KR20220121244A - 스위칭 가능한 회절 광학 요소 및 이를 포함한 도파관 - Google Patents
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Abstract
광학 디바이스는 이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리; 및 적어도 하나의 도파관을 통해, 시간-다중화 방식으로, 이미지 광의 복수의 광 필드들을 광학 디바이스의 아이-박스로 투과하도록 구성된 인-커플링 요소 및 아웃-커플링 요소를 포함한 상기 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 인-커플링 요소 또는 아웃-커플링 요소 중 적어도 하나는 표면 양각 격자(SRG)의 홈 방향을 따르는 제 1 주 굴절률 및 홈 방향에 수직인 면-내 방향을 따르는 제 2 주 굴절률을 가진 광학적 이방성 재료로 채워진 SRG를 포함하는, 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 격자를 포함한다. 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 SRG의 굴절률과 대체로 일치하며, 다른 하나는 불일치한다.
Description
근안 디스플레이들(NED들)은 비디오 재생, 게이밍, 및 스포츠와 같은, 다양한 애플리케이션들에서 널리 사용되어 왔다. NED들은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 실현하기 위해 사용되어 왔다. AR 또는 MR 헤드셋들은 실-세계 이미지들과 중첩하는 가상 이미지 또는 시-스루 이미지들을 디스플레이한다. 회절 결합 구조들을 가진 동공-확장 도파관 디스플레이 시스템들은 AR/MR 디스플레이들에 대한 가장 유망한 설계들 중 하나이며, 잠재적으로 선글라스/안경 형태 인자들, 적절히 큰 시야(FOV), 높은 투과율 및 큰 아이-박스를 제공한다. 도파관 디스플레이 시스템은 종종 마이크로-디스플레이, 시준기, 및 도파관 조합기와 같은 도파관 광학을 포함한다. 도파관 조합기는 종종 회절 격자들인 인-커플링 및 아웃-커플링 요소들을 통합하며, 대응하는 도파관은 회절 도파관으로 불리운다. 나노제작에 의해 획득된 표면 양각 격자들 또는 다양한 유형들의 홀로그램 격자들과 같은, 다양한 회절 격자들이 도파관으로 통합되어 왔다.
본 개시의 일 양상은 광학 디바이스를 제공한다. 상기 광학 디바이스는 이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리; 및 상기 광학 디바이스의 아이-박스를 향해 이미지 광을 유도하도록 구성된 적어도 하나의 도파관을 포함한다. 상기 적어도 하나의 도파관은 적어도 하나의 도파관을 통해, 시간-다중화 방식으로, 이미지 광의 복수의 광 필드들을 광학 디바이스의 아이-박스로 투과하도록 구성된 인-커플링 요소 및 아웃-커플링 요소를 포함한다. 인-커플링 요소 또는 아웃-커플링 요소 중 적어도 하나는 광학적 이방성 재료로 채워진 표면 양각 격자(SRG)를 포함하는, 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함한다. 상기 광학적 이방성 재료는 SRG의 홈 방향을 따르는 제 1 주 굴절률 및 홈 방향에 수직인 면-내 방향을 따르는 제 2 주 굴절률을 가진다. 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 SRG의 굴절률과 대체로 일치하며, 다른 하나는 SRG의 굴절률과 불일치한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 광학 디바이스가 제공되며, 상기 광학 디바이스는: 이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리; 및 적어도 하나의 도파관을 통해, 시간-다중화 방식으로, 상기 이미지 광의 복수의 광 필드들을 광학 디바이스의 아이-박스로 투과하도록 구성된 인-커플링 요소 및 아웃-커플링 요소를 포함한 상기 적어도 하나의 도파관으로서, 상기 인-커플링 요소 또는 상기 아웃-커플링 요소 중 적어도 하나는: 표면 양각 격자(SRG)의 홈 방향을 따르는 제 1 주 굴절률 및 홈 방향에 수직인 면-내 방향을 따르는 제 2 주 굴절률을 가진 스위칭 가능한 광학적 이방성 재료로 채워진 SRG를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 SRG의 굴절률과 대체로 일치하며, 다른 하나는 SRG의 굴절률과 불일치하는, 상기 적어도 하나의 도파관을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 광 필드는 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분에 대응할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 광 필드는 전체-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분에 대응할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 광 필드는 미리 결정된 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 스위칭 가능한 광학적 이방성 재료는 능동 액정들(LC들)을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소에 인가된 외부 전기장을 통해 회절 상태와 비-회절 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, SRG는 경사진 격자 및 비-경사진 격자 중 하나일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 1-차원 회절 격자일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 각각의 시간 기간들 동안 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들을 포함할 수 있고, N은 양수 및 N≥2이고, N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 복수의 광 필드들의 각각의 광 필드들을 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 순차적으로 구성되고, 하나의 시간 기간 동안, N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들 중 하나는 복수의 광 필드들의 광 필드를 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 구성되며 남아있는 스위칭 가능한 회절 격자들은 비-회절 상태에 있도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 서로 부분적으로 중첩되도록 배열될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 적층되도록 배열될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 도파관은 적층되도록 배열된 M 수의 도파관들을 포함할 수 있으며, M은 양수이고 M≥2이고, M 수의 도파관들의 각각은 각각의 시간 기간들 동안, 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함하고, 각각의 도파관들에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소들은 복수의 광 필드들의 각각의 광 필드들을 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 순차적으로 구성되며, 하나의 시간 기간 동안, M 수의 도파관들 중 하나에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 복수의 광 필드들의 광 필드를 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 구성되며, 남아있는 도파관들에 포함된 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소들은 비-회절 상태에 있도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서, 각각의 도파관들에 포함된 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들을 포함할 수 있으며, N은 양수이고 N≥2이다.
본 개시의 또 다른 양상은 광학 디바이스를 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들의 제 1 광 필드에 대응하는 제 1 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 1 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 1 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 제 1 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 포함한다. 상기 방법은 제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들의 제 2 광 필드에 대응하는 제 2 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 2 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 2 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 2 도파관으로부터 제 2 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 추가로 포함한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 광학 디바이스의 방법이 제공되며, 상기 방법은: 제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들 중 제 1 광 필드에 대응하는 제 1 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 1 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 1 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 제 1 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것; 제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들 중 제 2 광 필드에 대응하는 제 2 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 2 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 2 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 2 도파관으로부터 제 2 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 광 필드는 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 제 1 부분에 대응할 수 있으며, 상기 제 2 광 필드는 단일-컬러 이미지의 FOV의 제 2 부분에 대응한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 광 필드는 전체-컬러 이미지의 시야(FOV)의 제 1 부분에 대응할 수 있으며, 상기 제 2 광 필드는 전체-컬러 이미지의 FOV의 제 2 부분에 대응한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 광 필드는 제 1 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응할 수 있으며, 상기 제 2 광 필드는 제 2 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들은 동일한 공통 도파관일 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 인-커플링 격자들은 부분적으로 중첩되며 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되고, 제 1 및 제 2 아웃-커플링 격자들은 부분적으로 중첩되며 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들은 동일한 공통 도파관일 수 있고, 상기 제 1 및 제 2 인-커플링 격자들은 적층되며 각각 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 아웃-커플링 격자들은 적층되며 각각 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 및 제 2 도파관들은 개개의 도파관들일 수 있고, 상기 제 1 인-커플링 및 제 1 아웃-커플링 격자들은 각각 제 1 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되며, 상기 제 2 인-커플링 및 제 2 아웃-커플링 격자들은 각각 제 2 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치된다.
몇몇 실시예들에서, 상기 방법은: 제 3 시간 기간 동안, 제 3 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들 중 제 3 광 필드에 대응하는 제 3 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 3 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 3 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 3 도파관으로부터 제 3 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 양상들 또는 실시예들로의 통합에 적절한 것으로 본원에서 설명된 임의의 특징들은 본 개시의 임의의 및 모든 양상들 및 실시예들에 걸쳐 일반화되도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.
본 개시의 다른 양상들은 본 개시의 설명, 청구항들, 및 도면들을 고려하여 이 기술분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있다.
다음의 도면들은 다양한 개시된 실시예들에 따라 예시적인 목적들을 위해 제공되며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1a는 본 개시의 실시예에 따른 근안 디스플레이(NED)의 개략도를 예시한다;
도 1b는 본 개시의 실시예에 따른, 도 1a에서의 NED의 단면을 예시한다;
도 2a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관 디스플레이 어셈블리의 개략도를 예시한다;
도 2b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도파관 디스플레이 어셈블리의 개략도를 예시한다;
도 3a는 본 개시의 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 3b는 본 개시의 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 4a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 4b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 5a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 5b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 6a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 6b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 7은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 스위칭 가능한 회절 광학 요소의 개략도를 예시한다;
도 8a 내지 도 8c는 본 개시의 실시예에 따른, 능동 격자를 스위칭하는 개략도를 예시한다;
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 능동 격자를 스위칭하는 개략도를 예시한다;
도 10a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관의 개략도를 예시한다;
도 10b 내지 도 10d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 시야(FOV)의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도 10a에서의 도파관의 동작 기법을 예시한다;
도 10e는 본 개시의 실시예에 따른, 도 10a에서의 도파관에 포함된 서브격자들의 중첩 구성의 개략도를 예시한다;
도 10f는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도 10a에서의 도파관에 포함된 서브격자들의 중첩 구성의 개략도를 예시한다;
도 11a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관들의 스택의 개략도를 예시한다;
도 11b 내지 도 11d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도 11a에서의 도파관들의 스택의 동작 기법을 예시한다;
도 12a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도파관들의 스택의 개략도를 예시한다;
도 12b 내지 도 12d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 도 12a에서의 도파관들의 스택의 동작 기법을 예시한다;
도 13은 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 광학 디바이스의 방법의 흐름도를 예시한다;
도 14는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 광학 디바이스의 방법의 흐름도를 예시한다; 및
도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하는 도파관의 개략도를 예시한다.
도 1a는 본 개시의 실시예에 따른 근안 디스플레이(NED)의 개략도를 예시한다;
도 1b는 본 개시의 실시예에 따른, 도 1a에서의 NED의 단면을 예시한다;
도 2a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관 디스플레이 어셈블리의 개략도를 예시한다;
도 2b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도파관 디스플레이 어셈블리의 개략도를 예시한다;
도 3a는 본 개시의 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 3b는 본 개시의 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 4a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 4b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 5a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 5b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 6a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 6b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 비-회절 상태에서의 격자의 개략도를 예시한다;
도 7은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 스위칭 가능한 회절 광학 요소의 개략도를 예시한다;
도 8a 내지 도 8c는 본 개시의 실시예에 따른, 능동 격자를 스위칭하는 개략도를 예시한다;
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 능동 격자를 스위칭하는 개략도를 예시한다;
도 10a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관의 개략도를 예시한다;
도 10b 내지 도 10d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 시야(FOV)의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도 10a에서의 도파관의 동작 기법을 예시한다;
도 10e는 본 개시의 실시예에 따른, 도 10a에서의 도파관에 포함된 서브격자들의 중첩 구성의 개략도를 예시한다;
도 10f는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도 10a에서의 도파관에 포함된 서브격자들의 중첩 구성의 개략도를 예시한다;
도 11a는 본 개시의 실시예에 따른, 도파관들의 스택의 개략도를 예시한다;
도 11b 내지 도 11d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도 11a에서의 도파관들의 스택의 동작 기법을 예시한다;
도 12a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도파관들의 스택의 개략도를 예시한다;
도 12b 내지 도 12d는 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 도 12a에서의 도파관들의 스택의 동작 기법을 예시한다;
도 13은 본 개시의 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 광학 디바이스의 방법의 흐름도를 예시한다;
도 14는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 광학 디바이스의 방법의 흐름도를 예시한다; 및
도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하는 도파관의 개략도를 예시한다.
이후, 본 개시와 일치하는 실시예들이 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이것은 예시적인 목적들을 위해 단지 예들이고 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 도면들에서, 형태 및 크기는 과장되고, 왜곡되거나, 또는 명료성을 위해 단순화될 수 있다. 가능하다면 어디에서나, 동일한 참조 숫자들은 동일한 또는 유사한 부분들을 나타내기 위해 도면들 전체에 걸쳐 사용될 것이며, 그것의 상세한 설명은 생략될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 개시에서, 개시된 실시예들 및 개시된 실시예들의 특징들은 충돌들이 없는 조건들하에서 조합될 수 있다. 설명된 실시예들은 본 개시의 실시예들 중 전부가 아닌 일부이다. 개시된 실시예들에 기초하여, 이 기술분야에서의 통상의 기술자들은 본 개시와 일치하는 다른 실시예들을 끌어낼 수 있으며, 그 모두는 본 개시의 범위 내에 있다.
본 개시는 광학 디바이스를 제공한다. 광학 디바이스는 이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리; 및 이미지 광을 광학 디바이스의 아이-박스로 유도하도록 구성된 적어도 하나의 도파관을 포함할 수 있다. 도파관은 인-커플링 요소 및 아웃-커플링 요소를 포함할 수 있으며, 이것은 도파관을 통해, 시간-다중화 방식으로 이미지 광에 대응하는 복수의 광 필드들을 아이-박스로 투과하도록 구성된다. 광 필드는 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분, 전체-컬러 이미지의 FOV의 미리 결정된 부분, 또는 미리 결정된 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응할 수 있다. 인-커플링 요소 또는 아웃-커플링 요소 중 적어도 하나는 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함할 수 있다. 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 표면 양각 격자(SRG)의 방향을 따르는 제 1 주 굴절률 및 홈 방향에 수직인 면-내 방향을 따르는 제 2 주 굴절률을 가진 능동 광학적 이방성 재료로 채워진 SRG를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 SRG의 굴절률과 대체로 일치할 수 있으며, 다른 하나는 SRG의 굴절률과 불일치할 수 있다. 광학적 이방성 재료는 능동 또는 재배향 가능한 액정들(LC들)을 포함할 수 있다. 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 외부 필드, 예컨대 전기장, 자기장, 또는 광 등에서 LC들의 재배향으로 인해 회절 상태와 비-회절 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 광학 디바이스는 근안 디스플레이(NED)의 구성요소일 수 있다.
