KR20200111190A

KR20200111190A - 옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러를 갖는 넓은 시야 디스플레이를 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20200111190A
Application number: KR1020207022039A
Authority: KR
Inventors: 브랙 프리드만; 아새프 펠만; 오리 웨인스테인
Original assignee: 매직 립, 인코포레이티드
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-09-28
Also published as: US10712570B2; CN113433697B; EP3746834A4; CN111656249A; CN111656249B; CA3086542A1; US20200301151A1; US11204503B2; JP7209728B2; US20190235252A1; CN113433697A; AU2019214951A1; EP3746834A1; JP2021512351A; WO2019152538A1; EP3746834B1; IL276099A

Abstract

이미지 디스플레이 시스템은 비시준된 광을 방출하도록 구성된 복수의 광원들, 및 상이한 각도들에서 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트를 갖는 접안렌즈 도파관을 포함할 수 있다. 이미지 디스플레이 시스템은 또한, 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 수신하도록 구성된, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러를 포함한다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 형성하기 위해 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 그리고 복수의 시준된 광 빔들을 입력 포트로 지향시키도록 구성된다.

Description

옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러를 갖는 넓은 시야 디스플레이를 위한 방법 및 시스템

[0001] 본 출원은, 2018년 1월 31일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/624,762호를 우선권으로 주장하며, 그로 인해 상기 출원의 전체 내용들은 인용에 의해 본원에 포함된다.

[0002] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 용이하게 했으며, 여기서 디지털방식으로 생성된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 웨어러블 디바이스에서 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다.

[0003] 웨어러블 디바이스는 증강 및/또는 가상 현실 안경을 포함할 수 있다. 이미지는 이미지 프레임들 또는 래스터 스캔 이미지들을 사용하여 디스플레이될 수 있다. 스캐닝 이미지 디스플레이 시스템에서, 광 빔들의 각각의 각도(또는 스캔의 작은 각도 범위)는 이미지의 픽셀들을 정의한다. 2개의 직교 축들에서 미러들을 스캔함으로써, 2차원 FOV(field of view)가 생성될 수 있다. 스캔된 빔들은 도파관 디스플레이들의 형태를 취하는 안경 렌즈들을 통해 커플링될 수 있다. 이미지 디스플레이 시스템들은 안경 프레임들의 좌측 및 우측 각각 상에 장착될 수 있다.

[0004] 스캔된 빔 디스플레이들의 하나의 단점은, 일반적으로 스캔 주파수 ― 이는 한편으로는 해상도 및 프레임 레이트의 곱(product)을 결정함 ― 와 스캔 각도 범위 ― 이는 다른 한편으로는 각도 시야를 결정함 ― 사이에 트레이드오프가 있다는 것이다. 부가적으로, 증강 현실 안경에 통합하기에 적합한 크기를 갖는 특정 콤팩트한 레이저 다이오드들은 최대 변조 레이트를 갖고, 이는 다시 해상도 및 프레임 레이트의 곱을 제한한다.

[0005] 가상 현실 또는 증강 현실 애플리케이션들을 위한 웨어러블 디바이스에서의 통상적인 스캐닝 이미지 디스플레이들은 종종 제한된 시야를 갖는데, 그 이유는, 스캐닝 미러가 광학 엘리먼트들의 어레인지먼트에서 제한된 스캔 모션 범위 및 설계 제약들을 갖기 때문이다. 본 발명의 실시예들은 작은 디바이스 폼 팩터를 유지하면서 넓은 시야 및 고해상도를 갖는 스캐닝 이미지 디스플레이 시스템을 제공한다. 일부 실시예들에서, 더 넓은 시야는 동시에 다수의 입사 광 빔들을 스캔하고 개별 시야들을 더 넓은 복합 시야로 결합함으로써 달성될 수 있다.

[0006] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 디스플레이 시스템은 둘 이상의 입사 발산하는 광속들(diverging pencils of light)을 수신하고 복수의 반사된 광 빔들을 제공하기 위한 스캐닝 미러를 포함한다. 복수의 반사된 광 빔들 각각은 개개의 시야에 이미지를 제공하도록 구성된다. 이미지 디스플레이 시스템은 또한 입력 커플링 광학 엘리먼트 및 출력 커플링 광학 엘리먼트를 갖는 도파관을 포함한다. 입력 커플링 광학 엘리먼트는 복수의 반사된 광 빔들을 도파관 내로 커플링하도록 구성된다. 출력 커플링 광학 엘리먼트는 복합 시야에 투사된 이미지를 형성하도록 도파관으로부터 복수의 출력 광 빔들을 투사하도록 구성된다.

[0007] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 디스플레이는 상이한 각도들로 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트, 및 입력 포트에 근접하게 위치된 복수의 점광원들을 포함하는 접안렌즈 도파관을 포함할 수 있다. 복수의 점광원들 각각은 방출 방향이 입력 포트로부터 멀어지게 향한다. 이미지 디스플레이는 또한 포지티브 옵티컬 파워(positive optical power)를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러를 가질 수 있다. 스캐닝 미러는 입력 포트에 근접하게 위치되고 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트(intercept)하도록 위치될 수 있다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하고, 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 입력 포트로 반사시키도록 구성될 수 있다.

[0008] 상기 이미지 디스플레이의 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기(Fresnel reflector)를 포함할 수 있다.

[0009] 상기 이미지 디스플레이의 다른 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함할 수 있다.

[0010] 일부 실시예들에서, 스캐닝 미러의 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 복수의 시준된 광 빔들을 형성하고 복수의 시준된 광 빔들을 입력 포트로 지향시키도록 구성된다. 복수의 시준된 광 빔들 각각은 접안렌즈 도파관을 통해 복합 FOV(field of view)의 일부를 조명하도록 구성된다.

[0011] 특정 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 복수의 광학 도파관들을 포함하는 통합형 광학 도파관 칩을 포함하고, 복수의 광학 도파관들의 적어도 하나의 서브세트는 광 방출 단부들을 포함한다. 광 방출 단부들은 점광원를 형성한다.

[0012] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩은 스캐닝 미러와 입력 포트 사이에 배치된다.

[0013] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩은 입력 포트 위에 적어도 부분적으로 오버랩핑 관계로 배치된다.

[0014] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩은 다수의 {R, G, B} 레이저 다이오드 세트들로부터 광을 수신하도록 구성된다.

[0015] 특정 실시예들에서, 접안렌즈 도파관은 또한 직교 동공 확장기 및 출사 동공 확장기를 포함한다.

[0016] 특정 실시예들에서, 접안렌즈 도파관은 적어도 하나의 주 표면 및 입력 포트를 포함하고, 직교 동공 확장기 및 출사 동공 확장기는 적어도 하나의 주 표면 상에 배치된 표면 릴리프 격자들(surface relief gratings)을 포함한다.

[0017] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩 및 스캐닝 미러는 주 표면의 공통측 상에 배치된다.

[0018] 특정 실시예들에서, 증강 현실 안경은 위에 설명된 도파관 디스플레이들을 포함할 수 있다.

[0019] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 이미지 디스플레이 시스템은 비시준된 광을 방출하도록 구성된 복수의 광원들, 및 상이한 각도들에서 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트를 갖는 접안렌즈 도파관을 포함할 수 있다. 이미지 디스플레이 시스템은 또한, 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 수신하도록 구성된, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러를 포함한다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 형성하기 위해 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 시준하고, 복수의 시준된 광 빔들을 입력 포트로 지향시키도록 구성된다.

[0020] 상기 이미지 디스플레이 시스템의 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함한다.

[0021] 다른 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기를 포함한다.

