KR20230095023A - 컴팩트한 헤드-업 디스플레이 및 이를 위한 도파관 - Google Patents

Abstract

디스플레이 시스템은 동공확장기를 형성하는 도파관을 포함한다. 도파관은 내부 반사로 사이에 회절된 광 필드를 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면들을 포함한다. 도파관의 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터 광을 수신하도록 구성된다. 도파관의 출력 포트는 한 쌍의 대향 표면들 중 제1 표면의 제1 투과형-반사형 요소에 의해 형성된다. 제1 투과형-반사형 요소는 회절된 광 필드가 각각의 내부 반사를 통해 분할되고 회절광 필드의 복수의 복제물들이 출력 포트를 통해 도파관 밖으로 투과되도록 한다. 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된 제2 투과형-반사형 요소를 포함한다.

Description

컴팩트한 헤드-업 디스플레이 및 이를 위한 도파관{Compact Head-up Display and Waveguide Therefor}

본 개시는 동공 확장 또는 복제에 관한 것으로, 특히 발산하는 광선 번들(ray bundles)을 포함하는 회절된 광 필드(diffracted light field)에 대한 동공 확장 또는 복제에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 도파관 동공확장기(waveguide pupil expander)를 포함하는 디스플레이 시스템 및 도파관을 사용한 동공 확장 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들은 제1 및 제2 도파관 동공확장기를 사용하는 2차원 동공 확장에 관한 것이다. 일부 실시예들은 화상 생성 유닛(picture generating unit) 및 헤드-업 디스플레이(head-up display, HUD)(예를 들어, 자동차 헤드-업 디스플레이)에 관한 것이다.

객체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 간섭 줄무늬(interference fringes)를 포함하는 홀로그래픽 레코딩 또는 "홀로그램"을 형성하도록 잘 알려진 간섭 기술에 의해, 예컨대, 감광성 플레이트 상에 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 객체를 나타내는 2차원 또는 3차원 홀로그램 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기에 적절한 광을 조사(illumination)함으로써 재구성될 수 있다.

컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램(computer-generated hologram)은 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 혹은 간단히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 객체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수도 있다.

컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator) 상에 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예컨대, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable) 액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable) 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.

공간 광 변조기는 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 이와는 달리, 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 반사로 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 투과로 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.

홀로그래픽 프로젝터는 여기에 설명된 시스템을 사용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 헤드-업 디스플레이, 즉 "HUD"에 적용될 수 있다.

본 개시의 측면들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.

대체로, 본 개시는 이미지 프로젝션(image projection)에 관한 것이다. 이미지 프로젝션 방법 및 디스플레이 장치(display device)를 포함하는 이미지 프로젝터(image projector)에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템(viewing system)을 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것으로, 여기서 이미지 프로젝터는 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템으로 광을 투사(project)하거나 중계(relay)한다. 본 개시내용은 단안 및 양안 뷰잉 시스템에 동일하게 적용가능하다. 뷰잉 시스템은 뷰어의 눈 또는 눈들을 포함할 수 있다. 뷰잉 시스템은 광 파워(optical power, 예를 들어, 인간 눈의 수정체) 및 뷰잉 평면(viewing plane, 예를 들어, 인간 눈의 망막)을 갖는 광학 요소를 포함한다. 프로젝터는 '광 엔진(light engine)'이라고 할 수 있다. 디스플레이 장치와 디스플레이 장치를 이용하여 형성되는(또는 인지되는) 이미지는 공간적으로 분리되어 있다. 이미지는 디스플레이 평면에 형성되거나 뷰어에 의해 감지된다. 일부 실시예들에서, 이미지는 허상 이미지(virtual image)이고 디스플레이 평면은 허상 이미지 평면으로 지칭될 수 있다. 다른 실시예들에서, 이미지는 홀로그램 재구성에 의해 형성된 실상 이미지(real image)이고 이미지는 뷰잉 평면에 투사되거나 중계된다. 이미지는 디스플레이 장치에 표시되는 회절 패턴(예: 홀로그램)을 조사(illuminate)하여 형성된다.

디스플레이 장치는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀들은 광(light)을 회절시키는 회절 패턴 또는 구조를 표시할 수 있다. 회절된 광은 디스플레이 장치와 공간적으로 이격된 평면에 이미지를 형성할 수 있다. 광학에서 잘 알려진 바에 따르면 최대 회절 각도의 크기는 픽셀들의 크기와 광의 파장과 같은 기타 요인들에 의해 결정된다.

실시예들에서, 디스플레이 장치는 액정-온-실리콘(liquid crystal on silicon, "LCoS") 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)와 같은 공간 광 변조기이다. 광은 LCoS에서 카메라 또는 눈과 같은 관찰 개체/시스템 쪽으로 회절 각도 범위(예: 0에서 최대 회절 각도까지)에 걸쳐 전파된다. 일부 실시예들에서, 확대 기술들이 LCoS의 통상적인 최대 회절각을 넘어 이용가능한 회절각의 범위를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, (디스플레이된 회절 패턴/홀로그램으로부터 형성된) 이미지가 눈으로 전파(propagate)된다. 예를 들어, 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 자유 공간이나 스크린 또는 다른 수광 표면에 형성된 중간 홀로그램 재구성/이미지의 공간적으로 변조된 광은 뷰어에게 전파될 수 있다.

일부 다른 실시예들에서, 회절 패턴/홀로그램(회절 패턴/홀로그램의 광) 자체가 눈으로 전파된다. 예를 들어, (아직 홀로그램 재구성, 즉 이미지로 완전히 변환되지 않은) 홀로그램의 공간적으로 변조된 광 (비공식적으로는 홀로그램으로/에 의해 "인코딩"되었다고 말할 수 있다.)은 뷰어의 눈에 직접 전파된다. 실상 또는 허상 이미지가 뷰어에게 인지될 수 있다. 이 실시예들에서, 디스플레이 장치와 뷰어 사이에 중간적인 홀로그램 재구성/이미지가 형성되지 않는다. 때때로 이러한 실시예들에서 눈의 수정체가 홀로그램에서 이미지로의 전환 또는 변환을 수행한다고 한다. 프로젝션 시스템 또는 광 엔진은 뷰어가 효과적으로 디스플레이 장치를 직접 볼 수 있도록 구성될 수 있다.

"복소 광 필드(complex light field)"인 "광 필드"가 본 명세서에서 참조된다. "광 필드"라는 용어는 단지 적어도 두 개의 직교 공간 방향(예를 들어, x와 y.)으로 유한한 크기를 갖는 광의 패턴을 나타낼 뿐이다. 여기에서 "복소(complex)"라는 단어는 단지 광 필드의 각 지점에서 광은 진폭 값과 위상 값에 의해 정의될 수 있고, 따라서 복소수 또는 두 값의 쌍으로 표시될 수 있음을 나타내기 위해 사용되었다. 홀로그램 계산을 위해, 복소 광 필드는 복소수들의 2차원 어레이일 수 있으며, 여기서 복소수들은 광 필드 내의 복수의 개별 위치에서 광의 세기 및 위상을 정의한다.

잘 알려진 광학 원리에 따르면, 눈 또는 다른 뷰잉 개체/시스템(viewing entity/system)에 의해 보여질 수 있는 디스플레이 장치에서 전파되는 광의 각도 범위는 디스플레이 장치와 뷰잉 개체 사이의 거리에 따라 달라진다. 예를 들어, 눈의 위치가 주어진 경우 1미터의 뷰잉 거리(viewing distance)에서 LCOS의 좁은 범위의 각도에서만 광이 눈의 동공을 통해 전파되어 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 눈의 위치가 주어진 경우 디스플레이 장치에서 전파된 광선이 눈의 동공을 지나 성공적으로 망막에 이미지를 형성할 수 있는 광선의 각도 범위는 뷰어가 '볼 수 있는(visible)' 이미지 부분을 결정한다. 다시 말해, 뷰잉 평면의 임의의 한 지점(예를 들어, 아이-모션 박스(eye-motion box)와 같은 뷰잉 윈도우 내 어느 한 눈의 위치)에서 이미지의 모든 부분을 볼 수 있는 것은 아니다.

일부 실시예들에서, 뷰어에 의해 인지되는 이미지는 디스플레이 장치의 업스트림(upstream)에 나타나는 허상 이미지이다. 이로 인하여, 뷰어는 이미지가 디스플레이 장치보다 그들로부터 더 멀리 있는 것으로 인식하게 된다. 따라서 개념적으로는 뷰어가 '디스플레이 장치 크기의 창'을 통해 허상 이미지를 보고 있는 것으로 간주될 수 있으며, 예를 들어 1 미터와 같이 비교적 먼 거리에서 이는 직경 1 cm와 같이 매우 작을 수 있다. 그리고 사용자는 눈(들)의 동공(들)을 통해 디스플레이 장치 크기의 창을 보게 될 것이며, 이는 매우 작을 수 있다. 따라서 시야(field of view)가 좁아지고, 볼 수 있는 특정 각도 범위는 주어진 시간에 눈의 위치에 크게 좌우된다.

동공확장기(pupil expander)는 이미지를 형성하기 위해 디스플레이 장치에서 전파된 광선이 눈의 동공을 지나 성공적으로 전파될 수 있는 광선의 각도 범위를 증가시켜야 하는 문제를 해결한다. 일반적으로 디스플레이 장치는 (상대적으로) 작고 투영 거리(projection distance)는 (상대적으로) 멀다. 일부 실시예들에서, 투영 거리는 디스플레이 장치의 입사동공(entrance pupil) 및/또는 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀들의 어레이의 크기이다)보다 최소한 수십배에서 수백배는 길다. 본 개시의 실시예들은 이미지 그 자체가 아닌, 이미지의 홀로그램을 사람의 눈에 전파하는 구성에 관한 것이다. 즉, 이미지의 홀로그램에 따라 (또는 홀로그램에 의해/홀로그램과 함께 인코딩된) 뷰어가 받는 광이 변조된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예는 홀로그램이 아닌 이미지가 인간의 눈에 전파되는 구성에 관한 것일 수 있다. 예를 들어, 간접보기(indirect view)라고 불리는 것으로서, 홀로그램 재구성된 광 또는 스크린에서 (또는 자유공간에서도) 형성된 "재생 이미지(replay image)"가 사람의 눈에 전파될 수 있다.

동공확장기의 사용은 뷰잉 영역(viewing area)(즉, 사용자의 아이-박스(eye-box))을 측면으로 확장시켜서 사용자가 이미지를 계속 볼 수 있도록 하면서도 눈의 움직임을 일부 가능하게 한다. 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이미징 시스템(imaging system)에서 뷰잉 영역(사용자의 아이-박스)은 뷰어의 눈이 이미지를 인식할 수 있는 영역이다. 본 개시는 무한하지 않은 허상 이미지의 거리들, 즉 근거리 허상 이미지들에 관한 것이다.

일반적으로 2차원 동공확장기는 각각 한 쌍의 대향하는 반사 표면을 사용하여 구성된 하나 이상의 1차원 광 도파관을 포함하며, 여기서 표면의 출력광(output light)은 뷰잉 윈도우(예를 들어, 뷰어가 보기 위한 아이-박스 또는 아이 모션 박스(eye motion box))를 형성한다. 디스플레이 장치로부터 수신된 광(예를 들어, LCOS에서 방출되는 공간적으로 변조된 광)은 적어도 하나의 차원에서 시야(또는 뷰잉 영역)를 증가시키기 위해 각각의 도파관에서 복제된다. 특히, 도파관은 입사 파면의 진폭을 분할하여 여분의 광선 또는 "복제물(replicas)"을 생성함으로써 뷰잉 윈도우를 확대한다.

일부 실시예들에서, 도파관의 제1 대향 표면 쌍은 기다랗거나 연장된 표면들로서, 제1 차원을 따라서는 상대적으로 길고 제2 차원을 따라서는 상대적으로 짧다, 예를 들어 각각 서로에 대해 실질적으로 직교하는 차원에 대해서 두 개의 각기 다른 차원을 따라서는 상대적으로 짧다. 제1 표면 쌍의 사이의/로부터의 광의 반사/투과 과정은 광이 제1 도파관 동공확장기 내에서 전파되도록 구성되며, 광 전파의 일반적인 방향은 제1 도파관 동공확장기에서 상대적으로 긴 방향이다(즉, "연장된" 방향이다).

회절된 광을 사용하여 이미지를 형성하고 실제 적용(예를 들어, 헤드업 디스플레이로서 자동차 산업)에 적합한 아이-박스 크기 및 시야를 제공하는 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광은 회절 구조로부터 이미지의 홀로그램 재구성(예를 들어, 푸리에(Fourier) 또는 프레넬(Fresnel) 홀로그램 또는 포인트 클라우드 홀로그램과 같은 홀로그램)을 형성하는 광이다. 회절 및 회절 구조를 사용하려면 고밀도의 매우 작은 픽셀들(예: 1 마이크로미터)을 가지는 디스플레이 장치가 필요하다. - 이는 실제 사용에서는 작은 디스플레이 장치(예: 1 cm)를 의미한다. 본 발명의 발명자들은 회절된 광 필드(예를 들어, 발산하는(시준되지 않은) 광선 번들을 포함하는 회절된 광)를 갖는 2D 동공 확장을 제공하는 방법에 관한 문제를 해결하였다.

실시예들에서, 디스플레이 시스템은 회절된(예를 들어 발산하는) 광을 제공하거나 형성하도록 구성된, 예를 들어 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM) 또는 액정 온 실리콘(Liquid Crystal on Silicon; LCoS) SLM과 같이 픽셀화된 디스플레이 장치와 같은 디스플레이 장치를 포함한다. 그러한 실시예들에서, 공간 광 변조기(SLM)의 개구는 시스템의 제한 개구(limiting aperture)이다. 즉, 공간 광 변조기의 개구 - 보다 구체적으로 SLM 내에 포함된 광 변조 픽셀의 어레이를 구분하는 영역의 크기 - 는 시스템에서 나갈 수 있는 광선 번들의 크기(예: 공간 범위)를 결정한다. 본 개시에 따르면, 시스템의 사출동공(exit pupil, 광의 회절을 위한 픽셀 크기를 갖는 작은 디스플레이 장치로 인해 그 크기가 제한된다)은 적어도 하나의 동공확장기를 사용하여 공간 범위에서 더 넓거나, 더 크게 또는 더 확장되게 만들어진다는 점을 반영하기 위해 시스템의 사출동공이 확장된다고 서술된다.

