KR20230017171A - 광학 장치 - Google Patents

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KR20230017171A
KR20230017171A KR1020227038705A KR20227038705A KR20230017171A KR 20230017171 A KR20230017171 A KR 20230017171A KR 1020227038705 A KR1020227038705 A KR 1020227038705A KR 20227038705 A KR20227038705 A KR 20227038705A KR 20230017171 A KR20230017171 A KR 20230017171A
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제임스 레이턴
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스냅 인코포레이티드
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Abstract

입력 광을 확장하고(expanding) 확장된 광을 출력하기 위한 광학 장치(2)에 있어서, 광학 장치는, 도파관; 도파관의 제1 면에 입사되는 광(41)을 수신하도록 구성되고, 수신된 광을 도파관으로 반사하도록 구성되는 입력 반사 표면을 포함하는 입력 광학 요소(21); 제1 방향으로부터 도파관의 광을 수신하고, 수신된 광의 확장(expansion)을 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제공하도록 구성되는 중간 회절 광학 요소(24); 및 관찰자를 향해 도파관으로부터 확장된 광을 반사하도록 구성되는 출력 반사 표면을 포함하는 출력 광학 요소를 포함한다. 도파관은 광 경로를 따라 입력 광학 요소로부터 중간 회절 광학 요소로 그리고 상기 중간 회절 광학 요소로부터 출력 광학 요소로 광을 가이드하도록 구성된다.

Description

광학 장치
본 발명은 증강 현실(augmented reality) 또는 가상 현실(virtual reality) 디스플레이와 같은 근안(near-eye) 디스플레이용 도파관에 관한 것이다. 이러한 디스플레이에서, 광원은 도파관에서 확장되고(expanded) 관찰자를 향해 도파관으로부터 결합되는 이미지를 제공한다.
증강 현실 디스플레이는 사용자에게 주변 환경과 함께 투사된 이미지를 볼 수 있게 한다. 군사 또는 운송 적용에서 투사된 이미지는 사용자가 인식하는 실제 세계에 오버레이될 수 있다. 이러한 디스플레이의 다른 적용에는 비디오 게임 및 안경과 같은, 웨어러블 장치를 포함한다. 임의의 증강 현실 디스플레이는 현실 세계의 시야를 가리는 것만으로, 가상 현실 디스플레이로 사용할 수 있다.
일반적인 증강 현실 셋-업의 일 예가 웨어러블 안경(40)의 형태로, 도 1에 도시되어 있다.
일반적인 증강 현실 셋-업에서, 사용자의 앞에 투명 디스플레이 화면(44)이 제공되어 이들은 계속해서 실제 세계를 볼 수 있다. 투명 디스플레이 스크린(44)은 사용자의 눈 각각에 대해 하나의 스크린을 포함할 수 있다. 디스플레이 화면은 일반적으로 유리 도파관이며, 일 면에는 프로젝터가 제공된다. 프로젝터로부터의 광은 회절 격자(입력 격자(42))에 의해 도파관으로 결합된다. 투사된 광은 도파관에서 완전히 내부적으로 반사된다. 그리고 광은 사용자에게 보여질 수 있도록 다른 회절 격자(출력 격자)에 의해 도파관으로부터 결합된다. 프로젝터는 실제 세계에 대한 사용자의 시각을 증강시키는 정보 및/또는 이미지를 제공할 수 있다.
와이드-스크린 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이의 생산에는 (증강 현실이 전체 너비에 필요하다면) 입력 프로젝터의 광이 디스플레이의 전체 너비에 걸쳐 제공되어야 하기에 문제점이 존재한다. 하나의 해결책은 단일 입력 프로젝터와 디스플레이 너비에 걸쳐 시야를 확장할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것이다.
그러나, 출력 격자를 사용하는 일반적인 설정에서는 출력 격자에 의해 제공되는 동공 응답의 연속적인 특성으로 인해, 높은 효율 및 높은 균일성을 모두 달성하기 어렵다.
따라서, 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이를 위한 보다 효율적이고 및/또는 균일한 도파관 광학 장치를 제공하는 것이 요구된다.
