KR20230125106A - 균일한 이미지를 갖는 소형 헤드 장착 디스플레이 시스템 - Google Patents

균일한 이미지를 갖는 소형 헤드 장착 디스플레이 시스템 Download PDF

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KR20230125106A
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루머스 리미티드
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Abstract

입력 애퍼처, 출력 애퍼처, 적어도 2개의 주 표면, 및 에지를 갖는 광 투과성 기판; 내부 전반사에 의해 광파를 기판 내로 결합시키기 위한 광학 소자; 기판 외부로 광파를 부분적으로 반사시키기 위해 광 투과성 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 부분 반사 표면; 적어도 2개의 주 표면을 갖는 제 1 투명 플레이트로서, 투명 플레이트의 주 표면 중 하나는 광 투과성 기판의 주 표면에 광학적으로 부착되어 인터페이스 평면을 형성하는, 제 1 투명 플레이트; 기판과 투명 플레이트 사이의 인터페이스 평면에 적용된 빔 분할 코팅을 포함하고, 여기서 광 투과성 기판 내부로 결합된 광파는 인터페이스 평면으로부터 부분적으로 반사되고 인터페이스 평면을 부분적으로 통과하는 광학 디바이스가 개시된다.

Description

균일한 이미지를 갖는 소형 헤드 장착 디스플레이 시스템{COMPACT HEAD-MOUNTED DISPLAY SYSTEM HAVING UNIFORM IMAGE}
본 발명은 기판 가이드형 광학 디바이스에 관한 것으로, 특히 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)라고도 지칭되는 공통의 광 투과성 기판에 의해 지지되는 복수의 반사 표면을 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들어, 헤드 장착 및 헤드 업 디스플레이, 셀룰러 폰, 소형 디스플레이, 3D 디스플레이, 소형 빔 익스팬더와 같은 다수의 이미징 애플리케이션뿐만 아니라, 평면 패널 표시기, 소형 조명기, 및 스캐너와 같은 비 이미징 애플리케이션에서 유리하게 구현될 수 있다.
소형 광학 소자에 대한 중요한 애플리케이션 중 하나는 헤드 장착 디스플레이에서이며, 여기서 광학 모듈은 이미징 렌즈 및 결합기 양자 모두로서의 역할을 하며, 여기서 2 차원 디스플레이는 무한대로 이미지징되어 관찰자의 눈으로 반사된다. 디스플레이는 음극선관(cathode ray tube, CRT), 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 다이오드 어레이(organic light emitting diode array, OLED)와 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM), 또는 스캐닝 소스 및 유사한 디바이스로부터 직접적으로, 또는 릴레이 렌즈 또는 광섬유 번들에 의해 간접적으로 획득될 수 있다. 디스플레이는 시준 렌즈에 의해 무한대로 이미징되고 각각 비 시스루(non-see-through) 및 시스루 애플리케이션에 대한 결합기로서 작용하는 표면을 반사 또는 부분적으로 반사하여 뷰어의 눈으로 투과되는 요소(픽셀)의 에러이를 포함한다. 통상적으로, 종래의 자유 공간 광 모듈이 이러한 목적으로 사용된다. 불행하게도, 원하는 시스템의 시야(field of view, FOV)가 증가함에 따라, 그러한 종래의 광학 모듈은 더 크고, 무겁고, 부피가 커지고, 따라서 적당한 성능의 디바이스에 대해서조차도 비실용적이다. 이는 모든 종류의 디스플레이, 특히 시스템이 반드시 가능한 한 가볍고 소형이어야 하는 헤드 장착 애플리케이션에서 중대한 단점이다.
소형화를 위한 노력은 여러 가지의 다른 복잡한 광학 솔루션을 이끌어 냈으며, 이들 모두는 한편으로는 여전히 대부분의 실용적인 애플리케이션에 대해 아직 충분히 소형이지 않고, 다른 한편으로는 제조 가능성의 측면에서 중대한 단점을 겪는다. 또한, 이러한 디자인으로 인해 발생하는 광학 시야각의 아이 모션 박스(eye-motion-box, EMB)는 보통 매우 작으며, 통상적으로 8mm 미만이다. 따라서, 광학 시스템의 성능은 뷰어의 눈에 대한 광학 시스템의 작은 움직임에 대해서조차 매우 민감하고, 그러한 디스플레이로부터 텍스트를 편리하게 판독하기 위한 충분한 동공 모션을 허용하지 않는다.
모두 출원인의 이름으로 공개문서 제WO01/95027호, 제WO03/081320호, 제WO2005/024485호, 제WO2005/024491호, 제WO2005/024969호, 제WO2005/124427호, 제WO2006/013565호, 제WO2006/085309호, 제WO2006/085310호, 제WO2006/087709호, 제WO2007/054928호, 제WO2007/093983호, 제WO2008/023367호, 제WO2008/129539호, 제WO2008/149339호, 제WO2013/175465호, 제IL 232197호, 제IL 235642호, 제IL 236490호, 및 제IL 236491호에 포함된 사상은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명은 다른 애플리케이션 중에서도, 헤드 장착 디스플레이를 위한 매우 소형 LOE의 설계 및 제조를 용이하게 한다. 본 발명은 비교적 큰 아이 모션 박스 값과 함께 비교적 넓은 FOV를 허용한다. 결과적인 광학 시스템은 눈의 큰 움직임도 수용하는 크고 고품질의 이미지를 제공한다. 본 발명에 의해 제공되는 광학 시스템은 최첨단 구현보다 실질적으로 더 소형이기 때문에 특히 유리하고, 또한 특수한 구성을 갖는 광학 시스템에도 용이하게 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 애플리케이션은 휴대 전화와 같은 모바일 핸드 헬드 애플리케이션을 위한 넓은 FOV를 갖는 소형 디스플레이를 제공하는 것이다. 오늘날의 무선 인터넷 액세스 시장에서는, 전체 비디오 송신을 위한 충분한 대역폭이 이용 가능하다. 제한 요소는 최종 사용자의 디바이스 내의 디스플레이의 품질에 있다. 이동성 요구사항은 디스플레이의 물리적 크기를 제한하며, 그 결과는 좋지 않은 이미지 보기 품질을 갖는 다이렉트 디스플레이이다. 본 발명은 매우 큰 가상 이미지를 갖는 물리적으로 매우 소형의 디스플레이를 가능하게 한다. 이는 모바일 통신, 특히 모바일 인터넷 액세스에 있어서 핵심 기능으로, 실용적인 구현을 위한 주요 제한 사항 중 하나를 해결한다. 따라서, 본 발명은 휴대 전화와 같은 작은 핸드 헬드 디바이스 내에서 풀 포맷 인터넷 페이지의 디지털 컨텐츠를 보는 것을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 넓은 목적은 최첨단 소형 광학 디스플레이 디바이스의 단점을 완화하고 특정 요구 사항에 따라 개선된 성능을 갖는 다른 광학 컴포넌트 및 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 입력 애퍼처, 출력 애퍼처, 적어도 2개의 주 표면, 및 에지를 갖는 광 투과성 기판; 내부 전반사에 의해 광파를 기판 내로 결합시키기 위한 광학 소자; 기판 외부로 광파를 부분적으로 반사시키기 위해 광 투과성 기판의 2개의 주 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 부분 반사 표면; 적어도 2개의 주 표면을 갖는 제 1 투명 플레이트로서, 투명 플레이트의 주 표면 중 하나는 광 투과성 기판의 주 표면에 광학적으로 부착되어 인터페이스 평면을 형성하는, 제 1 투명 플레이트; 기판과 투명 플레이트 사이의 인터페이스 평면에 적용된 빔 분할 코팅을 포함하고, 여기서 광 투과성 기판 내부로 결합된 광파는 인터페이스 평면으로부터 부분적으로 반사되고 인터페이스 평면을 부분적으로 통과하는 광학 디바이스가 제공된다.
