KR20230007562A - 편광 변환에 기초한 가변-포커스 가상 이미지 디바이스들 - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/07—Polarisation dependent
Abstract
예시적인 디스플레이 디바이스들은 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 내부 전반사 하에서 가시광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함한다. 도파관에는 도파관의 주 표면에 수직인 방향으로 가시광의 일부를 아웃커플링하도록 구성된 아웃커플링 엘리먼트가 형성되어 있다. 예시적인 디스플레이 디바이스는 부가적으로, 도파관의 제1 측 상에 배치되고 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하면서 제2 편광을 갖는 가시광의 일부를 투과시키도록 구성된 편광-선택적 노치 반사기를 포함한다. 예시적인 디스플레이 디바이스는 도파관의 제2 측 상에 배치되고 제1 편광 및 제2 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되는 편광-독립적 노치 반사기를 더 포함하고, 편광-독립적 노치 반사기는 그로부터 반사되는 가시광의 편광을 변환하도록 구성되는,
Description
[0001]
본 출원은, 2017년 2월 23일에 출원되고 발명의 명칭이 "VARIABLE-FOCUS VIRTUAL IMAGE DEVICES"인 미국 가출원 특허 출원 번호 제62/462,850호를 우선권으로 주장하며, 이 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다. 이 가특허 출원은, 모두가 인용에 의해 통합되고 본 특허 출원의 부분을 형성하는 다음의 섹션들을 포함한다.
1. 섹션 I : 명칭이 "DISPLAY SYSTEM WITH VARIABLE POWER REFLECTOR"인 출원의 일부에 대한 명세서 및 도면.
2. 섹션 II : 명칭이 "VARIABLE-FOCUS VIRTUAL IMAGE DEVICES BASED ON POLARIZATION CONVERSION"인 출원의 일부에 대한 명세서 및 도면.
[0002]
섹션들 I 및 II는 둘 모두 가변 포커스 또는 가변 파워 디바이스들 및 이들 디바이스의 컴포넌트들과 연관된 특징들을 논의하고, 섹션들 둘 모두는 본 출원의 개시내용의 부분을 동일하게 형성한다. 따라서, 섹션 I에 설명된 다양한 특징들, 엘리먼트들, 구조들, 방법들 등은 임의의 조합으로 섹션 II에 설명된 특징들, 엘리먼트들, 구조들, 방법들 등과 함께 사용되거나, 이들과 결합되거나, 이들에 통합되거나, 또는 다른 방식으로 이들과 호환 가능할 수 있다. 마찬가지로, 섹션 II에 설명된 다양한 특징들, 엘리먼트들, 구조들, 방법들 등은 임의의 조합으로 섹션 I에 설명된 특징들, 엘리먼트들, 구조들, 방법들 등과 함께 사용되거나, 이들과 결합되거나, 이들에 통합되거나, 또는 다른 방식으로 이들과 호환 가능할 수 있다.
[0003]
또한, 본 출원은, 하기의 특허 출원들, 즉 2014년 11월 27일에 출원된 미국 출원 번호 제14/555,585호; 2015년 4월 18일에 출원된 미국 출원 번호 제14/690,401호; 2014년 3월 14일에 출원된 미국 출원 번호 제14/212,961호; 및 2014년 7월 14일에 출원된 미국 출원 번호 제14/331,218호 각각의 전체를, 인용에 의해 포함한다.
[0004]
본 개시내용은 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편광 변환에 적어도 부분적으로 기초하는 회절 디바이스들을 포함하는 증강 현실 디스플레이 시스템들에 관한 것이다.
[0005]
현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 용이하게 했으며, 여기서 디지털방식으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실, 또는 "MR" 시나리오는 AR 시나리오의 타입이고 통상적으로 자연 세계에 통합되고 이에 응답하는 가상 객체들을 수반한다. 예컨대, MR 시나리오에서, AR 이미지 콘텐츠는 실세계의 객체들에 의해 차단되거나, 그렇지 않으면, 실세계의 객체들과 상호작용하는 것으로 지각될 수 있다.
[0006]
도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(scene)(1)이 도시되며, 여기서 AR 기술의 사용자는 배경에 있는 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 콘크리트 플랫폼(1120)을 특징으로 하는 실세계 공원-형 세팅(1100)을 본다. 이들 아이템들에 더하여, AR 기술의 사용자는 또한, 그가 "가상 콘텐츠", 이를테면, 실세계 플랫폼(1120) 상에 서 있는 로봇 동상(1110), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화-형 아바타 캐릭터(1130)를 "보는 것"을 지각하지만, 이들 엘리먼트들(1130, 1110)은 실세계에 존재하지 않는다. 인간 시각 지각 시스템은 복잡하기 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고, 자연스럽고, 풍부한 프리젠테이션을 용이하게 하는 AR 기술을 생성하는 것은 난제이다.
[0007]
본원에서 개시된 시스템들 및 방법들은 AR 및 VR 기술에 관련된 다양한 난제들을 해결한다.
[0008]
본 출원은 가변 광학력(optical power)을 제공하기 위해 사용될 수 있는 시스템들 및 방법들의 논의를 포함한다. 가변 포커스 또는 가변 파워 디바이스들은 이미지들이 상이한 깊이들에서 기원한 것처럼 이미지들을 프로젝팅하는 소정의 머리 장착 디스플레이 디바이스들에서 응용성(application)을 찾을 수 있다. 머리 장착 디스플레이 디바이스에서 광학 엘리먼트의 광학력을 변경함으로써, 머리 장착 디스플레이 디바이스의 착용자에게 제시되는 이미지들은 착용자와 상이한 거리들에 로케이팅된 것처럼 보인다. 따라서, 가변 포커스 또는 가변 파워 광학 디바이스는, 이미지 콘텐츠가 사용자에 대해 상이한 위치들에 위치된 것처럼 상이한 이미지 콘텐츠가 디스플레이되도록 변조될 수 있다. 일부 가변 파워 엘리먼트들은 이동 가능한 멤브레인들을 포함하는 반사기들을 포함한다. 다른 가변 파워 엘리먼트들은 스위칭 가능 액정 엘리먼트들을 사용하여 광학력 레벨들 사이에서 스위칭할 수 있는 액정 스위칭 가능 디바이스들을 포함한다. 본원에서 설명된 일부 가변 포커스 디바이스들은 하나의 초점으로부터 다른 초점으로의 스위칭을 용이하게 하기 위해 광의 편광 성질들을 활용한다.
[0009]
일 양상에서, 디스플레이 디바이스는 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 내부 전반사 하에서 가시광을 전파시키도록 구성된 도파관; 및 도파관 상에 형성되고 도파관의 주 표면에 수직인 방향으로 가시광의 일부를 아웃커플링하도록 구성된 아웃커플링 엘리먼트를 포함한다. 디스플레이 디바이스는 부가적으로 도파관의 제1 측 상에 배치되고, 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하면서 제2 편광을 갖는 가시광의 일부를 투과시키도록 구성된 편광-선택적 노치 반사기를 포함한다. 디스플레이 디바이스는 도파관의 제2 측 상에 배치되고 제1 편광 및 제2 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되는 편광-독립적 노치 반사기를 더 포함하고, 편광-독립적 노치 반사기는 그로부터 반사되는 가시광의 편광을 변환하도록 구성된다.
[0010]
다른 양상에서, 디스플레이 디바이스는 제1 스위칭 가능 렌즈와 제2 스위칭 가능 렌즈 사이에 개재된 광-도파 디바이스(wave-guiding device)를 포함하며, 광도파 디바이스는 복수의 키랄 구조(chiral structure)들을 각각 포함하는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함하고, 각각의 키랄 구조는 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사(Bragg-reflect)하도록 구성되게 한다. 광-도파 디바이스는 부가적으로, 하나 이상의 CLC 층들 위에 형성되고 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 TIR(total internal reflection) 하에서 가시광을 전파시키고 하나 이상의 CLC 층들로 또는 이로부터의 가시광을 광학적으로 커플링하도록 구성된 하나 이상의 도파관들을 포함한다.
[0011]
다른 양상에서, 이미지를 사용자의 눈에 디스플레이하도록 구성된 디스플레이 디바이스는 광학 디스플레이를 포함한다. 광학 디스플레이는 전방 측 및 후방 측을 가지며, 후방 측은 전방 측보다 사용자의 눈에 더 근접하다. 광학 디스플레이는 후방 측을 향해 파장 범위를 갖는 광을 출력하도록 구성된다. 제1 노치 반사기는 광학 디스플레이의 후방에 배치되며, 제1 노치 반사기는 광학 디스플레이로부터 출력되는 파장 범위를 갖는 광을 반사하도록 구성된다. 제2 노치 반사기가 광학 디스플레이의 전방에 배치되며, 제2 노치 반사기는 파장 범위를 갖는 광을 반사하도록 구성된다. 제1 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 제1 편광과 상이한 제2 편광을 갖는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 제2 노치 반사기는 제2 편광을 갖는, 후방 면 상에 입사되는 광을 제1 편광으로 변환하고 광을 후방으로 재지향시키도록 구성된다.
[0012]
다른 양상에서, 동적으로 포커싱된 디스플레이 시스템은 제1 원형 편광 상태의 원형 편광된 광을 출력하도록 구성된 디스플레이를 포함한다. 디스플레이는 광학 축을 따라 배치되고 전방 측 및 후방 측을 가지며, 후방 측은 전방 측보다 사용자의 눈에 더 근접하고, 광학 디스플레이는 후방 측을 향해 파장 범위를 갖는 광을 출력하도록 구성된다. 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트가 광학 축을 따라 배치되고, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트는, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트를 통해 투과된 광의 원형 편광 상태를, 제1 원형 편광 상태로부터 제2의 상이한 원형 편광 상태로 변경하도록 구성된다. 제1 CLC(cholesteric liquid crystal) 렌즈는 광학 축을 따라 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트의 전방에 배치된다. 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 광학 축을 따라 제 1 CLC 렌즈의 전방에 배치되고, 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트는, 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트를 통해 투과된 광의 원형 편광 상태를, 제1 원형 편광 상태로부터 제2의 상이한 원형 편광 상태로 변경하도록 구성된다. 제2 CLC 렌즈는 광학 축을 따라 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트의 전방에 배치된다. 제어기는 제1 CLC 렌즈 또는 제2 CLC 렌즈를 동적으로 선택하기 위해 제1 및 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트들의 상태들을 전자식으로 스위칭하도록 구성된다.
[0013]
다른 양상에서, 웨어러블 증강 현실 머리-장착 디스플레이 시스템은 머리-장착 시스템을 착용한 착용자 전방의 세계로부터의 광을 착용자의 눈으로 전달하도록 구성된다. 웨어러블 증강 현실 머리 장착 디스플레이 시스템은, 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된 광학 디스플레이; 상기 디스플레이로부터 상기 광을 수신하도록 배치된 하나 이상의 도파관들; 상기 하나 이상의 도파관들이 전방 측 및 후방 측을 갖도록 상기 눈의 전방에 도파관들을 배치하게 구성된 프레임 ― 상기 후방 측은 상기 전방 측보다 상기 눈에 더 근접함 ― ; 상기 하나 이상의 도파관들의 상기 전방 측 상에 배치된 CLC(cholesteric liquid crystal) 반사기 ― 상기 CLC 반사기는 전기 신호의 인가 시에 조정 가능한 광학력 또는 포커스 심도를 갖도록 구성됨 ― ; 및 하나 이상의 도파관들로부터 광을 추출하고 상기 도파관 내에서 전파되는 상기 광의 적어도 일부를 CLC 반사기로 지향시키기 위해 상기 하나 이상의 도파관들에 대해 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 엘리먼트를 포함하고, 상기 광은 상기 CLC 반사기로부터 역으로 상기 도파관을 통해 그리고 상기 눈으로 지향되어 디스플레이로부터 착용자의 눈으로 이미지를 제시한다.
[0014]
다른 양상에서, 디스플레이 디바이스는 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 내부 전반사 하에서 가시광을 전파시키고 주 표면에 수직인 방향으로 가시광을 아웃커플링하도록 구성된 도파관을 포함한다. 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되고, 노치 반사기는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함하고, CLC 층들 각각은 복수의 키랄 구조들을 포함하고, 키랄 구조들 각각은 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사(Bragg-reflect)하도록 구성되게 한다.
[0015]
본 명세서에서 설명되는 청구 대상의 하나 이상의 구현들의 세부사항들은, 아래의 첨부 도면들 및 설명에서 기술된다. 다른 특징들, 양상들, 및 이점들은 설명, 도면들, 및 청구항들로부터 명백해질 것이다. 이 개요 또는 다음의 상세한 설명 어느 것도, 본 발명의 청구 대상의 범위를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[0016]
도 1은 AR(augmented reality) 디바이스를 통한 AR의 사용자의 뷰를 예시한다.
[0017] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0018] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0019] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0020] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0021] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0022] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0023] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다.
[0024] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0025] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0026] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0027] 도 10은 복수의 균일한 키랄 구조를 갖는 CLCG(cholesteric liquid crystal diffraction grating)의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0028] 도 11은 측방향으로 상이하게 배열된 키랄 구조들을 갖는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0029] 도 12는 오프-축 입사각에서 브래그-반사(Bragg reflection)를 위해 구성된 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0030] 도 13a는 제1 오프-축 입사각에서 브래그-반사를 위해 구성되고 제1 나선형 피치를 갖는 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0031] 도 13b는 제2 오프-축 입사각에서 브래그-반사를 위해 구성되고 제2 나선형 피치를 갖는 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0032] 도 13c는 복수의 오프-축 입사각들 및 높은 회절 대역폭에서의 브래그-반사를 위해, 스택된 구성에서 상이한 나선형 피치들을 갖는, 도 13a 및 도 13b의 CLC 층들을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0033] 도 14는 복수의 오프-축 입사각들 및 높은 회절 대역폭에서의 브래그-반사를 위해 깊이 방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 수직 구역들을 갖는 CLC 층을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0034] 도 15는 공간적으로 변동되는 브래그-반사를 위해 측방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 측방향 구역들을 갖는 CLC 층을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0035] 도 16은 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0036] 도 17a는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0037] 도 17b는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 각각 포함하는, 동일한 광학 경로의 복수의 광학 광도파 디바이스들의 예를 예시한다.
[0038] 도 17c는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 각각 포함하는, 동일한 광학 경로의 복수의 광학 광도파 디바이스들의 예를 예시한다.
[0039] 도 18은 복수의 CLCG들에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 복수의 파장들을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 공통 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0040] 도 19는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0041] 도 20은 CLCG에 커플링된 도파관 및 편광 변환 반사기를 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시하며, 여기서 CLCG는 입사광을 수신하도록 구성되고, 도파관은 TIR(total internal reflection)에 의해 CLCG로부터 브래그-반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0042] 도 21a는 도 20의 광학 광도파 디바이스를 예시하며, 여기서, CLCG는 선형으로 편광되거나 또는 편광되지 않은 입사광을 수신하도록 구성되고 도파관은 CLCG로부터 브래그-반사된 광 및 TIR(total internal reflection)로 반사기에 의해 반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0043] 도 21b는 도 20의 광학 광도파 디바이스를 예시하며, 여기서, CLCG는 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들로 편광되는 입사광을 수신하도록 구성되고 도파관은 CLCG로부터 브래그-반사된 광 및 TIR(total internal reflection)로 반사기에 의해 반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0044] 도 22a는, 입사광 빔이 선형으로 편광되거나 편광되지 않은 조건 하에서, 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLC 층 및 제1 회전 방향에 대향하는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLC 층을 포함하는, 공통 도파관에 커플링된 복수의 CLC 층들을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0045] 도 22b는 입사광이 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들로 편광되는 조건 하에서 도 22a의 광학 광도파 디바이스를 예시한다.
[0046] 도 22c는, 입사광 빔이 선형으로 편광되거나 편광되지 않은 조건 하에서, 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLC 층 및 제1 회전 방향에 대향하는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLC 층을 포함하는, 2개의 CLC 층들 사이에 개재된 공통 도파관에 커플링된 복수의 CLC 층들을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0047] 도 23은 CLC(cholesteric liquid crystal) 오프-축 미러를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전방-대면 카메라를 포함하는 이미징 시스템의 예를 예시한다.
[0048] 도 24a 내지 도 24f는 CLC 오프-축 미러를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전방-대면 카메라를 포함하는 이미징 시스템의 예를 예시한다.
[0049] 도 24g 및 도 24h는 하나 이상의 CLC 오프-축 미러를 포함하는 복수의 세그먼트들(세그먼트들 각각은 상이한 광학 성질들을 가질 수 있음)을 포함하는 회절 광학 엘리먼트를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전향(forward-facing) 카메라를 포함하는 이미징 시스템들의 예들을 예시한다.
[0050] 도 25a는 편광 변환기를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0051] 도 25b는 편광 변환기를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0052] 도 26a는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0053] 도 26b는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0054] 도 26c는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0055] 도 26d는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0056] 도 27a는 편광 변환기 및 PB(Pancharatnam-Barry) 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0057] 도 27b는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0058] 도 27c는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0059] 도 27d는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0060] 도 28a는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하는 예시적인 디스플레이 디바이스에 의해 형성된 2개의 직교 편광 이미지들에 의해 생성된 공간 오프셋을 예시한다.
[0061] 도 28b는 도 28a에 예시된 공간 오프셋을 보상하기 위한 한 쌍의 렌즈들을 포함하는 예시적인 오프셋 보상기를 예시한다.
[0062] 도 28c는 도 28b에 예시된 오프셋 보상기의 실시예를 사용하여 도 28a에 예시된 공간 오프셋의 무효화 효과를 예시한다.
[0063] 도 29는, 광을 비대칭적으로 프로젝팅하도록 구성된 도파관 조립체 및 PB 렌즈를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0064] 도 30은, CLCG 및 변형 가능한 미러를 갖는 도파관 조립체를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0065] 도 31a 내지 도 31c는 디스플레이 디바이스의 부분으로서 구현될 수 있는 예시적인 반사 회절 렌즈들을 예시하며, 여기서 반사 회절 렌즈들은 반사 편광 미러로서 역할을 하는 패터닝된 CLC 재료들로 형성된다.
[0066] 도 32a는 회절 렌즈들에서 관찰되는 색수차의 예를 예시한다.
[0067] 도 32b는 스택된 구성으로 복수의 반사 회절 렌즈들을 포함하는 예시적인 반사 회절 렌즈를 예시한다.
[0068] 도 33a 내지 도 33d는 예시적인 반사 회절 렌즈 조립체들 및 상이한 초점 거리들 사이의 동적 스위칭을 위한 이들의 동작을 예시한다.
[0069] 도 34는 세계를 향한 쪽으로 광을 지향시키도록 구성된 접안렌즈 및 눈을 향한 쪽으로 광을 재지향시키도록 구성된 CLC 렌즈를 포함하는 도파관 조립체의 예시적인 조합을 예시한다.
[0014] 도면들 전체에 걸쳐, 참조 번호들은 참조된 엘리먼트들 사이의 대응성(correspondence)을 표시하는 데 재사용될 수 있다. 도면들은 본원에서 설명된 예시적인 실시예들을 예시하기 위해 제공되며 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
[0017] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0018] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0019] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0020] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0021] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0022] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0023] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다.
[0024] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0025] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0026] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0027] 도 10은 복수의 균일한 키랄 구조를 갖는 CLCG(cholesteric liquid crystal diffraction grating)의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0028] 도 11은 측방향으로 상이하게 배열된 키랄 구조들을 갖는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0029] 도 12는 오프-축 입사각에서 브래그-반사(Bragg reflection)를 위해 구성된 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0030] 도 13a는 제1 오프-축 입사각에서 브래그-반사를 위해 구성되고 제1 나선형 피치를 갖는 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0031] 도 13b는 제2 오프-축 입사각에서 브래그-반사를 위해 구성되고 제2 나선형 피치를 갖는 CLC 층의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0032] 도 13c는 복수의 오프-축 입사각들 및 높은 회절 대역폭에서의 브래그-반사를 위해, 스택된 구성에서 상이한 나선형 피치들을 갖는, 도 13a 및 도 13b의 CLC 층들을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0033] 도 14는 복수의 오프-축 입사각들 및 높은 회절 대역폭에서의 브래그-반사를 위해 깊이 방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 수직 구역들을 갖는 CLC 층을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0034] 도 15는 공간적으로 변동되는 브래그-반사를 위해 측방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 측방향 구역들을 갖는 CLC 층을 포함하는 CLCG의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0035] 도 16은 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0036] 도 17a는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0037] 도 17b는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 각각 포함하는, 동일한 광학 경로의 복수의 광학 광도파 디바이스들의 예를 예시한다.
[0038] 도 17c는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 파장을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 도파관을 각각 포함하는, 동일한 광학 경로의 복수의 광학 광도파 디바이스들의 예를 예시한다.
[0039] 도 18은 복수의 CLCG들에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 복수의 파장들을 갖는 광을 선택적으로 전파시키도록 구성된 공통 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0040] 도 19는 CLCG에 커플링되고 TIR(total internal reflection)에 의해 광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0041] 도 20은 CLCG에 커플링된 도파관 및 편광 변환 반사기를 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시하며, 여기서 CLCG는 입사광을 수신하도록 구성되고, 도파관은 TIR(total internal reflection)에 의해 CLCG로부터 브래그-반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0042] 도 21a는 도 20의 광학 광도파 디바이스를 예시하며, 여기서, CLCG는 선형으로 편광되거나 또는 편광되지 않은 입사광을 수신하도록 구성되고 도파관은 CLCG로부터 브래그-반사된 광 및 TIR(total internal reflection)로 반사기에 의해 반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0043] 도 21b는 도 20의 광학 광도파 디바이스를 예시하며, 여기서, CLCG는 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들로 편광되는 입사광을 수신하도록 구성되고 도파관은 CLCG로부터 브래그-반사된 광 및 TIR(total internal reflection)로 반사기에 의해 반사된 광을 전파시키도록 구성된다.
[0044] 도 22a는, 입사광 빔이 선형으로 편광되거나 편광되지 않은 조건 하에서, 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLC 층 및 제1 회전 방향에 대향하는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLC 층을 포함하는, 공통 도파관에 커플링된 복수의 CLC 층들을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0045] 도 22b는 입사광이 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들로 편광되는 조건 하에서 도 22a의 광학 광도파 디바이스를 예시한다.
[0046] 도 22c는, 입사광 빔이 선형으로 편광되거나 편광되지 않은 조건 하에서, 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLC 층 및 제1 회전 방향에 대향하는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLC 층을 포함하는, 2개의 CLC 층들 사이에 개재된 공통 도파관에 커플링된 복수의 CLC 층들을 포함하는 광학 광도파 디바이스의 예를 예시한다.
[0047] 도 23은 CLC(cholesteric liquid crystal) 오프-축 미러를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전방-대면 카메라를 포함하는 이미징 시스템의 예를 예시한다.
[0048] 도 24a 내지 도 24f는 CLC 오프-축 미러를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전방-대면 카메라를 포함하는 이미징 시스템의 예를 예시한다.
[0049] 도 24g 및 도 24h는 하나 이상의 CLC 오프-축 미러를 포함하는 복수의 세그먼트들(세그먼트들 각각은 상이한 광학 성질들을 가질 수 있음)을 포함하는 회절 광학 엘리먼트를 사용하여 착용자의 눈을 이미징하도록 구성된 전향(forward-facing) 카메라를 포함하는 이미징 시스템들의 예들을 예시한다.
[0050] 도 25a는 편광 변환기를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0051] 도 25b는 편광 변환기를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0052] 도 26a는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0053] 도 26b는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0054] 도 26c는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0055] 도 26d는 편광 변환기 및 스위칭 가능 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0056] 도 27a는 편광 변환기 및 PB(Pancharatnam-Barry) 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0057] 도 27b는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0058] 도 27c는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 가상 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0059] 도 27d는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하고 실제 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0060] 도 28a는 편광 변환기 및 PB 렌즈를 포함하는 예시적인 디스플레이 디바이스에 의해 형성된 2개의 직교 편광 이미지들에 의해 생성된 공간 오프셋을 예시한다.
[0061] 도 28b는 도 28a에 예시된 공간 오프셋을 보상하기 위한 한 쌍의 렌즈들을 포함하는 예시적인 오프셋 보상기를 예시한다.
[0062] 도 28c는 도 28b에 예시된 오프셋 보상기의 실시예를 사용하여 도 28a에 예시된 공간 오프셋의 무효화 효과를 예시한다.
[0063] 도 29는, 광을 비대칭적으로 프로젝팅하도록 구성된 도파관 조립체 및 PB 렌즈를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0064] 도 30은, CLCG 및 변형 가능한 미러를 갖는 도파관 조립체를 포함하고 이미지를 사용자에게 출력하도록 구성된 예시적인 디스플레이 디바이스를 예시한다.
[0065] 도 31a 내지 도 31c는 디스플레이 디바이스의 부분으로서 구현될 수 있는 예시적인 반사 회절 렌즈들을 예시하며, 여기서 반사 회절 렌즈들은 반사 편광 미러로서 역할을 하는 패터닝된 CLC 재료들로 형성된다.
[0066] 도 32a는 회절 렌즈들에서 관찰되는 색수차의 예를 예시한다.
[0067] 도 32b는 스택된 구성으로 복수의 반사 회절 렌즈들을 포함하는 예시적인 반사 회절 렌즈를 예시한다.
[0068] 도 33a 내지 도 33d는 예시적인 반사 회절 렌즈 조립체들 및 상이한 초점 거리들 사이의 동적 스위칭을 위한 이들의 동작을 예시한다.
[0069] 도 34는 세계를 향한 쪽으로 광을 지향시키도록 구성된 접안렌즈 및 눈을 향한 쪽으로 광을 재지향시키도록 구성된 CLC 렌즈를 포함하는 도파관 조립체의 예시적인 조합을 예시한다.
[0014] 도면들 전체에 걸쳐, 참조 번호들은 참조된 엘리먼트들 사이의 대응성(correspondence)을 표시하는 데 재사용될 수 있다. 도면들은 본원에서 설명된 예시적인 실시예들을 예시하기 위해 제공되며 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
[0070]
AR 시스템들은 사용자가 자신 주위의 세계를 계속해서 볼 수 있게 하면서, 가상 콘텐츠를 사용자 또는 뷰어에 디스플레이할 수 있다. 바람직하게는, 이 콘텐츠는 사용자의 눈들에 이미지 정보를 프로젝팅하는, 예컨대, 안경류의 부분으로서 머리-장착 디스플레이 상에 디스플레이된다. 게다가, 디스플레이는 또한 주변 환경의 뷰를 허용하기 위해 주변 환경으로부터 사용자의 눈으로 광을 투과시킬 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "머리-장착" 디스플레이는 뷰어의 머리 상에 장착될 수 있는 디스플레이라는 것이 인지될 것이다.
[0071]
도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(80)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(80)은 디스플레이(62), 및 그 디스플레이(62)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계 및 전자 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(62)는, 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(60)에 의해 착용 가능하고 사용자(60)의 눈들의 전방에 디스플레이(62)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(64)에 커플링될 수 있다. 디스플레이(62)는 일부 실시예들에서, 안경류(eyewear)로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(66)는 프레임(64)에 커플링되고 사용자(60)의 외이도에 인접하게 포지셔닝된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝되어 스테레오/형상화가능(shapeable) 사운드 제어를 제공함). 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한 하나 이상의 마이크로폰들(67) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰은 사용자가 시스템(80)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성 메뉴 커맨드들의 선택, 자연어 질문 등)을 제공할 수 있도록 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰은 또한, 오디오 데이터를 계속해서 수집하기 위해(예컨대, 사용자 및/또는 환경으로부터의 수동적으로 수집하기 위해) 주변 센서로서 구성될 수 있다. 이러한 오디오 데이터는 사용자 사운드들, 이를테면, 거친 숨, 또는 환경 사운드들, 이를테면, 근처의 이벤트를 나타내는 큰 굉음(loud bang)을 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템은 또한, 프레임(64)과 별개이고 사용자(60)의 신체(예컨대, 사용자(60)의 머리, 몸통, 손발(extremity) 등)에 부착될 수 있는 주변 센서(30a)를 포함할 수 있다. 주변 센서(30a)는 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 사용자(60)의 생리적인 상태를 특징화하는 데이터를 취득하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 센서(30a)는 전극일 수 있다.
[0072]
도 2를 계속 참조하면, 디스플레이(62)는, 다양한 구성들로 장착될 수 있는, 예컨대, 프레임(64)에 고정적으로 부착되거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착되거나, 헤드폰들에 임베딩되거나, 그렇지 않으면 사용자(60)에게 제거 가능하게 부착되는(예컨대, 백팩(backpack)-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)에 통신 링크(68)에 의해, 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해, 동작 가능하게 커플링된다. 유사하게, 센서(30a)는 통신 링크(30b), 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해 로컬 프로세서 및 데이터 모듈(70)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 하드웨어 프로세서뿐 아니라, 디지털 메모리 예컨대, 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱(caching) 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) 센서들(예컨대 프레임(64)에 동작 가능하게 커플링되거나 그렇지 않으면 사용자(60)에게 부착될 수 있음), 예컨대, 이미지 캡처 디바이스들(예컨대, 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본원에서 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(72) 및/또는 원격 데이터 리포지토리(repository)(74)(가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함함)를 사용하여 취득 및/또는 프로세싱되는 (어쩌면, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후 디스플레이(62)에 전달하기 위한) 데이터를 포함한다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 통신 링크들(76, 78)에 의해, 예컨대, 유선 또는 무선 통신 링크들을 통하여, 원격 프로세싱 모듈(72) 및 원격 데이터 리포지토리(74)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어서, 이들 원격 모듈들(72, 74)은 서로 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)에 대한 자원들로서 이용 가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이들 센서들 중 하나 이상은 프레임(64)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)과 통신하는 자립형 구조들일 수 있다.
[0073]
도 2를 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, 원격 프로세싱 모듈(72)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(74)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통하여 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(74)는 정보, 예컨대, 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(72)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 컴퓨테이션들은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0074]
"3-차원" 또는 "3-D"인 것으로서 이미지의 지각은 뷰어의 각각의 눈에 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 2개의 별개의 이미지들(5 및 7)(각각의 눈(4 및 6)에 대해 하나씩)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(5, 7)은 뷰어의 시선과 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(10) 만큼 눈들(4, 6)로부터 이격된다. 이미지들(5, 7)은 평평하고, 눈들(4, 6)은 단일 원근조절된 상태를 취함으로써 이미지들에 포커싱될 수 있다. 그러한 시스템들은 조합된 이미지에 대한 스케일 및/또는 깊이의 지각을 제공하기 위하여 이미지들(5, 7)을 조합하는데 인간 시각 시스템에 의존한다.
