KR20190133229A

KR20190133229A - 스큐 미러 보조 이미징

Info

Publication number: KR20190133229A
Application number: KR1020197031863A
Authority: KR
Inventors: 마크 알. 에이레스; 아담 어네스; 케네스 이. 앤더슨; 프리소 슐로타우
Original assignee: 아코니아 홀로그래픽스 엘엘씨
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-12-02
Also published as: CN110520825B; KR102419459B1; US20200159030A1; US11927765B2; US20240103290A1; JP2020516949A; JP7125423B2; EP3612914A1; WO2018194962A1; CN110520825A

Abstract

시선 추적을 수행하고 외부 장면을 이미징하기 위한 광학 시스템들이 개시된다. 예시적인 광학 시스템은, 가시광 및 비가시광을 방출하기 위한 광원들을 포함할 수 있다. 광학 시스템은, 광원들에 동작가능하게 커플링되는 도파관을 포함할 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소가 도파관의 표면들 사이에 배치될 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체, 및 그 격자 매체 내의 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 제1 입사각으로 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 제1 반사 축에 대해 제1 파장의 비가시광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 광학 시스템은 또한 광학 필터를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 광학 시스템은, 광학 시스템 외부의 광을 수광하도록 구성되는 이미징 디바이스를 포함할 수 있다.

Description

스큐 미러 보조 이미징

본 출원은 2017년 4월 17일자로 출원된 가특허 출원 제62/486,344호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 이로써 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

기술 분야

본 발명은 대체로 광학 반사형 디바이스들에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 광학 반사형 디바이스들 내에서 눈 추적 및 이미지 검출을 수행하는 것에 관한 것이다.

종래의 유전체 미러들은, 유전율(electric permittivity)이 서로 상이한 재료들의 층들로 표면(통상적으로 유리)을 코팅함으로써 제조된다. 재료들의 층들은 통상적으로, 층 경계들로부터의 프레넬 반사들이 구조적으로 보강되어 큰 순 반사율(net reflectivity)을 생성하도록 배열된다. 이러한 조건이 비교적 넓은 특정 범위의 파장들 및 입사각들에 걸쳐 획득되는 것을 보장함으로써 광대역 유전체 미러들이 설계될 수 있다. 그러나, 층들이 표면 상에 침착되기 때문에, 유전체 미러의 반사 축은 반드시 표면 법선과 일치해야 한다(즉, 반사 축은 미러 표면에 수직이다). 반사 축에 대한 이러한 제약 때문에, 유전체 미러는 부적당한(suboptimal) 구성으로 일부 디바이스들에 배치된다. 유사하게, 반사 축이 표면 법선으로 제약되는 것은, 유전체 미러가 일부 목적들에 부적절하게 한다. 게다가, 유리 유전체 미러들은 비교적 무거운 경향이 있어, 비교적 경량의 반사형 컴포넌트를 요구하는 응용들에 대해 그들을 부적당하거나 또는 부적절하게 한다.

반대로, 종래의 격자(grating) 구조체들은, 격자 구조체가 존재하는 매체의 표면 법선과는 상이한 반사 축에 대해 광을 반사시킬 수 있다. 그러나, 주어진 입사각에 대해, 종래의 격자 구조체들에 대한 반사각들은 통상적으로 입사광의 파장에 따라 함께 변한다. 그에 따라서, 종래의 격자 구조체를 사용하여 광을 반사시키는 것은, 반사 축이 표면 법선과 일치하는 종래의 미러들에 고유한 제약조건을 피할 수 있다. 그러나, 실질적으로 일정한 반사 축이 요구되는 경우, 종래의 격자 구조체는 주어진 입사각에 대해 단일 파장(또는 매우 좁은 범위의 파장들)으로 실질적으로 제한된다. 유사하게, 일정한 반사 축에 대해 특정 파장의 광을 반사시키기 위하여, 종래의 격자 구조체는 단일 입사각(또는 매우 좁은 범위의 입사각들)으로 제한된다.

따라서, 종래의 미러들 또는 반사형 격자 구조체들을 포함하는 종래의 반사형 디바이스들이 소정 응용들에 대해 부적절할 수 있다.

설명된 특징들은 대체로, 격자 구조체들을 포함하는 광학 시스템들 또는 디바이스들에서 보조 입력 광 및 반사들을 지향 및 반사시키기 위한 하나 이상의 방법들, 시스템들, 또는 디바이스들에 관한 것이다. 방법들, 시스템들, 또는 디바이스들은, 홀로그래픽 광학 요소(예컨대, 스큐 미러(skew mirror) 또는 스큐 미러 기술을 사용하는 유사한 광학 요소)가 광학 시스템의 하나 이상의 광학 경로들로 광을 회절 또는 반사시키게 하는 선택적 커플링 기법들을 채용할 수 있다. 예시적인 광학 시스템은, 격자 매체 내의 격자 구조체들을 포함하는 TIR(total internal reflection; 내부 전반사) 도파관을 포함할 수 있다. 격자 매체는, 인-커플링된 광(in-coupled light)의 (예컨대, 사용자의 눈을 향한 TIR 도파관 외부의) 외부 출사 동공 투영(external exit pupil projection)을 제공하기 위해 반사 특성들을 갖는 체적 홀로그래픽 격자 구조체(volume holographic grating structure)들을 포함할 수 있다. 출사 동공은, 가시광 및 비가시광(non-visible light) 파장 스펙트럼들 둘 모두에 걸친 하나 이상의 광 모드들을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 비가시광의 반사된 이미지를 검출하고 TIR 도파관의 영역에 대한 사용자의 눈의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 광학 시스템은, 격자 매체 내의 격자 구조체들을 포함하는 TIR 도파관을 포함할 수 있다. 격자 매체는, 광학 시스템의 상반 시점 이미징(reciprocal point of view imaging)을 위해 외부 장면(예컨대, TIR 도파관을 통해 사용자에 의해 뷰잉가능한 외부 장면)의 인-커플 광에 대한 반사 특성들을 갖는 체적 홀로그래픽 격자 구조체들(예컨대, 하나 이상의 입력 또는 입사 동공들)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 사용자의 외부 시점에 대응하는 시스템의 주변 광은 외부 시점의 상반 이미지를 캡처하도록 인-커플링 및 기록될 수 있다.

본 발명의 구현예들의 본질 및 이점들의 추가적인 이해는 다음의 도면들에 대한 참조에 의해 실현될 수 있다. 첨부된 도면들에서, 유사한 컴포넌트들 또는 특징부들은 동일한 참조 라벨을 가질 수 있다. 추가로, 동일한 타입의 다양한 컴포넌트들은, 참조 라벨에 뒤이어 대시기호 및 제2 라벨이 후속하여 유사한 컴포넌트들 사이를 구별하게 함으로써 구별될 수 있다. 제1 참조 라벨만이 명세서에서 사용되면, 제2 참조 라벨과는 관계없이 동일한 제1 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트들 중 임의의 것에 설명이 적용가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 예시적인 HMD(head mounted display; 헤드 마운트 디스플레이) 디바이스의 다이어그램이다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 실제 공간 내의 스큐 미러와 같은 예시적인 체적 홀로그래픽 격자 구조체의 반사 특성들을 예시하는 다이어그램이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 k-공간 내의 예시적인 스큐 미러의 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 체적 홀로그래픽 격자 구조체 출사 동공 확장 기법들을 포함하는 예시적인 광학 시스템의 다이어그램이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 다수의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들을 갖는 예시적인 광학 컴포넌트의 다이어그램이다.
도 5a는 일 실시예에 따른, 스큐 미러와 같은 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 제조하는 데 사용될 수 있는 예시적인 제조 시스템의 다이어그램이다.
도 5b는 일 실시예에 따른, 스큐 미러와 같은 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 제조하는 데 사용될 수 있는 예시적인 제조 시스템의 다이어그램이다.
도 6은 일 실시예에 따른, 보조 이미징 기능을 포함하는 예시적인 광학 시스템의 다이어그램이다.
도 7은 일 실시예에 따른, 보조 이미징을 지원하는 예시적인 플롯이다.
도 8은 일 실시예에 따른, 보조 이미징 기능을 포함하는 예시적인 광학 시스템의 다이어그램이다.

종래의 미러들 또는 회절 격자 구조체들과 같은 종래의 반사형 디바이스들은, 예를 들어, 광이 표면 법선으로 제약되지 않는 반사 축에 대해 반사되어야 하고 반사각이 광의 입사각들 및/또는 특정 파장들의 범위에 걸쳐 일정해야 하는 소정 응용들에 대해 부적절할 수 있다. 더욱이, 종래의 반사형 디바이스의 종래의 구조체들 및 커플링 컴포넌트들은 디바이스의 광과(예컨대, 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 모드의 반사된 광 및 비-TIR의 일직선 통과 외부 광과) 상호작용하여, 이미지 투영 및/또는 외부 장면의 광학 투명도(optical clarity)를 방해할 수 있다. 그러한 결과들은 눈 또는 시선 추적 및 외부 장면 이미지 검출 기능들을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이(head mounted display, HMD) 디바이스들에서 특히 심각할 수 있다.

이러한 이슈들을 완화시키기 위하여, 체적 홀로그래픽 격자(volumetric holographic grating, VHG)들이 광학 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, 체적 홀로그래픽 격자들은 광학 시스템의 도파관 내의 광 커플링 디바이스 또는 요소(예컨대, 입력 커플러, 출력 커플러, 및/또는 교차 커플러(cross coupler))로서 사용될 수 있다. 체적 홀로그래픽 격자들이 없는 도파관 구현 기법들은 도파관의 보조 기능들을 수행하는 데 제한될 수 있다. 예를 들어, 스큐 미러 기술을 사용하여 적용되는 VHG들을 포함하는 TIR 도파관은 외부 뷰잉 분류(예컨대, 뷰잉 방향/각도, 뷰잉 물체 식별) 및 외부 시점의 상반 이미징을 허용할 수 있다. 이러한 VHG들은, 가시광 스펙트럼(예컨대, 적색, 녹색, 청색 광)의 파장들과 구별되는, 방출된 후에 반사된 비가시광(예컨대, 적외선(infrared, IR) 광 또는 근 IR(near IR, NIR) 광)의 파장들을 지향시키기 위한 다양한 광 커플링 디바이스들의 격자 매체들로 구현될 수 있다. 반사된 비가시광은 외부 시선 특성들을 결정(예컨대, TIR 도파관 상의 뷰잉 위치에 대응하는 사용자의 동공의 이미지를 결정)하기 위해 검출기에 의해 검출될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, VHG들은 외부 시점을 결정하기 위해 외부 장면 광을 검출기로 지향시키기 위한 다양한 광 커플링 디바이스들의 격자 매체들로 구현될 수 있다.

근안 디스플레이(near-to-eye display, NED)와 같은, 광학 시스템의 하나 이상의 광 커플링 디바이스들에 체적 홀로그래픽 격자 기술(예컨대, 스큐 미러 기술)을 이용하면, 연관된 이미지 투영 및/또는 이미지 기록의 뷰잉 능력 및 광학 투명도를 개선할 수 있다. TIR 도파관 내의 스큐 미러 타입 광학 커플링 디바이스는 수색성 특성들을 나타낼 수 있고, TIR 도파관의 기판들 사이에서 반사되는 입력 광의 하나 이상의 TIR 모드들에 브래그-미스매칭(Bragg-mismatch)될 수 있다. 스큐 미러 타입 광학 커플링 디바이스는 또한 TIR 도파관을 통해 일직선으로 통과하는 입력 광(예컨대, 기판 표면 상에 입사되는 외부 광)에 브래그-미스매칭될 수 있다. 따라서, 스큐 미러 기술을 이용하는 광학 시스템은 눈 추적 및 이미지 검출을 수행하기 위한 적절한 반사형 격자 구조체들을 제공할 수 있다. 추가적으로, 스큐 미러 기술을 이용하면, 특히 이미지 투영의 비가시 스펙트럼 광과 디스플레이 광 사이의, 종래의 커플링 요소들을 사용하는 이미지 투영 디바이스에 비해 광학 투명도에 대한 임피던스들을 피할 수 있다. 대조적으로, 도파관에 사용되는 일부 종래의 커플링 디바이스들은 그러한 보조 이미징 기능들을 수행하는 데 제한될 수 있다. 예를 들어, 이미지 투영의 인-커플링된 광에는 도파관의 통과한 가시광이 산재되어, 이에 의해 외부 뷰잉 분류들을 결정하고 외부 시점의 상반 이미징을 획득하는 것에 대한 방해를 촉진시킬 수 있다.

본 기술의 일부 예들에서, 하나 이상의 스큐 미러 타입 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 필터 및 출력 커플러)은 광학 시스템의 하나 이상의 광원들로부터 방출된 입력 광을 안내할 수 있다. 입력 광은, 눈 시선 추적을 위한 비가시광(예컨대, IR 또는 NIR 광)뿐만 아니라, 외부 장면 및 이미지 투영의 가시광(예컨대, 디스플레이 광)을 포함할 수 있다. 마이크로 디스플레이로부터의 가시 이미지 투영 광을 지향시키는 데 사용되는 광학 경로가 또한 사용자의 눈을 조명하기 위해 사용되는 비가시광을 지향시키는 데 사용될 수 있다. 광학 경로는 추가적으로 사용자의 눈의 반사된 이미지를 시선 추적 이미징 디바이스(예컨대, IR 또는 NIR 카메라)의 검출기로 지향시키는 데 사용될 수 있다. 광학 경로에 포함된 필터는 필터를 통해 그리고 TIR 도파관과 연관된 입사 조리개(entrance aperture)를 향해 가시광을 통과시키도록 구성될 수 있다. 필터는 마이크로 디스플레이와는 상이한 비가시 광원으로부터 입사 조리개를 향해 비가시광을 반사시킬 수 있다. 입사 조리개는 TIR 도파관에 입사 동공을 제공하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 필터는 또한 입사 조리개를 통해 다시 전파되는 비가시광(예컨대, 입사 조리개를 향해 다시 반사되는 사용자의 눈의 비가시광 이미지)을 시선 추적 이미징 디바이스의 검출기를 향해 반사시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 필터는 비가시 복귀 반사 광이 가시 이미지 투영 디스플레이 광으로부터 분리되게 할 수 있다.

TIR 도파관은 가시광 및 비가시광을 입사 조리개로부터 TIR 도파관의 하나 이상의 표면들 사이에 배치된 격자 매체로 지향시킬 수 있다. 일부 예들에서, 하나 이상의 스큐 미러 타입 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 교차 커플러 실시예)은 입사 조리개로부터의 입력 광을 안내하고, 입사 조리개에 진입하는 입력 광의 전파 TIR 모드와는 상이한 방향으로 TIR 도파관을 통한 전파를 위해 입력 광을 반사시킬 수 있다. 교차 커플러 실시예는, 유리하게도, 일정 치수(예컨대, 수직 또는 수평 치수)의 투영된 이미지가 입사-출사 동공 광학 경로 전체에 걸쳐 안내되지 않은 채로 유지되게 할 수 있다(즉, 투영된 치수는 TIR 치수를 가로지르는 각도들에 대응할 수 있다). TIR 도파관은, 사용자의 눈 상에서의 가시광의 외부 디스플레이 및 비가시광의 반사를 위해 광학 시스템의 아이 박스(eye box)에 대해 전파된 가시광 및 비가시광의 아웃-커플링(out-coupling)을 허용하는 스큐 미러 타입 출력 커플러를 포함할 수 있다.

추가적으로, 스큐 미러 타입 출력 커플러는 또한 비가시광의 반사된 이미지(예컨대, 사용자의 눈으로부터의 반사)의 인-커플링을 허용할 수 있다. 광학 시스템은 광학 시스템의 기준 배향에서 외부 시야(field of view, FOV)에 대한 반사된 이미지의 방향 및/또는 각도 오프셋(예컨대, 광학 시선)을 결정할 수 있다. 시선 추적 이미징 디바이스의 비가시 광원 및/또는 검출기에서부터 필터까지의 광학 경로의 부분은 하나 이상의 복굴절 재료 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시선 추적 이미징 디바이스의 비가시 광원 및/또는 검출기에서부터 필터까지의 광학 경로의 부분은 1/4 파장판(quarter wave plate, QWP) 및 편광 빔 스플리터(polarized beam splitter, PBS)를 포함할 수 있다. QWP 및 PBS는 조명 및 반사된 비가시광을 분리시키기 위해 포함될 수 있다.

