KR20210031705A - 편광 내부 반사기를 사용하는 광 가이드 광학 요소 - Google Patents

편광 내부 반사기를 사용하는 광 가이드 광학 요소 Download PDF

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Abstract

광-가이드 광학 요소(LOE)는 내부 전반사(TIR)에 의해 기판 내에서 광을 안내하기 위한 두 개의 평행한 주 외부 표면을 갖는 투명 기판을 포함한다. LOE 내의 서로 평행한 내부 표면에는 1차 편광 투과 축에 평행하게 편광된 광에 투명하고 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 부분적으로 또는 전체적으로 반사되는 구조용 편광판이 제공된다. TIR의 편광 혼합 특성 및/또는 복굴절 재료의 사용과 함께 연속적인 내부 표면의 편광 축의 적합한 방위에 의해서, 각각의 연속적인 면으로부터 이미지 조명의 원하는 커플링-아웃 비율을 달성하는 것이 가능하다.

Description

편광 내부 반사기를 사용하는 광 가이드 광학 요소
본 발명은 디스플레이 시스템에 관한 것이며, 특히 디스플레이에 사용하는데 적합한 광 가이드 광학 요소에 관한 것이다.
가상 현실 및 증강 현실 애플리케이션을 위한 근안 디스플레이(near-eye display)와 같은 헤드-업 디스플레이(head-up display)에 특히 적합한 특정 디스플레이 기술은 일련의 내부 경사가 있는 상호 병렬 부분 반사 평면(또는 "면(facet)")을 갖는, "도파관(waveguide)"으로도 지칭되는 광 가이드 광학 요소를 사용한다. 이미지 프로젝터는 도파관에 광학적으로 커플링되고 시준된 이미지에 대응하는 광을 도파관으로 주입하여 내부 반사에 의해 도파관을 따라 전파하고 일련의 면에서 반사에 의해 관찰자의 눈을 향한 도파관의 점진적인 커플링-아웃에 의해서, 프로젝터의 출력 조리개에 비해서 눈 반대쪽의 광학 조리개의 유효 조리개를 확장한다.
면의 반사율은 편광과 각도에 민감하다. 유전체 코팅은 전형적으로, 원하는 반사 패턴을 발생하는데 사용된다.
광이 도파관 내에서 전파됨에 따라서 광은 외부 면에 의해서 내부 전반사(TIR)의 각도로 반사된다. 이러한 유형의 반사는 S 편광과 P 편광 사이에 위상 변화를 발생시킨다. 결과적으로, S 또는 P 편광에서 전파되는 광은 그의 편광을 유지하는 반면에, S 및 P 편광의 구성요소를 가진 조합된 편광(대각선 또는 타원형)은 방위를 변경할 것이다.
본 발명은 광-가이드 광학 요소이다.
본 발명의 실시예의 교시에 따르면, (a) 외부 표면에서 내부 반사에 의해 기판 내에서 광을 안내하기 위한 적어도 2 개의 평행한 주 외부 표면을 갖는 투명 기판; 및 (b) 주 외부 표면에 평행하지 않은 기판 내에 전개된 복수의 서로 평행한 내부 표면을 포함하는 광-가이드 광학 요소가 제공되며, 내부 표면 각각의 적어도 일부는 1차 편광 투과 축을 갖는 구조용 편광판을 포함하며, 구조용 편광판은 1차 편광 투과 축에 평행하게 편광된 광에 실질적으로 투명하고 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 적어도 부분적으로 반사된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 1차 편광 투과 축은 내부 표면 중 앞선 하나에 대해 각각의 연속적인 내부 표면에 대해 회전된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 구조용 편광판의 1차 편광 투과 축은 내부 표면들 중 제 1 내부 표면과 내부 표면들 중 후속 표면 사이에서 제 1 방향으로 회전되고, 내부 표면들 중 후속 표면과 내부 표면들 중 더 후속 표면 사이에서 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 회전된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 구조용 편광판의 1차 편광 투과 축은 내부 표면들 중 제 1 내부 표면과 내부 표면들 중 후속 표면 사이에서 제 1 각도를 통해 회전되고, 내부 표면들 중 후속 표면과 내부 표면들 중 더 후속 표면 사이에서 제 1 각도보다 더 큰 제 2 각도를 통해 회전된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 구조용 편광판은 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 대해 실질적으로 완전하게 반사된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 기판의 적어도 일부는 복굴절을 나타내는 재료로 형성된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 1차 편광 투과 축은 복수의 내부 표면의 적어도 2 개의 연속적인 내부 표면에 대해 평행하다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 기판은 주 외부 표면들 사이에서 측정된 두께를 가지며, 구조용 편광판은 전체 두께보다 적게 가로질러 연장한다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 구조용 편광판은 두께의 절반 미만에 걸쳐있다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 구조용 편광판은 주 외부 표면 중 하나로 연장하지 않는다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 주 외부 표면에 평행하지 않은 기판 내에 전개된 추가의 서로 평행한 내부 표면 세트가 또한 제공되며, 추가의 내부 표면 세트의 각각의 표면의 적어도 일부는 다층 부분 반사 유전체 코팅을 포함한다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 추가의 내부 표면 세트는 복수의 내부 표면과 평행하다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 추가의 내부 표면 세트는 복수의 내부 표면과 서로 끼워진다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 추가의 내부 표면 세트의 표면은 복수의 내부 표면의 표면과 동일 평면 상에 있다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 기판의 두께는 제 1 층 및 제 2 층으로 세분되며, 복수의 내부 표면은 제 1 층 내에 위치되고 추가의 내부 표면 세트는 제 2 층 내에 위치된다.
