KR20190105576A - 균일한 출력 조명을 갖는 도파관 장치 - Google Patents

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조나단 데이비드 왈던
앨러스테어 존 그랜트
밀란 몸실로 포포비치
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디지렌즈 인코포레이티드
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Abstract

도파관 장치들의 다양한 실시예들이 설명된다. 디밴딩 광학 장치는 도파관 장치들에 통합될 수 있으며, 이는 균일한 출력 조명을 공급하는 데 도움이 될 수 있다. 따라서, 다양한 도파관 장치들은 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 실질적으로 편평한 조명 프로파일을 출력할 수 있다.

Description

균일한 출력 조명을 갖는 도파관 장치
본 발명은 도파관 장치들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 균일한 출력 조명을 갖는 도파관들에 관한 것이다.
도파관 광학 장치는 다중의 광학 기능들을 얇고 투명한 경량의 기판에 통합하는 도파관 장치들의 능력이 중요시되는 다양한 디스플레이 및 센서 애플리케이션들에서 현재 고려되고 있다. 이 새로운 접근법은 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR)을 위한 근안 디스플레이(near-eye display), 항공 및 도로 운송을 위한 소형 헤드 업 디스플레이(HUD) 및 생체 인식 및 레이저 레이더(LIDAR) 애플리케이션들을 위한 센서들과 같은 신제품 개발을 촉진하고 있다.
도파관 장치는 HMD 및 HUD에서 매력적인 여러 특징들을 제공한다. 이들은 얇고 투명하다. 다중의 홀로그램들을 레코딩하고 각 홀로그램에 의해 형성된 시야 영역을 바둑판식으로 배열(tiling)함으로써 광범위한 시야들이 얻어질 수 있다.
몇몇 실시예들은 적어도 하나의 광학 기판, 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 광 커플러, 적어도 하나의 광 추출기, 디밴딩 광학 장치(debanding optic)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 광 커플러는 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같은 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 할 수 있다. 적어도 하나의 광 추출기는 광학 기판으로부터 광을 추출한다. 디밴딩 광학 장치는 조명된 동공(illuminated pupil)의 밴딩 효과(banding effects)를 완화시킬 수 있어, 추출된 광이 완화된 밴딩을 갖는 실질적으로 편평한 조명 프로파일이 된다.
많은 실시예들에서, 추출된 광은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.
다른 실시예들에서, 추출된 광은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.
또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구(effective input aperture)이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다.
더 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율(diffraction efficiency), 광 투과(optical transmission), 편광(polarization) 또는 복굴절(birefringence) 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다.
또 다른 실시 예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자(input grating)와 적어도 하나의 출력 격자(output grating)로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어, 각각의 격자는 밴딩(banding)을 완화하기 위해 작은 동공 시프트(pupil shift)를 제공한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온(turn on)하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된(rolled) K-벡터들을 갖는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이되도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들(index layers)로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(gradient index)(GRIN) 매체이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 일부 상에 적어도 하나의 반 사면을 더 포함한다. 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지(leading edge)를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들(ray bundle)의 고유의 변위(unique displacement)가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있다.
또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층(polarization modifying layer)으로서, 편광 변경층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 임의의 입사광 각도에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하여 밴딩 효과를 완화시키는 적어도 2 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기(fold grating exit pupil expander)와 함께 사용된 교차 경사 격자들(crossed slant gratings)을 갖는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(numerical apertures)(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다.
또 다른 많은 실시예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃(smear out)하여 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들(indices)의 접착제들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조, 반사 방지층들, 부분 반사층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들(birefringent stretched polymer layers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 상기 광이 임의의 주어진 입사광 방향에서 상기 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 가져 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 구성된 입력 격자이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 상기 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 통합된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 인간의 눈은 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 상기 장치는 아이 트랙커(eye tracker)를 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 입력 격자이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 프리즘이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 추출기는 입력 격자이다.
일부 실시예들은 적어도 두 개의 광학 기판들, 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 광 커플러, 적어도 하나의 광 추출기, 및 적어도 두 개의 입력 정지부들(input stops)를 포함하는 컬러 도파관 장치에 관한 것이다. 상기 적어도 두 개의 광학 기판들은 서로 적층되어 있다. 상기 적어도 하나의 광 커플러는 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같이 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 할 수 있다. 적어도 하나의 광 추출기는 광학 기판으로부터 광을 추출한다. 상기 적어도 두 개의 입력 정지부들은 각각 상이한 광학 기판 내에 있고, 각각 상이한 평면에 있으며, 각각의 입력 정지부는 동공을 시프트하고 컬러 밴딩을 완화시키는 외부 이색성 부분(outer dichroic portion)을 포함한다.
많은 실시예들에서, 각각의 입력 정지부는 또한 위상 시프트를 보상하기 위한 내부 위상 보상 코팅(inner phase compensation coating)을 포함한다.
다른 실시예들에서, 보상 코팅은 SiO2를 포함한다.
일부 실시예들은 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 광원으로부터의 입사광을 생성한다. 상기 방법은 광 커플러를 통해 입사광을 통과시켜 입사광을 광학 기판에 결합시키고, 그에 의해 결합된 광이 광학 기판 내에서 전체 내부 반사(TIR)를 받게 한다. 상기 방법은 또한 광 추출기를 통해 광학 기판으로부터 TIR 광을 추출하여 출력 조명을 생성한다. 광은 도파관 장치의 디밴딩 광학 장치(debanding optic)를 통과하여 디밴딩 광학 장치가 출력 조명의 밴딩 효과를 완화시킨다.
많은 실시예들에서, 출력 조명은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.
다른 실시예들에서, 출력 조명은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.
또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다.
더 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다.
또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어, 각각의 격자는 밴딩을 완화하기 위해 작은 동공 시프트를 제공한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들을 갖는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이되도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(GRIN) 매체이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 일부 상에 적어도 하나의 반 사면을 더 포함한다. 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있다.
또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경층으로서, 편광 변경층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이고, 선택된 적어도 하나의 격자는 임의의 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하는 적어도 두 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성되어, 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기와 함께 사용된 교차 경사 격자들을 갖는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다.
또 다른 많은 실시예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃하여 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들의 접착제들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조, 반사 방지층들, 부분 반사층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들(birefringent stretched polymer layers)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광이 동공을 시프트하기 위해 임의의 주어진 입사광 방향에서 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다.
또 다른 많은 실시예들에서, 상기 방법은 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 의해 실행된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 인간의 눈은 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치된다.
또 다른 많은 실시예들에서, 상기 디스플레이는 아이 트랙커를 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 상기 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함한다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 입력 격자이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 프리즘이다.
또 다른 많은 실시예들에서, 광 추출기는 입력 격자이다.
통합된 참고 자료
다음의 관련 특허들 및 특허 출원들은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다: 컴팩트 에지 조명의 회절 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 9,075,184; 광학 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,233,204; 투명한 디스플레이를 제공하기 위한 방법 및 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 US2006/043938; 웨어러블 데이터 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2012/000677; 컴팩트 에지 조명의 아이글래스 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/317,468; 홀로그램 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866; 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456; 도파관 격자 장치라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 14/620,969; 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/176,572; 광 파이프를 포함하는 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/177,494; 홀로그램 도파관 디스플레이를 위한 입력 이미지 생성 방법 및 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/071,277; 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 근안 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282; 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/124,550; 윈도우에서의 통합을 위한 광 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,064; 윈도우에서의 통합을 위한 광 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,066; 홀로그램 도파관 광 필드 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,089; 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 8,224,133; 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 8,565,560; 홀로그램 조명 시스템이라는 명칭의 미국 특허 번호 6,115,152; 스위치 가능한 브러시 격자를 사용하는 컨택트 이미지 센서라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2013/000005; 홀로그래픽 폴리머 분산된 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680; 홀로그램 도파관 아이 트랙커라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2014/000197; 아이 트래킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT/GB2013/000210; 아이 트래킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2013/000210; 홀로그램 도파관 광학 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2015/000274; 도파관 복합체를 사용하여 헤드 업 디스플레이의 수직 필드를 확장시키는 시스템 및 방법이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,903,207; 컴팩트 웨어러블 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,639,072; 컴팩트 홀로그램 에지 조명의 아이 글래스 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,885,112; 비편파 광과 함께 사용하기 위한 홀로그램 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/390,271; 편파 선택형의 홀로그램 도파관 장치를 제공하는 방법 및 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/391,333; 도파관 디스플레이 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/493,578; 도파관 장치로부터의 출력을 균질화하는 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/497,781; 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181; 환경 고립된 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT/GB2016/00005.
본 명세서는 다음의 도면들을 참조하여 더욱 완전하게 이해 될 것이며, 이는 본 발명의 예시적인 실시예 들로서 제시된 것이고 본 발명의 범위를 완전하게 기술하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
도 1a는 한 실시예에서 밴딩을 나타내는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 1b는 한 실시예에서 디밴딩된 조명(debanded illumination)을 제공하기 위해 도파관으로부터 추출된 광의 통합을 보여주는 차트를 제공한다.
도 2는 한 실시예에서 발생할 수 있는 디밴딩을 위한 기하학적 광학 조건을 도시하는 도파관의 상세의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 3은 한 실시예에서 동공 시프트 수단을 제공하는 데 사용되는 광학 층의 광학 특성의 공간적 변화를 도시하는 차트를 제공한다.
도 4는 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 5는 한 실시예에서 스위칭 가능한 출력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 6a는 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 6b는 한 실시예에서 롤링된 K-벡터들을 나타내는 스위칭 가능한 격자의 상세를 제공한다.
도 7은 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 8은 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판의 반사면 상에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 9는 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판 내에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 10은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 입력 격자이고, 빔 입사각의 함수로서 입력 격자의 선단 에지로부터의 입력 빔의 분리를 변화시키는 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 11은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 빔 입사각에 의존하는 위치들에서 도파관 내에 투사된 동공을 제공하는 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 12는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 부분 반사 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 13은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 편광 회전 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 14는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 입력 광의 상이한 편광들에 대해 도파관을 통해 분리된 광 경로들을 제공하는 격자인 도파관의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 15는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 마이크로 디스플레이 패널의 주 방향들에 걸친 가변적인 개구 수를 제공하는 마이크로 디스플레이의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16a는 한 실시예에서 적층 스위칭 입력 격자들을 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16b는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 스위칭 가능한 입력 격자 어레이인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16c는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판 내에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16d는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 주 방향들에 걸친 가변적인 개구 수를 제공하는 마이크로 디스플레이 패널인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16e는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 출사 동공을 제공하는 경사 입력 이미지 생성기인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16f는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 출사 동공 및 다양한 투사된 동공들을 제공하는 경사 입력 이미지 생성기인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16g는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 경사 입력 이미지 생성기 및 커플링 프리즘인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16h는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 광 흡수 에지들을 갖는 복수의 추가 기판들인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 17은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 광 흡수 에지들을 갖는 복수의 추가 기판들인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 18은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 경사 입력 이미지 생성기 및 커플링 프리즘인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 19는 한 실시예에서 컬러 디스플레이에서 컬러 레지스트레이션을 밸런싱하는 데 사용하기 위한 코팅 구조의 개략적인 단면을 제공한다.
