KR20220038452A - 픽셀화된 디스플레이의 이미지 해상도와 시야를 증배하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시예에 따른 픽셀화된 디스플레이의 해상도 및 시야를 증배하기 위한 시스템 및 방법이 예시된다. 일 실시예는 픽셀화된 이미지 소스로부터의 광을 고유한 각도 방향으로 지향시키는 이미지 프로젝터, 이미지 프로젝터에 의한 순차 표시를 위해 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 이미지 소스의 네이티브 이미지를 계산하고 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 미리 정의된 방향으로 시프트된 이미지들을 계산하기 위해 이미지 프로젝터에 전기적으로 연결된 이미지 프로세서, 네이티브 이미지의 광을 전파하기 위한 네이티브 구성 및 적어도 하나의 시프트된 이미지의 광을 전파하기 위한 적어도 하나의 시프트된 구성을 갖는 제1 격자 세트, 및 제1 시야 부분을 투사하기 위한 제1 구성 및 제2 시야 부분을 투사하기 위한 제2 구성을 갖는 제2 격자 세트를 갖는 장치를 포함한다.
Description
본 개시는 디스플레이(display)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 픽셀화된 디스플레이(pixelated display)의 해상도(resolution) 및 시야(field-of-view)를 증배(multiplying)하기 위한 홀로그램 디바이스(holographic device)에 관한 것이다.
도파관(waveguide)은 웨이브(wave)를 제한하고 가이드하는 기능(즉, 웨이브가 전파될 수 있는 공간 영역을 제한하는 기능)이 있는 구조라고 할 수 있다. 하나의 서브클래스에는, 일반적으로 가시 스펙트럼(visible spectrum)에 있는 전자기파를 가이드할 수 있는 구조인, 광학 도파관이 포함된다. 도파관 구조는 다양한 메커니즘들을 사용하여 웨이브의 전파 경로를 제어하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 평면 도파관(planar waveguide)은 결합된 광이 내부 전반사(TIR)를 통해 평면 구조 내에서 이동하여 진행할 수 있도록 입사광(incident light)을 도파관 구조로 회절 및 결합하기 위해 회절 격자(diffraction grating)를 사용하도록 설계될 수 있다.
도파관의 제작에는 도파관 내 홀로그램 광학 요소의 기록을 허용하는 재료 시스템의 사용이 포함될 수 있다. 그러한 물질의 하나의 클래스에는 광중합성 단량체(photopolymerizable monomer) 및 액정(liquid crystal)을 함유하는 혼합물인 폴리머 분산 액정(PDLC) 혼합물이 포함된다. 이러한 혼합물의 추가 서브클래스에는 홀로그램 폴리머 분산 액정(HPDLC) 혼합물이 포함된다. 체적 위상 격자와 같은, 홀로그램 광학 요소는 두 개의 상호 간섭성(coherent) 레이저 빔들로 재료를 조명함으로써 이러한 액체 혼합물에 기록될 수 있다. 기록 프로세스에서, 단량체들이 중합되고 혼합물이 광중합으로 유도된 상 분리를 거쳐, 투명한 폴리머 영역이 산재된(interspersed) 액정 미세 방울(liquid crystal micro-droplet)로 조밀하게 채워진 영역을 생성한다. 교대로 액정이 풍부한 영역과 액정이 부족한 영역은 격자의 프린지 평면(fringe plane)들을 형성한다. 일반적으로 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)라고 하는, 결과 `격자는 일반적으로 체적 또는 브래그 격자(Bragg grating)와 관련된 모든 속성을 갖지만 회절 효율의 연속 범위(원하는 방향으로 회절된 입사광의 비율)에 대해 격자를 전기적으로 조정하는 능력과 결합된 훨씬 더 높은 굴절률 변조(refractive index modulation) 범위를 갖는다. 후자는 100%에 가까운 효율로 비회절(제거)에서 회절까지 확장할 수 있다.
위에서 설명된 것과 같은 도파관 광학 장치는 다양한 디스플레이 및 센서 어플리케이션에 대해 고려될 수 있다. 많은 어플리케이션에서, 여러 광학 기능을 인코딩(encoding)하는 하나 이상의 격자 층들을 포함하는 도파관은 다양한 도파관 아키텍처 및 재료 시스템을 사용하여 실현되어, 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR), 도로 운송, 항공 및 군사 어플리케이션을 위한 소형 헤드업 디스플레이(HUD) 및 헬멧 장착 디스플레이 또는 헤드 장착 디스플레이(HMD), 생체 인식 및 레이저 레이더(LIDAR) 어플리케이션용 센서를 위한 근거리 디스플레이의 새로운 혁신을 가능하게 한다. 회절 격자를 사용하여 아이 박스 크기를 유지하면서 렌즈 크기를 줄이는 도파관 디스플레이가 제안되었다. 도파관 구조에 의해 시준(collimating) 광학 시스템의 동공이 효과적으로 확장되는 헤드업 디스플레이도 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 픽셀화된 디스플레이의 해상도 및 시야를 증배하기 위한 시스템 및 방법이 예시된다. 일 실시예는 디스플레이 해상도와 시야를 증배하기 위한 장치를 포함하고, 상기 장치는 픽셀화된 이미지 소스의 복수 픽셀들로부터의 광을 고유한 각도 방향들로 지향시키는 이미지 프로젝터-여기서, 상기 이미지 프로젝터는 투사 렌즈에 광학적으로 연결된 마이크로디스플레이 패널을 포함 함-, 이미지 프로젝터에 의한 순차 표시를 위해 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 상기 이미지 소스의 네이티브 이미지들을 계산하고 상기 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 미리 정의된 방향으로 시프트된 이미지들을 계산하기 위해 상기 이미지 프로젝터에 전기적으로 연결된 이미지 프로세서, 이미지 프로젝터에 광학적으로 결합된 제1 입력 격자 및 제1 출력 격자를 포함하는 제1 격자 세트-여기서, 상기 제1 격자 세트는 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제1 격자 세트는 상기 네이티브 이미지의 광을 전파하기 위한 네이티브 구성 및 적어도 하나의 시프트된 이미지의 광을 전파하기 위한 적어도 하나의 시프트된 구성을 가지며, 각각은 상기 미리 정의된 방향으로의 이미지 시프트에 대응하는 각도 변위를 갖고, 상기 이미지 시프트는 N+1/M 곱하기 픽셀 치수와 같으며, 여기서 N과 M은 정수이고 N은 0을 포함 함-, 및 상기 제1 격자 세트의 상기 제1 출력 격자에 광학적으로 결합된 제2 입력 격자를 포함하는 제2 격자 세트를 포함하고, 여기서 상기 제2 격자 세트는 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제2 격자 세트는 상기 제1 시야 부분을 투사하기 위한 제1 구성 및 상기 제2 시야 부분을 투사하기 위한 제2 구성을 갖는다.
다른 실시예에서, 상기 제1 격자 세트는 제1 도파관에 배치되고 상기 제2 격자 세트는 제2 도파관에 배치된다.
추가 실시예에서, 상기 제2 격자 세트는 제1, 제2, 제3 및 제4 격자들을 포함하고, 상기 제1 격자는 상기 제3 격자와 오버랩되고, 상기 제2 격자는 상기 제4 격자와 오버랩되며, 상기 제1 및 제3 격자들은 입력 커플러로서 작용하고 상기 제2 및 제4 격자들은 출력 커플러로서 작용한다.
여전히 다른 실시예에서, 상기 제1 및 제3 격자들 중 적어도 하나는 스위칭 가능한 격자이다.
여전히 추가 실시예에서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자들은 스위칭 가능한 격자이고, 상기 제1 시야 부분을 투사하기 위한 상기 제1 구성은 회절 상태에 있는 상기 제1 또는 제3 스위칭 가능한 격자들 중 하나와 상기 제2 또는 제4 스위칭 가능한 격자들 중 하나에 의해 제공된다.
또 다른 실시예에서, 상기 제2 및 제4 격자들은 스위칭 불가능한 격자이다.
또 추가의 실시예에서, 상기 제1 및 제2 스위칭 가능한 격자들은 도파관 내의 제1 층에 배치되고, 상기 제3 및 제4 스위칭 가능한 격자들은 도파관 내의 제2 층에 배치된다.
다른 추가의 실시예에서, 상기 제1 및 제2 스위칭 가능한 격자들은 제1 도파관에 배치되고, 상기 제3 및 제4 스위칭 가능한 격자들은 제2 도파관에 배치된다.
더 추가의 실시예에서, M은 2이다.
다른 실시예에서 다시, 상기 네이티브 및 상기 적어도 하나의 시프트된 이미지는 인간의 눈 통합 주기 내에서 순차적으로 표시된다.
추가 실시예에서 다시, 상기 이미지 시프트는 수직 또는 수평 시프트들 중 하나를 포함한다.
여전히 또 다른 실시예에서, 상기 이미지 시프트는 수직 및 수평 시프트들을 포함한다.
여전히 또 추가 실시예에서, 상기 스위칭 가능한 격자들은 홀로그램 폴리머 분산 액정 재료에 기록된다.
여전히 다른 추가의 실시예에서, 상기 제2 격자 세트는 스위칭 불가능한 격자를 포함한다.
여전히 더 추가의 실시예에서, 상기 제2 격자 세트는 폴드 격자를 포함한다.
여전히 다른 실시예에서 다시, 상기 제2 격자 세트는 파장 또는 각 대역폭 중 적어도 하나를 다중화하는 적어도 하나의 격자를 포함한다.
여전히 추가 실시예에서 다시, 상기 이미지 프로젝터는 프리즘 또는 격자 중 하나에 의해 상기 제1 격자 세트의 상기 제1 입력 격자에 광학적으로 결합된다.
여전히 다른 추가의 실시예에서, 장치는 조명 균질화기를 더 포함한다.
여전히 더 추가의 실시예에서, 상기 제2 격자 세트는 압연 k-벡터 격자를 포함한다.
또 다른 실시예는 도파관 디스플레이의 해상도와 시야를 증배하는 방법을 다시 포함하며, 이 방법은 이미지 프로젝터 및 이미지 프로세서를 제공하는 단계, 제1 및 제2 격자 세트들을 포함하는 도파관 디스플레이를 제공하는 단계-여기서, 상기 제1 및 제2 격자 세트들의 각각은 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제1 격자 세트는 네이티브 스위칭 구성 및 시프트된 스위칭 구성을 갖고, 상기 제2 격자 세트는 제1 스위칭 구성 및 제 2 스위칭 구성을 가짐-, 및 적어도 4개의 이미지들을 순차적으로 투사하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 적어도 4개의 이미지들은 제1 시야 부분의 네이티브 이미지, 제1 시야 부분의 시프트된 이미지, 제2 시야 부분의 네이티브 이미지 및 제2 시야 부분에서 시프트된 이미지를 포함하고 상기 시프트된 이미지는 N+1/M 곱하기 픽셀 치수와 동일한 이미지 시프트로 정의된 대응하는 네이티브 이미지에 대한 각도 변위를 가지며, 여기서 N 및 M은 정수이고 N은 0을 포함하며, 여기서 상기 제1 격자 세트가 상기 네이티브 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제1 스위칭 구성에 있을 때 상기 제1 시야 부분의 상기 네이티브 이미지가 투사되고, 상기 제1 격자 세트가 상기 네이티브 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제2 스위칭 구성에 있을 때 상기 제2 시야 부분의 상기 네이티브 이미지가 투사되고, 상기 제1 격자 세트가 상기 시프트된 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제1 스위칭 구성에 있을 때 상기 제1 시야 부분의 상기 시프트된 이미지가 투사되며 상기 제2 격자 세트가 상기 시프트된 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제2 스위칭 구성에 있을 때 상기 제2 시야 부분의 상기 시프트된 이미지가 투사된다.
추가의 실시예 및 특징은 다음의 설명에서 부분적으로 설명되고, 부분적으로는 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백해질 것이며 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특성 및 이점에 대한 추가 이해는 본 개시의 일부를 형성하는 명세서 및 도면의 나머지 부분을 참조하여 실현될 수 있다.
설명은 다음 도면과 데이터 그래프를 참조하여 더 완전히 이해될 것이며, 이는 본 발명의 예시적인 실시예로서 제시된 것이며 본 발명의 범위의 완전한 인용으로 해석되어서는 안 된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 스위칭 가능한 격자 층을 갖는 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이에 광학적으로 인터페이싱된 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 4배를 제공하기 위해 사용되는 4개의 픽셀 시프팅 단계들을 개념적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 4배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 해상도를 증배하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야와 해상도를 증배하기 위한 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야를 증배하기 위한 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야와 해상도를 증배하기 위한 단일 도파관의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 시야 및 해상도를 증배하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 스위칭 가능한 격자 층을 갖는 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이에 광학적으로 인터페이싱된 해상도 증배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 4배를 제공하기 위해 사용되는 4개의 픽셀 시프팅 단계들을 개념적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 4배 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 해상도를 증배하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야와 해상도를 증배하기 위한 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야를 증배하기 위한 도파관 디바이스의 개략적인 단면도를 개념적으로 예시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이의 시야와 해상도를 증배하기 위한 단일 도파관의 개략적인 단면도를 개념적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 시야 및 해상도를 증배하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
실시예를 설명하기 위해, 광학 설계 및 시각 디스플레이 분야의 당업자에게 알려진 광학 기술의 일부 잘 알려진 특징은 본 발명의 기본 원리를 모호하게 하지 않기 위해 생략되거나 단순화되었다. 달리 언급되지 않는 한, 광선(ray) 또는 빔 방향과 관련된 "축 상(on-axis)"이라는 용어는 본 발명과 관련하여 설명된 광학 구성요소의 표면에 수직인 축에 평행한 전파를 의미한다. 다음 설명에서 빛, 광선, 빔 및 방향이라는 용어는 상호 교환 가능하고 서로 연관되어 직선 궤적을 따라 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 전파 방향을 나타낼 수 있다. 빛과 조명이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 가시광 및 적외선 대역과 관련하여 사용될 수 있다. 다음 설명의 일부는 광학 설계 분야의 숙련자에 의해 일반적으로 사용되는 용어를 사용하여 제시될 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 격자라는 용어는 일부 실시예에서 격자들의 세트로 구성된 격자를 포함할 수 있다. 예시의 목적으로, 도면은 달리 명시되지 않는 한 축척에 맞게 그려지지 않은 것으로 이해되어야 한다.
