KR20220099547A - Led 조명 도파관 프로젝터 디스플레이 - Google Patents

Abstract

프로젝션 디스플레이 및 프로젝션 디스플레이를 조명하는 방법이 제공된다. 프로젝션 디스플레이는, 복수의 선형 회절 특징부를 갖는 입력 격자를 포함하는 도파관 - 상기 입력 격자는 광을 상기 도파관으로 인입 결합시키도록 구성됨 -, 및 입력 동공으로서 상기 입력 격자 상으로 광학적으로 전달되되, 상기 입력 격자에서 상기 입력 동공이 상기 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖도록 전달되는, 조명 동공을 형성하도록 구성된 LED 어레이를 포함한다.

Description

LED 조명 도파관 프로젝터 디스플레이

본 발명은, 조명기(illuminator) 및 도파관(waveguide)을 포함하는 프로젝터 디스플레이(projector displays)에 관한 것이다.

영상 디스플레이들(imaging displays)을 위해 회절 도파관들(diffractive waveguides)을 사용하는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 유형의 영상 디스플레이들은 출력 영상에 생기는 바람직하지 못한 효과들로 이어지는 몇 가지 이슈에 부딪힐 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 시스템들의 효율을 개선하는 것이 바람직하다.

도 1은 회절 도파관(2)을 이용하는 종래 기술의 프로젝션 디스플레이(100)를 도시한다. 도파관(2)은 입력 격자(input grating)(4) 및 입력 격자(4)로부터 이격된 출력 격자(output grating)(10)를 가진다. 입력 격자는 복수의 선형 회절 특징부(linear diffractive features)(6)를 가진다.

사용 시에, 프로젝터(projector)(도시되지 않음)가 입력 격자(4) 상으로 광을 투사하여 입력 동공(input pupil)(8)을 형성한다. 입력 동공(8)은 원형 모양이다. 입력 격자(4)는 도파관(2) 내에서의 일련의 내부 전반사들(series of total internal reflections)을 통해 입력 동공(8)의 광을 출력 격자(10)를 향해 회절시킨다. 출력 격자(10)에서, 입력 동공(8)은 일련의 출력 동공들(output pupils)(12)로서 복제된다. 광이 출력 격자(10)와 상호 작용할 때마다, 광의 일부는 출력 동공 복제(output pupil replication)(12)로서 도파관 외부로 회절되어 영상을 형성한다. 나머지 광은 추가의 회절들을 계속 형성해가고, 출력 격자(10)는 추가의 출력 동공들(12)을 형성한다.

입력 격자(4)의 크기는 인입 결합된(in-coupled) 광의 효율을 최대화하기 위해 전형적으로 최적화된다. 이로 인해, 광이 손실되지 않고 그 최대 양이 입력 격자(4) 상에 입사되는 것이 보장된다. 그러나 입력 동공이 너무 크면 재상호작용(reinteraction)이라는 바람직하지 않은 효과가 일어날 수 있다. 이는, 회절된 광이, 입력 격자(4)에 의해 초기 회절된 이후에 입력 격자(4)와 다시 상호 작용하는 경우이다.

재상호작용은, 도 1의 도파관(2)의 측면을 도시한 도 2a에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 광은 입력 격자(4)에 의한 그 초기 회절 이후에, 입력 격자(4)가 위치하는 도파관의 면(face) 상에 다시 입사하기 전에, 단일의 내부 전반사를 겪는다. 최단 광선 보행거리(shortest ray walk)(14)가 상호작용들 간에서 입력 격자(4)의 길이(16) 보다 짧기 때문에, 광은, 점(15)으로 도시한 바와 같이 입력 격자(4)와 다시 상호 작용한다. 이는 효율의 손실을 초래하는데, 이렇게 다시 상호 작용한 광의 일부가 손실되기 때문이다.

도 2b는, 최단 광선 보행거리(14)가 입력 격자(4)와의 첫번째 상호작용 점과 입력 격자(4)의 단부 간의 거리 보다 긴 경우의 도파관(2)을 도시한다. 따라서 아무런 상호작용이 일어나지 않는다.

최단 광선 보행거리(14)의 길이는 도파관의 폭(18)에 의존한다. 분명히 도파관(2)이 두꺼울수록 최단 광선 보행거리가 더 길어지는데, 이는 광이 도파관의 면에서 반사되기까지 도파관(2)에서 더 멀리 이동해야 하기 때문이다. 이는, 동일 크기의 입력 격자(4)에 대해 재상호작용이 일어날 기회가 적다는 것을 의미한다. 그러나 많은 응용들에 있어서, 효율성의 목적 상으로 및/또는 제조 요구조건 상으로 얇은 도파관들(2)을 가지는 것이 바람직하다.

입력 동공의 크기를 단순히 줄이는 것이 재상호작용을 줄이기 위한 한 선택이다. 더 작은 동공의 경우 입력 격자의 길이를 줄일 수 있다. 그러나 동공들이 너무 작으면, 출력 영상에 있어서 바람직하지 않은 공백들(gaps)이 생겨 밴딩 효과("banding" effect)를 야기한다. 뿐만 아니라, 선형 회절 특징부들에 수직인 방향으로의 색 분산(chromatic dispersion)은 항상 이러한 차원에서의 입력 동공의 다소간의 확장을 야기한다.

따라서, 특히 두께를 줄이는 것이 가능하지 않은 도파관들에 대해 재상호작용의 문제를 해결하면서도 밴딩(banding)을 피할 수 있도록 보장하는 것이 바람직하다.

본 발명의 특징에 따르면, 프로젝션 디스플레이(projection display)가 제공되는데, 이 프로젝션 디스플레이는, 복수의 선형 회절 특징부를 갖는 입력 격자를 포함하는 도파관 - 상기 입력 격자는 광을 상기 도파관으로 인입 결합시키도록 구성됨 -, 및 입력 동공으로서 상기 입력 격자 상으로 광학적으로 전달되되, 상기 입력 격자에서 상기 입력 동공이 상기 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖도록 전달되는, 조명 동공(illumination pupil)을 형성하도록 구성된 LED 어레이(array of LEDs)를 포함한다.

상기 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 입력 격자의 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖는 입력 동공을 형성하는 것은, 재상호작용을 피할 수 있도록 도움을 준다. 이는, 선형 회절 특징부들에 수직인 차원에서의 작은 입력 동공이 재상호작용의 기회를 줄인다는 사실때문이다.

