KR20190128072A - 저-프로파일 빔 스플리터 - Google Patents
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Abstract
광원으로부터의 입력 광을 공간 광 변조기로 지향시키기 위한 광 프로젝터 시스템들의 예들이 제공된다. 예컨대, 회절 광학 엘리먼트를 갖는 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면, 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스가 개시된다. 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적인 빔 분할 표면일 수 있다. 회절 광학 엘리먼트는 제1 상태를 갖는 광으로 구성된 입력 빔을 수신하고, 그리고 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여, 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되며 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 할 수 있다.
Description
[0001]
본 출원은 "LOW-PROFILE BEAM SPLITTER"란 명칭으로 2017년 3월 21일에 출원된 미국 가특허 출원번호 제62/474,543호 뿐만아니라 "LOW-PROFILE BEAM SPLITTER"란 명칭으로 2017년 10월 11일에 출원된 미국 가특허 출원번호 제62/570,995호를 우선권으로 주장하며, 이로써 이 가출원들의 내용들은 마치 전체가 기재된 것 처럼 그 전체가 인용에 의해 명백하게 그리고 완전히 통합된다.
[0002]
본 개시내용은 가상 현실, 증강 현실 및 혼합 현실 이미징 및 시각화 시스템들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 이들 및 다른 광학 시스템들에서 사용하기 위한 컴팩트(compact) 빔 스플리터들에 관한 것이다.
[0003]
현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 가능하게 하였으며, 여기서 디지털 방식으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실(VR) 시나리오는 전형적으로 다른 실제 실세계 시각 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반한다. 증강 현실("AR") 시나리오는 전형적으로 사용자 주위의 실제 실세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실(MR) 시나리오는 AR 시나리오의 타입이고 전형적으로 실제 실세계에 통합되고 이에 응답하는 가상 객체들을 수반한다. 예컨대, MR 시나리오에서, AR 이미지 콘텐츠는 실제 실세계의 객체들에 의해 차단되거나, 그렇지 않으면, 실제 실세계의 객체들과 상호작용하는 것으로 지각될 수 있다.
[0004]
도 1에서는 AR 장면(scene)(10)이 묘사되는데, 여기서 AR 기술의 사용자는 배경 내의 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 실세계 플랫폼(30)을 특징으로 하는 실세계 공원형 세팅(20)을 본다. 이들 아이템들에 부가하여, AR 기술의 사용자는 또한, 그가 "가상 콘텐츠", 이를테면, 실세계 플랫폼(30) 상에 서 있는 로봇 동상(40), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화-형 아바타 캐릭터(50)를 "보는 것"을 지각하지만, 이들 엘리먼트들(40, 50)은 실세계에 존재하지 않는다.
[0005]
비록 VR, AR 및/또는 MR 기술들이 사용자에게 흥미롭고 즐거운 뷰잉 경험들을 사전에 제공할 수 있지만, 더 컴팩트하고 경량인 VR, AR 및 MR 시스템들이 사용자 경험을 더욱 강화시키기 위한 필요성이 존재한다. 본원에서 개시된 시스템들 및 방법들은 이러한 목표들을 달성하는 데 도움이 될 수 있다.
[0006]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 투과성 회절 광학 엘리먼트는 제1 표면상에 정상적으로 입사되는 시준된 입력 빔을 수신하고 ― 시준된 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 시준된 입력 빔을 제1 회절 각도로 회절된 적어도 제1 회절 빔으로 변환하여 제1 회절 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0007]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 발산 입력 빔을 수신하고 ― 발산 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여 제1 시준 및 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0008]
일부 실시예들에서, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD)는, 프레임; 프레임에 의해 지지되고 이미지를 사용자의 눈에 투사하도록 구성된 투사 옵틱스(optics); 및 투사 옵틱스와 광 통신하는 광 프로젝터 시스템을 포함하며, 광 프로젝터 시스템은 이미지로 인코딩된 변조된 광을 제공하도록 구성되며, 광 프로젝터 시스템은 입력 빔을 방출하기 위한 광원; 회절 광학 엘리먼트를 갖는 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면, 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 회절 광학 엘리먼트는 제1 상태를 갖는 광을 포함하는 입력 빔을 수신하고, 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절 빔으로 변환하여 제1 회절 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성됨 ―; 및 공간 광 변조기를 포함하며, 공간 광 변조기는 광학 디바이스에 의해 공간 광 변조기에 전달된 입력 빔을 사용하여 변조된 광을 생성하도록 구성된다.
[0009]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 회절 광학 엘리먼트는 입력 빔을 수신하고 ― 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0010]
일부 실시예들에서, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법은: 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이며 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―; 제1 표면에 입사되는 입력 빔을 생성하는 단계 ― 입력 빔은 제1 표면에 수직하게 이동되며 제1 상태를 가짐 ―; 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되며 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 제1 표면상에 제공하는 단계; 공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 공간 광 변조기는 공간 광 변조기에 수직인 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ―; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 이미지 정보를 사용자에게 투사하는 단계를 포함한다.
[0011]
일부 실시예들에서, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법은: 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이며 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―; 제1 표면에 입사되는 발산 입력 광빔을 생성하는 단계 ― 발산 입력 광빔은 제1 상태를 가짐 ―; 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여, 제1 시준 및 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되며 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 제1 표면상에 제공하는 단계; 공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 공간 광 변조기는 공간 광 변조기에 수직인 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ―; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 이미지 정보를 사용자에게 투사하는 단계를 포함한다.
[0012]
도 1은 일부 실시예들에 따른 AR 디바이스를 통한 증강 현실(AR)의 사용자 뷰를 예시한다.
[0013] 도 2는 일부 실시예들에 따른, 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0014] 도 3은 일부 실시예들에 따른, 사용자에 대한 3-D 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0015] 도 4는 일부 실시예들에 따른, 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0016] 도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예들에 따른, 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0017] 도 6은 일부 실시예들에 따른, 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0018] 도 7은 일부 실시예들에 따른, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0019] 도 8은 일부 실시예들에 따른, 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0020] 도 9a는 일부 실시예들에 따른, 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0021] 도 9b는 일부 실시예들에 따른, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0022] 도 9c는 일부 실시예들에 따른, 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0023] 도 10은 일부 실시예들에 따른, 빔 스플리터(BS), 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 프로젝터 시스템을 예시한다.
[0024] 도 11a는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 BS, 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 프로젝터 시스템을 예시한다.
[0025] 도 11b는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 BS, 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 투사 시스템을 예시한다.
[0026] 도 12a 및 도 12b는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템에서 사용하기 위한 투과성 회절 광학 엘리먼트를 갖는 예시적인 저-프로파일 BS를 예시한다.
[0027] 도 13a는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템에서 사용하기 위한 반사성 회절 광학 엘리먼트를 갖는 예시적인 저-프로파일 BS를 예시한다.
[0028] 도 13b 및 도 13c는 일부 실시예들에 따른, 다수의 광원들로부터의 발산 입력 광의 시준 및 다중화를 도시하는, 도 13a의 저-프로파일 BS의 측면도 및 평면도를 개략적으로 각각 예시한다.
[0029] 도 13d는 일부 실시예들에 따른, 공간 광 변조기의 연속적이고 균일한 조명을 도시하는, 도 13a의 저-프로파일 BS를 예시한다.
[0013] 도 2는 일부 실시예들에 따른, 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0014] 도 3은 일부 실시예들에 따른, 사용자에 대한 3-D 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0015] 도 4는 일부 실시예들에 따른, 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0016] 도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예들에 따른, 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0017] 도 6은 일부 실시예들에 따른, 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0018] 도 7은 일부 실시예들에 따른, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0019] 도 8은 일부 실시예들에 따른, 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0020] 도 9a는 일부 실시예들에 따른, 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0021] 도 9b는 일부 실시예들에 따른, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0022] 도 9c는 일부 실시예들에 따른, 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0023] 도 10은 일부 실시예들에 따른, 빔 스플리터(BS), 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 프로젝터 시스템을 예시한다.
[0024] 도 11a는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 BS, 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 프로젝터 시스템을 예시한다.
[0025] 도 11b는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 BS, 광원 및 광 변조기를 포함하는 예시적인 광 투사 시스템을 예시한다.
[0026] 도 12a 및 도 12b는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템에서 사용하기 위한 투과성 회절 광학 엘리먼트를 갖는 예시적인 저-프로파일 BS를 예시한다.
[0027] 도 13a는 일부 실시예들에 따른, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템에서 사용하기 위한 반사성 회절 광학 엘리먼트를 갖는 예시적인 저-프로파일 BS를 예시한다.
[0028] 도 13b 및 도 13c는 일부 실시예들에 따른, 다수의 광원들로부터의 발산 입력 광의 시준 및 다중화를 도시하는, 도 13a의 저-프로파일 BS의 측면도 및 평면도를 개략적으로 각각 예시한다.
[0029] 도 13d는 일부 실시예들에 따른, 공간 광 변조기의 연속적이고 균일한 조명을 도시하는, 도 13a의 저-프로파일 BS를 예시한다.
개요
[0030]
머리 장착 디스플레이(HMD)는 광원으로부터의 입력 광을 공간 광 변조기(SLM)로 지향시킴으로써 사용자에게 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR) 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 광 프로젝터 시스템을 사용할 수 있으며, 공간 광 변조기(SLM)는 이미지 정보를 사용하여 입력 광을 인코딩한 다음, 결과적인 변조된 광을 하나 이상의 광학 엘리먼트들을 통해 사용자에게 반사 또는 전달할 수 있다. 빔 스플리터(BS)는 광 프로젝터 시스템에서 입력 광을 SLM 향해 지향시키고, SLM으로부터 변조된 광을 수신하여 이를 (가능하게는 하나 이상의 중간 광학 컴포넌트들을 통해) 사용자를 향해 지향시키기 위해 사용될 수 있다.
[0031]
BS는 광원으로부터 입력 광을 수신하기 위한 입력 표면을 포함할 수 있다. 그러면, 입력 광은 빔 분할 표면으로 전파될 수 있으며, 빔 분할 표면은 광의 편광과 같은 광의 특성에 기초하여 2개의 방향들 중 하나의 방향으로 광을 재지향시킨다. 빔 분할 표면은 입력 광의 적어도 일부를 BS의 출력/입력 표면을 향해 재지향시킬 수 있다. 출력/입력 표면은 먼저 출력/입력 표면에 인접하게 배치된 SLM과 같은 다른 광학 컴포넌트에 입력 광을 출력한다. SLM은 입력 광을 이미지 정보로 변조한 다음, 변조된 광을 BS의 출력/입력 표면을 향해 다시 반사시킬 수 있다. 그 후, 변조된 광은 BS의 출력/입력 표면을 통해 BS에 재진입하며, 이후 변조된 광의 적어도 일부는 빔 분할 표면을 통과하여 궁극적으로 출력 표면에서 BS로부터 출사될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 표면의 대향 측면들은 각각 BS의 출력 표면 및 출력/입력 표면에 수직으로 결합된다. 빔 분할 표면은 이들 표면들에 대해 일정 각도로 배열될 수 있다.
[0032]
HMD 응용들의 경우에, BS가 SLM의 입력 평면에 수직인 방향으로 SLM을 향해 입력 광을 지향시키는 것이 유리할 수 있다. 또한, 사용자에 의한 인터럽트 없는 뷰잉을 위해 적절한 이미지 재생을 달성하기 위해, 광 프로젝터 시스템은 균일한 파면을 갖는 입력 광(예컨대, 존재하는 경우 파면 곡률이 비교적 거의 없는 시준된 광)으로 SLM의 전체 입력 평면을 조명하도록 설계될 수 있다. 이러한 자격들을 만족시킬 수 있는 BS의 일례는 큐브 BS이다. 큐브 BS에서, 입력 표면 및 출력/입력 표면은 큐브 BS의 2개의 인접한 면들일 수 있다. 한편, 빔 분할 표면은 45도 각도들로 입력 표면과 출력/입력 표면 사이에서 연장될 수 있다. 단면에서, 빔 분할 표면은 다른 2개의 레그들로서 입력 표면 및 출력/입력 표면을 갖는 45도 직각 삼각형의 빗변이다.
[0033]
BS의 크기는 광 프로젝터 시스템 및 광 프로젝터 시스템을 활용하는 HMD의 크기에 영향을 미칠 수 있다. HMD들의 크기들을 감소시키기 위한 지속적인 요구가 있기 때문에, 광 프로젝터 시스템과 같은 HMD들의 구성 부분들의 크기들을 감소시키기 위한 요구가 또한 있다. 따라서, 광 프로젝터 시스템에서 활용되는 BS의 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 감소된 크기의 적어도 하나의 치수를 BS에 제공하는 것이 유리할 것이다.
[0034]
따라서, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템의 다양한 실시예들이 본원에서 설명된다. 저-프로파일 광 프로젝터 시스템의 일부 실시예들은 하나 이상의 다른 치수들(예컨대, 출력/입력 표면의 폭)보다 더 짧은 적어도 하나의 치수(예컨대, 입력 표면의 높이)를 갖는 저-프로파일 BS를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 빔 분할 표면은 더 이상 입력 표면 및 출력/입력 표면과 45도 각도들을 형성하지 않는다. 대신에, 빔 분할 표면은 입력 표면 또는 출력/입력 표면과 45도 미만의 각도를 형성한다. 더욱이, 저-프로파일 BS는 더 이상 큐브가 아니다.
[0035]
시준된 광으로 SLM을 조명하기 위한 큐브 BS와 유사한 능력들을 유지하기 위해, 투과성 또는 반사성 회절 광학 엘리먼트가 저-프로파일 BS의 표면 상에, 그 표면 내부에 또는 그 표면에 인접하게 제공될 수 있다. 본원에서 설명된 다른 가능한 기능들 중에서, 회절 광학 엘리먼트는 광의 입력 빔을 하나 이상의 회절된 빔으로 변환하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 회절된 빔들은 그 빔들이 결국에는, 가능하게는 저-프로파일 BS의 하나 이상의 다른 표면들에서의 하나 이상의 중간 내부 반사 후에, 출력/입력 표면 및 인접 SLM을 향해 법선 각도로 빔 분할 표면에서 반사되도록 적절한 각도들로 회절될 수 있다. 동시에, 하나 이상의 회절된 빔들은 적어도 하나의 더 큰 치수를 갖는 큐브 BS와 균등한 또는 유사한 양의 조명 커버리지를 SLM에 제공할 수 있다. 본원에서 설명된 바와같은 회절 광학 엘리먼트의 사용은 빔 분할 평면과 예컨대 저-프로파일 BS의 출력/입력 표면 사이의 각도의 감소를 가능하게 하므로, 프로젝터 시스템에서 저-프로파일 BS의 광학 기능들에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 저-프로파일 BS의 높이 (예컨대, 저-프로파일 BS의 입력 표면의 치수)를 전체적으로 감소시킬 수 있다.
예시적인
HMD
디바이스
[0036]
도 2는 일부 실시예들에 따른 웨어러블 디스플레이 시스템(60)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(60)은 디스플레이(70), 및 디스플레이(70)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계적 및 전자적 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(70)는, 디스플레이 시스템 사용자(90)에 의해 착용 가능하고 그리고 사용자(90)의 눈들의 전면에 디스플레이(70)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(80)에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(70)은 안경류로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(100)는 프레임(80)에 커플링되고 사용자(90)의 외이도에 인접하게 포지셔닝되도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(60)은 또한 하나 이상의 마이크로폰들(110) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰(110)은 사용자(90)가 디스플레이 시스템(60)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성 메뉴 커맨드들의 선택, 자연어 질문 등)을 제공할 수 있도록 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰(110)은 오디오 데이터(예컨대, 사용자(90) 및/또는 환경으로부터의 사운드들)를 수집하기 위한 주변 센서로서 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(60)은 또한, 프레임(80)으로부터 분리될 수 있고 사용자(90)의 신체(예컨대, 사용자(90)의 머리, 몸통, 손발(extremity) 등)에 부착될 수 있는 주변 센서(120a)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주변 센서(120a)는 사용자(90)의 생리적인 상태를 특징화하는 데이터를 획득하도록 구성될 수 있다.
