KR20230098599A

KR20230098599A - 도파관 디스플레이 상의 위상 구조물

Info

Publication number: KR20230098599A
Application number: KR1020237016774A
Authority: KR
Inventors: 와이 제 티파니 람; 희 윤 이; 닝펭 후앙; 양 양; 완리 치; 도미닉 메이서
Original assignee: 메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-07-04
Also published as: US11885967B2; EP4241128A1; JP2023548029A; CN116802544A; US20220137410A1; US20220137411A1; WO2022098827A1

Abstract

도파관 디스플레이는 가시 광에 투명한 기판, 기판 상에 있으며 디스플레이 광을 기판 안으로 또는 밖으로 커플링하도록 구성되는 제1 표면 요철 격자, 및 기판 상에 있으며 디스플레이 광이 제1 표면 요철 격자에 도달한 이후 또는 도달하기 이전에 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물을 포함한다. 제1 격자는 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 한다. 제1 격자는, 예를 들면, 표면 요철 격자 또는 볼륨 브래그 격자를 포함한다.

Description

도파관 디스플레이 상의 위상 구조물

본 개시는 일반적으로 근안 디스플레이(near-eye display)를 위한 격자 기반의 도파관 디스플레이에 관한 것이다. 더 구체적으로, 격자 기반의 근안 디스플레이 시스템의 커플링 효율성을 개선하기 위한 기술이 본원에서 개시된다.

인공 현실 시스템, 예컨대 머리 장착형 디스플레이(head-mounted display; HMD) 또는 헤드업 디스플레이(heads-up display; HUD) 시스템은, 예를 들면, 유저의 눈 전방 약 10-20 mm 이내에 전자 또는 광학기기(optic) 디스플레이를 통해 유저에게 콘텐츠를 제시하도록 구성되는 (예를 들면, 헤드셋 또는 안경의 형태의) 근안 디스플레이를 일반적으로 포함한다. 근안 디스플레이는 가상 현실(virtual reality; VR), 증강 현실(augmented reality; AR), 또는 혼합 현실(mixed reality; MR) 애플리케이션에서와 같이, 가상 오브젝트를 디스플레이할 수도 있거나 또는 실제 오브젝트의 이미지를 가상 오브젝트의 이미지와 결합할 수도 있다. 예를 들면, AR 시스템에서, 유저는, 예를 들면, 투명한 디스플레이 안경 또는 렌즈(종종 광학적 씨스루(optical see-through)로 지칭됨)를 통해 보는 것에 의해, 가상 오브젝트의 이미지(예를 들면, 컴퓨터 생성 이미지(computer-generated image; CGI)) 및 주변 환경의 이미지 둘 모두를 볼 수도 있다.

광학적 씨스루 AR 시스템의 하나의 예는 도파관 기반의 광학 디스플레이를 사용할 수도 있는데, 여기서 투영된 이미지의 광은 도파관(예를 들면, 투명 기판) 안으로 커플링되고, 도파관 내에서 전파되고, 그리고 상이한 위치에서 도파관 밖으로 커플링될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 투영된 이미지의 광은 회절 광학 엘리먼트, 예컨대 볼륨 홀로그래픽 격자(volume holographic grating) 및/또는 표면 요철 격자(surface-relief grating)를 사용하여 도파관 안으로 또는 도파관 밖으로 커플링될 수도 있다. 주변 환경으로부터의 광은 도파관의 씨스루 영역을 통과할 수도 있고 역시 유저의 눈에 도달할 수도 있다.

본 개시는 일반적으로 근안 디스플레이를 위한 격자 기반의 도파관 디스플레이에 관한 것이다. 더 구체적으로, 격자 기반의 근안 디스플레이 시스템의 커플링 효율성을 개선하기 위한 기술이 본원에서 개시된다. 디바이스, 시스템, 방법, 및 등등을 포함하는 다양한 발명의 실시형태가 본원에서 설명된다.

몇몇 실시형태에 따르면, 도파관 디스플레이는 가시 광에 투명한 기판, 기판 상에 있으며 디스플레이 광을 기판 안으로 또는 밖으로 커플링하도록 구성되는 제1 표면 요철 격자, 및 기판 상에 있으며 디스플레이 광이 제1 표면 요철 격자에 도달한 이후 또는 도달하기 이전에 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물(phase structure)을 포함할 수도 있다. 제1 표면 요철 격자는 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 한다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 파장판을 포함할 수도 있는데, 여기서 파장판은 0과 1 파장 사이의 파장판 두께를 특징으로 할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 복굴절 재료(birefringent material)의 층, 또는 서브파장 구조물(subwavelength structure) 및 오버코트 층을 포함할 수도 있다. 서브파장 구조물은 기판에서 에칭될 수도 있건 또는 기판 상에서 형성되는 재료 층에서 에칭될 수도 있다. 기판의 굴절률과 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하는 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 약 0.35 미만이다.

몇몇 실시형태에서, 도파관 디스플레이는 위상 구조물 상에서 제2 표면 요철 격자를 또한 포함할 수도 있는데, 여기서 위상 구조물은 기판과 제2 표면 요철 격자 사이에 있다. 위상 구조물의 파장판 두께는 1/4 파장일 수도 있다. 위상 구조물은 위상 구조물의 고속 축과 제1 표면 요철 격자의 격자 벡터 사이의 각도가 45°가 되도록 배열될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 도파관 디스플레이는 기판과 위상 구조물 사이에 제2 표면 요철 격자를 또한 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1 표면 요철 격자는 기판의 제1 표면 상에 있을 수도 있고 디스플레이 광을 기판 안으로 커플링하도록 구성될 수도 있고, 위상 구조물은 제1 표면 반대쪽에 있는 기판의 제2 표면 상에 있을 수도 있고, 기판 안으로 커플링되는 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 기판의 선택된 영역 내에 있을 수도 있다. 위상 구조물은 위상 구조물의 상이한 영역에 걸쳐 공간적으로 변하는 위상 지연을 특징으로 할 수도 있다. 위상 구조물은 s 편광된 광(s-polarized light)을 p 편광된 광(p-polarized light)으로 변환하도록, p 편광된 광을 s 편광된 광으로 변환하도록, 선형 편광된 광을 원형 편광된 광으로 변환하도록, 또는 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 실시형태에 따르면, 도파관 디스플레이는, 가시 광에 투명한 기판, 기판의 제1 표면 상에 있으며 디스플레이 광이 내부 전반사를 통해 기판 내에서 전파되도록 디스플레이 광을 기판 안으로 커플링하도록 구성되는 제1 표면 요철 격자 - 제1 표면 요철 격자는 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 함 - 를 포함할 수도 있다. 도파관 디스플레이는 제1 표면 반대쪽에 있는 기판의 제2 표면 상에서 위상 구조물을 또한 포함할 수도 있는데, 여기서 위상 구조물은 기판 안으로 커플링되는 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 복굴절 재료의 층, 또는 등방성 재료 또는 복굴절 재료에서 형성되는 서브파장 구조물을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함할 수도 있고, 기판의 굴절률과 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하는 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 0.35 미만, 예컨대 약 0.2 미만, 약 0.1 미만, 또는 약 0.05 미만일 수도 있다. 도파관 디스플레이는 위상 구조물 상에서 제2 표면 요철 격자를 또한 포함할 수도 있는데, 여기서 위상 구조물은 기판과 제2 표면 요철 격자 사이에 있을 수도 있거나 또는 제2 표면 요철 격자는 기판과 위상 구조물 사이에 있을 수도 있다.

몇몇 실시형태에 따르면, 도파관 디스플레이는, 가시 광에 투명한 제1 기판, 가시 광에 투명한 제2 기판, 제1 기판과 제2 기판 사이에 있으며 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 하는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)를 포함하는 홀로그래픽 재료 층, 및 제1 기판 또는 제2 기판 상에 있으며 디스플레이 광이 볼륨 브래그 격자에 의해 회절된 이후 또는 회절되기 이전에 위상 구조물에 입사하는 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물을 포함할 수도 있다.

도파관 디스플레이의 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 파장판을 포함할 수도 있다. 파장판은 0과 1 파장 사이의 파장판 두께를 특징으로 할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 복굴절 재료의 층, 또는 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함할 수도 있다. 서브파장 구조물은 기판(이것은 제1 및/또는 제2 기판일 수도 있음)에서 에칭될 수도 있거나 또는 기판(이것은 제1 및/또는 제2 기판일 수도 있음) 상에서 형성되는 재료 층에서 에칭될 수도 있다. 기판(이것은 제1 및/또는 제2 기판일 수도 있음)의 굴절률과 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하는 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 약 0.35 미만일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 제1 기판 또는 제2 기판의 선택된 영역 내에 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 위상 구조물의 상이한 영역에 걸쳐 공간적으로 변하는 위상 지연을 특징으로 할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 제2 기판 상에 있을 수도 있고, 도파관 디스플레이는 제1 기판 상에서 제2 위상 구조물을 더 포함할 수도 있다. 위상 구조물은 입력 격자 커플러가 위치되는 도파관 디스플레이의 영역 내에 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 홀로그래픽 재료 층은, 입력 격자 커플러 및 출력 격자 커플러를 포함하는 두 개 이상의 볼륨 브래그 격자를 포함할 수도 있다. 위상 구조물은 입력 격자 커플러 및 출력 격자 커플러가 위치되는 도파관 디스플레이의 영역 내에 있을 수도 있다. 입력 격자 커플러는 하나 이상의 볼륨 브래그 격자를 포함할 수도 있고, 출력 격자 커플러는 도파관 디스플레이의 아이박스(eyebox)를 두 개의 방향에서 확장하도록 구성되는 적어도 두 개의 볼륨 브래그 격자를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에 따르면, 도파관 디스플레이는, 제1 기판, 제2 기판, 제1 기판과 제2 기판 사이에 있으며 디스플레이 광을 제1 기판 또는 제2 기판 안으로 커플링하도록 구성되는 입력 격자 커플러, 제1 기판과 제2 기판 사이에 있으며 도파관 디스플레이 밖으로 나온 디스플레이 광을 도파관 디스플레이의 아이박스를 향해 적어도 부분적으로 커플링하도록 구성되는 출력 격자 커플러, 및 제1 기판 또는 제2 기판 상에 있으며, 제1 기판 또는 제2 기판 안으로 커플링되는 디스플레이 광이 출력 격자 커플러에 도달하거나 또는 다시 입력 격자 커플러에 도달하기 이전에 제1 기판 또는 제2 기판 안으로 커플링되는 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물을 포함할 수도 있다.

도파관 디스플레이의 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물은 복굴절 재료의 층, 또는 등방성 재료 또는 복굴절 재료에서 형성되는 서브파장 구조물을 포함할 수도 있다. 위상 구조물은 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함할 수도 있고, 제1 또는 제2 기판의 굴절률과 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 약 0.35 미만일 수도 있다. 위상 구조물은 제1 기판에서, 제2 기판에서, 또는 제1 기판 또는 제2 기판 상에서 형성되는 재료 층에서 에칭되는 서브파장 구조물을 포함할 수도 있다. 위상 구조물은 제2 기판 상에 있을 수도 있고, 도파관 디스플레이는 제1 기판 상에서 제2 위상 구조물을 더 포함할 수도 있다.

이 개요는 청구되는 주제의 핵심 또는 필수 피쳐를 식별하도록 의도되는 것도 아니고, 또한, 청구되는 주제의 범위를 결정하기 위해 단독으로 사용되도록 의도되는 것도 아니다. 본 주제는 본 개시의 전체 명세서, 임의의 또는 모든 도면, 및 각각의 청구항의 적절한 부분에 대한 참조에 의해 이해되어야 한다. 전술한 내용은, 다른 피쳐 및 예와 함께, 하기의 명세서, 청구범위, 및 첨부의 도면에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

예시적인 실시형태는 다음의 도면을 참조하여 하기에서 상세하게 설명된다.
도 1은 임의의 실시형태에 따른 근안 디스플레이 시스템을 포함하는 인공 현실 시스템 환경의 한 예의 단순화된 블록 다이어그램이다.
도 2는 본원에서 개시되는 예 중 일부를 구현하기 위한 머리 장착형 디스플레이(HMD) 디바이스의 형태의 근안 디스플레이 시스템의 한 예의 사시도(perspective view)이다.
도 3은 본원에서 개시되는 예 중 일부를 구현하기 위한 안경의 형태의 근안 디스플레이 시스템의 한 예의 사시도이다.
도 4는 근안 디스플레이 시스템의 광학 시스템의 한 예를 예시하는 단순화된 다이어그램이다.
도 5는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장(exit pupil expansion)을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템의 한 예를 예시한다.
도 6은 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템의 한 예를 예시한다.
도 7a는 반사성 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating; VBG)의 한 예의 스펙트럼 대역폭 및 투과성 표면 요철 격자(surface-relief grating; SRG)의 한 예의 스펙트럼 대역폭을 예시한다.
도 7b는 반사성 VBG의 한 예의 각도 대역폭 및 투과성 SRG의 한 예의 각도 대역폭을 예시한다.
도 8a는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이 및 격자를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템의 한 예를 예시한다.
도 8b는 임의의 실시형태에 따른 이차원의 복제된 출사 동공을 포함하는 아이박스의 한 예를 예시한다.
도 9는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 격자 커플러를 갖는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 10은 임의의 실시형태에 따른 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 다른 예를 예시한다.
도 11a는 디스플레이 광을 도파관 디스플레이 안으로 커플링하기 위한 격자 커플러의 한 예를 예시한다.
도 11b는 도파관 디스플레이에서 격자 커플러의 한 예에 의한 소망되지 않는 광 회절의 예를 예시한다.
도 12a는 도파관 디스플레이에서 격자 커플러의 한 예에 의한 s 편광된 광의 회절을 예시한다.
도 12b는 도파관 디스플레이에서 격자 커플러의 한 예에 의한 p 편광된 광의 회절을 예시한다.
도 13a는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하기 위한 위상 구조물 및 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 13b는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하기 위한 위상 구조물 및 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 13c는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하기 위한 위상 구조물 및 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 14a는 도파관 디스플레이에서 격자 커플러의 한 예에 의해 s 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다.
도 14b는 도파관 디스플레이에서 격자 커플러의 한 예에 의해 p 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다.
도 14c는 임의의 실시형태에 따른 도파관 디스플레이에서 격자 커플러 및 위상 구조물의 한 예에 의해 s 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다.
도 14d는 임의의 실시형태에 따른 도파관 디스플레이에서 격자 커플러 및 위상 구조물의 한 예에 의해 p 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다.
도 15a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 15b는 시야(field of view) 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 15c는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 15d는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예에 의한 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성 개선을 예시한다.
도 16a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 16b는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 16c는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 16d는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예에 의한 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성 개선을 예시한다.
도 17a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 격자 커플러와 기판 사이의 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 17b는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 격자 커플러와 기판 사이의 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 다른 예를 예시한다.
도 18a는 임의의 실시형태에 따른 VBG 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 18b는 도파관 디스플레이의 어셈블리의 한 예를 예시한다.
도 19a는 임의의 실시형태에 따른 볼륨 브래그 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 19b는 임의의 실시형태에 따른 기판 내에서 볼륨 브래그 격자를 포함하는 입력 커플러의 한 예를 예시한다.
도 20a는 저굴절률 재료와 고굴절률 재료 사이의 계면에서 상이한 입사각을 갖는 s 편광 및 p 편광 광에 대한 반사 계수의 예를 예시한다.
도 20b는 고굴절률 재료와 저굴절률 재료 사이의 계면에서 상이한 입사각을 갖는 s 편광 및 p 편광 광에 대한 반사 계수의 예를 예시한다.
도 21a는 출사 동공 확장을 위한 볼륨 브래그 격자를 포함하는 광학적 씨스루 도파관 디스플레이의 한 예를 예시한다.
도 21b는 도파관 디스플레이의 한 예에서의 광 빔의 편광 상태를 예시한다.
도 22a는 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 VBG 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 단면도를 예시한다.
도 22b는 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 VBG 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 상면도를 예시한다.
도 23a는 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 VBG를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 단면도를 예시한다.
도 23b는 임의의 실시형태에 따른 적어도 하나의 위상 구조물 및 VBG를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 상면도를 예시한다.
도 24a는 VBG를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이션 결과를 예시한다.
도 24b는 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물 및 VBG를 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이션 결과를 예시한다.
도 25는 임의의 실시형태에 따른 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 26a 내지 도 26c는 상이한 컬러의 그리고 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 26d 내지 도 26f는 상이한 컬러의 그리고 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 26g 내지 도 26i는 상이한 컬러의 그리고 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다.
도 27은 임의의 실시형태에 따른 근안 디스플레이의 한 예에서의 전자 시스템의 한 예의 단순화된 블록 다이어그램이다.
도면은 본 개시의 실시형태를 단지 예시의 목적을 위해 묘사한다. 기술 분야에서 숙련된 자는, 예시되는 구조물 및 방법의 대안적인 실시형태가 본 개시의 원리, 또는 이점으로부터 벗어나지 않으면서 활용될 수도 있다는 것을, 다음의 설명으로부터 쉽게 인식할 것이다.
첨부된 도면에서, 유사한 컴포넌트 및/또는 피쳐는 동일한 참조 라벨을 가질 수도 있다. 게다가, 동일한 타입의 다양한 컴포넌트는, 참조 라벨 다음의 대시(-) 및 유사한 컴포넌트를 구별하는 제2 라벨에 의해 구별될 수도 있다. 본 명세서에서 제1 참조 라벨만이 사용되는 경우, 그 설명은, 제2 참조 라벨에 상관 없이, 동일한 제1 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트 중 임의의 하나에 대해서도 적용 가능하다.

본 개시는 일반적으로 근안 디스플레이를 위한 격자 기반의 도파관 디스플레이에 관한 것이다. 더 구체적으로, 격자 기반의 광학적 씨스루 근안 디스플레이 시스템의 커플링 효율성을 개선하기 위한 기술이 본원에서 개시된다. 디바이스, 시스템, 방법, 및 등등을 포함하는 다양한 발명의 실시형태가 본원에서 설명된다.

근안 디스플레이 시스템에서, 아이박스를 확장하는 것, 이미지 품질(예를 들면, 해상도 및 콘트라스트)을 개선하는 것, 물리적 사이즈를 감소시키는 것, 전력 효율성을 증가시키는 것, 및 시야를 증가시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 도파관 기반의 근안 디스플레이 시스템에서, 투영된 이미지의 광은 도파관(예를 들면, 투명 기판) 안으로 커플링되고, 도파관 내에서 전파되고, 그리고 상이한 위치에서 도파관 밖으로 커플링되어 출사 동공을 복제하고 아이박스를 확장할 수도 있다. 아이박스를 이차원에서 확장하기 위해 두 개 이상의 격자가 사용될 수도 있다. 증강 현실 애플리케이션을 위한 도파관 기반의 근안 디스플레이 시스템에서, 주변 환경으로부터의 광은 도파관 디스플레이(예를 들면, 투명 기판)의 적어도 씨스루 영역을 통과하여 유저의 눈에 도달할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 투영된 이미지의 광은, 주변 환경으로부터의 광이 통과하는 것을 또한 허용할 수도 있는 회절 광학 엘리먼트, 예컨대 격자를 사용하여 도파관 안으로 또는 도파관 밖으로 커플링될 수도 있다.

회절 광학 엘리먼트를 사용하여 구현되는 커플러는, 예를 들면, 소망되는 회절 차수에 대한 100 % 미만의 회절 효율성, 누설, 크로스토크, 편광 의존성, 각도 의존성, 파장 의존성, 및 등등에 기인하여 제한된 커플링 효율성을 가질 수도 있다. 예를 들면, 표면 요철 격자(SRG) 커플러 또는 볼륨 브래그 격자(VBG) 커플러를 사용하는 도파관 디스플레이에서, 입력 커플러에 의해 도파관에 커플링되는 디스플레이 광은 입력 커플러로 다시 반사될 수도 있고 소망되지 않는 방향에서 입력 커플러에 의해 다시 회절될 수도 있다. 또한, SRG 및 VBG의 회절 효율성은 편광 의존적일 수도 있다. 예를 들면, 반사성 VBG의 회절 효율성은 브루스터 각도(Brewster's angle)의 또는 그 근처의 입사각을 갖는 p 편광된 광에 대해 제로에 가까울 수도 있다. 다른 예에서, s 편광된 광에 대한 SRG의 회절 효율성은 p 편광된 광에 대한 SRG의 회절 효율성보다 더 높을 수도 있고, 따라서, s 편광된 광에 대한 SRG의 더 높은 회절 효율성에 기인하여 s 편광된 광에 대해 더 높은 누설이 있을 수도 있다.

격자 커플러는 소망되는 경로에서 디스플레이 광의 전력을 최대화하도록 최적화될 수도 있다. 예를 들면, 격자 형상, 경사 각도, 격자 주기, 듀티 사이클, 격자 높이 또는 깊이, 굴절률, 굴절률 변조, 오버코팅 재료, 및 격자에 걸친 이들 격자 파라미터의 공간적 변동은 디스플레이 광을 아이박스를 향하는 소망되는 방향으로 지향시키는 효율성을 개선하도록 조정될 수도 있다. 이들 파라미터를 변경하는 것은, SRG 및 VBG의 고유의 특성에 기인하여, 도파관 디스플레이의 효율성에 대해 약간의 그러나 제한된 개선을 제공할 수도 있다.

임의의 실시형태에 따르면, 도파관 디스플레이의 효율성은, 디스플레이 광의 편광 상태를 그 전파 경로를 따라 변경하는 것에 의해 개선될 수도 있다. 예를 들면, 위상 구조물은 도파관의 표면에 커플링될 수도 있고 도파관의 표면에서 반사되는 광의 편광 상태를 변경하기 위해 사용될 수도 있고, 그 결과, 반사된 광은, 자신의 전파 경로에 있는 격자 커플러에 도달하는 경우, 도파관 디스플레이의 전체 효율성을 개선하기 위해, 소망되는 방향에서 더욱 우선적으로 회절될 수도 있거나 또는 반사될 수도 있다. 위상 구조물은, 두 개의 직교 선형 편광 성분(예를 들면, s 편광된 광 및 p 편광된 광) 사이에서 소망되는 위상 지연을 야기할 수 있는 임의의 복굴절 재료(예를 들면, 복굴절 결정(birefringent crystal), 액정, 또는 폴리머) 또는 구조물(예를 들면, 격자 또는 다른 서브파장 구조물)을 포함할 수도 있고, 그 결과, 입사 광 빔은 s 편광된, p 편광된, 원형 편광된, 또는 타원 편광된 빔으로 변경될 수도 있다. 위상 구조물은 도파관 디스플레이의 다양한 위치에서, 예컨대 입력 커플러 영역에서, 입력 커플러와 출력 커플러 사이에서, 출력 커플러 영역에서, 또는 임의의 조합에서 배치될 수도 있다.

도파관 디스플레이에 위상 구조물을 추가하는 것은 도파관 디스플레이의 효율성을 최적화하기 위한 더 많은 설계 자유도를 추가할 수 있다. 예를 들면, 위상 구조물의 위치, 위상 지연, 방위, 및 다른 파라미터는, 디스플레이 광이, 궁극적으로는 유저의 눈에 도달하도록, 편광 의존 격자에 의해 소망되는 회절 차수 및 방향으로 더욱 우선적으로 회절될 수도 있도록, 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 선택될 수도 있다.

