KR20200135770A - 사출 동공 확장기 - Google Patents

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KR20200135770A
KR20200135770A KR1020207023668A KR20207023668A KR20200135770A KR 20200135770 A KR20200135770 A KR 20200135770A KR 1020207023668 A KR1020207023668 A KR 1020207023668A KR 20207023668 A KR20207023668 A KR 20207023668A KR 20200135770 A KR20200135770 A KR 20200135770A
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유소 올코넨
페트리 마이외하에넨
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디스페릭스 오와이
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Abstract

회절 디스플레이의 사용을 위한 사출 동공 확장기(exit pupil expander, EPE)를 제공하며, 사출 동공 확장기는 도파관 상의 복수의 회절 구역 및 상기 회절 구역의 적어도 일부 사이의 복수의 비-회절 구역을 포함한다.

Description

사출 동공 확장기
본 발명은 회절 디스플레이 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사출 동공 확장기(exit pupil expander, EPE)를 포함하는 광가이드-기반의 회절 디스플레이 소자에 관한 것이다. 이러한 디스플레이 소자는 예를 들어 니어-아이 디스플레이(NEDs; near-to-eye displays)와 같은, 헤드-마운트 디스플레이(HMDs; head-mounted displays), , 헤드-업 디스플레이(HUDs; head up displays)와 같은, 개인 디스플레이에 사용될 수 있다.
헤드-마운트 디스플레이(HMDs)와 헤드-업 디스플레이(HUDs)는 도파관 기술을 사용하여 실현될 수 있다. 광은 도파관에 커플링될 수 있고, 그 내측에서 리디렉션(redirect)되고 회절 격자를 사용하여 도파관의 외부와 커플링될 수 있다. 종래의 하나의 디스플레이 설계에서, 광은 프로젝터로부터 인-커플링 격자로 지향되고, 이는 유입 광을 도파관 내로 회절시키며, 여기서 상기 유입 광은 사출 동공 확장기 격자를 통한 아웃-커플링 격자로 향하는 내부 전반사를 통해 디스플레이의 가시 영역을 측면으로 확장하도록 전파된다. 사출 동공 확장기들(EPEs)은 전형적으로 격자를 포함하는데 이는 인-커플링 격자의 격자 라인 배향 및 인-커플링 격자로부터의 유입 광의 전파 방향에 대해, 경사진 격자 라인(grating lines oblique)을 갖는다.
모든 격자와 마찬가지로, 사출 동공 확장기 격자들도 또한 일반적으로 손실 및 교란을 야기한다. 이것은 최종 형성된 이미지의 밝기 및 균일성을 감소시키고, 색상 불균형과 같은 이미지 결함을 야기시킨다.
이에 따라, 개선된 사출 동공 확장 솔루션 및 개선된 도파관 디스플레이에 대한 요구가 있다.
본 발명의 목적은 도파관 디스플레이의 이미지 질을 증가시키는 것이다. 특별한 목적은 도파관 디스플레이의 밝기(총 효율성), 균일성 및/또는 색상 균형을 증가시키는 것이다. 일 목적은 사출 동공 확장기(EPE) 형태의 기하학적 제약을 완화시키는 사출 동공 확장기 솔루션을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 독립항에 기재된 바에 따라 달성된다.
일 측면에 따르면, 회절 디스플레이에 사용하기 위한 사출 동공 확장기(EPE)가 제공되며, 사출 동공 확장기는 도파관 상에 복수의 회절 구역(zone)(격자 구역) 및 회절 구역의 적어도 일부 사이의 복수의 비-회절 구역(비-격자 구역)을 포함한다. 회절 구역 및 비-회절 구역은 불규칙하거나 또는 규칙적인 2차원적 패턴으로 배열될 수 있다.
다시 말하면, 복수의 회절 구역 및 회절이 없이 도파관의 표면으로부터 내부 전반사만이 발생하는 "공동(voids)"을 포함하는 구역을 갖는 사출 동공 확장기가 제공된다.