광학적 이방성 재료는 굴절률 타원체가 그것의 광학 축에 대하여 축방향 대칭을 갖는, 단축 이방성 재료일 수 있다. no AN 및 ne AN은 단축 이방성 재료의 주 굴절률들이다. 네마틱 액정들(LC)(굽은-코어 형과 같은 몇몇 이색 유형들을 제외한)은 단축 이방성 재료들의 카테고리에 속한다. 네마틱 LC 층에서 전파된 광에 의해 경험된 굴절률은 광학적 이방성 재료의 광학 축과 광 편광 간의 각도(α)에 의존하여, 정상 굴절률(no AN)과 이상 굴절률(ne AN) 사이의 범위에서 가변적일 수 있다. 예를 들어, 네마틱 LC 층에서 전파된 광에 의해 경험된 굴절률은 각도(α)가 90°에서 0°로 변할 때 no AN에서 ne AN으로 변경될 수 있다.
스위칭 가능한 회절 광학 요소는 편광 선택적일 수 있으며, 예를 들어, 회절 광학 요소는 제 1 편광을 가진 선형 편광된 광을 선택적으로 회절하며, 무시해도 될 정도의 회절을 가진 제 2 편광을 가진 선형 편광된 광을 투과할 수 있다. 제 1 편광을 가진 선형 편광된 광의 회절 효율은 외부 필드에 의해 제어 가능할 수 있다. 제 1 편광을 가진 선형 편광된 광의 회절 효율은 미리 결정된 임계치보다 낮을 수 있으며, 예를 들어 약 10%, 5%, 1%, 0.5%, 0.1%, 또는 0.05%이다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 SRG의 굴절률과 동일할 수 있으며, 따라서 회절 광학 요소는 임의의 회절 없이 제 2 편광을 가진 선형 편광된 광을 투과할 수 있다.
도 1a는 본 개시의 실시예에 따른 근안 디스플레이(NED)(100)의 개략도를 예시한다. 몇몇 실시예들에서, NED(100)는 헤드-장착 디스플레이(HMD)로서 불리울 수 있다. NED(100)는 사용자에게 미디어를 제공할 수 있다. NED(100)에 의해 제공된 미디어의 예들은 하나 이상의 이미지들, 비디오, 오디오, 또는 그것의 몇몇 조합을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 오디오는 NED(100), 콘솔(도시되지 않음), 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하며, 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제공하는 외부 디바이스(예컨대, 스피커들 및/또는 헤드폰들)를 통해 제공된다. NED(100)는 VR 디바이스, AR 디바이스 및/또는 MR 디바이스, 또는 그것의 몇몇 조합으로 동작한다. 몇몇 실시예들에서, NED(100)가 AR 및/또는 MR 디바이스로 동작할 때, NED(100) 및 그것의 내부 구성요소들의 부분들은 적어도 부분적으로 투명할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, NED(100)는 프레임(105) 및 디스플레이(110)를 포함할 수 있다. 특정한 디바이스(들)가 생략될 수 있으며, 다른 디바이스들 또는 구성요소들이 또한 포함될 수 있다. 프레임(110)은 디스플레이(110)를 사용자에 의해 NED로서 보여지도록 보장하기 위해 임의의 적절한 유형의 장착 구조를 포함할 수 있다. 프레임(105)은 사용자들로 미디어를 함께 디스플레이하는 하나 이상의 광학 요소들에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프레임(105)은 안경들의 프레임을 나타낼 수 있다. 디스플레이(110)는 사용자들이 NED(100)에 의해 제공된 콘텐트를 보도록 구성된다. 도 1b와 함께 이하에서 논의되는 바와 같이, 디스플레이(110)는 이미지 광을 사용자의 눈으로 향하게 하기 위해 적어도 하나의 디스플레이 어셈블리(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적어도 하나의 디스플레이 어셈블리는 투영 시스템일 수 있다. 예시적인 목적들을 위해, 도 1a는 투영 시스템이 프레임(105)에 결합되는 프로젝터(135)를 포함할 수 있다는 것을 도시한다.
도 1b는 본 개시의 실시예에 따라 도 1a에 도시된 NED(100)의 단면(150)이다. 디스플레이(110)는 적어도 하나의 도파관 디스플레이 어셈블리(115)를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 도파관 또는 도파관들의 스택을 포함할 수 있다. 사출 동공(125)은 사용자가 NED(100)를 착용할 때 눈(120)이 아이-박스 영역에 배치되는 위치일 수 있다. 예시의 목적들을 위해, 도 1b는 단일 눈(120) 및 단일 도파관 디스플레이 어셈블리(115)와 연관된 단면(150)을 도시하지만, 도시되지 않은 대안적인 실시예들에서, 도 1b에 도시된 도파관 디스플레이 어셈블리(115)로부터 분리되는 또 다른 디스플레이 어셈블리가 사용자의 또 다른 눈의 사출 동공에 위치된 아이-박스로 이미지 광을 제공할 수 있다.
이하에서 도 1b에 예시된 바와 같이, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 눈(120)의 사출 동공(125)에 위치된 아이-박스로 이미지 광을 향하게 하도록 구성될 수 있다. 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 효과적으로 무게를 최소화하고 NED(100)의 FOV를 넓히는 하나 이상의 굴절률들을 가진 하나 이상의 재료들(예컨대, 플라스틱, 유리 등)로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 NED(100)의 구성요소(예컨대, 디스플레이(110))일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 몇몇 다른 NED의 부분, 또는 특정한 위치로 디스플레이 이미지 광을 향하게 하는 다른 시스템일 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 사용자의 하나의 눈(120)에 대한 것일 수 있다. 하나의 눈에 대한 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 다른 눈에 대한 도파관 디스플레이 어셈블리(115)로부터 분리되거나 또는 부분적으로 분리될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 단일 도파관 디스플레이 어셈블리(115)는 사용자의 양쪽 눈들(120)을 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, NED(100)는 도파관 디스플레이 어셈블리(115)와 눈(120) 사이에 하나 이상의 광학 요소들을 포함할 수 있다. 광학 요소들은, 예컨대, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)로부터 방출된 이미지 광에서의 수차를 보정하고, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)로부터 방출된 이미지 광을 확대하고, 도파관 디스플레이 어셈블리(115)로부터 방출된 이미지 광의 몇몇 다른 광학 조정, 또는 그것의 몇몇 조합으로서 동작할 수 있다. 광학 요소들에 대한 예는 애퍼처, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 또는 이미지 광에 영향을 주는 임의의 다른 적절한 광학 요소를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, NED(100)는 NED(100)를 통해 보여진 실-세계 오브젝트들의 투과율을 동적으로 조정하고, 그에 의해 VR 디바이스와 AR 디바이스 사이에서 또는 VR 디바이스와 MR 디바이스 사이에서 NED(100)를 스위칭할 수 있는, 적응형 디밍 요소(130)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, AR/MR 디바이스와 VR 디바이스 간의 스위칭과 함께, 적응형 디밍 요소(130)는 실제 및 가상 오브젝트들의 밝기에서의 차이를 완화하기 위해 AR 및/또는 MR 디바이스에서 사용될 수 있다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 도파관 디스플레이 어셈블리(200)의 개략도를 예시한다. 도파관 디스플레이 어셈블리(200)는 VR, AR 또는 MR 애플리케이션들을 위해 NED들로 구현될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이 어셈블리(200)는 광원 어셈블리(205), 도파관(210), 및 제어기(215)를 포함할 수 있다. 광원 어셈블리(205)는 광원(220) 및 광학 시스템(225)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원(220)은 간섭성 또는 부분 간섭성 광을 생성하는 광원일 수 있다. 광원(220)은 예컨대, 레이저 다이오드, 수직 공동 표면 방출 레이저, 및/또는 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원(220)은 액정 디스플레이(LCD) 패널, 액정-온-실리콘(LCoS) 디스플레이 패널, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 패널, 마이크로 발광 다이오드(마이크로-LED) 디스플레이 패널, 디지털 광 프로세싱(DLP) 디스플레이 패널, 또는 그것의 몇몇 조합과 같은, 디스플레이 패널일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원(220)은 OLED 디스플레이 패널 또는 마이크로-LED 디스플레이 패널과 같은, 자체-방출형 패널일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광원(220)은 LCD 패널, LCoS 디스플레이 패널, 또는 DLP 디스플레이 패널과 같은, 외부 소스에 의해 조사되는 디스플레이 패널일 수 있다. 외부 소스들의 예들은 레이저, LED, OLED, 또는 그것의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 광학 시스템(225)은 광원(220)으로부터의 광을 조절하는 하나 이상의 광학 구성요소들을 포함할 수 있다. 광원(220)으로부터의 광을 조절하는 것은 예컨대, 제어기(215)로부터의 지시들에 따라 투과하는 것, 감쇠하는 것, 확장하는 것, 시준하는 것, 및/또는 배향을 조정하는 것을 포함할 수 있다.
광원 어셈블리(205)는 이미지 광(230)을 생성하며 이미지 광(230)을 도파관(210)에 위치된 인-커플링 요소(235)로 출력할 수 있다. 도파관(210)은 이미지 광(230)을 사용자의 눈(265)으로 확장할 수 있다. 도파관(210)은 도파관(210)에 위치된 하나 이상의 인-커플링 요소들(235)에서 이미지 광(230)을 수신하며, 수신된 이미지 광(230)을 도파관(210)에 위치된 아웃-커플링 요소(245)로 유도하여, 수신된 입력 이미지 광(230)이 아웃-커플링 요소(245)를 통해 눈(265)을 향해 도파관(210)으로부터 결합해제되도록 한다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 요소(235)는 광원 어셈블리(205)로부터 도파관(210)으로 이미지 광(230)을 결합할 수 있다. 도파관(210)은 실-세계를 향하는 제 1 표면(210-1) 및 눈(265)을 향하는 대향하는 제 2 표면(210-2)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 인-커플링 요소(235)는 도파관(210)의 제 1 표면(210-1)의 부분이거나, 또는 그것에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 요소(235)는 도파관(210)의 제 2 표면(210-2)의 부분이거나, 또는 그것에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 요소(235)는 표면 양각 격자, 볼륨 홀로그램, 편광 격자, 편광 볼륨 홀로그램, 메타표면 격자, 또는 다른 유형들의 회절 요소들, 또는 그것의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 요소(235)는 회절 격자를 포함할 수 있으며, 회절 격자의 피치가 선택되어, 총 내부 반사(TIR)가 도파관(210)에서 발생하도록 할 수 있으며, 이미지 광(230)은 도파관(210)에서 내부적으로 전파될 수 있다(예컨대, 총 내부 반사에 의해). 인-커플링 요소(235)는 또한 인-커플링 격자로 불리운다.
아웃-커플링 요소(245)는 도파관(210)의 제 1 표면(210-1) 또는 제 2 표면(210-2)의 부분이거나, 또는 그것에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 아웃-커플링 요소(245)는 도파관(210)의 제 2 표면(210-2)의 부분이거나 또는 그것에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 아웃-커플링 요소(245)는 도파관(210)의 제 1 표면(210-1)의 부분이거나, 또는 그것에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 아웃-커플링 요소(245)는 표면 양각 격자, 볼륨 홀로그램, 편광 격자, 편광 볼륨 홀로그램, 메타표면 격자, 또는 다른 유형들의 회절 요소들, 또는 그것의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 아웃-커플링 요소(245)는 회절 격자를 포함할 수 있으며, 회절 격자의 피치는 입사된 이미지 광(230)이 도파관(210)을 빠져나가게 하도록 구성될 수 있는, 즉 TIR이 더 이상 발생하지 않도록 이미지 광(230)을 재지향시킬 수 있다. 이러한 격자는 또한 아웃-커플링 격자로 불리운다.
도파관(210)은 이미지 광(230)의 총 내부 반사를 가능하게 하는 하나 이상의 재료들로 구성될 수 있다. 도파관(210)은 예를 들어, 플라스틱, 유리, 및/또는 폴리머들로 구성될 수 있다. 도파관(210)은 비교적 작은 형태 인자를 가질 수 있다. 예를 들어, 도파관(210)은 x-차원을 따라 대략 50mm 폭, y-차원을 따라 30mm 길이 및 z-차원을 따라 0.5 내지 1mm 두께일 수 있다. 제어기(215)는 광원 어셈블리(205)의 동작 기법을 제어할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관(210)은 큰 시야(FOV)를 갖고 눈(265)으로 확대된 이미지 광(230)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 확대된 이미지 광(230)은 60도 이상 및/또는 150도 이하의 대각선 FOV(x 및 y에서)를 갖고 눈(265)으로 제공될 수 있다. 도파관(210)은 8mm 이상 및/또는 50mm 이하의 폭, 및/또는 6mm 이상 및/또는 20mm 이하의 높이를 가진 아이-박스를 제공하도록 구성될 수 있다. 도파관 디스플레이 어셈블리(200)를 사용하여, 물리적 디스플레이 및 전자장치들이 전방 강체의 측면으로 이동될 수 있고 실세계의 완전히 가려지지 않은 뷰가 달성될 수 있으며, 그러므로 실제 AR에 대한 가능성을 연다.
