KR20230148324A - 프로젝터로부터 도파관으로의 콤팩트한 커플링을 갖는광학 시스템 - Google Patents

프로젝터로부터 도파관으로의 콤팩트한 커플링을 갖는광학 시스템 Download PDF

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Abstract

광학 시스템은 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위해 상호 평행한 제1 및 제2 주 외부 표면들(11, 12)을 갖는 광-가이드 광학 요소(LOE)(10) 및 개구(101)로부터 시준된 이미지에 대응하는 조명을 투사하는 프로젝터(100)를 포함한다. 프로젝터는 이미지 주입 표면을 투사하는 제1 주 외부 표면(11)에 부착된 커플링 프리즘(30)을 통해 LOE에 광을 주입한다. 주 외부 표면(11)과 주 외부 표면에 평행한 커플링 프리즘(30) 사이의 인터페이스에 반사 편광 빔 스플리터(51)가 배치되어, 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되도록 이미 LOE 내에 광을 가두는 동안 커플링 프리즘에서 LOE로 조명을 선택적으로 투과한다.

Description

프로젝터로부터 도파관으로의 콤팩트한 커플링을 갖는 광학 시스템
본 발명은 광학 시스템(optical system)에 관한 것으로, 특히 프로젝터로부터의 도파관으로의 이미지의 콤팩트한 커플링을 갖는 광학 시스템에 관한 것이다.
많은 가상 현실 및 증강 현실 디스플레이들은 이미지가 내부 반사에 의해 전파되는 2개의 주(major) 평행 평면 표면들이 있는 광-가이드 광학 요소(LOE)를 사용한다. 시준된 이미지에 해당하는 조명은 프로젝터에 의해 생성되고 커플링-인 영역에서 LOE에 도입된다. 조명은 관찰자의 눈을 향해 LOE 외부에서 커플링되는 커플링-아웃 영역에 도달할 때까지 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파된다. 눈을 향한 조명의 커플링 아웃은 비스듬하게 각진 부분 반사 내부 표면들의 세트를 사용하거나 하나 이상의 회절 광학 요소를 사용함으로써 이루어질 수 있으며, 모두 당업자에 잘 알려져 있다. 프로젝터로부터의 이미지 조명을 LOE로 커플링하는 것은 커플링 프리즘을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명은 프로젝터로부터의 도파관으로의 이미지의 콤팩트한 커플링을 갖는 광학 시스템이다.
본 발명의 실시예의 교시에 따르면, 광학 시스템이 제공되며, 이는: (a) 투명 재료로 형성되고 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위해 상호 평행한 제1 및 제2 주 외부 표면들을 갖는 광-가이드 광학 요소(LOE); (b) 개구(aperture)로부터 시준된 이미지에 대응하는 조명을 투사하도록 구성된 프로젝터-여기서 상기 조명은 상기 프로젝터의 광학 축을 정의하는 주광선(chief ray)과 상기 주광선 주위의 각도 필드로 상기 개구를 나감-; (c) 상기 LOE의 상기 제1 주 외부 표면에 부착된 커플링 프리즘-여기서, 상기 커플링 프리즘은 상기 주 외부 표면들에 대해 비스듬하게 각진 이미지 주입 표면의 적어도 일부를 제공하고, 상기 프로젝터는 상기 이미지 주입 표면과 연관되고 상기 주광선 및 상기 주광선 주위의 상기 각도 필드는 상기 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 대한 임계각보다 큰 상기 주 외부 표면들에 대한 입사각으로 상기 이미지 주입 표면을 통해 주입되도록 배향됨-; 및 (d) 상기 주 외부 표면과 상기 주 외부 표면에 평행한 상기 커플링 프리즘 사이의 인터페이스에 배치된 반사 편광 빔 스플리터를 포함하고, 상기 조명의 적어도 일부는 제1 편광으로 상기 빔 스플리터에 입사하고 상기 빔 스플리터에 의해 상기 커플링 프리즘으로부터 상기 LOE로 투과되고, 상기 시준된 이미지의 켤레 이미지에 대응하고 상기 LOE 내로부터 상기 빔 스플리터에 입사하는 제2 편광을 갖는 광은 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파되도록 