KR20210075363A - Waveguide display structure for extended field of vision using non-planar partial reflector array - Google Patents

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KR20210075363A
KR20210075363A KR1020190166327A KR20190166327A KR20210075363A KR 20210075363 A KR20210075363 A KR 20210075363A KR 1020190166327 A KR1020190166327 A KR 1020190166327A KR 20190166327 A KR20190166327 A KR 20190166327A KR 20210075363 A KR20210075363 A KR 20210075363A
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Abstract

Provided is a waveguide display structure of an extended visual field, which can provide a clear image for a collimated waveguide even without an additional optical element by implementing an outer coupler of a waveguide as a partial reflective surface array based on a spherical/aspherical/free curved surface rather than a plane. According to an embodiment of the present invention, the waveguide display structure of an extended visual field comprises: a display; a collimating lens for collimating light emitted from the display into parallel light; a waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other, and guiding incident collimated light; an inner coupler for allowing the collimated light passing through the collimating lens to be incident into the waveguide substrate; and an outer coupler having a partial reflective surface to emit the collimated light transmitted to the waveguide substrate. The incident collimated light is partially reflected and output from each outer coupler, such that a waveguide display of an extended exit pupil is finally formed. Accordingly, distribution of rays from the depth where an observation is easy can be expressed even only with a waveguide, such that an additional concave lens (or a pair of a concave lens and a convex lens) can be excluded from use. Therefore, the entire thickness, volume, and weight of an optical system can be reduced, and the productivity of an optical component can be improved.

Description

비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체{Waveguide display structure for extended field of vision using non-planar partial reflector array}TECHNICAL FIELD [0002] Waveguide display structure for extended field of vision using non-planar partial reflector array

본 발명은 도파관 디스플레이 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파관의 아웃커플러를 평면이 아닌 구면/비구면/자유곡면 기반의 부분 반사면 어레이로 구현함으로써, 추가 광학 소자 없이도 시준된 도파광에 대하여 선명한 영상을 제공할 수 있는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a waveguide display structure, and more particularly, by implementing the outcoupler of the waveguide as a partial reflective surface array based on a spherical/aspherical/free-form surface rather than a planar surface, a clear image for collimated waveguide light without additional optical elements It relates to a field-of-view extension waveguide display structure that can provide.

통상적으로는 도파관 디스플레이의 설계 용이성 및 관측 화각 내 크로스토크 방지를 위하여 도파관으로 입사하는 빛 및 도파관에서 출광하는 빛으로 시준된 평행광을 사용한다. In general, collimated light collimated with light incident on the waveguide and light emitted from the waveguide is used to facilitate design of the waveguide display and prevent crosstalk within the observation angle of view.

하지만 평행광으로 출광되는 영상은 일반적으로 사용자가 용이하게 관측할 수 있는 결상면을 형성하지 못하기 때문에, 도파로와 사용자의 동공 사이에 별도의 곡률을 지니는 추가 광학 소자(오목렌즈 등)를 추가적으로 활용하여 관측 영상을 2m 내지 3m 정도의 원거리에 형성시키기 위한 노력이 필요하다. However, since the image emitted as parallel light generally does not form an imaging plane that can be easily observed by the user, an additional optical element (concave lens, etc.) having a separate curvature between the waveguide and the user's pupil is additionally utilized. Therefore, it is necessary to make an effort to form the observation image at a distance of about 2m to 3m.

즉, 부분반사면 어레이를 사용한 도파관 디스플레이는 도 1에 도시된 바와 같이, 도파관 외부의 디스플레이 화소가 시준 렌즈를 통하여 평행광으로 시준되고, 평면 거울 혹은 프리즘을 활용한 인커플러를 거쳐 도파관 기판 내부로 입사하는데, 전반사에 의해 전파된 도파광은 마찬가지로 평면 형태의 부분 반사면으로 구성된 아웃커플러 어레이에 반사되어 부분 출광되며, 반사면의 개수에 비례하여 사출동(exit pupil)을 확장함으로써 시역을 넓힐 수 있지만, 높은 수준으로 시준된 평행광은, 사용자가 직접 관측할 때는 오히려 초점을 또렷하게 맺지 못하고 해상도가 저하되는 것처럼 느껴지게 되기 때문에, 도파관과 사용자 사이에 별도의 곡률을 지니는 추가 광학소자(오목 렌즈)를 사용하여 출광된 평행광을 특정 관측 깊이(2m - 3m 수준)에서 출발한 발산광처럼 느껴지도록 바꿔주어야 하는 단점이 존재한다. That is, in the waveguide display using the partial reflective surface array, as shown in FIG. 1 , the display pixels outside the waveguide are collimated with parallel light through a collimating lens, and then into the waveguide substrate through an in-coupler using a flat mirror or prism. The waveguided light propagated by total reflection is reflected by an outcoupler array composed of a planar partially reflecting surface and partially emitted, and the viewing area can be widened by expanding the exit pupil in proportion to the number of reflecting surfaces. However, when the user directly observes collimated light at a high level, the focus is not clearly defined and the resolution is felt as if it is lowered, so an additional optical element (concave lens) with a separate curvature between the waveguide and the user There is a disadvantage in that the collimated light emitted by using a should be changed to feel like a divergent light originating from a specific observation depth (2m - 3m level).