재상호작용은 선형 회절 특징들에 평행한 차원에서의 문제가 아니다. 따라서 선형 회절 특징부들에 평행한 차원에서 더 큰 입력 동공을 가짐으로 인해, 재상호작용을 겪지 않고 입력 동공의 전체 크기가 더 크도록 할 수 있다. 동공이 너무 작으면 출력 영상에 있어서 밴딩을 야기할 수 있기 때문에, 큰 동공을 가지는 것이 바람직하다. 선형 회절 특징부들에 평행한 방향으로 입력 동공의 크기를 최대화함으로써 입력 동공의 전체 크기를 증가시킨다. 이는, 재상호작용을 겪는 희생을 치르지 않으면서 밴딩을 줄인다.

프로젝션 디스플레이는, LED 어레이와 프로젝터 광학계(projector optics)의 나머지 부분 간에 위치하는 테이퍼형 광 파이프 어레이(tapered light pipe array)를 더 포함할 수 있고, 여기서 테이퍼형 광 파이프 어레이는 입력 동공으로서 입력 격자 상으로 광학적으로 전달되기 전에 LED 어레이로부터 광을 수신하도록 구성된다.

이러한 방식으로 LED들의 각각으로부터 방사된 광이 대응되는 테이퍼형 광 파이프로 효율적으로 집속된다. 광 파이프들은, 광의 방사각(angle of emittance)을 줄이면서, 즉 광의 개구수(numerical aperture)를 줄이면서 광 빔들을 2개의 차원들(2D)로 확장하기 위한 도관(conduit)으로서 기능한다. 광은 넓은 면적 영역을 가지나, LED들로부터 광 파이프의 제1 단부 상으로 입사하는 광 보다 테이퍼형 광 파이프들의 제2 단부에서의 출사 개구(exit aperture)에서 훨씬 작은 범위의 각도들에 걸쳐 방사된다.

각도 범위에 있어서의 감축은 임의의 후속 렌즈들이 광 파이프의 출사 개구의 영상을 도파관으로 광 파이프가 없는 경우 보다 더 높은 효율 및 정밀도로 전달하도록 해준다. 이렇게 효율적인 광학적 배열은, 정상적으로는 컴팩트한 프로젝터 용으로는 쓸 수 없을 정도로 크다.

바람직하게, LED 어레이의 각각의 LED는 대응되는 테이퍼형 광 파이프를 가진다.

각각의 LED가 대응되는 테이퍼형 광 파이프를 가지기 때문에, 테이퍼형 광 파이프 에레이는 바람직하게 LED 어레이의 배열과 동일한 패턴으로 배열된다. 광 파이프들의 테이퍼링(tapering)은, LED로부터 광이 수신되고 광이 방사되는 제2 단부보다 작은 제1 단부를 가짐을 통해 이루어진다. 테이퍼형의 광 파이프는 또한 LED로부터 전송되는 광 빔을 확장시킨다. 몇몇 경우에 있어서, 이러한 확장은 빔의 폭에 있어서의 3배(x3)의 증가일 수 있는데, 이는, 상기 광 파이프의 제2 단부로부터 방사되는 광에 비한, 테이퍼형의 광 파이프의 제1 단부 상에 입사하는 광의 영역의 9배(x9)의 확장에 해당한다. 그러나 다른 실시예들에 있어서, 확장은, 빔 폭에 있어서의, 예를 들어 2배(x2), 4배(4x), 5배(x5)의 증가일 수 있다.

각각의 테이퍼형 광 파이프들의 단부는 입력 동공의 모양과 같은 모양을 가질 수 있다. 도파관에서의 입력 동공의 모양은 테이퍼형의 광 파이프의 모양에 의해 형성될 수 있다. LED들로부터 전송되는 광은, 테이퍼형의 광 파이프로 진입 시 원하는 모양을 가지지 않을 수 있다. 테이퍼형의 광 파이프는, 광이, 입력 격자의 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 가지는 것을 보장해 줄 수 있다. 예를 들어, 테이퍼형 광 파이프들의 단부의 종횡비(aspect ratio)는 바람직하게 16:9이다. 대안적으로, 종횡비는 5:4, 4:3 및 16:10의 어느 것도 될 수 있다. 뿐만 아니라, 테이퍼형의 광 파이프들의 각각의 양쪽 단부들의 모양은 또한 입력 동공과 부합되도록 만들 수 있다.

대안적으로, 다른 실시예들에서, 광 파이프의 어느 한 단부의 모양은 입력 동공의 모양과 다를 수 있다. 이러한 실시예들에서, 입력 동공의 모양을 형성하기 위해 (도파관에 가장 가까운) 광 파이프의 제2 단부와 도파관 간에 광학적 소자(optical component)가 제공될 수 있다.

대안적으로 또는 추가로, LED 어레이가 2D 표면 상에 배열될 수 있는데, 여기서 LED 어레이의 공간적 배열의 모양은 입력 동공의 모양과 같다. 예를 들어, LED 어레이는, 앞서 논의된 바와 같이 종횡비들 중의 임의의 것을 가질 수 있다. LED 어레이는 타원형 모양으로 배열될 수 있다. 대안적으로, 이들은 타원형 모양으로 배열될 수 있다. LED 어레이를 타원형 배열로 배열함으로써 LED 어레이로부터의 조명 동공(illumination pupil)이 입력 동공의 모양이 될 수 있을 것이다. 대안적으로, 입력 동공의 모양을 생성하기 위해 다른 수단이 제공될 수 있다.

바람직하게, 도파관은 폭을 가지고, 입력 격자는 길이를 가지고, 입력 동공의 크기는, 광이 입력 격자와 단일의 상호작용만을 가지도록 도파관의 폭과 입력 격자의 길이에 따라 선택된다. 이는, 입력 동공이 입력 격자와의 재상호작용을 야기하지 않도록 충분히 작은 것을 보장해 준다. 따라서 광이 일단 회절되어 내부적으로 전반사되면 입력 격자와 상호 작용하지 않는다. 이러한 배열에서, 입력 격자의 폭은 입력 격자의 길이에 수직인 것으로 정의된다. 최단 광선 보행거리는, 광의 입력 격자와의 첫번째 상호작용(first interaction)과 단일의 내부 전반사가 일어난 이후의 광의 도파관과의 이후의 상호작용(subsequent interaction) 간의 거리로서 정의된다. 최단 광선 보행거리는 도파관의 폭에 의해 결정된다. 두꺼운 도파관일수록 더 얇은 도파관 보다 더 큰 최단 광선 보행거리를 제공한다. 이는, 더 두꺼운 도파관에서는 광이 도파관과 상호 작용하기 전에 더 멀리 이동해야 하기 때문이다. 많은 경우에 있어서, 도파관의 폭이 얇게 되게 하거나 특정의 두께를 가지도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 설계 제약조건들 때문일 수도 있고 성능을 향상시키기 위한 것일 수도 있다. 그러나, 재상호작용을 피하기 위해서는 얇은 도파관일수록 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 더 작은 입력 동공을 필요로 한다.

