KR20230003431A - 광 가이드 광학 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

광학 애퍼처 확장을 위한 광 어셈블리는, 패싯 반사 기술을 회절 기술에 결합하고 있다. 반대의 광 출력(매칭)을 가진 적어도 2개의 컴포넌트가 사용되어서, 제 1 회절 컴포넌트에 의해 도입된 색 분산이 제 2 회절 컴포넌트에 의해 상쇄되게 될 것이다. 2개의 회절 컴포넌트가 반사 광학 컴포넌트와 조합해서 사용됨으로써, 종래의 기술에 비해서, 시스템 및 개개의 컴포넌트에 대한 설계상의 제약을 감소시키면서, (근안 디스플레이에) 더 효율적인 애퍼처 확장을 달성해서 왜곡 및 노이즈를 감소시킨다. 이 어셈블리는 시야를 더 넓게 하면서도 편광 관리의 필요성을 제거 및/또는 감소시킨다. 나아가, 실시예에서는, 2개의 기술의 왜곡 패턴이 상관되지 않기 때문에, 종래의 단일 기술 구현예에 비해서 불균일성을 감소시킬 수 있다.

Description

광 가이드 광학 어셈블리{LIGHT GUIDE OPTICAL ASSEMBLY}
본 발명은 전반적으로 광학 어셈블리에 관한 것이고, 상세하게는 광학 애퍼처 확장에 관한 것이다.
본 발명의 배경 기술 - 도 7a 내지 도 7b
도 7a를 참조하면, 도파관 내에서 회절 컴포넌트를 사용한 종래의 광학 애퍼처 확장의 개략도가 도시되어 있다. 이 도면에서 입사광(이미지)은 도면 지면(page)의 외측으로부터 안으로 들어가는 수직 방향이다. 내향 연결(couple-in) 소자(1001)가 입사광을 측방 확장 소자(1002)로 연결하고, 이는 광을 측방향으로(도면의 좌측에서 우측으로) 확장한다. 이후, 측방향으로 확장된 광은 수직 확장 소자(1003)에 연결되고, 이는 광을 수직으로 확장하고(도면의 상부에서 하부로), 광을 사용자(시청자의 눈)으로 외향 연결(couple-out)한다.
종래의 회절 소자는 색 분산(chromatic dispersion)을 유발하고, 이 때 상이한 파장을 가진 광선은 상이한 각도로 회절된다. 색 분산을 감소시키기 위해서 협대역 광원(레이저 등)이 사용될 수 있다. 더 실질적인 해법은 회절 컴포넌트를 서로의 분산을 상쇄시키도록 설계하는 것이다.
도 7b를 참조하며, 광의 회절 방향이 각도 도메인(angular domain)(각도 공간)에서 전파하는 도 7a의 도면이다. 점선 화살표와 실선 화살표는 2개의 상이한 예시적인 파장을 나타낸다. 영역(1005)에서의 시작 각도는, 광선이 제 1 회절 소자(내향 연결 소자(1001))에 도달해서 광 가이드로 연결되는 광선의 각도를 나타낸다. 영역(1007)은 소자(1001)를 커플링 인한 이후의 광선의 방향을 나타내고, 영역(1009)은 측방 확장 소자(1002) 이후를 나타내며, 영역(1005)은 수직 확장 소자(1003)에 의해서 광 가이드로부터 외향 연결된 이후의 광선의 각도를 나타내고 있다. 색 분산을 최소화하기 위해서 광 가이드에 입사하는 광선의 방향은 광 가이드로부터 외향 연결되는 광선의 방향과 동일하다. 서로 파장이 다른 광은 광 가이드를 전파할 때 서로 다른 방향을 가질 것이며, 광 가이드로부터 나갈 때 서로 같은 방향을 가질 것이라는 점은 분명하다.
기본 기술 - 도 1 내지 도 6
도 1은 종래의 폴딩형 광학 장치를 나타내며, 여기서 기판(2)은 디스플레이 소스(4)에 의해 조명된다. 이 디스플레이는 콜리메이팅 광학 장치(6), 예컨대 렌즈에 의해 콜리메이트된다. 디스플레이 소스(4)로부터의 광은, 메인 광선(11)이 기판 표면과 평행하게 되도록, 제 1 반사 표면(8)에 의해서 기판(2)으로 연결된다. 제 2 반사 표면(12)은 광을 기판으로부터 내보내서 시청자(14)의 눈으로 외향 연결한다. 이와 같은 구성의 콤팩트함에도 불구하고, 이러한 구성은 상당한 단점을 갖는다. 특히 매우 한정된 FOV만이 얻어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 광 가이드 광학 소자(LOE)의 측면도가 도시되어 있다. 상술한 한계를 극복하기 위해서, 선택 반사 표면의 어레이가 사용될 수 있고, 광 가이드 광학 소자(LOE) 내에 제조될 수 있다. 제 1 반사 표면(16)은 장치 뒤에 위치된 광원(도시 생략)으로부터 나오는 콜리메이트된 표시 광선(빔)(18)에 의해 조명된다. 간략하게 하기 위해서, 이 도면에서 하나의 광선, 입사 광선(38)('빔' 혹은 '입사 선'이라고도 함)만이 개략적으로 도시되어 있다. 빔(18A, 18B)과 같은 다른 입사 광선은, 입사 광 동공의 좌측 모서리 및 우측 모서리와 같은 입사 동공의 모서리를 지정하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 이미지가 광 빔에 의해 표현되는 경우에, 이 빔은 이미지의 샘플 빔이라는 점에 주의하며, 이는 전형적으로 각각 이미지의 포인트 혹은 픽셀에 대응하는 약간 상이한 각도의 다수의 빔에 의해 형성된다. 특별히 이미지의 끝을 가리키는 경우를 제외하면, 도시된 빔은 전형적으로 이미지의 중심이다.
반사 표면(16)은 소스로부터의 입사광을 반사시켜서, 광이 전체 내부 반사에 의해서 광 가이드(20) 내에 트랩되게 한다. 광 가이드(20)는 '도파관', '평면 기판' 및 '투광 기판'이라고도 한다. 광 가이드(20)는, 도면에서 후면 (주)표면(26) 및 전면 (주)표면(26A)으로 도시되어 있는, 서로 평행한 적어도 2개의 (주)표면들을 포함한다. 주표면(26, 26A)과 관련해서 '전면' 및 '후면'을 지정하는 것은 참조의 편의를 위한 것으로, 광 가이드(20)는 일반적으로 대칭형이다(따라서 주표면(26, 26A)을 참조하는 것은 서로 바꿔서 사용될 수 있으며, 동일한 결과를 낸다). 본 명세서의 설명에서 광 가이드(20)는 1차원(1D) 도파관으로, 주입된 이미지를 한 쌍의 평행면(이 경우, 주표면(26, 26A)) 사이에서 1차원으로만 가이드한다.
입사 광선(38)은 기판의 전단부(도면의 우측)에서 기판으로 들어간다. 광은 광 가이드, 그리고 일반적으로는 적어도 복수의 패싯(facet) 및 전형적으로는 다수의 패싯인 하나 이상의 패싯을 따라 광 가이드의 후단부(도면의 좌측)으로 전파된다. 광은 초기 전파 방향(28) 및 다른 전파 방향(30) 모두로 광 가이드를 따라 전파한다.