몇몇 실시예들에서, 도파관(210)은 광원 어셈블리(205)의 동공을 재지향/폴딩하며 및/또는 확대하는 부가적인 격자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이 어셈블리(250)에서, 도파관(210)은 수신된 입력 이미지 광(230)을 아웃-커플링 요소(245)로 재지향시키는 지향 요소(240)를 추가로 포함할 수 있으며, 따라서 수신된 입력 이미지 광(230)은 아웃-커플링 요소(245)를 통해 도파관(210)으로부터 결합해제된다. 지향 요소(240)는 도파관(210)의 제 1 측면(210-1)의 부분이거나 또는 그것에 부착될 수 있으며, 아웃-커플링 요소(245)는 도파관(210)의 제 2 측면(210-2)의 부분이거나, 또는 그것에 부착될 수 있어서, 지향 요소(240)가 아웃-커플링 요소(245)의 반대편에 배열되도록 한다. 몇몇 실시예들에서, 지향 요소(240) 및 아웃-커플링 요소(245)는 구조적으로 유사할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 지향 요소(240)는 표면 양각 격자, 볼륨 홀로그램, 편광 격자, 편광 볼륨 홀로그램, 메타표면 격자, 또는 다른 유형들의 회절 요소들, 또는 그것의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 지향 요소(240)는 회절 격자를 포함할 수 있으며, 이 경우에 지향 요소(240)는 또한 폴딩 격자로 불리운다. 몇몇 실시예들에서, 다수의 기능들, 예컨대 광원 어셈블리(205)의 동공을 재지향/폴딩하며 및/또는 확장하는 것은 단일 격자, 예컨대 아웃-커플링 격자로 조합될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 몇몇 실시예들에서, 도파관 디스플레이 어셈블리(200/250)는 함께 적층된 복수의 도파관들을 포함할 수 있으며, 여기에서 각각의 도파관(210)은 예컨대, FOV의 몇몇 부분 및/또는 가상 이미지의 컬러 스펙트럼의 몇몇 부분을 핸들링하도록 설계된다. 몇몇 실시예들에서, 도파관 디스플레이 어셈블리(200/250)는 복수의 소스 어셈블리들(205) 및/또는 복수의 도파관들(210)을 포함할 수 있다. 소스 어셈블리들(205)의 각각은 원색(예컨대, 적색, 녹색, 또는 청색)에 대응하는 특정 파장 대역의 단색성 이미지 광을 방출할 수 있다. 복수의 도파관들(210)은 다중-컬러링된 확장된 이미지 광(230), 즉 전체 컬러들의 이미지 광(230)을 출력하기 위해 함께 적층될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 소스 어셈블리들(205)의 각각은 도파관 디스플레이 어셈블리(200/250)에 의해 제공된 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 전체-컬러 이미지 광들을 방출할 수 있다. 광원들(220)의 각각은 전체 컬러들의 이미지 광들을 방출할 수 있다. 상이한 광원들(220)에 의해 방출된 전체-컬러 이미지 광들은 도파관 디스플레이 어셈블리(200/250)에 의해 제공된 FOV의 상이한 부분들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 소스 어셈블리(205)는 각각, FOV의 좌측 부분, 중심 부분 및 우측 부분에 대응하는 전체-컬러 이미지 광들을 방출하는 3개의 광원들(220)을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도파관 디스플레이 어셈블리(200/250)에서, 인-커플링 격자(235), 아웃-커플링 격자(245) 또는 지향 격자(235) 중 적어도 하나는 본 개시의 실시예에 따른 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 외부 필드에 의해 회절 상태(또는 온-상태)와 비-회절 상태(또는 오프-상태) 사이에서 스위칭 가능할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 실시예에 따라, 각각, 비-회절 상태 및 회절 상태에서의 격자(300)의 개략도들을 예시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 격자(300)는 가늘고 긴 분자들로 이루어진 광학적 이방성 재료(315)로 채워진 표면 양각 격자(SRG)(305)를 포함할 수 있다. SRG(305)는 이진 비-경사진 격자일 수 있다. 광학적 이방성 재료(315)의 분자들(310)은 홈 방향으로, 예를 들어 도 3a 및 도 3b에서 y-방향으로 홈 내에서 동일 조직으로 정렬될 수 있다. 광학적 이방성 재료(315)는 단축이며 SRG(305)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에서의 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN) 및 SRG(305)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)을 따르는 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)을 가질 수 있다. 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(305)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있으며 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(305)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있다.
SRG(305)는 비정질 또는 액체 결정질 폴리머들, LC 속성들(반응성 메소겐(RM))을 가진 것들을 포함한 가교 가능한 단위체들과 같은 유기 재료로부터 제작되거나, 또는 메타표면들의 제조를 위해 사용된 금속들 또는 산화물들과 같은, 무기 재료로부터 제작될 수 있다. SRG(305)의 재료들은 등방성 또는 이방성일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SRG(305)는 가시 대역과 같은, EM 주파수들의 범위에 투명하거나 또는 거의 투명한 레지스트 재료로부터 나노제작될 수 있다. 레지스트 재료는 열가소성, 폴리머, 광학적으로 투명한 포토레지스트 등의 형태일 수 있다. 설정되거나 또는 경화된 후, 레지스트 재료는 SRG(305)로 채워진 광학적 이방성 재료(315)의 정렬을 제공할 수 있다. 즉, SRG(305)는 광학적 이방성 재료(315)에 대한 배향 층으로서 기능할 수 있다. 다양한 정렬 패턴들 및 특징들(예컨대, 10nm 이하)은 SRG(305)의 나노제작 기술들을 사용하여 형성될 수 있으며, 이것은 높은 맞춤 가능성을 가진 광학적 이방성 재료(315)의 정렬 패턴의 생성을 허용한다. 예를 들어, 광학적 이방성 재료(315)의 분자들은 SRG(305)의 홈들 내에서 호메오트로픽 또는 동일 조직으로 또는 하이브리드 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학적 이방성 재료(315)의 분자들(310)은 신장, 광(예컨대, 광배향), 전기장, 자기장, 또는 임의의 적절한 정렬 방법들에 의해 SRG(305)의 홈들 내에 호메오트로픽 또는 동일 조직으로 정렬될 수 있다.
광학적 이방성 재료(315)는 외부 필드에 의해 스위칭 가능한 활성 재료들을 포함할 수 있다. 활성 재료들은 능동 또는 재배향 가능한 액정들(LC들), 또는 중합 가능한 액정(LC) 전구체들, 또는 그것의 몇몇 조합들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중합 가능한 LC 전구체들은 중합 가능한 LC 재료들인 반응성 메소겐들(RM들)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격자(300)는 SRG(305) 및 광학적 이방성 재료(315)의 컨테이너를 형성하는 두 개의 반대 기판들을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격자(300)의 전기적 스위칭을 가능하게 하기 위해, 각각의 기판은 인듐 주석 산화물(ITO) 전극과 같은, 투명 전극을 제공받을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학적 이방성 재료(315)의 정렬은 SRG(305)가 아닌 다른 하나 이상의 배향 층들에 의해 제공될 수 있으며, 여기에서 배향 층은 기판에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학적 이방성 재료(315)의 두께는 SRG(305)의 깊이(d)와 동일할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 광학적 이방성 재료(315)의 두께는 SRG(305)의 깊이와 상이할 수 있으며, 여기에서 SRG(105) 위에 배치된 광학적 이방성 재료(315)는 균일할 수 있으며 회절에 기여하지 않을 수 있다.
격자(300)는 선형 편광된 입사 광에 민감할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, SRG(305)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)으로 편광된 입사 광(320)에 대해, no AN 및 ng 간의 상당한 굴절률 일치로 인해, 격자(300)는 무시해도 될 정도의 회절을 갖고 입사 광(320)에 대해 대체로 광학적으로 균일한 판으로 보일 수 있다. 즉, 격자(300)는 SRG(305)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)으로 편광된 입사 광(320)에 대해 비-회절 상태에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(305)의 굴절률(ng)과 정확하게 일치할 수 있으며(또는 동일할 수 있으며), 따라서 입사 광(320)은 임의의 회절 없이 투과될 수 있다. 즉, 격자(300)의 회절 효과는 완전히 턴 오프될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, SRG(305)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(330)에 대해, ne AN과 ng 간의 굴절률 차이로 인해, 광(330)은 격자(300)에서 굴절률의 주기적인 변조를 경험하며 회절될 수 있다. 즉, 격자(300)는 SRG(305)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(330)에 대해 회절 상태에 있을 수 있다. 광(330)의 회절 효율은 격자(300)에 의해 제공된 굴절률(nm)의 변조(즉, ne AN과 ng 간의 차이)에 의해 결정될 수 있다. 회절 효율은 외부 필드, 예컨대 전기장, 자기장, 또는 광 등에 의해 제어 가능할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각, 회절 상태 및 비-회절 상태에서의 격자(400)의 개략도를 예시한다. 도 4a 및 도 4b와 도 3a 및 도 3b 간의 유사성들은 반복되지 않으며, 특정한 차이들이 설명될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 광학적 이방성 재료(415)의 분자들(410)은 홈 방향으로, 예를 들어, 도 4a 및 도 4b의 y-방향으로 홈 내에서 동일 조직으로 정렬될 수 있다. 광학적 이방성 재료(415)는 SRG(405)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에서의 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN) 및 SRG(405)이 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)을 따르는 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)을 가질 수 있다. 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(405)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있으며, 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(405)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있다.
격자(400)는 선형 편광된 입사 광에 민감할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, SRG(405)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)으로 편광된 입사 광(420)에 대해, no AN과 ng 간의 굴절률 차이로 인해, 광(420)은 격자(400)에서 굴절률의 주기적인 변조를 경험하며, 그에 따라 회절될 수 있다. 즉, 격자(400)는 SRG(405)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)으로 편광된 입사 광(430)에 대해 회절 상태에 있을 수 있다. 광(420)의 회절 효율은 격자(400)에 의해 제공된 굴절률(nm)의 변조(즉, no AN과 ng 간의 차이)에 의해 결정될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, SRG(405)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(430)에 대해, ne AN과 ng 간의 상당한 굴절률 불일치로 인해, 격자(400)는 무시해도 될 정도의 회절을 갖고 입사 광(420)에 대해 대체로 광학적으로 균일한 판인 것으로 보일 수 있다. 즉, 격자(400)는 SRG(405)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(430)에 대해 비-회절 상태에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(405)의 굴절률(ng)과 정확하게 일치할 수 있으며(또는 동일할 수 있으며), 따라서 입사 광(430)은 임의의 회절 없이 투과될 수 있다. 즉, 격자(400)의 회절 효과는 완전히 턴 오프될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 각각, 비-회절 상태 및 회절 상태에서의 격자(500)의 개략도를 예시한다. 도 3a 및 도 3b와 도 5a 및 도 5b 간의 유사성들은 반복되지 않지만, 특정한 차이들은 설명될 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서의 격자(300)와 유사하게, 도 5a 및 도 5b에서 도시된 격자(500)는 광학적 이방성 재료(515)로 채워진 SRG(505)를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서의 이진 비-경사진 SRG(305)와 상이하게, 도 5a 및 도 5b에서의 SRG(505)는 이진 경사진 격자일 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서 격자(500)의 회절 상태 및 비-회절 상태는 도 3a 및 도 3b에서의 격자(300)의 것에 대해 참조될 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
도 6a 및 도 6b는 각각, 비-회절 상태 및 회절 상태에서의 격자(600)의 개략도를 예시한다. 도 4a 및 도 4b와 도 6a 및 도 6b 간의 유사성들은 반복되지 않지만, 특정한 차이들은 설명될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서의 격자(400)와 유사하게, 도 6a 및 도 6b에 도시된 격자(600)는 광학적 이방성 재료로 채워진 SRG(605)를 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에서의 이진 비-경사진 SRG(405)와 상이하게, 도 6a 및 도 6b에서의 SRG(605)는 이진 경사진 격자일 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서의 격자(600)의 회절 상태 및 비-회절 상태는 도 4a 및 도 4b에서의 격자(400)의 것에 대해 참조될 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
도 3a 내지 도 6b는 회절 광학 요소가 주기적인 직사각형 프로필을 가진 SRG를 포함하는 능동 격자인, 즉 SRG의 홈들의 단면 프로필이 주기적 직사각형 형태를 갖는다는 것을 도시하며, 이것은 예시적인 목적들을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 격자의 프린지들은 선형일 수 있으며, 즉 격자는 1-차원 격자일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 회절 광학 요소는 패터닝되며 및/또는 적층되는 복수의 SRG들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SRG의 홈들의 단면 프로필은 비-직사각형, 예를 들어, 애플리케이션 시나리오들에 의존하여, 정현파, 삼각형, 또는 톱니일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SRG의 홈들의 단면 프로필은 비-주기적일 수 있으며, 대표적인 회절 광학 요소는 도 7에서 설명될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 회절 광학 요소는 광학 전력을 갖거나 또는 그것 없이 구성될 수 있다. 개시된 회절 광학 요소는 또한 렌즈들, 프리즘들 또는 비구면들과 같은, 종래의 회절 광학과 거의 동일한 광학 기능들을 실현할 수 있지만, 훨씬 더 작고 가벼울 수 있다.
도 7은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 스위칭 가능한 회절 광학 요소(700)의 개략도를 예시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회절 광학 요소(700)는 광학적 이방성 재료(715)로 채워진 SRG(705)를 포함할 수 있다. 광학적 이방성 재료(715)의 분자들(710)은 홈 내에서 동일 조직으로 또는 호메오트로픽으로 정렬될 수 있고, 예를 들어, SRG(705)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 동일 조직 정렬될 수 있다. 광학적 이방성 재료(715)는 SRG(705)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 제 1 주 굴절률(예컨대, 이상 굴절률(ne AN)) 및 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)을 따르는 제 2 굴절률(예컨대, 정상 굴절률(no AN))을 가질 수 있다. 제 1 주 굴절률 및 제 2 주 굴절률 중 하나는 SRG(705)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있으며, 다른 하나는 SRG(705)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있다. 논의 목적들을 위해, 회절 광학 요소(700)에서, 광학적 이방성 재료(715)의 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(705)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있으며, SRG(705)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에서의 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(705)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있다.