성공적인 헤드 마운트 AR 디스플레이의 전제 조건은 작고 충격이 적은 폼 팩터, 고휘도, 넓은 시야(FOV) 디스플레이라는 데 점점 더 많은 공감대가 형성되고 있다. 도파관 디스플레이는 더 작은 FOV들을 타일링하여 넓은 FOV를 제공할 수 있으며, 각 타일에는 도파관에 결합된 마이크로디스플레이(microdisplay)에 형성된 형상화(imagery)가 포함되어 있다. 각 FOV 타일에 대한 이미지 콘텐츠는 시간순으로 표시될 수 있다. 일반적으로 FOV가 증가함에 따라 FOV를 이미지 디테일로 채울 수 있을 만큼 충분히 높은 해상도를 제공해야 한다. 시장에서 성공하려면, 50도 FOV 디스플레이가 적어도 1080p(16:9 화면비 HD 와이드스크린 표준에서 1920x1080 픽셀)의 해상도로 이상적으로 지원되어야 한다. 2018년 10월 16일에 출원된 "픽셀화된 디스플레이의 이미지 해상도를 증배하기 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제16/162,280호는 FOV 타일링에 대해 더 자세히 설명한다. 미국 특허 출원 번호 제16/162,280호의 개시 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
현재 웨어러블 폼 팩터 요구 사항을 충족하려면, 입력 이미지를 제공하는 데 사용되는 마이크로디스플레이가 0.23인치 대각선을 넘지 않아야 한다. 그러나 현재 픽셀 크기는 작은 디스플레이 영역에 1080p 픽셀 해상도를 허용하지 않는다. FOV/해상도 병목 현상(bottleneck)을 극복하는 한 가지 방법은 이미지 해상도 증배(resolution multiplication)을 사용하는 것이다. 텍사스 인스트루먼트(TI)가 후면 프로젝션 TV에서 개척한 잘 확립된 기술 중 하나는 그들의 고속 스위칭 DLP 기술과 고속 기계식 미러를 결합하여 픽셀을 1080p 해상도로 두 배로 늘릴 수 있도록 하는 것이다. 이러한 솔루션은 폼 팩터와 기계적 복잡성 및 비용에 대한 산업 저항 측면에서 AR 웨어러블에 적합하지 않다. 유기 LED와 같은 대체 기술은 고휘도의 1080p 해상도를 비용 효율적으로 제공할 만큼 충분히 성숙하지 않다. 이와 같이, 디스플레이 해상도 증배 및 FOV 증배를 위한 소형의 광학적 효율성 및 비용 효율적인 솔루션에 대한 요구 사항이 있다. 도파관 디스플레이 아키텍처 내에 통합된 디스플레이 해상도 증배 및 FOV 증배를 위한 컴팩트하고 광학적으로 효율적이며 비용 효율적인 솔루션에 대한 추가 요구 사항이 있다.
일반적으로 도면을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 근안(near-eye) 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이 시스템과 관련된 시스템 및 방법이 개념적으로 예시된다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법을 사용하여, 단일 광학 도파관 기판은 현재 및 종래의 도파관 시스템에서 발견되는 것보다 더 넓은 시야를 생성할 수 있다. 많은 실시예에서, 회절 격자(diffraction grating)는 광선을 분할하고 상이한 방향으로 진행하는 여러 빔으로 회절시켜 광선을 분산시키는 데 사용될 수 있다. 추가 실시예에서, 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)는 여분의 층을 제거하고 HMD, HUD 및 기타 근안 디스플레이를 포함하는 현재 디스플레이 시스템의 두께를 줄이고 마이크로디스플레이에 순차적으로 제공된 이미지를 타일링하여 시야를 증가시키기 위해 도파관에서 사용될 수 있다. 다양한 유형의 격자 아키텍처가 다양한 목적으로 구현될 수 있다. 다수의 실시예에서, 수평 및 수직 방향 모두에서 단일 도파관 상에 동공 확장(pupil expansion)을 제공하기 위해 종래의 격자(또는 본원에 개시된 다른 유형의 격자)와 함께 폴드 격자를 사용함으로써 더 큰 사출동(exit pupil)이 생성될 수 있다. 격자 구조, 도파관 아키텍처, 디스플레이 해상도 증배 및 FOV 증배 기술은 아래에서 더 자세히 기술된다.
광학 도파관 및 격자 구조
도파관에 기록된 광학 구조는 이에 제한되는 것은 아니지만 회절 격자와 같은 다양한 유형의 광학 요소를 포함할 수 있다. 격자는 빛 결합, 빛 지향, 빛 투과 방지를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 광학 기능을 수행하도록 구현될 수 있다. 많은 실시예에서, 격자는 도파관의 외부 표면에 있는 표면 릴리프 격자(surface relief grating)이다. 다른 실시예에서, 구현된 격자는, 주기적인 굴절률 변조를 갖는 구조인, 브래그 격자(체적 격자라고도 함)이다. 브래그 격자는 다양한 방법을 사용하여 제작될 수 있다. 하나의 프로세스는 주기적인 구조를 형성하기 위해 홀로그램 포토폴리머(photopolymer) 재료들의 간섭 노출을 포함한다. 브래그 격자는 적은 양의 빛이 더 높은 차수로 회절되는 고효율을 가질 수 있다. 회절 및 0차의 빛의 상대적인 양은 격자의 굴절률 변조, 큰 동공(pupil)에서 빛을 추출하기 위한 손실 도파관 격자를 만드는 데 사용할 수 있는 속성을 제어하여 변경될 수 있다.
홀로그램 도파관 디바이스에 사용되는 브래그 격자의 하나의 클래스는 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)이다. SBG는 먼저 기판들 사이에 광중합성 단량체(photopolymerizable monomer)와 액정 재료의 혼합물의 얇은 필름을 배치하여 제조될 수 있다. 기판은 유리 및 플라스틱과 같은 다양한 유형의 재료로 제조될 있다. 많은 경우에 기판은 병렬 구성(parallel configuration)이다. 다른 실시예에서, 기판은 쐐기 형상(wedge shape)을 형성한다. 하나 또는 두 기판 모두 필름을 가로질러 전기장을 인가하기 위해 전극, 일반적으로 투명한 산화주석 필름을 지지할 수 있다. SBG의 격자 구조는 공간적으로 주기적인 강도 변조와 간섭 노출을 사용하는 광중합 유도 상 분리(photopolymerization-induced phase separation)를 통해 액체 재료(종종 시럽이라고 함)에 기록될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니지만 조사(irradiation) 강도, 혼합물 내 재료의 구성요소 체적 분율 및 노출 온도와 같은 것을 제어하는 요인은 생성되는 격자 형태 및 성능을 결정할 수 있다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 따라 매우 다양한 재료 및 혼합물이 사용될 수 있다. 많은 실시예에서, HPDLC 재료가 사용된다. 기록 프로세스 동안, 단량체가 중합되고 혼합물이 상 분리된다. LC 분자는 응집되어 광학 파장 스케일의 폴리머 네트워크에 주기적으로 분포되는 개별 또는 합체된 방울들을 형성한다. 교번하는 액정이 풍부한 영역과 액정이 부족한 영역이 격자의 프린지 평면들을 형성하고, 이는 방울들에서 LC 분자의 배향 정렬로 인해 강한 광학 편광으로 브래그 회절을 생성할 수 있다.
생성된 체적 상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이는 필름에 인가된 전기장의 크기에 의해 제어될 수 있다. 투명 전극을 통해 격자에 전기장이 인가되면, LC 방울들의 자연적인 배향이 변경되어, 프린지의 굴절률 변조가 낮아지고 홀로그램 회절 효율이 매우 낮은 수준으로 떨어질 수 있다. 일반적으로, 전극은 인가된 전기장이 기판에 수직이 되도록 구성된다. 다수의 실시예에서, 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 제작된다. 전기장이 인가되지 않은 오프(OFF) 상태에서, 액정의 비정상적인 축은 일반적으로 프린지에 수직으로 정렬된다. 따라서 격자는 P-편광에 대해 높은 굴절률 변조 및 높은 회절 효율을 나타낸다. HPDLC에 전기장이 인가되면, 격자가 온(ON) 상태로 스위칭되어, 액정 분자의 비정상 축이 적용된 필드와 평행하고 기판에 수직으로 정렬된다. 온(ON) 상태에서, 격자는 S- 및 P-편광 모두에 대해 더 낮은 굴절률 변조 및 더 낮은 회절 효율을 나타낸다. 따라서 격자 영역은 더 이상 빛을 회절하지 않는다. 각각의 격자 영역은 HPDLC 디바이스의 기능에 따라 예를 들어 픽셀 매트릭스와 같은 다수의 격자 요소들로 분할될 수 있다. 일반적으로 하나의 기판 표면 상의 전극은 균일하고 연속적인 반면, 대향 기판 표면의 전극은 선택적으로 스위칭 가능한 격자 요소들의 다양성에 따라 패턴화된다.
일반적으로 SBG 요소는 30μs 이내에 해제되어(switched clear) 더 긴 이완 시간으로 스위치 온(ON) 된다. 디바이스의 회절 효율은 인가된 전압을 통해 연속 범위에서 조정될 수 있다. 많은 경우에, 디바이스는 전압이 인가되지 않은 상태에서 거의 100% 효율을 나타내고 충분히 높은 전압이 인가된 상태에서 본질적으로 제로 효율을 나타낸다. 특정 유형의 HPDLC 디바이스에서, 자기장을 사용하여 LC 방향을 제어할 수 있다. 일부 HPDLC 어플리케이션에서, 폴리머로부터의 LC 재료의 상 분리는 식별 가능한(discernible) 방울 구조가 생성되지 않는 정도로 달성될 수 있다. SBG는 수동 격자(passive grating)로도 사용될 수 있다. 이 모드에서, 가장 큰 이점은 고유하게 높은 굴절률 변조이다. SBG는 자유 공간(free space) 어플리케이션을 위한 투과 또는 반사 격자를 제공하는 데 사용될 수 있다. SBG는 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 근접한 희미하게(evanescently) 결합된 층을 형성하는 도파관 디바이스로 구현될 수 있다. HPDLC 셀을 형성하는 데 사용되는 기판은 내부 전반사(TIR) 빛 가이드 구조를 제공한다. 스위칭 가능한 격자가 TIR 조건을 넘는 각도에서 빛을 회절시킬 때 빛은 SBG에서 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, LC는 SBG에서 추출되거나 제거되어 진공(evacuated) 브래그 격자(EBG)를 제공할 수 있다. EBG는 SRG 구조의 깊이(이는 표면 식각 및 SRG 제조에 일반적으로 사용되는 기타 기존 공정을 사용하여 실질적으로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 큼)로 인해 브래그 격자와 매우 유사한 특성을 갖는 표면 릴리프 격자(SRG)로 특징지을 수 있다. LC는 이소프로필 알코올 및 용매를 사용한 세척(flushing)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 방법을 사용하여 추출될 수 있다. 많은 실시예에서, SBG의 투명 기판 중 하나가 제거되고 LC가 추출된다. 추가 실시예에서, 제거된 기판이 대체된다. SRG는 더 높거나 더 낮은 굴절률의 재료로 적어도 부분적으로 다시 채워질 수 있다. 이러한 격자는 효율성, 각도/스펙트럼 응답, 편광 및 기타 속성을 다양한 도파관 어플리케이션에 적합하게 조정할 수 있는 범위를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 도파관은 특정 목적 및 기능을 위해 설계된 다양한 격자 구성을 포함할 수 있다. 많은 실시예에서, 도파관은 시준 광학 시스템의 사출동을 효과적으로 확장함으로써 렌즈 크기를 감소시키면서 아이박스(eyebox) 크기를 보존할 수 있는 격자 구성을 구현하도록 설계된다. 사출동은 이 가상 구멍(virtual aperture)를 통과한 광선만 사용자의 눈에 들어갈 수 있는 가상 구멍으로 정의될 수 있다. 일부 실시예에서, 도파관은 광원에 광학적으로 결합된 입력 격자, 제1 방향 빔 확장을 제공하기 위한 접힘 격자, 및 제2 방향으로 빔 확장을 제공하기 위한 출력 격자를 포함하고, 이는 일반적으로 제1 방향과 직교하고 아이박스를 향한 빔 추출이다. 폴드 격자는 입사광을 편향시켜 도파관의 TIR 경로 내에서 계속 이동하도록 구성될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 격자 구성 구현 도파관 아키텍처는 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 격자 구성은 다중 폴드 격자를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 격자 구성은 빔 확장 및 빔 추출을 동시에 수행하기 위한 입력 격자 및 제2 격자를 포함한다. 제2 격자는 개별 오버랩 격자 층에 배열되거나 단일 격자 층에 다중화된 시야의 상이한 부분을 전파하기 위한 상이한 처방(prescription)의 격자를 포함할 수 있다. 또한, 다양한 유형의 격자 및 도파관 아키텍처가 또한 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 각 층 내의 격자는 상이한 스펙트럼 및/또는 각도 응답을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 많은 실시예에서, 스펙트럼 대역폭의 증가를 제공하기 위해 상이한 격자 층에 걸친 상이한 격자가 오버랩되거나 다중화된다. 일부 실시예에서, 풀 컬러 도파관은 각각 다른 스펙트럼 대역(적색, 녹색 및 청색)에서 동작하도록 설계된 3개의 격자 층을 사용하여 구현된다. 다른 실시예에서, 풀 컬러 도파관은 2개의 격자 층, 즉 적색-녹색 격자 층 및 녹색-청색 격자 층을 사용하여 구현된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 기술은 도파관의 각도 대역폭 동작을 증가시키기 위해 유사하게 구현될 수 있다. 상이한 격자 층을 통해 격자를 다중화하는 것 외에도, 단일 격자 층 내에서 다중 격자가 다중화될 수 있고-즉, 다중 격자가 동일한 체적 내에서 중첩될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도파관은 동일한 체적의 다중화된 둘 이상의 격자 처방을 갖는 적어도 하나의 격자 층을 포함한다. 추가 실시예에서, 도파관은 2개의 격자 층을 포함하고, 각각의 층은 동일한 체적의 다중화된 2개의 격자 처방을 갖는다. 동일한 체적 내에서 둘 이상의 격자 처방을 다중화하는 것은 다양한 제조 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 다수의 실시예에서, 다중화된 마스터 격자는 다중화된 격자를 형성하기 위해 노출 구성과 함께 이용된다. 많은 실시예에서, 다중화된 격자는 2개 이상의 구성의 노출 광으로 광학 기록 재료 층을 순차적으로 노출시킴으로써 제조되며, 여기서 각각의 구성은 격자 처방을 형성하도록 설계된다. 일부 실시예에서, 다중화된 격자는 2개 이상의 노출 광 구성 사이에서 또는 그 중에서 교대로 광학 기록 재료 층을 노출시킴으로써 제조되고, 여기서 각 구성은 격자 처방을 형성하도록 설계된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 당업계에 잘 알려진 기술을 포함하는 다양한 기술이 다중화된 격자를 제조하기 위해 적절하게 사용될 수 있다.