프로젝션 디스플레이는 복수의 LED 어레이(plurality of arrays of LEDs)를 포함할 수 있는데, 각각의 LED 어레이는 특정 색의 광을 방사한다. 이러한 방식으로, 특정 색들의 입력 동공들이 입력 격자에서 생성될 수 있다. LED들의 색들은 적색, 초록색 및 청색일 수 있다. 대안적으로, 이들은 적색, 노란색 및 청색일 수 있다. 각각의 LED 어레이는 특정 파장 또는 파장 범위에서 방사할 수 있다. 각각의 LED 어레이는 다른 LED 어레이의 각각으로 다른 색의 광을 방사할 수 있다.

LED 어레이는, LED 어레이에 걸쳐 분포된 서로 다른 색들을 띨 수 있다. 이는, 서로 다른 색들의 광을 결합하기 위한 이색성 결합기(dichroic combiner)에 대한 요구를 없앨 수 있다. LED들의 색들은 적색, 초록색 및 청색(RGB)일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, LED들의 서로 다른 색들은 반복되는 패턴으로 배열될 수 있다. 다른 실시예들에서, 서로 다른 색들의 LED들은 어레이에 걸쳐 무작위로 분포될 수 있다. LED 어레이는 각각의 색마다 동일한 개수의 LED들을 포함할 수 있다. 대안적으로, LED들이 마이크로 LED들인 경우, 초록색 마이크로 LED들의 더 높은 효율성때문에 더 많은 초록색 LED들이 있을 수 있다.

바람직하게, 도파관은 복수의 도파관이고, 각각의 도파관의 입력 격자는 서로 다른 색의 광을 다른 도파관들의 각각의 입력 격자들에 인입 결합시키도록 구성된다. 도파관들의 스택(stack of waveguides)을 가짐으로써 각각의 도파관이 특정 색의 광을 전송하도록 배열될 수 있다. 각각의 도파관의 입력 격자는 단지 광의 단일 색만을 인입 결합하도록 특수하게 구성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 도파관은 복수의 색을 인입 결합할 수 있다.

복수의 LED 어레이는 2D 표면 상에 배열될 수 있는데, 각각의 LED 어레이는 상기 2D 표면 상에서 각각의 다른 LED 어레이로부터 오프셋되어 있다. 이 표면은 PCB일 수도 있고 또는 숙련된 자에게 알려진 임의의 유형의 표면일 수도 있다.

LED 어레이는, 제1 축에는 LED들의 행들(rows)이 있고 제2 축에는 LED들의 열들(columns)이 있는 패턴으로 2D 표면 상에 배열될 수 있다. 이러한 방식으로 LED들이 2D 표면에 걸쳐 배열된다. 이는 정돈된 패턴(ordered pattern)일 수 있다. 대안적으로, LED들은 2D 표면에 걸쳐 무작위로 배열될 수 있다.

바람직하게, LED 어레이에서 LED들의 각각의 행은 그 인접한 LED들의 행들에 대해 오프셋된다. 각각의 열은 또한 그 인접한 열들에 대해 오프셋될 수 있다. 다시 말해서, 각각의 행은 그 가장 가까운 두개의 행들과 이상이다(out of phase). 몇몇 실시예에서, 이는 90도 이상(out of phase)일 수 있다.

몇몇 실시예들에서, LED 어레이는 6방 쌓임 포맷(hexagonal packing format)으로 배열될 수 있다. 유리하게, 이 6방 쌓임 또는 벌집 구조(honeycomb structure)는 가장 작은 공간에 LED들을 가장 조밀하게 쌓는 것을 가능하게 해준다. 이는 가장 작은 영역에서 LED들의 가장 큰 밀도를 제공하여, 유용한 LED 영역을 최대화하고 따라서 프로젝션 디스플레이의 효율을 향상시킨다.

바람직하게, 각각의 도파관의 입력 격자는, 단지 단일 색의 광만이 각각의 입력 격자 상으로 입사하도록 다른 도파관들의 각각의 입력 격자들로부터 오프셋되어 있다.

입력 격자들의 각각의 위치는 그 색의 대응하는 LED 어레이와 동일 양만큼 오프셋될 수 있다. 이러한 방식으로, 특정 색의 광을 수신하도록 배열된 입력 격자들의 각각은, 그 색의 LED 어레이와 정렬되도록 오프셋된다. 이는, 단색의 광이 각각의 입력 격자 상에 입사한다는 것을 의미한다. 이는 효율을 개선하는데, 그 이유는, 광이 그 광의 색을 인입 결합하도록 구성되지 않은 입력 격자들과의 바람직하지 않은 상호작용들을 통해 손실되지 않기 때문이다. 입력 격자들은 도파관의 폭에 수직인 방향으로 오프셋될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 도파관의 폭에 평행인 방향으로 오프셋될 수 있다.

바람직하게, 복수의 도파관은 제1 도파관, 제2 도파관 및 제3 도파관을 포함하고, 제1 도파관의 입력 격자는 적색 광을 인입 결합하도록 구성되고, 제2 도파관의 입력 격자는 청색 광을 인입 결합하도록 구성되고, 제3 도파관의 입력 격자는 초록색 광을 인입 결합하도록 구성된다. 대안적으로, 복수의 도파관은 2개의 도파관들일 수 있다. 대안적으로, 이들은 다른 색들을 인입 결합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적색, 노란색 및 청색

입력 동공의 모양은 타원형 또는 직사각형일 수 있다. 이러한 모양을 갖는 입력 동공은 밴딩을 줄이면서도 재상호작용을 피한다. 이는 또한 출력 격자에서의 입력 동공의 복제들(replications of the input pupil)의 개선된 중첩들(improved overlaps)을 제공한다.

바람직하게, 도파관은 출력 격자를 더 포함하고, 이 출력 격자는 입력 격자로부터 광을 수신하여 입력 동공을 복수 회 복제하고 광을 도파관의 외부로 결합시키는 출사 동공(exit pupil)을 형성하도록 구성된다.

LED 어레이는 마이크로 LED 어레이(array of microLEDs)일 수 있다. 마이크로렌즈 어레이 또는 마이크로 테이퍼형 파이프들(micro tapered pipes)과 결합된 마이크로 LED들을 사용함으로써 집속 광학계(collection optics)의 크기를 줄일 수 있다. 다른 유형의 광원들 또는 기존의 LED들에 비해 장치의 효율이 또한 개선된다. LED들은 램버시안 이미터들(Lambertian emitters)이고, 다시 말해, 이들은, 광범위한 각도 범위, 전형적으로는 2파이 스테라디안(steradians)에 걸쳐 광을 방사한다. 마이크로 LED들은, 마이크로렌즈 또는 마이크로 테이퍼 어레이(micro-taper array)와 결합될 시에는 램버시안 이미터들이 아니고 상당히 작은 각도 범위에 걸쳐 방사를 하기 때문에 광 손실이 덜된다. 이 장치는, 현재 알려진 컴팩트한 조명기 설계들을 이용하는 광엔진들(light engines)에 비해 2배에서 3배의 와트 당 루멘(lumens per watt)을 제공할 수 있다.