상기 빔 스플리터로부터 반사된다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 조명을 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이에서 변환하기 위해 상기 조명의 적어도 일부의 경로에 배치된 파장플레이트가 더 제공된다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 파장플레이트는 상기 LOE의 상기 제2 주 외부 표면의 적어도 일부와 연관된 1/4 파장플레이트이다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 파장플레이트는 상기 개구의 제2 부분과 중첩되지 않고 상기 개구의 제1 부분과 중첩 관계로 배치된 반파장플레이트이다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 개구의 상기 제1 부분은 상기 빔 스플리터를 통과하지 않고 상기 LOE로 광이 통과하는 상기 이미지 주입 표면의 일부를 통해 조명을 투사한다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 프로젝터는 상기 제2 편광의 조명을 투사하도록 구성되고, 상기 개구의 상기 제1 부분은 광이 상기 빔 스플리터를 통과하는 상기 이미지 주입 표면의 일부를 통해 조명을 투사하고, 상기 반파장 플레이트는 상기 제2 편광의 조명을 상기 제1 편광의 조명으로 변환한다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이미지 주입 표면은 상기 커플링 프리즘에 의해 부분적으로 제공되고 상기 LOE의 표면에 의해 부분적으로 제공된다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이미지 주입 표면은 상기 커플링 프리즘에 의해 전체적으로 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에서 설명되며, 여기서:
도 1은 에지 표면을 통해 도파관에 이미지를 주입하는 프로젝터의 개략적인 측면도로서, 이미지로 도파관이 불완전하게 채워짐을 나타낸다;
도 2a 및 2b는 투사된 각도 필드의 얕은 말단(shallow extremity) 및 투사된 각도 필드의 가장 가파른 말단(steepest extremity)을 개별적으로 예시하는, 도파관의 두께를 이미지로 채우도록 커플링 프리즘을 통해 도파관에 이미지를 주입하는 프로젝터의 개략적인 측면도들이다;
도 3a 내지 3c는 투사된 각도 필드의 얕은 말단, 중간-필드 및 가장 가파른 말단을 개별적으로 예시하는, 반사형 편광 빔 스플리터를 갖는 커플링 프리즘을 통해 도파관으로 이미지를 주입하는 프로젝터를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 광학 시스템의 개략적인 측면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용하기에 적합한 편광 빔 스플리터에 대한 입사각의 함수(function)로서 p-편광에 대한 투과율 및 s-편광에 대한 반사율을 예시하는 그래프이다;
도 5a 및 5b는 투사된 각도 필드의 얕은 말단 및 가장 가파른 말단을 개별적으로 예시하는 본 발명의 변형 실시예에 따른 광학 시스템의 개별적인 측면도들이다;
도 6a 및 도 6b는 투사된 각도 필드의 얕은 말단 및 가장 가파른 말단을 개별적으로 예시하는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따른 광학 시스템의 개략적인 측면도들이다;
도 7a 내지 7c는 편광-관련 밴딩 효과들을 줄이기 위해 지연기 요소(retarder element)의 가능한 배치들을 예시하는 임의의 상기 실시예들에 따른 광학 시스템의 개략적인 측면도들이다; 및
도 8a 및 8b는 편광-관련 밴딩 효과들을 줄이기 위해 혼합을 달성하기 위해 개별적으로 하나 또는 두 개의 내부 부분-반사기들의 가능한 배치들을 예시하는 임의의 상기 실시예에 따른 광학 시스템의 개략적인 측면도들이다.
본 발명은 프로젝터로부터의 도파관으로의 이미지의 콤팩트한 커플링을 갖는 광학 시스템이다.