본 발명의 실시예의 교시에 따르면, (a) 전술한 광-가이드 광학 요소; 및 (b) 시준된 이미지를 발생하는 이미지 프로젝터를 포함하는 관찰자의 눈에 이미지를 제공하기 위한 디스플레이가 또한 제공되며, 이미지 프로젝터는 광-가이드 광학 요소에 광학적으로 커플링되어서 시준된 이미지를 광-가이드 광학 요소 내로 도입하여 광-가이드 광학 요소 내에서 내부 반사에 의해 전파되며, 복수의 내부 표면은 관찰자의 눈을 향해 시준된 이미지의 일부를 커플링-아웃하도록 지향된다.
본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 관찰자로부터 더 멀리 있는 기판의 측면에 전개된 흡수 편광판이 또한 제공되며, 흡수 편광판은 구조용 편광판의 1차 편광 투과 축의 평균 방향과 정렬된 편광 축을 가진다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 단지 예로서 설명된다.
도 1은 일련의 구조용 편광판 내부 면을 통과하는 광선에서 편광의 진행을 예시하는, 본 발명의 양태의 교시에 따라 구성되고 작동되는 디스플레이 시스템에 사용되는 광 가이드 광학 요소(LOE)의 개략도이며,
도 2는 LOE 시작 시 편광 조절 내부 면의 추가를 도시하는, 도 1과 유사한 개략도이며,
도 3은 S-편광 커플링-인(coupled-in) 이미지의 주입 경우를 예시하는, 도 1과 유사한 개략도이며,
도 4는 LOE를 따라 통과하는 광의 편광을 추가로 안정화하기 위한 축상 구조용 편광판의 추가를 예시하는, 도 1과 유사한 개략도이며,
도 5a는 관찰자가 실세계 물체를 관찰하여 고스트 이미지(ghost image)의 위험을 제시할 수 있는 2차 광선 경로를 예시하는 개략적인 측면도이다.
도 5b는 본 발명의 양태에 따른 도 5a의 2차 광선 경로를 감쇠시키기 위한 외부 편광판의 사용을 예시하는 도 5a와 유사한 도면이며,
도 6은 중첩 면을 사용하는 본 발명의 양태에 따른 LOE를 예시하는 개략적인 측면도이며,
도 7a는 상대적으로 얕은 각도의 면 및 더 높은 각도의 광선이 단일 면을 한 번 초과 통과하는 광선 경로로 이어질 수 있는 본 발명의 교시에 따른 LOE의 구현을 예시하는 개략적인 측면도이며,
도 7b 및 도 7c는 LOE의 주 표면으로부터 이격된 LOE의 층 내의 구조용 편광판 반사 표면의 국소화를 예시하는 도 7a와 유사한 2 개의 도면이며,
도 8a 및 도 8b는 각각, 인터리브(interleaved) 구성 및 동일 평면 구성에서, 단일 LOE 내에 다층 유전체 코팅 부분 반사 내부 표면을 갖는 구조용 편광판 내부 표면을 통합하는 본 발명의 추가 양태의 교시에 따른 LOE의 개략적인 측면도이며,
도 9는 동일한 방위를 갖는 일련의 구조용 편광판 내부 면을 통해 복굴절 도파관을 따라 통과하는 광선의 편광 진행을 예시하는 도 1과 유사한 개략도이다.
본 발명은 광 가이드 광학 요소(LOE) 및 그러한 LOE를 사용하는 대응 디스플레이 시스템이다.
본 발명에 따른 LOE의 원리 및 작동은 도면 및 첨부된 설명을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다.
