KR20220159972A - 박형 도파관 빔 재지향기 및 이를 기반으로 한 디스플레이 - Google Patents

박형 도파관 빔 재지향기 및 이를 기반으로 한 디스플레이 Download PDF

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KR20220159972A
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waveguide
wavelength
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알렉산더 코셸레프
쥬세페 칼라피오레
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

광을 2차원(2D)으로 재지향시키기 위한 디바이스는 제1 파장의 스펙트럼 성분을 가지는 이미지 광을 제공하기 위한 파장 조정 가능 광원을 포함한다. 1D 재지향기가 광을 제1 평면 내에 재지향시킨다. 제1 평면 내에 박형 도파관이 배치된다. 박형 도파관은 1D 재지향기에 의해 재지향된 광을 전파하기 위해 1D 재지향기에 결합된 슬래브 도파관 부분을 포함한다. 슬래브 도파관 부분은 광을 제2 평면 내에서 제1 파장에 의존하는 각도로 외부로 결합시키는 파장 민감 아웃-커플러를 포함한다. 이에 따라, 광은 2차원으로 재지향된다. 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 디스플레이 디바이스는 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스를 기반으로 할 수 있다.

Description

박형 도파관 빔 재지향기 및 이를 기반으로 한 디스플레이
본 개시 내용은 광학 디바이스에 관한 것으로, 특히 디스플레이 시스템 및 모듈에 관한 것이다.
가상 현실(VR) 콘텐츠, 증강 현실(AR) 콘텐츠, 혼합 현실(MR) 콘텐츠 등을 디스플레이하기 위한 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD), 헬멧 장착형 디스플레이(helmet mounted display), 근안 디스플레이(near-eye display)(NED) 등의 이용도가 점점 더 높아지고 있다. 이러한 디스플레이는, 몇 가지 예를 들자면, 엔터테인먼트, 교육, 트레이닝 및 의생명 과학을 포함한 다양한 분야에서 응용되고 있다. 디스플레이되는 VR/AR/MR 콘텐츠는, 경험을 증강시키고 사용자가 관찰한 실제 객체와 가상 개체를 매칭시키기 위해 3차원(3D)이 될 수 있다.
보다 나은 광학 성능을 제공하기 위해, 디스플레이 시스템 및 모듈은 렌즈, 도파관, 디스플레이 패널 등과 같은 많은 컴포넌트를 포함할 수 있다. HMD 또는 NED의 디스플레이는 일반적으로 사용자의 머리에 착용되기 때문에, 크고, 부피가 크며, 불균형적이며, 및/또는 무거운 디스플레이 디바이스는 번거롭고 사용자가 착용하기에는 불편할 수 있다. 작고, 가벼우며, 효율적인 헤드 장착형 디스플레이 디바이스 및 모듈이 바람직하다.
본 개시 내용에 따르면, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스가 제공된다. 본 디바이스는 제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 광을 제공하기 위한 파장 조정 가능 광원; 광을 제1 평면 내에 재지향시키기 위해 파장 조정 가능 광원에 결합된 1D 재지향기; 제1 평면 내에 있는 저모드 도파관; 및 광을 저모드 도파관 내로 결합시키기 위한 인-커플러를 포함한다. 저모드 도파관은 1D 재지향기에 의해 재지향된 광을 전파하기 위해 1D 재지향기에 결합된 슬래브 도파관 부분을 포함한다. 슬래브 도파관 부분은 재지향된 광의 스펙트럼 성분을 제2 평면 내에서 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키도록 구성된 아웃-커플러를 포함한다. 제2 평면은 제1 평면에 비평행하다.
슬래브 도파관 부분은 예를 들어, 단일 모드 슬래브 도파관, 또는 10개 이하의 횡방향 전파 모드를 지원하는 소수 모드(few mode) 슬래브 도파관을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1D 재지향기는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 빔 스캐너를 포함한다. 파장 조정 가능 광원은 MEMS 빔 스캐너에 광학적으로 결합될 수 있고, 인-커플러는 MEMS 빔 스캐너에 의해 재지향된 광을 슬래브 도파관 부분 내로 결합시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 저모드 도파관은 1D 재지향기를 포함하고, 인-커플러는 파장 조정 가능 광원에 의해 제공되는 광을 1D 재지향기 내로 결합시키도록 구성된다. 저모드 도파관은 인-커플러를 포함할 수 있고, 인-커플러는 파장 조정 가능 광원에 의해 제공되는 광을 수광하도록 구성된 예를 들어, 브래그 격자(Bragg grating)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 파장 조정 가능 광원은 제1 파장의 스펙트럼 성분을 선택하기 위한 공동 내 파장 선택 요소(intracavity wavelength-selective element)를 포함하는 파장 조정 가능 레이저를 포함한다.
저모드 도파관이 1D 재지향기를 포함하는 실시예들에서, 1D 재지향기는 광학 위상 어레이(optical phased array)를 포함할 수 있다. 광학 위상 어레이는 위상 시프터들의 어레이에 결합된 조정 가능 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)들의 이진 트리를 포함할 수 있다. 1D 재지향기는 조정 가능 마하젠더 간섭계들의 이진 트리, 조정 가능 마하젠더 간섭계들의 이진 트리에 결합된 선형 도파관들의 어레이, 및 선형 도파관들의 어레이의 선형 도파관의 횡방향 위치를 선형 도파관들의 어레이의 선형 도파관 내에서 전파하는 광 부분의 빔 각도로 변환하기 위해 선형 도파관들의 어레이에 결합된 시준 요소를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 저모드 도파관은 광의 광학 경로 내에 1D 시야(field of view)(FOV) 확장기를 포함하되, 1D FOV 확장기는 광을 복수의 연속적인 FOB 부분들의 사이에서 스위칭하도록 구성된다. 1D FOV 확장기는 저모드 도파관의 슬래브 도파관 부분의 액정(liquid crystal)(LC) 클래딩 섹션을 포함하는 조정 가능 빔 조향 디바이스를 포함할 수 있다. 저모드 도파관은 광의 광학 경로 내에 1D 횡방향 빔 확장기를 포함할 수 있고, 1D 횡방향 빔 확장기는 제1 평면 내에서 광의 시준된 부분의 폭을 증가시키도록 구성될 수 있다. 1D 횡방향 빔 확장기는 홀로그램 내의 광학 경로를 따른 복수의 위치들에서 광의 시준된 부분을 반사하도록 구성된 홀로그램을 포함하여, 반사된 시준된 부분이 홀로그램 상류의 시준된 부분보다 제1 평면 내에서 더 넓다.
본 개시 내용에 따르면, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 디바이스가 제공된다. 본 디바이스는 제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 이미지 광을 제공하기 위한 파장 조정 가능 광원; 및 제1 평면 내에 있는 저모드 도파관을 포함한다. 저모드 도파관은 이미지 광을 저모드 도파관 내로 결합시키기 위한 인-커플러, 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키기 위해 인-커플러에 커플링된 1D 이미저, 및 1D 이미저에 의해 재지향된 이미지 광을 전파하기 위해 1D 이미저에 결합된 슬래브 도파관 부분을 포함한다. 슬래브 도파관 부분은 재지향된 이미지 광의 스펙트럼 성분을 제2 평면 내에서 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키도록 구성된 아웃-커플러를 포함한다. 제2 평면은 제1 평면에 비평행하다. 저모드 도파관은 예를 들어, 단일 모드 도파관, 또는 예를 들어, 10개 이하의 횡방향 전파 모드를 지원하는 소수 모드 도파관을 포함할 수 있다.
본 개시 내용에 따르면, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 방법이 또한 제공된다. 본 방법은 제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 이미지 광을 1D 이미저에 결합시키는 단계; 1D 이미저를 사용하여 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키는 단계; 1D 이미저에 의해 재지향된 이미지 광을 제1 평면 내에 배치된 저모드 슬래브 도파관 내에서 전파하는 단계; 및 이미지 광의 스펙트럼 성분을 저모드 슬래브 도파관으로부터 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 이미지 광은 제1 파장에서 실질적으로 단색이다. 일부 실시예들에서, 제1 파장은 1D 이미저가 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키는 동안 시프트되지 않으며, 이에 의해 제1 평면 내에 재지향된 이미지 광이 동일한 각도로 외부로 결합된다. 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키는 단계는 제1 평면 내의 시준된 광 빔을 각도 스캐닝(angularly scanning)하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미지 광은 제1 파장을 포함하는 복수의 파장들의 복수의 스펙트럼 성분들을 포함한다. 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키는 단계는 제1 평면 내에서 명도의 각도 분포를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 이에 의해 이미지 광은 제1 평면 내에서 동시에 복수의 방향들로 재지향되고, 저모드 슬래브 도파관으로부터 이미지 광의 복수의 스펙트럼 성분들의 복수의 파장들에 대응하는 복수의 각도들로 외부로 결합된다.
이제 도면과 함께 예시적인 실시예가 설명될 것이다.
도 1a는 2차원으로 광을 재지향시키기 위한 디바이스의 3D 도면이며, 이 디바이스는 저모드 도파관을 포함한다.
도 1b는 도 1a의 저모드 도파관의 측단면도이다.
도 1c는 도 1a의 디바이스에 의한 이미지의 렌더링을 예시하는 개략도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 디바이스의 실시예의 시스템 레벨 블록도이다.
도 3은 도 2의 디바이스의 근안 디스플레이 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 4a는 도 3의 근안 디스플레이의 광자 집적 회로(photonic integrated circuit)(PIC) 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 4b 및 도 4c는 각각 도 4a의 근안 디스플레이 디바이스를 착용한 사람의 측면도 및 평면도이다.
도 5는 공동 내 스펙트럼 선택 요소를 포함하는 파장 조정 가능 광원의 개략적인 측면도이다.
도 6a는 외부 동적 스펙트럼 선택 요소를 포함하는 조정 가능 스펙트럼 광원의 개략적인 측면도이다.
도 6b는 도 6a의 조정 가능 스펙트럼 광원의 작동 원리를 설명하기 위해, 스펙트럼 선택 요소의 투과 스펙트럼과 중첩된 광원의 출력 스펙트럼이다.
도 6c는 도 6a의 광원의 출력 스펙트럼이다.
도 7은 광을 도파관 내부로 결합시키기 위한 자유 공간 격자 커플러의 측단면도이다.
도 8은 광을 도파관 내부로 결합시키기 위한 단열 도파관 커플러의 측단면도이다.
도 9는 본 개시 내용의 위상 어레이 1D 이미저의 개략도이다.
도 10a는 도 9의 위상 어레이 1D 이미저의 PIC 구현에 대한 개략적인 평면도이다.
도 10b는 도 10a의 PIC 1D 이미저의 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)(MZI) 어레이(MZIA)의 PIC 구현에 대한 개략적인 평면도이다.
도 10c는 도 10b의 개별 MZI의 개략적인 평면도이다.
도 10d는 도 10a의 PIC 1D 이미저의 위상 시프터 어레이(phase shifter array)(PSA)의 개략적인 평면도이다.
도 10e는 도 10a의 PIC 1D 이미저의 도파관 팬의 구현에 대한 개략적인 평면도이다.
도 11은 도파관 내에 에칭된 1D 렌즈를 포함하는 하이브리드 1D 이미저의 개략적인 평면도이다.
도 12는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 틸팅 가능한 반사기를 포함하는 1D 스캐너의 자유 공간 광학계(free-space optics)(FSO) 구현에 대한 개략도이다.
도 13a는 액정(LC) 클래딩 도파관에 기반한 시야(field of view)(FOV) 확장기의 평면 개략도이다.
도 13b는 도 13a의 FOV 확장기의 측단면도이다.
도 14는 본 개시 내용에 따른 홀로그램 기반 빔 확장기의 개략적인 평면도이다.
도 15는 빔 확장기와 함께 위상 어레이 1D 이미저의 PIC 구현에 대한 개략적인 평면도이다.
도 16은 각도 분산 계산을 설명하기 위한 출력 도파관의 측단면도이다.
도 17은 아웃-커플러의 각도 분산 범위를 확장하기 위한 이중 코어 도파관의 측단면도이다.
도 18은 아웃-커플러의 각도 분산 범위를 확장하기 위한 소수 모드 도파관(few-modes waveguide)(FMW)의 평면도이다.
도 19는 저속 광 도파관에 기반한 고분산 아웃-커플러의 측단면도이다.