아울러 이러한 오목렌즈로 인하여 외부의 실사 영상이 왜곡되는 것을 방지하기 위하여 도파관을 기준으로 오목렌즈의 반대편에 유사한 곡률을 지니는 볼록렌즈 또한 추가적으로 탑재하여야 하는 불편함이 있다. 이러한 추가 광학 소자들은 가공성 등으로 인하여 도파관과 유사한 수준의 두께(1-5mm)를 필요로 하며 이로 인해 전체 광학 시스템의 두께가 두꺼워지는 한계가 있다. In addition, in order to prevent the actual image from being distorted due to the concave lens, a convex lens having a similar curvature must be additionally mounted on the opposite side of the concave lens with respect to the waveguide. These additional optical elements require a thickness similar to that of the waveguide (1-5 mm) due to processability, etc., and thus have a limit in increasing the thickness of the entire optical system.

즉, 두 개의 추가 렌즈를 탑재함으로 인하여, 도파관 디스플레이는 도파관 자체의 두께보다 두꺼워질 수 밖에 없으며, 추가 렌즈 도입으로 인한 무게 및 비용의 증가 또한 문제가 된다.That is, due to the mounting of two additional lenses, the waveguide display is inevitably thicker than the thickness of the waveguide itself, and an increase in weight and cost due to the introduction of the additional lens is also a problem.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 평행광으로 입사 및 도파하는 각 픽셀의 방사광을, 아웃커플러 위치에 따라 분할된 비평면 부분 반사면 어레이를 통하여 출광시킴으로써 별도의 오목렌즈 없이도 관측이 용이한 깊이(2m-3m)에서 출광된 것과 같은 발산광을 구현하는 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체를 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to transmit emitted light from each pixel incident and guided as parallel light through a non-planar partial reflective surface array divided according to an outcoupler position. It is to provide a viewing area extension type waveguide display structure using a non-planar partial reflective surface array that realizes the same divergent light as emitted from a depth (2m-3m) that is easy to observe without a separate concave lens.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체는 디스플레이; 디스플레이로부터 나온 광을 평행광으로 시준시키는 시준 렌즈; 서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성되어, 입사된 시준광을 가이드하는 도파관 기판; 시준 렌즈를 통과한 시준광을 도파관 기판 내로 입사시키는 인커플러; 및 부분 반사면이 구비되어, 도파관 기판으로 전달된 시준광을 출광시키는 아웃커플러;를 포함하고, 이때, 입사된 시준광은, 각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이가 구성되도록 한다. According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a viewing area extension waveguide display structure includes a display; a collimating lens for collimating the light emitted from the display into parallel light; a waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other and guiding the incident collimated light; an in-coupler for entering the collimated light passing through the collimating lens into the waveguide substrate; and an outcoupler having a partially reflective surface and outputting the collimated light transmitted to the waveguide substrate; in this case, the incident collimated light is partially reflected and emitted by each outcoupler, thereby finally exiting the exit pupil (exit) pupil) so that a waveguide display of an extended type is configured.

그리고 각각의 아웃커플러는, 오목렌즈의 역할인 결상면 형성 역할을 대체 수행하도록, 부분 반사면이 곡면으로 구성될 수 있다. In addition, each of the outcouplers may have a partially reflective surface configured as a curved surface to replace the image forming surface forming role, which is the role of the concave lens.

