KR20230001306U - 색수차 보상용 광학 소자 - Google Patents

Abstract

색수차를 보상하기 위한 광학 소자(24)는, 각각이 상이한 굴절률들 및 아베수들을 갖는 2개의 웨지 구성요소들(26, 28)을 포함한다. 2개의 웨지 구성요소들은 동일한 웨지 각도를 가지며, 외부 표면들이 서로 평행하도록 함께 배향되어 접합된다. 광학 소자(24)는 근안 디스플레이의 도파관의 페이스-커브 각도 및/또는 범초점용 틸트에 의해 도입된 선형 색 수차를 보상하기 위해 이미지 프로젝터(14)와 도파관(12) 사이의 광학 경로에 통합될 수 있다.

Description

색수차 보상용 광학 소자

본 고안은 광학 시스템에 관한 것으로서, 특히, 선형 색수차(chromatic aberration) 보상(compensation)을 위한 광학 소자 및 그 소자를 채용한 광학 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 컬러 디스플레이들과 같은 큰 스펙트럼 대역폭을 위해 설계된 광학 시스템들은 색 수차들을 겪는다. 광학 재료의 굴절률은 입사 광선 파장에 의존한다. 전형적인 유리 분산은 더 긴 파장들에 대해 더 낮은 굴절률을 나타낸다. 그 결과, 광이 광학 시스템을 통해 전파될 때, 상이한 파장을 갖는 광선들은 다양한 광학 경로들을 경험하여, 색수차를 발생시킬 것이다. 이러한 색수차는 렌즈에 의해 발생할 수 있다. 그런 다음 수차 거동은 그의 공간 분포에서 방사형일 것이다. 색 수차들은 또한 광학 표면들의 비평행성에 의해 야기될 수 있다. 그런 다음, 결과적인 색수차는 본 명세서에서 "선형 색 수차"로 지칭되는 공간 방향을 따른 선형 변동일 것이다.

수차가 방사 방향일 때, 더블렛 또는 트리플렛 렌즈와 같은 무색수차(achromatic) 렌즈가 수차를 보상하도록 설계될 수 있다. 무색수차 렌즈 재료는 높은 아베수(Abbe number) 및 낮은 아베수를 갖는 플린트(flint) 또는 크라운 유리(crown glass)(또는 플라스틱)이도록 선택되어, 색수차의 제거를 허용한다. 선형일 때, 색수차는 평행하지 않은 평평한 표면들을 가진 복합 프리즘에 의해 보상될 수 있다. 프리즘 정점 각도 뿐만 아니라 그 재료는 시스템 파장 분산을 교정(correct)하도록 최적화된다. 또한, 그들 자신의 굴절률, 아베수 및 정점 각도를 갖는 2개 또는 심지어 3개의 프리즘은 더 정확한 보상을 위해 컨쥬게이션될 수 있다. 그러나, 그러한 프리즘들은 근안 디스플레이(near eye display)와 같은 다른 컴팩트한 광학 시스템들에서 귀중한 공간을 차지하는 부피가 큰 광학 소자들이다. 이러한 프리즘들은 또한, 프리즘이 광학 축을 편향시키기 때문에, 시스템 설계에 기하학적 제약들을 부과한다.

RGB 이미지의 각각의 컬러가 독립적으로 투사되는 컬러 이미지 디스플레이 시스템에서, 컬러들 사이의 시스템 색수차(system color aberration)로 인한 오프셋은 또한 투사 시스템들에 대한 디스플레이 매트릭스에서의, 그리고 유사하게 이미징 시스템에 대한 검출기에서의 전자 보상과 같은, 하드웨어 이외의 솔루션으로 교정될 수 있다. 보상은 각각의 컬러 또는 파장에 의해 생성된 이미지를 최종 보상된 이미지에서 중첩되도록 전자적으로 시프트함으로써 달성된다. 이 방법은 유연성이라는 이점이 있다. 이론적으로 모든 종류의 색수차, 선형, 방사형 또는 비전통적인 분포를 교정할 수 있다. 광학 장치에 추가 공간이 필요하지 않다는 이점이 있다. 그러나 이는 특별한 전자 설계와 더 높은 전력 소비를 필요로 한다. 추가적으로, 전자 보상은 컬러 LED들의 출력과 같은 조명의 각각의 컬러의 스펙트럼 폭으로 인해 단일 컬러 내의 포인트-확산을 해결할 수 없다.