도 20은 디밴딩 광학 장치가 그 에지로부터 입력 빔 단면을 오프셋시키는 입력 격자인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도면들을 참조하면, 다양한 실시예들에 따라, 근안 디스플레이(near-eye display) 또는 헤드 업 디스플레이(head up display) 시스템들과 관련된 시스템 및 방법이 도시된다. 다수의 실시예들은 근안 디스플레이 또는 헤드 업 디스플레이 시스템에 사용하기 위한 도파관 장치에 관한 것이다. 많은 도파관 장치들에 존재하는 통상적인 문젯 거리는 그 균일성에 영향을 주는 출력 조명에서 밴딩(banding)이다. 따라서, 균일한 출력 조명을 갖는 도파관 장치의 다양한 실시예들이 제공된다. 도파관 장치들의 다양한 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치(debanding optic)는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 포함된다.
많은 실시예들은 또한 도파관 장치들에서 유리하게 사용될 수 있는 홀로그래픽 도파관 기술에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 도파관 기술은 헬멧 장착형 디스플레이들 또는 헤드 장착형 디스플레이들(HMD) 및 헤드 업 디스플레이들(HUD)에 사용된다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 도파관 기술은 항공 전자 애플리케이션들 및 소비자 애플리케이션들(예를 들어, 증강 현실 안경 등)을 포함하는 많은 애플리케이션들에 사용된다. 다수의 실시예들에서, 눈은 디스플레이의 출사 동공 또는 아이 박스(eye box) 내에 위치된다.
많은 실시예들에서, 도파관 장치들은 단일 도파관 층을 사용하여 두 개의 직교 방향들로 동공 확장을 제공한다. 출력의 균일성은 도파관 기판의 입력 단부(input end) 부근의 낮은 값으로부터 출력 격자의 가장 먼 단부(furthest extremity)에서의 높은 값까지 변하는 회절 효율을 갖도록 출력 격자를 설계함으로써 다양한 실시예들에 따라 달성된다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 데이터는 도파관 광학 기판 외부에 있으며 입력 격자에 의해 상기 기판에 결합된 마이크로 디스플레이에 의해 제공된다. 다수의 실시예들에 따라 마이크로 디스플레이는 반사 어레이이고 빔스플리터를 통해 조명된다. 반사된 이미지 광은 이미지의 각 픽셀이 고유의 방향으로 평행한 빔을 제공하도록 시준된다.
다수의 실시예들에 따라, 도파관 장치는 도파관 이미지가 색 분산 및 밝기 비균일성이 없는 방식으로 효율적으로 도파관에 이미지 내용을 결합시킨다. 색 분산을 방지하고 더 나은 시준을 달성하는 한 가지 방법은 레이저들을 사용하는 것이다. 그러나, 레이저들의 사용은 동공 밴딩 아티팩트(pupil banding artifacts)를 받게 되는데, 이는 출력 조명에서 스스로를 나타내어 이미지의 균일성을 붕괴시킨다. 밴딩 아티팩트들은 시준된 동공이 전체 내부 반사(TIR) 도파관에서 복제(확장)될 때 형성될 수 있다. 밴딩은 빔이 격자와 상호작용할 때마다 도파관으로부터 회절된 일부 광 빔들이 갭(gap) 또는 중첩(overlap)을 나타낼 때 발생하며, 조명 리플(illumination ripple)을 유도한다. 리플의 정도는 필드 각, 도파관 두께, 및 개구 두께의 함수다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들에서 묘사된 바와 같이, 밴딩 효과는 발광 다이오드(LED)와 같은 광대역 소스들로 분산에 의해 평탄화될(smoothed) 수 있다는 것이 실험 및 시뮬레이션에 의해 밝혀졌다. 그러나, LED 조명은 밴딩 문제로부터 완전히 해소되지는 않으며, 특히 도파관 입력 대 개구율(input-aperture ratios)에 대해 더 높은 도파관 두께에 대해서 그렇다. 또한, LED 조명은 부피가 큰 입력 광학 장치가 되게 하고 도파관 장치의 두께의 증가를 초래하는 경향이 있다. 따라서, 여기에 기술된 도파관 장치의 다수의 실시예들은 밴딩 왜곡을 방지하기 위해 홀로그래피로부터의 광 출력을 균질화하기 위한 컴팩트하고 효율적인 디밴딩 광학 장치를 갖는다.
밴딩 효과는 출력 조명의 불균일성의 원인이 된다. 몇몇 프로토타입 테스트에서 발견된 바와 같이, 도파관 장치로부터의 실제 조명은 만족할만한 가시적 이미지를 제공하기 위해 20 % 미만, 바람직하게는 10 % 이하의 불균일성을 달성해야 한다. 낮은 불균일성을 달성하기 위해서는 다른 시스템 요건들, 특히 이미지 밝기와의 절충들이 필요하다. 상기 절충들은 정확한 항목들로 정의하기 어렵고 애플리케이션에 크게 의존한다. 불균일성을 감소하기 위한 많은 광학 기술들이 일반적으로 약간의 광 손실을 초래하기 때문에, 출력 이미지 밝기가 감소될 수 있다. 불균일성에 대한 인간의 시각 시스템의 감도가 광 레벨에 따라 증가함으로, 불균일성의 문제는, 배경 장면 콘트라스트에 대한 높은 디스플레이를 달성하기 위해 높은 광속(luminous flux)을 필요로하는 자동차 HUD들과 같은 디스플레이들에 대해 더욱 중요해진다. 따라서, 일부 실시예들에서, 추출된 광은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다. 다수의 실시예들에서, 추출된 광은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.
본 발명의 일부 실시예들이 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 설명될 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명할 목적으로, 광학 디자인 및 시각 디스플레이 분야의 당업자에게 공지된 광학 기술들의 널리 알려진 특징들은 다양한 실시예들의 기본 원리들을 모호하게 하지 않기 위해 생략되거나 단순화될 수 있다. 다양한 실시예들에 대한 설명은 광학 디자인 분야의 당업자들에 의해 일반적으로 사용되는 용어들을 사용하여 제시될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향과 관련하여 "축 상(on-axis)"이란 용어는 다양한 장치들과 관련하여 기술된 광학 성분들의 표면들에 수직인 축에 평행한 전파(propagation)를 지칭한다. 이하의 설명에서, 광(light), 광선(ray), 빔(beam) 및 방향(direction)이라는 용어는 직선 궤적들을 따르는 전자기 방사선의 전파 방향을 나타내기 위해 상호 교환 가능하고 서로 연관되어 사용될 수 있다. 광 및 조명이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 가시 및 적외선 대역들과 관련하여 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 격자(grating)라는 용어는 일부 실시예들에서 격자들의 세트로 구성된 격자를 포괄한다.
도파관 장치
다수의 실시예들에 따라, 도파관 장치는 적어도 하나의 광학 기판, 적어도 하나의 광원, 광원으로부터의 광을 광학 기판에 결합시키는 적어도 하나의 광 커플러, 및 출력 조명을 형성하기 위해 광학 기판으로부터의 광을 추출하는 적어도 하나의 광 추출기를 포함한다. 도 1a에는 도파관 장치의 한 실시예가 도시되어 있다. 따라서, 도파관 장치(100)는 적어도 하나의 광학 기판(101), 적어도 하나의 입력 격자(102), 및 적어도 하나의 출력 격자(103)를 포함한다. 최대 개구(W)를 갖는 입력 격자(102)는 광원(104)으로부터의 광(광선 어레이들(1000-1002))을 도파관 기판(101) 내에서 전체 내부 반사(TIR) 경로(1004)로 결합시킨다. 도 1a에 도시된 바와 같은 입력(102) 및 출력(103) 격자들은 여기에 설명된 격자 구성들과 같은 임의의 적절한 구성으로 존재할 수 있다.
다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 갖는 입력 이미지 생성기를 더 포함하는 입력 이미지 생성기를 포함한다. 일부 실시예들의 설명에서, 입력 생성기는 화상 생성 유닛(PGU)으로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 소스는 이미지 정보로 변조되지 않은 일반적인 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 각각의 디스플레이 픽셀이 기판 도파관 내에서 고유의 각도 방향으로 변환되도록 마이크로 디스플레이 패널 상에 디스플레이된 이미지를 투사한다. 다양한 실시예들에서, 시준 광학 장치는 적어도 렌즈들 및 거울들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 렌즈들 및 거울들은 회절성이다. 일부 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다. 다수의 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 LED이다. 많은 실시예들에서, 상이한 광원들의 다양한 조합들이 입력 이미지 생성기 내에서 사용된다.
다수의 입력 이미지 생성기들이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 홀로그램 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866, 및 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456이 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 광을 마이크로 디스플레이 상으로 지향시키고 반사된 광을 도파관을 향해 투과하기 위한 빔분리기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 빔스플리터는 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정(HPDLC)에 레코딩된 격자이다. 다양한 실시예들에서, 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터 큐브이다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 디스펙클러(despeckler)를 포함한다. 임의의 적절한 디스펙클러는 예를 들어 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 US8,565,560에 기술된 것들과 같은 다양한 실시예들에서 사용될 수 있다.
다수의 실시예들에서, 광원은 조명 빔의 각도 특성들을 변경하기 위한 하나 이상의 렌즈들을 더 포함한다. 많은 실시예에서, 이미지 소스는 마이크로 디스플레이 또는 레이저 기반 디스플레이이다. 광원들의 일부 실시예들은 레이저보다 우수한 균일성을 제공할 수 있는 LED를 이용한다. 레이저 조명이 사용되는 경우, 조명 밴딩 효과의 위험은 더 높지만, 여기에 설명된 다양한 실시예들에 따라 여전히 제거되거나 완화될 수 있다. 양한한 실시예들에서, 광원으로부터의 광은 편광된다. 다수의 실시예들에서, 이미지 소스는 액정 디스플레이(LCD) 마이크로 디스플레이 또는 액정 온 실리콘(LCoS) 마이크로 디스플레이이다.
일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 편광 빔 스플리터 큐브를 포함한다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 빔 스플리터 코팅이 적용된 경사판(inclined plate)을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 편광 선택적 빔 스플리터(polarization selective beam splitter)로서 작용하는 스위칭 가능한 브래그 격자(switchable Bragg grating)(SBG)를 포함한다. SBG를 포함하는 입력 이미지 생성기 광학 장치의 예들은 홀로그래픽 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866 및 투명 웨이브 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456에 개시되어 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 굴절 성분 및 곡면 반사면 중 적어도 하나 또는 조명 광의 개구 수를 제어하기 위한 회절 광학 요소를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 조명 광의 파장 특성들을 제어하기 위한 스펙트럼 필터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 미광(stray light)을 제어하기 위한 개구, 마스크, 필터, 및 코팅을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 버드배스(birdbath) 광학 장치를 포함한다.