본 발명은 보다 완전히 이해될 수 있도록 다음의 예시적인 도면을 참조하여 특정 바람직한 실시예와 관련하여 기술된다.
상세한 도면을 구체적으로 참조하여, 도시된 세부 사항은 단지 예일 뿐이고, 단지 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 예시적인 논의를 목적으로 한 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적 양상에 대한 가장 유용하고 쉽게 이해되는 설명으로 여겨지는 것을 제공하려는 이유로 제시된다는 것을 강조한다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 상세하게 본 발명의 구조적 세부 사항을 보다 상세하게 나타내려는 시도는 이루어지지 않는다. 도면과 함께 취해진 설명은 본 발명의 몇몇 형태가 어떻게 실제로 구현될 수 있는지에 대해 당업자에게 방향의 역할을 한다.
도면에서:
도 1은 예시적인 종래 기술의 도광 광학 소자의 측면도이다;
도 2a 및 도 2b는 선택적 반사 표면의 예시적인 어레이의 상세한 단면도를 도시하는 다이어그램이다;
도 3은 본 발명에 따른 2개의 상이한 충돌 광선을 갖는 반사 표면의 개략적인 단면도이다;
도 4는 투명 플레이트가 기판 에지에 부착되는 선택적 반사 표면의 예시적인 어레이의 단면도를 도시한다;
도 5는 표면의 실제 활성 애퍼처를 도시하는, 본 발명에 따른 반사 표면의 개략적인 단면도이다;
도 6은 예시적인 LOE에 대한, 반사 표면의 활성 애퍼처 크기를 필드 각도의 함수로서 도시한다;
도 7은 3개의 상이한 시야각에 대한, 선택적 반사 표면의 예시적인 어레이로부터의 반사율의 상세한 단면도를 도시한다;
도 8은 예시적인 LOE에 대한, 2개의 인접한 반사 표면들 사이의 필요한 거리를 필드 각도의 함수로서 도시한다;
도 9는 본 발명에 따른 2개의 상이한 충돌 광선을 갖는 반사 표면의 또 다른 개략적인 단면도이다;
도 10은 기판 에지에 부착된 쐐기 모양의 투명 플레이트를 갖는 선택적 반사 표면의 예시적인 어레이의 단면도를 도시한다;
도 11은 2개의 광선이 2개의 부분 반사 표면으로부터 반사되는, 본 발명에 따른 2개의 상이한 충돌 광선을 갖는 반사 표면의 또 다른 개략적인 단면도이다;
도 12는 2개의 광선이 원격으로 위치된 LOE 내로 결합되고 서로 인접한 LOE 외부로 결합되는, 본 발명에 따른 2개의 상이한 충돌 광선을 갖는 반사 표면의 또 다른 개략적인 단면도이다;
도 13a 및 도 13b는 도광 광학 소자 내부에 매설된 빔 분할 표면의 개략적인 단면도이다;
도 14는 s-편광된 광파에 대한 예시적인 각도 감응 코팅에 있어서, 입사각의 함수로서의 빔 분할 표면의 반사율 곡선을 도시하는 그래프이다;
도 15는 s-편광된 광파에 대한 예시적인 각도 감응 코팅에 있어서, 입사각의 함수로서의 빔 분할 표면의 반사율 곡선을 도시하는 다른 그래프이다;
도 16은 도광 광학 소자 내부에 매설된 2개의 상이한 빔 분할 표면의 개략적인 단면도이다;
도 17은 부분 반사 표면이 투명 부착 플레이트의 내부에 형성되는, 도광 광학 소자의 내부에 매설된 빔 분할 표면의 또 다른 개략적인 단면도이다; 그리고
도 18a 및 도 18b는 내부 결합 소자뿐만 아니라 외부 결합 소자도 회절 광학 소자인, 도광 광학 소자 내부에 매설된 빔 분할 표면의 실시예의 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)의 단면도를 도시한다. 제 1 반사 표면(16)은 디바이스 뒤에 위치된 광원(미도시)으로부터 나오는 시준된 디스플레이(18)에 의해 조명된다. 반사 표면(16)이 소스로부터의 입사광을 반사시켜, 내부 전반사에 의해 평면 기판(20) 내부에 광이 포획된다. 기판의 표면(26, 27)으로부터의 몇 번의 반사 후에, 포획된 광파는 부분 반사 표면(22)의 어레이에 도달하며, 부분 반사 표면은 광을 기판 외부로 뷰어의 동공(25)을 갖는 눈(24)으로 결합시킨다. 여기서, LOE의 입력 표면은 입력 광파가 LOE에 진입하는 표면으로서 규정될 것이고, LOE의 출력 표면은 포획된 광파가 LOE를 빠져 나가는 표면으로서 규정될 것이다. 또한, LOE의 입력 애퍼처는 입력 광파가 LOE에 진입하는 동안에 실제로 통과하는 입력 표면의 부분으로서 지칭될 것이고, LOE의 출력 애퍼처는 출력 광파가 LOE를 빠져 나가는 동안에 실제로 통과하는 출력 표면의 부분으로서 지칭될 것이다. 도 1에 도시된 LOE의 경우에, 입력 표면 및 출력 표면 양자 모두가 하부 표면(26)과 일치하지만, 입력 및 이미지 광파가 기판의 대향 측면 상에 또는 LOE의 에지 중 하나 상에 위치될 수 있는 다른 구성이 구상된다. 소스의 중심 광파가 기판 표면(26)에 수직인 방향에서 기판(20) 외부로 결합된다고 가정하면, 부분 반사 표면(22)은 평탄하고, 기판(20) 내부의 결합된 광파의 축 편차각(off-axis angle)은 αin이고, 그러면 반사 표면과 기판 평면에 대한 법선 사이의 각도(αsur2)는 다음과 같다:
(1)
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 포획된 광선은 2개의 별개의 방향(28, 30)으로부터 반사 표면에 도달한다. 이 특정 실시예에서, 포획된 광선은 기판 표면(26 및 27)으로부터의 짝수 번의 반사 후에 이들 방향(28) 중 하나로부터 부분 반사 표면(22)에 도달하고, 여기서 포획된 광선과 반사 표면에 대한 법선 사이의 입사각(βref)은 다음과 같다:
(2)
포획된 광선은 기판 표면(26 및 27)으로부터의 홀수 번의 반사 후에 제 2 방향(30)으로부터 반사 표면에 도달하는데, 여기서 축 편차각은 α'in = 180°-αin이고, 포획된 광선과 반사 표면에 대한 법선 사이의 입사각은 다음과 같다:
(3)
여기서 마이너스 부호는 포획된 광선이 부분 반사 표면(22)의 다른 측면에 충돌함을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 반사 표면에 대하여, 각각의 광선은 먼저 방향(30)으로부터 표면에 도달하는데, 여기서 광선의 일부는 다시 방향(28)으로부터 표면에 충돌한다. 바람직하지 않은 반사 및 고스트 이미지를 방지하기 위해, 제 2 방향(28)을 갖는 표면 상에 충돌하는 광선에 대한 반사율은 무시할 만하다는 것이 중요하다.
고려되어야 할 중요한 문제는 각각의 반사 표면의 실제 활성 영역이다. 각각의 선택적 반사 표면에 도달하는 상이한 광선의 상이한 반사 시퀀스로 인해 결과적인 이미지에서의 잠재적 불균일성이 발생할 수 있다: 일부 광선은 선택적 반사 표면과의 사전 상호 작용없이 도달한다; 다른 광선은 하나 이상의 부분 반사 후에 도달한다. 이러한 효과가 도 2a에 도시되어 있다. 예를 들어, αin = 50°라고 가정하면, 광선(80)은 지점(82)에서 제 1 부분 반사 표면(22)과 교차한다. 광선의 입사각은 25°이고, 광선의 에너지의 일부는 기판 외부로 결합된다. 그 다음에 광선은 현저한 반사없이 75°의 입사각으로 지점(84)에서 동일한 선택적 부분 반사 표면과 교차하고, 그 다음에 25°의 입사각으로 지점(86)에서 다시 교차하며, 여기서 광선의 에너지의 다른 부분은 기판 외부로 결합된다. 대조적으로, 도 2b에 도시된 광선(88)은 동일한 표면으로부터 단 한 번의 반사(90)만을 경험한다. 또한, 다중 반사가 다른 부분 반사 표면에서 발생한다.
도 3은 기판 내부에 포획된 광을 외부로 그리고 뷰어의 눈(24)으로 결합시키는 부분 반사 표면(22)의 상세한 단면도와 함께 불균일성 현상을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 광선(80)은 반사 표면(22)과 상부 표면(27)의 교차점인 라인(100) 옆의 상부 표면(27)에서 반사된다. 이 광선은 반사 표면(22) 상에 충돌하지 않기 때문에, 그 밝기는 동일하게 유지되고, 표면(22)에서의 그것의 제 1 입사는 외부 표면 양자 모두로부터의 이중 반사 후에 지점(102)에서 이루어진다. 이 시점에서, 광파는 부분적으로 반사되고 광선(104)은 기판(20) 외부로 결합된다. 광선(80) 바로 아래에 위치된 광선(88)과 같은 다른 광선에 있어서, 표면(22)에서의 제 1 입사는 지점(106)에서 상부 표면(27)을 만나기 전에 이루어지며, 여기서 광파는 부분적으로 반사되고 광선(108)은 기판 외부로 결합된다. 따라서, 외부 표면(26, 27)으로부터의 이중 반사 다음에 지점(110)에서 다시 표면(22) 상에 충돌하는 경우, 외부로 결합된 광선의 밝기는 인접 광선(104)보다 낮다. 그 결과, 지점의(102)의 왼쪽의 표면(22)에 도달하는 80이라는 동일한 내부 결합 각도를 갖는 모든 광선은 더 낮은 밝기를 갖는다. 결과적으로, 표면(22)으로부터의 반사율은 실제로 이 특정 내부 결합 각도에 대해 지점(102)의 "더 어두운" 왼쪽이다.
그럼에도 불구하고 다중 교차 효과에서의 그러한 차이를 완전히 보상하기는 어렵지만, 실상에서는, 인간의 눈은 알아차리지 못한 채로 있는 밝기의 현저한 변화를 용인한다. 눈에 가까운(near-to-eye) 디스플레이에 있어서, 눈은 단일 시야각으로부터 나오는 광을 통합하여 망막 상의 하나의 지점에 집중시키는데, 눈의 반응 곡선이 대수적이기 때문에 디스플레이의 밝기에서 작은 변화가 있는 경우가 눈에 띄지는 않을 것이다. 따라서, 디스플레이 내의 적당한 레벨의 조명 균일성일지라도, 인간의 눈은 고품질의 이미지를 경험한다. 필요로 하는 적당한 균일성은 도 1에 도시된 요소로 쉽게 달성될 수 있다. 큰 FOV를 갖는 시스템에 있어서, 그리고 큰 EMB가 필요한 경우, 원하는 출력 애퍼처를 달성하기 위해 비교적 많은 수의 부분 반사 표면이 필요하다. 그 결과, 다수의 부분 반사 표면과의 다중 교차점으로 인한 불균일성이 특히 헤드 업 디스플레이와 같이 눈으로부터 멀리 떨어져 위치된 디스플레이에 대해 더 우세해지고 불균일성이 받아들여질 수 없다. 이 경우에 있어서, 불균일성을 극복하기 위한 보다 체계적인 방법이 필요하다.