특히 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 광학 엔진들에서는 폼 팩터가 가장 중요한다. 무색 목적을 위한 부피가 큰 광학 소자들은 이러한 애플리케이션들에 적합하지 않으며, 보상 프리즘들에 의해 도입된 기하학적 제약들은 상당히 복잡한 시스템 아키텍처를 가질 수 있다. 반면에 전자 보상은 언급된 바와 같이 고유한 단점들을 가지며, 각각의 개별 컬러의 스펙트럼 대역폭으로 인해 발생하는 색 분산 및 포인트 확산을 해결하지 못한다.

본 고안은 선형 색수차 보상을 위한 광학 소자 및 이러한 소자를 채용한 광학 시스템이다.

본 고안의 일 실시예의 교시에 따르면, 색수차를 보상하기 위한 광학 소자가 제공되며, 광학 소자는 (a) 제1 굴절률 및 제1 아베수를 갖는 제1 투명 재료로 형성된 제1 웨지 구성요소 - 제1 웨지 구성요소는 제1 접합면에 대해 웨지 각도로 경사진 제1 외부 표면을 가짐 - ; 및 (b) 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률 및 제1 아베수와 상이한 제2 아베수를 갖는 제2 투명 재료로 형성된 제2 웨지 구성요소 - 제2 웨지 구성요소는 제2 접합면에 대해 웨지 각도로 경사진 제2 외부 표면을 가짐 - 를 포함하며; 제1 접합면은 제1 외부 표면이 제2 외부 표면에 평행하도록 배향된 제1 및 제2 웨지 구성요소들을 갖는 제2 접합면에 접합된다.

본 고안의 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 웨지 각도는 15도 미만, 바람직하게는 10도 미만이다.

본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 제1 웨지 구성요소 및 제2 웨지 구성요소는 정사각형 또는 직사각형 형상을 정의하는 에지들을 갖고, 제1 및 제2 웨지 구성요소들의 두께의 변동 방향은 에지들에 대해 비스듬한 각도에 있다.

또한 본 고안의 실시예의 교시 내용에 따라 디스플레이 시스템이 제공되며, 디스플레이 시스템은, (a) 시준된 투사 이미지를 생성하는 이미지 프로젝터; (b) 한 쌍의 상호 평행한 주 외부 표면들, 주(major) 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 도파관 내에서 전파하도록 시준된 투사 이미지를 수신하기 위한 커플링-인(coupling-in) 구성, 및 도파관으로부터 관찰자를 향해 시준된 투사 이미지를 커플링-아웃하기 위한 커플링-아웃 구성을 갖는 광 가이드 광학 소자(LOE); 및 (c) 이미지 프로젝터와 LOE 사이의 광 경로에 개재된 전술한 광학 소자를 포함한다.

본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 광학 소자의 제1 외부 표면은 이미지 프로젝터의 표면에 접합된다.

본 고안의 실시예의 추가 특징에 따르면, 광학 소자의 제2 외부 표면은 커플링-인 구성의 표면에 접합된다.

본 고안의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, LOE는 관찰자의 머리에 LOE를 지지하도록 구성된 지지 구조체 상에 장착되고, 지지 구조체는 관찰자를 향해 커플링 아웃된 투사 이미지의 주 광선에 대해 페이스-커브(face-curve) 각도로 LOE를 지지하고, 광학 소자는 페이스-커브 각도에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된다.

본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 지지 구조체는 관찰자를 향해 커플링 아웃된 투사 이미지의 주 광선에 대해 범초점용 각도로 LOE를 지지하며, 광학 소자는 대안으로서, 또는 추가로, 페이스 커브에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하는 것에 더하여, 범초점용 각도에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된다.

본 고안은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 각각 탑-다운(top-down) 및 측면-주입(side-injection) 구성을 예시하는, 본 고안의 교시들에 따라 구성되고 동작하는 광 가이드 광학 소자(LOE)를 사용하여 구현되는 광학 시스템의 개략적인 등각도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 관찰자의 눈에 대한 도 1a 및 도 1b의 LOE들 중 하나의 전개의 개략적인 평면도 및 측면도로서, 보상 플레이트가 없을 때 시스템에 의해 발생되는 선형 색수차를 예시한다.
도 3은 부착된 보상 플레이트와 함께 도시된 도 1a 및 도 1B의 광학 시스템으로부터의 이미지 프로젝터의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 분해 상태 및 조립 상태로 도시된 보상 플레이트의 개략적인 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a 및 도 2b와 각각 유사한 도면으로서, 이미지 프로젝터와 LOE 사이의 도 4b의 보상 플레이트의 통합의 효과를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 각각 원형 및 직사각형 외부 형상으로 구현된 도 4b의 보상 플레이트의 개략적인 등각도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 축상(on-axis) 교정 및 축외(off-axis) 교정의 경우의 선형 색수차 보상의 방향을 개략적으로 예시한 것이다.