기판(2)의 표면에서 수회 반사된 이후에, 트랩된 파(wave)는 선택 반사 표면(22)의 어레이에 도달하고, 이는 기판으로부터 시청자의 눈(24)으로 광을 외향 연결한다. 대안의 구성에서, 선택 반사 표면(22)은 광선(18)이 기판에 들어간 직후에 존재하며, 기판(2)의 표면에서 제 1 반사는 없다.
선택 반사 표면(22)과 같은, 내부의 부분 반사 표면은 일반적으로 본 명세서에서 '패싯'을 이라고 불린다. 제한적으로, 패싯은 전체 반사(100% 반사율 또는 거울, 예컨대 기판의 후단부에 있는 최종 패싯)일 수도 있고 혹은 최소-반사일 수도 있다. 증강 현실 응용예에서, 패싯은 실제 세계로부터의 광을 부분적으로 반사시켜서, 광이 상부 표면(26A)을 통해서 들어가서, 패싯을 포함한 기판을 횡단하고, 하부 표면(26)을 지나서 시청자의 눈(24)으로 나가게 한다. 가상 현실 응용예에서, 패싯은 100% 반사율을 가진 제 1 내향 연결 거울과 같이, 대안의 반사율을 가질 수도 있으며, 실제 세계로부터의 이미지 광이 이 거울을 횡단할 필요가 없다. 내부 부분 반사 표면(22)은 일반적으로 광 가이드(20)의 연장 방향으로 경사각(즉, 평행하거나 수직이 아님)으로 광 가이드(20)를 적어도 부분적으로 횡단하고 있다.
반사율에 대한 기준은 일반적으로 공칭 반사율에 대한 것이다. 공칭 반사율은 기판의 특정 위치에서 요구되는 전반사이다. 예컨대 패싯의 반사율이 50%라면, 일반적으로 이는 50%의 공칭 반사율이라고 한다. 공칭 반사율이 10%인 경우에, 반사율이 50%이면 패싯의 반사율은 5%이다. 당업자라면 사용과 관련해서 반사율의 일부를 사용하는 것을 이해할 것이다. 부분 반사는 광의 일부의 투과 혹은 편광의 사용을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 다양한 기술에 의해서 구현될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 선택 반사 표면의 소망의 반사 동작을 나타낸다. 도 3a에서, 광선(32)은 패싯(34)으로부터 부분적으로 반사되고, 기판(2)으로부터 외향 연결(38B)된다. 도 3b에서 광선(36)은 눈에 띄는 반사없이 패싯(34)을 투과한다.
도 4a는, 광을 기판으로 내향 연결시키고, 이후에 시청자의 눈으로 외향 연결시키는, 선택 반사 표면의 어레이를 나타내는 상세 단면도이다. 도시된 바와 같이, 광원(4)으로부터의 광선(38)은 제 1 부분 반사 표면에 도달한다. 광선의 일부(41)는 원래의 방향으로 계속되고 기판으로부터 외향 연결된다. 광선의 다른 부분(42)은 전체 내부 반사에 의해서 기판으로 내향 연결된다. 트랩된 광선은 지점(44)의 다른 2개의 부분 반사 표면(22)에 의해서 기판으로부터 점차적으로 외향 연결된다. 제 1 반사 표면(16)의 코팅 특성이 다른 반사 표면(22, 46)과 반드시 유사할 필요는 없다. 이 코팅은 금속의, 2색성(dichroic)의 혹은 금속-이색성 이종형의 단순한 빔-스플리터가 될 수 있다. 유사하게, 비 시스루형(non-see-through) 시스템의 경우에, 최종 반사 표면(46)은 단순 거울이 될 수 있다.
도 4b는 최종 표면(46)이 전반사 거울인 반사 표면의 어레이를 포함하는 장치의 상세 단면도이다. 최종 반사 표면(46)의 가장 왼쪽 부분은 이 경우 광학적으로 유효하지 않을 수 있고, 주변부의 광선(48)은 기판으로부터 외향 연결되지 않을 수도 있다. 따라서, 장치의 출력 애퍼처는 약간 작을 수 있다. 그러나, 광학 효율은 더 높을 수 있고, LOE의 제조 공정은 더욱 단순해 질 수 있다.
도 2에 도시된 구성과는 달리, 반사 표면(16, 22)의 방향에 제한이 있다는 점에 주의하는 것이 중요하다. 전자의 구성에서, 모든 광이 반사 표면(16)에 의해 기판 내측으로 연결되었다. 따라서, 반사 표면(16)은 기판(22)과 평행할 필요가 없다. 나아가, 반사 표면은, 광이 입사 파장의 방향과 반대 반향으로 기판으로부터 외향 연결되도록 방향이 결정될 것이다. 그러나, 도 4a에 도시된 구성에서, 입력 광의 일부는 표면(16)에 의해 반사되지 않고 입사 광선(38)의 원래 방향으로 계속되어서 즉시 출력 광(41)으로서 기판으로부터 외향 연결된다. 따라서, 동일 평면파로부터 시작되는 모든 광선이 같은 출력 방향을 갖는 것을 보증하기 위해서, 모든 반사 표면(22)이 서로 평행해야 할 뿐만 아니라 반사 표면(16)도 표면(22)에 평행해야 한다.
도 4a를 다시 참조하면, 기판으로부터 광을 외향 연결하기 위한 2개의 반사 표면을 가진 시스템이 도시되어 있지만, 광학 시스템이 요구하는 출력 애퍼처 및 기판의 두께에 따라서 임의의 수의 반사 표면이 사용될 수 있다. 물론, 하나의 외향 연결표면만이 요구되는 경우도 있다. 이 경우, 출력 애퍼처는 기본적으로 시스템의 입력 애퍼처의 크기의 2배가 될 것이다. 최종 구성에서 요구되는 반사 표면은 간단한 빔-스플리터 및 거울일 뿐이다.
도면에 도시된 장치에서, 디스플레이 소스로부터 광은 기판의 단부에서 기판으로 내향 연결되고 있지만, 대칭형 시스템을 갖는 것이 바람직한 시스템이 존재한다. 즉, 입력 광은 기판의 중앙 부분에서 기판에 내향 연결되어야 한다.
도 4c는 대칭형 구조를 가진 횡단 동공 확장 1차원(1D) 광 가이드의 상세 단면을 나타내는 도면이다. 이 도면은 2개 동일한 기판을 결합해서 대칭형 광학 모듈을 이루는 방법을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이 소스(4)로부터의 광의 일부는 부분 반사 표면을 직접 지나서 기판으로부터 나간다. 광의 다른 부분은 부분 반사 표면(16R, 16L)에 의해서 각각 기판의 우측(20R) 및 기판의 좌측(20L)으로 내향 연결된다. 이후 트랩된 광은 점차 반사 표면(22R, 22L) 각각에 의해서 외향 연결된다. 분명히 출력 애퍼처는 시스템의 입력 애퍼처의 크기의 3배로, 도 5b에 도시된 것과 동일한 배율이다. 그러나, 도5b의 시스템과 달리, 이 시스템은 우측 및 좌측 기판의 중간면(29)에 대해서 대칭인 시스템이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광 가이드 상부에 있는 도 4b 및 4c의 예시적인 구현예를 도시한 것이다. 도 4b 및 4c의 구성은 입사 광을 측방향으로 확장한다. 도 4b의 장치는 도 5a의 제 1 LOE(20a)를 구현하는데 사용될 수 있고, 도 4c의 장치는 도 5b의 제 1 LOE(20a')를 구현하는데 사용될 수 있으며, 도 2의 장치는 제 2 LOE(20b)를 구현하는데 사용될 수 있다.
