KR20200069335A - 증강 현실 시스템을 위한 도파관-기반 광학 시스템 및 방법 - Google Patents

증강 현실 시스템을 위한 도파관-기반 광학 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

증강 현실 광학 시스템은 기판에 의해 지지된 도파관 층을 포함한 도파관 구조체를 포함한다. 입력 격자 및 출력 격자는 도파관 층 내에 존재하며, 측 방향으로 이격된다. 디스플레이로부터의 입력 광은 입력 격자 상에 입사로 만들어진다. 입력 광은 도파관 층에 커플링되고 다수의 안내 모드로서 출력 격자로 이동된다. 입력 및 출력 격자는 위상 정합을 제공하여, 안내 모드가 출력 격자를 따라 연속적으로 출력 격자에 의해 도파관 층의 외부에서 커플링되어 출력 광을 형성한다. 한편, 장면으로부터의 광은 출력 격자를 통해 수직으로 전송되어, 출력 광 및 장면으로부터의 광이 사용자의 눈에 의해 결합되어 증강 현실 이미지를 형성한다.

Description

증강 현실 시스템을 위한 도파관-기반 광학 시스템 및 방법
본 출원은 35 U.S.C. § 119 하에 2017년 10월 13일 자로 출원된 미국 가출원 제62/572,109호의 우선권 주장 출원이며, 상기 가출원의 내용 전체는 참조로 여기에 병합된다.
본 개시는 증강 현실 (AR) 시스템, 특히 AR 시스템을 위한 도파관-기반 광학 시스템 및 방법에 관한 것이다.
AR 시스템은 사용자에 의해 관찰되는 실제 시각적 장면에 가상 객체를 추가하는데 사용된다. AR 시스템의 예시적인 타입은 착용 가능하고, 사용자가 착용하는 안경, 고글 또는 헬멧의 형태로 아이웨어 (eyewear)를 이용하며, 때때로 HMD (head-mounted display) 시스템으로 지칭된다. AR 시스템은 일반적으로 객체 또는 장면을 보면서 실제 객체 또는 직접 보고 있는 장면에 증강 객체를 추가하도록 구성된 광학 시스템을 포함한다.
AR 시스템은 통상적으로 5 가지 주요 기능을 수행한다. 첫 번째는 증강 객체를 사용자의 눈으로부터 멀리 떨어뜨리는 것이다. 두 번째는 증강 객체를 크기 불변량 (scale invariant)으로 변환하고 불변량 형태로 이동하는 것이다. 세 번째는 변형된 증강 객체를 사용자의 눈 앞에서 이동시키면서 실제 장면으로부터의 광선이 방해받지 않고 통과하도록 하는 것이다. 네 번째는 변형 및 이동된 증강 객체를 스케일링하여 사용자의 눈 앞에서 눈 박스를 최대화하는 것이다. 다섯 번째는 실제 장면 및 변형, 이동 및 크기 조정된 증강 객체 둘 다로부터 광선을 결합하여 사용자의 눈이 증강 장면의 실제 이미지를 형성하도록 하는 것이다.
빔 스플리터, 축외 (off-axis) 렌즈, 미러 (마이크로-미러 포함), 광 가이드, 회절 광학 요소 (DOE) 및 홀로그래픽 광학 요소 (HOE)와 같은 하나 이상 타입의 광학 요소의 다양한 조합을 사용하는 것을 포함하여 AR 시스템을 위한 여러 가지 상이한 광학 시스템 설계가 제안되었다.
광 가이드의 사용은 AR 아이웨어에 특히 유용한 소형 설계를 제공할 수 있다는 점에서 유리하다. 그러나, 현재까지 사용된 광 가이드는 비교적 두꺼운 경향이 있고, 즉, 도파관의 전자기 이론에 의해서 보다는 오히려 기하학적 광학의 원리에 의해 기술된다. 그러한 바와 같이, 이들은 비교적 제한된 (좁은) 시야 (예를 들어, 30° 내지 50° 범위)를 가지며 출력된 광이 고품질 이미지를 제공하도록 매우 엄격한 기하학적인 공차 (예를 들어, 마이크론 크기)를 만들어야 한다. 부가적으로, 광 가이드로부터의 광의 아웃커플링은, 실제 가이드된 파보다는 오히려 광선으로서, 광 가이드를 가로지르는 광으로 인해, 광 가이드의 출력 영역에 대해 이산적, 다소 연속적이다.
AR 시스템에서 사용되어 사용자가 보는 객체 또는 장면의 증강 이미지를 형성하기 위한 AR 광학 시스템이 여기에 개시된다. AR 광학 시스템은 기판에 의해 지지되는 도파관 층을 포함하는 도파관 구조체를 포함한다. 입력 격자 및 출력 격자는 도파관 층 내에 존재하며 측 방향으로 이격된다. 디스플레이로부터의 입력 광은 입력 격자 상에 입사된다. 입력 광은 도파관 층에 커플링되고 그 내부에서 다수의 안내 모드로서 출력 격자로 이동한다. 입력 및 출력 격자는 위상 정합을 제공하여, 안내 모드가 출력 격자를 따라 연속적으로 출력 격자에 의해 도파관 층의 외부에서 커플링되어 출력 광을 형성한다. 한편, 장면으로부터의 광은 출력 격자를 통해 수직으로 전송되어, 출력 광 및 장면으로부터의 광이 사용자의 눈에 의해 결합되어 증강 현실 이미지를 형성한다.
본 개시의 일 양태는 동작 파장에서 증강 현실 시스템의 사용을 위한 증강 현실 광학 시스템이다. 상기 시스템은: 상기 동작 파장에서의 굴절률 (nS), 상부 표면 및 하부 표면을 가지는 기판; 상기 기판의 상부 표면에 또는 상기 상부 표면 상에 각각 형성되고 서로 측 방향으로 이격된 입력 격자 및 출력 격자; 몸체, 상부 표면, 하부 표면 및 1 μm ≤ THG ≤ 100 μm인 두께를 가진 도파관 층, 여기서 상기 도파관 층의 하부 표면은 상기 기판의 상부 표면 상에 지지되어 상기 입력 및 출력 격자는 상기 도파관 층으로 연장되고 상기 도파관 층은 상기 동작 파장에서 굴절률 (nS) 이상인 굴절률 (nG) (nG ≥ nS)을 가지고, 다수의 안내 모드를 지원함;을 포함하며, 상기 입력 및 출력 격자는, 상기 입력 격자 상에 입사된 입력 광이 상기 도파관 층에 커플링되고 상기 안내 모드에서 상기 출력 격자로 이동되며, 그리고 출력 광으로서 상기 출력 격자에 의해 상기 도파관 층 외부에서 커플링되도록, 위상 정합을 제공한다.