부분 반사 표면(22)의 "더 어두운" 부분이 기판 외부로의 가둬진 광파의 결합에 덜 기여하기 때문에, LOE의 광학 성능에 대한 이들의 영향은 오직 부정적일 수 있다, 즉 시스템의 출력 애퍼처에 더 어두운 부분이 있을 것이고, 어두운 줄무늬가 이미지에 존재할 것이다. 그러나, 반사 표면 각각의 투명도는 외부 장면으로부터의 광파에 대해 균일하다. 따라서 출력 애퍼처에서의 더 어두운 부분을 보상하기 위해 반사 표면들 사이에 중첩이 설정되면, 이 중첩된 영역을 가로 지르는 출력 장면으로부터의 광선은 이중 감쇠를 겪을 것이고, 더 어두운 줄무늬가 외부 장면에서 생성될 것이다. 이 현상은 헤드 업 디스플레이와 같이 눈으로부터 멀리 떨어져 위치되는 디스플레이뿐만 아니라 눈에 가까운 디스플레이의 디스플레이의 성능을 현저히 감소시키므로, 이용될 수 없다.
도 4는 이러한 문제점을 극복하기 위한 실시예를 도시한다. 부분 반사 표면(22a, 22b, 및 22c)의 "밝은" 부분만이 기판 내부에 매립된다, 즉 반사 표면(22a, 22b, 및 22c)은 하부 주 표면(26)과 더 이상 교차하지 않고, 이 표면의 단편에서 종결된다. 반사 표면의 단부가 LOE의 길이에 걸쳐 서로 인접하기 때문에, 투사된 이미지에는 갭이 없을 것이고, 표면들 사이에 중첩이 없기 때문에 외부 뷰에 갭이 없을 것이다. 이 LOE를 구성하는 몇 가지 방법이 있는데, 그 중 하나는 기판의 활성 영역에 바람직하게는 광학 접합에 의해 두께(T)를 갖는 투명 플레이트(120)를 부착하는 것이다. 올바른 방식으로 반사 표면(22)의 활성 영역만을 이용하기 위해서는, 각각의 부분 반사 표면의 실제 활성 영역 및 플레이트(120)의 필요한 두께(T)를 계산하는 것이 중요하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외부 표면(26)의 평면에서 반사 표면(22n)의 밝은 애퍼처(D n )는, 내부 결합 각도(αin)의 함수로서, 다음과 같다:
(4)
포획된 각도(αin)는 FOV의 함수로서 변화될 수 있기 때문에, 활성 애퍼처를 계산하기 위해서는 각각의 반사 표면(22n)을 어느 각도로 연관시키는지를 아는 것이 중요하다.
도 6은 다음의 시스템 파라미터: 기판 두께 d=2 mm, 기판 굴절률 υ=1.51, 및 부분 반사 기판 각도 αsur=64°에 대해 필드 각도의 함수로서 활성 애퍼처를 도시한다. 시야각을 고려하여, 결과적인 이미지의 상이한 부분은 부분 반사 표면의 상이한 부분으로부터 유래한다는 것에 유의한다.
제안된 구성에 기초한 소형 LOE 디스플레이 시스템의 단면도인 도 7이 이러한 효과를 도시한다. 여기서, 특정 시야각(114)을 나타내는 단일 평면 광파(112)는 부분 반사 표면(22a, 22b, 및 22c)의 전체 어레이의 일부분만을 조명한다. 따라서, 부분 반사 표면 상의 각각의 지점에 대해, 공칭 시야각이 규정되고, 반사 표면의 필요한 활성 영역은 이 각도에 따라 계산된다. 다양한 부분 반사 표면의 활성 영역의 정확하고 상세한 설계는 다음과 같이 수행된다; 각각의 특정 표면에 대해, 표면의 왼쪽 에지로부터 지정된 눈 동공(25)의 중심까지 (스넬(Snell)의 법칙으로 인한 굴절을 고려하여) 광선이 표시된다. 계산된 방향은 공칭 입사 방향으로 설정되고, 특정 활성 영역은 그 방향에 따라 계산된다.