[0037]
디스플레이(70)는 통신 링크(130)에 의해, 이를테면 유선 리드 또는 무선 연결에 의해, 다양한 구성들로 장착될 수 있는, 이를테면, 프레임(80)에 고정되게 부착되거나, 사용자(90)에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정되게 부착되거나, 헤드폰들에 내장되거나, 그렇지 않으면 (예컨대, 백팩(backpack)-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성 등으로) 사용자(90)에게 제거 가능하게 부착될 수 있는 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)에 동작 가능하게 커플링된다. 유사하게, 주변 센서(120a)는 통신 링크(120b)(예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결)에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 하드웨어 프로세서뿐 아니라, 디지털 메모리 예컨대, 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱(caching) 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) 센서들(예컨대 프레임(80)에 동작 가능하게 커플링되거나 그렇지 않으면 사용자(90)에게 부착될 수 있음), 이를테면 이미지 캡처 디바이스들(이를테면, 예컨대 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본원에서 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(150) 및/또는 원격 데이터 리포지토리(repository)(160)(가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함함)를 사용하여 취득 및/또는 프로세싱되는 (가능하게는, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후 디스플레이(70)에 전달하기 위한) 데이터를 포함할 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 통신 링크들(170, 180)에 의해, 이를테면 유선 또는 무선 통신 링크들을 통하여, 원격 프로세싱 모듈(150) 및 원격 데이터 리포지토리(160)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어서, 이들 원격 모듈들(150, 160)은 서로 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에 대한 자원들로서 이용 가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 센서들 중 하나 이상은 프레임(80)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)과 통신하는 자립형 디바이스들일 수 있다.
[0038]
원격 프로세싱 모듈(150)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(160)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통하여 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비일 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(160)는 정보(예컨대, 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보)를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(150)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 컴퓨테이션들은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0039]
"3-차원" 또는 "3-D"인 것으로서 이미지의 지각은 사용자의 각각의 눈에 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 2개의 별개의 이미지들(190, 200)(각각의 눈(210, 220)에 대해 하나씩)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(190, 200)은 사용자의 시선과 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(230) 만큼 눈들(210, 220)로부터 이격된다. 이미지들(190, 200)은 평평하고, 눈들(210, 220)은 단일 원근 조절된 상태를 취함으로써 이미지들에 포커싱될 수 있다. 그러한 3-D 디스플레이 시스템들은 조합된 이미지에 대한 스케일 및/또는 깊이의 지각을 제공하기 위하여 이미지들(190, 200)을 조합하는데 인간 시각 시스템에 의존한다.
[0040]
그러나, 인간 시각 시스템은 복잡하고 현실적인 깊이의 지각을 제공하는 것은 난제이다. 예컨대, "3-D" 디스플레이 시스템들의 많은 사용자들은 그런 시스템들이 불편하다는 것을 알거나, 깊이감을 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 객체들은 이접운동 및 원근조절의 조합으로 인해 3-차원인 것으로 지각될 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 두 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(즉, 동공들이 객체를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 움직이도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 렌즈들의 포커싱(또는 "원근조절")과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들하에서, 하나의 객체로부터 다양한 거리에 있는 다른 객체로 포커스를 변화시키기 위하여, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변화시키거나, 또는 눈들을 원근조절하는 것은 "원근조절-이접운동 반사(accommodation-vergence reflex)"로서 알려진 관계하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동에서의 매칭하는 변화는 물론 동공 팽창 및 수축을 자동으로 유발할 것이다. 마찬가지로, 이접운동에서의 변경은 정상 조건들하에서, 렌즈 형상 및 동공 크기의, 원근조절에서의 매칭하는 변경을 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 다수의 입체 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들은, 3-차원 관점이 인간 시각 시스템에 의해 지각되도록 각각의 눈에 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 따라서, 약간 상이한 이미지들)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 이러한 시스템들은 많은 사용자들이 단순히 단일 원근조절 상태에서 이미지 정보를 제공하고 "원근조절-이접운동 반사"에 대해 작용하기 때문에 많은 사용자에게 불편하다. 원근조절과 이접운동 사이의 더 양호한 매칭을 제공하는 디스플레이 시스템들은 3-차원 이미저리의 더 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0041]
도 4는 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, 눈들(210, 220)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 객체들에 포커싱을 맞추게 하는 특정 원근 조절된 상태들을 가정한다. 결과적으로, 특정 원근 조절된 상태는 연관된 초점 거리를 갖는, 예시된 깊이 평면들(240) 중 특정한 하나의 깊이 평면과 연관되는 것으로 말해질 수 있어서, 특정 깊이 평면의 객체들 또는 객체들의 부분들은, 눈(210, 220)이 해당 깊이 평면에 대해 원근 조절된 상태에 있을 때 인 포커스(in focus) 상태에 있다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는 눈들(210, 220) 각각에 대해 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써, 그리고 또한 다수의 깊이 평면들에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 비록 눈(210, 220)의 시야들이 예시의 명확성을 위해 분리된 것으로 도시되어 있지만, 그 시야들은 예컨대 z-축을 따르는 거리가 증가함에 따라 중첩될 수 있다. 게다가, 깊이 평면들이 예시의 용이함을 위해 평평한 것으로 도시되지만, 깊이 평면의 윤곽들은 물리적 공간에서 만곡될 수 있어서, 깊이 평면의 모든 피처들은 특정 원근 조절된 상태에서 눈과 인 포커스 상태에 있다는 것이 인식될 것이다.
[0042]
객체와 눈(210 또는 220) 간의 거리는 또한, 그 눈으로 볼 때, 그 객체로부터 광의 발산(divergence)의 양을 변화시킬 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 광선들의 거리와 발산 간의 관계들을 예시한다. 객체와 눈(210) 간의 거리는, 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 광선들은, 객체에 대한 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더욱 시준된다. 다른 말로 하면, 포인트(객체 또는 객체의 부분)에 의해 생성된 광 필드가 구체 파면 곡률을 가지는 것으로 말해질 수 있고, 구체 파면 곡률은, 포인트가 눈(210)으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 객체와 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도는 또한 상이하고, 발산 정도는, 깊이 평면들과 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 단지 하나의 눈(210)이 도 5a 내지 도 5c 및 본원의 다른 도면들에서 예시의 명확성을 위해 예시되지만, 눈(210)에 대한 논의들이 양쪽 눈들(210 및 220)에 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0043]
이론에 의해 제한됨이 없이, 인간 눈이 전형적으로 깊이 지각을 제공하기 위하여 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있다고 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 그럴듯한 시뮬레이션은, 눈에, 이들 제한된 수의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 사용자의 눈들에 의해 별개로 포커싱될 수 있고, 그리하여, 상이한 깊이 평면 상에 위치되는 장면에 대한 상이한 이미지 피처들에 포커스를 맞추도록 요구되는 눈의 원근조절에 기초하여 그리고/또는 상이한 깊이 평면들 상의 상이한 이미지 피처들이 아웃 포커스(out of focus) 상태에 있는 것을 관찰하는 것에 기초하여 깊이 단서들을 사용자에게 제공하는 것을 돕는다.
도파관 스택 어셈블리의 예
[0044]
도 6은 일부 실시예들에 따른, 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(250)은 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 사용하여 3-D 지각을 눈/뇌에 제공하기 위하여 활용될 수 있는 도파관들의 스택, 또는 스택된 도파관 어셈블리(260)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 도 2의 디스플레이 시스템(60)이고, 도 6은 그 디스플레이 시스템(60)의 일부 부분들을 더 상세히 개략적으로 도시한다. 예컨대, 스택된 도파관 어셈블리(260)는 도 2의 디스플레이(70)의 부분일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 광 필드(light field) 디스플레이로서 간주될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0045]
스택된 도파관 어셈블리(260)는 또한 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 사이에 하나 이상의 피처들(320, 330, 340, 350)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 및/또는 하나 이상의 렌즈들(320, 330, 340, 350)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 대한 광의 소스로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 주입하기 위하여 활용될 수 있으며, 도파관들 각각은, 본원에 설명된 바와 같이, 눈(210)을 향하여 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관에 걸쳐 인입 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)의 출력 표면(410, 420, 430, 440, 450)에서 출사되고 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 대응하는 입력 표면(460, 470, 480, 490, 500)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(460, 470, 480, 490, 500) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면의 일부일 수 있다(즉, 도파관 표면들 중 하나는 직접적으로 세계(510) 또는 눈(210)을 향함). 일부 실시예들에서, 단일 광빔(예컨대, 시준된 빔)은 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산 양들)로 눈(210)을 향하여 지향되는 시준된 클론 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력하기 위하여 각각의 도파관으로 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 단 하나의 이미지 주입 디바이스가 복수(예컨대, 3개)의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)과 연관되고 그에 광을 주입할 수 있다.
[0046]
일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 각각 대응하는 도파관(270, 280, 290, 300, 310)에 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 예컨대, 이미지 정보를 하나 이상의 광학 도관들(이를테면, 광섬유 케이블들)을 통하여 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일 다중화된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0047]
일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 이미터 또는 광 소스를 포함할 수 있는 광 모듈(530)을 포함하는 광 프로젝터 시스템(520)에 의해 제공된다. 광 모듈(530)로부터의 광은 BS(550)를 통해 광 변조기(540), 예컨대, SLM에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(540)는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 주입되는 광의 지각된 세기를 공간적으로 그리고/또는 시간적으로 변화시키도록 구성될 수 있다. SLM들의 예들은, LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들 및 DLP(digital light processing) 디스플레이들을 포함한다.
[0048]
일부 실시예들에서, 광 프로젝터 시스템(520) 또는 이의 하나 이상의 컴포넌트들은 도 2의 프레임(80)에 부착될 수 있다. 예컨대, 광 프로젝터 시스템(520)은 프레임(80)의 시간 부분(예컨대, 도 2의 귀 스템(82))의 부분이거나 또는 디스플레이(70)의 에지에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 모듈(530)은 BS(550) 및/또는 광 변조기(540)로부터 분리되고 이들과 광 통신할 수 있다.
[0049]
일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선형 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴 등)로 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 그리고 궁극적으로 눈(210)으로 투사하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 광을 주입하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유 또는 스캐닝 섬유들의 하나 이상의 번들(bundle)들을 개략적으로 표현할 수 있다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(530)로부터 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 및 310)로 광을 전달하도록 구성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 더욱이, 예컨대, 스캐닝 섬유에서 출사되는 광을 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 재지향시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 사이에 하나 이상의 개재된 광학 구조들이 제공될 수 있다.
[0050]
제어기(560)는 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400), 광 소스(530) 및 광 변조기(540)의 동작을 포함한, 스택된 도파관 어셈블리(260)의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 로컬 데이터 및 프로세싱 모듈(140)의 부분이다. 제어기(560)는 예컨대, 본원에 개시된 다양한 방식들 중 임의의 방식에 따라 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 단일 통합 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산 시스템일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 도 2의 프로세싱 모듈들(140 또는 150)의 부분일 수 있다.
[0051]
도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개개의 도파관 내에서 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 각각 평면형이거나 다른 형상(예컨대, 곡선)을 가질 수 있으며, 주 최상부 및 최하부 표면들 및 이들 주 최상부와 최하부 표면들 사이에서 연장되는 에지들을 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 이미지 정보를 눈(210)에 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성된 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 각각 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃-커플링된 광으로서 또한 지칭될 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로서 지칭될 수 있다. 추출된 광빔은, 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치들에서 도파관에 의해 출력될 수 있다. 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절성 광학 피처들을 포함하는 격자들일 수 있다. 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)이 설명의 용이함 및 도면 명확성을 위하여 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 볼륨에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착된 재료 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 재료의 모놀리식 피스(piece)일 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 재료의 해당 피스의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.
[0052]
각각의 도파관(270, 280, 290, 300, 310)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(270)은, (그러한 도파관(270)에 주입된) 시준된 광을 눈(210)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위의 다음 도파관(280)은, 시준된 광이 눈(210)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(350)(예컨대, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 제1 렌즈(350)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 위의 다음 도파관(280)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(210)을 향하여 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위의 제3 도파관(290)은 자신의 출력 광을 눈(210)에 도달하기 전에 제1 렌즈(350) 및 제2 렌즈(340) 둘 모두를 통과시키고; 제1(350) 및 제2(340) 렌즈들의 조합된 광학 파워(optical power)는 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 제3 도파관(290)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(210)을 향하여 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.
[0053]
다른 도파관 층들(300, 310) 및 렌즈들(330, 320)은 유사하게 구성되는데, 스택된 도파관 어셈블리(260)에서 가장 높은 도파관(310)은 자신의 출력을, 사람과 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 어그리게이트 초점 전력에 대해 자신과 눈(210) 사이의 렌즈들(320, 330, 340, 350) 모두를 통하여 전송한다. 스택된 도파관 어셈블리(260)의 다른 측 상에서 세계(510)로부터 오는 광을 보거나/해석할 때 렌즈들(320, 330, 340, 350)의 스택을 보상하기 위하여, 보상 렌즈 층(620)은 아래의 렌즈 스택(320, 330, 340, 350)의 어그리게이트 전력을 보상하기 위하여 스택의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 이용 가능한 도파관/렌즈 페어링들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610) 및 렌즈들의 포커싱 양상들 둘 모두는 정적(즉, 동적이거나 전자-활성이지 않음)일 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 모두는 전자-활성 특징들을 사용하여 동적일 수 있다.
[0054]
일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 둘 이상은 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 다수의 서브세트들은 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 이미지가 세팅됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 장점들을 제공할 수 있다.
[0055]
아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 자신의 개개의 도파관들 밖으로 광을 재지향시키고 그리고 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과로서, 상이한 연관된 깊이 평면들을 가진 도파관들은 상이한 구성들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 가질 수 있고, 이러한 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 연관된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 특정 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭(volumetric) 또는 표면 피처들일 수 있다. 예컨대, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들, 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 공기 갭들을 형성하기 위한 클래딩(cladding) 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.
[0056]
일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 회절 패턴을 형성하는 회절 피처들 또는 "회절 광학 엘리먼트"(또한 본원에서 "DOE"로서 지칭됨)이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율성을 가져서, 빔의 광의 일부만이 DOE의 각각의 교차로 인해 눈(210)을 향하여 편향되지만, 나머지는 TIR을 통하여 도파관을 통해 계속 이동한다. 따라서, 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관으로부터 출사되는 다수의 관련된 출사 빔들로 분할되고 그 결과는 이런 특정 시준된 빔이 도파관 내에서 이리저리 바운싱되기 때문에 눈(210)을 향하는 상당히 균일한 출사 방출 패턴이다.
[0057]
일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은, 그것들을 활발하게 회절시키는 "온" 상태들과 그것들을 크게 회절시키지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭 가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능 DOE는, 마이크로액적들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있고, 마이크로액적들의 굴절률은 호스트 매질의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사광을 현저하게 회절시키지 않음) 또는 마이크로액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우 패턴은 입사광을 활발하게 회절시킴).
[0058]
일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)(예컨대, 가시광 및 IR 광 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)는 예컨대 사용자 입력들을 검출하고, 눈(210)으로부터 생체 정보를 추출하며, 눈(210)의 방향의 시선을 추정 및 추적하며, 사용자의 생리학적 상태를 모니터링하는 등을 위해 눈(210)의 이미지들, 눈(210)의 부분들, 또는 눈(210)을 둘러싼 조직의 적어도 일부를 캡처하도록 제공될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈(210)에 광(예컨대, IR 또는 근적외선 광)을 투사하기 위한 광 소스를 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈(210)에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 IR 또는 근적외선으로 방출하는 발광 다이오드( "LED")들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)는 도 2에 도시된 프레임(80)에 부착될 수 있으며, 예컨대, 사용자의 생리학적 상태, 사용자의 시선 방향, 홍채 식별 등에 관한 다양한 결정을 하기 위해 카메라 어셈블리(630)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 모듈(140 또는 150)과 전기적으로 통신할 수 있다. 사용자의 생리적인 상태에 관한 정보는 사용자의 행동 또는 감정 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 정보의 예들은 사용자의 움직임들 또는 사용자의 얼굴 표정들을 포함한다. 사용자의 행동 또는 감정 상태는 그 후, 행동 또는 감정 상태, 생리적인 상태 및 환경적 또는 가상적 콘텐츠 데이터 간의 관계들을 결정하도록 수집된 환경적 또는 가상 콘텐츠 데이터로 삼각 측량될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 어셈블리(630)가 각각의 눈을 별개로 모니터링하기 위해 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.