도 20a는 도파관 격자 및 주름형 반사기에 기반한 고분산 아웃-커플러의 측단면도이다.
도 20b는 도파관 격자 및 편광 선택적 주름형 반사기에 기반한 고분산 아웃-커플러의 측단면도이다.
도 21a 및 도 21b는 도파관으로부터 외부로 결합된 이미지 광을 가변적으로 포커싱 또는 디포커싱하기 위한 굴절률의 구배를 갖는 저모드 슬래브 도파관의 개략적인 측면도이다.
도 22는 틸팅된 액정(LC) 셀에 기반한 가변 초점 아웃-커플러(varifocal out-coupler) 실시예의 측단면도이다.
도 23은 쐐기형 포켈스 셀(wedged Pockels cell)에 기반한 가변 초점 아웃-커플러 실시예의 측단면도이다.
도 24는 매립 전극을 갖는 포켈스 셀에 기반한 가변 초점 아웃-커플러 실시예의 측단면도이다.
도 25는 열광학 효과에 기반한 가변 초점 아웃-커플러 실시예의 측단면도이다.
도 26은 각도 영역의 이미지를 제공하기 위한 방법의 플로우차트이다.
도 27은 설정된 파장에서 1D 스캐닝/렌더링을 이용하는 도 26의 방법의 변형례의 플로우차트이다.
도 28은 디스플레이될 이미지의 프레임의 동시 생성을 이용하는 도 26의 방법의 변형례의 플로우차트이다.
도 29는 안경의 폼 팩터를 갖는 본 개시 내용의 증강 현실(augmented reality)(AR) 디스플레이의 도면이다.
도 30은 일 실시예에 따른, 본 개시 내용의 가상 현실(virtual reality)(VR) 디스플레이의 등각 투영도이다.
본 교시 내용은 다양한 실시예 및 예와 함께 설명되지만, 본 교시 내용이 이러한 실시예로 제한되도록 의도되지는 않는다. 반대로, 본 교시 내용은 본 기술 분야의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 대안 및 등가물을 포함한다. 본 개시 내용의 원리, 양태, 및 실시예를 언급하는 본원의 모든 설명뿐만 아니라 그 구체적인 예는 그 구조적 및 기능적 등가물을 모두 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 그러한 등가물은 현재 알려진 등가물 및 미래에 개발될 등가물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발된 모든 요소를 모두 포함하는 것으로 의도된다.
본원에서 사용된 바와 같이, "제1", "제2" 등의 용어는, 명시적으로 언급되지 않는 한, 순차적인 순서를 의미하도록 의도한 것이 아니라, 오히려 하나의 요소를 다른 요소와 구별하도록 의도한 것이다. 유사하게, 방법 단계의 순차적인 순서는, 명시적으로 언급되지 않는 한, 실행의 순차적인 순서를 의미하지는 않는다. 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3, 도 4a, 도 5, 도 6a, 도 7 내지 도 9, 도 10a 내지 도 10e, 도 11, 도 12, 도 13a, 도 13b, 및 도 14 내지 도 25에서, 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
근안 디스플레이(near-eye display)(NED)는 동공 복제 도파관(pupil-replicating waveguide)을 사용하여, 투사된 이미지를 디스플레이의 아이박스 위로, 즉 사용자가 디스플레이를 착용했을 때와 같이 정상 작동 중에 사용자의 눈이 위치할 수 있는 구역 위로 확장할 수 있다. 동공 복제 도파관은 일반적으로 도파관의 상단 및 하단 표면에서 내부 전반사(total internal reflection)(TIR)에 의해 지그재그 패턴으로 이미지 광을 전파하는 투명 재료의 평행 슬래브이다. 이러한 도파관은 필드 각도의 함수로 색상 분산을 일으키는 회절 효과가 발생하기 쉽고, 일반적으로 곡면 기판에는 적합하지 않으며, 실세계의 근거리의 객체에 대해서는 고스트 이미지를 제시한다.
본 개시 내용에 따르면, 단일 모드(single mode)(SM) 또는 소수 모드(few-mode)(FM) 도파관(본원에서는 집합적으로 "저모드" 도파관으로 지칭됨)은 아이박스에 광을 전달하고 이미지를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 저모드 도파관의 장점은 광이 일반 다중 모드 도파관에 비해 몇 배나 더 자주 격자와 상호 작용한다는 것이다. 결과적으로, 모든 단일 상호 작용에 대한 격자의 회절 효율은 무지개와 같은 투명 아티팩트(see-through artifact)를 줄이거나 제거하고 디스플레이의 가시성(conspicuity)을 향상시킬 정도로 충분히 작게 만들어질 수 있다. 또한, 단일 모드 도파관을 사용하면 아이박스 전체의 광 분포를 보다 정밀하게 제어할 수 있으므로 균일성과 효율성이 보다 향상된다.
단일 모드 도파관 사용의 문제는 1D 정보만 전송할 수 있다는 것으로, 예컨대, 수평 해상도는 전송하지만 수직 해상도는 전송하지 않거나 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 한계는, 예를 들어, 파장과 같은 광의 비공간적 특성으로 2D 이미지의 다른 성분을 인코딩함으로써 극복될 수 있다. 각 색상 채널에 사용되는 파장 범위는 색 영역(color gamut)을 크게 줄이지 않을 정도로 작게 만들어질 수 있다.
이제 도 1a를 참조하면, 디바이스(100)는 각도 영역의 이미지를 제공한다. 이미지는 명도 I(α,β)의 2차원(2D) 각도 분포를 갖는 명시야(light field)에 의해 정의될 수 있다. 각도 α,β는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 3D 공간에서 광선 각도를 정의하는 이미지 광의 광선 각도이다. 보다 일반적으로, 디바이스(100)는, 예를 들어, 2D 빔 래스터링, 원격 감지, 심도 감지, LIDAR 애플리케이션 등을 위해, 2차원으로 또는 2개의 비평행 평면 또는 표면을 따라 광을 재지향시키는 데 사용 가능하다. 본원에서, "재지향"이라는 용어는 시준된 광 빔의 래스터링 뿐만 아니라 1차원 또는 2차원 또는 평면에서 광의 즉각적인 분포를 제공하는 것을 포함한다.
디바이스(100)는 광원(102), 광원(102)에 결합된 1D 재지향기(104), 및 커플러(103)에 의해 1D 재지향기(104)에 결합된 저모드 도파관(106)을 포함한다. 저모드 도파관(106)은 슬래브 도파관 부분(107)을 포함한다. 본원에서, "슬래브 도파관"이라는 용어는 1차원에서만, 즉 수직 방향 또는 도파관 평면에 수직인 Z 방향에서만 광 전파를 제한하여, 광이 도파관의 평면, 예를 들어, 도 1a의 예에서 XY 평면에서 자유롭게 전파하도록 하는 도파관을 나타낸다. 광원(102)은 원하는 명도 I(α,β)의 분포의 함수인 조정 가능 광학 스펙트럼을 갖는 광(108)을 제공한다. 예를 들어, 조정 가능 광학 스펙트럼은 복수의 스펙트럼 성분을 가질 수 있으며; 일부 실시예에서, 하나의 스펙트럼 성분은 조정 가능 파장에서 제공될 수 있다.
1D 재지향기(104)는 광원(102)으로부터 광(108)을 수신하고, 광(108)을 원하는 명도 I(α,β)의 분포에 따라, XY 평면으로, 즉 저모드 도파관(106)의 평면으로 재지향하며, 예컨대, 각도 분산(angularly disperse)시킨다. 디스플레이 애플리케이션에서, 1D 재지향기(104)는 2D 이미지의 라인을 제공하는 1D 이미저로서 기능한다. 슬래브 도파관 부분(107)은 XY 평면으로 광(108)을 전파하지만 Z 축에 따른 광 전파를 제한 및 안내하도록 구성된 단일 모드 도파관 또는 소수 모드 도파관이다. 슬래브 도파관 부분(107)은 이미지 광(108)을 저모드 도파관(106) 평면(XY 평면)에 대한 소정의 각도(들)로 외부 결합하는 아웃-커플러(110)를 포함하며, 이러한 각도는 광(108)의 스펙트럼 성분(들)의 파장(들)에 의존한다. 일부 실시예에서, 단일의 조정 가능 스펙트럼 성분은 저모드 도파관(106)의 평면, 즉 XY 평면에 대한 소정의 각도로 배치된 평면에서, 자신의 파장에 의존적인 각도로 아웃-커플러(110)에 의해 외부로 결합될 수 있고; 일부 실시예에서, 복수의 스펙트럼 성분은 스펙트럼 성분의 파장의 분포에 해당하는 각도의 분포로 동시에 또는 순간적으로 외부로 결합된다. 외부로 결합되는 각도의 분포는 광(108)의 조정 가능 광학 스펙트럼에 의해 정의된다. X 및 Y 방향 모두에서의 명도의 각도 분포를 제어하여, 시청자가 직접 관찰할 수 있도록 원하는 명도 I(α,β)의 분포를 갖는 각도 영역에 이미지를 제공할 수 있다.
도 1b는 측단면도에서 저모드 도파관(106)의 일 실시예를 도시한 것이다. 저모드 도파관(106)은 광(108)이 전파되는 얇은 도파관 층(114)을 지지하는 기판(112)을 포함한다. 도파관 층(114)의 굴절률 콘트라스트 및 두께에 따라, 단지 하나의 모드 또는 여러 모드, 예컨대, 최대 10개의 모드는 얇은 도파관 층(114)으로 전파될 수 있다. 따라서, 용어 "저모드" 도파관은 본원에서 최대 10개의 상이한 횡방향 전파 모드를 지원하는 도파관을 의미하는 것으로 정의된다. 광(108)은 도파관(106)의 평면으로, 즉 XY 평면으로 전파되지만, Z 방향으로 제한되거나 안내된다.
파장 선택 아웃-커플러(110)는 이미지(108)를 파장에 따라 서로 다른 각도로 외부로 결합시킨다. 예를 들어, 파장 λ 1 의 제1 스펙트럼(121) 성분은 저모드 도파관(106)에 대해 직선 각도로 외부로 결합되고, 파장 λ 2 의 제2 스펙트럼 성분(122)은 저모드 도파관(106)에 대해 예각으로 외부로 결합된다. 광원(102)에 의해 제공되는 광(108)의 스펙트럼 조성 및 파장 선택 아웃-커플러(110)의 각도 분산은 명도 I(α,β(λ))의 원하는 각도 분포를 제공하도록 선택된다. 비제한적인 예로서, 도 1c를 참조하면, 각도 영역의 전체 이미지(116)가 형성될 수 있다. 이미지(116)는 명도 I(α,β(λ))의 각도 분포로 표현된다.
도 2를 참조하면, 디바이스(200)는 도 1a 및 도 1b의 디바이스(100)의 예시적인 구현예이다. 도 2의 디스플레이 디바이스(200)는 직렬로 광학적으로 결합된: 스펙트럼 조정 가능 단일 모드 광원(202), 인-커플러(203), 1D 이미저(204), 다음의 선택적 모듈: 1D FOV 확장기(224), 1D 횡방향 빔 확장기(226), 및 각도 분산 증강기(228); 및 아웃-커플러(210)를 포함한다. 다른 요소는 또한 가변 초점 조정기(230), 표류광(stray light) 필터(232), 및 분산된 온도 센서(234)를 포함할 수 있다. 선택적 요소는 파선의 둥근 모서리 직사각형으로 표시된다. 요소의 전부 또는 일부는 저모드 도파관(206)의 일부일 수 있고, 예컨대, 저모드 도파관(206) 내에 또는 저모드 도파관(206) 상에 형성될 수 있다. 주목될 것은 저모드 도파관(206)이 선형 도파관, 즉 2차원으로 광을 안내하는 직선 또는 곡선 릿지형 도파관을 갖는 섹션, 및 1차원으로만, 즉 도 2의 Z 방향으로만 광을 안내하지만 XY 평면으로의 자유 전파를 허용하는 슬래브 도파관 섹션을 포함할 수 있다는 것이다. 도 2에 도시된 요소의 결합 순서는 달라질 수 있다.
