KR20210065131A - 증강 현실 시스템을 위한 시스루 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

시스루(see-through) 디스플레이용 광학 시스템은 이미지를 구성하는 광을 수신하도록 설정된 메타 표면층들의 스택; 그리고 상기 스택에 연결된 도파관을 포함한다. 상기 메타표면층들의 스택에서 각 층은 상이한 스펙트럼 대역에서 광학 필드에 공진 응답을 제공하고, 상기 공진 응답을 도파관과 연결하도록 설정된다. 상기 도파관은 사용자의 눈의 방향으로 상기 상이한 스펙트럼 대역을 전파하도록 설정된다.

Description

증강 현실 시스템을 위한 시스루 디스플레이
본 발명의 일부 실시예는 시스루(see-through) 디스플레이에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 이로 제한되는 것은 아니지만, 근안 바이저(near-eye visor)에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 근안 바이저는 증강 현실 시스템의 디스플레이 역할을 한다.
증강 현실 시스템용 근안 바이저는 일반적으로 가시광선을 투과하다. 근안용 바이저의 폼 팩터(form factor)는 적어도 소비자 전자 애플리케이션을 위한 증강 현실 시스템의 광범위한 수용을 촉진하는 파라미터이다. 일부 벌크 광학 장치, 예를 들어 프리폼(free-form) 광학 장치를 보다 콤팩트하고 가벼운 소자로 대체하고자 하는 시도가 있었다. 예시적인 소자는 전송 또는 반사 모드에서 도파관(WG) 안팎으로 광을 연결(couple)하도록 설계된 회절 광학 소자(DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)이다. 그러나, DOE 및 (HOE)의 색수차(chromatic aberrations)가 커서, 가시광의 광대역 스펙트럼에 적합하지 않다. 한 가지 솔루션은 각 WG층이 서로 다른 파장을 지원하는 여러 층의 WG들을 사용하는 것이다.
또 다른 파라미터는 사용자의 눈이 광선을 받아들이는 각도로 정의되는, AFOV(angular field-of view)이다. 공지의 시스템은 인간 FOV의 절반 미만의 FOV를 제공하므로 사용자에게 몰입형 경험을 제공하지 못한다.
광학 메타표면(MS)은 나노 미터 규모로 인위적으로 설계된 표면으로, 광학 응답을 제어할 수 있다. MS는 유전체 또는 금속 빌딩 블록의 조밀한 배열로 구성되며 MS의 광학적 특성은 일반적으로 단일 빌딩 블록 응답에 의해 결정된다. 이러한 표면은 매우 얇고(수십 나노 미터), 상대적으로 제작이 쉬우며 광학적 제어가 가능하다.
국제 특허 공개 WO2018/142339, "Multilayer Optical Element For Controlling Light"는 그 내용이 본원에 참조로 포함되며, 광축을 따라 배열된 복수의 층들을 포함하는 다층 광학 소자를 설명하고, 각 층은 복수의 나노 구조체들을 가지며, 나노 구조체들 간의 크기 및 간격은 서로 다른 층에 대해 서로 다른 파장으로 광학 필드에 공진 응답을 제공하도록 선택된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 투시형이고(see-through), 적절한 폼 팩터(form factor) 및 개선된 색채 특성(chromatic behavior) 을 갖는 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 명세서에 정의된 시스루(see-through) 디스플레이는 가시광선에 대하여 가시 범위의 광에서 적어도 부분적으로 투명한 디스플레이이다. 일부 예시적인 실시예에서, 시스루 디스플레이는 증강 현실 시스템을 위한 근안 바이저(near-eye visor)이다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, 시스루 디스플레이는 단일 도파관(WG) 안팎으로 비교적 광대역 신호를 연결하도록 설정된 가시적으로 투명한 MS층들의 스택을 포함한다. 단일 WG를 사용하는 기능은 디스플레이 너비를 줄인다. MS 스택의 각 층은 정의된 스펙트럼 대역에서 공진 응답을 제공하는 역할을 할 수 있으며, 관련 스펙트럼의 나머지 부분은 실질적으로 영향을 받지 않는 상태로 유지하면서, 선택한 중심 파장을 둘러싼 비교적 좁은 대역을 연결하도록 설계될 수 있다. 가시 스펙트럼에 대한 상대적 광대역은 적어도 150-200nm 너비의 대역폭일 수 있다. 비교적 좁은 대역폭은 폭이 150nm 미만인 대역폭일 수 있다. MS 스택은 기존의 회절 격자의 분산 특성을 극복할 수 있으며, 실질적으로 스펙트럼이 균일한 화각(FOV)을 사용하여 광대역 신호를 단일 WG에 연결하는 기능을 제공할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, MS층들의 스택은 가상 이미지 프로젝터, 예를 들어 디스플레이 또는 마이크로 디스플레이로부터 사용자의 눈으로 풀 컬러 이미지(full color image)를 감소된 색수차로 연결하도록 설정된다.
여기에 사용된 풀 컬러 이미지는 적어도 400-700nm 범위에 걸쳐 있는 이미지로 정의된다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 시스루 디스플레이는 또한, 예를 들어 시선을 추적하기 위해 사용자의 눈으로부터 카메라로 방사선을 지향하도록 설정된다. 선택적으로, 비가시 스펙트럼의 방사선이 이러한 목적으로 적용된다. 예를 들어, 방사선은 적외선(IR) 범위 또는 근적외선(NIR) 범위에 있을 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, IR-투명 또는 NIR-투명 MS층은 IR 또는 NIR 광원으로부터 투사된 광이 WG를 통해 사용자의 눈으로 향하고 눈으로부터 반사된 광이 WG를 통해 시선 검출기로 향하도록 설정된다. 이러한 MS층은 가시 스펙트럼에서 다르게 동작하는 MS층들의 스택의 일부일 수 있거나 시스루 디스플레이에 통합된 별도의 층일 수 있다.
일부 실시예에 따르면, MS층이 가시 또는 비가시 스펙트럼에서 WG 안팎으로 광을 연결하는 커플링 효율을 증가시키도록 설정된 MS층도 제공된다. 일부 예시적인 실시예에서, 설계는 층을 형성하는 하나 이상의 고유한 형상의 나노 구조체들 및 층 내의 나노 구조체들의 고유하게 정의된 공간 패턴을 포함한다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 시스루(see-through) 디스플레이용 광학 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 이미지를 구성하는 광을 수신하도록 설정된 메타 표면(meta surface, MS)층들의 스택; 그리고 상기 스택에 연결된 도파관(waveguide, WG)을 포함하고, 상기 MS층들의 스택에서 각 층은 상이한 스펙트럼 대역에서 광학 필드에 공진 응답(resonant response)을 제공하고, 상기 공진 응답을 WG와 연결하도록 설정되며, 상기 WG는 사용자의 눈의 방향으로 상기 상이한 스펙트럼 대역을 전파하도록 설정된다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 적색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제1 층, 녹색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제2 층 및 청색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제3 층을 포함한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 외부 광원으로부터 상기 WG에 광을 연결하도록 설정된 입력 커플러이다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 상기 WG의 광을 상기 사용자의 눈에 연결하도록 설정된 출력 커플러이다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 상기 외부 광원으로부터의 상기 WG에 광을 연결하도록 설정된 MS층들의 제1 스택이고, 상기 시스템은 상기 WG의 광을 상기 사용자의 눈에 연결하도록 설정된 MS층들의 제2 스택을 더 포함한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 제1 스택 및 상기 MS층들의 제2 스택은 동일한 스펙트럼 밴드에 걸쳐진(span) 것으로 설정된다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택의 각 층은 이진 회절 소자(binary diffractive element)로 설정된다.
