KR20220120603A - 복굴절 중합체 기반 표면 릴리프 격자 - Google Patents

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KR20220120603A
KR20220120603A KR1020227024130A KR20227024130A KR20220120603A KR 20220120603 A KR20220120603 A KR 20220120603A KR 1020227024130 A KR1020227024130 A KR 1020227024130A KR 20227024130 A KR20227024130 A KR 20227024130A KR 20220120603 A KR20220120603 A KR 20220120603A
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light
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탄야 마로트라
리앙유 키우
앤드류 존 오더커크
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

도파관 디스플레이는 가시광선 또는 근적외선 중 적어도 하나에 대해 투명한 기판, 및 상기 기판상의 격자를 포함한다. 상기 격자는 복굴절 재료를 사용하여 형성된 릿지들을 포함하고, 제1 편광 상태에서 입사 광을 상기 기판의 안팎으로 선택적으로 커플링하도록 구성된다. 상기 릿지들의 복굴절 재료는 상기 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 광축을 특징으로 한다.

Description

복굴절 중합체 기반 표면 릴리프 격자
본 발명은 일반적으로 표면 릴리프 격자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 편광에 민감하고 특정 편광 상태의 입사 광을 우선적으로 회절시킬 수 있는 표면 릴리프 격자가 본원에 개시된다.
머리 장착형 디스플레이(HMD; head-mounted display) 또는 천정형 디스플레이(HUD; heads-up display) 시스템과 같은 인공 현실 시스템은 일반적으로 예를 들어 사용자의 눈 앞 약 10-20 mm 이내에서 전자 또는 광학 디스플레이를 통해 사용자에게 콘텐츠를 제공하도록 구성되는 근안(near-eye) 디스플레이(예를 들면, 헤드셋 또는 안경 형태)를 포함한다. 상기 근안 디스플레이는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR) 애플리케이션에서와 같이 가상 물체를 디스플레이하거나 또는 실제 물체의 이미지를 가상 물체와 커플링할 수 있다. 예를 들어, AR 시스템에서, 사용자는 예를 들어 투명 디스플레이 안경 또는 렌즈를 통해 봄으로써(종종 광학 투시라고도 칭함) 가상 물체(예를 들면, 컴퓨터 생성 이미지(CGI))의 이미지와 주변 환경 모두를 볼 수 있다.
광학 투시 AR 시스템의 한 예는 도파관 기반 광학 디스플레이를 사용할 수 있으며, 여기서 투영된 이미지의 광은 도파관(예를 들면, 투명 기판) 내에 커플링되고, 상기 도파관 내에서 전파되고 상이한 위치들에서 도파관 외부에 커플링될 수 있다. 도파관의 일부 구현들에 있어서, 투영된 이미지의 광은 표면 릴리프 격자(surface relief grating) 또는 용적 브래그 격자(volume Bragg grating)와 같은 회절 광학 요소를 사용하여 도파관의 안팎으로 커플링될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 표면 릴리프 격자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 편광에 민감하고 특정 편광 상태의 입사 광을 우선적으로 회절시킬 수 있는 표면 릴리프 격자가 본원에 개시된다. 일 예에서, 표면 릴리프 격자는 복굴절 재료로 제조된 릿지를 포함할 수 있으며, 여기서 표면 릴리프 격자 내의 복굴절 재료의 광축은 표면 릴리프 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행할 수 있다. 표면 릴리프 격자는 복굴절 재료의 굴절률의 굴절률과 대략 일치하는 굴절률을 특징으로 하는 오버코트 층(overcoat layer)을 포함할 수 있다. 디바이스, 시스템, 방법 등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시예들이 본원에서 설명된다.
일부 실시예들에 따르면, 도파관 디스플레이는 가시광선 또는 근적외선 중 적어도 하나에 대해 투명한 기판, 및 상기 기판상의 격자를 포함할 수 있다. 상기 격자는 복굴절 재료(birefringent material)를 사용하여 형성된 릿지들을 포함하고, 제1 편광 상태에서 입사 광을 상기 기판의 안팎으로 선택적으로 커플링하도록 구성될 수 있다. 상기 릿지들의 복굴절 재료는 상기 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 광축을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 평면은 상기 격자의 격자 벡터 및 상기 릿지들의 측면 연장 방향을 포함할 수 있다. 상기 격자는 투과성 격자(transmissive grating) 또는 반사성 격자를 포함할 수 있으며, 또한 1차원 격자 또는 2차원 격자를 포함할 수 있다
일부 실시예들에 있어서, 상기 복굴절 재료는, 0.1 초과와 같은, 0.05 초과의 복굴절을 특징으로할 수 있다. 상기 복굴절 재료는 복굴절 중합체, 복굴절 세라믹, 정렬된 액정 중합체, 또는 정렬된 단결정 유기 분자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 복굴절 재료는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복굴절 재료는 단축성 복굴절 재료 또는 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 릿지들의 복굴절 재료는 상기 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 더 높은 인덱스 축(index axis)을 특징으로 할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 도파관 디스플레이는 상기 복굴절 재료의 낮은 굴절률과 일치하는 굴절률을 특징으로 하는 오버코트 층을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 격자는, 상기 기판 내에 커플링된 입사 광이 내부 전반사를 통해 상기 기판 내에서 전파되도록, 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 제1 각도로 상기 기판 내에 선택적으로 커플링하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 선택적으로 커플링하고 상기 기판 내에서 상기 기판 외부로 전파하도록 구성되는 제2 격자를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 발생시키도록 구성되는 광원 또는 편광판(polarizer)을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 편광 상태와 상이한 제2 편광 상태에서 광을 반사하도록 구성되는 상기 기판상의 편광 선택 반사 층을 포함할 수 있으며, 상기 편광 선택 반사 층 및 상기 격자는 상기 기판의 반대편 측면들 상에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 도파관 디스플레이는 상기 제2 편광 상태에서 광을 반사적으로 회절시키도록 구성되는 상기 기판상의 제2 격자를 포함할 수 있으며, 상기 제2 격자 및 상기 격자는 상기 기판의 반대편 측면들 상에 위치할 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 표면 릴리프 격자가 기판, 및 복굴절 재료를 사용하여 형성된 복수의 릿지들을 포함할 수 있다.
상기 복수의 릿지들의 복굴절 재료는, 상기 표면 릴리프 격자가 제1 편광 상태에서 입사 광을 상기 기판의 안팎으로 선택적으로 커플링할 수 있도록, 상기 표면 릴리프 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 광축을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 반사 표면을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 릿지들은 3차원 미세 구조들의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 릿지들은 상기 표면 릴리프 격자에서의 상기 입사 광의 파장보다 큰 피치를 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 3차원 미세 구조들의 2차원 어레이는 원통형 기둥, 입방형 기둥, 공동 또는 피라미드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복굴절 재료는 복굴절 중합체, 복굴절 세라믹, 정렬된 액정 중합체, 또는 정렬된 단결정 유기 분자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 단축 또는 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있으며, 0.1 초과의 복굴절을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복굴절 재료는 단축성 복굴절 재료를 포함할 수 있으며, 상기 광축은 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광의 편광 방향과 평행할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자는 상기 복수의 릿지들상에 오버코트 층을 포함할 수 있으며, 상기 오버코트 층은 상기 복굴절 재료의 굴절률(예를 들면, 낮거나 또는 높은 굴절률)과 일치하는 굴절률을 특징으로 할 수 있다.
이와 같은 요약은 청구된 주제의 핵심 또는 필수 특징들을 식별하도록 의도되지 않았을 뿐만 아니라, 청구된 주제의 범위를 결정하기 위해 단독으로 사용되도록 의도되지도 않았다. 본 주제는 본 발명의 전체 명세서의 적절한 부분, 임의의 또는 모든 도면들, 및 각각의 청구항을 참조하여 이해되어야 한다. 상술된 내용은, 다른 특징들 및 예들과 함께, 다음의 명세서, 청구범위 및 첨부 도면에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
예시적인 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 특정 실시예에 따른 근안 디스플레이 시스템을 포함하는 인공 현실 시스템 환경의 예에 대한 간략화된 블록도이다.
도 2는 본원에 개시된 예들 중 일부를 구현하기 위한 머리 장착형 디스플레이(MD) 디바이스 형태의 근안 디스플레이 시스템의 예에 대한 사시도이다.
도 3은 본원에 개시된 예들 중 일부를 구현하기 위한 한 쌍의 안경 형태의 근안 디스플레이 시스템의 예에 대한 사시도이다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 출구 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학 투시 증강 현실 시스템의 예를 도시한다.
도 5a는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이를 포함하는 근안 디스플레이 디바이스의 예를 도시한다. 도 5b는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이를 포함하는 근안 디스플레이 디바이스의 예를 도시한다.
도 6a는 반사 용적 브래그 격자(VBG)의 예에 대한 스펙트럼 대역폭 및 투과성 표면 릴리프 격자(SRG)의 예에 대한 스펙트럼 대역폭을 도시한다. 도 6b는 반사형 VBG의 예에 대한 각도 대역폭 및 투과성 SRG의 예에 대한 각도 대역폭을 예시한다.
도 7a 내지 도 7d는 특정 실시예들에 따른 상이한 단면을 갖는 1차원 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다.
도 8a 내지 도 8d는 특정 실시예들에 따른 2차원 회절 격자의 예를 도시한다.
도 9a는 단축성 복굴절 재료의 지표의 예를 도시한다. 도 9b는 이축성 복굴절 재료의 지표의 예를 도시한다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 제1 광축 배향을 갖는 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 도 10b는 특정 실시예들에 따른 제1 광축 배향을 갖는 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 10c는 특정 실시예들에 따른 제2 광축 배향을 갖는 단축성 중합체를 포함하는 격자의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 10d는 특정 실시예들에 따른 제2 광축 배향을 갖는 단축성 중합체를 포함하는 격자의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다.
도 11a는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이를 위한 입력 커플러로서 사용되는 복굴절 재료를 포함하는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다. 도 11b는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이에서 커플러로서 사용되는 복굴절 재료를 포함하는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다.
도 12a는 특정 실시예들에 따른 복굴절 중합체를 포함하는 표면 릴리프 격자의 예에 대한 원자력 현미경 이미지이다. 도 12b는 특정 실시예들에 따른 도 12a에 도시된 표면 릴리프 격자의 예에 대한 측정된 편광 콘트라스트를 도시한다. 도 12c는 특정 실시예들에 따른 도 12a에 도시된 표면 릴리프 격자의 예에 대한 측정된 편광 콘트라스트를 도시한다.
도 13a는 특정 실시예들에 따른 제1 광축 배향을 갖는 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 도 13b는 본 발명의 특정 실시예들에 따른 제1 광축 배향을 갖는 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 13c는 특정 실시예들에 따른 제2 광축 배향을 갖는 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 13d는 특정 실시예들에 따른 제2 광축 배향을 갖는 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다.
도 14a는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하고 인덱스 매칭 오버코트 층(index matching overcoat layer)이 없는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다. 도 14b는 특정 실시예들에 따른 상이한 편광 상태의 광에 대한 도 14a의 표면 릴리프 격자의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
도 15a는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료 및 인덱스 매칭 오버코트 층을 포함하는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다. 도 15b는 특정 실시예들에 따른 상이한 편광 상태의 광에 대한 도 15a의 표면 릴리프 격자의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
도 16은 특정 실시예들에 따른 예시적인 근안 디스플레이의 예시적인 전자 시스템의 단순화된 블록도이다.
상기 도면들은 단지 예시의 목적으로 본 발명의 실시에들을 도시한다. 당업자라면 다음의 설명으로부터 예시된 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 본 발명의 원리 또는 장점을 벗어나지 않는 한도 내에서 채용될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
첨부된 도면들에서, 유사한 구성 요소 및/또는 특징들은 동일한 참조 라벨을 가질 수 있다. 또한, 동일한 유형의 다양한 구성 요소들은 참조 라벨 다음에 유사한 구성 요소를 구별하는 대시 기호 및 제2 라벨을 사용하여 구별될 수 있다. 명세서에서 제1 참조 라벨만 사용되는 경우, 설명은 제2 참조 라벨과 관계없이 동일한 제1 참조 라벨을 갖는 유사한 구성 요소들 중 임의의 하나에 적용된다.
본 발명은 일반적으로 표면 릴리프 격자에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 복굴절 재료를 포함하고 따라서 편광 감응형 표면 릴리프 격자가 본원에 개시된다. 일예에 있어서, 표면 릴리프 격자는 복굴절 재료로 제조된 릿지들을 포함할 수 있으며, 여기서 표면 릴리프 격자의 복굴절 재료의 광축은, 격자 벡터에 평행한 것과 같은, 표면 릴리프 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행할 수 있다. 표면 릴리프 격자는 복굴절 재료의 낮은 굴절률에 가깝거나 그와 동일한 굴절률을 특징으로 하는 오버코트 층을 포함할 수 있다. 표면 릴리프 격자는 상이한 편광 상태의 입사 광에 비해 제1 편광 상태의 입사 광을 우선적으로 회절시킬 수 있다. 디바이스, 시스템, 방법 등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시예들이 본원에 설명된다.
도파관 기반 디스플레이 시스템에 있어서, 전체 효율은 디스플레이 시스템의 개별 구성 요소들의 효율과 개별 구성 요소들 간의 커플링 효율의 함수일 수 있다. 단순화된 예에 있어서, 도파관 기반 디스플레이 시스템의 전체 효율(ηtot)은 ηtot = ηEQEХηinХηout에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 ηEQE는 발광 디바이스(예를 들어, 발광 다이오드(LED)또는 LED 어레이)의 외부 양자 효율이며, ηin은 발광 디바이스로부터 도파관으로의 디스플레이 광의 인-커플링 효율(in-coupling efficiency)이고, ηout은 도파관으로부터 사용자의 눈을 향한 디스플레이 광의 아웃-커플링(out-coupling) 효율이다. 따라서, 전체 효율(ηtot)은 ηEQE, ηin, 및 ηout 중 하나 이상을 개선함으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 발광 디바이스로부터 도파관으로의 디스플레이 광의 인-커플링 효율(ηin)은 특정 편광 상태 또는 방향의 광에 대해 높은 회절 효율을 갖는 편광 감응형 격자 커플러를 사용하여 발광 디바이스에 의해 편광된 광을 발생시키고, 상기 편광된 관을 도파관에 커플링시킴으로써 향상될 수 있다. 유사하게도, 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 극복하기 위해, 예를 들어 편광 의존 광학 요소를 사용하여 이미지 평면의 위치를 변경하기 위해, 도파관 외부의 특정 편광 상태의 광을 사용자의 눈을 향해 커플링시키는 것이 바람직할 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 편광 감응형 표면 릴리프 격자 커플러를 제조하기 위해 복굴절 중합체 또는 상이한 광 편광 방향을 갖는 광에 대해 상이한 굴절률을 갖는 기타 광학 이방성 재료들이 사용될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 광학 이방성 재료들은 한 방향(예를 들어, 광축)을 따라 진동하는 광에 대해 고유한 굴절률을 갖는 단축성 복굴절 중합체를 포함할 수 있고 또한 다른 2 방향을 따라 진동하는 광에 대해 광학적으로 등방성일 수 있다. 격자 홈들은 복굴절 중합체의 굴절률과 일치하는 굴절률(예를 들어, 낮은 굴절률)을 갖는 재료(예를 들어, 광학적 등방성 중합체 또는 유전 재료)로 오버코팅되거나 다른 경우 그들로 충전될 수 있다. 따라서, 특정 편광 방향(예를 들면, 복굴절 중합체의 광축에 평행)을 갖는 광은 격자 릿지들 및 격자 홈들에서 상이한 굴절률에 종속될 수 있으므로 회절될 수 있는 반면, 다른 편광 방향(예를 들면, 복굴절 중합체의 광축에 수직)을 갖는 광은 격자 릿지들 및 격자 홈들에서 동일한 굴절률에 종속될 수 있으므로 회절되지 않을 수 있다. 이와 같이, 격자는, 더 높은 외부 양자 효율을 갖는 실질적으로 선형 편광된 광을 생성하는 광원으로부터의 광 또는 편광판을 사용하여 편광된 광과 같은, 특정 편광을 갖는 광을 보다 우선적이고 효율적으로 회절시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 광학 이방성 재료는 단축성 복굴절 재료 또는 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 광학 이방성 재료는 약 0.05-0.1 초과, 약 0.15 초과, 약 0.2 초과, 또는 약 0.5 초과의 복굴절을 가질 수 있다. 복굴절 재료는, 예를 들어, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET); 복굴절 세라믹(예를 들면, 방해석 및 기타 단결정 무기물), 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 액정 중합체(LCP), 또는 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자들(예를 들면, 안트라센) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 표면 릴리프 격자는, 예를 들어 나노임프린트 리소그래피 또는 포토리소그래피 기술을 사용하여 제조된, 구형파 격자, 경사 격자, 사인파 격자, 블레이즈 격자((blazed grating)), 가변 깊이 격자 등과 같은 단면의 임의의 적합한 격자 프로파일을 가질 수 있다. 표면 릴리프 격자는 1차원, 2차원 또는 3차원의 굴절률 변조를 가질 수 있다.
다음의 설명에 있어서서, 디바이스, 시스템, 방법 등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시예들이 설명된다. 설명의 목적을 위해, 본 발명의 예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부 사항들이 제시된다. 그러나, 이와 같은 특정 세부 사항들 없이 다양한 예들이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 예를 들어, 디바이스, 시스템, 구조, 조립체, 방법 및 기타 구성 요소들은 상기 예들을 불필요한 세부 사항으로 모호하게 하지 않도록 블록 다이어그램 형식의 구성 요소들로서 도시될 수 있다. 다른 예들에 있어서, 잘 알려진 디바이스, 프로세스, 시스템, 구조 및 기술들은 상기 예들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 필요한 세부 사항 없이 도시될 수 있다. 도면들 및 상세한 설명은 제한하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용된 용어 및 표현들은 설명의 관점에서 사용되고 제한을 의미하지 않으며, 그와 같은 용어 및 표현들을 사용함에 있어서 도시 및 설명된 특징 또는 그 일부의 등가물을 배제하려는 의도는 없다. "예"라는 단어는 본원에서 "예시, 사례 또는 설명으로 작용하는"을 의미하는 데 사용된다. 본원에서 "예"로 설명된 임의의 실시예 또는 설계는 반드시 다른 실시예들 또는 설계들보다 선호되거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 특정 실시예들에 따른 근안 디스플레이(120)를 포함하는 인공 현실 시스템 환경(100)의 예에 대한 단순화된 블록도이다. 도 1에 도시된 인공현실 시스템 환경(100)은 근안 디스플레이(120), 선택적인 외부 이미징 디바이스(150), 및 선택적인 입력/출력 인터페이스(140)를 포함할 수 있고, 이들 각각은 선택적인 콘솔(110)에 커플링될 수 있다. 도 1은 하나의 근안 디스플레이(120), 하나의 외부 이미징 디바이스(150), 및 하나의 입력/출력 인터페이스(140)를 포함하는 인공 현실 시스템 환경(100)의 예를 도시하지만, 이들 구성 요소들 중 임의의 수는 인공 현실 시스템 환경(100)에 포함될 수 있거나, 또는 임의의 구성 요소들은 생략될 수 있다. 예를 들어, 콘솔(110)과 통신하는 하나 이상의 외부 이미징 디바이스(150)에 의해 모니터링되는 다중 근안 디스플레이들(120)이 존재할 수 있다. 일부 구성에 있어서, 인공 현실 시스템 환경(100)은 외부 이미징 디바이스(150), 선택적 입력/출력 인터페이스(140) 및 선택적 콘솔(110)을 포함하지 않을 수 있다. 대안적인 구성에 있어서, 상이하거나 추가의 구성 요소들이 인공 현실 시스템 환경(100)에 포함될 수 있다.
