위한 부가적인 섬유 광학 릴레이에 대한 이러한 접근법을 나타낸다.
추가적인 실시예에서, 다양한 연마들이 에너지 소스 또는 에너지 소스 표면 또는 임의의 다른 광학 릴레이 평면 중 어느 하나 또는 모두에 적용된다. 거친 연마를 제공하는 것은 연마 유리와 같은 효과를 생성하도록 작용하며, 이에 의해 이미지를 확산시켜 증가된 시야각 분포를 해결한다. 이것은 적용된 거친 표면의 양에 따라 MTF를 희생시킨다.
개시된 실시예들은 페이스 플레이트의 피치가 발광 소스보다 높은 밀도 및 충분히 큰 수용 각도를 갖는 NA를 갖는 한, 임의의 다른 발광 소스들에 적용 가능할 수 있기 때문에 광학 릴레이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 도 39의 광학 릴레이는 제 1 및 제 2 의 상이한 재료들을 갖는 릴레이 요소(396)를 갖는 시스템 내에 통합될 수 있으며, 제 1 및 제 2 재료들은 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 반복되는 내부 구조로 배치되므로, 릴레이 요소가 횡 배향에 비해 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는다. 동작시, 에너지는 릴레이 요소(396)의 제 1 단부(392)에 제공되도록 동작 가능하며, 에너지는 제 1 단부에서 제 1 해상도를 가지며, 여기서, 릴레이 요소(396)의 제 1 단부(392)는 실질적으로 횡 배향과 종 배향 중 적어도 하나에서의 내부 구조를 반복하며, 횡 배향에서의 제 1 단부에서의 에너지의 제 1 해상도와 대략 동일하거나 그보다 작은 피치를 가지며, 이에 의해 릴레이 요소(396)의 제 2 단부(394)를 빠져 나오는 에너지는 제 2 해상도를 가지며, 여기서, 제 2 해상도는 제 1 해상도의 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 에너지 파들은, 제 1 표면에 제공될 때 균일한 프로파일을 갖지만, 제 2 표면 상에서의 위치와 관계없이 제 2 표면에 대한 법선에 대해 약 +/-10도의 열린 각도로 콘을 실질적으로 채우는 전방 방향으로의 에너지 밀도로 모든 방향으로 방사하는 제 2 표면을 통과할 수 있다.
다른 실시예에서, 릴레이 요소(396)는 제 1 및 제 2 재료들과는 상이한 제 3 재료를 포함할 수 있으며, 여기서, 제 3 재료는 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 반복된 내부 구조로 배치된다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 요소(396)는 제 1 및 제 2 재료들과는 상이한 제 3 재료를 포함할 수 있으며, 여기서, 제 3 재료는 횡 배향 및 종 배향 중 적어도 하나에서 실질적으로 무작위화된 내부 구조로 배치된다.
일 실시예에서, 릴레이 요소(396)의 제 1 단부(392)의 중심부는 릴레이 요소(396)의 제 1 단면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 입구 콘을 갖도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소(396)의 제 2 단부(394)의 중심부는 릴레이 요소(396)의 제 2 단면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 입구 콘을 갖도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 요소(396)의 제 1 단부(392)의 중심부는 릴레이 요소(396)의 제 1 단면에 수직이 아닌 방향으로 정렬된 에너지 입구 콘을 갖도록 구성되며, 여기서, 릴레이 요소(396)의 제 1 단부(392)는 비평면형 단면을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 릴레이 요소(396)의 제 2 단부(394)의 중심부는 릴레이 요소(396)의 제 2 단면에 수직이 아닌 방향으로 정렬된 에너지 출구 콘을 갖도록 구성되며, 여기서, 릴레이 요소(396)의 제 2 단부(394)는 비평면형 단면을 포함한다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 단면의 제 1 영역을 포함하며, 여기서, 릴레이 요소의 제 2 단부는 단면의 제 2 영역을 포함한다. 다른 실시예에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들 각각은 복수의 개별 단부 부분들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소는 공간 확대 또는 에너지의 공간 축소를 발생시킨다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 복수의 페이스 플레이트들을 갖는 적층된 구성을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이들을 가질 수 있거나 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들이다.
일 실시예에서, 릴레이 요소는 경사진 프로파일 부분을 포함하며, 여기서, 경사진 프로파일 부분은 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지는 에너지 소스 유닛으로부터 수신되며, 에너지 소스 유닛은 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 갖는다. 또 다른 실시예들에서, 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합이다.
일 실시예에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치된다. 다른 실시예에서, 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 시스템은 릴레이 요소와 투영 시스템 사이의 만곡형 에너지 소스를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 비평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 비평면이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 평면이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 비평면이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 비평면이다.
일부 실시예들에서, 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 오목형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 오목형이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 볼록형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 단부는 볼록형이고 릴레이 요소의 제 2 단부는 오목형이거나, 또는 릴레이 요소의 제 1 및 제 2 단부들은 양방 모두 볼록형이다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나는 오목하다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 단부들 중 적어도 하나는 볼록하다.
