KR20210119996A

KR20210119996A - 작은 입력 개구를 갖는 고효율 콤팩트 헤드 마운트 디스플레이 시스템

Info

Publication number: KR20210119996A
Application number: KR1020217024072A
Authority: KR
Inventors: 야코브 아미타이
Original assignee: 우림 옵틱스 엘티디.
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2021-10-06
Also published as: IL264551A; JP2024041889A; CN113678049A; WO2020157747A1; AU2020213443A1; SG11202107828UA; CA3127179A1; JP7420817B2; JP2022519477A; US20220107499A1; CN113678049B; CN117310994A; EP3918406A1

Abstract

광학 장치가, 광투과 기판, 입력 개구 및 출력 개구, 아이 모션 박스, 입력 개구를 통해 기판 내로 광파를 커플링하기 위해 기판 외부의 중간 소자, 커플링-인된 광파를 반사하여 기판의 주요 표면으로부터 내부 전반사를 수행하기 위한 투과 기판의 두 주요 표면 사이의 제1 반사 표면, 광파를 기판 밖으로 커플링하기 위해 광 투과 기판의 주요 표면 사이에 위치한 제1 반사 표면과 평행한 제2 반사 표면, 및 기판 밖으로 커플링-아웃된 광파를 출력 개구를 통해 아이 모션 박스로 방향 전환시키기 위한 광학 요소를 포함한다. 입력 개구는 출력 개구보다 실질적으로 작고, 제1 및 제2 반사 표면의 활성 영역은 유사하며, 결합된 광파 각각은 아이 모션 박스의 전체 개구를 커버한다.

Description

작은 입력 개구를 갖는 고효율 콤팩트 헤드 마운트 디스플레이 시스템

본 발명은 기판 기반 광파 유도 광학 장치(substrate-based light wave guided optical devices)에 관한 것으로, 특히 광투과 기판에 달린(carried) 반사 표면 및 광투과 기판에 부착되는 부분 반사 표면 어레이를 포함하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 헤드-마운트 및 헤드업 디스플레이뿐만 아니라 셀룰러 폰, 소형 디스플레이 및 3D 디스플레이와 같은 다수의 촬상 용도(imaging applications)에 유리하게 구현될(implemented) 수 있다.

소형 광학 소자(compact optical elements)의 중요한 용도의 하나는, 광학 모듈이 촬상 렌즈(imaging lens)와 콤바이너(combiner)의 역할을 모두 하는 헤드 마운트 디스플레이(HMD;head-mounted display)에 있으며, 여기서 2차원 디스플레이가 무한대로 촬상되고 뷰어 눈에 반사된다. 그 디스플레이는, 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 어레이, 주사 광원(scanning source) 및 유사한 장치와 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM)에 의해 직접적으로, 릴레이 렌즈에 의해 또는 광섬유 번들을 통해 간접적으로 얻을 수 있다. 디스플레이는, 콜리메이팅 렌즈(collimating lenz)에 의해 무한대로 촬상되고, 각각 비투시 및 투시(non-see-through and see-through) 용도를 위한 콤바이너 역할을 하는 반사 또는 부분 반사 표면에 의해 뷰어의 눈으로 전달되는(transmitted) 소자(픽셀) 어레이를 포함하여 구성된다. 일반적으로, 이러한 목적을 위해 종래의 자유 공간 광 모듈이 사용된다. 시스템의 원하는 시계(desired field-of-view; FOV)가 증가함에 따라, 그러한 종래의 광학 모듈은 더 크고, 더 무겁고, 부피가 커져서, 보통의 성능의 장치에 대해서도 비실용적이다. 이것은, 모든 종류의 디스플레이, 특히 시스템이 가능한 한 가볍고 콤팩트해야 하는 HMD에 있어서 주요 단점이다.

소형화(compactness)에 대한 요구로 인해 여러 복잡한 광학 솔루션이 생겨났고, 이들 모두는, 한 편으로는, 여전히 대부분의 실제 응용 분야에 대해 충분히 소형화되지 않았으며, 다른 한편으로는 제조성(manufacturability), 가격 및 성능 측면에서 주요 단점이 되고 있다.

국제 공개 WO2017/141239, WO2017/141240, WO2017/141242, 및 PCT/IL2018/051105호에 포함된 교시 내용은 본 명세서에 참고 문헌으로 통합된다

본 발명은, 다른 용도들 가운데서도, 특히 HMD를 위한 소형(compact) 기판의 제공을 용이하게 한다. 본 발명은 비교적 큰 아이모션 박스(eye-motion box; EMB) 값과 함께 비교적 넓은 FOV를 허용한다. 그 결과로서의 광학 시스템은, 눈의 큰 움직임도 수용하는, 크고 고품질의 이미지를 제공한다. 본 발명에 따라 광학 시스템은, 그것이 최첨단 구현물들보다 실질적으로 더 콤팩트하고, 그리고 나아가, 특수한 구성을 갖는 광학 시스템까지도 쉽게 통합될 수 있기 때문에, 특히 이점이 많다.

따라서, 본 발명의 넓은 목적은, 최신 소형 광학 디스플레이 장치의 단점을 완화하고, 그리고 특정 요구 사항에 따라 개선된 성능을 갖는 다른 광학 부품 및 시스템을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 적어도 2개의 평행한 주 표면 및 2개의 대향 에지(edges)를 갖는 제1 광투과(light-transmitting) 기판; 입력 개구(input aperture); 기판의 주 표면 중 하나의 옆에 위치된 출력 개구; 개구가 있는 아이 모션 박스; 시계를 갖는 광파를 입력 개구를 통해 기판으로 커플링하기 위해 기판 외부에 위치된 적어도 2개의 표면을 갖는 제1 중간 소자; 커플링-인된 광파(coupled-in light waves)를 반사하여 기판의 주 표면으로부터 내부 전반사를 수행하기 위해, 투광 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치된 활성 영역을 갖는 제1 플랫 반사 표면; 기판 외부로 광파를 커플링하기 위해, 활성 영역을 갖고 광 투과 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치되는 제1 플랫 반사 표면에 평행한 제2 플랫 반사 표면, 및 기판으로부터 출력 개구를 통해 커플링-아웃된(coupled-out) 광파를 아이 모션 박스로 방향 전환(redirecting)시키기 위해 기판 외부에 위치된 적어도 2개의 표면을 갖는 방향 전환 광학 소자;를 포함하는, 광학 소자를 포함하여 구성되는, 광학 장치가 제공되며, 여기서 입력 개구는 출력 개구보다 실질적으로 작고, 제1 반사 표면의 활성 영역은 제2 반사 표면의 활성 영역과 유사하고, 그리고 커플링된 광파 각각은 아이 모션 박스의 전체 개구를 커버한다.

본 발명을, 보다 완전하게 이해될 수 있도록, 다음의 예시적인 도면을 참조하여 특정 바람직한 실시예와 관련하여 설명하기로 한다
도면을 구체적으로 참조하면, 도시된 세부 사항은 단지 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 예시적인 논의의 목적을 위한 예이고, 그리고 본 발명의 원리 및 개념적 태양에 대한 유용하고 쉽게 이해할 수 있는 설명. 가장 바람직한 것으로 여겨지는 것을 제공하기 위해 제시되는 것을 강조한다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적 세부사항을 나타내려는 시도는 이루어지지 않았다. 도면과 함께 취해진 설명은, 본 발명의 여러 형태가 실제로 어떻게 구현될 수 있는지에 대하여 이 분야의 통상의 기술자에게 지침 역할을 하도록 하기 위한 것이다.
첨부 도면에서:
도 1은 종래 기술의 예시적인 광 투과성 기판의 측면도이고;
도 2는 다른 종래 기술의 예시적인 광 투과 기판의 측면도이며;
도 3A 및 도 3B는 두 가지 범위의 입사각에 대해, 종래 기술의 예시적인 광투과 기판에 사용된, 선택적 반사 표면의 원하는 반사율 및 투과율 특성을 도시하고;
도 4는 예시적인 유전체 코팅에 대한 입사각의 함수로서의 반사율 곡선을 도시하며;
도 5는 커플링-인(coupling-in) 및 커플링-아웃(coupling-out) 소자가 회절 광학 소자인, 종래 기술의 광 투과 기판의 개략 단면도이고;
도 6A, 6B 및 6C는 커플링-인 및 커플링-아웃 표면, 및 부분적으로 반사하는 방향 전환 소자를 갖는 종래 기술의 투명 기판의 단면도를 도시하며;
도 7은 시야각 및 시스템의 EMB에 따른, 커플링-아웃 표면의 활성 부분을 개략적으로 도시하고;
도 8A, 8B, 8C 및 8D는 시스템의 시야각 및 EMB에 따른 커플링-인 표면의 활성 부분을 개략적으로 도시하며;
도 9A, 9B, 9C 및 9D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이고;
도 10은 본 발명에 따라, 입사각의 함수로서의, 3개의 상이한 파장에 대한 인터페이스 평면 상의 입사 광파의 반사를 나타내는 그래프이며;
도 11은 본 발명에 따라, 파장의 함수로서의 인터페이스 평면의 임계각, 및 두 개의 서로 다른 광파의 인터페이스 평면상의 입사각을 나타낸 그래프이고;
도 12A, 12B 및 12C는 본 발명에 따라, 입사각의 함수로서의 3개의 상이한 파장에 대한 인터페이스 평면상의 입사 광파의 반사, 및 2개의 특정 광파의 입사각을 나타내는 그래프이며;
도 13A, 13, 13 및 13D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 다른 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이고;
도 14A, 14B, 14C 및 14D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 또 다른 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이며;
도 15는 본 발명에 따라, 입사각의 함수로서, 3개의 상이한 파장에 대한 커플링-인 표면 상의 입사 광파의 반사를 나타내는 그래프이며;
도 16은 본 발명에 따라, 파장의 함수로서, 2개의 상이한 광파의 커플링-인 표면 상의 입사각 및 커플링-인 표면의 임계각을 도시한 그래프이고;
도 17A, 17B 및 17C는 본 발명에 따라, 입사각의 함수로서, 3개의 상이한 파장에 대한 커플링-인 표면상의 입사 광파의 반사, 및 2개의 상이한 광파의 입사각을 나타내는 그래프이며;
도 18A, 18B, 18C 및 18D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 2개의 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이고;
도 19A, 19B, 19C 및 19D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 2개의 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 기판 안내 실시예의 다른 개략적인 단면도이며;
도 20A, 20B, 20C 및 20D는 본 발명에 따라, 단일 커플링-아웃 소자, 2개의 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 기판 안내 실시예의 또 다른 개략적인 단면도이고;
도 21은 본 발명에 따라, 커플링-인 표면의 상이한 경사각(inclination angles)을 갖는 2개의 인접한 기판을 갖는 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이며;
도 22A, 22B, 22C 및 22D는 본 발명에 따라, 2개의 인접한 기판을 갖는 기판 안내 실시예 내부에 커플링된 단일 광파의 개략적인 단면도이고;
도 23A, 23B, 23C 및 23D는 본 발명에 따라, 2개의 인접한 기판을 갖는 기판 안내 실시예 내부에 커플링된 다른 광파의 개략적인 단면도이며;
도 24A, 24B 및 24C는 본 발명에 따라, 2개의 인접한 기판을 갖는 기판 안내 실시예 내부에 커플링된 또 다른 광파의 개략적인 단면도이고;
도 25는 본 발명에 따라, 2개의 인접한 기판, 중간 프리즘, 및 출력 개구보다 실질적으로 작은 입력 개구를 갖는 기판 안내 실시예 내부에 커플링된 3개의 상이한 광파의 개략 단면도이며;
도 26A 및 26B는 원하지 않는 광파가 시스템의 EMB에 도달하는 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이고;
도 27은 본 발명에 따라, 외부 표면으로부터 내부 전반사를 제거하기 위한 흡수 표면 어레이를 갖는 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이며;
도 28A, 28B, 28C, 28D, 28E 및 28F는 본 발명에 따라, 흡수 표면을 갖는 플레이트를 제조하는 방법을 도시한 도면이고;
도 29A 및 도 29B는 본 발명에 따라, 원하지 않는 미광(stray rays)이 박판 내부에서 흡수되는, 기판 안내 실시예의 개략적인 단면도이며;
도 30은 본 발명에 따라, 이중 기판 구성을 사용하여 2개의 축을 따라 출력 개구를 확장하는 방법을 도시하는 도면이고; 그리고
도 31A 및 도 31B는 편광 및 비편광 디스플레이 광원용 콜리메이팅 소자로서 반사 렌즈를 사용하는 기판 안내 실시예의 다른 개략적인 단면도이다.

