KR20230173212A - Waveguide device with uniform output illumination - Google Patents

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KR20230173212A
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조나단 데이비드 왈던
앨러스테어 존 그랜트
밀란 몸실로 포포비치
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디지렌즈 인코포레이티드.
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Abstract

도파관 장치들의 다양한 실시예들이 설명된다. 디밴딩 광학 장치는 도파관 장치들에 통합될 수 있으며, 이는 균일한 출력 조명을 공급하는 데 도움이 될 수 있다. 따라서, 다양한 도파관 장치들은 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 실질적으로 편평한 조명 프로파일을 출력할 수 있다.Various embodiments of waveguide devices are described. Debanding optics can be integrated into the waveguide devices, which can help provide uniform output illumination. Accordingly, various waveguide devices can output a substantially flat illumination profile that eliminates or mitigates banding effects.

Description

균일한 출력 조명을 갖는 도파관 장치{WAVEGUIDE DEVICE WITH UNIFORM OUTPUT ILLUMINATION}Waveguide device with uniform output illumination {WAVEGUIDE DEVICE WITH UNIFORM OUTPUT ILLUMINATION}

본 발명은 도파관 장치들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 균일한 출력 조명을 갖는 도파관들에 관한 것이다.The present invention relates to waveguide devices and, more particularly, to waveguides with uniform output illumination.

도파관 광학 장치는 다중의 광학 기능들을 얇고 투명한 경량의 기판에 통합하는 도파관 장치들의 능력이 중요시되는 다양한 디스플레이 및 센서 애플리케이션들에서 현재 고려되고 있다. 이 새로운 접근법은 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR)을 위한 근안 디스플레이(near-eye display), 항공 및 도로 운송을 위한 소형 헤드 업 디스플레이(HUD) 및 생체 인식 및 레이저 레이더(LIDAR) 애플리케이션들을 위한 센서들과 같은 신제품 개발을 촉진하고 있다.Waveguide optics are currently being considered for a variety of display and sensor applications where the ability of waveguide devices to integrate multiple optical functions into thin, transparent, lightweight substrates is critical. This new approach enables near-eye displays for augmented reality (AR) and virtual reality (VR), compact heads-up displays (HUDs) for aviation and road transport, and biometric and laser radar (LIDAR) applications. We are promoting the development of new products such as sensors for

도파관 장치는 HMD 및 HUD에서 매력적인 여러 특징들을 제공한다. 이들은 얇고 투명하다. 다중의 홀로그램들을 레코딩하고 각 홀로그램에 의해 형성된 시야 영역을 바둑판식으로 배열(tiling)함으로써 광범위한 시야들이 얻어질 수 있다.Waveguide devices offer several attractive features in HMDs and HUDs. These are thin and transparent. Extensive fields of view can be obtained by recording multiple holograms and tiling the viewing area formed by each hologram.

몇몇 실시예들은 적어도 하나의 광학 기판, 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 광 커플러, 적어도 하나의 광 추출기, 디밴딩 광학 장치(debanding optic)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 광 커플러는 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같은 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 할 수 있다. 적어도 하나의 광 추출기는 광학 기판으로부터 광을 추출한다. 디밴딩 광학 장치는 조명된 동공(illuminated pupil)의 밴딩 효과(banding effects)를 완화시킬 수 있어, 추출된 광이 완화된 밴딩을 갖는 실질적으로 편평한 조명 프로파일이 된다.Some embodiments include at least one optical substrate, at least one light source, at least one optical coupler, at least one light extractor, and debanding optic. The at least one optical coupler couples incident light from a light source with an angular bandwidth to total internal reflection (TIR) within the at least one optical substrate such that a unique TIR angle is determined from the input grating. It can be defined by the same angle of incidence of each light. At least one light extractor extracts light from the optical substrate. Debanding optics can alleviate the banding effects of the illuminated pupil, such that the extracted light has a substantially flat illumination profile with relaxed banding.

많은 실시예들에서, 추출된 광은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.In many embodiments, the extracted light has a spatial non-uniformity of less than 10%.

다른 실시예들에서, 추출된 광은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.In other embodiments, the extracted light has a spatial non-uniformity of less than 20%.

또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구(effective input aperture)이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다.In still other embodiments, the debending optic is an effective input aperture such that the input aperture is configured to provide a TIR angle (U) to the optical substrate when the optical substrate has a thickness (D). And the angle (U) is calculated as 2D tan(U).

더 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율(diffraction efficiency), 광 투과(optical transmission), 편광(polarization) 또는 복굴절(birefringence) 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다.In further embodiments, the debanding optics provide spatial variation of light along the TIR path in at least one of diffraction efficiency, optical transmission, polarization, or birefringence.

또 다른 실시 예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자(input grating)와 적어도 하나의 출력 격자(output grating)로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어, 각각의 격자는 밴딩(banding)을 완화하기 위해 작은 동공 시프트(pupil shift)를 제공한다.In another embodiment, the debanding optics are at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. At least one selected grating is configured to have multiple gratings, each grating providing a small pupil shift to mitigate banding.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온(turn on)하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one selected grating is configured as a stacked switchable grating that turns on when a voltage is applied, shifting the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one selected grating is configured as an array of switchable grating elements that can turn on specific elements when a voltage is applied, shifting the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된(rolled) K-벡터들을 갖는다.In many other embodiments, at least one grid selected has a plurality of rolled K-vectors.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이되도록 구성된다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one grating selected is configured to be a plurality of passive grating layers configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들(index layers)로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debending optical device comprises one or more index layers disposed within an optical substrate, wherein the one or more index layers modulate light ray paths within the optical substrate as a function of at least one of ray angle or ray position. and shifts the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(gradient index)(GRIN) 매체이다.In many other embodiments, at least one of the one or more index layers is a gradient index (GRIN) medium.

또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 일부 상에 적어도 하나의 반 사면을 더 포함한다. 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.In many other embodiments, the waveguide device further includes at least one reflective surface on at least a portion of an edge of the optical substrate. A debending optical device is one or more index layers disposed adjacent to at least one reflective surface, wherein the one or more index layers are configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.In yet many other embodiments, a debending optical device comprises one or more index layers disposed within an optical substrate, wherein the one or more index layers are configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지(leading edge)를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들(ray bundle)의 고유의 변위(unique displacement)가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트한다.In many other embodiments, the debanding optical device is an input grating having a leading edge capable of combining incident light, and determining an inherent displacement of a ray bundle of light relative to the leading edge of the input grating. A unique displacement is provided by the input grating for any given incident light direction and shifts the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있다.In yet many other embodiments, the debanding optical device is an input grating configured to have a change in diffraction efficiency, wherein a plurality of collimated incident light paths of incident light are diffracted into different TIR light paths as determined by the light path input angle. And, the projected pupil can be formed at a unique position within the optical substrate for each of the plurality of collimated incident light paths, thereby mitigating the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화한다.In many other embodiments, the change in diffraction efficiency varies along the main waveguide direction.

또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.In many other embodiments, the change in diffraction efficiency varies in two dimensions across the aperture of the input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debending optical device is a partially reflective layer disposed within an optical substrate, wherein the partially reflective layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to alleviate the banding effect. I order it.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층(polarization modifying layer)으로서, 편광 변경층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, a debending optical device is a polarization modifying layer disposed within an optical substrate, where the polarization modifying layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to produce a bending effect. alleviates

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 임의의 입사광 각도에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하여 밴딩 효과를 완화시키는 적어도 2 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성된다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one grating selected is configured to provide at least two separate waveguide paths that eliminate non-uniformity in the extracted light for any incident light angle, thereby mitigating banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기(fold grating exit pupil expander)와 함께 사용된 교차 경사 격자들(crossed slant gratings)을 갖는다.In many other embodiments, the selected grating has crossed slant gratings used in conjunction with at least one fold grating exit pupil expander.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(numerical apertures)(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다.In yet many other embodiments, debanding optics include microscopic devices that provide variable effective numerical apertures (NA) that can be spatially varied along at least one direction to shift the pupil to mitigate banding effects. It is an optical component within the display.

또 다른 많은 실시예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃(smear out)하여 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시킨다.In yet many other embodiments, the debanding optical device comprises a plurality of grating layers within at least one of at least one input grating or at least one output grating, wherein the plurality of grating layers smear any fixed pattern noise. Smear out and shift the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is an input grating configured as an array of selectively switchable elements, wherein configuring the input grating as a switching grating array provides pupil switching in vertical and horizontal directions to effect banding. Shift the pupil to alleviate.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다.In yet many other embodiments, debanding optics provide spatial variations along each TIR path in at least one of diffraction efficiency, light transmission, polarization, and birefringence as a function of at least one of light beam angle or light position within the substrate, A plurality of refractive index layers that influence the light ray paths within the waveguide substrate and shift the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들(indices)의 접착제들을 포함한다.In yet many other embodiments, the plurality of refractive index layers include adhesives of different indices.

또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조, 반사 방지층들, 부분 반사층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들(birefringent stretched polymer layers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함한다.In many other embodiments, the plurality of refractive index layers comprise layers selected from the group consisting of alignment layers, isotropic refractive layers, GRIN structures, anti-reflective layers, partially reflective layers, and birefringent stretched polymer layers. .

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이이다.In yet many other embodiments, the debending optical device is a micro-display that projects a spatially varied numerical aperture that shifts the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 한다.In many other embodiments, the debending optical device is an inclined micro-display configured to project an inclined rectangular exit pupil such that the cross-section of the exit pupil varies with field angle to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다.In many other embodiments, the debending optical device is a tilting micro-display configured to tilt a light beam to form various projected pupils at different locations along the optical substrate for each angle of incident light, wherein the bending effect is one It relaxes along the expansion axis.

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다.In many other embodiments, the optical substrate has a thickness D, and the debending optical device is a prism coupled to the optical substrate, wherein the linear relationship between the angles of the exit pupil from the light source and the TIR angles in the optical substrate is TIR. It does not create a gap between successive light extractions along the TIR ray path, which occurs when the path angle is U as defined by 2D tan(U).

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다.In yet many other embodiments, the debending optical device is a light-absorbing film adjacent the edges of the optical substrate such that portions of incident light that would otherwise cause bending are removed, thus mitigating the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다.In many other embodiments, the optical substrate has a thickness D, and the debending optical device includes an input grating and a first light-absorbing film disposed adjacent edges of the input substrate disposed adjacent the optical substrate. A second light-absorbing film disposed adjacent the edges of a second substrate disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate, wherein the incident light has a TIR path angle U as defined by 2D tan(U). It does not create gaps between successive light extractions along the resulting TIR light path.

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다.In many other embodiments, the optical substrate is 3.4 mm thick, the second substrate is 0.5 mm thick, and the input substrate includes two 0.5 mm thick glass substrates sandwiching the input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 상기 광이 임의의 주어진 입사광 방향에서 상기 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 가져 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 구성된 입력 격자이다.In many other embodiments, a debending optical device is an input grating configured to shift the pupil such that the light has an inherent displacement relative to an edge of the input grating in any given incident light direction, thereby eliminating or mitigating banding effects. .

또 다른 많은 실시예들에서, 상기 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 통합된다.In yet many other embodiments, the device is integrated into a display selected from the group of head-mounted displays (HMDs) and head-up displays (HUDs).

또 다른 많은 실시예들에서, 인간의 눈은 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치된다.In many other embodiments, the human eye is positioned with the exit pupil of the display.

또 다른 많은 실시예들에서, 상기 장치는 아이 트랙커(eye tracker)를 포함한다.In yet many other embodiments, the device includes an eye tracker.

또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함한다.In many other embodiments, the waveguide device further includes a light source, a micro display panel, and an input image generator further including optical devices for collimating the light.

또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다.In yet many other embodiments, the light source is at least one laser.

또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)이다.In many other embodiments, the light source is at least one light emitting diode (LED).

또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 입력 격자이다.In yet many other embodiments, the optical coupler is an input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 프리즘이다.In yet many other embodiments, the optical coupler is a prism.

또 다른 많은 실시예들에서, 광 추출기는 입력 격자이다.In many other embodiments, the light extractor is an input grating.

일부 실시예들은 적어도 두 개의 광학 기판들, 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 광 커플러, 적어도 하나의 광 추출기, 및 적어도 두 개의 입력 정지부들(input stops)를 포함하는 컬러 도파관 장치에 관한 것이다. 상기 적어도 두 개의 광학 기판들은 서로 적층되어 있다. 상기 적어도 하나의 광 커플러는 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같이 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 할 수 있다. 적어도 하나의 광 추출기는 광학 기판으로부터 광을 추출한다. 상기 적어도 두 개의 입력 정지부들은 각각 상이한 광학 기판 내에 있고, 각각 상이한 평면에 있으며, 각각의 입력 정지부는 동공을 시프트하고 컬러 밴딩을 완화시키는 외부 이색성 부분(outer dichroic portion)을 포함한다.Some embodiments relate to a color waveguide device including at least two optical substrates, at least one light source, at least one optical coupler, at least one light extractor, and at least two input stops. The at least two optical substrates are stacked on each other. The at least one optical coupler couples incident light from a light source with an angular bandwidth to total internal reflection (TIR) within the at least one optical substrate, such that a unique TIR angle is determined from the input grating. Likewise, it can be defined by each light incident angle. At least one light extractor extracts light from the optical substrate. The at least two input stops are each in a different optical substrate, each in a different plane, and each input stop includes an outer dichroic portion that shifts the pupil and alleviates color banding.

많은 실시예들에서, 각각의 입력 정지부는 또한 위상 시프트를 보상하기 위한 내부 위상 보상 코팅(inner phase compensation coating)을 포함한다.In many embodiments, each input stop also includes an inner phase compensation coating to compensate for phase shift.

다른 실시예들에서, 보상 코팅은 SiO2를 포함한다.In other embodiments, the compensatory coating includes SiO 2 .

일부 실시예들은 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 광원으로부터의 입사광을 생성한다. 상기 방법은 광 커플러를 통해 입사광을 통과시켜 입사광을 광학 기판에 결합시키고, 그에 의해 결합된 광이 광학 기판 내에서 전체 내부 반사(TIR)를 받게 한다. 상기 방법은 또한 광 추출기를 통해 광학 기판으로부터 TIR 광을 추출하여 출력 조명을 생성한다. 광은 도파관 장치의 디밴딩 광학 장치(debanding optic)를 통과하여 디밴딩 광학 장치가 출력 조명의 밴딩 효과를 완화시킨다.Some embodiments relate to a method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device. The method produces incident light from a light source. The method couples the incident light to an optical substrate by passing the incident light through an optical coupler, thereby causing the coupled light to undergo total internal reflection (TIR) within the optical substrate. The method also generates output illumination by extracting TIR light from the optical substrate through a light extractor. The light passes through the debanding optic of the waveguide device, which mitigates the banding effect of the output light.

많은 실시예들에서, 출력 조명은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.In many embodiments, the output illumination has a spatial non-uniformity of less than 10%.