도면을 다루기 전에, 일반적으로, 본 발명의 양태에 따른 광 가이드 광학 요소는 외부 표면에서의 내부 반사에 의해 기판 내에서 광을 안내하기 위한 적어도 2 개의 평행한 주 외부 표면을 갖는 투명 기판을 포함한다. 기판 내에 전개된 것은 복수의 서로 평행한 내부 표면이며, 이는 주 외부 표면과 평행하지 않다. 각각의 내부 표면의 적어도 일부에는 1차 편광 투과 축을 갖는 구조용 편광판이 제공된다. 구조용 편광판은 1차 편광 투과 축에 평행하게 편광된 광에 대해 실질적으로 투명하고(90 % 초과 투과), 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 대해 적어도 부분적으로 반사한다. TIR의 편광 혼합 특성 및/또는 복굴절 재료의 사용과 함께 연속적인 내부 표면의 편광 축의 적합한 방위에 의해서, 각각의 연속적인 면으로부터 이미지 조명의 원하는 커플링-아웃(coupling-out) 비율을 달성할 수 있다.
본 발명의 특정 바람직한 실시예는 하나의 입사 편광을 투과시키고 반사기의 고유 축 방위에 따라서 직교 편광을 반사하는 방위 감지 편광 반사기(또는 "구조용 편광판(structural polarizer)")을 사용한다. 그러한 구조용 편광판의 예는 와이어의 방위가 반사된 편광을 결정하는 와이어-그리드 필름(wire-grid film)(예를 들어, 미국 유타주의 Moxtek Inc.로부터 상업적으로 이용 가능함)을 포함한다. 구조용 편광판의 다른 예는 미국 미네소타주의 3M Company로부터 상업적으로 이용 가능한 복굴절 유전체 코팅 또는 필름이다. 본 발명의 "구조용 편광판" 용어는 이들 예에 제한되지 않고, 일반적으로 제 1 축에 평행한 그의 전기장 벡터에 입사되는 평면 편광이 1차적으로/대부분 반사되고 제 1 축에 수직인 그의 전기장 벡터에 입사되는 평면 편광이 1차적으로/대부분 투과되도록 이방성 광학 특성을 갖는 임의의 그리고 모든 편광 선택 요소를 지칭한다. 더 바람직하게, 투과된 편광은 90% 초과의 투과율("실질적으로 투명한"으로 지칭됨), 가장 바람직하게 95% 초과의 투과율을 나타낸다. 반대로, 특정 구현예에서 반사된 편광은 "실질적으로 완전한 반사"(90% 초과의 반사를 나타냄), 가장 바람직하게 95% 초과의 반사이다. 특정한 바람직한 경우에, 2 개의 편광 축들 사이의 분리는 실질적으로 완전하며, 투과된 편광의 1% 미만이 반사되고 반사된 편광의 1% 미만이 투과된다. 혼합 편광 또는 기본 축에 대해 중간 각도에서 편광 평면에 대한 평면 편광 빔은 제 1 축에 평행하고 수직인 구성요소로 분해되며 대응하는 축에 대한 각도의 코사인에 대응하는 비율로 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과된다.
대안적인 세트의 구현예에서, 구조용 편광판의 반사율은 예를 들어, 와이어-그리드의 전도율, 유전체 코팅 매개변수를 변경하거나 충돌 광 편광에 대한 그의 축의 회전에 의해서 수정될 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 조정된 와이어-그리드 편광판은 P 편광을 계속 투과할 수 있지만, 예를 들어, 80% 또는 50%와 같은 선택된 값으로 감소된 S 편광에 대한 감소된 반사율을 가지며, 나머지 S 편광은 투과된다. 이는 시스템 설계에 대한 추가의 자유도를 부가한다. 예를 들어, 일부 또는 모든 면에 대해 동일한 방위를 갖는 것이 가능하고 면으로부터 면으로 연속적으로 증가하는 반사율을 사용하여 커플링-아웃된 S 편광의 비율을 조정할 수 있다.
본 발명의 양태에 따르면, 구조용 편광판은 그의 축이 도파관의 축과 상이한, 즉 기판의 주 표면에 대해 평행하지 않고 수직이 아닌 면의 반사 기구로서 사용된다. 면에서 구조용 편광판의 구현은 필름을 적용하거나 직접적인 코팅에 의해 구현된다. 일련의 면은 바람직하게, 그들의 계면에서 적합한 필름 또는 코팅과 함께 접합된 플레이트 스택을 형성한 다음, 내부 면을 형성하기 위해 적절한 각도로 스택을 절단하고 연마함으로써 구성되며, 선택적으로 추가의 대향 층 및/또는 다른 층은 (아래에서 예시되는 바와 같이)내부 표면과의 사이에 그 층들을 개재시킨다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 구성을 설명한다. 도파관(4)은 면(6, 8 및 10)(명료함을 위해 3 개만 도시됨)을 가진다. 편광된 광선(12)은 도파관에 주입되고 TIR에 의해 도파관에 반사되면서 전파된다. 광선이 면(원형 점으로 표시됨)을 통과할 때, 광의 일부가 반사되어 기판에 커플링-아웃된다(여기서는 면(6)으로부터 광선(14), 면(8)으로부터 광선(15) 및 면(10)으로부터 광선(16)으로 예시됨). 광선(12) 및 결과적으로 커플링-아웃 광선(14 내지 16)은 이미지의 각각의 픽셀에 대해 상이한 각도의 광선을 포함하는 시준된 이미지의 단일 광선을 나타내지만, 동일한 원리가 각각에 적용된다.