도 1은 제1 반사 표면(16)이 디스플레이 광원(4)으로부터 발산하고, 장치의 기판(20)과 디스플레이 광원(4) 사이에 위치한 렌즈(6)에 의해 콜리메이팅된 광파(12)에 의해 조사되는(illuminated), 종래 기술의 광투과 기판의 단면도를 도시한다. 반사 표면(16)은, 내부 전반사에 의해, 광파가 평면 기판(20) 내부에 트랩(trap)되도록 광원(4)으로부터의 입사광을 반사한다. 기판(20)의 주 표면(26, 27)에서 여러 번 반사된 후, 트랩된 광파는 부분 반사 소자(22)에 도달하고, 이 소자는 광을 기판 외부로 보내 뷰어의 동공(25)을 갖는 눈(24)에 커플링된다. 여기서, 기판(20)의 입력 개구(17)는 입력 광파가 기판으로 들어가는 개구로 구획되고, 그리고 기판의 출력 개구(18)는 트랩된 광파가 기판을 빠져나가는 개구로 구획된다. 도 1에 도시된 기판의 경우, 입력 및 출력 개구 모두가 하부 표면(26)과 일치한다. 그러나, 디스플레이 광원(4)으로부터의 입력 및 이미지 광파가 기판의 대향하는 측면 또는 기판의 에지 중 하나에 위치하는 다른 구성이 예상(envisioned)된다. 도시된 바와 같이, 주 표면(26) 상의 커플링-인(16) 및 커플링-아웃(22) 소자의 대략적인 돌출부인 입력 및 출력 개구의 활성 영역은 서로 유사하다.

HMD 시스템에서는, 투사된 이미지의 전체 FOV를 뷰어의 눈이 동시에 볼 수 있도록 디스플레이 광원에서 나오는 모든 광파에 의해 EMB의 전체 영역이 조사되어야 한다. 결과적으로 시스템의 출력 개구는 그에 따라 확장되어야 한다. 한편, 광모듈은 가볍고 콤팩트해야 한다. 콜리메이팅 렌즈(6)의 횡방향 크기(lateral extent)는, 기판의 입력 개구의 횡방향 치수에 의해 결정되기 때문에, 입력 개구는 가능한 한 작아야 하는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 것과 같은 시스템에서, 입력 개구의 횡방향 치수가 출력 개구의 횡방향 치수와 유사한 경우, 이 두 요구 사항 사이에는 내재적 모순(inherent contradiction)이 있다. 이 광학 아키텍처를 기반으로 하는 대부분의 시스템은, 크고 성가신 촬상 모듈뿐만 아니라, 작은 EMB와 작은 달성 가능한 FOV로 인해 어려움을 겪고 있다.

이 문제를 적어도 부분적으로 해결하는 실시예가 도 2에 도시되어 있으며, 여기서 기판으로부터의 광파를 커플링-아웃하는 소자(the element which couples-out the light waves from the substrate)는, 부분 반사 표면(22a, 22b 등)의 어레이이다. 이 구성의 출력 개구는 기판(20) 내부에 임베딩된(embedded) 부분 반사 표면의 수를 증가시켜 확장될 수 있다. 따라서, 작은 입력 개구 및 큰 출력 개구를 갖는 광학 모듈을 설계 및 구성하는 것이 가능하다. 알 수 있는 바와 같이, 트랩된 광선은 2개의 별개의 방향(28, 30)으로부터 반사 표면에 도달한다. 이 특정 실시예에서, 트랩된 광선은, 기판의 주 표면(26, 27)으로부터 짝수 번의 반사 후에 이들 방향(28) 중 하나로부터 부분 반사 표면(22a)에 도달하고, 여기서 트랩된 광선과 반사 표면에 대한 법선 사이의 입사각은 βref이다.

트랩된 광선은 기판 표면(26, 27)으로부터 홀수 번의 반사 후에 제2 방향(30)으로부터 부분 반사 표면(22b)에 도달하며, 트랩된 광선과 반사 표면에 대한 법선 사이의 입사각은 β_ref이다.

도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 각각의 반사 표면에 대해, 각각의 광선은 먼저 방향(30)으로부터 표면에 도달하며, 여기서 광선의 일부는 방향(28)으로부터 표면에 다시 충돌한다. 원하지 않는 반사 및 고스트 이미지를 방지하기 위해, 반사율(reflectance)이 제2 방향(28)을 갖는 표면에 충돌하는 광선에 대해 무시할 수 있는 것이 중요하다.

박막 코팅의 각도 감도를 활용하는 이 요구 사항에 대한 솔루션은 앞서 언급된 간행물에서 이전에 제안되었다. 한 각도가 다른 각도보다 훨씬 작으면, 두 입사 방향 사이의 원하는 구별(discrimination)이 달성될 수 있다. 높은 입사각에서는 반사율이 매우 낮고, 낮은 입사각에서는 반사율이 높은 코팅을 제공하는 것이 가능하다. 이 특성은, 두 방향 중 하나에 대한 반사율을 제거함으로써, 원하지 않는 반사 및 고스트 이미지를 방지하는 데 이용될 수 있다.

이제 구체적으로 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이들 도면은 부분 반사 표면(34)의 원하는 반사율 거동(reflectance behavior)을 도시한다. β_ref의 축 편차각 (off-axis angle)을 갖는 광선(32)(도 3A)이 부분적으로 반사되어, 기판(20) 밖으로 커플링-아웃되는 한편, β'_ref의 축 편차각으로 반사 표면(34)에 도달하는 광선(36)(도 3B)은 어떠한 현저한 반사 없이 반사 표면(34)을 통해 투과된다(transmitted).

도 4는 파장 l=550 nm인 S-편광에 대한 입사각의 함수로서 이 특정 시스템의 일반적인 부분 반사 표면의 반사율 곡선을 보여준다. 풀 컬러 디스플레이 (full-color display)의 경우, 일반적으로 대부분의 디스플레이 광원의 경우 430nm에서 660nm 사이인 관련 가시 스펙트럼의 모든 다른 파장에 대해 유사한 반사율 곡선이 달성되어야 한다. 이 그래프에는, 반사율이 매우 낮은 65°와 85° 사이 및 입사각이 증가함에 따라 반사율이 단조롭게 증가하는 10°와 40° 사이의 2개 중요한 영역이 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 실시예의 부분 반사 표면(22)의 요구된 반사율 거동은 통상적이지 않다. 또한, 더 높은 각도 영역에서 낮은 반사율을 유지하기 위해, 낮은 각도 영역에서 반사율은 20% - 30%보다 높을 수 없다. 또한, 전체 FOV에 걸쳐 균일한 휘도를 달성하기 위해, 부분 반사 표면의 반사율이 기판의 에지를 향해 점진적으로 증가할 것이 요구되고, 그리고 그에 따라 달성 가능한 최대 효율은 비교적 낮고 일반적으로 10% 보다 클 수 없다.

도광 광학 소자(light-guided optical element) 안팎으로 광파를 커플링하는 또 다른 방법은 회절 소자를 사용하는 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광선(34, 36)은 회절 소자(48)에 의해 투명 기판(20)내로 커플링되고(coupled), 기판의 외부 표면으로부터의 여러 번의 내부 전반사 후에, 그 광선은 제2 회절 소자(50)에 의해 기판으로부터 커플링-아웃된다(coupled-out from the substrate). 도시된 바와 같이, 광선(34)은 소자(54) 상의 2개의 상이한 지점(52, 54)에서 적어도 두 번 커플링-아웃된다. 결과적으로, 균일한 출력 광파를 달성하기 위해, 소자(50)의 회절 효율은 x축을 따라 점차적으로 증가되어야 한다. 그 결과, 광학 시스템의 전체 효율은 도 2에 도시된 시스템보다 훨씬 낮고, 그리고 일반적으로 몇 퍼센트 이하이다. 즉, 도 2 및 도 5에 도시된 실시예에서. 출력 개구는, 광 모듈의 휘도 효율을 현저히 감소시킬 뿐만 아니라 기판의 제조 공정을 복잡하게 하는 대가로. 입력 개구보다 훨씬 크게 확장된다.

도 6A 및 도 6B는 상술한 문제점을 극복하기 위한 실시예를 도시한다. 광파를 기판(20) 밖을 커플링-아웃하는 것뿐 아니라 광파를 사용자의 눈(24)으로 향하게 하는 이중 기능을 수행하는 단일 소자(도 2의 22 또는 도 5의 50)를 사용하는 대신에, 요청된 기능은 두 개의 상이한 소자로 나뉘며, 즉, 기판 내부에 임베딩된 제1 소자는 광파를 기판 밖으로 커플링-아웃하는 반면, 기판 외부에 위치한 제2의, 종래의 부분 반사 소자는 광파를 뷰어의 눈으로 방향 전환시킨다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 디스플레이 광원으로부터 발산되고 렌즈(도시되지 않음)에 의해 콜리메이팅된 평면 광파로부터의 2개의 광선(63)(점선)은, 기판의 주 표면(70, 72)에 대한

의 입사각으로 입력 개구(86)를 통해, 2개의 평행한 주 표면(70, 72)을 갖는 광 투명 기판(light transparent substrate)(64)에 입사한다.

광선은 기판의 주 표면에 대해 α_sur1 각도로 기울어진 반사 표면(65)에 충돌한다(impinge). 반사 표면(65)은 입사광선을 반사하여 광선이 주 표면으로부터의 내부 전반사에 의해 평면 기판(64) 내부에 트랩되도록 한다. 트랩된 광파의 다양한 "전파 차수(propagation orders)"를 구별하기 위해 위 첨자(i)가 차수(i)를 나타낸다. 0 차로(in the zero order) 기판에 충돌하는 입력 광파는 위 첨자(0)로 표시된다. 커플링-인 반사 표면으로부터의 각각의 반사 후에, 트랩된 광선의 차수가 (i)으로부터 (i+1)로 하나씩 증가된다. 1차(the first order)의 트랩된 광선과 주 표면(70, 72)에 대한 법선 사이의 축 편차각(

)은 아래와 같다;

(1)

기판의 표면에 여러 번 반사된 후, 트랩된 광선은 기판 밖으로 광선을 커플링-아웃하는 제2의 플랫 반사 표면(67)에 도달한다. 표면(67)이 제1 표면(65)과 동일한 각도로 주 표면에 대해 기울어져 있다고 가정하면, 즉 표면(65 및 67)은 평행하고 α_sur2 = α_sur1 이면, 그에 따라 커플링-아웃된 광선과 기판 평면에 대한 법선 사이의 각도(αout)는 아래와 같다;

(2)

따라서, 커플링-아웃된 광선은 입사 광선과 동일한 각도로 기판에 대해 기울어진다. 그에 따라, 커플링-인된 광파는 도 1에 도시된 광파와 유사하게 거동한다. 그러나, 도 6A는 광선(63)과 동일한

의 입사각을 갖는 두 개의 광선(68)(1점 쇄선)이 반사 표면(65)의 우측 측면에 충돌하는 다른 거동을 도시한다. 표면(65)에서 두 번 반사된 후, 광파는 내부 전반사에 의해 기판(64) 내부에서 커플링되고, 그리고 기판 내부에 트랩된 광선의 축 편차각은 이제 아래와 같다;

(3)

기판의 주 표면에서 여러 번 반사된 후, 트랩된 광선은 제2 반사 표면(67)에 도달한다. 광선(68)은 커플링-아웃 표면(67)에서 두 번 반사되고, 그리고 표면(65, 67)에서 한 번만 반사되는 다른 2개의 광선(63)과 같이 동일한 축 편차각(α_out)으로 기판으로부터 커플링-아웃되며, 이는 또한 기판 주 평면에 대한 이러한 4개의 광선의 동일한 입사 입력 각도(incident input angle)이다. 4개의 광선 모두가 동일한 축 편차각으로 기판에 충돌하고 커플링-아웃되지만, 이들 사이에는 의미있는 차이가 있는 바; 반사 표면(65)의 오른쪽에 입사하는 2개의 광선(68)은 기판(64)의 우측 에지(66)에 더 가깝고, 표면(65, 67)으로부터 2회 반사되고, 표면(67)의 좌측 측면에서 기판으로부터 커플링-아웃된다. 다른 한 편으로, 반사 표면(65)의 좌측에 입사하는 2개의 광선(63)은 기판(64)의 중심에 더 가깝고, 표면(65, 67)으로부터 1회 반사되며, 표면(67)의 우측 측면에서 기판으로부터 커플링-아웃되고, 이것은 기판의 중심에 더 가깝다.