일 양태에 따르면, 본 개시의 입력 광을 확장하고 확장된 광을 출력하기 위한 광학 장치를 개시하고, 광학 장치는: 도파관; 도파관의 제1 면에 입사되는 광을 수신하도록 구성되고 수신된 광을 도파관으로 반사하도록 구성되는 입력 반사 표면을 포함하는 입력 광학 요소; 제1 방향으로부터 도파관의 광을 수신하고, 수신된 광의 확장(expansion)을 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제공하도록 구성되는 중간 회절 광학 요소; 및 관찰자를 향해 도파관으로부터 확장된 광을 반사하도록 구성되는 출력 반사 표면을 포함하는 출력 광학 요소를 포함한다.
도파관은 광 경로를 따라 입력 광학 요소로부터 중간 회절 요소로 그리고 중간 회절 광학 요소로부터 출력 광학 요소로 광을 가이드하도록 구성된다. 광 경로는 광학 요소들 사이에 직행일 수 있고, 또는 하나 이상의 추가 요소 또는 광의 방향 전환을 포함할 수 있다.
반사 입력 및 출력 요소, 및 도파관에서 전파 방향에 수직으로 광을 확장하도록 구성되는 중간 회절 광학 요소를 갖는 광학 장치를 제공함으로써, 광학 장치는 출력 격자와 연관되는 효율성 및 균일성의 손실 없이 광을 확장할 수 있다.
선택적으로, 출력 광학 요소는 입력 광학 요소로부터 제1 방향으로 이격된다. 중간 회절 광학 요소는 입력 광학 요소로부터 광을 수신하고 출력 광학 요소를 향해 확장된 광을 결합한다. 이는 간단하게 구성될 수 있는 간단한 선형 배열을 제공한다.
선택적으로, 출력 광학 요소는 제1 면을 통해 도파관으로부터 광을 반사하도록 구성된다. 더 구체적인 예에서, 선택적으로, 입력 반사 표면은 출력 반사 표면과 기하학적으로 유사하다. 또는, 출력 광학 요소는 제1 면과 반대되는 제2 면을 통하여 도파관으로부터 광을 반사하도록 구성될 수 있다.
다시 말해서, 광학 장치는 광이 장치에 수신된 것과 동일한 면에 광을 출력하고, 또는 장치에 수신된 광과 대향하는 면에 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 광학 장치가 본 발명의 이점을 달성하면서 다양한 상이한 사용 사례에 적용될 수 있음을 의미한다.
선택적으로, 입력 광학 요소는 도파관의 평면에 대한 각도 범위로 도파관으로 광을 반사하도록 구성된다. 이는 수신된 광이 도파관에서 그것의 운동 방향과 평행하게 확장되고, 중간 회절 광학 요소의 확장과 함께, 2차원 확장을 제공하는 효과가 있다. 유사하게, 도파관은 각 시야각(angular field of view)을 갖는 입력 광을 수신하고, 내부 전반사에 의해, 제1 확장 계수만큼 수신된 광을 운동 방향으로 확장하도록 구성될 수 있다.
내부 전반사에 의해 제1 방향으로 광을 확장하도록 도파관을 추가로 구성함으로써, 장치는 출력 격자와 연관되는 효율성 손실을 겪지 않고 2개의 수직 방향으로 독립적으로 광을 확장할 수 있다.
선택적으로, 중간 회절 광학 요소는 제1 확장 계수의 기설정된 배수인 제2 확장 계수만큼 수신된 광을 제2 방향으로 확장하도록 구성된다.
2개의 수직 방향의 확장 계수 사이에 소정의 비율을 정함으로써, 광원의 수정 없이 확장된 광의 종횡비(aspect ratio)를 제어할 수 있다.
선택적으로, 중간 회절 광학 요소는 출력 광학 요소를 향해 광을 결합하기 위해 중간 회절 광학 요소에서 제1 회절 및 제2 회절을 제공하도록 입력 광학 요소로부터 수신된 광에 대해 제3 각도로 배향되는 제1 격자를 포함하고, 제1 회절은 입력 광학 요소로부터 제1 격자를 향해 제4 각도로 광을 결합하여 제2 회절은 중간 회절 광학 구조의 복수의 이격된 위치에 제공되고 이에 따라 광의 확장을 제공하고, 제2 회절은 출력 회절 광학 구조를 향해 광을 결합한다.