또한, 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조는, 각각의 아웃커플러를 통해 오목렌즈를 대체함으로써, 구조의 간소화를 위해, 결상면을 형성하기 위한 오목렌즈 및 실사 왜곡을 방지하기 위한 볼록 렌즈의 생략이 가능할 수 있다.In addition, in the viewing area extension type waveguide display structure, by replacing the concave lens through each outcoupler, for the simplification of the structure, it may be possible to omit the concave lens for forming the imaging plane and the convex lens for preventing distortion of the actual image. .

그리고 아웃커플러의 중심 지점에서의 도파광의 입사각도(

Figure pat00001
) 및 입사각도에 의해 반사되는 각도(
Figure pat00002
)는, 비축(Off-axis) 형태의 구면 거울의 곡면을 차용하며, 중심 픽셀의 시준광이 도파되어 오는 도파각도가
Figure pat00003
이고, 중심에서 그은 접선이 도파관의 기판면과 이루는 각도가
Figure pat00004
인 경우, 하기 수식 1을 이용하여 산출할 수 있다. And the incident angle of the waveguide at the center point of the outcoupler (
Figure pat00001
) and the angle reflected by the angle of incidence (
Figure pat00002
) borrows the curved surface of an off-axis type spherical mirror, and the waveguide angle at which the collimated light of the central pixel is guided is
Figure pat00003
and the angle formed by the tangent line drawn from the center to the substrate surface of the waveguide is
Figure pat00004
In the case of , it can be calculated using Equation 1 below.

(수식 1)

Figure pat00005
(Formula 1)
Figure pat00005

또한, 중심 아웃커플러에 인접한 아웃커플러는, 중심 아웃커플러와 동일한 곡률 반경으로 형성되되, 도파관의 두께만큼 위 또는 아래로 이동된 곡률 중심을 가지는 구면 부분 반사면으로 구성될 수 있다. In addition, the outcoupler adjacent to the center outcoupler may be formed with the same radius of curvature as the center outcoupler, and may be composed of a spherical partial reflective surface having a center of curvature moved up or down by the thickness of the waveguide.

그리고 아웃커플러의 비평면 반사면은, 부분 반사면이 구면으로 형성되는 경우에 구면 부분 반사면에서 발생할 수 있는 수차를 방지하도록, 완전한 구면이 아닌 비구면 형상 또는 자유곡면 형상으로 형성될 수 있다. In addition, the non-planar reflective surface of the outcoupler may be formed in an aspherical shape or a free-form surface shape rather than a perfect spherical surface to prevent aberration that may occur in the spherical partial reflective surface when the partial reflective surface is formed as a spherical surface.

또한, 아웃커플러의 비구면 부분 반사면은, 도파관의 하면과

Figure pat00006
의 각도를 가지고 기울어지도록 형성될 수 있다. In addition, the aspherical partial reflective surface of the outcoupler is formed with the lower surface of the waveguide and
Figure pat00006
It may be formed to be inclined with an angle of .

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 시역 확장형 도파관 디스플레이 방법은, 시준 렌즈를 통해, 디스플레이로부터 나온 광을 평행광으로 시준시키는 단계; 인커플러를 통해, 시준 렌즈를 통과한 시준광을 서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성되는 도파관 기판 내로 입사시키는 단계; 및 부분 반사면이 구비된 아웃커플러를 통해, 도파관 기판 내로 입사된 시준광을 출광시키는 단계;를 포함하고, 이때, 입사된 시준광은, 각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이가 구성되도록 한다. On the other hand, according to another embodiment of the present invention, a viewing area extension type waveguide display method includes: collimating light emitted from the display into parallel light through a collimating lens; injecting the collimated light passing through the collimating lens through the in-coupler into a waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other; and outputting the collimated light incident into the waveguide substrate through an outcoupler having a partially reflective surface; in this case, the incident collimated light is partially reflected and emitted by each outcoupler to finally be used Allows a waveguide display with an extended exit pupil to be configured.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 도파관 자체만으로도 관측이 용이한 깊이에서 오는 광선 분포를 표현할 수 있어, 추가적인 오목렌즈 (혹은 오목렌즈+볼록렌즈 Pair)를 사용 배제할 수 있으며, 이를 통해 광학계 전체의 두께, 부피, 무게를 저감할 수 있음은 물론 광학 부품의 생산성 향상에도 도움을 줄 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, the waveguide itself can express the distribution of rays coming from a depth that is easy to observe, so it is possible to exclude the use of an additional concave lens (or a concave lens + a convex lens pair), Through this, it is possible to reduce the overall thickness, volume, and weight of the optical system, as well as help improve the productivity of optical components.

