KR20230011924A - 복합 도광 광학 엘리먼트 - Google Patents

Abstract

커플링-인 영역에서 주입된 이미지 조명을 관찰을 위해 사용자를 향해 지향시키기 위한 광학 시스템은 한 쌍의 평행한 주요 외부 표면(24)을 갖는 도광 광학 엘리먼트(LOE)(12)를 포함한다. LOE의 제1 영역(16)은 LOE 내에서 전파하는 이미지 조명을 LOE(18)의 제2 영역을 향해 재지향시키도록 배향된 제1 세트의 부분 반사 표면(17)을 포함하고, 이는 이미지 조명을 사용자를 향해 커플링-아웃되도록 배향된 제2 세트의 부분 반사 표면(19)을 포함한다. 제1 세트의 부분 반사 표면(17)은 LOE의 두께의 적어도 95%에 걸쳐 연장되는 반면, 제2 세트의 부분 반사 표면(19)은 두께의 95% 미만에 걸쳐 있는 두께의 서브섹션 내에 포함되므로, 제2 세트의 부분 반사 표면(19)은 제2 영역(18)의 하나 또는 둘 모두의 표면 층으로부터 배제된다.

Description

복합 도광 광학 엘리먼트

본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 광학 개구 확장(optical aperture expansion)을 달성하기 위한 도광 광학 엘리먼트(light-guide optical element)(LOE)를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다.

복합 도광 광학 엘리먼트(LOEs) 또는 "2차원 확장 도파관"은 Lumus Ltd.(이스라엘)의 이전 간행물에서 설명되었다. 이러한 복합 LOE의 예는, 예를 들어, PCT 공개 WO 2020/049542에서 찾을 수 있다. 일반적으로, 이러한 복합 LOE는 2개의 영역을 사용하며, 이들 각각은 주 표면에서 내부 반사에 의해 시준된 이미지를 운반하는 광의 전파를 지원하기 위한 투명 재료의 평행 대면(parallel-faced) 블록이며, 상호 평행 내부, 부분 반사 표면 또는 "패싯(facets)"의 세트를 포함하며, 이는 광학 개구의 확장을 달성하면서 시준된 이미지(collimated image)의 일부를 점진적으로 재지향한다. 상이한 패싯 배향을 갖는 두 개의 이러한 엘리먼트를 결합함으로써, 단일 엘리먼트 내에서 광학 개구의 2차원 확장을 달성하는 것이 가능하며, 따라서 이미지 프로젝터로부터의 입력 이미지를 확장하고 이를 관찰자의 눈을 향해 더 넓은 영역에 걸쳐 출력할 수 있다.

참조의 편의를 위해, 복합 엘리먼트 내의 제1 확장 스테이지를 담당하는 도광 광학 요소(LOE) 영역은 "제1 LOE" 또는 "LOE1"으로 지칭되는 반면, 관찰자를 향해 한 번 편향된 이미지의 커플링-아웃(coupling out)을 담당하는 LOE 영역은 본 명세서에서 "제2 LOE" 또는 "LOE2"로 지칭된다.

본 발명은 커플링-인(coupling-in) 영역에서 주입된 이미지 조명을 관찰을 위해 사용자를 향해 지향시키는 광학 시스템이다.

본 발명의 실시예의 교시에 따르면, 커플링-인 영역에서 주입된 이미지 조명을 관찰을 위해 사용자를 향해 지향시키기 위한 광학 시스템이 제공되며, 광학 시스템은 투명 재료로 형성된 도광 광학 엘리먼트(LOE)를 포함하고, LOE는 (a) 제1 배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면의 제1 세트를 포함하는 제1 영역; (b) 제1 배향에 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면의 제2 세트를 포함하는 제2 영역; 및 (c) 상호 평행 주요 외부 표면의 세트를 포함하고, 주요 외부 표면은 부분 반사 표면의 제1 세트 및 부분 반사 표면의 제2 세트가 모두 주요 외부 표면 사이에 위치되도록 제1 및 제2 영역에 걸쳐 연장하며, 부분 반사 표면의 제2 세트는, 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의해 LOE 내에서 제1 영역으로부터 제2 영역으로 전파하는 이미지 조명의 일부가 사용자를 향해 LOE로부터 커플링-아웃되도록 주요 외부 표면에 대해 경사진 각도로 존재하고, 및 부분 반사 표면의 제1 세트는 커플링-인 영역으로부터 주요 외부 표면에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하는 이미지 조명의 일부가 제2 영역을 향해 편향되도록 배향되고, LOE는 주요 외부 표면 사이의 두께를 갖고, 부분 반사 표면의 제1 세트는 두께의 적어도 95%에 걸쳐 연장되고, 제2 영역 내의 부분 반사 표면의 제2 세트는 부분 반사 표면의 제2 세트가 제2 영역의 적어도 하나의 표면 층으로부터 배제되도록 두께의 95% 미만에 걸쳐 있는 두께의 서브섹션(subsection) 내에 포함된다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제2 세트는 제2 영역 내의 주요 외부 표면 둘 모두의 표면 층으로부터 배제된다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제2 세트가 배제되는 제2 영역의 적어도 하나의 표면 층의 총 두께는 두께의 6%와33% 사이이다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 주요 외부 표면에 평행한 방향으로 부분 반사 표면의 제2 세트의 인접한 표면 사이의 간격은 적어도 1 mm이고, 부분 반사 표면의 제2 세트가 배제되는 제2 영역의 적어도 하나의 표면 층의 총 두께는 두께의 적어도 10%이다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제1 세트는 두께의 적어도 96%에 걸쳐 연장된다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제1 세트는 두께의 적어도 98%에 걸쳐 연장된다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제1 세트는 두께 전체에 걸쳐 연장된다.