[0059]
도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도 6의 스택된 도파관 어셈블리(260) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있으며, 여기서 스택된 도파관 어셈블리(260)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(640)은 도파관(270)의 입력 표면(460)에서 도파관(270)으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(270) 내에서 전파된다. 광(640)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, DOE)(570)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 부분은 출사 빔들(650)로서 도파관에서 출사된다. 출사 빔들(650)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에 논의된 바와 같이, 이들 출사 빔들은 또한 도파관(270)과 연관된 깊이 평면에 따라, 일정 각도로 눈(210)으로 전파되도록 재지향될 수 있다(예컨대, 발산하는 출사 빔들을 형성함). 실질적으로 평행한 출사 빔들은, 눈(210)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것처럼 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃커플링하는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 도파관을 나타낼 수 있다는 것이 인식될 것이다. 다른 도파관들 또는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(210)이 망막 상에 포커싱을 맞추게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학적 무한대보다 눈(210)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
[0060]
일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대, 3개 또는 그 초과의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이시킴으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(240a-240f)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 깊이들이 또한 고려될 수 있다. 각각의 깊이 평면은, 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 포함해서, 자신과 연관된 3개 또는 그 초과의 컴포넌트 컬러 이미지들을 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 디옵터들(dpt)에 대한 상이한 숫자들에 의해 도면에 표시된다. 단지 예들로서, 이들 문자 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터(1/m), 또는 사용자로부터 깊이 평면의 반대 거리를 표시하며, 도면들에서의 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장들의 광의 눈의 포커싱의 차이를 고려하여, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 변동될 수 있다. 예컨대, 주어진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들은 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있고 그리고/또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.
[0061]
일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 하나의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 그것과 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 문자들 G, R 또는 B를 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 3개의 도파관들이 깊이 평면 당 제공될 수 있으며, 여기서 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 깊이 평면 당 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들이 설명의 용이함을 위해 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관들은 모두 레벨 당 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어서, 예컨대, 단지 단일 도파관이 깊이 평면 당 제공될 수 있다.
[0062]
도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 자홍색 및 청록색을 포함하는, 다른 광의 파장들과 연관되는 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 추가로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340 및 350)은 주위 환경으로부터 사용자의 눈들로의 광을 차단 또는 선택적으로 통과시키도록 구성된 능동 또는 수동 광학 필터들일 수 있다.
[0063]
본 개시내용 전반에 걸쳐 주어진 컬러의 광에 대한 참조는 그 주어진 컬러인 것으로서 사용자에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 적색 광은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0064]
일부 실시예들에서, 도 6의 광 모듈(530)은 사용자의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대, IR 또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. IR 광은 700nm 내지 10μm 범위의 파장들을 갖는 광을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, IR 광은 700nm 내지 1.5μm 범위의 파장들을 갖는 근적외선 광을 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 시스템(250)의 도파관들의 인-커플링, 아웃-커플링 및 다른 광 재지향 구조들은 예컨대, 이미징 또는 사용자 자극 응용들을 위해 눈(210)을 향하여 디스플레이 밖으로 이 광을 지향 및 방출하도록 구성될 수 있다.
[0065]
이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 충돌하는 광은 도파관 내로 그 광을 인-커플링하기 위해 재지향될 필요가 있을 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 재지향 및 인-커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트(660)의 예의 측 단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장들의 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 세트(660)는 도 6의 스택된 도파관 어셈블리(260)에 대응할 수 있으며, 세트(660)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 하나 이상으로부터의 광이 인-커플링을 위해 광이 재지향되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 부분에 대응할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0066]
스택된 도파관들의 세트(660)는 도파관들(670, 680, 및 690)을 포함한다. 각각의 도파관은, (도파관 상의 광 입력 영역으로서 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인-커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치되고, 인-커플링 광학 엘리먼트(710)는 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치되며, 인-커플링 광학 엘리먼트(720)는 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 하나 이상은 개개의 도파관(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히, 여기서 하나 이상의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 반사성 편향 광학 엘리먼트들임). 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은, 특히 이러한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 투과성 편향 광학 엘리먼트들인 경우, 그의 개개의 도파관(670, 680, 690)의 상부 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 개개의 도파관(670, 680, 690)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의되는 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 파장들의 광을 선택적으로 재지향시키면서 다른 파장들의 광을 투과시킨다. 그의 개개의 도파관(670, 680, 690)의 한 측 또는 코너 상에서 예시되지만, 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 그들의 개개의 도파관(670, 680, 690)의 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0067]
예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 서로 측면으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트는, 광이 다른 인-커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 자신이 그 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710, 720)는 상이한 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390, 및 400)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 다른 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)로부터 분리(예컨대, 측면으로 이격)될 수 있어서, 그것은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 다른 것들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않는다.
[0068]
각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대, 광 분배 엘리먼트들(730)은 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(740)은 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(750)은 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 모두 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 상이한 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 것들 상에 각각 배치될 수 있다.
[0069]
도파관들(670, 680, 690)은 예컨대, 기체, 액체 및/또는 고체 재료 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(760a)은 도파관들(670, 680)을 분리할 수 있고; 층(760b)은 도파관(680 및 690)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a 및 760b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(670, 680, 690) 중 바로 인접한 하나를 형성하는 재료보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상 또는 0.10이하이다. 유리하게는, 더 낮은 굴절률 층들(760a, 760b)은 도파관들(670, 680, 690)을 통한 광의 TIR(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 및 최하부 주 표면들 사이의 TIR)을 용이하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a, 760b)은 공기로 형성된다. 예시되지는 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(660)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃한 클래딩 층들을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0070]
바람직하게는, 제조의 용이함 및 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 마다 상이할 수 있고, 그리고/또는 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 여전히 앞서 언급된 다양한 굴절률 관계들을 유지하면서 상이할 수 있다.
[0071]
광선들(770, 780, 790)이 도파관들의 세트(660) 상에 입사된다. 광선들(770, 780, 790)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) (도 6)에 의해 도파관들(670, 680, 690) 내로 주입될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0072]
일부 실시예들에서, 광선들(770, 780, 790)은 상이한 성질들, 예컨대, 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 가지며, 이는 상이한 컬러들에 대응할 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각, 입사광이 TIR에 의해 도파관들(670, 680, 690) 중 각각의 하나를 통해 전파되도록 그 광을 편향시킨다.
[0073]
예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 제1 파장 또는 파장들의 범위를 갖는 광선(770)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 투과된 광선(780)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 마찬가지로, 광선(790)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(720)에 의해 편향된다.
[0074]
편향된 광선들(770, 780, 790)은, 이들이 대응하는 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 해당 대응하는 도파관(670, 680, 690) 내로 광을 인-커플링하도록 그 해당 대응하는 도파관 내로 광을 편향시킨다. 광선들(770, 780, 790)은 광이 TIR에 의해 개개의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(770, 780, 790)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 개개의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파된다.
[0075]
이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다. 앞서 언급된 바와 같이, 인-커플링된 광선들(770, 780, 790)은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)에 의해 각각 편향되고, 그 후 도파관들(670, 680, 690) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그 후, 광선들(770, 780, 790)은 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 각각 충돌한다. 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은, 광선들(770, 780, 790)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 및 820)를 향해 각각 전파되도록 이들을 편향시킨다.
[0076]
일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 OPE(orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)로 광을 편향시키거나 분배하고, 광이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 크기를 또한 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 빔 크기가 이미 원하는 크기인 경우, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 생략될 수 있고, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)은 도 7에 도시된 바와같이 눈(210)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다. OPE들은 적어도 하나의 축에서 아이 박스(eye box)의 치수들을 증가시키도록 구성될 수 있고, EPE들은 OPE들의 축과 교차하는, 예컨대, 직교하는 축에서 아이 박스를 증가시키는 것일 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0077]
따라서,도 9a 및 도 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(660)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(670, 680, 690; 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720); 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730, 740, 750); 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(800, 810, 820)을 포함한다. 도파관들(670, 680, 690)은 각각의 도파관 사이에 에어 갭/클래딩 층을 갖도록 스택될 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 (상이한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신함에 따라) 입사 광을 자신의 도파관으로 재지향 또는 편향시킨다. 그 후, 광은 개개의 도파관(670, 680, 690) 내에서 TIR을 초래할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(770)(예컨대, 청색 광)은 제1 인-커플링 광학 엘리먼트(700)에 의해 편향되고, 그 후 도파관을 따라 계속 바운싱(bounce)하여, 앞서 설명된 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730) 및 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(800)와 상호작용한다. 광선들(780 및 790)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(670)을 통과할 것이고, 광선(780)은 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 그 후, 광선(780)은 TIR을 통해 도파관(680)을 따라 바운싱되어, 자신의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(740)로 그리고 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트 (예컨대, EP들)(810)로 진행된다. 마지막으로, 광선(790)(예컨대, 적색 광)은 도파관(690)을 통과하여 도파관(690)의 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)에 충돌한다. 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)은, 광선(790)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(750)로, 그리고 그 후 TIR에 의해 아웃-커플링 광학 엘리먼트 (예컨대, EP들)(820)로 전파되도록 그 광선을 편향시킨다. 그 후, 아웃-커플링 광학 엘리먼트(820)는 최종적으로 광선(790)을 사용자에 아웃-커플링하며, 이 사용자는 또한 다른 도파관들(670, 680)로부터 아웃-커플링된 광을 수신한다.
[0078]
도 9c는 도 9a 및 도 9b의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도파관들(670, 680, 690)은, 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(730, 740, 750) 및 연관된 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)와 함께, 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인-커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 중첩되지 않는다(예컨대, 하향식 도면에서 보여지는 바와 같이 측면으로 이격됨). 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이러한 중첩되지 않는 공간적 어레인지먼트는 일대일 기반으로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관으로의 광의 주입을 용이하게 하고, 그리하여 특정 광원이 특정 도파관에 고유하게 커플링될 수 있도록 한다. 일부 실시예들에서, 비-중첩의 측면으로-분리된 인-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트는 시프트된 동공 시스템으로서 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 서브-동공들에 대응할 수 있다.
예시적인 광 프로젝터 시스템
[0079]
일부 디스플레이 시스템들(예컨대, 도 6의 디스플레이 시스템(250))에서, 빔 스플리터(BS)는 광원(예컨대, 광 모듈(530))으로부터 광 변조기(예컨대, 광 변조기(540))로 광을 지향시키기 위해 사용될 수 있으며, 광 변조기는 광을 변조하여, BS를 통해 사용자에게 (가능하게는 하나 이상의 중간 광학 컴포넌트들을 통해) 다시 반사할 수 있다. 광 변조기는 예컨대 VR, AR 및/또는 MR 이미지 정보로 입력 광을 인코딩하는 LCOS(liquid crystal on silicon) 패널과 같은 공간 광 변조기(SLM)일 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM은 입력 광을 변조한 다음, 변조된 광을 입력 광의 입사 방향을 향해 적어도 부분적으로 다시 반사시키며, 이는 "정면 조명 구성(front lit configuration)"으로 지칭될 수 있다. 실시예들이 정면 조명 구성을 참조로 하여 본원에서 설명된 반면에, SLM이 입력 광을 변조한 다음 변조된 광을 전달하는 후방 조명 구성과 같은 다른 구성들이 가능하다.
[0080]
도 10은 빔 스플리터(BS)(1050), 광원(1030) 및 공간 광 변조기(SLM)(540)를 포함하는 예시적인 광 프로젝터 시스템(1020)을 예시한다. 광 프로젝터 시스템(1020)의 실시예들은 본원에서 설명된 HMD 및 디스플레이 시스템들(예컨대, 도 2의 디스플레이 시스템(60) 또는 도 6의 광 프로젝터 시스템(520))과 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 광 프로젝터 시스템(1020)은 도 6의 스택된 도파관 어셈블리(260)를 통해 이미지 정보를 사용자에게 제공하기 위해 사용될 수 있다. 광원(1030)은 도 6의 광 모듈(530)의 일부일 수 있으며, 그리고 BS(1050)는 BS(550)일 수 있으며, 여기서 광 프로젝터 시스템(1020)은 광을 투사 옵틱스(1080)(예컨대, 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390 또는 400) 또는 도파관들(270, 280, 290, 300 또는 310) 중 하나 이상)로 지향시키도록 구성된다.
[0081]
예시된 바와 같이, 광원(1030)은 BS(1050)의 입력 표면(1052)을 향해 전파되는 입력 광빔을 생성한다. 입력 광빔은 하나 이상의 입력 광선들로 구성되며, 하나 이상의 입력 광선들 중 하나는 입력 광선(1035)으로 예시된다. 일부 실시예들에서, 광원(1030)은 백색 광 또는 주어진 컬러(예컨대, 사용자에 의해 주어진 컬러로 인식되는 파장들의 범위)의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1030)은 대안적으로 사용자의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들(예컨대, 적외선 및/또는 자외선 파장들)의 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1030)은 (예컨대, 도 13b 및 도 13c과 관련하여 이하에서 설명되는) 하나 이상의 광원들로 구성될 수 있다.
[0082]
BS(1050)는 입력 표면(1052), 빔 분할 표면(1055) 및 출력/입력 표면(1053)을 갖는다. 입력 표면(1052), 빔 분할 표면(1055) 및 출력/입력 표면(1053)은 입력 웨지 또는 프리즘(1054)의 표면들일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 입력 표면(1052)과 출력/입력 표면(1053)은 서로 인접하고 90도 각도로 결합될 수 있다. 한편, 빔 분할 표면(1055)은 입력 표면(1052)과 출력/입력 표면(1053) 사이에서 45도 각도들로 배열될 수 있다. BS(1050)는 또한 입력 웨지(1054)에 인접한 출력 웨지 또는 프리즘(1051)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1051)는 입력 웨지(1054)의 출력/입력 표면(1053)에 실질적으로 평행한 출력 표면(1058)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1051)는 또한 출력 표면(1058)에 수직인 표면(1057)을 포함할 수 있으며, 입력 웨지(1054)와 빔 분할 표면(1055)을 공유할 수 있다. 도 10에 도시된 예에서, 표면들(1052, 1053, 1057 및 1058)은 유사한 치수를 가지며, 이에 따라 입력 표면(1052), 출력/입력 표면(1053) 및 출력 표면(1058)에 대해 45도 각도들로 빔 분할 표면(1055)을 갖는 큐브를 형성한다.
[0083]
BS(1050)는 광학 등급 유리들 또는 플라스틱들을 포함하는 임의의 광학 재료로 만들어질 수 있다. 경량 재료들은 HMD 응용에 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광의 동작 파장(들)에서 BS(1050)의 굴절률은 적어도 약 1.5일 수 있다.