본 발명에 따른 광학 시스템의 원리들 및 동작은 첨부된 도면들 및 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
서론으로, 도 1은 상호-평행한 제1 및 제2 주 외부 표면들(11 및 12)에서 내부 반사에 의해 광-가이드 광학 요소(LOE)(10)(본 명세서에서 상호 교환적으로 "도파관"이라고 함) 안에서 전파하는 광선들을 도시한다. 이 예에서, 광선들은 LOE의 주 외부 표면들에 비스듬히 각을 이루는 내장된 부분 반사 거울들(20)에 의해 관찰자의 눈(40)을 향해 커플링 아웃된다. 본 발명은 당업자에 잘 알려진 바와 같이 관찰자의 눈을 향하여 이미지 조명을 커플링 아웃하기 위해 회절 광학 요소들을 사용하는 디스플레이들에 동일하게 적용할 수 있다.
시준된 이미지에 대응하는 프로젝터(100)로부터의 조명은 여기서 주입된 이미지를 복제하지 않는 간단한 방식으로 표면(13)에서 도파관으로 주입되는 것으로 도시되며, 따라서 켤레된 이미지(conjugated image)가 생성되지 않는다. 결과적으로 도파관 내부를 전파하는 광선들은 '홀(hole)', 예를 들어 이미지 조명이 도달하지 않는 영역들을 포함하고 관찰자의 눈(40)에 도달하는 광선들은 균일하지 않다. 따라서 관찰자에 의해 검출된 강도 분포는 균일하지 않으며 "아이 모션 박스"(눈의 허용된 보기(viewing) 위치들) 내에서 눈의 상이한 위치들에 따라 변경되며 관찰되는 특정 필드에 따라 달라진다.
아웃커플링된 광의 균일한 조명을 달성하기 위해, 도 2a 및 2b에 제시된 것과 같은 보다 진보된 커플링-인 구성들이 종종 사용된다. 여기서 프로젝터(100)는 더 큰 개구를 제공하고 프리즘(30)을 통해 LOE에 결합되어 도파관에 주입되고 도파관(12)의 하부 표면에 의해 반사된 광선들이 프로젝터로부터 직접 주입된 광선들과 중첩된다. 이렇게 하면 이미지와 그 켤레가 모두 도파관 내부에 완전히 존재하게 되며, 이는 도파관을 이미지 조명으로 "채우기"라고 지칭된다. 물론 이는 도파관이 지원하는 모든 필드에 대해 사실이어야 한다. 도 2a 및 2b는 공기 중에서 약 30o 너비에 해당하는 매체 내부의 약 20o 너비의 일반적인 시야의 필드의 두 가지 극단적인 경우들을 도시한다. 각 필드에 대한 조명의 상당 부분이 손실된다는 점에 유의해야 한다(LOE 개구 외부로 떨어지기 때문에 LOE에 들어가기보다는 커플링 프리즘의 후면 표면에서 종료되는 광선 방향들로 표시됨).
원칙적으로 고급 프로젝터들은 각 필드가 결국 도파관에 커플링되는 광선들으로만 구성되도록 설계될 수 있다. 그러나 이들은 디자인하기 어렵고 많은 기술적 복잡성을 시사한다(예를 들어, 이러한 시스템의 개구들은 주광선에 대해 비스듬한 각도에 있고 프로젝터에서 멀리 떨어져 있어 일반적으로 대형 프로젝터가 필요함). 또한 이러한 유형의 프로젝터는 특정 도파관을 위해 디자인되어야 하며 '모두에게 맞는' 일반 프로젝터들은 불가능하다.
이제 일반적으로 본 발명의 특정한 특히 바람직한 구현예들을 참조하면, 투명 재료로 형성되고 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 상호-평행한 제1 및 제2 주 외부 표면들(11, 12)을 갖는 광-가이드 광학 요소(LOE)(10)를 포함하는 광학 시스템이 제공된다. 프로젝터(100)는 개구(101)로부터 시준된 이미지에 대응하는 조명을 투사하도록 구성되며, 조명은 프로젝터의 광학 축(102)을 정의하는 주광선과 주광선 주위의 각도 필드로 개구를 빠져나간다. 도 3b는 주광선에 평행한 광선들의 세트를 예시하고, 도 3a 내지 3c는 각도 필드의 가장 얕은-각도 및 가장 가파른-각도 광선들을 개별적으로 예시한다.