근안 디스플레이(120)는 사용자에게 콘텐츠를 제공하는 머리 장착형 디스플레이일 수 있다. 근안 디스플레이(120)에 의해 제공되는 콘텐츠의 예로는 이미지, 비디오, 오디오 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 오디오는 근안 디스플레이(120), 콘솔(110), 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하고 상기 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제공하는 외부 디바이스(예를 들어, 스피커 및/또는 헤드폰)를 통해 제공될 수 있다. 근안 디스플레이(120)는 하나 이상의 강성 본체를 포함할 수 있으며, 이는 서로 강성적 또는 비강성적으로 커플링될 수 있다. 강성 본체들 간의 강성 본체 커플링으로 인해 커플링된 강성 본체들이 단일 강성 본체로서 작용할 수 있다. 강성 본체들 간의 비강성 본체 커플링은 강성 본체들이 서로에 대해 이동할 수 있게 할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(120)는 한 쌍의 안경을 포함하는 임의의 적절한 폼 팩터(form-factor)로 구현될 수 있다. 근안 디스플레이(120)의 일부 실시예들은 도 2 및 도 3과 관련하여 아래에서 추가로 설명된다. 추가적으로, 다양한 실시예들에 있어서, 본원에 설명된 기능은 근안 디스플레이(120) 외부의 환경의 이미지와 인공 현실 콘텐츠(예를 들어, 컴퓨터 생성 이미지)를 결합하는 헤드셋에서 사용될 수 있다. 따라서, 근안 디스플레이(120)는 사용자에게 증강 현실을 제시하기 위해 생성된 콘텐츠(예를 들어, 이미지, 비디오, 사운드 등)로 근안 디스플레이(120) 외부의 물리적 현실 세계 환경의 이미지를 증강시킬 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(120)는 디스플레이 전자 기기(122), 디스플레이 광학 기기(124), 및 눈 추적 유닛(130) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(120)는 또한 하나 이상의 위치 탐지기(126), 하나 이상의 위치 센서(128), 및 내부 측정 유닛(IMU; 132)을 포함할 수 있다. 근안 디스플레이(120)는 눈 추적 유닛(130), 위치 탐지기(126), 위치 센서(128), 및 IMU(132) 중 임의의 것을 생략하거나 또는 다양한 실시예들에 추가 요소들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(120)는 도 1과 관련하여 설명된 다양한 요소들의 기능을 결합하는 요소들을 포함할 수 있다.
디스플레이 전자 기기(122)는 예를 들어 콘솔(110)로부터 수신된 데이터에 따라 사용자에게 이미지들을 디스플레이하거나 또는 이미지들의 디스플레이를 용이하게 할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 디스플레이 전자 기기(122)는 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이, 무기 발광 다이오드(ILED) 디스플레이, 마이크로 발광 다이오드(μLED) 디스플레이, 능동 매트릭스 OLED 디스플레이(AMOLED), 투명 OLED 디스플레이(TOLED) 또는 다른 디스플레이와 같은 하나 이상의 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 근안 디스플레이(120)의 일 구현에 있어서, 디스플레이 전자 기기(122)는 전방 TOLED 패널, 후방 디스플레이 패널, 및 상기 전방 및 후방 디스플레이 패널들 사이의 광학 요소(예를 들어, 감쇠기, 편광판, 또는 회절 또는 스펙트럼 필름)를 포함할 수 있다. 디스플레이 전자 기기(122)는 적색, 녹색, 청색, 백색 또는 황색과 같은 우세한 색상의 광을 방출하는 픽셀을 포함할 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 디스플레이 전자 기기(122)는 이미지 깊이의 주관적인 인식을 생성하기 위해 2차원 패널에 의해 생성된 입체 효과를 통해 3차원(3D) 이미지를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 전자 기기(122)는 각각 사용자의 좌측 눈 및 우측 눈 앞에 위치된 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이를 포함할 수 있다. 상기 좌측 및 우측 디스플레이는 입체 효과(즉, 이미지를 보는 사용자에 의한 이미지 깊이의 인식)를 생성하기 위해 서로에 대해 수평으로 이동된 이미지의 카피들을 표시할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 디스플레이 광학 기기(124)는 광학적으로(예를 들어, 광 도파관 및 커플러를 사용하여) 이미지 콘텐츠를 디스플레이할 수 있거나 또는 디스플레이 전자 기기(122)로부터 수신된 이미지 광을 확대할 수 있고, 상기 이미지 광과 관련된 광학 오류를 정정할 수 있고, 또한 관련된 이미지 광을 근안 디스플레이(120)의 사용자에게 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 디스플레이 광학 기기(124)는 예를 들어 기판, 광 도파관, 조리개, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 입력/출력 커플러, 또는 디스플레이 전자 디바이스(122)로부터 방출된 이미지 광에 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 적절한 광학 요소들과 같은 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 디스플레이 광학 기기(124)는 기계적 커플링뿐만 아니라 상이한 광학 요소들의 조합을 포함하여, 상기 조합에서 광학 요소의 상대적인 간격 및 배향을 유지할 수 있다. 디스플레이 광학 기기(124)의 하나 이상의 광학 요소는 반사 방지 코팅, 반사 코팅, 필터링 코팅, 또는 상이한 광학 코팅들의 조합과 같은 광학 코팅을 가질 수 있다.
디스플레이 광학 기기(124)에 의한 이미지 광의 확대는 디스플레이 전자 기기(122)가 물리적으로 더 작고, 더 가볍고, 더 큰 디스플레이보다 더 적은 전력을 소비하도록 할 수 있다. 또한, 확대는 디스플레이된 콘텐츠의 시야를 증가시킬 수 있다. 디스플레이 광학 기기(124)에 의한 이미지 광의 확대량은 디스플레이 광학 기기(124)로부터 광학 요소들을 조정, 추가 또는 제거함으로써 변경될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 디스플레이 광학 기기(124)는 디스플레이된 이미지들을 근안 디스플레이(120)보다 사용자의 눈에서 더 멀리 있을 수 있는 하나 이상의 이미지 평면에 투영할 수 있다.
디스플레이 광학 기기(124)는 또한 2차원 광학 오류, 3차원 광학 오류, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 유형의 광학 오류를 수정하도록 설계될 수 있다. 2차원 오류는 2차원에서 발생하는 광학 수차를 포함할 수 있다. 2차원 오류의 예시적인 유형에는 배럴 왜곡, 핀쿠션 왜곡, 길이 방향 색수차 및 횡방향 색수차를 포함할 수 있다. 3차원 오류는 3차원에서 발생하는 광학 오류를 포함할 수 있다. 3차원 오류의 예시적인 유형에는 구면 수차, 코마 수차, 필드 만곡 및 비점수차가 포함될 수 있다.
위치 탐지기(126)는 서로에 대해 그리고 근안 디스플레이(120)상의 기준 포인트에 대해 근안 디스플레이(120)상의 특정 위치에 위치되는 물체일 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 콘솔(110)은 인공 현실 헤드셋의 위치, 방향 또는 둘 모두를 결정하기 위해 외부 이미징 디바이스(150)에 의해 캡처된 이미지에서 위치 탐지기(126)를 식별할 수 있다. 위치 탐지기(126)는 LED, 코너 큐브 반사기, 반사 마커, 근안 디스플레이(120)가 작동하는 환경과 대조되는 유형의 광원, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 위치 탐지기(126)가 능동 요소들(예를 들면, LED 또는 다른 유형의 발광 디바이스)인 실시예들에 있어서, 위치 탐지기(126)는 가시광선 대역(예를 들면, 약 380 nm 내지 750 nm), 적외선(IR) 대역(예를 들면, 약 750 nm 내지 1 mm), 자외선 대역(예를 들어, 약 10 nm 내지 약 380 nm), 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서, 또는 전자기 스펙트럼 부분들의 임의의 조합에서 광을 방출할 수 있다.
외부 이미징 디바이스(150)는 하나 이상의 카메라, 하나 이상의 비디오 카메라, 하나 이상의 위치 탐지기(126)를 포함하는 이미지를 캡처할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 추가적으로, 외부 이미징 디바이스(150)는 (예를 들어, 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해) 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 외부 이미징 디바이스(150)는 외부 이미징 디바이스(150)의 시야에서 위치 탐지기(126)로부터 방출되거나 반사된 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 위치 탐지기(126)가 수동 요소들(예를 들면, 역반사체)을 포함하는 실시예들에 있어서, 외부 이미징 디바이스(150)는 광을 외부 이미징 디바이스(150)의 광원으로 역반사시킬 수 있는, 위치 탐지기들(126)의 일부 또는 전부를 조명하는 광원을 포함할 수 있다. 느린 보정 데이터가 외부 이미징 디바이스(150)로부터 콘솔(110)로 전달될 수 있고, 외부 이미징 디바이스(150)는 하나 이상의 이미징 매개변수(예를 들어, 초점 거리, 초점, 프레임 속도, 센서 온도, 셔터 속도, 조리개 등)를 조정하기 위해 콘솔(110)로부터의 하나 이상의 보정 매개 변수를 수신할 수 있다.
위치 센서(128)는 근안 디스플레이(120)의 모션에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성할 수 있다. 위치 센서들(128)의 예로는 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 기타 모션 검출 또는 오류 수정 센서, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 위치 센서(128)는 병진 모션(예를 들어, 전/후 위/아래, 또는 좌/우)을 측정하기 위한 다중 가속도계 및 회전 모션(예를 들어, 피치, 요 또는 롤)을 측정하기 위한 다중 자이로스코프를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 다양한 위치 센서들이 서로 직교하도록 배향될 수 있다.
IMU(132)는 위치 센서들(128) 중 하나 이상으로부터 수신된 측정 신호들에 기초하여 빠른 교정 데이터를 생성하는 전자 디바이스일 수 있다. 위치 센서들(128)은 IMU(132) 외부에, IMU(132) 내부에, 또는 이들의 임의의 조합에 위치할 수 있다. 하나 이상의 위치 센서(128)로부터의 하나 이상의 측정 신호에 기초하여, IMU(132)는 근안 디스플레이(120)의 초기 위치에 대한 근안 디스플레이(120)의 추정된 위치를 나타내는 빠른 교정 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, IMU(132)는 시간에 따라 가속도계로부터 수신된 측정 신호들을 통합하여 속도 벡터를 추정하고 시간에 따라 상기 속도 벡터를 통합하여, 근안 디스플레이(120)상의 기준 포인트의 추정된 위치를 결정할 수 있다. 대안적으로, IMU(132)는 샘플링된 측정 신호를 콘솔(110)에 제공할 수 있으며, 이로 인해 빠른 보정 데이터를 결정할 수 있다. 상기 기준 포인트는 일반적으로 공간의 포인트로서 한정될 수 있지만, 다양한 실시예들에 있어서, 상기 기준 포인트는 또한 근안 디스플레이(120) 내의 포인트(예를 들어, IMU(132)의 중심)로서 한정될 수 있다.
눈 추적 유닛(130)은 하나 이상의 눈 추적 시스템을 포함할 수 있다. 눈 추적은 근안 디스플레이(120)에 대한 눈의 방향 및 위치를 포함하는 눈의 위치를 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 눈 추적 시스템은 하나 이상의 눈을 이미지화하는 이미징 시스템을 포함할 수 있고 선택적으로 광 방출기를 포함할 수 있으며, 이는 눈에 의해 반사된 광이 상기 이미징 시스템에 의해 캡처될 수 있도록 눈으로 향하는 광을 생성할 수 있다. 예를 들어, 눈 추적 유닛(130)은 가시 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼의 광을 방출하는 비간섭 또는 간섭 광원(예를 들면, 레이저 다이오드), 및 사용자의 눈에 의해 반사된 광을 캡처하는 카메라를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 눈 추적 유닛(130)은 소형 레이더 유닛에 의해 방출된 반사된 전파를 캡처할 수 있다. 눈 추적 유닛(130)은 눈을 다치게 하거나 물리적 불편함을 유발하지 않는 주파수 및 강도로 광을 방출하는 저전력 광 방출기를 사용할 수 있다. 눈 추적 유닛(130)은 눈 추적 유닛(130)에 의해 소비되는 전체 전력을 감소시키면서(예를 들어, 눈 추적 유닛(130)에 포함된 광 방출기 및 이미징 시스템에 의해 소비되는 전력 감소) 눈 추적 유닛(130)에 의해 캡처된 눈의 이미지의 콘트라스트를 증가시키도록 배열될 수 있다. 눈 추적 유닛(130)에서). 예를 들어, 일부 구현들에 있어서, 눈 추적 유닛(130)은 100 밀리와트 미만의 전력을 소비할 수 있다.
근안 디스플레이(120)는, 예를 들어, 사용자의 동공간 거리(IPD)를 결정하고, 시선 방향을 결정하고, 깊이 신호를 도입하고(예를 들어, 사용자의 메린 시선 라인 외부의 이미지를 흐리게 하고), VR 매체에서 사용자 상호 작용에 대한 발견적 방법(예를 들어, 노출된 자극의 함수로서 임의의 특정 주제, 물체 또는 프레임에 소요된 시간)을 수집하고, 부분적으로 사용자의 눈들 중 적어도 하나의 방향에 기초하는 일부 기타 기능이나 또는 이들의 조합을 수행하기 위해, 눈의 방향을 사용할 수 있다. 상기 방향은 사용자의 양쪽 눈에 대해 결정될 수 있기 때문에, 눈 추적 유닛(130)은 사용자가 보고 있는 곳을 결정할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 시선 방향을 결정하는 단계는 사용자의 좌안 및 우안의 결정된 방향에 기초하여 수렴 포인트를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 수렴 포인트는 사용자의 눈의 두 중심축(foveal axes)이 교차하는 지점일 수 있다. 사용자의 시선 방향은 수렴 포인트와 사용자의 눈동자 사이의 중간 포인트를 지나는 라인 방향일 수 있다.
입력/출력 인터페이스(140)는 사용자가 콘솔(110)에 작업 요청을 전송할 수 있게 하는 디바이스일 수 있다. 작업 요청은 특정 작업을 수행하기 위한 요청일 수 있다. 예를 들어, 작업 요청은 애플리케이션을 시작 또는 종료하거나 애플리케이션 내에서 특정 작업을 수행하는 것일 수 있다. 입/출력 인터페이스(140)는 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 입력 디바이스로는 키보드, 마우스, 게임 제어기, 글러브, 버튼, 터치 스크린, 또는 작업 요청을 수신하고 수신된 작업 요청을 콘솔(110)에 전달하기 위한 임의의 다른 적절한 디바이스를 포함할 수 있다. 입/출력 인터페이스(140)에 의해 수신된 작업 요청은 상기 요청된 작업에 대응하는 작업을 수행할 수 있는 콘솔(110)에 통신될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 입력/출력 인터페이스(140)는 콘솔(110)로부터 수신된 명령에 따라 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 입력/출력 인터페이스(140)는 작업 요청이 수신될 때 또는 콘솔(110)이 요청된 작업을 수행하고 명령을 입력/출력 인터페이스(140)에 전달할 때 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 외부 이미징 디바이스(150)는 사용자의 모션을 결정하기 위해 위치를 추적하는 것과 같은 입력/출력 인터페이스(140) 또는 제어기(예를 들어, IR 광원을 포함할 수 있음) 또는 사용자 손의 위치를 추적하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(120)는 사용자의 모션을 결정하기 위해 위치를 추적하는 것과 같은 입력/출력 인터페이스(140) 또는 사용자의 손 또는 제어기의 위치를 추적하기 위한 하나 이상의 이미징 디바이스를 포함할 수 있다.
콘솔(110)은 외부 이미징 디바이스(150), 근안 디스플레이(120), 및 입력/출력 인터페이스(140) 중 하나 이상으로부터 수신된 정보에 따라 사용자에게 제시하기 위해 근안 디스플레이(120)에 콘텐츠를 제공할 수 있다. 도 1에 도시된 예에서와 같이, 콘솔(110)은 애플리케이션 스토어(112), 헤드셋 추적 모듈(114), 인공 현실 엔진(116), 및 눈 추적 모듈(118)을 포함할 수 있다. 콘솔(110)의 일부 실시예들은 도 1과 관련하여 설명된 것과 상이하거나 추가적인 모듈들을 포함할 수 있다. 아래에서 추가로 설명되는 기능은 본원에 설명된 것과 다른 방식으로 콘솔(110)의 구성 요소들 사이에 배포될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 콘솔(110)은 프로세서 및 상기 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 명령어들을 병렬로 실행하는 다중 처리 유닛을 포함할 수 있다. 상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 하드 디스크 드라이브, 이동식 메모리 또는 솔리드 스테이트 드라이브(예를 들면, 플래시 메모리 또는 DRAM(Dynamic Random Access Memory))와 같은 임의의 메모리일 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 도 1과 관련하여 설명된 콘솔(110)의 모듈들은 상기 프로세서에 의해 실행될 때 상기 프로세서가 아래에서 추가로 설명되는 기능을 수행하게 하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 명령어들로서 인코딩될 수 있다.
애플리케이션 스토어(112)는 콘솔(110)에 의한 실행을 위한 하나 이상의 애플리케이션을 저장할 수 있다. 애플리케이션은 프로세서에 의해 실행될 때 사용자에게 제시하기 위한 콘텐츠를 생성하는 명령어들의 그룹을 포함할 수 있다. 애플리케이션에 의해 생성된 콘텐츠는 사용자 눈의 움직임을 통해 사용자로부터 수신된 입력 또는 입력/출력 인터페이스(140)로부터 수신된 입력에 응답할 수 있다. 애플리케이션의 예로는 게임 애플리케이션, 회의 애플리케이션, 비디오 재생 애플리케이션, 또는 기타 적합한 애플리케이션을 포함할 수 있다.
헤드셋 추적 모듈(114)은 외부 이미징 디바이스(150)로부터의 느린 보정 정보를 사용하여 근안 디스플레이(120)의 움직임을 추적할 수 있다. 예를 들어, 헤드셋 추적 모듈(114)은 근거리 디스플레이(120)의 모델 및 느린 보정 정보로부터 관찰된 위치 탐지기를 사용하여 근거리 디스플레이(120)의 기준 포인트의 위치를 결정할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(114)은 또한 빠른 보정 정보로부터의 위치 정보를 사용하여 근안 디스플레이(120)의 기준 포인트의 위치를 결정할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에 있어서, 헤드셋 추적 모듈(114)은 근안 디스플레이(120)의 미래 위치를 예측하기 위해 빠른 보정 정보, 느린 보정 정보, 또는 이들의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 헤드셋 추적 모듈(114)은 인공 현실 엔진(116)에 대한 근안 디스플레이(120)의 추정된 또는 예측된 미래 위치를 제공할 수 있다.
인공 현실 엔진(116)은 인공 현실 시스템 환경(100) 내에서 애플리케이션을 실행할 수 있으며, 또한 헤드셋 추적 모듈(114)로부터 근안 디스플레이(120)의 위치 정보, 근안 디스플레이(120)의 가속도 정보, 근안 디스플레이(120)의 속도 정보, 근안 디스플레이(120)의 예측된 미래 위치 또는 그들의 임의의 조합을 수신할 수 있다. 인공 현실 엔진(116)은 또한 눈 추적 모듈(118)로부터 추정된 눈 위치 및 방향 정보를 수신할 수 있다. 상기 수신된 정보에 기초하여, 인공 현실 엔진(116)은 사용자에게 제시하기 위해 근안 디스플레이(120)로 제공할 콘텐츠를 결정할 수 있다. 예를 들어, 수신된 정보가 사용자가 좌측을 보았다는 것을 나타내는 경우, 인공 현실 엔진(116)은 가상 환경에서 사용자의 눈 움직임을 미러링하는 근안 디스플레이(120)를 위한 콘텐츠를 생성할 수 있다. 추가적으로, 인공 현실 엔진(116)은 입력/출력 인터페이스(140)로부터 수신된 작업 요청에 응답하여 콘솔(110)상에서 실행되는 애플리케이션 내에서 작업을 수행할 수 있고, 또한 작업이 수행되었음을 나타내는 피드백을 사용자에게 제공할 수 있다. 상기 피드백은 근안 디스플레이(120)를 통한 시각적 또는 청각적 피드백 또는 입력/출력 인터페이스(140)를 통한 햅틱 피드백일 수 있다.
눈 추적 모듈(118)은 눈 추적 유닛(130)으로부터 눈 추적 데이터를 수신하고 상기 눈 추적 데이터에 기초하여 사용자 눈의 위치를 결정할 수 있다. 눈의 위치는 근안 디스플레이(120) 또는 그 임의의 요소에 대한 눈의 방향, 위치 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 눈의 회전 축은 안와에서의 눈의 위치의 함수로서 변경되기 때문에, 안와에서의 눈의 위치를 결정하는 단계는 눈 추적 모듈(118)이 눈의 방향을 보다 정확하게 결정할 수 있게 할 수 있다.