도 1a에 도시된 실시예로 돌아가서, 외부 소스(102)는 각 대역폭(1002)으로 시준된 광선들을 제공한다. TIR 경로(1004)에서의 광은 출력 격자(103)와 상호 작용하여, TIR 광이 상기 격자에 의한 회절 조건을 만족할 때마다 광의 일부를 추출한다. 브래그 격자의 경우에, 추출은 브래그 조건이 충족될 때 발생한다. 예를 들어, TIR 각(U)에 대응하는 광 TIR 광선 경로(1004)는 출력 격자에 의해 출력 방향(1005A)으로 회절된다. 고유의 TIR 각이 입력 격자에서 각각의 광의 입사각에 의해 정의되는 기본적인 기하학적 광학으로부터 명백하다. 광이 추출되고, 도시된 바와 같이, 3 개의 추출 빔들을 형성하며, 이들 각각은 두 개의 광선들(1005B 및 1005C; 1006A 및 1006B; 1007A 및 1007B)에 의해 측면이 각각 묘사된다. 완벽하게 시준된 갭들(크로스 해칭으로 도시된 1006C 및 1007C)은 인접한 빔 추출물들 사이에서 빠져 나와 밴딩 효과를 일으킬 것이다. 다수의 실시예들에 따르면, 밴딩을 야기하는 빔 갭들은 여기에 설명된 바와 같은 복수의 디밴딩 광학 장치에 의해 제거되거나 최소화된다. 예를 들어, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자가 TIR 각(U)에 의존하는 유효 입력 개구(W')를 갖도록 광을 구성한다.
다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 입력 격자가 TIR 각의 함수인 유효 입력 개구를 갖도록 도파관에 결합된 광을 구성하도록 동공을 시프팅할 수 있는 디밴딩 광학 장치를 포함한다. 디밴딩 광학 장치의 효과는 출력 격자에 의한 도파관으로부터의 연속적인 광 추출들이 통합되어 입력 격자에서 임의의 광 입사각에 대해 실질적으로 편평한 조명 프로파일을 제공한다는 것이다. 일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 이에 제한되는 것은 아니지만 격자, 부분 반사 막, 액정 정렬층, 등방성 굴절층들 및 경사 굴절률(gradient index)(GRIN) 구조를 포함하는 다양한 유형들의 광학 빔-변경층들을 결합함으로써 구현된다. "빔-변경(beam-modifying)"이란 용어는 입사광 각의 함수로서의 3 차원 공간에서의 진폭, 편광, 위상, 및 웨이브프론트 변위의 변화를 지칭한다는 것을 이해해야 한다. 각각의 경우에, 일부 실시예들에 따른 빔-변경층들은 입력 격자에서 임의의 광 입사각에 대해 출력 격자에 걸친 균일한 추출을 제공하는 유효 개구를 제공한다. 많은 실시예들에서, 빔-변경층들은 입력 각의 함수로서 입력 광의 개구 수를 제어하는 수단과 함께 사용된다. 일부 실시예들에서, 빔-변경층들은 파장 다이버시티를 제공하는 기술과 함께 사용된다.
도 1b는 (도 1a에 도시된 좌표계를 참조하여) Z로 표시된 주 전파 방향을 따라 도파관으로부터 광 출력(I로 표시됨) 상의 동공 시프팅 광학 장치의 영향을 도시하는 차트를 제공한다. 입력 광 방향에 대응하는 세 개의 연속하는 추출들에 대한 강도 프로파일들(intensity profiles)(1008A-1008C)이 도시된다. 강도 프로파일의 형태는 빔-변경층들의 처방에 의해 제어된다. 다수의 실시예들에서, 강도 프로파일들은 실질적으로 편평한 강도 프로파일을 제공하도록 통합된다. 예를 들어, 강도 프로파일들(1008A-1008C)은 편평한 프로파일(1009)에 통합된다.
도파관 장치들에 사용되는 입력 커플러들 및 추출기들
도파관 장치들은 현재 다양한 디스플레이 및 센서 애플리케이션들에서 관심이 있다. 이전의 장치들에 관한 많은 연구들이 반사 홀로그램에 관한 것이었지만, 전송 장치들이 광학 시스템 빌딩 블록들로서 훨씬 더 용도가 많은 것으로 판명되었다. 따라서, 다수의 실시예들은 동공의 입력 또는 출력에 사용될 수 있는 도파관 장치들에서의 격자들의 사용에 관한 것이다. 많은 실시예들에서, 입력 격자는 소스로부터의 광을 도파관에 결합시키는 일종의 광의 입력 커플러이다. 다수의 실시예들에서, 출력 격자는 출력 조명을 형성하기 위해 도파관으로부터 광을 추출하기 위한 일종의 광 추출기이다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치들은 브래그 격자(또한 볼륨 격자라고도 함)를 이용한다. 브래그 격자들은 적은 광이 고차들(higher orders)로 회절되는 높은 효율을 갖는다. 회절된 및 0차의 광의 상대적인 양은 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변화될 수 있는데, 이것은 큰 동공을 통해 광을 추출하기 위한 손실성 도파관 격자들을 만드는 데 사용되는 특성이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 격자라는 용어는 일부 실시예들에서 격자들의 세트로 구성된 격자를 포괄한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 입력 격자 및/또는 출력 격자는 단일 층으로 다중화된 둘 이상의 격자들을 개별적으로 포함한다. 홀로그래피 문헌에 하나 이상의 홀로그래픽 처방이 단일 홀로그래픽 층에 레코딩될 수 있다는 것은 잘 확립되어 있다. 이러한 다중화된 홀로그램들을 레코딩하는 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 일부 실시예들에서, 입력 격자 및/또는 출력 격자는 하나 이상의 얇은 광학 기판에 접촉되거나 수직으로 분리된 두 개의 중첩하는 격자 층들을 개별적으로 포함한다. 많은 실시예들에서, 격자 층들은 인접한 유리 또는 플라스틱 기판 사이에 샌드위치된다. 몇몇 실시예에서, 둘 이상의 격자 층들은 전체 내부 반사가 외부 기판 및 공기 계면들에서 발생하는 스택(stack)을 형성할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 단 하나의 격자 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극은 회절 상태와 클리어 상태 사이에서 회절 격자들을 스위칭하기 위해 기판들의 면들에 적용된다. 다수의 실시예들에 따라, 스택은 빔 분할 코팅 및 환경 보호층들과 같은 부가적인 층들을 더 포함한다.
다수의 실시예들에서, 격자 층은 개별 층들으로 분해된다. 다양한 실시예들에 따라, 복수의 층들이 단일 도파관 기판에 함께 적층된다. 일부 실시예들에서, 격자 층은 단일 기판 도파관을 형성하도록 함께 적층되는(또는 일부분들이 함께 적층되는) 입력 결합러, 폴드 격자, 및 출력 격자를 포함하는 수 개의 부분들로 이루어진다. 많은 실시예들에서, 도파관 장치들의 부분들은 광학 글루 또는 다른 투명 재료에 의해 분리되며, 이들은 상기 부분들의 것과 일치하는 굴절률을 갖는다. 다수의 실시예들에서, 격자 층은 입력 커플러, 폴드 격자, 및 출력 격자의 각각에 대해 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)로 각각의 셀의 진공 충전 및 원하는 격자 두께의 셀들을 생성함으로써 셀 제조 공정을 통해 형성된다. 다수의 실시예들에서, 셀은 입력 커플러, 폴드 격자, 및 출력 격자에 대해 원하는 격자 두께를 규정하는 유리판들 사이에 갭들로 다중의 유리판들을 위치시킴으로써 형성된다. 많은 실시예들에서, 하나의 셀은 다중의 개구들로 만들어져 분리된 개구들이 SBG 재료의 상이한 포켓들로 채워질 수 있다. 다양한 실시예들에 따른 임의의 개재 공간들은 분리된 영역들을 규정하도록 분리 물질(예를 들면, 글루, 오일 등)에 의해 분리된다. 다수의 실시예에서, SBG 재료는 기판 상에 스핀-코팅되고 이어서 상기 재료의 경화 후에 제 2 기판에 의해 덮힌다. 폴드 격자를 사용함으로써, 도파관 디스플레이는 바람직하게 일부 실시예들에 따라 정보를 디스플레이하는 종래의 시스템들 및 방법들보다 적은 수의 층들을 필요로 한다. 또한, 폴드 격자를 사용함으로써, 광은 도파관 외부 표면들에 의해 규정되는 단일 직사각형 프리즘에서 도파관 내의 전체 내부 반사에 의해 이동하고 동시에 이중 동공 확장을 달성할 수 있다. 많은 실시예들에서, 입력 커플러 및 격자들은 홀로그래픽 웨이브 프론트를 생성하기 위해 기판 내의 각도로 두 개의 광파들을 간섭함으로써 생성될 수 있고, 그에 따라 원하는 각도에서 도파관 기판에 설정된 밝고 어두운 프린지들(fringes)을 생성할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 주어진 층의 격자는 격자 영역에 걸쳐 레코딩 레이저 빔을 스캐닝 또는 스텝핑(stepping)함으로써 단계적 방식으로 레코딩된다. 일부 실시예들에서, 격자들은 홀로그래픽 인쇄 산업에서 현재 사용되는 마스터링 및 접촉 카핑 프로세스를 사용하여 레코딩된다.
많은 실시예들에 따라 입력 및 출력 격자들은 공통 표면 격자 피치를 갖도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 입력 격자는 각각의 격자가 입사된 비편광된 광의 편광을 도파관 경로로 회절 시키도록 배향된 다수의 격자들을 결합한다. 많은 실시예들에서, 출력 격자는 도파관 경로들로부터의 광이 결합되어 비편광된 광으로서 도파관 외부에서 결합되도록 배향된 복수의 격자들을 결합한다. 각각의 격자는 3D 공간에서 적어도 하나의 격자 벡터(또는 K-벡터)에 의해 특징 지워지며, 이는 브래그 격자의 경우에 브래그 프린지들에 대해 수직인 벡터로서 정의된다. 격자 벡터는 주어진 범위의 입력 및 회절된 각들에 대한 광학 효율을 결정한다.
하나의 중요한 클래스의 격자들은 많은 실시예들에 따라 다양한 도파관 장치들에 사용되는 SBG들(Switchable Bragg Gratings)로 알려져있다. 일반적으로, 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정(HPDLC)이 SBG들에 사용된다. 많은 실시예들에서, HPDLC는 혼합 액정(LC), 모노머(monomers), 광 개시제 염료(photoinitiator dyes), 및 동시 개시제(coinitiators)를 포함한다. 종종, 혼합물은 또한 계면 활성제(surfactant)를 포함한다. 특허 및 과학 문헌은 SBG들을 제조하는데 사용될 수 있는 재료 시스템들 및 공정들의 많은 예들을 포함하고 있다. 두 개의 기본적인 특허들은: 수더랜드의 미국 특허 번호 5,942,157 및 다나까 등의 미국 특허 번호 5,751,452이다. 두 출원들은 SBG 장치들을 제조하기에 적합한 모노머 및 액정 재료 조합들을 기술한다. 투과 SBG들의 공지된 속성들 중 하나는 LC 분자들이 격자 프린지 평면들에 수직으로 정렬되는 경향이 있다는 것이다. LC 분자 정렬의 효과는 투과 SBG들이 P 편광된 광(즉, 입사 평면에서 편광 벡터를 갖는 광)을 효율적으로 회절하지만, S 편광(즉, 입사 평면에 수직인 편광 벡터를 갖는 광)에 대해 거의 제로의 회절 효율을 갖는다는 것이다. 투과 SBG들은 입사광과 반사광 사이의 끼인각(included angle)이 작을 때 P 편광에 대한 임의의 격자의 회절 효율이 0으로 떨어짐에 따라 니어-그레이징 입사각(near-grazing incidence)에서 사용되지 않을 수 있다.
