KR20230095024A - 컴팩트한 헤드-업 디스플레이 및 이를 위한 도파관 - Google Patents

Abstract

디스플레이 시스템용 동공확장기로서 구성된 도파관이 개시된다. 도파관은 내부 반사에 의해 대향 표면들 사이로 광 필드를 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면들을 포함한다. 디스플레이 시스템으로부터 광을 수신하도록 입력 포트가 구성된다. 광 필드를 내부적으로 반사하도록 반사형 요소가 배치된다. 입력 포트 및 반사형 요소는 한 쌍의 대향 표면 중 제2 표면 상에 형성되고;
광 필드의 복수의 복제물들이 출력 포트를 통해 도파관 외부로 투과되도록 각 내부 반사에서 광 필드를 분할하도록 구성된 투과형-반사형 요소에 의해 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면 상에 출력 포트가 형성된다. 반사형 요소는 도파관의 제2 표면 상에 배치된 금속층 및 단차를 형성하기 위해 금속층 상에 적어도 부분적으로 배치된 유전체 스택을 포함한다. 금속층은 입력 포트와 에지를 형성하고 유전체 스택은 입력 포트로부터 멀어지는 방향으로 에지에 대해 오프셋된다.

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 다발(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 1 미터의 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 입사 동공(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.

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) 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 다발을 포함하는 회절된 광)를 갖는 2D 동공 확장을 제공하는 방법에 관한 문제를 해결하였다.

실시예들에서, 디스플레이 시스템은 회절된 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 다발의 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 광 필드는 광 필드의 전파 방향과 실질적으로 직교하는 방향으로 정의되는 "광 필드 크기(light field size)"를 갖는다고 말할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은 전파 거리에 따라 광 필드 크기가 증가하도록 발산한다. 다른 실시예들에서, 광은 광 필드 크기가 전파 거리에 따라 변하지 않도록 시준된다.

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.

일부 실시예들에서, 제1 도파관 동공확장기의 한 쌍의 대향 표면은 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 전파 및 동공 확장의 일반적인 방향은 제1 도파관 동공확장기에서 상대적으로 긴 방향(즉, "연장된" 방향)이다.

따라서, 제1 도파관 동공확장기는 실질적으로 기다란 형태(예를 들어, 막대(rod) 형태)일 수 있다. 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 규정된 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. 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 콘텐츠(image content)를 분배하는 방식에 특징이 있다는 점이다. 특히 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 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 콘텐츠가 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 콘텐츠가 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 회절된 광 필드 또는 홀로그램 광 필드이다. 일부 실시예에서, 광선 다발이 발산(또는 수렴) 빔을 형성하도록 입력 광 필드의 크기는 전파 거리에 따라 변한다. 이러한 경우 광선 다발의 광선들은 서로 다른 광선 각도/방향을 갖는다. 상술한 바와 같이, 동공 확장("이미지 복제" 또는 "복제" 또는 "동공 복제"라고 지칭되기도 한다)은 하나 이상의 입력광선(또는 광 다발)의 복제물을 생성해서 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 다발을 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 반사에 의해 대향 표면들 사이로 회절된 광 필드를 안내하도록 구성된다. 입력 포트는 디스플레이 시스템으로부터 광을 직접 또는 간접적으로 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 한 쌍의 대향 표면 중 제2 표면의 (고)반사형 요소에서 광학적으로 투명한 창을 포함한다. 투명 창은 디스플레이 장치로부터 광 필드의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다. (고)반사형 요소는 도파관의 제2 표면 상에 형성된 상대적으로 짧은 금속층 및 금속층 상에 적어도 부분적으로 배치된 유전체 스택을 포함한다. 따라서, 반사형 요소의 금속층은 투명 창과의 에지(또는 경계)에서 단차를 형성한다. 유전체 스택은 투명 창에서 멀어지는 방향으로 에지로부터 오프셋된다.