도 2는 본원에 개시된 예들 중 일부를 구현하기 위한 HMD 디바이스(200) 형태의 근안 디스플레이의 예에 대한 사시도이다. HMD 디바이스(200)는 예를 들어 VR 시스템, AR 시스템, MR 시스템, 또는 이들의 임의의 조합의 일부일 수 있다. HMD 디바이스(200)는 본체(220) 및 헤드 스트랩(230)을 포함할 수 있다. 도 2는 본체(220)의 하부 면(223), 전방 면(225), 및 좌측 면(227)을 사시도로 도시한다. 헤드 스트랩(230)은 조절 가능하거나 연장 가능한 길이를 가질 수 있다. HMD 디바이스(200)의 본체(220)와 헤드 스트랩(230) 사이에는 사용자가 HMD 디바이스(200)를 사용자의 머리에 장착할 수 있게 하는 충분한 공간이 존재할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, HMD 디바이스(200)는 추가의, 더 적은 또는 상이한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, HMD 디바이스(200)는, 헤드 스트랩(230)이 아닌, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 안경 다리 및 안경 다리 팁을 포함할 수 있다.
HMD 디바이스(200)는 컴퓨터 생성 요소를 갖는 물리적인 현실 세계 환경의 가상 및/또는 증강 뷰를 포함하는 매체를 사용자에게 제시할 수 있다. HMD 디바이스(200)에 의해 제공되는 매체의 예로는 이미지(예를 들어, 2차원(2D) 또는 3차원(3D) 이미지), 비디오(예를 들어, 2D 또는 3D 비디오), 오디오, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 이미지 및 비디오는 HMD 디바이스(200)의 본체(220)에 봉입된 하나 이상의 디스플레이 조립체(도 2에 도시되지 않음)에 의해 사용자의 각각의 눈에 제시될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 하나 이상의 디스플레이 조립체는 단일 전자 디스플레이 패널 또는 다중 전자 디스플레이 패널(예를 들면, 사용자의 각각의 눈에 하나의 디스플레이 패널)을 포함할 수 있다. 상기 전자 디스플레이 패널(들)의 예로는, 예를 들어, LCD, OLED 디스플레이, ILED 디스플레이, μLED 디스플레이, AMOLED, TOLED, 일부 다른 디스플레이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. HMD 디바이스(200)는 2개의 아이박스 영역을 포함할 수 있다.
일부 구현들에 있어서, HMD 디바이스(200)는 깊이 센서, 모션 센서, 위치 센서, 및 눈 추적 센서와 같은 다양한 센서들(미도시)을 포함할 수 있다. 이와 같은 센서들 중 일부는 감지를 위해 구조화된 광 패턴을 사용할 수 있다. 일부 구현들에 있어서, HMD 디바이스(200)는 콘솔과 통신하기 위한 입력/출력 인터페이스를 포함할 수 있다. 일부 구현들에 있어서, HMD 디바이스(200)는, HMD 디바이스(200) 내의 애플리케이션을 실행하고 또한 상기 다양한 센서들로부터 깊이 정보, 위치 정보, 가속도 정보, 속도 정보, 예측된 미래 위치, 또는 HMD 디바이스(200)의 임의의 조합을 수신할 수 있는, 가상 현실 엔진(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 상기 가상 현실 엔진에 의해 수신된 정보는 하나 이상의 디스플레이 조립체에 대한 신호(예를 들어, 디스플레이 명령어들)를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현들에 있어서, HMD 디바이스(200)는 서로에 대해 그리고 기준 포인트에 대해 본체(220)상의 고정된 위치에 위치되는 (위치 탐지기(126)와 같은) 위치 탐지기들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 각각의 위치 탐지기들은 외부 이미징 디바이스에 의해 감지할 수 있는 광을 방출할 수 있다.
도 3은 본원에 개시된 예들 중 일부를 구현하기 위한 한 쌍의 안경 형태의 근안 디스플레이(300)의 예에 대한 사시도이다. 근안 디스플레이(300)는 도 1의 근안 디스플레이(120)에 대한 특정 구현일 수 있으며, 가상 현실 디스플레이, 증강 현실 디스플레이, 및/또는 혼합 현실 디스플레이로서 작동하도록 구성될 수 있다. 근안 디스플레이(300)는 프레임(305) 및 디스플레이(310)를 포함할 수 있다. 디스플레이(310)는 콘텐츠를 사용자에게 제시하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 디스플레이(310)는 디스플레이 전자 기기 및/또는 디스플레이 광학 기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 근안 디스플레이(120)에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 디스플레이(310)는 LCD 디스플레이 패널, LED 디스플레이 패널, 또는 광학 디스플레이 패널(예를 들어, 도파관 디스플레이 조립체)을 포함할 수 있다.
근안 디스플레이(300)는 프레임(305)상에 또는 그 내부에 다양한 센서들(350a, 350b, 350c, 350d, 350e)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 센서들(350a-350e)은 하나 이상의 깊이 센서, 모션 센서, 위치 센서, 관성 센서 또는 주변 광 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 센서들(350a-350e)은 상이한 방향에서 상이한 시야를 나타내는 이미지 데이터를 생성하도록 구성된 하나 이상의 이미지 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 센서들(350a-350e)은 근안 디스플레이(300)의 디스플레이된 콘텐츠를 제어하거나 영향을 미치기 위한 그리고/또는 근안 디스플레이(300)의 사용자에게 대화형 VR/AR/MR 경험을 제공하기 위한 입력 디바이스로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 센서들(350a-350e)은 또한 입체적 이미징을 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(300)는 물리적 환경으로 광을 투영하기 위해 하나 이상의 조명기(330)를 더 포함할 수 있다. 상기 투영된 광은 상이한 주파수 대역들(예를 들면, 가시광선, 적외선, 자외선 등)과 연관될 수 있으며 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 조명기(들)(330)는 센서들(350a-350e)이 어두운 환경 내의 상이한 물체들의 이미지를 캡처하는 것을 돕기 위해 상기 어두운 환경(또는 적외선, 자외선 등의 강도가 낮은 환경)에서 광을 투영할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 조명기(들)(330)는 상기 환경 내의 물체상에 특정 광 패턴을 투영하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 조명기(들)(330)는 도 1과 관련하여 위에서 설명된 위치 탐지기(126)와 같은 위치 탐지기들로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 근안 디스플레이(300)는 또한 고해상도 카메라(340)를 포함할 수 있다. 카메라(340)는 시야에서 물리적 환경의 이미지들을 캡처할 수 있다. 상기 캡처된 이미지들은, 예를 들어, 가상 현실 엔진(예를 들어, 도 1의 인공 현실 엔진(116))에 의해 처리되어 상기 캡처된 이미지들에 가상 물체들을 추가하거나 상기 캡처된 이미지들의 물리적 물체들을 수정할 수 있으며, 상기 처리된 이미지들은 AR 또는 MR 애플리케이션을 위한 디스플레이(310)에 의해 사용자에게 디스플레이될 수 있다.
인공 현실 시스템을 사용하는 사용자 경험은 시야(FOV), 이미지 품질(예를 들면, 각도 해상도), (눈과 머리 움직임을 수용하기 위한) 아이박스 크기, 및 상기 아이박스 내의 광의 밝기(또는 명암)를 포함하는, 광학 시스템의 여러 특성들에 기반한다. 시야는 한쪽 눈(단안 HMD의 경우) 또는 양쪽 눈(양안 또는 쌍안 HMD의 경우)으로 관찰되는 각도로 측정된 것과 같이, 사용자가 보는 이미지의 각도 범위를 나타낼 수 있다. 인간의 시각 시스템은 약 200°(수평) x 130°(수직)의 총 양안 FOV를 가질 수 있다. 완전 몰입형 시각적 환경을 생성하기 위하여는, 큰 FOV(예를 들면, 약 60° 초과)가 단순히 이미지를 보는 것보다 이미지 "안에 있는" 느낌을 제공할 수 있기 때문에, 큰 FOV가 바람직한다. 시야가 작으면 중요한 시각적 정보가 표시되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 작은 FOV를 갖는 HMD 시스템은 제스처 인터페이스를 사용할 수 있지만, 사용자는 올바른 모션을 사용하고 있는지 확인하기 위해 작은 FOV에서 손을 보지 못할 수 있다. 반면에, 더 넓은 시야는 더 큰 디스플레이나 광학 시스템을 사용하여 확보될 수 있으며, 이 경우 HMD를 사용하는 데 있어 크기, 무게, 비용 및 편안함에 영향을 미칠 수 있다.
해상도는 디스플레이된 픽셀 또는 사용자에게 나타나는 이미지 요소의 각도 크기, 또는 사용자가 픽셀 및/또는 다른 픽셀들에 의해 이미지화되는 물체를 보고 올바르게 해석하는 능력을 지칭할 수 있다. HMD의 해상도는 주어진 FOV 값에 대한 이미지 소스의 픽셀 수로서 지정될 수 있으며, 각도 해상도는 한 방향의 FOV를 이미지 소스상의 동일한 방향의 픽셀 수로 나누어 결정될 수 있다. 예를 들어, 수평 FOV가 40°이고 이미지 소스사의 수평 방향으로 1080 픽셀인 경우, 대응하는 각도 해상도는 스넬렌(Snellen) 20/20 인간 시력과 관련된 1 아크-분(arc-minute) 해상도와 비교하여 약 2.2 아크-분일 수 있다.
일부 경우들에 있어서, 아이박스는 사용자의 눈 앞에 있는 2차원 박스일 수 있으며, 여기서 이미지 소스로부터 디스플레이된 이미지를 볼 수 있다. 사용자의 동공이 아이박스 외부로 이동하면, 디스플레이된 이미지가 사용자에게 보이지 않을 수 있다. 예를 들어, 비-동공 형성 구성에서는, HMD 이미지 소스의 비네트(vignette) 없는 관측이 있는 관측 아이박스가 존재하며, 디스플레이된 이미지는 비네팅되거나 잘릴 수 있지만, 사용자의 눈의 동공이 관측 아이박스 밖에 있을 때 여전히 볼 수 있다. 동공 형성 구성에서는, 상기 이미지는 출사 동공 외부에서 관측될 수 없다.
망막에서 가장 높은 해상도가 달성될 수 있는 인간 눈의 중심와(fovea)는 약 2° 내지 약 3°의 FOV에 대응할 수 있다. 따라서, 가장 높은 해상도로 축을 벗어난 물체를 보기 위해 눈이 회전할 수 있다. 축에서 벗어난 물체를 보기 위한 눈의 회전은 눈이 동공 뒤의 약 10 mm 포인트를 중심으로 회전하기 때문에 동공의 평행이동을 유발할 수 있다. 또한, 사용자는 아이박스의 이상적인 위치에 (예를 들면, 약 2.5 mm의 반경을 갖는) 사용자 눈의 동공을 항상 정확하게 위치시키지 못할 수 있다. 또한, HMD가 사용되는 일부 환경에서, 예를 들어 HMD가 이동하는 차량에서 사용되거나 또는 사용자가 도보로 이동하는 동안 사용되도록 설계되는 경우, HMD에 대한 사용자의 눈 및/또는 머리의 이동을 허용하도록 아이박스가 더 큰 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 상기 HMD의 광학 시스템은 HMD에 대한 사용자 동공의 움직임을 수용하기 위해 전체 해상도로 전체 FOV를 관측하기 위해 충분히 큰 출사 동공 또는 관측 아이박스를 제공할 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 동공 형성 구성에서, 상기 아이박스 또는 출사 동공에 대해 12 mm 내지 15 mm의 최소 크기가 바람직할 수 있다. 아이박스가 너무 작으면, 눈과 HMD 사이의 사소한 오정렬로 인해 이미지가 적어도 부분적으로 손실될 수 있으며, 사용자 경험이 실질적으로 손상될 수 있다. 일반적으로, 아이박스의 측면 범위는 상기 아이박스의 수직 범위보다 더 중요하다. 이것은 부분적으로 사용자 간의 눈 분리 거리의 상당한 차이와, 안경의 오정렬이 측면 치수에서 더욱 빈번하게 발생하는 경향이 있고 또한 사용자가 시선을 상하로 조정하는 것보다 더 큰 진폭으로 시선을 좌우로 더욱 빈번하게 조정하는 경향이 있다는 사실에 기인할 수 있다. 따라서, 아이박스의 측면 치수를 증가시킬 수 있는 기술은 HMD에 대한 사용자의 경험을 상당히 향상시킬 수 있다. 다른 한편으로, 아이박스가 클수록, 광학 기기는 더 커지고, 근안 디스플레이 디바이스는 더 무거워지고 부피가 커질 수 있다.
밝은 배경에 대해 디스플레이된 이미지를 보기 위해, AR HMD의 이미지 소스는 충분히 밝아야 될 필요성이 있으며, 광학 시스템은 사용자의 눈에 밝은 이미지를 제공하도록 효율적으로 되어 디스플레이된 이미지가 햇빛과 같은 강한 주변 광을 포함하는 배경에서 관측될 수 있다. HMD의 광학 시스템은 아이박스에 광을 집중시키도록 설계될 수 있다. 출사 동공 또는 아이박스가 큰 경우, 큰 아이박스 내에서 볼 수 있는 밝은 이미지를 제공하기 위해 고배율의 이미지 소스가 사용될 수 있다. 따라서, 아이박스의 크기, 비용, 밝기, 광학적 복잡성, 이미지 품질, 광학 시스템의 크기와 무게 간에 절충이 있을 수 있다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학 투시 증강 현실 시스템(400)의 예를 도시한다. 증강 현실 시스템(400)은 프로젝터(410) 및 결합기(415)를 포함할 수 있다. 프로젝터(410)는 광원 또는 이미지 소스(412) 및 프로젝터 광학 기기(414)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 광원 또는 이미지 소스(412)는 하나 이상의 마이크로-LED 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 LCD 디스플레이 패널 또는 LED 디스플레이 패널과 같은 가상 물체를 디스플레이하는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 간섭성 또는 부분적 간섭성 광을 생성하는 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 소스(412)는 레이저 다이오드, 수직 공동 표면 방출 레이저, LED, 초발광 LED(SLED), 및/또는 상술된 마이크로-LED를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 각각 원색(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색)에 대응하는 단색 이미지 광을 방출하는 복수의 광원들(예를 들어, 상술된 마이크로-LED의 어레이)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 마이크로 LED의 3개의 2차원 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 마이크로 LED의 각각의 2차원 어레이는 원색(예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색)의 광을 방출하도록 구성된 마이크로 LED를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 공간 광 변조기와 같은 광학 패턴 생성기를 포함할 수 있다. 프로젝터 광학 기기(414)는, 광을 이미지 소스(412)로부터 결합기(415)로 확장, 시준, 중계, 스캐닝 또는 투영하는 것과 같은, 이미지 소스(412)로부터의 광을 조절할 수 있는 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 요소는, 예를 들어, 하나 이상의 렌즈, 액체 렌즈, 미러, 자유형 광학 기기, 구멍 및/또는 격자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 이미지 소스(412)는 마이크로-LED의 하나 이상의 1차원 어레이 또는 연장된 2차원 어레이를 포함할 수 있으며, 프로젝터 광학 기기(414)는 마이크로-LED의 1차원 어레이 또는 연장된 2차원 어레이를 스캔하여 이미지 프레임을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 1차원 스캐너(예를 들어, 마이크로 미러 또는 프리즘)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 프로젝터 광학 기기(414)는 이미지 소스(412)로부터의 광의 스캐닝을 허용하는 복수의 전극들을 갖는 액체 렌즈(예를 들어, 액정 렌즈)를 포함할 수 있다.
결합기(415)는 프로젝터(410)로부터의 광을 결합기(415)의 기판(420) 내에 커플링하기 위한 입력 커플러(430)를 포함할 수 있다. 결합기(415)는 제1 파장 범위에서 광의 적어도 50%를 투과시키고 제2 파장 범위에서 광의 적어도 25%를 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 파장 범위는 약 400 nm 내지 약 650 nm의 가시광선일 수 있고, 상기 제2 파장 범위는 예를 들어 약 800 nm 내지 약 1000 nm의 적외선 대역일 수 있다. 입력 커플러(430)는 용적 홀로그래픽 격자 또는 다른 회절 광학 요소(DOE)(예를 들면, 표면 릴리프 격자(SRG)), 기판(420)의 경사 반사 표면, 또는 굴절 커플러(예를 들면, 웨지 또는 프리즘)를 포함할 수 있다. 입력 커플러(430)는 가시광선에 대해 30%, 40%, 75%, 90% 또는 그 이상의 커플링 효율을 가질 수 있다. 기판(420) 내로 커플링된 가시광은 예를 들어 내부 전반사(TIR)를 통해 기판(420) 내에서 전파될 수 있다. 기판(420)은 안경의 렌즈 형태일 수 있다. 기판(420)은 평면 또는 곡면을 가질 수 있고, 또한 유리, 석영, 플라스틱, 중합체, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 크리스탈, 세라믹 등과 같은 하나 이상의 유형의 유전 재료를 포함할 수 있다. 상기 기판의 두께는 예를 들어 약 1 mm 미만 내지 약 10 mm 이상의 범위일 수 있다. 기판(420)은 가시광선에 대해 투명할 수 있다.
기판(420)은 각각 기판(420)에 의해 안내되고 기판(420) 내에서 전파되는 광의 적어도 일부를 기판(420)으로부터 추출하도록 구성된 복수의 출력 커플러들(440)을 포함하거나 이들에 커플링될 수 있고, 상기 추출된 광(460)은 증강 현실 시스템(400)이 사용 중일 때 증강 현실 시스템(400) 사용자의 눈(490)이 위치될 수 있는 아이박스(495)로 향할 수 있다. 상기 복수의 출력 커플러들(440)은 출사 동공을 복제하여 아이박스(495)의 크기를 증가시켜, 디스플레이된 이미지가 더 넓은 영역에서 관측될 수 있게 할 수 있다. 입력 커플러(430)로서, 출력 커플러(440)는 격자 커플러(예를 들어, 용적 홀로그래픽 격자 또는 표면 릴리프 격자), 다른 회절 광학 요소(DOE), 프리즘 등을 포함할 수 있다. 출력 커플러(440)는 상이한 위치들에서 상이한 커플링(예를 들면, 회절) 효율을 가질 수 있다. 기판(420)은 또한 광(450)이 결합기(415) 앞의 환경으로부터의 거의 또는 전혀 손실 없이 통과하도록 할 수 있다. 출력 커플러들(440)은 또한 광(450)이 거의 손실 없이 통과하도록 할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에 있어서, 출력 커플러들(440)은 광(450)이 굴절되거나 그렇지 않으면 손실이 거의 없이 출력 커플러들(440)을 통과할 수 있도록 광(450)에 대한 매우 낮은 회절 효율을 가질 수 있으므로, 추출된 광(460)보다 더 높은 강도를 가질 수 있다. 그 결과, 사용자는 결합기(415) 앞의 환경의 커플링된 이미지와 프로젝터(410)에 의해 투영된 가상 물체의 이미지를 볼 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 출력 결합기(440)는 광(450)에 대해 높은 회절 효율을 가질 수 있으며, 광(450)을 손실이 거의 없이 원하는 특정 방향들(즉, 회절 각도)로 회절시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 프로젝터(410), 입력 커플러(430), 및 출력 커플러(440)는 기판(420)의 임의의 측면상에 위치할 수 있다. 입력 커플러(430) 및 출력 커플러(440)는 디스플레이 광을 기판(420) 안팎으로 커플링하기 위한 반사성 격자들(반사 격자라고도 함) 또는 투과성 격자들(투과 격자라고도 함)일 수 있다.
상기 출사 동공은 출력 커플러들(440)에 의해 복제되어 집합된 출사 동공 또는 아이박스를 형성하며, 여기서 상이한 시야들(예를 들어, 이미지 소스(412)상의 상이한 픽셀들)은 아이박스를 향한 각각의 상이한 전파 방향들과 연관될 수 있으며, 동일한 시야(예를 들어, 이미지 소스(412)상의 동일한 픽셀)로부터의 광은 각각의 상이한 출사 동공들에 대해 동일한 전파 방향을 가질 수 있다. 따라서, 이미지 소스(412)의 단일 이미지는 아이박스의 임의의 위치에 위치한 사용자의 눈에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 동일한 방향으로 전파되는 각각의 상이한 출사 동공들로부터의 광은 이미지 소스(412)상의 동일한 픽셀로부터 유래될 수 있고 사용자 눈의 망막상의 동일한 위치에 집속될 수 있다. 따라서, 사용자의 눈이 아이박스의 상이한 위치들로 이동하더라도 이미지 소스의 이미지는 사용자의 눈에 의해 관측될 수 있다.