SRG(705)의 홈들의 단면 프로필은 비-주기적 직사각형 프로필을 가질 수 있다. SRG(705)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)에서, SRG(705)의 주기성(wgroove + whill)은 SRG(705)의 중심(c)으로부터 주변부로 단조롭게 감소할 수 있지만, 광 초점 효과가 달성된다. SRG(705)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(730)에 대해, ne AN과 ng 간의 굴절률 차이로 인해, 광(730)은 회절 광학 요소(700)에서 굴절률의 주기적 변조를 경험하며 회절될 수 있다. SRG(705)의 홈들의 단면 프로필, 뿐만 아니라 광학적 이방성 재료(715) 및 SRG(705)의 굴절률들을 또한 구성하지만, 회절된 광 빔들(740)이 추가로 집중될 수 있다. 즉, 회절 광학 요소(700)는 원통형 회절 렌즈로서 기능할 수 있다. 회절 광학 요소(700)는 또한 기판들, 전기적으로 스위칭하기 위한 전극들, 배향 층들 등과 같은, 다른 요소들을 포함할 수 있으며, 도 7은 단지 회절 광학 요소(700)의 부분 구조를 도시한다.
본 개시의 실시예에 따른 능동 회절 광학 요소(예컨대, 능동 격자)의 회절 상태와 비-회절 상태 간의 스위칭은 수반된 도 8a 내지 도 8c 및 도 9a와 도 9b를 갖고 다음에서 설명될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 본 개시의 실시예에 따른 능동 회절 광학 요소는 SRG로 채워진 LC들의 전기장-유도 재배향으로 인해, 능동 LC 재료들로 전기장을 인가함으로써 비-회절 상태와 회절 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 능동 회절 광학 요소는 SRG로 채워진 LC들의 광-유도 재배향으로 인해, 능동 LC 재료들로 광을 인가함으로써 비-회절 상태와 회절 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 능동 회절 광학 요소는 SRG로 채워진 LC들의 자기장-유도 재배향으로 인해, 능동 LC 재료들에 자기장을 인가함으로써 비-회절 상태와 회절 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 뿐만 아니라, 회절 상태에서, 능동 회절 광학 요소로 입사된 광의 회절 효율은 인가된 전기장 또는 광 또는 자기장을 계속해서 변경하는 것을 통해 계속해서 변경 가능할 수 있을 것이다. 즉, 능동 회절 광학 요소는 입사된 광으로 상이한 회절 효율을 제공하도록 구성될 수 있으며, 그에 의해 상이한 애플리케이션 시나리오들을 만족시킨다. 몇몇 실시예들에서, 능동 회절 광학 요소의 전극들 중 적어도 하나는 픽셀화된 전극들을 포함할 수 있다. 능동 회절 광학 요소로 입사된 광은 하나 이상의 픽셀화된 전극들을 조사할 수 있으며, 광의 회절 효율은 상이한 픽셀화 전극들에 상이한 전압들을 인가함으로써 공간적으로 달라질 수 있다. 논의 목적들을 위해, 능동 LC들로 채워진 격자는 도 8a 내지 도 8c 및 도 9a와 도 9b에서의 개시된 회절 광학 요소들의 스위칭을 설명하기 위한 예로서 사용된다.
도 8a 내지 도 8c는 본 개시의 실시예에 따른, 회절 광학 요소(800)를 스위칭하는 개략도를 예시한다. 논의 목적들을 위해, 회절 광학 요소(800)는 격자(800)일 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에서 도시된 바와 같이, 격자(800)는 서로 반대편에 배열된 상부 및 하부 기판들(810)을 포함할 수 있다. 각각의 기판(810)은 ITO 전극(도시되지 않음)과 같은, 격자(80)에 전기장을 인가하기 위해 기판(810)의 내부 표면에서 투명 전극을 제공받을 수 있다. 격자(800)는 하부 기판(810)에 접합되거나 또는 그것 상에 형성된 SRG(805) 및 SRG(805)의 홈들로 채워진 광학적 이방성 재료(815)를 포함할 수 있다. 광학적 이방성 재료(815)는 포지티브 또는 네거티브 유전체 이방성을 가진 능동 LC들과 같은, 활성 이방성 재료들을 포함할 수 있다. 광학적 이방성 재료(815)는 SRG(805)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에서의 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN) 및 SRG(805)의 홈 방향에 수직인 면-내 방향(예컨대, x-방향)을 따르는 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)을 가질 수 있다.
논의 목적들을 위해, 도 8a 내지 도 8c에서, 광학적 이방성 재료(815)는 네마틱 액정들(NLC들)과 같은, 포지티트 이방성을 가진 능동 LC들을 포함할 수 있다. LC 분자들(820)은 홈 방향, 예를 들어, y-방향으로 홈 내에서 동일 조직으로 정렬될 수 있다. 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(805)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있으며, 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(805)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 전압-오프 상태에서, SRG(805)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(830)에 대해, ne AN 및 ng 간의 굴절률 차이로 인해, 광(830)은 격자(800)를 통해 전파될 때 굴절률의 주기적인 변조를 경험하며, 따라서 회절될 수 있다. 즉, 격자(800)는 SRG(805)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(830)에 대해 회절 상태(또는 온-상태)에 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 전압-오프 상태에서(또는 더 일반적으로, 인가된 전압이 LC 분자들(820)을 재배향하기 위해 임계 전압보다 낮을 때), 격자(800)에 의해 광(830)으로 제공된 굴절률의 변조(nm)(즉, ne AN과 ng 간의 차이)는 다른 전압-온 상태들과 비교하여 가장 클 수 있다. 따라서, 광(830)의 회절 효율은 가장 높을 수 있다. 전압-온 상태에서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 전기장(예컨대, z-방향을 따르는)은 두 개의 반대 기판들(810) 사이에서 생성될 수 있다. 인가된 전압이 임계 유지 전압보다 높도록 점진적으로 증가될 때, 포지티브 유전체 이방성을 가진 LC 부자들(820)은 전기장을 따라 배향되려는 경향이 있을 수 있다. 인가된 전압이 변함에 따라, SRG(805)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(830)에 대해, 격자(800)에 의해 제공된 굴절률의 변조(nm)(즉, ne AN과 ng 간의 차이)가 그에 따라 변할 수 있으며, 결과적으로 격자(800)에 의해 입사 광(830)으로 제공된 회절 효율을 변경한다.뿐만 아니라, 회절 상태에서, 격자(800)에 의해 입사 광(830)으로 제공된 회절 효율은 인가된 전압을 계속해서 변경하는 것을 통해 계속해서 조정 가능할 수 있다. 즉, 격자(800)는 상이한 회절 효율을 광(830)에 제공하며, 그에 의해 상이한 애플리케이션 시나리오들을 만족시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격자(800)의 전극들 중 적어도 하나는 복수의 픽셀화 전극들을 포함할 수 있다. 광(830)은 하나 이상의 픽셀화 전극들을 조사할 수 있으며, 광(830)의 회절 효율은 상이한 픽셀화 전극들로 상이한 전압들을 인가함으로써 공간적으로 달라질 수 있다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 인가된 전압이 충분히 높은 전압-온 상태에서, 포지티브 유전체 이방성을 가진 LC 분자들(820)은 전기장 방향(예컨대, z-방향)에 평행하도록 재배향될 수 있다. SRG(805)의 홈 방향으로 편광된 입사 광(830)에 대해, no AN과 ng 간의 상당한 굴절률 일치로 인해, 격자(800)는 입사 광(830)에 대해 대체로 광학적으로 균일한 판으로 보일 수 있다. 즉, 격자(800)는 SRG(805)의 홈 방향으로 편광된 입사 광(830)에 대해 비-회절 상태(또는 오프-상태)에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(805)의 굴절률(ng)과 정확하게 일치할 수 있으며(또는 동일할 수 있으며), 따라서 광(830)은 임의의 회절 없이 격자(800)를 통해 투과될 수 있다. 즉, 격자(800)의 회절 효과는 입사 광(830)에 대해 완전히 턴 오프될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 회절 광학 요소(900)를 스위칭하는 개략도를 예시한다. 도 9a 및 도 9b와 도 8a 및 도 8b 간의 유사성들은 반복되지 않을 것이지만, 특정한 차이들이 설명될 수 있다. 도 8a 내지 도 8c에 도시된 SRG(805)로 채워진 포지티브 유전체 이방성을 가진 능동 LC들(815)과 상이하게, 도 9a 및 도 9b에 도시된 SRG(905)는 네거티브 유전체 이방성을 가진 능동 LC들(915)로 채워질 수 있다. LC 분자들(920)은 기판(910)에 수직인 면-외 방향, 예를 들어, 도 9a 및 도 9b에서 z-방향으로 SRG(905)의 홈 내에 호메오트로픽 정렬될 수 있다. LC들(915)의 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(905)의 굴절률(ng)과 대체로 일치할 수 있으며, LC들(915)의 제 1 주 굴절률(예컨대, ne AN)은 SRG(905)의 굴절률(ng)과 불일치할 수 있다.
인가된 전압이 0인(더 일반적으로, 인가된 전압이 LC 분자들(920)을 재배향하기 위해 임계 전압보다 낮은) 전압-오프 상태에서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 네거티브 유전체 이방성을 가진 LC 분자들(920)은 예를 들어, z-방향으로, 홈 내에서 호메오트로픽 정렬될 수 있다. SRG(905)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 입사 광(930)에 대해, no AN과 ng 간의 상당한 굴절률 일치로 인해, 격자(900)는 광(930)에 대해 대체로 광학적으로 균일한 판으로 보일 수 있다. 즉, 격자(900)는 SRG(905)의 홈 방향으로 편광된 광(930)에 대해 비-회절 상태에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, LC들(915)의 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(905)의 굴절률(ng)과 상당히 일치할 수 있으며, 광(930)은 무시해도 될 정도의 회절을 갖고 격자(800)를 통해 투과될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, LC들(915)의 제 2 주 굴절률(예컨대, no AN)은 SRG(905)의 굴절률(ng)과 동일할 수 있으며, 따라서 광(930)은 임의의 회절 없이 투과될 수 있다. 즉, 격자(900)의 회절 효과는 SRG(905)의 홈 방향으로 편광된 광(930)에 대해 완전히 턴 오프될 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 전압-온 상태에서, 전기장은 두 개의 반대 기판들(910)에서의 전극들 사이에서 생성될 수 있으며, 네거티브 유전체 이방성을 가진 LC 분자들(920)은 전기장에 의해 수직(호메오트로픽) 상태에서 수평(평면) 상태로 재배향될 수 있다. LC 분자들(920)의 긴 축들은 인가된 전압이 충분히 높을 때 전기장 방향(예컨대, z-방향)에 수직이며 SRG(905)의 홈 방향(예컨대, y-방향)에 평행하려는 경향이 있을 수 있다. SRG(905)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 광(930)은 홈(900)에서 굴절률의 주기적인 변조를 경험하며, 따라서 ne AN과 ng 간의 굴절률 차이로 인해 회절될 수 있다. 즉, 격자(900)는 SRG(905)의 홈 방향(예컨대, y-방향)으로 편광된 광(930)에 대해 회절 상태에 있을 수 있다. 도 8a 내지도 8c 및 도 9a와 도 9b를 참조하면, 격자의 구성 및 입사 광의 편광에 의존하여, 격자가 전압-오프 상태에 있을 때, 격자는 회절 상태 또는 비-회절 상태에 있을 수 있고, 유사하게, 격자가 전압-온 상태에 있을 때, 격자는 회절 상태 또는 비-회절 상태에 있을 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 능동 격자들은 하나 이상의 도파관들에 의해 전달된 복수의 상이한 광 필드들(예컨대, FOV의 부분들, 다양한 컬러들에서의 이미지들 등)의 시간-다중화를 가능하게 할 수 있다. 도파관들에서의 FOV는 종종 격자들의 각도 대역폭, 뿐만 아니라 주로 도파관들의 굴절률에 의해 결정되는 도파관들의 각도 제한에 의해 제한된다. FOV를 확장하기 위한 하나의 방법은 여러 부분들로의 FOV의 분리 및 상이한 격자들 또는 격자들의 세트에 의해 부분들을 전달하는 것이다. 격자들 간의 크로스토크를 피하기 위해, FOV의 상이한 부분들에 대응하는 광 필드들은 상이한 시간 프레임들에서, 예컨대 시간-다중화 접근법을 사용함으로써 전달되는 것이 요구될 수 있다. 다음으로, FOV가 도파관을 통한 이전 후 회전되지 않는 "대칭" 경우에 대응하는 대표적인 도파관 아키텍처들이 설명된다. 이 경우는 또한 도파관에서 별개의 격자들에 의해 야기된 광학 분산의 보상에 대응할 수 있으며, 이를 통해 광대역 광원은 도파관에 결합된 광원으로서 사용되도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 인-커플링 및 아웃커플링 격자들에 의해 야기된 분산의 상호 보상은 2-격자 도파관들에서 달성될 수 있다. 이러한 체계를 설명하는 수학 표현은 
이며 여기에서 ki는 i번째 격자의 격자 벡터이고, n은 도파관에서 광의 방향에서의 격자들의 수이다. 즉, 도파관에서 광의 각각의 부분을 지향시키는 격자들의 격자 벡터들의 벡터 합은 대체로 0과 같을 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 능동 격자들은 분리되고 공통 도파관에서 격자들을 기울이는 방식, 또는 공통 도파관 또는 상이한 도파관들에서 격자들을 적층하는 방식으로와 같은, 상이한 방식들로 배열된 상이한 쌍들의 능동 격자들에 의해 전달되는 FOV의 상이한 부분들을 시간-다중화함으로써 FOV를 확장하는 것을 허용할 수 있다. 유사한 원리들이 상이한 컬러들에서의 이미지들을 전달하기 위해 사용될 수 있다.