도 40은 본 개시의 일 실시예에 따라 종래의 에너지 소스가 시야 연장 광학 페이스 플레이트 릴레이(395) 이외의 어떤 다른 광학 요소들 없이 유효 시야각을 증가시키는 도 39로부터의 설계의 적용 가능성의 직각도(400)를 나타낸다. 도 40은 종래의 백라이트 LCD에 대한 이 설계의 적용 가능성을 나타지만, 투영, 다른 에너지 소스 유형들 및 무수한 다른 용도에도 또한 적용될 수 있다. 도 40에서, 구조체(402)는 종래의 디스플레이의 픽셀 피치를 나타내는 한편, 광학 페이스 플레이트 릴레이의 개별 섬유들(406)은 실질적으로 더 작은 피치를 갖는다. 페이스 플레이트로부터의 광선(F2)의 방출 각도는 디스플레이로부터의 광선(F1)보다 넓은 시야(408)를 형성한다.
일 실시예에서, 에너지 소스 시스템(400)은 에너지 표면을 제공하도록 구성된 복수의 에너지 소스 유닛들(402), 제 1 피치를 갖는 복수의 에너지 소스 유닛, 에너지 소스에 인접하여 배치된 복수의 릴레이 요소들(406), 제 2 피치를 갖는 복수의 릴레이 요소들(406), 제 1 피치보다 작은 제 2 피치를 포함하며, 여기서, 복수의 에너지 소스 유닛들 중 제 1 에너지 소스 유닛(402)은 제 1 에너지 소스 유닛을 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위에 의해 정의되는 제 1 시야(F1)를 갖도록 구성되고, 여기서, 에너지 전파 경로들에 배치된 복수의 릴레이 요소들의 서브세트는 에너지 전파 경로들을 재분배하도록 구성되어, 복수의 릴레이 요소들(404)의 서브세트를 통한 에너지 전파 경로들의 각도 범위는 제 1 시야보다 넓은 제 2 시야(F2)를 갖는다.
일 실시예에서, 복수의 에너지 소스 유닛들(402)의 에너지 소스 유닛(402) 각각은 픽셀일 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 에너지 소스 유닛들(402)의 각 에너지 소스 유닛(402)은 테이퍼형 릴레이 요소일 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 전파 경로들은 광 경로들이다. 다른 실시예들에서, 에너지 소스는 복수의 에너지 소스 유닛들(402)의 표면 상에 제공된다.
일 실시예에서, 에너지 소스가 제공되는 표면은 가상 표면이며, 여기서, 가상 표면은 복수의 에너지 소스 유닛들로부터 중계된 에너지를 수신하도록 구성된 표면이다.
일부 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들(404)은 페이스 플레이트들 및 광섬유들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 복수의 릴레이 요소들(404) 각각은, 에너지가 횡 배향으로 편재되도록 복수의 릴레이 요소들 각각의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는 에너지 전파 경로들을 통해 에너지를 재분배하도록 동작 가능하다.
횡방향 앤더슨 편재 기법들이 동일한 효과를 위해 광학 페이스 플레이트를 생성하는 데 활용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 재료의 원리는 명백한 섬유 피치를 갖지는 않지만, 평면 좌표에서 테이퍼 내의 재료의 NA 값 및 무작위 분포는, 광선이 빠져 나갈 때의 광선의 증가된 균일성을 제공하는 유사한 효과를 갖는다.
의심의 여지를 피하기 위해, 본 개시에서의 어떠한 것도 광 소스 및 재료의 수용 콘에 걸쳐 증가된 균일성을 제공하는 광학 릴레이 요소를 통합하는 설계의 범위의 한계로 해석되어서는 안된다.
릴레이 도파관 어레이 설계
도 41은, 본 개시의 일 실시예에 따라, 연마된 비평면형 표면(414) 및 제어된 배율을 갖는 단일 테이퍼형 에너지 릴레이의 확대형 단부로부터 방출된 주 에너지 광선 각도들(412)의 직각도(410)를 나타낸다. 도 42는 도 41에 나타낸 테이퍼들의 전체 어레이(420)가 어떻게 테이퍼형 에너지 릴레이 표면 및 배율의 상세한 설계를 통해 공간에 제공되는 에너지 분포를 제어할 수 있는지에 대한 직각도를 나타낸다.
원하는 출구의 각도 및 재료의 설계에 기초하여 둥근 형태로 일 모자이크의 테이퍼형 에너지 릴레이들 중 하나의 테이퍼로 이루어진 에너지 표면을 연마하는 것이 가능하다. 이렇게 하면, 별도의 에너지 도파관 요소들을 사용하지 않으면서 재료의 표면 특성뿐만 아니라 배율에 기초하여, 투영된 에너지의 방향을 직접 제어하는 것이 가능하다. 폴리머 매체에서 생성된 테이퍼들의 제조 공정은, 도파관 어레이의 모든 기능, 또는 단순히 별도의 에너지 도파관 어레이의 성능을 향상시키는 기능들만을 수행하는 적절한 에너지 도파관 어레이 표면을 생성하기 위한 몰딩 공정을 포함할 수 있다.
테이퍼들이 동일한 크기이거나 에너지 도파관 어레이의 단일 요소들보다 일부 양만큼 더 크거나 더 작은 테이퍼형 에너지 릴레이들의 전체 어레이를 생성하는 것도 또한 가능하다. 하지만, 이것은 각 테이퍼가 N개의 영역 또는 N개의 영역 중 일부 집합을 효과적으로 나타낼 것을 요구하며, 훨씬 더 개별적인 에너지 소스 컴포넌트를 발생시키며, 수반될 고정체(fixture)들의 수를 고려할 때 정렬은 극도로 까다로워진다.