편광 체계(18A 내지 18D)는 전파하는 광선으로부터 관찰된 광의 편광 방위를 도시한다. 18a는 S가 도파관에 수평인 편광인(이러한 예에서 에너지를 갖지 않음) 반사 도파관 면에 수직인 주입된 광선(P) 편광을 도시한다. 하나의 편광만(18A에 양방향 화살표로 표시된 P)이 빠져나가기 때문에, 이러한 편광은 도파관(4)에서 TIR 전파 중에 유지된다. 편광 체계(18B)는 면(6)에 충돌할 때 광선의 P 편광을 도시하며(양방향 화살표) 파선은 전파 방향을 따라 볼 때 면(6)상의 축에 반사되는 구조용 편광판을 개략적으로 나타낸다. 면(6)의 반사 축이 광선(P)의 편광에 수직이면, 광선(14)으로 반사되는 광은 없지만 반사 축(18B의 점선)은 의도적으로 약간 기울어진다(회전된다). 기울어진 각도는 기울어진 각도의 사인에 대략 비례하게, 도면 부호 14로서 도파관에서 커플링 아웃된 광의 양을 결정한다.
대부분의 광 에너지는 도파관 내에서 TIR로 계속 전파된다. 그러나 나머지 광 편광이 도파관 면에 수직으로 약간 벗어났기 때문에, 모든 TIR에 대해 수직으로부터 더 많이 벗어날 것이다. 이러한 편차는 18C에서 타원으로 표시된다. 여기서, 전파하는 광은 면(8)에 충돌할 때 기판 축에 대해 직각으로부터 벗어난다. 직각으로부터의 드리프트(drift)를 최소화하기 위해서, 어떤 경우에는 다음 면(8)의 구조용 편광판 축을 18B에 대한 18C에서 점선으로 표시된 바와 같이 면(6)에 대한 원래 편광으로부터 반대 방향으로 기울이는 것이 바람직하다. 광선(15)은 1차 편광 투과 축에 수직인 구조용 편광판 반사 축(점선)에 평행한 충돌 광(타원)의 편광 구성요소에 의해 지시된 세기로 발생된다. 다른 경우에, 인접한 면 편광 축 사이의 회전이 동일한 방향으로 점진적으로 진행되면 이미지 균일성에 대한 장점이 있을 수 있다.
편광 체계(18C)에 설명된 동일한 공정이 면(10)에서 반복되고 체계(18D)로 설명된다.
구조용 편광판의 주기적인 비틀림은 전파하는 광선의 편광 드리프트를 제한하고 결과적으로 도파관을 따라 균일한 광 추출을 가능하게 하고 관찰자를 향한 광 에너지의 더욱 효율적인 추출을 가능하게 한다.
광(12)이 도파관 내에서 전파됨에 따라서, 그의 에너지는 감소한다. 따라서, 조명 균일성은 광 주입 지점에서 더욱 멀리 떨어진 면의 아웃-커플링을 증가시킴으로써 개선된다. 이는 도 1에서 도시된 바와 같이 면으로부터 면으로 구조용 편광판 비틀림 각도를 증가시킴으로써 달성된다. 구조용 편광판(점선)의 비틀림은면(6)(18B)으로부터 면(8)(18C), 면(10)(18D)으로 증가한다. 각각의 연속적인 면에서 아웃-커플링의 비율을 조정하기 위해서 이전 면에 대한 구조용 편광판의 회전을 사용하면 제조에 특히 간단한 구조를 제공하는데, 이는 각각의 면에서 사용되는 구조용 구성요소가 기본적으로 동일하여 각각의 연속 계면에서 고유한 계층 구조의 제작을 요구하지 않기 때문이다.