다수의 실시예들에서, SBG들은 먼저 평행 유리판들 사이에 광 중합성 모노머(photopolymerizable monomers) 및 액정 재료의 혼합물의 박막을 배치함으로써 제조된다. 하나 또는 두 개의 유리판들이 상기 막에 걸쳐 전기장을 인가하기 위한 전극들을 지지한다. 다수의 실시예들에서, 전극들은 적어도 부분적으로 투명한 인듐 주석 산화물 막으로 만들어진다. 다수의 실시예들에 따라, 경사진 프린지 격자 구조를 형성하도록 간섭하는 두 개의 상호 간섭성 레이저 빔들로 액정 재료(종종 시럽(syrup)으로 지칭됨)를 조명함으로써 볼륨 위상 격자가 레코딩될 수 있다. 레코딩 프로세스 동안 모노머들이 중합되고 혼합물은 상 분리를 거쳐, 클리어 폴리머의 영역들이 산재된 액정 마이크로-액적들(liquid crystal micro-droplets)에 의해 고밀도로 채워진 영역들을 생성하여, HPDLC를 생성한다. 일부 실시예들에 따라, HPDLC 장치의 교번하는 액정이 풍부한 및 액정이 고갈된 영역들은 격자의 프린지 평면들을 형성한다. 결과적인 볼륨 위상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이것은 다양한 실시예들에 따라, 상기 막에 걸쳐 인가되는 전계의 크기에 의해 제어될 수 있다. 투명 전극들을 통해 격자에 전계가 인가될 때, LC 액적들의 자연적인 배향이 변하여, 프린지들의 굴절률 변조를 감소하고 홀로그램 회절 효율을 매우 낮은 레벨들로 떨어뜨린다. 통상적으로, SBG 소자들은 30 μs에서 클리어 스위치되며, 스위치 ON을 위한 완화 시간이 더 길어진다. 장치의 회절 효율은 연속적인 범위에 걸쳐 인가된 전압에 의해 많은 실시예들에 따라 조절될 수 있음을 유의해야 한다. 장치는 전압이 인가되지 않을 때 거의 100 % 효율을 나타내고, 충분히 높은 전압이 인가될 때 효율은 거의 0을 나타낸다. HPDLC 장치들의 특정 실시예들에서, 자기장이 LC 배향을 제어하는 데 사용될 수 있다. HPDLC 장치들의 특정 실시예들에서, 폴리머로부터의 LC 재료의 상 분리는 식별 가능한 액적 구조가 나타나지 않는 정도로 달성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, SBG는 또한 수동 격자로서 사용되며, 이는 고유하게 높은 굴절률 변조의 이점을 제공할 수 있다.
다수의 실시예들에 따라, SBG들은 자유 공간 애플리케이션들에 대한 투과 또는 반사 격자들을 제공하는 데 사용된다. SBG들의 다양한 실시예들은 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 인접한 미세하게 결합된 층(evanescently coupled layer)을 형성하는 도파관 장치로서 구현된다. 많은 실시예들에서, HPDLC 셀을 형성하는 데 사용되는 평행 유리판들은 전체 내부 반사(TIR) 광 안내 구조를 제공한다. 스위칭 가능한 격자가 TIR 조건을 초과하는 각도로 광을 회절시킬 때 일부 실시예들에 따라 광이 SBG 외부에서 결합된다.
SBG들에 기초한 도파관 장치들의 많은 실시예들에서, 격자들은 투명 기판들에 의해 샌드위치된 단일 층 내에 형성된다. 다수의 실시예들에서, 도파관은 단지 하나의 격자 층이다. 스위칭 가능한 격자들을 포함하는 다양한 실시예들에서, 투명 전극들은 스위칭 가능한 격자를 샌드위칭하는 기판 층들의 대향 표면들에 적용된다. 일부 실시예들에서, 셀 기판들은 유리로 제조된다. 예시적인 유리 기판은 50 미크론까지의 두께로 이용 가능한 표준 코닝 윌로우(Corning Willow) 유리 기판(인덱스 1.51)이다. 다수의 실시예들에서, 셀 기판들은 광학 플라스틱이다.
브래그 격자들은 또한 다른 재료들에 레코딩될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, SBG들은 액체 폴리머 내에 분산된 고체 액정 매트릭스를 갖는 POLICRYPS 또는 POLIPHEM과 같은 균일한 변조 재료로 레코딩된다. 다수의 실시예들에서, SBG들은 스위칭 가능하지 않다(즉, 수동적이다). 스위칭 가능하지 않은 SBG들은 그 액정 성분으로 인해 높은 굴절률 변조를 제공할 수 있는 종래의 홀로그래픽 포토폴리머 재료들에 비해 장점을 가질 수 있다. 예시적인 균일한 변조 액정-폴리머 재료 시스템들은 카푸토 등의 미국 특허 출원 공개 번호 US2007/0019152 및 스텀프 등의 PCT 출원 번호 PCT/EP2005/006950에 개시되어 있으며, 이들 모두는 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함된다. 균일한 변조 격자들은 높은 굴절률 변조(및 그에 따른 높은 회절 효율) 및 낮은 스캐터(scatter)를 특징으로 한다. 많은 실시예들에서, 적어도 하나의 격자는 표면 릴리프 격자(surface relief grating)이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 격자는 얇은(또는 라만-나스(Raman-Nath)) 홀로그램이다.
다수의 실시예들에서, 격자들은 리버스 모드 HPDLC 재료(reverse mode HPDLC material)로 레코딩된다. 리버스 모드 HPDLC는, 전계가 인가되지 않을 때 격자가 수동적(passive)이고 전계의 존재 시에 회절된다는 점에서 종래의 HPDLC와 상이하다. 리버스 모드 HPDLC는, 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 임의의 레시피 및 프로세스에 기초할 수 있다. 격자는 다양한 실시예들에 따라 상기한 재료 시스템들의 어떠한 것으로도 레코딩될 수 있지만, 수동(스위칭 가능하지 않음) 모드로 사용된다. 제조 공정은 스위칭 가능한 격자들에 사용되는 것과 동일하지만, 전극 코팅 단계가 생략된다. LC 폴리머 재료 시스템들은 그들의 높은 인덱스 변조(index modulation)를 고려할 때 매우 바람직하다. 일부 실시예들에서, 격자들은 HPDLC로 레코딩되지만 스위칭 가능하지는 않다.
일부 실시예들에서, 격자는 출력의 시준을 조정하기 위해 광 전력을 인코딩한다. 많은 실시예들에서, 출력 이미지는 무한대이다. 다수의 실시예들에서, 출력 이미지는 아이 박스로부터 수 미터 떨어진 거리에 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 입력 격자는 다른 유형의 입력 커플러로 대체될 수 있다. 특정 실시예들에서, 입력 격자는 프리즘 또는 반사면으로 대체된다. 다수의 실시예들에서, 입력 커플러는 스위칭 가능하거나 스위칭 가능하지 않은 SBG 격자와 같은 홀로그래픽 격자일 수 있다. 입력 커플러는 디스플레이 소스로부터 시준된 광을 수용하고 광이 제 1 표면과 제 2 표면들 사이의 전체 내부 반사를 통해 도파관 내에서 이동하게 하도록 구성된다.
홀로그래피 문헌에 하나 이상의 홀로그래픽 처방들이 단일 홀로그래픽 층에 레코딩될 수 있다는 것은 잘 확립되어 있다. 이러한 다중화된 홀로그램들을 레코딩하는 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 일부 실시예들에서, 입력 또는 출력 격자 중 적어도 하나는 각도 대역폭을 확장하기 위해 두 개 이상의 회절 처방들을 조합한다. 많은 실시예들에서, 입력 또는 출력 격자들 중 적어도 하나는 스펙트럼 대역폭을 확장하기 위해 두 개 이상의 스펙트럼 회절 처방들을 결합한다. 다수의 실시예들에서, 컬러 멀티플렉싱된 격자는 두 개 이상의 원색들(primary colors)을 회절시키는데 사용된다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 많은 실시예들은 단색(monochrome)으로 동작된다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 컬러 도파관은 단색 도파관의 스택을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 적색, 녹색 및 청색 도파관 층들을 사용한다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치는 적색 및 청색/녹색 층들을 사용한다. 일부 실시예들에서, 격자들은 모두 수동적이다. 즉, 스위칭 가능하지 않다. 다수의 실시예들에서, 적어도 하나의 격자가 스위칭 가능하다. 다수의 실시예들에서, 각 층의 입력 격자들은 도파관 층들 사이의 색 혼선(color crosstalk)을 피하기 위해 스위칭 가능하다. 일부 실시예들에서, 적색 및 청색의 입력 격자 영역들과 청색 및 녹색 도파관들 사이에 이색성 필터들(dichroic filters)을 배치함으로써 색 혼선이 방지된다.
다수의 실시예들에서, 광은 파장 대역폭에 의해 특징지어진다. 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광의 파장 대역폭을 다양화할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 본질적으로 스펙트럼 대역폭 제한 장치들인 브래그 격자들은 LED들 및 레이저들과 같은 협 대역 소스들에서 가장 효율적으로 이용된다. 많은 실시예들에 따라, 브래그 격자는 격자 처방 및 입사 광선 각도들이 브래그 등식을 만족할 때 높은 효율로 두 개의 상이한 파장 대역들을 회절시킨다. 다수의 실시예들에 따라, 풀 칼라 도파관들(full color waveguides)은 적색, 녹색 및 청색 회절 도파관 층들과 같은 개별적인 특정 파장 층들을 이용한다. 하나의 층이 3 원색 중 2 개를 회절시키는 2-층 솔루션들이 많은 실시예들에서 사용된다. 많은 실시예들에서, 브래그 격자의 자연적인 스펙트럼 대역폭은 색 혼선을 최소화하기에 적절하다. 그러나, 색 혼선의 더욱 엄격한 억제를 위해, 이색성 필터들 및 도파관 층들 사이에 통합되고 전형적으로 입력 격자들과 중첩하는 협 대역 필터들과 같은 부가적인 구성 요소들이 사용될 수 있다.