광 필드는 복수의 단색 구성 요소들(single colour components)을 포함한다. 도파관은 각 단색 구성 요소를 도파(waveguide)하고 복제하도록 구성된다. 용어 "무채색(achromatic)" 및 "유채색(chromatic)"은 본 명세서에서 복수의 상이한 단색 구성 요소의 상이한 파장에 대해 사용된다. 예를 들어, 무채색 반사성(achromatic reflectivity)이라는 용어는 반사성이 복수의 상이한 파장의 각각의 파장에서 실질적으로 동일함을 나타내기 위해 본 개시에서 사용된다. 색채 반사성(chromatic reflectivity)이라는 용어는 반사성이 복수의 상이한 파장의 각각의 파장에서 실질적으로 동일하지 않다는 것을 나타내기 위해 본 개시에서 사용된다. 광학 분야의 통상의 기술자는 금속의 반사성은 유채색 - 즉, 금속의 반사성은 파장의 강력한 함수이다- 임을 이해할 것이다. 광학 분야의 통상의 기술자는 복수의 상이한 유전체 층을 포함하는 유전체 스택이 바람직한 반사성(예를 들어, 무채색 반사성)을 제공하도록 설계될 수 있는 방법에 익숙할 것이며 따라서 본 개시에서 더 이상의 세부사항은 제공되지 않는다. 본 개시에 따라 유전체 스택의 복수의 유전체 층은 합쳐서(즉, 전체적으로 또는 조합으로서) 무채색 반사성을 제공한다.

"금속층 상에 적어도 부분적으로 배치된"이라는 표현은 유전체 스택의 제1 부분이 금속층 상에 배치되고 유전체 스택의 제2 부분이 도파관의 제2 표면 상에 직접 배치됨(즉, 중간층 없음)을 나타내며, 여기서 제2 부분은 제1 부분보다 입력 포트로부터 더 멀다. 유전체 스택의 제2 부분은 금속층이 끝날 때 시작된다.

본 개시에서 도파관의 "길이"란 도파관 내에서 광의 전파 방향(즉, "도파(waveguiding)"의 방향)에 평행한 측면 차원(lateral dimension)을 지칭하며, 이는 도파관에 의한 동공 확장의 방향(또는 크기)이기도 하다.

도파관의 실시예들에서, 금속층은 반사형 요소의 전체 길이로 연장되지 않는다. 예를 들어, 금속층의 길이는 5 mm 미만 또는 2 mm 미만과 같이 20 mm 미만 또는 10 mm 미만이다.

실시예들에서, 유전체 스택의 제1 부분은 단차(step)를 형성하기 위해 금속층 상에 배치되고 유전체 스택의 제2 부분은 도파관의 제2 표면 상에 직접 배치된다. 유전체 스택의 제2 부분의 길이는 제1 부분의 길이보다 길 수 있다.

구현예시들에서, 금속층은 유채색 반사성을 갖고/띠고 유전체 스택은 무채색 반사성을 갖고/띠고, 및/또는 유전체 스택의 반사성은, 적어도 도파된 광의 파장 또는 파장들에서도, 금속층의 반사성보다 높다.

일부 실시예들에서, 입력 포트에 인접한 금속층에 의해 형성된 에지는 입력 포트에 인접한 유전체 스택에 의해 단차에서 형성된 제2 에지보다 더 예리하다 (즉, 구배(gradient)가 더 크다 - 이상적으로는 에지가 금속층이 형성되는 도파관의 제2 표면에 수직(90˚)임. 즉, 금속층과 입력 포트 사이의 천이(transition)가 명확하게 정의되고 도파관의 제2 표면의 길이에 따른 거리를 따라 변화하지 않는다(도파관의 제2 표면에 (90˚미만의) 각도로 기울어진 에지와 같이).

일반적으로, 각 산란에서의 광의 분할(일부 반사/일부 투과)을 보상(compensate)하기 위해, 투과형-반사형 요소의 투과율은 입력 포트로부터의 거리를 따라 증가하며, 따라서 복제물들은 동일한 밝기를 갖는다.

일부 구현예시들에서, 도파관의 한 쌍의 대향 표면에 의해 그 사이에서 안내되는 광 필드는 회절광 필드다. 예를 들어, 회절광 필드는 홀로그램 광 필드일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은 발산한다. 무한대가 아닌 유한한 허상 이미지 거리(virtual image distance)에서 뷰잉 시스템에 의해 허상 이미지가 관찰되는 응용 분야에서는 발산 광 필드가 필요할 수 있다.

도파관을 포함하는 디스플레이 시스템이 제공된다. 디스플레이 시스템은 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 도파관에 입사되는 광 필드는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조될 수 있다. 디스플레이 시스템은 도파관에 의해 확장되는 디스플레이 시스템의 사출동공을 정의하는 픽셀 영역을 갖는 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 도파관은 디스플레이 시스템의 동공을 제1 방향 및 제2 수직 방향으로 각각 확장하도록 구성된 한 쌍의 도파관 동공확장기 중 제1 일차원 동공확장기를 형성할 수 있다.