[0075]
그러나, 인간 시각 시스템은 더 복잡하고 현실적인 깊이의 지각을 제공하는 것이 더 어렵다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 종래의 3-D 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 그런 시스템들이 불편하다는 것을 발견하거나, 깊이감을 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 객체의 뷰어들은 이접운동 및 원근조절의 조합으로 인해 객체를 3-차원인 것으로 지각할 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 두 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(즉, 동공들이 객체를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 움직이도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 동공들 및 렌즈들의 포커싱(또는 원근조절)과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들하에서, 하나의 객체로부터 상이한 거리에 있는 다른 객체로 포커스를 변화시키기 위하여, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변화시키거나, 또는 눈들을 원근조절하는 것은 "원근조절-이접운동 반사(accommodation-vergence reflex)"로서 알려진 관계하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동에서의 매칭하는 변화는 물론 동공 팽창 및 수축을 자동으로 유발할 것이다. 마찬가지로, 이접운동에서의 변경은 정상 조건들하에서, 렌즈 형상 및 동공 사이즈의, 원근조절에서의 매칭하는 변경을 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 다수의 입체 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들은, 3-차원 관점이 이 인간 시각 시스템에 의해 지각되도록 각각의 눈에 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 따라서, 약간 상이한 이미지들)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 그러한 시스템들은 많은 뷰어들에게 불편한데, 그 이유는 다른 것들 중에서, 그러한 시스템들이 단순히 장면의 상이한 프리젠테이션을 제공하지만, 눈들이 단일 원근조절된 상태에서 모든 이미지 정보를 보고, 그리고 "원근조절-이접운동 반사"에 반하여 작동하기 때문이다. 원근조절과 이접운동 사이의 더 양호한 매칭을 제공하는 디스플레이 시스템들은, 증가된 착용 지속기간 및 결국, 진단 및 치료 프로토콜들에 대한 준수에 기여하는, 3-차원 이미저리의 더 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0076]
도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, z-축 상에서 눈들(4, 6)로부터 다양한 거리들에 있는 객체들은, 이들 객체들이 포커싱이 맞도록(in focus) 눈들(4 및 6)에 의해 원근조절된다. 눈들(4 및 6)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 객체들에 포커싱을 맞추게 하는 특정 원근조절된 상태들을 가정한다. 결과적으로, 특정 원근조절된 상태는 연관된 초점 거리를 갖는, 깊이 평면들(14) 중 특정한 하나의 깊이 평면과 연관되는 것으로 말해질 수 있어서, 특정 깊이 평면의 객체들 또는 객체들의 부분들은, 눈이 해당 깊이 평면에 대해 원근조절된 상태에 있을 때 포커싱이 맞게 된다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는 눈들(4, 6) 각각에 대해 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써, 그리고 또한 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 별개인 것으로 도시되지만, 눈들(4, 6)의 시야들은 예컨대, z-축을 따른 거리가 증가함에 따라 겹쳐질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 게다가, 예시의 용이함을 위해 평평한 것으로 도시되지만, 깊이 평면의 윤곽들은 물리적 공간에서 만곡될 수 있어서, 깊이 평면의 모든 피처들은 특정 원근조절된 상태에서 눈과 포커싱이 맞게 된다는 것이 인지될 것이다.
[0077]
객체와 눈(4 또는 6) 간의 거리는 또한, 그 눈으로 볼 때, 그 객체로부터 광의 발산(divergence)의 양을 변화시킬 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 광선들의 거리와 발산 간의 관계들을 예시한다. 객체와 눈(4) 간의 거리는, 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 광선들은, 객체에 대한 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더욱 시준된다. 다른 말로 하면, 포인트(객체 또는 객체의 부분)에 의해 생성된 광 필드가 구체 파면 곡률을 가지는 것으로 말해질 수 있고, 구체 파면 곡률은, 포인트가 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 객체와 눈(4) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도는 또한 상이하고, 발산 정도는, 깊이 평면들과 뷰어의 눈(4) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 단지 하나의 눈(4)이 도 5a 내지 도 5c 및 본원의 다른 도면들에서 예시의 명확성을 위해 예시되지만, 눈(4)에 대한 논의들이 뷰어의 양쪽 눈들(4 및 6)에 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0078]
이론에 의해 제한됨이 없이, 인간 눈이 통상적으로 깊이 지각을 제공하기 위하여 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있다고 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 그럴듯한 시뮬레이션은, 눈에, 이들 제한된 수의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 뷰어의 눈들에 의해 별개로 포커싱될 수 있고, 그리하여, 상이한 깊이 평면 상에 로케이팅되는 장면에 대한 상이한 이미지 피처들에 포커스를 맞추도록 요구되는 눈의 원근조절에 기초하여 그리고/또는 상이한 깊이 평면들 상의 상이한 이미지 피처들이 아웃 포커스(out of focus)되는 것을 관찰하는 것에 기초하여 깊이 단서들을 사용자에게 제공하는 것을 돕는다.
[0079]
도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(1000)은 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)을 사용하여 3-차원 지각을 눈/뇌에 제공하기 위하여 활용될 수 있는 도파관들의 스택, 또는 스택된 도파관 조립체(1178)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(1000)은 도 2의 시스템(80)이고, 도 6은 그 시스템(80)의 일부 부분들을 더 상세히 개략적으로 보여준다. 예컨대, 도파관 조립체(1178)는 도 2의 디스플레이(62)의 부분일 수 있다. 디스플레이 시스템(1000)은 일부 실시예들에서 광 필드(light field) 디스플레이로서 간주될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0080]
도 6을 계속 참조하면, 도파관 조립체(1178)는 또한 도파관들 사이에 복수의 피처들(1198, 1196, 1194, 1192)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징들(1198, 1196, 1194, 1192)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 및/또는 복수의 렌즈들(1198, 1196, 1194, 1192)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 도파관들에 대한 광의 소스로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 주입하기 위하여 활용될 수 있으며, 도파관들 각각은, 본원에 설명된 바와 같이, 눈(4)을 향하여 출력하기 위해 각각의 개별 도파관에 걸쳐 인입 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)의 출력 표면(1300, 1302, 1304, 1306, 1308)을 나가고 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 대응하는 입력 표면(1382, 1384, 1386, 1388, 1390)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(1382, 1384, 1386, 1388, 1390) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면의 일부일 수 있다(즉, 도파관 표면들 중 하나는 직접적으로 세계(1144) 또는 뷰어의 눈(4)을 향함). 일부 실시예들에서, 단일 광 빔(예컨대, 시준된 빔)은 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산의 양들)로 눈(4)을 향하여 지향되는 시준된 클론 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력하기 위하여 각각의 도파관으로 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 중 단 하나의 이미지 주입 디바이스가 복수(예컨대, 3개)의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)과 연관되고 그에 광을 주입할 수 있다.
[0081]
일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 각각 대응하는 도파관(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 다른 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 예컨대, 이미지 정보를 하나 이상의 광학 도관들(예컨대, 광섬유 케이블들)을 통하여 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일 멀티플렉싱된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0082]
일부 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 이미터를 포함할 수 있는 광 모듈(2040)을 포함하는 광 프로젝터 시스템(2000)에 의해 제공된다. 광 모듈(2040)로부터의 광은 빔 분할기(2050)를 통해 광 변조기(2030), 예컨대, 공간 광 변조기에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(2030)는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 주입되는 광의 지각된 세기를 변화시키도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기들의 예들은, LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들을 포함한다.
[0083]
일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(1000)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선형 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴 등)로 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 그리고 궁극적으로 뷰어의 눈(4)으로 프로젝팅하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 하나 또는 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 광을 주입하도록 구성된 단일 스캐닝 섬유 또는 스캐닝 섬유들의 번들(bundle)들을 개략적으로 표현할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 복수의 스캐닝 섬유들 또는 스캐닝 섬유들의 복수의 번들들을 개략적으로 표현하며, 이들 각각은 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 중 연관된 하나 내로 광을 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(2040)로부터 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 광을 송신하도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 스캐닝 섬유를 빠져나가는 광을 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 재지향시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 사이에 하나 이상의 개재된 광학 구조들이 제공될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0084]
제어기(1210)는 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208), 광원(2040) 및 광 변조기(2030)의 동작을 포함한, 스택된 도파관 조립체(1178)의 하나 이상의 도파관들의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(1210)는 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)의 부분이다. 제어기(1210)는 예컨대, 본원에 개시된 다양한 방식들 중 임의의 방식에 따라 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기는 단일 통합 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산 시스템일 수 있다. 제어기(1210)는 일부 실시예들에서, 프로세싱 모듈들(70 또는 72)(도 1)의 부분일 수 있다.
[0085]
도 6을 계속 참조하면, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개별 도파관 내에서 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 각각 평면형이거나 다른 형상(예컨대, 곡선)을 가질 수 있으며, 주 최상부 및 최하부 표면들 및 이들 주 최상부와 최하부 표면들 사이에서 연장되는 에지들을 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 이미지 정보를 눈(4)에 출력하기 위해 각각의 개별 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성된 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 각각 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃커플링된 광으로서 또한 지칭될 수 있고, 아웃커플링 광학 엘리먼트들은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로서 지칭될 수 있다. 추출된 광 빔은, 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치들에서 도파관에 의해 출력된다. 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절성 광학 피처들을 포함하는 격자들일 수 있다. 설명의 용이함 및 도면 명확성을 위하여 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 볼륨에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착된 재료 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 재료의 모놀리식 피스(piece)일 수 있고 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 재료의 해당 피스의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.
[0086]
도 6을 계속 참조하면, 본원에 논의된 바와 같이, 각각의 도파관(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(1182)은, 그러한 도파관(1182)에 주입된 시준된 광을 눈(4)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위의 다음 도파관(1184)은, 시준된 광이 눈(4)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(1192)(예컨대, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 그러한 제1 렌즈(1192)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 위의 다음 도파관(1184)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(4)을 향하여 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위의 제3 도파관(1186)은 자신의 출력 광을 눈(4)에 도달하기 전에 제1 (1192) 및 제2 (1194) 렌즈들 둘 모두를 통과시키고; 제1 (1192) 및 제2 (1194) 렌즈들의 조합된 광학력(optical power)은 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 제3 도파관(1186)으로부터 오는 광을, 위의 다음 도파관(1184)으로부터의 광보다는 광학적 무한대로부터 사람을 향하여 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.
[0087]
다른 도파관 층들(1188, 1190) 및 렌즈들(1196, 1198)은 유사하게 구성되는데, 스택에서 가장 높은 도파관(1190)은 자신의 출력을, 사람과 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 어그리게이트 초점 전력에 대해 자신과 눈 사이의 렌즈들 모두를 통하여 전송한다. 스택된 도파관 조립체(1178)의 다른 측 상에서 세계(1144)로부터 오는 광을 보거나/해석할 때 렌즈들(1198, 1196, 1194, 1192)의 스택을 보상하기 위하여, 보상 렌즈 층(1180)은 아래의 렌즈 스택(1198, 1196, 1194, 1192)의 어그리게이트 전력을 보상하기 위하여 스택의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 이용 가능한 도파관/렌즈 쌍들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들의 아웃커플링 광학 엘리먼트들 및 렌즈들의 포커싱 양상들 둘 모두는 정적(즉, 동적이거나 전자-활성이지 않음)일 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 모두는 전자-활성 피처들을 사용하여 동적일 수 있다.
[0088]
일부 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 중 2 이상은 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 다수의 서브세트들은 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 이미지가 세팅됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 이점들을 제공할 수 있다.
[0089]
도 6을 계속 참조하면, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 자신의 개별 도파관들 밖으로 광을 재지향시키고 그리고 또한 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과로서, 상이한 연관된 깊이 평면들을 가진 도파관들은 상이한 구성들의 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 가질 수 있고, 이러한 아웃커플링 광학 엘리먼트들은 연관된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 광 추출 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 특정 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭(volumetric) 또는 표면 피처들일 수 있다. 예컨대, 광 추출 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들, 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(1198, 1196, 1194, 1192)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 공기 갭들을 형성하기 위한 클래딩(cladding) 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.
[0090]
일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 회절 패턴 또는 회절 광학 엘리먼트(또한 본원에서 DOE로서 지칭됨)를 형성하는 회절 특징들이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율(회절된 빔 세기 대 입사 빔 세기의 비)을 가져서, 단지 광의 일부만이 DOE의 각각의 교차로 인해 눈(4)을 향하여 편향되지만, 나머지는 TIR(total internal reflection)을 통하여 도파관을 통해 계속 이동한다. 따라서, 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관을 나가는 다수의 관련된 출사 빔들로 분할되고 그 결과는 이런 특정 시준된 빔이 도파관 내에서 이리저리 바운싱되기 때문에 눈(4)을 향하는 상당히 균일한 출사 방출 패턴이다.
[0091]
일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은, 그것들을 활발하게 회절시키는 "온" 상태들과 그것들을 크게 회절시키지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭 가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능 DOE는, 마이크로액적들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있고, 마이크로액적들의 굴절률은 호스트 매질의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사광을 현저하게 회절시키지 않음) 또는 마이크로액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우 패턴은 입사광을 활발하게 회절시킴).
[0092]
일부 실시예들에서, 예컨대, 사용자 입력들을 검출하고 그리고/또는 사용자의 생리적 상태를 모니터링하기 위해 눈(4) 및/또는 눈(4) 주위 조직의 이미지들을 캡처하도록 카메라 조립체(500)(예컨대, 가시 광 및 적외선 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)가 제공될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(500)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈에 광(예컨대, 적외선)을 프로젝팅하기 위한 광원을 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(500)는 프레임(64)(도 2)에 부착될 수 있고, 예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 사용자의 생리적인 상태에 관한 다양한 결정들을 내리기 위해 카메라 조립체(500)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 프로세싱 모듈들(70 및/또는 72)과 전기 통신할 수 있다. 사용자의 생리적인 상태에 관한 정보는 사용자의 행동 또는 감정 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 이러한 정보의 예들은 사용자의 움직임들 및/또는 사용자의 얼굴 표정들을 포함한다. 사용자의 행동 또는 감정 상태는 그 후, 행동 또는 감정 상태, 생리적인 상태 및 환경적 또는 가상적 콘텐츠 데이터 간의 관계들을 결정하도록 수집된 환경적 및/또는 가상 콘텐츠 데이터로 삼각측량될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 조립체(500)가 각각의 눈을 별개로 모니터링하기 위해 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.
[0093]
이제 도 7을 참조하면, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예가 도시된다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 조립체(1178)(도 6) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있다는 것이 인지될 것이며, 여기서 도파관 조립체(1178)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(400)은 도파관(1182)의 입력 표면(1382)에서 도파관(1182)으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(1182) 내에서 전파된다. 광(400)이 DOE(1282)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 일부는 출사 빔들(402)로서 도파관을 나간다. 출사 빔들(402)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에 논의된 바와 같이, 이들 출사 빔들은 또한 도파관(1182)과 연관된 깊이 평면에 따라, 임의의 각도로 눈(4)으로 전파되도록 재지향될 수 있다(예컨대, 발산하는 출사 빔들을 형성함). 실질적으로 평행한 출사 빔들은, 눈(4)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것으로 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃커플링하는 아웃커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 도파관을 나타낼 수 있다는 것이 인지될 것이다. 다른 도파관들 또는 아웃커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(4)이 망막 상에 포커싱을 맞추게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학적 무한대보다 눈(4)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
[0094]
일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대, 3개 이상의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이시킴으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(14a-14f)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 깊이들이 또한 고려될 수 있다. 각각의 깊이 평면은, 자신과 연관된 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들, 즉 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 디옵터들(dpt)에 대한 상이한 숫자들에 의해 도면에 표시된다. 단지 예들로서, 이들 문자들 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터들(1/m) 또는 뷰어로부터의 깊이 평면의 역 거리(inverse distance)를 표시하며, 도면들에서 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장들의 광의 눈의 포커싱에서의 차이를 참작하기 위해, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 변동될 수 있다. 예컨대, 주어진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들은 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있고 그리고/또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.
[0095]
일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 하나의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 그것과 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 문자들 G, R 또는 B를 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 3개의 도파관들이 깊이 평면 당 제공될 수 있으며, 여기서 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 깊이 평면 당 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들이 설명의 용이함을 위해 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관들은 모두 레벨 당 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어서, 예컨대, 단지 단일 도파관이 깊이 평면 당 제공될 수 있다.
[0096]
도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 마젠타 및 시안을 포함하는, 다른 광의 파장들과 연관되는 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 추가로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(198, 196, 194 및 192)은 주위 환경으로부터 시청자의 눈들로의 광을 선택적으로 차단하도록 구성된 능동 또는 수동 광학 필터들일 수 있다.
[0097]
본 개시내용 전반에 걸쳐 주어진 컬러의 광에 대한 참조는 그 주어진 컬러인 것으로서 뷰어에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이란 점이 인지될 것이다. 예컨대, 적색 광은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0098]
일부 실시예들에서, 광원(2040)(도 6)은 뷰어의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대, 적외선 및/또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 디스플레이(1000)의 도파관들의 인커플링, 아웃커플링 및 다른 광 재지향 구조들은 예컨대, 이미징 및/또는 사용자 자극 애플리케이션들을 위해 사용자의 눈(4)을 향하여 디스플레이 밖으로 이 광을 지향 및 방출하도록 구성될 수 있다.
[0099]
이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 충돌하는 광은 도파관 내로 그 광을 인커플링하기 위해 재지향될 필요가 있을 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 재지향 및 인커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 복수의 스택된 도파관들 또는 스택된 도파관들의 세트(1200)의 예의 측 단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장들의 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 스택(1200)은 스택(1178)(도 6)에 대응할 수 있고, 스택(1200)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 중 하나 이상으로부터의 광이 인커플링을 위해 광이 재지향되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 부분에 대응할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0100]
스택된 도파관들의 예시된 세트(1200)는 도파관들(1210, 1220, 및 1230)을 포함한다. 각각의 도파관은, (도파관 상의 광 입력 영역으로서 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트(1212)는 도파관(1210)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되고, 인커플링 광학 엘리먼트(1224)는 도파관(1220)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되며, 인커플링 광학 엘리먼트(1232)는 도파관(1230)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232) 중 하나 이상은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히, 하나 이상의 인커플링 광학 엘리먼트들은 반사성 편향 광학 엘리먼트들인 경우). 예시된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은, 특히 이러한 인커플링 광학 엘리먼트들이 투과성 편향 광학 엘리먼트들인 경우, 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 상위 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 광 파장들을 선택적으로 재지향시키면서 다른 광 파장들을 투과시킨다. 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 한 측 또는 코너 상에서 예시되지만, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 일부 실시예들에서, 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0101]
예시된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인커플링 광학 엘리먼트는, 광이 다른 인커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 자신이 그 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 도 6에 도시된 바와 같이 상이한 이미지 주입 디바이스(1200, 1202, 1204, 1206, 및 1208)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 다른 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)로부터 분리(예컨대, 측방향으로 이격)될 수 있어서, 그것은 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232) 중 다른 것들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않는다.
[0102]
각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대, 광 분배 엘리먼트들(1214)은 도파관(1210)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(1224)은 도파관(1220)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(1234)은 도파관(1230)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 모두 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 상이한 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 것들 상에 각각 배치될 수 있다.
[0103]
도파관들(1210, 1220, 1230)은 예컨대, 기체, 액체 및/또는 고체 재료 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(1218a)은 도파관들(1210, 1220)을 분리할 수 있고; 층(1218b)은 도파관(1220 및 1230)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(1218a 및 1218b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(1210, 1220, 1230) 중 바로 인접한 하나를 형성하는 재료보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상으로 작거나 또는 0.10 이상으로 작다. 유리하게는, 더 낮은 굴절률 층들(1218a, 1218b)은 도파관들(1210, 1220, 1230)을 통한 광의 TIR(total internal reflection)(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 및 최하부 주 표면들 사이의 TIR)을 용이하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(1218a, 1218b)은 공기로 형성된다. 예시되지는 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(1200)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃한 클래딩 층들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0104]
바람직하게는, 제조의 용이함 및 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 간에 상이할 수 있고, 그리고/또는 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료는 여전히 위에서 언급된 다양한 굴절률 관계들을 유지하면서 상이할 수 있다.
[0105]
도 9a를 계속 참조하여, 광선들(1240, 1242, 1244)이 도파관들의 세트(1200) 상에 입사된다. 광선들(1240, 1242, 1244)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)(도 6)에 의해 도파관들(1210, 1220, 1230) 내로 주입될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0106]
일부 실시예들에서, 광선들(1240, 1242, 1244)은 상이한 성질들, 예컨대, 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 가지며, 이는 상이한 컬러들에 대응할 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 122, 1232)은 각각, 입사광이 TIR에 의해 도파관들(1210, 1220, 1230) 중 각각의 하나를 통해 전파되도록 광을 편향시킨다.
[0107]
예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트(1212)는 제1 파장 또는 파장들의 범위를 갖는 광선(1240)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 투과된 광선(1242)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성된 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 마찬가지로, 광선(1244)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성된 인커플링 광학 엘리먼트(1232)에 의해 편향된다.
[0108]
도 9a를 계속 참조하면, 편향된 광선들(1240, 1242, 1244)은, 이들이 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 해당 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230) 내로 광을 인커플링하도록 해당 대응하는 도파관 내로 광을 편향시킨다. 광선들(1240, 1242, 1244)은 광이 TIR에 의해 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(1240, 1242, 1244)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파된다.
[0109]
이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 인커플링된 광선들(1240, 1242, 1244)은 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)에 의해 각각 편향되고, 그 후 도파관들(1210, 1220, 1230) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그 후, 광선들(1240, 1242, 1244)은 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)에 각각 충돌한다. 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은, 광선들(1240, 1242, 1244)이 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)를 향해 각각 전파되도록 이들을 편향시킨다.
[0110]
일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 OPE(orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들은 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)로 광을 편향시키거나 분배하고, 광이 아웃커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 크기를 또한 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 빔 크기가 이미 원하는 크기인 경우, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 생략될 수 있고, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)은 뷰어의 눈(4)(도 7)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다.
[0111]
따라서, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(1200)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(1210, 1220, 1230; 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232); 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1214, 1224, 1234); 및 아웃커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(1250, 1252, 1254)을 포함한다. 도파관들(1210, 1220, 1230)은 각각의 도파관 사이에 에어 갭/클래딩 층을 갖도록 스택될 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 (상이한 인커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신하므로) 입사광을 자신의 도파관으로 재지향 또는 편향시킨다. 그 후, 광은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230) 내에서 TIR을 초래할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(1240)(예컨대, 청색 광)은 제1 인커플링 광학 엘리먼트(1212)에 의해 편향되고, 그 후 도파관을 따라 계속 바운싱(bounce)하여, 앞서 설명된 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1214) 및 그 후 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1250)와 상호작용한다. 광선들(1242 및 1244)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(1210)을 통과할 것이고, 광선(1242)은 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 그 후, 광선(1242)은 TIR을 통해 도파관(1220)을 따라 바운싱되어, 자신의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1224)로 그리고 그 후 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1252)로 진행된다. 마지막으로, 광선(1244)(예컨대, 적색 광)은 도파관(1220)을 통과하여 도파관(1230)의 광 인커플링 광학 엘리먼트들(1232)에 충돌한다. 광 인커플링 광학 엘리먼트들(1232)은, 광선(1244)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1234)로, 그리고 그 후 TIR에 의해 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1254)로 전파되도록 그 광선을 편향시킨다. 그 후, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1254)는 최종적으로 광선(1244)을 뷰어에 아웃커플링하며, 이 뷰어는 또한 다른 도파관들(1210, 1220)로부터 아웃커플링된 광을 수신한다.
[0112]
도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234) 및 연관된 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)와 함께, 도파관들(1210, 1220, 1230)은 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 중첩되지 않는다(예컨대, 하향식 도에서 보여지는 바와 같이 측방향으로 이격됨). 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이러한 중첩되지 않는 공간적 어레인지먼트는 일대일 기반으로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관으로의 광의 주입을 용이하게 하고, 그리하여 특정 광원이 특정 도파관에 고유하게 커플링되도록 허용한다. 일부 실시예들에서, 중첩되지 않는 공간적으로-분리된 인커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트들은 시프트된 동공 시스템으로서 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들의 인커플링 광학 엘리먼트들은 서브 동공들에 대응할 수 있다.
액정들에 기초한 브래그-반사 구조들
[0113]
일반적으로, 액정들은 종래의 유체들과 고체들의 중간일 수 있는 물리적 성질들을 갖는다. 액정들이 일부 양상들에서 유체와 비슷하지만, 대부분의 유체들과 달리, 액정들 내의 분자들의 어레인지먼트는 일부 구조적인 순서를 나타낸다. 상이한 유형들의 액정들은 서모트로픽(thermotropic), 레오트로픽(lyotropic) 및 중합체 액정들을 포함한다. 본원에서 개시된 서모트로픽 액정들은 다양한 물리적 상태들, 예컨대, 네마틱 상태/상(state/phase), 스멕틱 상태/상, 키랄 네마틱 상태/상 또는 키랄 스멕틱 상태/상을 포함하는 상들로 구현될 수 있다.
[0114]
본원에서 설명된 바와 같이, 네마틱 상태 또는 상의 액정들은 장거리 방향적 순서(long-range directional order)(그의 장축은 대략 평행함)를 가지면서, 비교적 적은 포지션 순서를 갖는 칼라미틱(막대-형상) 또는 디스코틱(discotic)(디스크-형상) 유기 분자들을 가질 수 있다. 따라서, 유기 분자들은 그들의 장거리 방향적 순서를 여전히 유지하면서, 질량 포지션들의 중심이 액체에서와 같이 랜덤으로 분배된 채로, 자유롭게 유동할 수 있다. 일부 구현들에서, 네마틱 상의 액정들은 단축(uniaxial)일 수 있는데; 즉, 액정들은 더 길고 선호되는 하나의 축을 가지며, 다른 두 개는 대략 등가이다. 다른 구현들에서, 액정들은 2축(biaxial)일 수 있는데; 즉, 그의 장축을 배향시키는 것 이외에도, 액정들은 또한 2차 축을 따라 배향될 수 있다.
[0115]
본원에서 설명된 바와 같이, 스멕틱 상태 또는 상의 액정들은 서로 미끄러질 수 있는 비교적 잘 정의된 층들을 형성하는 유기 분자들을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 스멕틱 상의 액정들은 일 방향을 따라 포지션적으로 순서화될 수 있다. 일부 구현들에서, 분자들의 장축들은 액정 층의 평면에 실질적으로 수직인 방향을 따라 배향될 수 있는 반면, 다른 구현들에서, 분자들의 장축들은 층의 평면에 수직인 방향에 대해 기울어질 수 있다.
[0116]
본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 네마틱 액정들은 이웃 분자들의 장축들이 대략적으로 서로 정렬되어 있는 막대-형 분자들로 구성된다. 이 이방성 구조를 설명하기 위해, 디렉터(director)라고 불리는 무차원 유닛 벡터(n)가 액정 분자들의 바람직한 배향의 방향을 설명하는 데 사용될 수 있다.
[0117]
본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 경사각 또는 전경사각(Φ)은 액정 층들의 또는 기판의 주 표면(x-y 평면)에 수직인 평면, 예컨대, x-z 평면에서 측정되고, 정렬 방향과 주 표면 또는 주 표면에 평행한 방향, 예컨대 x-방향 사이에서 측정된 각도를 지칭할 수 있다.
[0118]
본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 방위각 또는 회전각(φ)은 층 법선 방향, 또는 액정 층의 주 표면에 수직인 축을 중심으로 한 회전의 각도를 설명하는 데 사용되며, 이는 액정 층들의 또는 기판의 주 표면에 평행한 평면 예컨대, x-y 평면에서 측정되고, 정렬 방향, 예컨대, 신장 방향 또는 디렉터(director)의 방향과 주 표면에 평행한 방향, 예컨대 y-방향 사이에서 측정된다.
[0119]
본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 전경사각(Φ) 또는 회전각(φ)과 같은 각도가 상이한 구역들 사이에서 실질적으로 동일한 것으로 지칭될 때, 평균 정렬각들은 예컨대, 서로 약 1 %, 약 5 % 또는 약 10 % 내에 있을 수 있지만, 일부 경우들에서, 평균 정렬은 더 클 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0120]
본원에서 그리고 본 명세서 전반에 걸쳐, 듀티 사이클은, 예컨대, 제1 정렬 방향으로 정렬된 액정 분자들을 갖는 제1 구역의 제1 측방향 치수와 제1 구역을 갖는 존의 격자 주기 사이의 비를 지칭할 수 있다. 응용 가능한 경우, 제1 구역은 액정들의 정렬이 상이한 존들 사이에서 변동되지 않는 구역에 대응한다.
[0121]
본원에서 설명된 바와 같이, 네마틱 상태 또는 스멕틱 상태의 액정은 또한 키랄성을 나타낼 수 있다. 이러한 액정들은 키랄 상 또는 콜레스테릭 상으로 있을 수 있는 것으로서 지칭된다. 키랄 상 또는 콜레스테릭 상에서, 액정들은 디렉터에 수직인 분자들의 트위스팅(twisting)을 나타낼 수 있으며, 분자 축은 디렉터와 평행하다. 인접한 분자들 사이의 유한 트위스트 각은 그들의 비대칭 패킹에 기인하며, 이는 장거리 키랄 순서를 초래한다.
[0122]
본원에서 설명된 바와 같이, 키랄 스멕틱 상태 또는 상의 액정들은 액정 분자들이 레이어드(layered) 구조에서 포지션 순서를 갖도록 구성될 수 있으며, 분자들은 층 법선에 대해 유한 각도로 기울어진다. 또한, 키랄성(chirality)은 하나의 액정 분자로부터 다음 액정 분자까지의 층 법선에 수직인 방향에 대해 액정 분자들의 연속적 방위 트위스트들을 층 법선 방향으로 유도할 수 있고, 그리하여 층 법선을 따라 분자 축의 나선형 트위스팅을 생성한다.
[0123]
본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 키랄 구조는 방향, 예컨대, 층 깊이 방향과 같은 디렉터에 수직인 방향으로 연장되고, 회전 방향, 예컨대 시계 방향 또는 반시계 방향으로 연속적으로 회전 또는 트위스트되는, 콜레스테릭 상의 복수의 액정 분자들을 지칭한다. 일 양상에서, 키랄 구조의 액정 분자들의 디렉터들은 나선형 피치를 갖는 나선으로서 특징화될 수 있다.