본 발명의 일 실시예의 추가적인 특징에 따르면, 부분 반사 표면의 제1 세트의 제1 배향은 주요 외부 표면에 직교한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에 설명되며, 여기서:
도 1a 및 도 1b는 하향식 및 측면 주입 구성을 각각 도시하는, 본 발명의 교시에 따라 구성되고 동작하는 도광 광학 엘리먼트(LOE)를 사용하여 구현된 광학 시스템의 개략적인 등각 투영도이고;
도 2a 및 도 2b는 이미지의 두 개의 극한 필드에 대한 광선 경로를 도시하는 도 1a 또는 도 1b로부터의 LOE의 확대된 개략적인 등각 투영도이고;
도 3은 LOE를 통해 전파하고 LOE 내에서 제1 재지향을 겪는 주 광선의 경로, 및 LOE로부터 관찰자를 향해 커플링-아웃하기 위한 제2 재지향을 도시하는 도 2a 및 도 2b의 LOE의 개략적인 정면도이고;
도 4a 및 도 4b는 도 3의 라인 IV-IV를 따라 취한 부분 개략적인 단면도로서, LOE의 제2 영역 내에서 전파하며 LOE의 두께에 걸쳐있거나 그렇지 않은 내부 부분 반사 표면을 만나는 광선에 대한 광선 경로를 각각 도시하고;
도5a, 도5b 및 도5c는 도3의 라인 V-V를 따라 취한 부분 개략적인 단면도로서, LOE의 제1 영역 내에서 전파하며 LOE의 두께에 완전히 걸쳐있거나, 또는 양쪽 주요 표면으로부터 또는 단지 하나의 주요 표면으로부터 이격된 내부 부분 반사 표면과 만나는 광선에 대한 광선 경로를 각각 도시하고;
도 6a는 LOE의 제1 및 제2 영역 모두가 부분 반사 내부 표면이 배제된 표면 층, 즉 커버 플레이트(cover plates)를 갖는 구현예에서 도 2a 및 도 2b의 LOE의 개략적인 측면도이고;
도 6b는 LOE의 제2 영역만이 커버 플레이트를 갖는 구현예에서 도 6a와 유사한 도면이고;
도 6c는 LOE의 제2 영역이 커버 플레이트를 갖고, LOE의 제1 영역은 제2 영역보다 얇은 커버 플레이트를 갖는, 도 6a와 유사한 도면이고;
도 6d는 LOE의 제1 영역의 일 측면에만 커버 플레이트가 제공된 도 6c와 유사한 도면이고;
도 7은 LOE 부분 반사 표면의 공간 밀도와 LOE의 제2 영역의 커버 플레이트의 바람직한 최소 두께 사이의 관계를 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 특정 실시예에 따른 LOE를 위한 제조 프로세스 동안의 중간 작업 제품의 측면도 및 등각도이고;
도 9a는 초기에 커버 플레이트 없이 제1 영역을 형성하고 및 원하는 커버 플레이트 두께의 일부만을 갖는 커버 플레이트로 제2 영역을 형성한 LOE의 전체에 걸쳐 얇은 커버 플레이트가 도포되는 생산 프로세스의 스테이지를 도시하는 개략적인 측면도이고;
도 9b는 도 9a의 생산 프로세스로부터 얻어진 구조를 도시하는 개략적인 측면도이다.

본 발명은 커플링-인(coupling-in) 영역에서 주입된 이미지 조명을 관찰을 위해 사용자를 향해 지향시키는 광학 시스템이다.

본 발명의 특정 실시예는 헤드업 디스플레이(head-up display), 가장 바람직하게는 가상 현실 디스플레이(virtual reality display), 또는 더 바람직하게는 증강 현실 디스플레이(augmented reality display)일 수 있는 근안 디스플레이(near-eye display)의 목적을 위해 광학 개구 확장을 달성하기 위한 도광 광학 엘리먼트(LOE)를 포함하는 광학 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예의 교시에 따라 LOE(12)를 사용하는, 일반적으로 (10)으로 표시된 근안 디스플레이 형태의 디바이스의 예시적인 구현예가 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된다.근안 디스플레이(10)는 상호 평행한 평면형 외부 표면의 세트에서의 내부 반사에 의해 이미지 광이 일차원으로 트랩되는 LOE(상호교환적으로 "도파관", "기판" 또는 "슬래브"로 지칭됨)(12)에 이미지를 주입하기 위해 광학적으로 커플링된 단일 이미지 프로젝터(또는 "POD")(14)를 사용한다.광은 서로 평행하고 이미지 광의 전파 방향에 대해 비스듬히 경사진 부분 반사 표면(상호교환적으로 "패싯"으로 지칭됨)의 세트에 충돌하며, 각각의 연속적인 패싯은 이미지 광의 일부를 기판 내의 내부 반사에 의해 또한 트랩되고/가이드되는 편향된 방향으로 편향시킨다.이러한 패싯의 제1 세트는 도 1a 및 도 1b에 개별적으로 도시되지 않지만, (16)으로 지정된 LOE의 제1 영역에 위치된다.연속적인 패싯에서의 이러한 부분 반사는 광학 개구 확장의 제1 차원을 달성한다.