많은 실시예에서, 도파관은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 앵글 다중화된 격자, 컬러 다중화된 격자, 폴드 격자, 이중 상호작용 격자, 압연 K-벡터 격자, 교차 폴드 격자, 테셀레이션 격자, 처프 격자(chirped grating), 공간적으로 변화하는 굴절률 변조를 갖는 격자, 공간적으로 변화하는 격자 두께를 갖는 격자, 공간적으로 변화하는 평균 굴절률을 갖는 격자, 공간적으로 변화하는 굴절률 변조 텐서(tensor)를 갖는 격자, 및 공간적으로 변하는 평균 굴절률 텐서를 갖는 격자. 일부 실시예에서, 도파관은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 반파장판, 1/4파장판, 반사방지 코팅, 빔 분할 층, 정렬 층, 눈부심 감소를 위한 광변색 후면 층, 눈부심 감소를 위한 루브르(louvre) 필름. 몇몇 실시예에서, 도파관은 상이한 편광(polarization)에 대해 별도의 광학 경로를 제공하는 격자를 지원할 수 있다. 다양한 실시예에서, 도파관은 상이한 스펙트럼 대역폭에 대해 별도의 광학 경로를 제공하는 격자를 지원할 수 있다. 다수의 실시예에서, 격자는 HPDLC 격자, HPDLC에 기록된 스위칭 격자(스위칭 가능한 브래그 격자), 홀로그램 포토폴리머에 기록된 브래그 격자, 또는 표면 릴리프 격자일 수 있다. 많은 실시예에서, 도파관은 단색 대역(monochrome band)에서 동작한다. 일부 실시예에서, 도파관은 녹색 대역에서 동작한다. 몇몇 실시예에서, 적색, 녹색 및 청색(RGB)과 같은 상이한 스펙트럼 대역에서 동작하는 도파관 층은 3층 도파관 구조를 제공하기 위해 적층될 수 있다. 추가 실시예에서, 층은 도파관 층 사이에 에어 갭을 갖도록 적층된다. 다양한 실시예에서, 도파관 층은 2-도파관 층 솔루션을 제공하기 위해 청색-녹색 및 녹색-적색과 같은 더 넓은 대역에서 동작한다. 다른 실시예에서, 격자는 격자 층의 수를 줄이기 위해 색상 다중화된다. 다양한 유형의 격자가 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 각 층의 적어도 하나의 격자는 스위칭 가능한 격자이다.
위에서 논의된 것과 같은 광학 구조를 포함하는 도파관은 도파관 디스플레이를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 어플리케이션에서 구현될 수 있다. 다양한 실시예에서, 도파관 디스플레이는 25mm보다 큰 아이 릴리프(eye relief)와 함께 10mm보다 큰 아이박스로 구현된다. 일부 실시예에서, 도파관 디스플레이는 2.0-5.0mm 사이의 두께를 갖는 도파관을 포함한다. 많은 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 적어도 50° 대각선의 이미지 시야를 제공할 수 있다. 추가 실시예에서, 도파관 디스플레이는 적어도 70° 대각선의 이미지 시야를 제공할 수 있다. 도파관 디스플레이는 다양한 유형의 화상 생성 유닛(PGU)을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, PGU는 LCoS(liquid crystal on Silicon) 패널 또는 MEMS(micro electromechanical system) 패널과 같은 반사 또는 투과 공간 광 변조기일 수 있다. 다수의 실시예에서, PGU는 유기 발광 다이오드(OLED) 패널과 같은 발광 소자일 수 있다. 일부 실시예에서, OLED 디스플레이는 4000 니트(nit)보다 큰 휘도 및 4kx4k 픽셀의 해상도를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도파관은 400 니트보다 큰 이미지 휘도가 휘도 4000니트의 OLED 디스플레이를 사용하여 제공될 수 있도록 10%보다 큰 광학 효율을 가질 수 있다. P-회절 격자(즉, P-편광에 대해 고효율 격자)를 구현하는 도파관은 일반적으로 5%-6.2%의 도파관 효율을 갖는다. P-회절 또는 S-회절 격자는 OLED 패널과 같은 편광되지 않은 광원에서 나오는 빛의 절반을 낭비할 수 있으므로, 많은 실시예들은 도파관의 효율을 최대 2배까지 증가시킬 수 있도록 S-회절 격자 및 P-회절 격자 둘 다를 제공할 수 있는 도파관에 관한 것이다. 일부 실시예에서, S-회절 격자 및 P-회절 격자는 별개의 오버랩 격자 층에서 구현된다. 대안적으로, 단일 격자는, 특정 조건에서, p-편광 및 s-편광 모두에 대해 고효율을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도파관은 위에서 설명된 것과 같은 HPDLC 격자로부터 LC를 추출함으로써 생성된 브래그형 격자를 포함하여, 격자 두께의 적절하게 선택된 값(일반적으로 2-5μm 범위)에 대해 특정 파장 및 각도 범위에서 높은 S 및 P 회절 효율을 가능하게 한다.
광학 기록 재료 시스템
본 발명의 다양한 실시예에 따른 재료 시스템은 홀로그램 브래그 격자를 형성할 수 있는 포토폴리머 혼합물을 포함할 수 있다. 다수의 실시예에서, 혼합물은 간섭 포토리소그래피를 사용하여 홀로그램 격자를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 간섭 패턴의 다양한 노출 강도에 의해 인덱스 변조가 생성된다. 상기 섹션에서 설명된 것과 당업계에 잘 알려진 것을 포함하는 다양한 리소그래피 기술 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 토포-반응성을 통한 인덱스 변화에 의존하는 기존의 기술과 대비하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 재료 시스템 및 기술은 간섭 노출을 통해 개시되는 상 분리 프로세스를 이용한다. 많은 실시예에서, 포토폴리머 혼합물은 상이한 유형의 단량체, 염료, 광개시제, 및 나노입자를 포함한다. 단량체는 비닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 티올, 에폭사이드 및 기타 반응성 기를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시예에서, 혼합물은 상이한 굴절률을 갖는 단량체를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 혼합물은 반응성 희석제 및/또는 접착 촉진제를 포함할 수 있다. 용이하게 이해될 수 있는 바와 같이, 다양한 유형의 혼합물 및 조성물은 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 따라 적절하게 구현될 수 있다. 다수의 실시예에서, 구현된 혼합물은 2019년 1월 8일에 출원된 "저 헤이즈 액정 재료"라는 명칭의 미국 출원 제16/242,943호, 2019년 1월 8일자로 출원된 "액정 재료 및 제제"라는 명칭의 미국 출원 번호 제16/242,954호, 2018년 6월 13일자로 출원된 "저기능성 단량체를 포함하는 홀로그램 재료 시스템 및 도파관"라는 명칭의 미국 출원 번호 제16/007,932호 및 2020년 2월 24일에 출원된 "고회절 효율 및 낮은 헤이즈를 갖는 홀로그램 폴리머 분산 액정 혼합물"이라는 명칭의 미국 출원 번호 제16/799,735호에 기재된 재료 시스템을 기반으로 한다. 미국 출원 번호 제16/242,943호, 제16/242,954호, 제16/007,932호 및 제16/799,735호의 개시 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
홀로그램 격자를 형성하기 위해, 마스터 격자는 노출 빔을 지향시키고 격자를 형성하기 위해 경화되지 않은 포토폴리머 재료의 층에 간섭 패턴을 형성하는 데 사용될 수 있다. 기록 프로세스는, 일반적으로 플라스틱 또는 유리판으로 만들어진, 두 개의 투명 기판에 의해 끼워진 경화되지 않은 포토폴리머 재료의 층을 포함하는 도파관 셀에서 수행될 수 있다. 경화되지 않은 포토폴리머 재료의 층이 있는 도파관 셀은 진공 충전 및 인쇄 증착 프로세스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 기록 빔으로 마스터 격자를 노출함으로써, 빔의 일부는 회절되고 일부는 0차 빛으로 통과한다. 회절된 부분과 0차 부분은 간섭하여 포토폴리머 재료를 노출시킬 수 있다. 단량체와 나노입자는 상 분리되어 간섭 패턴에 대응하는 단량체와 나노입자의 교번하는 영역을 형성하여, 체적 브래그 격자를 효과적으로 형성한다. 다수의 실시예에서, 원하는 노출을 위한 간섭 패턴을 형성하기 위해 두 개의 상이한 노출 빔이 이용된다.
어플리케이션에 따라, 형성된 격자의 유형과 크기는 크게 다를 수 있다. 몇몇 실시예에서, 나노입자 기반 포토폴리머 시스템은 등방성 격자(isotropic grating)를 형성하도록 구현된다. 등방성 격자는 다양한 도파관 어플리케이션에서 유리할 수 있다. 전통적인 HPDLC 재료 시스템에서 형성된 것과 같은 이방성 격자는 도파관 내에서 전파되는 빛에 편광 회전 효과를 생성하여, 줄무늬 및 기타 바람직하지 않은 인공물을 초래할 수 있다. 등방성 격자를 통합한 도파관은 이러한 인공물 중 많은 부분을 제거하여 빛의 균일성을 향상시킬 수 있다. 많은 실시예에서, 나노입자 기반 격자는 S-편광 및 P-편광 모두에 대해 높은 회절 효율을 가지며, 이는 일반적인 HPDLC 격자에 비해 더 균일하고 효율적인 도파관을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 격자는 S-편광 및 P-편광 중 적어도 하나에 대해 적어도 ~20%의 회절 효율을 제공한다. 추가 실시예에서, 격자는 S-편광 및 P-편광 중 적어도 하나에 대해 적어도 ~40%의 회절 효율을 제공한다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 그러한 격자는 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 따라 적절한 편광 응답으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 실시예에서, 격자는 적절한 밝기를 갖는 도파관 디스플레이를 구현하기 위해 S-편광에 대해 적어도 ~40% 회절 효율을 제공한다. 추가의 실시예에서, 격자는 S-편광에 대해 적어도 ~40% 회절 효율 및 P-편광에 대해 적어도 ~10% 회절 효율을 제공한다.
도파관 어플리케이션은 일반적으로 도파관 내에서 원하는 빛의 전파 및 제어를 가능하게 하기 위해 서브파장 크기의 격자를 사용한다. 이와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예는 ~500 nm 미만의 주기를 갖는 격자를 형성하기 위한 나노입자 기반 포토폴리머 재료의 사용을 포함한다. 추가 실시예에서, 격자는 ~300 - 500 nm의 주기를 갖는다. 다수의 실시예에서, 격자 형성의 상 분리 프로세스 동안 높은 확산 속도를 제공하도록 단량체 및 나노입자의 유형이 선택될 수 있다. 높은 확산 속도는 작은 격자의 형성을 용이하게 할 수 있으며 일부 어플리케이션에서 필요할 수 있다. 많은 실시예에서 격자는 롤링된 K-벡터를 갖도록 형성된다-즉, 격자의 K-벡터는 유사한 주기를 유지하면서 변한다. 다른 주기와 다양한 K-벡터 외에도, 격자는 특정 두께를 갖도록 형성될 수도 있으며, 이는 일반적으로 포토폴리머 재료 층의 두께로 정의된다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 격자가 형성되는 두께는 특정 어플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 격자가 얇을수록 회절 효율은 낮아지지만 작동 각도 대역폭은 높아진다. 다른 통상적인 재료 시스템과 대조적으로, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토폴리머 재료 시스템은 많은 원하는 도파관 어플리케이션에 대해 충분한 회절 효율 값을 갖는 얇은 격자를 제공할 수 있다. 많은 실시예에서, 격자는 ~5μm 미만의 두께를 갖도록 형성된다. 다른 실시예에서, 격자는 ~1 - 3μm의 두께를 갖도록 형성된다. 몇몇 실시예에서, 격자는 다양한 두께 프로파일을 갖는다.