[0124]
본원에서 설명된 바와 같이, 키랄성을 디스플레이하는 콜레스테릭 상의 액정들은 제1 회전 방향으로 한 번의 풀 회전에 의한 키랄 구조들의 액정 분자들의 순 회전각에 대응하는 층 깊이 방향의 길이에 대응하는 키랄 피치 또는 나선형 피치(p)를 갖는 것으로서 설명될 수 있다. 즉, 나선형 피치는 액정 분자들이 풀 360° 트위스트를 경험하는 거리를 지칭한다. 나선형 피치(p)는 예컨대, 온도가 변경될 때 또는 다른 분자들이 액정 호스트에 첨가될 때 변할 수 있어(아키랄(achiral) 액체 호스트 재료는 키랄 재료로 도핑되는 경우, 키랄 상을 형성할 수 있음), 주어진 재료의 나선형 피치(p)가 상응하게 튜닝되게 할 수 있다. 일부 액정 시스템들에서, 나선형 피치는 가시 광의 파장과 동일한 차수이다. 본원에서 설명된 바와 같이, 키랄성을 디스플레이하는 액정들은 또한, 예컨대 층 법선 방향에서 연속적인 액정 분자들 사이의 상대적인 방위각 회전을 지칭할 수 있는 트위스트 각, 또는 회전각(Φ)을 갖는 것으로서, 그리고 예컨대, 특정된 길이, 예컨대 키랄 구조의 길이 또는 액정 층의 두께에 걸쳐 최상위 액정 분자와 최하위 액정 분자 사이의 상대적 방위각 회전을 지칭할 수 있는 순 트위스트 각 또는 순 회전각을 갖는 것으로서 설명될 수 있다.
[0125]
본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따라, 위에서 설명된 바와 같은 다양한 상태들 또는 상들을 갖는 액정들은, 예컨대, 복굴절, 광학 이방성, 및 박막 프로세스들을 사용한 제조성을 포함하는 다양한 바람직한 재료 성질들을 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 액정 층들의 표면 조건들을 변경하고 그리고/또는 상이한 액정 재료들을 혼합함으로써, 공간적으로 변동되는 회절 성질들, 예컨대 구배 회절 효율들을 나타내는 격자 구조들이 제조될 수 있다.
[0126]
본원에서 설명된 바와 같이, "중합 가능 액정(polymerizable liquid crystal)"들은 중합될 수 있는, 예컨대, 인-시추 광중합(in-situ photopolymerize)될 수 있는 액정 재료들을 지칭할 수 있으며, 또한 RM(reactive mesogens)로서 본원에서 설명될 수 있다.
[0127]
액정 분자들은 일부 실시예들에서 중합 가능할 수 있고 일단 중합되면 다른 액정 분자들과 함께 대형 네트워크를 형성할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 액정 분자들은 화학 결합(chemical bond)들에 의해 또는 화학 종들을 다른 액정 분자들과 링크시킴으로써 링크될 수 있다. 함께 결합되면, 액정 분자들은 함께 링크되기 전과 실질적으로 동일한 배향들 및 위치들을 갖는 액정 도메인들을 형성할 수 있다. 설명의 편의를 위해, "액정 분자"라는 용어는 본원에서, 중합 이전의 액정 분자들 및 중합 후에 이들 분자들에 의해 형성된 액정 도메인들 둘 모두를 지칭하는 데 사용된다.
[0128]
본원에서 설명된 특정 실시예들에 따라, 광-중합 가능 액정 재료들은, 브래그-반사 구조들, 예컨대, 회절 격자를 형성하도록 구성될 수 있으며, 복굴절, 키랄성 및 다중-코팅에 대한 용이성을 포함하는 그의 재료 성질들이 활용되어 상이한 재료 성질들, 예컨대, 복굴절, 키랄성 및 두께를 갖는 회절 격자를 생성할 수 있으며, 이는 상이한 회절 성질들, 예컨대, 몇 개만 언급하자면, 회절 효율, 파장 선택성 및 오프-축 회절 각도 선택성을 초래할 수 있다.
[0129]
본원에서 설명된 바와 같이, "투과성" 또는 "투명" 구조, 예컨대, 투명 기판은, 입사광의 적어도 일부 예컨대, 적어도 20, 30 또는 50%를 통과시킬 수 있다는 것이 인지될 것이다. 따라서, 투명 기판은 일부 실시예들에서 유리, 사파이어 또는 중합체 기판일 수 있다. 대조적으로, "반사" 구조, 예컨대 반사 기판은 그로부터 입사광의 적어도 일부, 예컨대, 적어도 20, 30, 50, 70, 90 % 이상을 반사시킬 수 있다.
[0130]
격자의 광학 성질들은 격자의 물리적 구조들(예컨대, 주기성, 깊이 및 듀티 사이클)뿐만 아니라 격자의 재료 성질들(예컨대, 굴절률, 흡수 및 복굴절)에 의해 결정된다. 액정들이 사용될 때, 격자의 광학 성질들은 예컨대, 액정 재료들의 분자 배향 또는 분배를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예컨대, 격자 영역에 걸친 액정 재료의 분자 배향 또는 분배를 변동시킴으로써, 격자는 등급화된 회절 효율들을 나타낼 수 있다. 이러한 접근법들은 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다.
CLCG(Cholesteric Liquid Crystal Diffraction Grating)
[0131]
도 6 및 도 7을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 시스템들은 회절 격자들을 포함할 수 있는 광학 엘리먼트들, 예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트들, 아웃커플링 광학 엘리먼트들 및 광 분배 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 7을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관(1182)의 입력 표면(1382)에서 도파관(1182) 내로 주입되는 광(400)은 TIR(total internal reflection)에 의해 도파관(1182) 내에서 전파된다. 광(400)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트(1282)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 부분은 출사 빔들(402)로서 도파관을 빠져나간다. 일부 구현들에서, 광학 엘리먼트(1182, 1282 또는 1382) 중 임의의 것은 회절 격자로서 구성될 수 있다.
[0132]
도파관(1182) 내로의 효율적인 광 인-커플링(또는 그로부터의 아웃-커플링)은, 예컨대, 가상/증강/혼합 디스플레이 애플리케이션들을 위한 도파관-기반 시-쓰루(see-through) 디스플레이들을 설계하는 데 있어 난제가 될 수 있다. 이들 및 다른 애플리케이션들에 있어서, 구조가 회절 성질들을 포함하는 다양한 광학 성질들을 최적화하도록 구성 가능한 재료로 형성된 회절 격자를 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 회절 성질들은 다른 성질들 중에서도, 특히 편광 선택성, 스펙트럼 선택성, 각도 선택성, 높은 스펙트럼 대역폭 및 높은 회절 효율을 포함한다. 이들 및 다른 요구들을 해결하기 위해, 본원에서 개시된 다양한 실시예들에서, 광학 엘리먼트(1282)는 CLCG(cholesteric liquid crystal diffraction grating)로서 구성된다. 아래에 설명되는 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 CLCG들은 다른 것들 중에서도, 편광 선택성, 대역폭, 위상 프로파일, 회절 성질의 공간적 변동, 스펙트럼 선택성 및 높은 회절 효율들을 최적화하도록 구성될 수 있다.
[0133]
이하, 다양한 광학 성질에 대해 최적화된 CLC(cholesteric liquid crystal)를 포함하는 반사성 액정 회절 격자로서 구성된 CLCG들의 다양한 실시예들이 설명된다. 일반적으로 회절 격자들은 광을 상이한 방향들로 이동하는 여러 광 빔들로 분할 및 회절시키는 주기적 구조를 갖는다. 이들 빔들의 방향들은 다른 것들 중에서도, 주기적 구조의 주기 및 광의 파장에 의존한다. 아웃커플링 광학 엘리먼트(1282)(도 6, 도 7)와 같은 소정의 애플리케이션들에 대해 소정의 광학 성질들, 예컨대, 회절 효율들을 최적화하기 위해, CLC의 다양한 재료 성질들이 아래에서 설명되는 바와 같이 최적화될 수 있다.
[0134]
위에서 설명된 바와 같이, 키랄(네마틱) 상 또는 콜레스테릭 상에서의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층의 액정 분자들은 액정 층의 법선 방향 또는 깊이 방향에서의 막의 포지션의 함수로서 디렉터의 연속적인 방위각 트위스트들을 갖도록 배열되는 복수의 액정 분자들을 특징으로 한다. 본원에서 설명된 바와 같이, 연속적인 방위각 트위스트들 갖도록 배열되는 액정 분자들은 본원에서 키랄 구조로서 집합적으로 지칭된다. 본원에서 설명된 바와 같이, 방위각 트위스트 또는 회전의 각도(Φ)는 위에서 설명된 바와 같이, 층 법선에 평행한 방향에 대해 액정 분자들의 디렉터들 사이의 각도로서 설명된다. 키랄 구조의 액정 분자들의 공간적으로 변동되는 디렉터는, 위에서 설명된 바와 같이 디렉터가 360도만큼 회전한 (예컨대, 액정 층의 층 법선 방향에서의) 거리로서 나선형 피치(p)가 정의되는 나선형 패턴을 형성하는 것으로서 설명될 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 회절 격자로서 구성된 CLC 층은 액정들의 분자 구조들이 깊이 방향에 법선인 측방향에서 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는다. 측방향의 이러한 주기성은 격자 주기(Λ)로서 지칭된다.
[0135]
본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따라, 회절 격자는 복수의 키랄 구조들을 포함하는 CLC(cholesteric liquid crystal) 층을 포함하며, 각각의 키랄 구조는 적어도 나선형 피치 만큼 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함한다. 나선형 피치는, 제1 회전 방향의 한 번의 풀 회전(full rotation)에 의한 키랄 구조들의 액정 분자들의 순 회전각(net rotation angle)에 대응하는 층 깊이 방향의 길이이다. 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동된다.
[0136]
도 10은 복수의 균일한 키랄 구조들을 포함하는 CLC(cholesteric liquid crystal) 층(1004)의 측 단면도를 예시한다. CLC(1004)는 복수의 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)로서 배열된 액정 분자들을 포함하는 CLC 층(1008)을 포함하며, 여기서 각각의 키랄 구조는 복수의 액정 분자들을 포함하며, 여기서 i는 2보다 큰 임의의 적합한 정수이다. 예컨대, 키랄 구조(1012-1)는 층 법선 방향, 예컨대, 예시된 실시예에서, z-방향으로 연장되도록 배열된 복수의 액정 분자들(1012-1-1, 1012-1-2, ... 1012-1-j)을 포함하며, 여기서 j는 2보다 큰 임의의 적합한 정수이다. 각각의 키랄 구조의 액정 분자들은 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전된다. 예시된 실시예에서, 액정 분자들은 양의 z-축 방향(예컨대, 축 화살표의 방향) 또는 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)의 전파 방향에서 볼 때 시계 방향으로 연속적으로 회전된다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 키랄 구조(1012-1)의 액정 분자들(1012-1-1, 1012-1-2, ... 1012-1-j)은 예컨대, 양의 x-방향에 대해 회전각(
)만큼 연속적으로 회전된다. 예시된 실시예에서, 예시적인 목적으로, z-방향에서 대향 단부들 사이의 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i) 각각의 복수의 액정 분자들은 한 번의 풀 회전 또는 선회(turn)만큼 회전되어서, 액정 분자들의 순 회전각은 약 360°가 된다. 결과적으로, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ..., 1012-i)은 나선형 피치(p)와 동일한 z-방향의 길이(L)를 갖는다. 그러나, 실시예들을 이에 제한되지 않고, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)은 1보다 크거나 작은 임의의 수의 풀 회전들, 360 °보다 낮거나 높은 임의의 적합한 순 회전각, 및/또는 나선형 피치(p)보다 짧거나 긴 z-방향의 임의의 적합한 길이(L)를 가질 수 있다. 예컨대, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에서, 키랄 구조들의 풀 선회들의 수는 다른 숫자들 중에서도, 1 내지 3, 2 내지 4, 3 내지 5, 4 내지 6, 5 내지 7, 6 내지 8, 7 내지 9, 또는 8 내지 10일 수 있다.
[0137]
여전히 도 10을 참조하면, z-방향에서의 인접한 액정 분자들 사이의 연속적인 회전각(
)은 일부 실시예들에 따라 동일할 수 있거나, 또는 일부 다른 실시예들에 따라 상이할 수 있다. 예시로서, 예시된 실시예에서, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)의 길이는 약 p이고 순 회전각은 360°이어서, z-방향에서의 인접한 액정 분자들은 약 360°/(m-1)만큼 회전되게 하며, 여기서 m은 키랄 구조에서 액정 분자의 수이다. 예컨대, 예시 목적들로, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i) 각각은 13개의 액정 분자들을 가져서, z-방향에서의 인접한 액정 분자들은 약 30도만큼 서로에 대해 회전되게 한다. 물론, 키랄 구조들은 다양한 실시예들에서, 임의의 적합한 수의 액정 분자들을 가질 수 있다.
[0138]
따라서, 여전히 도 10을 참조하면, 측방향, 예컨대 x-방향에서 인접한 키랄 구조들은 유사하게 배열된 액정 분자들을 가진다. 예시된 실시예에서, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)은, 거의 동일한 깊이에 있는 상이한 키랄 구조들의 액정 분자들, 예컨대, 광 입사 표면(1004S)에 가장 근접한 액정 분자들이 동일한 회전각은 물론, 거의 동일한 깊이의 연속적인 액정 분자들의 연속적인 회전각들뿐만 아니라, 각각의 키랄 구조의 액정 분자들의 순 회전각을 갖도록 유사하게 구성된다.
[0139]
이하, 도 10에 예시된 CLC 층(1004)은 동작에서 추가로 설명된다. 설명된 바와 같이, CLC 층(1004)은 측방향, 예컨대 x-방향으로 균일한 어레인지먼트를 갖는 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)을 포함한다. 동작에서, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들의 조합을 갖는 입사광이 CLC 층(1008)의 표면(1004S) 상에 입사될 때, 브래그-반사에 의해, 하나의 원형 편광 핸디드니스를 갖는 광은 CLC 층(1004)에 의해 반사되는 반면, 상반되는 편광 핸디드니스를 갖는 광은 실질적 간섭 없이 CLC 층(1008)을 통해 투과된다. 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 핸디드니스는 전파의 방향에서 본 것으로서 정의된다. 실시예들에 따라, 광 빔들(1016-L, 1016-R)의 편광의 방향 또는 편광의 핸디드니스가 매칭되어서, 그것이 키랄 구조들(1012-1, 1012-2,…1012-i)의 액정 분자들과 동일한 회전 방향을 가질 때, 입사광이 반사된다. 예시된 바와 같이, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-L) 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)이 표면(1004S) 상에 입사된다. 예시된 실시예에서, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)의 액정 분자들은, 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)이 이동하는 방향 즉, 양의 x-방향에서 시계 방향으로 연속적으로 회전하며, 이는 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)과 동일한 회전 방향이다. 그 결과, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)은 실질적으로 반사되는 반면, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔(1016-L)은 실질적으로 CLC 층(1004)을 통해 투과된다.
[0140]
어떠한 이론에도 얽매임 없이, 브래그-반사 하에서, 입사광의 파장(λ)은 CLC 층의 중도(mean) 또는 평균 굴절률(n) 및 나선형 피치(p)에 비례할 수 있고, 일부 상황들에서 다음의 조건을 만족시키는 것으로서 표현될 수 있다:
[0141]
또한, 브래그-반사 파장들의 대역폭(Δλ)은 CLC 층(1004)의 복굴절(Δn)(예컨대, 광의 상이한 편광들 간의 굴절률의 차이) 및 나선형 피치(p)에 비례할 수 있고, 일부 상황들에서 다음의 조건을 만족시키는 것으로서 표현될 수 있다:
[0142]
본 명세서에 설명된 다양한 실시예들에서, 대역폭(Δλ)은 약 60nm, 약 80nm 또는 약 100nm이다.
[0143]
다양한 실시예들에 따라, 예컨대, 약 390nm 내지 약 700nm의 가시 파장 범위 내의 또는 예컨대, 약 700nm 내지 약 2500nm의 근적외선 파장 범위 내의 피크 반사 세기는 약 60%, 약 70%, 약 80% 또는 약 90%를 초과할 수 있다. 또한, 다양한 실시예들에 따라, FWHM(full width at half maximum)은 약 100nm 미만, 약 70nm 미만, 약 50nm 미만 또는 약 20nm 미만일 수 있다.
[0144]
도 11은 측방향으로 상이하게 배열된 키랄 구조들, 예컨대 측방향에서 변동되는 트위스트 각들을 갖는 CLCG(CLC grating)(1150)의 측 단면도를 예시한다. 도 10의 CLC 층(1004)과 유사하게, 회절 격자(1150)는 복수의 키랄 구조들(1162-1, 1162-2, ... 1162-i)로서 배열된 액정 분자들을 포함하는 CLC(cholesteric liquid crystal) 층(1158)을 포함하며, 여기서 각각의 키랄 구조는 복수의 액정 분자들을 포함한다. 예컨대, 키랄 구조(1162-1)는 예시된 실시예에서, z-방향으로서 표현되는 층 법선 방향으로 연장되도록 배열된 복수의 액정 분자들(1162-1-1, 1162-1-2, ... 1162-1-j)을 포함한다. 각각의 키랄 구조의 액정 분자들은 도 10과 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전된다. 또한, 길이 L, 액정 분자들에 의해 이루어진 풀 회전들의 수 및 키랄 구조 당 액정 분자들의 수를 포함하는 키랄 구조들의 다양한 다른 파라미터들은 도 10과 관련하여 위에서 설명된 키랄 구조들과 유사하다.
[0145]
그러나, 도 10의 예시된 실시예와 대조적으로, 도 11의 예시된 실시예에서, 측방향, 예컨대 x-방향으로 인접한 키랄 구조들은 상이하게 배열된 액정 분자들을 가진다. 키랄 구조들(1162-1, 1162-2, ..., 1162-i)은, 거의 동일한 깊이에 있는 상이한 키랄 구조들의 액정 분자들이 상이한 회전각들을 갖도록 x-방향에서 상이하게 구성된다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 키랄 구조들(1162-1, 1162-2,... 1162-i)의 입사 표면들(1158S)에 가장 근접한 액정 분자들(1162-1-1, 1162-2-1,... 1162-i-1)은 각각, 예컨대, 양의 x-방향에 대해 양의 x-축 방향에서 회전각들(
)만큼 연속적으로 회전된다. 예시된 실시예에서, 회절 격자(1150)의 주기에 대응하는 측방향 길이(Λ)에 걸쳐 입사 표면(1158S)에 가장 근접한 액정 분자들(1162-1-1, 1162-2-1,... 1162-i-1)의 순 회전각은 약 180°의 회전각이다. 또한, 거의 동일한 깊이 레벨에 배치된 상이한 키랄 구조들의 액정 분자들(대부분의 액정 분자들)은 각각의 표면에 대해 거의 동일한 회전각만큼 회전된다.
[0146]
여전히 도 11a을 참조하면, x-방향에서의 주기(Λ)에 걸쳐 동일한 깊이 레벨에 있는 액정 분자들의 연속적인 회전각들(
)은 일부 실시예들에 따라 동일할 수 있거나, 또는 일부 다른 실시예들에 따라 상이할 수 있다. 예시된 실시예에서, 주기(Λ) 동안, 순 회전각이 예시된 실시예에서와 같이 360°일 때, x-방향에서 인접한 액정 분자들은 약 360°/(m-1)만큼 회전되며, 여기서 m은 x-방향에서 주기(Λ)에 걸쳐 있는 액정 분자들의 수이다. 예컨대, 예시 목적들을 위해, 주기(Λ)에 걸쳐 있는 7개의 액정 분자들이 존재할 수 있어서, x-방향에서 동일한 수직 레벨의 인접한 액정 분자들은 서로에 대해 약 30°만큼 회전된다. 물론, 키랄 구조들은 다양한 실시예들에서, 임의의 적합한 수의 액정 분자들을 가질 수 있다.
[0147]
예시 목적들을 위해, CLC 층(1158)이 단지 하나의 주기(Λ)만을 갖는 것으로 예시된다는 것이 인지될 것이다. 물론, 실시예들은 이에 제한되지 않고, CLC 층(1158)은 x-방향에서 CLCG의 측방향 치수에 의해 결정되는 임의의 적합한 수의 주기들을 가질 수 있다.
[0148]
CLCG(1150)에 의해 예시된 바와 같이, 측방향, 예컨대, x-방향에서 키랄 구조가 상이하게 배열될 때, 예컨대 연속적으로 회전될 때, 연속적으로 회전된 키랄 구조들은 x-방향을 따라 반사된 광의 상대적 위상들에서 시프트들을 유도한다. 이는, 하나의 주기(Λ)에 x-축 방향의 회전각들(
) 만큼 연속적으로 회전되는 키랄 구조들로 인한 위상 변화(φ)를 플로팅하는 그래프(1170)와 관련하여 예시된다. 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 반사된 광(1018)의 상대적 위상차(Δφ)는 
로서 표현될 수 있으며, 여기서 x는 측방향을 따른 포지션이고, Λ은 주기이다. 대역폭은 
로서 표현될 수 있다.
[0149]
다시 도 10 및 도 11 및 수식들 [1] 및 [2]를 참조하면, 다양한 실시예들에 따라, 브래그-반사된 파장은 키랄 구조들의 나선형 피치(p)를 변동시킴으로써 변동될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 나선형 피치(p)는, 위에서 설명된 바와 같이 회전각 또는 트위스트 각을 유도하는 키랄 화합물의 능력을 지칭하는 HTP(helical twisting power)를 증가 또는 감소시킴으로써 변동될 수 있다. HTP는 차례로, 비-키랄 화합물의 양에 대해 키랄 화합물의 양을 변화시킴으로써 변동될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 키랄 화합물을 비-키랄 화합물, 예컨대 네마틱 화합물(nematic compound)과 화학적으로 및/또는 기계적으로 혼합함으로써, 브래그-반사 파장 및 그에 따른 컬러는 나선형 피치와 키랄 화합물의 상대적 프랙션 간의 역 관계(inverse relationship)에 기초하여 변동될 수 있다. 본원에서 개시된 다양한 실시예들에서, 비-키랄 화합물의 양 대 키랄 화합물의 양의 비는 중량으로 약 20:1, 10:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:10 또는 약 1:20일 수 있다.
[0150]
도 10 및 도 11에 관한 위의 설명에서, 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)은 층 법선에 평행한 방향, 예컨대 z-방향으로 전파되는 것으로서 예시된다. 그러나, 예컨대, 도 6 및 도 7과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 다양한 애플리케이션들에 있어서, 도파관(1182) 내에서 전파되는, 예컨대, TIR(total internal reflection)에 의해 전파되는 광은 오프-축 각도로 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290), 예컨대, 회절 격자들에 충돌한다. 본원에서 설명된 회절 격자들은 아래에서 설명되는 바와 같이, 이러한 구성들에 대한 대역폭 및 회절 효율을 최대화하도록 구성될 수 있다.
[0151]
도 10 및 도 11과 관한 위의 설명에서, 액정 분자들은 전경사지지 않는 것으로 예시된다. 그러나, 실시예들은 이에 제한되지 않고, 액정 분자들은 일부 실시예들에 따라, CLCG의 주 표면에 평행한 방향에 대해, 예컨대, x-y 평면에 대해 약 +/-60도 내지 약 +/-90도 또는 약 +/-65도 내지 약 +/-85도, 예컨대, 약 +/-75도; 약 +/-35도 내지 약 +/-65도 또는 약 +/-40도 내지 약 +/-60도, 예컨대, 약 +/-50도; 약 +/-10도 내지 약 +/-40도 또는 약 +/-15도 내지 약 +/-35도, 예컨대, 약 +/-25도인 전경사각(Φ)을 가질 수 있다. 일부 다른 실시예들에 따라, 전경사각(Φ)은 약±15도 사이 또는 약±10도 사이 또는 약±5 사이, 예컨대, 0도일 수 있다.
오프-축 입사각에서 고 대역폭 반사를 위해 구성된 CLCG들
[0152]
도 12는 오프-축 입사각에서 고 대역폭의 반사를 위해 구성된 CLC 층(1158)의 측 단면도를 예시한다. 본원에서 설명된 바와 같이, 오프-축 입사각은 비-제로 값을 갖는, 층 법선의 방향(예컨대, 도 12에서 z-방향)에 대한 입사 빔(1216)의 입사각(θinc)(이는 반사각(θ)의 브래그-반사된 빔(1220)을 발생시킴)을 지칭한다. 일부 상황들에서, 반사각은 λ/Λ를 변동시킴으로써 제한된 범위로 변동될 수 있다. 어떤 이론에 의해서도 제한됨이 없이, 일부 상황들에서, 오프-축 반사는 다음의 관계에 기초하여 설명될 수 있다 :
여기서, θinc는 층 법선의 방향에 대한 입사각이고, θ는 층 법선의 방향에 대한 반사각이고, n은 반사된 빔이 전파되는 매체의 반사율이다. CLC 층(1158)이 오프-축 각도의 입사 빔(1216)으로 조명될 때, 반사 스펙트럼은 더 짧은 파장들을 향해 시프트될 수 있다. 본원에서 개시된 다양한 실시예들에 따라, 비(λ/Λ)는 0.5 내지 0.8, 0.6 내지 0.9, 0.7 내지 1.0, 0.8 내지 1.1, 0.9 내지 1.2, 1.0 내지 1.6, 1.1 내지 1.5, 또는 1.2 내지 1.4의 값을 가질 수 있다.
[0153]
어떠한 이론에도 얽매임 없이, CLC 층(1158)이 높은 효율로 브래그-반사하도록 구성된 오프-축 각도는 또한 키랄 구조들의 나선형 피치(p)에 의존할 수 있다.
[0154]
도 13a 및 도 13b는 오프-축 입사각들에서의 반사를 위해 구성된 CLC 층들의 측 단면도들을 예시한다. 도 13a를 참조하면, 제1 CLC(cholesteric liquid crystal) 층(1358A)은 제1 나선형 피치(p1)를 갖는 제1 복수의 키랄 구조들을 포함한다. 제1 CLC 층(1358A)은, 제1 입사광 빔(1316A)이 제1 오프-축 각도(θinc,1)로 CLC 층(1358A)의 입사 표면으로 지향될 때 브래그-반사가 최대가 되도록 하는 제1 나선형 피치(p1)를 가지며, 이는 제1 반사각(θ1)의 제1 반사된 광 빔(1320A)을 발생시킨다. 예시된 바와 같이, CLC 층(1358A)은 추가로, 비교적 높은 회절 효율이 획득될 수 있는 오프-축 입사각들의 제1 범위(1324A)를 갖도록 구성된다. 제1 범위(1324A)는 오프-축 입사각들의 범위에 대응할 수 있으며, 이 범위 외부에서, 제1 반사된 광 빔(1320A)의 세기는 예컨대, 1/e를 초과하여 떨어진다. 예컨대, 제1 범위(1324A)는 θinc,1±3°, θinc,1±5°, θinc,1±7°, θinc,1±10° 또는 θinc,1±20°의 값들을 가질 수 있다.
[0155]
도 13b를 참조하면, 제1 CLC(cholesteric liquid crystal) 층(1358A)과 상이한 제2 CLC 층(1358B)은 도 13a의 제1 CLC 층(1358A)의 제1 나선형 피치(p1)와 상이한 제2 나선형 피치(p2)를 갖는 제2 복수의 키랄 구조들을 포함한다.
[0156]
예시된 바와 같이, 제2 CLC 층(1358B)은, 제2 입사광 빔(1316B)이 제1 오프-축 각도(θinc1)와 상이한 제2 오프-축 각도(θinc,2)에서 CLC 층(1358B)의 입사 표면으로 지향될 때, 제1 반사각(θ1)과 상이한 제2 반사각(θ2)을 갖는 제2 반사된 광 빔(1320B)이 생성되도록 구성된다. 예시된 바와 같이, CLC 층(1358B)은 추가로, 도 13a와 관련하여 위에서 설명된 제1 범위(1324A)와 유사한, 오프-축 각도들의 제2 범위(1324B)를 갖도록 구성된다.
[0157]
도 13c는 복수의 오프-축 입사각들 및 높은 회절 대역폭에서의 브래그-반사를 위해, 스택된 구성에서 상이한 나선형 피치들을 갖는 복수의 CLC 층들을 포함하는 CLCG(1358)의 측 단면도를 예시한다. CLCG(1358)는 다른 하나 위에, 예컨대, 스택된 구성으로 그리고 서로 접촉하게 형성되는, 도 13a 및 도 13b와 관련하여 위에서 설명된 CLC 층들(1358A, 1358B)을 각각 포함한다. 상이한 나선형 피치들을 포함하는 복수의 CLC 층들(1358A, 1358B)의 다양한 파라미터들은, CLCG(1358)가 단 하나의 CLC를 이용하여 획득될 수 있는 것보다 더 넓은 범위의 오프-축 각도들에 걸친 높은 회절 효율을 위해 그리고 복수의 오프-축 입사각들에서의 효율적인 반사를 위해 구성되도록 개선되거나 최적화될 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예들에서, p1 및 p2는, 결과적인 제1 및 제2 범위들(1324A 및 1324B)이 제1 및 제2 범위들(1324A 및 1324B)을 포함하는 인접한 파장 범위에 걸쳐 높은 회절 효율을 제공하기 위해 적어도 부분적으로 중첩되도록 선택될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, p1 및 p2는 제1 및 제2 범위들(1324A 및 1324B)이 중첩되지 않도록 선택될 수 있다.
[0158]
동작에서, 제1 및 제2 CLC 층들(1358A, 1358B)은 다른 하나 위에 형성되어서, 제1 및 제2 오프-축 각도들(θinc1, θinc2)의 제1 및 제2 입사광 빔들(1316A, 1316B)이 제1 CLC 층(1358A)의 입사 표면으로 지향될 때, 제1 입사광 빔(1316A)은 제1 반사각(θ1)에서 제1 CLC 층(1358A)에 의해 실질적으로 반사되는 반면, 제2 입사광 빔(1358B)은 제1 CLC 층(1358A)을 통해 제2 CLC 층(1358B)의 입사 표면을 향해 실질적으로 투과되고, 제2 반사각(θ2)에서 제2 CLC 층(1358B)에 의해 실질적으로 반사되게 한다. 명료함을 위해 도시되진 않았지만, 위에서 설명된 개념들은 임의의 적합한 수의 CLC 층들로 확장될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0159]
본원에서 그리고 본 명세서 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 층을 통해 "실질적으로 투과"되는 광 빔은, 광이 층을 빠져나갈 때 입사광 세기의 적어도 20%, 30%, 50%, 70% 또는 90%가 남아있는 광을 지칭할 수 있다. 유사하게, 층에 의해 "실질적으로 반사"되는 광 빔은 반사된 광에 입사광 세기의 적어도 20%, 30%, 50%, 70% 또는 90%가 남아있는 광을 지칭할 수 있다.
[0160]
여전히 도 13c를 참조하면, 다양한 실시예들에서, 제1 및 제2 CLC 층들(1358A, 1358B)의 액정 분자들은, CLC 층들(1358A, 1358B)이 위에서 설명된 바와 같이 상이한 HTP(helical twisting power)를 갖도록 상이한 양의 동일한 키랄 화합물을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 CLC 층(1358B)은 제1 CLC 층(1358A)과 비교하면 동일한 키랄 화합물의 더 높은 상대적인 양을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 피치(p)는 키랄 및 비키랄 화합물들을 포함하는 전체 액정 화합물에 대한 키랄 화합물의 프랙션(fraction)에 반비례할 수 있다. 그러나, 실시예들은 이에 제한되지 않고, 제1 및 제2 CLC 층들(1358A, 1358B)은 상이한 키랄 화합물들을 가질 수 있다.