본 발명의 바람직하지만 비제한적인 예의 제1 세트에서, 전술한 패싯 세트는 기판의 주요 외부 표면에 직교한다. 이 경우, 주입된 이미지 및 영역(16) 내에서 전파될 때 내부 반사를 겪는 그 공액상(conjugate image)은 편향되어 편향된 방향으로 전파하는 공액상이 된다. 바람직하지만 비제한적인 예의 대안적인 세트에서, 부분 반사 표면의 제1 세트는 LOE의 주요 외부 표면에 대해 비스듬히 각을 이룬다. 후자의 경우, 주입된 이미지 또는 그 공액상이 LOE 내에서 전파되는 원하는 편향된 이미지를 형성하며, 그 동안 다른 반사는 예를 들어 패싯에 각도 선택 코팅을 사용하여 최소화할 수 있는데, 이는 반사가 필요하지 않은 이미지가 나타내는 입사각 범위에 대해 상대적으로 투명하게 만든다.

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

그 후, 편향된 이미지 조명은 제2 기판 영역(18)으로 통과하고, 이는 인접한 별개의 기판으로서 또는 단일 기판의 연속물로서 구현될 수 있으며, 커플링-아웃 배열(통상적으로, 부분 반사 패싯의 추가 세트)은 눈-움직임 상자(EMB)로서 정의된 영역 내에 위치된 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 비율을 점진적으로 커플링 아웃시켜, 광학 개구 확장의 제2 차원을 달성한다. 전체 디바이스는 각각의 눈에 대해 별도로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 각각의 LOE(12)가 사용자의 대응하는 눈을 향하도록 사용자의 머리에 대해 지지된다. 여기에 예시된 바와 같은 특히 바람직한 하나의 옵션에서, 지지 배열은 사용자의 귀에 대해 디바이스를 지지하기 위한 측(20)을 갖는 안경테로서 구현된다. 헤드 밴드, 바이저 또는 헬멧에 매달린 디바이스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 형태의 지지 배열도 사용될 수 있다.

LOE의 제1 영역의 일반적인 연장 방향으로 수평으로(도 1a) 또는 수직으로(도 1b) 연장되는 X축 및 이에 수직으로, 즉, 도 1a에서 수직으로, 도 1b에서 수평으로 연장되는 Y축에 대한 도면 및 청구범위가 본 명세서에서 참조된다.

매우 대략적인 용어로, 제1 LOE 또는 LOE(12)의 제1 영역(16)은 X 방향으로 조리개 확장을 달성하는 것으로 간주될 수 있는 반면, 제2 LOE 또는 LOE(12)의 제2 영역(18)은 Y 방향으로 조리개 확장을 달성한다. 시야의 다른 부분이 전파되는 각도 방향의 확산에 대한 세부 사항은 아래에서 더 정확하게 설명될 것이다. 도 1a에서 도시된 것과 같은 배향은, LOE의 주요(제2 영역)으로 진입하는 이미지 조명이 상단 가장자리에서 진입하는, "하향식(top-down)" 구현예로 간주될 수 있으며, 반면에 도 1b에서 도시된 것과 같은 배향은, 여기서 Y축이라고 지칭하는 축이 수평으로 배포되는 "측 주입(side-injection)" 구현예로 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 나머지 도면에서, 본 발명의 특정 실시예의 다양한 특징은 도 1a와 유사한 "하향식" 배향의 맥락에서 도시될 것이다. 그러나, 이들 특징 모두는 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 측 주입 구현예에 동일하게 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 특정 경우에, 다른 중간 배향도 적용 가능하며, 명시적으로 제외되는 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 발명의 디바이스와 함께 사용되는 POD는 바람직하게는 시준된 이미지를 생성하도록 구성되며, 즉, 각 이미지 픽셀의 광은 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준된 평행 빔이다. 따라서 이미지 조명은 2차원의 각도 시야에 대응하는 각도 범위에 걸쳐 있다.

이미지 프로젝터(14)는 일반적으로 LCOS 칩과 같은 공간 광 변조기를 조명하도록 전개된 적어도 하나의 광원을 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각 픽셀의 투사 강도를 변조하여 이미지를 생성한다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 스캐닝 배열을 포함할 수 있고, 이는 일반적으로 고속 스캐닝 미러를 사용하여 구현되며, 이는 빔의 강도가 픽셀 단위로 모션과 동기적으로 변경되는 동안 프로젝터의 이미지 평면을 가로질러 레이저 광원으로부터의 조명을 스캔하여, 각 픽셀에 대해 원하는 강도를 투영한다. 두 경우 모두, 시준 광학 장치가 제공되어 무한대로 시준되는 출력 투사 이미지를 생성한다. 위의 컴포넌트 중 일부 또는 전부는 일반적으로 당업계에 알려진 바와 같이 하나 이상의 편광 빔 스플리터(polarizing beam-splitter)(PBS) 큐브 또는 다른 프리즘 배열의 표면에 배열된다.

LOE(12)에 대한 이미지 프로젝터(14)의 광학적 커플링은 임의의 적절한 광학적 커플링, 예를 들어 비스듬한 입력 표면이 있는 커플링 프리즘을 통해, 또는 반사 커플링 배열을 통해, 측 에지 및/또는 LOE의 주요 외부 표면 중 하나를 통해 달성될 수 있다. 커플링-인 구성의 세부사항은 발명에 중요하지 않으며, 여기서 LOE의 주요 외부 표면 중 하나에 도포된 웨지 프리즘(15)의 비제한적인 예로서 개략적으로 도시되어 있다.

