KR20230079182A - 도파관 조립체 - Google Patents

Abstract

도파관 조립체가 개시된다. 도파관 조립체는 제1 도파관 슬래브 및 제2 도파관 슬래브를 포함한다. 제1 도파관 슬래브는 이미지 보유 광을 수신하고 제1 축에 평행하게 이미지 보유 광의 동공 크기를 확대하도록 배열된다. 제1 도파관 슬래브는 내부 전반사(TIR) 하에서 이미지 보유 광을 제1 도파관 슬래브 내로 결합하도록 배열된 제1 입력 결합 디바이스, 및 반사에 의해 제1 도파관 슬래브 밖으로 이미지 보유 광을 결합 해제하도록 배열된 제1 외부 결합 영역을 포함한다. 제2 도파관 슬래브는 제1 도파관 슬래브로부터의 외부 결합된 이미지 보유 광의 적어도 일부를 제2 도파관 슬래브 내로 결합하고, 제2 축에 평행하게 동공 크기를 확대하도록 배열되고, 제2 축은 제1 축에 실질적으로 직교한다. 제2 도파관 슬래브는 회절 내부 결합 영역 및 투과성 회절 외부 결합 영역을 포함하고, 이를 통해 사용자는 실세계 이미지 및 외부 결합된 이미지 보유 광을 동시에 볼 수 있다.

Description

도파관 조립체

증강 현실 응용들을 위해, 디스플레이의 시야가 큰 것이 바람직하다. 사용자들의 물리적 특징들의 변동으로 인해, 디스플레이가 디스플레이들의 일반적인 피트먼트(fitment)를 허용하고 디스플레이 표면에 대한 사용자 눈들의 이동을 허용하기 위해 큰 출사 동공(exit pupil)을 포함하는 것이 또한 바람직하다. 큰 FOV 및 출사 동공을 제공하면서, 이미지들을 디스플레이하는 데 사용되는 광학계(optics)의 전체 크기를 감소시키기 위해, 동공 확장 기술들이 사용된다.

도 1은 단일 차원에서 이미지 보유 동공을 확장하도록 구성된 도파관을 도시한다.
도 2a는 2개의 차원에서 이미지 보유 동공을 확장하기 위한 도파관 조립체의 확대도이다.
도 2b는 2개의 차원에서 이미지 보유 동공을 확장하기 위한 도파관 조립체의 도면이다.
도 3a는 고정 피치 격자를 갖는 단일 도파관을 도시한 것으로, 적색 광이 도파관에 결합되어 있다.
도 3b는 동일한 고정 피치 격자를 갖는, 도 3a와 동일한 단일 도파관을 도시한 것으로, 청색 광이 도파관에 결합되어 있다.
도 4는 회절 요소들이 아니라 반사성 결합 요소들을 이용하는 동공 확장기를 도시한다.
도 5a는 반사성 도파관 슬래브의 측면도를 도시한다.
도 5b는 반사성 도파관 슬래브의 평면도를 도시한다.
도 5c는 투과성 도파관 슬래브의 평면도를 도시한다.
도 5d는 투과성 도파관 슬래브의 측면도를 도시한다.
도 6은 3개의 도파관 슬래브를 포함하는 공면 도파관 배열(co-planar waveguide arrangement)을 도시한다.
도 7a는 도파관에서의 TIR 하의 단일 광선을 도시한다.
도 7b는 도파관 밖으로 결합된 단일 광선을 도시한다.
도 8a는 함께 본딩된 2개의 도파관 슬래브를 포함하는 도파관 내에 한정된 단일 광선을 도시한다.
도 8b는 함께 본딩된 2개의 도파관 슬래브를 포함하는 도파관으로부터 출력된 단일 광선을 도시한다.
도 9는 양안 배열을 도시한다.
도 10은 대안적인 양안 배열을 도시한다.