작동 시, 스펙트럼 조정 가능 단일 모드 광원(202)은, 위에서 설명된 바와 같이, 명도 I(α,β(λ))의 원하는 각도 분포의 함수인 조정 가능 광학 스펙트럼을 갖는 이미지 광(208)을 제공한다. 커플러(203)는 이미지 광(208)을 1D 이미저(204) 내부로 결합시킨다. 1D 이미저(204)는 광원(202)으로부터 이미지 광(208)을 수신하고, 이미지 광(208)을 재지향 또는 각도 분산시키고, 이미지 광(208)의 시준된 빔을 스캔하는 등을 수행한다. 1D FOV 확장기(224)는 이미지 광(208)을 복수의 연속적인 FOV 부분들 사이에서 스위칭하여, 광의 확산을 증강하거나 확대하도록 구성될 수 있다. 1D 횡방향 빔 확장기(226)는 XY 평면에서 이미지 광의 시준된 부분의 폭을 증가시키며, 즉, 저모드 도파관(206)의 평면에서 이미지 광(208) 빔을 확장함으로써 디스플레이 디바이스(200)의 아이박스의 횡방향 사이즈를 증가시킨다. 여기서, 용어 "아이박스"는 디스플레이 디바이스(200)의 사용자가 허용 가능한 품질의 이미지를 관찰할 수 있는 기하학적 구역을 의미한다. 각도 분산 증강기(228)는 파장 선택 아웃-커플러(210)에 의해 외부로 결합될 경우 이미지 광(208)의 스펙트럼 분산을 증가시켜, 명도 i(β)의 원하는 제2 1D 각도 분포에 도달하게 된다. 가변 초점 조정기(230)는 외부로 결합된 이미지 광의 수렴 또는 발산을 조정하여 인지된 초점 심도를 변경할 수 있다. 표류광 필터(232)는 사용자의 눈이 아닌 외부 세계로의 외부로 결합된 이미지 광의 일부를 제거하거나 감소시킬 수 있다. 분산된 온도 센서(234)는 저모드 도파관(206)에 걸친 온도 분포를 획득하여, 보정치를 제공하고 열 구동 광학 요소 및 컴포넌트를 작동시킬 수 있다. 보다 상세한 내용은 아래에서 설명될 것이다.
도 3을 참조하면, 디스플레이 디바이스(300)는 도 1의 디바이스(100) 또는 도 2의 디바이스(200)를 구현한 것이다. 도 3의 디스플레이 디바이스(300)는 안경의 렌즈 구역을 점유하는 저모드 도파관(306)과 함께 안경(311)의 폼 팩터를 갖는 근안 디스플레이 디바이스이다. 도 3의 디스플레이 디바이스(300)는 직렬로 광학적으로 결합된: 광원(302), 커플러(303), 1D 이미저(304), 1D FOV 확장기(324), 1D 횡방향 빔 확장기(326), 각도 분산 증강기(328), 아웃-커플러(310), 및 가변 초점 조정기(330)를 포함한다. 모든 요소는 저모드 도파관(306) 내에 구현될 수 있다. 광원(302)은, 도시된 바와 같이, 별도로 배치될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 디스플레이 디바이스(400)는 도 1의 디바이스(100), 도 2의 디바이스(200), 또는 도 3의 디스플레이 디바이스(300)를 구현한 것이다. 도 4a의 디스플레이 디바이스(400)는 도파관(406)의 PIC 부분(436) 내에 구현된 능동 컴포넌트/특징과 함께 안경(411)의 폼 팩터를 갖는 근안 디스플레이 디바이스이다. PIC 부분(436)은 집적 회로(IC) 드라이버 유닛(407)에 의해 구동될 수 있다. 디스플레이 디바이스(400)는 광섬유(403)를 통해 PIC 부분(436)에 결합된, 조정 가능 방출 스펙트럼을 갖는 광원(402)을 포함한다. PIC 부분(436)은, 예를 들어, 1D 이미저 및/또는 1D FOV 확장기를 포함할 수 있다. LC 부분(436) 내에 형성된 광 빔(408A, 408B, 및 408C)(집합적으로 408)은, 광 빔(408A, 408B, 및 408C)을 고분산 출력 격자(410)를 향해 시준/재지향하기 위한 광학 파워(즉, 포커싱/디포커싱 파워)를 갖는 도파관 내 광학 요소(426A, 426B, 및 426C)에 의해 각각 확장된다. 고분산 출력 격자(410)의 기능은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 수직 FOV를 제공하기 위해 서로 다른 수직 각도로 이미지 광(408)의 외부 결합을 제공하는 것이다. 도 4c에 도시된 수평 FOV는 이미지 광(408)을 도파관(406)의 평면 내에 확산시키는 PIC 부분에 의해 제공된다.
도 1, 도 2, 도 3, 및 도 4a에 도시된 서로 다른 모듈의 다양한 구현예가 이제 고려될 것이다.
먼저 도 5를 참조하면, 조정 가능 레이저 소스(502)가 본 개시 내용의 디스플레이 디바이스를 위한 파장 조정 가능 광원으로 사용될 수 있다. 조정 가능 레이저 소스(502)는 한 쌍의 미러(501), 이득 매질(504), 및 이득 매질(504)의 이득 스펙트럼 대역 내에서 조정 가능 투과 피크를 갖는 파장 선택 공동 내 요소(wavelength-selective intracavity element)(506)에 의해 형성된 광학 공동(optical cavity)을 포함한다. 파장 선택 요소(506)의 투과 피크는, 예컨대, 조정 가능 레이저 소스(502)의 빔 스캐닝에 의해 제공되는 수평 FOV, 및 출력 파장 스캐닝에 의해 제공되는 수직 FOV를 갖는, 디스플레이 디바이스의 요구되는 2D FOV를 제공하기 위해, 시준된 광 빔(508)의 1D 각도를 스캐닝하는 것과 협력하여 스캐닝될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 조정 가능 스펙트럼 광원(602)은 본 개시 내용의 디스플레이 디바이스를 위한 파장 조정 가능 광원으로 사용될 수 있다. 조정 가능 스펙트럼 광원(600)은 선택 가능한 임의의 스펙트럼 형상을 갖는 동적 스펙트럼 필터(606)에 결합된 광(608)의 광대역 소스(604)를 포함한다. 광대역 소스(604)의 방출 스펙트럼(630)은 도 6b에 도시되어 있으며, 여기에서는 동적 스펙트럼 필터(606)의 예시적인 광대역 스펙트럼 형상(632) 또는 동적 스펙트럼 필터(606)의 예시적인 협대역(단일 파장) 스펙트럼 형상(633)과 중첩되어 있다.
동적 스펙트럼 필터(606)는 단일 또는 복수의 인접한 좁은 스펙트럼 대역 또는 채널의 전송을 독립적으로 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 동적 스펙트럼 필터(606)는 디스플레이 디바이스의 출력에서 명도의 원하는 각도 분포에 따라 광대역 스펙트럼 형상(632)의 형상을 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 협대역 스펙트럼 형상(633)은 파장으로 스캐닝될 수 있고, 이를 통해 출력 광 빔은 디스플레이 디바이스의 아웃-커플러의 분산 함수에 따라 각도 스캐닝될 수 있다.
결과적인 출력 스펙트럼은 도 6c에 도시되고 있다. 예를 들어, 광대역 스펙트럼 형상(632)은 광대역 방출 스펙트럼(634)을 생성하고, 협대역 스펙트럼 형상모양(633)은 그에 따라 협대역 방출 스펙트럼(635)을 생성하며, 방출 파장은 동적 스펙트럼 필터(606)에 의해 조정가능하다.
도 7을 참조하면, 자유 공간 격자 커플러(703)는 도 5의 조정 가능 레이저 소스(502) 또는 도 6a의 조정 가능 스펙트럼 광원(602)과 같은 조정 가능 스펙트럼 광원(702A)으로부터의 광을 본원에 개시된 디스플레이의 도파관 또는 PIC 내부로 결합하는 데 사용될 수 있다. 자유 공간 격자 커플러(703)는, 이미지 광(708)을 수신하고, 이미지 광(708)을 도파관(706)의 코어(707) 내부로 결합하는 복수의 격자 라인(705)을 포함한다. 격자 라인(705)은 서로 평행하게 뻗어있고, 직선 또는 곡선일 수 있으며, 예컨대, 도 7의 평면에 수직으로 뻗어있는 동심 원호 섹션의 형상을 가질 수 있다. 동심 원호 형상은, 도파관(706)의 코어(707)로 전파할 수 있는 광학 모드(709)의 사이즈에 대해 모드 사이즈를 매칭시키는 이미지 광(708)의 포커싱을 제공한다.
도 8을 참조하면, 도파관 커플러(803)는 조정 가능 스펙트럼, 도파관 기반의 또는 광섬유 결합된 광원으로부터의 광을 본 개시 내용의 디스플레이의 도파관 또는 PIC 내부로 결합하는 데 사용될 수 있다. 도파관 커플러(803)는 테이퍼진 섹션(836)을 포함하고, 이러한 테이퍼진 섹션(836) 내에서 소스 광섬유(802)의 테이퍼진 코어(813)는 도파관 코어(807)를 갖는 도파관(806)의 테이퍼진 도파관 코어(805)에 매우 근접하고 평행하게 배치된다. 테이퍼진 섹션(836)은 소스 광섬유(802)로부터 도파관(806)의 도파관 코어(807) 내로의 광학 에너지의 단열 전이를 보장할 정도로 충분히 길 수 있다.
도 9를 참조하면, 위상 어레이 1D 이미저(904)는 도 1의 1D 재지향기/이미저(104), 도 2의 1D 이미저(204), 또는 도 3의 1D 이미저(304)의 실시예이다. 도 9의 위상 어레이 1D 이미저(904)는 1xN 전력 스플리터(920), 이러한 전력 스플리터(920)에 결합된 N개의 위상 시프터(922), 및 이러한 위상 시프터(922)에 결합된 N개의 선형 도파관 방출기(924)를 포함한다. 본 명세서 전체에서, "선형 도파관"이라는 용어는 광선(light wire)과 같이, 광 전파를 2차원으로 한정하는 도파관을 나타낸다. 선형 도파관은 직선, 곡선 등일 수 있고; 다시 말해서, "선형"이라는 용어는 직선 도파관 섹션을 의미하지는 않는다. 선형 도파관의 일 예는 릿지형 도파관이다. 위상 어레이 1D 이미저(904)의 모든 요소는 슬래브 도파관 부분(907)을 포함하는 저모드 도파관(906) 내에 구현될 수 있다. 개수 N은, 예를 들어, 4와 16,000 사이에서 다양할 수 있다.
작동 시, 인-커플러, 예컨대, 자유 공간 격자 커플러(703)는, 도 9에 도시되지 않은, 파장 조정 가능 레이저 소스로부터 이미지 광(908)을 수신하고, 이미지 광(908)을 전력 스플리터(920) 내부로 결합한다. 전력 스플리터(920)는 이미지 광(908)을 저모드 도파관(906)의 N개의 선형 도파관(921) 사이에 분배하고, 각각의 선형 도파관(921)은 이미지 광(908)의 일부를 운반한다. 각각의 이미지 광 부분은 컨트롤러(926)에 의해 제공되는 제어 신호에 기반하여, 해당 위상 시프터(922)에 의해 위상이 시프트되거나 지연된다. 이미지 광 부분은 원하는 빔 각도 θ에 해당하는 위상 프로파일을 가진 N개의 선형 도파관 방출기(924)의 어레이에 의해 방출되어, 위상 전면(921)을 갖는 출력 빔(919)을 형성한다. 출력 빔(919)은 슬래브 도파관 부분(907)으로 전파된다. 일부 실시예에서, 922의 위상 프로파일은 하나를 제외한 모든 회절 차수를 억제하여 모든 에너지를 단일 조종 빔으로 집중하도록 제어될 수 있다.
도 10a를 참조하면, PIC 위상 어레이 1D 이미저(1004)는 도 9의 위상 어레이 1D 이미저(904)에 대한 예시적인 구현예이다. 도 10의 PIC 위상 어레이 1D 이미저(1004)는 스플리터(920)로서 동작하는 마하젠더 간섭계 어레이(Mach-Zehnder interferometers array)(MZIA)(1020), MZIA(1020)에 결합된 PIC 위상 시프터 어레이(PSA)(1022), 및 PIC 위상 시프터 어레이(1022)에 결합된 도파관 집광기(waveguide concentrator)(1024)를 포함한다. 도파관 집광기(1024)의 출력 선형 도파관(1030)의 단부는 슬래브 도파관에 수직인 방향(도 10a의 Z 방향)으로 결속된 상태를 유지하면서, 슬래브 도파관 부분의 평면(도 10a의 XY 평면)에서 자유롭게 전파하는 광을 방출하는 안테나(924)(도 9)로서 동작한다.