다른 실시예들에서, 출력 조명은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.In other embodiments, the output illumination has a spatial non-uniformity of less than 20%.

또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다.In still other embodiments, the debending optic is an effective input aperture, such that the input aperture is configured to provide a TIR angle (U) to the optical substrate when the optical substrate has a thickness (D), wherein the angle ( U) is calculated as 2D tan(U).

더 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다.In further embodiments, the debanding optical device provides spatial variation of light along the TIR path in at least one of diffraction efficiency, light transmission, polarization, or birefringence.

또 다른 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 다중의 격자들을 갖도록 구성되어, 각각의 격자는 밴딩을 완화하기 위해 작은 동공 시프트를 제공한다.In still other embodiments, the debanding optic is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. At least one grating selected is configured to have multiple gratings, each grating providing a small pupil shift to mitigate banding.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 턴 온하는 적층된 스위칭 가능한 격자로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one selected grating is configured as a stacked switchable grating that turns on when a voltage is applied, shifting the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one selected grating is configured as an array of switchable grating elements that can turn on specific elements when a voltage is applied, shifting the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 적어도 하나의 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들을 갖는다.In many other embodiments, at least one grid selected has a plurality of rolled K-vectors.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이다. 선택된 적어도 하나의 격자는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이되도록 구성된다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating. The at least one grating selected is configured to be a plurality of passive grating layers configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, a debending optical device comprises one or more index layers disposed within an optical substrate, wherein the one or more index layers influence light ray paths within the optical substrate as a function of at least one of ray angle or ray position. and shift the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 하나 이상의 인덱스 층들 중 적어도 하나의 인덱스 층은 경사 굴절률(GRIN) 매체이다.In many other embodiments, at least one of the one or more index layers is a gradient refractive index (GRIN) medium.

또 다른 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 일부 상에 적어도 하나의 반 사면을 더 포함한다. 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.In many other embodiments, the waveguide device further includes at least one reflective surface on at least a portion of an edge of the optical substrate. A debending optical device is one or more index layers disposed adjacent to at least one reflective surface, wherein the one or more index layers are configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된다.In yet many other embodiments, a debending optical device comprises one or more index layers disposed within an optical substrate, wherein the one or more index layers are configured to shift the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트한다.In yet many other embodiments, a debanding optical device is an input grating having a leading edge capable of combining incident light, such that the inherent displacement of a bundle of light rays with respect to the leading edge of the input grating is equivalent to an input grating for any given incident light direction. is provided by, and shifts the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 완화시킬 수 있다.In many other embodiments, the debanding optic device is an input grating configured to have a change in diffraction efficiency, wherein a plurality of collimated incident light paths of incident light are diffracted into different TIR light paths as determined by the light path input angle. And, the projected pupil can be formed at a unique position within the optical substrate for each of the plurality of collimated incident ray paths to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화한다.In many other embodiments, the change in diffraction efficiency varies along the main waveguide direction.

또 다른 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.In many other embodiments, the change in diffraction efficiency varies in two dimensions across the aperture of the input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debending optical device is a partially reflective layer disposed within an optical substrate, wherein the partially reflective layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to alleviate the banding effect. I order it.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경층으로서, 편광 변경층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debending optical device includes a polarization change layer disposed within an optical substrate, where the polarization change layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to mitigate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자와 적어도 하나의 출력 격자로부터 선택된 적어도 하나의 격자이고, 선택된 적어도 하나의 격자는 임의의 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하는 적어도 두 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성되어, 밴딩 효과를 완화시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is at least one grating selected from at least one input grating and at least one output grating, wherein the selected at least one grating removes non-uniformity in the extracted light for any incident light angle. It is configured to provide at least two separate waveguide paths, thereby mitigating banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 선택된 격자는 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기와 함께 사용된 교차 경사 격자들을 갖는다.In yet many other embodiments, the selected grating has cross-slanted gratings used in conjunction with at least one folded grating exit pupil dilator.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다.In yet many other embodiments, the debanding optics include an optical component within the microdisplay that provides a variable effective numerical aperture (NA) that can be spatially varied along at least one direction to shift the pupil to mitigate banding effects. am.

또 다른 많은 실시예에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 입력 격자 또는 적어도 하나의 출력 격자 중 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 상기 복수의 격자 층들은 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃하여 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시킨다.In yet many other embodiments, the debanding optical device comprises a plurality of grating layers within at least one of at least one input grating or at least one output grating, wherein the plurality of grating layers smear any fixed pattern noise. Out and shift the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 완화하도록 동공을 시프트시킨다.In many other embodiments, the debanding optical device is an input grating configured as an array of selectively switchable elements, wherein configuring the input grating as a switching grating array provides pupil switching in vertical and horizontal directions to effect banding. Shift the pupil to alleviate.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다.In many other embodiments, the debanding optics provide spatial variations along each TIR path in at least one of diffraction efficiency, light transmission, polarization, and birefringence to form a waveguide as a function of at least one of light beam angle or light position within the substrate. Multiple refractive index layers that affect the light ray paths within the substrate and shift the pupil to alleviate the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 상이한 인덱스들의 접착제들을 포함한다.In yet many other embodiments, the plurality of refractive index layers include adhesives of different indices.

또 다른 많은 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층들, 등방성 굴절 층들, GRIN 구조, 반사 방지층들, 부분 반사층, 및 복굴절 연신 폴리머 층들(birefringent stretched polymer layers)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 층들을 포함한다.In many other embodiments, the plurality of refractive index layers includes layers selected from the group consisting of alignment layers, isotropic refractive layers, GRIN structures, anti-reflective layers, partially reflective layers, and birefringent stretched polymer layers. .

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트시키는 공간적으로 변화된 개구 수를 투사하는 마이크로 디스플레이이다.In yet many other embodiments, the debending optical device is a micro-display that projects a spatially varied numerical aperture that shifts the pupil to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 완화되도록 한다.In many other embodiments, the debending optical device is an inclined micro-display configured to project an inclined rectangular exit pupil such that the cross-section of the exit pupil varies with field angle to mitigate banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 각도에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다.In many other embodiments, the debending optical device is a tilting micro-display configured to tilt a light beam to form various projected pupils at different locations along the optical substrate for each angle of incident light, wherein the bending effect is one It relaxes along the expansion axis.

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다.In many other embodiments, the optical substrate has a thickness D, and the debending optical device is a prism coupled to the optical substrate, wherein the linear relationship between the angles of the exit pupil from the light source and the TIR angles in the optical substrate is TIR. It does not create a gap between successive light extractions along the TIR ray path, which occurs when the path angle is U as defined by 2D tan(U).

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다.In yet many other embodiments, the debending optical device is a light-absorbing film adjacent the edges of the optical substrate such that portions of incident light that would otherwise cause bending are removed, thus mitigating the banding effect.

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판은 두께 D를 가지며, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다.In many other embodiments, the optical substrate has a thickness D, and the debending optical device includes an input grating and a first light-absorbing film disposed adjacent edges of the input substrate disposed adjacent the optical substrate, and a second light-absorbing film disposed adjacent the edges of a second substrate disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate, wherein the incident light has a TIR path angle U as defined by 2D tan(U). It does not create gaps between successive light extractions along the TIR light path, as occurs when

또 다른 많은 실시예들에서, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다.In many other embodiments, the optical substrate is 3.4 mm thick, the second substrate is 0.5 mm thick, and the input substrate includes two 0.5 mm thick glass substrates sandwiching the input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광이 동공을 시프트하기 위해 임의의 주어진 입사광 방향에서 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다.In yet many other embodiments, debending optics are input gratings configured such that light has a unique displacement relative to the edges of the input grating in any given incident light direction to shift the pupil, thereby eliminating or mitigating banding effects.

또 다른 많은 실시예들에서, 상기 방법은 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 의해 실행된다.In yet many other embodiments, the method is implemented by a display selected from the group of head-mounted displays (HMDs) and head-up displays (HUDs).

또 다른 많은 실시예들에서, 인간의 눈은 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치된다.In many other embodiments, the human eye is positioned with the exit pupil of the display.

또 다른 많은 실시예들에서, 상기 디스플레이는 아이 트랙커를 포함한다.In many other embodiments, the display includes an eye tracker.

또 다른 많은 실시예들에서, 상기 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함한다.In many other embodiments, the waveguide device further includes a light source, a micro display panel, and an input image generator further including optics for collimating the light.

또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다.In yet many other embodiments, the light source is at least one laser.

또 다른 많은 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)이다.In many other embodiments, the light source is at least one light emitting diode (LED).

또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 입력 격자이다.In yet many other embodiments, the optical coupler is an input grating.

또 다른 많은 실시예들에서, 광 커플러는 프리즘이다.In yet many other embodiments, the optical coupler is a prism.

또 다른 많은 실시예들에서, 광 추출기는 입력 격자이다.In many other embodiments, the light extractor is an input grating.

통합된 참고 자료Integrated Reference Materials

다음의 관련 특허들 및 특허 출원들은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다: 컴팩트 에지 조명의 회절 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 9,075,184; 광학 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,233,204; 투명한 디스플레이를 제공하기 위한 방법 및 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 US2006/043938; 웨어러블 데이터 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2012/000677; 컴팩트 에지 조명의 아이글래스 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/317,468; 홀로그램 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866; 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456; 도파관 격자 장치라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 14/620,969; 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/176,572; 광 파이프를 포함하는 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/177,494; 홀로그램 도파관 디스플레이를 위한 입력 이미지 생성 방법 및 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/071,277; 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 근안 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282; 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/124,550; 윈도우에서의 통합을 위한 광 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,064; 윈도우에서의 통합을 위한 광 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,066; 홀로그램 도파관 광 필드 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,089; 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 8,224,133; 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 8,565,560; 홀로그램 조명 시스템이라는 명칭의 미국 특허 번호 6,115,152; 스위치 가능한 브러시 격자를 사용하는 컨택트 이미지 센서라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2013/000005; 홀로그래픽 폴리머 분산된 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680; 홀로그램 도파관 아이 트랙커라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2014/000197; 아이 트래킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT/GB2013/000210; 아이 트래킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2013/000210; 홀로그램 도파관 광학 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2015/000274; 도파관 복합체를 사용하여 헤드 업 디스플레이의 수직 필드를 확장시키는 시스템 및 방법이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,903,207; 컴팩트 웨어러블 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,639,072; 컴팩트 홀로그램 에지 조명의 아이 글래스 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 8,885,112; 비편파 광과 함께 사용하기 위한 홀로그램 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/390,271; 편파 선택형의 홀로그램 도파관 장치를 제공하는 방법 및 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/391,333; 도파관 디스플레이 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/493,578; 도파관 장치로부터의 출력을 균질화하는 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/497,781; 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181; 환경 고립된 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT/GB2016/00005.The following related patents and patent applications are incorporated herein by reference in their entirety: U.S. Patent No. 9,075,184, entitled Compact Edge-Lighted Diffractive Display; U.S. Patent No. 8,233,204, entitled Optical Display; PCT Application No. US2006/043938, entitled Method and Apparatus for Providing Transparent Display; PCT Application No. GB2012/000677, entitled Wearable Data Display; U.S. Patent Application No. 13/317,468, entitled Compact Edge-illuminated Eyeglass Display; U.S. Patent Application No. 13/869,866, entitled Holographic Wide Angle Display; U.S. Patent Application No. 13/844,456, entitled Transparent Waveguide Display; U.S. Patent Application No. 14/620,969, entitled Waveguide Grating Device; U.S. Provisional Patent Application No. 62/176,572, entitled Transparent Waveguide Display; U.S. Provisional Patent Application No. 62/177,494, entitled Waveguide Device Including Light Pipe; U.S. Provisional Patent Application No. 62/071,277, entitled Method and Apparatus for Generating Input Images for Holographic Waveguide Displays; U.S. Provisional Patent Application No. 62/123,282, entitled Near Eye Display Using Gradient Index Optics; U.S. Provisional Patent Application No. 62/124,550, entitled Waveguide Display Using Gradient Index Optics; U.S. Provisional Patent Application No. 62/125,064, entitled Optical Waveguide Display for Integration in Windows; U.S. Provisional Patent Application No. 62/125,066, entitled Optical Waveguide Display for Integration in Windows; U.S. Provisional Patent Application No. 62/125,089, entitled Holographic Waveguide Optical Field Display; U.S. Patent No. 8,224,133, entitled Laser Illumination Apparatus; U.S. Patent No. 8,565,560, entitled Laser Illumination Apparatus; U.S. Patent No. 6,115,152, entitled Holographic Lighting System; PCT Application No. PCT/GB2013/000005 entitled Contact Image Sensor Using Switchable Brush Grating; PCT Application No. PCT/GB2012/000680, entitled Improvements to Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal Materials and Devices; PCT Application No. PCT/GB2014/000197, entitled Holographic Waveguide Eye Tracker; PCT/GB2013/000210 entitled Device for eye tracking; PCT Application No. GB2013/000210, entitled Device for Eye Tracking; PCT/GB2015/000274 entitled Holographic Waveguide Optical Tracker; U.S. Patent No. 8,903,207, entitled Systems and Methods for Extending the Vertical Field of a Head-Up Display Using a Waveguide Complex; U.S. Patent No. 8,639,072, entitled Compact Wearable Display; U.S. Patent No. 8,885,112, entitled Compact Holographic Edge-Illuminated Eye Glass Display; U.S. Provisional Patent Application No. 62/390,271, entitled Holographic Waveguide Device for Use with Unpolarized Light; U.S. Provisional Patent Application No. 62/391,333, entitled Method and Apparatus for Providing Polarization Selective Holographic Waveguide Devices; U.S. Provisional Patent Application No. 62/493,578, entitled Waveguide Display Device; U.S. Provisional Patent Application No. 62/497,781, entitled Apparatus for Homogenizing Output from a Waveguide Device; PCT Application No. PCT/GB2016000181 entitled Waveguide Display; PCT/GB2016/00005 entitled Environmental Isolated Waveguide Display.