다음의 설명에서, 디바이스, 시스템, 방법, 및 등등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시형태가 설명된다. 설명의 목적을 위해, 본 개시의 예의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정한 세부 사항이 기술된다. 그러나, 이들 특정한 세부 사항 없이도 다양한 예가 실시될 수도 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들면, 디바이스, 시스템, 구조물, 어셈블리, 방법, 및 다른 컴포넌트는, 불필요한 세부 사항에서 예를 모호하게 하지 않기 위해, 블록 다이어그램 형태의 컴포넌트로서 도시될 수도 있다. 다른 예에서, 널리 공지된 디바이스, 프로세스, 시스템, 구조물, 및 기술은 예를 모호하게 하는 것을 방지하기 위해, 필요한 세부 사항 없이 나타내어질 수도 있다. 도면 및 설명은 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 본 개시에서 활용되는 용어 및 표현은, 제한의 용어로서가 아니라, 설명의 용어로서 사용되며, 그러한 용어 및 표현의 사용에서는, 도시되고 설명되는 피쳐 또는 그 일부의 임의의 등가물을 배제하려는 의도는 없다. 본원에서 단어 "예(example)"는 "예, 인스턴스, 또는 예시로서 기능하는"을 의미하도록 사용된다. 본원에서 "예"로서 설명되는 임의의 실시형태 또는 설계는, 반드시 다른 실시형태 또는 설계보다 바람직하거나 또는 유리한 것으로 해석되어서는 안된다.

도 1은 임의의 실시형태에 따른 근안 디스플레이(120)를 포함하는 인공 현실 시스템 환경(100)의 한 예의 단순화된 블록 다이어그램이다. 도 1에서 도시되는 인공 현실 시스템 환경(100)은 근안 디스플레이(120), 옵션 사항의 외부 이미징 디바이스(150), 및 옵션 사항의 입/출력 인터페이스(140)를 포함할 수도 있는데, 이들 각각은 옵션 사항의 콘솔(110)에 커플링될 수도 있다. 도 1이 하나의 근안 디스플레이(120), 하나의 외부 이미징 디바이스(150), 및 하나의 입/출력 인터페이스(140)를 포함하는 인공 현실 시스템 환경(100)의 한 예를 도시하지만, 임의의 수의 이들 컴포넌트가 인공 현실 시스템 환경(100)에 포함될 수도 있거나, 또는 컴포넌트 중 임의의 것이 생략될 수도 있다. 예를 들면, 콘솔(110)과 통신하는 하나 이상의 외부 이미징 디바이스(150)에 의해 모니터링되는 다수의 근안 디스플레이(120)가 있을 수도 있다. 일부 구성에서, 인공 현실 시스템 환경(100)은 외부 이미징 디바이스(150), 옵션 사항의 입/출력 인터페이스(140), 및 옵션 사항의 콘솔(110)을 포함하지 않을 수도 있다. 대안적인 구성에서, 상이한 또는 추가적인 컴포넌트가 인공 현실 시스템 환경(100)에 포함될 수도 있다.

근안 디스플레이(120)는 유저에게 콘텐츠를 제시하는 머리 장착형 디스플레이일 수도 있다. 근안 디스플레이(120)에 의해 제시되는 콘텐츠의 예는 이미지, 비디오, 오디오, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 오디오는 근안 디스플레이(120), 콘솔(110), 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하며, 오디오 정보에 기초하여 오디오 데이터를 제시하는 외부 디바이스(예를 들면, 스피커 및/또는 헤드폰)를 통해 제시될 수도 있다. 근안 디스플레이(120)는, 서로 견고하게 또는 견고하지 않게 커플링될 수도 있는 하나 이상의 강체(rigid body)를 포함할 수도 있다. 강체 사이의 견고한 커플링은 커플링된 강체로 하여금 단일의 견고한 엔티티(rigid entity)로서 작용하게 할 수도 있다. 강체 사이의 견고하지 않은 커플링은 강체가 서로를 기준으로 움직이는 것을 허용할 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 근안 디스플레이(120)는, 안경을 비롯한, 임의의 적절한 폼팩터로 구현될 수도 있다. 근안 디스플레이(120)의 몇몇 실시형태는 도 2 및 도 3과 관련하여 하기에서 추가로 설명된다. 추가적으로, 다양한 실시형태에서, 본원에서 설명되는 기능성(functionality)은, 근안 디스플레이(120) 외부 환경의 이미지 및 인공 현실 콘텐츠(예를 들면, 컴퓨터 생성 이미지)를 결합하는 헤드셋에서 사용될 수도 있다. 따라서, 근안 디스플레이(120)는, 유저에게 증강 현실을 제공하기 위해, 생성된 콘텐츠(예를 들면, 이미지, 비디오, 사운드, 등등)를 사용하여 근안 디스플레이(120) 외부의 물리적인 현실 세계 환경의 이미지를 증강할 수도 있다.

다양한 실시형태에서, 근안 디스플레이(120)는 디스플레이 전자기기(display electronic; 122), 디스플레이 광학기기(124), 및 눈 추적 유닛(130) 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 근안 디스플레이(120)는 하나 이상의 로케이터(126), 하나 이상의 포지션 센서(128), 및 관성 측정 유닛(inertial measurement unit; IMU)(132)을 또한 포함할 수도 있다. 근안 디스플레이(120)는 눈 추적 유닛(130), 로케이터(126), 포지션 센서(128), 및 IMU(132) 중 임의의 것을 생략할 수도 있건, 또는 다양한 실시형태에서 추가적인 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 몇몇 실시형태에서, 근안 디스플레이(120)는 도 1과 연계하여 설명되는 다양한 엘리먼트의 기능을 결합하는 엘리먼트를 포함할 수도 있다.

디스플레이 전자기기(122)는, 예를 들면, 콘솔(110)로부터 수신되는 데이터에 따라 유저에게 이미지의 디스플레이를 디스플레이할 수도 있거나 또는 그 디스플레이를 용이하게 할 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 디스플레이 전자기기(122)는 하나 이상의 디스플레이 패널, 예컨대 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; OLED) 디스플레이, 무기 발광 다이오드(inorganic light emitting diode; ILED) 디스플레이, 마이크로 발광 다이오드(μLED) 디스플레이, 액티브 매트릭스 OLED 디스플레이(active-matrix OLED display; AMOLED), 투명 OLED 디스플레이(transparent OLED display; TOLED), 또는 어떤 다른 디스플레이를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 근안 디스플레이(120)의 하나의 구현예에서, 디스플레이 전자기기(122)는 전면 TOLED 패널, 후면 디스플레이 패널, 및 전면 디스플레이 패널과 후면 디스플레이 패널 사이의 광학 컴포넌트(예를 들면, 감쇠기, 편광기, 또는 회절 또는 스펙트럼 필름)를 포함할 수도 있다. 디스플레이 전자기기(122)는 레드, 그린, 블루, 화이트 또는 옐로우와 같은 주요 컬러의 광을 방출하기 위한 픽셀을 포함할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 디스플레이 전자기기(122)는, 이미지 깊이의 주관적인 인식을 생성하기 위해, 이차원 패널에 의해 생성되는 입체 효과를 통해 삼차원(three-dimensional; 3D) 이미지를 디스플레이할 수도 있다. 예를 들면, 디스플레이 전자기기(122)는 유저의 좌안 및 우안 전방에 각각 배치되는 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이를 포함할 수도 있다. 좌측 및 우측 디스플레이는 입체 효과(예를 들면, 이미지를 보는 유저에 의한 이미지 깊이의 인식)를 생성하기 위해 서로를 기준으로 수평으로 시프트되는 이미지의 사본을 제시할 수도 있다.

임의의 실시형태에서, 디스플레이 광학기기(124)는 이미지 콘텐츠를 (예를 들면, 광학 도파관 및 커플러를 사용하여) 광학적으로 디스플레이할 수도 있거나 또는 디스플레이 전자기기(122)로부터 수신되는 이미지 광을 확대할 수도 있고, 이미지 광과 관련되는 광학적 에러를 정정할 수도 있고, 그리고 정정된 이미지 광을 근안 디스플레이(120)의 유저에게 제시할 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 디스플레이 광학기기(124)는, 예를 들면, 기판, 광학 도파관, 어퍼쳐, 프레넬(Fresnel) 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 입/출력 커플러, 또는 디스플레이 전자기기(122)로부터 방출되는 이미지 광에 영향을 끼칠 수도 있는 임의의 다른 적절한 광학 엘리먼트와 같은 하나 이상의 광학 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 디스플레이 광학기기(124)는 상이한 광학 엘리먼트의 조합뿐만 아니라, 조합에서 광학 엘리먼트의 상대적 간격 및 방위를 유지하기 위한 기계적 커플링을 포함할 수도 있다. 디스플레이 광학기기(124) 내의 하나 이상의 광학 엘리먼트는 광학 코팅, 예컨대 반사 방지 코팅, 반사 코팅, 필터링 코팅, 또는 상이한 광학기기 코팅의 조합을 가질 수도 있다.

디스플레이 광학기기(124)에 의한 이미지 광의 확대는 디스플레이 전자기기(122)가, 더 큰 디스플레이 보다, 물리적으로 더 작아지는 것, 무게가 덜 나가는 것, 및 더 적은 전력을 소비하는 것을 허용할 수도 있다. 추가적으로, 확대는 디스플레이된 콘텐츠의 시야를 증가시킬 수도 있다. 디스플레이 광학기기(124)에 의한 이미지 광의 확대의 양은, 디스플레이 광학기기(124)로부터 광학 엘리먼트를 조정, 추가, 또는 제거하는 것에 의해 변경될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 디스플레이 광학기기(124)는, 디스플레이된 이미지를, 근안 디스플레이(120)보다 유저의 눈으로부터 더 멀리 떨어져 있을 수도 있는 하나 이상의 이미지 평면에 투영할 수도 있다.

디스플레이 광학기기(124)는 하나 이상의 타입의 광학적 에러, 예컨대 이차원 광학적 에러, 삼차원 광학적 에러, 또는 이들의 임의의 조합을 정정하도록 또한 설계될 수도 있다. 이차원 에러는 이차원에서 발생하는 광학 수차를 포함할 수도 있다. 예시적인 타입의 이차원 에러는 배럴 왜곡, 핀쿠션 왜곡, 종방향 색수차(longitudinal chromatic aberration), 및 횡방향 색수차(transverse chromatic aberration)를 포함할 수도 있다. 삼차원 에러는 삼차원에서 발생하는 광학적 에러를 포함할 수도 있다. 예시적인 타입의 삼차원 에러는 구면 수차(spherical aberration), 코마 수차(comatic aberration), 상면 만곡(field curvature), 및 비점수차(astigmatism)를 포함할 수도 있다.

로케이터(126)는 서로를 기준으로 그리고 근안 디스플레이(120) 상의 기준 포인트를 기준으로 근안 디스플레이(120) 상의 특정한 포지션에 위치되는 오브젝트일 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 인공 현실 헤드셋의 포지션, 방위, 또는 둘 모두를 결정하기 위해, 콘솔(110)은 외부 이미징 디바이스(150)에 의해 캡쳐되는 이미지에서 로케이터(126)를 식별할 수도 있다. 로케이터(126)는 LED, 코너 큐브 반사기, 반사 마커, 근안 디스플레이(120)가 동작하는 환경과 대조를 이루는 타입의 광원, 또는 이들의 임의의 조합일 수도 있다. 로케이터(126)가 액티브 컴포넌트(예를 들면, LED 또는 다른 타입의 발광 디바이스)인 실시형태에서, 로케이터(126)는 가시 광 대역(예를 들면, 약 380 nm 내지 750 nm)에서, 적외선(infrared; IR) 대역(예를 들면, 약 750 nm 내지 1 mm)에서, 자외선 대역(예를 들면, 약 10 nm 내지 약 380 nm)에서, 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서, 또는 전자기 스펙트럼의 일부의 임의의 조합에서 광을 방출할 수도 있다.

외부 이미징 디바이스(150)는 하나 이상의 카메라, 하나 이상의 비디오 카메라, 로케이터(126) 중 하나 이상을 포함하는 이미지를 캡쳐할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 추가적으로, 외부 이미징 디바이스(150)는 (예를 들면, 신호 대 노이즈 비율을 증가시키기 위해) 하나 이상의 필터를 포함할 수도 있다. 외부 이미징 디바이스(150)는 외부 이미징 디바이스(150)의 시야에서 로케이터(126)로부터 방출되는 또는 반사되는 광을 검출하도록 구성될 수도 있다. 로케이터(126)가 패시브 엘리먼트(예를 들면, 역반사기(retroreflector))를 포함하는 실시형태에서, 외부 이미징 디바이스(150)는 로케이터(126)의 일부 또는 모두를 조명하는 광원을 포함할 수도 있는데, 로케이터(126)의 일부 또는 모두는 외부 이미징 디바이스(150)의 광원으로 광을 역반사할 수도 있다. 느린 캘리브레이션 데이터는 외부 이미징 디바이스(150)로부터 콘솔(110)로 전달될 수도 있고, 외부 이미징 디바이스(150)는 콘솔(110)로부터 하나 이상의 캘리브레이션 파라미터를 수신하여 하나 이상의 이미징 파라미터(예를 들면, 초점 거리, 초점, 프레임 레이트, 센서 온도, 셔터 속도, 어퍼쳐, 등등)를 조정할 수도 있다.

포지션 센서(128)는 근안 디스플레이(120)의 움직임에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성할 수도 있다. 포지션 센서(128)의 예는 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 다른 모션 검출 또는 에러 정정 센서, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 포지션 센서(128)는 병진 운동(예를 들면, 전방/후방, 상/하, 또는 좌/우)을 측정하기 위한 다수의 가속도계 및 회전 운동(예를 들면, 피치, 요 또는 롤)을 측정하기 위한 다수의 자이로스코프를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 다양한 포지션 센서는 서로 직각으로 배향될 수도 있다.

IMU(132)는 포지션 센서(128) 중 하나 이상으로부터 수신되는 측정 신호에 기초하여 빠른 캘리브레이션 데이터를 생성하는 전자 디바이스일 수도 있다. 포지션 센서(128)는 IMU(132) 외부에, IMU(132) 내부에, 또는 이들의 임의의 조합에 위치될 수도 있다. 하나 이상의 포지션 센서(128)로부터의 하나 이상의 측정 신호에 기초하여, IMU(132)는 근안 디스플레이(120)의 초기 위치를 기준으로 근안 디스플레이(120)의 추정된 포지션을 나타내는 빠른 캘리브레이션 데이터를 생성할 수도 있다. 예를 들면, IMU(132)는 시간이 지남에 따라 가속도계로부터 수신되는 측정 신호를 통합하여 속도 벡터를 추정할 수도 있고 시간이 지남에 따라 속도 벡터를 통합하여 근안 디스플레이(120) 상의 기준 포인트의 추정된 포지션을 결정할 수도 있다. 대안적으로, IMU(132)는 샘플링된 측정 신호를, 빠른 캘리브레이션 데이터를 결정할 수도 있는 콘솔(110)에 제공할 수도 있다. 기준 포인트가 일반적으로 공간의 한 포인트로서 정의될 수도 있지만, 다양한 실시형태에서, 기준 포인트는 근안 디스플레이(120) 내의 한 포인트(예를 들면, IMU(132)의 중심)로서 또한 정의될 수도 있다.

눈 추적 유닛(130)은 하나 이상의 눈 추적 시스템을 포함할 수도 있다. 눈 추적은, 근안 디스플레이(120)를 기준으로, 눈의 방위 및 위치를 비롯하여, 눈의 포지션을 결정하는 것을 지칭할 수도 있다. 눈 추적 시스템은 하나 이상의 눈을 이미지화하기 위한 이미징 시스템을 포함할 수도 있고, 옵션 사항으로, 눈에 의해 반사되는 광이 이미징 시스템에 의해 캡쳐될 수도 있도록 눈을 향해 지향되는 광을 생성할 수도 있는 광 방출기를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 눈 추적 유닛(130)은 가시 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼에서 광을 방출하는 비 가간섭성(non-coherent) 또는 가간섭성(coherent) 광원(예를 들면, 레이저 다이오드), 및 유저의 눈에 의해 반사되는 광을 캡쳐하는 카메라를 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 눈 추적 유닛(130)은 소형 레이더 유닛에 의해 방출되는 반사된 라디오 파(radio wave)를 캡쳐할 수도 있다. 눈 추적 유닛(130)은, 눈을 다치게 하지 않을 또는 신체적 불편함을 야기하지 않을 주파수 및 강도에서 광을 방출하는 저전력 광 방출기를 사용할 수도 있다. 눈 추적 유닛(130)은, 눈 추적 유닛(130)에 의해 소비되는 전체 전력을 감소시키면서(예를 들면, 눈 추적 유닛(130)에 포함되는 이미징 시스템 및 광 방출기에 의해 소비되는 전력을 감소시키면서) 눈 추적 유닛(130)에 의해 캡쳐되는 눈의 이미지에서 콘트라스트를 증가시키도록 배열될 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 구현예에서, 눈 추적 유닛(130)은 100 밀리와트 미만의 전력을 소비할 수도 있다.

근안 디스플레이(120)는, 예를 들면, 유저의 동공 간 거리(inter-pupillary distance; IPD)를 결정하기 위해, 시선 방향을 결정하기 위해, 깊이 단서(depth cue)(예를 들면, 유저의 주요 시선 외부의 블러 이미지)를 도입하기 위해, VR 미디어에서 유저 상호 작용에 대한 휴리스틱(heuristic)(예를 들면, 노출된 자극의 함수로서 임의의 특정한 대상, 오브젝트, 또는 프레임에 대해 소비되는 시간)을 수집하기 위해, 눈의 방위를 사용할 수도 있거나, 유저의 눈 중 적어도 한 쪽의 방위에 부분적으로 기초하는 어떤 다른 기능, 또는 이들의 임의의 조합을 사용할 수도 있다. 방위가 유저의 양쪽 눈에 대해 결정될 수도 있기 때문에, 눈 추적 유닛(130)은 유저가 보고 있는 곳을 결정할 수 있을 수도 있다. 예를 들면, 유저의 시선의 방향을 결정하는 것은, 유저의 좌안 및 우안의 결정된 방위에 기초하여 수렴의 포인트를 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 수렴의 포인트는 유저의 눈의 두 개의 중심와 축(foveal axis)이 교차하는 포인트일 수도 있다. 유저의 시선의 방향은 수렴의 포인트와 유저의 눈의 동공 사이의 중간 포인트를 통과하는 라인의 방향일 수도 있다.

입/출력 인터페이스(140)는 유저가 액션 요청을 콘솔(110)로 전송하는 것을 허용하는 디바이스일 수도 있다. 액션 요청은 특정한 액션을 수행하려는 요청일 수도 있다. 예를 들면, 액션 요청은 애플리케이션을 시작하는 것 또는 종료하는 것일 수도 있거나 또는 애플리케이션 내에서 특정한 액션을 수행하는 것일 수도 있다. 입/출력 인터페이스(140)는 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수도 있다. 예시적인 입력 디바이스는 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러, 글러브, 버튼, 터치스크린, 또는 액션 요청을 수신하기 위한 그리고 수신된 액션 요청을 콘솔(110)로 전달하기 위한 임의의 다른 적절한 디바이스를 포함할 수도 있다. 입/출력 인터페이스(140)에 의해 수신되는 액션 요청은 요청된 액션에 대응하는 액션을 수행할 수도 있는 콘솔(110)로 전달될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 입/출력 인터페이스(140)는 콘솔(110)로부터 수신되는 명령어에 따라 유저에게 햅틱 피드백을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 입/출력 인터페이스(140)는 액션 요청이 수신될 때, 또는 콘솔(110)이 요청된 액션을 수행하였고 명령어를 입/출력 인터페이스(140)에 전달할 때, 햅틱 피드백을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 외부 이미징 디바이스(150)는 입/출력 인터페이스(140)를 추적하기 위해 사용될 수도 있는데, 예컨대 컨트롤러(이것은, 예를 들면, IR 광원을 포함할 수도 있음) 또는 유저의 손의 위치 또는 포지션을 추적하여 유저의 움직임을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 근안 디스플레이(120)는 입/출력 인터페이스(140)를 추적하기 위한, 예컨대 컨트롤러 또는 유저의 손의 위치 또는 포지션을 추적하여 유저의 움직임을 결정하기 위한, 하나 이상의 이미징 디바이스를 포함할 수도 있다.

콘솔(110)은, 외부 이미징 디바이스(150), 근안 디스플레이(120), 및 입/출력 인터페이스(140) 중 하나 이상으로부터 수신되는 정보에 따라 유저에 대한 제시를 위해 콘텐츠를 근안 디스플레이(120)에 제공할 수도 있다. 도 1에서 도시되는 예에서, 콘솔(110)은 애플리케이션 스토어(112), 헤드셋 추적 모듈(114), 인공 현실 엔진(116), 및 눈 추적 모듈(118)을 포함할 수도 있다. 콘솔(110)의 몇몇 실시형태는 도 1과 연계하여 설명되는 것들과는 상이한 모듈 또는 추가적인 모듈을 포함할 수도 있다. 하기에서 추가로 설명되는 기능은 여기서 설명되는 것과는 상이한 방식으로 콘솔(110)의 컴포넌트 사이에서 분배될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 콘솔(110)은 프로세서 및 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어를 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수도 있다. 프로세서는 명령어를 병렬로 실행하는 다수의 프로세싱 유닛을 포함할 수도 있다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 임의의 메모리, 예컨대 하드 디스크 드라이브, 착탈식 메모리, 또는 솔리드 스테이트 드라이브(예를 들면, 플래시 메모리 또는 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory; DRAM))일 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 도 1과 연계하여 설명되는 콘솔(110)의 모듈은, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금, 하기에서 추가로 설명되는 기능을 수행하게 하는 명령어로서 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에서 인코딩될 수도 있다.

애플리케이션 스토어(112)는 콘솔(110)에 의한 실행을 위한 하나 이상의 애플리케이션을 저장할 수도 있다. 애플리케이션은, 프로세서에 의해 실행될 때, 유저에 대한 제시를 위한 콘텐츠를 생성하는 명령어의 그룹을 포함할 수도 있다. 애플리케이션에 의해 생성되는 콘텐츠는 유저의 눈의 움직임을 통해 유저로부터 수신되는 입력 또는 입/출력 인터페이스(140)로부터 수신되는 입력에 응답하는 것일 수도 있다. 애플리케이션의 예는 게임 애플리케이션, 회의 애플리케이션, 비디오 재생 애플리케이션, 또는 다른 적절한 애플리케이션을 포함할 수도 있다.

헤드셋 추적 모듈(114)은 외부 이미징 디바이스(150)로부터의 느린 캘리브레이션 정보를 사용하여 근안 디스플레이(120)의 움직임을 추적할 수도 있다. 예를 들면, 헤드셋 추적 모듈(114)은 근안 디스플레이(120)의 모델 및 느린 캘리브레이션 정보로부터의 관찰된 로케이터를 사용하여 근안 디스플레이(120)의 기준 포인트의 포지션을 결정할 수도 있다. 헤드셋 추적 모듈(114)은 빠른 캘리브레이션 정보로부터의 포지션 정보를 사용하여 근안 디스플레이(120)의 기준 포인트의 포지션을 또한 결정할 수도 있다. 추가적으로, 몇몇 실시형태에서, 헤드셋 추적 모듈(114)은 근안 디스플레이(120)의 미래의 위치를 예측하기 위해, 빠른 캘리브레이션 정보, 느린 캘리브레이션 정보, 또는 이들의 임의의 조합의 일부를 사용할 수도 있다. 헤드셋 추적 모듈(114)은 근안 디스플레이(120)의 추정된 또는 예측된 미래의 포지션을 인공 현실 엔진(116)에 제공할 수도 있다.

