KR20230169075A - 2차원 확장이 가능한 광-가이드 광학 요소를 포함하는 디스플레이 - Google Patents

Abstract

디스플레이(10)는 LOE의 제1 및 제2 영역들(110, 120)과 연관된 제1 및 제2 점진적 편향 배열들을 갖는 평면 광-가이드광학 요소(LOE)(100)를 포함한다. 안경 프레임과 같은 지지 배열(106)은 사용자의 눈과 관련하여 LOE를 지지한다. 이미지 프로젝터(200)는 시준된 이미지를 반사 커플링-인표면(131)을 통해 LOE에 주입한다. 반사 커플링-인 표면은 바람직하게는 LOE의 주요 수평 및 수직 모두에 대해 비스듬히 배향된다.멀티-컴포넌트 지(132)는 색수차를 보상하기 위해 바람직하게 사용된다.

Description

2차원 확장이 가능한 광-가이드 광학 요소를 포함하는 디스플레이

본 발명은 광학 시스템들에 관한 것으로, 특히 광학 구경(aperture) 확장을 위한 광-가이드 광학 요소(LOE)를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다.

많은 근안 디스플레이(near-eye display) 시스템들은 내부 반사에 의해 LOE 내에서 이미지를 전달(convey)한 다음 사용자의 눈을 향한 적절한 출력 커플링 메커니즘(output coupling mechanism)으로 이미지를 커플링하는, 사용자의 눈 앞에 배치된 투명(transparent) 광-가이드 광학 요소(LOE) 또는 "도파관"(waveguide)이 포함한다. 출력 커플링 메커니즘은 내장된 부분 반사기들 또는 "패싯들(facets)"을 기반으로 하거나 회절 패턴(diffractive pattern)을 채용할 수 있다. 아래의 설명은 주로 패싯-기반 커플링-아웃(coupling-out) 배열을 지칭할 것이지만, 발명의 다양한 피쳐들이 회절 배열들에도 적용 가능하다는 것을 인해해야 한다.

작은 이미지 프로젝터를 채용하여 원하는 시야(FOV)를 제공하기 위해, 다양한 시스템들은 각각 상이한 치수의 구경 확장을 달성하는 2세트들의 내장된 부분 반사기들을 통하거나 2개의 회절 광학 요소들에 의해 2차원 구경 확장을 사용한다. 이러한 디바이스들의 예들은 본 출원과 공동양도된(coassigned) PCT 특허 출원 공개 번호 WO 2020/049542 A1에서 찾을 수 있다.

콤팩트 헤드 마운트 디스플레이(compact head mount display)들은 설계 문제들을 야기한다. 도파관 자체의 기하학(geometry)은 엄격한(stringent) 요구 사항들을 부과(impose)한다. 프로젝터는 도파관을 지지(carry)하는 안경 프레임의 기하학에 미학적으로(aesthetically) 일치하는 방식으로 통합되어야 하는 것이 바람직하지만, 도파관의 요구 사항들은 일반적으로 미적 요구 사항들에 바람직하지 않은 프로젝터의 선호 배향(preferred orientation)을 지시한다.

본 발명은 디스플레이다.

본 발명의 실시예의 교시 내용에 따르면, 사용자의 눈으로 볼 수 있도록 이미지 조명을 아이 모션 박스로 지향시키기 위한 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는: (a) 투명 재료로 형성된 광-가이드 광학 요소(LOE)-상기 LOE는: (i) 상호 평행한 주요 외부 표면들의 세트, (ii) 상기 LOE의 제1 영역에서 상기 LOE와 연관된 제1 점진적 편향 배열, 및 (iii) 상기 LOE의 제2 영역에서 상기 LOE와 연관된 제2 점진적 편향 배열을 가짐-; (b) 상기 주요 외부 표면들에 평행한 X축이 수평으로 배향되고, Y축이 상기 주요 외부 표면에 평행하고 상기 X축에 수직하도록 상기 사용자의 상기 눈에 대해 대면하고 상기 사용자의 상기 눈에 대한 배향으로 상기 주요 외부 표면들 중 하나를 사용하여 상기 사용자의 머리에 대해 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 배열; (c) 프로젝터 구경으로부터 시준된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터-상기 시준된 이미지는 상기 이미지 프로젝터의 광학 축과 정렬된 1차 광선을 포함함-; 및 (d) 반사 커플링-인 표면을 포함하고, 상기 LOE, 상기 이미지 프로젝터 및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 이미지 프로젝터로부터 투사된 상기 시준된 이미지가 상기 반사 커플링-인 표면에서의 반사에 의해 편향되고 상기 LOE에 커플링되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제1 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 전파되고, 상기 제1 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 전파되고 상기 제2 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 LOE로부터 상기 사용자의 상기 눈을 향해 커플링 아웃되도록 배열되고, 및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 X축 및 상기 Y축 모두에 대해 비스듬히 배향된다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 LOE의 두께 내에 부분적으로 그리고 상기 두께 외부에 부분적으로 놓이도록 상기 주요 외부 표면들 중 하나의 평면을 가로지른다.