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 콘텐츠를 상이한 광학적 경로를 통해 눈으로 안내하도록 구성된 시스템을 도시한다.
도 5는 빔을 2차원으로 확장하도록 구성된 한 쌍의 적층 이미지 복제기의 사시도를 도시한다.
도 6은 종래 기술에 따른 광학적으로 투명한 창을 통해 광 빔의 평행 광선들(parallel rays)의 도파관 내부로의 결합을 도시한다.
도 7a는 일 실시예에 따른 도파관을 도시한다.
도 7b는 도 7a의 도파관 내부로의 광 빔의 평행 광선들의 결합을 도시한다.
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 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. 실시예들은 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton) 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 콘텐츠를 각도로 분할/채널화하는 (특수한) 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. 디스플레이 장치는 공간 광 변조기이다. 공간 광 변조기는 위상 변조기일 수 있다. 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 콘텐츠(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 콘텐츠를 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 각도의 콘텐츠가 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(elongate) 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 다발 각각으로부터의 광이 도파관(408)으로 들어가는 것을 보장하도록 구성된다. (LCOS(402)에 가장 가깝게 위치하는) 제1 평면을 통해서 광원뿔로부터의 광이 도파관(408)에 들어가며, 제1 평면과 실질적으로 반대인 (눈에 가장 가깝게 위치하는) 제2 평면을 통해 방출되기 전에 적어도 부분적으로 도파관(408)의 길이를 따라서 안내된다. 명확히 이해되는 바와 같이, 제2 평면은 부분적으로 반사형이며 부분적으로 투과형이다. 다시 말해서, 각각의 광의 광선이 제1 평면으로부터 도파관(408) 내에서 이동하고 제2 평면에 부딪힐 때 광의 일부는 도파관(408) 밖으로 투과되고 일부는 제2 평면에 의해 반사되어 다시 제1 평면으로 향한다. 제1 평면은 (고) 반사형이어서, 도파관(408) 내에서 제1 평면에 부딪히는 모든 광은 제2 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" 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.

인식된 이미지를 형성하기 위해 눈이 수신된 변조된 광을 변환해야하는 허상 이미지가 본 개시에서 일반적으로 논의되었지만, 본 개시에서 설명된 방법 및 구성은 실상 이미지에 적용될 수 있다.

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 성분(angular components)에 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 동일하고 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 반사에 의해 대향 표면들 사이로 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.

반사 표면의 투명 창을 통한 광 결합

일반적으로, 회절된 광 필드(예: 홀로그램 광 필드)는 광학적으로 투명한 창 또는 그의 (고)반사형 표면에 있는 입사 개구를 통해 도파관 내부로 결합된다. 이상적으로는, (고)반사형 표면을 갖거나 이에 인접한 입사 개구의 에지에 가깝게 위치하도록 광 필드는 투명 창을 통해 시작(launch)되어야 한다. 예를 들어, 회절된 광 필드의 에지에 있는 광선들은 (고)반사형 표면에 인접한 투명 창의 에지에 실질적으로 인접(abut)하거나 접촉해야 한다. 이는 도 6에서 도시된다.

도 6 및 다른 도면들에서는 설명의 편의를 위해 광선 다발(bundle)의 광선들 중 일부만 도시한다. 도 6 및 다른 도면들은 설명의 편의를 위해 서로 평행한 광선들을 도시하지만, 일부 실시예에서 광선 다발은 발산하는 광선들을 포함한다. 즉, 도파관에 의해 수신된 광 빔은 발산광빔(diverging light bean)이다. 결과적으로, 광선 다발의 광선들은 서로 다른 광선 각도를 갖는다. 본 명세서에 개시된 개념들은 발산 또는 수렴 광과 같은 비시준된 광 및 시준된 광의 내부 결합(in-coupling)을 개선하는 데 공통적으로 효과적이다.