도 1은 종래의 평면 부분 반사면에 기반한 도파관 디스플레이 구조체의 설명에 제공된 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체의 설명에 제공된 도면,
도 3은 구면 반사면에서의 사입사된 평행광의 결상 특성의 설명에 제공된 도면,
도 4 내지 도 5는 아웃커플러를 구성하는 구면 반사면 어레이의 각 반사면에 대한 곡률 중심 특성의 설명에 제공된 도면,
도 6 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비구면 부분 반사면 어레이의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 방법의 설명에 제공된 도면이다.
1 is a view provided for the description of a waveguide display structure based on a conventional planar partially reflective surface;
2 is a view provided for explanation of a field-of-view extended waveguide display structure utilizing a non-planar partially reflective surface array according to an embodiment of the present invention;
3 is a view provided for explanation of the imaging characteristics of incident parallel light on a spherical reflective surface;
4 to 5 are views provided for explanation of the curvature center characteristic for each reflective surface of the spherical reflective surface array constituting the outcoupler;
6 to 7 are views provided for explanation of an aspherical partially reflective surface array according to another embodiment of the present invention;
8 is a view provided for explanation of a field-of-view extension type waveguide display method using a non-planar partial reflective surface array according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체(이하에서는 '시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체'라고 총칭하기로 함)의 설명에 제공된 도면이며, 도 3은 구면 반사면에서의 사입사된 평행광의 결상 특성의 설명에 제공된 도면이고, 도 4 내지 도 5는 아웃커플러를 구성하는 구면 반사면 어레이의 각 반사면에 대한 곡률 중심 특성의 설명에 제공된 도면이다. 2 is a view provided for explanation of a field-of-view extended waveguide display structure using a non-planar partial reflective surface array (hereinafter, collectively referred to as a 'view-field extended waveguide display structure') according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a view provided for the description of the imaging characteristics of the incident parallel light on the spherical reflective surface, and FIGS. 4 to 5 are views provided for the explanation of the curvature center characteristic for each reflective surface of the spherical reflective surface array constituting the outcoupler .

도파관 디스플레이는 사용자의 측면 또는 상면부에 위치한 디스플레이로부터 나온 빛을 디스플레이로부터 나온 광을 서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성된 도파관 기판 내로 입사시키는 인커플러 및 사용자의 동공 앞에 위치하여 기판으로 전달된 빛을 출광시키는 아웃커플러로 구성된다. 이때, 인/아웃커플러는 회절광학소자, 홀로그래픽광학소자, 반사면, 부분 반사면 등으로 구성될 수 있으며, 도파관 기판 내부를 통해 전달되는 빛은 전반사에 기인하기 때문에 별도의 반사 코팅 없이도 긴 도파거리를 전파할 수 있다.The waveguide display is located in front of the user's pupil and an in-coupler that injects light from the display located on the user's side or upper surface into the waveguide substrate having two or more main surfaces parallel to each other. It consists of an out-coupler that emits the transmitted light. At this time, the in/out coupler may be composed of a diffractive optical element, a holographic optical element, a reflective surface, a partially reflective surface, etc. Since the light transmitted through the inside of the waveguide substrate is due to total reflection, a long waveguide without a separate reflective coating can spread the distance.

본 발명의 일 실시예에 따른 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체는, 특히 어레이 형태로 복수의 부분 반사면이 배열된 아웃커플러 구조를 가지는 도파관 디스플레이에서, 각 반사면이 곡면(구면, 비구면, 자유곡면 등)으로 구성된 광학 구조를 제안함으로써, 평행광으로 입사 및 도파하는 각 픽셀의 방사광을, 아웃커플러 위치에 따라 분할된 비평면 부분 반사면 어레이를 통하여 출광시키고, 이를 통해, 별도의 오목렌즈 없이도 관측이 용이한 깊이에서 출광된 것과 같은 발산광을 구현할 수 있다. The field-of-view extension type waveguide display structure according to an embodiment of the present invention, particularly in a waveguide display having an outcoupler structure in which a plurality of partial reflection surfaces are arranged in an array form, each reflection surface is a curved surface (spherical surface, aspherical surface, free-form surface, etc.) By proposing an optical structure composed of It is possible to implement the same divergent light as emitted from one depth.