근안 디스플레이(10)는 일반적으로 소형 온보드 배터리(도시되지 않음) 또는 일부 다른 적절한 전원으로부터 전력을 사용하는 이미지 프로젝터(14)를 작동시키기 위한 제어기(22)를 일반적으로 포함하는, 다양한 추가 컴포넌트를 포함한다는 것을 이해할 것이다. 제어기(22)는 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 프로세싱 회로부와 같은 모든 필요한 전자 컴포넌트를 포함하며, 모두 당업계에 알려져 있음을 이해할 것이다.

이제 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 근안 디스플레이의 구현예의 광학적 특성이 더 상세히 도시된다. 구체적으로, 제1 배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면(17)의 제1 세트를 포함하는, 본 명세서에서 "LOE1"로 또한 지칭되는 제1 영역(16), 및 제1 배향에 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면(19)의 제2 세트를 포함하는, 본 명세서에서 "LOE2"로 또한 지칭되는 제2 영역(18)을 포함하는, 투명 재료로 형성된 도광 광학 엘리먼트(LOE)(12)의 보다 상세한 도면이 도시되어 있다. 상호 평행한 주요 외부 표면(24)의 세트는 부분 반사 표면(17)의 제1 세트 및 부분 반사 표면(19)의 제2 세트 모두가 주요 외부 표면(24) 사이에 위치되도록 제1 및 제2 영역(16, 18)을 가로질러 연장된다. 가장 바람직하게는, 주요 외부 표면(24)의 세트는 제1 및 제2 영역(16, 18) 전체에 걸쳐 각각 연속적인 한 쌍의 표면이지만, 영역(16, 18) 사이의 두께에서의 세트 다운(set down) 또는 스텝 업(step up)을 갖는 옵션도 본 발명의 범위 내에 있다. 영역(16, 18)은 특정 애플리케이션에 따라 다양한 추가적인 광학 또는 기계적 기능을 제공하기 위해, 직선 경계 또는 일부 다른 형태의 경계일 수 있는 경계에서 만나도록 바로 병치될 수 있거나, 또는 이들 영역 사이에 개재된 하나 이상의 추가적인 LOE 영역이 있을 수 있다. 본 발명은 임의의 특정 제조 기술에 제한되지 않지만, 특정 특히 바람직한 구현예에서, 특히 고품질의 주요 외부 표면은 개별적으로 형성된 영역(16, 18)이 사이에 개재되어 복합 LOE 구조를 형성하는 연속적인 외부 플레이트를 사용함으로써 달성된다. 이 옵션과 이러한 플레이트의 두께에 대한 고려 사항은 아래에서 더 설명될 것이다.

LOE의 광학적 특성은 이미지 조명 경로를 역추적함으로써 이해될 수 있다. 부분 반사 표면(19)의 제2 세트는 주요 외부 표면(24)에 대해 비스듬한 각도로 있어서, 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의해 LOE(12) 내에서 제1 영역(16)으로부터 제2 영역(18) 내로 전파하는 이미지 조명의 일부가 눈 움직임 상자(26)를 향해 LOE로부터 커플링-아웃된다. 부분 반사 표면(17)의 제1 세트는 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의해 LOE(12) 내에서 커플링-인 영역(커플링 프리즘(15))으로부터 전파하는 이미지 조명의 일부가 제2 영역(18)을 향해 편향되도록 배향된다.

이미지 프로젝터(14)로부터 투사된 이미지의 각도 스프레드의 1차원은 LOE의 우측 상의 POD 개구로부터 LOE의 좌측을 향해 확산되는 원뿔형 조명에 의해 도 2a에 표시된다. 여기에 도시된 비제한적인 예에서, POD의 중심 광학 축은 X 축과 정렬된 LOE 내의 전파 방향을 정의하고, (LOE 내의) 각도 확산은 대략 ±16°이다. (굴절률 변화로 인해 에어 중에서 각도 FOV가 커진다는 점에 유의해야 한다.) 부분 반사 표면(17)의 제1 세트는 제1 영역(16)에 도시되어 있고, 부분 반사 표면(19)의 제2 세트는 제2 영역(18)에 도시되어 있다.

근안 디스플레이는 "눈 움직임 상자"(EMB)(26)에 의해 지정된 허용된 위치 범위 내의 일부 위치에 위치되는 사용자의 눈에 투사된 이미지의 전체 시야(full field-of-view)를 제공하도록 설계된다 (즉, 눈의 동공이 투사된 이미지를 볼 LOE의 평면으로부터 이격된, 일반적으로 직사각형으로 표현되는 모양). 눈 움직임 상자에 도달하기 위해, 광은 부분 반사 표면(19)의 제2 세트에 의해 제2 영역(18)으로부터 EMB(26)를 향해 커플링-아웃되어야 한다. 전체 이미지 시야를 제공하기 위해, EMB 내의 각각의 포인트는 LOE로부터 이미지의 전체 각도 범위를 수신해야 한다. EMB로부터 시야를 역추적하는 것은 관련 조명이 LOE로부터 EMB를 향해 커플링-아웃되는 더 큰 직사각형(28)을 나타낸다.