본 고안은 선형 색수차 보상을 위한 광학 소자 및 이러한 소자를 채용한 광학 시스템이다.

본 고안에 따른 광학 소자들의 원리 및 동작은 도면 및 첨부 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.

광 가이드 광학 소자(LOE)(12)를 채용하는 일반적으로 10으로 지정되는 근안 디스플레이 형태의 디바이스의 예시적인 구현예가 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 예시되어 있다. 이것은 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 본 고안의 보상 요소가 유리하게 사용되는 시스템의 비제한적인 예이다. 근안 디스플레이(10)는 이미지 광이 상호 평행한 평면형 외부 표면들의 세트에서의 내부 반사에 의해 일 차원으로 트랩되는 LOE(상호교환적으로 "도파관", "기판" 또는 "슬래브")(12)로 이미지를 주입하기 위해 광학적으로 커플링된 컴팩트 이미지 프로젝터(또는 "POD")(14)를 채용한다.

LOE는 전형적으로, 주입된 이미지의 광학 개구를 1차원 또는 2차원으로 확장시키고, 전형적으로 내부 부분 반사 표면 또는 회절 광학 소자들의 사용에 기초하여 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명을 커플링-아웃(coupling-out)하기 위한 배열을 포함한다. 도 2에 개략적으로 추가로 예시된 구현예들의 하나의 비제한적인 세트에서, 이미지 프로젝터(14)로부터 LOE(12) 내로 주입된 광은, 서로 평행하고 이미지 광의 전파 방향에 비스듬히 경사진 부분 반사 표면들(상호교환적으로 "패싯들(facets)"로 지칭됨)의 세트(17)에 충돌하며, 각각의 연속적인 패싯은 이미지 광의 일부를 편향된 방향으로 편향시키고, 또한 기판 내의 내부 반사에 의해 트랩/안내된다. 이러한 제1 세트의 패싯들(17)은 도 1a 및 도 1b에 개별적으로 예시되지 않지만, 16으로 지정된 LOE의 제1 영역에 위치되고 도2b에 개략적으로 도시된다. 연속적인 패싯들에서의 이러한 부분 반사는 광학 개구 확장의 제1 차원을 달성한다. 본 고안의 바람직하지만 비제한적인 예들의 제1 세트에서, 패싯들(17)의 전술한 세트는 기판의 주 외부 표면들에 직교한다. 이 경우, 주입된 이미지 및 영역(16) 내에서 전파될 때 내부 반사를 겪는 그의 컨쥬게이트(conjugate)는 모두 편향되고, 편향된 방향으로 전파되는 컨쥬게이트 이미지들이 된다. 바람직하지만 비제한적인 예들의 대안적인 세트에서, 제1 세트의 부분 반사 표면들(17)은 LOE의 주 외부 표면들에 대해 비스듬하게 각을 이룬다. 후자의 경우에, 주입된 이미지 또는 그의 컨쥬게이트는 LOE 내에서 전파하는 원하는 편향된 이미지를 형성하는 반면, 다른 반사는 예를 들어, 반사가 필요하지 않은 이미지에 의해 제시된 입사각들의 범위에 대해 비교적 투명하게 만드는 패싯들(facet)들 상에 각도 선택적 코팅들을 채용함으로써 최소화될 수 있다.

제1 세트의 부분 반사 표면들은 기판 내의 내부 전반사(TIR)에 의해 트랩된 제1 전파 방향으로부터, 또한 기판 내의 TIR에 의해 트랩된 제2 전파 방향으로 이미지 조명을 편향시킨다.