사용되는 구성요소의 유형은 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 나노입자의 유형은 나머지 구성요소와 낮은 반응성을 갖도록 선택될 수 있다(즉, 나노입자는 재료 시스템의 단량체, 염료, 공개시제 등에 대한 반응성이 없도록 선택됨). 다수의 실시예에서, 이산화지르코늄 나노입자가 사용된다. 많은 어플리케이션에서 도파관 효율성은 매우 중요하다. 이러한 경우, 저흡수성을 갖는 나노입자가 유리할 수 있다. 일반적인 도파관 어플리케이션 내에서 격자 상호 작용의 양이 주어지면, 기존 시스템에서 낮은 흡수 값으로 간주되더라도 여전히 허용할 수 없는 효율 손실을 초래할 수 있다. 예를 들어, 높은 흡수 특성을 갖는 전형적인 금속 나노입자는 많은 도파관 어플리케이션에 바람직하지 않을 수 있다. 이와 같이, 많은 실시예에서, 나노입자의 유형은 0.1% 미만의 흡수를 제공하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 나노입자는 비금속성이다. 낮은 흡수 값 외에도, 도파관 성능 및 격자 형성에 영향을 미치는 다른 특성도 고려될 수 있다.
작은 격자는 많은 도파관 어플리케이션에서 유리할 수 있다. 기존 HPDLC 재료 시스템과 비교하여, 상 분리 나노입자 기반 포토폴리머 재료는 LC 방울에 비해 나노입자의 크기가 상대적으로 작기 때문에 훨씬 더 높은 해상도로 격자를 형성할 수 있다. 일반적인 HPDLC 재료 시스템에서, LC 방울은 크기가 약 100nm이다. 이로 인해 일부 어플리케이션에서 특정 제한이 발생할 수 있다. 예를 들어, 많은 도파관 어플리케이션은 도파관 내에 격자를 형성하기 위한 홀로그램 노출/기록 프로세스를 구현한다. 어플리케이션에 따라, 마스터 격자의 피처 크기의 해상도가 제한될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 마스터 격자는 약 ~125nm 해상도를 갖는다. 따라서 100nm LC 방울을 사용하여 격자를 형성하는 것은 어려울 수 있으며 오류에 대한 여유가 거의 없다. 본 명세서에 기재된 포토폴리머 재료 시스템과 대조적으로, 격자를 형성하는 나노입자는 적어도 몇 배 더 작다. 일부 실시예에서, 재료 시스템은 15nm 미만의 직경을 갖는 나노입자를 포함한다. 추가 실시예에서, 나노입자는 ~4 - ~10nm의 직경을 갖는다. 마스터 격자의 피처 크기의 해상도와 비교하여 나노입자의 상대적으로 작은 크기는 높은 충실도로 격자의 형성을 가능하게 한다. 또한, 나노입자의 물리적 특성은 격자의 형성을 가능하게 하여 전통적인 HPDLC 재료 시스템의 큰 액정 방울 크기에 비해 상대적으로 낮은 헤이즈(haze)를 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, ~1% 미만의 헤이즈가 달성될 수 있다. 추가 실시예에서, 시스템은 ~0.5% 미만의 헤이즈를 갖는다. 사용할 나노입자의 유형을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 특성은 굴절률을 포함한다. 도파관 디스플레이 어플리케이션과 같은 많은 어플리케이션에서 구성요소 및 재료의 굴절률은 도파관 성능 및 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 격자 내 구성요소의 굴절률은 그의 회절 효율을 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 높은 굴절률 n을 갖는 나노입자는 높은 회절 효율을 갖는 격자를 형성하는데 이용된다. 예를 들어, 다수의 실시예에서, 굴절률이 적어도 1.7인 ZrO2 나노입자가 사용된다. 일부 실시예에서, 굴절률이 적어도 1.9인 나노입자가 사용된다. 추가 실시양태에서, 굴절률이 적어도 2.1인 나노입자가 사용된다. 포토폴리머 혼합물 내의 나노입자 및 단량체는 높은 
을 갖는 격자를 제공하도록 선택된다. 몇몇 실시예에서, 격자는 적어도 ~0.04 
의 굴절률 변조를 갖는다. 추가 실시예에서, ~0.05 - 0.06 
의 굴절률 변조를 갖는 격자가 사용된다. 이러한 재료는 특정 도파관 어플리케이션에 대해 충분한 회절 효율을 갖는 얇은 격자의 형성을 가능하게 하는 데 유리할 수 있다. 다수의 실시예에서, 재료는 30% 이상의 회절 효율을 갖는 ~2μm 두께의 격자를 형성할 수 있다. 추가 실시예에서, 격자는 40% 이상의 회절 효율을 가질 수 있다. 특정 경우에, 금속성 나노입자는 금속 성분의 전형적 특징인 고굴절률을 제공하도록 구현될 수 있다. 그러나 위에서 논의한 바와 같이, 금속 구성요소는 일반적으로 높은 흡수율을 가지며 다양한 도파관 어플리케이션에 사용하기에 부적합하다. 이와 같이, 본 발명의 많은 실시예는 얇고 효율적인 격자를 형성할 수 있는 비금속 나노입자를 갖는 재료 시스템에 관한 것이다.
많은 실시양태에서, 재료 시스템은 HPDLC 혼합물이다. HPDLC 혼합물은 일반적으로 LC, 단량체, 광개시제 염료(photoinitiator dye) 및 공개시제(coinitiator)를 포함한다. 혼합물(종종 시럽이라고도 함)은 또한 종종 계면활성제(surfactant)를 포함한다. 본 발명을 설명하기 위해, 계면활성제는 전체 액체 혼합물의 표면 장력을 낮추는 임의의 화학 작용제로 정의된다. PDLC 혼합물에서 계면활성제의 사용은 알려져 있으며 PDLC의 초기 조사로 거슬러 올라간다. 예를 들어, 그 개시 내용이 참조로 본원에 통합되는, R.L Sutherland 등의 문서, SPIE Vol. 2689, 158-169, 1996에서, 계면활성제를 첨가할 수 있는 LC, 단량체, 광개시제, 공개시제, 사슬 연장제를 포함하는 PDLC 혼합물을 설명한다. 계면 활성제는 Natarajan 등의, 비선형 광학 물리학 및 재료 저널 문서의, Vol. 5 No. l 89-98, 1996에서도 언급되며, 그 개시 내용은 참조로 본원에 포함된다. 또한, Sutherland; 등의 미국 특허 번호 제7,018,563호는 다음을 갖는 폴리머 분산 액정 광학 요소를 형성하기 위한 폴리머 분산 액정 재료에 대해 설명한다: 적어도 하나의 아크릴산 단량체; 적어도 하나의 유형의 액정 재료; 광개시제 염료; 공개시제; 및 계면활성제. 미국 특허 번호 제7,018,563호의 개시 내용은 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
특허 및 과학 문헌에는 높은 회절 효율, 빠른 응답 시간, 낮은 구동 전압 등을 달성하기 위해 그러한 재료 시스템을 공식화하는 조사를 포함하는 SBG를 제작하는 데 사용할 수 있는 재료 시스템 및 프로세스의 많은 예가 포함되어 있다. Sutherland의 미국 특허 번호 제5,942,157호 및 Tanaka 등의 미국 특허 번호 제5,751,452호 둘 모두는 SBG 디바이스 제조에 적합한 단량체 및 액정 재료 조합을 설명한다. 제조법의 예는 1990년대 초로 거슬러 올라가는 논문에서도 찾을 수 있다. 이러한 재료의 대부분은 다음을 포함하여 아크릴레이트 단량체를 사용한다:
·그 개시가 본원에 참고로 통합된 R. L. Sutherland 등의, Chem. Mater. 5, 1533 (1993)은 아크릴레이트 폴리머 및 계면활성제의 사용을 설명한다. 구체적으로, 제조접은 가교결합 다작용성 아크릴레이트 단량체; 사슬 연장제 N-비닐 피롤리디논, LC E7, 광개시제 로즈 벵갈 및 공개시제 N-페닐 글리신을 포함한다. 특정 변형에는 계면활성제 옥탄산이 추가되었다.
·그 개시 내용이 참조로 본원에 통합된, Fontecchio 등의, SID 00 Digest 774-776, 2000에서, 다기능 아크릴레이트 단량체, LC, 광개시제, 공개시제 및 사슬 종결제를 포함하는 반사형 디스플레이 어플리케이션을 위한 UV 경화성 HPDLC에 대해 설명한다.
·그 개시 내용이 참조로 본원에 통합된 Y.H. Cho, 등의, 폴리머 인터내셔널, 48, 1085-1090, 1999에서 아크릴레이트를 포함한 HPDLC 제조법을 설명한다.
·그 개시 내용이 참조로 본원에 통합된 Karasawa 등의, 일본 응용 물리학 저널, Vol. 36, 6388-6392, 1997에서 다양한 기능적 순서의 아크릴레이트를 설명한다.
·그 개시 내용이 참조로 본원에 통합된 T.J. Bunning 등의, 폴리머 과학: 파트 B: 폴리머 물리학, Vol. 35, 2825-2833, 1997에서 또한 다작용성 아크릴레이트 단량체를 설명한다.
·그 개시 내용이 참조로 본원에 통합된, G.S. Iannacchione 등의, 유럽물리학 레터(Europhysics Letters) Vol. 36(6). 425-430, 1996에서 펜타-아크릴레이트 단량체, LC, 사슬 연장제, 공개시제 및 광개시제를 포함하는 PDLC 혼합물을 설명한다.
아크릴레이트는 빠른 역학, 다른 재료와의 우수한 혼합 및 필름 형성 공정과의 호환성이라는 이점을 제공한다. 아크릴레이트는 가교결합되어 있기 때문에, 기계적으로 견고하고 유연한 경향이 있다. 예를 들어, 기능 2(디) 및 3(트리)의 우레탄 아크릴레이트는 HPDLC 기술에 광범위하게 사용되었다. 오각형 및 육각형 기능 스템(functional stem)과 같은 고기능성 소재도 사용되었다.
해상도 증배 및 FOV 증배를 위한 도파관 아키텍처
많은 실시예에서, 디스플레이 해상도를 증배하기 위한 장치는: 픽셀로부터의 각 광이 고유한 각도 방향으로 매핑되도록 마이크로디스플레이로부터의 이미지 광을 투사하는 이미지 프로젝터; 네이티브 이미지 및 이미지 프로젝터에 의한 순차 디스플레이를 위해 미리 정의된 방향으로 시프트된 적어도 하나의 이미지 계산하기 위한 이미지 프로세서; 및 이미지 프로세서 또는 생성기에 광학적으로 결합된 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 스위칭 가능한 격자는 네이티브 이미지 광을 전파하기 위한 제1 구성 및 방향으로의 이미지 시프트에 대응하는 각도 변위로 시프트된 이미지 광을 전파하기 위한 적어도 하나의 구성을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 가능한 격자는 자유 공간에서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스위칭 가능한 격자는 적어도 하나의 도파관 내에 배치된다.
이미지 시프트는 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다. 다수의 실시예에서, 이미지 시프트는 해상도 더블링(doubling)를 제공하기 위한 수직 또는 수평 중 하나이다. 몇몇 실시예에서, 이미지 시프트는 수직 및 수평 해상도 모두의 더블링을 제공하기 위해 수직 및 수평 시프트를 포함한다. 많은 실시예에서, 이미지 시프트는 수직 또는 수평 치수에서 정확히 절반 픽셀과 동일하다. 일부 실시예에서, 이미지 시프트는 픽셀 치수의 N+1/2배이고, 여기서 N은 정수(여기서 0은 정수로 가정됨)이다. 이러한 구성은 오프셋 디자인에 더 많은 유연성을 제공하여 이미지 크기에서 N 픽셀만 손실할 수 있다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이미지 시프트는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 시프트는 픽셀 치수의 1/3 또는 2/5배와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 서브 픽셀 크기일 수 있다. 다수의 실시예에서, 이미지 시프트는 N + 픽셀의 임의의 일부(fraction)이고, 여기서 N은 정수이다. 많은 실시예에서, 정수 수직 및 절반 픽셀 수평 오프셋이 제공된다. 일부 실시예에서, 정수 수평 및 절반 픽셀 수직 오프셋이 제공된다. 몇몇 실시예에서, 수직 및 수평 오프셋은 도파관의 평면에서 비직교 입력, 폴드 및 출력 격자 벡터(K-벡터 성분)로부터 발생하는 이미지 오프셋을 보상하기 위해 픽셀 치수의 다른 정수배를 갖는다. 다양한 실시예에서, 네이티브 및 시프트된 이미지는 인간 눈 통합 주기 내에서 순차적으로 표시된다.
많은 실시예에서, 해상도 증배 도파관은 스위칭 가능한 격자 세트를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 스위칭 가능한 격자는 제1 도파관에 배치된 제1 및 제2 격자 및 제2 도파관에 배치된 제3 및 제4 격자를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 격자는 제3 격자와 오버랩되고 제2 격자는 제4 격자와 오버랩된다. 격자는 어플리케이션에 따라 완전히 또는 부분적으로 오버랩될 수 있다. 오버랩 구성에서, 제1 및 제3 격자는 입력 커플러(coupler)로 작동할 수 있고, 제2 및 추가 격자는 출력 커플러로 작동할 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 증배 도파관 디바이스의 측면도를 개념적으로 도시한다. 도 1a에 도시된 제1 구성(100A)은 제1 및 제2 스위칭 가능한 격자가 그들의 회절 상태에 있을 때 제공된다. 도 1b에 도시된 제2 구성(100B)은 제1 및 제2 격자가 그들의 비회절 상태에 있을 때 제공된다. 먼저 도 1a를 참조하면, 제1 구성(100A)은 제1 입력 격자(103) 및 제1 출력 격자(104)를 포함하는 제1 도파관 층(102)을 포함하는 해상도 증배 도파관에 결합된 이미지 프로젝터(101)를 포함한다. 해상도 증배 도파관은 제2 입력 격자(106) 및 제2 출력 격자(107)를 포함하는 제2 도파관 층(105)을 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 제2 입력 격자(106)는 제1 입력 격자(103)와 실질적으로 오버랩되고, 제2 출력 격자(107)는 제1 출력 격자(104)와 실질적으로 오버랩된다. 기호 V로 표시되고 숫자 108A-108B로 참조되는 전압이 전기적 연결에 의해 제1 도파관 층(102)의 격자에 인가될 수 있다.