격자는 중간 회절 광학 요소의 기능을 구현하는 간단한 방법을 제공한다. 격자는, 예를 들어, 도파관의 표면에 에칭되거나 증착될 수 있다.
선택적으로, 중간 회절 광학 요소는 출력 광학 요소를 향해 광을 결합하기 위하여 중간 회절 광학 요소에서 제3 회절 및 제4 회절을 제공하도록 입력 광학 요소로부터 수신되는 광에 대해 제5 각도로 배향되는 제2 격자를 더 포함하고, 제3 회절은 입력 광학 요소로부터 제2 회절 특징부를 향해 제4 각도로 광을 결합하여 제4 회절은 중간 회절 광학 구조의 복수의 이격된 위치에 제공되고 이에 따라 광의 1차원 확장을 제공하고, 제4 회절은 출력 회절 광학 구조를 향해 광을 결합한다.
2개의 격자를 이용함으로써, 광학 장치는 제2 방향에서 출력 광의 중심 주위에 대칭적으로 밝은 출력 광을 생성하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 제1 각도 및 제3 각도는 실질적으로 동일하고 대향할 수 있다. 동일하고 대향하는 각도를 이용하여, 2개의 격자는 간단한 구성으로 제2 방향으로 대칭 확장을 제공할 수 있다.
선??거으로, 제1 각도는 +(45+Δ)도이고 제3 각도는 -(45+Δ)도이고, Δ는 0이 아니다(non-zero). 파라미터 Δ는 제2 방향으로의 광 확장의 확장 계수를 수정하도록 제어될 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 격자는 도파관에서 물리적으로 이격되어 있다. 격자를 이격함으로써, 도파관의 단일 표면에 제1 및 제2 격자를 기본 격자로 제공할 수 있고, 구성을 단순화할 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 격자는 한 쌍의 교차 격자로서 도파관에서 상호 적어도 부분적으로 오버레이(overlay)된다. 격자를 오버레이함으로써, 중간 회절 광학 소자의 크기를 줄일 수 있고, 전체 광학 장치의 크기를 줄일 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 격자는 도파관의 대향하는 표면에 제공된다. 대향하는 표면에 격자를 제공함으로써, 광학 장치의 크기는 감소될 수 있으면서 간단한 기술로 중간 회절 광학 요소를 생성할 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 격자는 도파관에서 실질적으로 동일한 평면에 제공된다. 실질적으로 동일한 평면에 격자를 제공함으로써, 광이 2개의 격자와 동시에 상호 작용하여, 제2 방향으로의 확장이 반드시 대칭이 되도록 할 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 격자는 광 결정(photonic crystal)을 이용하여 제공된다. 광 결정을 이용하여, 격자는 도파관에 내장되고, 외부 손상으로부터 보호된다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 제1 양태에 따르는 광학 장치: 및 광학 장치의 입력 광학 요소를 향해 광을 투사하도록 배열되는 프로젝터를 포함하는 광학 시스템을 제공한다.
이러한 광학 시스템은 광이 출력 격자를 이용하여 도파관으로부터 결합되는 광학 시스템과 비교하여 개선된 효율을 갖는다.
선택적으로, 프로젝터는 입력 광학 요소의 시야각(angular field of view)에 걸쳐 광을 투사하도록 구성된다.
각 시야를 걸쳐 투사함으로써, 광학 장치는 입력 반사 표면이 평평한 표면인 경우, 제1 방향으로 광을 확장할 수 있어, 광학 장치의 구성을 단순화한다.