LOE의 제1 주 외부 표면(11)에 부착된 커플링 프리즘(30)은 주 외부 표면들(11 및 12)에 대해 비스듬히 각진 이미지 주입 표면(32)의 적어도 일부를 제공한다. 도 3a 내지 도 3c의 비제한적인 예에서, 이미지 주입 표면(32)은 부분적으로 커플링 프리즘(30) 및 부분적으로 LOE(10)의 에지에 의해 제공되며, 함께 연마되어 연속적인 표면을 형성한다. 프로젝터(100)는 이미지 주입 표면(32)과 연결되고 주광선 및 주광선 주위의 각도 필드가 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 대한 임계 각보다 더 큰 주 외부 표면들에 대한 입사각들로 이미지 주입 표면을 통해 주입되도록 배향된다. 즉 다른 말로, 프로젝터와 커플링 프리즘의 배향은 이미지 조명이 투사된 각도들에서 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파될 수 있도록 한다.
반사 편광 빔 스플리터(51)는 주 외부 표면들에 평행한, 제1 주 외부 표면(11)과 커플링 프리즘(30) 사이의 인터페이스에 배치된다는 것이 본 발명의 특정한 바람직한 구현의 특정 특징이다. 프로젝터(100)로부터의 조명의 적어도 일부는 커플링 프리즘(30)으로부터 LOE(10)로 빔 스플리터에 의해 송신되는 제1 편광을 갖는 빔 스플리터(51) 상에 입사하는 반면, 시준된 이미지의 켤레 이미지에 해당하고 제2 편광을 갖는 광이 LOE 내에서 빔 스플리터에 입사되고 빔 스플리터에서 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되도록 반사된다. 따라서 빔 스플리터는 LOE에 들어갈 수 있는 프로젝터(100)로부터의 이미지 조명과 이미 LOE 내에 있는 이탈이 방지되는 이미지 조명을 구별하고 LOE를 따라 내부 반사를 통해 전파를 시작한다.
전술한 기능을 달성하는 편광 컨디셔닝 효과를 가져오기 위해 다양한 배열들이 사용될 수 있다. 특히 바람직한 예들의 서브세트에서, 제1 편광과 제2 편광 사이에서 조명을 변환하기 위해 이미지 조명의 적어도 일부의 경로에 파장플레이트가 배치된다. 도 3a 내지 도 3c는 이것의 일례를 예시하며, 여기서 파장플레이트는 LOE의 제2 주 외부 표면(12)의 적어도 일부와 연관된 1/4 파장 플레이트(52)으로서 구현된다.
이 구현의 동작은 다음과 같다. 광은 프로젝터(100)로부터 p-편광된 도파관(10)으로 투사된다. (p-편광 투사 조명을 사용하는 옵션은 이 예에서 임의로 선택되었지만, 이 예는 s-편광 조명의 투사와 동일하게 제시될 수 있으며 p/s 편광 지정이 전체적으로 교환됨을 이해해야 한다.) (이 예에서) p-편광 광을 투과시키고 s-편광광을 반사시키는 반사 편광 빔 스플리터(51)는 커플링 프리즘(30)과 상부 표면(11) 사이에 배치된다. 광학 지연기(1/4 파장 플레이트)(52)는 하부 표면(12)의 적어도 일부에 배치되고 입사 광선들의 편광을 변경하는 역할을 한다.
도 4는 입사각의 함수로서 (개별적으로) s 및 p 편광들의 반사율 및 투과율의 플롯을 나타내며, 편광 빔 스플리터 필드에서 알려진 바와 같이 표면(51)에 대한 전형적인 코팅 층을 설명한다. 대안적으로, 와이어 그리드 편광자를 사용하여 적절한 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는, 지연기(52)는 지연기에 의해 앞뒤로 전달되는 광의 편광이 회전하고 p-편광에서 s-편광으로(또는 그 반대로) 변환되도록 1/4 파장 플레이트일 것이다. 이러한 구조의 결과로, 프로젝터(100)에 의해 투사된 광선들은 빔 스플리터(51)에 의해 투과되어 도파관으로 전달된다. 52에 충돌하는 광선들은 편광을 변경하고, 도 3c에 예시된 바와 같이 빔 스플리터에 두 번째로 충돌하면 빔 스플리터(51)에 의해 반사된다. 빔 스플리터의 선택적인 특성들은 주입된 이미지의 조명의 훨씬 더 많은 비율이 에너지 손실을 크게 줄이면서 도파관에 커플링될 수 있게 할 수 있다. 또한 필요한 프로젝터 개구의 크기는 도 2a 및 2b보다 훨씬 작다.