[0022] 특정 실시예들에서, 이미지 디스플레이 시스템은 또한 복수의 광학 도파관들을 포함하는 통합형 광학 도파관 칩을 갖는다. 복수의 광학 도파관들의 적어도 서브세트는 복수의 광원들을 형성하는 광 방출 단부들을 포함한다.

[0023] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩은 입력 포트 위에 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 관계로 배치된다.

[0024] 특정 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩은 다수의 {R, G, B} 레이저 다이오드 세트들로부터 광을 수신하도록 구성된다.

[0025] 다른 실시예에서, 복수의 광원들은 비시준된 광을 상이한 방향들로 방출하도록 구성되며, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 스캔 미러에 의해 형성된 복수의 시준된 광 빔들 각각은 접안렌즈 도파관을 통한 복합 FOV(field of view) 중 일부를 조명하도록 구성된다.

[0026] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법은 복수의 점광원들로부터 광을 방출하는 단계를 포함한다. 복수의 점광원들 각각은 상이한 방출 방향을 가질 수 있다. 방법은 또한, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러에서 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트하는 단계를 포함한다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 생성하기 위해 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 구성된다. 방법은 또한 접안렌즈 도파관의 입력 포트에서 스캐닝 미러로부터 복수의 시준된 광 빔들을 수신하는 단계, 및 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 가상 이미지를 형성하는 단계를 포함한다.

[0027] 상기 방법의 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함한다.

[0028] 다른 실시예에서, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기를 포함한다.

[0029] 다른 실시예에서, 복수의 시준된 광 빔들 각각은 접안렌즈 도파관을 통해 복합 FOV(field of view) 중 일부를 조명하도록 구성된다.

[0030] 복수의 반사된 시준된 광 빔들 각각은 개개의 FOV(field of view)에 이미지를 제공하도록 구성된다. 복수의 반사된 시준된 광 빔들은 접안렌즈 도파관에서 수신되고, 접안렌즈 도파관은 복합 FOV(field of view)에 투사된 이미지를 형성하기 위해 접안렌즈 도파관으로부터 복수의 출력 광 빔들을 투사한다. 방법의 일부 실시예들에서, 복합 시야는 복수의 점광원들 각각에 의해 제공된 FOV보다 더 넓다. 복합 FOV 내의 이미지는 복수의 점광원들 각각으로부터의 이미지들을 포함하는 타일형 이미지일 수 있다.

[0031] 다른 실시예에서, 복수의 점광원들은 접안렌즈 도파관의 입력 포트 위에 놓인 통합형 광학 도파관 칩에 포함되고, 스캐닝 미러는 통합형 광학 도파관 칩 위에 놓이도록 배치된다. 스캐닝 미러로부터의 복수의 시준된 광 빔들은 통합형 광학 도파관 칩을 통해 접안렌즈 도파관의 입력 포트에 투과된다.

[0032] 다른 실시예에서, 통합형 광학 도파관 칩은 스캐닝 미러와 입력 포트 사이에 배치된다.

[0033] 다른 실시예에서, 통합형 광학 도파관 칩은 다수의 {R, G, B} 레이저 다이오드 세트들로부터 광을 수신하도록 구성된다.

[0034] 일부 실시예들에서, 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 이미지를 형성하는 것은 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 가상 이미지를 형성하는 광을 출력하는 것을 포함한다.

[0035] 부가적인 특징들, 이점들 및 실시예들은 아래의 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 설명된다.

[0036] 도 1은 일부 실시예들에 따른 예시적인 웨어러블 디스플레이 디바이스의 원근 뷰를 예시하는 사시도이다.
[0037] 도 2는 일부 실시예들에 따른 예시적인 웨어러블 디스플레이 디바이스의 평면도이다.
[0038] 도 3a는 일부 실시예들에 따른, 도 1-2에 도시된 웨어러블 디스플레이 디바이스의 접안렌즈로서 사용될 수 있는 도파관 디스플레이의 사시도이다.
[0039] 도 3b는 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이의 단면도이다.
[0040] 도 3c는 일부 실시예들에 따른 복합 FOV(field of view)를 예시하는 간략화된 개략도이다.
[0041] 도 4는 실시예에 따른 4 RGB 채널 광 엔진의 평면도이다.
[0042] 도 5는 도 4에 도시된 4 RGB 채널 광 엔진의 부분의 단편적인 단면 입면도이다.
[0043] 도 6은 다른 실시예에 따른 통합형 도파관 칩의 평면도이다.
[0044] 도 7a 및 7b는 일부 실시예들에 따른, 비시준된 입사 광원들로부터 시준된 스캐닝 반사된 광 빔들을 제공하는 스캐닝 포물면 미러(scanning parabolic mirror)를 예시한다.
[0045] 도 8a 및 8b는 일부 실시예들에 따른, 스캐닝 프레넬 반사기에 입사되는 통합형 광학 도파관 칩의 3개의 상이한 출력 포트들로부터의 광 경로들의 예들을 예시한다.
[0046] 도 9a는 프레넬 렌즈의 표면에 걸친 시뮬레이션된 프레넬 렌즈 패턴의 플롯이다.
[0047] 도 9b는 도 9a의 프레넬 렌즈의 에지 근처의 부분의 확대도이다.
[0048] 도 10은 일부 실시예들에 따른 이미지를 도파관 디스플레이에 디스플레이하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.

[0049] 본 발명의 실시예들은 종래의 디스플레이 시스템들보다 넓은 FOV(field of view)를 제공할 수 있는 웨어러블 디바이스에 대한 이미지 디스플레이 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

[0050] 도 1은 일부 실시예들에 따른 예시적인 웨어러블 디스플레이 디바이스(100)의 원근 뷰를 예시한 사시도이다. 이 예에서, 웨어러블 디스플레이 디바이스(100)는 증강 현실 애플리케이션들을 위한 한 쌍의 안경일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 웨어러블 디스플레이 디바이스(100)는 좌측 도파관 접안렌즈(120L) 및 우측 도파관 접안렌즈(120R)를 지지하는 프레임들(110)을 포함할 수 있다. 각각의 도파관 접안렌즈(120L 및 120R)는 ICG(input coupling grating)(121), OPE(orthogonal pupil expander)(122) 및 EPE(exit pupil expander)(123)를 포함할 수 있다. ICG(input coupling grating)(121), OPE(orthogonal pupil expander)(122) 및 EPE(exit pupil expander)(123)는 적합한 DOE(diffractive optical element)들일 수 있다. 예컨대, 이들은 광학 도파관 상에 형성된 격자들의 형태를 취할 수 있다. 특정 실시예들에 따라, 각각의 접안렌즈에 대한 단일 도파관을 제공하기보다는, 각각의 접안렌즈는 상이한 컬러들에 대해 그리고 상이한 옵티컬 파워 EPE들을 갖는 다수의 광 도파관들의 스택을 가질 수 있다. EPE들은 사용자 눈 포지션(130)으로부터 볼 수 있는 이미지들을 투사하도록 구성된다.

[0051] 도 1에서, 이미지 광 또는 스캐닝 광 빔일 수 있는 입사 광은 각각의 접안렌즈(120L 및 120R)의 ICG(121) 상에 입사될 수 있다. ICG(121)는 입사 광을 안내 모드로 커플링하여 OPE 구역(122)을 향한 방향으로 전파한다. 접안렌즈는 TIR(total internal reflection)에 의해 이미지 광을 전파한다. 각각의 접안렌즈(120L 및 120R)의 OPE 구역(122)은 또한 접안렌즈(120L 및 120R)에서 전파되는 이미지 광 중 일부를 EPE 구역(123)을 향해 커플링 및 방향전환시키는 회절 엘리먼트를 포함할 수 있다. EPE 구역(123)은 각각의 접안렌즈(120L 및 120R)에서 전파되는 광 중 일부를 접안렌즈 층(120)의 평면으로부터 외부 방향으로 포지션들(130)의 뷰어의 눈들을 향해 커플링 및 지향시키는 회절 엘리먼트를 포함한다. 이러한 방식으로, 이미지는 뷰어에 의해 보여질 수 있다.

