KR20190039801A - 웨어러블 디스플레이 디바이스를 위한 디더링 방법들 및 장치 - Google Patents

웨어러블 디스플레이 디바이스를 위한 디더링 방법들 및 장치 Download PDF

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KR20190039801A
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사마르트 바르가바
로버트 디. 테콜스테
빅터 케이. 리우
크리스토프 페로즈
피에르 세인트 힐레르
예브게니 폴리아코브
제이슨 섀퍼
마우로 멜리
멜라니에 웨스트
강 루오
비크람지트 싱
프랭크 와이. 수
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매직 립, 인코포레이티드
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Abstract

디바이스는 제1 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자를 포함한다. 입력 커플링 격자는 광원으로부터의 광을 수신하도록 구성된다. 디바이스는 또한, 적어도 2개의 디멘션들에서 변하는 제2 세트의 격자 파라미터를 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자를 포함한다. 제2 격자 구조는 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하도록 구성된다. 디바이스는 제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자를 더 포함한다. 출력 커플링 격자는 확장 격자로부터의 광을 수신하도록 그리고 뷰어에게 광을 출력하도록 구성된다.

Description

웨어러블 디스플레이 디바이스를 위한 디더링 방법들 및 장치
[0001] 본 출원은, 2016년 8월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/377,831호; 2017년 1월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/447,608호; 2017년 1월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/449,524호; 2017년 5월 23일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/509,969호; 2017년 6월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/519,536호; 및 2017년 6월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/521,889호를 우선권으로 주장하며, 이로써 이 미국 가특허 출원들의 개시내용들은 그 전체가 모든 목적들을 위해 인용에 의해 포함된다.
[0002] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 이른바 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 가능하게 하였고, 디지털방식으로 재생되는 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제공된다. 가상 현실 또는 "VR" 시나리오는 전형적으로, 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명도(transparency) 없이 디지털 또는 가상 이미지 정보의 제공을 수반하고; 증강 현실 또는 "AR" 시나리오는 전형적으로, 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 제공(presentation)을 수반한다.
[0003] 이러한 디스플레이 기술들에서 이루어지는 진보에도 불구하고, 증강 현실 시스템들, 특히, 디스플레이 시스템들과 관련된 개선된 방법들 및 시스템들이 당해 기술분야에 필요하다.
[0004] 본 개시내용은 가상 현실 및 증강 현실 이미징 및 시각화 시스템들에 관한 것이다. 본 개시내용은 일반적으로, 웨어러블(wearable) 디스플레이들을 포함하는 투사 디스플레이 시스템들과 관련된 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용의 실시예들은 투사 디스플레이 시스템들에서 광학 아티팩트들을 감소시키기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 본 개시내용은 컴퓨터 비전 및 이미지 디스플레이 시스템들의 다양한 애플리케이션들에 적용가능하다.
[0005] 일부 실시예들에 따르면, 광학 디바이스는: 한 쌍의 눈 개구들을 정의하고 광학 디바이스의 사용자의 귀들 위로 연장되도록 구성된 한 쌍의 암들을 포함하는 프레임; 프레임 내의 열의 분포를 모니터하도록 구성된 온도 모니터링 시스템; 광학 디바이스의 사용자에게 콘텐츠를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이 어셈블리; 및 온도 모니터링 시스템으로부터 온도 데이터를 수신하고 프레임 내의 열의 분포의 변동에 기반하여 디스플레이 어셈블리의 출력을 조정하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
[0006] 일부 실시예들에 따르면, 광학 디바이스는: 광학 디바이스의 사용자의 귀들 위로 연장되도록 구성된 한 쌍의 암들을 포함하고 제1 눈 개구 및 제2 눈 개구를 정의하는 프레임 어셈블리; 프레임 어셈블리에 커플링되는 제1 및 제2 투사기들; 제1 및 제2 투사기들에 의해 방출되는 광을 수신하고 그 광을 사용자의 눈들을 향해 배향시키도록 구성된 회절 광학기(diffractive optics); 및 광학 디바이스의 열적 프로파일에 따라 제1 및 제2 투사기들에 의해 투사된 콘텐츠를 시프팅하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
[0007] 일부 실시예들에 따르면, 광학 디바이스는: 프런트 밴드(front band)에 의해 함께 결합된 한 쌍의 암들 ―한 쌍의 암들은, 광학 디바이스의 사용자의 귀들과 접촉하도록 구성됨―, 및 광학 디바이스에 의해 생성된 열을 광학 디바이스의 열 방산 구역들로 지향시키기 위한 열 분배 시스템을 포함하는 프레임 어셈블리; 열 분배 시스템을 통해 프레임 어셈블리와 열적으로 접촉하는 전자 디바이스들 ― 열 분배 시스템은 복수의 전자 디바이스들에 의해 방출되는 열을 한 쌍의 암들 및 프런트 밴드에 분배하도록 구성됨 ―; 디스플레이 어셈블리; 및 복수의 전자 디바이스들의 온도 변화들에 따라 디스플레이 어셈블리의 동작을 조정하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
[0008] 본 발명의 실시예에 따르면, 아티팩트 완화 시스템이 제공된다. 아티팩트 완화 시스템은 투사기 어셈블리, 투사기 어셈블리에 광학적으로 커플링된 한 세트의 이미징 광학기들, 및 한 세트의 이미징 광학기들에 광학적으로 커플링된 접안렌즈를 포함한다. 접안렌즈는 인커플링 인터페이스를 포함한다. 아티팩트 완화 시스템은 또한, 한 세트의 이미징 광학기들과 접안렌즈 간에 배치된 아티팩트 방지 엘리먼트를 포함한다. 아티팩트 방지 엘리먼트는 선형 편광기, 선형 편광기에 인접하게 배치된 사분의일 파장판(first quarter waveplate), 및 사분의일 파장판에 인접하게 배치된 컬러 선택 컴포넌트를 포함한다.
[0009] 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 아티팩트 완화 시스템이 제공된다. 아티팩트 완화 시스템은 투사기 어셈블리, 투사기 어셈블리에 광학적으로 커플링된 한 세트의 이미징 광학기들, 및 한 세트의 이미징 광학기들에 광학적으로 커플링된 접안렌즈(eyepiece)를 포함한다. 접안렌즈는, 제1 세트의 인커플링 회절 엘리먼트(incoupling diffractive element)들 및 제2 세트의 인커플링 회절 엘리먼트들을 갖는 인커플링 구역을 포함한다. 아티팩트 완화 시스템은 한 세트의 이미징 광학기들과 접안렌즈 간에 배치된 한 세트의 컬러 필터들을 더 포함한다. 한 세트의 컬러 필터들은, 제1 세트의 인커플링 회절 엘리먼트들에 인접하게 배치된 제1 필터 및 제2 세트의 인커플링 회절 엘리먼트들에 인접하게 배치된 제2 필터를 포함한다.
[0010] 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 투사기 어셈블리가 제공된다. 투사기 어셈블리는 PBS(polarization beam splitter), PBS에 인접하게 배치된 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들, 및 PBS에 인접하게 배치된 시준기를 포함한다. 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들은 상이한 컬러들을 갖는 3개의 LED들의 세트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들은 PBS의 제1 측에 인접하다. 시준기는 제1 측에 인접한 PBS의 제2 측에 인접할 수 있다.
[0011] 투사기 어셈블리는 또한, PBS에 인접하게 배치된 디스플레이 패널(예컨대, LCOS 패널), PBS에 인접하게 배치된 원형 편광기, 및 PBS에 인접하게 배치된 한 세트의 이미징 광학기들을 포함한다. 원형 편광기는 한 세트의 이미징 광학기들과 PBS 간에 배치될 수 있다. 디스플레이 패널은 PBS의 제3 측에 인접하게 배치될 수 있으며, 제3 측은 제1 측에 인접하고 제2 측에 대향한다. 추가로, 한 세트의 이미징 광학기들은 PBS의 제4 측에 인접하게 배치될 수 있으며, 제4 측은 제1 측에 대향한다.
[0012] 일 실시예에서, 한 세트의 이미징 광학기들은 인커플링 인터페이스에 디스플레이 패널의 이미지를 형성한다. 이 실시예에서, 투사기 어셈블리는 인커플링 인터페이스에 포지셔닝된 접안렌즈를 포함한다. 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들의 광원들 각각은 인커플링 인터페이스의 별개의 부분에 이미징될 수 있다. 접안렌즈는 복수의 도파관 층들을 포함할 수 있다.
[0013] 본 발명의 일부 실시예들은 접안렌즈에 함께 레이어링된(layered) 하나 이상의 도파관들을 사용하여 사용자의 눈에 이미지들을 투사하기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 도파관들은 도파관들의 하나 이상의 표면들 내에 또는 그 위에 배치된 하나 이상의 격자들 및/또는 회절 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[0014] 일부 실시예들에서, 투사된 이미지를 뷰잉하기 위한 도파관이 제공된다. 도파관은 광을 가이딩하기 위한 기판을 포함할 수 있다. 도파관은 또한, 기판 내에 또는 그 위에 배치된 인커플링 회절 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 그 인커플링 회절 엘리먼트는 투사된 이미지와 관련된 인커플링된 광을 기판 내로 회절시키도록 구성된다. 도파관은 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제1 격자를 더 포함할 수 있으며, 그 제1 격자는 투사된 이미지를 배가(multiply)시키고 배가된 투사된 이미지를 제2 격자로 지향시키기 위해 인커플링 회절 엘리먼트로부터의 회절된 인커플링된 광을 조작하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 도파관은 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제2 격자를 포함하며, 그 제2 격자는 조작된 회절된 인커플링된 광을 도파관으로부터 아웃커플링시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제1 격자 및 제2 격자는 도파관의 동일한 구역을 점유한다.
[0015] 일부 실시예들에서, 제1 격자 및 제2 격자는, 제1 격자와 제2 격자가 서로 중첩되도록, 기판의 동일한 측 내에 또는 그 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제1 격자 및 제2 격자는 기판의 상이한 측들 내에 또는 그 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 도파관은 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제3 격자를 포함할 수 있으며, 그 제3 격자는 투사된 이미지를 배가시키고 배가된 투사된 이미지를 제2 격자로 지향시키기 위해 인커플링 회절 엘리먼트로부터의 회절된 인커플링된 광을 조작하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제1 격자는 배가된 투사된 이미지를 제1 방향으로 제2 격자로 지향시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제3 격자는 배가된 투사된 이미지를 제2 방향으로 제2 격자로 지향시키도록 구성되며, 제2 방향은 제1 방향과 대향된다. 일부 실시예들에서, 제1 격자, 제2 격자, 및 제3 격자는, 제1 격자, 제2 격자, 및 제3 격자가 서로 중첩되도록, 기판의 동일한 측 내에 또는 그 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제1 격자 및 제3 격자는, 제1 격자와 제3 격자가 서로 중첩되도록, 기판의 동일한 측 내에 또는 그 위에 배치된다. 일부 실시예들에서, 제2 격자는 기판의 대향 측 내에 또는 그 위에 배치된다.
[0016] 일부 실시예들에서, 투사된 이미지를 뷰잉하기 위한 접안렌즈가 제공된다. 접안렌즈는 레이어링된 어레인지먼트(layered arrangement)에서 함께 커플링된 복수의 도파관들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파관들의 각각의 도파관은 기판, 인커플링 회절 엘리먼트, 제1 격자, 및 제2 격자를 포함한다.
[0017] 일부 실시예들에서, 투사된 이미지를 뷰잉하기 위한 도파관이 제공된다. 도파관은 광을 가이딩하기 위한 기판을 포함할 수 있다. 도파관은 또한, 기판 내에 또는 그 위에 배치된 인커플링 회절 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 그 인커플링 회절 엘리먼트는 투사된 이미지와 관련된 인커플링된 광을 기판 내로 적어도 제1 방향 및 제2 방향으로 회절시키도록 구성된다. 도파관은 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제1 격자를 더 포함할 수 있으며, 그 제1 격자는 투사된 이미지를 배가시키고 제1 배가된 투사된 이미지를 제3 격자로 지향시키기 위해 제1 방향으로 회절된 인커플링된 광을 조작하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 도파관은 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제2 격자를 포함하며, 그 제2 격자는 투사된 이미지를 배가시키고 제2 배가된 투사된 이미지를 제3 격자로 지향시키기 위해 제2 방향으로 회절된 인커플링된 광을 조작하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제3 격자는 기판 내에 또는 그 위에 배치되고, 제1 배가된 투사된 이미지의 적어도 일부를 도파관으로부터 아웃커플링시키고 제2 배가된 투사된 이미지의 적어도 일부를 도파관으로부터 아웃커플링시키도록 구성된다.
[0018] 일부 실시예들에서, 인커플링 회절 엘리먼트는 투사된 이미지와 관련된 인커플링된 광을 기판 내로 제3 방향으로 회절시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제3 격자는 제3 방향으로 회절된 인커플링된 광의 적어도 일부를 도파관으로부터 아웃커플링시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제1 방향은 제2 방향과 실질적으로 대향된다. 일부 실시예들에서, 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향에 실질적으로 직교한다. 일부 실시예들에서, 인커플링 회절 엘리먼트는 서로 직교하는 2개의 중첩된 회절 격자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 방향은 제2 방향과 120° 각도를 형성한다. 일부 실시예들에서, 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향 각각과 60° 각도를 형성한다. 일부 실시예들에서, 인커플링 회절 엘리먼트는 헥사고날 그리드(hexagonal grid)로 레이아웃된 복수의 아일랜드(island)들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파관들은 레이어링된 어레인지먼트로 함께 커플링될 수 있다.
[0019] 일부 실시예들은 레이어링된 어레인지먼트로 함께 커플링된 복수의 도파관들을 포함하며, 복수의 도파관들의 각각의 도파관은, 광을 가이딩하기 위한 기판, 기판 내에 또는 그 위에 배치되고 투사된 이미지와 관련된 인커플링된 광을 기판 내로 회절시키도록 구성된 인커플링 회절 엘리먼트, 기판 내에 또는 그 위에 배치되고 투사된 이미지를 배가시키고 배가된 투사된 이미지를 제2 격자로 지향시키기 위해 인커플링 회절 엘리먼트로부터의 회절된 인커플링된 광을 조작하도록 구성된 제1 격자, 및 조작된 회절된 인커플링된 광을 도파관으로부터 아웃커플링시키도록 구성된, 기판 내에 또는 그 위에 배치된 제2 격자를 포함한다.
[0020] 본 발명의 실시예에 따르면, 뷰어(viewer)의 눈에 이미지를 투사하기 위한 접안렌즈가 제공된다. 접안렌즈는 전면(front surface) 및 후면(back surface)을 갖는 평면형 도파관을 포함하며, 평면형 도파관은 제1 파장 범위 내의 광을 전파시키도록 구성된다. 접안렌즈는 또한, 도파관의 후면에 커플링된 격자를 포함하며, 그 격자는 도파관에서 전파되는 광의 제1 부분을 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 도파관에서 전파되는 광의 제2 부분을 도파관의 평면으로부터 제1 방향과는 대향되는 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다. 접안렌즈는, 도파관의 전면에 커플링된 파장-선택적 반사기(wavelength-selective reflector)를 더 포함하며, 그 파장-선택적 반사기는 제1 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제1 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 파장-선택적 반사기는 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다.
[0021] 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 뷰어의 눈에 이미지를 투사하기 위한 접안렌즈가 제공된다. 접안렌즈는 제1 전면 및 제1 후면을 갖는 제1 평면형 도파관 및 제1 평면형 도파관에 실질적으로 평행하게 그리고 제1 평면형 도파관의 앞에 배치되는 제2 평면형 도파관을 포함한다. 제1 평면형 도파관은 제1 파장 범위 내의 제1 광을 전파시키도록 구성된다. 제2 평면형 도파관은 제2 전면 및 제2 후면을 가지며, 그리고 제2 파장 범위 내의 제2 광을 전파시키도록 구성된다. 접안렌즈는 또한, 제2 평면형 도파관에 실질적으로 평행하게 그리고 제2 평면형 도파관의 앞에 배치되는 제3 평면형 도파관을 포함한다. 제3 평면형 도파관은 제3 전면 및 제3 후면을 가지며, 그리고 제3 파장 범위 내의 제3 광을 전파시키도록 구성된다. 접안렌즈는 제1 평면형 도파관의 제1 후면에 커플링되는 제1 격자를 더 포함하며, 그 제1 격자는 제1 평면형 도파관에서 전파되는 제1 광의 제1 부분을 제1 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제1 광의 제2 부분을 제1 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향과는 대향되는 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다. 접안렌즈는 부가적으로, 제2 평면형 도파관의 제2 후면에 커플링되는 제2 격자를 포함하며, 그 제2 격자는 제2 평면형 도파관에서 전파되는 제2 광의 제1 부분을 제2 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제2 광의 제2 부분을 제2 평면형 도파관의 평면으로부터 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다. 접안렌즈는 또한, 제3 평면형 도파관의 제3 후면에 커플링되는 제3 격자를 포함하며, 그 제3 격자는 제3 평면형 도파관에서 전파되는 제3 광의 제1 부분을 제3 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제3 광의 제2 부분을 제3 평면형 도파관의 평면으로부터 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다.
[0022] 접안렌즈는 제1 평면형 도파관의 제1 전면에 커플링되는 제1 파장-선택적 반사기를 포함하며, 그 제1 파장-선택적 반사기는 제1 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제1 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제1 파장-선택적 반사기는 제1 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다. 접안렌즈는 또한, 제2 평면형 도파관의 제2 전면에 커플링되는 제2 파장-선택적 반사기를 포함하며, 그 제2 파장-선택적 반사기는 제2 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제2 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제2 파장-선택적 반사기는 제2 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다. 접안렌즈는 제3 평면형 도파관의 제3 전면에 커플링되는 제3 파장-선택적 반사기를 더 포함하며, 그 제3 파장-선택적 반사기는 제3 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제3 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제3 파장-선택적 반사기는 제3 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다.
[0023] 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 뷰어의 눈에 이미지를 투사하기 위한 접안렌즈가 제공된다. 접안렌즈는 제1 전면 및 제1 후면을 갖는 제1 평면형 도파관을 포함하며, 그 제1 평면형 도파관은 제1 파장 범위 내의 제1 광을 전파시키도록 구성된다. 접안렌즈는 또한, 제1 평면형 도파관에 실질적으로 평행하게 그리고 제1 평면형 도파관의 앞에 배치되는 제2 평면형 도파관을 포함한다. 제2 평면형 도파관은 제2 전면 및 제2 후면을 가지며 제2 파장 범위 내의 제2 광을 전파시키도록 구성된다. 접안렌즈는 제2 평면형 도파관에 실질적으로 평행하게 그리고 제2 평면형 도파관의 앞에 배치되는 제3 평면형 도파관을 더 포함한다. 제3 평면형 도파관은 제3 전면 및 제3 후면을 가지며 제3 파장 범위 내의 제3 광을 전파시키도록 구성된다.
[0024] 부가적으로, 접안렌즈는 제1 평면형 도파관의 제1 전면에 커플링되는 제1 격자를 포함하며, 그 제1 격자는 제1 평면형 도파관에서 전파되는 제1 광의 제1 부분을 제1 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제1 광의 제2 부분을 제1 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향과는 대향되는 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다. 접안렌즈는 또한, 제2 평면형 도파관의 제2 전면에 커플링되는 제2 격자를 포함하며, 그 제2 격자는 제2 평면형 도파관에서 전파되는 제2 광의 제1 부분을 제2 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제2 광의 제2 부분을 제2 평면형 도파관의 평면으로부터 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다. 접안렌즈는 제3 도파관의 제3 전면에 커플링되는 제3 격자를 더 포함하며, 그 제3 격자는 제3 평면형 도파관에서 전파되는 제3 광의 제1 부분을 제3 평면형 도파관의 평면으로부터 제1 방향을 향해 회절시키도록 그리고 제3 광의 제2 부분을 제3 평면형 도파관의 평면으로부터 제2 방향을 향해 회절시키도록 구성된다.
[0025] 게다가, 접안렌즈는 제2 평면형 도파관의 제2 후면에 커플링되는 제1 파장-선택적 반사기를 포함하며, 그 제1 파장-선택적 반사기는 제1 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제1 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제1 파장-선택적 반사기는 제1 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다. 접안렌즈는 또한, 제3 평면형 도파관의 제3 후면에 커플링되는 제2 파장-선택적 반사기를 포함하며, 그 제2 파장-선택적 반사기는 제2 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제2 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제2 파장-선택적 반사기는 제2 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다. 접안렌즈는 제3 평면형 도파관에 실질적으로 평행하게 그리고 제3 평면형 도파관의 앞에 배치되는 프런트 커버 플레이트(front cover plate), 및 프런트 커버 플레이트의 표면에 커플링되는 제3 파장-선택적 반사기를 더 포함한다. 제3 평면형 도파관은 제3 파장 범위 내의 광은 반사시키고 제3 파장 범위 밖의 광은 투과시키도록 구성되어, 제3 파장-선택적 반사기는 제3 광의 제2 부분의 적어도 일부를 제1 방향을 향해 다시 반사시킨다.
[0026] 본 개시내용의 일부 실시예들은 투사 디스플레이 시스템들에서 품질 및 균일성을 개선하기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다.
[0027] 일부 실시예들에 따르면, 바이너리 격자 구조(binary grating structure) 및 블레이즈드 격자 구조(blazed grating structure)의 조합을 갖는 도파관을 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 기판을 오프-축(off-axis)으로 컷팅하는 단계를 포함한다. 방법은 기판 상에 제1 층을 증착하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 층 상에 레지스트 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 레지스트 층은 패턴을 포함한다. 방법은 레지스트 층을 마스크로서 사용하여 패턴으로 제1 층을 에칭하는 단계를 더 포함하며, 패턴은 제1 구역 및 제2 구역을 포함한다. 방법은 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 패턴의 제1 구역에 제1 폴리머 층을 코팅하는 단계를 더 포함한다. 방법은 패턴의 제2 구역에서 기판을 에칭하여, 제2 구역에서 기판에 바이너리 격자 구조를 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 폴리머 층을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 패턴의 제2 구역에 제2 폴리머 층을 코팅하는 단계를 더 포함한다. 방법은 패턴의 제1 구역에서 기판을 에칭하여, 제1 구역에서 기판에 블레이즈드 격자 구조를 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 폴리머 층을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 기판으로부터 제1 층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
[0028] 일부 실시예들에 따르면, 멀티-레벨 바이너리 격자 구조를 갖는 도파관을 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 제1 기판 상에 제1 에칭 정지 층(etch stop layer)을 코팅하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 에칭 정지 층 상에 제2 기판을 부가하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 기판 상에 제1 레지스트 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 제1 레지스트 층은 적어도 하나의 제1 개구를 포함한다. 방법은 적어도 하나의 제1 개구에서 제2 기판 상에 제2 에칭 정지 층을 증착하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 기판으로부터 제1 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 기판과 제2 에칭 정지 층 상에 제3 기판을 부가하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제3 기판 상에 제2 레지스트 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 제2 레지스트 층은 적어도 하나의 제2 개구를 포함한다. 방법은 적어도 하나의 제2 개구에서 제3 기판 상에 제3 에칭 정지 층을 증착하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제3 기판으로부터 제2 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 기판 및 제3 기판을 에칭하여, 제1 기판, 제1 에칭 정지 층, 적어도 하나의 제1 개구 내의 제2 에칭 정지 층 및 제2 기판, 그리고 적어도 하나의 제2 개구 내의 제3 에칭 정지 층 및 제3 기판을 남기는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 에칭 정지 층의 노출된 부분, 제2 에칭 정지 층의 노출된 부분, 및 제3 에칭 정지 층을 에칭하여, 멀티-레벨 바이너리 격자를 형성하는 단계를 더 포함한다.
[0029] 일부 실시예들에 따르면, 블레이즈드 격자 구조를 갖는 도파관을 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 기판을 오프-축으로 컷팅하는 단계를 포함한다. 방법은 기판 상에 레지스트 층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 레지스트 층은 패턴을 포함한다. 방법은 레지스트 층을 마스크로서 사용하여 패턴으로 기판을 에칭하여, 기판에 블레이즈드 격자 구조를 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 기판으로부터 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
[0030] 일부 실시예들에 따르면, 접안렌즈 층에 의해 광을 조작하는 방법이 제공된다. 방법은 제1 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자(input coupling grating)에서 광원으로부터의 광을 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 제2 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자(expansion grating)에서 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자(output coupling grating)에서 확장 격자로부터의 광을 수신하는 단계를 더 포함한다. 제1 격자 구조, 제2 격자 구조 또는 제3 격자 구조 중 적어도 하나는 등급화된 듀티 사이클(graded duty cycle)을 갖는다.
[0031] 본 발명의 일부 실시예들은 웨어러블 디스플레이 디바이스의 접안렌즈 층들을 디더링(dithering)하기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다.
[0032] 일부 실시예들에 따르면, 디바이스가 제공된다. 디바이스는 제1 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자를 포함한다. 입력 커플링 격자는 광원으로부터 광을 수신하도록 구성된다. 디바이스는 적어도 2개의 디멘션(dimension)들에서 변하는 제2 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자를 더 포함한다. 제2 격자 구조는 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하도록 구성된다. 디바이스는 제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자를 더 포함한다. 출력 커플링 격자는 확장 격자로부터의 광을 수신하고 광을 뷰어에게 출력하도록 구성된다.
[0033] 일부 실시예들에 따르면, 광학 구조가 제공된다. 광학 구조는 제1 디멘션 및 제2 디멘션에 의해 정의된 평면에서 적어도 부분적으로 놓인 도파관 층을 포함한다. 광학 구조는, 도파관 층에 커플링되며 평면에서 광을 회절시키도록 동작가능한 회절 엘리먼트를 더 포함한다. 회절 엘리먼트는, 적어도 제1 디멘션 및 제2 디멘션에서 변하는 한 세트의 회절 파라미터들을 특징으로 한다.
[0034] 종래의 기법들에 비해 본 개시내용을 통해 많은 이익들이 달성된다. 예컨대, 본 발명의 실시예들은 증강 현실 디스플레이 시스템들의 신뢰성 및 성능을 개선하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 웨어러블 디바이스의 동작으로 인해 생성되는 열을 분산 및 방산시키는 고효율 열 확산 및 열 방산 디바이스들이 설명된다. 불균일한 열 분포 또는 열적 로딩의 급격한 증가들로부터 기인하는 광학 센서들, 투사기들 및 웨어러블 디스플레이 광학기의 상대적 포지셔닝의 변화들을 고려하기 위해 웨어러블 디바이스의 디스플레이 시스템들의 출력을 적응시키기 위한 방법들 및 시스템들이 설명된다.
[0035] 본 개시내용의 다른 실시예들은 투사 디스플레이 시스템들의 고스트 이미지들을 포함하는 아티팩트들을 감소시키거나 제거하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 부가적으로, 본 개시내용의 실시예들은 눈 스트레인(eye strain)을 감소시키고, 스트레이 광(stray light)으로 인한 아티팩트들을 감소시키고, 디스플레이되는 이미지들 또는 비디오들의 해상도, ANSI 콘트라스트, 및 일반적인 신호 대 잡음을 개선한다.
[0036] 예컨대, 본 발명의 실시예들은, 접안렌즈의 디멘션들을 감소시키고 그리고/또는 사용자에 대한 시야를 증가시키거나 또는 사용자에게 전달되는 광의 광 특성들, 이를테면, 밝기를 개선함으로써, 증강 현실 애플리케이션들에서 사용하기 위한 접안렌즈들의 확장성(scalability)을 개선하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 접안렌즈의 더 작은 디멘션들은 종종, 사용자가 특정 시스템을 착용하고 있을 때 사용자 편안함에 중요하다. 본 발명의 실시예들은 또한, 접안렌즈 내의 광 출사 포인트들의 넓은 범위 및 밀도로 인해 고품질의 이미지들이 사용자의 눈에 투사되는 것을 가능하게 한다.
[0037] 본 개시내용의 다른 실시예들은 투사 디스플레이 시스템들에서의 광의 통과를 개선하는 접안렌즈 층들 상의 격자들을 제공하기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 부가적으로, 본 개시내용의 일부 실시예들은 뷰어에게 투사되는 출력 이미지에 걸쳐 광 세기의 균일성의 증가들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 균일성이 밸런싱되어서, 개선된 제조가능성(manufacturability) 및 더 큰 설계 유연성(flexibility)을 가져올 수 있다. 본 개시내용의 이들 및 다른 실시예들은 그 많은 장점들 및 특징들과 함께 아래의 본문 및 첨부된 도면들과 함께 더 상세하게 설명된다.
[0038] 본 발명의 일부 실시예들은, 이미지 아티팩트들, 파 간섭, 및/또는 반사들을 감소시키면서 출력 광의 휘도의 균일성, 세기의 균일성, 회절 효율성, 및/또는 밝기를 개선하는 방법들 및 시스템들을 제공한다.
[0039] 본원에서 설명되는 실시예들 및 구현들 중 하나 이상이 결합되어, 상이한 구현들의 조합에 의해 가능하게 되는 기능을 제공할 수 있음을 주목해야 한다. 그에 따라서, 본원에서 설명되는 실시예들은 특정 애플리케이션에 대해 독립적으로 또는 적합하게 조합되어 구현될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0040] 본 개시내용의 이들 및 다른 실시예들은 그 많은 장점들 및 특징들과 함께 아래의 본문 및 첨부된 도면들과 함께 더 상세하게 설명된다.
[0041] 도 1은 본원에서 설명된 실시예에 따른 웨어러블 AR 디바이스를 통해 뷰잉되는 AR(augmented reality) 장면을 예시하는 도면이다.
[0042] 도 2a는 입체 3D(three-dimensional) 디스플레이들을 예시한다.
[0043] 도 2b는 가변적인 깊이 평면 원근조절 거리들을 예시한다.
[0044] 도 3a는 정해진 깊이 평면에서의 원근조절-이접운동 포커스(accommodation-vergence focus)를 예시한다.
[0045] 도 3b는 정해진 깊이 평면에 대한 원근조절-이접운동 미스매치(accommodation-vergence mismatch)를 예시한다.
[0046] 도 4는 정해진 깊이 평면을 넘어선 2개의 오브젝트들 간의 비교상의 원근조절-이접운동 미스매치를 예시한다.
[0047] 도 5는 일부 실시예들에 따른, 원근조절-이접운동 미스매치에 대한 깊이 평면 선택 및 효과들을 예시한다.
[0048] 도 6a-도 6b는 일부 실시예들에 따른, 정해진 특정 깊이 평면들의 2개의 오브젝트들 간의 비교상의 원근조절-이접운동 미스매치를 예시한다.
[0049] 도 7a-도 7b는 일부 실시예들에 따른, 도파관을 통한 사용자의 눈 내로의 광 투사의 단면도들을 예시한다.
[0050] 도 8은 일부 실시예들에 따른, 도파관 내의 DOE(diffractive optical element)에 의해 사용자의 눈에 투사되는 광 필드를 예시한다.
[0051] 도 9는 일부 실시예들에 따른, 도파관 내의 복수의 DOE들에 의해 사용자의 눈에 투사되는 넓은 광 필드를 예시한다.
[0052] 도 10은 일부 실시예들에 따른, 도파관 내의 DOE에 의해 사용자의 눈에 아웃커플링되는 포커싱된 광 패턴을 예시한다.
[0053] 도 11은 일부 실시예들에 따른 사용자의 눈의 복수의 서브-동공(subpupil)들에 주입되는 빔렛들을 예시한다.
[0054] 도 12는 일부 실시예들에 따라, 어그리게이트 빔렛들이 더 큰 직경의 단일 빔인 것처럼, 특정 시준된 빔렛들을 서브-동공들을 통해 포커싱하는 것을 예시한다.
[0055] 도 13은 일부 실시예들에 따라, 사용자의 눈에 광을 아웃커플링시키는 한편 세계 광(world light)이 도파관들의 스택을 통해 사용자의 눈에 침투하는 것을 또한 가능하게 하는 도파관들의 스택을 예시한다.
[0056] 도 14는 일부 실시예들에 따라, 주입된 광을 복수의 도파관들 내로, 복수의 도파관들을 통해, 그리고 복수의 도파관들로부터 방향전환시키도록 구성된 인커플링 DOE, 직교 DOE, 및 출사 DOE를 예시한다.
[0057] 도 15는 일부 실시예들에 따른 웨어러블 증강 현실 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0058] 도 16a는 일부 실시예들에 따른, 실세계 환경과 상호작용하는 증강 현실 디스플레이 시스템의 사용자의 상호작용을 예시한다.
[0059] 도 16b는 일부 실시예들에 따른, 뷰잉 광학 어셈블리에 대한 컴포넌트들을 예시한다.
[0060] 도 17은 일부 실시예들에 따른, 특정 컴포넌트들을 갖는 머리 장착 디스플레이의 분해도를 예시한다.
[0061] 도 18은 일부 실시예들에 따른 뷰잉 광학 어셈블리(viewing optics assembly)의 분해도를 예시한다.
[0062] 도 19는 일부 실시예들에 따른 세계 카메라 어셈블리(world camera assembly)를 예시한다.
[0063] 도 20은 본원에서 설명된 실시예에 따른, 뷰어에게 디지털 또는 가상 이미지를 제공하는 데 사용될 수 있는 VOA(viewing optics assembly) 내에서의 광 경로들을 개략적으로 예시한다.
[0064] 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈의 예를 예시한다.
[0065] 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈를 위한 도파관들의 층들의 예를 예시한다.
[0066] 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈의 도파관 내로 인커플링되는 광의 단일 빔렛의 경로의 예를 예시한다.
[0067] 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 오버/언더 토폴로지(over/under topology)의 예를 예시한다.
[0068] 도 25는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 오버랩 토폴로지(overlap topology)의 예를 예시한다.
[0069] 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 인-라인 토폴로지(in-line topology)의 예를 예시한다.
[0070] 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 가변 회절 효율성의 존(zone)들을 갖는 OPE의 예를 예시한다.
[0071] 도 28은 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 팁 및 클립 토폴로지(tip and clip topology)의 예를 예시한다.
[0072] 도 29는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 보타이 토폴로지(bowtie topology)의 예를 예시한다.
[0073] 도 30a는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 보타이 토폴로지의 예를 예시한다.
[0074] 도 30b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 회절 광학 피처들의 다양한 확대된 뷰들을 예시한다.
[0075] 도 30c는 본 발명의 실시예에 따른 도파관에 대한 OPE 구역들의 광학 동작을 예시한다.
[0076] 도 31a는 본 발명의 실시예에 따른, 2개의 중첩된 회절 격자들을 갖는 입력 커플러 구역을 포함하는 도파관의 예를 예시한다.
[0077] 도 31b는 본 발명의 실시예에 따른, 2개의 중첩된 회절 격자들로 구성된 입력 커플러 구역의 예의 사시도를 예시한다.
[0078] 도 32a는 본 발명의 실시예에 따른 컴팩트한 폼 팩터를 갖는 도파관의 예를 예시한다.
[0079] 도 32b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관의 입력 커플러 구역의 회절 광학 피처들의 예를 예시한다.
[0080] 도 32c는 본 발명의 실시예에 따른 도파관의 OPE 구역의 회절 광학 피처들의 예를 예시한다.
[0081] 도 33a는 본 발명의 실시예에 따른 단일-면(single-sided) 구성의 결합된 OPE/EPE 구역을 갖는 도파관의 예를 예시한다.
[0082] 도 33b는 본 발명의 실시예에 따른 SEM에 의해 캡처된 단일-면 구성의 결합된 OPE/EPE 구역의 예를 예시한다.
[0083] 도 33c는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 내의 광 경로의 예를 예시한다.
[0084] 도 33d는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 내의 광 경로의 예의 측면도를 예시한다.
[0085] 도 34a는 본 발명의 실시예에 따른 2-면(two-sided) 구성의 결합된 OPE/EPE 구역을 갖는 도파관의 예를 예시한다.
[0086] 도 34b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 및 광 경로의 측면도를 예시한다.
[0087] 도 35a-도 35j는 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈에서의 구현을 위한 도파관들의 다양한 설계들을 예시한다.
[0088] 도 36a는 본 발명의 실시예에 따른, 주기적 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0089] 도 36b는 본 발명의 실시예에 따른, 굴절률의 분산형 변동을 갖는 회절 엘리먼트를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0090] 도 36c는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 한 세트의 회절 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0091] 도 36d는 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 균일한 굴절률들을 갖는 한 세트의 회절 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0092] 도 36e는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0093] 도 36f는 본 발명의 실시예에 따른, 평면 기판과 접하는 가변 굴절률의 필름을 예시하는 이미지이다.
[0094] 도 36g는 본 발명의 실시예에 따른, 회절 기판과 접하는 가변 굴절률의 필름을 예시하는 이미지이다.
[0095] 도 36h는 본 발명의 실시예에 따른, 제1 회절 엘리먼트에서의 가변 굴절률의 필름을 예시하는 이미지이다.
[0096] 도 36i는 본 발명의 실시예에 따른, 제2 회절 엘리먼트에서의 가변 굴절률의 필름을 예시하는 이미지이다.
[0097] 도 36j는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0098] 도 36k는 본 발명의 실시예에 따른 회절 엘리먼트에 대한 가변적인 굴절률 구조를 예시하는 단순화된 측면도 다이어그램이다.
[0099] 도 36l은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 엘리먼트에 대한 다층 가변적인 굴절률 구조를 예시하는 단순화된 측면도 다이어그램이다.
[0100] 도 37은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판 상에 회절 구조들을 사용하는 예시적인 광학 시스템의 개략도이다.
[0101] 도 38은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 도파관들의 상이한 뷰-필드들 및 상이한 두께들에 대한 파 간섭을 나타내는 전기장 세기의 사진들을 도시한다.
[0102] 도 39a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 언디더링된 OPE 및 그 출력 이미지를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0103] 도 39b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 정현파형으로 디더링된 OPE 및 그 출력 이미지를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0104] 도 39c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 최적화된 2D-디더링된 OPE 및 그 출력 이미지를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0105] 도 39d는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 많은 아티팩트들을 갖는 이미지와 더 적은 아티팩트들을 갖는 이미지를 비교하는 사진들을 도시한다.
[0106] 도 40a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 구조에 연속적인 위상 변동 패턴들을 부가하는 예를 도시한다.
[0107] 도 40b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 위상 변동들이 없는 그리고 위상 변동들이 있는 회절 구조를 갖는 광학 시스템으로부터의 출력 이미지들을 도시한다.
[0108] 도 40c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 구조에 이산 위상 변동 패턴을 부가하는 예를 도시한다.
[0109] 도 41a는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 격자들에 대한 상이한 느리게-변하는 디더 패턴들을 예시하는 단순화된 다이어그램들을 도시한다.
[0110] 도 41b-도 41c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 회절 구조들로 구현될 수 있는 상이한 타입들의 이산 위상 변동 패턴들을 도시한다.
[0111] 도 42a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 격자들에 대한 부가적인 디더 변동 패턴들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0112] 도 42b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 격자에서 위상 섭동들을 구현하기 위해 가변 격자 높이들을 갖는 회절 격자를 제조하는 예시적인 방법을 도시한다.
[0113] 도 42c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 위상 변동 패턴을 갖는 회절 구조를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0114] 도 42d는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 디더링된 접안렌즈 층에 의해 광을 조작하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0115] 도 43은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 도파관 내의 회절 구조를 포함하는 예시적인 디바이스에서 회절된 광의 개략도이다.
[0116] 도 44a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 빔 멀티플라이어를 통과하는 광 경로들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0117] 도 44b는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 파 간섭을 조작한 빔 멀티플라이어를 통과하는 광 경로들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0118] 도 45a 및 도 45b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 격자 구조의 디더링을 통한 광 경로들을 비교하는 단순화된 다이어그램이다.
[0119] 도 46은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안(near-to-eye) 디스플레이 디바이스에서의 뷰잉 광학기 시스템을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0120] 도 47a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이의 블록 다이어그램이다.
[0121] 도 47b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이를 사용하여 생성된 출력 이미지이다.
[0122] 도 48a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이로의 다수의 입력들을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0123] 도 48b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다수의 입력들을 갖는 도파관 디스플레이로부터의 출력 이미지이다.
[0124] 도 48c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 다수의 입력 광빔들을 사용하는 도파관 디스플레이에서의 다수의 인코히런트(incoherent) 이미지들의 생성을 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0125] 도 49a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 빔 분할기를 활용하는 도파관 디스플레이로의 단일 입력을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0126] 도 49b는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 회절 빔 분할기를 사용하는 도파관 디스플레이에서의 다수의 인코히런트 이미지들의 생성을 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0127] 도 50a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다수의 회절 빔 분할기들을 활용하는 도파관 디스플레이로의 단일 입력을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0128] 도 50b는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 다수의 회절 빔 분할기들을 사용하는 도파관 디스플레이에서의 다수의 인코히런트 이미지들의 생성을 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0129] 도 51a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 텔레센트릭 투사기(telecentric projector) 시스템을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0130] 도 51b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비-텔레센트릭 투사기 시스템(non-telecentric projector system)을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0131] 도 52는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이 디바이스의 텔레센트릭 투사기로부터의 반사들을 억제하기 위한 시스템을 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0132] 도 53a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트 상의 정사각형 래티스 격자 구조(square lattice grating structure)를 예시하는 블록 다이어그램이다.
[0133] 도 53b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트 상의 원형의 둥근 엘리먼트 격자 구조를 예시하는 사진이다.
[0134] 도 54a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트의 바이너리 격자 리지(binary grating ridge)들의 평면도이다.
[0135] 도 54b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트의 교차-절단 바이너리 격자 리지들의 표면도이다.
[0136] 도 55는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트의 교차-절단 바이어싱된 격자 리지들의 평면도이다.
[0137] 도 56은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트 상의 삼각형 엘리먼트 격자 구조를 예시하는 사진이다.
[0138] 도 57은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 회절 광학 엘리먼트 상의 타원형 엘리먼트 격자 구조를 예시하는 사진이다.
[0139] 도 58은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이 디바이스에서 텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들을 억제하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0140] 도 59a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 일정한 회절 효율성을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0141] 도 59b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0142] 도 59c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0143] 도 60a-도 60h는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 그레이 스케일 리소그래피를 사용하여 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0144] 도 61a-도 61c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 상이한 표면 높이들을 갖는 구역들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0145] 도 62a-도 62c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 상이한 회절 효율성들을 갖는 격자들로 구역들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0146] 도 63a-도 63h는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 상이한 회절 효율성들을 특징으로 하는 구역들을 제조하기 위한 멀티-레벨 에칭 프로세스의 사용을 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0147] 도 64a-도 64h는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 멀티-레벨 에칭 프로세스의 사용을 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0148] 도 65는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 인커플링 격자의 단순화된 단면도이다.
[0149] 도 66은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0150] 도 67은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0151] 도 68a-도 68d는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 그레이 스케일 리소그래피를 사용하여 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0152] 도 69는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0153] 도 70은 일부 실시예들에 따른 접안렌즈의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0154] 도 71은 일부 실시예들에 따른 일부 파장-선택적 반사기들의 예시적인 반사 스펙트럼들을 개략적으로 예시한다.
[0155] 도 72는 일부 다른 실시예들에 따른 접안렌즈의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0156] 도 73은 일부 다른 실시예들에 따른 접안렌즈의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0157] 도 74는 일부 실시예들에 따른, 롱-패스 필터(long-pass filter) 및 쇼트-패스 필터(short-pass filter)의 예시적인 반사 스펙트럼들을 개략적으로 예시한다.
[0158] 도 75는 일부 실시예들에 따른 메타표면의 예를 예시한다.
[0159] 도 76은 일부 실시예들에 따라 도 75에 도시된 일반적인 구조를 갖는 메타표면에 대한 투과 및 반사 스펙트럼들의 플롯들을 도시한다.
[0160] 도 77a 및 도 77b는 일부 실시예들에 따른 1-차원 나노빔들에 의해 형성된 메타표면의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다.
[0161] 도 77c 및 도 77d는 일부 다른 실시예들에 따른 1-차원 나노빔들에 의해 형성된 메타표면의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다.
[0162] 도 78a 및 도 78b는 일부 실시예들에 따라 기판의 표면 상에 형성된 복수의 나노 안테나들에 의해 형성되는 단일-층 2-차원 메타표면의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다.
[0163] 도 78c 및 도 78d는 일부 실시예들에 따른 다층 2-차원 메타표면의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다.
[0164] 도 79는 일부 실시예들에 따라, 녹색 컬러(실선)에 대응하는 파장에 대한, 그리고 TE 편광에 대한, 도 77c 및 도 77d에 예시된 메타표면의 적색 컬러(점선)에 대응하는 파장에 대한 입사각의 각도의 함수로써 시뮬레이팅된 반사율의 플롯들을 도시한다.
[0165] 도 80은 일부 실시예들에 따라, TE 편광에 대한, 도 77c 및 도 77d에 예시된 메타표면의 시뮬레이팅된 반사율 스펙트럼(실선) 및 시뮬레이팅된 투과 스펙트럼(점선)의 플롯들을 도시한다.
[0166] 도 81은 일부 실시예들에 따라, 녹색 컬러(실선)에 대응하는 파장에 대한, 그리고 TM 편광에 대한, 도 77c 및 도 77d에 예시된 메타표면의 적색 컬러(점선)에 대응하는 파장에 대한 입사각의 각도의 함수로써 시뮬레이팅된 반사율의 플롯들을 도시한다.
[0167] 도 82는 일부 실시예들에 따라, TM 편광에 대한, 도 77c 및 도 77d에 예시된 메타표면의 시뮬레이팅된 반사율 스펙트럼(실선) 및 시뮬레이팅된 투과 스펙트럼(점선)의 플롯들을 도시한다.
[0168] 도 83a-도 83f는 일부 실시예들에 따라 2개의 서브-메타표면들을 인터리빙함으로써 복합 메타표면이 어떻게 형성될 수 있는지를 개략적으로 예시한다.
[0169] 도 84a 및 도 84b는 일부 실시예들에 따른 메타표면의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다.
[0170] 도 84c는 일부 실시예들에 따라 입사각의 각도의 함수로써 도 84a 및 도 84b에 예시된 메타표면의 반사 스펙트럼들을 개략적으로 예시한다.
[0171] 도 85a는 일부 실시예들에 따른 접안렌즈(8500)의 부분 측면도를 개략적으로 예시한다.
[0172] 도 85b는 일부 실시예들에 따라 도 85a에 도시된 파장-선택적 반사기의 평면도를 개략적으로 예시한다.
[0173] 도 86a는 일부 실시예들에 따른 볼륨 위상 홀로그램의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0174] 도 86b는 일부 실시예들에 따라 도 86a에 예시된 볼륨 위상 홀로그램의 반사율 스펙트럼을 개략적으로 예시한다.
[0175] 도 86c는 일부 실시예들에 따른 볼륨 위상 홀로그램의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0176] 도 86d는 일부 실시예들에 따라 도 86c에 예시된 볼륨 위상 홀로그램의 반사율 스펙트럼을 개략적으로 예시한다.
[0177] 도 86e는 일부 실시예들에 따른 복합 볼륨 위상 홀로그램의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0178] 도 86f는 일부 실시예들에 따라 도파관 상에 형성된 복합 볼륨 위상 홀로그램의 측면도를 개략적으로 예시한다.
[0179] 도 87은 일 실시예에 따른 투사기의 예를 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0180] 도 88은 일 실시예에 따른 투사기의 예를 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0181] 도 89는 일 실시예에 따라, 각각의 도파관에 배치된 인커플링 격자를 사용하여 대응하는 도파관들에 커플링되는 광의 다수의 컬러들을 예시하는 단순화된 개략도이다.
[0182] 도 90a-도 90c는 일 실시예에 따른 분산형 서브-동공 아키텍처(sub-pupil architecture)들의 평면도들이다.
[0183] 도 91은 일 실시예에 따른, 다수의 깊이 평면들에 대한 컬러들의 시간 순차적 인코딩을 예시하는 개략도이다.
[0184] 도 92a는 일 실시예에 따른 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다.
[0185] 도 92b는 도 92a에 도시된 투사기 어셈블리를 예시하는 펼쳐진 개략도이다.
[0186] 도 93a는 일 실시예에 따른 투사기 어셈블리 내의 아티팩트 형성을 예시하는 개략도이다.
[0187] 도 93b는 도 93a에 도시된 투사기 어셈블리 내의 아티팩트 형성을 예시하는 펼쳐진 개략도이다.
[0188] 도 94는 도 92a에 예시된 투사기 어셈블리에 대한 장면 내의 아티팩트의 존재를 예시한다.
[0189] 도 95a는 일 실시예에 따른 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다.
[0190] 도 95b는 일 실시예에 따른 광학 아티팩트들을 감소시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0191] 도 96은 도 95a에 도시된 투사기 어셈블리를 사용한 아티팩트의 세기를 감소를 예시한다.
[0192] 도 97a는 일 실시예에 따라, 투사 디스플레이 시스템에서의 인-커플링 격자 엘리먼트로부터의 반사들로부터 기인하는 아티팩트 형성을 예시하는 개략도이다.
[0193] 도 97b는 도 97a에 도시된 투사 디스플레이 시스템의 인-커플링 격자로부터의 반사들로부터 기인하는 아티팩트 형성을 예시하는 펼쳐진 개략도이다.
[0194] 도 98은 일 실시예에 따른, 인-커플링 격자 엘리먼트로부터의 반사들을 예시하는 개략도이다.
[0195] 도 99a는 다른 실시예에 따른 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다.
[0196] 도 99b는 일 실시예에 따라, 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0197] 도 100은 반사 방지 엘리먼트의 부재시 접안렌즈에서의 광 반사를 예시한다.
[0198] 도 101a는 일 실시예에 따라 아티팩트 방지 엘리먼트를 사용한 반사들의 차단을 예시한다.
[0199] 도 101b는 일 실시예에 따라, 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0200] 도 102는 일 실시예에 따라, 대안적 지오메트리 아티팩트 방지 엘리먼트를 사용한 반사들의 차단을 예시한다.
[0201] 도 103은 일 실시예에 따른, 다수의 아티팩트 방지 엘리먼트들을 갖는 투사기 어셈블리의 개략도이다.
[0202] 도 104a는 일 실시예에 따른 컬러 필터들을 사용하는 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다.
[0203] 도 104b는 도 104a에 도시된 투사기 어셈블리를 예시하는 펼쳐진 개략도이다.
[0204] 도 104c는 일 실시예에 따른 청록색 및 자홍색 컬러 필터들에 대한 투과 플롯이다.
[0205] 도 104d는 일 실시예에 따른 컬러 필터들과 서브-동공들의 공간적 어레인지먼트를 예시하는 개략도이다.
[0206] 도 104e는 일 실시예에 따라, 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0207] 도 105는 일 실시예에 따른 컬러 필터 시스템을 예시하는 개략도이다.
[0208] 도 106은 일 실시예에 따른 와이어 본딩된 LED를 예시하는 개략도이다.
[0209] 도 107은 일 실시예에 따른 플립-칩 본딩된 LED를 예시하는 개략도이다.
[0210] 도 108은 일 실시예에 따른 포물선 빔 확장기와 통합된 LED를 예시하는 개략도이다.
[0211] 도 109는 일 실시예에 따른 투사기 어셈블리 및 접안렌즈를 포함하는 단일 동공 시스템을 예시하는 개략도이다.
[0212] 도 110a-도 110b는 광학 디바이스의 사시도들을 도시한다.
[0213] 도 110c는 다수의 전자 컴포넌트들이 부착된 광학 디바이스의 광학기 프레임의 사시도를 도시한다.
[0214] 도 110d는 광학 디바이스의 프런트 밴드 및 센서 커버의 사시도를 도시한다.
[0215] 도 110e는 광학기 프레임 및 다른 연관된 컴포넌트들의 분해 사시도를 도시한다.
[0216] 도 111a-도 111d는 광학 디바이스의 다양한 컴포넌트들을 따라 어떻게 열이 분배되는지를 도시한다.
[0217] 도 111e-도 111g는 이전 실시예들에 예시된 수동 대류와 대조적으로 강제 대류를 활용하는 열 방산 시스템의 사시도 및 측단면도를 도시한다.
[0218] 도 112a는 PCB로부터 전도 층을 통해 열-확산 층으로의 열의 전달을 묘사하는 단면도를 도시한다.
[0219] 도 112b는 전도 층의 재료 특성들을 열거한 차트를 도시한다.
[0220] 도 113a-도 113d는 광학 디바이스의 부분들 상에 오버레이된 다양한 히트 맵(heat map)들을 도시한다.
[0221] 도 114a는 단 하나의 아암만이 프레임에 대하여 움직일 수 있는 광학 디바이스의 사시도를 도시한다.
[0222] 도 114b는 광학 디바이스의 어떤 부분들이 서로에 대하여 가장 많이 변형되는지를 예시하는 오버레이를 도시한다.
[0223] 도 114c는 플렉서블 아암의 모션의 범위를 도시하는 광학 디바이스의 평면도를 도시한다.
[0224] 도 114d는 아암들 두 모두가 구부러지는 광학 디바이스의 부분들이 서로에 대하여 어떻게 움직이는지를 예시하는 오버레이를 도시한다.
[0225] 도 115는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 뷰잉 광학 어셈블리의 접안렌즈에 대한 최적화들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0226] 도 116a는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 EPE에서 돔 정점(dome apex)에 대한 필드 왜곡에 대한 TTV(total thickness variation) 효과를 예시하는 그래프이다.
[0227] 도 116b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편평한 기판에 대한 필드 왜곡에 대한 TTV 효과를 예시하는 그래프이다.
[0228] 도 116c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 측정된 TTV를 예시하는 그래프이다.
[0229] 도 117a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 블레이즈드 격자 구조에 대한 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0230] 도 117b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 블레이즈드 격자 구조를 예시하는 사진들을 도시한다.
[0231] 도 117c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 삼각형 격자 구조의 제조 프로세스를 블레이즈드 격자 구조와 비교하는 단순화된 다이어그램이다.
[0232] 도 117d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 포인트-톱(point-top) ICG 구조와 비교할 때 플랫-톱(flat-top) ICG 구조를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0233] 도 118은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 블레이즈드 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다.
[0234] 도 119a는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 블레이즈 지오메트리가 일단 습식 에칭되면 어떻게 보이는지를 예시하는 사진들을 도시한다.
[0235] 도 119b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 4개의 상이한 CD(critical dimension)들의 예시적인 SEM(scanning electron microscope) 이미지들을 예시하는 사진들을 도시한다.
[0236] 도 119c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 고 효율성 IC(input coupler)를 생성하는 실리콘 디옥사이드 내의 IC의 CD의 제어를 도시한다.
[0237] 도 120은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 임프린트-기반(imprint-based) 제조를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0238] 도 121a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도파관에 대한 패터닝된 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다.
[0239] 도 121b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 PVD 타입 프로세스를 사용하여 증착된 ZrOx 막의 굴절률을 예시하는 그래프이다.
[0240] 도 121c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 증착 파라미터들 및 에칭 프로파일들에 기반하여 증착된 재료의 가변 프로파일들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
[0241] 도 121d는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판 상의 넓은 영역에 걸쳐 패터닝된 높은 인덱스 라인들의 사진들을 도시한다.
[0242] 도 122는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 멀티-레벨 바이너리 격자들의 사진들을 도시한다.
[0243] 도 123은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 정지 층들의 스택을 사용하는 멀티-레벨 바이너리 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다.
[0244] 도 124는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 에칭 마스크를 사용하는 멀티-레벨 바이너리 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다.
[0245] 도 125는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 에칭 마스크의 상이한 증착 각도들로 인한 상이한 격자 구조들을 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들을 도시한다.
[0246] 도 126a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 일정한 격자 구조를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0247] 도 126b는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 일정한 격자 구조를 통한 광 세기를 예시하는 그래프이다.
[0248] 도 127a는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다.
[0249] 도 127b는 일부 실시예들에 따라 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 통한 광 세기를 예시하는 그래프이다.
[0250] 도 127c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 예시하는 확대된 단순화된 다이어그램이다.
[0251] 도 128은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 갖는 접안렌즈 층에 의해 광을 조작하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0252] 도 1은 본원에서 설명된 일 실시예에 따른 웨어러블 AR(augmented reality) 디바이스를 통해 뷰잉된 AR 장면을 예시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, AR 기술의 사용자가 배경의 사람들, 나무들, 빌딩들 및 콘크리트 플랫폼(120)을 특징으로 하는 실세계 공원형 장소(106)를 보는 증강 현실 장면(100)이 묘사된다. 이러한 아이템들 외에도, AR 기술의 사용자는 또한 실세계에서 이러한 엘리먼트들(102, 110)이 존재하지 않더라도, 자신이 실세계 플랫폼(120) 위에 서있는 로봇 동상(110), 및 범블 비의 의인화인 것처럼 보이는 비행하는 만화형 아바타 캐릭터(102)를 "본" 것으로 지각한다. 인간의 시각적 지각 및 신경 시스템의 극도의 복잡성 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고 자연스러운 느낌의 풍부한 제공을 가능하게 하는 VR 또는 AR 기술을 생성하는 것은 난제시되고 있다.
[0253] 도 2a는 3D 이미저리를 사용자에게 제공하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 각각의 눈(4, 6)에 대해 하나씩 2개의 별개의 이미지들(5, 7)이 사용자에게 디스플레이된다. 이미지들(5, 7)은 뷰어의 시선에 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(10)만큼 눈들(4, 6)로부터 이격된다. 이미지들(5, 7)은 편평하고 눈들(4, 6)은 단일 원근조절된 상태를 취하여, 원근조절된 상태와 매칭하도록 이접운동 반사를 트리거함으로써 이미지들에 포커싱할 수 있다. 이러한 시스템들은 이미지들(5, 7)을 조합하여 조합된 이미지에 대한 깊이의 지각을 제공하도록 인간 시각적 시스템에 의존한다.
[0254] 그러나, 인간 시각적 시스템은 더 복잡하고 깊이의 현실적 지각을 제공하는 것은 더 난제시되고 있다고 인지될 것이다. 예컨대, 도 2a에 묘사된 종래의 3D 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 이러한 시스템이 불편한 것을 발견하거나, 원근조절 및 이접운동의 미스매치로 인해 깊이감을 지각하지 못할 수 있는데, 즉 특정 깊이 평면 상의 오브젝트를 보기 위한 시선은 동일한 깊이 평면 상에 포커싱하기 위한 최적의 원근조절 거리가 아닐 수 있다. 도 2b에 묘사된 바와 같이, 가변적인 또는 복수의 깊이 평면들(12)에서 콘텐츠를 디스플레이할 수 있는 시스템은 눈의 자연스러운 기능과 보다 유사한 원근조절-이접운동 상태를 제공할 수 있다.
[0255] 예컨대, 도 3a는 깊이 평면(14)에서 콘텐츠(15)를 관찰하는 눈들(4, 6)을 묘사한다. 묘사된 바와 같이, 콘텐츠(15)는 깊이 평면(14)에 로케이팅되며, 여기서 깊이 평면(14)은 단일 깊이 평면을 갖는 정해진 3D 시스템, 이를테면 입체 시스템의 깊이 평면일 수 있다. 눈들(4, 6)이 포커싱하는 거리인 원근조절 거리(Ad)는 눈들(4, 6)이 보는 거리인 이접운동 거리(Vd)와 동일하다. 그러나, 도 3b에서, 콘텐츠(15y)는 깊이 평면(14)보다 더 멀리서 지각되도록 의도되는데, 예컨대 입체 3D 시스템은 2 미터에서 깊이 평면에 대해 구성되지만, 콘텐츠는 사용자로부터 3m 멀어지게 나타나도록 의도된다. 묘사된 바와 같이, 눈(4, 6) 각각은 깊이 평면(14)에 포커싱하기 위한 원근조절 거리(Ad)를 가질 것이지만, 눈(4, 6) 각각은 깊이 평면(14) 상의 개개의 이접운동 포인트(15a, 15b) 및 전체 이접운동 거리(Vd1)를 가질 것이다. Vd1 대 Ad의 비는 "원근조절-이접운동 미스매치"(AVM:accommodation-vergence mismatch)로서 지칭될 수 있으며, 특정 AVM들에서는 시각적 및 신경 시스템들이 큰 AVM을 정정하려고 시도할 때 사용자가 더 이상 콘텐츠(15y)의 깊이를 지각하지 못할 수 있거나 불편함을 경험할 수 있다.
[0256] 종래의 3D 입체 디스플레이 디바이스들은 원근조절-이접운동 반사에 대해 작용하고 원근조절-이접운동 미스매치를 유도한다고 인지될 것이다. 원근조절과 이접운동 간의 더 양호한 매치를 제공하는 디스플레이 시스템들은 3D 이미저리의 보다 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0257] 도 4는 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하는 이익들을 예시한다. 도 4를 참조하면, 콘텐츠(15y, 15z)는 눈들(4, 6)로부터 개개의 이접운동 거리들(Vd2, Vd3)에 배치되지만, 시스템은 원근조절 거리(Ad2)를 생성하기 위해 단 하나의 깊이 평면(14)만을 갖는다. 눈들(4, 6)은 특정 원근조절된 상태를 취하여 15y 및 15z를 z-축을 따라 포커싱하게 한다. 결과적으로, 15y에 포커싱하기 위해, 눈들(4, 6)은 깊이 평면(14)에서 15c와 15d의 이접운동 포지션들을 취하고; 15z에 포커싱하기 위해, 눈들(4, 6)은 깊이 평면(14)에서 15e와 15f의 이접운동 포지션들을 취한다. 눈들(4, 6)은 15y를 관찰하기 위한 이접운동 자세(15c, 15d)와 비교할 때, 15z를 관찰하기 위해 더 넓은 이접운동 자세(15e, 15f)를 가지며, 깊이 평면(14)에 대해서는 15e 및 15f가 깊이 평면(14) 상에 콜로케이트되었다면 자연스러운 뷰잉이 느껴질 것임이 쉽게 명백하다. 이접운동 자세의 이러한 차이 및 Vd3 대 Ad2 및 Vd2 대 Ad2의 비는 모두 AVM의 예시이다.
[0258] 가능한 한 자연스러운 3D 경험을 생성하기 위해, 일부 실시예들은 정해진 임계치들 미만으로 AVM을 캡핑하고 그렇지 않으면 AVM으로부터 기인할 수 있는 사용자 불편함을 감소시키기 위해 다수의 깊이 평면들을 구현한다. 예컨대, 도 5는 용인된 AVM이 0.333 디옵터로서 구성되는 일 실시예를 묘사한다. 이 디옵터 거리는 사용자로부터의 3 미터에 대응하며, 여기서 AVM은 그 깊이 평면에서 렌더링된 콘텐츠에 대해 0이 될 것이다. 디옵터-투-거리가 반비례 관계이므로, AVM은 콘텐츠가 광학 무한대에 접근함에 따라 0.333 디옵터에 점근적으로 접근하지만 결코 0.333 디옵터를 넘지는 않을 것이다. 콘텐츠가 3m보다 사용자에게 더 근접하게 렌더링됨에 따라, 콘텐츠가 0.333 디옵터 AVM보다 높게 상승하지 않고 제2 깊이 평면에 디스플레이될 수 있도록 그 제2 깊이 평면이 구현될 수 있다. 그런다음, 눈에 매우 근접한 오브젝트들에서 자연스럽게 발생하는 것처럼, 콘텐츠는 그 제2 깊이 평면으로부터 훨씬 더 근접하게 될수록 AVM에서 커질 것이다. 예컨대, 아암의 길이에서 눈을 향해 손가락을 가져가면, 눈들은 눈에 대해 동일한 포커스 품질을 유지하기가 점점 더 어려워질 것이고, 손가락은 우세한 눈과 비-우세한 눈의 포커스와 사용자의 시야 간에 점프하는 것으로 나타날 수 있거나 2개의 이미지들로 완전히 분할될 수 있다. 당업자는 부가적인 AVM 임계치들이 가능하고 그 AVM 임계치에 대응하는 상이한 거리들에서 깊이 평면 배치들을 유도할 것임을, 또는 특정 AVM 임계치 내에서 눈들에 더 근접하게 콘텐츠를 렌더링할 훨씬 더 많은 깊이 평면이 가능하다는 것을 인지할 것이다. 도 5는 단지, 모든 렌더링된 콘텐츠를 0.333 디옵터의 AVM 임계치보다 76 센티미터 넘게 아래로 유지하기 위해 0.333 및 1 디옵터(각각 3 미터 및 1 미터)의 깊이 평면들을 갖는 일 실시예를 예시한다.
[0259] 도 6b는 다수의 깊이 평면들의 이익들을 묘사한다. 도 6a는 도 6b와의 비교의 편의상 재-디스플레이된 도 4의 복제이다. 도 6b에서, 눈들(4, 6)로부터 원근조절 거리(Ad3)에 제2 깊이 평면(16)이 부가된다. 콘텐츠(15z)에 포커싱하기 위해, 눈들(4, 6)은 더 이상 도 6a에서와 같이 15e 및 15f의 이접운동 자세를 취할 필요가 없지만, 대신 이접운동 자세는 15g 및 15h를 취할 수 있다. 도 6a의 Vd3 대 Ad2와 비교할 때 Vd3 대 Ad3의 비가 더 낮으면, 사용자는 깊이 평면(14)에서 더 인근 콘텐츠(15y)에 포커싱하도록 요구되는 거의 동일한 시각적 지각으로 깊이 평면(16)에서 보다 멀리 있는 콘텐츠(15z)에 포커싱할 수 있다. 다른 말로, 15g 및 15h의 이접운동 포지션은 도 6b의 다중 깊이 평면 시스템에 의해 동일한 콘텐츠(15z)를 뷰잉하기에 이접운동 포지션(15e, 15f)보다 더 훨씬 작고 더 자연스럽다.
[0260] 도 7a는 높은 레벨들의 이미지 품질 및 3D 지각으로 물리적 현실에 대한 증강들로서 편안하게 지각될 수 있을 뿐만 아니라, 실세계 광 및 이미지들이 지각되게 할 수 있는 외부 광 패턴을 인간의 눈들에 제공하는 단순화된 디스플레이 구성을 묘사한다. 묘사된 바와 같이, 적어도 부분적으로 투명한 단일 도파관(104)이 광 패턴(106)을 수신하고, 도파관(104) 내의 회절 격자(102)가 광을 눈(58)으로 아웃커플링한다. 일부 실시예들에서, 회절 격자(102)는 특정 깊이 평면에 대해 구성되어, 렌즈(45)가 자신이 수신하는 광 패턴에 원근조절-이접운동 반사를 통해 포커싱할 때, 망막(54)이 광 패턴을 구성된 깊이 평면에 로케이팅된 이미지로서 프로세싱한다. 일부 실시예들에서, 광 패턴(106)은 특정 깊이 평면에 대해 구성되어, 렌즈(45)가 자신이 수신하는 광 패턴에 원근조절-이접운동 반사를 통해 포커싱할 때, 망막(54)이 광 패턴을 구성된 깊이 평면에 로케이팅된 이미지로서 프로세싱한다.
[0261] 묘사된 바와 같이, 단지 예시 목적을 위해, 광 패턴(106)은 도파관(104)으로의 광자-기반 방사 패턴이지만, 당업자는 광 패턴(106)이 아마도 도파관(104)에 주입되는 단일 광빔일 수 있고 눈(58)에 아웃커플링되기 전에 전반사에 의해 회절 격자(102)로 전파한다는 것을 인지할 것이다. 당업자는 다수의 회절 격자들(102)이 광 패턴(106)을 원하는 방식으로 눈(58)에 지향시키는 데 사용될 수 있다는 것을 추가로 인지할 것이다.
[0262] 이러한 시스템에 대한 보다 풍부한 시야들을 생성하기 위해, 도 7b는 도 6a에 묘사된 것과 거의 동일한 방식으로 광 패턴(206)을 눈(58)에 아웃커플링하도록 구성된, 적어도 부분적으로 투명한 제2 도파관(204)을 묘사한다. 제2 도파관(204)은 회절 격자(202)에 의해 광 패턴(206)을 눈(58)으로 아웃커플링한다. 눈(58)은 망막(54) 상에 광 패턴(206)을 수용하지만, 렌즈(45)는 광 패턴(106)에 대해 요구되는 것과는 상이한 원근조절-이접운동 반사를 통해 상이한 깊이 평면에서 광(206)을 지각한다. 예컨대, 광 패턴(106)은 제1 깊이 인식(500)으로 망막(54)의 한 부분에 모이는 반면, 광 패턴(206)은 제2 깊이 지각(502)으로 망막(54)의 제2 부분에 모인다. 광 패턴(106 및 206)이 동일한 렌더링된 증강 현실 콘텐츠에 대응하는 경우에, 깊이 풍부성은, 단일 깊이 평면에 의해 도 6a에 도시된 바와 같이 단순히 생성된 것보다 이미지를 지각하는 데 더욱 현실적이고 편안함을 생성한다. 추가로, 일부 실시예들에서, 광 패턴(106 및 206)의 프레임-순차적 구성은, 단일 깊이 평면에서 망막(54)에 의해 지각되는 좁은 투사보다 더 넓은 시야 및 다수의 깊이들에 걸쳐, 단일 코히런트 증강 현실 장면 또는 모션 중인 증강 현실 콘텐츠의 지각을 제공하는 프레임들의 시퀀스를 높은 주파수로 눈(58)에 제공할 수 있다.
[0263] 도 8은 특정 파장의 광을 눈(58)에 대해 상이한 깊이 평면들에 전파하도록 구성된 적어도 2 개의 도파관들을 포함할 수 있는 평면형 도파관(216)의 단순화된 버전을 추가로 묘사한다. 묘사된 바와 같이, DOE(diffractive optical element)일 수 있는 회절 격자(220)는, 광 패턴이 평면형 도파관(216)을 따라 전반사될 때, 광 패턴이 다양한 위치들에서 DOE(220)와 교차하도록, 평면형 도파관(216)의 전체 수직 길이 내에 임베딩되었다. 광이 눈(58)에 아웃커플링될 때, 그럼에도 불구하고 부분들은, 평면형 도파관(216) 내의 DOE(220)의 회절 효율 때문에 계속해서 전파될 수 있다. 부분들이 평면형 도파관(216)을 통해 계속해서 전반사되기 때문에, 이들은 부가적인 DOE(220) 격자들에 부딪치고, 눈으로 아웃커플링할 수 있거나, 다른 부분들은 평면형 도파관(216)의 길이를 따라 전반사에 의해 계속해서 전파될 수 있다.
[0264] 바람직하게는, DOE(220)는 비교적 낮은 회절 효율을 가지므로, 평면형 도파관(216) 내에서 전파하는 광 패턴의 일부만이 DOE(220)의 임의의 정해진 교차에서 눈(58)을 향해 회절되는 반면, 나머지는 전반사에 의해 평면형 도파관(216)을 통해 계속 움직인다. 따라서, 임의의 이미지 정보를 운반하는 광 패턴은, 다양한 위치들에서 평면형 도파관(216)을 빠져나가는 다수의 관련된 광빔들로 분할되고, 그 결과는 단일 광 패턴으로부터 풍부한 이미지 지각을 생성하기 위해 눈(58)에 입사하는 아웃커플링된 광의 커다란 패턴이다.
[0265] 도 9는, 광이 눈(58)을 향하여 z 방향으로 아웃커플링하기 전에 x 및 y 방향 둘 다에서 도파관을 전파할 때, 눈(58)에 입사되는 훨씬 더 풍부한 광 필드를 예시하는, 복수의 아웃커플링된 광 패턴들을 묘사한다. z 방향으로 아웃커플링된 광 패턴의 부분 회절을 허가하고, 다른 부분들이 z 방향으로 아웃커플링되기 전에 x 또는 y 방향으로 전반사하게 허가하도록 구성된 일련의 DOE(220)들에 관한 실시예들은 눈(58)의 전체 망막을 가로질러 이미저리를 생성한다.
[0266] 도 10은 도파관(106)으로부터 아웃커플링 DOE(110)로부터의 복수의 아웃커플링된 광 패턴들의 망막 패턴을 묘사한다; 묘사된 바와 같이, 도 10은 광 패턴의 넓은 시야 또는 시간 순차적 프레임이 망막의 상이한 부분을 여기시켜 렌더링된 증강 현실 콘텐츠의 모션을 지각할 수 있게 하는, 단일 광 패턴(106)에 의해 활성화될 수 있는 다수의 망막 영역을 예시한다. 당업자는 도 9에 묘사된 풍부한 시야 패턴들과 결합될 때, 망막이 도파관(106) 전체에 걸쳐 DOE(110)에 의해 많은 양의 광 패턴들을 수용할 수 있음을 인지할 것이다. 묘사된 바와 같이, 도 10은 눈(58)의 렌즈(45)에 포커싱하는 모든 광을 예시한다. 도 11은 다수의 인입 광 패턴 빔렛들(332)이 이산 수직 초점 포인트들에서 눈(58)의 별개의 작은 출사 동공들(330)을 통해 눈에 들어오는 "서브-동공" 시스템을 예시한다. 그렇게 함으로써, 도파관을 통해 투사 및 회절하기 쉬울 수 있거나 파장과 같은 특정 광 패턴 특성들을 전달할 수 있는 광 패턴의 더 작은 빔렛들이 어그리게이팅되어 더 큰 직경의 빔으로 지각될 수 있다. 예컨대, 도 7a의 광 패턴이, 광 패턴(106)으로부터 렌즈(45)에서 초점을 생성하였지만; 빔렛들(332)은 훨씬 더 작을 수 있고 복수의 서브-동공들(330)을 생성함으로써 동일한 효과를 여전히 생성할 수 있다.
[0267] 다른 말로, 일어나고 있는 것을 더 큰 직경의 가변적인 포커스 빔으로 에뮬레이팅하기 위해 한 세트의 다수의 좁은 폭 빔들이 사용될 수 있다; 빔렛 직경들이 최대 약 0.5 mm로 유지되면, 이들은 비교적 정적인 포커스 레벨을 유지하고, 원하는 경우 초점을 벗어난 지각을 생성하기 위해, 빔렛 각도 궤적이 더 큰 초점을 벗어난 빔과 훨씬 유사한 효과를 생성하기 위해 선택된다. (이러한 디포커싱 처리는 더 큰 빔에 대해서는 가우시안 블러(Gaussian blur) 처리와 동일하지 않을 수 있지만, 가우시안 블러와 유사한 방식으로 해석될 수 있는 멀티모드 포인트 확산 함수를 생성할 것이다).