도 2a는 투영된 이미지의 좌측 하부 픽셀에 대응하는, 시야의 제1 말단(extremity)을 도시한다. LOE 내에 커플링된 프로젝터의 광학 개구에 대응하는 폭의 빔은 POD에서 왼쪽 및 위쪽으로 전파하고 일련의 부분 반사 표면(17)으로부터 부분적으로 반사되는 것으로 도시되어 있다. 여기에 예시된 바와 같이, 패싯의 서브세트만이 사용자가 보는 이미지에서 대응하는 픽셀을 제공하는데 유용한 반사를 생성하고, 이들 패싯의 서브영역만이 이 픽셀의 관찰된 이미지에 기여한다. 관련 영역은 굵은 검은색 선으로 표시되며 패싯(17)에서 반사된 다음 EMB(26)의 네 모서리에 도달하는 패싯에(19)에 의해 커플링-아웃되는 방향전환된 이미지에서 이 픽셀에 해당하는 광선이 표시된다. 여기서 및 설명 전반에 걸쳐, 광선의 평면내 전파 방향만이 LOE 내에서 전파되는 동안 여기서 도시되지만, 광선은 실제로 두 개의 주요 외부 표면으로부터의 반복되는 내부 반사의 지그재그 경로(zigzag path)를 따르고, 이미지 시야의 하나의 전체 차원은 Y 차원의 픽셀 위치에 대응하는 주요 외부 표면에 대한 광선의 경사각으로 인코딩된다는 점에 유의해야 한다. 하나의 추가적인 예로서, EMB의 상단 좌측 코너에서 볼 때 이미지의 상단 좌측 말단에 대응하는 편향되고 커플링-아웃된 광선은 대시-점선으로 도시된다.

도 2b는 도 2a와 동일한 구성을 도시하지만, 여기서는 EMB의 네 모서리에 도달하는 시야의 우측 하부 픽셀에 대응하는 광선을 도시하며, 다시 관련 부분 반사 표면(17)의 관련 영역은 굵은 선으로 표시된다.

EMB의 모든 영역에 도달하는 이미지의 모든 필드(방향 또는 픽셀)에 대한 대응하는 광선 경로를 추가로 추적함으로써, 부분 반사 표면의 제1 세트 중 하나에 의해 편향되고, 부분 반사 표면의 제2 세트 중 하나에 의해 눈 움직임 상자에 도달하는 방향으로 커플링 아웃되는 LOE 내에서 전파하는 커플링-인 영역으로부터 모든 광선 경로의 엔벨로프(envelope)를 맵핑하는 것이 가능하다는 것이 명백할 것이며, 이 엔벨로프는 EMB에 도달하는 이미지에 기여하는 이미지 조명의 부분을 편향시키는데 필요한 각각의 패싯(17)의 "이미징 영역"을 정의하며, 엔벨로프 외부에 있는 패싯(17)의 나머지 부분은 필요한 이미지에 기여하지 않는 "비-이미징 영역"이다.선택적으로, 패싯의 평면내 범위는 이미징 영역만 덮도록 잘릴 수 있다. 상이한 이미징 주입 위치 및 기하학적 구조, 불균일한 패싯 간격, 또는 부분-반사 내부 표면의 추가(예를 들어, 제3) 세트를 사용하는 이러한 및 다른 변형 실시예는 Lumus Ltd. (이스라엘)에 의한 선행 공보, 특히 전술한 PCT 공보 WO 2020/049542, 뿐만 아니라 PCT 공보 WO 2020/152688 및 PCT 출원 번호 PCT/IL2020/051354호에서 상세히 논의되고, 이들 둘 모두는 본 출원의 우선일에 공개되지 않았으며, 선행 기술로 간주되지 않는다. 이러한 추가적인 특징은 모두 본 발명의 맥락에서 구현될 수 있지만, 간결함을 위해 여기에서 상세하게 다루지 않을 것이다.

부분 반사 표면(17)의 제1 세트가 LOE의 두께의 적어도 95 %에 걸쳐 연장되는 반면, 제2 영역(18) 내의 부분 반사 표면(19)의 제2 세트는 두께의 95% 미만에 걸쳐 있는 두께의 서브섹션 내에 포함되어, 부분 반사 표면(19)의 제2 세트가 제2 영역(18)의 적어도 하나의 표면 층으로부터 배제되는 것은 본 발명의 특정 실시예의 특히 바람직한 특징이다. 이제 이 결합의 이점이 제시될 것이다.

용어의 관점에서, "커버 플레이트"라는 용어는 일반적으로 LOE의 내부 부분 반사 표면의 세트가 배제되는 LOE의 주요 표면 중 하나 또는 둘 모두에 인접한 특정 깊이의 층의 임의의 구현예를 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 이러한 층을 형성하기 위한 하나의 접근 방식은 투명 재료의 시트, 즉 물리적으로 구별되는 커버 플레이트를 LOE 컴포넌트에 부착하는 것이다. 그러나, 부분 반사 코팅이 활성 LOE 층에 대응하는 영역에만 도포되고 LOE의 주요 외부 표면에 인접할 영역이 반사 코팅 없이 인덱스 매칭된(index-matched) 접착제로 합쳐지는 플레이트의 스택으로부터 LOE 구조를 생성하는 것과 같은 다른 생산 기술이 또한 가능하다. "커버 플레이트"라는 용어는 층이 형성되는 방식에 관계없이 표면층이 패싯 없이 커버 플레이트로 기능하는 기능적 구조를 지칭하기 위해 생산 기술과 독립적으로 사용된다.