인공 현실 엔진(116)은 인공 현실 시스템 환경(100) 내에서 애플리케이션을 실행할 수도 있고, 근안 디스플레이(120)의 포지션 정보, 근안 디스플레이(120)의 가속도 정보, 근안 디스플레이(120)의 속도 정보, 근안 디스플레이(120)의 예측된 미래의 포지션, 또는 이들의 임의의 조합을 헤드셋 추적 모듈(114)로부터 수신할 수도 있다. 인공 현실 엔진(116)은 추정된 눈 포지션 및 방위 정보를 눈 추적 모듈(118)로부터 또한 수신할 수도 있다. 수신된 정보에 기초하여, 인공 현실 엔진(116)은 유저에 대한 제시를 위해 근안 디스플레이(120)에 제공할 콘텐츠를 결정할 수도 있다. 예를 들면, 유저가 좌측을 보았다는 것을 수신된 정보가 나타내는 경우, 인공 현실 엔진(116)은 가상 환경에서 유저의 눈 움직임을 미러링하는 근안 디스플레이(120)에 대한 콘텐츠를 생성할 수도 있다. 추가적으로, 인공 현실 엔진(116)은, 입/출력 인터페이스(140)로부터 수신되는 액션 요청에 응답하여, 콘솔(110) 상에서 실행되는 애플리케이션 내에서 액션을 수행할 수도 있고, 액션이 수행되었다는 것을 나타내는 피드백을 유저에게 제공할 수도 있다. 피드백은 근안 디스플레이(120)를 통한 시각적 또는 청각적 피드백 또는 입/출력 인터페이스(140)를 통한 햅틱 피드백일 수도 있다.

눈 추적 모듈(118)은 눈 추적 유닛(130)으로부터 눈 추적 데이터를 수신할 수도 있고 눈 추적 데이터에 기초하여 유저 눈의 포지션을 결정할 수도 있다. 눈의 포지션은, 근안 디스플레이(120) 또는 그것의 임의의 엘리먼트를 기준으로 하는 눈의 방위, 위치, 또는 둘 모두를 포함할 수도 있다. 눈의 회전 축이 안와에서의 눈의 위치의 함수로서 변하기 때문에, 안와에서의 눈의 위치를 결정하는 것은 눈 추적 모듈(118)이 눈의 방위를 더욱 정확하게 결정하는 것을 허용할 수도 있다.

도 2는 본원에서 개시되는 예 중 일부를 구현하기 위한 HMD 디바이스(200)의 형태의 근안 디스플레이의 한 예의 사시도이다. HMD 디바이스(200)는, 예를 들면, VR 시스템, AR 시스템, MR 시스템, 또는 이들의 임의의 조합의 일부일 수도 있다. HMD 디바이스(200)는 본체(220) 및 헤드 스트랩(230)을 포함할 수도 있다. 도 2는 사시도에서 본체(220)의 저면(223), 전면(225), 및 좌측면(227)을 도시한다. 헤드 스트랩(230)은 조절 가능한 또는 확장 가능한 길이를 가질 수도 있다. HMD 디바이스(200)의 헤드 스트랩(230)과 본체(220) 사이에는 유저가 HMD 디바이스(200)를 유저의 머리에 장착하는 것을 허용하기 위한 충분한 공간이 있을 수도 있다. 다양한 실시형태에서, HMD 디바이스(200)는 추가적인, 더 적은, 또는 상이한 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, HMD 디바이스(200)는, 헤드 스트랩(230) 대신, 예를 들면, 아래의 도 3에서 도시되는 바와 같이 안경다리 및 안경다리 팁을 포함할 수도 있다.

HMD 디바이스(200)는 컴퓨터 생성 엘리먼트를 갖는 물리적인 현실 세계 환경의 가상의 및/또는 증강된 뷰를 포함하는 미디어를 유저에게 제시할 수도 있다. HMD 디바이스(200)에 의해 제공되는 미디어의 예는 이미지(예를 들면, 이차원(2D) 또는 삼차원(3D) 이미지), 비디오(예를 들면, 2D 또는 3D 비디오), 오디오, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 이미지 및 비디오는 HMD 디바이스(200)의 본체(220)에 봉입되는(enclosed) 하나 이상의 디스플레이 어셈블리(도 2에서 도시되지 않음)에 의해 유저의 각각의 눈에 제공될 수도 있다. 다양한 실시형태에서, 하나 이상의 디스플레이 어셈블리는 단일의 전자 디스플레이 패널 또는 다수의 전자 디스플레이 패널(예를 들면, 유저의 각각의 눈에 대한 하나의 디스플레이 패널)을 포함할 수도 있다. 전자 디스플레이 패널(들)의 예는, 예를 들면, LCD, OLED 디스플레이, ILED 디스플레이, μLED 디스플레이, AMOLED, TOLED, 어떤 다른 디스플레이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. HMD 디바이스(200)는 두 개의 아이박스 영역을 포함할 수도 있다.

몇몇 구현예에서, HMD 디바이스(200)는 다양한 센서(도시되지 않음), 예컨대 깊이 센서, 모션 센서, 포지션 센서, 및 눈 추적 센서를 포함할 수도 있다. 이들 센서 중 일부는 감지를 위해 구조화된 광 패턴을 사용할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, HMD 디바이스(200)는 콘솔과 통신하기 위한 입/출력 인터페이스를 포함할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, HMD 디바이스(200)는 HMD 디바이스(200) 내에서 애플리케이션을 실행할 수 있는 그리고 다양한 센서로부터 HMD 디바이스(200)의 깊이 정보, 포지션 정보, 가속도 정보, 속도 정보, 예측된 미래의 포지션, 또는 이들의 임의의 조합을 수신할 수 있는 가상 현실 엔진(도시되지 않음)을 포함할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 가상 현실 엔진에 의해 수신되는 정보는 하나 이상의 디스플레이 어셈블리에 대한 신호(예를 들면, 디스플레이 명령어)를 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, HMD 디바이스(200)는 서로를 기준으로 그리고 기준 포인트를 기준으로 본체(220)의 고정된 포지션에 위치되는 로케이터(도시되지 않음, 예컨대 로케이터(126))를 포함할 수도 있다. 로케이터 각각은 외부 이미징 디바이스에 의해 검출 가능한 광을 방출할 수도 있다.

도 3은 본원에서 개시되는 예 중 일부를 구현하기 위한 안경의 형태의 근안 디스플레이(300)의 한 예의 사시도이다. 근안 디스플레이(300)는 도 1의 근안 디스플레이(120)의 특정한 구현예일 수도 있고, 가상 현실 디스플레이, 증강 현실 디스플레이, 및/또는 혼합 현실 디스플레이로서 동작하도록 구성될 수도 있다. 근안 디스플레이(300)는 프레임(305) 및 디스플레이(310)를 포함할 수도 있다. 디스플레이(310)는 유저에게 콘텐츠를 제시하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 디스플레이(310)는 디스플레이 전자기기 및/또는 디스플레이 광학기기를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 도 1의 근안 디스플레이(120)와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 디스플레이(310)는 LCD 디스플레이 패널, LED 디스플레이 패널, 또는 광학 디스플레이 패널(예를 들면, 도파관 디스플레이 어셈블리)을 포함할 수도 있다.

근안 디스플레이(300)는 프레임(305) 상에서 또는 그 내에서 다양한 센서(350a, 350b, 350c, 350d, 및 350e)를 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서(350a-350e)는 하나 이상의 깊이 센서, 모션 센서, 포지션 센서, 관성 센서, 또는 주변 광 센서를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서(350a-350e)는 상이한 방향에서 시야 내의 상이한 영역을 나타내는 이미지 데이터를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 이미지 센서를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서(350a-350e)는, 근안 디스플레이(300)의 디스플레이된 콘텐츠를 제어하기 위한 또는 그 디스플레이된 콘텐츠에 영향을 끼치기 위한, 및/또는 근안 디스플레이(300)의 유저에게 상호 작용식 VR/AR/MR 경험을 제공하기 위한 입력 디바이스로서 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 센서(350a-350e)는 입체 이미징을 위해 또한 사용될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 근안 디스플레이(300)는 광을 물리적 환경에 투영하기 위한 하나 이상의 조명기(illuminator; 330)를 더 포함할 수도 있다. 투영된 광은 상이한 주파수 대역(예를 들면, 가시 광, 적외선 광, 자외선 광, 등등)과 관련될 수도 있고, 다양한 목적을 서빙할 수도 있다. 예를 들면, 조명기(들)(330)는, 어두운 환경 내에서 상이한 오브젝트의 이미지를 캡쳐함에 있어서 센서(350a-350e)를 돕기 위해, 어두운 환경에서(또는 적외선 광, 자외선 광, 등등의 낮은 강도를 갖는 환경에서) 광을 투영할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 조명기(들)(330)는 환경 내의 오브젝트 상으로 소정의 광 패턴을 투영하기 위해 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 조명기(들)(330)는 로케이터, 예컨대 도 1과 관련하여 상기에서 설명되는 로케이터(126)로서 사용될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 근안 디스플레이(300)는 고해상도 카메라(340)를 또한 포함할 수도 있다. 카메라(340)는 시야 내의 물리적 환경의 이미지를 캡쳐할 수도 있다. 캡쳐된 이미지에 가상 오브젝트를 추가하기 위해 또는 캡쳐된 이미지에서 물리적 오브젝트를 수정하기 위해, 캡쳐된 이미지는, 예를 들면, 가상 현실 엔진(예를 들면, 도 1의 인공 현실 엔진(116))에 의해 프로세싱될 수도 있고, 프로세싱된 이미지는 AR 또는 MR 애플리케이션에 대한 디스플레이(310)에 의해 유저에게 디스플레이될 수도 있다.

도 4는 근안 디스플레이 시스템의 광학 시스템(400)의 한 예를 예시하는 단순화된 다이어그램이다. 광학 시스템(400)은 이미지 소스(410) 및 프로젝터 광학기기(420)를 포함할 수도 있다. 도 4에서 도시되는 예에서, 이미지 소스(410)는 프로젝터 광학기기(420) 전방에 있다. 다양한 실시형태에서, 이미지 소스(410)는 유저 눈(490)의 시야 밖에 위치될 수도 있다. 예를 들면, 이미지 소스가 도 4에서 도시되는 이미지 소스(410)의 위치에 있는 것처럼 보이게 만들도록 유저 눈(490)의 시야 밖에 있는 이미지 소스로부터의 광을 편향시키기 위해 하나 이상의 반사기 또는 방향성 커플러가 사용될 수도 있다. 이미지 소스(410) 상의 한 영역(예를 들면, 픽셀 또는 발광 디바이스)으로부터의 광은 시준될 수도 있고 프로젝터 광학기기(420)에 의해 출사 동공(430)으로 지향될 수도 있다. 따라서, 이미지 소스(410)의 상이한 공간 위치에 있는 오브젝트는 상이한 뷰잉 각도(FOV)에서 유저의 눈(490)으로부터 멀리 떨어진 오브젝트인 것처럼 보일 수도 있다. 상이한 뷰잉 각도로부터의 시준된 광은, 그 다음, 유저의 눈(490)의 수정체에 의해 유저의 눈(490)의 망막(492) 상의 상이한 위치 상으로 포커싱될 수도 있다. 예를 들면, 광의 적어도 일부 부분은 망막(492) 상의 중심와(494)에 포커싱될 수도 있다. 이미지 소스(410) 상의 한 영역으로부터 유래하며 동일한 방향으로부터 유저의 눈(490)에 입사하는 시준된 광(light ray)선은 망막(492) 상의 동일한 위치 상으로 포커싱될 수도 있다. 그러한 만큼, 이미지 소스(410)의 단일의 이미지가 망막(492) 상에서 형성될 수도 있다.

인공 현실 시스템을 사용하는 유저 경험은 시야(field of view; FOV), 이미지 품질(예를 들면, 각도 해상도), (눈 및 머리 움직임을 수용하기 위한) 아이박스의 사이즈, 및 아이박스 내의 광의 밝기(또는 콘트라스트)를 비롯한, 광학 시스템의 여러 가지 특성에 의존할 수도 있다. 시야는, 유저에 의해 보이는 바와 같은 이미지의 각도 범위를 설명하며, 일반적으로 한쪽 눈(단안 HMD의 경우) 또는 양쪽 눈(바이오큘러(biocular) 또는 양안(binocular) HMD 중 어느 한 경우)에 의해 관찰될 때 도(degree) 단위로 측정된다. 인간의 시각 시스템은 약 200°(수평)×130°(수직)의 총 양안 FOV를 가질 수도 있다. 완전한 몰입형 시각 환경을 생성하기 위해, 큰 FOV가 바람직한데, 그 이유는, 큰 FOV(예를 들면, 약 60°보다 더 큼)가, 단순히 이미지를 보는 것이 아니라, 이미지 "안에 있는" 감각을 제공할 수도 있기 때문이다. 더 작은 시야는 어떤 중요한 시각적 정보를 또한 배제할 수도 있다. 예를 들면, 작은 FOV를 갖는 HMD 시스템은 제스쳐 인터페이스를 사용할 수도 있지만, 그러나 유저는 작은 FOV에서 그들의 손을 확인하여 그들이 올바른 모션을 사용하고 있는지를 확신할 수 없을 수도 있다. 다른 한편으로, 더 넓은 시야는 더 큰 디스플레이 또는 광학 시스템을 필요할 수도 있는데, 이것은 HMD 사용의 사이즈, 중량, 비용, 및 안락함에 영향을 끼칠 수도 있다.

해상도는 유저에게 나타나는 이미지 엘리먼트 또는 디스플레이된 픽셀의 각도 사이즈, 또는 픽셀 및/또는 다른 픽셀에 의해 이미지화될 때 유저가 오브젝트를 보고 올바르게 해석하는 능력을 지칭할 수도 있다. HMD의 해상도는 주어진 FOV 값에 대한 이미지 소스의 픽셀의 수로서 명시될 수도 있는데, 이로부터, 하나의 방향에서의 FOV를, 이미지 소스 상에서 동일한 방향에서의 픽셀 수로 나누는 것에 의해, 각도 해상도가 결정될 수도 있다. 예를 들면, 40°의 수평 FOV 및 이미지 소스 상에서 수평 방향에서의 1080 개의 픽셀의 경우, 대응하는 각도 해상도는 스넬렌(Snellen) 20/20 인간 시력(visual acuity)과 관련되는 1 분각 해상도(one-arc-minute resolution)와 비교하여 약 2.2 분각일 수도 있다.

몇몇 경우에, 아이박스는 유저의 눈 전방에 있는 이차원 박스일 수도 있는데, 그로부터 이미지 소스로부터의 디스플레이된 이미지가 보일 수도 있다. 유저의 동공이 아이박스 밖으로 이동하는 경우, 디스플레이된 이미지는 유저에게 보이지 않을 수도 있다. 예를 들면, 동공 비형성 구성(non-pupil-forming configuration)에서, HMD 이미지 소스의 비네팅되지 않는 뷰잉(unvignetted viewing)이 내부에 있을 뷰잉 아이박스(viewing eyebox)가 존재하며, 디스플레이된 이미지는 비네팅될 수도 있거나 또는 잘릴 수도 있지만, 그러나 유저의 눈의 동공이 뷰잉 아이박스 외부에 있는 경우 여전히 보일 수도 있다. 동공 형성 구성(pupil-forming configuration)에서, 이미지는 출사 동공 외부에서 보이지 않을 수도 있다.

망막에서 가장 높은 해상도가 달성될 수도 있는 인간 눈의 중심와는 약 2° 내지 약 3°의 FOV에 대응할 수도 있다. 이것은, 가장 높은 해상도를 가지고 축외 오브젝트를 보기 위해서는, 눈이 회전되는 것을 요구할 수도 있다. 축외 오브젝트를 보기 위한 눈의 회전은, 눈이 동공 뒤 약 10 mm에 있는 포인트를 중심으로 회전하기 때문에, 동공의 병진을 도입할 수도 있다. 또한, 유저는 유저 눈의 동공(예를 들면, 약 2.5 mm의 반경을 가짐)을 아이박스의 이상적인 위치에 항상 정확하게 배치할 수 없을 수도 있다. 더구나, HMD가 사용되는 환경은, 예를 들면, HMD가 이동하는 차량에서 사용되거나 또는 유저가 도보로 이동하고 있는 동안 사용되도록 설계되는 경우, HMD를 기준으로 유저의 눈 및/또는 머리의 움직임을 허용하기 위해 아이박스가 더 크게 되는 것을 요구할 수도 있다. 이들 상황에서의 움직임의 양은, HMD가 유저의 머리에 얼마나 잘 커플링되는지에 의존할 수도 있다.

따라서, HMD의 광학 시스템은, HMD를 기준으로 하는 유저의 동공의 움직임을 수용하기 위해, 전체 해상도를 가지고 전체 FOV를 보기 위한 충분히 큰 출사 동공 또는 뷰잉 아이박스를 제공하는 것을 필요로 할 수도 있다. 예를 들면, 동공 형성 구성에서, 출사 동공에 대해 12 mm 내지 15 mm의 최소 사이즈가 바람직할 수도 있다. 아이박스가 너무 작은 경우, 눈과 HMD 사이의 사소한 오정렬은 이미지의 적어도 부분적인 손실을 초래할 수도 있고, 유저 경험은 상당히 손상될 수도 있다. 일반적으로, 아이박스의 측면 범위는 아이박스의 수직 범위보다 더 중요하다. 이것은, 부분적으로는, 유저 사이의 눈 분리 거리에서의 상당한 변동, 및 아이웨어에 대한 오정렬이 횡방향 치수에서 더욱 빈번하게 발생하는 경향이 있고 유저는, 시선을 상하로 조정하는 것보다, 그들의 시선을 좌측 및 우측으로, 그리고 더 큰 진폭을 가지고 더욱 빈번하게 조정하는 경향이 있다는 사실에 기인할 수도 있다. 따라서, 아이박스의 횡방향 치수를 증가시킬 수 있는 기술은 HMD에 대한 유저의 경험을 상당히 개선할 수도 있다. 다른 한편으로, 아이박스가 더 클수록, 광학기기는 더 커지고 근안 디스플레이 디바이스가 더 무거워지고 부피가 더 커질 수도 있다.

밝은 배경과 대비하여 디스플레이된 이미지를 보기 위해, AR HMD의 이미지 소스는 충분히 밝게 되는 것을 필요로 할 수도 있고, 광학 시스템은, 강한 주변 광, 예컨대 햇빛을 포함하는 배경에서 디스플레이된 이미지가 보일 수도 있도록, 유저의 눈에 밝은 이미지를 제공하도록 효율적으로 되는 것을 필요로 할 수도 있다. HMD의 광학 시스템은 아이박스에서 광을 집중시키도록 설계될 수도 있다. 아이박스가 큰 경우, 큰 아이박스 내에서 보일 수 있는 밝은 이미지를 제공하기 위해, 높은 전력을 갖는 이미지 소스가 사용될 수도 있다. 따라서, 아이박스의 사이즈, 비용, 밝기, 광학적 복잡도, 이미지 품질, 광학 시스템의 사이즈 및 중량 사이에는 트레이드오프가 있을 수도 있다.

도 5는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템(500)의 한 예를 예시한다. 증강 현실 시스템(500)은 프로젝터(510) 및 결합기(515)를 포함할 수도 있다. 프로젝터(510)는 광원 또는 이미지 소스(512) 및 프로젝터 광학기기(514)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 광원 또는 이미지 소스(512)는 하나 이상의 마이크로 LED 디바이스를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는 가상 오브젝트를 디스플레이하는 복수의 픽셀, 예컨대 LCD 디스플레이 패널 또는 LED 디스플레이 패널을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는 가간섭성 또는 부분적 가간섭성 광을 생성하는 광원을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 이미지 소스(512)는 레이저 다이오드, 수직 공동 면발광 레이저, LED, 초발광 LED(superluminescent LED; sLED), 및/또는 상기에서 설명되는 마이크로 LED를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는, 원색(primary color)(예를 들면, 레드, 그린 또는 블루)에 대응하는 단색 이미지 광을 각각이 방출하는 복수의 광원(예를 들면, 상기에서 설명되는 마이크로 LED의 어레이)을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는 마이크로 LED의 세 개의 이차원 어레이를 포함할 수도 있는데, 여기서 마이크로 LED의 각각의 이차원 어레이는 원색(예를 들면, 레드, 그린 또는 블루)의 광을 방출하도록 구성되는 마이크로 LED를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는 광학 패턴 생성기, 예컨대 공간 광 변조기를 포함할 수도 있다. 프로젝터 광학기기(514)는, 이미지 소스(512)로부터의 광을 컨디셔닝할 수 있는, 예컨대 이미지 소스(512)로부터의 광을 확장할 수 있는, 시준할 수 있는, 스캐닝할 수 있는, 또는 결합기(515)로 투영할 수 있는 하나 이상의 광학 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 하나 이상의 광학 컴포넌트는, 예를 들면, 하나 이상의 렌즈, 액체 렌즈, 미러, 자유 형태 광학기기, 어퍼쳐, 및/또는 격자를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 이미지 소스(512)는 마이크로 LED의 하나 이상의 일차원 어레이 또는 세장형(elongated) 이차원 어레이를 포함할 수도 있고, 프로젝터 광학기기(514)는 마이크로 LED의 일차원 어레이 또는 세장형 이차원 어레이를 스캔하여 이미지 프레임을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 일차원 스캐너(예를 들면, 마이크로 미러 또는 프리즘)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 프로젝터 광학기기(514)는 이미지 소스(512)로부터 광의 스캐닝을 허용하는 복수의 전극을 갖는 액체 렌즈(예를 들면, 액정 렌즈)를 포함할 수도 있다.

결합기(515)는 프로젝터(510)로부터의 광을 결합기(515)의 기판(520)에 커플링하기 위한 입력 커플러(530)를 포함할 수도 있다. 입력 커플러(530)는 볼륨 홀로그래픽 격자 또는 다른 회절 광학 엘리먼트(diffractive optical element; DOE)(예를 들면, 표면 요철 격자(SRG)), 기판(520)의 경사진 반사 표면, 또는 굴절성 커플러(예를 들면, 웨지(wedge) 또는 프리즘)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 입력 커플러(530)는 반사성 볼륨 브래그 격자 또는 투과성 볼륨 브래그 격자를 포함할 수도 있다. 입력 커플러(530)는 가시 광에 대해 30 %, 50 %, 75 %, 90 %, 또는 그 이상보다 더 높은 커플링 효율성을 가질 수도 있다. 기판(520) 안으로 커플링되는 광은, 예를 들면, 내부 전반사(total internal reflection; TIR)를 통해 기판(520) 내에서 전파될 수도 있다. 기판(520)은 안경의 렌즈의 형태일 수도 있다. 기판(520)은 편평한 또는 굴곡된 표면을 가질 수도 있고, 하나 이상의 타입의 유전체 재료, 예컨대 유리, 석영, 플라스틱, 폴리머, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 크리스탈, 세라믹, 또는 등등을 포함할 수도 있다. 기판의 두께는, 예를 들면, 약 1 mm 미만으로부터 내지 약 10 mm 또는 그 이상까지의 범위에 이를 수도 있다. 기판(520)은 가시 광에 대해 투명할 수도 있다.