도 1은 증강 현실 시스템의 개략도이다;
도 2a 및 2b 본 발명에 따르는 광학 시스템의 개략도이다;
도 3은 본 발명에 따르는 광학 장치의 개략적인 측면도이다;
도 4는 본 발명에 따르는 광학 장치의 개략적인 평면도이다;
도 5는 중간 회절 광학 소자의 개략도이다;
도 6은 본 발명에 따르는 대안적인 광학 장치의 개략적인 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따르는 또 다른 대안적인 광학 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2a 및 2b는, 예를 들어 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이에 사용될 수 있는, 본 발명에 따르는 광학 시스템의 개략도로서, x- 및 z-방향은 후속 도면과의 비교를 위해 표식되어 있다. 도 2a 및 2b의 광학 시스템은, 예를 들어, 도 1의 글래스(40)와 유사한 글래스에 이용될 수 있다.
광학 시스템에서 광(41)은 프로젝터(1)에서 광학 장치(2)로 투사된다. 광학 장치(2)는 수신된 광(41)을 확장하고 확장된 광(42)을 사용자의 눈(3)을 향해 출력한다.
프로젝터(1)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 눈(3)과 같이 광학 장치(2)의 동일한 면을 향할 수 있고, 또는, 도 2b에 도시된 바와 같이 프로젝터(1)는 눈(3)으로부터 광학 장치(2)의 대향하는 면을 향할 수 있다.
광학 장치(2)는 x-축을 따라 배향된 도파관(22)을 갖는 평면 구조이다. 입력 광학 요소(21)는 광을 도파관(22)으로 결합하도록 구성되고, 출력 광학 요소(23)는 도파관(22)으로부터 광을 결합하도록 구성된다.
각각의 입력 광학 요소(21) 및 출력 광학 요소(23)는 각각 반사 표면을, 바람직하게는 비분산(non-dispersive)표면을, 포함한다. 입력 광학 요소에서 광학 장치(2)에 입사한 광은 입력 반사 표면에서 도파관(22)으로 반사된다. 도파관(22)으로부터의 광은 출력 반사 표면에서, 광학 장치(2)로부터, 반사된다.
이러한 실시예에서, 반사 표면은 x-z 평면에 수직인 표면을 갖는 평평한 표면이고, x-축에 대해 각각의 각도(φin 및 φout)로 배열된다.
도 2a의 예에서, 광학 소자를 통과한 광의 방향은 입력 및 출력 사이의 z-축에서 반사되는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 반사 표면이 거울상(mirror image) 방향을 갖도록, 도 2a에 표시된 각도 φin 및 φout은 동일하다.
도 2b의 예에서, 광학 소자를 통과하는 광의 방향은 유지되는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 반사 표면이 평행한 방향을 갖도록, 도 2b에 표시된 각도 φin 및 φout은, 동일하다(즉, 출력 반사 표면이 입력 반사 표면에 대해 x-z 평면에서 180도 회전됨).
도 3은, x-축 및 z-축을 포함하는 측면도에서, 도 2a의 구성을 갖는 광학 장치(2)의 개략적인 단면도이며, 광학 장치(2)를 통과하는 광선(light ray)을 도시한다.
입력 광학 요소(21)에서 광학 장치(2)에 입사된 광은, 시야(field of view; FOV) 라고도 하는, 각도 범위, θFOV,in에 걸쳐 확산된다. 예를 들어, 광학 장치(2)와 함께 사용되는 프로젝터(1)는 시야를 가로질러 연장되는 넓은 평면 광원 또는 곡선 광원일 수 있다. 평면 광원에서, 전자 시간 지연은 곡선 광원을 시뮬레이션하기 위해 사용될 수 있고, 또는 프레임 속도 및/또는 셔터 속도를 충분히 느리게 유지하여 시간 보정이 필요 없을 수 있다.
시야의 결과로, 도파관으로 반사된 광은 도파관의 평면에 대해 일정 범위의 각도를 갖는다. 광이 광학 장치 내에서 전파되어, 도파관(22) 내에서 전반사를 경험함에 따라, 도파관의 각도 범위는 x-축에 대한 최대 각도 θmax와 x-축에 대한 최소 각도 θmin 사이에서 고정된다. 그러나, 이러한 각도 분기(divergence)로 인해, 광이 도파관(22)에서 전파됨에 따라 광의 선형 확산이 증가한다. 이는 각각의 예시된 광선이 도파관(22)에서 n번째 반사를 경험하는 위치를 나타내는 반사 구역(R1 내지 R5)의 길이가 증가함에 따라 알 수 있다. 따라서, 광이 출력 광학 소자(23)에 도달하면, 광은 x-방향으로 선형 확산을 겪는다. 그러나, φin 및 φout이 동일하기 때문에, 광학 장치(2)로부터 출력되는 광의 각도 범위 θFOV,out는 θFOV,in과 동일하다.