본 개시의 또 다른 양태는 객체 또는 장면을 보기 위한 증강 현실 시스템이고, 상기 시스템은: 상술되고 정면 영역 및 후면 영역을 가지는 증강 현실 광학 시스템을 포함하고; 상기 후면 영역에 배치되고 입력 광을 발생시키는 디스플레이 장치; 및 상기 디스플레이 장치에 대해 동작 가능하게 배치되고, 입력 시야에 걸쳐 상기 증강 현실 광학 시스템의 입력 격자에 상기 입력 광을 지향시키도록 구성된 커플링 광학 시스템;을 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태는 증강 현실 광학 시스템이고, 상기 시스템은: 굴절률 (nG) 및 1 μm ≤ THG ≤ 100 μm 범위의 두께 (THG)를 가진 도파관 층을 포함한 도파관 구조체, 여기서 상기 도파관 구조체는 굴절률 (nS)를 가진 기판 상에 지지되고, nG - nS ≥ 0.5이며, 상기 도파관 구조체는 다수의 안내 모드를 지원함; 및 상기 도파관 층 내에 각각 존재하는 입력 격자 및 출력 격자, 여기서 상기 입력 및 출력 격자는 위상 정합을 제공하고 서로 측 방향으로 이격됨;를 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태는 객체 또는 장면을 볼 때 증강 현실 이미지를 형성하는 방법이다. 상기 방법은: 도파관 구조체에서 이동하는 다수의 안내 모드를 형성하기 위해 입력 시야에 걸쳐 디스플레이 이미지로부터의 디스플레이 광을 상기 도파관 구조체의 입력 격자로 지향시키는 단계; 상기 도파관 구조체의 출력 격자를 사용하여 출력 시야에 걸쳐 상기 다수의 안내 모드를 아웃 커플링하는 단계, 여기서 상기 출력 격자는 상기 입력 격자와 위상 정합되고 상기 입력 격자로부터 이격되어 있음; 이미징 광학 시스템을 사용하여 상기 출력 격자로부터 출력 광을 수신하는 동안 상기 출력 격자를 통해 상기 이미징 광학 시스템으로 상기 객체 또는 상기 장면을 보는 단계; 및 상기 디스플레이 이미지 및 상기 객체 또는 상기 장면의 이미지가 조합된 증강 이미지를, 상기 이미징 광학 시스템으로 형성하는 단계;를 포함한다.
여기에 개시된 AR 광학 시스템 및 AR 시스템은 종래의 AR 광학 시스템 및 AR 웨어러블 시스템에 비해 이점을 갖는다. 하나의 장점은, 도파관 구조체가, AR 광학 시스템이 비교적 슬림한 폼 팩터를 가질 수 있게 하며, 이는 AR 안경 및 AR 고글과 같은 AR 웨어러블 시스템에 중요하다는 것이다. 또 다른 장점은, 도파관 구조체가 이미징에 실질적인 악영향 없이 변형될 (굽혀질) 수 있다는 것이다. 또 다른 장점은 사용된 재료가 저렴하고 설계가 상대적으로 제조하기 쉽다는 것이다. 또 다른 장점은 도파관 구조체가, 예를 들어, 50˚ 내지 70˚의 비교적 큰 FOV를 허용한다는 것이다. 또 다른 장점은 비교적 얇은 설계가 AR 광학 시스템을 통해 관찰되는 객체 또는 장면으로부터의 광의 우수한 투과를 허용한다는 것이다. 또 다른 장점은, 도파관 구조체가 광 가이드의 광선-기반 기능성으로 인해 광 추출이 불연속적인 종래의 광 가이드와 비교하여 출력 격자의 길이에 걸쳐 실질적으로 연속적인 광 추출을 허용한다는 것이다.
부가적인 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명에 제시되며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백하거나, 첨부된 도면뿐만 아니라 기재된 설명 및 청구 범위에 기술된 바와 같은 실시예를 실시함으로써 인식될 것이다. 전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 단지 예시적인 것이며, 청구 범위의 특징 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 틀을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
첨부 도면은 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 실시예(들)를 도시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예의 원리 및 동작을 설명한다. 이와 같이, 본 개시는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 도면에서:
도 1은 본 개시에 따른 예시적인 도파관-기판 AR 광학 시스템의 개략적인 정면도이다.
도 2는 도 1의 예시적인 AR 광학 시스템의 단면도이다.
도 3은 도 2의 것과 유사하고 캡 층을 추가로 포함하는 예시적인 AR 광학 시스템의 단면도이다.
도 4는 도 2의 것과 유사하고 도파관 층의 하부 표면에 바로 인접하여 위치된 저-굴절률 층을 추가로 포함하는 예시적인 AR 광학 시스템의 단면도이다.
도 5는 주로 도파관 층 내에서 이동하는 다수의 안내 모드를 도시하는 AR 광학 시스템의 예시적인 도파관 구조체의 일 부분의 개략도이다.
도 6a는 도 2와 유사하고 여기에 개시된 AR 광학 시스템의 기본 동작 원리를 도시한다.
도 6b는 입력 각도 범위 및 입력 각도 범위 내의 3 개의 예시적인 입력 각도를 도시하는 입력 광의 확대도이다.
도 6c는 출력 각도 범위 및 출력 각도 범위 내의 3 개의 예시적인 출력 각도를 도시한 출력 광의 확대도이다.
도 7a 내지 7d는 여기에 개시된 AR 광학 시스템의 입력 격자 및 출력 격자를 위한 예시적인 구성을 위에서 아래로 본 도면이다.
도 8 내지 12는 적어도 하나의 곡선 표면을 포함하는 예시적인 AR 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 13a는 사용자에 의해 사용되는 바와 같이 여기에 개시된 AR 광학 시스템을 포함하는 AR 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이며, 여기에서 사용자의 눈은 이미징 광학 시스템을 구성한다.
도 13b는 여기에 개시된 AR 시스템을 포함하고 사용자가 착용할 수 있는 예시적인 AR 아이웨어의 개략도이다.
도 14는 도 13a와 유사하고 AR 시스템이 도 13a에 도시된 바와 같이 사용자의 눈보다는 오히려 이미지 센서 및 이미징 렌즈를 포함하는 이미징 광학 시스템을 포함하는 예를 도시한다.
이제 본 개시의 다양한 실시예를 상세하게 참조하며, 그 예는 첨부 도면에 도시된다. 가능할 때마다, 동일하거나 유사한 참조 번호 및 기호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 사용된다. 도면은 반드시 축척에 맞아야 하는 것은 아니며, 통상의 기술자는 도면이 본 개시의 주요 양태를 설명하기 위해 간략화된 곳을 인식할 것이다.
이하에 기술된 바와 같은 청구 범위는 본 상세한 설명에 포함되고 그 일부를 구성한다.
데카르트 좌표는 참조를 위해 일부 도면에 도시되어 있으며, 방향 또는 배향에 대해 제한하려는 것은 아니다.