기판(520)은, 기판(520)에 의해 안내되며 기판(520) 내에서 전파되는 광의 적어도 일부를 기판(520)으로부터 추출하도록, 그리고 추출된 광(560)을 아이박스(595)로 지향시키도록 각각 구성되는 복수의 출력 커플러(540)를 포함할 수도 있거나 또는 그 복수의 출력 커플러(540)에 커플링될 수도 있는데, 여기서 증강 현실 시스템시스템(500)의 유저의 눈(590)은, 증강 현실 시스템(500)이 사용 중일 때, 위치 결정될 수도 있다. 복수의 출력 커플러(540)는 아이박스(595)의 사이즈를 증가시키기 위해 출사 동공을 복제할 수도 있고, 그 결과, 디스플레이된 이미지는 더 큰 영역에서 보일 수도 있다. 입력 커플러(530)로서, 출력 커플러(540)는 격자 커플러(예를 들면, 볼륨 홀로그래픽 격자 또는 표면 요철 격자), 다른 회절 광학 엘리먼트(DOE), 프리즘, 등등을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 출력 커플러(540)는 반사성 볼륨 브래그 격자 또는 투과성 볼륨 브래그 격자를 포함할 수도 있다. 출력 커플러(540)는 상이한 위치에서 상이한 커플링(예를 들면, 회절) 효율성을 가질 수도 있다. 기판(520)은 결합기(515) 앞의 환경으로부터의 광(550)이 거의 또는 전혀 손실 없이 통과하는 것을 또한 허용할 수도 있다. 출력 커플러(540)는 광(550)이 거의 손실 없이 통과하는 것을 또한 허용할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 구현예에서, 출력 커플러(540)는, 광(550)이 굴절될 수도 있거나 또는 다르게는 거의 손실 없이 출력 커플러(540)를 통과할 수도 있도록, 광(550)에 대한 매우 낮은 회절 효율성을 가질 수도 있고, 따라서 추출된 광(560)보다 더 높은 강도를 가질 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 출력 커플러(540)는 광(550)에 대해 높은 회절 효율성을 가질 수도 있고 거의 손실 없이 소정의 소망되는 방향(즉, 회절 각도)으로 광(550)을 회절시킬 수도 있다. 결과적으로, 유저는 결합기(515) 앞에 있는 환경의 결합된 이미지 및 프로젝터(510)에 의해 투영되는 가상 오브젝트의 이미지를 볼 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 출력 커플러(540)는 광(550)에 대해 높은 회절 효율성을 가질 수도 있고 거의 손실 없이 소정의 소망되는 방향(예를 들면, 회절 각도)으로 광(550)을 회절시킬 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 프로젝터(510), 입력 커플러(530), 및 출력 커플러(540)는 기판(520)의 임의의 면 상에 있을 수도 있다. 입력 커플러(530) 및 출력 커플러(540)는 디스플레이 광을 기판(520) 안으로 또는 밖으로 커플링하기 위한 반사성 격자(반사성 격자로서 또한 지칭됨) 또는 투과성 격자(투과 격자로서 또한 지칭됨)일 수도 있다.

도 6은 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템(600)의 한 예를 예시한다. 증강 현실 시스템(600)은 증강 현실 시스템(500)과 유사할 수도 있고, 광원 또는 이미지 소스(612) 및 프로젝터 광학기기(614)를 포함할 수도 있는 프로젝터 및 도파관 디스플레이를 포함할 수도 있다. 도파관 디스플레이는, 증강 현실 시스템(500)과 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 기판(630), 입력 커플러(640), 및 복수의 출력 커플러(650)를 포함할 수도 있다. 도 5가 단일의 시야로부터의 광의 전파만을 도시하지만, 도 6은 다수의 시야로부터의 광의 전파를 도시한다.

도 6은 출사 동공이 출력 커플러(650)에 의해 복제되어 집성된 출사 동공 또는 아이박스를 형성하는 것을 도시하는데, 여기서 시야 내의 상이한 영역(예를 들면, 이미지 소스(612) 상의 상이한 픽셀)은 아이박스를 향하는 상이한 각각의 전파 방향과 관련될 수도 있고, 동일한 시야(예를 들면, 이미지 소스(612) 상의 동일한 픽셀)로부터의 광은 상이한 개개의 출사 동공에 대해 동일한 전파 방향을 가질 수도 있다. 따라서, 아이박스 내의 임의의 곳에 위치되는 유저의 눈에 의해 이미지 소스(612)의 단일의 이미지가 형성될 수도 있는데, 여기서 상이한 개개의 출사 동공으로부터 유래하며 그리고 동일한 방향에서 전파되는 광은 이미지 소스(612) 상의 동일한 픽셀로부터 유래할 수도 있고 유저 눈의 망막 상의 동일한 위치 상으로 포커싱될 수도 있다. 도 6은, 심지어 유저의 눈이 아이박스 내의 상이한 위치로 이동하더라도, 이미지 소스의 이미지가 유저의 눈에 의해 보이는 것을 도시한다.

많은 도파관 기반의 근안 디스플레이 시스템에서, 도파관 기반의 근안 디스플레이의 아이박스를 이차원으로 확장하기 위해, 두 개 이상의 출력 격자가 사용되어 디스플레이 광을 두 개의 차원에서 또는 두 개의 축을 따라 확장할 수도 있다(이것은 이중 축 동공 확장으로 지칭될 수도 있음). 두 개의 격자는 상이한 격자 파라미터를 가질 수도 있고, 그 결과, 하나의 격자는 하나의 방향에서 출사 동공을 복제하기 위해 사용될 수도 있고 다른 격자는 다른 방향에서 출사 동공을 복제하기 위해 사용될 수도 있다.

상기에서 설명되는 바와 같이, 상기에서 설명되는 입력 및 출력 격자 커플러는 체적 홀로그래픽 격자 또는 표면 요철 격자일 수 있는데, 이들은 매우 상이한 Klein-Cook(클라인-쿡) 파라미터(Q)를 가질 수도 있는데:

,

여기서 d는 격자의 두께이고, λ는 자유 공간에서의 입사 광의 파장이고, Λ는 격자 주기이고, 그리고 n은 기록 매체의 굴절률이다. 클라인-쿡 파라미터(Q)는 격자에 의한 광 회절을 세 가지 영역으로 분할할 수도 있다. 격자가 Q << 1을 특징으로 하는 경우, 격자에 의한 광 회절은 Raman-Nath(라만-나스) 회절로서 지칭될 수도 있는데, 여기서 다수의 회절 차수는 수직 및/또는 경사 입사 광에 대해 발생할 수도 있다. 격자가 Q >> 1(예를 들면, Q ≥ 10)을 특징으로 하는 경우, 격자에 의한 광 회절은 브래그 회절로서 지칭될 수도 있는데, 여기서, 브래그 조건을 충족하는 각도에서 격자에 입사하는 광에 대해 일반적으로 0차 및 ±1차 회절 차수만이 발생할 수도 있다. 격자가 Q

1을 특징으로 하는 경우, 격자에 의한 회절은 Raman-Nath 회절과 Bragg 회절 사이에 있을 수도 있다. 브래그 조건을 충족하기 위해, 격자의 두께(d)는, 매질의 (표면이 아닌) 볼륨을 점유하기 위한 소정의 값보다 더 두꺼울 수도 있고, 따라서 볼륨 브래그 격자로서 지칭될 수도 있다. VBG는 일반적으로 상대적으로 작은 굴절률 변조(예를 들면, Δn ≤ 0.05) 및 높은 스펙트럼 및 각도 선택도를 가질 수도 있고, 한편, 표면 요철 격자는 일반적으로 큰 굴절률 변조(예를 들면, Δn ≥ 0.05) 및 넓은 스펙트럼 및 각도 대역폭을 가질 수도 있다.

도 7a는 볼륨 브래그 격자(예를 들면, 반사성 VBG)의 한 예의 스펙트럼 대역폭 및 표면 요철 격자(예를 들면, 투과성 SRG)의 한 예의 스펙트럼 대역폭을 예시한다. 수평 축은 입사 가시 광의 파장을 나타내고 수직 축은 회절 효율성에 대응한다. 곡선(710)에 의해 나타내어지는 바와 같이, 반사성 VBG의 회절 효율성은 좁은 파장 범위, 예컨대 그린 광에서 높다. 대조적으로, 투과성 SRG의 회절 효율성은, 곡선(720)에 의해 도시되는 바와 같이, 매우 넓은 파장 범위에서, 예컨대 블루로부터 레드 광까지 높을 수도 있다.

도 7b는 볼륨 브래그 격자(예를 들면, 반사성 VBG)의 한 예의 각도 대역폭 및 표면 요철 격자(예를 들면, 투과성 SRG)의 한 예의 각도 대역폭을 예시한다. 수평 축은 격자에 입사되는 가시 광의 입사각을 나타내고, 수직 축은 회절 효율성에 대응한다. 곡선(715)에 의해 도시되는 바와 같이, 반사성 VBG의 회절 효율성은 좁은 각도 범위, 예컨대 완벽한 브래그 조건으로부터 약 ±2.5°로부터 격자에 입사하는 광에 대해 높다. 대조적으로, 투과성 SRG의 회절 효율성은, 곡선(725)에 의해 도시되는 바와 같이, 매우 넓은 각도 범위에서, 예컨대 약 ±10° 또는 그 이상보다 더 큰 각도 범위에서 높다.

브래그 조건에서의 높은 스펙트럼 선택도에 기인하여, VBG, 예컨대 반사성 VBG는 원색 사이의 크로스토크 없이 단일 도파관 설계를 허용할 수도 있고, 우수한 씨스루 품질을 나타낼 수도 있다. 그러나, 스펙트럼 및 각도 선택도는 더 낮은 효율성으로 이어질 수도 있는데, 그 이유는, 전체 FOV에서 디스플레이 광의 일부만이 회절되어 유저의 눈에 도달할 수도 있기 때문이다.

도 8a는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 도파관 디스플레이(800) 및 표면 요철 격자를 포함하는 광학적 씨스루 증강 현실 시스템의 한 예를 예시한다. 도파관 디스플레이(800)는, 기판(520)과 유사할 수도 있는 기판(810)(예를 들면, 도파관)을 포함할 수도 있다. 기판(810)은 가시 광에 대해 투명할 수도 있고, 예를 들면, 유리, 석영, 플라스틱, 폴리머, PMMA, 세라믹, Si₃N₄, 또는 크리스탈 기판을 포함할 수도 있다. 기판(810)은 편평한 기판 또는 굴곡된 기판일 수도 있다. 기판(810)은 제1 표면(812) 및 제2 표면(814)을 포함할 수도 있다. 디스플레이 광은 입력 커플러(820)에 의해 기판(810)에 커플링될 수도 있고, 내부 전반사를 통해 제1 표면(812) 및 제2 표면(814)에 의해 반사될 수도 있고, 그 결과, 디스플레이 광은 기판(810) 내에서 전파될 수도 있다. 입력 커플러(820)는 격자, 굴절성 커플러(예를 들면, 웨지 또는 프리즘), 또는 반사성 커플러(예를 들면, 기판(810)에 대해 경사각을 갖는 반사 표면)을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태에서, 입력 커플러(820)는 상이한 컬러의 디스플레이 광을 동일한 굴절 각도에서 기판(810) 안으로 커플링할 수도 있는 프리즘을 포함할 수도 있다. 다른 예에서, 입력 커플러(820)는 상이한 컬러의 광을 상이한 방향에서 기판(810) 안으로 회절시킬 수도 있는 격자 커플러를 포함할 수도 있다. 입력 커플러(820)는 가시 광에 대해 10 %, 20 %, 30 %, 50 %, 75 %, 90 %, 또는 그 이상보다 더 높은 커플링 효율성을 가질 수도 있다.

도파관 디스플레이(800)는, 아이박스(850)를 디스플레이 광으로 채우기 위해 입사 디스플레이 광 빔을 두 개의 차원에서 확장시키기 위한 기판(810)의 하나 또는 두 개의 표면(예를 들면, 제1 표면(812) 및 제2 표면(814)) 상에 배치되는 제1 출력 격자(830) 및 제2 출력 격자(840)를 또한 포함할 수도 있다. 제1 출력 격자(830)는 디스플레이 광 빔의 적어도 일부를 하나의 방향을 따라, 예컨대 대략 x 방향에서 확장하도록 구성될 수도 있다. 기판(810)에 커플링되는 디스플레이 광은 라인(832)에 의해 도시되는 방향에서 전파될 수도 있다. 디스플레이 광이 라인(832)에 의해 도시되는 방향을 따라 기판(810) 내에서 전파되는 동안, 기판(810) 내에서 전파되는 디스플레이 광이 제1 출력 격자(830)에 도달할 때마다, 라인(834)에 의해 도시되는 바와 같이, 디스플레이 광의 일부는 제1 출력 격자(830)의 영역에 의해 제2 출력 격자(840)를 향하여 회절될 수도 있다. 그 다음, 제2 출력 격자(840)는, 기판(810) 내에서 전파되는 디스플레이 광이 제2 출력 격자(840)에 도달할 때마다 디스플레이 광의 일부를 아이박스(850)로 회절시키는 것에 의해, 제1 출력 격자(830)로부터의 디스플레이 광을 상이한 방향에서(예를 들면, 대략 y 방향에서) 확장할 수도 있다.

도 8b는 이차원의 복제된 출사 동공을 포함하는 아이박스의 한 예를 예시한다. 도 8b는, 단일의 입력 동공(805)이 제1 출력 격자(830) 및 제2 출력 격자(840)에 의해 복제되어 개개의 출사 동공(862)의 이차원 어레이를 포함하는 집성된 출사 동공(860)을 형성할 수도 있다는 것을 도시한다. 예를 들면, 출사 동공은 제1 출력 격자(830)에 의해 대략 x 방향에서 그리고 제2 출력 격자(840)에 의해 대략 y 방향에서 복제될 수도 있다. 상기에서 설명되는 바와 같이, 개개의 출사 동공(862)으로부터 유래하며 그리고 동일한 방향에서 전파되는 출력 광은 유저의 눈의 망막의 동일한 위치 상으로 포커싱될 수도 있다. 따라서, 개개의 출사 동공(862)의 이차원 어레이의 출력 광으로부터 유저의 눈에 의해 단일의 이미지가 형성될 수도 있다.

도 9는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 격자 커플러를 갖는 도파관 디스플레이(900)의 한 예의 사시도이다. 도파관 디스플레이(900)는 도파관 디스플레이(800)의 한 예일 수도 있다. 도파관 디스플레이(900)는, 예를 들면, 레드 마이크로 LED의 어레이, 그린 마이크로 LED의 어레이, 및 블루 마이크로 LED의 어레이를 포함할 수도 있는 광원(910)을 포함할 수도 있다. 마이크로 LED의 각각의 어레이는 대응하는 컬러의 이미지를 생성할 수도 있고, 따라서 마이크로 LED의 세 개의 어레이는 컬러 이미지를 생성할 수도 있다. 도파관 디스플레이(900)는 격자 커플러가 상부에 형성된 또는 커플링된 기판(920)을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 도파관 디스플레이(900)는 세 개의 입력 격자(930)를 포함할 수도 있는데, 각각의 입력 격자(930)는 마이크로 LED의 대응하는 어레이에 의해 생성되는 단색 이미지의 디스플레이 광을 기판(920) 안으로 커플링하기 위해 사용될 수도 있다. 기판(920) 안으로 커플링되는 디스플레이 광은 기판(920)의 표면에서 내부 전반사를 통해 기판(920) 내에서 전파될 수도 있고, 제1 방향을 따라 입력 동공을 복제할 수도 있는 제1 출력 격자(940)에 의해 제1 방향을 따라 다수의 위치에서 회절될 수도 있다. 제1 출력 격자(940)의 상이한 위치에서 회절되는 디스플레이 광은 제2 출력 격자(950)에 도달할 수도 있는데, 제2 출력 격자(950)는, 상기에서 설명되는 바와 같이, 제2 방향을 따라 상이한 위치에서 디스플레이 광을 회절시켜 제2 방향을 따라 입력 동공을 복제할 수도 있다. 그 다음 회절된 광은 아이박스(960)를 향해 전파될 수도 있다.

도파관 디스플레이(900)에서, 입력 격자(930), 제1 출력 격자(940), 및 제2 출력 격자(950)는, 예를 들면, 기판(920)의 표면 상의, 예컨대 기판(920)의 두 개의 대향하는 넓은 표면 상의 상이한 위치에서 형성되는 SRG 격자를 포함할 수도 있다. 입력 격자(930), 제1 출력 격자(940), 및 제2 출력 격자(950)의 격자 벡터는 닫힌 삼각형을 형성할 수도 있다.

도 10은 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장, 분산 감소, 및 폼팩터 감소를 갖는 볼륨 브래그 격자 기반의 도파관 디스플레이(1000)의 한 예를 예시한다. 도파관 디스플레이(1000)는 제1 넓은 표면(1012) 및 제2 넓은 표면(1014)을 포함하는 기판(1010)을 포함할 수도 있다. 광원(예를 들면, LED)으로부터의 디스플레이 광은 입력 커플러(1020)에 의해 기판(1010) 안으로 커플링될 수도 있고, 내부 전반사를 통해 제1 넓은 표면(1012) 및 제2 넓은 표면(1014)에 의해 반사될 수도 있고, 그 결과, 디스플레이 광은 기판(1010) 내에서 전파될 수도 있다. 입력 커플러(1020)는 회절 커플러(예를 들면, 볼륨 홀로그래픽 격자)를 포함할 수도 있고 상이한 회절 각도에서 상이한 컬러의 디스플레이 광을 기판(1010) 안으로 커플링할 수도 있다.

도파관 디스플레이(1000)는 제1 넓은 표면(1012) 및/또는 제2 넓은 표면(1014) 상에서 형성되는 제1 출력 격자(1030) 및 제2 출력 격자(1040)를 또한 포함할 수도 있다. 예를 들면, 제1 출력 격자(1030) 및 제2 출력 격자(1040)는 기판(1010)의 동일한 넓은 표면 또는 두 개의 상이한 넓은 표면 상에서 형성될 수도 있다. 제2 출력 격자(1040)는 도파관 디스플레이의 씨스루 영역에서 형성될 수도 있고 z 방향에서 볼 때(예를 들면, +z 또는 -z 방향에서 제2 출력 격자(1040)로부터 약 18 mm의 거리에서) 아이박스(1050)와 중첩될 수도 있다. 제1 출력 격자(1030) 및 제2 출력 격자(1040)는 많은 VBG를 포함하는 다중화된 VBG 격자일 수도 있고, 입사하는 디스플레이 광 빔을 두 개의 차원에서 확장하기 위한 이중 축 동공 확장을 위해 사용되어 아이박스(1050)를 디스플레이 광으로 채울 수도 있다. 제1 출력 격자(1030)는 투과 격자 또는 반사성 격자일 수도 있다. 제2 출력 격자(1040)는 제1 출력 격자(1030)와 적어도 부분적으로 중첩하기 위해 그리고 도파관 디스플레이(1000)의 폼팩터를 감소시키기 위해 투과 격자를 포함할 수도 있다.

또한, 도파관 디스플레이(1000)는 제1 넓은 표면(1012) 또는 제2 넓은 표면(1014) 상에서 형성되는 제3 격자(1060)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제3 격자(1060) 및 제1 출력 격자(1030)는 기판(1010)의 동일한 넓은 표면 상에 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제3 격자(1060) 및 제1 출력 격자(1030)는 동일한 격자 또는 동일한 격자 재료 층의 상이한 영역 내에 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제3 격자(1060)는 제1 출력 격자(1030)로부터 공간적으로 분리될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제3 격자(1060) 및 제1 출력 격자(1030)는 동일한 수의 노출에서 그리고 유사한 기록 조건 하에서 기록될 수도 있고(그러나 상이한 회절 효율성을 달성하기 위해 상이한 노출 지속 기간 동안 기록될 수도 있음), 그 결과 제3 출력 격자(1060)의 각각의 VBG는 제1 출력 격자(1030)의 각각의 VBG와 매칭할 수도 있다(예를 들면, x-y 평면에서 동일한 격자 벡터를 가지며 z 방향에서 동일한 및/또는 반대의 격자 벡터를 가짐). 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 제3 격자(1060)의 VBG 및 제1 출력 격자(1030)의 대응하는 VBG는 동일한 격자 주기 및 동일한 격자 경사각(따라서 동일한 격자 벡터), 및 동일한 두께를 가질 수도 있다. 하나의 실시형태에서, 제3 격자(1060) 및 제1 출력 격자(1030)는 약 20 ㎛의 두께를 가질 수도 있고 각각 약 40 회 이상의 노출을 통해 기록되는 약 40 개 이상의 VBG를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 제2 출력 격자(1040)는 약 20 ㎛ 이상의 두께를 가질 수도 있고, 약 50 회 이상의 노출을 통해 기록되는 약 50 개 이상의 VBG를 포함할 수도 있다.

입력 커플러(1020)는 광원으로부터의 디스플레이 광을 기판(1010) 안으로 커플링할 수도 있다. 디스플레이 광은 제3 격자(1060)에 직접적으로 도달할 수도 있거나 또는 제1 넓은 표면(1012) 및/또는 제2 넓은 표면(1014)에 의해 제3 격자(1060)로 반사될 수도 있는데, 여기서 디스플레이 광 빔의 사이즈는 입력 커플러(1020)에서의 사이즈보다 약간 더 클 수도 있다. 제3 격자(1060)의 각각의 VBG는 VBG의 브래그 조건을 대략적으로 충족하는 파장 범위 및 FOV 범위 내의 디스플레이 광의 일부를 제1 출력 격자(1030)로 회절시킬 수도 있다. 제3 격자(1060)의 VBG에 의해 회절되는 디스플레이 광이 내부 전반사를 통해 (예를 들면, 라인(1032)에 의해 도시되는 방향을 따라) 기판(1010) 내에서 전파되는 동안, 디스플레이 광의 일부는, 기판(1010) 내에서 전파되는 디스플레이 광이 제1 출력 격자(1030)에 도달할 때마다, 제1 출력 격자(1030)의 대응하는 VBG에 의해 제2 출력 격자(1040)를 향해 회절될 수도 있다. 제2 출력 격자(1040)는, 그 다음, 기판(1010) 내에서 전파되는 디스플레이 광이 제2 출력 격자(1040)에 도달할 때마다, 디스플레이 광의 일부를 아이박스(1050)로 회절시키는 것에 의해, 제1 출력 격자(1030)로부터의 디스플레이 광을 상이한 방향에서 확장할 수도 있다.

제3 격자(1060)의 각각의 VBG가 제1 출력 격자(1030)의 각각의 VBG와 매치하기 때문에(예를 들면, x-y 평면에서 동일한 격자 벡터를 가지며 z 방향에서 동일한 및/또는 반대의 격자 벡터를 가짐), 두 개의 매치하는 VBG는, 두 개의 매치하는 VBG에서 디스플레이 광의 반대의 전파 방향에 기인하여, 반대의 브래그 조건(예를 들면, +1차 회절 대 -1차 회절) 하에서 작동한다. 예를 들면, 도 10에서 도시되는 바와 같이, 제3 격자(1060)의 VBG는 디스플레이 광의 전파 방향을 하방 방향으로부터 우측 방향으로 변경할 수도 있고, 한편, 제1 출력 격자(1030)의 매치하는 VBG는 디스플레이 광의 전파 방향을 우측 방향으로부터 하방 방향으로 변경할 수도 있다. 따라서, 제1 출력 격자(1030)에 의해 야기되는 분산은 제3 격자(1060)에 의해 야기되는 분산과 반대일 수도 있고, 그에 의해, 전체 분산을 감소시킬 수도 있거나 또는 최소화할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 입력 커플러(1020)에 의해 야기되는 분산은 제2 출력 격자(1040)에 의해 야기되는 분산과 반대일 수도 있고, 그에 의해, 전체 분산을 감소시킬 수도 있거나 또는 최소화할 수도 있다.