입력 광(41)에 대한 광(42)의 x-방향 확장 계수는 도파관(22)의 광의 경로 길이에 의존한다. 따라서 x-방향 확장 계수는 도파관(22)을 길게 함으로써 증가될 수 있고, 도파관(22)을 단축함으로써 감소될 수 있다. 또한, 확장 계수는 x-축에 대해 φin 및 φout을 감소시킴으로써 x-방향에 대해 더 큰 각도로 전파되고 경로 길이가 증가하게 할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 입력 반사 표면의 면적이 출력광을 반사하는 데 이용되는 출력 반사 표면의 면적보다 입력 광을 반사하는 데 이용되는 면적이 더 작다. 따라서, 도 3에 도시된 입력 및 출력 광학 요소가 동일한 크기를 갖지만, 입력 광학 요소(21)는 일반적으로 출력 광학 요소(23)보다 작을 수 있다. 보다 구체적으로, 도시된 x-z 평면에서 반사 표면의 길이의 비율은 x-z 평면에서 광학 소자(2)의 확장 계수와 동일할 수 있다.
또한, 광학 장치(2)는 입력 광학 요소(21)와 출력 광학 요소(23) 사이의 x-방향에 수직인 y-방향으로 광을 확장한다. y 방향의 확장은 x 방향의 확장과 독립적이다. 보다 구체적으로, x 방향의 확장은 반사 확장이고, y 방향의 확장은 회절 확장이다. 광학 장치(2)는 도파관의 길이에 의존하는, 반사 확장을 위한 제1 확장 계수가, 후술할 바와 같이 제어되는, 회절 확장을 위한 2 확장 계수의 기설정된 배수가 되도록 구성될 수 있다.
도 4는 상기 도시된 x-z 평면에 수직인 x-y 평면을 보여주는 평면도에서, 일 실시예에 따르는 광학 장치(2)를 개략적으로 예시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광학 장치(2)는 x-축 방향으로 폭 Wgrating을 갖는 중간 회절 광학 소자(24)를 포함한다. 입력 광학 요소(21)로부터 출력 광학 요소(23)를 향해 전파하는 광(43)은 통과함에 따라 중간 회절 광학 요소(24)와 상호작용한다. 상호작용은 상술한 반사 확장의 x-방향에 수직인 y-방향으로 광(43)의 확장을 제공하고, 확장된 광(45)은 출력 광학 요소(23)를 향해 결합되어 도파관으로부터 관찰자를 향해 결합된다.
이러한 상호작용은, 중간 회절 광학 요소(24)를 개략적으로 예시하는, 도 5에 더 상세히 예시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서, 중간 회절 광학 소자(24)는 평행 라인(241)의 주기적 패턴을 갖는 선형 격자이다. 라인(241)은 입력 광학 요소(21)로부터 광이 수신되는 방향인 x-축에 대해 각도 ψ(이 경우 +45도)로 배향된다. 광(43)이 중간 회절 광학 요소(24)와 만나는 경우 광은 1차로 1차 회절을 하고 90도로 회전한다. 회절된 광(44)은 내부 전반사에 의해 도파관(22) 내에서 포착된 y-방향으로 전파된다. 회절된 광(44)은, 그 길이를 따라 여러 지점에서, 중간 회절 광학 요소(24)와 다시 상호작용하고, 상호작용의 각 지점에서 광은 회절되거나 또는 회절되지 않는다. 광이 회절되는 경우, 중간 회절 광학 요소(24)를 사용한 제2 회절은 광을 90도로 다시 한번 회전시켜 광(45)이 x-축과 평행한 방향으로 출력 광학 요소(23)를 향해 결합되도록 한다. 회절되지 않은 광은 추가 지점에서 중간 회절 광학 요소(24)와의 상호작용을 위해 도파관(22)에서 계속 전파된다. 이러한 방식으로, 중간 회절 광학 요소(24)는 y-축에서 광의 1차원 확장을 제공한다. 중간 회절 광학 요소(24)로부터 출력 광학 요소(23)를 향해 전파하는 광(45)은 중간 회절 광학 요소(24) 내에서 2회 회절되고, 90도로 2회 회전된다. 중간 회절 광학 요소(24)의 2개의 회절 상호작용은 동일하고 대향하여 이들이 자가-활용(self-conjugating)하고 제1 회절에 의해 도입된 광학 효과는 제2 회절에 의해 상쇄된다.