도 5에서 알 수 바와 같이, 반사 표면 활성 영역의 정확한 값은 각각의 반사 표면(22n)의 밝은 부분의 왼쪽 에지(102)와 하부 표면(26) 사이의 다양한 거리(T)를 결정하는 데 사용될 수 있다. 더 큰 활성 영역은 더 작은 표면 간 거리를 나타낸다. 이 거리는 LOE의 하부 표면에 부착되어야 하는 플레이트(120, 도 7)의 두께를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 결합 각도(αin)의 함수로서 거리(T)는 다음과 같다:
(5)
도 8은 도 6을 참조하여 상기에서 설정된 것과 동일한 파라미터에 대해, 플레이트(120)의 필요한 두께(T)를 필드 각도의 함수로서 도시한다. 어두운 줄무늬 현상을 이미지에서 피할 수 있도록 하기 위해 최대 계산 값으로 두께(T)를 설정하는 것이 좋다. 너무 두꺼운 플레이트(120)를 설정하면 반대 효과, 즉 이미지에서 밝은 줄무늬의 출현을 초래할 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 2개의 광선(122 및 124)은 기판(20) 내부로 결합된다. 2개의 광선은 각각 지점(126 및 128)에서 표면(22a)으로부터 부분적으로 반사된다. 그러나, 광선(122)만이 지점(130)에서 제 2 표면(22b) 상에 충돌하고 거기서 부분적으로 반사되고, 반면 광선(124)은 반사없이 표면(22b)을 지나친다. 그 결과, 지점(134)에서 표면(22c) 상에 충돌하는 광선(124)의 밝기는 지점(132)에서 광선(122)의 밝기보다 높다. 따라서, 지점(134)으로부터의 외부로 결합된 광선(138)의 밝기는 지점(132)으로부터 외부로 결합된 광선(136)의 밝기보다 높고, 밝은 줄무늬가 이미지에 나타날 것이다. 결과적으로, 두께(T)의 정확한 값은 이미지에서 어두운 줄무늬뿐만 아니라 밝은 줄무늬도 피하도록 선택되어야 한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 플레이트(120)의 두께(T)가 시야각에 의존하는 필요한 구조를 달성하기 위한 가능한 실시예는 2개의 주 표면이 평행하지 않은 쐐기 모양의 기판(20')을 구성하는 것이다. 상보적인 투명한 쐐기 모양의 플레이트(120')는 결합된 구조가 완전한 직각의 평행 육면체를 형성하는, 즉 최종 LOE의 2개의 외측 주 표면이 서로 평행한 방식으로, 바람직하게 광학 접합에 의해 기판에 부착된다. 그러나, 이 방법에는 몇 가지 단점이 있다. 우선, 쐐기 모양의 LOE의 제조 공정은 평행형 LOE보다 복잡하고 번거롭다. 또한, 이 해결책은 시야각과 기판 평면 상의 측 방향 포지션 사이의 양호한 매칭이 있는 작은 EMB를 갖는 시스템에 효율적이다. 그러나, 큰 EMB를 갖는 시스템, 즉 눈이 측 방향 축을 따라 크게 움직일 수 있는 경우, 시야각과 플레이트(120')의 실제 두께 사이에는 양호한 조정이 없을 것이다. 따라서, 어둡거나 밝은 줄무늬가 이미지에 나타날 수 있다.
LOE에서의 부분 반사 표면의 구조로 인한 이러한 어둡거나 밝은 줄무늬의 발생은 이 현상을 생성하는 표면으로 제한되지 않는다. 도 3을 참조하여 도시된 바와 같이, 표면(22a)에 의해 두 번 반사되는 결합된 광선(88)의 밝기는 지점(102)에서 표면(22a)으로부터 한번만 반사되는 광선(80)의 밝기보다 지점(110)에서 낮다. 그 결과, 반사파(112)의 밝기는 인접한 광선(104)의 밝기보다 낮다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, 표면(22a)으로부터의 반사파의 밝기가 상이할 뿐만 아니라 투과된 광선(140 및 142)의 밝기도 상이하다. 그 결과, 각각 지점(148 및 150)에서 표면(22b)으로부터 반사된 광선(144 및 146)의 밝기는 동일한 방식으로 상이할 것이고, 어두운 줄무늬가 또한 이미지의 이 구역에도 생성될 것이다.
당연히, 광선들 사이의 이러한 차이는 LOE에서 다음 부분 반사 표면까지 계속 전파될 것이다. 그 결과, 각각의 부분 반사 표면은 정확한 입사각에 따라 그 자체의 어두운 또는 밝은 줄무늬를 생성하기 때문에, 다수의 부분 반사 표면을 갖는 LOE에 있어서, 다수의 어둡고 밝은 줄무늬가 LOE의 출력 애퍼처의 먼 에지에 축적될 것이고, 결과적으로, 이미지 품질이 심각하게 악화될 것이다.
이미지의 불균일성에 대한 또 다른 원인은 LOE 내로 결합되는 이미지 파동의 불균일성일 수 있다. 보통, 광원의 2개의 에지가 약간 상이한 강도를 가지는 경우, 이는 뷰어가 거의 알아 채지 못하거나, 어쩌면 아예 알아채지 못할 것이다. 이 상황은 LOE에서와 같이, 기판 내부로 결합되고 서서히 외부로 결합되는 이미지의 경우와는 완전히 상이하다. 도 12에 도시된 바와 같이, 2개의 광선(152 및 154)은 디스플레이 소스(미도시)에서의 동일한 지점으로부터 비롯되는 평면파(156)의 에지에 위치된다. 광선(152)의 밝기가 완벽하지 않은 이미징 시스템의 결과로서의 광선(154)의 밝기보다 낮다고 가정하면, 광선 사이의 원위(remoteness) 때문에 평면파(156)를 직접 봄으로써 이러한 불균등은 거의 볼 수 없을 것이다. 그러나, LOE(20) 내로 결합된 후에, 이 상태는 변경된다. 광선(154)이 반사 표면(16)과 하부 주 표면(26) 사이의 인터페이스 라인(156)의 바로 오른쪽의 반사 표면(16)을 조명하는 동안, 오른쪽 광선(152)은 표면(16)으로부터 반사되고, 상부 표면(27)으로부터 완전히 반사되고, 그 다음에 인터페이스 라인(158)의 바로 왼쪽의 하부 표면(26) 상에 충돌한다. 그 결과, 2개의 광선(152 및 154)은 서로 인접하여 LOE(20) 내부로 전파된다. 각각 광선(152 및 154)으로부터 비롯되고 표면(22a)으로부터 반사되는 2개의 빠져 나가는 광선(160 및 162)은 그에 따라 상이한 밝기를 갖는다. 그러나, 입력 광파(156)와는 달리, 2개의 상이한 광선은 서로 인접하고, 이 차이는 이미지에서 어두운 줄무늬로 쉽게 보여질 것이다. 이들 2개의 광선(164, 165)은 LOE 내부에서 서로 인접하여 함께 계속해서 전파될 것이고, 이들이 함께 결합되는 각각의 장소에서 어두운 줄무늬를 생성할 것이다. 당연히, 이 불균일을 피하는 가장 좋은 방법은 LOE 내로 결합된 모든 광파가 전체 FOV에 대한 전체 입력 애퍼처에 걸쳐 균일한 밝기를 갖도록 하는 것이다. 이러한 요구는 넓은 입력 애퍼처뿐만 아니라 큰 FOV를 갖는 시스템에 있어서 성취하기가 매우 어려울 수 있다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 이러한 불균일성 문제는 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이 LOE의 주요 표면 중 하나에 투명 플레이트를 부착함으로써 해결될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서는, LOE(20)와 투명 플레이트(120) 사이의 인터페이스 평면(167)에 빔 분할 코팅(166)이 적용된다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 2개의 광선(168 및 170)은 기판(20) 내부로 결합된다. 광선(168)만이 지점(172)에서 제 1 부분 반사 표면(22a) 상에 충돌하고 거기서 부분적으로 반사되고, 반면 광선(170)은 어떠한 반사없이 표면(22a)을 지나친다. 그 결과, 2개의 광선이 LOE 내로 결합되는 동안 동일한 밝기를 갖는다고 가정하면, 하부 주 표면(26)으로부터 위쪽으로 반사되는 광선(170)은 상부 표면(27)으로부터 아래쪽으로 반사되는 광선(168)보다 높은 밝기를 갖는다. 이들 2개의 광선은 인터페이스 평면(167)에 위치된 지점(174)에서 서로 교차한다. 거기에 적용되는 빔 분할 코팅으로 인해, 2개의 교차하는 광선 각각은 부분적으로 반사되고 부분적으로 코팅을 통과한다. 결과적으로, 그들 자신과 교차점(174)으로부터 나오는 광선(176 및 178) 사이의 2개의 광선 교환 에너지는 실질적으로 두 개의 입사 광선(168 및 170)의 평균 밝기인 유사한 밝기를 갖는다. 또한, 광선은 교차점(180 및 182)에서 2개의 다른 광선(미도시)과 에너지를 교환한다. 이러한 에너지 교환의 결과로서, 표면(22b)으로부터의 2개의 반사된 광선(184 및 186)은 실질적으로 유사한 밝기를 가질 것이고, 밝은 줄무늬 효과는 상당히 개선될 것이다.