광학 리본들, 에너지 결합기들 , 그리고 단일 양방향 에너지 표면을 통한 동시 에너지 투영 및 감지
이전에 논의된 실시예들이 연속적인 무한 해상도 디스플레이 표면을 생성하는 방법을 예시하고 있지만, 광학 리본 또는 에너지 결합기를 사용하여 각 테이퍼형 광학 릴레이 경로를 제 2 인터레이스 경로로 스플릿하는 것도 또한 가능하다. 에너지 결합기는 2개 이상의 독립적인 경로들로 분리되는 인터레이스된 릴레이 요소들을 갖는 단일 에너지 표면을 생성하는 방법이다. 이것은 해상도를 효과적으로 증가시키는 데 사용될 수 있지만, 또한 에너지 파동을 감지하는 동시에 그 에너지 파를 소스로 활용할 수 있다.
도 43은 인터레이스된 릴레이 요소의 하나의 레그(434)에 연결된 에너지 소스(432), 인터레이스된 릴레이 요소의 다른 레그(433)에 연결된 에너지 센서(431)로 구성된 이 시스템에서의 단일 요소(430)의 설계의 직각도를 나타내며, 여기서, 릴레이 요소는 435에 의해 형성된 인터리브된 단일 에너지 표면뿐만 아니라 2개의 레그들(433, 434) 각각으로 구성된다. 도 43에서, 에너지 도파관 어레이(436)는, 릴레이 요소의 일부가 아니라는 사실에도 불구하고, 빠져 나가는 에너지 파들을 수렴 지점(438)으로 조향하고, 동시에 들어오는 에너지 파들을 에너지 센서로 조향하는 기능을 하는 것을 또한 나타낸다. 일 실시예에서, 방출형 디스플레이가 에너지 소스로서 사용되고, 이미징 센서가 디스플레이로부터의 광을 검출하는데 사용된다. 도 43은 하나의 양방향 에너지 표면, 에너지를 전파하는 하나의 인터레이스형 세그먼트, 그리고 에너지 표면에서 에너지를 수신하는 제 2 의 인터레이스형 세그먼트로 구성된 이 시스템에서의 단일 릴레이 요소의 설계를 나타낸다. 이러한 방식으로, 양방향 에너지 표면을 생성하기 위해 시스템에서의 모든 에너지 릴레이 모듈에 대해 반복될 수 있다.
단지 단일의 릴레이 요소를 이용하고 에너지 도파관 어레이를 이용하지 않는 이러한 접근법을 통해 지문(들)이나 서류, 문서 등과 같이 디스플레이의 표면에 닿는 임의의 다른 물체를 고도의 정확도로 실시간으로 광학적으로 스캔하는 것이 가능하다. 역 교정 공정을 통해 모든 광학적 아티팩트들을 수정하고 매우 높은 품질의 해상도를 생성하는 것이 가능하다.
다른 실시예에서, 이미지 결합기를 이용한 이미지 캡처에 대한 방법론은 위치에 대해 매우 정확하게 응답하고 임의의 수의 다른 디스플레이 기반의 기능들을 상호작용식으로 드로잉하거나 수행할 수 있는 매우 정확한 "화이트 보드" 또는 심미적(artistic) 표면을 생성하는 능력을 제공한다.
추가적인 실시예는 도 43에 나타낸 바와 같이 에너지 도파관을 통합하여 이 접근법을 활용하는 능력을 제공한다. 전자기 에너지에 대한 실시예에서, 어레이 도파관 요소들에 의해 제공된 삼각 측량을 사용함으로써, 비교적 높은 정도의 정확도로 환경 내의 물체들의 공간 위치를 결정하는 것이 가능하다. 이것은 근접한 물체들에 대해 더 정확하고, 다른 능동 스캔 기술을 사용하지 않으면서 환경과 상호 작용하는 다수의 대상의 공간 위치를 결정할 때 상대적 전송량을 갖는 이동하는 물체들은 높은 성공도를 가질 것이다. 음향 에너지에 대한 다른 실시예에서, 기계적 압력 차이들을 투영 및 검출하는 방식으로 음파들을 전송 및 흡수하는 것이 가능하다.
의심의 여지를 없애기 위해, 모든 광학 기술들은 유리, 플라스틱, 무질서, 코히어런트일 수 있고, 횡방향 앤더슨 편재, 또는 기타 광학 혹는 기타 릴레이 기술을 나타낼 수 있다. 또한, 제공된 다이어그램에서 기술의 임의의 고유 구현 또는 조합을 암시, 제한, 지시, 생략, 요구하는 것든 다른 것이든 행하지 않아야 하다. 또한, 제공된 설계는 개념적 형태로 되어 있으며 축척으로 되어 있는 것은 아니다.