MZIA(1020)는, 도 10b에 도시된 바와 같이, 수동 Y-스플리터 및/또는 능동 마하젠더 간섭계(MZI)(1021)의 이진 트리를 포함할 수 있다. 각각의 MZI는, 도 10c에 도시된 바와 같이, 에바네슨트 커플러(1026)의 1개의 입력(1023) 및 2개의 출력(1033, 1034)을 포함하거나, 또는 2개의 위치에서 에바네센트 커플러에 의해 결합된 2개의 도파관 섹션이 되는, 2개의 입력(이들 중 하나는 유휴 상태임) 및 2개의 출력을 포함할 수 있다. MZIA(1020)의 기능은 이미지 광을 N개의 부분으로 분할하는 것이다. 수동 Y-스플리터가 사용되는 실시예에서, PSA(1022)는 시준된 빔을 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 능동 MZI가 사용되는 구현예에서, MZI(도 10c)의 2개의 분기 중 적어도 하나의 위상 시프터(1027)는, 필요한 경우, 출력에서 광학 파워 분포를 동일하지 않은 광학 파워로 제어하여, 예컨대, 스캐닝된 시준된 빔의 아포다이제이션을 제공하거나, 또는 심지어는 원하는 전체 1D 각도 프로파일을 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 10d를 참조하면, 위상 시프터 어레이(1022)는 내부에서 전파되는 광에 대해 제어 가능한 양의 위상 시프트 또는 지연을 제공하는 복수의 위상 시프터(1027)를 포함할 수 있다. 위상 시프터(1027)는, 예를 들어, 열 광학 효과에 기반한 열 광학 시프터, 포켈스(Pockels) 및/또는 커(Kerr) 효과에 기반한 전자 광학 시프터, 및/또는 반도체에서 전자 흡수 효과에 기반한 전자 흡수 위상 시프터일 수 있고, 따라서 필요에 따라 도파관 위에 히터 및/또는 전극을 포함할 수 있다.
도 10e를 참조하면, 도파관 집광기(1024)는 요구되는 출력 피치를 달성하기 위해 팬인 또는 팬아웃되는 도파관 어레이를 포함한다. 일반적으로, 출력 피치는 대형 FOV를 사용할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다. FOV는 출력 선형 도파관(1030)의 피치에 대한 방출 파장의 비율과 대략 동일하다.
도 11을 참조하면, 하이브리드 1D 이미저(1104)는 도 1의 1D 재지향기(104), 도 2의 1D 이미저(204), 또는 도 3의 1D 이미저(304)의 예시적인 구현예이다. 도 11의 하이브리드 1D 이미저(1104)는 MZIA(1120), MZIA(1120)에 결합된 도파관 집광기(1124), 및 저모드 도파관(1106) 내에 구현된 도파관 집광기(1124)에 결합된 FOV 시준기(1136)를 포함한다. MZIA(1120)는 1xN 분배기 또는 스위치로서 기능하며, 여기서 N은 출력 MZIA 도파관(1129)의 개수이다. MZIA(1120)는, 예를 들어, N개의 선형 출력 도파관 사이에서 이미지 광(1108)을 스위칭하기 위한 마하젠더 스위치의 이진 트리를 포함할 수 있다. 도파관 집광기(1124)는 출력 선형 도파관(1130)을 출력 MZIA 도파관(1129)보다 더 가깝게 만든다. 도파관 집광기(1124)의 출력 선형 도파관(1130)의 단부는 소수 모드 도파관(1106)의 슬래브 도파관 부분(1107)에 위치한 FOV 시준기(1136)의 초점 평면에 배치된다. FOV 시준기(1136)는 도파관 집광기(1124)의 출력 선형 도파관(1130)의 단부으로부터 하나의 초점 거리만큼 떨어져 배치된 시준 요소이다. FOV 시준기(1136)의 기능은 도파관 집광기(1124)의 출력 선형 도파관(1130)의 단부의 위치 또는 Y 오프셋을, 슬래브 도파관 부분(1107)으로 전파되는 해당 출력 광 빔(1119)의 빔 각도로 변환하는 것이다. 다시 말해서, FOV 시준기(1136)는 이미지 광(1108)의 일부를 운반하는 출력 도파관(1130) 중 선택된 하나의 도파관의 오프셋 또는 Y 위치를, 선택된 출력 도파관으로 전파되는 이미지 광 부분으로부터 발생하는 출력 광 빔(1119)의 각도로 변환하는 오프셋 대 각도 광학 요소(offset-to-angle optical element)로서 동작한다.
FOV 시준기(1136)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 렌즈 또는 미러와 같은 단일 요소일 수 있거나, 복수의 렌즈(1138, 1140)를 포함할 수 있다. 렌즈(1138, 1140)는 에칭에 의해 저모드 도파관(1106) 내에 형성될 수 있고, 예를 들어, 팬케이크 렌즈 구성과 같은 s로 폴딩된 구성(s folded configuration)을 가질 수 있다. 출력 광 빔(1119)은 슬래브 도파관 부분(1107)에 의해 안내되는 상태로 유지되면서, 즉 Z 방향으로 제한된 상태로 유지되면서, 도파관의 평면(XY 평면)에서 재성형, 포커싱, 시준 등이 수행될 수 있다. 렌즈 표면은, 도파관의 에칭된 부분과 에칭되지 않은 부분 사이의 단열 전이를 가능하게 하고, 그렇게 할 경우 면외 광 스캐터링을 방지하기 위해, 서브파장 주기성을 갖는 복수의 테이퍼(taper)(1141)를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 자유 공간 광학계(free-space optics)(FSO) 1D 스캐너(1204)는 틸팅 가능한 반사기(1245) 및 원통형 렌즈(1246)와 함께 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 빔 스캐너(1244)를 포함한다. 동작 시, 파장 스위프(wavelength-swept) 레이저 소스(1202)와 같은 다중 파장 광원은 조정 가능한, 예를 들어, 선형으로 스위프된 방출 파장에서 광 빔(1208)을 방출한다. 광 빔(1208)은 원통형 렌즈(1203)에 의해 MEMS 틸팅 가능한 반사기(1245) 상에 포커싱된다. 원통형 렌즈(1246)는, MEMS 빔 스캐너(1244)에 의해 스캐닝된 이미지 광(1208)을 수신하고, 이미지 광(1208)을 저모드 슬래브 도파관(1207)에 결합하는 커플러로서 기능한다. 원통형 렌즈(1203)는, 예를 들어, 굴절성 또는 회절성일 수 있다. 예를 들어, 미러와 같은 다른 유형의 커플러가 사용될 수 있다. MEMS 틸팅 가능한 반사기(1245)는, 양방향 화살표로 도시된 바와 같이, 광 빔(1208)을 가변 각도로 반사시킨다. 원통형 렌즈(1246)는 XY 평면에서 실질적으로 포커싱 없이 광 빔(1208)을 전파하지만 XZ 평면에서 포커싱 파워를 갖는다. 원통형 렌즈(1246)는 광 빔(1208)을 저모드 슬래브 도파관(1207)의 가장자리 상으로 또는 저모드 슬래브 도파관(1207) 내에 형성된 격자 커플러 상으로 포커싱한다. 광 빔(1208)은 저모드 슬래브 도파관(1207) 내부로 결합되고, 저모드 슬래브 도파관(1207)의 평면에 수직인 Z 방향으로 제한되면서 저 모드 슬래브 도파관(1207)의 XY 평면으로 자유롭게 전파된다. 원통형 렌즈(1246)는 효율적인 결합을 위해 저모드 슬래브 도파관(1207)과 정확히 평행해야 한다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 액정(LC) 1D FOV 확장기(1324)는 도 2의 1D FOV 확장기(224) 및 도 3의 1D FOV 확장기(324)의 실시예이다. 도 13a 및 도 13b의 LC 1D FOV 확장기(1324)는, 코어(1307)에서 이미지 광(1308)을 안내하면서, 이미지 광(1308)이 도시된 바와 같이 XY 평면에서 자유롭게 전파되도록 허용하는 코어(1307)를 갖는 슬래브 도파관(1306)을 포함한다. 상단 클래딩(1337)은, 슬래브 도파관(1306)의 코어(1307)에 에바네슨트 방식으로 결합되고, 슬래브 도파관(1306)의 코어(1307)로 전파되는 광을 제어 가능한 양만큼 편향되도록 성형된 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)을 포함한다. 도 13a에 도시된 실시예에서, 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)은 XY 평면에서 톱니 형상, 예컨대, 도 13a에 도시된 바와 같은 삼각형 형상의 어레이를 갖는다. 어레이는 슬래브 도파관(1306)의 코어(1307)에서 이미지 광의 광학 경로에 대해 횡방향으로 연장된다. 적어도 일부의 삼각형 모양의 조정 가능 클래딩 부분은 도 13a에서 수평 화살표로 표시된 광학 경로에 대해 예각으로 연장되는 측면(1339A, 1340A)을 갖는다. 언더층(underlayer)(1338)(도 13b)은 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340) 아래에 제공되어, 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)과 도파관 코어(1307) 사이의 직접적인 접촉을 피하게 할 수 있다. 언더층(1338)은 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)과 코어(1307)로 전파되는 광의 에바네슨트 결합을 보장할 정도로 충분히 얇을 수 있다.
상단 클래딩(1337)의 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)은 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1140)에 전계를 인가할 때 특정 편광의 광에 대한 굴절률을 변경하는 액정(LC)의 LC 재료를 포함한다. 상단 클래딩(1337)의 LC 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1140)의 굴절률이 변경될 경우, 슬래브 도파관(1306)의 유효 굴절률도 변경되어, 이미지 광(1308)은, LC 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1140)의 틸팅된 면 상에서의 프레넬 굴절로 인해, 원래 전파 방향에서 편향된다. 편향의 크기는 LC 조정 가능 클래딩 부분(1339 및 1340)의 틸팅된 면의 각도와 (Y 방향에서의) 수직 피치에 따라 달라진다. 방향(1349 및 1350)에서의 에너지 분포는 ON/OFF인 2진 모드에서 동작될 수 있는 LC 조정 가능 클래딩 부분(1339 및 1340)의 스위칭 상태에 따라 달라진다. LC 조정 가능 클래딩 부분(1339 및 1340)의 각 어레이는 LC 조정 가능 클래딩 부분(1339 및 1340)이 연속적으로 조정 가능하지 않을 경우 1D FOV를 별개의 양만큼 오프셋할 수 있다. 따라서, m개의 LC 요소의 캐스케이드는 1D FOV 오프셋의 2 m 개의 조합을 생성할 것이다. 서로 다른 삼각형 LC 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)을 활성화함으로써, 이미지 광(1308)은 서로 다른 각도로 편향될 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 삼각형 형상(1339)을 활성화하면 이미지 광(1308)은 1349로 표시된 각도로 전파하도록 편향되고, 보다 얕은 삼각형 형상(1340)을 활성화하면 이미지 광(1308)은 1350으로 표시된 바와 같이, 보다 가파른 각도로 전파하도록 편향된다. 서로 다른 편향 각도를 갖는 보다 많은 LC 부분 어레이는 보다 정밀한 각도 제어를 가능하게 할 수 있다. LC 조정 가능 클래딩 부분(1339, 1340)의 서로 다른 삼각형 형상이 1D 이미저 또는 스캐너의 작동과 협력하여 활성화될 경우, 이미지 광은 복수의 연속적인 FOV 부분 사이에서 스위칭되어, 효과적인 제어 가능한 광 확산 및 관련 수평 FOV를 확장시키거나 증강시킬 수 있게 된다.