많은 도파관 기반 근안 디스플레이 시스템에 있어서, 상기 도파관 기반 근안 디스플레이의 아이박스를 2차원으로 확장하기 위해, 2개 이상의 출력 격자들이 상기 디스플레이 광을 2차원으로 또는 2개의 축들을 따라(이중 축 동공 확장으로 칭할 수 있음) 확장시키도록 사용될 수 있다. 상기 2개의 격자들은 상이한 격자 매개 변수들을 가질 수 있어서, 하나의 격자는 출사 동공을 한 방향으로 복제하기 위해 사용될 수 있고, 다른 격자는 출사 동공을 다른 방향으로 복제하기 위해 사용될 수 있다.
도 5a는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이(530)를 포함하는 근안 디스플레이(NED) 디바이스(500)의 예를 도시한다. NED 디바이스(500)는 근안 디스플레이(120), 증강 현실 시스템(400), 또는 다른 유형의 디스플레이 디바이스의 예일 수 있다. NED 디바이스(500)는 광원(510), 투영 광학 기기(520), 및 도파관 디스플레이(530)를 포함할 수 있다. 광원(510)은 적색 광 방출기(512)의 패널, 녹색 광 방출기(514)의 패널 및 청색 광 방출기(516)의 패널과 같은 상이한 색상에 대한 광 방출기의 다중 패널들을 포함할 수 있다. 상기 적색 광 방출기(512)는 어레이로 조직화되고; 상기 녹색 광 방출기(514)는 어레이로 조직화되고; 상기 청색 광 방출기(516)는 어레이로 조직화된다. 광원(510)에서 광 방출기들의 치수 및 피치는 작을 수 있다. 예를 들어, 각각의 광 방출기는 직경이 2 ㎛ 미만(예를 들면, 약 1.2 ㎛), 피치가 2 ㎛ 미만(예를 들면, 약 1.5 ㎛)일 수 있다. 이와 같이, 각각의 적색 광 방출기(512), 녹색 광 방출기(514), 및 청색 광 방출기(516)에서의 광 방출기들의 수는, 960×720, 1280×720, 1440×1080, 1920×1080, 2160×1080 또는 2560×1080 픽셀과 같이, 디스플레이 이미지의 픽셀 수와 같거나 그보다 클 수 있다. 따라서, 디스플레이 이미지는 광원(510)에 의해 동시에 생성될 수 있다. 스캐닝 요소는 NED 디바이스(500)에서 사용되지 않을 수 있다.
도파관 디스플레이(530)에 도달하기 전에, 광원(510)에 의해 방출된 광은 렌즈 어레이를 포함할 수 있는 투영 광학 기기(520)에 의해 조절될 수 있다. 투영 광학 기기(520)는 광원(510)에 의해 방출된 광을 도파관 디스플레이(530)에 시준하거나 집속할 수 있으며, 이는 광원(510)에 의해 방출된 광을 도파관 디스플레이(530) 내에 커플링하기 위한 커플러(532)를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이(530) 내에 커플링된 광은 예를 들면 도 4와 관련하여 상술된 바와 같은 내부 전반사를 통해 도파관 디바이스(530) 내에서 전파될 수 있다. 커플러(532)는 또한 도파관 디스플레이(530) 외부에서 사용자의 눈(590)을 향해 도파관 디스플레이(530) 내에서 전파하는 광의 일부를 커플링할 수 있다.
도 5b는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이(580)를 포함하는 근안 디스플레이(NED) 디바이스(550)의 예를 도시한다. 일부 실시예들에 있어서, NED 디바이스(550)는 사용자의 눈(590)이 위치할 수 있는 이미지 필드에 광원(540)으로부터의 광을 투영하기 위해 스캐닝 미러(570)를 사용할 수 있다. NED 디바이스(550)는 근안 디스플레이(120), 증강 현실 시스템(400), 또는 다른 유형의 디스플레이 디바이스의 예일 수 있다. 광원(540)은, 적색 광 방출기(542)의 다중 행, 녹색 광 방출기(544)의 다중 행, 및 청색 광 방출기(546)의 다중 행과 같은, 상이한 색상의 광 방출기들의 하나 이상의 행 또는 하나 이상의 열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적색 광 방출기(542), 녹색 광 방출기(544), 및 청색 광 방출기(546)는 각각 N개의 행들을 포함할 수 있고, 각각의 행은 예를 들어 2560개의 광 방출기(픽셀)를 포함한다. 상기 적색 광 방출기(542)는 어레이로 조직화되며; 상기 녹색 광 방출기(544)는 어레이로 조직화되고; 상기 청색 광 방출기(546)는 어레이로 조직화된다. 일부 실시예들에 있어서, 광원(540)은 각각의 색상에 대한 단일 라인의 광 방출기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 광원(540)은 적색, 녹색 및 청색 각각에 대한 광 방출기의 다중 열을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 열은 예를 들어 1080개의 광 방출기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 광원(540)에서의 광 방출기들의 치수 및/또는 피치는 비교적 클 수 있으며(예를 들어, 약 3-5 ㎛), 따라서 광원(540)은 전체 디스플레이 이미지를 동시에 생성하기 위한 충분한 광 방출기를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 단일 색상에 대한 광 방출기의 수는 디스플레이 이미지의 픽셀 수(예를 들면, 2560×1080픽셀)보다 적을 수 있다. 광원(540)에 의해 방출된 광은 광의 시준 또는 발산 빔의 세트일 수 있다.
스캐닝 미러(570)에 도달하기 전에, 광원(540)에 의해 방출된 광은 시준 렌즈 또는 자유형 광학 요소(560)와 같은 다양한 광학 디바이스에 의해 조절될 수 있다. 자유형 광학 요소(560)는 예를 들어 다면 프리즘, 또는, 광원(540)에 의해 방출된 광의 전파 방향을 예를 들어 약 90° 이상으로 변경하는 것과 같이, 광원(540)에 의해 방출된 광을 스캐닝 미러(570)를 향해 지향시킬 수 있는 다른 광 폴딩 요소(light folding element)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 자유형 광학 요소(560)는 광을 스캔하도록 회전될 수 있다. 스캐닝 미러(570) 및/또는 자유형 광학 요소(560)는 광원(540)에 의해 방출된 광을 도파관 디스플레이(580)에 반사 및 투영할 수 있으며, 이는 광원(540)에 의해 방출된 광을 도파관 디스플레이(580) 내에 커플링하기 위한 커플러(582)를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이(580) 내에 커플링된 광은 예를 들어 도 4와 관련하여 상술된 내부 전반사를 통해 도파관 디스플레이(580) 내에서 전파될 수 있다. 커플러(582)는 또한 도파관 디스플레이(580) 내에서 전파하는 광의 일부를 도파관 디스플레이(580) 외부에서 사용자의 눈(590)을 향해 커플링할 수 있다.
스캐닝 미러(570)는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 미러 또는 임의의 다른 적절한 미러를 포함할 수 있다. 스캐닝 미러(570)는 1차원 또는 2차원 스캔을 위해 회전할 수 있다. 스캐닝 미러(570)가 회전함에 따라, 광원(540)에 의해 방출된 광은 도파관 디스플레이(580)의 상이한 영역들로 지향되어, 전체 디스플레이 이미지가 도파관 디스플레이(580) 위로 투영될 수 있고 각각의 스캐닝 주기에서 도파관 디스플레이(580)에 의해 사용자의 눈(590)으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 광원(540)이 하나 이상의 행 또는 열의 모든 픽셀에 대한 광 방출기들을 포함하는 실시예들에 있어서, 스캐닝 미러(570)는 이미지를 스캔하기 위해 열 또는 행 방향(예를 들어, x 또는 y 방향)으로 회전될 수 있다. 광원(540)이 하나 이상의 행 또는 열의 모든 픽셀들의 전부가 아닌 일부에 대한 광 방출기들을 포함하는 실시예들에 있어서, 스캐닝 미러(570)는 (예를 들면, 래스터-유형(raster-type) 스캐닝 패턴을 사용하여) 디스플레이 이미지를 투영하기 위해 행 및 열 방향 모두(예를 들어, x 및 y 방향 모두)로 회전될 수 있다.
NED 디바이스(550)는 미리 한정된 디스플레이 기간에서 동작할 수 있다. 디스플레이 기간(예를 들면, 디스플레이 주기)은 전체 이미지를 스캐닝하거나 투영하는 기간을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 기간은 원하는 프레임 속도의 역수일 수 있다. 스캐닝 미러(570)를 포함하는 NED 디바이스(550)에 있어서, 상기 디스플레이 기간은 또한 스캐닝 기간 또는 스캐닝 주기로서 지칭될 수 있다. 광원(540)에 의한 광 생성은 스캐닝 미러(570)의 회전과 동기화될 수 있다. 예를 들어, 각각의 스캐닝 주기는 다중 스캐닝 단계들을 포함할 수 있으며, 여기서 광원(540)은 각각의 스캐닝 단계에서 상이한 광 패턴을 생성할 수 있다.
각각의 스캐닝 주기에서, 스캐닝 미러(570)가 회전함에 따라, 디스플레이 이미지는 도파관 디스플레이(580) 및 사용자의 눈(590) 위에 투영될 수 있다. 디스플레이 이미지의 주어진 픽셀 위치의 실제 색상 값 및 광 강도(예를 들어, 밝기)는 스캐닝 기간 동안 픽셀 위치를 조명하는 3가지 색상들(예를 들면, 빨강, 녹색 및 청색)의 광 빔들의 평균일 수 있다. 스캐닝 기간을 완료한 후, 스캐닝 미러(570)는 다음 디스플레이 이미지의 처음 몇 행들에 대한 광을 투영하기 위해 초기 위치로 다시 되돌아갈 수 있거나 또는 다음 디스플레이 이미지에 대한 광을 투영하기 위해 역방향 또는 스캔 패턴으로 회전할 수 있으며, 여기서 새로운 세트의 구동 신호들이 광원(540)에 공급될 수 있다. 스캐닝 미러(570)가 각각의 스캐닝 주기에서 회전함에 따라, 동일한 공정이 반복될 수 있다. 이와 같이, 상이한 이미지들이 상이한 스캐닝 주기에서 사용자의 눈(590)에 투영될 수 있다.
상술된 바와 같이, 도파관 기반 디스플레이 시스템의 전체 효율은 상기 디스플레이 시스템의 개별 구성 요소의 효율과 개별 구성 요소들 간의 커플링 효율의 곱일 수 있다. 예를 들어, 근안 디스플레이 디바이스(500)의 전체 효율은
Figure pct00001
일 수 있으며, 여기서
Figure pct00002
는 광원(510)의 외부 양자 효율이고,
Figure pct00003
은 광원(510)으로부터 도파관 디스플레이(530) 내로의 디스플레이 광의 인-커플링 효율이며,
Figure pct00004
은 도파관 디스플레이(530)로부터 사용자의 눈을 향한 디스플레이 광의 아웃-커플링 효율이다. 근안 디스플레이 디바이스(500)의 전체 효율(
Figure pct00005
)은 광원(510)의 외부 양자 효율 및 커플러(532)의 커플링 효율을 개선함으로써 향상될 수 있다.
반도체 LED에 있어서, 광자는 활성 영역(예를 들어, 하나 이상의 반도체 층) 내에서 전자와 홀들의 재결합을 통해 특정 내부 양자 효율로 생성될 수 있으며, 여기서 상기 내부 양자 효율은 광자를 방출하는 활성 영역에서 복사 전자-홀 재결합의 비율일 수 있다. 다음에, 상기 생성된 광은 특정 방향으로 또는 특정 입체각 내에서 LED로부터 추출될 수 있다. LED에서 추출된 방출 광자들의 수와 LED를 통과하는 전자들의 수 사이의 비율은, 상기 LED가 주입된 전자를 상기 디바이스로부터 추출된 광자로 얼마나 효율적으로 변환하는지를 설명하는, 외부 양자 효율로서 언급될 수 있다.
예를 들어, 격자 커플러를 사용하는, 광원으로부터 도파관으로의 커플링 효율은 예를 들어 격자 커플러 및/또는 도파관의 특성으로 인해 일반적으로 편광 의존적이다. 예를 들어, 특정 편광 상태(예를 들면, 특정 선형 편광 방향)의 광은 더 높은 커플링 효율로 상기 도파관 내에 커플링될 수 있는 반면, 다른 편광 상태(예를 들면, 직교 선형 편광 방향)의 광은 낮은 커플링 효율을 갖는 도파관 내에 커플링될 수 있다. 따라서, 상기 커플링 효율은 높은 커플링 효율을 갖는 도파관 내에 커플링될 수 있는 편광된 광을 생성함으로써 향상될 수 있다. 예를 들어, (극성 c-평면과 비극성 a- 또는 m-평면 사이에서) 특정 반-극성 방향을 갖는 III-질화물 재료(예를 들면, GaN)로 제조된 마이크로 LED의 경우, 상기 마이크로 LED의 (피크) 양자 효율은 (예를 들면, 더 높은 디스플레이 해상도를 달성하기 위해) 마이크로-LED 크기가 감소함에 따라 하락하지 않을 수 있으며, 상기 피크 양자 효율에서 전류 밀도는 마이크로-LED 크기가 감소함에 따라 증가하지 않을 수 있으므로, 전체 효율이 더 높게 될 수 있다. 또한, 반-극성(또는 비극성) 배향을 갖는 GaN 층상에서 제조된 LED에 있어서, 상기 GaN 층들은 자연적으로 이방성 변형을 겪을 수 있으므로, 더 높은 선형 편광도로 광을 방출할 수 있다. 더 높은 선형 편광도로 광을 생성하는 마이크로 LED를 사용하면, 완전히 비편광된 광(예를 들면, 선형 편광도가 약 0%인 광)에 비해 인커플링 효율을 50% 이상 향상시킬 수 있다. 따라서, 특정 반-극성 배향을 갖는 III-질화물 재료로 제조된 마이크로-LED의 경우, 방출된 광의 높은 선형 편광도(따라서, 도파관에 대한 더 높은 커플링 효율(
Figure pct00006
))와 높은 외부 양자 효율(
Figure pct00007
)이 달성될 수 있다. 이와 같이, 마이크로-LED 또는 도파관을 포함하는 근안 디스플레이 시스템의 전반적인 효율성은 크게 향상될 수 있다. SLED, 공진 공동 LED(RCLED), 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 수직 외부 공동 표면 방출 레이저(VECSEL) 등과 같은, 다른 광원들도 또한 도파관 디스플레이의 광원으로 사용될 수 있으며, 여기서 그와 같은 광원들에 의해 방출된 광은 상기 도파관 내에 커플링되기 전에 다양한 편광판을 사용하여 원하는 편광 상태로 편광될 수 있다.
또한, 커플링 효율을 향상시키기 위해, 상기 격자 커플러는 편광 민감성으로 제조될 수 있으며, 여기서 최대 회절 효율을 달성하기 위한 입사 광의 편광 상태는 도파관에 의해 보다 효율적으로 안내되고 사용자의 눈에 커플링될 수 있는 광의 광원 및/또는 편광 상태에 의해 생성된 광의 편광 상태와 일치할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 편광 의존 격자들은 광을 상이한 시야들로부터의 도파관 내로 커플링하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 시야(예를 들면, 전체 FOV의 좌측 반부)로부터의 광은 TE 모드로 편광되고 TE 모드 광에 대하여 높은 회절 효율을 갖고 TM 모드 광에 대하여는 낮은 회절 효율을 갖는 격자를 사용하여 도파관 내에 커플링될 수 있는 반면, 제2 시야(예를 들면, 전체 FOV의 우측 반부)로부터의 광은 TM 모드로 편광되고 TM 모드 광에 대하여 높은 회절 효율을 갖고 TE 모드 광에 대하여는 낮은 회절 효율을 갖는 격자를 사용하여 도파관 내에 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 격자 커플러들은 또한 예를 들어 눈 추적을 위한 근적외선을 회절시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 응용에 있어서, 바람직하게도 도파관 디스플레이의 출력 커플러들은 편광 의존적이어서 도파관 외부의 특정 편광 상태의 광을 사용자의 눈을 향해 커플링할 수 있다. 예를 들어, 일부 근안 디스플레이 시스템들에 있어서, (예를 들면, 고분자 액정 또는 판차라트남-베리(Pancharatnam-Berry) 위상 렌즈를 포함하는) 편광 의존 렌즈를 사용하여 초점 거리를 변경하고, 따라서 수렴 조절 불일치를 극복하기 위해 다른 편광 상태의 광에 대한 이미지 평면의 위치를 변경할 수 있다.
상술된 바와 같이, 위에서 설명된 입력 및 출력 격자 커플러들은 매우 다른 클라인-쿡 매개 변수(Klein-Cook parameter)(Q)를 가질 수 있는 용적 홀로그래픽 격자 또는 표면 릴리프 격자일 수 있다:
Figure pct00008
여기서, d는 격자의 두께, λ는 자유 공간에서 입사 광의 파장, Λ는 격자 주기, n은 기록 매체의 굴절률이다. 상기 클라인-쿡 매개 변수(Q)는 격자에 의한 광 회절을 3 영역으로 나눌 수 있다. 격자가 Q << 1을 특징으로 하는 경우, 격자에 의한 광 회절은 라만-나스(Raman-Nath) 회절로 지칭될 수 있으며, 여기서 수직 및/또는 경사 입사 광에 대해 다중 회절 차수가 발생할 수 있다. 격자가 Q >> 1(예를 들면, Q≥10)을 특징으로 하는 경우, 격자에 의한 광 회절은 브래그(Bragg) 회절로 지칭될 수 있으며, 여기서 일반적으로 브래그 조건을 만족하는 각도에서 격자상의 입사 광에 대해 0 차수 및 ±1 회절 차수만 발생할 수 있다. 격자가 Q≒1을 특징으로 하는 경우, 상기 격자에 의한 회절은 상기 라만-나스 회절과 상기 브래그 회절 사이에 있을 수 있다. 브래그 조건을 만족시키기 위해, 상기 격자의 두께(d)는 매체의 (표면이 아닌) 용적을 점유하기 위해 특정 값 이상으로 될 수 있으므로, 용적 브래그 격자(volume Bragg grating)로서 지칭될 수 있다. VBG는 일반적으로 비교적 작은 굴절률 변조(예를 들면, △n≤0.05)와 높은 스펙트럼 및 각도 선택성을 가질 수 있는 반면, 표면 릴리프 격자는 일반적으로 큰 굴절률 변조(예를 들면, △n≥0.5)와 넓은 스펙트럼 및 각도 대역폭을 가질 수 있다.
도 6a는 용적 브래그 격자(예를 들어, 반사 VBG)의 예의 스펙트럼 대역폭 및 표면 릴리프 격자(예를 들어, 투과성 SRG)의 예의 스펙트럼 대역폭을 설명한다. 가로축은 입사되는 가시광선의 파장을 나타내고 세로축은 회절 효율을 나타낸다. 곡선(610)에 의해 도시된 바와 같이, 반사 VBG의 회절 효율은 녹색 광과 같은 좁은 파장 범위에서 높다. 대조적으로, 투과성 SRG의 회절 효율은 곡선(620)에 의해 도시된 바와 같이 청색으로부터 적색 광으로와 같은 매우 넓은 파장 범위에서 높을 수 있다.
도 6b는 용적 브래그 격자(예를 들어, 반사 VBG)의 예의 각도 대역폭 및 표면 릴리프 격자(예를 들어, 투과성 SRG)의 예의 각도 대역폭을 설명한다. 가로축은 격자상에 입사되는 가시광선의 입사각을 나타내고 세로축은 회절 효율을 나타낸다. 곡선(615)에 의해 도시된 바와 같이, 반사 VBG의 회절 효율은 완벽한 브래그 조건에서 약 ±2.5°와 같이 좁은 각도 범위에서 격자상에 입사하는 광에 대해 높다. 대조적으로, 투과성 SRG의 회절 효율은 곡선(625)에 의해 도시된 바와 같이 약 ±10° 이상과 같이 매우 넓은 각도 범위에서 높다.