도 3을 참조하면, 이것은 단일 광선(30)의 경로를 예시하며, 여기서 X 차원에서 이미지의 필드의 중심에 대응하는 주 광선은, 그것이 LOE1의 일부를 횡단할 때, 부분 반사 표면(17) 중 하나에서의 반사에 의해 LOE2를 향해 재지향되고(광선(30')), 부분 반사 표면(19) 중 하나에서의 반사에 의해 관찰자를 향해 재지향되고 커플링-아웃된다(광선(30″)).도 4a 및 도 4b는 LOE에 추가된 페이스 플레이트가 없는 경우와 있는 경우의 제2 재지향/커플링-아웃의 기하학적 구조를 도시하고, 도 5a 및 도 5b는 제1 재지향의 기하학적 구조를 도시한다.

이미지가 관찰자를 향해 커플링-아웃되는 LOE2(영역 18)에서, 비스듬하게 경사진 패싯이 사용된다. 패싯이 경사질 때(예를 들어, 주요 외부 표면에 대해 25도로), 광선은 도 4a에 도시된 바와 같이 동일한 패싯으로부터 두 번 반사될 수 있다. 이는 불균일한 빔이 도파관을 빠져나가게 한다. 2차 반사에 의해 더 어두운 영역이 생성된다. 이어서, 어두운 스트라이프가 도파관 출구 동공 상에 나타난다. 관찰자에게 이것은 원거리 이미지에 어두운 스트라이프를 초래할 것이다.

도 4b는 하나 또는 둘 모두의 외부 면 상에서 도파관에 커버 플레이트(32)를 추가함으로써 이러한 이중 반사가 어떻게 회피될 수 있는지를 도시하며, 그 결과 패싯이 도파관의 외부 표면으로부터 효과적으로 이격된다. 이러한 방식으로 패싯에 의해 한번 반사된 후, 광선의 투과된 부분은 그 위로 또는 아래로 점프하여, 다음 패싯으로 직접 전파되어, 결과적으로 이미지 균일성이 향상된다.

그러나, LOE1에서 이미지 균일성을 달성하기 위한 고려사항은 커버 플레이트의 사용과 관련하여 LOE2의 것과 상당히 상이한 것으로 밝혀졌다. 도파관 내에서 안내되는 하나의 방향으로부터 다른 안내되는 방향으로 이미지 조명을 재지향시키기 위해 사용되는 부분 반사 표면이 반드시 훨씬 더 가파르고, 일부 실시예에서 도파관의 주요 외부 표면에 직교하기 때문에, 광선은 단일 패싯에 의해 두 번 반사되지 않는다. 이 경우, 최적의 이미지 균일성은 기판의 전체 두께에 걸쳐 있는 패싯의 사용에 의해 달성될 것인 반면(도 5a), 표면에 미치지 못하는 패싯은 특정 광선이 패싯을 완전히 스킵할 수 있게 하는 것으로 발견되어(도 5b), 출력 이미지에서 어두운 라인을 초래한다. 두 영역(16, 18) 전체에 걸쳐 커버 플레이트를 갖는 구조를 제공하는 전체 결과는 도 6a에 개략적으로 도시되며, 이미지 프로젝터로부터의 균일하게 조명된 입력 개구(34)는 LOE를 통해 전파되고 출력에서 어두운 라인(38)에 의해 중단된 이미지 영역(36)으로서 눈 움직임 상자(EMB)(26)를 향해 커플링-아웃 된다. 대조적으로, 도 6b의 구조는 LOE2(18) 상에만 커버 플레이트를 사용하는 반면, LOE1(16)의 패싯은 디바이스의 주요 외부 표면으로 연장된다. 이 경우, 이미지 프로젝터로부터 균일하게 주입된 이미지(34)는 바람직하게는 관찰자에 의해 인지되는 바와 같은 비교적 균일한 이미지(36)를 나타낸다.

LOE1 영역(16) 내의 커버 플레이트의 존재가 출력 이미지 품질에 부정적인 영향을 미치지만, LOE1 영역(16)의 하나 또는 둘 모두 주요 표면 상의 커버 플레이트의 사용을 선호하는 실용적인 고려사항이 있을 수 있다. 예를 들어, 외부 표면으로 연장되는 임의의 접착 조인트의 부재는 도파관의 고품질 평면 외부 표면을 달성하는 것을 더 용이하게 할 수 있다. 커버 플레이트가 충분히 얇아서 결과적으로 이미지가 깨져도 사람의 눈에 문제가 되지 않는 경우, 커버 플레이트의 존재가 허용될 수 있다(도 6c). 얇은 커버 플레이트는 출력 이미지가 누락된 얇은 어두운 스트라이프를 생성할 것이다. 어두운 스트라이프의 공간 주파수 및 폭은 사람의 눈에 의해 인지되는 바와 같은 이미지에 대한 그들의 가시성 및 영향을 결정한다. 사람의 눈에 대해 채워지지 않은 스트라이프의 심각성를 정확하게 평가하기 위해, 동공을 빠져나가는 도파관 위의 사람의 눈 동공의 컨볼루션(convolution)은 우리에게 어떤 커버 플레이트 두께가 허용되어야 하는지를 보여준다. 어두운 스트라이프의 공간 주파수가 눈의 동공의 직경보다 훨씬 높으면 변동은 본질적으로 눈에 의해 평균화될 것이다. 공간 주파수가 더 낮더라도, 동공 크기에 걸쳐 평균화된 강도(intensity)가 크게 변하지 않을 정도로 스트라이프가 충분히 좁으면, 스트라이프는 여전히 허용될 수 있다.