도 14를 참조하면, 홀로그램 빔 확장기(1426)는 2차원의 슬래브 도파관(1406)의 평면에서, 즉, XY 평면에서 이미지 광의 전파를 가능하게 하는 저모드 슬래브 도파관(1406) 내의 홀로그램(1456)을 포함한다. 홀로그램(1456)은, 적어도 하나의 시준된 빔 부분, 예컨대, 서로에 대해 소정의 각도로 전파하는 제1 시준된 빔 부분(1451; 점선) 및 제2 시준된 빔 부분(1452; 파선)을 포함하는 이미지 광(1408)을 수신하고, 각각의 시준된 빔을, 홀로그램(1456) 내의 시준된 빔 부분의 광학 경로에 따른 복수의 위치에 반사하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 시준된 빔 부분(1451)은 복수의 위치(1451A, 1451B, 1451C)에 제1 각도로 반사되어 제1 출력 빔(1461; 점선)을 생성하고; 제2 시준된 빔 부분(1452)은 복수의 위치(1452A, 1452B, 1452C)에 제2 각도로 반사되어 제2 출력 빔(1462; 파선)을 생성한다. 임의의 다른 광 빔은 제1 각도와 제2 각 사이의 빔 각도로 반사되어, 제1 출력 빔(1461)과 제2 출력 빔(1462)의 방향 사이의 복수의 방향으로 전파된다. 이를 위해, 홀로그램(1456)은 충돌하는 빔 각도에 따라 원하는 방향으로의 반사를 보장하도록 구성된 복수의 프린지를 포함할 수 있다. 도 14로부터, 그러한 반사 기하학적 구조가 광 빔(1451, 1452)의 확장을 유도한다는 것을 알 수 있다.
도 15를 참조하면, 광폭 빔 PIC 위상 어레이 1D 이미저(1504)는 도 10a의 PIC 위상 어레이 1D 이미저(1004)와 유사하지만, MZIA(1520) 및 PSA(1522)(도 15) 내에 더 많은 선형 도파관을 포함하고 있다. 출력 도파관 어레이 커플러 또는 빔 확장기(1524)는 집광기(1024)와 유사하지만, 더 많은 출력 선형 도파관(1530)을 포함하고 있으며, 예컨대, 경우에 따라, 5㎜; 10㎜; 또는 15㎜의 횡방향 거리에 걸쳐 있는 10,000; 20,000; 30,000개 이상의 도파관을 포함하고 있다. 출력 빔은 선형 도파관(1530) 어레이의 폭만큼 넓을 수 있고, 따라서 근안 디스플레이의 아이박스 위로 출력 빔을 확장하기 위한 후속 빔 확장 및 시준을 필요로 하지 않을 수 있어 전체적인 설계를 단순화할 수 있다.
이제 도 16을 참조하면, 슬래브 도파관(1606)은 슬래브 도파관(1606)의 XY 평면으로 전파되는 이미지 광(1608)의 일부를 외부로 회절시키기 위한 회절 격자(1661)를 지지한다. 회절 격자(1661)의 K-벡터는 이미지 광(1608)의 K-벡터의 x-성분과 정렬된다. 이미지 광(1608)의 회절 각도 θ는 다음의 수학식과 같다.
Figure pct00001
여기서, n은 굴절률이고, T는 격자 주기이고, 그리고 λ는 전파 매질에서 광의 파장이다. 따라서,
Figure pct00002
여기서, ngr 은 군 지수이다. 분산이 작은 정규 도파관에서, ngr = n이고; 그러므로,
Figure pct00003
이것은 수학식 3으로부터 수직 입사 및 T = λ/n에서 다음의 수학식과 같다.
Figure pct00004
n = 2의 경우 파장은 510㎚ 내지 530㎚의 범위에 이른다. 본 개시 내용에 따르면, 각도 범위는 회절 각도 θ를 증가시킴으로써 어느 정도 증가될 수 있다. 예를 들어, 격자 피치를 180㎚로 감소시킴으로써, 회절 각도의 범위 dθ의 범위를 14.4도로 달성할 수 있다.
각도 분산 범위는, 예를 들어, 다층 출력 도파관을 사용함으로써 증가될 수 있다. 도 17을 참조하면, 이중 코어 슬래브 도파관(1706)은 XY 평면으로 연장된다. 이중 코어 슬래브 도파관(1706)은 각각 제1 클래딩(1705) 및 제2 클래딩(1755)으로 둘러싸인 기판(1736)의 XY 평면에서 서로 평행하게 뻗어있는 제1 코어(1707) 및 제2 코어(1757)를 포함한다. 제1 코어(1707) 및 제1 클래딩(1705)은 이미지 광의 제1 빔(실선 화살표; 1708)의 단일 모드 전파를 위해 구성된다. 유사하게, 제2 코어(1757) 및 제2 클래딩(1755)은 이미지 광의 제2 빔(파선 화살표; 1758)의 단일 모드 전파를 위해 구성된다.
제1 코어(1707) 및 제2 코어(1757)는 각각 제1 코어(1707) 및 제2 코어(1757) 내에 또는 그 위에 형성된 제1 회절 격자(1710) 및 제2 회절 격자(1760)를 가지고 있다. 제1 회절 격자(1710)는 재지향된 이미지 광의 스펙트럼 성분(들)을 제1 파장에 의존하는 제1 각도로 외부로 결합시키도록 구성된다. 제1 각도는 사용되는 파장 조정 가능 광원의 조정 범위에 해당하는 제1 각도 범위 내에 있다. 유사하게, 제2 회절 격자(1760)는 재지향된 이미지 광의 스펙트럼 성분(들)을 제1 각도와는 상이한 제2 각도로 외부로 결합시키도록 구성된다. 제2 각도는 파장 조정 가능 광원의 조정 범위에 해당하는 제2 각도 범위 내에 있다.
제1 광 빔(1708) 및 제2 광 빔(1758)에 의해 표시되는 동일한 파장의 이미지 광에 대해, 이중 코어 도파관(1706)의 서로 다른 코어(1707, 1757)로부터의 서로 다른 회절의 각도 및 각도 범위는 코어(1707 및 1757)의 두께 또는 굴절률, 클래딩(1705 및 1755)의 굴절률, 또는 회절 격자(1710 및 1760)의 피치를 변경함으로써 달성될 수 있다. 제조를 단순화하기 위해, 단일 격자를 제1 코어(1707) 층 내에 에칭할 수 있고, 제2 코어(1757) 층 또는 임의의 후속 층(들)은 단순히 방향성 재료 퇴적을 통해 이 격자를 재생할 수 있다. 후자의 경우, FOV는 층의 두께와 그에 따른 유효 굴절률을 가변시킴으로써 조정될 수 있다.
서로 다른 회절 각도를 사용하여, 별도의 층으로부터 보다 작은 각도 범위를 타일링함으로써 해당 "수직" 1D FOV를 확장할 수 있다. 여기서, "수직"이라는 용어는 "수평"이라고 하는 저모드 도파관의 평면, 즉 XY 평면으로 이미지 광을 재지향시킴으로써 1D FOV와 구별하기 위한 것이다. 주목해야 할 것은 이 문맥에서 "수평" 및 "수직"이라는 용어는 평면 내 1D FOV와 파장 분산 1D FOV를 구별하기 위한 단순한 구분자로 의미하며, 사용 시 디바이스의 실제 방향을 의미하지는 않는다는 것이다. 예를 들어, 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계와 방향성 커플러를 사용하여 제1 코어(1707)와 제2 코어(1757) 사이의 스위칭을 달성할 수 있다. 가능한 스위칭 구성에 대한 보다 상세한 내용은 아래에서 추가로 제공될 것이다.
도 18을 참조하면, 각도 분산 모듈(1828)은 필요한 수직 1D FOV를 획득하기 위해 이미지 광의 증강된 파장 분산을 제공한다. 각도 분산 모듈(1828)은 직렬로 결합된: 수직 모드 변환기(1821)에 결합된 MZIA(1820), 예컨대, 비대칭 방향성 커플러, 수직 모드 변환기(1821)로부터 광을 수신하는 다중 모드 간섭(MMI) 커플러(1851), 및 MMI 커플러(1851)로부터 광을 수신하는 소수 모드 슬래브 도파관 부분(1856)을 포함한다. 소수 모드 슬래브 도파관 부분(1956)의 코어로 전파할 수 있는 이미지 광의 횡방향 전파 모드의 개수는, 예를 들어, 2, 3, 4, 5 또는 6일 수 있거나, 보다 일반적으로는 10개 이하의 모드일 수 있다. 소수 모드 슬래브 도파관 부분(1856)의 코어 내에 또는 코어 상에 배치된 회절 격자(1807)는 이미지 광을 파장에 의존하는 각도로 외부로 결합시키는 아웃-커플러로서 동작한다. 회절 격자(1807)는 재지향된 이미지 광의 각 스펙트럼 성분을 해당 스펙트럼 성분의 파장에 의존하는 각도로 외부로 결합시키도록 구성된다. 외부로 결합되는 각도는 사용되는 파장 조정 가능 광원의 조정 범위에 해당하는 외부 결합 각도 범위 내에 있다. 각각의 전파 모드가 서로 다른 유효 굴절률을 갖기 때문에, 외부 결합 각도 범위는 소수 모드 슬래브 도파관 부분(1856)의 서로 다른 횡방향 전파 모드마다 상이하다.
처음에는 이미지 광의 기본 모드만이 인-커플러(1803)에 의해 MZIA(1820) 내부로 결합된다. MZIA(1820)는 자신의 출력 도파관 사이에서 이미지 광을 스위칭하는1xN 광학 스위치로서 기능한다. 각 MZIA(1820) 출력 도파관의 단부에서, 이미지 광은 수직 모드 변환기(1821)에 의해 다른 수직 모드로 변환된다. 모든 도파관으로부터의 이미지 광은 MMI 커플러(1851)를 사용하여 소수 모드 슬래브 도파관 부분(1956) 내부로 결합된다.이러한 방식으로, 평면 내 이미지 인코더 레이아웃, 즉, 도 9 내지 도 15를 참조하여 위에서 개시된 수평 1D 이미저 회로부는, FMW(1856)에서 이미지 광의 서로 다른 전파 모드 간에서 공유될 수 있다.
서로 다른 수직 모드는 서로 다른 유효 굴절률을 가지며, 따라서 회절 격자(1807)에서 동일한 파장에 대해 서로 다른 각도로 회절할 것이다. 전체적인 수직 1D FOV는 개별 모드의 회절 범위를 시계열 방식으로 사용함으로써 확장될 수 있고, 즉, 특정 코어로 스위칭하여 해당 수직 1D FOV 부분을 제공하며, 그 후 다른 코어로 스위칭하여 다른 수직 1D FOV 부분을 제공하는 등을 수행할 수 있으며, 이는 모든 수직 1D FOV가 적용될 때까지 수행될 수 있다.. MMI 커플러(1851)는 물리적 설계 소프트웨어를 사용하여, 미리 정의된 수직 좌표를 갖는 각 수직 모드마다 MMI 커플러의 광학 삽입 손실을 나타내는 피연산자를 갖도록 최적화 함수(성능 함수라고 지칭되기도 함)를 정의하고, 물리적 설계 소프트웨어가 최적화를 실행하게 함으로써 필요한 수직 모드의 결합에 최적화될 수 있다.
도 18의 결합 구성, 즉 MMI(1851)에 결합된 수직 모드 변환기(1821)에 결합된 MZIA(182)는 인-커플러(1803)에 의해 수신된 이미지 광을, 여러 수직 모드를 지원하는 임의의 도파관 컴포넌트의 서로 다른 수직 모드 내부로 결합하는 데 사용될 수 있다. 이러한 구성은, 예를 들어, 이미지 광을 도 17의 이중 코어 슬래브 도파관(1706)의 코어 내부로 결합하는 데 사용될 수 있다. 이중 코어 슬랩 도파관(1706)의 경우, MZIA(1820) 대신 1x2 광학 스위치로 동작하는 마하젠더 간섭계 하나만이 사용될 수 있다. 다중 코어 슬래브 도파관은 복수의 코어를 포함할 수 있고, 도 18의 결합 구성은 이미지 광을 다중 코어 슬래브 도파관의 코어 중 임의의 코어 내부로 결합하는 데 사용될 수 있다.