구체적으로, 본 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체는, 도 2에 도시된 바와 같이 시준된 화소광을 그대로 사용하되, 아웃커플러를 비평면 형태로 변형함으로써 별도의 오목/볼록 렌즈를 사용하지 않아도 사용자가 용이하게 영상을 관측할 수 있는 도파관 디스플레이의 광학 구조이다. Specifically, the present viewing area extension type waveguide display structure uses the collimated pixel light as it is, as shown in FIG. 2, but by transforming the outcoupler into a non-planar shape, a user can easily do it without using a separate concave/convex lens It is an optical structure of a waveguide display capable of observing an image.

이때, 평행광으로 시준시키는 시준 렌즈를 통과한 시준광이 도파관 기판 내로 입사되면, 입사된 시준광은 곡면 거울 형태로 구성되어 부분 반사 코팅된 아웃커플러 어레이를 만나게 되며, 기존 구조와 마찬가지로 각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이를 구성한다. At this time, when the collimated light passing through the collimating lens collimating into the collimated light is incident into the waveguide substrate, the incident collimated light is composed of a curved mirror and meets the partially reflective coated outcoupler array. The light is partially reflected from the coupler, and finally, an exit pupil is expanded to constitute a waveguide display.

다만, 각각의 아웃커플러는 부분 반사면이 곡면으로 구성됨에 따라, 도 1에서 오목렌즈가 하던 결상면 형성의 역할을 아웃커플러 자체가 대신할 수 있게 되어 전체적인 구조를 간소화할 수 있다. However, since the partial reflection surface of each outcoupler is configured as a curved surface, the outcoupler itself can take over the role of forming the image forming surface that the concave lens did in FIG. 1 , thereby simplifying the overall structure.

아울러 오목렌즈가 불필요해짐에 따라, 실사 왜곡을 방지하기 위한 볼록 렌즈 또한 제거할 수 있어, 전체 도파관 디스플레이 구조를 단순화할 수 있으며 생산성 향상에도 도움을 줄 수 있다.In addition, as the concave lens becomes unnecessary, the convex lens for preventing distortion of the actual image can also be removed, thereby simplifying the entire waveguide display structure and helping to improve productivity.

즉, 각각의 아웃커플러는, 오목렌즈의 역할인 결상면 형성 역할을 대체 수행하도록, 부분 반사면이 곡면으로 구성되며, 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조는, 각각의 아웃커플러를 통해 오목렌즈를 대체함으로써, 구조의 간소화를 위해, 결상면을 형성하기 위한 오목렌즈 및 실사 왜곡을 방지하기 위한 볼록 렌즈의 생략이 가능하게 되는 것이다. That is, each outcoupler has a partially reflective surface configured as a curved surface to replace the image forming surface forming role, which is the role of the concave lens, and the viewing area extension type waveguide display structure replaces the concave lens through each outcoupler, For the simplification of the structure, it is possible to omit the concave lens for forming the imaging plane and the convex lens for preventing distortion of the actual image.

도 3은 곡면 형태의 부분 반사면의 하나의 실시예로서, 구면 거울면을 사용하는 원리를 보여준다.FIG. 3 shows a principle of using a spherical mirror surface as an example of a partially reflective surface of a curved surface.

아웃커플러의 중심 지점에서의 도파광의 입사각도(

Figure pat00007
) 및 입사각도에 의해 반사되는 각도(
Figure pat00008
)는, 비축(Off-axis) 형태의 구면 거울의 곡면을 차용하며, 중심 픽셀의 시준광이 도파되어 오는 도파각도가
Figure pat00009
이고, 중심에서 그은 접선이 도파관의 기판면과 이루는 각도가
Figure pat00010
인 경우, 하기 수식 1을 이용하여 산출할 수 있다. The incident angle of the waveguide at the center point of the outcoupler (
Figure pat00007
) and the angle reflected by the angle of incidence (
Figure pat00008
) borrows the curved surface of an off-axis type spherical mirror, and the waveguide angle at which the collimated light of the central pixel is guided is
Figure pat00009
and the angle formed by the tangent line drawn from the center to the substrate surface of the waveguide is
Figure pat00010
In the case of , it can be calculated using Equation 1 below.