일 측면에 따르면, 개인 디스플레이를 위한 회절 디스플레이 소자가 제공되며, 상기 소자는 도파관, 이미지를 도파관 몸체 내로 회절 커플링하기 위한 인-커플링 영역(region), 이미지를 도파관 몸체 밖으로 회절 커플링하기 위한 아웃-커플링 영역, 그리고 아웃-커플링 영역 상의 이미지의 사출 동공을 확장하기 위하여 인-커플링 영역과 아웃-커플링 영역 사이에 위치한 현재 개시된 종류의 사출 동공 확장(EPE) 영역을 포함한다.
일 측면에 따르면, 상기 종류의 회절 디스플레이 소자를 포함하는 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 또는 헤드-업 디스플레이(HUD)와 같은, 개인 디스플레이 장치가 제공된다.
본원에서 사출 동공 확장기는 일 측 방향으로부터 들어오고 또 다른 측 방향으로 나가는 광의 사출 동공을 확장시키는 특성을 갖는 도파관의 측 평면 내의 영역을 의미한다.
본 발명은 상당한 이점을 제공한다. 사출 동공 확장기 영역의 내부 및 주변 경계부의 공동의 포함은 기하학적으로 더욱 복잡한 사출 동공 확장기들(EPEs)을 최적화시킬 수 있다. 전형적으로, 사출 동공 확장기 형태는 도파관 내부의 극각(extreme angles)으로 전파되는 광선을 사용한 단순한 기하학적 계산에 의해 계산된다. 본 발명은 단순 기하학적 계산에 의해 계산된 사출 동공 확장기 형태보다 색상 균형 및 효율성의 관점에서 더 우수한 성능을 나타내는 수치적인 최적화를 통해 사출 동공 확장기 솔루션을 찾는 것에 도움을 준다. 본 접근 방식은 도파관에 대해 보다 컴팩트한 폼 팩터(form factor)를 허용하는 사출 동공 확장기 구조를 찾는데도 사용될 수 있다. 특히, 넓은 시야(>40도)의 사출 동공 확장기들(EPEs)은 너무 커져서 전체 도파관 크기가 컴팩트한 폼 팩터를 갖는 웨어러블 디스플레이용으로는 너무 커지는 경향이 있다.
종속항은 본 발명의 선택적 실시예를 지칭한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 제1 비-회절 구역이 2개의 회절 구역 사이에서 제1 방향으로 위치하고 그리고 적어도 하나의 제2 비-회절 구역은 2개의 회절 구역 사이에서 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 위치한다. 일부 실시예에서, 적어도 10개의 상이한(분리된) 회절 구역 및 적어도 10 개의 상이한(분리된) 비-회절 구역이 있다.
일부 실시예에서, 크기 또는 형태가 상이한 적어도 2개의 회절 구역 및/또는 적어도 2개의 비-회절 구역이 있다.
일부 실시예에서, 회절 구역은 상이한 격자 특성을 갖는 적어도 2개의 구역을 포함한다. 이것은 더욱 복잡한 사출 동공 확장기 기능을 수행할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 회절 구역 및 비-회절 구역은 도파관의 표면 평면에서 동일한 형태의 단위 구역으로 분할될 수 있다.
일부 실시예에서, 사출 동공 확장기의 총 면적의 적어도 20%는 비-회절 구역으로 형성된다.
일부 실시예에서, 상기 구역들은, 그 구역들의 양 주광학축(main optical axes)을 따라 적어도 2개의 상이한 단면선을 그릴 수 있도록 위치되어, 그 단면선을 따르는 회절/비-회절 프로파일이 상이하다.
일부 실시예에서, 본 발명의 도파관 소자에서 상기 사출 동공 확장기의 상기 회절 구역 및 비-회절 구역은, 인-커플링 영역으로부터 들어오는 광의 적어도 대부분이 적어도 하나의 회절 구역에서 회절되고, 적어도 하나의 비-회절 구역 내에서 내부 전반사에 의해 산란되고, 상기 아웃-커플링 영역을 향하는 상기 사출 동공 확장기를 나오기 전에, 전형적으로 상기 제1 회절 구역과 상이한 적어도 하나의 회절 구역에 의해 다시 회절하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 비-회절 구역이 회절 구역으로 대체된 상황과 비교하여, 상기 사출 동공 확장기 영역의 상기 비-회절 구역이, 상기 디스플레이 소자의 밝기, 균일성 또는 색균형을 증가시키기 위해 소자 내에 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 사출 동공 확장기는 상기 아웃-커플링 영역의 폭과 적어도 같은 폭을 갖는다.