선택적으로, 상기 WG는 내부 전반사(total internal reflection)를 제공한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택의 각 층은 상이한 재료로 이루어진 나노 구조체들을 포함한다.
선택적으로, 상기 상이한 재료는 상이한 금속 또는 유전체 재료이다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 제1 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 금 나노 구조체들을 가지는 층을 포함한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 상기 제1 파장보다 짧은 제2 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 은 나노 구조체들을 가지는 층을 포함한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 상기 제2 파장보다 짧은 제3 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 알루미늄 나노 구조체들을 가지는 층을 포함한다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 방향성 커플러인 것으로 설정된다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택 중 적어도 한 층의 나노 구조체들은 비대칭 형상을 갖도록 설정된다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택 중 적어도 한 층의 나노 구조체들은 야기우다(Yagi-Uda) 안테나 구조로 분포된다.
선택적으로, 상기 MS층들의 스택은 근적외선(N-IR) 범위 또는 적외선(IR) 범위의 광을 회절하도록 설정된 층을 포함한다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 증강 현실 이미지를 생성하도록 설정된 시스루 디스플레이가 제공되며, 이는 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광학 시스템; 사용자의 눈과 관련하여 상기 광학 시스템을 탑재하도록 설정된 프레임; 그리고 이미지들을 생성하도록 설정된 디스플레이를 포함한다.
선택적으로, 상기 디스플레이는 상기 프레임에 탑재되고 상기 광학 시스템의 광축으로부터 40°-50°의 각도로 상기 이미지들을 지향하도록 상기 광학 시스템에 대해 배향된 마이크로 디스플레이다.
선택적으로, 상기 디스플레이는 바이저(visor)의 형태이고, 상기 마이크로 디스플레이는 바이저의 템플(temple) 상에 탑재된다.
선택적으로, 디스플레이는 시선 추적 장치를 포함하고, 상기 시선 추적 장치는 상기 광학 시스템의 상기 WG를 통하여 사용자의 눈으로부터 반사된 광을 수신하도록 설정된다.
선택적으로, 디스플레이는 사용자의 눈의 이미지들을 캡처하도록 설정된 카메라를 포함하고, 상기 카메라는 상기 프레임 상에 탑재되며, 상기 광학 시스템은 상기 사용자의 눈으로부터 반사된 광이 상기 카메라를 향하도록 설정된다.
선택적으로, 디스플레이는 광이 사용자의 눈을 향하도록 설정된 발광 다이오드(LED)를 포함하고, 상기 LED는 비가시 대역에서 광을 방출하도록 설정된다.
선택적으로, 상기 광학 시스템은 상기 사용자의 한쪽 눈에 연결된 제1 광학 시스템이고, 상기 사용자의 다른쪽 눈에 연결된 제2 광학 시스템을 더 포함하고, 상기 시선 추적 장치는 상기 제2 광학 시스템에 연결된다.
선택적으로, 상기 제2 광학 시스템은 WG에 연결된 단일 MS층을 포함하고, 상기 단일 MS층은 사용자의 눈에서 반사된 IR 광 또는 N-IR 광을 상기 시선 추적 장치의 카메라에 연결하도록 설정된다.
선택적으로, 상기 제2 광학 시스템은 상기 LED에서 상기 WG로, 그리고 상기 WG에서 상기 카메라로 광을 연결하도록 설정된 제1 MS층 및 상기 WG에서 상기 사용자의 눈으로, 그리고 상기 사용자의 눈에서 상기 WG로 광을 연결하도록 설정된 제2 MS층을 포함한다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 도파관(WG)에 연결된 MS층을 포함하는 적어도 하나의 광학 시스템을 포함하는 시선 추적용 바이저가 제공되며, 상기 적어도 하나의 광학 시스템은 가시적으로 투명하며, 상기 MS층은 정의된 비가시 스펙트럼 대역에서 광을 연결하도록 설정되며, 광학 시스템은 광원에서 사용자의 눈으로 광이 향하고, 상기 사용자의 눈에서 반사된 광이 카메라로 향하도록 설정되며, 상기 카메라와 상기 광원은 상기 사용자의 시야(field of view, FOV)에서 변위된다.
선택적으로, 상기 MS층은 N-IR 대역에서 광을 회절시키도록 설정된다.
선택적으로, 상기 광원은 N-IR LED이다.
선택적으로, 상기 카메라 및 상기 광원은 상기 바이저의 프레임 상에 탑재된다.
선택적으로, 상기 카메라 및 상기 광원 중 적어도 하나는 상기 바이저의 템플(temple) 상에 탑재된다.
선택적으로, 상기 카메라는 캡처된 이미지에 기초하여 시선을 추적하도록 설정된 프로세싱 유닛과 통합된다.
선택적으로, 상기 바이저는 증강된 이미지들을 투사하도록 설정된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시예의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료가 아래에 설명된다. 상충되는 경우, 정의를 포함한 특허 명세서가 우선한다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 예시일 뿐이며 반드시 한정하려는 의도는 아니다.
본 발명의 일부 실시예는 (이미지를 포함하는) 첨부의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다. 이제 도면을 구체적으로 참조하면, 도시된 세부 사항은 본 발명의 실시예에 대한 설명을 위한 예시를 위한 것이라는 점이 강조된다. 이와 관련하여, 도면과 함께 취해진 설명은 본 발명의 실시예가 어떻게 실시될 수 있는지 당업자에게 명백하다.