그런 다음 편향된 이미지 조명은 제2 기판 영역(18)으로 통과하고, 이는 인접한 개별 기판으로서 또는 단일 기판의 연속으로서 구현될 수 있으며, 여기서 커플링-아웃 배열(부분 반사 패싯들(19)의 추가 세트 또는 회절 광학 소자)은 아이-모션 박스(EMB)로 정의된 영역 내에 위치된 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 부분을 점진적으로 커플링 아웃시키고, 이로 인해 광학 개구 확장의 제2 차원을 달성한다. 전체 디바이스는 각각의 눈에 대해 개별적으로 구현될 수 있고, 바람직하게는 각각의 LOE(12)가 사용자의 대응하는 눈을 향하도록 사용자의 머리에 대해 지지된다. 여기에 예시된 바와 같은 하나의 특히 바람직한 옵션에서, 지지 배열은 사용자의 귀에 대해 디바이스를 지지하기 위한 측면(20)을 갖는 안경 프레임으로서 구현된다. 머리 밴드(head band), 바이저(visor) 또는 헬멧에 매달린 디바이스들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 형태의 지지 배열이 또한 사용될 수 있다.

LOE의 제1 영역의 일반적인 연장 방향에서 수평으로(도 1a) 또는 수직으로(도 1b) 연장되는 X 축, 및 그에 수직으로, 즉 도 1a에서 수직으로 그리고 도 1b에서 수평으로 연장되는 Y 축에 대해 참조가 본 명세서에 도면 및 청구범위에서 이루어진다.

매우 대략적인 용어로, 제1 LOE, 또는 LOE(12)의 제1 영역(16)은 X 방향으로 개구 확장을 달성하는 것으로 간주될 수 있는 반면, 제2 LOE, 또는 LOE(12)의 제2 영역(18)은 Y 방향으로 개구 확장을 달성한다. 도 1a에 예시된 배향은 "탑-다운" 구현예로 간주될 수 있으며, 여기서 LOE의 메인(제2 영역)에 진입하는 이미지 조명은 상부 에지로부터 진입하는 반면, 도 1b에 예시된 배향은 "측면-주입" 구현예로 간주될 수 있으며, 여기서 Y 축으로 지칭되는 축은 수평으로 전개된다는 점에 유의해야 한다. 나머지 도면들에서, 본 고안의 특정 실시예들의 다양한 특징들은 도 1a와 유사하게 "탑-다운" 배향의 맥락에서 예시될 것이다. 그러나, 이러한 특징들 모두는 측면-주입 구현예들에 동등하게 적용가능하고, 이는 또한 본 고안의 범위 내에 속한다는 것이 이해되어야 한다. 특정 경우에, 다른 중간 배향도 적용가능하며, 명시적으로 배제되는 경우를 제외하고 본 고안의 범위 내에 포함된다. 2차원 확장을 달성하는 LOE의 맥락에서 본 명세서에 예시되지만, 본 고안은 또한 LOE가 단일 차원의 확장만을 수행하는 디바이스들에 적용가능하다는 점에 유의해야 한다.

본 고안의 디바이스들과 함께 채용되는 POD(14)는 바람직하게는 시준된 이미지를 생성하도록 구성되며, 즉, 각각의 이미지 픽셀의 광은 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향을 갖는 무한대로 시준된 평행 빔이다. 따라서, 이미지 조명은 2차원의 각도 시야에 대응하는 각도들의 범위에 걸쳐 있다.

이미지 프로젝터(14)의 예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이미지 프로젝터(14)는 전방 조명 LCOS 칩 또는 후방 조명 LCD 패널과 같은 공간 광 변조기(30)를 조명하도록 전형적으로 배치된 적어도 하나의 광원(도시되지 않음)을 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각각의 픽셀의 투사 강도를 변조하여, 이미지를 생성한다. 다른 옵션은 OLED 마이크로 디스플레이와 같은 광 발생 디스플레이의 사용이다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 전형적으로 고속 스캐닝 미러(fast-scanning mirror)를 사용하여 구현되는 스캐닝 배열(scanning arrangement)를 포함할 수 있으며, 이는 프로젝터의 이미지 평면을 가로질러 레이저 광원으로부터의 조명을 스캐닝하는 한편, 빔의 강도는 모션과 동기하여 픽셀 단위로 변경됨으로써, 각각의 픽셀에 대해 원하는 강도를 투사한다. 이들 모든 경우에, 무한대로 시준되는 출력 투사 이미지를 생성하기 위해 시준 광학 장치(32)가 제공된다. 이미지 생성기에 인접하게 필드 렌즈(36)가 제공될 수 있다. 상기 구성요소들 중 일부 또는 전부는 전형적으로 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 하나 이상의 편광 빔 스플리터(polarizing beam-splitter)(PBS) 큐브 또는 PBS(34)를 포함하는 다른 프리즘 배열의 표면 상에 배열된다.