이하의 설명에서, λ는 광의 동작 파장을 나타내는 반면, Δλ는 동작 파장을 포함하는 광의 동작 파장 범위 (즉, 스펙트럼 대역)를 나타낸다. 또한, θ는 각도를 나타내는 반면, △θ는 각도 범위를 나타내며, 예를 들어 시야 (FOV)를 나타낸다.
하기에서 인용된 다양한 굴절률은 동작 파장 (λ)에 대한 것이며, 예를 들면 가시 파장이다. 일 예에서, 스펙트럼 대역 (Δλ)은 가시 파장을 포함한다.
AR 광학 시스템
도 1은 본 개시에 따른 예시적인 도파관 기반 AR 광학 시스템 ( "AR 광학 시스템") (10)의 개략적 정면도인 반면, 도 2는 도 1의 예시적인 AR 광학 시스템의 단면도이다. AR 광학 시스템은 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이 x 방향으로 길이 (LZ), y 방향으로 길이 (LY) 및 z 방향으로 전체 두께 (TH)를 가진다.
AR 광학 시스템 (10)은 몸체 (21), 상부 표면 (22) 및 하부 표면 (24)을 갖는 기판 (20)을 가진다. 기판 (20)의 몸체 (21)는 굴절률 (nS) 및 두께 (THS)를 가진다. 도시된 예에서, 기판 (20)은 평면이지만, 다른 비-평면 구성도 후술되는 바와 같이 사용될 수 있다.
기판의 상부 표면 (22)은 제 1 격자 요소 (32A)로 구성된 제 1 격자 (30A) 및 격자 요소 (32B)로 구성된 제 2 격자 (30B)를 포함한다. 제 1 및 제 2 격자는 간격 (거리) (SG)에 의해 x 방향으로 이격된다. 제 1 격자 (30A)는 여기에서 "입력" 또는 "입구 동공 (entrance pupil)" 격자로 지칭되는 반면, 제 2 격자 (30B)는 여기에서 "출력" 또는 "출구 동공" 격자로 지칭된다. 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B) 각각은 동일한 주기 (Λ) 및 격자 높이 (h)를 가진다.
일 예에서, 제 1 및 제 2 격자 요소 (32A 및 32B) 중 하나 또는 둘 다는 기판에 형성되어 제 1 및 제 2 격자 요소가 기판 재료로 만들어진다. 이는 마스킹 공정, 에칭 공정, 복제 공정 또는 몰딩 공정을 사용하여 달성될 수 있다. 또 다른 예에서, 제 1 및 제 2 격자 요소 (32A 및 32B) 중 하나 또는 둘 다는 예를 들어 선택적 증착 공정 또는 복제 공정을 통해 기판의 상부 표면에 추가된다. 증착 또는 복제된 제 1 및/또는 제 2 격자 요소 (32A 및 32B)는 기판 (20)과 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 다양한 재료, 예를 들어 무기 재료, 그 예로 산화물 또는 유기 재료 그 예로 아크릴레이트로 구성될 수 있다. 하기에서 논의되는 바와 같이, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)는 하기에서 더 상세하게 기술된 바와 같이, AR 광학 시스템 (10)으로부터 입력 및 출력되는 광에 대해 위상 정합을 제공한다.
AR 광학 시스템 (10)은 또한 기판 (20)의 상부 표면 (22) 상에 바로 존재하는 도파관 층 (40)을 포함한다. 도파관 층 (40)은 몸체 (41), 상부 표면 (42) 및 하부 표면 (44)을 가지며, 상기 하부 표면은 기판 (20)의 상부 표면 (22)과 인터페이싱된다 (즉, 접촉된다). 이로써, 몸체 (41)의 제 1 부분은 제 1 격자 요소들 (32A) 사이의 공간을 채우면서, 상기 몸체의 제 2 부분은 제 2 격자 요소들 (32B) 사이의 공간을 채운다. 도파관 층 (40)은 굴절률 (nG)를 가지며, 여기서 nG > nS이다. 도파관 층 (40)은 두께 (THG)를 가진다.
AR 광학 시스템 (10)의 예시적인 구성에서, 도파관 층 (40)의 상부 표면 (42)은 일 예에서 굴절률 (
Figure pct00001
)을 가진 공기를 포함하는 주변 환경 (60)과 인터페이싱한다. 도 3에 도시된 또 다른 예시적인 구성에서, 도파관 층 (40)의 상부 표면 (42)은 굴절률 (nC) (nC < nG)를 가진 캡 (cap) 층 (50)과 인터페이싱된다. 캡 층 (50)은 상부 표면 (52) 및 하부 표면 (54)을 가지며, 상기 하부 표면은 도파관 층의 상부 표면 (42)와 접촉한다.
기판 (20), 도파관 층 (40) 및 옵션의 캡 층 (50) 또는 주변 환경 (60)은 도파관 구조체 (100)를 정의하며, 여기서 광은 이하에서 더 상세하게 기술된 바와 같이, 상이한 안내 모드에서 이동하는 안내 파로서 도파관 층 내에서 전파할 수 있다.
AR 광학 시스템 (10)은 기판 (20)의 하부 표면 (24)에 바로 인접한 정면 영역 (FR)을 가진다. AR 광학 시스템 (10)은 또한 캡 층 (50)이 AR 광학 시스템에 사용되는지 여부에 따라서, 도파관 층 (40)의 상부 표면 (42) 또는 캡 층 (50)의 상부 표면 (52)에 바로 인접한 후면 영역 (BR)을 가진다.
일 예에서, 기판 굴절률 (즉, 기판의 몸체 (21)의 굴절률) nS ≤ 1.5이다. 일 예에서, 기판 (20)은 용융 실리카 (fused silica)와 같은 종래의 유리로 제조될 수 있다. 다른 예에서, 기판 (20)은 플라스틱 또는 중합체로 제조될 수 있다. 일 예에서, 기판 (20)은 열가소성 플라스틱로 제조될 수 있다.
또한, 일 예에서, 도파관 층 굴절률 nG ≥ 2이다. 일 예에서, nG - nS ≥ 0.5이다. 도파관 층 (40)은 또한 적어도 하나의 산화물, 또는 하나 이상의 산화물 재료 및 하나 이상의 플루오라이드 (fluoride) 재료의 조합으로 이루어질 수 있다. 도파관 층 (40)을 위한 예시적인 산화물 재료는 Ta2O5 및 TiO2와 같은 박막을 포함한다.
도 4는 도 3과 유사하고, 도파관 구조체 (100)가 굴절률 (nL < nS) 및 두께 (THL)를 가진 저-굴절률 층 (20L)을 포함하는 예시적인 구성을 도시한다. 저-굴절률 층 (20L)은 도파관 층 (40)의 하부 표면 (44)에 바로 인접하여 위치한다. 저-굴절률 층 (20L)은 상부 표면 (22) 상에서 기판 (20)에 추가될 수 있거나, 또는 상부 표면에 형성될 수 있으며, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)를 포함하거나 지지하는 새로운 기판 상부 표면 (22')을 정의하기 위해 고려될 수 있다. 일 예에서, 저-굴절률 층 (20L)은 굴절률 (nL = 1.38)을 가진 MgF2와 같은 저-굴절률 박막으로 형성된다.