[0268] 일부 실시예들에서, 빔렛들은 이러한 어그리게이트 초점 효과를 형성하도록 기계적으로 편향되지 않지만, 오히려 눈은 다수의 입사각들 및 빔렛들이 동공과 교차하는 여러 위치들 둘 모두를 포함하는 많은 빔렛들의 수퍼세트를 수용한다; 특정 뷰잉 거리로부터 정해진 픽셀을 표현하기 위해, 적절한 입사각들 및 동공과의 교차 포인트들을 포함하는 수퍼세트로부터의 빔렛들의 서브세트는, (마치 이들이 공간에서 동일한 공유된 원점 포인트로부터 방출되는 것처럼) 어그리게이트 파면을 표현하기 위해 컬러 및 세기에 의해 매칭되는 한편, 공유된 원점 포인트와 일치하지 않는 수퍼세트에서의 빔렛들은 해당 컬러 및 세기가 매칭되지 않으며 지각되지 않을 것이다.
[0269] 도 12는 눈(58)의 시야 내의 어그리게이팅된 시준된 빔(334)을 표현하는 빔렛들의 다른 서브세트를 도시한다. 여기서, 눈(58)은 시준된 빔(334)을 처리하기 위해 무한대로 원근조절되어, 시준된 빔(334) 내의 빔렛들은 망막의 동일한 스폿 상에 떨어지고, 빔렛들에 의해 생성된 픽셀은 초점에 있는 것으로 지각된다. 유사하게, 시준된 빔(326)은 시야의 해당 영역에서 픽셀을 지각하도록 망막의 상이한 부분에 떨어진다. 대조적으로, 광선들의 발산 팬으로 눈에 도달하는 빔렛들의 상이한 서브 세트가 선택되면, 그 빔렛들은 망막의 동일한 위치에 떨어지지 않을 것이고, 눈이 그 광선들의 팬의 기하학적 원점 포인트와 매칭하는 인근 포인트로 원근조절을 시프팅할 때까지 포커스에 있는 것으로 지각되지 않을 것이다.
[0270] 도 13은 특정 파장의 광을 스택(644)의 평면형 도파관으로 회절시키는 인커플링 DOE(690)에 의해 광 패턴을 각각 피딩하는 평면형 도파관들의 스택(664)을 묘사한다. 각각의 도파관은 개개의 평면형 도파관을 통해 광을 회절시키고 눈(58)을 향하여 아웃커플링하도록 구성된 복수의 DOE들(680, 682, 684, 686 및 688)을 포함하여 시야에 걸쳐 또는 다수 깊이 평면들에서 증강 현실 콘텐츠의 지각을 생성한다. 도 13은, 단지 예시 목적을 위해 스택(644) 내에 5 개의 도파관을 묘사하고, 바람직하게는 스택(664)은 적색, 녹색, 및 청색 광 파장 각각에서 깊이 평면과 연관된 2 개의 도파관들에 대응하는 6 개의 도파관을 포함한다. 스택(644) 내의 각각의 도파관은 실세계 환경의 정상적인 지각과 함께 증강 현실 콘텐츠의 렌더링을 허가하기 위해 적어도 부분적으로 투명하므로, 세계 광(144)은 또한 스택(644)을 통해 투과하여 송신될 수 있다.
[0271] 일부 실시예들에서, 그리고 도 14에 묘사된 바와 같이, 증강 현실 디스플레이 시스템에 대한 접안렌즈(1200)는 사용자의 눈에 특정 특성들을 갖는 광을 지향시키도록 도파관 상에 배치된 복수의 DOE 타입들을 포함할 수 있다. 복수의 광 패턴들(1240, 1242, 1244)은 도파관들(1210, 1220 및 1230)을 포함하는 도파관 스택에 주입된다. 일부 실시예들에서, 복수의 광 패턴들(1240, 1242 및 1244)은 공통 광원으로부터 주입되지만, 공통 광원 내의 상이한 파장들을 표현한다. 일부 실시예들에서, 광 패턴(1240, 1242, 1244) 각각은 특정 파장, 예컨대 적색, 녹색 및 청색 광에서의 별개의 광빔들이다. 일부 실시예들에서, 광 패턴들(1240, 1242, 및 1244) 각각은 DOE들(1212, 1222 및 1232)을 인커플링함으로써 개개의 도파관(1210, 1220 및 1230)에 주입된다. 각각의 인커플링 DOE(1212, 1222, 및 1232)는 광 패턴(1240, 1242 또는 1244)의 특정 파장의 광의 적어도 일부를, 인커플링 DOE(1212, 1222 및 1232)의 동일한 파장의 인커플링된 광을 전파하도록 구성된 도파관(1210, 1220 또는 1230) 중 하나로 회절시킨다. 일부 실시예들에서, 인커플링 후에, 광 패턴들(1240, 1242 및 1244)은 각각 OPE(1214, 1224 및 1234)로 전파한다. OPE(1214, 1224 및 1234)는 광의 부분을 각각 EPE(1250, 1252 및 1254)로 회절시키고, 여기서 광 패턴(1240, 1242 및 1244)은 사용자의 눈을 향해 z 방향으로 아웃커플링된다.
[0272] 일부 실시예들에서, 일련의 도파관들 및 복수의 DOE들을 통해 회절된 후 사용자의 눈으로 아웃커플링된 복수의 광 패턴의 전체 효과는, 사용자가 편안하게 지각하는 가상 또는 증강 현실 콘텐츠의 시야 렌더링 및 깊이 평면 배치를 생성한다.
[0273] 도 15는 웨어러블 디스플레이 시스템(80)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(80)은 머리 장착 디스플레이(62), 및 그 디스플레이(62)의 기능을 지원하는 다양한 기계 및 전자 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(62)는 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(60)에 의해 착용가능하고 사용자(60)의 눈 앞에 머리 장착 디스플레이(62)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(64)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(66)는 프레임(64)에 커플링되고 사용자의 외이도 부근에 포지셔닝된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 스테레오/형상화가능한 사운드 컨트롤을 제공하기 위해 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝된다). 머리 장착 디스플레이(62)는, 이를테면 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해, 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)에 동작가능하게 커플링(68)되며, 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)은 다양한 구성들로 장착될 수 있는데, 이를테면, 프레임(64)에 고정적으로 부착되거나, 사용자가 착용하는 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착되거나, 헤드폰들에 임베딩되거나, 그렇지 않으면(예컨대, 백팩-형 구성, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 사용자(60)에 제거가능하게 부착될 수 있다.
[0274] 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)은 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리)와 같은 디지털 메모리뿐만 아니라 프로세서를 포함할 수 있으며, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱 및 저장을 보조하는 데 사용될 수 있다. 데이터는, a) 센서들(이는 예컨대, 프레임(64)에 동작가능하게 커플링되거나, 그렇지 않으면 사용자(60)에게 동작가능하게 부착될 수 있음), 이를테면, 이미지 캡쳐 디바이스들(예컨대, 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들로부터 캡쳐되는 데이터; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(72) 및/또는 원격 데이터 저장소(74)를 이용하여 획득 및/또는 프로세싱될 수 있으며, 가능하게는 그러한 프로세싱 또는 리트리벌 후에 디스플레이(62)로 전달하기 위한 데이터를 포함한다. 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)은, 통신 링크들(76, 78)에 의해, 이를테면 유선 또는 무선 통신 링크들을 통해 원격 프로세싱 모듈(72) 및 원격 데이터 저장소(74)에 동작가능하게 커플링되어, 이들 원격 모듈들(72, 74)이 서로 동작가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)에 대한 자원들로서 이용가능할 수 있다.
[0275] 일부 실시예들에서, 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 저장소(74)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통해 이용가능할 수 있는, 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터가 저장되고 모든 계산들이 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0276] 일부 실시예들에서, 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)은 배터리(82)에 동작가능하게 커플링된다. 일부 실시예들에서, 배터리(82)는 일반 판매용(over the counter) 배터리들과 같은 제거 가능한 전원이다. 다른 실시예들에서, 배터리(82)는 리튬-이온 배터리이다. 일부 실시예들에서, 배터리(82)는 웨어러블 디스플레이 시스템(80)의 비-동작 시간 동안 사용자(60)에 의해 충전 가능한 내부 리튬-이온 배터리 및 제거 가능한 배터리 둘 모두를 포함하여, 사용자는, 리튬-이온 배터리를 충전하기 위해 전원에 연결되거나, 배터리들을 교체하기 위해 웨어러블 디스플레이 시스템을 차단할 필요 없이, 더 긴 시간 동안 웨어러블 디스플레이 시스템(80)을 동작시킬 수 있다.
[0277] 도 16a는 사용자(1660)가 실세계 환경(1600)을 통해 움직임에 따라 증강 현실 콘텐츠를 렌더링하는 증강 현실 디스플레이 시스템을 착용하고 있는 사용자(1660)를 묘사한다. 사용자는 증강 현실 디스플레이 시스템을 포지션들(1610)에 포지셔닝하고, 증강 현실 디스플레이 시스템은 맵핑된 피처들 또는 방향성 오디오 입력들에 대한 포즈 관계와 같은 포지션들(1610)에 대해 통용가능한 세계의 주변 정보를 레코딩한다. 포지션들(1610)은 데이터 입력들(1612)에 어그리게이팅되고 적어도 도 15에 묘사된 원격 프로세싱 모듈(72)에서와 같이 통용가능한 세계 모듈(1620)에 의해 프로세싱된다. 통용가능한 세계 모듈(1620)은, 고정된 엘리먼트(1632)(도 16a에 도시된 바와 같은 테이블)에 또는 아직 시야 내에 있지 않은 구조들(1640) 내에 또는 실세계(1642)의 맵핑된 메쉬 모델(1642)에 대해 입력들(1612)로부터 결정된 대로 증강 현실 콘텐츠(1630)를 실세계에서 어디에 그리고 어떻게 배치할 수 있을지를 결정한다. 묘사된 바와 같이, 고정된 엘리먼트(1632)는, 통용가능한 세계 모듈(1620)에 저장될 수 있는 실세계 내의 임의의 고정된 엘리먼트에 대한 프록시로서 역할을 하여서, 사용자(1660)가 콘텐츠를 볼 때마다 테이블(1632)을 매핑할 필요 없이 테이블(1632) 상의 콘텐츠를 사용자(1660)가 지각할 수 있게 한다. 따라서, 고정된 콘텐츠(1632)는 이전 모델링 세션으로부터의 맵핑된 메쉬 모델일 수 있거나, 별개의 사용자로부터 결정될 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 복수의 사용자들에 의한 미래의 참조를 위해 통용가능한 세계 모듈(1620)에 저장될 수 있다. 따라서, 통용가능한 실세계 모델은, 이전에 매핑된 환경으로부터 환경(1600)을 인식하고 사용자의 디바이스가 먼저 환경(1600)을 매핑하지 않고 증강 현실 콘텐츠를 디스플레이하여, 컴퓨테이션 프로세스 및 사이클을 절약하고 임의의 렌더링된 증강 현실 콘텐츠의 레이턴시를 회피할 수 있다.
[0278] 유사하게, 실세계의 맵핑된 메쉬 모델(1642)은 증강 현실 디스플레이 시스템에 의해 생성될 수 있고, 증강 현실 콘텐츠(1630)를 상호작용 및 디스플레이하기 위한 적합한 표면들 및 메트릭들은 리-맵핑하거나 모델링할 필요 없이 사용자 또는 다른 사용자들에 의한 미래의 리트리벌을 위해 통용가능한 세계 모듈(1620)에 맵핑 및 저장될 수 있다. 일부 실시예들에서, 어그리게이팅된 데이터 입력들(1612)은, 어떤 고정된 엘리먼트들(1632)이 이용가능한지, 어떤 증강 현실 콘텐츠(1630)가 고정된 엘리먼트(1632) 상에 마지막으로 배치되었는지 그리고 그 동일한 콘텐츠(이러한 증강 현실 콘텐츠는 사용자가 특정 통용가능한 세계 모델을 뷰잉하는 것과 무관하게 "지속적인" 콘텐츠임)를 디스플레이할지 여부를 통용가능한 세계 모듈(1620)에 표시하기 위한 입력들, 이를테면 지오로케이션(geolocation), 사용자 식별 및 현재 활동이다.
[0279] 도 16b는 뷰잉 광학 어셈블리(1664) 및 부수적인 컴포넌트들의 개략도를 묘사한다. 일부 실시예들에서, 사용자 눈들(1666)로 향하면, 2 개의 눈 추적 카메라들(1662)은 사용자 눈들(1666)의 메트릭들, 이를테면, 눈 형상, 눈꺼풀 폐색, 동공 방향 및 사용자 눈들(1666)의 반짝임을 검출한다. 일부 실시예들에서, 깊이 센서(1690), 이를테면 전파 시간 센서는 주어진 오브젝트까지의 거리를 결정하기 위해 실세계에 릴레이 신호들을 방출한다. 일부 실시예들에서, 세계 카메라들(1650)은, 실세계 환경을 맵핑하고 증강 현실 콘텐츠에 영향을 줄 수 있는 입력들을 검출하기 위해 주변보다 큰 뷰를 레코딩한다. 카메라(1680)는 사용자 시야 내의 실세계 이미지들의 특정한 타임스탬프를 추가로 캡처할 수 있다. 세계 카메라들(1650), 카메라(1680) 및 깊이 센서(1690) 각각은, 도 16a에 묘사된 실세계 환경(1600)과 같은 실세계 장면으로부터 데이터를 수집하고 실세계 장면을 레코딩하기 위해, 개개의 시야들(1652, 1682 및 1692)을 갖는다.
[0280] 관성 측정 유닛들(1670)은 뷰잉 광학 어셈블리(1664)의 배향 및 움직임을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트는 적어도 하나의 다른 컴포넌트에 동작가능하게 커플링되는데; 예컨대, 깊이 센서(1690)가 사용자 눈들(1666)이 보고 있는 실제 거리에 대한 측정된 원근조절의 확인으로서 눈 추적 카메라들(1662)에 동작가능하게 커플링된다.
[0281] 도 17은 도 15에 묘사된 머리 장착 디스플레이(62)와 같은 머리 장착 디스플레이(1700)를 묘사한다. 뷰잉 광학 어셈블리(1702)는 투사기들(1704)이 커플링된 리지드(rigid) 프레임(1708)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 투사기들(1704)은 LED 조명기들 및 공간 광 변조기들을 갖는 LCOS 메카니즘을 포함한다. 일부 실시예들에서, 뷰잉 광학 어셈블리(1702)는 접안렌즈들(1706)을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈들(1706)은 투사기들(1704)로부터의 광을 머리 장착 디스플레이(1700)의 사용자의 눈에 지향시키도록 구성된 복수의 도파관들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 뷰잉 광학 어셈블리(1702)는, 눈꺼풀 포지션 또는 동공 방향과 같은 머리 장착 디스플레이(1700)의 착용자의 눈 추적 데이터를 수집하도록 구성된 눈 추적 카메라들(묘사되지 않음)을 더 포함한다.
[0282] 일부 실시예들에서, 뷰잉 광학 어셈블리(1702)는 PCB(primary control board)(1716)와 같은 리지드 프레임(1708) 상에 배열된 추가 센서들 및 컴포넌트들을 호스팅한다. PCB(1716)는 뷰잉 광학 어셈블리(1702) 및 리지드 프레임(1708) 내에 어셈블링된 다양한 컴포넌트들을 동작시키는 다양한 프로세서들 및 회로소자를 호스팅한다. 일부 실시예들에서, 세계 카메라(1718)는 뷰잉 광학 어셈블리(1702)의 양단에서 리지드 프레임(1708)에 부착된다. 일부 실시예들에서, 세계 카메라들(1718)은 대신에, 뷰잉 광학 어셈블리(1702)의 접안렌즈들(1706) 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 깊이 센서(1719)는 접안렌즈들(1706) 사이에서 리지드 프레임(1708)에 부착된다. 일부 실시예들에서, 깊이 센서(1719)는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)이고, 일부 실시예들에서, 깊이 센서(1719)는 에지-방출 레이저 또는 다른 전파 시간 센서이다. 당업자는 뷰잉 광학 어셈블리(1702) 내에서 호스팅될 수 있고, PCB(1716)에 의해 작동가능하게 제어될 수 있는 다른 센서들 및 컴포넌트들을 인지할 것이며, 예컨대 IMU들 또는 사진 카메라들이 뷰잉 광학 어셈블리(1702) 상에 배치되거나 또는 리지드 프레임(1708)에 부착될 수 있다.
[0283] 일부 실시예들에서, 프런트 밴드(1710)는 뷰잉 광학 어셈블리(1702)에 커플링된다. 전방 밴드(1710)는 외부 엘리먼트들로부터 뷰잉 광학 어셈블리(1702)의 컴포넌트를 보호할 뿐만 아니라, 머리 장착 디스플레이(1700)의 사용자와 뷰잉 광학 어셈블리(1702) 간의 열 장벽으로서 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 센서 커버(1712)는 프런트 밴드(1710)에 부착되어 뷰잉 광학 어셈블리(1702) 및 그 위에 있는 컴포넌트들을 추가로 보호한다.
[0284] 일부 실시예들에서, 아암들(1714)은 리지드 프레임(1708)에 커플링되고, 머리 장착 디스플레이 시스템(1700)의 사용자의 머리를 가로지르고 사용자의 눈들 앞에 접안렌즈들(1706)을 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 아암들(1714)은 사용자의 귀들에 놓이도록 구성되며; 일부 실시예들에서, 프레임 아암들(1714)은 사용자의 머리를 그립하여 사용자의 머리 상에서 고정된 위치를 유지하기 위해 안쪽 장력을 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 패드들(1715)은 아암들(1714)의 안쪽(안쪽은 사용자와 접촉하는 아암들(1714)의 측부임)에 부착된다. 일부 실시예들에서, 패드들(1715)은 머리 장착 디스플레이(1700) 내의 열 효과들을 완화시키기 위한 열 확산기들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 패드들(1715)은, 아암들(1714)의 내측 장력으로부터 사용자의 머리에 대해 압축될 때 적당히 변형되고(semi-deform) 사용자에게 편안한 느낌을 계속해서 생성하도록 소프트 폼으로 제조되거나 고무 인터페이스로 코팅된다.
[0285] 일부 실시예들에서, 오디오 어셈블리(1720)는 리지드 프레임(1708)에 커플링되고, 머리 장착 디스플레이 시스템(1700)의 사용자의 귀에 근접하게 스피커들(1722)을 배치하기 위해 아암들(1714) 중 어느 한 쪽을 가로지른다. 일부 실시예들에서, PCB(1716)는 오디오 입력들 및 오디오 어셈블리(1720)로의 출력들을 추가로 제어한다. 일부 실시예들에서, 오디오 어셈블리(1720)는 외부 세계로부터의 사운드들을 레코딩하고 이들을 PCB(1716)에 릴레이하기 위한 마이크로폰을 포함한다. 그러한 오디오 입력들이 주어진다면, PCB(1716)는 다양한 기능들을 수행할 수 있다. 예컨대, 오디오 어셈블리(1720)로부터 마이크로폰 입력들이 주어지면, 머리 장착 디스플레이(1700)는(이를테면, 도 15에 묘사된 원격 데이터 저장소(74)에) 미래의 리트리벌을 위해 이들을 저장하거나, 주어진 오디오 입력에 대한 응답으로 증강 현실 콘텐츠 성능을 변화시키거나(예컨대, 구두 "오프" 커맨드는 전체 시스템을 중지시킬 수 있음) 또는 오디오 입력을 다른 통신 장치의 사용자에게 송신할 수 있다(예컨대, 폰 통화, 전자적인 전달을 위한 음성 메시지). 케이블들(1724)은 도 15에 묘사된 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)과 같은 로컬 데이터 프로세싱 모듈에 대한 통신뿐만 아니라 머리 장착 디스플레이(1700) 전반에 걸친 컴포넌트들 간의 통신을 가능하게 한다.
[0286] 일부 실시예들에서, 내부 커버들(1707)은 사용자에게 추가적인 광학 효과들을 제공할 수 있다. 예컨대, 내부 커버들(1707)은 증강 현실 콘텐츠의 광학 특성들을 사용자의 특정 시력 처방에 맞추기 위해 처방 렌즈를 포함할 수 있다. 이러한 처방 렌즈는 사용자의 눈과 머리 장착 디스플레이(1700)의 접안렌즈(1706) 사이에 배치될 것이다. 일부 실시예들에서, 내부 커버들(1707)은 특정 광을 반사 또는 흡수하는 편광 렌즈와 같은 탈착 가능한 광 변조기들을 포함할 수 있다.
[0287] 도 18은 뷰잉 광학 어셈블리(1800)의 분해도를 묘사한다. 리지드 프레임(1808)은 뷰잉 광학 어셈블리(1800)가 부분인 머리 장착 디스플레이(1700)(도 17에 도시됨)의 사용자의 눈에 광을 인커플링하기 위한 복수의 도파관들을 포함할 수 있는 접안렌즈들(1806)을 하우징한다. 편광된 빔 분할기 및 복수의 렌즈들을 갖는 LCOS 시스템으로서, 단면도로 1804'로 묘사된 투사기(1804)는 인커플링 포인트(1805)에서 접안렌즈들(1806)에 광학적으로 커플링된다. 일부 실시예들에서, 인커플링 포인트(1805)는 접안렌즈(1806) 및 접안렌즈(1806) 내의 도파관들로 주입된 광의 진입 포인트이다.
[0288] 접안렌즈들(1806)은 리지드 프레임(1808)에 부착된다. 리지드 프레임(1808)은 마운팅 구조(1811)를 더 수용한다. 마운팅 구조(1811)는 뷰잉 광학 어셈블리(1800)의 세계측 상에 배치된 커버 렌즈(1809), 또는 뷰잉 광학 어셈블리의 사용자측의 내부 커버(1707)(도 17에 묘사됨)를 하우징할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커버 렌즈들(1809)은, 이를테면, 외부 환경으로부터의 먼지 및 파편들 또는 손끝으로부터의 오일과 접안렌즈들(1806)의 접촉을 방지하기 위해 안티-스크래치 재료 또는 다른 보호 커버링을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커버 렌즈들(1809)은 특정 광을 반사 또는 흡수하는 편광 렌즈와 같은 광 변조기들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈들(1806)은 복수의 도파관들 외에도 그러한 보호 커버 렌즈들을 포함한다. 일부 실시예들들에서, 눈 추적 시스템(1803)은 마운팅 구조(1811)에 커플링되어, 마운팅 구조(1811)의 바닥부에 사용자의 눈들로 상향을 바라 보는 한 쌍의 눈 추적 카메라들을 배치한다.
[0289] 도 19는 머리 장착 디스플레이 시스템의 뷰잉 광학 어셈블리 또는 리지드 프레임에 부착될 수 있는 다양한 센서들 및 컴포넌트들을 추가로 더 상세하게 묘사한다. 깊이 센서(1903)는 뷰잉 광학 어셈블리 또는 리지드 프레임에 부착될 수 있는 깊이 센서로서 완전히 어셈블리된 것으로 도시되어 있다. 깊이 센서(1903)는 깊이 센서 하우징 어셈블리(1905), VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)(1902) 및 깊이 이미저(1904)로 더 구성될 수 있다.
[0290] 6 DoF(degree of freedom) 센서(1906)는 6DoF 하우징(1907) 내에 하우징되고 6DoF 플렉스(1909)를 통해 뷰잉 광학 어셈블리(또는 도 17에 묘사된 바와 같은 PCB(1716))에 동작가능하게 커플링된다. 6DoF 센서(1906)는 머리 장착 디스플레이에 관성 측정 유닛 정보를 제공하여 사용자의 위치, 포즈 및 모션에 관한 정보를 머리 장착 디스플레이에 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 관성 측정들은 세계 카메라 어셈블리(1918)에 커플링된 IMU들(1926)에 의해 제공된다. IMU들(1926)은 가속도계 및 자이로 측정들을 통해 위치 정보를 제공하고, 일부 실시예들에서는 뷰잉 광학 어셈블리 내의 센서 또는 컴포넌트 위치로의 변화를 개시하기 위해 6 DoF 센서(1909)에 동작가능하게 커플링된다. 예컨대, 사용자가 내려다 보기 위해 머리 포즈를 회전하고 있다고 표시하는 IMU(1926)의 측정은, 6DoF 센서(1906)가 깊이 센서(1902)를 방향전환하여 IMU(1926) 측정들에 맞추어 또는 심지어 그 이전에 깊이 측정을 또한 하향으로 조정하도록 프롬프트하여 측정 시 레이턴시를 회피할 수 있다. 다른 말로, IMU(1926)가 모션을 검출하고 있는 경우, 6DoF 센서(1906)는 뷰잉 광학 어셈블리 내의 센서들 및 컴포넌트들 중 임의의 하나 이상을 조작하여, 사용자에 의해 검출 가능한 증강 현실 콘텐츠에 레이턴시 없이 검출된 모션과 매칭하는 정확한 콘텐츠를 계속 렌더링하도록 구성된다. 뷰잉 광학기 디스플레이는 하나 이상의 6DoF 센서들(1906) 또는 IMU들(1926)을 호스팅할 수 있다.
[0291] 도 19는 세계 카메라 어셈블리(1918)를 추가로 묘사한다. 일부 실시예들에서, 세계 카메라 어셈블리(1918)는 4 개의 세계 카메라들을 포함하는데, 2 개는 사용자의 시야에 대해 실질적으로 외측을 보도록 배치되고, 2 개는 실질적으로 비스듬히 보도록 배치되어 주변보다 큰 시야 정보를 뷰잉 광학 어셈블리에 제공한다. 부가적인 또는 더 적은 세계 카메라들이 물론 가능하다. 사진 카메라(1928)는 사용자 또는 사진 카메라(1928)의 시야 내에서 실시간 이미지들 또는 비디오들을 캡처하기 위해 세계 카메라 어셈블리(1918)에 커플링될 수 있다. 세계 카메라 어셈블리(1918)는 측정된 센서 정보에 대한 시각적 정보를 제공하거나, 특정 센서들을 활성화할 수 있다. 예컨대, 세계 카메라는 세계 카메라의 시야 내에서만 정보를 검출 및 수집하도록 센서들에 대해 제약들을 가하거나, 시야 내에 콘텐츠를 렌더링하기 위해서만 프로세서 전력을 사용하도록 투사기와 통신할 수 있다. 예컨대, 도 15에 묘사된 바와 같은 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70) 내의 GPU(graphics processor unit)는, 세계 카메라들이 특정 오브젝트들을 특정 시야들로 가져 오는 경우 증강 현실 콘텐츠를 렌더링하기 위해서만 활성화될 수 있다; 머리 장착 디스플레이 또는 웨어러블 디스플레이 시스템 내의 깊이 센서들 및 가속도계들 및 지오로케이터들은 증강 현실 콘텐츠를 렌더링하는 것과 관련하여 환경에 대한 입력을 레코딩할 수 있는 반면에, GPU는 세계 카메라들이 실제로 사용자의 시야에 그러한 입력을 가져올 때까지 활성화되지 않을 수 있다 .
[0292] 예컨대, 세계 카메라 어셈블리(1918)의 주변보다 큰 시야는, 콘텐츠가 아직 사용자의 시야 내에 있지 않더라도 GPU에서 증강 현실 콘텐츠의 이미징을 프로세싱하기 시작할 수 있다. 다른 실시예들에서, 주변보다 큰 시야는 실세계로부터 데이터 및 이미지를 캡처할 수 있고, 세계 카메라 어셈블리(1918) 시야 내의 그러나 사용자 시야 밖의 활동의 사용자 시야에 대한 프롬프트를 디스플레이할 수 있다.
[0293] 도 20은 일 실시예에 따라, 뷰어에 디지털 또는 가상 이미지를 제공하는 데 사용될 수 있는 VOA(viewing optics assembly)의 광 경로들을 개략적으로 예시한다. VOA는 투사기(2001) 및 뷰어에 의해 착용될 수 있는 접안렌즈(2000)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 투사기(2001)는 적색 LED들의 그룹, 녹색 LED들의 그룹, 및 청색 LED들의 그룹을 포함할 수 있다. 예컨대, 투사기(2001)는 2 개의 적색 LED들, 2 개의 녹색 LED들 및 2 개의 청색 LED들을 포함할 수 있다. 접안렌즈(2000)는 하나 이상의 접안렌즈 층들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 접안렌즈(2000)는 3 개의 접안렌즈 층들(3원색들(적색, 녹색 및 청색) 각각 마다 하나의 접안렌즈 층)을 포함한다. 다른 실시예에서, 접안렌즈(2000)는 6 개의 접안렌즈 층들(하나의 깊이 평면에서 가상 이미지를 형성하도록 구성된 3원색들 각각 마다의 한 세트의 접안렌즈 층들, 및 다른 하나의 깊이 평면에서 가상 이미지를 형성하도록 구성된 3원색들 각각 마다의 다른 한 세트의 접안렌즈 층들)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 접안렌즈(2000)는 3 개 이상의 상이한 깊이 평면들에 대해 3원색 각각 마다 3개 이상의 접안렌즈 층들을 포함할 수 있다. 각각의 접안렌즈 층은 평면형 도파관을 포함하고, ICG(incoupling grating)(2007), OPE(orthogonal pupil expander) 구역(2008) 및 EPE(exit pupil expander) 구역(2009)을 포함할 수 있다.
[0294] 투사기(2001)는 접안렌즈 층(2000)에서 이미지 광을 ICG(2007) 상으로 투사한다. ICG(2007)는 투사기(2001)로부터의 이미지 광을 OPE 구역(2008)을 향하는 방향으로 전파하는 평면형 도파관으로 결합시킨다. 도파관은 TIR(total internal reflection)에 의해 이미지 광을 수평 방향으로 전파한다. OPE 구역(2008)은 또한, EPE 구역(2009)을 향해 도파관에서 전파되는 ICG(207)로부터의 이미지 광을 배가시키고 방향전환하는 회절 엘리먼트를 포함한다. 다른 말로, OPE 구역(2009)은 EPE의 상이한 부분들에 전달되는 빔렛들을 직교 방향으로 배가시킨다. EPE 구역(2009)은 뷰어 눈(2002)을 향하여 접안렌즈 층(2000)의 평면에 대략 수직 한 방향으로 도파관에서 전파되는 이미지 광의 부분을 아웃커플링 및 지향시키는 회절 엘리먼트를 포함한다. 이러한 방식으로, 투사기(2001)에 의해 투사된 이미지는 뷰어의 눈(2002)에 의해 뷰잉될 수 있다.
[0295] 앞서 설명된 바와 같이, 투사기(2001)에 의해 생성된 이미지 광은 3 원색, 즉 청색(B), 녹색(G) 및 적색(R)의 광을 포함할 수 있다. 이러한 이미지 광은 구성성분 컬러들로 분리되어, 각 구성성분 컬러의 이미지 광이 접안렌즈의 개개의 도파로에 커플링될 수 있게 한다. 본 개시내용의 실시예들은 예시된 투사기의 사용에 한정되지 않고, 다른 유형의 투사기들이 본 개시내용의 다양한 실시예들에서 활용될 수 있다.
[0296] 투사기(2001)가 LED 광원(2003) 및 LCOS(liquid crystal on silicon) SLM(spatial light modulator)(2004)을 포함하지만, 본 개시내용의 실시예들은 이 투사기 기술에 한정되지 않으며, 파이버 스캐닝 투사기들, 변형 가능한 미러 디바이스들, 마이크로-기계 스캐너들, LED들보다는 레이저 광원들의 사용, 광학 장치, 도파관 및 전방 조명 설계를 포함하는 빔 분할기들의 다른 배열들 등을 포함하는 다른 투사기 기술들을 포함할 수 있다.
[0297] 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈(2100)의 예를 예시한다. 접안렌즈(2100)는 세계측 커버 윈도우(2102) 및 눈측 커버 윈도우(2106)를 포함하여 세계측 커버 윈도우(2102)와 눈측 커버 윈도우(2106) 사이에 포지셔닝된 하나 이상의 도파관들(2104)을 보호할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈(2100)는 세계측 커버 윈도우(2102) 및 눈측 커버 윈도우(2106) 중 하나 또는 둘 모두를 포함하지 않는다. 하나 이상의 도파관들(2104)은 각각의 개별 도파관이 그것의 이웃하는 도파관들 중 하나 또는 둘 모두에 커플링되도록 레이어링된 어레인지먼트로 함께 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 도파관들(2104)은 하나 이상의 도파관들(2104)이 서로 직접 접촉하지 않도록 에지 밀봉부(이를테면, 도 22에 도시된 에지 밀봉부(2208))를 통해 함께 커플링된다.
[0298] 도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 접안렌즈(2200)에 대한 도파관들(2204)의 층들의 예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 도파관(2204)은 에어 공간 또는 그 사이에 다른 재료가 배치된 상태로 서로의 상부에 정렬될 수 있다. 하나의 예시적인 예에서, 세계측 커버 윈도우(2202) 및 눈측 커버 윈도우(2206)는 0.330 mm 두께일 수 있다. 그러한 예에서, 각각의 도파관(2204)은 0.325 mm 두께일 수 있다. 게다가, 각 층 사이에는 0.027 mm 두께의 에어 공간이 있을 수 있다. 당업자는 디멘션들이 상이할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 도 22는 또한 각각의 도파관(2204)이 컬러 및 깊이 평면과 연관될 수 있음을 예시한다. 예컨대, 접안렌즈(2200)는 3 m 및 1 m 깊이 평면들을 위한 적색 도파관들을 포함할 수 있다. 적색 도파관들은 적색 광을 릴레이하고 적색 광을 사용자의 눈으로 지정된 깊이들에 아웃커플링할 수 있다. 접안렌즈는 3 m 및 1 m 깊이 평면들을 위한 청색 도파관들을 더 포함할 수 있다. 청색 도파관들은 청색 광을 릴레이할 수 있고 청색 광을 사용자의 눈으로 지정된 깊이들에 아웃커플링할 수 있다. 접안렌즈는 3 m 및 1 m 깊이 평면들을 위한 녹색 도파관들을 더 포함할 수 있다. 녹색 도파관들은 녹색 광을 릴레이할 수 있고 녹색 광을 사용자의 눈으로 지정된 깊이들에 아웃커플링할 수 있다. 당업자는 도파관들이 도 22에 예시된 것과 다른 순서일 수 있다는 것을 인식할 것이다. 깊이 평면은 각각의 도파관의 광 파워(optical power)와 관련되어, 그 도파관의 EPE로부터 아웃커플링된 광이 발산하여 사용자로부터 특정 거리에서 기원한 것으로 사용자에 의해 감지될 것이다: 당업자는 대안으로 지정된 깊이들이 사용될 수 있으며, 본원에서 그리고 도 22에서 사용된 3 m 및 1 m 깊이 평면들이 단지 예시의 목적을 위한 것임을 인지할 것이다.
[0299] 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 접안렌즈(2300)의 도파관(2312)에 인커플링된 광의 단일 빔렛의 경로의 예를 예시한다. 도파관(2312)은, 전반사에 의해 광학 파를 가이딩할 수 있는 재료(전형적으로 고유전율을 갖는 유전체 재료)로 구성된 기판(2302) 상에 또는 내에 각각 배치된, ICG(2320), OPE(2330) 및 EPE(2340)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈(2300)는 3 개의 도파관들(2312, 2314, 2316)을 포함할 수 있으며, 각각의 도파관은 특정 파장의 광에 대응한다. 부가적인 또는 더 적은 도파관들이 가능하다. 도파관들(2314 및 2316) 각각은 도파관(2312)과 유사한 ICG, OPE 및 EPE를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주입된 광(2322)은 도 23의 도면과 직교하는 z-방향으로 ICG(2320)에서 접안렌즈(2300)에 들어갈 수 있다. 주입된 광(2322)은 ICG(2320)에 들어갈 수 있으며, 여기서 ICG(2320) 내의 격자는 인커플링된 광(2322) 내의 특정 파장들의 광을 회절시킬 수 있고, 인커플링된 광(2322)의 다른 파장들은 접안렌즈(2310)의 후속적인 도파관 층들로 계속된다. 일부 실시예들에서, ICG(2320)는 특정 파장에 특정적인 다수의 별개의 격자들이다.
[0300] 인커플링된 광(2322)은, 일반적으로 + x-방향으로 OPE(2330)를 향한 팬 패턴(2324)에 의해 묘사된 바와 같은 범위에 걸치는 것뿐만 아니라 일반적으로 - x-방향으로 OPE(2330)로부터 멀어지게 팬 패턴(2326)에 걸친 범위에서 도파관 내의 특정 방향으로 ICG(2320)에 의해 회절될 수 있다. 다른 팬 패턴에 걸친 다른 광 경로들이 당연히 가능하며 투사 광학기, 및 ICG(2320)에 의해 구성된 특정 격자 및 회절 패턴에 의존한다. 즉, 광은 발산 빔으로서 도파관 내로 회절하지 않지만, 일부 실시예들에서는 이미지 광의 부분들의 점진적 분산형 샘플링이 접안렌즈를 가로질러 빔렛들의 점진적으로 확장하는 분포 패턴을 생성할 수 있다. 묘사된 팬 패턴(2324) 내에서 회절된 인커플링된 광(2322)은 일반적으로 광 경로(2328)를 따라 OPE(2330)로 들어가서, + x-방향으로 가로지르고, 이 광이 OPE(2330)로 구성된 회절 격자들을 가격할 때 부수적인 분산형 샘플링이 OPE(2330)를 통과하고, 사용자의 눈을 향해 - z-방향으로 아웃커플링하기 전에 주기적으로 부분들은 아래로 EPE(2340)로 지향되고 - y-방향으로 가로지른다.
[0301] 도 23이 묘사하듯이, 도파관(2312)에 대응하는 파장의 많은 광이, 팬 패턴(2326)으로 회절된 광과 같은 방향 손실 또는 팬 패턴(2324) 내의 모든 광을 캡처하기 위해 부적절하게 포지셔닝되거나 사이징된 OPE(2330)로 인한 캡처 손실로 인해 손실될 수 있다.
[0302] 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(2400)에 대한 오버/언더 토폴로지의 예를 예시한다. 일부 실시예들에서, 광은 투사된 이미지와 연관될 수 있거나 또는 투사된 이미지로부터 유래할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈 및 도파관(예컨대, 도파관(2400))은 사용자가 접안렌즈를 통해 볼 수 있도록 적어도 부분적으로 투명할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(2400)은 하나 이상의 영역들을 포함할 수 있으며, 각각의 영역은 특정 격자를 갖는다. 예컨대, 도파관(2400)은 인커플링 DOE(예컨대, ICG(2420))를 갖는 입력 영역을 포함할 수 있다. 인커플링 DOE는 이 설명 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이 투사기 릴레이로부터 광을 수용할 수 있다. 광은 도파관(2400)에 직교하는 입력 영역으로 들어갈 수 있다. ICG(2420)는 광을 도파관(2400) 내로(즉, 기판(2402) 내로) 인커플링할 수 있다.
[0303] 일부 실시예들에서, 도파관(2400)은 제1 격자를 갖는 도파관의 부분(예컨대, 직교 동공 확장기(orthogonal pupil expander)(2430))으로 또한 지칭되는 제1 영역을 더 포함할 수 있다. 제1 격자는 ICG(2420)에 의해 평면형 도파관으로의 회절 또는 인커플링 후에 전반사에 의해 도파관(2400)에서 전파하는 광을 조작하기 위해 도파관(2400)의 평면 내에 또는 그 위에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 격자의 주기적 구조들은 제1 영역 전반에 걸쳐 이미지 광을 방향전환한다. 이러한 방향전환은, 인커플링된 광빔이 제1 격자의 주기적 구조를 통과함에 따라 인커플링된 광빔의 회절 샘플링을 통해 발생한다. 그에 따라서, 본원에서 설명된 격자들은, 도파관을 통해 전파하는 복수의 빔렛들을 생성하기 위해 투사기 동공을 포함하는 빔을 여러 번 반복해서 회절시킴으로써 투사된 이미지의 뷰잉 동공을 배가(또는 복제(clone))할 수 있다. 많은 경우들에서, 각각의 빔렛은 이미지 데이터를 운반하고, 아래에 설명된 바와 같이 복수의 빔렛들이 결국 도파관(2400)으로부터 아웃커플링될 때, 사용자 눈이 출현하는 복수의 빔렛들을 이미지 정보를 전달하는 확대된 샘플링된 동공으로서 인지한다. 일부 실시예들에서, 제1 격자는 제2 영역(예컨대, EPE(2440))에 광의 적어도 일부(예컨대, 복제 또는 샘플링된 빔렛)를 지향시킬 수 있다. 제2 영역 또는 부분은 주기적 구조들을 포함하는 제2 격자를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제1 격자의 주기적 구조의 배향은, 빔렛을 EPE쪽으로 동시에 회절시키고 OPE에 걸쳐 샘플을 추가로 지향시켜 계속 회절 및 샘플링을 하게 하는 부분과 샘플링된 빔렛이 상호작용할 때 샘플링된 빔렛이 명목상으로 직각으로 회절되고, 따라서 OPE 내에서 이미지 광을 복제하고 추가 빔렛들을 EPE(2440)를 향해 회절시키는 그러한 것이다. 격자들이, 일부 실시예들에서 예시적인 회절 광학 구조들로서 논의되지만, 본 발명은 회절 격자들에 한정되지 않으며, 다른 회절 구조들(예컨대, 헥사고날 그리드로 레이아웃된 복수의 아일랜드들)이 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0304] 따라서, 일부 실시예들에 따르면, 광의 임의의 한 부분은 제1 영역(예컨대, OPE(2430))을 가로질러 제1 격자에 의해 다수 회 회절될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대 그리고 도 30c와 관련하여 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 격자 내의 주기적 구조는(예컨대, EPE(2440)를 향하는 것과 같이) 주어진 방향으로 이미지 광의 부분을 회절하면서, 나머지 부분을 제2 방향으로 전파할 수 있다. 광을 점진적으로 회절시킴으로써, 광은 OPE(2430)에 걸쳐 "스테어 스텝핑(stair stepping)" 복제된 빔렛들(즉, 회절에 의해 이미지 광의 부분을 배가 또는 샘플링함)로 생각될 수 있다. 예컨대, 광선이 실질적으로 x-방향으로 이동하면서 회절될 때마다, 광의 일부는 EPE(2440)를 향해 회절할 수 있다. 회절된 광의 부분은, OPE(2430)가 실질적으로 y-방향으로 EPE(2440)를 향해 부분을 다시 회절시킬 때까지 OPE(2430)를 통해 실질적으로 x-방향으로 계속되고, 남아 있는 부분은 실질적으로 x-방향으로 계속된다. 일부 실시예들에서, 광의 중심 광선은 ICG(2420)에 의해 도파관으로 인커플링될 수 있고 OPE(2430)를 향해 지향될 수 있다. OPE(2430)에서 이동하는 동안, 중앙 광선은 OPE(2430)에 의해 직각으로 회절될 수 있고 EPE(2440)를 향해 지향될 수 있다(또는, 다른 실시예들에서는 예각으로 회절될 수 있다).
[0305] 일부 실시예들에서, EPE(2440)는 OPE(2430)로부터 광을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, EPE(2440)의 제2 격자는, 광이 OPE(2430)에 대해 실질적으로 y-방향으로 이동한 후에 광을 도파관(2400)으로부터 아웃커플링할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 접안렌즈로 인커플링된 오리지널 투사된 이미지가 아이박스를 통해 사용자의 시야에서 투사기의 확대된 동공으로서 나타나도록, 광이 사용자의 눈으로 지향될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 영역 및 제2 영역은 도파관(2400)의 별개의 영역들을 차지할 수 있다.
[0306] 도 25는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(2500)의 오버랩 토폴로지의 예를 예시한다. 이를테면, 도 25에 예시된 오버래핑 어레인지먼트는, EPE(2540) 및 OPE(2530)가 직교 뷰에 대해 유사한 구역을 공유할 수 있을 때, 분산형 방식(이는 광 간섭을 감소시킬 수 있음)으로 광을 사용자의 아이박스로 지향시키기 위한 더 적은 샘플링 인스턴스들, 및 더 작은 접안렌즈들을 허가한다. 당업자는 다른 장점들을 인지할 것이다. 도파관(2500)은 도파관(2400)과 유사한 것을 수행할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 도파관(2500)은, 각각 기판(2502)에 커플링되는 ICG(2520), OPE(2530) 및 EPE(2540)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE(2530)의 제1 구역은 EPE(2540)의 제1 구역과 별개인, 도파관(2500)의 구역을 점유할 수 있다. 게다가, OPE(2530)의 제2 구역은, EPE(2540)의 제2 구역이 또한 점유하는, 도파관(2500)의 오버랩된 구역을 점유할 수 있다. 다른 말로, OPE(2530)의 구역은, EPE(2540)가 있는 도파관(2500)의 구역을 공유할 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE(2530) 및 EPE(2540) 둘 모두가 점유하는 구역은 상이한 평면들(예컨대, 기판(2502)의 상이한 측들) 상에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE(2530)는 제1 평면 상에 있을 수 있고, EPE(2540)는 제2 평면 상에 있을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 광의 부분들은 오버랩된 구역에서 OPE(2530)를 통해 전파될 수 있는 반면에, 광의 다른 부분들은 동일한 오버랩된 구역에서 EPE(2540)에 의해 도파관(2500) 외부로 송신된다.
[0307] 일부 실시예들에서, 도파관(2500)으로부터 아웃커플링된 광은 투과 방향을 따라 전파될 수 있다. OPE(2530)는 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션에 배치될 수 있다. 게다가, EPE(2540)는 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션은, 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션보다 사용자의 눈에 더 근접할 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE(2530)의 제1 포지션은 도파관(2500)의 후면 상에 있을 수 있고, 즉, 도파관(2500)의 세계 측에 더 근접하고, EPE(2540)의 제2 포지션은 도파관(2500)의 전면 상에 있을 수 있고, 전면은 사용자의 눈에 더 근접하다.
[0308] 일부 실시예들에서, OPE(2530)는 도파관(2500)의 전면 상에 있을 수 있고, EPE(2540)는 도파관(2500)의 후면 상에 있을 수 있다. 예컨대, 도파관(2500)으로부터 아웃커플링된 광은 투과 방향을 따라 전파될 수 있다. OPE(2530)는 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션에 배치될 수 있다. 게다가, EPE(2540)는 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션은, 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션보다 사용자의 눈에 더 근접할 수 있다.
[0309] 일부 실시예들에서, 평면형 도파관 층은 제1 동공 확장기(예컨대, OPE) 및 제2 동공 확장기(예컨대, EPE)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제1 동공 확장기의 제1 평면은 z-방향으로 제2 동공 확장기의 제2 평면과 평행할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제1 평면의 제1 구역은 제1 구역 상에 배치된 제1 격자를 가질 수 있고; 제2 평면의 제2 구역은 제2 구역 상에 배치된 제2 격자를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제1 구역은 제1 격자를 사용하여 x-방향 및/또는 y-방향으로 광을 회절시키도록 구성되고; 제2 구역은 제2 격자를 사용하여 광을 사용자의 눈으로 아웃커플링하도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 제1 구역은 공간적으로 제2 구역과 오버랩할 수 있다.
[0310] 이전 단락에 설명된 실시예들에서, 사용자의 눈에 아웃커플링된 광은 투과 방향을 따라 전파될 수 있다. 이러한 예에서, 평면형 도파관 층의 제1 영역은 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션에 배치될 수 있다. 게다가, 평면형 도파관 층의 제2 영역은 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션은, 도 25에 예시된 바와 같이, 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션보다 사용자의 눈에 더 근접할 수 있다. 다른 실시예들에서, 투과 방향을 따라 측정된 제1 포지션은, 투과 방향을 따라 측정된 제2 포지션보다 사용자의 눈에 더 근접할 수 있다.
[0311] 위에서 설명된 실시예들에서, ICG(2520), OPE(2530) 및 EPE(2540)는 인 라인이 아니었다. 예컨대, OPE(2530)는 제1 방향(예컨대, 실질적으로 x-방향)으로 ICG(2520)로부터 변위된 반면에, EPE(2540)는 제1 방향과 상이한 제2 방향(예컨대, 실질적으로 y-방향)으로 ICG(2520)로부터 변위되었다.
[0312] 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 도파관(2600)의 인-라인 토폴로지의 예를 예시한다. 인-라인 토폴로지에서, OPE(2630) 및 EPE(2640) 둘 모두는 제1 방향으로 ICG(2620)로부터 변위될 수 있다. 다른 말로, OPE에 대해 제1 방향 그리고 EPE에 대해 제2 방향으로 궁극적으로 흐르는 광보다는, 접안렌즈는, 광이 ICG에 의해 평면형 도파관(즉, 기판(2602))으로 본래 회절된 때와 동일한 방향으로 OPE가 EPE를 피딩하도록 구조화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은, 앞서 설명된 바와 같이, OPE(2630)를 통해 여전히 스테어 스텝핑할 수 있다. 이러한 실시예들에서, EPE(2640)는, 광이 OPE에 어떻게 들어가는지에 대해 직각보다는 본래 진행한 때와 동일한 방향으로부터 광을 수신할 수 있다.
[0313] 일부 실시예들에서, 평면형 도파관 층은, 인커플링된 광을 수신하도록 구성된 인커플링 DOE(예컨대, ICG)를 포함할 수 있다. 평면형 도파관 층은 제1 동공 확장기 및 제2 동공 확장기를 더 포함할 수 있다. 제1 동공 확장기는 인커플링 DOE로부터 광을 수신하고, 제2 동공 확장기를 향해 광을 회절시키도록 구성될 수 있다. 제2 동공 확장기는 제1 동공 확장기로부터 광을 수신하고, 사용자의 눈을 향해 광을 아웃커플링하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 평면형 도파관 층은 광이 제1 방향으로 인커플링 DOE로부터 제1 동공 확장기로 흐르도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 평면형 도파관 층은 추가로 광이 제1 방향으로 제1 동공 확장기로부터 제2 동공 확장기로 흐르도록 구성될 수 있다.
[0314] 일부 실시예들에서, OPE(2630)의 회절 효율성은, 어떠한 회절 샘플링(스테어 스텝핑 효과)도 없이, 광이 단지 OPE(2630)를 통해 곧바로 관통할 수 없도록 구성되고, EPE를 향해 y-방향으로 회절시키는 x-방향으로 광의 더 균일한 분포를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE(2630)는, OPE(2630)에 대한 ICG(2620)의 근접도에 대해 격자의 위치에 기반하여 가변적 회절 효율성을 가질 수 있다. 예컨대, OPE(2630)의 낮은 회절 효율성이 부분들은 광의 부분들을 EPE(2640)를 향해 ICG(2620)에 더 근접하게 지향시키는 데 사용되지만, ICG(2620)로부터 더 멀어진 더 높은 효율성 회절 격자들이 광을 EPE(2640)로 지향시키기 전에, 상당한 부분이 실질적으로 x-방향으로 OPE(2630)를 횡단하도록 허가할 수 있다. 그런다음, 이러한 예에서, 회절 효율성은 밸런스를 보장하기 위해 OPE(2630)에 걸쳐 변경될 수 있고, ICG(2620)에 의해 평면형 도파관으로 회절된 광 모두가 EPE(2640)로 즉시 지향되지는 않거나, 광이 전반사에 의해 OPE(2630)의 원단에 도달할 때까지, OPE(2630)에 걸쳐 OPE(2630)에 의해 EPE(2640)로 회절될 때와 대략 동일한 양의 광이 존재한다.
[0315] 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 가변 회절 효율성의 존들을 갖는 OPE(2730)의 예를 예시한다. 제1 존(2732)은 20 퍼센트의 회절 효율성을 가질 수 있다. 제2 존(2734)은 25 퍼센트의 회절 효율성을 가질 수 있다. 제3 존(2736)은 33 퍼센트의 회절 효율성을 가질 수 있다. 제4 존(2738)은 50 퍼센트의 회절 효율성을 가질 수 있다. 제5 존(2739)은 99 퍼센트의 회절 효율성을 가질 수 있다. 광이 OPE(2730) 전반에 걸쳐 전파되고, 각각의 존에 들어갈 때, 회절 효율성은 각각의 존에서 EPE(2740)를 향해 대략 동일한 양의 광을 회절시켜, OPE(2730)에 걸쳐 밸런스를 생성할 것이다. 회절 효율성이 너무 높았다면, 예컨대, 제1 존(2732) 및 제2 존(2734)이 각각 80%의 회절 효율성들을 가졌다면, 매우 적은 광이 실질적으로 x-방향으로 전파될 것이고, 사용자가 콘텐츠를 뷰잉하기 위한 결과적인 아이박스는, 아웃커플링을 위해 EPE로의 회절 전에 더 많은 광이 전파되도록 허가하기 위해 자신의 폭에 걸쳐 더 낮은 회절 효율성들을 갖는 OPE와 비교할 때, 매우 좁을 것이다. EPE의 유사한 가변 회절 효율성이 평면형 도파관으로부터 광을 아웃커플링하기 위해 유사한 원하는 효과들을 생성할 것이라는 것을 당업자는 인지할 것이다. 나열된 퍼센티지들은 단지 예시적이고, 스테어 스텝핑 효과가, 아마도 EPE에 도달하기 전에, ICG로부터 멀어지게 광을 계속해서 회절시킬 것이기 때문에, ICG에 더 근접한 OPE 단부를 향한 회절 효율성들이 더 높아질 필요가 있을 수 있다는 것을 당업자는 추가로 인지할 것이다.
[0316] 도 28은 본 발명의 실시예에 따른 도파관(2800)에 대한 팁 및 클립 토폴로지의 예를 예시한다. 도파관(2800)이 본원에서 설명된 도파관들과 유사한 컴포넌트들을 포함할 수 있지만, 도파관(2800)의 토폴로지는 상이할 수 있다. 예컨대, 도파관(2800)의 하나 이상의 컴포넌트들은 평면형 도파관(즉, 기판(2802))으로의 광의 패닝(fanning)의 각도를 따르도록 팁핑될 수 있어서, 인커플링 격자(2820)로부터의 광의 패닝의 에지가 제1 동공 확장기(2830) 및 제2 동공 확장기(2840)의 공통 인터페이스와 정렬한다. 비교를 위해, 인커플링 격자(2320) 및 결과적인 팬 패턴(2324)을 묘사하는 도 23을 참조하면, 직교 동공 확장기(2330)는 그 자신의 형상에서 팬 패턴의 에지들을 실질적으로 따르지만, 직교 동공 확장기(2330)와 출사 동공 확장기(2340) 간의 갭을 남긴다. 도 28의 팁 및 클립 토폴로지에서, 도 23의 갭이 제거되고, 개개의 동공 확장기들은 더 적은 공간을 차지하여, 더 작은 폼 팩터를 산출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(2800)의 (ICG(2820)의 격자에 의해 발생된) 패닝은 OPE(2830)에 관련하여 플러스 또는 마이너스 20도일 수 있다. 도파관(2800)의 패닝은, 패닝이 제1 동공 확장기(2830)(도 24의 OPE(2430)에 대응할 수 있음)에 관련하여 플러스 30도 및 마이너스 0도일 수 있도록 변화될 수 있다.
[0317] 제1 동공 확장기(2830)는 도 24의 OPE(2430)와 유사하게 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 동공 확장기(2830)와 연관된 평면형 도파관의 평면형 표면 내에 또는 그 위에 배치된 제1 격자는, 제2 동공 확장기(2840)를 향해 실질적으로 y-방향으로 방향전환시키기 위해, 평면형 도파관에 인커플링된 광으로 하여금 (x-y 평면에서) 예각으로 회절되게 할 수 있다. 도파관(2800)의 토폴로지가 동공 확장기에 의해 이러한 중앙 광선으로부터 배가된 복수의 광선들로 하여금 도 28에 묘사된 광선들과 실질적으로 유사한 경로들을 따르게 할 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. ICG(2820)에 의해 도파관(2800)에 인커플링되고, 후속적으로 제1 동공 확장기(2830)에 의해 배가되고, 그런다음 제2 동공 확장기(2840)를 향해 회절되는 광빔의 방향을 도시하기 위한 광 경로(2828)가 도 28에 예시된다.
[0318] 도파관의 컴포넌트들의 토폴로지를 변경함으로써, 도파관(2800)은, 도 24에 예시된 바와 같이, OPE(2430)와 EPE(2440) 간의 도파관(2400)에 포함된 공간을 제거할 수 있다. 게다가, 제1 동공 확장기(2830)의 부분(즉, 제거된 영역(2860))은, 그렇지 않은 경우 제2 동공 확장기(2840)로 회절될, 제거된 영역(2860)으로부터 광의 한계량에 대해 접안렌즈의 중량 및 사이즈를 최대화하기 위해 (도 24의 OPE(2430)와 비교할 때) 제거될 수 있다.
[0319] 일부 실시예들에서, 제2 동공 확장기(2840)는 또한 일정 정도로 틸팅될 수 있다. 제2 동공 확장기(2840)는 ICG(2820)의 양과 독립적인 양으로 틸팅될 수 있고 그리고/또는 제1 동공 확장기(2830)가 틸팅된다. 일부 실시예들에서, 제2 동공 확장기(2840)는 아이박스로서 식별된 부분을 포함할 수 있다. 아이박스는, 사용자의 특정 눈에 대하여 사용자의 시야가 도파관에 대해 로케이팅되어야 하는 곳일 수 있다. 이러한 설명에 이전에 설명된 바와 같이, x-축의 x-방향에서 아이박스의 디멘션은 대체로 실질적으로 x-방향으로 평면형 도파관에서 전파되는 광의 양 및 OPE의 함수이고, y-방향에서 아이박스의 디멘션은 대체로 실질적으로 y-방향에서 평면형 도파관에서 전파되는 광의 양 및 EPE의 함수이다. 당업자는, 본 설명 전반에 걸쳐 설명된 도파관들 중 임의의 도파관에 적용되는 바와 같은 그리고 이에 적용되는 경우, 아이박스의 관련성 및 지오메트리들을 인지할 것이다.
[0320] 도 29는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(2900)에 대한 보타이 토폴로지의 예를 예시한다. 도파관(2900)은, 전형적으로 동공 확장기들로부터 멀어지게 회절될 광을 활용함으로써 다른 도파관 설계들에서 존재하는 손실을 완화시킬 수 있다. 결과적인 팬 패턴들이 y-축 및 x-축과 정렬되도록 ICG(2920)를 배향시킴으로써(도 29에 도시됨), 도파관(2900)은, 회절된 인커플링된 광을 훨씬 더 많이 캡처하는 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B)는 OPE들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(2900)은 제3 동공 확장기(2940), 이를테면, EPE를 더 포함할 수 있다.
[0321] 도파관(2900)이 2개의 더 작은 동공 확장기들(예컨대, 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B))을 포함할 수 있기 때문에, 도파관(2900)은 단일 OPE(이를테면, 위에서 설명된 것들)의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B)는, 앞서 설명된 바와 같이, 제거된 부분(예컨대, 제거된 영역(2932A 및 2932B))을 갖는 OPE와 유사할 수 있다. 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B)는 수신된 광을 배가하고, (위에서 설명된 바와 유사하게) 광을 제3 동공 확장기(2940)를 지향시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 동공 확장기(2930A) 및 제2 동공 확장기(2930B)는, 앞서 설명된 바와 같이, 일반적으로 x-방향으로보다는 x-y 평면에서 광을 비스듬히 지향시킬 수 있다. 각도는 제1 동공 확장기들(2930A 및 2930B)로 하여금 광 경로(2928)에 의해 예시된 바와 같이 광을 제3 동공 확장기(2940)에 전송하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(2900)은 본원에서 설명된 다른 도파관들과 비교하여 대략 효율성을 두배로 할 수 있다.
[0322] 일부 실시예들에서, 도파관(2900)은 하나 이상의 확산기들(예컨대, 확산기(2932A) 및 확산기(2932B))을 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 확산기들은, ICG(2920)로부터 제3 동공 확장기(2940)의 중심으로 바로 송신되는 광을 캡처할 수 있다. 하나 이상의 확산기들은 본원에서 설명된 하나 이상의 OPE들과 유사한 격자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 확산기들의 격자는 유사하게 광을 제3 동공 확장기(2940)로 스테어 스텝핑할 수 있다.
[0323] 일부 실시예들에서, 접안렌즈는 평면형 도파관 층을 포함할 수 있다. 평면형 도파관 층은 제1 동공 확장기, 제2 동공 확장기, 및 제3 동공 확장기를 더 포함할 수 있다. 제1 동공 확장기는 인커플링 DOE(예컨대, ICG)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 동공 확장기는 광을 제3 동공 확장기로 회절시키도록 구성된 제1 격자를 가질 수 있다. 제2 동공 확장기는 인커플링 DOE로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 동공 확장기는 광을 제3 동공 확장기로 회절시키도록 구성된 격자를 가질 수 있다. 제2 동공 확장기는 인커플링 DOE의, 제1 동공 확장기와 반대 측 상에 로케이팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 동공 확장기는 제2 격자를 가질 수 있다. 제3 동공 확장기는 제1 동공 확장기 및 제2 동공 확장기로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 동공 확장기는 또한 제2 격자를 사용하여 광을 사용자의 눈으로 아웃커플링하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 평면형 도파관 층은, 인커플링 DOE로부터 광을 수신하고 광을 제3 동공 확장기의 아이박스에 송신하도록 구성된 확산기를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 확산기는, 광을 제3 동공 확장기로 지향시키기 전에 광을 여러번 회절시키도록 구성된 제3 격자를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 확산기는, 제1 동공 확장기 및 제2 동공 확장기보다는 인커플링 DOE의 상이한 측 상에 로케이팅될 수 있다.
[0324] 도 30a는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(3000)에 대한 보타이 토폴로지의 예를 예시한다. 도파관(3000)은 입력 커플러 구역(3010)(ICG를 포함함), 상부 OPE 구역(3020A), 하부 OPE 구역(3020B), 및 EPE 구역(3030)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(3000)은 또한 상부 확산기 구역(3040A) 및 하부 확산기 구역(3040B)을 포함할 수 있다. 도파관(3000)은 적어도 부분적으로 투명한 기판 재료로 제조될 수 있다. 예컨대, 도파관(3000)은 글래스, 플라스틱, 폴리카보네이트, 사파이어 등의 기판(3002)으로 제조될 수 있다. 선택된 재료는 광 가이딩을 가능하게 하기 위해 1을 초과하는 굴절률, 더 바람직하게는 1.4 초과, 또는 더 바람직하게는 1.6 초과, 또는 가장 바람직하게는 1.8을 초과하는 비교적 높은 굴절률을 가질 수 있다. 기판(3002)의 두께는, 예컨대, 325 미크론 미만일 수 있다. 도파관(3000)의 설명된 구역들 각각은 도파관 기판(3002) 상에 또는 내에 하나 이상의 회절 구조들을 형성함으로써 제조될 수 있다. 특정 회절 구조들은 구역마다 변한다.
[0325] 도 30a에 도시된 바와 같이, 광선들(3024A 및 3024B)은 경로들을 각각 예시하고, 경로들을 따라, 입력 커플러 구역(3010)의 9시 포지션에 투사된 입력 이미지의 4개의 코너들에 대응하는 입력 광선들이 상부 OPE 구역(3020A) 및 하부 OPE 구역(3020B)을 향해 방향전환된다. 유사하게, 광선들(3026A 및 3026B)은 경로들을 각각 예시하고, 경로들을 따라, 입력 커플러 구역(3010)의 3시 포지션에 투사된 입력 이미저리의 4개의 코너들에 대응하는 입력 광선들이 상부 OPE 구역(3020A) 및 하부 OPE 구역(3020B)을 향해 방향전환된다.
[0326] 도 30b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(3000)에 대한 회절 광학 피처들의 다양한 확대된 뷰들을 예시한다. 도파관(3000)의 회절 광학 피처들은 입력 커플러 구역(3010)에서의 접안렌즈로 투사된 이미저리로 하여금 도파관(3000)을 통해 전파되게 하고, EPE 구역(3030)으로부터 사용자의 눈을 향해 투사되게 한다. 일반적으로 말하면, 이미저리는 광선들을 통해 도파관(3000)으로 투사되고, 광선들은 대략 예시된 z-축을 따라 이동하고, 기판(3002)의 외부로부터 입력 커플러 구역(3010) 상에 입사한다. 입력 커플러 구역(3010)은 회절 광학 피처들을 포함하고, 회절 광학 피처들은, 입력 광선들이 전반사를 통해 도파관(3000)의 기판(3002) 내부로 전파되도록 입력 광선들을 방향전환한다. 일부 실시예들에서, 입력 커플러 구역(3010)은 상부 및 하부 OPE 구역들(3020) 간에 대칭적으로 로케이팅된다. 입력 커플러 구역(3010)은 입력 광을 분할하고, 입력 광을 이들 OPE 구역들(3020) 둘 모두를 향해 방향전환할 수 있다.
[0327] OPE 구역들(3020)은 적어도 2개의 기능들을 수행하는 회절 광학 피처들을 포함하는데, 첫째, 그들은 각각의 입력 광선을 복수의 많은 이격된 병렬 광선들로 분할하고, 둘째, 그들은 일반적으로 EPE 구역(3030)을 향한 경로 상에서 이러한 복수의 광선들을 방향전환한다. EPE 구역(3030)은 마찬가지로 회절 광학 피처들을 포함한다. EPE 구역(3030)의 회절 광학 피처들은, OPE 구역들(3020)에서 나오는 광선들이 도파관(3000)의 기판(3002)을 빠져나가고 사용자의 눈을 향해 전파되도록, 광선들을 방향전환한다. EPE 구역(3030)의 회절 광학 피처들은 또한, 본원의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 마치 출사 광빔들이 원하는 깊이 평면으로부터 발생하는 것처럼 보이게 하는 정도의 광 파워를 출사 광빔들에 부여할 수 있다. 도파관(3000)은, 광선들이 EPE 구역(3030)에 의해 출력되는 출사 각도가 입력 커플러 구역(3010)에서 대응하는 입력 광선의 진입 각도와 고유하게 상관되고, 이로써 눈이 입력 이미저리를 충실히 재생할 수 있게 한다는 특성을 갖는다.
[0328] 도파관(3000)의 광학 동작이 이제 더 상세히 설명될 것이다. 먼저, VR/AR/MR 이미저리는 하나 이상의 입력 디바이스들로부터 입력 커플러 구역(3010)에서의 도파관(3000)으로 투사된다. 입력 디바이스는, 예컨대, 공간 광 변조기 투사기(사용자의 얼굴에 대하여 도파관(3000)의 앞에 또는 뒤에 로케이팅됨), 파이버 스캐닝 투사기 등일 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 디바이스는 LCD(liquid crystal display), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 FSD(fiber scanned display) 기술을 사용할 수 있지만, 다른 것들이 또한 사용될 수 있다. 입력 디바이스는 하나 이상의 광선들을 입력 커플러 구역(3010)의 서브-부분으로 투사할 수 있다.
[0329] 입력 커플러 구역(3010)의 상이한 서브-부분은, 접안렌즈를 구성하는 다수의 스택된 도파관들 각각에 대한 이미저리를 입력하는 데 사용될 수 있다. 이것은, 각각의 도파관(3000)이 접안렌즈의 해당 도파관(3000)에 이미저리를 입력하기 위해 확보된 입력 커플러 구역(3010)의 서브-부분에 적합한 회절 광학 피처들을 제공함으로써, 달성될 수 있다. 이러한 서브-부분들은 특정 파장 및/또는 깊이 평면에서 광을 인커플링하기 위한 분리된 동공들로서 지칭될 수 있다. 예컨대, 하나의 도파관(3000)은 자신의 입력 커플러 구역(3010)의 중심에 제공된 회절 피처들을 가질 수 있는 반면에, 다른 도파관들은 그들 개개의 입력 커플러 구역들의 주변에, 예컨대, 3시 또는 9시 포지션들에 제공된 회절 피처들을 가질 수 있다. 따라서, 각각의 도파관(3000)에 대해 의도된 입력 이미저리는, 정확한 이미저리가 다른 도파관들로 지향되지 않고 정확한 도파관(3000)으로 지향되도록, 입력 커플러 구역(3010)의 대응하는 부분에서 투사기에 의해 조준될 수 있다.
[0330] (입력 이미지의 상이한 포인트들에 대응하는 광선들이 상이한 각도들로 투사될 것이라는 것을 고려해볼 때, 전형적으로 일부 각도 편차가 존재하지만) 입력 광선들이 일반적으로 예시된 z-방향을 따라 기판(3002)의 입력 커플러 구역(3010)에 접근하도록 하는 투사기가 제공될 수 있다. 임의의 정해진 기판(3002)의 입력 커플러 구역(3010)은 회절 광학 피처들을 포함하고, 회절 광학 피처들은 전반사를 통해 도파관(3000)의 기판(3002) 내부로 전파되도록 입력 광선들을 적합한 각도들로 방향전환한다. 확대도(3012)로 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 입력 커플러 구역(3010)의 회절 광학 피처들은, 예시된 x-방향에서 수평으로 연장되고 예시된 y-방향에서 수직으로 주기적으로 반복되는 많은 라인들로 구성된 회절 격자를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 라인들은 도파관(3000)의 기판(3002)으로 에칭될 수 있고 그리고/또는 그들은 기판(3002)에 증착된 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 입력 커플러 격자는, 기판의 후면(입력 광선들이 들어가는 측의 반대)으로 에칭되고 그런다음 스퍼터링-온 반사 재료(sputtered-on reflective material), 이를테면, 금속으로 커버된 라인들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 입력 커플러 격자는 반사 모드로 행동하지만, 다른 설계들은 투과 모드를 사용할 수 있다. 입력 커플러 격자는, 표면 릴리프 격자, 바이너리 표면 릴리프 구조들, VHOE(volume holographic optical element), 스위칭 가능 폴리머 분산형 액정 격자 등을 포함하는 몇몇의 타입들 중 임의의 타입일 수 있다. 라인들의 주기, 듀티 사이클, 깊이, 프로파일 등은, 기판/도파관이 설계된 광의 파장, 격자의 원하는 회절 효율성, 및 다른 팩터들에 기반하여 선택될 수 있다.
[0331] 이러한 입력 커플러 회절 격자 상에 입사하는 입력 광은 분할되어, 상부 OPE 구역(3020A)을 향해 +y 방향으로 상향뿐만 아니라 하부 OPE 구역(3020B)을 향해 -y 방향으로 하향으로 방향전환된다. 구체적으로, 입력 커플러 구역(3010)의 회절 격자 상에 입사하는 입력 광은 포지티브 및 네거티브 회절 차수들로 분리되고, 포지티브 회절 차수들은 상부 OPE 구역(3020A)을 향해 상향으로 지향되고, 네거티브 회절 차수들은 하부 OPE 구역(3020B)을 향해 하향으로 지향되거나, 그 역도 가능하다. 일부 실시 예에서, 입력 커플러 구역(3010)에서의 회절 격자는 입력 광을 +1 및 -1 회절 차수들에 주로 커플링하도록 설계된다. (회절 격자는 제0 회절 차수 및 제1 회절 차수들을 넘는 더 높은 회절 차수들을 감소 또는 제거하도록 설계될 수 있다. 이것은 각각의 라인의 프로파일을 적절히 형상화함으로써 달성될 수 있다.)
[0332] 상부 OPE 구역(3020A) 및 하부 OPE 구역(3020B)은 또한 회절 광학 피처들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 이러한 회절 광학 피처들은 도파관(3000)의 기판(3002) 상에 또는 내부에 형성된 라인들이다. 라인들의 주기, 듀티 사이클, 깊이, 프로파일 등은, 기판/도파관이 설계된 광의 파장, 격자의 원하는 회절 효율성, 및 다른 팩터들에 기반하여 선택될 수 있다. OPE 구역들(3020A 및 3020B)의 특정한 형상들은 변할 수 있지만, 일반적으로, 입력 이미저리의 완전한 뷰를 제공하기 위해, 입력 이미저리의 코너들에 대응하는 광선들, 및 그 사이의 모든 광선들을 원근조절하는 데 필요한 것에 기반하여 결정될 수 있다.
[0333] 이전에 설명된 바와 같이, OPE 구역들(3020A 및 3020B)의 회절 격자들의 하나의 목적은 각각의 입력 광선을 복수의 다수의 이격된 병렬 광선들로 분할하는 것이다. 이것은, 각각의 격자 라인이 광선의 원하는 부분만을 반향전환시키는 반면에, 남아있는 부분이 동일한 방향으로 계속해서 전파되도록, 비교적 낮은 회절 효율성을 갖도록 OPE 회절 격자들을 설계함으로써 달성될 수 있다. (격자의 회절 효율성에 영향을 주는 데 사용될 수 있는 하나의 파라미터는 라인들의 에칭 깊이이다.) OPE 구역들(3020A, 3020B)의 회절 격자들의 다른 목적은 일반적으로 EPE 구역(3030)을 향해 경로를 따라 그러한 광선들을 지향시키는 것이다. 즉, 광선이 OPE 회절 격자의 라인 상에 입사할 때마다, 그의 부분은 EPE 구역(3030)을 향해 편향될 것인 반면에, 남아있는 부분은 OPE 구역 내에서 다음 라인에 계속해서 송신할 것이고, 여기서 다른 부분은 EPE 구역 등을 향해 편향된다. 이러한 식으로, 각각의 입력 광선은, 일반적으로 EPE 구역(3030)을 향해 경로를 따라 지향되는 다수의 병렬 광선들로 분할된다. 이것이 도 30c에 예시된다.
[0334] OPE 회절 격자들의 배향은, 입력 커플러 구역(3010)으로부터 도달한 광선들을 일반적으로 EPE 구역(3030)을 향해 편향시키기 위해, 그러한 광선들에 대하여 경사질 수 있다. 경사의 특정한 각도는 도파관(3000)의 다양한 구역들의 레이아웃에 의존할 수 있다. 도 30b에 예시된 실시예에서, 상부 OPE 구역(3020A)은 +y 방향으로 연장되는 반면에, 하부 OPE 구역(3020B)은 -y 방향으로 연장되어, 그들은 180° 떨어져 배향된다. 한편, EPE 구역(3030)은 OPE 구역들(3020A 및 3020B)의 축에 대하여 90°로 로케이팅된다. 따라서, OPE 구역들(3020A 및 3020B)로부터의 광을 EPE 구역(3030)을 향해 방향전환시키기 위해, OPE 구역들의 회절 격자들은 예시된 x-축에 대하여 약 +/-45°로 배향될 수 있다. 구체적으로, 확대도(3022A)로 도시된 바와 같이, 상부 OPE 구역(3020A)의 회절 격자는 x-축에 대해 대략 +45°로 배향된 라인들로 이루어질 수 있다. 한편, 확대도(3022B)로 도시된 바와 같이, 하부 OPE 구역(3020B)의 회절 격자는 x-축에 대해 대략 -45°로 배향된 라인들로 이루어질 수 있다.