제1 출력 격자(1030) 및 제2 출력 격자(1040)가 적은 수(예를 들면, 50 개 이하)의 VBG 및 노출을 가질 수도 있기 때문에, 제1 출력 격자(1030)도 또한 제2 출력 격자(1040)와 중첩되도록 씨스루 영역에 배치될 수도 있고, 따라서 도파관 디스플레이의 사이즈를 감소시킬 수도 있다. 주어진 씨스루 영역에서의 VBG 및 노출의 총 수는, 예를 들면, 100 미만일 수도 있다(예를 들면, 제1 출력 격자(1030)에서 약 40 이하 및 제2 출력 격자(1040)에서 50 이하). 따라서, 디스플레이 헤이즈가 낮을 수도 있다.

상기에서 설명되는 도파관 디스플레이의 예에서, 회절 광학 엘리먼트를 사용하여 구현되는 커플러는, 예를 들면, 소망되는 회절 차수에 대한 100 % 미만의 회절 효율성, 누설, 크로스토크, 편광 의존성, 각도 의존성, 파장 의존성, 및 등등에 기인하여 제한된 커플링 효율성을 가질 수도 있다. 예를 들면, SRG 커플러 또는 VBG 커플러를 사용하는 도파관 디스플레이에서, 입력 커플러에 의해 도파관 안으로 커플링되는 디스플레이 광은 입력 커플러로 다시 반사될 수도 있고 소망되지 않는 방향으로의 누설 광으로서 입력 커플러에 의해 적어도 부분적으로 회절될 수도 있다. 또한, SRG 및 VBG의 회절 효율성은 편광 의존적일 수도 있다. 예를 들면, VBG의 회절 효율성은 브루스터 각도의 또는 그 근처의 입사각을 갖는 p 편광된 광에 대해 제로에 가까울 수도 있다. 다른 예에서, 제1 선형 편광된 광(예를 들면, s 편광된 광)에 대한 SRG의 회절 효율성은 제2 선형 편광된 광(예를 들면, p 편광된 광)에 대한 SRG의 회절 효율성보다 더 높을 수도 있고, 따라서, 제1 선형 편광된 광에 대한 SRG의 더 높은 회절 효율성에 기인하여 제1 선형 편광된 광(예를 들면, s 편광된 광)에 대해 더 높은 누설이 있을 수도 있다.

도 11a는 도파관 디스플레이(1100)의 도파관(1110) 안으로 디스플레이 광을 커플링하기 위한 격자 커플러(1120)의 한 예를 예시한다. 격자 커플러(1120)는 유한한 빔 폭을 갖는 입사 광 빔(1105)을 수신하기 위한 유한한 영역을 가질 수도 있다. 도 11a는 입사 광 빔(1130)의 소망되는 광학 경로를 도시한다. 도파관(1110)의 최상부 표면(top surface; 1112) 상의 격자 커플러(1120)는 입사 광 빔(1130)을 소정의 회절 각도를 갖는 1차 회절 차수(1132)로 회절시킬 수도 있다. 1차 회절 차수(1132)는 도파관(1110)에서 전파될 수도 있고 도파관(1110)의 저부 표면(1114)에 도달할 수도 있다. 도파관(1110)의 저부 표면(1114)은 내부 전반사에 기인하여 광 빔(1134)에 의해 도시되는 바와 같이 모든 1차 회절 차수(1132)를 격자 커플러(1120)를 향해 다시 반사할 수도 있다. 광 빔(1134)은 광 빔(1136)에 의해 도시되는 바와 같이 도파관(1110)의 최상부 표면(1112)에서 완전히 반사되는 것이 바람직할 수도 있고, 그 결과 격자 커플러(1120)에 의해 도파관(1110) 안으로 커플링되는 모든 1차 회절 차수(1132)는, 그것이 출력 커플러에 도달할 때까지, 도파관(1110) 내에서 전파될 수도 있다.

도 11b는 도파관 디스플레이(1100)의 효율성을 감소시킬 수도 있는 격자 커플러(1120)에 의한 소망되지 않는 광 회절의 예를 예시한다. 예시되는 바와 같이, 입사 광 빔(1130)이 격자 커플러(1120)에 도달하는 경우, 그것은 격자 커플러(1120)에 의해 1차 회절 차수(1132) 및 다른 회절 차수(1140)(예를 들면, 0차, -1차 및 더 높은 차수)를 포함하는 다수의 회절 차수로 회절될 수도 있다. 반사된 광 빔(1134)이 도파관(1110)의 최상부 표면(1112)에 도달하는 경우, 그것은 광 빔(1142 및 1144)에 의해 도시되는 바와 같이 격자 커플러(1120)에 의해 더 높은 회절 차수(예를 들면, ±1, ±2, 및 등등)로 적어도 부분적으로 회절될 수도 있다. 따라서, (광 빔(1136)에 의해 도시되는) 반사된 부분의 전력은 입사 광 빔(1130) 또는 1차 회절 차수(1132)의 전력보다 훨씬 더 낮을 수도 있다.

도 12a는 도파관 디스플레이(1200)에서 격자 커플러(1220)의 한 예에 의한 s 편광된 광의 회절을 예시한다. 격자 커플러(1220)는 p 편광된 광보다 s 편광된 광에 대해 더 높은 회절 효율성을 가질 수도 있다. 상기에서 설명되는 바와 같이, s 편광된 입사 광 빔(1230)이 도파관(1210)의 최상부 표면(1212)에서 격자 커플러(1220)에 도달하는 경우, 그것은 격자 커플러(1220)에 의해 s 편광된 1차 회절 차수(1232) 및 다른 회절 차수를 포함하는 다수의 회절 차수로 회절될 수도 있는데, 여기서 s 편광된 입사 광 빔(1230)에 대한 1차 회절 효율성은 높을 수도 있다. s 편광된 1차 회절 차수(1232)는 저부 표면(1214)에서 s 편광된 반사 광 빔(1234)으로 반사될 수도 있다. s 편광된 반사된 광 빔(1234)이 도파관(1210)의 최상부 표면(1212)에 도달하는 경우, s 편광된 반사된 광 빔(1234)의 대부분은 격자 커플러(1220)에 의해 도파관(1210) 밖으로 회절될 수도 있고, s 편광된 반사된 광 빔(1234)의 작은 부분만이 회절되지 않을 수도 있고 최상부 표면(1212)에서 반사될 수도 있다. 따라서, (광 빔(1236)에 의해 도시되는) 반사된 부분의 전력은 s 편광된 1차 회절 차수(1232)의 전력보다 훨씬 더 낮을 수도 있다.

도 12b는 도파관 디스플레이(1200)에서 격자 커플러(1220)에 의한 p 편광된 광의 회절을 예시한다. 상기에서 설명되는 바와 같이, 격자 커플러(1220)는 p 편광된 광보다는 s 편광된 광에 대해서 더 높은 회절 효율성을 가질 수도 있다. p 편광된 입사 광 빔(1240)이 도파관(1210)의 최상부 표면(1212)에서 격자 커플러(1220)에 도달하는 경우, 그것은 격자 커플러(1220)에 의해 p 편광된 광 1차 회절 차수(1242) 및 다른 회절 차수를 포함하는 다수의 회절 차수로 회절될 수도 있는데, 여기서 p 편광된 입사 광 빔(1240)에 대한 1차 회절 효율성은 상대적으로 낮을 수도 있다. p 편광된 1차 회절 차수(1242)는 저부 표면(1214)에서 p 편광된 반사된 광 빔(1244)으로 반사될 수도 있다. p 편광된 반사된 광 빔(1244)이 도파관(1210)의 최상부 표면(1212)에 도달하는 경우, p 편광된 반사된 광 빔(1244)의 작은 부분이 격자 커플러(1220)에 의해 도파관(1210) 밖으로 회절될 수도 있고, p 편광된 반사된 광 빔(1244)의 대부분은 회절되지 않을 수도 있고 최상부 표면(1212)에서 반사될 수도 있다. 따라서, (광 빔(1246)에 의해 도시되는) 반사된 부분의 전력은 p 편광된 1차 회절 차수(1242)의 전력보다 더 낮을 수도 있지만 그러나 그것에 근접할 수도 있다.

격자 커플러, 예컨대 격자 커플러(1120 및 1220)는 소망되는 경로에서 디스플레이 광의 전력을 최대화하도록 최적화될 수도 있다. 예를 들면, 격자 형상, 경사 각도, 격자 주기, 듀티 사이클, 격자 높이 또는 깊이, 굴절률, 굴절률 변조, 오버코팅 재료, 및 격자에 걸친 이들 격자 파라미터의 공간적 변동은 디스플레이 광을 소망되는 방향으로 지향시키는 효율성을 개선하도록 조정될 수도 있다. 이들 파라미터를 변경하는 것은, SRG 및 VBG의 고유의 특성에 기인하여, 격자 커플러의 효율성에 대해 약간의 그러나 제한된 개선을 제공할 수도 있다.

임의의 실시형태에 따르면, 전파 경로를 따라 디스플레이 광 빔의 편광 상태를 변경하는 것에 의해 도파관 디스플레이의 효율성이 개선될 수도 있다. 예를 들면, 위상 구조물은 도파관에 커플링될 수도 있고 도파관의 표면에서 반사되는 광의 편광 상태를 변경하기 위해 사용될 수도 있고, 그 결과, 반사된 광은, 편광 의존 격자 커플러에 도달하는 경우, 도파관 디스플레이의 전체 효율성을 개선하기 위해, 아이박스를 향하는 소망되는 방향에서 우선적으로 회절될 수도 있거나 또는 반사될 수도 있다.

도 13a는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하기 위한 위상 구조물(1322) 및 격자 커플러(1320)를 포함하는 도파관 디스플레이(1300)의 한 예를 예시한다. 격자 커플러(1320)는 p 편광된 광보다 s 편광된 광에 대해 더 높은 회절 효율성을 가질 수도 있다. s 편광된 입사 광 빔(1330)이 도파관(1310)의 최상부 표면(1312)에서 격자 커플러(1320)에 도달하는 경우, 그것은 격자 커플러(1320)에 의해 s 편광된 1차 회절 차수(1332) 및 다른 회절 차수를 포함하는 다수의 회절 차수로 회절될 수도 있는데, 여기서 s 편광된 입사 광 빔(1330)에 대한 1차 회절 효율성은 높을 수도 있다. s 편광된 1차 회절 차수(1332)는, 위상 구조물(1322)이 부착될 수도 있는 도파관(1310)의 저부 표면(1314)에 도달할 수도 있다. 저부 표면(1314) 및 위상 구조물(1322)은 s 편광된 1차 회절 차수(1332)를 반사할 수도 있고 s 편광된 1차 회절 차수(1332)를 p 편광된 반사된 광 빔(1334)으로 변환할 수도 있다. p 편광된 반사된 광 빔(1334)이 도파관(1310)의 최상부 표면(1312)에 도달하는 경우, p 편광된 반사된 광 빔(1338)의 작은 부분이 격자 커플러(1320)에 의해 도파관(1310) 밖으로 회절될 수도 있고, p 편광된 반사된 광 빔(1334)의 대부분은 회절되지 않을 수도 있고 최상부 표면(1312)에서 반사될 수도 있다. 따라서, (광 빔(1336)에 의해 도시되는) 반사된 부분의 전력은 s 편광된 1차 회절 차수(1232)의 전력보다 더 낮을 수도 있지만 그러나 그것에 근접할 수도 있다.

위상 구조물(1322)은, 광 빔의 두 개의 직교 선형 편광 성분(예를 들면, s 편광된 성분 및 p 편광된 성분) 사이에서 소망되는 위상 지연을 야기할 수 있는 임의의 복굴절 재료(예를 들면, 복굴절 결정, 액정, 또는 폴리머) 또는 구조물(예를 들면, 격자, 메타 격자(micro-structures), 마이크로 구조물, 나노 구조물, 또는 다른 서브파장 구조물)을 포함할 수도 있고, 그 결과, 입사 광 빔은 s 편광된, p 편광된, 원형 편광된, 또는 타원 편광된 빔으로 변경될 수도 있다. 위상 구조물은 도파관 디스플레이의 다양한 위치에서, 예컨대 입력 커플러 영역에서, 입력 커플러와 출력 커플러 사이에서, 출력 커플러 영역에서, 또는 임의의 조합에서 배치될 수도 있다.

도 13b는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하기 위한 위상 구조물(1360) 및 격자 커플러(1350 및 1370)를 포함하는 도파관 디스플레이(1302)의 한 예를 예시한다. 도 13b에서 도시되는 예에서, 도파관 디스플레이(1302)는 도파관으로서 기능할 수도 있는 기판(1340)을 포함한다. 격자 커플러(1350)는 기판(1340)의 최상부 표면 상에 있다. 위상 구조물(1360)은 기판(1340)의 저부 표면 상에 있고 기판(1340)과 격자 커플러(1370) 사이에 있다. 격자 커플러(1350 및 1370)는 상이한 컬러의 및/또는 시야 내의 상이한 영역으로부터의 디스플레이 광을, 유도 파(guided wave)로서 기판(1340) 안으로 회절시키기 위해 사용될 수도 있다.

위상 구조물(1360)은, 예를 들면, 1/4 파장판(quarter-wave plate; QWP)을 포함할 수도 있다. QWP의 빠른 축은 격자 융기부(grating ridge) 또는 격자 벡터와 관련하여 약 45° 각도에 있을 수도 있다. 따라서, 도 13b에서 예시되는 바와 같이, 격자 커플러(1350)에 의해 회절되는 s 편광된 광(1380)은, s 편광된 광(1380)이 위상 구조물(1360)을 통해 기판(1340)으로부터 위상 구조물(1360)과 격자 커플러(1370) 사이의 계면으로 전달될 때, QWP에 의해 좌측 원형 편광(left-handed circular polarization; LCP) 광으로 변환될 수도 있다. LCP 광은, 위상 구조물(1360)과 격자 커플러(1370) 사이의 계면 또는 격자 커플러(1370)와 공기 사이의 계면에서 반사될 때, 전파 방향에서의 변화 때문에 우측 원형 편광(right-handed circular polarization; RCP) 광이 될 수도 있다. 반사된 RCP 광은, 그 다음, 반사된 RCP 광이 위상 구조물(1360)을 통해 다시 기판(1340)으로 전달될 때, QWP에 의해 p 편광된 광으로 변환될 수도 있다. 그러한 만큼, 기판(1340) 안으로 커플링되는 s 편광된 광(1380)은, 그것이 격자 커플러(1350)에 도달될 때 p 편광될 수도 있는데, 격자 커플러(1350)는 p 편광된 광에 대해 낮은 회절 효율성을 가질 수도 있고, 따라서, 기판(1340) 안으로 커플링되는 광에 대해 더 낮은 손실을 가질 것이다.

도 13c는 임의의 실시형태에 따른 입사 광의 편광 상태를 변경하는 위상 구조물(362) 및 격자 커플러(1352 및 1372)를 포함하는 도파관 디스플레이(1304)의 한 예를 예시한다. 도 13c에서 도시되는 예에서, 도파관 디스플레이(1304)는 도파관으로서 기능할 수도 있는 기판(1342)을 포함한다. 격자 커플러(1352)는 기판(1342)의 최상부 표면 상에 있다. 격자 커플러(1372)는 기판(1342)의 저부 표면 상에 있고 기판(1342)과 위상 구조물(1362) 사이에 있다. 격자 커플러(1352 및 1372)는 상이한 컬러의 및/또는 시야 내의 상이한 영역으로부터의 디스플레이 광을, 유도 파로서 기판(1342) 안으로 회절시키기 위해 사용될 수도 있다.

위상 구조물(1362)은, 예를 들면, 파장판 또는 복굴절 서브파장 구조물(birefringent subwavelength structure)을 포함할 수도 있다. 도 13c에서 예시되는 바와 같이, 격자 커플러(1352)에 의해 회절되는 s 편광된 광(1382)은, s 편광된 광(1382)이 격자 커플러(1372) 및 위상 구조물(1362)을 통해 기판(1342)으로부터 위상 구조물(1362)의 저부 표면으로 전달될 때, 격자 커플러(1372) 및 위상 구조물(1362)에 의해 LCP 광으로 변환될 수도 있다. LCP 광은, 위상 구조물(1362)의 저부 표면에서 반사될 때, 전파 방향에서의 변화 때문에, RCP 광이 될 수도 있다. RCP 광은, 그 다음, RCP 광이 위상 구조물(1362) 및 격자 커플러(1372)를 통해 다시 기판(1342)으로 전달될 때, 위상 구조물(1362) 및 격자 커플러(1372)에 의해 p 편광된 광으로 변환될 수도 있다. 그러한 만큼, 기판(1342) 안으로 커플링되는 s 편광된 광(1382)은, 그것이 격자 커플러(1352)에 도달될 때 p 편광될 수도 있는데, 격자 커플러(1352)는 p 편광된 광에 대해 낮은 회절 효율성을 가질 수도 있고, 따라서, 기판(1342) 안으로 커플링되는 광에 대해 더 낮은 손실을 가질 것이다.

도 14a는 도파관 디스플레이(1400)에서 격자 커플러(1420)의 한 예에 의해 s 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다. 도 14a는 도파관(1410) 상의 격자 커플러(1420)가 s 편광된 입사 광 빔을 약 66 % 회절 효율성에서 도파관(1410) 안으로 회절시키는 것을 도시한다. 도파관(1410) 내의 s 편광된 광 빔은 도파관(1410)의 저부 표면에서 전반사되어 격자 커플러(1420)에 도달할 수도 있다. 반사된 s 편광된 광의 약 20 %가 격자 커플러(1420)에 의해 도파관(1410) 밖으로 회절될 수도 있고, 반사된 s 편광된 광의 약 1 %만이 도파관(1410)의 최상부 표면에서 반사될 수도 있고, 반사된 s 편광된 광의 다른 부분은 다른 회절 차수로 회절될 수도 있다. 따라서, 입사하는 s 편광된 빔의 약 66 %×1 % = 0.66 %만이 도파관(1410) 내에서 유도 광(guided light)이 될 수도 있다.

도 14b는 도파관 디스플레이(1400)에서 격자 커플러(1420)에 의해 p 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다. 도 14b는, 도파관(1410) 상의 격자 커플러(1420)가 p 편광된 입사 광 빔을 약 40 % 회절 효율성에서 도파관(1410) 안으로 회절시키는 것을 도시한다. 도파관(1410) 내의 p 편광된 광 빔은 도파관(1410)의 저부 표면에서 전반사되어 격자 커플러(1420)에 도달할 수도 있다. 반사된 p 편광된 광의 약 5 %가 격자 커플러(1420)에 의해 도파관(1410) 밖으로 회절될 수도 있고, 반사된 p 편광된 광의 약 15 %가 도파관(1410)의 최상부 표면에서 반사될 수도 있으며, 반사된 p 편광된 광의 다른 부분은 다른 회절 차수로 회절될 수도 있다. 따라서, 입사하는 p 편광된 빔의 약 40 %×15 % = 6 %가 도파관(1410) 내에서 유도 광이 될 수도 있다. 결과적으로, 평균적으로, 입사 광의 약 3.33 %가 도파관(1410) 내에서 유도 광이 되어 출력 커플러에 도달할 수도 있다.

도 14c는 임의의 실시형태에 따른 도파관 디스플레이(1402)에서 격자 커플러(1422) 및 위상 구조물(1430)의 한 예에 의해 s 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다. 도 14c는 도파관(1412) 상의 격자 커플러(1422)가 s 편광된 입사 광 빔을 약 66 % 회절 효율성에서 도파관(1412) 안으로 회절시키는 것을 도시한다. 도파관(1412) 내의 s 편광된 광 빔은 위상 구조물(1430)에 의해 p 편광된 광으로 변환될 수도 있고 도파관(1412)의 저부에서 전반사되어 격자 커플러(1422)에 도달할 수도 있다. 반사된 p 편광된 광의 약 15 %가 도파관(1412)의 최상부 표면에서 반사될 수도 있다. 따라서, 입사하는 s 편광된 빔의 약 66 %×15 % = 9.9 %가 도파관(1412) 내에서 p 편광된 광 유도 광이 될 수도 있다.

도 14d는 임의의 실시형태에 따른 도파관 디스플레이(1402)에서 격자 커플러(1422) 및 위상 구조물(1430)에 의해 p 편광된 광을 회절시키는 효율성을 예시한다. 도 14d는 도파관(1412) 상의 격자 커플러(1422)가 p 편광된 입사 광 빔을 약 40 % 회절 효율성에서 도파관(1412) 안으로 회절시키는 것을 도시한다. 도파관(1412) 내의 p 편광된 광 빔은 위상 구조물(1430)에 의해 s 편광된 광으로 변환될 수도 있고 도파관(1412)의 저부에서 전반사되어 격자 커플러(1422)에 도달할 수도 있다. 반사된 s 편광된 광의 약 1 %가 도파관(1412)의 최상부 표면에서 반사될 수도 있다. 따라서, 입사하는 p 편광된 빔의 약 40 %×1 % = 0.4 %가 도파관(1412) 내에서 s 편광된 유도 광이 될 수도 있다. 결과적으로, 평균적으로, 입사 광의 약 5.15 %가 도파관(1412) 내에서 유도 광이 되어 출력 커플러에 도달할 수도 있다.

도 15a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시하는 다이어그램(1500)을 포함한다. 시뮬레이션에서, 도 13b에서 도시되는 바와 같이, 입력 격자 커플러와 관련하여 상이한 두께 및 방위를 갖는 위상 구조물(예를 들면, 파장판)이 도파관과 저부 격자 커플러(예를 들면, 격자 커플러(1370)) 사이에서 배치된다. 각각의 위상 구조물 구성(예를 들면, 파장판의 두께 및 방위의 고유의 조합)에 대해, 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 평균 입력 커플링 효율성이 입력 격자 커플러(예를 들면, 입력 커플러(820), 입력 격자(930), 제3 격자(1060), 격자 커플러(1320), 또는 격자 커플러(1422)) 이후에 있는 그리고 제1 출력 격자 커플러(예를 들면, 제1 출력 격자(830), 제1 출력 격자(940), 또는 제1 출력 격자(1030)) 이전에 있는 광학적 경로의 위치에서 측정된다.

도 15a에서, 수평 축은 파장판의 두께(물리적 두께의 경우 ㎛ 단위 그리고 파장판 두께의 경우 파장 단위)에 대응하는데, 여기서 파장판은 약 0.601의 Δn을 특징으로 하는 복굴절을 갖는다. 파장판의 파장판 두께는 파장판의 물리적 두께(t), 복굴절(Δn), 및 t×Δn/λ에 따른 파장(λ)에 기초하여 결정될 수도 있다. 시뮬레이션에서, 파장판 두께는 0과 약 1파장 사이에서 변할 수도 있다. 수직 축은 각각의 위상 구조물 구성에 대한 평균 입력 커플링 효율성 및 위상 구조물의 사용 없이 측정되는 베이스라인 효율성과 관련한 평균 입력 커플링 효율성의 대응하는 변화에 대응한다. 도 15a의 각각의 곡선은 격자 융기부에 대한 파장판의 빠른 축의 소정의 방위에 대응하는데, 여기서 파장판의 빠른 축과 격자 융기부 사이의 각도는 약 0°에서부터 약 165°까지 변할 수도 있다.