[0084]
빔 분할 표면(1055)은 그에 입사되는 광을 선택적으로 반사 또는 투과시키도록 구성될 수 있다. 빔 분할 표면(1055)은 제1 상태를 갖는 광에 반사적이며, 제2 상태를 갖는 광에 투과적일 수 있다. 예컨대, BS(1050)는 빔 분할 표면(1055)이 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)의 광을 선택적으로 반사하고 제2 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)의 광을 선택적으로 투과시키는 PBS(polarizing BS)일 수 있다. 따라서, 입력 빔(입력 광선(1035)에 의해 예시됨)이 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 갖는 경우, 입력 광은 SLM(540)을 향해 반사될 수 있다. 한편, 제2 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)를 갖는 변조된 광(변조된 광선(1075)으로 예시됨)은 빔 분할 표면(1055)을 통해 투과될 수 있다. 빔 분할 표면(1055)에 의한 광의 선택적 반사 및 투과가 제1 및 제2 편광 상태들을 참조하여 설명되지만, 광의 다른 특성들은 또한 입사각, 파장, 위상 등에 기초할 수 있는 이러한 선택성을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 빔 분할 표면(1055)은 광학 재료로 만들어지거나 또는 원하는 빔 분할 특성들을 달성하도록 설계된 광학 코팅을 가질수 있다.
[0085]
BS(1050)가 PBS인 실시예들에서, 입력 광빔(입력 광선(1035)에 의해 예시됨)은 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 가질 수 있다. 입력 표면(1052)의 균일한 조명을 위해 입력 빔을 시준하기 위해 광원(1030)과 BS(1050) 사이에 시준기(1010)가 제공될 수 있다. 입력 광선(1035)을 포함하는 시준된 입력 광빔은 입력 표면(1052)으로 전달되며, 입력 표면(1052)에서, 이 광빔은 BS(1050)로 진입한 후에 빔 분할 표면(1055)에 의해 선택적으로 반사된다. 이는 반사된 광빔(반사된 광선(1065)에 의해 예시됨)을 초래하며, 이는 빔 분할 표면(1055)으로부터 출력/입력 표면(1053)으로 전송되며, 여기서 반사된 광빔은 BS(1050)에서 출사하여 SLM(540)에 입사된다.
[0086]
SLM(540) 또는 중간 광학 컴포넌트는 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 갖는 반사된 광빔(반사된 광선(1065)을 포함)을 수신하고 이를 제2 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)로 변환하도록 구성될 수 있다. SLM(540)은 또한 이미지 정보에 의해 또는 이미지 정보에 기초하여 반사된 광빔을 변조한 다음, BS(1050)의 출력/입력 표면(1053)을 향해 변조된 광빔(변조된 광선(1075)으로 예시됨)을 다시 반사시킨다. 이후, 변조된 광빔은 자신의 편광 상태(예컨대, s-편광 상태 또는 p-편광 상태)에 따라 빔 분할 표면(1055)에 의해 투과 또는 반사된다.
[0087]
SLM(540)은 "온" 및 "오프" 상태들 사이에서 개별 픽셀들을 스위칭하기 위하여 예컨대 도 6의 제어기(560)에 의해 제어되어, 이미지 정보를 사용하여 변조된 광을 인코딩할 수 있다. 일부 실시예들에서, SLM(540)의 픽셀이 "온"일 때, 이 픽셀은 반사된 광선(1065)의 편광 상태를 제1 편광 상태에서 제2 편광 상태로 변환하여, 대응하는 변조된 광선(1075)이 빔 분할 표면(1055)으로부터 투사 옵틱스(1080)로 전달될 수 있다. "오프"상태에서, 반사된 광선(1065)의 편광 상태는 변환되지 않으며, 대응하는 변조된 광선(1075)은 광원(1030)을 향해 다시 반사되거나 또는 광 프로젝터 시스템(1020)의 다른 곳에 배치된다. 따라서, BS(1050)는 변조된 광빔 (변조된 광선(1075)으로 예시됨) 을 투사 옵틱스(1080)에 선택적으로 전달할 수 있다. 이후, 투사 옵틱스(1080)는 변조된 광빔을 사용자의 눈에 중계한다.
[0088]
앞의 설명이 제1 편광 상태로서 s-편광 상태 및 제2 편광 상태로서 p-편광 상태를 참조하여 이루어지지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 제1 편광 상태는 p-편광 상태 일 수 있으며, 제2 편광 상태는 s-편광 상태일 수 있다. 게다가, 상이한 SLM들(540)이 가능하며, 본원의 실시예들은 이들 다른 SLM(540)로 또는 이들 다른 SLM(540)으로부터 광을 선택적으로 반사 및 투과시킬 수 있는 빔 스플리터들 및 광학 컴포넌트들로 구성될 수 있다. 예컨대, LCOS 패널이 아니라, SLM(540)은 제1 각도(예컨대, 제1 상태)에서 광을 수신하고 다른 각도(예컨대, 제2 상태)에서 광을 변조 및 반사시키는 DLP(digital light processing) 패널일 수 있으며, 이에 따라 이미지 정보를 사용하여 광을 인코딩할 수 있다.
[0089]
HMD 응용들과 같은 일부 디스플레이 시스템들의 경우, (1) SLM(540)의 완전하고 균일한 조명 및 (2) SLM(540)에 수직인 방향으로의 조명을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. BS(1050)는 이러한 특성들을 달성하기 위해 광학 특성들을 갖도록 선택될 수 있다. 예컨대, BS(1050)는 입력 표면(1052)에 수직인 시준된 광을 수신하고 출력/입력 표면(1053)에 수직인 방향으로 광을 반사할 수 있다. 따라서, 도 10의 실시예에서, BS(1050)는 입력 표면(1052)의 길이(본원에서는 BS(1050)의 높이로 또한 지칭됨)가 출력/입력 표면(1053) 및 출력 표면(1058)의 길이(본원에서는 BS(1050)의 폭으로 또한 지칭됨)와 동일한 큐브이다. 빔 분할 표면(1055)은 입력 표면(1052)과 출력 표면(1058)의 접합부로부터 출력/입력 표면(1053)과 표면(1057)의 접합부까지 45도 각도로 연장된다. 이러한 구성은 입력 광선(1035)이 입력 표면(1052)에 수직으로 입사되고 출력/입력 표면(1053)에 수직인 방향으로 반사될 수 있게 한다. 또한, 이는 SLM(540)가 완전히 균일하게 조명될 수 있게 한다. 바람직하지 않게, 이들 입방 치수들은 도 2의 광 프로젝터 시스템(1020) 또는 디스플레이 시스템(60)에서 BS(1050)에 의해 점유되는 볼륨 뿐만아니라 BS(1050)의 무게를 증가시킬 수 있다. 따라서, 소형 및 경량 디스플레이 응용들에 사용하기 위한 저-프로파일 광 프로젝터 시스템을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
저-프로파일 광 프로젝터 시스템의 예
[0090]
도 11a는 일부 실시예들에 따라 이미지 정보를 사용자에게 제공하기 위해 사용되는 예시적인 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)을 예시한다. 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)은 저-프로파일 BS(1150), 광원(1030) 및 SLM(540)을 포함한다. 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)은 도 10의 광 프로젝터 시스템(1020)과 유사하나, 몇몇 중요한 차이점들이 있다. 예컨대, 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)은 광학 성능(예컨대, SLM(540)의 조명 커버리지, 밝기, 콘트라스트, 분해능 등)에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)의 전체 높이를 감소시키도록 구성된 저-프로파 BS(1150)를 사용한다. 도 11a를 참조로 하여 본원에서 설명된 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120)의 실시예들은 본원에서 설명된 HMD 시스템들(예컨대, 도 2의 디스플레이 시스템(60) 또는 도 6의 광 프로젝터 시스템(520))과 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 광원(1030)은 도 6의 광 모듈(530)의 부분일 수 있으며, 그리고 저-프로파일 BS(1150)는 BS(550)일 수 있으며, 여기서 광 프로젝터 시스템(1120)은 광을 투사 옵틱스(1080)(예컨대, 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390 또는 400) 또는 도파관들(270, 280, 290, 300 또는 310 중 하나 이상)로 지향시키도록 구성된다.
[0091]
도 11a에 도시된 바와 같이, 광원(1030)은 입력 광선(1135)을 포함하는 입력 빔을 방출하도록 구성된다. 단일 입력 광선(1135)만이 단지 예시의 목적으로만 도 11a에 도시된다. 도 11a의 입력 광선(1135)은 도 10의 입력 광선(1035)과 실질적으로 유사할 수 있다.
[0092]
저-프로파일 BS(1150)는 입력 표면(1152), 빔 분할 표면(1155) 및 출력/입력 표면(1153A)을 갖는다. 입력 표면(1152), 빔 분할 표면(1155) 및 출력/입력 표면(1153A)은 입력 웨지 또는 프리즘(1154)의 표면들일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 입력 표면(1152)과 출력/입력 표면(1153A)은 서로 인접하고 90도 각도로 결합될 수 있다. BS(1150)는 또한 입력 웨지 엘리먼트(1154)에 인접한 출력 웨지 또는 프리즘(1151)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1151)는 입력 웨지(1154)의 출력/입력 표면(1153A)에 실질적으로 평행한 출력 표면(1158A)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1151)는 또한 출력 표면(1158A)에 수직인 표면(1157)을 포함할 수 있으며, 입력 웨지(1154)와 빔 분할 표면(1155)을 공유할 수 있다.
[0093]
저-프로파일 BS(1150)는 광학 등급 유리들 또는 플라스틱들을 포함하는 임의의 광학 재료로 만들어질 수 있다. 경량 재료들은 HMD 응용에 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광의 동작 파장(들)에서 저-프로파일 BS(1150)의 굴절률은 적어도 약 1.5일 수 있다.
[0094]
저-프로파일 BS(1150)는 빔 분할 표면(1155)이 출력/입력 표면(1153A)에 대해 45도 미만의 각도로 배열되는 것을 제외하고 도 10의 BS(1050)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예컨대, 출력/입력 표면(1153A)에 대한 빔 분할 표면(1155)의 각도는 40도 이하, 35도 이하 또는 30도 이하일 수 있다. 출력/입력 표면(1153A)에 대한 빔 분할 표면(1155)의 각도를 감소시키면 입력 표면(1152)(및 표면(1157))의 길이가 감소되어, 광 프로젝터 시스템(1120)의 전체 크기가 감소된다. SLM(540)의 수신 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)의 완전하고 균일한 조명을 포함하여 원하는 광학 성능을 유지하기 위해, 저-프로파일 BS(1150)는 입력 광빔(입력 광선(1135)으로 표현됨)을 조작하기 위해 입력 표면(1152) 상에, 그 내부에 또는 그에 인접하게 배치된 회절 광학 엘리먼트(도 12a 내지 도 13d와 관련하여 이하에서 설명됨)를 가질 수 있다.
[0095]
도 11a에 도시된 바와같이, 입력 광빔은 시준기(1010)에 의해 시준되며, 입력 표면(1152)에 직각으로 입사된다. 회절 광학 엘리먼트(예컨대,도 12a 및 도 12b의 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256) 또는 도 13a 내지 도 13d의 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356))는 저-프로파일 BS(1150)의 입력 표면(1152)에서 (입력 광선(1135)에 의해 표현되는) 입력 광빔의 전파 각도를 조작하며, 이에 따라 입력 빔은 빔 분할 표면(1155)이 실질적으로 입력 표면(1152)에 평행하며 입력/출력 표면(1153A)에 수직인 방향으로 광(예컨대, 반사된 광선(1165))을 선택적으로 반사하도록 하는 각도들로 (가능하게는 저-프로파일 BS(1150)의 다른 표면들에서의 하나 이상의 내부 반사들 이후에) 빔 분할 표면(1155)을 향해 지향되는 하나 이상의 회절된 빔들로 변환된다. 이후, 반사된 광선(1165)은 SLM(540)상에 정상적으로 입사된다. 도 10과 관련하여 앞서 설명된 바와같이, SLM(540)은 이미지 정보를 사용하여 반사된 광빔(반사된 광선(1165)으로 표현됨)을 변조하고, 변조된 광빔(변조된 광선(1175)으로 표현됨)을 저-프로파일 BS(1150)를 통해 투사 옵틱스(1080)로 반사시킨다. 빔 분할 표면(1155)은 도 10과 관련하여 위에서 논의된 것과 동일한 방식으로 상이한 상태들의 광을 선택적으로 반사 및/또는 투과시킬 수 있다.
[0096]
도 11a에 도시된 저-프로파일 BS(1150)의 하나의 장점은 도 10의 BS(1050)에 비해 저-프로파일 BS(1150)의 크기 및 무게가 감소한다는 점이다. 일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1150)의 적어도 하나의 치수의 길이(예컨대, 입력 표면(1052)의 길이)는 저-프로파일 BS(1150)의 다른 치수의 크기(예컨대, 출력/입력 표면(1153A)의 길이)의 .58배만큼 작게 감소될 수 있다.
[0097]
도 11b는 일부 실시예들에 따라 이미지 정보를 사용자에게 제공하기 위해 사용되는 예시적인 저-프로파일 광 프로젝터 시스템(1120B)을 예시한다. 도 11b에 예시된 출력/입력 표면(1153B) 및 출력 표면(1158B)은 곡선형 표면들인 반면에, 도 11a에 예시된 출력/입력 표면(1153A) 및 출력 표면(1158A)은 평면 표면들이다. 비록 도 11b가 출력/입력 표면(1153B) 및 출력 표면(1158B) 둘 모두를 곡선형 표면들로서 예시하지만, 일부 실시예들에서, 출력/입력 표면(1153B) 또는 출력 표면(1158B) 중 하나는 만곡될 수 있다. 일부 구성들에서는 특히 대량 생산에서 출력/입력 표면(1153A) 및/또는 출력 표면(1158A)보다 출력/입력 표면(1153B) 및/또는 출력 표면(1158B)을 몰딩하는 것이 더 빠르고 더 저렴할 수 있다.
[0098]
일부 실시예들에서, 출력/입력 표면(1153B) 및/또는 출력 표면(1158B)은 렌즈들로서 기능을 할 수 있다. 예컨대, 출력/입력 표면(1153B)은 필드 렌즈로서 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 출력/입력 표면(1153B)은 광 변조기(540)와 투사 옵틱스(1080) 사이에 있는 포지티브-파워 필드 렌즈(positive-powered field lens)이다. 출력/입력 표면(1153B)은 광 변조기(540)로부터 오는 이미지의 크기를 변화시킨다. 출력/입력 표면(1153B)을 SLM(540)에 근접하게 하는 것은 이를테면 필드 평탄도, 필드 곡률 및/또는 이미지 왜곡을 보정함으로써 이미징 성능을 강화시킬 수 있다. 예컨대, 출력/입력 표면(1153B)은 광 변조기(540)로부터 나오는 이미지를 취하고, 이미지의 확산을 감소시키기 위해 이미지의 광빔들을 내부로 기울일 수 있다. 이는 투사 옵틱스(1080)와 같은 다운스트림 광학 엘리먼트들이 저-프로파일 BS(1150)의 폭보다 작은 높이를 갖고 저-프로파일 BS(1150)로부터 더 멀리 이격되게 할 수 있다. 출력/입력 표면(1153B)을 SLM(540)에 근접하게 하는 것은 추가로 투사 옵틱스(1080)가 보다 더 낮은 프로파일로 만들어질 수 있게 할 수 있으며, 이에 따라 저-프로파일 광 투사 시스템(1120)을 더 낮은 프로파일로 만들 수 있다.
[0099]
일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1150)는 SLM(540)보다 더 클 수 있다(예컨대, 더 길고 더 넓을 수 있다). 이들 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1150)로부터 광 변조기(540)를 향해 이동하는 광의 충분한 오버필(overfill)이 존재할 수 있다.
저-프로파일 빔 스플리터들의 예들
[0100]
저-프로파일 BS(1150)의 다양한 실시예들이 도 12a 내지 13d와 관련하여 설명된다. 예컨대, 도 12a 및 도 12b는 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)를 포함하는 예시적인 저-프로파일 BS(1250)를 개략적으로 예시한다. 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 대응하는 반사된 광빔(들)(예컨대, 반사된 광빔(1265))이 출력/입력 표면(1253)으로 수직으로 이동하도록 저-프로파일 BS(1250)의 다양한 표면들로부터 반사되는 하나 이상의 회절된 광빔들로 입력 광빔(예컨대, 시준된 입력 광빔(1230))을 변환하도록 구성된다. 도 12a 및 도 12b는 단지 예시적인 목적을 위한 예시적인 좌표 시스템을 도시하며, 여기서 수직 y-축은 수평 z-축에 직교하고, 이들 둘다는 면내로 그리고 면 밖으로 연장되는 수평 x-축(미도시)에 직교한다 .