특정 구현예에서, 도파관의 재료는 유리하게 균일하고 등방성일 수 있으므로 복굴절이 존재하지 않고 더 적은 편광 편차가 광선에 도입된다. 그러나 몇몇 경우에, 플라스틱 도파관을 형성하는 것이 바람직할 수 있으며, 이러한 경우에 일부 복굴절이 존재한다. 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 이들 편차가 필터링되는데, 이는 모든 면이 (TIR 또는 다른 것에 의해서)벗어난 에너지를 아웃-커플링하여 투과된 광을 구조용 편광판의 축에 따라 평면 편광 구성으로 강제하기 때문이다. 도 2에서, 도파관(24)의 것과 평행한 구조용 편광판 축을 갖는 추가 면(20)이 도입된다. 결과적으로, 재료 복굴절 또는 부정확한 입력 커플링(도면 부호 24에서 타원 편광으로 표시됨)에 의해 도입된 모든 편차가 커플링-아웃되어 편광 방위의 추가 열화가 억제될 것이다. 이는 면(6)이 도 1에서 설명된 대로 공칭 편광을 수용한다.
이러한 추가 편광 면은 임의의 각도(이탈된 광을 관찰자에게 반사할 필요는 없음)일 수 있으며 반사 면이 임의의 구조용 편광판 없이 유전체인 시스템에 통합될 수 있다.
도 3은 도 1과 동일한 구성을 도시하지만 S 편광을 주입하고 구조용 편광판 반사 축의 적절한 회전을 사용한다.
편광 방위의 추가 안정화는 도 4에 도시된 대로 연속적인 면 사이의 구조용 편광판 상대 방위의 점진적인 회전에 의해 달성될 수 있다. 광은 수직 편광(여기서는 P 편광이라고 가정됨)에서 주입되고 기울어진 구조용 편광판 축(30B)(18B와 동일)을 갖는 제 1면에 충돌한다. 이제 광의 편광이 표류되고 다음 면은 구조용 편광판 수직 축(30C)을 가진다. 결과적으로, 축외 광은 커플링-아웃되고 투과된 광은 다음 면(30D)(양방향 화살표)에 충돌함에 따라서 다시 P 편광된다. 30D에서, 구조용 편광판이 다시 한 번 기울어진다(30B보다 큰 각도가 바람직하고 어느 방향 으로도 있을 수 있다). 이러한 공정은 30E와 30F에서 반복된다. 기판의 축에 평행한 편광으로 간헐적으로 복귀함으로써 편광이 안정화되고 직교 편광 면과 후속 면 사이에서 일정하게 유지된다.
제조를 단순화하는 일정한 각도 비틀림을 유지하는 것을 포함한 다른 구조용 편광판 축 비틀림 프로파일도 가능하다. 충분한 복굴절이 존재하는 경우에, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 동일한 방위(제로 회전)를 가진 일련의 편광판 면을 사용하고 연속적인 면 사이의 복굴절로 인한 편광 혼합에 의존하는 것이 가능할 수 있다.
구조용 편광판은 도 5a에 설명된 대로, 몇몇 경우에 문제되는 효과를 유발할 수 있는 주변 광도 반사한다. 도파관(4)은 주입된 광(12)을 안내하고 면은 이전에 설명된 대로 광을 관찰자(32)의 눈에 전달한다. 풍경(34)으로부터의 광원은 구조용 편광판에 의해 두 개의 편광으로 분할될 편광되지 않은 광(36)으로 도파관을 조명하며 하나는 광선(38)으로 직접 투과되고 하나는 광선(40)으로 투과되기 전에 반사되는 수직 구성요소이다.
두 개의 투과된 광선(38 및 40)이 평행하지만, 물체(34)가 가까이 있을 경우 이는 관찰자에게 방해가 될 수 있다. 도 5b는 외부 "세계"에 대한 LOE의 외부 표면에 평행하게 전개된 편광판(42)을 도입함으로써 본 발명의 실시예에 따른 이러한 문제를 해결하기 위한 접근 방식을 예시한다. 편광판의 투과 방향은 구조용 편광판 투과 축의 평균 방위와 평행하여, 반사된 편광 광선(40)이 실질적으로 감쇠된다. 연속적인 면 사이의 구조용 편광판 축의 회전이 점진적으로 동일한 방향으로 되는 경우에, 외부 편광판(42)의 축은 바람직하게, 광-가이드의 외부 장축에 투영 된 면의 축의 평균에 따라서 지향되도록 선택됨으로써, 면 축과 외부 편광판 축 사이의 오정렬을 최소화한다.
도 6은 이미지 균일성이 증가된 본 발명의 실시예에 따른 구성을 예시한다. 면(예를 들어, 45, 46 및 47)은 중첩되어 이들 면에 의해 반사된 광의 일부는 반사되기 전에 인접한 면에서 반사될 것이다.