동공 확장은 도 1에 도시된 바와 같이 회절 격자를 포함하는 도파관(100)을 사용하여 달성될 수 있다. 도파관(100)은 입력 격자(110) 및 출력 격자(120)를 포함한다. 출력 격자는 도파관 밖으로 광을 출력하고 단일 차원에서 광을 확장하도록 구성된다. 격자는 광을 상이한 방향들로 분할하고 회절시킬 수 있는 주기적 구조이다. 주기적 구조들은 종종 라인들로 알려져 있고, 설명 전체에 걸쳐 그와 같이 지칭될 것이다.

2개의 차원에서의 확장은 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 직교 도파관을 사용하여 달성될 수 있다. 각각의 도파관 상의 격자 라인들은 실질적으로 서로 직교한다. 입력 동공이 입력 격자(110a)를 사용하여 제1 도파관(100a)에 결합된다. 입력 동공은 출력 격자(120a)에 의해 도파관(100a) 내에서 확장되고 그로부터 외부 결합된다.

제2 도파관(100b)은, 제2 확장 격자(120b)의 격자 라인들이 제1 확장 격자(120a)의 격자 라인들에 실질적으로 직교하고, 출력 격자(120a)에 의해 제1 도파관으로부터 출력된 광이 입력 격자(110b)에 의해 제2 도파관(100b)에 결합되도록 배열된다. 제2 도파관(100b)의 출력 격자(120b)는 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 동공을 확장하고 제2 도파관으로부터 광을 출력하는 데 사용된다.

도 2a 및 2b에 도시된 배열은 제1 및 제2 도파관들 사이의 교차 결합을 수행하기 위해 사용되는 저효율 격자들의 사용으로 인해 비효율적이다. 도 2a 및 2b의 배열이 회절 격자들을 사용함에 따라, 그것은 또한 고유 시야(FOV) 및 파장 대역폭 제한들을 갖는다.

고정 피치 입력 격자를 갖는 단일 회절 도파관의 경우, 특정 파장들에 대한 회절 각도들이 유리 기판의 TIR 조건들 밖에 있는 것으로 인해, 큰 FOV에 걸쳐 큰 파장 범위를 결합하는 것이 어렵다.

따라서, 다수의 파장들(즉, 전체 컬러)을 포함하는 넓은 FOV 이미지에 대해, 다수의 적층형 도파관들이 이러한 셋업을 갖는 수평 확장기 및 수직 확장기 둘 다에 대해 통상적으로 요구된다. 고정 피치 입력 격자를 갖는 단일 도파관이 도 3a에 도시되어 있다. 적색 광이 입력될 때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전체 적색 FOV는 TIR 하에서 결합된다. 그러나, 청색 광이 입력될 때, 도 3b에 도시된 바와 같이, 청색 FOV는 FOV가 TIR에 의해 제한될 수 없어서 결합되지 않기 때문에 주로 방출된다.

대안은 회절 요소들이 아니라 반사성 결합 요소들을 이용하는 동공 확장기를 이용하는 것이다. 이것은 도 4에 도시되어 있다.

프리즘과 같은 반사성 또는 투과성 입력 결합 디바이스를 포함하는 도파관은 회절 격자와 동일한 색 제약들을 갖지 않으며, 다수의 파장이 더 큰 FOV에 걸쳐 결합될 수 있다. 따라서, 단일 도파관이 도 3a 및 3b의 배열과 대조적으로, TIR 하에서 전체 컬러의 넓은 FOV 이미지를 제한하는 데 사용될 수 있다. 도파관 슬래브에 부착된 반사성 출력 구조가 또한 통상적인 회절 격자보다 더 효율적인 방식으로 도파된 광을 출력할 수 있다.

동공 확장(즉, 수평 확장기의 경우)을 위해서만 사용되는 반사성 출력 결합기는 투과/투시(see-through)를 필요로 하지 않으며, 따라서 고반사(고효율 미러 코팅)를 위해, 균일한 출력을 산출하기 위한 단계적인 효율로 코팅될 수 있다.