(수식 1)

Figure pat00011
(Formula 1)
Figure pat00011

아웃커플러가 유한 크기의 빔폭을 지니는 도파광과 만나는 경계 지점을 각각 A, B라 할 때, 시준된 도파광이 아웃커플러를 통해 반사되는 빔은 지점 A, B 사이의 거리보다 큰 빔폭을 지니는 발산하는 구면파의 형태로 변형된다. Assuming that the boundary points where the outcoupler meets the waveguide having a finite size are A and B, respectively, the beam reflected through the outcoupler is a divergence with a larger beamwidth than the distance between the points A and B. transformed into a spherical wave.

관측자는 구면파의 가상 시발점을 해당 화소의 결상 위치로 인지하게 되며, 이때, 결상면의 깊이는 구면의 곡률 중심까지의 거리와 유사한 수준을 만족시킬 수 있다. The observer recognizes the virtual start point of the spherical wave as the imaging position of the corresponding pixel, and in this case, the depth of the imaging plane may satisfy a level similar to the distance to the center of curvature of the spherical surface.

어레이 형태의 복수 아웃커플러를 구성함에 있어, 각 아웃커플러의 곡률 반경은 동일하나, 곡률 중심의 좌표는 다르게 설정될 수 있다. In configuring a plurality of outcouplers in an array form, the radius of curvature of each outcoupler is the same, but the coordinates of the center of curvature may be set differently.

도 4 내지 도 5는 세 개의 아웃커플러로 구현된 하나의 실시예로서, 각 아웃커플러의 곡률 중심을 정하는 방법을 도시한다. 4 to 5 show a method of determining a center of curvature of each outcoupler as one embodiment implemented with three outcouplers.

먼저 중심 아웃커플러를 기준으로 구면 부분반사면의 곡률 반경 및 곡률 중심을 도출한다. First, the radius of curvature and the center of curvature of the spherical partial reflective surface are derived based on the central outcoupler.

중심 아웃커플러에 인접한 아웃커플러는, 중심 아웃커플러와 동일한 곡률 반경으로 형성되되, 도파관의 두께만큼 위 또는 아래로 이동된 곡률 중심을 가지는 구면 부분 반사면으로 구성된다. The outcoupler adjacent to the center outcoupler is formed with the same radius of curvature as the center outcoupler, and is composed of a spherical partial reflective surface having a center of curvature shifted up or down by the thickness of the waveguide.

이해를 돕기 위하여 세 개의 아웃커플러를 도파광의 진행 방향에 따라 적층하여 살펴보면, 도 5와 같이 모델링할 수 있다. 즉, 전체 구면 부분 반사면인 곡선 C0가 수행하는 볼록 거울의 역할을, 각 아웃커플러에서 위치에 따라 C1, C2, C3로 분할하여 기능을 수행하는 것으로 이해할 수 있다. For better understanding, the three outcouplers can be modeled as shown in FIG. 5 by stacking them along the propagation direction of the waveguide. That is, it can be understood that the function of the convex mirror performed by the curve C 0 , which is the entire spherical partial reflection surface , is divided into C 1 , C 2 , and C 3 according to the position in each outcoupler to perform the function.

도 6 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비구면 부분 반사면 어레이의 설명에 제공된 도면이다. 6 to 7 are views provided for explanation of an aspherical partial reflective surface array according to another embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 아웃커플러의 비평면 반사면은, 부분 반사면이 구면으로 형성되는 경우에 구면 부분 반사면에서 발생할 수 있는 수차를 방지하도록, 완전한 구면이 아닌 비구면 형상 또는 자유곡면 형상으로 형성될 수 있다. 6 to 7, the non-planar reflective surface of the outcoupler according to the present embodiment is not a perfect spherical surface to prevent aberration that may occur in the spherical partial reflective surface when the partial reflective surface is formed of a spherical surface. It may be formed in an aspherical shape or a free-form surface shape.

아웃커플러의 비구면 부분 반사면은, 도파관의 하면과

Figure pat00012
의 각도를 가지고 기울어지도록 형성되며, 중심 아웃커플러의 중앙에서 거리 r 만큼 떨어진 지점에서의 표면 Sag는 다음과 같이 비구면 표현식을 따를 수 있다. 이때, R은 곡률 반경, K는 conic constant, α i는 비구면 계수이다.The aspherical partial reflective surface of the outcoupler is separated from the lower surface of the waveguide
Figure pat00012
It is formed to be inclined with an angle of , and the surface Sag at a distance r away from the center of the center outcoupler can follow the aspherical expression as follows. Here, R is the radius of curvature, K is the conic constant, and α i is the aspheric coefficient.