본 명세서는 다음의 도면들을 참조하여 더욱 완전하게 이해 될 것이며, 이는 본 발명의 예시적인 실시예 들로서 제시된 것이고 본 발명의 범위를 완전하게 기술하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
도 1a는 한 실시예에서 밴딩을 나타내는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 1b는 한 실시예에서 디밴딩된 조명(debanded illumination)을 제공하기 위해 도파관으로부터 추출된 광의 통합을 보여주는 차트를 제공한다.
도 2는 한 실시예에서 발생할 수 있는 디밴딩을 위한 기하학적 광학 조건을 도시하는 도파관의 상세의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 3은 한 실시예에서 동공 시프트 수단을 제공하는 데 사용되는 광학 층의 광학 특성의 공간적 변화를 도시하는 차트를 제공한다.
도 4는 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 5는 한 실시예에서 스위칭 가능한 출력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 6a는 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자를 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 6b는 한 실시예에서 롤링된 K-벡터들을 나타내는 스위칭 가능한 격자의 상세를 제공한다.
도 7은 한 실시예에서 스위칭 가능한 입력 격자의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 8은 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판의 반사면 상에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 9는 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판 내에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 10은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 입력 격자이고, 빔 입사각의 함수로서 입력 격자의 선단 에지로부터의 입력 빔의 분리를 변화시키는 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 11은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 빔 입사각에 의존하는 위치들에서 도파관 내에 투사된 동공을 제공하는 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 12는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 부분 반사 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 13은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 편광 회전 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 14는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 입력 광의 상이한 편광들에 대해 도파관을 통해 분리된 광 경로들을 제공하는 격자인 도파관의 개략적인 평면도를 제공한다.
도 15는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 마이크로 디스플레이 패널의 주 방향들에 걸친 가변적인 개구 수를 제공하는 마이크로 디스플레이의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16a는 한 실시예에서 적층 스위칭 입력 격자들을 사용하는 도파관의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16b는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 스위칭 가능한 입력 격자 어레이인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16c는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 도파관 기판 내에 배치된 광학 빔 변경 층인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16d는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 주 방향들에 걸친 가변적인 개구 수를 제공하는 마이크로 디스플레이 패널인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16e는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 출사 동공을 제공하는 경사 입력 이미지 생성기인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16f는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 출사 동공 및 다양한 투사된 동공들을 제공하는 경사 입력 이미지 생성기인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16g는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 경사 입력 이미지 생성기 및 커플링 프리즘인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 16h는 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 광 흡수 에지들을 갖는 복수의 추가 기판들인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 17은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 광 흡수 에지들을 갖는 복수의 추가 기판들인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 18은 한 실시예에서 디밴딩 광학 장치가 경사 입력 이미지 생성기 및 커플링 프리즘인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
도 19는 한 실시예에서 컬러 디스플레이에서 컬러 레지스트레이션을 밸런싱하는 데 사용하기 위한 코팅 구조의 개략적인 단면을 제공한다.
도 20은 디밴딩 광학 장치가 그 에지로부터 입력 빔 단면을 오프셋시키는 입력 격자인 도파관의 상세의 개략적인 단면도를 제공한다.
This specification will be more completely understood with reference to the following drawings, which are presented as exemplary embodiments of the invention and should not be construed as completely describing the scope of the invention.
Figure 1A provides a schematic cross-sectional view of a waveguide showing bending in one embodiment.
Figure 1B provides a chart showing the integration of light extracted from a waveguide to provide debanded illumination in one embodiment.
Figure 2 provides a schematic top view of the details of the waveguide illustrating the geometrical optical conditions for debending that may occur in one embodiment.
Figure 3 provides a chart showing the spatial variation of the optical properties of an optical layer used to provide a pupil shift means in one embodiment.
Figure 4 provides a schematic cross-sectional view of a waveguide using a switchable input grating in one embodiment.
Figure 5 provides a schematic cross-sectional view of a waveguide using a switchable output grating in one embodiment.
Figure 6A provides a schematic cross-sectional view of a waveguide using a switchable input grating in one embodiment.
Figure 6b provides details of a switchable grating showing rolled K-vectors in one embodiment.
Figure 7 provides a schematic top view of a switchable input grid in one embodiment.
Figure 8 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in which the debending optics are an optical beam modifying layer disposed on a reflective surface of the waveguide substrate.
Figure 9 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in which the debending optics are an optical beam modifying layer disposed within the waveguide substrate.
Figure 10 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics is an input grating and varies the separation of the input beam from the leading edge of the input grating as a function of the angle of incidence of the beam.
Figure 11 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics provide a projected pupil within the waveguide at positions dependent on the beam angle of incidence.
Figure 12 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are partially reflective layers.
Figure 13 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are a polarization rotating layer.
Figure 14 provides a schematic top view of a waveguide where, in one embodiment, the debending optics are a grating that provides separate optical paths through the waveguide for different polarizations of input light.
Figure 15 provides a schematic cross-sectional view of details of a micro display in one embodiment where the debending optics provide a variable numerical aperture across the major directions of the micro display panel.
Figure 16A provides a schematic cross-sectional view of a waveguide using stacked switching input gratings in one embodiment.
FIG. 16B provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are a switchable input grating array.
FIG. 16C provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide, in one embodiment the debending optics being an optical beam modifying layer disposed within the waveguide substrate.
FIG. 16D provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide, in one embodiment a micro-display panel where the debending optics provide a variable numerical aperture across the principal directions.
Figure 16E provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are oblique input image generators providing the exit pupil.
FIG. 16F provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are an exit pupil and a gradient input image generator providing various projected pupils.
Figure 16G provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are a gradient input image generator and a coupling prism.
Figure 16H provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are a plurality of additional substrates with light absorbing edges.
Figure 17 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide where in one embodiment the debending optics are a plurality of additional substrates with light absorbing edges.
Figure 18 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide in one embodiment where the debending optics are a gradient input image generator and a coupling prism.
Figure 19 provides a schematic cross-section of a coating structure for use in balancing color registration in a color display in one embodiment.
Figure 20 provides a schematic cross-sectional view of details of a waveguide, the input grating of which debending optics offset the input beam cross-section from its edges.

도면들을 참조하면, 다양한 실시예들에 따라, 근안 디스플레이(near-eye display) 또는 헤드 업 디스플레이(head up display) 시스템들과 관련된 시스템 및 방법이 도시된다. 다수의 실시예들은 근안 디스플레이 또는 헤드 업 디스플레이 시스템에 사용하기 위한 도파관 장치에 관한 것이다. 많은 도파관 장치들에 존재하는 통상적인 문젯 거리는 그 균일성에 영향을 주는 출력 조명에서 밴딩(banding)이다. 따라서, 균일한 출력 조명을 갖는 도파관 장치의 다양한 실시예들이 제공된다. 도파관 장치들의 다양한 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치(debanding optic)는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 포함된다. Referring to the drawings, systems and methods related to near-eye display or head up display systems are shown, according to various embodiments. A number of embodiments relate to waveguide devices for use in near-eye displays or head-up display systems. A common problem present in many waveguide devices is banding in the output illumination, which affects its uniformity. Accordingly, various embodiments of waveguide devices with uniform output illumination are provided. In various embodiments of waveguide devices, debanding optics are included to eliminate or mitigate banding effects.

많은 실시예들은 또한 도파관 장치들에서 유리하게 사용될 수 있는 홀로그래픽 도파관 기술에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 도파관 기술은 헬멧 장착형 디스플레이들 또는 헤드 장착형 디스플레이들(HMD) 및 헤드 업 디스플레이들(HUD)에 사용된다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 도파관 기술은 항공 전자 애플리케이션들 및 소비자 애플리케이션들(예를 들어, 증강 현실 안경 등)을 포함하는 많은 애플리케이션들에 사용된다. 다수의 실시예들에서, 눈은 디스플레이의 출사 동공 또는 아이 박스(eye box) 내에 위치된다.Many embodiments also relate to holographic waveguide technology that may be advantageously used in waveguide devices. In some embodiments, holographic waveguide technology is used in helmet-mounted displays or head-mounted displays (HMD) and head-up displays (HUD). In some embodiments, holographic waveguide technology is used in many applications, including avionics applications and consumer applications (eg, augmented reality glasses, etc.). In many embodiments, the eye is located within the exit pupil or eye box of the display.

많은 실시예들에서, 도파관 장치들은 단일 도파관 층을 사용하여 두 개의 직교 방향들로 동공 확장을 제공한다. 출력의 균일성은 도파관 기판의 입력 단부(input end) 부근의 낮은 값으로부터 출력 격자의 가장 먼 단부(furthest extremity)에서의 높은 값까지 변하는 회절 효율을 갖도록 출력 격자를 설계함으로써 다양한 실시예들에 따라 달성된다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 데이터는 도파관 광학 기판 외부에 있으며 입력 격자에 의해 상기 기판에 결합된 마이크로 디스플레이에 의해 제공된다. 다수의 실시예들에 따라 마이크로 디스플레이는 반사 어레이이고 빔스플리터를 통해 조명된다. 반사된 이미지 광은 이미지의 각 픽셀이 고유의 방향으로 평행한 빔을 제공하도록 시준된다. In many embodiments, waveguide devices provide pupil expansion in two orthogonal directions using a single waveguide layer. Uniformity of output is achieved according to various embodiments by designing the output grating to have a diffraction efficiency that varies from a low value near the input end of the waveguide substrate to a high value at the furthest extremity of the output grating. do. In many embodiments, input image data is provided by a micro display external to the waveguide optical substrate and coupled to the substrate by an input grating. According to many embodiments the micro display is a reflective array and illuminated through a beamsplitter. The reflected image light is collimated so that each pixel in the image provides a parallel beam in its own direction.

다수의 실시예들에 따라, 도파관 장치는 도파관 이미지가 색 분산 및 밝기 비균일성이 없는 방식으로 효율적으로 도파관에 이미지 내용을 결합시킨다. 색 분산을 방지하고 더 나은 시준을 달성하는 한 가지 방법은 레이저들을 사용하는 것이다. 그러나, 레이저들의 사용은 동공 밴딩 아티팩트(pupil banding artifacts)를 받게 되는데, 이는 출력 조명에서 스스로를 나타내어 이미지의 균일성을 붕괴시킨다. 밴딩 아티팩트들은 시준된 동공이 전체 내부 반사(TIR) 도파관에서 복제(확장)될 때 형성될 수 있다. 밴딩은 빔이 격자와 상호작용할 때마다 도파관으로부터 회절된 일부 광 빔들이 갭(gap) 또는 중첩(overlap)을 나타낼 때 발생하며, 조명 리플(illumination ripple)을 유도한다. 리플의 정도는 필드 각, 도파관 두께, 및 개구 두께의 함수다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들에서 묘사된 바와 같이, 밴딩 효과는 발광 다이오드(LED)와 같은 광대역 소스들로 분산에 의해 평탄화될(smoothed) 수 있다는 것이 실험 및 시뮬레이션에 의해 밝혀졌다. 그러나, LED 조명은 밴딩 문제로부터 완전히 해소되지는 않으며, 특히 도파관 입력 대 개구율(input-aperture ratios)에 대해 더 높은 도파관 두께에 대해서 그렇다. 또한, LED 조명은 부피가 큰 입력 광학 장치가 되게 하고 도파관 장치의 두께의 증가를 초래하는 경향이 있다. 따라서, 여기에 기술된 도파관 장치의 다수의 실시예들은 밴딩 왜곡을 방지하기 위해 홀로그래피로부터의 광 출력을 균질화하기 위한 컴팩트하고 효율적인 디밴딩 광학 장치를 갖는다.According to a number of embodiments, a waveguide device efficiently couples image content to a waveguide in such a way that the waveguide image is free from chromatic dispersion and brightness non-uniformity. One way to prevent chromatic dispersion and achieve better collimation is to use lasers. However, the use of lasers is subject to pupil banding artifacts, which manifest themselves in the output illumination and disrupt the uniformity of the image. Banding artifacts can form when the collimated pupil is replicated (dilated) in a total internal reflection (TIR) waveguide. Banding occurs when some of the light beams diffracted from the waveguide exhibit a gap or overlap whenever the beam interacts with the grating, leading to an illumination ripple. The degree of ripple is a function of field angle, waveguide thickness, and aperture thickness. As depicted in the various embodiments described herein, experiments and simulations have shown that the banding effect can be smoothed by dispersion with broadband sources such as light emitting diodes (LEDs). However, LED lighting is not completely free from the banding problem, especially for higher waveguide thicknesses relative to the waveguide input-aperture ratios. Additionally, LED lighting tends to result in bulky input optics and an increase in the thickness of the waveguide device. Accordingly, many embodiments of the waveguide device described herein have compact and efficient debanding optics to homogenize the light output from the holography to prevent banding distortion.

밴딩 효과는 출력 조명의 불균일성의 원인이 된다. 몇몇 프로토타입 테스트에서 발견된 바와 같이, 도파관 장치로부터의 실제 조명은 만족할만한 가시적 이미지를 제공하기 위해 20 % 미만, 바람직하게는 10 % 이하의 불균일성을 달성해야 한다. 낮은 불균일성을 달성하기 위해서는 다른 시스템 요건들, 특히 이미지 밝기와의 절충들이 필요하다. 상기 절충들은 정확한 항목들로 정의하기 어렵고 애플리케이션에 크게 의존한다. 불균일성을 감소하기 위한 많은 광학 기술들이 일반적으로 약간의 광 손실을 초래하기 때문에, 출력 이미지 밝기가 감소될 수 있다. 불균일성에 대한 인간의 시각 시스템의 감도가 광 레벨에 따라 증가함으로, 불균일성의 문제는, 배경 장면 콘트라스트에 대한 높은 디스플레이를 달성하기 위해 높은 광속(luminous flux)을 필요로하는 자동차 HUD들과 같은 디스플레이들에 대해 더욱 중요해진다. 따라서, 일부 실시예들에서, 추출된 광은 10 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다. 다수의 실시예들에서, 추출된 광은 20 % 미만의 공간 불균일성을 갖는다.Banding effects cause non-uniformity in output lighting. As discovered in several prototype tests, actual illumination from a waveguide device should achieve a non-uniformity of less than 20%, preferably less than 10%, to provide a satisfactory visible image. Achieving low nonuniformity requires compromises with other system requirements, especially image brightness. The trade-offs are difficult to define in precise terms and are highly application dependent. Because many optical techniques for reducing non-uniformity typically result in some light loss, output image brightness may be reduced. As the sensitivity of the human visual system to unevenness increases with light level, the problem of unevenness becomes a problem for displays such as automotive HUDs that require high luminous flux to achieve high display relative to background scene contrast. becomes more important. Accordingly, in some embodiments, the extracted light has a spatial non-uniformity of less than 10%. In many embodiments, the extracted light has a spatial non-uniformity of less than 20%.