시야 내에서 최소화된 아티팩트들을 갖는 분명한 투시 경로를 유지하기 위해 반사성 외부 결합 구조를 최적화하는 것은 시선 내의 다수의 반사성 표면의 사용으로 인해 어려울 수 있다. 그에 비해, 통상적인 회절 외부 결합 구조들은, 특히 사용되는 나노미터 크기의 회절 구조들이 인간의 눈에 의해 인지불가능하기 때문에 유리 기판 내에 내장될 때, 최소의 아티팩트들로 고도로 투시되도록 최적화될 수 있다.

따라서, 반사성 동공 확장기를 회절 동공 확장기와 결합하면, 양 기술의 최상의 품질들을 포함하는 결합된 2차원 동공 확장기를 산출할 수 있다.

일부 예들에 따른 도파관 조립체(500)가 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명된다. 도파관 조립체(500)는 제1 도파관 슬래브(500a) 및 제2 도파관 슬래브(500b)를 포함한다.

제1 도파관 슬래브(500a)는 이미지 보유 광을 수신하고, 제1 축에 평행하게 이미지 보유 광의 동공을 확대하도록 배열된다. 제1 도파관 슬래브(500a)는 내부 전반사(TIR) 하에서 광을 제1 도파관 슬래브에 결합하도록 배열된 제1 입력 결합 디바이스(510a)를 포함한다. 제1 도파관 슬래브(500a)는 또한 반사에 의해 제1 축에 평행한 방향으로 동공을 확장하도록 배열된 제1 출력 결합 영역(520a)을 포함한다. 제1 출력 결합 영역(520a)은 또한 제1 도파관 슬래브(500a) 밖으로 이미지 보유 광을 결합하도록 배열된다.

제1 도파관 슬래브(500a)는 도 5a의 측면도 및 도 5b의 평면도에 도시되어 있다.

제2 도파관 슬래브(500b)는 제1 도파관 슬래브(500a)로부터의 외부 결합된 광의 적어도 일부를 제2 도파관 슬래브(500b) 내로 결합하고, 이미지 보유 광을 제2 축에 실질적으로 평행한 방향으로 확장하도록 배열된다. 제2 축은 제1 축에 실질적으로 직교한다.

제2 도파관 슬래브(500b)는 회절 내부 결합 영역(510b) 및 투과성 회절 외부 결합 영역(520b)을 포함하고, 이를 통해 사용자는 실세계 이미지 및 외부 결합된 이미지 보유 광을 동시에 볼 수 있다.

제2 도파관 슬래브(500b)는 도 5c의 평면도 및 도 5d의 측면도에 도시되어 있다.

반사 기술을 사용하는 제1 출력 결합 영역(520a)을 포함하는 제1 도파관 슬래브(500a)는 단일 슬래브 배열 내에서 큰 FOV 및 스펙트럼 범위를 운반할 수 있다. 제1 출력 결합 영역(520a)을 포함하는 제1 도파관 슬래브(500a)는 매우 효율적이도록 최적화될 수 있고, 투시될 필요 없이 균일성을 위해 등급화될 수 있다.

일부 예들에서, 등급화는 구조들의 크기, 형상 및 간격을 바람직하게는 비선형으로 변경함으로써 수행될 수 있다.

일부 예들에서, 격자의 높이 또는 깊이(예를 들어, 10μm 내지 100μm)는 바람직하게는 10μm 내지 100μm의 범위에서 변할 수 있다.

일부 예들에서, 인접한 특징부들 사이의 간격은, 바람직하게는 10μm 내지 1000μm의 범위(예를 들어, 10μm 내지 1000μm)에서 변할 수 있다.

일부 예들에서, 블레이즈 면의 각도들은 바람직하게는 20도 내지 35도의 범위에서 변할 수 있다.

특징부들의 기울기들은 예를 들어, FOV 및 요구되는 출력 영역에 따라 특정 셋업에 대한 최상의 출력 균일성을 산출하도록 최적화될 수 있다.