도면에서 :
도 1은 일부 예시적인 실시예에 따른 예시적인 근안 바이저의 단순화된 개략도이다;
도 2는 일부 예시적인 실시예에 따라 사용자가 착용한 근안용 바이저의 상면도 및 이를 통과하는 광 투과의 예시적인 방향을 도시하는 단순화된 개략도이다;
도 3a 및 3b는 각각 RGB 조명으로 비춰진 WG-격자 이미징 시스템 및 그 시스템에 대한 RGB 조명 하의 운동량 공간(momentum space) 그래프의 단순화된 개략도이다;
도 3c 및 3d는 각각 일부 예시적인 실시예에 따라 RGB 조명으로 비춰진 예시적인 WG-MS 이미징 시스템 및 그 시스템에 대한 RGB 조명 하의 운동량 공간 그래프의 단순화된 개략도이다;
도 4a, 4b 및 4c는 일부 예시적인 실시예에 따른 3개의 예시적인 광학 시스템의 단순화된 개략도이다;
도 5는 일부 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MS 스택의 단순화된 개략도이다;
도 6a 및 6b는 일부 예시적인 실시예에 따라 이진 격자를 사용한 회절 및 MS와의 커플링을 보여주는 단순화된 개략도이다;
도 7a 및 7b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 지향성(directional) 나노 구조체의 단순화된 지향성 방사 패턴 및 MS층 상의 예시적인 나노-구조체들의 어레이의 단순화된 예시이다;
도 8은 일부 예시적인 실시예에 따른 시스루 디스플레이를 구성하기 위한 예시적인 방법의 단순화된 흐름도이다;
도 9a 및 9b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 단일 은(silver) 디스크 시뮬레이션 방식 및 여러 디스크 반경에 대한 예시적인 단일 은 디스크의 투과율이다;
도 9c 및 9d는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 450nm, 550nm 및 650nm에 대한 Al, Ag 및 Au 디스크 스택 설계의 예시적인 3층 금속 디스크 시뮬레이션 방식 및 투과율이다;
도 10a 및 10b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 샘플 금(gold) MS의 주사 전자 현미경 이미지 및 그 샘플의 부분 확대도이다;
도 11a 및 11b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 알루미늄 MS의 주사 전자 현미경 이미지 및 MS의 부분 확대도이다;
도 12a 및 12b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, WG의 입력(왼쪽 스팟) 및 출력(오른쪽 스팟)에서 633nm 레이저 빔의 예시적인 이미지 및 633nm(적색)와 532nm(녹색)의 입력 파장에 대한 입사각의 함수로서 광학 시스템의 효율에 대한 예시적인 그래프이다; 그리고
도 13a, 13b 및 13c는 각각 일부 예시적인 실시예에 따라, 45°에서 532nm 레이저 광원을 이용하여 비춰진 MS의 개략도, 광학 벤치 설정에서 얻어진 이미지 및 빔 전파 시뮬레이션을 사용하여 얻어진 시뮬레이션 이미지이다.
일부 실시예에서, 본 발명은 시스루 디스플레이(see-through display)에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 배타적인 것은 아니지만, 근안 바이저에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 근안 바이저는 증강 현실 시스템의 디스플레이 역할을 한다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 시스루 디스플레이는 MS층들의 적어도 하나의 스택 또는 WG에 연결된 적어도 하나의 MS층을 포함한다. 일부 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 MS 스택의 각 층은 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하고 마이크로 디스플레이로부터의 광을 WG로 연결하도록 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, MS층들의 적어도 하나의 스택의 각 층은 도파관으로부터의 광을 사용자의 눈으로 향하도록 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 시스루 디스플레이는 입력 MS 스택 및 출력 MS 스택 모두를 포함한다. WG는 일반적으로 내부 전반사(TIR)에 의해 한 쌍의 MS 층의 스택들 사이 또는 MS층들의 스택과 격자 사이에 연결된 광을 지향시키도록 설정될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, MS 스택은 적색, 녹색 및 청색 광 성분과 상호 작용하기 위한 별도의 층을 포함한다. 각 층은 선택적으로 그리고 바람직하게는 일반적으로 나노 메트릭 유전체 스페이서에 의해 이격된 유전체 또는 플라즈모닉(plasmonic) MS들을 포함한다. 각 층은 다른 재료로 구성될 수 있으며 가시 스펙트럼(예: 적색, 녹색 또는 청색)의 특정 대역을 처리하도록 설계될 수 있다. 선택적으로, 특정 밴드는 중첩되지 않는 밴드이거나, 거의 중첩되지 않는 밴드이다. 풀 컬러 이미징이 RGB에 기초하여 제공될 수 있다. 대안으로, 가시 스펙트럼의 다른 밴드들은 풀 컬러 이미징을 제공하도록 정의되거나 오직 2개의 개별 밴드들이 컬러 이미지들을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
선택적으로, 나노 메트릭 유전체 스페이서는 두께가 100-300nm 또는 200nm인 이산화규소(silicon dioxide)이다. 따라서, 전체 광학 응답은 단일 MS 빌딩 블록의 스펙트럼 응답, 다른 층 설계 및 적층된 층들의 수에 따라 광대역 스펙트럼에서 동작하도록 설계될 수 있다. 단일 표면의 광학 응답은 다른 층들에 대하여 독립적이며 별도로 설계될 수 있다. 다층 설계를 기반으로, 전체 MS 스택은 초박형 프로파일(~500nm)을 유지하면서 색채 보정이 가능하다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, MS 스택은 예를 들어 적색, 녹색, 청색 및 N-IR층의 4층에 더하여, 비가시광을 처리하기 위한 층을 더 포함한다. N-IR은 N-IR 광을 사용자의 눈에 연결하고 사용자의 눈에서 반사된 N-IR을 시선 추적 센서에 연결할 수 있다. 선택적으로, N-IR층 또는 다른 비가시층은 동일한 WG에 결합되거나 또는 대안적으로 전용 WG에 결합된 독립형 장치일 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, MS 스택은 조밀하게 패킹된 디스크 형상의 금속 나노 구조체들의 어레이들의 층들을 포함한다. 입자들 사이의 간격은 원치 않는 입자 간 회절 효과를 피하기 위해 서브 파장일 수 있으며, 입자들의 크기는 MS의 원하는 공진 특성을 왜곡시키는 물리적 효과를 피하기 위해서도 서브 파장일 수 있다.
MS 스택이 비춰질 때, 국부화된 표면 플라즈몬은 일반적으로 나노 구조체들의 표면에서 여기되어 입사광을 흡수하고 산란하며 투과 스펙트럼에서 딥(dip)으로 나타난다. 이러한 나노 구조체들의 공진 파장은 나노 구조체 크기에 거의 선형적으로 의존할 수 있다. 선형성은 가시 대역 전체에서 MS 스택을 쉽게 튜닝할 수 있도록 한다. 선택적으로, MS들의 스펙트럼 공진은 마이크로 디스플레이 스펙트럼으로 조정될 수 있다. 결과적으로, 비-공진 광은 단순히 시스루 디스플레이에 영향을 주지 않고 통과할 수 있으므로, 더 복잡한 광학 설계 없이도 시스루 기능이 가능하다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, MS 스택은 더 많은 에너지가 WG에 결합될 수 있도록 지향성 커플러(directional coupler)가 되도록 설계된다. 일부 예시적인 실시예에서, 지향성 커플러는 공지의 디스크형 빌딩 블록이 아닌 나노 구조체들로 구성되며, 특정 회절 차수(diffraction order)를 선택적으로 제거할 수 있는 정의된 패턴에 의해 층에 선택적으로 분포될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 나노 구조체들은 효율을 개선하기 위해 야기우다(Yagi-Uda) 안테나 구조로 공간적으로 배열될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 시스루 디스플레이는 바이저, 바이저를 가진 헬멧 또는 안경의 형태이다. 일부 예시적인 실시예에서, 바이저 렌즈 또는 광 성형 소자의 두께는 20nm-2㎛이다. 일부 예시적인 실시예에서, 디스플레이 또는 이미지 생성기, 예를 들어 마이크로 디스플레이는 바이저, 콧등(nose bridge) 또는 하나 이상의 바이저 암(visor arm)에 장착되며, 바이저 암은 사용자의 귀에 지지되며 바이저의 투명 광학 소자를 향하여 기울어질 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 사용자 눈(들)을 향해 광을 방출하도록 설정된 발광 다이오드(LED)는 시선 추적을 위해 사용자 눈의 이미지를 캡처하도록 설정된 카메라뿐만 아니라 바이저에 탑재된다. 선택적으로, 바이저는, 예를 들어 배터리 동작에 의하여 자체 전원을 공급 받을 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 바이저는 마이크로 디스플레이 및 선택적으로 LED 및 카메라에 전력을 공급하기 위해 외부 전원에 연결될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 바이저 렌즈는 가시적으로 투명하여 증강 현실이 달성될 수 있다. 여기에서 사용된 가시적으로 투명한 것은 가시광에 대한 투과 계수가 80% 이상인 투과도를 의미한다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 다음 설명 및/또는 도면 및/또는 실시예에 개시된 세부 구조 및 구성요소의 배열 및/또는 방법에 반드시 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하거나 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 일부 예시적인 실시예에 따른 예시적인 근안 바이저의 단순화된 개략도를 도시한다. 일부 예시적인 실시예에서, 시스루 디스플레이는 사용자가 주변 환경을 볼 수 있는 한 쌍의 투명 광학 소자(150) 및 사용자의 눈 근처에 투명 광학 소자(150)를 배치하도록 설정된 프레임(115)을 포함하는 안경 또는 바이저(100)의 형태이다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 투명 광학 소자(150) 중 하나 또는 모두는 바이저(100)의 광학 장치(120)와 사용자의 눈 사이에서 광을 지향시키기 위해 적어도 하나의 MS 스택 및 WG를 포함한다. 선택적으로, 각각의 투명 광학 소자(150)는 광대역 스펙트럼이 지향될 수 있는 단 하나의 WG를 포함한다.