(비구면 표현식)

Figure pat00013
(aspherical expression)
Figure pat00013

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 방법의 설명에 제공된 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 방법은, 시준 렌즈를 통해, 디스플레이로부터 나온 광을 평행광으로 시준시키는 시준 단계(S810), 인커플러를 통해, 시준 렌즈를 통과한 시준광을 도파관 기판 내로 입사시키는 입사 단계(S820) 및 부분 반사면이 구비된 아웃커플러를 통해, 서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성되는 도파관 기판 내로 입사된 시준광을 출광시키는 출광 단계(S830)로 구성될 수 있다. FIG. 8 is a view provided for explaining a method for displaying a field-of-view extended waveguide using a non-planar partially reflective surface array according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8 , the viewing area extension type waveguide display method using the non-planar partial reflective surface array according to the present embodiment includes a collimating step (S810) of collimating light emitted from the display into parallel light through a collimating lens, an in-coupler Through the incident step (S820) of injecting the collimated light passing through the collimating lens into the waveguide substrate, and through the outcoupler provided with the partial reflection surface, into the waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other It may be composed of a light exit step (S830) of outputting the incident collimated light.

이때, 입사된 시준광은, 각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이가 구성되도록 할 수 있다. In this case, the incident collimated light may be partially reflected and emitted by each outcoupler, thereby finally configuring a waveguide display in which an exit pupil is expanded.

이를 통해, 평행광으로 입사 및 도파하는 각 픽셀의 방사광을, 아웃커플러 위치에 따라 분할된 비평면 부분 반사면 어레이를 통하여 출광시키고, 이를 통해, 별도의 오목렌즈 없이도 관측이 용이한 깊이에서 출광된 것과 같은 발산광을 구현할 수 있다. Through this, the emitted light of each pixel incident and guided as parallel light is emitted through the non-planar partial reflective surface array divided according to the outcoupler position, and through this, it is emitted at a depth that is easy to observe without a separate concave lens. The same divergent light can be implemented.

한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.On the other hand, it goes without saying that the technical idea of the present invention can also be applied to a computer-readable recording medium containing a computer program for performing the functions of the apparatus and method according to the present embodiment. In addition, the technical ideas according to various embodiments of the present invention may be implemented in the form of computer-readable codes recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any data storage device readable by the computer and capable of storing data. For example, the computer-readable recording medium may be a ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, or the like. In addition, the computer-readable code or program stored in the computer-readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims Various modifications are possible by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

110 : 디스플레이
120 : 시준 렌즈
130 : 도파관 기판
140 : 인커플러
150 : 아웃커플러
151 : 부분 반사면
110: display
120: collimating lens
130: waveguide substrate
140: in-coupler
150: out coupler
151: partially reflective surface

Claims (8)

디스플레이;
디스플레이로부터 나온 광을 평행광으로 시준시키는 시준 렌즈;
서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성되어, 입사된 시준광을 가이드하는 도파관 기판;
시준 렌즈를 통과한 시준광을 도파관 기판 내로 입사시키는 인커플러; 및
부분 반사면이 구비되어, 도파관 기판으로 전달된 시준광을 출광시키는 아웃커플러;를 포함하고,
입사된 시준광은,
각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이가 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
display;
a collimating lens for collimating the light emitted from the display into parallel light;
a waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other and guiding the incident collimated light;
an in-coupler for entering the collimated light passing through the collimating lens into the waveguide substrate; and
an outcoupler having a partially reflective surface to emit collimated light transmitted to the waveguide substrate;
The incident collimated light is
A view area extension type waveguide display structure, characterized in that by being partially reflected and emitted from each outcoupler, a waveguide display having an extended exit pupil is finally configured.
청구항 1에 있어서,
각각의 아웃커플러는,
오목렌즈의 역할인 결상면 형성 역할을 대체 수행하도록, 부분 반사면이 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
The method according to claim 1,
Each outcoupler is
A viewing area extension type waveguide display structure, characterized in that the partially reflective surface is configured as a curved surface to replace the role of the concave lens for forming an imaging surface.
청구항 2에 있어서,
시역 확장형 도파관 디스플레이 구조는,
각각의 아웃커플러를 통해 오목렌즈를 대체함으로써, 구조의 간소화를 위해, 결상면을 형성하기 위한 오목렌즈 및 실사 왜곡을 방지하기 위한 볼록 렌즈의 생략이 가능한 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
3. The method according to claim 2,
The viewing area extension type waveguide display structure is,
By replacing the concave lens through each outcoupler, for the simplification of the structure, it is possible to omit the concave lens for forming the imaging surface and the convex lens for preventing real-world distortion.
청구항 2에 있어서,
아웃커플러의 중심 지점에서의 도파광의 입사각도(
Figure pat00014
) 및 입사각도에 의해 반사되는 각도(
Figure pat00015
)는,
비축(Off-axis) 형태의 구면 거울의 곡면을 차용하며, 중심 픽셀의 시준광이 도파되어 오는 도파각도가
Figure pat00016
이고, 중심에서 그은 접선이 도파관의 기판면과 이루는 각도가
Figure pat00017
인 경우, 하기 수식 1을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
(수식 1)
Figure pat00018