[0161]
또한, 다양한 실시예들에서, 제1 및 제2 CLC 층들(1358A, 1358B)의 액정 분자들은 동일하거나 상이한 키랄 화합물들을 포함하여서, CLC 층들(1358A, 1358B)이 상이한 비들(λ/Λ1 및 λ/Λ2)을 각각 갖게 함으로써, CLC 층들(1358A, 1358B)이 상이한 입사각들(θinc1, θinc2)에서, 예컨대, 수식 [3]에 따라 높은 회절 효율들을 갖도록 구성될 수 있다.
[0162]
여전히 도 13c를 참조하면, 제1 및 제2 CLC 층들(1358A, 1358B)은 일부 실시예들에 따라, 하나 바로 위에 다른 하나가 있는 식으로 제조될 수 있다. 예컨대, 제1 CLC 층(1358A)은 제1 CLC 층(1358A)에 대한 정렬 조건들을 제공하는 정렬 층 상에 증착될 수 있고, 후속적으로 제2 CLC 층(1358B)이 제1 CLC 층(1358B) 상에 증착될 수 있다. 이러한 제조 조건들 하에서, 제1 CLC 층(1358A)의 표면은 제2 CLC 층(1358B)에 대한 정렬 조건들을 제공할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, CLC 층들(1358A, 1358B) 각각은 별개의 정렬 층들을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 제1 CLC 층(1358A)은 제1 정렬 층 상에 형성될 수 있고, 제2 정렬 층은 제1 CLC 층(1358A) 상에 형성될 수 있고, 제2 CLC 층(1358B)이 제2 정렬 층 상에 있다. 일부 실시예들에 따라, 제2 정렬 층 및/또는 제2 CLC 층(1358B)을 형성하기 전에, 격리 층, 예컨대 얇은 산화물 층이 제1 CLC 층(1358A) 상에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 2개의 CLC 층들(1358A, 1358B)이 상이한 기판들 상에 개별적으로 제조되고 후속적으로 스택될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 예컨대, 접착성을 향상시키기 위해 2개의 CLC 층들(1358A, 1358B) 사이에 중간층이 형성될 수 있다.
[0163]
상이한 오프-축 각도들에서 최적의 회절 효율을 위해 최적화된 복수의 CLC 층들을 갖는 CLCG들과 관련하여 위에서 설명된 개념들은 다른 대안적인 실시예들로 확장될 수 있다. 특히, 일부 실시예들에서, 복수의 층들을 형성하는 대신에, 단일 CLC 층이 상이한 오프-축 각도들에서 최적의 회절 효율을 위해 최적화된 상이한 구역들을 갖도록 구성될 수 있다.
[0164]
도 14는 높은 회절 대역폭을 갖는 상이한 수직 구역들에서 복수의 오프-축 입사각들의 브래그-반사를 위해 깊이 방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 수직 구역들을 갖는 단일 CLC 층(1404)을 포함하는 CLCG(1400)의 측 단면도를 예시한다. CLC 층(1404)은, 깊이 방향에서 균일한 피치를 갖는 단 하나의 CLC 층만을 사용하여 획득될 수 있는 것보다 넓은 범위의 오프-축 각도들에 걸쳐 높은 회절 효율이 획득될 수 있도록 최적화되는 상이한 파라미터들, 예컨대, 상이한 나선형 피치들을 갖는 복수의 수직 구역들을 갖는다. 예시된 실시예에서, 단일 CLC 층(1404)은 상이한 나선형 피치들(p1, p2, p3 및 p4)을 각각 가질 수 있는 복수의 수직 구역들(1404A, 1404B, 1404C 및 1404D)을 포함한다. 도 13c와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게, 나선형 피치들(p1, p2, p3 및 p4)은, 복수의 수직 구역들(1404A, 1404B, 1404C 및 1404D)이 각각, 입사각들(θincA, θincB, θincC 및 θincD)에서 최적의 회절 효율을 위해 구성되도록 선택될 수 있으며, 이는 각각, 상이한 수직 깊이들에서 대응하는 반사각들(θA, θB, θC 및 θD)의 반사된 광 빔을 발생시킨다. 또한, 도 13c와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게, CLC 층(1404)은 추가로, 비교적 높은 회절 효율이 획득될 수 있는 오프-축 각도들의 각각의 범위들을 갖도록 구성된다. 물론, 명확성을 위해 4개의 수직 구역들이 예시되지만, 임의의 적합한 수의 구역들이 CLC 층(1404)에 포함될 수 있다. 또한, 복수의 CLC 층들을 갖는 도 13c의 CLCG(1358)와 관련하여 위에서 설명된 상이한 변동들이 CLCG(1400)에 적용 가능할 수 있다.
[0165]
도 14의 예시된 실시예에서, 나선형 피치들(p1, p2, p3 및 p4)의 값들은 입사 표면(1404S)으로부터의 깊이가 증가함에 따라 감소하여서, 나선형 피치의 감소하는 구배가 깊이 방향에서 생성된다(음의 z-방향). z-방향에서 층 깊이의 함수로서 나선형 피치의 감소 레이트가 CLC 층(1404)의 두께에 걸쳐 균일할 때, 깊이와 나선형 피치 사이의 선형 관계를 표현하는 그래프(1408)가 획득될 수 있다. 그러나, 실시예들을 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 나선형 피치들(p1, p2, p3 및 p4)은 일부 다른 실시예들에 따라, 임의의 깊이에서 증가 또는 감소할 수 있고 층 깊이의 함수로서 상이한 레이트로 변할 수 있다.
[0166]
나선형 피치의 구배를 갖는 CLC 층(1404)은 CLC 층의 상이한 깊이들에서 액정 분자들의 HTP(helical twisting power)를 변동, 예컨대 증가 또는 감소시킴으로써 제조될 수 있다. HTP는 차례로, 키랄 화합물의 상대적인 양을 변화시킴으로써 공간적으로 변동될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 상이한 수직 깊이들에서 키랄 화합물을 비-키랄 화합물, 예컨대 네마틱 화합물과 화학적으로 및/또는 기계적으로 혼합함으로써, 수직 구역들(1404A, 1404B, 1404C 및 1404D)의 나선형 피치들은, 키랄 화합물의 상대적 프랙션과 나선형 피치 사이의 역관계에 기초하여, 각각 상이한 입사각들(θincA, θincB, θincC 및 θincD)에서 최적의 회절 효율을 위해 구성될 수 있다. 예컨대, UV 조사 하에서 상이한 반응 레이트들로 중합 프로세스를 거치는 상이한 화학 컴포넌트들(예컨대, 키랄 다이-아크릴레이트 단량체들 및 네마틱/비-키랄 모노-아크릴레이트 단량체들)의 혼합물이 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, HTP는 CLC 층의 상이한 깊이들에서 UV 조사의 조사 조건들(노출 세기 및/또는 노출 시간을 포함함)을 변화시킴으로써 공간적으로 변동될 수 있다. HTP는 또한 UV 조사 이전, 이후 그리고/또는 그 중간의 열 처리를 포함하는 UV 중합 프로세싱의 사전/사후 프로세싱을 변동시킴으로써 공간적으로 변동될 수 있다. 예컨대, UV 흡수 염료가 혼합물에 첨가될 때, CLC 층의 상이한 깊이에서 UV 광의 세기 구배가 생성될 수 있다. 예컨대, UV 세기 구배로 인해, 표면 근처의 중합은 CLC 층의 하부 구역에 비해 더 빠른 레이트로 진행될 수 있다. 예컨대, 콜레스테릭 컴포넌트들이 디-아크릴레이트일 때, 결과적인 중합체에 통합될 확률은, 네마틱 모노-아크릴레이트가 중합체에 통합될 확률보다 훨씬 더 높을 수 있는 데, 예컨대 2배만큼 높을 수 있다. 일부 상황들 하에서, 전반적인 중합 레이트는, CLC 층의 표면 구역 근처의 키랄 다이아크릴레이트의 고갈이 CLC 층의 깊이 방향에서 디-아크릴레이트 농도 구배를 생성하도록 제어된다. 이는 차례로, CLC 층의 표면 구역을 향한 디-아크릴레이트의 확산을 개시한다. 완전한 광-중합 후의 결과는, CLC 층의 표면 구역이 보다 많은 키랄 재료를 함유하고 이에 따라 비교적 더 많은 양의 비-키랄 화합물을 함유하는 CLC 층의 하부 구역에 비해 더 짧은 나선형 피치를 갖는다는 것일 수 있다. 일부 다른 상황들 하에서, 나선형 피치 구배를 제어하기 위해 중합 프로세스에서 UV 조사 이전/이후 또는 그 중간에 열처리가 부가될 수 있다. 따라서, 열처리 유무에 관계없이, 2개의 상이한 액정 단량체들 간의 비 및/또는 UV 조사량을 제어함으로써, CLC 층의 깊이 방향을 따른 나선형 피치 구배를 획득될 수 있다.
[0167]
일부 애플리케이션들의 경우, 층 법선 방향에 직교하는 측방향을 따라 변동시키기 위해, 회절 격자의 소정의 광학 특성들, 이를테면, 다른 파라미터들 중에서도, 오프-축 회절 효율, 굴절률, 파장 선택성, 편광 선택성, 및 위상 선택성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 도 6 및 도 7과 관련하여 위에서 예시된 바와 같이, 예컨대, 격자가 도파관과 함께 스택될 때, 광이 측방향으로 전파되도록 측방향 변동이 바람직할 수 있다. 그러나, 이러한 구성 하에서, 광의 세기는 광이 도파관(예컨대, 도 7의 1182) 내에서 전파됨에 따라 감쇠될 수 있다. 이러한 구성들은 또한, 예컨대, 사용자 경험을 최대화하기 위해 인간 눈과 연관된 감지 효율의 공간적 및/또는 각도 변화에 적응하도록 격자(예컨대, 도 7의 1282)에 걸친 광 세기를 의도적으로 왜곡(skew)하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 공간적으로 변동되는 광학 특성들을 갖는 광학 엘리먼트들, 예컨대 회절 격자에 대한 필요성이 존재한다.
[0168]
도 15는 공간적으로 변동되는 브래그-반사를 위해 측방향을 따라 상이한 나선형 피치들을 갖는 측방향 구역들을 갖는 CLC 층을 포함하는 CLCG의 측 단면도를 예시한다. CLC 층(1424)은 측방향으로 변동되는 성질들, 예컨대, 브래그-반사를 위해 측방향으로 변동되는 오프-축 입사각들이 획득될 수 있도록, 상이한 액정 재료 파라미터들, 예컨대 나선형 피치들을 갖는 복수의 측방향 구역들을 갖는다. 예시된 실시예에서, CLC 층(1424)은 각각이 주기(Λ)를 갖고 각각의 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)을 갖는 복수의 측방향 구역들(1424A, 1424B, 및 1424c)을 포함한다. 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)은 복수의 수직 구역들(1424A, 1424B 및 1404C)이 각각 상이한 오프-축 입사각들(θincA, θincB 및 θincC)에서 최적의 회절 효율을 위해 구성되도록 선택될 수 있으며, 이는 각각, 대응하는 반사각들(θA, θB 및 θC)에서의 반사된 광 빔들을 발생시킨다. 또한, 도 13c와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게, CLC 층(1424)의 상이한 측방향 구역들은 추가로 비교적 높은 회절 효율이 획득될 수 있는 오프-축 각도들의 유사한 각각의 범위들을 갖도록 구성된다. 물론, 명확성을 위해 3개의 수직 구역들이 예시되지만, 임의의 적합한 수의 구역들이 CLC 층(1424)에 포함될 수 있다.
[0169]
도 15의 예시된 실시예에서, 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)의 크기들은 나선형 피치의 구배가 생성되도록 측방향으로 단조적으로(monotonically) 변할 수 있다. x-방향에서 나선형 피치의 변화 레이트가 CLC 층(1424)의 폭 또는 길이에 걸쳐 균일할 때, 그래프(1428)에서 예시된 바와 같이, 길이 또는 폭과 나선형 피치 사이의 선형 관계가 획득될 수 있다. 그러나, 실시예들을 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)은 다양한 다른 실시예들에 따라, 임의의 측방향 포지션에서 증가 또는 감소할 수 있고 길이 또는 폭을 따라 x-방향에서 상이한 레이트로 변할 수 있다.
[0170]
다양한 실시예들에 따라, CLC 층들은, 예컨대, 액정 분자들의 공간적으로 변동되는 정렬 특성들 또는 다른 재료 성질들에 의해 측방향으로 변동되는 회절 특성들을 갖도록 제조될 수 있다. 예컨대, 도 14와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로, 예컨대, 상이한 측방향 구역들에서 2개의 상이한 액정 단량체들 간의 비 및/또는 UV 조사량을 제어함으로써, 측방향 나선형 피치 구배가 측방향 치수를 따라 달성될 수 있다.
파장-선택적 광 커플링을 위해 CLCG에 커플링된 도파관들
[0171]
위에서 설명된 바와 같이, 광의 인커플링 및 아웃커플링을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 대해, 도파관 디바이스는 TIR(total internal reflection)에 의해 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도 16은 CLCG(1150)에 커플링된 도파관(1604)을 포함하는 광학 광도파 디바이스(1600)의 예를 예시한다. CLCG(1150)는 도 11과 관련하여 위에 설명된 키랄 구조들(1162-1, 1162-2, ... 1162-i)과 유사한 방식으로 복수의 키랄 구조들로서 배열되는 액정 분자들을 포함한다. 도파관(1604)은 CLCG(1150) 위에 배치되고 CLCG(1150)에 광학적으로 커플링된다. 타원형/원형 편광된 입사광(1016-R/L)이 키랄 구조들의 액정 분자들의 회전 방향과 매칭되는 편광 핸디드니스를 가질 때, 입사광(1016-R/L)은 CLCG(1150)에 의해 브래그-반사되고, 커플링된 광이 TIR(total internal reflection)에 의해 측방향(예컨대 x-방향)으로 이동하게 하는 각도로 도파관(1604) 내로 커플링된다. 어떠한 이론에도 얽매임 없이, TIR 조건은 회절 각(θ)이 도파관의 임계 각(θC)보다 클 때 만족될 수 있다. 일부 상황들 하에서, TIR 조건은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서 nt는 도파관(1604)의 굴절률이다. 다양한 실시예들에 따라, nt는 약 1 내지 약 2, 약 1.4 내지 약 1.8 또는 약 1.5 내지 약 1.7일 수 있다. 예컨대, 도파관은 폴리카보네이트 또는 유리와 같은 중합체를 포함할 수 있다.
[0172]
도 17a는 제1 CLCG(1750A)에 커플링되고, θ>θc3일 때 TIR(total internal reflection)에 의해 제3 파장(λ3)을 갖는 광을 전파시키도록 구성된 제1 도파관(1704A)을 포함하는 제1 광학 광도파 디바이스(1700A)를 예시한다. 제1 CLCG(1750A)는 제1 주기(Λ1) 및 제1 나선형 피치(p1)를 갖는다. 일부 실시예들에 따라, 제1 광도파 디바이스(1700A)는 가시 스펙트럼(예컨대, 약 400nm 내지 700nm의 파장들을 가짐)의 광을 TIR에 의해 전파시키도록 구성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에 따라, 제1 광도파 디바이스(1700A)는 적외선 스펙트럼(예컨대, 약 700nm 내지 1400nm의 파장들을 갖는 스펙트럼의 근적외선 부분)의 광을 TIR에 의해 전파시키도록 구성될 수 있다. 도 10 및 도 11과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 브래그-반사는 위의 수식 [1]에 의해 표현된 파장에서 그리고 위의 수식 [2]에 의해 표현된 파장의 대역폭(Δλ) 내에서 발생한다. 예컨대, 제1 CLCG(1750A)는 청색 컬러(예컨대, 약 450nm), 녹색 컬러(예컨대, 약 550nm), 적색 컬러(예컨대, 약 650nm) 또는 적외선 중 하나에서 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 입사광(1736)을 TIR에 의해 커플링하도록 설계될 수 있다. 예시된 바와 같이, Δλ가 약 60nm, 약 80nm 또는 약 100nm일 때, 위에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 파장들(λ1, λ2)을 갖는 제1 및 제2 광(1716 및 1726)은 수식 [1]이 이러한 컬러들에 대해 만족되지 않기 때문에 실질적으로 투과되며, 이는 수식 [4]가 만족되지 않기 때문에 제1 도파관(1704) 내로 커플링되지 않는다.
[0173]
도 17b는 도 17a 관련하여 위에 예시된 제1 광학 광도파 디바이스(1700A)와 결합된 제2 광학 광도파 디바이스(1700B)를 예시한다. 광학 광도파 디바이스(1700B)는 광학 광도파 디바이스(1700A)에 후속하는 광학 경로에 배치되고, 제2 CLCG(1750B)에 커플링되고 θ>θc2일 때 TIR(total internal reflection)에 의해 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 광(1726)을 전파시키도록 구성되는 제2 도파관(1704B)을 포함한다. 제2 CLCG(1750B)는 제2 주기(Λ2) 및 제2 나선형 피치(p2)를 갖는다. 도 17a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 파장들(λ1, λ2)을 갖는 제1 및 제2 광(1716 및 1726)은 실질적으로 제1 광학 광도파 디바이스(1700A)를 통해 투과된다. 투과된 제1 및 제2 광(1716 및 1726) 중에서, 제2 CLCG(1750B)이 θ>θc2일 때, 청색 컬러(예컨대, 약 450nm), 녹색 컬러(예컨대, 약 550nm), 적색 컬러(예컨대, 약 650nm) 또는 적외선 중 투과된 하나에서 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 입사광(1726)을 TIR에 의해 커플링하도록 설계될 수 있다. 따라서, 예시된 바와 같이, Δλ가 약 60nm, 약 80nm 또는 약 100nm일 때, 위에서 설명된 바와 같이, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광(1716)은 추가로 제2 광도파 디바이스(1700B)를 통해 실질적으로 투과된다.
[0174]
도 17c는 도 17b와 관련하여 위에 예시된 제1 및 제2 광학 광도파 디바이스들(1700A 및 1700B)와 결합된 제3 광학 광도파 디바이스(1700C)를 예시한다. 제3 광학 광도파 디바이스(1700C)는 제1 및 제2 광학 광도파 디바이스들(1700A 및 1700B)에 후속하는 광학 경로에 배치되고, 제3 CLCG(1750C)에 커플링되고 θ>θc1일 때 TIR(total internal reflection)에 의해 제1 파장(λ2)을 갖는 제1 광(1716)을 전파시키도록 구성되는 제3 도파관(1704C)을 포함한다. 제3 CLCG(1750C)는 제3 주기(Λ3) 및 제3 나선형 피치(p3)를 갖는다. 도 17b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광(1716)은 제1 및 제2 광도파 디바이스들(1700A 및 1700B)을 통해 실질적으로 투과된다. 제3 CLCG(1750C)는 θ>θc1일 때, 청색 컬러(예컨대, 약 450nm), 녹색 컬러(예컨대, 약 550nm), 적색 컬러(예컨대, 약 650nm) 또는 적외선 중 투과된 하나에서 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 입사광(1716)을 TIR에 의해 커플링하도록 설계될 수 있다. 따라서, 예시된 바와 같이, Δλ가 약 60nm, 약 80nm 또는 약 100nm일 때, 위에서 설명된 바와 같이, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광(1716)은 수식 [4]가 만족되기 때문에 제3 도파관(1704C) 내로 실질적으로 커플링된다.
[0175]
따라서, 도 17a 내지 도 17c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제 1, 제2 및 제3 광학 광도파 디바이스들(1700A, 1700B 및 1700C) 중 하나 이상을 동일한 광학 경로에 배치함으로써, 상이한 파장들(λ1, λ2 및 λ3)을 갖는 제1 및 제2 및 제3 광(1716, 1726 및 1736) 중 하나 이상은 TIR에 의해, 각각, 제 1, 제2 및 제3 도파관들(1704A, 1704B 및 1704C) 중 하나에서 전파되도록 커플링될 수 있다. 도 17a 내지 도 17c 각각에서, 제1 내지 제3 광학 광도파 디바이스들(1704A, 1704B 및 1704C) 각각은, 각각 전용 제1 내지 제3 도파관들(1704A, 1704B 및 1704C) 및 전용 제1 내지 제3 CLCG들(1750A, 1750B 및 1750C)를 갖지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 단일 도파관은 도 18과 관련하여 아래에 예시되는 바와 같이, 복수의 CLCG들의 스택으로부터의 브래그-반사된 광을 TIR에 의해 커플링할 수 있다. 또한, 3개보다 큰(또는 3개 미만의) 임의의 적합한 수의 광학 광도파 디바이스들이 또한 브래그-반사에 의한 추가의 선택적 커플링을 위해 결합될 수 있다.
[0176]
도 18은 복수의 CLCG들(1750)에 커플링된 공통 도파관(1704)을 포함하는 광학 광도파 디바이스(1800)를 예시한다. 복수의 CLCG들(1750)은 제1 내지 제3 CLCG들(1750A-1750C)을 포함하고, TIR(total internal reflection)에 의해, 제3, 제2 및 제1 파장들(λ3, λ2 및 λ1)을 각각 갖는 제3, 제2 및 제1 광들(1736, 1726 및 1716)을 전파시키도록 구성되는 스택으로서 구성된다. TIR은, 도 17a 내지 도 17c와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 제3, 제2 및 제1 광들(1736, 1726 및 1716) 중 하나 이상이 조건(
및 
)을 각각 만족할 때 발생한다. 또한, 유사한 방식으로, 제 1, 제2 및 제3 CLCG들(1750A, 1750B 및 1750C)은, 
및 
일 때 제3, 제2 및 제1 광(1736, 1726 및 1716)을 각각 선택적으로 브래그-반사하도록 구성된다. 물론, 3개 보다 크거나 작은(또는 3개 미만)의 임의의 적합한 수의 CLCG들이 브래그-반사에 의한 추가의 선택적 커플링을 위해 스택될 수 있다. 따라서, 도 17b 및 도 17c와 관련하여 위에서 설명된 실시예들과 비교하여, 공통 도파관(1704)을 이용함으로써 보다 콤팩트한 광도파 디바이스(1800)가 획득될 수 있다. 또한, (도 18에 도시된 바와 같이) 3개의 별도의 CLCG 층들 대신에, CLCG 층들의 스택은 p1 내지 p3의 범위를 포함하는 나선형 피치 구배를 갖는 단일(또는 다중) 층들로서 배열될 수 있다.
[0177]
도 17a 내지 도 18과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제1 내지 제3 CLCG들(1750, 1750B, 1750C)은 각각 제1 내지 제3 주기들(Λ1, Λ2 및 Λ3) 및 각각 제1 내지 제3 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)을 갖는다. 다양한 실시예들에서, CLCG들 각각은 파장/주기 비(λ/Λ)가 약 0.3 내지 2.3, 약 0.8 내지 1.8 또는 약 1.1 내지 약 1.5, 예컨대, 약 1.3이 되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 주기(Λ)는 CLCG들이 브래그-반사를 위해 구성되는 각각의 파장(λ)보다, 약 1nm 내지 250nm 더 작거나, 약 50nm 내지 200nm 더 작거나, 또는 약 80nm 내지 170nm 더 작게 되도록 구성될 수 있다. 예컨대, λ1, λ2 및 λ3이 각각, 가시 범위 내에 있을 때, 예컨대 약 620nm 내지 약 780nm, 예컨대 약 650nm(적색), 약 492nm 내지 약 577nm, 예컨대 550(녹색), 및 약 435nm 내지 약 493nm, 예컨대 약 450nm(청색)일 때, 대응하는 주기들(λ1, λ2 및 λ3)은 각각, 약 450nm 내지 약 550nm, 예컨대 약 500nm, 약 373nm 내지 약 473nm, 예컨대 약 423nm 및 약 296nm 내지 약 396nm, 예컨대 약 346nm일 수 있다. 대안적으로, λ1, λ2 및 λ3이 적외선 범위, 예컨대 약 750nm 내지 약 1400nm의 근적외선 범위, 예컨대, 약 850nm일 때, 대응하는 주기들(Λ1, Λ2 및 Λ3)은 약 975nm 내지 약 1820nm, 예컨대 약 1105nm일 수 있다. 또한, 다양한 실시예들에서, CLCG들 각각은 파장/나선형 피치 비(λ/p)가 약 0.6 내지 2.6, 약 1.1 내지 2.1 또는 약 1.4 내지 약 1.8, 예컨대, 약 1.6이 되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 나선형 피치(p)는 CLCG들이 브래그-반사를 위해 구성되는 각각의 파장(λ)보다, 약 50nm 내지 350nm 더 작거나, 약 100nm 내지 300nm 더 작거나, 또는 약 140nm 내지 280nm 더 작게 되도록 구성될 수 있다. 예컨대, λ1, λ2 및 λ3이 각각, 예컨대 약 620nm 내지 약 780nm, 예컨대 약 650nm(적색), 약 492nm 내지 약 577nm, 예컨대 550(녹색), 및 약 435nm 내지 약 493nm, 예컨대 약 450nm(청색)일 때, 대응하는 나선형 피치들(p1, p2 및 p3)은 각각, 약 350nm 내지 약 450nm, 예컨대 약 400nm, 약 290nm 내지 약 390nm, 예컨대 약 340nm 및 약 230nm 내지 약 330nm, 예컨대 약 280nm일 수 있다. 대안적으로, λ1, λ2 및 λ3이 적외선 범위, 예컨대 약 750nm 내지 약 1400nm의 근적외선 범위, 예컨대, 약 850nm일 때, 대응하는 주기들(Λ1, Λ2 및 Λ3)은 약 1200nm 내지 약 2240nm, 예컨대 약 1360nm일 수 있다.
파장-선택적 광 커플링을 위해 CLCG 및 미러에 커플링된 도파관들
[0178]
도 19는 도 16과 관련하여 위에서 설명된 광학 광도파 디바이스와 유사하게, CLCG(1150)에 커플링된 도파관(1604)을 포함하는 광학 광도파 디바이스(1900)를 예시한다. 도 10 및 도 11과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 동작에서, 타원형/원형 편광으로 입사광의 편광의 핸디드니스가 CLCG(1150)의 키랄 구조들의 액정 분자들과 동일한 회전 방향을 가질 때, CLCG(1150)는 실질적으로 입사광을 반사한다. 예시된 바와 같이, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-L) 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)이 표면(1050S) 상에 입사된다. 예시된 실시예에서, 키랄 구조들의 액정 분자들은, 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)이 이동하는 방향 즉, 음의 z-방향에서 볼 때 시계 방향으로 연속적으로 회전되어서, 액정 분자들의 회전 방향이 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)의 핸디드니스와 매칭되게 한다. 그 결과, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)은 CLCG(1150)에 의해 실질적으로 반사되는 반면, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔(1016-L)은 실질적으로 CLCG(1150)을 통해 투과된다.
[0179]
일부 애플리케이션들의 경우, 도 19와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 광도파 디바이스 내로의 커플링 이전에 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광 핸디드니스를 플립핑(flip)하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 입사된 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광 핸디드니스가 CLCG의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되지 않아서, CLCG가 위에서 논의된 바와 같이 도파관 내로의 커플링을 위해 브래그-반사되도록 구성되지 않을 때가 바로 그 경우일 수 있다. 일부 다른 애플리케이션들의 경우, 입사된 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광 핸디드니스 및 CLCG의 키랄 구조들의 회전 방향 간의 매칭의 결여로 인해 CLCG를 통해 투과되는 광을 재활용(recycle)하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 및 다른 요구들을 해결하기 위해, 이하에서, 이러한 요구들을 해결하기 위해 편광 변환 반사기를 사용하는 광도파 디바이스들의 다양한 실시예들이 개시된다.
[0180]
도 20은 CLCG(1604)에 커플링된 도파관(1150) 및 편광 변환 반사기(2004)를 포함하는 광학 광도파 디바이스(2000)를 예시하며, 여기서 CLCG(1604)는 입사광을 수신하도록 구성되고, 도파관(1150)은 TIR(total internal reflection)에 의해 CLCG로부터 브래그-반사된 광을 전파시키도록 구성된다. 편광 변환 반사기(2004)는, 그로부터의 반사 시에, 입사된 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광 핸디드니스가 상반되는 편광 핸디드니스로 플립핑(예컨대, 좌향-우향 또는 우향-좌향)되도록 구성된다. 광도파 디바이스(2000)는, 도파관(1150)을 통해 입사광 빔을 먼저 수신하도록 구성되는 대신에, 광도파 디바이스(2000)는 CLCG(1604)를 통해, 예컨대, 좌향 원형 편광을 갖는 입사광 빔(2016-L)을 먼저 수신하도록 구성된다는 것을 제외하면, 도 19와 관련하여 위에서 설명된 광도파 디바이스(1900)와 유사하다. 입사광 빔(2016-L)은 입사광 빔(2016-L)의 전파 방향(음의 z-방향)에서 볼 때 CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되지 않는 편광 핸디드니스를 가져서, 그것은 CLCG(1604)에 의해 브래그-반사되지 않는다. 그 결과, 입사광 빔(2016-L)은 CLCG(1604)를 통해 실질적으로 투과되고, 편광 변환 반사기(2004)에 의해 후속적으로 반사된다. 예컨대, 우향 원형 편광을 갖는 반사된 광 빔(2016-R)은 그리하여 도파관(1150)의 표면(1150S) 상의 입사광 빔이 된다. 플립핑된 편광 핸디드니스로 인해, 이제 도파관(1150)의 표면(1150S) 상에 입사되는 반사된 광 빔(2016-R)은 반사된 광 빔(2016-R)의 전파 방향(양의 z-방향)에서 볼 때 CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되는 편광의 핸디드니스를 가져서, 그것은 CLCG(1604)에 의해 브래그-반사된다. 층 법선 방향(z-축) 에 대해 각도(θ>θc)에서 반사된 추가의 반사된 빔(2018)으로서 반사되는 반사된 광 빔(2016-R)은 도파관(1150)에 커플링되고 측방향(예컨대, x-방향)으로 도파관(1150)을 통해 이동한다.
[0181]
도 21a는 입사광 빔(2116)이 선형으로 편광되거나 또는 편광되지 않는 조건 하에서 도 20과 관련하여 위에서 설명된 광학 광도파 디바이스(2000)를 예시하며, 그 각각은 좌향 및 우향 원형 편광 컴포넌트들 둘 모두를 포함하는 것으로서 취급될 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 입사광 빔(2116)은 상반되는 측방향들에서 TIR에 의해 도파관 내로 커플링될 수 있다. 예컨대, 도 20과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게, CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되지 않는 편광 핸디드니스, 예컨대, 좌-핸디드니스(left-handedness)를 갖는 입사광 빔(2116)의 컴포넌트는 CLCG(1604)를 통해 실질적으로 투과되고, 편광 변환 반사기(2004)에 의해 후속적으로 반사되어, 편광 핸디드니스가 플립핑, 예컨대, 우-핸디드니스(right-handedness)로 플립핑되고, 도파관(1150) 내로 커플링되고 제1 측방향(예컨대, 양의 x-방향)으로 도파관(1150)을 통해 이동한다. 한편으로, 도 19와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게, CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되는 편광 핸디드니스, 예컨대 우-핸디드니스를 갖는 입사광 빔(2116)의 컴포넌트는, CLCG(1604)에 의해 실질적으로 직접 반사되고, 도파관(1150) 내로 후속적으로 커플링되고, 제1 측방향에 상반되는 제2 측방향(예컨대, 음의 x-방향)으로 도파관(1150)을 통해 이동한다.