일부 실시예에서, 사출 동공 확장기는 아웃-커플링 영역의 폭과 적어도 동일한 폭을 갖는다.
다음으로, 본 발명의 실시예와 그 장점은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 기술된다.
도 1은 단일 입사 광선으로 인해 사출 동공 확장기 구조 내부에 형성된 광선 경로의 네트워크를 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 인-커플러와 아웃-커플러 사이에 광학적으로 위치된 예시적인 사출 동공 확장기를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 사출 동공 확장기의 부분의 상세도를 도시한다.
광선이 사출 동공 확장기를 통해 전파될 때, 복잡한 광선 경로 네트워크가 형성되며, 여기서 에너지는 전형적으로 두 방향을 따라 흐른다. 예시적인 네트워크가 도 1에 도시되어 있다. 도트는 입사 광선(11)으로부터 회절로 인해 발생된 광선이 격자 표면에 충돌하는 위치를 도시한다. 네트워크 구조는 다중 광선 경로를 따라 네트워크 내부의 지점 사이에서 에너지를 전송하도록 한다. 두 가지 예의 경로가 지점 A로부터 B까지 점선으로 도시된다. 모든 가능한 경로는 에너지 전송(transport)을 위해 필요하지는 않기 때문에, 수치적인 최적화 동안 사출 동공 확장기 내부 및 사출 동공 확장기의 주변 경계 상의 빈 영역(공동)이 형성되도록 함으로써 사출 동공 확장기 구조의 작동이 향상될 수 있다.
도 2a는 프로젝터로부터 광이 지향되는 인-커플링 격자(22)를 도시하며, 전형적으로 도면의 이미지 평면에 대해 본질적으로 수직이다. 광은 도파관 내에서 회절 구역(24A)과 비-회절 구역(공동)(24B)을 포함하는 사출 동공 확장기(24)로 회절 및 전파된다. 비-회절 구역(24B)은 전형적으로 그 안에 격자 패턴이 없는 영역인 반면에, 회절 구역은 격자를 포함한다. 이에 따라 비-회절 구역은 통상적인 도파관 구역으로 이용되며, 여기서 광선은 회절없이 내부 전반사를 통해 산란한다.
회절 구역(24A)은 전형적으로 선형(1차원적) 격자 패턴을 포함한다. 격자 라인들의 배향 및 각 회절 구역(24A)들 사이의 격자 주기는 전형적으로 동일하지만, 특히 충전율(fill factor) 및/또는 미시 특성(microfeature)의 높이를 포함하는 미시 특성 프로파일은 구역마다 상이할 수 있다.
회절 영역(24A)은 단위 구역, 예를 들어 도 2a에 도시된 직사각형 단위 영역, 또는 그 안에 단일 격자 라인이 없는(즉, 도 2a 및 2b에 도시된 내부 경계가 없는) 임의적인 형태의 구역일 수 있다.
본 발명은 회절 구역(24A) 및 비-회절 구역(24B)의 형태에 관한 직교 기하하적 구조로 제한되지 않는다. 이들은 실제로 임의의 복잡한 사선 또는 곡선의 외형(outer shapes)을 가질 수 있다.
회절 구역 및 비-회절 구역의 위치는 회절 광학 설계를 위해 공지된 연산 기법(computational technique)을 사용함으로써 결정되고 최적화될 수 있다.
인-커플링 격자(22), 사출 동공 확장기(24) 그리고 아웃-커플링 격자는 전형적으로 평면 도파관 소자 상에 배열된다. 도파관은 2개의 평행한 주 표면을 갖는, 전형적으로 플라스틱 또는 유리인 투명한 물질의, 평면형 부품일 수 있다. 본원에서 논의된 모든 격자와 회절 구역은, 예를 들어 표면 요철 격자(SRGs; surface relief gratings)로서 또는 회절 특성으로서, 표면 상에 추가적인 물질을 제공함으로써 또는 다른 회절 광학 소자(DOEs; diffractive optical elements)로써 제조될 수 있다. 일 예에서, 격자는 TiO2, Si3N4, 및 HfO2와 같은, 적어도 하나의 산화물 또는 질화물 물질로 유리 도파관 상에 만들어진 선형 특징을 포함한다.