도 5a는 이중 LOE 구성을 사용해서 2축을 따라서 빔을 확장하는 대안의 방법을 나타내고 있다. 입력 파(90)는 제 1 반사 표면(16)에 의해서, 도 4b에 도시된 것과 유사한 비대칭 구조를 갖고 있는 제 1 LOE(20a)로 내향 연결되고, 이후에 η축을 따라서 전파된다. 부분 반사 표면(22a)은 광을 제 1 LOE(20a)로부터 외향 연결하고, 이 광은 이후에 반사 표면(16b)에 의해서 제 2 비대칭 LOE(20b)로 내향 연결된다. 이후에 광은 ξ축을 따라서 전파되고, 선택 반사 표면(22b)에 의해서 외향 연결된다. 도시된 바와 같이, 최초 빔(90)은 양축을 따라서 확장되고, 전체 확장은 소자(16a, 22b)의 측방향 치수들 사이의 비율에 의해 결정된다. 도 5a에 도시된 구성은 이중 LOE 셋업의 일례일 뿐이다. 2개 이상의 LOE가 함께 결합되어서 복합 광학 시스템을 이루는 다른 구성도 가능하다.
도 5b를 참조하면, 이중 LOE 구성을 사용해서 2축을 따라서 빔을 확장하는 또 다른 방법을 나타내고 있다. 일반적으로, 광이 표면(16b)에 의해서 제 2 LOE(20b)에 내향 연결되는 영역은 외부 광에 대해서 투명할 수 없고, 시스루 지역의 일부가 아니다. 따라서 제 1 LOE(20a)는 투명할 필요가 없다. 그 결과, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 시스루 시스템인 경우에도 일반적으로 제 1 LOE(20a)가 대칭 구조를 갖도록 설계할 수 있다. 제 2 LOE(20b)은 비대칭 구조를 가고 있어서 사용자는 외부 경관을 볼 수 있다. 이 구성에서, 입력 빔의 일부(90)는 원래 방향(92)을 계속 따라서 제 2 LOE(20b)의 내향 연결 거울(16b)로 가고, 반면에 다른 일부(94)는 반사 표면(16a)에 의해서 제 1 LOE(20a')로 내향 연결되며, η축을 따라서 전파되고, 이후에 선택 반사 표면(22a)에 의해서 제 2 LOE(20b)로 내향 연결된다. 모든 부분은 이후에 반사 표면(16b)에 의해서 제 2 비대칭 LOE(20b)로 내향 연결되고, ξ축을 따라서 전파되며, 이후에 선택 반사 표면(22b)에 의해서 외향 연결된다.
도 6은 표준 안경테(107)에 내장되는 LOE(20a/20a', 20b)의 예를 나타내고 있다. 안경테의 아암부(112) 안쪽에 디스플레이 소스(4) 및 폴딩형의 콜리메이팅 광학 장치(6)가, 제 2 LOE(20b)의 모서리에 위치된 LOE(20a/20a') 바로 옆에 조립되어 있다. 디스플레이 소스가 CRT, LCD 혹은 OLED와 같은 전자 소자인 경우에, 디스플레이 소스의 구동 전자 장치(114)는 아암부(112)의 후부 내에 조립될 수 있다. 급전부 및 데이터 인터페이스(116)가, 무선 혹은 광학 전송을 포함한 리드(118) 혹은 다른 통신 수단에 의해서 아암부(112)에 접속될 수 있다. 다른 방안으로, 배터리 및 소형 데이터 링크 전자 소자가 안경테에 포함될 수 있다. 이 도면은 예시적인 것으로, 디스플레이 소스가 LOE 평면에 평행하게 혹은 LOE의 상부에 장착되는 어셈블리를 포함한, 다른 가능한 헤드-장착형 디스플레이 요소가 구성될 수 있다.
기본 기술의 추가적인 세부 사항은 미국 특허 제 7,643,214 호 및 PCT/IL2018/050025에서 찾을 수 있으며, PCT/IL2018/050025는 공개되지 않은 것으로, 본 발명의 종래 기술은 아니다.
본 실시예의 교시에 따라서, 광학 애퍼처 확장 장치가 제공되며, 이는 적어도 하나의 광 가이드; 적어도 하나의 광 가이드와 연관되어 있으며 한 쌍의 제 1 및 제 2 매칭 회절 광학 컴포넌트 및 일련의 복수의 일부 반사 상호 평행 표면을 포함하는 반사 광학 소자를 포함하는 3개의 광학 컴포넌트의 세트; 및 내향 연결 광을 외향 연결 광으로 확장하기 위해서 함께 동작하는 컴포넌트들을 포함하고, 여기서 내향 연결 광은 적어도 하나의 광 가이드에 내향 연결되는 광이고, 확장은 2차원이다.
옵션인 실시예에서, 이 세트의 제 1 광학 컴포넌트는 내향 연결 광이 제 1 광 가이드 내의 제 1 확장 방향을 향하게 해서 제 1 확장된 광을 생성하도록 구성되고; 이 세트의 제 2 광학 컴포넌트는 제 1 확장된 광을 제 2 확장 방향으로 제 2 광 가이드로 내향 연결해서 제 2 확장된 광을 생성하도록 구성되며; 이 세트의 제 3 광학 컴포넌트는 제 2 확장된 광을 제 3 방향으로 외향 연결 광으로서 외향 연결하도록 구성되고; 제 1 방향, 제 2 방향 및 제 3 방향은 서로 평행하지 않다.
다른 옵션인 실시예에서, 내향 연결 광으로서, 광이 적어도 하나의 광 가이드로 향하게 하도록 구성된 비-회절 광학 컴포넌트를 더 포함하고, 적어도 하나의 광 가이드는, 내향 연결 광을 하나의 광 가이드 내에서 제 1 확장 방향으로 향하게 해서 제 1 확장된 광을 생성하도록 구성된 제 1 회절 광학 컴포넌트와; 제 1 확장된 광을 하나의 광 가이드 내에서 제 2 확장 방향으로 확장해서 제 2 확장된 광을 생성하도록 구성된 제 2 회절 광학 컴포넌트와; 제 2 확장된 광을 외향 연결 광으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성된 반사 광학 컴포넌트를 포함하고, 제 1 방향, 제 2 방향 및 제 3 방향은 서로 평행하지 않다.
또 다른 옵션인 실시예에서, 제 3 및 제 4 매칭 회절 광학 컴포넌트의 쌍과, 제 5 및 제 6 매칭 회절 광학 컴포넌트의 쌍을 더 포함한다.
또 다른 옵션인 실시예에서, 매칭 쌍의 광학 컴포넌트 각각은 다른 매칭 쌍의 광학 컴포넌트와는 상이한 회절 공간을 갖고, 회절 공간에서는, 매칭 쌍의 광학 컴포넌트 각각은, 다른 매칭 쌍의 광학 컴포넌트와는 유사한 각도로 상이한 파장을 굴절시킨다.
또 다른 옵션인 실시예에서, 파장은 적색 광, 녹색 광 및 청색 광이다.