[0182]
도 21b는, 입사광이 2개의 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들, 예컨대, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-L) 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)로 편광되는 조건 하에서 도 21a와 관련하여 위에서 설명된 광학 광도파 디바이스(2000)를 예시한다. 그러한 조건들 하에서, 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)은 위에서 도 21a와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로, 상반되는 측방향들에서 전파되기 위해 TIR에 의해 도파관 내로 커플링될 수 있다. 예컨대, CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되지 않는 편광 핸디드니스, 예컨대, 좌-핸디드니스를 갖는 광 빔들(1016-L)의 컴포넌트는 CLCG(1604)를 통해 실질적으로 투과되고, 편광 변환 반사기(2004)에 의해 후속적으로 반사되어, 편광 핸디드니스가 플립핑, 예컨대, 우-핸디드니스로 플립핑되고, 도파관(1150) 내로 커플링되고 제1 측방향(예컨대, 양의 x-방향)으로 도파관(1150)을 통해 이동한다. 한편으로, CLCG(1604)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되는 편광 핸디드니스, 예컨대 우-핸디드니스를 갖는 입사광 빔들(1016-R)의 컴포넌트는, CLCG(1604)에 의해 실질적으로 직접 반사되고, 도파관(1150) 내로 후속적으로 커플링되고, 제1 측방향에 상반되는 제2 측방향(예컨대, 음의 x-방향)으로 도파관(1150)을 통해 이동한다.
[0183]
도 22a는 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLCG(2204) 및 제1 회전 방향에 상반되는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLCG(2208)를 포함하는, 예컨대, 스택으로서 배열되는 복수의 CLCG들에 커플링된 공통 도파관(2204)을 포함하는 광학 광도파 디바이스(2200)를 예시한다. 다양한 실시예들과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 동작에서, 입사광 빔의 편광 방향의 방향이 CLCG의 키랄 구조들의 액정 분자들의 회전 방향과 매칭될 때, 입사광은 반사된다. 예시된 광학 광도파 디바이스(2200)는 입사광 빔(2116)이 선형으로 편광되거나 편광되지 않는 조건 하에 있다. 이러한 조건들 하에서, 입사광 빔(2116)은 상반되는 측방향들 둘 모두(양 및 음의 x 방향들)에서 TIR에 의해 도파관 내로 커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 입사광(2116)이 이동하는 방향, 즉 음의 z-방향에서 볼 때, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 액정 분자들은 시계 방향으로 연속적으로 회전되는 반면, 제2 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 액정 분자들은 상반되는 반시계 방향으로 연속적으로 회전된다.
[0184]
여전히 도 22a를 참조하면, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 회전 방향, 예컨대, 시계 방향과 매칭되는 제1 편광 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 입사광 빔(2116)의 컴포넌트, 예컨대 우향 편광된 컴포넌트는, 제1 CLCG(2204)에 의해 실질적으로 반사되고, 그리하여 층 법선 방향(z-축)에 대해 각도(θ>θc1)의 제1 반사된 빔(2118A)을 발생시키고, 공통 도파관(2204)에 커플링되고 제1 측방향(예컨대, 양의 x-방향)으로 공통 도파관(2204)을 통해 이동한다.
[0185]
여전히 도 22a를 참조하면, 한편으로, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 회전 방향과 매칭되지 않는 제2 편광 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 입사광 빔(2116)의 컴포넌트, 예컨대 우향 편광된 컴포넌트는 제1 CLCG(2204)를 통해 실질적으로 투과된다. 제1 CLCG(2204)를 통해 투과된 후에, 제2 CLCG(2208)의 키랄 구조들의 회전 방향, 예컨대, 반시계 방향과 매칭되지 않은 제2 편광 핸디드니스(2116)를 갖는 타원형 또는 원형 입사광 빔(2116)은, 제2 CLCG(2208)에 의해 실질적으로 반사되고, 그리하여 층 법선 방향(z-축)에 대해 각도(θ>θc2)의 제2 반사된 빔(2118B)을 발생시키고, 공통 도파관(2204)에 커플링되고 제2 측방향(예컨대, 음의 x-방향)으로 공통 도파관(2204)을 통해 이동한다.
[0186]
도 22b는, 예컨대, 입사광이 2개의 직교 타원형 또는 원형 편광된 광 빔들, 예컨대, 좌향 타원형/원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-L) 및 예컨대, 우향 타원형/원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-R)로 편광되는 상이한 조건 하에서 도 22a와 관련하여 위에서 설명된 광학 광도파 디바이스(2000)를 예시한다. 이러한 조건 하에서, 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)은, 제1 및 제2 편광 핸디드니스, 예컨대, 좌-핸디드니스 및 우-핸디드니스를 갖는 입사광 빔들(1016-L, 1016-R)을 커플링하기 위해, 위에서 도 22a와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로, 상반되는 측방향들에서 TIR에 의해 공통 도파관(2204) 내로 커플링될 수 있다.
[0187]
도 21b 및 도 22b와 관련하여 위에서 설명된 실시예들은 예컨대, 상이한 광 신호들(즉, 이미지들)이 직교 원형 편광들로 인코딩되는 소정의 애플리케이션들에서 특히 유리할 수 있다. 이러한 상황들 하에서, 광은 편광 핸디드니스에 의존하여 상반되는 방향들(예컨대, 양 및 음의 x-방향들)로 커플링될 수 있다.
[0188]
도 22c는 제1 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제1 CLCG(2204) 및 제1 회전 방향에 상반되는 제2 회전 방향을 갖는 키랄 구조들을 갖는 제2 CLCG(2208)를 포함하는, 예컨대, 스택으로서 배열되는 복수의 CLCG들에 커플링된 공통 도파관(2250)을 포함하는 광학 광도파 디바이스(2220)를 예시한다. 도 22a 및 도 22b와 관련하여 설명된 실시예들과 달리, 광도파 디바이스(2220)에서, 공통 도파관(2250)은 제1 및 제2 CLCG 층들(2204, 2208) 사이에 개재된다. 예시 목적들로, 예시된 광학 광도파 디바이스(2220)는 입사광 빔(2116)이 선형으로 편광되거나 편광되지 않는 조건 하에 있다. 이러한 조건들 하에서, 입사광 빔(2116)은 상반되는 측방향들에서 TIR에 의해 도파관 내로 커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 입사광(2116)이 이동하는 방향, 즉 음의 z-방향에서 볼 때, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 액정 분자들은 시계 방향으로 연속적으로 회전되는 반면, 제2 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 액정 분자들은 상반되는 반시계 방향으로 연속적으로 회전된다. 물론, 상반되는 어레인지먼트가 가능하다.
[0189]
여전히 도 22c를 참조하면, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 회전 방향, 예컨대, 시계 방향과 매칭되는 제1 편광 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 입사광 빔(2116)의 컴포넌트, 예컨대 우향 편광된 컴포넌트는, 제1 CLCG(2204)에 의해 실질적으로 반사되고, 그리하여 층 법선 방향(z-축)에 대해 각도(θ>θc1)의 제1 반사된 빔(2118A)을 발생시키며, 이는 결국, 공통 도파관(2250)에 커플링되고 TIR에 의해 제1 측방향(예컨대, 음의 x-방향)으로 공통 도파관(2250)을 통해 이동하기 전에, 제1 CLCG(2204)의 외부 표면으로부터 반사된다.
[0190]
여전히 도 22c를 참조하면, 한편으로, 제1 CLCG(2204)의 키랄 구조들의 회전 방향, 예컨대, 시계 방향과 매칭되지 않는 제2 편광 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 입사광 빔(2116)의 컴포넌트, 예컨대 우향 편광된 컴포넌트는 실질적으로 제1 CLCG(2204)를 통해 그리고 추가로 공통 도파관(2204)을 통해 투과되고, 그 후 제2 CLCG(2208)에 의해 실질적으로 반사되고, 그리하여 층 법선 방향(z-축)에 대해 각도(θ>θc2)의 제2 반사된 빔(2218B)을 발생시키고, 공통 도파관(2250)에 커플링되고 TIR에 의해 제2 측방향(예컨대, 양의 x-방향)으로 공통 도파관(2250)을 통해 이동한다.
콜레스테릭 액정 오프-축 미러
[0191]
다양한 실시예들과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 입사되는 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광의 핸디드니스를 CLC 층의 키랄 구조들의 액정 분자들의 회전 방향과 매칭시킴으로써, CLC 층이 브래그-반사기로서 구성될 수 있다. 또한, 상이한 나선형 피치들을 갖는 하나 이상의 CLC 층들은 높은 대역폭을 갖는 파장 선택적 브래그-반사기로서 구성될 수 있다. 다양한 실시예들과 관련하여 본원에서 설명된 개념들에 기초하여, CLC 층들은 제1 파장 범위, 예컨대, 적외선 파장들(예컨대, 근적외선)을 선택적으로 반사시키면서 다른 파장 범위, 예컨대, 가시 파장을 투과시키도록 구성된 오프-축 미러로서 구성될 수 있다. 이하, 눈-추적 시스템들에서 구현된 CLC 오프-축 미러들의 다양한 실시예들의 애플리케이션이 개시된다.
[0192]
도 23은 다양한 실시예들에 따라 CLCR(cholesteric liquid crystal reflector), 예컨대 뷰어의 눈(302)을 이미징하도록 구성된 파장-선택적 CLCR(1150)을 사용하는 눈-추적 시스템(2300)의 예를 예시한다. 눈 추적은 다른 애플리케이션들 중에서도, 가상/증강/혼합 현실 디스플레이 애플리케이션들을 위한 웨어러블 디스플레이들, 예컨대, 도 2의 웨어러블 디스플레이 시스템(200) 또는 도 24a 내지 도 24h에 설명된 시스템들(700)을 포함하는 상호작용식 비전 또는 제어 시스템들에서 핵심적인 특징일 수 있다. 양호한 눈 추적을 달성하기 위해, 낮은 원근 각들에서 눈(302)의 이미지들을 획득하는 것이 바람직할 수 있으며, 이를 위해, 결국 뷰어의 눈들의 중앙 포지션 근처에 눈 추적 카메라(702b)를 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 카메라(702b)의 이러한 포지션은 사용자의 뷰를 방해할 수 있다. 대안적으로, 눈-추적 카메라(702b)는 더 낮은 포지션 또는 측에 배치될 수 있다. 그러나, 카메라의 이러한 포지션은, 눈 이미지들이 더 가파른 각도로 캡처되기 때문에 강건하고 정확한 눈 추적을 획득하는 어려움을 증가시킬 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 세계로부터의 가시 광(2304)을 투과시키면서, 눈(302)으로부터 적외선(IR) 광(2308)(예컨대, 850nm의 파장을 가짐)을 선택적으로 반사시키도록 CLCR(1150)을 구성함으로써, 카메라(702b)는 보통 또는 낮은 원근 각들에서 눈 이미지들을 캡처하는 동안 사용자의 부로부터 떨어져 배치될 수 있다. 이러한 구성은 가시 광이 반사되지 않기 때문에 사용자의 뷰를 방해하지 않는다. 동일한 CLCR(1150)는 또한 예시된 바와 같이 IR 조명 소스(2320)로서 구성될 수 있다. IR 조명기의 낮은 원근각은 예컨대, 눈썹들로부터 폐색들을 더 초래할 수 있으며, 이 구성은 정반사들의 보다 확실한 검출을 허용한다(이는 현대의 눈-추적 시스템들에서 핵심적인 특징일 수 있음).
[0193]
도 23을 계속 참조하면, 다양한 실시예들에 따라, CLCR(1150)은 위에서 설명된 바와 같이, 복수의 키랄 구조들을 각각 포함하는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층을 포함하며, 각각의 키랄 구조는, 층 깊이 방향(예컨대, z-방향)으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함한다. 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들은 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 입사광을 실질적으로 투과시키면서, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 입사광을 실질적으로 브래그-반사하도록 구성되게 한다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 CLC 층들 각각은 층 깊이 방향에서 볼 때, 제1 회전 방향에 매칭되는 편광의 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 편광된 제1 및 제2 입사광을 실질적으로 브래그-반사하도록 구성되는 반면, 층 깊이 방향에서 볼 때, 제1 회전 방향에 상반되는 편광의 핸디드니스를 갖는 타원형 또는 원형 편광된 제1 및 제2 입사광을 실질적으로 투과시키도록 구성된다. 실시예들에 따라, 측방향에서 주기적으로 변동하는 액정 분자들의 어레인지먼트들은, 제1 파장과 주기 사이의 비가 약 0.5 내지 약 2.0이 되도록 측방향에서의 주기를 갖게 배열된다. 실시예들에 따르면, 제1 파장은 약 600nm 내지 약 1.4 ㎛의 근적외선 범위, 예컨대, 약 850nm이며, 제2 파장은 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 하나 이상의 컬러들을 갖는 가시 범위에 있다. 실시예들에 따라, 키랄 구조들의 액정 분자들은 층 깊이 방향에 법선인 방향에 대해 전경사지지 않는다. 구성된 바와 같이, 하나 이상의 CLC 층들은, 제1 입사광이 예컨대, 위에서 설명된 수식 [3]에 기초하여, 층 깊이 방향에 대해 약 50°, 약 60°, 약 70° 또는 약 80°를 초과하는 층 깊이 방향(z-방향)에 대한 각도(θR)에서 반사되도록 구성된다.
[0194]
다시 도 2를 참조하면, HMD(head mounted display)(예컨대, 도 2의 웨어러블 디스플레이 시스템(200))의 착용자의 눈들은 예컨대, HOE(Holographic Optical Element)일 수 있는 반사성 오프-축 DOE(Diffractive Optical Element)를 이용하여 이미징될 수 있다. 결과적인 이미지들은 눈 또는 눈들을 추적하고, 망막을 이미징하고, 3차원으로 눈 형성을 재구성하고, 눈으로부터 바이오메트릭 정보를 추출(예컨대, 홍채 식별)하는 등을 행하는 데 사용될 수 있다.
[0195]
HMD(head mounted display)가 착용자의 눈들의 상태에 대한 정보를 사용할 수 있는 다양한 이유들이 존재한다. 예컨대, 이 정보는 착용자의 시선 방향을 추정하거나 바이오메트릭 식별을 위해 사용될 수 있다. 그러나, HMD와 착용자의 눈들 사이의 짧은 거리로 인해 이 문제는 난제이다. 시선 추적은 더 넓은 시야를 필요로 하는 반면, 바이오메트릭 식별은 홍채에 관한 타겟 상에 비교적 많은 수의 픽셀들 필요로 한다는 사실에 의해 더욱 복잡해진다. 이들 목적들 둘 모두 달성하려고 시도하는 이미징 시스템의 경우, 2개의 작업들의 요건들이 크게 동떨어져 있다. 마지막으로, 두 문제들은 눈꺼풀들 및 속눈썹들에 의한 차폐에 의해 더욱 복잡해진다. 본원에서 설명된 이미징 시스템들의 실시예들은 이들 문제들 중 일부 또는 전부를 해결한다. 도 24a 내지 도 24f를 참조하여 본원에서 설명된 이미징 시스템들(700)의 다양한 실시예들은 본원에서 설명된 디스플레이 디바이스들을 포함하는 HMD(예컨대, 도 2에 도시된 웨어러블 디스플레이 시스템(200) 및/또는 도 6에 도시된 디스플레이 시스템(1000))와 함께 사용될 수 있다.
[0196]
도 24a는 눈(304)을 뷰잉하는 데 사용되고 착용자의 관자놀이 부근에(예컨대, 도 2의 웨어러블 디스플레이 시스템(200)의 프레임(64), 예컨대, 귀 스템(ear stem) 상에) 장착되는 이미저(702b)를 포함하는 이미징 시스템(700)의 예를 개략적으로 예시한다. 다른 실시예들에서, 각각의 눈이 개별적으로 이미징되도록 제2 이미저가 착용자의 다른 눈(302)에 대해 사용된다. 이미저(702b)는 적외선 방사에 민감한 적외선 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 이미저(702b)는 (도 6에 도시된 카메라(500)에서와 같이) 후방을 향하고 눈(304)으로 지향되기 보다는, 그것이 전방(착용자의 비전 방향으로)을 향하도록 장착된다. 이미저(702b)를 착용자의 귀에 더 가깝게 배치함으로써, 이미저(702b)의 무게는 또한 귀에 더 가깝고, 이미저가 후향성이고 HMD의 전방에 더 가까이(예컨대 도 2의 디스플레이(62)에 근접함) 배치되는 HMD와 비교하여, 이 HMD는 착용하기가 더 쉬울 수 있다. 또한, 전향 이미저(702b)를 착용자의 관자놀이 근처에 배치함으로써, 착용자의 눈(304)으로부터 이미저까지의 거리는, HMD의 전방 근처에 배치된 후향 이미저와 비교해서(예컨대, 도 4에 도시된 카메라(500)와 비교) 대략 2배만큼 크다. 이미지의 피사계 심도는 대략 이 거리에 비례하기 때문에, 전향 이미저(702b)에 대한 피사계 심도는 후향 이미저에 비해 대략 2배만큼 크다. 이미저(702b)에 대한 더 큰 피사계 심도는 크거나 돌출된 코들, 눈썹 리지(brow ridge) 등을 갖는 착용자의 눈 구역을 이미징하는데 유리할 수 있다.
[0197]
이미저(702b)는 다르게 투명한 광학 엘리먼트(706)의 내부 표면(704)을 뷰잉하도록 포지셔닝된다. 광학 엘리먼트(706)는 HMD의 디스플레이(708)(또는 안경 한점의 렌즈)의 부분일 수 있다. 광학 엘리먼트(706)는 광학 엘리먼트 상에 입사되는 가시 광의 적어도 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 또는 그 이상을 투과시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 광학 엘리먼트(706)는 (예컨대, 가상 현실 디스플레이에서) 투명할 필요는 없다. 광학 엘리먼트(706)는 CLC 오프-축 미러(708)를 포함할 수 있다. CLC 오프-축 미러(708)는 제2 파장 범위(즉, 제1 파장 범위와 상이함)에 대해 실질적으로 투과성이면서 제1 파장 범위를 반사하는 표면일 수 있다. 제1 파장 범위는 적외선에 있을 수 있고, 제2 파장 범위는 가시적인 상태에 있을 수 있다. 예컨대, CLC 오프-축 미러(708)는 가시광을 투과시키면서 적외선을 반사하는 핫 미러(hot mirror)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 착용자로부터의 적외선(710a, 712a, 714a)은 광학 엘리먼트(706)로 전파되고 그리고 이로부터 반사되어, 이미저(702b)에 의해 이미징될 수 있는 반사된 적외선(710b, 712b, 714b)을 발생시킨다. 일부 실시예들에서, 이미저(702b)는 CLC 오프-축 미러(708)에 의해 반사된 제1 파장 범위의 적어도 서브세트(이를테면, 넌-엠티 서브세트(non-empty subset) 및/또는 전부보다 적은 서브세트)를 캡처할 정도로 민감하거나 이를 캡처할 수 있을 수 있다. 예컨대, CLC 오프-축 미러(708)는 700nm 내지 1.5㎛의 범위의 적외선을 반사할 수 있고, 이미저(702b)는 700nm 내지 900nm의 파장들에서 근적외선을 캡처할 정도로 민감하거나 이를 캡처할 수 있다. 다른 예로서, CLC 오프-축 미러(708)는 700nm 내지 1.5 ㎛의 범위의 적외선을 반사할 수 있고, 이미저(702b)는 900nm 내지 1.5 ㎛ 범위의 적외선을 필터링하는 필터를 포함할 수 있어서, 이미저(702b)가 700nm 내지 900nm의 파장에서 근적외선을 캡처할 수 있게 한다.
[0198]
외부 세계(1144, 도 6)로부터의 가시광은 광학 엘리먼트(706)를 통해 투과되고 착용자에 의해 지각될 수 있다. 사실상, 도 24a에 도시된 이미징 시스템(700)은, 착용자의 눈(304)을 향해 다시 지향되는 가상 이미저(702c)가 존재하는 것처럼 작용한다. 가상 이미저(702c)는 광학 엘리먼트(706)를 통해 착용자의 눈(704)으로부터 전파되는 가상 적외선(710c, 712c, 714c)(점선들로 도시됨)을 이미징할 수 있다. 핫 미러(또는 본원에서 설명된 다른 DOE)가 광학 엘리먼트(706)의 내부 표면(704) 상에 배치될 수 있지만, 이는 제한이 아니다. 다른 실시예들에서, 핫 미러 또는 DOE는 광학 엘리먼트(706)의 외부 표면 상에 또는 광학 엘리먼트(706) 내에 배치될 수 있다(예컨대, 볼륨 HOE).
[0199]
도 24b는 이미징 시스템(700)의 다른 예를 개략적으로 예시한다. 이 실시예에서, 이미저(702b)와 함께 원근 제어 렌즈 어셈블리(716b)(예컨대, 시프트 렌즈 어셈블리, 틸트 렌즈 어셈블리 또는 틸트-시프트 렌즈 어셈블리)를 사용함으로써 원근 왜곡이 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원근 제어 렌즈 어셈블리(716b)는 이미저(702b)의 렌즈의 부분일 수 있다. 원근 제어 렌즈(716b)는 이미저(702b)에 대한 법선이 DOE(또는 HOE) 또는 핫 미러를 포함하는 표면(704)의 구역에 대한 법선과 실질적으로 평행하도록 구성될 수 있다. 사실상, 도 24b에 도시된 이미징 시스템(700)은, 착용자의 눈(304)을 향해 다시 지향되는 가상 원근 제어 렌즈 어셈블리(716c)를 갖는 가상 이미저(702c)가 존재하는 것처럼 작용한다.
[0200]
부가적으로 또는 대안적으로, 도 24c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광학 엘리먼트(706)의 CLC 오프-축 미러(708)는 그의 표면(704) 상에, 반사된 광(710b, 712b, 714b)을 캡처하는 카메라 이미저(702b)에 의한 눈(304)의 뷰잉을 용이하게 하도록 광(710a, 712a, 714a)을 반사시키는 데 사용되는 OAHM(off axis holographic mirror)를 가질 수 있다. OAHM(708)은 광 파워를 또한 가질 수 있으며, 이 경우에, 그것은 도 24d에 개략적으로 도시된 바와 같이, OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element)일 수 있다. 도 24d에 도시된 예에서, 가상 카메라(702c)의 효과적인 위치는 무한대에 있다(그리고 도 24d에서 도시되지 않음).
[0201]
일부 실시예들에서, HOE(예컨대, OAHM 또는 OAVDOE)는 복수의 세그먼트들로 분할될 수 있다. 이들 세그먼트들 각각은, 예컨대, 세그먼트들이 인입하는 (적외선) 광 또는 광 파워를 반사하는 반사각들을 포함하여 상이한 광학 성질들 또는 특성들을 가질 수 있다. 세그먼트들은 광이 각각의 세그먼트로부터 이미저(702b)를 향해 반사되도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 이미저(702b)에 의해 획득된 이미지는 또한 각각이 상이한 각도로부터 눈을 효과적으로 뷰잉하는 세그먼트들의 대응하는 수로 분할될 것이다. 도 24e는, 각각이 상이한 각도 위치에서 눈(304)을 이미징하는 각각의 가상 카메라(702c1, 702c2, 702c3)로서 작용하는 3개의 세그먼트들(718a1, 718a2, 718a3)을 구비한 OAHM을 갖는 디스플레이 시스템(700)의 예를 개략적으로 예시한다.
[0202]
도 24F는 각각이 광학력(예컨대, 세그먼팅된 OAVDOE)을 갖는 3개의 세그먼트들(718a1, 718a2, 718a3)을 구비한 OAHM을 갖는 디스플레이 시스템(700)의 다른 예를 개략적으로 예시하며, 각각의 세그먼트는 상이한 각도 위치에서 눈(304)을 이미징하는 무한대의 가상 카메라를 생성한다. 도 24e 및 도 24f에 3개의 세그먼트들이 개략적으로 예시되지만, 이는 예시를 위한 것이며 제한이 아니다. 다른 실시예들에서, 2개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 그 이상의 세그먼트들이 활용될 수 있다. HOE의 이러한 세그먼트들 중 어느 것도, 일부가 또는 전부가 광 파워를 가질 수 없다.
[0203]
3개의 세그먼트들(718a1, 718a2, 718a3)은 도 24e 및 도 24f에서 광학 엘리먼트(706)에 걸쳐 수평으로 이격된 것으로 도시된다. 다른 실시예들에서, 세그먼트들은 광학 엘리먼트(706) 상에서 수직으로 이격될 수 있다. 예컨대, 도 24g는 2개의 수직으로 이격된 세그먼트들(718a1 및 718a2)을 갖는 DOE(718)를 개략적으로 도시하며, 세그먼트(718a1)는 이미저(702b)(세그먼트(718a1)와 동일한 일반 수평면에 있을 수 있음)를 향해 광을 다시 반사시키도록 구성된 CLC 오프-축 미러를 포함하고 세그먼트(718a2)는 이미저(702b)를 향해 상향으로 광을 반사시키도록 구성된다. 이중 초점 렌즈들과 유사하게, 도 24g에 도시된 어레인지먼트는, 이미징 시스템(700)이, 착용자가 HMD의 상위 부분을 통해 전방을 바라볼 때 상위 세그먼트(718a1)로부터 이미저(702b)에 의해 획득된 반사 이미저리를 사용하고(실선 화살표를 통해 개략적으로 도시됨), 착용자가 HMD의 하위 부분을 하향을 바라볼 때 하위 세그먼트(718a2)로부터의 반사 이미저리를 사용(파선 화살표를 통해 개략적으로 도시된)할 수 있게 하는데 있어 유리할 수 있다
[0204]
수평으로 이격된 세그먼트와 수직으로 이격된 세그먼트의 혼합이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 예컨대, 도 24h는 각각이 CLC 오프-축 미러를 포함하는 세그먼트들의 3×3 어레이를 갖는 HOE(718)의 다른 예를 도시한다. 이미저(702b)는, 눈 구역으로부터의 상이한 영역들 및 각도 방향들로부터 나오는 광선들을 표현하는 이들 9개의 세그먼트들 각각으로부터 반사 데이터를 획득할 수 있다. 눈 구역으로부터 HOE(718)로 전파되고 이미저(702b)로 다시 반사되는 두 개의 예시적인 광선들이 실선 및 파선으로서 도시된다. 이미징 시스템(700)(또는 프로세싱 모듈(224 또는 228))은 복수의 세그먼트들로부터의 반사 데이터를 분석하여 눈의 3-차원 형상 또는 눈의 시선 방향(예컨대, 눈 포즈)을 다중입체적으로(multiscopically) 계산할 수 있다.
[0205]
세그먼트들을 활용하는 광학 시스템(700)의 실시예들은 다수의 이익들을 가질 수 있다. 예컨대, 세그먼트들은 특정 작업에 가장 적합한 특정 세그먼트들을 선택함으로써 개별적으로 사용될 수 있거나, 또는 세그먼트들은 눈의 3-차원 형상 또는 포즈를 다중입체적으로 추정하기 위해 집단적으로 사용될 수 있다. 전자의 경우에, 이러한 선택성은 예컨대, 눈꺼풀들 또는 속눈썹들에 의해 가장 적은 차폐를 갖는 착용자의 홍채의 이미지를 선택하는 데 사용될 수 있다. 후자의 경우에, 눈의 3차원 재구성은 (예컨대, 각막의 팽창의 위치의 추정에 의한) 배향 또는 (예컨대, 동공의 외견상 위치 상의 렌즈 유도 왜곡의 추정에 의한) 원근조절을 추정하는 데 사용될 수 있다.
노치 반사기에 기초한 편광 변환기들
[0206]
광-필드 디스플레이를 실현하기 위해, 가상 이미지들의 포커스가 조정되어 이접운동-원근조절 충돌을 해결해야 한다. 디스플레이와 사용자의 눈들 사이에서 가상 이미지들의 포커스를 변경하기 위해 가변 포커스 렌즈들이 배치될 수 있다. 그러나 가변/스위칭 가능 포커스 렌즈들 대부분은 편광 민감성인 반면, 프로젝팅된 가상 이미지들은 제대로 편광되지 않을 수 있다. 이러한 디스플레이들은 편광 둔감성 렌즈들(종종 한 쌍의 렌즈 세트들) 또는 편광기(비-투과 편광에서의 광의 손실로 인해 밝기의 >50% 감소함)를 필요로 할 수 있다. 콤팩트한/광-효율적인 가변 포커스 광-필드 디스플레이들을 제조하기 위해 가상 이미지 편광의 효율적인 변환이 요구된다.
[0207]
증강 현실 디스플레이들에서 가상 이미지들을 생성하기 위해, 다수의 협-대역 소스들(예컨대, 적색, 녹색, 청색(RBG) LED들 또는 레이저)이 종종 사용된다. 도파관-기반 디스플레이 시스템은 회절 광학 엘리먼트들로 구성되어 이미지들을 사용자의 눈들에 프로젝팅할 수 있다. 프로젝팅된 이미지는 종종, 이미지의 잘-정의된 편광이 도파관 내로 주입될 때조차도 편광 순도(polarization purity)를 보존하지 못 한다.
[0208]
본원에서 설명된 바와 같이, 노치 반사기는 일반적으로, 실질적으로 변경되지 않은 대부분의 파장들의 광을 투과시키지만, 비교적 높은 효율로 특정 범위의 파장들 내의 광을 반사하는 광 반사기를 지칭한다. 광이 반사되는 파장들의 특정 범위는 "노치(notch)"라고 칭해진다. 노치 반사기는 때로는 협대역 반사기로서 또한 지칭된다. 노치에서의 파장 범위는 예컨대 <10nm, <50nm, <100nm, <250nm, 또는 이들 값들 중 임의의 2개에 의해 정의된 범위를 포함하는 상이한 범위일 수 있다. 노치 반사기들은 다수의 유전체 층들(다층), 액정들, 메타물질들, 메타구조들 등으로 형성될 수 있다. 노치 반사기들은 회절 광학 엘리먼트, 표면 또는 볼류메트릭 홀로그램 등을 포함할 수 있다. 노치 반사기들은 기판 재료(예컨대, 중합체 또는 유리) 상에 적층될 수 있다. 본원에서 설명된 구현들 대부분에서, RGB 광을 반사하기 위해, 반사기는 다수의 노치 반사기들을 포함하며, 각각의 반사기의 노치는 특정 RGB 컬러들 중 하나로 튜닝된다(예컨대, 반사기는 R-노치 반사기, G-노치 및 B-노치 반사기를 포함함). 따라서, 각각의 노치의 파장 범위는 디스플레이에 주입된 광의 파장 범위와 매칭될 수 있다(예컨대, R-노치는 적색 LED 또는 레이저에 의해 주입된 적색 광의 파장 범위와 매칭되고, G 및 B 노치들에 대해서도 마찬가지임).