실제로, LOE1 영역에 대한 커버 플레이트의 두께 범위는, 존재하는 경우, 1 내지 100 미크론, 가장 바람직하게는 50 미크론 미만이어야 한다. LOE의 두께의 비율로서, 커버 플레이트의 총 두께는 바람직하게는 두께의 5% 미만, 바람직하게는 두께의 4% 이하, 그리고 가장 바람직하게는 두께의 2% 이하이다. 이는 적어도 두께의 95%, 보다 바람직하게는 적어도 두께의 96%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 두께의 98%를 걸쳐 연장되는(스패닝하는) 부분 반사 표면의 제1 세트에 대응한다. 어두운 스트라이프 문제는 도 6d에 개략적으로 도시된 바와 같이, LOE1 영역(16)의 한 측면 상에만 커버 플레이트를 사용함으로써 개선될 수 있다.

커버 플레이트를 사용하는 것의 가능한 이점에도 불구하고, 본 발명의 특정 특히 바람직한 구현예에서, 부분 반사면(17)의 제1 세트는 도 6b에 개략적으로 도시된 바와 같이, LOE1(16)의 두께의 전체에 걸쳐, 즉 커버 플레이트 없이 연장된다.

영역(18) 내의 LOE2에 관하여, 위에서 논의된 바와 같이, 이 영역 내의 커버 플레이트는 조명의 불균일성의 감소에 기여하고, 이에 의해 보이는 이미지의 품질을 향상시킨다. 부분 반사 표면(19)의 제2 세트는 바람직하게는 제2영역 내의 주요 외부 표면 둘 모두의 표면 층으로부터 배제되며, 이는 주요 표면 둘 모두가 "커버 플레이트"를 갖는다는 것을 의미한다. 부분 반사면(19)의 제2 세트가 배제되는 제2 영역(18)의 표면 층의 총 두께는 바람직하게는 LOE2의 총 두께의 6%와 33% 사이이다.

여기에서도, 조명에서의 불균일성이 사람의 눈에 의해 인지되는 정도는 강도 변화(intensity variation)의 공간 주파수, 그 동적 범위 및 그 폭에 따라 달라지며, 이는 결국 그 변화를 개선하는데 효과적인 커버 플레이트의 바람직한 두께를 좌우한다. 커플링-아웃 패싯(19)의 경우, 공간 주파수는 주요 외부 표면에 평행한 방향으로 부분 반사 표면(19)의 제2 세트의 인접 표면 사이의 간격으로부터 직접적으로 발생한다. 도 7은 동공 직경과 중첩하는 패싯의 수로서 본 명세서에서 정의된, 다양한 패싯 밀도에 대한 바람직한 커버 플레이트 최소 두께(총 LOE2 두께의 백분율로서의 커버 플레이트 두께의 총 합)를 도시하며, 이는 본 명세서에서 대략 3 밀리미터로 취해진다. 높은 패싯 밀도의 경우, 강도 변화가 본질적으로 동공 영역(pupil area)에 걸쳐 평균화되고 따라서 관찰자에 의해 덜 인지되기 때문에, 상대적으로 얇은 커버 플레이트가 충분하다는 것을 알 수 있다.패싯 간격이 증가함에 따라 강도 변화의 공간 주파수가 감소하고 이러한 변화를 보완하기 위해 더 두꺼운 커버 플레이트가 필요한다.

유용한 참조점으로서, 도 7에서 수평 점선으로 표시된 바와 같이, 주요 외부 표면에 평행한 방향으로 부분 반사 표면(19)의 제2 세트의 인접 표면 사이의 간격이 적어도 1 mm(3 mm 동공 직경 당 3 패싯의 밀도에 대응함)일 때, 부분 반사 표면의 제2 세트가 배제되는 제2 영역의 표면 층(들)의 총 두께는 바람직하게는 총 두께의 적어도 10%이다.

본 발명에 따른 광학 시스템은 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 본 분야에서 사용되는 표준 제조 기술에 기초하여 다양한 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 각각의 LOE 영역은 일반적으로 각각의 계면에 대해 원하는 부분-반사 특성들을 제공하기 위해 하나 또는 양 면 상에 코팅된 얇은 플레이트(일반적으로 모두 하나의 면 상에 코팅되거나, 또는 양 면 상에 코팅된 대안적인 플레이트)의 스택을 함께 본딩함으로써 형성된다. 부분 반사 특성은 일반적으로 다층 유전체 코팅에 의해 제공되며, 이는 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 각도 선택적 반사성을 제공할 수 있다. 그런 다음 이러한 스택을 필요한 각도로 슬라이스하여 내부 부분 반사 표면이 올바르게 배향된 LOE 섹션/영역을 생성한다. 이어서, 필요에 따라 적절한 두께의 커버 플레이트를 각 영역에 추가하고, LOE 섹션의 에지 표면을 폴리싱한 다음, 함께 본딩하여 최종 복합 LOE를 형성한다.

선택적으로, 커버 플레이트가 LOE1의 하나 또는 양 주 표면 상에 제공되는 경우, 원하는 최종 커버 플레이트 두께에서 LOE1에 필요한 커버 플레이트 두께를 뺀 것에 대응하는 부분 두께의 커버 플레이트를 갖는 LOE2를 생성하는 것이 유리할 수 있다. 이어서, 복합 LOE의 어셈블리 동안 단일 연속 커버 플레이트가 추가될 수 있으며, 이는 LOE1에 대해 원하는 총 커버 플레이트 두께를 제공하고 원하는 두께까지 LOE2에 대해 커버 플레이트 두께를 보충한다. 이 옵션은 도 9a 및 도 9b를 참조하여 아래에서 더 다루어진다.