3. The method according to claim 2,
The incident angle of the waveguide at the center point of the outcoupler (
Figure pat00014
) and the angle reflected by the angle of incidence (
Figure pat00015
) is,
It borrows the curved surface of the off-axis type spherical mirror, and the waveguide angle at which the collimated light of the central pixel is guided is
Figure pat00016
and the angle formed by the tangent line drawn from the center to the substrate surface of the waveguide is
Figure pat00017
In the case of , it is characterized in that calculated using the following Equation 1, the extended type waveguide display structure.
(Formula 1)
Figure pat00018

청구항 2에 있어서,
중심 아웃커플러에 인접한 아웃커플러는,
중심 아웃커플러와 동일한 곡률 반경으로 형성되되, 도파관의 두께만큼 위 또는 아래로 이동된 곡률 중심을 가지는 구면 부분 반사면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
3. The method according to claim 2,
The outcoupler adjacent to the center outcoupler,
A viewing area extension type waveguide display structure comprising a spherical partial reflective surface formed with the same radius of curvature as the center outcoupler, and having a center of curvature moved up or down by the thickness of the waveguide.
청구항 1에 있어서,
아웃커플러의 비평면 반사면은,
부분 반사면이 구면으로 형성되는 경우에 구면 부분 반사면에서 발생할 수 있는 수차를 방지하도록, 완전한 구면이 아닌 비구면 형상 또는 자유곡면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
The method according to claim 1,
The non-planar reflective surface of the outcoupler is,
A viewing area extension type waveguide display structure, characterized in that it is formed in an aspherical shape or a free-form surface shape rather than a perfect spherical surface to prevent aberration that may occur in the spherical partial reflection surface when the partially reflective surface is formed in a spherical shape.
청구항 6에 있어서,
아웃커플러의 비구면 부분 반사면은,
도파관의 하면과
Figure pat00019
의 각도를 가지고 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체.
7. The method of claim 6,
The aspherical partial reflective surface of the outcoupler is,
the lower surface of the waveguide
Figure pat00019
A viewing area extension type waveguide display structure, characterized in that it is formed to be inclined with an angle of .
시준 렌즈를 통해, 디스플레이로부터 나온 광을 평행광으로 시준시키는 단계;
인커플러를 통해, 시준 렌즈를 통과한 시준광을 서로 평행한 2개 이상의 주요 면을 갖는 구조로 형성되는 도파관 기판 내로 입사시키는 단계; 및
부분 반사면이 구비된 아웃커플러를 통해, 도파관 기판 내로 입사된 시준광을 출광시키는 단계;를 포함하고,
입사된 시준광은,
각각의 아웃커플러에서 부분 반사되어 출광됨으로써, 최종적으로 사출동(exit pupil)이 확장된 형태의 도파관 디스플레이가 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 시역 확장형 도파관 디스플레이 방법.
collimating light emitted from the display into parallel light through a collimating lens;
injecting the collimated light passing through the collimating lens through the in-coupler into a waveguide substrate formed in a structure having two or more main surfaces parallel to each other; and
Including; outputting the collimated light incident into the waveguide substrate through the outcoupler provided with the partially reflective surface;
The incident collimated light is
A method for displaying a waveguide for extended viewing area, characterized in that by partially reflecting light from each outcoupler, a waveguide display with an extended exit pupil is finally configured.
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