또 다른 옵션인 실시예에서, 적어도 하나의 광 가이드의 제 1 광 가이드는 제 1 및 제 2 매칭 회절 컴포넌트 광학 컴포넌트의 쌍을 포함하고; 적어도 하나의 광 가이드의 제 2 광 가이드는 제 3 및 제 4 매칭 회절 컴포넌트 광학 컴포넌트의 쌍을 포함하며; 적어도 하나의 광 가이드의 제 3 광 가이드는 제 5 및 제 6 매칭 회절 컴포넌트 광학 컴포넌트의 쌍을 포함한다.
또 다른 옵션인 실시예에서, 반사 광학 컴포넌트는, 내향 연결 광을 제 1 광 가이드 내에서 제 1 확장 방향으로 확장해서 제 1 확장된 광을 생성하도록 구성되고; 제 1, 제 3 및 제 4 회절 광학 컴포넌트는 제 1 확장된 광의 각각의 파장을 각각의 제 1, 제 2 및 제 3 광 가이드 내에서 제 2 확장 방향으로 확장해서, 각각의 제 2 확장된 광을 생성하도록 구성되며; 제 2, 제 4 및 제 6 회절 광학 컴포넌트는, 각각의 제 2 확장된 광을 외향 연결된 광으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성되며, 제 1 방향, 제 2 방향 및 제 3 방향은 서로 평행하지 않다.
본 명세서에서는 첨부 도면을 단지 예로서 참고하면서 실시예를 설명한다.
도 1은 종래의 폴딩형 광학 장치의 측면도,
도 2는 예시적인 광 가이드 광학 소자의 측면도,
도 3a 및 도 3b는 2개의 입사각 범위에 대한 선택 반사 표면의 소망의 반사율 및 투과율 특성을 나타내는 도면,
도 4a는 광 가이드 광학 소자의 예시적인 구성을 나타내는 도면,
도 4b는 광 가이드 광학 소자의 다른 구성을 나타내는 도면,
도 4c는 대칭형 구조를 가진 횡단 동공 확장 1차원(1D) 광 가이드의 상세 단면을 나타내는 도면,
도 5a는 이중 LOE 구성을 사용해서 2축을 따라서 빔을 확장하는 방법을 나타내는 도면,
도 5b는 이중 LOE 구성을 사용해서 2축을 따라서 빔을 확장하는 또 다른 방법을 나타내는 도면,
도 6은 표준 안경테에 내장되는 LOE의 예를 나타내는 도면,
도 7a는 도파관 내에서 회절 컴포넌트를 사용하는 종래의 광학 애퍼처 확장을 나타내는 개략도,
도 7b는, 도 7a에 있어서 각도 도메인에서 전파되는 광의 회절 방향을 나타내는 도면,
도 8a 및 8b는 각각 회절-반사-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 8c는 반사-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 개략도,
도 8d는, 도 8a 및 8b에 있어서 각도 도메인에서 전파되는 광의 회절 방향을 나타내는 도면,
도 9a 및 9b는 각각 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 9c는, 도 9a 및 9b에 있어서 각도 도메인에서 전파되는 광의 회절 방향을 나타내는 도면,
도 10a 및 10b는 각각 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 11a 및 11b는 각각 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 11c는 중첩 회절-반사-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도,
도 12a 및 12b는 각각 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 12c는 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도,
도 13a 및 13b는 각각의 개별 회절 측방 확장기를 가진 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 14a 및 14b는 각각 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도,
도 14c는 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도,
도 15a, 15b 및 15c는 각각 반사-회절-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 측면, 전면 및 상면 개략도,
도 15d는 도 15a, 15b 및 15c에 있어서 각도 도메인으로 전파하는 광의 회절 방향을 나타내는 도면이다.
약어 및 정의
참조의 편의를 위해서, 본 단락에서는 본 문서에서 사용되는 약어, 머리 문자 및 짧은 정의의 간략한 리스트를 나타낸다. 본 단락은 한정의 의미가 아니다. 더 상세한 설명을 이하 및 적용 가능한 표준에서 찾을 수 있다.
1D - 1차원
2D - 2차원
CRT - 음극선관
EMB - 아이 모션 박스(eye-motion-box)
FOV - 시계(field-of-view)
HMD - 헤드-장착형 디스플레이(head-mounted display)
HUD - 헤드업 디스플레이
LCD - 액정 디스플레이
LOE - 광 가이드 광학 소자
OLED - 유기 발광 다이오드 어레이
OPL - 광 경로 길이
SLM - 공간 광 변조기
TIR - 내부 전반사
상세한 설명 - 도 8a 내지 15d
본 실시예에 따른 장치의 원리 및 동작은 도면 및 첨부된 상세한 설명을 참조해서 더욱 이해될 것이다. 본 발명은 광학 애퍼처 확장을 위한 광 어셈블리이다. 이 장치는 패싯 반사 기술(반사 컴포넌트)을 회절 기술(회절 컴포넌트)에 결합하고 있다. 회절 컴포넌트를 활용하는 획기적 실시예는, 반대의 광 출력(매칭)을 가진 적어도 2개의 컴포넌트를 사용해서, 제 1 회절 컴포넌트에 의해 도입된 색 분산이 제 2 회절 컴포넌트에 의해 상쇄되게 한다. 2개의 회절 컴포넌트를 반사 광학 컴포넌트와 조합해서 사용함으로써, 종래의 기술에 비해서, 시스템 및 개개의 컴포넌트에 대한 설계상의 제약을 감소시키면서, (근안 디스플레이(near eye display)에) 더 효율적인 애퍼처 확장을 달성해서 왜곡 및 노이즈를 감소시킨다.
현재, 종래의 광 애퍼처 확장에서는 양 확장(측방 및 수직)에 하나의 기술을 사용했다. 현재 해당 분야 기술의 진전은 이들 기술 중 어느 하나를 최적화하고 개선시키는 것이다. 사용되는 2가지 주요 기술은,
1) 경사 코팅된 패싯에 의한 반사(예컨대, 루무스 사의 미국 특허 제 7,457,040 호). 이 반사 기술은 넓은 스펙트럼을 갖고 있어서 단일 광 가이드로부터 모든 가시 스펙트럼을 투사할 수 있다. 패싯이 전파 광선의 부분 반사 및 투과를 모두 행하고 있지만, 본 명세서에서는 간단하게 하기 위해서, 이러한 기술은 전반적으로 '반사 광학 컴포넌트'에 의해 구현되는 것으로 한다. 반사는 전형적으로 편광에 의존한다.
2) 광 가이드 면 상에서의 회절 패턴. 공지된 바와 같이, 회절 격자(패턴)는, 격자의 구조에 따라서 전파 광선을 반사 혹은 투과시킬 수 있다. 본 명세서에서는 간단하게 하기 위해서, 이러한 기술은 전반적으로 '회절 광학 컴포넌트'에 의해 구현되는 것으로 한다. 이 회절 기술은 스펙트럼과 각도 모두에서 한정된다. 그러나, 이 기술은 편광 의존도가 낮다.
일련의 반사 및 회절 컴포넌트를 사용함으로써, 시야를 더 넓게 하면서도, 편광 관리의 필요성을 다양한 정도 및 순서로(차례로 혹은 그 반대로) 제거 및/또는 감소시킨다. 나아가, 실시예에서는, 2개의 기술의 왜곡 패턴이 상관되지 않기 때문에, 종래의 단일 기술 구현예에 비해서 불균일성을 감소시킬 수 있었다.