도 6A 및 도 6B에 추가로 도시된 바와 같이, 기판의 표면(72)에 대해 α_red각도로 기울어진 부분 반사 표면(79)을 추가함으로써 이미지의 경사각(α_out)이 조정될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이미지는, 기판의 주 표면에 실질적으로 수직인 기판을 다시 통과하고 그리고 기판의 출력 개구(89)를 통해 뷰어의 눈(24)에 도달하도록, 반사되고 회전된다. 왜곡과 색수차를 최소화하려면, 방향전환 프리즘(80)에 표면(79)을 임베딩하고, 그리고 제2 프리즘(82)으로 기판(64)의 형상을 완성하는 것이 선호되며, 그 둘은 모두 동일한 재료로 만들어지며, 이는 프리즘(80)의 그것에 필수적으로 유사해야 하는 것은 아니다. 시스템의 두께를 최소화하기 위해서는, 도 6B에 도시된 바와 같이, 단일 반사 표면(79)을 평행한 부분 반사 표면(79a, 79b, 등)의 어레이로 대체하는 것이이 가능하며, 여기서, 부분 반사 표면의 수는 시스템의 요구 사항에 따라 결정될 수 있다. 커플링-아웃된 광파를 뷰어의 눈으로 방향 전환하는 또 다른 방법은, 서브파장 스케일 패턴(subwavelength-scaled patterns)로 구성된 플랫 메타 표면(meta-surface)을 사용하는 것이다.

본 명세서에 예시된 실시예에서, 1차 및 2차(the first and the second orders)의 축-축 각도(axis-axis angles)만을 갖는 광파는 기판 내부에서 전파하는(propagate inside the substrate. There are systems, however, having comparati) 것으로 가정된다. 그러나 커플링-인 및 커플링-아웃 표면의 비교적 작은 경사각(αsur1)을 갖는 시스템이 있으며, 여기서는 3차 및 4차도 사용될 수 있다.

도 6C에 도시된 바와 같이, 입력 광선(71)은 축 편차각(

)을 갖는 기판(64)에 충돌한다. 지점(75a, 75b, 75c)에서 표면(65)으로부터 3회 반사된 후, 이 광선은 기판 내로 커플링되고, 3차 축 편차각(

)을 갖는 기판 내부에서 전파된다. 기판(64)의 주 표면으로부터 몇 번의 반사 후에, 광선(71)이 표면(6$)에 충돌한다. 지점(77a, 77b 및 77c)에서 표면으로부터 3회 반사된 후, 그것은 축 편차각(

)을 갖는 기판(64)에서 커플링-아웃된다. 광선(71)은 그 다음에 기판의 주 표면에 실질적으로 수직인 표면(79a)에 의해 뷰어의 눈(24)으로 반사된다. 원칙적으로, 몇 개의 커플링-인 차수(a few coupling-in orders)를 가지는 시스템의 경우, 더 낮은 차수는 기판의 에지에 더 가까운 반사 표면의 부분의 기판 내로 그리고 기판으로부터 커플링되고, 더 높은 차수는 기판의 중심에 더 가까운 반사 표면의 부분에서 커플링되게 되고, 한편으로 중간 차수는 커플링-인 표면 및 커플링-아웃 표면의 중앙 부분에서 커플링되게 된다.

커플링 아웃 표면(67)에는 두 가지 모순되는 요구 사항이 있다. 하나는, 처음 3개의 차수 이미지 {F⁽¹⁾, F⁽²⁾　및 F⁽³⁾}는 해당 평면에서 반사되어야 하며, 반면에 다른 하나는 기판(64)으로부터의 0차 이미지(F⁽⁰⁾)가 표면(79)에서, 현저한 반사 없이, 반사된 후 그것을 실질적으로 통과해야 한다는 것이다. 또한, 투시 시스템의 경우 외부 장면으로부터 실질적으로 수직으로 입사하는 광선(83)에 대한 광학 시스템의 투명도는 가능한 한 높아야 한다. 이를 달성하는 방법은 표면(67)에 에어 갭을 사용하는 것이다. 그러나, 견고한(rigid) 시스템을 달성하려면, 기판의 굴절률보다 실질적으로 작은 굴절률을 가지는 광학 접착제를 사용하여 기판(64)을 프리즘(82)과 접합하기(cement) 위해 표면(67)에 광학 접착제를 도포하는 것이 바람직하다. 그러나, 전체 커플링 FOV(entire coupled FOV)에 필요한 전반사 효과를 생성하는 광학 접착제의 필요한 굴절률이, 1.31 - 1.35 정도로, 매우 낮은 상황이 있다. 상업적으로 구입 가능하고 필요한 굴절률을 갖는 광학 접착제가 있다. 그러나 일반적으로 접착 강도가 충분하지 않으며, 극한 환경 조건에 대한 내성도 군사 및 전문 응용 분야에 충분하지 않다. 대안적인 솔루션은, 스핀 코팅 절차를 사용하여, 표면(67)에 유전 물질의 박막을 도포하는 것이다. 도포된 코팅 재료의 굴절률은 기판의 굴절률보다 실질적으로 더 작으며, 그리고 전체 FOV에 대해 표면(67)으로부터 필요한 내부 전반사를 생성하는 적절한 값을 가져야 한다. 기판(64)은 이제 정확한 굴절률이 임의의 합리적인 값을 가질 수 있는 한편, 요구되는 접착 강도 및 환경 조건에 대한 내성을 갖는 광학 접착제를 사용하여 프리즘(82)에 접합될 수 있다.

커플링-아웃 표면(67)으로부터 투과된 광파의 프레넬 반사를 최소화하기 위한 제안된 접근법 중 어느 것에서도, 이 표면에 적절한 반사방지(AR) 코팅을 도포하는 것이 바람직하다. 이 경우, 기판을 통과하는 광파의 전체 효율은 매우 높을 수 있다. 즉, 기판 밖으로 광파를 커플링-아웃할 때 표면(67)의 반사율은, 해당 표면으로부터의 내부 전반사 결과로 100%인 한편, 외부 장면으로부터의 광선뿐만 아니라 표면(79)으로부터 반사된 광파에 대한 해당 표면의 투과율도 AR 코팅의 결과로 100%에 가깝다. 유사하게, 적절한 AR 코팅이 이 인터페이스 평면에 도포되는 기판의 굴절률보다 실질적으로 더 작은 굴절률을 갖는 광학 접착제를 사용하여, 인터페이스 평면(81)을 구획하는 기판(64)의 하부 표면(72)에 프리즘(80)을 접착하는 것이 바람직하다. 여기서 다시, 표면(72)으로부터의 내부 전반사는, 표면(72)에 스핀 코팅을 사용하고 그리고 기존의 광학 접착제를 사용하여 프리즘(80)을 표면(72)에 접합함으로써 적절한 재료를 도포하여 달성될 수 있다. 결과적으로, 기판으로부터 표면(67)에 의해 커플링-아웃된, 광파의 휘도는, 표면(65)에 의해 기판에 커플링-인되기 전의 입력 광파의 휘도와 유사하며, 그리고 휘도가 감쇠되는 유일한 장소는, 표면(79)으로부터의 부분 반사에 의한 것이다. 결과적으로, 도 6A 내지 도 6C에 도시된 실시예의 휘도 효율은 도 2 및 도 5 에 도시된 구성의 효율보다 10배 더 높을 수 있다.

도 6A와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 뷰어가 기판을 통해 외부 장면을 보아야 하는 증강 현실(AR) 용도를 위한 HMD와 같은 투시 시스템에서, 부분 반사 표면(79)은, 외부 광선(63, 68)이 기판을 통과하여 뷰어의 눈(24)에 도달할 수 있도록, 적어도 부분적으로 투명해야 한다. 표면(79)은 부분적으로만 반사하기 때문에, 커플링된 광파(63 및 68)의 일부만이 표면(79)에 의해 반사되어 뷰어의 눈에 도달하는 반면, 다른 광파(84)의 다른 일부는 표면(79)을 통과하여, 프리즘(80)으로부터 커플링-아웃되고, 뷰어의 눈에 도달하지 않는다. 유사하게, 표면(79)은 부분적으로만 투과성이기 때문에, 외부 광선(83)의 일부만이 표면(79)을 통과하여 뷰어의 눈에 도달하는 반면, 광선(85)의 다른 부분은 표면(79)에서 반사되어 프리즘(80)으로부터 커플링-아웃되며, 마찬가지로 뷰어의 눈에도 닿지 않는다. 당연히, 투사된 이미지의 효율성은 외부 장면으로 인해 증가될 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 즉, 부분 반사 표면(79)의 반사율을 증가시킴으로써, 커플링 광선(63, 68)의 휘도가 증가된다. 그러나 결과적으로, 표면(79)의 투과율이 감소되고, 그리고 따라서 외부 이미지(83)의 휘도가 그에 따라 감소된다.

도 1 내지 도 5에 도시된 실시예와 대조적으로. 기판으로부터의 커플링-아웃 광을 뷰어의 눈으로 반사함과 동시에 외부 광선을 투과시키는 표면(79)은, 도 2 내지 도 5에 도시된 실시예의 표면(22, 50)과 같은 특수하거나 복잡한 특성이 없는 종래의 부분 반사 거울이다. 결과적으로, 외부 조사 조건 및 뷰어의 눈에 투영되는 특정 이미지에 따라, 부분 반사 표면(79)의 반사율(결과적으로 투과율)을 동적으로 제어하는 것이 가능하다. 표면(79)의 반사율을 제어하는 한 가지 방법은, 전기적으로 전환 가능한(electrically switchable) 반투과형(transreflective) 거울을 사용하는 것이며, 이 거울은 특수 액정 재료로 만들어진 고체 박막 소자(solid-state thin film device)이고, 그리고 순수 반사, 부분 반사 및 총 투명 상태(solid-state thin film device)의 하나로 급속히 전환될 수 있다. 전환 가능한 소자(79)를 달성하는 다른 방법은 그것을 동적 메타표면(dynamic meta surface)으로 형성하는 것이다. 전환 가능한 거울의 필요한 상태는, 사용자에 의해 수동으로, 또는 외부 휘도에 따라 거울의 반사율을 제어하는 광도계를 사용하여 자동으로 설정할 수 있다. 이 기능은, 투사된 이미지가 외부 이미지와 적절하게 조합되는 조건에서 유용할 수 있지만, 외부 장면의 휘도가 비교적 높고, 그리고 그 때문에 뷰어의 눈부심과 투사된 이미지를 방해하지 않도록 대부분 차단되어야 한다. 다른 한 편으로, 투사된 이미지의 효율성은 적절한 대비(reasonable contrast.)를 달성할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다. 따라서, 동적 표면(79)은 1차 반사 상태로 전환될 수 있으며, 즉 전환 가능한 미러의 반사는 투과보다 훨씬 높다. 결과적으로 기판에서 커플링-아웃된 광선(63 및 68)은 주로 표면(79)에서 뷰어의 눈으로 반사되며, 광학 시스템의 전체 효율은 90% 이상일 수 있으며, 밝은 외부 장면을 여전히 적절하게 볼 수 있다. 결과적으로, 도 6A 내지 도 6C에 도시된 구성의 실시예의 잠재적인 휘도 효율은, 도 2 및 도 5에 도시된 구성의 효율보다 10배(an order of magnitude) 이상 더 높을 수 있다.