본 기술의 일부 예들에서, 스큐 미러 타입 커플러(예컨대, 출력 커플러)가 외부 장면 광의 일부분(예컨대, 광학 시스템, 특히 광학 시스템의 렌즈 부분을 둘러싸는 환경 광)을 인-커플링함으로써 광학 시스템 내에 추가의 기능성을 제공할 수 있다. 인-커플링된 외부 광은 광학 시스템의 사용자의 외부 시점을 실질적으로 대표할 수 있다. TIR 도파관 내의 격자 매체의 하나 이상의 격자 구조체들은 외부 입사광을 광학 시스템의 장면 이미징 디바이스(예컨대, 카메라 디바이스)를 향해 선택적으로 반사시킬 수 있다. 장면 이미징 디바이스는 외부 시점에 대응하는 상반 이미지를 기록할 수 있다. 광학 시스템의 메커니즘들(예컨대, 필터들, 이색성 요소(dichroic element)들, 프로세서의 기능성 등)은, 상반 이미지의 정확한 검출을 위해 흐릿한 인-커플링된 외부 광을 재균형화하도록 전체로서 장면 이미징 디바이스 및/또는 광학 시스템에 의해 채용될 수 있다. 예를 들어, 이미지 투영된 광에 대응하는 이미지 정보가 장면 이미징 디바이스에 제공되어, 인-커플링된 외부 광과 함께 장면 이미징 디바이스로 전파되는 임의의 남은 이미지 투영된 광을 제거할 수 있다.

하나 이상의 격자 구조체들을 포함하는 격자 매체에 대한 특정 예들이 설명된다. 격자 구조체는 특정 복수의 입사각들로 격자 구조체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해, 특정 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 이러한 설명은 예들을 제공하며, 본 명세서에 설명된 원리들의 구현예들의 범주, 적용가능성 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 후속하는 설명은 당업자들에게 본 명세서에서 설명된 원리들의 구현예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 제공할 것이다.

따라서, 다양한 구현예들이 다양한 절차들 또는 컴포넌트들을 적절하게 생략, 대체, 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 방법들이 설명된 것과는 상이한 순서로 수행될 수 있고, 다양한 단계들이 추가, 생략 또는 조합될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 또한, 소정 구현예들에 대해 설명된 양태들 및 요소들은 다양한 다른 구현예들에서 조합될 수 있다. 다음의 시스템들, 방법들, 디바이스들, 및 소프트웨어가 개별적으로 또는 집합적으로 더 큰 시스템의 컴포넌트들일 수 있으며, 여기서 다른 절차들이 그들의 응용보다 우선권을 취하거나 또는 그렇지 않으면 그들의 응용을 수정할 수 있다는 것이 또한 인식되어야 한다.

도 1은 본 명세서에 포함된 원리들이 구현될 수 있는 HMD 디바이스(100)와 같은 전자 디바이스의 예시이다. HMD 디바이스(100)는, NED(105)가 사용자의 눈 앞에 부착될 수 있는 아이웨어(eyewear) 또는 헤드웨어(headwear)를 포함할 수 있다. NED(105)는, HMD 디바이스(100)의 렌즈 조립체 내에 배치되거나 또는 그와 통합되는 회절 요소 부분을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 회절 요소 부분은 홀로그래픽 광학 요소(holographic optical element, HOE)일 수 있는데, 이는 스큐 미러(110)를 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)는 광 커플링 요소(예컨대, 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들을 포함하는 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 좌표들(X, Y, 및 Z-축)이 스큐 미러(110)를 기준으로 하여 제공된다. HMD 디바이스(100)는, 추가의 스큐 미러들을 포함하는 다수의 광 커플링 요소들(도시하지 않음), 스큐 미러 기술 및 원리들을 사용하여 구조화되지 않은 HOE들(도시하지 않음), DOE들(도시하지 않음), 및/또는 스큐 미러(110)와 함께 조립되는 루버형 미러들(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. HMD(100)는 또한, 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링된 광원 또는 광 프로젝터(115)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 가시 광원 또는 광 프로젝터(115) 및 비가시 광원 또는 광 프로젝터(117)는 도파관 구성으로 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 광원들 또는 광 프로젝터들(115, 117)은 자유 공간 구성으로 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서(예컨대, 시선 추적 실시예들의 경우), 비가시 광원 또는 광 프로젝터(117)는 IR 또는 NIR 광을 방출할 수 있다. 다른 예들에서, 비가시 광원 또는 광 프로젝터(117)는 생략될 수 있다.

스큐 미러(110)는 반사형 디바이스일 수 있고, 하나 이상의 체적 홀로그램들(때때로 본 명세서에서 체적 홀로그래픽 격자 구조체들로 지칭됨) 또는 다른 격자 구조체들이 내부에 존재하는 격자 매체를 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)는 유리 커버 또는 유리 기판과 같은 추가의 층을 포함할 수 있다. 추가의 층은 오염, 습기, 산소, 반응성 화학 종들, 손상 등으로부터 격자 매체를 보호하는 역할을 할 수 있다. 추가의 층은 또한 격자 매체와 굴절률 매칭될 수 있다. 격자 매체는, 그 내부에 존재하는 격자 구조체에 의하여, 그 매체가 반사 축으로 지칭되는 축에 대해 광을 회절시키게 하는 물리적 특성들을 가질 수 있는데, 여기서 회절각(이후로, 반사각으로 지칭됨)은 주어진 입사각에서 격자 매체 상에 입사되는 광의 다수의 파장들에 대해 1° 미만으로 변한다. 일부 경우들에서, 반사 축은 또한 다수의 파장들 및/또는 입사각들에 대해 일정하다. 일부 경우들에서, 격자 구조체는 하나 이상의 홀로그램들에 의해 형성된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 홀로그램들은 체적-위상 홀로그램들일 수 있다. 다른 타입들의 홀로그램들이 격자 구조체의 다양한 구현예들에서 또한 사용될 수 있다.

유사하게, 구현예들은 주어진 파장의 입사광에 대한 입사각들의 범위를 가로질러 실질적으로 일정한 반사 축들을 가질 수 있고(즉, 반사 축들은 1° 미만으로 변하는 반사 축 각도들을 가짐), 이러한 현상은 다양한 파장들의 입사광에서 관찰될 수 있다. 일부 구현예들에서, 반사 축들은 다수의 입사각들의 세트 및 다수의 파장들의 세트의 모든 조합에 대해 실질적으로 일정하게 유지된다.

홀로그램은 간섭 패턴의 기록이어서 그 기록을 위해 사용된 광으로부터의 세기 및 위상 정보 둘 모두를 포함한다. 이러한 정보는 감광성 매체에 기록될 수 있는데, 감광성 매체는 간섭 패턴을, 초기 간섭 패턴의 세기에 따라, 후속 입사광 빔들의 진폭 또는 위상을 수정하는 광학 요소로 변환한다. 격자 매체는 광중합체, 광굴절 결정(photorefractive crystal)들, 이색성 젤라틴, 광열 굴절(photo-thermo-refractive) 유리, 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름, 또는 입사 간섭 패턴에 반응하고 그를 기록하는 능력을 갖는 다른 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 간섭성 레이저(coherent laser) 광이 홀로그램을 기록하고 그리고/또는 기록된 홀로그램을 판독하기 위해 사용될 수 있다.

일부 경우들에서, 홀로그램은 기록 빔들로 알려진 2개의 레이저 빔들을 사용하여 기록될 수 있다. 일부 경우들에서, 기록 빔들은 그들이 격자 매체 상에 입사되는 각도들 이외에는 서로 유사한 단색 시준된 평면파 빔들일 수 있다. 일부 구현예들에서, 기록 빔들은 서로 상이한 진폭 또는 위상 분포들을 가질 수 있다. 기록 빔들은 그들이 기록 매체 내에서 교차하도록 지향될 수 있다. 기록 빔들의 교차점에서, 기록 빔들은, 간섭 패턴의 각각의 포인트의 세기에 따라 변하고 기록 매체 내에 다양한 광학 특성들의 패턴을 생성하는 방식으로 기록 매체와 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 굴절률이 기록 매체 내에서 변할 수 있다. 일부 경우들에서, 결과적인 간섭 패턴은 격자 매체 상에 기록된 모든 그러한 격자 구조체들에 대해 균일한 방식으로 (예컨대, 마스크 등으로) 공간적으로 분산될 수 있다. 일부 경우들에서, 다수의 격자 구조체들은 기록 매체 내에서 상이한 간섭 패턴들을 생성하도록 파장 또는 입사각을 변경시킴으로써 단일 기록 매체 내에서 중첩될 수 있다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 홀로그램들이 매체에 기록된 이후, 매체는 후기록 광 처리(post-recording light treatment)에서 광으로 처리될 수 있다. 후기록 광 처리는 고도로 비간섭성인 광으로 수행되어 광개시제 또는 광활성 단량체와 같은 남은 반응성 매체 성분들을 실질적으로 소비하여서, 기록 매체의 광감도가 크게 감소되거나 제거되도록 할 수 있다. 홀로그램들 또는 다른 격자 구조체들의 기록 매체로의 기록이 완료된 이후, 매체는 통상적으로 격자 매체로 지칭된다. 일부 경우들에서, 격자 매체들은 비감광성으로 렌더링되었다.

일부 구현예들에서, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는, 기록 빔들로 지칭되는 다수의 광 빔들 사이의 간섭을 통해 생성되는 홀로그램을 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)(예컨대, 스큐 미러(110)로부터 형성된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소)는 다수의 홀로그램들(예컨대, 다수의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들)을 포함할 수 있다. 다수의 홀로그램들은, 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 각도들(즉, 멀티플렉싱된 각도)로 격자 매체 상에 입사되는 기록 빔들을 사용하여, 그리고/또는 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 파장들(즉, 멀티플렉싱된 파장)을 가진 기록 빔들을 사용하여, 그리고/또는 다수의 홀로그램들 사이에서 변하는 위치들을 가진(즉, 공간적으로 멀티플렉싱된) 기록 빔들을 사용하여 기록될 수 있다. 일부 구현예들에서, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는, 홀로그램이 기록되고 있는 동안 격자 매체 상의 그 입사각들이 변하고, 그리고/또는 홀로그램이 기록되고 있는 동안 그 파장들이 변하는 2개의 기록 빔들을 사용하여 기록되는 홀로그램을 포함할 수 있다. 구현예들은 반사 축이 격자 매체의 표면 법선과는 적어도 1.0도만큼; 또는 적어도 2.0도만큼; 또는 적어도 4.0도만큼; 또는 적어도 9.0도만큼 상이한 디바이스를 추가로 포함한다.

가시광 프로젝터(115)는 이미지 담지 광(image-bearing light)을 렌즈 조립체에 제공할 수 있고, 비가시광 프로젝터(115)는 IR 또는 NIR 광을 렌즈 조립체에 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 렌즈 조립체 및 스큐 미러는 시스템의 배향 평면과 관련하여 실질적으로 편평할 수 있다. 다른 경우들에서, 렌즈 조립체는 배향 평면과 관련한 곡률을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 렌즈 조립체 및 스큐 미러(110)는 X-Y 평면과 관련하여 실질적으로 편평할 수 있다. 다른 경우들에서, 렌즈 조립체는 소정 구현예들에서 X-Y 평면과 관련한 일부 곡률을 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)로부터의 반사된 광(120)은 스큐 미러(110)로부터 멀리 Z-축을 따라 고정 거리에 위치된 아이 박스를 향해 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 스큐 미러(110)는 도파관 내에 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 도파관은 내부 전반사에 의해 스큐 미러(110)를 향해 입사 가시광(130) 및 입사 비가시광(132)을 전파할 수 있다. 일부 예들에서, 입사광(130, 132)은 자유 공간에 의해 스큐 미러(110)를 향해 전파될 수 있다. 투영 광학기, 필터, QWP, PBS, 시선 추적 이미징 디바이스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 컴포넌트들(도 1에 도시하지 않음)이 광 프로젝터들(115, 117)과 연관된 하나 이상의 광학 경로들에 포함될 수 있다. 일부 예들에서, (예컨대, 외부 장면 이미지 검출 실시예들의 경우) 필터 및 장면 이미징 디바이스와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다른 컴포넌트들(도 1에 도시하지 않음)이 렌즈 조립체에 동작가능하게 커플링될 수 있다.

스큐 미러(110)는 광중합체로 제조된 격자 매체를 포함할 수 있다. 스큐 미러(110)는 또한, 격자 매체 내에 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들을 포함할 수 있다. 각각의 체적 홀로그래픽 격자 구조체는, 서로 중첩될 수 있는 하나 이상의 정현파 체적 격자들을 포함할 수 있다. 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 특정 복수의 입사각들로 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 특정 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 격자 매체 내의 각각의 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 도파관으로부터 고정 거리에 있는 아이 박스의 출사 동공을 향해 광의 일부분을 반사시키도록 구성될 수 있다.

각각의 체적 홀로그래픽 격자 구조체(단순함을 위해 때때로 본 명세서에서 단순히 "격자 구조체들"로 지칭됨)는 다른 체적 홀로그래픽 격자 구조체와는 상이한 방식으로 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 격자 구조체는 제1 입사각으로 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있는 반면, 제2 격자 구조체는 제1 입사각으로 제2 파장의 입사광을 반사시킬 수 있다(예컨대, 상이한 격자 구조체들은 동일한 입사각의 입사광에 대해 상이한 파장들의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다). 또한, 제1 격자 구조체는 제1 입사각으로 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있는 반면, 제2 격자 구조체는 제2 입사각으로 제1 파장의 입사광을 반사시킬 수 있다(예컨대, 상이한 격자 구조체들은 상이한 입사각들의 입사광에 대해 동일한 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다). 더욱이, 격자 구조체는 제1 파장 및 제1 입사각의 제1 입사광을 반사시킬 수 있고, 격자 구조체는 동일한 반사 축에 대해 제2 파장 및 제2 입사각의 제2 입사광을 반사시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 일정 범위의 입사각들에서의 입사광에 대해 특정 파장의 광을 선택적으로 반사시키기 위해 상이한 격자 구조체들이 사용될 수 있다. 상이한 격자 구조체들은 스큐 미러(110)의 격자 매체 내에서 중첩될 수 있다. 스큐 미러(110)는 실질적으로 일정한 반사 축을 가질 수 있다(즉, 스큐 미러(110)의 각각의 격자 구조체는 동일하고 실질적으로 일정한 반사 축을 갖는다).

일부 예들에서, HMD는 IR 또는 NIR 광을 방출하도록 구성된 광원, 및 가시광을 방출하도록 구성된 광원을 포함할 수 있다. 가시광은 이미지 담지 광에 대응할 수 있다. TIR 도파관은 둘 모두의 광원들에 동작가능하게 커플링될 수 있고, TIR 도파관은 제1 도파관 표면 및 제2 도파관 표면을 포함할 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소가 제1 도파관 표면과 제2 도파관 표면 사이에 배치될 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체, 및 그 격자 매체 내의 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함할 수 있다. 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 제1 입사각으로 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 제1 반사 축에 대해 제1 파장의 IR 또는 NIR 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 또한 격자 매체 내의 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함할 수 있다. 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 제1 입사각과는 상이한 제2 입사각으로 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 제2 반사 축에 대해 제2 파장의 광을 반사시키도록 구성되고 있을 수 있다. 제2 파장은 적색 가시광 파장, 녹색 가시광 파장, 또는 청색 가시광 파장 중 하나일 수 있다. 제2 파장의 광은 가시광을 방출하도록 구성된 광원의 이미지 담지 광에 대응할 수 있다.

도 2a는 하나의 예에 따른, 실제 공간 내의 스큐 미러(205)의 반사 특성들(예컨대, 스큐 미러가 도파관 내에 통합되는 도파관 구성과는 대조적인 자유-공간 구성)을 예시하는 단면도(200-a)이다. 단면도(200-a)는 격자 매체 내의 홀로그램(230)과 같은 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함할 수 있다. 도 2a는 격자 매체 이외의 스큐 미러 컴포넌트들, 예컨대 격자 매체에 대한 기판 또는 보호 층으로서의 역할을 할 수 있는 추가의 층을 생략한다. 기판 또는 보호 층은 오염, 습기, 산소, 반응성 화학 종들, 손상 등으로부터 격자 매체를 보호하는 역할을 할 수 있다. 스큐 미러의 구현예들은 부분적으로 반사성일 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 스큐 미러들은 광학 디바이스의 다양한 부분들로 광선들을 선택적으로 반사시키도록 구성 또는 구조화될 수 있다(예컨대, 필터 구성의 도파관의 입사 조리개를 향해 광을 방향전환하는 것, 입력 커플러 구성의 도파관을 향해 광을 방향전환하는 것, 교차 커플러 구성의 도파관 내에서 TIR 모드로 전파하는 광을 방향전환하는 것, 및/또는 광학 디바이스의 아이 박스를 향하는 출사 동공을 형성하는 것). 동공 등화 기법들이 채용될 때, 스큐 미러는 소정 입사각들에 대한 광선들을 반사시키는 것을 피하도록 구성될 수 있는데, 여기서 그러한 반사는 원하는 위치(예컨대, 출사 동공)를 향하지 않는 영역으로 광선들을 반사시킬 것이다. 일부 스큐 미러 실시예들의 구현예들은 생성된 격자 매체에 대한 비교적 넓은 파장 대역폭 및 각도 범위에 걸쳐 높은 반사율을 달성하기 위해 비교적 높은 동적 범위의 기록 매체를 요구할 수 있다. 대조적으로, 동공 등화 기법들을 이용하는 스큐 미러는 더 작은 동적 범위를 요구하여, 이에 의해 각각의 홀로그램이 더 강해지게 (예컨대, 더 큰 세기 및/또는 더 긴 노출 시간으로 기록되게) 할 수 있다. 더 강한 홀로그램들로 구성된 스큐 미러는, 더 밝은 이미지를 제공하거나, 또는 더 어두운 광 프로젝터가 유사한 밝기의 이미지를 제공하게 할 수 있다. 스큐 미러(205)는, Z-축과 관련하여 측정된 각도에서의, 반사 축(225)에 의해 특징지어질 수 있다. Z-축은 스큐 미러 표면에 수직일 수 있다. 스큐 미러(205)는, Z-축과 관련하여 측정되는 내부 입사각을 갖는 입사광(215)으로 조명된다. 주 반사된 광(220)은, Z-축과 관련하여 측정된 내부 반사각 180°로 반사될 수 있다. 주 반사된 광(220)은 가시 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 구역들에 존재하는 광의 파장들에 대응할 수 있다.