유사하게, 도 13b에 도시된 바와 같이, 2개의 광선(188 및 190)이 기판(20) 내부로 결합된다. 그러나, 광선(188)만이 지점(192)에서 제 1 부분 반사 표면(22a) 상에 충돌하고 상부 표면(27)에 의해 반사되기 전에 거기에서 부분적으로 반사된다. 그 결과, 2개의 광선이 LOE 내로 결합되는 동안 동일한 밝기를 갖는다고 가정하면, 상부 주 표면(27)으로부터 아래쪽으로 반사되는 광선(190)은 광선(188)보다 더 높은 밝기를 갖는다. 그러나, 이들 2개의 광선은 인터페이스 평면(167)에 위치된 지점(194)에서 서로 교차하고 거기에서 에너지를 교환한다. 또한, 이들 2개의 광선은 빔 분할 표면(167) 상에 위치된 지점(196 및 198)에서 다른 광선과 교차한다. 그 결과, 표면(22a)로부터 반사되는 광선(200 및 202) 및 결과적으로 표면(22b)으로부터 반사되는 광선(204 및 206)은 실질적으로 동일한 밝기를 가질 것이고, 따라서 어두운 줄무늬 효과는 현저하게 감소될 것이다. 이러한 개선된 밝기 효과의 균일성은 LOE의 입력 애퍼처에서의 불균일한 조명에 의해 야기되는 어두운 줄무늬 및 밝은 줄무늬에도 적용 가능하다. 그 결과, LOE 내부에 포획된 광파의 밝기 분포는 입력 애퍼처에 대해서보다 LOE의 출력 애퍼처에 대해 상당히 더 균일하다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 표면(22a)으로부터 반사된 광선(184, 186)은 LOE로부터 외부로 결합되기 전에 빔 분할 표면(167)과 교차한다. 그 결과, 단순한 반사 코팅이 표면(167)에 쉽게 적용될 수 없는데, 이는 이 표면이 또한 시스루 애플리케이션을 위해 외부 장면으로부터의 광파에 대해 투명해야 할 뿐만 아니라 기판(20)을 빠져 나가는 광파에 투명해야 하기 때문이다, 즉 광파는 작은 입사각에서 평면(167)을 통과하고 높은 입사각에서 부분적으로 반사되어야 한다. 보통, 통과하는 입사각은 0° 내지 15°이고, 부분 반사 입사각은 40° 내지 65°이다. 또한, 광선이 LOE 내부로 전파되는 동안 인터페이스 표면(167)을 여러 번 가로 지르기 때문에, 코팅의 흡수는 무시할 만할 것이다. 그 결과, 단순한 금속 코팅은 사용될 수 없고, 높은 투명성을 갖는 유전성 박막 코팅이 이용되어야 한다.
도 14는 s-편광에 대한, 광순응 구역에서의 3개의 대표적인 파장: 470 nm, 550 nm, 및 630 nm에 대한 입사각의 함수로서의 반사율 곡선을 도시한다. 예시된 바와 같이, s-편광된 광파에 대해, 40° 내지 65°의 큰 입사각에서 (45% 내지 55% 의) 부분 반사율 및 작은 입사각에서 (5% 아래의) 낮은 반사율의 필요한 거동을 달성하는 것이 가능하다. p-편광된 광파에 있어서, 브루스터(Brewster) 각도에 근접함으로 인해 40° 내지 65°의 입사각에서 상당한 반사율을 달성하는 것이 불가능하다. LOE 기반 이미징 시스템에 보통 이용되는 편광은 s-편광이므로, 필요한 빔 분할기가 상당히 용이하게 적용될 수 있다. 그러나, 빔 분할 코팅이 낮은 입사각에서 인터페이스 표면 상에 충돌하고 실질적으로 무편광인 외부 장면으로부터의 광파에 대해 실질적으로 투명해야 하기 때문에, 코팅은 p-편광된 광파에 대해서 또한 작은 입사각에서 낮은 반사율(5% 아래)을 가져야 한다.
여전히 존재하는 어려움은 LOE(20)가 여러 상이한 컴포넌트로부터 조립된다는 것이다. 제조 공정은 보통 광학 요소를 접합하는 것을 수반하고, LOE(20)의 본체가 완성된 후에만 필요한 각도 감응 반사 코팅이 도광 표면에 적용되기 때문에, 접합된 영역에 손상을 줄 수 있는 종래의 열 코팅 절차를 이용하는 것은 가능하지 않다. 새로운 박막 기술뿐만 아니라 이온 보조 코팅 절차가 또한 냉각 공정에 사용될 수 있다. 부품을 가열할 필요가 없는 것은 때문에 접합되는 부품이 안전하게 코팅될 수 있게 한다. 대안은 필요한 코팅이 종래의 고온 코팅 절차를 이용하여 LOE(20)에 인접한 투명 플레이트(120)에 간단히 적용될 수 있고 그 다음에 그것을 적절한 위치에서 접합시키는 것이다. 분명히, 투명 플레이트(120)가 너무 얇지 않아서 코팅 공정 중에 변형될 수 있는 경우에만 이 대안적인 접근법이 이용될 수 있다.