바람직하게, 선형 회절 특징부들은 그루브들(grooves)이다. 대안적으로, 이들은 체적 홀로그램들(volume holograms) 또는 임의의 다른 유형의 선형 회절 격자일 수 있다.

바람직하게, 프로젝션 디스플레이는, LED 어레이와 도파관 사이에 위치하는 실리콘 액정(liquid crystal on silicon: LCOS) 디스플레이를 더 포함한다. LCOS 디스플레이는, LED 어레이와 도파관의 입력 격자 사이의 광로(light path)에 위치될 수 있다. LCOS 디스플레이는, LED들로부터 그에 입사하는 광으로 영상을 형성할 수 있다. 그 다음, 영상은 입력 동공으로서 도파관의 입력 격자 상으로 투사될 수 있다. 대안적으로, 임의의 다른 유형의 영상 생성 수단이 사용될 수 있다. 디스플레이는, 투과형 액정 디스플레이(transmissive liquid crystal display), 반사형 액정 디스플레이(reflective liquid crystal display), 디엘피 디스플레이(digital light processing displays) 또는 다이나믹 미러 어레이들(dynamic mirror arrays)을 포함하는, 임의의 유형의 비 자체 발광형의 디스플레이(non-self-emissive display)일 수 있다.

조명 동공은, 조명 동공의 영상을 입력 격자 상에 또는 그 가까이로 전달하는 프로젝터 광학계 상에 형성될 수 있다. 이렇게 전달된 영상은 입력 동공을 형성할 수 있다.

추가의 특징에 따르면, 증강현실(augmented reality: AR) 또는 가상현실(virtual reality: VR) 장치가 제공되는데, 이 장치는, 위 특징의 프로젝션 디스플레이를 포함한다. 바람직하게, AR 또는 VR 장치는 AR 또는 VR 헤드셋(headset)이다.

추가의 특징에 따르면, 프로젝션 디스플레이를 조명하는 방법이 제공되는데, 이 방법은, LED 어레이로부터 광을 방사하여 조명 동공을 형성하는 단계, 상기 조명 동공을 입력 동공으로서 도파관의 입력 격자 상으로 광학적으로 전달하여 상기 광을 상기 도파관으로 결합시킴으로써, 상기 입력 격자에서 상기 입력 동공이 상기 도파관의 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 도파관의 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖게 하도록 하는 단계, 및 상기 도파관의 외부로 상기 광을 투사하여 영상을 형성하는 단계를 포함한다.

도 1은 종래 기술의 도파관 프로젝션 디스플레이의 개략적인 정면도(face-on view)이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술의 도파관 프로젝션 디스플레이의 개략적인 측단면도들이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 프로젝션 디스플레이의 개략적인 정면도이다.
도 3b는 도 3b에 도시된 프로젝션 디스플레이의 도파관의 개략적인 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 추가의 예시적인 프로젝션 디스플레이의 개략적인 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이의 예시적인 LED 어레이의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이에 사용하기 위한 테이퍼형 광 파이프의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이의 예시적인 조명기의 개략도이다.
도 8a는 본 발명의 추가의 예시적인 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이의 개략적인 측면도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 프로젝션 디스플레이의 도파관의 개략적인 정면도이다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 프로젝션 디스플레이(200)의 개략적인 정면도이다. 도파관 프로젝션 디스플레이(200)는 도파관(2) 및 조명기(illuminator)(도면의 방향 때문에 도시되지 않음)를 포함한다. 조명기는 LED 어레이의 형태로 되어 있다.

도파관(2)은 입력 격자(input grating)(4) 및 출력 격자(output grating)(10)를 가진다. 출력 격자(10)는 입력 격자(4)로부터 이격되어 있다. 입력 격자(4)는 복수의 선형 회절 특징부(plurality of linear diffractive features)(6)를 가진다. 선형 회절 특징부들(6)은 입력 격자(4) 상으로 입사하는 광을 회절시키기 위한 것이다. 선형 회절 특징부들은, 광이 입력 격자로부터 일단 회절되면 취하는 경로에 수직인 제1 방향으로 연장된다. 이는 트랙을 가로지르는 방향(across track direction)으로 알려져 있다. 트랙을 따르는 방향(along track direction)은 선형 회절 특징부들에 수직인 것으로 정의된다.

조명기(도시되지 않음)로부터 발생된 광은 입력 격자에서 입력 동공(input pupil)(8)을 생성한다. 조명기의 광원은 LED 어레이이다. 알 수 있는 바와 같이, 입력 동공(8)은, (기준 b로 나타낸) 입력 격자(4)의 선형 회절 특징부들(6)에 수직인 방향에서 보다 (기준 a로 나타낸) 입력 격자(4)의 선형 회절 특징부들(6)에 평행인 방향에서 더 큰 모양을 가진다. 이는 트랙을 따르는 방향 보다 트랙을 가로지르는 방향에서 더 길다. 도 3a에 도시된 예에서, 입력 동공(8)은 직사각형 모양을 가진다. 그러나 선형 회절 특징부들에 수직인 쪽 보다 선형 회절 특징부들에 평행인 쪽으로 더 긴 임의의 모양이 사용될 수 있다. 종래의 입력 동공들은, 도 1에 도시된 바와 같이 원형이다. 입력 동공(8)의 크기를 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 작게 유지함으로써 광의 입력 동공과의 재상호작용을 피한다. 그러나 선형 회절 특징부들(6)에 평행인 방향에서 큰 입력 동공(8)을 가짐으로 인해서 입력 동공(8)의 전체 크기가 너무 작지 않게 되는 것이 보장되고, 이에 따라 너무 작은 동공을 가짐으로 인해 밴딩된 출력(banded output)을 가짐에 따라 겪는 문제들을 피할 수 있게 된다.

광이 입력 격자(8)에 의해 회절된 후에는 일련의 내부 전반사들을 통해 출력 격자(10)를 향해 반사된다. 일단 출력 격자(10)에서 광이 회절되면, 입력 동공이 출력 동공(12)으로서 복제되는 것이 야기되고 그 각각은 광을 도파관의 외부로 결합시킨다. 출력 격자(10)와 상호 작용할 때마다, 광의 일부는 입력 동공(12)의 추가의 복제들을 계속 생성해 가고, 이로써 바람직한 영상 확장(image expansion)을 가져온다. (종래 기술의 시스템에 대한 도 1에서와 같이) 출력 동공들의 상부에 도시된, 도 3a에서의 선들에 의해 광로(path of light)를 나타내었다.