스큐 미러(210)는, Z-축과 관련하여 측정된 각도에서의, 반사 축(225)에 의해 특징지어질 수 있다. Z-축은 스큐 미러 축(205)에 수직이다. 스큐 미러(210)는, Z-축과 관련하여 측정되는 내부 입사각을 갖는 입사광(215)으로 조명된다. 주 반사된 광(220)은 스큐 미러(210)의 표면에 실질적으로 수직인 내부 반사각으로 반사될 수 있다. 일부 예들에서, 주 반사된 광(220)은 가시 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 구역들에 존재하는 광의 파장들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 가시 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 구역들은 적색 파장(예컨대, 610-780nm) 대역, 녹색 파장(예컨대, 493-577nm) 대역, 및 청색 파장(예컨대, 405-492nm) 대역을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 주 반사된 광(220)은 가시 스펙트럼 바깥쪽에 존재하는 광의 파장들(예컨대, IR 및 NIR 파장들)에 대응할 수 있다. 일부 경우들에서, 스큐 미러(210)는, 모두가 실질적으로 동일한 반사 축(225)을 공유하는 다수의 홀로그램 구역들을 가질 수 있다.

도 2b는 도 2a의 스큐 미러(210)의 k-공간 표현(200-b)을 예시한다. 공간적으로 변하는 굴절률 컴포넌트들의 k-공간 분포들은 통상적으로

로 나타낸다.

k-공간 분포(260)는, Z-축과 관련하여 측정된, 반사 축(225)과 동일한 각도로 원점을 통과할 수 있다. 기록 k-구(k-sphere)(255)는, 특정 기입 파장에 대응하는 k-구일 수 있다. k-공간 표현(200-b)은, 가시 스펙트럼의 적색, 녹색, 및 청색 구역들에 존재하는 광의 파장들에 대응하는 다양한 k-구들을 포함할 수 있다.

k-공간 형식론은 홀로그래픽 기록 및 회절을 분석하기 위한 방법을 표현할 수 있다. k-공간에서, 전파하는 광파들 및 홀로그램들은, 실제 공간에서의 그들의 분포들의 3차원 푸리에 변환들에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 무한 시준된 단색 참조 빔이 실제 공간 및 k-공간에서 수학식(1)에 의해 표현될 수 있는데:

여기서

는 모든

3D 공간 벡터 위치들에서의 광학 스칼라(scalar) 필드 분포이고, 분포의 변환

는 모든

3D 공간 주파수 벡터들에서의 광학 스칼라 필드 분포이다. A _r 은 필드의 스칼라 복소 진폭을 표현할 수 있고;

는, 그 길이가 광파들의 공간 주파수를 나타내고 그 방향이 전파 방향을 나타내는 파수 벡터(wave vector)를 표현할 수 있다. 일부 구현예들에서, 모든 빔들은 동일한 파장의 광으로 구성될 수 있고, 따라서 모든 광학 파수 벡터들은 동일한 길이를 가질 수 있는데, 즉,

이다. 따라서, 모든 광학 전파 벡터들은 반경

의 구 상에 놓일 수 있는데, 여기서 n ₀는 홀로그램의 평균 굴절률("벌크 굴절률")이고, λ는 광의 진공 파장이다. 이 구조는 k-구로서 알려져 있다. 다른 구현예들에서, 다수의 파장들의 광은, 상이한 k-구들 상에 놓이는, 상이한 길이들의 파수 벡터들의 중첩으로 분해될 수 있다.

다른 중요한 k-공간 분포는 홀로그램들 그 자체의 분포이다. 체적 홀로그램들은 격자 매체 내의 굴절률의 공간적 변동들로 이루어질 수 있다. 통상적으로

로 나타내는 굴절률 공간적 변동들은, 굴절률 변조 패턴들로 지칭될 수 있는데, 이들의 k-공간 분포들은

로 나타낼 수 있다. 제1 기록 빔과 제2 기록 빔 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있는 굴절률 변조 패턴은, 수학식(2)에 나타낸 바와 같이, 기록 간섭 패턴의 공간적 세기에 통상적으로 비례하는데:

여기서

는 신호 제1 기록 빔 필드의 공간적 분포이고,

는 제2 기록 빔 필드의 공간적 분포이다. 단항 연산자 ^*는 복소 켤레(complex conjugation)를 나타낸다. 수학식(2)에서의 최종 항

는 입사되는 제2 기록 빔을 회절된 제1 기록 빔에 맵핑시킬 수 있다. 따라서, 다음의 수학식이 초래될 수 있고,

여기서

는 3D 교차 상관(cross correlation) 연산자이다. 즉, 공간 도메인에서의 하나의 광학 필드와 다른 광학 필드의 복소 켤레의 곱(product)은 주파수 도메인에서의 그들 각각의 푸리에 변환의 교차 상관이 될 수 있다.

통상적으로, 홀로그램(230)은 실제 공간에서 실수 값인 굴절률 분포를 구성한다. 홀로그램(230)의

k-공간 분포들의 위치들은 각각 교차 상관 연산들

및

로부터 수학적으로, 또는 벡터 차들

및

로부터 기하학적으로 결정될 수 있는데, 여기서

및

는 각각의 홀로그램

k-공간 분포들로부터 원점까지의 격자 벡터들(개별적으로 도시하지 않음)을 표현할 수 있다. 관례상, 파수 벡터들이 소문자 "k"에 의해 표현되고, 격자 벡터들이 대문자 "K"에 의해 표현된다는 것을 유의한다.

일단 기록되면, 홀로그램(230)은 회절된 빔을 생성하도록 프로브 빔에 의해 조명될 수 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 회절된 빔은 프로브 빔의 반사로 고려될 수 있는데, 이는 입사광 빔(예컨대, 이미지 담지 광)으로 지칭될 수 있다. 프로브 빔 및 그의 반사된 빔은 반사 축(225)에 의해 각도적으로 이등분될 수 있다(즉, 반사 축에 대한 프로브 빔의 입사각은 반사 축에 대한 반사된 빔의 반사각과 동일한 크기를 갖는다). 회절 프로세스는 기록 프로세스의 그것들과 유사하게 k-공간에서의 수학적 및 기하학적 연산들의 세트에 의해 표현될 수 있다. 약한 회절 제한에서, 회절된 빔의 회절된 광 분포는 수학식(4)에 의해 주어지고,

여기서

및

는 각각 회절된 빔 및 프로브 빔의 k-공간 분포들이고; "*"는 3D 콘볼루션(convolution) 연산자이다. 표기법 "

"는, 전술한 수학식이,

, 즉, 결과가 k-구 상에 놓이는 경우에만 평가된다는 것을 나타낸다. 콘볼루션

는 편광 밀도 분포를 표현하고, 프로브 빔에 의해 유도된 격자 매체의 비균질 전기 쌍극자 모멘트들의 거시적인 합계

에 비례한다.

일부 경우들에서, 프로브 빔이 기록용으로 사용되는 기록 빔들 중 하나의 기록 빔과 유사할 때, 콘볼루션의 효과는 기록 동안 교차 상관을 반전시키는 것일 수 있고, 회절된 빔은 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 다른 기록 빔과 실질적으로 유사할 수 있다. 프로브 빔이 기록을 위해 사용되는 기록 빔들과는 상이한 k-공간 분포를 가질 때, 홀로그램은 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 빔들과는 실질적으로 상이한 회절된 빔을 생성할 수 있다. 또한, 기록 빔들이 통상적으로 상호 간섭성(mutually coherent)이지만, 프로브 빔(및 회절된 빔)은 그렇게 제약되지 않는다는 것을 유의한다. 다파장 프로브 빔은, 각각이 상이한 k-구 반경으로 수학식(4)을 따르는, 단일-파장 빔들의 중첩으로서 분석될 수 있다.

k-공간에서의 스큐 미러 특성들을 설명할 때 사용되는 용어 프로브 빔은, 실제 공간에서의 스큐 미러 반사 특성들을 설명할 때 사용되는 용어 입사광과 유사하다. 유사하게, k-공간에서의 스큐 미러 특성들을 설명할 때 사용되는 용어 회절된 빔은, 실제 공간에서의 스큐 미러 특성들을 설명할 때 사용되는 용어 주 반사된 광과 유사하다. 따라서, 실제 공간에서의 스큐 미러의 반사 특성들을 설명할 때, 입사광이 홀로그램(또는 다른 격자 구조체)에 의해 주 반사된 광으로서 반사된다고 진술하는 것이 통상적일 수 있지만, 프로브 빔이 홀로그램에 의해 회절되어 회절된 빔을 생성한다고 진술하는 것은 동의어이다. 유사하게, k-공간에서의 스큐 미러의 반사 특성들을 설명할 때, 프로브 빔이 홀로그램(또는 다른 격자 구조체)에 의해 회절되어 회절된 빔을 생성한다고 진술하는 것이 통상적이지만, 입사광이 격자 구조체에 의해 반사되어 주 반사된 광을 생성한다고 진술하는 것은 본 발명의 구현예들의 맥락에서 동일한 의미를 갖는다.

도 3은 본 발명의 다양한 양태들에 따른, 2차원 및 1차원 스큐 미러 출사 동공 확장 기법들을 포함하는 광학 시스템의 다이어그램이다. 광학 시스템(300)은, 도 1의 HMD(100)와 같은 그러나 이에 제한되지 않는, HMD, 증강 현실(AR), 또는 가상 현실(VR) 응용에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(300)은 또한, 대형 스크린 디스플레이 및 광 센서 응용들과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 광학 커플링 응용들에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(300)은 선택적 커플링을 채용하여 스큐 미러 구조체들(305)(예컨대, 영(0), 하나, 또는 하나 초과의 도파관에서 구현되는 하나 이상의 스큐 미러들)이 특정 위치, 예컨대, 아이 박스(315-a)를 향해 광을 회절시키게 하여, 이에 의해 광도측정 효율(예컨대, 이미지 밝기)을 개선시킬 수 있다. 선택적 커플링은 아이 박스(315-a)에서 외부 출사 동공을 생성하는 유리한 효과를 가질 수 있다. 외부 출사 동공은 내부 출사 동공에 비해 광학 효율을 증가시킬 수 있다. 표현된 각도는 격자 매체의 표면 법선에 대한 내부 각도들이며, 격자 매체 및/또는 기판 계면뿐만 아니라 기판 공기 계면에서의 그 굴절은 예시의 목적을 위해 무시된다.

광학 시스템(300)은 디스플레이(355)(예컨대, 가시광을 방출하는 디스플레이), 발광 컴포넌트(356)(예컨대, NIR 또는 IR 광과 같은 비가시광을 방출하는 컴포넌트), 시준기(360), 수평 도파관(365), 수직 도파관(370), 및 아이 박스(315-a)를 포함할 수 있다. 아이 박스(315-a)는, 이로써 아이 릴리프(eye relief)(375)로 알려진, 수직 도파관(370)으로부터의 거리일 수 있다. 스큐 미러 구조체들(305)은, 도파관들(365, 370) 중 하나 또는 둘 모두에서 구현되는 하나 이상의 스큐 미러들을 포함할 수 있다. 광학 시스템(300)은 스큐 미러들을 이용할 수 있는 2차원 및 1차원 동공 확장기의 일례를 예시한다. 수평 도파관(365)에 배치된 스큐 미러는 교차 커플러로 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서, 수직 도파관(370)에 배치된 스큐 미러는 출력 커플러로 지칭될 수 있다.

일부 경우들에서, 본 명세서에서와 같은 출사 보조 이미징 기법들은 2개 이상의 스큐 미러들을 이용함으로써 1차원 및/또는 2차원 동공 확장과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 수평 도파관(365)은, 제2 스큐 미러에 동작가능하게 커플링되는 제1 스큐 미러를 포함할 수 있다. 제1 스큐 미러는 동공을 (도 3의 X-축과 평행한) 수평 방향으로 확장시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러(예컨대, 교차 커플러)는 별개의 2D(덕트-타입(duct-type)) 도파관 내에 배치될 수 있다. 제2 스큐 미러는 동공을 (도 3의 Y-축과 평행한) 수직 방향으로 확장시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 제2 스큐 미러(예컨대, 출력 커플러)는 별개의 1D(슬래브-타입(slab-type)) 도파관 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러(예컨대, 교차 커플러) 및 제2 스큐 미러(예컨대, 출력 커플러)는 단일의 1D(슬래브-타입) 도파관 내에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러와 제2 스큐 미러는 인접하거나 또는 그렇지 않으면 수직으로(예컨대, Y-축을 따라) 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러와 제2 스큐 미러는 인접하거나 또는 그렇지 않으면 수평으로(예컨대, X-축을 따라) 동작가능하게 커플링될 수 있다. 일부 예들에서, 제1 스큐 미러와 제2 스큐 미러는 인접하거나 또는 그렇지 않으면 중첩되는 방식으로(예컨대, Z-축을 따라) 동작가능하게 커플링될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수평 도파관(365)은 수평 방향으로 디스플레이(355)에 의해 방출된(그리고 시준기(360)를 사용하여 시준된) 광을 전파할 수 있다. 수평 도파관(365) 내의 스큐 미러는 광이 수평 도파관(365)을 횡단함에 따라 이러한 광을 수직 도파관(370) 내로 하향으로 커플링할 수 있다. 이러한 방식으로, 디스플레이(355)에 의해 방출된 광은 2차원에 걸쳐 확장될 수 있다. 수직 도파관(370) 내의 스큐 미러는 2차원으로 확장된 광을 아이 박스(315-a) 내로 커플링시킬 수 있다. 이는, 예를 들어, 디스플레이(355)가 2차원 가시광 이미지를 사용자에 의한 뷰잉을 위해 아이 박스(315-a) 내로 투영하게 할 수 있다. 동시에, 발광 컴포넌트(356)는 수직 도파관(370) 내로 비가시광(예컨대, IR 및/또는 NIR 광)을 방출할 수 있다. 원하는 경우, 추가의 시준기가 수직 도파관(370)과 발광 컴포넌트(356) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 광은 2차원으로의 상당한 확장 없이 1차원으로(예컨대, 수직 또는 수평 치수를 따라) 도파관(370)을 횡단할 수 있다. 이러한 1차원으로 확장된 광은 도파관(370) 내의 스큐 미러에 의해 아이 박스(315-a) 내로 커플링될 수 있다. 이는 컴포넌트(356)가 사용자의 눈 상으로 광을 투영하게 할 수 있다. 이러한 광은, 예를 들어, 좁은 시야(예컨대, 아이 박스(315-a) 내로 커플링된 가시광보다 더 좁은 시야)를 가로질러 사용자의 눈의 특징부들(예컨대, 사용자의 망막, 시신경 등)을 추적하는 시선 추적 이미지를 수집하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비가시광은 사용자의 눈으로부터 다시 도파관(370)을 향해 반사될 수 있다. 도파관(370) 내의 스큐 미러는 이러한 비가시광을 이미징 디바이스를 향해 반사시킬 수 있다. 이미징 디바이스는 비가시광을 캡처할 수 있고, 캡처된 광을 프로세싱하여 시선 추적을 수행할 수 있다. 그러한 이미징 디바이스는 컴포넌트(356)에 의해 도 3에 개략적으로 도시되어 있다(예컨대, 컴포넌트(356)는 원하는 경우 광 방출기 및 이미징 디바이스를 포함할 수 있다). 이미징 디바이스에 의해 캡처되는 (반사된) 비가시광은 컴포넌트(356)를 향해 가리키는 화살표로 도시되어 있다. 컴포넌트(356)에 의해 방출된 비가시광은 컴포넌트(356)로부터 멀어지게 가리키는 화살표로 도시되어 있다. 이러한 예는 단지 예시적인 것이고, 원하는 경우, 별개의 이미징 디바이스가 도파관(370) 주위의 임의의 원하는 위치에 형성될 수 있다. 원하는 경우, 이러한 비가시광은 사용자의 눈의 망막 또는 다른 생리학적 특성들(예컨대, 특정 개인에 대해 고유할 생리학적 특성들)에 기초하여 사용자 식별 정보를 수집하기 위해 추가적으로 또는 대안적으로 사용(프로세싱)될 수 있다.