도파관 구조체
상기에서 유의한 바와 같이, 도파관 구조체 (100)는 주변 환경 (60) 또는 상부 표면 (42)에서의 캡 층 (50) 및 기판 (20) 또는 하부 표면 (44)에서의 저-굴절률 층 (20L)의 비교적 낮은 굴절률로 둘러싸인 비교적 높은 굴절률 도파관 층 (40)에 의해 정의된다. 도파관 구조체 (100)의 도파관 속성은 주로 굴절률 (nG, nS (또는 nL) 및 nA (또는 nC)) 뿐만 아니라, 도파관 층 (40)의 두께 (THG) 및 사용된 광의 동작 파장 (λ)에 의해 정의된다.
비-제한적인 예에서, 도파관 층 (40)의 두께 (THG)는 1 μm ≤ THG ≤ 100 μm의 범위 또는 20 μm ≤ THG ≤ 50 μm의 범위에 있다. 도파관 층 (40)의 정확한 두께 (THG)는 기판 굴절률 (nS) (또는 사용된다면 저-굴절률 층 (20L)의 nL의 굴절률) 및 캡 층 (50)의 굴절률 (nC)에 의존하거나 굴절률 (nA)을 갖는 주변 환경이 사용되는 여부에 의존한다.
도 5는 도파관 구조체 (100)의 일부의 개략도이다. 도파관 구조체 (100)는, 도파관 구조체가, 기하학적인 광학기의 규칙보다는 오히려 파 전파 (wave propagation)의 전자기 이론에 의해 적절하게 기술된 안내 모드를 지원하다는 점에서 광 가이드 또는 광 파이프로 기술 분야에서 종종 지칭되는 것과는 상이하다. 상기에서 유의한 바와 같이, 일 예에서, 도파관 층 (40)의 전체 도파관 두께 (THG)는, 예를 들어 250 μm 내지 1000 μm의 두께를 가진 종래의 광 가이드에 비해 비교적 얇은 1 ≤ THG ≤ 100 μm의 범위에 있을 수 있다. 일 예에서, 도파관 두께 (THG)는 종래의 광-가이드-기반 AR 광학 시스템에 사용되는 종래의 광 가이드보다 적어도 2.5 배 얇다.
도 5는 도파관 층 (40)에서 주로 전파되는 안내 파 또는 안내 모드 (120)를 포함하고, 안내 모드의 테일 (tail) (방출) 부분은 인접한 층에 이동된다. 일 예에서, 도파관 구조체 (100)는 n = 0, 1, 2,… m 개의 안내 모드 (120)를 지원하며, 여기서 n은 모드 번호이고 m은 가장 높은 모드 번호이다. 주어진 편광, 즉 TE 또는 TM에 대한 총 모드 수는 N = m+1이다. n = 0 모드는 기본 모드 (fundamental mode)이고, n > 0 모드는 고차 모드이다. 도 5는 주어진 편광에 대해 도파관 구조체 (100)에 의해 지지되는 총 N = 9 안내 모드 (120)를 나타내는 m = 8인 예를 도시한다.
도파관 구조체 (100)의 예에서, 안내 모드 (120)의 총 수 N은 500 ≤ N ≤ 1000의 범위에 있을 수 있다. 총 모드 수 N은, 충분한 각도 해상도 및 충분히 큰 시야 (FOV) 및 출력 격자 (30B)에 의해 출력된 출력 광 (150')에 대해 실질적으로 연속적인 광 추출을 제공하기에 충분히 크면서 도파관 층 (40)의 두께 (THG)가 비교적 작게, 예를 들어, 100 μm 이하로 유지되도록 선택된다. 예를 들어, FOV는 70˚까지 높을 수 있으며, 더 큰 FOV는 더 많은 수 N의 안내 모드를 필요로 한다. 마찬가지로, 더 작은 FOV는 더 적은 안내 모드 (120)를 필요로 한다. AR 광학 시스템 (10)은 물론 선택된 경우 (예를 들어, 비교적 좁은 시야가 허용되는 경우) 단지 몇 개의 모드 또는 수십 개의 모드로 동작될 수 있지만, AR 광학 시스템이 비교적 큰 FOV를 가지기 위해 수백 개의 모드를 가지는 것이 가장 유용할 것으로 예상된다.
AR 광학 시스템 파라미터 예
예시적인 AR 광학 시스템 (10)은, 기판 굴절률 nS
Figure pct00002
1.5, Ta2O5로 만들어지고 두께 THG = 100 μm 및 굴절률 nG = 2.15를 가진 도파관 층 (40) 및 도파관 층의 상부 표면 (42)과 접촉하는 주변 공기 환경 (60)을 갖는 유리 기판 (20) (예를 들어, BK7과 같은 보로실리케이트 크라운)을 가진다. 이 구성은 λ = 520 nm의 가시 동작 파장에서 약 N = 600 개의 안내 모드 (120)를 지원한다.
상기의 것과 유사하지만 도파관 층 (40)이 Nb2O5로 만들어지고 도파관 굴절률 nG = 2.38을 가진 또 다른 예에서, 도파관 구조체 (100)는 약 N = 700 개의 모드를 지원한다.
상기의 것과 유사하지만 도파관 층 (40)이 TiO2로 만들어지고 굴절률 nG = 2.68을 가진 또 다른 예에서, 도파관 구조체 (100)는 약 N = 850 개의 모드를 지원한다.
상기의 것과 유사하지만 기판 (20)이 MgF2로 만들어지고 굴절률 nL = 1.38을 가진 저-굴절률 층 (20L)을 지지하며, 도파관 층 (40)이 굴절률 nG = 2.68을 가진 TiO2로 만들어진 또 다른 예에서, 도파관 구조체 (100)는 약 N = 890 개의 모드를 지원한다.
예시에서, 모드 수는 다음 식을 사용하여 계산된다:
Figure pct00003
또한, 일 예에서, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B) 각각은 다음 파라미터를 가질 수 있다: 200 nm 내지 600 nm 범위의 격자 주기 (또는 피치) (Λ) 및 50 nm 내지 500 nm 범위의 격자 요소 높이 (h).