[0335] 도 30c는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(3000)에 대한 OPE 구역들에서 스테어 스텝핑 효과의 광학 동작을 예시한다. 도 30c에 도시된 OPE 구역들은 도 30a 및 30b의 OPE 구역들에 대응할 수 있다. 예시된 바와 같이, 입력 광선(3011)은 입력 커플러 구역(3010)으로부터 상부 OPE 구역(3020A)에 들어간다. 각각의 입력 광선(3011)은 전반사를 통해 도파관(3000)을 통해 전파되어, 기판(3002)의 최상부 표면과 바닥부 표면 간에 반복적으로 반사된다. 입력 광선(3011)이 상부 OPE 구역(3020A)에 형성된 회절 격자의 주기적 구조를 묘사하는 라인들(3028) 중 하나의 라인 상에 입사할 때, 광선의 부분은 EPE 구역(3030)을 향해 지향되는 반면에, 광선의 다른 부분은 OPE 구역(3020A)을 통해 동일한 경로를 따라 계속된다. 이것은 회절 격자의 각각의 라인에서 발생하고, 이는 각각의 입력 광선(3011)이 오리지널 광의 복수의 광선들 또는 빔렛들로 샘플링되는 것을 초래한다. 이들 광선들 중 일부의 경로들은 도 30c에서 화살표들로 표시된다.
[0336] 도 30b를 다시 참조로, 일부 실시예들에서, 입력 커플러 구역(3010)이 2개의 OPE 구역들 간에 로케이팅되는 것이 유리할 수 있는데, 왜냐하면 입력 커플러 구역(3010)으로부터 하나의 OPE 구역이 포지티브 회절 차수들을 수신하고, 다른 OPE 구역이 네거티브 회절 차수들을 수신하는 것과 같이, 이것은 도파관(3000)이 입력 커플러 구역(3010)으로부터 포지티브 및 네거티브 회절 차수들로부터 광을 효율적으로 사용할 수 있게 하기 때문이다. 그런다음, 포지티브 및 네거티브 회절 차수들로부터의 광은 EPE 구역(3030)에서 재결합되고, 사용자의 눈으로 지향될 수 있다. 상부 OPE 구역들(3020A)과 하부 OPE 구역(3020B) 간의 입력 커플러 구역(3010)의 포지션이 이러한 점에서 유리하지만, 이는 입력 커플러 구역(3010)이 EPE 구역(3030)의 중앙 부분을 효과적으로 쉐도잉하는 것을 초래할 수 있다. 즉, 입력 광선들이 입력 커플러에 의해 포지티브 및 네거티브 회절 차수들로 분리되고, EPE 구역(3030)을 향해 +x 방향으로 방향전환되기 전에, 먼저 +y 방향 또는 -y 방향으로 지향되기 때문에, 더 적은 광선들은 도 30a 및 30b의 입력 커플러 구역(3010)의 좌측에 바로 로케이팅된 EPE 구역의 중앙 부분에 도달할 수 있다. 이것은 원하지 않는 것일 수 있는데, 왜냐하면 EPE 구역(3030)의 중심이 사용자의 눈과 정렬되면, 더 적은 광선들이 OPE 구역들(3020) 간의 입력 커플러 구역(3010)의 포지션에 의해 발생된 이러한 쉐도잉 효과로 인해 사용자의 눈으로 궁극적으로 지향될 수 있기 때문이다. 이러한 문제에 대한 솔루션으로서, 도파관(3000)은 또한 상부 및 하부 확산기 구역들(3040A 및 3040B)을 포함할 수 있다. 이러한 확산기 구역들은 EPE 구역(3030)의 중앙 부분을 채우기 위해 OPE 구역들로부터의 광선들을 방향전환시킬 수 있다. 상부 및 하부 확산기 구역들(3040A 및 3040B)은, 도 30b에 예시된 회절 피처들로 이러한 임무를 달성한다.
[0337] 확대도(3042A)에 도시된 바와 같이, 상부 확산기 구역(3040A)은, 상부 확산기 구역(3040A)이 주로 광을 수신하는 이웃 상부 OPE 구역(3020A)의 격자 라인들에 직교하는 격자 라인들이 x-축에 대해 대략 -45°로 형성되는 회절 격자를 포함할 수 있다. OPE 격자들과 같이, 확산기 구역들의 격자들의 효율성은, 격자의 각각의 라인 상에 입사하는 광선들의 부분만이 방향전환되도록 설계될 수 있다. 상부 확산기 구역(3040A)의 회절 격자 라인들의 배향으로 인해, 상부 OPE 구역(3020A)으로부터의 광선들은, EPE 구역(3030)을 향해 +x 방향으로 계속되기 전에, 다소 -y 방향으로 방향전환된다. 따라서, EPE 구역(3030)에 대해 입력 커플러 구역(3010)의 포지션에 의해 발생되는 임의의 쉐도잉에도 불구하고, 상부 확산기 구역(3040A)은 EPE 구역(3030)의 중앙 부분에 도달하는 광선들의 수를 증가시키는 것을 돕는다. 유사하게, 확대도(3042B)에 도시된 바와 같이, 하부 확산기 구역(3040B)은, 하부 확산기 구역(3040B)이 주로 광을 수신하는 이웃 상부 OPE 구역(3020B)의 격자 라인들에 직교하는, x-축에 대해 대략 +45°로 형성되는 격자 라인들을 포함할 수 있다. 하부 확산기 구역(3040B)의 회절 격자 라인들은, 하부 OPE 구역(3020B)으로부터의 광선들로 하여금, EPE 구역(3030)을 향해 +x 방향으로 계속되기 전에, +y 방향으로 얼마간 방향전환되게 한다. 따라서, 하부 확산기 구역(3040B)은 또한, EPE 구역(3030)의 중앙 부분에 도달하는 광선들의 수를 증가시키는 것을 돕는다.
[0338] OPE 구역들(3020A 및 3020B) 및 확산기 구역들(3040A 및 3040B)로부터의 광선들은, 궁극적으로 EPE 구역(3030)에 도달할 때까지 도파관(3000)의 기판(3002)을 통해 전파된다. EPE 구역(3030)은, 광선들을 도파관(3000) 외부로 그리고 사용자의 눈을 향해 방향전환하는 회절 광학 피처들을 포함할 수 있다. 확대도(3032)에 도시된 바와 같이, EPE 구역(3030)의 회절 광학 피처들은, y-방향으로 연장되고 x-방향에서 주기성을 나타내는 수직 격자 라인들일 수 있다. 대안적으로, 도 31a에 도시된 바와 같이, EPE 구역(3030)의 회절 격자의 라인들은 광 파워를 이미저리에 부여하기 위해 다소 곡선형일 수 있다. 라인들의 주기, 듀티 사이클, 깊이, 프로파일 등은, 기판/도파관이 설계된 광의 파장, 격자의 원하는 회절 효율성, 및 다른 팩터들에 기반하여 선택될 수 있다. EPE 구역(3030)의 이러한 격자 라인들 각각 상에 입사하는 광선들의 부분은 도파관(3000)의 기판(3002) 외부로 방향전환된다. 각각의 출력 광선이 도파관(3000)의 EPE 구역(3030)에서 빠져나가는 특정한 각도는 입력 커플러 구역(3010)에서의 대응하는 입력 광선의 입사각에 의해 결정된다.
[0339] 도 31a는, 본 발명의 실시예에 따른, 2개의 중첩된 회절 격자들을 갖는 입력 커플러 구역(3110)을 포함하는 도파관(3100)의 예를 예시한다. 도파관(3100)은 기판(3102)으로 형성되고, 입력 커플러 구역(3110), 상부 OPE 구역(3120A), 하부 OPE 구역(3120B), 및 EPE 구역(3130)을 포함한다. 달리 언급된 경우를 제외하면, 도파관(3100)은 도 30a-도 30c에 예시된 도파관(3000)과 유사하게 기능할 수 있다. 도파관(3100)의 설계는, 도 30a-도 30c와 관련하여 논의된 타입들의 확산기 구역들(3040A 및 3040B)을 반드시 사용하지 않고서, (입력 커플러 구역(3110)의 왼쪽에 바로 로케이팅된) EPE 구역(3130)의 중앙 부분을 향해 지향된 광의 양을 증가시키기 위한 다른 방식을 표현한다.
[0340] 도 30a, 30b 및 30c의 도파관(3000)과 비교할 때 도 31a의 도파관(3100) 간의 주요한 차이는 입력 커플러 구역(3110)의 설계이다. 도파관(3000)에서, 입력 커플러 구역(3010)은 입력 광을 상부 및 하부 OPE 구역들(3020A 및 3020B)로 주로 방향전환시키도록 설계되었다. 대조적으로, 도 31a에 도시된 입력 커플러 구역(3110)은 상부 및 하부 OPE 구역들(3120A 및 3120B)뿐만 아니라 EPE 영역(3130)으로 바로 입력 광을 지향시키도록 설계된다. 이것은, 입력 커플러 구역(3110)에서 2개의 회절 격자들을 서로 중첩함으로써 달성될 수 있다.
[0341] 도 31b는, 본 발명의 실시예에 따른, 2개의 중첩된 회절 격자들로 이루어진 입력 커플러 구역(3110)의 예의 사시도를 예시한다. 제1 회절 격자(3141)는 도 30a-도 30c에 관련하여 예시된 회절 격자와 유사하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 이것은, 2개의 중첩된 회절 격자들이 서로 직교하도록, x-방향으로 연장되고 y-방향으로 주기적으로 반복되는 라인들로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 회절 격자(3141)는, 상부 및 하부 OPE 구역들(3120A 및 3120B)을 향해 각각 지향되는 포지티브 및 네거티브 회절 차수들로 입력 광을 분할한다. 제1 회절 격자(3141)는, 자신이 OPE 구역들(3120A 및 3120B)을 향해 방향전환시키는 입력 광의 비율을 제어하기 위한 제1 회절 효율성을 가질 수 있다.
[0342] 제2 회절 격자(3142)는 y-방향으로 연장되고 x-방향으로 주기적으로 반복되는 라인들로 이루어질 수 있다. 다른 말로, 제2 회절 격자(1342)는 제1 회절 격자에 대해 대략 90°로 배향될 수 있다. 제2 회절 격자(1342)의 배향은 입력 광선들로 하여금 EPE 구역(3130)을 향해 방향전환되게 하고, EPE 구역(3130)은, 이러한 실시예에서, OPE 구역들(3120A 및 3120B)을 먼저 통과하지 않고서, OPE 구역들이 입력 커플러 구역(3110)에 대하여 로케이팅된 방향들로부터 실질적으로 90° 방향으로 로케이팅된다. (제2 회절 격자(3142)는 또한, 다른 실시예들에서 EPE 구역(3130)이 로케이팅된 방향에 의존하여 다른 배향들을 가질 수 있다.) 제2 회절 격자(3142)는 제1 회절 효율성과 상이할 수 있는 제2 회절 효율성을 갖도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 회절 격자(3142)는 제1 회절 격자(3141)보다 덜 효율적이도록 설계될 수 있다. 이것은, 예컨대, 도 31b에 도시된 바와 같이, 제2 회절 격자(3142)의 라인들을 제1 회절 격자의 라인들보다 더 얕게 하여, 입력 광 중 더 적은 부분이 제2 회절 격자(3142)에 의해 EPE 구역(3130)(광선(3114)으로 표현됨)을 향해 바로 지향되는 동안, 입력 광의 대부분으로 하여금 제1 회절 격자(3141)에 의해 상부 및 하부 OPE 구역들(3120A 및 3120B)(광선들(3112A 및 3112B)에 의해 각각 표현됨)을 향해 방향전환되게 함으로써 달성될 수 있다. 입력 커플러 구역(3110)이 입력 광 중 일부를 EPE 구역(3130)을 향해 바로 방향전환시키기 때문에, 입력 커플러 구역에 의한 EPE 구역의 중앙 부분의 앞서 설명된 쉐도잉이 감소될 수 있다.
[0343] 도 32a는 본 발명의 실시예에 따른, 상부 및 하부 OPE 구역들을 EPE 구역을 향해 각을 지게 함으로써 컴팩트한 폼 팩터를 갖는 도파관(3200)의 예를 예시한다. 도파관(3200)은 기판(3202)으로 형성되고, 입력 커플러 구역(3210), 상부 OPE 구역(3220A), 하부 OPE 구역(3220B), 및 EPE 구역(3230)을 포함한다. 달리 언급된 경우를 제외하면, 도 32a에 도시된 도파관(3200)은 도 30a-도 30c에 예시된 도파관과 유사하게 기능할 수 있다.
[0344] 도 30a-도 30c의 도파관(3000)과 비교할 때 도 32a의 도파관(3200) 간의 주요한 차이는, OPE 구역들(3220A 및 3220B)이 EPE 구역(3230)을 향해 각이 진다는 것이다. 도 32a에 도시된 실시예에서, 각각의 OPE 구역은 약 30도만큼 y-축으로부터 틸팅된다. 따라서, 약 180도 만큼 분리되기보다는, 도 30a-도 30c에 예시된 실시예에서와 같이, 상부 OPE 구역(3220A) 및 하부 OPE 구역(3220B)은 약 120도만큼 분리된다. 예컨대, 입력 커플러 구역(3210)은, 제1 방향(y-축으로부터 30도 상향), 제2 방향(y-축으로부터 30도 하향) 및 제3 방향(+x-방향으로)을 포함하는 다수의 방향들로, 투사된 이미지에 관련된 인커플링된 광을 기판(3202)으로 회절시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 방향은 제2 방향과 120도 각도를 형성한다. 일부 실시예들에서, 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향 각각과 60도 각도를 형성한다. EPE 구역(3230)을 향한 OPE 구역들(3220A 및 3220B)의 정확한 양의 앵글링이 변할 수 있지만, 일반적으로 이러한 앵글링은 도파관(3200)이 더 컴팩트한 설계를 달성할 수 있게 할 수 있다. 이것은 VR/AR/MR 시스템의 머리-장착 디스플레이가 부피가 더 적게 만들 수 있게 하기 때문에, 이것은 유리할 수 있다.
[0345] 입력 커플러 구역(3210)의 회절 피처들의 설계는, 입력 광선들이 도파관(3200)의 기판(3202)에 송신되는 각도들이, OPE 구역들(3220A 및 3220B)이 입력 커플러 구역(3210)에 대하여 로케이팅된 방향들에 대응하도록, 그 각도들을 매칭하도록 수정될 수 있다. 입력 커플러 구역(3210)의 회절 피처들의 예시적인 실시예는 도 32b의 확대도(3212)에 도시된다.
[0346] 도 32b는 본 발명의 실시예에 따른, 도 32a에 도시된 도파관(3200)의 입력 커플러 구역(3210)의 회절 광학 피처들의 예를 예시한다. 예시된 실시예에서, 입력 커플러 구역(3210)은 헥사고날 그리드(3216)로 레이아웃된 복수의 아일랜드들(3214)을 갖는다(각각의 아일랜드(3214) 주변의 점선들이 점선들을 따라 임의의 물리적 구조에 반드시 대응하는 것은 아니지만, 헥사고날 그리드를 예시하도록 의도된다는 것이 주목됨). 회절 피처들의 헥사고날 그리드(3216)는 입력 커플러 구역(3210) 상에 입사하는 입력 광선들로 하여금 60도 인터벌들의 다수의 방향들로 도파관(3200)의 기판(3202)에 송신되게 한다. 따라서, 도 32a에 도시된 바와 같이, 제1 세트의 입력 광선들은 x-축에 대해 대략 60도로 상부 OPE 구역(3220A)을 향해 론칭되고, 제2 세트의 입력 광선들은 x-축에 대해 대략 -60도로 하부 OPE 구역(3220B)을 향해 론칭되고, 제3 세트의 입력 광선들은 일반적으로 x-축을 따라 EPE 구역(3230)을 향해 바로 론칭된다.
[0347] 다른 모자이크식 구성들(tessellated configurations)은 또한 도파관(3200)의 형상 및 입력 커플러 구역(3210)으로부터 OPE 구역(들)(3220)으로의 방향(들)에 의존하여 사용될 수 있다. 아일랜드들(3214)의 특정한 형상은, 광이 이들 방향들 각각으로 방향전환되는 효율성을 결정한다. 예시된 실시예에서, 아일랜드들(3214) 각각은 마름모이지만, 다른 형상들(예컨대, 원형, 정사각형, 직사각형 등)이 또한 가능하다. 게다가, 아일랜드들(3214)은 단일 또는 다중-레벨일 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 커플러 구역(3210)의 회절 피처들은, (입력 광선들이 입력 디바이스로부터 기판(3202)에 들어가는 반대 측 상에서) 아일랜드들(3214)을 기판(3202)의 후면으로 에칭함으로써 형성된다. 그런다음, 기판(3202)의 후면 상의 에칭된 아일랜드들은 반사 재료로 코팅되고, 그런다음 반사 재료가 부가될 수 있다. 이러한 식으로, 입력 광선들은 기판의 전면에 들어가고, 회절 피처들이 반사 모드로 동작하도록 후면 상의 에칭된 아일랜드들로부터 기판의 표면으로 반사/회절시킨다. 상부 OPE 구역(3220A) 및 하부 OPE 구역(3220B)은 이전에 설명된 회절 광학 피처들을 포함할 수 있다. 상부 OPE 구역(3220A)의 회절 피처들은 도 32c의 확대도(3222)에 예시된다.
[0348] 도 32c는 본 발명의 실시예에 따른 도 32a에 도시된 도파관(3200)의 OPE 구역(3220A)의 회절 광학 피처들의 예를 예시한다. 도파관(3000)의 OPE 구역들의 회절 피처들의 경우에서와 같이, 도 32a에 도시된 도파관(3200)의 OPE 구역들(3220A 및 3220B)의 회절 피처들은 마찬가지로 회절 격자를 형성하는 라인들의 주기적으로 반복하는 패턴이다. 그러나, 이 경우, 라인들이 배향되는 각도는 EPE 구역(3230)을 향하는 광의 광선들을 여전히 방향전환시키기 위해 OPE 구역(3220A)의 경사진 배향의 관점에서 조정되었다. 구체적으로, 상부 OPE 구역(3220A)에서 회절 격자의 라인들은 x-축에 대하여 대략 +30 도로 배향된다. 유사하게, 하부 OPE 구역(3220B)에서 회절 격자의 라인들은 x-축에 대하여 대략 -30 도로 배향된다.
[0349] 도 33a는 본 발명의 실시예에 따른 단일-면 구성에서 결합된 OPE/EPE 구역(3350)을 갖는 도파관(3300)의 예를 예시한다. 결합된 OPE/EPE 구역(3350)은 x-방향 및 y-방향에서 공간적으로 오버랩하는 OPE 및 EPE 둘 모두에 대응하는 격자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, OPE 및 EPE 둘 모두에 대응하는 격자들은 기판(3302)의 동일한 측 상에 로케이팅되어, OPE 격자들이 EPE 격자들 상에 중첩되거나 EPE 격자들이 OPE 격자들 상에 중첩된다(또는 둘 모두이다). 다른 실시예들에서, OPE 격자들은 EPE 격자들로부터 기판(3302)의 반대 측 상에 로케이팅되어, 격자들은 x-방향 및 y-방향에서 공간적으로 오버랩하지만 z-방향에서(즉, 상이한 평면들에서) 서로 별개이다. 따라서, 결합된 OPE/EPE 구역(3350)은 단일-면 구성으로 또는 2-면 구성으로 구현될 수 있다. 2-면 구성의 일 실시예는 도 34a 및 도 34b를 참조하여 도시된다.
[0350] 도 33b는 본 발명의 실시예에 따른 SEM(scanning electron microscope)에 의해 캡처된 단일-면 구성에서 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 예를 예시한다. 결합된 OPE/EPS 구역(3350)은 3개 세트들의 격자들, 즉, 제1 OPE 격자(3351), 제2 OPE 격자(3352) 및 EPE 격자(3353)를 포함할 수 있다. 3개 세트들의 격자들을 서로의 위에 중첩함으로써, 3개 세트들의 격자들은 함께 통합되어 헤링본(herringbone) 리지들을 갖는 3D 격자 나노구조를 형성한다. 도 33b에 디스플레이된 평행 라인들은 3개 세트들의 격자들의 주기성을 도시한다. 일부 실시예들에서, 3개 세트들의 격자들은 기판(3302) 상에서 간섭 리소그래피 기법을 사용하여 생성된다. 일부 예시들에서, 3개 세트들의 격자들을 순차적으로 생성된다. 예컨대, 간섭 리소그래피를 사용하여, 제1 OPE 격자(3351)가 먼저 생성될 수 있다. 제1 OPE 격자(3351)의 완료 이후, 제2 OPE 격자(3352)는 마감된 제1 OPE 격자(3351)의 최상부 상에서 직접 간섭 리소그래피를 사용하여 생성될 수 있다. 마지막으로, 제2 OPE 격자(3352)의 완료 이후, EPE 격자(3353)는 간섭 리소그래피를 사용하여 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 3개 세트들의 격자들은 서로의 위에 중첩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 성능은, 제1 OPE 격자(3351) 및 제2 OPE 격자(3352)의 완료 이후 EPE 격자(3353)를 생성하여, EPE 격자(3353)의 기능성의 대부분을 유지함으로써 개선된다.
[0351] 일부 실시예들에서, 3개 세트들의 격자들 모두는 간섭 리소그래피를 사용하는 단일 프로세싱 동안 동시에 생성된다. 예컨대, 간섭 리소그래피를 수행하기 이전에, 원하는 격자 구조는 컴퓨테이셔널 디바이스를 사용하여 컴퓨팅될 수 있다. 원하는 격자 구조는 3개의 세트들의 격자들의 합 또는 평균을 포함할 수 있다. 원하는 격자 구조를 컴퓨팅한 후, 기판(3302) 상에 원하는 격자 구조를 생성하기 위해 간섭 리소그래피가 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 3개 세트들의 격자들은 서로의 위에 중첩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 성능은, 먼저 설명된 기법을 사용하여 제1 OPE 격자(3351) 및 제2 OPE 격자(3352)의 조합을 생성하고, 그런다음 후속적으로 결합된 OPE 격자들의 완료 후 EPE 격자(3353)를 생성하여, EPE 격자(3353)의 기능성 대부분을 유지함으로써 개선된다. 일부 실시예들에서, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 성능은, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 에지들을 향하는 EPE 격자(3353)의 최소값들 및 최대값들을 증가시켜, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 에지들을 따라 아웃커플링 광의 확률을 증가시킴으로써 개선된다.
[0352] 도 33b에 도시되지 않지만, 일부 실시예들에서 결합된 OPE/EPS 구역(3350)은 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 에지들을 따라(예컨대, 4개의 측면들을 따라) 회절 미러들을 포함한다. 회절 미러들은, 광을 후방으로 결합된 OPE/EPS 구역(3350)으로 다시 회절시켜, 그렇지 않으면 도파관(3300)을 빠져나갈 광으로 하여금 계속해서 도파관(3300) 내에서 전파되게 하기 위한 일련의 매우 미세한 피치(pitch) 격자들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 회절 미러들의 포함은 도파관 효율성을 증가시키고 출사 동공들의 더 랜덤 어레이를 생성함으로써 코히어런트 광 아티팩트들을 개선한다. 당업자에게 자명할 바와 같이, 본 발명은 3개의 격자 구조들의 수퍼포지션으로 제한되지 않으며, 예컨대, 다른 수의 격자 또는 다른 회절 구조들이 중첩될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0353] 도 33c는 본 발명의 실시예에 따른 도파관(3300) 내에서 광 경로(3328)의 예를 예시한다. 광 경로(3328)는 ICG(3320)에서 기판(3302)에 커플링되는 입사 광(3328A로 표시됨)을 포함한다. 인커플링된 광(3328B로 표시됨)은 전반사에 의해 격자들(3351, 3352 및 3353)을 향해 전파된다. 이들 광선들이 제1 OPE 격자(3351)에 부딪칠 때, 광은 +y-방향(3328C로 표시됨)으로 회절되고 후속적으로 사용자의 눈을 향해 도파관(3300) 밖으로 EPE 격자(3353)에 의해 -z-방향(3328D로 표시됨)으로 회절된다. 유사하게, 인커플링된 광(3328B로 표시됨)은 대안적으로 제2 OPE 격자(3352)에 부딪치고 -y-방향(3328E로 표시됨)으로 회절될 수 있다. -y-방향(3328E로 표시됨)으로 회절되는 광은 사용자의 눈을 향해 도파관(3300) 밖으로 EPE 격자(3353)에 의해 회절될 수 있다. 광이 (제1 OPE 격자(3351)에 의해) +y-방향으로 회절되는지 또는 (제2 OPE 격자(3352)에 의해) -y-방향으로 회절되는지 여부는 확률적이고 격자 구조들에 의해 지배된다. 일반적으로, 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 성능은, 인커플링된 광(3328B로 표시됨)이 +y-방향 또는 -y-방향으로 회절될 50% 기회를 가질 때 개선된다. 일부 예시들에서, 이는 제1 OPE 격자(3351) 및 제2 OPE 격자(3352)가 서로 수직일 때 달성된다.
[0354] 도파관(3300)은 오직 단일 OCG(3320)만을 갖는 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 도파관(3300)이 결합된 OPE/EPS 구역(3350)의 반대 측 상에 ICG(3320)로서 제2 ICG를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 제2 ICG는 ICG(3320)와 형태 및 기능에서 동일할 수 있고 ICG(3320)의 미러링된 버전일 수 있다. 예컨대, ICG(3320)는 투사된 이미지와 관련된 인커플링된 광을 기판(3302)으로 회절시키도록 구성되는 한편, 제2 ICG(3320)는 투사된 이미지의 미러링된 버전(예컨대, x-방향으로 플립됨)과 관련된 인커플링된 광을 회절시키도록 구성될 수 있다. ICG(3320)와 연관된 광 경로(3328)와 반대로, 제2 ICG와 연관된 광 경로는 제2 ICG에서 기판(3302)에 커플링된 입사 광을 포함할 수 있다. 인커플링된 광은 전반사에 의해 격자들(3351, 3352 및 3353)을 향해 전파된다. 이들 광선들이 제1 OPE 격자(3351)에 부딪칠 때, 광은 -y-방향으로 회절되고 후속적으로 사용자의 눈을 향해 도파관(3300) 밖으로 EPE 격자(3353)에 의해 -z-방향으로 회절된다. 유사하게, 인커플링된 광은 대안적으로 제2 OPE 격자(3352)에 부딪치고 +y-방향으로 회절될 수 있다. +y-방향으로 회절되는 광은 사용자의 눈을 향해 도파관(3300) 밖으로 EPE 격자(3353)에 의해 회절될 수 있다.
[0355] 도 33d는 본 발명의 실시예에 따른 도 33c에 도시된 도파관(3300) 내에서 광 경로(3328)의 예의 측면도를 예시한다. 인커플링된 광(3328B로 표시됨)이 격자들(3351, 3352 및 3353)을 향해 전파됨에 따라, 이는 기판(3302) 또는 다른 도파관 엘리먼트들의 바닥부 측 및 최상부 측 중 하나 또는 둘 모두에서 여러번 반사할 수 있다.
[0356] 도 34a는 본 발명의 실시예에 따른 2-면 구성에서 결합된 OPE/EPE 구역(3450)을 갖는 도파관(3400)의 예를 예시한다. 도파관(3400)은, 결합된 OPE/EPS 구역(3450)의 3개 세트들의 격자들(제1 OPE 격자(3451), 제2 OPE 격자(3452) 및 EPE 격자(3453))이 기판(3402)의 2개 측면들 간에 분배된다는 점에서 도 33a 내지 도 33d를 참조하여 도시된 도파관(3300)과 상이할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 결합된 OPE/EPS 구역(3450)은 OPE 컴포넌트(3450A) 및 EPE 컴포넌트(3450B)를 포함하여, OPE 컴포넌트(3450A)(OPE 격자들을 포함함)는 기판(3402)의 일측 상에 로케이팅되고 EPE 컴포넌트(3450B)(EPE 격자들을 포함함)는 기판(3402)의 다른측 상에 로케이팅된다. OPE 컴포넌트(3450A)는, 2개 세트들의 OPE 격자들(제1 OPE 격자(3451) 및 제2 OPE 격자(3452))을 순차적으로 생성함으로써 또는 도파관(3300)을 참조하여 설명된 기법과 유사하게 2개 세트들의 OPE 격자들을 동시에 생성함으로써 간섭 리소그래피를 사용하여 생성될 수 있다.
[0357] 도파관(3400) 내의 광 경로(3428)의 예는 도 34a를 참조하여 도시된다. 광 경로(3428)는 ICG(3420)에서 기판(3402)에 커플링되는 입사 광(3428A로 표시됨)을 포함한다. 인커플링된 광(3428B로 표시됨)은 전반사에 의해 격자들(3451, 3452 및 3453)을 향해 전파된다. 이들 광선들이 제1 OPE 격자(3451)에 부딪칠 때, 광은 +y-방향(3428C로 표시됨)으로 회절되고 후속적으로 사용자의 눈을 향해 도파관(3400) 밖으로 EPE 격자(3453)에 의해 -z-방향(3428D로 표시됨)으로 회절된다. 유사하게, 인커플링된 광(3428B로 표시됨)은 대안적으로 또는 추가적으로 제2 OPE 격자(3452)에 부딪치고 -y-방향(3428E로 표시됨)으로 회절될 수 있다. -y-방향(3428E로 표시됨)으로 회절되는 광은 사용자의 눈을 향해 도파관(3400) 밖으로 EPE 격자(3453)에 의해 회절될 수 있다.
[0358] 도 34b는 본 발명의 실시예에 따른 도 34a에 도시된 도파관(3400) 및 광 경로(3428)의 측면도를 예시한다. 일부 실시예들에서, 제1 OPE 격자(3451) 및 제2 OPE 격자(3452)는 기판(3402)의 동일한 측 상에 또는 내에 배치되어, 이들은 서로 위에 중첩되어 기판(3402)의 일측 상에 2D 격자를 형성한다. 일부 실시예들에서 EPE 격자(3453)는 기판(3402)의 반대측 상에 배치되어 1D 격자를 형성한다. 인커플링된 광(3428B로 표시됨)이 격자들(3451, 3452 및 3453)을 향해 전파됨에 따라, 이는 기판(3402)의 바닥부 측 및 최상부 측 중 하나 또는 둘 모두에서 여러번 반사할 수 있다. 일부 예시들에서, 인커플링된 광의 광선들이 제1 OPE 격자(3451)에 의해 +y-방향으로 및 제2 OPE 격자(3452)에 의해 -y-방향으로 회절될 때, 이들은 (경로들(3428C 및 3428E)에 의해 각각 도시된 바와 같이) -z-방향으로 기판(3402)에 걸쳐 전파될 수 있다.
[0359] 도 35a-도 35j는 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈에서의 구현을 위한 도파관들(3500)의 다양한 설계들을 예시한다. 도파관들(3500) 각각은 본원에서 설명된 하나 이상의 실시예들과 유사할 수 있고, 예컨대, 하나 이상의 ICG들(3520), 하나 이상의 OPE들(3530), EPE(3540) 및/또는 결합된 OPE/EPS 구역(3550)을 포함할 수 있다. 예컨대, (도 35a, 도 35b 및 도 35c에 각각 예시된) 도파관들(3500A, 3500B 및 3500C) 각각은 EPE(3540)의 수직 위 및 측면에 포지셔닝된 단일 ICG(3520)를 포함하여, OPE(3530)는 EPE(3540)를 향하는 각도에서 광을 회절시킨다. 도파관(3500A)에서, OPE(3530A)는 EPE(3540A)와 부분적으로 오버랩할 수 있는 한편, OPE는 도파관들(3500B 및 3500C)에서 EPE와 오버랩하지 않을 수 있다. (도 35d, 도 35e 및 도 35f에 예시된) 도파관들(3500D, 3500E 및 3500F) 각각은 EPE(3540)의 수직 위 및 2개의 측면들 각각에 포지셔닝된 2개의 ICG들(3520)을 포함하고, 또한 EPE(3540)의 2개의 측면들을 따라 포지셔닝된 2개의 OPE들(3530)을 포함한다. OPE들(3530) 각각은 인커플링된 광을 EPE(3540)를 향해 내측으로 회절시킬 수 있다. 도파관(3500E)은 도파관(3500D)의 크로핑된(cropped) 버전에 대응할 수 있다.
[0360] 도파관(3500G)(도 35g에 예시됨)은 도 33a 내지 도 33d를 참조하여 설명된 도파관(3300) 및/또는 도 34a 및 도 34b를 참조하여 설명된 도파관(3400)과 유사하게, 결합된 OPE/EPS 구역(3550G)의 측면에 측방으로 포지셔닝된 단일 ICG(3520G)를 포함할 수 있다. 도파관들(3500H 및 3500I)(도 35h 및 도 35i에 각각 예시됨) 각각은 EPE(3540) 위에 수직으로 포지셔닝된 단일 ICG(3520) 및 EPE(3540)의 수직 위 및 측면들에 포지셔닝된 2개의 OPE들(3530)을 포함한다. 도파관(3500I)은 도파관(3500H)의 크로핑된(cropped) 버전에 대응할 수 있다. 도파관(3500J)(도 35j에 예시됨)은 90 도만큼 회전으로, 도 33a 내지 도 33d를 참조하여 설명된 도파관(3300) 및/또는 도 34a 및 도 34b를 참조하여 설명된 도파관(3400)과 유사하게, 결합된 OPE/EPS 구역(3550J)의 수직 위에 포지셔닝된 단일 ICG(3520J)를 포함할 수 있다.
광학 시스템들
[0361] 이미지 투사기는 사용자가 뷰잉하는 이미지(또는 움직이는 이미지들)를 투사할 수 있는 광학 디바이스이다. 최근에, 개혁들은 머리-장착 디바이스(즉, 근안 디스플레이 디바이스)가 이미지 투사기를 포함할 수 있게 한다. 이러한 이미지 투사기들은 머리-장착 디바이스를 착용하고 있는 사용자의 눈들에 이미지들을 투사할 수 있다. 그러나, 이러한 머리-장착 디바이스들은 파 간섭-기반(wave interference-based) 이미지 아티팩트들 및 패턴들을 유발할 수 있다.
[0362] 도 37은 기판, 예를 들어, 도파관 상에서 또는 내에서 회절 구조들, 예컨대, 회절 격자들을 사용하는 예시적인 광학 시스템(3700)을 도시한다. 광학 시스템(3700)은 가상 및 증강 현실 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 시스템(3700)은 ICG(in-coupling grating) 엘리먼트(3702) 및 DOE(diffractive optical element)(3704)를 포함하는 접안렌즈를 갖는다. 접안렌즈는 2015년 5월 29일에 출원되고 발명의 명칭이 “Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus”인 미국 특허 출원 제14/726,424호에서 설명된 바와 같이 구현될 수 있고, 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0363] ICG(3702) 및 DOE(3704)는 기판(3710) 내에 또는 상에 구현될 수 있다. 기판(3710)은 유리, 폴리머 또는 크리스탈로 제조될 수 있다. 일부 경우들에서, 기판(3710)는 투명하다. 일부 경우들에서, 기판(3710)는 또한 반투명(semi-transparent)할 수 있다. 일부 구현들에서, 기판(3710)은 슬래브 도파관을 포함한다. 도파관은 약 1.5 내지 4 범위 내의 굴절률을 갖는 재료로 제조될 수 있다. 도파관은 약 100 nm 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다. 도파관은 임의의 적절한 2-차원 평면도 형상, 예컨대, 직사각형, 정사각형, 원형 또는 타원형을 가질 수 있다.
[0364] DOE(3704)는 하나 이상의 층들을 가질 수 있고, 각각의 층은 OPE(orthogonal pupil expansion) 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE(exit pupil expansion) 회절 엘리먼트(3708)를 포함할 수 있다. ICG 엘리먼트(3702)는 예컨대 투사기로부터 입력 광빔들을 수신하고, 입력 광빔들을 기판(3710)의 DOE(3704)에 송신하도록 구성된다. 앞서 주목된 바와 같이, 기판(3710)은 도파관을 포함할 수 있고, ICG 엘리먼트(3702)는 입력 광빔들을, DOE(3704)에 커플링된 도파관에 송신한다.
[0365] 일부 예들에서, 입력 광빔들은 하기 특성들, 즉, 1) 약 200 nm 내지 2 mm의 FWHM(full-width-at-half-maximum)을 갖는 유한 빔; 2) 약 400 nm 내지 2 μm 범위 내의 파장; 3) 입력 광빔들이 도파관 내부에서 전반사될 수 있게 하는 입사 편각(polar angle). 편각은 약 35 내지 89 도 범위 내일 수 있음; 그리고/또는 4) 입력 광빔들이 도파관에서 -30 내지 30 도 범위 내에서 전파될 수 있게 하는 방위각을 갖는다.
[0366] 입력 광빔들은 TIR(total internal reflection)에 의해 도파관에서 이동할 수 있다. 층 상의 OPE 회절 엘리먼트(3706)는, 결국 편향된 광빔들 중 일부를 기판(3710) 밖으로, 예컨대, 사용자의 눈(들)을 향해 편향시키도록 구성되는 EPE 회절 엘리먼트(3708)에 입력 광빔들 중 일부를 편향시키도록 구성된다. 사용자의 눈(들)에서 균일한 휘도를 갖는 출력 이미지를 얻기 위해, EPE 회절 엘리먼트(3708)로부터의 다수의 출력된 편향된 광빔들은 균일한 세기를 가질 수 있다.
[0367] OPE 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE 회절 엘리먼트(3708)는 동일-평면에 또는 동일한 층 상에 나란히 배열될 수 있다. 기판으로부터의 광빔들을 얻기 위해, DOE(3704)는 DOE(3704)에 걸쳐, 예컨대, 선택적 회절 분포들로 광빔들을 회절시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 회절된 광의 분포는 실질적으로 균일하다. 일부 실시예들에서, 회절된 광의 양은 DOE(3704)의 프로파일에 걸쳐, 예컨대, 증가하는 그레디언트 또는 랜덤화 방식으로 가변적이다. 예컨대, 광빔들이 DOE(3704)에서 전파되고 OPE 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE 회절 엘리먼트(3708)에 의해 점진적으로 편향될 때 광빔들의 세기가 감소하기 때문에, DOE(3704)의 회절 효율성은 광빔들의 전파 경로를 따라 점진적으로 증가하도록 구성될 수 있다.
[0368] 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트(3706)는 도 37에 도시된 바와 같이 예컨대, 바닥부로부터 최상부까지 제1 방향을 따라 포지셔닝된 제1 회절 격자를 포함한다. EPE 회절 엘리먼트(3708)는 도 37에 도시된 바와 같이 예컨대, 좌측에서 우측으로 제2 방향을 따라 포지셔닝된 제2 회절 격자를 포함한다. 제1 방향과 제2 방향 간의 각도는 0 내지 90 도의 범위 내일 수 있다. 일부 경우들에서, 각도는 45 도 내지 90 도이다. 일부 경우들에서, 각도는 80 도 내지 90 도이다. 특정 예에서, 제2 방향은 제1 방향에 수직이다. 제1 회절 격자는 제1 방향을 따라 선형적으로 가변 깊이들을 갖는 회절 격자일 수 있고, 따라서 제1 회절 격자는 제1 방향을 따라 점진적으로 증가하는 회절 효율성을 가질 수 있다. 제2 회절 격자는 제2 방향을 따라 선형적으로 가변 깊이들을 갖는 회절 격자일 수 있고, 따라서 제2 회절 격자는 제2 방향을 따라 점진적으로 증가하는 회절 효율성을 가질 수 있다.
[0369] 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE 회절 엘리먼트(3708)는 선형 회절 구조들, 원형 회절 구조들, 방사상으로 대칭인 회절 구조들 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. OPE 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE 회절 엘리먼트(3708)는 광빔들을 편향시키는 것 및 포커싱하는 것 둘 모두를 위해 선형 격자 구조들 및 원형 또는 방사상으로 대칭인 회절 엘리먼트들 둘 모두를 포함할 수 있다.
[0370] DOE(3704)의 회절 구조들은 약 50 nm 내지 500 nm의 범위 내의 기간들을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 회절 구조들은 0.1 내지 3의 유전체 인덱스 콘트라스트를 갖는 굴절률의 주기적 오실레이션을 갖는다. 일부 예들에서, 회절 구조들은 주기적 금속 패턴을 갖는 유전체 재료로 제조될 수 있다. 유전체 재료는 약 1.5 내지 4의 굴절률을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트(3706) 및 EPE 회절 엘리먼트(3708)를 포함하는 DOE(diffractive optical element)(3704)는 약 0.1 mm2 내지 1 m2의 구역의 영역을 갖고, 이는 임의의 적절한 사이즈의 디스플레이 시스템, 이를테면 더 작은 디스플레이 시스템 또는 더 큰 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다.
[0371] 앞서 주목된 바와 같이, 사용자의 눈(들) 또는 다른 뷰잉 스크린들에서 균일한 휘도를 갖는 출력 이미지를 얻기 위해, EPE 회절 엘리먼트(3708)로부터의 다수의 출력된 편향된 광빔들은 균일한 세기를 가질 필요가 있을 수 있다. OPE 회절 엘리먼트(3706)는 기판(3710)에서 전파되는 입력 광빔을 복수의 출력 광빔들로 편향시키도록 구성된 제1 주기적 구조를 갖는 제1 회절 구조를 포함할 수 있다. 출력 광빔들은 서로 이격된 개개의 포지션들에서 OPE 회절 엘리먼트(3706) 밖으로 편향된다. 이격된 출력 광빔들 각각은, 입력 광빔으로부터 생성되고 개개의 포지션에서 OPE 회절 엘리먼트(3706)로부터 제1 회절 구조에 의해 편향되는 다수의 일치하는 광빔들 사이의 간섭의 결과일 수 있다. OPE 회절 엘리먼트(3706)로부터의 출력 광빔들은 서로 이격되고 따라서 서로 간섭하지 않는다. 이격된 출력 광빔들은 EPE 회절 엘리먼트(3708)에 들어가고 EPE 회절 엘리먼트(3708)의 제2 회절 구조에 의해 그리고 또한 서로 이격된 개개의 포지션들로부터 기판(3710) 밖으로 추가로 편향된다. 따라서, EPE 회절 엘리먼트(908)로부터의 출력 광빔들은 또한 공간에서 상이한 포지션들에 있고 서로 인코히어런트이다. 그에 따라서, EPE 회절 엘리먼트(3708)로부터의 이러한 출력 광빔들 사이에 어떠한 간섭도 없다. 따라서, EPE 회절 엘리먼트(3708)로부터의 출력 광빔들의 특성들은 OPE 회절 엘리먼트(3708)로부터의 출력 광빔들의 특성들에 실질적으로 의존할 수 있다.
[0372] 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트(3706)의 회절 구조들은, 예컨대 도 43 및 도 44a에 예시된 바와 같이, 출력된 회절된 광빔들의 위상들을 조작함이 없이, 출력된 회절된 광빔들의 진폭들을 조작할 수 있는 주기적 구조를 갖는다. 이러한 경우들에서, 출력 광빔 각각에 대해, 출력 광빔을 형성하는 개개의 다수의 일치하는 광빔들 사이에 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 존재할 수 있다.
디더링
[0373] 회절 도파관은 OPE의 균일한 격자들을 포함할 수 있다. 이상적인 출력 이미지는 일정한 휘도를 갖는다. 그러나, OPE의 격자들이 균일하기 때문에, 실제 출력 이미지는 불균일한 휘도를 가질 수 있다.
[0374] 도 38은 OPE의 균일한 격자에 의해 유발되는 파 간섭을 나타내는 EPE(exit pupil expander)에서 시뮬레이팅된 전기장 세기들을 예시한다. 전기장 세기(3805)는 얇은 도파관 및 큰 시야(예컨대, 40 도 곱하기 40 도)를 위해 설계된 OPE의 결과로서 관측된다. 전기장 세기(3805)로부터 볼 수 있는 바와 같이, 불량한 휘도 아티팩트뿐만 아니라 강한 파 간섭이 관측될 수 있다. 전기장 세기(3810)는 두꺼운 도파관 및 큰 시야를 위해 설계된 OPE의 결과로서 관측된다. 두꺼운 도파관은 약한 파 간섭을 나타낸다. 전기장 세기(3815)는 얇은 도파관 및 작은 시야(예컨대, 5 도 곱하기 5 도)를 위해 설계된 OPE의 결과로서 관측된다. 얇은 도파관은 강한 파 간섭을 나타낸다. 전기장 세기(3820)는 두꺼운 도파관 및 작은 시야를 위해 설계된 OPE의 결과로서 관측된다. 두꺼운 도파관은 약한 파 간섭을 나타낸다.
[0375] 도 38에서 시뮬레이팅된 결과들은, 더 얇은 도파관을 기판으로서 사용하는 것이 더 두꺼운 도파관을 사용하는 것보다 더 강한 파 간섭을 유발하는 것을 도시한다. 도 38에서 시뮬레이팅된 결과들은 또한, 더 큰 FOV, 예컨대, Y 축을 따라 더 긴 폭을 위해 설계된 OPE 회절 엘리먼트가 더 작은 FOV, 예컨대, Y 축을 따라 더 짧은 폭을 위해 설계된 OPE 회절 엘리먼트보다 더 강한 파 간섭을 유발하는 것을 도시한다. 기판으로서 더 얇은 도파관을 갖는 더 큰 FOV를 위해 설계된 OPE는 도 38에 도시된 4개의 시나리오들 중 가장 강한 파 간섭을 유발한다. 전기장 세기에서 강한 파 간섭은 뷰잉 스크린, 예컨대, 사용자의 눈(들) 상에 휘도 아티팩트들 또는 불-균일성을 유발할 수 있고, 이는 광학 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 다른 말로, 파 간섭 문제는, 시스루 혼합-현실 디스플레이들에 대해 가장 바람직한 큰 시야, 초박형 디스플레이들에서 가장 불량하다.
[0376] 예컨대, 도파관 상의 격자에 패턴들을 생성함으로써, 파 간섭은 감소될 수 있고, 출력 이미지의 휘도 균일성은 증가될 수 있다. 이 패턴들은 광의 확산을 개선하고, 따라서 출력 이미지에서 균일성을 증가시킨다. 예컨대, 경로 길이를 보존하면서 레이저 빔을 2개의 컴포넌트 빔들로 분할하기 위해 빔 분할기가 사용될 수 있다. 2개의 컴포넌트 빔들이 재결합되면, 상쇄 간섭이 초래되고 2개의 빔들은 서로를 제거한다. 이러한 접근법은 휘도 변조기를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 심지어 다른 레이저 빔과 관련하여 하나의 레이저 빔의 경로 길이에서의 매우 미묘한 변화를 행함으로써, 2개의 빔들은 완전한 위상이 되거나, 또는 위상이 90 도 벗어나서 서로를 제거할 수 있다.
[0377] Mach-Zehnder 간섭계는 출력 빔(즉, 재결합됨 빔)의 세기를 변경하기 위해 하나의 빔의 경로 길이를 조작한다. 균일한 45 도 격자로, OPE는 Mach-Zehnder 구조로서 동작하는데, 이는 광선들이 OPE를 통해 스테어 스텝핑하고 OPE를 따라 전파되고 있기 때문이다. 다른 말로, 모두 서로에 대한 위상 관계를 갖고 모두 동일한 오리지널 방출기로부터 오는 복수의 복제된 빔들이 생성된다. OPE로부터 EPE로 아래로 유동하는 임의의 빔은 실제로, 독립적 경로들을 통해 그 포인트로 온 다수의 회절된 빔들의 합성물이다. 빔들 중 일부는 OPE를 통해 스테어 스텝핑되고, 이들 중 일부는 OPE에 걸쳐 직선으로 이동하고 하향으로 직각 턴을 취한다. 그러한 빔들은 하향으로 전파될 때 재결합한다.
[0378] OPE의 대칭성을 파괴하는 하나의 방법은 OPE 구조 자체를 디더링하는 것이다. 하나의 예시적인 디더는 공간에 걸친 구조의 정현파형 디더(sinusoidal dither)이다. 구조화된 변동은, OPE의 에칭 깊이를 변경함으로써 생성될 수 있어서, 낮은 포인트들에서, 에칭 깊이는 매우 좁을 것이고, 높은 포인트들에서, 전체 에칭 깊이가 존재하여, 프랙션 효율성을 증가시킬 것이다.
[0379] 오직 예시 목적을 위해, 다음으로, 휘도 균일성을 개선하고 그리고/또는 광학 시스템에 대한 휘도 아티팩트들을 제거하기 위해, 위상 변동 패턴들을 OPE 회절 엘리먼트의 회절 구조들, 예컨대 회절 격자들에 부가하는 것에 의한 위상 섭동 방법들의 예들이 예시된다. 위상 변동 패턴들은 OPE 격자들의 기간들보다 실질적으로 더 큰 기간들을 갖는다. 예컨대, OPE 격자들의 기간들은 약 50 nm 내지 500 nm 범위 내일 수 있고, 위상 변동 패턴들의 기간들은 일부 실시예들에서 약 100 μm 내지 5 cm 범위 내일 수 있다.
[0380] 도 39a는 언디더링된 OPE(3905A) 및 언디더링된 OPE(3905A)로부터의 출력 이미지(3910A)를 예시한다. 출력 이미지(3910A)는 일부 홀수 줄무늬(striation) 패턴들을 포함하는 상당한 양의 불균일성을 갖는다. 이상적으로, 출력 이미지는 균일해야 한다. 도 39b는 정현파형 디더(3905B) 및 디더링된 OPE(3905B)로부터의 출력 이미지(3910B)를 갖는 OPE를 예시한다. 출력 이미지(3910B)는 개선된 휘도 균일성을 갖는다. 도 39c는 세미-랜덤화된(semi-randomized)(예컨대, 최적화된) 2D 디더(3905C) 및 디더링된 OPE(3910C)로부터의 출력 이미지(3910C)를 갖는 OPE를 예시한다. 출력 이미지(3910C)는 또한 증가된 전체 휘도 균일성을 갖는다. 도 39d는, 만약 뷰어가 아이박스 내에서 잘-센터링되면, 뷰어가 디더와 연관된 임의의 또는 감소된 수의 아티팩트들을 관측하지 않을 것을 예시한다. 일부 실시예들에서, 디더는 휘도 균일성과 이미지의 최종 선명도 간의 트레이드-오프뿐만 아니라 콘트라스트 효율성을 고려하여 선택될 수 있다.
[0381] 도 40a는 OPE 회절 엘리먼트, 즉, OPE 격자(4000A)의 회절 구조, 예컨대, 회절 격자에 연속적인 위상 변동 패턴들을 부가하는 예를 도시한다. OPE 격자(4000A)는 제1 방향을 따라 종방향으로 확장되는 주기적 구조를 갖는다. 패턴(4002A)은 제2 방향을 따라 종방향으로 확장되는 주기적 패턴을 갖는 예시적인 연속적인 위상 변동 패턴이다. 제1 방향과 제2 방향 간에 각도가 존재한다. 위상 변동 패턴(4002A)이 OPE 격자(4000A)에 부가될 때, OPE 격자(4000A)는 파-형 격자 형상을 갖는 격자(4004A)가 되고 OPE 격자(4000A)와 상이하다.
[0382] 패턴(4006A)은 제3 방향을 따라 종방향으로 확장되는 주기적 패턴을 갖는 다른 예시적인 연속적인 위상 변동 패턴이다. 제3 방향은 제1 방향과 실질적으로 평행하다. 위상 변동 패턴(4006A)이 OPE 격자(4000A)에 부가될 때, OPE 격자(4000A)는 변조된 격자 구조를 갖는 격자(4008A)가 되고 OPE 격자(4000A)와 상이하다.
[0383] 도 40b는 최상부에서, 언디더링된 OPE(4005B) 및 언디더링된 OPE(4005B)로부터의 출력 이미지(4010B)를 예시한다. 언디더링된 OPE(4005B)는 예컨대 바이너리 멀티-레벨 격자를 가질 수 있다. 출력 이미지(4010B)는 강한 저-주파수 아티팩트들 및/또는 휘도 불-균일성을 갖는다.
[0384] 도 40b는 바닥부에서, 디더링된 OPE(4015B) 및 디더링된 OPE(4015B)로부터의 출력 이미지(4020B)를 예시한다. 디더링된 OPE(4015B)는 격자 각도(즉, 틸팅과 대조적인 격자의 회전) 및 피치의 저주파수 공간 변동을 갖는다. 따라서, 출력 이미지(4020B)는 더 적은 저주파수 아티팩트들을 갖고, 휘도 균일성은 위상 변조될 때 실질적으로 개선되고, 디더링된 OPE(4015B)이 공간 시스템에서 구현된다.
[0385] 도 40c는 OPE 회절 엘리먼트, 즉, OPE 격자의 회절 구조, 예컨대, 회절 격자에 이산 위상 변동 패턴(4002C)을 부가하는 예를 도시한다. 이산 위상 변동 패턴(4002C)이 OPE 격자에 부가될 때, OPE 격자는 변경된 구조를 갖는 격자(4004C)가 되고 OPE 격자(4000A)의 주기적 구조와 상이하다.
[0386] 이미지(4006C)는 위상 변동 없이 OPE 격자를 갖는 광학 시스템으로부터의 출력 이미지를 도시하는 한편, 이미지(4008C)는 위상 변동을 갖는 변조된 OPE 격자(4004C)를 갖는 광학 시스템으로부터의 출력 이미지를 도시한다. 2개의 이미지들은, OPE 격자의 주기적 구조에 위상 변동을 부가함으로써 저주파수 아티팩트들이 실질적으로 삭제 또는 제거될 수 있고 휘도 균일성이 또한 실질적으로 개선될 수 있는 것을 도시한다.
[0387] 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트는 위상 디더링된 격자를 포함한다. EPE 회절 엘리먼트는 또한 위상-디더링된 격자를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 휘도 균일성을 개선하고 그리고/또는 광학 시스템에 대한 휘도 아티팩트들을 제거하기 위해, 위상 섭동들 또는 변동 방법들, 예컨대 OPE 회절 엘리먼트에 대한 것들이 또한 EPE 회절 엘리먼트의 회절 구조들에서 구현된다.
예시적인 위상 변동 패턴들
[0388] 회절 구조, 예컨대, 회절 빔 멀티플라이어 또는 회절 격자의 회절 구역들(예컨대, 주기적 구조) 내의 위상 변동들(또는 섭동들)은 회절 구조의 회절 구역들 내로 위상 변동 패턴을 구현함으로써 달성될 수 있다. 본원에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 위상 변동 패턴은 회절 구조의 특성들 및/또는 성능에 기반하여 설계 또는 결정될 수 있다. 위상 변동 패턴은 회절 구조의 기간보다 실질적으로 큰 기간을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 회절 격자는 약 50 nm 내지 500 nm 범위 내의 격자 기간을 갖는 한편, 위상 변동 패턴은 약 100 pm 내지 5 cm 범위 내의 기간을 갖는다.
[0389] 도 41a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 격자 구조들에서 디더링을 생성하기 위해 사용될 수 있는 느린 변동 패턴들을 예시한다. 느린 변동은 예컨대, 1 mm에 대한 20 nm 변동 또는 0.02% 미만의 변동일 수 있다. 변동 패턴(4105A)은 주기적 구조들 상에 상이한 위상 변동들 또는 섭동들을 유발하는 제1 및 제2 부분들의 교번적인 쌍들을 포함하는 격자 구조에서 주기적 디더링을 예시한다. 각각의 쌍은 동일한 기간들을 갖는다. 제1 및 제2 부분들은 동일한 폭 및/또는 길이를 가질 수 있다. 변동 패턴(4110A)은 격자 구조에서 등급화된 주기적 디더링을 예시한다. 변동 패턴(4105A)에 비교된 변동 패턴(4110A)의 위상 변동은 예컨대 좌측에서 우측으로의 방향을 따라 증가된 기간을 갖는다. 변동 패턴(4115A)은 격자 구조에서 컴퓨테이션방식으로(computationally) 최적화된 디더링을 예시한다. 패턴의 상이한 부분들은 주기적 구조들 상에 상이한 위상 변동들 또는 섭동들을 유발할 수 있다. 이 패턴은 위상 기여 알고리즘들 또는 컴퓨테이셔널 홀로그래피에 의해 설계 및/또는 생성될 수 있다. 일부 예들에서, 최적화된 위상 변동 패턴은 컴퓨테이셔널 홀로그램이다. 변동 패턴(4120A)은 격자 구조에서 랜덤 디더링을 예시한다. 랜덤 패턴은 랜덤 알고리즘들에 의해 설계 및/또는 생성될 수 있다. 랜덤 패턴은 확산기로서의 역할을 할 수 있다.
[0390] 도 41b-c는, 회절 구조들의 주기적 구조들의 일부 상에 위상 변동들 또는 섭동들을 유발하여, 주기적 구조들의 일부에 의해 회절되는 광빔들의 위상 시프트들에 영향을 미치기 위해 회절 구조들에서 구현될 수 있는 상이한 타입들의 이산 위상 변동 패턴들을 예시한다. 연속적인 위상 변동 패턴들과 상이하게, 이산 위상 변동 패턴들은, 주기적 구조의 일부 부분 상에 어떠한 위상 변동 또는 섭동도 유발하지 않는 부분들 및 주기적 구조의 다른 부분 상에 위상 섭동을 유발하는 부분들을 포함한다.
[0391] 도 41b는 제1 패턴 부분들(4102B) 및 제2 패턴 부분들(4104B) 및 블랭크 부분(4106B)을 포함하는 예시적인 이산 위상 변동 패턴(4100B)을 도시한다. 제1 패턴 부분들(4102B) 및 제2 패턴 부분들(4104B)은 주기적 구조 상에 위상 섭동들을 유발할 수 있는 한편, 블랭크 부분들(4106B)은 주기적 구조 상에 어떠한 위상 섭동도 초래하지 않는다. 제1 패턴 부분들(4102B) 각각은 이산적이거나 서로 별개일 수 있고, 제2 패턴 부분들(4104B) 각각은 이산적이거나 서로 별개일 수 있다. 제1 패턴 부분들(4102B) 각각은 제2 패턴 부분들(4104B) 각각으로부터 별개일 수 있다.
[0392] 도 41c는 복수의 이산 패턴 부분들(4152C) 및 하나 이상의 블랭크 부분들(4154C)을 포함하는 다른 예시적인 이산 위상 변동 패턴(4150C)을 도시한다. 이산 패턴 부분들(4152C)은 주기적 구조 상에 위상 섭동들을 유발할 수 있는 상이한 또는 동일한 사이즈들의 원들 또는 다른 형상들을 포함할 수 있다.
[0393] 위상 변동 패턴을 회절 구조의 주기적 구조로 구현하는 것 이외에, 회절 구조의 주기적 구조 내의 위상 변동들 또는 섭동들은 또한 다른 위상 변동 방법들에 의해 달성될 수 있다. 이 방법들은, 회절 구조의 주기적 구조 상에 위상 변동들 또는 섭동들을 구현하기 위해 개별적으로 또는 서로 임의의 적절한 조합들로 및/또는 임의의 적절한 위상 변동 패턴으로 사용될 수 있다.
[0394] 일부 구현들에서, 회절 구조 전에 및/또는 후에 또는 회절 구조 내에 회절 구조를 위한 프리폼 회절 렌즈가 사용, 예컨대 포지셔닝된다. 회절 렌즈는 작은 각도 변동들, 예컨대, 최대 ± 1/3 도, 및/또는 작은 피치 변동들, 예컨대, 최대 ± 1%를 포함할 수 있고, 이는 회절 구조의 주기적 구조에 의해 회절된 광빔들 상에 위상 섭동들을 유발할 수 있다.
[0395] 일부 구현들에서, 주기적 구조 상에 위상 섭동들을 생성하기 위해 회절 구조의 주기적 구조들의 직접 수정이 사용될 수 있다. 도 42a는 예시적인 회절 격자들의 주기적 구조들을 변경함으로써 다양한 위상 변동 방법들을 도시한다. 4205A, 4210A, 4215A, 4220A, 및 4225A로 참조되는 회절 격자들은 바이너리 격자들이고, 4230A로 참조되는 회절 격자는 넌-바이너리 격자일 수 있다.
[0396] 변동 패턴(4205A)은 격자 듀티 사이클에서 변동을 예시한다. 변동 패턴(4205A)은 예컨대, 각각의 라인이 다각형으로 처리되는 지오메트릭 파일에 따라 생성될 수 있다. 듀티 사이클들의 변동들은 일부 실시예들에서 1 내지 99% 이내일 수 있다. 변동 패턴(4210A)은 격자 높이에서 변동을 예시한다. 격자 높이들은 일부 실시예들에서 10에서 200 nm까지 변할 수 있다. 변동 패턴(4210A)은 예컨대, 격자의 최상부 상에서 가변 에칭 레이트, 가변 도핑 및/또는 가변 레지스트 높이를 사용함으로써 생성될 수 있다. 변동 패턴(4215A)은 격자 내에서 굴절률에서의 변동을 예시한다. 굴절률은 일부 실시예들에서 1.5에서 4까지 변할 수 있다. 변동 패턴(4215A)은 예컨대, 상이한 굴절률들을 갖는 재료들의 연속적인 증착으로 생성될 수 있다. 변동 패턴(4220A)은 기판 상에서 하위 박막 두께 변동을 예시한다. 하위 박막은 회절 격자와 기판 간에 배열(포지셔닝 또는 제조)될 수 있다. 박막은 예컨대, 1.5 내지 4의 범위 내인 굴절률을 가질 수 있다. 회절 격자를 따른 박막의 두께는 일부 실시예들에서 1 nm 내지 10 μm 내에서 변할 수 있다. 변동 패턴(4225A)는 전방의 격자가 균일한 기판의 후방에서의 박막 변동을 예시한다. 박막은 예컨대, 1.5 내지 4의 범위 내인 굴절률을 가질 수 있다. 회절 격자를 따른 박막의 두께는 일부 실시예들에서 1 nm 내지 10 μm 내에서 변할 수 있다. 변동 패턴(4220A) 및/또는 변동 패턴(4225A)은, 예컨대, 웨이퍼 상에서 폴리머의 잉크젯 증착에 의해 생성될 수 있다. 변동 패턴(4230A)은 격자의 블레이즈 또는 정점 각도(apex angle)(즉, 격자 틸팅), 피치들 및/또는 폭들에서의 변동을 예시한다. 변동 패턴(4230A)은 넌-바이너리 격자일 수 있다. 변동 패턴(4230A)은 예컨대, 웨이퍼의 부분들을 마스킹 아웃하고 나머지 부분들을 웨이퍼에 걸쳐 다양한 각도들로 에칭함으로써 생성될 수 있다. 일부 예들에서, 회절 격자는 주기적 구조를 포함하고, 회절 격자는 위상 변동 패턴은 주기적 구조의 피치의 변동 또는 주기적 구조의 격자 벡터 각도의 변동에 기반할 수 있다.
[0397] 도 42b는 회절 격자의 주기적 구조에서 위상 변동들 또는 섭동들을 구현하기 위해 가변 격자 높이들을 갖는 회절 격자를 제조하는 예시적인 방법을 도시한다. 일부 예들에서, 제조 방법은 멀티-높이 레벨 제조 방법을 포함한다. 회절 격자에서 다수(N)의 높이 레벨들(N)은 N = 2n인 제한된 수(n)의 리소그래피 단계들로 달성될 수 있다. 다수의 레벨들의 높이들을 생성하기 위해 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다.
[0398] 도 42b에 도시된 바와 같이, 격자에서 4개의 상이한 높이 레벨들이 2개의 리소그래피 단계들로 달성될 수 있는데: 첫째, 제1 패터닝된 보호 층이 기판 상에 형성되고; 둘째, 격자 구조를 형성하기 위해 재료의 제1 층이 기판 상의 보호되지 않은 영역들 상에 선택적으로 증착되고; 셋째, 제1 패터닝된 보호 층이 제거되고; 넷째, 제2 패터닝된 보호 층이 기판 및 격자 구조 상에 형성되고; 다섯째, 재료의 제2 층이 보호되지 않은 영역들 상에 선택적으로 증착되고; 여섯째, 4개의 높이 레벨들을 갖는 회절 격자를 얻기 위해 제2 패터닝된 보호 층이 제거된다.
[0399] 도 42c는 위상 변동 패턴을 갖는 회절 구조를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도(4200C)이다. 회절 구조는 회절 격자 또는 회절 빔 멀티플라이어일 수 있다. 회절 구조는 디스플레이 시스템 또는 광학 시스템에서 적용될 수 있다. 위상 변동 패턴은 본원에 도시되고 설명된 위상 변동 패턴들과 같을 수 있다.
[0400] 방법은 회절 구조(4202C)에 대한 위상 변동 패턴을 결정하는 단계를 포함한다. 회절 구조는 입력 광빔을 복수의 출력 광빔들로 편향시키도록 구성된 주기적 구조를 가질 수 있다. 각각의 출력 광빔은, 입력 광빔으로부터 생성되고 회절 구조에 의해 편향되는 다수의 일치하는 광빔들 사이의 간섭의 결과일 수 있다. 위상 변동 패턴은 주기적 구조의 기간보다 실질적으로 큰 기간을 가질 수 있다. 위상 변동 패턴을 주기적 구조 상에 위상 섭동들을 유발하도록 구성될 수 있어서, 출력 광빔들 각각에 대해, 다수의 일치하는 광빔들 사이의 간섭은 레버리징될 수 있고, 적어도, 출력 광빔의 광 파워 또는 위상이 조정될 수 있다.
[0401] 일부 구현들에서, 회절 구조에 대한 위상 변동 패턴을 결정하는 단계는 회절 구조의 하나 이상의 특성들에 기반하여 위상 변동 패턴을 설계하는 단계를 포함할 수 있다. 회절 구조의 하나 이상의 특성들은 주기적 구조의 기간, 듀티 사이클, 주기적 구조의 높이, 블레이즈드 또는 정점 각도, 및/또는 주기적 구조로부터의 출력 광빔들의 간섭 패턴을 포함할 수 있다. 위상 기여 알고리즘들 또는 컴퓨테이셔널 홀로그래피에 의해서, 간섭 패턴에서 파의 아티팩트들, 예컨대 저주파수 아티팩트들이 완화되거나 제거될 수 있도록 위상 변동 패턴이 설계되거나 결정될 수 있다.
[0402] 일부 구현들에서, 회절 구조는 제1 회절 부분 및 제1 회절 부분에 인접한 제2 회절 부분을 포함할 수 있다. 제1 회절 부분은 제1 광빔으로 하여금 제1 회절 차수로 제1 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되고, 제2 회절 부분은 제2 광빔으로 하여금 제2 회절 차수로 제2 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성된다. 제2 회절 차수는 제1 회절 차수와 동일할 수 있지만, 제2 위상 시프트는 제1 위상 시프트와 상이하다. 제1 위상 시프트와 제2 위상 시프트 간의 차이는 위상 변동 패턴과 연관될 수 있다.
[0403] 일부 구현들에서, 제1 회절 부분은 제1 회절 차수로 제1 광빔을 제1 회절된 광빔으로 편향시키도록 구성될 수 있다. 제2 회절 부분은 제2 회절 차수의 네거티브 차수로 제1 회절된 광빔을 제2 회절된 광빔으로 변향시키도록 구성될 수 있고, 제2 회절된 광빔은 제1 광빔과 비교해 위상 변화를 가질 수 있는데, 위상 변화는 제1 위상 시프트로부터 제2 위상 시프트를 감산한 것이다.
[0404] 일부 예들에서, 주기적 구조의 기간은 50 nm 내지 500 nm의 범위 내에 있을 수 있고, 위상 변동 패턴의 기간은 100 μm 내지 5 cm의 범위 내에 있을 수 있다.
[0405] 일부 예들에서, 위상 변동 패턴은 연속적인 위상 변동 패턴이도록 설계될 수 있다. 연속적인 위상 변동 패턴은 주기적 또는 등급화된 주기적 패턴, 휴리스틱(heuristic) 패턴, 컴퓨테이셔널 홀로그램, 또는 확산기와 같은 랜덤 패턴 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0406] 일부 예들에서, 위상 변동 패턴은 이산 위상 변동 패턴이도록 설계될 수 있다. 이산 위상 변동 패턴은 적어도 제1 부분 및 제2 부분을 포함할 수 있다. 제1 부분은 주기적 구조 상에서 위상 섭동들을 유발하도록 구성될 수 있고, 제2 부분은 주기적 구조 상에서 어떤 위상 섭동들도 유발하지 않도록 구성될 수 있다.
[0407] 일부 예들에서, 위상 변동 패턴은 주기적 구조의 피치의 변동, 주기적 구조의 격자 벡터 각도의 변동, 주기적 구조의 듀티 사이클의 변동, 주기적 구조의 높이 변동, 주기적 구조의 굴절률 변동, 또는 주기적 구조의 블레이즈 또는 정점 각도 변동 중 적어도 하나에 기반하도록 설계될 수 있다.
[0408] 방법은 결정된 위상 변동 패턴을 갖는 회절 구조를 기판 내에 또는 기판 상에 제조하는 단계(4204C)를 추가로 포함한다. 그 제조 방법은 리소그래피, 홀로그래피, 나노임프린팅, 및/또는 다른 적절한 방법들을 포함할 수 있다.
[0409] 일부 실시예들에서, 제조된 회절 구조는 테스팅될 수 있다. 예컨대, 입력 광은 제조된 회절 구조에 주입될 수 있고, 출력 광빔들은 뷰잉 스크린 상에 디스플레이될 수 있다. 출력 광빔들의 간섭 패턴들의 특성들, 예컨대 저주파수 아티팩트들이 존재하는지 여부에 기반하여, 위상 변동 패턴이 재설계될 수 있다. 일부 실시예들에서 프로세스는 단계(4202C)로 리턴할 수 있다.
[0410] 일부 구현들에서, 방법은 도파관을 기판으로서 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 도파관은 입력 광빔을 전반사를 통해 회절 구조로 안내하도록 구성될 수 있다. 도파관은 슬래브(slab) 도파관일 수 있고, 100 nm 내지 1 mm의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 도파관은 투명한 글래스, 폴리머, 또는 크리스탈로 만들어질 수 있다.
[0411] 일부 구현들에서, 방법은 제2 주기적 구조를 갖는 제2 회절 구조를 기판 내에 또는 기판 상에 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 회절 구조는 복수의 출력 광빔들을 회절 구조로부터 기판 밖으로 편향시키도록 구성된다. 회절 구조는 OPE 회절 엘리먼트일 수 있고, 제2 회절 구조는 EPE 회절 엘리먼트일 수 있다. 회절 구조의 위상 변동 패턴은, 회절 구조로부터 그리고 결과적으로 제2 회절 구조로부터 나오는 복수의 출력 광빔들이 동일한 광 파워들을 갖도록, 설계되거나 결정될 수 있다.
[0412] 일부 경우들에서, 제조된 제1 회절 구조 및 제조된 제2 회절 구조를 포함하는 기판은, 결과적으로 제2 회절 구조로부터 나오는 출력 광빔들의 실제 특성들을 결정하기 위해서 테스팅될 수 있다. 실제 출력 광빔들의 하나 이상의 특성들에 기반하여 회절 구조에 대한 새로운 위상 변동 패턴이 결정될 수 있다.
[0413] 도 42d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 디더링된 접안렌즈 층에 의해 광을 조작하는 예시적인 방법의 흐름도(4200D)이다. 방법은 입력 커플링 격자에서의 제1 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자에서 광원으로부터의 광을 수신하는 단계(4210D)를 포함한다.
[0414] 방법은 적어도 2개의 디멘션들에서 변하는 제2 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자에서 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하는 단계(4220D)를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 적어도 2개의 디멘션들은 피치, 정점 각도, 굴절률, 높이, 및 듀티 사이클 중 적어도 2개를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 격자 구조는 위상 변동 패턴을 갖는다. 일부 실시예들에서, 위상 변동 패턴의 기간은 100 μm 내지 5 cm의 범위 내에 있다. 일부 실시예들에서, 위상 변동 패턴은 주기적 또는 등급화된 주기적 패턴, 휴리스틱 패턴, 컴퓨테이셔널 홀로그램, 및 랜덤 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 연속적인 위상 변동 패턴을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 격자 구조는 주기적 구조를 갖는다. 일부 실시예들에서, 주기적 구조의 기간은 50 nm 내지 500 nm의 범위 내에 있다. 일부 실시예들에서, 제2 격자 구조는 위상 디더링된 격자를 포함한다.
[0415] 일부 실시예들에서, 제2 격자 구조는 제1 회절 부분 및 제1 회절 부분에 인접한 제2 회절 부분을 포함하고, 제1 회절 부분은 제1 광빔으로 하여금 제1 회절 차수로 제1 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되고, 제2 회절 부분은 제2 광빔으로 하여금 제2 회절 차수로 제2 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되고, 제2 회절 차수는 제1 회절 차수와 유사하고, 제2 위상 시프트는 제1 위상 시프트와 상이하며, 제1 위상 시프트와 제2 위상 시프트 간의 차이는 위상 변동 패턴과 연관된다. 일부 실시예들에서, 제1 회절 부분은 제1 회절 차수로 제1 광빔을 제1 회절된 광빔으로 편향시키도록 구성되고, 제2 회절 부분은 제2 회절 차수의 네거티브 차수로 제1 회절된 광빔을 제2 회절된 광빔으로 편향시키도록 구성되고, 제2 회절된 광빔은 제1 광빔과 비교할 때 위상 변화를 가지며, 위상 변화는 제1 위상 시프트로부터 제2 위상 시프트를 감산한 것이다.
[0416] 방법은 제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자에서 확장 격자로부터의 광을 수신하는 단계(4230D)를 추가로 포함한다. 방법은 뷰어에게 광을 출력하는 단계(4240D)를 추가로 포함한다.