도 6을 참조하면, 도파관(600)의 한 쌍의 대향면(620, 640) 중 제2 표면(640)의 입력 포트에 광선 다발을 포함하는 광 필드(601)가 입사된다. 입력 포트는 제2 표면(640)에 형성된 연속적인 (고)반사형 요소(604)에서 투명 창으로 형성된다. 광선 다발은 도파관(600) 내부로 투과되며, 여기서 광선들은 (연속적인) 부분 투과형/부분 반사형 요소(602)를 갖는 제1 표면(620)에 비스듬한(oblique) 각도로 입사한다. 따라서, 광선들은 부분적으로 내부 반사되고 부분적으로 투과되어 제1 표면(620)에 의해 형성된 출력 포트를 통해 사출되는 복제물들(예시의 편의를 위해 모두 도시되지는 않음)을 형성한다. 내부적으로 반사된 광선들은 제2 표면(640)에 (고)반사형 요소(604) 상에 입사하도록 제1 표면(620)으로부터 각도로 “산란”된다. 내부적으로 반사된 광선들의 일부는 각 "산란"에서 출력 포트를 통해 나간다(설명의 편의를 위해 제1 "산란"과 관련되어 도 6에 도시되지 않음). 따라서, 광 필드(601)의 광선 다발의 광선들은 도 6에 도시된 바와 같이 도파관(600) 내부로 완전히 결합된다(즉, 그 내부에 트래핑(trapped)된다).

참조번호 650에서 도시된 바와 같이, 제2 표면(640) 상의 (고)반사형 요소(604)와의 교차점에서 투명 창의 에지가 형성된다. 발명자들은 고품질 이미지를 제공하기 위해 이 입사 개구의 에지의 형태가 중요하다는 것을 발견했다. 경우에 따라, 이미지에서 에지로 인해 원치 않는 선(예: 다크 밴드(dark bands))과 같은 심각한 아티팩트(artefact) 또는 결함이 생성될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 아티팩트는 복제물마다 나타날 수 있다. 따라서 아티팩트는 도파관에 의해 복제되며 고반사형 요소가 있는 입력 포트의 에지에서 프리즘 편향(prismatic deflection) 또는 복소 산란(complex scattering)과 같은 물리적 프로세스에 의해 발생한다. 이러한 아티팩트를 제거하는 것은 산업 응용 분야에서 허용 가능한 이미지 품질을 달성하는 데 중요하다. 본 발명자들은 이 에지가 매우 급격(abrupt)해야 하며, 이상적으로는 높은 투과율에서 높은 반사성로 급격하고 완전하게 변해야 한다는 것을 확인했다(예를 들어, 에지가 도파관의 제2 표면에 실질적으로 수직임). 또한, 본 발명자들은 이러한 이미지 아티팩트가 후술하는 바와 같이 유전체 층을 포함하는 반사형 요소에서 훨씬 더 심하다는 것을 발견했다.

일부 종래기술 구성에서, 연속적인 (고)반사형 요소는 도파관의 제2 표면 상에 형성된 높은 반사성을 갖는 유전체 스택(또는 유전체 다층)을 포함할 수 있다. 이 경우 연속적인 (고)반사형 요소는 (입력 포트를 형성하는) 입사 개구와 반사형 요소 사이에 에지의 위치를 정의하기 위해 섀도우 마스크(shadow mask)를 사용하는 진공 또는 플라즈마 증착 방법으로 형성될 수 있다. 컬러 디스플레이를 위해 서로 다른 파장을 도파하는 데 필요한 무채색 반사성을 달성하기 위해서는 유전체 스택이 바람직할 수 있다.

본 발명자는 유전체 스택을 사용하면 도파관의 제2 표면에 고품질의 고반사형(R > 99 %) 요소가 제공된다는 것을 발견했다. 그러나 유전체 스택과 교차하는 투명 창의 에지는 불완전하다. 즉, 매우 급격하지는 않다, 예를 들어 에지가 수십 μm에 걸쳐 두께가 다를 수 있다. 결정적으로, 위에서 언급한 바와 같이, 유전체 스택의 에지에서의 천이(transition)는 시스템 뷰어가 인식하는 이미지에 예기치 않게 아티팩트를 생성하는 것으로 밝혀졌다. 불완전한 반사성은 보상될 수 있지만, 아티팩트는 도파관의 제2 표면에서 (고)반사형 요소로 된 유전체 스택의 사용을 상당히 어렵게 한다.

다른 종래기술 구성에서, 연속적인 (고)반사형 요소는 도파관의 제2 표면 상에 형성된 금속층을 포함할 수 있다. 이 경우 (고)반사층은 (입력 포트를 형성하는) 입사 개구와 (고)반사형 요소 사이의 에지의 위치를 정의하기 위해 섀도우 마스크를 사용하는 진공 증착에 의해 형성될 수 있다. 금속 반사체(metallic reflector)는 반사성이 유채색이 되기 때문에 그다지 바람직하지는 않으며, 이는 컬러 디스플레이를 위하여 상이한 파장을 도파하는 것과 양립하기 어렵다.