지연기(52)는 결정질 영-차 결정질 지연기들, 얇은 필름 다결정질 참-영-차 지연기들, 서브파장 구조들 및 도파관에 직접 코팅된 진보된 유전 층들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 방식으로 구현될 수 있다.
최적으로, 시스템은 모든 필드의 광선들이 커플링 프리즘의 단부에 도달하기 전에 표면(51)에서 한 번만 반사되도록 구현된다. 그렇지 않으면, 일반적으로 약간의 광 손실이 발생한다.
이 실시예에서, 가파른-전파 광선들(도 3c)은 일부 경우에사 불균일한 강도 프로파일을 겪을 수 있다. 이는 다양한 방법들로 예를 들어, 임베디드 믹서 요소(즉, 도파관의 주 축들에 평행한 부분적으로 반사된 표면, 도들 8a 및 8b를 참조하여 아래에 설명됨)를 사용하거나 도파관에 밀접하게-이격된 커플링-아웃 패싯들을 배치함으로써 완화될 수 있다. 불균일성은 프로젝터 개구의 신중한 디자인과 커플링 구성의 지오메트리에 의해 감소되거나 심지어 제거될 수 있다.
지연기(52)는 커플링-인 영역에만 배치될 수 있거나 도파관의 일부 또는 전부에 걸쳐 연장될 수 있다. 지연기는 또한 도파관을 따라 편파를 회전 및 혼합하는 역할을 할 수 있으며, 예를 들어 이 실시예의 편파-의존 커플링-인 구성에 의해 발생할 수 있는 임의의 편파 아티팩트들을 완화할 수 있다. 지연기는 도파관의 외부 표면에 위치하거나 도파관(10)과 외부 얇은 커버-플레이트들(미도시) 사이에 위치할 수 있으며, 이는 아웃-커플링 조명의 균일성을 향상시키는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 이러한 실시예들 및 다른 실시예들에서, 이미지 주입 표면에 비교적 근접한 빔 스플리터(51)에 의한 LOE 내의 광의 트래핑은 이미지 프로젝터(100)의 디자인에 이점들을 제공한다. 구체적으로, 광 효율을 위해, 도파관의 입구 개구는 바람직하게는 프로젝터의 조명 정지부(stop)까지 프로젝터 광학장치(도시되지 않은 조명 광학장치와 시준 광학장치)에 의해 이미지화된다. 도 2a 및 2b의 디자인에서 도파관에 대한 유효 개구는 이미지 주입 표면에서 멀리 떨어진 커플링 프리즘의 단부에 있다. 대조적으로, 도 3a 내지 3c의 디자인 및 본 명세서의 후속 예들은 조명 정지부가 프로젝터 출구 개구에 이미징되는 일반 프로젝터 디자인의 사용을 허용하고 일반적으로 프로젝터의 더 작은 전체 크기의 사용을 용이하게 하는 이미지 주입 표면(32)에 훨씬 더 가까운 효과적인 도파관 개구를 제공한다.
도 5a 및 도 5b는 이미지 주입 표면(32)이 커플링 프리즘(30)에 의해 전체적으로 제공되어 프로젝터(100)가 도파관의 상부에 배치되는 본 발명의 실시예의 대안적인 구현예를 도시한다. 이러한 구성은 제조하기가 훨씬 더 쉬울 것이지만, 약간 더 큰 개구를 초래한다. 모든 다른 양태들에서, 도 5a 및 5b 구현예의 구조 및 동작은 도 3a 내지 3c의 것과 유사하다.