이러한 방식으로, 광학 시스템(100)은 가시광에 대한 2차원 확장 및 비가시광에 대한 1차원 확장을 수행할 수 있다. 예를 들어, 아이 박스(315-a) 내로 커플링된 비가시광의 시야는, 스큐 미러에 의해 아이 박스(315) 내로 커플링된 가시광의 시야보다 (예컨대, Y-축과 평행한) 수직 치수가 더 좁을 수 있다(예컨대, 이는 스큐 미러가 가시광을 2차원으로 확장시키는 반면, 스큐 미러가 비가시광을 2차원으로 확장시키지 않기 때문이다). X-축에 평행한 가시광에 대한 시야는 X-축에 평행한 비가시광에 대한 시야와 동일한 크기이거나, 그보다 더 좁거나, 그보다 더 길 수 있다. 가시광에 대한 시야의 총 면적은, 예를 들어, 비가시광에 대한 시야의 총 면적보다 더 클 수 있다. 비가시광에 대한 1차원 확장만을 단지 사용하면, 예를 들어, 비가시광에 대한 추가의 교차 커플러에 대한 필요성을 제거할 수 있고, (예컨대, 원하는 눈 특징부들이 시선 방향을 결정하도록 추적되는 것을 여전히 허용하면서) 디바이스 내의 공간 및 프로세싱 효율을 최적화할 수 있다. 이러한 예는 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 도 3의 디스플레이(355) 및 컴포넌트(356)의 위치들은 스와핑될 수 있다(예컨대, 비가시광에 대해 2차원 확장이 수행될 수 있는 반면, 가시광에 대해 1차원 확장이 수행될 수 있다). 다른 적합한 배열에서, 가시광 및 비가시광 둘 모두에 대해 2차원 확장이 수행될 수 있다. 2D 도파관들, 1D 도파관들, 스큐 미러 기반 출력 커플러들, 및 스큐 미러 기반 교차 커플러들의 임의의 원하는 개수 및 조합이, 디스플레이(355)에 의해 방출된 가시광 및 컴포넌트(356)에 의해 방출된 비가시광을 1차원 및/또는 2차원으로 확장시키는 데 사용될 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 2차원 확장은 교차 커플러를 사용하여 가시광에 대해 수행될 수 있고, 1차원 확장은 출력 커플러를 사용하여 비가시광에 대해 수행될 수 있는데, 이들 커플러들 둘 모두는 동일한 도파관에 형성되어 있다. 예를 들어, 스큐 미러(체적 홀로그래픽 광 커플링 요소)는 다수의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들(예컨대, 체적 홀로그램들), 예컨대 교차 커플러들로서의 역할을 하는 체적 홀로그래픽 격자 구조체들 및 출력 커플러들로서의 역할을 하는 체적 홀로그래픽 격자 구조체들 둘 모두를 포함할 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 다수의 스큐 미러들(체적 홀로그래픽 광 커플링 요소들)이 사용될 수 있는데, 여기서 하나의 스큐 미러는 비가시광에 대한 출력 커플러 및 가시광에 대한 교차 커플러를 포함한다.

도 4는 복수의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들(405)을 포함하는 광학 컴포넌트(400)의 다이어그램이다. 광학 컴포넌트(400)는, 예를 들어, 스큐 미러로부터 형성된 커플러(예컨대, 출력 커플러 또는 교차 커플러)와 같은 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소일 수 있다. 격자 구조체들(405)은 본 명세서에서 설명된 격자 매체를 갖는 격자 구조체들과 유사할 수 있다. 격자 구조체들(405)은 논의의 목적을 위해 분해도 방식으로 예시되어 있지만, 이러한 격자 구조체들(405)은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 격자 매체의 체적 또는 공간 내에서 중첩되고 혼재되어 있을 수 있다. 또한, 각각의 격자 구조체는 상이한 회절각 응답을 가질 수 있고, 다른 격자 구조체와는 상이한 파장의 광을 반사시킬 수 있다.

도 4의 예는 광학 컴포넌트(400) 내의 격자 구조체들 중 2개에 대한 k-공간 다이어그램들을 도시한다. 격자 구조체(405-a)는 대응하는 k-공간 다이어그램(410-a)을 가질 수 있고, 격자 구조체(405-b)는 대응하는 k-공간 다이어그램(410-b)을 가질 수 있다. k-공간 다이어그램들(410-a, 410-b)은 홀로그램을 조명함으로써 브래그-매칭된 재구성의 경우들을 예시할 수 있다.

k-공간 다이어그램(410-a)은 격자 구조체(405-a)에 의한 입사광의 반사를 예시한다. k-공간 다이어그램(410-a)은 홀로그램에 의한 프로브 빔의 미러형 회절(이는 반사로 지칭될 수 있음)의 표현인데, 여기서 반사 축에 대한 프로브 빔 입사각은 반사 축에 대한 회절된 빔 반사각과 동일하다. k-공간 다이어그램(410-a)은, 격자 구조체(405-a)의 반사 축(430-a)의 각도와 동일한 Z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 양의 측파대

k-공간 분포(450-a)를 포함할 수 있다. k-공간 다이어그램(410-a)은 또한, 반사 축(430-a)의 각도와 동일한 Z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 음의 측파대

k-공간 분포(453-a)를 포함할 수 있다. k-구(440-a)는 가시 청색 광, 가시 녹색 광, 가시 적색 광, 비가시 IR 광, 또는 비가시 NIR 광을 표현할 수 있다.

k-공간 다이어그램(410-a)은 프로브 빔(435-a)이, 포인트형이고 프로브 빔 k-구(440-a) 상에 놓이는 회절된 빔 k-공간 분포(425-a), 즉,

를 생성하는 경우를 도시한다. 회절된 빔 k-공간 분포(425-a)는 수학식(4)의 콘볼루션에 따라 생성된다.

프로브 빔은, 또한 포인트형인 k-공간 분포(435-a), 즉,

를 가질 수 있다. 이러한 경우, 프로브 빔 파장이 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 기록 빔들의 파장과 상이하더라도, 프로브 빔은 홀로그램에 "브래그-매칭"되는 것으로 칭해지고, 홀로그램은 상당한 회절을 생성할 수 있다. 콘볼루션 연산은 또한 벡터 합

에 의해 기하학적으로 표현될 수 있는데, 여기서

는 회절된 빔 파수 벡터(420-a)를 표현하고,

는 프로브 빔 파수 벡터(415-a)를 표현하며,

는 양의 측파대 격자 벡터(451-a)를 표현한다. 벡터(445-a)는 수학식(4)의 콘볼루션에 따른 프로브 빔 파수 벡터(415-a)와 양의 측파대 격자 벡터(451-a)의 합을 표현한다. k-공간 다이어그램(410-a)은 또한 음의 측파대 격자 벡터(452-a)를 갖는다.

프로브 빔 파수 벡터(415-a) 및 회절된 빔 파수 벡터(420-a)는 실질적으로 이등변 삼각형의 변(leg)들을 형성할 수 있다. 이러한 삼각형의 동일한 각도들이 입사각 및 반사각과 합동(congruent)될 수 있는데, 이들 입사각 및 반사각 둘 모두는 반사 축(430-a)과 관련하여 측정된다. 따라서, 격자 구조체(405-a)는 반사 축(430-a)에 대해 실질적으로 미러형 방식으로 광을 반사시킬 수 있다.

k-공간 다이어그램(410-b)은 격자 구조체(405-b)에 의한 입사광의 반사를 예시할 수 있다. 격자 구조체(405-b)는 격자 구조체(405-a)에 의해 반사된 입사각들과는 상이한 복수의 입사각들로 입사광을 반사시킬 수 있다. 격자 구조체(405-b)는 또한 격자 구조체(405-a)와는 상이한 파장으로 광을 반사시킬 수 있다. k-공간 다이어그램(410-b)은 홀로그램에 의한 프로브 빔의 미러형 회절(이는 반사로 지칭될 수 있음)의 표현일 수 있는데, 여기서 반사 축에 대한 프로브 빔 입사각은 반사 축에 대한 회절된 빔 반사각과 동일하다. k-공간 다이어그램(410-b)은, 격자 구조체(405-b)의 반사 축(430-b)의 각도와 동일한 Z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 양의 측파대

k-공간 분포(450-b)를 갖는다. k-공간 다이어그램(410-b)은 또한 반사 축(430-b)의 각도와 동일한 Z-축과 관련하여 측정된 각도를 갖는 음의 측파대

k-공간 분포(453-b)를 갖는다. k 구(440-b)는 가시 청색 광, 가시 녹색 광, 가시 적색 광, 비가시 IR, 또는 비가시 NIR을 표현할 수 있다. 일부 실시예들에서, k-구는 자외선 파장들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 다른 파장들의 전자기 방사선을 표현할 수 있다.

k-공간 다이어그램(410-b)은 프로브 빔(435-b)이, 포인트형이고 프로브 빔 k-구(440-b) 상에 놓이는 회절된 빔 k-공간 분포(425-b), 즉,

를 생성하는 경우를 도시한다. 회절된 빔 k-공간 분포(425-b)는 수학식(4)의 콘볼루션에 따라 생성된다.

프로브 빔(435-b)은, 또한 포인트형인 k-공간 분포

를 갖는다. 이러한 경우, 프로브 빔 파장이 홀로그램을 기록하는 데 사용되는 기록 빔들의 파장과 상이하더라도, 프로브 빔은 홀로그램에 "브래그-매칭"되는 것으로 칭해지고, 홀로그램은 상당한 회절을 생성할 수 있다. 콘볼루션 연산은 또한 벡터 합

에 의해 기하학적으로 표현될 수 있는데, 여기서

는 회절된 빔 파수 벡터(420-b)를 표현하고,

는 프로브 빔 파수 벡터(415-b)를 표현하며,

는 양의 측파대 격자 벡터(451-b)를 표현한다. 벡터(445-b)는 수학식(4)의 콘볼루션에 따른 프로브 빔 파수 벡터(415-b)와 양의 측파대 격자 벡터(451-b)의 합을 표현한다. k-공간 다이어그램(410-b)은 또한 음의 측파대 격자 벡터(452-b)를 갖는다.

프로브 빔 파수 벡터(415-b) 및 회절된 빔 파수 벡터(420-b)는 실질적으로 이등변 삼각형의 변들을 형성할 수 있다. 이러한 삼각형의 동일한 각도들이 입사각 및 반사각과 합동될 수 있는데, 이들 입사각 및 반사각 둘 모두는 반사 축(430-b)과 관련하여 측정된다. 따라서, 격자 구조체(405-b)는 반사 축(430-b)에 대해 실질적으로 미러형 방식으로 광을 반사시킬 수 있다.

도 5a는 본 발명의 다양한 양태들에 따른, 스큐 미러를 제조하기 위한 제조 시스템(500-a)을 도시한다. 시스템(500-a)은 샘플 스테이지 캐리어(505), 샘플 캐리어 레일(510), 제1 기록 빔(515-a), 신호 미러(520), 제2 기록 빔(525-a), 참조 미러(530), 참조 미러 캐리어 레일(535), 참조 미러 캐리어(540), 격자 매체(545-a), 홀로그램(550), 제1 프리즘(555-a), 및 제2 프리즘(560-a)을 포함할 수 있다.

시스템(500-a)은 전역 좌표들(x_G, y_G, z_G) 및 스큐 미러 좌표들(x, y, z)을 포함할 수 있다. 원점은 격자 매체(545-a)의 중심에 있는 것으로 정의될 수 있다. 일부 경우들에서, 격자 매체(545-a)는 일반적으로 직사각형인 형상을 포함할 수 있는데, 여기서 'z'는 격자 매체(545-a)의 두께에 대응하고, 'x'는 격자 매체(545-a)의 평면내 면의 길이에 대응하고, 'y'는 격자 매체(545-a)의 평면내 면의 길이에 대응한다. 기록을 위한 전역 각도 θ_G는 격자 매체(545-a) 내측의 x _G -축에 대한 제1 기록 빔(515-a)의 각도로서 정의될 수 있다. 스큐 미러 좌표들(x, y, z)은 다음의 수학식에 의해 전역 좌표들로 변환될 수 있다:

시스템(500-a)은 원하는 아이 박스 크기와 대략적으로 동일한 크기를 갖도록 기록 빔들을 구성하는 데 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 시스템(500-a)은 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)에 대한 정확한 각도들을 생성하기 위해 신호 미러(520) 및 참조 미러(530)와 같은 회전 미러들을 배치할 수 있다. 신호 미러(520)의 각도는 폭 ~d_EB를 갖는 제1 기록 빔(515-a)의 원하는 각도(θ_G1)를 생성하도록 변경될 수 있다. 샘플 스테이지 캐리어(505) 및 참조 미러 캐리어(540)는 각각의 노출에 대해 기록 빔들로 정확한 위치를 조명하기 위해 위치설정될 수 있다. 시스템(500-a)의 샘플 스테이지 캐리어(505)는, 원하는 위치에서의 제1 기록 빔(515-a)에 의한 격자 매체(545-a)의 조명을 가능하게 하기 위해 샘플 캐리어 레일(510) 상에 위치설정될 수 있다. 참조 미러 캐리어(540)는, 원하는 위치에서의 제2 기록 빔(525-a)에 의한 격자 매체(545-a)의 조명을 가능하게 하기 위해 참조 미러 캐리어 레일(535) 상에 위치설정될 수 있다. 격자 매체(545-a)는 홀로그램 기록 이전 또는 기록 동안 기록 매체로 지칭될 수 있고, 광중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 매체는 광굴절 결정들, 이색성 젤라틴, 광열 굴절 유리, 및/또는 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름을 포함할 수 있다.

설정된 신호 미러(520) 및 참조 미러(530)의 회전에 의해, 미러들은, 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)이 서로 교차하고 간섭하여 격자 매체(545-a) 내에 홀로그램(550)으로서 기록되는 간섭 패턴을 형성하도록 기록 빔들을 지향시키기 위해 배열될 수 있다. 홀로그램(550)은 격자 구조체의 일례일 수 있다. 시스템(500-a)은 다수의 격자 구조체들을 형성할 수 있는데, 격자 구조체들 각각은 복수의 입사각들로 특정 파장의 광을 스큐 축(565-a)에 대해 반사시키도록 구성된다. 각각의 격자 구조체는 특정 파장을 갖는 간섭성 광에 대한 격자 매체(545-a)의 복수의 노출들을 사용하여 형성될 수 있다. 각각의 격자 구조체에 대응하는 복수의 입사각들은 최소 범위의 각도들만큼 서로 오프셋될 수 있다.

일부 구현예들에서, 기록 빔들은 서로 상이한 폭들을 가질 수 있거나, 또는 그들은 동일할 수 있다. 기록 빔들은 각각 서로 동일한 세기를 가질 수 있거나, 또는 세기가 빔들 사이에서 상이할 수 있다. 빔들의 세기는 균일하지 않을 수 있다. 격자 매체(545-a)는 통상적으로 제1 프리즘(555-a)과 제2 프리즘(560-a) 사이의 제자리에, 프리즘들 및 격자 매체 둘 모두에 굴절률 매칭된 유체를 사용하여 고정된다. 스큐 축(565-a)은 표면 법선(570-a)에 대한 스큐 각도로 존재한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 스큐 각도는 표면 법선(570-a)에 대해 -30.25도일 수 있다. 제1 및 제2 기록 빔들 사이의 각도는 0도 내지 180도의 범위 내에 존재할 수 있다. 이어서, 표면 법선(570-a)에 대한 기록된 스큐 각도는 평면내 시스템(500-a)에 대해

가 된다. θ_G2 = 180° - θ_G1인 공칭 경우에 대해,

이다. 도 5에서,

는 표면 법선에 대한 공칭 스큐 각도를 나타낸다. 추가적으로, 도 5에서, θ_G1 및 θ_G2의 각도들의 정확한 묘사는 나타나 있지 않다. θ'_G1 및 θ'_G2의 각도들이 예시되고 θ_G1 및 θ_G2의 각도들에 대응한다. θ_G1 및 θ_G2의 각도들은 제1 프리즘(555-a) 및 제2 프리즘(560-a) 내에서 제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)의 빔과 각각 관련된다. 기록 빔들이 프리즘들에 진입할 때 공기와 프리즘들 사이의 경계에서의 굴절률 미스매치(예컨대, 스넬의 법칙 또는 굴절 법칙의 효과들) 때문에, θ'_G1 및 θ'_G2의 각도들은 θ_G1 및 θ_G2의 각도들과 상이할 것이다.

제1 기록 빔(515-a) 및 제2 기록 빔(525-a)은 공칭상 스큐 축(565-a)에 대해 대칭적이어서, 스큐 축에 대한 제1 기록 빔 내부 각도와 스큐 축에 대한 제2 기록 빔 내부 각도의 합이 180도와 동일시되도록 할 수 있다. 제1 및 제2 기록 빔들 각각은 레이저 광원으로부터 비롯되는 시준된 평면파 빔들일 수 있다.

예를 들어, 제1 기록 빔(515-a)이 제1 프리즘(555-a)의 공기/프리즘 경계와 교차하고 제2 기록 빔(525-a)이 제2 프리즘(560-a)의 공기/프리즘 경계와 교차하는, 공기/프리즘 경계들에서의 굴절은, 엄격하게 정량적으로보다는 오히려 상징적으로 도시되어 있다. 프리즘/격자 매체 경계에서의 굴절이 또한 발생할 수 있다. 구현예들에서, 격자 매체 및 프리즘들은 각각 405nm의 기록 빔 파장에서 대략적으로 1.5471의 굴절률을 갖는다.