[0417] 도 43-45는 본 발명의 실시예들을 고 레벨로부터 추가로 설명한다. 도 43은 도파관 내의 회절 빔 멀티플라이어를 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 광(4310)은 도파관 내부에서 전반사되는 시준된 빔으로서 입력된다. 입력 광(4310)은 회절 구조(4320)에 들어가고, 입력 빔의 다수의 카피들로서 출력된다(4330). 입력 각도 대 출력 각도의 1-대-1(1-to-1) 전달 함수가 존재한다.
[0418] 회절 구조(4320)는 서로 인접하는 복수의 부분들(P1, P2,..., Pn)을 정의하는 주기적 구조를 갖는다. 부분들(S1-Sn)은 회절 격자(4320)의 세로 방향에 대해 틸팅된 각도를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 도파관은 에어의 인덱스, 예컨대 n=1 보다 더 높은 인덱스, 예컨대 n=1.5 내지 4를 갖는 재료로 만들어진다. 도파관은 100 nm 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다. 회절 격자(4320)는 50 nm 내지 500 nm의 기간을 가질 수 있다.
[0419] 도 43의 디바이스는 에어에서 동작될 수 있다. 입력 광빔(4310), 예컨대 레이저 소스로부터의 시준된 광빔은 에어로부터 도파관으로 전파할 수 있다. 입력 광빔(4310)은 예컨대 TIR(total internal reflection)을 통해 도파관 내에서 이동할 수 있다. 입력 광빔(4310)이 회절 격자(4320)를 통해 이동할 때, 입력 광빔(4310)은 회절 격자(4320)의 부분들(P1, P2, ..., Pn)에 의해서 편향(예컨대, 분할 및 회절)될 수 있다. 각각의 부분에서, 입력 광빔(4310)은 분할되고 그리고 0, +1, +2와 같은 상이한 차수들의 회절된 광빔들로 회절될 수 있다. 입력 광(4310)의 0 차수 회절된 광빔은 세로 방향을 따라 순차적인 부분들에 의해서 추가로 편향될 수 있다. 입력 광빔의 더 높은 차수, 예컨대 +1 또는 -1 차수 회절된 광빔은 회절 격자(4320)의 주기적 구조 밖으로 회절될 수 있다.
[0420] 도 44a는 회절 효율성을 조작하는 빔 멀티플라이어를 통과하는 광의 경로들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 입력 광(4410A)이 진폭을 조작하는 회절 컴포넌트(4420A)를 통해 전송되어, 입력 광(4410A)의 다수의 카피들을 포함하는 출력 광(4430A)을 산출한다.
[0421] 도 44a는 주기적 구조를 갖는 회절 격자(4420A)가 회절된 광빔의 진폭을 어떻게 조작하는지를 예시한다. 입력 광(4410A)은 회절 격자(4420A)의 부분들에서 편향된다. 도 44a가 도시하는 바와 같이, 각각의 유닛 셀에 대해, 예컨대 각각의 부분에서는, 입력 광의 전기장 진폭(Ein)이 1이고 격자의 부분이 회절 효율성(d)을 갖는다고 가정하면, 더 높은 차수의 회절된 광빔은 진폭 Eout=d을 갖고, 0 차수의 회절된 광빔은 진폭 Eout=1-d를 갖는다. 이와 같은 시스템에서는, 입력 광빔(4410A)의 출력 카피들을 생성하는데 있어서 어떤 파 간섭 효과들도 존재하지 않는다.
[0422] 본 개시내용에서, 입력 광의 진폭 및 위상 둘 모두를 조작하여 출력 광빔들의 파 간섭을 조작할 수 있는 회절 구조가 제공된다. 회절 구조는 그 회절 구조의 주기적 구조에 대해 위상 변동 패턴을 가질 수 있다. 위상 변동 패턴이 주기적 구조의 기간보다 실질적으로 더 큰 기간을 가질 수 있어서, 주기적 구조의 특성들은 어떤 변화도 갖지 않거나 사소한 변화를 갖지만 파 간섭 패턴의 아티팩트들 또는 불-균일성은 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있다.
[0423] 도 44b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 파 간섭을 조작하는 빔 멀티플라이어를 통과하는 광의 경로들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 입력 광(4410B)이 진폭 및 위상을 조작하는 회절 컴포넌트(4420B)를 통해 전송되어, 입력 광의 다수의 카피들을 포함하는 출력 광(4430B)을 산출한다.
[0424] 도 44b는 회절 격자(4420B)가 회절된 광빔의 진폭 및 위상 둘 모두를 어떻게 조작하는지를 예시한다. 도 44b에 도시된 바와 같이, 입력 광빔(4410B)은 제1 편향(또는 회절)된 광빔들로의 제1 방향을 따라 회절 격자(4420B)의 제1 서브-섹션들에서 편향(예컨대, 분할 및 회절)될 수 있다. 제1 서브-섹션들은 제1 편향된 광빔들 간의 상이한 위상 시프트들을 유발하도록 구성된다. 그런다음, 각각의 제1 서브-섹션에서의 제1 편향된 광빔은 제2 편향된 광빔들로의 제2 방향을 따라 회절 격자의 제2 서브-섹션들에서 추가로 편향될 수 있다. 제2 서브-섹션들은 제2 편향된 광빔들 간의 상이한 위상 시프트들을 유발하도록 구성된다. 제2 방향은 제1 방향에 수직일 수 있다. 제2 편향된 광빔들은 회절 격자(4420B)의 다른 서브-섹션들에서 추가로 편향될 수 있다. 결국, 복수의 출력 광빔들(4430B)은 서로 이격된 개개의 포지션들로부터 회절 구조(4420B) 밖으로 편향된다. 각각의 출력 광빔(4430B)은 입력 광빔(4410B)으로부터 생성되어 회절 격자(4420B)에 의해서 편향되는 다수의 일치하는 광빔들 간의 간섭의 결과일 수 있다. 즉, 각각의 출력 광빔(4430B)은 격자(4420B)에서의 반복되는 회절 이벤트들을 통해 다수의 경로들로부터의 다수의 일치하는 광빔들의 수퍼포지션일 수 있다.
[0425] 도 44b는 광학 위상이 출력 광빔 진폭에 어떻게 영향을 줄 수 있는지를 수학적으로 설명할 수 있는 Mach Zender-유형 간섭의 하나의 유닛 셀의 광학 변환 함수를 도시한다. 도 44b에 도시된 예로서, 회절 격자의 각각의 유닛 셀은 4개의 서브-섹션들(S11, S12, S21, 및 S22)을 포함한다. 각각의 서브-섹션은 동일한 격자 피치 및 각도를 가질 수 있지만, 상이한 진폭들 및 위상 시프트들로 광을 회절시킨다.
[0426] 입력 광빔은 4개의 서브-섹션들(S11, S12, S21, 및 S22)에서 4개의 광빔들로 편향된다. 2개의 광빔들은 일치하여, 출력 광빔, 예컨대 그 출력 광빔을 형성한다. 광빔들 각각은 상이한 광 경로를 경험한다. 예컨대, 입력 광빔은 먼저 서브-섹션(S11)에서 제1 0 차수 광빔 및 제1 더 높은 차수 회절된 광빔으로 편향된다. 제1 0 차수 광빔은, 제3 더 높은 차수 회절된 광빔 및 제3 0 차수 광빔으로 서브-섹션(S22)에서 추가로 편향되는 제2 더 높은 차수 회절된 광빔을 형성하기 위해 서브-섹션(S12)에서 추가로 편향된다. 제1 더 높은 차수 회절된 광빔은 제5 0 차수 광빔(352) 및 제5 더 높은 차수 회절된 광빔으로 서브-섹션(S22)에서 추가로 편향되는 제4 더 높은 차수 회절된 광빔을 형성하기 위해 서브-섹션(S21)에서 추가로 편향된다.
[0427] 입력 광의 전기장이 입력 진폭 Ein=1 및 입력 위상
Figure pct00001
을 갖는다고 가정하면, 4개의 출력 광빔들의 전기장들은 각각
Figure pct00002
및
Figure pct00003
일 수 있고, 여기서 E1, E2, E3 및 E4는 출력 광빔들의 진폭들이고,
Figure pct00004
및
Figure pct00005
는 출력 광빔들의 위상들이며, 그 위상들은 또한 4개의 상이한 광 경로들의 위상 변화들이다. 회절된 광빔들 중 2개의 광빔들을 포함하는 제1 출력 광은 전기장
Figure pct00006
을 갖고, 회절된 광빔들 중 다른 2개의 광빔들을 포함하는 제2 출력 광은 전기장
Figure pct00007
을 갖는다. 따라서, 예컨대 회절 격자의 주기적 구조의 위상 변동들을 엔지니어링함으로써 회절 격자 내에서 서브-섹션들의 위상 시프트들을 제어하는 것은 회절된 광빔들의 진폭들 및 위상들을 제어하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라서 일치하는 다수의 회절된 광빔들 간의 간섭이 레버리징될 수 있고, 출력 광의 광 파워 및/또는 위상이 제어되거나 조정될 수 있다.
[0428] 도 45a-b는 하나의 유닛 셀에서 단순한 위상 변동 패턴들의 예들을 도시한다. 도 45a는 일치하는 출력 빔들 간의 제로의 상대 위상 차이를 생성하는 예시적인 위상 변동 패턴을 도시한다. 도 45b는 서로 간섭하는 2개의 일치하는 출력 광빔들 간에 상이한 비-제로 위상을 생성하는 예시적인 위상 변동 패턴을 도시한다. 따라서, 도 45b는 격자 구조의 위상 변동들이 출력 광빔들의 진폭을 어떻게 제어가능하게 조작할 수 있는지를 도시한다.
[0429] 위상 디더링된 격자는 0 차수를 통한 회절된 광에 대한 비-위상 시프트, 포지티브 차수를 통한 회절된 광에 대한 포지티브 위상 시프트, 및 네거티브 차수를 통한 회절된 광에 대한 네거티브 위상 시프트를 유발할 수 있다. 예컨대, 도 45a가 도시하는 바와 같이, 격자의 하나의 유닛 셀(4500A)은 제1 격자 부분(4510A) 및 제1 격자 부분(4510A)에 인접한 제2 격자 부분(4520A)을 포함할 수 있다. 제1 격자 부분(4510A) 내의 서브-섹션들은 0 차수, 포지티브 차수, 및 네거티브 차수 각각에 대해 0,
Figure pct00008
,
Figure pct00009
위상 시프트들을 유발하도록 구성된다. 제2 격자 부분(4520A) 내의 서브-섹션들은 0 차수, 포지티브 차수, 및 네거티브 차수 각각에 대해 0,
Figure pct00010
,
Figure pct00011
위상 시프트들을 유발하도록 구성된다. 디더링으로 인해, 제1 격자 부분(4510A) 및 제2 격자 부분(4520A)은 위상 변동들을 갖고, 여기서 위상 시프트
Figure pct00012
는 위상 시프트
Figure pct00013
와 동일하지 않다.
[0430] 입력 광(4501A)은 유닛 셀(4500A)에 정상적으로 입사될 수 있고, 제1 격자 부분(4510A)의 서브-섹션에 의해서, 0 차수로 제로 위상 변화를 갖는 회절된 빔(4502A)으로 그리고 포지티브 차수로
Figure pct00014
위상 변화를 갖는 회절된 빔(4505A)으로 편향될 수 있다. 회절된 빔(4502A)은
Figure pct00015
위상 변화를 갖는 회절 빔(4503A)을 획득하기 위해서 제1 격자 부분(4510A)의 서브-섹션에서 추가로 편향된다. 회절 빔(4503A)은
Figure pct00016
위상 변화를 갖는 회절 빔(404)을 획득하기 위해서 제2 격자 부분(4510A)의 서브-섹션에서 추가로 편향된다. 입력 광(4501A)이 0인 입력 위상을 갖는다고 가정하면, 회절 빔(4504A)은 입력 광(4501A)에 비해 위상 변화
Figure pct00017
를 가짐으로써, 출력 위상
Figure pct00018
을 갖는다. 유사하게, 회절 빔(4505A)은
Figure pct00019
위상 변화를 갖는 회절 빔(4506A)을 획득하기 위해서 제2 격자 부분(4520A)의 서브-섹션에 의해 편향된다. 회절 빔(4506A)은 제로 위상 변화를 갖는 회절 빔(4507A)을 획득하기 위해서 서브-섹션에 의해 편향된다. 따라서, 회절 빔(4507A)은 또한 입력 광(4501A)에 비해 위상 변화
Figure pct00020
를 가짐으로써, 회절 빔(4505A)과 동일한 출력 위상
Figure pct00021
을 갖는다. 즉, 회절 빔들(4504A 및 4507A) 간의 위상 차이
Figure pct00022
는 0이다.
[0431] 도 45b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 정확하게 디더링된 격자 구조를 통과하는 광의 경로들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 도 45b에서는, 대칭성이 깨지며, 출력이 변화된다. 출력들은 비제로이고 제어가능하다. 이 실시예에서, 회절 구역 내의 엔지니어링된 위상 섭동들은 제어가능한 보강 또는 상쇄 간섭을 허용하고, 이는 출력 포트들의 출력 휘도를 제어한다.
[0432] 도 45b는 위상 디더링된 격자의 다른 유닛 셀(4550B)을 도시한다. 유닛 셀(4550B)은 2개의 제1 격자 부분들(4510B) 및 하나의 제2 격자 부분(4520B)을 포함한다. 제2 격자 부분(4520B)은 2개의 제1 격자 부분들(4510B)에 의해서 샌드위치된다(또는 그것들 사이에 포지셔닝된다). 제1 격자 부분(4510B) 내의 서브-섹션들은 0 차수, 포지티브 차수, 및 네거티브 차수 각각에 대해 0,
Figure pct00023
,
Figure pct00024
위상 시프트들을 유발하도록 구성된다. 제2 격자 부분(4520B) 내의 서브-섹션들은 0 차수, 포지티브 차수, 및 네거티브 차수 각각에 대해 0,
Figure pct00025
,
Figure pct00026
위상 시프트들을 유발하도록 구성된다.
[0433] 입력 광(4551B)은 틸팅된 각도로 유닛 셀(4550B) 상에 입사될 수 있다. 입력 광(4551B)은 제1 격자 부분(4510B)의 서브-섹션에 의해서, 0 차수로 제로 위상 변화를 갖는 회절된 빔(4552B)으로 그리고 포지티브 차수로
Figure pct00027
위상 변화를 갖는 회절된 빔(4555B)으로 편향될 수 있다. 회절된 빔(4552B)은
Figure pct00028
위상 변화를 갖는 회절 빔(4553B)을 획득하기 위해서 제2 격자 부분(4520B)의 서브-섹션에서 추가로 편향된다. 회절 빔(4553B)은 -fit 위상 변화를 갖는 회절 빔(4554B)을 획득하기 위해서 다른 제1 격자 부분(4510B)의 서브-섹션에서 추가로 편향된다. 입력 광(4551B)이 0인 입력 위상을 갖는다고 가정하면, 회절 빔(4554B)은 입력 광(4551B)에 비해 위상 변화
Figure pct00029
를 가짐으로써, 회절 빔(4554B)은 출력 위상
Figure pct00030
을 갖는다.
[0434] 유사하게, 회절 빔(4555B)은
Figure pct00031
위상 변화를 갖는 회절 빔(4556B)을 획득하기 위해서 제2 격자 부분(4520B)의 서브-섹션에 의해 편향된다. 회절 빔(4556B)은 제로 위상 변화를 갖는 회절 빔(4557B)을 획득하기 위해서 서브-섹션에 의해 편향된다. 따라서, 회절 빔(4557B)은 입력 광(4551B)에 비해 위상 변화
Figure pct00032
를 가짐으로써, 출력 위상
Figure pct00033
을 갖는다. 결과적으로, 회절 빔들(4554B 및 4557B) 간의 위상 차이는
Figure pct00034
이다. 격자가 디더링됨에 따라, 즉, 제1 격자 부분(4510B)은 제2 격자 부분(4520B)과 상이한 위상 시프트들을 유발한다. 즉,
Figure pct00035
이다. 따라서, 출력 회절 빔들(4554B 및 4557B) 간의 비제로 위상 차이가 존재한다.
[0435] 만약
Figure pct00036
과
Figure pct00037
간의 위상 변동이 제어될 수 있다면, 출력 회절 빔들(4554B 및 4557B) 간의 위상 차이가 제어가능할 수 있고, 그에 따라서 출력 회절 빔들(4554B 및 4557B) 간의 간섭이 또한 제어가능할 수 있다. 즉, 회절 구조의 회절 구역들 내에서의 엔지니어링된 위상 변동들(또는 섭동들)은 제어가능한 보강 또는 상쇄 간섭을 허용하여서, 제어가능한 출력 휘도를 허용한다.
[0436] 본 발명의 실시예들은 특정된 연속적인 위상 함수에 의해서 섭동된 격자 패턴들에 대한 GDS 파일들을 생성하는 방법들을 또한 제공한다. 격자 벡터
Figure pct00038
를 갖는 선형 격자가 공간의 스칼라 함수의 등위들로서 특정될 수 있다:
수학식 1:
Figure pct00039
[0437] 50% 듀티 사이클 선형 격자에 대해, 격자의 라인들 내의 포인트들이 아래의 수학식에 의해 정의된다:
수학식 2:
Figure pct00040
[0438] 일반적으로 섭동되는 격자에 대해, 라인들은 아래의 수학식에 의해 정의되고:
수학식 3:
Figure pct00041
여기서
Figure pct00042
는 섭동을 표현하는 공간의 스칼라 함수이고,
Figure pct00043
는 (0, 1)의 범위에서 격자의 (어쩌면 공간적으로 변하는) 듀티 사이클이다.
[0439] EPE(exit pupil expander)에서의 깊이 함수가 아래 수학식 형태의 균일 비구면 렌즈 함수 섭동에 의해서 구현되고:
수학식 4:
Figure pct00044
여기서, EPE 격자 구역의 중심에 원점이 있는 경우
Figure pct00045
이다. 계수들(c1, c2,...)은 일반적으로 각각의 컬러 및 깊이 평면에 대해 상이하다.
[0440] 정현파형 디더 함수가 아래의 수학식에 의해 구현되고:
수학식 5:
Figure pct00046
여기서 a는 디더 함수의 진폭이고, p는 정현파의 기간이고,
Figure pct00047
는 정현파가 변하는 방향을 특정하는 단위 벡터이다. 전형적으로, 기간은 생성된 이미지들에 상당 양의 청색을 도입하지 않기 위해서 ~0.1 mm보다 크도록 제한되어야 한다.
[0441] 위와 유사하게, 처프된 정현파에 대해, 특정 프로토타입들에서 사용되는 함수는 아래의 수학식이고:
수학식 6:
Figure pct00048
여기서 x는 밀리미터의 단위에서 ICG로부터 가장 멀고 OPE에 가장 근접한 OPE의 코너에 원점을 갖는 로컬 좌표계의 x-좌표이다.
[0442] 위와 유사한 임의의 함수들에 대해, 우리는
Figure pct00049
가 공간의 임의의 함수가 될 수 있게 한다. 전형적으로, 우리는 가장 높은 공간 주파수가 ~0.1 mm의 기간에 대응하는 것을 요구한다. 실제로, 이들 "대역-제한된" 함수들이 필터링을 통해 임의의 함수로부터 생성될 수 있고:
수학식 7:
Figure pct00050
여기서 F는 푸리에 변환을 표현하고, pmin는 허용되는 공간 주파수의 최소 주기성이다.
[0443] 격자 리지 구역들이 함수의 등면 윤곽들로서 정의되기 때문에, 패턴 생성에 대한 직접적인 접근법이 사용되지 않을 수 있다.
Figure pct00051
이 (단연코) 가장 높은 공간 주파수라고 가정되기 때문에, 모든 각각의 격자 리지의 각각의 에지를 결정하기 위해서
Figure pct00052
의 방향을 따라 샘플링이 수행될 수 있다. 일단 이런 세트의 위치들이 결정되면, 샘플링이 새로운 세트의 격자 리지 에지들을 획득하기 위해서
Figure pct00053
의 방향에 수직하는 증가로 수행될 수 있고, 이들 두 세트들의 에지 좌표들은 대략적으로 증가의 길이만큼 각각의 리지 영역을 증가시키는 한 세트의 평행사변형들을 형성하기 위해 함께 스티치(stitch)될 수 있다.
[0444] 샘플링에서, 큰 상수 선형 항이 팩터 아웃될 수 있고, 주기성으로부터의 섭동이 몇몇 Newton 반복들에 의해서 신속하게 결정될 수 있다. 게다가 이것은 인접한 섭동들로부터 웜-스타트될 수 있는데, 그 이유는 이들 섭동들의 공간 변동이 느린 것으로 가정되기 때문이다.
다수의 인코히런트 이미지들의 생성
[0445] 본 발명의 일부 실시예들은 도파관-기반 근안 디스플레이들에서 다수의 인코히런트 이미지들을 생성하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 도파관-기반 디스플레이는 도파관 디스플레이들의 성능에 악영향을 미치는 파 간섭-기반 이미지 아티팩트들을 감소시키기 위해서 다수의 인코히런트 광학 이미지들을 중첩할 수 있다. 도파관 디스플레이들은 전형적으로 산만한 간섭 패턴들을 생성한다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 많은 출력 이미지들을 투사하는 도파관 디스플레이가 제공되고, 여기서 각각의 개별 출력 이미지가 고유한 간섭 패턴을 갖고 모든 패턴들의 합이 더 높은 휘도 균일성을 갖는 이미지로서 나타난다. 이것은, (A) 원하는 출력 이미지의 카피로 각각 조명되는 다수의 인-커플링 엘리먼트들을 갖는 도파관 디스플레이 및/또는 (B) 도파관 자체 내에서 다수의 인코히런트 카피들을 생성하는 단일 인-커플링 엘리먼트를 갖는 도파관 디스플레이에 의해서 달성될 수 있다.
[0446] 종래의 기법들에 비해 본 발명을 통해서 수많은 이익들이 달성된다. 예컨대, 본 발명의 실시예들은 얇은 도파관에서 넓은 시야의 고선명도 이미지를 달성하는 동시에 도파관 디스플레이에서 파 간섭-기반 이미지 아티팩트들을 감소시키기 위한 방법을 제공한다. 파 간섭 기반 이미지 아티팩트들을 감소시키는 다른 방법들은 다른 중요한 근안 디스플레이 메트릭들과의 하시 트레이드오프(harsh tradeoff)들을 가질 수 있다. OPE(orthogonal pupil expander)의 기능성을 수행하는 회절 구조들 내에서 광의 자체-간섭으로부터 심각한 파 간섭-기반 이미지 아티팩트들이 발생할 수 있다. 전형적으로, 파 간섭의 크기는 도파관 디스플레이 내에서 광의 바운스 간격에 대하여 OPE 서브엘리먼트의 크기에 비례적이다. 바운스 간격에 대하여 OPE 사이즈를 감소시키는 다음과 같은 몇몇 방식들이 존재한다: (1) 도파관 두께를 증가시키는 것(이는 근안 디스플레이로 하여금 편하게 착용하기에 너무 무겁게 되게 하고, 디스플레이 밝기를 감소시킴); (2) OPE의 공간 2-차원 풋프린트를 감소시키는 것(이는 도파관 디스플레이에 의해서 지원되는 최대 시야를 감소시킴); 및/또는 (3) 굴절률을 크게 증가시키는 것(이는 공통의 투명한 글래스들, 폴리머들, 및 크리스탈들 내에서는 가능하지 않음). 이들 트레이드오프들 때문에, 일부 회절 도파관 디스플레이들은 두껍고 그리고 단지 낮은 시야 이미지들만을 지원할 수 있다.
[0447] 파 간섭-기반 이미지 아티팩트들을 감소시키기 위한 더 복잡한 방법은, 심지어 높은 시야 이미지들을 지원하는 얇은 도파관 디스플레이들에서도, 간섭 패턴을 스크램블링하기 위한 노력으로, 전형적으로 OPE에서 공간적으로 변하는 위상 또는 진폭 섭동들의 형태로 섭동들을 회절 구조들에 부가하는 것이다. 이 방법은 파 간섭-기반 아티팩트들을 성공적으로 제거할 수 있지만, 회절 구조 내의 섭동들은 또한 도파관 디스플레이 내에서 전파하는 광빔들의 왜곡 및 파면 수차들을 유발할 수 있다. 그러므로, 회절 섭동 방법은 이미지 선명도와의 하시 트레이드오프를 갖고, 이런 기법을 사용하는 근안 디스플레이를 통해 볼 수 있는 디지털 오브젝트는 사용자에게 흐릿하게 나타날 수 있다.
[0448] 본 발명의 실시예들은 다른 기법들의 트레이드오프들을 실행하지 못할 수 있다. 파 간섭으로 간섭받는 이전 기법들은 반드시 광을 섭동하여서, 다른 원하지 않는 이미지 아티팩트들이 유발된다. 본 발명의 실시예들은 많은 출력 이미지들의 수퍼포지션을 사용하고, 여기서 각각의 개별 이미지는 강한 비섭동 파 간섭을 나타내지만, 사용자의 눈에 의한 이들 이미지들의 인코히런트 합은 내부에 있는 휘도 아티팩트들로 가장한다. 본 개시내용의 일부 실시예들은 많은 인코히런트 출력 이미지들을 중첩하는 일반적인 전략뿐만 아니라 단일 도파관 디스플레이 내에서 인코히런트 출력 이미지들을 생성하는 특정 방법들을 설명한다.
[0449] 도 46은 일부 실시예들에 따른, VOA 시스템(4600)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 시스템(4600)은 투사기(4601) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이 엘리먼트는 본원에서 추가로 설명되는 회절 광학 엘리먼트(4640), OPE(orthogonal pupil expander)(4608), 및 EPE(exit pupil expander)(4609)를 포함할 수 있다. OPE(4608) 및/또는 EPE(4609)는 또한 일부 실시예들에서 회절 광학 엘리먼트들인 것으로 고려될 수 있다. 투사기(4601) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트는 일부 실시예들에서 근안 디스플레이 디바이스에 포함될 수 있다. VOA에 관련된 부가적인 설명이 도 20과 관련하여 제공된다.
[0450] 도 47a는 도파관 디스플레이(4700A)의 블록 다이어그램이다. 도파관 디스플레이(4700A)는 OPE(4708) 및 EPE(4709)를 포함할 수 있고, OPE(4708) 및 EPE(4709)는 동공 확장 디바이스를 함께 형성한다. 도파관 디스플레이(4700A)에서의 동공 확장은 전형적으로, 이미지를 사용자의 눈을 향해 투사하도록 출력 광빔들(4720)의 2-차원 어레이(예컨대, 많은 평방 센티미터들을 커버)를 생성하기 위해서 (예컨대, 100 μm 내지 10 mm 직경을 갖는) 입력 광빔(4715)의 클로닝을 통해서 여러번 수행될 수 있다.
[0451] 도파관 디스플레이들, 이를테면 도파관 디스플레이(4700A)에서는 출력 광빔들(4720)의 어레이가 균일한 휘도를 갖지 않을 수 있다고 발명자들이 결정하였다. 또한, 도파관 디스플레이(4700A) 내에서의 간섭 효과들 때문에, 출력 광빔들(4720)의 어레이는 랜덤 간섭 패턴을 닮은 무질서한 휘도 프로파일을 가질 수 있다. 이런 타입의 예시적인 간섭 패턴이 광의 단일 특정 투사 각도에 대해 EPE를 빠져나가는 광의 공간 분포를 도시하고 있는 도 47b에 예시되어 있다. 이런 공간 분포는 "니어-필드 패턴(near-field pattern)"으로서 본원에서 지칭될 수 있다. 도 47b는 불균일하며, 수평 방향, 즉 실질적으로 OPE로 전파하는 광을 방향을 따른 방향으로의 세기 변조를 특징으로 하는 다수의 줄무늬들을 포함한다.
[0452] 큰 시야를 제공하기 위해서, 도파관 디스플레이(4700A) 상의 회절 구역들은 영역이 더 클 필요가 있을 수 있다. 그러나, 이는 도파관 디스플레이(4700A) 내의 회절 컴포넌트들과 투사된 광 간의 더 많은 상호작용들로 이어질 수 있다. 회절 컴포넌트들과의 더 많은 상호작용들은 간섭 효과들의 증가를 산출할 수 있다.
[0453] 파 간섭으로부터의 이미지 품질 문제점들을 완화시키는 것은 작은 시야 도파관 디스플레이들(예컨대, 20도 x 20도)에서는 필요하지 않을 수 있지만, 큰 시야 도파관 디스플레이들(예컨대, 40도 x 40도 이상)에서는 중요할 수 있다. 따라서, 회절 도파관 디스플레이들, 이를테면 도파관 디스플레이(4700A)에서 간섭 효과들을 완화시키기 위해 사용될 수 있는 하나의 접근법은 시야를 감소시키는 것을 포함한다. 간섭을 완화시키기 위한 다른 접근법은 도파관 두께를 증가시키는 것을 포함한다. 그러나, 혼합 현실 및/또는 증강 현실 근안 디스플레이 애플리케이션들에서는, 낮은 중량과 조합하여 또는 낮은 중량에 외에도 큰 시야를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 그에 따라서, 이들 접근법들은 바람직하지 않을 수 있다.
[0454] 간섭을 완화시키기 위한 다른 접근법은 회절 구역들에 위상 변동을 부가하는 것을 포함하고, 이는 광빔의 파면에 걸쳐 위상 에러들을 반드시 유발한다. 그런 위상 변동은 간섭 패턴들을 "스크램블링(scramble)"하고, 간섭 효과들을 제거할 수 있다. 그러나, 이미지 선명도가 감소됨으로써, 출력 이미지로 하여금 흐릿하거나 초점을 벗어나서 나타나게 할 수 있다.
[0455] 본 발명의 일부 실시예들은 간섭 패턴을 스크램블링하기보다는 오히려 다수의 인코히런트 입력들을 도파관 디스플레이에 피딩하는 것을 목적으로 한다. 각각의 입력과 연관된 출력 이미지는 그 출력 이미지에서 간섭 패턴을 여전히 생성할 수 있다. 그러나, 많은 고유한 간섭 패턴들의 수퍼포지션은 입력들의 수가 증가함에 따라 점점 균일하게 나타날 수 있다.
[0456] 도 48a는 일부 실시예들에 따라, 도파관 디스플레이(4800A)로의 다수의 입력을 예시하는 블록 다이어그램이다. 도파관 디스플레이(4800A)는 OPE(4808A) 및 EPE(4809A)를 포함할 수 있고, OPE(4808A) 및 EPE(4809A)는 동공 확장 디바이스를 함께 형성한다. 비록 단지 OPE(4808A) 및 EPE(4809A)만을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 도파관 디스플레이(4800A)는 임의의 수, 이를테면 2개 내지 20개의 인-커플링 엘리먼트들(예컨대, 회절 격자들)을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 도파관 디스플레이(4800A)는 다수의 광빔들(4810A, 4815A, 4820A)을 입력으로서 수신할 수 있다. 광빔들(4810A, 4815A, 4820A)은 다수의 광원들(예컨대, 다수의 투사기들)로부터 수신될 수 있다. 또한, 광빔들(4810A, 4815A, 4820A)은 공간적으로 변위될 수 있고, 상이한 니어-필드 패턴을 가질 수 있다.
[0457] 도파관 디스플레이(4800A)에서의 동공 확장은, 이미지를 사용자의 눈을 향해 투사하도록 많은 출력 광빔들(4825A)을 생성하기 위해서 입력 광빔들(4810A, 4815A, 4820A)의 클로닝을 통해 여러번 수행될 수 있다. 출력 광빔들(4825A)은 출력 이미지에서 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 그러나, 많은 출력 광빔들(4825A)에 의해서 생성되는 매우 많은 수의 고유한 간섭 패턴들의 수퍼포지션은 실질적으로 균일하게 나타날 수 있다. 도 48b는 일부 실시예들에 따라 다수의 입력 광빔들을 갖는 도파관 디스플레이로부터의 출력 이미지이다. 도 47b와 비교할 때, 도 48b는 더 균일하며 더 적은 줄무늬들을 나타낸다.
[0458] 도 48c는 일부 실시예들에 따라 다수의 입력 광빔들을 사용하는 도파관 디스플레이에서 다수의 인코히런트 이미지들을 생성하기 위한 방법(4800C)을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 방법은 투사기로부터 복수의 광빔들을 투사하는 단계(4810C)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 광빔들은 대신에 복수의 투사기들로부터 투사된다. 일부 실시예들에서, 복수의 광빔들은 단일 투사기 내의 다수의 광원들로부터 투사된다.
[0459] 방법은 또한 회절 광학 엘리먼트에서 투사기로부터의 복수의 광빔들을 수신하는 단계(4820C)를 포함한다. 회절 광학 엘리먼트는 도 46의 회절 광학 엘리먼트(4640)일 수 있다. 회절 광학 엘리먼트는 OPE(예컨대, OPE(4608))를 향해 복수의 광빔들을 회절시키는 격자(예컨대, 인커플링 격자)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자는 추가로 복수의 광빔들의 클로닝을 유발할 수 있어서, 더 많은 수의 광빔들이 OPE로 전송된다.
[0460] 방법은 OPE의 회절 광학 엘리먼트로부터 복수의 광빔들을 수신하는 단계(4830C)를 더 포함한다. OPE는 또한 EPE(예컨대, EPE(4609))를 향해 복수의 광빔들을 회절시키는 격자를 포함할 수 있다. 격자는 추가로 복수의 광빔들의 클로닝을 유발할 수 있어서, 더 많은 수의 광빔들이 EPE로 전송된다. 부가적으로, 방법은 EPE에서 OPE로부터의 복수의 광빔들을 수신하는 단계(4840C)를 포함한다.
[0461] 방법은 또한 복수의 광빔들의 적어도 일부를 투사된 이미지로서 투사하는 단계(4850C)를 포함한다. 출력 광빔들로서 또한 지칭될 수 있는 복수의 광빔들은 투사된 이미지에서 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 그러나, 많은 출력 광빔들에 의해서 생성되는 매우 많은 수의 고유한 간섭 패턴들의 수퍼포지션은 실질적으로 균일하게 나타날 수 있다. 많은 출력 광빔들은 다수의 입력 광빔들의 결과 및 다수의 입력 광빔들의 클로닝일 수 있다.
[0462] 도 48c에 예시된 특정한 단계들은 본 발명의 실시예에 따라 근안 디스플레이 디바이스들에서 다수의 인코히런트 이미지들을 생성하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 다른 시퀀스들의 단계들이 대안 실시예들에 따라 또한 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 게다가, 도 48c에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 대해 적합하게 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인지할 것이다.
[0463] 도 49a는 일부 실시예들에 따라 회절 빔 분할기(4915A)를 활용하는 도파관 디스플레이(4900A)로 입력되는 단일 광빔(4910A)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 도파관 디스플레이(4900A)는 OPE(4908A) 및 EPE(4909A)를 포함할 수 있고, OPE(4908A) 및 EPE(4909A)는 동공 확장 디바이스를 함께 형성한다. 비록 단지 OPE(4908A) 및 EPE(4909A)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 도파관 디스플레이(4900A)는 임의의 수의 인-커플링 엘리먼트들을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 도파관 디스플레이(4900A)는 단일 광빔(4910A)을 입력으로서 수신할 수 있다. 광빔(4910A)은 단일 투사기(미도시)로부터의 입력으로서 수신될 수 있다.
[0464] 회절 빔 분할기(4915A)는 인-커플링 엘리먼트(4907A)의 다운스트림에 배치될 수 있고, 단일 광빔(4910A)을 다수의 카피들로 분할할 수 있다. 회절 빔 분할기(4915A)는 공간적으로 분리되는 단일 광빔(4910A)의 인코히런트 카피들을 생성할 수 있다. 따라서, 단일 광빔(4910A)의 인코히런트 카피들은 인코히런트하게 함께 합해질 수 있는 고유한 간섭 패턴들을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 빔 분할기(4915A)는 50 nm 내지 500 nm인 피치의 주기적 패턴을 포함할 수 있다.
[0465] 도 49b는 일부 실시예들에 따라 회절 빔 분할기를 사용하는 도파관 디스플레이에서 다수의 인코히런트 이미지들을 생성하기 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도(4900B)이다. 방법은 투사기(예컨대, 투사기(4601))로부터의 광 입력을 투사하는 단계(4910B)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광 입력은 단일 투사기로부터의 단일 광빔을 포함할 수 있다.
[0466] 방법은 회절 빔 분할기(예컨대, 회절 빔 분할기(4915A))에서 투사기로부터의 광 입력을 수신하는 단계(4920B)를 더 포함한다. 방법은 광 입력을 회절 빔 분할기에서 복수의 광빔들로 분할하는 단계(4930B)를 더 포함한다. 구체적으로, 회절 빔 분할기는 공간적으로 분리되는 광빔의 인코히어런트 카피들을 생성할 수 있다. 따라서, 광빔의 인코히어런트 카피들은 인코히어런트하게 함께 합산될 수 있는 고유한 간섭 패턴들을 생성할 수 있다.
[0467] 방법은 OPE(예컨대, OPE(4608))에서 회절 빔 분할기로부터의 복수의 광빔들을 수신하는 단계(4940B)를 더 포함한다. OPE는 복수의 광빔들을 EPE(예컨대, EPE(4609))를 향해 회절시키는 격자를 포함할 수 있다. 격자는 복수의 광빔들의 클로닝을 추가로 유발하여서, 더 큰 수의 광빔들을 EPE에 전송할 수 있다. 방법은 EPE에서 OPE로부터의 복수의 광빔들을 수신하는 단계(4950B)를 더 포함한다.
[0468] 방법은 투사된 이미지로서 복수의 광빔들의 적어도 일부를 투사하는 단계(4960B)를 더 포함한다. 출력 광빔들은 투사된 이미지에 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 그러나, 많은 출력 광빔들에 의해 생성된 많은 수의 고유한 간섭 패턴들의 수퍼포지션은 실질적으로 균일하게 나타날 수 있다. 많은 출력 광빔들은 단일 입력 광빔의 분할 및 클로닝의 결과일 수 있다.
[0469] 도 49b에 예시된 특정한 단계들이, 본 발명의 일 실시예에 따른 근안 디스플레이 디바이스들에서 다수의 인코히어런트 이미지들을 생성하는 특정한 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 대안적 실시예들에 따라 다른 단계들의 시퀀스들이 또한 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 49b에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합한 대로 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0470] 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 입력 광빔을 분할하는 다수의 회절 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 도 50a는 일부 실시예들에 따른, 2 개의 회절 빔 분할기들(5015A, 5020A)을 활용하여 도파관 디스플레이(5000A)에 입력되는 단일 광빔(5010A)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 2 개의 회절 빔 분할기들(5015A, 5020A)을 갖는 것으로 예시되고 설명되었지만, 임의의 개수의 회절 빔 분할기들이 본원에서 논의된 실시예들에 따라 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 도파관 디스플레이(5000A)는 함께 동공 확장 디바이스를 형성하는 OPE(5008A) 및 EPE(5009A)를 포함할 수 있다. OPE(5008A) 및 EPE(5009A)만을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 도파관 디스플레이(5000A)가 임의의 수의 인-커플링 엘리먼트들을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 도파관 디스플레이(5000A)는 입력으로서 단일 광빔(5010A)을 수신할 수 있다. 광빔(5010A)은 단일 투사기(미도시)로부터 입력으로서 수신될 수 있다.
[0471] 2 개의 회절 빔 분할기들(5015A, 5020A)은 인-커플링 엘리먼트(5007A)의 다운스트림에 배치될 수 있고 단일 광빔(5010A)을 각각 다수의 카피들로 분할할 수 있다. 회절 빔 분할기들(5015A, 5020A)은 공간적으로 분리되는, 단일 광빔(5010A)의 인코히어런트 카피들을 생성할 수 있다. 따라서, 광빔(5010A)의 인코히어런트 카피들은 인코히어런트하게 함께 합산될 수 있는 고유한 간섭 패턴들을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 빔 분할기들(5015A, 5020A)은 50nm 내지 500nm 피치의 주기적 패턴을 포함할 수 있다.
[0472] 도 50b는 일부 실시예들에 따른, 다수의 회절 빔 분할기들을 사용한, 도파관 디스플레이에서의 다수의 인코히어런트 이미지들의 생성을 위한 방법을 예시하는 단순화된 흐름도(5000B)이다. 방법은 투사기(예컨대, 투사기(4601))로부터 광 입력을 투사하는 단계(5010B)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광 입력은 단일 투사기로부터의 단일 광빔을 포함할 수 있다.
[0473] 방법은 제1 회절 빔 분할기(예컨대, 회절 빔 분할기(5015A))에서 투사기로부터의 광 입력을 수신하는 단계(5020B)를 더 포함한다. 방법은 광 입력을 제1 회절 빔 분할기에서 복수의 제1 광빔들로 분할하는 단계(5030B)를 더 포함한다. 구체적으로, 제1 회절 빔 분할기는 공간적으로 분리되는 광빔의 인코히어런트 카피들을 생성할 수 있다. 따라서, 광빔의 인코히어런트 카피들은 인코히어런트하게 함께 합산될 수 있는 고유한 간섭 패턴들을 생성할 수 있다.
[0474] 방법은 제2 회절 빔 분할기(예컨대, 회절 빔 분할기(5020A))에서 투사기로부터의 광 입력을 수신하는 단계(5040B)를 더 포함한다. 방법은 광 입력을 제2 회절 빔 분할기에서 복수의 제2 광빔들로 분할하는 단계(950)를 더 포함한다. 구체적으로, 제2 회절 빔 분할기는 공간적으로 분리되는 광빔의 인코히어런트 카피들을 생성할 수 있다. 따라서, 광빔의 인코히어런트 카피들은 인코히어런트하게 함께 합산될 수 있는 고유한 간섭 패턴들을 생성할 수 있다.
[0475] 방법은 OPE(예컨대, OPE(5008A))에서 제1 회절 빔 분할기 및 제2 회절 빔 분할기로부터 각각 복수의 제1 광빔들 및 복수의 제2 광빔들을 수신하는 단계(5060B)를 더 포함한다. OPE는 복수의 제1 광빔들 및 복수의 제2 광빔들을 EPE(예컨대, EPE(5009A))를 향해 회절시키는 격자를 포함할 수 있다. 격자는 복수의 제1 광빔들 및 복수의 제2 광빔들의 클로닝을 추가로 유발하여서, 더 큰 수의 광빔들을 EPE에 전송할 수 있다. 방법은 EPE에서 OPE로부터의 복수의 제1 광빔들 및 복수의 제2 광빔들을 수신하는 단계(5070B)를 더 포함한다.
[0476] 방법은 투사된 이미지로서 복수의 제1 광빔들 및 복수의 제2 광빔들의 적어도 일부를 투사하는 단계(5080B)를 더 포함한다. 출력 광빔들은 투사된 이미지에 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 그러나, 많은 출력 광빔들에 의해 생성된 많은 수의 고유한 간섭 패턴들의 수퍼포지션은 실질적으로 균일하게 나타날 수 있다. 많은 출력 광빔들은 단일 입력 광빔의 분할 및 클로닝의 결과일 수 있다.
[0477] 도 50b에 예시된 특정한 단계들이, 본 발명의 일 실시예에 따른 근안 디스플레이 디바이스들에서 다수의 인코히어런트 이미지들을 생성하는 특정한 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 대안적 실시예들에 따라 다른 단계들의 시퀀스들이 또한 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 50b에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합한 대로 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0478] 위에서 설명된 다양한 실시예들이 단독으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 예컨대, 다수의 입력 광빔들이 하나 이상의 회절 빔 분할기들과 조합된 도파관 디스플레이에 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 추가로, 비록 근안 디스플레이들(예컨대, 혼합 현실, 가상 현실, 및/또는 증강 현실 웨어러블 디바이스들)에 적용가능한 것으로서 본원에서 설명되지만, 본 발명의 실시예들이 원안 디스플레이들(예컨대, 승용차 윈드쉴드들), 눈 추적용 적외선 조명기들, 3 차원 깊이 감지, 및/또는 다른 컴퓨터 비전 시스템들에서 활용될 수 있다는 것이 고려된다.
텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들의 억제
[0479] 일부 실시예들에 따르면, 근안 디스플레이 디바이스들에서 텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들을 억제하기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. 회절 광학 엘리먼트는 텔레센트릭 투사기로부터의 광을 도파관-기반 근안 디스플레이 디바이스에 커플링하기 위해 사용될 수 있다. 반사들은, 이를테면 회절 광학 엘리먼트 상에 격자들을 구현함으로써 다양한 기법들 중 하나 이상을 통해 텔레센트릭 투사기를 향해 다시 전파되는 것이 방지될 수 있다.
[0480] 텔레센트릭 투사기가 큰 시야의 근안 디스플레이를 가능하게 하는 것이 원해지지만, 전형적으로 투사기와 도파관 디스플레이 간의 전후(back-and-forth) 반사들로부터 결과적인 "고스트(ghost)" 이미지 아티팩트들에 시달리고 있다. 근안 디스플레이들에서 좋지 않은 선택들인 다른 광학 시스템들에서 반사들을 제거하는 2 개의 기법들이 있다. 첫째, 비-텔레센트릭 투사기가 사용될 수 있지만, 이는 디스플레이 어셈블리의 사이즈 및 중량을 증가시키고 디스플레이의 최대 시야를 상당히 제한할 수 있다. 둘째, 원형 편광기에 기반하여 광학 아이솔레이터가 사용될 수 있다. 원형 편광기들은 노출된 글래스 또는 부분적인 거울로부터의 광의 반사처럼 나노-패터닝이 없는 디바이스들로부터의 후방 반사(back reflection)들을 방지하는 데 적합하다. 그러나, 원형 편광기를 포함하는 광학 아이솔레이터는 종래의 근안 디스플레이들에 사용되는 1D 격자들처럼 회절 광학 엘리먼트들의 편광 응답과 양립할 수 없을 수 있다. 도파관 디스플레이들에 전형적으로 사용되는 1D 격자들처럼 회절 컴포넌트들은 나노-패터닝이 없는 노출된 글래스의 편광 응답과는 매우 다른 높은 편광 민감도를 나타낸다. 본 발명의 실시예들은, 원형 편광기와 함께 도파관 디스플레이와 투사기 간의 반사들을 성공적으로 제거할 수 있는 노출된 글래스의 것을 모방하기 위해 대칭 편광 응답들을 갖는 회절 광학 엘리먼트들을 사용할 수 있다. 추가로, 본 발명의 실시예들에 사용되는 고유한 회절 광학 엘리먼트들은, 도파관 디스플레이 내의 결과적인 광학 엘리먼트들에 대한 높은 효율성의 광학 커플링을 가능하게 하는 비대칭 인-커플링 효율성을 갖는다.
[0481] 도 51a는 일부 실시예들에 따른 텔레센트릭 투사기 시스템(5100A)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 텔레센트릭 투사기 시스템(5100A)은 투사기(5101) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)는 본원에서 추가로 설명된 바와 같이 인커플링 격자, OPE 구역, 및 EPE 구역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투사기(5101) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)는 근안 디스플레이 디바이스에 포함될 수 있다.
[0482] 도 51a의 투사기(5101)는 투사기(5101)의 광학 축이 후속적 광 조작 디바이스들(예컨대, 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150))의 광학 축과 일치한다는 점에서 텔레센트릭한 것이다. 예컨대, 도 51a에서, 투사기(5101)는 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)의 평면에 수직으로 광(5107A)을 투사할 수 있다. 텔레센트릭 배향 때문에, 광(5107A)의 반사(5107B)는 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)로부터 투사기(5101)로 다시 전파될 수 있다. 이것은 반사(5107B)가 다시 투사기(5101)를 빠져나갈 때 이미지 아티팩트들을 유발할 수 있다. 이들 이미지 아티팩트들은 의도된 이미지에 겹쳐진 의도된 이미지의 시프팅된 것으로서, 미러링된 것으로서 또는 카피들로서 나타날 수 있는 "고스트" 이미지들로서 나타날 수 있다. 이들 이미지 아티팩트들은 산만하며, 전체 디스플레이 시스템의 콘트라스트를 낮출 수 있다.
[0483] 이미지 아티팩트들과 연관된 문제들을 해결하기 위한 하나의 접근법은 비-텔레센트릭 구성을 사용하는 것을 수반한다. 도 51b는 일부 실시예들에 따른, 비-텔레센트릭 투사기 시스템(5110B)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 비-텔레센트릭 투사기 시스템(5110B)은 투사기(5101) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투사기(5101) 및 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)는 근안 디스플레이 디바이스에 포함될 수 있다.
[0484] 도 51b의 투사기(5101)는 투사기(5101)의 광학 축이 후속적 광 조작 디바이스들(예컨대, 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150))의 광학 축과 정렬되지 않는다는 점에서 비-텔레센트릭한 것이다. 예컨대, 도 51b에서, 투사기(5101)는 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)에 대한 수직 방향에 대하여 일 각도로 배향될 수 있다. 비-텔레센트릭 배향 때문에, 광(5107A)의 반사(5107B)는 투사기(5101)로부터 멀어지게 부분적으로 또는 완전히 도파관 디스플레이 엘리먼트(5150)에 의해 전파될 수 있다. 그러나, 비-텔레센트릭 구성은, 수차들, 이를테면 크로매틱 분산 및 필드 만곡이 더 두드러질 수 있기 때문에 투사기(5101)의 설계를 더 복잡하게 만들 수 있다. 게다가, 비-텔레센트릭 구성의 투사기(5101)는 텔레센트릭 구성의 투사기보다 더 클 필요가 있을 수 있고, 접안렌즈에 시야를 제한할 수 있다.
[0485] 따라서, 근안 디스플레이 디바이스들에서 텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들을 억제하기 위한 시스템들 및 방법들이 필요하다. 본 발명의 실시예들은 텔레센트릭 투사기와 후속적 광 조작 디바이스들(예컨대, 회절 인 커플링 엘리먼트, 도파관 동공 확장기 등) 간에 원형 편광기를 구현함으로써 이러한 필요성 등을 만족시킨다. 추가로, 본 발명의 실시예들은 동일한 방향으로의 극히 낮은 효율성으로 특정 편광 좌우상(polarization handedness)(예컨대, 우선회식 또는 시계방향, 좌선회식 또는 반시계방향)에서 원형 편광의 반사를 나타내는 회절 인 커플링 엘리먼트를 구현할 수 있다.
[0486] 도 52는 일부 실시예에 따른, 근안 디스플레이 디바이스에서 텔레센트릭 투사기(5201)로부터의 반사들을 억제하기 위한 시스템(5200)을 예시하는 블록 다이어그램이다. 시스템(5200)은 투사기(5201), 원형 편광기(5210), 회절 광학 엘리먼트(5240), 직교 동공 확장기(5208), 및 출사 동공 확장기(5209)를 포함할 수 있다. 회절 광학 엘리먼트(5240)는 본원에서 추가로 설명된 바와 같이 인커플링 격자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(5200)은 근안 디스플레이 디바이스, 이를테면 머리 장착 디바이스에 포함될 수 있다. 투사기(5201) 외부에 있는 것으로서 도시되고 설명되었지만, 원형 편광기(5210)가 일부 실시예들에서 투사기(5201) 내부에 포지셔닝될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시예들에서, 투사기(5201)는 편광 회전-기반 공간 광 변조기를 포함할 수 있다.
[0487] 시스템(5200)은 투사기(5201)를 포함할 수 있으며, 이 투사기(5201)는, 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 하나 이상의 표면들에 로케이팅된 회절 광학 엘리먼트(5240)를 통해 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)와 커플링된 상태로, 텔레센트릭 방식으로(telecentrically) 투사하도록 설계된다. 이들 엘리먼트들은 본원에서 추가로 설명된 바와 같이 도파관 디스플레이 엘리먼트의 엘리먼트들일 수 있다. 도 52에서 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 하나의 표면 상에만 로케이팅된 것으로서 도시되지만, 회절 광학 엘리먼트(5240)가 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 둘 이상의 표면들 상에 로케이팅될 수 있다는 것이 고려된다. 추가로, 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 하나의 표면을 완전히 커버하는 것으로서 도시되지만, 회절 광학 엘리먼트(5240)가 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 하나 이상의 표면들의 부분들을 대안적으로 또는 부가적으로 커버할 수 있다는 것이 고려된다.
[0488] 투사기(5201)의 광학 축은 회절 광학 엘리먼트(5240) 및/또는 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)에 대한 표면 법선에 정렬될 수 있다. 원형 편광기(5210)가 회절 광학 엘리먼트(5240)와 투사기(5201) 간에 삽입될 수 있다. 투사기(5201)는 광(5207)을 원형 편광기(5210) 상에 투사할 수 있다. 원형 편광기(5210)는 광(5207)을 수신할 수 있고, 원형으로 편광된 광으로 광(5207)을 원형으로 편광시킬 수 있으며, 그리고 특정 좌우상(예컨대, 우선회식 또는 시계방향, 좌선회식 또는 반시계방향)으로 원형으로 편광되는 광(5215)을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원형으로 편광된 광(5215)은 복수의 시야 방향들에 대해 원형으로 편광될 수 있다. 회절 광학 엘리먼트(5240)는 이 원형으로 편광된 광(5215)을, 직교 동공 확장기(5208) 및 출사 동공 확장기(5209)의 전반사된 모드들에 커플링하도록 설계될 수 있다.
[0489] 원형 편광기(5210)는, 높은 소광비를 가지며 투명한 그리고/또는 흡수하는 재료들을 포함할 수 있는 다양한 컴포넌트들 중 임의의 컴포넌트에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 원형 편광기(5210)는 선형 편광기 및 사분의일 파장판을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 원형 편광기(5210)는 0 차 이상의 이색성 편광자를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 원형 편광기는 복굴절 재료들의 박막 스택을 포함할 수 있다. 이론적으로 말하면, 직교 동공 확장기(5208), 출사 동공 확장기(5209) 및 회절 광학 엘리먼트(5240)가, 자신의 표면 법선이 투사기(5201)의 축선에 정렬된 상태로 배향된 완전 평면 거울로 교체되면, 원형 편광기(5210)로부터 나오는 원형으로 편광된 광(5215)은 거울로부터 반사되어 투사기(5201)를 향해 다시 전파될 것인데, 반사는 원형으로 편광된 광(5215)(예컨대, 시계방향 및 반시계방향)과 반대 편광 좌우상을 갖는다. 따라서, 원형 편광기(5210)는 반대 편광 좌우상을 갖는 입사광을 흡수하도록 선택되거나 또는 구성될 수 있다.
[0490] 회절 광학 엘리먼트(5240)는, 원형 편광기(5210)로부터 나오는 원형으로 편광된 광(5215)이 낮은 효율성으로 동일한 편광 좌우상으로 반사되도록 설계될 수 있어서, 임의의 반사가 존재하면, 그것은 반대 편광 좌우상을 특징으로 하며, 그리고 회절 광학 엘리먼트(5240), 직교 동공 확장기(5208) 및/또는 출사 동공 확장기(5209)로부터의 반사 후에 원형 편광기(5210)에 의해 흡수될 수 있다. 회절 광학 엘리먼트(5240)의 지오메트릭 구조는 원하는 편광 특징들을 달성하도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트(5240)는 격자를 포함할 수 있다. 예컨대, 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 플랫 톱 또는 바닥부 또는 교차된 격자 구조들을 갖는 블레이즈드 격자들이 회절 광학 엘리먼트(5240) 상에 구현될 수 있다. 1-차원 주기성을 갖는 바이너리 라멜라 또는 블레이즈드 격자들은 격자 그루브들을 따라 또는 이 격자 그루브들에 수직인 선형으로 편광된 광에 대하여 편광 선택적일 수 있다.
[0491] 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트(5240)는 편광-둔감 래티스 대칭성을 포함할 수 있다. 고도의 대칭성을 갖는 격자들을 이용하여, 완벽한 편광 둔감도가 달성될 수 있다. 이들 격자들은, 유닛 셀들이 정사각형들 또는 정육각형들인 정사각형 또는 삼각형 대칭성을 갖는 래티스들을 포함할 수 있다. 각각의 유닛 셀 내의 스캐터링 엘리먼트는 정사각형들, 십자형들, 팔각형들, 또는 정사각형 래티스 예에서 C4 대칭성을 갖는 임의의 다른 형상에 의해 형성될 수 있다. 삼각형 래티스 예에서, 스캐터링 엘리먼트는 C6 대칭성을 가질 수 있다. 이들 격자들은 편평한 평면형 인터페이스의 반사 특징들과 유사한 반사 특징들을 가질 수 있다. 원형 편광기들의 사용에 관련된 부가적인 설명은 도 95a 및 연관된 설명과 관련하여 제공된다.
[0492] 도 53a는 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트 상의 정사각형 래티스 격자 구조를 예시하는 블록 다이어그램이다. 정사각형 래티스 격자 구조는 복수의 정사각형 래티스 엘리먼트들(5300A)을 포함할 수 있다. 정사각형 래티스 엘리먼트(5300A)는 C4 대칭성을 가질 수 있다. 추가로, 정사각형 래티스 엘리먼트(5300A)는 화살표 방향들로(예컨대, 수평으로 그리고 수직으로) 광을 실질적으로 동일하게 회절시킬 수 있다.
[0493] 도 53b는 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트 상의 원형의 둥근 엘리먼트 격자 구조를 예시하는 사진이다. 원형의 둥근 엘리먼트 격자 구조는 복수의 원형 래티스 엘리먼트들(5300B)을 포함할 수 있다. 원형 래티스 엘리먼트(5300B)는 C4 대칭성을 가질 수 있다. 추가로, 원형 래티스 엘리먼트(5300B)는 화살표 방향들로(예컨대, 수평으로 그리고 수직으로) 광을 실질적으로 동일하게 회절시킬 수 있다.
[0494] 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 바이너리, 다중 레벨, 또는 블레이즈드 격자를 포함할 수 있다. 격자는 "교차" 또는 "교차 절단"될 수 있다. 예컨대, 블레이즈드 격자는 블레이즈드 그루브들에 수직으로 에칭된 그루브들을 가질 수 있다. 회절 효율성을 최적화하기 위해, 수직 그루브들의 주기는 수직 방향을 따라 회절을 억제하기 위해 광의 파장 미만일 수 있다. 이 주기의 정확한 값은 근안 디스플레이 디바이스의 설계된 시야에 의존할 수 있지만, 주 격자 피치보다 작을 수 있다.
[0495] 도 54a는 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트(5410A)의 바이너리 격자 리지들(5420A)의 평면도이다. 바이너리 격자 리지들(5420A)은 화살표 방향들로 동일하게 광(5430A)을 회절시킬 수 있다. 도 54b는 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트(5410B)의 교차-절단 바이너리 격자 리지들(5420B)의 평면도이다. 도 54b의 교차-절단 바이너리 격자 리지들(5420B)은 도 54a의 바이너리 격자 리지들(5420A)로 가는 라인들을 컷팅함으로써 생성될 수 있다. 교차-절단 바이너리 격자 리지들(5420B)은 감소된 편광 민감도를 가질 수 있지만, 여전히 화살표 방향들로 광(5430B)을 동일하게 회절시킬 수 있다. 추가로, 교차-절단 바이너리 격자 리지들(5420B)은 회절을 억제하면서 동시적으로, 반사를 주입된 광과 동일한 편광 상태로 감소시킬 수 있다. 도 54a 및 도 54b에 도시된 격자들은, 높은 대칭성을 갖는 래티스에 대해 4 개 또는 6 개가 아닌 단지 2 개의 방향들로 동일하게 회절시킬 수 있다.
[0496] 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 다른 방향들보다 하나의 방향으로 더 강하게 회절시키도록 설계되는 격자를 가질 수 있다. 이는 원치 않은 방향들로의 회절로 손실되는 상당한 양의 광이 있기 때문에 고도의 래티스 대칭성을 갖는 격자의 사용을 배제할 수 있다. 도 55는 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트(5510)의 교차-절단 바이어싱된 격자 리지들(5520)의 평면도이다. 도 55에서, 격자를 구성하는 스캐터링 엘리먼트들의 형상을 최적화함으로써, 격자(5520)는 2 개의 방향들 중 하나(예컨대, 우측 방향(5530B)과 반대로 좌측 방향(5530A))를 향해 바이어스를 도입하도록 개선되었다. 예컨대, 도 54b의 직사각형 엘리먼트들은 하나의 방향으로 더 강력하게 회절시키는 격자를 생성하기 위해 삼각형 엘리먼트들로 교체될 수 있다. 도 56은 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트(5610) 상의 삼각형 엘리먼트 격자 구조(5620)를 예시하는 사진이다. 도 56은 제조된, 도 55에 예시된 격자 구조를 표현할 수 있다. 도 57은 일부 실시예들에 따른, 회절 광학 엘리먼트(5710) 상의 타원형 엘리먼트 격자 구조(5720)를 예시하는 사진이다.
[0497] 다양한 프로세스들이 본원에서 설명된 격자들을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 전자 빔 리소그래피가 사용될 수 있다. 전자 빔 리소그래피에 따르면, 전자 빔 레지스트가 웨이퍼 상에서 스피닝되고, 전자 빔이 패턴 영역에 걸쳐 스캐닝되고, 레지스트가 현상되고, 그런다음 에칭 프로세스가 패턴을 웨이퍼에 전달하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 레지스트는 표면 릴리프 패턴으로서 직접 사용될 수 있다. 레지스트는 포지티브 또는 네거티브일 수 있다(즉, 노출된 영역은 피트 또는 메사일 수 있다). 에칭 프로세스는 건조(예컨대, 반응성 이온 에칭, 화학적 보조된 이온 빔 에칭 등) 또는 습식(예컨대, 포타슘 하이드록사이드 욕) 일 수 있다. 이 프로세스는 고해상도 패턴을 생성할 수 있으며, 따라서 예리한 지오메트릭 피처들이 생성될 수 있다(예컨대, 20 nm 해상도까지).
[0498] 다른 예에서, 레티클 포토마스크들을 이용한 스캐닝 자외선(UV) 리소그래피가 사용될 수 있다. 레티클 포토마스크는 주기적 격자 패턴으로 이루어질 수 있고, 일부 실시예들에서, 확대 팩터(예컨대, 4 배 또는 5 배)로 이루어질 수 있다. 레티클은 웨이퍼 상에서 스피닝된 포토레지스트를 노출하기 위해 UV 리소그래피 시스템에서 마스크로서 사용될 수 있다. 레지스트는 현상될 수 있고, 패턴은 에칭 프로세스, 이를테면 위에서 설명된 에칭 프로세스를 통해 웨이퍼에 전달될 수 있다. 이 프로세스는 수십 나노미터의 해상도로 제한될 수 있다. 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 다수의 노출들이 또한 사용될 수 있다.
[0499] 다른 예에서, 이 광자(two photon) 중합이 사용될 수 있다. 액상 레지스트는 기판 상에서 스피닝될 수 있고, 비-공선형 저에너지(즉, 중합화 임계 에너지의 절반 미만의 에너지) 광자들의 2 개의 빔들이 패턴 위치들로 지향된다. 빔들이 교차하는 곳에서, 2-광자 화학 프로세스는 레지스트를 중합화하여 그것을 가교-결합된 고체로 바꾼다. 레지스트는 현상될 수 있고, 중합화된 패터닝된 영역들은 남아 있을 수 있다. 패턴은 직접 사용될 수 있거나, 또는 에칭 프로세스, 이를테면 위에서 설명된 에칭 프로세스를 사용하여 기판에 전달될 수 있다. 이 프로세스는 느릴 수 있지만, 매우 높은 해상도가 가능하다.
[0500] 다른 예에서, 다중 노출 간섭 리소그래피가 사용될 수 있다. 비-공선형 코히어런트 광의 2 개의 빔들은 레지스트-코팅된 기판으로 지향될 수 있다. 빔들이 보강 간섭하는 경우, 레지스트는 노출될 수 있고, 빔들이 상쇄 간섭하는 경우, 레지스트는 노출되지 않을 수 있다. 빔들은 동일한 방향으로 편광된 대략적인 평면파들이어서, 라인들의 주기적 어레이로 이루어지는 간섭 패턴들이 산출될 수 있다. 이 프로세스는 라인들로 이루어진 1 차원 주기적 격자들에 사용될 수 있다. 이 프로세스는 라인들이 서로 수직이 아닌 다수의 노출들을 수행함으로써 확장될 수 있는데, 예컨대 정사각형 또는 헥사고날 유닛 셀들을 갖는 2 차원 주기적 격자들을 정의할 수 있다.
[0501] 다른 예에서, 포커싱된 이온 빔 밀링이 사용될 수 있다. 예컨대, 갈륨 이온들의 빔은 기판을 가격하기 위해 가속될 수 있고, 재료들을 물리적으로 스퍼터링하거나 또는 어뷸레이팅할 수 있다. 패턴들이 기판들에서 "파내질" 수 있다. 이 프로세스는 느릴 수 있지만, 고해상도이다. 그러나, 어뷸레이팅된 재료는 재축적되는 경향이 있을 수 있다.
[0502] 다른 예에서, 자가-조립 마스크들이 사용될 수 있다. 현탁액에 있는 한 세트의(예컨대, 폴리스티렌) 비드들 또는 입자들이 기판 상에 배치될 수 있다. 증발을 통해, 입자들은 표면 장력으로 인해 규칙적 주기적 어레이들로 자가-조립되는 경향이 있을 수 있다. 이들 자가-조립된 패턴들은 회절 구조 자체 또는 패턴 전달을 위한 물리적 에칭 마스크로서의 역할을 하기 위해 정확한 주기성을 가질 수 있다. 이들 자가-조립 구조들은 분해를 방지하기 위해 고정(fixation)이 또한 필요할 수 있다.
[0503] 격자는 또한 매스 생성될 수 있다. 격자를 매스 생성하기 위해 다양한 기법들이 사용될 수 있다. 예컨대, 나노-임프린트 리소그래피가 사용될 수 있다. 마스터 템플릿 표면 릴리프 패턴은 복제품들을 스탬핑하기 위해 사용될 수 있다. 이 마스터 템플릿은 딱딱하거나(이를테면, 부가적인 웨이퍼들을 스탬핑하기 위해, 에칭된 실리콘 웨이퍼를 직접 사용함) 또는 플렉서블(이를테면, 폴리머 기판의 롤 상의 표면 릴리프 패턴)할 수 있다. 게다가, 일부 회절 구조들은, 새로운 패턴들을 리소그래피방식으로 노출하기 위해 사용될 수 있는 니어-필드 또는 공중 회절 패턴을 생성하기 위해 조명될 수 있다.
[0504] 도 58은 본 발명의 일 실시예에 따른, 근안 디스플레이 디바이스들에서 텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들을 억제하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도(5800)이다. 방법은 투사기로부터 광을 투사하는 단계(5810)를 포함한다. 투사기는 예컨대 본원에서 설명된 투사기들 중 임의의 투사기일 수 있다. 투사기는 회절 광학 엘리먼트들에 수직으로 광을 투사하도록 구성될 수 있다. 투사기는 편광 회전-기반 공간 광 변조기를 포함할 수 있다.
[0505] 방법은 원형 편광기에서, 투사된 광을 수신하는 단계(5820)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 원형 편광기는 선형 편광기 및 사분의일 파장판을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원형 편광기는 0 차 이상의 이색성 편광자를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원형 편광기는 복굴절 재료들 또는 박막 스택을 포함할 수 있다. 원형 편광기는 예컨대 본원에서 설명된 원형 편광기들 중 임의의 원형 편광기일 수 있다.
[0506] 방법은 투사된 광을 제1 편광 좌우상을 특징으로 하는 원형으로 편광된 광으로 원형으로 편광시키는 단계(5830)를 더 포함한다. 제1 편광 좌우상은 우선회식(즉, 시계방향) 또는 좌선회식(즉, 반시계방향)일 수 있다. 원형으로 편광된 광은 복수의 시야 방향들에 대해 원형으로 편광될 수 있다.
[0507] 방법은 회절 광학 엘리먼트에서, 원형 편광기로부터의 원형으로 편광된 광을 수신하는 단계(5840)를 더 포함한다. 회절 광학 엘리먼트는 예컨대 본원에서 설명된 회절 광학 엘리먼트들 중 임의의 회절 광학 엘리먼트일 수 있다. 회절 광학 엘리먼트는 격자, 이를테면, 예컨대, 인커플링 격자를 포함할 수 있다. 격자는 바이너리 격자, 다중 레벨 격자, 또는 블레이즈드 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 격자는 편광-둔감 래티스 대칭성을 포함할 수 있다. 편광-둔감 래티스 대칭성은 정사각형 래티스 대칭성 또는 삼각형 래티스 대칭성 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0508] 방법은 직교 동공 확장기에서, 회절 광학 엘리먼트로부터의 원형으로 편광된 광을 수신하는 단계(5850)를 더 포함한다. 직교 동공 확장기는 예컨대 본원에서 설명된 OPE들 중 임의의 OPE일 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트 및/또는 직교 동공 확장기는 원형으로 편광된 광의 반사를, 제1 편광 좌우상에 대향하는 제2 편광 좌우상으로 반사할 수 있다(즉, 제1 좌우상이 우선회식일 수 있는 한편, 제2 좌우상은 좌선회식일 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다). 회절 광학 엘리먼트는 제1 편광 좌우상의, 원형으로 편광된 광의 임의의 반사를 억제하면서, 제2 편광 좌우상의, 원형으로 편광된 광의 반사를 원형 편광기에 전달하도록 구성될 수 있다. 이들 실시예에서, 원형 편광기는 제2 편광 좌우상의, 원형으로 편광된 광의 반사를 흡수할 수 있다. 방법은 출사 동공 확장기에서, 직교 동공 확장기로부터의 원형으로 편광된 광을 수신하는 단계(5860)를 더 포함한다. 방법은 투사된 이미지로서, 원형으로 편광된 광의 적어도 일부를 투사하는 단계(5870)를 더 포함한다.
[0509] 도 58에 예시된 특정한 단계들이, 본 발명의 일 실시예에 따른 근안 디스플레이 디바이스들에서 텔레센트릭 투사기들로부터의 반사들을 억제하는 특정한 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 대안적 실시예들에 따라 다른 단계들의 시퀀스들이 또한 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 58에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합한 대로 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
가변적인 지오메트리 회절 광학 엘리먼트들
[0510] 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 바이너리 격자 높이의 공간 변조를 통해 회절 구조들(예컨대, 회절 격자 구역들)의 회절 효율성 및/또는 광학 위상을 변조함으로써 광 필드 도파관 디스플레이들의 이미지 품질을 개선하는 방법들 및 시스템들이 제공된다. 격자 높이 변조를 활용하여, 본 발명의 실시예들은 성능 도파관 디스플레이들에 악영향을 미치는 하나 이상의 이미지 아티팩트들인 A) 출력 이미지에서 어두운 밴드들 또는 줄무늬들로 종종 나타나는 간섭-기반 이미지 아티팩트들, 및 B) 눈 포지션에 대한 이미지 밝기의 변동을 완화시킨다. 본원에서 설명된 바와 같이, 광학 구조들을 제조하는 방법들은 그레이스케일 리소그래피의 사용, 다중 리소그래피 노출들 및 에칭 프로세스들의 사용 등을 포함할 수 있다.
[0511] 종래의 기법들에 비해 본 발명을 통해 많은 이익들이 달성된다. 예컨대, 본 발명의 실시예들은, 격자 높이의 공간 변조를 통해 회절 구역들의 회절 효율성 및/또는 광학 위상을 변조함으로써 광 필드 도파관 디스플레이들의 이미지 품질을 개선하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 격자들에 대한 전형적인 하향식 제조 프로세스들에서, 격자 높이는 리소그래피에서 특정될 수 없으며, 그에 따라서, 본 발명의 실시예들은 격자 높이의 공간 변동을 생성하기에 적절한 진보된 포스트-프로세싱 기법들을 제공한다. 따라서, 격자들을 활용하는 전형적인 광 필드 도파관 디스플레이들은 단지 하나 또는 소수의 격자 높이들을 갖도록 설계가 제한된다. 도파관 디스플레이에서의 상이한 격자 구역들 사이의 가변 회절 효율성 및/또는 광학 위상은 높은 밝기, 고휘도 균일성, 높은 컬러 균일성, 높은 선명도 및 낮은 간섭-기반 이미지 아티팩트들을 갖는 이미지들을 생성하는 것이 바람직하다. 본원에서 설명된 실시예들과는 대조적으로, 전형적인 도파관 디스플레이들은 격자 듀티 사이클, 피치 및 각도를 변화시킴으로써 상이한 격자 구역들 간의 회절 효율성 및/또는 광학 위상만을 조작한다. 가변적인 격자 듀티 사이클은 회절 효율성 및 광학 위상의 매우 작은 튜닝 범위를 허용한다. 가변 격자 피치 및 각도는 광학 위상의 큰 튜닝 범위를 허용하지만, 도파관 디스플레이에서의 왜곡 및 블러를 희생시키면서 허용한다. 가변 격자 높이는 무시할 수 있는 왜곡 및 블러를 갖는 회절 효율성 및 광학 위상의 큰 튜닝 범위를 허용한다.
[0512] 본 발명의 일부 실시예들은, 이들 간섭 효과를 감소시키거나 또는 제거하기 위해, 회절 효율성을 변조하고 그리고/또는 다수의 전파 경로들의 상대 위상들을 랜덤화시킴으로써 이미지 아티팩트들을 감소시킨다. 본원에서 설명된 바와 같이, 랜덤화는, 포지션의 함수로써 격자 높이를 변조함으로써 달성될 수 있으며, 이는 원하는 대로 회절 효율성의 변동을 산출한다. 예컨대, OPE의 각각의 구역 또는 서브-섹션에서의 격자 높이의 가변적인 분포는 광학 위상을 교란할 것이며, OPE에서의 가능한 모든 광학 경로들 사이의 코히런스로서 출력 이미지의 간섭-기반 이미지 아티팩트들을 감소시킬 것이다. 추가로, EPE에서의 격자들의 높이의 등급화된 변동은 출력 이미지에서의 시야에 걸친 밝기 균일성 및 상이한 눈 포지션들에 걸친 밝기 균일성을 증가시킬 것이다.