본 발명의 일부 실시예들이 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 설명될 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명할 목적으로, 광학 디자인 및 시각 디스플레이 분야의 당업자에게 공지된 광학 기술들의 널리 알려진 특징들은 다양한 실시예들의 기본 원리들을 모호하게 하지 않기 위해 생략되거나 단순화될 수 있다. 다양한 실시예들에 대한 설명은 광학 디자인 분야의 당업자들에 의해 일반적으로 사용되는 용어들을 사용하여 제시될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향과 관련하여 "축 상(on-axis)"이란 용어는 다양한 장치들과 관련하여 기술된 광학 성분들의 표면들에 수직인 축에 평행한 전파(propagation)를 지칭한다. 이하의 설명에서, 광(light), 광선(ray), 빔(beam) 및 방향(direction)이라는 용어는 직선 궤적들을 따르는 전자기 방사선의 전파 방향을 나타내기 위해 상호 교환 가능하고 서로 연관되어 사용될 수 있다. 광 및 조명이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 가시 및 적외선 대역들과 관련하여 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 격자(grating)라는 용어는 일부 실시예들에서 격자들의 세트로 구성된 격자를 포괄한다.Some embodiments of the invention will now be further described with reference to the accompanying drawings. For the purpose of describing various embodiments of the present invention, well-known features of optical techniques known to those skilled in the art of optical design and visual displays may be omitted or simplified so as not to obscure the basic principles of the various embodiments. Descriptions of various embodiments will be presented using terminology commonly used by those skilled in the art of optical design. Unless otherwise stated, the term "on-axis" with respect to a light ray or beam direction refers to propagation parallel to an axis perpendicular to the surfaces of the optical components described in connection with the various devices. refers to In the following description, the terms light, ray, beam and direction may be used interchangeably and in conjunction with each other to indicate the direction of propagation of electromagnetic radiation along straight trajectories. . The terms light and illumination may be used in relation to the visible and infrared bands of the electromagnetic spectrum. As used herein, the term grating encompasses, in some embodiments, a grid comprised of a set of gratings.

도파관 장치 waveguide device

다수의 실시예들에 따라, 도파관 장치는 적어도 하나의 광학 기판, 적어도 하나의 광원, 광원으로부터의 광을 광학 기판에 결합시키는 적어도 하나의 광 커플러, 및 출력 조명을 형성하기 위해 광학 기판으로부터의 광을 추출하는 적어도 하나의 광 추출기를 포함한다. 도 1a에는 도파관 장치의 한 실시예가 도시되어 있다. 따라서, 도파관 장치(100)는 적어도 하나의 광학 기판(101), 적어도 하나의 입력 격자(102), 및 적어도 하나의 출력 격자(103)를 포함한다. 최대 개구(W)를 갖는 입력 격자(102)는 광원(104)으로부터의 광(광선 어레이들(1000-1002))을 도파관 기판(101) 내에서 전체 내부 반사(TIR) 경로(1004)로 결합시킨다. 도 1a에 도시된 바와 같은 입력(102) 및 출력(103) 격자들은 여기에 설명된 격자 구성들과 같은 임의의 적절한 구성으로 존재할 수 있다.According to many embodiments, a waveguide device includes at least one optical substrate, at least one light source, at least one optical coupler to couple light from the light source to the optical substrate, and to couple light from the optical substrate to form output illumination. It includes at least one light extractor for extracting. 1A shows one embodiment of a waveguide device. Accordingly, waveguide device 100 includes at least one optical substrate 101, at least one input grating 102, and at least one output grating 103. Input grating 102, having a maximum aperture (W), couples light from light source 104 (ray arrays 1000-1002) into a total internal reflection (TIR) path 1004 within waveguide substrate 101. I order it. The input 102 and output 103 grids as shown in FIG. 1A may be in any suitable configuration, such as the grid configurations described herein.

다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치를 갖는 입력 이미지 생성기를 더 포함하는 입력 이미지 생성기를 포함한다. 일부 실시예들의 설명에서, 입력 생성기는 화상 생성 유닛(PGU)으로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 소스는 이미지 정보로 변조되지 않은 일반적인 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 각각의 디스플레이 픽셀이 기판 도파관 내에서 고유의 각도 방향으로 변환되도록 마이크로 디스플레이 패널 상에 디스플레이된 이미지를 투사한다. 다양한 실시예들에서, 시준 광학 장치는 적어도 렌즈들 및 거울들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 렌즈들 및 거울들은 회절성이다. 일부 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 레이저이다. 다수의 실시예들에서, 광원은 적어도 하나의 LED이다. 많은 실시예들에서, 상이한 광원들의 다양한 조합들이 입력 이미지 생성기 내에서 사용된다.In many embodiments, the waveguide device includes a light source, a micro display panel, and an input image generator further comprising an input image generator having optics for collimating the light. In the description of some embodiments, the input generator is referred to as a picture generation unit (PGU). In some embodiments, the source may be configured to provide general illumination that is not modulated with image information. In many embodiments, the input image generator projects the displayed image onto the micro-display panel such that each display pixel is translated into a unique angular orientation within the substrate waveguide. In various embodiments, collimating optics include at least lenses and mirrors. In many embodiments, the lenses and mirrors are diffractive. In some embodiments, the light source is at least one laser. In many embodiments, the light source is at least one LED. In many embodiments, various combinations of different light sources are used within the input image generator.

다수의 입력 이미지 생성기들이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 홀로그램 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866, 및 투명 도파관 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456이 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 광을 마이크로 디스플레이 상으로 지향시키고 반사된 광을 도파관을 향해 투과하기 위한 빔분리기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 빔스플리터는 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정(HPDLC)에 레코딩된 격자이다. 다양한 실시예들에서, 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터 큐브이다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 디스펙클러(despeckler)를 포함한다. 임의의 적절한 디스펙클러는 예를 들어 레이저 조명 장치라는 명칭의 미국 특허 번호 US8,565,560에 기술된 것들과 같은 다양한 실시예들에서 사용될 수 있다.It should be understood that multiple input image generators may be used in accordance with various embodiments of the present invention. For example, US Patent Application Serial No. 13/869,866, entitled Holographic Wide Angle Display, and US Patent Application Serial No. 13/844,456, entitled Transparent Waveguide Display. In many embodiments, the input image generator includes a beamsplitter to direct light onto the micro display and transmit reflected light toward the waveguide. In some embodiments, the beamsplitter is a grating recorded on holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC). In various embodiments, the beam splitter is a polarizing beam splitter cube. In some embodiments, the input image generator includes a despeckler. Any suitable despeckler may be used in various embodiments, such as, for example, those described in US Patent No. US8,565,560 entitled Laser Illumination Device.

다수의 실시예들에서, 광원은 조명 빔의 각도 특성들을 변경하기 위한 하나 이상의 렌즈들을 더 포함한다. 많은 실시예에서, 이미지 소스는 마이크로 디스플레이 또는 레이저 기반 디스플레이이다. 광원들의 일부 실시예들은 레이저보다 우수한 균일성을 제공할 수 있는 LED를 이용한다. 레이저 조명이 사용되는 경우, 조명 밴딩 효과의 위험은 더 높지만, 여기에 설명된 다양한 실시예들에 따라 여전히 제거되거나 완화될 수 있다. 양한한 실시예들에서, 광원으로부터의 광은 편광된다. 다수의 실시예들에서, 이미지 소스는 액정 디스플레이(LCD) 마이크로 디스플레이 또는 액정 온 실리콘(LCoS) 마이크로 디스플레이이다. In many embodiments, the light source further includes one or more lenses for modifying the angular characteristics of the illumination beam. In many embodiments, the image source is a micro display or laser-based display. Some embodiments of light sources utilize LEDs, which can provide better uniformity than lasers. When laser illumination is used, the risk of light banding effects is higher, but can still be eliminated or mitigated according to the various embodiments described herein. In certain embodiments, the light from the light source is polarized. In many embodiments, the image source is a liquid crystal display (LCD) microdisplay or a liquid crystal on silicon (LCoS) microdisplay.

일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 편광 빔 스플리터 큐브를 포함한다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 빔 스플리터 코팅이 적용된 경사판(inclined plate)을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 편광 선택적 빔 스플리터(polarization selective beam splitter)로서 작용하는 스위칭 가능한 브래그 격자(switchable Bragg grating)(SBG)를 포함한다. SBG를 포함하는 입력 이미지 생성기 광학 장치의 예들은 홀로그래픽 와이드 앵글 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/869,866 및 투명 웨이브 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 13/844,456에 개시되어 있다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 굴절 성분 및 곡면 반사면 중 적어도 하나 또는 조명 광의 개구 수를 제어하기 위한 회절 광학 요소를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 조명 광의 파장 특성들을 제어하기 위한 스펙트럼 필터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기 광학 장치는 미광(stray light)을 제어하기 위한 개구, 마스크, 필터, 및 코팅을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 버드배스(birdbath) 광학 장치를 포함한다.In some embodiments, the input image generator optics include a polarizing beam splitter cube. In many embodiments, the input image generator optics include an inclined plate with a beam splitter coating applied thereto. In many embodiments, the input image generator optics include a switchable Bragg grating (SBG) that acts as a polarization selective beam splitter. Examples of input image generator optics including SBGs are disclosed in US Patent Application Serial No. 13/869,866, entitled Holographic Wide Angle Display, and US Patent Application Serial No. 13/844,456, entitled Transparent Wave Display. In many embodiments, the input image generator optics include at least one of a refractive component and a curved reflective surface or a diffractive optical element to control the numerical aperture of the illumination light. In many embodiments, the input image generator includes spectral filters to control the wavelength characteristics of the illumination light. In some embodiments, input image generator optics include an aperture, mask, filter, and coating to control stray light. In some embodiments, the micro display includes birdbath optics.

도 1a에 도시된 실시예로 돌아가서, 외부 소스(102)는 각 대역폭(1002)으로 시준된 광선들을 제공한다. TIR 경로(1004)에서의 광은 출력 격자(103)와 상호 작용하여, TIR 광이 상기 격자에 의한 회절 조건을 만족할 때마다 광의 일부를 추출한다. 브래그 격자의 경우에, 추출은 브래그 조건이 충족될 때 발생한다. 예를 들어, TIR 각(U)에 대응하는 광 TIR 광선 경로(1004)는 출력 격자에 의해 출력 방향(1005A)으로 회절된다. 고유의 TIR 각이 입력 격자에서 각각의 광의 입사각에 의해 정의되는 기본적인 기하학적 광학으로부터 명백하다. 광이 추출되고, 도시된 바와 같이, 3 개의 추출 빔들을 형성하며, 이들 각각은 두 개의 광선들(1005B 및 1005C; 1006A 및 1006B; 1007A 및 1007B)에 의해 측면이 각각 묘사된다. 완벽하게 시준된 갭들(크로스 해칭으로 도시된 1006C 및 1007C)은 인접한 빔 추출물들 사이에서 빠져 나와 밴딩 효과를 일으킬 것이다. 다수의 실시예들에 따르면, 밴딩을 야기하는 빔 갭들은 여기에 설명된 바와 같은 복수의 디밴딩 광학 장치에 의해 제거되거나 최소화된다. 예를 들어, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자가 TIR 각(U)에 의존하는 유효 입력 개구(W')를 갖도록 광을 구성한다. Returning to the embodiment shown in FIG. 1A , external source 102 provides collimated light rays to each bandwidth 1002 . Light in the TIR path 1004 interacts with the output grating 103 to extract a portion of the TIR light whenever it satisfies the conditions for diffraction by the grating. In the case of a Bragg grating, extraction occurs when the Bragg condition is met. For example, optical TIR ray path 1004 corresponding to TIR angle U is diffracted by the output grating in output direction 1005A. It is clear from basic geometrical optics that the unique TIR angle is defined by the angle of incidence of each light at the input grating. Light is extracted, forming three extraction beams, as shown, each of which is flanked by two rays 1005B and 1005C; 1006A and 1006B; 1007A and 1007B, respectively. Perfectly collimated gaps (1006C and 1007C shown as crosshatching) will break out between adjacent beam extracts, causing a banding effect. According to many embodiments, beam gaps that cause bending are eliminated or minimized by a plurality of debending optics as described herein. For example, debending optics configure the light such that the input grating has an effective input aperture (W') that depends on the TIR angle (U).

다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 입력 격자가 TIR 각의 함수인 유효 입력 개구를 갖도록 도파관에 결합된 광을 구성하도록 동공을 시프팅할 수 있는 디밴딩 광학 장치를 포함한다. 디밴딩 광학 장치의 효과는 출력 격자에 의한 도파관으로부터의 연속적인 광 추출들이 통합되어 입력 격자에서 임의의 광 입사각에 대해 실질적으로 편평한 조명 프로파일을 제공한다는 것이다. 일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 이에 제한되는 것은 아니지만 격자, 부분 반사 막, 액정 정렬층, 등방성 굴절층들 및 경사 굴절률(gradient index)(GRIN) 구조를 포함하는 다양한 유형들의 광학 빔-변경층들을 결합함으로써 구현된다. "빔-변경(beam-modifying)"이란 용어는 입사광 각의 함수로서의 3 차원 공간에서의 진폭, 편광, 위상, 및 웨이브프론트 변위의 변화를 지칭한다는 것을 이해해야 한다. 각각의 경우에, 일부 실시예들에 따른 빔-변경층들은 입력 격자에서 임의의 광 입사각에 대해 출력 격자에 걸친 균일한 추출을 제공하는 유효 개구를 제공한다. 많은 실시예들에서, 빔-변경층들은 입력 각의 함수로서 입력 광의 개구 수를 제어하는 수단과 함께 사용된다. 일부 실시예들에서, 빔-변경층들은 파장 다이버시티를 제공하는 기술과 함께 사용된다.In many embodiments, the waveguide device includes debending optics that can shift the pupil to configure light coupled to the waveguide such that the input grating has an effective input aperture that is a function of the TIR angle. The effect of debending optics is that the successive light extractions from the waveguide by the output grating are integrated to provide a substantially flat illumination profile for any angle of light incidence at the input grating. In some embodiments, the debending optical device includes various types of optical beams including, but not limited to, gratings, partially reflective films, liquid crystal alignment layers, isotropic refractive layers, and gradient index (GRIN) structures. It is implemented by combining change layers. It should be understood that the term “beam-modifying” refers to changes in amplitude, polarization, phase, and wavefront displacement in three-dimensional space as a function of incident light angle. In each case, the beam-modifying layers according to some embodiments provide an effective aperture that provides uniform extraction across the output grating for any angle of light incidence at the input grating. In many embodiments, beam-modifying layers are used with a means of controlling the numerical aperture of input light as a function of input angle. In some embodiments, beam-modifying layers are used in conjunction with technology to provide wavelength diversity.

도 1b는 (도 1a에 도시된 좌표계를 참조하여) Z로 표시된 주 전파 방향을 따라 도파관으로부터 광 출력(I로 표시됨) 상의 동공 시프팅 광학 장치의 영향을 도시하는 차트를 제공한다. 입력 광 방향에 대응하는 세 개의 연속하는 추출들에 대한 강도 프로파일들(intensity profiles)(1008A-1008C)이 도시된다. 강도 프로파일의 형태는 빔-변경층들의 처방에 의해 제어된다. 다수의 실시예들에서, 강도 프로파일들은 실질적으로 편평한 강도 프로파일을 제공하도록 통합된다. 예를 들어, 강도 프로파일들(1008A-1008C)은 편평한 프로파일(1009)에 통합된다. Figure 1B provides a chart showing the effect of pupil shifting optics on the light output from the waveguide (denoted I) along the main propagation direction indicated Z (with reference to the coordinate system shown in Figure 1A). Intensity profiles 1008A-1008C are shown for three consecutive extracts corresponding to the input light direction. The shape of the intensity profile is controlled by the prescription of the beam-modifying layers. In many embodiments, the intensity profiles are integrated to provide a substantially flat intensity profile. For example, intensity profiles 1008A-1008C are integrated into flat profile 1009.