도 1a의 예시적인 실시예에서, 이미지 프로젝터(101)는 픽셀(101B)의 어레이를 제공하는 마이크로디스플레이 패널(101A) 및 마이크로디스플레이(101A)로부터의 이미지 광을 투사하기 위한 투사 렌즈(101C)를 포함하여, 각 픽셀로부터의 광이 고유한 각도 방향으로 매핑된다. 일부 실시예에서, 투사 렌즈(101C)는 다요소 굴절 렌즈 시스템일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 투사 렌즈(101C)는 회절 요소 또는 표면을 포함할 수 있다. 이러한 기본 구성의 이미지 프로젝터는 본 발명을 설명할 목적으로 가정된다. 그러나, 본 발명은 임의의 유형의 이미지 프로젝터를 사용하여 적용될 수 있음이 당업자에게 명백해야 한다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터(101)는 픽셀화된 이미지를 형성하기 위해 대형 스캐너를 사용할 수 있다. 다수의 실시예에서, 이미지 프로젝터(101)는 하나 이상의 픽셀화된 이미지 소스를 제공하기 위한 하나 이상의 마이크로디스플레이 또는 레이저 스캐너를 포함할 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 디바이스는 이미지 프로세서(109)를 더 포함하고, 이는 데이터 통신 및 제어 링크(109A)를 통해 이미지 프로젝터(101)에 전기적으로 연결된다. 이미지 프로세서(109)는 네이티브(시프트되지 않은) 이미지 및 이미지 프로젝터(101)에 의한 순차적 디스플레이를 위해 미리 정의된 방향으로 시프트된 적어도 하나의 이미지를 계산하도록 구성될 수 있다. 이미지 시프트는, N + 픽셀의 임의의 일부를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 위에서 설명된 임의의 방식으로 구현될 수 있으며, 여기서 N은 0을 포함하는 정수이다. 이미지 프로젝터(101)로부터의 이미지 광은 프리즘(110)에 의해 해상도 증배 도파관에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 프리즘(110)은 격자로 대체될 수 있다.
네이티브 이미지 프레임이 마이크로디스플레이(101A)에 표시될 때, 회절 상태에 있는 제1 도파관 층(102)의 격자(103, 104)와 함께, 제1 도파관 층(102)을 통해 그리고 제1 도파관 층(102)으로부터의 광 추출 경로로의, 이미지 프로젝터(101) 또는 이미지 생성기로부터의 광 경로는, 116으로 표시된 네이티브 이미지 프레임 픽셀과 함께 광선(111-115)로 도 1a에 표시된다.
시프트된 이미지 프레임이 표시될 때, 이미지 프로젝터(101) 또는 이미지 생성기로부터, 제2 도파관 층(105)으로 그리고 제2 도파관 층(105)으로부터 광 추출 경로로 그리고 제1 도파관 층(102)을 통한 광 경로는 광선(117-122)으로 도 1b에 표시된다. 시프트된 이미지 프레임 픽셀은 123으로 표시되고 대응하는 네이티브 이미지 프레임 픽셀은 다시 116으로 표시된다. 예시적인 실시예에서, 도 1a의 광선(124) 및 도 1b의 광선(125)으로 표시된 바와 같이 도파관 층(102, 105)의 각각의 입력 격자(103, 106)로부터의 0차 광은 도파관 층(102, 105)에서 광 트랩(light trap)(126) 상으로 실질적으로 편차 없이 전파한다. 도 1a 및 1b에 표시된 아키텍처를 약간 수정하면 도파관 중 하나를 사용하여 네이티브 이미지 프레임을 전파할 수 있음이 도면에서 명백해야 한다.
많은 실시예에서, 제1 도파관 층의 격자는 스위칭 가능하지만 제2 도파관 층의 격자는 스위칭을 필요로 하지 않는다. 몇몇 실시예에서, 제2 도파관 층의 격자는 항상 회절 상태에 있도록 구성된다. 도 2에 도시된 것과 같은 일부 실시예에서, 두 도파관 층의 격자는 스위칭 가능하고 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 도 2의 구성(200)은 도 1a 및 1b의 실시예에 도시된 것과 유사한 구성요소를 가질 수 있는 도파관을 포함하고, 이는 제1 입력 격자(202) 및 제1 출력 격자(203)를 갖는 제1 도파관 층(201) 및 제2 입력 격자(205) 및 제2 출력 격자(206)를 갖는 제2 도파관 층(204)을 포함한다. 그러나, 도 2의 예시적인 실시예에서, 제1 도파관 층(201)의 격자(202, 203)가 회절 상태로 스위칭될 때 제2 도파관 층(204)의 격자(205, 206)는 비회절 상태로 스위칭된다. 기호 V로 표시되고 숫자 207A-207D로 참조되는 전압이 전압원에 대한 전기적 연결을 통해 격자에 인가된다. 제1 도파관 층(201)의 격자(202, 203)가 회절될 때 제2 도파관 층(204)의 격자(205, 206)의 스위칭을 제어함으로써, 0차 광(208)이 제1 도파관 층(201)으로 다시 결합될 위험이 최소화될 수 있다.
마이크로 디스플레이의 프레임 업데이트와 함께 격자가 스위칭되어 제1 도파관 층의 격자가 회절 상태에 있을 때 입력 이미지 생성기는 네이티브 이미지를 표시하고 제1 도파관 층의 격자가 비회절 상태에 있을 때 이미지 생성기는 절반 픽셀 수평 시프트로 재계산된 이미지를 표시할 수 있다. 네이티브 및 시프트된 프레임의 스위칭이 인간의 눈 통합 시간 내에 발생하기 때문에, 디스플레이 뷰어는 표시된 이미지 해상도의 더블링을 인지할 수 있다.
많은 실시예에서, 제1 및 제2 도파관 층의 격자는 유사하게 구성될 수 있지만 네이티브 이미지에 대해 절반 픽셀 또는 기타 미리 정의된 값과 동일할 수 있는 상대 각도 시프트를 생성하도록 설계된 약간 다른 격자 처방을 가지며, 일부 실시예에서, 요구되는 각도 시프트는 격자 K-벡터에 작은 기울기를 적용함으로써 생성된다. 몇몇 실시예에서, 요구되는 각도 시프트는 입력 및 출력 격자에 의해 형성된 표면 격자에 대한 작은 변화에 의해 생성된다. 네이티브 및 시프트된 이미지 프레임의 각도 분리는 일반적으로 매우 작기 때문에 디스플레이 도파관에 결합될 때, 프레임의 이미지 광은 도파관 디스플레이의 아이박스로 추출되기 전에 고효율로 전파될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 도파관 층은 광 추출 전에 단지 약간의 내부 전반사(TIR) 바운스가 발생하도록 설계된다. 이것은 빔 확장을 최소화하여 개별 도파관 디바이스에 효율적으로 결합하도록 한다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 도파관 층은 완전한 광학적 분리를 보장하기 위해 작은 에어 갭에 의해 분리될 것이다. 몇몇 실시예에서, 나노다공성(nanoporous) 재료와 같은 낮은 인덱스 재료가 도파관 분리를 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 적색, 녹색 및 청색 광에 대해 별도의 도파관 층이 제공된다. 몇몇 실시예에서, 적색 및 청색/녹색 광에 대해 별도의 도파관 층이 제공된다. 많은 실시예에서, 격자는 하나 이상의 파장을 다중화한다. 다수의 실시예에서, 격자는 하나보다 많은 각도 대역폭을 다중화한다. 일부 실시예에서, 추가적인 해상도 증배 연산이 구현될 수 있다. 예를 들어, 해상도 4배(quadrupling)를 제공하기 위해, 도파관이 더 적층되어 서로 다른 방향의 픽셀 시프트에 대응하는 서로 다른 방향으로 빛을 편향시킬 수 있다. 그러한 구현은 도 1a 및 1b 및 도 2에 도시된 것과 유사한 원리 및 실시예에 기초할 수 있다.
일부 실시예에서, 해상도 증배 도파관은 도파관 디스플레이에 광학적으로 결합된다. 도 3a 및 도 3b는 하나의 그러한 실시예의 두 개의 작동 상태(300A, 300B)를 예시하는 개략적인 측면도를 개념적으로 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 1a 및 1b 및 도 2에 도시된 것과 유사한 실시예에 기초하여 구현될 수 있는 해상도 증배 도파관은 도파관 디스플레이(301)에 광학적으로 결합된다. 예시적인 실시예에서, 도파관 디스플레이(301)는 입력 격자(302) 및 출력 격자(303)를 포함한다. 일부 실시예에서, 도파관 디스플레이(301)는 폴드 격자를 더 포함할 수 있다. 많은 실시예에서, 도파관 디스플레이(301)는 상이한 색상의 광을 전파하기 위한 별도의 층을 포함할 수 있다. 도 3a의 예시적인 실시예에서, 해상도 증배 도파관의 제1 도파관 층에서 나오는 네이티브 이미지 프레임 광(304)은 광선(307)으로 표시되는 도파관(301) 외부로 결합되기 전에 광선(305-306)으로 표시되는 TIR 경로를 따라 도파관 디스플레이(301)에 결합되어 308로 표시된 것과 같은 픽셀을 포함하는 출력 이미지를 형성한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 해상도 증배 도파관의 제2 도파관 층에서 나오는 시프트된 이미지 프레임 광(309)은 광선(312)로 표시되는 도파관 외부로 결합되기 전에 광선(310-311)로 표시되는 TIR 경로를 따라 도파관 디스플레이(301)에 결합되어, 대응하는 네이티브 픽셀(308)로부터 픽셀 폭의 절반만큼 시프트된 (313)으로 표시된 것과 같은 픽셀을 포함하는 출력 이미지를 형성한다.
위에서 설명된 바와 같이, 해상도 증배 어플리케이션은 디스플레이의 해상도의 4배, 즉 수직 및 수평 해상도 모두의 더블링을 제공하도록 구현될 수 있다. 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 해상도 4배를 제공하기 위해 사용되는 4개의 상이한 픽셀 시프팅 단계의 예시를 제공한다. 도 4a는 갭(402)으로 분리된 (401)과 같은 픽셀을 포함하는 4x4 픽셀 어레이로 표시되는 네이티브 이미지(400A)를 도시한다. 도 4b는 (403)과 같은 각 픽셀이 그의 대응하는 네이티브 픽셀(401)에 대한 제1 절반 픽셀 수평 시프트를 겪은 픽셀 어레이(400B)를 도시한다. 도 4c는 (404)와 같은 각 픽셀이 그의 대응하는 네이티브 픽셀(401)에 대한 절반 픽셀 수직 및 수평 이동을 겪은 픽셀 어레이(400C)를 도시한다. 도 4d는 405와 같은 각 픽셀이 그의 대응하는 네이티브 픽셀(401)에 대한 절반 픽셀 수직 이동을 겪은 픽셀 어레이(400D)를 도시한다.
도 5a 내지 5d는 도 4a 내지 4d에 예시된 4-픽셀 어레이 구성을 전파할 수 있는 도파관 디스플레이(501)의 격자 상태(500A-500D)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이(501)는 이미지 프로젝터(502)로부터의 광을 도파관 디스플레이(501)의 TIR 경로로 결합하기 위한 제1 및 제2 입력 격자를 포함한다. 도파관 디스플레이(501)는 도파관 디스플레이(501) 외부의 광을 결합하기 위한 제1 및 제2 출력 격자를 더 포함한다. 도파관 디스플레이(501)가 단일 층으로 도시되어 있지만, 그러한 도파관 디스플레이는 각각 격자 층을 포함하는 다중 도파관 층으로 구현될 수 있다. 도 5a를 다시 참조하면, 도파관 디스플레이(501)는 제1 입력 및 출력 격자와 동일한 격자 층에 배치된 공통 폴드 격자(503)를 더 포함하고, 이는 제1 및 제2 출력 격자와 관련하여 2차원 빔 확장을 제공하기 위해 격자 구성(500A, 500B) 모두에서 사용될 수 있다. 폴드 격자(503)는 2개의 격자 층 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 폴드 격자(503)는 필요하지 않을 수 있다. 기호 V로 표시되고 숫자 504A-504D로 참조되는 전압이 전압원에 대한 전기적 연결을 통해 격자에 인가된다.
도 5a는 제2 입력 격자 및 제2 출력 격자가 각각 회절 상태(505A, 506A)에 있고 제1 입력 격자 및 제1 출력 격자가 각각 비회절 상태(507B, 508B)에 있는 도 4a의 픽셀 구성(네이티브 이미지)을 전파하기 위한 격자 구성(500A)을 도시한다. 광선 경로는 광선(509A-512A)으로 표시된다. 도 5b는 제1 입력 격자 및 제2 출력 격자는 각각 회절 상태(507A, 506A)에 있고 제2 입력 격자 및 제1 출력 격자는 각각 비회절 상태(505B, 508B)에 있는 도 4b의 픽셀 구성을 전파하기 위한 격자 구성(500B)을 도시한다. 광선 경로는 광선(509B-512B)으로 표시된다. 도 5c는 제1 입력 격자 및 제1 출력 격자가 각각 회절 상태(507A, 508A)에 있고 제2 입력 격자 및 제2 출력 격자가 각각 비회절 상태(505B, 506B)에 있는 도 4c의 픽셀 구성을 전파하기 위한 격자 구성(500C)을 도시한다. 광선 경로는 광선(509C-512C)으로 표시된다. 도 5d는 제2 입력 격자 및 제1 출력 격자가 각각 회절 상태(505A, 508A)에 있고 제1 입력 격자 및 제2 출력 격자가 각각 비회절 상태(507BA, 506B)에 있는 도 4d의 픽셀 구성을 전파하기 위한 격자 구성(500D)을 도시한다. 회절된 광선 경로는 광선(510D-513D)로 표시된다.