도 10a는 도파관(1000)의 개략도를 예시하며, 도 10b 내지 도 10d는 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도 10A에서의 도파관(1000)의 동작 기법을 예시한다. 도파관(1000)은 도 2a 및 도 2b에서의 도파관(210)의 실시예일 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 도파관(1000)은 인-커플링 격자(1005)를 통해 광원 어셈블리(205)로부터 이미지 광을 수용하며 아웃-커플링 격자(1010)를 통해 눈(265)을 향해 이미지 광을 유도하도록 구성될 수 있다. 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 중 적어도 하나는 개시된 능동 격자들 중 임의의 것일 수 있다. 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 각각은 이웃하는 서브격자들이 연속적인 FOV를 얻기 위해 부분적으로 중첩될 수 있는 복수의 서브격자들을 포함할 수 있다. 서브격자들의 대표적인 중첩 구성들은 다음에서 수반된 도 10e 내지 도 10f를 갖고 설명될 것이다.
도 10a를 참조하면, 인-커플링 격자(1005)의 서브격자들은 아웃-커플링 격자(1010)의 서브격자들에 일-대-일 대응할 수 있다. 각각의 격자들의 서브격자들의 수는 분리되는 FOV의 부분들의 수에 대응할 수 있다. 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010)에서의 서브격자들은 도파관(1000)의 제 1 표면(1000-1) 및/또는 제 2 표면(1000-2)에 배치될 수 있다. 인-커플링 격자(1005)의 서브격자들은 도파관(1000)의 동일한 표면 또는 상이한 표면들에 배치될 수 있다. 아웃-커플링 격자(1010)의 서브격자들은 도파관(1000)의 동일한 표면 또는 상이한 표면들에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 서브격자는 1-차원에서 FOV를 기울이기 위해 1D 격자 패터닝을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 서브격자는 2-차원에서 FOV를 기울이기 위해 2D 격자 패터닝을 가질 수 있다.
논의 목적들을 위해, 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010)는 각각, 도파관(1000)의 제 2 표면(1000_2) 및 제 1 표면(1000_1)에 배치될 수 있으며, 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 양쪽 모두는 개시된 스위칭 가능한 격자들일 수 있다. 인-커플링 격자(1005)는 3개의 서브격자들: 제 1 인-커플링 서브격자(1005_1), 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2), 및 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3)를 포함할 수 있다. 아웃-커플링 격자(1010)는 3개의 서브격자들: 제 1 아웃-커플링 서브격자(1010_1), 제 2 아웃-커플링 서브격자(1010_2), 및 제 3 아웃-커플링 서브격자(1010_3)를 포함할 수 있으며, 이것은 제 1 인-커플링 서브격자(1005_1), 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2), 및 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3)에 일-대-일 대응한다.
광원 어셈블리(205)는 광원(예컨대, 디스플레이)으로부터 인-커플링 격자(1005)를 향해 이미지 광을 방출할 수 있다. 이미지 광은 디스플레이의 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 광선들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같이, 이미지 광의 광선들(1020)로 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 좌측 부분에 대응할 수 있고, 이미지 광의 광선들(1030)에 의해 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 중심 부분에 대응할 수 있으며, 이미지 광의 광선들(1040)에 의해 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 우측 부분에 대응할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 광은 선형 편광된 광일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 광은 선형 편광된 광이 아닌 다른 것일 수 있으며, 광학 요소들(예컨대, 선형 편광기, 또는 1/4-파장 판 등)은 광원 어셈블리(205)로부터 방출된 이미지 광을 인-커플링 격자(1005)로 입사될 선형 편광된 이미지 광이도록 변환하기 위해 광원 어셈블리(205)와 도파관(1000) 사이에 배열될 수 있다.
광원 어셈블리(205)에서 디스플레이의 디스플레이 프레임은 디스플레이의 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 광선들의 순차적인 송신을 위해 3개의 서브프레임들로 분할되며, 그에 의해 디스플레이의 FOV의 상이한 부분들의 순차적인 송신을 실현할 수 있다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제 1 서브프레임에서, 제 1 인-커플링 격자(1005_1) 및 제 1 아웃-커플링 서브격자(1010_1)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 나머지 서브격자들은 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 광선들(1020)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 제 1 인-커플링 격자(1005_1)를 통해 도파관(1000)에서 TIR 경로로 결합되며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1040)로 에워싸인 각도 범위로 제 1 아웃-커플링 서브격자(1010_1)를 통해 도파관(1000)으로부터 결합해제되지만, 광선들(1030)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1040)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관(1000)으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1020')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 좌측 부분에 대응할 수 있다.
도 10a 및 도 10c를 참조하면, 제 2 서브프레임에서, 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2) 및 제 2 아웃-커플링 서브격자(1010_2)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 나머지 서브격자들은 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 광선들(1030)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2)를 통해 도파관(1000)에서 TIR 경로로 결합될 수 있으며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1030')로 에워싸인 각도 범위로 제 2 아웃-커플링 서브격자(1010_2)를 통해 도파관(1000)으로부터 결합해제될 수 있지만, 광선들(1020)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1040)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관(1000)으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1030')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 중심 부분에 대응할 수 있다.
도 10a 및 도 10d를 참조하면, 제 3 서브프레임에서, 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3) 및 제 3 아웃-커플링 서브격자(1010_3)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 나머지 서브격자들은 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 광선들(1040)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3)를 통해 도파관(1000)에서 TIR 경로로 결합되며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1040')의 각도 범위로 제 3 아웃-커플링 서브격자(1010_3)를 통해 도파관(1000)으로부터 결합해제될 수 있지만, 광선들(1020)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1030)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관(1000)으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1040')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 우측 범위에 대응할 수 있다.
따라서, 제 1 인-커플링 서브격자(1005_1) 및 제 1 아웃-커플링 서브격자(1010_1)의 쌍, 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2) 및 제 2 아웃-커플링 서브격자(1010_2)의 쌍, 및 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3) 및 제 3 아웃-커플링 서브격자(1010_3)의 쌍을 회절 상태로 순차적으로 스위칭하는 것을 통해, 공통 도파관에서 FOV의 상이한 부분들의 순차적인 송신이 FOV를 기울임으로써 실현될 수 있다. 뿐만 아니라, 상이한 서브프레임들에서 서브격자들의 스위칭은 이웃하는 서브격자들 사이에서의 공간적 중첩에 의해 야기된 크로스토크를 제거할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 각각은 디스플레이의 FOV의 우측 및 좌측 부분들을 순차적으로 송신하는데 최적화되는 두 개의 서브격자들을 포함할 수 있다.
도 10a는 전체 FOV에 대응하는 이미지 광들을 방출하는 단일 광원 어셈블리(205)를 도시하며, 이것은 예시적인 목적들을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 주의될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 광원 어셈블리들이 사용될 수 있으며, 그 각각은 도파관 디스플레이 어셈블리에 의해 제공된 전체 FOV의 일 부분에 대응하는 이미지 광들을 방출한다. 예를 들어, 3개의 광원 어셈블리들이 사용될 수 있고, 이것은 각각 전체 FOV의 좌측 부분, 중심 부분 및 우측 부분에 대응하는 이미지 광들을 방출한다. 몇몇 실시예들에서, 전체 FOV의 좌측 부분 및 중심 부분에 대응하는 방출된 이미지 광들은 부분적으로 중첩될 수 있고, 전체 FOV의 우측 부분 및 중심 부분에 대응하는 이미지 광들은 부분적으로 중첩될 수 있으며, 따라서 연속 FOV가 인-커플링 요소(1005)로부터 도파관으로 도입될 수 있다.
도 10a는 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 양쪽 모두가 복수의 개시된 스위칭 가능한 격자들을 포함하며, 이것은 예시적인 목적들을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 주의될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 격자(1005) 및 아웃-커플링 격자(1010) 중 하나는 복수의 개시된 스위칭 가능한 격자들을 포함할 수 있지만, 다른 하나는 하나 이상의 비-스위칭 가능한 격자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, FOV의 상이한 부분들은 비-스위칭 가능한 인-커플링 격자(1005)로부터 도파관으로 도입될 수 있다. 아웃-커플링 격자(1010)는 3개의 아웃-커플링 서브격자들을 포함할 수 있으며, 디스플레이 프레임은 3개의 서브-프레임들을 포함할 수 있다. 각각의 서브프레임 동안, 하나의 서브격자는 도파관(1000) 밖으로 FOV의 미리 결정된 부분에 대응하는 이미지 광들을 결합 해제하기 위해 회절 상태로 스위칭될 수 있지만, 나머지 서브격자들은 크로스토크를 억제하기 위해 비-회절 상태로 스위칭될 수 있다.
도 10e 및 도 10f는 도 10a에서의 도파관(1000)에 포함된 인-커플링 서브격자들의 중첩 구성들의 개략도들을 예시한다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 인-커플링 격자들은 상이한 평면들에 배치될 수 있으며, 따라서 이웃하는 인-커플링 서브격자들은 부분적으로 중첩될 수 있다. 인-커플링 서브격자들 주위의 공간은 인덱스-매칭 재료로 채워질 수 있다. 일 실시예에서, 도 10e에 도시된 바와 같이, 인-커플링 서브격자들(1005_1, 1005_2 및 1005_3)의 각각은 상이한 평면에 배치될 수 있으며, 따라서 이웃하는 인-커플링 서브격자들은 부분적으로 중첩될 수 있다. 인-커플링 서브격자들 주위의 공간은 인덱스-매칭 재료(1050)로 채워질 수 있으며, 따라서 광 반사들이 상기 공간에서 억제될 수 있다. 일 실시예에서, 도 10f에 도시된 바와 같이, 제 1 인-커플링 서브격자(1005_1) 및 제 3 인-커플링 서브격자(1005_3)는 동일한 평면에 배치될 수 있지만, 제 2 인-커플링 서브격자(1005_2)는 상이한 평면에 배치될 수 있고, 따라서 이웃하는 인-커플링 서브격자들은 부분적으로 중첩될 수 있다. 도 10a에서의 도파관(1000)에 포함된 아웃-커플링 서브격자들의 중첩 구성들은 인-커플링 서브격자들의 것과 유사할 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
도 11a 내지 도 11d는 도파관들의 스택에 의해 전달된 FOV의 상이한 부분들의 시간-다중화의 개략도들을 예시한다. 도 11a는 도파관들의 스택(1100)의 개략도를 예시하며, 도 11b 내지 도 11d는 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위해 도 11a에서의 스택(1100)의 동작 기법을 예시한다. 도파관들의 스택(1100)은 도 2a 및 도 2b에서의 도파관(210)의 실시예일 수 있다. 도 10a와 도 11a 사이의 유사성들은 설명되지 않지만, 특정한 차이들은 설명될 수 있다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 스택(1100)은 함께 적층된 복수의 도파관들, 예를 들어, 3개의 도파관들(1110, 1120 및 1130)을 포함할 수 있다. 도파관(1110)은 인-커플링 격자(1112) 및 아웃-커플링 격자(1114)를 포함할 수 있고, 도파관(1120)은 인-커플링 격자(1122) 및 아웃-커플링 격자(1124)를 포함할 수 있으며, 도파관(1130)은 인-커플링 격자(1132) 및 아웃-커플링 격자(1134)를 포함할 수 있다. 파장 유도가 각각의 도파관에서 발생할 수 있다는 것을 보장하기 위해, 3개의 도파관들(1110, 1120 및 1130)은 에어 갭들에 의해 분리될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관들(1110, 1120 및 1130) 간의 에어 갭들은 도파관들의 것보다 낮은 굴절률을 가진 재료(예컨대, 액상 접착제)로 채워질 수 있다. 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들 중 적어도 하나는 개시된 스위칭 가능한 격자들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들은 각각의 도파관들의 제 1 표면 및/또는 제 2 표면에 배치될 수 있다. 논의 목적들을 위해, 도 11a에서, 스택(1100)에서의 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들 모두는 개시된 스위칭 가능한 격자들일 수 있으며, 각각의 도파관들의 제 2 표면에 배치될 수 있다.
광원 어셈블리(205)는 광원(예컨대, 디스플레이)으로부터의 이미지 광을 스택(1100)을 향해 방출할 수 있으며, 여기에서 이미지 광은 디스플레이의 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 광선들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11a에서, 광선들(1140)로 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 좌측 부분에 대응할 수 있고, 광선들(1150)로 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 중심 부분에 대응하며, 광선들(1160)로 에워싸인 각도 범위는 디스플레이의 FOV의 우측 부분에 대응할 수 있다. 광원 어셈블리(205)로부터 방출된 이미지 광은 선형 편광된 광이거나 또는 광원 어셈블리(205)와 스택(11000) 사이에 배열된 몇몇 광학 요소들에 의해 선형 편광된 광으로 변환될 수 있다.
디스플레이 프레임은 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 광선들의 순차적 투과를 위해 3개의 서브프레임들로 분할될 수 있다. 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제 1 서브프레임에서, 도파관(1110)에서 인-커플링 격자(1112) 및 아웃-커플링 격자(1114)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1120)에서의 인-커플링 격자(1122) 및 아웃-커플링 격자(1124), 뿐만 아니라 도파관(1130)에서의 인-커플링 격자(1132) 및 아웃-커플링 격자(1134)는 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 광선들(1140)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 인-커플링 격자(1112)를 통해 도파관(1110)에서의 TIR 경로로 결합될 수 있으며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1140')로 에워싸인 각도 범위로 아웃-커플링 격자(1114)를 통해 도파관(1110)으로부터 결합해제되지만, 광선들(1150)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1160)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관들(1110, 1120 및 1130) 중 임의의 것으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1140')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 좌측 부분에 대응할 수 있다. 즉, FOV의 좌측 부분은 눈(265)의 사출 동공에 위치된 아이-박스에서 복제될 수 있다.