회절된(예를 들어, 발산하는) 광 필드는 광 필드의 전파 방향과 실질적으로 직교하는 방향으로 정의되는 "광 필드 크기(light field size)"를 갖는다고 말할 수 있다. 광이 회절/발산하기 때문에 광 필드 크기는 전파 거리에 따라 증가한다.

일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다. 다시 말해서, 그러한 실시예들에서, 회절광 필드는 "홀로그램 광 필드(holographic light field)"를 포함한다. 홀로그램은 픽셀화된 디스플레이 장치에 표시될 수 있다. 홀로그램은 컴퓨터-생성 홀로그램(Computer-Generated Hologram, CGH)일 수 있다. 홀로그램은 푸리에 홀로그램(Fourier hologram) 또는 프레넬 홀로그램(Fresnel hologram) 또는 포인트-클라우드 홀로그램(point-cloud hologram) 또는 기타 적합한 유형의 홀로그램일 수 있다. 홀로그램은 선택적으로 홀로그램 광의 채널들을 형성하도록 계산될 수 있으며, 각 채널은 뷰어에 의해 보여지도록 (또는 허상 이미지인 경우에는 지각되도록) 의도된 이미지의 서로 다른 각 부분에 대응한다. 픽셀화된 디스플레이 장치는 복수의 상이한 홀로그램을 연속적으로 또는 순차적으로 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 여기에 개시된 각각의 실시예들은 다중 홀로그램의 디스플레이에 적용될 수 있다.

제1 도파관 동공확장기의 출력 포트는 제2 도파관 동공확장기의 입력 포트에 연결될 수 있다. 제2 도파관 동공확장기는 (제1 도파관 동공확장기에 의해 출력되는 광 필드의 복제물의 일부를, 바람직하게는 대부분을, 바람직하게는 전부를 포함하는) 회절된 광 필드를 제2 도파관 동공확장기의 제3 평행면 쌍 사이의 내부 반사에 의해 입력 포트에서 각각의 출력 포트로 안내하도록 구성될 수 있다.

제1 도파관 동공확장기는 제1 방향으로 동공 확장 또는 복제를 제공하도록 구성될 수 있고, 제2 도파관 동공확장기는 다른 제2 방향으로 동공 확장 또는 복제를 제공하도록 구성될 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 실질적으로 직교할 수 있다. 제2 도파관 동공확장기는 제1 도파관 동공확장기가 제1 방향으로 제공한 동공 확장을 보존하고 제1 도파관 동공확장기로부터 수신하는 복제물의 일부, 바람직하게는 대부분, 바람직하게는 전부를 다른 제2 방향으로 확장(또는 복제)하도록 구성될 수 있다. 제2 도파관 동공확장기는 제1 도파관 동공확장기로부터 직접적 또는 간접적으로 광 필드를 수신하도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 도파관 동공확장기 사이의 광 필드의 전파 경로를 따라 하나 이상의 다른 구성요소가 제공될 수 있다.

제1 도파관 동공확장기는 실질적으로 기다란 형태(예를 들어, 막대(rod) 형태)일 수 있고 제2 도파관 동공확장기는 실질적으로 평면(예를 들어, 직사각형 형태)일 수 있다. 제1 도파관 동공확장기의 기다란 형상은 제1 차원 방향으로의 길이에 의해 정의될 수 있다. 제2 도파관 동공확장기의 평면 또는 직사각형 형상은 제1 차원 방향으로의 길이 및 제1 차원과 실질적으로 직교하는 제2 차원 방향으로의 너비(width) 또는 폭(breadth)에 의해 정의될 수 있다. 제1 도파관 동공확장기의 제1 차원 방향으로의 크기(size) 또는 길이(length)는 제2 도파관 동공확장기의 제1 또는 제2 차원으로의 길이 또는 폭에 각각 대응하도록 만든다. 입력 포트를 포함하는 제2 도파관 동공확장기의 평행면 쌍의 제1 표면은 제1 도파관 동공확장기의 제1 평행면 쌍의 제1 표면 상의 출력 포트에 의해 정의된 영역에 대응하도록 형태, 크기, 및/또는 위치가 결정될 수 있다. 이로써 제2 도파관 동공확장기는 제1 도파관 동공확장기에 의해 출력된 각각의 복제물들을 전달받도록 구성된다.

제1 및 제2 도파관 동공확장기는 제1 방향 및 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 통합적으로 동공 확장을 제공할 수 있고, 선택적으로, 여기서 제1 및 제2 방향을 포함하는 평면은 제2 도파관 동공확장기의 평면과 실질적으로 평행하다. 다시 말해서, 제2 도파관 동공확장기의 길이 및 너비를 각각 정의하는 제1 및 제2 차원은 각각 도파관 동공확장기가 동공 확장을 제공하는 제1 및 제2 방향 (또는 제2 및 제1 방향)에 평행할 수 있다. 제1 도파관 동공확장기와 제2 도파관 동공확장기의 조합은 일반적으로 "동공확장기(pupil expander)"로 지칭될 수 있다.

제1 및 제2 도파관 확장기에 의해 제공되는 확장/복제는 디스플레이 시스템의 사출동공을 두 방향 각각으로 확장시키는 효과가 있다고 말할 수 있다. 확장된 사출동공에 의해 정의된 영역은 결과적으로 확장된 아이-박스 영역(eye-box area)을 정의할 수 있으며, 여기서 뷰어는 회절된 또는 발산하는 광 필드의 입력 광을 수신할 수 있다. 아이-박스 영역은 뷰잉 평면(viewing plane)에 위치하거나 뷰잉 평면을 정의한다고 말할 수 있다.

사출동공(exit pupil)이 확장되는 두 개의 방향은 제1 및 제2 도파관 동공확장기가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향과 동일 평면 상에 있거나 평행할 수 있다. 대안적으로, 광학 결합기(optical combiner), 예를 들어 차량의 윈드스크린(windscreen) (또는 윈드쉴드(windshield))와 같은 다른 구성요소를 포함하는 구성들에서, 사출동공은 윈드스크린과 같은 다른 구성요소로부터의 사출동공으로 간주될 수 있다. 그러한 구성에서, 사출동공은 제1 및 제2 도파관 동공확장기가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향과 동일 평면 상에 있지 않고 평행하지 않을 수 있다. 예를 들어, 사출동공은 제1 및 제2 도파관 동공확장기가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향에 실질적으로 수직일 수 있다.

뷰잉 평면 및/또는 아이-박스 영역은 제1 및 제2 도파관 동공확장기가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향과 동일 평면 상에 있지 않거나 평행하지 않을 수 있다. 예를 들어, 뷰잉 평면은 제1 및 제2 도파관 동공확장기가 복제/확장을 제공하는 제1 및 제2 방향에 실질적으로 수직일 수 있다.

제1 및 제2 도파관 동공확장기 내에서 내부 반사를 달성하기 위한 적절한 전송조건을 제공하기 위해, 제1 도파관 동공확장기의 긴 차원이 제2 도파관 동공확장기의 제1 및 제2 차원에 대해 기울어질 수 있다.

디스플레이 장치는 제1 치수가 10 cms 미만(예컨대 5 cms 미만 또는 2 cms 미만)일 수 있는 액티브 영역(active area) 또는 디스플레이 영역을 가질 수 있다. 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는 1 m 초과 (예컨대 1.5 m 초과 또는 2 m 초과)일 수 있다. 도파관 내의 광 전파 거리는 최대 2 m(예컨대 최대 1.5 m 또는 최대 1 m)일 수 있다. 본 개시에 따른 방법으로 20 ms 미만(예컨대 15 ms 미만 또는 10 ms 미만)에 이미지를 수신하고 이미지에 대응하는 충분한 품질의 홀로그램을 결정할 수 있다.

일부 실시예들은 본 개시에 따른 회절 또는 홀로그램 광 필드의 예시로서만 설명되며, 일부 실시예들에서 홀로그램은 광을 복수의 채널로 전송(route)하도록 구성되며, 각각의 채널은 이미지의 서로 다른 부분(즉, 하위 영역, sub-area)에 대응한다. 홀로그램은 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치에 디스플레이되는 등으로 표시될 수 있다. 적합한 디스플레이 장치에서 디스플레이될 때 홀로그램은 광을 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능하도록 공간적으로 변조할 수 있다. (홀로그램을 포함하는) 회절 구조에 의해 형성된 채널들은 단지 이미지 정보를 포함하는 홀로그램에 의해서 인코딩된 광의 채널들이라는 것을 나타내기 위해 여기에서 "홀로그램 채널(hologram channels)"이라고 지칭한다. 각 채널의 광은 이미지 도메인 또는 공간 도메인이 아닌 홀로그램 도메인에 있다고 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 푸리에(Fourier) 또는 푸리에 변환 홀로그램(Fourier transform hologram)이고 따라서 홀로그램 도메인은 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인이다. 홀로그램은 프레넬(Fresnel) 또는 프레넬 변환 홀로그램(Fresnel transform hologram)일 수 있다. 홀로그램은 또한 포인트 클라우드 홀로그램(point cloud hologram)일 수 있다. 단지 홀로그램으로부터 재구성될 수 있는 이미지가 유한한 크기를 갖고 복수의 하위 영역으로 임의로 분할될 수 있다는 것을 나타내기 위해 홀로그램은 광을 복수의 홀로그램 채널로 전송(routing)하는 것으로 여기에서 설명되며, 여기서 각각의 홀로그램 채널은 각각의 이미지 하위 영역에 해당한다. 중요한 점은 본 실시예의 홀로그램은 조사(illuminate)될 때 이미지 콘텐트(image content)를 분배하는 방식에 특징이 있다는 점이다. 특히 홀로그램은 이미지 콘텐트를 각도에 따라서 나눈다. 즉, 이미지의 각 점은 홀로그램에 의해 형성되는 공간적으로 변조된 광이 조사될 때 고유한 광선 각도와 관련이 있다. 홀로그램이 2차원이기 때문에 최소한 두 개의 고유한 각도를 가진다. 의심을 피하기 위해 말하자면 본 홀로그램의 동작은 종래와는 다르다. 이 특별한 유형의 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광은 조사될 때 복수의 홀로그램 채널들로 임의로 분할될 수 있으며, 여기서 각각의 홀로그램 채널은 (2차원에서) 광선 각도들의 범위에 의해 정의된다. 공간적으로 변조된 광에서 고려될 수 있는 임의의 홀로그램 채널(즉, 광선 각도의 하위 범위)은 이미지의 각 부분 또는 하위 영역과 연관될 것이라는 점을 전술한 내용으로부터 이해할 수 있다. 즉, 이미지의 해당 부분 또는 하위 영역을 재구성하는 데 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램에서 형성된 공간적으로 변조된 광의 하위 각도 범위 내에 포함되어 있다. 공간적으로 변조된 광이 전체적으로 관찰될 때, 반드시 복수의 개별 광 채널에 대한 어떠한 단서가 존재하는 것은 아니다. 그러나 일부 구성들에서는, 복수의 공간적으로 분리된 홀로그램 채널은 홀로그램이 계산되는 대상 이미지(target image)의 영역을 의도적으로 빈칸 또는 공백(즉, 이미지 콘텐트가 존재하지 않는다.)으로 남겨둠으로써 형성된다.

그럼에도 불구하고 홀로그램은 여전히 식별될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 연속적인 부분 또는 하위 영역만 재구성되는 경우에는 오직 이미지의 하위 영역만 보여야 한다. 공간적으로 변조된 광의 다른 연속적인 부분 또는 하위 영역이 재구성되는 경우에는 이미지의 다른 하위 영역이 표시되어야 한다. 이러한 유형의 홀로그램의 추가적인 식별 가능한 특징은 홀로그램이 계산되는 평면이 정확하게 평면이라면 홀로그램 채널의 단면적 모양과 입사동공(entrance pupil)의 모양이 크기가 다를 수 있어도 실질적으로 일치한다는 점이다(즉, 실질적으로 동일하다). 각각의 광/홀로그램 채널은 다른 각도 또는 각도 범위에서 홀로그램으로부터 전파된다. 이들은 이러한 유형의 홀로그램을 특징짓거나 식별하는 예시적인 방법들이며, 다른 방법이 사용될 수 있다. 요약하면, 본 명세서에 개시된 (특정 유형의) 홀로그램은 이미지 콘텐트가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에서 어떻게 분배되는지에 따라 특징지어지며 식별가능하게 된다. 의심의 여지를 피하기 위해, 다시 언급하자면, 복수의 홀로그램 채널로 광을 안내하거나 이미지를 각도에 따라 분할하도록 구성된 홀로그램에 대한 본 개시의 내용은 단지 예로서 이루어지며 본 개시는 모든 유형의 홀로그램 광 필드 또는 나아가 모든 유형의 회절 가능하거나 회절된 광 필드의 동공 확장에 동일하게 적용될 수 있다.

입력광 필드에 대한 동공 확장을 제공하는 시스템이 본 명세서에서 광범위하게 개시되며, 여기서 입력광 필드는 발산하는 광선 번들을 포함하는 회절된 광 필드 또는 홀로그램 광 필드이다. 상술한 바와 같이, 동공 확장("이미지 복제" 또는 "복제" 또는 "동공 복제"라고 지칭되기도 한다.)은 하나 이상의 입력광(또는 광 번들)의 복제물을 만들어서 뷰어가 이미지를 볼 수 있는(또는 뷰어의 눈이 이미지를 형성하는 홀로그램 광을 수신할 수 있는) 영역의 크기를 확장할 수 있도록 한다. 동공 확장은 하나 이상의 차원으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 2차원 동공 확장이 제공될 수 있으며, 각 차원은 서로에 대해 실질적으로 직교한다.