커플러들(430, 440, 532, 582)과 같은 표면 릴리프 격자는 실리콘, 이산화규소, 일부 중합체 등과 같은 일부 유전체, 중합체 또는 반도체 재료로 제조될 수 있다. 이들 재료들 중 일부는 광학적으로 등방성 재료일 수 있으며, 여기서 굴절률은 광 전파 방향 및/또는 광 진동 방향(예를 들면, 편광 방향)에 의존하지 않을 수 있다. 등방성 재료를 사용하여 제조되는 격자는 어느 정도의 편광 의존성을 나타낼 수 있지만, 일반적으로 이와 같은 재료들을 사용하여 높은 편광 명암비를 갖는 격자를 제조하는 것은 어려울 수 있다.
특정 실시예들에 따르면, 커플러들(430, 440, 532, 582)과 같은 격자 커플러들은 편광에 민감하도록 이방성 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 일 예에 있어서, 표면 릴리프 격자는 복굴절 재료를 사용하여 제조될 수 있고, 표면 릴리프 격자의 홈들은 이방성 재료의 굴절률들 중 하나와 거의 동일한 굴절률을 갖는 인덱스 매칭 재료(예를 들면, 폴리머)로 충전되거나 충전되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자는 등방성 재료로 제조될수 있고 상기 격자 홈들을 충전시키는 복굴절 재료로 오버코팅될 수 있다. 광은 격자 내 이방성 재료의 광축과 평행하지 않은 방향으로 상기 격자상으로 입사될 수 있으며, 따라서 격자 내 이방성 재료에서 전파되는 광에 대한 굴절률은 광 전파 방향에 의존할 수 있으며, 광의 진동 방향은 상이한 편광 방향들의 광에 대해 상이한 회절 성능을 유발시킨다.
도 7a 내지 도 7d는 특정 실시예들에 따른 상이한 단면을 갖는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다. 도 7a 내지 도 7d에 도시된 표면 릴리프 격자의 예들은 복굴절 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 도 7a는 1차원 장방형파 격자를 포함하는 표면 릴리프 격자(700)를 도시하며, 이는 2개의 이산 높이 또는 광학 위상으로 인해 이진 격자로도 지칭될 수 있다. 표면 릴리프 격자(700)는 각각 릿지(702) 및 홈(704)을 포함하는 복수의 격자 주기를 포함할 수 있다. 릿지(702) 및 홈(704)은 장방형 형상의 단면을 가질 수 있다. 릿지(702) 및 홈(704)은 동일한 폭 또는 상이한 폭들을 가질 수 있고, 따라서 표면 릴리프 격자(700)는 50%보다 작거나 같거나 또는 그보다 더 큰 듀티 사이클을 가질 수 있다. 표면 릴리프 격자(700)는 격자 벡터(K), 릿지(702)의 측방향 연장 방향(L), 깊이 등을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자(700)는 홈(704)을 충전시킬 수 있는 오버코트 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 오버코트 층은 적절한 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
도 7b는 1차원 경사 표면 릴리프 격자를 포함하는 표면 릴리프 격자(710)를 도시한다. 상기 경사 표면 릴리프 격자는 각각 릿지(712) 및 홈(714)을 포함하는 복수의 격자 주기를 포함한다. 릿지(712) 및 홈(714)은 평행사변형 형상의 단면을 가질 수 있으며, 여기서 릿지(712)의 선행 에지 및 후미 에지는 서로 거의 평행할 수 있다. 표면 릴리프 격자(710)는 또한 격자 벡터(K), 릿지(712)의 측방향 연장 방향(L), 깊이 등을 특징으로 할 수 있다. 릿지(712) 및 홈(714)은 x 방향에서 동일한 폭 또는 상이한 폭들을 가질 수 있으며, 따라서 표면 릴리프 격자(710)는 50%보다 작거나, 같거나, 또는 그보다 더 큰 듀티 사이클을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자(710)는 홈(714)을 충전시킬 수 있는 오버코트 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 오버코트 층은 적절한 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
도 7c는 1차원 사인파형 격자를 포함하는 표면 릴리프 격자(720)를 도시한다. 표면 릴리프 격자(720)의 높이 또는 광학 위상은 사인파 함수에 따라 x 방향으로 변할 수 있다. 표면 릴리프 격자(720)의 각각의 주기는 피크 및 골을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자(720)는 골(724)을 채울 수 있는 오버코트 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 오버코트 층은 적절한 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
도 7d는 1차원 블레이즈 격자(blazed grating)를 포함하는 표면 릴리프 격자(730)를 도시한다. 표면 릴리프 격자(730)의 각각의 주기는 삼각형 또는 톱니 형상의 단면을 갖는 릿지들을 포함할 수 있다. 삼각형 또는 톱니 형상의 단면은 격자의 기판(예를 들면, x축)에 대해 블레이즈 각도를 가질 수 있으므로, 격자에 의해 회절된 광 빔의 회절 각도와 블레이즈 표면에 의해 반사된 광 빔의 반사 방향은 같은 방향일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자(730)는 삼각형 또는 톱니형 릿지상에 오버코트 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 오버코트 층은 적절한 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
비록 도 7a 내지 도 7d는 1차원에서 주기성인 표면 릴리프 격자들의 일부 예를 도시하고 있지만, 일부 표면 릴리프 격자들은 또한 2차원 격자일 수 있으며, 여기서 격자의 높이는 2 방향으로 변할 수 있다. 또한, 일부 표면 릴리프 격자들은 주기적이지 않을 수 있으며, 여기서 각각의 주기의 크기, 형상, 듀티 사이클, 깊이 등은 1차원 또는 2차원으로 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 표면 릴리프 격자들은 격자에 걸쳐 주기 또는 피치가 변하는 처프 격자(chirped grating)일 수 있다. 일부 표면 릴리프 격자들에서, 각각의 주기의 듀티 사이클은 격자의 상이한 영역에서 상이할 수 있다. 일부 표면 릴리프 격자들에서, 상기 표면 릴리프 격자의 깊이 또는 높이는 격자의 상이한 주기에 대해 변할 수 있고, 여기서 격자 주기의 최대 깊이 또는 높이는 격자의 상이한 주기들에서 상이할 수 있다. 일부 표면 릴리프 격자들에서, 임의의 주기 크기, 듀티 사이클, 경사각, 최대 깊이 등은 주기들마다 변할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자는 릿지 및 홈이 형성될 수 있는 표면 반대편의 반사 표면을 포함할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 특정 실시예들에 따른 2차원 표면 릴리프 격자들의 예를 도시한다. 도 8a 내지 도 8d에 도시된 2차원 표면 릴리프 격자의 예들은 복굴절 재료로 제조될 수 있거나, 또는 등방성 재료로 제조된 다음 복굴절 재료로 오버코팅될 수 있다. 상기 표면 릴리프 격자는 원통형 기둥, 직육면체 기둥, 구멍, 공동, 피라미드 등과 같은 다양한 미세 구조체를 포함할 수 있다. 상기 미세 구조체는 공간적으로 불변하거나 또는 다양한 높이 및/또는 경사각을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 미세 구조체는 특정 광자 결정 또는 메타 격자들을 형성할 수 있다.
도 8a는, 기판 또는 기판상에 증착된 중합체 층과 같은, 하부 층(802)상의 직육면체 기둥들(804)의 2차원 어레이를 포함하는 2차원 표면 릴리프 격자(800)의 예를 도시한다. 도 8b는, 기판 또는 기판상에 증착된 중합체 층과 같은, 층(812)에 형성된 육각형 구멍(814) 또는 다른 형상의 구멍 또는 공동들의 2차원 어레이를 포함하는 2차원 표면 릴리프 격자(810)의 예를 도시한다. 도 8c는, 기판 또는 기판상에 증착된 중합체 층과 같은, 하부 층(822)상의 원통형 기둥들(824)의 2차원 어레이를 포함하는 2차원 표면 릴리프 격자(820)의 예를 도시한다. 원통형 기둥들(824)은 직경, 높이 및 피치(또는 인접한 기둥들 사이의 거리)와 같은 유사한 치수를 가질 수 있다. 도 8d는, 기판 또는 기판상에 증착된 중합체 층과 같은, 하부 층(832)상의 원통형 기둥들(834)의 2차원 어레이를 포함하는 2차원 표면 릴리프 격자(830)의 예를 도시한다. 원통형 기둥들(834)은 직경, 높이 또는 피치와 같은 공간적으로 변하는 치수를 가질 수 있다.
상술된 표면 릴리프 격자는 다양한 기술을 사용하여 에칭, 성형 또는 달리 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 릴리프 격자는 포토리소그래피 기술을 사용한 포토레지스트 패터닝을 통해 제조될 수 있으며, 이어서 에칭(예를 들어, 건식 에칭)되어 패턴을 복굴절 재료 또는 등방성 재료로 전사할 수 있다. 상기 표면 릴리프 격자는 미리 제조된 몰드를 통해 나노임프린트 리소그래피를 사용하여 제조된 다음 경화, 냉각 및 몰드 박리를 사용하여 제조될 수도 있다.
상기 기판 릴리프 격자에 사용되는 이방성 재료는 일부 결정제, 중합체, 중합된 액정 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 결정제 또는 박막은 다른 격자 구조(또는 결정 위상, 예를 들어, 입방체, 정방정계, 육각형, 능면체 등) 및 상이한 방향들에 따른 상이한 원자 배열을 가질 수 있으며, 따라서 상이한 전파 방향 및/또는 광 진동 방향을 갖는 광 빔들에 대해 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 이와 같이, 광학 이방성 재료를 사용하여 제조된 격자들은 상이한 입사 방향 및/또는 상이한 편광 방향의 광에 대해 상이한 회절 성능을 가질 수 있다. 본원에 개시된 편광 감응성 격자를 제조하기 위해 사용되는 복굴절 재료의 예로는 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 재료), 복굴절 세라믹(예를 들어, 방해석 및 기타 단결정 무기물), 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 액정 중합체(LCP), 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자(예를 들면, 안트라센) 등을 포함할 수 있다.
이방성 광물은 예를 들어 단축성 복굴절 재료 또는 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 단축성 복굴절 재료는 하나의 광축을 포함할 수 있는 반면, 이축성 복굴절 재료는 2개의 광축을 가질 수 있다. 광 빔이 광축 배향으로 이방성 재료로 진입할 때, 이방성 재료에서의 속도는 광 빔의 편광 방향에 의존하지 않을 수 있다. 따라서, 상이한 편광 방향들을 갖는 광은 광축 배향으로 단일 속도로 이방성 재료를 통과할 수 있다. 광 빔이 광축 배향과 다른 방향으로 이방성 재료로 진입하면, 이는 복굴절되어 2개의 광선들로 굴절될 수 있다. 상기 2개의 광선들은 직교하는 진동 또는 편광 방향을 가질 수 있으며 상이한 속도로 이동할 수 있다. 상기 2개의 광선들 중 하나(일반 광선 또는 o-광선이라 칭함)는 정상 굴절의 법칙(예를 들면, 쉘(Snell)의 법칙)을 따를 수 있으며, 이방성 재료를 통해 모든 방향으로 동일한 속도(예를 들면, c/no)로 이동할 수 있다. 다른 광선(특이 광선 또는 e-광선이라고 함)은 상기 결정제 내에서 광 빔의 전파 방향에 따라 달라질 수 있는 속도로 이동할 수 있다. 광 빔이 광축에 수직인 방향으로 상기 이방성 재료로 진입하면, 이는 동일한 경로를 취하나 상이한 전파 속도들을 가질 수 있는 일반 광선과 특이 광선으로 분리되어, 상기 이방성 재료를 통과한 후 이들 사이의 광학 위상 시프트를 가질 수 있다.
도 9a는 단축성 복굴절 재료의 굴절률 타원체(indicatrix; 900)의 예를 도시한다. 굴절률 타원체(900)는 단축성 복굴절 재료에서 다양한 진동 방향들로 전파되는 광의 굴절률을 보여준다. 상기 단축성 복굴절 재료는 하나의 광축(910)을 가질 수 있다. 따라서, 상기 단축성 복굴절 재료는 광축(예를 들어, e-광선)을 따라 편광된 광에 대한 하나의 굴절률(ne) 및 광축(910)에 수직인 임의의 방향(예를 들어, o-광선)에서 편광된 광에 대한 다른 굴절률(no)을 가질 수 있다. 굴절률 타원체(900)에 있어서, 타원체상의 각각의 포인트는 상기 타원체의 중심으로부터 상기 포인트까지의 벡터와 연관되며, 여기서 상기 벡터의 길이는 벡터 방향으로 진동하는 광의 굴절률에 비례한다.
단축성 복굴절 재료의 굴절률 타원체(900)에 도시된 바와 같이, 상기 단축성 복굴절 재료의 c-축은 또한 광축이다. 광축(910)의 방향으로 진동하는 e-광선은 상기 단축성 복굴절 재료에서 굴절률(ne)의 영향을 받을 수 있다. c-축에 수직(예를 들면, x-y 평면에 평행)인 방향으로 진동하는 광은 o-광선일 수 있으며, 상기 단축성 복굴절 재료에서 굴절률(no)의 영향을 받을 수 있다. 따라서, 상기 c-축에 수직인 방향으로 진동하는 광에 대한 벡터는 반경이 no인 원(920)을 형성할 수 있으며, 이는 단축 굴절률 타원체의 원형 단면으로 지칭될 수 있다.
c-축을 따라 이동하는 광은 c-축에 수직이거나 x-y 평면에 평행한 진동 방향을 가질 수 있으며, 따라서 굴절률(no)의 영향을 받을 수 있다. 광축(910)에 수직이거나 x-y 평면에 평행한 방향으로 이동하는 광은 광축(910)을 따른 진동 방향, 광축(910)에 수직인 진동 방향, 또는 광축(910)을 따른 성분 및 광축(910)에 수직인 성분을 포함할 수 있는 진동 방향을 가질 수 있다. 따라서, 방향(902)과 같은 광축(910)에 수직인 방향으로 전파되는 광은 방향(904)과 같은 방향(902)에 수직인 방향으로 진동할 수 있고, 서로 수직인 방향으로 진동하는 2개의 광선들로 분할될 수 있다. 2개의 광선들 중 하나(예를 들면, e-광선)는 광축(910)에 평행한 방향으로 진동하므로, 굴절률(ne)에 영향을 받을 수 있고, 다른 광선(예를 들면, o-광선)은 광축(910)에 수직인 방향(906)으로 진동하므로, 굴절률(no)에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 방향(902)으로 전파되는 광은 굴절률 타원체(900)를 수직으로 절단할 타원(930)(주요 단면으로 지칭됨)상의 포인트(932)에 의해 도시된 굴절률을 가질 수 있다. 광축(910)에 대해 비스듬한 방향으로 전파되는 광은 굴절률 타원체(900)의 임의 섹션(예를 들어, 타원(940))에 평행한 방향으로 진동할 수 있고 또한 2개의 광선들로 분할될 수 있으며, 그 중 하나는 임의 단면에 평행하고 광축(910)에 수직인 방향(예를 들어, y 방향, 따라서 굴절률(no)에 영향을 받음)으로 진동하고, 다른 하나는 상기 임의 단면에 평행한 다른 방향(예를 들어, 방향(942))으로 진동한다.
도 9b는 이축성 복굴절 재료에 대한 굴절률 타원체(905)의 예를 도시한다. 굴절률 타원체(905)는 이축성 복굴절 재료에서 전파되고 상이한 진동 방향들을 갖는 광에 대한 굴절률을 보여준다. 굴절률 타원체(905) 표면상의 각각의 포인트는 굴절률 타원체(905)의 중심으로부터 포인트까지의 벡터와 연관되며, 여기서 상기 벡터의 길이는 상기 벡터 방향으로 진동하는 광의 굴절률에 비례한다. 굴절률 타원체(905)는 x-z, y-z 및 x-y 평면의 세 가지 주요 섹션들을 포함할 수 있다. 상기 x-y 섹션은 축들(n1 및 n2)을 갖는 타원일 수 있고, 상기 x-z 섹션은 축들(n1 및 n3)을 갖는 타원일 수 있으며, 상기 y-z 섹션은 축들(n2 및 n3)을 갖는 타원일 수 있다. 굴절률 타원체(905)는 반경(n2)을 갖는 2개의 원형 섹션들(916, 918)을 가질 수 있다. 굴절률 타원체(905)를 통한 다른 섹션들은 타원일 수 있다.
상기 이축성 복굴절 재료는 2개의 광축들(912, 914)을 포함할 수 있다. 광축(912)은 원형 섹션(916)에 수직일 수 있고, 따라서 광축(912)을 따라 전파되는 광은 원형 섹션(916)에 평행한 방향으로 진동할 수 있고 동일한 굴절률(n2)에 영향을 받을 수 있다. 유사하게도, 광축(914)은 원형 섹션(918)에 수직일 수 있고, 따라서 광축(914)을 따라 전파되는 광은 원형 섹션(918)에 평행한 방향으로 진동할 수 있고 동일한 굴절률(n2)에 영향을 받을 수 있다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1000)의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 상술된 바와 같이, 상기 단축성 복굴절 재료는 예를 들어 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 재료), 복굴절 세라믹, 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 액정 중합체(LCP), 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자 등을 포함할 수 있다. 상기 단축성 복굴절 재료는 약 0.05-0.1 초과, 약 0.15 초과, 약 0.2 초과, 또는 약 0.5 초과의 복굴절을 가질 수 있다. 도 10a에 도시된 일 예에 있어서, 상기 단축성 복굴절 재료는 특정 PEN 또는 PET 중합체와 같은 단축성 복굴절 중합체를 포함할 수 있다. 격자(1000)는 상기 y 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들(1010)을 포함하는 1차원 표면 릴리프 격자일 수 있으며, 여기서 각각의 릿지(1010)는 상기 x 방향을 따라 연장할 수 있다. 상기 격자(1000)의 피치는 격자(1000)에서의 입사 광의 파장보다 클 수 있다. 격자(1000)는 광학적 등방성 재료를 포함할 수 있는 오버코트 층(1020)으로 코팅되어, 격자(1000)의 홈들이 광학적 등방성 재료로 충전될 수 있다. 상기 광학적 등방성 재료는 예를 들어 등방성 중합체를 포함할 수 있다.
도 10a에 도시된 예에 있어서, 상기 격자(1000) 내의 단축성 복굴절 중합체는 상기 y 방향과 같은, x-y 평면에 광축(1030)을 가질 수 있다. 따라서, 광축(1030)에 수직인 방향으로 상기 단축성 복굴절 중합체에서 전파되는 p-편광된 광은 (예를 들어, 광축(1030)을 따라) 상기 y 방향으로 진동할 수 있고, 따라서 (광축(1030)이 상기 y 방향에 있을 때) ne와 같은 제1 굴절률에 영향을 받거나 또는 (광축(1030)이 상기 y 방향에 있지 않을 때) 상기 단축성 복굴절 중합체의 no 및 ne 사이의 굴절률에 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 상기 z 방향으로 전파되는 p-편광된 광은, 격자 릿지들에서의 제1 굴절률 및 격자 홈들에서의 약 1.0과 같은, 격자 영역에서 상이한 굴절률들을 경험할 수 있다. 오버코트 층(1020)이 격자(1000)상에 코팅되고 상기 제1 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 경우, 격자(1000)상에 입사되는 p-편광된 광은 상기 x 방향으로 동일한 굴절률의 영향을 받지만 상기 y 방향으로는 상이한 굴절률의 영향을 받을 수 있으며, 따라서 상기 격자 영역에서 상이한 굴절률들을 경험할 수도 있다. 예를 들어, 상기 p-편광된 광은 상기 격자 릿지들에서 제1 굴절률을 경험하고, 상기 격자 홈들에서 상이한 굴절률을 경험할 수 있다. 따라서, 오버코트 층(1020)의 유무에 상관 없이, 상기 p-편광된 광은 상기 격자 영역(여기서, 굴절률 차이는 오버코트 층(1020) 없이 더 높을 수 있음)에서 구형파 굴절률 프로파일에 따른 굴절률을 경험할 수 있고, 따라서 도 10a에 도시된 바와 같이 격자(1000)의 표면 법선 방향에 대해 상이한 방향들로 예를 들어 -1 차수, 0 차수(비회절 또는 굴절) 또는 +1 차수로 격자(1000)에 의해 회절될 수 있다.