[0101]
저-프로파일 BS(1250)는 입력 표면(1252), 빔 분할 표면(1255) 및 출력/입력 표면(1253)을 갖는다. 입력 표면(1252), 빔 분할 표면(1255) 및 출력/입력 표면(1253)은 입력 웨지 또는 프리즘(1254)의 표면들일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 입력 표면(1252)과 출력/입력 표면(1253)은 서로 인접하고 90도 각도로 결합될 수 있다. 빔 분할 표면(1255)은 입력 표면(1252)과 출력/입력 표면(1253) 사이에서 일정 각도로 배열될 수 있다. 저-프로파일 BS(1250)는 또한 입력 웨지(1254)에 인접한 출력 웨지 또는 프리즘(1251)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1251)는 입력 웨지(1254)의 출력/입력 표면(1253)에 실질적으로 평행한 출력 표면(1258)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1251)는 또한 출력 표면(1258)에 수직인 표면(1257)을 포함할 수 있으며, 입력 웨지(1254)와 빔 분할 표면(1255)을 공유할 수 있다.
[0102]
저-프로파일 BS(1250)는 광학 등급 유리들 또는 플라스틱들을 포함하는 임의의 광학 재료로 만들어질 수 있다. 경량 재료들은 HMD 응용에 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광의 동작 파장(들)에서 저-프로파일 BS(1250)의 굴절률은 적어도 약 1.5일 수 있다.
[0103]
저-프로파일 BS(1250)의 빔 분할 표면(1255)은 출력/입력 표면(1253)에 대해 45도 미만, 보다 특히 40도 이하, 35도 이하 또는 30도 이하의 각도로 배열될 수 있으며, 따라서 y-축을 따르는 저-프로파일 BS(1250)의 전체 크기가 감소될 수 있다. SLM(540)의 수신 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)의 완전하고 균일한 조명을 포함하는 원하는 광학 성능을 유지하기 위해, 저-프로파일 BS(1250)는 입력 표면(1252)상에, 그 내부에 또는 그에 인접하게 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)를 포함한다. 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 광원(예컨대,도 11의 광원(1030))과 입력 표면(1252) 사이에 포지셔닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 예컨대, 회절 피처들을 입력 표면(1252)내로 에칭하거나 또는 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)를 입력 표면(1252)에 부착함으로써 형성될 수 있다. 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 시준된 입력 광빔(1230)을 조작한다. 예컨대, 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 입력 표면(1252)에 수직인 방향으로 시준된 입력 광빔(1230)을 수신하도록 구성될 수 있다. 이후, 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 하나 이상의 대응하는 회절 각도들로 회절되는 하나 이상의 회절된 광빔들로 시준된 입력 광빔(1230)을 변환할 수 있으며, 이에 따라 회절된 광빔들은 (가능하게는 저-프로파일 BS(1250)의 다른 표면들로부터의 하나 이상의 중간 반사들 이후에) 빔 분할 표면(1255)을 향해 지향되고 반사된 빔(1265)으로서 보통 각도로 출력/입력 표면(1253)을 향해 반사된다. 이후, 반사된 빔(1265)은 SLM(540)에 입사되고, SLM(540)은 이미지 정보로 광을 변조한 다음, 빔 분할 표면(1255)을 통해 출력/입력 표면(1253) 내로 그리고 출력 표면(1258) 밖으로 변조된 빔(1275)을 다시 반사시킨다.
[0104]
다양한 실시예들에서, 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 회절 격자를 형성하는 하나 이상의 회절 피처들을 포함한다. 일반적으로 회절 격자들은 입사 광빔을 상이한 방향들로 이동하는 여러 광빔들로 분할 및 회절시키는 주기적 구조를 갖는다. 이들 회절된 빔들의 각각은 특정 회절 차수에 대응한다. 이들 빔들의 방향들은 주기적 구조의 주기 및 광의 파장을 포함하여, 회절 격자의 다양한 특성들에 의존한다. 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)는 입사광을 하나 이상의 원하는 대응하는 회절 각도들과 함께 하나 이상의 원하는 회절 차수들로 회절시키기 위해 공지된 수식들 및 기술들에 따라 설계될 수 있다.
[0105]
도 12a에 도시된 바와 같이, 시준된 입력 광빔(1230)은 BS(1250)의 입력 표면(1252)에 입사될 수 있다. 시준된 입력 광빔(1230)은 광원(예컨대, 도 11의 광원(1030))에 의해 방출되고 시준기(예컨대, 도 11의 시준기(1010))에 의해 시준될 수 있다. 시준된 입력 광빔(1230)은 저-프로파일 BS(1250)의 전체 입력 표면(1252)을 가로 질러 완전히 균일하게 입사될 수 있는 하나 이상의 입력 광선들로 구성된다. 예컨대, 시준된 입력 광빔(1230)은 중심 입력 광선(1235), 하부 입력 광선(1233) 및 상부 입력 광선(1237)을 포함할 수 있다. 3개의 입력 광선들(1233, 1235및 1237)만이 예시적인 목적으로 도 12a에 도시된다.
[0106]
일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1250)는 (도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이) 편광빔 분할 표면(1255)을 가질 수 있다. 빔 분할 표면(1255)은 z-축에 대하여 각도(
)로 배열될 수 있다. 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 갖는 시준된 입력 광빔(1230)은 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)에 수직으로 입사되고 하나 이상의 회절된 빔들로 회절된다. 2개의 회절된 빔들은 법선으로부터 위쪽으로 각도(
)로 회절된 제1 회절된 광선(1242) 및 법선으로부터 아래쪽으로 각도(
)로 회절된 제2 회절된 광선(1244)에 의해 도 12a에 예시되며, 이들 광선들 각각은 제1 편광 상태를 갖는다. 각도(
)는 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)의 공간 주파수 또는 주기에 기초할 수 있다. 제1 및 제2 회절된 광선들(1242, 1244)은 각각 양의 1차 차수 및 음의 1차 차수 회절된 광선들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 높은 회절 차수들(예컨대, 2차, 3차 등)을 활용하는 것이 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시준된 입력 광빔(1230)의 적어도 80%, 또는 적어도 90% 또는 적어도 95%을 제1 및 제2 회절 차수들로 회절시키기 위해 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)를 설계하는 것이 유리할 수 있다.
[0107]
제1 회절된 광선(1242)은 회절 각도(
)로 빔 분할 표면(1255)으로 이동한 다음, z-축에 대한 빔 분할 표면(1255)의 각도에 기초하여, z-축에 수직인 각도(및 출력/입력 표면(1253) 및 SLM(540)에 또한 수직인 각도)로 반사된 제1 회절 광선(1262)으로서 SLM(540)을 향해 반사된다. 제2 회절된 광선(1244)은 회절 각도(
)로 출력/입력 표면(1253)을 향해 이동하며, 출력/입력 표면(1253)은 출력/입력 표면(1253)에서 빔 분할 표면(1255)을 향해 제2 회절 광선(1244)의 내부 전반사(TIR)를 야기하도록 구성된다. 이후, 빔 분할 표면(1255)은 z-축에 수직인 각도(및 출력/입력 표면(1253) 및 SLM(540)에 또한 수직인 각도)로 반사된 제2 회절 광선(1264)으로서 제2 회절된 광선(1244)을 반사시킨다. 앞서 설명된 바와같이, 이후, SLM(540)은 반사된 제1 및 제2 회절 광선들(1262, 1264)의 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 제2 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)로 변환하고, 또한 이미지 데이터로 광을 변조시킨다.
[0108]
예시된 실시예에서, 반사된 제1 회절 광빔(제1 회절 광선(1262)에 의해 예시됨)은 SLM(540)의 좌측에 입사되어 좌측 조명을 제공하고, 반사된 제2 회절 광빔(제2 회절 광선(1264)로 예시됨)은 SLM(540)의 우측에 입사되어 우측 조명을 제공한다. 일부 실시예들에서, 각각의 회절된 광선(1242, 1244)은 저-프로파일 BS(1250)로 전달되는 중심 입력 광선(1235)의 에너지의 대략 절반을 가질 수 있다. 따라서, BS(1250)로 진입하는 광의 대략 절반은 SLM(540)의 좌측으로 전달되며, BS(1250)로 진입하는 광의 절반은 SLM(540)의 우측으로 전달된다.
[0109]
전술한 설명은 주로 중심 입력 광선(1235)의 거동에 관한 것이지만, 시준된 입력 광빔(1230)에 포함된 광선들 모두는 유사하게 회절 및 반사된다. 예컨대, 하부 입력 광선(1233)은 (회절 각도(
)에서) 회절 광선(1243)으로서 회절되고 광선(1263)으로서 반사된다. 따라서, 저-프로파일 BS(1250)는 SLM(540)의 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)의 완전하고 연속적이며 균일한 조명을 가능하게 한다.
[0110]
일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1250)에서의 각도(
)는 45도 미만(예컨대, 40도 이하, 35도 이하 또는 30도 이하)일 수 있으며, 각도(
)는 0도 보다 더 클 수 있다(예컨대, 15도 이상, 20도 이상, 25도 이상 또는 30도 이상일 수 있다). 일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1250)에서의 각도(
) 및 각도(
)는 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 예컨대, 이들 각도들 모두는 대략 30도(예컨대, 30도의 15% 이내) 일 수 있다. 각도(
) 및 각도(
)가 30도인 한가지 비-제한적인 장점은 y-축을 따르는 저-프로파일 BS(1250)의 높이가 도 10의 BS(1050)에 비해 대략 58% 정도 감소될 수 있다는 점이다. 각도(
)는 입력 표면(1252)의 원하는 길이(예컨대, 저-프로파일 BS(1250)의 원하는 높이)에 기초하여 그리고 제2 회절된 광선(1244)의 TIR을 유도하도록 선택될 수 있다. 빔 분할 표면(1255)의 각도(
)가 감소함에 따라, 회절 각도(
)는 증가한다(그 반대의 경우도 마찬가지이다). 0도의 회절 각도에 대해, 빔 분할 표면(1255)은 도 10과 관련하여 설명된 바와 같이 z-축에 대해 45도로 배열될 것이다. 그러나, 너무 큰 회절 각도들은 저-프로파일 BS(1250) 내에서 제2 회절 광선(1244)이 TIR를 하지 못하게 할 수 있다. 이는 SLM(540)의 조명의 원치 않는 갭들 또는 중첩들을 초래할 수 있다.
[0111]
도 12b는 저-프로파일 BS(1250)를 사용하는 SLM(540)의 완전하고 균일하며 연속적인 조명의 예를 예시한다. 도 12b는 추가의 입력 광선(1234, 1236)이 시준된 입력 광빔(1230)의 일부로서 예시된 점을 제외하고 도 12a와 실질적으로 유사하다. 입력 광선들(1233 내지 1237)의 각각은 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)에 의해 하나 이상의 회절된 광선들(예시를 용이하게 하기 위해 라벨링되지 않음)로 회절된다. 도 12a와 관련하여 앞서 설명된 바와같이, 이들 회절된 광선들은 빔 분할 표면(1255)에 의해 반사되고 (회절된 광선들 중 일부에 대해, 이는 출력/입력 표면(1253)에서 TIR 이후에 발생함), SLM(540)의 수신 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)로 지향된다. 앞서 설명된 바와같이, 제1 회절된 광선들(실선들로 예시됨)은 각각 회절 각도(
)에서 빔 분할 표면(1255)을 향하여 위쪽으로 회절된다. 이후, 이들 광선은 SLM(540)의 좌측으로 제1 그룹의 반사 광선들(1261)로서 반사되어, 좌측 연속 조명을 제공한다. 유사하게, 제2 회절된 광선들(점선들로 예시됨)은 각각 회절 각도(
)에서 출력/입력 표면(1253)을 향해 아래쪽으로 회절된다. 이들 광선들은 출력/입력 표면(1253)에서 TIR을 겪어서, 빔 분할 표면(1255)을 향하여 위쪽으로 반사되고, 여기서 이들 광선들은 각각 SLM(540)의 우측으로 제2 그룹의 반사된 광선들(1268)로서 아래쪽으로 반사되어, 우측 연속 조명을 제공한다. 따라서, 저-프로파일 BS(1250)는 SLM(540)에 수직인 방향으로 완전하고 연속적이며 균일한 조명을 제공할 수 있다.
[0112]
도 12a 및 도 12b는 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256)를 갖는 예시적인 저-프로파일 BS(1250)를 예시하지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 도 13a 내지 도 13d에 예시된 바와같은 투과성 회절 광학 엘리먼트(1256) 대신에 사용될 수 있다.
[0113]
도 13a는 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)를 포함하는 예시적인 저-프로파일 BS(1350)를 예시한다. 도 12a 및 도 12b와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 대응하는 반사된 광빔(들)(예컨대, 반사된 광빔(1365))이 출력/입력 표면(1353)에 수직하게 이동하도록 저-프로파일 BS(1350)의 다양한 표면들로부터 반사되는 하나 이상의 회절된 광빔들로 입력 광빔(예컨대, 입력 광빔(1335))을 변환하도록 구성된다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 또한 하나 이상의 발산 입력 광빔들의 시준과 같은 추가 기능들을 수행하도록 설계될 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 또한 다수의 광원들로부터 각지게 그리고/또는 측면으로 변위된 입력 광빔들을 다중화하도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 HOE(holographic optical element)과 같은 홀로그램이다. 도 13a 내지 도 13d는 단지 예시적인 목적을 위한 예시적인 좌표 시스템을 도시하며, 여기서 수직 y-축은 수평 z-축에 직교하고, 이들 둘다는 면내로 그리고 면 밖으로 연장되는 수평 x-축(미도시)에 직교한다.
[0114]
저-프로파일 BS(1350)는 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)가 위치되는 표면(1352)을 갖는다. 저-프로파일 BS(1350)는 또한 입력 표면(1357), 빔 분할 표면(1355) 및 출력/입력 표면(1353)을 포함한다. 빔 분할 표면(1355), 출력/입력 표면(1353) 및 표면(1352)은 입력 웨지 또는 프리즘(1354)의 표면들일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 표면(1352)과 출력/입력 표면(1353)은 서로 인접하고 90도 각도로 결합될 수 있다. 빔 분할 표면(1355)은 z-축에 대해 각도(
)로 배열될 수 있으며, 여기서 빔 분할 표면(1355)의 각도(
)는 도 12a 및 도 12b의 빔 분할 표면(1255)의 각도(
)와 유사할 수 있다. BS(1350)는 또한 입력 웨지(1354)에 인접한 출력 웨지 또는 프리즘(1351)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1351)는 출력/입력 표면(1353)에 실질적으로 평행한 출력 표면(1358)을 포함할 수 있다. 출력 웨지(1351)는 또한 출력 표면(1358)에 수직인 입력 표면(1357)을 포함하며, 입력 웨지(1354)와 빔 분할 표면(1355)을 공유할 수 있다.
[0115]
저-프로파일 BS(1350)는 광학 등급 유리들 또는 플라스틱들을 포함하는 임의의 광학 재료로 만들어질 수 있다. 경량 재료들은 HMD 응용에 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광의 동작 파장(들)에서 저-프로파일 BS(1350)의 굴절률은 적어도 약 1.5일 수 있다.
[0116]
반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 표면(1352) 상에, 그 내에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 예컨대 표면(1352)내로 회절 피처들을 에칭하거나 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)를 표면(1352)에 부착함으로써 형성될 수 있다.