도 5a 내지 5d의 장치를 사용하여 60Hz 1080p 이미지 프레임 레이트를 달성하려면 240Hz 비디오 프레임 레이트에서 생성될 4개의 비디오 서브프레임이 필요할 수 있다. 각 비디오 서브프레임에는 적색, 녹색, 파란색 서브프레임이 필요하여 프레임 레이트를 720Hz로 높일 수 있다. 일부 실시예에서, 도 5a 내지 도 5d에 예시된 2층 격자 구조는 다른 색상에 대해 요구되는 추가 유사한 도파관과 함께 단색 광을 전파하는 데 사용된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 적색, 녹색 및 청색에 대해 별도의 도파관이 필요할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컬러 디스플레이에는 하나의 적색 도파관 및 하나의 청색/녹색 도파관이 제공된다. 도 5a 내지 5d의 스위칭 가능한 격자 배열은 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는 몇 가지 이점을 갖는다: 낮은 비용과 복잡성; 최소 수의 ITO 층을 통과하는 프로젝터로부터의 입력 이미지; 및 별도로 스위칭되어 손실을 최소화하는 이중 스위칭 가능한 격자 오프셋.
도 5a 내지 도 5d를 고려하면, 일부 실시예에서 제1 또는 제2 입력 격자 중 하나가 제거되어 네이티브 이미지와 시프트된 이미지를 순차적으로 전파하는 도파관을 제공할 수 있음이 명백해야 한다. 대안적으로, 동일한 추론에 의해, 동일한 효과를 달성하기 위해 제1 또는 제2 출력 격자 중 하나가 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 5a 내지 도 5d의 격자 층 중 하나는 스위칭되지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 해상도를 증배하는 방법(600)을 개념적으로 예시하는 흐름도이다. 흐름도를 참조하면, 방법(600)은 이미지 프로젝터 및 이미지 프로세서를 제공하는 단계(601) 및 제1, 제2, 제3, 및 제4 스위칭 가능한 격자를 포함하는 도파관을 제공하는 단계(602)를 포함하고, 제1 및 제3 격자가 중첩되고 제2 및 제4 격자가 중첩되고 각각의 격자는 입사광에 대해 각도 시프트를 적용하기 위한 광학 처방을 갖는다. P가 곱해진 픽셀 시프트(N+1/2)가 수행될 수 있으며(603), 여기서 N은 0보다 크거나 같은 정수이고 P는 픽셀 치수이다. 위에서 설명된 것처럼 1/2 대신 임의의 일부 픽셀 시프트가 구현될 수 있다. 시프트된 이미지는 이미지 프로세서를 사용하여 계산될 수 있다(604). 이미지 프로젝터에 대해 시프트된 이미지가 기록될 수 있다(605). 제1 및 제3 스위칭 가능한 격자 중 하나와 제2 및 제4 스위칭 가능한 격자 중 하나가 그들의 회절 상태로 스위칭될 수 있다(606). 시프트된 이미지 광은 회절 제1 또는 제3 스위칭 가능한 격자를 통해 도파관으로 결합될 수 있다(607). 이미지 광은 회절 스위칭 가능한 격자의 처방에 의해 결정된 픽셀 시프트와 함께 회절 제2 또는 제4 스위칭 가능한 격자를 통해 도파관 밖으로 결합될 수 있다(608). 픽셀 시프트 단계는 필요한 모든 이미지 픽셀 시프트가 완료될 때까지 반복될 수 있다(608).
해상도 증배 도파관 아키텍처 외에도, 해상도 및 시야를 증배하기 위한 도파관은 도 1 내지 6에 표시된 것과 유사한 관련 원리를 사용하여 구현될 수도 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상도 및 시야를 증배하기 위한 장치의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 장치(700)는 해상도를 증배하기 위한(위에서 설명된 실시예 중 임의의 것에 따라 구현될 수 있음) 제1 도파관(701), 이미지 변조된 광(703)을 제공하는 입력 이미지 소스(702), 입력 격자(705A, 705B) 및 출력 격자(706A, 706B)를 지원하는 시야를 증배하기 위한 제2 도파관(704)을 포함한다. 제 1 도파관(701)은 제 2 도파관(704)에 결합되는 해상도 증배 광(707A)을 제공한다. 일부 실시예에서, 입력 격자(705A, 705B)는 스위칭 가능한 격자이고 출력 격자(706A, 706B)는 비-스위칭 격자이다. 많은 실시예에서, 입력 격자(705A, 705B) 중 하나는 비-스위칭 격자일 수 있고 출력 격자 중 하나 또는 둘 모두는 비-스위칭 격자일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모든 격자는 스위칭될 수 있다.
도 7의 실시예에서, 입력 격자(705A) 및 출력 격자(706A)는 제1 시야 부분에 대한 제1 도파관 경로를 제공한다. 제 1 도파관 경로는 출력 격자(706A)에 의해 도파관(704) 외부에서 아이박스(708)에 대한 광선 경로(707D)로 결합되는 내부 전반사 광선(707B, 707C)에 의해 예시된다. 입력 격자(705B) 및 출력 격자(706B)는 제2 시야 부분에 대한 제2 도파관 경로(미도시)를 제공할 수 있다. 많은 실시예에서, 이미지 소스(702)는 입력 격자(705A) 및 출력 격자(706A)가 회절 상태에 있고 입력 격자(705B) 및 출력 격자(706B)가 비회절 상태에 있을 때 제1 시야 부분으로의 투사를 위한 제1 이미지 변조된 광을 제공한다. 일부 실시예에서, 이미지 소스는 입력 격자(705A) 및 출력 격자(706A)가 비회절 상태에 있고 입력 격자(705B) 및 출력 격자(706B)가 회절 상태에 있을 때 제2 시야 부분으로 투사하기 위한 제2 이미지 변조된 광을 제공한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 이미지 변조된 광을 전파하기 위해 다양한 회절 및 비회절 구성이 구현될 수 있다. 도 7을 고려하면, 시청을 위한 추가 시야 부분을 생성할 목적으로 추가 입력 및 출력 격자가 추가될 수 있음이 명백해야 한다. 많은 실시예에서, 다수의 시야 부분이 타일링되어 연속적이고 확장된 시야를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 시야 부분은 인접할 필요가 없다.
도 8은 인-커플링(in-coupling) 스위칭 가능한 회절 요소와 아웃-커플링(out-coupling) 회절 요소가 쌍을 이루고 스위치 인 및 아웃(온 및 오프 또는 그 반대로)될 수 있어서, 출력 광이 이전에 논의된 바와 같이 스위칭 불가능한 회절 요소가 사용되는 경우 존재할 수 있는 이미지 더블링 및 색수차(chromatic aberration)를 겪지 않을 수 있는 방법을 보여주는 도파관(800)을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 도파관(800)은 입력 회절 요소(801-803)(또는 입력 격자) 및 출력 회절 요소(804-806)(또는 출력 격자)를 포함한다. 일부 실시예에서, 입력 회절 요소(801-803)는 스위칭 가능한 격자이고 출력 회절 요소(804-806)는 비-스위칭 격자이다. 많은 실시예에서, 입력 회절 요소(801-803) 및 출력 회절 요소(804-806)는 스위칭 및 비-스위칭 격자의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모든 회절 요소는 스위칭될 수 있다. 회절 요소는 홀로그램 기록 매체의 하나 이상의 층에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 회절 요소는 기판(808A, 808B)에 의해 끼워진 홀로그램 기록 매체(807)에 형성된다. 다른 실시예에서, 각각의 입력 회절 요소 및 그의 대응하는 출력 회절 요소는 두 개의 투명 기판에 의해 끼워진 홀로그램 기록 매체에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 입력 회절 요소(801-803) 및 대응하는 출력 회절 요소(804-806)는 동일하고 반대의 회절 파워를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 입력 광은 3개의 상이한 각도로부터 수신된다. 3개의 각도는 각각 시야의 일부 내에 포함된 입사 광선의 주요(principal) 또는 중심 각도에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 입력 시준 렌즈(미도시)는 광학 디스플레이 시스템에 필요한 시야를 생성한다. 일부 예시적인 실시예에 따르면, 시준 렌즈는 입력 회절 요소와 통합될 수 있고, 다른 예시적인 실시예에서, 시준 렌즈는 분리될 수 있다. 임의의 시점에서, 각각의 입력 요소(801, 802, 803) 중 하나만이 그의 대응하는 출력 요소(804, 805, 806)와 함께 작동하거나 스위치 온될 수 있고 모든 요소는 시스템의 프레임 시간 내에서 연속적으로 스위칭될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광은 작동하는 회절 요소(801, 802 또는 803)에 부딪힐 때까지 도파관(800)에 결합하지 않는다. 따라서 임의의 한 시점에서 한 각도 범위로부터의 빛만이 도파관에 결합된다. 또한, 이러한 실시예에서, 광은 작동 중인 회절 요소(804, 805 또는 806)에 부딪힐 때까지 기판 밖으로 결합되지 않는다. 일부 실시예에서, 입력 또는 출력 격자에 대해 비-스위칭 격자를 사용하는 것은 입사 광선이 특정 격자에 대해 오프-브래그(즉, 브래그 방정식을 만족하지 않음)가 되는 결과를 초래할 수 있다.
예시된 예에 따르면, 점선으로 표시된 빛의 단일 평행 빔은 회절 표면에 부딪히고 상보적 회절 표면에 부딪힐 때까지 도파관으로 회절되고 도파관에 들어갈 때와 동일한 각도로 도파관 밖으로 회절된다. 광선 경로는 광선(809A-809C)로 표시된다. 입력 회절 파워가 출력 회절 파워와 동일하고 반대이기 때문에 시스템에 색수차가 발생하지 않는다. 도 8은 3개의 입력 및 출력 스위칭 가능한 회절 요소의 사용을 도시하지만, 다른 예시적인 실시예에 따르면 3개보다 많거나 적은 스위칭 가능한 회절 요소가 사용될 수 있다는 점에 유의한다. 또한 도 8은 3개의 다른 각도에서 빛의 수신 및 출력을 보여주지만 도면에는 표시된 3개의 필드 각도 사이의 범위에 있는 빛이 포함되어 있지 않다. 각각의 회절 표면에 입사되는 빛은 격자의 회절 효율 각도 대역폭에 의해 제한되는 범위에 있다.
도 8의 도파관은 회절 요소의 단일 로우를 갖는 것으로 도시되었지만, 다른 예시적인 실시예에 따르면, 도파관은 2차원 어레이에 배치된 인커플링 및 아웃 커플링 격자를 포함할 수 있으며, 대응하는 입력 및 출력 요소는 동일하고 반대되는 격자 벡터 구성요소를 갖는 입력 및 출력 어레이의 대응하는 요소와 함께 도 8에 예시된 원리에 따라 쌍을 이룬다.