도 10b는 특정 실시예들에 따른 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1000)에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 10a와 관련하여 상술된 바와 같이, 상기 격자(1000) 내의 단축성 복굴절 중합체는 상기 y 방향과 같은, x-y 평면에서 광축(1030)을 가질 수 있다. 따라서, 광축(1030)에 수직인 방향으로 단축성 복굴절성 중합체에서 전파되는 s-편광된 광은 상기 x 방향(예를 들어, 광축(1030)에 수직)으로 진동할 수 있고, 따라서 (광축(1030)이 상기 y 방향에 있을 때) no와 같은 제2 굴절률에 영향을 받거나 또는 (광축(1030)이 상기 y 방향에 있지 않을 때) 상기 단축성 복굴절 중합체의 no 및 ne 사이의 굴절률에 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 격자(1000)상의 오버코트 층(1020) 없이, s-편광된 광은 격자 릿지들에서의 제1 굴절률 및 격자 홈들에서의 약 1.0과 같은, 격자 영역에서 상이한 굴절률들을 경험할 수 있다. 오버코트 층(1020)이 격자(1000)상에 코팅되고 상기 제2 굴절률에 근접하는 굴절률을 갖는 경우, 격자(1000)상에 입사되는 s-편광된 광은 상기 x 방향으로 동일하거나 유사한 굴절률의 영향을 받을 수 있고 또한 상기 격자 릿지들 및 홈들에서 상기 y 방향으로 동일하거나 유사한 굴절률들을 경험할 수 있으며, 따라서 격자(1000)를 통해 투과될 수 있고 또한 도 10b에 도시된 바와 같이 격자(1000)에 의해 회절되지 않을 수 있다. 이와 같은 방식으로, 격자(1000)는 선택적으로 p-편광된 광을 회절시키고 s-편광된 광을 투과시킬 수 있다.
도 10c는 특정 실시예들에 따른 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1005)의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 상술된 바와 같이, 상기 단축성 복굴절 재료는 예를 들어 복굴절성 중합체, 복굴절 세라믹, 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 액정 중합체(LCP), 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자 등을 포함할 수 있다. 상기 단축성 복굴절 재료는 약 0.05-0.1 초과, 약 0.15 초과, 약 0.2 초과, 또는 약 0.5 초과의 복굴절을 가질 수 있다. 도 10c에 도시된 실시예에 있어서, 상기 단축성 복굴절 재료는 특정 PEN 또는 PET 중합체와 같은 단축성 복굴절 중합체를 포함할 수 있다. 격자(1005)는 상기 y 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들(1040)을 포함하는 1차원 표면 릴리프 격자일 수 있으며, 여기서 각각의 릿지(1040)는 격자(1000)에서와 같이 상기 x 방향을 따라 연장될 수 있다. 상기 격자(1005)의 피치는 상기 격자(1005)에서의 입사 광의 파장보다 클 수 있다. 격자(1005)는 또한 광학적 등방성 재료를 포함할 수 있는 오버코트 층(1050)으로 코팅되어, 상기 격자(1005)의 홈들이 상기 광학적 등방성 재료로 충전될 수 있다. 상기 광학적 등방성 재료는 예를 들어 등방성 중합체를 포함할 수 있다.
격자(1000)에서와는 달리, 도 10c에 도시된 격자(1005)에서의 단축성 복굴절 중합체는 예를 들어 상기 x-y 평면에서 대략 x 방향으로 광축(1060)을 가질 수 있다. 따라서, 광축(1060)에 수직인 방향으로 상기 단축성 복굴절 중합체에서 전파되는 s-편광된 광은 (예를 들어, 광축(1060)을 따라) 상기 x 방향으로 진동할 수 있고, 따라서 (광축(1060)이 상기 x 방향에 있을 때) ne와 같은 제1 굴절률에 영향을 받거나 또는 (광축(1060)이 상기 x 방향에 있지 않을 때) 상기 단축성 복굴절 중합체의 no 및 ne 사이의 굴절률에 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 오버코트 층(1050)이 상기 제1 굴절률과 상이한 굴절률을 가질 때, 상기 격자(1005)상에 입사되는 s-편광된 광은 상기 x 방향으로 동일한 굴절률의 영향을 받지만 상기 y 방향으로는 상이한 굴절률의 영향을 받을 수 있으며, 따라서 도 10c에 도시된 바와 같이 격자(1005)의 표면 법선 방향에 대해 상이한 방향들로 예를 들어 -1 차수, 0 차수 또는 +1 차수로 격자(1005)에 의해 회절될 수 있다.
도 10d는 특정 실시예들에 따른 단축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1005)에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 도 10c와 관련하여 상술된 바와 같이, 상기 격자(1005) 내의 단축성 복굴절 중합체는 대략 상기 x 방향과 같은, 상기 x-y 평면에서 광축(1060)을 가질 수 있다. 따라서, 광축(1060)에 수직인 방향으로 상기 단축성 복굴절 중합체에서 전파되는 p-편광된 광은 상기 y 방향(예를 들어, 광축(1060)에 수직)으로 진동할 수 있고, 따라서 (광축(1060)이 상기 x 방향에 있을 때) no와 같은 제2 굴절률에 영향을 받거나 또는 (광축(1060)이 상기 x 방향에 있지 않을 때) 상기 단축성 복굴절 중합체의 now 및 ne 사이의 굴절률에 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 오버코트 층(1060)이 상기 제2 굴절률에 근접하는 굴절률을 가질 때, 상기 p-편광된 광은 상기 x 방향으로 동일하거나 유사한 굴절률 및 상기 y 방향으로 동일하거나 유사한 굴절률의 영향을 받을 수 있고, 따라서 도 10d에 도시된 바와 같이 격자(1005)를 통해 투과될 수 있고 격자(1005)에 의해 회절되지 않을 수 있다. 이와 같은 방식으로, 격자(1005)는 선택적으로 s-편광된 광을 회절시키고 p-편광된 광을 투과시킬 수 있다.
도 11a는 특정 실시예들에 따른 도파관 디스플레이(1100)를 위한 입력 커플러로서 사용되고 복굴절 재료를 포함하는 표면 릴리프 격자(1120)의 예를 도시한다. 표면 릴리프 격자(1120)는 상기 x 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 릿지는 상기 y 방향을 따라 연장할 수 있고 경사진 릿지 또는 블레이즈 표면을 포함할 수 있다. 상기 표면 릴리프 격자(1120)의 피치는 표면 릴리프 격자(1120)에서의 입사 광의 파장보다 클 수 있다. 표면 릴리프 격자(1120)는, 기판 또는 복굴절 재료 층이 증착된 기판을 포함할 수 있는, 도파관 층(1110)상에 형성될 수 있다.
도 11a에 도시된 예에 있어서, 표면 릴리프 격자(1120)는 격자(1000)와 유사할 수 있고, 상기 x 방향으로 광축(1112)을 가질 수 있는, 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 중합체)와 같은 단축성 복굴절 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 격자(1000)로서, 표면 릴리프 격자(1120)는 특정 회절 각도에서 p-편광된 광을 선택적으로 회절시킬 수 있어서, 상기 회절된 광은 예를 들어, 도 4와 관련하여 상술된 바와 같이 내부 전반사를 통해 도파관 층(1110) 내에서 전파될 수 있다. 입력 광선이 임의의 s-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 s-편광된 광은 회절이 거의 없거나 또는 전혀 없이 표면 릴리프 격자(1120) 및 도파관 층(1110)을 통해 투과될 수 있다. 따라서, 광원으로부터의 입력 광 빔이 대부분 p-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 광원으로부터의 광 빔은 도파관 층(1110) 내로 더욱 효율적으로 커플링될 수 있다.
도 11b는 특정 실시예들에 따라 도파관 디스플레이(1105)를 위한 커플러로서 사용되는 복굴절 재료를 포함하는 표면 릴리프 격자의 예를 도시한다. 상기 표면 릴리프 격자는 도파관 층(1130)상에 형성된 입력 격자(1140) 및 하나 이상의 출력 격자(1150)를 포함할 수 있으며, 이는 그 위에 증착된 기판 또는 복굴절 재료 층을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 출력 격자(1150) 및 입력 격자(1140)는 도파관 층(1130)의 동일한 측면상에 있거나 도파관 층(1130)의 반대편 측면들상에 위치할 수 있다. 입력 격자(1140) 및 출력 격자(1150)에 있어서의 표면 릴리스 격자들 각각은 상기 x 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 릿지는 상기 y 방향을 따라 연장될 수 있고 경사진 릿지 또는 블레이즈 표면을 포함할 수 있다. 상기 입력 격자(1140) 또는 출력 격자(1150)의 피치는 입력 격자(1140)에서의 입사 광의 파장보다 클 수 있다.
도 11b에 도시된 예에 있어서, 입력 격자(1140)는 표면 릴리프 격자(1120)와 유사할 수 있고, 상기 x 방향으로 광축(1132)을 가질 수 있는, 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 중합체)와 같은 단축성 복굴절 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 표면 릴리프 격자(1120)로서, 입력 격자(1140)는 특정 회절 각도에서 p-편광된 광을 선택적으로 회절시킬 수 있어서, 상기 회절된 광은 예를 들어 도 4와 관련하여 상술된 바와 같이 내부 전반사를 통해 도파관 층(1130) 내에서 전파될 수 있다. 상기 입력 광 빔이 임의의 s-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 s-편광된 광은 회절이 거의 없거나 또는 전혀 없이 표면 릴리프 격자(1120) 및 도파관 층(1110)을 통해 투과될 수 있다. 따라서, 광원으로부터의 입력 광 빔이 대부분의 p-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 광원으로부터의 광 빔은 도파관 층(1110) 내로 더욱 효율적으로 커플링될 수 있다.
입력 격자(1140)와 유사하게, 출력 격자(1150)는 상기 x 방향으로 광축(1132)을 가질 수 있는, 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 재료)와 같은 단축성 복굴절 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 입력 격자(1140)로서, 출력 격자(1150)는, 예를 들어, 도 4와 관련하여 상술된 바와 같이, 도파관 층(1130) 외부로 특정 각도로 도파관 층(1130) 내에서 전파되는 p-편광된 광을 선택적으로 회절시킬 수 있다. 상기 도파관 층(1130) 내에서 전파되는 광이 임의의 s-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 s-편광된 광은 내부 전반사로 인해 도파관 층(1130) 내에서 계속 전파할 수 있으며 출력 격자(1150)에 의해 회절되지 않을 수 있다. 따라서, 광원으로부터의 입력 광 빔이 대부분의 p-편광된 광을 포함하는 경우, 상기 광원으로부터의 광 빔은 입력 격자(1140)에 의해 도파관 층(1130) 내로 더욱 효율적으로 커플링될 수 있고 하나 이상의 출력 격자(1150)에 의해 하나 이상의 위치에서 도파관 층(1130) 밖으로 커플링될 수 있다.
비록 표면 릴리프 격자(1120), 입력 격자(1140), 및 출력 격자(1150)가 도 11a 및 도 11b에서 투과성 격자로서 도시되어 있지만. 표면 릴리프 격자(1120), 입력 격자(1140), 및 출력 격자(1150) 중 일부 또는 모두는 반사성 격자일 수 있다. 예를 들어, 입력 격자(1140)는 도파관 층(1130)의 하부 표면상에 위치할 수 있으며, 도파관 층(1130)의 상부 표면으로부터 도파관 층(1130)상으로 입사하는 광을 반사적으로 회절시킬 수 있다. 유사하게도, 출력 격자(1150)는 도파관 층(1130)의 상부 표면상에 위치할 수 있으며, 도파관 층(1130)의 상부 표면에서 출력 격자(1150)상으로 입사하는 광을 도파관 층(1130)의 하부 표면을 향해 그리고 도파관 층(1130) 밖으로 반사적으로 회절시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 표면 릴리프 격자(1120), 입력 격자(1140) 및 출력 격자(1150)는 상기 격자 릿지들 및 홈들이 형성되는 표면의 반대편에 반사 표면을 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 입력 격자(예를 들어, 입력 격자(1120 또는 1140))는 상기 회절된 광이 상기 도파관 층(예를 들어, 도파관 층(1110 또는 1130))에 의해 안내될 수 있는 하나의 편광 상태의 광(예를 들어, p-편광된 광)을 주로 회절시킬 수 있는 반면, 직교 편광된 광은 회절되지 않고 상기 입력 격자에 의해 대부분 투과될 수 있으며, 따라서 상기 도파관 층을 통해 투과될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 편광 선택적 반사 층(도 11a 및 11b에 도시되지 않음)은 상기 입력 격자 반대편의 상기 도파관 층의 표면상에, 예를 들어, 입력 격자(1120 또는 1140) 아래에 코팅될 수 있다. 상기 편광 선택적 반사 층은 상기 직교 편광된 광을 다시 입력 커플러로 또는 상기 도파관 층으로 반사시킬 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 편광 선택적 반사 층은 또한 상기 광을 편광 상태를 회전시킬 수 있는 편광 회전자(예를 들어, 1/4 파장판)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 편광 선택 반사 층은 제2 입력 커플러(도 11a 및 도 11b에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 제2 입력 커플러는 상기 입력 커플러(예를 들면, 입력 커플러(1120, 1140))에 대해 도파관 층의 반대면 표면(예를 들면, 하부 표면)상에 형성될 수 있다. 상기 제2 입력 커플러는 반사성 격자일 수 있고, 따라서 상기 도파관 층을 통과하는 직교 편광된 광을 안내 파로서 다시 상기 도파관 층으로 반사 회절시킬 수 있다. 따라서, 상기 도파관 층의 반대편 측면들상의 입력 커플러들은 편광된 또는 비편광된 광을 상기 도파관 층 내로 보다 효율적으로 커플링하기 위해 사용될 수 있거나, 또는, 예를 들어, 상이한 시야들 또는 상이한 파장 범위들에 대한 광을 상술된 바와 같은 도파관 층 내로 커플링하기 위해 사용될 수 있다.
도 12a는 특정 실시예들에 따른 복굴절 중합체를 포함하는 표면 릴리프 격자(1210)의 예의 원자력 현미경(AFM) 이미지이다. 표면 릴리프 격자(1210)는 복수의 격자 릿지들(1212) 및 격자 홈들(1214)을 포함할 수 있다. 격자 릿지들(1212)은 특정 PEN 또는 PET 재료의 층과 같은, 복굴절 중합체 재료 층에서 에칭될 수 있다. 예를 들어, 일부 PEN 재료들은 약 1.5와 약 1.7 사이의 일반 광선에 대한 굴절률(n o ), 및 약 1.7과 약 2.0 사이의 특이 광선에 대한 굴절률(n e )을 가질 수 있다. 상기 복굴절 중합체 재료 층의 광축은 격자 릿지들(1212)에 평행할 수 있으며, 따라서 표면 릴리프 격자(1210)는 도 10c에 도시된 격자(1005)로서 s-편광된 광을 우선적으로 회절시킬 수 있다. 격자 홈들(1214)은 상기 복굴절 중합체 재료 층의 굴절률(n o )과 일치하는 등방성 중합체와 같은 인덱스 매칭 재료로 충전되거나 충전되지 않을 수 있다.
도 12b는 특정 실시예들에 따른 도 12a에 도시된 표면 릴리프 격자(1210)의 측정된 편광 콘트라스트를 도시한다. 도 12b에 도시된 편광 콘트라스트는 -1 차수로 회절된 p-편광된 광량에 대한 -1 차수로 회절된 s-편광된 광량의 비율일 수 있다. 도 12b에서, 횡축은 상기 입사 광 빔의 파장을 나타내고, 종축은 표면 릴리프 격자(1210)상으로 입사하는 광 빔의 입사각을 나타내며, 상기 편광 콘트라스트의 로그는 상기 광 빔의 입사각 및 대응하는 파장에 대한 색상으로 나타내었다. 도 12a에 도시된 표면 릴리프 격자(1210)의 경우, 상기 입사 광 빔선이 약 63°의 입사각 및 약 668 nm의 파장을 가질 때, 가장 높은 편광 콘트라스트가 측정된다.
도 12c는 특정 실시예들에 따른 도 12a에 도시된 표면 릴리프 격자(1210)의 측정된 편광 콘트라스트를 도시한다. 도 12c에 도시된 편광 콘트라스트는 -1 차수로 회절된 p-편광된 광량에 대한 -1 차수로 회절된 s-편광된 광량의 비율일 수 있다. 도 12c에서 횡축은 상기 입사 광 빔의 파장을 나타내고, 종축은 표면 릴리프 격자(1210)상으로 입사하는 광 빔의 입사각을 나타내고, 상기 편광 콘트라스트의 로그는 상기 광 빔의 입사각 및 대응하는 파장에 대한 색상으로 나타내었다.
도 13a는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1300)의 예에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 상기 이축성 복굴절 재료는 예를 들어 복굴절 중합체(예를 들어, 일부 PEN 또는 PET 재료), 복굴절 세라믹, 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 LCP, 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자 등을 포함할 수 있다. 상기 이축성 복굴절 재료는 약 0.05-0.1 초과, 약 0.15 초과, 약 0.2 초과, 또는 약 0.5 초과의 복굴절을 가질 수 있다. 도 13a에 도시된 예에 있어서, 상기 이축성 복굴절 재료는 특정 PEN 또는 PET 재료와 같은, 이축성 복굴절 중합체를 포함할 수 있다. 격자(1300)는 상기 y 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들(1310)을 포함하는 1차원 표면 릴리프 격자일 수 있으며, 여기서 각각의 릿지(1310)는 상기 x 방향을 따라 연장할 수 있다. 상기 격자(1300)의 피치는 상기 격자(1300)의 입사 광의 파장보다 클 수 있다. 격자(1300)는 인덱스 매칭 등방성 재료로 상기 격자(1300)의 홈들을 충전시키기 위해 상기 인덱스 매칭 등방성 재료(예를 들어, 등방성 중합체)로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다.
도 13a에 도시된 예에 있어서, 격자(1300)에서 이축성 복굴절 중합체의 광축들 중 적어도 하나는 상기 x-y 평면에, 예를 들어 상기 x 방향, 상기 y 방향, 또는 상기 x 방향과 y 방향 사이에 위치할 수 있다. 상기 이축성 복굴절 중합체에서 광축(1320)에 수직인 방향(예를 들어, z 방향)으로 전파되는 P-편광된 광은 (예를 들어, 광축(1320)을 따라) 상기 y 방향으로 진동할 수 있다. 따라서, 상기 입사 광의 전기장은 광축(1320)에 평행한 방향(또는 상기 복굴절 중합체의 특이 굴절률(n e )의 방향)일 수 있다. 아래의 시뮬레이션 결과에 의해 도시된 바와 같이, 상기 p-편광된 광은 도 13a에 도시된 바와 같이 격자(1300)에 의한 회절이 거의 없거나 또는 전혀 없이 격자(1300)에 의해 투과(예를 들어, 굴절)될 수 있다.
도 13b는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1300)에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 도 13a와 관련하여 상술된 바와 같이, 상기 격자(1300)의 이축성 복굴절 중합체는 상기 x-y 평면에, 예를 들어 상기 y 방향으로 광축(1320)을 가질 수 있다. 따라서, 상기 이축성 복굴절 중합체에서 광축(1320)에 수직인 방향으로 전파되는 s-편광된 광은 상기 x 방향(예를 들어, 광축(1320)에 수직)으로 진동할 수 있다. 따라서, 상기 입사 광의 전기장은 광축(1320)에 수직인 방향(또는 상기 복굴절성 중합체의 특이 굴절률(n e )의 방향)일 수 있다. 아래의 시뮬레이션 결과에 의해 도시되는 바와 같이, 상기 s-편광된 광은 격자(1300)에 의해, 예를 들어, 도 11b에 도시된 바와 같이 격자(1300)의 표면 법선 방향에 대해 상이한 방향들로 -1 차수, 0 차수 또는 +1 차수로 회절될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 격자(1300)는 선택적으로 s-편광된 광을 회절시키고 p-편광된 광을 투과시킬 수 있다.