[0513] 도 59a는 본 발명의 실시예에 따른, 일정한 회절 효율성을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다. 도 59a에서, 본원에서 설명된 OPE 또는 EPE의 엘리먼트일 수 있는 회절 구조(5930), 또는 투사기로부터의 광을 접안렌즈 층들에 커플링하는 ICG(incoupling grating)는, 측방향(즉, 접안렌즈 층들의 평면에 평행함) 포지션의 함수로써 회절 효율성이 균일하다. 예로서, 포지션의 함수로써 균일한 격자 깊이를 갖는 OPE는 OPE에 걸쳐 일정한 회절 효율성을 산출할 수 있다.
[0514] 도 59b는 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다. 도 59a에 예시된 포지션의 함수로써 일정한 회절 효율성과는 대조적으로, 도 59b는 포지션의 함수로써 상이한 회절 효율성들을 예시한다. 도 59b에 예시된 예에서, 4 개의 상이한 회절 효율성들은 4 개의 상이한 회색 셰이드들(즉, 백색(5942), 밝은 회색(5944), 어두운 회색(5946) 및 흑색(5948))에 의해 표현되는 구역들에 의해 예시된다. 예로서, 백색 구역들(5942)은 가장 낮은 회절 효율성을 표현할 수 있고, 흑색 구역들(5948)은 가장 높은 회절 효율성을 표현할 수 있는데, 밝은 회색(5944) 및 어두운 회색(5946) 구역들은 중간 회절 효율성들을 표현한다.
[0515] 구역들 간의 회절 효율성의 차이들은 일정하거나, 또는 특정 애플리케이션들에 의존하여 변할 수 있다. 게다가, 상이한 회절 효율성들을 특징으로 하는 4 개의 구역들이 도 59b에 예시되지만, 이것은 본 발명의 일부 실시예들에 의해 요구되지 않으며, 더 많은 수의 구역들 또는 더 적은 수의 구역들이 활용될 수 있다. 본원에서 더욱 완전히 설명된 바와 같이, 특정 실시예에서, 제1 구역(예컨대, 백색 구역(5942))은 제1 격자 깊이를 갖고, 제2 구역(예컨대, 흑색 구역(5948))은 제1 격자 깊이보다 더 깊은 제2 격자 깊이를 가져서, 백색 구역들에 대해 달성된 것보다 흑색 구역들에 대해 더 높은 회절 효율성이 제공된다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0516] 도 59b에 예시된 실시예에서, 각각의 구역에서, 회절 효율성은 일정하다. 구역들의 사이즈는 예컨대 대략 10 ㎛ 내지 밀리미터의 디멘션들로 특정 애플리케이션에 의존하여 변할 수 있다. 예로서, 만약 OPE의 사이즈가 측면에서 대략 3 mm이고, 구역들의 사이즈가 측면에서 대략 0.3 mm이면, OPE는 ~ 100 개의 구역들을 포함할 수 있다. 도 59b에 예시된 예에서, 상이한 회절 효율성들을 특징으로 하는 구역들은 랜덤하게 분배된다(본 발명에 의해 이것이 요구되지는 않음). 다른 구현들에서, 인접한 구역들 간의 회절 효율성의 차이는 미리 결정된 임계치 미만으로 세팅되거나, 정현파형 패턴을 따르거나, 단조적으로 증가하거나 또는 감소하거나, 단조적으로 증가하거나 또는 감소하는 함수에 임프레싱된(impressed) 무작위성(randomness)이거나, 계산 홀로그램 설계에 의해 결정되거나, 프리폼(freeform) 렌즈 설계에 의해 결정되는 식일 수 있다.
[0517] 따라서, 도 59b에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들은 포지션의 함수로써 회절 효율성을 수정하기 위해 측방향 포지션의 함수로써 격자 구조의 높이 레벨을 공간적으로 변화시킨다. 본원에서 더욱 완전히 설명된 바와 같이, 도파관 디스플레이의 이미지 품질을 개선하기 위해 회절 효율성 및/또는 광학 위상을 공간적으로 제어하기 위해 몇몇 상이한 제조 접근법들이 사용될 수 있다. 예로서, 도파관 디스플레이에서, OPE 및/또는 EPE 격자 구역들은 많은 구역들로 분할될 수 있는데, 각각의 구역은 OPE 및/또는 EPE를 구성하는 하나 이상의 다른 구역들과 상이한 격자 높이를 갖는다.
[0518] 도 59c는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조의 평면도를 예시하는 단순화된 개략도이다. 도 59c에 예시된 실시예에서, 구역 사이즈가 도 59b에 예시된 것보다 더 작아서, 증가된 수의 구역들이 산출된다. 예컨대, 측면에서 대략 3 mm의 OPE 및 대략 0.1 mm의 구역 사이즈의 경우, OPE는 ~ 900 개의 구역들을 포함할 수 있다. 당업자에게 자명할 바와 같이, 특정 구역 사이즈는 특정 애플리케이션에 의존하여 선택될 수 있다. 상이한 회절 효율성들의 수는 도 59b에 예시된 바와 같이 4 개의 상이한 회절 효율성들일 수 있거나, 또는 그보다 더 많거나 또는 더 적을 수 있다. 도 59c에 예시된 실시예에서, 회절 효율성은 각각의 구역에서 일정한데, 구역들 간의 차이들은 포지션의 함수로써 회절 효율성의 변동을 제공한다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0519] 도 60a-도 60h는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 그레이 스케일 리소그래피를 사용하여 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다.
[0520] 도 60a-도 60h에 예시된 바와 같이, 포지션의 함수로써 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조(예컨대, 회절 격자)를 형성하기 위해 그레이 스케일 리소그래피가 활용된다. 당업자에게 자명할 바와 같이, 그레이 스케일 리소그래피는, 현상 후의 포토레지스트(즉, 레지스트)의 두께가 국부적 노출 도즈에 의해 결정되는 리소그래피 기법이다. 도즈의 공간 분포는, 상이한 구역들에서 투과율이 변하는 포토마스크에 의해 달성될 수 있다. 도 60a를 참조로, 마스크(6007)는 입사 광(6005)에 노출된다. 마스크(6007)는 포지션의 함수로써 등급화된 투과율을 갖는데, 예컨대 제1 측(예컨대, 좌측)에서 높은 투과율 그리고 제2 측(예컨대, 우측)에서 낮은 투과율을 갖는다. 투과율은 선형적으로 또는 비선형적으로 등급화될 수 있다. 그레이 스케일 리소그래피 외에도, 다른 직접 라이팅 기법들, 이를테면 e-빔 리소그래피 또는 레이저 라이팅이 도즈 분포를 공간적으로 제어하기 위해 사용될 수 있고, 본 발명의 실시예들에 적용가능하다.
[0521] 기판(6010)(예컨대, 실리콘, 실리카 등)은 하드 마스크 층(6012) 및 레지스트 층(6014)으로 코팅된다. 일 실시예에서, 하드 마스크 층은 SiO2 또는 다른 적절한 재료들을 사용하여 형성된다. 일부 실시예들에서, 하드 마스크 층은, 산화 프로세스를 사용하여 형성될 수 있고, 따라서, "코팅된"이란 용어의 사용은 증착 이외의 프로세스들을 포함한다. 마스크(6007)를 사용하는 노출 시에, 높은 투과율을 갖는 마스크의 부분(예컨대, 좌측)에 인접한 레지스트는 더 낮은 투과율을 갖는 마스크의 부분(예컨대, 우측)에 인접한 레지스트보다 더 높은 도즈를 수신한다.
[0522] 도 60b는 노출 및 현상 이후의 레지스트 프로파일을 예시한다. 높은 투과율을 갖는 마스크의 부분에 인접하게 수신된 더 높은 도즈로 인해, 레지스트 층(6014)의 높이는 얇은 값에서 더 두꺼운 값으로 포지션의 함수로써 테이퍼진다. 그런 다음, 레지스트/하드 마스크 층의 에칭이 수행된다.
[0523] 도 60c는, 도 60b에 예시된 레지스트 프로파일을 사용하는 에칭 이후의 에칭 프로파일을 예시한다. 이 실시예에서, 레지스트 프로파일은 "비례 RIE"에 의해 하드 마스크 층에 전사된다. 이 프로세스에서, 레지스트는 하위 재료의 에칭을 지연시킬 것이고, 지연은 에칭 두께에 비례한다. 레지스트의 에칭률과 하위 재료의 에칭률 간의 비는, 레지스트 프로파일과 에칭된 프로파일 간의 수직 비례를 결정한다. 도 60c에 도시된 바와 같이, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 하드 마스크 층(6025)에 전사되어, 하드 마스크 층의 두께가 포지션의 함수로써 변하는 것과 같은 테이퍼진 프로파일을 갖는 하드 마스크 층이 산출된다. 도 60d는 테이퍼진 하드 마스크 층(6025) 상의 레지스트 층(6030)에 정의된 회절 구조의 형성을 예시한다. 예컨대, 패터닝된 레지스트 층은, 당업자에게 자명할 바와 같이, 레지스트의 스피닝(spinning) 및 패터닝에 의해 형성될 수 있다. UV, EBL, 또는 나노임프린트를 포함하는 리소그래피 프로세스는, 원하는 회절 구조를 갖는 하드 마스크 층을 패터닝하는 데 사용될 수 있음이 주목될 것이다.
[0524] 도 60e는 하드 마스크 층에서의 회절 구조의 형성을 예시하며, 이는, 기판에 격자 구조를 형성하기 위해 후속적으로 사용되는 테이퍼진 에칭 마스크를 제공할 것이다. 도 60e에서, 하드 마스크 재료(예컨대, SiO2)에서의 높은 에칭률 및 기판 재료(예컨대, 실리콘)에 대한 낮은 에칭률을 특징으로 하는 에칭 프로세스가 활용된다. 이 에칭 프로세스는, 포지션의 함수로써 두께가 변하는 테이퍼진 에칭 마스크 재료에서의 격자 구조의 주기성을 포함하는 테이퍼진 에칭 마스크를 형성한다.
[0525] 도 60f는 테이퍼진 에칭 마스크 및 비례 에칭 프로세스를 사용하는, 레지스트 층(6030)의 제거 및 기판의 초기 에칭을 예시한다. 도 60g는, 도 60f에 예시된 테이퍼진 에칭 마스크를 사용하는 에칭 이후의 마스터(6045) 및 에칭 프로파일을 예시한다. 도 60g에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 에칭 마스크에 존재하는 높이 차이가 기판에 전사되며, (그레이 스케일 마스크의 더 높은 투과율 구역과 연관된) 구역(6050)에서의 더 얕은 에칭(즉, 더 낮은 격자 높이) 및 구역(6052)에서의 더 깊은 에칭(즉, 더 높은 격자 높이)을 갖는다. 예로서, 격자 톱니들 간의 높이 변동은 미리 결정된 범위에 걸쳐, 예컨대, 5 nm 내지 500 nm에 걸쳐 변할 수 있다. 따라서, 도 60g에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 그레이 스케일 리소그래피 프로세스를 활용하여, 가변 격자 높이를 그리고 결과적으로 가변 회절 효율성을 포지션의 함수로써 갖는 회절 구조를 갖는 마스터를 형성한다. 그레이 스케일 마스크에서의 선형 투과율 변동의 결과로서 격자 높이에서의 선형 증가가 도 60g에 예시되지만, 본 발명은 이러한 선형 프로파일로 제한되지 않으며, 미리 결정된 높이 변동들을 갖는 다른 프로파일들이 본 발명의 범위 내에 포함된다. 단일의 가변적인 높이 구역이 도 60g에 예시되지만, 이 단일 구역은 상이한 회절 효율성의 복수의 구역들을 예시하는 도 59b의 관점에서 고려되어야 함을 주목해야 한다. 따라서, 격자 높이의 테이퍼링은 특정 구역과 연관된 미리 결정된 격자 높이와 조합되어, 구역-내(intra-region) 뿐만 아니라 구역-간(inter-region) 둘 모두에서의 회절 효율성의 변동을 제공할 수 있다. 게다가, 본원에서 논의된 바와 같이, 도 60g에 예시된 가변 높이 구역의 사이즈보다 작은 길이 스케일로 투과율이 변하는 그레이 스케일 마스크의 사용은, 격자 톱니들의 주기성의 스케일로 상이한 양들의 광을 통과시키는 그레이 스케일 마스크의 사용을 가능하게 하며, 이는, 톱니별 기반으로 변하는 격자 높이 프로파일을 산출한다. 따라서, 이산 구역들 외에도, 본 발명의 실시예들은 연속적인 변동 구현들을 포함한다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0526] 도 60h는, 부가적인 카피들을 임프린팅하기 위한 복제 프로세스에서 사용될 수 있는, 마스터(6045)를 사용하여 제조하는 서브-마스터(6060)를 예시한다. 서브-마스터(6060)에 의해 예시된 바와 같이, 마스터에 존재하는 미리 결정된 패터닝된 구조의 컴플리먼트(complement)를 가질 것이다. 예컨대, 도 60g에 예시된 마스터가 격자 구조의 바닥부와 정렬된 평면평 표면(6062)을 가지므로, 서브-마스터(6060)는 평면형 표면(6064)과 정렬된 격자 구조의 최상부들을 갖는다.
[0527] 도 60h에 예시된 실시예에서, 회절 광학 엘리먼트들은 평면형 최상부 표면(6062)을 특징으로 하며, 회절 구조들이 기판 내의 가변 거리들까지 연장된다. 다른 말로, 격자 라인들의 최상부들은 동일 평면 상에 있다. 대조적으로, 도 62c에 예시된 실시예에서, 회절 광학 엘리먼트들은 기판 내의 일정한 깊이까지 연장되며, 회절 효율성에서의 차이는, 일정한 깊이 평면에 대한 회절 엘리먼트 높이에서의 차이들로부터 기인한다. 다른 말로, 격자 라인들의 바닥부들은 동일 평면 상에 있다.
[0528] 복제 프로세스는, 격자의 최상부들이 동일 평면 상에 있는 회절 구조를 격자의 바닥부들이 동일 평면 상에 있는 회절 구조로 변환할 수 있음을 주목해야 한다. 부가적인 복제 프로세스는 반대 변환을 제공할 수 있다. 도 60g 및 도 60h를 참조로, 도 60g에서, 격자 라인들의 바닥부가 평면(6061)과 동일 평면 상에 있다. 도 60g에 예시된 구조가 복제되면, 도 60h에 예시된 구조가 생성되며, 격자 라인들의 최상부들이 최상부 표면(6062)과 동일 평면 상에 있다. 당업자에게 자명할 바와 같이, 도 60h에 예시된 구조의 복제는 도 60g에 예시된 구조의 생성을 산출할 것이다. 따라서, 두 복제 프로세스들은 오리지널 몰드의 카피를 생성할 수 있다.
[0529] 도 61a-c는 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 표면 높이들을 갖는 구역들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다. 본원에서 설명된 바와 같이, 그레이 스케일 리소그래피가 활용되어 상이한 표면 높이들을 갖는 구역들을 형성할 수 있다. 도 61a를 참조로, 마스크(6110)는 입사 광(6105)에 노출된다. 마스크(6110)는, 제1 투과율을 특징으로 하는 제1 구역(6112), 및 제1 투과율보다 큰 제2 투과율을 특징으로 하는 제2 구역(6114)을 갖는다. 기판(6120)은 레지스트 층(6122)으로 코팅된다. 마스크(6110)를 사용하여 노출할 시에, 제2 구역(6114)에 인접한 레지스트는 제1 구역(6112)에 인접한 레지스트보다 더 높은 도즈를 수신한다.
[0530] 도 61b는 노출 및 현상 이후의 레지스트 프로파일을 예시한다. 제2 구역(6114)에 인접하여 수신된 더 높은 도즈로 인해, 구역(6132)에서의 레지스트의 높이는 구역(6130)에서의 레지스트의 높이보다 작다.
[0531] 도 61c는, 도 61b에 예시된 레지스트 프로파일을 사용하는 에칭 이후의 에칭 프로파일을 예시한다. 도 61c에 도시된 바와 같이, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 기판에 전사되며, 구역(6142)에서의 더 깊은 에칭(즉, 더 낮은 표면 높이) 및 구역(6140)에서의 더 얕은 에칭(즉, 더 높은 표면 높이)을 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 그레이 스케일 리소그래피 프로세스를 활용하여, 그레이 스케일 마스크에 존재하는 그레이 스케일 패턴의 함수로서 가변 높이를 갖는 표면 프로파일들을 형성한다.
[0532] 도 62a-c는 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성들을 갖는 격자들을 갖는 구역들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도들이다. 도 62a-c에 예시된 실시예에서, 기판(6210)은, 회절 광학 엘리먼트의 부분을 형성하도록 프로세싱되는 격자 구조(6215)를 포함한다.
[0533] 도 62a에서, 제조 프로세스들은, 평면형이고 평행한 최상부 및 바닥부 표면들을 특징으로 하는, 즉, 최상부 표면이 바닥부 표면에 대하여 틸팅되지 않는 기판으로 시작된다. 회절 구조들은, 격자 라인들의 최상부가 평면형이도록 그리고 격자 높이에서의 변동이, 격자 엘리먼트들이 기판 내로 연장되는 거리에서의 차이들과 연관되도록, 기판 내로 에칭된다.
[0534] 기판(6210)은 지지 표면(6201), 및 지지 표면에 대향하는 격자 표면(6203)을 포함한다. 격자 표면(6203)은 격자 구조의 최상부와 정렬되며, 이는, 이 실시예에서는 균일한 격자 높이를 특징으로 한다. 격자 구조(6215)가 도 62a에서 기판 재료에 제조되는 것으로서 예시되지만, 본 발명이 이를 요구하지는 않으며, 격자 구조는 도 63a 및 도 64a에 예시된 바와 같은 기판과 상이한 재료로 만들어질 수 있고, 일부 실시예들에서는 마스크로서 사용될 수 있다.
[0535] 도 62a를 참조로, 마스크(6207)는 입사 광(6205)에 노출된다. 마스크(6207)는, 제1 투과율을 특징으로 하는 제1 구역(6212), 및 제1 투과율보다 큰 제2 투과율을 특징으로 하는 제2 구역(6214)을 갖는다. 기판(6210)은 레지스트 층(6220)으로 코팅된다. 마스크(6207)를 사용하여 노출할 시에, 제2 구역(6214)에 인접한 레지스트는 제1 구역(6212)에 인접한 레지스트보다 더 높은 도즈를 수신한다.
[0536] 도 62b는 노출 및 현상 이후의 레지스트 프로파일을 예시한다. 제2 구역(6214)에 인접하여 수신된 더 높은 도즈로 인해, 구역(6232)에서의 레지스트의 높이는 구역(6230)에서의 레지스트의 높이보다 작다.
[0537] 도 62c는, 도 62b에 예시된 레지스트 프로파일을 사용하는 에칭 이후의 에칭 프로파일을 예시한다. 도 62c에 도시된 바와 같이, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 격자 구조(6215)에 전사되며, 구역(6242)에서 제거된 격자 구조의 부분 및 구역(6240)에 보존된 오리지널 격자 구조를 갖는다. 격자 톱니들 간의 레지스트의 존재는, 격자 구조의 바닥부의 에칭을 방지하면서 격자 구조의 최상부들의 에칭을 가능하게 한다. 그에 따라서, 도 62c에 예시된 바와 같이, 구역(6242)에서의 격자들의 높이가 구역(6240)에서의 격자들이 높이보다 작아서, 격자들이 상이한 회절 효율성들을 갖는 구역들이 산출된다.
[0538] 도 62c에 예시된 실시예에서, 상이한 격자 높이들을 갖는 2개의 구역들(6240 및 6242)이 예시되지만, 본 발명은 2개의 구역들로 제한되지 않으며, 상이한 높이들을 갖는 부가적인 구역들이 제조될 수 있다. 도 59b를 참조로, 4개의 상이한 타입들의 구역들이 회절 구조에 걸쳐 랜덤하게 분포된 것으로 예시된다. 일부 실시예들에서, 4개보다 더 적거나 더 많은 상이한 구역들이 활용된다. 단일 노출을 사용하여, 포지션의 함수로써 가변 높이를 갖는 레지스트의 구역들의 형성이 달성될 수 있으며, 그런 다음, 레지스트 변동은 가변 높이의 격자들 및 대응하는 회절 효율성들로 전사된다. 본원에서 논의된 바와 같이, 구역들 간의 회절 효율성의 변동은 랜덤할 수 있거나, 단조적으로 증가 또는 감소할 수 있거나, 단조적으로 증가 또는 감소하는 함수에 부과된 랜덤성일 수 있거나, 정현파형 패턴일 수 있거나, 컴퓨테이셔널 홀로그램 설계에 의해 결정될 수 있거나, 자유형 렌즈 설계에 의해 결정될 수 있는 등의 식이다.
[0539] 도 62c에 예시된 구역들은 각각의 구역(6240 및 6242) 내에서 균일한 격자 높이를 갖지만, 본 발명이 이를 요구하지는 않음을 주목해야 한다. 구역 사이즈 미만의 길이 스케일로 변하는 그레이 스케일 마스크를 활용하여, 구역 내의 격자 높이에서의 변동뿐만 아니라 구역들 간의 격자 높이에서의 변동이 구현될 수 있다. 가장 일반적인 경우에서, 격자 톱니들의 주기성의 스케일로 상이한 양들의 광을 통과시키는 그레이 스케일 마스크가 사용될 수 있어서, 톱니별 기반으로 변하는 격자 높이 프로파일이 산출된다. 따라서, 이산 구역들 외에도, 본 발명의 실시예들은 연속적인 변동 구현들을 포함한다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0540] 도 63a-h는 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성들을 특징으로 하는 구역들을 제조하기 위한 멀티-레벨 에칭 프로세스의 사용을 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다. 도 63a를 참조로, 제조 프로세스는, 패터닝된 하드 마스크(6304)(예컨대, SiO2 하드 마스크)가 상부에 존재하는 기판(6302)으로 시작된다. 예로서, 패터닝된 하드 마스크(6304)는, 미리 결정된 주기성(예컨대, 대략 200 nm 내지 400 nm) 및 높이(예컨대, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛)를 갖는 회절 격자일 수 있는 회절 광학 엘리먼트와 연관된 패턴을 가질 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 에칭률들을 포함하는 상이한 특성들을 갖는 재료들의 사용은, 패터닝된 하드 마스크를 마스킹 재료로서 사용하는 것을 가능하게 한다. 기판(6302)과 패터닝된 하드 마스크(6304)의 조합은 기판 구조(6306)로서 지칭될 수 있다. 도 63b는, 레지스트 층(6310)을 갖는 기판 구조(6306)의 코팅을 예시한다. 제1 리소그래피 프로세스가 도 63c에 예시되며, 이는, 레지스트 층(6310)에 의해 커버되는 구역(6312), 및 레지스트가 제거되어 패터닝된 하드 마스크(6304)의 부분들을 노출시키는 구역(6314)을 정의한다. 2개의 구역들만이 도 63c에 예시되지만, 본 발명은 단지 2개의 구역들로 제한되지 않으며, 부가적인 구역들이 특정 애플리케이션에 적합하게 제공될 수 있음이 인지될 것이다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0541] 도 63d는, 노출된 부분들의 격자 피처들을 제1 거리(D1)만큼 기판 내로 연장시키기 위해 사용되는 제1 에칭 프로세스(레벨 1 에칭)를 예시한다. 본원에서 예시된 바와 같이, 다수의 에칭 프로세스 단계들 때문에, 패터닝된 하드 마스크와 기판 간에 선택도를 제공하는 선택적 에칭 프로세스를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다.
[0542] 제2 리소그래피 프로세스가 도 63e에 예시되며, 이는, 레지스트에 의해 커버되는 구역(6322)(이러한 제2 리소그래피 프로세스에 대한 레지스트를 이용한 코팅은 편의성을 목적으로 예시되지 않음), 및 레지스트가 제거되어 제1 리소그래피 프로세스 동안 노출된 부분들과 상이한 패터닝된 하드 마스크(6304)의 부분들을 노출시키는 구역(6324)을 정의한다. 도 63f는, 노출된 부분들의 격자 피처들을 제2 거리(D2)만큼 기판 내로 연장시키기 위해 사용되는 제2 에칭 프로세스(레벨 2 에칭)를 예시한다. 도 63c 및 도 63f를 참조로, 구역들(6314 및 6324)이 오버랩핑하는 기판의 영역들이 제1 및 제2 에칭 프로세스들 둘 모두에서 에칭되어, D1 + D2의 거리까지 연장되는 격자 피처들을 산출한다.
[0543] 도 63g는 레지스트의 제거를 예시하고, 도 63h는, 미리 결정된 패터닝된 구조를 갖는 마스터를 제공하기 위한, 패터닝된 하드 마스크의 제거를 예시한다.
[0544] 본 발명의 실시예들은, 미리 결정된 높이 변동들 및 결과적으로는 회절 효율성을 포함하는 격자 프로파일을 형성하기 위해, 처음에 균일한 격자 구조를 사용하여 미리 결정된 프로파일의 전사를 가능하게 한다. 이 프로세스는 그레이 스케일 마스크와 연관된 프로파일이 "AND" 연산으로서 격자 구조와 결합되는 "AND" 연산을 효과적으로 수행하는 것으로서 부울 로직 관점(Boolean logic terms)에서 볼 수 있다.
[0545] 일부 실시예들에서, 레지스트 코팅(미도시) 및 N개의 부가적인 리소그래피 프로세스들(미도시)이 수행된 후에, 부가적인 에칭 프로세스들이 수행되어, N개의 부가적인 거리들(즉, D3, D4, ... , DN)을 기판 내로 연장시키는 격자 피처들이 형성된다. N은 이들 실시예들에서 3 이상일 수 있다. 그에 따라서, 본 발명의 실시예들은, 에칭된 영역들을 정의하는 데 사용되는 에칭 레벨들 및 리소그래피 프로세스들의 수의 함수로써 격자 피처들의 깊이가 변하는 N-레벨 에칭 프로세스를 제공한다.
[0546] 마스터는 카피들을 임프린팅하기 위해 복제 프로세스에서 사용될 수 있다. 카피들은, 미리 결정된 패터닝된 구조들의 컴플리먼트를 가질 것이다. 예컨대, 도 63h에 예시된 마스터가 패터닝된 구조의 최상부와 정렬된 평면형 표면을 가지므로, 카피는 패터닝된 구조의 바닥부들을 정렬시킬 것이다.
[0547] 예로서, 복제 프로세스는 (컴플리먼트리(complementary) 패터닝된 구조를 갖는) 서브-마스터를 생성하는 데 사용될 수 있고, 그런 다음, 서브-마스터는, 마스터로부터 미리 결정된 패터닝된 구조를 재현하는 카피를 생성하는 데 사용될 수 있다.
[0548] 도 64a-h는 본 발명의 실시예에 따른, 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 멀티-레벨 에칭 프로세스의 사용을 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다.
[0549] 도 64a를 참조로, 제조 프로세스는, 패터닝된 하드 마스크(6404)(예컨대, SiO2 하드 마스크)가 상부에 존재하는 기판(6402)으로 시작된다. 예로서, 패터닝된 하드 마스크(6404)는, 미리 결정된 주기성(예컨대, 대략 200 nm 내지 400 nm) 및 높이(예컨대, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛)를 갖는 회절 격자일 수 있는 회절 광학 엘리먼트와 연관된 패턴을 가질 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 에칭률들을 포함하는 상이한 특성들을 갖는 재료들의 사용은, 패터닝된 하드 마스크를 마스킹 재료로서 사용하는 것을 가능하게 한다. 기판(6402)과 패터닝된 하드 마스크(6404)의 조합은 기판 구조(6406)로서 지칭될 수 있다. 도 64b는, 레지스트 층(6410)을 갖는 기판 구조(6406)의 코팅을 예시한다. 제1 리소그래피 프로세스가 도 64c에 예시되며, 이는, 레지스트 층(6410)에 의해 커버되는 구역들(6412), 및 레지스트가 제거되어 패터닝된 하드 마스크(6404)의 부분들을 노출시키는 구역들(6414)을 정의한다.
[0550] 도 64d는, 노출된 부분들의 격자 피처들을 제1 거리(D1)만큼 기판 내로 연장시키기 위해 사용되는 제1 에칭 프로세스(레벨 1 에칭)를 예시한다. 본원에서 예시된 바와 같이, 다수의 에칭 프로세스 단계들 때문에, 패터닝된 하드 마스크와 기판 간에 선택도를 제공하는 선택적 에칭 프로세스를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 제2 리소그래피 프로세스가 도 64e에 예시되며, 이는, 레지스트에 의해 커버되는 구역들(6422)(이러한 제2 리소그래피 프로세스에 대한 레지스트를 이용한 코팅은 편의성을 목적으로 예시되지 않음), 및 레지스트가 제거되어 제1 리소그래피 프로세스 동안 노출된 부분들과 상이한 패터닝된 하드 마스크(6404)의 부분들을 노출시키는 구역들(6424)을 정의한다. 도 64f는, 노출된 부분들의 격자 피처들을 제2 거리(D2)만큼 기판 내로 연장시키기 위해 사용되는 제2 에칭 프로세스(레벨 2 에칭)를 예시한다. 도 64f를 참조로, 구역들(6414 및 6424)이 오버랩핑하는 기판의 영역들이 제1 및 제2 에칭 프로세스들 둘 모두에서 에칭되어, D1 + D2의 거리까지 연장되는 격자 피처들을 산출한다.
[0551] 도 64g는 제3 에칭 프로세스의 완료를 예시하며, 레지스트 코팅(미도시) 및 제3 리소그래피 프로세스(레벨 3 에칭, 미도시)가 수행된 후에, 부가적인 거리(D3)로 연장되는 격자 피처들이 기판에 형성된다. 도 64h는 미리 결정된 패터닝된 구조를 갖는 마스터를 제공하기 위한, 패터닝된 하드 마스크(6404)의 제거를 예시한다. 그에 따라서, 본 발명의 실시예들은, 에칭된 영역들을 정의하는 데 사용되는 에칭 레벨들 및 리소그래피 프로세스들의 수의 함수로써 격자 피처들의 깊이가 변하는 N-레벨 에칭 프로세스를 제공한다.
[0552] 마스터는 카피들을 임프린팅하기 위해 복제 프로세스에서 사용될 수 있다. 카피들은, 미리 결정된 패터닝된 구조들의 컴플리먼트를 가질 것이다. 예컨대, 도 64h에 예시된 마스터가 패터닝된 구조의 최상부와 정렬된 평면형 표면을 가지므로, 카피는 패터닝된 구조의 바닥부들을 정렬시킬 것이다.
[0553] 예로서, 복제 프로세스는 (컴플리먼트리 패터닝된 구조를 갖는) 서브-마스터를 생성하는 데 사용될 수 있고, 그런 다음, 서브-마스터는, 마스터로부터 미리 결정된 패터닝된 구조를 재현하는 카피를 생성하는 데 사용될 수 있다.
[0554] 균일한 회절 효율성을 위해, 회절 광학 엘리먼트는 공간적으로 불변한다(invariant). 본 발명의 실시예들은, 측방 포지션의 함수로써 상이한 회절 효율성들을 도입함으로써 공간 불변성을 깨뜨린다. 그에 따라서, 원치 않는 효과들로 이어질 수 있는 공간 코히런스가 감소될 수 있다. 다른 말로, 공간적으로 불균일한 회절 효율성들을 도입함으로써, 광이 경험하는 간섭 효과들이 상이한 구역들에서 상이할 것이며, 그에 의해, 간섭 효과들이 수정되고 공간 코히런스가 감소된다.
[0555] 격자의 깊이를 조정함으로써, 회절 효율성을 조정하고 그리고 포지션의 함수로써 미리 결정된 방식으로 변하는 회절 효율성을 특징으로 하는 회절 광학 엘리먼트를 생성하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들은, 회절 효율성에서 차이들을 생성하기 위해 진폭 변동 또는 위상 변동을 활용할 수 있다.
[0556] 일 실시예에서, 포지션의 함수로써의 회절 효율성이 단조적으로 변하는데, 예컨대, 광이 회절 광학 엘리먼트 내로 더 멀리 전파될수록 회절 효율성이 증가된다. 이러한 실시예에서, 회절 광학 엘리먼트에 의해 회절되는 광의 결과로서, 회절 광학 엘리먼트에서 전파되는 광의 세기가 포지션의 함수로써 감소하므로, 회절 효율성의 증가는 출력 균일성의 개선을 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은, 특정 애플리케이션에 의존하여 단조적 변동 또는 비-단조적 변동을 제공한다. 특정 예로서, 단조적으로 증가하는 회절 효율성 프로파일에 랜덤 변동이 부과될 수 있다. 따라서, 회절 효율성은 광이 회절 광학 엘리먼트 내로 전파됨에 따라 일반적으로 증가할 것이지만, 랜덤 변동들은 비-단조적인 회절 효율성 프로파일을 산출할 것이다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0557] 일부 실시예들에서, 회절 효율성의 변동은, 회절 효율성(예컨대, 구역 사이즈)의 변동이 대략, 평면형 도파관에서 전파되는 광에 대한 바운스 간격이도록, 미리 결정된 방식으로 구현된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 대략 0.3 mm의 도파관 두께의 경우, 바운스 간격은 대략 0.6 mm일 것이다. 그에 따라서, 구역 디멘션들이 대략 0.6mm이면, 광은, 대략 2개의 바운스 간격들의 거리만큼의 전파 후에 상이한 회절 효율성을 경험할 것이다. 광이 평면형 도파관을 통해 전파되어 전파 동안 회절 광학 엘리먼트에서 부분적으로 회절됨에 따라, 가변 회절 효율성은, 전파가 발생할 때 상이한 세기들이 구조에 의해 회절되는 것을 산출할 것이다. 랜덤일 수 있는, 본 발명의 실시예들을 사용하여 생성된 공간 비-균질성은, 그에 따라, 원치 않는 코히런스 효과들을 감소시킨다.
[0558] 도 65는 본 발명의 실시예에 따른 인커플링 격자의 단순화된 단면도이다. 본원에서 논의된 바와 같이, ICG는 투사기로부터의 이미지 광을 평면형 도파관으로 커플링시킨다. 도 65에 예시된 실시예들에서, 광은 ICG로부터 OPE를 향해 전파된다. 도 65에 예시된 바와 같이, ICG에 활용되는 격자 구조는, 포지션의 함수로써의 가변 회절 효율성, 예컨대, 구역(6520)에서의 더 낮은 회절 효율성 및 구역(6522)에서의 더 높은 회절 효율성을 특징으로 하며, ICG에 걸쳐 등급화된 회절 효율성을 갖는 ICG가 제공된다.
[0559] 도 65를 참조로, OPE로부터 가장 먼 ICG의 측(즉, 구역(6522)) 상에 입사하는 광을 고려한다. 이 구역에 입사하는 광은, 도파관 광선들(6530)에 의해 예시된 바와 같이, 격자 구역을 벗어나기 전에 ICG에 다수회 다시 부딪친다. 이러한 광이 ICG에 다시 부딪칠 때마다, 광의 일부 부분은 ICG에 의해 회절되어 광선(6532)에 의해 예시된 바와 같이 도파관을 빠져나간다. 이러한 효과는 OPE를 향해 전파되는 광의 양을 감소시킬 것이고, 결국 사용자에게 전파되는 광의 양을 감소시킬 것이다.
[0560] 그에 따라서, 본 발명의 실시예들은, 가변 회절 효율성, 예컨대, OPE 인근의 ICG의 측(즉, 구역(6520)) 상에서 더 낮은 회절 효율성을 그리고 OPE로부터 가장 먼 ICG의 측(즉, 구역(6522)) 상에서 더 높은 회절 효율성을 갖는 ICG를 활용한다. 광이 도파관에서 구역(6522)으로부터 OPE를 향해 전파됨에 따라, 광이 구역(6520)에 접근할수록 감소하는 ICG의 회절 효율성은 더 적은 광이 격자 구역 밖으로 회절되는 것을 산출할 것이다. OPE에 대한 더 높은 쓰루풋 외에도, 일부 실시예들은 또한, 특정 입사각들이 더 높은 순 인커플링 효율성을 경험할 것이므로, 증가된 균일성을 제공할 수 있다. 입사각의 함수로써의 인커플링이 변함에 따라, ICG의 총 균일성이 개선될 것이다. 일 구현에서, 격자 높이(또는 깊이)가 등급화될 것이며, OPE 인근의 구역(6520)에서 더 낮은 격자 높이를 그리고 OPE로부터 보다 먼 구역(6522)에서 더 높은 격자 깊이를 갖는다.
[0561] 도 66은 본 발명의 실시예에 따른, 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 방법은, 하드 마스크 층 및 레지스트 층으로 코팅된 기판과 함께 사용된다. 방법(6600)은, 등급화된 투과율 마스크를 통해 레지스트 층을 입사광에 노출시키는 단계를 포함한다(6610). 마스크는 포지션의 함수로써의 등급화된 투과율, 예컨대, 제1 측(예컨대, 좌측) 상에서의 높은 투과율 및 제2 측(예컨대, 우측) 상에서의 낮은 투과율을 갖는다. 투과율은 선형적으로 또는 비-선형적으로 등급화될 수 있다.
[0562] 그레이 스케일 리소그래피 외에도, 다른 직접 라이팅 기법들, 이를테면 e-빔 리소그래피 또는 레이저 라이팅이 도즈 분포를 공간적으로 제어하는 데 사용될 수 있고 그리고 본 발명의 실시예들에 적용가능함을 주목해야 한다. 이들 대안적 접근법들에서, 6610은 등급화된 프로파일을 갖는 레지스트 층을 제공하기 위한 적합한 기법으로 교체될 수 있다.
[0563] 방법은 또한 레지스트 층을 현상하는 단계를 포함한다(6612). 등급화된 투과율 마스크를 사용하는 노출의 결과로서, 노출 및 현상 후의 레지스트 프로파일은, 얇은 값에서 더 두꺼운 값으로 포지션의 함수로서 테이퍼진 높이를 특징으로 한다. 방법은, 레지스트/하드 마스크 층을 에칭하는 단계를 더 포함한다(6614). 이 실시예에서, 테이퍼진 레지스트 프로파일은 "비례 RIE"에 의해 하드 마스크 층에 전사된다. 이 프로세스에서, 레지스트는 하위 재료의 에칭을 지연시킬 것이고, 지연은 에칭 두께에 비례한다. 레지스트의 에칭률과 하위 재료의 에칭률 간의 비는, 레지스트 프로파일과 에칭된 프로파일 간의 수직 비례를 결정한다. 따라서, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 하드 마스크 층에 전사되어, 하드 마스크 층의 두께가 포지션의 함수로써 변하는 것과 같은 테이퍼진 프로파일을 갖는 하드 마스크 층이 산출될 것이다.
[0564] 방법은 또한, 테이퍼진 하드 마스크 층 상에 증착된 제2 레지스트 층에 정의된 회절 구조를 형성하는 단계를 포함한다(6616). 방법은, 격자 구조의 주기성을 포함하는 테이퍼진 에칭 마스크를 형성하는 단계를 더 포함한다(6618). 이 테이퍼진 에칭 마스크 재료는 포지션의 함수로써 두께가 변할 것이다. 방법은, 테이퍼진 에칭 마스크를 사용하여 기판을 에칭하는 단계를 포함한다(6620). 당업자에게 자명할 바와 같이, 레지스트 층은 기판의 에칭 전에 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들을 사용하여, 마스터는, 테이퍼진 에칭 마스크에 존재하는 높이 차이를 기판에 전사함으로써 형성되며, (예컨대, 그레이 스케일 마스크의 더 높은 투과율 구역과 연관된) 일 구역에서 더 얕은 에칭(즉, 더 낮은 격자 높이)을 그리고 (그레이 스케일 마스크의 더 낮은 투과율 구역과 연관된) 제2 구역에서 더 깊은 에칭(즉, 더 높은 격자 높이)을 갖는다.
[0565] 따라서, 예컨대, 도 60g에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 그레이 스케일 리소그래피 프로세스를 활용하여, 가변 격자 높이를 그리고 결과적으로 가변 회절 효율성을 포지션의 함수로써 갖는 회절 구조를 갖는 마스터를 형성한다.
[0566] 대안적 실시예에서, 마스터는 서브-마스터를 제조하는 데 사용되며(6622), 서브-마스터는, 카피들을 임프린팅하기 위해 복제 프로세스에서 사용될 수 있다.
[0567] 도 66에 예시되는 특정 단계들은, 본 발명의 실시예에 따른, 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들이 다른 시퀀스들이 또한 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 게다가, 도 66에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적합한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들이 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0568] 도 67은 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 방법(6700)은, 기판 구조로서 지칭될 수 있는, 패터닝된 하드 마스크를 갖는 기판을 제공하는 단계를 포함한다(6710). 예로서, 패터닝된 하드 마스크는, 미리 결정된 주기성(예컨대, 대략 200 nm 내지 400 nm) 및 높이(예컨대, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛)를 갖는 회절 격자일 수 있는 회절 광학 엘리먼트와 연관된 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝된 하드 마스크는 SiO2를 포함한다. 방법은 또한, 레지스트 층으로 기판 구조를 코팅하고 패터닝된 하드 마스크의 노출된 부분을 형성하기 위해 레지스트 층의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함하는 제1 리소그래피 프로세스를 수행하는 단계를 포함한다(6712).
[0569] 방법은, 격자 피처들을 기판의 노출된 부분들 내로 제1 미리 결정된 거리 연장시키기 위해 제1 에칭 프로세스를 수행하는 단계를 더 포함한다(6714). 아래에 논의된 바와 같이 활용되는 다수의 에칭 프로세스 단계들 때문에, 패터닝된 하드 마스크와 기판 간에 선택도를 제공하는 선택적 에칭 프로세스를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다.
[0570] 방법은, 제1 리소그래피 프로세스 동안 노출된 부분들과 상이한 패터닝된 하드 마스크의 부분들을 노출시키기 위해 제2 리소그래피 프로세스를 수행하는 단계를 포함한다(6716). 노출된 부분들은 상이하지만 공통 영역들을 공유할 수 있다. 방법은 또한, 격자 피처들을 기판의 노출된 부분들 내로 제2 미리 결정된 거리 연장시키기 위해 제2 에칭 프로세스를 수행하는 단계를 포함한다(6718). 제1 리소그래피 프로세스에서 노출된 부분과 제2 리소그래피 프로세스에서 노출된 부분이 오버랩핑하는 기판의 영역들에서, 격자 피처들은, 제1 미리 결정된 거리와 제2 미리 결정된 거리의 합과 동일한 거리까지 연장된다.
[0571] 방법은, 일부 실시예들에서, 제2 리소그래피 프로세스(및/또는 제1 리소그래피 프로세스) 동안 노출된 부분들과 상이한 패터닝된 하드 마스크의 부분들을 노출시키기 위해 제3 리소그래피 프로세스를 수행하는 단계(6720), 및 격자 피처들을 기판의 노출된 부분들 내로 제3 미리 결정된 거리 연장시키는 제3 에칭 프로세스를 수행하는 단계(6722)를 더 포함한다.
[0572] 패터닝된 하드 마스크의 제거는, 미리 결정된 패터닝된 구조를 갖는 마스터를 제공한다(6724). 그에 따라서, 본 발명의 실시예들은, 에칭된 영역들을 정의하는 데 사용되는 에칭 레벨들 및 리소그래피 프로세스들의 수의 함수로써 격자 피처들의 깊이가 변하는 N-레벨 에칭 프로세스를 제공한다.
[0573] 도 67에 예시되는 특정 단계들은, 본 발명의 실시예에 따른, 상이한 회절 효율성의 구역들을 특징으로 하는 회절 구조를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들이 다른 시퀀스들이 또한 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 게다가, 도 67에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적합한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들이 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0574] 도 68a-d는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 그레이 스케일 리소그래피를 사용하여 가변적 회절 효율성 격자들을 제조하기 위한 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다. 도 68a-d에 예시된 바와 같이, 그레이 스케일 리소그래피는, 포지션의 함수로써의 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조(예컨대, 회절 격자)를 형성하는 데 활용된다. 도 68a를 참조로, 마스크(6807)는 입사 광(6805)에 노출된다. 마스크(6807)는 포지션의 함수로써의 등급화된 투과율, 예컨대, 제1 측(예컨대, 좌측) 상에서의 높은 투과율 및 제2 측(예컨대, 우측) 상에서의 낮은 투과율을 갖는다. 투과율은 선형적으로 또는 비-선형적으로 등급화될 수 있다. 그레이 스케일 리소그래피 외에도, 다른 직접 라이팅 기법들, 이를테면 e-빔 리소그래피 또는 레이저 라이팅이 도즈 분포를 공간적으로 제어하는 데 사용될 수 있고 그리고 본 발명의 실시예들에 적용가능하다.
[0575] 도 68a를 참조로, 기판(6810) 및 패터닝된 하드 마스크(6820)(예컨대, SiO2 하드 마스크)는 기판 구조를 형성한다. 예로서, 패터닝된 하드 마스크(6820)는, 미리 결정된 주기성(예컨대, 대략 200 nm 내지 400 nm) 및 높이(예컨대, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛)를 갖는 회절 격자일 수 있는 회절 광학 엘리먼트와 연관된 패턴을 가질 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 에칭률들을 포함하는 상이한 특성들을 갖는 재료들의 사용은, 패터닝된 하드 마스크를 마스킹 재료로서 사용하는 것을 가능하게 한다. 기판 구조는 레지스트 층(6814)으로 코팅된다.
[0576] 마스크(6807)를 사용하여 노출할 시에, 높은 투과율을 갖는 마스크의 부분(예컨대, 좌측)에 인접한 레지스트는 더 낮은 투과율을 갖는 마스크의 부분(예컨대, 우측)에 인접한 레지스트보다 더 높은 도즈를 수신한다. 도 68b는 노출 및 현상 이후의 레지스트 프로파일(6816)을 예시한다. 높은 투과율을 갖는 마스크의 부분에 인접하게 수신된 더 높은 도즈로 인해, 레지스트 층(6816)의 높이는 얇은 값에서 더 두꺼운 값으로 포지션의 함수로써 테이퍼진다. 그런 다음, 레지스트/패터닝된 하드 마스크 층의 에칭이 수행된다.
[0577] 도 68c는, 도 68b에 예시된 레지스트 프로파일을 사용하는 에칭 이후의 에칭 프로파일을 예시한다. 이 실시예에서, 레지스트 프로파일은 "비례 RIE"에 의해 패터닝된 하드 마스크 층에 전사된다. 이 프로세스에서, 레지스트는 하위 재료의 에칭을 지연시킬 것이고, 지연은 에칭 두께에 비례한다. 레지스트의 에칭률과 하위 재료의 에칭률 간의 비는, 레지스트 프로파일과 에칭된 프로파일 간의 수직 비례를 결정한다. 도 68c에 도시된 바와 같이, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 패터닝된 하드 마스크 층에 전사되어, 테이퍼진 하드 마스크(6830)를 생성하는데, 즉, 하드 마스크 층은, 하드 마스크 층의 두께가 포지션의 함수로써 변하는 것과 같은 테이퍼진 프로파일을 갖는다.
[0578] 도 68d는, 테이퍼진 하드 마스크 층을 사용하는 비례 에칭 프로세스를 통해 기판(6845)에 회절 구조를 형성하는 것을 예시한다. 이 에칭 프로세스는, 포지션의 함수로써 두께가 변하는 테이퍼진 에칭 마스크 재료에서의 격자 구조의 주기성을 포함하는 테이퍼진 에칭 마스크를 형성한다. 도 68d에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 하드 마스크 층에 존재하는 높이 차이가 기판에 전사되며, (그레이 스케일 마스크의 더 높은 투과율 구역과 연관된) 구역(6850)에서의 더 얕은 에칭(즉, 더 낮은 격자 높이) 및 구역(6852)에서의 더 깊은 에칭(즉, 더 높은 격자 높이)을 갖는다. 예로서, 격자 톱니들 간의 높이 변동은 미리 결정된 범위에 걸쳐, 예컨대, 5 nm 내지 500 nm에 걸쳐 변할 수 있다. 따라서, 도 68d에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 그레이 스케일 리소그래피 프로세스를 활용하여, 가변 격자 높이를 그리고 결과적으로 가변 회절 효율성을 포지션의 함수로써 갖는 회절 구조를 갖는 마스터를 형성한다. 그레이 스케일 마스크에서의 선형 투과율 변동의 결과로서 격자 높이에서의 선형 증가가 도 68d에 예시되지만, 본 발명은 이러한 선형 프로파일로 제한되지 않으며, 미리 결정된 높이 변동들을 갖는 다른 프로파일들이 본 발명의 범위 내에 포함된다.
[0579] 단일의 가변적인 높이 구역이 도 68d에 예시되지만, 이 단일 구역은 상이한 회절 효율성의 복수의 구역들을 예시하는 도 59b의 관점에서 고려되어야 함을 주목해야 한다. 따라서, 격자 높이의 테이퍼링은 특정 구역과 연관된 미리 결정된 격자 높이와 조합되어, 구역-내(intra-region) 뿐만 아니라 구역-간(inter-region) 둘 모두에서의 회절 효율성의 변동을 제공할 수 있다. 당업자는, 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0580] 도 68d를 참조로, 격자 라인들의 바닥부가 평면(6861)과 동일 평면 상에 있다. 그에 따라서, 서브-마스터는 도 68d에 예시된 마스터를 사용하여 제조될 수 있고, 마스터에 존재하는 격자 라인들의 컴플리먼트를 가질 것이다. 그에 따라서, 서브-마스터는, 격자 구조의 최상부들과 정렬된 평면형 표면을 갖도록 생성될 수 있다.
[0581] 도 69는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 방법(6900)은, 기판 구조로서 지칭될 수 있는, 패터닝된 하드 마스크를 갖는 기판을 제공하는 단계를 포함한다(6910). 예로서, 패터닝된 하드 마스크는, 미리 결정된 주기성(예컨대, 대략 200 nm 내지 400 nm) 및 높이(예컨대, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛)를 갖는 회절 격자일 수 있는 회절 광학 엘리먼트와 연관된 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝된 하드 마스크는 SiO2를 포함한다.
[0582] 방법은 또한, 등급화된 투과율 마스크를 통해 레지스트 층을 입사광에 노출시키는 단계를 포함한다(6912). 마스크는 포지션의 함수로써의 등급화된 투과율, 예컨대, 제1 측(예컨대, 좌측) 상에서의 높은 투과율 및 제2 측(예컨대, 우측) 상에서의 낮은 투과율을 갖는다. 투과율은 선형적으로 또는 비-선형적으로 등급화될 수 있다.
[0583] 그레이 스케일 리소그래피 외에도, 다른 직접 라이팅 기법들, 이를테면 e-빔 리소그래피 또는 레이저 라이팅이 도즈 분포를 공간적으로 제어하는 데 사용될 수 있고 그리고 본 발명의 실시예들에 적용가능함을 주목해야 한다. 이들 대안적 접근법들에서, 6912는 등급화된 프로파일을 갖는 레지스트 층을 제공하기 위한 적합한 기법으로 교체될 수 있다.
[0584] 방법은 또한 레지스트 층을 현상하는 단계를 포함한다(6914). 등급화된 투과율 마스크를 사용하는 노출의 결과로서, 노출 및 현상 후의 레지스트 프로파일은, 얇은 값에서 더 두꺼운 값으로 포지션의 함수로서 테이퍼진 높이를 특징으로 한다. 방법은, 레지스트/패터닝된 하드 마스크 층을 에칭하는 단계를 더 포함한다(6916). 이 실시예에서, 테이퍼진 레지스트 프로파일은 "비례 RIE"에 의해 패터닝된 하드 마스크 층에 전사된다. 이 프로세스에서, 레지스트는 하위 재료의 에칭을 지연시킬 것이고, 지연은 에칭 두께에 비례한다. 레지스트의 에칭률과 하위 재료의 에칭률 간의 비는, 레지스트 프로파일과 에칭된 프로파일 간의 수직 비례를 결정한다. 따라서, 레지스트 프로파일에 존재하는 높이 차이가 패터닝된 하드 마스크 층에 전사되어, 하드 마스크 층의 두께가 포지션의 함수로써 변하는 것과 같은 테이퍼진 프로파일을 갖는 패터닝된 하드 마스크 층이 산출될 것이다.
[0585] 방법은, 테이퍼진 하드 마스크 층을 사용하여 기판을 에칭하는 단계를 더 포함한다(6918). 따라서, 본 발명의 실시예들을 사용하여, 마스터는, 테이퍼진 패터닝된 하드 마스크 층에 존재하는 높이 차이를 기판에 전사함으로써 형성되며, (예컨대, 그레이 스케일 마스크의 더 높은 투과율 구역과 연관된) 일 구역에서 더 얕은 에칭(즉, 더 낮은 격자 높이)을 그리고 (그레이 스케일 마스크의 더 낮은 투과율 구역과 연관된) 제2 구역에서 더 깊은 에칭(즉, 더 높은 격자 높이)을 갖는다.
[0586] 따라서, 예컨대, 도 68d에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 그레이 스케일 리소그래피 프로세스를 활용하여, 가변 격자 높이를 그리고 결과적으로 가변 회절 효율성을 포지션의 함수로써 갖는 회절 구조를 갖는 마스터를 형성한다.
[0587] 대안적 실시예에서, 마스터는 서브-마스터를 제조하는 데 사용되며(6920), 서브-마스터는, 카피들을 임프린팅하기 위해 복제 프로세스에서 사용될 수 있다.
[0588] 도 69에 예시된 특정한 단계들이 본 발명의 다른 실시예에 따른, 가변 회절 효율성을 갖는 회절 구조를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스들이 또한 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 69에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적합한 바와 같이 다양한 시퀀스들에서 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
가변 굴절률들
[0589] 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 본원에서 설명된 바와 같은 회절 엘리먼트들과 함께 사용하기에 적절한 가변 굴절률을 갖는 막들은, 드롭 온 디멘드 프로세스, 예컨대 액체들, 이를테면 UV 경화 유기 폴리머들의 잉크젯 프린팅을 사용하여, 예컨대 J-FIL(jet and flash imprint lithography) 프로세스를 사용하여 형성된다. 가변 굴절률을 갖는 이들 막들은 2D 어레이의 형태로 공간적으로 액체들을 분배하고, 이어서 회절 구조, 예컨대 회절 격자 구조로 패터닝됨으로써 형성될 수 있으며, 이는 릴리프 피처로 지칭될 수 있다. 본원에서 개시된 실시예들은, 원하는 도파관 회절 구조 패턴과 조합하여 가변 인덱스들 및 제어된 볼륨의 임프린팅된 재료들을 활용함으로써, 회절 구조를 통해 전파되는 광의 진폭 및 위상을 변조할 시에 가요성을 제공하며, 이는 마스터 템플릿에 의해 정의될 수 있다.
[0590] 일 실시예에서, 액체는, 전형적으로 2 내지 100 피코리터의 볼륨을 갖고 약 10 μm 내지 약 500 μm의 직경 범위에 있는 드롭들로서 분배된다. 그런다음, 이들 드롭들은 몇 백 미크론의 영역으로 확산되고, ~5 nm 내지 ~5 μm의 범위의 두께를 갖는 막을 산출한다. 일부 실시예들에서, 1개 초과의 액체가 기판 상으로 선택적으로 드롭핑될 수 있다. 예컨대, 본원에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 상이한 굴절률들을 갖는 다수의 상이한 액체들이 사용될 수 있다. 그에 따라 형성되는 가변 굴절률을 갖는 막을 통해 광이 이동됨에 따라, (예컨대, 높은 인덱스 도파관 층을 통한 TIR 동안) 회절 구조들과의 상호작용은 광으로 하여금 본원에서 논의된 바와 같이 진폭 및 위상의 변조를 경험하게 할 수 있다. 굴절률의 이러한 디더링은, 광이 회절 구조 밖으로 커플링될 때 광의 확산을 가능하게 하여, 그에 의해, 증가된 코히런스를 갖는 가상 이미지를 제어가능하게 형성한다. 가변 굴절률을 갖는 막을 달성하기 위한 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들이 굴절률에 대한 공간 제어를 가능하게 함을 주목해야 한다. 선택적으로, 상이한 영역들에 걸친 가변 굴절률은, 전체 균일성 및 밝기를 개선시키면서, 디스플레이되는 이미지의 콘트라스트를 포함하는 회절 구조의 다른 광학 특성들에 대한 위상 및 진폭 변조의 잠재적인 악영향을 감소시킬 수 있다.
[0591] 도 36a는 본 발명의 실시예에 따른, 주기적으로 변하는 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 도 36a에서, 회절 엘리먼트(3602)는 ICG(3601) 및 EPE(3603)를 포함하는 접안렌즈의 OPE일 수 있다. 도 36a에 예시된 바와 같이, 회절 엘리먼트(3602)의 상이한 구역들은 회절 엘리먼트(3602)를 통한 광의 변조된 진폭을 산출하는 상이한 굴절률들을 특징으로 한다. 구역들(3605)은 높은 인덱스(예컨대, n=1.65)를 특징으로 하고, 구역들(3606)은 낮은 인덱스(예컨대, n=1.52)를 특징으로 한다. 이들 구역들은, 회절 구조, 이를테면 회절 격자 패턴으로 후속적으로 임프린팅된 층을 형성하기 위해 2D 공간 패턴에서 높은 및 낮은 인덱스를 갖는 재료의 제어된 볼륨 드롭들을 분배함으로써 형성될 수 있다. 임프린팅할 시에, 가변 굴절률의 층은 일부 실시예들에서 ~5 nm 내지 ~5 μm의 범위에 있는 미리 결정된 RLT(residual layer thickness)를 가질 것이다.
[0592] 도 36a에서, 구역(3605)은, 임프린팅 이후 구역(3605)의 경계들이 일반적으로 직사각형 레이아웃으로 형성되도록 드롭 온 디멘드 프로세스를 사용하여 높은 인덱스 재료의 드롭들을 배치함으로써 형성될 수 있다. 구역(3606)은 유사한 방식으로 드롭 온 디멘드 프로세스를 사용하여 낮은 인덱스 재료의 드롭들을 배치함으로써 형성될 수 있다. 더 높은 인덱스 재료(예컨대, n=1.65)로 이루어진 드롭들의 어레이들은 직경이 대략 ~10 μm 내지 ~100 μm인 드롭 디멘션들을 가질 수 있으며, 구역들(3605)이 대략 0.5 mm 내지 5 mm인 디멘션들을 갖도록 배열될 수 있다. 더 낮은 인덱스 재료 구역들(예컨대, n=1.52)의 어레이가 유사한 방식으로 형성된다. 임프린팅될 때, 어레이들의 세트들의 드롭들은 확산되고 인접한 어레이들의 경계에 본딩되어, 가변 굴절률의 구역들을 갖는 연속적인 막을 형성한다. 드롭 온 디멘드 프로세스들은, 회절 구조들이 임프린팅되는 볼륨 및 막 두께의 제어를 가능하게 한다. 본 발명의 실시예들이 가변 인덱스 막의 회절 구조들의 임프린팅의 관점에서 논의되지만, 본 발명이 이러한 설계로 제한되지 않으며, 평면형 표면들이 도 36e와 관련하여 논의된 바와 같이 가변 인덱스 막에 접할 수 있음을 주목해야 한다. 회절 구조들은 격자들, 홀들, 필러들 등을 포함하는 나노-피처들을 포함할 수 있다.
[0593] 회절 엘리먼트(3602)의 예가 OPE이지만, 굴절률의 변동은 ICG 및 EPE 또는 다른 회절 엘리먼트들을 포함하여 접안렌즈를 구성하는 부가적인 회절 엘리먼트들에서 활용될 수 있다. 예컨대, OPE에서, 변동은 랜덤일 수 있지만, EPE에서, 특정한 영역들이 굴절의 변동에 대해 지정될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다. 게다가, 2개의 굴절률 재료들만이 이러한 및 다른 실시예들에 예시되지만, 본 발명은 2개의 재료들만의 사용으로 제한되는 것이 아니라 가변 굴절률들을 갖는 부가적인 수들의 재료들을 활용할 수 있다. 예로서, 3개 또는 4개의 상이한 재료들이 일부 실시예들에서 활용될 수 있다. 전형적으로, 사용된 활용된 재료들의 실시예들은 약 1.49 내지 약 1.7의 범위에 있는 굴절률들을 갖는다.
[0594] 도 36k는 본 발명의 실시예에 따른, 회절 엘리먼트에 대한 가변적인 굴절률 구조를 예시하는 단순화된 측면도 다이어그램이다. 도 36k에 예시된 바와 같이, 높은 굴절률의 복수의 구역들(3605)은 높은 굴절률의 구역들에 관련하여 낮은 굴절률의 복수의 구역들(3606)을 갖는 기판(3609) 상에 산재되어 있다. 예컨대, 복수의 회절 엘리먼트들(3608)(예컨대, 격자 엘리먼트들)을 포함할 수 있는 회절 구조(3607)는 구역들(3605 및 3606)에 인접하게 배치된다. 일부 실시예들에서, 회절 구조를 임프린팅하는 데 사용되는 템플릿은, 도 36a와 관련하여 논의된 바와 같이 기판 상의 포지션의 함수로써 대략 수 나노미터 내지 수천 나노미터, 예컨대 5 nm 내지 1,000 nm, 예컨대 10 nm 내지 100 nm로 균일한 두께의 막(T)을 제공하기 위해 구역들(3605 및 3606)을 평탄화시킨다.
[0595] 당업자에게 자명할 바와 같이, 구역들(3605 및 3606)의 폭(W)이 대략 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있지만, 격자 엘리먼트들(3608)의 피치가 대략 300 nm 내지 1500 nm일 수 있으므로 도면은 축척에 맞지 않는다. 부가적으로, 당업자에게 자명할 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 2개의 상이한 굴절률들로 제한되지 않으며, 상이한 굴절률의 구역들은 3개 이상의 상이한 굴절률들로 구성될 수 있다. 게다가, 회절 구조가 상이한 굴절률의 구역들 상에 임프린팅되지만, 회절 구조는 평면형 구조로 교체될 수 있다. 둘 모두의 구현들에서, 본 발명의 실시예들은 제어가능한 막 두께를 갖는 가변 굴절률의 미리 결정된 지오메트리를 제공한다. 회절 구조의 피치는 본 발명의 다른 실시예들에서 논의되는 바와 같이 포지션의 함수로써 변할 수 있다.
[0596] 도 36b는 본 발명의 실시예에 따른, 굴절률의 분산형 변동을 갖는 회절 엘리먼트를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 도 36a의 배열된 구역들과는 대조적으로, 예시된 실시예는 낮은 굴절률 재료(3612)의 배경 내에 산재된 한 세트의 높은 굴절률 아일랜드들(3611)을 갖는 회절 엘리먼트(3610)를 포함한다. 앞서 논의된 바와 같이, 한 세트의 높은 굴절률 아일랜드들(3611) 및 주변의 낮은 굴절률 재료(3612)는 포지션의 함수로써의 균일한 두께를 특징으로 할 수 있으며, 균일한 두께의 막을 제공하지만 포지션의 함수로써 가변 굴절률들을 갖는다. 굴절률의 변동은 일관된 분포(예컨대, 높은 굴절률 아일랜드들(3611)을 균일하게 이격시키는 것) 또는 비-일관된 분포(예컨대, 높은 굴절률 아일랜드들의 랜덤한 또는 세미-랜덤한 간격)을 특징으로 할 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 2개의 굴절률 재료들만이 이러한 실시예에 예시되지만, 본 발명은 2개의 재료들만의 사용으로 제한되는 것이 아니라 가변 굴절률들을 갖는 부가적인 수들의 재료들을 활용할 수 있다. 예로서, 2개 이상의 상이한 재료들은 주변 재료에 분산된 아일랜드들을 형성하기 위해 활용될 수 있다.
[0597] 일부 실시예들에 따르면, 도면의 평면에서 측정된 높은 굴절률 아일랜드들(3611)의 측방 디멘션들은 대략 수십 미크론 내지 수천 미크론, 예컨대 0.5 mm 내지 5 mm이다. 도 36k와 관련하여 논의되는 바와 같이, 높은 굴절률 아일랜드들(3611) 및 주변의 낮은 굴절률 재료(3612)의 두께(T)는 대략 수 나노미터 내지 수천 나노미터, 예컨대 5 nm 내지 1,000 nm, 예컨대, 10 nm 내지 100 nm이다.
[0598] 도 36c는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률의 한 세트의 회절 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 도 36b에 예시된 것과 유사한 방식으로, 회절 엘리먼트(3610)는 주변의 낮은 굴절률 재료(3612)에 산재된 한 세트의 높은 굴절률 아일랜드들(3611)을 포함한다. 회절 엘리먼트(3610)에 존재하는 굴절률의 변동 외에도, 부가적인 회절 엘리먼트(3615)은 상이한 굴절률들을 갖는 구역들을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 36c는, 낮은 굴절률의 중앙 구역(3616) 및 한 세트의 높은 굴절률의 주변 구역들(3617)을 포함하는 부가적인 회절 엘리먼트(2615)를 도시한다. 예로서, 회절 엘리먼트(3610)는 OPE일 수 있고, 부가적인 회절 엘리먼트(3615)는 접안렌즈의 EPE일 수 있다.
[0599] 일부 회절 엘리먼트 설계들에서, 엘리먼트의 에지들 또는 코너들에 아웃커플링된 광의 세기는 엘리먼트의 중앙 부분들에 아웃커플링된 세기보다 작을 수 있으며, 그에 의해 이미지 품질에 영향을 미친다. 높은 굴절률을 특징으로 하는 한 세트의 주변 구역들(3617)은 중앙 부분에 대해 회절 구조의 커플링 계수를 증가시켜, 이들 주변 구역들(3617)에서 증가된 아웃커플링을 산출하며, 이는 이미지 균일성을 개선시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 높은 굴절률을 갖는 구역들은 비대칭일 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 광원으로부터 가장 먼 회절 엘리먼트의 영역들에서 높은 굴절률을 갖는 더 크거나 또는 다르게 형상화된 구역들이 사용될 수 있다.
[0600] 회절 엘리먼트(3610) 및 부가적인 회절 엘리먼트(3615)는 동시에 임프린팅될 수 있고, 상이한 회절 구조들, 예컨대 상이한 주기성들 및 배향들을 갖는 회절 격자들을 가질 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0601] 도 36d는 본 발명의 실시예에 따른, 상이하고 균일한 굴절률들을 갖는 한 세트의 회절 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 이 실시예에서, 제1 회절 엘리먼트(3620)(예컨대, ICG)는 균일한 높은 굴절률을 가질 수 있는 반면, 제2 및 제3 회절 엘리먼트들(3621 및 3622)(예컨대, 각각 OPE 및 EPE)은 균일한 낮은 굴절률을 갖는다. 이러한 설계에서, 이들 3개의 회절 엘리먼트들을 포함하는 접안렌즈는 동일한 평면에서, 상이한 굴절률 및 결과적으로 상이한 커플링 계수들을 갖는 회절 엘리먼트들을 가질 것이다. 이러한 예에서, ICG 내의 높은 굴절률 재료는 OPE 및 EPE에 대해 투사기로부터 접안렌즈로의 높은 커플링 효율성 및 상이한(예컨대, 더 낮은) 커플링 효율성들을 제공할 것이다. 모든 3개의 회절 엘리먼트들이 동시에 임프린팅될 수 있으므로, 막 두께는 포지션의 함수로써 균일할 수 있으며, 종래의 기법들을 사용하여 이용가능하지 않은 상이한 굴절률들의 결과로서 높은 밝기를 포함하는 고유한 이익들을 제공한다.
[0602] 본 발명의 실시예들이 본원에서 설명된 기법들의 조합들을 제공함을 주목해야 한다. 예로서, 포지션의 함수로써 균일한 공간 프로파일을 갖는 높은 굴절률 재료가 회절 커플링을 증가시키기 위해 ICG에서 제공될 수 있고, 포지션의 함수로써 변한 굴절률의 공간 프로파일이 디더링 효과를 제공하기 위해 OPE에서 제공될 수 있으며, 포지션의 함수로써의 균일한 공간 프로파일이 EPE에서 제공될 수 있다. 다른 조합들이 또한 본 발명의 범위에 포함된다. 그에 따라서, 접안렌즈의 엘리먼트들 각각은 본 발명의 실시예들을 사용하여 그들의 특정 기능에 대해 최적화될 수 있다.
[0603] 도 36e는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도(3630)이다. 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함한다(3632). 방법은 기판 상에 적어도 하나의 제1 구역 및 적어도 하나의 제2 구역을 정의하는 단계를 더 포함한다(3634).
[0604] 방법은 제1 구역 상에 제1 재료를 드롭핑하는 것을 더 포함한다(3636). 방법은 제2 구역 상에 제2 재료를 드롭핑하는 것을 더 포함한다(3638). 일부 실시예들에서, 제1 재료 및 제2 재료는 제어된 볼륨 액적(droplet)들로서 드롭핑될 수 있다. 제2 재료는 제1 재료보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 재료는 n=1.65의 굴절률을 가질 수 있는 반면, 제2 재료는 n=1.52의 굴절률을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 재료 및 제2 재료는 기판보다 더 낮은 굴절률들을 가질 수 있다.
[0605] 방법은 회절 엘리먼트를 형성하기 위해 회절 구조로 제1 재료 및 제2 재료를 임프린팅하는 단계를 더 포함한다(3639). 회절 엘리먼트는, 예컨대 OPE, EPE, 및/또는 ICG이거나 또는 그들을 포함할 수 있다. 그러나, 상이한 회절 엘리먼트들의 경우, 굴절률들의 변동이 상이할 수 있다. 예컨대, OPE에서, 변동은 랜덤일 수 있지만, EPE에서, 특정한 영역이 굴절의 변동에 대해 지정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 1개 초과의 회절 엘리먼트가 단일 프로세스에서 제조될 수 있다.
[0606] 회절 구조는, 예컨대 하나 이상의 격자 패턴들, 홀, 및/또는 필러 패턴들(즉, 일정, 가변, 또는 랜덤 패턴)을 포함할 수 있다. 임프린팅될 때, 제1 재료의 드롭들 및 제2 재료의 드롭들은 확산되고 인접한 드롭들의 경계에 본딩되어, 가변 굴절률들의 구역들을 갖는 연속적인 막을 형성할 수 있다. 임프린팅할 시에, 제1 재료 및 제2 재료는 일부 실시예들에서 ~5 nm 내지 ~5 μm의 범위에 있는 미리 결정된 RLT(residual layer thickness)를 가질 수 있다.
[0607] 흐름도(3630)와 관련하여 설명된 방법에 따르면, 가변 굴절률들을 갖는 회절 엘리먼트가 획득될 수 있다. 가변 굴절률들을 구현함으로써, 회절 엘리먼트를 통한 광의 더 균일한 확산이 획득되어, 원하는 시야에 걸친 이미지 코히런스에 대한 제어를 가능하게 할 수 있다. 추가로, 이러한 제조 방법은 콘택 나노임프린트 리소그래피 프로세스들보다 더 값싸고 덜 시간 소모적일 수 있다.
[0608] 도 36e에 예시된 특정한 단계들이 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스들이 또한 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 36e에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적합한 바와 같이 다양한 시퀀스들에서 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0609] 가변적인 굴절률 막을 형성하기 위한 다른 방법이 본원에서 개시된다. 내부에 나노입자들을 갖는 액체 레지스트가 기판 상에 드롭핑될 수 있다. 레지스트의 액체 컴포넌트는 나노입자 컴포넌트보다 더 낮은 점성을 가져서, 임프린팅이 발생할 때 레지스트 컴포넌트들 간의 상이한 레이트들의 확산을 허용할 수 있다.
[0610] 도 36f는 본 발명의 실시예에 따른, 평면 기판에 접하는 가변 굴절률의 막을 예시하는 이미지이다. 도 36f에 예시된 막은 높은 및 낮은 굴절률 재료들의 복수의 구역들을 포함한다. 이러한 막을 제조하기 위해, 가변 굴절률의 컴포넌트들을 포함하는 높은 인덱스 액체가 제공되었다. 예로서, 유체의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 나노입자들(예컨대, 티타늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 등)을 포함하는 유체(예컨대, 포토레지스트)가 사용될 수 있다. 예컨대, 유체는 1.50의 굴절률을 갖는 포토레지스트일 수 있고, 유체의 나노입자들은 2.0의 굴절률을 가질 수 있다. 높은 인덱스의 나노입자들은 바람직하게, 잉크젯 분배 및 회절 구조들을 이용한 나중의 임프린팅을 가능하게 하기 위해 최소의 응집을 갖는 유체에 균일하게 분배된다. 높은 굴절률의 나노입자들의 존재는 유체/나노입자 혼합이 유체 컴포넌트 단독보다 더 높은 굴절률을 갖는 것을 산출한다. 대안적으로, 상이한 구성성분들을 갖는 유체가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구성성분들은 높은 굴절률을 갖는 매우 강하게 기능화된 폴리머들 또는 긴 분자 체인 폴리머들을 포함할 수 있고, 더 낮은 굴절률을 갖는 약하게 기능화된 폴리머들 또는 더 짧은 분자 체인 폴리머들이 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료들의 표면 장력은 상이한 굴절률들을 산출하기 위해 변한다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0611] 드롭 온 디멘드 프로세스에 의한 초기 증착 이후, 10 μm 내지100 μm의 직경을 초기에 가질 수 있는 드롭들은 수백 나노미터 이하의 범위로 막을 형성하기 위해 확산될 것이다. 드롭이 확산됨에 따라, 굴절률 변동이 생성되며, 이는 본 발명을 제한하지 않으면서 액상 크로마토그래피 프로세스와 유사한 액상 확산 프로세스에 관련될 수 있다. 다른 말로, 드롭이 (예컨대, 미크론 스케일의) 측방 디멘션들과 비교하여 (예컨대, 나노미터 스케일에서) 작은 두께를 갖는 박막으로 확산됨에 따라, 초기 드롭의 중심이 확산 이후 드롭의 주변 부분들보다 더 높은 농도의 나노입자들을 특징으로 하도록 재료의 위상 분리가 발생된다. 그에 따라서, 주변 부분들은 더 낮은 농도의 나노입자들을 특징으로 한다. 볼륨 부분으로서의 나노입자들의 불균일한 분포는 확산 이후 드롭 내의 포지션의 함수로써의 불균일한 굴절률을 산출한다. 막 내의 재료가 경화될 때, 가변 굴절률의 고체의 패터닝된 막이 그에 따라 형성된다. 회절 구조들은 본 명세서에 설명된 바와 같이 고체의 패터닝된 막 상에 임프린팅될 수 있다.