도 15a는, 위상 구조물이 QWP(예를 들면, 약 0.5 ㎛의 물리적 두께를 가짐)이고 QWP의 빠른 축이 격자 융기부와 관련하여 약 45°에 있도록 배향될 때 최대 입력 커플링 효율성이 달성될 수도 있다는 것을 도시한다. 최대 입력 커플링 효율성은 베이스라인 효율성보다 약 11.5 % 더 높을 수도 있다.

도 15b는 시야(field of view) 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 도파관 디스플레이는 상기에서 설명되는 위상 구조물을 포함하지 않을 수도 있다. 도 15b는 입력 커플링 효율성이 시야 내의 상이한 영역에 대해 변할 수도 있다는 것을 도시한다. 시야에 대한 평균 입력 커플링 효율성은 약 26.5 %이다.

도 15c는 임의의 실시형태에 따른 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 격자 커플러 및 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 위상 구조물은 도 13b에서 도시되는 바와 같이 기판과 격자 커플러 사이에 있을 수도 있다. 위상 구조물은 약 0.484 파장의 파장판 두께 또는 약 0.4993 ㎛의 물리적 두께를 가질 수도 있다. 도 15c는 입력 커플링 효율성이 시야 내의 상이한 영역에 대해 변할 수도 있다는 것을 도시한다. 시야에 대한 평균 입력 커플링 효율성은 약 29.5 %이다.

도 15d는 임의의 실시형태에 따른 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도 15c의 도파관 디스플레이(예를 들면, 도파관 디스플레이(1302))의 예에 의한 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성 개선을 예시한다. 도 15d는 도 15c에서 도시되는 시야 내의 각각의 영역에 대한 입력 커플링 효율성을, 도 15b에서 도시되는 대응하는 영역에 대한 입력 커플링 효율성과 비교하는 것에 의해 생성될 수도 있다. 도 15d는, 위상 구조물(예를 들면, 격자 융기부와 관련하여 약 45°에서 배향되는 QWP)에서, 입력 커플링 효율성이 시야 내의 거의 모든 영역에 대해 개선될 수도 있다는 것을 도시한다. 최대 개선은 약 25.7 %이고, 전체 시야에 대한 평균 개선은 약 11.1 %이다.

도 16a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러 및 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시하는 다이어그램(1600)을 포함한다. 시뮬레이션에서, 입력 격자 커플러의 격자 융기부(또는 격자 벡터)와 관련하여 상이한 두께 및 방위를 갖는 위상 구조물(예를 들면, 파장판)은, 도 13c에서 도시되는 바와 같이, 도파관의 저부 표면 상의 저부 격자 커플러(예를 들면, 격자 커플러(1372))에 커플링된다. 각각의 위상 구조물 구성(예를 들면, 파장판의 두께 및 방위의 고유의 조합)에 대해, 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 평균 입력 커플링 효율성이 입력 격자 커플러(예를 들면, 입력 커플러(820), 입력 격자(930), 제3 격자(1060), 격자 커플러(1320), 또는 격자 커플러(1422)) 이후에 있는 그리고 제1 출력 격자 커플러(예를 들면, 제1 출력 격자(830), 제1 출력 격자(940), 또는 제1 출력 격자(1030)) 이전에 있는 광학적 경로 상의 위치에서 측정된다.

도 16a에서, 수평 축은 파장판의 두께(물리적 두께의 경우 ㎛ 단위 그리고 파장판 두께의 경우 파장 단위)에 대응하는데, 여기서 파장판은 약 0.952의 Δn을 특징으로 하는 복굴절을 갖는다. 파장판의 파장판 두께는 0과 약 1 파장 사이에서 변할 수도 있다. 수직 축은 각각의 위상 구조물 구성에 대한 평균 입력 커플링 효율성 및 위상 구조물의 사용 없이 측정되는 베이스라인 효율성과 관련한 평균 입력 커플링 효율성의 대응하는 변화에 대응한다. 도 16a의 각각의 곡선은 격자 융기부에 대한 파장판의 빠른 축의 소정의 방위에 대응하는데, 여기서 파장판의 빠른 축과 격자 융기부 사이의 각도는 약 0°에서부터 약 165°까지 변할 수도 있다.

도 16a는, 위상 구조물의 파장판 두께가 약 0.1 파장(예를 들면, 약 0.06 ㎛의 물리적 두께를 가짐)이고 위상 구조물의 빠른 축이 격자 융기부와 관련하여 약 165°에 있도록 배향될 때 최대 입력 커플링 효율성이 달성될 수도 있다는 것을 도시한다. 최대 입력 커플링 효율성은 베이스라인 효율성보다 약 11.8 % 더 높을 수도 있다. 최대 입력 커플링 효율성을 위한 위상 구조물의 파장판 두께는 약 1/4 파장 미만일 수도 있는데, 이것은 저부 격자 커플러(예를 들면, 격자 커플러(1372))의 편광 의존 특성에 의해 야기될 수도 있다.

도 16b는 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 도파관 디스플레이는 상기에서 설명되는 위상 구조물을 포함하지 않을 수도 있다. 도 16b는 입력 커플링 효율성이 시야 내의 상이한 영역에 대해 변할 수도 있다는 것을 도시한다. 시야에 대한 평균 입력 커플링 효율성은 약 26.5 %이다.

도 16c는 임의의 실시형태에 따른 시야 내 상이한 영역으로부터의 광에 대한 격자 커플러 및 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 위상 구조물은 도 13c에서 도시되는 바와 같이 기판 상의 격자 커플러에 커플링될 수도 있다. 위상 구조물은 약 0.1 파장의 파장판 두께 또는 약 0.06 ㎛의 물리적 두께를 가질 수도 있다. 도 16c는 입력 커플링 효율성이 시야 내의 상이한 영역에 대해 변할 수도 있다는 것을 도시한다. 시야에 대한 평균 입력 커플링 효율성은 약 29.6 %이다.

도 16d는 임의의 실시형태에 따른 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 도 16c의 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성 개선을 예시한다. 도 16d는 도 16c에서 도시되는 각각의 영역에 대한 입력 커플링 효율성을, 도 16b에서 도시되는 대응하는 영역에 대한 입력 커플링 효율성과 비교하는 것에 의해 생성될 수도 있다. 도 16d는, 위상 구조물(예를 들면, 격자 융기부와 관련하여 약 165°에서 배향되는 0.1 파장 파장판)에서, 입력 커플링 효율성이 시야 내의 거의 모든 영역에 대해 개선될 수도 있다는 것을 도시한다. 최대 개선은 약 30.5 %이고, 전체 시야에 대한 평균 개선은 약 11.6 %이다.

상기에서 설명되는 위상 구조물(예를 들면, 위상 구조물(1322, 1360, 1362, 또는 1430))은, 두 개의 직교하는 선형 편광 성분(예를 들면, s 편광된 광 및 p 편광된 광) 사이에서 소망되는 위상 지연을 야기할 수 있는 임의의 복굴절 재료(예를 들면, 복굴절 결정, 액정, 또는 폴리머) 또는 구조물(예를 들면, 격자, 메타 격자, 나노 구조물, 또는 다른 서브파장 구조물)을 포함할 수도 있고, 그 결과, 입사 광 빔은 s 편광된, p 편광된, 원형 편광된, 또는 타원 편광된 빔으로 변경될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 기판 및/또는 격자 커플러와 같은, 도파관 디스플레이의 인접한 컴포넌트와 위상 구조물 사이의 계면에서 (예를 들면, 소망되지 않는 프레넬 반사에 기인하는) 손실을 감소시키기 위해, 인접한 컴포넌트의 굴절률에 가까운 유효 굴절률을 갖는 위상 구조물을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 기판이 높은 굴절률(예를 들면, > 2.0, 예컨대 2.5)을 갖는 몇몇 실시형태에서, 매치하는 굴절률을 갖는 복굴절 재료를 찾는 것이 어려울 수도 있다. 그러한 경우에, 위상 지연 및 굴절률 매칭을 달성하기 위해, 격자 또는 다른 서브파장 구조물이 사용될 수도 있다.

도 17a는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러(1730) 및 격자 커플러(1730)와 기판(1710) 사이의 위상 구조물(1720)을 포함하는 도파관 디스플레이(1700)의 한 예를 예시한다. 위상 구조물(1720)은 기판(1710)에서 에칭되는 격자(1722)(또는 마이크로 구조물 또는 나노 구조물) 및 격자(1722) 상의 오버코트 층(1724)을 포함할 수도 있다. 격자(1722)는 파장 미만 피쳐(subwavelength feature)를 포함할 수도 있고, 소정의 파장 범위 및 입사각 범위에서 입사 광의 편광 상태를 변경할 수도 있다. 소정의 굴절률 변조를 갖는 격자를 형성하기 위해, 오버코트 층(1724)은 기판(1710)의 굴절률과는 상이한 굴절률을 가질 수도 있다.

도 17b는 임의의 실시형태에 따른 격자 커플러(1745) 및 격자 커플러(1745)와 기판(1715) 사이의 위상 구조물(1740)을 포함하는 도파관 디스플레이(1705)의 다른 예를 예시한다. 예시된 예에서, 위상 구조물(1740)은 고굴절률 재료를 포함하는 층(1725) 및 더 낮은 굴절률 재료를 포함하는 오버코트 층(1735)을 포함할 수도 있다. 층(1725)은 기판(1715)의 것보다 더 높은 굴절률을 가질 수도 있고 기판(1715) 상에 퇴적될 수도 있다. 격자 또는 다른 서브파장 구조물이 층(1725)에서 에칭될 수도 있고, 그 다음, 오버코트 층(1735)이 격자 또는 서브파장 구조물 상에서 형성될 수도 있다. 층(1725)에서 에칭되는 격자 또는 다른 서브파장 구조물은 입사 광의 편광 상태를 소정의 파장 범위 및 입사각 범위 내에서 변경할 수도 있다. 오버코트 층(1724)은 기판(1710)의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 가질 수도 있다. 따라서, 층(1725) 및 오버코트 층(1735)을 포함하는 위상 구조물(1740)의 유효 굴절률은, 기판(1715)의 굴절률과 위상 구조물(1740)의 유효 굴절률 사이의 차이가 약 0.35 미만, 약 0.2 미만, 약 0.1 미만, 또는 약 0.05 미만이 될 수도 있도록, 기판(1715)의 굴절률에 가까울 수도 있다. 따라서, 굴절률 불연속성에 기인하는 손실이 감소될 수도 있다. 격자 커플러(1745)는 오버코트 층(1735) 상에서 형성될 수도 있거나 또는 오버코트 층(1735)에 커플링될 수도 있다.

상기에서 설명되는 위상 구조물은, 개선된 시스템 효율성을 위해 광 빔의 편광 상태를 변경하는 것이 바람직할 수도 있는 또는 유익할 수도 있는 SRG 기반의 도파관 디스플레이의 다양한 위치에서 배치될 수도 있다. 예를 들면, 하나 이상의 위상 구조물은 입력 커플러 영역에서, 입력 커플러와 출력 커플러 사이에서, 출력 커플러 영역에서, 또는 임의의 조합에서 배치될 수 있다. 상이한 위치에 있는 하나 이상의 위상 구조물은 동일한 또는 상이한 구성 및 편광 특성, 예컨대 동일한 또는 상이한 파장판 두께를 가질 수 있다. 하나 이상의 위상 구조물은 s 편광된 광을 p 편광된 광 또는 원형 편광된 광으로 변환할 수도 있거나, p 편광된 광을 s 편광된 광 또는 원형 편광된 광으로 변환할 수도 있거나, 원형 편광된 광을 s 편광된 광 또는 p 편광된 광으로 변환할 수도 있거나, 또는 등등일 수도 있다.

상기에서 설명되는 위상 구조물은, 상기에서 설명되는 입력 격자에 의한 소망되지 않는 아웃커플링을 감소시키는 것과 같은, 볼륨 브래그 격자 기반의 도파관 디스플레이의 효율성을 향상시키기 위해 또한 사용될 수도 있다. 또한, VBG 기반의 도파관 디스플레이의 VBG는, 브래그 조건을 충족하는 특정한 입사각에서 그리고 특정한 파장의 광을 강하게 반사할 수도 있는 다중 층 반사기로서 기능할 수도 있다. p 편광된 광에 대한 VBG의 반사율은, 입사각이 브루스터 각도에서 또는 그 근처에 있을 때 매우 낮을 수도 있다. 따라서, 입사 광의 편광 상태를 변경하여 VBG에 의한 소망되는 회절을 증가시키는 것 또는 VBG에 의한 소망되지 않는 회절을 감소시키는 것이 또한 바람직할 수도 있다.

도 18a는 볼륨 브래그 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이(1800)의 한 예를 예시한다. 예시된 예에서, 도파관 디스플레이(1800)는 스페이서(1830)에 의해 분리되는 제1 어셈블리(1810) 및 제2 어셈블리(1820)를 포함할 수도 있다. 제1 어셈블리(1810)는 제1 기판(1812), 제2 기판(1816), 및 제1 기판(1812)과 제2 기판(1816) 사이의 하나 이상의 홀로그래픽 격자 층(1814)을 포함할 수도 있다. 홀로그래픽 격자 층(1814)은 다중화된 반사성 VBG, 투과성 VBG, 또는 둘 모두를 포함할 수도 있다. 유사하게, 제2 어셈블리(1820)는 제1 기판(1822), 제2 기판(1826), 및 제1 기판(1822)과 제2 기판(1826) 사이의 하나 이상의 홀로그래픽 격자 층(1824)을 포함할 수도 있다. 홀로그램 격자 층(1824)은 다중화된 반사성 VBG, 투과성 VBG, 또는 둘 모두를 포함할 수도 있다.

도 18b는 도파관 디스플레이의 어셈블리(1840)의 한 예를 예시한다. 어셈블리(1840)는 제1 어셈블리(1810) 또는 제2 어셈블리(1820)의 한 예일 수도 있고, 기판(1850) 내에서 또는 두 개의 기판 사이에서 VBG(1860)를 포함할 수도 있다. 예시되는 바와 같이, VBG(1860)는 브래그 조건을 충족하는 특정한 각도에서 그리고 특정한 파장의 광을 강하게 반사하는 다수의 반사기로서 기능할 수도 있다. VBG(1860)의 다수의 반사기의 경사각에 따라, 반사된 광은, VBG(1860)가 도 18b에서 도시되는 바와 같이 입사 광(1870)을 투과적으로 회절시킬 수도 있도록, VBG(1860)를 통과할 수도 있다. 투과적으로 회절된 광은 기판(1850)의 저부 표면(1852)에서 반사될 수도 있고 다시 VBG(1860)에 도달할 수도 있다. VBG(1860)는 광을 기판(1850) 밖으로 적어도 부분적으로 회절시킬 수도 있고, 따라서, 어셈블리(1840)의 입력 커플링 효율성을 감소시킬 수도 있다.

도 19a는 볼륨 브래그 격자 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이(1900)의 한 예를 예시한다. 도파관 디스플레이(1900)는 기판(1910) 내에서 또는 두 개의 기판 사이에서 VBG 층(1920)을 포함할 수도 있다. VBG 층(1920)은 입력 VBG(1922) 및 출력 VBG(1924)를 포함할 수도 있다. 예시된 예에서, 입력 VBG(1922)는 입사 광을 반사적으로 회절시킬 수도 있고, 따라서 반사성 VBG로서 기능할 수도 있다. 출력 VBG(1924)는 입력 VBG(1922)로부터의 광을 도파관 디스플레이(1900)의 아이박스를 향해 기판(1910) 밖으로 부분적으로 반사적으로 회절시킬 수도 있다.

도 19b는 기판(1940) 내에서 볼륨 브래그 격자(1950)를 포함하는 입력 커플러(1930)의 한 예를 예시한다. VBG(1950)는 입력 VBG(1922)의 한 예일 수도 있다. 예시되는 바와 같이, VBG(1950)는 브래그 조건을 충족하는 특정한 각도에서 그리고 특정한 파장의 광을 강하게 반사하는 다수의 반사기로서 기능할 수도 있다. VBG(1950)의 다수의 반사기의 경사각에 따라, 반사된 광은, VBG(1950)가 도 19b에서 도시되는 바와 같이 입사 광(1960)을 반사적으로 회절시킬 수도 있도록, VBG(1950)를 통과하지 않을 수도 있다. 반사적으로 회절된 광은 기판(1940)의 최상부 표면(1942)에서 반사될 수도 있고 다시 VBG(1950)에 도달할 수도 있다. VBG(1950)는 반사된 광을 기판(1940) 밖으로 적어도 부분적으로 회절시킬 수도 있고 따라서 입력 커플러(1930)의 입력 커플링 효율성을 감소시킬 수도 있다.

따라서, 투과성 VBG 및 반사성 VBG 둘 모두는 다중 층 반사기로서 기능할 수도 있다. 다수의 반사기 각각의 반사율은 입사 광의 편광 상태 및 입사각, 및 VBG의 기본 굴절률 및 굴절률 변조(Δn)에 의존할 수도 있다.

도 20a는 저굴절률 재료와 고굴절률 재료 사이의 계면에서 상이한 입사각을 갖는 s 편광되고 p 편광된 광의 반사 계수의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 제1 매질의 굴절률은 1.0이고, 제2 매질의 굴절률은 1.5이며, s 편광된 또는 p 편광된 광은 제1 매질로부터 두 매질 사이의 계면에 도달한다. 도 20a의 곡선(2010)은 상이한 입사각을 갖는 s 편광된 광에 대한 반사 계수를 나타낸다. 곡선(2020)은 상이한 입사각을 갖는 p 편광된 광에 대한 반사 계수를 나타낸다. 곡선(2020)은, 입사각이 브루스터 각도와 동일하거나 또는 브루스터 각도에 가까운 경우, p 편광된 광에 대한 반사 계수가 약 제로이거나 또는 제로에 가깝다는 것을 나타낸다. 따라서, 두 매질 사이의 계면에서의 반사율은 소정의 입사각으로부터의 p 편광된 광에 대해 매우 낮을 수 있다.

도 20b는 고굴절률 재료와 저굴절률 재료 사이의 계면에서 상이한 입사각을 갖는 s 편광 및 p 편광 광의 반사 계수의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 제1 매질의 굴절률은 1.5이고, 제2 매질의 굴절률은 1.0이며, s 편광된 또는 p 편광된 광은 제1 매질로부터 두 매질 사이의 계면에 도달한다. 도 20b의 곡선(2012)은 상이한 입사각을 갖는 s 편광된 광에 대한 반사 계수를 나타낸다. 곡선(2022)은 상이한 입사각을 갖는 p 편광된 광에 대한 반사 계수를 나타낸다. 곡선(2012 및 2022)에 의해 나타내어지는 바와 같이, 입사각이 임계각보다 더 큰 경우, 입사 광은 전반사될 수도 있다. 입사각이 임계각보다 더 작은 경우, 브루스터 각도에서 또는 브루스터 각도 근처에서 입사각을 갖는 p 편광된 광에 대한 반사 계수는 제로에 가까울 수도 있다. 따라서, 두 매질 사이의 계면에서의 반사율은 소정의 입사각으로부터의 p 편광된 광에 대해 매우 낮을 수 있다. 따라서, VBG 기반의 도파관 디스플레이에서, VBG 기반의 도파관 디스플레이의 높은 효율성을 달성하기 위해 입사 광을 우선적으로 회절시키도록 또는 투과시키도록 입사 광의 편광 상태를 변경하는 것이 바람직할 수도 있다.

도 21a는 임의의 실시형태에 따른 출사 동공 확장을 위한 볼륨 브래그 격자를 포함하는 광학적 씨스루 도파관 디스플레이(2100)의 한 예를 예시한다. 도파관 디스플레이(2100)는 상기에서 설명되는 도파관 디스플레이(1000)의 한 예일 수도 있다. 도파관 디스플레이(2100)는 하나 이상의 기판 안에 커플링되는 제1 격자(2110), 제2 격자(2120), 제3 격자(2130) 및 제4 격자(2140)를 포함할 수도 있다. 도 10과 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 디스플레이 광은 제1 격자(2110)에 의해 기판 안으로 커플링될 수도 있다. 제2 격자(2120)는 커플링된 디스플레이 광을 제3 격자(2130)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제3 격자(2130)는 입력 동공을 하나의 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 제4 격자(2140)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제4 격자(2140)는 입력 동공을 제2 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 아이박스(2150)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제1 격자(2110)와 제4 격자(2140)는 서로에 의해 야기되는 분산을 보상할 수도 있다. 유사하게, 제2 격자(2120) 및 제3 격자(2130)는 서로에 의해 야기되는 분산을 보상할 수도 있다. 넓은 시야 및 넓은 스펙트럼 범위를 달성하기 위해, 네 개의 격자의 격자 벡터는 정렬되지 않을 수도 있다. 그러한 만큼, 광 빔은 하나의 격자에 대해서는 s 편광된 광일 수도 있지만, 그러나 상이한 격자 벡터를 갖는 다른 격자에 대해서는 p 편광된 광일 수도 있다.

도 21b는 도파관 디스플레이(2105)의 한 예에서의 광 빔의 편광 상태의 한 예를 예시한다. 예시된 예에서, 제1 격자(2160) 및 제2 격자(2170)는 s 편광된 광에 대해서 높은 회절 효율성을 가질 수도 있지만, p 편광된 광에 대해서는 낮은 회절 효율성을 가질 수도 있다. 그러나, 제1 격자(2160) 및 제2 격자(2170)의 상이한 방위 및 격자 벡터에 기인하여, 제1 격자(2160)에 의해 회절되는 s 편광된 광은 제2 격자(2170)에 대해 p 편광될 수도 있다. 그러한 만큼, p 편광된 광의 작은 부분만이 제2 격자(2170)에 의해 회절될 수도 있다. 따라서, 도파관 디스플레이(2105)의 전체 효율성은 낮을 수도 있다.

도 22a는 임의의 실시형태에 따른 위상 구조물(2230) 및 VBG 커플러를 포함하는 도파관 디스플레이(2200)의 한 예의 단면도를 예시한다. 도파관 디스플레이(2200)는 도파관 디스플레이(1900)와 유사할 수도 있고 위상 구조물(2230)을 추가적으로 포함할 수도 있다. 예시되는 바와 같이, 도파관 디스플레이(2200)는 기판(2210) 내에서 또는 두 개의 기판 사이에서 VBG(2220 및 2222)를 포함할 수도 있다. VBG(2220)는 입사 디스플레이 광(예를 들면, s 편광된 광)을 기판(2210)의 최상부 표면(2212)을 향해 반사적으로 회절시킬 수도 있다. 최상부 표면(2212)은 디스플레이 광을 기판(2210)의 저부 표면(2214)을 향해 반사할 수도 있다. 기판(2210)의 저부 표면(2214)에서의 위상 구조물(2230)은 반사된 디스플레이 광을 수신할 수도 있고 디스플레이 광의 편광 상태를, 예를 들면, p 편광된 광으로 변경할 수도 있다. 디스플레이 광은 기판(2210)의 저부 표면(2214) 또는 위상 구조물(2230)의 저부 표면에서 반사될 수도 있다. 반사된 디스플레이 광은, VBG(2220)와 비교하여 VBG(2222)의 상이한 방위 및 상이한 격자 벡터에 기인하여, s 편광된 광으로서 VBG(2222) 상에 입사할 수도 있고, VBG(2222)에 의해 더 높은 회절 효율성에서 아이박스를 향해 기판(2210) 밖으로 회절될 수도 있다.