도파관 장치들에 사용되는 입력 커플러들 및 추출기들Input couplers and extractors used in waveguide devices

도파관 장치들은 현재 다양한 디스플레이 및 센서 애플리케이션들에서 관심이 있다. 이전의 장치들에 관한 많은 연구들이 반사 홀로그램에 관한 것이었지만, 전송 장치들이 광학 시스템 빌딩 블록들로서 훨씬 더 용도가 많은 것으로 판명되었다. 따라서, 다수의 실시예들은 동공의 입력 또는 출력에 사용될 수 있는 도파관 장치들에서의 격자들의 사용에 관한 것이다. 많은 실시예들에서, 입력 격자는 소스로부터의 광을 도파관에 결합시키는 일종의 광의 입력 커플러이다. 다수의 실시예들에서, 출력 격자는 출력 조명을 형성하기 위해 도파관으로부터 광을 추출하기 위한 일종의 광 추출기이다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치들은 브래그 격자(또한 볼륨 격자라고도 함)를 이용한다. 브래그 격자들은 적은 광이 고차들(higher orders)로 회절되는 높은 효율을 갖는다. 회절된 및 0차의 광의 상대적인 양은 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변화될 수 있는데, 이것은 큰 동공을 통해 광을 추출하기 위한 손실성 도파관 격자들을 만드는 데 사용되는 특성이다.Waveguide devices are currently of interest in a variety of display and sensor applications. Although much of the previous work on devices concerned reflective holograms, transmission devices have proven to be much more versatile as optical system building blocks. Accordingly, a number of embodiments relate to the use of gratings in waveguide devices that can be used for input or output of a pupil. In many embodiments, the input grating is a type of optical input coupler that couples light from the source to the waveguide. In many embodiments, the output grating is a type of light extractor for extracting light from the waveguide to form output illumination. In some embodiments, waveguide devices utilize a Bragg grating (also called a volume grating). Bragg gratings have a high efficiency where less light is diffracted into higher orders. The relative amounts of diffracted and zero-order light can be varied by controlling the refractive index modulation of the grating, a property used to create lossy waveguide gratings for extracting light through a large pupil.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 격자라는 용어는 일부 실시예들에서 격자들의 세트로 구성된 격자를 포괄한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 입력 격자 및/또는 출력 격자는 단일 층으로 다중화된 둘 이상의 격자들을 개별적으로 포함한다. 홀로그래피 문헌에 하나 이상의 홀로그래픽 처방이 단일 홀로그래픽 층에 레코딩될 수 있다는 것은 잘 확립되어 있다. 이러한 다중화된 홀로그램들을 레코딩하는 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 일부 실시예들에서, 입력 격자 및/또는 출력 격자는 하나 이상의 얇은 광학 기판에 접촉되거나 수직으로 분리된 두 개의 중첩하는 격자 층들을 개별적으로 포함한다. 많은 실시예들에서, 격자 층들은 인접한 유리 또는 플라스틱 기판 사이에 샌드위치된다. 몇몇 실시예에서, 둘 이상의 격자 층들은 전체 내부 반사가 외부 기판 및 공기 계면들에서 발생하는 스택(stack)을 형성할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 단 하나의 격자 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극은 회절 상태와 클리어 상태 사이에서 회절 격자들을 스위칭하기 위해 기판들의 면들에 적용된다. 다수의 실시예들에 따라, 스택은 빔 분할 코팅 및 환경 보호층들과 같은 부가적인 층들을 더 포함한다.As used herein, the term grid encompasses, in some embodiments, a grid comprised of a set of grids. For example, in some embodiments, the input grating and/or the output grating individually include two or more gratings multiplexed into a single layer. It is well established in the holographic literature that more than one holographic prescription can be recorded in a single holographic layer. Methods for recording such multiplexed holograms are well known to those skilled in the art. In some embodiments, the input grating and/or output grating individually comprise two overlapping grating layers that are vertically separated or in contact with one or more thin optical substrates. In many embodiments, the grid layers are sandwiched between adjacent glass or plastic substrates. In some embodiments, two or more grating layers may form a stack such that total internal reflection occurs at external substrate and air interfaces. In many embodiments, the waveguide device may include only one grating layer. In some embodiments, electrodes are applied to the sides of the substrates to switch the diffraction gratings between a diffractive state and a clear state. According to many embodiments, the stack further includes additional layers such as beam splitting coatings and environmental protection layers.

다수의 실시예들에서, 격자 층은 개별 층들으로 분해된다. 다양한 실시예들에 따라, 복수의 층들이 단일 도파관 기판에 함께 적층된다. 일부 실시예들에서, 격자 층은 단일 기판 도파관을 형성하도록 함께 적층되는(또는 일부분들이 함께 적층되는) 입력 결합러, 폴드 격자, 및 출력 격자를 포함하는 수 개의 부분들로 이루어진다. 많은 실시예들에서, 도파관 장치들의 부분들은 광학 글루 또는 다른 투명 재료에 의해 분리되며, 이들은 상기 부분들의 것과 일치하는 굴절률을 갖는다. 다수의 실시예들에서, 격자 층은 입력 커플러, 폴드 격자, 및 출력 격자의 각각에 대해 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)로 각각의 셀의 진공 충전 및 원하는 격자 두께의 셀들을 생성함으로써 셀 제조 공정을 통해 형성된다. 다수의 실시예들에서, 셀은 입력 커플러, 폴드 격자, 및 출력 격자에 대해 원하는 격자 두께를 규정하는 유리판들 사이에 갭들로 다중의 유리판들을 위치시킴으로써 형성된다. 많은 실시예들에서, 하나의 셀은 다중의 개구들로 만들어져 분리된 개구들이 SBG 재료의 상이한 포켓들로 채워질 수 있다. 다양한 실시예들에 따른 임의의 개재 공간들은 분리된 영역들을 규정하도록 분리 물질(예를 들면, 글루, 오일 등)에 의해 분리된다. 다수의 실시예에서, SBG 재료는 기판 상에 스핀-코팅되고 이어서 상기 재료의 경화 후에 제 2 기판에 의해 덮힌다. 폴드 격자를 사용함으로써, 도파관 디스플레이는 바람직하게 일부 실시예들에 따라 정보를 디스플레이하는 종래의 시스템들 및 방법들보다 적은 수의 층들을 필요로 한다. 또한, 폴드 격자를 사용함으로써, 광은 도파관 외부 표면들에 의해 규정되는 단일 직사각형 프리즘에서 도파관 내의 전체 내부 반사에 의해 이동하고 동시에 이중 동공 확장을 달성할 수 있다. 많은 실시예들에서, 입력 커플러 및 격자들은 홀로그래픽 웨이브 프론트를 생성하기 위해 기판 내의 각도로 두 개의 광파들을 간섭함으로써 생성될 수 있고, 그에 따라 원하는 각도에서 도파관 기판에 설정된 밝고 어두운 프린지들(fringes)을 생성할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 주어진 층의 격자는 격자 영역에 걸쳐 레코딩 레이저 빔을 스캐닝 또는 스텝핑(stepping)함으로써 단계적 방식으로 레코딩된다. 일부 실시예들에서, 격자들은 홀로그래픽 인쇄 산업에서 현재 사용되는 마스터링 및 접촉 카핑 프로세스를 사용하여 레코딩된다.In many embodiments, the grid layer is broken down into individual layers. According to various embodiments, multiple layers are stacked together on a single waveguide substrate. In some embodiments, the grating layer consists of several parts including an input coupler, a fold grating, and an output grating that are stacked together (or portions of which are stacked together) to form a single substrate waveguide. In many embodiments, portions of the waveguide devices are separated by optical glue or other transparent material, which has a refractive index that matches that of the portions. In many embodiments, the grating layer facilitates the cell fabrication process by vacuum filling each cell with a switchable Bragg grating (SBG) for each of the input coupler, fold grating, and output grating, thereby creating cells of a desired grating thickness. is formed through In many embodiments, the cell is formed by positioning multiple glass panes with gaps between the panes defining desired grating thicknesses for the input coupler, fold grating, and output grating. In many embodiments, a single cell is made of multiple openings so that the separate openings can be filled with different pockets of SBG material. Any intervening spaces according to various embodiments are separated by a separating material (eg, glue, oil, etc.) to define separate regions. In many embodiments, the SBG material is spin-coated on a substrate and then covered by a second substrate after curing of the material. By using a folded grating, the waveguide display advantageously requires fewer layers than conventional systems and methods of displaying information, according to some embodiments. Additionally, by using a folded grating, light can travel by total internal reflection within the waveguide in a single rectangular prism defined by the waveguide outer surfaces and simultaneously achieve double pupil expansion. In many embodiments, the input coupler and gratings can be created by interfering two light waves at an angle within the substrate to create a holographic wave front, thereby setting light and dark fringes on the waveguide substrate at the desired angle. can be created. In many embodiments, the grating of a given layer is recorded in a stepwise manner by scanning or stepping the recording laser beam across the grating area. In some embodiments, the gratings are recorded using mastering and contact copying processes currently used in the holographic printing industry.

많은 실시예들에 따라 입력 및 출력 격자들은 공통 표면 격자 피치를 갖도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 입력 격자는 각각의 격자가 입사된 비편광된 광의 편광을 도파관 경로로 회절 시키도록 배향된 다수의 격자들을 결합한다. 많은 실시예들에서, 출력 격자는 도파관 경로들로부터의 광이 결합되어 비편광된 광으로서 도파관 외부에서 결합되도록 배향된 복수의 격자들을 결합한다. 각각의 격자는 3D 공간에서 적어도 하나의 격자 벡터(또는 K-벡터)에 의해 특징 지워지며, 이는 브래그 격자의 경우에 브래그 프린지들에 대해 수직인 벡터로서 정의된다. 격자 벡터는 주어진 범위의 입력 및 회절된 각들에 대한 광학 효율을 결정한다.In accordance with many embodiments the input and output gratings are designed to have a common surface grating pitch. In some embodiments, the input grating combines multiple gratings oriented such that each grating diffracts polarization of incident unpolarized light into the waveguide path. In many embodiments, the output grating combines a plurality of gratings oriented such that light from the waveguide paths is combined and combined outside the waveguide as unpolarized light. Each grating is characterized in 3D space by at least one grating vector (or K-vector), which in the case of a Bragg grating is defined as a vector perpendicular to the Bragg fringes. The grating vector determines the optical efficiency for a given range of input and diffracted angles.

하나의 중요한 클래스의 격자들은 많은 실시예들에 따라 다양한 도파관 장치들에 사용되는 SBG들(Switchable Bragg Gratings)로 알려져있다. 일반적으로, 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정(HPDLC)이 SBG들에 사용된다. 많은 실시예들에서, HPDLC는 혼합 액정(LC), 모노머(monomers), 광 개시제 염료(photoinitiator dyes), 및 동시 개시제(coinitiators)를 포함한다. 종종, 혼합물은 또한 계면 활성제(surfactant)를 포함한다. 특허 및 과학 문헌은 SBG들을 제조하는데 사용될 수 있는 재료 시스템들 및 공정들의 많은 예들을 포함하고 있다. 두 개의 기본적인 특허들은: 수더랜드의 미국 특허 번호 5,942,157 및 다나까 등의 미국 특허 번호 5,751,452이다. 두 출원들은 SBG 장치들을 제조하기에 적합한 모노머 및 액정 재료 조합들을 기술한다. 투과 SBG들의 공지된 속성들 중 하나는 LC 분자들이 격자 프린지 평면들에 수직으로 정렬되는 경향이 있다는 것이다. LC 분자 정렬의 효과는 투과 SBG들이 P 편광된 광(즉, 입사 평면에서 편광 벡터를 갖는 광)을 효율적으로 회절하지만, S 편광(즉, 입사 평면에 수직인 편광 벡터를 갖는 광)에 대해 거의 제로의 회절 효율을 갖는다는 것이다. 투과 SBG들은 입사광과 반사광 사이의 끼인각(included angle)이 작을 때 P 편광에 대한 임의의 격자의 회절 효율이 0으로 떨어짐에 따라 니어-그레이징 입사각(near-grazing incidence)에서 사용되지 않을 수 있다.One important class of gratings are known as Switchable Bragg Gratings (SBGs), which are used in various waveguide devices according to many embodiments. Typically, holographic polymer dispersed liquid crystals (HPDLC) are used in SBGs. In many embodiments, HPDLC includes mixed liquid crystals (LC), monomers, photoinitiator dyes, and coinitiators. Often, the mixture also includes a surfactant. Patents and scientific literature contain many examples of material systems and processes that can be used to manufacture SBGs. The two basic patents are: US Patent No. 5,942,157 to Sutherland and US Patent No. 5,751,452 to Tanaka et al. Both applications describe monomer and liquid crystal material combinations suitable for fabricating SBG devices. One of the known properties of transparent SBGs is that the LC molecules tend to align perpendicular to the lattice fringe planes. The effect of LC molecular alignment is that transmitting SBGs efficiently diffract P-polarized light (i.e., light with a polarization vector at the plane of incidence), but very little for S-polarized light (i.e., light with a polarization vector perpendicular to the plane of incidence). It has zero diffraction efficiency. Transmissive SBGs may not be used at near-grazing incidence as the diffraction efficiency of any grating for P polarization drops to zero when the included angle between incident and reflected light is small.