[0612] 도 36f를 참조로, 이미지는 두께가 90 nm인 막과 연관된다. 중앙 부분(3642)은 드롭이 초기에 증착되었던 위치와 연관되고, 주변 부분(3644)은 드롭이 확산되는 위치들과 연관된다. 액상 확산 프로세스의 결과로서, 더 높은 농도의 나노입자들을 포함하는 중앙 부분(3642)의 굴절률은 1.69이지만, 인접한 드롭들이 병합되고 나노입자들의 농도가 더 낮은 주변 부분(3644)에서, 굴절률은 1.61이다. 초기에, 드롭의 굴절률은 1.64였다. 가변 굴절률 막에 접하는 평면 기판은 드롭들의 일반적으로 균일한 확산을 산출하며, 이는 확산 이후 형상이 일반적으로 원형이다. 당업자에게 자명할 바와 같이, 막의 최상부 상에 임프린팅된 회절 구조는, 회절 구조 상의 주기성이 서브-미크론 스케일이므로 이미지 스케일에서 가시적이지 않다.
[0613] 가변 굴절률의 구역들의 포지션들의 제어는 제어된 볼륨의 드롭들의 미리 결정된 배치에 의해 제공된다. 포지션들은 특정 애플리케이션에 적합하게 균일하게 배열되거나 랜덤한 또는 세미-랜덤한 방식으로 변할 수 있다. 일부 구현들에서, 균일한 어레이들 둘 모두 및 랜덤한 또는 세미-랜덤한 분포는 포지션의 함수로써 굴절률의 원하는 변동을 제공하기 위해 조합될 수 있다. 서로에게 가까운 드롭들의 배치는 몇몇 드롭들이 조합되는 병합된 구역을 산출하여, 미리 결정된 디멘션들의 구역들을 가능하게 할 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0614] 도 36g는 본 발명의 실시예에 따른, 회절 기판에 접하는 가변 굴절률의 막을 예시하는 이미지이다. 도 36g에서, ICG는 측면 상에 몇 백 미크론의 구역들로 확산되는 드롭들을 갖는 것으로 예시된다. 드롭이 초기에 증착되었던 위치와 연관된 중앙 부분들(3646)은 높은 굴절률을 특징으로 하고, 드롭이 확산되고 인접한 드롭들이 병합되는 위치들과 연관된 주변 부분들(3648)은 더 낮은 굴절률을 특징으로 한다. 막의 최상부 상에 임프린팅된 회절 구조는, 회절 구조 상의 주기성이 서브-미크론 스케일이므로 이미지 스케일에서 가시적이지 않다. 그러나, 회절 엘리먼트들(예컨대, 격자 라인들)이 회절 엘리먼트들(예컨대, 격자 라인들)에 수직인 유체 흐름에 대해 우선적으로 회절 엘리먼트들(예컨대, 격자 라인들)의 방향에 평행한 유체 흐름을 지원하므로, 회절 구조의 존재는 확산 이후 드롭들의 일반적으로 타원 형상에 의해 예시된다. 예시된 실시예에서, 회절 구조는 일반적으로 수직 방향으로 배열된 회절 엘리먼트들을 가져서, 수평 방향보다 수직 방향으로 더 높은 유체 흐름을 가능하게 한다.
[0615] 도 36h는 본 발명의 실시예에 따른, 제1 회절 엘리먼트의 가변 굴절률의 막을 예시하는 이미지이다. 도 36h에서, OPE는 측면 상에 몇 백 미크론의 구역들로 확산되는 드롭들을 갖는 것으로 예시된다. 드롭이 초기에 증착되었던 위치와 연관된 중앙 부분들(3652)은 높은 굴절률을 특징으로 하고, 드롭이 확산되고 인접한 드롭들이 병합되는 위치들과 연관된 주변 부분들(3654)은 더 낮은 굴절률을 특징으로 한다. 회절 엘리먼트들(예컨대, 격자 라인들)이 격자 라인들에 수직인 유체 흐름에 대해 우선적으로 격자 라인들의 방향에 평행한 유체 흐름을 지원하므로, 회절 구조의 존재는 확산 이후 드롭들의 일반적으로 타원 형상에 의해 예시된다. 예시된 실시예에서, 회절 구조는 수직 방향에 대해 대략 45도의 각도로 배열된 회절 엘리먼트들을 가져서, 수직 방향에 대해 ~45도의 방향을 따른 더 높은 유체 흐름을 가능하게 한다.
[0616] 도 36i는 본 발명의 실시예에 따른, 제2 회절 엘리먼트의 가변 굴절률의 막을 예시하는 이미지이다. 도 36h에서, EPE는 측면 상에 몇 백 미크론의 구역들로 확산되는 드롭들을 갖는 것으로 예시된다. 드롭이 초기에 증착되었던 위치와 연관된 중앙 부분들(3656)은 높은 굴절률을 특징으로 하고, 드롭이 확산되고 인접한 드롭들이 병합되는 위치들과 연관된 주변 부분들(3658)은 더 낮은 굴절률을 특징으로 한다. 회절 엘리먼트들(예컨대, 격자 라인들)이 격자 라인들에 수직인 유체 흐름에 대해 우선적으로 격자 라인들의 방향에 평행한 유체 흐름을 지원하므로, 회절 구조의 존재는 확산 이후 드롭들의 일반적으로 타원 형상에 의해 예시된다. 예시된 실시예에서, 회절 구조는 일반적으로 수평 방향으로 배열된 회절 엘리먼트들을 가져서, 수직 방향보다 수평 방향으로 더 높은 유체 흐름을 가능하게 한다.
[0617] 도 36j는 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도(3660)이다. 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함한다(3662). 일부 실시예들에서, 기판은 높은 또는 낮은 굴절률(예컨대, n=1.8 또는 n=1.5)을 가질 수 있다. 방법은 기판 상에 적어도 하나의 구역을 정의하는 단계를 더 포함한다(3664).
[0618] 방법은 액체 레지스트 재료를 제공하는 단계를 더 포함한다(3666). 방법은 용액을 형성하기 위해 액체 레지스트 재료에 입자들을 분산시키는 단계를 더 포함한다(3668). 입자들은 액체 레지스트 재료에 균일하게 분배될 수 있고, 액체 레지스트 재료 내에서 응집되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 용액은 n=1.65 이상의 굴절률을 가질 수 있다. 입자들은, 예컨대 나노입자들, 이를테면 티타늄 옥사이드 나노입자들일 수 있다.
[0619] 방법은 기판 상의 적어도 하나의 구역에 용액을 드롭핑하는 단계를 더 포함한다(3670). 일부 실시예들에서, 용액은 제어된 볼륨 액적들로서 드롭핑될 수 있다. 드롭들은, 예컨대 4 pL(~10 μm 직경) 드롭들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 용액은 기판보다 더 높은 굴절률을 가질 수 있다.
[0620] 방법은 회절 엘리먼트를 형성하기 위해 회절 구조로 용액을 임프린팅하는 단계를 더 포함한다(3672). 일부 실시예들에서, 용액의 드롭들은 특정 잔류 층 두께(예컨대, 100 nm)로 임프린팅되어, 위상 분리를 유발할 수 있다. 이러한 임프린팅 프로세스는 용액으로 하여금, 용액이 별개의 존들로 분리되도록 액체 크로마토그래피를 경험하게 할 수 있다. 개별 존들은, 각각의 드롭이 확산됨에 따라 각각의 드롭 내의 굴절률 변동으로 인해 다른 존들보다 나노입자들에서 보다 풍부할 수 있다.
[0621] 회절 엘리먼트는, 예컨대 OPE, EPE, 및/또는 ICG이거나 또는 그들을 포함할 수 있다. 그러나, 상이한 회절 엘리먼트들의 경우, 굴절률들의 변동이 상이할 수 있다. 예컨대, OPE에서, 변동은 랜덤일 수 있지만, EPE에서, 특정한 영역들이 굴절의 변동에 대해 지정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 1개 초과의 회절 엘리먼트가 단일 프로세스에서 제조될 수 있다.
[0622] 회절 구조는, 예컨대 하나 이상의 격자 패턴들(즉, 일정, 가변, 또는 랜덤 격자 패턴)을 포함할 수 있다. 임프린팅될 때, 용액의 드롭들은 확산되고 인접한 드롭들의 경계에 본딩되어, 가변 굴절률들의 구역들을 갖는 연속적인 막을 형성할 수 있다.
[0623] 흐름도(3660)와 관련하여 설명된 방법에 따르면, 가변 굴절률들을 갖는 회절 엘리먼트가 획득될 수 있다. 위상 가변 패턴은 회절 엘리먼트의 표면을 빠져나가거나 그 표면에서 상호작용하는 광에 대해 생성될 수 있다. 가변 굴절률들을 구현함으로써, 회절 엘리먼트를 통한 광의 더 균일한 확산이 획득되어, 원하는 시야에 걸친 이미지 코히런스에 대한 제어를 가능하게 할 수 있다. 추가로, 이러한 제조 방법은 콘택 나노임프린트 리소그래피 프로세스들보다 더 값싸고 덜 시간 소모적일 수 있다.
[0624] 도 36j에 예시된 특정한 단계들이 본 발명의 실시예에 따른, 가변 굴절률을 갖는 회절 엘리먼트를 제조하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스들이 또한 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 36j에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적합한 바와 같이 다양한 시퀀스들에서 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0625] 도 36l은 본 발명의 실시예에 따른, 회절 엘리먼트에 대한 다층의 가변적인 굴절률 구조를 예시하는 단순화된 측면도 다이어그램이다. 도 36l을 참조로, 높은 굴절률 재료(3682)의 복수의 구역들이 기판(3680) 상에 배치된다. 높은 굴절률 재료의 복수의 구역들은 본원에서 논의되는 드롭 온 디멘드 프로세스들을 사용하여 형성될 수 있다. 낮은 굴절률 재료(3684)의 부가적인 층은 높은 굴절률 재료(3682)의 복수의 구역들 위에 증착된다. 회절 구조(3686)는 낮은 굴절률 재료의 부가적인 층에 임프린팅된다. 일부 실시예들에서, 높은 굴절률 재료의 복수의 구역들의 두께는, 예컨대, 막을 형성하기 위해 드롭들에 접하는 평면형 표면을 사용하여 초기 드롭들을 확산시킴으로써, 미리 결정된 두께로 제어된다. 다른 실시예들에서, 단일 임프린팅 프로세스는 높은 굴절률 재료의 복수의 구역들 및 낮은 굴절률 재료의 부가적인 층 둘 모두의 두께를 제어하기 위해 사용된다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0626] 도 70은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 접안렌즈(7000)의 구조의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다. 단면도에 도시된 구역은 도 20에 예시된 바와 같은 접안렌즈(2000)의 EPE 구역(2009)에 대응한다. 도 70에 도시된 바와 같이, 접안렌즈(7000)는 제1 평면형 도파관(7020), 제2 평면형 도파관(7030), 및 제3 평면형 도파관(7040)을 포함할 수 있다. 각각의 도파관(7020, 7030, 또는 7040)은 도 70에 예시된 바와 같이, 직교 좌표계에서 X-Y 평면에 놓여 있을 수 있다(Y-축은 페이지를 포인팅한다). 각각의 도파관(7020, 7030, 또는 7040)은 뷰어의 눈(7002)을 향하는 후면 및 반대 방향을 향하는 전면을 갖는다. 접안렌즈(7000)은 또한, 백 커버(7010), 및 프런트 커버(7050)를 포함할 수 있다.
[0627] 접안렌즈(7000)는 또한, 제1 도파관(7020)의 후면 상에 배치된 제1 격자(7024), 제2 도파관(7030)의 후면 상에 배치된 제2 격자(7034), 및 제3 도파관(7040)의 후면 상에 배치된 제3 격자(7044)를 포함할 수 있다. 제1 격자(7024)는 뷰어의 눈(7002)을 향해(예컨대, 실질적으로 포지티브 Z-축을 따라) 제1 도파관(7020)에서 전파되는 광의 제1 부분을 회절시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 제2 격자(7034)는 뷰어의 눈(7002)을 향해 제2 도파관(7030)에서 전파되는 광의 제1 부분을 회절시키도록 구성될 수 있고, 제3 격자(7044)는 뷰어의 눈(7002)을 향해 제3 도파관(7040)에서 전파되는 광의 제1 부분을 회절시키도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 제1 격자(7024), 제2 격자(7034), 및 제3 격자(7044) 각각은, 그것이 뷰어의 눈 쪽으로 지향되는 투과 회절 차수가므로 투과 모드로 동작하는 것으로 지칭될 수 있다.
[0628] 제1 격자(7024)는 또한, 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 (예컨대, 실질적으로 네거티브 Z-축을 따라) 제1 도파관(7020)에서 (즉, 반사 회절 차수로) 전파되는 광의 제2 부분을 회절시킬 수 있다. 유사하게, 제2 격자(7034)는 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 제2 도파관(7030)에서 전파되는 광의 제2 부분을 회절시킬 수 있고, 제3 격자(7044)는 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 제3 도파관(7040)에서 전파되는 광의 제2 부분을 회절시킬 수 있다.
[0629] 도 70이 도파관들(7020, 7030, 및 7040)의 후면들 상에 각각 형성된 격자들(7024, 7034, 및 7044)을 예시하지만, 이것은 본 발명에 의해 요구되지 않는다. 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트들을 포함하는 격자들 또는 다른 회절 구조들은 후면의 내부 측, 후면의 외부 측 상에 형성되거나, 또는 도파관 내부에 배치되고 후면으로부터 미리 결정된 거리에 포지셔닝된다. 그에 따라서, 후면 상에 형성된 회절 구조들에 대한 참조가 이루어질 때, 이것은 후면에 인접한 도파관 내부에 형성된 회절 구조들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0630] 일부 실시예들에서, 각각의 도파관(7020, 7030, 또는 7040) 뿐만 아니라 각각의 격자(7024, 7034, 또는 7044)는, 그것이 정해진 파장 범위에서 선택적으로 전파되거나 또는 광을 회절시키도록 파장 선택적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 파장들(7020, 7030, 및 7040) 각각은 개개의 원색에 대해 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 도파관(7020)은 적색(R) 광을 전파하도록 구성될 수 있고, 제2 도파관(7030)은 녹색(G) 광을 전파하도록 구성될 수 있으며, 제3 도파관(7040)은 청색(B) 광을 전파하도록 구성될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 접안렌즈(7000)가 상이한 깊이 평면들에 대해, 적색 광에 대해 2개 이상의 도파관들, 녹색 광에 대해 2개 이상의 도파관들, 및 청색 광에 대해 2개 이상의 도파관들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 자홍색 및 청록색을 포함하는 다른 컬러들이 적색, 녹색, 또는 청색 외에 사용될 수 있거나, 또는 그들 중 하나 이상을 교체할 수 있다. 당업자는 또한, 도파관들(7020, 7030, 및 7040)의 대안적인 순서를 인지할 것이다.
[0631] 본 개시내용의 정해진 컬러의 광에 대한 참조는 그 정해진 컬러인 것으로 뷰어에 의해 지각되는 파장들의 범위 내에 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이라는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 적색 광은 약 620 내지 780 nm의 파장 범위의 광을 포함할 수 있고; 녹색 광은 약 492 내지 577 nm의 파장 범위의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435 내지 493 nm의 파장 범위의 광을 포함할 수 있다.
[0632] 일부 실시예들에서, 각각의 격자(7024, 7034, 또는 7044)는 표면 릴리프 격자, 이를테면 바이너리 또는 2-레벨 메타표면 위상 격자 등을 포함할 수 있다. 2-레벨 위상 격자의 경우, 투과 순서의 회절 효율성은 반사 순서의 회절 효율성과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 대략 동일한 양의 가상 이미지 광은 뷰어의 눈(7002)을 향해 그리고 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 각각의 도파관(7020, 7030, 또는 7040)으로부터 아웃-커플링될 수 있다. 블레이즈드 격자들(예컨대, 3-레벨 메타표면 위상 격자들)의 경우에도, 실질적인 양의 가상 이미지 광이 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 여전히 아웃-커플링될 수 있다. 따라서, 가상 이미지의 밝기를 향상시키기 위해 다시 뷰어의 눈(7002)을 향해 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 지향되는 가상 이미지 광의 적어도 일부를 방향전환하는 것이 바람직할 수 있다. 동시에, 뷰어의 눈(7002)을 향해 세계로부터 가능한 많은 자연 광을 투과시키는 것이 바람직할 수 있다.
[0633] 일부 실시예들에 따르면, 접안렌즈(7000)는, 다시 뷰어의 눈을 향해 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 제1 격자(7024)에 의해 회절된 가상 이미지 광의 적어도 일부를 반사시키기 위해 제1 도파관(7020)의 전면에 배치된 제1 파장-선택적 반사기(7026)를 포함할 수 있다. 유사하게, 접안렌즈(7000)는 제2 도파관(7030)의 전면에 배치된 제2 파장-선택적 반사기(7036), 및 제3 도파관(7040)의 전면에 배치된 제3 파장-선택적 반사기(7046)를 포함할 수 있다.
[0634] 각각의 파장-선택적 반사기(7026, 7036, 또는 7046)는 정해진 컬러의 광을 반사시키고 다른 파장들의 광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 파장-선택적 반사기(7026)는 적색 광을 반사시키도록 구성될 수 있고; 제2 파장-선택적 반사기(7036)는 녹색 광을 반사시키도록 구성될 수 있으며; 제3 파장-선택적 반사기(7046)는 청색 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 이로써, 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게(즉, 실질적으로 네거티브 Z-축으로) 제1 격자(7024)에 의해 회절된 적색 광의 가상 이미지의 부분은 다시 뷰어의 눈(7002)을 향해(즉, 실질적으로 포지티브 Z-축으로) 제1 파장-선택적 반사기(7026)에 의해 반사될 수 있다. 유사하게, 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 제2 격자(7034)에 의해 회절된 녹색 광의 가상 이미지의 부분은 다시 뷰어의 눈(7002)을 향해 제2 파장-선택적 반사기(7036)에 의해 반사될 수 있고, 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 제3 격자(7044)에 의해 회절된 청색 광의 가상 이미지의 부분은 다시 뷰어의 눈(7002)을 향해 제3 파장-선택적 반사기(7046)에 의해 반사될 수 있다.
[0635] 앞서 논의된 바와 같이, 파장-선택적 반사기들(7026, 7036, 및 7046)이 격자들(7024, 7034, 및 7044)에 대해 적절히 정렬되면(이는, 각각의 도파관(7020, 7030, 및 7040)의 전면 및 후면이 서로 평행하면 달성될 수 있음), 고스트 이미지들이 회피될 수 있고, 가상 이미지의 밝기가 향상될 수 있다.
[0636] 도 71은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 제1 파장-선택적 반사기(7026), 제2 파장-선택적 반사기(7036), 및 제3 파장-선택적 반사기(7046)의 일부 예시적인 반사 스펙트럼들을 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, 제1 파장-선택적 반사기(7026)는 적색 파장 구역에서 반사율 피크를 갖는 제1 반사 스펙트럼(7122)을 특징으로 할 수 있고, 제2 파장-선택적 반사기(7036)는 녹색 파장 구역에서 반사율 피크를 갖는 제2 반사 스펙트럼(7132)을 특징으로 할 수 있으며, 제3 파장-선택적 반사기(7046)는 청색 파장 구역에서 반사율 피크를 갖는 제3 반사 스펙트럼(7142)을 특징으로 할 수 있다.
[0637] 파장-선택적 반사기들(7026, 7036, 및 7046)의 비교적 좁은 반사율 대역들 때문에, 접안렌즈(7000)는 선택된 파장 범위들의 가상 이미지 광을 강하게 반사시키고, 모든 다른 파장 범위들의 광을 투과시킬 수 있다. 따라서, 파장-선택적 반사기들의 반사율 대역들 외부의 세계로부터의 자연 광이 여전히 뷰어의 눈에 도달할 수 있다. 예컨대, 제1 파장-선택적 반사기(7026)는 적색 파장 범위의 가상 이미지 광을 강하게 반사시키며, 다른 파장들의 세계로부터의 자연 광 뿐만 아니라 제2 격자(7034) 및 제3 격자(7044)에 의해 각각 회절된 녹색 및 청색 가상 이미지 광을 포함하는 다른 파장들의 광을 투과시킬 수 있다. 유사하게, 제2 파장-선택적 반사기(7036)는 녹색 파장 범위의 가상 이미지 광을 강하게 반사시키며, 다른 파장들의 세계로부터의 자연 광 뿐만 아니라 제3 격자(7044)에 의해 회절된 청색 가상 이미지 광을 포함하는 다른 파장들의 광을 투과시킬 수 있고; 제3 파장-선택적 반사기(7046)는 청색 파장 범위의 가상 이미지 광을 강하게 반사시키며, 다른 파장들의 세계로부터의 자연 광을 포함하는 다른 파장들의 광을 투과시킬 수 있다.
[0638] 일부 실시예들에서, 100%만큼 높은 반사율이 선택된 스펙트럼 대역 내에서 달성될 수 있다. 따라서, 반사기 없이 가상 이미지의 세기를 거의 2배로 하는 것이 가능할 수 있다. 게다가, 가상 이미지의 파장 범위들의 세계 광이 뷰어의 눈(7002)으로부터 멀어지게 반사됨에 따라, 가상 이미지는 더 높은 콘트라스트로 뷰어에 의해 지각될 수 있다.
[0639] 일부 실시예들에서, 각각의 파장-선택적 반사기(7026, 7036, 또는 7046)는, 자신의 반사 스펙트럼의 대역폭이 도 20에 예시된 투사기(2001)의 대응하는 LED의 스펙트럼 폭과 실질적으로 매칭하도록 유리하게 설계될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 투사기(2001)는 LED들 대신 레이저 소스들을 사용할 수 있다. 레이저 소스들은 LED들의 방출 대역들보다 훨씬 더 좁은 방출 대역들을 가질 수 있다. 그 경우들에서, 각각의 파장-선택적 반사기(7026, 7036, 또는 7046)는 더 좁은 대역폭, 이를테면 도 71에 예시된 반사율 커브(7124, 7134, 또는 7144)에 의해 표현된 대역폭을 갖도록 구성될 수 있다.
[0640] 파장-선택적 반사기의 반사 스펙트럼이 입사각의 함수로써 시프팅될 수 있기 때문에, 파장 스펙트럼 폭과 각도 스펙트럼 폭 간의 트레이드오프가 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 파장-선택적 반사기(7026, 7036, 또는 7046)는 더 넓은 시야를 수용하기 위해 더 넓은 대역폭을 갖도록 구성될 수 있다.
[0641] 도 72는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 접안렌즈(7200)의 구조의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다. 접안렌즈(7000)와 유사하게, 접안렌즈(7200)는 제1 도파관(7220), 제2 도파관(7230), 및 제3 도파관(7240)뿐만 아니라, 백 커버(7210) 및 프런트 커버(7250)를 포함할 수 있다.
[0642] 접안렌즈(7200)는 제1 도파관(7220)의 전면 상에 배치된 제1 격자(7224), 제2 도파관(7230)의 전면 상에 배치된 제2 격자(7234), 및 제3 도파관(7240)의 전면 상에 배치된 제3 격자(7244)를 더 포함한다. 이러한 구성에서, 제1 격자(7224), 제2 격자(7234), 및 제3 격자(7244) 각각은, 뷰어의 눈 쪽으로 지향되는 반사 회절 차수이므로, 반사 모드에서 동작한다고 말할 수 있다.
[0643] 접안렌즈(7200)는 제2 도파관(7230)의 후면 상에 배치된 제1 파장-선택적 반사기(7226)를 더 포함할 수 있다. 제1 파장-선택적 반사기(7226)는 적색 광에 대해 최적화될 수 있어서, 뷰어의 눈(7202)으로부터 멀어지게 제1 격자(7224)에 의해 회절된 적색 광의 가상 이미지의 부분은 제1 파장-선택적 반사기(7226)에 의해 뷰어의 눈(7202)을 다시 향하게 반사될 수 있다. 유사하게, 접안렌즈(7200)는 제3 도파관(7240)의 후면 상에 배치된 녹색 광에 대해 최적화된 제2 파장-선택적 반사기(7236), 및 프런트 커버(7250)의 후면 상에 배치된 청색광에 대해 최적화된 제3 파장-선택적 반사기(7246)를 더 포함할 수 있다. 당업자는 특정 도파관 또는 커버 상의 파장-선택적 반사기들의 대안적인 쌍들 또는 조합들을 인지할 것이다.
[0644] 이러한 구성에서, 고스트 이미지들을 회피하기 위해, 파장-선택적 반사기들(7226, 7236 및 7246)이, 각각, 격자들(7224, 7234 및 7244)에 대해 적절하게 정렬되도록 보장하는 것이 더 중요할 수 있다.
[0645] 도 73은 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 접안렌즈(7300)의 구조의 단면도를 개략적으로 예시한다. 접안렌즈(7000)와 유사하게, 접안렌즈(7300)는 제1 도파관(7320), 제2 도파관(7330) 및 제3 도파관(7340)뿐만 아니라, 백 커버(7310) 및 프런트 커버를 포함할 수 있다. 접안렌즈(7300)는 제1 도파관(7320)의 후면 상에 배치된 제1 격자(7324), 제2 도파관(7330)의 후면 상에 배치된 제2 격자(7334), 및 제3 도파관(7340)의 후면 상에 배치된 제3 격자(7344)를 더 포함할 수 있다.
[0646] 여기에서, 도파관들(7320, 7330, 7340) 각각에 대해 파장-선택적 반사기를 구비하는 대신에, 접안렌즈(7300)는 프런트 커버(7350)의 후면에 배치된 파장-선택적 반사기(7356)를 포함할 수 있다. 파장-선택적 반사기(7356)는, 도 71에 예시된 바와 같이, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광에 대응하는 파장 범위들에서 3개의 반사율 피크들을 나타내는 반사율 스펙트럼을 갖도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 파장-선택적 반사기(7356)는 제3 도파관(7340)의 전면 상에 배치될 수 있다.
[0647] 일부 다른 실시예들에서, 롱-패스 필터들 및 쇼트-패스 필터들이 협대역 반사기들 대신에 사용될 수 있다. 도 74는 롱-패스 필터 및 쇼트-패스 필터의 예시적인 반사율 스펙트럼들을 개략적으로 예시한다. 반사율 커브(7450)는, 약 470nm 미만의 대부분의 광을 반사시키고 그리고 약 470nm 이상의 대부분의 광을 투과시키는 롱-패스 필터를 표현한다. 따라서, 롱-패스 필터는 청색 광을 반사시키고 녹색 및 적색 광을 투과시킬 수 있다. 반사율 커브(7452)는, 약 590nm 이상의 대부분의 광을 반사시키고 약 590nm 미만의 대부분의 광을 투과시키는 쇼트-패스 필터를 표현한다. 따라서, 쇼트-패스 필터는 적색 광을 반사시키고 녹색 및 청색 광을 투과시킬 수 있다. 롱-패스 필터 및 쇼트-패스 필터는 원하는 파장 선택도를 달성하기 위해 적합한 도파관들(7320, 7330 및 7340), 및/또는 프런트 커버(7350) 상에 배치될 수 있다. 당업자는 롱-패스 또는 쇼트-패스 필터를 통해 반사 또는 투과시키기 위한 다양한 조합들 또는 교번적(alternate) 파장 임계치들을 인지할 것이다.
[0648] 일부 실시예들에서, 각각의 파장-선택적 반사기, 즉 (도 70에 예시된 바와 같은) 7026, 7036 또는 7046, (도 72에 예시된 바와 같은) 7226, 7236 또는 7246, 또는 (도 73에 예시된 바와 같은) 7356은 편광-의존적 반사율 스펙트럼들을 나타낼 수 있다. 투사기(2001)에서 LED들 또는 레이저들에 의해 제공되는 광이 실질적으로 선형적으로 편광되거나 원형으로 편광되는 경우들에서, 파장-선택적 반사기들은, 그러한 편광 상태의 광에 대해 높은 반사율을 갖고, 직교 편광 상태의 광을 투과시킴으로써, 직교 편광 상태에서 세계로부터의 자연광이 접안렌즈(7000, 7200, 또는 7300)를 통해 들어올 수 있게 하도록 설계될 수 있다.
[0649] 다양한 실시예들에 따르면, 도 70, 72 및 73에 예시된 각각의 파장-선택적 반사기는 다층 박막 또는 메타표면을 포함할 수 있다. 다층 박막은 2개의 재료들(하나는 높은 굴절률을 갖고, 다른 하나는 낮은 굴절률을 가짐)로 구성된 주기적 층 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 주기적 시스템은, 원하는 파장 범위에서 반사율을 크게 향상시키도록 엔지니어링될 수 있는 한편(그 폭은 2개의 인덱스들의 비율에 의해서만 결정됨), 최대 반사율은 스택의 층들의 수가 증가함에 따라 거의 100%까지 증가될 수 있다. 층들의 두께는 일반적으로, 반사된 빔들이 서로 보강 간섭하여 반사를 최대화하고 투과를 최소화하도록 설계된 사분의일 파장이다.
[0650] 메타표면은 광학적으로 얇은 서브파장 구조화된 인터페이스이다. 메타표면들은 일반적으로, 소형의 이방성 광 산란기(miniature, anisotropic light scatterer)들(즉, 이를테면 광학 안테나들과 같은 공진기들)의 어레이들을 조립함으로써 생성된다. 안테나들 간의 간격 및 이들의 디멘션들은 파장보다 훨씬 더 작다. 메타표면들은, 호이겐스의 원리(Huygens principle)로 인해, 광 산란기들의 광학 응답에 공간 변동들을 도입함으로써 광학 파면들을 서브파장 해상도를 갖는 임의의 형상들로 몰딩할 수 있다. 메타표면들은 광의 편광, 위상 및 진폭을 제어하는 것을 허용할 수 있다. 광의 파면을 조작하는 데 사용될 수 있는 팩터들은 나노 구조들의 재료, 사이즈, 지오메트리 및 배향을 포함한다.
[0651] 메타표면의 공진 파장은, 그 구성 나노 구조들의 지오메트릭 사이즈들을 변경하고, 그에 의해 파장 선택도를 제공함으로써, 엔지니어링될 수 있다. 예컨대, 메타표면들은 광을 방향전환함에 있어서 고도로 파장-선택적이도록 엔지니어링될 수 있다. 따라서, 메타표면들은 파장-선택적 인커플링 광학 엘리먼트들 및 아웃커플링 광학 엘리먼트들로서 사용될 수 있다. 유사하게, 메타표면들은 또한, 가시적인 파장 구역에서 날카로운 반사율 피크들을 나타내는 반사율 스펙트럼들을 갖도록 엔지니어링될 수 있다.
[0652] 이를테면 렌즈들 및 파장판들과 같은 종래의 광학 엘리먼트에서, 파면은 파장보다 훨씬 더 두꺼운 매질에서 전파 위상들을 통해 제어된다. 종래의 광학 엘리먼트들과 달리, 메타표면들은 그 대신, 위상 시프트 엘리먼트들로서 서브파장-사이즈 공진기들을 사용하여 광의 위상 변화들을 유도한다. 메타표면들은 두께가 비교적 얇고 균일한 피처들로 형성되기 때문에, 이들은, 반도체 프로세싱 기법들과 같은 박막 프로세싱 기법들뿐만 아니라, 나노임프린트 기법들과 같은 다이렉트-프린팅(direct-printing) 기법들을 사용하여 표면에 걸쳐 패터닝될 수 있다.
[0653] 도 75는 일부 실시예들에 따른 메타표면들의 예를 예시하는바, 이는 미국 특허 출원 제2017/0131460호에 보다 상세히 설명되며, 이 출원의 내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 본원에 포함된다. 기판(7500)은 표면(7500a)을 가지며, 이 표면 상에 메타표면(7510)이 배치되어 있다. 메타표면(7510)은 복수의 레벨들의 광학적 투과성 재료들을 포함한다. 예시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 메타표면은 제1 레벨(7512) 및 제2 레벨(7514)을 갖는 2-레벨 구조이다. 제1 레벨(7512)은 제1 광학적 투과성 재료로 형성된 복수의 돌출부들(7520), 및 돌출부들 사이의, 제2 광학적 투과성 재료로 된 매스들(7530a)을 포함한다. 제2 레벨(7514)은, (제1 레벨에 의해 기판으로부터 이격 및 분리되는) 돌출부들 상에 있으며, 돌출부들(7520) 상에 형성된 제2 광학적 투과성 재료로 된 제2 레벨 매스들(7530b)을 포함한다. 돌출부들(7520)은 리지들(또는 나노 와이어들)일 수 있으며, 이들은 페이지 내외로 측방으로 길게 늘어지며(elongated) 그리고 인접한 돌출부들 간에 트렌치들을 정의한다. 예시된 바와 같이, 제2 레벨(7514) 상에서, 제2 광학적 투과성 재료의 매스들(7530b)은 돌출부들(7520)의 표면 상에 국부화되어, 제2 광학적 투과성 재료의 다른 국부화된 증착물들(또는 플래토우(plateaus))로부터 이격되는 재료의 플래토우를 형성할 수 있다.
[0654] 바람직하게는, 매스들(7530a, 7530b)을 형성하는 제2 광학적 투과성 재료의 굴절률은, 돌출부들(7520)을 형성하는 제1 광학적 투과성 재료 및 기판(7500)을 형성하는 재료 둘 모두의 굴절률보다 더 높다. 일부 실시예들에서, 제1 광학적 투과성 재료의 굴절률은 기판(7500)을 형성하는 재료의 굴절률보다 더 낮거나 유사하다. 기판(7500)은 도파관일 수 있으며, 그리고 도파관들(7020 , 7030, 7040(도 70), 7220, 7230, 7240(도 72)) 및/또는 도파관들(7320, 7330 및 7340)(도 73)에 대응할 수 있음이 인지될 것이다. 이러한 애플리케이션들에서, 기판은 바람직하게는 비교적 높은 굴절률, 예컨대, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 또는 1.9보다 더 높은 굴절률을 가지며, 이는 이미지를 형성하기 위해 그러한 기판(7500)으로부터 광을 출력하는 디스플레이의 시야를 증가시키는 이익들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(7500)은 글래스(예컨대, 도핑된 글래스), 니오브산 리튬(lithium niobate), 플라스틱, 폴리머, 사파이어, 또는 다른 광학적 투과성 재료로 형성된다. 바람직하게는, 글래스, 플라스틱, 폴리머, 사파이어 또는 다른 광학적 투과성 재료는 높은 굴절률, 예컨대 1.5, 1.6, 1.7, 1.8 또는 1.9보다 더 높은 굴절률을 갖는다.
[0655] 도 75를 계속해서 참조하면, 돌출부들(7520)의 제1 광학적 투과성 재료는 바람직하게는, 예컨대 리소그래피 및 에칭 프로세스들에 의해 패터닝될 수 있는 재료이다. 더 바람직하게는, 제1 광학적 투과성 재료는 나노임프린팅에 의해 패터닝될 수 있는 나노임프린트 레지스트이다. 본원에서 논의된 바와 같이, 매스들(7530a, 7530b)을 형성하는 제2 광학적 투과성 재료는, 돌출부들(7520)의 제1 광학적 투과성 재료 및 기판(7500)을 형성하는 재료 둘 모두보다 더 높은 굴절률을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제2 광학적 투과성 재료의 굴절률은 1.6, 1.7, 1.8 또는 1.9보다 더 높다. 제2 광학적 투과성 재료를 위한 재료들의 예들은 실리콘-함유 재료들 및 옥사이드들을 포함하는 반도체 재료들을 포함한다. 실리콘-함유 재료들의 예들은 실리콘 나이트라이드 및 실리콘 카바이드를 포함한다. 옥사이드들의 예들은 티타늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 및 징크 옥사이드(zinc oxide)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 광학적 투과성 재료는 더 낮은 광학 투명도를 가질 수 있다. 예컨대, 제2 광학적 투과성 재료는 실리콘 또는 이의 유도체들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 광학적 투과성 재료들(7520, 7530)은 비정질 고체 상태 재료들, 또는 결정질 고체 상태 재료들이다. 일부 애플리케이션들에서는 비정질 재료들이 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 이들은 일부 결정질 재료들보다 더 넓은 범위의 표면들 위에서 그리고 더 낮은 온도들에서 형성될 수 있기 때문이다. 일부 실시예들에서, 피처들(7520, 7530a, 7530b)을 형성하는 제1 및 제2 광학적 투과성 재료들 각각은, 비정질 또는 결정질 반도체 재료 중 하나일 수 있다.
[0656] 도 75를 계속해서 참조하면, 돌출부들을 피치(7540)를 갖는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 피치는 2개의 바로 이웃하고 있는 구조들 상의 유사한 포인트들 간의 거리를 나타낸다. 유사한 포인트들은, 이들이 실질적으로 동일한 구조들의 유사한 부분들(예컨대, 좌측 또는 우측 에지)에 있다는 점에서 유사하다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 돌출부(7520)의 피치는, 돌출부(7520)에 의해 정의되는 전체 폭 및 그 돌출부와 바로 이웃하고 있는 유사한 돌출부(7520) 간의 바로 이웃하고 있는 분리와 동일하다. 달리 설명하면, 피치는, 그러한 돌출부들(7520)에 의해 형성되는 피처들의 어레이의 반복 유닛들의 폭(예컨대, 매스(7530a) 및 돌출부(7520)의 폭의 합)에 대응하는 기간인 것으로 이해될 수 있다.
[0657] 예시된 바와 같이, (상이한 컬러들에 대응하는) 상이한 파장들의 광은 메타표면 상에 부딪칠 수 있으며, 그리고 본원에서 논의된 바와 같이, 메타표면은 특정한 파장들의 광을 방향전환함에 있어서 선택성이 높다. 이러한 선택도는, 본원에서 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 레벨들(7512, 7514)의 피처들의 물리적 파라미터들 및 피치에 기반하여 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 돌출부들(7520)의 피치는 제로 차수 반사의 광 방향전환을 위해 요구되는 광의 파장보다 작다. 일부 실시예들에서, 지오메트릭 사이즈 및 주기성은 파장이 더 길어짐에 따라 증가하며, 그리고 돌출부들(7520) 및 매스들(7530a, 7530b) 중 하나 또는 둘 다의 높이 또는 두께 또한, 파장이 더 길어짐에 따라 증가한다. 예시된 광선들(7550a, 7550b 및 7550c)은, 일부 실시예들에서, 상이한 파장들 및 컬러들의 광에 대응한다. 예시된 실시예에서, 메타표면은, 광선들(7550a 및 7550c)이 기판(7500) 및 메타표면(7510)을 통해 전파되는 동안 광선(7550b)이 반사되게 하는 피치를 갖는다.
[0658] 유리하게, 멀티-레벨 메타표면은 특정 파장들의 광에 대해 선택성이 높다. 도 76은, 일부 실시예들에 따른, 도 75에 도시된 일반적인 구조를 갖는 메타표면에 대한 투과 및 반사 스펙트럼들의 플롯들을 도시한다. 이러한 예에서, 돌출부들(7520)은 125 ㎚의 폭, 25 ㎚의 두께를 갖고, 레지스트로 형성되며; 재료(7530a 및 7530b)의 매스들은 75 nm의 두께를 갖고, 실리콘 나이트라이드로 형성되며; 피치는 340nm이고; 공기 갭들이 매스들(7530b)을 분리시킨다. 수평축은 파장을 표시하며, 그리고 수직축은 수직 입사(즉, 0도의 입사각)에 대한 투과(반사가 없는 것으로부터 완벽한 반사까지, 0-1.00의 스케일)를 표시한다. 특히, 좁은 대역의 파장들에 대해 (517 nm에서) 반사(R0)의 날카로운 피크 및 투과(T0)의 수반되는 감소가 확인되는 한편, 다른 파장들은 송신된다. 광은, 파장이 공진 파장(이 예에서는 약 517 nm)과 매칭될 때에 반사된다. 돌출부들(7520) 및 상부 구조들(7530)은 서브파장 간격으로 배열되며, 그리고 단지 제로 차수 반사 및 투과가 있다. 도 76에 도시된 바와 같이, 반사 스펙트럼은 가시적인 파장 구역에 걸쳐 날카로운 피크를 나타내는데, 이는 광학 공명의 시그니처(signature)이다.
[0659] 메타표면들은 1-차원(1D) 나노 구조들 또는 2-차원(2D) 나노 구조들로 형성될 수 있다. 도 77a 및 77b는, 각각, 일부 실시예들에 따른, 1-차원 나노빔들(7714)에 의해 형성되는 메타표면(7710)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 기판(7712)(예컨대, 도파관)의 표면 상에 복수의 나노빔들(7714)이 형성된다. 각각의 나노빔(7714)은 Y-축을 따라 측방으로 연장되고, 네거티브 Z-방향을 따라 기판(7712)의 표면으로부터 튀어나온다. 복수의 나노빔들(7714)은 X-축을 따라 주기적 어레이로서 배열된다. 일부 실시예들에서, 나노빔들(7714)은 실리콘(예컨대, 비정질 실리콘), TiO2, Si3N4 등을 포함할 수 있다. 메타표면(7710)은 단일 층 메타표면으로서 지칭될 수 있는데, 왜냐하면 이는 기판(7712) 상에 형성된 단일-층의 나노 구조를 포함하기 때문이다.
[0660] 도 77c 및 77d는, 각각, 일부 다른 실시예들에 따른, 1-차원 나노빔들(7724)에 의해 형성되는 메타표면(7720)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 기판(7722)(예컨대, 도파관)의 표면 상에 복수의 나노빔들(7724)이 형성된다. 각각의 나노빔(7724)은 Y-축을 따라 측방으로 연장되며, 그리고 네거티브 Z-방향을 따라 기판(7722)의 표면으로부터 튀어나온다. 복수의 나노빔들(7724)은 X-축을 따라 주기적인 어레이로서 배열된다. 일부 실시예들에서, 나노빔들(7724)은 실리콘(예컨대, 비정질 실리콘), TiO2, Si3N4 등을 포함할 수 있다.
[0661] 메타표면(7720)은, 나노빔들(7724) 사이의 구역을 채우고 나노빔들(7724)을 덮는 제1 유전체 층(7725), 제1 유전체 층(7725) 위에 배치된 제2 유전체 층(7726), 제2 유전체 층(7726) 위에 배치된 제3 유전체 층(7727), 및 제3 유전체 층(7727) 위에 배치된 제4 유전체 층(7728)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노빔들(7724)은 실리콘(예컨대, 비정질 실리콘)을 포함할 수 있고; 제1 유전체 층(7725) 및 제3 유전체 층(7727)은 포토레지스트 등을 포함할 수 있고; 제2 유전체 층(7726) 및 제4 유전체 층(7728)은 TiO2 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 유전체 층(7725) 및 제3 유전체 층(7727)은, 1.4 내지 1.5 범위의 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 제2 유전체 층(7726) 및 제4 유전체 층(7728)은 메타표면(7720)의 반사율을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 유전체 층(7726) 및 제4 유전체 층(7728) 각각은 약 160 nm의 두께를 가질 수 있고; 제1 유전체 층(7725)은 약 60nm의 두께를 가질 수 있다. 메타표면(7720)은 다층 메타표면으로서 지칭될 수 있는데, 왜냐하면 이는 기판(7722) 상에 형성되는 다수의 층들을 포함하기 때문이다.
[0662] 도 78a 및 78b는, 각각, 일부 실시예들에 따른, 기판(7812)(예컨대, 도파관)의 표면 상에 형성된 복수의 나노 안테나들(7814)에 의해 형성되는 단일-층 2-차원 메타표면(7810)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 복수의 나노 안테나들(7814)은 X-Y 평면에 2-차원 어레이로서 배열된다. 일부 실시예들에서, 각각의 나노 안테나(7814)는 도 78a에 예시된 바와 같이 직사각형 형상을 가질 수 있다. 다양한 다른 실시예들에 따르면, 나노 안테나들(7814)은 다른 형상들, 이를테면 원형, 타원형 등을 가질 수 있다.
[0663] 도 78c 및 78d는, 각각, 일부 실시예들에 따른, 다층 2-차원 메타표면(7820)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 복수의 나노 안테나들(7824)은 기판(7822)(예컨대, 도파관)의 표면 상의 X-Y 평면 내에 2-차원 어레이로서 배열된다. 메타표면(7820)은, 나노 안테나들(7824) 사이의 구역을 채우고 나노 안테나들(7824)을 덮는 제1 유전체 층(7825), 제1 유전체 층(7825) 위에 배치된 제2 유전체 층(7826), 제2 유전체(7826) 위에 배치된 제3 유전체 층(7827), 및 제3 유전체 층(7827) 위에 배치된 제4 유전체 층(7828)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노 안테나들(7824)은 실리콘(예컨대, 비정질 실리콘)을 포함할 수 있고; 제1 유전체 층(7825) 및 제3 유전체 층(7827)은 포토레지스트 등을 포함할 수 있으며; 제2 유전체 층(7826) 및 제4 유전체 층(7828)은 TiO2 등을 포함할 수 있다. 제2 유전체 층(7826) 및 제4 유전체 층(7828)은 메타표면(7820)의 반사율을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
[0664] 도 77a 및 77b에 예시된 단일 층 1-차원 메타표면(7710)은, 도 76에 예시된 것과 유사하게, 정해진 입사각에 대해 특정 파장에서 날카로운 반사율 피크를 나타낼 수 있다. 그러나, 피크 파장은 입사각이 변함에 따라 시프팅될 수 있다. 이러한 각도 의존성은 유효 시야각을 제한할 수 있다. 나노구조들의 최상부에 유전체 재료들의 부가적인 층들을 부가하게 되면, 반사 스펙트럼을 튜닝하기 위한 다른 자유도를 제공할 수 있다. 예컨대, 도 77c 및 77d에 예시된 다층 1-차원 메타표면(7720)은, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 입사각들의 범위에 대해 실질적으로 각도가 둔감한 반사율 스펙트럼을 갖도록 구성될 수 있다. 도 78c 및 78d에 예시된 다층 2-차원 메타표면(7820) 또한, 반사 스펙트럼을 튜닝하기 위한 부가적인 자유도를 제공할 수 있다.
[0665] 도 79는, 일부 실시예들에 따른, TE 편광에 대한, 도 77c 및 77d에 예시된 다층 1-차원 메타표면(7720)의 (예컨대, 약 520nm에서의) 녹색 컬러에 대응하는 파장(실선) 및 (예컨대, 약 650nm에서의) 적색 컬러에 대응하는 파장(점선)에 대한, 입사각의 함수로써의 시뮬레이팅된 반사율의 플롯들을 도시한다. 예시된 바와 같이, 녹색 파장에 대한 반사율은 약 -30도 내지 약 30도의 각도 범위에 대해 상당히 편평하게(예컨대, 약 70%로) 유지된다. 동일한 각도 범위에서, 적색 파장에 대한 반사율은 상당히 낮게(예컨대, 약 10% 미만) 유지된다.
[0666] 도 80은 일부 실시예들에 따른, TE 편광에 대한, 도 77c 및 77d에 예시된 다층 1-차원 메타표면(7720)의 시뮬레이팅된 반사율 스펙트럼(실선) 및 시뮬레이팅된 투과 스펙트럼(점선)의 플롯들을 도시한다. 예시된 바와 같이, 반사율 스펙트럼은 약 480 nm 내지 약 570 nm의 넓은 피크를 나타낸다. 그에 상응하여, 투과 스펙트럼은 동일한 파장 범위에서 넓은 밸리(valley)를 나타낸다. 따라서, 반사율 스펙트럼에서의 더 넓은 대역폭을 희생하여, 각도 둔감도가 달성될 수 있다. 증강 현실 시스템에 대해, 더 넓은 반사율 대역폭은, 세계로부터의 더 많은 자연광이 파장-선택적 반사기에 의해 반사될 수 있고, 그에 따라 뷰어의 눈에 도달하지 않을 수 있음을 의미한다.
[0667] 도 81은 일부 실시예들에 따른, TM 편광에 대한, 도 77c 및 77d에 예시된 다층 1-차원 메타표면(7720)의 (예컨대, 약 520 nm에서의) 녹색 컬러에 대응하는 파장(실선), 및 (예컨대, 약 650 nm에서의) 적색 컬러에 대응하는 파장(점선)에 대한, 입사각의 함수로써의 시뮬레이팅된 반사율의 플롯들을 도시한다. 예시된 바와 같이, 녹색 파장에 대한 반사율은 약 -30도 내지 약 30도의 각도 범위에 대해 상당히 편평하게(예컨대, 약 75%로) 유지된다. 동일한 각도 범위에서, 적색 파장에 대한 반사율은 상당히 낮게(예컨대, 약 5% 미만) 유지된다. 도 79와 비교하여, 녹색 파장에 대한 피크 반사율 값은 TE 편광에 대한 그 피크 반사율 값(예컨대, 약 70%)보다 TM 편광에 대해(예컨대, 약 75%) 약간 더 높다.
[0668] 도 82는 일부 실시예들에 따른, TM 편광에 대한, 도 77c 및 77d에 예시된 다층 1-차원 메타표면(7720)의 시뮬레이팅된 반사율 스펙트럼(실선) 및 시뮬레이팅된 투과 스펙트럼(점선)의 플롯들을 도시한다. 예시된 바와 같이, 반사율 스펙트럼은 약 480 nm 내지 약 570 nm의 넓은 피크를 나타낸다. 그에 상응하여, 투과 스펙트럼은 동일한 파장 범위에서 넓은 밸리를 나타낸다. 도 80과 비교하여, TM 편광에 대한 반사율 스펙트럼은 TE 편광에 대한 그 반사율 스펙트럼보다 더 둥근 피크를 나타낸다. 또한, TM 편광에 대한 투과 스펙트럼은 TE 편광에 대한 그 투과 스펙트럼과 비교할 때 반사율 대역 외부에서 더 높은 값들을 나타낸다. 일반적으로, 공진 파장(예컨대, 반사 피크가 발생하는 파장)은 나노구조들의 지오메트리 사이즈들을 증가시키기 위해 더 긴 파장으로 시프팅될 수 있다. 반사율 스펙트럼의 대역폭 및 각도 스펙트럼의 각도 폭은 나노구조들의 종횡비를 감소시키기 위해 증가할 수 있다.
[0669] 일부 실시예들에서, 다수의 메타표면들은, 원하는 스펙트럼 특성들을 달성하기 위해 복합 메타표면을 형성하도록 인터리빙될 수 있다. 도 83a-83f는, 일부 실시예들에 따라, 2개의 서브-메타표면들을 인터리빙함으로써 복합 메타표면이 어떻게 형성될 수 있는 지를 개략적으로 예시한다.
[0670] 도 83a는 기판(8302) 상에 형성된 복수의 제1 나노 안테나들(8314)을 포함하는 제1 서브-메타표면(8310)의 평면도를 도시한다. 각각의 제1 나노 안테나(8314)는 제1 종횡비를 갖는 직사각형 형상을 갖는다. 도 83b는 입사각의 함수로써의 제1 서브-메타표면(8310)의 반사율 스펙트럼을 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, 제1 나노 안테나들(8314)의 지오메트리는, 반사율 스펙트럼이 제1 입사각에서 피크를 나타내도록 설계될 수 있다.
[0671] 도 83c는 기판(8304) 상에 형성된 복수의 제2 나노 안테나들(8324)을 포함하는 제2 서브-메타표면(8320)의 평면도를 도시한다. 각각의 제2 나노 안테나(8324)는, 제1 종횡비보다 더 큰(예컨대, 더 세장형임) 제2 종횡비를 갖는 직사각형 형상을 갖는다. 도 83d는 입사각의 함수로써의 제2 서브-메타표면(8320)의 반사율 스펙트럼을 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, 제2 나노 안테나들(8324)의 지오메트리는, 반사율 스펙트럼이, 제1 입사각과 상이한 제2 입사각에서 피크를 나타내도록 설계될 수 있다.
[0672] 도 83e는, 기판(8306) 상에 형성되는, 복수의 제1 나노 안테나들(8314), 복수의 제2 나노 안테나들(8324)뿐만 아니라, 복수의 제3 나노 안테나들(8334), 복수의 제4 나노 안테나들(8344) 및 복수의 제5 나노 안테나들(8354)을 포함하는 복합 메타표면(8330)의 평면도를 도시한다. 복합 메타표면(8330)은, 제1 서브-메타표면(8310), 제2 서브-메타표면(8320) 등의 복합체로서 뷰잉될 수 있다. 각각의 서브-메타표면의 나노 안테나들은 서로 랜덤하게 인터리빙될 수 있다. 도 83f는 입사각의 함수로써의 복합 메타표면(8330)의 반사율 스펙트럼을 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, 복합 메타표면(8330)은 복수의 입사각들에서의 복수의 반사율 피크들(8316, 8326, 8336, 8346 및 8356)을 특징으로 할 수 있으며, 각각의 반사율 피크는 개개의 구성 서브-메타표면에 대응한다. 다양한 실시예들에 따라, 복합 메타표면(8330)은 5개보다 많거나 적은 서브-메타표면들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 서브-메타표면에 대한 파장의 함수로써의 반사율 스펙트럼은 비교적 좁은 대역폭을 갖는 반사율 피크를 나타낼 수 있으며, 그리고 복수의 서브-메타표면들은 거의 동일한 파장 범위에서 반사율 피크를 나타내도록 구성될 수 있다.
[0673] 다수의 메타표면들은, 원하는 스펙트럼 특성들을 갖는 복합 메타표면을 형성하기 위해 멀티플렉싱될(multiplexed) 수 있다. 도 84a 및 84b는, 각각, 일부 실시예들에 따른 메타표면(8400)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 메타표면(8400)은, 기판(8402)의 표면 상의 제1 측방 구역에 배열된 제1 나노 안테나들(8410)의 제1 어레이, 제1 측방 구역 옆의 제2 측방 구역에 배열된 제2 나노 안테나들(8420)의 제2 어레이, 제2 측방 구역 옆의 제3 측방 구역에 배열된 제3 나노 안테나들(8430)의 제3 어레이, 제3 측방 구역 옆의 제4 측방 구역에 배열된 제4 나노 안테나들(8440)의 제4 어레이, 제4 측방 구역 옆의 제5 측방 구역에 배치된 제5 나노 안테나들(8450)의 제5 어레이, 및 제5 측방 구역 옆의 제6 측방 구역에 배열된 제6 나노 안테나들(8460)의 제6 어레이를 포함할 수 있다.
[0674] 도 84c에 예시된 바와 같이, 각각의 제1 나노 안테나(8410)는, 제1 나노 안테나들(8410)의 제1 어레이가 제1 입사각(8412)에서 피크를 갖는 제1 반사율 스펙트럼(8412)을 특징으로 하도록 설계된 종횡비를 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있고, 각각의 제2 나노 안테나(8420)는, 제2 나노 안테나들(8420)의 제2 어레이가 제2 입사각(8422)에서 피크를 갖는 제2 반사율 스펙트럼(8422)을 특징으로 하도록 설계된 종횡비를 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있는 식이다. 이러한 방식으로, 나노 안테나들(8410, 8420, 8430, 8440, 8450 또는 8460)의 각각의 어레이는, 도 84b에 예시된 바와 같이, 뷰어의 눈(8401)에 도달할 수 있는 광선들에 대해 최적화된다.
[0675] 도 85a는 일부 실시예들에 따른 접안렌즈(8500)의 부분 측면도를 개략적으로 예시한다. 접안렌즈는 도파관(8510), 도파관(8510)의 후면에 형성된 격자(8520), 및 도파관(8510)의 전면 상에 형성된 파장-선택적 반사기(8530)를 포함한다. 도 85b는 일부 실시예들에 따른 파장-선택적 반사기(8530)의 평면도를 개략적으로 예시한다. 파장-선택적 반사기(8530)는 복수의 오버랩핑 구역들(8532)을 포함할 수 있다. 각각의 구역(8532)은, 측방으로(예컨대, Y-축을 따라) 그리고 수직으로(예컨대, 도 85a에 예시된 바와 같이, X-축을 따라) 둘 모두에서, 뷰어의 눈(8501)에 도달할 수 있는 광선들에 대응하는 개개의 입사각에서 반사율 피크를 갖도록 최적화된 메타표면을 포함할 수 있다. 예컨대, 각각의 구역(8532)은, 도 84a에 예시된 바와 같은, 제1 안테나들(8410)의 제1 어레이, 제2 안테나들(8420)의 제2 어레이, 제3 안테나들(8430)의 제3 어레이, 제4 안테나들(8440)의 제4 어레이, 제5 안테나들(8450)의 제5 어레이, 또는 제6 안테나들(8460)의 제6 어레이와 유사한, 개개의 종횡비를 갖는 나노 안테나들의 어레이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 구역(8532)의 사이즈는 유리하게, 뷰어의 눈(8501)의 동공의 직경 플러스 미리 결정된 마진에 매칭하도록 설계될 수 있다.
[0676] 일부 실시예들에서, 파장-선택적 반사기는 볼륨 위상 홀로그램(볼륨 위상 격자로서 또한 지칭될 수 있음)을 포함할 수 있다. 볼륨 위상 홀로그램들은, 이색성 젤라틴의 경우 용융된 실리카 또는 클리어 글래스의 2개의 층들 간에 일반적으로 밀봉되는, 보통 이색성 젤라틴 또는 홀로그래픽 포토폴리머인, 투과성 매질의 층 내에 형성되는 주기적 위상 구조들이다. 입사광의 위상은, 주기적인 굴절률을 갖는 광학적으로 두꺼운 필름을 통과할 때 변조되며, 이에 따라, "볼륨 위상"이라 칭한다. 이는, 표면 릴리프 패턴의 깊이가 입사광의 위상을 변조시키는 종래의 격자와 대조적이다. 볼륨 위상 홀로그램들은, 매질의 굴절률 변조의 주기 및 인덱스 변조 깊이(즉, 높은 인덱스 값과 낮은 인덱스 값 간의 차이)를 조정함으로써 상이한 파장들에서 작용하도록 설계될 수 있다. 반사형 볼륨 위상 홀로그램의 주기는 레코딩 레이저의 파장 및 레코딩 지오메트리에 의해 결정된다. 변조 깊이(회절 효율성 및 유효 스펙트럼 대역폭 둘 모두에 영향을 미침)는 레코딩 매질의 재료 특성들 및 총 노출(전형적으로 mJ/cm2으로 표현됨)에 의해 결정될 수 있다. 볼륨 위상 홀로그램의 스펙트럼 및 각도 선택도는 레코딩 매질의 두께에 의해 결정될 수 있다. 이들 모든 파라미터들 간의 관계는, 문헌(예컨대, H. Kogelnik, Bell Syst. Tech. J.48, 2909, 1969 참조)으로부터 이용가능한 Kogelnik의 커플링된 파동 방정식들에 의해 표현된다. 이 문헌에서 볼륨 위상 홀로그램들의 각도 및 파장 특성들은 일반적으로 "브래그 선택도(Bragg selectivity)"로 지칭된다. 브래그 선택도 때문에, 볼륨 위상 홀로그램들은 원하는 입사각에서 원하는 파장에 대해 높은 반사율 효율성을 갖도록 설계될 수 있다. 증강 현실 시스템을 위한 접안렌즈에 사용될 수 있는 볼륨 위상 홀로그램들에 대한 더 많은 세부사항들은 미국 가 특허 출원 제62/384,552호에 제공되며, 이 출원의 내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 본원에서 포함된다.
[0677] 도 86a는 일부 실시예들에 따른, 기판(8602)(예컨대, 도파관) 상에 형성된 제1 볼륨 위상 홀로그램(8610)의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다. 제1 볼륨 위상 홀로그램(8610)은, 도 86b에 개략적으로 예시된 바와 같이, 제1 입사각에서 높은 반사율 피크를 생성하도록 설계된 제1 변조된 인덱스 패턴(8612)을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 변조된 인덱스 패턴(8612)은, 뷰어로 다시 향하는 미리 결정된 각도 범위의 그리고 특정한 파장 범위 내의 광을 반사시키기 위해, Z-축에 대하여 제1 틸팅 각도로 틸팅된 주기적 인덱스 스트라이프들을 포함할 수 있다. 이 경우, 반사되는 광의 각도 범위는 인덱스 변조 면들의 틸팅과 관련된다. 적합한 재료 두께를 선택함으로써, 볼륨 위상 홀로그램들을 매우 선택적이도록 만들 수 있다. 일부 실시예들에서, 원하는 각도 및 스펙트럼 선택도를 달성하기 위해, 매질 두께는 약 8 미크론 내지 약 50 마이크로의 범위일 수 있다.
[0678] 도 86c는 일부 실시예들에 따른, 제2 볼륨 위상 홀로그램(8620)의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다. 제2 볼륨 위상 홀로그램(8620)은, 도 86d에 개략적으로 예시된 바와 같이, 제1 입사각과 상이한 제2 입사각에서 높은 반사율 피크를 생성하도록 설계된 제2 변조된 인덱스 패턴(8622)을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 변조된 인덱스 패턴(8622)은, 도 86a 및 86c에 예시된 바와 같이, 제1 틸팅 각도보다 더 큰 제2 틸팅 각도로 Z-축에 대하여 틸팅된 주기적 인덱스 스트라이프들을 포함할 수 있다.
[0679] 도 86e는 일부 실시예들에 따른 복합 볼륨 위상 홀로그램(8630)의 부분 단면도를 개략적으로 예시한다. 도 86f는 일부 실시예들에 따른, 도파관(8602)의 표면 상에 형성된 복합 볼륨 위상 홀로그램(8630)의 측면도를 개략적으로 예시한다. (도 86e 및 도 86f는 Z-축을 따라 상이한 스케일들을 가짐을 주목한다.) 복합 볼륨 위상 홀로그램(8630)은 복수의 구역들(8631-8637)을 포함할 수 있다. 각각의 구역(8631-8637)은, 도 86f에 예시된 바와 같이, 뷰어의 눈(8601)에 도달할 수 있는 광선들에 대응하는 개개의 입사각에 대해 최적화될 수 있다. 예컨대, 각각의 구역(8631-8637)은 Z-축에 대하여 개개의 틸팅 각도로 틸팅된 주기적 인덱스 스트라이프들을 포함할 수 있으며, 여기서, 복수의 구역들(8631-8637)의 틸팅 각도들은 도 86e에 예시된 바와 같이 서로 상이하다.
[0680] 일부 실시예들에서, 동일한 볼륨 위상 홀로그램 내에 다수의 인덱스 변조 프로파일들을 멀티플렉싱하는 것이 또한 가능할 수 있다. 각각의 별개의 변조 프로파일은, 적합한 노출 파장을 선택함으로써 홀로그램 레코딩 동안 좁은 파장 범위 내의 광을 반사시키도록 설계될 수 있다. 바람직하게는, 대응하는 노출들은 (별개의 레이저들을 사용하여) 동시적으로 수행된다. 격자들을 순차적으로 레코딩하는 것이 또한 가능할 수 있다. 이러한 멀티플렉싱된 볼륨 위상 홀로그램은 도 73에 예시된 파장-선택적 반사기(7356)에 대해 사용될 수 있다.
[0681] 도 85a 및 85b에 예시된 메타표면과 유사하게, 일부 실시예들에서, 복합 볼륨 위상 홀로그램은 2-차원 어레이로서 배열된 오버랩핑 구역들을 포함할 수 있다. 각각의 구역은, 측방으로(예컨대, Y-축을 따라) 그리고 수직으로(예컨대, X-축을 따라) 둘 모두에서, 뷰어의 눈에 도달할 수 있는 광선들에 대응하는 개개의 입사각에서 피크를 나타내는 반사율 스펙트럼을 갖도록 최적화될 수 있다.
[0682] 도 87은 일 실시예에 따른 투사기(8700)를 예시하는 개략도이다. 투사기(8700)는, 도 902a-도 90c와 관련하여 아래에서 논의되는 바와 같이, 미리 결정된 분포로 특정한 배향들로 포지셔닝되는 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들(8705)(예컨대, LED들, 레이저들 등)를 포함한다. 광원들(8705)은 그 자체로 또는 서브-동공 형성 집광기(sub-pupil forming collection optics), 이를테면, 예컨대, 광 파이프들 또는 미러들과 함께 사용되어, 더 많은 광을 수집하고 그리고 광 파이프들 또는 수집 미러들의 끝에 서브-동공들을 형성할 수 있다. 명확성의 목적으로, 단지 3개의 광원들 만이 예시된다. 일부 실시예들에서, 준-시준 광학기(8725)가 광원들(8705)로부터 방출되는 광을 준-시준하기 위해 활용되며, 그에 따라, 더 많은 광이 디스플레이 패널(8707)로 향하도록, 광은 더 시준된 유사한 방식(more collimated like manner)으로 PBS(polarizing beam splitter)(8710)에 들어간다. 다른 실시예들에서, PBS(8710)의 부분들을 통해 전파된 후에, 광원들로부터 방출된 광을 시준하기 위해 시준 엘리먼트(미도시)가 활용된다. 일부 실시예들에서, PBS(8710)에 들어가는 광을 편광시키기 위해, 준-시준 광학기(8725)와 PBS(8710) 사이에 예비-편광기가 존재할 수 있다. 예비-편광기는 또한, 일부 광을 리사이클링하는 데 사용될 수 있다. PBS(8710)에 들어가는 광은 반사되어, 디스플레이 패널(8707) 상에 입사되며, 여기에서, 장면이 형성된다. 일부 실시예들에서, 시간 순차적 컬러 디스플레이가 컬러 이미지들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
[0683] 디스플레이 패널(8707)로부터 반사된 광은 PBS(8710)를 통과하며, 그리고 파 필드에 장면의 이미지를 형성하기 위해, 투사기 렌즈(8715)(이미징 광학기 또는 한 세트의 이미징 광학기들로서 또한 지칭됨)를 사용하여 이미징된다. 투사기 렌즈(8715)는 디스플레이 패널(8707)의 푸리에 변환을 접안렌즈(8720) 상에 또는 그 내부에 대략적으로 형성한다. 투사기(8700)는, 광원들(8705) 및 집광기에 의해 형성된 서브-동공들의 반전된 이미지들인 서브-동공들을 접안렌즈에 제공한다. 도 87에 예시된 바와 같이, 접안렌즈(8720)는 다수의 층들을 포함한다. 예컨대, 접안렌즈(8720)는 6개의 층들 또는 도파관들을 포함하며, 이들 각각은 컬러(예컨대, 3개의 컬러들) 및 깊이 평면(예컨대, 각각의 컬러에 대해 2개의 깊이 평면들)과 연관된다. 컬러들 및 깊이 층들의 "스위칭"은 턴온된 광원들을 스위칭함으로써 수행된다. 결과적으로, 예시된 시스템에서는 컬러들 및 깊이 평면들 간에 스위칭하기 위해 어떠한 셔터들 또는 스위치들도 활용되지 않는다.
[0684] 투사기(8700) 및 이 투사기(8700)의 아키텍처들에 대한 변동들에 관련된 부가적인 논의가 본원에서 논의된다.
[0685] 도 88은 다른 실시예에 따른 투사기(8800)를 예시하는 개략도이다. 도 88에 예시된 실시예에서, 디스플레이 패널(8820)은 LCOS 패널이지만, 본 개시내용은 이러한 구현으로 제한되지 않는다. 다른 실시예들에서, FLCOS(frontlit LCOS), DLP 등을 포함하는 다른 디스플레이 패널들이 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컬러 순차적 LCOS 설계는 도 91과 관련하여 논의되는 시간 순차적 인코딩과 관련하여 논의되는 바와 같이 활용되지만, 모든 컬러들(예컨대, RGB)이 동시에 디스플레이되는 다른 설계들이 구현될 수 있다. 컬러 필터들이 성능을 개선하고 픽셀 사이즈들이 감소됨에 따라, 시스템 성능이 개선될 것이며, 본 개시내용의 실시예들은 이러한 개선들로부터 이익을 얻을 것이다. 따라서, 다수의 반사성 또는 투과성 디스플레이 패널들이, 본원에서 개시된 분산형 서브-동공 아키텍처와 함께 활용될 수 있다. 당업자는 많은 변동들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0686] 집광기를 포함하는 일부 실시예들에서, 광원들(8810)에 의해 방출되고 예비-편광기(8825)에 의해 편광된 광은, PBS(polarizing beam splitter)(8830)를 통해 전파되고, 사분의일 파장판(8827)을 통과하며, 그리고 예컨대, 미러형 렌즈, 반사형 렌즈, 또는 곡면형 반사기로서 구현될 수 있는 시준기(8832) 상에 부딪친다. 광원들(8810) 간의 공간 분리는 분산형 서브-동공 아키텍처를 가능하게 한다. 일부 실시예들에서 반사형 시준기인 시준기(8832)는, 광원들(8810)에 의해 방출되는 빔을 준-시준 또는 수집하고, 시준된 빔들을 다시 사분의일 파장판(8827)을 통해 다시 PBS(8830) 내로 지향시켜서, 변화된 편광 상태에 의해 광을 디스플레이 패널(8820) 상에 지향시킨다.
[0687] 시준된 빔들이 PBS(8830)를 통해 전파됨에 따라, 이들은 인터페이스(8831)에서 반사되어 디스플레이 패널(8820) 쪽으로 지향된다. 디스플레이 패널(8820)은 접안렌즈 상에 후속적으로 이미징될 수 있는 장면 또는 일련의 장면들을 형성한다. 일부 실시예들에서, 상이한 컬러들 및 깊이 평면들에 대한 시간 순차적 이미지 형성은, 디스플레이 패널의 동작과 함께 광원들(8810)을 순차적으로 동작시킴으로써 달성된다. 일부 실시예들에서, 보상 엘리먼트가 PBS(8830)에 배치되거나 디스플레이 패널(8820)에 부착되어, 디스플레이 패널(8820)의 성능을 개선시킨다. 디스플레이 패널(8820)로부터의 반사 이후, 광은 인터페이스(8831)를 통해 전파되어, 측(8804)에서 PBS(8830)를 빠져나간다. 그런다음, 투사기 렌즈(8840)로서 또한 지칭되는 광학 렌즈(8840)를 사용하여, 디스플레이의 푸리에 변환을 형성하고, 그리고 시준기(8832)와 함께, 접안렌즈에 또는 접안렌즈 내에 광원들(8810)의 서브-동공들의 반전된 이미지를 형성한다. 인터페이스(8831)는 편광 필름들, 와이어 그리드 편광기들, 유전체 스택 코팅들, 이들의 조합들 등을 사용하여 구현될 수 있다.
[0688] 일부 실시예들에 따르면, 투사기 어셈블리가 제공된다. 투사기 어셈블리는 PBS(예컨대, PBS(8830))를 포함한다. 투사기 어셈블리는 또한, PBS(8830)에 인접한 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들(예컨대, 광원들(8810))을 포함한다. 광원들(8810)은 상이한 컬러 LED들, 레이저들 등일 수 있다. 일부 실시예들에서, 공간적으로 변위된 광원들(8810)은 PBS(8830)의 제1 측(8801)에 인접한다. PBS(8830)는 제1 패스 동안 광원들(8810)에 의해 방출되는 광을 통과시킨다.
[0689] 반사성 미러일 수 있는 시준기(8832)는 PBS(8830)에 인접하게 배치되며, PBS(8830)를 통해 제1 패스를 생성하는 광을 수신한다. 시준기(8832)는, 공간적으로 변위된 광원들(8810)에 인접한 제1 측(8801)에 대향하는, PBS(8830)의 제2 측(8802)에 인접한다. 시준기(8832)는 방출된 광을 시준 및 수집하고, 시준된 광을 다시 PBS(8830)의 제2 측(8802)으로 지향시킨다.
[0690] 투사기 어셈블리는 또한, 제1 측(8801)과 제2 측(8802) 사이에 포지셔닝되는, PBS(8830)의 제3 측(8803)에 인접한 디스플레이 패널(8820)을 포함한다. 디스플레이 패널은 LCOS 패널일 수 있다. PBS(8830)를 통한 제2 패스 동안, 시준된 광은 PBS(8830)의 내부 인터페이스로부터 반사되며, 그리고 사분의일 파장판(8827)을 두번 통과함에 의해 야기되는 그 편광 상태들의 변화로 인해 디스플레이 패널쪽으로 지향된다.
[0691] 투사기 어셈블리는, 제1 측(8801)과 제2 측(8802) 사이에 포지셔닝되고 그리고 제3 측(8803)에 대향하는, PBS(8830)의 제4 측(8804)에 인접한 투사기 렌즈(8840)를 더 포함한다. 투사 디스플레이 어셈블리에 의해 형성되는 최종 이미지와 PBS(8830) 사이의 투사기 렌즈(8840)의 포지션은, 예시된 시스템이 투사기 어셈블리의 후면에서 PBS(8830)를 활용한다는 것을 나타낸다.
[0692] 투사기 어셈블리는 서브-동공들의 이미지 및 이미지 위치에서의 디스플레이 패널(8820)의 푸리에 변환을 형성한다. 접안렌즈에 대한 인커플링 인터페이스는 이미지 위치 인근에 포지셔닝된다. 공간적으로 변위된 광원들(8810)에 의해 방출되는 광이 투사기 어셈블리에서 상이한 경로들을 통해 전파되기 때문에, 광원들(8810)의 각각의 광원과 연관된 이미지들은 시스템의 이미지 평면에서 공간적으로 변위되어, 접안렌즈를 구성하는 상이한 도파관들 내로의 커플링을 가능하게 한다.
[0693] 도 89는 일 실시예에 따른, 각각의 도파관에 배치된 인커플링 엘리먼트를 사용하여, 대응하는 도파관들 내에 커플링된 광의 다수의 컬러들을 예시하는 개략도이다. 제1 도파관(8910), 제2 도파관(8920), 및 제3 도파관(8930)은 평행 어레인지먼트로 서로에 인접하게 포지셔닝된다. 예에서, 제1 도파관(8910)은 제1 파장 범위(8901)(예컨대, 적색 파장들) 내의 광을 수신 및 전파하도록 설계될 수 있고, 제2 도파관(8920)은 제2 파장 범위(8902)(예컨대, 녹색 파장들) 내의 광을 수신 및 전파하도록 설계될 수 있으며, 제3 도파관(8930)은 제3 파장 범위(8903)(예컨대, 청색 파장들)에 내의 광을 수신 및 전파하도록 설계될 수 있다.