도 6A-6C에서 보듯이. 커플링-인 표면(65)의 개구는 커플링-아웃 표면(67)의 개구와 유사하다. 이어서, 입력 개구(86)의 활성 영역은 출력 개구(89)의 활성 영역과 유사하다. 그 결과, 도 6A - 6C에 도시된 실시예의 잠재적인 휘도 효율이 매우 높을 수 있지만, 여전히 유사한 입력 및 출력 개구라는 문제를 겪고 있다. 따라서, 주어진 출력 개구에 대하여 입력 개구를 감소시키거나, 대안적으로 주어진 입력 개구에 대하여 출력 개구를 증가시키는 적절한 방법을 찾아야 한다. 이를 달성하기 위해, 기판으로부터 커플링-아웃된 광파가 커플링-아웃 표면의 전체 활성 영역을 조사할 필요가 없다는 사실이 활용된다.

도 7은 EMB(100)를 조사하기 위해 표면(89)의 출력 개구에 충돌해야 하는 광선을 보여주며, 이 광선은 기판으로부터 커플링-아웃되어 뷰어의 눈(24)으로 방향 전환되는 이미지의 두 개의 주변(marginal) 및 중앙 광파를 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각 FOV의 최소, 중앙, 및 최대의 각도인, 0차 축 편차각 [

(최대),

(중간) 및

(최소)]을 갖는 광파(107R, 107M, 107L)가, 각각 커플링-아웃 반사 표면(67)의 부분(67R, 67M 및 67L)만을 조사하고, 그리고 표면(89)에 의해 EMB(100내로 반사된다. 따라서, 기판의 입력 개구가 상당히 감소되어, 커플링-인된 광파가 표면(67)의 필요한 각 부분만을 조사하고, 그에 따라 원래의 휘도가 보존되는, 하나의 방법이 결정될 수 있다.

도 8A 내지 도 8D는, EMB로부터 기판(64)의 입력 개구(86)를 향한 3개의 광파의 역추적(tracing-back)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광파(107L)(1점 쇄선, 도 8A)는 표면(65)의 우측 부분에 충돌하고, 표면(65)으로부터의 3회 반사 후에 축 편차각(

)을 갖는 기판 내부에 트랩되고, 표면(67)으로부터의 3회 반사 후 기판으로부터 커플링-아웃되며, 여기서 기판으로부터 광파를 커플링-아웃하는 제3 반사는 표면(67)의 좌측 부분에 있다. 광파(107M)(1점 쇄선, 도 8B)는, 기판(65)의 중앙 부분에 충돌하고, 표면(65)으로부터의 2회 반사 후에 축 편차각(

)을 갖는 기판 내부에 트랩되며, 표면(67)으로부터 2번의 반사 후에 기판으로부터 커플링-아웃되고, 여기서, 광파를 기판(67)으로부터 커플링-아웃하는 2번째 반사는 기판(67)의 중아부에서 일어난다. 광파(107R)(1점 쇄선, 도 8C)는 표면(65)의 왼쪽 부분에 충돌하고, 축 편차각(

)을 갖는 기판 내부에 트랩되며, 그리고 표면(67)의 우측 부분으로부터 한 번 반사후에 기판으로부터 커플링-아웃된다. 도 8D에 도시된 바와 같이, 전체 FOV에 대해 입사 광파를 커버하는 입력 개구(86)의 측면 영역(lateral area)은 출력 개구(89)의 것과 유사하고, 그리고 따라서 이 실시예에서 입력 개구(86)를 감소시키는 목표는 달성되지 않았다.

그러나 들어오는 광파가 상당히 큰 입력 개구를 커버하더라도, 기존 광학 시스템의 배향과 반대 방향으로 입력 개구에 충돌한다는 점에 유의해야 한다. 즉, 입력 개구(86)로부터 후방으로 광파를 추적할 때, 광파는 발산하는 대신(lateral area) 서로 가까워지도록 수렴한다(converge). 결과적으로, 중간 프리즘이 광학 시스템에 추가될 수 있으며, 이는 역추적된 광파가 입력 개구(86)의 그것보다 실질적으로 더 작은 동공으로 수렴되도록 할 수 있다.

도 9A 내지 도 9D는, 도 8A 내지 도 8D에 도시된 실시예를 도시하며, 여기서 중간 프리즘(108)은 입력 개구(86)에서 기판(64)에 부착된다. 프리즘(108)의 표면(110)은 인터페이스 평면(111)을 구획하는, 기판(64)의 상부 표면(70)에 광학적으로 부착될 수 있다. 색 분산(chromatic dispersion)을 최소화하기 위해 프리즘(108)의 광학 재료는 방향 전환 프리즘(80)의 광학 재료와 유사해야 한다. 또한, 프리즘(108)의 광파 입력 표면(112)은, 들어오는 광파(107R, 107M 및 107L)가, 상부 표면(70)을 통해 뷰어의 눈(24)을 향하여 기판(64)으로부터 커플링-아웃되는 각도와 동일한 각도로 표면(112)에 충돌하도록 배향되어야 한다. 또한, 표면(112)은 역추적된 광파가 최소 개구로 수렴되는 평면에 위치해야 한다. 도 9D에 도시된 바와 같이, 새로운 입력 개구(86') 내부의 표면(112)에 입사하는 모든 입사 광파는, 2개 요소 출력 개구뿐만 아니라, 원래의 입력 개구(86)보다, 2배 이상으로 실질적으로 훨씬 더 작다.

중간 프리즘(108)과 기판(64) 사이의 인터페이스 평면(111)에는 두 가지 모순되는 요구 사항이 있다. 한편으로, 처음 3차 이미지[F⁽¹⁾, F⁽²⁾　및 F⁽³]는, 그 평면에서 반사되어야 하는 한편, 중간 프리즘(111)을 통해 기판(64)에 들어가는 0차 이미지[F⁽⁰⁾]는, 의미있는 반사 없이 그것을 실질적으로 통과해야 한다. 유사하게, 기판(64)과 방향전환 프리즘(80) 사이의 인터페이스 평면(81)은, 표면(67)으로부터의 마지막 반사 후

의 입력 각도를 갖는 커플링-아웃 광파에 대해 투명(transparent)해야 하고, 그리고 동시에

,

및

의 더 높은 차수 입력 각도(higher order input angles)를 갖는 커플링 광파에 대해 고 반사성이어야 한다. 또한, 투명 시스템의 경우, 인터페이스 평면(81)을 통한 실질적 수직 입사광에 대한 광학 시스템의 투명성(transparency)은 가능한 한 높아야 한다. 이를 달성하는 바람직한 방법은, 기판의 굴절률보다 실질적으로 더 작은 굴절률을 갖는 광학 접착제를 이들 인터페이스 평면에 도포하는 것이고, 그리고 대안적으로 스핀 코팅 절차를 사용하여 인터페이스 평면(81)에 필요한 굴절률을 갖는 박막을 도포하는 것이다. 또한, 인터페이스 평면(81, 111)으로부터 투과된 광파의 프레넬 반사를 최소화하기 위해, 이들 평면에 적절한 AR 코팅을 도포하는 것이 바람직하다. 그 경우, 이들 평면과 상호 작용하는 광파의 전체 효율이 매우 높을 수 있다. 즉, 기판에 광파를 커플링할 때 평면(111)의 반사율은 그 표면으로부터의 내부 전반사의 결과로 100%인 반면, 들어오는 광파에 대한 그 표면의 투과율(transmission)도 AR 코팅의 결과로 100%에 가깝다. 유사하게, 표면(81)으로부터 기판(64) 내부에 커플링된 광파의 반사율은, 그 표면으로부터의 내부 전반사의 결과로서 100%인 반면, 기판(64)으로부터 외부로 커플링-아웃된 광파에 대한 그 표면의 투과율도, 방향 전환 프리즘(80)은 물론 외부 장면으로부터 들어오는 광파에 대한 것과 함께, AR 코팅의 결과로 100%에 가깝다.

대부분의 관련 디스플레이 시스템의 경우, 그 두 요구 사항은, 전체 관련 가시 스펙트럼에 대하여 이행되어야 한다. 따라서, 인터페이스 표면에 인접한 광학 접착제(또는 스핀 코팅에 의해 도포된 박막)과 기판의 광학 재료의 아베 수(Abbe numbers)는, 이미지의 원하지 않는 색채 효과를 피하기 위해, 유사해야 한다고 가정하는 것이 합리적이다. 필요한 전반사 현상을 달성하려면, 기판과 접착제(또는 박막)의 굴절률이 크게 달라야 한다. 결과적으로, 이 요구 사항을 충족하는 것은 매우 어려울 것이며, 일반적으로 접착제(또는 박막)와 기판의 광학 재료의 아베수 는, 실질적으로 상이할 것이다. 그러나, 아베 수 사이의 변화(variation)로 인한 색 분산은, 기판(64)의 아베 수와 다른 아베 수를 갖는 프리즘(108 및 80)의 커플링-인 및 방향 전환을 위한 광학 재료를 선택함으로써 보상될(compensated) 수 있다. 적절한 선택에 의해, 아베 수의 차이는, 크기는 같고 방향은 반대인 색 분산을 유도할 수 있다. 결과적으로, 두 개의 유도된 분산이 상호 보상되게 된다.

고려해야 할 또 다른 문제는, 뷰어의 눈에 투영되는 이미지의 달성 가능한 최대 FOV이다. 대부분의 기판 안내 기반(substrate-guided based) HMD 기술에서, 반사성이든 회절성이든, 광파는 기판의 주 표면에 실질적으로 수직인 가이드 기판으로부터 커플링-아웃된다. 결과적으로, 기판으로부터의 스넬 굴절(Snell refraction)로 인해 이미지의 외부 FOV는 아래 식과 같다.

　 (4)

여기서, 기판 내부의 FOV는 F⁽ⁱⁿ⁾)이고, 기판의 굴절률은 ν_s이다. 또한, 기판 내부에서 커플링되는 광파의 차수는 엄격하게 분리되어야 한다. 즉,

(5)

또한, 인터페이스 평면(81, 111)을 통한 전체 0차의 투과(transmission)와 이들 평면으로부터의 전체 1차 반사를 보장하기 위해 다음과 같은 제약 조건(constraint) 이 충족되어야 한다.

(6)

여기서 α_cr은 인터페이스 평면에 대한 임계각이다. 따라서 내부 FOV는 식(7)의 제약 조건에 의해 제한되며,

(7)

여기서, 두 차수 간의 분리(separation between the two orders)를 확인하기 위해, 일반적으로 1도 정도의 마진(margin)이

과

사이에 유지되어야 한다. 식 (4)의 한계는, 기판, 커플링-인 및 커플링-아웃 소자의 굴절률이 동일한 시스템에 대하여 적용된다(yields).