LOE(12)에 대한 이미지 프로젝터(14)의 광학 커플링은 임의의 적합한 광학 커플링에 의해, 예를 들어 비스듬하게 각도를 이룬 입력 표면을 갖는 커플링 프리즘을 통해, 또는 반사 커플링 배열을 통해, LOE의 측면 에지 및/또는 주 외부 표면들 중 하나를 통해 달성될 수 있다. 커플링-인 구성의 세부사항들은 본 고안에 중요하지 않으며, LOE의 주 외부 표면들 중 하나에 적용된 웨지 프리즘(15)의 비제한적인 예로서 도 2a-2b 및 도 5a-5b에 개략적으로 도시되어 있다.

근안 디스플레이(10)는, 전형적으로 소형 온보드 배터리(미도시) 또는 일부 다른 적합한 전원으로부터의 전력을 채용하는, 이미지 프로젝터(14)를 작동시키기 위한 제어기(22)(도 1a-1b)를 전형적으로 포함하는 다양한 추가 구성요소들을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 제어기(22)는 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 프로세싱 회로부와 같은 모든 필요한 전자 구성요소들을 포함하며, 이들 모두는 당업계에 공지되어 있다는 것이 이해될 것이다.

심미적 이유들로, AR 근안 디스플레이의 도파관은 사용자의 눈에 대해 수직이 아닌(non-normal) 배향을 갖는다. AR 안경은 종래의 안경과 가능한 유사한 디자인을 하는 것이 바람직하다. 그 결과, 아웃-커플링된 투사된 이미지 광축은 도파관 표면에 수직이 아니다. 이는 투사 이미지를 따라 선형 색수차들을 생성한다. 이미지의 컬러는 시프트되어 나타난다. 사용자는 다른 컬러로 복제된 시프트된 이미지를 보게 될 것이다. 또한, 선형 색 수차는 (이전에 설명된 바와 같이) 상이한 이미지 필드들의 PSF를 증가시켜, 전자적으로 교정되더라도, 이미지 MTF가 여전히 영향을 받을 것이다.

사용자의 페이스 상의 근안 디스플레이의 전형적인 전개로부터 초래되는 선형 색수차의 이들 2개의 소스들이 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 예시되어 있다. 첫째로, 도 2a의 평면도에 도시된 바와 같이, 사람 페이스의 곡률에 근안 디스플레이의 피팅은 통상적으로 LOE(12)가 투사된 이미지의 1차 관찰 방향(중심 필드)에 대해 "페이스-커브 틸트"로 배열될 것을 요구한다. 이는 비스듬한(수직이 아닌) 각도로 LOE 표면으로부터 출사하는(exiting) 투사 이미지를 초래하며, 이에 의해 LOE 공기 경계에서 색분산을 야기한다.

추가적으로, 도 2b의 측면도에 도시된 바와 같이, 근안 디스플레이는 전형적으로 LOE의 하부 에지가 상부 에지보다 페이스에 더 가깝도록, 범초점용 틸트로 전개된다. 이는 또한 LOE 표면으로부터 출사하는 투사 이미지의 중심 필드의 비스듬한(수직이 아닌) 출사 각도를 초래하여, LOE 공기 경계에서 색 분산을 야기한다. 이들 두 효과는 종종 조합되어, 이미지의 시야에 걸쳐 수평 및 수직 둘 모두로 변하는 전체 선형 색 수차를 야기한다.

이러한 선형 색수차를 적어도 부분적으로 보상하기 위해, 본 고안의 일 양태에 따르면, 이미지 프로젝터의 출력 이미지를 구성하는 시준된 빔이 도파관 내로 커플링되기 전에 보상 플레이트를 통해 전파되도록 이미지 프로젝터와 LOE 사이에 보상 요소가 개재되는 것이 바람직하다. 따라서, 도파관으로부터의 출사시 생성된 커플링 아웃 색수차를 제거하기 위해 특정 색수차들은 의도적으로 보상 플레이트에 의해 시준된 빔으로 주입된다. 그런 다음, 아웃 커플링된 시준된 빔은 감소된 색수차로 사용자의 눈에 도달할 것이다.