[0117]
광원(예컨대, 광원(1030))은 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 갖는 광의 입력 빔을 방출할 수 있다. 입력 광빔은 빔 분할 표면(1355)이 출력/입력 표면(1353)과 교차하는 입력 웨지(1354)의 코너에서 BS(1350)로 진입할 수 있다. 입력 광빔(입력 광선(1335)으로 표현됨)은 입력 웨지(1354)를 통해 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)를 향해 이동한다. 비-평면 파면을 나타내는, 입력 광선(1335) 상에 중첩된 곡선들에 의해 표시된 바와같이, 입력 광빔은 입력 웨지(1354)를 통과할 때 발산될 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 하나 이상의 방식들로 입력 광빔을 조작하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 발산 입력 광빔(입력 광선(1335)으로 표현됨)을 수신하고 이를 하나 이상의 시준 및 회절된 빔들로 변환하도록 구성될 수 있다.
[0118]
제1 시준 및 회절된 빔은 제1 시준 및 회절된 광선(1342)으로 표현되는 한편, 제2 시준 및 회절된 빔은 제2 시준 및 회절된 광선(1344)으로 표현된다. 시준된 빔의 평면 파면들을 나타내는 직선들이 제1 및 제2 시준 및 회절된 광선들(1342, 1344) 상에 중첩된 것으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 시준 및 회절된 광선들(1342, 1344)은 도 12a의 회절된 광선들(1242, 1244)과 유사한 방식으로 하나 이상의 각도들(
)에서 회절될 수 있다. 예컨대, 제1 시준 및 회절된 광선(1342)은 z-축에 대해 각도(
)에서 위쪽으로 회절될 수 있는 반면, 제2 회절된 광선(1344)은 z-축에 대해 각도(
)에서 아래쪽으로 회절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 시준 및 회절된 빔들은 양의 1차 및 음의 1차에 대응할 수 있지만, 다른 실시 예들에서는 더 높은 회절 차수들이 사용자에게 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 광빔의 적어도 80%, 또는 적어도 90% 또는 적어도 95%을 제1 및 제2 회절 차수들로 회절시키기 위해 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)를 설계하는 것이 유리할 수 있다.
[0119]
일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1350)는 (도 10과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이) 편광빔 분할 표면(1355)을 가질 수 있다. 빔 분할 표면(1355)은 z-축에 대하여 각도(
)로 배열될 수 있다. 제1 시준 및 회절 광선(1342)은 회절 각도(
)로 빔 분할 표면(1355)으로 이동한 다음, z-축에 대한 빔 분할 표면(1355)의 각도에 기초하여, z-축에 수직인 각도(및 출력/입력 표면(1353) 및 공간 광 변조기(540)에 또한 수직인 각도)로 반사된 제1 회절 광선(1362)으로서 SLM(540)을 향해 반사된다. 제2 시준 및 회절된 광선(1344)은 회절 각도(
)로 출력/입력 표면(1353)을 향해 이동하고, 출력/입력 표면(1353)은 출력/입력 표면(1353)에서 빔 분할 표면(1355)을 향해 제2 시준 및 회절된 광선(1344)의 TIR를 야기하도록 구성된다. 이어서, 빔 분할 표면(1355)은 z-축에 대한 빔 분할 표면(1355)의 각도에 기초하여, 반사된 제2 회절 광선(1364)으로서 SLM(540)을 향해 제2 시준 및 회절된 광선(1344)을 반사시킨다. 반사된 광빔(1365)(이는 반사된 제1 회절 광선(1362) 및 반사된 제2 회절 광선(1364)을 포함함)이 SLM(540)에 입사된다. 앞서 설명된 바와같이, 이후, SLM(540)은 반사된 광빔(1365)의 제1 편광 상태(예컨대, s-편광 상태)를 제2 편광 상태(예컨대, p-편광 상태)로 변환하고, 또한 이미지 데이터로 광을 변조시킨다. 이후, SLM(540)은 빔 분할 표면(1355)을 통해 출력/입력 표면(1358)으로 그리고 출력 표면(1358) 밖으로 변조된 빔(1375)을 다시 반사시킬 수 있다.
[0120]
예시된 실시예에서, 반사된 제1 회절 광빔(반사된 제1 회절 광선(1362)에 의해 예시됨)은 SLM(540)의 좌측에 입사되어 좌측 조명을 제공한다. 반사된 제2 회절 광빔(반사된 제2 회절 광선(1364)에 의해 예시됨)은 SLM(540)의 우측에 입사되어 우측 조명을 제공한다. 일부 실시예들에서, 각각의 시준 및 회절된 광빔(시준 및 회절된 광선들(1342, 1344)로 표현됨)은 저-프로파일 BS(1350)로 전달되는 입력 빔의 에너지의 대략 절반을 가질 수 있다. 따라서, BS(1350)로 진입하는 광의 대략 절반은 SLM(540)의 좌측으로 전달되며, BS(1350)로 진입하는 광의 절반이 SLM(540)의 우측으로 전달된다.
[0121]
전술한 설명이 주로 단일 입력 광선(1335)의 거동에 관한 것이지만, 발산 입력 빔에 포함된 광선들 모두는 유사하게 시준, 회절 및 반사된다. 따라서, 저-프로파일 BS(1350)는 SLM(540)의 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)의 완전하고 연속적이며 균일한 조명을 가능하게 한다.
[0122]
도 12a의 저-프로파일 BS(1250)와 유사하게, 저-프로파일 BS(1350)의 각도(
)는 45도 미만(예컨대, 40도 이하, 35도 이하 또는 30도 이하)일 수 있으며, 각도(
)는 0도 보다 더 클 수 있다(예컨대, 15도 이상, 20도 이상, 25도 이상 또는 30도 이상일 수 있다). 일부 실시예들에서, 저-프로파일 BS(1350)에서의 각도(
) 및 각도(
)는 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 예컨대,이들 각도들 모두는 대략 30도(예컨대, 30도의 15% 이내) 일 수 있다. 각도(
) 및 각도(
)가 30도인 한가지 비-제한적인 장점은 y-축을 따르는 저-프로파일 BS(1350)의 높이가 도 10의 BS(1050)에 비해 대략 58% 정도 감소될 수 있다는 점이다. 각도(
)는 저-프로파일 BS(1250)의 원하는 높이에 기초하여 그리고 제2 회절된 광선(1344)의 TIR을 유도하도록 선택될 수 있다. 빔 분할 표면(1355)의 각도(
)가 감소함에 따라, 회절 각도(
)는 증가한다(그 반대의 경우도 마찬가지이다). 0도의 회절 각도에 대해, 빔 분할 표면(1355)은 도 10과 관련하여 설명된 바와 같이 z-축에 대해 45도로 배열될 것이다. 그러나, 너무 큰 회절 각도들은 저-프로파일 BS(1350) 내에서 제2 회절된 광선(1344)이 TIR를 하지 못하게 할 수 있다. 이는 SLM(540)의 조명의 원치 않는 갭들 또는 중첩들을 초래할 수 있다.
[0123]
방금 논의된 바와 같이, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 적어도 2가지 기능들, 즉 (1) 광원(예컨대, 광원(1030))으로부터 발산 입력 광을 시준하는 기능; 및 (2) 회절된 빔들이 궁극적으로 출력/입력 표면(1353)에 수직인 방향으로 SLM(540)을 향해 반사되도록 시준된 광을 하나 이상의 각도들로 회절 및 반사시키는 기능을 할 수 있다 . 도 13a에 예시된 실시예의 비-제한적인 장점은 별도의 시준기(예컨대, 시준기(1010))가 생략될 수 있고 광원(예컨대, 광원(1030))이 저-프로파일 BS(1350)에 더 가까이 포지셔닝되어, 더 컴팩트한 저-프로파일 광 프로젝터 시스템을 제공할 수 있다는 점이다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 다수의 입력 빔들이 상이한 위치들로부터 BS(1350)로 방출되는 실시예들에서 또 다른 기능을 할 수 있다.
[0124]
광 프로젝터 시스템(1120)은 상이한 파장들의 광(예컨대,도 9a 내지 도 9c의 광선들(770, 780, 및 790))을 방출하기 위한 다수의 광원들을 포함할 수 있다. 따라서, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 상이한 위치들에 위치된 하나 이상의 광원들로부터 상이한 파장들의 하나 이상의 각지게 그리고/또는 측면으로 분리된 입력 빔들을 수신하고 그리고 각도 및/또는 측면 분리량이 감소된 대응하는 시준 및 회절된 빔들로 이들 입력 빔들을 변환하도록 구성될 수 있다. 이러한 기능을 달성하기 위해, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 상이한 광원들이 방출하는 상이한 파장(들)의 광에 또는 이들의 입사각들에 부분적으로 기초하여 그 상이한 광원들로부터의 광을 개별적으로 조작하도록 구성될 수 있다. 광원들은 서로 측면으로 분리될 수 있고 그리고/또는 상이한 각도들로 광선을 방출할 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 광원들로부터 수신된 광을 하나 이상의 공통 다중화된 광빔들로 지향시키도록 구성될 수 있다.
[0125]
도 13b 및 도 13c는 일부 실시예들에 따른 저-프로파일 BS(1350)의 측면도 및 평면도를 각각 예시한다. 도 13b 및 도 13c는 다수의 광원들(1330a-c)로부터의 광을 하나 이상의 공통 빔들로 다중화하는 것을 도시한다. 입력 웨지(1354)의 코너에는 3개의 광원들(1330a-c)이 제공된다. 이들 3개의 광원들(1330a-c)은 x-축을 따라 서로 측면으로 오프셋된다. 3개의 광원들(1330a-c)이 도 13b 및 도 13c에 도시되는 한편, 임의의 수의 (예컨대, 1개, 2개, 4개, 5개 등의) 광원들이 주어진 응용에 대해 원하는대로 제공될 수 있다.
[0126]
도 13b는 도 13a과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이 저-프로파일 BS(1350)의 측면도를 예시한다. 저-프로파일 BS(1350)는 3개의 대응하는 입력 광빔들(입력 광선(1335a-c)으로 예시됨)을 생성하는 입력 웨지(1354)의 코너에서 광원들(1330a-c)로 조명된다. 일부 실시예들에서, 광원들(1330a-c)(예컨대, LED들 또는 섬유 전달 레이저들 등)은 입력 웨지(1354)에 광학적 및/또는 물리적으로 커플링될 수 있다. 도 13a와 유사하게, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 입력 광빔들(입력 광선(1335a-c)으로 예시됨)을 수신하고, 입력 광빔들을, 대응하는 제1 시준, 다중화 및 회절된 광빔들(제1 시준, 다중화 및 회절된 광선(1342a-c)로 예시됨)로 변환한다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 또한 입력 광빔들(입력 광선들(1335a-c)로 예시됨))을 제2 시준, 다중화 및 회절된 광빔들(제2 시준, 다중화 및 회절된 광선(1344a-c)으로 예시됨)으로 변환한다. 본원에 설명되는 바와같이, 제1 및 제2 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1342a-c, 1344a-c)은 도 13a의 제1 및 제2 시준 및 회절된 광선들(1342, 1344)과 실질적으로 유사한 방식으로 회절 각도(
)로 반사된다. 제1 및 제2 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1342a-c, 1344a-c)은 빔 분할 표면(1355)을 향하여 지향된 후 (일부 경우들에서, 출력/입력 표면(1353)으로부터 먼저 반사된 후) 반사 및 다중화된 빔(1369)으로서 SLM(540)으로 반사된다. 반사 및 다중화된 빔(1369)은 SLM(540)에 수직인 방향으로 SLM(540)에 입사되는 반사된 제1 및 제2 다중화 및 회절된 광선들(1362a-c, 1364a-c)로 구성될 수 있다.
[0127]
도 13c에 도시된 바와 같이, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 각지게 그리고/또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들(입력 광선들(1335a-c)로 표현됨)을 수신하도록 구성될 수 있다. 이들 입력 빔들은 x-축을 따라 측면으로 분리될 수 있는 광원들(1330a-c)로부터 유래될 수 있다. 광원들(1330a-c)은 대체로 반사 회절 광학 엘리먼트(1356)가 위치되는 표면(1352)을 향해 지향될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 광원(1330a-c)은 상이한 측면 포지션들로부터 표면(1352)의 표면적을 완전히 조명하기 위해 z-축에 대해 상이한 각도로 포지셔닝될 수 있다. 예컨대, 광원(1330a)은 z-축을 따라 표면(1352)에 수직하게 지향될 수 있는 반면, 광원(1330b)은 z-축에 대해 약간 아래쪽으로 기울어질 수 있으며, 광원(1330c)은 z-축에 대해 약간 위쪽으로 기울어질 수 있어서, 각각의 광원(1330a-c)으로부터의 광으로 표면(1352)을 채울 수 있다. 따라서, (입력 광선들(1335a-c)로 표현되는) 3개의 입력 빔들은 어느 정도의 각도 분리를 가질 수 있다.
[0128]
일부 실시예들에서, 광원들(1330a-c)은 각각 (상이한 라인 스타일들로 도 13b 및 도 13c에서 표현되는) 상이한 컬러들 또는 상이한 범위들의 파장들의 입력 광빔들(입력 광선들(1335a-c)로 표현됨)을 방출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예시적인 목적으로, 광원(1330a)은 녹색광(대시선들로 표현됨)을 방출할 수 있고, 광원(1330b)은 적색광(실선들로 표현됨)을 방출할 수 있으며, 광원(1330c)은 청색광(일점쇄선들로 표현됨)을 방출할 수 있다. 다른 컬러들 및 구성들이 가능하며, 예컨대, 광원들(1330a-c)은 자홍식, 청록색 또는 녹색 광을 방출할 수 있거나 또는 IR 또는 근적외선 광을 방출할 수 있다.
[0129]
도 13c에 도시된 바와 같이, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 입력 광빔들(입력 광선들(1335a-c)로 표현됨)을, 대응하는 시준, 다중화 및 회절된 광빔들(시준, 다중화 및 회절된 광선들(1342a-c, 1344a-c)로 표현됨)으로 변환하도록 구성될 수 있다. 입력 광선들(1335a-c)을 시준 및 회절된 광선들(1342a-c, 1344a-c)로 변환하는 것은 도 13b와 관련하여 앞서 설명된다. 또한, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 입력 광선들(1335a-c)을 하나 이상의 다중화된 광빔들로 다중화하여, 제1 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1342a-c)은 감소된 각도 또는 측면 분리량으로 전파되거나 또는 각도 또는 측면 분리 없이 전파된다. 제2 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1344a-c)도 마찬가지이다. 일부 실시예들에서, 제1 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1342a-c)은 실질적으로 공통 광 경로를 따라 전파되도록 다중화될 수 있다. 제2 시준, 다중화 및 회절된 광선들(1344a-c)도 마찬가지이다.
[0130]
광원들(1330a-c)로부터의 입력 빔들을 다중화하도록 구성되는 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)의 비-제한적인 장점은 복수의 컬러들의 광이 이미지 정보로 인코딩될 수 있고 풀 컬러 이미지를 (예컨대, 광선들(770, 780 및 790)로서)를 사용자에게 제시할 수 있다는 점이다.
[0131]
일부 실시예들(예컨대, 도 13b 및 도 13c와 관련하여 설명된 실시예들)에서, 각각의 광원(1330a-c)으로부터의 광을 별개로 그리고 개별적으로 조작할 수 있는 반사 회절 광학 엘리먼트(1356)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 기능을 달성하기 위해, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 광의 파장 또는 광의 입사각에 따라 광과 다르게 상호작용하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 제1 각도에서 제1 파장의 입력 광선들(1335a)로 표현된 입력 광빔을 수신하여, 제1회절 각도(
)에서, 시준 및 회절된 광선들(1342a, 1344a)로 표현되는 시준 및 회절된 광빔으로 수신된 입력 광빔을 변환할 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 제2 각도에서 제2 파장의 입력 광선들(1335b)로 표현된 입력 광빔을 수신하여, 제2회절 각도(
)에서, 시준 및 회절된 광선들(1342b, 1344b)로 표현되는 시준 및 회절된 광빔으로 수신된 입력 광빔을 변환할 수 있다. 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 제3 각도에서 제3 파장의 입력 광선들(1335c)로 표현된 입력 광빔을 수신하여, 제3회절 각도(
)에서, 시준 및 회절된 광선들(1342c, 1344c)로 표현되는 시준 및 회절된 광빔으로 수신된 입력 광빔을 변환할 수 있다. 각각 제1, 제2 및 제3 회절 각도들(
, 
, 및 
)은 각각 상이할 수 있거나 또는 제1, 제2 및 제3 회절 각도들(
, 
, 및 
)중 하나 이상은 동일할 수 있다. 각각 제1, 제2 및 제3 회절 각도들(
, 
, 및 
)은 시준 및 회절된 광선들(1342a-c, 1344a-c)을 다중화하도록 선택될 수 있다.