다수의 실시예들에서, SBG들은 먼저 평행 유리판들 사이에 광 중합성 모노머(photopolymerizable monomers) 및 액정 재료의 혼합물의 박막을 배치함으로써 제조된다. 하나 또는 두 개의 유리판들이 상기 막에 걸쳐 전기장을 인가하기 위한 전극들을 지지한다. 다수의 실시예들에서, 전극들은 적어도 부분적으로 투명한 인듐 주석 산화물 막으로 만들어진다. 다수의 실시예들에 따라, 경사진 프린지 격자 구조를 형성하도록 간섭하는 두 개의 상호 간섭성 레이저 빔들로 액정 재료(종종 시럽(syrup)으로 지칭됨)를 조명함으로써 볼륨 위상 격자가 레코딩될 수 있다. 레코딩 프로세스 동안 모노머들이 중합되고 혼합물은 상 분리를 거쳐, 클리어 폴리머의 영역들이 산재된 액정 마이크로-액적들(liquid crystal micro-droplets)에 의해 고밀도로 채워진 영역들을 생성하여, HPDLC를 생성한다. 일부 실시예들에 따라, HPDLC 장치의 교번하는 액정이 풍부한 및 액정이 고갈된 영역들은 격자의 프린지 평면들을 형성한다. 결과적인 볼륨 위상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이것은 다양한 실시예들에 따라, 상기 막에 걸쳐 인가되는 전계의 크기에 의해 제어될 수 있다. 투명 전극들을 통해 격자에 전계가 인가될 때, LC 액적들의 자연적인 배향이 변하여, 프린지들의 굴절률 변조를 감소하고 홀로그램 회절 효율을 매우 낮은 레벨들로 떨어뜨린다. 통상적으로, SBG 소자들은 30 μs에서 클리어 스위치되며, 스위치 ON을 위한 완화 시간이 더 길어진다. 장치의 회절 효율은 연속적인 범위에 걸쳐 인가된 전압에 의해 많은 실시예들에 따라 조절될 수 있음을 유의해야 한다. 장치는 전압이 인가되지 않을 때 거의 100 % 효율을 나타내고, 충분히 높은 전압이 인가될 때 효율은 거의 0을 나타낸다. HPDLC 장치들의 특정 실시예들에서, 자기장이 LC 배향을 제어하는 데 사용될 수 있다. HPDLC 장치들의 특정 실시예들에서, 폴리머로부터의 LC 재료의 상 분리는 식별 가능한 액적 구조가 나타나지 않는 정도로 달성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, SBG는 또한 수동 격자로서 사용되며, 이는 고유하게 높은 굴절률 변조의 이점을 제공할 수 있다. In many embodiments, SBGs are manufactured by first placing a thin film of a mixture of photopolymerizable monomers and liquid crystal material between parallel glass plates. One or two glass plates support electrodes for applying an electric field across the membrane. In many embodiments, the electrodes are made of an at least partially transparent indium tin oxide film. According to a number of embodiments, a volume phase grating may be recorded by illuminating a liquid crystal material (often referred to as a syrup) with two mutually coherent laser beams that interfere to form an inclined fringe grating structure. During the recording process the monomers polymerize and the mixture undergoes phase separation, producing regions densely packed by liquid crystal micro-droplets interspersed with regions of clear polymer, creating HPDLC. According to some embodiments, alternating liquid crystal-rich and liquid crystal-depleted regions of the HPDLC device form fringe planes of the grating. The resulting volume phase grating can exhibit very high diffraction efficiency, which can be controlled by the magnitude of the electric field applied across the film, according to various embodiments. When an electric field is applied to the grid through transparent electrodes, the natural orientation of the LC droplets changes, reducing the refractive index modulation of the fringes and dropping the holographic diffraction efficiency to very low levels. Typically, SBG devices switch clear in 30 μs, with longer relaxation times for switch-on. It should be noted that the diffraction efficiency of the device can be adjusted according to many embodiments by the applied voltage over a continuous range. The device exhibits nearly 100% efficiency when no voltage is applied, and efficiency is nearly zero when a sufficiently high voltage is applied. In certain embodiments of HPDLC devices, a magnetic field can be used to control LC orientation. In certain embodiments of HPDLC devices, phase separation of the LC material from the polymer can be achieved to the extent that no discernible droplet structure appears. In many embodiments, SBG is also used as a passive grating, which can provide the advantage of inherently high index of refraction modulation.

다수의 실시예들에 따라, SBG들은 자유 공간 애플리케이션들에 대한 투과 또는 반사 격자들을 제공하는 데 사용된다. SBG들의 다양한 실시예들은 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 인접한 미세하게 결합된 층(evanescently coupled layer)을 형성하는 도파관 장치로서 구현된다. 많은 실시예들에서, HPDLC 셀을 형성하는 데 사용되는 평행 유리판들은 전체 내부 반사(TIR) 광 안내 구조를 제공한다. 스위칭 가능한 격자가 TIR 조건을 초과하는 각도로 광을 회절시킬 때 일부 실시예들에 따라 광이 SBG 외부에서 결합된다.According to a number of embodiments, SBGs are used to provide transmissive or reflective gratings for free space applications. Various embodiments of SBGs are implemented as waveguide devices where the HPDLC forms a waveguide core or an evanescently coupled layer adjacent to the waveguide. In many embodiments, the parallel glass plates used to form the HPDLC cell provide a total internal reflection (TIR) light guiding structure. According to some embodiments, light is coupled outside the SBG when the switchable grating diffracts the light at an angle that exceeds the TIR condition.

SBG들에 기초한 도파관 장치들의 많은 실시예들에서, 격자들은 투명 기판들에 의해 샌드위치된 단일 층 내에 형성된다. 다수의 실시예들에서, 도파관은 단지 하나의 격자 층이다. 스위칭 가능한 격자들을 포함하는 다양한 실시예들에서, 투명 전극들은 스위칭 가능한 격자를 샌드위칭하는 기판 층들의 대향 표면들에 적용된다. 일부 실시예들에서, 셀 기판들은 유리로 제조된다. 예시적인 유리 기판은 50 미크론까지의 두께로 이용 가능한 표준 코닝 윌로우(Corning Willow) 유리 기판(인덱스 1.51)이다. 다수의 실시예들에서, 셀 기판들은 광학 플라스틱이다.In many embodiments of waveguide devices based on SBGs, the gratings are formed within a single layer sandwiched by transparent substrates. In many embodiments, the waveguide is only one grating layer. In various embodiments involving switchable gratings, transparent electrodes are applied to opposing surfaces of substrate layers sandwiching the switchable grating. In some embodiments, cell substrates are made of glass. An exemplary glass substrate is a standard Corning Willow glass substrate (index 1.51) available in thicknesses up to 50 microns. In many embodiments, the cell substrates are optical plastic.

브래그 격자들은 또한 다른 재료들에 레코딩될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, SBG들은 액체 폴리머 내에 분산된 고체 액정 매트릭스를 갖는 POLICRYPS 또는 POLIPHEM과 같은 균일한 변조 재료로 레코딩된다. 다수의 실시예들에서, SBG들은 스위칭 가능하지 않다(즉, 수동적이다). 스위칭 가능하지 않은 SBG들은 그 액정 성분으로 인해 높은 굴절률 변조를 제공할 수 있는 종래의 홀로그래픽 포토폴리머 재료들에 비해 장점을 가질 수 있다. 예시적인 균일한 변조 액정-폴리머 재료 시스템들은 카푸토 등의 미국 특허 출원 공개 번호 US2007/0019152 및 스텀프 등의 PCT 출원 번호 PCT/EP2005/006950에 개시되어 있으며, 이들 모두는 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함된다. 균일한 변조 격자들은 높은 굴절률 변조(및 그에 따른 높은 회절 효율) 및 낮은 스캐터(scatter)를 특징으로 한다. 많은 실시예들에서, 적어도 하나의 격자는 표면 릴리프 격자(surface relief grating)이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 격자는 얇은(또는 라만-나스(Raman-Nath)) 홀로그램이다.It should be understood that Bragg gratings can also be recorded on other materials. In some embodiments, SBGs are recorded with a homogeneous modulating material, such as POLICRYPS or POLIPHEM, which has a solid liquid crystal matrix dispersed in a liquid polymer. In many embodiments, SBGs are not switchable (ie, passive). Non-switchable SBGs may have advantages over conventional holographic photopolymer materials that can provide high refractive index modulation due to their liquid crystalline content. Exemplary uniformly modulated liquid crystal-polymer material systems are disclosed in U.S. Patent Application Publication No. US2007/0019152 to Caputo et al. and PCT Application No. PCT/EP2005/006950 to Stump et al., both of which are incorporated herein by reference in their entirety. do. Uniform modulation gratings are characterized by high refractive index modulation (and therefore high diffraction efficiency) and low scatter. In many embodiments, at least one grating is a surface relief grating. In some embodiments, at least one grating is a thin (or Raman-Nath) hologram.

다수의 실시예들에서, 격자들은 리버스 모드 HPDLC 재료(reverse mode HPDLC material)로 레코딩된다. 리버스 모드 HPDLC는, 전계가 인가되지 않을 때 격자가 수동적(passive)이고 전계의 존재 시에 회절된다는 점에서 종래의 HPDLC와 상이하다. 리버스 모드 HPDLC는, 홀로그래픽 폴리머 분산형 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 임의의 레시피 및 프로세스에 기초할 수 있다. 격자는 다양한 실시예들에 따라 상기한 재료 시스템들의 어떠한 것으로도 레코딩될 수 있지만, 수동(스위칭 가능하지 않음) 모드로 사용된다. 제조 공정은 스위칭 가능한 격자들에 사용되는 것과 동일하지만, 전극 코팅 단계가 생략된다. LC 폴리머 재료 시스템들은 그들의 높은 인덱스 변조(index modulation)를 고려할 때 매우 바람직하다. 일부 실시예들에서, 격자들은 HPDLC로 레코딩되지만 스위칭 가능하지는 않다. In many embodiments, the gratings are recorded with reverse mode HPDLC material. Reverse mode HPDLC differs from conventional HPDLC in that the grating is passive when no electric field is applied and diffracts in the presence of an electric field. Reverse mode HPDLC can be based on any of the recipes and processes disclosed in PCT Application No. PCT/GB2012/000680, entitled Improvements to Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal Materials and Devices. The grid can be recorded with any of the above-described material systems according to various embodiments, but is used in a passive (non-switchable) mode. The manufacturing process is the same as that used for switchable gratings, but the electrode coating step is omitted. LC polymer material systems are highly desirable given their high index modulation. In some embodiments, the gratings are recorded in HPDLC but are not switchable.

일부 실시예들에서, 격자는 출력의 시준을 조정하기 위해 광 전력을 인코딩한다. 많은 실시예들에서, 출력 이미지는 무한대이다. 다수의 실시예들에서, 출력 이미지는 아이 박스로부터 수 미터 떨어진 거리에 형성될 수 있다. In some embodiments, the grating encodes optical power to adjust collimation of the output. In many embodiments, the output image is infinite. In many embodiments, the output image may be formed several meters away from the eye box.

일부 실시예들에서, 입력 격자는 다른 유형의 입력 커플러로 대체될 수 있다. 특정 실시예들에서, 입력 격자는 프리즘 또는 반사면으로 대체된다. 다수의 실시예들에서, 입력 커플러는 스위칭 가능하거나 스위칭 가능하지 않은 SBG 격자와 같은 홀로그래픽 격자일 수 있다. 입력 커플러는 디스플레이 소스로부터 시준된 광을 수용하고 광이 제 1 표면과 제 2 표면들 사이의 전체 내부 반사를 통해 도파관 내에서 이동하게 하도록 구성된다.In some embodiments, the input grating may be replaced with another type of input coupler. In certain embodiments, the input grating is replaced with a prism or reflective surface. In many embodiments, the input coupler may be a holographic grating, such as an SBG grating, which may or may not be switchable. The input coupler is configured to receive collimated light from the display source and cause the light to travel within the waveguide through total internal reflection between the first and second surfaces.

홀로그래피 문헌에 하나 이상의 홀로그래픽 처방들이 단일 홀로그래픽 층에 레코딩될 수 있다는 것은 잘 확립되어 있다. 이러한 다중화된 홀로그램들을 레코딩하는 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 일부 실시예들에서, 입력 또는 출력 격자 중 적어도 하나는 각도 대역폭을 확장하기 위해 두 개 이상의 회절 처방들을 조합한다. 많은 실시예들에서, 입력 또는 출력 격자들 중 적어도 하나는 스펙트럼 대역폭을 확장하기 위해 두 개 이상의 스펙트럼 회절 처방들을 결합한다. 다수의 실시예들에서, 컬러 멀티플렉싱된 격자는 두 개 이상의 원색들(primary colors)을 회절시키는데 사용된다.It is well established in the holography literature that more than one holographic prescription can be recorded in a single holographic layer. Methods for recording such multiplexed holograms are well known to those skilled in the art. In some embodiments, at least one of the input or output gratings combines two or more diffraction prescriptions to expand the angular bandwidth. In many embodiments, at least one of the input or output gratings combines two or more spectral diffraction prescriptions to extend the spectral bandwidth. In many embodiments, a color multiplexed grating is used to diffract two or more primary colors.

본 명세서에 기재된 바와 같이, 많은 실시예들은 단색(monochrome)으로 동작된다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 컬러 도파관은 단색 도파관의 스택을 포함한다. 다수의 실시예들에서, 도파관 장치는 적색, 녹색 및 청색 도파관 층들을 사용한다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치는 적색 및 청색/녹색 층들을 사용한다. 일부 실시예들에서, 격자들은 모두 수동적이다. 즉, 스위칭 가능하지 않다. 다수의 실시예들에서, 적어도 하나의 격자가 스위칭 가능하다. 다수의 실시예들에서, 각 층의 입력 격자들은 도파관 층들 사이의 색 혼선(color crosstalk)을 피하기 위해 스위칭 가능하다. 일부 실시예들에서, 적색 및 청색의 입력 격자 영역들과 청색 및 녹색 도파관들 사이에 이색성 필터들(dichroic filters)을 배치함으로써 색 혼선이 방지된다.As described herein, many embodiments operate in monochrome. However, according to various embodiments of the present invention, the color waveguide includes a stack of monochromatic waveguides. In many embodiments, the waveguide device uses red, green, and blue waveguide layers. In some embodiments, the waveguide device uses red and blue/green layers. In some embodiments, the gratings are entirely passive. That is, it is not switchable. In many embodiments, at least one grid is switchable. In many embodiments, the input gratings of each layer are switchable to avoid color crosstalk between waveguide layers. In some embodiments, color crosstalk is prevented by placing dichroic filters between the red and blue input grating regions and the blue and green waveguides.

다수의 실시예들에서, 광은 파장 대역폭에 의해 특징지어진다. 많은 실시예들에서, 도파관 장치는 광의 파장 대역폭을 다양화할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 본질적으로 스펙트럼 대역폭 제한 장치들인 브래그 격자들은 LED들 및 레이저들과 같은 협 대역 소스들에서 가장 효율적으로 이용된다. 많은 실시예들에 따라, 브래그 격자는 격자 처방 및 입사 광선 각도들이 브래그 등식을 만족할 때 높은 효율로 두 개의 상이한 파장 대역들을 회절시킨다. 다수의 실시예들에 따라, 풀 칼라 도파관들(full color waveguides)은 적색, 녹색 및 청색 회절 도파관 층들과 같은 개별적인 특정 파장 층들을 이용한다. 하나의 층이 3 원색 중 2 개를 회절시키는 2-층 솔루션들이 많은 실시예들에서 사용된다. 많은 실시예들에서, 브래그 격자의 자연적인 스펙트럼 대역폭은 색 혼선을 최소화하기에 적절하다. 그러나, 색 혼선의 더욱 엄격한 억제를 위해, 이색성 필터들 및 도파관 층들 사이에 통합되고 전형적으로 입력 격자들과 중첩하는 협 대역 필터들과 같은 부가적인 구성 요소들이 사용될 수 있다.In many embodiments, light is characterized by wavelength bandwidth. In many embodiments, the waveguide device can vary the wavelength bandwidth of the light. According to various embodiments, Bragg gratings, which are inherently spectral bandwidth limiting devices, are most efficiently used in narrowband sources such as LEDs and lasers. According to many embodiments, a Bragg grating diffracts two different wavelength bands with high efficiency when the grating prescription and incident ray angles satisfy the Bragg equation. According to many embodiments, full color waveguides utilize separate specific wavelength layers, such as red, green, and blue diffractive waveguide layers. Two-layer solutions, where one layer diffracts two of the three primary colors, are used in many embodiments. In many embodiments, the natural spectral bandwidth of the Bragg grating is adequate to minimize color crosstalk. However, for more stringent suppression of color crosstalk, additional components may be used, such as dichroic filters and narrowband filters integrated between the waveguide layers and typically overlapping the input gratings.