도 11a 및 도 11c를 참조하면, 제 2 서브프레임에서, 도파관(1120)에서의 인-커플링 격자(1122) 및 아웃-커플링 격자(!124)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1110)에서의 인-커플링 격자(1112) 및 아웃-커플링 격자(1114), 뿐만 아니라 도파관(1130)에서의 인-커플링 격자(1132) 및 아웃-커플링 격자(1134)는 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 광선들(1150)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 인-커플링 격자(1122)를 통해 도파관(1120)에서의 TIR 경로로 결합될 수 있으며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1150')로 에워싸인 각도 범위로 아웃-커플링 격자(1124)를 통해 도파관(1120)으로부터 결합해제될 수 있지만, 광선들(1140)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1160)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관들(1110, 1120 및 1130) 중 임의의 것으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1150')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 중심 부분에 대응할 수 있다. 즉, FOV의 중심 부분은 눈(265)의 사출 동공에 위치된 아이-박스에서 복제될 수 있다.
도 11a 및 도 11d를 참조하면, 제 3 서브프레임에서, 도파관(1130)에서의 인-커플링 격자(1132) 및 아웃-커플링 격자(1134)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1110)에서의 인-커플링 격자(1112) 및 아웃-커플링 격자(1114), 뿐만 아니라 도파관(1120)에서의 인-커플링 격자(1122) 및 아웃-커플링 격자(1124)는 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 단지 광선들(1160)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들만이 인-커플링 격자(1132)를 통해 도파관(1130)에서의 TIR 경로로 결합되며, 눈(265)에 의해 보여질 광선들(1160')로 에워싸인 각도 범위로 아웃-커플링 격자(1134)를 통해 도파관(1130)으로부터 결합해제될 수 있지만, 광선들(1140)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들 및 광선들(1150)로 에워싸인 각도 범위에서의 광선들은 도파관들(1110, 1120 및 1130) 중 임의의 것으로 결합되지 않을 수 있다. 광선들(1160')로 에워싸인 각도 범위는 FOV의 우측 부분에 대응할 수 있다. 즉, FOV의 우측 부분은 눈의 사출 동공에 위치된 아이-박스에서 복제될 수 있다.
따라서, 스택(1100)에서의 각각의 도파관들에서 인-커플링 격자 및 아웃-커플링 격자의 쌍들을 회절 상태로 순차적으로 스위칭하면서 스택(1100)에서의 남아있는 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들을 비-회절 상태로 스위칭하는 것을 통해, FOV의 좌측, 중심 및 우측 부분들의 순차적인 투과가 실현될 수 있다. 스택(1100)에서의 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들이 설계될 수 있으며, 따라서 FOV의 좌측, 중심, 및 우측 부분들은 전체 프레임에 의해 전달된 연속 FOV를 제공하기 위해 부분적으로 중첩되어 투과될 수 있다. 뿐만 아니라, 상이한 서브프레임들에서 각각의 도파관들에서의 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들의 쌍들은 FOV의 상이한 부분들 간의 공간적 중첩에 의해 야기된 크로스토크를 제거할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, FOV는 두 개의 부분들, 예를 들어 좌측 및 우측 부분들로 나뉠 수 있으며, 동일한 원리가 FOV의 두 개의 부분들의 별개의 투과를 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 스택(1100)에서의 각각의 도파관들에 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들을 배치하는 대신에, 도 15가 도시하는 바와 같이, 인-커플링 격자들(1112, 1122, 및 1132)이 적층되고 공통(예컨대, 단일) 도파관에 부착될 수 있으며, 아웃-커플링 격자들(1114, 1124, 및 1134)은 적층되고 공통 도파관에 부착될 수 있다. 도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따라, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하는 도파관(1500)의 개략도를 예시한다. 도 11a와 도 15 간의 유사성들은 반복되지 않지만, 특정한 차이들은 설명될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 인-커플링 격자들(1515, 1522 및 1532)은 도파관(1500)의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치될 수 있으며, 복수의 아웃-커플링 격자들(1514, 1524, 및 1534)은 도파관(1500)의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치될 수 있다. 복수의 인-커플링 격자들(1512, 1522 및 1532) 및 복수의 아웃-커플링 격자들(1514, 1524 및 1534)은 도파관(1500)의 동일한 표면 또는 상이한 표면들에 배치될 수 있다. FOV의 좌측, 중심 및 우측 부분들의 시간-순차적 투과를 실현하기 위한 인-커플링 격자들(1512, 1522 및 1532) 및 아웃-커플링 격자들(1514, 1524 및 1534)의 동작 기법은 도 11b 내지 도 11d에서 도시된 것과 유사할 수 있으며 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
도 12a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 도파관들의 스택(1200)의 개략도를 예시하며, 도 12b 내지 도 12d는 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 도 12a에서의 도파관들의 스택(1200)의 동작 기법을 예시한다. 도파관들의 스택(1200)은 도 11a에서의 도파관들의 스택(1100)과 유사할 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다. 도파관들의 스택(1200)은 복수의 소스 어셈블리들, 예를 들어, 3개의 소스 어셈블리들(1240, 1250 및 1260)로부터 이미지 광들을 수신할 수 있다. 각각의 소스 어셈블리는 원색(예컨대, 적색, 녹색, 또는 청색)에 대응하는 특정 파장 대역의 단색성 이미지 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 소스 어셈블리들(1240, 1250 및 1260)은 각각 제 1 원색(예컨대, 적색), 제 2 원색(예컨대, 녹색) 및 제 3 원색(예컨대, 청색)에 대응하는 특정 파장 대역의 단색성 이미지 광(1245, 1255 및 1265)을 방출할 수 있다. 소스 어셈블리들(1240, 1250 및 1260)은 제어기로부터의 지시들에 따라 대응하는 이미지 광들을 순차적으로 방출하도록 구성될 수 있다. 소스 어셈블리들(1240, 1250 및 1260)로부터 방출된 이미지 광들은 각각 선형 편광된 광이거나 또는 소스 어셈블리들과 스택(1200) 사이에 배열된 몇몇 광학 요소들에 의해 선형 편광된 광으로 변환될 수 있다.
도파관(1210)은 양쪽 모두가 제 1 원색(예컨대, 적색)에 대응하는 파장 대역을 위해 설계된 인-커플링 격자(1212) 및 아웃-커플링 격자(1214)를 포함할 수 있고, 도파관(1220)은 양쪽 모두가 제 2 원색(예컨대, 녹색)에 대응하는 파장 대역을 위해 설계된 인-커플링 격자(1222) 및 아웃-커플링 격자(1224)를 포함할 수 있으며, 도파관(1230)은 양쪽 모두가 제 3 원색(예컨대, 청색)에 대응하는 파장 대역을 위해 설계된 인-커플링 격자(1232) 및 아웃-커플링 격자(1234)를 포함할 수 있다. 인-커플링 격자들(1212, 1222 및 1232) 및 아웃-커플링 격자들(1214, 1224 및 1234) 중 적어도 하나는 개시된 편광 민감성 스위칭 가능한 격자들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 논의 목적들을 위해, 모든 커플링 격자들(1212, 1222 및 1232) 및 아웃-커플링 격자들(1214, 1224 및 1234)은 개시된 편광 민감성 스위칭 가능한 격자들일 수 있다.
디스플레이 프레임은 이미지 광들(1240, 1250 및 1260)의 순차적 투과를 위해 3개의 서브프레임들로 분할될 수 있다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제 1 서브프레임에서, 이미지 광(1245)(예컨대, 적색 광)은 소스 어셈블리(1240)에 의해 스택(1200)을 향해 방출될 수 있으며, 이미지 광(1255(예컨대, 녹색 광) 및 1265(예컨대, 청색 광))은 대응하는 소스 어셈블리들로부터 방출되지 않을 수 있다. 도파관(1210)에서 인-커플링 격자(1212) 및 아웃-커플링 격자(1214)는 회절 사태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1220)에서의 인-커플링 격자(1222) 및 아웃-커플링 격자(1224), 뿐만 아니라, 도파관(1230)에서의 인-커플링 격자(1232) 및 아웃-커플링 격자(1234)는 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 이미지 광(1245)(예컨대, 적색 광)은 인-커플링 격자(1212)를 통해 도파관(1210)에서 TIR 경로로 결합될 수 있으며, 눈(265)에 의해 보여질 이미지 광(1245')(예컨대, 적색 광)으로 아웃-커플링 격자(1214)를 통해 도파관(1210)으로부터 결합해제될 수 있다. 즉, 단일-컬러 이미지(예컨대, 적색 컬러 이미지)가 눈(265)에 의해 보여질 수 있다.
도 12a 및 도 12c를 참조하면, 제 2 서브프레임에서, 이미지 광(1255)(예컨대, 녹색 광)은 소스 어셈블리(1250)를 통해 스택(1200)을 향해 방출될 수 있으며, 이미지 광(1245(예컨대, 적색 광) 및 1265(예컨대, 청색 광))은 대응하는 소스 어셈블리들로부터 방출되지 않을 수 있다. 도파관(1220)에서의 인-커플링 격자(1222) 및 아웃-커플링 격자(1224)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1210)에서의 인-커플링 격자(1212) 및 아웃-커플링 격자(1214), 뿐만 아니라 도파관(1230)에서의 인-커플링 격자(1232) 및 아웃-커플링 격자(1234)는 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 이미지 광(1255)(예컨대, 녹색 광)은 인-커플링 격자(1222)를 통해 도파관(1220)에서 TIR 경로로 결합되며, 눈(265)에 의해 보여질 이미지 광(1255')(예컨대, 녹색 광)으로 아웃-커플링 격자(1224)를 통해 도파관(1220)으로부터 결합해제될 수 있다. 즉, 단일-컬러 이미지(예컨대, 녹색 컬러 이미지)가 눈(265)에 의해 보여질 수 있다.
도 12a 및 도 12d를 참조하면, 제 3 서브프레임에서, 이미지 광(1265)(예컨대, 청색 광)은 소스 어셈블리(1260)에 의해 스택(1200)을 향해 방출될 수 있으며, 이미지 광(1245(예컨대, 적색 광) 및 1255(예컨대, 녹색 광))은 대응하는 소스 어셈블리들로부터 방출되지 않을 수 있다. 도파관(1230)에서의 인-커플링 격자(1232) 및 아웃-커플링 격자(1234)는 회절 상태(또는 온 상태)로 스위칭될 수 있지만, 도파관(1210)에서의 인-커플링 격자(1212) 및 아웃-커플링 격자(1214), 뿐만 아니라, 도파관(1220)에서의 인-커플링 격자(1222) 및 아웃-커플링 격자(1224)는 모두 비-회절 상태(또는 오프 상태)로 스위칭될 수 있다. 따라서, 이미지 광(1265)(예컨대, 청색 광)은 인-커플링 격자(1232)를 통해 도파관(1230)에서 TIR 경로로 결합되며, 눈(265)에 의해 보여질 이미지 광(1265')(예컨대, 청색 광)으로 아웃-커플링 격자(1234)를 통해 도파관(1230)으로부터 결합해제될 수 있다. 즉, 단일-컬러 이미지(예컨대, 청색 컬러 이미지)가 눈(265)에 의해 보여질 수 있다.
따라서, 단색성 이미지 광들(1245, 1255 및 1265)을 순차적으로 방출하며, 인-커플링 격자 및 아웃-커플링 격자의 대응 쌍들을 회절 상태로 순차적으로 스위칭하는 것을 통해, 상이한 컬러들(예컨대, 적색, 녹색, 청색)에서의 이미지 광들의 순차적인 투과가 실현될 수 있다. 즉, 상이한 컬러들에서의 단일-컬러 이미지들의 순차적인 투과가 실현될 수 있다. 최종 이미지는 다색성 이미지로서 눈(265)에 의해 보여질 수 있다. 뿐만 아니라, 개시된 스위칭 가능한 격자들을 사용함으로써 실현되는 시간-다중화는 스택(1200)에서 크로스토크를 제거하며, 따라서 스택(1200)을 포함한 도파관 디스플레이 어셈블리의 이미지 성능을 개선할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 소스 어셈블리들(1240, 1250 및 1260)은 인-커플링 격자 및 아웃-커플링 격자의 대응 쌍들이 비-회절 상태로 스위칭될 때에도 각각의 이미지 광들을 방출한 채로 있을 수 있으며, 그것을 통해 제어가 단순화될 수 있지만, 전력 소비는 증가될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 스택(1200)에서의 각각의 도파관들에서 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들을 배치하는 대신에, 인-커플링 격자들(1212, 1222, 및 1232)은 적층되고 공통(예컨대, 단일) 도파관으로 부착될 수 있으며 아웃-커플링 격자들(1214, 1224, 및 1234)은 적층되고 공통 도파관에 부착될 수 있으며, 유사한 구조가 도 11e에 대해 참조될 수 있다. 인-커플링 격자들의 스택 및 아웃-커플링 격자들의 스택 각각은 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치될 수 있다. 상이한 컬러들에서 이미지 광들의 시간-순차적 투과를 실현하기 위한 인-커플링 격자들(1212, 1222, 및 1232) 및 아웃-커플링 격자들(1214, 1224, 및 1234)의 동작 기법은 도 12b 내지 도 12d에 도시된 것과 유사할 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
도 12a 내지 도 12d에서의 실시예들은 단색성 이미지 광에 대해 효과적일 수 있다. 컬러 이미지들에 대해, 상이한 컬러들의 이미지 광은 공간적으로 및/또는 시간적으로 다중화될 수 있다. 스택에서 도파관들의 수는 2로 감소될 수 있다. 컬러들의 별개의 투과를 위해, 하나의 도파관은 적색/녹색을 위해 구성되며 다른 것은 녹색/청색 컬러들을 위해 구성될 수 있다.