[0132]
반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 예컨대, 앞서 설명된 바와같이 동작하도록 설계된 HOE(holographic optical element)와 같은 표면 또는 볼륨 홀로그램일 수 있다. 일부 실시예들에서, HOE는 하나 이상의 층들을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 층들 각각은 선택된 파장에서 또는 파장들 범위에서 그리고/또는 선택된 입사각 범위에서 동작하도록 간섭 패턴이 내부에 형성된다. 예컨대, HOE의 제1 층은 입력 광선들(1335a)(예컨대, 본 예에서는 녹색 광)에 대해 동작하도록 구성될 수 있으며, 입력 광선들(1335a)의 파장들에 대응하는 광의 파장들을 사용하여 기록된 간섭 패턴을 포함할 수 있다. 다른 층들은 다른 광선들의 파장 및/또는 입사각에 기초하여, 그 다른 광선들에 대해 동작하도록 구성된 간섭 패턴들을 포함할 수 있다. 이들 간섭 패턴들은 대응하는 입력 광선들(예컨대, 1335b 또는 1335c)을 사용하여 또한 기록될 수 있다.
[0133]
일부 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)의 층들은 z-축을 따라 상이한 깊이들을 가질 수 있다. 예컨대, 앞서 설명된 바와같이, 제1 층은 입력 광선들(1335c)(예컨대, 본 예에서는 청색 광)을 변환시키면서, 영향 받지 않는 입력 광선들(1335a 및 1335b)(예컨대, 본 예에서는 각각 녹색 광 및 적색 광)을 통과시키도록 선택된 깊이를 가질 수 있다. 예컨대, 더 긴 광 파장은 주어진 층을 통과할 수 있는 반면에, 더 짧은 파장은 층에 대한 적절한 깊이를 선택하는 것으로 인해 동일한 층과 상호작용할 수 있다(예컨대, 청색 광은 녹색 광이 통과할 수 있는 층과 상호작용할 수 있으며, 녹색광은 적색광이 통과할 수 있는 층과 상호 작용할 수 있다).
[0134]
따라서, 반사성 회절 광학 엘리먼트(1356)는 일부 실시예들에서 3가지 기능들, 즉 (1) 광원들(1330a-c)에 대한 입력 광을 시준하는 기능; (2) 회절된 광선들이 출력/입력 표면(1353)에 수직인 방향으로 SLM(540)을 향해 반사되도록 하는 각도들로 광을 회절 및 반사시키는 기능; 및 (3) 광원들(1330a-c)로부터의 각지게 그리고/또는 측면으로 분리된 입력 빔들을 다중화하는 기능을 할 수 있다.
[0135]
도 13d는 일부 실시예들에 따라 저-프로파일 BS(1350)를 사용하는 SLM(540)의 완전하고 균일하며 연속적인 조명의 예를 예시한다. 도 13d는 추가의 입력 광선들(1333 및 1337)이 출력 빔의 일부로서 예시된 점을 제외하고 도 13a와 실질적으로 유사하다. 각각의 입력 광선(1333, 1335, 1337)은 반사 회절 광학 엘리먼트(1356)에 의해 회절된 광선들(1342)(실선들) 및 (1344)(대시선들)로 회절된다. (예시를 용이하게 하기 위해, 모든 회절된 광선들(1342 및 1344)이 라벨링되지는 않음). 도 13a와 관련하여 앞서 설명된 바와같이, 이러한 회절된 광선들은 빔 분할 표면(1355)에 의해 반사되며(회절된 광선들의 일부에 대해, 이는 출력/입력 표면(1353)에서의 TIR 이후에 발생한다), SLM(540)의 수신 표면에 수직인 방향으로 SLM(540)로 지향된다. 제1 회절된 광선들(실선들으로 예시됨)은 각각 회절 각도(
)에서 빔 분할 표면(1355)을 향하여 위쪽으로 회절된다. 이후, 이들 광선은 SLM(540)의 좌측으로 제1 그룹의 반사 광선들(1361)로서 반사되어, 좌측 연속 조명을 제공한다. 유사하게, 제2 회절된 광선들(점선들로 예시됨)은 각각 회절 각도(
)에서 출력/입력 표면(1353)을 향해 아래쪽으로 회절된다. 이들 광선들은 출력/입력 표면(1353)에서 TIR을 겪어서, 빔 분할 표면(1355)을 향하여 위쪽으로 반사되고, 여기서 이들 광선들은 각각 SLM(540)의 우측으로 제2 그룹의 반사된 광선들(1368)로서 아래쪽으로 반사되어, 우측 연속 조명을 제공한다. (제1 및 제2 그룹의 반사 광선들(1361 및 1368)은 반사 광선들(1365)로 지칭될 수 있음). 따라서, 저-프로파일 BS(1350)은 광 변조기(540)에 수직인 방향으로 완전하고 연속적이며 균일한 조명을 제공할 수 있다.
예시적인
실시예들
[0136]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 투과성 회절 광학 엘리먼트는 제1 표면상에 정상적으로 입사되는 시준된 입력 빔을 수신하고 ― 시준된 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 시준된 입력 빔을 제1 회절 각도로 회절된 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0137]
이들 실시예들에서, 제1 회절된 빔은 제2 표면에서 광학 디바이스로부터 출사되며, 광학 디바이스는 제1 회절된 빔을 수신하기 위해 제2 표면에 인접한 공간 광 변조기를 더 포함할 수 있으며, 공간 광 변조기는 제1 회절된 빔을 제1 변조된 빔으로 변환하며 ― 제1 변조된 빔은 제2 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 제1 변조된 빔을 제2 표면을 향해 다시 지향시키도록 구성된다.
[0138]
이들 실시예들에서, 공간 광 변조기는 LCOS(liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 또는 DLP(digital light processing) 공간 광 변조기일 수 있다.
[0139]
이들 실시예들에서, 광학 디바이스는 제2 표면에 대향하는 제4 표면을 더 포함할 수 있으며, 제4 표면은 제1 변조된 빔이 제2 표면을 통과한 후에 제1 변조된 빔을 수신하고 투과시키도록 구성되며, 제4 표면은 만곡된다.
[0140]
이들 실시예들에서, 투과성 회절 광학 엘리먼트는 시준된 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 회절된 빔으로 변환시켜서, 제2 회절된 빔이 제2 표면을 향해 지향되며, 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 제3 표면을 향해 반사되며 그리고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 추가로 구성될 수 있다.
[0141]
이들 실시예들에서, 반사된 제1 회절 빔 및 반사된 제2 회절 빔은 공간 광 변조기에 의해 수신될 수 있으며, 반사된 제1 회절 빔 및 반사된 제2 회절 빔은 전체 공간 광 변조기를 조명하기 위해 결합된다.
[0142]
이들 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 표면들은 평면일 수 있다.
[0143]
이들 실시예들에서, 제2 표면은 곡선형 표면일 수 있다.
[0144]
이들 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 표면들은 웨지(wedge)를 형성할 수 있다.
[0145]
이들 실시예들에서, 웨지는 적어도 약 1.5의 굴절률을 포함할 수 있다.
[0146]
이들 실시예들에서, 제3 표면은 편광빔 분할 표면들을 포함할 수 있다.
[0147]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 45도 미만일 수 있다.
[0148]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 약 30도일 수 있다.
[0149]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 0도 보다 클 수 있다.
[0150]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 약 30도일 수 있다.
[0151]
이들 실시예들에서, 투과성 회절 광학 엘리먼트는 복수의 회절 피처들을 포함할 수 있다.
[0152]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 복수의 회절 피처들의 주기에 기초할 수 있다.
[0153]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 발산 입력 빔을 수신하고 ― 발산 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여 제1 시준 및 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0154]
이들 실시예들에서, 제1 시준 및 회절된 빔은 제2 표면에서 광학 디바이스로부터 출사될 수 있으며, 광학 디바이스는 제1 시준 및 회절된 빔을 수신하기 위해 제2 표면에 인접한 공간 광 변조기를 더 포함할 수 있으며, 공간 광 변조기는 제1 시준 및 회절된 빔을 제1 변조된 빔으로 변환하며 ― 제1 변조된 빔은 제2 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 제1 변조된 빔을 제2 표면을 향해 다시 지향시키도록 구성된다.
[0155]
이들 실시예들에서, 공간 광 변조기는 LCOS(liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 또는 DLP(digital light processing) 공간 광 변조기일 수 있다.
[0156]
이들 실시예들에서, 광학 디바이스는 제2 표면에 대향하는 제4 표면을 더 포함할 수 있으며, 제4 표면은 제1 변조된 빔이 제2 표면을 통과한 후에 제1 변조된 빔을 수신하고 투과시키도록 구성되며, 제4 표면은 만곡된다.
[0157]
이들 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 발산 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 시준 및 회절된 빔으로 변환시켜서, 제2 시준 및 회절된 빔이 제2 표면을 향해 지향되며, 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 제3 표면을 향해 반사되며 그리고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 추가로 구성될 수 있다.
[0158]
이들 실시예들에서, 반사된 제1 시준 및 회절된 빔 및 반사된 제2 시준 및 회절된 빔은 공간 광 변조기에 의해 수신될 수 있으며, 반사된 제1 시준 및 회절된 빔 및 반사된 제2 시준 및 회절된 빔은 전체 공간 광 변조기를 조명하기 위해 결합된다.
[0159]
이들 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 수신하고, 수신된 입력 빔들을 각도 또는 측면 분리량이 감소된 시준 및 회절된 빔들로 변환하도록 구성될 수 있다.
[0160]
이들 실시예들에서, 광학 디바이스는 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 출력하기 위해 복수의 측면으로 분리된 광원들을 더 포함할 수 있다.
[0161]
이들 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 제1 각도에서 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들 중 제1 입력 빔을 수신하고 광학 경로를 따라 제3 표면을 향해 지향되는 대응하는 제1 시준 및 회절된 빔으로 제1 입력 빔을 변환하며, 그리고 제2 각도에서 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들 중 제2 입력 빔을 수신하고 광학 경로를 따라 제3 표면을 향해 지향된 제2 시준 및 회절된 빔으로 제2 입력 빔을 변환하도록 구성될 수 있다.
[0162]
이들 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 표면들은 평면일 수 있다.
[0163]
이들 실시예들에서, 제2 표면은 곡선형 표면일 수 있다.
[0164]
이들 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 표면들은 웨지(wedge)를 형성할 수 있다.
[0165]
이들 실시예들에서, 웨지는 적어도 약 1.5의 굴절률을 포함할 수 있다.
[0166]
이들 실시예들에서, 제3 표면은 편광빔 분할 표면을 포함할 수 있다.
[0167]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 45도 미만일 수 있다.
[0168]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 약 30도일 수 있다.
[0169]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 0도 보다 클 수 있다.
[0170]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 약 30도일 수 있다.
[0171]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 반사성 회절 광학 엘리먼트의 회절 피처들의 주기에 기초할 수 있다.
[0172]
이들 실시예들에서, 반사성 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함할 수 있다.
[0173]
일부 실시예들에서, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD)는, 프레임; 프레임에 의해 지지되고 이미지를 사용자의 눈에 투사하도록 구성된 투사 옵틱스; 및 투사 옵틱스와 광 통신하는 광 프로젝터 시스템을 포함하며, 광 프로젝터 시스템은 이미지로 인코딩된 변조된 광을 제공하도록 구성되며, 광 프로젝터 시스템은 입력 빔을 방출하기 위한 광원; 회절 광학 엘리먼트를 갖는 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면, 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 회절 광학 엘리먼트는 제1 상태를 갖는 광을 포함하는 입력 빔을 수신하고 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성됨 ―; 및 광학 디바이스에 의해 공간 광 변조기에 전달된 입력 빔을 사용하여 변조된 광을 생성하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함한다.
[0174]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0175]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0176]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 회절 격자를 포함할 수 있다.
[0177]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함할 수 있다.
[0178]
이들 실시예들에서, HMD는 광학 디바이스와 광원 사이에 배치된 시준기를 더 포함할 수 있다.
[0179]
이들 실시예들에서, 투사 옵틱스는 인-커플링 광학 엘리먼트들; 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들을 포함할 수 있으며, 인-커플링 광학 엘리먼트들은 변조된 광을 수신하여 인-커플링하도록 구성될 수 있으며, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들은 사용자의 눈쪽을 향해 인-커플링된 광을 아웃-커플링하도록 구성된다.
[0180]
이들 실시예들에서, 투사 옵틱스는 도파관들의 스택을 포함할 수 있다.
[0181]
이들 실시예들에서, 각각의 도파관은 도파관들의 스택의 하나 이상의 다른 도파관들과 비교하여 상이한 발산량으로 광을 아웃-커플링하도록 구성될 수 있다.
[0182]
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면; 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 회절 광학 엘리먼트는 입력 빔을 수신하고 ― 입력 빔은 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 구성된다.
[0183]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0184]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0185]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 회절 격자를 포함할 수 있다.
[0186]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함할 수 있다.
[0187]
이들 실시예들에서, 입력 빔은 광학 디바이스로부터 분리된 시준기에 의해 시준될 수 있다.
[0188]
이들 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트는 입력 빔을 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하도록 구성될 수 있다.
[0189]
이들 실시예들에서, 제1 및 제2 상태들은 각각 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태일 수 있다.
[0190]
일부 실시예들에서, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법은: 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이며 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―; 제1 표면에 입사되는 입력 빔을 생성하는 단계 ― 입력 빔은 제1 표면에 수직하게 전달되며 제1 상태를 가짐 ―; 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 제1 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되며 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 제1 표면상에 제공하는 단계; 공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 공간 광 변조기는 공간 광 변조기에 수직인 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ―; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 이미지 정보를 사용자에게 투사하는 단계를 포함한다.
[0191]
이들 실시예들에서, 방법은 광학 디바이스에 인접하게 배치된 시준기로 입력 빔을 시준하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0192]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 45도 미만일 수 있다.
[0193]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 약 30도일 수 있다.
[0194]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 0도 보다 클 수 있다.
[0195]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 약 30도일 수 있다.
[0196]
일부 실시예들에서, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법은: 제1 표면, 제1 표면에 수직인 제2 표면 및 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이며 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―; 제1 표면에 입사되는 발산 입력 광빔을 생성하는 단계 ― 발산 입력 광빔은 제1 상태를 가짐 ―; 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여 제1 시준 및 회절된 빔이 제3 표면을 향해 지향되며 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 제1 표면상에 제공하는 단계; 공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 공간 광 변조기는 공간 광 변조기에 수직인 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ―; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 이미지 정보를 사용자에게 투사하는 단계를 포함한다.
[0197]
이들 실시예들에서, 방법은 발산 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 시준 및 회절된 빔으로 변환하여, 제2 시준 및 회절된 빔이 제2 표면을 향해 지향되며, 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 제3 표면을 향해 반사되며 그리고 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0198]
이들 실시예들에서, 방법은 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 생성하는 단계, 및 반사성 회절 광학 엘리먼트들을 사용하여, 생성된 입력 빔들을 각도 또는 측면 분리량이 감소된 시준 및 회절된 빔들로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0199]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 45도 미만일 수 있다.
[0200]
이들 실시예들에서, 제2 표면에 대한 제3 표면의 각도는 약 30도일 수 있다.
[0201]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 0도 보다 클 수 있다.
[0202]
이들 실시예들에서, 제1 회절 각도는 약 30도일 수 있다.