광선(12)은 미리 정해진 편광(점선으로 표시됨)을 갖는 도파관(4) 내에서 전파된다. 면(45)에 충돌할 때, 수직 편광 구성요소(실선으로 표시됨)는 광선(48)으로서 외측으로 직접 반사된다. 광선(12)이 계속 전파됨에 따라서, 광선은 면(46)에 충돌한다. 이러한 면으로부터의 반사는 인접한 면(45)에 충돌한 다음 도면 부호 50으로서 커플링-아웃되기 전에 도면 부호 46으로 한 번 더 반사된다. 동일한 공정이 광선(51)을 발생한다.
이들 다중 반사는 기판의 커플링-아웃을 위해 이미 한 번 편향된 광선에서 발생한다는 점에 유의해야 한다. 이들 광선은 광 가이드를 따라 전파되는 전체 광 에너지의 단지 작은 비율이지만, 주로 횡 방향 편광을 가지므로 다중 반사를 겪도록 효율적으로 반사된다. 이는 전파되는 이미지를 왜곡시킬 수 있는 전파 광선(12)을 방해하지 않고 이미지의 균일성을 향상시키기 위해 "혼합" 효과를 최대화한다.
도 7a는 도파관 축에 대한 면의 각도가 광선의 각도보다 더 얕은 경우에 도파관(4) 내의 광선(12)의 전파를 도시한다. 이는 광선이 반대 각도(60)에서 면을 통과하고 양의 각도(62)에서 동일한 면을 통과할 수 있는 기하학적 구조를 초래한다. 동일한 공정이 도면 부호 64와 66에 존재한다. 동일한 면을 두 번 통과하는 것은 전파 조명에서 불균일성의 원인이 될 수 있다. 또한, 구조용 편광판의 투과율이 (예를 들어, 흡수 손실로 인해)높지 않은 경우, 면을 통한 다중 전환으로 인해 광 출력이 저하된다. 도 7b는 면이 도파관 폭을 가로질러 연장되지 않는 수정된 구성을 도시한다. 결과적으로, 면 이중 통과의 경우가 실질적으로 감소되고 면(및 따라서 구조용 편광판)을 통한 통과가 감소되어 더욱 균일한 조명과 더 적은 감쇠를 초래한다.
도 7c는 투과율을 더욱 개선하고 균일성을 개선하기 위해 면이 있는 좁은 섹션을 도시한다. 하나의 비-제한적인 예로서, 면은 주 평행 표면 사이의 광 가이드의 전체 두께의 절반 미만, 일부 경우에 1/3 미만, 그리고 여기에 표시된 예에서 1/4 미만에 걸쳐 있을 수 있다. 이러한 경우에, 면 사이의 간격은 바람직하게 작으므로 관찰자에 대한 불균일성의 가시성을 더욱 감소시킨다. 예를 들어, 근안 디스플레이의 맥락에서, 광 가이드의 주 표면에 평행한 전파 방향을 따라 측정된 인접 면 사이의 거리는 2 mm 이하일 수 있으며, 특정한 특히 바람직한 경우에는 1 mm 이하일 수 있다.
도 7b 및 도 7c의 바람직하지만 비-제한적인 예에서, 면은 기판의 주 표면으로 연장하지 않고 오히려, 중간층에 포함된다. 도 7b 및 도 7c에 설명된 마진(margine)은 도 7a에 설명된 구성의 측면(또는 양면)에 투명 뱅크(bank)를 부착함으로써 발생될 수 있다.
부분 반사 유전체 코팅이 있는 면과 구조용 편광판의 조합을 사용하는 하이브리드 면 시스템은 몇몇 경우에서 두 기술의 장점을 조합하여 균일성, 에너지 추출 및 투과율을 개선시킬 수 있다. 도 8a에서, 도파관(60)은 구조용 편광판 면(62)(단일 라인으로 지정됨) 및 유전체 면(64)(이중 라인으로 지정됨)을 통합한다. 빔(12)이 도파관 내에서 전파됨에 따라서, 양면은 모두 관찰자를 향해 광을 반사한다.
도 8b는 유전체 면이 섹션(68)에 있고 구조용 편광판 면이 섹션(70)에 있는 경우에 제조되는 것이 간단한 구성을 도시한다. 두 가지 유형의 면은 서로 평행할 수 있거나 예시된 바와 같이 동일 평면에 있을 수 있다. 대안적인 세트의 구현예에서, 제 2 세트의 (유전체)면은 예를 들어, PCT 출원 번호 PCT/IL2018/050701 호(이 출원에 대한 종래 기술을 구성하지 않음)의 교시에 따라서 2차원 개구 확장을 달성하기 위해서 구조용 편광판 면과 상이하게 지향될 수 있다.