도 19를 참조하면, 각도 분산 증강기(1928)는, XY 평면으로 연장되고, 저속 광 슬래브 도파관(1906)으로부터의 이미지 광을 외부로 결합하기 위한 회절 격자 구조물(1910)을 갖는 클래딩(1905)을 지지하는 저속 광 슬래브 도파관(1906)에 기반하고 있다. 저속 광 슬래브 도파관(1906)은 군 속도 굴절률(group velocity refractive index)을, 예를 들어, 20배 또는 적어도 10배 증가시키기 위해 균일한 2D 광자 결정, 다층 구조물, 또는 이 둘의 조합을 포함할 수 있다. 그런 다음, 수학식 2 내지 수학식 4로부터 FOV를 10배 증가시킬 수 있으며, 예컨대, 20의 감속 계수의 경우 4.4도에서 44도로 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 저속 광 도파관(2006)은 선형 광자 결정 도파관의 어레이를 포함할 수 있다.
도 20a를 참조하면, 각도 분산 증강기(2028A)는 XY 평면에 배치된 슬래브 도파관 부분(2056)을 갖는 저모드 도파관(2006), 및 슬래브 도파관 부분(2056)에 의해 지지되는 주름형 반사기(2070A)를 포함한다. 스펙트럼으로 인코딩된 이미지 정보를 운반하는 이미지 광(2008)은 슬래브 도파관 부분(2056)으로 전파된다. 슬래브 도파관 부분(2056) 내의 회절 격자(2010), 예컨대, 브래그 격자는 이미지 광(2008)의 서로 다른 스펙트럼 성분을, 슬래브 도파관 부분(2056) 내의 이미지 광(2008)의 전파 방향에 대해 90도를 초과하는 서로 다른 각도로 외부로 결합한다. 예를 들어, 제1 스펙트럼 성분(2081)은 제1 각도 θ 1 로 외부로 결합되고, 제2 스펙트럼 성분(2082)은 보다 큰 제2 각도 θ 2 로 외부로 결합된다. 주름형 반사기(2070A)는 회절 격자(2010)에 의해 회절된 이미지 광(2008)의 제1 스펙트럼 성분(2081) 및 제2 스펙트럼 성분(2082)을 슬래브 도파관 부분(2056)을 통해 저모드 도파관(2056) 외부로 반사시킨다.
외부로 결합된 이미지 광(2008)의 각도 분산은 이미지 광(2008)이 거의 직접 후방으로 외부 결합될 때, 즉 각도 θ가 180도에 가까워질 때 최대가 된다. 예를 들어, 굴절률이 2인 정규 도파관 격자를 가정하고, 파장을 510㎚에서 530㎚로 변경하면, 평균 회절 각도 θ가 제로인 경우 4.4°이동하지만, 평균 회절 각도 θ가 ~65°인 경우 14°이동한다. 이 구성에서, 회절 격자(2010)는 이미지 광(2008)을 후방으로 외부 결합하여 각도 분산을 최대화하고, 따라서 디스플레이의 FOV를 증가시킨다. 주름형 반사기(2070A)는 슬래브 도파관 부분(2056)에 의해 지지되는 반사 코팅(2074)을 갖는 복수의 프리즘(2072)을 포함할 수 있으며, 이 프리즘은 이미지 광(2008)을 슬라브 도파관 부분(2056)에 수직인 방향으로 재지향시켜, 중심 필드 각도가 슬래브 도파관 부분(2056)에 수직하도록, 즉 Z 축에 평행하도록 보장한다. 비제한적인 예로서, 반사 층(2074)은 다음 중 하나 또는 다음의 조합으로 만들어질 수 있다: 즉, (1) 내부 전반사(TIR)를 위한 낮은 굴절률 재료, (2) 반반사 미러를 형성하는 얇은 금속 층, 또는 (3) 협폭 스펙트럼 다층 미러 코팅 또는 반사 편광기, 예를 들어, 와이어 그리드 편광기 또는 이중 휘도 강화 필름(dual brightness enhancement film)(DBEF).
도 20b를 참조하면, 각도 분산 증강기(2028B)는 도 20a의 각도 분산 증강기(2028A)의 편광 선택적 실시예이다. 도 20b의 각도 분산 증강기(2028B)에서, 주름형 반사기는, 제1 편광에서는 광을 반사시키고 제1 편광에 직교하는 제2 편광에서는 광을 투과시키도록 구성된 편광 선택적 반사기(2070B)를 포함한다. 각도 분산 증강기(2028B)는 편광 선택적 반사기(2070B)와는 반대 측의 슬래브 도파관 부분(2056) 상에서 슬래브 도파관 부분(2056)에 의해 지지되는 1/4 파장 파장판(QWP)(2076)을 더 포함한다. QWP(2076)는 편광 선택적 반사기(2070B)에 의해 반사된 이미지 광 성분(2081, 2082)을 수신하도록 구성된다. 이미지 광 성분(2081, 2082)은 제1 편광 상태에 있다.
회절 구조물(2078), 예컨대, 반사 표면 릴리프 회절 격자(reflective surface-relief diffraction grating)는 QWP(2076)에 의해 지지되고, QWP(2076)를 통해 전파된 이미지 광 성분(2081, 2082)을 되반사시켜, 이미지 광 성분(2081, 2082)의 편광을 제1 편광에서 제2 편광으로 변환하는 제2 시간 동안 QWP(2076)를 통해 전파하도록 구성된다. 그런 다음, 성분(2081, 2082)은 슬래브 도파관 부분(2056)을 통해 전파되고, 편광 선택적 반사기(2070B)를 통해 전파되며, 편광 선택적 반사기(2070B)는 이들 성분이 제2 편광 상태에 있기 때문에 이들 성분을 투과시킨다. 회절 구조물(2078)의 목적은 이미지 광(2008)의 각도 분산을 더욱 증가시키는 것이다.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 외부 결합된 이미지 광의 가변 초점 조정(즉, 수렴/발산 조정)의 원리가 예시된다. 도 21a의 저모드 슬래브 도파관 부분(2156A)은 균일한 굴절률을 갖는 격자 아웃-커플러를 포함한다. 이미지 광 성분(2108)은 무한대에 포커싱된 평행 빔으로서, 수직으로, 즉 슬래브 도파관 부분(2156A)의 평면에 대해 수직으로, 외부로 결합된다. 도 21b의 슬래브 도파관 부분(2156B)은, 이미지 광 성분(2108)이 수직으로, 즉 슬래브 도파관 부분(2156B)의 평면에 대해 수직으로 외부 결합되게 하는 제어 가능한 불균일 굴절률을 가지며, 격자 아웃-커플러의 광학 파워(포커싱 파워)의 역수와 동일한 초점 거리에서 포커싱된 빔으로서 도시된 바와 같이 수렴하는 격자 아웃-커플러를 포함한다. 16㎜의 아이박스(2112)의 원하는 사이즈를 가정하면, 슬래브 도파관 부분(2156B)으로부터의 이미지 광 성분(2108)을 아이박스(2112)에 대해 2미터 떨어진 초점(2185)으로 포커싱하기 위해 0.008의 굴절 델타(refractive delta)가 필요하다. 이 포커싱 기능을 달성하기 위해, 격자 아웃-커플러의 유효 굴절률 n eff 는 아이박스(2112)를 가로지를 때 0.004에서 -0.004까지 선형적으로 가변되어야 한다. 이 원리는 본원에서 고려되는 모든 분산 증강기에서 사용될 수 있다. 공진 구조물을 가진 분산 증강기의 경우, 스택에 있는 재료의 물리적 굴절률이 변경되면 n eff 에서 더 큰 변화가 발생하고, 따라서 아웃-커플러에 따른 굴절률의 변화로 인한 포커싱 또는 디포커싱을 가능하게 한다. 이 원리에 기반한 가변 초점 조정기의 예시적인 예는 도 22 내지 도 25를 참조하여 아래에서 고려된다.
먼저 도 22를 참조하면, 가변 초점 조정기(2230)는 이미지 광(2208)과 같은 광을 전파하기 위한 저모드 슬래브 도파관 부분(2256)을 포함한다. 슬래브 도파관 부분(2256)은 이미지 광(2208)을 슬래브 도파관 부분(2256)의 XY 평면에 대한 소정의 각도로 외부로 결합하도록 구성된 아웃-커플러(2210), 예컨대, 브래그 격자를 포함한다. 액정(LC) 셀(2288)은 슬래브 도파관 부분(2256)에 에바네슨트 방식으로 결합된다. 슬래브 도파관 부분(2256)의 상부 클래딩(2287)의 두께는, 모드 슬래브 도파관 부분(2256)의 코어로 이동하는 이미지 광(2208)의 안내 모드(2290)의 꼬리가 LC 셀(2288)과 중첩하여, LC 셀(2288)을 지지하는 상부 클래딩(2287)을 통해 LC 셀(2288)의 LC 층(2289)에 도달하도록 선택된다. LC 층(2289)은 한 쌍의 전극(2283) 사이에 배치된다. 안내 모드(2290)는 LC 셀(2288)의 LC 층(2289)과 중첩된다.
LC 셀(2288)은 슬래브 도파관 부분(2256)으로 전파하는 이미지 광(2208)의 안내 모드(2290)에 대한 유효 굴절률을 정의한다. 유효 굴절률 n eff 는 저모드 슬래브 도파관(2256) 내의 이미지 광(2208)의 전파 방향, 즉 도 22에서의 X 방향으로 가변된다. 가변되는 유효 굴절률 n eff 로 인해, 외부 결합된 이미지 광(2208) 부분의 방향이 X 축을 따라 이동할 때 가변되며, 이를 통해 외부 결합된 이미지 광(2208)은 도 21a 및 도 21b를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 포커싱 또는 디포커싱하게 된다. 상부 클래딩(2287)(도 22)의 두께 프로파일은, LC 층(2289)의 굴절률의 변화가 전파 도파관 모드(2290)에 대한 유효 굴절률 n eff 의 선형 변화를 야기하도록 선택될 수 있다. 이것은 외부 결합된 이미지 광(2208)이 포커싱되거나 디포커싱되게 할 것이다. 변화의 절대값, 및 그에 따른 초점 거리는 LC 셀(2288)에 인가된 전압에 의해 제어될 수 있다. 상부 클래딩(2287)의 두께 프로파일은 선형으로 만들어질 수 있으며, 즉, LC 셀(2288)은 슬래브 도파관 부분(2256)과의 예각을 형성할 수 있고, 이에 의해 도파관 모드(2290)에 대한 유효 굴절률 n eff 를 가변시킬 수 있다.
LC 층(2289)의 굴절률은 LC 셀(2288)에 전압을 인가함으로써 가변된다. 위에서 설명된 바와 같이, 이것은 외부 결합된 이미지 광(2208)의 전파 방향이 슬래브 도파관 부분(2256) 내의 이미지 광(2208)의 전파 방향(즉, X 방향)을 따라 가변되게 하여, 외부 결합된 이미지 광(2208)이 XZ 평면에서 발산되거나 수렴되도록 한다. 인가된 전압을 가변시킴으로써, 외부 결합된 이미지 광(2208)의 발산/수렴(집합적으로 "발산"으로 지칭됨)을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, LC 셀(2288)은 슬래브 도파관 부분(2256)에 평행할 수 있고, 픽셀화되어 이미지 광(2208)의 전파 방향, 즉 X 방향을 따라 굴절률 변경 프로파일을 부여할 수 있다.
이제 도 23을 참조하면, 가변 초점 조정기(2330)는 이미지 광(2308)과 같은 광을 전파하기 위한 저모드 슬래브 도파관 부분(2356)을 포함한다. 슬래브 도파관 부분(2356)은 코어 층(2307), 및 이미지 광(2308)을 슬래브 도파관 부분의 평면에 대한 소정의 각도로 외부로 결합하도록 구성된 아웃-커플러(2310)를 포함한다. 코어 층(2307)은 인가된 전계에 의존하는 굴절률을 갖는 재료로 형성된다. 예를 들어, 코어 층(2307)은 LiNbO3, AlN, SiC, 또는 전자 광학 계수가 높은 다른 재료로 형성될 수 있다.
전극(2383)은 코어 층(2307) 위와 아래에 배치되어, 코어 층(2307)에 전계(2386)를 인가한다. 전극(2383)은 서로에 대해 예각으로 배치되어, 쐐기를 형성할 수 있다. 전압이 전극(2383)에 인가될 때, 전계(2386)는 슬래브 도파관 부분(2356)의 코어(2307) 내의 이미지 광(2308)의 전파 방향을 따라, 즉 X 방향을 따라 공간적으로 가변된다. 이것은 슬래브 도파관 부분(2356)으로부터 외부 결합된 이미지 광(2308)의 방향이 저모드 슬래브 도파관 내의 광의 전파 방향을 따라 가변되게 하여, 외부 결합된 이미지 광(2208)이 XZ 평면에서 효과적으로 발산되거나 수렴되게 한다. 인가된 전압을 가변시킴으로써, 외부 결합된 이미지 광(2308)의 수렴/발산 정도는 제어 가능한 방식으로 가변될 수 있다.