본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 LOE의 에지에 부착된 프리즘의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공된다.

본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 부착된 프리즘의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공된다.

본 발명의 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 이미지 프로젝터와 상기 반사 커플링-인 표면 사이의 광학 경로에 배치된 투명 웨지 요소가 또한 제공되며, 상기 투명 웨지는 상기 프로젝터 구경과 연관된 입력 표면 및 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 평행한 출력 표면을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예의 교시 내용에 따르면, 사용자의 눈으로 보기 위해 이미지 조명을 아이 모션 박스로 지향시키기 위한 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는: (a) 투명 재료로 형성된 광-가이드 광학 요소(LOE)-상기 LOE는: (i) 상호 평행한 주요 외부 표면들의 세트, (ii) 상기 LOE의 제1 영역에서 상기 LOE와 연관된 제1 점진적 편향 배열, 및 (iii) 상기 LOE의 제2 영역에서 상기 LOE와 연관된 제2 점진적 편향 배열을 가짐-; (b) 상기 주요 외부 표면들에 평행한 X축이 수평으로 배향되고, Y축이 상기 주요 외부 표면에 평행하고 상기 X축에 수직하도록 상기 사용자의 상기 눈에 대해 대면하고 상기 사용자의 상기 눈에 대한 배향으로 상기 주요 외부 표면들 중 하나를 사용하여 상기 사용자의 머리에 대해 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 배열; (c) 프로젝터 구경으로부터 시준된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터-상기 시준된 이미지는 상기 이미지 프로젝터의 광학 축과 정렬된 1차 광선을 포함함-; (d) 반사 커플링-인 표면; 및 (e) 상기 이미지 프로젝터와 상기 반사 커플링-인 표면 사이의 광학 경로에 배치된 투명 웨지 요소를 포함하고, 상기 투명 웨지는 상기 프로젝터 구경과 연관된 입력 표면 및 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 평행한 출력 표면을 제공하고, 상기 LOE, 상기 이미지 프로젝터 및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 이미지 프로젝터로부터 투사된 상기 시준된 이미지가 상기 반사 커플링-인 표면에서의 반사에 의해 편향되고 상기 LOE에 커플링되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제1 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 전파되고, 상기 제1 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 전파되고 상기 제2 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 LOE로부터 상기 사용자의 상기 눈을 향해 커플링 아웃되도록 배열된다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 투명 웨지는 상이한 분산 속성들을 갖는 재료들로 형성된 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들로 형성된다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들은 제1 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제1 웨지 요소 및 제2 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제2 웨지 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 웨지 요소들은 상기 제1 및 제2 교차선들이 평행하지 않도록 배향된다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 입력 표면은 상기 시준된 이미지의 상기 1차 광선에 수직이다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 출력 표면은 스페이스 또는 저굴절률 접착제를 통해 상기 주요 외부 표면들 중 하나와 연관된다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 제1 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제1 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 제1 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제1 세트를 포함하고, 상기 제2 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제2 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 상기 제1 배향에 평행하지 않고 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 제2 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제2 세트를 포함한다.

본 발명의 실시예의 추가 피쳐에 따르면, 상기 제1 및 제2 점진적 편향 배열들은 제1 및 제2 회절 광학 요소들로서 구현된다.

발명은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에서 설명되며, 여기서:
도 1은 증강 현실 근안 디스플레이(augmented reality near-eye display)를 사용자에게 제공하기 위해 본 발명의 교시(teaching)들에 따라 구성되고(constructed) 동작하는 광-가이드 광학 요소(LOE)를 사용하여 구현된 광학 시스템의 개략 등축도(schematic isometric view)이다;
도 2a 및 도 2b는 각각 디바이스의 안면 곡선(face-curve) 및 디바이스의 전방위적 기울기(pantoscopic tilt)로 인한 각도 오프셋들을 예시하는 사용자의 얼굴에 대한 도 1의 근안 디스플레이의 개략적인 평면도 및 측면도이다;
도 3a 내지 3c는 각각 본 발명의 디스플레이에 사용하기 위한 LOE 구조의 개략적인 측면도, 정면도 및 평면도이다;
도 3d는 부분 반사 표면들의 제2 세트에 수직인 도 3b의 평면 D-D를 따라 취한 단면도이다;
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 교시들에 따라 구성되고 동작하는 디스플레이의 제1 예시적인 실시예로부터의 광학 조립체(이미지 프로젝터가 없는)의 측면도 및 등축도이다;
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 교시들에 따라 구성되고 동작하는 디스플레이의 대안적인 예시적인 실시예로부터의 광학 조립체의 측면도 및 등축도이다;
도 6a 및 6b는 각각 본 발명의 교시들에 따라 구성되고 동작하는 디스플레이의 추가적인 예시적인 실시예로부터의 광학 조립체의 측면도 및 등축도이다;
도 6c는 본 발명의 교시들에 따라 구성되고 동작하는 디스플레이의 또 더 추가적인 예시적인 실시예로부터의 광학 조립체의 측면도이다;
도 7a 내지 7c는 본 발명의 양태에 따라 색수차(chromatic aberration)의 보상을 위한 입력 웨지 프리즘(input wedge prism)의 개략적인 측면도이다;
도 7d는 도 7a 내지 7c의 입력 웨지 프리즘의 바람직한 배치를 예시하는 도 4a와 유사한 도면이다; 및
도 8a 내지 8c는 본 발명의 양태에 따른 색수차 보상을 위한 입력 웨지 프리즘의 바람직한 추가 구현예들의 제1 및 제2 단면도들 및 평면도이며, 여기서 도 8a 및 도 8b는 도 8c에서 각각 선들 A-A 및 B-B를 따라 취한 단면도이다.