(홀로그램들의 집합에 대한 평균 스큐 각도를 포함하는) 홀로그램에 대한 스큐 각도는, 반사 축 각도와 실질적으로 동일할 수 있고, 이는 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도가 반사 축 각도의 1.0도 이내에 있음을 의미한다. 본 발명의 이점을 고려하여, 당업자들은 스큐 각도 및 반사 축 각도가 이론적으로 동일할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 시스템 정밀도 및 정확도의 제한들, 홀로그램들을 기록하는 동안 발생하는 기록 매체의 수축, 및 오차의 다른 공급원들로 인해, 기록 빔 각도들에 기초하여 측정되거나 추정되는 바와 같은 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도는, 스큐 미러에 의해 반사되는 광의 반사각들 및 입사각들에 의해 측정되는 바와 같은 반사 축 각도와 완벽하게 매칭되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 매체 수축 및 시스템 결함들이 스큐 각도 및 반사 축 각도를 추정하는 데에 있어서 오차들에 기여하더라도, 기록 빔 각도들에 기초하여 결정되는 스큐 각도는, 입사광 및 그의 반사의 각도들에 기초하여 결정되는 반사 축 각도의 1.0도 이내일 수 있다. 이러한 매체 수축 및 시스템 결함들이 스큐 미러들의 제조 시에 임의로 작게 만들어질 수 있다는 것이 이해된다. 이와 관련하여, 이러한 매체 수축 및 시스템 결함들은 통상적인 또는 종래의 미러의 평탄성과 유사한 것으로 고려될 수 있다. 일부 예들에서, 체적 홀로그램들을 사용한 스큐 미러들의 제조와 연관되는 근본적인 제한은 기록 매체의 두께에 기초할 수 있다.

스큐 축/반사 축은 일반적으로, 스큐 미러의 제조를 언급할 때(예컨대, 스큐 미러 격자 매체에 홀로그램을 기록하는 것을 설명할 때) 스큐 축으로, 그리고 스큐 미러의 광 반사 특성들을 언급할 때 반사 축으로 불린다. (홀로그램들의 집합에 대한 평균 스큐 각도를 포함하는) 홀로그램에 대한 스큐 각도는, 반사 축 각도와 실질적으로 동일할 수 있고, 이는 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도가 반사 축 각도의 1.0도 이내에 있음을 의미한다. 본 발명의 이점을 고려하여, 당업자들은 스큐 각도 및 반사 축 각도가 이론적으로 동일할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 시스템 정밀도 및 정확도의 제한들, 홀로그램들을 기록하는 동안 발생하는 기록 매체의 수축, 및 오차의 다른 공급원들로 인해, 기록 빔 각도들에 기초하여 측정되거나 추정되는 바와 같은 스큐 각도 또는 평균 스큐 각도는, 스큐 미러에 의해 반사되는 광의 반사각들 및 입사각들에 의해 측정되는 바와 같은 반사 축 각도와 완벽하게 매칭되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 매체 수축 및 시스템 결함들이 스큐 각도 및 반사 축 각도를 추정하는 데에 있어서 오차들에 기여하더라도, 기록 빔 각도들에 기초하여 결정되는 스큐 각도는, 입사광 및 그의 반사의 각도들에 기초하여 결정되는 반사 축 각도의 1.0도 이내일 수 있다. 본 발명의 이점을 고려하여, 당업자들은 주어진 홀로그램에 대한 스큐 각도가 그 홀로그램에 대한 격자 벡터 각도와 동일하다는 것을 인식할 것이다.

시스템(500-a)의 변형예에서, 가변 파장 레이저가 제1 및 제2 기록 빔들의 파장을 가변시키는 데 사용될 수 있다. 제1 및 제2 기록 빔들의 입사각들은 제1 및 제2 기록 빔들의 파장이 변경되는 동안 일정하게 유지될 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 파장들은 가시 적색광 파장, 가시 청색광 파장, 가시 녹색광 파장, 자외선 파장, IR 파장 및/또는 NIR 파장으로 구성될 수 있다. 시스템(500-a)의 각각의 격자 구조체는 다른 격자 구조체와는 상이한 파장에서 입사각을 반사시킬 수 있다. 시스템(500-a)은, 그것이 기록 빔 파장과는 실질적으로 상이한 파장, 및 특히 그보다 상당히 더 긴 파장에서의 광을 반사시키게 하는 반사 특성들을 가질 수 있다.

도 5b는 본 발명의 다양한 양태들에 따른, 스큐 미러를 제조하기 위한 제조 시스템(500-b)을 도시한다. 시스템(500-b)은 제1 기록 빔(515-b), 제2 기록 빔(525-b), 격자 매체(545-b), 제1 프리즘(555-b), 제2 프리즘(560-b), 및 스큐 축(565-b)을 포함할 수 있다. 시스템(500-b)은 도 5a를 참조하여 논의된 실시예들을 참조한 확장된 뷰일 수 있다.

일부 경우들에서, 교차 커플러로서 사용되는 광 커플링 디바이스에 대해 하나 이상의 스큐 미러들이 제작될 수 있다. 예를 들어, 각각의 반사 축은 동공 확장기 내의 하나 이상의 도파관들의 표면들에 평행하거나 또는 각도적으로 오프셋되어 있을 수 있다. 예를 들어, 교차된 스큐 미러 교차 커플러 구성을 갖는 교차 커플러는 격자 매체(545-b)를 제1 프리즘(555-b) 및 제2 프리즘(560-b) 내에 재배향시킴으로써 제작될 수 있다. 일부 기록 구현예들에서, 제2 프리즘(560-b)은 생략될 수 있고, 격자 매체(545-b)를 고정 또는 안정화시키기 위한 컴포넌트로 대체될 수 있다. 광 흡수 특성들을 또한 포함할 수 있는 격자 매체(545-b)를 고정 또는 안정화시키기 위한 컴포넌트. 예를 들어, 제1 기록 빔(515-b) 및 제2 기록 빔(525-b)은 둘 모두, 교차 커플러를 구성할 때 제1 프리즘(555-b)에 진입할 수 있다.

일부 경우들에서, 제2 스큐 미러 배향이 재배향된 격자 매체(545-b) 상에 기록될 수 있다. 제2 스큐 미러는 제1 스큐 미러와 적어도 부분적으로 중첩되거나 또는 중첩되지 않는 방식으로 배향될 수 있다. 따라서, 격자 매체(545-b)(즉, 재배향 및 경화 프로세스들 이후의 기록 매체)의 주어진 체적에서 교차된 스큐 미러 구성이 형성된다. 재배향 프로세스는 광 커플링 디바이스의 원하는 스큐 축들 모두를 기록하기 위해 반복될 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 스큐 미러는 제1 스큐 미러와 중첩되지 않는 방식으로 배향될 수 있다.

도 6은 스큐 미러 보조 이미징을 포함하는 광학 시스템(600)의 다이어그램을 예시한다. 광학 시스템(600)은, 도 1의 HMD(100)와 같은 그러나 이에 제한되지 않는, NED, AR, 또는 VR 응용에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(600)은 또한, 대형 스크린 디스플레이, 광학 센서, 및 밀리미터 도파관 응용들과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 광학 또는 전자기파 커플링 응용들에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(600)은 격자 매체(615)에서의 선택적 커플링을 채용하여 특정 위치, 예컨대 아이 박스(665)를 향해 광을 회절시키게 하여, 이에 의해 광도측정 효율(예컨대, 이미지 밝기)을 개선시킬 수 있다. 광학 시스템(600)은 또한, 눈 시선 추적을 나타내는 반사된 비가시광 주파수들을 포함하는, 외부 FOV의 광에 대한 격자 매체(615)에서의 선택적 커플링을 채용할 수 있다. 광학 시스템(600)은 머리 위 관점으로부터 뷰잉되고, 사용자의 좌측 눈 또는 우측 눈 중 어느 하나를 표현할 수 있다.

일부 경우들에서, 스큐 미러(605) 및 격자 매체(615) 둘 모두는 광학 시스템(600)의 도파관 내에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다. 도 6에 도시된 도파관은, 도파관의 일부분을 따라 (예컨대, 도 6에 도시된 바와 같은 도파관의 일 단부에 또는 도파관을 따르는 임의의 다른 원하는 위치에) 위치된, 스큐 미러(605) 및 격자 매체(615)를 갖는 하나 이상의 기판들(610)을 포함한다. 도파관은 광(625)을 그의 길이에 걸쳐 내부 전반사를 통해 (예컨대, 시준기(렌즈)(630)에 인접한 도파관의 단부로부터, 스큐 미러(605)가 위치되는 도파관의 부분으로 그리고 그 반대의 경우로) 전파시킨다. 도 6의 스큐 미러(605)는, 예를 들어, 도 6의 도파관, 도 3의 도파관들(370 및/또는 365) 등과 같은 도파관에 출력 커플러 및/또는 교차 커플러를 형성하는 데 사용될 수 있다. 격자 매체(615)는 스큐 미러(605) 내에 배치될 수 있고, 스큐 미러(605)(때때로 본 명세서에서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(605)로 지칭됨)를 형성하는 데 사용되는 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들(체적 홀로그램들)을 포함할 수 있다. 격자 매체(615)는 도파관의 하나 이상의 기판들(예컨대, 유리 커버들 또는 유사한 보호 층들)(610)에 의해 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸일 수 있다. 격자 구조체는 입사광을 빔들 또는 파들로 반사, 회절, 및/또는 분할시킬 수 있는 광학 디바이스일 수 있으며, 이어서, 그 빔들 또는 파들은 상이한 방향들로 계속 전파될 수 있다. 격자는 격자의 회절된 각도 응답에 의해 특징지어질 수 있다. 회절된 각도 응답은, 입사각의 작은 변화들에 응답하는, 광의 반사각의 변화를 표현할 수 있다.

격자 매체(615)는 광중합체, 광굴절 결정들, 중크롬산 젤라틴, 광열 굴절 유리, 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름, 또는 입사 간섭 패턴에 반응하고 그를 기록하는 능력을 갖는 다른 재료를 포함할 수 있다. 체적 홀로그래픽 격자 구조체들은 체적-위상 홀로그램들과 같은 홀로그램들을 포함할 수 있다. 다수의 홀로그램들은 격자 매체 내부 체적 내에 기록될 수 있으며, 그에 따라서 격자 매체 표면 아래로 연장될 수 있다. 따라서, 이러한 홀로그램들은 때때로 체적 홀로그램들로 지칭된다. 일부 구현예들에서, 다수의 홀로그램들 각각은 다수의 홀로그램들 중 다른 홀로그램 중의 적어도 하나(그러나 전부는 아님)와 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다. 일부 예들에서, 다수의 홀로그램들 각각은 다른 홀로그램들 모두와 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다. 일부 실시예들에서, 다수의 홀로그램들 중 일부는 다른 홀로그램들 중 일부와 공간적으로 중첩되지 않을 수 있다.

예를 들어, 공간적으로 중첩되는 홀로그램들은 인접한 격자 매체 내의 2개의 홀로그램들에 의해 점유된 공간 또는 그들에 의해 공유된 체적에 대해 중첩된다(예컨대, 2개의 공간적으로 중첩되는 홀로그램들은 격자 매체(615) 내의 동일한 공간 또는 체적의 적어도 일부분에서 공유되거나 또는 공존한다). 이러한 방식으로, 제1 홀로그램의 가변 굴절률 특성들 및 연관된 프린지(fringe) 패턴들 중 적어도 일부는 격자 매체(615) 내의 제2 홀로그램의 가변 굴절률 특성들 및 연관된 프린지 패턴들 중 적어도 일부의 동일한 공간 또는 체적을 점유할 것이다(그리고 그와 중첩 또는 혼합될 것이다). 홀로그램들이 공간적으로 중첩되지 않는 예들에서, 2개의 홀로그램들은 인접한 격자 매체 내에서 임의의 방식으로 교차 또는 중첩되지 않는다. 예를 들어, 제1 홀로그램은 제2 홀로그램으로부터 이격된 격자 매체(615)의 체적 부분 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스큐 미러는, 격자 매체(615) 내에 공간적으로 중첩되는 홀로그램 및 공간적으로 중첩되지 않는 홀로그램 둘 모두를 포함할 수 있다.

격자 매체(615) 내의 각각의 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 스큐 미러(605)의 반사 축에 대해 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 반사 축은 예시된 바와 같은 축(620)의 일례일 수 있다. 반사 축은 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋될 수 있다. 반사 축에 대한 입사광의 내부 입사각이 반사 축에 대한 반사된 광의 내부 반사각과 동일한 크기를 갖도록 입사광과 그의 반사가 반사 축에 의해 양분된다. 즉, 입사광과 그의 반사는 반사 축에 대해 좌우 대칭을 나타낼 수 있다. 일부 구현예들에서, 격자 구조체는 격자 매체의 표면 법선과 복수의 입사각들 사이의 반사각으로 광을 반사시키도록 구성될 수 있다.

비가시 광원(660)(예컨대, NIR 또는 IR 다이오드)이 광학 시스템(600) 내에 포함될 수 있고, 도파관을 통한 후속 전파를 위해 비가시 입력 광을 방출할 수 있다. 방출된 비가시광은, 가시광 스펙트럼(예컨대, NIR 광)과 구별되는 하나 이상의 파동 주파수 스펙트럼들에 대응할 수 있다. 비가시광의 공간파 주파수들은, 인간 망막에 의해 적어도 부분적으로 검출가능하지 않은 주파수들에 대응할 수 있다. 광원 또는 광 프로젝터(640)(예컨대, 프로젝터, 마이크로 디스플레이, 픽셀들의 어레이를 포함하는 이미지 디스플레이 등)가 또한 광학 시스템(600)에 포함될 수 있고, 가시 적색, 녹색, 및 청색 광의 파장들을 포함하는 가시광을 방출할 수 있다. 방출된 가시광은, 아이 박스(665)에서의 후속 디스플레이를 위한 광학 시스템(600)의 이미지 투영에 대응할 수 있다. 원하는 경우, 디스플레이(640)는 일부 구성들에서 생략될 수 있다.

광원(660)의 비가시광은 필터(635)(예컨대, 이색성 필터와 같은 광학 필터)로 지향되고, 필터(635)를 통해, 스큐 미러(605)를 포함하는 도파관으로의 입력을 위해 반사될 수 있다. 광원 또는 광 프로젝터(640)의 가시광은 스큐 미러(605)를 포함하는 도파관으로의 입력을 위해 필터(635)를 통과할 수 있다. 하나의 적합한 배열에서, 필터(635)는 스큐 미러일 수 있다(예컨대, 광원(660)으로부터의 비가시광 및 디스플레이(640)로부터의 가시광을 스큐 미러(605)를 포함하는 도파관 내로 지향시키기 위한 격자 매체 내의 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들을 포함할 수 있다). NIR 광의 지향된 반사율과 함께 가시광의 투과율은, 필터(635)가 광원들(640, 660)에 의해 제공된 광 모드들을 조합하게 하여 격자 매체(615)의 출력 커플러 부분을 향한 전파 및 도파관에 대한 입사 동공을 형성할 뿐만 아니라, 스큐 미러(605)로부터 전파된 복귀 광을 분리시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 필터(635)는 입력 광을 광학 시스템(600)의 도파관으로 지향시킬 수 있다. 스큐 미러(605) 자체는 일반적으로 도파관 실시예(예컨대, TIR 도파관)일 수 있다. 하나 이상의 스큐 미러 타입 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 교차 커플러 실시예)은 도파관에서의 입력 광을 안내하고, 그 입력 광을 도파관을 통한 전파를 위해 상이한 방향으로 반사시킬 수 있다. 대안적으로, 필터(635)는 입력 광의 IR 또는 NIR 및 가시광 모드들의 전파 경로들로 도파하는 일 없이 입력 광을 스큐 미러(605)로 지향시킬 수 있다.

입사광은 TIR에 의해 격자 매체(615)의 하나 이상의 격자 구조체들을 향해 전파될 수 있다. 일부 경우들에서, 격자 매체(615)는, 서로 상이한 각도들 및 파장들의 조합들에 대해 브래그 매칭되는 체적 홀로그래픽 구조체들을 포함할 수 있다. 즉, 격자 매체 내에서, 서로 상이한 광의 파장들은 서로 상이할 수 있는 체적 홀로그래픽 격자 구조체들에 기초하여 동일한 반사 축을 따라 반사된다. 비가시광 및 가시광은 격자 매체(615)의 하나 이상의 구조체들에 의해 선택적으로 반사되고, 외부 디스플레이 또는 조명을 위해 아이 박스(665)로 지향될 수 있다.

광학 시스템(600)은 격자 매체(615)의 단부에 대략적으로 존재하는 평면에서 광을 반사시키는 것으로 예시된다. 그러나, 실제로, 광은 통상적으로 특정 평면에서보다는 오히려 격자 구조체 전반에 걸쳐 반사된다. 추가적으로, 아이 박스(665)로 지향되도록 의도된 각각의 반사된 광선에 대해, 격자 매체(615)의 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들 내의 하나 이상의 체적 홀로그램들은 다양한 파장들의 가시광 및 비가시광에 대해 기입될 수 있다.