[0209]
본원에서 설명된 다양한 실시예들은 하나 이상의 활성 층들이 형성되어 있는 투과성 기판, 예컨대 폴리싱된 유리 또는 중합체 기판을 포함하는 노치 반사기를 포함한다. 본원에서 설명된 바와 같이, 활성 층은 본원에서 설명된 노치 반사 특성들 중 하나 이상을 제공하도록 구성된 층 또는 코팅을 포함한다. 하나 이상의 활성 층들은 약 50nm, 약 70nm, 약 100nm 약 150nm의 파장 범위(Δλ)를 갖거나 또는 이들 값들 중 임의의 것 미만의 범위에 있거나 이들 값들 중 임의의 2개에 의해 정의된 범위에 있는 광을 노치-반사하도록 구성되며, 여기서 파장은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 적색 광, 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 녹색 광, 또는 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 청색 광 주위에 집중된다. 일부 실시예들에서, 파장 범위(Δλ)는 약 620-780nm의 적색 광 범위, 약 492-577nm의 녹색 광 범위, 또는 약 435-493nm의 청색 광 범위를 실질적으로 커버할 수 있다.
[0210]
본원에서 설명된 다양한 실시예들은 편광 노치 반사기로서 구성된 노치 반사기를 포함한다. 노치-반사 범위 내에서, 편광 노치 반사기는 하나의 극성을 갖는 광이 실질적으로 통과할 수 있게 하면서 반대 극성을 갖는 광을 실질적으로 반사한다. 예컨대, 노치 반사 범위 내에서 좌향 원형 편광(left-hand circular polarization; LHCP) 및 우향 원형 편광(right-hand circular polarization; RHCP) 둘 모두를 갖는 광이 편광 노치 반사기 상에 입사될 때, 노치 반사기는, 실질적으로 RHCP 및 LHCP 중 하나를 갖는 광을 반사하면서, RHCP 및 LHCP 중 반대의 하나를 갖는 광을 실질적으로 통과시킬 수 있다. 유사하게, LVP(linear vertical polarization) 및 LHP(linear horizontal polarization) 둘 모두를 갖는 광이 편광 노치 반사기 상에 입사될 때, 노치 반사기는, 실질적으로 LVP 및 LHP 중 하나를 갖는 광을 반사하면서, LVP 및 LHP 중 반대의 하나를 갖는 광을 실질적으로 통과시킬 수 있다.
[0211]
본원에서 설명된 다양한 실시예들은 비-편광 노치 반사기로서 구성된 노치 반사기를 포함한다. 노치 반사 범위 내에서, 비-편광 노치 반사기는 그의 편광에 관계없이 그것에 입사되는 광을 실질적으로 반사한다. 예컨대, 노치 반사 범위 내에서 LHCP 및 RHCP 둘 모두를 갖는 광이 비-편광 노치 반사기 상에 입사될 때, 노치 반사기는 실질적으로 RHCP 및 LHCP 둘 모두를 갖는 광을 반사할 수 있다. 유사하게, LVP 및 LHP 둘 모두를 갖는 광이 편광 노치 필터 상에 입사될 때, 노치 필터는 실질적으로 LVP 및 LHP 둘 모두를 갖는 광을 반사할 수 있다.
[0212]
본원에서 설명된 다양한 실시예들에서, 편광 또는 비-편광 노치 반사기로서 구성된 노치 반사기는 또한, 편광-변환 노치 반사기로서 독립적으로 구성될 수 있다. 노치-반사 범위 내에서, 편광을 갖는 광의 반사 시에, 편광-변환 노치 반사기는 반사된 광의 편광을 반대 극성으로 변환한다. 예컨대, 노치 반사 범위 내에서 LHCP 및 RHCP 중 하나를 갖는 광이 편광-변환 노치 반사기 상에 입사될 때, 노치 반사기는 RHCP 및 LHCP 중 하나를 RHCP 및 LHCP 중 반대의 하나로 변환한다. 유사하게, LVP 및 LHP 중 하나를 갖는 광이 편광 변환 노치 반사기 상에 입사될 때, 노치 반사기는 LVP 및 LHP 중 하나를 LVP 및 LHP 중 반대의 하나로 변환한다.
[0213]
본원에서 설명된 바와 같이, 노치 반사 범위 내에서, 하나 이상의 편광들을 갖는 광을 반사하도록 구성된 노치 반사기는 그것에 입사되는 하나 이상의 편광들을 갖는 광 전부를 실질적으로 반사하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 노치 반사기가 RHCP 및 LHCP 중 하나 또는 둘 모두를 갖는 광을 반사하도록 구성될 때, 노치 반사기는 예컨대, 그것에 입사되는 RHCP 및 LHCP 중 하나 또는 둘 모두를 갖는 광의 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 99% 초과, 99.99% 초과, 99.999% 초과, 또는 99.9999%를 초과하여 반사할 수 있다. 한편, 노치 반사기가 RHCP 및 LHCP 중 다른 하나를 제외한 하나를 갖는 광을 반사하도록 구성될 때, 노치 반사기는 예컨대, 그것에 입사되는 RHCP 및 LHCP 중 다른 하나를 제외한 하나를 갖는 광의 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 99% 초과, 99.99% 초과, 99.999% 초과, 또는 99.9999%를 초과하여 반사할 수 있다. 반대로, 노치 반사기는, 반사되지 않은 광, 예컨대 노치 반사 범위(Δλ) 밖의 파장 또는 노치 반사기가 반사하도록 구성되지 않은 편광을 갖는 광이 실질적으로 완전히 투과되도록 구성되는데, 예컨대, 그것에 입사되는 광의 80% 초과, 90% 초과, 95% 초과, 99% 초과, 99.99% 초과, 99.999% 초과, 또는 99.9999%를 초과가 투과될 수 있다.
[0214]
본원에서 설명된 일부 디스플레이 디바이스들에서, 도파관으로부터 아웃커플링된 일부 광을 리사이클링(recycle)하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 도파관은 하나 초과의 편광을 갖는 광을 아웃커플링할 수 있지만, 사용자에 의해 뷰잉되기 이전에 아웃커플링된 광에 광학 기능 예컨대, 광학력을 행사(exert)하도록 구성되는 광학 엘리먼트 이를테면, 렌즈, 예컨대 투과 또는 반사 렌즈는 편광-선택적일 수 있다. 일부 상황들 하에서, 광학 엘리먼트가 광학 기능을 행사하도록 구성되지 않은 편광을 갖는 광은 사용자에 의해 뷰잉됨 없이 투과될 수 있다. 예컨대, 도파관에 커플링된 렌즈는, 입사되는 타원형 또는 원형 편광된 광의 편광 핸디드니스와 CLCG의 키랄 구조들의 회전 방향 간의 매칭의 결여로 인해, 편광, 예컨대 RHCP 또는 LHCP 중 하나를 갖는 광에 광학력을 행사하면서, 다른 편광, 예컨대, RHCP 또는 LHCP 중 남은 하나를 갖는 광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 이러한 상황들에서, RHCP 또는 LHCP 중 남은 하나를 갖는 광을 리사이클링하여 더 높은 밝기로 사용자에게 뷰잉 경험을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 및 다른 요구들을 해결하기 위해, 이하에서, 이러한 요구들을 해결하기 위해 하나 이상의 편광 변환 반사기를 사용하는 광도파 디바이스(wave-guiding device)들의 다양한 실시예들이 개시된다.
예시적인 원형 편광 변환 디스플레이 디바이스들
[0215]
도 25a는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스(2500A)를 예시한다. 디스플레이 디바이스(2500A)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2512) 사이에 개재된, 접안렌즈로 또한 지칭되는 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 다양한 실시예들에서, 도파관 조립체(2504)는 도 6과 관련하여 위에서 설명된 도파관 조립체(1178)와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 도 6과 관련하여 위에서 설명된 구성과 유사하게, 동작에서, 디스플레이 디바이스(2500A)는 세계(1114)와 눈(4) 사이에 배치되어서, 눈(4)은 디스플레이 디바이스(2500A)로부터 뿐만아니라 세계(1114)로부터 광을 수신하게 된다.
[0216]
특히, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에서, 디스플레이 디바이스(2500A)의 도파관 조립체(2504)는 x-방향에서 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개별 도파관 내에서 광을 전파시키도록 각각 구성된 하나 이상의 도파관들(예컨대, 도 6의 1182, 1184, 1186, 1188, 1190)을 포함한다. 일반적으로 x-방향으로 전파되는 광은, 예컨대, z-방향으로 이미지 정보를 눈(4)에 출력하기 위해 각각의 개별 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관으로부터 광을 추출하도록 구성된 아웃-커플링 광학 엘리먼트들 또는 광 추출 광학 엘리먼트들(예컨대, 도 6의 1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 이용하여 출력될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 명료성을 위해 도시되지 않았지만, 도파관 조립체(2504)는 위에서 설명된 바와 같이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로서 구성된 하나 이상의 CLC 층들로 형성된 CLCG들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 위에서 설명된 도파관 조립체(2504)의 다양한 다른 세부사항들은 본원에서 생략된다.
[0217]
여전히 도 25a를 참조하면, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따른 비-편광 노치 반사기(2508)는, 노치-반사 범위 내에서, 비-편광 노치 반사기(2508)가 그의 편광에 관계없이 그것에 입사되는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 또한, 예시된 실시예에서, 비-편광 반사기는 편광-변환 노치 반사기로서 구성되어서, 편광-변환 노치 반사기는 노치-반사 범위 내에서, 편광을 갖는 광의 반사 시에, 반사된 광의 편광을 반대 극성으로 변환한다. 비-편광 노치 반사기(2508)는 하나 이상의 활성 층들이 형성되어 있는 투과성 기판, 예컨대 폴리싱된 유리 또는 중합체 기판을 포함하는 노치 반사기를 포함한다. 본원에서 설명된 노치 반사기들의 일부 실시예들에서, 기판 상에 형성된 하나 이상의 활성 층들은 하나 이상의 유전체 코팅들을 포함할 수 있으며, 이들의 조합은 위에서 설명된 다양한 노치-반사 특성들이 생기게 한다.
[0218]
여전히 도 25a를 참조하면, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따른 편광 노치 반사기(2512)는, 노치-반사 범위 내에서, 편광 노치 반사기(2512)가 편광-선택적 방식으로 그것에 입사되는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 또한, 예시된 실시예에서, 편광 반사기(2512)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 달리, 편광 노치 반사기(2512)는 편광 변환 노치 반사기로서 구성되지 않도록 구성되어서, 편광을 갖는 광의 반사 시에, 편광 노치 반사기(2512)는 반사된 광의 편광을 반대 극성으로 변환하지 않는다. 편광 노치 반사기(2512)는 하나 이상의 활성 층들이 형성되어 있는 투과성 기판, 예컨대 폴리싱된 유리 또는 중합체 기판을 포함하는 노치 반사기를 포함한다. 본원에서 설명된 노치 반사기들의 일부 실시예들에서, 기판 상에 형성된 하나 이상의 활성 층들은 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함할 수 있다. 기판 상에 형성된 하나 이상의 활성 층들은 위에서 설명된 다양한 실시예들에 따라 설명된 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함할 수 있다.
[0219]
여전히 도 25a를 참조하면, 이하에서, 동작 중인 디스플레이 디바이스(2500A)가 추가로 설명된다. 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광은 원형 편광된 광 빔들(LHCP를 갖는 2516-L 및 RHCP를 갖는 2516-R)을 포함한다. 광 빔들(LHCP를 갖는 2516-L 및 RHCP를 갖는 2516-R)은, 예컨대, 빔들이 편광 노치 반사기(2512)의 표면에 충돌할 때까지, 양의 z-방향으로 이동한다.
[0220]
편광 노치 반사기(2512)는 위에서 설명된 것들과 유사한 키랄 구조들, 예컨대 도 10과 관련하여 위에서 설명된 키랄 구조들(1012-1, 1012-2,… 1012-i)을 갖는 CLC 층(1004)을 포함한다. 동작에서, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들의 조합을 갖는 입사광이 편광 노치 반사기(2512)의 표면 상에 입사될 때, 브래그-반사에 의해, 하나의 원형 편광 핸디드니스를 갖는 광은 CLC 층(1004)에 의해 반사되는 반면, 상반되는 편광 핸디드니스를 갖는 광은 실질적 간섭 없이 CLC 층(1008)을 통해 투과된다. 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 바와 같이, 핸디드니스는 전파의 방향에서 본 것으로서 정의된다. 실시예들에 따라, 광 빔들(2516-L, 2516-R)의 편광의 방향 또는 편광의 핸디드니스가 매칭되어서, 그것이 키랄 구조들(1012-1, 1012-2,…1012-i)의 액정 분자들과 동일한 회전 방향을 가질 때, 입사광이 반사된다. 예시된 바와 같이, 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들(2516-L) 및 우향 원형 편광을 갖는 광 빔들(2516-R)이 CLC 층(1004)의 표면 상에 입사된다. 예시된 실시예에서, 키랄 구조들(1012-1, 1012-2, ... 1012-i)의 액정 분자들은, 입사광 빔들(2516-L, 2516-R)이 이동하는 방향 예컨대, 양의 x-방향에서 시계 방향으로 연속적으로 회전되며, 이는 좌향 원형 편광을 갖는 광 빔들(1016-L)과 동일한 회전 방향이다. 그 결과, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔(2516-L)은 편광 노치 반사기(2512)로부터 실질적으로 반사되는 반면, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔(2516-R)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과된다.
[0221]
CLC 층(1004)으로부터 아웃-커플링되고 LHCP를 갖는 광 빔(2516-L)은 광 빔(2516-L)과 동일한 편광을 보유하는 광 빔(2520-L)으로서 편광 노치 반사기(2512)에 의해 반사된다. 결과적인 광 빔(2520-L)은, 비-편광 노치 반사기(2508)의 편광-변환 특성들로 인해, LHCP를 갖는 광 빔(2520-L)이 비-편광 노치 반사기(2508)에 의해 상반되는 편광 핸디드니스, 예컨대, RHCP를 갖는 광 빔(2520-R)으로 실질적으로 반사될 때까지 비-편광 노치 반사기(2508)를 향해 전파된다. RHCP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-R)은 CLC 층(1004)을 통해 그리고 추가로 편광 노치 반사기(2512)를 통해 실질적으로 투과되어 눈(4)에 진입한다. 요약하여 도 25a를 여전히 참조하면, 도파관 조립체(2504)와 사용자의 눈(4) 사이에 편광 노치 반사기(2512)(예컨대, CLC(cholesteric liquid crystal) 노치 반사기)를 배치함으로써, 하나의 편광(예컨대, RHCP(right-handed circular polarization))을 갖는 광 빔(2516-R)은 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과되는 반면, 직교 편광(예컨대, LHCP(left-handed circular polarization))을 갖는 광(2516-L)은 광 빔(2520-L)으로서 세계(1114)를 향해 반사된다. 다른 노치 반사기인 비-편광 노치 반사기(2508)(예컨대, 다층 노치 반사기)는 세계(1114)와 도파관 조립체(2504) 사이에 배치되고 광 빔(2520-L)을 광 빔(2520-R)로서 사용자의 눈에 다시 반사하도록 구성된다. 편광 노치 반사기(2512), 예컨대 CLC 노치 반사기는 그로부터 반사된 광의 편광을 변환하지 않는 반면, 비-편광 노치 반사기, 예컨대 다층 반사기는 그로부터 반사된 광의 편광을 변환하기 때문에, 광 빔(2516-R)은 또한 도시된 바와 같이 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과될 수 있다. 노치 반사기들(2512, 2508)(예컨대, CLC 및 다층) 둘 모두는 세계(1114)의 이미지들에 대한 영향을 최소화하기 위해 가상 이미지들에 대한 광원들만을 반사하도록 설계될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
예시적인 선형 편광 변환 디스플레이 디바이스들
[0222]
도 25b는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스(2500B)를 예시한다. 도 25a와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2500A)와 유사하게, 디스플레이 디바이스(2500B)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2514), 예컨대 선형 편광 노치 반사기 사이에 개재된 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 도파관 조립체(2504) 및 비-편광 노치 반사기(2508)는 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 구성되고, 이에 따라 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
[0223]
여전히 도 25b를 참조하면, 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 편광 노치 반사기(2512)와 유사하게, 예시된 실시예에서의 편광 노치 반사기(2514)는 노치-반사 범위 내에서, 노치 반사기(2514)가 편광-선택적 방식으로 그것에 입사되는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 또한, 위에서 예시된 실시예에서, 편광 반사기(2514)는, 비-편광 노치 반사기(2508)와 달리, 편광 반사기(2514)가, 반사된 광의 편광을 반대 극성으로 변환하지 않도록 구성된다.
[0224]
그러나, 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 편광 노치 반사기(2512)와 달리, 예시된 실시예에서의 편광 노치 반사기(2514)는 편광 노치 반사기(2514)가 CLC 층을 포함하지 않도록 구성된다. 대신에, 편광 노치 반사기(2514)는 하나 이상의 활성 층들이 형성되어 있는 투과성 기판, 예컨대 폴리싱된 유리 또는 중합체 기판을 포함하는 노치 반사기를 포함한다. 본원에서 설명된 노치 반사기들의 일부 실시예들에서, 기판 상에 형성된 하나 이상의 활성 층들은 하나 이상의 유전체 코팅들을 포함할 수 있으며, 이들의 조합은 위에서 설명된 다양한 노치-반사 특성들이 생기게 한다.
[0225]
여전히 도 25b를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2500B)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 도파관 조립체(2504) 사이에 개재된 1/4-파장판(2510)을 더 포함한다.
[0226]
여전히 도 25b를 참조하면, 이하에서, 동작 중인 디스플레이 디바이스(2500B)가 추가로 설명된다. 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광은 선형 편광된 광 빔들(LVP)을 갖는 2516-V 및 LHP를 갖는 2516-H)을 포함한다. 광 빔들(LVP)을 갖는 2516-V 및 LHP를 갖는 2516-H)은, 예컨대, 빔들이 편광 노치 반사기(2514)의 표면에 충돌할 때까지, 양의 z-방향으로 이동한다. 그 결과, LVP를 갖는 광 빔(2516-V)은 편광 노치 반사기(2514)로부터 실질적으로 반사되는 반면, LHP를 갖는 광 빔(2516-H)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2514)를 통해 투과된다.
[0227]
도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링되고 LVP를 갖는 광 빔(2516-V)은 광 빔(2516-V)과 동일한 편광을 보유하는 광 빔(2520-V)으로서 편광 노치 반사기(2514)에 의해 반사된다. LVP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-V)은 1/4-파장판(2510)을 향해 전파되고 1/4-파장판(2510)을 통해 투과되어, 비-편광 노치 반사기(2508)의 편광-변환 특성들로 인해, 비-편광 노치 반사기(2508)로부터 반사되고 상반되는 편광 핸디드니스, 예컨대 LHP를 갖는 광 빔(2520-H)으로서 1/4-파장판(2510)을 통해 추가로 투과된다. LHP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-H)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2514)를 통해 투과된다.
[0228]
요약하여 여전히 도 25b를 참조하면, CLC-함유 편광 노치 반사기(2512)(도 25a) 대신에, 특정 파장들에 대해 하나의 선형 편광(예컨대, LVP(linear vertical polarization))을 반사하는 편광 노치 반사기(2514)를 배치함으로써 그리고 비-편광 노치 반사기(2508)와 도파관 조립체(2504) 사이에 개재된 1/4-파장판(2510)을 추가로 배치함으로써, 비-편광 노치 반사기(2508)로부터 반사된 광의 편광은 도시된 바와 같이 직교(예컨대, LHP(linear horizontal polarization))가 된다. 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 CLC-함유 노치 반사기와 유사하게, 프로젝팅된 가상 이미지의 편광은 효율적인 방식으로(예컨대, 100% 효율에 근접함) 하나의 선형 편광으로 변환된다.
편광 변환기들에 기초한 가변-포커스 가상 이미징 시스템들
예시적인 선형 편광 가변-포커스 렌즈들
[0229]
도 26a 및 도 26b는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스들(2600A, 2600B)을 예시한다. 디스플레이 디바이스들(2600A 및 2600B)은 구조적으로 동일하다. 디스플레이 디바이스(2600A)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기에서 사용되는 반면, 디스플레이 디바이스(2600B)는 실세계 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다.
[0230]
디스플레이 디바이스(2600A/2600B)는 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 디스플레이 디바이스(2500A)의 다양한 컴포넌트들을 포함하고, 이로부터 출력된 광을 포커싱하고 변환하기 위한 부가적인 광학 컴포넌트들을 더 포함한다. 도 25a와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2500A)와 유사하게, 디스플레이 디바이스(2600A/ 2600B)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2512) 사이에 개재된 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 도파관 조립체(2504), 비-편광 노치 반사기(2508) 및 편광 노치 반사기(2512)는 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 구성되고, 이에 따라 여기에서 추가로 상세하게 설명되지 않는다.
[0231]
디스플레이 디바이스(2600A/2600B)는 부가적으로, 비-편광 노치 반사기(2508), 예컨대 다층 노치 반사기 및 편광 노치 반사기(2512), 예컨대 CLC 노치 반사기의 외부 측들 상에 형성된 제1 1/4-파장판(QWP 1)(2604) 및 제2 1/4-파장판(QWP 2)(2608)을 포함하고, QWP 1(2504) 및 QWP 2(2608)의 외부 측들 상에 형성된 제1 선형 편광 렌즈(L1)(2612) 및 제2 선형 편광 렌즈(L2)(2616)를 더 포함한다. 다양한 실시예들에서, L1 및 L2 중 하나 또는 둘 모두는 스위칭 가능 렌즈들일 수 있으며, 이는 예컨대 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 스위칭 가능할 수 있다. 또한, L1 및 L2 중 하나 또는 둘 모두는, 가변 초점 강도들 또는 초점 깊이들을 가질 수 있으며, 그의 초점 강도들 및 초점 깊이들은 예컨대, 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 제어될 수 있다.
[0232]
도 26a를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2600A)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광은 원형 편광된 광 빔들(LHCP를 갖는 2516-L 및 RHCP를 갖는 2516-R)을 포함한다. 광 빔들(LHCP를 갖는 2516-L 및 RHCP를 갖는 2516-R)은, 예컨대, 빔들이 편광 노치 반사기(2512)의 표면에 충돌할 때까지, 양의 z-방향으로 이동한다. 편광 노치 반사기(2512)에 포함된 CLC 층(1004)으로 인해, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔(2516-L)은 편광 노치 반사기(2512)로부터 실질적으로 반사되는 반면, 우향 원형 편광을 갖는 광 빔(2516-R)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과된다.
[0233]
CLC 층(1004)으로부터 아웃-커플링되고 LHCP를 갖는 광 빔(2516-L)은 광 빔(2516-L)과 동일한 편광을 보유하는 광 빔(2520-L)으로서 편광 노치 반사기(2512)에 의해 반사된다. 결과적인 광 빔(2520-L)은, 비-편광 노치 반사기(2508)의 편광-변환 특성들로 인해, LHCP를 갖는 광 빔(2520-L)이 비-편광 노치 반사기(2508)에 의해 상반되는 편광 핸디드니스, 예컨대, RHCP를 갖는 광 빔(2520-R)으로 실질적으로 반사될 때까지 비-편광 노치 반사기(2508)를 향해 전파된다. RHCP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-R)은 실질적으로 CLC 층(1004)을 갖는 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과된다.
[0234]
편광 노치 반사기(2512)를 빠져나가면, RHCP를 갖는 광 빔들(2516-R 및 2520-R)은 추가로 QWP 2(2608)를 통해 투과되며, 이는 원형 편광된 광 빔들(2516-R 및 2520-R)을 선형 편광된 광 빔들(2520-H 및 2516-H)로 각각 변환한다. 그 후, QWP 2(2608)를 빠져나가면, 광 빔들(2520-H 및 2516-H)은 추가로 L2(2616)를 통해 투과된다. 활성화될 때, L2(2616)는 눈(4)에 의한 뷰잉 전에 광 빔들(2520-H 및 2516-H)을 포커싱된 출력 광 빔들(2620)로 포커싱 또는 디포커싱한다.
[0235]
요약하면, 도 26a의 예시된 실시예는 선형 편광(예컨대, 예시된 실시예에서 LHP)을 갖는 광에 대해 동작하도록 구성된 가변 포커스/스위칭 가능 렌즈들을 갖는 도파관-기반 프로젝션 디스플레이의 일 예를 도시한다. 따라서, 가상 이미지들의 광의 편광은, 광이 편광 노치 반사기(2512), 예컨대 CLC 노치 반사기를 통과함에 따라 원형 편광들 중 하나(예컨대, 도 26a의 RHCP)를 갖도록 변환되고, QWP 2(2608)에 의해 선형 편광들(예컨대, 도 26a의 LHP) 중 하나를 갖도록 추가로 변환된다. 가상 이미지의 포커스는 도 26a에 도시된 바와 같이 L2(2616)에 의해 제어된다.
[0236]
도 26b를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2600B)는 세계(1114)의 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 예시된 바와 같이, LHP 및 LVP를 각각 갖는 입사광 빔들(2632-H 및 2624-V)이 각각 L1(2612)에 진입하고 이를 통해 투과된다. L1(2612)를 빠져나가면, 광 빔들(2632-H 및 2624-V)은 QWP 1(2604)을 통과하며, 이는 각각의 광 빔들을 RHCP 및 LHCP를 갖는 광 빔들(2632-R 및 2624-L)로 각각 변환한다. 광 빔들(2632-R 및 2624-L)은 후속적으로, 비-편광 노치 반사기(2508), 도파관 조립체(2504), 편광 노치 반사기(2512) 및 QWP 2(2608)를 통해 투과되고, 그리하여 각각의 광 빔들을 LHP 및 LVP를 갖는 광 빔들(2636-H 및 2628-V)로 각각 재-변환한다. 그 후, 광 빔들(2636-H 및 2628-V)은 L2(2616)를 통해 투과되고, 그리하여 각각의 광 빔들(2636 및 2628)을 각각 출력한다.
[0237]
실세계 이미지를 출력하기 위해, 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))은 선형 편광 중 하나를 갖는 광에 대해 동작하지만 남은 하나에 대해 동작하지 않도록 구성된다. 결과적으로, 예시된 실시예에서, 입사광 빔들(2632-H 및 2624-V) 중 하나, 예컨대 LHP를 갖는 광 빔(2632-H)은 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))에 의해 영향을 받지 않는다.
[0238]
L1(2612) 및 L2(2616)는 이를 통과하는 광에 대해 반대의 렌즈 효과들 또는 광학력들을 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, L1(2612)이 포커싱 렌즈 효과를 갖도록 구성되는 경우, L2(2616)는 디포커싱 효과를 가져서 반대의 렌즈 효과들이 서로 무효화(negate)하도록 구성될 수 있다. 따라서, 입사광 빔들(2632-H 및 2624-V) 중 남은 하나, 예컨대, LVP를 갖는 광 빔(2632-V)은, L1(2612)의 통과 시에 L1(2612)에 의해 렌즈 효과, 예컨대 포커싱 또는 디포커싱을 겪는다. 그러나, LHCP를 갖는 광 빔(2624-L)으로 변환되고 LVP를 갖는 광 빔(2628-V)으로 다시 변환된 후에, L1(2612)의 렌즈 효과는 반대 렌즈 효과를 갖는 L2(2616)에 의해 무효화된다. 따라서, 광 리타데이션 효과들이 서로를 무효화하는 2개의 1/4-파장판들(QWP 1(2604), QWP 2(2608))이 존재하기 때문에, 그리고 렌즈 효과들이 서로를 무효화하는 2개의 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))이 존재하기 때문에, 도 26b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 눈(4)에 의해 뷰잉되는 바와 같은 세계(1114)의 이미지는 실질적으로 영향을 받지 않는 반면, 가상 이미지는 L2(2616)에 의해 영향을 받을 수 있다.
[0239]
위에서 설명된 바와 같이, CLC 층(1004)을 포함하는 편광 노치 반사기(2512)를 갖는 디스플레이 디바이스(2500A)(도 25a)를 사용하여 수행된 것과 유사한 편광 변환은 또한 CLC 층을 포함하지 않는 편광 노치 반사기(2514)를 갖는 디스플레이 디바이스(2500B)(도 25b)를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 도 26c 및 도 26d는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스들(2600C, 2600D)을 예시하며, 여기서 디스플레이 디바이스들(2600C, 2600D)은 CLC 층을 포함하지 않는 편광 노치 반사기(2514)를 갖는다. 디스플레이 디바이스들(2600C 및 2600D)은 구조적으로 동일하다. 디스플레이 디바이스(2600C)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기에서 사용되는 반면, 디스플레이 디바이스(2600D)는 실제 세계 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다.
[0240]
도 25b와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2500B)와 유사하게, 디스플레이 디바이스(2600C/2600D)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2514) 사이에 개재된 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 도파관 조립체(2504) 및 비-편광 노치 반사기(2508)는 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 구성되고, 이에 따라 여기에서 추가로 상세하게 설명되지 않는다.
[0241]
여전히 도 26c를 참조하면, 도 25b와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로, 예시된 실시예에서의 편광 노치 반사기(2514)는 노치-반사 범위 내에서, 노치 반사기(2514)가 편광-선택적 방식으로 그것에 입사되는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 또한, 위에서 예시된 실시예에서, 편광 반사기(2514)는, 비-편광 노치 반사기(2508)와 달리, 편광 반사기(2514)가 반사된 광의 편광을 반대 극성으로 변환하지 않도록 구성된다.
[0242]
도 25b에 관한 위의 설명과 여전히 유사하게, 예시된 실시예에서의 디스플레이 디바이스(2600C/2600D)의 편광 노치 반사기(2514)는 편광 노치 반사기(2514)가 CLC 층을 포함하지 않도록 구성된다. 또한, 디스플레이 디바이스(2600C/2600D)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 도파관 조립체(2504) 사이에 개재된 제2 1/4-파장판(QWP 1(2510))을 더 포함한다.
[0243]
디스플레이 디바이스(2600C/2600D)는 부가적으로, 비-편광 노치 반사기(2508), 예컨대 다층 노치 반사기의 좌측(세계(1114) 측) 상에 형성된 제1 1/4-파장판(QWP 1)(2604)을 포함하며, QWP 1(2504) 및 편광 노치 반사기(2514)의 외부 측들 상에 각각 형성된 제1 선형 편광 렌즈(L1)(2612) 및 제2 선형 편광 렌즈(L2)(2616)를 더 포함한다. 다양한 실시예들에서, L1 및 L2 중 하나 또는 둘 모두는 스위칭 가능 렌즈들일 수 있으며, 이는 예컨대 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 스위칭 가능할 수 있다. 또한, L1 및 L2 중 하나 또는 둘 모두는, 가변 초점 강도들 또는 초점 깊이들을 가질 수 있으며, 그의 초점 강도들 및 초점 깊이들은 예컨대, 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 제어될 수 있다.