부가적인 고려사항들
[0203]
앞서 설명된 실시예들에서, 광학 어레인지먼트들은 눈-이미징 디스플레이 시스템들 및 더욱 구체적으로는 증강 현실 디스플레이 시스템들의 맥락에서 설명되었다. 그러나, 광학 어레인지먼트들의 윈리들 및 장점들이 다른 머리-장착 디스플레이, 광학 시스템들, 장치 또는 방법들에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 위에서, 실시예들 중 임의의 하나의 실시예의 임의의 특징은 실시예들 중 임의의 다른 실시예의 임의의 다른 특징과 결합되고 그리고/또는 이 다른 특징으로 대체될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
[0204]
맥락이 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐, "포함하다", "포함하는", "갖다" 및 "갖는" 등의 단어들은 배타적인 또는 철저한 의미와 대조적으로, 포괄적인 의미로 해석되는데; 즉 "포함하는"의 의미로 (그러나 이에 제한되지 않음) 해석되어야 한다. 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "커플링된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "연결된"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 문맥에 따라, "커플링된" 또는 "연결된"은 광이 하나의 광학 엘리먼트로부터 다른 광학 엘리먼트로 커플링되거나 연결되도록 광학 커플링 또는 광학 연결을 지칭할 수 있다. 부가적으로, "본원에서", "앞에서", "아래에서", "아래의", "위의"라는 단어들 및 이와 유사한 의미의 단어들은, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원의 임의의 특정 부분들이 아니라, 본 출원의 전체를 지칭해야 한다. 맥락이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용한 위의 상세한 설명에서의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 둘 이상의 아이템들의 리스트에 대하여 "또는"이라는 단어는 (배타적인 의미보다는) 포괄적인 의미이며, "또는"은 다음의 단어 해석들 모두, 즉 리스트의 아이템들 중 임의의 아이템, 리스트의 아이템들 모두, 리스트의 아이템들 중 하나 이상의 아이템들을 커버한다. 또한, 본 출원 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같은 단수 표현은 달리 특정되지 않는 한 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석될 것이다.
[0205]
본원에서 사용된 바와 같이, 리스트의 아이템들 “중 적어도 하나”를 지칭하는 어구는 단일 멤버들을 포함하여 그 아이템들의 임의의 조합을 지칭한다. 예로서, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"는 A, B, C, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 및 A, B, 및 C를 커버하도록 의도된다. 특별하게 달리 언급되지 않으면, "X, Y 또는 Z 중 적어도 하나"라는 어구와 같은 연결어는 아이템, 용어 등이 X, Y 또는 Z 중 적어도 하나일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 맥락으로 달리 이해된다. 따라서, 이러한 연결어는 일반적으로, 특정 실시예들이 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 요구하는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
[0206]
더욱이, 구체적으로 달리 언급되지 않거나 또는 사용된 맥락 내에서 달리 이해되지 않으면, 본원에서 사용된 조건어, 이를테면, 특히 "할 수 있다", "예컨대", "예를 들면", "이를테면" 등은 일반적으로 특정 실시예들이 특정 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들을 포함하지만 다른 실시예들은 이들을 포함하지 않는다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 그러한 조건어는 일반적으로, 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예들을 위해 어떤 식으로든 요구된다는 것, 또는 이들 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되는지 또는 임의의 특정 실시예들에서 수행될지를 암시하는 것으로 의도되진 않는다.
[0207]
특정 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서만 제시되며, 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 본원에서 설명된 신규한 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서 다양한 생략들, 대체들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 블록들이 주어진 어레인지먼트로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 컴포넌트들 및/또는 회로 토폴로지들로 유사한 기능성들을 수행할 수 있고, 일부 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 앞서 설명된 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들의 임의의 적합한 조합이 추가의 실시예들을 제공하도록 조합될 수 있다. 앞에서 설명된 다양한 특징들 및 프로세스들은 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 또는 다양한 방식들로 조합될 수 있다. 엘리먼트 또는 엘리먼트들의 조합이 모든 실시예들에 대해 필수적이거나 불가결한 것은 아니다. 본 개시내용의 특징들의 모든 적합한 조합들 및 서브조합들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (67)
- 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면;
상기 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및
상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며,
상기 투과성 회절 광학 엘리먼트는 상기 제1 표면에 정상적으로 입사되는 시준된 입력 빔을 수신하고 ― 상기 시준된 입력 빔은 상기 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ―, 상기 시준된 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여 상기 제1 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 회절된 빔은 상기 제2 표면에서 상기 광학 디바이스로부터 출사되며, 상기 광학 디바이스는 상기 제1 회절된 빔을 수신하기 위해 상기 제2 표면에 인접한 공간 광 변조기를 더 포함하며, 상기 공간 광 변조기는 상기 제1 회절된 빔을 제1 변조된 빔으로 변환하며 ― 상기 제1 변조된 빔은 상기 제2 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 상기 제1 변조된 빔을 상기 제2 표면을 향해 다시 지향시키도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제2 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기는 LCOS(liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 또는 DLP(digital light processing) 공간 광 변조기인, 광학 디바이스. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대향하는 제4 표면을 더 포함하며, 상기 제4 표면은 상기 제1 변조된 빔이 상기 제2 표면을 통과한 후에 상기 제1 변조된 빔을 수신하고 투과시키도록 구성되며, 상기 제4 표면은 만곡되는, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 투과성 회절 광학 엘리먼트는 상기 시준된 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 회절된 빔으로 변환시켜서, 상기 제2 회절된 빔이 상기 제2 표면을 향해 지향되며, 상기 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 상기 제3 표면을 향하여 반사되며 그리고 상기 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 3 표면에 의해 반사되도록 추가로 구성되는, 광학 디바이스. - 제5 항에 있어서,
상기 반사된 제1 회절 빔 및 상기 반사된 제2 회절 빔은 공간 광 변조기에 의해 수신되며, 상기 반사된 제1 회절 빔 및 상기 반사된 제2 회절 빔은 상기 전체 공간 광 변조기를 조명하기 위해 결합되는, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 표면들은 평면인, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 표면은 곡선형 표면인, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 표면들은 웨지를 형성하는, 광학 디바이스. - 제9 항에 있어서,
상기 웨지는 적어도 약 1.5의 굴절률을 포함하는, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 표면은 편광빔 분할 표면을 포함하는, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 45도 미만인, 광학 디바이스. - 제12 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 약 30인, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 0도 보다 큰, 광학 디바이스. - 제14 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 약 30도인, 광학 디바이스. - 제1 항에 있어서,
상기 투과성 회절 광학 엘리먼트는 복수의 회절 피처들을 포함하는, 광학 디바이스. - 제16 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 상기 복수의 회절 피처들의 주기에 기초하는, 광학 디바이스. - 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면;
상기 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및
상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며;
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트는 발산 입력 빔을 수신하고 ― 상기 발산 입력 빔은 상기 제1 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 상기 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제1 시준 및 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제1 시준 및 회절된 빔은 상기 제2 표면에서 상기 광학 디바이스로부터 출사되며, 상기 광학 디바이스는 상기 제1 시준 및 회절된 빔을 수신하기 위해 상기 제2 표면에 인접한 공간 광 변조기를 더 포함하며, 상기 공간 광 변조기는 상기 제1 시준 및 회절된 빔을 제1 변조된 빔으로 변환하며 ― 상기 제1 변조된 빔은 상기 제2 상태를 갖는 광을 포함함 ― 그리고 상기 제1 변조된 빔을 상기 제2 표면을 향해 다시 지향시키도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제19 항에 있어서,
상기 공간 광 변조기는 LCOS(liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 또는 DLP(digital light processing) 공간 광 변조기인, 광학 디바이스. - 제19 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대향하는 제4 표면을 더 포함하며, 상기 제4 표면은 상기 제1 변조된 빔이 상기 제2 표면을 통과한 후에 상기 제1 변조된 빔을 수신하고 투과시키도록 구성되며, 상기 제4 표면은 만곡되는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트는 상기 발산 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 시준 및 회절된 빔으로 변환시켜서, 상기 제2 시준 및 회절된 빔이 상기 제2 표면을 향해 지향되며, 상기 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 상기 제3 표면을 향해 반사되며 그리고 상기 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 추가로 구성되는, 광학 디바이스. - 제22 항에 있어서,
상기 반사된 제1 시준 및 회절된 빔 및 상기 반사된 제2 시준 및 회절된 빔은 공간 광 변조기에 의해 수신되며, 상기 반사된 제1 시준 및 회절된 빔 및 상기 반사된 제2 시준 및 회절된 빔은 상기 전체 공간 광 변조기를 조명하기 위해 결합되는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트는 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 수신하고, 수신된 입력 빔들을 각도 또는 측면 분리량이 감소된 시준 및 회절된 빔들로 변환하도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제24 항에 있어서,
상기 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 출력하기 위해 복수의 측면으로 분리된 광원들을 더 포함하는, 광학 디바이스. - 제24 항에 있어서,
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트는 제1 각도에서 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들 중 제1 입력 빔을 수신하고 광학 경로를 따라 상기 제3 표면을 향해 지향되는 대응하는 제1 시준 및 회절된 빔으로 상기 제1 입력 빔을 변환하며, 그리고 제2 각도에서 복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들 중 제2 입력 빔을 수신하고 상기 광학 경로를 따라 상기 제3 표면을 향해 지향된 제2 시준 및 회절된 빔으로 상기 제2 입력 빔을 변환하도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 표면들은 평면인, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제2 표면은 곡선형 표면인, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 표면들은 웨지를 형성하는, 광학 디바이스. - 제29 항에 있어서,
상기 웨지는 적어도 약 1.5의 굴절률을 포함하는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제3 표면은 편광빔 분할 표면을 포함하는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 45도 미만인, 광학 디바이스. - 제32 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 약 30도인, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 0도 보다 큰, 광학 디바이스. - 제34 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 약 30도인, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 상기 반사성 회절 광학 엘리먼트의 회절 피처들의 주기에 기초하는, 광학 디바이스. - 제18 항에 있어서,
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함하는, 광학 디바이스. - 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD)로서,
프레임;
상기 프레임에 의해 지지되고 이미지를 사용자의 눈에 투사하도록 구성된 투사 옵틱스(optics); 및
상기 투사 옵틱스와 광 통신하며 상기 이미지로 인코딩된 변조된 광을 제공하도록 구성된 광 프로젝터 시스템을 포함하며;
상기 광 프로젝터 시스템은:
입력 빔을 방출하기 위한 광원;
회절 광학 엘리먼트를 갖는 제1 표면, 상기 제1 표면에 수직인 제2 표면 및 상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스 ― 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며, 상기 회절 광학 엘리먼트는 상기 제1 상태를 갖는 광을 포함하는 상기 입력 빔을 수신하고 그리고 상기 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제1 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 구성됨 ―;
공간 광 변조기를 포함하며, 상기 공간 광 변조기는 상기 광학 디바이스에 의해 상기 공간 광 변조기에 전달된 상기 입력 빔을 사용하여 상기 변조된 광을 생성하도록 구성되는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 회절 격자를 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 광학 디바이스와 상기 광원 사이에 배치된 시준기를 더 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제38 항에 있어서,
상기 투사 옵틱스는:
인-커플링 광학 엘리먼트들; 및
아웃-커플링 광학 엘리먼트를 포함하며,
상기 인-커플링 광학 엘리먼트들은 상기 변조된 광을 수신하고 인-커플링하도록 구성되며, 그리고
상기 아웃-커플링 광학 엘리먼트들은 상기 인-커플링된 광을 상기 사용자의 눈을 향해 아웃-커플링하도록 구성되는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제44 항에 있어서,
상기 투사 옵틱스는 도파관들의 스택을 포함하는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 제45 항에 있어서,
각각의 도파관은 상기 도파관들의 스택의 하나 이상의 다른 도파관들과 비교하여 상이한 발산량으로 광을 아웃-커플링하도록 구성되는, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 머리 장착 디스플레이(HMD). - 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 제1 표면;
상기 제1 표면에 수직인 제2 표면; 및
상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하며, 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적이며;
상기 회절 광학 엘리먼트는 상기 제1 상태를 갖는 광을 포함하는 입력 빔을 수신하며 ― 그리고 상기 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제1 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 포함하는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 회절 격자를 포함하는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 홀로그램을 포함하는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 입력 빔은 상기 광학 디바이스와 분리된 시준기에 의해 시준되는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 회절 광학 엘리먼트는 상기 입력 빔을 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제47 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 상태들은 각각 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태인, 광학 디바이스. - 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법으로서,
제1 표면, 상기 제1 표면에 수직인 제2 표면, 및 상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―;
상기 제1 표면에 입사되는 입력 빔을 생성하는 단계 ― 상기 입력 빔은 상기 제1 표면에 수직하게 이동하며 상기 제1 상태를 가짐 ―;
상기 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제1 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 투과성 회절 광학 엘리먼트를 상기 제1 표면상에 제공하는 단계;
공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 상기 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 상기 공간 광 변조기는 상기 공간 광 변조기에 수직인 상기 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ― ;
하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 상기 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및
상기 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 상기 이미지 정보를 상기 사용자에게 투사하는 단계를 포함하는, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제55 항에 있어서,
상기 광학 디바이스에 인접하게 배치된 시준기로 상기 입력 빔을 시준하는 단계를 더 포함하는, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제55 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 45도 미만인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제57 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 약 30도인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제55 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 0도 보다 큰, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제59 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 약 30도인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법으로서,
제1 표면, 상기 제1 표면에 수직인 제2 표면, 및 상기 제2 표면에 대해 일정 각도로 배열된 제3 표면을 포함하는 광학 디바이스를 제공하는 단계 ― 상기 제3 표면은 제1 상태의 광에 대해 반사적이고 제2 상태의 광에 대해 투과적임 ―;
상기 제1 표면에 입사되는 발산 입력 광빔을 생성하는 단계 ― 상기 발산 입력 광빔은 제1 상태를 가짐 ―;
상기 발산 입력 빔을 제1 회절 각도의 적어도 제1 시준 및 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제1 시준 및 회절된 빔이 상기 제3 표면을 향해 지향되며 상기 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 반사성 회절 광학 엘리먼트를 상기 제1 표면상에 제공하는 단계;
공간 광 변조기를 사용하여 이미지 정보로 적어도 상기 반사된 제1 회절 빔을 변조하는 단계 ― 상기 공간 광 변조기는 상기 공간 광 변조기에 수직인 상기 반사된 제1 회절 빔을 수신하고 제2 상태를 갖는 변조된 광빔을 생성하도록 구성됨 ― ;
하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 상기 변조된 광빔을 수신하는 단계; 및
상기 하나 이상의 투사 광학 컴포넌트들을 사용하여 상기 이미지 정보를 상기 사용자에게 투사하는 단계를 포함하는, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제61 항에 있어서,
상기 반사성 회절 광학 엘리먼트를 사용하여 상기 발산 입력 빔을 제2 회절 각도의 제2 시준 및 회절된 빔으로 변환하여, 상기 제2 시준 및 회절된 빔이 상기 제2 표면을 향해 지향되며, 상기 제2 표면에 의해 내부 전반사를 통해 상기 제3 표면을 향해 반사되며 그리고 상기 제1 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 제3 표면에 의해 반사되도록 하는 단계를 더 포함하는, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제61 항에 있어서,
복수의 각지게 또는 측면으로 분리된 발산 입력 빔들을 생성하고, 상기 반사성 회절 광학 엘리먼트들을 사용하여, 상기 생성된 발산 입력 빔들을 각도 또는 측면 분리량이 감소된 시준 및 회절된 빔들로 변환하는 단계를 더 포함하는, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제61 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 45도 미만인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제64 항에 있어서,
상기 제2 표면에 대한 상기 제3 표면의 각도는 약 30도인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제61 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 0도 보다 큰, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법. - 제66 항에 있어서,
상기 제1 회절 각도는 약 30도인, 이미지 정보를 사용자에게 전달하는 방법.
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