도 22b는 임의의 실시형태에 따른 VBG 및 위상 구조물(2290)을 포함하는 도파관 디스플레이(2202)의 한 예의 상면도를 예시한다. 도파관 디스플레이(2100)에서와 같이, 도파관 디스플레이(2202)는 하나 이상의 기판(2205)에 커플링되는 제1 격자(2240), 제2 격자(2250), 제3 격자(2260), 및 제4 격자(2270)를 포함할 수도 있다. 격자(2240-2270) 각각은 반사성 VBG 또는 투과성 VBG일 수도 있다. 도 10과 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 디스플레이 광은 제1 격자(2240)에 의해 기판(2205) 안으로 커플링될 수도 있다. 제2 격자(2250)는 커플링된 디스플레이 광을 제3 격자(2260)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제3 격자(2260)는 입력 동공을 하나의 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 제4 격자(2270)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제4 격자(2270)는 입력 동공을 제2 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 아이박스(2280)를 향해 지향시킬 수도 있다. 위상 구조물(2290)은 제1 격자(2240) 및/또는 제2 격자(2250)가 위치되는 영역에 있을 수도 있고, 기판(2205) 안으로 커플링되는 디스플레이 광의 편광 상태를, 예를 들면, p 편광된 광으로부터 s 편광된 광으로, 또는 s 편광된 광으로부터 p 편광된 광으로 변경하기 위해 사용될 수도 있다.

도 23a는 임의의 실시형태에 따른 볼륨 브래그 격자(2320 및 2322) 및 위상 구조물(2330 및 2332)을 포함하는 도파관 디스플레이(2300)의 한 예의 단면도를 예시한다. 예시되는 바와 같이, 도파관 디스플레이(2300)는 기판(2310) 내에서 또는 두 개의 기판 사이에서 VBG(2320 및 2322)를 포함할 수도 있다. VBG(2320)는 입사 디스플레이 광(예를 들면, s 편광된 광)을 기판(2310)의 최상부 표면을 향해 반사적으로 회절시킬 수도 있다. 위상 구조물(2332)은 기판(2310)의 최상부 표면에 커플링될 수도 있고, 입사 디스플레이 광의 편광 상태를 변경할 수도 있다. 기판(2310)의 최상부 표면 또는 위상 구조물(2332)은 디스플레이 광을 기판(2310)의 저부 표면을 향해 반사할 수도 있다. 기판(2310)의 저부 표면에서의 위상 구조물(2330)은 입사 디스플레이 광의 편광 상태를 변경할 수도 있다. 디스플레이 광은 기판(2310) 또는 위상 구조물(2330)의 저부 표면에서 반사될 수도 있다. 반사된 디스플레이 광은 VBG(2322) 상에 입사할 수도 있고, VBG(2322)에 의해 높은 회절 효율성에서 아이박스를 향해 기판(2310) 밖으로 회절될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 위상 구조물(2330 및 2332)은 기판(2310)의 최상부 및 저부 표면 상의 선택된 위치에서만 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물(2330) 또는 위상 구조물(2332) 중 어느 하나는 도파관 디스플레이에서 사용될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물(2330) 및 위상 구조물(2332) 둘 모두는 도파관 디스플레이에서 사용될 수도 있는데, 여기서 소망되는 위상 변화 또는 지연은 두 개의 위상 구조물의 조합에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들면, s 편광된 광을 p 편광된 광으로 변환하기 위해, 제1 위상 구조물이 s 편광된 광을 원형 편광된 광으로 변환할 수도 있고, 제2 위상 구조물이 원형 편광된 광을 p 편광된 광으로 변환할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 위상 구조물(2330) 또는 위상 구조물(2332)의 편광 변경 특성은 상이한 위치에서 변할 수도 있다.

도 23b는 임의의 실시형태에 따른 볼륨 브래그 격자 및 위상 구조물(2390)을 포함하는 도파관 디스플레이(2302)의 한 예의 상면도를 예시한다. 도파관 디스플레이(2302)는 하나 이상의 기판(2305)에 커플링되는 제1 격자(2340), 제2 격자(2350), 제3 격자(2360), 및 제4 격자(2370)를 포함할 수도 있다. 상기에서 설명되는 바와 같이, 디스플레이 광은 제1 격자(2340)에 의해 기판(2305) 안으로 커플링될 수도 있다. 제2 격자(2350)는 커플링된 디스플레이 광을 제3 격자(2360)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제3 격자(2360)는 입력 동공을 하나의 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 제4 격자(2370)를 향해 지향시킬 수도 있다. 제4 격자(2370)는 입력 동공을 제2 방향에서 복제할 수도 있고 디스플레이 광을 아이박스(2380)를 향해 지향시킬 수도 있다. 위상 구조물(2390)은 기판(2305)의 하나의 또는 두 개의 표면 상에 있을 수도 있고, 디스플레이 광의 편광 상태를, 예를 들면, p 편광된 광으로부터 s 편광된 광으로 또는 s 편광된 광으로부터 p 편광된 광으로 변경하기 위해 사용될 수도 있다. 위상 구조물(2390)은 격자(2340-2370)가 위치되는 도파관 디스플레이(2302)의 영역을 커버할 수도 있다.

도 24a는 임의의 실시형태에 따른 볼륨 브래그 격자 기반의 도파관 디스플레이(2400)의 한 예의 시뮬레이션 결과를 예시한다. 도파관 디스플레이(2400)는 도파관 디스플레이(2100)의 한 예일 수도 있다. 도 24a는 제1 격자(예를 들면, 제1 격자(2110))에 의해 도파관 안으로 커플링되고, 그 다음, 제2 격자(예를 들면, 제2 격자(2120))에 의해 출력 격자 쪽으로 지향되는 디스플레이 광 빔을 도시한다. 도파관 디스플레이(2400)의 입력 커플링 효율성은, 디스플레이 광이 제2 격자에 의해 회절된 이후에 그리고 디스플레이 광이 출력 격자에 도달하기 이전에 측정될 수도 있다.

도 24b는 임의의 실시형태에 따른 볼륨 브래그 격자 및 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이(2405)의 한 예의 시뮬레이션 결과를 예시한다. 도파관 디스플레이(2405)는 도파관 디스플레이(2202)의 한 예일 수도 있는데, 여기서 위상 구조물(예를 들면, 위상 구조물(2290))은, 제1 격자(예를 들면, 제1 격자(2240)) 및 제2 격자(예를 들면, 제2 격자(2250))가 위치되는 영역에서 위치될 수도 있다. 도 24b는 제1 격자에 의해 도파관 안으로 커플링되고, 그 다음, 제2 격자에 의해 출력 격자로 지향되는 디스플레이 광 빔을 도시한다. 도파관 디스플레이(2405)의 입력 커플링 효율성은, 디스플레이 광이 제2 격자에 의해 회절된 이후에 그리고 디스플레이 광이 출력 격자에 도달하기 이전에 측정될 수도 있다. 도 24b는 제2 격자 이후의 디스플레이 광 빔의 강도가 도 24a에서 도시되는 것보다 훨씬 더 높을 수도 있다는 것을 도시한다.

도 25는 임의의 실시형태에 따른 다양한 위상 구조물을 포함하는 도파관 디스플레이의 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 시뮬레이션을 위해 사용되는 도파관 디스플레이는 도 22b에서 도시되는 것과 같은 구성을 가질 수도 있다. 도파관 디스플레이의 입력 커플링 효율성은 디스플레이 광이 제2 격자(예를 들면, 제2 격자(2250))에 의해 회절된 이후에 그리고 디스플레이 광이 출력 격자(예를 들면, 제3 격자(2260))에 도달하기 이전에 측정될 수도 있다. 시뮬레이션에서, 제1 격자(예를 들면, 제1 격자(2240))와 관련하여 상이한 두께 및 방위를 갖는 위상 구조물(예를 들면, 파장판)은, 제1 격자 및 제2 격자가 도 22b에서 도시되는 바와 같이 위치되는 영역에서 배치된다. 각각의 위상 구조물 구성(예를 들면, 파장판의 두께 및 방위의 고유의 조합)에 대해, 시야 내의 상이한 영역으로부터의 광에 대한 평균 입력 커플링 효율성이 측정된다.

도 25에서, 수평 축은 파장판의 두께(물리적 두께의 경우 ㎛ 단위 그리고 파장판 두께의 경우 파장 단위)에 대응하는데, 여기서 파장판은 약 0.145의 Δn을 특징으로 하는 복굴절을 갖는다. 파장판의 파장판 두께는 0과 약 1 파장 사이에서 변할 수도 있다. 수직 축은 각각의 위상 구조물 구성에 대한 평균 입력 커플링 효율성 및 위상 구조물의 사용 없이 측정되는 베이스라인 효율성과 관련한 평균 입력 커플링 효율성의 대응하는 변화에 대응한다. 도 25의 각각의 곡선은 제1 격자의 격자 융기부와 관련한 위상 구조물의 빠른 축의 상이한 방위에 대응하는데, 여기서 파장판의 빠른 축과 격자 융기부 사이의 각도는 약 0°에서부터 약 170°까지 변할 수도 있다.

도 25는, 위상 구조물이 약 0.4 파장의 파장판 두께(예를 들면, 약 1.54 ㎛의 물리적 두께를 가짐)를 가지며 위상 구조물의 빠른 축이 격자 융기부와 관련하여 약 130°에 있도록 배향될 때 최대 입력 커플링 효율성이 달성될 수도 있다는 것을 도시한다. 최대 입력 커플링 효율성은 베이스라인 효율성보다 약 42 % 더 높을 수도 있다.

도 26a 내지 도 26c는, 각각, 시야의 상이한 영역으로부터의 그리고 레드, 그린 및 블루 컬러의 광에 대한 VBG 기반의 도파관 디스플레이(예를 들면, 도파관 디스플레이(2100))의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 도 26a는 위상 구조물이 없는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 레드 광에 대해 약 0.725 %이다는 것을 도시한다. 도 26b는 위상 구조물이 없는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 그린 광에 대해 약 0.62 %이다는 것을 도시한다. 도 26c는 위상 구조물이 없는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 블루 광에 대해 약 1.246 %이다는 것을 도시한다.

도 26d 내지 도 26f는, 각각, 시야 내 상이한 영역으로부터의 그리고 레드, 그린, 및 블루 컬러의 광에 대한 위상 구조물(예를 들면, 0차 위상판)을 포함하는 VBG 기반의 도파관 디스플레이(예를 들면, 도파관 디스플레이(2202))의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 도 26d는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 레드 광에 대해 약 0.996 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26a에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 37 % 더 높다. 도 26e는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 그린 광에 대해 약 0.871 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26b에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 40 % 더 높다. 도 26f는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 블루 광에 대해 약 1.486 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26c에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 40 % 더 높다.

도 26g 내지 도 26i는, 각각, 시야 내 상이한 영역으로부터의 그리고 레드, 그린, 및 블루 컬러의 광에 대한 위상 구조물(예를 들면, 무색 위상판(achromatic phase plate))을 포함하는 VBG 기반의 도파관 디스플레이(예를 들면, 도파관 디스플레이(2202))의 한 예의 시뮬레이팅된 입력 커플링 효율성을 예시한다. 도 26g는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 레드 광에 대해 약 1.022 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26a에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 41 % 더 높다. 도 26h는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 그린 광에 대해 약 0.871 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26b에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 40 % 더 높다. 도 26i는, 위상 구조물을 갖는 VBG 기반의 도파관 디스플레이의 평균 입력 커플링 효율성이 블루 광에 대해 약 1.623 %이다는 것을 도시하는데, 이것은 도 26c에서 도시되는 베이스라인 결과보다 약 30 % 더 높다.

상기에서 설명되는 위상 구조물(예를 들면, 위상 구조물(2230, 2290, 2330, 2332, 또는 2390))은, 두 개의 직교하는 선형 편광 성분(예를 들면, s 편광된 광 및 p 편광된 광) 사이에서 소망되는 위상 지연을 야기할 수 있는 임의의 복굴절 재료(예를 들면, 복굴절 결정, 액정, 또는 폴리머) 또는 구조물(예를 들면, 격자, 메타 격자, 나노 구조물, 또는 다른 서브파장 구조물)을 포함할 수도 있고, 그 결과, 입사 광 빔은 s 편광된, p 편광된, 원형 편광된, 또는 타원 편광된 빔으로 변경될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 기판과 같은, 도파관 디스플레이의 인접한 컴포넌트와 위상 구조물 사이의 계면에서 (예를 들면, 소망되지 않는 프레넬 반사에 기인하는) 손실을 감소시키기 위해, 인접한 컴포넌트의 굴절률에 가까운 유효 굴절률을 갖는 위상 구조물을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 기판이 높은 굴절률(예를 들면, > 2.0, 예컨대 2.5)을 갖는 몇몇 실시형태에서, 매치하는 굴절률을 갖는 복굴절 재료를 찾는 것이 어려울 수도 있다. 그러한 경우에, 예를 들면, 도 17a 및 도 17b와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이 위상 지연, 편광 변환, 및 굴절률 매칭을 달성하기 위해 격자 또는 다른 서브파장 구조물이 사용될 수도 있고, 그 결과, 기판의 굴절률과 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 약 0.35 미만, 약 0.2 미만, 약 0.1 미만, 또는 약 0.05 미만일 수도 있다.

본 발명의 실시형태는 인공 현실 시스템의 컴포넌트를 구현하기 위해 사용될 수도 있거나 또는 인공 현실 시스템과 연계하여 구현될 수도 있다. 인공 현실은, 유저에 대한 제시 이전에 어떤 방식으로 조정된 현실의 한 형태인데, 이것은, 예를 들면, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 몇몇 조합 및/또는 이들의 파생물을 포함할 수도 있다. 인공 현실 콘텐츠는 완전히 생성된 콘텐츠 또는 캡쳐된(예를 들면, 현실 세계) 콘텐츠와 결합되는 생성된 콘텐츠를 포함할 수도 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 햅틱 피드백, 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수도 있으며, 이들 중 임의의 것은 단일의 채널에서 또는 다수의 채널에서(예컨대, 뷰어에 대한 삼차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오) 제시될 수도 있다. 추가적으로, 몇몇 실시형태에서, 인공 현실은 또한, 예를 들면, 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하기 위해 사용되는 및/또는 다르게는 인공 현실에서 사용되는(예를 들면, 인공 현실에서 활동을 수행하는) 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스, 또는 이들의 어떤 조합과 관련될 수도 있다. 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템에 연결되는 헤드 마운트형 디스플레이(HMD), 독립형 HMD, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 한 명 이상의 뷰어에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 비롯한, 다양한 플랫폼 상에서 구현될 수도 있다.

도 27은 본원에서 개시되는 예 중 일부를 구현하기 위한 예시적인 근안 디스플레이(예를 들면, HMD 디바이스)의 전자 시스템(2700)의 한 예의 단순화된 블록 다이어그램이다. 전자 시스템(2700)은 상기에서 설명되는 HMD 디바이스 또는 다른 근안 디스플레이의 전자 시스템으로서 사용될 수도 있다. 이 예에서, 전자 시스템(2700)은 하나 이상의 프로세서(들)(2710) 및 메모리(2720)를 포함할 수도 있다. 프로세서(들)(2710)는 다수의 컴포넌트에서 동작을 수행하기 위한 명령어를 실행하도록 구성될 수도 있고, 예를 들면, 휴대용 전자 디바이스 내에서의 구현에 적절한 범용 프로세서 또는 마이크로프로세서일 수 있다. 프로세서(들)(2710)는 전자 시스템(2700) 내의 복수의 컴포넌트와 통신 가능하게 커플링될 수도 있다. 이 통신 커플링을 실현하기 위해, 프로세서(들)(2710)는 버스(2740)를 통해 다른 예시된 컴포넌트와 통신할 수도 있다. 버스(2740)는 전자 시스템(2700) 내에서 데이터를 전송하도록 적응되는 임의의 서브시스템일 수도 있다. 버스(2740)는 데이터를 전송하기 위한 복수의 컴퓨터 버스 및 추가적인 회로부(circuitry)를 포함할 수도 있다.

메모리(2720)는 프로세서(들)(2710)에 커플링될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 메모리(2720)는 단기(short-term) 및 장기(long-term) 저장 둘 모두를 제공할 수도 있고 여러 유닛으로 분할될 수도 있다. 메모리(2720)는, 정적 랜덤 액세스 메모리(static random access memory; SRAM) 및/또는 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory; DRAM)와 같은 휘발성일 수도 있고 및/또는 리드 온리 메모리(read-only memory; ROM), 플래시 메모리, 및 등등과 같은 불휘발성일 수도 있다. 더구나, 메모리(2720)는 착탈식 스토리지 디바이스, 예컨대 시큐어 디지털(secure digital; SD) 카드를 포함할 수도 있다. 메모리(2720)는 전자 시스템(2700)을 위한 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 및 다른 데이터의 저장을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 메모리(2720)는 상이한 하드웨어 모듈로 분산될 수도 있다. 명령어 및/또는 코드의 세트가 메모리(2720)에 저장될 수도 있다. 명령어는 전자 시스템(2700)에 의해 실행 가능할 수도 있는 실행 가능 코드의 형태를 취할 수도 있고, 및/또는 소스 및/또는 설치 가능한 코드의 형태를 취할 수도 있는데, 이들은, (예를 들면, 다양한 일반적으로 이용 가능한 컴파일러, 설치 프로그램, 압축/압축 해제 유틸리티, 등등 중 임의의 것을 사용한) 전자 시스템(2700) 상에서의 컴파일 및/또는 설치시, 실행 가능 코드의 형태를 취할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 메모리(2720)는, 임의의 수의 애플리케이션을 포함할 수도 있는 복수의 애플리케이션 모듈(2722 내지 2724)을 저장할 수도 있다. 애플리케이션의 예는 게임 애플리케이션, 회의 애플리케이션, 비디오 재생 애플리케이션, 또는 다른 적절한 애플리케이션을 포함할 수도 있다. 애플리케이션은 깊이 감지 기능 또는 눈 추적 기능을 포함할 수도 있다. 애플리케이션 모듈(2722-2724)은 프로세서(들)(2710)에 의해 실행될 특정한 명령어를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 소정의 애플리케이션 또는 애플리케이션 모듈(2722-2724)의 일부는 다른 하드웨어 모듈(2780)에 의해 실행 가능할 수도 있다. 임의의 실시형태에서, 메모리(2720)는 보안 메모리(secure memory)를 추가적으로 포함할 수도 있는데, 이것은 보안 정보의 복사 또는 그에 대한 다른 무단 액세스를 방지하기 위한 추가적인 보안 제어를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 메모리(2720)는 그 안에서 로딩되는 오퍼레이팅 시스템(2725)을 포함할 수도 있다. 오퍼레이팅 시스템(2725)은 애플리케이션 모듈(2722-2724)에 의해 제공되는 명령어의 실행을 개시하도록 및/또는 다른 하드웨어 모듈(2780)뿐만 아니라 하나 이상의 무선 트랜스시버를 포함할 수도 있는 무선 통신 서브시스템(2730)과의 인터페이스를 관리하도록 동작 가능할 수도 있다. 오퍼레이팅 시스템(2725)은, 스레딩, 리소스 관리, 데이터 저장 제어 및 다른 유사한 기능성을 포함하는 다른 동작을 전자 시스템(2700)의 컴포넌트에 걸쳐 수행하도록 적응될 수도 있다.

무선 통신 서브시스템(2730)은, 예를 들면, 적외선 통신 디바이스, 무선 통신 디바이스 및/또는 칩셋(예컨대, Bluetooth® 디바이스, IEEE 802.11 디바이스, 와이파이(Wi-Fi) 디바이스, 와이맥스(WiMax) 디바이스, 셀룰러 통신 설비, 등등), 및/또는 유사한 통신 인터페이스를 포함할 수도 있다. 전자 시스템(2700)은 무선 통신을 위한 하나 이상의 안테나(2734)를 무선 통신 서브시스템(2730)의 일부로서 또는 시스템의 임의의 부분에 커플링되는 별개의 컴포넌트로서 포함할 수도 있다. 소망되는 기능성에 따라, 무선 통신 서브시스템(2730)은 기지국 트랜스시버 및 다른 무선 디바이스 및 액세스 포인트와 통신하기 위해 별개의 트랜스시버를 포함할 수도 있는데, 이것은 상이한 데이터 네트워크 및/또는 네트워크 타입, 예컨대 무선 광역 네트워크(wireless wide-area network; WWAN), 무선 근거리 통신망(wireless local area network; WLAN), 또는 무선 개인 영역 네트워크(wireless personal area network; WPAN)와 통신하는 것을 포함할 수도 있다. WWAN은, 예를 들면, WiMax(IEEE 802.16) 네트워크일 수도 있다. WLAN은, 예를 들면, IEEE 802.11x 네트워크일 수도 있다. WPAN은, 예를 들면, 블루투스(Bluetooth) 네트워크, IEEE 802.15x, 또는 몇몇 다른 타입의 네트워크일 수도 있다. 본원에서 설명되는 기술은 WWAN, WLAN, 및/또는 WPAN의 임의의 조합을 위해 또한 사용될 수도 있다. 무선 통신 서브시스템(2730)은 데이터가 네트워크, 다른 컴퓨터 시스템, 및/또는 본원에서 설명되는 임의의 다른 디바이스와 교환되는 것을 허용할 수도 있다. 무선 통신 서브시스템(2730)은, 안테나(들)(2734) 및 무선 링크(들)(2732)를 사용하여, 데이터, 예컨대 HMD 디바이스의 식별자, 포지션 데이터, 지리 맵, 히트 맵, 사진, 또는 비디오를 송신 또는 수신하기 위한 수단을 포함할 수도 있다. 무선 통신 서브시스템(2730), 프로세서(들)(2710), 및 메모리(2720)는 본원에서 개시되는 일부 기능을 수행하기 위한 수단 중 하나 이상의 수단의 적어도 일부를 함께 포함할 수도 있다.

전자 시스템(2700)의 실시형태는 하나 이상의 센서(2790)를 또한 포함할 수도 있다. 센서(들)(2790)는, 예를 들면, 이미지 센서, 가속도계, 압력 센서, 온도 센서, 근접 센서, 자력계, 자이로스코프, 관성 센서(예를 들면, 가속도계 및 자이로스코프를 결합하는 모듈), 주변 광 센서, 또는 감각 출력을 제공하도록 및/또는 감각 입력을 수신하도록 동작 가능한 임의의 다른 모듈, 예컨대 깊이 센서 또는 포지션 센서를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 구현예에서, 센서(들)(2790)는 하나 이상의 관성 측정 유닛(IMU) 및/또는 하나 이상의 포지션 센서를 포함할 수도 있다. IMU는, 포지션 센서 중 하나 이상으로부터 수신되는 측정 신호에 기초하여, HMD 디바이스의 초기 포지션을 기준으로 하는 HMD 디바이스의 추정된 포지션을 나타내는 캘리브레이션 데이터를 생성할 수도 있다. 포지션 센서는 HMD 디바이스의 움직임에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성할 수도 있다. 포지션 센서의 예는, 하나 이상의 가속도계, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 움직임을 검출하는 다른 적절한 타입의 센서, IMU의 에러 정정을 위해 사용되는 타입의 센서, 또는 이들의 어떤 조합을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 포지션 센서는 IMU 외부에, IMU 내부에, 또는 이들의 어떤 조합에 위치될 수도 있다. 적어도 일부 센서는 감지를 위해 구조화된 광 패턴을 사용할 수도 있다.