시스템은 간결하고 단순한 물리적 형태로 제공될 수 있다. 이를 통해 공간이 제한적이고 공간적 비용이 높은 경우를 포함하는 광범위한 실제 적용들에 본 시스템이 사용 적합해질 수 있게 된다. 예를 들어, 차량이나 자동차의 HUD와 같은 헤드-업 디스플레이(head-up display, HUD)에 구현될 수 있다.

본 개시에 따르면, 발산하는 광선 번들을 포함할 수 있는 회절된 광 또는 회절광에 대해 동공 확장이 제공된다. 회절된 광 또는 회절광은 홀로그램과 같은 회절 구조를 표시하도록 구성된 공간 광 변조기(SLM)와 같은 픽셀화된(pixelated) 디스플레이 장치 같은 디스플레이 장치에 의해 출력될 수 있다. 회절된 광 필드는 "광원뿔(light cone)"로 정의될 수 있다. 따라서, 발산 광 필드에서, (2차원 평면에서 정의되는) 회절된 광 필드의 크기는 대응하는 회절 구조(즉, 디스플레이 장치)로부터의 전파 거리에 따라 증가한다.

공간 광 변조기는 홀로그램 (또는 홀로그램을 포함하는 회절 패턴)을 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 회절된 또는 발산하는 광은 이미지 또는 홀로그램 재구성의 광과는 대조적으로 홀로그램으로/홀로그램에 의해 인코딩된 광을 포함할 수 있다. 따라서 이러한 실시예들에서 뷰어에게 전달되는 광이 이미지 자체가 아니라 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조되도록 동공확장기는 홀로그램을 복제하거나 적어도 하나의 홀로그램 복제물을 형성한다고 말할 수 있다. 즉, 회절된 광 필드가 뷰어에게 전파된다.

일부 실시예에서, 두 개의 1차원 도파관 동공확장기가 제공되며, 각각의 1차원 도파관 동공확장기는 공간 광 변조기의 사출동공(또는 사출동공의 광)의 복수의 복제물 또는 복제물을 형성해서 효과적으로 사출동공의 크기를 확장할 수 있도록 구성된다. 사출동공은 시스템에 의해서 광이 출력되는 물리적 영역으로 이해될 수 있다. 또한 각 도파관 동공확장기는 시스템의 사출동공의 크기를 확장하도록 구성된다고 말할 수 있다. 또한 각 도파관 동공확장기는 시스템에서 출력되는 광을 보고/수신하기 위해 뷰어의 눈이 위치할 수 있는 아이-박스의 크기를 확장/확대하도록 구성된다고 말할 수 있다.

본 개시에서, "복제물"이라는 용어는 단지 공간적으로 변조된 광이 분할되어 복소 광 필드가 복수의 상이한 광학적 경로를 따라 안내되는 것을 나타내는 데 사용된다. "복제물"이라는 단어는 동공확장기에 의한 부분 반사-투과와 같은 복제 이벤트 후에 각각의 복소 광 필드의 발생 또는 그 객체(instance)를 나타내는 데 사용된다. 각 복제물은 서로 다른 광학적 경로를 따라 이동한다. 본 개시의 일부 실시예들은 이미지가 아닌 홀로그램으로 인코딩된 광의 전파에 관한 것이다. 즉, 이미지 자체가 아니라 이미지의 홀로그램으로 공간적으로 변조된 광이다. 홀로그래피 기술 분야의 통상의 기술자는 홀로그램으로 인코딩된 광의 전파와 관련된 복소 광 필드가 전파 거리에 따라 변한다는 것을 이해할 것이다. 여기에서 "복제물"이라는 용어의 사용은 전파 거리와 무관하므로 복제 이벤트와 관련된 광의 두 분기(branch) 또는 경로(path)는 복소 광 필드가 각 경로를 따라 다르게 진행하는 것과 같이 분기의 길이가 다른 경우에도 여전히 서로 "복제물"이라고 지칭한다. 즉, 두 개의 복소 광 필드가 동일한 복제 이벤트 또는 일련의 복제 이벤트에서 발생하는 경우에는 서로 다른 전파 거리와 관련되더라도 본 개시에 따라 여전히 "복제물"으로 간주된다.

본 개시에 따른 "회절된 광 필드(diffracted light field)" 또는 "회절광 필드(diffractive light field)"는 회절에 의해 형성된 광 필드이다. 회절된 광 필드는 그에 대응하는 회절 패턴을 조사(illuminate)함으로써 형성될 수 있다. 본 개시에 따르면, 회절 패턴의 예는 홀로그램이고, 회절된 광 필드의 예는 홀로그램 광 필드 또는 이미지의 홀로그램 재구성을 형성하는 광 필드이다. 홀로그램 광 필드는 재생 평면(replay plane)에 이미지의 (홀로그램) 재구성을 형성한다. 홀로그램에서 재생 평면으로 전파되는 홀로그램 광 필드는 홀로그램으로(또는 홀로그램과 함께) 인코딩된 광 또는 홀로그램 도메인의 광을 포함한다고 말할 수 있다. 회절된 광 필드는 회절 구조의 가장 작은 피처 사이즈(feature size)와 (회절된 광 필드의) 광의 파장에 의해 결정되는 회절 각도를 특징으로 가진다. 본 개시에 따르면, "회절된 광 필드"는 또한 그에 대응하는 회절 구조로부터 공간적으로 분리된 평면 상에서 재구성을 형성하는 광 필드라고 말할 수 있다. 회절 구조로부터 뷰어에게 (예: 디스플레이 장치로부터 뷰잉 시스템에게) 회절된 광 필드를 전파하기 위한 광학 시스템이 여기에서 개시된다. 회절된 광 필드는 이미지를 형성할 수 있다.

광학 시스템은 도파관, 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 도파관 동공확장기를 포함한다. 도파관은 입력 포트, 출력 포트 및 한 쌍의 대향 표면을 포함한다. 한 쌍의 대향 표면은 내부 반사로 그 사이에 회절된 광 필드를 안내하도록 구성된다. 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터 광을 수신하도록 구성된다. 출력 포트는 한 쌍의 대향 표면 중 제1 표면의 제1 투과형-반사형 요소에 의해 형성된다. 제1 투과형-반사형 요소는 회절된 광 필드가 각각의 내부 반사를 통해 분할되고 회절된 광 필드의 복수의 복제물이 출력 포트를 통해 도파관 밖으로 투과되도록 한다. 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터의 광의 적어도 일부를 수신하고 부분적으로 투과 및 부분적으로 반사하도록 구성된 제2 투과형-반사형 요소를 포함한다.

내부 반사로 회절광 필드를 안내하도록 구성된 종래의 도파관에서, 입력 포트는 일반적으로 광학적으로 투명한 입사 창(entrance window) 또는 개구부를 포함하고, 회절광 필드의 전파 축이 입력 포트에 원하는 각도로 입사하도록 도파관이 배향된다. 이렇게 구성되면 광을 원하는 각도로 도파관에 연결하기 위한 입력 포트에서의 입력 연결기(input coupler)가 필요하지 않다. 예를 들어, 종래의 입력 연결기는 특정 파장의 입사 시준된(collimated) 광을 원하는 각도로 도파관으로 회절시켜 광의 위상 정합 및 효율적인 내부 결합을 제공하도록 특별히 구성된 그레이팅 구조(grating structure)를 포함할 수 있다. 그러나 이러한 입력 연결기는 일반적으로 광선 번들이 발산하는 회절광 필드의 입력에는 바람직하지 않다. 또한, 통상의 기술자는 그레이팅 연결기에 의해 디스플레이 시스템으로부터 수신된 회절광 필드의 추가 회절로 인해 회절광 필드가 바람직하지 않게 변형되어 이미지 품질에 악영향을 미칠 수 있음을 인지할 것이다.

따라서, 종래의 도파관과 달리, 본 명세서에 개시된 도파관의 입력 포트는 적어도 부분적으로 투과형-반사형 요소(transmissive-reflective element)로부터 형성된다. 즉, 입력 포트를 형성하는 도파관의 표면의 적어도 일부는 광을 부분적으로 투과시키고 부분적으로 반사시킨다. 따라서, 입력 포트의 투과형-반사형 요소는 디스플레이 시스템으로부터의 광의 적어도 일부를 수신하고, 부분적으로 투과시키고 부분적으로 반사하도록 구성된다. 이는 투과형-반사형 요소에 입사하는 광의 일부를 부분적으로 반사하여 그 내부 결합(in-coupling)을 방지함으로써 수신된 광선을 도파관 내부로 결합하는 광학 효율을 감소시키므로 직관적이지 않다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 이 구성을 적용하면 입력 포트에 입사하는 발산 광선 번들의 모든 광선의 내부 결합 및 트래핑(본 명세서에서 "적절한" 또는 "완전한" 결합이라고 지칭)이 가능하지만, 수신된 광의 결합 효율 감소로 인해 광학적 효율이 감소하고 도파관의 대향 표면에서 한 번 반사된 후 입력 포트를 통해 일부 광이 다시 손실될 가능성이 있다. 따라서, 회절된 광 필드의 복수의 각도 채널(angular channels)을 포함하는 구현 예시에서, 모든 상이한 각도 성분(angular components)을 나타내는 광이 더 낮은 광 효율이라는 비용으로 도파관에 결합된 다음 도파관 내부에 트래핑(trapped)되게 한다. 또한, 도파관 내부로 결합될 수 있는 광선 번들의 크기(예: 원뿔 각도(cone angle)에 해당하는 최대 회절 각도)에는 제한이 없다. 오히려, 회절광 필드의 모든 광선 각도를 유지하는 것이 가능하다.

실시예들에서, 제2 투과형-반사형 요소는 회절된 광 필드의 적어도 일부를 도파관 내에서 내부 반사하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제2 투과형-반사형 요소는 회절된 광 필드의 적어도 일부가 단 한 번만 입사하도록 구성된다. 한 실시예에서, 제2 투과형-반사형 요소는 회절된 광 필드의 모든 광선이 단 한 번만 입사되도록 구성된다.

입력 포트는 한 쌍의 대향 표면 중 제2 표면에 형성될 수 있다. 도파관은 도파관 내에서 회절된 광 필드를 내부 반사하도록 구성된 반사형 요소를 더 포함할 수 있다. 반사형 요소는 입력 포트에 바로 인접한 제2 표면 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 투과형-반사형 요소의 시작부터 반사형 요소의 끝까지의 제2 표면의 투과율은 연속적이며, 예를 들어 연속적으로 감소할 수 있다.

제2 투과형-반사형 요소는 부분적으로 반사형이고 부분적으로 투과형인 표면 코팅 또는 층을 포함할 수 있다. 표면 코팅은 입력 포트 영역(즉, 입력 포트의 "섹션")의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 예를 들어, 표면 코팅은 도파관 방향으로 입력 포트의 길이의 일부에 걸쳐 연장될 수 있다. "코팅"이라는 용어는 요소가 입력 포트의 섹션 또는 영역을 덮는다는 것을 나타내기 위해 사용되며 요소가 형성되거나 제조되는 방식을 나타내려는 의도는 아니다. 따라서, 표면 코팅의 일부 예에서, 제2 투과형-반사형 요소는 입력 포트 영역의 일부를 덮도록 오버레이(overlay)되는 부분-반사형-부분-투과형 구성요소 또는 패싯(facet)일 수 있다. 표면 코팅의 다른 예에서, 제2 투과형-반사형 요소는 도파관의 표면상의 입력 포트 영역의 일부 위에 형성되어 이를 덮는 부분 반사형 및 부분 투과형 물질의 하나 이상의 층일 수 있다. 제2 투과형-반사형 요소(예를 들어, 표면 코팅)는 실질적으로 평면일 수 있다.

본 명세서에 개시된 실시예들에서, 제2 투과형-반사형 요소를 포함하는 입력 포트의 영역 또는 섹션은 그 길이를 따라(즉, 도파(waveguiding) 방향으로) 연속적이다. 제2 투과형-반사형 요소는 입력 포트의 연속적인 섹션을 균일하게 덮는다는 점에서 균일하다고 말할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 실시예들에서, 요소의 반사율-투과율은 입력 포트의 길이 방향을 따라 차등한 것과 같이 연속적인 섹션에 걸쳐 차등할 수 있고, 따라서 가변적일 수 있다. 일부 실시예들에서 일련의 적층된 박막층(stacked thin film layers)을 사용하여 차등해질 수 있다. 그 결과, 제2 투과형 요소의 두께는 실질적으로 균일하지만, 그럼에도 불구하고 차등된 방향을 따라 상이한 위치에서 상이한 수의 박막층으로 인해 작은 편차를 가질 수 있다.

일부 구현예시에서, 제2 투과형-반사형 요소는 디스플레이 시스템으로부터 모든 광을 수신하도록 구성된다. 다른 구현예시에서, 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터 광의 일부를 수신하도록 구성된 투과형 요소 또는 영역을 더 포함한다. 투과형 요소는 제2 투과형-반사형 요소에 인접할 수 있고/있거나 제2 투과형-반사형 요소는 반사형 요소에 인접할 수 있다.

도파관의 구현예시에서, 디스플레이 시스템은 홀로그램을 표시하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하고/포함하거나 회절된 광 필드는 홀로그램을 따라 공간적으로 변조된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 도파관에 의해 확장되는 디스플레이 시스템의 사출동공을 정의하는 픽셀 영역을 갖는 디스플레이 장치를 포함한다.

도파관을 포함하는 디스플레이 시스템 또는 프로젝션 시스템과 같은 시스템이 더 제공된다. 도파관은 시스템의 동공을 제1 방향 및 제2 수직 방향으로 각각 확장하도록 구성된 한 쌍의 도파관 동공확장기 중 제2 1차원 동공확장기다.