상술한 y방향의 회절 기반 확장은 확률적이고, 광이 중간 회절 광학 소자(24)에서 보내는 시간이 많을수록(경로 길이가 길수록) 확장될 것으로 예상할 수 있다. 따라서, 광학 소자를 통과하는 광에 대한 y 방향의 확장 계수는 x-축 방향에서 중간 회절 광학 요소(24)의 폭 Wgrating을 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
또한 y 방향의 확장 계수는 각도 ψ를 변경하여 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 각도 ψ는 격자에서 1차 회절의 방향을 나타낸다. ψ가 작은 경우, 회절광(44)의 방향은 수광된 광(43)의 방향과 유사하고, 광은 중간 회절 광학 소자(24)에서 더 적은 시간을 보내고 덜 확장한다. 한편, ψ가 x-축에 대해 45도보다 크면, 회절된 광(44)은 x-축에 대해 후방으로 진행하고, 중간 회절 광학 소자(24)에서 더 많은 시간을 보내고 더 많이 확장한다. 바람직한 실시예에서, 각도 ψ는 45도에 가깝고, 0도 및 ±10도 사이에서 ψ에서 벗어난다.
라인(241) 사이의 간격은 1차 회절의 기회를 최대화하도록 선택될 수 있다. 이러한 기회는 광의 파장에 따라 달라지므로 y 방향의 확장 계수는 부분적으로 파장에 따라 달라진다. 가시광의 적용에서, 간격은 도파관의 녹색광 파장과 일치하도록 선택될 수 있다.
도 4로 돌아가서, ψ가 양수인 경우 y 방향의 확장이 양의 y 방향으로만 발생함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 출력 광학 요소(23)의 중심은 입력 광학 요소(21)의 중심에 대해 양의 y-방향으로 변위된다. 이는 격자의 1차 회절이 투과(0차 회절)보다 개연성이 낮기에, 출력 광(42)의 가장 밝은 부분이 y-방향에서 중심에서 벗어나 있다는 단점이 있다.
도 6은 입력 및 출력 광학 요소(21, 23)의 중심이 y-방향으로 정렬된 대안적인 광학 장치(2)의 개략적인 평면도이고, 광학 장치(2)로부터 출력된 확장된 광은 y-축에서 대칭적으로 밝을 수 있다.
도 6에서, 회절 광학 요소는 제1 격자(24) 및 제2 격자(25)를 포함한다. 제1 격자(24) 및 제2 격자(25) 각각은 도 5를 참조하여 상술한 격자와 유사할 수 있다. 그러나, 하나의 격자에 있어서 각도 ψ는 양수이고 다른 격자에 있어서 각도 ψ는 음수이기에, 격자가 y축을 따라 반대 방향으로 확장된다. 제1 격자 및 제2 격자는 바람직하게는 동일한 확장 계수를 제공한다.
도 7은 입력 및 출력 광학 요소(21, 23)의 중심이 y-방향으로 정렬된 다른 대안적 광학 장치(2)의 개략적인 평면도이고, 광학 장치(2)로부터 출력된 확장된 광은 y-축에서 대칭적으로 밝을 수 있다.