광학 장치(120)는 가상 이미지를 생성하도록 설정된 마이크로 디스플레이, 정의된 스펙트럼에서 비추도록 설정된 LED, 또는 사용자의 눈에서 반사된 광의 이미지를 캡처하도록 설정된 카메라일 수 있다. 선택적으로, 투명 광학 소자(150)와 사용자의 눈 사이에서 광을 지향하도록 설정된 하나 이상의 광학 장치(120)가 바이저(100)에 탑재된다. 광학 장치(120)는 바이저(100)의 암(arm) 또는 관자놀이(temple)(110), 콧등(nose bridge)(125) 또는 프레임(115)의 다른 부분에 탑재될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 광학 장치(120)는 또한 바이저(100)와 관련하여 위치될 수 있는 헬멧, 헤드 기어 또는 바디 기어에 탑재될 수도 있다.
광학 장치(120)는 가상 이미지를 생성하도록 설정된 마이크로 디스플레이, 정의된 스펙트럼에서 비추도록 설정된 LED, 또는 사용자의 눈에서 반사된 광의 이미지를 캡처하도록 설정된 카메라일 수 있다. 선택적으로, 투명 광학 소자(150)와 사용자의 눈 사이에서 광을 지향하도록 설정된 하나 이상의 광학 장치(120)가 바이저(100)에 탑재된다. 광학 장치(120)는 바이저(100)의 암 또는 템플(110), 콧등(125) 또는 프레임(115)의 다른 부분에 탑재된다. 일부 예시적인 실시예에서, 광학 장치(120)는 또한 바이저(100)와 관련하여 위치될 수 있는 헬멧, 헤드 기어 또는 바디 기어에 탑재될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 바이저(100)는 투명 광학 소자(150)를 사용하여 사용자의 눈을 향하는 이미지를 생성하는 광학 장치(120)에 기초하여 증강 현실 이미지를 제공하도록 설정된다. 일부 예시적인 실시예에서, 바이저(100)는 투명 광학 소자(150)를 통해 사용자 눈에서 반사된 광을 광학 장치(120)(카메라)로 향하게 하는 것에 기초하여 시선을 추적하도록 추가적으로 또는 대안적으로 설정된다.
바이저(100)가 한 쌍의 투명 광학 소자(150)를 포함하는 것으로 도 1에 도시되어 있지만, 다른 예시적인 실시예에서, 시스루 디스플레이는 양쪽 눈에 걸쳐 있는 하나의 투명 광학 소자(150)를 갖는 바이저의 형태일 수 있다.
도 2는 일부 예시적인 실시예에 따라, 사용자가 착용한 근안 바이저 및 이를 통한 광 투과의 예시적인 방향의 단순화된 개략적인 상면도를 도시한다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 바이저(100)는 이미지를 생성하는 마이크로 디스플레이(210) 및 사용자의 눈(205)을 향하여 생성된 이미지를 보내는 투명 광학 소자(150)에 기초하여 증강 현실 경험을 제공한다.
선택적으로, 마이크로 디스플레이는 바이저(100)의 프레임 또는 템플에 탑재되고 템플에 대해 40°-50°, 예를 들어 45°로 이미지가 투명 광학 소자(150)를 향하도록 각도를 이룬다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 마이크로 디스플레이(210)뿐만 아니라 투명 광학 소자(150) 상에 통합된 MS 스택 및 WG는 마이크로 디스플레이(210)로 생성된 이미지가 사용자의 눈(205)를 향하도록 제어 가능하게 설정된다. 이때, 주변 환경에 대한 사용자의 시야를 방해하지 않고, 예를 들어 광(250)은 생성된 이미지가 눈(205)을 향하는 동안 투명 광학 소자(150)를 통과할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 바이저(100)는 또한 사용자의 눈(205)의 시선을 추적하도록 구성되거나 대안적으로 구성된다. 시선 추적은 투명 광학 소자(150)를 통해 광(225)이 사용자의 눈(205)을 향하게 하고 눈(205)으로부터 반사되어 투명 광학 소자(150)를 통해 카메라(230)로 향하는 광(235)을 캡쳐하는 광원(220)에 기반할 수 있다. 광원(220)과 카메라(230)는 모두 바이저(100)에 탑재될 수 있다. 선택적으로, 광원(220)은 예를 들어 N-IR과 같은 비가시 범위에 있을 수 있으며, 광 (225)은 투명 광학 소자(150)를 통한 가시성을 방해하지 않는다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 투명 광학 소자(150)에 통합된 MS층 및 WG는 시선 추적을 위하여 눈(205)으로 그리고 눈(205)으로부터 광이 조절 가능하게 지향하도록 설정된다. 이때, 주변 환경에 대한 사용자의 시야를 방해하지 않으며, 예를 들어 광(250)은 시선을 추적하면서 투명 광학 소자(150)를 통과할 수 있다. 선택적으로, 가시 스펙트럼과 비가시 스펙트럼은 모두 동일한 WG를 사용하여, 그리고 선택적으로 동일한 MS 스택을 사용하여 사용자의 눈으로 그리고 사용자의 눈으로부터 지향된다.
일부 예시적인 실시예에서, 바이저(100)가 증강 현실 이미지 및 시선 추적을 모두 제공할 때, 하나의 투명 광학 소자(150)는 증강 현실 이미지를 투사하도록 설정되는 반면 다른 투명 광학 소자(150)는 시선을 추적하도록 설정된다. 다른 예시적인 실시예에서, 증강 현실 이미지를 투사하고 시선을 추적하는 것은 동일한 투명 광학 소자, 예를 들어 두 개의 투명 광학 소자(150) 상에서 수행된다.