이러한 하이브리드 구성을 사용하여 다양한 구조와 구현예가 구현될 수 있다.
1) 구조용 편광판 면과 유전체 부분 반사기 면은 모두 S 편광을 반사한다.
2) 유전체 면은 S 편광을 반사하고 구조용 편광판은 P 편광을 반사하도록 지향된다.
3) 유전체 부분 반사 면은 LOE를 따라 동일할 수 있지만(일정한 반사율을 갖지만), 구조용 편광판 축 각도의 변화는 LOE에 걸쳐 전체 커플링-아웃 비율에 필요한 변화를 제공하는데 사용된다. 이는 LOE의 제조 비용을 크게 감소시킨다.
4) 구조용 편광판이 편광 안정제로서 역할을 하는 광 가이드(제어되지 않은 복굴절)의 주 재료로서 플라스틱을 사용한다.
5) 최소 다중 경로를 갖는 중첩 면: 도파관을 따라서 구조용 편광판과 유전체 코팅 면을 교대함으로써, 면의 근접 중첩이 LOE를 나가기 전에 인접한 구조용 편광판 면과 만나는 커플링-아웃된 광선의 경우를 최소화할 수 있다.
구조용 편광판 면 구성은 1D 도파관으로 구현될 수 있다. 즉, 광이 한 쌍의 평행한 주 표면에 의해 1차원으로 안내되거나, 2D 도파관에서 즉, 광이 4중 내부 반사에 의해 두 쌍의 직교 표면에 의해 안내된다.
위에서 언급된 바와 같이, 도파관 매체 자체는 복굴절을 도입하여 입사 편광을 회전시키도록 설계될 수 있다. 도 9는 그러한 구성을 개략적으로 도시한다. 도파관(204)은 예를 들어, 제조 중에 가해진 응력에 의해 또는 복굴절 필름을 그의 평면에 부착함으로써 복굴절이 된다. 이러한 예에서, 도파관의 복굴절 축은 점선으로 도시된다. 광은 218A에 도시된 바와 같이, 이러한 축으로부터 약간의 오프셋에서 도파관으로 주입된다. 전파됨에 따라서, 도파관 복굴절 및 TIR은 218B에 도시된 바와 같이 편광을 타원형으로 회전시킨다. 편광 회전의 양은 TIR 예상 회전에 대한 도파관 복굴절의 양에 의해 관리될 수 있다. 구조용 편광판 반사기(206)는 점선으로 도시된 바와 같이 기울어진 편광 반사 축 방위를 가진다. 결과적으로, 투과 후, 편광은 광선(214)으로서 직교 편광의 커플링-아웃 후에 219B에 도시된 바와 같다.
이러한 경우에, 도파관의 일부 또는 전부를 따라 동일한 편광축 각도(방위)로 설정되는 구조용 편광판으로 작동하는 것이 가능하므로 구조용 편광판(208 및 210)에 대해 위의 공정이 반복된다.
LOE 구조만이 대부분의 도면에 예시되지만, LOE는 전형적으로 헤드-업 디스플레이인 디스플레이의 일부로서 사용하기 위한 것이며, 이는 바람직하게, 관찰자의 눈에 이미지를 제공하기 위한 헤드-장착형 디스플레이 또는 안경-프레임 지원 디스플레이와 같은 근안 디스플레이다. 그러한 모든 경우에, 디스플레이는 바람직하게, 시준된 이미지를 발생하는 이미지 프로젝터를 포함하며, 이는 시준된 이미지를 광-가이드 광학 요소 내로 도입하여 광-가이드 광학 요소 내에서 내부 반사에 의해 전파되도록 LOE에 광학적으로 커플링되고, 관찰자의 눈을 향해 이미지를 지향시키기 위해서 내부 선택적인 반사 표면에 의해 점진적으로 커플링-아웃된다.
예를 들어, 조명원, LCOS 칩과 같은 공간 광 변조기 및 시준 광학기기를 사용하는 적합한 이미지 프로젝터(또는 "POD")의 예, 전형적으로 하나 이상의 PBS 큐브 또는 다른 프리즘 배열체의 표면에 배열된 모든 것은 당업계에 주지되어 있다. 유사하게, 커플링-인 반사기의 사용 또는 적절하게 각진 커플링 프리즘에 의한 것과 같이 이미지를 LOE에 커플링하기 위한 적합한 커플링-인 구성은 당업계에 주지되어 있다. 표시의 간결함을 위해서, 프로젝터는 물론 커플링-인 구성도 본 명세서에서 추가로 설명되지 않을 것이다.