위에서 설명한대로 빔 분할 메커니즘을 설계하는 동안 고려해야 할 몇 가지 문제가 있다:
a. LOE 내부에 포획된 광선이 주 표면(26 및 27)으로부터 완전히 반사될 뿐만 아니라 내부의 부분 반사 인터페이스 평면(167)으로부터도 반사되기 때문에, 이들 3개의 표면 모두가 서로 평행하여 결합된 광선이 LOE 내부에서 원래의 내부 결합 방향을 유지하게 하는 것이 중요하다.
b. 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 투명 플레이트(120)은 원래의 LOE(20)보다 얇다. 도 7-10에서 코팅되지 않은 플레이트에 대해 제기된 고려 사항과는 달리, 플레이트(120)의 두께는 균일성 최적화에 중요하지만, 본원에서 코팅된 플레이트의 두께는 다른 고려 사항에 따라 선택될 수 있다. 한편, 더 두꺼운 플레이트를 제조하고, 코팅하고, 접합하는 것이 더 쉽다. 다른 한편으로, 더 얇은 플레이트를 사용하면, 실질적으로 기판 외부로 광파가 결합되는 LOE(20)의 유효 체적이 주어진 기판 두께에 대해 더 높다. 또한, 플레이트(120)와 LOE(20)의 두께 사이의 정확한 비율은 기판 내부의 에너지 교환 프로세스에 영향을 줄 수 있다.
c. 보통, 풀 컬러 이미지를 위해 지정된 빔 분할기에 있어서, 반사율 곡선은 색채 효과를 중단시키기 위해 전체 광순응 구역에 대해 가능한 한 균일해야 한다. 그러나, 본 발명에 도시된 구성에서, 다양한 광선이 LOE(20)로부터 외부로 결합되기 전에 여러 번 서로 교차하기 때문에, 이러한 요구 사항은 더 이상 필수적이지 않다. 당연히, 빔 분할 코팅은 결합된 이미지의 전체 파장 스펙트럼을 고려해야 하지만, 부분 반사 곡선의 색채 평탄도는 시스템의 다양한 파라미터에 따라 용인될 수 있다.
d. 빔 분할 코팅의 반사율-투과율 비율이 반드시 50%-50%일 필요는 없다. 더 어두운 광선과 더 밝은 광선 사이에서 원하는 에너지 교환을 달성하기 위해 다른 비율이 이용될 수 있다. 또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 보다 간단한 빔 분할기 코팅이 이용될 수 있는데, 여기서 반사율은 40°의 입사각에서 35%로부터 65°의 입사각에서 60%까지 점진적으로 증가된다.
e. LOE에 추가되는 빔 분할 표면의 수는 1로 제한되지 않는다. 도 16에 도시된 바와 같이, 다른 투명 플레이트(208)가 LOE의 상부 표면에 접합될 수 있으며, 여기서 LOE(20)와 상부 플레이트(208) 사이의 인터페이스 평면(210)에 유사한 빔 분할 코팅이 적용되어 2개의 빔 분할 표면을 갖는 광학 디바이스를 형성한다. 여기서, 2개의 동일하지 않은 광선(212 및 214)은 지점(216 및 217)에서 다른 광선과의 다른 교차와 함께 코팅된 인터페이스 평면(210) 상의 지점(215)에서 서로 교차한다. 이는 하부 빔 분할 인터페이스 평면(167) 상의 교차를 추가한다. 그 결과, 반사된 광선(218 및 220)의 균일성은 도 13a 및 도 13b의 실시예의 균일성보다 훨씬 양호할 것으로 예상된다. 당연히, 2개의 빔 분할 인터페이스 평면을 갖는 LOE의 제조 방법은 단일 평면만을 갖는 것의 제조 방법보다 더 어렵다. 따라서 불균일성 문제가 심한 시스템에서만 고려해야 한다. 앞에서와 같이, 4개의 반사 표면 및 평면(26, 27, 167, 및 210) 모두가 서로 평행해야 하는 것이 중요하다.
f. 투명 플레이트(120)는 반드시 LOE(20)와 동일한 광학 재료로 제조될 필요는 없다. 또한, LOE는 실리케이트 기반 재료로 제조될 수 있는 반면, 눈의 안전을 위해, 투명층은 폴리머 기반 재료로 제조될 수 있다. 당연히, 외부 표면의 광학 품질을 보장하고 투명 플레이트의 변형을 피하기 위해 주의를 기울여야 한다.
g. 지금까지는, 투명 플레이트가 완전히 비어 있다고 가정했다. 그러나, 도 17에 도시된 바와 같이, 부분 반사 표면(222a 및 222b)은 LOE의 사용 가능한 용적을 증가시키기 위해 플레이트(120) 내부에 제조될 수 있다. 이들 표면은 기존 표면(22a 및 22b)에 엄격하게 평행하고 정확하게 동일한 방향으로 배향되어야 한다.
플레이트(120)의 두께 및 광학 재료, 빔 분할 코팅의 정확한 성질, 빔 분할 표면의 수, 및 LOE 내부의 부분 반사 표면의 위치와 같은 상기 실시예의 모든 다양한 파라미터는 많은 상이한 가능한 값을 가질 수 있다. 이러한 요소의 정확한 값은 광학 시스템의 다양한 파라미터뿐만 아니라 광학 품질 및 제조 비용에 대한 특정 요구 사항에 따라 결정된다.