도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력 격자(10)에서의 출력 동공들(12)은 입력 격자(4)에서의 입력 동공(8)과 실질적으로 동일한 모양을 갖는다. 유리하게, 도 3a에 도시된 출력 동공들(12)의 직사각형 모양은, 도 1에 도시된 종래 기술의 원형 동공 복제들 보다 출력 격자(10)에서의 동공 복제들이 훨씬 양호하게 중첩되도록 한다. 이는 밴딩이 없는 더욱 매끈하고 더욱 균일한 영상을 형성한다.

도 3b는 도 3a의 프로젝션 디스플레이(200)의 측면도를 도시한다. 도파관(2)은, 위에서 설명한 바와 같이 입력 격자(4) 및 출력 격자(10)를 가진다. LED 어레이(20)는 2D 표면(22) 상에 배열된 것으로 도시되어 있다. LED 어레이(20)는, 위에서 설명한 바와 같이 입력 동공(8)을 형성하는 입력 격자(4) 상에 입사하는 광을 발생시킨다.

도 4는 도파관들이 본 발명에 따라 예시적인 프로젝션 디스플레이(300)에서 어떻게 배열될 수 있는지에 대한 추가적인 예를 도시한다. 이 예에서는, 3개의 도파관들(2a, 2b, 2c)이 있고, 그 각각은 해당되는 입력 격자(4a, 4b, 4c) 및 출력 격자(10a, 10b, 10c)를 가지고 있다. 도 4에 도시된 예에서, 각각의 도파관은 다른 도파관들의 각각으로 서로 다른 색을 전송하도록 구성된다. 도파관(2a) 및 그 격자들(4a, 10a)은 청색 광을 전송하도록 구성되고, 도파관(2b) 및 그 격자들(4b, 10b)은 초록색 광을 전송하도록 구성되고, 도파관(2c) 및 그 격자들(4c, 10c)은 적색 광을 전송하도록 구성된다. 이러한 배열에서, LED 어레이(20)는 적색, 초록색 및 청색의 광을 전송한다.

LED 어레이(20)는 광을 도파관들(2a, 2b, 2c)의 각각의 입력 격자 상으로 전송하여, 도 3a와 관련하여 위에서 설명한 바와 같은 모양을 갖는 입력 동공(8)을 형성하도록 구성된다.

도 5는 도 3b 및 도 4에서의 배열들에 도시된 LED 어레이(20)의 예시적인 레이아웃(layout)을 도시한다.

LED 어레이(20)는 표면(22) 상에 배열된 것으로 도시되어 있다. 도 5는 표면(22)의 예시적인 부분을 도시할 뿐이고, 표면(22)은 반복되는 패턴으로 수백 개의 LED들을 포함할 수 있다. 이러한 LED 어레이의 직사각형 배열은 바람직한 직사각형 모양을 갖는 입력 동공을 형성한다.

LED 어레이(20)가 행들(48a, 48b, 48c, 48d) 및 열들(40a, 40b, 40c)로 배열되어 있음을 알 수 있다. 행(48b)에 있는 LED들은 행들(48a, 48c)에 있는 LED들로부터 오프셋되어 있다. 마찬가지로, 각 열(42b) 또한 인접한 열들(42a, 42c)에 대해 오프셋되어 있다. 이러한 규칙적인 반복 패턴은, LED들이 밀집되도록 표면(22)에 걸쳐 확대될 것이다.

각각의 LED 간의 거리는, 다른 말로 피치(pitch)라고 알려져 있는데, 이 거리가 화살표(44)에 의해 도시되어 있다. 피치는, 화살표(46)에 의해 표시된 각각의 개별적인 LED의 크기 보다 더 크다. 이러한 LED들 간의 공간은, 광 파이프들 같은, LED들로부터의 광을 결합시키는 광학계(optics)를 수용하기 위해 제공될 수 있다.

LED들(42a, 42b, 42c) 상에서의 문자들 "R", "B" 및 "G"는 LED들(42a, 42b, 42c)의 색을 나타낸다. 서로 다른 색들의 LED들은 LED 어레이(20)에 걸쳐 분포되어 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 도파관(2)의 입력 격자(4)에 형성된 입력 동공(8)의 모양은, 선형 회절 특징부들(6)에 수직인 방향에서 보다 입력 격자(4)의 선형 회절 특징부들(6)에 평행인 방향에서 더 크다. 입력 동공은 조명 동공의 전달된 영상(relayed image)이다. LED 어레이는 입력 격자의 치수들(dimensions)에 부합시키기 위해 공간적으로 배열될 수 있다. 부가적으로, LED 어레이의 부분들(proportions)을 변경하여 입력 격자에서 요구되는 모양에 부합되도록 하기 위해 왜상 광학계(anamorphic optics)를 사용할 수도 있다.

입력 동공(8)이 원하는 모양을 가지도록 보장하는 대안적인 또는 부가적인 방법은 광 파이프들을 사용하는 것이다. 예시적인 광 파이프가 도 6에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 테이퍼형 광 파이프(30)는 제1 단부(34) 및 제2 단부(32)를 포함하는데, 광 파이프(30)는 제1 단부(34) 및 제2 단부(32) 사이에서 그 길이 L을 따라 연장된다. 알 수 있는 바와 같이, 제1 단부(34)의 영역은 제2 단부(32)의 영역 보다 작고, 광 파이프(30)의 길이 L은 두개의 단부들 사이에서 테이퍼져있다(tapering). 광 파이프(30)의 제1 단부(34)는 LED의 출력을 커버하여, LED로부터 방사되는 광의 최대 부분이 광 파이프(30)로 들어가도록 한다.

알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 단부들(32, 34)의 단면은, 광이 광 파이프(30)를 빠져나올 때 광 파이프의 제2 단부(32)의 단면 모양과 부합되는 프로파일(profile)을 갖도록 되어 있다. 이 경우, 이는 직사각형이다. 이는, 광 파이프(30)를 빠져나오는 광 빔의 모양이, 선형 회절 특징부들(6)에 수직인 방향에서 보다 입력 격자의 선형 회절 특징부들에 평행인 방향에서 더 큰, 입력 격자에 입사할 때의 입력 동공(8)을 형성할 수 있음을 의미한다.

도 7은 본 발명의 프로젝션 디스플레이의 예시적인 조명기 부분(60)을 도시한다. 조명기 부분(60)은 LED 어레이(20), 테이퍼형 광 파이프 어레이(30), 시준(collimating) 마이크로렌즈 어레이(50), 필드 마이크로렌즈 어레이(52) 및 릴레이 렌즈(relay lens)(54)를 포함한다.