일반적으로, 광학 애퍼처 확장용 장치는 적어도 하나의 광 가이드 및 이 적어도 하나의 광 가이드와 관련된 3개의 광학 컴포넌트의 세트를 포함한다. 3개의 광학 컴포넌트의 세트는 한쌍의 매칭 회절 광학 컴포넌트 및 하나의 반사 광학 컴포넌트를 포함한다. 반사 광학 컴포넌트는 일련의 복수의 적어도 부분적으로 반사하는 상호 평행한 표면을 포함한다. 광학 컴포넌트들은 함께 동작해서 외향 연결 광의 2차원 확장을 달성하도록 구성된다. 환언하면, 컴포넌트들은 내향 연결 광을 외향 연결 광으로 확장하도록 함께 동작한다. 내향 연결 광은 적어도 하나의 광 가이드로 내향 연결되는 광이고, 확장은 2차원이다.
이 설명과 관련해서, 회절 광학 컴포넌트들과 관련된 용어 '매칭'은 일반적으로, 회절 컴포넌트들의 광 파워가 같고 통상적으로 반대가 되도록 격자 소자의 격자 및/또는 간격이 실질적으로 정확하게 같은 것을 가리킨다. 컴포넌트들의 전체 물리적인 치수는 다르지만, 격자가 유사하기 때문에 컴포넌트의 광 출력은 매칭된다.
이 설명과 관련해서, 용어 "컴포넌트"는 광학 소자 특히 반사 및 회절 광학 소자에 대해서 사용된다. 반사 및 회절 광학 컴포넌트의 설계 및 생산 기술은 공지되어 있다. 현재의 설명에 기초해서, 컴포넌트들은 파장, 파워 및 각도를 포함한 다양한 동작 파라미터로 반사 및 회절 광학 컴포넌트의 다양한 형상 및 크기에서의 필요에 따라서 구현될 수 있다.
이 설명과 관련해서, '회절 격자' 및 '회절 패턴'이라고 하는 회절 광학 컴포넌트는 광 가이드 내에 매립될 수도 있고 혹은 광 가이드의 표면(면)에 구성 혹은 장착될 수도 있다. 예컨대, 회절 광학 컴포넌트는 회절 격자 혹은 홀로그램 소자로서 구현될 수 있다. 회절 컴포넌트는 호리바 사이언티픽(일본 교토) 등으로부터 이용 가능하고, 반사 컴포넌트는 루무스(이스라엘 네스지오나)의 OE50 등으로부터 이용 가능하다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 회절-반사-회절의 예시적인 실시예를 각각 나타내는 측면 및 전면 개략도가 도시되어 있다. 상이한 광학 컴포넌트들을 조합해서 다양한 축을 따라서 광을 확장한다. 광학 광 가이드(10)는 "x-축"에 대응하는 것으로 본 명세서에서 임의로 도시된 연장 방향을 가진 2차원 광 가이드이다. 광 가이드(10)가, 도 8a에서 광 가이드(10) 내의 4개의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 인젝트된 이미지를 2개의 평행면 사이의 반사에 의해서 2차원으로 유도한다는 견지에서, 광 가이드(10)는 2D 도파관을 가리킨다. 적어도 부분 횡단 광 가이드(10) 내의 일련의 복수의 내부 부분 반사 표면(40)는 연장 방향에 대해서 경사를 이루고 있다(즉, 평행하지도 않고 수직도 아니다).
입사 광선(38)은 회절 컴포넌트(5)에 의해 광 가이드로 내향 연결된다. 내향 연결 광은, 제 1 방향에서 제 1 측방 광 가이드 확장기의 역할을 하는 광 가이드(10)로 들어간다. 광 가이드(10)로부터 확장된 광(38C)은 광 가이드(2000)로 내향 연결된다. 광학 광 가이드(2000)는 광을 주로 "y-축"을 따라서 유도한다. 확장된 광(38C)은 광 가이드(2000) 내에서 계속 반사되어서 도 8a의 측면도에서 화살표로 도시된 바와 같이 제 2 확장 방향(y-축)으로 연장된다. 본 명세서에 광 가이드(2000) 내의 광은 제 2 확장된 광(38D)이라고 한다. 제 2 확장된 광(38D)이 회절 패턴(25)에 도달하면, 제 2 확장된 광은 광 가이드(2000)로부터 관찰자(47)에게 외향 연결된다(38B). 본 실시예의 특성은 회절 컴포넌트가 서로 평행하지 않다는 것이다.
일반적으로, 3개의 광학 컴포넌트의 세트는 내향 연결 광(38)이 제 1 광 가이드(광 가이드(10) 내에서 제 1 확장 방향(x-축)을 향하게 해서 제 1 확장된 광(38C)을 생성하도록 구성된 제 1 광학 컴포넌트(회절 컴포넌트(5))를 포함한다. 이 세트 중 제 2 광학 컴포넌트(일련의 부분 반사 표면(40))는 제 1 확장된 광(38C)을 제 2 확장 방향(y-축)으로 제 2 광 가이드(2000)로 내향 연결해서, 제 2 확장된 광(38D)을 생성하도록 구성된다. 이 세트 중 제 3 광학 컴포넌트(회절 컴포넌트(25))는 제 2 확장된 광(38D)을 외향 연결 광(38B)으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성된다.
이 설명과 관련해서, 용어 '방향'은 일반적으로 광 가이드 내에서의 평균 전파 방향을 가리키며, 전형적으로 광 가이드의 광 축(통상적으로 길이)에 따른다. 환언하면 광 가이드 조각(slab) 내에서 내부 전반사(TIR)에 의해서 트랩된 광이 이 광 가이드 조각을 따라서 진행하는 경로 혹은 일반적인 방향은 광 가이드의 기판에서 전파하는 광선의 평면내 컴포넌트인 광 가이드 조각의 평면에서의 확장 경로이다.
제 1, 제 2 및 제 3 방향은 서로 평행하지 않다.
도 8d를 참조하며, 도 8a 및 8b에 있어서 각도 도메인(각도 공간)에서 전파되는 광의 회절 방향이 도시되어 있다. 점선 및 실선은 2개의 서로 다른 예시적인 파장을 나타낸다. 방향 영역(1005)은 도 7b를 참조로 설명한 바와 같은 입사 각도이다. 영역(1007)은 일련의 부분 반사 표면(40)에 의한 측방 확장 및 반사 이후의 광선(light ray)(혹은 줄여서 '선(ray)')의 방향을 나타낸다. 부분 반사 표면(40)은 광선의 방향을 영역(1011)으로 전환한다. 그러나, 영역(1007)으로부터 영역(1011)로의 반사는 추가적인 분산을 도입하지 않으며, 전파 방향을 미러 방향(일점 쇄선(1008)으로 도시됨) 주위로 미러링하기만 한다. 미러 방향(1008)은 부분 반사 표면(40)의 기울기에 의해서 결정된다. 최종 회절 소자(25)는 영역(1013)으로 광선을 회절시킨다. 광선이 보상 방식으로 회절 컴포넌트(5)로 회절됨에 따라서, 출력 방향(1013)은 분산되지 않고 중첩(1005)될 필요가 없을 것이다. 이 실시예에서, 분산은 제거되지만, 외향 연결 광(38B)의 출력 각도는 내향 연결 광(38)의 입력 각도와 매칭될 필요는 없다.