일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 발산 광선 번들을 포함한다. 복수의 상이한 광선 각도를 갖는 광선을 포함하는 발산 광선 번들에 대한 회절된 광 필드가 본 개시에서 참조된다. 실시예들은 발산하는 광선 번들을 설명하지만, 통상의 기술자는 수렴하는(converging) 광선 번들의 전파에 동일한 기본 원리가 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 보다 일반적으로, 본 발명은 "비시준(non-collimated)" 또는 "비시준(uncollimated)" 광 필드 또는 광선 번들을 안내하도록 구성된 도파관에 관한 것이다. 그럼에도 불구하고, 설명된 실시예들에서, 발산하는 광선 번들의 크기 또는 범위는 광학/투영 축에 대해, 또는 예를 들어 디스플레이 장치 또는 도파관의 수광면(light receiving surface)의 법선에 대해 최대 및 최소 광선 각도에 의해 특징지어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 픽셀을 포함하는 디스플레이 장치에 의해 형성된다. 일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 디스플레이 장치 상에 표시되는 홀로그램에 따라 인코딩되거나 공간적으로 변조된다. 일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 도파관 내부 또는 외부에 형성된 디스플레이 장치의 이미지로부터 전파된다. 전부는 아니지만 일부 실시예들에서, 입력 포트에 의해 수신된 광은 회절된 광 필드이다. 일부 실시예들에서, 회절된 광 필드에 의해 형성된 이미지는 허상 이미지(virtual image)이다.

본 개시는 광학 투과율 및/또는 반사율을 참조하여 도파관의 다양한 "요소(elements)"를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 각각의 요소는 도파 방향으로 연장되는 도파관의 표면 중 하나의 섹션이다. 따라서, "섹션"이라는 용어는 도파관의 각 표면의 일부를 형성하는 연속적인(즉, 중단되지 않는) 영역을 의미한다. 일반적으로, 도파관의 표면들은 실질적으로 평면이고 따라서 표면의 섹션 또한 실질적으로 평면이다. 광이 실제로 두 표면 사이에서 앞뒤로 반사됨에도 불구하고 도파 방향은 광 필드가 일반적으로 도파관에 의해 향하는 방향이다. 실시예들에서, 도파 방향은 또한 디스플레이 시스템의 동공 확장 방향 및/또는 회절된 광 필드의 복제물이 출력 포트를 통해 출력되는 방향이다. 각각의 요소는 설명된 바와 같이 광을 수신하고 광을 투과 및/또는 반사하도록 구성된다. 일부 실시예들의 일부 요소들은 예를 들어 도파 방향으로 길이를 따라 복수의 다른 지점에서 광을 여러 번 수신한다. 일부 실시예들에서, 상이한 요소들이 (도파 방향으로) 인접하고 인접 요소들의 반사율과 같은 광학적 특성이 "연속적"일 수 있다. "연속적"이라는 용어는 인접한 요소들 사이의 경계에 걸친 광학 특성에 단계적 변화 또는 불연속성이 없음을 나타내는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 인접한 요소들 사이의 경계에 걸친 광학 특성의 연속적인 성질은 요소들을 그 광학 특성으로 구별할 수 없게 만든다. 그러나 요소들이 수행하는 다른 기능으로 구별될 수 있다. 실시예들에서, 용어 "투과형"은 T > 0.9와 같이 도파를 위해 수신된 광에 대해 실질적으로 완전히 투과형인 것을 의미한다. 실시예들에서, 용어 "반사형"은 R > 0.9와 같이 광에 대해 실질적으로 완전히 반사형인 것을 의미한다. 실시예들에서, 용어 "투과형-반사형" 또는 "반투과형(transflective)" 또는 "부분적 투과형-반사형"는 T > 0.1과 같이 0이 아닌 투과율 또는 물질 및 R > 0.1과 같이 0이 아닌 반사율 또는 물질을 모두 갖는 것을 의미한다.

용어 "홀로그램(hologram)"은 객체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩(recording)을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "홀로그램 재구성(holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 객체의 광학적 재구성을 지칭하는 데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그램 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에, "홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드(replay field)"는 홀로그램 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는 데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 표시되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형태로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0차 재생 필드를 가리키는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "재생 평면(replay plane)" 는 모든 재생 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "이미지(image)", "재생 이미지(replay image)" 및 "이미지 영역(image region)"은 홀로그램 재구성의 광(light)에 의해 비춰지는 재생 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시예에서, "이미지"는 "이미지 스팟들(image spots)" 또는 편의상 "이미지 픽셀들(image pixels)"로 지칭될 수 있는 개별적인 스팟들을 포함할 수 있다.

용어 "인코딩(encoding)", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에게 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "표시(display)"하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "표시"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조 값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.

수용 가능한 품질의 홀로그램 재구성은 원래의 객체의 푸리에 변환과 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다.

본 개시는 또한 원본 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그램 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이것은 원래의 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램(fully complex hologram)을 이용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램이라고 지칭될 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램(fully-complex computer-generated hologram)이 계산된다.

컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상 값, 위상 성분, 위상 정보 또는, 단순히, 위상이 "위상-지연(phase-delay)"의 약어로 참조될 수 있다. 즉, 설명된 모든 위상 값은, 실제로는, 해당 픽셀이 제공하는 위상-지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값이 π/2인 것으로 설명된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킨다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 작동 가능하다. 용어 "그레이 레벨(grey level)"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-한정 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 이용 가능한 복수의 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다.

따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이를 - 즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 디스플레이될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel pitch)에 필적하는, - 일반적으로 그보다는 작은 - 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절 패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절 패턴이 근거리 필드(near field)의 재생 평면 상에 홀로그램 재구성을 포커스하도록 홀로그램과 결합될 수 있다.

다양한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술되는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합(combination)과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열(permutation)이 고려된다.

특정 실시예는 다음 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그램 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2는 복수의 이미지 영역들(아래 부분) 및 복수의 홀로그램 구성요소를 포함하는 대응하는 홀로그램(위 부분)을 포함하는 이미지를 도시한다.
도 3은 홀로그램으로 인코딩된 광을 복수의 개별 홀로그램 채널로 안내하거나 채널링하는 것을 특징으로 하는 홀로그램을 도시한다.
도 4는 도 3의 각 홀로그램 채널의 광 콘텐트를 상이한 광학적 경로를 통해 눈으로 안내하도록 구성된 시스템을 도시한다.
도 5는 빔을 2차원으로 확장하도록 구성된 한 쌍의 적층 이미지 복제기의 사시도를 도시한다.
도 6은 광학적으로 투명한 창을 포함하는 입력 포트를 통해 도파관으로의 시준된 광 빔(collimated light beam)의 광선의 최적 또는 이상적인 결합을 도시한다.
도 7은 광학적으로 투명한 창을 포함하는 입력 포트를 통해 도파관으로의 비시준 광 빔(uncollimated light beam)의 광선의 결합을 도시한다.
도 8은 본 개시의 제1 실시예에 따른 입력 포트를 포함하는 도파관으로의 회절된 광 필드의 광선의 결합을 도시한다.
도 9는 본 개시의 제2 실시예에 따른 입력 포트를 포함하는 도파관으로의 회절된 광 필드의 광선의 결합을 도시한다.
도 10은 투명한 창을 포함하는 입력 포트를 갖는 도파관의 입사 표면(entrance surface)과 사출 표면(exit surface)의 거리에 따른 이상적인 표면 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예들에 따라 균일하게 부분 투과형-반사형인 요소를 포함하는 입력 포트를 갖는 도파관의 입사 표면 및 사출 표면의 거리에 따른 표면 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 다른 실시예들에 따라 차등 부분 투과형-반사형 요소를 포함하는 입력 포트를 갖는 도파관의 입사 표면과 사출 표면의 거리에 따른 표면 투과율을 나타내는 그래프이다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다.

본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태들로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.

다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후(after)", "후속(subsequent)", "다음(next)", "전(before)" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한 연속적 및 비연속적인 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"이라는 기재가 사용되지 않는 한, 그 기재는 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소는 이러한 용어에 의해 제한되지 않는다. 이러한 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 첨부된 특허청구범위의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.

광학 구성

도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기에서 인코딩되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수 있다. 본 실시예에서, 공간 광 변조기는 반사형의 액정-온-실리콘 (liquid crystal on silicon: "LCOS") 장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩되고 홀로그램 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.

예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은 (예컨대, 투과층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 어긋난) 비수직(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로들을 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 이용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 미러형 후방 표면(mirrored rear surface)에 반사되며 사출 파면(exiting wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 사출 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 사출되는 변조된 광의 빔을 전달 받아 스크린(125)에 홀로그램 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환(frequency-space transformation)을 수행한다.

특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드의 특정 지점들 (또는 이미지 픽셀들)과 특정 광-변조 요소들 (또는 홀로그램 픽셀들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다시 말해, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 필드에 분포된다.

이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그램 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱) 파워(dioptric(focusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자라면 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.

홀로그램 계산

일부 실시예에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원장(far field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면에서 원하는 광 필드(light field)를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 이용하여 계산될 수 있다. 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 유형 알고리즘과 같은 (이미지를 나타내는 이미지 데이터를 이용하여) 이미지의 푸리에 홀로그램을 생성하기 위한 알고리즘은 잘 알려져 있으므로 여기에서 자세히 설명되지 않는다. 실시예들은 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 게르흐버그-색스톤 유형 알고리즘에 관한 것이다. 본 발명은 유사한 방법으로 계산될 수 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 홀로그램은 위상 또는 위상 전용 홀로그램이다. 그러나, 본 개시는 포인트 클라우드 방식에 기초한 것과 같이 다른 기술에 의해 계산된 홀로그램에도 적용 가능하다. 2021년 8월 26일에 출원된 영국 특허출원 제 GB 2112213.0호는 본 명세서에 참조로 포함되어 본 개시 내용과 결합될 수 있는 예시적인 홀로그램 계산 방법을 개시한다. 특히, 이전 특허 출원은 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에 설명되는 이미지 콘텐트를 각도로 분할/채널화하는 홀로그램 유형을 계산하는 방법을 설명한다.

일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 이용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.

광 변조

디스플레이 시스템은 디스플레이 시스템의 사출동공(exit pupil)을 정의하는 디스플레이 장치를 포함한다. 실시예들에서, 디스플레이 장치는 공간 광 변조기이다. 예를 들어, 공간 광 변조기는 위상 변조기일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 장치는 잘 알려진 바와 같이 액정 온 실리콘, "LCOS", 공간 광 변조기 "SLM"이다. LCOS SLM은 사변형 모양의 LC 픽셀 어레이와 같은 복수의 픽셀을 포함한다. 픽셀은 홀로그램을 포함하는 회절 패턴으로 어드레싱(addressed)되거나 인코딩될 수 있다. LCOS SLM은 홀로그램을 "표시"하도록 구성되어 있다고 말할 수 있다. LCOS SLM은 광으로 조사(illuminate)되고, 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 출력하도록 구성된다. LCOS SLM에 의한 공간적으로 변조된 광 출력은 본 명세서에 기술된 바와 같이 회절된 또는 홀로그램 광 필드를 포함한다.

라이트 채널링

본 명세서에 개시된 광학 시스템은 임의의 회절된 광 필드를 갖는 동공 확장에 적용가능하다. 일부 실시예들에서, 회절된 광 필드는 홀로그램 광 필드, 즉 이미지 자체가 아니라 이미지의 홀로그램에 대응하여 공간적으로 변조된 복소 광 필드이다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 이미지 콘텐트(image content)를 각도에 따라 분할/채널화하는 특수한 유형의 홀로그램이다. 이러한 유형의 홀로그램은 단지 본 개시가 적용될 수 있는 회절된 광 필드의 예로서 여기에서 추가적으로 설명된다. 다른 유형의 홀로그램이 여기에 개시된 디스플레이 시스템 및 광 엔진과 함께 사용될 수 있다.

도파관 동공확장기를 포함하는 디스플레이 시스템 및 방법이 이하에서 개시된다. 통상의 기술자인 독자에게 익숙한 바와 같이 도파관은 '동공확장기(pupil expander)'로 구성될 수 있다. 도파관은 다음과 같이 비교적 작은 발광체(light emitter, 예를 들어, 본 명세서에서 개시하는 구성들에서 사용되는 상대적으로 작은 SLM 또는 그 밖의 픽셀화된 디스플레이 장치 등)에 의해 방출되는 (발광체로부터 떨어져서 상대적으로 긴 거리와 같은 거리에 위치한 사람인 뷰어 또는 그 밖의 뷰잉 시스템에 의해 보여지는) 광의 면적을 늘리는 데 사용할 수 있기 때문이다. 도파관은 뷰어를 향해 광이 출력되는 투과점(transmission point)의 수를 증가시켜 이를 달성한다. 그 결과, 광은 복수의 다른 뷰어 위치에서 보일 수 있으며, 예를 들어 뷰어는 머리를 움직일 수 있고 따라서 시선을 움직일 수 있으면서 여전히 발광체로부터의 광을 볼 수 있다. 따라서 도파관 동공확장기를 사용하면 뷰어의 '아이-박스' 또는 '아이-모션 박스'가 확대된다고 할 수 있다. 이는 수많은 유용한 응용을 가지며, 예를 들어 헤드-업 디스플레이에만 국한되지 않고, 예를 들어 자동차 헤드-업 디스플레이에만 국한되지도 않는다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 디스플레이 시스템은 적어도 1차원 이상, 예를 들어 2차원에서 동공 확장을 제공하기 위해 도파관 동공확장기를 통해 회절된 광 필드와 같은 광을 안내하도록 구성될 수 있다. 회절된 광 필드는 LCOS SLM과 같은 공간 광 변조기(SLM)에 의해 출력되는 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 회절된 광 필드는 SLM에 의해 디스플레이되는 홀로그램에 의해 인코딩된 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회절된 광 필드는 SLM에 의해 디스플레이되는 홀로그램에 대응하여 홀로그램으로 재구성된 이미지의 광을 포함할 수 있다. 홀로그램은 컴퓨터-생성 홀로그램을 포함할 수 있으며, 그러나 포인트-클라우드 홀로그램, 프레넬 홀로그램 또는 푸리에 홀로그램에 국한되지 않는다. 홀로그램은 '회절 구조(diffractive structure)' 또는 '변조 패턴(modulation pattern)'으로 지칭될 수 있다. SLM 또는 그 밖의 디스플레이 장치가 통상의 기술자인 독자에게 익숙한 방식으로 홀로그램 및 소프트웨어 렌즈 또는 회절 격자와 같은 하나 이상의 다른 구성요소를 포함하는 회절 패턴(또는 변조 패턴)을 표시하도록 구성될 수 있다.