[0052] 입사 광은 3원색들, 즉, 청색(B), 녹색(G) 및 적색(R)의 광을 포함할 수 있다.

[0053] 일부 애플리케이션들에서, 접안렌즈는 2개의 자유도들로 스캔되는 시준된 광을 수용할 수 있다. 각각의 순간 입사각(instantaneous angle of incidence)(또는 작은 범위의 입사각)은 각지게 정의된 픽셀에 대응한다. 일부 실시예들에서, 광은 가상 객체를 시뮬레이션하도록 구성될 수 있으며, 이는 뷰어로부터 0.5 미터 내지 1 미터 떨어진 것처럼 보일 수 있다.

[0054] 도 2는 일부 실시예들에 따른 예시적인 웨어러블 디스플레이 디바이스(200)의 평면도이다. 이 예에서, 웨어러블 디스플레이 디바이스(200)는 증강 현실 애플리케이션들을 위한 한 쌍의 안경일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 웨어러블 디스플레이 디바이스(200)는 프레임들(210) 및 접안렌즈들(220)을 포함할 수 있다. 각각의 접안렌즈는 도 1의 접안렌즈들(120L 및 120R)과 유사할 수 있고, ICG, OPE 및 EPE를 포함할 수 있으며, 이는 평면도에서 보이지 않는다. 웨어러블 디스플레이 디바이스(100)는 또한 스캐너 하우징(230)을 포함하고, 스캐너 하우징(230)은 입사 광원들로부터 (예컨대, 무한대에서) 가상 이미지를 형성하기 위한 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, ICG들은 광을 수신하기 위한 입력 포트들로서 사용된다. 접안렌즈에 의해 형성된 이미지들은 사용자 눈 포지션들(240)에서 볼 수 있다. 증강 현실 안경은 또한 좌측 및 우측 스피커들(250) 및 카메라들(260)을 가질 수 있다.

[0055] 도 3a는 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이(300)의 사시도이고, 도 3b는 일부 실시예들에 따른 도파관 디스플레이(300)의 단면도이다. 도파관 디스플레이(300)는, 도 1 또는 도 2에 예시된 증강 현실 안경의 접안렌즈들(120L 및 120R)로서 사용될 수 있는 접안렌즈 도파관(310)을 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 접안렌즈 도파관(310)은 ICG(input coupling grating)(321), OPE(orthogonal pupil expander)(322) 및 EPE(exit pupil expander)(323)를 가질 수 있다. ICG(input coupling grating)(321), OPE(orthogonal pupil expander)(322) 및 EPE(exit pupil expander)(323)는 광학 도파관 상에 형성된 격자들의 형태를 취할 수 있다. 각각의 접안렌즈는 상이한 컬러들에 대한 그리고 상이한 옵티컬 파워 EPE들을 갖는 다수의 광학 도파관들의 스택을 가질 수 있다. EPE들은 사용자 눈 포지션(330)에서 볼 수 있는 이미지들을 투사하도록 구성된다.

[0056] 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이(300)의 접안렌즈 도파관(310)은 상이한 각도들에서 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트들을 가질 수 있다. 도 3a에서, 입력 포트는 ICG(incoupling grating)(321)로 도시된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 복수의 점광원들은 통합형 광학 도파관 칩(340)에 의해 제공될 수 있다. 이 예에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 제1 세트의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 레이저 다이오드들(341A), 제2 세트의 RGB 레이저 다이오드들(341B), 제3 세트의 RGB 레이저 다이오드들(341C) 및 제4 세트의 RGB 레이저 다이오드들(341D)을 포함하는 4개의 세트들의 RGB 레이저 다이오드들(341A, 341B, 341C 및 341D)로부터 광을 수신할 수 있다. 도시된 실시예에서, 4개의 세트들의 RGB 레이저 다이오드들(341A, 341B, 341C, 및 341D)은 통합형 광학 도파관 칩의 제1 측(347A), 제2 측(347B), 제3 측(347C) 및 제4 측(347D) 상에 각각 배열된다. 일부 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 레이저 다이오드들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 외부 레이저 다이오드들에 커플링될 수 있다. 통합형 광학 도파관 칩(340)은 또한 RGB 레이저 다이오드들로부터 4개의 출력 포트들(344A, 344B, 344C 및 344D) ― 이들은 점광원들로서 역할을 할 수 있음 ― 중 하나로 광을 지향시키기 위한 다수의 광학 도파관들(343)을 가질 수 있다.

[0057] 도 3a에서, 도파관 디스플레이(300)는 또한, 입력 포트(ICG 321)에 근접하게 위치되고 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트하도록 위치된, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 2차원(2-D) 스캐닝 미러(350), 예컨대, 포물면 미러(351)를 포함할 수 있다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하고, 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 다시 입력 포트(ICG 321)로 반사시키도록 구성된다.

[0058] 이를테면, 도 3b에서 아래에 도시된 일부 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 ICG(321) 바로 위에 배치될 수 있고, 스캐닝 미러(350)는 통합형 광학 도파관 칩(340) 위에 단거리에 배치되어, 스캐닝 미러(350)가 입력 포트(ICG 321)에 근접하게 배치된다.

[0059] 도 3a에 도시된 바와 같이, 스캐닝 미러(350)는 피치 축(353) 및 롤 축(354)을 갖는 프레임(352) 상에 장착된 2-차원 스캐닝 미러, 예컨대, 포물면 미러 표면(351)을 포함할 수 있다. 미러는 피치 및 롤 방향으로 회전하여 2D 스캐너를 형성하도록 구성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 미러는 외부 피벗 포인트들을 갖는 외부 프레임 및 제2 피벗 포인트들의 세트를 갖는 내부 프레임을 가질 수 있다. 구동 메커니즘은 도 3a에 명시적으로 도시되지 않는다. 예컨대, 스캐닝 미러(350)는, 예컨대, 자기장 내의 코일에 의한 전자기력에 의해, 또는 상호맞물린(interdigitated finger) MEMS(Microelectromechanical System) 정전 구동들에 의해 구동될 수 있다.

[0060] 스캐닝 미러(350)는 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 미러일 수 있다. 광학기 분야에서, 옵티컬 파워(디옵트릭 파워(dioptric power), 굴절력(refractive power), 포커싱 파워 또는 수렴 파워로 또한 지칭됨)라는 용어는 렌즈, 미러 또는 다른 광학 시스템이 광을 수렴 또는 발산하는 정도이다. 이는 디바이스의 초점 거리의 역수(reciprocal): P = 1/f와 동일하다. 높은 옵티컬 파워는 짧은 초점 거리에 대응한다. 수렴 렌즈들은 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 반면에, 발산 렌즈들은 네거티브 옵티컬 파워를 갖는다. 예컨대, 스캐닝 미러는 곡선 미러, 포물면 미러, 포물면 미러에 근사한 구형 미러, 비구면 미러 등일 수 있다. 최적화를 위해 광학 설계 방법들을 사용하여 다른 형상들의 미러들이 형성할 수 있다.