본 발명의 특정 실시예들은 일반적으로 헤드-업 디스플레이(head-up display), 가장 바람직하게는 근안 디스플레이로서, 사용자의 눈으로 보기 위해 아이-모션 박스(eye-motion box)에 이미지 조명을 지시하기 위한 디스플레이를 제공하며, 이는 가상 현실 디스플레이(virtual reality display), 또는 더 바람직하게는 증강 현실 디스플레이일 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들의 교시들에 따라 일반적으로 10으로 지정된 근안 디스플레이 형태의 디바이스의 예시적인 구현예들이 도 1 내지 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 디스플레이는 상호-평행한(mutually-parallel) 주요 외부 표면들(102 및 104)(도 2a 및 2b)의 세트, LOE의 제1 영역(110)에서 LOE와 연관된 제1 점진적 편향(progressive deflection) 배열 및 LOE의 제2 영역(120)에서 LOE와 연관된 제2 점진적 편향 배열을 갖는 투명 재료로 형성되는 광-가이드 광학 요소(LOE)(100)("도파관", "기판" 또는 "슬래브"라고 상호호환적으로 지칭됨)를 채용한다.

LOE(100), 보다 바람직하게는 각각의 눈에 하나씩 있는 한 쌍의 LOE들은 지지 배열(106)에 의해 사용자의 머리에 대해 지지되며, 사용자의 눈에 대해 대면하고 사용자의 눈에 대한 배향으로 주요 외부 표면들 중 하나를 사용하여 주요 외부 표면들에 평행한 X축이 수평으로 배향되도록 한다. Y축은 주요 외부 표면(102)에 평행하고 X축에 수직인 방향으로 정의된다.

근안 디스플레이(10)는 또한 프로젝터 구경으로부터 시준(collimate)된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터(200)(본 명세서에서 "POD"라고도 지칭됨)를 포함한다. 시준된 이미지는 이미지 프로젝터의 광학 축(optical axis)과 정렬된 1차 광선(principal ray)(일반적으로 이미지 FOV의 중심 필드)을 포함한다.

이미지 프로젝터(200)로부터 투사된 이미지를 LOE에 커플링하기 위해, 도 4a 내지 6b의 다양한 변형예들에서 예시된 바와 같이 반사 커플링-인 표면(reflective coupling-in surface)(131)("거울"이라고도 지칭됨)이 제공된다. LOE(100), 이미지 프로젝터(200) 및 반사 커플링-인 표면(131)은 이미지 프로젝터(200)로부터 투사된 시준된 이미지가 반사 커플링-인 표면(131)에서의 반사에 의해 편향되고 LOE(100)에 커플링되어 LOE 내에서 제1 영역(110)을 향한 주요 외부 표면에서의 내부 반사에 의해 제1 방향으로 전파되도록 배열된다. 그런 다음, 이미지는 제2 영역(120)을 향한 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 제2 방향으로 전파되도록 제1 점진적 편향 배열에 의해 재지향되고, 아이 모션 박스(140)에서 사용자의 눈을 향해 LOE 외부로 커플링 아웃되도록 제2 점진적 편향 배열에 의해 재지향된다. 디바이스가 도 1에 Y축 확장을 먼저 수행한 후 X축 확장을 수행하는 것으로 예시되어 있지만, X축 확장을 먼저 수행한 다음 Y축 확장을 수행하도록 구조가 구현될 수도 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 반사 커플링-인 표면(131)은 X축 및 Y축 모두에 대해 비스듬히 배향된다. 이는 디바이스의 전체 폼 팩터(overall form factor)에 대해 매우 구체적이고 잠재적으로 문제가 될 수 있는 배향으로 이미지 프로젝터를 배치할 필요 없이 LOE 내에서 커플링-인된 이미지의 전파의 원하는 초기 방향을 달성할 수 있는 설계 자유도(degree of design freedom)를 제공한다.