홀로그램은 회절된 광 필드의 채널링을 제공하도록 고안될 수 있다. 이것은 영국 특허출원 제 GB2101666.2호, 제 GB2101667.0호 및 제 GB2112213.0호 각각에 자세히 설명되어 있으며, 이들 모두는 본 명세서에 참조로 포함된다. 일반적으로, 홀로그램은 홀로그램으로 재구성될 이미지에 대응하도록 고안될 수 있다. 홀로그램에 대응하는 이미지를 '입력 이미지(input image)' 또는 '대상 이미지(target image)'라고 할 수 있다. 홀로그램은 SLM에 디스플레이되고 적절하게 조사(illuminate)될 때 공간적으로 변조된 광의 원뿔(cone)을 포함하는 광 필드(이는 SLM에 의해 출력된다.)를 형성하도록 고안될 수 있다. 일부 실시예들에서 광원뿔은 이미지의 각각의 연속적인 영역에 대응하는 공간적으로 변조된 광의 복수의 연속적인 광 채널을 포함한다. 그러나, 본 개시는 이러한 형태의 홀로그램에 한정되지 않는다.

본 명세서에서는 '홀로그램' 또는 '컴퓨터-생성 홀로그램(CGH)'을 언급하지만, SLM가 복수의 상이한 홀로그램을 연속적으로 또는 순서에 따라서 동적으로 디스플레이하도록 구성될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 시스템들 및 방법들은 복수의 상이한 홀로그램의 동적 디스플레이에 적용 가능하다.

도 2 및 도 3은 본 명세서에 개시된 동공확장기와 함께 사용될 수 있는, SLM과 같은 디스플레이 장치 상에 디스플레이될 수 있는 홀로그램 유형의 실시예를 도시한다. 그러나, 본 실시예가 본 개시와 관련하여 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

도 2는 8개의 이미지 영역들/구성요소들(V1 내지 V8)을 포함하는 프로젝션을 위한 이미지(252)를 도시한다. 도 2는 단지 예로서 8개의 이미지 구성요소들을 도시할 뿐이며 이미지(252)는 임의의 수의 구성요소로 분할될 수 있다. 도 2는 또한 예를 들어 적절한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변환될 때 이미지(252)를 재구성할 수 있는 인코딩된 광 패턴(254, 즉, 홀로그램)을 도시한다. 인코딩된 광 패턴(254)은 제1 내지 제8 이미지 구성요소들/영역들(V1 내지 V8)에 대응하는 제1 내지 제8 하위 홀로그램들 또는 구성요소들(H1 내지 H8)을 포함한다. 도 2는 홀로그램이 각도별로 이미지 콘텐트를 분해할 수 있는 방법을 추가로 보여준다. 따라서 홀로그램은 이를 수행하는 광의 채널링에 의해 특징지어질 수 있다. 이는 도 3에 도시되어 있다. 특히, 본 실시예에서 홀로그램은 광을 복수의 구분된 영역들(discrete areas)로 향하게 한다. 구분된 영역들은 도시된 실시예에서 원판(disc)이지만 그 밖의 형상도 예상된다. 최적의 원판의 크기 및 형상은 도파관을 통해 전파된 후 뷰잉 시스템의 입사동공의 크기 및 형상과 관련될 수 있다.

도 4는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 고안된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 장치를 포함하는 시스템(400)을 도시한다.

시스템(400)은 본 구성에서 LCOS SLM(402, 또는 간단히 LCOS(402)로 지칭될 수 있음)를 포함하는 디스플레이 장치를 포함한다. LCOS(402)는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴(또는 '회절 패턴')을 디스플레이하고 눈(405)을 향해 홀로그램으로 인코딩된 광을 조사하도록 구성되며, 눈(405)은 개구(404)의 역할을 하는 동공, 렌즈(409), 및 뷰잉 평면의 역할을 하는 망막(미도시)을 포함한다. LCOS(402)를 조사하도록 구성된 광원(미도시)이 존재한다. 눈(405)의 렌즈(409)는 홀로그램-이미지 변환을 수행한다. 광원은 임의의 적합한 종류일 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원을 포함할 수 있다.

뷰잉 시스템(400)은 LCOS(402)와 눈(405) 사이에 위치된 도파관(408)을 더 포함한다. 도파관(408)의 존재는 본 도면에 도시된 상대적으로 긴 투영 거리에서도 LCOS(402)로부터의 모든 각도 콘텐트(angular content)가 눈으로 수신될 수 있게 한다. 이는 도파관(408)이 동공확장기(pupil expander)로서 작용하기 때문인 것으로 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 간략하게만 설명한다.

간단히 말해서, 도 4에 도시된 도파관(408)은 실질적으로 기다란 형태를 포함한다. 본 실시예에서, 도파관(408)은 굴절 물질의 광학 슬래브(optical slab)를 포함하지만, 그 밖의 유형의 도파관도 잘 알려져 있으며 사용될 수 있다. 도파관(408)은 LCOS(402)로부터 조사된 광원뿔(즉, 회절된 광 필드)을 교차하도록 위치되며, 예를 들어 비스듬한(oblique) 각도로 교차한다. 본 실시예에서, 도파관(408)의 크기, 위치 및 배치는 광원뿔 내에서 8개의 광선 번들 각각으로부터의 광이 도파관(408)으로 들어가는 것을 보장하도록 구성된다. (LCOS(402)에 가장 가깝게 위치하는) 제2 평면을 통해서 광원뿔로부터의 광이 도파관(408)에 들어가며, 제2 평면과 실질적으로 반대인 (눈에 가장 가깝게 위치하는) 제1 평면을 통해 방출되기 전에 적어도 부분적으로 도파관(408)의 길이를 따라서 안내된다. 명확히 이해되는 바와 같이, 제1 평면은 부분적으로 반사적이며 부분적으로 투과적이다. 다시 말해서, 각각의 광의 광선이 제2 평면으로부터 도파관(408) 내에서 이동하고 제1 평면에 부딪힐 때 광의 일부는 도파관(408) 밖으로 투과되고 일부는 제1 평면에 의해 반사되어 다시 제2 평면으로 향한다. 제2 평면은 (고)반사형이어서, 도파관(408) 내에서 제2 평면에 부딪히는 모든 광은 제1 평면 표면을 향해 다시 반사된다. 따라서, 광의 일부는 투과되기 전에 도파관(408)의 두 평면 사이에서 단순히 굴절될 수 있는 반면, 다른 광은 반사될 수 있고, 따라서 투과되기 전에 도파관(408)의 평면 표면 사이에서 1회 이상의 반사(또는 '산란(bounce)')를 겪을 수 있다.

도 4는 도파관(408)의 길이를 따라서 총 9개의 "산란(bounce)" 지점(B0 내지 B8)을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 이미지(V1 내지 V8)의 모든 지점과 관련된 광은 도파관(408)의 제1 평면에서의 각각의 "산란"에 도파관 밖으로 투과되지만 이미지의 한 각도 부분으로부터의 광(예를 들어, V1에서 V8 중 하나의 광)만이 각각의 "산란" 지점(B0 내지 B8)에서 눈(405)에 도달할 수 있는 궤적을 가지고 있다. 더해서, 이미지의 다른 각도 부분(V1 내지 V8)으로부터의 광은 각각의 "산란" 지점에서 눈(405)에 도달한다. 따라서, 도 4의 실시예에서 인코딩된 광의 각 채널은 도파관(408)으로부터 한 번만 눈에 도달한다.

도파관(408)은 동공 확장 방향에 대응하는 길이를 따라 각각의 "산란(bounce)" 지점(B1 내지 B8)에서 홀로그램의 복수의 복제물을 형성한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 복제물은, 대응하는 복수의 복제물 또는 가상 디스플레이 장치(402')로 직선으로 다시 외삽될 수 있다. 이 과정은 도파관 내에서 광학 경로를 "펼치는(unfolding)" 과정에 해당하므로, 복제물의 광선이 도파관 내에서 내부 반사 없이 "가상 표면(virtual surface)"으로 다시 외삽된다. 따라서, 확장된 사출동공의 광은 디스플레이 장치(402) 및 복제 디스플레이 장치들(402')을 포함하는 가상 표면(본 명세서에서 "확장 변조기"라고도 함)에서 발생하는 것으로 간주될 수 있다.

상술한 방법들 및 구성들은 여러가지 상이한 응용들 및 뷰잉 시스템들에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 헤드-업 디스플레이(HUD) 또는 증강현실(AR) HMD와 같은 헤드 또는 헬멧 장착 장치(head or helmet mounted device, HMD)에 구현될 수 있다.

일부 실시예들에서, 뷰어 또는 뷰잉 시스템(예를 들어, 카메라)가 인식하는 이미지는 허상 이미지이다. 즉, 디스플레이 장치의 업스트림(즉, 뒤에)에 나타나거나 형성되는 이미지이다. 그러나, 본 발명은 동일한 홀로그램을 이용하여 실상을 형성하거나 허상 이미지와 실상 이미지를 동시에 형성하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

마찬가지로, 일부 실시예들은 홀로그램의 도파 및 복제를 설명하지만, 본 개시는 이미지, 선택적으로 홀로그램에 의해 형성된 이미지의 도파 및 복제에 동일하게 적용 가능하다.

2차원 동공 확장

도 4에 도시된 구성은 1차원에서 동공 확장을 제공하는 단일 도파관을 포함하지만, 동공 확장은 1차원 이상으로, 예를 들어 2차원으로 제공될 수 있다. 더욱이, 도 4의 실시예는 이미지의 각기 다른 부분 및/또는 다른 각도 콘텐트에 대응하는 광의 채널을 생성하도록 고안된 홀로그램을 사용하지만, 본 개시 및 이하에서 설명되는 시스템들은 이러한 홀로그램 유형으로 제한되지 않는다.

도 5는 광 빔(502)을 2차원으로 확장하도록 구성된 두 개의 복제기(replicator, 504, 506)를 포함하는 시스템(500)의 사시도를 도시한다.

도 5의 시스템(500)에서, 제1 복제기(504)는 서로 평행하게 적층되고 도 4의 도파관(408)과 유사한 방식으로 복제(또는 동공 확장)를 제공하도록 구성된 제1 표면 쌍을 포함한다. 제1 표면 쌍은 서로 비슷한(일부 경우에는 동일한) 크기 및 모양을 가지고 실질적으로 한 방향으로 연장되어 있다. 평행광 빔(502)은 제1 복제기(504)의 입력을 향한다. 통상의 기술자인 독자에게 친숙할, 두 표면 사이의 내부 반사 과정, 및 표면 중 하나(도 5에서 보여지는, 상부 표면)에 있는 복수의 출력 지점 각각에서 광의 부분 투과로 인해, 광 빔(502)의 광은 제1 복제기(504)의 길이를 따라 제1 방향으로 복제된다. 따라서, 제1 복수의 복제 광 빔들(508)이 제1 복제기(504)로부터 제2 복제기(506)를 향해 방출된다.

제2 복제기(506)는 서로 평행하게 적층된 제2 표면 쌍을 포함하며, 제1의 복수의 광 빔들(508)의 평행광 빔 각각을 수신하도록 구성되고, 추가적으로 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 각각의 광 빔을 확장함으로써 복제(또는 동공 확장)를 제공하도록 구성된다. 제1 표명 쌍은 서로 비슷한(일부 경우에는 동일한) 크기 및 형상을 가지며 실질적으로 직사각형이다. 제2 복제기는 제1 복수의 광 빔들(508)을 수신하기 위해 제1 방향을 따라서 길이를 갖고, 제2 방향으로 복제를 제공하기 위해 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 길이를 가지는 직사각형 모양이 제2 복제기에 구현된다. 두 표면 사이의 내부 반사 과정 및 표면 중 하나(도 5에서 보여지는, 상부 표면)에 있는 복수의 출력 지점 각각에서 광의 부분 투과로 인해 제1의 복수의 광 빔들(508)의 각 광 빔의 광은 제2 방향으로 복제된다. 따라서, 제2 복수의 광 빔들(510)이 제2 복제기(506)로부터 방출되고, 여기서 제2 복수의 광 빔들(510)은 제1 방향 및 제2 방향 각각을 따라서 입력 광 빔(502)의 복제물을 포함한다. 따라서, 제2 복수의 광 빔들(510)은 복제 광 빔들의 2차원 그리드(grid) 또는 어레이(array)를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.

따라서, 도 5의 제1 및 제2 복제기(504, 505)가 결합하여 2차원 복제기(또는 "2차원 동공확장기(two-dimensional pupil expander)")를 제공한다고 말할 수 있다. 제1 및 제2 복제기(504, 505) 각각은 본 명세서에 기술된 바와 같이 내부 반사로 그 사이에 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면을 포함하는 도파관 동공확장기의 형태를 갖는다. 도 5에 도시된 도파관들 각각은 서로 실질적으로 평행하게 구성되고 서로로부터 공간적으로 (예를 들어, 공기에 의해) 분리된 한 쌍의 제1 및 제2 대향 표면을 포함한다. 다른 구성에서, 도파관들은 소위 "슬래브 도파관(slab waveguides)"을 포함할 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 대향 표면은 광학적으로 투명한 고체 물질의 슬래브의 대향(주요) 평행 표면들이다. 이 경우, 제1 복제기(504)는 가늘고 긴 막대형 슬래브(rod-shaped slab)를 포함하여 막대(rod)의 길이를 따른 제1 방향으로 ID 동공 확장을 제공하고, 제2 복제기는 제1 방향에 직교인 제2 방향으로의 동공 확장을 제공하기 위한 평면형 직사각형 슬래브를 포함할 수 있다.