도 6a 및 6b는 도파관의 제2 주 표면에 지연기를 사용하는 대신, 개구의 제2 부분과 중첩하지 않고 개구(101)의 제1 부분에 중첩 관계로 배치된 반-파장 플레이트 형태의 지연기(52)를 사용하는 대안적인 구현예를 예시한다. 여기서 예시된 경우에, 개구의 "제1" 부분은 광이 빔 스플리터(51)를 통과하는 이미지 주입 표면(32)의 일부를 통해 조명을 투사한다. 이는 프로젝터가 빔 스플리터에서 반사되는 편광을 투사하는 경우에 적합하다. 빔 스플리터에 의해 반사된 편광은 도시된 바와 같이 커플링-인 표면의 하부 부분에서 LOE로 직접 도입되며, 따라서 빔 스플리터에 의해 포획되고 LOE를 따라 내부 반사에 의해 전파되는 반면, 반-파장-플레이트(52)는 도시된 바와 같이 개구의 상부 부분에서 제2 편광의 조명을 제1 편광의 조명으로 변환하고, 이미지 조명의 해당 부분이 빔 스플리터에 의해 전송되고 LOE에 들어갈 수 있다.
따라서, 특정한 예로서, 빔 스플리터가 p-편광을 통과하고 s-편광을 반사하는 도 6a 및 도 6b의 경우, 도파관에 직접 입사되고 지연기(51)를 통과하지 않는 이미지 주입 표면의 하부 부분의 광선들은 s-편광되는 반면, 지연기(51)(여기서는 바람직하게는 반 파장 플레이트로서 작용함)를 통해 전파되는 이미지 주입 표면의 상부 부분의 광선들은 p-편광에서 도파관으로 주입된다.
분명히, 빔 스플리터에서 송신되는 편광을 생성하는 프로젝터를 사용하고 빔 스플리터를 거치지 않고 LOE에 직접 광이 커플링되는(여기서 예시된 배향에서, 하단 부분) 이미지 주입 표면(32) 부분에 반-파장 플레이트(52)를 배치하는 방법으로 동등한 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서에 설명된 모든 실시예들에서, 빔 스플리터는 제1 주 외부 표면(11)과 커플링 프리즘(30) 사이의 인터페이스에 있고 주 외부 표면에 평행한 것으로 설명된다. 이러한 목적을 위한 "인터페이스"는 광이 커플링 프리즘(30)에서 LOE(10)로 통과하는 영역으로 기능적으로 정의된다. 가장 바람직하게는, 빔 스플리터는 전형적으로 본딩 전에 LOE(10)에 커플링 프리즘(30)의 대면 표면들 중 하나 또는 다른 표면에 적용된 코팅으로서, 또는 커플링 프리즘(30)과 LOE(10) 사이에 샌드위치된 필름 또는 다른 층으로서 제1 주 외부 표면(11)과 동일 평면에 배치된다. 그러나, 커플링 프리즘(30) 또는 LOE(10) 내에 내장된 빔 스플리터의 배치는 또한 전술한 기능을 제공하기 위해 인터페이스에 충분히 근접한 한 "인터페이스에" 있는 것으로 간주될 수 있다. 예시된 모든 경우들에서, 이미지 조명이 LOE를 따라 전파될 때 고스트 이미지 생성을 방지하기 위해 LOE의 주 표면들에 대한 빔 스플리터의 평행도가 필수적이다.
전술한 다양한 커플링-인 배열은 본질적으로 혼합 편광 상태, 즉 p 및 s 편광의 중첩으로 광을 도파관에 커플링하여, 특정 필드에 대해 입력 개구의 일부 영역이 p-편광 광으로 구성되고 입력 개구의 다른 영역이 s-편광 광으로 구성되도록 한다. 도파관에서 광을 커플링 아웃하는 내장된(굴절 또는 회절) 컴포넌트는 일반적으로 편광에 민감하기 때문에, 이로 인해 잠재적으로 출력에 줄무늬(비균일 강도) 이미지가 나타날 수 있다.