[0061] 대안적으로, 곡선 미러는 스캐닝 프레넬 반사기일 수 있고, 이는 다수의 섹션들을 포함할 수 있다. 예컨대, 원형 프레넬 렌즈 또는 반사기는 한 세트의 동심 환형 섹션들을 가질 수 있다. 애플리케이션에 따라 프레넬 렌즈는 반사 및 굴절 섹션들을 포함할 수 있다.

[0062] 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러, 예컨대, 포물면 미러는, 예컨대, 전통적인 광학 제작 방법들, 그레이스케일 리소그래피 또는 전기 주조 방법(electroforming)을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 반사기는 또한, 예컨대, 그레이스케일 리소그래피 또는 마이크로 프린팅을 사용하여 제조될 수 있다.

[0063] 스캐닝 미러 움직임은 하나의 자유도로 공진할 수 있고 제2 자유도로 준-정적으로 제어될 수 있다. 예컨대, 공진 축은 디스플레이의 라인들을 따른 이동과 유사한 움직임에 대응할 수 있고 준-정적으로 제어되는 제2 자유도는 디스플레이의 라인들 사이의 수직 이동과 유사한 움직임에 대응할 수 있다. 하나의 가능한 경우에, 공진 축은 피치 축일 수 있고, 준-정적으로 제어되는 축은 요(yaw) 축일 수 있다. 비교적 높은 해상도의 이미저리에 대해, 예컨대, 1000 또는 2000개의 스캔 라인들의 등가물을, 및 초당 30 내지 60 프레임들의 프레임 리프레시 레이트를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 파라미터들은 30KHz 내지 120KHz의 라인 레이트를 요구한다. 증강 현실 웨어러블들에 포함되기에 충분히 작은 소형 MEMS 스캐너들에 대해, 일반적으로 FOV(field of view)와 관련된 공진 축의 각도 범위와, 공진 주파수 ― 라인 레이트와 동일함 ― 사이에 트레이드오프가 있다. 접안렌즈(310)와 함께 스캐닝 미러를 사용한 이미지 형성은 도 3b 및 3c를 참조하여 아래에 더 설명된다.

[0064] 도 3b는 일부 실시예들에 따른 도 3a의 도파관 디스플레이(300)의 일부의 단면도이다. 도 3b는 도 3a의 절단 라인(A-A')을 따른 도파관 디스플레이(300)의 단면도를 예시한다. 도 3b의 단면에서, ICG(input coupling grating)(321) 및 OPE(orthogonal pupil expander)(322)를 볼 수 있다. EPE는 도 3b에서 도면 시트의 평면 뒤에 배치되고, 따라서 보이지 않는다.

[0065] 도 3b에서, 복수의 점광원들은, ICG(321) 위에 배치된 통합형 광학 도파관 칩(340)의 출력 포트들(344A, 344B, 344C, 344D)에 의해 제공될 수 있다. 이 예에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 4개의 세트들의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 레이저 다이오드들로부터 입사하는 광을 수신할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 또한 RGB 레이저 다이오드들(341A, 341B, 341C 및 341D)로부터 4개의 출력 포트들(344A, 344B, 344C 및 344D) 중 하나로 광을 지향시키기 위한 다수의 광학 도파관들을 가질 수 있다. 도 3b의 단면도에서, 한 세트의 RGB 레이저 다이오드들(341A) 및 2개의 출력 포트들(344A 및 344D)만이 보인다.

[0066] 도 3b에 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이(300)는 또한 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면(351)을 갖는 스캐닝 미러(350)를 갖는 2-D 스캐닝 미러(350)를 포함할 수 있다. 스캐닝 미러(350)는 피치 축(353) 및 롤 축(354)(도시되지 않음)을 사용하여 2차원에서 회전하도록 구성된 2차원 스캐닝 미러, 예컨대, 포물면 미러일 수 있다. 스캐닝 미러(350)는 광학 도파관 칩(340) 위에 위치되고, 광학 도파관 칩(340)의 출력 포트들(344A 및 344D)에서 복수의 점광원들에 의해 방출된 광(345A 및 345D)을 인터셉트하도록 구성된다. 복수의 점광원들에 의해 방출된 광(345A 및 345D)은 시준되지 않을 수 있다. 포지티브 옵티컬 파워, 예컨대, 포물면 미러를 갖는 스캐닝 미러 표면은 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하고 시준된 광을 입력 포트(ICG(321))로 반사시키도록 구성된다. 도 3b는 광학 도파관 칩(340)으로부터의 비시준된 광이 시준된 광으로서 스캐닝 미러로부터 반사되는 것을 도시한다. 도 3b에는, 도 3a의 A-A' 절단 라인을 따른 2개의 출력 포트들(344A 및 344D)이 도시된다. 출력 포트(344A)로부터 유래된 광선들은 점선들로 도시되고, 출력(344D)으로부터 유래된 광선들은 점선들로 도시된다. 출력 포트(344A)로부터의 비시준된 광은 시준된 광(346A)으로서 스캐닝 미러(350)로부터 반사되고, 출력 포트(344D)로부터의 비시준된 광은 시준된 광(346D)으로서 스캐닝 미러(350)로부터 반사된다.

[0067] 스캐닝 미러로부터의 시준된 광(346A 및 346D)은 ICG(321)에 의해 접안렌즈 도파관(310)에 인커플링된다. 접안렌즈 도파관(310)은 상이한 컬러들을 위한 다수의 광학 도파관들의 스택을 가질 수 있다. 인커플링된 광(348a 및 348d)은 내부 전반사에 의해 접안렌즈 도파관(310)에서 전파되고, 이어서 OPE(orthogonal pupil expander)들로 아웃커플링되고, 결국 도 3b에는 보이지 않는 EPE(exit pupil expander)들에 커플링된다. EPE들은 사용자 눈 포지션(330)에서 볼 수 있는 이미지들을 투사하도록 구성된다.

[0068] 도파관 칩(340)은 기판에 내장된 광학 도파관들을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판은 유리 슬래브(glass slab)일 수 있다. 기판은 또한 중합체 재료 또는 반도체 재료 등과 같은 다른 재료들로 제조될 수 있다. 광학 도파관은, 광이 전파될 수 있는 공간 구역을 제한함으로써 광을 안내하도록 구성된 세장형 구조물이다. 광은 상이한 굴절률들을 갖는 구역들에서 내부 전반사에 의해 전파될 수 있으며, 이는 상이한 재료, 예컨대, 상이한 유전 상수들을 갖는 유전 재료들로 또는 상이한 불순물 도핑들에 의해 형성될 수 있다. 도파관들은 유리의 굴절률을 변화시키는 도펀트로의 패턴별 도핑에 의해 유리 슬래브에 형성될 수 있다.

[0069] 일부 실시예들에서, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 접안렌즈 도파관(310)은 적어도 하나의 주 표면(311)을 포함한다. 입력 포트(321), 직교 동공 확장기(322) 및 출사 동공 확장기(323)는 적어도 하나의 주 표면(311) 상에 배치된 표면 릴리프 격자들을 포함한다. 도 3a 및 3b의 실시예에서, 통합형 광학 도파관 칩(340) 및 스캐닝 미러(350)는 주 표면의 공통측 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 스캐닝 미러(350)와 입력 포트(321) 사이에 배치된다. 일부 실시예들에서, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 입력 포트(321) 위에 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 관계로 배치된다.