도파관 내부로 회절된 광 필드 결합

도 6은 투명 창을 포함하는 입력 포트를 통해 시준된 광 빔을 종래의 도파관으로 최적의 또는 이상적 결합을 보여주는 개략적인 광선 다이어그램이다.

특히, 도시된 도파관은 다수의 광선을 포함하는 광선 번들을 나타내는 두 개의 예시 광선들에 의해 도시된 바와 같이, 도파관의 길이를 따른 방향으로 그 사이에 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면(610, 620)을 포함한다. 특히, 두 개의 예시 광선들은 광선 번들의 극단 위치(즉, 광 빔의 반대쪽 "에지" - 본 명세서에서 "전방 에지" 및 "후방 에지"로 기술됨)에 위치한다. 특히, 광선들은 한 쌍의 대향 표면(610, 620) 사이에서 일련의 내부 반사 또는 "산란"을 겪는다. 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면(610)은 도파관의 출력 포트를 형성하는 제1 투과형-반사형 요소(예를 들어, 부분 반사-부분 투과 코팅을 포함하는 표면)를 포함한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 내부 반사 또는 제1 표면(610)에서의 광선의 "산란"에서 제1 투과형-반사형 요소에 의한 광의 분할에 의해 두 예시 광선의 일련의 복제물들이 형성된다. 이러한 복제물들은 화살표로 나타낸 바와 같이 도파관의 출력 포트를 통해 투과된다. 한 쌍의 대향 표면의 제2 표면(620)은 입력 포트를 형성하는 투명 창(630)을 내부에 갖는 반사형 요소(예를 들어, (고)반사형 코팅을 포함하는 표면)를 포함한다. 도시된 구성에서, 광이 입력 포트로부터 도파관의 제2 단부(690)를 향하는 방향으로 안내되도록 투명 창(630)은 도파관의 제1 단부(680)에 인접한다.

도 6에 도시된 바와 같이 서로 평행한 빔의 광선 번들을 포함하는 폭(W)의 광 빔의 최적 또는 이상적 결합을 위해, 광 빔의 광선 번들의 전방 에지에 있는 광선들 (즉, 도파관의 제1 단부(680)로부터 가장 먼 또는 도면에서 오른쪽으로 가장 먼) 투명 창(630)의 대응하는 에지(즉, 도면에서 오른쪽 에지)와 정렬된다. 광 빔의 입사각은 광 빔의 광선 번들의 후방 에지(즉, 도파관의 제1 단부(680)에 가장 가깝거나 도면에서 왼쪽으로 가장 멀리)에 있는 광선들이 제1 표면(610)에서 제1 "산란"에 의해 도파관과 결합되고, 내부에 트래핑되도록 한다. 따라서, (시준된) 빔의 모든 광선들은 동일한 비스듬한(oblique) 각도로 제2 표면(620)에 입사하고, 투명 창(630)을 통과하여 도파관에 완전히 연결(coupling)된다. 결과적으로, 빔의 모든 광선들은 동일한 비스듬한 각도로 제1 표면(610)의 제1 투과형-반사형 요소에 입사된다. 이로 인해 광선들의 일련의 내부 반사 또는 "산란", 및 도 6과 같이 서로 평행한 일련의 해당 복제물들의 출력이 나오게 된다. 결과적으로 입력(시준된) 빔으로부터 나온 광선의 손실이 없고, 입력 빔의 모든 콘텐트는 출력 포트에 있는 확장된 사출동공의 모든 복제물들에서 나타난다.

그러나 일부 응용 분야에서는 모든 광선들이 서로 완전히 평행하지 않도록, 광 빔의 광선 번들이 시준되지 않을 수 있다. 예를 들어, 광선 번들이 전파 거리에 따라 회절된 광 필드(2차원 평면에 정의됨)의 크기가 증가하는 원뿔형 광의 형태를 갖도록 빔이 발산할 수 있다. 특히 일부 응용 분야에서는 원거리(즉, 무한대)가 아닌 유한한 허상 이미지 거리(virtual image distance)에서 이미지를 형성하기 위해 광 빔이 발산해야 한다. 따라서 광선들은 서로 다른 방향으로 전파된다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 다른 응용 분야에서 광 빔은 수렴(convergent)할 수 있고, 본 개시는 발산 및 수렴 광 빔에 동등하게 적용 가능하다.

도 7은 도 6과 유사한 개략적인 광선 다이어그램으로서, 투명 창을 포함하는 입력 포트를 통해 종래의 도파관으로의 발산 광 빔의 결합을 도시한다. 광 빔은 도 6의 시준된 광 빔과 같은 방식으로 입력 포트와 정렬된다.

도 6의 도파관과 유사하게, 도 7의 도파관은, 상이한 광선 각도를 갖는 더 많은 광선들로 구성된 광선 번들을 나타내는 예시 광선들에 의해 도시된 바와 같이, 그 길이를 따른 방향으로 그 사이에 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면(710, 720)을 포함한다. 특히, 광선들은 한 쌍의 대향 표면(710, 720) 사이에서 일련의 내부 반사 또는 "산란"을 겪는다. 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면(710)은 도파관의 출력 포트를 형성하는 제1 투과형-반사형 요소를 포함한다. 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 화살표들로 나타낸 바와 같이, 일련의 복제물들이 형성되고 출력 포트를 통해 사출된다. 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 한 쌍의 대향 표면의 제2 표면(720)은 도파관의 제1 단부(780)에 인접한 입력 포트를 형성하는 투명 창을 내부에 갖는 반사형 요소를 포함한다.

도 7은 두 쌍의 예시 광선들을 보여준다. 특히, 예시 광선들의 제1 쌍은 점선으로 표시된 제1 각도의 제1 예시 광선(703) 및 실선으로 표시된 제2 각도의 제2 예시 광선을 포함한다. 예시 광선들의 제2 쌍은 파선으로 표시된 제3 각도의 제3 예시 광선(704) 및 실선으로 표시된 제4 각도의 제4 예시 광선을 포함한다.

빔의 광선 번들의 광선들 중 일부는 예시 광선의 제1 및 제2 쌍의 제2 및 제4 광선에 의해 예시된 바와 같이 서로 평행하다. 이들 예시/대표 광선들은 디스플레이 장치(미도시)에 대해 수직이며 - 즉, 제2 각도 및 제4 각도는 디스플레이 장치의 표면 법선에 대해 0˚(또는 평행)이며 - 따라서 광선 번들의 전파 방향(또는 전파 축)과 평행한 것으로 간주될 수 있다. 이러한 광선들은 동일한 비스듬한 각도로 제2 표면(720)에 입사하고, 투명 창을 통과하며 도 6에 따라 도파관 내에서 유지된다. 따라서 실선으로 표시된 제 2 및 제 4 예시 광선에 해당하는 빔의 "평행" 광선들은 동일한 비스듬한 각도로 제1 표면(710)의 제1 투과형-반사형 요소에 입사한다. 광 빔의 예시 광선들의 제2 쌍의 제4 예시 광선(즉, 도파관의 제1 단부(780)로부터 가장 먼 또는 도면에서 오른쪽으로 가장 먼)은 도 6에서와 같이 투명 창(630)의 대응하는 에지와 정렬된다. 따라서, 도 7에서 실선으로 도시된 바와 같이, 제2 및 제4 예시 광선은 도파관 내부로 완전히 결합되고, 서로 평행한 한 쌍의 대향 표면(710, 720)의 사이에서 안내된다.

그러나, 빔의 광선 번들의 광선들 중 일부는 상이한 각도들을 갖는다(즉, 빔의 광선 번들의 전파 방향 또는 전파 축과 평행하지 않은 방향을 가짐). 이러한 광선은 예시 광선들의 제1 및 제2 쌍의 제1 및 제3 예시 광선에 의해 예시되며, 발산 빔의 광선 번들에 다수의 다른 광선 각도의 많은 다른 광선들이 존재할 것임을 알 수 있을 것이다. 특히, 점선으로 표시된 제1 예시 광선(703)은 제1 각도에 있고, 제3 예시 광선(704)은 제3 각도에 있으며, 여기서 제1 및 제3 각도는 서로 다르고, 제2/제 4 각도와도 상이하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 점선으로 표시된 제1 예시 광선(703)은 도파관의 제1 단부(780)에 가까운 위치(즉, 도면에서 가장 왼쪽)에서 제2 표면(720)에 입사한다. 따라서, 제1 예시 광선(703)은 투명 창을 통해 도파관 내부로 향하고 제1 표면(710)의 제1 투과형-반사형 요소에 입사한다. 그러나, 점선으로 표시된 제1 예시 광선(703)은 실선으로 표시된 제2(및 제4) 예시 광선에 대해 상이한 비스듬한 각도로 제2 표면에 입사한다. 특히, 제1 예시 광선(703)의 제1 각도는 발산 빔의 후방 에지에서 가장 극단적인 각도(디스플레이 장치/전파 방향 또는 축의 표면 법선에 대한 가장 큰 각도)를 갖는다. 따라서, 제1 예시 광선(703)의 제1 각도는 디스플레이 장치/빔의 전파 축의 표면 법선에 대해 0이 아닌 각도이기 때문에, 실선으로 표시된 제2 예시 광선보다 제2 표면(720)에서 더 작은 입사각을 갖고 제1 표면(710)에서 더 큰 입사각을 갖는다. 따라서, 제1 표면(710)의 제1 투과형-반사형 요소에서의 제1 예시 광선(703)의 제1 내부 반사 또는 "산란"은 제2 및 제4 예시 광선의 동등한 내부 반사 또는 "산란"보다 "경사가 크다(steeper)". 결과적으로, 제1 예시 광선(703)은 화살표로 표시된 바와 같이 제2 표면(720)의 투명 창에서의 위치로 다시 반사되고 투명 창을 통해 도파관 밖으로 전달된다. 따라서, 제1 예시 광선(703)은 도파관 내부로 적절하게 결합되지 않고 손실된다.

제3 예시 광선(704)은 투명 창의 전방 에지 위치(도파관의 제1 단부(780)에서 가장 멀리 또는 도면의 오른쪽으로 가장 멀리)에서 제2 표면(720)에 입사한다. 제3 예시 광선(704)의 제3 각도는 발산 빔의 전방 에지에서 가장 극단적인 각도(전파 방향/축에 대한 가장 큰 각도)에 있으므로 투명 창을 통해 도파관 내부로 향하지 않는다. 따라서, 제3 예시 광선(704)도 마찬가지로 도파관 내부로 적절하게 결합되지 않고 손실된다.

전술한 바와 같이, 제1 및 제3 예시 광선(703, 704)은 상이한 광선 각도들의 많은 다른 광선들을 포함하는 발산 빔의 광선 번들의 반대 극단 위치에 대응하는 광선 각도들을 갖는다. 따라서, 제1 및 제3 예시 광선(703, 704)은 손실될 수 있는 발산 빔의 광선들의 단지 두 가지 예시일 뿐이다.

따라서, 도 7은 투명 창을 포함하는 입력 포트를 통해 발산 광 빔을 종래의 도파관 내부로 결합시키면, 입력 광 빔의 광선 번들의 일부 광선(예를 들어, 에지에 있는 광선)이 손실되기 때문에 이미지 품질이 불량해진다는 것을 보여준다. 따라서, 광 빔의 손실된 광선에 의해 운반되는 콘텐트(contents)는 복제물을 형성하기 위해 도파관 내부로 결합되지도 않고 도파관을 통해 전파되지 않을 수 있다. 결과적으로 손실된 콘텐트는 모든 아이-박스 위치에서 보이지 않을 수 있다. 모든 이미지 콘텐트가 모든 아이-박스 위치에 전달되지 않기 때문에 이미지 품질이 크게 저하된다.

손실된 광선의 문제는, 예를 들어 홀로그래픽 프로젝션 시스템에서, 도파관 내부로의 회절된 광 필드(즉, "홀로그램의 광" 또는 "홀로그램을 전달하는 광 신호")의 결합과 관련하여 특히 문제가 된다. 특히, 위에서 언급한 특정 적용 분야에서 회절된 광 필드는 발산(또는 수렴)할 수 있다. 따라서, 특히 발산 빔의 에지에서 일부 광선이 손실될 수 있으며, 이로 인해 도파관 내부로 결합된 빔으로부터 관련 이미지 콘텐트의 손실이 발생한다.

더욱이, 전술한 바와 같이 이미지 콘텐트를 각지게 분할/채널화하는 홀로그램을 포함하는 구현에서, 이들 광선들은 보여질 이미지의 각각의 부분에 대응하는 각도 콘텐트를 포함하는 개별 홀로그램 채널(의 적어도 일부)을 형성할 수 있다. 결과적으로, 도파관의 출력 포트로부터 출력된 광(즉, 복제물들)은 이미지 콘텐트의 일부에 대응하는 홀로그램 채널을 포함하지 않을 수 있어, 뷰잉 시스템이 완전한 대상 이미지를 홀로그램 재구성할 수 있도록 한다. 특히, 통상의 기술자가 이해하듯이, 도파관에 의해 형성된 각각의 "복제물"을 뷰잉 시스템이 해당 아이-박스 위치에서 이미지를 충실하게 재구성하기 위해 각도 성분(angular components)/홀로그램 채널에 해당하는 모든 광선 각도의 광선을 포함해야 한다. 일부 광선의 손실은 적어도 일부 복제물에 필요한 광선 각도 중 하나 이상에서 광선이 포함되어 있지 않음을 의미한다. 요약하면, 광선의 손실은 이미지 콘텐트 일부의 손실로 이어질 수 있으며, 뷰어가 인지하는 이미지에 갭(gap)을 남긴다. 이미지 콘텐트의 이러한 갭은 아이-박스 내의 특정 위치에서 "다크 밴드(dark bands)"로 나타날 수 있다.