입력 및 출력 격자
도 6a는 도 2와 유사하고 AR 광학 시스템 (10)의 동작의 기본 원리를 도시한다. 도 6a에서, 입력 광 (150)은 AR 광학 시스템 (10)의 후면 영역 (BR)으로부터 입력 격자 (30A) 상에 입사된다. 하기에서 논의된 바와 같이, 입력 광 (150)은 디스플레이 이미지를 형성하는 디스플레이에 의해 발생될 수 있다. 3 개의 상이한 광선 (150)은 150-1, 150-2 및 150-3으로 표시되고, 일 예에서 z 축에 대해 측정될 수 있는 상이한 입사 각도 (θ)에 대응한다. 여기서, 광선 (150-1, 150-2 및 150-3)은 광파의 전파 방향으로 생각할 수 있다. 도 6b는 입력 광 (150)의 확대도이며, 각도 범위 (Δθ) 내의 3 개의 상이한 예시적인 각도 (θ1, θ2 및 θ3)를 도시한다. 입력 광 (150-1, 150-2 및 150-3)은 후면 영역 (BR)으로부터 입력 격자 (30A)를 향해 일반적으로 -z 방향으로 이동된다.
상이한 각도의 입력 광 (150-1, 150-2 및 150-3)이 입사되어 입력 격자 (30A)와 상호 작용하고, 상기 입력 격자는 입력 광을, 도파관 모드, 입력 격자 및 상이한 입사 각 (θ1, θ2 및 θ3)에서의 입력 광 사이의 위상 정합을 이용하여, 대응하는 상이한 도파관 모드 (120-1, 120-2 및 120-3)로 변환시킨다. 도파관 구조체 (100)가 제한된 수의 안내 모드 (120)를 지원하기 때문에, 입력 각도 범위 내의 선택 입사각 (θ)에서 입력 광 (150)만 안내 모드 (120)로서 도파관 층 (40)에 커플링되어 이동될 것이다. 이들 각도 (θ)는 커플링 각도로 지칭된다. 도파관 구조체 (100)에 의해 지지되는 안내 모드 (120)의 수가 많을수록 커플링 각도 (θ)의 수도 많아진다. 도 6a에서, 설명의 편의를 위해 3 개의 입사 (커플 링) 각도 (θ1, θ2 및 θ3) 만이 도시된다. 상기에서 유의한 바와 같이, 입력 각도 범위 (Δθ)에 의해 정의된 입사 FOV가 1000 개의 커플링 각도 (θ)를 가질 수 있도록 N = 1000 개의 상이한 안내 모드 (120)를 가질 수 있다.
도파관 모드 (120-1, 120-2 및 120-3)는 도파관 구조체 (100) 내에서 출력 격자 (30B)로 이동된다. 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B) 위상은 도파관 모드 (120)를 입력 광 및 출력 광 (150 및 150')에 각각 매칭시킨다. 이로써, 도파관 모드 (120-1, 120-2 및 120-3)는, 출력 광 (150')에 대해 출력 각도 범위 △θ' = △θ 내에서 출력 각도 (θ1, θ2 및 θ3)로 방출되는 대응하는 출력 광 (150'-1, 150'-2 및 150'-3)으로서 출력 격자 (30B)에 의해 도파관 층 (40) 외부에 커플링된다. 도 6c는 출력 광 (150')의 확대도이며, 각도 범위 (△θ') 내의 3 개의 상이한 예의 출력 각도 (θ1', θ2' 및 θ3')를 도시한다. 상기에서 유의한 바와 같이, N = 1000 인 경우, 100 개의 상이한 출력 각도 (θ')가 있을 수 있다.
일 예에서, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)가 동일한 주기 (Λ)를 가질 때, θ1 = θ1', θ2 = θ2', θ3 = θ3' 및 △θ = △θ' (즉, 커플링 각도는 대응하는 출력 각도와 동일하고 입력 FOV는 출력 FOV와 동일하다). 출력 광 (150')은 일반적으로 +z 방향을 향해 AR 광학 시스템 (10)의 후면 영역 (BR)으로 다시 이동된다. 유의하는 바와 같이, 출력 광 (150')은 일반적으로 입력 광 (150)으로부터의 거리 (SG)만큼 측 방향으로 (도 6a에서 x 방향으로) 변위된다.
일 예에서, 입력 광 (150)은 다색성이며, 즉 파장 대역 (Δλ)을 가진다. 예시적인 파장 대역 (Δλ)은 가시 전자기 스펙트럼의 적어도 일 부분을 포함하거나, 상기 부분으로 구성된다.
입력 광 (150)이 다색성인 경우, 파장 대역 (Δλ) 내의 각각의 파장 (λ)은 입력 각도 범위 (Δθ)에 걸쳐 대응하는 안내 모드 (120)로서 도파관 구조 (100)에 커플링될 것이다. 상이한 파장의 안내 모드 (120)는 파장 분할 다중화 (WDM) 적용을 위한 안내 모드로서 광 섬유에서 상이한 파장의 광이 전파되는 것과 동일한 방식으로 도파관 구조체 내에서 독립적으로 전파된다. 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)에 의해 제공된 위상 정합으로 인해, 출력 광 (150')의 스펙트럼 함량 및 분포는 입력 광 (150)과 동일 (또는 적어도 실질적으로 동일)하다. 이로써, AR 광학 시스템 (10)은 컬러 이미징이 가능하다.
한편, 일 예에서, 상이한 광 (250) (예를 들어, 도시되지 않은 객체 또는 장면으로부터의 가시 광)은 AR 광학 시스템 (10)을 통해 정면 영역 (FR)으로부터 후면 영역 (BR)으로 이동되고, 특히 격자 요소 (32B)에 수직인 방향으로, 즉 +z 방향으로 출력 격자 (30B)를 통과한다. 광 (250)이 통과함에 따라 상기 광은 출력 격자 (30B)에 의해 실질적으로 왜곡되지 않는다. 이는 출력 격자 (30B)에 의해 광 (250)에 제공되는 위상 정합이 없기 때문이다.
AR 광학 시스템 (10)에서 도파관 구조체 (100)를 이용하는 이점은 출력 광 (150)이 출력 격자 (30B)의 길이를 따라 실질적으로 연속적으로 방출된다는 점이다. 이는, 광선이 전 반사에 의해 광 가이드 내에 갇히고 광 가이드를 따라 별개의 위치에서만 나오는 종래의 광-안내-기반 AR 시스템과 대조적이다. 종래의 광 가이드에 대한 별개의 추출과는 달리, 출력 격자 (30B)를 따라 출력 광 (150')의 연속 추출은 출력 격자 (즉, 출구 동공)에 걸쳐 보다 균일한 광 분포를 초래하여, 이로써 사용자에 의해 관찰되는 바와 같이 해당하는 더 우수한 증강 이미지 품질을 만들어낸다.