따라서 제안된 설계들은 고반사 거울(131)을 사용하여 프로젝터의 각도 배향 및 프로젝터의 미적으로 바람직한 배향에 대한 도파관의 요구 사항들을 조정(reconcile)하는 데 도움이 된다. 이 요구 사항들을 더 잘 이해하기 위해 2차원 이미지 확장의 설계를 기반으로 하는 헤드 마운트 디스플레이를 나타내는 도 1을 다시 참조한다. 도파관(100)은 상이한 넓이를 따라 이미지를 각각 확장하는 2개의 섹션들(110 및 120)로 구성된다. 프로젝터(200)는 도파관에 연결되어야 하는 시준된 이미지에 대응하는 조명을 투사한다. 프로젝터는 무시할 수 없는(non-negligible) 크기를 갖기 때문에, 특히 넓은 시야가 요구될 때 프레임 측 뒤에 편리하게 정렬되고 프레임에 통합될 수 있도록 유리하게 배향되어야 한다.

광학 구현 요구 사항들의 추가적인 복잡성(complexity)은 수직 및 수평 방향들 모두에서 도파관(100)의 기울기에 의해 부과되어 안면-곡선 및 전방위적 기울기 각도들을 형성한다(도 2a 및 2b). 결과적으로 도파관은 시선에 대해 기울어진다. 이는 분산(dispersion)으로 인한 색수차를 유발(induce)하는 경향이 있다. 본 발명의 제2 양태는 제1 양태를 보완하는 것으로, 아래에서 더 논의되는 바와 같이 색수차들을 최소화하는 커플링-인 구성의 피쳐들에 관한 것이다.

도 3a 내지 3d는 부분 반사 내부 표면을 기반한 2차원 이미지 확장을 갖는 굴절(refractive) 광-가이드 광학 요소(LOE) 도파관(100)의 예시적인 구조를 도시한다. 이 구조는 도파관(110 및 120)의 상이한 영역들에 위치된 도파관(111 및 121)에 내장된 두 세트들의 평행한 부분 반사 거울들(패싯들)를 포함한다. 각각의 패싯의 각도 배향은 방위각(azimuth)과 앙각(elevation angle)으로 완전히 설명될 수 있다. 방위각, 예를 들어 각도(112)는 패싯에 대한 법선(normal)과 도파관의 평면에 투사된 도파관에 대한 법선 및 수평선 모두에 수직인 벡터에 대한 법선 사이의 각도이다; 앙각은 패싯에 대한 법선과 도파관(주요 외부 표면의)에 대한 법선 사이의 각도이다. 대안적인 정의에서, 방위각은 패싯의 평면과 주요 외부 표면의 교차선(intersection)과 Y축 사이의 각도로 식별될 수 있다. 용어""방위""은 LOE의 주요 외부 표면의 평면에 수직인 축에 대한 회전 또는 배향을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

도 4a 및 4b는 프리즘(130)이 도파관에 접합(bond)되어 프로젝터(200)(여기서 생략되었지만 이전에 도 1에 도시됨)로부터 투사된 광이 구경(133)에 들어가고 입력 웨지(wedge)(132)를 통해 전파된 다음 고반사성 거울(131)에 의해 반사되고 도파관에 커플링되는 본 발명의 특히 바람직하지만 비제한적인 제1 실시예를 도시한다. 광은 내부 전반사에 의해 도파관으로 포획(trap)되고, 패싯들(111)에 의해 점진적으로 부분적으로 반사되고 섹션(120)을 향하여 재지향될 때까지 영역(110)에서 전파되며, 여기서 결국에는 패싯들(121)로부터 점진적으로 부분적으로 반사되고 사용자의 눈이 위치되는 아이 모션 박스(140)를 향해 투사된다.

외부 표면에 대한 법선이 중앙 주 광선(chief ray)에 평행하도록 입력 웨지(132)의 입력 표면의 각도 배향을 설계하는 것이 편리하다. 이 방식으로, 프로젝터는 입력 웨지(132)의 입력 표면에 직접 접합될 수 있다. 특정한 바람직한 경우들에, 입력 웨지(132)는 에어 갭(air gap)에 의해 도파관으로부터 분리되어 고스트(ghost)들을 제거하고 구경 필링(filling)을 향상시킨다(결국 이미지의 높은 균일성을 유도함). 이는 예를 들어 접착제 없이(그리고 폴리싱이 예외적으로 매끄럽지 않은 경우) 도파관(100)의 바로 위에 (132)를 배치함으로써; 또는 인터페이스에서 커플링-인된 이미지의 내부 반사를 유지하기 위해 충분히 낮은 굴절률(refractive index)을 가진 접착제를 사용함으로써 달성될 수 있다..

통상적으로, 거울(131)의 앙각은 패싯들(111)의 앙각과 거의 동일하지만 반드시 그런 것은 아니다.