굴절률의 공간적 변조는 슬래브 도파관 부분(2356) 및 전파하는 광학 모드(2390)의 재료를 통과하는 DC 또는 AC 전계에 의해 달성될 수 있다. 굴절 변조가 필요한 결정 축과 컴포넌트 설계에 따라, 전극은 각각 상부/하부 클래딩 위/아래에 배치되거나 이들 층 중 하나에만 배치될 수 있다. 전극이 도파관의 코어를 샌드위치하는 경우, 전계(2386)는 도 23에 도시된 바와 같이 수직으로 흐를 것이다. 이미지 광(2308)의 전파에 따른 전계(2386)의 상대적 크기(포커싱을 달성하기 위해 제어될 필요가 있는 것)는 전극(2382) 사이의 거리를 변경함으로써 할당될 수 있다. 거리가 멀수록 전계(2386)는 약해질 것이다. 그렇게 함으로써, 로컬 굴절률 변경과 비례적으로 상관되는 미리 결정된 쐐기 프로파일 전계(2386)를 내장할 수 있다. 인가된 전압 V = 0일 때, 이미지 광(2308)이 시준되고, 즉 이미지는 무한대에 있다. 인가된 전압 V가 증가함에 따라, 시스템의 초점면은 더 가까워질 것이다.
유사한 원리가 도 24의 가변 초점 조정기(2430)에 적용되며, 여기서 전계(2486)는 소수 모드 슬래브 도파관(2456)의 코어 층(2407)에 평행하다. 이러한 전계(2486)의 방향은, 전압 V가 인가될 수 있는 한 쌍의 단부 전극(2485) 사이의 저모드 슬래브 도파관(2456) 내의 이미지 광(2408)의 전파 방향을 따라 연장되는 플로팅 전극(2482)에 의해 정의된다. 플로팅 전극(2482)은 외부 결합된 이미지 광(2408)의 포커싱에 필요한 굴절률 분포와 매칭되는 전계(2486)의 크기 분포를 제공하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 전계(2486)의 크기 분포를 더 잘 제어하기 위해 독립적으로 제어되는 전극 세트가 제공될 수도 있다.
이제 도 25를 참조하면, 가변 초점 조정기(2530)는 제1 굴절률을 갖는 격자 프린지(2511)의 어레이를 포함하는 격자 구조물(2510)을 지지하는 저모드 슬래브 도파관 부분(2506)을 포함하고, 격자 프린지(2511)의 어레이는 개별 격자 프린지(2511) 간의 제2 굴절률을 갖는 기판(2512)으로 둘러싸여 있다. 격자 구조물(2510)은 저모드 슬래브 도파관 부분(2506)으로부터의 이미지 광(2508)을 외부로 결합시킨다. 제1 굴절률 또는 제2 굴절률 중 적어도 하나는 아웃-커플러에 의해 슬래브 도파관 부분으로부터 외부로 결합되는 이미지 광(2508)의 포커싱 또는 디포커싱을 위한 제1 굴절률 또는 제2 굴절률 중 적어도 하나의 구배를 제공하도록 조정가능하다. 이를 위해, 가열 요소(2570)의 어레이는 도파관(2506)에 결합되어, 격자 구조물(2510)에 불균일하고 공간적으로 선택적인 가열을 제공할 수 있다. 공간적으로 선택적인 가열은 이미지 광(2508)에 대한 로컬 회절 각도를 수정할 수 있는 굴절률 구배를 생성하여, 도파관(2506)으로부터 외부로 결합된 이미지 광(2508)의 포커싱 또는 디포커싱을 가능하게 한다. 비제한적인 예로서, 16㎜ 아이박스 길이에 대해 1m 초점 거리를 달성하려면, 유효 굴절률을 위해 최대 △n=0.008을 필요로 한다. 이 숫자는 도파관(2506) 대신 저속 광 도파관이 사용되는 경우 비례적으로 작아질 것이다. 일부 실시예에서, 기판(2510)은 인가된 전계로 LC 층을 조정함으로써 요구되는 굴절률 구배를 제공하기 위한 액정(LC) 층을 포함할 수 있다. 굴절률이 수정되는 층이 얇기 때문에, 디스플레이 광학 경로에만 영향을 미치고 투명 광학 경로에는 영향을 미치지 않을 것이다.
도 1a를 추가로 참조하여 도 26을 참조하면, 각도 영역의 이미지를 제공하기 위한 방법(2600)(도 26)은 제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 이미지 광, 예컨대, 도 1a의 광(108)을 인-커플러, 예컨대, 인-커플러(103)를 사용하여 1D 재지향기/이미저로 결합하는 단계(2602)를 포함한다. 이미지 광은 본원에 개시된 수평 FOV 1D 재지향기/이미저, 예컨대, 도 10a 내지 도 10e의 PIC 실시예 중 임의의 것을 포함하는 도 9의 위상 어레이 1D 이미저(904), 도 11의 하이브리드 1D 이미저(1104), 또는 도 12의 FSO 1D 스캐너(1204) 중 임의의 것을 사용하여 재지향될 수 있다. 1D 이미저는 이미지 광을 제1 평면, 예컨대, 도 1a의 XY 평면(저모드 슬래브 도파관 부분(107)의 평면임)으로 재지향시킨다(2604). 1D 이미저에 의해 재지향된 이미지 광(108)은 저모드 슬래브 도파관 부분(107)으로 전파된다(2606). 제1 파장의 스펙트럼 성분은 저모드 슬래브 도파관으로부터 아웃-커플러(110)에 의해, 예컨대, 본원에서 고려되는 임의의 격자 아웃-커플러에 의해, 제1 파장에 의존하는 각도로, 외부로 결합된다(2608). 저모드 슬래브 도파관 부분은 단일 모드 슬래브 도파관 또는 소수 모드(10개 이하의 모드) 슬래브 도파관을 포함할 수 있다.
도 27을 참조하면, 방법(2700)은 도 26의 방법(2600)의 실시예이다. 도 27의 방법(2700)은, 예를 들어, 도 5의 조정 가능 레이저 소스(502)와 같은 단색의 조정 가능 이미지 광원을 사용한다. 방법(2700)은 단색의 조정 가능 소스의 방출 파장을 설정하는 단계(2702) 및 1D 이미저에 결합된 이미지 광을 XY 평면으로 재지향시키는 단계(2704)를 포함한다. 다시 말해서, 1D 이미저가 이미지 광을 제1 평면으로 재지향시키는 동안 조정 가능 광원의 파장은 변화되지 않으며, 이에 의해 제1 평면으로 재지향된 이미지 광은 동일한 각도로 외부로 결합된다. 그 후, 다음 파장(2706)이 설정되고, 디스플레이되는 이미지의 픽셀의 원하는 명도에 해당하는 광원의 출력 파워 자체 값에서 프로세스가 반복된다. XY 평면으로의 재지향은 시준된 광 빔을 XY 평면으로 각도 스캐닝(angularly scanning)(2708)하거나 명도의 각도 분포를 동시에 형성(2710)하는 것을 포함한다.
이제 도 28을 참조하면, 방법(2800)은 도 26의 방법(2600)의 실시예이다. 도 28의 방법(2800)은 조정 가능 스펙트럼 광원, 예컨대, 도 6a의 조정 가능 스펙트럼 광원(602)을 사용한다. 도 28의 방법(2800)은 조정 가능 스펙트럼 광원을 사용하여, 디스플레이될 이미지의 수직 FOV에 해당하는 복수의 스펙트럼 성분을 갖는 이미지 광을 제공하는 단계(2802)를 포함한다. 복수의 스펙트럼 성분을 갖는 이미지 광은 XY 평면으로 명도의 각도 분포를 제공함으로써 XY 평면으로 재지향되며(2804), 이러한 재지향은 스캐닝(2808) 또는 순간 각도 분포 형성(2810)에 의해 수행될 수 있다. 각도 분산된 다중 파장 이미지 광은 저모드 슬래브 도파관으로부터 이미지 광의 스펙트럼 구성에 해당하는 각도 분포로 외부로 결합된다(2806).
도 29를 참조하면, 증강 현실(AR) 근안 디스플레이(2900)는 안경의 폼 팩터를 갖는 프레임(2901)을 포함한다. 프레임(2901)은, 각각의 눈에 대해, 본원에 기술된 조정 가능 스펙트럼 광원을 포함하는 광 엔진(2908), 및 광 엔진(2908)에 광학적으로 결합된 저모드, 즉 본원에 개시된 단일 모드 또는 소수 모드 도파관(2910)을 지원한다. AR 근안 디스플레이(2900)는 시선 추적 카메라(eye-tracking camera)(2904), 복수의 조명기(2906), 및 시선 추적 카메라 컨트롤러(2907)를 더 포함할 수 있다. 조명기(2906)는 아이박스(2912)를 조명하기 위해 도파관(2910)에 의해 지지될 수 있다. 광 엔진(2908)은 사용자의 눈으로 투사될 수직 1D FOV를 나타내는 스펙트럼을 갖는 광 빔을 제공한다. 도파관(2910)은 광 빔을 수신하고 아이박스(2912) 위로 광 빔을 확장한다. 수평 1D FOV는 본원에 개시된 1D 이미저, 예컨대, 도 4a의 PIC 기반 이미저(436), 도 9의 위상 어레이 1D 이미저(904), 도 11의 하이브리드 1D 이미저(1104), 또는 도 12의 MEMS 기반 스캐너(1204)에 의해 제공될 수 있다.
시선 추적 카메라(2904)의 목적은 사용자의 양쪽 눈의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것이다. 일단 사용자의 눈의 위치와 방향이 알려지면, 시선 수렴 거리와 방향이 결정될 수 있다. 디스플레이되는 이미지는, 사용자의 시선을 고려하여 디스플레이되는 증강 현실 장면에 대한 사용자의 보다 나은 몰입 충실도를 위해, 및/또는 증강 현실과의 상호작용의 특정 기능을 제공하기 위해 동적으로 조정될 수 있다. 작동 시, 조명기(2906)는 해당 아이박스(2912)에서의 눈을 조명하여, 시선 추적 카메라가 눈의 이미지를 획득할 수 있게 할 뿐만 아니라 기준 반사, 즉 글린트를 제공할 수 있도록 한다. 글린트는 캡처된 눈 이미지에서 기준점으로 기능할 수 있으며, 글린트 이미지에 대한 눈 동공 이미지의 위치를 결정함으로써 시선 응시 방향의 결정을 가능하게 한다. 조명으로 사용자의 주의를 산만하게 하는 것을 피하기 위해, 후자는 사용자에게 보이지 않게 할 수 있다. 예를 들어, 아이박스(2912)를 조명하는 데 적외선이 사용될 수 있다.
시선 추적 카메라 컨트롤러(2907)의 기능은 시선 추적 카메라(2904)에 의해 획득된 이미지를 처리하여, 사용자의 양쪽 눈의 시선 응시 방향을 실시간으로 결정하는 것이다. 일부 실시예에서, 이미지 처리 및 눈 위치/방향 결정 기능은 AR 근안 디스플레이(2900)의 중앙 컨트롤러(미도시)에 의해 수행될 수 있다. 중앙 컨트롤러는 또한 결정된 눈 위치, 눈 방향, 시선 응시 방향, 시선 수렴 등에 따라 광 엔진(2908)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
이제 도 30을 참조하면, HMD(3000)는 AR/VR 환경으로의 보다 큰 몰입도를 위해 사용자의 얼굴을 둘러싸는 AR/VR 웨어러블 디스플레이 시스템의 예이다. HMD(3000)의 기능은 컴퓨터 생성 이미지를 사용하여 물리적 실세계 환경의 뷰를 증강하거나 완전 가상 3D 이미지를 생성하는 것이다. HMD(3000)는 프론트 바디(3002) 및 밴드(3004)를 포함할 수 있다. 프론트 바디(3002)는 사용자의 눈 앞에 안정적이고 편안한 방식으로 배치되도록 구성되며, 밴드(3004)는 사용자의 머리에 프론트 바디(3002)를 고정하도록 신장될 수 있다. 디스플레이 시스템(3080)은 AR/VR 이미지를 사용자에게 제시하기 위해 프론트 바디(3002)에 배치될 수 있다. 프론트 바디(3002)의 측면(3006)은 불투명하거나 투명할 수 있다.