디스플레이(640)로부터의 가시광은 사용자에게 지향될 수 있고 사용자의 눈을 조명할 수 있다. 가시광은, 예를 들어, (예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이) 2차원으로 확장될 수 있다. 이러한 방식으로, 디스플레이(640)는 사용자에 의해 뷰잉 및 인지되는 가시 이미지를 투영할 수 있다. 광원(660)으로부터의 비가시광은 사용자의 눈을 향해 지향될 수 있고 그 사용자의 눈을 조명할 수 있다. 비가시광을 포함하는 광 모드들의 공간 주파수로 인해, 비가시광은 광 모드들의 검출 또는 인식 없이 사용자의 눈을 조명할 수 있다. 조명된 비가시광의 하나 이상의 광 모드들은 사용자의 눈에 의해 반사되고, 스큐 미러(605)의 격자 매체(615)에서 인-커플링될 수 있다. 반사된 비가시광은 (예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 1차원으로 확장된 바와 같은) 사용자의 눈의 캡처된 이미지(예컨대, 사용자의 망막, 시신경, 또는 다른 생리학적 특징부들)에 대응할 수 있고, 사용자의 뷰잉 관점을 결정하기 위해(예컨대, 시선 추적 동작을 사용하여 사용자의 시선의 방향을 추적하기 위해) 사용될 수 있다. 이어서, 사용자의 관점은, 원하는 경우, 이미지 담지 광에서의 대응하는 FOV 내의 물체와 연관될 수 있다.

격자 매체(615) 내의 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들(예컨대, 비가시광을 사용자의 눈 내로 커플링한 동일한 체적 홀로그래픽 격자 구조체 또는 상이한 체적 홀로그래픽 격자 구조체)은, 인-커플링된 비가시 반사를 선택적으로 반사시킬 수 있다. 반사된 비가시광은 스큐 미러(605)를 둘러싸고 있는 도파관을 통한 내부 전반사에 의해 그리고 필터(635)를 향해 전파될 수 있다. 일부 경우들에서, 격자 매체(615) 및 스큐 미러(605)는 광학 시스템(600)의 도파관 내에 둘러싸일 수 있고, 반사된 비가시광을 도파관을 통해 필터(635)로 지향시킬 수 있다. 격자 매체(615)는 반사된 비가시광의 커플링된 광 모드들의 전파 경로들로 도파하는 일 없이 입력 광을 도파관을 통해 필터(650)로 지향시킬 수 있다.

필터(635)는 반사된 비가시광의 광 모드들을 선택적으로 반사시키고, 반사된 비가시광을 이미징 디바이스(655)(예컨대, 비가시광을 수광하도록 구성된 눈 응시 이미징 디바이스 또는 카메라)로 지향시킬 수 있다. 이미징 디바이스(655)는 광학 시스템(600)의 광학 경로에 커플링될 수 있고, (예컨대, 시간 경과에 따라 사용자의 시선의 방향을 추적하는 시선 추적 동작들을 수행하기 위해) 광학 시스템(600)의 FOV와 연관된 사용자의 시선 특성들을 결정할 수 있다. 원하는 경우, 이미징 디바이스(655)는 또한 또는 대안적으로, 반사된 비가시광으로부터 획득된 생리학적 정보(예컨대, 사용자의 망막에 관한 정보)에 기초하여 사용자의 신원을 판정할 수 있다. 원하는 경우, QWP(645) 또는 PBS(650)와 같은 복굴절 재료가 광학 시스템(600) 내에 포함된 하나 이상의 광학 경로들에 포함될 수 있고, 이미징 디바이스(655)의 검출기에 선제적인 반사 비가시광을 수광할 수 있다. QWP(645)는 반사된 비가시광을 세그먼트화하고, 굴절률과 연관된 하나 이상의 광 모드들의 위상 오프셋을 조정하는 것을 포함하여, 광 전파의 평면을 조정할 수 있다. 일부 경우들에서, QWP(645)는 반사된 비가시광의 편광 상태를 (예컨대, 선형 편광된 것으로부터 원형 편광된 것으로 또는 그 반대의 경우로) 변환할 수 있다. PBS(650)는 반사된 비가시광을 이미징 디바이스(655)로 지향시킬 수 있고, 반사된 비가시광과 광원(660)에 의해 방출된 대안적인 비가시광을 분리시키는 것을 도울 수 있다. 이미징 디바이스(655)는 반사된 비가시광의 외부 이미지를 수신 및 수집할 수 있고 시선 추적을 수행할 수 있다. 이미징 디바이스(655)는 투영된 이미지의 FOV에 대한 사용자의 광학 시선의 방향 오프셋을 결정할 수 있다. 방향 오프셋은 투영된 이미지의 FOV의 기준 배향 평면 내의 측방향 및 종방향 오프셋뿐만 아니라, 원하는 경우, 기준 배향 평면으로부터의 각도 및 원위 오프셋을 포함할 수 있다.

디스플레이(640), 이미징 디바이스(655), 및 컴포넌트(660)가 모두 스큐 미러(605)의 저부 면에 동작가능하게 커플링되는 도 6의 예는 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 이러한 컴포넌트들 중 하나 이상은 스큐 미러(605)의 임의의 다른 에지들을 따라 위치될 수 있다. 디스플레이(640) 및 컴포넌트(660)는 스큐 미러(605)의 동일한 면에 위치될 필요가 없다. 예를 들어, 디스플레이(640)는 스큐 미러(605)의 제1 면 내로 가시광을 방출할 수 있는 반면, 컴포넌트(660)는 비가시광을 스큐 미러(605)의 제2 면(예컨대, 제1 면에 대향하는 면 또는 임의의 다른 원하는 면) 내로 방출한다. 이미징 디바이스(655)는 스큐 미러(605)의 임의의 면(예컨대, 컴포넌트(660)가 비가시광을 방출하게 하는 동일한 면 또는 상이한 면)으로부터의 반사된 비가시광을 수광할 수 있다. 이러한 컴포넌트들이 스큐 미러(605)의 상이한 면들 상에 위치되는 시나리오들에서, 컴포넌트들(635, 645, 및/또는 650)은 원하는 경우 생략될 수 있다. 임의의 다른 원하는 광학 컴포넌트들(예컨대, 렌즈들, 필터들, 편광기들 등)은 디스플레이(640)에 의해 방출된 가시광 및 컴포넌트(660)에 의해 방출된 비가시광을 스큐 미러(605) 내로 커플링시키기 위해, 그리고 반사된 비가시광을 스큐 미러(605)로부터 이미징 디바이스(655)로 지향시키기 위해 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 양태들에 따른, 보조 이미징의 양태들을 지원하는 플롯을 예시한다. 플롯(700)은, 축(705-a) 상에 표현된 바와 같은 격자 크기, 및 축(705-b) 상에 표현된 바와 같은, 구체화된 광학 시스템의 스큐 축에 대한 내부 각도의 각도 측정치를 포함한다. 광학 시스템은 도 6을 참조하여 광학 시스템(600)을 참조할 수 있다. 축(705-a)의 표현된 격자 크기들은

미터당 라디안(rad/m)으로 표현될 수 있다. 축(705-b)의 표현된 내부 각도들은 도(degrees)로 표현될 수 있다.

플롯(700)의 플롯 라인(710-e)은 405.0nm의 파장에서의 기록 빔을 표현한다. 예시된 플롯 라인(710-e)은 기록 빔과 연관된 변이형 격자 크기에 대응하는 내부 각도의 맵핑을 예시한다. 유사하게, 플롯 라인들(710-d, 710-c)은 파장들 468.0nm 및 518.0nm의 빔들을 표현한다. 플롯(700)은, 방출되고 반사된 NIR 광 모드들의 커플링을 수행하기 위한 수단으로서, 격자 매체 내에 채용된 하나 이상의 NIR 파장 스펙트럼 빔들의 표현을 포함한다. 플롯 라인들(710-b, 710-a)은 NIR 스펙트럼의 638.0 및 860.0nm 파장들에서의 빔들을 표현한다.

플롯(700) 내에 표현된 바와 같이, 그리고 도시된 FOV의 점선으로 된 수평 라인들에 의해 예시된 바와 같이, 투영의 하나 이상의 하위 공간 주파수들(예컨대, 플롯 라인들(710-a))은 NIR 시선 추적을 위해 구현되는 하나 이상의 상위 공간 주파수들에 대응할 수 있다. 그 결과, 인셋(inset) 디스플레이 FOV의 FOV 서브세트가 추가의 홀로그래픽 매체들을 필요로 하는 일 없이 또는 눈 응시 기능들을 수행하는 데 필요한 추가의 홀로그램들을 기입하는 일 없이 시선 추적을 위해 이용가능할 수 있거나, 또는, 원하는 경우, IR에 대한 특수화된 홀로그램들이 동일한 매체 층에서 또는 별개의 층에서 기록될 수 있다.

도 8은 스큐 미러 보조 이미징을 포함하는 광학 시스템(800)의 다이어그램을 예시한다. 광학 시스템(800)은, 도 1의 HMD(100)와 같은 그러나 이에 제한되지 않는, NED, AR, 또는 VR 응용에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(800)은 또한, 대형 스크린 디스플레이, 광학 센서, 및 밀리미터 도파관 응용들과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 광학 또는 전자기파 커플링 응용들에서 이용될 수 있다. 광학 시스템(800)은 격자 매체(815)에서의 선택적 커플링을 채용하여 특정 위치, 예컨대 아이 박스(845)를 향해 도파관의 광을 회절시키게 하여, 이에 의해 광도측정 효율(예컨대, 이미지 밝기)을 개선시킬 수 있다. 광학 시스템(800)은 또한 격자 매체(815)에서의 선택적 커플링을 채용하여, 외부 장면에 대응하는 가시광을 인-커플링시킬 수 있다.

격자 매체(815)는 스큐 미러(805) 내에 배치되고 하나 이상의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들을 포함할 수 있다. 스큐 미러(805) 및 격자 매체(815)는 광학 시스템(800)의 도파관 내에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다. 격자 매체(815)는 도파관의 하나 이상의 기판들(예컨대, 유리 커버들 또는 유사한 보호 층들)(810)에 의해 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸일 수 있다. 격자 매체(815)는 입사광을 빔들 또는 파들로 반사, 회절, 및/또는 분할시킬 수 있으며, 이어서, 그 빔들 또는 파들은 상이한 방향들로 계속 전파될 수 있다. 매체(815)의 하나 이상의 격자들은 격자의 회절된 각도 응답에 의해 특징지어질 수 있다. 회절된 각도 응답은, 입사각의 작은 변화들에 응답하는, 광의 반사각의 변화를 표현할 수 있다.

격자 매체(815)는 광중합체, 광굴절 결정들, 중크롬산 젤라틴, 광열 굴절 유리, 분산된 할로겐화은 입자들을 함유하는 필름, 또는 입사 간섭 패턴에 반응하고 그를 기록하는 능력을 갖는 다른 재료를 포함할 수 있다. 체적 홀로그래픽 격자 구조체들은 체적-위상 홀로그램들과 같은 체적 홀로그램들을 포함할 수 있다. 다수의 체적 홀로그램들은 격자 매체 내부 체적 내에 기록될 수 있으며, 그에 따라서 격자 매체 표면 아래로 연장될 수 있다. 일부 구현예들에서, 다수의 체적 홀로그램들 각각은 다수의 체적 홀로그램들 중 다른 체적 홀로그램 중의 적어도 하나(그러나 전부는 아님)와 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다. 일부 예들에서, 다수의 체적 홀로그램들 각각은 다른 체적 홀로그램들 모두와 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩된다. 일부 실시예들에서, 다수의 체적 홀로그램들 중 일부는 다른 체적 홀로그램들 중 일부와 공간적으로 중첩되지 않을 수 있다.

격자 매체(815) 내의 격자 구조체들 각각은 특정 복수의 입사각들로 격자 매체(815)의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 특정 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 반사 축은 도 6의 예에 예시된 바와 같은 반사 축(620)과 유사할 수 있다. 반사 축은 격자 매체(815)의 표면 법선으로부터 오프셋될 수 있다. 반사 축에 대한 입사광의 내부 입사각이 반사 축에 대한 반사된 광의 내부 반사각과 동일한 크기를 갖도록 입사광과 그의 반사가 반사 축에 의해 양분될 수 있다. 즉, 입사광과 그의 반사는 반사 축에 대해 좌우 대칭을 나타낼 수 있다. 일부 구현예들에서, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 격자 매체의 표면 법선과 복수의 입사각들 사이의 반사각으로 광을 반사시키도록 구성될 수 있다.

광원 또는 광 프로젝터(830)(예컨대, 도 6의 디스플레이(640)와 같은 디스플레이)가 광학 시스템(800)에 포함될 수 있고, 이미지 투영의 이미지 디스플레이 광(835)(예컨대, 가시광)을 방출할 수 있다. 이미지 디스플레이 광(835)은, 입사 동공 내에 형성되는 광원 또는 광 프로젝터(830)로부터의 입력 광에 대응할 수 있고, 도파관 응용의 입사 조리개를 통해 인-커플링될 수 있다. 도파관은 입사 동공 내에 포함된 하나 이상의 광 모드들을 지향시킬 수 있고, 그 모드들은 TIR에 의해 스큐 미러(805) 및 둘러싸인 격자 매체(815)를 향해 전파될 수 있다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 스큐 미러 타입 컴포넌트들 또는 디바이스들(예컨대, 교차 커플러 실시예)은 도파관에서의 이미지 디스플레이 광(835)을 안내하고, 그 광을 도파관을 통한 전파를 위해 상이한 방향으로 반사시킬 수 있다. 격자 매체(815)는, 격자 매체(815)의 하나 이상의 구조체들을 통해, 이미지 디스플레이 광(835)의 출사 동공을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 격자 매체(815)는 외부 디스플레이를 위해 이미지 디스플레이 광(835)을 포함하는 아웃-커플링된 광 모드들을 아이 박스(845)로 지향시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 출사 동공 확장 및 등화 기법들이, (예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 가시광을 2차원으로 확장시키기 위해) 스큐 미러(805)를 포함하는 광학 디바이스(800) 전반에 걸쳐 채용될 수 있다. 스큐 미러(805)는 이미지 디스플레이 광(835)의 투영된 FOV를 확장시키기 위해, 광학 시스템(800)의 하나 이상의 실시예들과 동작가능하게 커플링될 수 있다.

격자 매체(815)는 광학 시스템(800)을 둘러싸고 있는 외부 장면 광(840)을 인-커플링시킬 수 있다. 외부 장면 광(840)은 일반적으로 가시광일 수 있지만, 또한, 예를 들어, 사용자에 의해 수광될 IR 스펙트럼들을 사용하는 AR 응용들에서는, 비가시광을 포함할 수 있다. 외부 장면 광(840)은 사용자의 외부 장면 또는 시점에 대응할 수 있는 광학 시스템(800)의 추가의 입사 동공을 형성할 수 있다. 일부 경우들에서, 격자 매체(815)는, 외부 장면 광(840)의 광 모드들에 대응하는 각도들 및 파장들의 조합들에 대해 브래그 매칭되는 체적 홀로그래픽 구조체들을 포함할 수 있다. 외부 장면 광(840)은, 동일한 반사 축을 따라, 격자 매체(815)의 하나 이상의 격자 구조체들에 의해, 선택적으로 반사되고, 이미지 기록을 위해 이미징 디바이스(825)(예컨대, 가시광을 수광하도록 구성된 외부 장면 이미징 디바이스 또는 카메라)로 지향될 수 있다.