도 12a는 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들 각각이 개시된 스위칭 가능한 격자들임을 도시하며, 이것은 예시적인 목적들을 위한 것이고 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 주의될 것이다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 격자들 각각은 개시된 스위칭 가능한 격자일 수 있지만, 아웃-커플링 격자들 각각은 비-스위칭 가능한 격자일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 아웃-커플링 격자들 각각은 개시된 스위칭 가능한 격자일 수 있지만, 인-커플링 격자들 각각은 비-스위칭 가능한 격자일 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러들은 비-스위칭 가능한 인-커플링 격자들에 의해 별개의 프로젝터들로부터 도입될 수 있다. 디스플레이 프레임은 3개의 서브프레임들을 포함할 수 있다. 각각의 서브프레임에서, 단지 RGB 컬러들 중 하나를 방출하는 프로젝터만이 턴 온될 수 있으며 RGB 컬러들 중 하나에 대응하는 아웃-커플링 격자는 RGB 컬러들 중 하나의 이미지 광을 전달하기 위해 회절 상태에 있도록 구성될 수 있지만, 나머지 프로젝터들은 턴 온될 수 있고 나머지 아웃-커플링 격자들은 크로스토크를 억제하기 위해 비-회절 상태에 있도록 구성될 수 있다.
본 개시는 또한 시간-다중화 방식으로 광원 어셈블리로부터 방출된 이미지 광의 복수의 광 필드들을 전달하기 위해 도파관 디스플레이 어셈블리에 대한 방법을 제공한다. 상기 방법은 제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 제 1 도파관으로 복수의 광 필드들 중 제 1 광 필드에 대응하는 제 1 복수의 이미지 광들을 인-커플링하는 것, 및 제 1 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 상기 제 1 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 제 2 도파관으로 복수의 광 필드들 중 제 2 광 필드에 대응하는 제 2 복수의 이미지 광들을 인-커플링하는 것, 및 제 2 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 2 도파관으로부터 제 2 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 포함할 수 있다. 광 필드는 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분, 전체-컬러 이미지의 FOV의 미리 결정된 부분, 또는 미리 결정된 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응할 수 있다. 상기 방법은 또한 제 3 시간 기간 동안, 제 3 인-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 제 3 도파관으로 복수의 광 필드들 중 제 3 광 필드에 대응하는 제 3 복수의 이미지 광들을 인-커플링하는 것, 및 제 3 아웃-커플링 격자에 의해, 회절을 통해 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 3 도파관으로부터 상기 제 3 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 것을 포함할 수 있다.
논의 목적들을 위해, 도 13은 본 개시의 실시예에 따라, 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 전달하기 위한 도파관 디스플레이 어셈블리의 방법의 흐름도(1300)를 예시한다. 도파관 디스플레이 어셈블리는 도 2a 및 도 2b에서의 도파관 디스플레이 어셈블리들(200 및 250)의 실시예일 수 있다. 도파관 디스플레이 어셈블리는 적어도 하나의 개시된 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 방법은: 제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 요소에 의해, 광원 어셈블리로부터 방출된 제 1 복수의 광선들을 회절을 통해 제 1 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 1 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 광선들의 제 1 각도 범위로 제 1 복수의 광선들을 결합해제하는 것(S1310)을 포함할 수 있다. 광원 어셈블리로부터 방출된 제 1 복수의 광선들의 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 1 부분에 대응할 수 있다. 제 1 도파관으로부터 결합해제된 광선들의 제 1 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 1 부분에 대응할 수 있다.
상기 방법은: 제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 요소에 의해, 광원 어셈블리로부터 방출된 제 2 복수의 광선들을 회절을 통해 제 2 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 2 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 2 도파관으로부터 광선들의 제 2 각도 범위로 제 2 복수의 광선들을 결합해제하는 것(S1320)을 추가로 포함할 수 있다. 광원 어셈블리로부터 방출된 제 2 복수의 광선들의 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 2 부분에 대응할 수 있다. 제 2 도파관으로부터 결합해제된 광선들의 제 2 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 2 부분에 대응할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 광원 어셈블리는 디스플레이인 소스를 포함할 수 있고, 제 1 시간 기간 및 제 2 시간 기간은 각각 디스플레이의 디스플레이 프레임의 제 1 서브-프레임 및 제 2 서브-프레임일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 도파관들은 동일한 도파관(공통 도파관으로 불리우는)일 수 있으며, 여기에서 공통 도파관은 광원 어셈블리를 향하는 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 인-커플링 요소들은 공통 도파관의 제 1 또는 제 2 표면에서 기울어질 수 있으며, 제 1 및 제 2 아웃-커플링 요소들은 공통 도파관의 제 1 또는 제 2 표면에서 기울어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 인-커플링 요소들은 적층되고 공통 도파관의 제 1 또는 제 2 표면에 부착될 수 있으며, 제 1 및 제 2 아웃-커플링 요소들은 적층되고 공통 도파관의 제 1 또는 제 2 표면에 부착될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 도파관들은 저 인덱스 재료에 의해 분리되는 개개의 도파관들일 수 있으며, 각각의 도파관은 광원 어셈블리를 향하는 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가질 수 있다. 각각의 도파관들의 인-커플링 요소들은 각각의 도파관들의 제 1 또는 제 2 표면에 배치될 수 있으며, 각각의 도파관들의 아웃-커플링 요소들은 각각의 도파관들의 제 1 또는 제 2 표면에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 방법은: 제 3 시간 기간 동안, 제 3 인-커플링 요소에 의해, 광원 어셈블리로부터 방출된 제 3 복수의 광선들을 회절을 통해 제 3 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 3 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 3 도파관으로부터 광선들의 제 3 각도 범위로 제 3 복수의 광선들을 결합해제하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 광원 어셈블리로부터 방출된 제 3 복수의 광선들의 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 3 부분에 대응할 수 있다. 제 3 도파관으로부터 결합 해제된 광선들의 제 3 각도 범위는 광원 어셈블리에 의해 제공된 FOV의 제 3 부분에 대응할 수 있다.
논의 목적들을 위해, 도 14는 본 개시의 실시예에 따라, 시간-다중화 방식으로 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위한 도파관 디스플레이 어셈블리의 방법의 흐름도(1400)를 예시한다. 도파관 디스플레이 어셈블리는 도 2a 및 도 2b에서의 도파관 디스플레이 어셈블리들(200 및 250)의 실시예일 수 있다. 도파관 디스플레이 어셈블리는 적어도 하나의 개시된 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 방법은: 제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 요소에 의해, 제 1 광원 어셈블리로부터 방출된 제 1 컬러의 이미지 광을 회절을 통해 제 1 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 1 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 제 1 컬러의 이미지 광을 결합해제하는 것(S1410)을 포함할 수 있다. 상기 방법은: 제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 요소에 의해, 제 2 광원 어셈블리로부터 방출된 제 2 컬러의 이미지 광을 회절을 통해 제 2 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 2 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 2 도파관으로부터 제 2 컬러의 이미지 광을 결합해제하는 것(S1420)을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 광원 어셈블리들은 개개의 광원 어셈블리들일 수 있다. 제 1 및 제 2 광원 어셈블리들의 각각은 디스플레이인 소스를 포함할 수 있으며, 제 1 시간 기간 및 제 2 시간 기간은 각각, 디스플레이의 디스플레이 프레임의 제 1 서브-프레임 및 제 2 서브-프레임일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 광원 어셈블리들은 동일한 공통 광원 어셈블리일 수 있으며, 이것은 제 1 컬러의 이미지 광 및 제 2 컬러의 이미지 광을 순차적으로 방출하도록 제어된다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 컬러의 이미지 광 및 제 2 컬러의 이미지 광은 상이한 원색들에 대응하는 파장 대역들에서 단색성 광들일 수 있다. 제 1 및 제 2 도파관들은 저 인덱스 재료에 의해 분리되는 개개의 도파관들일 수 있다. 각각의 도파관은 광원 어셈블리를 향하는 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 가질 수 있다. 각각의 도파관들의 인-커플링 요소들은 각각의 도파관들의 제 1 또는 제 2 표면에 배치될 수 있으며, 각각의 도파관들의 아웃-커플링 요소들은 각각의 도파관들의 제 1 또는 제 2 표면에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 방법은: 제 3 시간 기간 동안, 제 3 인-커플링 요소에 의해, 제 3 광원 어셈블리로부터 방출된 제 3 컬러의 이미지 광을 회절을 통해 제 3 도파관으로 인-커플링하는 것, 및 제 3 아웃-커플링 요소에 의해, 회절을 통해 아이-박스를 향하여 제 3 도파관으로부터 제 3 컬러의 이미지 광을 결합해제하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
개시된 스위칭 가능한 격자들에 기초한 FOV의 상이한 컬러들 및/또는 상이한 부분들의 공간- 및/또는 시간-다중화를 위한 개시된 방법들은 넓은 FOV를 갖고 전체-컬러 이미지들을 전달하기 위해 조합될 수 있으며, 그 모두는 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 도 11a에서의 도파관 스택(1100) 또는 도 15에서의 도파관(1500)은 또한 큰 FOV를 갖고 전체-컬러 이미지들을 투과하기 위해 사용될 수 있으며, 여기에서 하나 이상의 도파관들은 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 가진 전체-컬러 이미지들을 전달하도록 구성된다. 시간-다중화 방식으로 도파관들을 통해 큰 FOV를 갖고 전체-컬러 이미지들을 투과하는 것을 실현하기 위해, 각각의 도파관에서 인-커플링 격자들 및 아웃-커플링 격자들의 각각은 FOV의 상이한 부분들에 대응하는 상이한 컬러들(예컨대, 적색, 녹색, 및 청색 컬러들)에 대한 복수의 서브격자들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 11a에서의 도파관 스택(1100) 또는 도 15에서의 도파관(1500)을 통해 시간-다중화 방식으로 FOV의 미리 결정된 부분들에 대응하는 전체-컬러 이미지 광들을 순차적으로 전달하기 위해, 도 11a에서의 인-커플링 격자들(1112, 1122 및 1132) 또는 도 15에서의 인-커플링 격자들(1512, 1522 및 1532)의 각각은 복수의 스위칭 가능한 인-커플링 서브격자들을 포함할 수 있으며, 도 11a에서의 아웃-커플링 격자들(1114, 1124 및 1134) 또는 도 15에서의 아웃-커플링 격자들(1514, 1524, 1534)의 각각은 복수의 스위칭 가능한 아웃-커플링 서브격자들을 포함할 수 있다. 도 11a에서의 인-커플링 격자들(1112, 1122 및 1132) 또는 도 15에서의 것들(1512, 1522, 1532)은 인-커플링 격자 스택일 수 있으며, 도 11a에서의 아웃-커플링 격자들(1114, 1124 및 1134) 또는 도 15에서의 것들(1514, 1524, 1534)은 아웃-커플링 격자 스택일 수 있다. X 수의 서브격자들은 FOV를 전달하기 위해 설계되며 Y 수의 서브격자들은 전체-컬러 이미지(예컨대, RGB 컬러들)를 형성하는 단일-컬러 이미지들을 전달하기 위해 설계된다는 것을 고려할 때, 인-커플링 및 아웃-커플링 격자 스택들의 각각에 포함된 서브격자들의 총 양은 X*Y일 수 있으며, 여기에서 X 및 Y는 양수들이고 X≥2 및 Y≥2이다. 예를 들어, FOV의 1/3 부분(X=3)을 전달하도록 작용하는 도 11a에서의 인-커플링 격자들(1112, 1122 및 1132) 또는 도 15에서의 것들(1512, 1522, 1532)의 각각은 적색, 녹색 및 청색 컬러들에서 FOV의 대응하는 부분을 전달하기 위해 3개의 서브격자들(Y=3)로 분리될 수 있다. FOV의 1/3 부분(X=3)을 전달하도록 작용하는 도 11a에서의 아웃-커플링 격자들(1114, 1124 및 1134) 또는 도 15에서의 것들(1514, 1524, 1534)은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 컬러들에서 FOV의 대응하는 부분을 전달하기 위해 3개의 서브격자들(Y=3)로 분리될 수 있다. 인-커플링 격자들의 총 양은 아웃-커플링 서브격자들의 총 양과 같을 수 있으며 X*Y=3*3=9로 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인-커플링 및 아웃-커플링 격자 스택들로부터의 대응하는 서브격자들은 크로스토크를 억제하기 위해 별개의 서브프레임들(예컨대, 9개의 서브프레임들)에서 활성화될 수 있다.
각각의 서브프레임에서, 스위칭 가능한 인-커플링 및 아웃-커플링 서브격자들의 하나의 쌍은 FOV의 미리 결정된 부분에 대응하는 단일-컬러 이미지를 눈으로 송신하기 위해 회절 상태에 있도록 구성될 수 있지만, 인-커플링 서브격자들 및 아웃-커플링 서브격자들의 나머지 쌍들은 비-회절 상태에 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 전체 디스플레이 프레임 동안, FOV의 상이한 부분들에 대응하는 단일-컬러 이미지들은 시간-다중화 방식으로 눈으로 순차적으로 송신될 수 있다. 예를 들어, FOV의 좌측 부분에 대응하는 적색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 좌측 부분에 대응하는 녹색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 좌측 부분에 대응하는 청색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 중심 부분에 대응하는 적색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 중심 부분에 대응하는 녹색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 중심 부분에 대응하는 청색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 우측 부분에 대응하는 적색 컬러의 단일-컬러 이미지, FOV의 우측 부분에 대응하는 녹색 컬러의 단일-컬러 이미지, 및 FOV의 우측 부분에 대응하는 청색 컬러의 단일-컬러 이미지가 시간-다중화 방식으로 눈으로 순차적으로 송신될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 서브프레임들의 수는 도파관 스택(1100)(예를 들어, 상이한 컬러들에 대한)에서 몇몇 서브격자들을 제공하여 감소될 수 있거나 또는 도파관(1500)은 그것들 간의 크로스토크가 무시해도 될 정도이도록 매우 선택적이다.