LED 어레이는, 인쇄 회로 기판 표면(22) 상에 배열되고, 상기 표면(22) 상에 배열된 LED들(42a, 42b, 42c)의 각각을 가진다.

도 7은 또한 조명기(30)가 조명하기 위해 사용되는 LCOS 패널(56)을 도시한다. 임의의 유형의 비 발광형의 패널이 사용될 수 있음을 이해할 수 있다. 다음으로, LCOS 패널로부터의 광은, 위에서 설명한 바와 같이 도파관(2)의 입력 격자(4) 상으로 반사된다.

LED들(42a, 42b, 42c)의 각각은 해당 테이퍼형 광 파이프(30a, 30b, 30c), 해당 필드(50a, 50b, 50c) 및 시준 마이크로렌즈(52a, 52b, 52c)에 결합된다.

LED 어레이(20)는 적색, 초록색 및 청색 LED들을 포함한다. 간결성을 위해 각각의 색의 LED의 단일 LED 만이 도 7에 도시되어 있다. 그러나 LED 어레이(20)는 각각의 색의 많은 LED들을 포함한다. LED 어레이(20)는 패널(22) 상에 배열된 수백 개의 LED들을 포함할 수 있다. 예를 들어, LED 어레이(20)는 400개의 LED들을 가질 수 있다.

각각의 테이퍼형 광 파이프(30a, 30b, 30c)는 그 대응하는 LED(42a, 42b, 42c)와 근접하게 배열되어 있어, LED들(42a, 42b, 42c)에 의해 방사되는 광이 광 파이프(30)로 집속되게 된다. 전형적으로, 각각의 LED(42a, 42b, 42c)로부터 방사되는 광의 90 퍼센트 이상이 그 해당되는 광 파이프(30a, 30b, 30c)에 의해 집속된다.

각각의 광 파이프(30a, 30b, 30c)는, 이하에서 논의되는 바와 같이 LED들(42a, 42b, 42c)에 가장 가까운 단부가 LED들(42a, 42b, 42c)로부터 가장 먼 단부 보다 작도록 테이퍼져 있다. 테이퍼형 광 파이프들(30a, 30b, 30c)의 각각은 투명 물질로 된 솔리드 파이프(solid pipe)이다.

LED(42a) 및 그 대응하는 광 파이프(30a)를 참조하면, LED(42a)로부터 방사되는 광이, 광 파이프(30a)에서 일단 수신되면 광 파이프를 그 길이 방향을 따라 통과하면서 광 파이프(30a)에 의해 내부적으로 전반사된다. 광이 내부적으로 전반사될 때마다, 광의 각도가 감소된다. 광 파이프(30a)의 테이퍼진 특성으로 인해, 광이 광 파이프(30a)를 일단 빠져나오면, 빔의 각도가 감소되면서 광의 빔이 확대된다.

그 다음, 광 파이프(30a)를 빠져나온 광은 필드 마이크로렌즈(50a) 상에 입사되는데, 이는 빔의 균일성을 향상시켜 광 파이프(30a)의 출사 동공을 이미징한다(imaging). 그 다음, 광은 시준 마이크로렌즈(52a) 상으로 입사하는데, 시준 마이크로렌즈(52a)는 광을 시준하여 광 파이프(30a)의 출사 개구(exit aperture)의 시준된 영상(collimated image)을 생성한다. 그 다음, 광은, 광을 LCOS 패널(56) 상으로 투사하는 릴레이 렌즈(54) 상에 입사하여, 광 파이프(30a)의 출사 개구의 시준된 영상을 생성하여 패널(56) 상에 포커싱하게(focusing) 된다.

위에서 논의된 바와 같이, 광은 각각의 LED(42a, 42b, 42c)로부터 그 대응하는 광 파이프(30a, 30b, 30c), 필드 마이크로렌즈(50a, 50b, 50c) 및 시준 마이크로렌즈(52a, 52b, 5c)를 통해 투사된다. 예를 들어, LED(42b)로부터의 광은 광 파이프(30b), 필드 마이크로렌즈(50b), 시준 마이크로렌즈(52b)를 통과하여 릴레이 렌즈(54)로 들어가고, LED(42c)로부터의 광은 광 파이프(30c), 필드 마이크로렌즈(50c), 시준 마이크로렌즈(52c)를 통과하여 릴레이 렌즈(54)로 들어간다. 단일의 릴레이 렌즈(54)는 이 광을 LCOS 패널(56)에 투사한다. 따라서 광 파이프들(30a, 30b, 30c)의 방사 단부들(emitting ends)(출사 개구들)의 각각의 영상이 전체 LCOS 패널(56) 디스플레이에 투사되어 상기 영상들의 중첩(superposition)이 일어나서 패널(56)의 전체 영역을 커버하게 된다.

이는, LED(42a) 및 광 파이프(30a)로부터의 광이 점들(58a, 58b, 58c)의 각각에서 패널 상으로 투사되는 것을 도시하는 도 7에서 관찰될 수 있다. 유사하게, LED(42b) 및 광 파이프(30b)로부터의 광은 점들(58a, 58b, 58c)의 각각에서 패널 상으로 투사되고, LED(42c) 및 광 파이프(30c)로부터의 광도 마찬가지이다. 따라서 패널(56)은, LED 어레이(20) 및 테이퍼형 광 파이프들(30)에 의해 균일하게(homogeneously) 조명되고, 광로들의 각각의 중첩이 패널(56)에서 원하는 세기를 제공한다. 도 7은 각각의 LED로부터의 광이 영상의 이산적인 부분들(즉, 점들(58a, 58b, 58c)) 상에 입사하는 것을 도시하고 있지만, 실제로는 그러한 점들 간의 거리가 충분히 작아서 전체 디스플레이가 조명되는 것으로 나타난다.

LED 어레이, 대응하는 광 파이프들 및 마이크로렌즈들을 가짐으로 인해서 조명 광학계의 부피를 줄일 수 있고 훨씬 작은 부피로 조명기 설계를 효율적으로 할 수 있게 된다. 이는, 높은 효율과 적은 부피를 가지고 디스플레이 상에서 균일화된 균등한 발광(homogenised uniform irradiance)이 이루어질 수 있게 한다.