본 발명자는 금속층을 사용하면 투명 창과의 교차점에서 급격한 에지가 형성된다는 것을 발견하였다. 그러나 금속층의 반사성은 유전체 스택으로 달성할 수 있는 것보다 낮다(예: 약 96 %). 또한, 금속층에 의한 적색, 녹색 및 청색 광에 대한 반사성은 위에서 언급한 금속의 색채 특성으로 인해 각각 다르다. 따라서, 서로 다른 각각의 반사성(reflectivities)을 가진 금속층에 의한 다중 내부 반사로 인해 도파관의 길이를 따라 상이한 위치에서 적색, 녹색 및 청색 광의 상대적 세기에 차이가 있다. 본 발명자는 이로 인해 도파관의 확장된 사출동공으로부터 방출되는 광의 적색, 녹색 및 청색 성분에서 관찰가능한 불균형이 생긴다는 것을 발견했는데 - 특히 뷰어가 다른 뷰잉 위치로 이동하는 경우 - 이는 산업적 적용에 적합하지 않다.

위의 발견들을 고려하여, 본 발명자는 입력 포트에 인접한 도파관의 제2 표면 상에 형성된 (고)반사형 요소의 개선된 구조를 고안하였다. 특히, (고)반사형 요소는 "하이브리드 구조" - 금속층 및 유전체 다중층을 포함함 - 를 포함한다. 도 7a 및 도 7b는 본 개시에 따른 하이브리드 구조의 일 실시예를 도시한다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 도파관(700)은 도파관(700)의 길이를 따라, 특히 제1 단부로부터 제2 단부(즉, 도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로)까지 내부 반사에 의해 대향 표면들 사이로 광을 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면(720, 740)을 포함한다. 예를 들어 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이 한 쌍의 대향 표면(720, 740)은 실질적으로 평행하고 광학적으로 투명한 물질에 의해 분리된다. 도파관이 고체 투명 물질로 형성된 경우, 한 쌍의 대향 표면(720, 740)은 고체 투명 물질의 대향하는 주 표면들에 의해 형성된다.

도파관(700)의 한 쌍의 대향 표면의 제1 표면(720)은 투과형-반사형 요소(702)를 포함하며, 그로부터 각각의 내부 반사에서 광 필드를 분할하고 그 길이를 따라 일련의 복제물(미도시)을 출력하도록 구성된다. 따라서, 투과형-반사형 요소(702)는 (예를 들어, 도파를 위한 광을 제공하는 디스플레이 시스템의) 사출동공을 확장하고, 도파관(700)의 출력 포트를 형성한다. 한 쌍의 대향 표면의 제2 표면(740)은 도파관(700)의 제1 단부에 인접한 입력 포트(710) 및 광을 내부적으로 반사시키고 입력 포트(710)로부터 도파관(700)의 제2 단부까지 연장되는 (고)반사형 요소를 포함한다. 실시예들에서, 투과형-반사형 요소(702)의 반사성은 도파관(700)의 길이를 따라 입력 포트로부터의 거리에 따라 감소하도록 차등하게 설정된다. 도파관(700)의 길이를 따라 실질적으로 균일한 세기의 복제물들을 형성하도록 설계될 수 있다. 본 개시에 따라 (고)반사형 요소는 아래에 설명되는 하이브리드 구조를 가진다. 도시된 구성에서, 입력 포트(710)는 도파관(700)의 제1 단부로부터 반사형 요소에 인접한 에지(762)까지 연장되는 광학적으로 투명한 창이지만, 입력 포트(710)의 입사 개구는 다른 형태일 수 있다.