디밴딩 광학 장치(Debanding Optics)
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다. 도 2는 제로 밴딩의 조건이 존재하도록 도파관 기판(111) 및 TIR(1012)을 포함하는 도파관의 형태로 디밴딩 광학 장치를 포함하는 도파관 장치(110)의 실시예이다. 많은 실시예들에서, 제로 밴딩의 조건, 즉 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에 갭이없는 조건은 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)에 대한 유효 입력 개구가 2D tan(U)에 의해 주어질 때 발생한다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다. 전형적인 공간 변화(120)는 곡선(1020)에 의해 도 3의 차트에 제공되고, 여기에서 Y 축은 상기한 파라미터들 중 임의의 파라미터(예를 들면, 회절 효율)의 값을 나타내고, X 축은 도파관 내의 빔 전파 방향이다. 다수의 실시예들에서, 공간 변화는 2 차원(도파관의 평면에서)이다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 다중의 격자들을 갖도록 구성된 적어도 하나의 격자이며, 각 격자는 밴딩을 제거 또는 완화하기 위해 작은 동공 시프트를 제공한다. 많은 실시예들에서, 다중의 격자들의 스택은 스택 내의 격자들 사이의 분리들이 각각의 각도에 대한 동공 시프트를 제공하도록 설계될 때 작은 동공 시프트를 달성한다. 다수의 실시예들에서, 동공 시프트가 가능한 격자들은 투명 기판들에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 동공 시프트가 가능한 격자들은 수동적이다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 격자들은 전압이 인가될 때 스위치 온 된다. 일부 실시예들에서, 측 방향 상대 변위를 갖도록 배열된 다중의 격자들은 동공 시프트를 제공한다. 다수의 실시예들에서, 다중의 격자들은 입사각에 따라 그들의 회절 상태들로 스위칭되는 격자 요소들의 상이한 서브 어레이들을 갖는 2 차원 어레이로 구성된다. 일부 실시예들에서, 격자들은 어레이들의 스택들로서 구성된다. 다양한 실시예들에서, 상이한 파장 대역들에 대해 개별적인 격자들이 제공된다. 다수의 실시예들에서, 격자는 다중화된다.
많은 실시예들에서, 격자들은 도파관의 주 평면에 걸쳐 변하는 격자 파라미터들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 회절 효율은 0차 광(zero order light)으로서 도파관을 따라서 투과되는 광의 양에 대한 회절된 광의 양을 제어하여, 도파관으로부터 추출된 광의 균일성이 미세하게 조정(fine-tune)되도록 한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 격자의 K-벡터들은 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하도록 최적화된 방향들을 갖는 롤링된 K-벡터들을 갖는다. 다양한 실시예들에서, 격자들의 인덱스 변조는 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하기 위해 변화된다. 다수의 실시예들에서, 격자들의 두께는 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하기 위해 변화된다.
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 전압이 인가될 때 턴 온되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 적층형 스위칭 가능한 격자로서 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도 4는 적층형 스위칭 가능한 입력 격자들(132A 및 132B) 및 스위칭 가능하지 않는 출력 격자(133)를 갖는 광학 기판(131)을 갖는 도파관 장치(130)의 실시예를 도시한다. 전압 공급기(134)는 동공 시프트를 제공하기 위해 입력 격자들(132A 및 132B)을 스위치 온 하도록 전기 접속부(135A 및 135B)에 의해 입력 격자들(132A 및 132B)에 결합된다. 도 5는 스위칭 가능하지 않은 입력 격자 및 적층형 격자 층들(143A 및 143B)을 갖는 스위칭 가능한 출력 격자를 갖는 도파관 장치(141)의 실시예를 도시한다. 전압 공급기(144)는 동공 시프트를 제공하기 위해 출력 격자들(143A 및 143B)을 스위치 온 하도록 전기 접속부(145A 및 145B)에 의해 출력 격자들(143A 및 143B)에 결합된다. 다양한 실시예들에서, 얇은 기판 층이 적어도 일부 분리를 제공하기 위해 적층된 격자들 사이에서 빠져 나간다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온 할 수 있고 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도 6a는 복수의 격자 요소들(153A-156A 및 153B-156B)을 각각 갖는 입력 격자들(152A 및 152B) 및 출력 격자(157)를 포함하는 광학 기판(151)을 갖는 도파관 장치(150)의 실시예이다. 도파관 장치는 동공을 시프트하기 위해 각 소자(예를 들면, 156A 및 156B)를 개별적으로 스위치 온 하도록 구성된 전기적 접속부(159A 및 159B)에 의해 각각의 입력 격자(152A 및 152B)에 결합된 전압 공급기(158)를 더 포함한다. 도시되지는 않았지만, 전압 공급기는 스위칭 가능한 소자들의 어레이를 생성하기 위해 각각의 모든 소자에 접속될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 6a는 입력 격자가 어레이로 구성되는 것만을 도시하고 있지만, 출력 격자도 또한 각각의 소자가 본 발명의 다수의 실시예들에 따라 스위치 가능하게 구성되는 소자들의 어레이가 될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다양한 실시예들에서, 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들을 갖는다. K-벡터는 주어진 범위의 입력 및 회절된 각들에 대한 광학 효율을 결정하는 격자 평면들(또는 프린지들)에 수직으로 정렬된 벡터이다. 다수의 실시예들에 따라 롤링된 K-벡터들은 도파관 두께를 증가시킬 필요없이 격자의 각 대역폭이 확장되도록 한다. 도 6b는 네 개의 롤링된 K-벡터들(K1-K4)을 갖는 격자(152C)의 실시예를 도시한다. 다수의 실시예에서, 격자는 스위칭 가능한 소자들들의 2 차원 어레이로 구성된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 격자는 스위칭 가능한 소자들(예를 들면, 161)의 2 차원 어레이(160)로서 구성된다.
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이 되도록 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도파관 장치가 다중의 수동 격자 층들을 포함할 때, 다양한 실시예들에 따라, 그 기본 구조는 전압 공급없이 능동 격자 층(예를 들면,도 4 및 도 5 참조)을 포함하는 실시예들 중 일부와 유사하다. 일부 실시예들에서, 다수의 액정 폴리머 재료 시스템들에 의해 제공되는 더 높은 인덱스 변조의 이점을 취하기 위해 스위칭 가능하지 않는 모드에서 SBG들을 사용하는 것이 유익하다. 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트 시키도록 구성된 적어도 하나의 다중화된 회절 격자이다.
일부 실시예들에서, 도파관 장치는 출사 동공 확장을 제공하는 폴드 격자를 포함한다. 다양한 폴드 격자들이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 다수의 실시예들에서 사용될 수 있는 다양한 폴드 격자들의 예들은 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181 또는 본 명세서에 인용된 다른 참고 문헌들에 기재된 바와 같이 개시되어 있다. 일부 실시예들에 따라, 폴드 격자는, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트하기 위한 다중의 격자들을 포함하며, 각각의 격자는 작은 동공 시프트를 제공한다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덱스 층은 GRIN 매체이다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 다양한 GRIN 매체들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 다양한 GRIN 매체들의 예들은 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 근안 디스플레이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282 및 경사 지수 광학 장치를 사용한 도파관 디스플레이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/124,550에 개시된다.
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 층들이 동공 시프트를 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하도록 구성된다. 도 8은 하나 이상의 적층된 인덱스 층들이 동공 시프팅을 제공하도록 도파관의 상부 반사면에 인접하게 하나 이상의 적층된 인덱스 층들(174)이 배치된, 입력 격자(172) 및 출력 격자(173)를 포함하는 광학 기판(171)을 갖는 도파관 장치(170)의 실시예를 도시한다. 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 층들이 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 동공 시프팅을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 도 9는 하나 이상의 층들(184)이 동공 시프팅을 제공하도록 구성되도록 하나 이상의 적층된 인덱스 층들(184)이 광학 기판(181) 내에 배치되는, 입력 격자(182) 및 출력 격자(183)를 포함하는 광학 기판(181)을 갖는 도파관 장치(180)의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들 및 광학 기판의 적어도 하나의 반사면에 인접하여 역시 배치된 하나 이상의 인덱스 층들을 포함하는 디밴딩 광학 장치를 포함한다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트한다. 도 10은 선단 에지(193)를 갖는 입력 격자(192)를 포함하는 광학 기판(191)을 갖는 도파관 장치(190)의 한 실시예의 상세도이다. 두 개의 상이한 입력 각들(1090 및 1091) 및 대응하는 회절 광선들(1092 및 1093)에 대한 시준된 입력 광선 경로들이 도시된다. 입력 격자들(1094 및 1095)의 선단 에지로부터 두 개의 광선 세트들의 에지들의 분리가 도시된다. 일부 실시예들에서, 광선 번들의 입력 격자의 에지에 대한 광의 변위로 인해, 빔의 일부가 입력 격자 개구들 외부로 떨어지고, 따라서 인입하는 광의 필드 각에 따라 광학 기판 내부의 TIR 경로로 회절되지 않는다. 적절한 흡수 막이 다양한 실시예들에 따라 비 회절 광을 포획한다. 따라서, 도 2와 관련하여 더욱 상세히 기술된 바와 같이, 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)가 2D tan(U)에 의해 주어질 때, 빔 폭은 디밴딩 조건을 충족시키도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예의 일례는 후속 섹션에서 더욱 상세히 논의될 것이다(도 20 참조).
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킬 수 있다. 도 11은 입력 격자(202)를 포함하는 광학 기판(201)을 갖는 도파관 장치(200)의 한 실시예의 상세도이다. 두 개의 상이한 입력 각들(1100 및 1101)에 대한 시준된 입력 광선 경로들은 회절된 광선들(1102 및 1103) 각각이 광학 기판(201)을 따라 TIR 경로를 따르도록 입력 격자(202)에 의해 회절된다. 각각의 TIR 광선 경로(1104 및 1105)는 입사각에 기초하여 고유의 위치에 투사된 동공(1106 및 1107)을 형성하고, 밴딩 효과가 제거 및/또는 완화되도록 한다.
일부 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화하여 적어도 부분적으로 동공 시프트를 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 도 12는 입사광(1110)을 투과 광(1000) 및 반사 광(1111)으로 분리할 수 있는 부분 반사층(212)을 포함하는 광학 기판(211)을 갖는 도파관 장치(210)의 실시예의 상세도이다. 투과 및 반사된 광(1000 및 1111) 각각은 도파관 기판(211)을 따라 TIR 경로를 따라 가며, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 동공을 시프트한다.