따라서 도 4a 및 도 4b는 반사 커플링-인 표면(131)이 LOE의 에지(edge)에 부착된 프리즘(130)의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 실시예의 예이다. 일부 경우에, 여기서 도시된 바와 같이, 프리즘(130)이 부착된 에지 표면은 X-축 및 Y-축에 대해 평행하지 않은 입사각(entrance angle)으로 연마되어(ground), X-축 및 Y-축 모두에 대해 기울어진 올바르게 배향된 커플링-인 표면(131)을 생성하는 데 필요한 프리즘(130)의 구조를 단순화한다. 다른 경우에는 축들 중 하나에 평행한 에지 표면에 접합된 더 복잡한 프리즘 구조가 채용될 수 있다. 대안적인 구현예들에서, 반사 커플링-인 표면은 도파관의 주요 외부 표면들 중 하나에 광학적으로 접합된 프리즘의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다.

이미지 프로젝터 구경 및 커플링-인 미러(131)의 크기와 관련하여, 지원자(applicant)의 두께를 이미지 조명으로 "채우기"에 충분히 크게 구현하는 것이 가능하며, 일반적으로 도파관 구경의 넓이의 약 2배인 구경을 필요로 한다. 그러나, 이미지 프로젝터 및 커플링 배열의 넓이들을 최소화하기 위해, 도파관을 채울 수 없는 축소된 크기의 프로젝터 구경 및 커플링 배열을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 도파관을 채우는 것(및 그에 따른 출력 이미지의 높은 균일성)은 바람직하게는 주요 외부 표면들 사이에 및 평행하게 배치되는 부분 반사기의 형태인 광학 구경 증배기(multiplier)(138)를 포함함으로써 달성될 수 있다. 최적의 증배기 구조는 50% 반사율과 50% 투과율(transmittance)을 갖는 중간면(midplane) 부분 반사기 또는 도파관 두께를 동일한 두께의 3개 층들로 세분(subdivide)하는 33% 반사율을 갖는 한 쌍의 병렬 부분 반사기들인 것으로 여겨진다. 구경 증배기는 본 명세서에 예시된 바와 같이 제1 및 제2 영역들(110 및 120)에 또는 그 사이에 또는 둘 모두에 커플링 인된 직후 광 경로에 배치될 수 있다.

도 4a 및 도 4b의 실시예에 예시된 추가의 특히 바람직한 피쳐에 따르면, 반사 커플링-인 표면(131)은 LOE의 두께 내에 부분적으로 그리고 두께 외부에 부분적으로 놓이도록(lie) 주요 외부 표면 중 하나의 평면을 가로지른다. 이는 도파관의 두께 넓이에서 설계를 콤팩트하게 만드는 동시에 커플링-인 표면의 크기를 증가시키는 설계 유연성을 제공한다.

도 5a 및 5b는 거울(131)이 도파관의 두께로 제한되고 도파관 너머로 돌출(protrude)하지 않는 도 4a 및 4b의 실시예의 변형을 도시한다. 일부 경우에, 콤팩트 폼 팩터로 인해 이 구성이 바람직하다. 이 변형의 구조 및 동작은 도 4a 및 4b의 그와 유사하지만, 구경 증배기(138)가 증가된 중요성을 갖도록 도파관의 덜 완전한 채움을 초래한다.

도 6a 및 6b는 도 5a 및 5b와 구조적으로 유사한 실시예를 개시하지만, 여기서 거울(131)은 도파관의 구조에 통합되고 또 다른 패싯으로 생성된다.

도 6c는 반사 커플링-인 표면(131)이 바람직하게는 입력 웨지 요소(132) 반대편에 있는 LOE의 주요 외부 표면들 중 하나에 부착된 프리즘(130)의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 추가 옵션을 개략적으로 예시한다. 이미지 광의 예시적인 입력-커플링 광선의 초기 부분은 본 명세서에 화살촉들이 있는 선들로 예시된다.

전술한 바와 같이, 많은 바람직한 구현예들에서, 도파관(100)은 도 2a 및 2b에 예시된 바와 같이 전방위적 및/또는 안면 곡선 기울기들을 갖는다. 결과적으로 이미지 조명의 광선들은 일반적으로 상이한 각도들로 도파관에 들어오고 나가며 결과적으로 이미지는 기판 유리(substrate glass)의 표면의 분산으로 인해 색수차를 겪을 수 있다. 본 발명의 추가적인 양태에 따르면, 도 7a 내지 8c는 이 색수차들을 감소시키는 입력 웨지 프리즘(132)의 설계에 관한 것이다. 이를 위해, 투명 웨지 요소(132)는 바람직하게는 이미지 프로젝터(200)와 반사 커플링-인 표면(131) 사이의 광학 경로에 배치되어, 프로젝터 구경과 관련된 입력 표면(134) 및 LOE의 주요 외부 표면들 중 하나에 평행한 출력 표면(135)을 제공한다. 입력 웨지(132)의 재료는 색수차들을 감소시키는 방식으로 그에 따라 선택된다. 일부 경우에, 색수차들을 보정(correct)하기 위한 추가적인 자유도들을 제공하기 위해, 구조(132)는 분산 속성들이 서로 다른 재료들의 2개 이상의 웨지 컴포넌트들을 포함한다. 올바른 재료들을 선택하고 132의 재료들 사이의 표면(예를 들어 132a와 132b 사이의 표면)의 각도를 최적화함으로써 색수차들이 실질적으로 제거될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c는 1개, 2개 및 3개의 웨지 컴포넌트들(132a, 132b 및 132c)을 채용하는 구현예들을 예시하는 반면, 도 7d는 입력 웨지(132)가 배치되는 예시적인 문맥(context)을 예시하며, 이는 위의 모든 실시예들에 동일하게 적용될 수 있지만 도 4a와 동일하다.