일부 실시예에서, 시야 증배 도파관은 제1 빔 확장에 직교하는 제2 확장을 제공하는 출력 격자(들)와 함께 제1 빔 확장을 제공하기 위한 폴드 격자(들)를 더 포함할 수 있다. 그러한 구성에서, 입력, 출력 및 접는 격자는 합이 실질적으로 0인 격자 벡터를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 시야 증배 도파관은 상이한 파장 대역을 회절시키기 위한 격자를 지원한다. 몇몇 실시예에서, 시야 증배 도파관은 상이한 입사광 편광을 회절시키기 위한 격자를 지원한다. 다수의 실시예에서, 시야 증배 도파관 지원은 상이한 파장 대역, 각도 대역폭, 또는 편광 상태의 광을 회절시키기 위한 적어도 하나의 다중화된 격자를 지원할 수 있다. 많은 실시예에서, 시야 증배 도파관은 적어도 하나의 압연된 k-벡터 격자를 지원할 수 있다. 일부 실시예에서, 시야 증배 도파관은 적어도 하나의 이중 상호작용 격자를 지원할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 해상도와 시야를 증배하기 위한 도파관을 개념적으로 도시한다. 장치(900)는 제1 쌍의 입력 격자(902A, 902B), 제2 쌍의 입력 격자(903A, 903B) 및 제1 쌍의 출력 격자(902C, 902D) 및 제2 쌍의 출력 격자(903C, 903D)를 지원하는 도파관(901)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 제1 쌍의 입력 격자(902A, 902B) 및 제1 쌍의 출력 격자(902C, 902D)는 제1 시야 부분에 투사될 광에 대한 해상도 증배를 제공하며, 이전 섹션(그림 1-6에 예시된 것과 같은)에서 논의된 원리에 따라 네이티브 이미지 및 픽셀 시프트된 이미지에 대한 도파관 경로를 제공하기 위해 격자가 스위칭된다. 이미지 소스(904)로부터 아이 박스(905)로의 광선 경로는 광선(906-908)으로 표현된다. 제2 쌍의 입력 격자(903A, 903B)와 제2 쌍의 출력 격자(903C, 903D)는 제2 시야 부분에 투사될 광에 대한 해상도 증배를 제공하며, 격자가 스위칭되어 네이티브 이미지 및 픽셀 시프트된 이미지에 대한 도파관 경로를 제공한다. 제1 및 제2 시야 부분을 제공하는 것은 위의 섹션에서 설명된 원리 중 임의의 것에 따라 구현될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 입력 및 출력 격자는 유사한 기능을 구현하기 위해 적층될 수 있는 여러 격자 층 및/또는 도파관에 걸쳐 배치될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지의 해상도 및 시야를 증배하는 방법을 개념적으로 예시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 이미지의 해상도와 시야를 증배하는 방법(1000)이 제공된다. 흐름도를 참조하면, 방법(1000)은 픽셀화된 이미지 디스플레이의 픽셀로부터의 광을 고유한 각도 방향으로 지향시키는 이미지 프로젝터를 제공하는 단계(1001), 제1 및 제2 시야 부분에 대응하는 네이티브 이미지, 미리 정의된 방향으로 시프트된 적어도 하나의 제1 시야 이미지 및 미리 정의된 방향으로 시프트된 적어도 하나의 제2 시야 이미지를 계산하기 위한 이미지 프로세서를 제공하는 단계(1002), 두 개의 직교 방향 중 적어도 하나로 이미지 해상도를 증배하기 위한 입력 격자 및 출력 격자를 지원하는 제1 도파관을 제공하는 단계(1003), 및 제1 시야 부분에 대한 제1 도파관 경로 및 제2 시야 부분에 대한 제2 도파관 경로를 제공하기 위한 입력 격자 및 출력 격자를 지원하는 제2 도파관을 제공하는 단계(1004)를 포함한다. 일부 실시예에서, 입력 격자는 스위칭 가능한 격자이고 출력 격자는 비스위칭 격자이다. 많은 실시예에서, 입력 격자 중 적어도 하나는 비스위칭 격자일 수 있고 출력 격자 중 적어도 하나는 비스위칭 격자일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모든 격자는 스위칭될 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, 방법(1000)은 제1 시야로의 투사를 위한 제1 이미지를 계산하는 단계(1005)를 더 포함한다. 제1 시야 이미지의 해상도는 제1 도파관을 사용하여 증배될 수 있다(1006). 제1 시야 부분으로 투사하기 위한 광을 전파하기 위한 입력 격자 및 출력 격자는 제2 시야 부분으로 투사하기 위한 광을 전파하기 위한 입력 격자 및 출력 격자가 비회절 상태로 전환되는 것과 도시에 회절 상태로 스위칭될 수 있다(1007). 해상도 증배 제1 시야 부분은 보기를 위해 투사될 수 있다(1008). 제2 시야로의 투사를 위한 제2 이미지는 이미지 프로세서를 사용하여 계산될 수 있다(1009). 제2 시야 이미지의 해상도는 제1 도파관을 사용하여 증배될 수 있다(1010). 제1 시야 부분으로 투사하기 위한 광을 전파하기 위한 입력 격자 및 출력 격자는 제2 시야 부분으로 투사하기 위한 광을 전파하기 위한 입력 격자 및 출력 격자가 회절 상태로 전환되는 것과 동시에 비회절 상태로 전환될 수 있다(1011). 해상도 증배 제2 시야 부분은 보기를 위해 투사될 수 있다(1012).
도 7 내지 10은 특정 구성과 방법을 보여주지만, 다양한 구성요소와 단계가 주어진 어플리케이션의 특정 요건에 따라 수정, 제거 또는 포함될 수 있음이 쉽게 명백해야 한다. 예를 들어, 도 10은 두 개의 개별 도파관을 사용하여 시야와 해상도를 증배하는 방법을 설명한다. 다른 실시예에서, 2개의 도파관의 기능은 단일 도파관에서 구현될 수 있다.
다른 실시예
위의 섹션에서 설명된 실시예 및 기술은 다양한 방식으로 구성 및 수정될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 장치는 2018년 10월 16일에 출원된 "픽셀화된 디스플레이의 해상도를 증배하기 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제16/162,280호; "광학 디스플레이"라는 명칭으로 2012년 1월 20일에 출원된 미국 특허 번호 제8,817,350호; 및 2013년 4월 24일에 출원된 "홀로그램 광각 디스플레이"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제13/869,866호에 개시된 기술 및 교시를 통합할 수 있으며, 이들의 개시 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 본원에 포함된다. 또한, 도파관 실시예는 다양한 격자 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 스위칭 가능한 격자는 비스위칭 격자를 더 포함하는 도파관에 배치된다. 일부 실시예에서, 비스위칭 격자는 참조 문헌에 기술된 바와 같이 빔 확장에 사용되는 폴드 격자(때로는 회전 격자로 지칭됨)이다. 그러한 실시예에서, 본 발명은 해상도 증배 및 2축 빔 확장을 구현하는 디스플레이 도파관을 제공한다. 일부 실시예에서, 해상도 증배에 사용되는 격자 중 적어도 하나는 압연된 k-벡터 격자이다. K-벡터(보다 일반적으로 격자 벡터라고 함)는 격자 평면(또는 플린지)에 수직으로 정렬된 벡터이며, 이는 주어진 범위의 입력 및 회절 각도에 대한 광학 효율을 결정한다. K-벡터를 압연하면 도파관 두께를 늘릴 필요 없이 격자의 각도 대역폭을 확장할 수 있다. 일부 실시예에서, 스위칭 가능한 격자는 파장 또는 각도 대역폭 중 적어도 하나를 다중화하는 적어도 하나의 격자를 포함한다. 하나 이상의 홀로그램 처방이 단일 홀로그램 층에 기록될 수 있다는 것은 홀로그래피 문헌에서 잘 확립되어 있다. 이러한 다중화된 홀로그램을 기록하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 일부 실시예에서, 스위칭 격자 및 그들과 관련하여 사용되는 다른 격자 중 적어도 하나는 2개 이상의 각도 회절 처방을 결합하여 각도 대역폭을 확장하거나 스펙트럼 대역폭을 확장할 수 있다. 예를 들어, 색상 다중화 격자는 기본 색상 중 2개 이상을 회절하는 데 사용될 수 있다.
위에 설명된 실시예 중 임의의 것에서 일부 참조에서 입력 이미지 노드(IIN)으로 지칭된 이미지 프로젝터는 마이크로디스플레이 패널, 광원 및 디스플레이 패널을 조명하는 데 일반적으로 사용되는 기타 광학 구성요소를 통합하고 반사된 빛을 분리하여 필요한 시야로 시준할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터는 홀로그램 광각 디바이스(HOLOGRAPHIC WIDE-ANGLE DISPLAY)라는 명칭의 미국 특허 출원 번호: 제13/869,866호 및 투명 도파관 디스플레이(TRANSPARENT WAVEGUIDE DISPLAY)라는 명칭의 미국 특허 출원 번호: 제13/844,456호에 개시된 실시예 및 교시를 기반으로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터는 광을 마이크로디스플레이 상으로 지향시키고 반사광을 도파관을 향해 전송하기 위한 빔스플리터를 포함한다. 일부 실시예에서, 빔스플리터는 HPDLC에 기록된 격자이고 디스플레이를 조명하는 광과 디스플레이에서 반사된 이미지 변조된 광을 분리하기 위해 이러한 격자의 고유 편광 선택도를 사용한다. 일부 실시예에서, 빔스플리터는 편광 빔스플리터 큐브이다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터는 조명 균질화기(homogenizer) 또는 레이저 빔 디스펙클러(despeckler)를 포함한다. 유리하게도, 디스펙클러는 레이저 조명 디바이스(LASER ILLUMINATION DEVICE)라는 명칭의 미국 특허 US8,565,560호의 실시예 및 교시에 기초한 홀로그램 도파관 디바이스이다.
일부 실시예에서, 광원은 레이저이다. 일부 실시예에서, 광원은 LED이다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터는 조명 각도 특성을 수정하기 위한 하나 이상의 렌즈를 포함한다. LED는 레이저보다 더 나은 균일성을 제공한다. 레이저 조명을 사용하면, 도파관 출력에서 조명 밴딩(illumination banding)이 발생할 위험이 있다. 일부 실시예에서 도파관의 레이저 조명 밴딩은 홀로그램 도파관 디스플레이용 입력 이미지 생성 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING INPUT IMAGES FOR HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE DISPLAYS)라는 명칭의 미국 특허 출원 번호: 제15/512,500호에 개시된 기술 및 교시를 사용하여 극복될 수 있다. 일부 실시예에서, 광원으로부터의 광은 편광된다. 하나 이상의 실시예에서, 이미지 소스는 액정 디스플레이(LCD) 마이크로 디스플레이 또는 실리콘 상의 액정(LCoS) 마이크로 디스플레이이다. 일부 실시예에서, 이미지 소스는 MEMs 디바이스이다. 일부 실시예에서, 이미지 소스는 텍사스 인스트루먼트의 디지털 광 프로젝터(DLP) 기술에 기반한 디스플레이 패널이다.
일부 실시예에서, 본 발명을 적용하기 위해 사용되는 임의의 격자는 출력의 시준을 조정하기 위해 인코딩된 광학 파워일 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 이미지는 무한대에 있다. 일부 실시예에서, 출력 이미지는 도파관으로부터 수 미터의 거리에서 형성될 수 있다.
폴드 격자를 사용하는 일부 실시예에서, 폴드 격자 각도 대역폭은 격자와 가이드된 광의 이중 상호작용을 제공하는 격자 처방을 설계함으로써 향상된다. 이중 상호작용 폴드 격자의 예시적인 실시예는 도파관 격자 디바이스(WAVEGUIDE GRATING DEVICE)라는 명칭의 미국 특허 출원 번호: 제14/620,969호에 개시되어 있다.
일부 실시예에서, 본 발명에 사용된 도파관은 외부 기판과 공기 인터페이스에서 내부 전반사가 발생하는 스택을 형성하기 위해 유리 또는 플라스틱 기판 사이에 격자 층을 샌드위치함으로써 형성된다. 스택은 빔 분할 코팅 및 환경 보호 층과 같은 추가 층을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 기판은 유리로 제조될 수 있다. 예시적인 유리 기판은 50미크론 이하의 두께로 이용 가능한 표준 코닝 윌로우(Corning Willow) 유리 기판(인덱스 1.51)이다. 다른 실시예에서, 셀 기판은 광학 플라스틱일 수 있다. 일부 실시예에서, 격자는 투명 기판 상에 코팅되고 홀로그램 노출 프로세스가 완료된 후 보호 투명 층으로 덮인 재료의 층에 기록될 수 있다. 일부 실시예에서, 격자 층은 별도의 층들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 층은 폴드 격자를 포함하는 반면 제2 층은 출력 격자를 포함한다. 일부 실시예에서, 제3 층은 입력 커플러 또는 격자를 포함할 수 있다. 그 다음, 다수의 층들이 단일 도파관 기판으로 함께 적층될 수 있다. 일부 실시예에서, 격자 층은 단일 기판 도파관을 형성하기 위해 함께 적층되는 입력 커플러, 폴드 격자 및 출력 격자(또는 이들의 부분)를 포함하는 다수의 조각으로 구성된다. 조각들은 광학 접착제 또는 조각의 굴절률과 일치하는 굴절률의 다른 투명 재료에 의해 분리될 수 있다. 다른 실시예에서, 격자 층은 원하는 격자 두께의 셀을 생성하고 입력 커플러, 폴드 격자 및 출력 격자 각각에 대한 홀로그램 기록 재료로 각 셀을 진공 충전함으로써 셀 제조 프로세스를 통해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 셀은 입력 커플러, 폴드 격자 및 출력 격자에 대한 원하는 격자 두께를 정의하는 유리 플레이트들 사이에 갭을 갖는 다수의 유리 플레이트를 위치 설정함으로써 형성된다. 일 실시예에서, 하나의 셀은 개별 구멍이 홀로그램 기록 재료의 다른 포켓으로 채워지도록 다중 구멍으로 만들어질 수 있다. 그런 임의의 중간 공간은 별도의 영역을 정의하기 위해 접착제 또는 오일과 같은 분리 재료로 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 홀로그램 재료는 기판 상에 스핀 코팅될 수 있고, 그 다음 재료의 경화 후에 제2 기판에 의해 덮일 수 있다. 폴드 격자를 사용함으로써, 도파관 디스플레이는 유리하게도 일부 실시예에 따른 정보를 표시하는 이전 시스템 및 방법보다 더 적은 수의 층을 필요로 한다. 또한 폴드 격자를 사용하여, 빛은 도파관 외부 표면에 의해 정의된 단일 직사각형 프리즘에서 도파관 내 전체 내부 반사에 의해 이동하면서 이중 동공 확장을 달성할 수 있다. 다른 실시예에서, 입력 커플러, 폴드 격자, 및 출력 격자는 홀로그램 파면(wave front)을 생성하기 위해 기판 내에서 비스듬히 2개의 광파를 간섭함으로써 생성될 수 있고, 따라서 원하는 각도로 도파관 기판에 설정되는 밝고 어두운 프린지를 생성한다. 일부 실시예에서, 주어진 층의 격자는 격자 영역을 가로질러 기록 레이저 빔을 스캐닝하거나 스테핑함으로써 단계적 방식으로 기록된다. 일부 실시예에서, 격자는 현재 홀로그램 인쇄 산업에서 사용되는 마스터링(mastering) 및 접촉 복사 프로세스를 사용하여 기록된다.