광파(optical light waves)가 중간 프리즘(108)으로부터 고도로 비스듬한 각도로 기판(64)에 진입한다는 사실은 상기 제한을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 도 9A 내지 도 9D에 도시된 바와 같이, 중간 프리즘(108) 및 방향전환 프리즘(80)은 다음과 같은 광학 특성을 가지는 굴절률을 갖는 동일한 광학 재료로 제조된다.

　 (8)

여기서 v_p는 프리즘(108 및 80)의 굴절률이다. 또한, 각각 프리즘 및 기판의 아베 수인 A_p, A_s는 위에서 설명한 바와 같이 기판과 광학 접착제(또는 박막)의 아베 수의 차이(dissimilarity)에 의해 유도된 색 분산을 보상하도록 선택된다.

기판(64)의 광학 재료와 중간 프리즘(108)의 광학 재료와 방향전환 프리즘(80) 사이의 차이와 광선(107R, 107M, 107L)이 인터페이스 표면(111, 81)에 입사하는 높은 경사(high obliquity)의 결과로, 광파는, 인터페이스 표면을 통과할 때, 의미있는 굴절을 경험한다. 프리즘(108, 80)은 동일한 광학적 특성을 가지므로, 각각의 통과하는 광파에 대한 표면(111 및 81)에서의 굴절은 각각 동일한 크기 및 반대 방향을 가지며, 그리고 그러므로, 상호 상쇄될(compensated) 것이다. 기판 내부 편차의 함수로서 프리즘 내부의 서로 다른 두 광선 사이의 각도 편차는 하기 근사 방정식(9)에 따라 계산할 수 있다:

(9)

여기서 a_s　및 a_p　는 각각 기판 및 프리즘 내부의 축 편차각이다. 유사하게, 공기 중의 광선 사이의 각도 편차는 아래 식(10)과 같다;

(10)

결과적으로, 공기와 기판(64) 내부의 각도 편차 사이의 비율은 다음과 같다;

(11)

또는

(12)

즉, 프리즘(108, 80)의 광학 재료를 수정함으로써 공기 중 시스템의 FOV를

의 인수로 증가시키는 것이 가능하다;

도 9A-9D에 도시된 구현예(implementation)는, 하기 공칭 파라미터(nominal parameters)를 갖는 광학 시스템과 함께 본 명세서에 예시되며:

(13)

여기서, 광파는 편광되지 않고, 기판(64)의 광학 재료는 v_d　= 1.917의 굴절률 및 A_d　= 31.6의 아베 수를 갖는 Ohara S-LAH88이고, 프리즘(81 및 111)의 광학 재료는, Vd = 1.516의 굴절률 및 A_d　= 65.5의 아베 수를 갖는 Schott N-BK7이고, 도 9A-9D의 표면(81 및 111)에 인접한 광학 접착제는, V_d = 1.48 및 A_d　= 65.5의 아베 수를 갖는 NOA 148이다. 도시된 바와 같이, FOV는 공기중에서 40, 프리즘(111, 81) 내부에서 26, 그리고 기판(64) 내부에서 13°이다. 즉, 공기 중에서의 FOV는, 기판의 굴절률이 2보다 작더라도, 기판 내부 FOV에 비해 3배 이상 확장된다. 3차 최대 각도는 90°보다 크므로, 전파 방향이 "불법"이다. 그러나, 도 9A 내지 도 9C에 도시된 바와 같이, 3차(the third order)는 FOV의 하부 영역의 광파에 대해서만 활성이다. FOV의 상부 영역에 있는 광파는 커플링-인 표면(65)으로부터 단일 반사 후에 기판 내부에서 커플링되고, 따라서 그들은 1차 전파 순서로만(only in the first propagation order) 전파되고, 이러한 모순(contradiction)이 회피된다.

도 10은 인터페이스 표면(81, 111)에 도포된 AR 코팅의 반사 곡선을 도시한다. 기판(64)과 프리즘(81 및 111)의 아베 수 사이의 차이(variation)로 인한 색 분사의 결과로서, 해, 임계각은 파장에 크게 의존한다. 따라서, 식 (5)의 식의 조건을 충족하기 위해, 아래의 조건이 전체 관련 가시 스펙트럼에 걸쳐 충족되어야 한다고 가정한다;

(14)

즉, 기판 내부의 FOV는 12°로 감소되어야 하며, 결과적으로 공기 중 FOV는 36°로 감소되게 된다.

중간 프리즘(111)을 통해 기판(64)으로 들어오는 광파의 높은 분산은, 들어오는 각각의 백색 광파의, 다른 파장의 성분으로의 공간적 분리를 일으킨다. 예를 들어, 전체 가시 스펙트럼에 대해 축 편차각이 -20인, 한계 광파(marginal light wave)(107R)는, 각각 450 nm, 550 nm 및 650 nm의 파장을 갖는 0차 광파에 대해 36.2°, 36.6° and 36.8°의 전파 방향으로 분리된다. 3개의 상이한 파장에 대해식 (13)에 주어진 파라미터의 정확한 값은 다음과 같다;

(15)

여기서, 첨자 sb, sg 및 sr은, 각각 450 nm, 550 nm 및 650 nm의 파장을 갖는 기판(64) 내부의 광파의 파라미터를 나타내고, 첨자 surb, surg 및 surr은, 각각 동일한 파장을 갖는 커플링-인 표면(65)에 들어와서 충돌하는, 광파의 파라미터를 나타낸다.

도 11은 전파 방향

및

과, 전체 관련 가시 스펙트럼에 대한 파장의 함수로서의 임계각 a_cr'을 도시한다. 도시된 것과 같이, 전체 스펙트럼에 대해 식 (5), (6) 에 주어진 요구 사항이 식 (14)의 구애받지 않고 충족되고, 그리고 기판에서 최소 13° 및 공기에서 40°의 FOV가 보존된다.

도 12A 내지 도 12C는 각각 파장 450 nm, 550 nm 및 650 nm에 대해 인터페이스 표면(81 및 111)에 도포된 AR 코팅의 반사 곡선을 도시하며, 여기서 2개의 수직선은, 각각의 관련 파장의 그래프상의 전파 방향(

,

)을 나타낸다. 도시된 것과 같이, 모든 파장에 대하여, 각도

에 대한 반사는 인터페이스 평면로부터의 내부 전반사 결과로 100%인 한편, 각도

에 대한 투과(transmission)는 필요에 따라 무시할 수 있는 정도이다.

도 9A 내지 도 9D에, 단일 커플링-아웃 소자(67)만이 사용된다고 하더라도, 기판(64) 내부의 광파의 전파 방향을 따라 40°의 넓은 FOV를 갖는 광학 시스템의 도예가 도시되어 있다. 그러나 입력 광파의 들어오는 방향은, 매우 비스듬한 각도이다. 많은 용도에서, 입사 광파는 기판의 주 표면(70 및 72)에 실질적으로 수직인 기판에 충돌할 것이 요구된다. 도 13A 내지 도 13C는, 좌측 주변부(marginal) (107L) 광파, 중앙부(107M) 광파 및 우측 주변부(107R) 광파가 각각, 하부 표면(72)에 실질적으로 수직인 기판에 충돌하는 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광파는 기판에 진입하여 커플링-인 표면을 통과한다. 입력 광파의 입사각이 실질적으로 작고 그리고 AR 코팅이 표면(65)에 도포되기 때문에, 이 표면으로부터의 광파 반사율은 무시할 수 있는 정도이다. 기판(64)을 빠져나가는 광파는, 기판의 상부 표면(70)에 부착된 하부 표면(116)을 통해 중간 프리즘(114)으로 들어가고, 반사 표면(118)에서 반사되어, 상부 표면을 통해

의 입력 각도로 기판(64)으로 다시 들어간다. 광파는, 이제 임계값보다 높은 각도인

의 입사각으로 커플링-인 표면(65)에 충돌하고, 그리고 도 9A-9D와 관련하여 설명한 것과 유사하게 기판의 내부에서 커플링된다. 도 13D에 도시된 바와 같이, 전체 FOV의 광파가, 출력 개구(89)뿐만 아니라 원래의 입력 개구(86)보다 실질적으로 적어도 3배 더 작은, 새로운 입력 개구(86') 내부의 표면(72)에 입사한다. 여기에서, 입력 개구(86')는 중간 프리즘(114)에 인접하게 위치되지 않고, 오히려 기판의 하부 주 표면(72) 옆에 위치된다. 일반적으로, 광학 시스템은, 입력 개구가 콜리메이팅 모듈의 외부 표면을 배치하기에 편리한 위치에 위치하도록 설계되어야 한다.

도 13A 내지 도 13D에 실시예에서, 광파는 표면(72)에서 기판에 충돌하고, 반대 표면(70)을 통해 기판을 빠져나와 뷰어의 눈으로 들어가는 것으로서, 즉, 뷰어의 눈과 디스플레이 광원은 기판의 반대쪽에 위치된다. 그러나 이 구성은, 하향식 구성(top-down configuration)에 바람직하지만, 뷰어의 눈과 디스플레이 광원이 기판의 동일한 측면에 위치하게 되는, 안경 구조와 같은 다른 구성이 있다.

도 14A 내지 도 14C는, 좌측 주변부(107L) 광파, 중앙부(107M) 광파 및 우측 주변부(107R) 광파가 각각, 뷰어의 눈의 동일한 측면의 상부 표면(70)에 실질적으로 수직인 기판에 충돌하는 구성을 도시한다. 렌즈(6)가 도면에 추가되어, 디스플레이 관원으로부터 오는 광파의 콜리메이팅을 설명한다. 도시된 바와 같이, 광파는 기판에 들어가고, 의미있는 반사 없이 커플링-인 표면(65)을 통과한다. 광파는 기판(64)을 빠져나와, 기판의 하부 표면(72)에 부착된 상부 표면(124)을 통해 중간 프리즘(120)으로 들어가고, 반사 표면(122)에서 반사되고, 그리고 하부 표면(72)을 통해 기판(64)으로 다시 들어간다. 광파는 임계각보다 낮은

의 입사각을 가지고 커플링-인 표면(65)에 다시 충돌하고, 표면(65)을 통과하여, 기판의 상부 표면(70)에서 전반사된다. 광파는 이제 임계각보다 더 높은

의 입사각으로 커플링-인 표면(65)에 다시 충돌하고, 그리고 도 13A-13C와 관련하여 위에서 설명한 것과 유사한 방식으로 기판 내부에 커플링된다.

도 14D에 도시된 바와 같이, 콜리메이팅 렌즈(6)의 외부 표면 옆에 위치한 새로운 입력 개구(86') 내부의 표면(70)에 입사하는 전체 FOV의 광파는 원래의 입력 개구(86)보다 실질적으로 더 작다.

앞서 예시한 다른 구성들과 달리, 도 14A 내지 도 14D와 관련하여 설명하는 구성에서는. 광파가 커플링-인 표면(65)에 3회 충돌한다. 처음에, 광파가 의미있는 반사 없이 표면(65)을 통과해야 하는 요구 사항은 표면(65)에 AR 코팅을 도포하여 간단하게 달성할 수 있다. 그러나 다른 두 충돌의 경우 표면 65에서 두 가지 상충되는 요구 사항이 있다. 한편으로는, 3번째 표면에 입사하고,

의 입사각을 갖는 광파가, 그 기판으로부터 반사되어야 하고, 다른 한 편으로는, 3번째 표면에 입사하고,

의 입사각을 가지는 광파가, 의미있는 반사 없이 그것을 실질적으로 통과해야 한다. 이를 달성하기 위한 바람직한 방법은, 인터페이스 평면(81, 111)과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 광학 접착제를 커플링-인 표면(65)에 도포하는 것, 또는 스핀 코팅에 의해 실질적으로 기판보다 더 작은 굴절률을 갖는 박막을 도포하는 것이다. 또한, 두 번째로 표면(65)에 입사하는 광파의 프레넬 반사를 최소화하려면, 이들 평면에 적절한 AR 코팅을 도포해야 한다.