회절 기술을 사용하는 제2 도파관 슬래브(500b)는, 큰 영역에 걸쳐 수직 동공을 확장하면서, 최소의 투시 아티팩트들로 고도로 투시되도록 최적화될 수 있다.

일부 예들에서, 제1 입력 결합 디바이스(510a)는 제1 도파관 슬래브(500a)의 외측에 부착된다. 이것은 제1 입력 결합 디바이스(510a)가 별도로 제조되고 제1 도파관 슬래브(500a)의 외측에 본딩 또는 접착되게 할 수 있다.

일부 예들에서 제1 입력 결합 디바이스(510a)는 프리즘 또는 복수의 프리즘과 같은 프리즘형 디바이스를 포함할 수 있다. 프리즘형 입력 디바이스는 넓은 범위의 파장들 및 큰 FOV를 내부 결합하도록 최적화될 수 있다.

일부 예들에서, 이미지 보유 광은 제1 외부 결합 영역(520a)에 걸쳐 균일하게 결합 해제될 수 있다.

일부 예들에서, 제1 도파관 슬래브(500a) 및 제2 도파관 슬래브(500b) 중 적어도 하나는 만곡되고/되거나 비평면일 수 있다.

사용자가 제1 도파관 슬래브(500a)를 통해 볼 필요가 없기 때문에, 제1 도파관 슬래브(500a) 또는 제1 출력 결합 영역(520a)은 실질적으로 반사성 및/또는 비투과성일 수 있다.

다수의 파장들을 갖는 더 넓은 FOV를 충족시키기 위해, 제2 도파관 슬래브(500b)와 유사한 다수의 도파관 슬래브들이 공면 도파관 조립체(600)에서 사용될 수 있다. 이것은 도 6에 도시되어 있다. 다중 파장 도파관 조립체는 수평 도파관 슬래브(610), 제1 수직 도파관 슬래브(620) 및 제2 수직 도파관 슬래브(630)를 포함한다. 수평 도파관 슬래브(610)는 제1 도파관 슬래브(510)와 실질적으로 유사하고, 반사에 의해 제1 축에 평행한 방향으로 동공을 확장하도록 배열된 출력 결합 영역(도 6에 도시되지 않음)을 포함한다. 출력 결합 영역은 또한 수평 도파관 슬래브(610)로부터 제1 수직 도파관 슬래브(620) 및 제2 도파관 슬래브(630)를 향해 이미지 보유 광을 결합하도록 배열된다.

수평 도파관 슬래브(610)는 제1 축에 평행하게 동공을 확장하도록 배열된다. 제1 수직 도파관 슬래브(620) 및 제2 수직 도파관 슬래브(630)는 수평 도파관 슬래브(610)와 동일 평면에 배열되고, 제2 축에 평행하게 동공을 확장하도록 배열되며, 제2 축은 제1 축에 실질적으로 직교한다. 제1 수직 도파관 슬래브(620) 및 제2 수직 도파관 슬래브(630)는 최소 갭만큼 오프셋된 제3 축을 따라 오프셋된다. 제1 및 제2 수직 도파관 슬래브들은 제2 도파관 슬래브(500b)와 실질적으로 유사하다.

갭은 에어 갭을 포함할 수 있거나, 광학 접착제와 같은 재료로 채워질 수 있다.

공면 도파관 조립체(600)에서, 수평 도파관 슬래브(610) 내에서 착수되는 광학 경로로 인해, FOV는 수평 도파관 슬래브(610)로부터의 방출 시에 효과적으로 분할된다. 2개의 수직 도파관 슬래브들은 이 FOV의 일부만을 수신하고 그것을 각각의 도파관들에 결합하도록 배열될 수 있다. 수직 도파관 슬래브들 상의 2개의 내부 결합 격자들의 격자 피치는 상이할 가능성이 있는데, 이는 상이한 격자 피치들이 FOV의 상이한 부분들의 결합 효율을 최적화하기 위해 사용될 수 있기 때문이다.