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층으로서, 편광 변경 층은 입사광을 투과 및 반사 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거 또는 완화 시키도록 한다. 예를 들어, 도 13은 부분 반사 편광 변경 층(222)을 포함하는 광학 기판(221)을 갖는 도파관 장치(220)의 한 실시예의 상세도를 제공하며, 부분 반사 편광 변경 층은 편광 변경 층(222)의 지연 효과에 기인한 편광 벡터(1124)를 갖는 투과 광(1121) 및 반사된 광(1122)으로 분리한다. 투과된 광(1121) 및 반사된 광(1122)은 광학 기판(221)을 따라 TIR 경로들을 따라가 동공 시프트를 초래하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 편광 변경 층은 적어도 하나의 치수로 폴리머 재료를 신장시킴으로써 형성된다. 특정 실시예들에서, 편광 변경 층은 복굴절 폴리에스테르, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 폴리-에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 중합체 재료이다. 중합체 재료들은 단일 층으로 사용될 수 있거나 두 개 이상이 스택으로 결합될 수 있다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 임의의 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 적어도 2 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 격자이다. 일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기와 함께 사용되는 교차 경사 격자들을 갖는 적어도 하나의 격자를 포함한다. 도 14는 입력 이미지 생성기(232)에 결합된 광학 기판(231)을 갖는 도파관 장치(230)의 한 실시예를 도시한다. 광학 기판(231)은 교차 경사 격자들(233A 및 233B)을 갖는 입력 격자(233), 격자(235)를 포함하는 제 1 폴드 격자 출사 동공 확장기(234), 격자(237)를 포함하는 제 2 폴드 격자 출사 동공 확장기(236), 및 교차 경사 격자들(238A 및 238B)을 갖는 출력 격자(238)를 포함한다. 입력 격자(233)는 입력 이미지 생성기(232)로부터의 광을 한 방향(1130)으로 수용하며 상기 방향은 입력 격자(233)의 표면에 수직이 된다. 다수의 실시예들에서, 격자 내의 교차 격자들은 광학 기판의 평면에서 약 90 도의 상대 각을 갖는다. 그러나, 다른 각도들이 실제로 사용될 수 있고, 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함된다는 것을 알아야 한다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 격자들의 시스템이며, 따라서 입력 격자 및 출력 격자 각각은 교차 격자들을 직교 편광 상태에 대한 피크 회절 효율과 결합시킨다. 일부 실시예들에서, 입력 및 출력 격자들에 의해 생성된 편광 상태들은 S-편광 및 P-편광이다. 다수의 실시예들에서, 입력 및 출력 격자들에 의해 생성된 편광 상태들은 원형 편광의 정반대의 것들(opposing senses)이다. 일부 실시예들은 SBG들과 같은 액정 폴리머 시스템들에 레코딩된 격자들을 이용하며, 이들은 그들 고유의 복굴절에 기인한 이점을 가질 수 있고 강한 편광 선택도를 나타낼 수 있다. 그러나, 고유의 편광 상태들을 제공하도록 구성될 수 있는 다른 격자 기술들이 사용될 수 있고 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함된다는 것을 알아야 한다.
도 14로 돌아가서, 한 방향(1130)을 따라 입력 격자(233) 상에 입사하는 입력 광의 제 1 편광 성분은 격자(233B)에 의해 방향(1131)을 따라 TIR 경로로 지향되고, 제 2 편광 성분은 제 2 격자(233A)에 의해 방향(1132)을 따라 제 2 TIR 경로로 지향된다. TIR 경로들(1131 및 1132)을 따라 이동하는 광은 폴드 격자들(234 및 236)에 의해 광학 기판(231)의 평면에서 확장되고 출력 격자(238)를 향한 제 2 TIR 경로들(1133 및 1134)로 회절된다. 출력 격자(238)의 교차 경사들(238A 및 238B)은 밴딩 효과가 제거되거나 완화되도록 제 2 TIR 경로들(1133 및 1134)로부터의 광을 균일한 출력 경로(1135)로 회절시킨다. 일부 실시예들에서, 격자 처방은 폴드 격자 각도 대역폭을 향상시킬 수 있는, 격자와 유도된 광의 이중 상호 작용을 제공하도록 설계된다. 도파과 격자 장치라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 14/620,969에 기술된 격자와 같이 이중 상호 작용 폴드 격자들의 다수의 실시예들이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다. 도 15는 동공 시프트를 제공하도록 마이크로 디스플레이(241) 패널의 한 측면의 높은 NA로부터 다른 측면에서의 낮은 NA까지의 범위에 걸쳐 부드럽게 변화하는 개구 수(NA)의 변화를 갖도록 설계된 입력 이미지 발생기(240)의 한 실시예를 도시한다. 설명의 목적을 위해, 마이크로 디스플레이에 대한 NA는 본 명세서에서 마이크로 디스플레이에 수직인 축에 대해 마이크로 디스플레이 표면 상의 지점으로부터 이미지 광선 콘(image ray cone)의 최대 각도의 사인(sine)에 비례하는 것으로서 정의된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 마이크로 디스플레이(241)의 NA는 광학 성분(242)에 의해 공간적으로 변화되며, 이는 NA가 연장된 광선들(1140-1142)에 의해 지시되는 바와 같이 마이크로 디스플레이의 적어도 하나의 주 치수에 걸쳐 변하도록 한다. NA를 변화시키는데 사용되는 광학 성분은 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181에 기술된 임의의 광학 성분들과 같은 임의의 적절한 광학 성분일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 어레이가 마이크로 디스플레이의 디스플레이 패널에 걸쳐 NA를 공간적으로 변화시키는 데 사용된다.　　다수의 실시예들에서, MEM 어레이는 마이크로 디스플레이 패널로부터 반사된 광의 NA를 공간적으로 변화시킨다. 많은 실시예들에서, MEMS 어레이는 데이터 프로젝터들에 사용되는 기술을 이용한다.
일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 반사 장치이다. 일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 예를 들어 실리콘 상의 투과 액정(LCoS) 장치와 같은 투과 장치(transmission device)이다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 백라이트 및 가변 NA 성분을 갖는 투과 마이크로 디스플레이 패널을 갖는다. 백라이트가 채용될 때, 다양한 실시예들에 따라, 조명된 광은 전형적으로 마이크로 디스플레이의 후면을 조명하는 후면에 걸쳐 균일한 NA를 가지며, 이는 가변적인 NA 성분을 통해 전파되고, 마이크로 디스플레이의 주 축을 따라 변하는 NA 각들을 갖는 출력 이미지 변조된 광으로 변환된다.
다수의 실시예들에서, 방출형 디스플레이가 마이크로 디스플레이에 사용된다. 마이크로 디스플레이 내에서 사용하기 위한 방출형 디스플레이의 예들은 LED 어레이들 및 발광 폴리머 어레이들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 방출형 마이크로 디스플레이 및 공간적으로 변화하는 NA 성분을 통합한다. 다양한 실시예들에 따라, 방출형 디스플레이를 채용하는 마이크로 디스플레이로부터의 광은 전형적으로 디스플레이의 방출면에 걸쳐 균일한 NA를 가지며, 공간적으로 변화하는 NA 성분을 조명하고, 디스플레이 개구에 걸쳐 변화하는 NA 각들을 갖는 출력 이미지 변조된 광으로 변환된다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 복수의 격자 층들은 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트를 초래하는 임의의 고정 패턴 노이즈를 스미어링 아웃(smear out)하도록 구성된다. 도 16a는 출력 격자(253)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(252)에 광학적으로 결합된 픽처 생성 유닛(PGU)(251)을 갖는 도파관 장치(250)의 한 실시예이다. 광학 기판(252)은 적층된 입력 격자들(254 및 255) 및 도시되지 않은 폴드 격자를 포함한다. PGU(251)로부터의 입력 광(1150)은 입력 격자들(254 및 255)에 의해 도파관 기판(252)에 결합되고, 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃하고, TIR 경로들(1151)로 회절되고, 출력 격자(253)에 의해 추출된 광(1152)으로 회절되어 동공 시프트를 초래하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 다중의 격자들은 다중화된 격자로 결합된다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하도록 동공을 시프트시킨다. 많은 실시예들에서, 개별적 격자 소자들은 미리 정의된 입력 빔 각도 범위에서 입사된 광을 대응하는 TIR 각 범위로 회절하도록 설계된다. 도 16b는 출력 격자(253)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(262)에 광학적으로 결합된 PGU(261)을 갖는 도파관 장치(260)의 한 실시예이다. 광학 기판(262)은 선택적으로 스위칭 가능한 요소들(265)의 스위칭 가능한 입력 격자 어레이(264)를 포함한다. 입력 광(1160)은 입력 격자(264)에 의해 광학 기판(262)에 결합되며, 이는 TIR 경로들(1161)로 회절되고 출력 격자(263)에 의해 추출된 광으로 회절되는 수직 및 수평 방향들로의 동공 시프트를 제공하고, 밴딩 효과가 제거되거나 완화된다.
다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다. 일부 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 특히 높은 각 반사들에 영향을 주기 위해 상이한 인덱스들의 접착제를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층, 등방성 굴절 층, GRIN 구조, 반사 방지층, 부분 반사 층, 또는 복굴절 연신 폴리머 층들과 같은 층들을 포함한다. 도 16c는 출력 격자(273)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(272)에 광학적으로 결합된 PGU(271)을 갖는 도파관 장치(270)의 한 실시예이다. 광학 기판(272)은 입력 격자(274) 및 적어도 하나의 굴절률 층(275)을 포함한다. 입력 광(1170)은 입력 격자(275)에 의해 광학 기판(272)에 결합되고 공간 변화를 야기하는 굴절률 층(275)을 통과하는 TIR 경로들(1171)로 회절된 다음, 출력 격자(273)에 의해 추출된 광(1172)으로 회절되여, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 동공 시프트을 초래한다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하는 공간적으로 변화하는 NA들을 투사하는 마이크로 디스플레이이다. 일부 실시예들에서, NA는 두 개의 직교 방향들로 변화될 수 있다. 도 16d는 출력 격자(283)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(282)에 광학적으로 결합된 PGU(281)을 갖는 도파관 장치(280)의 한 실시예이다. 광학 기판(282)은 입력 격자(285)를 포함한다. 입력 광(1180)은 입력 격자(285)에 의해 광학 기판(282)에 결합되고 TIR 경로들(1181)로 회절된 다음 출력 격자(283)에 의해 추출된 광(1182)으로 회절된다. PGU(281)는 NA를 공간적으로 변화시키고 광을 변화하는 빔 프로파일들(1184-1186)로 변경할 수 있는 NA 변경 층(287)에 의해 중첩된 마이크로 디스플레이(286)를 가지며, 이로 인한 동공 시프트로 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 다양한 실시예들에 따라, PGU는 또한 예를 들어 투사 렌즈 및/또는 빔 스플리터와 같은 다른 성분들을 통합한다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 제거되거나 완화되도록 한다. 다수의 실시예들에서, 출사 동공은 입력 격자 상의 위치를 변경시킨다. 다양한 실시예들에 따른 이러한 기술은 하나의 빔 확장 축에서 밴딩을 어드레스하는 데 사용될 수 있다. 도 16e는 출력 격자(293)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(292)에 광학적으로 결합된 PGU(291)을 갖는 도파관 장치(290)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(295)으로부터 방출되는 입력 광(1190)은 입력 격자(294)를 통해 도파관에 결합되고, TIR 경로들(1191)로 회절된 다음, 출력 격자(293)에 의해 추출된 광(1192)으로 회절되어 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 방향에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다. 도 16f는 출력 격자(303)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(302)에 광학적으로 결합된 PGU(301)을 갖는 도파관 장치(300)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(305)으로부터 방출하는 입력 광(1200)은 입력 회절 격자(304)에 의해 도파관에 결합되고 TIR 경로들(1201)로 회절된다. 유도된 광은 입사광의 각 방향에 대해 기판(302)을 따라 상이한 위치들에서 빔 각도 의존 투사된 동공들(1203-1205)을 형성하고, 그 다음 출력 격자(303)에 의해 추출된 광(1202)으로 회절되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다. 많은 실시예들에서, 입력 격자는 커플링 프리즘으로 대체된다. 일부 실시예들에서, 입력 광은 경사진 PGU 동공을 통해 제공된다. 프리즘 각도 및 협동 PGU 동공 경사를 선택함으로써, 다양한 실시예들에 따라, PGU 출사 동공 밖의 각도들과 도파관의 TIR 각들 사이의 대략 선형 관계를 달성할 수 있으며, 전체 시야 범위에 걸쳐 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)에 대한 유효 입력 개구가 2D tan(U)에 의해 주어질 때 디밴딩 존건을 만족시킨다. 도 16g는 출력 격자(313)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(312)에 광학적으로 결합된 PGU(311)을 갖는 도파관 장치(310)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(315)으로부터 방출하는 입력 광(1210)은 TIR 경로들(1211)을 초래하는 프리즘(314)에 의해 광학 기판(312)에 결합되고, 그 다음 출력 격자(293)에 의해 추출된 광(1192)으로 회절되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 프리즘으로 인한 컬러 분산은 회절면에 의해 보상된다. 많은 실시예들에서, 프리즘 커플러는 각도의 함수로서 광을 형성하도록 설계된 굴절면 개구들을 갖는다. 프리즘을 통해 도파관 내로 투과되지 않는 빔의 에지들에서의 광은 다수의 실시예들에 따라 배플링(baffling) 또는 광 흡수 코팅(light absorbing coatings)에 의해 주 광 경로로부터 제거된다.