지금까지는, 광파는 주 표면에 대해 비스듬한 각도로 배향된 부분 반사 표면에 의해 기판으로부터 외부로 결합되고, 보통 유전체 코팅으로 도포된 것으로 가정되었다. 그러나, 도 18a에 도시된 바와 같이, 각각 회절 소자(230 및 232)를 이용하여 광파가 기판 내로 결합되거나 기판으로부터 외부로 결합되는 시스템이 있다. 위에서 논의된 동일한 균일성 문제가 또한 이 구성과 관련 있을 것이다. 도시된 바와 같이, 디스플레이 소스에서의 동일한 지점으로부터의 2개의 광선(234 및 236)은 내부 결합 소자(230)의 2개의 에지에서 서로 멀리 떨어진 기판(238) 내로 결합된다. 광선은 서로 인접하여 위치된 외부 결합 소자(232)에 의해 외부로 결합된다. 그러므로, 광선들 사이의 임의의 차이는 외부로 결합된 파에서 쉽게 알 수 있을 것이다. 또한, 균일한 외부로 결합된 이미지를 유효하게 하기 위해, 외부 결합 소자(232)의 회절 효율이 점진적으로 증가된다. 그 결과, 동일한 지점의 소스로부터의 상이한 광선은 소자의 외부로 결합되기 전에 소자(232)에서의 상이한 위치를 통과할 수 있고, 따라서 이미지에서 상이한 밝기를 가질 것이다. 불균일에 대한 또 다른 원인은 광선(234)은 그레이팅(232)의 오른쪽 에지(240)에서 기판으로부터 부분적으로 회절되고, 한편 광선(236)은 그레이팅의 바로 왼쪽의 하부 표면에 충돌하고 따라서 거기서 회절되지 않는다는 사실에 기인할 수 있다. 그 결과, 2개의 인접한 광선(234 및 236)에 대한 그레이팅(232)에서의 모든 외부 결합 위치에 대해, 광선(236)은 보다 높은 밝기를 가지며 이 차이는 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 18b는 이러한 문제를 해결하기 위한 유사한 접근법을 도시한다. 도시된 바와 같이, 투명 플레이트(242)는 기판(238)의 상부 표면(244)에 접합되며, 여기서 인터페이스 표면(246)은 상술한 코팅과 유사한 빔 분할 코팅으로 도포된다.

Claims (26)

  1. 광학 디바이스로서,
    입력 애퍼처, 출력 애퍼처, 적어도 2개의 주 표면 및 에지를 갖는 광 투과성 기판;
    내부 전반사에 의해 광파를 기판 내로 결합시키기 위한 광학 소자;
    상기 기판 외부로 광파를 부분적으로 반사시키기 위해 상기 광 투과성 기판의 상기 2개의 주 표면 사이에 위치된 적어도 하나의 부분 반사 표면;
    적어도 2개의 주 표면을 갖는 제 1 투명 플레이트로서, 상기 투명 플레이트의 주 표면 중 하나는 상기 광 투과성 기판의 주 표면에 광학적으로 부착되어 인터페이스 평면을 형성하는, 제 1 투명 플레이트; 및
    상기 기판과 상기 투명 플레이트 사이의 상기 인터페이스 평면에 적용된 빔 분할 코팅을 포함하고,
    상기 광 투과성 기판 내부로 결합된 광파는 상기 인터페이스 평면으로부터 부분적으로 반사되고 상기 인터페이스 평면을 부분적으로 통과하는, 광학 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부분 반사 표면에 의해 상기 기판 외부로 결합된 광파는 임의의 유의미한 반사율없이 상기 인터페이스 평면을 실질적으로 통과하는, 광학 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판의 주 표면은 상기 제 1 투명 플레이트의 주 표면에 평행하는, 광학 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 큰 입사각에서 상당한 반사율을 가지고, 작은 입사각에서 낮은 반사율을 가지는, 광학 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 0° 내지 15°의 입사각에서 낮은 반사율을 가지고, 40°보다 높은 입사각에서 상당한 반사율을 가지는, 광학 디바이스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 40°보다 높은 입사각에서 35%보다 높은 반사율을 가지고, 15°보다 낮은 입사각에서 10%보다 낮은 반사율을 가지는, 광학 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 상기 광 투과성 기판의 주 표면에 적용되는, 광학 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 냉각 코팅 공정을 이용하여 적용되는, 광학 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 상기 제 1 투명 플레이트의 표면 중 하나에 적용되는, 광학 디바이스.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅의 반사율은 40°보다 높고 60°보다 낮은 입사각에서 실질적으로 일정한, 광학 디바이스.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅의 반사율은 40°보다 높은 입사각에서 일정하지 않은, 광학 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅의 반사율은 40°보다 높은 입사각에서 입사각의 함수로서 증가하는, 광학 디바이스.
  13. 제 4 항에 있어서,
    큰 입사각에서의 상기 빔 분할 코팅의 반사율은 전체 광순응 구역에 대해 실질적으로 균일한, 광학 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 플레이트는 상기 광 투과성 기판보다 얇은, 광학 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판의 나머지 주 표면에 광학적으로 부착되어 제 2 인터페이스 평면을 형성하는 제 2 투명 플레이트를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    빔 분할 코팅이 상기 제 2 인터페이스 평면에 적용되는, 광학 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 빔 분할 코팅은 큰 입사각에서 상당한 반사율을 가지고, 작은 입사각에서 낮은 반사율을 가지는, 광학 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판 및 상기 투명 플레이트는 동일한 광학 재료로 제조되는, 광학 디바이스.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판 및 상기 투명 플레이트는 2개의 상이한 광학 재료로 제조되는, 광학 디바이스.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 플레이트는 폴리머 기반 재료로 제조되는, 광학 디바이스.
  21. 제 1 항에 있어서,
    광파를 상기 기판 내로 결합시키기 위한 상기 광학 소자는 회절 소자인, 광학 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판의 상기 2개의 주 표면 사이에 위치된 상기 적어도 하나의 부분 반사 표면은 회절 소자인, 광학 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판의 상기 2개의 주 표면 사이에 위치된 상기 적어도 하나의 부분 반사 표면은 상기 기판의 주 표면에 대해 비스듬한 각도로 배향되는, 광학 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 부분 반사 표면은 유전체 코팅으로 도포되는, 광학 디바이스.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스는 상기 광 투과성 기판의 상기 2개의 주 표면 사이에 위치된 복수의 부분 반사 표면을 포함하되, 상기 부분 반사 표면은 서로 평행하는, 광학 디바이스.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 내부로 결합된 광파의 밝기 분포는 상기 기판의 상기 입력 애퍼처보다 상기 출력 애퍼처에 걸쳐 실질적으로 더 균일한, 광학 디바이스.
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