이러한 문제를 인식한 발명자는 도파관의 입력 포트를 형성하는 광학적으로 투명한 창을, 적어도 그 영역의 일부에서 부분적으로 반사형이고 부분적으로 투과형인 입사 개구(entrance aperture)로 대체할 것을 제안한다. 아래에 설명된 바와 같이, 이렇게 하면, 입사 개구에 입사하는 광 빔의 광선 번들의 모든 광선들이 도파관에 완전하게 또는 적절하게 결합되는 것이 보장된다. 따라서, 광 빔이 회절된 광 필드 또는 홀로그램을 포함할 때, 홀로그램에 의해 인코딩된 모든 이미지 콘텐트가 입력 포트를 통해 도파관 내부로 적절하게 결합됨으로써, 뷰잉(viewing)을 위해 확장된 사출동공으로부터 출력될 수 있다. 따라서 도파관의 광선 결합 효율이 최적화된다. "광선 결합 효율"의 최적화는, 입사 개구에서의 반사로 인한 광의 세기(intensity) 손실로 인해 도파관의 "광학 효율"이 감소되는 댓가로 이해될 것이다. 따라서, 일부 실시예들은, 광원에 의해 방출된 광 빔의 광출력을 높이거나, 펄스형 광 빔의 경우에는 추가로 또는 대안적으로 광 펄스의 지속시간을 증가시킴으로써, 도파관 내부로 결합된 광의 세기 손실을 완화시킬 수 있다.

부분-반사형 입사 개구

도 8은 제1 실시예에 따라 투과형-반사형 요소를 포함하는 입력 포트(또는 "입사 개구")를 갖는 도파관 내로의 발산 광 빔의 결합을 도시하는 개략적인 광선 다이어그램이다. 이 구성에서, 광 빔은 도 6 및 7의 광 빔과 유사한 형태로 입력 포트에 입사한다. 그러나 입력 포트는 연장되어(또는 반대로 반사형 요소가 변위되어) 발산 광 빔의 광선 번들의 전방 에지(즉, 도파관의 제1 단부(880)로부터 가장 멀리 또는 도면에서 오른쪽으로 가장 멀리)에 있는 광선들이 그 위로 입사한다.

도 6 및 7의 도파관과 유사하게, 도 8의 도파관은 예시 광선으로 나타낸 바와 같이 제1 단부(880)에서 제2 단부(890)로 그 길이를 따른 방향으로 사이에 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면(810, 820)을 포함한다. 특히, 광선들은 한 쌍의 대향 표면(810, 820) 사이에서 일련의 내부 반사 또는 "산란"을 겪는다. 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면(810)은 도파관의 출력 포트를 형성하는 제1 투과형-반사형 요소를 포함한다. 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 화살표로 나타낸 바와 같이, 일련의 복제물이 형성되고 출력 포트를 통해 투과된다. 한 쌍의 대향 표면의 제2 표면(820)은 그 길이를 따라 도파관의 제2단부(890)까지 연장되는 반사형 요소(870)를 포함한다. 제2 표면(820)은 입력 포트 또는 입사 개구를 형성하는 도파관의 제1 단부(880)에 인접한 제2 투과형-반사형 요소(860)를 더 포함한다.

도 8은 두 쌍의 예시 광선을 보여준다. 특히, 제1 예시 광선 쌍은 점선으로 표시된 제1 각도의 제1 예시 광선(803) 및 실선으로 표시된 제2 각도의 제2 예시 광선을 포함한다. 제2 예시 광선 쌍은 파선으로 표시된 제3 각도의 제3 예시 광선(804) 및 실선으로 표시된 제4 각도의 제4 예시 광선을 포함한다.

도 8의 실시예에 따르면, 제2 투과형-반사형 요소(860)는 광을 부분적으로 투과시키고 부분적으로 반사시키는 표면을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 투과형-반사형 요소(860)는 균일한 투과율/반사율을 가진 표면을 포함한다. 균일한 제2 투과형-반사형 요소(860)를 포함하는 일 실시예는 도 11을 참조하여 아래에서 설명된다. 다른 실시예들에서, 제2 투과형-반사형 요소(860)는 도파관의 제1 단부(880)에서 제2 단부(890) 방향으로 차등 투과율을 가진 표면을 포함한다. 예를 들어, 입사 개구의 적어도 일부에 걸쳐 차등(graded) 패싯(facet, 예를 들어, 차등한 표면 투과율/반사율을 갖는 코팅)이 형성될 수 있다. 차등 제2 투과형-반사형 요소(860)를 포함하는 일 실시예는 도 12를 참조하여 아래에서 설명된다.

따라서, 입사 개구에 입사하는 광은 제2 투과형-반사형 요소(860)에 의해 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사된다. 따라서, 입사 개구에 입사하는 비례 광(proportion light)은 제2 투과형-반사형 요소(860)에 의해 투과되고, 따라서 도파관 내부로 화살표로 표시된 바와 같이 결합된다. 동시에, 입사 개구에 입사하는 광의 나머지 부분(remaining proportion)은 제2 투과형-반사형 요소(860)에 의해 반사되고, 따라서 도파관 내부로 결합되지 않는다. 이러한 반사 광선들은 설명을 편의를 위해 도 8에서 생략되었다.

따라서, 빔의 전방 에지(즉, 제1 단부(880)로부터 가장 멀리 또는 도면에서 오른쪽으로 가장 멀리)에 있는 파선으로 표시된 제3 예시 광선(804)을 포함하는 제2 예시 광선 쌍과 같은 광 빔의 광선 번들의 일부 광선들은, 화살표로 나타낸 바와 같이, 도 7의 제2 및 제3 예시 광선과 동일한 방식으로 도파관 내부로 결합된다. 특히, 이 광선들은 제2 투과형 요소(860)에 단 한 번만 입사한다. 그러나 일부 광선은 입사 개구에 두 번 입사할 수 있다. 예를 들어, 빔의 후방 에지(즉, 도파관의 제1 단부(880)에 가장 가깝거나 도면에서 왼쪽으로 가장 멀리)에서 점선으로 표시된 제1 예시 광선(803)을 포함하는 제1 예시 광선 쌍은 입사 개구에 입사하고 반사되거나 제2 표면(820)의 입사 개구 위치로 다시 "산란"될 수 있다. 이는 손실된 도 7의 제1 예시 광선(점선으로 표시됨)(703)과 동일하다. 그러나 이 실시예에 따르면, 이 광선들은 제2 투과형-반사형 요소(860)에 의해 부분적으로 도파관 내에서 내부 반사될 뿐만 아니라 부분적으로 도파관 외부로 투과된다(설명의 편의를 위해 도시되지 않음). 도파관의 제2 단부(890)를 향한 입사 개구의 확장(expansion)으로 인해, 빔의 광선 번들의 전방 에지에 있는 일부 광선(예를 들어, 제3 예시 광선(804)을 포함하는 제2 예시 광선 쌍 - 파선으로 표시됨)이 입사 개구에 입사한다. 이는 도 7의 파선으로 표시된 손실된 세 번째 예시 광선(704)과 대조된다. 따라서, 이들 모든 광선의 세기의 일부는 화살표로 나타낸 바와 같이 제2 투과형-반사형 요소에 의해 도파관 내부로 완전히 결합된다.

이러한 방식의 장점은, 이 광의 일부가 도파관 내부로 결합되기 때문에, 이러한 광선 각도와 관련된 이미지 콘텐트의 손실이 없다는 것이다. 따라서 광선의 결합이 향상된다.

입사 개구에서 도파관 내외로 결합된 광의 비율은 제2 투과형-반사형 요소(860)의 상대적인 투과율/반사율에 따라 달라진다. 또한, 입력 빔을 형성하는 광선 번들의 크기는 도파관의 에너지 효율에 영향을 미친다. 예를 들어, 제2 투과형-반사형 요소가 균일하게 부분적으로 투과형/반사형이면, 일부 광선에 대한 광 효율이 감소될 수 있다. 예를 들어, 제2 투과형-반사형 요소(860)가 입사 개구의 길이를 따라 균일하게 50 % 투과형 및 50 % 반사형(즉, 50 % R, 50 % T)이면, 에너지 손실은 75 %(예: 점선으로 표시된 제1 예시 광선(803))일 수 있다. 따라서, 입사 개구의 길이를 따른 제2 투과형-반사형 요소(860)의 상대적인 투과율/반사율은 광선 번들의 크기를 포함하는 적용 요건에 따라 최적화될 수 있다. 이는 도파관의 제2 표면(820) 상에 형성된 하나 이상의 코팅의 선택으로 가능해진다.

도 9는 제2 실시예에 따라 투과형-반사형 요소를 포함하는 입력 포트(또는 "입사 개구")를 갖는 도파관 내부로의 발산 광 빔의 결합을 도시하는 개략적인 광선 다이어그램이다. 이러한 구성에서, 도 8의 실시예의 광 빔과 유사한 구성으로 입력 포트에 광 빔이 입사하고, 입력 포트는 도 8의 실시예와 동일한 방식으로 연장된다.

도 8의 실시예에서와 같이, 도 9의 도파관은 광선에 의해 도시된 바와 같이 제1 단부(980)로부터 제2 단부(990)까지 그 길이를 따른 방향으로 그 사이에 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면(910, 920)을 포함한다. 특히, 광선은 한 쌍의 대향 표면(910, 920) 사이에서 일련의 내부 반사 또는 "산란"을 겪는다. 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면(910)은 도파관의 출력 포트를 형성하는 제1 투과형-반사형 요소를 포함한다. 화살표로 나타낸 바와 같이, 일련의 복제물은 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이 형성되고 출력 포트를 통해 투과된다. 한 쌍의 대향 표면의 제2 표면(920)은 그의 길이를 따라 도파관의 제2 단부(990)까지 연장되는 반사형 요소(970)를 포함한다. 제2 표면(920)은 입력 포트 또는 입사 개구를 형성하는 도파관의 제1 단부(980)에 인접한 제2 투과형-반사형 요소(960)를 더 포함한다.

도 9는 두 쌍의 예시 광선을 보여준다. 특히, 제1 예시 광선 쌍은 점선으로 표시된 제1 각도의 제1 예시 광선(903) 및 실선으로 표시된 제2 각도의 제2 예시 광선을 포함한다. 제2 예시 광선 쌍은 파선으로 표시된 제3 각도의 제3 예시 광선(904) 및 실선으로 표시된 제4 각도의 제4 예시 광선을 포함한다.

일 실시예에서, 입사 개구는 도파관의 제2 표면(920)의 반사형 요소(970)에 인접한 입사 개구의 길이의 일부 위로만 연장되는 부분 투과형/반사형 요소(예를 들어, 균일하게 50 % R, 50 % T, 960)를 포함한다. 입사 개구는 도파관의 제1 단부(980)에 인접한 입사 개구의 나머지 부분 위로 연장되는 (높은 투과율의) 투과형 요소(950)를 추가로 포함한다. 입사 개구의 투과형 요소(950)에 입사하는 광 빔의 광선 번들의 광선 중 일부는, 화살표(예를 들어, 점선으로 표시된 제1 예시 광선(903)을 포함하는 제1 예시 광선 쌍)로 나타낸 바와 같이 입사 개구를 통해 투과된다. 이러한 광선들은 도파관의 제1 표면(910)에 의해 "산란"으로 내부 반사되고 제2 표면(920)에서 입사 개구의 부분 투과형/반사형 요소(960)에 입사하기 때문에 입사 개구에 두 번 입사한다. 화살표로 표시된 바와 같이, 입사 개구의 제2 투과형/반사형 요소(960)는 도파관(예시의 편의를 위해 도시되지 않음) 밖으로 이 광선들의 세기의 비율(예: 50 %)을 투과시키는 반면, 이 광선들의 세기의 나머지 비율(예: 50 %)을 반사한다. 반대로, 입사 개구의 부분 투과형/반사형 영역(960)에 입사하는 광 빔의 광선 번들의 일부 다른 광선들의 세기의 비율(예: 50 %)만이 도파관으로 투과되고, 나머지 비율(예: 50 %)은 반사되어 도파관에 들어가지 않는다(예시의 편의를 위해 도시되지 않음). 이러한 광선들은 입사 개구에 한 번만 입사하고 제1 표면(910)에 의해 "산란"으로 내부 반사되고 제2 표면(920)의 반사형 요소(970)에 입사하므로 도파관 내부로 완전히 결합된다.

실시예들에서, 입사 개구의 부분 투과형/반사형 요소(960)의 길이는 모든 입사 광선들의 광이 이 영역을 한 번만 통과하도록 구성된다. 결과적으로 모든 입사 광선들은 실질적으로 동일한 광학 효율(이 실시예에서는 50 % 효율)로 도파관 내부로 완전히 결합되고 도파관 내에서 안내된다. 그 결과 모든 광선들과 이에 따른 모든 이미지 콘텐트에 동공 확장이 일관되게 발생한다. 광학 분야의 통상의 기술자는 이것이 단순한 기하학의 문제임을 알 수 있을 것이다.

도 8 및 9에 도시된 실시예들에서, 제1 및 제2 예시 광선 쌍 각각은 도파관 외부의 디스플레이 장치의 픽셀에 대응할 수 있는 공통 위치(common position)로부터 발생하는 각각의 광선 각도를 갖는 것으로 도시된다. 그럼에도 불구하고, 본 개시에 따른 입사 개구의 구성에 의해 광선의 결합이 개선되는 장점들은 광선의 발산 지점과 관계없이 나타난다. 예를 들어, 입사 개구의 하류에서 입력 빔의 발산이 발생하더라도, 투명한 입사 개구를 통해 손실될 수 있었던, 입사 개구에 두 번 입사하는 각도를 갖는 광선들은, 도파관 내부로 적절하게 결합될 수 있다.