원칙적으로 내장된 요소는 두 편광 상태들의 조건들을 매칭시켜 균일성을 최대화하도록 디자인 및 최적화할 수 있지만 일반적으로 달성하기가 매우 어려우며; 효율성, 색상 균일성 등의 대가를 치러야 한다. 따라서 도파관에 커플링된 혼합 편광 조명의 효과를 개선하기 위해 아래에 여러 대안적 접근 방식이 제안된다.
도 7a 내지 7c에 제시된 바와 같이, 편광 지연기(201)는 도파관 내부에 광의 편광 상태를 제어하도록 도파관 내부에 배치될 수 있다. 지연기는 복굴절 결정, 중합체의 얇은 층 또는 구조적 또는 공간적으로 다양한 코팅 또는 공간적으로 다양한 격자로 만들어질 수 있다. 이러한 요소는 도파관 내부에 내장될 수 있으며(공동 할당된 PCT 특허 출원 번호 CT/IL2021/051143에 설명된 대로), 또는 도파관과 커플링-인 웨지를 별도로 제작할 경우 이들 사이에 별도로 본딩될 수 있다. 지연기의 두께는 원하는 두께로 설정될 수 있다. 예를 들어, 이는 관련 파장에 대한 진정한 1/4 파장플레이트로 작동하고 시야(FOV)의 모든 필드의 입사각을 고려하도록 얇을 수 있어서, 지연기에 의해 투과된 s 및 p 편광이 (대략) 원형 편광으로 변환되도록(그러나 반대 방향으로)한다.
대안적이지만 개념적으로 관련된 구현예에서, 프로젝터(100)는 원형 편광 이미지 조명을 생성하도록 구성될 수 있고, 편광 빔 스플리터(51)는 이에 대응하여 원형 편광 빔 스플리터로 구현될 수 있다. 이러한 방식으로 도파관에 커플링된 광은 오른쪽 또는 왼쪽 원형 편광이 되고 출력 광의 균일성이 크게 향상된다.
대안적으로, 지연기는 으로 정의되는 "두께"로 이루어질 수 있고, 여기서 d는 지연기의 두께이고, 는 각 투과 컬러의 스펙트럼 대역폭이고 이고 여기서 및 는 지연기의 특별 및 일반 굴절률이다. 일반적으로 d~0.1-1mm는 지연기가 "탈편광" 효과를 제공하기에 충분하다. 특히, 주어진 컬러 스펙트럼 대역폭 내의 다른 파장은 다른 편광 상태로 회전되며 모든 파장의 중첩은 편광되지 않은 광처럼 효과적으로 작용한다.
두꺼운 지연기는 고스트 이미지를 생성하는 지연기를 통한 상이한 광학 경로로 인해 도 7b 및 7c의 구성에서 원치 않는 아티팩트를 유발할 수 있다. 이것은 지연기가 도 7a에서와 같이 충분한 정확도로 도파관에 수직으로 배치되는 경우 해결될 수 있다. 이 경우 지연기를 통해 전파되는 모든 광선의 각도 방향이 유지되고 고스트 이미지가 예상되지 않다.
프로젝터가 도파관에 직교하지 않는 편광 상태, 즉 도파관 축에 따라 순수한 s 또는 p 편광이 아니라 둘의 선형 중첩으로 이미지 조명을 출력하는 경우, 각 파장의 편광은 도파관의 주 표면에서 TIR의 각 반사에서 회전한다. 이는 도 7의 두꺼운 지연기와 유사한 효과를 효과적으로 갖는다. 이러한 코팅의 혼합은 특허 WO2021105978A1에서와 같이 도파관의 주 표면을 전용 코팅으로 코팅함으로써 더욱 향상될 수 있다.