도 8c를 참조하면, 반사-회절 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 도면은 입사 광(38)이 경사 프리즘(7)(회절 컴포넌트(5) 대신)에 의해서 광 가이드(10)에 내향 연결된다는 점을 제외하면 도 8a 및 8b와 유사하다. 본 실시예가 하나의 회절 소자(회절 소자(25))만을 포함하고 있기 때문에, 색 분산은 2개의 매칭 회절 소자(5, 25)를 포함하는 도 8a 및 8b의 실시예에 비해서 클 것이다. 색 분산(수차)은 협대역 광원을 사용함으로써 감소될 수 있다.
도 9a 및 9b를 참조하면, 회절-회절-반사 예시적인 실시예의 각각의 측면도 및 전면도가 도시되어 있다. 광 가이드(2010)는 2D 광 가이드이다. 본 실시예에서, 세트 중 제 1 광학 컴포넌트는, 내향 연결 광(38)이 광 가이드(2010) 내의 제 1 확장 방향(x-축)을 향하게 해서, 제 1 확장된 광(38C)을 생성하도록 구성된 회절 컴포넌트(5A)에 의해 구현된다. 이 세트의 제 2 광학 컴포넌트는 제 1 확장된 광(38C)을 제 2 확장 방향(y-축)으로 광 가이드(20)로 내향 연결시켜서 제 2 확장된 광(38D)을 생성하도록 구성된 회절 컴포넌트(370)에 의해 구현된다. 이 세트의 제 3 광학 컴포넌트는 일련의 복수의 부분 반사 표면(패싯)(45)에 의해, 바람직하게는 적어도 부분 횡단 광 가이드(20)에 의해, 제 2 확장된 광(38D)을 외향 연결 광(38B)으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성된 광 가이드(20)의 면에 대해 경사 각으로, 구현된다.
도 9c를 참조하면, 도 9a 및 9b에 있어서 각도 도메인(각도 공간)에서 전파되는 광의 회절 방향이 도시되어 있다. 각도 벡터가 도시되어 있으며, 1005는 입사 방향이고, 제 1 소자(5A) 이후에 방향은 1007이다. 회절 소자(370)가 반대 광 파워를 갖고 있기 때문에, 광은, 동일 방향은 갖지만 색 분산(중첩(1005))은 갖지 않고 광 가이드(2010)로부터 광 가이드(20)로 내향 연결될 것이다. 패싯(45)은 색 분산없이 광을 바람직한 방향(1013)으로 반사시킨다. 일부 색 분산은 반사 컴포넌트에 의해 도입되고, 나머지 회절이 이를 보상할 수 있다.
도 10a 및 10b를 참조하면, 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도가 각각 도시되어 있다. 광 가이드(2011)는 2D 광 가이드이다. 측방 확장은 회절 컴포넌트에 의해 이루어지는 반면, 수직 확장은 반사 패싯에 의해 이루어진다. 광 가이드(2011)로 내향 연결하는 방법은 도시되어 있지 않다. 광은 광 가이드(2011) 내에서 전파되고, 회절 표면(컴포넌트)(35)에 도달해서, 광 가이드(20)를 향해서 회절된다. 회절 컴포넌트(35)는 광 가이드(2011)의 임의의 표면(도면에서 상부에 도시되어 있음)에 존재할 수 있다. 광이 광 가이드(20) 내에서 전파함에 따라서, 광은 패싯(45)에 의해서 눈(47)으로 외향 연결(38B)된다. 이 구성은 광 가이드(2011)와 광 가이드(20) 사이의 편광 관리를 요구하지 않는다. 인젝트된 광의 편광은 패싯(45)에 요구되는 편광과 매칭되도록 배향될 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하며, 각각 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도가 도시되어 있다. 비-회절 광학 컴포넌트(501)는 광(38)으로 표시된 바와 같이 내향 연결 광으로서 광이 광 가이드(2002)를 향하게 하도록 구성된다. 이 실시예에서, 하나의 광 가이드(2002)가 사용되고 2개의 회절 컴포넌트가 광 가이드(2002)의 일부로서 구현되었다. 제 1 회절 광학 컴포넌트(502)는 내향 연결 광(38)이 하나의 광 가이드(2002) 내의 제 1 확장 방향(x-축)을 향하게 해서 제 1 확장된 광(38C)을 생성하도록 구성된다. 제 2 회절 광학 컴포넌트(50)는 제 1 확장된 광(38C)을 하나의 광 가이드(2002)에서 제 2 확장 방향(y-축)으로 확장해서 제 2 확장된 광(38D)을 생성하도록 구성된다. 반사 광학 컴포넌트(일련의 복수의 패싯(45))는 제 2 확장된 광(38D)을 외향 연결 광(38B)으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성된다. 상기 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 방향은 서로 평행하지 않다.
이 실시예의 특징은 단일의, 1차원 광 가이드를 사용하는 것이다. 광 가이드로의 내향 결합은 비-회절 컴포넌트(501)에 의한 것이고, 이 광은 강한 회절 패턴(502)에 의해서 전환된다(diverted). 이 광은 1차원으로 가이드되고, 따라서 회절 컴포넌트(50)를 따라서 좌측으로부터 우측으로 전파하면서 다른 차원으로 연장된다. 광이 회절 패턴(50)에 도달하면, 이 광은 다시 하방으로 전환된다. 하방으로 전파되면서 이 광은 반사 패싯(45)(측면도 도 11a에 도시된)에 의해서 관찰자(47)에게 반사된다. 이 구성은 하나의 광 가이드를 포함하며, 편광 관리는 요구하지 않는다(광 가이드로 인젝트되는 광의 편광은 반사 패싯(45)에 적합할 수 있다). 회절 패턴(502)과 회절 패턴(50)의 조합은 색 분산을 유발하지 않는다.
도 11c를 참조하면, 중첩 회절-반사-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도이다. 상이한 기술로 인해서, 회절 및 반사 소자는 동일한 광 가이드에 중첩 관계로 위치될 수 있다. 본 도면에서, 회절 격자 컴포넌트(1110)는 내향 연결 광을 제 1 방향으로 확장해서 제 1 확장된 광(38C)을 생성한다. 측방 애퍼처 확장은 광을 측방향으로 전후로 연결하는 대각 패싯(114)을 중첩시키고, 광을 제 2 방향(38D)으로 확장하고, 색 수차는 도입하지 않음으로써 구현된다. 회절 패턴(1112)은 도파관으로부터의 광을 외향 연결하는데 사용된다.
도 12a 및 12b는 각각 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도가 도시되어 있다. 횡단 확장은 1차원 광 가이드(2012)에 기초한다(예컨대, 루무스사의 미국 특허 제 7,643,214 호를 참조한다). 도 12b에서, 광 가이드(2012)로의 내향 연결은, 내향 연결 광(38)의 대부분을 광 가이드(2012)의 좌측 및 우측으로 반사시키는 높은 반사(부분적으로 반사하고 에너지의 대부분을 반사) 내부 패싯(65)에 의해서 수행되고, 내향 연결 광(38)의 일부가 내부 패싯(65)을 통해서 광 가이드(20)로 간다. 이 실시예는 하나의 회절 소자만을 포함하므로, 이하의 도 12c의 실시예에 비해서 색 분산은 크다. 색 분산(수차)는 협대역 광원을 사용함으로써 감소될 수 있다.