본 고안에 따른 색수차 보상을 위한 광학 소자 ("보상 플레이트")(24)의 구현예의 두 가지 예가 도 4a 및 도 4b에 예시되어 있다. 광학 소자는 제1 굴절률 및 제1 아베수를 갖는 제1 투명 재료로 형성된 제1 웨지 구성요소(26)를 포함한다. 제1 웨지 구성요소(26)는 제1 접합면(40)에 대해 웨지 각도로 경사진 제1 외부 표면(38)을 갖는다. 보상 플레이트는 또한 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률 및 제1 아베수와 상이한 제2 아베수를 갖는 제2 투명 재료로 형성된 제2 웨지 구성요소(28)를 포함한다. 제2 웨지 구성요소(28)는 제2 접합면(42)에 대해 동일한 웨지 각도로 경사진 제2 외부 표면(44)을 갖는다. 설명의 명료함을 위해, 2개의 웨지 구성요소는 도 4a에 분리된 것으로 도시되어 있지만, 제1 접합면(40)이 제2 접합면(42)에 접합되고, 제1 웨지 구성요소(26) 및 제2 웨지 구성요소(28)가 제1 외부 표면(38)이 제2 외부 표면(44)에 평행하도록 반대 방향의 웨지 각도로 배향된 상태로 도 4b에 예시된 바와 같이 조합된다.

보상 플레이트(24)의 폼 팩터(form factor)는, 광학 시스템의 규모(bulk)를 상당히 증가시키지 않고 전체 기하구조를 변화시키지 않고 광학 시스템의 다른 구성요소들 사이에 용이하게 개재될 수 있는 비교적 얇은 평행-면(parallel-faced) 요소라는 점에서 매우 유리하다는 것이 즉시 명백할 것이다. 예로서, 제1 및 제2 웨지 구성요소에 채용되는 웨지 각도는 바람직하게는 15도 미만, 가장 바람직하게는 약 10도 미만이다. 그 결과, 약 8 밀리미터의 예시적인 광학 개구에 대해, 광학 소자(24)의 전체 두께는 바람직하게는 단지 약 1.5 밀리미터, 일부 경우에는 약 1 밀리미터이다. 그럼에도 불구하고, 제1 및 제2 웨지 구성요소를 위한 재료의 광학 특성의 적합한 선택에 의해, 전술한 것과 같은 선형 색수차에 대한 높은 정도의 보상을 달성할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

광학 소자(24)의 컴팩트 구현예에서의 색 수차에 대한 매우 효과적인 보상을 달성하기 위해, 제1 및 제2 웨지 구성요소에 대해 채용되는 재료들 사이의 아베수의 현저한 차이, 가장 바람직하게는 적어도 20의 아베수의 차이(ΔΑbbe)를 갖는 것이 바람직하다. 광학 소자를 통과하는 주광선의 편향 정도를 제한하기 위해, 두 재료 사이의 굴절률 차이(ΔRI)는 비교적 작은 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 단지 약 0.3이다.

보상 플레이트가 사용되는 맥락에 따라, 표면들의 일부 또는 모든 표면에 반사방지 코팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 2개의 웨지 구성요소들의 재료들 사이의 굴절률 차이가 작은 경우, 반사방지 코팅은 전형적으로 필요하지 않다. 플레이트가 상당히 상이한 굴절률을 갖는 다른 광학 소자에 인접하게 사용되는 경우, 반사방지 코팅은 시스템 성능을 상당히 향상시킬 수 있다.

보상 플레이트(24)의 외부 표면들 사이의 평행도의 정밀도는 전형적으로 중요하지 않으며, 외부 표면들이 전체 디바이스 기하구조의 맥락에서 평행한 표면들에 여전히 근접하기만 한다면, 어느 정도 이상의 약간의 각도 오프셋을 갖더라도 구현예의 대부분의 장점들이 달성될 수 있다. 특정 경우에, 외부 표면이 어느 정도의 허용 오차(예를 들어, 약 20분의 원호 이내, 일부 경우에는 10분의 원호 또는 이하)에 평행한 것이 바람직할 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 보상 플레이트(24)의 외형은 도 6a에서와 같이 둥근 형상 또는 도 6b에서와 같이 직사각형(정사각형을 포함) 형상을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 원하는 형상일 수 있다. 정사각형 또는 직사각형 형상을 정의하는 직선 에지들의 제공은 시스템의 조립 동안 보상 플레이트의 정확한 정렬을 용이하게 할 수 있다. 특정 경우에, 플레이트의 영역은, 예를 들어, 도 6b에서 점선 타원(46)에 의해 개략적으로 예시된 바와 같이, 보상이 요구되는 광학 개구보다 클 수 있다. 이 경우, 점선(48)으로 표시된 코너 영역과 같은 광학 개구(46)의 영역 외부에 놓인 웨지 구성요소(26 및 28)의 표면은 웨지 기하학적 구조의 연속으로서 구현될 필요가 없고, 반드시 광학 표면 품질로 마무리될 필요가 없다.