다른 접근 방식은 (PCT 특허 출원 공개 번호 WO 2021/079372에 개시된 바와 같이) 도파관의 중앙에 그리고 주 외부 표면에 평행하게 부분 반사 층(202)을 배치하는 것일 수 있으며, 이는 광을 혼합할 것이다. 이러한 구조의 예는 도 8a 및 8b에 예시되어 있다. 이 옵션에 따르면 각 필드의 광은 도파관 전체에서 균일하지만 p 및 s 편광의 비율은 여전히 필드마다 다를 수 있다. 도파관 내부에 내장된 회절 또는 굴절 요소의 특성을 설계할 때 이 효과를 고려해야 한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 다양한 구현예는 광범위한 맥락에서 적용 가능하고 임의의 유형의 도파관 및 임의의 유형의 프로젝터를 사용한다. 예를 들어, 프로젝터(100)는 액정 투과 또는 반사(LCOS) 프로젝터, 주사 레이저 프로젝터 또는 DLP 프로젝터를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 이미지 생성 기술을 사용할 수 있으며, 모두 임의의 적절한 시준 광학장치를 사용한다.
위의 설명은 단지 예로서 제공된 것이며, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 많은 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 광학 시스템(optical system)에 있어서,
    (a) 투명 재료로 형성되고 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위해 상호 평행한 제1 및 제2 주 외부 표면들을 갖는 광-가이드 광학 요소(LOE);
    (b) 개구로부터 시준된 이미지(collimated image)에 대응하는 조명을 투사하도록 구성된 프로젝터(projector)-여기서 상기 조명은 상기 프로젝터의 광학 축을 정의하는 주광선(chief ray)과 상기 주광선 주위의 각도 필드(angular field)로 상기 개구를 나감-;
    (c) 상기 LOE의 상기 제1 주 외부 표면에 부착된 커플링 프리즘(coupling prism)-여기서, 상기 커플링 프리즘은 상기 주 외부 표면들에 대해 비스듬하게 각진 이미지 주입 표면의 적어도 일부를 제공하고, 상기 프로젝터는 상기 이미지 주입 표면과 연관되고 상기 주광선 및 상기 주광선 주위의 상기 각도 필드는 상기 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 대한 임계각(critical angle)보다 큰 상기 주 외부 표면들에 대한 입사각으로 상기 이미지 주입 표면을 통해 주입되도록 배향됨-; 및
    (d) 상기 주 외부 표면과 상기 주 외부 표면에 평행한 상기 커플링 프리즘 사이의 인터페이스에 배치된 반사 편광 빔 스플리터를 포함하고, 상기 조명의 적어도 일부는 제1 편광으로 상기 빔 스플리터에 입사하고 상기 빔 스플리터에 의해 상기 커플링 프리즘으로부터 상기 LOE로 투과되고, 상기 시준된 이미지의 켤레 이미지에 대응하고 상기 LOE 내로부터 상기 빔 스플리터에 입사하는 제2 편광을 갖는 광은 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파되도록 상기 빔 스플리터로부터 반사되는, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명을 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이에서 변환하기 위해 상기 조명의 적어도 일부의 경로에 배치된 파장플레이트를 더 포함하는, 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파장플레이트는 상기 LOE의 상기 제2 주 외부 표면의 적어도 일부와 연관된 1/4 파장플레이트인, 광학 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 파장플레이트는 상기 개구의 제2 부분과 중첩되지 않고 상기 개구의 제1 부분과 중첩 관계로 배치된 반파장플레이트인, 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 개구의 상기 제1 부분은 상기 빔 스플리터를 통과하지 않고 상기 LOE로 광이 통과하는 상기 이미지 주입 표면의 일부를 통해 조명을 투사하는, 광학 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 프로젝터는 상기 제2 편광의 조명을 투사하도록 구성되고, 상기 개구의 상기 제1 부분은 광이 상기 빔 스플리터를 통과하는 상기 이미지 주입 표면의 일부를 통해 조명을 투사하고, 상기 반파장 플레이트는 상기 제2 편광의 조명을 상기 제1 편광의 조명으로 변환하는, 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이미지 주입 표면은 상기 커플링 프리즘에 의해 부분적으로 제공되고 상기 LOE의 표면에 의해 부분적으로 제공되는, 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이미지 주입 표면은 상기 커플링 프리즘에 의해 전체적으로 제공되는, 광학 시스템.
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