도 12c를 참조하며, 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 광 가이드(2013)로의 내향 연결은, 내향 연결 광(38)의 대부분을 광 가이드(2013)의 좌측 및 우측으로 반사키는 높은 효율을 가진 회절 컴포넌트(66)에 의해 수행되며, 내향 연결 광(38)의 일부는 회절 컴포넌트(66)를 통해서 광 가이드(20)로 간다.
도 9b와 유사하게 제 1 확장된 광(38C)은 도 12b에서는 회절 컴포넌트(67)에 의해서, 도 12c에서는 회절 컴포넌트(68)에 의해서 회절되어서, 광 가이드(20) 내에서 제 2 확장된 광(38D)을 생성한다.
예시적인 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 회절 컴포넌트는 일반적으로 광 가이드의 임의의 면에 위치될 수 있다. 상기 실시예에서는, 적절한 편광을 인젝트함으로써, 장치에 따른 추가 관리가 필요없게 된다.
광의 서로 다른 파장은 회전 패턴에 의해서 서로 다른 방향으로 굴절된다. 이 현상은 예컨대, 각 파장 마다 별도의 광 가이드를 구현함으로써 근안 디스플레이에서 사용된다. 전형적인 실시예는 3개의 광 가이드로, 각각의 파장은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 광에 대응한다. 별도의 회절 측방 애퍼처 확장기(각각의 색마다 하나)가 하나의 수직 반사 애퍼처 확장기에 결합된다.
도 13a 및 13b를 참조하면, 각각의 개별 회절 측방 확장기를 가진 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면개략도가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 9a 및 9b와 관련해서 상기 설명한 실시예에 기초하고 있다. 도 9b에서, 광 가이드(2010)는 광 가이드(103, 103, 101)의 세트 내에 위치된다. 이 세트의 각각의 광 가이드는 특정 파장(이 예에서는 적색, 녹색 및 청색)에 대해서 구성된 제 1 회절 컴포넌트(각각 133R, 133G, 133B)를 구비한다. 이 세트의 각각의 광 가이드는 제 1 회절 컴포넌트와 매칭되는 제 2 회절 컴포넌트(각각 134R, 134G, 134B)를 구비한다. 내향 연결 광(38)은 제 1 회절 컴포넌트를 통해서 인젝트된다. 이들 제 1 회절 컴포넌트 각각은 파장에 의존하는 것으로, 특정한 관련 파장의 광은 회절시키고, 다른 파장의 광은 통과시킨다. 각각의 광 가이드로의 파장 의존형 회절은 각각의 제 1 회절 컴포넌트(133R, 133G, 133B) 이후에 2색성 반사부의 세트(133R1, 133G1, 133B1)를 추가함으로써 구현될 수 있다. 2색성 반사부는 코팅 혹은 회절 반사부에 기초할 수 있으며, 상이한 각각의 광 가이드(103, 102, 101)에 상이한 파장이 연결된다. 제 1 회절 컴포넌트(133R, 133G, 133B)에 의해 회절된 광 파장은 확장되어서, 각각의 제 1 확장된 광(38CR, 38CG, 38CB)으로서 각각의 광 가이드(103, 102, 101)에서 측방향으로 전파된다. 각각의 광 가이드(103, 102, 101)는 각각의 제 1 확장된 광(38CR, 38CG, 38CB)을 광 가이드(20)를 향해 회절시키는 각각의 제 2 회절 컴포넌트(134R, 134G, 134B)를 갖는다. 상부 광 가이드로부터의 광은, 제 2 회절 컴포넌트(134G, 134B)가 파장 선택형이거나 혹은 다른 파장에 대한 회절 효율이 낮기 때문에, 최소 왜곡으로 하부 광 가이드를 지난다. 광 가이드(20)에서, 일련의 복수의 부분 반사 표면(45)은 모든 파장을 눈(47)으로 반사시킨다.
본 실시예의 대안의 설명은, 제 1 및 제 2 매칭 회절 광학 컴포넌트(133R, 134R)의 쌍에, 1) 제 3 및 제 4 매칭 회절 광학 컴포넌트(133G, 134G)의 쌍 및 2) 제 5 및 제 6 매칭 회절 광학 컴포넌트(133B, 134B)의 쌍이 추가되는 것이다. 매칭 쌍의 각각의 광학 컴포넌트는 다른 매칭 쌍의 광학 컴포넌트와는 상이한 회절 공간을 갖고 있다. 회절 공간은, 매칭 쌍의 각각의 회절 컴포넌트가 다른 매칭 쌍의 광학 컴포넌트로부터의 상이한 파장을 유사한 각을 통해서 굴절시키는 것이다. 제 1 광 가이드(103)는 제 1 및 제 2 매칭 회절 광학 컴포넌트(133R, 134R)를 포함한다. 제 2 광 가이드(102)는 제 3 및 제 4 매칭 회절 광학 컴포넌트(133G, 134G)의 쌍을 포함한다. 제 3 광 가이드(101)는 제 3 및 제 4 매칭 회절 광학 컴포넌트(133G, 134G)의 쌍을 포함한다.
본 구성에서, 하나의 광 가이드는 눈(47)의 앞이 될 수 있고, 옵션으로 광 가이드(103, 102, 101, 20) 사이의 편광 관리는 없다. 이 구성에서 광 가이드는 각각의 상부에 직접 위치될 수 있다(전형적으로, TIR을 유지하기 위해서 광 가이드들 사이에 에어갭이 사용된다).
도 14a 및 14b를 참조하면, 각각 회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 측면 및 전면 개략도가 도시되어 있다. 본 실시예는 도 12a 및 도 12b를 참조로 상기 설명한 동작과 유사하며, 광 가이드(2012)가 대체/추가된다(3개의 광 가이드(160R, 160G, 160B)로 대체). 광이 각각의 광 가이드(160R, 160G, 160B)로 내향 연결되는 것은 각각 높은 반사의 내부 패싯/중앙 분할 미러(165R, 165G, 165B)에 의한 것이다. 측방(횡단) 확장은 각각의 광 가이드(160R, 160G, 160B)에서 회절되고, 이후 제 1 확장된 광(38C)은 사용자의 눈(47)으로 외향 연결되기 위해서 광 가이드(20)로 회절/전환된다.
도 14c를 참조하면, 회절-회절-반사의 예시적인 실시예를 나타내는 전면 개략도이다. 본 실시예는 도 12c를 참조로 설명한 동작과 유사하며, 회절 컴포넌트(66)는 회절 컴포넌트의 세트(133R, 133G, 133B)에 의해서 대체/추가되고, 각각의 개별 광 가이드(159R, 159G, 159B)의 중앙의 각각의 제 1 회절 컴포넌트(133R, 133G, 133B) 이후에, 이색성 반사부(각각 133R1, 133G1, 133B1)와 관련된다. 매칭 회절 소자(134R, 134G, 134B)는 중앙 회절 컴포넌트(133R, 133G, 133B)의 어느 한 면에서 다수의 회절 소자(134R1, 134R2, 134G1, 134G2, 134B1, 134B2)로 대체된다.