아키텍처 내의 다양한 컴포넌트는 벽 장착, 테이블 장착, 헤드 장착 또는 다른 적절한 기술의 구현을 포함하는 다수의 구성들로 장착될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원에 개시된 원리들에 따라 다양한 실시예들이 위에서 설명되었지만, 이들은 단지 예로서 제시되었고 제한적인 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명(들)의 폭 및 범위는 전술한 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되어서는 안되며, 오직 본 개시로부터 공표된 청구항들 및 그 등가물들에 따라 정의되어야 한다. 게다가, 전술한 장점들 및 특징들은 설명된 실시예들에서 제공되지만, 이러한 공표된 청구항들의 적용을 상기의 장점들의 일부 또는 전부를 달성하는 공정들 및 구조들로 제한해서는 안된다.
본 개시의 주요 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예에서 채용될 수 있음은 이해될 것이다. 당업자는 일상적인 실험만을 사용하여 본원에 기재된 특정 절차들에 대한 다수의 등가물들을 인식하거나 또는 확인할 수 있을 것이다. 이러한 등가물들은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 간주되고 청구항들에 의해 커버된다.
또한, 본원에서 섹션 표제들은 37 CFR 1.77에 따른 제안사항과의 일관성을 위해, 또는 그렇지 않으면 구조적 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이 표제들은 이 개시로부터 공표할 수 있는 임의의 청구항들에 기술된 발명(들)을 제한하거나 특성을 부여하지 않는 것이다. 구체적으로, 예로서, 표제들이 "발명의 분야"를 지칭하고는 있지만, 그러한 주장들은 이 표제 하에서의 언어에 의해 제한되어서는 안되며, 소위 기술 분야를 설명하는 것이다. 또한, "발명의 배경" 섹션에서의 기술의 설명은 기술이 본 개시에서 임의의 발명(들)에 대한 선행 기술이라는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한 "개요"는 공표된 청구항들에 명시된 발명(들)의 특성으로 간주되어서는 안된다. 게다가, 본 개시에서의 "발명"에 대한 임의의 참조는 이 개시에서 오직 단일한 지점의 신규성만이 존재함을 논증하는 데 사용되어서는 안된다. 다수의 발명들은 본 개시로부터 공표된 다수의 청구항들의 한계들에 따라 명시될 수 있으며, 따라서 그러한 청구항들은 그에 의해 보호되는 발명(들) 및 그 등가물들을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 청구항들의 범위는 본 개시에 비추어 그 자체의 장점들에 대해 고려되어야 하지만 본원에 명시된 표제들에 의해 제약되어서는 안된다.
하나 또는 "하나의"라는 용어의 사용은, 청구항들 및/또는 명세서에서 용어 "포함하는"과 함께 사용되는 경우, "하나"를 의미할 수도 있지만, "하나 이상", "적어도 하나", 그리고 "하나 또는 하나 초과"의 의미와 일치한다. 본 개시는 단지 대안들 그리고 "및/또는"만을 지칭하는 정의를 지지하기는 하지만, 청구항들에서 "또는"이라는 용어의 사용은 명시적으로 대안들만을 지칭하는 것으로 나타내거나 대안들이 상호 배타적인 경우를 제외하고는 "및/또는"을 의미하는 것으로 사용된다. 본 출원의 전반에서, 용어 "약"은 값이 장치에 대한 오차의 고유한 변화를 포함하는 것을 나타내는 데 사용되며, 방법은 값, 또는 연구 주제들 사이에 존재하는 변동을 결정하기 위해 채용된다. 일반적으로, 전술한 논의에 종속되지만, "약"과 같은 근사의 단어에 의해 수정된 본원에서의 수치는 언급된 값으로부터 적어도 ±1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 12 또는 15%만큼 변경될 수 있다.
본 명세서 및 청구항(들)에서 사용된 바와 같이, "포함하는"(및 임의의 형태의 포함하는, 이를테면 "포함한다" 및 "포함하고"), "갖는"(및 임의의 형태의 갖는, 이를테면 "갖다" "가진다"), "포함시키는"(및 임의의 형태의 포함시키는, 이를테면 "포함시킨다" 및 "포함시키고"), 또는 "함유하는"(및 임의의 형태의 함유하는, 이를테면 "함유한다" 및 "함유하고")은 포괄적이거나 확장 가능(open-ended)하며, 부가적인 언급되지 않은 요소들이나 방법 단계들을 배제하지 않는다.