반사형 요소는 (짧은) 금속층(760) 및 유전체 스택(704)을 포함하는 "하이브리드 구조"로 형성된다. 유전체 스택(704)은 적어도 하나의 유전체층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 유전체 스택(704)은 적어도 10개의 상이한 유전체 층을 포함한다. 금속층(760)은 입력 포트(710)에 인접한 도파관(700)의 제2 표면(740)의 일 부분에 배치된다. 따라서 금속층(760)은 입력 포트(710)를 형성하는 투명 창의 경계(boundary)를 정의한다. 투명 창은 금속층(760)에 의해 정의되므로, 경계는 높은 투과율에서 높은 반사성로 급격하게 변하는 급격한 에지(abrupt edge, 762)이다. 급격한 에지(762)는 도파관(700)의 제2 표면(740)의 길이를 따라 (정확한) 선형 위치에서 투명 창과 반사형 요소 사이의 예리한 또는 명확하게 규정된 경계라고 말할 수 있다. 급격한 에지(762)는 금속층(760)이 형성된 도파관(700)의 제2 표면(740)에 실질적으로 수직할 수 있다. 유전체 스택(704)의 제1 부분(791)은 금속층(760) 상에 배치되고, 유전체 스택(704)의 제2 부분(792)은 제1 부분(791)보다 투명 창으로부터 더 멀리 떨어져 도파관(700)의 제2 표면(740)(예를 들어, 제2 단부까지) 상에 배치된다. 예시된 실시예에서, 투명 창에 실질적으로 인접하지만 아래에서 설명되는 바와 같이 급격한 에지(762)로부터 오프셋된 제2 에지(764)를 포함하는 "단차"를 규정하도록 유전체 스택(704)이 금속층(760)의 일부에만 배치된다. 금속층(760)의 두께는 유전체 스택(704)의 두께보다 작을 수 있다.

금속층(760)이 형성되는 제2 표면(740)의 일 부분의 위치, 형상 및/또는 크기를 규정하도록 구성된 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용한 진공증착에 의해 금속층(760)은 도파관(700)의 제2 표면(740) 상에 형성될 수 있다. 금속층(760) 위의 유전체 스택(704)의 "단차" 및 제2 에지(764)의 위치를 정의하도록 구성된 섀도우 마스크를 이용하여 (층의 시퀀스에서) 진공 또는 플라즈마 증착에 의해 유전체 스택(704)이 형성될 수 있다.

따라서, 하이브리드 구조에서, 금속층(760)은 도파관(700)의 제2 표면(740)의 전체 길이를 따라(즉, 제2 단부까지) 연장되지 않는다. 금속층(760)은 상대적으로 짧으며 투명 창과의 경계에서 급격한 에지(762)로부터 도파관(700)의 길이를 따라 공간적으로 분리된 다른 급격한 에지를 형성한다. 유전체 스택(704)은 도파관(700)의 금속층(760) 및 제2 표면(740)의 나머지 부분(예를 들어, 제2 단부까지) 상에 배치된다.

유리하게, 금속층(760) 위에 형성된 유전체 스택(704)의 "단차"는 투명 창에 인접하고 그로부터 멀어지는 방향으로 오프셋된 불완전한 에지(764)를 갖는다. 그러나, 이러한 불완전한 에지(764)는 급격한 에지(762)를 갖는 금속층(760)의 상부에 있다. 따라서, 입력 포트(710)의 투명 창은 도파관의 제2 표면(740)상의 (고)반사형 요소와의 경계에서 급격한 에지(762)로 형성된다. 따라서, 도 7b를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이 도파관(700) 내부로 결합된 광은 불완전한 에지(764)로 인해 바람직하지 않은 아티팩트를 형성하지 않는다.

또한, 도파관(700)의 제2 표면(740)의 나머지 부분은 유전체 스택(704)의 제2 부분(792)을 포함하며, 이는 광의 모든 파장(즉, 무채색(achromatic))에 대해 일관되고/비변동적인 높은 반사성을 제공한다. 따라서, (고)반사형 요소는 도파관의 확장된 사출동공으로부터 방출되는 적색, 녹색 및 청색 광의 컬러 밸런스에 악영향을 미치지 않는다. 따라서, 아이-박스 내의 상이한 위치에서 뷰어(viewer)가 인지하는 컬러 영상은 실질적으로 동일한 컬러 밸런스를 갖는다. 유전체 스택(704)의 길이(도파관의 기다란 방향으로)는 금속층(760)의 길이보다 클 수 있다(예를 들어, 적어도 5배 또는 10배 이상).