디밴딩 광학 장치(Debanding Optics) Debanding Optics

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 유효 입력 개구이며, 그에 따라 광학 기판이 두께(D)를 가질 때 상기 입력 개구는 광학 기판에 TIR 각(U)을 제공하도록 구성되고, 상기 각(U)은 2D tan(U)로 산출된다. 도 2는 제로 밴딩의 조건이 존재하도록 도파관 기판(111) 및 TIR(1012)을 포함하는 도파관의 형태로 디밴딩 광학 장치를 포함하는 도파관 장치(110)의 실시예이다. 많은 실시예들에서, 제로 밴딩의 조건, 즉 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에 갭이없는 조건은 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)에 대한 유효 입력 개구가 2D tan(U)에 의해 주어질 때 발생한다. In many embodiments, the debending optic is an effective input aperture, such that the input aperture is configured to provide a TIR angle (U) to the optical substrate when the optical substrate has a thickness (D), wherein the angle ( U) is calculated as 2D tan(U). Figure 2 is an embodiment of a waveguide device 110 comprising debending optics in the form of a waveguide comprising a waveguide substrate 111 and a TIR 1012 such that a condition of zero bending exists. In many embodiments, the condition of zero banding, i.e., that there is no gap between successive light extractions along the TIR ray path, is such that the effective input aperture for the waveguide substrate thickness (D) and TIR angle (U) is 2D tan( Occurs when given by U).

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 또는 복굴절 중 적어도 하나의 TIR 경로를 따라 광의 공간적 변화를 제공한다. 전형적인 공간 변화(120)는 곡선(1020)에 의해 도 3의 차트에 제공되고, 여기에서 Y 축은 상기한 파라미터들 중 임의의 파라미터(예를 들면, 회절 효율)의 값을 나타내고, X 축은 도파관 내의 빔 전파 방향이다. 다수의 실시예들에서, 공간 변화는 2 차원(도파관의 평면에서)이다.In some embodiments, debanding optics provide spatial variation of light along the TIR path in at least one of diffraction efficiency, light transmission, polarization, or birefringence. A typical spatial variation 120 is provided in the chart of FIG. 3 by curve 1020, where the Y axis represents the value of any of the above parameters (e.g. diffraction efficiency) and the This is the direction of beam propagation. In many embodiments, the spatial variation is two-dimensional (in the plane of the waveguide).

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 다중의 격자들을 갖도록 구성된 적어도 하나의 격자이며, 각 격자는 밴딩을 제거 또는 완화하기 위해 작은 동공 시프트를 제공한다. 많은 실시예들에서, 다중의 격자들의 스택은 스택 내의 격자들 사이의 분리들이 각각의 각도에 대한 동공 시프트를 제공하도록 설계될 때 작은 동공 시프트를 달성한다. 다수의 실시예들에서, 동공 시프트가 가능한 격자들은 투명 기판들에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 동공 시프트가 가능한 격자들은 수동적이다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 격자들은 전압이 인가될 때 스위치 온 된다. 일부 실시예들에서, 측 방향 상대 변위를 갖도록 배열된 다중의 격자들은 동공 시프트를 제공한다. 다수의 실시예들에서, 다중의 격자들은 입사각에 따라 그들의 회절 상태들로 스위칭되는 격자 요소들의 상이한 서브 어레이들을 갖는 2 차원 어레이로 구성된다. 일부 실시예들에서, 격자들은 어레이들의 스택들로서 구성된다. 다양한 실시예들에서, 상이한 파장 대역들에 대해 개별적인 격자들이 제공된다. 다수의 실시예들에서, 격자는 다중화된다.In some embodiments, the debanding optic is at least one grating configured to have multiple gratings, each grating providing a small pupil shift to eliminate or mitigate banding. In many embodiments, a stack of multiple gratings achieves small pupil shift when the separations between gratings within the stack are designed to provide pupil shift for each angle. In many embodiments, pupil shiftable gratings are separated by transparent substrates. In some embodiments, pupil shiftable gratings are passive. Alternatively, in some embodiments, the grids are switched on when a voltage is applied. In some embodiments, multiple gratings arranged with lateral relative displacement provide pupil shift. In many embodiments, multiple gratings are configured as a two-dimensional array with different sub-arrays of grating elements that switch into their diffraction states depending on the angle of incidence. In some embodiments, grids are configured as stacks of arrays. In various embodiments, separate gratings are provided for different wavelength bands. In many embodiments, the grid is multiplexed.

많은 실시예들에서, 격자들은 도파관의 주 평면에 걸쳐 변하는 격자 파라미터들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 회절 효율은 0차 광(zero order light)으로서 도파관을 따라서 투과되는 광의 양에 대한 회절된 광의 양을 제어하여, 도파관으로부터 추출된 광의 균일성이 미세하게 조정(fine-tune)되도록 한다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 격자의 K-벡터들은 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하도록 최적화된 방향들을 갖는 롤링된 K-벡터들을 갖는다. 다양한 실시예들에서, 격자들의 인덱스 변조는 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하기 위해 변화된다. 다수의 실시예들에서, 격자들의 두께는 도파관으로부터 추출된 광의 균일성을 미세하게 조정하기 위해 변화된다.In many embodiments, the gratings have grating parameters that vary across the main plane of the waveguide. In some embodiments, the diffraction efficiency controls the amount of diffracted light relative to the amount of light transmitted along the waveguide as zero order light, allowing the uniformity of light extracted from the waveguide to be fine-tuned. ). In some embodiments, the K-vectors of at least one grating have rolled K-vectors with directions optimized to fine-tune the uniformity of light extracted from the waveguide. In various embodiments, the index modulation of the gratings is varied to fine-tune the uniformity of light extracted from the waveguide. In many embodiments, the thickness of the gratings is varied to fine-tune the uniformity of light extracted from the waveguide.

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 전압이 인가될 때 턴 온되고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 적층형 스위칭 가능한 격자로서 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도 4는 적층형 스위칭 가능한 입력 격자들(132A 및 132B) 및 스위칭 가능하지 않는 출력 격자(133)를 갖는 광학 기판(131)을 갖는 도파관 장치(130)의 실시예를 도시한다. 전압 공급기(134)는 동공 시프트를 제공하기 위해 입력 격자들(132A 및 132B)을 스위치 온 하도록 전기 접속부(135A 및 135B)에 의해 입력 격자들(132A 및 132B)에 결합된다. 도 5는 스위칭 가능하지 않은 입력 격자 및 적층형 격자 층들(143A 및 143B)을 갖는 스위칭 가능한 출력 격자를 갖는 도파관 장치(141)의 실시예를 도시한다. 전압 공급기(144)는 동공 시프트를 제공하기 위해 출력 격자들(143A 및 143B)을 스위치 온 하도록 전기 접속부(145A 및 145B)에 의해 출력 격자들(143A 및 143B)에 결합된다. 다양한 실시예들에서, 얇은 기판 층이 적어도 일부 분리를 제공하기 위해 적층된 격자들 사이에서 빠져 나간다.In many embodiments, the debending optics are at least one grating configured as a stacked switchable grating that turns on when a voltage is applied and shifts the pupil to eliminate or mitigate the banding effect. 4 shows an embodiment of a waveguide device 130 having an optical substrate 131 with stacked switchable input gratings 132A and 132B and a non-switchable output grating 133. Voltage supply 134 is coupled to input gratings 132A and 132B by electrical connections 135A and 135B to switch on input gratings 132A and 132B to provide pupil shift. Figure 5 shows an embodiment of a waveguide device 141 with a non-switchable input grating and a switchable output grating with stacked grating layers 143A and 143B. Voltage supply 144 is coupled to output gratings 143A and 143B by electrical connections 145A and 145B to switch on output gratings 143A and 143B to provide pupil shift. In various embodiments, a thin substrate layer is pulled between the stacked gratings to provide at least some separation.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 전압이 인가될 때 특정 소자를 턴 온 할 수 있고 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트할 수 있는 스위칭 가능한 격자 소자들의 어레이로서 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도 6a는 복수의 격자 요소들(153A-156A 및 153B-156B)을 각각 갖는 입력 격자들(152A 및 152B) 및 출력 격자(157)를 포함하는 광학 기판(151)을 갖는 도파관 장치(150)의 실시예이다. 도파관 장치는 동공을 시프트하기 위해 각 소자(예를 들면, 156A 및 156B)를 개별적으로 스위치 온 하도록 구성된 전기적 접속부(159A 및 159B)에 의해 각각의 입력 격자(152A 및 152B)에 결합된 전압 공급기(158)를 더 포함한다. 도시되지는 않았지만, 전압 공급기는 스위칭 가능한 소자들의 어레이를 생성하기 위해 각각의 모든 소자에 접속될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도 6a는 입력 격자가 어레이로 구성되는 것만을 도시하고 있지만, 출력 격자도 또한 각각의 소자가 본 발명의 다수의 실시예들에 따라 스위치 가능하게 구성되는 소자들의 어레이가 될 수 있다는 것을 이해해야 한다.In some embodiments, the debanding optical device includes at least one grating configured as an array of switchable grating elements that can turn on certain elements when a voltage is applied and shift the pupil to eliminate or mitigate banding effects. am. 6A illustrates a waveguide device 150 having an optical substrate 151 including input gratings 152A and 152B and output gratings 157 having a plurality of grating elements 153A-156A and 153B-156B, respectively. This is an example. The waveguide device includes a voltage supply coupled to each of the input gratings 152A and 152B by electrical connections 159A and 159B configured to individually switch on each element (e.g., 156A and 156B) to shift the pupil. 158) is further included. Although not shown, it should be understood that a voltage supply may be connected to each and every element to create an array of switchable elements. Additionally, although Figure 6A only shows the input grid being configured as an array, it should be understood that the output grid could also be an array of elements where each element is configured to be switchable in accordance with multiple embodiments of the present invention. do.

다양한 실시예들에서, 격자는 복수의 롤링된 K-벡터들을 갖는다. K-벡터는 주어진 범위의 입력 및 회절된 각들에 대한 광학 효율을 결정하는 격자 평면들(또는 프린지들)에 수직으로 정렬된 벡터이다. 다수의 실시예들에 따라 롤링된 K-벡터들은 도파관 두께를 증가시킬 필요없이 격자의 각 대역폭이 확장되도록 한다. 도 6b는 네 개의 롤링된 K-벡터들(K1-K4)을 갖는 격자(152C)의 실시예를 도시한다. 다수의 실시예에서, 격자는 스위칭 가능한 소자들들의 2 차원 어레이로 구성된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 격자는 스위칭 가능한 소자들(예를 들면, 161)의 2 차원 어레이(160)로서 구성된다.In various embodiments, the grid has multiple rolled K-vectors. The K-vector is a vector aligned perpendicular to the grating planes (or fringes) that determines the optical efficiency for a given range of input and diffracted angles. Rolled K-vectors according to many embodiments allow the angular bandwidth of the grating to be expanded without the need to increase the waveguide thickness. FIG. 6B shows an embodiment of a grating 152C with four rolled K-vectors (K 1 -K 4 ). In many embodiments, the grating is comprised of a two-dimensional array of switchable elements. For example, as shown in Figure 7, the grating is configured as a two-dimensional array 160 of switchable elements (eg, 161).

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성된 복수의 수동 격자 층들이 되도록 구성된 적어도 하나의 격자이다. 도파관 장치가 다중의 수동 격자 층들을 포함할 때, 다양한 실시예들에 따라, 그 기본 구조는 전압 공급없이 능동 격자 층(예를 들면,도 4 및 도 5 참조)을 포함하는 실시예들 중 일부와 유사하다. 일부 실시예들에서, 다수의 액정 폴리머 재료 시스템들에 의해 제공되는 더 높은 인덱스 변조의 이점을 취하기 위해 스위칭 가능하지 않는 모드에서 SBG들을 사용하는 것이 유익하다. 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트 시키도록 구성된 적어도 하나의 다중화된 회절 격자이다.In many embodiments, the debending optical device is at least one grating configured to be a plurality of passive grating layers configured to shift the pupil to eliminate or mitigate banding effects. When the waveguide device includes multiple passive grating layers, according to various embodiments, its basic structure includes an active grating layer (see, e.g., FIGS. 4 and 5 ) without a voltage supply, some of which embodiments include Similar to In some embodiments, it is advantageous to use SBGs in a non-switchable mode to take advantage of the higher index modulation provided by multiple liquid crystal polymer material systems. In many embodiments, the debanding optic is at least one multiplexed diffraction grating configured to shift the pupil to eliminate or mitigate banding effects.

일부 실시예들에서, 도파관 장치는 출사 동공 확장을 제공하는 폴드 격자를 포함한다. 다양한 폴드 격자들이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 다수의 실시예들에서 사용될 수 있는 다양한 폴드 격자들의 예들은 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181 또는 본 명세서에 인용된 다른 참고 문헌들에 기재된 바와 같이 개시되어 있다. 일부 실시예들에 따라, 폴드 격자는, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트하기 위한 다중의 격자들을 포함하며, 각각의 격자는 작은 동공 시프트를 제공한다.In some embodiments, the waveguide device includes a fold grating that provides exit pupil expansion. It should be understood that various fold gratings may be used in accordance with various embodiments of the present invention. Examples of various fold gratings that can be used in a number of embodiments are disclosed as described in PCT Application No. PCT/GB2016000181 entitled Waveguide Display or other references cited herein. According to some embodiments, the fold grating includes multiple gratings for pupil shifting to eliminate or mitigate banding effects, with each grating providing a small pupil shift.

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 인덱스 층들이 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서 광학 기판 내의 광선 경로들에 영향을 미치도록 하며, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 인덱스 층은 GRIN 매체이다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 다양한 GRIN 매체들이 사용될 수 있으며, 예를 들어 다양한 GRIN 매체들의 예들은 경사 굴절률 광학 장치를 사용한 근안 디스플레이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282 및 경사 지수 광학 장치를 사용한 도파관 디스플레이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/124,550에 개시된다. In many embodiments, the debending optical device comprises one or more index layers disposed within an optical substrate such that the one or more index layers influence light ray paths within the optical substrate as a function of at least one of ray angle or ray position; , Shift the pupil to alleviate the banding effect. In some embodiments, at least one index layer is GRIN media. A variety of GRIN media may be used in accordance with various embodiments of the invention; examples of various GRIN media include, for example, U.S. Provisional Patent Application No. 62/123,282, entitled Near-Eye Display Using Gradient Index Optics, and Gradient Index Optics. It is disclosed in U.S. Provisional Patent Application No. 62/124,550 entitled Waveguide Display Using .