일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다. 도 16h는 하나의 빔 확장 축을 따라 빔 시프팅을 위해 설계된 도파관 장치(320)의 실시예를 도시한다. 도파관 장치는 출력 격자(323) 및 입력 격자(324)를 포함하는 도파관(322)에 결합된 PGU(321), 광 흡수 막(326)이 에지들 중 하나에 적용된 기판(325), 광 흡수 막(328)이 에지들 중 하나에 적용된 기판(327)을 가지며, 상기 기판들(325 및 327)은 상기 입력 격자를 포함하는 도파관(322)의 일부를 샌드위치한다. 입력 빔(1221)의 상한(upper limit)에서의 입력 광선은 입력 격자(324)에 의해 TIR 경로(1223)로 회절되고 기판(325)에 적용된 광 흡수 막(326)에 의해 흡수되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 입력 빔(1222)의 하한(lower limit)에서의 입력 광선은 입력 격자(32)에 의해 TIR 경로(1224)로 회절되고 기판(327)에 적용된 광 흡수 막(328)에 의해 흡수되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 입력 빔(1220)의 중심부 부근의 입력 광선은 입력 격자(324)에 의해 광 흡수 막들(326 및 328) 중 어느 하나와도 상호 작용하지 않는 TIR 경로(1225)로 회절되고, 출력 격자(323)에 의해 출력 빔(1226)으로 추출될 때까지 TIR 하에서 계속 전파한다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다. 도 17은 입력 격자(334)가 입력 기판(333) 내에 배치되며, 입력 격자가 기판(332)과 함께 도파관(331)을 샌드위치하도록 구성된 도파관 장치(330)의 한 실시예를 도시한다. 주변 광선들(1231 및 1232)을 갖는 주어진 시야 방향(1230)에 대한 입력 빔의 단면이 입력 격자(334)로 들어간다. 광선들(1233 및 1234)로 경계가 된 입력 빔 부분은 빔 경로(1236)로 회절되고 상부 기판(332)의 에지에 적용된 흡수 막(335)에 의해 차단된다(intercepted). 광선들(1232 및 1235)로 경계가 된 입력 빔 부분은 빔 경로(1237)로 회절되고 ,상부 기판(332)의 외부 표면에서 TIR을 받게 되고, 입력 기판 에지에 적용된 흡수 막(336)에 의해 차단된다. 광선들(1231 및 1233) 및(1234 및 1235)로 경계가 된 입력 빔 부분들은 빔 단면 영역(1243)과 이후 모든 빔 단면들에서 갭 또는 중첩을 나타내지 않는 각각의 TIR 경로들(1239 및 1240) 및 (1241 및 1242)로 회절되고, 그에 의해 TIR 각(U)을 이용하여 밴딩을 제거하고, 도파관 기판 두께(D)는 2D tan(U)로 주어진다. 일부 특정 실시예들에서, 도파관의 두께는 3.4 mm이고, 상부 기판의 두께는 0.5 mm이고, 하부 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다. 이러한 기하학적 구조와 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)의 디밴딩 조건이 2D tan(U)로 주어지는 데 기초하여, 처리 효율(throughput efficiency)은 대략 1-2*0.5/(2*3.4)= 84 %로 추정되며, 시야에 걸쳐 약간의 변화가 있다.
입력 기판을 이용하는 일부 실시예들에서, 입력 격자는 주 도파관에 접합된 개별 셀들에 구현되어, 인듐 주석 산화물(ITO) 코팅을 단순화한다. 입력 기판을 이용하는 많은 실시예들에서, 투사 정지부(projected stop)를 형성하고 PGU 출사 동공을 기울이는 것에 기초한 빔 시프팅 기술은 통합되어, 직교 방향들로 디밴딩을 제공한다.
도 18은 도파관 부분(341), 상대 각도(1250)로 기울어진 두 개의 굴절면들을 갖는 프리즘(342), 및 PGU(도시되지 않음)의 출사 동공(343)을 갖는 도파관 장치(340)의 실시예의 상세도이며, 상기 출사 동공(343)은 기준 축(1252)에 대해 각도(1251)로 경사진다.
일부 실시예들에서, 프리즘은 작은 에어 갭에 의해 도파관으로부터 분리된다. 많은 실시예들에서, 프리즘은 낮은 인덱스 재료의 얇은 층에 의해 도파관으로부터 분리된다.
도 18로 돌아가서, 출사 동공(343)으로부터의 광 빔들(1253 및 1254)은 빔들(1255 및 1256)로서 프리즘(342)을 통해 굴절된 두 개의 상이한 필드 각들에 대응하고, 이어서 도파관(341) 내부의 TIR 경로들(1257 및 1258)로 결합된다. 프리즘(1259A 및 1259B)에 인접한 도파관 표면에서의 빔 폭이 도시되어 있다. 프리즘 각도, PGU 출사 동공 기울기 각도, 프리즘 인덱스, 도파관 인덱스 및 도파관 두께에 적합한 값들을 선택하고 TIR 각(U) 및 도파관 기판 두께(D)가 2D tan(U)로 주어지는 것을 이용하여, 광은 모든 필드 각도들에 대해 디밴딩되고 동시에 PGU 출사 동공에서의 필드 각도와 시야에서의 임의의 광선에 대한 도파관 내의 TIR 각 사이에 대략적인 선형 관계를 제공한다.
컬러 도파관들을 포함하는 다수의 실시예들에서, 상이한 평면 상에 상기한 도파관들 각각에서 투사 정지부들이 생성되도록 요구되며, 상기 도파관들은 스택을 형성한다. 이들 정지부들의 오정렬은 도파관으로부터의 출력 이미지들의 컬러 성분들의 부정합 등록(misregistration) 및 그에 따른 컬러 밴딩을 초래한다. 다양한 실시예들에 따른 하나의 해결책은 컬러 밴딩에 대한 약간의 보상을 제공하기 위한 외부 이색성 부분들(outer dichroic portions)을 갖는 도파관 입력 정지부 및 상기 입력 정지부에 기인한 위상 시프트를 보상하기 위한 내부 위상 보상 코팅(예를 들면, SiO2)이다. 일부 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 외부 이색성 부분들을 갖지만, 위상 보상 코팅은 없다. 일부 실시예들에 따라 도파관 입력 정지부는 도파관의 입력 표면에 인접하며 입력 격자와 중첩하는 얇은 투명판 상에 형성된다. 다수의 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 격자 내부의 층 내에 배치된다. 많은 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 도파관 외부 표면에 직접 인접하여 배치된다.
광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 동공이 투사될 때, 다양한 실시예들에 따라, 컬러 디스플레이 적용 투사 정지부들은 별개의 적색, 녹색 및 청색 투과 광학 기판 층들 내의 상이한 평면들에서 생성된다. 일부 실시예에서, 도파관 입력 스톱은 동공을 시프트하고 색상 밴딩을 제거하거나 완화시키는 외부 이색성 부분들 및 위상 시프트를 보상하는 내부의 위상 보상 코팅 부분들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 내부 위상 보상 코팅은 SiO2이다. 도 19는 동공을 시프트하고 컬러 밴딩을 제거하거나 완화하기 위한 외부 이색성 부분들(352 및 353) 및 내부 위상 보상 SiO2 코팅(351)을 갖는 도파관 입력 정지부(350)의 실시예를 도시한다.
많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광이 동공을 시프트하기 위해 임의의 주어진 입사광 방향에서 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 광의 변위는 광 빔의 일부가 입력 격자 개구들 외부로 떨어지도록 하며, 따라서 도파관 내부의 TIR 경로로 회절되지 않으며, 이는 필드 각으로 변한다. 일부 실시예들에서, 비 회절 광은 적절한 흡수 막에 의해 트랩될 수 있다. 많은 실시예들에서, 빔 폭은 TIR 각(U) 및 도파관 기판 두께(D)가 2D tan(U)에 의해 주어지는 디밴딩 조건을 충족시키는 변위에 의해 조정될 수 있다. 도 20은 입력 격자(362)를 포함하는 광학 기판(361)을 갖는 도파관 장치(360)의 한 실시예의 상세도이다. 두개의 상이한 입력 각들에 대한 시준된 입력 광선 경로들(1090 및 1091) 및 (1092 및 1093)은 광선들(1094 및 1095) 및 (1096 및 1097)로 회절된다. 각각의 입력 빔 각도에 대해, 입력 빔의 일부는 입력 격자(362)를 놓치고 각각의 빔으로부터 나오는 광선들(1098 및 1099)로서 도파관 기판(361)을 통해 벗어나지 않고서 통과한다. 많은 실시예들에서, 도파관 표면에 적용된 광 흡수 막은 비 회절 광을 트랩한다.
여기에 설명된 디밴딩의 다양한 실시예들은 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 디밴딩에 대한 실시예들은 주 도파관 방향을 따라 입력 격자의 회절 효율을 변화시키는 기술과 결합될 수 있다. 또한, 많은 실시예들에서, 디밴딩의 실시예들은 각각의 빔 팽창 방향으로 수행된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 디앤딩 솔루션을 이용하는 둘 이상의 실시예들이 결합되어 2 차원에서 디밴딩을 제공한다. 도파관 장치가 2 차원으로 동작하는 다수의 실시예들에서, 상기 장치는 2 차원에서의 디밴딩을 허용하는 폴드 격자들을 포함한다.
다수의 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 윈도우, 예를 들어 로드 차량 적용들에 대한 윈드스크린-통합(windscreen-integrated) HUD와 통합된다. 임의의 적절한 윈도우-통합된 디스플레이가 도파관 디스플레이에 통합되어 본 발명의 다양한 실시예들에 포함될 수 있음을 이해해야 한다. 윈도우-통합된 디스플레이의 예들은 윈도우에 통합하기 위한 광 도파관 디스플레이들이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,064 및 윈도우에 통합하기 위한 광 도파관 디스플레이들이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,066에 기재되어 있다.