도 7b를 참조하면, 본 명세서에 기재된 바와 같은 (단색) 회절된 또는 홀로그램 광 필드와 같은 광 필드의 광선들(781-785)은 입력 포트(710)에 입사한다. 광선들(781-785)은 제2 표면(740)에 있는 투명 창을 통해 도파관(700)으로 들어가고 내부 전반사를 위해 (표면 법선에 대해) 비스듬한 각도로 도파관(700)의 제1 표면(720)의 반사형-투과형 요소(702)에 입사한다. 따라서, 광선들은 반사형-투과형 요소(702)에 의해 (제1 "산란"에서) 동일한 비스듬한 각도(표면 법선에 대해)로 내부적으로 반사된다. 광 필드는 - 도파관(700)의 제1 단부로부터 가장 멀리 있는 - 광 필드의 전방 광선(781)이 반사형 요소의 금속층(760)에 의해 형성된 급격한 에지(762)에 인접(abuts)하거나 접촉하도록 입력 포트(710)와 배향된다. 또한, 광 필드는 모든 광선들(781-785)이 제1 표면(720)에서 제1 내부 반사(제1 "산란")에 의해 도파관(700) 내부로 결합되도록 비스듬한 각도로 입사된다.

제1 내부 반사 또는 "산란"으로 인해, 도파관(700)의 제1 단부에 가장 가까운 광 필드의 광선들 중 일부(예를 들어, 도시된 광선들(781, 782))는 제2 표면(740)에서 금속층(760)에 입사한다. 본 개시에 기술된 바와 같이, 금속층(760)은 광의 파장(즉, 유채색(chromatic))에 따라 가변적인 상대적으로 낮은 반사성을 갖는다. 유전체 스택(704)의 제1 부분(791)이 금속층(760) 위에 있기 때문에, 낮은 반사성로 인해 금속층(760)을 통해 투과된 광의 일부는 위에 있는(overlying) 고반사성 유전체 스택 (704)에 의해 도파관(700) 내부로 다시 반사될 수 있다(예: 도시된 광선(782)). 이렇게 함으로써, 본 명세서에 기술된 금속층(760)의 낮은 반사성 및 유채색 반사성의 부작용이 최소화되고, 광선들(781, 782)의 도파관(700) 내부로의 결합이 개선된다. 도파관(700)의 제1 단부로부터 가장 먼 광 필드의 다른 광선들(예를 들어, 도시된 광선들(783, 784, 785))은 제2 표면(720) 상에 직접 형성된 유전체 스택(704)의 제2 부분(792)에 직접 입사한다. 본 개시에서 설명된 바와 같이, 유전체 스택(704)은 광의 모든 파장에 대해 실질적으로 동일한 상대적으로 높은 반사성(즉, 무채색)을 갖는다. 이로 인해 이 광선들(783, 784, 785)은 도파관(700) 내부로 최적으로 결합된다.

모든 광선들(781-785)의 제1 내부 반사 또는 "산란" 후에, 광 필드는 도파관(700)의 제2 표면(740) 상의 유전체 스택(704)의 제2 부분(792)과 제1 표면(720) 상의 투과형-반사형 요소(702) 사이에서 안내되고, 모든 파장에 대해 실질적으로 동일한 높은 반사성을 갖는다.

통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 도파관(700)의 제2 표면(740)을 따른 (상대적으로 짧은) 금속층(760)의 길이는, 예를 들어 섀도우 마스크에 의해 정의되는 바와 같이, 요구조건에 따라 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속층(760)의 급격한 에지들 사이의 적절한 길이는 0.5 mm와 20 mm 사이이다. 다른 실시예들에서, 금속층(760)의 길이는 금속층(760)의 상대적으로 낮은 반사성의 영향을 최소화하기 위해(예를 들어, 도 7b에 도시된 광 필드의 후방 광선(785)에 대한) 금속층(760)의 길이가 최소화될 수 있다(예를 들어, 약 1 mm). 추가 실시예들에서, 금속층(760)의 길이는 광 필드의 중계된(relayed) 이미지의 치수와 거의 동일하다. 이러한 방식으로, 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예에서와 같이, 광은 대부분 금속층(760)으로부터 단 한 번만 반사되고, 이어서 유전체 스택(704)으로부터 일관되게 반사된다.