[0694] 모든 3개의 파장 범위들(8901, 8902, 및 8903) 내의 광은, 투사기 렌즈(8940)의 파워를 푸리에 변환하는 것으로 인해, 대략 동일한 평면 상에 포커싱되지만, 대략적으로, 광학 시스템의 배율(존재하는 경우) 및 광 모듈 내의 서브-동공들의 간격에 의해 평면에 디스플레이된다. 개개의 층들(8910, 8920, 및 8930)의 인커플링 격자들(8912, 8922, 및 8932)은, 빔들의 부분을 캡처하고 빔들의 부분으로 하여금 개개의 도파관 층들 내에 커플링하게 하기 위해, 정확한 컬러 서브-동공에 대응하는 경로에 배치된다.
[0695] 인커플링 격자일 수 있는 인커플링 엘리먼트는 인커플링 DOE(diffractive optical element)의 엘리먼트일 수 있다. 정해진 광원이 턴온될 때, 그 광원으로부터의 광은 대응하는 평면에 이미징된다(예컨대, 적색 LED #1, 제1 깊이 평면에서의 제1 도파관(8910)). 이는 단지 광원들을 온 및 오프로 스위칭함으로써 컬러들 간의 스위칭을 가능하게 한다.
[0696] 고스트 이미지들 또는 다른 반사들로서 또한 지칭되는 아티팩트들의 영향력 및/또는 발생을 감소시키기 위해, 본 개시내용의 실시예들은 특정 편광 필터들 및/또는 컬러 필터들을 활용한다. 필터들은 단일 동공 시스템들에서 사용될 수 있다.
[0697] 도 902a-도 90c는 일부 실시예들에 따른, 분산형 서브-동공 아키텍처들의 평면도들이다. 분산형 서브-동공들은 상이한 서브-동공들과 연관될 수 있고, 상이한 파장들로 그리고 상이한 포지션들에서 동작하는 상이한 광원들(예컨대, LED들 또는 레이저들)과 연관된다. 도 90a를 참조로, 이 제1 실시예 또는 어레인지먼트는 2개의 깊이 평면들 및 깊이 평면당 3개의 컬러들과 연관된 6개의 서브-동공들을 갖는다. 예컨대, 2개의 서브-동공들(9010 및 9012)은 제1 컬러와 연관되고(예컨대, 적색 서브-동공들), 2개의 서브-동공들(9020 및 9022)은 제2 컬러와 연관되며(예컨대, 녹색 서브-동공들), 2개의 서브-동공들(9030 및 9032)은 제3 컬러와 연관된다(예컨대, 청색 서브-동공들). 이들 서브-동공들은 방출 평면에서 공간적으로 오프셋된 6개의 광원들에 대응한다. 예시된 6개의 서브-동공 실시예는 3-컬러, 2-깊이 평면 아키텍처에서 사용하는 데 적절할 수 있다. 분산형 서브-동공 아키텍처들에 관련된 부가적인 설명은, 2016년 11월 10일에 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 제2016/0327789호에서 제공되며, 이로써, 그 미국 특허 출원의 개시내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
[0698] 예로서, 만약 2개의 광원들이 광학 축에 대하여 서로 대향하게 포지셔닝된다면, 광원들 중 하나(즉, 제1 광원)로부터의 광이 광학 시스템을 통해 전파할 수 있고, 접안렌즈, 예컨대 접안렌즈의 인커플링 격자 또는 다른 표면으로부터 반사될 수 있고, 광학 시스템을 통해 되돌아 전파할 수 있고, 그런다음, 디스플레이 패널에서 다시 반사하여, 위치에 다시 나타날 수 있는 것이 가능하다. 다른 서브-동공의 위치에 나타나는 이 이중 반사는 고스트 이미지를 생성할 것인데, 이는 광이 본래 제1 광원에 의해 방출되었기 때문이다. 도 90a에 예시된 어레인지먼트에서, 서브-동공들(9010/9012, 9020/9022, 및 9030/9032)이 서브-동공 분포 및 광학 축의 중심에 대하여 서로 대향하게 포지셔닝되기 때문에, 서브-동공(9010)으로부터의 광은 서브-동공(9012)에 커플링될 수 있고, 9020으로부터 9022에 커플링될 수 있으며, 9030으로부터 9032에 커플링될 수 있다. 이 경우에, 고스트 이미지들로서 또한 지칭되는 아티팩트들이 광학 시스템에 형성될 수 있다. 대안적인 어레인지먼트에서, 광원들은, 상이한 컬러의 서브-동공들이 광학 축에 대하여 서로 대향하게 로케이팅되도록 포지셔닝될 수 있음을 주목해야 한다.
[0699] 도 90b를 참조로, 3-컬러, 3-깊이 평면 아키텍처에서 사용하는 데 적절할 9개의 서브-동공 실시예가 예시된다. 이 실시예에서, 제1 컬러와 연관된 서브-동공들(9040, 9042, 및 9044)(예컨대, 적색 서브-동공들)을 포함하는 서브-동공들의 제1 세트는 서로에 대하여 120°로 포지셔닝된다. 제2 컬러(예컨대, 녹색)와 연관된 서브-동공들(9050, 9052, 및 9054)을 포함하는 서브-동공들의 제2 세트는 서로에 대하여 120°로 포지셔닝되며, 분포는 제1 컬러로부터 60° 회전된다. 그에 따라서, 만약 서브-동공(9040)으로부터의 광이 시스템에서 반사되고, 서브-동공(9040)에 대향하는 서브-동공(9054)에서 다시 나타난다면, 컬러의 오버랩이 존재하지 않을 것이다. 제3 컬러(예컨대, 청색)와 연관된 서브-동공들(9060, 9062, 및 9064)을 포함하는 서브-동공들의 제3 세트는 제1 및 제2 서브-동공들의 분포 내부에 포지셔닝되고, 서로에 대하여 120°로 포지셔닝된다.
[0700] 도 90c는 6개의 서브-동공 어레인지먼트를 예시하며, 여기서, 제1 컬러(예컨대, 적색)와 연관된 서브-동공들(9070 및 9072)은 서브-동공 분포의 2개의 코너들에 포지셔닝되고, 제2 컬러(예컨대, 녹색)와 연관된 서브-동공들(9080 및 9082)은 서브-동공 분포의 다른 2개의 코너들에 포지셔닝되며, 제3 컬러(예컨대, 청색)와 연관된 서브-동공들(9090 및 9092)은 직사각형 서브-동공 분포의 측들을 따라 포지셔닝된다. 따라서, 도 90b-90c에 예시된 바와 같은 서브-동공 어레인지먼트는 고스트 이미지들로부터의 영향력을 감소시키기 위해 활용될 수 있다. 대안적인 서브-동공 어레인지먼트들, 이를테면, 예컨대, 상이한 컬러들의 서브-동공들이 광학 축에 걸쳐 서로 대향하는 서브-동공 어레인지먼트들이 또한 활용될 수 있다. 고스팅은 각각의 개개의 인커플링 격자에서의 컬러 필터들 또는 컬러 선택 엘리먼트들(예컨대, 컬러 선택 회전기)을 사용함으로써 감소될 수 있다.
[0701] 도 91은 일 실시예에 따른, 다수의 깊이 평면들에 대한 컬러들의 시간 순차적 인코딩을 예시하는 개략도이다. 도 91에 예시된 바와 같이, 깊이 평면들(이 예시에서는 3개)은 셰이더를 통해 픽셀당 LSB(least significant bit)로 인코딩된다. 본원에서 논의되는 투사기 어셈블리는 원하는 깊이 평면에서 각각의 컬러에 대해 픽셀들의 정확한 배치를 제공한다. 3개의 컬러들은 각각의 깊이 평면에 대해 순차적으로 인코딩된다 - (평면 0에 대한 R0, G0, B0)(9102), (평면 1에 대한 R1, G1, B1)(9104), 및 (평면 2에 대한 R2, G2, B2)(9106). 1.39 ms에 대한 각각의 컬러의 조명은 720 Hz의 조명 프레임 레이트(9108) 및 모든 3개의 컬러들에 대한 프레임 레이트 및 80 Hz의 3개의 깊이 평면들(9110)을 제공한다(모든 컬러들 및 평면들을 리프레시하기 위한 12.5 ms에 기반함). 일부 실시예들에서, 프레임당 단일 깊이 평면에 대한 단일 컬러는 그 특정 깊이 평면에 대한 그 특정 컬러와 연관된 광원들만을 사용함으로써 사용될 수 있다.
[0702] 일부 실시예들에서, 순차적으로 코딩된 컬러들을 수신하는 가변적인 포커스 렌즈의 사용을 통해, 다수의 깊이 평면들이 구현될 수 있다. 당업자는 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0703] 도 92a는 일 실시예에 따른, 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다. 도 92b는 도 92a에 도시된 투사기 어셈블리를 예시하는 펼쳐진 개략도이다. 도 92a에 예시된 바와 같이, 투사기 아키텍처(9200)는 조명원(9210)을 포함하며, 조명원(9210)은 광빔들, 이를테면, 예컨대 레이저들의 시준된 세트를 방출할 수 있다. 이 실시예에서, 시스템의 광이 이미 시준되었기 때문에, 광학 설계로부터 시준기는 생략될 수 있다. 조명원(9210)은 편광된, 편광되지 않은, 또는 부분적으로 편광된 광을 방출할 수 있다. 예시된 실시예에서, 조명원(9210)은 p-편광으로 편광된 광(9212)을 방출한다. 제1 광학 엘리먼트(9215)(예컨대, 예비-편광기)는 PBS(polarizing beam splitter)(9220)로 p-편광을 갖는 광을 통과시키도록 정렬된다. 초기에, 광은 PBS(9220)의 인터페이스(9222)(예컨대, 편광 인터페이스)를 통과하고, SLM(spatial light modulator)(9230)에 부딪친다. SLM(9230)은 신호 상에 공간 변조를 임프레싱하여 이미지를 제공한다. 온 상태에서, SLM(9230)은 밝은 상태(예컨대, 백색 픽셀)가 나타나도록, 제1 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)로부터 제2 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)로 입력 광을 변조시킨다. 제2 편광 상태는 90°만큼 변조된(예컨대, 시프팅된) 제1 편광 상태일 수 있다. 온 상태에서, 제2 편광 상태를 갖는 광은 인터페이스(9222)에 의해 반사되고, 다운스트림으로 투사기 렌즈(9240)로 이동한다. 오프 상태에서, SLM(9230)은 제1 편광 상태로부터 입력 광을 회전시키지 않고, 그에 따라, 어두운 상태(예컨대, 흑색 픽셀)가 나타난다. 오프 상태에서, 제1 편광 상태를 갖는 광은 인터페이스(9222)를 통해 송신되고, 업스트림으로 조명원(9210)으로 이동한다. 중간 상태에서, SLM(9230)은 제1 편광으로부터의 입력 광을 특정 타원 편광 상태로 변조시킨다. 중간 상태에서, 타원 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)를 갖는 광의 일부는 인터페이스(9222)에 의해 반사되고, 업스트림으로 조명원(9210)으로 이동하며, 타원 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 갖는 광의 일부는 인터페이스(9222)를 통해 송신되고, 다운스트림으로 투사기 렌즈(9240)로 이동한다.
[0704] SLM(9230)으로부터의 반사 후에, 반사된 광(9214)은 인터페이스(9222)로부터 반사되고, PBS(9220)를 빠져나간다. 방출된 광은 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 접안렌즈(미도시)의 인커플링 격자(9250) 상에 이미징된다.
[0705] 도 92b는 접안렌즈의 인커플링 격자(9250) 상으로의 조명원(9210)의 제1 서브-동공(9211)과 연관된 광의 이미징을 예시한다. 광은 PBS(9220) 내로의 진입 전에 수집되고, SLM(9230)으로부터 반사되고, 투사기 렌즈(9240)를 통과하며, 인커플링 격자(9250) 상으로 중계된다. 광학 축(9205)은 도 92b에 예시된다.
[0706] 도 93a는 투사기 어셈블리에서의 후방 반사들을 예시하는 개략도이다. 명확성을 목적으로, 도 92a에서 사용되는 레퍼런스 번호들이 또한 도 93a에서 사용된다. 도 93a를 참조로, 도 92a에서의 투사기 어셈블리(9200)의 동작과 유사한 방식으로, 디스플레이 패널로서 또한 지칭되는 SLM(spatial light modulator)(9230)으로부터의 s-편광 광은 PBS(9220) 내부의 인터페이스(9222)에서 반사된다. 인터페이스(9222)로부터의 반사 후의 광선들의 틸팅이 단지 명확성을 목적으로 제공됨을 주목해야 한다. PBS(9220)로부터 방출되는 광의 대부분은 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 접안렌즈의 인커플링 격자(9250)에 서브-동공들의 이미지를 제공하기 위해 투사기 렌즈(9240)에 의해 중계된다.
[0707] PBS(9220)로부터 방출되는 광의 부분은 투사기 렌즈(9240)의 하나 이상의 표면들(9242)에서 반사되고, 다시 PBS(9220)를 향하여 전파한다. 이 반사된 광(9302)은 인터페이스(9222)로부터 반사되고, SLM(9230)으로부터 반사되고, 인터페이스(9222)로부터 2회째 반사되고, 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 접안렌즈의 제2 인커플링 격자(9252)에 서브-동공의 이미지를 제공하기 위해 투사기 렌즈(9240)에 의해 중계되며, 그 접안렌즈의 제2 인커플링 격자(9252)는 측방으로 오프셋되고, 광학 축에 대하여 인커플링 격자(9250)에 대향하여 포지셔닝된다. 인커플링 격자들(9250 및 9252) 둘 모두에서의 광의 소스가 동일하기 때문에, 인커플링 격자(9252)에서의 광은 SLM(9230)에서 발생된 것과 같이 나타나고, 그에 의해, 아티팩트 또는 고스트 이미지가 생성된다.
[0708] 도 93b는 도 93a에 도시된 투사기 어셈블리에서의 아티팩트 형성을 예시하는 펼쳐진 개략도이다. 조명원(9210)의 제1 서브-동공(9211)으로부터의 광은 제1 광학 엘리먼트(9215)에 의해 수집되고, PBS(9220)를 통해 전파되고, SLM(9230)으로부터 반사되고, PBS(9220)를 다시 통과하여, 인터페이스(9222)(미도시)로부터 반사되고, 투사기 렌즈(9240)를 통과하며, 투사기 렌즈(9240)는 IG(9250)(미도시)에 광원의 서브-동공을 이미징한다.
[0709] 투사기 렌즈(9240)의 하나 이상의 표면들로부터 반사된 광은 PBS(9220)를 통과하고, SLM(9230)으로부터 반사된다. PBS(9220)에서의 반사 후에, 광은 투사기 렌즈(9240)을 통해 다운스트림 경로에서 전파되고, 그리고 접안렌즈의 제2 인커플링 격자(9252)에 서브-동공의 디포커싱된 이미지를 제공하기 위해 투사기 렌즈(9240)에 의해 중계되며, 그 접안렌즈의 제2 인커플링 격자(9252)는 측방으로 오프셋되고, 광학 축에 대하여 제1 인커플링 격자(9250)에 대향하여 포지셔닝된다. 이 경우에, 인커플링 격자들(9250 및 9252) 둘 모두에서의 광원이 동일하기 때문에, 인커플링 격자(9252)에서의 광은 SLM(9230)에서 발생된 것과 같이 나타나고, 그에 의해, 아티팩트 또는 고스트 이미지가 생성된다.
[0710] 도 94는 도 93a에 예시된 투사기 어셈블리에 대해 장면에서의 아티팩트의 존재를 예시한다. 도 94에서 보이는 바와 같이, 텍스트 "9:45 Am"은 투사기에 의한 디스플레이에 대해 의도된다. 의도된 텍스트(9410) 외에도, 아티팩트(9420)가 디스플레이된다. 아티팩트(9420)가 또한 텍스트 "9:45 AM"를 갖지만 세기가 감소되고, 의도된 텍스트(9410)에 대하여 플립된다.
[0711] 도 95a는 일 실시예에 따른, 고스트 이미지 방지로서 또한 지칭되는 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리(9500)를 예시하는 개략도이다. 도 95a에 예시된 투사기 어셈블리는 도 92a에 예시된 투사기 어셈블리와 일부 공통 엘리먼트들을 공유하고, 도 92a에 제공된 설명은 적합하게 도 95a에서의 투사기 어셈블리에 적용가능하다. 본원에서 설명된 바와 같이, 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리(9500)는 투사기 렌즈(9240)로부터 반사될 수 있는 특정한 편광들로 업스트림 경로에서 전파되는 광의 감쇠 또는 차단을 가능하게 하는 원형 편광기(9510)를 포함한다.
[0712] 투사기 어셈블리로부터의 광은 이미지 평면, 예컨대, 접안렌즈가 포지셔닝되어 있는 접안렌즈의 인커플링 격자(9250)에 이미지를 생성한다. 투사기 어셈블리로부터의 광의 일부는 투사기 렌즈(9240)의 엘리먼트들(9242)로부터 반사될 수 있고, 투사기 어셈블리를 향해 업스트림으로 리턴한다. 만약 반사된 광(9502)이 차단되지 않는다면, 반사된 광(9502)은 SLM(9230)으로 이동하고 SLM(9230)으로부터 반사되고, 다운스트림으로 예컨대 인커플링 격자(9252)를 향해 이동하여, 접안렌즈에 생성되는 아티팩트들 또는 고스트 이미지들을 산출한다. 이들 고스트 이미지들의 세기를 방지하거나 또는 감소시키기 위해, 본 개시내용의 실시예들은 반사된 광의 대부분 또는 전부를 차단하고, 반사된 광의 대부분 또는 전부가 SLM(9230)에 부딪치는 것을 방지한다.
[0713] 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리(9500)는, 선형 편광기(9512) 및 사분의일 파장판(9514)을 포함하는 원형 편광기(9510)를 포함한다. 원형 편광기(9510)는 PBS(9220)와 투사기 렌즈(9240) 간에 포지셔닝된다. 도 95a에서의 삽입부에 예시된 바와 같이, 원형 편광기(9510)는 PBS(9220)로부터 s-편광된 광을 수신하고, 다운스트림 경로에서 원형으로 편광된 광(예컨대, LHCP(left hand circularly polarized) 광)을 생성한다. 원형 편광기(9510)의 하나의 장점은 원형 편광기(9510)가 투사기 어셈블리(9500)에 대한 클린업 편광기로서 행동한다는 것이며, 이는 콘트라스트를 개선한다.
[0714] 도 95a에 예시된 바와 같이, 다운스트림 광은 LHCP 편광되고, 투사기 렌즈(9240)의 하나 이상의 표면들(9242)로부터의 반사는 위상 시프트에 도입할 것이고, 그에 따라, 반사된 광은 대향 좌우상으로 원형으로 편광된다(예컨대, RHCP(right hand circularly polarized)). 삽입부를 참조하면, RHCP 광은 사분의일 파장판(9514)에 의해 선형으로 편광된 광으로 변환된다. 선형으로 편광된 광은, 그 광이 사분의일 파장판(9514)을 통과함에 따라, 선형 편광기(9512)의 투과 축에 직교하는 방향으로 편광되고, 그에 따라, 선형 편광기(9512)에 의해 차단된다. 따라서, 투사기 렌즈(9240)로부터 반사된 광은 차단되고, SLM(9230)에 부딪치는 것이 방지된다. 따라서, 본 개시내용의 실시예들은 원형 편광기(9510)의 사용을 통해, 이들 원치않는 아티팩트들 또는 고스트 이미지들의 세기를 방지하거나 또는 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 반사된 광의 부분(9504)은 사분의일 파장판(9514)으로부터 반사될 수 있다. 사분의일 파장판(9514)으로부터 반사된 광의 이러한 부분(9504)은 사분의일 파장판으로부터 멀어지고 이미징 광학기(9240)의 세트를 향하여 전파할 것이다.
[0715] 도 95b는 일 실시예에 따른, 광학 아티팩트들을 감소시키는 방법(9550)을 예시하는 흐름도이다. 방법(9550)은 조명원에 의해 생성된 광빔을 PBS(polarizing beam splitter) 내에 주입하는 단계(9552), 및 디스플레이 패널로부터 광빔 중 공간적으로 정의된 부분을 반사시키는 단계(9554)를 포함한다. 광빔은 한 세트의 광빔들 중 하나일 수 있다. 예로서, 한 세트의 광빔들은 한 세트의 공간적으로 변위된 광원들, 예컨대 LED들을 포함할 수 있다.
[0716] 방법(9550)은 또한, PBS에서의 인터페이스에서, 투사기 렌즈를 향해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분을 반사시키는 단계(9556), 및 PBS와 투사기 렌즈 간에 배치된 원형 편광기를 통해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 통과시키는 단계(9558)를 포함한다. 광빔 중 공간적으로 정의된 부분은 선형 편광을 특징으로 할 수 있다. 방법(9550)은, 투사기 렌즈의 하나 이상의 엘리먼트들에 의해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 반사시키는 단계(9560), 및 원형 편광기에서, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 감쇠시키는 단계(9562)를 더 포함한다. 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분은 원편광을 특징으로 할 수 있다.
[0717] 도 95b에 예시된 특정한 단계들이 일 실시예에 따른 광학 아티팩트들을 감소시키는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스가 또한, 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 개시내용의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 95b에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합하게 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0718] 도 96은 도 95a에 도시된 투사기 어셈블리를 사용한 아티팩트의 세기의 감소를 예시한다. 도 94에 예시된 아티팩트(9420)는 세기가 감소되고, 예컨대 제거되어, 반사 감소 시스템의 유효성을 나타낸다.
[0719] 도 97a는 일 실시예에 따른, 투사 디스플레이 시스템에서 접안렌즈의 기판 표면들 또는 인-커플링 격자 엘리먼트로부터의 반사들로부터 기인하는 아티팩트 형성을 예시하는 개략도이다. 도 97b는 도 97a에 도시된 투사 디스플레이 시스템에서 접안렌즈의 기판 표면들 또는 인-커플링 격자로부터의 반사들로부터 기인하는 아티팩트 형성을 예시하는 펼쳐진 개략도이다. 도 97a 및 도 97b에 예시된 투사기 어셈블리는 도 93a 및 도 93b에 예시된 투사기 어셈블리와 일부 공통 엘리먼트들을 공유하고, 도 93a 및 도 93b에 제공된 설명은 적합하게 도 97a 및 도 97b에서의 투사기 어셈블리에 적용가능하다. 일부 실시예들에서, 도 97a에 예시된 투사기 어셈블리는 PBS(9220)와 투사기 렌즈(9240) 간에 원형 편광기(예컨대, 도 95a의 원형 편광기(9510))를 포함할 수 있다.
[0720] 명확성을 목적으로, 도 93a에서 사용되는 레퍼런스 번호들이 또한 도 97a에서 사용된다. 도 97a를 참조로, 도 92a에서의 투사기 어셈블리(9200)의 동작과 유사한 방식으로, 디스플레이 패널로서 또한 지칭되는 SLM(9230)으로부터의 s-편광 광(9702)은 PBS(9220) 내부의 인터페이스(9222)에서 반사된다. 인터페이스(9222)로부터의 반사 후의 광선들의 틸팅이 단지 명확성을 목적으로 제공됨을 주목해야 한다. PBS(9220)로부터 방출되는 광의 대부분은 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 그리고 접안렌즈의 인커플링 격자(9250)에 서브-동공들의 이미지를 제공하기 위해 투사기 렌즈(9240)에 의해 중계된다.
[0721] 인커플링 격자(9250) 상에 입사하는 광의 부분은 인커플링 격자(9250)에 의해 반사된다. 도 97a에 예시된 바와 같이, 인커플링 격자(9250) 상에 입사하는 광이 단일 편광(예컨대, s-편광)으로 이루어질 수 있지만, 인커플링 격자(9250)로부터 반사된 광은 편광들의 혼합(A*s + B*p)(9704)을 가질 수 있으며, 여기서, A 및 B는 제로와 1 간의 계수들이다. 접안렌즈의 평면에 있는 스텝들을 갖는 회절 광학 인커플링 격자에 대해, 반사들은 대부분 플립된 원편광들로 이루어진다. 그러나, 만약 인커플링 격자들이 접안렌즈의 평면으로부터 경사진다면, 다른 편광 상태들이 반사될 것이다. 반사된 광(9704)은 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 그리고 반사된 광(9704)이 다시 PBS(9220)를 향해 전파함에 따라, 편광들의 혼합(C*s + D*p)(9706)으로 나타나며, 여기서, C 및 D는 제로와 1 간의 계수들이다. 일반적으로, 인커플링 격자(9250)의 특징들의 결과로서 A>C 및 B>D이다.
[0722] 인터페이스(C*s)(9708)의 편광과 적절히 정렬된 업스트림 경로에서의 광은 인터페이스(9222)로부터 반사되고, SLM(9230)으로부터 반사되고, 인터페이스(9222)로부터 반사되고, 투사기 렌즈(9240)를 통과하고, 그리고 접안렌즈(E*s)(9712)의 제2 인커플링 격자(9252)에 이미지를 제공하기 위해 투사기 렌즈(9240)에 의해 이미징된다. 인커플링 격자들(9250 및 9252) 둘 모두에서의 광의 소스가 동일하기 때문에, 인커플링 격자(9252)에서의 광은 SLM(9230)에서 발생된 것과 같이 나타나고, 그에 의해, 아티팩트 또는 고스트 이미지가 생성된다.
[0723] 도 97b를 참조로, PBS(9220) 및 투사기 렌즈(9240)를 통한 제1 통과 후의 인커플링 격자(9250)에서의 이미징, 및 반사된 광(9704)이 SLM(9230)으로부터 2회 반사된 후의 인커플링 격자(9252)에서의 이미징에 의해, 광학 축(9205)을 중심으로 하는 대칭성이 나타난다.
[0724] 도 98은 일 실시예에 따른, 인-커플링 격자 엘리먼트로부터의 반사들을 예시하는 개략도이다. 접안렌즈는 커버 글래스(9810) 및 인커플링 격자(9820)를 포함할 수 있다. 인입 광은 LHCP 입력 광(9801)으로서 예시된다. 원편광을 갖는 입력 광이 예시되지만, 본 개시내용의 실시예들은 원형으로 편광된 광으로 제한되지 않으며, 입력 광은 미리 결정된 장축 및 단축으로 타원 편광될 수 있다. 접안렌즈로부터의 반사들은 커버 글래스(9810)의 전면(9812)으로부터의 반사(9803) 뿐만 아니라 커버 글래스(9810)의 후면(9814)으로부터의 반사(9805)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 인커플링 격자(9820)로부터의 반사(9807)가 예시된다. 이 예에서, 반사들(9803 및 9805)은 RHCP이고, 반사(9807)는 LHCP이다. 이들 반사들의 합은 업스트림으로 PBS(9220)를 향해 전파하는 혼합된 편광 상태를 발생시킨다. 그에 따라서, 도 97a에서, 인커플링 격자(9250)로부터의 반사는 A*s + B*p로서 예시되지만, 반사된 광의 편광 상태가 선형 편광의 조합들로 제한되는 것이 아니라 타원 편광들도 또한 포함할 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 특히, 인커플링 격자(9250)의 회절 엘리먼트들이 블레이즈드 격자 피처들을 포함할 때, 반사된 광의 편광 상태는 복잡한 타원 편광들을 특징으로 한다. 당업자는 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0725] 도 99a는 일 실시예에 따른, 고스트 이미지 방지로서 또한 지칭되는 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다. 도 99a에 예시된 투사기 어셈블리는 도 92a에 예시된 투사기 어셈블리와 일부 공통 엘리먼트들을 공유하고, 도 92a에 제공된 설명은 적합하게 도 99a에서의 투사기 어셈블리에 적용가능하다.
[0726] 앞서 설명된 바와 같이, 투사기 어셈블리로부터의 광은 이미지 평면, 예컨대, 접안렌즈가 포지셔닝되어 있는 접안렌즈의 인커플링 격자에 이미지를 생성한다. 투사기 어셈블리로부터의 광의 일부는 인커플링 격자를 포함하는 접안렌즈의 엘리먼트들로부터 반사될 수 있고, 업스트림으로 투사기 어셈블리를 향해 리턴할 수 있다. 만약 반사된 광이 차단되지 않는다면, 반사된 광은 디스플레이 패널로 이동할 수 있고, 디스플레이 패널로부터 반사되어, 접안렌즈에 생성되는 아티팩트들 또는 고스트 이미지들을 산출할 수 있다. 이들 고스트 이미지들의 세기를 방지하거나 또는 감소시키기 위해, 본 개시내용의 실시예들은 반사된 광의 대부분 또는 전부를 차단하고, 반사된 광의 대부분 또는 전부가 디스플레이 패널에 부딪치는 것을 방지한다.
[0727] 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리(9900)는 광빔들의 시준된 세트일 수 있는 조명원(9910)을 포함한다. 조명원(9910)은 편광된, 편광되지 않은, 또는 부분적으로 편광된 광을 방출할 수 있다. 예시된 실시예에서, 조명원(9910)은 p-편광으로 편광된 광을 방출한다. 제1 광학 엘리먼트(9915)(예컨대, 예비-편광기)는 PBS(polarizing beam splitter)(9920)로 p-편광을 갖는 광을 통과시키도록 정렬된다. 초기에, 광은 PBS(9920)의 인터페이스(9922)를 통과하고, SLM(spatial light modulator)(9930)에 부딪친다. SLM(9930)으로부터의 반사 및 s-편광으로의 편광의 변경 후에, 반사된 광은 인터페이스(9922)로부터 반사되고, PBS(9920)를 빠져나간다. 방출된 광은 투사기 렌즈(9940)를 통과하고, 접안렌즈(미도시)의 인커플링 격자(9950) 상에 이미징된다.
[0728] 반사된 광선(9902)에 의해 예시된 바와 같이, 입사 광의 부분은 인커플링 격자(9950)로부터 반사될 것이고, 다시 투사기 어셈블리를 향해 전파할 것이다. 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리는, 투사기 어셈블리로 리턴하는 인커플링 격자(9950)로부터의 반사들을 감쇠시키고 바람직하게는 방지하는 아티팩트 방지 엘리먼트(9960)를 포함한다. 도 99a에 예시된 바와 같이, 인커플링 격자(9950)로부터의 반사들은 다운스트림 경로에서 아티팩트 방지 엘리먼트(9960)를 통과하지만, 업스트림 경로에서 감쇠 또는 차단된다. 아티팩트 방지 엘리먼트(9960)에 관련된 부가적인 설명은 도 101 및 도 102와 관련하여 설명된다.
[0729] 도 99b는 일 실시예에 따른, 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법(9951)을 예시하는 흐름도이다. 방법(9951)은 조명원에 의해 생성된 광빔을 PBS(polarizing beam splitter) 내에 주입하는 단계(9952), 및 디스플레이 패널로부터 광빔 중 공간적으로 정의된 부분을 반사시키는 단계(9954)를 포함한다. 방법(9951)은 또한, PBS에서의 인터페이스에서, 투사기 렌즈를 향해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분을 반사시키는 단계(9956), 및 투사기 렌즈를 통해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 통과시키는 단계(9958)를 포함한다.
[0730] 방법(9951)은, 투사기 렌즈에 의해, 접안렌즈의 인커플링 격자에 이미지를 형성하는 단계(9960), 및 접안렌즈의 인커플링 격자에 의해, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 반사시키는 단계(9962)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈의 하나 이상의 층들은 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 다양한 세기들로 반사시킬 수 있다. 접안렌즈의 하나 이상의 층들로부터 반사된 광은 일반적으로, 접안렌즈의 인커플링 격자에 의해 반사된 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분보다 더 낮은 세기이며, 아티팩트 방지 엘리먼트에서, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분이 감쇠된다(9964). 이미지를 형성하는 것은 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 아티팩트 방지 엘리먼트를 통해 다운스트림으로 통과시키는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 아티팩트 방지 엘리먼트는 투사기 렌즈와 인커플링 격자 간에 배치된다.
[0731] 아티팩트 방지 엘리먼트는 제1 사분의일 파장판, 제1 사분의일 파장판에 인접하게 배치된 선형 편광기, 선형 편광기에 인접하게 배치된 제2 사분의일 파장판, 및 제2 사분의일 파장판에 인접하게 배치된 컬러 선택 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예로서, 제1 사분의일 파장판은 광빔 중 공간적으로 정의된 부분을 선형으로 편광된 광으로 변환하도록 동작가능한 무색성 사분의일 파장판을 포함할 수 있다. 게다가, 선형 편광기는 선형으로 편광된 광을 다운스트림으로 제2 사분의일 파장판으로 통과시킬 수 있다.
[0732] 일 실시예에서, 제2 사분의일 파장판은 선형으로 편광된 광을 타원 편광된 광으로 변환하도록 동작가능하다. 컬러 선택 컴포넌트는 타원 편광된 광을 파장 의존 타원 편광된 광으로 변환하도록 동작가능할 수 있다. 예컨대, 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분은 컬러 선택 컴포넌트에 부딪칠 수 있다. 이 경우에, 컬러 선택 컴포넌트는 광빔 중 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 타원 편광된 리턴 부분으로 변환하도록 동작가능하다. 제2 사분의일 파장판은 타원 편광된 리턴 부분을 선형으로 편광된 리턴 부분으로 변환하도록 동작가능할 수 있다. 이 경우에, 선형 편광기는 정의된 편광에 수직인 선형 편광된 리턴 부분을 감쇠시킨다.
[0733] 일부 실시예들에서, 아티팩트 방지 엘리먼트는 제1 사분의일 파장판을 포함하지 않을 수 있지만, 선형 편광기, 선형 편광기에 인접하게 배치된 제2 사분의일 파장판, 및 제2 사분의일 파장판에 인접하게 배치된 컬러 선택 컴포넌트를 포함할 수 있다.
[0734] 도 99b에 예시된 특정한 단계들이 일 실시예에 따른 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스가 또한, 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 개시내용의 대안적 실시예들은 상이한 순서로 위에서 약술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 99b에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적합하게 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 추가로, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0735] 일부 실시예들에서, 접안렌즈는, 도 902a-도 90c에 예시된 공간적으로 분산된 광원들과 각각 연관된 각각의 서브-동공에 대한 인커플링 격자를 포함한다. 일부 구현들에서, 인커플링 격자는 금속화될 수 있고, 이는 다시 투사 디스플레이 어셈블리를 향하는 반사들을 발생시킬 수 있다. 부가적으로, 다층 접안렌즈 내의 표면들로부터의 반사들은 후방 반사들에 기여할 수 있다.
[0736] PBS-기반 투사기 어셈블리를 갖는 분리된 서브-동공 조명 시스템의 통합은 종래의 설계들보다 더 작고 더 가벼운 컴팩트한 설계를 가능하게 한다. 따라서, 본 개시내용의 실시예들에 의해 제공되는 PBS-기반 투사기 어셈블리는 웨어러블 디바이스 내로의 통합에 적절한 컴팩트한 설계를 활용한다.
[0737] 방사형 디스플레이 패널들, 예컨대 OLED 디스플레이 패널이 활용되는 실시예들에서, 정해진 도파관에 적합한 컬러를 선택하기 위해, 유전체 필터들이 도파관들에 대해 활용될 수 있다. 예로서, OLED 디스플레이로부터의 방출은 도파관들 상에 이미징될 것이며, 각각의 도파관에 대한 광은 필터를 통해 도파관 내로 통과하는 반면, 다른 도파관들과 연관된 파장들은 반사될 것이다.
[0738] 일부 실시예들에서, 이미지에 걸쳐 이미지 해상도가 변하는 포비티드(foveated) 디스플레이들이 디스플레이 평면으로서 활용된다. 포비티드 디스플레이에 관련된 부가적인 설명은, 미국 특허 출원 공개 번호 제2014/0218468호에서 제공되며, 이로써, 그 미국 특허 출원의 개시내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
[0739] 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 콘텐츠가 원하는 깊이 평면에 그리고 또한 원하는 해상도로 렌더링될 수 있다. 예로서, 이미지의 주변 부분들은 더 낮은(또는 더 높은) 해상도로 그리고 인근 깊이 평면에서 디스플레이될 수 있는 한편, 이미지의 중앙 부분들은 더 높은(또는 더 낮은) 해상도로 그리고 보다 먼 깊이 평면에서 디스플레이될 수 있고, 그에 따라, 더 높은 해상도 중앙(또는 주변) 부분의 명확성을 강조할 수 있다. 따라서, 실시예들은 단일 평면에서만 상이한 해상도를 갖는 포비티드 디스플레이들에 비해 개선들을 제공하는데, 이는 이들이 3개의 디멘션들에서 포비티드 이미지들을 제공할 수 있기 때문이다. 본원에서 설명되는 실시예들이 장면을 표현하기 위해 다수의 깊이 평면들을 활용하기 때문에, 포비티드 디스플레이는 각각의 깊이 평면에 포비티드 이미지를 제공할 수 있고, 그에 따라, 단일 평면에서 포비티드 이미지를 사용하여 이용가능하지 않은 3차원 포비에이션(foveation)을 산출할 수 있다.
[0740] 본 개시내용의 실시예들은 매우 빠른 스위칭 스피드들, 예컨대 720 Hz 필드 레이트 업데이트를 제공하며, 이는 컬러 브레이크업 효과들을 상당히 감소시키거나 또는 제거한다. 예로서, 디스플레이는 120 Hz 프레임 레이트에서 최대 2개의 동시 깊이 평면들을 가능하게 하고, 80 Hz 프레임 레이트에서 3개의 깊이 평면들을 가능하게 한다. 다른 실시예들에서, 이들 레이트들 또는 더 높은 또는 더 낮은 레이트들에서의 부가적인 깊이 평면들이 구현될 수 있다. 부가적으로, 본 개시내용의 실시예들은 64개의 가상 깊이 평면들에 대한 지원 및 깊이 블렌딩을 제공한다. 다른 실시예들에서, 64개 초과 또는 64개 미만의 가상 깊이 평면들이 구현될 수 있다. 선형 및 비선형 블렌딩 모드들 둘 모두 뿐만 아니라 룩업 테이블을 통한 조정들이 지원된다. 깊이 블렌딩 외에도, 광학기로 인한 깊이 평면 왜곡/배율 변화들에 대한 스케일 조정을 포함하는 스케일러 지원이 제공된다.
[0741] 수평/수직 시프트 지원에 관하여, 본원에서 설명되는 실시예들은 층마다 그리고 프레임마다 H/V 시프트 지원을 가능하게 하여, 각막 포지션들 및 머리 움직임들에서의 시차 효과들로 인한 변화들을 가능하게 한다. 부가적으로, 실시예들은 컬러마다 그리고 층마다 렌즈 왜곡 보정을 제공한다. 제1 로우 프레임 업데이팅은 제1 로우 상의 프레임마다 디스플레이 데이터 및 파라미터들의 변화들을 가능하게 할 뿐만 아니라 타임 스탬프 정보의 통신을 가능하게 한다. 게다가, 라운드 트립 측정들 및 광자간 측정들을 가능하게 하는 수직 동기화 가시성이 제공된다.
[0742] 도 100은 반사 방지 엘리먼트의 부재 시의 접안렌즈의 인커플링 격자에서의 광의 반사를 예시한다. 인커플링 격자들을 포함하는 도파관들을 갖는 접안렌즈에 대해, 인커플링 격자로 지향되는 광의 일부는 도파관 내에 론칭될 것이고, 광의 일부는 반사될 것이다(예컨대, 정반사됨). 인커플링 격자에서의 격자의 설계, 제조, 및 제조 민감도들에 의존하여, 반사된 광은 광의 좌우상을 완전히 반전시키지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 이는 좌우상을 전혀 수정하지 않을 수 있다. 따라서, 만약 회절 엘리먼트들 및 도파관들의 스택에 다수의 엘리먼트들이 존재한다면, 다시 투사기로 반사되는 광은 한 세트의 혼합된 편광 상태들을 포함할 수 있다.
[0743] 도 100을 참조로, 원형으로 편광된 광(예컨대, RHCP)(10010)은 접안렌즈의 인커플링 격자(10005)로부터 반사되고, 회전된 타원형 리턴 상태들을 특징으로 한다. 만약 인커플링 격자(10005)가 도파관에 부착된다면, (인커플링 격자(10005) 및 도파관으로부터의) 상태들의 혼합이 존재할 수 있고, 상태들의 혼합 내에서 우세한 상태가 존재할 수 있다. 인커플링 격자(10005)로부터의 반사들만을 고려하는 이 예에서, 제1 파장의 반사된 광(10020)은, 네거티브 기울기로 틸팅된 장축을 갖는 좌향 타원 편광 상태를 가질 수 있다. 제2 파장의 반사된 광(10030)은, 포지티브 기울기로 틸팅된 장축을 갖는 좌향 타원 편광 상태를 가질 수 있다. 그에 따라서, 인커플링 격자(10005)의 고유치들은, 파장의 함수인 상이한 미리 결정된 타원 편광 상태들로의 입력 광의 변환을 정의한다.
[0744] 따라서, 본 개시내용의 실시예들은 인커플링 격자(10005), 예컨대 블레이즈드 격자들의 격자 구조의 고유치들이 반사된 광의 편광 상태에 미치는 영향력을 처리한다. 입력 광의 좌우상을 단지 플립하는 평면 반사 표면과 대조적으로, 블레이즈드 격자들은 상이한 파장들의 입력 광을 도 100에 예시된 바와 같은 미리 결정된 타원 편광 상태들로 변환한다. 도 98과 관련하여 논의된 바와 같이, 접안렌즈로부터의 반사들은, 접안렌즈를 구성하는 다양한 광학 엘리먼트들 뿐만 아니라 블레이즈드 격자들의 활용을 포함하는 ICG의 특징들로 인해, 반사된 광의 편광이 쉽게 특징지어 지지 않는다. 오히려, 반사된 광의 편광 상태는 복잡한 타원 편광들을 특징으로 할 수 있다.
[0745] 도 101a는 일 실시예에 따른, 아티팩트 방지 엘리먼트를 사용한 반사들의 차단을 예시한다. 광이 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)에 부딪친다. 일 실시예에서, PBS(예컨대, PBS(9220))와 투사기 렌즈(예컨대, 투사기 렌즈(9240)) 간에 원형 편광기(예컨대, 원형 편광기(9510))가 존재할 수 있다. 이 실시예에서, 도 101a에 묘사된 바와 같이, 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)에 부딪치는 광은 원형으로 편광된다. 원형으로 편광된 광(10010)이 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)에 부딪침에 따라, 무색성 사분의일 파장판(10112)은 원형으로 편광된 광(10010)을 선형으로 편광된 광(10011)으로 변환한다. 무색성 사분의일 파장판(10112)은 선형 편광기(10114)를 통해 높은 투과 효율성을 달성하기 위해, 모든 컬러들을 선형으로 편광된 광(10111)으로 변환한다. 다른 실시예에서, PBS(예컨대, PBS(9220))와 투사기 렌즈(예컨대, 투사기 렌즈(9240)) 간에 원형 편광기(예컨대, 원형 편광기(9510))가 존재하지 않을 수 있다. 이 실시예에서, 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)에 부딪치는 광은 선형으로 편광되고, 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)는 무색성 사분의일 파장판(10112)을 포함하지 않는다. 선형으로 편광된 광(10111)은 선형 편광기(10114)를 통과하고, 제2 사분의일 파장판(10116)에 의해 타원 편광된 광(10118)으로 변환된다. 반드시 무색성일 필요는 없는 제2 사분의일 파장판(10116)은 미리 결정된 타원 편광을 갖는 타원 편광된 광(10118)을 출력한다. 컬러 선택 컴포넌트(10122)는, 컬러 선택 컴포넌트(10122)가 파장의 함수로써 편광을 회전시킴에 따라, 타원 편광된 광(10118)의 다양한 파장 특정 컴포넌트들을 상이한 타원 편광 상태들로 변환한다. 다른 말로, 컬러 선택 컴포넌트(10122)는 파장의 함수로써 변하는 양들만큼 위상을 지연시킨다. 예컨대, 컬러 선택 컴포넌트(10122)는 제1 컬러 대역의 편광 상태를 90도만큼 회전시키는 한편, 컴플리먼트리 제2 컬러 대역은 그 입력 편광 상태를 유지한다. 예시적인 컬러 선택 컴포넌트는 컬러 선택 회전기이다.
[0746] 도 101a에 예시된 바와 같이, 제1 파장의 광(10130)은 타원 편광된 광(10118)으로부터, 네거티브 기울기 장축을 갖는 우향(right handed) 타원 편광된 광으로 변환된다. 제2 파장의 광(10140)은 타원 편광된 광(10118)으로부터, 약간 포지티브 기울기 장축을 갖는 우향 타원 편광된 광으로 변환된다. 인커플링 격자(10005)로부터의 반사 후에, 제1 파장의 광(10130)은 포지티브 기울기 장축으로 좌향(left handed) 타원 편광되고(10132), 제2 파장의 광(10140)은 약간 네거티브 장축으로 좌향 타원 편광된다(10142).
[0747] 인커플링 격자(10005)의 고유치들이 정해지면, 10130으로부터 10132로의 편광 상태의 변환이 결정된다. 그에 따라서, 컬러 선택 컴포넌트(10122)의 특성들은, 타원 편광된 광(10118)이 정해지면, 원하는 편광 상태(10130)를 제공하기 위해 결정된다. 컬러 선택 컴포넌트(10122)는 타원 편광된 광(10118)으로부터 제1/제2 파장(10130/10140)의 광으로의 미리 결정된 변환을 제공하고, 그에 따라, 인커플링 격자(10005)로부터의 반사로부터 기인하는 변환 및 인커플링 격자(10005)의 고유치들이 정해지면, (각각의 컬러에 대한) 반사된 편광 상태들은 타원 편광된 광(10118)과 매칭하지만 대향 좌우상을 갖는 타원 편광된 광(10120)으로 변환될 것이다.
[0748] 컬러 선택 컴포넌트(10122)를 통과한 후에, 파장들 둘 모두의 광은, 타원 편광된 광(10118)과 (좌우상 이외에) 매칭된 좌향 원형 편광된 광 타원 편광된 광(10120)으로 변환된다. 제2 사분의일 파장판(10116)은 타원 편광된 광(10120)을, 선형으로 편광된 광(10111)에 대하여 직교하게 회전됨으로써 선형 편광기(10114)에 의해 차단되는 선형으로 편광된 광(10113)으로 변환한다.
[0749] 타원들의 장축들의 특정 좌우상 및 회전 각도들이 설명 목적으로 도 101a와 관련하여 논의되었지만, 본 개시내용의 실시예들은 이러한 특정 구현들로 제한되지 않으며 다른 좌우상 및 타원형 특징들이 본 개시내용의 범위 내에 포함된다. 부가적으로, 단지 2개의 컬러들이 예시되었지만, 실시예들은 특정 애플리케이션에 적합한 바와 같이 3개 이상의 컬러들에 적용 가능하다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0750] 다른 말로, 접안렌즈, 구체적으로, 인커플링 격자(10005)로부터의 반사 후에, 광은 컬러 선택 컴포넌트(10122)를 통과하고 제2 사분의일 파장판(10116)에 의해 선형으로 편광된 광으로 다시 변환된다. 좌우상이 반사 시에 회전되기 때문에, 선형으로 편광된 광은 업스트림 통과 시에 회전되고 선형 편광기(10114)에 의해 차단되고, 그리하여 디스플레이 패널 상의 고스트 이미지들을 방지한다.
[0751] 도 101b는 일 실시예에 따라 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법(10150)을 예시하는 흐름도이다. 방법(10150)은, 조명원 의해 생성된 광빔을 PBS(polarizing beam splitter)에 주입하는 것(10152) 그리고 디스플레이 패널로부터 광빔의 공간적으로 정의된 부분을 반사하는 것(10154)을 포함한다. 방법(10150)은 또한, PBS의 인터페이스에서, 투사기 렌즈를 향해 광빔의 공간적으로 정의된 부분을 반사하는 것(10156) 그리고 투사기 렌즈를 통해 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 통과시키는 것(10158)을 포함한다.
[0752] 방법(10150)은 투사기 렌즈에 의해, 접안렌즈의 인커플링 격자의 이미지를 형성하는 것(10160) 및 접안렌즈의 인커플링 격자에 의해, 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 반사하는 것(10162)을 더 포함한다. 또한, 방법(10150)은 제1 광학 엘리먼트에 의해, 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 제2 광학 엘리먼트로 통과시키는 것(10164)을 포함한다. 제1 광학 엘리먼트는 리턴 부분을 제1 편광(예컨대, 원 편광)으로 변환하도록 동작 가능하다. 제1 광학 엘리먼트는 컬러 선택 컴포넌트를 포함할 수 있다. 방법(10150)은 제2 광학 엘리먼트에 의해, 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 제3 광학 엘리먼트로 통과시키는 것(10166)을 더 포함한다. 제2 광학 엘리먼트는 리턴 부분을 제2 편광(예컨대, 선형 편광)으로 변환하도록 동작 가능하다. 부가적으로, 방법(10150)은 제3 광학 엘리먼트에서, 제2 편광과 연관된 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 감쇠시키는 것(10168)을 포함한다.
[0753] 도 101b에 예시된 특정 단계들은 일 실시예에 따라 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 개시내용의 대안적 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 게다가, 도 101b에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 부가적인 단계들이 특정한 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0754] 도 102는 다른 실시예에 따른, 아티팩트 방지 엘리먼트(10200)를 사용하여 반사들을 차단하는 것을 예시한다. 이 구현에서, 제2 사분의일 파장판(10116) 및 컬러 선택 컴포넌트(10122)의 포지션들은, 동작 순서가 상호 교환될 수 있는 선형 시스템과 유사한 방식으로 스위칭된다. 컬러 선택 컴포넌트(10122)는 파장의 함수로서 선형으로 편광된 광(10111)을 상이한 선형 편광들(10210 및 10220)로 변환한다. 그런다음, 제2 사분의일 파장판(10116)은 도 101a와 관련하여 논의된 바와 같이 이들 상이한 선형 편광을 원하는 편광 상태들(10130/10140)로 변환한다. 제2 사분의일 파장판(10116)은 상이한 파장들의 반사된 타원 편광된 광을, 선형으로 편광된 광(10210/10220)에 직교하게 회전되는 선형으로 편광된 광(10212/10222)으로 변환한다. 예시된 바와 같이, 반사된 광이 선형 편광기(10114)에 의해 차단되는, 도 101a와 관련하여 논의된 바와 유사한 결과가 달성된다.
[0755] 도 103은 일 실시예에 따라, 다수의 아티팩트 방지 엘리먼트들을 갖는 투사기 어셈블리의 개략도이다. 일 실시예에서, 선형 편광기(10321) 및 무색성 파장판(10323)을 포함하는 원형 편광기(10320)는 PBS(10310)와 투사기 렌즈(10330) 간에 포지셔닝되어 투사기 렌즈(10330)로부터의 반사들을 차단 또는 감소시킨다. 도 103에 예시된 원형 편광기(10320)는 또한 인커플링 격자(10352)로부터의 반사들을 차단 또는 감소시킬 수 있다. 대안적 실시예에서, 원형 편광기(10320)는 투사기 렌즈(10330)와 접안렌즈(10350) 간에 포지셔닝되어 인커플링 격자(10352)로부터의 반사들을 차단 또는 감소시킨다. 대안적 실시예는 투사기 렌즈(10330)가 충분한 반사 방지 코팅을 갖는 경우 사용될 수 있다.
[0756] 부가적으로, 제2 아티팩트 방지 엘리먼트(10360)는 접안렌즈(10350), 구체적으로, 접안렌즈(10350)의 인커플링 격자(10352)에 인접하게 포지셔닝된다. 제2 아티팩트 방지 엘리먼트(10360)는 인커플링 격자(10352)로부터의 반사들을 차단 또는 감소시킨다. 제2 아티팩트 방지 엘리먼트(10360)는 무색성 사분의일 파장판(10361), 선형 편광기(10363), 제2 사분의일 파장판(10365) 및 특정 인커플링 격자(10352) 및 연관된 도파관(미도시)과 연관된 컬러에 매칭되는, 도 101a와 관련하여 논의된 바와 같은 컬러 선택 컴포넌트(10367)를 포함한다.
[0757] 도 104a는 일 실시예에 따라, 컬러 필터들을 사용한 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리를 예시하는 개략도이다. 도 104a에 예시된 투사기 어셈블리는 도 99a에 예시된 투사기 어셈블리와 일부 공통 엘리먼트들을 공유하며, 도 99a에 제공된 설명은 적합하게 도 104a의 투사기 어셈블리에 적용 가능하다.
[0758] 아티팩트 방지를 갖는 투사기 어셈블리(10400)는 빔들의 시준된 세트일 수 있는 조명원(9910)을 포함한다. 조명원(9910)은 편광된, 편광되지 않은 또는 부분적으로 편광된 광을 방출할 수 있다. 예시된 실시예에서, 조명원(9910)은 p-편광으로 편광된 광을 방출한다. 제1 광학 엘리먼트(예컨대, 예비-편광기)(9915)는 p-편광을 갖는 광을 PBS(polarizing beam splitter)(9920)로 통과시키도록 정렬된다. 초기에, 광은 PBS(9920)의 인터페이스(9922)를 통과하고 SLM(spatial light modulator)(9930)에 부딪친다. SLM(9930)으로부터의 반사 및 s-편광으로의 편광의 변경 후에, 반사된 광은 인터페이스(9922)로부터 반사되고 PBS(9920)를 빠져나간다. 방출된 광은 투사기 렌즈(9940)를 통과하고 접안렌즈(미도시)의 인커플링 격자(9950) 상으로 이미징된다.
[0759] 한 세트의 RSF(retarder stack film) 필터들(10410, 10412)이 각각 인커플링 격자(9950) 및 인커플링 격자(9960)에 인접하게 배치된다. RSF 필터들(10410 및 10412)은 편광기들 간에 배치된 폴리머 막들의 다수의 층들을 포함하여, 파장의 함수로서 가변 투과를 포함하는 스펙트럼 특성들을 제공한다. RSF 필터들의 부가적인 논의가 도 104c와 관련하여 제공된다.
[0760] 도 104d에 예시된 바와 같이, RSF 필터들은 파장들의 제1 세트를 통과하는 제1 구역 및 파장들의 제2 세트를 통과하는 제2 구역을 갖는 분할 필터일 수 있다. 다운스트림 경로에서, 인커플링 격자(9950) 쪽으로 지향된 광은 RSF 필터들(10410)을 통과하고 인커플링 격자(9950)에 부딪친다.
[0761] 입사 광의 일부는 인커플링 격자(9950)로부터 반사되고 투사기 어셈블리를 다시 향해 전파될 것이다. 도 104a에 예시된 바와 같이, 인커플링 격자(9950) 상에 입사하는 광이 단일 편광(예컨대, s-편광)에 있을 수 있지만, 인커플링 격자(9950)로부터 반사된 광은 편광들의 혼합(A*s + B*p)(10402)을 가질 수 있으며, 여기서 A 및 B는 0과 1 간의 계수이다. 반사된 광은 투사기 렌즈(9940)를 통과하고 그것이 PBS(9920)를 다시 향해 전파될 때 편광들의 혼합(C*s+D*p)(10404)으로 출현하며, 여기서 C 및 D는 0과 1 간의 계수이다. 일반적으로, 투사기 렌즈(9940)의 특징들의 결과로서 A> C 및 B> D이다.
[0762] 인터페이스(C*s)(10406)의 편광과 적절히 정렬된 업스트림 경로의 광은 인터페이스(9922), SLM(9930), 인터페이스(9922)에서 반사되어, 투사기 렌즈(9940)를 통과한다. RSF 필터들(10410, 10412)의 부재 시, 투사기 렌즈(9940)를 통과하는 광(E*s)(10408)은 접안렌즈의 제2 인커플링 격자(9960)에서 이미징될 것이다. 그러나, RSF 필터(10412)의 존재는 제2 인커플링 격자(10452)에서 이미지를 감쇠시키거나 제거하고, 그리하여 아티팩트 또는 고스트 이미지의 형성을 감소시키거나 방지한다.
[0763] 도 104b는 도 104a에 도시된 투사기 어셈블리를 예시하는 펼쳐진 개략도이다. 조명원(9910)으로부터의 광은 제1 광학 엘리먼트(9915)에 의해 시준되고, PBS(9920)를 통해 전파되고, SLM(9930)으로부터 반사되고, PBS(9920)를 통해 다른 하나가 통과되게 하고, 인터페이스(9922)(미도시)로부터 반사되고, 투사기 렌즈(9940)를 통과한다. 다운스트림 경로의 광은 RSF 필터(10410)를 통과하고, 인커플링 격자(9950)에서 이미징된다.
[0764] 반사된 광은 RSF 필터(10410)를 통과하고, 투사기 렌즈(9940)를 통과하고, PBS(9920) 안으로 통과되고, 인터페이스(9922)(미도시)로부터 반사되고, SLM(9930)으로부터 반사된다. 광은 PBS(9920) 안으로 통과되고, 인터페이스(9922)로부터 반사되고, 투사기 렌즈(9940)를 통해 다운스트림 경로에서 전파되고, RSF 필터들(10412)에 의해 차단 또는 감쇠된다.
[0765] 도 104C는 일 실시예에 따라, 청록색 및 자홍색 컬러 필터들에 대한 투과 플롯이다. 청록색 필터(10410)에 대한 투과 값들은 예컨대, 청색 및 녹색 파장들에 대해 100% 또는 거의 100%로 높고, 예컨대, 적색 파장들에 대해 제로 또는 거의 제로로 감소한다. 대조적으로, 자홍색 필터(10412)에 대한 투과 값들은 청색 파장들에 대해 100% 또는 거의 100%로 높고, 예컨대, 녹색 파장들에 대해 거의 제로 또는 제로로 감소하고, 예컨대, 적색 파장들에 대해 100% 또는 거의 100%로 높다.
[0766] 도 104d는 일 실시예에 따라, 컬러 필터들 및 서브-동공들의 공간적 어레인지먼트를 예시하는 개략도이다. 도 104d에 예시된 바와 같이, 녹색 인커플링 격자(10470)에 대해 의도된 광은 광학 축에 대하여 녹색 인커플링 격자(10470)에 대향하게 배치되는 적색 인커플링 격자(10472)에서 아티팩트로서 나타날 것이다. 유사하게, 녹색 인커플링 격자(10474)에 대해 의도된 광은 광학 축에 대하여 녹색 인커플링 격자(10474)에 대향하게 배치되는 적색 인커플링 격자(10476)에서 아티팩트로서 나타날 것이다. 청록색 필터(10410)가 녹색 파장들에 대해 높은 투과를 갖기 때문에, 녹색 인커플링 격자(10470)에 대해 의도된 광은 투사기 렌즈로부터 접안렌즈로의 초기 통과 동안 자홍색 필터(10410)를 통과할 것이다. 그러나, 아티팩트는 녹색 파장들에 대해 낮은 투과를 낮은 자홍색 필터(10412)에 의해 차단되거나 감쇠될 것이다. 그에 따라서, 녹색 인커플링 격자(10470)에 대해 의도된 광은 통과될 것이지만, 적색 인커플링 격자(10472)에 부딪치는 연관된 아티팩트는 차단되거나 감쇠될 것이다. 녹색 인커플링 격자(10474) 및 적색 인커플링 격자(10476)를 포함하는 쌍에 대해서도 유사한 논의가 적용된다.
[0767] 적색 인커플링 격자(10472)에 대해 의도된 광을 고려하면, 자홍색 필터(10412)는 의도된 광을 통과시킬 것인 반면, 아티팩트는 청록색 필터(10410)에 의해 차단될 것이다. RSF 필터들을 활용하는 본 개시내용의 실시예들은, 이들이 흡수 프로세스를 활용하고 개선된 컬러 밸런스 및 증가된 쓰루풋을 위해 컷오프 파장들의 맞춤화를 가능하게 하기 때문에 반사들을 감소시킨다. 게다가, 일부 실시예들은 인커플링 격자로 전달되는 광의 편광을 보존하며, 이는 바람직하게는, 인커플링 격자로의 광 커플링을 최대화하기 위해 선형으로 편광된다. 일부 실시예들에서, 도 104d의 6개의 서브-동공들(적색 인커플링 격자(10476 및 10472), 녹색 인커플링 격자(10470 및 10474) 및 청색 인커플링 격자(10480 및 10482))은 동일한 평면, 예컨대, 인커플링 격자 평면(10484) 상에 또는 그 인근에 로케이팅될 수 있다. 인커플링 격자 평면은 접안렌즈의 평면 상에 로케이팅될 수 있다. RSF 필터들, 청록색 필터(10410) 및 자홍색 필터(10412)는 투사기 렌즈와 인커플링 격자 평면(10484) 간의 평면 상에 로케이팅될 수 있다.
[0768] 도 104e는 일 실시예에 따라 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 방법(10450)을 예시하는 흐름도이다. 방법(10450)은, 조명원에 의해 생성된 광빔을 PBS(polarizing beam splitter)에 주입하는 것(10452) 그리고 디스플레이 패널로부터 광빔의 공간적으로 정의된 부분을 반사하는 것(10454)을 포함한다. 방법(10450)은 또한, PBS의 인터페이스에서, 투사기 렌즈를 향해 광빔의 공간적으로 정의된 부분을 반사하는 것(10456) 그리고 투사기 렌즈를 통해 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 통과시키는 것(10458)을 포함한다.
[0769] 방법(10450)은 RSF 필터의 제1 구역을 통해 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 적어도 일부를 통과시키는 것(10460), 투사기 렌즈에 의해, 접안렌즈의 인커플링 격자에서 이미지를 형성하는 것(10462) 및 접안렌즈의 인커플링 격자에 의해, 광빔의 공간적으로 정의된 부분의 리턴 부분을 반사하는 것(10464)을 더 포함한다. 또한, 방법(10450)은 RSF 필터의 제2 구역에서 리턴 부분의 적어도 일부를 감쇠시키는 것(10468)을 포함한다.
[0770] 도 104e에 예시된 특정 단계들은 일 실시예에 따라 광학 시스템에서 아티팩트들을 감소시키는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 개시내용의 대안적 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 게다가, 도 104e에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 부가적인 단계들이 특정한 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0771] 도 105는 일 실시예에 따른 컬러 필터 시스템(10500)을 예시하는 개략도이다. 도 105에 예시된 바와 같이, 반사방지 코팅, 선형 편광기(10512), 듀얼 컬러 RSF 필터(10410/10412) 및 듀얼 편광기(10516)를 포함할 수 있는 컬러 필터 시스템(10500)은 커버 글래스(10510)를 포함한다. 선형 편광기(10512)는 PBS(9920) 및 렌즈(9940)로부터 수신된 바와 같은 제1 편광, 예컨대, s-편광된 광을 통과시키도록 정렬된다. 듀얼 컬러 필터(10514)는 도 104c 및 도 104d에 대하여 부가적으로 상세히 설명된다. 듀얼 편광기(10516)는 제1 구역(10517) 및 제2 구역(10518)을 포함한다. 제1 구역(10517)은 청록색 필터(10410)에 인접하게 배치되고 제1 편광의 광(예컨대, s-편광된 광)을 통과시킨다. 제1 구역(10518)은 자홍색 필터(10412)에 인접하게 배치되고 제1 편광에 직교하는 제2 편광의 광(예컨대, p-편광된 광)을 통과시킨다. 도 105에 예시된 바와 같이, 청록색 필터(10410)를 통과하는 광은 또한, 녹색 인커플링 격자들(10470, 10474) 및 청색 인커플링 격자(10480)에 도달하기 위해 제1 구역(10517)을 통과할 것이다. 자홍색 필터(10412)를 통과하는 광은 또한, 적색 인커플링 격자들(10472, 10476) 및 청색 인커플링 격자(10482)에 도달하기 위해 제2 구역(10518)을 통과할 것이다.
[0772] 일부 실시예들에서, 예컨대, 도 89 및 도 90에 예시된 바와 같이, 서브-동공들이 둘 모두 측방으로(예컨대, x, y 방향들로)는 물론, 종방향으로(예컨대, z-방향으로) 공간적으로 분리되는 멀티-동공 시스템이 활용된다. 다른 실시예들에서, 도 109에 예시된 바와 같이, 단일 동공 시스템이 활용된다. 도 109는 일 실시예에 따라, 투사기 어셈블리 및 접안렌즈를 포함하는 단일 동공 시스템을 예시하는 개략도이다. 아티팩트 방지 엘리먼트(10100)는 투사기 렌즈(10930)와 접안렌즈(10910) 간에 배치된 것으로 예시된다.
[0773] 도 109에 예시된 바와 같이, 동공들은 측방으로(예컨대, x, y 방향들로) 오버랩되고, 종방향으로(예컨대, z 방향으로) 공간적으로만 분리된다. 투사기 렌즈(10930)는 이 예에서, 각각 적색, 녹색 및 청색 파장들에 대한 3개의 도파관 층들(10920, 10922, 및 10924)을 포함하는 접안렌즈(10910)를 향해 광을 지향한다. 녹색, 청색, 적색을 포함하는 다른 순서들이 본 개시내용의 범위 내에 포함된다는 것이 인지될 것이다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다. 각각의 도파관 층에 대한 인커플링 격자들은 도파관의 평면에 평행한 방향으로 오버랩하여 단일 동공 시스템을 산출한다. 당업자에게 명백한 바와 같이 광의 포커싱은, 그것이 도파관을 통해 이동함에 따라 스케일링되지 않는다.
[0774] 따라서, 본원에서 논의된 본 개시내용의 실시예들은 멀티-동공 및 단일 동공 시스템들 둘 모두와 함께 사용하기에 적절하다. 동공들이 측방으로 오버랩되는 실시예들에서, 본원에서 설명된 아티팩트 방지 시스템들은, 광이 광학 시스템을 통해 접안렌즈를 향해 전파됨에 따라 이들 단일 동공 시스템들에 대한 아티팩트들을 감소 또는 제거할 것이다. 그 결과, 본 개시내용의 실시예들은 단일 동공 및 멀티-동공 시스템들 둘 모두에 적용 가능하다.
[0775] 본 개시내용의 실시예들이 디스플레이 패널을 활용하는 투사 디스플레이 시스템과 관련하여 설명되었지만, 본 개시내용의 실시예들은 이들 특정 투사 디스플레이 시스템들로 제한되지 않으며, 투사기의 컴포넌트로서 파이버 스캐너를 활용하는 파이버 스캐닝 시스템들에 적용 가능하다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0776] 일부 실시예들에서, 광원들(예컨대, LED 소스들)에 의해 방출된 광이 투사기 어셈블리에 의해 수집되고 활용되는 수집 효율성은 광원들의 설계에 의해 영향을 받을 수 있다. 특히, 일부 LED 광원들에 대해, LED 광원의 방출 평면에 가능한 한 근접하게 시준 광학기를 배치하는 것이 유리하다.
[0777] 도 106은 일 실시예에 따른 와이어 본딩된 LED를 예시하는 개략도이다. 와이어 본딩된 LED 패키지(10600)는 금속 반사기(10620)와 통합될 수 있는 사파이어 기판(10610)을 포함한다. GaN LED(10630)에는 방사 표면의 일부 위에 투명한 전극(10640)이 제공되고 와이어 본드들(10650)은 다른 부분 위에서 본딩 패드들(10660)에 부착된다. 사파이어 기판(10610)을 통한 열 방산(10670) 및 투명한 전극(10640)을 통한 광 방출(10690)이 예시된다. LED에 의해 방출된 광의 부분은 와이어 본드가 조명 표면을 불투명하게 함에 따라 와이어 본드(10650) 및/또는 와이어 본드가 본딩되는 본딩 패드(10660)에 부딪치고 이에 의해 차단되어(10680), 불균일한 조명 패턴을 생성한다. 불균일한 조명 외에도, 와이어 본딩된 구조는 투사기 어셈블리의 움직임에 대한 응답으로 와이어 본드의 잠재적인 모션/진동과 연관된 신뢰성 문제를 제공할 수 있다. 부가적으로, 환경 악화가 이슈로서 제공된다. 와이어 본드의 캡슐화가 모션/진동을 억제할 수 있지만, 그것은 또한 방출되는 광의 세기에 악영향을 미칠 수 있다.
[0778] 도 107은 일 실시예에 따른 플립-칩 본딩된 LED(10700)를 예시하는 개략도이다. 이 구현에서, GaN LED(10710)는 은 반사기이고 사파이어 캡(10730)으로 밀봉될 수 있는 반사성 구조(10720) 상에 배치된다. 기판(10750)을 통한 열 방산(10740) 및 사파이어 캡(10730)을 통한 광 방출이 예시된다. 와이어 본딩된 구조와 대조적으로, 플립 칩 지오메트리는 CPC(Compound Parabolic Concentrator)와 같은 시준 또는 빔 성형 광학기를 포함하는 광학기가 방출 표면에 보다 가깝게 배치되는 것을 가능하게 하고, 그리하여 집광 효율성 및 시스템 밝기를 증가시킨다. 도 107에 예시된 바와 같이 장착된 플립-칩 LED들은 도 88에 예시된 변위된 광원들로서 사용하기에 적절하다.
[0779] 도 108은 본원에서 설명된 실시예에 따른 포물선 빔 확장기와 통합된 LED를 예시하는 개략도이다. 도 108에 도시된 바와 같이, 플립-칩 본딩된 LED(10810)는 빔 확장기 구성에서 활용되는 CPC(10820)의 입구 어퍼처(10822)에 포지셔닝된다. LED로부터의 광은 CPC(10820)에 의해 수집되고 확장되는 발산 빔 프로파일을 특징으로 한다. 따라서, 도 107에 예시된 플립-칩 LED 설계와 함께 CPC(10820)의 사용은 와이어 본드의 제거 및 LED 패키지의 방출 표면에 더 근접한 포지션에 CPC를 포지셔닝하는 능력의 결과로서 LED의 광 방출 효율성을 개선한다.
[0780] 도 110a 및 도 110b는 광학 디바이스(11000)의 사시도들을 도시한다. 도 110a는 완전히 어셈블리된 상태의 광학 디바이스(11000)를 도시한다. 광학 디바이스(11000)는 2개의 접안렌즈들(11001)이 서로 그리고 광학 디바이스(11000)의 다른 컴포넌트와 관련하여 정확한 정합으로 유지될 수 있는 2개의 개구를 정의한다. 이를 달성하기 위해, 정확한 정합을 유지하기 위해 리지드 내부 프레임이 활용된다. 그런다음, 내부 프레임은 광학 디바이스(11000)를 사용자의 머리에 고정시키는 것을 가능하게 하는 보다 플렉서블 프런트 밴드(11004)에 커플링될 수 있다.
[0781] 도 110b는 광학 디바이스(11000)의 선택된 컴포넌트의 분해도를 도시한다. 당업자는, 임의의 특정 컴포넌트의 부가적인 컴포넌트 및/또는 대안적 위치가 물론 가능하지만, 본 발명을 이해할 목적으로 반드시 묘사할 필요는 없다는 것을 인지할 것이다. 광학 디바이스(11000)는 사용자의 귀들을 지나 연장되어 사용자의 머리 둘레를 적어도 부분적으로 감싸도록 구성된 아암들(11002)을 갖는 것으로 묘사된다. 일부 실시예들에서, 광학 디바이스(11000)와 유사한 광학 디바이스는 보다 통상적인 아암들 또는 템플들(11002)을 가질 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 묘사된 바와 같이, 아암들(11002)은 광학 디바이스(11000)를 사용자의 머리에 고정시키기 위해 프런트 밴드(11004)와 협력한다. 프런트 밴드(11004)는 변형 가능한 광학 재료로 형성되어서, 프런트 밴드(11004)는, 광학기 프레임(11008)을 변형시킴 없이 사용자의 얼굴에 적어도 부분적으로 따르게 될 수 있다. 열 확산기(11006)는 프런트 밴드(11004)와 광학기 프레임(11008) 간의 강건한 열적 인터페이스를 생성하는 데 사용될 수 있다. 열 확산기(11006)는 광학기 프레임(11008)에 장착된 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 프런트 밴드(11004)에 전달하기 위한 강건한 열적으로 전도성인 진로를 확립할 수 있다. 이런 식으로, 알루미늄 합금으로 형성될 수 있는 프런트 밴드(11004)는 광학 디바이스(11000)의 전기 컴포넌트들 중 적어도 일부에 의해 생성된 열을 수용하기 위한 히트 싱크(heatsink)로서의 역할을 할 수 있다.
[0782] 도 110b는 또한 투사기들(11010) 및 광학기 프레임(11008)에 대한 그들의 포지션을 묘사하지만, 투사기들(11010)의 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 투사기(11010)는 접안렌즈들(11001) 간에 포지셔닝될 수 있다. 광학기 프레임(11008)은, 보다 플렉서블 프런트 밴드(11004)를 형성하는 데 사용되는 재료보다 훨씬 더 강한 재료로 그리고 더 높은 탄성 계수로 제조될 수 있어서, 일부 실시예에서, 외부 팩터들은 광학기 프레임(11008)을 변형시킴 없이 프런트 밴드(11004)를 변형시킬 수 있다. 그러한 실시예들에서, 프런트 밴드(11004)는 광학기 프레임(11008)의 재료 상황 및 그것이 하우징하는 컴포넌트의 안정성을 보존하기 위해 온도 효과들 또는 하중 효과들과 같은 그러한 외부 팩터들을 흡수하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, 프런트 밴드(11004)는 기계 가공된 알루미늄 합금으로 형성될 수 있는 반면, 광학기 프레임(11008)은 마그네슘 또는 티타늄 합금들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프런트 밴드(11004)는 아암들(11002) 둘 모두에 커플링되고 광학기 프레임(11008)의 중앙 구역에 부착될 수 있다. 이러한 이유로, 프런트 밴드(11004) 또는 아암들(11002)에 적용되는 임의의 대칭력들은 광학기 프레임(11008)의 변형을 거의 또는 전혀 초래하지 않을 수 있다. 이러한 구성은 본질적으로 광학기 프레임(11008)이 프런트 밴드(11004) 및 아암들(11002) 내에 플로팅하고 이들에 의해 보호될 수 있게 한다.