일부 경우들에서, 이미지 디스플레이 광(835)의 미광(stray) 이미지 디스플레이 광(즉, 아이 박스(845)를 향해 출력 커플링 또는 반사되지 않은 광의 일부분)이 도파관을 통해 이미징 디바이스(825)로 전파될 수 있다. 외부 장면 광(840)은 이미징 디바이스(825)의 검출기 상에 입사되는 미광 이미지 디스플레이 광과 중첩될 수 있다. 도파관의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여, 외부 장면 광(840)은 미광 이미지 디스플레이 광에 비해 어두울 수 있다. 그 결과, 외부 장면 광(840)에 비해 미광 이미지 디스플레이 광을 제거하거나 또는 미광 이미지 디스플레이 광을 재균형화하기 위한 수단으로서 이미징 디바이스(825)에 필터(820)가 채용될 수 있다. 예를 들어, 필터(820)는 스큐 미러(805)와 동일한 파장들의 광을 반사시키도록 구성된 스큐 미러 실시예를 채용할 수 있다. 필터(820)는, 미광 이미지 디스플레이 광을 외부 장면 광(840)으로부터 차단하기 위한 편광기 또는 이색성 요소들을 포함할 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 이미징 디바이스(825)는 특정 시간에 이미지 디스플레이 광(835)에 대응하는 이미지 정보를 광원 또는 광 프로젝터(830)로부터 수신할 수 있다. 이러한 이미지 정보는 이미징 디바이스(825)에 의해 사용되어, 외부 장면 광(840)과 함께 이미징 디바이스(825)의 검출기로 전파되는 임의의 남은 미광 이미지 디스플레이 광을 제거할 수 있다. 이러한 방식으로, 외부 장면 광(840)은, 이미징 디바이스(825)에 의해, 광원 또는 광 프로젝터(830)의 투영된 이미지와 연관된 미광 이미지 디스플레이 광을 디지털 방식으로 빼는 것에 의해 정확하게 결정될 수 있다. 일부 예들에서, 광학 시스템(800)은, 이미징 디바이스(825)가 외부 장면 광(840)을 검출 및 기록하려고 시도할 때의 시간에 광원 또는 광 프로젝터(830)가 이미지 디스플레이 광(835)을 방출하고 있지 않도록 하는 동작들을 일시적으로 세그먼트화 또는 멀티플렉싱할 수 있다. 이러한 메커니즘들 중 하나 이상은, 이미징 디바이스(825)에 의해 검출 및/또는 기록될 사용자의 시점으로부터의 외부 장면의 광학 투명도를 향상시키기 위해 광학 시스템(800)에 의해 채용될 수 있다. 도 6의 컴포넌트(660)와 같은 비가시광 방출 컴포넌트는 또한 시선 추적 동작들을 수행하기 위해 도 8의 배열체와 조합될 수 있다. 이러한 시나리오들에서, 도 6의 이미징 디바이스(655)는 사용자의 눈으로부터 반사되는 비가시광을 수광하는 데 사용될 수 있다. 이미징 디바이스(655) 및 컴포넌트(660)는 이미징 디바이스(825)와 동일한 스큐 미러(805)의 면, 디스플레이(830)와 동일한 면에, 또는 스큐 미러(805)의 다른 면 상에 위치될 수 있다. 이미징 디바이스(655) 및 컴포넌트(660)는 스큐 미러(805)의 동일한 면 상에 형성될 필요가 없다. 이미징 디바이스(825)는, 원하는 경우, 시선 추적을 수행하기 위해 반사된 비가시광을 수광하는 데 사용될 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 이미징 디바이스(825)는 외부 장면 광(840)을 캡처하는 데 사용될 수 있고, 도 6의 비가시 컴포넌트들(660, 655)은 시선 추적을 수행하는 데 사용될 수 있으며, 디스플레이(840)는 생략될 수 있다(예컨대, 가시광 디스플레이, 외부 장면 이미징, 사용자의 눈 상으로의 외부 장면 광 투과, 및 비가시광을 사용한 시선 추적의 임의의 원하는 조합이 수행될 수 있다). 스큐 미러(805) 내의 체적 홀로그래픽 격자 구조체들은 시스템(800) 내의 대응하는 컴포넌트들에 대한 시선 추적을 위해 외부 장면 광, 투영된 가시 이미지, 및 비가시광을 지향시킬 수 있다.

도 1 내지 도 8과 관련하여 전술된 시선 추적 동작들은 사용자의 눈의 이미지들을 캡처 및 분석함으로써 수행될 수 있다. 이미지들은 도 3의 요소(356) 내의 이미징 디바이스, 도 6의 이미징 디바이스(655) 등을 사용하여 캡처될 수 있다. 캡처된 이미지들은 HMD 디바이스(100), 광학 시스템(300), 광학 시스템(600) 등 내의 제어 회로를 사용하여 분석될 수 있다. 제어 회로는 HMD 디바이스(100), 광학 시스템(300), 광학 시스템(600) 등의 컴포넌트들을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 회로는 하드웨어 및/또는 소프트웨어(예컨대, 하드웨어 상에서 실행되는 코드)를 사용하여 이러한 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 동작들을 수행하기 위한 코드는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체들(예컨대, 비휘발성 메모리, 하나 이상의 하드 드라이브들, 하나 이상의 플래시 드라이브들 또는 다른 착탈식 매체들 등) 상에 저장될 수 있다. 저장 매체들 상에 저장되는 코드는 제어 회로의 프로세싱 회로(예컨대, 하나 이상의 마이크로프로세서들 등)를 사용하여 실행될 수 있다.

제어 회로는 홍채, 각막, 푸르키네 반사(Purkinje reflection)들, 및 사용자의 눈의 다른 특징부들과 같은 생리학적 특징부들에 기초하여 시선 추적 동작들을 수행하기 위해 이미지들을 분석할 수 있다. 원하는 경우, 제어 회로는 이러한 생리학적 특징부들의 이미지들을 사용하여 사용자 신원 검증을 수행할 수 있다. 망막 시선 추적은, 이미징 디바이스에 의해 캡처된 사용자의 망막의 이미지들을 프로세싱하는 것을 포함할 수 있다. 제어 회로는 망막의 크기, 눈이 회전함에 따른 망막의 병진(translation), 눈이 무한대로 원근조절(accommodate)될 때의 초점, 도파, 정맥들 또는 다른 특징부들로부터의 아티팩트(artifact)들, 또는 망막 시선 추적을 수행하는 데 있어서의 임의의 다른 원하는 요소들과 같은 요소들을 프로세싱할 수 있다. 제어 회로는, 상대 모션을 추적하기 위해 후속 프레임 상관 기법들을 이용할 수 있고/있거나, 원근조절을 위해 블러 커널(blur kernel)을 추정할 수 있고/있거나, 절대 추적을 수행(예컨대, 이미지를 망막 맵과 비교, 레코닝 필터(reckoning filter), 교정 루틴 등을 수행)할 수 있고/있거나, 망막 시선 추적을 수행하는 데 있어서의 다른 프로세싱 단계들을 수행할 수 있다. 망막 시선 추적은, 망막이, 눈 외측에서 뷰잉될 때에는, 눈이 무한대로 원근조절될 때 무한초점 이미지 공간에 있다는 사실에 의해 용이하게 될 수 있다. 이는, 망막 상의 이미지 포인트들에 대응하는 광선속(ray bundle)들이 눈 외측에서 시준되고 도파관을 통해 커플링되어 평면형 스큐 미러 커플러를 사용하여 고품질 이미지를 형성할 수 있음을 의미한다. 눈이 다른 초점 거리로 원근조절되는 경우들에서, 일부 블러 또는 다른 광학 효과들이 이미지 내로 도입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 망막 추적 알고리즘들은 이러한 블러에 대해 강건하다. 일부 실시예들에서, 블러 또는 블러 커널의 양이 알고리즘적으로 추정되어 사용자의 눈 원근조절을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1 내지 도 8과 관련하여 설명된 타입의 스큐 미러 기반 NED를 사용하여 망막 시선 추적에 다른 기법들이 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 신원 검증은 망막 이미지들을 사용하여 수행될 수 있다.

시선 추적 알고리즘들에 더하여, 제어 회로는 다른 프로세싱 알고리즘들을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 망막 이미지들 간의 교차 상관들이 수행될 수 있다. 상이한 시간들에서 취득된 망막 이미지들 사이의 교차 상관들은 시간 간격에 있어서의 눈 모션의 방향 및/또는 크기를 추정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 망막 이미지들은 계산을 감소시키기 위하여 이미지 검출기에 비해 낮은 해상도의 것, 또는 감소된 해상도의 것일 수 있다. 일부 예들에서, 예를 들어 상향, 하향, 우향, 및 좌향 방향들로의 단일 픽셀 시프트들만을 포괄하여, 교차 상관들의 개수는 최소화될 수 있다. 적은 개수의 교차 상관들은 방향 및 거리를 적절히 추정하면서 계산을 감소시킬 수 있다. 일부 예들에서, 교차 상관 프로세스는 광학 마우스 추적을 위해 사용된 것들과 유사할 수 있다. 교차 상관 프로세스는 상대 시선 추적 신호를 제공할 수 있다. 상대 시선 추적은 데드 레코닝(dead reckoning)의 프로세스에 의한 절대 시선 방향 추정치를 업데이트하는 데 사용될 수 있다.

망막을 표현하는 맵들은 시선 추적 목적들을 위해 생성 및 유지될 수 있다. 망막 맵이 교정 알고리즘에 의해, 예를 들어 사용자에게 일련의 교정 타깃들을 응시하도록 지시함으로써, 생성될 수 있다. 망막 맵은 또한 사용자가 다른 활동들에 관여하는 동안 수동적으로 생성 또는 업데이트될 수 있다. 망막 맵은 사용자 신원 검증을 위해 추가적으로 채용될 수 있다. 시선 추적기는 망막 맵 내의 현재 망막 이미지의 위치를 찾기 위한 이미지 매칭 기법들을 채용하여, 이에 의해 절대 시선 방향을 결정할 수 있다.

망막 이미지의 영역은 사용자가 똑바로 앞을 응시하고 있을 때 시신경이 뷰잉되도록 선택될 수 있다. 시신경은, 이미지 매칭을 용이하게 하는 혈관들 및 다른 비정밀 특징부들에 대한 그의 근접성 때문에 망막 추적을 위한 양호한 타깃일 수 있다. 시신경은 블라인드 스폿에 대응하고, NIR 광에 의한 조명을 위해 생물학적으로 더 안전한 타깃을 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어 회로는 상대 및 절대 시선 방향 큐들을 조합하여 디지털 필터에 의한 더 정확한 시선 방향 추정치를 생성할 수 있다. 디지털 필터는 칼만 필터(Kalman filter)와 유사할 수 있다. 칼만 필터는 잡음 및/또는 간헐적 절대 및 상대 위치 신호들을 조합하여 개선된 정확도의 추정치를 생성하는 것이 가능하다. 칼만 필터는 유사한 방식으로 상대 시선 추적 신호와의 간헐적 망막 맵 매치들을 조합할 수 있다. 칼만 필터는, 예를 들어, 사용자가 현재 시선 방향 추정치의 일반적인 부근에서 디스플레이 아이콘을 응시하고 있을 가능성에 증가된 확률을 부여함으로써, 다른 알려진 정보를 사용할 수 있다.

언급된 바와 같이, 평면형 스큐 미러 커플러는 눈이 무한대로 원근조절될 때 도파관을 통한 망막의 포커싱된 이미지를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비-평면형 스큐 미러 커플러가 채용될 수 있다. 예를 들어, 1 디옵터(diopter)의 굴절력(power)을 갖는 스큐 미러 커플러는 눈이 1 미터의 초점 거리로 원근조절될 때 망막의 포커싱된 이미지를 생성할 수 있다. 추정된 환경에 따라, 또는 디스플레이된 AR 장면들의 초점 깊이와 매칭되는 초점 깊이에 따라, 최적의 초점 깊이가 선정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 스큐 미러 커플러들이 다수의 초점 평면들을 제공하기 위해 하나 이상의 도파관들에 채용된다.

눈 표면 시선 추적이 채용되는 경우들에서, 스큐 미러에서부터 눈까지의 거리와 대략적으로 매칭되는 초점 길이를 갖는 고굴절력의 스큐 미러 커플러가 사용될 수 있다. 예를 들어, 초점 길이 25mm를 갖는 스큐 미러 커플러는 홍채 상의 포인트로부터 방출된 광을 시준하여, 그에 따라, 그것이 평면파로서 도파관을 통해 전파하게 하고 광검출기에서 예리한 이미지를 형성하게 할 수 있다. 다른 경우들에서, 외부 렌즈는 홍채 상의 포인트로부터 방출된 광을 시준하는 데 사용될 수 있다.

실제로, 투명 NED는 투영된 것들로 실세계 장면들을 폐색하는 것이 불가능할 수 있다. 광은 통상적으로 배경 뷰에 단지 추가될 수 있을뿐이고, 빼는 것이 아니다. 따라서, 투영된 장면들은 투명한 것으로, 특히 더 밝은 배경 장면들 상에 오버레이된 더 어두운 투영된 장면들로 보이는 경향이 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 효과는, 원하는 AR 장면으로부터 배경 장면을 빼고, 원하는 장면 자체보다는 오히려 이러한 차이 장면을 투영함으로써 완화될 수 있다. 따라서, 사용자는 배경 및 차이 장면들의 중첩을 보는데, 이는 원하는 장면이 직접 투영되게 한 것보다 원하는 장면과 더 밀접하게 유사할 수 있다. 예를 들어, 원하는 장면이 황색이지만, 배경은 적색의 대역을 포함한다고 가정한다. 황색 장면을 직접 투영하면, 사용자가 오렌지색(적색 + 황색 = 오렌지색)의 대역을 인지하게 할 것이다. 그러나, 원하는 황색 장면으로부터 적색의 대역을 빼면, 녹색의 대역을 갖는 차이 장면을 산출한다. 이러한 차이 장면은, 적색 대역을 갖는 배경에 추가될 때, 원하는 대로 균일한 황색 장면(적색 + 녹색 = 황색)을 생성하여, 적색 대역의 인지를 마스킹할 것이다.

더 밝은 배경 장면들 상에 오버레이된 더 어두운 투영된 장면들의 경우, 차이 장면에 대한 값들 중 일부는 음의 값일 수 있다. 이는 음의 광도 값들이 투영될 수 없기 때문에 완전한 반전 폐색이 가능하지 않은 구역들을 나타낸다. 그러한 경우들에서, 제어 회로는 음의 값들을 영(0)으로 잘라낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 회로는, 이러한 제한을 완화시키기 위하여, 추가 프로세싱 단계들 - 예컨대, 원하는 장면을 더 밝게 만들거나 또는 그의 색상을 변경하는 것 - 을 적용할 수 있다.

반전 폐색은 배경 장면의 추정치를 뺄 것을 요구한다. 일부 실시예들에서, 뷰어의 눈들에 가깝게 위치된 카메라가 배경 이미지를 제공할 수 있다. 그러나, 시차 효과는, 폐색 효과를 저하시키는 뷰잉 각도의 차이들을 도입시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 상반 시점 이미징이 채용되어, 사용자의 눈들의 뷰잉 위치에 매우 가까운 곳으로부터 배경 장면들을 생성하여, 시차 저하를 감소시킬 수 있다.

카메라로부터의 배경 이미지들은 폐색 효과를 개선시키기 위하여 디지털 방식으로 미리 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 이미지들의 색상 및 밝기는, 뺀 이미지가 사용자의 눈들에 의해 인지되는 바와 같은 배경 장면의 색상 및 밝기와 최적으로 매칭하도록 스케일링될 수 있다. 배경 장면들은 단지 특정 AR 장면 구역들에서만 폐색을 생성하도록 마스킹될 수 있다. 일부 예들에서, 배경 이미지들은 공간적으로 필터링될 수 있다. 예를 들어, 배경 이미지들은 실제 배경 장면과 잘 정렬될 가능성이 없는 정밀한 세부사항들을 억제하기 위하여 공간적으로 저역 통과 필터링될 수 있다. 상반 시점 배경 이미지들이 채용되는 경우들에서, 이미지들은 도파관을 통한 이미징에 의해 야기되는 아티팩트들을 감소시키기 위해 필터링될 수 있다.

일부 응용들에서, 시스템들(NED를 포함하거나 또는 포함하지 않음)에서 단순히 큰 조리개로부터 광을 수집하는 그들의 능력을 위해 역 도파관 이미징이 채용될 수 있다. 예를 들어, 12인치 스큐 미러 도파관 커플러를 채용하는 카메라는, 12인치 렌즈를 갖는 카메라만큼 많은 광을, 그러나 상당히 더 작고 아마도 비용이 적게 드는 패키지로 수집할 수 있다. 다른 응용들에서, 예들로서, 비-이미징 응용들에, 예를 들어 조명, 계측을 위한, 또는 태양광 발전(solar power generation)을 위한 집광기(light collector)로서 역 도파관이 채용될 수 있다.

이러한 방법들이 가능한 구현예를 설명하고, 다른 구현예들이 가능하도록 동작들 및 단계들이 재배열되거나 또는 그렇지 않으면 수정될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 일부 예들에서, 방법들 중 2개 이상으로부터의 양태들이 조합될 수 있다. 예를 들어, 방법들 각각의 양태들은 다른 방법들의 단계들 또는 양태들, 또는 본 명세서에 설명된 다른 단계들 또는 기법들을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들이 본 명세서에 설명되고 예시되었지만, 기능을 수행하고 그리고/또는 결과들 및/또는 본 명세서에 설명된 이점들 중 하나 이상을 획득하기 위한 다른 수단 및/또는 구조체들이 사용될 수 있고, 그러한 변형예들 및/또는 수정예들 각각은 본 명세서에 설명된 실시예들의 범주 내인 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 본 명세서에 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들은 단지 예시적인 것이고, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들은 실시예들이 사용되는 특정 응용 또는 응용들에 좌우될 수 있다. 실시예들은 임의의 원하는 조합으로 실시될 수 있다. 또한, 다양한 개념들은 하나 이상의 방법들, 디바이스들 또는 시스템들로서 구체화될 수 있고, 그의 일례가 제공되었다. 방법 또는 동작의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적합한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 실시예들에서 순차적인 동작들로 도시되더라도, 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과는 상이한 순서로 동작들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 리스트에 대한 참조에서 문구 "적어도 하나"는, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 나열된 각각의 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것 및 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하는 것이 아니라, 그 요소들의 리스트 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "포함하는(comprising)", "구비하는(including)", "지닌(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "보유하는(holding)", "~로 구성된(composed of)" 등과 같은 전이 문구들은 개방형인 것으로, 즉, 포함하지만 그로 제한하는 것은 아닌 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 용어 "대략적으로"는 주어진 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 지칭한다.