도 15는 아래 파라미터를 갖는 기판에 대한 커플링-인 표면(65)에 도포된 AR 코팅의 반사 곡선을 도시한 것으로서: 그 파라미터, 광파가 편광되지 않고, 기판(64)의 광학 재료는 A_d= 32.32의 아베 수 와 v_d　= 1.954의 굴절률을 갖는 Ohara S-LAF198이며, 그리고 표면(65)에 인접한 광학 접착제가 V_d = 1.315의 굴절률과 A_d　= 56의 아베 수를 갖는 NOA 1315 이다. 기판(64)과 광학 접착제의 아베 수의 차이(variation)로 인한 색 분산의 결과로서 임계각은 파장에 크게 의존한다.

도 16은, 전체 관련 가시 스펙트럼에 대한 파장의 함수로서의, 임계각뿐 아니라, 전파 방향 ( 및)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전체 스펙트럼에 대해, 두 번째 충돌과 세 번째 충돌의 각도 스펙트럼 사이에 구별(differentiation)이 있으며, 스펙트럼은 필요에 따라 임계각의 곡선 아래 및 위에 각각 위치한다.

도 17A 내지 도 17C는 각각 450 nm, 550 nm 및 650 nm의 파장에 대해, 커플링-인 표면(65)에 도포된 AR 코팅의 반사 곡선을 도시하며, 여기서 2개의 수직선은, 각 관련 파장에 대한 그래프상의 전파 방향 (

및

) 나타낸다. 모든 파장에 대해 도시된 대로, 입사각이

₁인 세 번째 충돌에 대한 반사율(reflection)은, 인터페이스 평면으로부터의 내부 전반사의 결과로 100%인 반면,

의 입사각을 갖는 두 번째 충돌에 대한 투과율은. 필요에 따라 무시할 수 있는 정도이다.

도 13A 내지 도 13D 및 도 14A 내지 도 14D는 입력 광파가 주 표면에 실질적으로 수직인 기판에 충돌하는 실시예를 도시하는 데 대해, 입력 광파가 기판에 대해 비스듬한 각도로 배향될 것이 요구되는 구성이 있다. 도 18A 내지 도 18D는 도 13A-13D 내지 도 18에 도시된 실시예의 수정된 형태(version)를 도시한다. 미리 구획된 각도로 기판을 비추는 광파는, 기판(64)의 하부 표면(72)에 부착된 제1 중간 프리즘(126)의 표면(128)을 통해 기판에 들어가고, 그리고 아무런 간섭 없이 커플링-인 표면(65)을 통과한다. 그런 다음 광파는 기판(64)을 빠져나와, 기판의 상부 표면(70)에 부착된 하부 표면(136)을 통해 제2 중간 프리즘(132)으로 들어가고, 반사 표면(134)에서 반사되어, 상부 표면(70)을 통해 기판(64)에 다시 들어가서, 광파는 커플링-인 표면(65)에 의해 반사되고 도 13A 내지 도 13D와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 기판 내부에 트랩된다.

도 19A 내지 도 19D는 도 14A 내지 도 14D에 도시된 실시예의 수정된 형태를 도시한다. 미리 구획된 각도로 기판(64)을 비추는 광파는, 기판의 상부 표면(70)에 부착된 제1 중간 프리즘(138)의 표면(140)을 통해 기판에 들어가고, 아무런 간섭 없이 커플링-인 표면(65)을 통과한다. 기판(64)을 빠져나가는 광파는, 기판의 하부 표면(72)에 부착된 상부 표면(148)을 통해 제2 중간 프리즘(144)으로 들어가고, 반사 표면(146)으로부터 반사되어, 그 하부 표면을 통해 기판(64)으로 다시 들어간다. 그 다음, 광파는 임계각보다 낮은

의 입사각으로 커플링-인 면(65)에 다시 충돌하고, 표면(65)을 통과하여, 기판의 상부 표면(70)에서 전반사된다. 광파는 이제 임계각보다 더 높은

의 입사각으로 커플링-인 표면(65)에 다시 충돌하고, 도 14A-14C와 관련하여 위에서 설명한된 것과 유사한 방식으로 기판 내부에 커플링된다.

도 14A 내지 도 14D 및 도 19A 내지 도 19D는 안경 구성에 이용될 수 있는 실시예를 도시한다. 그러나 특히 미적 고려를 위해, 기판(72)의 앞 표면에 부착된 접이식 프리즘이 가능한 한 작아야 하는 것이 요구되는, 특히 소비자 시장 용도에 대한 상황이 있다. 도 20A 내지 도 20D는, 도 14A 내지 도 14D 및 도 19A 내지 도 19D에 도시된 실시예의 수정된 형태를 도시하며, 여기서, 기판(64)을 미리 정의된 각도로 조사하는 광파가, 상부 표면(70)에 부착된 제1 중간 프리즘(226)의 표면(228)을 통해 기판에 들어가고, 큰 반사가 없이 커플링-인 표면(65)을 통과한다. 기판(64)을 빠져나오는 광파는, 기판의 하부 표면(72)에 부착된 상부 표면(224)을 통해 제2 중간 프리즘(220)으로 들어가고, 반사 표면(222)에서 반사되어, 그 하부 표면(72)을 통해 기판(64)에 다시 들어간다. 그러나 여기서, 반사 표면(222)의 경사 각도는, 주 표면(72)에 비해, 도 14A 내지 도 14D 및 도 19A 내지 도 19D 각각의 구성에 있어서 보다 표면(122 및 146)의 경사각보다 훨씬 더 작다. 그 결과, 광파가

의 입사각을 갖는 커플링-인 표면(65)에 다시 충돌하며, 여기서 ε는, 설계 고려 사항에 따라 결정될 수 있는 각도이지만, 그러나 일반적으로 5°보다 크다. 이제, 최대 입사각(

)도 임계각보다 상당히 낮고, 그리고 그에 따라 더 간단한 AR 코팅이 표면(65)에 도포될 수 있다. 광파는 계속해서 표면(65)을 통과하고, 기판의 상부 표면(70)에 부착된 제1 중간 프리즘(226)으로 그 하부 표면(230)을 통해 다시 들어간다. 그 다음, 그 광파는 외부 표면(228)으로부터 완전히 반사되고, 그 하부 표면(72)을 통해 기판(64)으로 다시 들어간다. 표면(228)의 경사각은 "사라지고 없는(missing)" 각도(ε)를 보상하도록(compensate for) 설정된다. 결과적으로, 광파는 이제 임계각보다 높은

의 입사각으로 커플링-인 표면(65)에 다시 충돌하고, 14A-14C 및 19A-19D와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 기판 내부에 커플링된다.

위에 설명된 모든 실시예에서, 기판 내부의 전파 방향을 따라 40°의 높은 FOV가 단일 커플링-아웃 표면(67)을 사용하여 달성되었다. 안경과 같은 측면 뷰(side-view) 구성의 경우, 대각(diagonal) FOV는 47°또는 50°일 수 있고 이는 디스플레이 광원의 종횡비(각각 9:16 또는 3:4)에 좌우된다. 헬멧 장착 디스플레이와 같은 하향식 구성의 경우, 대각 FOV를 9:16 종횡비에 대해 80° 이상으로 확장할 수 있다. 휘도 효율을 최대화하기 위해 기판의 단일 커플링-아웃 표면이 선호된다고 가정하면, 해당 표면의 각도 배향(α_sur1)으로부터 두 가지 모순되는 요구 사항이 있다. 한편으로는, 식 (7)에 주어진 제한의 결과로. 기판 내부에서 커플링될 수 있는 전체 FOV를 확대하기 위해 각도를 증가시키는 것이 선호되는 것이고, 다른 한 편으로는, 기판의 출력 개구(89)의 크기가 d·cot(α_sur1)(여기서, d는 기판의 두께)에 비례하는 것, 즉 출력 개구, 그리고 따라서 EMB는 α_sur1을 줄임으로써 확장되게 된다는 것이다. 기판의 두께를 증가시켜 출력 개구를 증가시키는 것도 가능하지만, 그에 따라 입력 개구도 증가한다. 또한, 일반적으로 기판은 가능한 한 얇아야 한다.

도 21은 도 14A-14D에 도시된 실시예의 수정된 형태를 도시한다. 단일 기판(64)을 사용하는 대신에, 도시된 시스템(150)은 2개의 인접한 기판(64a, 64b)을 포함하여 구성된다. 기판(64b)의 상부 표면(70b)은 기판(64a)의 하부 표면(72a)에 광학적으로 부착되어 인터페이스 표면(152)을 구획한다. 커플링-인 및 커플링-아웃 표면(65b 및 67b)의 배향 각도(α_sur-b)는, 식 (7)의 제한에 따라 필요한 FOV에 의해 설정되는 한편, 커플링-인 및 커플링-아웃 표면(65b 및 67b)의 배향 각도(α_sur-a)는 식 (16)의 더 낮은 값으로 설정된다;

(16)

그 결과, 전체 FOV가 하부 기판(64b) 내부에서 커플링될 수 있다. 그러나 식 (7)의 요구 사항을 감내하기(withstand) 위해. FOV의 일부만이 상부 기판(64a) 내부에서 커플링될 수 있다. 즉, 두 기판 내부에서 커플링된 FOV는 아래 식으로 된다;

(17)

따라서, FOV

의 하부(lower part)는 하부 기판(64b) 내부에서만 커플링되고, 그리고 FOV의 상부와의 크로스토크(cross-talk)를 피하기 위해, 그것은 상부기판(64a) 내부에서는 커플링되지 않는다. FOV 하부로부터의 광파는 출력 개구의 왼쪽 부분에서 뷰어의 눈을 비추기 때문에, 왼쪽 커플링-아웃 표면(67b)에서 커플링되어야 하며, 즉 하부 기판(64b)을 통해서만 눈으로 전달(transmitted)되어야 한다. 따라서, {

,

}의 전체 FOV는 전체 EMB에 대하여 유지될(retained) 수 있다. 또한 출력 개구(AP_out)는 아래 식의 정도에 따라 확장된다;

(18)

대안적으로, 주어진 출력 개구에 대해, 이중 격자의 두께(d_a　+ d_b))는 다음 비율 만큼 더 얇을 수 있다;

(19)

여기서, d_a　및 d_b는 각각 기판(64a 및 64b)의 두께이고, 그리고 d는 14A-14B에 도시된 실시예에서와 같이 단일 기판의 두께이다. 결과적으로, 도 21의 실시예는 더 큰 각도(α_sur―b)에 의해 결정되는 더 넓은 FOV 뿐만 아니라 더 작은 각도(α_sur―a)에 의해 결정되는 더 큰 출력 개구의 이점을 갖는다. 두 개의 기판( 64a 및 64b)이 각각 독립적으로 기능하지만, 각각의 개별 기판은 경사 각도 외에 다른 파라미터를 가질 수 있다. 두 기판은 특히 광학 시스템의 요구 사항에 따라 서로 다른 두께, 굴절률 및 아베 수를 가질 수 있다. 또한, 커플링-인 표면(65a, 65b)과 커플링-아웃면(67a, 67b)의 상대 위치는, 입력 개구(86')(도 25 참조)를 최소화하고 동시에 시스템의 출력 개구(89)(도 25 참조)를 최대화하도록 자유롭게 설정될 수 있다.