도 7에서, 회절 광학 요소는 x-y 평면에서 한 쌍의 교차 격자(26)를 포함한다. 교차 격자(26)는 도 6의 제1 및 제2 격자(24, 25)와 실질적으로 유사할 수 있고, 여기서 격자는 도파관(22)의 2개의 대향하는 표면에 제공되어, 대향하는 표면은 z-방향으로 서로 대향한다. 또는, 교차 격자(26)는 도파관(22)의 일 표면 상의 단일 구조일 수 있거나, z-방향으로 도파관(22)을 가로질러 연장하는 단일 구조일 수 있다. 예를 들어, 교차 격자(26)는, WO 2016/020643 A1에 개시되는, 삼각형 격자를 갖는 광자 결정의 형태를 취할 수 있다.
상술한 실시예에서, 내부 전반사에 의한 x-방향 광의 확장은 입력 광이 각도 시야에 걸쳐 분포되는 것을 요구한다. 그러나, 다른 실시예에서, 평면 시야에서 평행광은 x-축에서 확장될 수 있다. 보다 구체적으로, 입력 반사 표면 및 출력 반사 표면은 각각의 곡면(예: 파라볼릭 표면), 또는 곡면에 근접하도록 배열된 일련의 평면일 수 있으며, 광이 도파관을 통과하는 동안 방향의 각도 분포를 가지고, 그러나 입력 광학 요소에서 광학 장치에 들어갈 때와 출력 광학 요소에서 광학 장치를 나갈 때는 평행하다. 곡면의 상대 초점 거리는 x 방향에서 원하는 확장 계수에 따라 구성될 수 있다. 도 8은 평행광을 수신하도록 설계된 입력 광학 요소를 갖는, 본 발명에 따른 광학 장치의 일부를 개략적으로 도시한다. 반사 표면이 만곡된 실시예에서, 프로젝터와 사용자가 도 2a와 같이 배치되어야 하는 경우, 출력 반사 표면은 y-z 평면에서 입력 반사 표면의 반사에 따라 배향될 수 있고, 프로젝터와 사용자가 도 2b에 도시된 바와 같이 배열되어야 하는 경우, 출력 반사 표면은 x-z 평면에서 입력 반사 표면의 회전에 따라 배향될 수 있다.
상술한 독립적인 반사 및 회절 메커니즘을 이용하여 y-방향의 확장 계수 및 x-방향의 확장 계수를 독립적으로 제어함으로써, 광학 장치(2)는 출력광의 종횡비는 입력 광과 다를 수 있는 기설정된 직사각형(rectangular) 확장을 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 프로젝터(1)의 디자인이 사용자의 눈(3)을 향해 투사되는 광(42)에 대한 원하는 종횡비에 의해 제한될 필요가 없다는 것을 의미한다.
상술한 예에서, 입력 광학 요소는 출력 광학 요소를 향해 광을 반사하고, 광은 출력 광학 요소에 도달하기 전에 중간 회절 광학 요소를 통과한다. 그러나, 다른 예에서, 광학 요소는 일렬로 배열될 필요는 없다. 예를 들어, 광학 장치는 도파관의 x-y 평면 내에서 광을 재-지향(redirect)하도록 구성된 하나 이상의 내부 반사 요소를 포함할 수 있다. 이러한 내부 반사 요소는 도파관 내의 광에 의해 취해진 광 경로에 하나 이상의 코너(corner)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이러한 예에서, x-방향으로의 상술한 확장은 도파관에서 광의 운동 방향에 평행한 확장으로 일반화되고, y-방향으로의 상술한 확장은 중간 회절 광학 요소에 입사하는 광의 운동 방향에 수직인 확장으로 일반화된다.
일부 실시예에서, 상술한 바와 같은 복수의 광학 장치가 적층될 수 있다. 각각의 광학 장치는 서로 다른 광 주파수를 최적으로 확장하도록 구성될 수 있다. 광은 빔 스플리터(beam splitter)를 입력 광학 요소(21) 및 출력 광학 요소(23)로 사용하여 다중 적층 광학 장치를 통과할 수 있다.