본 명세서 및 청구항(들)에서 사용된 바와 같이, "포함하는"(및 임의의 형태의 포함하는, 이를테면 "포함한다" 및 "포함하고"), "갖는"(및 임의의 형태의 갖는, 이를테면 "갖다" "가진다"), "포함시키는"(및 임의의 형태의 포함시키는, 이를테면 "포함시킨다" 및 "포함시키고"), 또는 "함유하는"(및 임의의 형태의 함유하는, 이를테면 "함유한다" 및 "함유하고")은 포괄적이거나 확장 가능(open-ended)하며, 부가적인 언급되지 않은 요소들이나 방법 단계들을 배제하지 않는다. 근처의, "근접한" 및 "인접한"과 같은 요소들의 상대적 위치와 관련된 단어들은 각각의 시스템 요소 상호 작용에 물리적인 영향을 미치기에 충분히 가깝다는 것을 의미하는 것이다. 근사의 다른 단어들은, 유사하게는, 그렇게 수정될 때 반드시 절대적이거나 완전하지는 않지만, 당업자에게 충분히 가깝다고 생각되는 것으로 이해되는 조건을 지칭하여, 그 조건을 존재하는 것으로 간주하는 것을 보증한다. 설명이 변경될 수 있는 정도는 변경이 얼마나 크게 도입될 수 있는지에 달려 있으며, 여전히 당업자는 수정되지 않은 특징의 요구되는 특성들 및 능력들을 여전히 가지면서 수정된 특징을 인식한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "또는 그의 조합"은 용어 앞에 기재된 나열된 항목들의 모든 순열 및 조합을 지칭한다. 예를 들어, A, B, C 또는 이들의 조합은 A, B, C, AB, AC, BC 또는 ABC 중 적어도 하나를 포함하도록 의도되며, 특정 문맥에서 순서가 중요하다면 BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC 또는 CAB를 포함하도록 의도된다. 이 예를 계속하면 BB, AAA, AB, BBC, AAABCCCC, CBBAAA, CABABB 등과 같이 하나 이상의 항목 또는 용어를 반복하여 포함하는 조합이 명시적으로 포함된다. 당업자는 통상적으로 문맥으로부터 명백하지 않는 한 임의의 조합으로 항목들 또는 용어들의 수에 제한이 없다는 것을 이해할 것이다.
본원에 개시되고 청구된 모든 구성들 및/또는 방법들은 본 개시에 비추어 과도한 실험없이 제조되고 실행될 수 있다. 본 개시의 구성들 및 방법들은 바람직한 실시예들의 관점에서 기재되었지만, 본 개시의 개념, 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 변형예들이 구성들 및/또는 방법들에 그리고 본원에 기재된 방법의 단계들에서 또는 단계들의 시퀀스에서 적용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백한 이러한 모든 유사한 대체예들 및 변형예들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 개시의 사상, 범위 및 개념 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (119)

  1. 장치로서,
    하나 이상의 구조체들로 형성되고, 제1 표면, 제2 표면, 횡 배향(transverse orientation) 및 종 배향(longitudinal orientation)을 갖는 릴레이 요소를 포함하되;
    상기 제1 표면은 상기 제2 표면과는 상이한 표면적을 갖고;
    상기 릴레이 요소는 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 경사진(sloped) 프로파일 부분을 포함하고;
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 전파되는 에너지 파들은 상기 횡 배향에서보다 상기 종 배향에서 실질적으로 더 높은 전송 효율로 인해 상기 종 배향과 실질적으로 평행하게 진행하고;
    상기 릴레이 요소를 통과하는 에너지 파들은 공간 확대 또는 공간 축소를 초래하며;
    상기 제1 표면에 제공되는 균일한 프로파일을 갖는 에너지가 상기 제2 표면을 통과함으로써, 상기 제2 표면 상의 위치에 관계없이, 상기 제2 표면의 법선에 대해 +/- 10도의 개방 각도로 콘(cone)을 실질적으로 채우게 되는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제1 분해능을 갖고, 상기 제2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제2 분해능을 가지며, 상기 제2 분해능은 상기 제1 분해능의 약 50 % 이상인 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조체들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 종 배향으로 적층된 구성의 복수의 요소들을 포함하고, 상기 복수의 요소들 중의 제1 요소는 상기 제1 표면을 포함하고, 상기 복수의 요소들 중의 제2 요소는 상기 제2 표면을 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 요소 및 상기 제2 요소는 각각 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키는 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 요소 및 상기 제2 요소는 각각 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키는 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 요소는 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키고, 상기 제2 요소는 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키는 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 요소는 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키고, 상기 제2 요소는 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키는 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 적층된 구성의 상기 복수의 요소들은 복수의 페이스 플레이트(faceplate)들을 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이를 갖는 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들인 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 경사진 프로파일 부분은 상기 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 에너지 파들이 횡 배향으로 편재되도록 무작위화된 굴절률 가변성을 포함하는 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 에너지 소스 유닛으로부터 상기 에너지 파들을 수신하도록 구성되며, 상기 에너지 소스 유닛은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프(mechanical envelope)를 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 상기 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 상기 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합인 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형(tilted), 일정 각도 정렬형(aligned at an angle), 스태거형(staggered), 온-축(on-axis), 오프-축(off-axis), 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치되는 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치되는 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송(focused energy transmission)을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함하는 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 평면이고, 상기 제2 표면은 비평면인 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 평면이고, 상기 제2 표면은 비평면인 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 비평면이고, 상기 제2 표면은 평면인 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 비평면이고, 상기 제2 표면은 비평면인 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 오목하고, 상기 제2 표면은 오목한 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 오목하고, 상기 제2 표면은 볼록한 장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 볼록하고, 상기 제2 표면은 오목한 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 볼록하고, 상기 제2 표면은 볼록한 장치.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나는 오목한 장치.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나는 볼록한 장치.