도 15a, 15b 및 15c는 각각 반사-회절-회절의 예시적인 실시예를 나타내는 측면, 전면 및 상면 개략도가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 반사 애퍼처 확장기는 회절 확장기에 선행한다. 4개의 광 가이드 : 반사 컴포넌트(201) 및 3개의 회절 컴포넌트(205, 206, 207)가 사용된다. 반사 컴포넌트(201)는 반사 측방 확장 광 가이드이다. 이 반사 광 가이드(201)는 1D 광 가이드(도 4a의 광 가이드(20)와 유사)가 될 수도 있고, 혹은 2D 광 가이드(도 8c의 광 가이드(10)와 유사)가 될 수도 있다. 반사 광 가이드(201)로 내향 연결되는 광은 내향 연결 광(38)의 모든 파장을 포함하고, 따라서 반사 광 가이드(201)는 반사기(도 4a의 반사 표면(16)과 같은)나 혹은 프리즘(도 8c의 경사 프리즘과 같은)을 포함할 수 있다.
패싯(203)(도 15c에 도시된)은 가이드된 광을 광 가이드(201)를 향하게 하고 광 가이드(201) 밖으로 전환하고 이로부터 광 가이드(205, 206, 207)로 나가게 한다. 광 가이드(205, 206, 207) 각각은 각각의 내향 연결 격자(209R, 209G, 209B)를 갖고 있다 이들 내향 연결 격자(209R, 209G, 209B)는 광 가이드마다 상이한 기간을 가지며, 따라서 상이한 파장은 각각의 내향 연결 격자에 의해서 각각의 관련 광 가이드로 연결된다.
광은 광 가이드(205, 206, 207) 내에서 전파해서, 각각의 광 가이드 내에서 파장에 따라서 지정되어 있으며 각각의 내향 연결 격자(209R, 209G, 209B)에 매칭된 각각의 격자(25R, 25G, 25B)에 의해서 관찰자(47)에게 외향 연결된다(38B).
일반적으로, 반사 광학 컴포넌트(패싯(203))은 내향 연결된 광(38)을 제 1 광 가이드(201) 내의 제 1 확장 방향으로 확장해서 제 1 확장된 광(38C)을 생성하도록 구성된다. 제 1(209R), 제 3(209G) 및 제 4(209B) 회절 광학 컴포넌트는 각각의 제 1(205), 제 2(206), 제 3(207) 광 가이드 내에서 제 1 확장된 광의 각각의 파장을 연결하도록 구성된다. 제 2(25R), 제 4(25G) 및 제 6(25B) 회절 광학 컴포넌트는 각각의 광을 확장해서 외향 연결된 광(38B)으로서 제 3 방향으로 외향 연결하도록 구성된다.
도 15d를 참조하며, 도 15a, 15b 및 15c에 있어서 각도 도메인(각도 공간)으로 전파하는 광의 회절 방향이 도시되어 있다. 도 15a 내지 15c에 도시된 단일 광 가이드의 각도 방향 전면도가 도 15d에 도시되어 있다. 광은 1005 방향으로서 내향 연결되고, 반사 미러(203)는 광선을 분산없이 방향(1007)으로 전환한다. 회절 내향 연결 컴포넌트(209R, 209G, 209B 중 하나)는 광선을 분산하며 하방으로 전환하지만, 회절 컴포넌트(25R, 25G, 25B 중 하나)는 반대 광 파워를 갖고 있으며, 따라서 광을 분산없이 외향 연결한다(방향 중첩(1007)).
이 구성은 강한 반(anti)분산 특성을 갖고 있으며, 따라서 감소된 수의 컴포넌트가 하나 이상의 색 채널(R, G, B)을 좁은 필드(각도 스펙트럼)로 전달하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 3개의 광 가이드(205, 206, 207)가 단일 광 가이드로 구현될 수도 있고, 혹은 2개의 색 채널의 조합이 단일 광 가이드에서 구현될 수도 있다({적색과 녹색, 청색} 혹은 {적색, 녹색과 청색}의 세트와 같은).
상술한 예, 사용된 숫자 및 예시적인 계산은 본 실시예의 설명을 돕기 위한 것이라는 점에 주의한다. 의도하지 않은 오자, 숫자 오류 및/또는 간단한 계산의 사용은 본 발명의 유용성 및 기본 이점으로부터 벗어나는 것이 아니다.
첨부된 청구항이 다수의 종속항 없이 드래프트되어 있다면, 이는 이러한 다수의 종속항을 허용하지 않는 관할 지역에서의 형식적인 요건에 부응하도록만 행해진 것이다. 청구항의 다수의 종속항을 만드는 특성의 모든 가능한 조합은 명백하게 상정되며 본 발명의 일부라고 간주되어야 한다.
상기 설명은 예로서 제공된 것으로, 본 발명의 범주 내에서 첨부된 청구항에 정의된 많은 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 관찰자의 눈을 향해 재지향시키는 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    상호 평행한 주표면들의 쌍을 갖는 도파관;
    상기 주표면들에서의 내부 반사에 의해 입력 방향으로 상기 도파관 내에서 전파하도록 상기 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 상기 도파관 내로 결합하도록 구성된 비-회절 입력 커플러;
    상기 입력 방향에 평행하지 않은 제1 방향으로 상기 도파관 내에서 전파하도록 상기 광을 재지향시키는 제1 회절을 통해, 그리고 상기 제1 방향으로 상기 광을 확장시키면서 상기 입력 방향에 평행한 제2 방향으로 상기 도파관 내에서 전파하도록 상기 제1 방향으로 상기 도파관 내에서 전파되는 상기 광을 점진적으로 재지향시키는 제2 회절을 통해, 상기 입력 방향으로 상기 도파관 내에서 전파되는 상기 광을 회절시키도록 구성되는 상기 도파관 상의 회절 배열; 및
    상기 도파관의 상기 주표면들에 비스듬히 경사진 복수의 부분 반사 표면들을 포함하는 출력 커플러를 포함하고, 상기 출력 커플러는 상기 광을 상기 제2 방향으로 확장시키는 동안 상기 도파관 밖의 상기 회절 배열에 의해 상기 제1 방향으로 확장된 상기 광을 상기 관찰자의 눈을 향해 점진적으로 결합시키는, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회절 배열은 제1 회절 광학 컴포넌트 및 제2 회절 광학 컴포넌트를 포함하는, 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 회절 광학 컴포넌트는 강하게 회절하는 컴포넌트(strongly diffracting component)이고, 상기 제2 회절 광학 컴포넌트는 상기 광을 상기 제1 방향으로 확장시키면서 상기 광을 점진적으로 회절시키도록 구성되는, 광학 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 회절 광학 컴포넌트 및 상기 제2 회절 광학 컴포넌트는 상기 회절들 중 제2 회절이 상기 회절들 중 제1 회절에 의해 도입된 색 분산을 상쇄하도록 매칭 광 출력을 갖는, 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회절 배열은 상기 회절들 중 제2 회절이 상기 회절들 중 제1 회절에 의해 도입된 색 분산을 상쇄하도록 구성되는, 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회절 배열은 상기 도파관의 표면 상에 적어도 하나의 격자를 포함하는, 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회절 배열은 상기 도파관에 내장된 적어도 하나의 회절 격자를 포함하는, 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회절 배열은 적어도 하나의 홀로그램 소자를 포함하는, 광학 시스템.
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