많은 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 입력 이미지 생성기와 도파관 사이에서 이미지 컨텐츠를 중계하기 위한 경사 굴절률(GRIN) 도파 성분들(wave-guiding components)을 포함한다. 예시적인 GRIN 도파 성분들은 경사 굴절률 광학 장치를 사용하는 근안 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282, 경사 굴절률 광학 장치를 사용하는 도파관 디스플레이라는 명칭의 및 미국 가특허 출원 번호 62/124,550에 기재되어 있다. 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 한 방향으로 빔 확장을 제공하기 위한 광 파이프를 포함한다. 광 파이프의 예들은 광 파이프를 통합하는 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/177,494에 기술되어 있다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 발생기는 컴팩트 에지 조명의 회절 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 9,075,184에 개시된 바와 같은 레이저 스캐너에 기초할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은, (이에 한정되는 것은 아니지만) AR 및 VR 용 HMD, 헬멧 장착형 디스플레이, 프로젝션 디스플레이, 헤드 업 디스플레이(HUD), 헤드 다운 디스플레이(HDDs), 자동 입체 디스플레이(autostereoscopic displays) 및 기타 3D 디스플레이를 포함하는 광범위한 디스플레이들에 사용된다. 다수의 실시예들은 예를 들어 아이 트랙커, 지문 스캐너, LIDAR 시스템, 조명기 및 백라이트와 같은 도파관 센서들에 적용된다.
일부 실시예들에서, 도파관 장치는 아이 트랙커를 포함한다. 다수의 아이 트랙커들이 사용될 수 있고 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함될 수 있음을 이해해야 하며, 상기 아이 트랙커들은 홀로그래픽 도파관 아이 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2014/000197, 홀로그래픽 도파관 광 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2015/000274 및 아이 트랙킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2013/000210에 기술된 아이 트랙커들을 포함한다.
도면들은 예시적인 것이며 치수들이 과장되어 있음을 강조한다. 예를 들어, SBG 층들의 두께들은 크게 과장되었다. 전술 한 실시예들 중 임의의 것에 기초한 광학 장치들은, 홀로그램 폴리머 분산형 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 재료 및 프로세스를 사용하는 플라스틱 기판들을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이중 확장 도파관 디스플레이는 만곡될 수 있다.
다양한 예시적인 실시예들에 도시된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 구성 및 배치는 단지 예시적인 것이다. 단지 몇몇 실시예들이 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 많은 변경들이 가능하다(예를 들면, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료, 색상, 배향의 사용 등). 예를 들어, 요소들의 위치들은 반대로 되거나 또는 다르게 변화될 수 있으며, 이산적인 요소들 또는 위치들의 본질 또는 수는 변경되거나 변하게 될 수 있다. 따라서, 모든 그러한 변경들은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안의 실시예들에 따라 변하거나 재 배열될 수 있다. 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건 및 배열에서 다른 치환, 수정, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.
등가 원칙
상기 설명으로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 전술한 개념들은 본 발명의 실시예들에 따라 다양한 구성들으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 어떠한 특정 양태들로 설명되었지만, 많은 추가적인 수정들 및 변형들은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 면에서 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다.

Claims (93)

  1. 도파관 장치에 있어서:
    적어도 하나의 광학 기판;
    적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같은 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 하는 적어도 하나의 광 커플러;
    상기 광학 기판으로부터 광을 추출하는 적어도 하나의 광 추출기;
    조명된 동공(illuminated pupil)의 밴딩 효과를 완화시켜, 상기 추출된 광이 완화된 밴딩을 갖는 실질적으로 편평한 조명 프로파일이 되게 하는 디밴딩 광학 장치(debanding optic)를 포함하는, 도파관 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 추출된 광은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 추출된 광은 20% 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구(effective input aperture)이며, 그에 따라 상기 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 상기 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출되는, 도파관 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공하는, 도파관 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어 각각의 격자가 밴딩을 완화하도록 작은 동공 시프트(small pupil shift)를 제공하는, 도파관 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온 하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온 할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들(rolled K-vectors)을 갖는, 도파관 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이 되도록 구성되는, 도파관 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들(index layers)로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 상기 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(gradient index)(GRIN) 매체인, 도파관 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 기판의 적어도 일부의 에지 상에 적어도 하나의 반사면을 더 포함하며, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는, 도파관 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는, 도파관 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 상기 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 상기 입력 격자에 의해 제공되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 상기 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 상기 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 상기 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있는, 도파관 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변하는, 도파관 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 회절 효율의 변화는 상기 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변하는, 도파관 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 부분 반사 층으로서, 상기 부분 반사 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층(polarization modifying layer)으로서, 상기 편광 변경 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 이동시켜 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이고, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 어떠한 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하는 적어도 두 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성되어, 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기(fold grating exit pupil expander)와 함께 사용된 교차 경사 격자들(crossed slant gratings)을 갖는, 도파관 장치.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분인, 도파관 장치.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 어떠한 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃(smear out)하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 상기 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 상기 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는 복수의 굴절률 층들인, 도파관 장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들의 접착제들을 포함하는, 도파관 장치.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조들, 반사 방지층들, 부분 반사 층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함하는, 도파관 장치.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이인, 도파관 장치.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 상기 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 하는, 도파관 장치.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 상기 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공들을 형성하기 위해 광선들을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화되게 하는, 도파관 장치.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 기판은 두께 D를 가지며, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 상기 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 상기 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭들을 발생시키지 않는, 도파관 장치.
  33. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치.
  34. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 기판은 두께 D를 가지며, 상기 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 상기 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 상기 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는, 도파관 장치.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 상기 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 상기 입력 기판은 상기 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함하는, 도파관 장치.
  36. 제 1 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광이 어떠한 주어진 입사광 방향에서 상기 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 가져 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 구성된 입력 격자인, 도파관 장치.
  37. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 통합되는, 도파관 장치.
  38. 제 37 항에 있어서, 인간의 눈은 상기 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치되는, 도파관 장치.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 디바이스는 아이 트랙커(eye tracker)를 포함하는, 도파관 장치.
  40. 제 1 항에 있어서, 상기 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 상기 광을 시준하기 위한 광학 장치(optics)를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함하는, 도파관 장치.
  41. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 레이저인, 도파관 장치.
  42. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)인, 도파관 장치.
  43. 제 1 항에 있어서, 상기 광 커플러는 입력 격자인, 도파관 장치.
  44. 제 1 항에 있어서, 상기 광 커플러는 프리즘인, 도파관 장치.
  45. 제 1 항에 있어서, 상기 광 추출기는 입력 격자인, 도파관 장치.
  46. 컬러 도파관 장치에 있어서:
    서로 적층된 적어도 두 개의 광학 기판들;
    적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자에서 결정된 바와 같은 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 하는 적어도 하나의 광 커플러;
    상기 광학 기판으로부터 광을 추출하는 적어도 하나의 광 추출기;
    적어도 두 개의 입력 정지부들(input stops)로서, 각각의 입력 정지부는 상이한 광학 기판 내에 있고, 각각 상이한 평면에 있으며, 각각의 입력 정지부는 동공을 시프트하고 컬러 밴딩을 완화시키는 외부 이색성 부분(outer dichroic portion)을 포함하는, 상기 적어도 두 개의 입력 정지부들을 포함하는, 컬러 도파관 장치.
  47. 제 46 항에 있어서, 각각의 입력 정지부는 또한 위상 시프트를 보상하기 위한 내부 위상 보상 코팅(inner phase compensation coating)을 포함하는, 컬러 도파관 장치.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 보상 코팅은 SiO2를 포함하는, 컬러 도파관 장치.
  49. 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법에 있어서:
    광원으로부터의 입사광을 생성하는 단계;
    광 커플러를 통해 입사광을 통과시키는 단계로서, 상기 입사광을 광학 기판에 결합시키고, 그에 의해 상기 결합된 광이 상기 광학 기판 내에서 전체 내부 반사(TIR)를 받게 하는, 상기 입사광을 통과시키는 단계; 및
    상기 출력 조명을 생성하도록 광 추출기를 통해 상기 광학 기판으로부터 TIR 광을 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 광은 상기 도파관 장치의 디밴딩 광학 장치를 통과하여 상기 디밴딩 광학 장치가 상기 출력 조명의 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 출력 조명은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  51. 제 49 항에 있어서, 상기 출력 조명은 20% 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  52. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구이며, 그에 따라 상기 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  54. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어 각각의 격자가 밴딩을 완화하도록 작은 동공 시프트를 제공하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  55. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온 하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  56. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온 할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들을 갖는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  58. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 및 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이며, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이 되도록 구성되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  59. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 상기 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  60. 제 59 항에 있어서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(GRIN) 매체인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  61. 제 49 항에 있어서, 상기 도파관 장치는 상기 광학 기판의 적어도 일부의 에지 상에 적어도 하나의 반사면을 더 포함하며, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  62. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 상기 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  63. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 상기 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 상기 입력 격자에 의해 제공되어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  64. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 상기 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 상기 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 상기 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  65. 제 64 항에 있어서, 상기 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  66. 제 65 항에 있어서, 상기 회절 효율의 변화는 상기 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  67. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 부분 반사 층으로서, 상기 부분 반사 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  68. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층으로서, 상기 편광 변경 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 이동시켜 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  69. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이고, 상기 선택된 적어도 하나의 격자는 어떠한 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하는 적어도 두 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성되어, 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  70. 제 69 항에 있어서, 상기 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기와 함께 사용된 교차 경사 격자들을 갖는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  71. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  72. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 어떠한 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  73. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 상기 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  74. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 상기 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주어 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트하는 복수의 굴절률 층들인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  75. 제 74 항에 있어서, 상기 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들의 접착제들을 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  76. 제 74 항에 있어서, 상기 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조들, 반사 방지층들, 부분 반사 층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  77. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  78. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 상기 출사 동공의 단면이 필드 각도에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  79. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 상기 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공들을 형성하기 위해 광선들을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화되게 하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  80. 제 49 항에 있어서, 상기 광학 기판은 두께 D를 가지며, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 상기 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 상기 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭들을 발생시키지 않는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  81. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  82. 제 49 항에 있어서, 상기 광학 기판은 두께 D를 가지며, 상기 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 상기 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 상기 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  83. 제 82 항에 있어서, 상기 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 상기 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 상기 입력 기판은 상기 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  84. 제 49 항에 있어서, 상기 디밴딩 광학 장치는 상기 광이 어떠한 주어진 입사광 방향에서 상기 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 가져 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 구성된 입력 격자인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  85. 제 49 항에 있어서, 상기 방법은 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 의해 수행되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  86. 제 85 항에 있어서, 인간의 눈은 상기 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  87. 제 85 항에 있어서, 상기 디스플레이는 아이 트랙커를 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  88. 제 49 항에 있어서, 상기 도파관 장치는 상기 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 상기 광을 시준하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  89. 제 49 항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 레이저인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  90. 제 49 항에 있어서, 상기 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  91. 제 49 항에 있어서, 상기 광 커플러는 입력 격자인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  92. 제 49 항에 있어서, 상기 광 커플러는 프리즘인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
  93. 제 49 항에 있어서, 상기 광 추출기는 입력 격자인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
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