[0070] 도 3c는 일부 실시예들에 따른 복합 FOV(field of view)를 예시하는 간략화된 개략도(380)이다. 도 3a 및 3b에 설명된 바와 같이, 4개의 발산 RGB 콘들(cones)의 광이 스캐닝 미러에 입사될 수 있다. 미러는 이들을 별개로 시준하고 상이한 방향들을 향하는 4개의 시준된 빔들을 출력한다. 미러 스캐닝의 경우에, 미러는 FOV의 4/4에서 이미지들을 형성할 수 있다. 임의의 순간에, 4개의 시준된 광 빔들 각각은 상이한 각도들로 지향된다. 이 예에서, 시야의 4개의 사분면들에서 4개의 RGB 빔들에 의해 풀(full) 이미지가 함께(예컨대, 동시에) 스캔된다. 4개의 스캐닝 광 빔들의 조합은 도 3c의 확대된 복합 시야(376)에서 4개의 사분면들(371-374)을 갖는 타일형 이미지를 제공하도록 구성된다.

[0071] 예컨대, 일부 실시예들에서, 각각의 사분면은 VGA(Video Graphics Array) 이미지일 수 있지만, 복합 FOV의 전체 스티칭된 이미지(total stitched image)는 시야가 확대된 풀 HD(High Definition)일 수 있다. 도 3b를 참조하면, MEMS 반사기/스캐닝 미러(350)는 20 X 20도 광학 스캔 범위(10 X 10 기계적 스캔 범위에 대응함)를 가질 수 있다. 대각선으로 반대편의 출력 포트들의 쌍들(예컨대, 344A 및 344C; 및 344B 및 344D)은, 스캐닝 미러(350)의 중심으로부터 판단될 때, 20도 각도 θ(theta)(VGA 해상도)만큼 각지게 분리된다. 광학 도파관 칩(340)의 출력 포트들(344A-344D)로부터의 비시준된 광 빔들(도 3b에서 345A 및 345D만을 볼 수 있음)은 스캐닝 미러(350)에 도달한다. 비시준된 광 빔들 각각은 상이한 주 광선 방향을 가질 수 있다. 스캐닝 미러(350)는, 비시준된 광 빔들을 시준하고 시준된 광 빔들(도 3b에서 346A 및 346D만을 볼 수 있음)을 ICG(321)에 반사시키도록 위치된 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는다. ICG(321)는 시준된 광 빔들(346A 및 346D)을 접안렌즈 도파관(322)에 인커플링하도록 구성된다. 접안렌즈 도파관(322)에서의 내부 전반사 후에, 시준된 광 빔들(348A 및 348D) 각각은 접안렌즈 도파관(322)에서 나가고 개개의 시야에서 스캔된 이미지를 형성한다.

[0072] 예컨대, 일부 실시예들에서, 4개의 입력 광 빔들을 갖는 이미지 디스플레이 시스템(300)은, HD, 40 X 40도 요건, 예컨대, 1 아크 분(arc minute) 미만의 픽셀 각도 서브텐스(pixel angular subtense)에 상응하는 2X 시야(40 X 40도) 및 해상도를 갖는 결과적인 스캔 이미지를 제공할 수 있다. 또한, 최종 이미지는 풀 HD 디스플레이를 위해 50 도의 대각선을 가질 수 있다.

[0073] 위에 설명된 예들에서, 단일 ICG는 넓은 시야를 형성하기 위해 상이한 방향들을 갖는 다수의 광 빔들을 수신할 수 있다. 컬러 디스플레이들의 경우, 상이한 컬러들에 대해 상이한 ICG들이 사용될 수 있다. 예로서, ICG는 수 센티미터 크기를 갖는 접안렌즈 도파관에서 1mm X 1mm 정도의 크기를 가질 수 있다. 통합형 도파관 칩은 약 2mm X 2mm의 크기를 가질 수 있다.

[0074] 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이(300)는 위에 설명된 4개보다 더 적거나 더 많은 점광원들 및 더 큰 복합 시야를 갖는 이미지 생성을 위한 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러와 함께 사용될 수 있다. 상이한 수들 및/또는 형상들의 컴포넌트 FOV들을 사용하여 상이한 복합 FOV가 형성될 수 있다. 게다가, 도파관 디스플레이(300)는 단일 점광원 및 이미지 생성을 위한 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러와 함께 사용될 수 있다.

[0075] 도 4는 실시예에 따른 4 RGB 채널 광 엔진(400)의 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 4 RGB 채널 광 엔진(400)의 부분의 단편적인 단면 입면도이다. 광 엔진(400)은 도 3a 및 3b의 통합형 광학 도파관 칩(340)의 예이다. 광 엔진(400)은 제1 분기식 도파관(404), 제2 분기식 도파관(406), 제3 분기식 도파관(408) 및 제4 분기식 도파관(410)이 형성되는 유리 슬래브(402)를 포함할 수 있다.

[0076] 도시된 바와 같이, 슬래브(402)는 정사각형일 수 있고, 제1 측(412), 제2 측(414), 제3 측(416) 및 제4 측(418)을 포함한다. 대안적으로, 성형된 유리 슬래브들(402)이 또한 사용될 수 있다. 적색, 녹색 및 청색(RGB) 레이저 다이오드들의 제1 세트(420)는 제1 측(412)을 따라 배열되고, RGB 레이저 다이오드들의 제2 세트(422)는 제2 측(414)을 따라 배열되고, RGB 레이저 다이오드들의 제3 세트(424)는 제3 측(416)을 따라 배열되고, RGB 레이저 다이오드들의 제4 세트(426)는 제4 측(418)을 따라 배열된다.

[0077] RGB 레이저 다이오드들의 제1 세트(420)는 적색 레이저 다이오드(428), 녹색 레이저 다이오드(430) 및 청색 레이저 다이오드(432)를 포함한다. 제1 분기식 도파관(404)은 제1 측(412)에 인접하게 위치되고 RGB 레이저 다이오드들의 제1 세트(420)로부터의 광을 제1 아웃커플링 패싯(outcoupling facet)(434)에 커플링하는 역할을 한다. 제1 분기식 도파관(404)은 적색 레이저 다이오드(428)에 광학적으로 커플링된 적색광 수신 브랜치(436), 녹색 레이저 다이오드(430)에 광학적으로 커플링된 녹색광 수신 브랜치(438) 및 청색 레이저 다이오드(432)에 광학적으로 커플링된 청색광 수신 브랜치(440)를 포함한다. 적색, 녹색 및 청색광 수신 브랜치들(436, 438, 440)은 제1 분기식 도파관(404)의 트렁크(442)에 연결(또는 대안적으로, 에바네센트 방식으로(evanescently) 커플링)된다. 트렁크(442)는 제1 아웃커플링 패싯(434)으로 연장된다. 아웃커플링 패싯(434)은 트렁크(442)의 배향에 대해 45 도로 기울어진 TIR(total internal reflection) 표면이다. 제1 아웃커플링 패싯(434)은 유리 슬래브(402)의 평면으로부터 광을 반사적으로 편향시킨다. 아웃커플링 패싯들이 또한 도 3a 및 3b의 통합형 광학 도파관 칩(340)의 출력 포트들로 지칭된다는 것이 유의된다.

[0078] 제2, 제3 및 제4 분기식 도파관들(406, 408, 410)은 설명된 바와 같은 제1 분기식 도파관(404)의 것과 동일한 구조를 갖지만, 이들이 인접하게 위치되는 각각의 측들(414, 416, 418)과 정렬되도록 그에 대해 회전된다. 제2, 제3 및 제4 분기식 도파관들(406, 408 및 410)은 제2 아웃커플링 패싯(444), 제3 아웃커플링 패싯(446) 및 제4 아웃커플링 패싯(448)에 각각 커플링된다. 대안적인 실시예에 따라, 다른 파장들로 방출하는 레이저 다이오드들 및 연관된 광 수신 브랜치들이 광 엔진(400)에 부가될 수 있어서, 광 엔진(400)은 3개 초과의 (RGB) 파장 채널들을 제공하게 될 것이다. 예컨대, 부가적인 채널은 눈 추적 시스템을 위한 조명을 제공하는 데 유용한 적외선 광일 수 있다.