도 13c는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1305)의 예에 의한 s-편광파의 회절을 도시한다. 상기 이축성 복굴절 재료는 예를 들어 복굴절 중합체(예를 들어, 특정 PEN 또는 PET 재료), 복굴절 세라믹, 중합체/LCP 혼합물을 포함하는 정렬된 LCP, 정렬된 에피택셜 단결정 유기 분자 등을 포함할 수 있다. 상기 이축성 복굴절 재료는 약 0.05-0.1 초과, 약 0.15 초과, 약 0.2 초과, 또는 약 0.5 초과의 복굴절을 가질 수 있다. 도 13c에 도시된 예에 있어서, 상기 이축성 복굴절 재료는 특정 PEN 또는 PET 재료와 같은, 이축성 복굴절 중합체를 포함할 수 있다. 격자(1305)는 상기 y 방향을 따라 배열된 복수의 릿지들(1310)을 포함하는 1차원 표면 릴리프 격자일 수 있으며, 여기서 각각의 릿지(1310)는 상기 x 방향을 따라 연장할 수 있다. 상기 격자(1305)의 피치는 상기 격자(1305)에서의 입사 광의 파장보다 클 수 있다. 격자(1300)는 인덱스 매칭 등방성 재료로 상기 격자(1300)의 홈들을 충전시키기 위해 상기 인덱스 매칭 등방성 재료(예를 들어, 등방성 중합체)로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다.
도 13c에 도시된 예에 있어서, 격자(1305)에서의 상기 이축성 복굴절 중합체의 광축은 상기 x-y 평면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 이축성 복굴절 중합체의 광축(1340)은 상기 y 방향일 수 있다. 상기 이축성 복굴절 중합체에서 광축(1340)에 수직인 방향(예를 들어, z 방향)으로 전파되는 S-편광된 광은 (예를 들어, 광축(1340)을 따라) 상기 x 방향으로 진동할 수 있다. 따라서, 상기 입사 광의 전기장은 광축(1340)에 평행한 방향(또는 상기 복굴절 중합체의 특이 굴절률(n e )의 방향)일 수 있다. 아래의 시뮬레이션 결과에 의해 도시된 바와 같이, 상기 p-편광된 광은 예를 들면 도 13c에 도시된 바와 같이 격자(1305)의 표면 법선 방향에 대해 상이한 방향들로 -1 차수, 0 차수 또는 +1 차수로 회절될 수 있다.
도 13d는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하는 격자(1305)에 의한 p-편광파의 회절을 도시한다. 도 13c와 관련하여 상술된 바와 같이, 상기 격자(1305)의 이축성 복굴절 중합체는상기 x-y 평면에, 예를 들어 상기 x 방향으로 광축(1340)을 가질 수 있다. 따라서, 상기 이축성 복굴절 중합체에서 광축(1340)에 수직인 방향으로 전파되는 p-편광된 광은 상기 y 방향(예를 들어, 광축(1340)에 수직)으로 진동할 수 있다. 따라서, 상기 입사 광의 전기장은 광축(1340)에 수직인 방향(또는 상기 복굴절 중합체의 특이 굴절률(n e )의 방향)일 수 있다. 아래의 시뮬레이션 결과에 의해 도시되는 바와 같이, 상기 p-편광된 광은 도 13d에 도시된 바와 같이 회절이 거의 없거나 또는 전혀 없이 격자(1305)에 의해 투과(예를 들어, 굴절)될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 격자(1305)는 선택적으로 s-편광된 광을 회절시키고 p-편광된 광을 투과시킬 수 있다.
도 14a는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료를 포함하고 인덱스 매칭 오버코트 층이 없는 표면 릴리프 격자(1400)의 예를 도시한다. 표면 릴리프 격자(1400)는 복수의 릿지들(1402) 및 복수의 홈들(1404)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 릿지들(1402)은 예를 들어 특정 PEN 또는 PET 중합체와 같은, 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 홈들(1404)은 인덱스 매칭 재료로 충전되지 않을 수 있는 에어 갭일 수 있다.
도 14a에 도시된 예에 있어서, 표면 릴리프 격자(1400)는 약 620 nm의 타겟 파장에 대해 리트로(Littrow) 구성으로 동작할 수 있고, -1 차수 회절만이 존재할 수 있도록 설계될 수 있다. 표면 릴리프 격자(1400)가 반사 모드로 동작하는 경우, 가장 높은 회절 효율을 갖는 회절 차수의 입사각과 회절각은 동일할 수 있다. 따라서, (s- 또는 p-편광될 수 있는) 입사 광 빔(1406)에 대해, 0 차수 회절(반사)은 광 빔(1408)에 의해 표시될 수 있고, -1 차수 회절은 광 빔(1410)에 의해 표시될 수 있다. 표면 릴리프 격자(1400)가 투과 모드로 동작하는 경우, 입사 광 빔(1406)에 대해, 상기 0 차수 회절(반사)은 광 빔(1412)으로 표시될 수 있고, -1 차수 회절은 광 빔(1414)으로 표시될 수 있다.
도 14b는 리트로 구성으로 동작하는 도 14a의 표면 릴리프 격자(1400)의 시뮬레이션된 성능 및 특정 실시예들에 따른 상이한 편광 상태의 입사 광에 대한 투과 모드의 예를 도시한다. 도 14b는 2개의 상이한 편광 상태들(예를 들어, s- 및 p-편광)의 입사 광에 대한 0 차수 회절(예를 들어, 광 빔(1412)) 및 -1 차수 회절(예를 들어, 광 빔(1414))의 강도를 나타낸다. 다이어그램(1420)은 상이한 파장 및 입사각을 갖는 s-편광된 광에 대한 -1 차수 회절의 회절 효율을 나타내며, 여기서 상이한 회절 효율들은 상이한 색상들로 표시된다. 다이어그램(1430)은 상이한 파장 및 입사각을 갖는 s-편광된 광에 대한 0 차수 회절의 회절 효율을 나타내며, 여기서 상이한 회절 효율들은 상이한 색상들로 표시된다. 다이어그램들(1420 및 1430)에 있어서, 가로축은 입사 광 빔(1406)의 파장에 대응하고, 세로축은 입사 광 빔(1406)의 입사각에 대응한다. 다이어그램들(1420 및 1430)은, s-편광된 광에 대해, 상기 -1 차수 회절이 상기 0 차수 회절보다 훨씬 높은 회절 효율을 가질 수 있다는 사실을 나타낸다.
도 14b에서 다이어그램(1440)은 상이한 파장과 및 입사각을 갖는 p-편광된 광에 대한 -1 차수 회절의 회절 효율을 나타내며, 여기서 상이한 회절 효율들은 상이한 색상들로 표시된다. 다이어그램(1450)은 상이한 파장 및 입사각을 갖는 p-편광된 광에 대한 0 차수 회절의 회절 효율을 나타내며, 여기서 상이한 회절 효율들은 상이한 색상들로 표시된다. 다이어그램들(1440 및 1450)에 있어서, 가로축은 입사 광 빔(1406)의 파장에 대응하고, 세로축은 입사 광 빔(1406)의 입사각에 대응한다. 다이어그램들(1440 및 1450)은, p-편광된 광에 대해, 상기 -1 차수 회절이 상기 0 차수 회절보다 훨씬 낮은 회절 효율을 가질 수 있다는 사실을 나타낸다. 따라서, 표면 릴리프 격자(1400)는 p-편광된 광보다 s-편광된 광에 대해 훨씬 더 높은 -1 차수 회절 효율을 가질 수 있다.
다이어그램들(1420 및 1440)로부터, s-편광된 광과 p-편광된 광 사이의 -1 차수 회절의 편광 콘트라스트가 결정될 수 있다. 예를 들어, 약 650 nm의 광 및 표면 릴리프 격자(1400)로 입사하는 약 50°의 입사각에 대해, 상기 편광 콘트라스트는 1×108보다 클 수 있다. 따라서, 표면 릴리프 격자(1400)는 편광에 매우 민감할 수 있다.
도 15a는 특정 실시예들에 따른 이축성 복굴절 재료 및 인덱스 매칭 오버코트 층을 포함하는 표면 릴리프 격자(1500)의 예를 도시한다. 도 15a에는 표면 릴리프 격자(1500)의 단일 격자 릿지(1510)가 도시되어 있으며, 여기서 격자 릿지(1510)는 상기 x-y 평면의 단면과 함께 상기 z 방향을 따라 연장될 수 있다. 격자 릿지(1510)는 상기 x-z 평면에서 광축(1520)을 갖는 이축성 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 광축(1520)과 격자 릿지(1510)(예를 들어, z 방향) 사이의 각도는 θ이다.
도 15b는 특정 실시예들에 따른 상이한 편광 상태의 광에 대한, 도 15a의 표면 릴리프 격자(1500)의 시뮬레이션된 성능을 도시한다. 다이어그램(1530)은 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 s-편광된 광에 대한 회절 효율을 나타낸다. 다이어그램(1530)에서, 가로축은 광축(1520)과 격자 릿지(1510)(예를 들어, z 방향) 사이의 각도(θ)에 대응하고, 세로축은 회절 효율에 대응한다. 곡선(1532)은 입력 광이 s-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 0 차수 회절(비회절 또는 굴절)의 s-편광된 광의 효율(또는 비율)을 나타낸다. 곡선(1534)은 입력 광이 s-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 -1 차수 회절의 s-편광된 광의 효율(또는 비율)을 나타낸다. 곡선(1536)은 입력 광이 s-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 -1 차수 회절 및 0 차수 회절을 포함하는 s-편광된 광의 총 효율을 나타낸다. 다이어그램(1530)은 광축(1520)이 격자 릿지(1510)에 평행(예를 들어, z 방향)할 때 상기 -1 차수 회절에 대한 회절 효율이 100%에 근접하고, 광축(1520)이 격자 릿지(1510)에 수직(예를 들어, x 방향)일 때 90%에 근접하는 것을 나타낸다.
다이어그램(1540)은, 상기 입력 광이 s-편광될 때, 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의해 회절되는 0 차수, -1 차수 및 전체 광의 p-편광된 광의 효율이 0에 근접한다는 사실을 보여준다. 따라서, 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 회절에 의해 야기되는 s-편광된 광으로부터 p-편광된 광으로의 편광 변환은 매우 낮다. 따라서, 상기 입력 광이 s-편광될 때, 표면 릴리프 격자(1500)에 의해 회절되는 0 차수, -1 차수 및 전체 광은 주로 s-편광된 광이다. 상기 -1 차수 회절의 편광 콘트라스트는 s-편광된 입력 광에 대해 매우 높을 수 있다.
다이어그램(1550)은 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 p-편광된 광에 대한 회절 효율을 도시한다. 다이어그램(1550)에서, 가로축은 광축(1520)과 격자 릿지(1510)(예를 들어, z 방향) 사이의 각도(θ)에 대응하고, 세로축은 회절 효율에 대응한다. 다이어그램(1550)은, 상기 입력 광이 p-편광될 때, 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의해 회절되는 0 차수, -1 차수 및 전체 광에서의 s-편광된 광의 효율이 0에 근접한다는 사실을 보여준다. 따라서, 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 회절에 의해 야기되는 p-편광된 광으로부터 s-편광된 광으로의 편광 변환은 매우 낮다. 따라서, 상기 입력 광이 p-편광될 때, 표면 릴리프 격자(1500)에 의해 회절되는 0 차수, -1 차수 및 전체 광은 주로 p-편광된 광이다.
다이어그램(1560)은 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 p-편광된 광에 대한 회절 효율을 도시한다. 곡선(1562)은 상기 입력 광이 p-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 -1 차수 회절에서 p-편광된 광의 효율(또는 비율)을 나타낸다. 곡선(1562)은 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 상기 -1 차수 회절에서 p-편광된 광의 효율이 0에 근접한다는 사실을 보여준다. 곡선(1564)은 상기 입력 광이 p-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 0 차수 회절에서 p-편광된 광의 효율(또는 비율)을 나타낸다. 곡선(1564)은 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 상기 0 차수 회절에서 p-편광된 광(회절되지 않은 p-편광된 광)의 효율이 100%에 근접한다는 사실을 보여준다. 곡선(1566)은 상기 입력 광이 p-편광될 때 상이한 광축 배향을 갖는 표면 릴리프 격자(1500)에 의한 상기 -1 차수 회절 및 0 차수 회절을 포함하는 p-편광된 광의 총 효율을 나타낸다. 다이어그램(1560)은 상기 -1 차수 회절에 대한 회절 효율이 -편광된 입사 광에 대해 0%에 근접한다는 사실을 나타낸다.
도 14b 및 도 15b는, 이축성 복굴절 재료가 상기 표면 릴리프 격자에 사용되고 상기 이축성 복굴절 재료의 광축이, 상기 x-z 평면과 같은, 격자 벡터(예를 들어, x 방향) 및 릿지(1510)의 측방향 연장 방향(예를 들어, z 방향)을 포함하는 평면에 위치하는 경우, s-편광된 광(격자 릿지들 또는 홈들에 평행한 방향으로 진동하는 광)은 약 -90° 내지 약 90° 범위의 상기 광축과 격자 릿지(예를 들면, z 방향) 사이의 각도(θ)에 대해 높은 회절 효율로 s-편광된 -1 차수 회절로 회절될 수 있다. 동일한 표면 릴리프 격자는, 약 -90° 내지 약 90° 범위의 상기 광축과 격자 릿지(예를 들면, z 방향) 사이의 각도(θ)에 대해, p-편광된 입사 광에 대한 매우 낮은(예를 들면, 0에 근접하는) -1 차수 회절 효율 및 매우 높은 0 차수 회절(비회절된 광) 효율을 가질 수 있다. 따라서, 인덱스 매칭 오버코트 층을 갖거나 또는 갖지 않는 이축성 복굴절 재료를 사용하여 제조된 표면 릴리프 격자들은 편광에 민감할 수 있으며, 상기 광축이 격자 벡터를 포함하는 평면에서 회전하고 상기 표면 릴리프 격자의 표면 법선 방향에 수직인 경우에도, 유사한 편광 민감성 회절 성능을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 인공 현실 시스템의 구성 요소들을 구현하거나 또는 인공 현실 시스템과 함께 구현하기 위해 사용될 수 있다. 인공 현실은 예를 들면 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 그들의 일부 조합 및/또는 파생물을 포함할 수 있는, 사용자에게 표시하기 전에 어떤 방식으로든 조정된 현실의 한 형태이다. 인공 현실 콘텐츠는 완전히 생성된 콘텐츠 또는 캡처된(예를 들면, 현실 세계) 콘텐츠와 결합 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 상기 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 햅틱 피드백 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있으며, 이들 중 임의의 것은 단일 채널 또는 다중 채널(예를 들면, 시청자에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오)로 제공될 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에 있어서, 인공 현실은 또한 예를 들어 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되거나 또는 다른 경우 인공 현실에서 사용되는(예를 들어, 인공 현실에서 활동을 수행), 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 상기 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은 호스트 컴퓨터 시스템에 연결된 머리 장착형 디스플레이(HMD), 독립형 HMD, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템을 포함하는 다양한 플랫폼상에서, 또는 1명 이상의 시청자에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼상에서 구현될 수 있다.
도 16은 본원에 개시된 예들 중 일부를 구현하기 위한 예시적인 근안 디스플레이(예를 들어, HMD 디바이스)의 예시적인 전자 시스템(1600)의 단순화된 블록도이다. 전자 시스템(1600)은 HMD 디바이스 또는 상술된 다른 근안 디스플레이의 전자 시스템으로서 사용될 수 있다. 본 예에 있어서, 전자 시스템(1600)은 하나 이상의 프로세서(들)(1610) 및 메모리(1620)를 포함할 수 있다. 프로세서(들)(1610)는 복수의 컴포넌트들에서 동작을 수행하기 위한 명령어들을 실행하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 휴대용 전자 디바이스 내에서 구현하기에 적합한 범용 프로세서 또는 마이크로프로세서일 수 있다. 프로세서(들)(1610)는 전자 시스템(1600) 내의 복수의 구성 요소들과 통신 가능하게 연결될 수 있다. 이와 같은 통신 연결을 실현하기 위해, 프로세서(들)(1610)는 버스(1640)를 통해 다른 예시된 구성 요소들과 통신할 수 있다. 버스(1640)는 전자 시스템(1600) 내에서 데이터를 전송하도록 구성된 임의의 서브시스템일 수 있다. 버스(1640)는 데이터를 전송하기 위한 복수의 컴퓨터 버스들 및 추가 회로를 포함할 수 있다.
메모리(1620)는 프로세서(들)(1610)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 메모리(1620)는 단기 및 장기 저장 모두를 제공할 수 있으며, 여러 유닛들로 분할될 수 있다. 메모리(1620)는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 및/또는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)와 같은 휘발성 및/또는 읽기 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성일 수 있다. 또한, 메모리(1620)는 보안 디지털(SD) 카드와 같은 제거 가능한 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 메모리(1620)는 전자 시스템(1600)을 위한 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 및 기타 데이터의 저장을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 메모리(1620)는 상이한 하드웨어 모듈들로 분산될 수 있다. 명령어 및/또는 코드의 세트가 메모리(1620)상에 저장될 수 있다. 상기 명령어들은 전자 시스템(1600)에 의해 실행될 수 있는 실행 가능 코드의 형태를 취하고, 그리고/또는 소스 및/또는 설치 가능한 코드의 형태를 취할 수 있으며, (예를 들어, 일반적으로 이용 가능한 다양한 컴파일러, 설치 프로그램, 압축/압축해제 유틸리티 등을 사용하여) 전자 시스템(1600)상에 컴파일 및/또는 설치할 때, 실행 가능한 코드의 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 메모리(1620)는 임의의 수의 애플리케이션을 포함할 수 있는 복수의 애플리케이션 모듈들(1622 내지 1624)을 저장할 수 있다. 애플리케이션의 예로는 게임 애플리케이션, 회의 애플리케이션, 비디오 재생 애플리케이션 또는 기타 적절한 애플리케이션을 포함할 수 있다. 상기 애플리케이션은 깊이 감지 기능 또는 눈 추적 기능을 포함할 수 있다. 애플리케이션 모듈들(1622 내지 4924)은 프로세서(들)(1610)에 의해 실행될 특정 명령어들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 특정 애플리케이션 또는 애플리케이션 모듈들(1622 내지 4924)의 일부는 다른 하드웨어 모듈들(1680)에 의해 실행될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 메모리(1620)는 보안 정보에 대한 복사 또는 기타 무단 접근을 방지하기 위한 추가 보안 제어를 포함할 수 있는 보안 메모리를 추가적으로 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 메모리(1620)는 내부에 로딩된 운영 시스템(1625)을 포함할 수 있다. 운영 시스템(1625)은 애플리케이션 모듈들(1622 내지 4924)에 의해 제공되는 명령어들의 실행을 개시하고 그리고/또는 다른 하드웨어 모듈들(1680)뿐만 아니라 하나 이상의 무선 트랜시버를 포함할 수 있는 무선 통신 서브시스템(1630)과의 인터페이스를 관리하도록 작동될 수 있다. 운영 시스템(1625)은 스레딩(threading), 리소스 관리, 데이터 저장 제어 및 기타 유사한 기능을 포함하는 전자 시스템(1600)의 구성 요소들에 걸쳐 다른 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
무선 통신 서브시스템(1630)은 예를 들어 적외선 통신 디바이스, 무선 통신 디바이스 및/또는 칩셋(Bluetooth® 디바이스, IEEE 802.11 디바이스, Wi-Fi 디바이스, WiMax 디바이스, 셀룰러 통신 설비 등) 및/또는 유사한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 전자 시스템(1600)은 무선 통신 서브시스템(1630)의 일부로서 또는 상기 시스템의 임의의 부분에 결합되는 별도의 구성 요소로서 무선 통신을 위한 하나 이상의 안테나(1634)를 포함할 수 있다. 원하는 기능에 따라, 무선 통신 서브시스템(1630)은 기지국 및 다른 무선 디바이스 및 액세스 포인트와 통신하기 위한 별도의 송수신기를 포함할 수 있으며, 여기에는 무선 광역 네트워크(WWAN), 무선 광역 통신망(WLAN), 또는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN)와 같은 다른 데이터 네트워크 및/또는 네트워크 유형과의 통신이 포함될 수 있다. WWAN은 예를 들어 WiMax(IEEE 802.16) 네트워크일 수 있다. WLAN은 예를 들어 IEEE 802.11x 네트워크일 수 있다. WPAN은 예를 들어 블루투스 네트워크, IEEE 802.15x 또는 일부 다른 유형의 네트워크일 수 있다. 본원에 설명된 기술은 또한 WWAN, WLAN 및/또는 WPAN의 임의의 조합을 위해 사용될 수 있다. 무선 통신 서브시스템(1630)은 데이터가 네트워크, 다른 컴퓨터 시스템, 및/또는 본원에 설명된 임의의 다른 디바이스들과 교환되는 것을 허용할 수 있다. 무선 통신 서브시스템(1630)은, 안테나(들)(1634) 및 무선 링크(들)(1632)를 사용하여, HMD 디바이스의 식별자, 위치 데이터, 지리적 맵, 열적 맵, 사진 또는 비디오와 같은 데이터를 송신 또는 수신하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 무선 통신 서브시스템(1630), 프로세서(들)(1610), 및 메모리(1620)는 함께 본원에 개시된 일부 기능을 수행하기 위한 수단들 중 하나 이상의 적어도 일부를 포함할 수 있다.