도 22A, 22B 및 22C에 각각 도시되어 있듯이, 좌측 주변 광파(153)(153a, 153b, 153c)로부터의 3개의 광선이 표면(65b)으로부터의 3회 반사 후에 하부 기판(64b) 내부에서 커플링되고, 하나의 광선(153d)(도 22B)은 2회의 반사 후에 커플링되며, 그리고 2개의 다른 광선(153e, 153f)(도 22C)은 표면(65b)으로부터의 단일 반사 후에 커플링된다. 도 22D에 도시된 바와 같이, 모든 광선은 커플링-아웃 소자(67b)에 의해 기판(64b)으로부터 커플링-아웃되어 전체 EMB(100)를 조사하도록 방향 전환된다.

도 23A, 23B 및 23C에는 각각, 표면(65b)으로부터의 단일 반사 후 하부 기판(64b) 내부에서 커플링된 중심 광파(154)(154a, 154b,)로부터의 2개의 광선이 도시되어 있고, 2개의 광선(154c, 154d)이 표면(65a)으로부터의 3회 반사 후에 상부 기판(64a) 내부에서 커플링되고 표면(67a)에 의해 커플링-아웃되며, 2개의 다른 광선(154e, 154f)(도 23C)은 표면(65a)으로부터의 2회 반사 후에 상부 기판(64a) 내부에서 커플링되고 표면(67a)에 의해 커플링-아웃된다. 도 23D에 도시된 바와 같이, 모든 광선은 방향전환 프리즘(80)에 의해 방향전환되어 EMB(100) 전체를 조사한다.

도 24A는, 표면(65a)으로부터의 2회 반사 후에 상부 기판(64a) 내부에서 커플링된 우측 주변 광파(155)(155a, 155b)로부터의 2개의 광선, 및 표면(65a)으로부터의 단일 반사 후에 커플링된 3개의 다른 광선(155c, 155d, 155e)을 도시한다. 도 24C에 도시된 바와 같이, 모든 광선은 커플링-아웃 소자(67a)에 의해 기판(64a)으로부터 커플링-아웃되어 전체 EMB(100)를 조사하도록 방향전환된다. 출력 개구(89)보다 실질적으로 작은 입력 개구(86') 내부의 표면(70)에 이바하는, 전체 FOV 내의 광파가 전체 EMB를 조사한다.

고려해야 할 다른 문제는, 시스템 외부 표면에서 원치 않는 미광의 반사의 결과로 이미지에서 볼 수 있는 고스트 이미지이다. 도 26A에 도시된 바와 같이, 입력 광선(160)이 표면(65)으로부터의 단일 반사 후에 기판(64)내로 커플링-인되고, 그 다음에 표면(67)으로부터의 단일 반사 후에 기판으로부터 커플링-아웃된다. 광선은 그 다음에 표면(79i 및 79j)에 의해 부분적으로 반사되어 출력 광선(160a 및 160b)으로서 "적절한" 방향으로 뷰어의 눈으로 들어간다. 그러나, 광선(160)의 일부는 표면(79j)을 통과하여, 프리즘(80)의 하부 표면(162)에서 전반사되고, 그 다음에 표면(79k)에서 부분적으로 반사되며, 기판(64)을 통과하고, 기판(64)의 상부 표면(70)에서 전반사되며, 기판(64)을 다시 통과한 다음, 출력 광선(160c)으로서 표면(79m)으로부터 "잘못된" 방향으로 뷰어의 눈으로 부분적으로 반사된다. 즉, 미광(160c)은 투영된 영상에서 고스트 영상으로 나타나게 된다. 도 26A는, 커플링-인 이미지 광파로부터 유래된 이러한 고스트 이미지를 도시한다. 그러나 다른 고스트 이미지가 외부 장면의 광파로 인해 시작될 수 있다. 도 26B에 도시된 바와 같이, 외부 광선(163)이 부분 반사 표면(79n)을 통과하고, 프리즘(80) 및 기판(64)을 통과하여, 광선(163a)으로서 원래 방향으로 뷰어의 눈에 도달한다. 그러나, 광선(163)의 일부는 표면(79n)에서 부분적으로 반사되고, 프리즘(80)의 하부 표면(162)에서 전반사되고, 표면(79o)에서 부분적으로 반사되고, 기판(64)을 통과하고, 기판(64)의 상부 표면(70)에서 전반사되어, 기판(64)을 다시 통과하고, 그다음에 표면(79p)으로부터 부분적으로 반사되어 출력 광선(163b)으로서 "잘못된" 방향으로 뷰어의 눈으로 들어간다. 따라서, 미광(163b)는 또한 투영된 이미지에 고스트 이미지로 나타나게 된다.

도 26A 및 도 26B에 도시된 바와 같이, 고스트 이미지가 생기는 주된 이유는 표면(162)으로부터의 원치 않는 반사이다. 이러한 현상은 본 출원에 예시된 실시예뿐만 아니라 다른 기판 안내 구성에서도 일반적이다. 이러한 다른 구성과 달리, 표면(162)으로부터의 내부 전반사는 기판 내부의 광파 전파에 필요하지 않으며, 따라서 완전히 제거될 수 있다. 표면(162)으로부터의 원하지 않는 반사를 제거하는 가능한 방법은 이 표면에 흡수층을 도포하는 것이다. 이 간단한 방법은, 외부 표면(162)이 완전히 불투명(opaque)할 수 있는 투명하지 않은, 비투시 시스템에 사용될 수 있다. 그러나 투명 시스템의 경우, 외부 장면으로부터의 광선이 표면(162)을 통과하여 뷰어의 눈(24)에 도달해야 하므로, 표면(162)이 불투명하게 되는 것은 허용되지 않는다.

도 27은 이 표면을 외부 장면으로부터의 광선에 대해 실질적으로 투명하게 유지하면서, 표면(162)으로부터 내부 전반사를 제거하는 보다 효율적인 방법을 도시한다. 도시된 바와 같이, 얇고 평평한 투명 플레이트(167)의 상부 표면(166)이 방향전환 프리즘(80)의 하부 표면(162)에 광학적으로 부착된다. 표면(166)에 직각으로 배향된, 평행한 흡수성 표면(168₁, 168₂ …)이 플레이트(167)에 임베딩된다. 표면(162)에 충돌하는 모든 광선이 이들 표면에 의해 흡수되는지 확인하려면, 다음 관계가 충족되어야 하며;

(20)

여기서 T는 플레이트(167)의 두께이고, D는 2개의 연속 표면(168; 및 168 _i+1) 사이의 거리이고; 그리고

는 플레이트(167)에 충돌하는 광파의 최소 축 편차각이다. 도시된 바와 같이, 광선(171)은, 플레이트(167)의 하부 표면(169)으로부터 전반사 후, 표면(168)에 의해 흡수되는 한편; 광선(172)은 표면(168j)에 대한 직접 충돌에 의해 흡수된다.

기판(64)이 얇고 흡수 표면이 기판의 주 표면에 수직이고, 그에 따라 보어사이트(boresight)에 수직이므로, 뷰어의 보어사이트(boresight)에 대해서도 그러하므로, 플레이트(167)는 외부 장면으로부터의 광선에 대해 실질적으로 투명하게 보존된다.

도 28A 내지 도 28F는 플레이트(167)의 제조 방법을 도시한다. T의 두께를 갖는 복수의 투명한 플랫 플레이트(174)가 제조된다(도 27). 이들 플레이트의 주 표면이 흡수성이 있어야 하기 때문에, 반드시 연마되어야 하는 것은 아니며, 병렬성(parallelism)이 중요하지는 않다. 얇은 흡수층(175)이 각 플레이트의 주 표면 중 하나에 도포된다(도 28B). 이러한 흡수층은, 특히, 흑칠(black painting), 얇은 실리콘 코팅, 금속 코팅 또는 얇은 층으로 도포될 수 있는 임의의 다른 흡수 물질일 수 있다. 플레이트(176)는 스택을 형성하기 위해 적절한 광학 접착제를 사용하여 함께 접합된다(도 28C). 그런 다음, 몇 개의 세그먼트(167')를, 플레이트(174)의 주 표면에 수직인 방향으로, 적층된 형태(176)(도 28D)에서 절취해내고(sliced off), 그리고 그 다음, T'의 두께를 갖는 플레이트(167")(도 28E)를 만들기 위해 절단, 연삭 및 연마에 의해 가공된다. 플레이트의 주 표면 중 하나는 표면(162)에 광학적으로 접합된다(도 28F). 많은 경우에, 플레이트(167)는 0.1mm 정도로 매우 얇아야 한다. 이 경우, 필요한 두께(T)를 가지는 플레이트 167'을 가공하기 어려울 수 있다. 따라서, 두께가 T'>T인 플레이트가 프리즘(80)에 접합되고, 접합된 판(167")의 하부 표면(169')은 접지되고, 그리고 연마되어, 최종 플레이트(167)의 필요한 두께(T)를 달성한다.

도 29A 및 29B는 도 26A-26B에 도시된 것과 유사한 실시예를 도시하며, 여기서, 플레이트(167)는 프리즘(80)의 하부 표면(162)에 광학적으로 부착된다. 도시된 바와 같이, 표면(162)으로부터 전반사되어 시스템에서 계속 전파되는 대신에, 미광(160c, 163b)은 플레이트(167)에 흡수되고, 따라서 투영된 이미지와 외부 장면에서 비롯된 고스트 이미지가 완전히 제거된다. 원하지 않는 내부 전반사로 인해 생긴 고스트 이미지를 감쇠시키는 이 방법은 다른 광학 모듈에도 적용될 수 있다. 여기서 미광 광선은 그렇지 않으면 수직 입사광에 투명해야 하는 표면에서 바람직하지 않게 반사된다. 따라서 플레이트(167)는 표면의 요구되는 투과율을 여전히 유지하면서 원하지 않는 반사를 감쇠시키기 위해 그러한 표면에 광학적으로 부착될 수 있다.

위에서 설명힌 바와 같이 입력 개구의 횡방향 치수(lateral dimension)를 감소시키는 이점은, 커플링된 광파의 2차원 확장이 요구되는 경우에 훨씬 더 명백하다. 도 30은 이중 기판 구성을 이용하여 2개의 축을 따라 빔을 확장하는 방법을 도시하는 개략도이다. 단순화를 위해, 중간 프리즘과 방향 전환 소자는 도면에서 생략되었다. 입력 이미지(256)는, 제1 반사 표면(265a)에 의해, 위에서 설명한 실시예들 중 하나와 유사한 구조를 갖는 제1 기판(264a) 내로 입력 개구(274)를 통해 커플링되고, 그리고 그 다음 h 축을 따라 전파된다. 커플링-아웃 소자(267a)는 출력 개구(276)를 통해 광을 기판(264a) 외부로 커플링하고 그리고 그 다음에 빛(light)이, 제1 기판(264a)의 출력 개구(276)와 일치하는, 입력 개구를 통해 커플링-인 소자(265b)에 의해 제2 메인 기판(264b) 내로 커플링된다. 그런 다음, 광파는 x축을 따라 전파되고, 출력 개구(278)를 통해 커플링-아웃 소자(267b)에 의해 커플링-아웃된다. 도시된 바와 같이, 원래 이미지(256)는 두 축을 따라 확장되고, 여기서 전체적인 확장은 개구(274 및 278)의 횡방향 칫수(lateral dimensions)의 비율에 의해 결정된다. 도시된 바와 같이, 각각의 광파(도면에서 단일 화살표로 표시됨)는 출력 개구(278)의 일부만을 조사하지만, 모든 광파는 필요한 방향을 가기고 EMB(100)로 커플링-아웃된다.