전자 시스템(2700)은 디스플레이 모듈(2760)을 포함할 수도 있다. 디스플레이 모듈(2760)은 근안 디스플레이일 수도 있고, 전자 시스템(2700)으로부터 유저에게 정보, 예컨대 이미지, 비디오, 및 다양한 명령어를 그래픽적으로 제시할 수도 있다. 그러한 정보는 하나 이상의 애플리케이션 모듈(2722-2724), 가상 현실 엔진(2726), 하나 이상의 다른 하드웨어 모듈(2780), 이들의 조합, 또는 (예를 들면, 오퍼레이팅 시스템(2725)에 의해) 유저에 대한 그래픽 콘텐츠를 해결하기 위한 임의의 다른 적절한 수단으로부터 유도될 수도 있다. 디스플레이 모듈(2760)은 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD) 기술, 발광 다이오드(light-emitting diode; LED) 기술(예를 들면, OLED, ILED, μLED, AMOLED, TOLED, 등등을 포함함), 발광 폴리머 디스플레이(light emitting polymer display; LPD) 기술, 또는 어떤 다른 디스플레이 기술을 사용할 수도 있다.

전자 시스템(2700)은 유저 입/출력 모듈(2770)을 포함할 수도 있다. 유저 입/출력 모듈(2770)은 유저가 액션 요청을 전자 시스템(2700)으로 전송하는 것을 허용할 수도 있다. 액션 요청은 특정한 액션을 수행하려는 요청일 수도 있다. 예를 들면, 액션 요청은 애플리케이션을 시작하는 것 또는 종료하는 것일 수도 있거나 또는 애플리케이션 내에서 특정한 액션을 수행하는 것일 수도 있다. 유저 입/출력 모듈(2770)은 하나 이상의 입력 디바이스를 포함할 수도 있다. 예시적인 입력 디바이스는 터치스크린, 터치 패드, 마이크(들), 버튼(들), 다이얼(들), 스위치(들), 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러, 또는 액션 요청을 수신하기 위한 그리고 수신된 액션 요청을 전자 시스템(2700)으로 전달하기 위한 임의의 다른 적절한 디바이스를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 유저 입/출력 모듈(2770)은 전자 시스템(2700)으로부터 수신되는 명령어에 따라 햅틱 피드백을 유저에게 제공할 수도 있다. 예를 들면, 햅틱 피드백은 액션 요청이 수신되는 경우 또는 액션 요청이 수행된 경우 제공될 수도 있다.

전자 시스템(2700)은, 예를 들면, 유저의 눈 포지션을 추적하기 위한, 유저의 사진 또는 비디오를 촬영하기 위해 사용될 수도 있는 카메라(2750)를 포함할 수도 있다. 카메라(2750)는, 예를 들면, VR, AR 또는 MR 애플리케이션을 위해, 환경의 사진 또는 비디오를 촬영하기 위해 또한 사용될 수도 있다. 카메라(2750)는, 예를 들면, 수백만 또는 수천만 개의 픽셀을 갖는 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 이미지 센서를 포함할 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 카메라(2750)는 3D 이미지를 캡쳐하기 위해 사용할 수도 있는 두 개 이상의 카메라를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 전자 시스템(2700)은 복수의 다른 하드웨어 모듈(2780)을 포함할 수도 있다. 다른 하드웨어 모듈(2780) 각각은 전자 시스템(2700) 내의 물리적 모듈일 수도 있다. 다른 하드웨어 모듈(2780) 각각이 구조물로서 영구적으로 구성될 수도 있지만, 다른 하드웨어 모듈(2780) 중 일부는 특정한 기능을 수행하도록 일시적으로 구성될 수도 있거나 또는 일시적으로 활성화될 수도 있다. 다른 하드웨어 모듈(2780)의 예는, 예를 들면, 오디오 출력 및/또는 입력 모듈(예를 들면, 마이크 또는 스피커), 근접장 통신(near field communication; NFC) 모듈, 재충전 가능 배터리, 배터리 관리 시스템, 유선/무선 배터리 충전 시스템, 등등을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 다른 하드웨어 모듈(2780)의 하나 이상의 기능은 소프트웨어로 구현될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 전자 시스템(2700)의 메모리(2720)는 가상 현실 엔진(2726)을 또한 저장할 수도 있다. 가상 현실 엔진(2726)은 전자 시스템(2700) 내에서 애플리케이션을 실행할 수도 있고, HMD 디바이스의 포지션 정보, 가속도 정보, 속도 정보, 예측된 미래의 포지션, 또는 이들의 어떤 조합을 다양한 센서로부터 수신할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 가상 현실 엔진(2726)에 의해 수신되는 정보는 디스플레이 모듈(2760)에 대한 신호(예를 들면, 디스플레이 명령어)를 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 유저가 좌측을 보았다는 것을 수신된 정보가 나타내는 경우, 가상 현실 엔진(2726)은 가상 환경에서의 유저의 움직임을 미러링하는 HMD 디바이스에 대한 콘텐츠를 생성할 수도 있다. 추가적으로, 가상 현실 엔진(2726)은, 유저 입/출력 모듈(2770)로부터 수신되는 액션 요청에 응답하여, 애플리케이션 내에서 액션을 수행할 수도 있고 유저에게 피드백을 제공할 수도 있다. 제공되는 피드백은 시각적, 청각적, 또는 햅틱 피드백일 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 프로세서(들)(2710)는 가상 현실 엔진(2726)을 실행할 수도 있는 하나 이상의 GPU를 포함할 수도 있다.

다양한 구현예에서, 상기에서 설명된 하드웨어 및 모듈은, 유선 또는 무선 연결을 사용하여 서로 통신할 수 있는 다수의 디바이스 상에서 또는 단일의 디바이스 상에서 구현될 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 구현예에서, 일부 컴포넌트 또는 모듈, 예컨대 GPU, 가상 현실 엔진(2726), 및 애플리케이션(예를 들면, 추적 애플리케이션)은 머리 장착형 디스플레이 디바이스와는 별개의 콘솔 상에서 구현될 수도 있다. 몇몇 구현예에서, 하나의 콘솔이 하나보다 더 많은 HMD에 연결될 수도 있거나 또는 그 하나보다 더 많은 HMD를 지원할 수도 있다.

대안적인 구성에서, 상이한 및/또는 추가적인 컴포넌트가 전자 시스템(2700)에 포함될 수도 있다. 유사하게, 컴포넌트 중 하나 이상의 컴포넌트의 기능성이 상기에서 설명되는 방식과는 상이한 방식으로 컴포넌트 사이에서 분산될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 전자 시스템(2700)은 다른 시스템 환경, 예컨대 AR 시스템 환경 및/또는 MR 환경을 포함하도록 수정될 수도 있다.

상기에서 논의되는 방법, 시스템, 및 디바이스는 예이다. 다양한 실시형태는 다양한 프로시져 또는 컴포넌트를, 적절히, 생략, 대체, 또는 추가할 수도 있다. 예를 들면, 대안적인 구성에서, 설명되는 방법은 설명되는 것과는 상이한 순서로 수행될 수도 있고, 및/또는 다양한 스테이지가 추가, 생략, 및/또는 조합될 수도 있다. 또한, 임의의 실시형태와 관련하여 설명되는 피쳐는 다양한 다른 실시형태에서 조합될 수도 있다. 실시형태의 상이한 양태 및 엘리먼트는 유사한 방식으로 조합될 수도 있다. 또한, 기술이 진화하고, 따라서, 엘리먼트 중 많은 것은, 본 개시의 범위를 그들 특정한 예로 제한하지 않는 예이다.

실시형태의 철저한 이해를 제공하기 위해 설명에서 구체적인 세부 사항이 주어진다. 그러나, 실시형태는 이들 특정한 세부 사항 없이도 실시될 수도 있다. 예를 들면, 널리 공지된 회로, 프로세스, 시스템, 구조물, 및 기술은 실시형태를 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 나타내어졌다. 이 설명은 예시적인 실시형태만을 제공하며, 본 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 오히려, 실시형태의 전술한 설명은, 기술 분야의 숙련된 자에게, 다양한 실시형태를 구현하기 위한 실시 가능하게 하는 설명(enabling description)을 제공할 것이다. 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 엘리먼트의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수도 있다.

또한, 몇몇 실시형태는 흐름도 또는 블록 다이어그램으로서 묘사되는 프로세스로서 설명하였다. 각각이 동작을 순차적 프로세스로서 설명할 수도 있지만, 동작들 중 많은 것은 병렬로 또는 동시에 수행될 수도 있다. 또한, 동작의 순서는 재배열될 수도 있다. 프로세스는 도면에 포함되지 않는 추가적인 단계를 가질 수도 있다. 더구나, 방법의 실시형태는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어(hardware description language), 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수도 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 관련된 태스크를 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트는 저장 매체와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장될 수도 있다. 프로세서는 관련된 태스크를 수행할 수도 있다.

특정한 요건에 따라 실질적인 변동이 이루어질 수도 있다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 예를 들면, 커스터마이징된 또는 특수 목적 하드웨어가 또한 사용될 수도 있고, 및/또는 특정한 엘리먼트가 하드웨어, 소프트웨어(포팅 가능한 소프트웨어(portable software), 예컨대 애플릿, 등등을 포함함), 또는 둘 모두에서 구현될 수도 있다. 게다가, 네트워크 입/출력 디바이스와 같은 다른 컴퓨팅 디바이스에 대한 연결이 활용될 수도 있다.

첨부된 도면을 참조하면, 메모리를 포함할 수 있는 컴포넌트는 비일시적 머신 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 용어 "머신 판독 가능 매체" 및 "컴퓨터 판독 가능 매체"는, 머신으로 하여금 특정한 양식으로 동작하게 하는 데이터를 제공하는 데 참가하는 임의의 저장 매체를 지칭할 수도 있다. 본원의 상기에서 제공되는 실시형태에서, 실행을 위해 명령어/코드를 프로세싱 유닛 및/또는 다른 디바이스(들)에 제공함에 있어서 다양한 머신 판독 가능 매체가 수반될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 머신 판독 가능 매체는 그러한 명령어/코드를 저장 및/또는 반송하기(carry) 위해 사용될 수도 있다. 많은 구현예에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 물리적 및/또는 유형의 저장 매체이다. 그러한 매체는, 불휘발성 매체, 휘발성 매체, 및 송신 매체를 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 다양한 형태를 취할 수도 있다. 일반적인 형태의 컴퓨터 판독 가능 매체는, 예를 들면, 자기 및/또는 광학 매체 예컨대 컴팩트 디스크(compact disk; CD) 또는 디지털 다기능 디스크(digital versatile disk; DVD), 펀치 카드, 종이 테이프, 구멍의 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, 프로그래머블 리드 온리 메모리(programmable read-only memory; PROM), 소거 가능한 프로그래머블 리드 온리 메모리(erasable programmable read-only memory; EPROM), FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 이하에서 설명되는 바와 같은 반송파, 또는 컴퓨터가 명령어 및/또는 코드를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 제품은, 프로시져, 함수, 하위 프로그램, 프로그램, 루틴, 애플리케이션(앱), 서브루틴, 모듈, 소프트웨어 패키지, 클래스, 또는 명령어, 데이터 구조, 또는 프로그램 명령문(program statement)의 임의의 조합을 나타낼 수도 있는 코드 및/또는 머신 실행 가능 명령어를 포함할 수도 있다.

기술 분야의 숙련된 자는 본원에서 설명되는 메시지를 전달하기 위해 사용되는 정보 및 신호가 여러 가지 상이한 기술 및 기법 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 상기의 설명 전반에 걸쳐 언급될 수도 있는 데이터, 명령어, 커맨드, 정보, 신호, 비트, 심볼, 및 칩은 전압, 전류, 전자기파, 자기장 또는 입자, 광학 필드(optical field) 또는 입자, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수도 있다.

용어 "및" 및 "또는"은, 본원에서 사용될 때, 그러한 용어가 사용되는 문맥에 적어도 부분적으로 의존할 것으로 또한 예상되는 다양한 의미를 포함할 수도 있다. 통상적으로 "또는"은, A, B, 또는 C와 같은 목록을 관련시키기 위해 사용되는 경우, A, B, 및 C - 여기서는 포괄적인 의미로서 사용됨 - 뿐만 아니라, A, B, 또는 C - 여기서는 배타적인 의미로 사용됨 - 를 의미하도록 의도된다. 또한, 용어 "하나 이상"은, 본원에서 사용될 때, 임의의 피쳐, 구조, 또는 특징을 단수로 설명하기 위해 사용될 수도 있거나, 또는 피쳐, 구조, 또는 특징의 어떤 조합을 설명하기 위해 사용될 수도 있다. 다만, 이것은 예시적인 예에 불과하며, 청구되는 주제는 이 예로 제한되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 더구나, 용어 "중 적어도 하나"는, A, B, 또는 C와 같은 목록을 관련시키기 위해 사용되는 경우, A, B, 및/또는 C의 임의의 조합, 예컨대 A, AB, AC, BC, AA, ABC, AAB, AABBCCC, 등등을 의미하도록 해석될 수 있다.

게다가, 임의의 실시형태가 하드웨어 및 소프트웨어의 특정한 조합을 사용하여 설명되었지만, 하드웨어 및 소프트웨어의 다른 조합도 또한 가능하다는 것이 인식되어야 한다. 임의의 실시형태는 하드웨어로만 구현될 수도 있거나, 또는 소프트웨어로만 구현될 수도 있거나, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수도 있다. 하나의 예에서, 소프트웨어는, 본 개시에서 설명되는 단계, 동작, 또는 프로세스 중 임의의 것 또는 모두를 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 코드 또는 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품을 사용하여 구현될 수도 있는데, 여기서 컴퓨터 프로그램 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장될 수도 있다. 본원에서 설명되는 다양한 프로세스는 동일한 프로세서 또는 다른 프로세서 상에서 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

디바이스, 시스템, 컴포넌트 또는 모듈이 소정의 동작 또는 기능을 수행하도록 구성되는 것으로 설명되는 경우, 그러한 구성은, 예를 들면, 동작을 수행하도록 전자 회로를 설계하는 것에 의해, 예컨대 비일시적 메모리 매체 상에 저장되는 코드 또는 명령어를 실행하도록 프로그래밍되는 컴퓨터 명령어 또는 코드, 또는 프로세서 또는 코어를 실행하는 것에 의해 동작을 수행하도록 프로그래머블 전자 회로(예컨대, 마이크로프로세서)를 프로그래밍하는 것에 의해, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 달성될 수 있다. 프로세스는, 프로세스간 통신을 위한 종래의 기술을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 다양한 기술을 사용하여 통신할 수 있으며, 프로세스의 상이한 쌍은 상이한 기술을 사용할 수도 있거나, 또는 프로세스의 동일한 쌍은 상이한 시간에 상이한 기술을 사용할 수도 있다.

따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 그러나, 청구범위에 기술되는 바와 같은 더 넓은 범위로부터 벗어나지 않으면서, 전술한 것에 대해 추가, 제외, 삭제, 및 다른 수정 및 변경이 이루어질 수도 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 특정한 실시형태가 설명되었지만, 이들은 제한하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 다양한 수정예 및 등가예는 다음의 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims

도파관 디스플레이로서,
가시 광에 투명한 기판;
상기 기판 상에 있으며 디스플레이 광을 상기 기판 안으로 또는 밖으로 커플링하도록 구성되는 제1 표면 요철 격자(surface-relief grating) - 상기 제1 표면 요철 격자는 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 함 - ; 및
상기 기판 상에 있으며 상기 디스플레이 광이 상기 제1 표면 요철 격자에 도달한 이후 또는 도달하기 이전에 상기 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물(phase structure)을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서,
상기 위상 구조물은 파장판을 포함하고; 바람직하게는 상기 파장판은 0과 1 파장 사이의 파장판 두께를 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위상 구조물은 복굴절 재료의 층을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 위상 구조물은 서브파장 구조물(subwavelength structure) 및 오버코트 층을 포함하고; 바람직하게는 상기 서브파장 구조물은: i. 상기 기판; 및/또는 ii. 상기 기판 상에 형성되는 재료 층에서 에칭되고; 및/또는
바람직하게는 상기 기판의 굴절률과 상기 서브파장 구조물 및 상기 오버코트 층을 포함하는 상기 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 0.35 미만인, 도파관 디스플레이.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물 상에서 제2 표면 요철 격자를 더 포함하되, 상기 위상 구조물은 상기 기판과 상기 제2 표면 요철 격자 사이에 있고; 및/또는
바람직하게는 상기 위상 구조물의 파장판 두께는 1/4 파장이고; 및/또는
바람직하게는 상기 위상 구조물은 상기 위상 구조물의 빠른 축과 상기 제1 표면 요철 격자의 격자 벡터 사이의 각도가 45°가 되도록 배열되는, 도파관 디스플레이.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판과 상기 위상 구조물 사이에서 제2 표면 요철 격자를 더 포함하는, 도파관 디스플레이.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 표면 요철 격자는 상기 기판의 제1 표면 상에 있고 상기 디스플레이 광을 상기 기판 안으로 커플링하도록 구성되고; 그리고
상기 위상 구조물은 상기 제1 표면 반대쪽에 있는 상기 기판의 제2 표면 상에 있고 상기 기판 안으로 커플링되는 상기 디스플레이 광의 상기 편광 상태를 변경하도록 구성되는, 도파관 디스플레이.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 기판의 선택된 영역 내에 있고; 및/또는 바람직하게는 상기 위상 구조물은 상기 위상 구조물의 상이한 영역에 걸쳐 공간적으로 변하는 위상 지연을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물은 s 편광된 광(s-polarized light)을 p 편광된 광(p-polarized light)으로 변환하도록, p 편광된 광을 s 편광된 광으로 변환하도록, 선형 편광된 광을 원형 편광된 광으로 변환하도록, 또는 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하도록 구성되는, 도파관 디스플레이.
도파관 디스플레이로서,
가시 광에 투명한 기판;
상기 기판의 제1 표면 상에 있으며 디스플레이 광이 내부 전반사를 통해 상기 기판 내에서 전파되도록 상기 디스플레이 광을 상기 기판 안으로 커플링하도록 구성되는 제1 표면 요철 격자 - 상기 제1 표면 요철 격자는 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 함 - ; 및
상기 제1 표면 반대쪽에 있는 상기 기판의 제2 표면 상의 위상 구조물 - 상기 위상 구조물은 상기 기판 안으로 커플링되는 상기 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성됨 - 을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제10항에 있어서,
상기 위상 구조물은:
복굴절 재료의 층; 또는
등방성 재료 또는 상기 복굴절 재료에서 형성되는 서브파장 구조물을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 위상 구조물은 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하고; 그리고
상기 기판의 굴절률과 상기 서브파장 구조물 및 상기 오버코트 층을 포함하는 상기 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 0.35 미만인, 도파관 디스플레이.
제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 위상 구조물 상에서 제2 표면 요철 격자를 더 포함하되, 상기 위상 구조물은 상기 기판과 상기 제2 표면 요철 격자 사이에 있거나 또는 상기 제2 표면 요철 격자는 상기 기판과 상기 위상 구조물 사이에 있는, 도파관 디스플레이.
도파관 디스플레이로서,
가시 광에 투명한 제1 기판;
상기 가시 광에 투명한 제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 있으며 편광 의존 회절 효율성을 특징으로 하는 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating)를 포함하는 홀로그래픽 재료 층; 및
위상 구조물로서, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 상에 있으며 디스플레이 광이 상기 볼륨 브래그 격자에 의해 회절된 이후 또는 회절되기 이전에 상기 위상 구조물에 입사하는 상기 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 상기 위상 구조물을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제14항에 있어서,
상기 위상 구조물은 파장판을 포함하고; 바람직하게는 상기 파장판은 0과 1 파장 사이의 파장판 두께를 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 위상 구조물은 복굴절 재료의 층을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 위상 구조물은 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하고; 바람직하게는 상기 서브파장 구조물은: i. 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판; 및/또는 ii. 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 상에 형성되는 재료 층에서 에칭되고; 및/또는
바람직하게는 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 굴절률과 상기 서브파장 구조물 및 상기 오버코트 층을 포함하는 상기 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 0.35 미만인, 도파관 디스플레이.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 선택된 영역 내에 있고; 및/또는 바람직하게는 상기 위상 구조물은 상기 위상 구조물의 상이한 영역에 걸쳐 공간적으로 변하는 위상 지연을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 제2 기판 상에 있고; 그리고
상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 기판 상에서 제2 위상 구조물을 더 포함하는, 도파관 디스플레이.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홀로그래픽 재료 층은, 입력 격자 커플러 및 출력 격자 커플러를 포함하는 두 개 이상의 볼륨 브래그 격자를 포함하는, 도파관 디스플레이.
제20항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 입력 격자 커플러, 및 옵션 사항으로(optionally) 상기 출력 격자 커플러가 위치되는 상기 도파관 디스플레이의 영역 내에 있고; 및/또는 바람직하게는:
상기 입력 격자 커플러는 하나 이상의 볼륨 브래그 격자를 포함하고; 그리고
상기 출력 격자 커플러는 상기 도파관 디스플레이의 아이박스를 두 개의 방향에서 확장하도록 구성되는 적어도 두 개의 볼륨 브래그 격자를 포함하는, 도파관 디스플레이.
도파관 디스플레이로서,
제1 기판;
제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 있으며 디스플레이 광을 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 안으로 커플링하도록 구성되는 입력 격자 커플러;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 있으며 상기 도파관 디스플레이 밖으로 나온 상기 디스플레이 광을 상기 도파관 디스플레이의 아이박스를 향해 적어도 부분적으로 커플링하도록 구성되는 출력 격자 커플러; 및
상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 상에 있으며, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 안으로 커플링되는 상기 디스플레이 광이 상기 출력 격자 커플러에 도달하거나 또는 다시 상기 입력 격자 커플러에 도달하기 이전에 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 안으로 커플링되는 상기 디스플레이 광의 편광 상태를 변경하도록 구성되는 위상 구조물을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제22항에 있어서,
상기 위상 구조물은:
복굴절 재료의 층; 또는
등방성 재료 또는 상기 복굴절 재료에서 형성되는 서브파장 구조물을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제22항 또는 제23항에 있어서,
상기 위상 구조물은 서브파장 구조물 및 오버코트 층을 포함하고; 그리고
상기 제1 또는 제2 기판의 굴절률과 상기 위상 구조물의 유효 굴절률 사이의 차이는 0.35 미만인, 도파관 디스플레이.
제22항, 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 제1 기판에서, 상기 제2 기판에서, 또는 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 상에서 형성되는 재료 층에서 에칭되는 서브파장 구조물을 포함하는, 도파관 디스플레이.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 구조물은 상기 제2 기판 상에 있고; 그리고
상기 도파관 디스플레이는 상기 제1 기판 상에서 제2 위상 구조물을 더 포함하는, 도파관 디스플레이.