도 3a 및 3b는 RGB 조명으로 비춰진 WG-격자 이미징 시스템의 단순화된 개략도 및 그 시스템에 대한 RGB 조명 하의 운동량 공간(momentum space) 그래프를 각각 보여준다. 이 시스템에서, RGB 성분을 포함하는 조명(310)은 (WG(300)의 좌측 하단에서) 제1 커플링-인 격자(first coupling in grating, 320)를 비춘다. 커플링-인 격자(320)는, 예를 들어 마이크로 디스플레이로부터 WG(300)로 광(310)을 연결하며, 이는 커플링-아웃 격자(coupling-out grating, 315)를 향하여 내부 전반사 (TIR)에 의해 안내된다. 커플링 메커니즘은 격자식(grating equation)을 사용하여 계산된 간단한 운동량 보존 조건을 따른다:
Figure pct00001
식 (1)
여기서, m은 회절 차수, λ는 진공 상태에서 광의 파장, a는 격자 주기, n은 광이 전파되는 매질의 굴절률(refractive index), θin 및 θdiff는 광의 입사 및 회절 각도이다. 또한, 주어진 격자 기간과 동작 파장에 대해, 입사각은 두 한계 사이에서 제한된다. 첫 번째 한계는 WG의 굴절률에 따라 달라지는 TIR 조건에 의해 제공된다. 두 번째 한계는 광선이 커플링-아웃 격자(315)에 도달하기 위해 적어도 한 번 반사되어야 한다는 조건에 의해 주어진다. 유도된 광(316)이 커플링-아웃 격자(315)에 도달할 때, 동일한 운동량 보존 조건에 따라 사용자의 눈을 향하여 커플링 아웃된다. 따라서, 입사각은 시스템의 최대 시야각(field of view)을 나타내며, 일반적인 WG 파라미터에 대하여 40°보다 작게 계산될 수 있다. 격자가 분산되기 때문에, 각 파장은 상이한 입사각 θin 및 상이한 회절 각 θdiff을 가질 것이다. 이에 따라, 시스템의 전체 FOV는 도 3b의 그래프에서 도시된 바와 같이 파장에 종속되며, 이는 광대역 조명, 예를 들어 RGB 조명 하에서 동작하기에 바람직하지 않다.
도 3c 및 3d는 일부 예시적인 실시예에 따라, RGB 조명으로 비춰진 예시적인 WG-MS 이미징 시스템의 단순화된 개략도 및 그 시스템에 대한 RGB 조명 하의 운동량 공간 그래프를 도시한다. 도 3c에 도시된 이미징 시스템은 WG(300)를 이용하여 마이크로 디스플레이로부터 사용자의 눈을 향하여 컬러 이미지, 예를 들어 RGB 이미지를 투사하기 위하여 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 하나 또는 두 개의 투명 광학 소자(150)에 통합될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 개선된 광학 시스템(103)은 커플링-인 격자(320), 커플링-아웃 격자 (315) 또는 커플링-인 격자(320) 및 커플링-아웃 격자(315) 모두(도 3a)를 MS층들의 스택으로 대체하는 것에 기초하여 얻어질 수 있으며, 예를 들어 제1 커플링 장치(330) 또는 제2 커플링 장치(340) 중 하나는 WG(300)와 광을 연결하도록 설정된 MS층들의 스택이다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, MS(제1 커플링 장치(330), 제2 커플링 장치(340), 또는 모두)는 MS층들의 스택으로 구성되며, 스택 내 각 층은 특정 스펙트럼 대역에서만 공진을 시작한다. 일부 예시적인 실시예에서, MS는 적색광에 대해 정의된 제1 층, 녹색광에 대해 정의된 제2 층 및 청색광에 대해 정의된 제3 층을 포함한다. 대안적으로, 풀 컬러 이미지를 결합하기 위해 다른 이산 밴드가 정의될 수 있다. 마이크로미터 스케일에서, 각 층은 모든 층에 공통인 FOV를 얻기 위해 설계된 계산된 주기를 포함하는 격자와 유사할 수 있다. 이러한 방식으로, 광대역 이미지는 색채 보정된다. 이는 RGB 스펙트럼에서 공통 FOV(318)를 도 3d의 운동량 공간 그래프에서 볼 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, WG(300)은 주변 공기보다 높은 굴절률을 가지도록 설정되며, 예를 들어, 가시광, N-IR 및/또는 IR의 파장의 동작 범위에 대하여 투과된다.
도 4a, 4b 및 4c는 일부 예시적인 실시예에 따른 3개의 예시적인 광학 시스템에 대한 단순화된 개략도를 도시한다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, WG-MS 이미징 시스템(401)(도 4A)은 예를 들어 풀 컬러인 이미지를 디스플레이(210)로부터 사용자의 눈(205)으로 향하도록 설정되고, 광원(220)을 이용하여 눈(205)에 투사된 광에 기초하여 카메라(230)를 이용하여 사용자의 눈의 이미지를 캡쳐하기 위하여 광(선택적으로 RGB) 스펙트럼 바깥의 광)이 향하도록 설정될 수도 있다. 선택적으로, 카메라(230)는 캡처된 이미지에 기초하여 시선을 추적하도록 설정된 프로세싱 유닛(233)을 포함하거나 이와 연결된다. 프로세싱 유닛(233)은 카메라(230)와 통합될 수 있거나 테더링 또는 무선 연결에 의해 카메라(230)로부터 입력을 수신할 수 있다. 풀 컬러 이미지 투사 및 시선 추적 기능을 모두 수용하기 위해, 하나 이상의 MS 커플러(331 및 341)는 선택적으로 적어도 4 개의 층을 포함할 수 있다. 도 3c를 참조하여 논의된 바와 같이, 4개의 층 중 3개는 RGB층일 수 있고, 네번째 층은 비가시 스펙트럼, IR 스펙트럼 또는 N-IR 스펙트럼을 위하여 구성될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, RGB 스펙트럼은 실질적으로 오직 2 개의 층으로 덮일 수 있다. 선택적으로, 비가시 스펙트럼은 눈(205)에 광을 투사하고 시선 추적을 위해 카메라(230)로 반사된 광을 캡처하기 위해 적용될 수 있다. 이와 같이, 각 MS 커플러(331, 341) 입력 커플러 및 출력 커플러로 동작할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, WG-MS 이미징시스템(402)(도 4b)은 시선 추적이 아닌 증강 현실 이미지를 제공하기 위해서만 설정된다. 이를 위해, 하나 이상의 MS 커플러(332 및 342)는 RGB 이미징을 제공하기 위해 적어도 2 개의 MS층들 및 바람직하게는 3개의 층들의 스택을 포함할 수 있다. 커플러(332)는 디스플레이(210)로부터 WG(300)로 이미지를 연결할 수 있고 커플러(342)는 WG(300)로부터 사용자의 눈(205)으로 이미지를 연결할 수 있다. 이러한 방식으로, 커플러(332)는 입력 커플러로서 작동되고 격자(342)는 출력 커플러이다.