위에서 약술한 바와 같이, LED들은 마이크로 LED들일 수 있다. 이러한 효율적인 설계를 마이크로 LED들을 이용하여 소형화하는 것은, 조명기의 길이가 줄어든다는 것을 의미한다. 그러나 전체 부피는 소형화 인자(miniaturisation factor)에 따라 비례한다. 따라서 조명기는, 단일의 광원이 사용되어야 하는 경우 보다 더욱 컴팩트하다. 광 파이프 어레이에서의 각각의 광 파이프가 디스플레이의 전체에 걸쳐 이미징되므로, 어레이를 갖는다는 것은, 프로젝터의 입구 동공(entrance pupil)이 채워져 있고 충분한 조명 강도가 성취됨을 보장해 준다. 각각의 전형적인 마이크로 LED는 0.04

보다 작은 영역을 가질 수 있다.

도 7에 도시된 색들(R, G, B)은 단지 예시의 목적을 위한 것이고, LED(42a, 42b, 42c)는 임의의 색일 수 있다. 예컨대, 이들은 모두 동일한 색일 수 있다. 색 순차 조명기들(colour sequential illuminators)의 경우, 각각의 색의 각각의 LED로부터의 광은 서로 다른 시점에 방사된다. 이러한 색 순차 모드에서, 동일 색을 갖는 LED들(20)로부터의 광은, 위에서 기술한 방식으로 패널(56) 상에 모두 함께 입사될 것이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 추가적인 예에 따른 대안적인 프로젝션 디스플레이(400)를 도시한다. 프로젝션 디스플레이(400)는 3개의 도파관들(2a, 2b, 2c)을 가지고, 그 각각은 해당되는 입력 격자(4a, 4b, 4c)를 갖는다. 도파관(4a)은 청색 광을 전파하도록 구성되고, 도파관(4b)은 초록색 광을 전파하도록 구성되고, 도파관(4c)은 적색 광을 전파하도록 구성된다.

프로젝션 디스플레이(400)는 또한 3개의 LED 어레이들을 포함한다. 청색 LED 어레이(20a), 초록색 LED 어레이(20b) 및 적색 LED 어레이(20c). LED 어레이들의 각각은 패널(22) 상에서 서로로부터 오프셋되어 있다. 트랙을 따르는 방향, 즉 광이 도파관에서 입력 격자와 출력 격자 사이에서 전파되는 방향으로 이 옵셋이 있다. LED 어레이들의 각각은, 입력 동공을, 위에서 기술한 모양을 갖는 그 해당 입력 격자에서 생성한다.

이러한 스태거형(staggered) LED어레이 및 입력 격자들을 가짐으로 인해, 색 별로 동공을 분할하는 것(splitting)이 이루어질 수 있다. 입력 격자들의 이러한 배열은, 특정 색의 광이 그 광의 색을 회절시키도록 구성된 격자 상에만 입사한다는 것을 의미한다. 이는 프로젝션 디스플레이의 효율을 증가시키는데, 그 이유는 그 광의 색을 회절시키도록 구성되지 않은 입력 격자들로 인한 원하지 않는 회절에 의해 광이 손실되지 않기 때문이다. 예를 들어, 입력 격자들이 서로서로 정렬되어 있다면, 적색 광은 초록색 광 및 청색 광을 각각 회절시키도록 구성된 입력 격자(4b) 및 입력 격자(4a)를 통과해야 할 것이다. 이러한 격자들(4a, 4b) 중 어느 하나에서 적색 광의 원하지 않는 회절이 일어나는데, 이는, 적색 광의 일부가 손실되어 시스템의 효율을 감소시킨다는 것을 의미한다. 격자(4a)에 대한 초록색 광에 대해서도 대응되는 상황이 또한 일어날 수 있다. 입력 격자들을 오프셋시킴으로써 이러한 점재적 이슈를 피할 수 있다. 이는, 특정 색의 LED 어레이의 각각을 대응되는 입력 격자들과 동일한 양만큼 오프셋시킴을 통해서 이루어진다. 각각의 입력 격자가 단색의 광만을 수신함으로써 입력 격자가 다른 색들에 투명할 필요가 없게 된다.

도 8a (및 도 3b 및 도 4)에 도시된 입력 격자들은 LED 어레이에 가장 가까운 도파관의 면 상에 도시되어 있지만, 이들이 대안적으로 도파관의 대향 면 상에 위치될 수도 있음을 이해할 것이다. 이 대안적인 배열에서는, 광이 입력 격자에 의해 회절되기 전에 도파관을 통과해야 한다. 이는 입력 격자들이 금속화될 수 있도록 해준다. 금속화된 입력 격자들(metalized input gratings)은 광이 격자를 통과하지 못하도록 하고 광이 회절되도록만 한다. 이는 입력 격자들의 결합 주파수(coupling frequency)를 더욱 증가시킬 수 있다.

다른 배열들에서, LED 어레이가 입력 격자들의 오프셋과 동일한 양만큼 오프셋되기 보다는, 추가의 광학계를 제공하여 각각의 도파관이 단색의 광만을 수신하는 것을 보장할 수 있다.

도 3a, 도 4 및 도 8a는 LED 어레이가 도파관의 입력 격자 상으로 광을 직접 전송하는, 본 발명의 프로젝터 시스템을 도시한다. 이는 단순화된 배열일 수 있고 다른 광학계가 LED들과 도파관 사이에 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러한 하나의 배열은 도 7에 도시된 배열일 수 있다. 그러나 다른 배열들이 사용될 수 있다. 도파관의 출력에서 영상을 생성하기 위해, LED 광으로부터 영상을 생성하기 위한 장치가 필요할 수 있다. 이것이 LCOS 또는 LCD 형의 프로젝터일 수 있다. 이 장치의 출력은 LED 어레이로부터의 광을 전달하여, 위에서 설명한 바와 같이 입력 격자에서 요구되는 모양을 갖는 입력 동공을 형성한다.

LED 어레이(20) 및 광 파이프 어레이(30)를 가짐으로써, 각각의 광 파이프의 길이 L이 작을 수 있다. 이는, 각각의 LED가 작은 크기인 LED 어레이, 예를 들어 마이크로 LED들을 사용함으로써 더욱 그러해지는데, 그 이유는 작은 LED들일수록 더 작은 영역에 걸쳐 방사를 하기 때문이다. LED의 크기는 요구되는 광로(optical path)의 길이(즉, LED와 패널(56) 간의 거리)에 직접적으로 비례한다. 따라서 마이크로 LED들 - 이들 각각은 종래의 광원의 크기의 1/20의 크기임 - 을 사용하게 되면 광로를 1/20로 줄일 수 있게 된다. 이는 부피 면에서 95 퍼센트까지의 고강도 절약을 제공한다. 예를 들어, 종래에 40mm의 길이인 광로가 2mm로 줄어들 수 있다.

조명기의 크기 감소로 인해, 프로젝터 디스플레이는 핸드헬드(handheld) 또는 웨어러블(wearable) 디바이스가 될 수 있다. 예를 들어, 프로젝션 디스플레이는 가상현실 또는 증강현실 헤드셋일 수 있는데, 이 경우 크기 제약조건이 상당히 중요하다.