  29. 시스템으로서,
    제1 및 제2 방향들에 걸쳐 배치되는 복수의 릴레이 요소들을 포함하고, 상기 복수의 릴레이 요소들은 각각 무작위화된 굴절률 가변성을 가지며 각각의 릴레이 요소의 제1 표면과 제2 표면 사이의 종 배향을 따라 연장되고, 상기 복수의 릴레이 요소들 각각의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 상기 제1 및 제2 방향들에 의해 정의되는 횡 배향을 따라 대체로 연장되고, 상기 종 배향은 상기 횡 배향에 실질적으로 수직이며;
    상기 복수의 릴레이 요소들은 각각 상기 종 배향을 따라 에너지를 전송하도록 구성되며, 상기 복수의 릴레이 요소들을 통해 전파되는 에너지 파들은 상기 에너지가 상기 횡 배향에서 공간적으로 편재화되도록 상기 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 결합되는 상기 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 상기 횡 배향에서보다 상기 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖는 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들 각각의 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 일반적으로 횡 배향을 따라 만곡될 수 있는 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 상기 제1 및 제2 방향들에 걸쳐 일체로 형성될 수 있는 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 상기 제1 및 제2 방향들에 걸쳐 조립될 수 있는 시스템.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 횡 배향에서 적어도 2×2 구성을 갖는 행렬로 배치되는 시스템.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는 시스템.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 상기 에너지의 공간 확대를 발생시키는 시스템.
  36. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 상기 에너지의 공간 축소를 발생시키는 시스템.
  37. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소드은 복수의 페이스 플레이트들을 포함하는 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이를 갖는 시스템.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들인 시스템.
  40. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 각각 상기 각각의 릴레이 요소의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 경사진 프로파일 부분을 포함하고, 상기 경사진 프로파일 부분은 상기 복수의 릴레이 요소들의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있는 시스템.
  41. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들 각각의 상기 제1 표면은 에너지 소스 유닛으로부터 에너지를 수신하도록 구성되며, 상기 에너지 소스 유닛은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함하는 시스템.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 상기 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 상기 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합인 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치되는 시스템.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치되는 시스템.
  45. 제42항에 있어서,
    상기 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함하는 시스템.
  46. 제42항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들과 상기 투영 시스템 사이에 만곡형 에너지 소스를 더 포함하는 시스템.
  47. 시스템으로서,
    에너지 표면을 제공하도록 구성되며, 제1 피치를 갖는 복수의 에너지 소스 유닛들; 및
    에너지 소스에 인접하게 배치되고, 상기 제1 피치보다 작은 제2 피치를 갖는 복수의 릴레이 요소들을 포함하되,
    상기 복수의 에너지 소스 유닛들 중 제1 에너지 소스 유닛은 상기 제1 에너지 소스 유닛을 통과하는 에너지 전파 경로들의 각도 범위에 의해 정의되는 제1 뷰 필드(field of view)를 갖도록 구성되고;
    상기 에너지 전파 경로들 내에 배치된 상기 복수의 릴레이 요소들의 서브세트는 상기 복수의 릴레이 요소들의 서브세트를 통과하는 상기 에너지 전파 경로들의 각도 범위가 상기 제1 뷰 필드보다 넓은 제2 뷰 필드를 갖게 상기 에너지 전파 경로들을 재분배하도록 구성되는 시스템.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 유닛들의 각각의 에너지 소스 유닛은 픽셀인 시스템.
  49. 제47항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 유닛들의 각각의 에너지 소스 유닛은 테이퍼형 릴레이 요소인 시스템.
  50. 제47항에 있어서,
    상기 에너지 전파 경로들은 광 경로들인 시스템.
  51. 제47항에 있어서,
    상기 에너지 소스는 상기 복수의 에너지 소스 유닛들의 표면 상에 제공되는 시스템.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 에너지 소스가 제공되는 표면은 가상 표면이며, 상기 가상 표면은 상기 복수의 에너지 소스 유닛들로부터 중계되는 에너지를 수신하도록 구성되는 표면인 시스템.
  53. 제47항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 페이스 플레이트들 및 광섬유들을 포함하는 시스템.
  54. 제47항에 있어서,
    상기 복수의 릴레이 요소들은 각각, 상기 에너지가 횡 배향에서 편재화되도록 하는 상기 복수의 릴레이 요소들 각각의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인해 상기 횡 배향에서보다 종 배향에서 더 높은 전송 효율로 상기 에너지 전파 경로들을 통해 상기 에너지를 재분배하도록 동작 가능한 시스템.
  55. 시스템으로서,
    각각의 릴레이 요소들의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 에너지를 전송하도록 각각 구성되는 복수의 가요성 릴레이 요소들을 포함하되,
    상기 복수의 가요성 릴레이 요소들의 상기 제1 단부는 복수의 에너지 소스 유닛들에 광학적으로 결합되고, 상기 복수의 에너지 소스 유닛들은 상기 복수의 가요성 릴레이 요소들의 상기 제2 단부로부터 이격되어 있으며;
    상기 복수의 가요성 릴레이 요소들의 상기 제2 단부는 응집된 에너지 표면을 형성하도록 번들링되어 있는 시스템.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 복수의 가요성 릴레이 요소들은 복수의 느슨한 코히어런트 광학 릴레들을 포함하는 시스템.
  57. 제55항에 있어서,
    상기 응집된 에너지 표면은 상기 시스템의 단부 부분이며, 상기 단부 부분에서의 에너지는 상기 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 대하여 공간적으로 비-확대되는 시스템.
  58. 제55항에 있어서,
    상기 응집된 에너지 표면은 상기 시스템의 단부 부분이며, 상기 단부 부분에서의 에너지는 상기 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 대하여 공간적으로 확대되는 시스템.