위의 설명은 단지 예로서의 역할을 하기 위한 것이며, 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 많은 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 광-가이드 광학 요소로서,
    (a) 외부 표면에서 내부 반사에 의해 기판 내에서 광을 안내하기 위한 적어도 2 개의 평행한 주 외부 표면을 갖는 투명 기판; 및
    (b) 상기 주 외부 표면에 평행하지 않은 상기 기판 내에 전개된 복수의 서로 평행한 내부 표면을 포함하며, 상기 내부 표면 각각의 적어도 일부는 1차 편광 투과 축을 갖는 구조용 편광판을 포함하며, 상기 구조용 편광판은 상기 1차 편광 투과 축에 평행하게 편광된 광에 실질적으로 투명하고 상기 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 적어도 부분적으로 반사되는,
    광-가이드 광학 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 편광 투과 축은 상기 내부 표면 중 앞선 하나에 대해 각각의 연속적인 내부 표면에 대해 회전되는,
    광-가이드 광학 요소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조용 편광판의 상기 1차 편광 투과 축은 상기 내부 표면들 중 제 1 내부 표면과 상기 내부 표면들 중 후속 표면 사이에서 제 1 방향으로 회전되고, 상기 내부 표면들 중 상기 후속 표면과 상기 내부 표면들 중 더 후속 표면 사이에서 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 회전되는,
    광-가이드 광학 요소.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조용 편광판의 상기 1차 편광 투과 축은 상기 내부 표면들 중 제 1 내부 표면과 상기 내부 표면들 중 후속 표면 사이에서 제 1 각도를 통해 회전되고, 상기 내부 표면들 중 상기 후속 표면과 상기 내부 표면들 중 더 후속 표면 사이에서 상기 제 1 각도보다 더 큰 제 2 각도를 통해 회전되는,
    광-가이드 광학 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조용 편광판은 상기 1차 편광 투과 축에 수직으로 편광된 광에 대해 실질적으로 완전하게 반사되는,
    광-가이드 광학 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 적어도 일부는 복굴절을 나타내는 재료로 형성되는,
    광-가이드 광학 요소.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 편광 투과 축은 상기 복수의 상기 내부 표면의 적어도 2 개의 연속적인 내부 표면에 대해 평행한,
    광-가이드 광학 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 주 외부 표면들 사이에서 측정된 두께를 가지며, 상기 구조용 편광판은 상기 전체 두께보다 적게 가로질러 연장하는,
    광-가이드 광학 요소.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 구조용 편광판은 상기 두께의 절반 미만에 걸쳐있는,
    광-가이드 광학 요소.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 구조용 편광판은 상기 주 외부 표면 중 하나로 연장하지 않는,
    광-가이드 광학 요소.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 외부 표면에 평행하지 않은 상기 기판 내에 전개된 추가의 서로 평행한 내부 표면 세트를 더 포함하며, 상기 추가의 내부 표면 세트의 각각의 표면의 적어도 일부는 다층 부분 반사 유전체 코팅을 포함하는,
    광-가이드 광학 요소.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추가의 내부 표면 세트는 상기 복수의 내부 표면과 평행한,
    광-가이드 광학 요소.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 추가의 내부 표면 세트는 상기 복수의 내부 표면과 서로 끼워지는,
    광-가이드 광학 요소.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 추가의 내부 표면 세트의 표면은 상기 복수의 내부 표면의 표면과 동일 평면 상에 있는,
    광-가이드 광학 요소.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 제 1 층 및 제 2 층으로 세분되며, 상기 복수의 내부 표면은 상기 제 1 층 내에 위치되고 상기 추가의 내부 표면 세트는 상기 제 2 층 내에 위치되는,
    광-가이드 광학 요소.
  16. 관찰자의 눈에 이미지를 제공하기 위한 디스플레이로서,
    (a) 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 광-가이드 광학 요소; 및
    (b) 시준된 이미지를 발생하는 이미지 프로젝터를 포함하며, 상기 이미지 프로젝터는 상기 광-가이드 광학 요소에 광학적으로 커플링되어서 시준된 이미지를 광-가이드 광학 요소 내로 도입하여 광-가이드 광학 요소 내에서 내부 반사에 의해 전파되며,
    상기 복수의 내부 표면은 관찰자의 눈을 향해 시준된 이미지의 일부를 커플링-아웃하도록 지향되는,
    관찰자의 눈에 이미지를 제공하기 위한 디스플레이.
  17. 제 16 항에 있어서,
    관찰자로부터 더 멀리 있는 상기 기판의 측면에 전개된 흡수 편광판을 더 포함하며, 상기 흡수 편광판은 상기 구조용 편광판의 상기 1차 편광 투과 축의 평균 방향과 정렬된 편광 축을 가지는,
    관찰자의 눈에 이미지를 제공하기 위한 디스플레이.
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