일 예에서, 입력 광 (150)은 또한 단색성 이미징을 위해 실질적으로 단색성일 수 있다. 또한 일 예에서, AR 광학 시스템 (10)은 입력 광 (150)의 상이한 선택 파장을 개별적으로 핸들링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B) 성분을 가진 입력 광 (150)의 경우, 3 개의 상이한 도파관 구조체 (100)는 적층된 구성으로 배치될 수 있고 간격 층 (예를 들어, 공기 또는 저-굴절률 필름)을 사용하여 분리될 수 있고, 이때 상이한 도파관 구조체 각각은 R, G 및 B 입력 광 (150)을 핸들링하도록 구성된다. 또 다른 예에서, 두 개의 도파관 구조체 (100)는 적층될 수 있으며, 하나의 도파관 구조체는 R 및 G 입력 광 (150)을 핸들링하도록 설계되는 반면, 다른 도파관 구조체는 G 및 B 입력 광을 핸들링하도록 설계된다. 이로써, AR 광학 시스템 (10)에 대한 적층 구성은 비-적층 구성과 본질적으로 동일한 방식으로 동작하며, 입력 광 (150)의 상이한 파장은 상이한 도파관 구조체에서 이동된다.
격자 구성 예
도 7a 내지 7d는 입력 격자 (30A) 및 출력 격자 (30B)에 대한 예시적인 구성을 도시하는 AR 광학 시스템 (10)을 위에서 아래로 본 도면 예이다. 도 7a 및 7b의 예에서, 입력 격자 (30A)는 선형 격자 요소 (32A) 및 전체 원형 형상을 가지는 반면, 출력 격자 (30B)도 선형 격자 요소 (32B)를 가지지만 전체 직사각형 형상을 가진다. 게다가, 이 예에서, 입력 격자 (30A)는 출력 격자 (30B)보다 실질적으로 작은 면적을 가진다.
도 7a의 출력 격자 (30B)는 x-축과 평행한 전파 벡터 K로 도시된 반면, 도 7b의 출력 격자는 각도 (θ)로 정의된 바와 같이 x-y 평면에서 전파 벡터를 가진다.
도 7c는 출력 격자 (30B)가 θ1에 의해 정의된 K1 및 θ2에 의해 정의된 K2인 적어도 2 개의 격자 운동량 벡터를 정의하는 교차 요소 (32A 및 32B)를 갖는 2 차원 구성을 가진 일 예를 도시한다. 출력 격자는 각도 (θi)로 정의된 추가 격자 전파 (운동량) 벡터 (Ki)를 가질 수 있다.
다른 예에서, 출력 격자 (30B)는 도 7d에 도시된 바와 같은 곡선 격자 요소 (32B)를 포함할 수 있고, 격자 요소는 연속체 전파 벡터 (K)를 정의하도록 동심으로 배치된다.
AR 광학 시스템 (10)의 원하는 기능에 따라, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)의 격자 요소 (32A 및 32B)에 대한 다양한 형상 및 크기가 효과적으로 사용될 수 있다. 부가적으로, 입력 및/또는 출력 격자 (30A 및/또는 30B)는 상이한 타입의 격자 요소 (32A 및/또는 32B)를 갖는 2 개 이상의 별개의 격자 영역을 포함할 수 있다. 입력 격자 (30A) 및/또는 출력 격자 (30B)에 대한 2 차원 구성은 AR 광학 시스템 (10)의 전체 면적을 감소시키고 격자 레이아웃을 단순화하는 것이 바람직한 경우에 효과적으로 사용될 수 있다.
곡선 AR 광학 시스템
상술된 AR 광학 시스템 (10)은 예시 및 도시와 설명의 용이성을 위해 평면 구성을 가진다. 그러나, AR 광학 시스템 (10)은 이에 제한되지 않고 곡선화될 수 있으며, 즉, 하나 이상의 곡선 표면을 가질 수 있다.
도 8은 도 2와 유사하고 볼록 곡률을 2 개의 표면을 가진 AR 광학 시스템 (10)의 실시예를 도시한다. 도 9는 도 8과 유사하고 오목 곡률을 갖는 2 개의 표면을 가진 AR 광학 시스템 (10)의 실시예를 도시한다. 다른 예는 도 10에 도시된 바와 같이 최하부 표면과 같이 곡선화된 AR 광학 시스템 (10)의 단 하나의 표면을 포함할 수 있다. 도 11은 AR 광학 시스템 (10)이 캡 층 (50)을 포함하고 캡 층의 상부 표면 (52)이 곡선화되면서 도파관 층 (40)이 실질적으로 평면으로 된 일 예를 도시한다.
일 예에서, 하나 이상의 곡선 표면은 교정 이미징을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 12는 기판 (20)의 하부 표면 (24)이 사용자 (350)에 대한 교정 이미징을 제공하도록 설계된 국부적으로 곡선화된 부분 (24C)을 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다 (이하에서 도입 및 논의되는 도 13a 참조).
부가적으로, AR 광학 시스템 (10)은 기판 (20)의 하부 표면 (24) 상에 위치된 도파관 층 (40)으로 구성될 수 있으며, 여기에 개시된 예시적인 구성은 도시를 위해 기판의 상부 표면 상에 도파관 층을 나타낸다. 부가적으로, AR 광학 시스템 (10) 내의 임의의 표면 (또는 그 일 부분)은 교정 표면으로서 구성될 수 있다. 예에서, AR 광학 시스템 (10)은 다수의 교정 표면을 가질 수 있다. 마찬가지로, 다양한 곡률 조합 (예를 들어, 볼록 및 오목)은 도 8 내지 12의 도시에 의해 나타난 예를 넘어서 사용될 수 있다.
AR 광학 시스템 (10)의 도파관 구조체 (100)가 비교적 강한 곡률을 가진 구성에서, 안내 모드 (120)는 더 이상 실제 경계 모드 (true bound modes)가 아닐 수 있지만, 누설 공진 모드로서 보다 적절하게 기술된다. 누설 공진 모드는 도파관 구조체 (100)의 동작을 실질적으로 변화시키지 않으며, 실제로, 입력 (커플 링) 각도 (θ)의 범위를 각 모드에 커플링하고 각 모드에 대한 별개의 커플링 각도와 반대로 함으로써 각도 해상도를 개선시킬 수 있다.
다른 예에서, 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)의 격자 주기 (L)는 도파관 구조체 (100)에서의 임의의 곡률을 처리하고 입사 광 (150)에 대한 정확한 결커플링 각도 (θ)를 유지하고, 이뿐 아니라 출력 광 (150')에 대한 출력 각도 (θ')를 유지하기 위해 일정하지 않을 수 있다 (예를 들어, 처프될 수 있다 (chirped)). 입력 및 출력 격자의 격자 높이 (h)는 도파관 구조체 (100)에 입력 광 (150)이 커플링되고 도파관 구조체 외부에서는 출력 광 (150')이 각각 커플링되는 속도를 변화시키기 위해 일정하지 않을 수 있다.