유사하게, 도 10a에서의 도파관(1000)은 또한 큰 FOV를 갖고 전체-컬러 이미지들을 송신하기 위해 사용될 수 있으며, 여기에서 도파관(1000)은 시간-다중화 방식으로 FOV의 상이한 부분들을 갖고 전체-컬러 이미지들을 전달하도록 구성된다. 시간-다중화 방식으로 도파관들을 통해 큰 FOV를 갖고 전체-컬러 이미지들을 송신하는 것을 실현하기 위해, 인-커플링 서브-격자들(1005_1, 1005_2 및 1005_3)의 각각은 복수의 인-커플링 삼차 격자들을 추가로 포함할 수 있으며, 아웃-커플링 서브-격자들(1010_1, 1010_2 및 1010_3)의 각각은 상이한 컬러들(예컨대, 적색, 녹색, 및 청색 컬러들)을 전달하기 위해 복수의 아웃-커플링 삼차 격자들을 추가로 포함할 수 있다. 각각의 삼차 격자들은 도파관(1000)의 표면에서 적층되거나 또는 기울어질 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다. 인-커플링 삼차 격자들 및 아웃-커플링 삼차 격자들의 수는 도 11a에서의 도파관 스택(1100)에 포함된 인-커플링 서브격자들 및 아웃-커플링 서브격자들의 것과 동일한 방식으로 결정될 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다. 도파관(1000)에서 스위칭 가능한 인-커플링 및 아웃-커플링 삼차 격자들의 쌍들의 동작 기법은 도 11a에서의 도파관 스택(1100)에서 스위칭 가능한 인-커플링 및 아웃-커플링 서브격자들의 쌍들의 것과 유사할 수 있으며, 세부사항들은 여기에서 반복되지 않는다.
상기 논의에서, 시간-다중화 방식으로 FOV의 미리 결정된 부분들에 대응하는 전체-컬러 이미지 광들을 순차적으로 전달하기 위해, 각각의 인-커플링 격자는 3개의 스위칭 가능한 인-커플링 서브격자들을 포함할 수 있으며, 각각의 아웃-커플링 격자는 3개의 스위칭 가능한 아웃-커플링 격자들을 포함할 수 있고, 이것은 예시적인 목적을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 컬러들을 다중화하고 동시에 FOV들을 기울이기 위해, 각각의 인-커플링 격자(서브-격자)는 N 수의 인-커플링 서브격자들(삼차 격자들)을 포함할 수 있으며, 각각의 아웃-커플링 격자(서브-격자)는 N 수의 아웃-커플링 서브격자들(삼차 격자들)을 포함할 수 있고, N은 양수이며 N≥2이다. 몇몇 실시예들에서, N≥3이다. 즉, 인-커플링 서브격자(삼차 격자) 및 대응하는 아웃-커플링 서브격자(삼차 격자)는 쌍을 형성할 수 있으며, 개시된 도파관 또는 도파관 스택은 N개의 쌍들을 포함할 수 있다. 각각의 시간 기간들 동안, N개의 쌍들의 각각의 쌍들은 복수의 광 필드들의 각각의 광 필드들을 송신하기 위해 회절 상태에 있도록 순차적으로 구성될 수 있으며, N개의 쌍들의 나머지 쌍들은 비-회절 상태에 있도록 구성될 수 있다. 복수의 광 필드들은 상이한 컬러들의 단일-컬러 이미지들, 단일-컬러 이미지들의 FOV의 상이한 부분들 또는 전체-컬러 이미지들의 FOV의 상이한 부분들에 대응할 수 있다.
뿐만 아니라, FOV의 상이한 컬러들 및/또는 상이한 부분들의 공간- 및/또는 시간-다중화를 위한 개시된 방법들 및 개시된 도파관 디스플레이 어셈블리들은 또한 능동 LC들, 메타표면/LC 격자들 등에 기초하여 기하학 위상 격자들과 같은, 다른 스위칭 가능한 격자들에 의해 실현될 수 있으며, 그 모두는 본 개시의 범위 내에 있다.
본 개시의 실시예들의 앞서 말한 설명은 예시 목적을 위해 제공되었다. 그것은 철저하거나 또는 본 개시를 개시된 정확한 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 관련 기술에서의 숙련자들은 상기 개시를 고려하여 많은 수정들 및 변화들이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.
이러한 설명의 몇몇 부분들은 정보에 대한 동작들의 알고리즘들 및 심볼 표현들에 대하여 본 개시의 실시예들을 설명한다. 이들 알고리즘적 설명들 및 표현들은 일반적으로 그것들의 작업의 본질을 이 기술분야의 다른 숙련자들에게 효과적으로 전달하기 위해 데이터 프로세싱 기술들에서의 숙련자들에 의해 사용된다. 이들 동작들은, 기능적으로, 계산적으로, 또는 논리적으로 설명되지만, 컴퓨터 프로그램들 또는 등가의 전기 회로들, 마이크로코드 등에 의해 구현되는 것으로 이해된다. 더욱이, 때로는, 일반성의 손실 없이, 모듈들로서 동작들의 이들 배열들을 나타내는 것이 편리하다는 것이 또한 증명되었다. 설명된 동작들 및 그것들의 연관된 모듈들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 그것의 임의의 조합들에서 구체화될 수 있다.
본원에 설명된 단계들, 동작들, 또는 프로세서들 중 임의의 것은 하나 이상의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 모듈들과, 단독으로 또는 다른 디바이스들과 조합하여 수행되거나 또는 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 소프트웨어 모듈은 설명된 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 임의의 것 또는 모두를 수행하기 위해 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함한 컴퓨터-판독 가능한 매체를 포함한 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현된다.
본 개시의 실시예들은 본원에서의 동작들을 수행하기 위한 장치와 관련될 수 있다. 이러한 장치는 요구된 목적들을 위해 특수하게 구성될 수 있으며, 및/또는 그것은 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 또는 재구성된 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 비-일시적인, 유형의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체, 또는 전자 지시들을 저장하기에 적합한 임의의 유형의 미디어에 저장될 수 있으며, 이것은 컴퓨터 시스템 버스에 결합될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에서 참조된 임의의 컴퓨팅 시스템들은 단일 프로세서를 포함할 수 있거나 또는 증가된 컴퓨팅 능력을 위해 다수의 프로세서 설계들을 이용한 아키텍처들일 수 있다.
본 개시의 실시예들은 또한 본원에 설명된 컴퓨팅 프로세스에 의해 생성되는 제품과 관련될 수 있다. 이러한 제품은 컴퓨팅 프로세스에서 기인한 정보를 포함할 수 있으며, 상기 정보는 비-일시적인, 유형의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장되며 본원에 설명된 컴퓨터 프로그램 제품 또는 다른 데이터 조합의 임의의 실시예를 포함할 수 있다.
마지막으로, 명세서에서 사용된 언어는 주로 가독성 및 지시 목적들을 위해 선택되었으며, 그것은 본 발명의 주제를 상세히 기술하거나 또는 제한하기 위해 선택되지 않았다. 그러므로, 본 개시의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해서가 아닌, 그것에 기초하여 출원에서 발행하는 임의의 청구항들에 의해 제한된다는 것이 의도된다. 따라서, 실시예들의 개시는 다음의 청구항들에서 제시되는, 본 개시의 범위에 예시적이며, 제한적이지 않도록 의도된다.
Claims (15)
- 광학 디바이스에 있어서,
이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리; 및
적어도 하나의 도파관을 통해, 시간-다중화 방식으로, 상기 이미지 광의 복수의 광 필드들을 상기 광학 디바이스의 아이-박스로 투과하도록 구성된 인-커플링 요소 및 아웃-커플링 요소를 포함한 상기 적어도 하나의 도파관을 포함하며,
상기 인-커플링 요소 또는 상기 아웃-커플링 요소 중 적어도 하나는:
표면 양각 격자(SRG)의 홈 방향을 따르는 제 1 주 굴절률 및 상기 홈 방향에 수직인 면-내 방향을 따르는 제 2 주 굴절률을 가진 스위칭 가능한 광학적 이방성 재료로 채워진 상기 SRG로서, 상기 제 1 및 제 2 주 굴절률들 중 하나는 상기 SRG의 굴절률과 대체로 일치하며, 다른 하나는 상기 SRG의 굴절률과 불일치하는, 상기 SRG를 포함한, 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함하는, 광학 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
광 필드는 그룹:
i. 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분;
ii. 전체-컬러 이미지의 시야(FOV)의 미리 결정된 부분;
iii. 미리 결정된 컬러의 단일-컬러 이미지로부터 선택된 하나 이상에 대응하는, 광학 디바이스. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 가능한 광학적 이방성 재료는 능동 액정들(LC들)을 포함하는, 광학 디바이스. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소에 인가된 외부 전기장을 통해 회절 상태와 비-회절 상태 사이에서 스위칭 가능한, 광학 디바이스. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 SRG는 경사진 격자 및 비-경사진 격자 중 하나인, 광학 디바이스. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 1-차원 회절 격자인, 광학 디바이스. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들을 포함하며, N은 양수이고 N≥2이며,
각각의 시간 기간들 동안, 상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 복수의 광 필드들의 각각의 광 필드들을 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 순차적으로 구성되며, 및
하나의 시간 기간 동안, 상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들 중 하나는 상기 복수의 광 필드들의 광 필드를 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 구성되며 나머지 스위칭 가능한 회절 격자들은 비-회절 상태에 있도록 구성되는, 광학 디바이스. - 제 7 항에 있어서,
상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 서로 부분적으로 중첩되도록 배열되거나; 또는 바람직하게는:
상기 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들은 적층되도록 배열되는, 광학 디바이스. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 도파관은 적층되도록 배열된 M 수의 도파관들을 포함하며, M은 양수이고 M≥2이며, 상기 M 수의 도파관들의 각각은 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소를 포함하고,
각각의 시간 기간들 동안, 상기 각각의 도파관들에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소들은 상기 복수의 광 필드들의 각각의 광 필드들을 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 순차적으로 구성되며,
하나의 시간 기간 동안, 상기 M 수의 도파관들 중 하나에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 복수의 광 필드들의 광 필드를 투과하기 위해 회절 상태에 있도록 구성되며, 나머지 도파관들에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소들은 비-회절 상태에 있도록 구성되고; 바람직하게는:
상기 각각의 도파관들에 포함된 상기 적어도 하나의 스위칭 가능한 회절 광학 요소는 N 수의 스위칭 가능한 회절 격자들을 포함하고, N은 양수이며 N≥2인, 광학 디바이스. - 광학 디바이스의 방법에 있어서,
제 1 시간 기간 동안, 제 1 인-커플링 격자에 의해, 복수의 광 필드들 중 제 1 광 필드에 대응하는 제 1 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 1 도파관으로 인-커플링하며, 제 1 아웃-커플링 격자에 의해, 상기 회절을 통해 상기 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 제 1 도파관으로부터 상기 제 1 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 단계;
제 2 시간 기간 동안, 제 2 인-커플링 격자에 의해, 상기 복수의 광 필드들 중 제 2 광 필드에 대응하는 제 2 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 2 도파관으로 인-커플링하며, 제 2 아웃-커플링 격자에 의해, 상기 회절을 통해 상기 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 상기 제 2 도파관으로부터 상기 제 2 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 단계를 포함하는, 광학 디바이스의 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 광 필드는 그룹:
i. 단일-컬러 이미지의 시야(FOV)의 제 1 부분, 및 상기 제 2 광 필드는 단일-컬러 이미지의 FOV의 제 2 부분에 대응한다,
ii. 전체-컬러 이미지의 시야(FOV)의 제 1 부분, 및 상기 제 2 광 필드는 전체-컬러 이미지의 FOV의 제 2 부분에 대응한다;
iii. 제 1 컬러의 단일-컬러 이미지, 및 상기 제 2 광 필드는 제 2 컬러의 단일-컬러 이미지에 대응한다로부터 선택된 하나 이상에 대응하는, 광학 디바이스의 방법. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 도파관들은 동일한 공통 도파관이고, 상기 제 1 및 제 2 인-커플링 격자들은 부분적으로 중첩되며 상기 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 아웃-커플링 격자들은 부분적으로 중첩되며 상기 공통 도파관의 상기 제 1 표면 또는 상기 제 2 표면에 배치되는, 광학 디바이스의 방법. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 도파관들은 동일한 공통 도파관이고, 상기 제 1 및 제 2 인-커플링 격자들은 적층되며 각각 상기 공통 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 아웃-커플링 격자들은 적층되며 각각 상기 공통 도파관의 상기 제 1 표면 또는 상기 제 2 표면에 배치되는, 광학 디바이스의 방법. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 도파관들은 개개의 도파관들이고, 상기 제 1 인-커플링 및 제 1 아웃-커플링 격자들 각각은 상기 제 1 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되며, 상기 제 2 인-커플링 및 제 2 아웃-커플링 격자들 각각은 상기 제 2 도파관의 제 1 표면 또는 제 2 표면에 배치되는, 광학 디바이스의 방법. - 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 3 시간 기간 동안, 제 3 인-커플링 격자에 의해, 상기 복수의 광 필드들 중 제 3 광 필드에 대응하는 제 3 복수의 이미지 광들을 회절을 통해 제 3 도파관으로 인-커플링하며, 제 3 아웃-커플링 격자에 의해, 상기 회절을 통해 상기 광학 디바이스의 아이-박스를 향하여 상기 제 3 도파관으로부터 상기 제 3 복수의 이미지 광들을 결합해제하는 단계를 더 포함하는, 광학 디바이스의 방법.
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