웨지 구성요소들의 두께의 변동 방향은 시스템 설계에 고유한 선형 색수차에 대한(또는 더 정확하게는, 선점적인 반대 왜곡(preemptive opposite distortion)에 의해 반전됨) 교정을 제공하도록 선택된다. 페이스-커브 틸트 단독(face-curve tilt alone) 또는 범초점용 틸트 단독(pantoscopic tilt alone)에 의해 생성되는 것과 같은 축상 색수차에 대해, 웨지 두께 변동의 방향은 도 7a에 예시된 바와 같이 구성의 축들 중 하나에 있을 수 있다. 페이스-커브 틸트 및 범초점용 틸트 모두에 대해 교정이 요구되거나, 또는 시스템 설계의 다른 양태들이 도파관 축들에 대해 이미지 프로젝터에 대한 회전된 배향을 지시하는 경우, 제1 및 제2 웨지 구성요소들의 두께의 변동의 적절하게 선택된 방향은 전형적으로 정사각형 또는 직사각형 형상을 정의하는 에지들에 대해, 또는 둥근 보상 플레이트의 경우에 이미지 프로젝터의 1차 축들에 대해 비스듬한 각도에 있다.

도 5a 및 도 5b는 디스플레이 시스템(10)의 일부로서 보상 플레이트(24)의 예시적인 전개를 예시하며, 여기서 보상 플레이트(24)는 이미지 프로젝터(14)와 LOE(12) 사이의 광 경로에 개재된다. 하나의 특히 바람직한 구현예에 따르면, 도 3에 또한 예시된 바와 같이, 보상 플레이트(24)의 제1 외부 표면(38)은 이미지 프로젝터(14)의 표면에 접합된다. 이것은 본질적으로 보상 플레이트를 프로젝터 조립체의 일부로 만들어, 디바이스의 조립을 특히 편리하고 간단하게 랜더링한다.

특정 구현예들에서, 광학 소자(보상 플레이트)의 제2 외부 표면(44)은 커플링-인 구성(15)의 표면에 접합된다. 이에 따라 도 5a 및 도 5b에 예시된 바와 같은 구조체가 형성된다.

따라서, 도 5a 및 도 5b에 예시된 바와 같은 디스플레이 시스템(10)은 페이스-커브 각도 또는 범초점용 틸트 각도, 또는 이 둘의 조합에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.

하나 이상의 도파관 경사, 예를 들어 페이스 커브 도파관 틸트에 추가하여 범초점용 도파관 틸트에 의해 발생하는 색수차를 교정하기 위해, 보상 플레이트는 광축에 대해 대각선으로 배향되어야 한다.

본 명세서에서 광학 개구 확장 및 커플링 아웃을 위한 내부 부분 반사 표면들(패싯들)을 갖는 LOE(도파관)의 맥락에서 예시되지만, 본 고안은 커플링-인, 개구 확장 및/또는 이미지의 커플링 아웃, 또는 반사 및 회절 기술의 임의의 조합, 또는 임의의 다른 이미지 투사 기술을 위한 회절 광학 소자들을 채용하는 도파관 기반 디스플레이들에 유리하도록 동일하게 구현될 수 있다.

또한, 비록 근안 디스플레이(near-eye display)의 맥락에서 예시되었지만, 본 고안은 예를 들어, 차량 앞유리(windshield) 또는 창문(window)을 위한 자동차 디스플레이에서 광범위한 다른 디스플레이 시스템들과 함께 유리하게 사용될 수 있으며, 여기서 전개는 1차(중심 필드) 이미지 투사 방향에 수직하지 않은 도파관 배향을 지시한다.