대안적으로, 일부 경우에, LOE1에 적합한 제1 두께의 제1 부분 및 LOE2에 적합한 (더 큰) 제2 두께를 갖는 제2 부분을 갖는 스텝형(stepped) 커버 플레이트를 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 이어서, 두 부분 사이의 단계는 두 개의 LOE 섹션의 어셈블리를 위한 정렬 기능으로서 사용될 수 있다.

본 발명의 복합 LOE의 제조를 위한 추가 옵션은 도 8a 및 8b에 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, LOE1을 형성하기 위한 플레이트의 스택은 다수의 LOE에 대응하는 차원의 블록(80)을 형성하도록 절단된다. 제2 블록(82)은 중간 투명 플레이트(86)와 함께 본딩된 LOE2의 복수의 활성 층(84)(즉, 부분 반사 표면을 포함하는 LOE의 섹션)을 결합함으로써 형성된다. 제1 및 제2 블록(80, 82)은 그 후 함께 본딩되어, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 슬라이싱 평면(88)을 따라 슬라이싱되고 복수의 복합 LOE를 생성하기 위해 폴리싱될 수 있는 중간 작업 제품(81)을 형성하며, 여기서 중간 투명 플레이트(86)의 두께의 일부는 각각의 복합 LOE의 제2 LOE 영역(18)에 대한 커버 시트가 된다.

도 8a 및 도 8b의 제조 기술 및 이의 변형은 2020년 5월 24일에 출원된 미국 가특허 출원 제63/029,500호로부터 우선하여, 본 출원과 동일한 날에 출원된 "Method of Fabrication of Compound Light-Guide Optical Elements"라는 제목의 공동 계류중인 PCT 출원에서 더 상세히 논의된다.

여기에서도, 제1 LOE 영역(16) 상에 또한 커버 플레이트를 갖는 것이 요구되는 경우, 도 8a 및 도 8b에 따른 복합 LOE 구조를 생성하는 것이 유리할 수 있으며, 여기서 영역(18)의 커버 플레이트(32a)는 도 9a에 도시된 바와 같이, 영역(16)에 대해 요구되는 두께와 동일한 양만큼 요구되는 두께보다 작다. 이어서, 두 커버 플레이트는 전체 구조에 걸쳐 도파관에 접합된 균일한 두께의 플레이트(32b)의 추가에 의해 의도된 총 두께로 될 수 있고, 이에 의해 도 9b에 도시된 바와 같은 최종 구조를 생성한다.

상기 설명은 단지 예로서 제공되는 것으로 의도되고, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 많은 다른 실시예가 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (8)

1. 커플링-인 영역에서 주입된 이미지 조명을 관찰을 위해 사용자를 향해 지향시키는 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은 투명 재료로 형성된 도광 광학 엘리먼트(LOE)를 포함하고, 상기 LOE는:
   (a) 제1 배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면의 제1 세트를 포함하는 제1 영역;
   (b) 상기 제1 배향에 평행하지 않은 제2배향을 갖는 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면의 제2 세트를 포함하는 제2영역;
   (c) 상호 평행 주요 외부 표면의 세트 - 상기 주요 외부 표면은 상기 부분 반사 표면의 제1 세트 및 상기 부분 반사 표면의 제2 세트가 모두 상기 주요 외부 표면 사이에 위치되도록 상기 제1 및 제2 영역에 걸쳐 연장됨 - 를 포함하고,
   상기 부분 반사 표면의 제2 세트는 상기 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로 전파하는 이미지 조명의 일부가 사용자를 향해 상기 LOE로부터 커플링-아웃되도록 상기 주요 외부 표면에 대해 경사진 각도로 존재하고, 및 상기 부분 반사 표면의 제1 세트는 상기 커플링-인 영역으로부터 상기 주요 외부 표면에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하는 이미지 조명의 일부가 상기 제2 영역을 향해 편향되도록 배향되고,
   상기 LOE는 상기 주요 외부 표면 사이의 두께를 갖고, 및 상기 부분 반사 표면의 제1 세트는 상기 두께의 적어도 95%에 걸쳐 연장되고, 상기 제2 영역 내의 상기 부분 반사 표면의 제2 세트는 상기 부분 반사 표면의 제2 세트가 상기 제2 영역의 적어도 하나의 표면 층으로부터 배제되도록 상기 두께의 95% 미만에 걸쳐 있는 상기 두께의 서브섹션 내에 포함되는, 광학 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제2 세트는 상기 제2 영역 내의 상기 주요 외부 표면 둘 모두의 표면 층으로부터 배제되는, 광학 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제2 세트가 배제되는 상기 제2 영역의 상기 적어도 하나의 표면 층의 총 두께는 상기 두께의 6%와 33% 사이인, 광학 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 주요 외부 표면에 평행한 방향으로 상기 부분 반사 표면의 제2 세트의 인접한 표면 사이의 간격은 적어도 1 mm이고, 상기 부분 반사 표면의 제2 세트가 배제되는 상기 제2 영역의 상기 적어도 하나의 표면 층의 총 두께는 상기 두께의 적어도 10%인, 광학 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제 1세트는 상기 두께의 적어도 96%에 걸쳐 연장되는, 광학 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제 1세트는 상기 두께의 적어도 98%에 걸쳐 연장되는, 광학 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제 1세트는 상기 두께 전체에 걸쳐 연장되는, 광학 시스템.
8. 제 1항에 있어서, 상기 부분 반사 표면의 제1 세트의 상기 제1 배향은 상기 주요 외부 표면에 직교하는, 광학 시스템.
   
   
   

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