Claims (15)

  1. 입력 광을 확장하고(expanding) 확장된 상기 광을 출력하기 위한 광학 장치에 있어서, 상기 광학 장치는,
    도파관;
    상기 도파관의 제1 면에 입사되는 광을 수신하도록 구성되고, 수신된 상기 광을 상기 도파관으로 반사하도록 구성되는 입력 반사 표면을 포함하는 입력 광학 요소;
    제1 방향으로부터 상기 도파관의 광을 수신하고, 수신된 상기 광의 확장(expansion)을 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제공하도록 구성되는 중간 회절 광학 요소; 및
    관찰자를 향해 상기 도파관으로부터 확장된 상기 광을 반사하도록 구성되는 출력 반사 표면을 포함하는 출력 광학 요소를 포함하고,
    상기 도파관은 광 경로를 따라 상기 입력 광학 요소로부터 상기 중간 회절 광학 요소로 그리고 상기 중간 회절 광학 요소로부터 상기 출력 광학 요소로 광을 가이드하도록 구성되는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 광학 요소는 상기 제1 면을 통하여 상기 도파관으로부터 광을 반사하도록 구성되는, 광학 장치.
  3. 상술한 항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 입력 광학 요소는 상기 도파관의 평면에 대한 각도 범위로 상기 도파관으로 광을 반사하도록 구성되어, 수신된 상기 광이 상기 도파관에서 그 운동 방향에 평행하여 제1 확장 계수만큼 확장되는, 광학 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중간 회절 광학 요소는 상기 제1 확장 계수의 기설정된 배수인 제2 확장 계수만큼 수신된 상기 광을 상기 제2 방향으로 확장하도록 구성되는, 광학 장치.
  5. 상술한 항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 중간 회절 광학 요소는 상기 출력 광학 요소를 향해 광을 결합하기 위하여 상기 중간 회절 광학 요소에서 제1 회절 및 제2 회절을 제공하도록 상기 입력 광학 요소로부터 수신된 광에 대해 제3 각도로 배향되는 제1 격자를 포함하고, 상기 제1 회절은 상기 입력 광학 요소로부터 상기 제1 격자를 향해 제4 각도로 광을 결합하여 상기 제2 회절은 상기 중간 회절 광학 구조의 복수의 이격된 위치에 제공되고 이에 따라 광의 확장을 제공하고, 상기 제2 회절은 상기 출력 회절 광학 구조를 향해 광을 결합하는, 광학 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중간 회절 광학 요소는 상기 출력 광학 요소를 향해 광을 결합하기 위하여 상기 중간 회절 광학 요소에서 제3 회절 및 제4 회절을 제공하도록 상기 입력 광학 요소로부터 수신되는 광에 대해 제5 각도로 배향되는 제2 격자를 더 포함하고, 상기 제3 회절은 상기 입력 광학 요소로부터 상기 제2 회절 특징부를 향해 제4 각도로 광을 결합하여 상기 제4 회절은 상기 중간 회절 광학 구조의 복수의 이격된 위치에 제공되고 이에 따라 광의 1차원 확장을 제공하고, 상기 제4 회절은 상기 출력 회절 광학 구조를 향해 광을 결합하는, 광학 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 각도 및 상기 제3 각도는 실질적으로 동일하고 대향하는, 광학 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 각도는 +(45+Δ)도이고 상기 제3 각도는 -(45+Δ)도이고, Δ는 0이 아닌(non-zero), 광학 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자는 상기 도파관에서 물리적으로 이격되는, 광학 장치.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자는 한 쌍의 교차 격자로서 상기 도파관에서 상호 적어도 부분적으로 오버레이(overlay)되는, 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자는 상기 도파관의 대향하는 표면에 제공되는, 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자는 상기 도파관에서 실질적으로 동일한 상기 평면에 제공되는, 광학 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 격자는 광 결정(photonic crystal)을 이용하여 제공되는, 광학 장치.
  14. 광학 시스템에 있어서,
    상술한 한 중 어느 하나에 따르는 광학 장치, 및
    상기 광학 장치의 입력 광학 요소를 향해 광을 투사하도록 배열되는 프로젝터를 포함하는, 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로젝터는 상기 입력 광학 요소의 시야각(angular field of view)에 걸쳐 광을 투사하도록 구성되는, 광학 시스템.
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