특정의 특히 바람직한 구현예들에 따르면, 입력 웨지(132)는 도 8a 내지 도 8c에 예시된 바와 같이 상이한 방위각 각도들로 배향되는 2개 이상의 웨지 컴포넌트들(132a 및 132b)을 채용할 수 있다. 즉, 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들은 제1 교차선(137a)을 향해 수렴(converge)하는 2개의 평행하지 않은 표면들을 갖는 제1 웨지 요소(132a) 및 제2 교차선(137b)을 향해 수렴하는 2개의 평행하지 않은 표면들을 갖는 제2 웨지 요소(132b)를 포함한다. 제1 및 제2 웨지 요소들(132a, 132b)은 제1 및 제2 교차선들(137a, 137b)이 평행하지 않도록 배향된다. 이는 색수차 보정을 위한 추가 자유도를 제공하며 특히 안면 곡선 기울기와 전방위적 기울기의 조합으로 인해 발생하는 대각선(diagonal) 색수차 보정에 효과적이다.

재료들의 선택, 웨지 요소들의 웨지 각도 및 각각의 웨지 요소의 방위각 배향은 당업계에 알려진 바와 같이 바람직하게는 표준 광학 시뮬레이션 소프트웨어에 포함된 최적화 프로세스들을 사용하여 도출(derive)된다. 본 명세서에서 교차선들(137a 및 137b)은 웨지의 에지들로서 제시의 단순성을 위해 예시되지만, 실제 구현예들서 웨지들은 예리한 에지로 가져오지 않으므로 이 표면들 사이의 교차선들은 웨지의 본체 외부에 있는 기하학적 구성이다. 또한, 유사한 넓이들의 2개의 웨지들로 도 8c에 예시되어 있지만, 기계적인(mechanical) 이유들로 외부 웨지의 지지되지 않은 돌출(projecting) 코너들을 피하는 것이 바람직하다. 외부 웨지는 그러한 오버행(overhang)을 피하기 위해 잘리거나, 하단 웨지는 오버행을 피하기 위해 더 크게 만들어질 수 있다.

위의 복합입력 웨지 구조들의 모든 경우들에 적절하게 형성된 2개의 웨지 요소들을 부착하여 구조가 조립되거나 대응 재료들의 2개의 블록들을 접합한 다음 외부 표면들을 요구된 각도들로 연마(polish)하여 구조가 형성될 수 있다.

전술된 입력 웨지 구조들 보완하거나 대신하기 위해 색수차들을 줄이기 위한 대체 방법들이 사용될 수도 있다. 이는 예를 들어 고효율 컬러 필터(high-efficiency color-filter)들과 함께 기하학적 위상 요소(geometric phase element)들을 포함한다(SPIE 컨퍼런스 논문 'Chromatic-aberration correction in geometric-phase lenses, for red, green and blue operation', J. Kim et al, Liquid Crystals XXI (2017) 참조).

이 실시예의 구조들은 굴절 또는 회절 도파관들에 적용될 수 있다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 구현예들의 제1 세트에서, 제1 점진적 편향 배열은 LOE의 제1 영역(110)에서 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 제1 배향을 갖는 제1 세트의 평면형, 상호 평행, 부분 반사 표면들(111)로서 구현되고, 제2 점진적 편향 배열은 LOE의 제2 영역(120)에서 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 제2 배향은 제1 배향과 평행하지 않고 주요 외부 표면들에 대해 비스듬하다. 이 구성들은 일반적으로 전술한 PCT 특허 출원 공개 번호 WO 2020/049542 A1에 개시된 것과 유사하며, 이러한 구조들의 바람직한 구현예들에 대한 추가 세부 사항들은 그 안에서 찾을 수 있다.

대안적으로, 제1 및 제2 점진적 편향 배열들은 당업계에 알려진 바와 같이 제1 및 제2 회절 광학 요소들로서 구현된다.