공면 도파관 조립체(600)는 또한 2개보다 많은 수직 도파관 슬래브들을 포함할 수 있다.

일부 예들에서, 수평 도파관 슬래브(610), 제1 수직 도파관 슬래브(620) 및 제2 수직 도파관 슬래브(630) 중 적어도 하나는 만곡되고/되거나 비평면일 수 있다.

일부 예들에서, 제1 도파관 슬래브(500a) 및 제2 도파관 슬래브(500b) 중 적어도 하나는 함께 본딩된 하나 이상의 기판들로부터 형성될 수 있다. 광학 코팅들이 이러한 본딩된 기판들 사이에 포함될 수 있다.

일부 예들에서, 광학 코팅은 빔 분할 코팅을 포함할 수 있다. 빔 분할 코팅은 광을 투과 및 반사 성분으로 분할한다. 빔 분할 코팅들은 통상적으로 낮은 굴절률 및 높은 굴절률 유전체 재료들(예를 들어, MgF2, SiO2, TiO2) 또는 금속 재료들(예를 들어, Al, Ag)로 형성된다.

빔 분할 코팅이 동일하지 않은 두께의 기판들 또는 슬래브들 사이에 배치되는 경우(예를 들어, 기판(1)이 1mm 두께이고, 기판(2)이 2mm 두께임), 광선들은 여러 번 분할되기 시작하여, 단일 소스 광선으로부터 많은 광선들이 생성되게 한다. 이것은 도 7a-b 및 8a-b에 도시되어 있다.

도 7a에서, 단일 광선이 TIR 하에서 도파관 슬래브를 따라 전파된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 광선이 도파관 슬래브로부터 출력될 때, 출력 광선들 사이에 갭들이 존재한다.

도 8a에서, 상이한 두께의 2개의 도파관 슬래브는 빔 분할 코팅을 이용하여 함께 본딩된다. 단일 광선은 빔 분할 코팅과 상호작용하고, 투과 빔 및 반사 빔으로 분할된다. 후속하는 반사 및 투과 빔들은 또한 빔 분할 코팅과 상호작용한다. 이 프로세스는 여러 번 반복된다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 광이 도파관 슬래브로부터 방출될 때, 동공들 사이의 갭들은 도 7b의 예에 비해 감소된다.

도 6은 제2 수직 도파관 슬래브(630)에 입력되기 전에 제1 수직 도파관 슬래브(620)를 통과하는 광을 도시한다. 그러나, 일부 예들에서, 제2 수직 도파관 슬래브(630) 내로 입력된 광은 수평 도파관 슬래브(610)로부터의 직접 광학 경로에서 제2 도파관 슬래브(630) 내로 입력될 수 있다. 직접 광학 경로는 광이 제2 수직 도파관 슬래브(630) 내로 입력되기 전에 다른 요소들과 상호작용하지 않는다는 사실을 지칭한다. 예를 들어, 제1 도파관 슬래브(620) 및 제2 도파관 슬래브가 도 8a 및 8b와 관련하여 설명된 바와 같이 함께 본딩된다면, 광은 후속하여 제1 수직 도파관(620)과 상호작용할 수 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 양안 조립체를 제공하기 위해 다수의 개별 도파관 조립체가 사용될 수 있다. 도 9에 도시된 배열에서, 반사성 도파관 슬래브들은 사용자의 눈들 위에 배열된다. 도 10에 도시된 대안적인 배열에서, 반사성 도파관 슬래브들은 사용자의 눈들의 측면에 배열된다.

일부 예들에서, 도 9 및 도 10에 도시된 배열들은 증강 현실 안경으로서 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 도 9 및 10에 도시된 배열들은 헤드 장착 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이에 사용될 수 있다.