[0244]
도 26c를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2600C)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 도 25b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 예시된 실시예에서, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광은 선형 편광된 광 빔들(LVP)을 갖는 2516-V 및 LHP를 갖는 2516-H)을 포함한다. 광 빔들(LVP)을 갖는 2516-V 및 LHP를 갖는 2516-H)은, 예컨대, 빔들이 편광 노치 반사기(2514)의 표면에 충돌할 때까지, 양의 z-방향으로 이동한다. 이로써, LVP를 갖는 광 빔(2516-V)은 편광 노치 반사기(2514)로부터 실질적으로 반사되는 반면, LHP를 갖는 광 빔(2516-H)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2514)를 통해 투과된다.
[0245]
도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링되고 LVP를 갖는 광 빔(2516-V)은 광 빔(2516-V)과 동일한 편광을 보유하는 광 빔(2520-V)으로서 편광 노치 반사기(2514)에 의해 반사된다. LVP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-V)은 1/4-파장판(2510)을 향해 전파되고 QWP2(2510)를 통해 투과되어, 비-편광 노치 반사기(2508)의 편광-변환 특성들로 인해, 비-편광 노치 반사기(2508)로부터 반사되고 상반되는 편광 핸디드니스, 예컨대 LHP를 갖는 광 빔(2520-H)으로서 QWP2(2510)를 통해 추가로 투과된다. LHP를 갖는 결과적인 광 빔(2520-H)은 실질적으로 편광 노치 반사기(2514)를 통해 투과된다.
[0246]
편광 노치 반사기(2514)를 빠져나가면, LHP를 갖는 광 빔들(2516-V 및 2516-H)은 추가로 L2(2616)를 통해 투과된다. 활성화될 때, L2는 눈(4)에 의한 뷰잉 전에 광 빔들(2520-H 및 2516-H)을 포커싱된 출력 광 빔들(2620)로 포커싱 또는 디포커싱한다.
[0247]
도 26d를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2600D)는 세계(1114)의 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 예시된 바와 같이, LHP 및 LVP를 각각 갖는 입사광 빔들(2632-H 및 2624-V)이 각각 L1(2612)에 진입하고 이를 통해 투과된다. L1(2612)를 빠져나가면, 광 빔들(2632-H 및 2624-V)은 QWP 1(2604)을 통과하며, 이는 각각의 광 빔들을 RHCP 및 LHCP를 갖는 광 빔들로 각각 변환한다. 광 빔들(2632-R 및 2624-L)은 후속적으로, 비-편광 노치 반사기(2508)를 통해 투과된 다음에 QWP 2(2510)를 통해 투과되며, 이는 RHCP 및 LHCP를 갖는 광 빔들을 LHP 및 LVP를 갖는 광 빔들(2636-H 및 2628-V)로 각각 역으로-변환(back-convert)한다. 그 후, 광 빔들(2636-H 및 2628-V)은 도파관 조립체(2504)를 통해 투과된 다음, 편광 노치 반사기(2514)를 통해 투과된 다음, L2(2616)를 통해 투과되고, 그리하여 각각의 광 빔들(2636 및 2628)을 각각 출력한다.
[0248]
도 26a/도 26b와 관련하여 위에서 설명된 디스플레이 디바이스와 유사하게, 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))은 선형 편광 중 하나를 갖는 광에 대해 동작하지만 남은 하나에 대해 동작하지 않도록 구성된다. 결과적으로, 예시된 실시예에서, 입사광 빔들(2632-H 및 2624-V) 중 하나, 예컨대 LHP를 갖는 광 빔(2632-H)은 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))에 의해 영향을 받지 않는다.
[0249]
또한, 도 26a/도 26b와 관련하여 위에서 설명된 디스플레이 디바이스와 유사하게, 광 리타데이션 효과들이 서로를 무효화하는 2개의 1/4-파장판들(QWP 1(2604), QWP 2(2608))이 존재하기 때문에, 그리고 렌즈 효과들이 서로를 무효화하는 2개의 렌즈들(L1(2612) 및 L2(2616))이 존재하기 때문에, 도 26c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 눈(4)에 의해 뷰잉되는 바와 같은 세계(1114)의 이미지는 실질적으로 영향을 받지 않는 반면, 가상 이미지는 L2(2616)에 의해 영향을 받는다.
[0250]
요약하면, 도 26c 및 도 26d에 예시된 실시예에서, 그 내부에 CLC 층을 포함하는 편광 노치 반사기들을 갖는 디스플레이 디바이스(2600A/2600B)를 사용하여 달성된 것과 유사한 편광 변환이 도 26c 및 도 26d에 도시된 바와 같이, 그 내부에 CLC 층들을 갖는 편광 노치 반사기(2514)(도 26a/26b) 대신에, 편광 노치 반사기(2514), 예컨대 선형 편광 노치 반사기를 사용하여 달성될 수 있다. 가상 이미지들의 편광을 변환하기 위해, QWP 2(2510)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 도파관 조립체(2504) 사이에 배치된다. 편광 노치 반사기(2514), 예컨대 선형 편광 노치 반사기는 가상 이미지 편광을 선형 편광(예컨대, LHP)으로 변환하기 때문에, 다른 1/4-파장판(QWP 1(2604))이 보상을 위해 L1(2612)과 비-편광 노치 반사기(2508) 사이에 배치된다.
예시적인 원형 편광 가변-포커스 렌즈들
[0251]
어떠한 이론에도 얽매임 없이, 광 빔이 광의 편광 상태들 공간에서 폐쇄된 사이클을 따라 취해질 때, 누적된 경로 길이들로부터 뿐만 아니라 기하학적 위상으로부터 동적 위상이 획득될 수 있다. 기하학적 위상으로부터 획득된 동적 위상은 편광의 국부적 변화들에 기인한다. 대조적으로, 원하는 위상 프론트(phase front)를 형성하기 위해 기하학적 위상에 기초한 일부 광학 엘리먼트들은 PBOE(Pancharatnam-Berry phase optical element)들로서 지칭될 수 있다. PBOE들은 고속 축들의 배향이 파장판 엘리먼트들의 공간적 포지션에 의존하는 파장판 엘리먼트들로 구성될 수 있다. PBOE들의 애플리케이션들은 다양한 다른 애플리케이션들 중에서도 회절 격자들, 예컨대 블레이즈드 격자들, 포커싱 렌즈들 및 액시콘들을 포함한다.
[0252]
이하에서, 도 27a 내지 도 27d와 관련하여, 예컨대, PB(Pancharatnam-Barry) 렌즈의 직접 변조에 의해 또는 정적 PB 렌즈에 커플링된 LC 파장판들의 변조에 의해 동적으로 스위칭될 수 있는 PB 위상 렌즈 엘리먼트들을 포함하는 스위칭 가능 렌즈 엘리먼트들 또는 스위칭 가능 렌즈 조립체를 사용하는 디스플레이 디바이스들이 설명된다. 상이한 초점 거리들을 갖는 다수의 PB 렌즈 엘리먼트들이 스택될 때, 렌즈 스택의 전반적인 포커스는 그들 사이에 배치된 PB 렌즈 또는 LC 파장판들을 변조함으로써 이들 사이에서 스위칭될 수 있다. 유리하게는, PB 렌즈들은 원형 편광을 갖는 광을 포커싱 또는 디포커싱하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 디스플레이 디바이스들, 예컨대 디스플레이 디바이스들(2600A, 2600B)의 부분으로서 포함된 1/4-파장판(들)은 가상 이미지 편광이 CLC 반사기를 통해 원형 편광(예컨대, RHCP)으로 변환되기 때문에 생략될 수 있다.
[0253]
도 27a 및 도 27b는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스들(2700A, 2700B)을 예시한다. 디스플레이 디바이스들(2700A 및 2700B)은 구조적으로 동일하다. 디스플레이 디바이스(2700A)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기에서 사용되는 반면, 디스플레이 디바이스(2700B)는 실세계 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다.
[0254]
디스플레이 디바이스(2700A/2700B)는 도 26a 및 도 26b와 관련하여 위에서 설명된 디스플레이 디바이스(2600A/2600B)의 다양한 컴포넌트들을 포함하고, 이로부터 출력된 광을 포커싱하고 변환하기 위한 부가적인 광학 컴포넌트들을 더 포함한다. 도 26a 및 26b와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2600A/2600B)와 유사하게, 디스플레이 디바이스(2700A/ 2700B)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2512) 사이에 개재된 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 도파관 조립체(2504), 비-편광 노치 반사기(2508) 및 편광 노치 반사기(2512)는 도 26a 및 도 26b와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 구성되고, 이에 따라 여기에서 추가로 상세하게 설명되지 않는다.
[0255]
그러나, 디스플레이 디바이스(2600A/2600B)와 달리, 디스플레이 디바이스(2700A/2700B)에서, 비-편광 노치 반사기(2508), 예컨대 다층 노치 반사기 및 편광 노치 반사기(2512), 예컨대 CLC 노치 반사기의 외부 측들 상에 형성되는 1/4 파장판들이 생략된다. 또한, 디스플레이 디바이스(2600A/2600B)와 달리, 선형 편광 렌즈들 대신에, 디스플레이 디바이스(2700A/2700B)는 비-편광 노치 반사기(2508) 및 편광 노치 반사기(2512)의 외부 측들 상에 각각 형성된 제1 PB 렌즈(PB L1)(2712) 및 제2 PB 렌즈(PB L2)(2716)를 포함한다. 다양한 실시예들에서, PB L1(2712) 및 PB L2(2716) 하나 또는 둘 모두는 스위칭 가능 렌즈들일 수 있으며, 이는 예컨대 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 스위칭 가능할 수 있다. 또한, PB L1(2712) 및 PB L2(2716) 중 하나 또는 둘 모두는, 예컨대, 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 제어될 수 있는 가변 초점 강도들, 광학력 또는 초점 깊이들을 가질 수 있다.
[0256]
도 27a를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2700A)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 동작에서, 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 원형 편광된 광 빔들(LHCP를 갖는 2516-L 및 RHCP를 갖는 2516-R)을 포함하는, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광 빔들의 경로들은, RHCP를 갖는 광 빔들(2516-R 및 2520-R)이 CLC 층(1004)을 갖는 편광 노치 반사기(2512)를 통해 투과될 때까지 도 26a와 관련하여 위에서 설명된 것들과 동일하다. 편광 노치 반사기(2512)를 빠져나가면, RHCP를 갖는 광 빔들(2516-R 및 2520-R)은 추가로 PB L2(2716)를 통해 투과된다. 활성화될 때, PB L2는 눈(4)에 의한 뷰잉 전에 광 빔들(2520-H 및 2516-H)을 포커싱된 출력 광 빔들(2620)로 포커싱 또는 디포커싱한다.
[0257]
도 27b를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2700B)는 세계(1114)의 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 예시된 바와 같이, RHCP 및 LHCP를 갖는 입사광 빔들(2632-R 및 2624-L)은 각각, 후속적으로 비-편광 노치 반사기(2508), 도파관 조립체(2504), 편광 노치 반사기(2512) 및 PB L2(2716)를 통해 투과되는 광 빔들(2636-R 및 2628-L)로서 PB L1(2712)을 통해 투과된다. 도 26b와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2600B)와 달리, 디스플레이 디바이스(2700)에는 1/4-파장판들이 존재하지 않기 때문에, 광 빔들은 위상 변환 및 포커싱 전반에 걸쳐 원형 편광된 광 빔들로서 유지된다. 그 후, 광 빔들(2636-R 및 2628-L)은 PB L2(2716)를 통해 투과되고, 그리하여 각각의 광 빔들(2632 및 2628)을 각각 출력한다.
[0258]
실세계 이미지를 출력하기 위해, 렌즈들(PB L1(2712) 및 PB L2(2716))는 원형 편광 중 하나를 갖는 광에 대해 동작하지만 남은 하나에 대해 동작하지 않도록 구성된다. 결과적으로, 예시된 실시예에서, 입사광 빔들(2632-R 및 2624-L) 중 하나, 예컨대, LHCP를 갖는 광 빔(2624-L)은 렌즈들(PB L1(2712) 및 PB L2(2716))에 의해 영향을 받지 않는다.
[0259]
PB L1(2712) 및 PB L2(2716)는 이를 통과하는 광에 대해 반대의 렌즈 효과들을 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, PB L1(2712)이 포커싱 렌즈 효과를 갖도록 구성되는 경우, PB L2(2716)는 디포커싱 효과를 가져서 반대의 렌즈 효과들이 서로 무효화(negate)하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 도 27a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 눈(4)에 의해 뷰잉되는 세계(1114)의 이미지는 실질적으로 영향을 받지 않는 반면, 가상 이미지는 PB L2(2716)에 의해 영향을 받는다.
[0260]
위에서 설명된 바와 같이, CLC 층(1004)을 포함하는 편광 노치 반사기(2512)를 갖는 디스플레이 디바이스(2500A)(도 25a)를 사용하여 수행된 것과 유사한 편광 변환은 또한 CLC 층을 포함하지 않는 편광 노치 반사기(2514)를 갖는 디스플레이 디바이스(2500B)(도 25b)를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 도 27c 및 27d는 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스들(2700C, 2700D)을 예시하며, 여기서 디스플레이 디바이스들(2700C, 2700D)은 CLC 층을 포함하지 않는 편광 노치 반사기(2514)를 갖는다. 디스플레이 디바이스들(2600C 및 2600D)은 구조적으로 동일하다. 디스플레이 디바이스(2700C)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기에서 사용되는 반면, 디스플레이 디바이스(2700D)는 실제 세계 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다.
[0261]
도 25b와 관련하여 위에서 예시된 디스플레이 디바이스(2500B)와 유사하게, 디스플레이 디바이스(2700C/ 2700D)는 비-편광 노치 반사기(2508)와 편광 노치 반사기(2514) 사이에 개재된 도파관 조립체(2504)를 포함한다. 도파관 조립체(2504) 및 비-편광 노치 반사기(2508)는 도 25a와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 구성되고, 이에 따라 여기에서 추가로 상세하게 설명되지 않는다.
[0262]
디스플레이 디바이스(2700C/2700D)는 부가적으로, 비-편광 노치 반사기(2508), 예컨대 다층 노치 반사기와 도파관 조립체(2504) 사이에 형성된 제1 1/4-파장판(QWP 1)(2604), 및 편광 노치 반사기(2514)와 제2 PB 렌즈(PB L2)(2616) 사이에 형성된 제2 1/4-파장판(QWP 2)(2510)을 포함한다. 디스플레이 디바이스(2700C/2700D)는 비-편광 노치 반사기(2508)의 외부 측 상의 제1 PB 렌즈(PB L1)(2612)를 더 포함한다. 따라서, 디스플레이 디바이스(2700C/2700D)는 QWP 1(2604) 및 QWP(2510)의 상대적 포지션들 및 렌즈들의 유형들을 제외하면, 도 26c 및 도 27d와 관련하여 설명된 디스플레이 디바이스(2600C/2600D)와 유사하다.
[0263]
다양한 실시예들에서, PB L1(2612) 및 PB L2(2616) 하나 또는 둘 모두는 스위칭 가능 렌즈들일 수 있으며, 이는 예컨대 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 스위칭 가능할 수 있다. 또한, PB L1(2612) 및 PB L2(2616) 중 하나 또는 둘 모두는, 가변 초점 강도들 또는 초점 깊이들을 가질 수 있으며, 그의 초점 강도들 및 초점 깊이들은 예컨대, 전기장, 전압 또는 전류의 인가에 의해 제어될 수 있다.
[0264]
도 27c를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2700C)는 가상 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 도 25b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 선형 편광된 광 빔들(LVP을 갖는 2516-V 및 LHP를 갖는 2516-H)을 포함하는, 도파관 조립체(2504)로부터 아웃-커플링된 광 빔들의 경로들은, LVP를 갖는 광 빔들(2516-V 및 2520-V)이 편광 노치 반사기(2514), 예컨대 선형 편광 노치 반사기를 통해 투과될 때까지 도 26c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 동일하다. 편광 노치 반사기(2514)를 빠져나가면, 광 빔들(2516-V 및 2520-V)은 QWP 2(2510)를 통해 투과되고, 그리하여 RHCP를 갖는 광 빔들(2516-R 및 2520-R)로 변환된다. 그 후, RHCP를 갖는 광 빔들(2516-R 및 2520-R)은 추가로 PB L2(2716)를 통해 투과된다. 활성화될 때, PB L2는 눈(4)에 의한 뷰잉 전에 광 빔들(2520-R 및 2516-R)을 포커싱된 출력 광 빔들(2620)로 포커싱 또는 디포커싱한다.
[0265]
도 27d를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2700D)는 세계(1114)의 이미지를 사용자에게 출력하는 것을 설명하기 위해 여기서 사용된다. 예시된 바와 같이, RHCP 및 LHCP를 갖는 입사광 빔들(2632-R 및 2624-L)은 각각, PB L1(2712)을 통해, 비-편광 노치 반사기(2508)를 통해 그리고 QWP 1(2604)을 통해 투과되며, 이로써 광 빔들은 선형 편광된 광 빔들로 변환된다. 원형 편광된 광 빔은 추가로, 도파관 조립체(2504), 편광 노치 반사기(2514), 예컨대 선형 편광 노치 반사기를 통해, 그리고 QWP 2(2510)를 통해 투과되며, 이로써 광 빔들은 RHCP 및 LHCP를 갖는 원형 편광된 광 빔들(2636-R 및 2628-L)로 각각 역으로-변환된다. 그 후, 광 빔들(2636-R 및 2628-L)은 PB L2(2716)를 통해 투과되고, 그리하여 각각의 광 빔들(2632 및 2628)을 각각 출력한다.
[0266]
실세계 이미지를 출력하기 위해, 렌즈들(PB L1(2712) 및 PB L2(2716))는 원형 편광 중 하나를 갖는 광에 대해 동작하지만 남은 하나에 대해 동작하지 않도록 구성된다. 결과적으로, 예시된 실시예에서, 입사광 빔들(2632-R 및 2624-L) 중 하나, 예컨대, LHCP를 갖는 광 빔(2624-L)은 렌즈들(PB L1(2712) 및 PB L2(2716))에 의해 영향을 받지 않는다.
[0267]
PB L1(2712) 및 PB L2(2716)는 이를 통과하는 광에 대해 반대의 렌즈 효과들을 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, PB L1(2712)이 포커싱 렌즈 효과를 갖도록 구성되는 경우, PB L2(2716)는 디포커싱 효과를 가져서 반대의 렌즈 효과들이 서로 무효화(negate)하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 도 27c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 눈(4)에 의해 뷰잉되는 세계(1114)의 이미지는 실질적으로 영향을 받지 않는 반면, 가상 이미지는 PB L2(2716)에 의해 영향을 받는다.
편광-민감성 가변-포커스 렌즈들에 대한 예시적인 공간 오프셋 보상기들
[0268]
PB 렌즈와 같은 편광-민감성 렌즈가 사용될 때, 2개의 직교 편광 이미지들은 렌즈들을 통한 상이한 광학 통과들을 겪는다. 예컨대, PB 렌즈는 세계-이미지를 상이한 배율들을 가진 2개의 편광 이미지들로 분할할 수 있다(이는 이들 사이에 공간 오프셋을 갖는 이중 이미지들로 이어질 수 있음). 이 효과는 도 27a 및 도 27b의 디스플레이 디바이스(2700A/2700B)와 유사하게 구성된 디스플레이 디바이스(2800A)를 예시하는 도 28a에 예시된다. 위에서 설명된 바와 같이, 2개의 PB 렌즈들은 서로의 렌즈 효과를 무효화하도록 구성될 수 있지만, LHCP를 갖는 광 빔(2632) 및 RHCP를 갖는 광 빔(2628)에 의해 형성된 2개의 편광 이미지들의 크기들의 오프셋(2804)은 도 28a에 예시된 바와 같이 유지될 수 있다. 예컨대, 도 28a에서, PB L1은 LHCP를 갖는 광 빔(2624-L) 상에 음의 광학력을 행사하면서, RHCP를 갖는 광 빔(2632-R) 상에 양의 광학력을 행사한다. 이하에서, 오프셋(2804)을 보상하도록 구성된 다양한 어레인지먼트들이 개시된다.
[0269]
도 28b는 한 쌍의 렌즈들(2804, 2808), 예컨대 한 쌍의 PB 렌즈들을 포함하는 오프셋 보상기(2800B)를 예시한다. 한 쌍의 렌즈들(PB L3(2804) 및 PB L4(2808))은 RHCP 및 LHCP를 갖는 입사광 빔들이 PB L3 상에 입사될 때, PB L3이 LHCP를 갖는 광 빔 상에 양의 광학력을 행사하면서 RHCP를 갖는 광 빔 상에 음의 광학력을 행사하도록 구성된다. 따라서, PB L3(2804) 및 PB L4(2808)의 광학력들은 각각 PB L1(2612) 및 PB L2(2716)의 것들에 반대여서, 공간 오프셋(2812)은 디스플레이 디바이스(2800A)(도 28a)로부터 출력된 출력 광 빔들(2632 및 2628) 사이에 존재하며, 이는 오프셋 보상기(2800B)로부터 출력된 출력 광 빔들(2632 및 2628)과 비교하면 방향 면에서 상반되고, 매그니튜드 면에서 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 28a에 예시된 공간 오프셋(2804)은, 도 28b에 예시된 바와 같이, 상반되는 방향으로 동일한 매그니튜드를 갖는 오프셋(2812)을 생성하는 한 쌍의 렌즈들을 배치함으로써 보상될 수 있다.
[0270]
도 28c는 오프셋 보상기(2800B)(도 28b)와 스택된 디스플레이 디바이스(2800A)(도 28a)의 조합을 예시한다. 도 28a의 광학기에서 사용된 것과 동일한 유형의 가변 포커스 렌즈들이 오프셋 보상기를 구성하는 데 사용될 수 있다. 부분 보상이 수락 가능할 때 정적 렌즈들이 사용될 수 있다. 예시된 바와 같이, 오프셋은 세계 이미지의 밝기를 희생시키면서, 노치 필터(예컨대, 선형 LC 렌즈들에 대한 선형 편광기 또는 PB 렌즈들에 대한 원형 편광기) 전방에 편광기를 배치함으로써 회피될 수 있다. 여전히, 가상 이미지는 영향을 받지 않는다. 오프셋 보상기(2800B)는 (예컨대, 도 28c에 도시된 바와 같이) 접안렌즈의 세계를 향한 쪽(world-ward)에 배치될 수 있거나, 또는 접안렌즈의 눈을 향한 쪽(eye-ward)(예컨대, 사용자의 눈이 로케이팅되는 우측을 향해)에 배치될 수 있다. 다수의 오프셋 보상기들이 사용될 수 있다.
[0271]
다양한 디스플레이 디바이스들과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2504)의 하나 이상의 도파관들(예컨대, 도 6의 1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내에서 일반적으로 전파 방향, 예컨대 x-방향으로 전파되는 광은, 예컨대, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들 또는 광 추출 광학 엘리먼트들(예컨대, 도 6의 1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 사용하여, 도파관 밖으로 출력되어, 직교 방향 예컨대, z-방향으로 이미지 정보를 출력할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들의 다양한 실시예들은 CLCG(cholesteric liquid crystal grating)들을 포함할 수 있다. 광이 하나 이상의 도파관들(예컨대, 도 6의 1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내에서 전파됨에 따라, CLCG들(예컨대, 도 6의 1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 하나 이상의 도파관들 밖으로 광을 커플링한다. CLCG들의 CLC 층들의 일부 구성들 하에서, 아웃-커플링된 광은 실질적으로 단일 방향, 예컨대 z-방향으로 균일한 편광 상태를 가질 수 있다. 예컨대, 액정 분자들이 동일한 방향, 예컨대 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 키랄 구조들(예컨대, 도 10에서 1012-1, 1012-2, ... 1012-i)을 갖는 CLCG의 CLC 층(들)은 실질적으로 균일한 편광, 예컨대 LHCP 또는 RHCP를 갖는 광을 아웃-커플링할 수 있다. 이들 실시예들에서, 도파관 조립체(2504)는 실질적으로 균일한 편광을 갖는 광을 아웃-커플링하기 때문에, CLCG들을 포함하는 도파관 조립체(2504)를 포함하는 디스플레이 디바이스는 출력 광의 편광을 변환하기 위해 위에서 설명된 광학 엘리먼트들 중 일부를 생략할 수 있다.
가변-포커스 렌즈들을 갖는 예시적인 편광 접안렌즈들
[0272]
이하에서, 접안렌즈(1004)는 다른 방향들(예컨대, 도 29의 좌측, 세계를 향하는 쪽)과 비교하여 특정 방향(예컨대, 도 29의 우측, 눈을 향하는 쪽)으로 광을 우선적으로 프로젝팅할 수 있다. 도 29를 참조하면, 디스플레이 디바이스(2900)는 도파관 조립체(2904)를 포함하고, 도파관 조립체(2904)는 각각 제1 및 제2 PB 렌즈들(2612 및 2616) 사이에 개재된다. 유리하게는, 이 예에서, 도파관 조립체(2904)로부터 출력된 이미지의 광 빔(2636-R)이 이미 편광(예컨대, 우향 원형 편광 또는 RHCP)되었기 때문에, 부가적인 편광기 또는 편광 변환은 생략될 수 있는데, 그 이유는 접안렌즈(1004)로부터 프로젝팅된 광이 이미 우선적으로, 렌즈(2616)에 의해 작용되는 편광 상태(이 예에서, RHCP)에 있기 때문이다. 따라서, 도파관 조립체(2904) 내에서 TIR 하에서 전파되는 광의 일부는 예컨대, 원형 편광된 광 빔(2636-R)(또는 다른 구현들에서, 선형 편광된 광 빔들)으로서 그 내부에 형성된 DOE들에 의해 아웃-커플링될 수 있다. RHCP를 갖는 광 빔들(2636-R)은 예컨대, 빔들이 눈(4)에 의해 뷰잉되기 전에 편광 노치 반사기를 통과하지 않고 PB L2(2616)에 충돌할 때까지, 양의 z-방향으로 이동한다. 접안렌즈(1004)는 원하는 방향으로 그리고 (선택적으로) 원하는 편광 상태로 (예컨대, 도 29에서, RHCP와 더물어 우측으로) 광을 비대칭적으로 프로젝팅하도록 설계된 DOE들, 메타물질들, 홀로그램들을 포함할 수 있다.
예시적인 변형 가능한 미러 가변-포커스 디스플레이들
[0273]
일부 실시예들에서, 변형 가능한 미러는, 미러로부터 반사될 때 가상 이미지들 상에 가변 포커스 효과들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 도 30은 도파관 조립체(2904) 및 변형 가능한 미러(3004)를 사용하여 이미지 정보를 사용자에게 출력하도록 구성된 디스플레이 디바이스(3000)를 예시한다. 디스플레이 디바이스(3000)는 도파관 조립체(2904)를 포함하며, 여기서 도파관 조립체(2904)는 (광학력을 갖도록) 곡면 또는 변형 가능한 미러(3004)와 선택적인 클린-편광기(clean-polarizer)(3008) 사이에 개재된다. 도 29를 참조하여 설명된 바와 같이, 접안렌즈(2904)는 광을 이 예에서, 우측(눈을 향한 쪽) 보다는, 좌측(세계를 향한 쪽)을 향해 비대칭적으로 프로젝팅하도록 구성될 수 있다. 접안렌즈(2904)는 원하는 비대칭 방향 및/또는 원하는 편광 상태(예컨대, 선형 또는 원형)로 광을 우선적으로 프로젝팅할 수 있는 DOE들, 메타물질들, 홀로그램들 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 34에 도시된 바와 같이, 접안렌즈(2904)는 CLC 층 또는 CLCG를 포함할 수 있다.
[0274]
동작에서, 도 29와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관 조립체(2904) 내의 하나 이상의 도파관들 내에서 x-방향으로 전파되는 광의 일부는, 균일한 원형 편광(예컨대, RHCP)을 갖는 광 빔(3012)으로서 z-방향으로 재지향되거나 아웃-커플링될 수 있다. 도파관 조립체(2904)는 가상 사용자 이미지의 광 빔(3012)을 (사용자의 눈(4) 측의 반대편에 있는) 곡면 또는 변형 가능한 미러(3004)를 향해 프로젝팅한다. 일부 실시예에서, 변형 가능한 미러(3004)는 편광 반사 층(예컨대, 다층 선형 편광 반사기들 또는 광대역 콜레스테릭 액정 원형 편광 반사기들)으로 코팅되어, 지정된 편광을 갖는 광, 예컨대 CLCG의 아웃-커플링 편광과 동일한 편광을 갖는 광을 반사하고, 실세계(1114)로부터의 광이 눈(4)을 향해 투과될 수 있게 한다. 일부 다른 실시예들에서, 편광 반사 층 대신에, 변형 가능한 미러(3004)는 도파관 조립체(2904)로부터 아웃-커플링된 광의 가상 이미지 대역폭과 매칭하는 좁은 대역폭(Δλ) 내에서 광을 반사하도록 설계된 노치 반사 층 또는 CLC 반사 층으로 코팅된다. 일부 실시예들에서, 변형 가능한 미러를 거치지 않고 임의의 고스트 이미지들을 제거하기 위해 도 30에 도시된 바와 같이 클린-업(clean-up) 편광기(3008)가 선택적으로 배치될 수 있다.
콜레스테릭 액정 렌즈들
[0275]
본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이(예컨대, 도 30 및 도 34 참조), 일부 디스플레이 디바이스들은 광을 세계를 향한 쪽으로(예컨대, 세계(1114)를 향해 사용자의 눈(4)으로부터 멀어지게) 비대칭적으로 프로젝팅하도록 구성된 접안렌즈 및 이어서, 사용자의 눈(4)을 향해 역으로 광의 방향을 (예컨대, 반사 또는 회절에 의해) 반전시키는 광학 구조(예컨대, 도 30의 변형 가능한 미러(3004) 또는 도 34의 CLC 렌즈)를 포함한다.