[0783] 또한, 도 110b의 분해도는 광학기 프레임(11008)에 고정되고 접안렌즈들(11001)에 의해 점유된 눈 개구들 각각을 통해 이미지를 투사하도록 구성된 투사기들(11010)을 도시한다. 센서 커버(11012)는 광학기 프레임(11008)과 커플링되고 뷰잉 광학기(11012) 둘레에 또는 그에 인접하게 분배된 센서들을 커버하도록 구성될 수 있다. 센서 커버(11012)는 프런트 밴드(11004)와 상이한 타입의 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 커버(11012)는 광학기 프레임(11008)으로부터 수용된 임의의 열로부터 상당한 변형을 겪을 가능성이 적은 낮은 열팽창 계수를 갖는 폴리머 또는 다른 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 커버(11012)는 센서 커버(11012)의 과열을 회피하기 위해 프런트 밴드(11004)로부터의 갭에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 남아있는 도면들은 각각 다중-프레임 실시예들을 예시할 것이지만, 유니터리 프레임을 갖는 실시예들이 또한 가능하다는 것임을 주목해야 한다. 변형 가능한 프런트 밴드를 갖는 대신에, 리지드 광학기 프레임(11008)은 한 쌍의 아암들에 플렉서블하게 커플링될 수 있다. 아암들은 힌지결합될 수 있고 그리고/또는 리지드 광학기 프레임을 구부리지 않고 아암을 사용자의 머리 상에서 뒤로 보다 멀리 움직이기 위한 스프링들 및/또는 레일들을 포함할 수 있다. 이런 식으로, 별개의 프런트 밴드를 활용하지 않고 유니터리 프레임의 왜곡이 회피될 수 있다.
[0784] 도 110c는 다수의 전자 컴포넌트들이 부착되어 있는 광학기 프레임(11008)의 사시도를 도시한다. 전자 컴포넌트들은 광학기 프레임(11008)의 브릿지 구역에 부착된 중앙 PCB(printed circuit board)(11014)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 중앙 PCB(11014)는 광학 디바이스(11000)를 동작시키기 위한 명령들을 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 예컨대, 프로세서(들)는 투사기들(11010)에 명령들을 제공하도록 구성될 수 있다. 다수의 다른 전자 디바이스들이 또한 광학기 프레임(11008)에 커플링될 수 있다. 특히, 센서들은 광학기 프레임(11008)의 강성(rigidity)이 광학 디바이스(11000)의 동작 동안 다른 센서들 또는 접안렌즈들(11001)과 정밀하게 정렬되게 센서들의 포지션을 유지할 수 있기 때문에 광학기 프레임(11008)에 커플링되는 것이 유익할 수 있다. 센서들은 깊이 센서(11016), 전면 세계 카메라들(11018), 측방 세계 카메라들(11020) 및 사진 카메라(11022)를 포함할 수 있다(그러나 이에 제한되지 않음). 일부 실시예들에서, 세계 카메라는, 접안렌즈들(11001)을 통해 투사된 증강 현실 이미저리가 보다 사실적으로 디스플레이되고, 일부 경우들에서, 광학 디바이스 주위의 실제 세계와 상호작용할 수 있도록 광학 디바이스(11000)의 사용자 주위의 영역을 특징화하는 것을 돕도록 구성된 외향 비디오 카메라이다. 결과적으로, 외부 세계를 특징화하는 센서들의 임의의 오정렬은 투사기들(11010)에 의해 투사된 증강 현실 이미저리가 대응하는 실세계 오브젝트들과 관련하여 제자리에서 눈에 띄게 시프트되게 할 수 있다. 또한, 사용 동안 서로와 관련하여 접안렌즈(11001)의 피치, 요 또는 롤의 임의의 변화들은 쌍안 교정을 심각하게 악화시켜 심각한 이미징 문제들을 초래할 수 있다.
[0785] 일부 실시예에서, 다양한 온도 센서 및 스트레인 센서들은 광학기 프레임(11008), 프런트 밴드(11004) 및/또는 아암(11002)에 걸쳐 분배될 수 있다. 온도 및 스트레인 센서들은 다수의 기능들을 수행하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 온도 센서는 광학 디바이스(11000)가 미리 결정된 온도 안락 레벨들을 초과할 때 경고를 트리거하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 스트레인 센서들 및 온도 센서들 둘 모두는, 센서들 중 하나 이상이 정렬되지 않게 시프트될 때를 결정하도록 구성될 수 있다. 예컨대, PCB(11014)를 탑재한 프로세서는 정해진 온도 변화에 대해 얼마나 많은 열 팽창 또는 수축이 예상되는지를 표시하는 테이블을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 온도 또는 스트레인 판독들이 비정렬 조건을 표시할 때, 투사기들(11010)은 신호 출력을 조정하도록 또는 일부 경우들에서, 시프트를 수용하도록 광학 디바이스(11000)를 일시적으로 재교정하도록 지시받을 수 있다.
[0786] 온도의 큰 변화가 일반적으로 발생하는 하나의 공통 시나리오는 웨어러블 디바이스가 실온으로 냉각되기에 충분히 오래 사용되지 않은 후에 웨어러블 디바이스의 시동 동안이다. 큰 온도 변화를 참작하는 하나의 방식은 시동 동안 그리고 전자장치가 보통 동작과 연관된 정상 상태 온도로 디바이스의 온도를 상승시킬 기회를 갖기 전에, 프레임에 존재하는 실질적으로 더 차가운 온도들을 참작하기 위한 투사기의 출력을 수용하기 위해 그의 콘텐츠를 시프트하도록 투사기를 구성하는 것이다. 일부 실시예들에서, 시동 시의 온도 변화는 리지드 프레임의 변형을 야기하기에 충분히 클 수 있어 투사기와 리지드 프레임 간의 정렬 문제를 산출할 수 있다. 투사기들이 부착되는 리지드 프레임의 구역들은 투사기들에 의해 사용자의 눈들을 향해 방출된 광을 재배향하는 회절 광학기와 연관된 입력 커플링 격자를 포함할 수 있기 때문에, 투사기들과 입력 커플링 격자들 간의 결과적인 오정렬은 이미저리의 상당한 왜곡이 존재하게 할 수 있다. 결과적으로, 투사기의 콘텐츠 출력은 변형을 참작하도록 시프트될 수 있다. 온도가 정상 상태에 접근함에 따라, 온도 센서 샘플링 주파수가 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 온도 센서 샘플링 주파수는 웨어러블 디바이스가 과하게 사용될 때 또는 온도들이 웨어러블 디바이스의 보통 정상 상태 온도를 초과하여 증가할 것으로 예상될 수 있는 임의의 시간에 증가될 수 있다.
[0787] 다른 전자 컴포넌트들이 도 110c에 또한 묘사된다. 예컨대, 다수의 회로 보드들 및 플렉서블 회로들은 광학기 프레임(11008)의 각각의 측으로부터 연장되게 묘사되고, 아암들(11002)의 개개의 아암에 의해 정의된 내부 볼륨 내에 피팅되도록 배열된다.
[0788] 광학 디바이스(11000)의 사용 동안, 열은 도 110d에 도시된 열 확산기(11006)에 의해 PCB(11014)로부터 방산될 수 있다. 열 확산기(11006)는 광학기 프레임(11008)에 커플링된 다양한 전자 디바이스에 의해 방출된 열을 프런트 밴드(11004)에 전도할 수 있다. 열 확산기(11006)는 특히 높은 열 전도도를 갖는 재료의 시트들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 우수한 평면 내 열전달 특성들을 고려하면, 열을 확산시키는데 특히 효과적일 수 있는 PGS(pyrolytic graphite sheet)들이 사용될 수 있다. 높은 열 전도도 재료들로 형성된 다른 재료들이 또한 가능하다. 도 110d는 또한 전방향 탐지(forward looking) 센서들이 사용자의 사이트 라인(line of site) 내의 오브젝트들을 모니터링할 수 있는 다양한 개구를 포함하는 센서 커버(11012)를 묘사한다. 예컨대, 개구들(11024, 11026)은 깊이 센서(11016) 및 전면 세계 카메라(11018)가 센서 커버(11012)의 앞의 시야를 특징화할 수 있게 하도록 구성될 수 있다. 센서 커버(11012)가 광학기 프레임(11008)에 직접 커플링될 때, 광학기 프레임(11008)에 장착된 컴포넌트들에 의해 생성된 열의 큰 부분을 수용하는 데 사용되는 프런트 밴드(11004)의 임의의 열적으로 유도된 팽창 또는 수축은 센서 커버(11012)에 최소의 영향을 미칠 수 있다.
[0789] 도 110e는 광학기 프레임(11008)의 사시도를 도시한다. 특히 관심있게는, 투사기들(11010)은 접안렌즈들(11001) 뿐만 아니라 풀 뷰로 묘사된다. 접안렌즈들(11001) 및 투사기들(11010)은 광학 디바이스(11000)의 디스플레이 어셈블리의 적어도 일부를 형성한다. 접안렌즈들(11001)은 투사기들(11010)로부터 광을 수신하고 투사기들(11010)에 의해 방출된 이미저리를 광학 디바이스(11000)의 사용자의 눈들로 방향전환하도록 구성된다.
[0790] 도 111a 내지 도 111d는 열이 광학 디바이스(11000)를 따라 어떻게 확산되는지를 도시한다. 도 111a는 투사기(11010) 및 주변 회로소자의 후방 부분의 사시도를 도시한다. 특히, 열 확산기(11102)의 일 단부는 투사기(11010)의 후방을 향하는 표면에 부착된 것으로 도시된다. 이런 식으로 포지셔닝됨으로써, 열 확산기(11102)는 투사기(11010)의 광원으로부터 열을 수용하도록 구성된다. 열 확산기(11102)는 투사기(11010) 아래로 그리고 그런다음, 광학 디바이스(11000)의 밴드 또는 템플의 내부 표면을 따라 라우팅되는 열분해 그래파이트 시트의 형태를 취할 수 있다(아래의 도 111C의 설명 참조). 열 확산기(11102)가 전기적으로 전도성인 재료로 형성될 때, 투사기(11010)는 전기적으로 절연성인 퍽(11104)에 의해 열 확산기(11102)로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 절연성인 퍽(11104)은 양호한 열 전도도를 갖는 알루미늄 나이트라이드 또는 다른 전기적으로 절연성인 재료들로 형성될 수 있다.
[0791] 도 111b는 투사기(11010) 및 주변 회로소자의 후방 부분의 다른 사시도를 도시한다. 특히, 열 확산기(11106)의 제1 단부는 투사기(11010) 맨 위에 포지셔닝된 드라이버 보드에 의한, 그리고 투사기(11010)의 광원으로부터 생성된 열을 수용하도록 묘사되고 포지셔닝된다. 그런다음, 열 확산기(11106)의 제2 단부는 열 확산기(11102)로부터의 아암(11002)의 반대 측(묘사되지 않음)을 따라 라우팅된다. 이런 식으로, 아암(11002)의 내부 및 외부 측들 둘 모두는 투사기(11010)에 의해 생성된 열을 분배하는 데 사용될 수 있다. 이런 식으로, 아암들(11002)은 또한 광학 디바이스(11000)에 의해 생성된 열을 수용하고 분배하기 위한 히트 싱크로서 기능할 수 있다.
[0792] 도 111c는 광학 디바이스(11000)의 일 측의 사시도를 도시한다. 특히, 이 뷰는 열 확산기(11102)가 아암의 길이를 얼마나 연장하는지를 도시한다. 이런 식으로, 실질적으로 전체 아암(11002)은 투사기(11010)와 같은 광학 디바이스(11000)의 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 흡수하기 위한 히트 싱크로서 역할을 할 수 있다.
[0793] 도 111d는 광학 디바이스(11000)의 정면 사시도를 도시한다. 전도 층(11108)은 PCB(11014)의 표면 상에 오버레이되는 것으로 도시되고, 앞서 설명된 바와 같이 프런트 밴드(11004)에 걸쳐 열을 분배하는 열 확산기(11006)에, PCB(11014)에 걸쳐 분배된 다양한 열 생성 컴포넌트로부터의 열을 전달하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 프런트 밴드(11004) 및 아암들(11002)은 고무 가스켓들에 의해 적어도 부분적으로 열적으로 격리되어서, 아암들 내의 열 방산은 주로 투사기들(11010)로부터 수신된 열로 제한되고 프런트 밴드(11004)는 광학 디바이스(11000)의 다른 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 잔여 열을 방산하는 것을 담당한다. 고무 가스켓들이 가열됨에 따라, 열은 아암들(11002)과 밴드(11004) 간에서 보다 쉽게 전달될 수 있음을 주목해야 한다. 일부 실시예들에서, 열-전달 진로가 다양한 열 전달 컴포넌트들에 의해 프런트 밴드(11004)와 아암(11002) 간에 확립될 수 있다. 예컨대, 열 확산기(11102)와 유사한 열 파이프 또는 부가적인 열 확산기들은 상당량의 열 로딩을 받는 광학 디바이스(11000)의 부분으로부터 열을 재분배하는 데 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특히, 아암들(11002)이 광학기 프레임(11008)에 부착된 것들보다 열 손상에 덜 민감한 전기 컴포넌트들을 포함할 때, 아암들(11002)로의 열의 직접 전달은 프런트 밴드(11004)에 열을 발산하는 것보다 선호될 수 있다. 논의된 다양한 열 전달 메커니즘들은 약 7W의 전체 전력 출력을 방산시키도록 구성될 수 있다.
[0794] 도 111e 내지 도 111g는 이전 실시예들에서 예시된 수동 대류와 대조적으로 강제 대류를 활용하는 열 방산 시스템의 사시도 및 측 단면도를 도시한다. 도 111e는 PCB(11014) 상에 장착된 다양한 열 생성 컴포넌트들(11168)(도 111g 참조)로부터 열을 인출하도록 구성된 열 방산 시스템(11150)을 도시한다. 열 생성 컴포넌트(11162)는 예컨대, 로직 칩과 같은 전자 컴포넌트를 포함할 수 있고, 컴퓨터 비전 또는 다른 고-수요의 고-전력 프로세스들에 수반될 수 있다. 열 생성 컴포넌트들(11168)의 과열을 방지하기 위해, 제1 열 확산기(11152)는 열 생성 컴포넌트들(11168) 중 하나 이상에 열적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 차폐 또는 열 접착제와 같은 열적 인터페이스(11170)(도 111g 참조)는 보다 효율적인 열 전달을 가능하게 하기 위해 열 생성 컴포넌트들(11162)과 제1 열 확산기(11152) 간에 배치될 수 있다. 당업계에 알려진 다른 유형의 열적 인터페이스들 또는 전도 층들이 또한 사용될 수 있으며 다양한 열적 인터페이스들이 조합되어 사용될 수 있다.
[0795] 열 생성 컴포넌트들(11162)로부터의 열은 열 방산 시스템(11150)의 부분들에 걸쳐 온도 구배의 존재로 인한 전도에 의해 열적 인터페이스(11164)를 가로질러 제1 열 확산기(11152)로 움직인다. 열 파이프(11154)는 열 파이프(11154)의 대향 단부들에 포지셔닝된 제2 열 확산기들(11156)을 향해 제1 열 확산기(11152)로부터 열의 전도를 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 제1 열 확산기(11152)로부터 열 파이프(11154)로의 열의 라우팅은, 노출된 금속 또는 다른 방식으로 전도성 재료인 열 파이프(11154)의 부분이 열 접착제에 의해 제1 열 확산기(11152)에 열적으로 커플링될 때 전도에 의해 발생할 수 있다. 열 파이프(11154)는 열 파이프(11154)와 제1 열 확산기(11152) 간의 열적 인터페이스로부터의 작동 유체를, 열 파이프(11154)가 제2 열 확산기(11156)와 인터페이싱하는 열 파이프(11154)의 단부들 간의 열적 인터페이스로 순환시키는 내부 위킹 구조를 포함할 수 있다. 제2 열 확산기들(11156)은 열 파이프(11154)의 대향 단부들에서 열 파이프(11154)에 유사하게 열적으로 커플링될 수 있다. 제2 열 확산기들(11156)은 히트 싱크 또는 강제 대류 디바이스, 이를테면, 팬들(11158)에 열적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 확산기들(11156)은 팬들(11158)이 냉각 공기를 강제하는 유효 표면적을 증가시키는 냉각 핀 어레이를 포함할 수 있다.
[0796] 도 111f는 웨어러블 디바이스(11160)에 통합된 열 방산 시스템(11150)의 사시도를 도시한다. 헤드셋 아암들(11102)의 내부를 향하는 벽은 헤드셋 아암들(11102) 내의 단순화된 내부 뷰를 보여주기 위해 제거되었다. 일부 실시예들에서, 도 111f에 도시된 바와 같이, 냉각 공기(11162)는 헤드셋 아암들(11102)에 의해 정의된 통기구들(11164)을 통해 헤드셋 아암들(11102) 내로 당겨질 수 있다. 냉각 공기(11162)가 제2 열 확산기들(11156)로부터 열을 대류식으로 방산시키면, 냉각 공기(11162)는 헤드셋 아암들의 단부가 부가적인 출구 통기구들을 포함할 때 헤드셋 아암들(11102)의 단부로 이동할 수 있다. 이런 식으로, 헤드셋 아암들(11102)을 통해 강건한 공기 흐름이 확립될 수 있어서, 가열된 냉각 공기가 헤드셋 아암들(11102)을 빠져나갈 수 있는 강건한 루트를 제공한다. 다른 실시예들에서, 통기구들(11160)은 대신에, 가열된 공기가 헤드셋 아암들(11102)을 빠져나가기 위한 배기 루트를 제공할 수 있다.
[0797] 일부 실시예들에서, 열 파이프(11154)는 폴리머 재료와 같은 플렉서블 재료로 제조될 수 있다. 플렉서블 열 파이프 재료는 최소한의 또는 제로의 로딩이 열 생성 컴포넌트(11162) 또는 PCB(11014) 또는 프런트 밴드(11004)에 커플링된 다른 컴포넌트들에 전달되도록 시스템의 기계적 스트레인 또는 진동을 흡수하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같은 열 파이프(11154)는 편평한 단면을 갖지만; 원형, 라운드, 타원형 또는 세장형과 같이 임의의 다른 단면 형상들이 열 전달 및 스트레인 완화를 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단면 형상 또는 사이즈는 원하는 열 전달 특성들을 달성하기 위해 열 파이프의 부분에 걸쳐 가변적일 수 있다.
[0798] 패스턴(fasten)들의 형태를 취하고 프런트 밴드(11004)에 열 파이프(11154)를 고정시킬 수 있는 앵커 포인트들(11166)은 열 파이프(11154)의 플렉싱(flexing)을 수용하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 열 파이프(11154)를 과하게 제한하는 것을 회피하기 위해 앵커 포인트들(11166)의 수를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 열 파이프(11154)가 스트레인에 대한 응답으로 플렉싱할 수 있게 하는 것은 전기 컴포넌트들로 전달되는 로드들을 감소시킬 수 있다. 앵커 포인트들의 수 이외에도, 앵커 포인트들의 위치들이 고려될 수 있다. 예컨대, 예측된 프레임 로딩 조건들에 대한 응답으로 최소 플렉서가 발생할 가능성이 있는 위치에 열 파이프(11154)를 따라 앵커 포인트를 배치하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 프레임이 탑재된 민감한 컴포넌트들에 대한 모멘트 로딩을 추가로 감소시키기 위해 프레임의 가장 단단한 부분들을 따라 열 파이프(11154)를 라우팅하는 것이 유리할 수 있다. 추가로, 열 파이프(11154)에서 U-형상 굽힘부의 형태를 취하는 서비스 루프들(11167)은 프런트 밴드(11004)에 대해 구부러지거나 플렉싱하는 헤드셋 아암으로부터 기인하는 응력의 임의의 전달들을 최소화하도록 배열될 수 있다. 둘 모두의 헤드셋 아암들(11102)에 열을 분배하는 듀얼 팬 실시예가 묘사되지만, 일부 실시예들에서, 열 파이프(11156)가 단지 헤드셋 아암들(11102) 중 하나로만 연장될 수 있다는 것이 인지되어야 함을 주목해야 한다.
[0799] 도 111g는 열 분배 시스템(11150)의 측면도를 도시하고, 특히, 열 파이프(11152)가 열적 인터페이스(11170) 및 열 확산기(11152)를 통해 열 생성 컴포넌트(11168) 및 PCB(11014)와 열적으로 접촉하는 방법을 도시한다. 이런 식으로, 열 파이프(11154)는 열 생성 컴포넌트(들)(11168)로부터 열을 효율적으로 오프로딩(offload)할 수 있어, 웨어러블 디바이스(11160)의 보다 높은 성능을 허용한다.
[0800] 도 112a는 PCB(11014)로부터 전도 층(11108)을 통해 열 확산기(11006)로 열을 전달하는 것을 묘사하는 단면도를 도시한다. 전도 층(11108)은 PET(polyethylene terephthalate) 파우치 내에 배치되는 세미 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 세미 밀봉 재료는 복잡한 지오메트리들을 수용하도록 변형될 수 있는 매우 낮은 접촉 열 저항을 갖는 열가소성 수지이다. 전도 층(11108)은 열 확산기(11006)와 PCB(11014) 사이의 임의의 갭들을 충전하는데, 충전하지 않을 경우에는 PCB(11014)에 장착된 상이한 전기 컴포넌트들의 변하는 높이로 인해서 그 갭들이 발생할 것이다. 이런 식으로, 열 전도 층(11108)은 PCB(11014)에 장착된 칩들 각각 및 PCB(11014) 자체로부터의 열을 효율적으로 제거하기 위한 강건한 열 전달 경로를 생성한다. 도 112a는 또한 전도 층(11108)의 표면이 PCB(11014)를 따라 배열된 전자 컴포넌트들의 다양한 형상들을 수용하기 위한 구역들을 어떻게 정의하는지를 도시한다. 도 112b는 하나의 특정 타입의 전도 층(11108)의 다양한 두께의 재료 특성들을 도시한다.
[0801] 도 113a-113d는 광학 디바이스(11000)의 부분들 상에 오버레이되는 다양한 히트 맵들을 도시한다. 히트 맵들은 광학 디바이스(11000)의 동작 동안 더 높은 열 로딩의 구역들을 식별한다. 히트 맵들은 더 밝은 컬러들이 더 높은 온도들에 대응하도록 코딩된다. 각각의 표시된 구역에 대한 섭씨 온도의 범위들을 식별하는 각각의 히트 맵의 측 상에 레전드가 도시된다. 열 로딩은 30 ℃의 주변 온도를 갖는 룸 내에서 분석되었다. 도 113a-113b는 광학기 프레임(11008)의 히트 맵들을 도시한다. 도 113a는 광학기 프레임(11008)을 묘사하고, 열 로딩이 광학기 프레임(11008)의 중심에서 아주 강하다는 것을 도시한다. 이것은 PCB(11014)에 의해서 생성된 열에 의해 주로 유발될 수 있다. 도 113b에서, 광학기 프레임(11008) 및 PCB(11014)는 광학기 프레임(11008) 및 PCB(11014) 내에서의 열 분배를 식별하기 위해서 히트 맵을 사용하는 것을 특징으로 한다. PCB(11014)의 가장 뜨거운 부분은 일반적으로 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있는 C-형상 구역(11301)에 대응한다. 특정한 열의 분포가 본원에서 묘사되지만, 광학 디바이스(11000)에 걸친 열의 분포는 상이한 타입들의 사용, 사용 지속기간들 및 다른 환경 팩터들에 따라 변할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0802] 도 113a-113b에 묘사된 바와 같은 광학기 프레임(11008) 내의 열의 분포는 많은 방식들로 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학기 프레임(11008)의 두께는 변할 수 있다. 예컨대, 평균 양들을 초과하는 열 로딩이 공통적으로 발생하는 광학기 프레임(11008)의 부분들은 열을 흡수하고 방산시키기 위한 광학기 프레임(11008)의 그 부분의 능력을 증가시키기 위해 두꺼워 질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학기 프레임(11008)의 부분들을 두껍게 하는 것은 또한, 그것이 광학기 프레임(11008)과 프런트 밴드(11004) 사이의 임의의 에어 갭들의 사이즈를 감소시킬 수 있기 때문에, 유리할 수 있다. 이런 타입들의 조정들은 또한, 열 민감 컴포넌트들이 감소된-기능성 과열 보호 모드로 들어갈 필요없이 더 긴 시간 기간들 동안에 동작할 수 있도록, 열 민감 컴포넌트들을 둘러싸는 광학기 프레임(11008)의 영역들 상에서 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학기 프레임(11008)은 프레임에 걸쳐 열을 확산시키는 것을 돕기 위해서 상이한 재료들을 통합하는 열 분배 시스템의 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 구리 합금 또는 다른 매우 열적으로 전도성인 재료로 광학기 프레임(11008)의 외부 표면을 도금하는 것도 또한 대부분의 마그네슘 또는 티타늄 합금들보다 실질적으로 더 큰 열 전도도를 갖는 구리 합금들로 인해 더욱 균일하게 열을 분배하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 열분해 그래파이트 시트들은 광학기 프레임(11008)에 걸쳐 열을 더욱 균일하게 분배하기 위해서 광학기 프레임(11008)의 양 측들에 부착될 수 있다. 다른 솔루션들은 열 전도성 복합물들, 이를테면 AlSiC를 광학기 프레임(11008)에 통합하는 것을 수반할 수 있다. AlSiC의 하나의 이점은, 그것 합금들이 그것의 열 확장 특성들이 다른 재료들의 열에 매칭할 수 있도록, 조정될 수 있다는 점이다.
[0803] 도 113c-113d는 프런트 밴드(11004)의 전면 및 후면 표면들에 걸쳐 열의 분포를 특징으로 하는 히트 맵들을 도시한다. 도 113c는 프런트 밴드(11004)의 브릿지 구역(11302)만이 약 65 ℃의 온도에 어떻게 도달하는지를 도시하는데, 그 온도는 광학기 프레임(11004)의 부분들과 연관된 90+도 온도들보다 실질적으로 낮다. 도 113d는 프런트 밴드(11004)가 광학기 프레임(11008)보다 얼마나 많이 차갑게 유지할 수 있는지를 예시한다. 이런 큰 온도 감소는 사용자가 광학 디바이스(11000)를 편안하게 오랜 지속기간 사용하게 하는데 중요할 수 있는데, 그 이유는 광학 디바이스(11000)의 사용자가 프런트 밴드(11004)의 부분들 및 아암들(11002)과 직접 접촉될 가능성이 가장 높기 때문이다. 이런 특정 예시는 또한, 원통형 돌출부들로서 묘사된 구조 멤버들(11304)에 의해 광학기 프레임(11008)에 프런트 밴드(11004)가 어떻게 커플링될 수 있는지를 도시한다. 구조 멤버들(11304)은 임의의 적절한 기계 연결기의 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 돌출부들은 나사들을 수용하기 위한 보스 구조들의 형태를 취할 수 있다. 구조 멤버들(11304)의 중앙 위치가 임의의 실질적인 벤딩 순간들이 광학기 프레임(11008)에 전달되는 것을 막음으로써, 프런트 밴드(11004)가 광학기 프레임(11008)에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 아암들(11002)과의 상호연결 인근에서 벤딩하고 플렉싱할 수 있게 한다.
[0804] 도 114a는 광학 디바이스(14000)의 사시도를 도시한다. 광학 디바이스(14000)는 더 큰 머리를 갖는 사용자를 수용하기 위해 화살표(14003)의 방향으로 회전하도록 구성되는 아암(14002)을 갖는 반면, 아암(14004)은 프런트 밴드(14006)에 고정적으로 커플링될 수 있다. 도 140b-140c는 광학 디바이스(14000)의 상면 사시도 및 평면도를 도시한다. 도 140b는 광학 디바이스(14000)의 어떤 부분들이 최고로 변형되는지를 예시하는 오버레이를 도시한다. 변형을 아암(14002)으로 제한함으로써, 프런트 밴드(14006)에 대해 아암(14004)의 포지션은 광학 디바이스(14000)가 사용 중일 때 실질적으로 변하지 않고 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이런 타입의 구성은 아암 플렉스로 인한 광학 센서의 배향의 실질적인 시프트들을 걱정할 필요없이 아암(14004)에 다양한 광학 센서들의 통합을 허용할 수 있다. 도 140c는 광학 디바이스(14000)의 평면도 및 아암(14002)의 모션의 범위를 도시한다. 도 140d는 도 140b와 비교하여 제공되고, 아암들(14002 및 14004) 둘 모두가 벤딩 및/또는 플렉싱하도록 허용될 때 얼마나 더 많은 상대적인 움직임이 생성되는지를 예시한다.
격자 구조들
[0805] 일부 실시예들은 뷰어의 눈에 이미지들을 전달하기 위해서 나노격자 접안렌즈 층들(예컨대, ICG, OPE, 및/또는 EPE)을 사용할 수 있다. 도 115는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 뷰잉 광학 어셈블리의 접안렌즈에 대한 최적화들을 설명하는 단순화된 다이어그램이다. 예시는 바이너리, "최상부 모자" 구조와 비교할 때 회절 효율성을 증가시키는 멀티-레벨, 단차형 EPE(11500)를 도시한다. 일부 실시예들에서, 단차형 구조는 톱니 구조를 닮은 블레이즈드 격자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 구조는 바이너리 격자들 및 블레이즈드 격자들 둘 모두와 연관된 피처들을 통합한다. 바이너리 격자는 광을 두 방향들로 동일하게 회절시킨다. 블레이즈드 격자가 접안렌즈의 대칭성을 깰 수 있어서, 광이 원하는 방향으로 이동하여 효율성 및 전체 밝기를 증가시킨다. 도 115에 예시된 멀티-레벨, 단차형 구조는 뷰어의 눈과 대조적으로 세계를 향해 밖으로 이동하는 광을 감소시키고, 그것의 선택도로 인해 실세계로부터 접안렌즈로의 광 커플링을 억제시킨다.
[0806] EPE 격자 구조의 회절 효율성, 휘도 및 균일성이 또한 공간에 걸친 에칭 깊이를 조정함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 이미지에 걸친 양호한 균일성이 달성될 수 있다. 게다가, 접안렌즈의 증가된 효율성은 동공에 실제로 도달할 광을 우선순위화함으로써 달성될 수 있다. 증가된 효율성은 접안레즈 구조의 글래스 기판의 최상부에 배치되는 포토레지스트에 더 잘 매칭시킴으로써 또한 달성될 수 있다. 일반적으로, 레지스트의 굴절률이 기판의 높이(n)에 매칭하도록 증가될 수 있어서, 레지스트의 인터페이스로부터의 반사들의 결핍으로 인해서 더 양호한 효율성이 산출된다.
[0807] 비록 EPE에 대하여 설명되었지만, 본원에서 설명된 최적화된 격자 구조들이 유사하게 OPE 및/또는 ICG 상에 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 예컨대, 광이 바운스백해야 하는 기회를 최소화하여 ICG에서 리바운스 디커플링을 감소시킴으로써 증가된 효율성이 또한 달성될 수 있다.
접안렌즈 층들의 특성들
[0808] 뷰잉 광학 어셈블리의 접안렌즈의 기판 특성들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 매우 낮은 조도 및 낮은 TTV(total thickness variation)를 갖는 매우 편평한 글래스 기판이 활용될 수 있다. 낮은 조도는 스캐터를 최소화하고 따라서 이미지 콘트라스트를 유지할 수 있다. 낮은 TTV는 OPE 디더링을 이용해 예측 성능을 허용할 수 있다(본원에서 추가로 설명됨). 낮은 TTV는 또한 가상 이미지 왜곡을 감소시킬 수 있는데, 그렇지 않을 경우 그 가상 이미지 왜곡은 컴퓨테이션 및 해상도 손실의 댓가로 소프트웨어로 보정될 필요가 있을 것이다.
[0809] 일부 실시예들에서, 접안렌즈 층들(기판을 포함함)의 두께가 또한 최적화될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 각각의 접안렌즈 층은 300 내지 340 um의 두께일 수 있다. 적절한 아웃-커플링된 광선 샘플들은 인간의 눈에 원하는 밀도를 제공할 수 있다. 게다가, 접안렌즈 층들의 두께는 접안렌즈에 대한 바운스들의 전체 수를 감소시킬 수 있다. 적절한 TIR(total internal reflection) 바운스 간격(그리고 적절한 아웃-커플링된 광선 간격)은 뷰어의 동공 내에서 균일한 광 분포를 생성할 수 있다. 게다가, 접안렌즈 층들의 두께는 접안렌즈의 강성에 영향을 줄 수 있다.
[0810] 도 116a는 일부 실시예들에 따라 EPE에서 돔 정점에 대한 필드 왜곡에 대해 TTV(total thickness variation) 효과를 예시하는 그래프이다. 도 116b는 일부 실시예들에 따라 편평한 기판에 대한 필드 왜곡에 대해 TTV 효과를 예시하는 그래프이다. 도 116c는 일부 실시예들에 따라 측정된 TTV를 예시하는 그래프들이다.
블레이즈드 격자에 대한 제조 프로세스
[0811] 일부 실시예들에서, 제조 프로세스는 ICG(input coupling grating) 상에 격자들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 비록 ICG에 대하여 설명되었지만, 유사한 방법들이 OPE 및/또는 EPE 상에 유사한 격자들을 구현하기 위해 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시예들에서, 조합된 블레이즈드 및 바이너리 격자가 ICG를 위해 사용된다. 예컨대, 3-1-1 컷팅 실리콘 웨이퍼들은 블레이즈를 생성하기 위해 습식 에칭 프로세스가 사용될 수 있다. 다른 예들에서, 이온 빔 밀링, 및/또는 바이너리 스테어-스텝핑 프로파일들과 함께 피스형 블레이즈드 프로파일들이 사용될 수 있다.
[0812] 도 117a는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 블레이즈드 격자 구조를 위한 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 본원에서 설명된 블레이즈드 격자 구조가 예컨대 ICG, OPE, 및/또는 EPE 상에서 사용될 수 있다. 도 117a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 또는 다른 적절한 재료가 임의의 각도로 슬라이싱될 수 있고, 그런 다음 에칭 마스크(예컨대, SiO2)로 증착될 수 있다. 그런다음, 웨이퍼는 예컨대 KOH로 에칭될 수 있다. 웨이퍼가 임의의 각도로 슬라이싱되기 때문에, 발생하는 이방성 에칭은 실리콘 웨이퍼에서 블레이즈드 격자를 산출한다(예컨대, 실리콘 웨이퍼 내의 삼각형 개구는 일 예에서 70.5도의 개구를 가짐). 도 117b는 이를테면 도 117a의 프로세스에 의해서 생성되는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예컨대 ICG에 대한 블레이즈드 격자를 예시하는 사진들을 도시한다. 도 117b에 예시된 바와 같이, 격자들과 연관된 각도들은 에칭되는 기판의 결정학, 예컨대, 기판 표면에 대하여 30도로 틸팅된 하나의 표면과 70.5도의 각도를 갖는 블레이즈드 격자에 의해서 부분적으로 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, <211> 및/또는 <311> 크리스탈 평면들이 예컨대 실리콘 기판들에서 활용되어, 이용가능한 기판들의 수의 증가가 가능할 수 있다.
[0813] 도 117c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 삼각형 격자 구조의 제조 프로세스를 블레이즈드 격자 구조에 비교하는 단순화된 다이어그램이다. 둘 모두의 프로세스들에서, 기판 및 에칭 마스크는 11701C에 예시된 바와 같이 시작한다. 만약 웨이퍼가 에칭 이전에 슬라이싱되지 않는다면, 웨이퍼는 11702C에 예시된 바와 같이 삼각형 방식으로 에칭될 것이다. 만약 웨이퍼가 에칭 이전에 슬라이싱된다면, 웨이퍼는 11703C에 예시된 바와 같이 블레이즈드 격자로 에칭될 것이다. 그에 따라서, 미리 결정된 각도로 기판의 슬라이싱은 기판 표면에 대하여 45도 이외의 각도들로 각을 이루는 실리콘 기판의 <111> 평면들을 산출하여, 블레이즈드 격자 구조가 산출된다.
[0814] 도 117d는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 포인트-톱 ICG 구조(11720D)와 비교할 때 플랫-톱 ICG 구조(11710D)를 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 블레이즈드 ICG는, 일반적으로, 약 50%의 제1 차수로 입력 커플링 효율성을 제공하고, 반면에 바이너리 ICG는 약 20%를 제공한다. 게다가, 플랫-톱 ICG 구조(4410)는 포인트-톱 ICG 구조(11720D)에 의해 예시된 바와 같이 날카로운 최상부를 갖는 트루(true) 블레이즈에 비해 더 높은 제1 차수 회절 효율성을 제공한다. 비록 블레이즈드 격자들이 일부 실시예들에서 ICG와 관련하여 논의되지만, 본 발명의 실시예들은 EPE 및 OPE를 포함한 다른 회절 구조들에도 또한 적용가능하다. 당업자는 많은 변동들, 수정들, 및 대안들을 인지할 것이다.
[0815] 도 118은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 블레이즈드 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다. 도 118은 실리콘 기판에서 고효율성 도파관 디바이스 템플릿을 달성하기 위한 제어되는 최적의 지오메트리를 제조하는 데 수반되는 단계들을 도시한다. 일 실시예에서, 실리콘 기판은 오프-축 컷팅된 실리콘일 수 있다. 이러한 템플릿은 예컨대, ICG, OPE, 및/또는 EPE를 제조하는 데 사용될 수 있다.
[0816] 도 118의 제조 방법은, 도파관 디바이스의 상이한 컴포넌트들(즉, 필드들)(각각의 개별 필드에 대해 미리 결정된(예컨대, 가장 최적의) 나노- 또는 마이크로-구조를 가짐)의 패터닝을 가능하게 하여, 임의의 크거나 작은 웨이퍼 스케일 포맷에 대한 디바이스의 높은 효율성을 가능하게 한다. 제조 방법은 습식 및 건식 플라즈마 에칭 단계들을 조합하여 사용하여, 이를테면 정사각형, 직사각형 또는 블레이즈드 격자들과 같은 다양한 나노- 및 마이크로-패턴들을 원하는 기판 또는 재료 층들 내로 패턴 전사한다. (동일한 임계 디멘션 및 더 큰 피치, 또는 동일한 피치 및 더 작은 임계 디멘션을 갖는) 희생 더미 필드들의 포함 및 사용은 습식 및 건식 프로세스들에서 임계 에칭 타이밍의 정확도를 개선한다. 톱 플랫 임계 디멘션을 제어하는 이러한 양상은 광 트랩핑을 회피하기 위해 블레이즈드 격자 깊이를 제어하기 위한 방법이며, 그리고 도파관 패턴에 대해 미리 결정된(예컨대, 최대) 양의 효율성을 달성하도록 수행된다. 그런다음, 에칭된 기판은 디바이스 생산 프로세스에서 임프린트 리소그래피를 사용한 패턴 전사용 템플릿으로서 사용될 수 있다.
[0817] 광 도파관 디바이스들은 다양한 기능들을 위해 상이한 나노- 및 마이크로-패턴들을 활용할 수 있다. 다양한 필드들 내에서 그리고 이들 사이에서 패턴을 변화시키는 능력은 본 발명의 일부 실시예들에 의해 디바이스 제조 프로세스의 특징으로서 제공된다. 제조 단계는 또한, 생산을 위해 충분한 양들(quantities)로 대규모 웨이퍼 스케일로 이를 달성하기 위해 종래의 프로세스 장비를 활용한다. 표준 재료들, 패터닝, 프로세스 툴들 및 장비는 전형적으로 이러한 디바이스들의 제조를 독자적으로 가능하게 하지 않는다. 그러나, 제조는, 특정 프로세스들, 희생 패턴들 및 프로세싱 시퀀스들과 함께 특정 재료들을 사용하여 달성될 수 있다.
[0818] 본원에서 설명된 제조 방법들에 따라, 단계(11801)에서, 리소그래피 프로세스들(예컨대, 포토리소그래피, 임프린트 리소그래피 등)을 사용하여, 원하는 실리콘 결정 래티스 축에 대한 1도 미만의 패턴 정렬 및 접착 층이 있거나 없이 실리콘 상의 실리콘 디옥사이드 위에 1차 패턴이 제조된다. 단계(11802)에서, (임프린트 리소그래피가 초기에 사용되는 경우), 임프린트의 RLT(residual layer thickness)를 제거하기 위해 플라즈마 프로세스가 사용되며 그리고/또는 후속적으로, 실리콘 디옥사이드 층 내로 패턴 전사를 하기 위해 건식 에칭이 사용된다. 단계(11803)에서, (두꺼운) 폴리머 층이 IC(input coupler) 필드 위에 코팅되며, 그리고 11804에서, 다른 필드들을 통해 실리콘 내로 패턴 전사하기 위해 기판이 건식 에칭된다. 폴리머들, 이를테면 폴리(비닐 알코올), PMMA, PAAc 등이 사용될 수 있다. 이러한 폴리머 층은 IC 필드를 통한 에칭 전사를 막는다.
[0819] 단계(11805)에서, 에칭 패턴이 스트립핑되고 세정되며, 그리고 단계들(11806a 및 11806b)에서 마스크를 사용하여 다른 필드들(비-IC)이 티타늄 금속 및 제2 폴리머 층으로 덮인다. 티타늄 층은, 다른 필드들을 쉐도우 마스킹하면서, PVD-타입 프로세스들을 사용하여 증착된다. 필드 사이즈 및 다른 패터닝된 필드들에 대한 IC 근접도에 기반하여, 티타늄 금속 층 증착이 회피될 수 있다. 제2 폴리머 층은 PVA, PMMA, PAAc 등일 수 있다.
[0820] 단계(11807)에서, IC 필드 실리콘이 노출된 상태에서, 습식 에칭 단계(예컨대, KOH)가 {111} 실리콘 결정 래티스 평면을 따라 원하는 블레이즈드 지오메트리를 생성한다. 습식 에칭률들은 (피치 변동과 같은) 다양한 패턴 밀도, 실리콘 도핑 등에 따라 변할 수 있다. 에칭률들은, 예컨대, 상이한 농도들의 KOH를 사용함으로써 제어될 수 있다.
[0821] 여섯째, 원하는(예컨대, 최적의) IC 효율성을 얻기 위해, 단계(11808)에서, 실리콘 디옥사이드 내로 에칭된 IC 격자가 CD(critical dimension) 폭으로 트리밍될 수 있어서, 더 넓고 더 깊은 블레이즈드 패턴을 가능하게 한다. 도 119a는 일단 습식 에칭된 이러한 블레이즈 지오메트리의 특징들을 예시한다. 도 119c는 고효율성 IC의 생성시 실리콘 디옥사이드에서의 IC의 CD 제어를 도시한다. 도 119b는 4개의 상이한 CD들의 예시적인 SEM들을 예시한다. 광 트랩핑을 회피하기 위해 블레이즈드 깊이를 제어하기 위한 방법으로서 톱 플랫 CD를 제어하는 이러한 양상은, 도파관 패턴에 대해 미리 결정된(예컨대, 최대) 양의 효율성을 달성하기 위해 수행된다. IC 필드에서 원하는 CD를 생성하기 위한 습식 에칭은 적절하게 희석된 BOE 용액을 사용하여 수행될 수 있다. 희석 비(dilution ratio)들은 실리콘 디옥사이드의 에칭을 제어하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 6:1에서 20:1 BOE 용액으로 스위칭함으로써, 35초의 습식 에칭 프로세스 윈도우는 2분으로 증가될 수 있다. IC 필드에서 원하는 CD가 달성되면, 위에서 설명된 제5 단계는 도파관 디바이스에 대한 적합한 고 효율성 블레이즈 프로파일을 생성한다. 웨이퍼 습식 에칭 프로세스 제어를 위해, 더 작은 CD, 동일한 IC 피치 또는 동일한 CD, 더 큰 IC 피치를 갖는 더미 필드들이 습식 에칭 타이밍 목적들로 디바이스 패턴 영역 외부에 존재할 수 있다. 예컨대, 만약 습식 에칭 동안 더미 필드로부터 회절 패턴 가시성이 사라진다면, 이는 후속적 실리콘 습식 에칭을 위해 실리콘 디옥사이드에서 적합한 CD를 개방(open)하도록 습식 에칭 완료를 신호할 수 있다.
[0822] 마스킹 및 패터닝 단계들은, 임의의 웨이퍼 포맷에 대해 필드 간의 패턴 전사 프로파일의 변동을 달성하기 위해 번갈아 일어나고 반복될 수 있다. 여덟 번째, 남아있는 폴리머 및/또는 금속 층이 스트립핑되며, 그리고 기판은 세정되고 템플릿으로서 사용할 준비가 되는바, 여기서, 이 패턴이 큰 영역들(11808)에 걸쳐 높은 쓰루풋으로 복제된다.
임프린트-기반 제조 및 리프트 오프
[0823] 일부 실시예들에 따르면, 임프린트-기반 제조가 구현될 수 있다. 이러한 타입의 제조는 낮은 잔류 층 두께 및 더 높은 접안렌즈 효율성을 초래할 수 있다. 제트 및 플래시 임프린팅이 사용될 수 있고, 신속하게 복제될 수 있다. 높은 균일성으로 분사(jetting)하는 것을 가능하게 하는 레지스트 포뮬라(resist formula)들이 구현될 수 있다. 임프린트-기반 제조는 폴리머 및 글래스 기판들을 포함하는 다양한 기판들 상에서 구현될 수 있다.
[0824] 도 120은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 임프린트-기반 제조를 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 단계(12005)에서, 정확한 유체 레지스트 드롭들이 기판 상에 배치된다. 단계(12010)에서, 마스크가 유체 레지스트 드롭들과 접촉하면서 기판 상에 배치된다. 단계(12015)에서, 유체 레지스트는 자외선 광원을 사용하여 중합화된다. 단계(12020)에서, 마스크가 기판으로부터 분리되며, 결과적으로, 중합화된 레지스트는 강한 기판 접착으로 인해 기판 상에 남겨진다. 결과적인 표면은, 50 nm 라인들 및 라인들 간의 50 nm 공간들을 갖는 표면(12025)으로서 예시된다.
[0825] 도 121a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도파관에 대한 패터닝된 격자 구조의 제조 프로세스를 예시하는 단순화된 프로세스 흐름도이다. 본원에서 설명된 패터닝된 격자 구조는, 예컨대, OPE 및/또는 EPE에 대해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 패터닝된 격자 구조는 임프린팅 및 리프트-오프를 사용하여 높은 인덱스 무기 재료로 구성된다. 높은 인덱스 무기 재료들은 업계에서 현재 사용되는 플라즈마 에칭 프로세스들을 통해 에칭하기가 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예들은, 이를테면 Cu 및 Ag와 같은 재료들을 에칭하기가 어려운 에칭을 회피하기 위한 프로세스를 구현한다. 리프트-오프 프로세스가 사용되며, 여기서, 높은 인덱스 무기 재료는 단지, 이를테면 높은 인덱스 글래스 또는 플라스틱과 같은 원하는 기판 위의 사전-패터닝된 리프트-오프 (용제-용해성) 층을 사용하여 증착(PVD)되고 패터닝된다.
[0826] 도 121a는, 무기의 높은 인덱스 재료들, 이를테면 TiO2, ZnO, HfO2, ZrO2, 등(즉, n > 1.6인 무기 재료들 또는 금속 옥사이드들)의 패터닝을 가능하게 하는 리프트-오프 프로세스를 예시한다. 이러한 재료들은 종래의 이온 플라즈마 에칭 툴들을 사용하여 에칭하기가 매우 어려울 수 있다. 단계(12101a)에서, 가용성 층이 기판 상에 코팅된다. 일 실시예에서, 가용성 층은 수용성 폴리머 층일 수 있다. 수용성 층은, 물 이외의 용제들이 폴리머 기판과 반응할 수 있는 폴리머 기판들의 사용에 대해 그리고 대규모 제조를 위한 생산 라인에 보다 순응할 수 있다.
[0827] 단계(12102a)에서, 가용성 층에 패턴이 임프린팅된다. 일 실시예에서, J-FIL을 사용하여, 증착된 폴리머 층 상에서 원샷의 대면적 패터닝(one shot, large area patterning)이 사용될 수 있다. 이는 접착 층의 사용을 회피하며, 그리고 더 작은 영역들에 대한 광학 리소그래피의 한계들 및 광학 리소그래피 레지스트들을 현상하기 위해 반응성 용제들을 사용해야 하는 필요성을 극복한다.
[0828] 단계(12103a)에서, 가용성 층을 통한 그리고 가용성 층 내로의 에칭이 완료된다. 바닥부 희생 폴리머 층 상의 임프린팅된 경화된 폴리머는 단일 에칭 케미스트리(etch chemistry)로 상이한 레이트로 에칭한다. 이는 리프트-오프 프로세스에 필요한 언더컷을 생성한다. 이는 또한, 에칭 프로파일을 생성하기 위해 제2 하드마스크를 사용하는 것을 회피한다.
[0829] 단계(12104a)에서, 높은 인덱스 재료가 가용성 층 및 기판 상에 증착된다. 높은 인덱스 재료는, 분리(disconnect)들이 존재할 수 있게 하여, 불연속적인 높은 인덱스 층을 형성하는 기상 증착 기법(예컨대, PVD)을 사용하여 증착될 수 있다. 에칭 프로파일과 함께 증착 파라미터들은, 도 121c에 예시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 사다리꼴 또는 삼각형 프로파일을 얻도록 제어될 수 있다. 도 121c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 증착 파라미터들 및 에칭 프로파일에 기반하여 증착되는 재료의 가변 프로파일들을 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 삼각형 프로파일은, 예컨대, 패턴 및 기판을 통해 투과되는 광의 헤이즈(haze)를 감소시킬 수 있다.
[0830] 도 121a를 다시 참조하면, 단계(12105a)에서, 가용성 층 및 가용성 층 상의 높은 인덱스 재료가 리프트 오프되어, 기판 상에 패터닝된 높은 인덱스 재료를 남긴다. 이러한 프로세스는, 높은 인덱스 금속 옥사이드들, 무기물들, 금속 옥사이드-폴리머 하이브리드들, 금속들 등과 같이 쉽게 패터닝될 수 없는 재료들이, 예컨대, 글래스 또는 폴리머 기판들 상에 높은 정확도로 100nm 스케일로 패터닝될 수 있게 한다. 도 121d는 > 50 mm × 50 mm 패턴 영역에 걸쳐 폴리카보네이트 필름 상에 패터닝된 100 nm 내지 200 nm Ag 라인들을 예시한다.
[0831] 다른 말로, 패터닝은, 가용성 희생 층을 에칭하고, 그런다음 증착 기법들을 사용하여 높은 인덱스 재료들을 증착함으로써, 가능해진다. 도 121a의 사진들(12106a, 12110a, 12115a)은, 위에서 설명된 프로세스에 의해 형성된 패터닝된 190 nm 폭 및 280 nm 높이 Ag 라인들을 도시하는 SEM 이미지들이다. 도 121b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, PVD 타입 프로세스를 사용하여 증착되는 ZrOx 필름의 굴절률을 예시하는 그래프이다. 최종의 패터닝된 높은 인덱스 재료는, 기판 상에 통합될 때 기능성 도파관의 엘리먼트로서 사용될 수 있다.
멀티-레벨 격자들
[0832] 일부 실시예들에 따르면, 멀티-레벨 바이너리 격자가 도파관에 대한 격자 구조 상에서 사용될 수 있다. 본원에서 설명된 멀티-레벨 바이너리 격자 구조는, 예컨대, ICG, OPE, 및/또는 EPE 상에서 사용될 수 있다. 멀티-레벨(즉, 3-D) 마이크로- 또는 나노-구조들의 제조는 몇몇 리소그래피 단계들을 사용할 수 있으며, 그리고 100 nm 미만의 패턴들 및 매우 높은 오버레이 정확도에 의존할 수 있기 때문에 난제시될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들은, 도 122에 도시된 것들과 같은 다수의 바이너리 스텝들을 갖는 회절 격자들 및 고해상도 멀티-레벨 마이크로- 또는 나노-구조들을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 실시예들은 멀티-레벨 구조들의 전체 제조 프로세스를 단순화하며, 그리고 직접적으로 광학 컴포넌트들을 제조하거나 나노-임프린트 몰드들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
[0833] 광학 디바이스들에 대해, 삼각형 격자들이 요구될 수 있는데, 이는 광을 조작할 수 있는 이러한 삼각형 격자들의 능력으로 인한 것이다. 나노-레벨에서, 삼각형 패턴은 달성하기가 어려우며; 이에 따라, 일련의 단차형 격자들을 생성하여 삼각형 패턴을 모방할 수 있다. 각각의 스텝의 높이 및 스텝들의 수는 현재의 제조 기법들에 기반하여 고정될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 스텝들의 수가 증가될 수 있고, 높이는 원하는 삼각형 패턴들에 보다 근접하게 유사하고 이들을 모방하는 원하는 격자 패턴들을 생성하도록 스텝들 사이에서 변할 수 있다.
[0834] 멀티-레벨 바이너리 격자들의 제조는 전형적으로, 높은 정렬 정확도를 갖는 다수의 리소그래피 단계들에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로, n 개의 리소그래피 단계들로 생성될 수 있는 최대 레벨 수(m)는 m = 2n 으로 주어진다. 프로세스는 에칭 프로세스 및 리소그래피 툴의 정렬 정밀도에 의해 제한된다. 둘 모두는 피처들의 디멘션이 100nm 미만일 때 난제시되며, 일반적으로 광학 애플리케이션들에 대한 멀티-레벨 바이너리 격자들의 낮은 품질로 이어진다.
[0835] 본 발명의 일부 실시예들은 측벽 및 에칭 깊이 둘 모두의 면에서 고품질을 갖는 멀티-레벨 격자들을 제조하는 프로세스를 제공한다. 일부 실시예들에 따르면, 멀티-레벨 격자들을 생성하기 위해 "정지 층들"의 스택이 사용된다. 일부 실시예들에서, 제1 정지 층은 선택적이다. 다른 2개의 정지 층들은 격자들의 각각의 스텝의 깊이의 정확한 정의, 코너의 품질을 증가시키는 것, 및 에칭 프로세스를 한 단계로 단순화시키는 것 그리고 높은 수직 프로파일을 허용하는 것을 허용한다. 다른 말로, 일부 실시예들은 각각의 서브-격자의 프로파일 및 깊이에 대한 정확한 제어를 허용하고 단지 하나의 에칭 프로세스만을 활용한다.
[0836] 도 123은, 각각의 사이클에서 기판 및 마스크의 층이 순차적으로 증착되는 반복 프로세스를 예시한다. 각각의 모든 사이클은 레벨을 생성한다. 도 123에서, 2개의 사이클 프로세스들이 도시된다(사이클 1: 단계들 12303, 12304, 12305; 사이클 2: 단계들 12306, 12307, 12308). 일부 실시예들에서, 최종 에칭 정지 층의 증착은 단계(12302)에서 이루어진다. 3D 에칭 마스크의 생성 이후, 단일 에칭 프로세스는 3D 프로세스를 산출할 수 있다(단계(12309)). 일부 실시예들에서, 최종 에칭 정지 층은 선택적으로 에칭 제거될 수 있다(단계 12310). 단계(12301)에 도시된 시작 기판(starting substrate)은, 예컨대 실리콘, 석영 또는 임의의 다른 재료일 수 있다.
[0837] 사이클(예컨대, 사이클들 1 및 2)은 (I) 부가된 기판 층을 증착하는 단계(단계들(12303 및 12306)), (II) 에칭 정지 층을 증착하는 단계(단계들(12304 및 12307)), 및 (III) 리프트-오프를 수행하는 단계(단계들(12305 및 12308))을 포함한다. 단계들(12303 및 12306)에서, 부가된 기판 층이 증착될 수 있다. 이 층은 다양한 방법들(예컨대, 스퍼터링, 증착, ALD 등)에 의해 증착될 수 있고, 정지 층과의 양호한 에칭 선택도를 갖는 재료들의 막들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 실리콘, 실리콘 디옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등이 사용될 수 있다. 전사 층들의 두께는 서브-격자들의 높이에 대응할 수 있다.
[0838] 단계들(12304 및 12307)에서, 리소그래피가 완료될 수 있고 마스크(즉, 에칭 정지 층)가 증착될 수 있다. 리소그래피는 UV, E-빔 리소그래피, NIL 또는 다른 기법들로 수행될 수 있다. 에칭 정지 층은 다양한 방법(예컨대, 스퍼터링, 증발, ALD 등)에 의해 증착될 수 있다. 에칭 정지 층은 금속(들)(예컨대, Au, Al, Ag, Ni, Cr 등) 또는 금속 산화물(들)(예컨대, SiO2, TiO2 등), 또는 다른 재료들(이를테면, 실리콘, 실리콘 나이트라이드 등)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에칭 정지 층의 두께는 2nm 내지 40nm이다.
[0839] 단계들(12305 및 12308)에서, 리프트-오프가 수행된다. 리소그래피 프로세스에 사용되는 레지스트에 의존하여, 특정한 용제가 레지스트를 용해시켜, 에칭 정지 층만을 남길 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 단계는 증착 및 에칭에 의해 대체될 수 있다
[0840] 일부 실시예들에서, 에칭 마스크의 "쉐도우" 증착은 도 124에 예시된 바와 같이 멀티-레벨 격자들을 생성하는 데 사용된다. 이러한 실시예들은 프로세스들이 감소된 수의 리소그래피 단계들을 갖게 할 수 있다. 예컨대, 도 124에서 도시된 바와 같이, 단지 하나의 리소그래피 단계가 3 레벨 구조를 생성하는 데 활용된다. 시작 구조는, 단계(12401)에서, 임의의 알려진 프로세스, 이를테면 리소그래피 및 에칭에 의해 제조될 수 있는 바이너리 격자이다. 금속 또는 유전체 마스크 층은, 단계(12402)에서, 일정 각도로 격자 위에 증착될 수 있고, 금속 막의 격자의 증착 및 쉐도잉(shadowing)의 방향성은 부분적으로 트렌치의 바닥부를 커버할 것이다. 일부 실시예들에서, 스퍼터링, 증발 또는 임의의 다른 방향성 증착 기법이 마스크 층을 증착하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, ALD는 마스크 층을 증착하는 데 사용되지 않는다. 클린 영역(w)은 수학식
Figure pct00054
에 의해 주어지며, 여기서 h는 트렌치의 높이이고 세타(theta)는 증착 각도이다. 동일한 수학식은 임의의 원하는 폭에 대한 증착 각도를 찾아내게 할 수 있다. 트렌치의 높이에 대한 의존성 때문에, 이 접근법의 제어 및 재현성은 종횡비에 따라 감소한다. 그런다음, 마스크 층을 마스크로서 사용하여 구조가 에칭될 수 있고, 단계(12403)에 도시된 멀티-레벨 바이너리 격자 구조를 형성하기 위해 마스크 층이 제거될 수 있다. 프로세스는 다수의 층들을 생성하기 위해 반복될 수 있다.
[0841] 도 125는 상이한 증착 각도들이 제2 스텝의 상이한 폭들을 산출하는 방법을 예시한다. 예컨대, 프로세스 A에서는, 단계(12501A)에서 55도 증착 각도가 사용되어, 단계(12502A)에서 70% 클린 영역이 그리고, 단계(12503A)에서 좁은 제2 스텝이 산출되었다. 프로세스 B에서는, 단계(12501B)에서 65도 증착 각도가 사용되어, 단계(12502B)에서 47% 클린 영역이 그리고, 단계(12503B)에서 중간 폭의 제2 스텝이 산출되었다. 프로세스 C에서는, 단계(12501C)에서, 80도 증착 각도가 사용되어, 단계(12502C)에서 18% 클린 영역이 그리고, 단계(12503C)에서 넓은 제2 스텝이 산출되었다.
등급화된 격자 듀티 사이클
[0842] 일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 격자들은 등급화된 방식으로 광을 반사시키는 등급화된 듀티 사이클을 가질 수 있다. 이는 접안렌즈로부터 출력되는 이미지에 걸쳐 균일한 세기를 산출할 수 있다. 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 접안렌즈는 ICG로부터 입력 광을 수신할 수 있다. 광은 OPE에 커플링되고, 확장되며 그리고 EPE로 전파되어 뷰어의 눈에 반사될 수 있다. 광이 이들 회절 엘리먼트들 중 하나 이상의 회절 엘리먼트의 격자 영역을 통해 전파됨에 따라, 이 광은 전형적으로, 회절의 결과로서 광이 격자들에 의해 아웃커플링됨에 따라 세기가 감소될 것이다. 따라서, 회절 엘리먼트들, 예컨대 EPE에 의해 출력되는 이미지는 포지션의 함수로써 밝기에서의 경사도(gradient)를 특징으로 할 수 있다.
[0843] 일부 실시예들에 따르면, 격자의 듀티 사이클은 포지션의 함수로써 조정될 수 있다. 이는, 접안렌즈 층 내의 광이 보다 큰 세기를 가지는 구역들에서는 감소된 광 회절을 산출하고, 접안렌즈 층 내의 광이 감소된 세기를 가지는 구역들에서는 증가된 광 회절을 산출할 수 있다. 따라서, 등급화된 듀티 사이클 격자 구조들의 사용을 통해 균일한 밝기를 갖는 이미지를 산출할 수 있다.
[0844] 도 126a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 일정한 격자 구조를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 도 126a에 따라, 광(12610)은 세로 방향(즉, z-방향)을 따라 접안렌즈 층(12620)에 입력될 수 있다. 접안렌즈 층(12620)은 예컨대, 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, ICG, OPE 및/또는 EPE일 수 있다. 접안렌즈 층(12620)은 세로 방향을 따라 배열된 복수의 격자들(12630)을 가질 수 있다. 격자들(12630)은, 이들이 세로 방향을 따라 서로에 대해 고르고(solid) 균일하게 이격된다는 의미에서 일정할 수 있다.
[0845] 도 126b는, 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 126a에 예시된 일정한 격자 구조로부터 출력되는 광 세기를 예시하는 그래프이다. 도 126b에 도시된 바와 같이, 일정한 격자들(12630)은, 광이 격자를 통해 전파됨에 따라 접안렌즈 층(12620)의 최상부 표면(12602)과 접안렌즈 층(12620)의 바닥부 표면(12604) 간의 광 세기의 연속적인 감소를 산출할 수 있다. 이는, 보다 큰 세로방향 포지션(longitudinal position)들(즉, 더 큰 z 값들)과 연관된 격자 구조의 부분들로부터 뷰어에게 투사되도록 이용가능한 광이 감소되게 할 수 있다.
[0846] 도 127a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 예시하는 단순화된 평면도 다이어그램이다. 도 127a에 따라, 광(12710)은 접안렌즈 층(12720)에 입력되어 세로 방향(즉, z- 방향)을 따라 전파될 수 있다. 접안렌즈 층(12720)은 예컨대, 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, ICG, OPE 및/또는 EPE일 수 있다. 접안렌즈 층(12720)은 세로 방향을 따라 배열된 복수의 격자들(12730)을 가질 수 있다. 격자들(12730)은, 각각의 격자(12730)의 개별 부분들이 측방향(즉, y-방향)으로 이격될 수 있다는 의미에서 등급화된 듀티 사이클을 가질 수 있다. 듀티 사이클은 낮은 듀티 사이클(즉, 격자 재료 대 격자 부분들 간의 간격의 낮은 비)에서 높은 듀티 사이클(즉, 격자 재료 대 격자 부븐들 간의 간격의 높은 비)까지 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자들(12730)은 접안렌즈 층(12720)에서의 정밀 라이팅(writing)을 허용하는 스캐닝 툴을 사용하여 제조될 수 있다. 도 127b에 예시된 바와 같이, 접안렌즈 층(12720)은 진입 표면(12702) 및 종단 표면(12704)을 특징으로 할 수 있다.
[0847] 도 127c는 접안렌즈 층(12720)의 확대도(zoomed in view)를 예시한다. 도 127a 및 도 127c에 도시된 바와 같이, 각각의 격자(12730)의 부분들(12732) 간의 측방향의 간격(12734)은 세로방향 포지션(예컨대, 접안렌즈 층(12720)의 진입 표면(12702) 및 종단 표면(12704)에 대한 격자들(12730)의 포지션)에 의존할 수 있다. 따라서, 도 126a와 비교할 때, 격자들(12730)은 측방향으로 고르지 않을 수 있고, 개별 부분들(12732) 간에 상이한 간격들(12734)을 가질 수 있다. 도 127a에 도시된 실시예에서, 격자들(12730)은 (즉, 세로방향의) 광(12710) 전파 경로를 따라 증가하는 듀티 사이클을 갖도록 배열될 수 있다. 다른 말로, 격자들(12730)의 부분들(12732)의 측방 사이즈 대 인접한 부분들 간의 간격(12734)의 비는 진입 표면(12702)으로부터 종단 표면(12704)까지의 세로방향 포지션의 함수로써 증가할 수 있다.
[0848] 세로방향 포지션의 함수로써의 듀티 사이클에서의 변동은, 접안렌즈 층(12720)에 의해 방출되는 세기가 접안렌즈 층(12720) 전반에 걸쳐 세로방향 포지션의 함수로써 균일하거나 실질적으로 균일하도록 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 듀티 사이클은 접안렌즈 층(12720)의 진입 표면(12702)에서 종단 표면(12704)까지 0%에서 100%까지 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 듀티 사이클은 접안렌즈 층(12720)의 진입 표면(12702)에서 종단 표면(12704)까지 50%에서 90%까지 변할 수 있다. 접안렌즈 층(12720)이 EPE인 일부 실시예들에서, 진입 표면(12702)은 OPE에 가장 가깝게 포지셔닝된 표면일 수 있는 반면, 종단 표면(12704)은 OPE로부터 가장 멀리 포지셔닝된 표면일 수 있다.
[0849] 이를테면 도 127a에 도시된 일부 실시예들에서, 격자들(12730)은 세로 방향을 따라 서로에 대하여 균일하게 이격될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 격자들(12730)은 세로 방향을 따라 서로에 대해 가변적으로 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 디더링 기법들은, 뷰어에게 출력되는 광 세기의 균일성을 증가시키기 위해, 도 127a에 도시된 등급화된 듀티 사이클과 결합될 수 있다.
[0850] 도 127b는 일부 실시예들에 따라, 도 127a에 예시된 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조로부터 출력되는 광 세기를 예시하는 그래프이다. 도 127b에 도시된 바와 같이, 등급화된 듀티 사이클 격자들(12730)은 접안렌즈 층(12720)의 진입 표면(12702)과 접안렌즈 층(12720)의 종단 표면(12704) 간에 일정한 광 세기 출력을 산출할 수 있다. 이 일정한 세기 출력은 보다 균일한 광 프로파일을 산출할 수 있으며, 이는 이후 광 경로를 따라(further down) 뷰어에게 투사될 수 있게 하는 데 이용가능하다.
[0851] 도 128은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 등급화된 듀티 사이클을 갖는 격자 구조를 갖는 접안렌즈 층에 의해 광을 조작하는 예시적인 방법의 흐름도(12800)이다. 이 방법은 제1 세트의 격자 파라미터들를 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자에서 광원으로부터의 광을 수신하는 단계(12810)를 포함한다.
[0852] 방법은 제2 격자 파라미터 세트를 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자에서 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하는 단계(12820)를 더 포함한다. 방법은 제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자에서 확장 격자로부터의 광을 수신하는 단계(12830)를 더 포함한다. 제1 격자 구조, 제2 격자 구조 및 제3 격자 구조 중 적어도 하나는 등급화된 듀티 사이클을 갖는다. 격자 구조의 듀티 사이클은 광을 수신하는 접안렌즈 층의 표면으로부터 광을 출력하는 접안렌즈 층의 표면까지 증가할 수 있다. 제1 세트의 격자 파라미터들, 제2 세트의 격자 파라미터들 및/또는 제3 세트의 격자 파라미터들은 접안렌즈 층에 걸쳐 듀티 사이클 및 듀티 사이클의 등급을 특정할 수 있다. 접안렌즈 층을 통한 광 세기는 일정할 수 있다. 방법은 뷰어에게 광을 출력하는 단계(12840)를 더 포함한다.
[0853] 또한, 본원에서 설명된 예들 및 실시예들은 단지 예시 목적들을 위한 것이며, 이에 대한 다양한 수정들 또는 변화들이 당업자에게 제안될 수 있으며, 본 출원의 사상 및 범위, 및 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함된다는 것이 또한 이해된다.

Claims (20)

  1. 제1 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제1 격자 구조를 갖는 입력 커플링 격자(input coupling grating) ―상기 입력 커플링 격자는 광원으로부터의 광을 수신하도록 구성됨―;
    적어도 2개의 디멘션(dimension)들에서 변하는 제2 세트의 격자 파라미터를 특징으로 하는 제2 격자 구조를 갖는 확장 격자(expansion grating) ―상기 제2 격자 구조는 상기 입력 커플링 격자로부터의 광을 수신하도록 구성됨―; 및
    제3 세트의 격자 파라미터들을 특징으로 하는 제3 격자 구조를 갖는 출력 커플링 격자(output coupling grating)
    를 포함하며, 상기 출력 커플링 격자는 상기 확장 격자로부터의 광을 수신하고 뷰어(viewer)에게 광을 출력하도록 구성되는, 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 디멘션들은 피치(pitch), 각도, 정점 각도(apex angle), 굴절률, 높이 및 듀티 사이클(duty cycle) 중 적어도 2개를 포함하는, 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 격자 구조는 제1 굴절률을 특징으로 하는 복수의 제1 구역들 및 제2 굴절률을 특징으로 하는 복수의 제2 구역들을 갖는 막을 포함하며, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은, 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 격자 구조는 위상 변동 패턴(phase variation pattern) 또는 위상 디더링된 격자(phase-dithered grating) 중 적어도 하나를 갖는, 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 위상 변동 패턴은, 주기적(periodic) 또는 등급화된 주기적(graded periodic) 패턴, 휴리스틱(heuristic) 패턴, 컴퓨테이셔널 홀로그램(computational hologram) 또는 랜덤한 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 연속적인 위상 변동 패턴을 포함하는, 디바이스.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 격자 구조는 주기적 구조를 갖는, 디바이스.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 격자 구조는, 제2 굴절률을 갖는 층에 의해 커버되는, 제1 굴절률을 갖는 복수의 구역들을 포함하며, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은, 디바이스.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 격자 구조는 제1 회절 부분 및 상기 제1 회절 부분에 인접한 제2 회절 부분을 포함하며, 상기 제1 회절 부분은, 제1 광빔으로 하여금, 제1 회절 차수로, 제1 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되며; 상기 제2 회절 부분은, 제2 광빔으로 하여금, 제2 회절 차수로, 제2 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되며; 상기 제2 회절 차수는 상기 제1 회절 차수와 유사하며, 상기 제2 위상 시프트는 상기 제1 위상 시프트와 상이하며, 상기 제1 위상 시프트와 상기 제2 위상 시프트 간의 차이는 상기 위상 변동 패턴과 연관되는, 디바이스.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 회절 부분은, 상기 제1 회절 차수로, 상기 제1 광빔을 제1 회절된 광빔으로 회절시키도록 구성되며; 상기 제2 회절 부분은, 상기 제2 회절 차수의 네거티브 차수로, 상기 제1 회절된 광빔을 제2 회절된 광빔으로 회절시키도록 구성되며; 그리고 상기 제2 회절된 광빔은 상기 제1 광빔에 비교할 때 위상 변화를 가지며, 상기 위상 변화는 상기 제1 위상 시프트 마이너스(minus) 제2 위상 시프트인, 디바이스.
  10. 제1 디멘션 및 제2 디멘션에 의해 정의된 평면에 적어도 부분적으로 놓여있는 도파관 층; 및
    상기 도파관 층에 커플링되며 상기 평면에서 광을 회절시키도록 동작가능한 회절 엘리먼트
    를 포함하며, 상기 회절 엘리먼트는 적어도 상기 제1 디멘션 및 상기 제2 디멘션에서 변하는 한 세트의 회절 파라미터들을 특징으로 하는, 광학 구조(optical structure).
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 세트의 회절 파라미터들은 적어도 상기 제1 디멘션 및 상기 제2 디멘션에서 연속적으로 변하는, 광학 구조.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 세트의 회절 파라미터들은 피치, 격자 벡터 각도, 듀티 사이클, 높이 변동, 굴절률 변동, 또는 블레이즈(blaze) 또는 정점 각도 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 구조.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 회절 엘리먼트는, 상기 제1 디멘션 및 상기 제2 디멘션에 직교하는 제3 디멘션으로 연장되는 투사들의 간격 및 높이에서의 랜덤한 변동을 특징으로 하는, 광학 구조.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 회절 엘리먼트는 제1 굴절률을 특징으로 하는 복수의 제1 구역들 및 제2 굴절률을 특징으로 하는 복수의 제2 구역들을 갖는 막을 포함하며, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은, 광학 구조.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 회절 엘리먼트는 위상 디더링된 격자 또는 위상 변동 패턴 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 구조.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 위상 변동 패턴의 기간은 100㎛ 내지 5㎝ 범위 내인, 광학 구조.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 위상 변동 패턴은 주기적 또는 등급화된 주기적 패턴, 휴리스틱 패턴, 컴퓨테이셔널 홀로그램 또는 랜덤한 패턴 중 적어도 하나를 포함하는 연속적인 위상 변동 패턴을 포함하는, 광학 구조.
  18. 제10 항에 있어서,
    상기 회절 엘리먼트는, 제2 굴절률을 갖는 층에 의해 커버되는, 제1 굴절률을 갖는 복수의 구역들을 포함하며, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮은, 광학 구조.
  19. 제10 항에 있어서,
    상기 회절 엘리먼트는 제1 회절 부분 및 상기 제1 회절 부분에 인접한 제2 회절 부분을 포함하며; 상기 제1 회절 부분은, 제1 광빔으로 하여금, 제1 광학 차수로, 제1 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되며; 상기 제2 회절 부분은, 제2 광빔으로 하여금, 제2 회절 차수로, 제2 위상 시프트를 통해 회절하게 하도록 구성되며; 그리고 상기 제2 회절 차수는 상기 제1 회절 차수와 유사하며, 제2 위상 시프트는 상기 제1 위상 시프트와 상이하며, 상기 제1 위상 시프트와 상기 제2 위상 시프트 간의 차이는 상기 위상 변동 패턴과 연관되는, 광학 구조.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 회절 부분은 상기 제1 회절 차수로, 상기 제1 광빔을 제1 회절된 광빔으로 편향시키도록 구성되며; 상기 제2 회절 부분은, 상기 제2 회절 차수의 네거티브 차수로, 상기 제1 회절된 광빔을 제2 회절된 광빔으로 편형시키도록 구성되며; 그리고 상기 제2 회절된 광빔은 상기 제1 광빔과 비교할 때 위상 변화를 가지며, 상기 위상 변화는 상기 제1 위상 시프트 마이너스 제2 위상 시프트인, 광학 구조.
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