[0079] 도 5는 도 4의 아웃커플링 패싯(434)을 통한 단면 라인 5-5'를 따른 단편적인 단면 입면도이다. 도 5는 또한 제1 분기형 도파관(404)의 슬래브(402) 및 트렁크(442)를 도시한다. 패싯(434)은 패싯(434)으로부터 광을 위쪽으로 반사시키도록 구성된다.

[0080] 도 6은 다른 실시예에 따른 통합형 도파관 칩(600)의 평면도이다. 적색 레이저 바(602), 녹색 레이저 바(604) 및 청색 레이저 바(606)는 각각, 도파관(616)의 네트워크가 형성되는 유리 슬래브(614)의 적색 입력 측(608), 녹색 입력 측(610) 및 청색 입력 측(612)에 인접하게 배열된다. 적색 레이저 바(602)는 4개의 별개로 제어 가능한 적색 레이저 다이오드들(602A, 602B, 602C 및 602D)을 포함한다. 유사하게, 녹색 레이저 바(604)는 4개의 별개로 제어 가능한 녹색 레이저 다이오드들(604A, 604B, 604C 및 602D)을 포함한다. 유사하게, 청색 레이저 바(606)는 4개의 별개로 제어 가능한 청색 레이저 다이오드들(606A, 606B, 606C 및 606D)을 포함한다. 4개의 출력 패싯들(608A, 608B, 608C 및 608D)은 유리 슬래브(614)에 정의된다. 출력 패싯들(608A, 608B, 608C 및 608D)은 도 5에 도시된 출력 패싯(434)의 설계와 동일한 설계를 갖거나, 또는 대안적으로 상이한 설계를 갖는다. 레이저 바들(602, 604, 606) 각각으로부터 개별적으로 제어 가능한 레이저 다이오드들 중 하나는 도파관들의 네트워크(616)를 통해 출력 패싯들(608A, 608B, 608C 및 608D) 각각에 커플링된다. 대안적인 실시예에 따라, 상이한 파장(예컨대, 적외선)에서 동작할 수 있는 다른 레이저 바가 유리 슬래브(614)의 제4 측을 따라 위치될 수 있고, 도파관들의 네트워크(616)를 통해 출력 패싯들(608A, 608B, 608C 및 608D)에 광학적으로 커플링된다(이 네트워크는 이러한 목적을 위해 연장될 수 있음).

[0081] 도 7a 및 7b는 일부 실시예들에 따른, 비시준된 입사 광원들로부터의 시준된 스캐닝 반사된 광 빔들을 제공하는 스캐닝 포물면 미러를 예시한다. 도 7a는 비시준된 입사 광원(703)으로부터 시준된 스캐닝 반사된 광 빔들(702)을 제공하는 포물면 미러(701)를 예시하는 시뮬레이션된 광 트레이스들을 도시한다. 도 7b는 비시준된 입사 광원들(713)로부터 시준된 스캐닝 반사된 광 빔들(721, 722 및 723)을 제공하는 스캐닝 포물면 미러(710)를 예시하는 시뮬레이션된 광 트레이스들을 도시한다. 광 빔(721)은 제1 포지션(711)에서 스캐닝 미러(710)로 반사된 광 빔을 나타낸다. 광 빔(722)은 제2 포지션(712)에서 스캐닝 미러(710)로 반사된 광 빔을 나타낸다. 광 빔(723)은 제3 포지션(713)에서 스캐닝 미러(710)로 반사된 광 빔을 나타낸다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 스캐닝 미러가 회전함에 따라, 반사된 광 빔들은 시준된 상태로 유지된다. 도 7a 및 7b는 또한, 이들 예들에서 미러들의 초점 길이가 약 1.5 mm인 것을 도시하고, 이는 증강 현실 안경을 위한 소형 패키지를 가능하게 할 수 있다.

[0082] 도 8a 및 8b는 특정 실시예들에 따른, 스캐닝 미러(804) 상의 프레넬 미러 표면(802)에 의해 멀티포트 통합형 광학 도파관 칩(340, 400, 도 8a, 8b에 도시되지 않음)으로부터 방출된 광의 시준에 대한 광선 추적 분석 결과를 예시한다. 프레넬 미러 표면(802)을 갖는 스캐닝 미러(804)는 특정 실시예들에 따라 도 3a 및 3b의 포물선 스캐닝 미러 표면(351) 대신에 사용된다. 도 8a는, 멀티포트 통합형 광학 도파관 칩의 다수의 포트들에 의해 방출되고 스캐닝 미러(804)의 프레넬 미러 표면(802)에 입사되는 광을 예시한다. 3개의 포트들의 포지션들은 참조 번호들 806A, 806B 및 806C로 표시된다. 도 8a에서 볼 수 없는 제4 포트의 포지션은 수직 중심 포지션(806B)을 지나 도면 시트의 평면 뒤에 위치될 수 있다. 수직 중심 포지션들(806B)이, 예컨대, 하부 포지션(806C) 및 상부 포지션(806A)에 대해 도면 시트의 평면으로부터 수직으로 외측으로 변위될 수 있음이 유의된다.

[0083] 도 8b는, 프레넬 미러 표면(802)에 의해 반사된 시준된 광이 약 100 mm의 거리에 걸쳐 시준된 상태로 유지될 수 있음을 예시한다. 사용 시에, 프레넬 미러 표면(802)에 의해 시준된 광이 ICG(321)에 도달하기 전에 짧은 거리만을 전파할 것이라는 것이 유의되어야 한다. 도 8a 및 도 8b는 동일한 광선 전파 경로들의 2개의 부분들을 도시한다는 것이 유의된다. 도 8a는 통합형 광학 도파관 칩(도 3a 및 3b의 340 또는 도 4의 400)의 포트들의 포지션들(806A, 806B 및 806C)로부터 프레넬 미러 표면(802)까지의 광선 전파 경로들의 제1 부분들을 도시하고, 도 8b는 프레넬 미러 표면(802)으로부터 다시 ICG(321) 방향으로 광선 전파 경로들의 제2 부분들(816A, 816B, 및 816C)을 도시한다. 시준의 정도를 예시하기 위해 도 8b의 광선 경로들이 ICG의 포지션을 넘어 연장된다는 것이 유의된다. 실제로, 시준된 광선들은 접안렌즈 도파관(310) 내의 내부 전반사를 위한 임계각을 초과하는 각도들로 ICG에서 편향될 것이다. 사용 시에, ICG는 3개의 포트들(806A, 806B 및 806C)의 포지션들의 좌측에 위치될 것이다.

[0084] 도 9a는 프레넬 렌즈 표면 프로파일을 플로팅(plot)한다. 수직 축은 2π 라디안 주기의 위상을 나타내고, 수평 길이는 AR 또는 VR 애플리케이션에 적합한 수 밀리미터 정도로 프레넬 렌즈의 표면을 가로지르는 밀리미터 단위의 포지션이다. 도 9b는 도 9a의 프레넬 렌즈의 에지 근처의 부분의 확대도이다. 위에 설명된 바와 같이, 프레넬 렌즈는 다수의 섹션들을 포함할 수 있다. 도 9b는 프레넬 미러의 에지에서 2π 주기를 도시한다. 수직 축은 2π 라디안 주기의 위상을 나타내고, 수평 길이는 프레넬 렌즈의 표면을 가로지르는 밀리미터 단위의 포지션이다. 원하는 초점 길이를 달성하는 데 필요한 프레넬 반사기 상의 가장 작은 피처들이 약 1.8 ㎛일 수 있으며, 이는 이용 가능한 제조 기술들의 능력들 내에 있다는 것을 알 수 있다.