일부 예시적인 실시예에서, WG-MS 이미징 시스템(403)(도 4c)은 시선 추적만을 위해 설정된다. 이를 위해, 하나 이상의 MS 커플러(333, 343)는 IR 또는 N-IR 스펙트럼으로 구성된 단일 MS층을 포함할 수 있다. 선택적으로, 커플러(333)는 광원(220)으로부터, 그리고 카메라(230)까지 WG(300)를 이용하여 광을 연결할 수 있는 반면, 커플러(343)는 눈(205)으로부터 WG(300)로 광을 연결할 수 있다. 이러한 커플러(333 및 343) 각각은 입력 및 출력 격자로서 동작한다.
도 5는 일부 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MS 스택의 단순화된 개략도를 도시한다. 도 5는 3개의 층을 도시하지만, MS 스택(370)은 임의의 수의 층, 바람직하게는 적어도 2개의 층을 포함할 수 있다. 층들, 예를 들어 MS 스택(370)의 층들(361, 362 및 363)은 바람직하게는 광축(14)을 따라 적층된다. 층들(361, 362 및 363) 각각은 상이한 재료로 형성된 어레이 나노 구조체들을 포함할 수 있고 및/또는 원하는 응답을 제공하기 위하여 크기 및 간격이 설정될 수 있다. 예를 들어, 층(361)은 직경 DAU 를 갖고 간격 IAU로 이격된 금(Au)으로 형성된 디스크형 나노 구조체들(371)을 포함할 수 있고, 층(362)은 직경 DAG를 갖고, 간격 IAG로 이격된 은(Ag)으로 형성된 디스크형 나노 구조체들(372)을 포함할 수 있으며, 층(361)은 직경 DAL을 갖고, 간격 IAL로 이격된 알루미늄(AL)으로 형성된 디스크형 나노 구조체들(373)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 나노 구조체들 사이의 간격은 층에 따라 균일하지 않다. 일반적으로, 각 층의 나노 구조체들은 MS 스택(370)이 설계되는 광학 필드에 투과성인 각 기판 상에 형성되거나 내장된다. 예를 들어, MS 스택(370)이 가시광(예를 들어, 약 400nm 내지 약 725nm의 파장)에 대해 설계될 때, 기판(370)은 가시광에 대해 투과성(예를 들어, 적어도 80%의 투과 계수를 갖는)으로 설정된다. 기판(18)으로 사용하기에 적합한 물질의 대표적인 예는 유리, 인듐-주석-산화물 (ITO), 실리카 (SiO2) 등 중 적어도 하나를 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일부 실시예에서, 각 층의 나노 구조체들의 크기 및 각 층의 나노 구조체들 간 간격은 상이한 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하도록 선택된다. 본 명세서에서 사용되는 "공진 응답(resonance response)"은 나노 구조체들과 광학 필드 사이의 상호 작용 진폭(interaction amplitude)이 광학 필드의 주파수 또는 파장의 함수로서 최대를 나타내는 상황을 의미한다. 본 발명의 다양한 예시적인 실시예에서 공진 반응은 플라즈몬 여기(plasmonic excitation)이다.
특정 층이 특정 파장의 광학 필드에 공진 응답을 제공하는 반면, 특정 파장에 가까운 파장의 광학 필드 성분의 상호 작용 진폭도 높아진다. 따라서, 층의 공진 응답은이 범위를 벗어나는 파장의 광학 필드 성분에 비해 상호 작용 진폭이 높아지는 파장 범위를 특징으로 한다. 상호 작용 진폭이 최대를 나타내는 특정 파장을 층의 중심 파장이라고 한다.
일부 예시적인 실시예에서, MS 스택(370)의 하나 이상의 층들은 유전체 나노 구조체들, 예를 들어 선택적으로 금속 나노 구조체들이 없는, 적어도 1.8의 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어진 나노 구조체들을 포함한다.
일부 예시적인 실시예에 따르면, 나노 구조체들(371, 372 및 373)는 조밀하게 패킹된다. 입자들 사이의 간격은 원치 않는 입자 간 회절 효과를 피하기 위해 서브 파장(sub-wavelength)일 수 있으며, 입자들의 크기는 MS의 원하는 공진 특성을 악화시키는 물리적 효과를 피하기 위해 서브 파장일 수도 있다. 단일 표면의 광학 응답은 다른 층들과 독립적일 수 있으며 별도로 설계될 수 있다.
도 6a 및 6b는 일부 예시적인 실시예에 따라 종래의 이진 격자를 사용한 회절 및 MS와의 응답을 나타내는 단순화된 개략도이다. 종래의 이진 회절 격자(160)에서 일반적으로 격자 식(grating equation)에 따라 특정 주파수를 회절하도록 설계된 교차 배치된 불투명 및 투명 구역을 포함한다.
Figure pct00002
식 (2)
여기서 n1, n2는 입력의 굴절률이고 T는 마이크로미터당 라인 단위의 격자 주파수이다. 격자(160)가 특정 각도로 비춰질 때, 각 파장(광선 (163))은 운동량 고려로 인하여 상이한 회절 각도로 전파될 것이며 회절 각도는 격자 주파수를 통해 조정될 수 있다..
일부 예시적인 실시예에 따르면, 이진 격자의 불투명 영역은 MS로 대체되어 공진 주파수의 파장(광선 420)만이 변조되어 사용자의 눈으로 향할 수 있으며, 나머지 스펙트럼(광선 415), 예를 들어 백색 스펙트럼(광선 410)으로부터는 MS(360)가 영향을 받지 않고 통과한다. 일부 예시적인 실시예에서, 복수의 MS층이 적층되고 스택 내 각 층은 계산된 방식으로 각 층의 나노 구조체들 주기를 변경함으로써 특정 색상을 동일한 각도로 향하게 한다.
도 7a 및 7b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따라, 예시적인 방향성 나노 구조체의 단순화된 방향성 방사 패턴 및 MS층 상의 나노 구조체들의 예시적인 어레이의 단순화된 도면을 나타낸다. 디스크 형상의 나노 구조체들과 같은 단순한 빌딩 블록이 제기하는 한 가지 문제는 산란 단면이 단순한 쌍극 안테나의 단면과 유사할 수 있다는 것이다. 이는 신호의 일부가 원치 않는 방향으로 흩어질 수 있기 때문에 WG 인-커플링 및 아웃-커플링의 효율을 감소시킬 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 방향성 커플러가 이진 패턴의 디스크형 나노 구조체들의 어레이 대신 사용된다. 일부 예시적인 실시예에서, 방향 커플러는, 예를 들어 보다 복잡한 형상을 가진 나노 구조체들, 예를 들어 비대칭 형상을 갖는 나노 구조체들(370)을 포함한다. 대응하는 나노 구조체들(370)의 방향성 방사 패턴이 도 7a에 도시되어 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 방향 커플러는 추가로 또는 대안으로 나노 구조체들의 더 복잡한 공간 배열을 포함한다. 선택적으로, 나노 구조체들은 커플링의 효율을 높이기 위해 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나 배열로 배치될 수 있다. 선택적으로, 형상 및 공간 분포는 산란 패턴을 스펙트럼으로 엔지니어링하고 및/또는 특정 회절 차수를 집합적으로 제거하기 위해 선택적으로 정의된다.