본 개시의 특징들을 상세히 설명한 바, 첨부된 청구항들에 정의된 본 개시의 특징들의 범위로부터 벗어나지 않고 수정과 변경이 이루어질 수 있음이 명백해질 것이다. 본 개시의 특징들의 범위로부터 벗어나지 않고 위의 구성들, 제품들 및 방법들에서 다양한 변경이 이루어질 수 있으므로, 위의 설명에 포함되고 첨부된 도면들에 도시된 모든 사항들이 예시적인 것으로서 그리고 제한적인 의미에서가 아닌 것으로 해석될 것이다.

위에서, 색(colour)이라는 용어는, LED들에 의해 방사되고 각각의 도파관에 의해 전송되는 광을 언급할 때 사용되었다. 이는 광의 파장을 가리킨다. 전형적으로, 색과 연관된 파장 범위(range of wavelengths)가 있다.

단지 광 파이프의 모양이 아니라 입력 동공의 바람직한 모양을 생성하기 위해 대안적인 배열들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 렌즈들과 같은 다양한 광학계를 사용하여 광이 원하는 모양을 갖도록 보장할 수 있다. 대안적으로, LED들 자체는, 추가의 광학계에 대한 필요없이 원하는 모양을 가지고 방사하도록 원하는 모양을 가질 수 있다.

도시된 광 파이프(30)가, 광 빔이 해당 파이프의 내부 길이를 따라 내부적으로 전반사되는, 투명 물질로 된 솔리드 파이프이나, 빔 각도를 줄이면서 광 빔이 2D로 확대되도록 하는 임의의 유형의 광 파이프가 사용될 수 있다. 예를 들어, 반사성의 내부 면들을 갖는 중공 파이프(hollow pipe)로부터 테이퍼형의 광 파이프(30)를 만들 수 있다.

숙련된 자들은 단지 단 렌즈가 아니라 릴레이 렌즈(relay lens)의 기능을 제공하는 임의의 렌즈 어레이를 사용할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 이는 복수의 릴레이 렌즈를 가지는 것을 수반할 수 있다. 뿐만 아니라, 필드 마이크로렌즈 어레이가 도 7에 도시되어 있지만, 필드 마이크로렌즈의 존재가 필수적인 것은 아니다.

광 파이프들의 단부의 모양은, 도면들에 도시된 바와 같이 직사각형인 것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 광 파이프의 단부는 타원형일 수 있다.

Claims (15)

1. 프로젝션 디스플레이로서,
   복수의 선형 회절 특징부를 갖는 입력 격자를 포함하는 도파관 - 상기 입력 격자는 광을 상기 도파관으로 인입 결합시키도록 구성됨 -, 및
   입력 동공(input pupil)으로서 상기 입력 격자 상으로 광학적으로 전달되되, 상기 입력 격자에서 상기 입력 동공이 상기 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖도록 전달되는, 조명 동공(illumination pupil)을 형성하도록 구성된 LED 어레이(array of LEDs)
   를 포함하는 프로젝션 디스플레이.
2. 제1항에 있어서,
   상기 LED 어레이 및 상기 도파관 사이에 위치하는 테이퍼형 광 파이프 어레이를 더 포함하고,
   상기 테이퍼형 광 파이프 어레이는, 상기 입력 동공으로서 상기 입력 격자 상으로 광학적으로 전달되기 전에 상기 LED 어레이로부터 광을 수신하도록 구성되는,
   프로젝션 디스플레이.
3. 제2항에 있어서,
   상기 LED 어레이의 각각의 LED는, 대응되는 테이퍼형 광 파이프를 가지는,
   프로젝션 디스플레이.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   각각의 테이퍼형 광 파이프의 단부는, 상기 입력 동공의 모양과 동일한 모양을 가지는,
   프로젝션 디스플레이.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도파관은 폭을 가지고,
   상기 입력 격자는 길이를 가지고,
   상기 입력 동공의 크기는, 상기 광이 상기 입력 격자와 단일 상호작용(single interaction) 만을 가지도록 상기 도파관의 폭 및 상기 입력 격자의 길이에 따라서 선택되는,
   프로젝션 디스플레이.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 LED 어레이를 더 포함하고,
   각각의 LED 어레이는, 특정 색의 광을 방사하는,
   프로젝션 디스플레이.
7. 제6항에 있어서,
   상기 도파관은, 복수의 도파관이고,
   각각의 도파관의 상기 입력 격자는, 서로 다른 색의 광을 다른 도파관들의 각각의 입력 격자들에 인입 결합시키도록 구성되는,
   프로젝션 디스플레이.
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 LED 어레이는, 2D 표면 상에 배열되어 있고,
   각각의 LED 어레이는, 상기 2D 표면 상에서 각각의 다른 LED 어레이로부터 오프셋되어 있는,
   프로젝션 디스플레이.
9. 제8항에 있어서,
   각각의 도파관의 상기 입력 격자는, 단색 광만이 각각의 입력 격자에 입사하도록 다른 도파관들의 각각의 입력 격자들로부터 오프셋되어 있는,
   프로젝션 디스플레이.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 LED 어레이는, 2D 표면 상에 배열되어 있고,
    상기 LED 어레이의 공간적 배열의 모양은, 상기 입력 동공의 모양과 동일한,
    프로젝션 디스플레이.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 동공의 모양은, 타원형 또는 직사각형인,
    프로젝션 디스플레이.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관은, 출력 격자를 더 포함하고,
    상기 출력 격자는, 상기 입력 격자로부터 광을 수신하여 상기 입력 동공을 복수회 복제하고, 상기 도파관의 외부로 상기 광을 결합시키는 출사 동공을 형성하도록 구성되는,
    프로젝션 디스플레이.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 어레이는, 마이크로 LED 에레이(array of microLEDs)인,
    프로젝션 디스플레이.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 프로젝션 디스플레이를 포함하는 증강 현실 또는 가상 현실 장치.
15. 프로젝션 디스플레이를 조명하는 방법으로서,
    LED 어레이로부터 광을 방사하여 조명 동공을 형성하는 단계,
    상기 조명 동공을 입력 동공으로서 도파관의 입력 격자 상으로 광학적으로 전달하여 상기 광을 상기 도파관으로 결합시킴으로써, 상기 입력 격자에서 상기 입력 동공이 상기 도파관의 선형 회절 특징부들에 수직인 방향에서 보다 상기 도파관의 선형 회절 특징부들에 평행한 방향에서 더 큰 모양을 갖게 하도록 하는 단계, 및
    상기 도파관의 외부로 상기 광을 투사하여 영상을 형성하는 단계를 포함하는,
    방법.
    

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