본 명세서에 예시된 바와 같은 하나의 특히 바람직한 옵션에서, 지지 배열(106)은 사용자의 귀들에 대해 디바이스를 지지하기 위한 측들을 갖는 안경 프레임으로 구현된다. 헤드 밴드들, 바이저(visor)들 또는 헬멧들에 매달린 디바이스들을 포함하되 이에 제한되지 않는 다른 형태들의 지지 배열도 사용될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 디바이스들과 함께 채용되는 이미지 프로젝터(200)는 시준된 이미지, 즉 각각의 이미지 픽셀의 광이 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준된 평행 빔(parallel beam)을 생성하도록 구성된다. 따라서 이미지 조명은 2차원의 각도 시야에 대응하는 각도들의 범위에 걸쳐 있다.

이미지 프로젝터(200)는 당업계에 알려진 바와 같이 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 이미지 프로젝터는 일반적으로 LCOS 칩과 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 조명하기 위해 배치될 수 있는 적어도 하나의 광 공급원을 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각각의 픽셀의 투사 강도를 변조하여 이미지를 생성한다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 일반적으로 고속 스캐닝 거울을 사용하여 구현되는 스캐닝 배열을 포함할 수 있으며, 이는 프로젝터의 이미지 평면을 가로질러 레이저 광 공급원으로부터의 조명을 스캔하는 한편 빔의 강도는 픽셀 단위로 움직임(motion)과 동시에 변화되어 각각의 픽셀에 대해 원하는 강도를 투사한다. 두 경우들 모두 무한대로 시준되는 출력 투사 이미지를 생성하기 위해 시준 광학장치(collimating optics)가 제공된다. 모두 당업계에 알려진 바와 같이, 위의 컴포넌트들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 편광 빔 스플리터(PBS) 큐브 또는 다른 프리즘 배열의 표면들 상에 배열될 수 있다.

근안 디스플레이(10)는 이미지 프로젝터(200)를 작동(actuate)시키기 위한 제어기(미도시)를 일반적으로 포함하는 다양한 추가 컴포넌트들을 포함하고, 일반적으로 소형 온보드 배터리(미도시) 또는 일부 다른 적절한 전력 공급원으로부터의 전력을 채용한다는 것이 인정될 것이다. 모두 당업계에 알려진 바와 같이, 제어기는 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 처리 회로(processing circuitry)와 같은 필요한 모든 전자 컴포넌트들을 포함한다는 점이 이해될 것이다. 이 컴포넌트들은 모든 근안 디스플레이들에 일반적이므로 본 명세서에서 더 이상 다루지 않는다.

위의 설명들은 단지 예들로서 제공된 것이며, 첨부된 청구범위들에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 많은 다른 실시예들이 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