일부 실시예에서, 프론트 바디(3002)는 HMD(3000)의 가속도를 추적하기 위한 로케이터(3008) 및 관성 측정 유닛(IMU)(3010), 및 HMD(3000)의 위치를 추적하기 위한 위치 센서(3012)를 포함한다. IMU(3010)는 HMD(3000)의 모션에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성하는 하나 이상의 위치 센서(3012)로부터 수신된 측정 신호에 기반하여 HMD(3000)의 위치를 나타내는 데이터를 생성하는 전자 디바이스이다. 위치 센서(3012)의 예는 하나 이상의 가속도계, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 모션을 감지하는 다른 적합한 유형의 센서, IMU(3010)의 오류 수정에 사용되는 유형의 센서, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 위치 센서(3012)는 IMU(3010) 외부에, IMU(3010) 내부에, 또는 이들의 일부 조합에 위치될 수 있다.
로케이터(3008)는 가상 현실 시스템의 외부 이미징 디바이스에 의해 추적되며, 그에 따라 가상 현실 시스템은 전체 HMD(3000)의 위치 및 방향을 추적할 수 있게 된다. IMU(3010) 및 위치 센서(3012)에 의해 생성된 정보는 HMD(3000)의 위치 및 방향의 추적 정확도를 개선하기 위해 로케이터(3008)를 추적함으로써 획득된 위치 및 방향과 비교될 수 있다. 사용자가 3D 공간에서 이동하고 회전함에 따라 사용자에게 적절한 가상 장면을 제시하려면 정확한 위치와 방향이 중요하다.
HMD(3000)는 HMD(3000)의 일부 또는 전체를 둘러싸는 로컬 구역의 심도 정보를 기술하는 데이터를 캡처하는 심도 카메라 어셈블리(depth camera assembly)(DCA)(3011)를 더 포함할 수 있다. 이를 위해, DCA(3011)는 레이저 레이더(laser radar)(LIDAR) 또는 이와 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 심도 정보는 3D 공간에서 HMD(3000)의 위치 및 방향 결정의 보다 나은 정확도를 위해 IMU(3010)로부터의 정보와 비교될 수 있다.
HMD(3000)는 사용자의 눈의 방향 및 위치를 실시간으로 결정하기 위한 시선 추적 시스템(3014)을 더 포함할 수 있다. 획득된 눈의 위치 및 방향은 또한 HMD(3000)가 사용자의 시선 응시 방향을 결정하고 그에 따라 디스플레이 시스템(3080)에 의해 생성된 이미지를 조정할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 수렴, 즉 사용자의 시선 응시의 수렴 각도가 결정된다. 결정된 시선 응시 방향 및 수렴 각도는 또한 시야각 및 눈 위치에 따라 시각적 아티팩트의 실시간 보상을 위해 사용될 수도 있다. 또한, 결정된 수렴 및 응시 각도는 사용자와의 상호작용, 객체 강조 표시, 객체를 전경으로 가져오기, 추가 객체 또는 포인터 생성 등에 사용될 수 있다. 예컨대, 프론트 바디(3002)에 내장된 소형 스피커 세트를 포함하는 오디오 시스템이 또한 제공될 수 있다.
본 개시 내용의 실시예는 인공 현실 시스템을 포함하거나 이와 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은 시각 정보, 청각, 촉각(체성 감각) 정보, 가속도, 균형 등의 감각을 통해 얻은 외부 세계에 대한 감각 정보를 사용자에게 제시하기 전에 어떤 방식으로든 조정한다. 비제한적인 예로서, 인공 현실은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 일부 조합 및/또는 파생물을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 전체 생성 콘텐츠 또는 캡처된(예컨대, 현실 세계) 콘텐츠와 결합된 생성 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이러한 임의의 콘텐츠는 시청자에게 3차원 효과를 내는 스테레오 비디오와 같이 단일 채널 또는 다중 채널로 제시될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 인공 현실은 또한, 예를 들어, 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되고/되거나 인공 현실에서 달리 사용되는(예컨대, 인공 현실에서 활동을 수행하는) 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스, 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은 웨어러블 디스플레이, 예를 들어, 호스트 컴퓨터 시스템에 연결된 HMD, 독립형 HMD, 안경의 폼 팩터를 갖는 근안 디스플레이, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 한 명 이상의 시청자에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 포함하는 다양한 플랫폼 상에 구현될 수 있다.
본 개시 내용은 본원에 설명된 특정 실시예에 의한 범위 내에 국한되는 것은 아니다. 실제로, 본원에 개시된 것 이외에도, 다른 다양한 실시예 및 수정례는 전술한 설명 및 첨부되는 도면으로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 따라서, 그러한 다른 실시예 및 수정례는 본 개시 내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 또한, 본 개시 내용은 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 문맥으로 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 그 유용성이 이에 국한되지 않으며, 본 개시 내용이 임의의 수의 목적을 위해 임의의 수의 환경에서 유리하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 아래에 기술된 청구항은 본원에 개시된 바와 같이 본 개시 내용의 전체 범위 및 사상을 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스로서,
    제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 광을 제공하기 위한 파장 조정 가능 광원;
    상기 광을 제1 평면 내에 재지향시키기 위해 상기 파장 조정 가능 광원에 결합된 1D 재지향기;
    제1 평면 내에 있는 저모드 도파관 ― 상기 저모드 도파관은 상기 1D 재지향기에 의해 재지향된 상기 광을 전파하기 위해 상기 1D 재지향기에 결합된 슬래브 도파관 부분을 포함하며, 상기 슬래브 도파관 부분은 상기 재지향된 광의 스펙트럼 성분을 제2 평면 내에서 상기 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키도록 구성된 아웃-커플러를 포함하며, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 비평행함 ―; 및
    상기 광을 상기 저모드 도파관 내로 결합시키기 위한 인-커플러
    를 포함하는, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬래브 도파관 부분은 단일 모드 슬래브 도파관을 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬래브 도파관 부분은 10개 이하의 횡방향 전파 모드를 지원하는 소수 모드(few mode) 슬래브 도파관을 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 1D 재지향기는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS) 빔 스캐너를 포함하며, 상기 파장 조정 가능 광원은 상기 MEMS 빔 스캐너에 광학적으로 결합되고, 상기 인-커플러는 상기 MEMS 빔 스캐너에 의해 재지향된 상기 광을 상기 슬래브 도파관 부분 내로 결합시키도록 구성되는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저모드 도파관은 상기 1D 재지향기를 포함하고, 상기 인-커플러는 상기 파장 조정 가능 광원에 의해 제공되는 상기 광을 상기 1D 재지향기 내로 결합시키도록 구성되며; 바람직하게는 상기 저모드 도파관이 상기 인-커플러를 포함하되, 상기 인-커플러는 상기 파장 조정 가능 광원에 의해 제공되는 상기 광을 수광하도록 구성된 브래그 격자(Bragg grating)를 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 조정 가능 광원은 상기 제1 파장의 스펙트럼 성분을 선택하기 위한 공동 내 파장 선택 요소(intracavity wavelength-selective element)를 포함하는 파장 조정 가능 레이저를 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저모드 도파관은 상기 1D 재지향기를 포함하고, 상기 1D 재지향기는 광학 위상 어레이(optical phased array)를 포함하며; 바람직하게는 상기 광학 위상 어레이는 위상 시프터들의 어레이에 결합된 조정 가능 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)들의 이진 트리를 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1D 재지향기는:
    조정 가능 마하젠더 간섭계들의 이진 트리;
    상기 조정 가능 마하젠더 간섭계들의 이진 트리에 결합된 선형 도파관들의 어레이; 및
    상기 선형 도파관들의 어레이의 선형 도파관의 횡방향 위치를 상기 선형 도파관들의 어레이의 선형 도파관 내에서 전파하는 광 부분의 빔 각도로 변환하기 위해 상기 선형 도파관들의 어레이에 결합된 시준 요소
    를 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저모드 도파관은 상기 광의 광학 경로 내에 1D 시야(field of view)(FOV) 확장기를 포함하고, 상기 1D FOV 확장기는 상기 광을 복수의 연속적인 FOB 부분들의 사이에서 스위칭하도록 구성되고, 바람직하게는 상기 1D FOV 확장기는 저모드 도파관의 상기 슬래브 도파관 부분의 액정(liquid crystal)(LC) 클래딩 섹션을 포함하는 조정 가능 빔 조향 디바이스를 포함하는 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저모드 도파관은 상기 광의 광학 경로 내에 1D 횡방향 빔 확장기를 포함하고, 상기 1D 횡방향 빔 확장기는 상기 제1 평면 내에서 상기 광의 시준된 부분의 폭을 증가시키도록 구성되며; 바람직하게는 상기 1D 횡방향 빔 확장기는 홀로그램 내의 상기 광학 경로를 따른 복수의 위치들에서 상기 광의 시준된 부분을 반사하도록 구성된 상기 홀로그램을 포함하여, 상기 반사된 시준된 부분이 상기 홀로그램 상류의 상기 시준된 부분보다 상기 제1 평면 내에서 더 넓은 것인, 광을 2차원으로 재지향시키기 위한 디바이스.
  11. 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 디바이스로서,
    제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 이미지 광을 제공하기 위한 파장 조정 가능 광원; 및
    제1 평면 내에 있는 저모드 도파관을 포함하며,
    상기 저모드 도파관은:
    상기 이미지 광을 상기 저모드 도파관 내로 결합시키기 위한 인-커플러;
    상기 이미지 광을 상기 제1 평면 내에 재지향시키기 위해 인-커플러에 커플링된 1D 이미저; 및
    상기 1D 이미저에 의해 재지향된 상기 이미지 광을 전파하기 위해 상기 1D 이미저에 결합된 슬래브 도파관 부분을 포함하며, 상기 슬래브 도파관 부분은 상기 재지향된 이미지 광의 스펙트럼 성분을 제2 평면 내에서 상기 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키도록 구성된 아웃-커플러를 포함하며, 상기 제2 평면은 상기 제1 평면에 비평행한 것인, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저모드 도파관은 단일 모드 도파관인 것인, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 디바이스.
  13. 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 방법으로서,
    제1 파장의 스펙트럼 성분을 포함하는 이미지 광을 1D 이미저에 결합시키는 단계;
    상기 1D 이미저를 사용하여 상기 이미지 광을 제1 평면 내에 재지향시키는 단계;
    상기 1D 이미저에 의해 재지향된 상기 이미지 광을 상기 제1 평면 내에 배치된 저모드 슬래브 도파관 내에서 전파하는 단계; 및
    상기 이미지 광의 스펙트럼 성분을 상기 저모드 슬래브 도파관으로부터 상기 제1 파장에 의존하는 소정의 각도로 외부로 결합시키는 단계
    를 포함하는, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이미지 광은 상기 제1 파장에서 실질적으로 단색이고, 상기 제1 파장은 상기 1D 이미저가 상기 이미지 광을 상기 제1 평면 내에 재지향시키는 동안 시프트되지 않으며, 이에 의해 상기 제1 평면 내에 재지향된 상기 이미지 광이 동일한 각도로 외부로 결합되는 것인, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 이미지 광을 상기 제1 평면 내에 재지향시키는 단계는 상기 제1 평면 내의 시준된 광 빔을 각도 스캐닝(angularly scanning)하는 단계를 포함하고/하거나; 바람직하게는 상기 이미지 광은 상기 제1 파장을 포함하는 복수의 파장들의 복수의 스펙트럼 성분들을 포함하고, 상기 이미지 광을 상기 제1 평면 내에 재지향시키는 단계는 상기 제1 평면 내에서 명도의 각도 분포를 제공하는 단계를 포함하며, 이에 의해 상기 이미지 광은 상기 제1 평면 내에서 동시에 복수의 방향들로 재지향되고, 상기 저모드 슬래브 도파관으로부터 상기 이미지 광의 상기 복수의 스펙트럼 성분들의 상기 복수의 파장들에 대응하는 복수의 각도들로 외부로 결합되는 것인, 이미지를 각도 영역 내에서 제공하기 위한 방법.
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