  59. 제55항에 있어서,
    상기 응집된 에너지 표면은 상기 시스템의 단부 부분이며, 상기 단부 부분에서의 에너지는 상기 에너지 소스 유닛들로부터의 에너지에 대하여 공간적으로 축소되는 시스템.
  60. 시스템으로서,
    상이한 제1 및 제2 재료들을 갖는 릴레이 요소로서, 상기 제1 및 제2 재료들은 상기 릴레이 요소가 횡 배향에 비해 종 배향에서 더 높은 전송 효율을 갖게 되도록 상기 횡 배향 및 상기 종 배향 중 적어도 하나의 배향에서 실질적으로 반복되는 내부 구조로 배치되는, 상기 릴레이 요소를 포함하되,
    에너지가 상기 릴레이 요소의 제1 단부에 제공되도록 동작 가능하며, 상기 에너지는 상기 제1 단부에서 제1 분해능을 갖고;
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 상기 횡 배향 및 상기 종 배향 중 적어도 하나의 배향에서 상기 실질적으로 반복되는 내부 구조의 일 피치를 가지도록 구성되고, 상기 피치는 상기 횡 배향에 있어서 상기 제1 단부에서의 에너지의 상기 제1 분해능과 대략 같거나 이보다 작은 피치이며;
    상기 릴레이 요소의 제1 표면에 제공되는 균일한 프로파일을 갖는 에너지가 상기 릴레이 요소의 제2 표면을 통과함으로써, 상기 제2 표면 상의 위치에 관계없이, 상기 제2 표면의 법선에 대해 +/- 10도의 개방 각도로 콘을 실질적으로 채우게 되는 시스템.
  61. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 제1 및 제2 재료들과는 상이한 제3 재료를 포함하되, 상기 제3 재료는 상기 횡 배향 및 상기 종 배향 중 적어도 하나의 배향에서 실질적으로 반복되는 내부 구조로 배치되는 시스템.
  62. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 제1 및 제2 재료들과 상이한 제3 재료를 포함하며, 상기 제3 재료는 상기 횡 배향 및 상기 종 배향 중 적어도 하나의 배향에서 실질적으로 무작위화된 내부 구조로 배치되는 시스템.
  63. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부의 중심 부분은 상기 릴레이 요소의 제1 단부 표면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 입구 콘(energy entry cone)을 갖도록 구성되는 시스템.
  64. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부의 중심 부분은 상기 릴레이 요소의 제2 단부 표면에 실질적으로 수직하게 정렬된 에너지 출구 콘(energy exit cone)을 갖도록 구성되는 시스템.
  65. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부의 중심 부분은 상기 릴레이 요소의 제1 단부 표면에 비-수직하게 정렬된 에너지 입구 콘을 갖도록 구성되며, 상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 비평면의 단부 표면을 포함하는 시스템.
  66. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부의 중심 부분은 상기 릴레이 요소의 제2 단부 표면에 비-수직하게 정렬된 에너지 출구 콘을 갖도록 구성되며, 상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부는 비평면인 단부 표면을 포함하는 시스템.
  67. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 단부 표면의 제1 영역을 포함하며, 상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부는 상기 단부 표면의 제2 영역을 포함하는 시스템.
  68. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들은 각각 복수의 개별 단부 부분들을 포함하는 시스템.
  69. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는 시스템.
  70. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 에너지의 공간 확대를 발생시키는 시스템.
  71. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 에너지의 공간 축소를 발생시키는 시스템.
  72. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 복수의 페이스 플레이트들을 구비하는 적층된 구성을 포함하는 시스템.
  73. 제72항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이를 갖는 시스템.
  74. 제72항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들인 시스템.
  75. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 경사진 프로파일 부분을 포함하며, 상기 경사진 프로파일 부분은 상기 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있는 시스템.
  76. 제60항에 있어서,
    상기 에너지는 에너지 소스 유닛으로부터 수신되며, 상기 에너지 소스 유닛은 상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들 중 적어도 하나의 폭과 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함하는 시스템.
  77. 제76항에 있어서,
    상기 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 상기 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하며, 상기 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합인 시스템.
  78. 제77항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치되는 시스템.
  79. 제77항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치되는 시스템.
  80. 제77항에 있어서,
    상기 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함하는 시스템.
  81. 제77항에 있어서,
    상기 릴레이 요소와 상기 투영 시스템 사이에 만곡형 에너지 소스를 더 포함하는 시스템.
  82. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들은 모두 평면인 시스템.
  83. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들은 모두 비평면 시스템.
  84. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 비평면이며, 상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부는 평면인 시스템.
  85. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 비평면이며, 상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부는 비평면인 시스템.
  86. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들은 모두 오목한 시스템.
  87. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 단부는 볼록하며, 상기 릴레이 요소의 상기 제2 단부는 오목한 시스템.
  88. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들은 모두 볼록한 시스템.
  89. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들 중 적어도 하나는 오목한 시스템.
  90. 제60항에 있어서,
    상기 릴레이 요소의 상기 제1 및 제2 단부들 중 적어도 하나는 볼록한 시스템.