AR 시스템
도 13a는 여기에 개시된 AR 광학 시스템 (10)을 포함하는 AR 시스템 (300)의 예시적인 실시예의 개략도이다. AR 광학 시스템 (10)의 평면 구성은 예로서 그리고 설명의 편의를 위해 도시된다. AR 시스템 (300)은 커플링 광학 시스템 (320)에 의해 AR 광학 시스템 (10)의 입력 격자 (30A)에 광학적으로 커플링된 디스플레이 장치 (310)를 포함한다. 일 예에서, 디스플레이 장치 (300)는 마이크로 디스플레이, 예를 들어 마이크로 디스플레이 칩이다. 일 예에서, 커플링 광학 시스템 (320)은 렌즈, 미러, 빔 스플리터 등과 같은 하나 이상의 광학 요소를 포함한다. 커플링 광학 시스템 (320)은 크기 및 무게를 최소화하기 위해 마이크로 광학 요소를 포함할 수 있다.
AR 시스템 (300)은 사용자 (350)에 대해 그리고 실제 객체 (400)에 대해 배치된 것으로 도시되고, 상기 실제 객체는 AR 광학 시스템 (10)의 정면 영역 (FR)에 인접하여 존재하고 예를 들어 나무로 도시된다. 실제 객체 (400)는 또한 AR 광학 시스템 (10)을 통해 사용자가 보고 있는 장면으로 간주될 수 있다. 디스플레이 장치 (310)는 디스플레이 이미지 (312)를 제공하는 것으로 도시되며, 상기 이미지는 예를 들어 조류로 도시된다. 디스플레이 이미지 (312)와 연관된 디스플레이 광을 구성하는 광 (150)은 커플링 광학 시스템 (320)에 의해 입력 (커플링) 각도 (θ) 범위 (△θ)에 걸쳐 (예를 들어, 입력 FOV에 걸쳐) AR 광학 시스템 (10)의 입력 격자 (30A)에 지향된다. 입력 (디스플레이) 광 (150)은, 상술한 바와 같이, 입력 (FOV) 내의 선택 커플링 각도 (θ)에서 도파관 구조체 (100)에 광학적으로 커플링되어 다수의 (N) 안내 모드 (120)를 발생시킨다. N 안내 모드 (120)는 그 후 도파관 구조체 (100) 내에서 출력 격자 (30B)로 이동하고, 위상 정합을 제공하는 입력 및 출력 격자 (30A 및 30B)는 N 개의 안내 모드 (120)를, 안내 모드 (120)의 개수 (N)에 대응하는 별개의 출력 각도 (θ')에서 대응하는 출력 광 (150')으로 변화시킨다. 출력 각도 (θ')가 별개이자만, 출력 광 (150')은 출력 격자 (30B)의 길이에 걸쳐 실질적으로 연속적으로 아웃 커플링된다.
출력 광 (150 ')은 사용자 (350)의 하나 또는 양쪽 눈 (352)으로 지향된다. 마찬가지로, 사용자의 하나 또는 양쪽 눈은 출력 격자 (30B)를 통해 객체 (400)로부터 직접 광 (250)을 수신한다 (또한, 도 6a 참조). 이로써, 사용자 (350)의 눈 또는 눈들 (352)은 눈의 망막 (354) 상에 증강 이미지 (500)를 형성하며, 증강 이미지는 객체 (400)의 실제 이미지 (400') 및 디스플레이 이미지 (312)의 가상 이미지 (312')를 포함한다.
일 예에서, AR 시스템 (300)은, 예를 들어, 사용자의 눈이 수차를 갖는 경우에, 교정 이미징을 제공하기 위해 사용자 (350)의 눈 (352)과 AR 광학 시스템 (10) 사이에 동작 가능하게 배치된 적어도 하나의 교정 렌즈 (600)를 옵션으로 포함할 수 있다. 일 예에서, 교정 렌즈 (600)는 하나 이상의 종래의 안경 렌즈를 구성한다. 상기에서 유의한 바와 같이, 교정 이미징은 또한 곡선화된 표면 도파관 구조체 (100) 중 하나 이상의 적어도 일 부분에 의해 제공될 수 있다.
도 13b는 여기에 개시된 AR 시스템 (10)을 포함하고 사용자 (350)가 착용할 수 있는 예시적인 AR 아이웨어 (650)의 개략도이다. AR 아이웨어는 렌즈 (652) 및 템플 (temples, 654)을 포함한다. 도시된 예에서, 각각의 렌즈 (352)는 출력 격자 (30B)를 포함한다. 입력 격자 (30A)는 렌즈 (352)의 각각의 외부 부분에 위치한다. 각각의 렌즈 (352)의 적어도 일 부분은 상술된 도파관 구조체 (100)를 포함한다. 디스플레이 장치 (예를 들어, 마이크로-디스플레이) (310) 및 커플링 광학 시스템 (320)은 템플 (654) 각각에 의해 지지될 수 있다 (하나의 디스플레이 및 커플링 광학 시스템만이 도시를 용이하게 하기 위해 도시됨).
도 14는 도 13a와 유사하고 사용자 (350)가 이미징 광학 시스템 (700)으로 교체되는, 즉 이미징 광학 시스템이 사용자의 눈 (352)을 대체하는 AR 시스템 (300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이미징 광학 시스템 (700)은 이미징 렌즈 (702) 및 이미지 센서 (704)를 포함하며, 상기 이미지 센서 상에는 증강 이미지 (500)가 형성된다. 일 예에서, 이미징 광학 시스템 (700)은 디지털 카메라를 포함한다. 일 예에서, 이미지 센서 (704)는 예를 들어 디지털 카메라에 연관된 바와 같은 이미지 프로세싱 전자기기 (710)에 동작 가능하게 결합된다. 일 예에서, 사용자의 눈 (352)은 이미징 광학 시스템 (700)의 예를 구성하며, 사용자의 뇌는 증강 이미지 (500)의 필요한 이미지 프로세싱을 수행한다.
첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같은 본 개시의 기술 사상 또는 권리 범위를 벗어나지 않으면서 여기에 기술된 바와 같은 본 개시의 바람직한 실시 예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 이로써, 본 개시는 수정 및 변형을 포함하되, 수정 및 변형이 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 경우에 그러하다.