일부 실시예에서, 격자는 홀로그램 폴리머 분산 액정(HPDLC)(예를 들어, 액정 방울의 매트릭스)에 기록되지만, SBG는 다른 재료에서도 기록될 수 있다. 일 실시예에서, SBG는 액체 중합체에 분산된 고체 액정의 매트릭스를 갖는 POLICRYPS 또는 POLIPHEM과 같은 균일한 변조 재료에 기록된다. SBG는 본질적으로 스위칭 또는 비 스위칭일 수 있다. 스위칭되지 않는 형태의 SBG는 그의 액정 성분으로 인해 높은 굴절률 변조를 제공할 수 있다는 점에서 기존의 홀로그램 포토폴리머 재료에 비해 이점이 있다. 예시적인 균일 변조 액정 폴리머 재료 시스템은 Caputo 등의 미국 특허 출원 공개 번호: US2007/0019152호 및 Stumpe 등의 PCT 출원 번호: PCT/EP2005/006950호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 그 전체가 참조로 본원에 포함된다. 균일한 변조 격자는 높은 굴절률 변조(따라서 높은 회절 효율)와 낮은 산란(scatter)을 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 격자 중 적어도 하나는 역 모드 HPDLC 재료로 기록된다. 역 모드 HPDLC는 전기장이 가해지지 않을 때 격자가 수동적이고 전기장이 있는 경우 회절된다는 점에서 기존 HPDLC와 다르다. 역 모드 HPDLC는 홀로그램 폴리머 분산 액체 결정 재료 및 장치에 대한 개선(IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES)이라는 명칭의 PCT 출원 번호: PCT/GB2012/000680호에 개시된 레시피 및 프로세스 중 하나를 기반으로 할 수 있다. 격자는 위의 재료 시스템 중 하나로 기록될 수 있지만 수동(비전환) 모드에서 사용된다. 제조 프로세스는 스위치에 사용된 것과 동일하지만 전극 코팅 단계가 생략된다. LC 폴리머 재료 시스템은 높은 굴절률 변조의 관점에서 매우 바람직하다. 일부 실시예에서, 격자는 HPDLC에 기록되지만 스위칭되지는 않는다.
본 발명의 일부 실시예에서, 해상도 증배 장치는 본 발명의 원리에 따른 도파관 디스플레이 및 아이 트래커를 포함하는 아이 트래킹 디스플레이에 사용된다. 하나의 바람직한 실시예에서, 아이 트래커는 홀로그램 도파관 아이 트래커(HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE EYE TRACKER)라는 명칭의 PCT/GB2014/000197, 홀로그램 도파관 광학트래커(HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE OPTICALTRACKER)라는 명칭의 PCT/GB2015/000274 및 아이 트래킹을 위한 디바이스라는 명칭(APPARATUS FOR EYE TRACKING)의 PCT 출원 번호: GB2013/000210의 교시 및 실시예에 기초한 도파관 디바이스이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 해상도 증배 장치는 동적 포커싱 요소를 더 포함하는 도파관 디스플레이에 사용된다. 동적 포커싱 요소는 전기 초점 조정 가능한 렌즈(ELECTRICALLY FOCUS TUNABLE LENS)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/176,572호의 실시예 및 교시를 기반으로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 동적 포커싱 요소 및 아이 트래커를 더 포함하는 이중 확장 도파관 디스플레이는 홀로그램 도파관 광 필드 디스플레이(HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE LIGHT FIELD DISPLAYS)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/125,089호에 개시된 실시예 및 교시에 기초한 광 필드 디스플레이를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명의 원리에 따른 해상도 증배 장치는 윈도우 내에 통합된 도파관 디스플레이, 예를 들어 도로 차량 어플리케이션을 위한 윈드스크린 통합 HUD에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 윈도우 통합 디스플레이는 윈도우에 통합을 위한 광학 도파관 디스플레이(OPTICAL WAVEGUIDE DISPLAYS FOR INTEGRATION IN WINDOWS)라는 명칭의 미국 가출원 번호: 제62/125,064호 및 윈도우에 통합을 위한 광학 도파관 디스플레이(OPTICAL WAVEGUIDE DISPLAYS FOR INTEGRATION IN WINDOWS)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/125,066호에 개시된 실시예 및 교시를 기반으로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 해상도 증배 장치는 해상도 증배 격자를 포함하는 도파관과 이미지 프로젝터 사이에서 이미지 콘텐츠를 중계하기 위한 GRIN(Gradient Index) 도파관 구성요소를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예는 그라디언트 인덱스 광학을 사용하는 근안 디스플레이(NEAR EYE DISPLAY USING GRADIENT INDEX OPTICS)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/123,282호 및 그라디언트 인덱스 광학을 사용하는 도파관 디스플레이(WAVEGUIDE DISPLAY USING GRADIENT INDEX OPTICS)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/124,550호에 개시되어 있다. 일부 실시예에서, 해상도 증배 장치는 광 파이프를 포함하는 도파관 디바이스(WAVEGUIDE DEVICE INCORPORATING A LIGHT PIPE)라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호: 제62/177,494호에 개시된 실시예에 기초하여 한 방향으로 빔 확장을 제공하기 위한 광 파이프를 포함하는 이중 확장 도파관 디스플레이에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 프로젝터의 입력 이미지 소스는 컴팩트 에지 조명 회절 디스플레이(COMPACT EDGE ILLUMINATED DIFFRACTIVE DISPLAY)라는 명칭의 미국 특허 번호 제9,075,184호에 개시된 레이저 스캐너일 수 있다.
본 발명의 실시예는 AR 및 VR용 HMD, 헬멧 장착 디스플레이, 프로젝션 디스플레이, 헤드업 디스플레이(HUD), 헤드다운 디스플레이(HDD), 자동입체 디스플레이 및 기타 3D 디스플레이를 포함하는 광범위한 디스플레이에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 원리에 따른 해상도 증배 장치는 50도 대각선의 시야를 갖는 증강 현실(AR) 도파관 디스플레이에 인터페이스될 수 있다. 본 발명의 어플리케이션에 사용될 수 있는 도파관 디스플레이의 예는 참조 문서에서 논의된다. 본 발명의 어플리케이션은 반드시 도파관 디스플레이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 해상도 더블링 도파관은 임의의 유형의 웨어러블 또는 프로젝션 디스플레이에 사용하기 위한 소형 이미지 생성기를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 해상도 증배 장치는 이미지 프로젝터를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 장치는 이미지 디스플레이 광학 장치, 접안경, 프로젝션 렌즈, 또는 도파관 중 하나에 광학적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 장치는 HMD, HUD, 아이-슬레이브 디스플레이, 동적 초점 디스플레이 또는 광 필드 디스플레이의 일부를 형성한다. 본 개시의 실시예 및 교시 중 일부는 예를 들어, 눈 추적기, 지문 스캐너 및 LIDAR 시스템과 같은 도파관 센서에 적용될 수 있다.
도면은 예시이며 치수가 과장되었음을 강조해야 한다. 예를 들어, SBG 층의 두께는 크게 과장되었다. 전술한 실시예 중 임의의 것에 기반한 광학 장치는 홀로그램 폴리머 분산 액체 결정 재료 및 장치에 대한 개선(IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES)이라는 명칭의 PCT 출원 번호: PCT/GB2012/000680에 개시된 재료 및 프로세스를 사용하여 플라스틱 기판을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 도파관 실시예는 만곡될 수 있다.
다양한 예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 시스템 및 방법의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것이다. 본 개시에서 단지 몇몇 실시예만이 상세하게 설명되었지만, 많은 수정이 가능하다(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 모양 및 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 재료 사용, 색상, 방향 등의 변화). 예를 들어, 요소의 위치는 반전되거나 달리 변경될 수 있고 개별 요소 또는 위치의 성질 또는 개수는 대체 또는 변경될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.
등가물의 교리
위의 설명은 본 발명의 많은 특정 실시예를 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되며 오히려 그 일 실시예의 예로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 구체적으로 설명된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 예시된 실시예가 아니라 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
Claims (20)
- 디스플레이 해상도와 시야(field-of-view)를 증배(multiplying)하는 장치에 있어서,
픽셀화된 이미지 소스(pixelated image source)의 복수 픽셀들로부터의 광을 고유한 각도 방향들로 지향시키는 이미지 프로젝터(image projector)-여기서, 상기 이미지 프로젝터는 투사 렌즈(projection lens)에 광학적으로 연결된 마이크로디스플레이 패널(microdisplay panel)을 포함 함-;
이미지 프로젝터에 의한 순차 표시를 위해 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 상기 이미지 소스의 네이티브 이미지(native image)들을 계산하고 상기 제1 및 제2 시야 부분들에 대응하는 미리 정의된 방향으로 시프트된 이미지들을 계산하기 위해 상기 이미지 프로젝터에 전기적으로 연결된 이미지 프로세서(image processor);
이미지 프로젝터에 광학적으로 결합된 제1 입력 격자 및 제1 출력 격자를 포함하는 제1 격자 세트-여기서, 상기 제1 격자 세트는 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제1 격자 세트는 상기 네이티브 이미지의 광을 전파하기 위한 네이티브 구성 및 적어도 하나의 시프트된 이미지의 광을 전파하기 위한 적어도 하나의 시프트된 구성을 가지며, 각각은 상기 미리 정의된 방향으로의 이미지 시프트에 대응하는 각도 변위를 갖고, 상기 이미지 시프트는 N+1/M 곱하기 픽셀 치수(pixel dimension)와 같으며, 여기서 N과 M은 정수이고 N은 0을 포함 함-; 및
상기 제1 격자 세트의 상기 제1 출력 격자에 광학적으로 결합된 제2 입력 격자를 포함하는 제2 격자 세트를 포함하고, 여기서 상기 제2 격자 세트는 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제2 격자 세트는 상기 제1 시야 부분을 투사하기 위한 제1 구성 및 상기 제2 시야 부분을 투사하기 위한 제2 구성을 갖는, 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제1 격자 세트는 제1 도파관에 배치되고 상기 제2 격자 세트는 제2 도파관에 배치되는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 격자 세트는 제1, 제2, 제3 및 제4 격자들을 포함하고, 상기 제1 격자는 상기 제3 격자와 오버랩되고, 상기 제2 격자는 상기 제4 격자와 오버랩되며, 상기 제1 및 제3 격자들은 입력 커플러(coupler)로서 작용하고 상기 제2 및 제4 격자들은 출력 커플러로서 작용하는, 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제3 격자들 중 적어도 하나는 스위칭 가능한 격자인, 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자들은 스위칭 가능한 격자이고, 상기 제1 시야 부분을 투사하기 위한 상기 제1 구성은 회절 상태에 있는 상기 제1 또는 제3 스위칭 가능한 격자들 중 하나와 상기 제2 또는 제4 스위칭 가능한 격자들 중 하나에 의해 제공되는, 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 제2 및 제4 격자들은 스위칭 불가능한 격자인, 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위칭 가능한 격자들은 도파관 내의 제1 층에 배치되고, 상기 제3 및 제4 스위칭 가능한 격자들은 도파관 내의 제2 층에 배치되는, 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위칭 가능한 격자들은 제1 도파관에 배치되고, 상기 제3 및 제4 스위칭 가능한 격자들은 제2 도파관에 배치되는, 장치.
- 제1항에 있어서, M은 2인, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 네이티브 및 상기 적어도 하나의 시프트된 이미지는 인간의 눈 통합 주기(human eye integration period) 내에서 순차적으로 표시되는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 시프트는 수직 또는 수평 시프트들 중 하나를 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 시프트는 수직 및 수평 시프트들을 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 격자들은 홀로그램 폴리머 분산 액정 재료에 기록되는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 격자 세트는 스위칭 불가능한 격자를 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 격자 세트는 폴드 격자(fold grating)를 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 격자 세트는 파장 또는 각 대역폭 중 적어도 하나를 다중화(multiplexing)하는 적어도 하나의 격자를 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 프리즘 또는 격자 중 하나에 의해 상기 제1 격자 세트의 상기 제1 입력 격자에 광학적으로 결합되는, 장치.
- 제1항에 있어서, 조명 균질화기(illumination homogenizer)를 더 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 격자 세트는 압연(rolled) k-벡터 격자를 포함하는, 장치.
- 도파관 디스플레이의 해상도와 시야를 증배하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
이미지 프로젝터 및 이미지 프로세서를 제공하는 단계;
제1 및 제2 격자 세트들을 포함하는 도파관 디스플레이를 제공하는 단계-여기서, 상기 제1 및 제2 격자 세트들의 각각은 회절 상태와 비회절 상태 사이에서 스위칭 가능한 적어도 하나의 스위칭 가능한 격자를 포함하고, 상기 제1 격자 세트는 네이티브 스위칭 구성 및 시프트된 스위칭 구성을 갖고, 상기 제2 격자 세트는 제1 스위칭 구성 및 제 2 스위칭 구성을 가짐-; 및
적어도 4개의 이미지들을 순차적으로 투사하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 적어도 4개의 이미지들은 제1 시야 부분의 네이티브 이미지, 제1 시야 부분의 시프트된 이미지, 제2 시야 부분의 네이티브 이미지 및 제2 시야 부분에서 시프트된 이미지를 포함하고 상기 시프트된 이미지는 N+1/M 곱하기 픽셀 치수와 동일한 이미지 시프트로 정의된 대응하는 네이티브 이미지에 대한 각도 변위를 가지며, 여기서 N 및 M은 정수이고 N은 0을 포함하며;
여기서:
상기 제1 격자 세트가 상기 네이티브 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제1 스위칭 구성에 있을 때 상기 제1 시야 부분의 상기 네이티브 이미지가 투사되고;
상기 제1 격자 세트가 상기 네이티브 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제2 스위칭 구성에 있을 때 상기 제2 시야 부분의 상기 네이티브 이미지가 투사되고;
상기 제1 격자 세트가 상기 시프트된 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제1 스위칭 구성에 있을 때 상기 제1 시야 부분의 상기 시프트된 이미지가 투사되고; 그리고
상기 제1 격자 세트가 상기 시프트된 스위칭 구성에 있고 상기 제2 격자 세트가 상기 제2 스위칭 구성에 있을 때 상기 제2 시야 부분의 상기 시프트된 이미지가 투사되는, 방법.
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|---|---|---|---|
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