Claims (17)

1. 도파관 조립체로서,
   이미지 보유 광을 수신하고, 제1 축에 평행하게 상기 이미지 보유 광의 동공 크기를 확대하도록 배열된 제1 도파관 슬래브 - 상기 제1 도파관 슬래브는 내부 전반사(TIR) 하에서 상기 제1 도파관 슬래브 내로 이미지 보유 광을 결합하도록 배열된 제1 입력 결합 디바이스, 및 반사에 의해 상기 제1 도파관 슬래브 밖으로 이미지 보유 광을 결합 해제하도록 배열된 제1 외부 결합 영역을 포함함 -;
   상기 제1 도파관 슬래브로부터의 상기 외부 결합된 이미지 보유 광의 적어도 일부를 제2 도파관 슬래브 내로 결합하고, 제2 축에 평행하게 상기 동공 크기를 확대하도록 배열된 상기 제2 도파관 슬래브 - 상기 제2 축은 상기 제1 축에 실질적으로 직교함 -
   를 포함하고,
   상기 제2 도파관 슬래브는 사용자가 실세계 이미지 및 상기 외부 결합된 이미지 보유 광을 동시에 볼 수 있는 회절 내부 결합 영역 및 투과성 회절 외부 결합 영역을 포함하는, 도파관 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 외부 결합 영역은 상기 제1 도파관 슬래브의 외부 표면에 부착되는, 도파관 조립체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 보유 광은 상기 외부 결합 영역에 걸쳐 균일하게 결합 해제되는, 도파관 조립체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 입력 결합 디바이스는 프리즘형 디바이스를 포함하는, 도파관 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 외부 결합 영역은 실질적으로 완전히 반사성 및/또는 비투과성인, 도파관 조립체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 도파관 슬래브를 더 포함하고, 상기 제3 도파관 슬래브는 상기 제2 도파관 슬래브 내로 결합되지 않은 상기 제1 도파관 슬래브로부터의 이미지 보유 광을 TIR 하에서 상기 제3 도파관 슬래브 내로 결합하도록 배열되고, 상기 제3 도파관 슬래브는 사용자가 실세계 이미지 및 상기 외부 결합된 이미지 보유 광을 동시에 볼 수 있는 투과성 회절 외부 결합 영역을 포함하는, 도파관 조립체.
7. 제6항에 있어서, 상기 제3 도파관 슬래브 내로 결합된 광은 상기 제2 도파관 내로 입력되기 전에 상기 제2 도파관 슬래브와 상호작용하지 않는, 도파관 조립체.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2 도파관 슬래브의 상기 내부 결합 영역 및 상기 제3 도파관 슬래브의 상기 내부 결합 영역은 상이한 격자 피치 크기를 갖는, 도파관 조립체.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 도파관 슬래브는 상기 제1 축 및 제2 축에서 상기 제2 도파관 슬래브와 동일 평면 상에 있고, 제3 축에서 오프셋되며, 상기 제3 축은 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 직교하는, 도파관 조립체.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 도파관 슬래브 및 상기 제3 도파관 슬래브는 함께 본딩되는, 도파관 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 제2 도파관 슬래브 및 상기 제3 도파관 슬래브는 상이한 두께들인, 도파관 조립체.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 도파관은 만곡되고/되거나 비평면인, 도파관 조립체.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 도파관 슬래브는 시준된 이미지 보유 광을 수신하도록 배열되는, 도파관 조립체.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 도파관에 의해 수신되는 시준된 출사 동공을 출력하기 위한 시준 디바이스를 더 포함하는, 도파관 조립체.
15. 양안 배열로서,
    사용자의 눈에 제1 이미지를 제공하기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제1 도파관 조립체, 및
    사용자의 눈에 제2 이미지를 제공하기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제2 도파관 조립체를 포함하는, 양안 배열.
16. 제15항에 따른 양안 조립체를 포함하는 증강 현실 안경.
17. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 도파관 조립체를 포함하는 헤드 장착 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이.

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