도 8은 일부 예시적인 실시예에 따른 증강 현실 이미징 시스템을 위한 시스루 디스플레이를 구성하기 위한 예시적인 방법의 단순화된 순서도를 나타낸다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 증강 현실 이미징 시스템을 동작시키기 위해 복수의 스펙트럼 대역폭이 선택될 수 있다(블록 810). 복수의 스펙트럼 대역폭은 RGB 스펙트럼, RGB 스펙트럼의 선택된 일부만을 포함할 수 있거나, 추가로 또는 대안으로 RGB 스펙트럼 외의 대역폭을 포함할 수 있다. 선택적으로 적어도 두 개의 스펙트럼 대역폭이 선택된다. 스펙트럼 대역폭은 사용자의 눈을 향해 가상 이미지를 투사하기 위해 가시 범위에 있도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 시선 추적을 위해 사용자의 눈을 이미징하기 위하여 비가시 범위에 있도록 선택될 수도 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 선택된 대역폭들 각각에 대한 층을 포함하도록 MS 스택이 제공된다(블록 820). 일부 예시적인 실시예에서, 각 층에서 나노 구조체들의 재료, 크기, 모양, 공간 분포는 해당 층에 대하여 원하는 스펙트럼 응답을 제공하도록 선택적으로 정의된다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, WG를 갖는 MS 스택은 시스루 디스플레이의 투명 광학 소자 상에 통합된다(블록 830). MS 스택은 입력 커플러, 출력 커플러 또는 둘 모두로 구성될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 하나 이상의 전기 장치가 투명 광학 소자에 연결된다(블록 840). 예를 들어, 마이크로 디스플레이는 마이크로 디스플레이로부터의 출력이 MS층들의 스택 또는 회절 격자를 사용하여 WG에 연결되도록 투명 광학 소자에 대해 고정적으로 배치되고 각을 이룰 수 있다. 선택적으로, 전기 장치는 WG로부터의 출력이 MS층들의 스택 또는 회절 격자와 함께 카메라에 결합되도록 투명 광학 소자에 대해 고정적으로 배치된 카메라이다. 전기 장치는 또한 사용자의 눈을 향해 광을 전송하도록 구성된 LED일 수 있다.
명확성을 위해, 별개의 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 특정 특징은 또한 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다는 것이 이해된다. 반대로, 간결함을 위해, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공되거나 또는 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시예에서 적절하게 제공될 수 있다. 다양한 실시예의 맥락에서 설명된 특정 특징들은 실시예가 그러한 요소없이 작동하지 않는 한 이러한 실시예의 필수 특징으로 간주되지 않는다.
위에서 기술되고 아래의 청구범위에서 청구된 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예 및 양태는 다음 실시예에서 실험적으로 지지된다.
실시예
이제, 위의 설명과 함께, 다음의 실시예가 비제한적인 방식으로 본 발명의 일부 실시예를 기술하기 위하여 참조된다.
실시예 1
도 9a 및 9b는 각각 일부 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 단일 은(silver) 디스크 시뮬레이션 방식 및 여러 디스크 반경에 대한 예시적인 단일 은(silver) 디스크의 투과율을 나타낸다. 도 9c 및 9d는 일부 예시적인 실시예에 따라, 450nm, 550nm 및 650nm에 대한 Al, Ag 및 Au 디스크 스택 설계에 대한 예시적인 3층의 금속 디스크 시뮬레이션 방식 및 투과율을 나타낸다. 상업적으로 이용 가능한 광학 시뮬레이션 소프트웨어(캐나다의 Lumerical에서 이용 가능한 Lumerical FDTD)를 적용하여 MS를 구성하는 여러 층들의 스펙트럼 특성을 시뮬레이션하였다. 도 9a는 단일 나노 사이즈 은(silver) 입자의 FDTD 시뮬레이션 방식을 보여준다. 도 9b에서, 이 입자의 투과 스펙트럼은 여러 반경에 대해 보여진다. 입자 반경이 증가함에 따라, 공진의 중심 파장이 적색 편이되는 것으로 밝혀졌다. 일부 예시적인 실시예에서, 이러한 의존성은 가시 스펙트럼에서 서로 다른 색상 각각에 대해 서로 다른 3 가지 유형의 나노 구조체들의 스택을 설계하는데 활용될 수 있다. 도 9c는 450nm, 550nm 및 650nm 각각에서 공진에 해당하는 반경을 갖는 Al, Ag 및 Au로 만들어진 3개의 디스크의 FDTD 시뮬레이션 체계를 보여준다. 디스크는 200nm 실리카의 유전체층으로 이격되었다. 도 9d에서, 이 스택의 3개의 공진 전송 스펙트럼이 도시된다. 이 예에서, 강한 커플링 효과를 피하기 위해 층간 및 입자 간 간격을 선택했다. 선택된 나노 디스크들의 재료, 크기 및 간격을 기반으로, 깊은 투과 딥(dip)을 달성하면서 최소한의 스펙트럼 중첩이 얻어지는 것이 관찰되었다.
실시예 2
도 10a는 샘플 금 MS의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다. 도 10b는 샘플의 확대된 부분을 보여준다. 금 나노 디스크들의 어레이로 구성된 샘플의 주기적 특성이 명확하게 보인다. 나노 디스크들은 비교적 균일한 것으로 나타났다. 측정된 직경은 140nm±4nm이고, 입자 간 간격은 180nm±8nm이다. 입자 크기와 입자 간 간격을 변경하여 성능을 향상시킬 수 있다. 선택적으로, 샘플의 주기적 기능의 듀티 사이클은 나노 디스크 영역의 폭을 넓히기 위해 변경될 수도 있다.
실시예 3
도 11a는 알루미늄 MS의 주사 전자 현미경 이미지를 보여준다. MS는 적색광을 처리하도록 설계된, 단일 MS 바이너리 플라즈모닉 MS이다. 나노 구조체들의 크기는 130±5nm이고 입자 간 간격은 200nm이다. 도 11b는 MS의 부분확대도를 보여준다. MS는 e-beam 리소그래피(Raith e-Line)를 사용하여 제작되었다. 인듐-주석-산화물로 덮인 유리가 기판으로 사용되었다. e-beam 공정 후, 40nm 두께의 알루미늄 필름이 e-beam 증발에 의해 증착된 후 제거되었다.
실시예 4
입력 MS, WG 및 출력 MS를 포함하는 제작된 장치의 성능은 30°에서 633nm 레이저 광원으로 입력 MS를 비추면서 분석되었다. 도 12a는 WG의 입력(왼쪽 스팟) 및 출력(오른쪽 스팟)에서 633nm 레이저 빔의 이미지를 보여준다. 입력과 출력 MS 사이의 거리는 2.5cm이다. 이미지의 오른쪽에 있는, 가운데 빨간색 점은 도파관을 따라 이동한 후 MS층을 통하여 나가는 빔이다. 출력 MS의 첫 번째 회절 차수(diffracted order)가 조사되었다. 30° 입사각에서 장치의 효율은 0.1% 이상인 것으로 나타났다. 도 12b의 빨간색 점은 633nm(적색) 및 532nm(녹색)의 입력 파장에 대한 입사각의 함수로서 광학 시스템의 효율을 보여준다. 이 장치는 633nm 파장의 광에 최적화되었다. 녹색 점은 532nm 레이저 광원으로 비춰진 유사한 장치의 효율을 나타내며, 이는 커플링 효율의 현저한 저하를 명확하게 나타낸다.