본 발명은 다양한 다른 디스플레이 기하학적 구조 및 구성에도 적용 가능하다는 점에 유의해야 한다.
각 층이 예를 들어 상이한 파장 대역을 전달하는 다층 도파관의 경우, 본 발명의 실시예는 각각의 층에 대해 개별적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 광대역 조명과 협대역(협 다중-대역(narrow multi-band)을 포함함) 조명 및 프로젝터 모두와 함께 사용 가능하다.

Claims (12)

  1. 이미지를 디스플레이 하기 위한 회절 디스플레이 소자로서,
    - 도파관,
    - 상기 도파관 몸체 내로 이미지를 회절 커플링하기 위한 인-커플링 영역,
    - 상기 도파관 몸체 밖으로 상기 이미지를 회절 커플링하기 위한 아웃-커플링 영역,
    - 상기 아웃-커플링 영역 상에 상기 이미지의 사출 동공을 확장시키기 위하여 상기 인-커플링 영역과 상기 아웃-커플링 영역 사이에 위치한 사출 동공 확장기(exit pupil expander, EPE) 영역을 포함하며,
    상기 사출 동공 확장기 영역은 도파관 표면 상에 배열된 복수의 회절 구역 및 상기 회절 구역 사이의 복수의 비-회절 구역을 포함하고, 그리고
    상기 사출 동공 확장기(EPE) 영역은 적어도 10개의 상이한 회절 구역 및 적어도 10개의 상이한 비-회절 구역을 포함하며, 이는 적어도 하나의 제1 비-회절 구역이 2개의 회절 구역 사이에서 제1 방향으로 위치되고 그리고 적어도 하나의 제2 비-회절 구역이 2개의 회절 구역 사이에서 상기 제1 방향에 대해 직교하는 제2 방향으로 위치되는,
    소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 구역 및 비-회절 구역은 불규칙한 2차원 패턴으로 배열되는,
    소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회절 구역 및 비-회절 구역은 규칙적인 2차원 패턴으로 배열되는,
    소자.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 크기 및/또는 형태를 갖는 적어도 2개의 회절 구역 및/또는 적어도 2개의 비-회절 구역을 포함하는,
    소자.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 구역은 상이한 격자 특성을 갖는 적어도 2개의 격자 구역을 포함하는,
    소자.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 구역 및 비-회절 구역은 상기 도파관의 표면 평면 내에서 동일한 형태의 단위 구역으로 분할 가능한,
    소자.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사출 동공 확장기의 총 면적 중 적어도 20%는 비-회절 구역으로 형성되는,
    소자.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 및 비-회절 구역의 양 주광학축(main optical axes)을 따라 적어도 2개의 상이한 단면선을 그릴 수 있도록 상기 회절 및 비-회절 구역이 위치되어, 상기 단면선을 따르는 회절 및 비-회절 프로파일이 상이한,
    소자.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사출 동공 확장기 영역의 상기 회절 구역 및 비-회절 구역은, 인-커플링 영역으로부터의 유입 광의 적어도 대부분이 적어도 하나의 회절 구역에서 회절되고, 적어도 하나의 비-회절 구역 내에서 내부 전반사에 의해 산란되고, 상기 아웃-커플링 영역을 향하는 상기 사출 동공 확장기를 나오기 전에, 전형적으로 상기 제1 회절 구역과 상이한 적어도 하나의 회절 구역에 의해 다시 회절하도록 구성된,
    소자.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비-회절 구역이 회절 구역으로 대체된 상황과 비교하여, 상기 사출 동공 확장기 영역의 상기 비-회절 구역이, 상기 디스플레이 소자의 밝기, 균일성 또는 색균형을 증가시키기 위해 소자 내에 제공되는,
    소자.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사출 동공 확장기 영역은 상기 아웃-커플링 영역의 폭과 적어도 같은 폭을 갖는,
    소자.
  12. 개인 디스플레이 장치로서,
    청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 회절 디스플레이 소자를 포함하는, 헤드-마운트 디스플레이(HMD) 또는 헤드-업 디스플레이(HUD)와 같은,
    개인 디스플레이 장치.
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