Claims (34)

  1. 동작 파장에서 증강 현실 시스템에 사용하기 위한 증강 현실 광학 시스템에 있어서,
    상기 동작 파장에서의 굴절률 (nS), 상부 표면 및 하부 표면을 가지는 기판;
    상기 기판의 상부 표면에 또는 상기 상부 표면 상에 각각 형성되고 서로 측 방향으로 이격된 입력 격자 및 출력 격자;
    몸체, 상부 표면, 하부 표면 및 1 μm ≤ THG ≤ 100 μm인 두께 (THG)를 가진 도파관 층, 여기서 상기 도파관 층의 하부 표면은 상기 기판의 상부 표면 상에 지지되어 상기 입력 및 출력 격자는 상기 도파관 층으로 연장되고 상기 도파관 층은 상기 동작 파장에서 굴절률 (nS) 이상인 굴절률 (nG) (nG ≥ nS)을 가지고, 다수의 안내 모드를 지원함;을 포함하며,
    상기 입력 및 출력 격자는, 상기 입력 격자 상에 입사된 입력 광이 상기 도파관 층에 커플링되고 상기 안내 모드에서 상기 출력 격자로 이동되며, 그리고 출력 광으로서 상기 출력 격자에 의해 상기 도파관 층 외부에서 커플링되도록, 위상 정합을 제공하는, 증강 현실 광학 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동작 파장에서, 상기 기판의 굴절률 (nS)은 1.5 이하이고 (nS ≤ 1.5), 상기 도파관 층 굴절률 (nG)은 2 이상인 (nG ≥ 2), 증강 현실 광학 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    다수의 안내 모드 수는 500 내지 1000인, 증강 현실 광학 시스템.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 도파관 층은 25 μm ≤ THG ≤ 50 μm 범위의 두께 (THG)를 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 도파관 층은 30 μm ≤ THG ≤ 40 μm 범위의 두께 (THG)를 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 층은 중합체를 포함하고, 상기 기판은 유리를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 재료를 포함하고, 상기 도파관은 산화물 재료 및 플루오 라이드 재료 중 적어도 하나를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  8. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 재료를 포함하고, 상기 입력 및 출력 격자는 중합체를 포함하고, 상기 도파관 층은 산화물 재료, 또는 산화물 재료와 플루오라이드 재료의 조합을 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  9. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 중합체 재료를 포함하고, 상기 도파관 층은 산화물 재료 또는 산화물 재료 및 플루오라이드 재료의 조합을 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 중합체 재료는 열가소성 플라스틱을 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  11. 청구항 9 또는 10에 있어서,
    상기 도파관 층은 실리콘을 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 층 및 상기 기판 각각은 평면인, 증강 현실 광학 시스템.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 층 및 상기 기판 중 적어도 하나는 곡선 표면을 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 층의 상부 표면 상에 배치된 캡 층을 더욱 포함하며, 상기 캡 층은 nG 미만의 굴절률 (nC) (nC < nG)을 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 격자는 선형 입력 격자 요소를 포함하고, 상기 출력 격자는 선형 출력 격자 요소를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 격자는 2 차원 입력 격자 요소를 포함하고, 상기 출력 격자는 2 차원 출력 격자 요소를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 광은 50˚≤FOV≤70˚ 범위의 시야 (FOV)를 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 광은 다색성인, 증강 현실 광학 시스템.
  19. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 광은 단색성인, 증강 현실 광학 시스템.
  20. 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 기판 상부 표면을 정의하는 저-굴절률 층을 포함하고, 상기 저-굴절률 층은 nS 미만인 굴절률 (nL) (nL<nS)을 가지는, 증강 현실 광학 시스템.
  21. 객체 또는 장면을 보기 위한 증강 현실 시스템에 있어서,
    청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 따르고 정면 영역 및 후면 영역을 가지는 증강 현실 광학 시스템;
    상기 후면 영역에 배치되고 입력 광을 발생시키는 디스플레이 장치; 및
    상기 디스플레이 장치에 대해 동작 가능하게 배치되고, 입력 시야에 걸쳐 상기 증강 현실 광학 시스템의 입력 격자에 상기 입력 광을 지향시키도록 구성된 커플링 광학 시스템;을 포함하는, 증강 현실 시스템.
  22. 청구항 21에 있어서,
    출력 시야에 걸쳐 출력 격자로부터 출력 광을 수신하도록 상기 후면 영역에 동작 가능하게 배치된 이미징 광학 시스템을 더욱 포함하는, 증강 현실 시스템.
  23. 청구항 21 또는 22에 있어서,
    상기 객체 또는 상기 장면으로부터의 광은 상기 출력 격자를 통해 상기 정면 영역으로부터 상기 후면 영역으로 그리고 상기 이미징 광학 시스템으로 전송되고, 상기 이미징 광학 시스템은 증강된 이미지를 형성하기 위해 상기 객체 또는 상기 장면으로부터의 광 및 상기 출력 광을 조합하는, 증강 현실 시스템.
  24. 청구항 21 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 시스템은 사용자의 적어도 하나의 눈을 포함하는, 증강 현실 시스템.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 출력 시야는 50˚ 내지 70˚의 범위에 있는, 증강 현실 시스템.
  26. 청구항 21에 있어서,
    상기 입력 광은 다색성인, 증강 현실 시스템.
  27. 증강 현실 광학 시스템에 있어서,
    굴절률 (nG) 및 1 μm ≤ THG ≤ 100 μm 범위의 두께 (THG)를 가진 도파관 층을 포함한 도파관 구조체, 여기서 상기 도파관 구조체는 굴절률 (nS)를 가진 기판 상에 지지되고, nG - nS ≥ 0.5이며, 상기 도파관 구조체는 다수의 안내 모드를 지원함; 및
    상기 도파관 층 내에 각각 존재하는 입력 격자 및 출력 격자, 여기서 상기 입력 및 출력 격자는 위상 정합을 제공하고 서로 측 방향으로 이격됨;를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 도파관 층은 중합체 재료를 포함하며, 상기 기판은 유리 재료를 포함하는, 증강 현실 광학 시스템.
  29. 청구항 27 또는 28에 있어서,
    상기 입력 및 출력 격자는 가시 동작 파장 대역에 걸쳐 동작하도록 구성되는, 증강 현실 광학 시스템.
  30. 청구항 27 내지 29 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 층 및 상기 기판 중 적어도 하나는 평면인, 증강 현실 광학 시스템.
  31. 객체 또는 장면을 볼 때 증강 현실 이미지를 형성하는 방법에 있어서,
    도파관 구조체에서 이동하는 다수의 안내 모드를 형성하기 위해 입력 시야에 걸쳐 디스플레이 이미지로부터의 디스플레이 광을 상기 도파관 구조체의 입력 격자로 지향시키는 단계;
    상기 도파관 구조체의 출력 격자를 사용하여 출력 시야에 걸쳐 상기 다수의 안내 모드를 아웃 커플링하는 단계, 여기서 상기 출력 격자는 상기 입력 격자와 위상 정합되고 상기 입력 격자로부터 이격되어 있음;
    이미징 광학 시스템을 사용하여 상기 출력 격자로부터 출력 광을 수신하는 동안 상기 출력 격자를 통해 상기 이미징 광학 시스템으로 상기 객체 또는 상기 장면을 보는 단계; 및
    상기 디스플레이 이미지 및 상기 객체 또는 상기 장면의 이미지가 조합된 증강 이미지를, 상기 이미징 광학 시스템으로 형성하는 단계;를 포함하는, 증강 현실 이미지 형성 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 출력 시야는 50˚ 내지 70˚ 범위에 있는, 증강 현실 이미지 형성 방법.
  33. 청구항 31 또는 32에 있어서,
    상기 이미징 광학 시스템은 사용자의 적어도 하나의 눈을 포함하는, 증강 현실 이미지 형성 방법.
  34. 청구항 31 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관 구조체는 증강 현실 아이웨어에 통합되는, 증강 현실 이미지 형성 방법.
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