도 10은 도 6의 (종래의) 도파관의 대향하는 제1 및 제2 표면의 거리에 따른 광 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다. 특히, x축은 도파관의 제1 단부(680)로부터 제2 단부(690)까지의 거리를 나타낸다. 제1 y축(좌측, 1010) 및 관련된 라인 플롯(실선으로 도시됨)은 입사면(즉, 입력 포트)을 형성하는 제2 대향 표면(620)에서의 광 투과율을 나타내고, 제2 y축(우측, 1020) 및 관련된 라인 플롯(파선으로 도시됨)은 사출 표면(즉, 출력 포트를 포함함)을 형성하는 제1 대향 표면(610)에서의 광 투과 값들을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 대향 표면(610)은 도파관의 제1 단부(680)로부터 제2 단부(690)까지의 거리에 따라 증가하는 광 투과 값을 갖는다. 제1 표면(610)에 의해 형성된 출력 포트에서 제1 단부(680)로부터의 거리에 따른 투과율의 증가는, 도파관의 길이를 따라 각각의 "산란"에서 광의 분할(일부 반사/일부 투과)을 보상하므로, 복제물들이 실질적으로 동일한 밝기(brightness)로 형성되어 아이-박스 내에서 동일한 밝기를 갖는 것으로 인지된다. 제2 표면(610)의 거리에 따른 투과율의 바람직한 변화는 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 적합한 차등 표면 코팅을 선택함으로써 달성될 수 있다. 제2 대향 표면(620)은 도파관의 제1 단부(680)에서 1(즉, 100 %)의 광 투과율을 갖고 거리(1030)만큼 연장된다. 거리(1030)는 도파관의 입력 포트를 형성하는 투과창의 폭에 해당한다. 여기서, 투과창/입사 개구/입력 포트의 "폭"은 도파관의 "길이"를 따라(예를 들어, 도 6의 도파관의 제1 단부(680)로부터 제2 단부(690)까지) 측정된다. 또한, 제2 대향 표면(620)은 거리(1030)로부터 반사형 요소(640)의 길이에 해당하는 도파관의 제2 단부(690)까지 연장되는 실질적으로 0(바람직하게는 < 0.05)의 광 투과 값을 갖는다.

도 11은 제2 투과형-반사형 요소(860)가 균일한 투과율/반사율을 갖는 표면을 포함하는 도 10과 유사한 도 8의 제1 실시예의 일례에 대한 거리에 따른 광 투과(transmission)의 변화를 나타내는 그래프이다. 따라서, x 축은 도파관의 제1 단부(880)로부터 도파관의 제2 단부(890)까지의 거리를 나타낸다. 제1 y축(좌측, 1110) 및 관련된 라인 플롯(실선으로 도시됨)은 입사 표면(즉, 입력 포트 포함)을 형성하는 제2 대향 표면(820)에서의 광 투과를 나타내고, 제2 y축(우측, 1120) 및 관련된 라인 플롯(파선으로 도시됨)은 사출 표면(즉, 출력 포트 포함)을 형성하는 제1 대향 표면(810)에서의 광 투과를 나타낸다. 도 8의 실시예에서, 제1 투과형-반사형 요소를 포함하는 제1 대향 표면(810)은 도 6의 종래의 도파관과 동일한 거리에 따른 광 투과의 변화를 갖는다. 따라서, 제2 y축(1120) 및 관련된 라인(파선으로 도시됨)은 도 10과 동일하다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 대향 표면(820)은 도파관의 제1 단부(880)에서 거리(1130)만큼 연장되는 0.3의 광 투과 값(light transmission value)(즉, 30 % - 다른 실시예는 0.2 내지 0.4와 같이 약 0.1 내지 약 0.5 범위의 임의의 투과 값을 가질 수 있음)을 갖는다. 거리(1130)는 도 8의 입사 개구/제2 투과형-반사형 요소(860)의 폭에 대응하며, 도 6의 투과 창(1030)의 폭보다 약간 더 길게 연장된다. 또한, 제2 대향 표면(820)은, 반사형 요소(640)의 길이에 대응하는, 거리(1130)로부터 도파관의 제2 단부(890)까지 연장되는 실질적으로 0(바람직하게는 < 0.05)의 광 투과 값을 갖는다. 통상의 기술자는 실시예들에서 (고)반사형 요소의 투과율이 0.1 미만, 예컨대 0.07 미만 또는 0.05 미만임을 이해할 것이다.

도 12는 도 10 및 11과 유사한 도 8의 실시예의 다른 예에 따른 광 투과(light transmission)의 거리에 따른 변화를 보여주는 그래프이다. 입사 개구의 제2 (부분적) 투과형-반사형 요소(860)는 그의 폭의 일부를 따라 차등한 반사율을 갖는다. 따라서, x축은 도파관의 제1 단부(880)로부터 도파관의 제2 단부(890)까지의 거리를 나타낸다. 제1 y축(1210, 좌측) 및 관련된 라인 플롯(실선으로 도시됨)은 입사 표면(즉, 입력 포트 포함)을 형성하는 제2 대향 표면(820)에서의 광 투과를 나타내고, 제2 y축(1220, 우측) 및 관련된 라인 플롯(파선으로 도시됨)은 사출 표면(즉, 출력 포트를 포함)을 형성하는 제1 대향 표면(810)에서의 광 투과를 나타낸다. 이 실시예에서, 제1 투과형-반사형 요소를 포함하는 제1 대향 표면(810)은 도 6 및 8의 도파관과 동일한 거리에 따른 광 투과의 변화를 갖는다. 따라서, 제2 y축(1220) 및 관련된 라인 플롯(파선으로 도시됨)은 도 10 및 11과 동일하다. 그러나, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 대향 표면(820)은 도파관의 제1 단부(880)에서 거리(1230)만큼 연장되는 0.14의 광 투과 값(즉, 14 % - 다른 실시예는 약 0.1 내지 약 0.3 범위의 임의의 투과 값을 가질 수 있음)을 갖는다. 거리(1230)는 입사 개구의 제2 투과형-반사형 요소(860)의 제1 영역의 폭에 대응한다(입사 개구의 전체 폭은 거리(1240)까지 연장된다). 제2 투과형-반사형 요소(860)는 균일한 부분 투과율/반사율(즉, 86 % R; 14 % T)을 갖는다. 또한, 제2 대향 표면(820)은 거리(1230)로부터 도파관의 제2 단부(890)를 향한 거리에 따라 변하는, 특히 지속적으로 감소하는, 광 투과(light transmission)를 갖는다. 제1 y축(1210, 실선으로 도시됨)과 관련된 라인 플롯에서 도시된 이 가변적 투과율/반사율은 제2 투과형-반사형 요소(860)의 차등한 제2 영역에 대응하며, 이는 거리(1230)에서 제1의 균일 투과형/반사형 영역으로부터 거리(1240)에서 입사 개구와 제2 대향 표면(820)의 반사형 요소(870)의 경계에 있는 지점까지 연장된다. 또한, 제1 y축(1210, 실선으로 도시됨)과 관련된 라인 플롯에 도시된 가변적 투과율/반사율은 반사형 요소(870)의 영역에도 대응한다. 특히, 제2 대향 표면(820) 상의 반사형 요소가 균일하게 (고)반사형인 실시예들과 달리, 반사형 요소(870)는 거리(1250)에서 광 투과 값이 실질적으로 0(바람직하게는 < 0.05)이 될 때까지 제2 대향 표면(220)의 길이를 따라 부분적 투과형/반사형 요소(860)로 제2 영역 내에서 연속적으로 차등된다. 반사형 요소(870)의 광 투과 값은 지점(1250)에서 도파관의 제2 단부(890)까지 실질적으로 0이다. 따라서, 제2 대향 표면(820)은 입사 개구/제2 투과형/반사형 요소(860)의 일부 및 반사형 요소(870)의 일부를 형성하는 (연속적으로) 차등한 부분적 투과형/반사형 층을 포함한다. 이는 내부결합된(in-coupled) 광의 세기의 급격한 불연속성을 방지함으로써 이미지 품질이 향상될 수 있다.

도 12에 도시된 제1 실시예에서, 제2 투과형-반사형 요소(860)는 그의 폭의 일부만을 따라 차등한 투과율/반사율을 갖는다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 다른 실시예들에서, 제2 투과형-반사형 요소(860)의 전체 폭은, 제2 표면(820) 전체(예를 들어, 도 12에서 제1 단부(880)로부터 거리(1250)까지)가 연속적으로 차등할 수 있도록 할 수 있다.

따라서, 본 명세서에 개시된 도파관의 실시예들은 최적화된 광선 결합 효율을 가지므로, 입력 광 빔(예를 들어, 발산 빔)의 광선 번들의 모든 광선들이 도파관 내부로 완전히 결합되고, 따라서 입력 포트에서 출력 포트로 안내된다. 이렇게 하면 아이-박스 내의 모든 위치에서 뷰어가 인식하는 이미지 상에 다크 밴드로 나타날 수 있는 갭의 형성이 방지된다. 또한, 디스플레이/프로젝션 시스템에서 광학/프로젝션 축과 도파관 입력 포트를 정렬하는 동안 도파관 각도(waveguide angle)의 허용 오차(tolerance)가 개선된다. 광 빔 내에 인코딩된 회절 광 필드/홀로그램을 변경하지 않아도, 또 이에 따라 회절 광 필드를 생성하는 방법을 변경하지 않고도 홀로그램 디스플레이 장치는 다양한 장점들을 갖게 된다.

추가적인 특징들

실시예들에서, 홀로그램 재구성은 색상을 가진다. 일부 실시예들에서는, 공간-분리 색상(spatially-separated colours, “SSC”)으로 알려진 접근 방식은 색상 홀로그램 재구성을 제공하는 데 사용된다. 다른 실시예들에서는, 프레임 순차 컬러(frame sequential colour, “FSC”)로 알려진 접근 방식이 사용된다.

예는 가시광으로 SLM을 조명하는 것을 설명하지만, 통상의 기술자는 광원 및 SLM이 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이 적외선 또는 자외선을 지향시키기 위해 동등하게 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자는 정보를 사용자에게 제공할 목적으로 적외선 및 자외선을 가시광으로 변환하는 기술을 알고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 형광체 및/또는 양자점 기술을 사용하는 것으로 확장된다.

일부 장치는 단지 예로서 2D 홀로그램 재구성을 설명한다. 다른 구성에서, 홀로그램 재구성은 3D 홀로그램 재구성이다. 즉, 일부 구성에서 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램은 3D 홀로그램 재구성을 형성한다.

본 명세서에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩(solid-state memory chip), 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 이에 국한되지 않으며, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.

첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims (15)

1. 도파관에 있어서,
   내부 반사로 사이에 회절된 광 필드(diffracted light field)를 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면들;
   디스플레이 시스템으로부터 광을 수신하도록 구성된 입력 포트;
   상기 한 쌍의 대향 표면들 중 제1 표면의 제1 투과형-반사형 요소(transmissive-reflective element)에 의해 형성되는 출력 포트를 포함하되, 상기 제1 투과형-반사형 요소는 상기 회절된 광 필드가 각각의 내부 반사를 통해 분할되도록 하고 상기 회절된 광 필드의 복수의 복제물들이 상기 출력 포트를 통해 상기 도파관 밖으로 투과되도록 하되,
   상기 입력 포트는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 상기 광의 적어도 일부를, 수신하고, 부분적으로 투과시키고, 부분적으로 반사시키도록 구성된 제2 투과형-반사형 요소를 포함하는 도파관.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 투과형-반사형 요소는 상기 회절된 광 필드의 적어도 일부를 상기 도파관 내에서 내부 반사시키도록 구성되는 도파관.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 투과형-반사형 요소는 상기 회절된 광 필드의 적어도 일부가 단 한번만 입사되도록 구성되고, 선택적으로 상기 회절된 광 필드의 모든 광선들이 단 한번만 입사되도록 구성되는 도파관.
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 입력 포트는 상기 한 쌍의 대향 표면들 중 제2 표면에 형성되는 도파관.
5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 투과형-반사형 요소는 0.2 내지 0.4와 같은 0.1 내지 0.5의 투과율(transmissivity)을 갖는 도파관.
6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 도파관은 상기 도파관 내에서 상기 회절된 광 필드를 내부 반사시키도록 구성된 반사형 요소를 더 포함하는 도파관.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 반사형 요소는 상기 입력 포트에 바로 인접한 상기 제2 표면 상에 배치되는 도파관.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 제2 투과형-반사형 요소의 시작에서 상기 반사형 요소의 끝까지 상기 제2 표면의 투과율은 연속적이며, 선택적으로, 연속적으로 감소하고, 및/또는
   상기 반사형 요소의 상기 투과율은 0.07 미만 또는 0.05 미만과 같이 0.1 미만인 도파관.
9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 투과형-반사형 요소는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 모든 광을 수신하도록 구성되는 도파관.
10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 입력 포트는,
    상기 디스플레이 시스템으로부터 상기 광의 일부를 수신하도록 구성된 투과형 요소를 더 포함하되, 선택적으로 상기 투과형 요소는 상기 제2 투과형-반사형 요소에 인접하고/인접하거나 상기 제2 투과형-반사형 요소는 반사형 요소에 인접한 도파관.
11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 투과형-반사형 요소는 부분 투과형 및 부분 반사형 표면 코팅을 포함하고, 및/또는
    상기 입력 포트는 도파(waveguiding) 방향으로 길이를 갖고 상기 제2 투과형-반사형 요소는 상기 입력 포트의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 연장되는 도파관.
12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 포함하고/포함하거나 상기 회절된 광 필드는 상기 홀로그램에 따라 공간적으로 변조되는 도파관.
13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 상기 도파관에 의해 확장되는 상기 디스플레이 시스템의 사출동공(exit pupil)을 정의하는 픽셀 영역을 갖는 디스플레이 장치를 포함하는 도파관.
14. 제1 항 또는 제2 항의 도파관을 포함하는 시스템으로서, 상기 도파관은 각각 제1 방향 및 제2 수직 방향으로 상기 디스플레이 시스템의 동공을 확장하도록 구성된 한 쌍의 도파관 동공확장기들 중 제2 일차원 동공확장기인 시스템.
15. 시스템에 있어서,
    뷰잉 시스템(viewing system)에 의한 뷰잉을 위한 회절광 필드(diffractive light field)를 형성하도록 구성된 디스플레이 시스템, 및
    입력 포트에서 상기 회절광 필드를 수신하기 위한 제1 항 또는 제2 항의 도파관을 포함하되,
    상기 뷰잉 시스템이 유한한 허상 이미지 거리(virtual image distance)에서 허상 이미지를 인식할 수 있도록, 상기 회절광 필드는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 전파 거리에 따라 크기가 증가하는 시스템.

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