용어 "반사 축"은 자신의 반사에 대해 입사광의 각도를 양분하는 축을 지칭한다. 반사 축에 대한 입사광의 입사각의 절대값은 반사 축에 대한 입사광의 반사의 반사각의 절대값과 동일하다. 종래의 미러들의 경우, 반사 축은 표면 법선과 일치한다(즉, 반사 축은 미러 표면에 수직이다). 반대로, 체적 홀로그래픽 격자 구조체들 및 스큐 미러들의 구현예들은 표면 법선과는 상이한 반사 축을 가질 수 있거나, 또는 일부 경우들에서는 표면 법선과 일치하는 반사 축을 가질 수 있다. 반사 축 각도가 입사각을 그의 각자의 반사각에 추가하고 결과적인 합산을 2로 나눔으로써 결정될 수 있다. 입사각들 및 반사각들은, 평균 값을 생성하는 데 사용되는 다수의 측정치들(일반적으로는 3개 이상의 측정치들)을 이용하여 경험적으로 결정될 수 있다.

본 발명에서 용어 "반사" 및 유사한 용어들은 "회절"이 대체로 적절한 용어로 고려될 수 있는 일부 경우들에서 사용된다. 이러한 "반사"의 사용은 스큐 미러들에 의해 나타내지는 미러형 특성들과 일치하고, 잠재적으로는 용어의 혼동을 피하는 것을 돕는다. 예를 들어, 격자 구조체가 입사광을 "반사"시키도록 구성된다고 칭해지는 경우, 다시 말하면, 격자 구조체가 입사광을 "회절"시키도록 구성되는데, 이는 격자 구조체들이 일반적으로 회절에 의해 광에 작용한다고 생각되기 때문이다. 그러나, 용어 "회절"의 그러한 사용은 "입사광이 실질적으로 일정한 반사 축들에 대해 회절된다"와 같은 표현들을 생성할 것인데, 이는 혼동을 일으킬 수 있다. 따라서, 입사광이 격자 구조체에 의해 "반사"된다고 칭해지는 경우, 격자 구조체는 사실상 회절 메커니즘에 의해 광을 "반사"시키고 있다.

용어들 "홀로그램" 및 "홀로그래픽 격자"는, 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성되는 간섭 패턴의 기록을 지칭한다. 일부 예들에서, 홀로그램 또는 홀로그래픽 격자는, 다수의 교차하는 광 빔들 각각이 노출 시간 동안 불변으로 유지되는 경우 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있다. 다른 예들에서, 홀로그램 또는 홀로그래픽 격자는, 홀로그램이 기록되고 있는 동안 다수의 교차하는 광 빔들 중 적어도 하나의 광 빔의 격자 매체에 대한 입사각이 변경되는 경우, 그리고/또는 홀로그램이 기록되고 있는 동안 파장들이 변경되는 경우 다수의 교차하는 광 빔들 사이의 간섭에 의해 생성될 수 있다(예컨대, 복소 홀로그램 또는 복소 홀로그래픽 격자).

용어 "정현파 체적 격자"는 체적 구역 전반에 걸쳐 실질적으로 정현파 프로파일로 변조된, 굴절률과 같은 광학 특성을 갖는 광학 컴포넌트를 지칭한다. 각각의 (단순한/정현파) 격자는 k-공간에서의 단일 상보적 벡터 쌍(또는 k-공간에서의 실질적으로 포인트형인 상보적 쌍 분포)에 대응한다. 용어 "입사 동공"은, 자신의 최소 크기에서 이미징 광학기 내부로 진입하는 광의 빔을 통과시키는 실제 또는 가상 조리개를 지칭한다. 용어 "아이 박스"는 사람의 동공이 격자 구조체로부터 고정 거리에서 전체 시야를 뷰잉하기 위해 배치될 수 있는 구역을 개략적으로 나타내는 2차원 영역을 지칭한다. 용어 "아이 릴리프"는 격자 구조체와 대응하는 아이 박스 사이의 고정 거리를 지칭한다. 용어 "출사 동공"은, 자신의 최소 크기에서 이미징 광학기로부터 나오는 광의 빔을 통과시키는 실제 또는 가상 조리개를 지칭한다. 사용 시에, 이미징 광학 시스템은 통상적으로, 이미지 캡처 수단을 향해 광의 빔을 지향시키도록 구성된다. 이미지 캡처 수단의 예들은 사용자의 눈, 카메라, 또는 다른 광검출기를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

일 실시예에 따르면, 비가시광을 방출하도록 구성된 광원, 광원에 동작가능하게 커플링되고 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관, 및 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소를 포함하는, 시선 추적을 수행하기 위한 광학 시스템이 제공되고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 격자 매체, 및 그 격자 매체 내의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 비가시광을 반사시키도록 구성된다.

다른 실시예에 따르면, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 도파관으로부터 비가시광을 출력하도록 그리고 도파관으로부터 출력되었던 비가시광의 반사된 형태를 수광하도록 구성되고, 전자 디바이스는 이미징 디바이스를 추가로 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 비가시광의 반사된 형태를 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 도파관, 광원, 및 이미징 디바이스 사이에 동작가능하게 커플링된 편광 빔 스플리터를 추가로 포함하고, 여기서 편광 빔 스플리터는 광원에 의해 방출된 비가시광으로부터 비가시광의 반사된 형태를 분리시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 도파관과 편광 빔 스플리터 사이에 동작가능하게 커플링된 1/4 파장판을 추가로 포함하고, 여기서 1/4 파장판은 비가시광의 반사된 형태를 도파관으로부터 편광 빔 스플리터로 전달하도록 구성된다.

상기 실시예의 임의의 조합에 따르면, 광원은 적외선 광원을 포함하고, 비가시광은 적외광을 포함한다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 도파관에 동작가능하게 커플링되고 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 격자 매체 내의 추가의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 추가로 포함하고, 추가의 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 반사 축에 대해 가시광을 반사시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 도파관에 동작가능하게 커플링되고 비가시광으로부터 가시광을 분리시키도록 구성된 광학 필터를 추가로 포함한다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 필터는, 이색성 필터, 편광기, 및 추가의 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 컴포넌트를 포함한다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은 추가의 이미징 디바이스를 추가로 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 광학 시스템의 외부로부터 수광된 광을 추가의 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 가시광 및 비가시광을 광학 시스템의 출사 동공 내로 커플링하도록 구성되고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 출사 동공을 가시광에 대해 2차원으로 확장시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 출사 동공을 비가시광에 대해 1차원으로 확장시키도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 출사 동공을 가시광에 대해 2차원으로 확장시키는 교차 커플러를 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 출사 동공을 비가시광에 대해 1차원으로 확장시키는 출력 커플러를 포함한다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 광학 시스템은, 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 여기서 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 출력 커플러 및 교차 커플러를 포함한다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 도파관은 비가시광 및 가시광을 주어진 방향으로 전파시키도록 구성되고, 교차 커플러는 가시광이 도파관을 통해 전파됨에 따라 가시광을 광학 시스템의 2차원 아이 박스 내로 반사시키도록 구성되고, 출력 커플러는 비가시광이 도파관을 통해 전파됨에 따라 비가시광을 2차원 아이 박스 내로 반사시키도록 구성된다.

일 실시예에 따르면, 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소 - 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 격자 매체, 및 그 격자 매체 내의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 외부 장면으로부터의 가시광의 제1 부분을 투과시키도록 그리고 주어진 입사각으로 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 외부 장면으로부터의 가시광의 제2 부분을 반사시키도록 구성됨 -, 및 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소에 동작가능하게 커플링된 이미징 디바이스를 포함하는, 외부 장면을 이미징하기 위한 광학 시스템이 제공되고, 여기서 이미징 디바이스는 체적 홀로그래픽 격자 구조체에 의해 반사된 가시광의 제2 부분에 응답하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성된다.

다른 실시예에 따르면, 광학 시스템은, 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관을 추가로 포함하고, 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 반사 축에 대해 비가시광을 반사시키도록 추가로 구성된다.

일 실시예에 따르면, 아이 박스, 비가시광을 방출하도록 구성된 광원, 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이, 광원 및 디스플레이에 동작가능하게 커플링되고 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관, 및 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치된 광 커플링 요소를 포함하는 전자 디바이스가 제공되고, 여기서 광 커플링 요소는 가시광 및 비가시광을 아이 박스를 향해 지향시키도록 구성되고, 광 커플링 요소는, 매체, 그 매체 내의 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체 - 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 제1 입사각으로 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 제1 반사 축에 대해 비가시광을 반사시키도록 구성됨 -, 및 제1 체적 홀로그램과 적어도 부분적으로 중첩되는, 격자 매체 내의 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 제1 입사각과는 상이한 제2 입사각으로 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 제2 반사 축에 대해 가시광을 반사시키도록 구성된다.

다른 실시예에 따르면, 전자 디바이스는 이미징 디바이스를 추가로 포함하고, 여기서 광 커플링 요소는 아이 박스로부터 도파관 내로 커플링된 비가시광의 반사된 형태를 수광하도록 구성되고, 광 커플링 요소는 비가시광의 반사된 형태를 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성되고, 이미징 디바이스는 비가시광의 반사된 형태에 응답하여 이미지 데이터를 수집하도록 구성된다.

상기 실시예들의 임의의 조합에 따르면, 전자 디바이스는, 도파관에 동작가능하게 커플링된 광학 필터를 추가로 포함하고, 여기서 광학 필터는 광원에 의해 방출된 비가시광을 도파관을 향해 지향시키도록, 비가시광의 반사된 형태를 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록, 그리고 가시광을 디스플레이로부터 도파관으로 지향시키도록 구성된다.

전술한 것은 단지 예시일 뿐이며, 설명된 실시예들에 대해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims

시선 추적을 수행하기 위한 광학 시스템으로서,
비가시광(non-visible light)을 방출하도록 구성된 광원;
상기 광원에 동작가능하게 커플링되고 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관; 및
상기 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치된 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소(volume holographic light coupling element)를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는,
격자 매체(grating medium), 및
상기 격자 매체 내의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 상기 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 상기 비가시광을 반사시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제1항에 있어서, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 도파관으로부터 상기 비가시광을 출력하도록 그리고 상기 도파관으로부터 출력되었던 상기 비가시광의 반사된 형태를 수광하도록 구성되고, 상기 광학 시스템은,
이미징 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 비가시광의 상기 반사된 형태를 상기 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
상기 도파관, 상기 광원, 및 상기 이미징 디바이스 사이에 동작가능하게 커플링된 편광 빔 스플리터(polarized beam splitter)를 추가로 포함하고, 상기 편광 빔 스플리터는 상기 광원에 의해 방출된 상기 비가시광으로부터 상기 비가시광의 상기 반사된 형태를 분리시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제3항에 있어서,
상기 도파관과 상기 편광 빔 스플리터 사이에 동작가능하게 커플링된 1/4 파장판(quarter wave plate)을 추가로 포함하고, 상기 1/4 파장판은 상기 비가시광의 상기 반사된 형태를 상기 도파관으로부터 상기 편광 빔 스플리터로 전달하도록 구성되는, 광학 시스템.
제2항에 있어서, 상기 광원은 적외선 광원을 포함하고, 상기 비가시광은 적외광을 포함하는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
상기 도파관에 동작가능하게 커플링되고 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는,
상기 격자 매체 내의 추가의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 추가로 포함하고, 상기 추가의 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 상기 격자 매체의 상기 표면 법선으로부터 오프셋된 상기 반사 축에 대해 상기 가시광을 반사시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제6항에 있어서,
상기 도파관에 동작가능하게 커플링되고 상기 비가시광으로부터 상기 가시광을 분리시키도록 구성된 광학 필터를 추가로 포함하는, 광학 시스템.
제7항에 있어서, 상기 광학 필터는, 이색성 필터(dichroic filter), 편광기, 및 추가의 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 컴포넌트를 포함하는, 광학 시스템.
제6항에 있어서,
추가의 이미징 디바이스를 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 광학 시스템의 외부로부터 수광된 광을 상기 추가의 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제2항에 있어서,
가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 가시광 및 상기 비가시광을 상기 광학 시스템의 출사 동공(exit pupil) 내로 커플링하도록 구성되고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 출사 동공을 상기 가시광에 대해 2차원으로 확장시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제10항에 있어서, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 출사 동공을 상기 비가시광에 대해 1차원으로 확장시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제11항에 있어서, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 상기 출사 동공을 상기 가시광에 대해 2차원으로 확장시키는 교차 커플러(cross-coupler)를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는, 상기 출사 동공을 상기 비가시광에 대해 1차원으로 확장시키는 출력 커플러를 포함하는, 광학 시스템.
제1항에 있어서,
가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이를 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 출력 커플러 및 교차 커플러를 포함하는, 광학 시스템.
제13항에 있어서, 상기 도파관은 상기 비가시광 및 상기 가시광을 주어진 방향으로 전파시키도록 구성되고, 상기 교차 커플러는 상기 가시광이 상기 도파관을 통해 전파됨에 따라 상기 가시광을 상기 광학 시스템의 2차원 아이 박스(eye box) 내로 반사시키도록 구성되고, 상기 출력 커플러는 상기 비가시광이 상기 도파관을 통해 전파됨에 따라 상기 비가시광을 상기 2차원 아이 박스 내로 반사시키도록 구성되는, 광학 시스템.
외부 장면을 이미징하기 위한 광학 시스템으로서,
가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이;
체적 홀로그래픽 광 커플링 요소 - 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는,
격자 매체, 및
상기 격자 매체 내의 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 상기 외부 장면으로부터의 가시광의 제1 부분을 투과시키도록 그리고 주어진 입사각으로 상기 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 상기 외부 장면으로부터의 가시광의 제2 부분을 반사시키도록 구성됨 -; 및
상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소에 동작가능하게 커플링된 이미징 디바이스를 포함하고, 상기 이미징 디바이스는 상기 체적 홀로그래픽 격자 구조체에 의해 반사된 상기 가시광의 상기 제2 부분에 응답하여 이미지 데이터를 생성하도록 구성되는, 광학 시스템.
제15항에 있어서, 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관을 추가로 포함하고, 상기 체적 홀로그래픽 광 커플링 요소는 상기 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치되는, 광학 시스템.
제16항에 있어서, 상기 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 상기 반사 축에 대해 비가시광을 반사시키도록 추가로 구성되는, 광학 시스템.
전자 디바이스로서,
아이 박스;
비가시광을 방출하도록 구성된 광원;
가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이;
상기 광원 및 상기 디스플레이에 동작가능하게 커플링되고 제1 및 제2 도파관 표면들을 갖는 도파관; 및
상기 제1 및 제2 도파관 표면들 사이에 배치된 광 커플링 요소를 포함하고, 상기 광 커플링 요소는 상기 가시광 및 상기 비가시광을 상기 아이 박스를 향해 지향시키도록 구성되고, 상기 광 커플링 요소는,
격자 매체,
상기 격자 매체 내의 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체 - 상기 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 주어진 입사각으로 상기 격자 매체의 표면 법선으로부터 오프셋된 반사 축에 대해 상기 비가시광을 반사시키도록 구성됨 -, 및
상기 제1 체적 홀로그래픽 격자 구조체와 적어도 부분적으로 중첩되는, 상기 격자 매체 내의 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체를 포함하고, 상기 제2 체적 홀로그래픽 격자 구조체는 상기 반사 축에 대해 상기 가시광을 반사시키도록 구성되는, 전자 디바이스.
제18항에 있어서,
이미징 디바이스 - 상기 광 커플링 요소는 상기 아이 박스로부터 상기 도파관 내로 커플링된 상기 비가시광의 반사된 형태를 수광하도록 구성되고, 상기 광 커플링 요소는 상기 비가시광의 상기 반사된 형태를 상기 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록 구성되고, 상기 이미징 디바이스는 상기 비가시광의 상기 반사된 형태에 응답하여 이미지 데이터를 수집하도록 구성됨 -; 및
상기 도파관에 동작가능하게 커플링된 광학 필터를 추가로 포함하고, 상기 광학 필터는 상기 광원에 의해 방출된 상기 비가시광을 상기 도파관을 향해 지향시키도록, 상기 비가시광의 상기 반사된 형태를 상기 이미징 디바이스를 향해 지향시키도록, 그리고 상기 가시광을 상기 디스플레이로부터 상기 도파관으로 지향시키도록 구성되는, 전자 디바이스.
제19항에 있어서,
제어 회로를 추가로 포함하고, 상기 이미지 데이터는 망막 이미지들을 포함하고, 상기 제어 회로는
상이한 시간들에서 상기 이미징 디바이스에 의해 캡처된 망막 이미지들 사이의 교차 상관 동작, 망막 맵과의 상기 이미지 데이터의 비교 동작, 상대 시선 추적 신호와의 간헐적 망막 맵 매치들을 조합하는 디지털 필터 동작, 및 상기 디스플레이에 의해 투영될 장면으로부터 배경 장면을 빼는 것에 의한 차이 장면의 생성으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 동작을 수행하도록 구성되는, 전자 디바이스.