[0085] 도 10은 일부 실시예들에 따른 이미지를 도파관 디스플레이에 디스플레이하기 위한 방법(1000)을 예시하는 흐름도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 1010에서, 도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법(1000)은 복수의 점광원들로부터 광을 방출하는 단계를 포함한다. 복수의 점광원들은 상이한 광원들을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 점광원들은, 도 3a-3c, 4-5 및 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 통합형 광학 도파관 칩에 제공될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 통합형 광학 도파관 칩(340)은 4개의 세트들의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 레이저 다이오드들(341A-341D)로부터 광을 수신할 수 있다. 통합형 광학 도파관 칩(340)은 유리, 반도체 또는 다른 재료의 기판으로 제조될 수 있다. 레이저 다이오드들로부터의 광을 출력 포트들로 안내하기 위한 다수의 광학 도파관들이 기판에 형성될 수 있다. 출력 포트들은 기판에 구성된 패싯들에 의해 형성될 수 있다. 이 경우에, 출력 포트들은 통합형 광학 도파관 칩으로부터 광을 방출하기 위한 점광원들로서 기능할 수 있다.

[0086] 다른 예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 통합형 광학 도파관 칩(640)은 칩의 3개의 측들에 부착된 3개의 레이저 다이오드 바들: 다수의 적색 레이저 다이오드들을 갖는 적색 레이저 다이오드 바(671), 다수의 녹색 레이저 다이오드들을 갖는 녹색 레이저 다이오드 바(672), 및 다수의 청색 레이저 다이오드들을 갖는 청색 레이저 다이오드 바(673)를 갖는다. 통합형 광학 도파관 칩(640)은 또한 출력 광을 제공하기 위한 출력 포트(644)를 갖는다. 도 3a의 통합형 광학 도파관 칩(340)과 유사하게, 통합형 광학 도파관 칩(640)은 유리, 반도체 또는 다른 재료의 기판으로 제조될 수 있다. 출력 포트들은 기판에 형성된 패싯들 또는 아웃커플링 미러들에 의해 형성될 수 있고, 통합형 광학 도파관 칩으로부터 광을 방출하기 위한 점광원들로서 기능할 수 있다.

[0087] 점광원들로부터 방출된 광은 시준되지 않을 수 있다. 예컨대, 점광원들로부터 방출된 광은 발산하는 광속을 형성한다. 복수의 점광원들 각각은 발산하는 광속의 중심에 대응하는 상이한 방출 방향을 가질 수 있다. 점광원들은 스캐닝 미러를 향해 광을 방출하도록 구성된다. 본원에 사용되는 바와 같이, 점광원는 비시준된(발산하는) 광을 방출하는 광원을 지칭할 수 있다.

[0088] 1020에서, 방법(1000)은 또한, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러에서 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트하는 단계를 포함한다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 생성하기 위해 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 구성된다. 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 스캐닝 미러의 예들은 도 3a-3c, 6 및 7a-9b와 관련하여 위에 설명된다. 예컨대, 도 3a에 도시된 바와 같이, 스캐닝 미러는, 접안렌즈 도파관(310)의 입력 포트에 근접하게 위치된, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면, 예컨대, 포물면 미러 표면(351) 또는 프레넬 반사기를 갖는 2 차원(2-D) 스캐닝 미러(350)일 수 있다. 스캐닝 미러(350)는 피치 축(353) 및 롤 축(354)을 갖는 프레임(352) 상에 장착된 2차원 스캐닝 미러, 예컨대, 포물면 미러 표면(351)일 수 있다. 미러는 x 및 y 방향들로 회전하여 2-D 스캐너를 형성하도록 구성될 수 있다.

[0089] 1030에서, 방법(1000)은 스캐닝 미러를 사용하여 시준된 광 빔들을 스캔하는 단계를 포함한다. 스캐닝 미러는 광원들로부터의 비시준된 광을 시준하도록 구성된다. 스캐닝 미러는 시준된 광 빔들을 스캔하고, 이로써 이미지들을 형성하기 위한 접안렌즈 도파관의 입력 커플링 엘리먼트에 입사되는 광의 각도를 변경하도록 구성된다.

[0090] 1040에서, 방법(1000)은 또한 접안렌즈 도파관의 입력 포트에서 스캐닝 미러로부터 복수의 시준된 광 빔들을 수신하는 단계, 및 1050에서, 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 시준된 광을 커플링하고, 이로써 사용자로부터 일정 거리(예컨대, 무한대로부터 더 가까운 거리까지의 범위)에서 가상 이미지를 형성하는 단계를 포함한다. 접안렌즈 도파관의 예들은 도 3a 및 3b와 관련하여 위에 설명된다. 예컨대, 접안렌즈 도파관(310)은 ICG(input coupling grating)(321), OPE(orthogonal pupil expander)(322) 및 EPE(exit pupil expander)(323)를 가질 수 있다. ICG(input coupling grating), OPE(orthogonal pupil expander) 및 EPE(exit pupil expander)는 광학 도파관 상에 형성된 격자들의 형태를 취할 수 있다. 접안렌즈 도파관(310)은, 스캐닝 미러로부터 상이한 각도들로 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트들, 예컨대, ICG들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 점광원들은 접안렌즈 도파관의 입력 포트 위에 놓인 통합형 광학 도파관 칩에 배치될 수 있고, 스캐닝 미러는 통합형 광학 도파관 칩 위에 놓이도록 배치될 수 있다. 이 구성에서, 스캐닝 미러로부터의 복수의 시준된 광 빔들은 스캐닝 미러를 통해 접안렌즈 도파관의 입력 포트로 투과될 수 있다.

[0091] 도 3b에 도시된 바와 같이, 스캐닝 미러로부터의 시준된 광(346A 및 346D만이 볼 수 있음)은 ICG(321)에 의해 접안렌즈 도파관(310)으로 인커플링된다. 접안렌즈 도파관(310)은 상이한 컬러들을 위한 다수의 광학 도파관들의 스택을 가질 수 있다. 인커플링된 광(348)은 내부 전반사에 의해 접안렌즈 도파관(310)에서 전파되고, 이어서 직교 동공 확대기들에 아웃커플링되고, 결국 도 3b에서 볼 수 없는 EPE(exit pupil expander)들에 커플링된다. EPE들은 사용자 눈 포지션들(330)에서 볼 수 있는 이미지들을 투사하도록 구성된다.

[0092] 일부 실시예들에서, 복수의 시준된 광 빔들 각각은 복합 FOV(field of view) 중 일부를 통해 스캔되고 접안렌즈 도파관을 통해 커플링된다. 도 3a 및 3b에 설명된 바와 같이, 4개의 발산하는 입사 RGB 컬럼들의 광이 스캐닝 미러에 입사된다. 미러는 이들을 별개로 시준하고 상이한 방향들을 향하는 4개의 시준된 빔들을 출력한다. 미러 스캐닝의 경우에, 미러는 FOV의 4/4에서 이미지들을 형성할 수 있다. 임의의 순간에, 4개의 시준된 광 빔들 각각은 상이한 각도들로 지향된다. 이 예에서, 시야의 4개의 사분면들에서 4개의 RGB 빔 스캐닝에 의해 전체 이미지가 스캔된다. 4개의 스캐닝 광 빔들의 조합은 도 3c의 확대된 복합 시야(376)에서 4개의 사분면들(371-374)을 갖는 타일형 이미지를 제공하도록 구성된다.