[0276]
도 31a 및 도 31b는 디스플레이 디바이스의 부분으로서 구현될 수 있는 반사 회절 렌즈(3100A)를 예시하며, 여기서 반사 회절 렌즈(3100A)는 투과성 PB LC 렌즈들과 유사한 방식으로 반사 편광 미러로서 역할을 하는 패터닝된 CLC 재료들로 형성된다. 도 31a는 이진 프레넬 렌즈 패턴 위에 액정 디렉터들(화살표)의 로컬 배향들을 예시한다. 따라서, CLC 렌즈(3100A)는 (이를테면, 인가된 전기장에 의해 조정 가능할 수 있는) 광학력을 갖도록 구성될 수 있다. CLC 렌즈(3100A)의 실시예들은 도 30의 디스플레이에서의 변형 가능한 미러(3004)의 대안으로서 사용될 수 있거나, 또는 (예컨대, 예를 들면, 미러(3004)의 표면 상의 CLC 렌즈의 코팅 또는 적층을 통해 CLC 렌즈(3100A) 및 미러(3004)를 결합함으로써) 도 30의 디스플레이에서 부가적인 반사율 또는 광학력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
[0277]
도 31b를 참조하면, 렌즈(3100A)가 CLC 키랄성의 핸디드니스에 대응하는(예컨대, 이와 동일한 핸디드니스를 가짐) 원형 편광(예컨대, RHCP)을 갖는 원형 편광된 입사광(3012)으로 조명될 때, 반사된 광(3016)은 투과형 PB 렌즈들과 유사한 렌즈 효과들을 나타낸다. 한편으로, 직교 편광(예컨대, LHCP)을 갖는 광은 간섭 없이 투과된다. 렌즈(3100A)는 약 10nm 미만, 약 25 nm 미만, 약 50nm 미만, 약 100nm 미만의 범위, 또는 일부 다른 범위의 대역폭을 갖도록 구성될 수 있다.
[0278]
도 31c는 복수의 반사 회절 렌즈들(3100-R, 3100-G 및 3100-B)을 포함하는 반사 회절 렌즈(3100C)를 예시한다. 예시된 실시예에서, 반사 회절 렌즈들(3100-R, 3100-G 및 3100-B)는 스택된 구성이며, 각각 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼들 내에 파장들의 범위(Δλ) 내의 광을 반사하도록 구성된다. 렌즈(3100C)가 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼들 내의 파장들의 범위(Δλ) 내의 파장 및 CLC 키랄성의 핸디드니스에 대응하는 원형 편광(예컨대, RHCP)을 갖는 원형 편광된 입사광(3012)으로 조명될 때, 반사된 광(3016)은 투과형 PB 렌즈와 유사한 렌즈 효과들을 나타낸다. 한편으로, 직교 편광(예컨대, LHCP)을 갖는 광은 간섭 없이 투과된다.
[0279]
초점 거리(3204)가 광의 파장에 의존하여 변동되기 때문에, 회절 렌즈들(예컨대, 프레넬 렌즈들)은 종종 심각한 색수차의 문제를 갖는다. 이는 입사된 적색, 녹색 및 청색 광이 회절 렌즈(3200A)와 상이한 거리들에서 포커싱되는 것을 도시하는, 회절 렌즈(3200A)와 관련하여 도 32a에서 예시된다.
[0280]
CLC 재료들의 적당한 대역폭 덕분에, 렌즈들의 스택은 상이한 컬러들에 대해 실질적으로 동일한 초점 거리를 갖도록 구현될 수 있다. 도 32b는 도 31c와 관련하여 예시된 반사 회절 렌즈(3100C)와 유사한 스택된 구성의 복수의 반사 회절 렌즈들(3200-R, 3200-G 및 3200-B)을 포함하는 반사 회절 렌즈(3200B)를 예시한다. 도 32b에 도시된 바와 같이, 3개의 개별 렌즈들(3200-R, 3200-G 및 3200-B)은 각각, 적색, 녹색 및 청색 파장들에 대해 실질적으로 동일한 초점 거리 또는 광학력을 갖도록 설계된다. CLC 재료들의 대역폭은 다수의 구현들에서 약 50nm 내지 100nm이기 때문에, 3개의 파장들 사이의 크로스-토크는 감소되거나 최소화될 수 있다. 3개의 CLC 층들이 도시되지만, 렌즈(3200B) 상에 입사되는 광의 컬러들에 대응하는 더 적거나 더 많은 수의 층들이 사용될 수 있다.
CLC 렌즈들 사이에서의 예시적인 동적 스위칭
[0281]
도 33a는 상이한 초점 거리들 사이의 동적 스위칭을 위해 구성된 반사 회절 렌즈 조립체(3300)를 예시한다. 동적 스위칭은 제1, 제2 및 제3 다층 회절 렌즈들(CLC L1, CLC L2 및 CLC L3)을 포함하는 복수의 반사 회절 렌즈 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)을 스택함으로써 달성되며, 여기서 다층 회절 렌즈들(CLC L1, CLC L2 및 CLC L3) 각각은 복수의 렌즈들(3100-R, 3100-G 및 3100-B)을 포함한다. 구성된 바와 같이, 반사 회절 렌즈 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)은 상이한 초점 거리들을 갖도록 구성된다. 복수의 반사성 회절 렌즈 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)은 제1, 제2 및 제3 스위칭 가능 반파장판들(HWP1, HWP2 및 HWP3)(예컨대, 스위칭 가능 LC 반파장판들)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 반사 회절 렌즈 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)은, 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)의 다층 회절 렌즈들(CLC L1, CLC L2 및 CLC L3)이 서브-조립체들(3300-1, 3300-2 및 3300-3)의 스위칭 가능 반파장판들(HWP)과 교번하도록 이루어진 스택된 구성이다.
[0282]
도 33b 및 도 33c는 각각에 배치된 HWP들을 변조함으로써 2개의 상이한 반사 회절 렌즈 서브-조립체들(3300-1 및 3300-2) 사이의 예시적인 스위칭 동작을 예시한다. 제1 HWP(HWP1)가 오프-상태(예컨대, 리타데이션이 없음))에 있을 때, 광은 제1 CLC 렌즈(CLC L1)에 의해 반사되고 이미지 포커스는 제1 CLC L1에 의해 결정된다. HWP1 및 HWP2 둘 모두가 온 상태에 있을 때(예컨대, 반-파장 리타데이션), 광은, 그의 편광이 직교(예컨대, LHCP)에서 동작 편광(예컨대, RHCP)이 될 때 CLC L1로부터 반사되지 않는다. 편광 상태는 HWP2에 의해 복원되고 광은 CLC L2로부터 반사된다. 이미지 포커스는 이제 CLC L2에 의해 결정된다.
[0283]
마찬가지로, 도 33d에 도시된 바와 같이 CLC 렌즈 및 HWP의 부가적인 쌍을 추가함으로써 3개의 상이한 초점 거리들이 구현될 수 있다. 광 편광은 HWP1에 의해 직교 편광(예컨대, LCHP)에서 동작 편광(예컨대, RHCP)으로 변환된다. HWP2가 오프 상태에 있기 때문에, 편광은 영향을 받지 않고 광은 간섭 없이 CLC L2를 통해 전파된다. HWP3 이후에, 편광은 재차 플립핑되고, 동작 편광(예컨대, RHCP)이 되고 광은 CLC L3에 의해 반사된다. 이미지 포커스는 이제 도 33d에 도시된 바와 같이 CLC L3에 의해 결정된다.
[0284]
실시예들에서, 가상 이미지들의 가변 포커스는 도 34에 예시된 바와 같이 도파관 조립체(3404)(그리고 또한 CLC 렌즈(3408))를 결합함으로써 구현될 수 있다. CLC 렌즈(3408)는 본원에서 설명된 CLC 렌즈들(3100A, 3100C, 3200A, 3200B, 3300)의 실시예들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 도파관 조립체(3404)로부터 프로젝팅된 이미지들은 균일한 원형 편광으로 CLC 렌즈를 향해(예컨대, 세계를 향한 쪽, 사용자의 눈들로부터 멀어지는 방향으로) 우선적으로 전파되기 때문에, 이미지 포커스는 위에서 설명된 바와 같이 CLC 렌즈들에 의해 제어될 수 있다. CLC 렌즈(3408)는 다수의 깊이 평면들(예컨대, 도 33a에 도시된 DoF1-DoF3)을 포함할 수 있고 도 33b 내지 도 33d를 참조하여 설명된 바와 같이 동적으로 스위칭 가능하다. 컬러-순차적 디스플레이가 가상 이미지들을 생성하는 데 사용될 때, CLC 렌즈들 내의 파장판들은 접안렌즈(3404)에 의해 프로젝팅된 동작 컬러들과 동기식으로 변조될 필요가 있다. 위에서 설명된 바와 같이, CLC 렌즈(3408)는 가상 이미지들을 위한 가변 포커스 디스플레이 디바이스를 제공하기 위해 단독으로 또는 변형 가능한 미러(예컨대, 미러(3004))와 조합하여 사용될 수 있다.
부가적인 양상들
[0285]
제1 양상에서, 디스플레이 디바이스는 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 내부 전반사 하에서 가시광을 전파시키도록 구성된 도파관을 포함한다. 아웃커플링 엘리먼트가 도파관 상에 형성되고 도파관의 주 표면에 수직인 방향으로 가시광의 일부를 아웃커플링하도록 구성된다. 편광-선택적 노치 반사기는 도파관의 제1 측 상에 배치되고, 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하면서 제2 편광을 갖는 가시광을 투과시키도록 구성된다. 편광-독립적 노치 반사기가 도파관의 제2 측 상에 배치되고 제1 편광을 갖는 가시광 및 제2 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되며, 여기서 편광-독립적 노치 반사기는 그로부터 반사되는 가시광의 편광을 변환하도록 구성된다.
[0286]
제2 양상에서, 제1 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 편광-선택적 노치 반사기 및 편광-독립적 노치 반사기 각각은 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광을 투과시키면서, 적색, 녹색 또는 청색 광 중 하나에 대응하는 파장 범위의 파장을 갖는 가시광을 반사 시키도록 구성된다.
[0287]
제3 양상에서, 제1 양상 또는 제2 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 편광-선택적 노치 반사기는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함한다.
[0288]
제4 양상에서, 제1 양상 내지 제3 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 CLC 층들 각각은 복수의 키랄 구조들을 포함하고, 키랄 구조들 각각은, 적어도 나선형 피치만큼 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함한다. 나선형 피치는, 제1 회전 방향의 한 번의 풀 회전(full rotation)에 의한 키랄 구조들의 액정 분자들의 순 회전각(net rotation angle)에 대응하는 층 깊이 방향의 길이이다. 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동된다.
[0289]
제5 양상에서, 제1 양상 내지 제4 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 편광은 제1 원형 편광이고, 제2 편광은 제2 원형 편광이다.
[0290]
제6 양상에서, 제1 양상 내지 제5 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제1 1/4-파장판 및 제2 1/4-파장판을 더 포함하고, 편광-독립적 노치 반사기는 제1 1/4-파장판과 도파관 사이에 개재되고, 편광-선택적 노치 반사기는 도파관과 제2 1/4-파장판 사이에 개재된다.
[0291]
제7 양상에서, 제6 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제1 선형 편광 렌즈 및 제2 선형 편광 렌즈를 더 포함하고, 제1 1/4-파장판은 제1 선형 편광 렌즈와 편광-독립적 노치 반사기 사이에 개재되고, 제2 1/4-파장판은 편광-선택적 노치 반사기와 제2 선형 편광 렌즈 사이에 개재된다.
[0292]
제8 양상에서, 제1 양상 내지 제4 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 편광-독립적 노치 반사기 및 편광-선택적 노치 반사기의 외부 측들 상에 배치되는 제1 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈 및 제2 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈를 더 포함한다.
[0293]
제9 양상에서, 제1 양상 또는 제2 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 편광-독립적 노치 반사기와 도파관 사이에 개재된 제1 1/4-파장판을 더 포함한다.
[0294]
제10 양상에서, 제9 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제2 1/4-파장판을 더 포함하고, 편광-독립적 노치 반사기는 제1 1/4-파장판과 제2 1/4-파장판 사이에 개재된다.
[0295]
제11 양상에서, 제10 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제1 선형 편광 렌즈 및 제2 선형 편광 렌즈를 더 포함하고, 제1 1/4-파장판은 제1 선형 편광 렌즈와 편광-독립적 노치 반사기 사이에 개재되고, 편광-선택적 노치 반사기는 도파관과 제2 선형 편광 렌즈 사이에 개재된다.
[0296]
제12 양상에서, 제9 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제1 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈, 편광-독립적 노치 반사기 및 편광-선택적 노치 반사기의 외부 측들 상에 배치된 제2 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈, 및 제2 PB 렌즈와 편광-선택적 노치 반사기 사이에 개재된 제2 1/4-파장판을 더 포함한다.
[0297]
제13 양상에서, 디스플레이 디바이스는 제1 스위칭 가능 렌즈와 제2 스위칭 가능 렌즈 사이에 개재된 광-도파 디바이스(wave-guiding device)를 포함한다. 광도파 디바이스는 복수의 키랄 구조(chiral structure)들을 각각 포함하는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함하고, 각각의 키랄 구조는 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사 (Bragg-reflect)하도록 구성되게 한다. 하나 이상의 도파관들이 하나 이상의 CLC 층들 위에 형성되고 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 TIR(total internal reflection) 하에서 가시광을 전파시키고 하나 이상의 CLC 층들로 또는 이로부터의 가시광을 광학적으로 커플링하도록 구성된다.
[0298]
제14 양상에서, 제13 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 도파관들이 편광-선택적 노치 반사기와 편광-독립적 노치 반사기 사이에 개재되고, 편광-선택적 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하면서 제2 편광을 갖는 가시광을 투과시키도록 구성되고, 편광-독립적 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 가시광 및 제2 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성된다.
[0299]
제15 양상에서, 제13 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 CLC 층들은 편광-선택적 노치 반사기로서 역할을 한다.
[0300]
제16 양상에서, 제13 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 편광-선택적 노치 반사기는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함한다.
[0301]
제17 양상에서, 제16 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 CLC 층들 각각은 복수의 키랄 구조들을 포함하고, 키랄 구조들 각각은, 적어도 나선형 피치만큼 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함한다. 나선형 피치는, 제1 회전 방향의 한 번의 풀 회전(full rotation)에 의한 키랄 구조들의 액정 분자들의 순 회전각(net rotation angle)에 대응하는 층 깊이 방향의 길이이다. 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동된다.
[0302]
제18 양상에서, 제13 양상 내지 제17 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 편광-선택적 노치 반사기는 그로부터 반사된 가시광의 편광을 보존하도록 구성되고, 편광-독립적 노치 반사기는 그로부터 반사된 가시광의 편광을 변환하도록 구성된다.
[0303]
제19 양상에서, 제13 양상 내지 제18 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 스위칭 가능 렌즈 및 제2 스위칭 가능 렌즈는 활성화될 때 반대 부호들을 갖는 광학력들을 갖는다.
[0304]
제20 양상에서, 제13 양상 내지 제19 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 스위칭 가능 렌즈는 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈를 포함하고 제2 스위칭 가능 렌즈는 제2 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈를 포함한다.
[0305]
제21 양상에서, 제13 양상 내지 제20 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 편광-독립적 노치 반사기와 도파관 사이에 개재된 제1 1/4-파장판을 더 포함한다.
[0306]
제22 양상에서, 제13 양상 내지 제21 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제2 스위칭 가능 렌즈와 편광-선택적 노치 반사기 사이에 개재된 제2 1/4-파장판을 더 포함한다.
[0307]
제23 양상에서, 사용자의 눈에 이미지를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이 디바이스는 전방 측 및 후방 측을 포함하는 광학 디스플레이를 포함하고, 후방 측은 전방 측보다 사용자의 눈에 더 근접하고, 광학 디스플레이는 후방 측을 향해 파장 범위를 갖는 광을 출력하도록 구성된다. 제1 노치 반사기는 광학 디스플레이의 후방에 배치되며, 제1 노치 반사기는 광학 디스플레이로부터 출력되는 파장 범위를 갖는 광을 반사하도록 구성된다. 제2 노치 반사기가 광학 디스플레이의 전방에 배치되며, 제2 노치 반사기는 파장 범위를 갖는 광을 반사하도록 구성된다. 제1 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 제1 편광과 상이한 제2 편광을 갖는 광을 실질적으로 반사하도록 구성된다. 제2 노치 반사기는 제2 편광을 갖는, 후방 면 상에 입사되는 광을 제1 편광으로 변환하고 광을 후방으로 재지향시키도록 구성된다.
[0308]
제24 양상에서, 제23 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 노치 반사기는 CLCG(CLC(cholesteric liquid crystal) grating)를 포함한다.
[0309]
제25 양상에서, 제23 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 노치 반사기는 다층을 포함하고, 제2 노치 반사기는 비-편광 노치 반사기 및 1/4-파장판을 포함한다.
[0310]
제26 양상에서, 제23 양상 내지 제25 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 제1 노치 반사기의 후방에 배치된 제1 가변 포커스 렌즈 및 제2 노치 반사기의 전방에 배치된 제2 가변 포커스 렌즈를 더 포함하고, 제2 가변 포커스 렌즈의 제2 광학 특성들은 제1 가변 포커스 렌즈의 제1 광학 특성들을 보상한다.
[0311]
제27 양상에서, 제26 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 가변 포커스 렌즈 및 제2 가변 포커스 렌즈 각각은 선형 편광 렌즈를 포함한다.
[0312]
제28 양상에서, 제26 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 제1 가변 포커스 렌즈 및 제2 가변 포커스 렌즈 각각은 PB(Pancharatnam-Berry) 위상 렌즈를 포함한다.
[0313]
제29 양상에서, 제28 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 PB 위상 렌즈들에 의해 도입된 공간 오프셋을 보상하도록 구성된 공간 오프셋 보상기를 더 포함한다.
[0314]
제30 양상에서, 동적으로 포커싱된 디스플레이 시스템은 제1 원형 편광 상태의 원형 편광된 광을 출력하도록 구성된 디스플레이를 포함한다. 디스플레이는 광학 축을 따라 배치되고 전방 측 및 후방 측을 가지며, 후방 측은 상기전방 측보다 사용자의 눈에 더 근접하고, 광학 디스플레이는 후방 측을 향해 파장 범위를 갖는 광을 출력하도록 구성된다. 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 광학 축을 따라 제1 CLC 렌즈의 전방에 배치되고, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트는, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트를 통해 투과된 광의 원형 편광 상태를, 제1 원형 편광 상태로부터 제2의 상이한 원형 편광 상태로 변경하도록 구성된다. 제1 CLC(cholesteric liquid crystal) 렌즈는 광학 축을 따라 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트의 전방에 배치된다. 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 광학 축을 따라 상기제1 CLC 렌즈의 전방에 배치되고, 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트는, 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트를 통해 투과된 광의 원형 편광 상태를, 제1 원형 편광 상태로부터 제2의 상이한 원형 편광 상태로 변경하도록 구성된다. 제2 CLC 렌즈는 광학 축을 따라 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트의 전방에 배치된다. 제어기는 제1 CLC 렌즈 또는 제2 CLC 렌즈를 동적으로 선택하기 위해 제1 및 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트들의 상태들을 전자식으로 스위칭하도록 구성된다.
[0315]
제31 양상에서, 제30 양상의 동적으로 포커싱된 디스플레이 시스템에 있어서, 제1 CLC 렌즈의 선택에 대한 응답으로, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 제1 편광 상태를 갖는 광의 투과를 허용하도록 스위칭된다. 제2 CLC 렌즈의 선택에 대한 응답으로, 제1 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 제1 원형 편광 상태로부터 제2 원형 편광 상태로 광의 편광을 변경하도록 스위칭되고, 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트는 제2 원형 편광 상태로부터 제1 원형 편광 상태로 광의 편광을 변경하도록 스위칭된다.
[0316]
제32 양상에서, 제30 양상 또는 제31 양상의 동적으로 포커싱된 디스플레이 시스템에 있어서, 제1 및 제2 스위칭 가능 광학 엘리먼트들은 반파장판들을 포함한다.
[0317]
제33 양상에서, 웨어러블 증강 현실 디스플레이 시스템은 제30 양상 내지 제32 양상 중 어느 한 양상의 동적으로 포커싱된 디스플레이 시스템을 포함한다.
[0318]
제34 양상에서, 웨어러블 증강 현실 머리-장착 디스플레이 시스템은 머리-장착 시스템을 착용한 착용자 전방의 세계로부터의 광을 착용자의 눈으로 전달하도록 구성된다. 웨어러블 증강 현실 머리 장착 디스플레이 시스템은, 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된 광학 디스플레이; 상기 디스플레이로부터 상기 광을 수신하도록 배치된 하나 이상의 도파관들; 상기 하나 이상의 도파관들이 전방 측 및 후방 측을 갖도록 상기 눈의 전방에 도파관들을 배치하게 구성된 프레임 ― 상기 후방 측은 상기 전방 측보다 눈에 더 근접함 ― ; 상기 하나 이상의 도파관들의 상기 전방 측 상에 배치된 CLC(cholesteric liquid crystal) 반사기 ― 상기 CLC 반사기는 전기 신호의 인가 시에 조정 가능한 광학력 또는 포커스 심도를 갖도록 구성됨 ― ; 및 하나 이상의 도파관들로부터 광을 추출하고 상기 도파관 내에서 전파되는 상기 광의 적어도 일부를 CLC 반사기로 지향시키기 위해 상기 하나 이상의 도파관들에 대해 배치된 하나 이상의 아웃-커플링 엘리먼트를 포함하고, 상기 광은 상기 CLC 반사기로부터 역으로 상기 도파관을 통해 그리고 상기 눈으로 지향되어 디스플레이로부터 착용자의 눈으로 이미지를 제시한다.
[0319]
제35 양상에서, 디스플레이 디바이스는 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 내부 전반사 하에서 가시광을 전파시키고 주 표면에 수직인 방향으로 가시광을 아웃커플링하도록 구성된 도파관을 포함한다. 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되고, 노치 반사기는 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함하고, CLC 층들 각각은 복수의 키랄 구조들을 포함하고, 키랄 구조들 각각은 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사(Bragg-reflect)하도록 구성되게 한다.
[0320]
제36 양상에서, 제35 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 도파관은 가시광을 노치 반사기를 향해 선택적으로 아웃커플링하도록 구성된다.
[0321]
제37 양상에서, 제35 양상 또는 제36 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 노치 반사기는 하나 이상의 CLC 층들이 형성(또는 배치)되어 있는 변형 가능한 미러를 포함한다.
[0322]
제38 양상에서, 제35 양상 내지 제37 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 CLC 층들의 상이한 CLC 층들은 적색, 녹색 또는 청색 광의 상이한 것들에 대응하는 파장 범위의 파장을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되면서, 파장 범위 밖의 파장을 갖는 광을 투과시키도록 구성된다.
[0323]
제39 양상에서, 제35 양상 내지 제38 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, CLC 층들의 키랄 구조들 각각은, 적어도 나선형 피치만큼 층 깊이 방향으로 연장되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 하나 이상의 CLC 층들의 상이한 CLC 층들은 상이한 나선형 피치들을 갖는다.
[0324]
제40 양상에서, 제38 양상 또는 제39 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 하나 이상의 CLC 층들의 상이한 CLC 층들은 실질적으로 동일한 광학력을 갖는다.
[0325]
제41 양상에서, 제35 양상 내지 제40 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 복수의 노치 반사기들을 포함하고, 노치 반사기들 각각은 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되고, 노치 반사기들 각각은 하나 이상의 CLC(cholesteric liquid crystal) 층들을 포함하고, CLC 층들 각각은 복수의 키랄 구조들을 포함하고, 키랄 구조들 각각은 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연속적으로 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 키랄 구조들의 액정 분자들의 어레인지먼트들은 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어서, 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사(Bragg-reflect)하도록 구성되게 한다.
[0326]
제42 양상에서, 제35 양상 내지 제41 양상 중 어느 한 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 노치 반사기들의 상이한 노치 반사기들은 상이한 광학력들을 갖는다.
[0327]
제43 양상에서, 제41 양상 또는 제42 양상의 디스플레이 디바이스에 있어서, 디스플레이 디바이스는 노치 반사기들 각각에 대응하는 반파장판을 더 포함한다.
부가적인 고려사항들
[0328]
위에서 설명된 실시예들에서, 증강 현실 디스플레이 시스템들, 보다 구체적으로, 공간적으로 변동되는 회절 격자들이 특정 실시예들과 관련하여 설명된다. 그러나, 실시예들의 원리들 및 이점들은 공간적으로 변동되는 회절 격자에 대한 필요성을 갖는 임의의 다른 시스템들, 장치 또는 방법들에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 위에서, 실시예들 중 임의의 하나의 임의의 특징은 실시예들 중 임의의 다른 하나의 임의의 다른 특징과 결합되고 그리고/또는 대체될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0329]
맥락이 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐, "포함하다(comprise, include)" 및 "포함하는(comprising, including)" 등의 단어들은 배타적인 또는 철저한 의미와 대조적으로, 포괄적인 의미로 해석되는데; 즉 "포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는"의 의미로 해석된다. 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "커플링(coupled)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "연결(connected)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 부가적으로, "본원에서", "위에서", "아래에서", "아래의", "위의" 단어들 및 이와 유사한 의미의 단어들은, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원의 임의의 특정 부분들이 아니라, 전체로서 본 출원을 지칭해야 한다. 맥락이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용한 위의 상세한 설명에서의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 둘 이상의 아이템들의 리스트에 관하여 "또는"이라는 단어는 다음의 단어 해석들, 즉 리스트 내의 아이템들 중 임의의 것, 리스트 내의 모든 아이템들, 리스트 내의 아이템들 중 하나 이상의 아이템들의 임의의 조합 모두를 커버한다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같은 단수 표현은 달리 특정되지 않는 한 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석될 것이다.
[0330]
본원에서 사용된 바와 같이, 리스트의 아이템들 "중 적어도 하나"를 지칭하는 어구는 단일 멤버들을 포함하여 그 아이템들의 임의의 조합을 지칭한다. 예로서, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"는 A; B; C; A와 B; A와 C; B와 C; 그리고 A와 B와 C를 커버하는 것으로 의도된다. 특정하게 다르게 언급되지 않으면, 어구 "X, Y 또는 Z 중 적어도 하나"와 같은 접속어는, 아이템, 용어 등이 X, Y 또는 Z 중 적어도 하나일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 맥락으로 달리 이해된다. 따라서, 이러한 접속어는 일반적으로, 소정의 실시예들이 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 요구하는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
[0179]
더욱이, 구체적으로 달리 언급되지 않거나 또는 사용된 맥락 내에서 달리 이해되지 않으면, 본원에서 사용된 조건어, 이를테면, 다른 것들 중에서도, "할 수 있다(can, could, might, may)", "예컨대", "예컨대", "이를테면" 등은 일반적으로, 소정의 실시예들이 소정의 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들을 포함하지만 다른 실시예들은 이들을 포함하지 않는다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 그러한 조건어는 일반적으로, 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예들을 위해 어떤 식으로든 요구된다는 것, 또는 이들 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되는지 또는 임의의 특정 실시예들에서 수행될지를 암시하는 것으로 의도되진 않는다.
[0180]
소정의 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서만 제시되며, 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 본원에서 설명된 신규한 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서 다양한 생략들, 대체들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 블록들이 주어진 어레인지먼트로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 컴포넌트들 및/또는 회로 토폴로지들로 유사한 기능성들을 수행할 수 있고, 일부 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들의 임의의 적합한 조합이 추가의 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 특징들 및 프로세스들은 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 또는 다양한 방식들로 결합될 수 있다. 엘리먼트 또는 엘리먼트들의 조합이 모든 실시예들에 대해 필수적이거나 불가결한 것은 아니다. 본 개시내용의 특징들의 모든 적합한 조합들 및 서브조합들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (10)
- 제1 스위칭 가능 렌즈 어셈블리와 제2 스위칭 가능 렌즈 어셈블리 사이에 개재된 광-도파 디바이스(wave-guiding device)를 포함하는 디스플레이 디바이스로서,
상기 광-도파 디바이스는,
복수의 키랄 구조(chiral structure)들을 각각 포함하는 하나 이상의 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal; CLC) 층들; 및
상기 하나 이상의 CLC 층들 위에 형성된 하나 이상의 도파관들을 포함하고,
각각의 키랄 구조는 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연이어 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고, 상기 키랄 구조들의 상기 액정 분자들의 배열들은 상기 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되어, 상기 하나 이상의 CLC 층들이 입사광을 브래그-반사(Bragg-reflect)하도록 구성되게 하고,
상기 하나 이상의 도파관들은, 상기 도파관의 주 표면에 평행한 방향으로 전반사(total internal reflection; TIR)로 가시광을 전파시키고, 가시광을 상기 하나 이상의 CLC 층들로 또는 상기 하나 이상의 CLC 층들로부터 광학적으로 커플링하도록 구성되는,
디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 도파관들은 편광-선택적 노치 반사기와 편광-독립적 노치 반사기의 사이에 개재되고,
상기 편광-선택적 노치 반사기는 제1 편광을 갖는 가시광을 반사하면서 제2 편광을 갖는 가시광을 투과시키도록 구성되고,
상기 편광-독립적 노치 반사기는 상기 제1 편광을 갖는 가시광 및 상기 제2 편광을 갖는 가시광을 반사하도록 구성되는,
디스플레이 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 CLC 층들은 상기 편광-선택적 노치 반사기로서 기능하는,
디스플레이 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 편광-선택적 노치 반사기는 하나 이상의 CLC 층들을 포함하는,
디스플레이 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 편광-선택적 노치 반사기의 하나 이상의 CLC 층들 각각은 복수의 키랄(chiral) 구조들을 포함하고,
상기 키랄 구조들 각각은, 적어도 나선형 피치만큼 층 깊이 방향으로 연장되고 제1 회전 방향으로 연이어 회전되는 복수의 액정 분자들을 포함하고,
상기 나선형 피치는 상기 제1 회전 방향으로 한 번의 풀 회전(full rotation)에 의한 상기 키랄 구조들의 액정 분자들의 순 회전각(net rotation angle)에 대응하는 층 깊이 방향의 길이이고,
상기 키랄 구조들의 액정 분자들의 배열들은 상기 층 깊이 방향에 수직인 측방향으로 주기적으로 변동되는,
디스플레이 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 편광-선택적 노치 반사기는 상기 편광-선택적 노치 반사기로부터 반사하는 가시광의 편광을 보존하도록 구성되고,
상기 편광-독립적 노치 반사기는 상기 편광-독립적 노치 반사기로부터 반사하는 가시광의 편광을 변환하도록 구성되는,
디스플레이 디바이스. - 제2항에 있어서,
상기 편광-독립적 노치 반사기와 상기 도파관 사이에 개재되는 제1 1/4-파장판을 더 포함하는,
디스플레이 디바이스. - 제7항에 있어서,
상기 제2 스위칭 가능 렌즈와 상기 편광-선택적 노치 반사기 사이에 개재된 제2 1/4-파장판을 더 포함하는,
디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 제1 스위칭 가능 렌즈 어셈블리 및 상기 제2 스위칭 가능 렌즈 어셈블리는, 활성화될 때 반대의 부호들을 갖는 광학력(optical power)들을 갖는,
디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 제1 스위칭 가능 렌즈 어셈블리는 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈를 포함하고, 상기 제2 스위칭 가능 렌즈 어셈블리는 제2 PB(Pancharatnam-Berry) 렌즈를 포함하는,
디스플레이 디바이스.
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