전자 시스템(1600)의 실시예들은 또한 하나 이상의 센서(1690)를 포함할 수 있다. 센서(들)(1690)는 예를 들어, 이미지 센서, 가속도계, 압력 센서, 온도 센서, 근접 센서, 자력계, 자이로스코프, 관성 센서(예를 들면, 가속도계와 자이로스코프를 결합한 모듈), 주변광 센서, 또는 깊이 센서 또는 위치 센서와 같은 감각 출력을 제공하거나 그리고/또는 감각 입력을 수신하도록 작동할 수 있는 임의의 다른 유사 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에 있어서, 센서(들)(1690)는 하나 이상의 관성 측정 유닛(IMU) 및/또는 하나 이상의 위치 센서를 포함할 수 있다. IMU는 하나 이상의 위치 센서로부터 수신된 측정 신호들에 기초하여 상기 HMD 디바이스의 초기 위치에 대한 상기 HMD 디바이스의 추정된 위치를 나타내는 캘리브레이션 데이터(calibration data)를 생성할 수 있다. 위치 센서는 상기 HMD 디바이스의 움직임에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성할 수 있다. 상기 위치 센서의 예로는 하나 이상의 가속도계, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 모션을 감지하는 다른 적절한 유형의 센서, 상기 IMU의 오류 수정을 위해 사용되는 유형의 센서, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 상기 위치 센서들은 상기 IMU 외부, 상기 IMU 내부 또는 이들의 조합에 위치할 수 있다. 적어도 일부 센서들은 감지를 위해 구조화된 광 패턴을 사용할 수 있다.
전자 시스템(1600)은 디스플레이 모듈(1660)을 포함할 수 있다. 디스플레이 모듈(1660)은 근안 디스플레이일 수 있고, 전자 시스템(1600)으로부터 사용자에게 이미지, 비디오, 및 다양한 명령어와 같은 정보를 그래픽적으로 제공할 수 있다. 이와 같은 정보는 하나 이상의 애플리케이션 모듈(1622 내지 4924), 가상 현실 엔진(1626), 하나 이상의 다른 하드웨어 모듈(1680), 이들의 조합, 또는 (예를 들면, 운영 시스템(1625)에 의해) 사용자를 위한 그래픽 콘텐츠를 해결하기 위한 임의의 다른 적절한 수단으로부터 파생될 수 있다. 디스플레이 모듈(1660)은 액정 디스플레이(LCD) 기술, 발광 다이오드(LED) 기술(예를 들어, OLED, ILED, μLED, AMOLED, TOLED 등을 포함함), 발광 중합체 디스플레이(LPD) 기술, 또는 일부 다른 디스플레이 기술을 사용할 수 있다.
전자 시스템(1600)은 사용자 입력/출력 모듈(1670)을 포함할 수 있다. 사용자 입력/출력 모듈(1670)은 사용자가 전자 시스템(1600)에 작업 요청을 전송하도록 허용할 수 있다. 작업 요청은 특정 동작을 수행하기 위한 요청일 수 있다. 예를 들어, 작업 요청은 애플리케이션을 시작 또는 종료하거나 애플리케이션 내에서 특정 작업을 수행하는 것일 수 있다. 사용자 입력/출력 모듈(1670)은 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 입력 디바이스로는 터치스크린, 터치 패드, 마이크로폰(들), 버튼(들), 다이얼(들), 스위치(들), 키보드, 마우스, 게임 제어기, 또는 작업 요청을 수신하고 상기 수신된 작업 요청을 전자 시스템(1600)에 전달하기 위한 임의의 다른 적절한 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 사용자 입력/출력 모듈(1670)은 전자 시스템(1600)으로부터 수신된 명령어들에 따라 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 햅틱 피드백은 작업 요청이 수신되거나 수행었을 때 제공될 수 있다.
전자 시스템(1600)은 예를 들어 사용자의 눈 위치를 추적하기 위해 사용자의 사진 또는 비디오를 찍기 위해 사용될 수 있는 카메라(1650)를 포함할 수 있다. 카메라(1650)는 또한 예를 들어 VR, AR 또는 MR 애플리케이션을 위해 환경의 사진 또는 비디오를 찍기 위해 사용될 수 있다. 카메라(1650)는 예를 들어, 수백만 또는 수천만 픽셀을 갖는 상보형 금속산화 반도체(CMOS) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 카메라(1650)는 3-D 이미지를 캡처하기 위해 사용될 수 있는 2개 이상의 카메라들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전자 시스템(1600)은 복수의 다른 하드웨어 모듈들(1680)을 포함할 수 있다. 다른 하드웨어 모듈들(1680) 각각은 전자 시스템(1600) 내의 물리적 모듈일 수 있다. 다른 하드웨어 모듈들(1680) 각각은 구조적으로 영구적으로 구성될 수 있는 반면, 다른 하드웨어 모듈들(1680) 중 일부는 특정 기능을 수행하도록 일시적으로 구성되거나 일시적으로 활성화될 수 있다. 다른 하드웨어 모듈들(1680)의 예로는 예를 들어 오디오 출력 및/또는 입력 모듈(예를 들면, 마이크로폰 또는 스피커), 근안 통신(NFC) 모듈, 충전식 배터리, 배터리 관리 시스템, 유선/무선 배터리 충전 시스템 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 다른 하드웨어 모듈들(1680)의 하나 이상의 기능은 소프트웨어로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전자 시스템(1600)의 메모리(1620)는 또한 가상 현실 엔진(1626)을 저장할 수 있다. 가상 현실 엔진(1626)은 전자 시스템(1600) 내의 애플리케이션을 실행할 수 있고, 또한 위치 정보, 가속도 정보, 속도 정보, 예측된 미래 위치, 또는 상기 다양한 센서들에서 HMD 디바이스의 일부 조합을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 가상 현실 엔진(1626)에 의해 수신된 정보는 디스플레이 모듈(1660)에 대한 신호(예를 들어, 디스플레이 명령어들)를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 수신된 정보가 사용자가 좌측을 바라보았다는 것을 나타내면, 가상 현실 엔진(1626)은 가상 환경에서 사용자의 움직임을 미러링하는 상기 HMD 디바이스에 대한 콘텐츠를 생성할 수 있다. 추가적으로, 가상 현실 엔진(1626)은 사용자 입력/출력 모듈(1670)로부터 수신된 작업 요청에 응답하여 애플리케이션 내에서 작업을 수행하고 사용자에게 피드백을 제공할 수 있다. 상기 제공된 피드백은 시각적, 청각적 또는 촉각적 피드백일 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 프로세서(들)(1610)는 가상 현실 엔진(1626)을 실행할 수 있는 하나 이상의 GPU를 포함할 수 있다.
다양한 구현들에 있어서, 상술된 하드웨어 및 모듈들은 유선 또는 무선 연결을 사용하여 서로 통신할 수 있는 단일 디바이스 또는 다중 디바이스상에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에 있어서, GPU, 가상 현실 엔진(1626) 및 애플리케이션(예를 들면, 추적 애플리케이션)과 같은 일부 구성 요소 또는 모듈들은 상기 머리 장착형 디스플레이 디바이스와 별개의 콘솔상에서 구현될 수 있다. 일부 구현들에 있어서, 하나의 콘솔은 하나 이상의 HMD에 연결되거나 지원될 수 있다.
대안적인 구성에 있어서, 상이한 및/또는 추가의 컴포넌트들이 전자 시스템(1600)에 포함될 수 있다. 유사하게도, 상기 컴포넌트들 중 하나 이상의 기능은 위에서 설명된 방식과 상이한 방식으로 상기 컴포넌트들 사이에 분포될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 전자 시스템(1600)은 AR 시스템 환경 및/또는 MR 환경과 같은 다른 시스템 환경을 포함하도록 수정될 수 있다.
위에서 논의된 방법, 시스템 및 디바이스는 예들이다. 다양한 실시예들은 다양한 절차 또는 구성 요소들을 적절하게 생략, 대체 또는 추가할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 구성들에 있어서, 설명된 방법은 설명된 것과 다른 순서로 수행될 수 있고 그리고/또는 다양한 단계들이 추가, 생략 및/또는 결합될 수 있다. 또한, 특정 실시예들과 관련하여 설명된 특징들은 다양한 다른 실시예들에서 조합될 수 있다. 상기 실시예들의 상이한 양태들 및 요소들은 유사한 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 기술은 발전되며, 따라서 대부분의 요소들은 본 발명의 범위를 그러한 특정 예에 제한하지 않는 예들이다.
상기 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 구체적인 세부 사항들이 상기 설명에 제공된다. 그러나, 실시예들은 이와 같은 특정 세부 사항들 없이 실행될 수 있다. 예를 들어, 잘 알려진 회로, 프로세스, 시스템, 구조 및 기술은 상기 실시예들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 도시되었다. 이와 같은 설명은 오직 예시적인 실시예들만을 제공하며, 또한 본 발명의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 상기 실시예들의 이전 설명은 다양한 실시예들을 구현하기 위한 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 구성 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있다.
또한, 일부 실시예들은 흐름도 또는 블록도로서 도시된 공정으로서 설명되었다. 비록 각각은 작업들을 순차적 공정으로 설명할 수 있지만, 대부분의 작업들은 병행해서 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 작업 순서가 재배열될 수 있다. 공정에는 도면에 포함되지 않은 추가 단계들이 존재할 수 있다. 또한, 방법의 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 상기 연관된 작업을 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들이 저장 매체와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 프로세서는 관련 작업들을 수행할 수 있다.
특정 요건들에 따라 상당한 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 맞춤형 또는 특수 목적의 하드웨어도 또한 사용될 수 있고 그리고/또는 특정 요소들이 하드웨어, 소프트웨어(애플릿 등과 같은 휴대용 소프트웨어 포함) 또는 둘 모두에서 구현될 수 있다. 또한, 네트워크 입력/출력 디바이스와 같은 다른 컴퓨팅 디바이스들에 대한 연결이 채용될 수 있다.
첨부된 도면들을 참조하면, 메모리를 포함할 수 있는 구성 요소들은 비일시적 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. "기계 판독 가능 매체" 및 "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 기계가 특정 방식으로 작동하게 하는 데이터의 제공에 참여하는 모든 저장 매체를 지칭할 수 있다. 위에 제공된 실시예들에 있어서, 실행을 위해 처리 유닛 및/또는 다른 디바이스(들)에 명령어/코드를 제공함에 있어서, 다양한 기계 판독 가능 매체가 포함될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 기계 판독 가능 매체는 그와 같은 명령어/코드를 저장 및/또는 운반하기 위해 사용될 수 있다. 많은 구현들에 있어서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 물리적 및/또는 실제적 저장 매체이다. 그와 같은 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 일반적인 형태는 예를 들어 컴팩트 디스크(CD) 또는 디지털 다목적 디스크(DVD)와 같은 자기 및/또는 광학 매체, 펀치 카드, 종이 테이프, 구멍 패턴을 갖는 기타 물리적 매체, RAM, 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(PROM), 지우기 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM), FLASH-EPROM, 기타 메모리 칩 또는 카트릿지, 이하에서 설명되는 반송파, 또는 컴퓨터가 명령어 및/또는 코드를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 제품은 절차, 기능, 서브프로그램, 프로그램, 루틴, 애플리케이션(앱), 서브루틴, 모듈, 소프트웨어 패키지, 클래스, 또는 명령어, 데이터 구조 또는 프로그램 명령문의 임의의 조합을 나타낼 수 있는 코드 및/또는 기계 실행 가능 명령어들을 포함할 수 있다.
당업자라면 본원에 설명된 메시지들을 전달하기 위해 사용되는 정보 및 신호들이 다양한 상이한 기술 및 기법들 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 위의 설명들 전체에서 참조될 수 있는 데이터, 명령어, 명령문, 정보, 신호, 비트, 기호 및 칩은 전압, 전류, 전자기파, 자기장 또는 입자, 광학 필드 또는 입자, 또는 이들의 임의의 조합으로 표시될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "및"과 "또는"은 또한 그와 같은 용어들이 사용되는 문맥에 적어도 부분적으로 의존할 것으로 예상되는 다양한 의미를 포함할 수 있다. 일반적으로, A, B 또는 C와 같은 목록을 연관시키기 위해 사용되는 경우, "또는"은 여기에서 포괄적인 의미로 사용되는 A, B 및 C를 의미할 뿐만 아니라, 여기에서는 독점적인 의미로 사용되는 A, B 또는 C를 의미한다. 또한, 본원에서 사용된 용어 "하나 이상"은 임의의 특징, 구조 또는 특성을 단수로 설명하기 위해 사용될 수 있거나, 또는 특징, 구조 또는 특성의 일부 조합을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 예일 뿐이며 청구된 주제는 이와 같은 예에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한, A, B 또는 C와 같은 목록을 연관시키기 위해 사용되는 경우, 용어 "~ 중 적어도 하나"는 A, AB, AC, BC, AA, ABC, AAB, AABBCCC 등과 같은, A, B 및/또는 C의 임의의 조합을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
또한, 특정 실시예들이 하드웨어 및 소프트웨어의 특정 조합을 사용하여 설명되었지만, 하드웨어 및 소프트웨어의 다른 조합도 또한 가능하다는 사실을 인식해야 한다. 특정 실시예들은 하드웨어로만, 또는 소프트웨어로만, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 일 예에 있어서, 소프트웨어는 본 발명에 기술된 단계, 작업 또는 공정들 중 임의의 것 또는 전부를 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 코드 또는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있으며, 여기서 컴퓨터 프로그램은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체상에 저장될 수 있다. 본원에 설명된 다양한 공정들은 동일한 프로세서 또는 상이한 프로세서들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
디바이스, 시스템, 구성 요소 또는 모듈들이 특정 작업 또는 기능을 수행하도록 구성되는 것으로 설명되는 경우, 그와 같은 구성은 예를 들어, 컴퓨터 명령어 또는 코드, 또는 비일시적 메모리 매체상에 저장된 코드 또는 명령어를 실행하도록 프로그래밍된 프로세서 또는 코어, 또는 이들의 임의의 조합을 실행하는 것과 같은, 작업을 수행하도록 전자 회로를 설계하고, 작업을 수행하도록 프로그래밍 가능한 전자 회로(예를 들면, 마이크로프로세서)를 프로그래밍함으로써 성취될 수 있다. 공정들은 공정간 통신을 위한 기존의 기술들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 기술들을 사용하여 통신할 수 있으며, 상이한 쌍의 공정들이 상이한 기술들을 사용할 수 있거나, 또는 동일한 쌍의 공정들이 상이한 시간에 상이한 기술들을 사용할 수 있다.
따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 그러나 청구범위에 명시된 더 넓은 정신과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 추가, 제외, 삭제 및 기타 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 비록 특정 실시예들이 설명되었지만, 이들은 제한하려는 의도를 갖지 않는다. 다양한 수정 및 등가물이 다음 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 도파관 디스플레이로서,
    가시광선 또는 근적외선 중 적어도 하나에 대해 투명한 기판; 및
    상기 기판상의 격자를 포함하고,
    상기 격자는 복굴절 재료(birefringent material)를 사용하여 형성된 릿지들을 포함하고, 제1 편광 상태에서 입사 광을 상기 기판의 안팎으로 선택적으로 커플링하도록 구성되고;
    상기 릿지들의 복굴절 재료는 상기 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 광축을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 복굴절 재료는 0.05 초과의 복굴절을 특징으로 하고;
    바람직하게는 상기 복굴절 재료는 0.1 초과의 복굴절을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
  3. 제1 또는 제2 항에 있어서, 상기 복굴절 재료는 복굴절 중합체, 복굴절 세라믹, 정렬된 액정 중합체, 또는 정렬된 단결정 유기 분자들 중 적어도 하나를 포함하며;
    바람직하게는 상기 복굴절 재료는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는, 도파관 디스플레이.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 항에 있어서, 상기 복굴절 재료는 단축성 복굴절 재료 또는 이축성 복굴절 재료를 포함하며;
    바람직하게는 상기 평면은 상기 격자의 격자 벡터 및 상기 릿지들의 측면 연장 방향을 포함하는, 도파관 디스플레이.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 항에 있어서, 상기 복굴절 재료의 낮은 굴절률과 일치하는 굴절률을 특징으로 하는 오버코트 층(overcoat layer)을 추가로 포함하고;
    바람직하게는 상기 격자는 투과성 격자 또는 반사성 격자를 포함하는, 도파관 디스플레이.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 항에 있어서, 상기 격자는, 상기 기판 내에 커플링된 입사 광이 내부 전반사를 통해 상기 기판 내에서 전파되도록, 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 제1 각도로 상기 기판 내에 선택적으로 커플링하도록 구성되고,
    바람직하게는 상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 선택적으로 커플링하고 상기 기판 내에서 상기 기판 외부로 전파하도록 구성되는 제2 격자를 추가로 포함하는, 도파관 디스플레이.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 항에 있어서, 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광을 발생시키도록 구성되는 광원 또는 편광판(polarizer)을 추가로 포함하며;
    바람직하게는 상기 릿지들의 복굴절 재료는 상기 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 더 높은 인덱스 축(index axis)을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 항에 있어서, 상기 격자는 1차원 격자 또는 2차원 격자를 포함하는, 도파관 디스플레이.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 항에 있어서,
    상기 제1 편광 상태와 상이한 제2 편광 상태에서 광을 반사하도록 구성되는 상기 기판상의 편광 선택 반사 층을 추가로 포함하며, 상기 편광 선택 반사 층 및 상기 격자는 상기 기판의 반대편 측면들상에 위치하거나; 또는
    상기 제2 편광 상태에서 광을 반사적으로 회절시키도록 구성되는 상기 기판상의 제2 격자를 추가로 포함하고, 상기 제2 격자 및 상기 격자는 상기 기판의 반대편 측면들상에 위치하는, 도파관 디스플레이.
  10. 표면 릴리프 격자로서,
    기판; 및
    복굴절 재료를 사용하여 형성된 복수의 릿지들을 포함하며,
    상기 복수의 릿지들의 복굴절 재료는, 상기 표면 릴리프 격자가 제1 편광 상태에서 입사 광을 상기 기판의 안팎으로 선택적으로 커플링할 수 있게 구성되도록, 상기 표면 릴리프 격자의 격자 벡터를 포함하는 평면에 평행한 광축을 특징으로 하는, 표면 릴리프 격자.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 기판은 반사 표면을 포함하는, 표면 릴리프 격자.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서, 상기 복굴절 재료는 복굴절 중합체, 복굴절 세라믹, 정렬된 액정 중합체, 또는 정렬된 단결정 유기 분자들 중 적어도 하나를 포함하는 단축 또는 이축성 복굴절 재료를 포함하며, 0.1 초과의 복굴절을 특징으로 하는, 표면 릴리프 격자.
  13. 제10 항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 릿지들은 3차원 미세 구조들의 2차원 어레이를 포함하고;
    바람직하게는 상기 3차원 미세 구조들의 2차원 어레이는 원통형 기둥, 입방형 기둥, 공동 또는 피라미드 중 적어도 하나를 포함하는, 표면 릴리프 격자.
  14. 제10 항 내지 제13 항 중 어느 항에 있어서,
    상기 복굴절 재료는 단축성 복굴절 재료를 포함하고;
    상기 광축은 상기 제1 편광 상태에서 상기 입사 광의 편광 방향과 평행하고;
    바람직하게는, 상기 복수의 릿지들은 상기 표면 릴리프 격자에서 상기 입사 광의 파장보다 큰 피치를 특징으로 하는, 표면 릴리프 격자.
  15. 제10 항 내지 제14 항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 릿지들상에 오버코트 층을 추가로 포함하고, 상기 오버코트 층은 상기 복굴절 재료의 낮은 굴절률과 일치하는 굴절률을 특징으로 하는, 표면 릴리프 격자.
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