실시예 5
MS는 입력 MS, WG 및 출력 MS를 포함하는 제작된 장치의 성능을 분석하기 위해 45°에서 532 nm 레이저 광원으로 조명되었다. 도 13a는 45°에서 532 nm 레이저 광원으로 조명된 MS의 개략도를 보여준다. 도 13b는 광학 벤치 셋업에서 얻은 이미지를 보여준다. 도 13c는 빔 전파 시뮬레이션을 사용하여 얻은 시뮬레이션 이미지를 보여준다. 시뮬레이션은 MATLAB에서 푸리에 전달 함수 접근 방식을 실행하여 수행되었다.
본 발명이 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 당업자에게 자명할 것임이 분명하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 넓은 범위 내에 있는 모든 이러한 대안, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims (33)

  1. 시스루(see-through) 디스플레이용 광학 시스템에 있어서,
    이미지를 구성하는 광을 수신하도록 설정된 메타 표면(meta surface, MS)층들의 스택; 그리고
    상기 스택에 연결된 도파관(waveguide, WG)을 포함하고,
    상기 MS층들의 스택에서 각 층은 상이한 스펙트럼 대역에서 광학 필드에 공진 응답(resonant response)을 제공하고, 상기 공진 응답을 WG와 연결하도록 설정되며, 상기 WG는 사용자의 눈의 방향으로 상기 상이한 스펙트럼 대역을 전파하도록 설정되는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 적색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제1 층, 녹색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제2 층 및 청색광에 대한 공진 응답을 시작하도록 설정된 제3 층을 포함하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 외부 광원으로부터 상기 WG에 광을 연결하도록 설정된 입력 커플러인 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 상기 WG의 광을 상기 사용자의 눈에 연결하도록 설정된 출력 커플러인 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 상기 외부 광원으로부터의 상기 WG에 광을 연결하도록 설정된 MS층들의 제1 스택이고, 상기 시스템은 상기 WG의 광을 상기 사용자의 눈에 연결하도록 설정된 MS층들의 제2 스택을 더 포함하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 MS층들의 제1 스택 및 상기 MS층들의 제2 스택은 동일한 스펙트럼 밴드에 대한 것으로 설정된 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택의 각 층은 이진 회절 소자(binary diffractive element)로 설정되는 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 WG는 내부 전반사(total internal reflection)를 제공하는 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택의 각 층은 상이한 재료로 이루어진 나노 구조체들을 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상이한 재료는 상이한 금속 또는 유전체 재료인 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 제1 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 금 나노 구조체들을 가지는 층을 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 상기 제1 파장보다 짧은 제2 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 은 나노 구조체들을 가지는 층을 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 상기 제2 파장보다 짧은 제3 파장에서 광학 필드에 대한 공진 응답을 제공하기 위해 크기가 정해지고 이격된 알루미늄 나노 구조체들을 가지는 층을 포함하는 시스템.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 지향성 커플러인 것으로 설정되는 시스템.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택 중 적어도 한 층의 나노 구조체들은 비대칭 형상을 갖도록 설정되는 시스템.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택 중 적어도 한 층의 나노 구조체들은 야기우다(Yagi-Uda) 안테나 구조로 분포되는 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MS층들의 스택은 근적외선(N-IR) 범위 또는 적외선(IR) 범위의 광을 회절하도록 설정된 층을 포함하는 시스템.
  18. 증강 현실 이미지를 생성하도록 설정된 시스루 디스플레이에 있어서,
    제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광학 시스템;
    사용자의 눈과 관련하여 상기 광학 시스템을 탑재하도록 설정된 프레임; 그리고
    이미지들을 생성하도록 설정된 디스플레이
    를 포함하는 시스루 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 프레임에 탑재되고 상기 광학 시스템의 광축으로부터 40°-50°의 각도로 상기 이미지들을 지향하도록 상기 광학 시스템에 대해 배향된 마이크로 디스플레이인 시스루 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 디스플레이는 바이저(visor)의 형태이고, 상기 마이크로 디스플레이는 바이저의 템플(temple) 상에 탑재된 시스루 디스플레이.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    시선 추적 장치를 포함하고, 상기 시선 추적 장치는 상기 광학 시스템의 상기 WG를 통하여 사용자의 눈으로부터 반사된 광을 수신하도록 설정되는 시스루 디스플레이.
  22. 제21항에 있어서,
    사용자의 눈의 이미지들을 캡처하도록 설정된 카메라를 포함하고, 상기 카메라는 상기 프레임 상에 탑재되며, 상기 광학 시스템은 상기 사용자의 눈으로부터 반사된 광이 상기 카메라를 향하도록 설정된 시스루 디스플레이.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    광이 사용자의 눈을 향하도록 설정된 발광 다이오드(LED)를 포함하고, 상기 LED는 비가시대역에서 광을 방출하도록 설정되는 시스루 디스플레이.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 사용자의 한쪽 눈에 연결된 제1 광학 시스템이고, 상기 사용자의 다른쪽 눈에 연결된 제2 광학 시스템을 더 포함하고, 상기 시선 추적 장치는 상기 제2 광학 시스템에 연결된 시스루 디스플레이.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제2 광학 시스템은 WG에 연결된 단일 MS층을 포함하고, 상기 단일 MS층은 사용자의 눈에서 반사된 IR 광 또는 N-IR 광을 상기 시선 추적 장치의 카메라에 연결하도록 설정된 시스루 디스플레이.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제2 광학 시스템은 상기 LED에서 상기 WG로, 그리고 상기 WG에서 상기 카메라로 광을 연결하도록 설정된 제1 MS층 및 상기 WG에서 상기 사용자의 눈으로, 그리고 상기 사용자의 눈에서 상기 WG로 광을 연결하도록 설정된 제2 MS층을 포함하는 시스루 디스플레이.
  27. 도파관(WG)에 연결된 MS층을 포함하는 적어도 하나의 광학 시스템을 포함하는 시선 추적용 바이저에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 시스템은 가시적으로 투명하며, 상기 MS층은 정의된 비가시 스펙트럼 대역에서 광을 연결하도록 설정되며, 광학 시스템은 광원에서 사용자의 눈으로 광이 향하고, 상기 사용자의 눈에서 반사된 광이 카메라로 향하도록 설정되며, 상기 카메라와 상기 광원은 상기 사용자의 시야 (field of view, FOV)에서 변위되는 바이저.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 MS층은 N-IR 대역에서 광을 회절시키도록 설정되는 바이저.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 광원은 N-IR LED인 바이저.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카메라 및 상기 광원은 상기 바이저의 프레임 상에 탑재되는 바이저.
  31. 제27항 내지 제29항에 있어서,
    상기 카메라 및 상기 광원 중 적어도 하나는 상기 바이저의 템플(temple) 상에 탑재되는 바이저.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카메라는 캡처된 이미지에 기초하여 시선을 추적하도록 서정된 프로세싱 유닛과 통합된 바이저.
  33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    증강된 이미지들을 투사하도록 더 설정된 바이저.
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