또한, 본 명세서에 설명된 광학 소자(24)는 디스플레이 디바이스에서의 애플리케이션에 제한되지 않고, 선형 색 수차가 교정되어야 하는 모든 곳에 있어서 광범위한 다른 광학 시스템에서 유용하게 사용될 수 있다. 디스플레이들 또는 다른 광학 시스템들에 있을 때, 컴팩트하고 평행-면 구성요소를 광학 경로 내에 도입함으로써 선형 색수차를 보상하는 능력은, 설계에 의해 도입된 선형 색수차에 대한 관심없이, 안경 프레임에 대한 이미지 투사 광학 장치의 기하학적 구조, 및 원하는 페이스 커브 및 범초점용 틸트 배향들과 같은 다른 설계 파라미터들을 최적화하고, 그런 다음 설계 기하학적 구조 및 치수들에 대한 최소한의 영향을 갖고 그 수차를 교정하기 위한 설계 유연성을 제공한다.

위의 설명들은 단지 예들로서 역할을 하도록 의도되고, 많은 다른 실시예들이 첨부된 청구범위들에 정의된 바와 같은 본 고안의 범위 내에서 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (10)

1. 색수차를 보상하기 위한 광학 소자로서, 상기 광학 소자는,
   (a) 제1 굴절률 및 제1 아베수를 갖는 제1 투명 재료로 형성된 제1 웨지 구성요소 - 상기 제1 웨지 구성요소는 제1 접합면에 대해 웨지 각도로 경사진 제1 외부 표면을 가짐 - ; 및
   (b) 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률 및 상기 제1 아베수와 상이한 제2 아베수를 갖는 제2 투명 재료로 형성된 제2 웨지 구성요소 - 상기 제2 웨지 구성요소는 제2 접합면에 대해 상기 웨지 각도로 경사진 제2 외부 표면을 가짐 - ;
   상기 제1 접합면은 상기 제1 외부 표면이 상기 제2 외부 표면에 평행하도록 배향된 상기 제1 및 제2 웨지 구성요소들을 갖는 상기 제2 접합면에 접합되는, 광학 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 웨지 각도는 15도 미만인, 광학 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 웨지 각도는 10도 미만인, 광학 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 웨지 구성요소 및 상기 제2 웨지 구성요소는 정사각형 또는 직사각형 형상을 정의하는 에지들을 갖고, 상기 제1 및 제2 웨지 구성요소들의 두께의 변동 방향은 상기 에지들에 대해 비스듬한 각도에 있는, 광학 소자.
5. 디스플레이 시스템으로서,
   (a) 시준된 투사 이미지를 생성하는 이미지 프로젝터;
   (b) 한 쌍의 상호 평행한 주 외부 표면들, 상기 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 도파관 내에서 전파하도록 상기 시준된 투사 이미지를 수신하기 위한 커플링-인 구성, 및 상기 도파관으로부터 관찰자를 향해 상기 시준된 투사 이미지를 커플링-아웃하기 위한 커플링-아웃 구성을 갖는 광 가이드 광학 소자(LOE); 및
   (c) 상기 이미지 프로젝터와 상기 LOE 사이의 광 경로에 개재된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 광학 소자를 포함하는, 디스플레이 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 광학 소자의 상기 제1 외부 표면은 상기 이미지 프로젝터의 표면에 접합되는, 디스플레이 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 광학 소자의 상기 제2 외부 표면은 상기 커플링-인 구성의 표면에 접합되는, 디스플레이 시스템.
8. 제5항에 있어서, 상기 LOE는 상기 관찰자의 머리에 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 구조체 상에 장착되고, 상기 지지 구조체는 상기 관찰자를 향해 커플링 아웃된 상기 투사 이미지의 주 광선에 대해 페이스-커브(face-curve) 각도로 상기 LOE를 지지하고, 상기 광학 소자는 상기 페이스-커브 각도에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 지지 구조체는 상기 관찰자를 향해 커플링 아웃된 상기 투사 이미지의 주 광선(chief ray)에 대해 범초점용(pantoscopic) 각도로 상기 LOE를 지지하고, 상기 광학 소자는 상기 페이스 커브에 의해 그리고 상기 범초점용 각도에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
10. 제5항에 있어서, 상기 LOE는 상기 관찰자의 머리에 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 구조체 상에 장착되고, 상기 지지 구조체는 상기 관찰자를 향해 커플링 아웃된 상기 투사 이미지의 주 광선에 대해 범초점용 각도로 상기 LOE를 지지하고, 상기 광학 소자는 상기 범초점용 각도에 의해 도입된 색수차를 적어도 부분적으로 보상하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.

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