위의 모든 실시예에서, 디스플레이 광원은 편광되지 않는 것으로 가정되었다. 그러나 빛이 선형으로 편광되는, LCD 또는 LCOS와 같은 마이크로 디스플레이 광원이 있으며, 이것은 보다 콤팩트한 콜리메이팅 시스템을 만드는 데 사용할 수 있다. 도 31A에 도시된 바와 같이, 디스플레이 광원(4)으로부터의 p-편광된 입력 광파(107L, 107M 및 107R)는, 표면(280)을 통해, 일반적으로 광파 투과 재료로 구성된 광 가이드(light guide)(279) 내로 커플링된다. 광파는 편광 빔 스플리터(282)를 통과하고 표면(283)을 통해 광 가이드(279) 외부로 커플링-아웃된다. 그런 다음 광파는, 반사면(289)에서 렌즈(286)에 의해 콜리메이팅된, 1/4 파장 지연 플레이트(quarter-wavelength retardation plate)(285)을 통과하고, 그 지연 플레이트(285)를 다시 통과하기 위해 되돌아오며, 표면(283)을 통해 광 가이드(279)에 다시 들어간다. 그 다음에, 방금 s-편광된 광파는 편광 빔 스플리터(282)에서 반사되어, 하부 표면(290)을 통해 광 가이드를 빠져나간다. 광파는 이제 도 20A-20D와 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 방식으로, 중간 프리즘(226, 220)을 통해 기판(64) 내로. 20A-20D. 커플링된다. 반사 표면(289)은 금속 또는 유전체 코팅에 의해 형체를 갖추게 될(materialized) 수 있다.

도 31A에 도시된 바와 같이, 반사 콜리메이팅 렌즈(286)를 사용하는 것은, 적은 수의 광학 부품을 사용하여 우수한 성능을 달성하고, 추가적인 소형 콜리메이팅 모듈을 갖는 등의 몇 가지 두드러진 이점을 갖는다. 따라서, 이 실시예를, Micro-LED 및 OLED와 같은 비편광 광원에도 사용하는 것이 유리하다. 이러한 경우의 주요 단점은, 디스플레이 광원의 단일 편광 구성 소자만 사용할 수 있고, 그 때문에 달성 가능한 휘도가 50% 이상 감소한다는 것이다. 비편광 디스플레이 광원의 2개의 직교 편광 성분(two orthogonal polarization components)을 활용하여 휘도 감소를 피하기 위한 대안적인 방법이 도 31B에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이 광원(4)으로부터의 입력 광파(107L, 107M, 107R)의 s-편광된 성분은, 그 우측 표면(280)을 통해, 광 가이드(279) 내로 커플링된다. 광파는 광 가이드(279)의 표면(291)을 통해 기판 밖으로 커플링된다. 편광 빔 스플리터(282)로부터의 반사[reflection-off of a polarizing beamsplitter(282)]에 이어, 광파는 광 가이드(279)의 표면(291)을 통해 기판으로부터 커플링-아웃된다. 그런 다음 광파는 반사 표면(297)에서 제2 렌즈(296)에 의해 콜리메이팅된 제2 ¼파장 지연판(293)을 통과하고, 지연 플레이트(293)를 다시 통과하기 위해 되돌아오고, 표면(291)을 통해 광 가이드(279)에 다시 들어간다. 방금 p-편광된 광파는 편광 빔 스플리터(282)를 통과하고, 하부 표면(290)을 통해 광 가이드를 빠져나오고, 그리고, 이전과 같이, 중간 프리즘(226, 220)을 통해 기판(64)내로 커플링된다. 광원의 p-편광 성분은 도 31A에 도시된 바와 같이 기판 내로 커플링된다. 두 개의 콜리메이팅 렌즈는 동일해야 하며, 이중 이미지(double image)를 피하기 위해 광 가이드(279)의 표면에 매우 정확하게 배치되어야 한다.

본 발명이 전술한 실시예의 세부 사항에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 또는 본질적인 속성을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태로 구현될 수 있음은 이 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 실시예는 모든 면에서 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 표시되고, 청구범위의 등가의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 따라서 본 발명의 범위에 포함되도록 의도된 것이다.

특히, 하나 이상의 실시예를 참조하여 설명된 특징은, 그러한 실시예로의 제한이 아니라, 예로서 설명된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한 또는 특정 조합이 명백히 허용될 수 없는 경우가 아니면, 일부 실시예를 참조하여 설명된 선택적 특징은 다른 모든 실시예에도 마찬가지로 적용 가능한 것으로 가정된다.

Claims

적어도 2개의 평행한 주 표면 및 2개의 대향 에지를 갖는 제1 광투과 기판;
입력 개구;
상기 기판의 주 표면 중 하나의 옆에 위치된 출력 개구;
개구가 있는 아이 모션 박스;
시계를 가지며, 광파를 상기 입력 개구를 통해 상기 기판 내로 커플링하기 위해 상기 기판 외부에 위치된 적어도 2개의 표면을 갖는 제1 중간 소자;
상기 커플링-인 광파를 반사하여, 상기 기판의 주 표면으로부터 내부 전반사를 수행하기 위해, 광 투과 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치된 활성 영역을 갖는 제1 플랫(flat) 반사 표면;
상기 기판 밖으로 광파를 커플링하기 위해, 활성 영역을 갖고, 상기 광 투과 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치되는 상기 제1 플랫 반사 표면에 평행한 제2 플랫 반사 표면; 및
상기 기판으로부터 상기 출력 개구를 통해 커플링-아웃된 광파를 상기 아이 모션 박스 내로 방향 전환시키기 위해 상기 기판 외부에 위치된 적어도 2개의 표면을 갖는 방향 전환 광학 소자;를 포함하여 구성되고,
여기서, 상기 입력 개구가 상기 출력 개구보다 실질적으로 작고, 상기 제1 반사 표면의 활성 영역이 상기 제2 반사 표면의 활성 영역과 유사하며, 상기 커플링된 광파 각각이 상기 아이 모션 박스의 전체 개구를 커버하는, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 내로 그리고 상기 기판 밖으로 커플링되는 광파가, 휘도를 갖고, 상기 제2 플랫 반사 표면에 의해 상기 기판으로부터 커플링된 광파의 휘도가 상기 기판 내로 커플링된 광파의 휘도와 실질적으로 유사한, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플랫 반사 표면이, 내부 전반사에 의해 상기 기판내로 및 상기 기판밖으로, 광파를 각각 커플링하는, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 내로 커플링된 광파가, 상기 제1 및 제2 플랫 반사 표면으로부터 동일한 반사 수(the same number of reflections)로 반사되는, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 내로 커플링된 광파가, 상기 제1 및 제2 플랫 반사 표면의 일부에만 입사되는, 광학 장치.
제5항에 있어서, 상기 기판의 에지들 중 하나에 더 가까운, 상기 제1 반사 표면의 부분에 입사하는 광파가, 상기 기판의 다른 에지에 더 가까운, 상기 제2 반사 표면의 부분에 의해 상기 기판밖으로 커플링-아웃되는, 광학 장치.
제5항에 있어서, 상기 제1 반사 표면의 상기 기판의 중심에 더 가까운, 상기 제1 반사 표면의 부분에 입사하는 광파가, 상기 기판의 중심에 더 가까운 부분에 의해 상기 기판밖으로 커플링-아웃되는, 광학 장치.
제5항에 있어서, 상기 제1 반사 표면의 중앙부에 입사하는 광파가, 상기 제2 반사 표면의 중앙부에 의해 상기 기판밖으로 커플링-아웃되는, 광학 소자.
제1항에 있어서, 제2 중간 소자를 더 포함하여 구성되고, 광파가 상기 제1 반사 표면에 의해 상기 기판 내로 커플링되기 전에, 상기 제1 및 제2 중간 소자를 통과하는, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 커플링-인된 광파가, 상기 기판 내로 커플링될 표면에 의해 반사되기 전에, 상기 제1 플랫 반사 표면을 적어도 두 번 통과하는, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 중간 소자 및 상기 방향 전환 광학 소자가, 굴절률을 갖는 상기 기판의 주 표면에 제1 광학 접착제에 의해 광학적으로 접합되고, 제1 및 제2 인터페이스 평면을 구획하며, 상기 접착제의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮고, 그리고 반사 방지 코팅이 상기 인터페이스 평면에 도포된, 광학 장치.
제11항에 있어서, 상기 인터페이스 표면이, 상기 인터페이스 표면의 임계각보다 1도 이상 낮은 입사각을 갖는 광파에 대해 실질적으로 투명한, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사 표면에 제2 광학 접착제가 도포되고, 상기 제2 광학 접착제의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮으며, 반사 방지 코팅이 상기 반사 표면에 도포되고, 그리고 상기 반사 표면이, 상기 반사 표면의 임계각보다 1도 이상 낮은 입사각을 갖는 광파에 대해 실질적으로 투명한, 광학 장치.
제12항에 있어서, 상기 제1 중간 소자 및 상기 방향 전환 광학 소자가, 상기 기판의 것과 실질적으로 상이한 굴절률 및 아베 수를 갖는 동일한 광학 재료로부터 제조되어, 상기 기판내로 커플링된 광파의 제1 색 분산을 만드는, 광학 장치.
제14항에 있어서, 상기 제1 광학 접착제의 아베 수가, 상기 기판의 아베 수와 실질적으로 상이하여, 상기 기판 내부에 광파의 제2 색 분산을 만들고, 그리고상기 제1 및 제2 색 분산이 실질적으로 상호 보상되는(compensated), 광학 장치.
제1항에 있어서, 적어도 2개의 주 표면, 2개의 대향하는 에지, 및 서로 평행한 제3 및 제4 플랫 반사 표면을 갖는 제2 광 투과 기판을 더 포함하여 구성되고, 각각의 상기 표면이 경사각을 가지며, 상기 2개의 기판이 광학적으로 부착되고, 그리고 상기 제2 기판의 주 표면에 대한 상기 제3 및 제4 플랫 반사 표면의 경사각이 상기 제1 기판의 상기 주 표면에 대한 상기 제1 및 제2 플랫 반사 표면의 경사 각도보다 낮은, 광학 장치.
제1항에 있어서, 적어도 2개의 주 표면, 2개의 대향 에지, 및 제3 및 제4 플랫 반사 표면을 갖는 제2 광 투과 기판을 더 포함하여 구성되고, 상기 입력 개구 및 출력 개구는 횡방향 치수를 가지며, 제1 기판 밖으로 커플링-아웃된 광파가, 상기 제2 기판 내로 커플링되고, 그리고 상기 입력 개구의 횡방향 치수가, 2개의 상이한 축을 따른 상기 출력 개구의 횡방향 치수보다 실질적으로 작은, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 방향 전환 광학 소자의 표면에 광학적으로 부착된 플랫 플레이트를 더 포함하여 구성되고, 상기 방향전환 광학 소자의 표면에 실질적으로 수직인, 플랫 흡수 표면의 어레이가 상기 플랫 플레이트의 내부에 임베딩되고, 상기 플랫 플레이트가 수직 입사 광파에 대해 실질적으로 투명하고, 상기 기판 밖으로 커플링-아웃되어 상기 플랫 플레이트에 입사하는 광파가 상기 흡수 표면에 의해 흡수되는, 광학 장치. ,
제1항에 있어서, 상기 제1 중간 소자 및 상기 방향 전환 소자가 제1 및 제2 인터페이스 평면을 구획하는, 굴절률을 갖는 상기 기판의 주 표면에 광학 접착제에 의해 광학적으로 접합되고, 반사 방지 코팅 및 박막 유전체 코팅이 상기 인터페이스 평면에 도포되고, 상기 박막 유전체 코팅의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 실질적으로 낮은, 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판은 굴절률을 갖고, 상기 표면은 임계각을 갖고, 제1 및 제2 반사 표면은 박막 유전체 코팅 및 굴절률을 가지며, 상기 유전체 코팅의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 낮고, 상기 반사 표면은 상기 표면의 임계각보다 낮은 입사각을 갖는 광파에 투명한 반사 방지 코팅을 갖는, 광학 장치.