1. 사용자의 눈으로 보기 위해 이미지 조명을 아이 모션 박스(eye-motion box)로 지향시키기 위한 디스플레이로서, 상기 디스플레이는:
   (a) 투명 재료로 형성된 광-가이드 광학 요소(LOE)-상기 LOE는:
   (i) 상호 평행한 주요 외부 표면들의 세트,
   (ii) 상기 LOE의 제1 영역에서 상기 LOE와 연관된 제1 점진적 편향 배열, 및
   (iii) 상기 LOE의 제2 영역에서 상기 LOE와 연관된 제2 점진적 편향 배열을 가짐;
   (b) 상기 주요 외부 표면들에 평행한 X축이 수평으로 배향되고, Y축이 상기 주요 외부 표면에 평행하고 상기 X축에 수직하도록 상기 사용자의 상기 눈에 대해 대면하고 상기 사용자의 상기 눈에 대한 배향으로 상기 주요 외부 표면들 중 하나를 사용하여 상기 사용자의 머리에 대해 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 배열;
   (c) 프로젝터 구경으로부터 시준된 이미지(collimated image)를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터-상기 시준된 이미지는 상기 이미지 프로젝터의 광학 축과 정렬된 1차 광선을 포함함-; 및
   (d) 반사 커플링-인 표면(reflective coupling-in surface)을 포함하고,
   상기 LOE, 상기 이미지 프로젝터 및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 이미지 프로젝터로부터 투사된 상기 시준된 이미지가 상기 반사 커플링-인 표면에서의 반사에 의해 편향되고 상기 LOE에 커플링되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제1 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 전파되고, 상기 제1 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 전파되고 상기 제2 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 LOE로부터 상기 사용자의 상기 눈을 향해 커플링 아웃되도록 배열되고,
   및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 X축 및 상기 Y축 모두에 대해 비스듬히 배향되는, 디스플레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 LOE의 두께 내에 부분적으로 그리고 상기 두께 외부에 부분적으로 놓이도록 상기 주요 외부 표면들 중 하나의 평면을 가로지르는, 디스플레이.
3. 제1항에 있어서, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 LOE의 에지에 부착된 프리즘의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공되는, 디스플레이.
4. 제1항에 있어서, 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 부착된 프리즘의 표면에 의해 적어도 부분적으로 제공되는, 디스플레이.
5. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터와 상기 반사 커플링-인 표면 사이의 광학 경로에 배치된 투명 웨지 요소(transparent wedge element)를 더 포함하고, 상기 투명 웨지는 상기 프로젝터 구경과 연관된 입력 표면 및 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 평행한 출력 표면을 제공하는, 디스플레이.
6. 제5항에 있어서, 상기 투명 웨지는 상이한 분산 속성(dispersive property)들을 갖는 재료들로 형성된 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들로 형성되는, 디스플레이.
7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들은 제1 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제1 웨지 요소 및 제2 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제2 웨지 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 웨지 요소들은 상기 제1 및 제2 교차선들이 평행하지 않도록 배향되는, 디스플레이.
8. 제5항에 있어서, 상기 입력 표면은 상기 시준된 이미지의 상기 1차 광선에 수직인, 디스플레이.
9. 제5항에 있어서, 상기 출력 표면은 스페이스 또는 저굴절률 접착제를 통해 상기 주요 외부 표면들 중 하나와 연관되는, 디스플레이.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제1 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 제1 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제1 세트를 포함하고, 상기 제2 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제2 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 상기 제1 배향에 평행하지 않고 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 제2 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제2 세트를 포함하는, 디스플레이.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 점진적 편향 배열들은 제1 및 제2 회절 광학 요소들로서 구현되는, 디스플레이.
12. 사용자의 눈으로 보기 위해 이미지 조명을 아이 모션 박스로 지향시키기 위한 디스플레이로서, 상기 디스플레이는:
    (a) 투명 재료로 형성된 광-가이드 광학 요소(LOE)-상기 LOE는:
    (i) 상호 평행한 주요 외부 표면들의 세트,
    (ii) 상기 LOE의 제1 영역에서 상기 LOE와 연관된 제1 점진적 편향 배열, 및
    (iii) 상기 LOE의 제2 영역에서 상기 LOE와 연관된 제2 점진적 편향 배열을 가짐-;
    (b) 상기 주요 외부 표면들에 평행한 X축이 수평으로 배향되고, Y축이 상기 주요 외부 표면에 평행하고 상기 X축에 수직하도록 상기 사용자의 상기 눈에 대해 대면하고 상기 사용자의 상기 눈에 대한 배향으로 상기 주요 외부 표면들 중 하나를 사용하여 상기 사용자의 머리에 대해 상기 LOE를 지지하도록 구성된 지지 배열;
    (c) 프로젝터 구경으로부터 시준된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터-상기 시준된 이미지는 상기 이미지 프로젝터의 광학 축과 정렬된 1차 광선을 포함함-;
    (d) 반사 커플링-인 표면; 및
    (e) 상기 이미지 프로젝터와 상기 반사 커플링-인 표면 사이의 광학 경로에 배치된 투명 웨지 요소를 포함하고, 상기 투명 웨지는 상기 프로젝터 구경과 연관된 입력 표면 및 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들 중 하나에 평행한 출력 표면을 제공하고,
    상기 LOE, 상기 이미지 프로젝터 및 상기 반사 커플링-인 표면은 상기 이미지 프로젝터로부터 투사된 상기 시준된 이미지가 상기 반사 커플링-인 표면에서의 반사에 의해 편향되고 상기 LOE에 커플링되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제1 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 전파되고, 상기 제1 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 영역을 향해 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 전파되고 상기 제2 점진적 편향 배열에 의해 재지향되어 상기 LOE로부터 상기 사용자의 상기 눈을 향해 커플링 아웃되도록 배열되는, 디스플레이.
13. 제12항에 있어서, 상기 투명 웨지는 상이한 분산 속성들을 갖는 재료들로 형성된 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들로 형성되는, 디스플레이.
14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 2개의 웨지 컴포넌트들은 제1 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제1 웨지 요소 및 제2 교차선을 향해 수렴하는 2개의 비평행 표면들을 갖는 제2 웨지 요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 웨지 요소들은 상기 제1 및 제2 교차선들이 평행하지 않도록 배향되는, 디스플레이.
15. 제12에 있어서, 상기 입력 표면은 상기 시준된 이미지의 상기 1차 광선에 수직인, 디스플레이.
16. 제12에 있어서, 상기 출력 표면은 스페이스 또는 저굴절률 접착제를 통해 상기 주요 외부 표면들 중 하나와 연관되는, 디스플레이.
17. 제12에 있어서, 상기 제1 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제1 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 제1 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제1 세트를 포함하고, 상기 제2 점진적 편향 배열은 상기 LOE의 상기 제2 영역에서 상기 주요 외부 표면들 사이에 위치되고 상기 제1 배향에 평행하지 않고 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 제2 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들의 제2 세트를 포함하는, 디스플레이.
18. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 점진적 편향 배열들은 제1 및 제2 회절 광학 요소들로서 구현되는,디스플레이.