[0093] 도 10에 예시된 특정 단계들이 본 발명의 다른 실시예에 따라, 도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하는 특정 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적인 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 더욱이, 도 10에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 부가적인 단계들이 특정한 애플리케이션들에 의존하여 부가되거나 또는 제거될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.

[0094] 상기 예에서, 4개의 세트들의 스캐닝 광 빔들은, 확대된 복합 시야를 형성하기 위해 4개의 사분면들을 갖는 타일형 이미지를 제공하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 상이한 크기들 및 형상들의 확대된 복합 시야를 형성하기 위해 상이한 수의 스캐닝 광 빔들이 사용될 수 있다.

[0095] 위에 설명된 이미지 디스플레이 시스템들은, 이를테면, 유선 리드 또는 무선 연결에 의해, 데이터 프로세싱 모듈에 동작 가능하게 커플링될 수 있으며, 데이터 프로세싱 모듈은 다양한 구성들로 장착될 수 있는데, 이를테면, 프레임에 고정적으로 부착되거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착되거나 또는 헤드폰들에 임베딩되거나, 또는 그렇지 않다면 사용자에게 부착될 수 있다. 데이터 프로세싱 모듈은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 예컨대, 복합 시야의 각각의 부분에 대한 이미지 정보는, 큰 복합 시야에서 이미지들의 디스플레이를 제어하기 위해 광원들 및 스캐닝 미러를 동작시키는 데 사용될 수 있다.

[0096] 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예들로만 제한되진 않는다는 것이 명백할 것이다. 다수의 수정들, 변경들, 변동들, 대체물들 및 등가물들이 청구항들에 설명된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 당업자들에게 자명해질 것이다.

Claims

상이한 각도들에서 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트를 포함하는 접안렌즈 도파관;
상기 입력 포트에 근접하게 위치된 복수의 점광원(point light source)들 ― 상기 복수의 점광원들 각각은 상기 입력 포트로부터 멀어지게 향하는 방출 방향을 가짐 ― ; 및
상기 입력 포트에 근접하게 위치되고 상기 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트하도록 위치된, 포지티브 옵티컬 파워(positive optical power)를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러를 포함하고,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 형성하기 위해 상기 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 그리고 상기 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 상기 입력 포트로 반사시키도록 구성되는,
도파관 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기(Fresnel reflector)를 포함하는,
도파관 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함하는,
도파관 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 시준된 광 빔들 각각은 상기 접안렌즈 도파관을 통해 복합 FOV(field of view) 중 일부를 조명하도록 구성되는,
도파관 디스플레이.
제1 항에 있어서,
복수의 광학 도파관들을 포함하는 통합형 광학 도파관 칩을 포함하고,
상기 복수의 광학 도파관들의 적어도 서브세트는 광 방출 단부들을 포함하고,
상기 복수의 점광원들은 상기 광 방출 단부들을 포함하는,
도파관 디스플레이.
제5 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩은 상기 스캐닝 미러와 상기 입력 포트 사이에 배치되는,
도파관 디스플레이.
제5 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩은 상기 입력 포트 위에 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 관계로 배치되는,
도파관 디스플레이.
제5 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩은 다수의 {R, G, B} 레이저 다이오드 세트들로부터 광을 수신하도록 구성되는,
도파관 디스플레이.
제5 항에 있어서,
상기 접안렌즈 도파관은 직교 동공 확장기 및 출사 동공 확장기를 더 포함하는,
도파관 디스플레이.
제9 항에 있어서,
상기 접안렌즈 도파관은 적어도 하나의 주 표면을 포함하고,
상기 입력 포트, 상기 직교 동공 확장기 및 상기 출사 동공 확장기는 상기 적어도 하나의 주 표면 상에 배치된 표면 릴리프 격자(relief grating)들을 포함하는,
도파관 디스플레이.
제10 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩 및 상기 스캐닝 미러는 상기 주 표면의 공통측 상에 배치되는,
도파관 디스플레이.
제1 항에 따른 도파관 디스플레이를 포함하는 증강 현실 안경.
상이한 각도들에서 광 빔들을 수신하도록 구성된 입력 포트를 포함하는 접안렌즈 도파관;
비시준된 광을 방출하도록 구성된 복수의 광원들; 및
상기 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 수신하도록 구성된, 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러를 포함하고,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은, 복수의 시준된 광 빔들을 형성하기 위해 상기 복수의 광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 그리고 상기 복수의 시준된 광 빔들을 상기 입력 포트로 지향시키도록 구성되는,
이미지 디스플레이 시스템.
제13 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함하는,
이미지 디스플레이 시스템.
제13 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기를 포함하는,
이미지 디스플레이 시스템.
제13 항에 있어서,
복수의 광학 도파관들을 포함하는 통합형 광학 도파관 칩을 더 포함하고,
상기 복수의 광학 도파관들의 적어도 서브세트는 광 방출 단부들을 포함하고, 그리고
상기 복수의 광원들은 상기 광 방출 단부들을 포함하는,
이미지 디스플레이 시스템.
제16 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩은 상기 입력 포트 위에 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 관계로 배치되는,
이미지 디스플레이 시스템.
제16 항에 있어서,
상기 통합형 광학 도파관 칩은 다수의 {R, G, B} 레이저 다이오드 세트들로부터 광을 수신하도록 구성되는,
이미지 디스플레이 시스템.
제13 항에 있어서,
상기 복수의 광원들은 비시준된 광을 상이한 방향들로 방출하도록 구성되는,
이미지 디스플레이 시스템.
제13 항에 있어서,
상기 복수의 시준된 광 빔들 각각은 상기 접안렌즈 도파관을 통해 복합 FOV(field of view) 중 일부를 조명하도록 구성되는,
이미지 디스플레이 시스템.
복수의 점광원들로부터 광을 방출하는 단계 ― 상기 복수의 점광원들 각각은 상이한 방출 방향을 가짐 ― ;
포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면을 갖는 스캐닝 미러에서 상기 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 인터셉트하는 단계 ― 상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 복수의 시준된 광 빔들을 생성하기 위해 상기 복수의 점광원들에 의해 방출된 광을 시준하도록 구성됨 ― ;
접안렌즈 도파관의 입력 포트에서 상기 스캐닝 미러로부터 상기 복수의 시준된 광 빔들을 수신하는 단계; 및
상기 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 이미지를 형성하는 단계를 포함하는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 점광원들은 발산하는 광을 방출하도록 구성된 점광원들을 포함하는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 오목 미러를 포함하는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 포지티브 옵티컬 파워를 갖는 표면은 프레넬 반사기를 포함하는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 시준된 광 빔들 각각은 상기 접안렌즈 도파관을 통해 복합 FOV(field of view) 중 일부를 조명하도록 구성되는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 복수의 점광원들은 상기 접안렌즈 도파관의 입력 포트 위에 놓인 통합형 광학 도파관 칩에 배치되고, 그리고
상기 스캐닝 미러는 상기 통합형 광학 도파관 칩 위에 놓이도록 배치되고,
상기 스캐닝 미러로부터의 상기 복수의 시준된 광 빔들은 상기 통합형 광학 도파관 칩을 통해 투과되어, 상기 접안렌즈 도파관의 입력 포트에 도달되는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.
제21 항에 있어서,
상기 접안렌즈 도파관의 출력 포트로부터 이미지를 형성하는 단계는 상기 접안렌즈 도파관의 가상 이미지를 형성하는 출력 포트로부터 광을 출력하는 단계를 포함하는,
도파관 디스플레이에 이미지를 디스플레이하기 위한 방법.