  91. 장치로서,
    하나 이상의 구조체들로 형성되고, 제1 표면, 제2 표면, 횡 배향 및 종 배향을 갖는 릴레이 요소를 포함하되;
    상기 제1 표면은 상기 제2 표면과는 상이한 표면적을 갖고;
    상기 릴레이 요소는 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 경사진 프로파일 부분을 포함하고;
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 전파되는 에너지 파들은, 상기 에너지가 상기 횡 배향에서 공간적으로 편재화되도록 상기 종 배향에서의 최소 굴절률 변화와 결합되는 상기 횡 배향에서의 무작위화된 굴절률 가변성으로 인한, 상기 횡 배향에서보다 상기 종 배향에서 실질적으로 더 높은 전송 효율로 인해 상기 종 배향과 실질적으로 평행하게 진행하고;
    상기 릴레이 요소를 통과하는 에너지 파들은 공간 확대 또는 공간 축소를 초래하는 장치.
  92. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면을 통과하는 에너지 파들은 제1 분해능을 갖고, 상기 제2 표면을 통과하는 에너지 파들은 제2 분해능을 가지며, 상기 제2 분해능은 상기 제1 분해능의 약 50 % 이상인 장치.
  93. 제91항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조체들은 유리, 탄소, 광섬유, 광학 필름, 플라스틱, 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는 장치.
  94. 제91항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 종 배향으로 적층된 구성의 복수의 요소들을 포함하고, 상기 복수의 요소들 중의 제1 요소는 상기 제1 표면을 포함하고, 상기 복수의 요소들 중의 제2 요소는 상기 제2 표면을 포함하는 장치.
  95. 제94항에 있어서,
    상기 제1 요소 및 상기 제2 요소는 각각 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키는 장치.
  96. 제94항에 있어서,
    상기 제1 요소 및 상기 제2 요소는 각각 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키는 장치.
  97. 제94항에 있어서,
    상기 제1 요소는 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키고, 상기 제2 요소는 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키는 장치.
  98. 제94항에 있어서,
    상기 제1 요소는 상기 에너지 파들의 공간 축소를 발생시키고, 상기 제2 요소는 상기 에너지 파들의 공간 확대를 발생시키는 장치.
  99. 제94항에 있어서,
    상기 적층된 구성의 상기 복수의 요소들은 복수의 페이스 플레이트들을 포함하는 장치.
  100. 제99항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 상이한 길이를 갖는 장치.
  101. 제99항에 있어서,
    상기 복수의 페이스 플레이트들은 느슨한 코히어런트 광학 릴레이들인 장치.
  102. 제91항에 있어서,
    상기 경사진 프로파일 부분은 상기 릴레이 요소의 법선 축에 대하여 수직이 아닌 각도로 각을 이루거나, 선형이거나, 만곡되거나, 테이퍼지거나, 패시트되거나 또는 정렬될 수 있는 장치.
  103. 제91항에 있어서,
    상기 릴레이 요소는 상기 에너지 파들이 횡 배향으로 편재되도록 무작위화된 굴절률 가변성을 포함하는 장치.
  104. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 에너지 소스 유닛으로부터 상기 에너지 파들을 수신하도록 구성되며, 상기 에너지 소스 유닛은 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나의 폭과는 상이한 폭을 갖는 기계적 엔벨로프를 포함하는 장치.
  105. 제104항에 있어서,
    상기 기계적 엔벨로프는 렌즈를 갖는 투영 시스템, 및 상기 렌즈에 인접하게 배치된 복수의 에너지 소스 패널들을 포함하고, 상기 복수의 에너지 소스 패널들은 평면, 비평면 또는 이들의 조합인 장치.
  106. 제104항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 틸트형, 일정 각도 정렬형, 스태거형, 온-축, 오프-축, 회전형, 평행형, 수직형 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 다양한 구성들로 배치되는 장치.
  107. 제104항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 소스 패널들은 방사상으로 대칭인 구성으로 배치되는 장치.
  108. 제104항에 있어서,
    상기 투영 시스템은 도파관을 통한 집속 에너지 전송을 포함하며, 오프-정렬된 각도에서의 텔레센트릭 렌즈 릴레이 요소를 더 포함하는 장치.
  109. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 평면이고, 상기 제2 표면은 평면인 장치.
  110. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 평면이고, 상기 제2 표면은 비평면인 장치.
  111. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 비평면이고, 상기 제2 표면은 평면인 장치.
  112. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 비평면이고, 상기 제2 표면은 비평면인 장치.
  113. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 오목하고, 상기 제2 표면은 오목한 장치.
  114. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 오목하고, 상기 제2 표면은 볼록한 장치.
  115. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 볼록하고, 상기 제2 표면은 오목한 장치.
  116. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면은 볼록하고, 상기 제2 표면은 볼록한 장치.
  117. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나는 오목한 장치.
  118. 제91항에 있어서,
    상기 제1 표면 및 상기 제2 표면 중 적어도 하나는 볼록한 장치.
  119. 제91항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 표면에 제공되는 균일한 프로파일을 갖는 에너지가 상기 제2 릴레이 표면을 통과함으로써, 상기 제2 릴레이 표면 상의 위치에 관계없이, 상기 제2 표면의 법선에 대해 +/- 10도의 개방 각도로 콘을 실질적으로 채우게 되는 장치.
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