통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 금속층(760)에 의해 형성된 급격한 에지(762)와 투명 창에 인접한 유전체 스택(604)에 의해 형성된 "단차"의 불완전한 에지(764) 사이의 오프셋은 또한 요구조건에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 금속층(760)의 상대적으로 낮은 반사성의 영향(예를 들어, 도 7b에 도시된 광 필드의 후방 광선(back ray)(785)에 대한)을 최소화하기 위해 오프셋이 최소화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 통상의 기술자는 금속층(760)에 의해 형성된 급격한 에지(762)와 투명 창을 가진 유전체 스택(604)에 의해 형성된 불완전한 에지(764) 사이에 오프셋이 있는 것이 바람직하다는 것을 이해할 것이다. 특히, 이러한 에지들(762, 764) 사이를 최소한으로 분리(예를 들어, 10 내지 90 ㎛)하는 것이 투명 창과의 경계에서 급격한 에지를 유지(preserve)하여, 특히 뷰어가 인식하는 이미지에서 아티팩트가 형성되지 않도록 유전체 스택의 불완전한 에지(764)는 급격하게 변하기(즉, 정확한 선형 위치에서)보다는 수십 ㎛에 걸쳐 변할 수 있다.

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. 도파관(700)에 있어서,
   내부 반사에 의해 대향 표면들 사이로 광 필드(light field)를 안내하도록 구성된 한 쌍의 대향 표면들(opposing surfaces, 720, 740);
   디스플레이 시스템으로부터 광을 수신하도록 구성된 입력 포트(710);
   상기 광 필드를 내부적으로 반사시키도록 구성된 반사형 요소(reflective element), 상기 입력 포트 및 반사형 요소는 상기 한 쌍의 대향 표면들 중 제2 표면(740) 상에 형성됨;
   상기 광 필드의 복수의 복제물들이 출력 포트를 통해 상기 도파관 외부로 투과되도록 각각의 내부 반사에서 상기 광 필드를 분할하도록 구성된 투과형-반사형 요소(transmissive-reflective element, 702)에 의해 형성된 출력 포트를 포함하되,
   상기 반사형 요소는, 상기 도파관의 상기 제2 표면 상에 배치된 금속층(760) 및 상기 금속층 상에 적어도 부분적으로 배치되어 단차(step)를 형성하는 유전체 스택(704)을 포함하고, 상기 금속층은 상기 입력 포트와 에지(edge, 762)를 형성하고 상기 유전체 스택은 상기 입력 포트로부터 멀어지는 방향으로 상기 에지(762)에 대해 오프셋(offset)되는 도파관.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 금속층은 상기 반사형 요소의 전체 길이로 연장되지 않는 도파관.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 금속층의 상기 길이는 5 mm 미만 또는 2 mm 미만과 같이 20 mm 또는 10 mm 미만인 도파관.
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 유전체 스택의 제1 부분(791)은 상기 단차를 형성하기 위해 상기 금속층 상에 배치되고, 상기 유전체 스택의 제2 부분(792)은 상기 도파관의 상기 제2 표면 상에 직접 배치되는 도파관.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 유전체 스택의 상기 제2 부분의 상기 길이는 상기 제1 부분의 길이보다 긴 도파관.
6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 금속층은 색채 반사성(chromatic reflectivity)을 갖고 상기 유전체 스택은 무채색 반사성(achromatic reflectivity)을 갖는 도파관.
7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 유전체 스택의 상기 반사성(reflectivity)은 상기 금속층의 반사성보다 큰 도파관.
8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 입력 포트에 인접한 상기 금속층에 의해 형성된 상기 에지(762)는 상기 입력 포트에 인접한 상기 유전체 스택에 의해 상기 단차에서 형성된 제2 에지(764)보다 더 예리한(sharper) 도파관.
9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 투과형-반사형 요소의 상기 반사성은 상기 입력 포트로부터의 거리에 따라 감소하는 도파관.
10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 출력 포트는 상기 한 쌍의 대향면들(720, 740) 중 제1 표면(720) 상에 형성되는 도파관.
11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 대향 표면들에 의해 그 사이에서 안내되는 상기 광 필드는 발산 광 필드(diverging light field)인 도파관.
12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 홀로그램을 디스플레이하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 포함하고/포함하거나 상기 광 필드는 상기 홀로그램에 따라 공간적으로 변조되는 도파관.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 상기 도파관에 의해 확장되는 상기 디스플레이 시스템의 사출동공(exit pupil)을 정의하는 픽셀 영역(pixel area)을 갖는 디스플레이 장치를 포함하는 도파관.
14. 제1 항 또는 제2 항의 상기 도파관이 상기 디스플레이 시스템의 동공을 제1 방향 및 제2 수직 방향으로 각각 확장하도록 구성된 한 쌍의 도파관 동공확장기들 중 제1 일차원 동공확장기인 시스템.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 도파관은 폭보다 긴 길이를 갖되, 상기 길이는 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 폭은 상기 제2 방향으로 연장되는 시스템.
    

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