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지의 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 층들이 동공 시프트를 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하도록 구성된다. 도 8은 하나 이상의 적층된 인덱스 층들이 동공 시프팅을 제공하도록 도파관의 상부 반사면에 인접하게 하나 이상의 적층된 인덱스 층들(174)이 배치된, 입력 격자(172) 및 출력 격자(173)를 포함하는 광학 기판(171)을 갖는 도파관 장치(170)의 실시예를 도시한다. 많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들로서, 하나 이상의 층들이 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 동공 시프팅을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 도 9는 하나 이상의 층들(184)이 동공 시프팅을 제공하도록 구성되도록 하나 이상의 적층된 인덱스 층들(184)이 광학 기판(181) 내에 배치되는, 입력 격자(182) 및 출력 격자(183)를 포함하는 광학 기판(181)을 갖는 도파관 장치(180)의 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 도파관 장치는 광학 기판 내에 배치된 하나 이상의 인덱스 층들 및 광학 기판의 적어도 하나의 반사면에 인접하여 역시 배치된 하나 이상의 인덱스 층들을 포함하는 디밴딩 광학 장치를 포함한다.In many embodiments, the debending optical device comprises one or more index layers disposed adjacent to at least one reflective surface of an edge of an optical substrate, wherein the one or more layers are configured to provide pupil shift to eliminate or mitigate the effect of banding. do. 8 includes an input grating 172 and an output grating 173, with one or more stacked index layers 174 disposed adjacent the upper reflective surface of the waveguide such that the one or more stacked index layers provide pupil shifting. An embodiment of a waveguide device 170 having an optical substrate 171 that is shown is shown. In many embodiments, a debending optical device is one or more index layers disposed within an optical substrate, wherein the one or more layers are configured to provide pupil shifting to eliminate or mitigate banding effects. For example, FIG. 9 shows an input grating 182 and an output grating ( shows an embodiment of a waveguide device 180 with an optical substrate 181 comprising 183). In some embodiments, the waveguide device includes a debending optical device that includes one or more index layers disposed within an optical substrate and one or more index layers also disposed adjacent at least one reflective surface of the optical substrate.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광을 결합할 수 있는 선단 에지를 갖는 입력 격자로서, 입력 격자의 선단 에지에 대한 광의 광선 번들의 고유의 변위가 어떠한 주어진 입사광 방향에 대한 입력 격자에 의해 제공되고, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트한다. 도 10은 선단 에지(193)를 갖는 입력 격자(192)를 포함하는 광학 기판(191)을 갖는 도파관 장치(190)의 한 실시예의 상세도이다. 두 개의 상이한 입력 각들(1090 및 1091) 및 대응하는 회절 광선들(1092 및 1093)에 대한 시준된 입력 광선 경로들이 도시된다. 입력 격자들(1094 및 1095)의 선단 에지로부터 두 개의 광선 세트들의 에지들의 분리가 도시된다. 일부 실시예들에서, 광선 번들의 입력 격자의 에지에 대한 광의 변위로 인해, 빔의 일부가 입력 격자 개구들 외부로 떨어지고, 따라서 인입하는 광의 필드 각에 따라 광학 기판 내부의 TIR 경로로 회절되지 않는다. 적절한 흡수 막이 다양한 실시예들에 따라 비 회절 광을 포획한다. 따라서, 도 2와 관련하여 더욱 상세히 기술된 바와 같이, 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)가 2D tan(U)에 의해 주어질 때, 빔 폭은 디밴딩 조건을 충족시키도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예의 일례는 후속 섹션에서 더욱 상세히 논의될 것이다(도 20 참조).In some embodiments, a debending optical device is an input grating having a leading edge capable of combining incident light, such that the inherent displacement of a bundle of light rays with respect to the leading edge of the input grating is determined by the input grating for any given incident light direction. provided, and shifts the pupil to eliminate or alleviate the banding effect. 10 is a detailed view of one embodiment of a waveguide device 190 having an optical substrate 191 including an input grating 192 with a leading edge 193. The collimated input ray paths for two different input angles 1090 and 1091 and the corresponding diffracted rays 1092 and 1093 are shown. The separation of the edges of the two sets of rays from the leading edge of input gratings 1094 and 1095 is shown. In some embodiments, displacement of the light relative to the edge of the input grating of the beam bundle causes a portion of the beam to fall outside the input grating apertures and thus not be diffracted into the TIR path inside the optical substrate depending on the field angle of the incoming light. . A suitable absorbing film captures non-diffracted light according to various embodiments. Therefore, as described in more detail with respect to Figure 2, when the waveguide substrate thickness (D) and TIR angle (U) are given by 2D tan(U), the beam width can be adjusted to meet the debanding condition. . An example of this embodiment will be discussed in more detail in a subsequent section (see Figure 20).

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율의 변화를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 입사광의 복수의 시준된 입사 광선 경로들이 광선 경로 입력 각도에 의해 결정된 바와 같이 상이한 TIR 광선 경로들로 회절되고, 투사된 동공이 복수의 시준된 입사 광선 경로들 각각에 대해 광학 기판 내의 고유의 위치에 형성하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킬 수 있다. 도 11은 입력 격자(202)를 포함하는 광학 기판(201)을 갖는 도파관 장치(200)의 한 실시예의 상세도이다. 두 개의 상이한 입력 각들(1100 및 1101)에 대한 시준된 입력 광선 경로들은 회절된 광선들(1102 및 1103) 각각이 광학 기판(201)을 따라 TIR 경로를 따르도록 입력 격자(202)에 의해 회절된다. 각각의 TIR 광선 경로(1104 및 1105)는 입사각에 기초하여 고유의 위치에 투사된 동공(1106 및 1107)을 형성하고, 밴딩 효과가 제거 및/또는 완화되도록 한다.In many embodiments, a debanding optical device is an input grating configured to have a change in diffraction efficiency, such that a plurality of collimated incident ray paths of incident light are diffracted into different TIR ray paths as determined by the ray path input angle, A projected pupil may be formed at a unique location within the optical substrate for each of the plurality of collimated incident ray paths to eliminate or mitigate the banding effect. 11 is a detailed view of one embodiment of a waveguide device 200 having an optical substrate 201 including an input grating 202. The collimated input ray paths for two different input angles 1100 and 1101 are diffracted by the input grating 202 such that the diffracted rays 1102 and 1103 each follow a TIR path along the optical substrate 201. . Each TIR ray path 1104 and 1105 forms a projected pupil 1106 and 1107 at a unique location based on the angle of incidence, allowing banding effects to be eliminated and/or mitigated.

일부 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 주 도파관 방향을 따라 변화하여 적어도 부분적으로 동공 시프트를 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 많은 실시예들에서, 회절 효율의 변화는 입력 격자의 개구에 걸쳐 2 차원으로 변한다.In some embodiments, the change in diffraction efficiency varies along the main waveguide direction to provide, at least in part, a pupil shift to eliminate or mitigate banding effects. In many embodiments, the change in diffraction efficiency varies in two dimensions across the aperture of the input grating.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 부분적으로 반사하는 층으로서, 부분적으로 반사하는 층은 입사광을 투과 및 반사된 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 도 12는 입사광(1110)을 투과 광(1000) 및 반사 광(1111)으로 분리할 수 있는 부분 반사층(212)을 포함하는 광학 기판(211)을 갖는 도파관 장치(210)의 실시예의 상세도이다. 투과 및 반사된 광(1000 및 1111) 각각은 도파관 기판(211)을 따라 TIR 경로를 따라 가며, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키도록 동공을 시프트한다.In some embodiments, the debending optical device is a partially reflective layer disposed within an optical substrate, wherein the partially reflective layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to eliminate or mitigate the banding effect. I order it. 12 is a detailed view of an embodiment of a waveguide device 210 with an optical substrate 211 comprising a partially reflective layer 212 capable of separating incident light 1110 into transmitted light 1000 and reflected light 1111. . Transmitted and reflected light 1000 and 1111 each follow a TIR path along the waveguide substrate 211, shifting the pupil to eliminate or mitigate the banding effect.

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판 내에 배치된 편광 변경 층으로서, 편광 변경 층은 입사광을 투과 및 반사 광으로 분리하고, 동공을 시프트하여 밴딩 효과를 제거 또는 완화 시키도록 한다. 예를 들어, 도 13은 부분 반사 편광 변경 층(222)을 포함하는 광학 기판(221)을 갖는 도파관 장치(220)의 한 실시예의 상세도를 제공하며, 부분 반사 편광 변경 층은 편광 변경 층(222)의 지연 효과에 기인한 편광 벡터(1124)를 갖는 투과 광(1121) 및 반사된 광(1122)으로 분리한다. 투과된 광(1121) 및 반사된 광(1122)은 광학 기판(221)을 따라 TIR 경로들을 따라가 동공 시프트를 초래하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 편광 변경 층은 적어도 하나의 치수로 폴리머 재료를 신장시킴으로써 형성된다. 특정 실시예들에서, 편광 변경 층은 복굴절 폴리에스테르, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 또는 폴리-에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 중합체 재료이다. 중합체 재료들은 단일 층으로 사용될 수 있거나 두 개 이상이 스택으로 결합될 수 있다.In many embodiments, a debending optical device is a polarization modifying layer disposed within an optical substrate, where the polarization modifying layer separates incident light into transmitted and reflected light and shifts the pupil to eliminate or mitigate banding effects. For example, Figure 13 provides a detailed view of one embodiment of a waveguide device 220 having an optical substrate 221 that includes a partially reflective polarization change layer 222, wherein the partially reflective polarization change layer is a polarization change layer ( It is separated into transmitted light 1121 and reflected light 1122 with polarization vector 1124 due to the delay effect of 222). Transmitted light 1121 and reflected light 1122 follow TIR paths along optical substrate 221 resulting in pupil shift to eliminate or mitigate the banding effect. In some embodiments, the polarization modifying layer is formed by stretching the polymer material in at least one dimension. In certain embodiments, the polarization modifying layer is a polymeric material, such as birefringent polyester, polymethylmethacrylate (PMMA), or poly-ethylene terephthalate (PET). Polymeric materials can be used as a single layer or two or more can be combined in a stack.

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 임의의 입사광 각에 대해 추출된 광의 불균일성을 제거하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 적어도 2 개의 분리된 도파관 경로들을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 격자이다. 일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 폴드 격자 출사 동공 확장기와 함께 사용되는 교차 경사 격자들을 갖는 적어도 하나의 격자를 포함한다. 도 14는 입력 이미지 생성기(232)에 결합된 광학 기판(231)을 갖는 도파관 장치(230)의 한 실시예를 도시한다. 광학 기판(231)은 교차 경사 격자들(233A 및 233B)을 갖는 입력 격자(233), 격자(235)를 포함하는 제 1 폴드 격자 출사 동공 확장기(234), 격자(237)를 포함하는 제 2 폴드 격자 출사 동공 확장기(236), 및 교차 경사 격자들(238A 및 238B)을 갖는 출력 격자(238)를 포함한다. 입력 격자(233)는 입력 이미지 생성기(232)로부터의 광을 한 방향(1130)으로 수용하며 상기 방향은 입력 격자(233)의 표면에 수직이 된다. 다수의 실시예들에서, 격자 내의 교차 격자들은 광학 기판의 평면에서 약 90 도의 상대 각을 갖는다. 그러나, 다른 각도들이 실제로 사용될 수 있고, 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함된다는 것을 알아야 한다. In many embodiments, the debending optics is at least one grating configured to provide at least two separate waveguide paths that eliminate or mitigate banding effects by eliminating non-uniformity in the extracted light for any angle of incident light. In some embodiments, the debanding optical device includes at least one grating with alternating tilt gratings used in conjunction with at least one folded grating exit pupil expander configured to provide pupil shift to eliminate or mitigate banding effects. 14 shows one embodiment of a waveguide device 230 with an optical substrate 231 coupled to an input image generator 232. The optical substrate 231 includes an input grating 233 with alternating tilt gratings 233A and 233B, a first folded grating comprising a grating 235, an exit pupil expander 234, and a second grating comprising a grating 237. It includes a folded grating exit pupil expander 236, and an output grating 238 with alternating slanted gratings 238A and 238B. Input grating 233 receives light from input image generator 232 in one direction 1130, which direction is perpendicular to the surface of input grating 233. In many embodiments, the intersecting gratings within the grating have a relative angle of about 90 degrees to the plane of the optical substrate. However, it should be noted that other angles may actually be used and are still included in various embodiments of the invention.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 격자들의 시스템이며, 따라서 입력 격자 및 출력 격자 각각은 교차 격자들을 직교 편광 상태에 대한 피크 회절 효율과 결합시킨다. 일부 실시예들에서, 입력 및 출력 격자들에 의해 생성된 편광 상태들은 S-편광 및 P-편광이다. 다수의 실시예들에서, 입력 및 출력 격자들에 의해 생성된 편광 상태들은 원형 편광의 정반대의 것들(opposing senses)이다. 일부 실시예들은 SBG들과 같은 액정 폴리머 시스템들에 레코딩된 격자들을 이용하며, 이들은 그들 고유의 복굴절에 기인한 이점을 가질 수 있고 강한 편광 선택도를 나타낼 수 있다. 그러나, 고유의 편광 상태들을 제공하도록 구성될 수 있는 다른 격자 기술들이 사용될 수 있고 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함된다는 것을 알아야 한다. In some embodiments, the debanding optical device is a system of gratings, such that each of the input and output gratings combines intersecting gratings with peak diffraction efficiency for orthogonal polarization states. In some embodiments, the polarization states produced by the input and output gratings are S-polarization and P-polarization. In many embodiments, the polarization states produced by the input and output gratings are opposing senses of circular polarization. Some embodiments utilize gratings recorded in liquid crystal polymer systems, such as SBGs, which may have advantages due to their inherent birefringence and may exhibit strong polarization selectivity. However, it should be noted that other grating technologies that can be configured to provide unique polarization states can be used and are still included in various embodiments of the present invention.

도 14로 돌아가서, 한 방향(1130)을 따라 입력 격자(233) 상에 입사하는 입력 광의 제 1 편광 성분은 격자(233B)에 의해 방향(1131)을 따라 TIR 경로로 지향되고, 제 2 편광 성분은 제 2 격자(233A)에 의해 방향(1132)을 따라 제 2 TIR 경로로 지향된다. TIR 경로들(1131 및 1132)을 따라 이동하는 광은 폴드 격자들(234 및 236)에 의해 광학 기판(231)의 평면에서 확장되고 출력 격자(238)를 향한 제 2 TIR 경로들(1133 및 1134)로 회절된다. 출력 격자(238)의 교차 경사들(238A 및 238B)은 밴딩 효과가 제거되거나 완화되도록 제 2 TIR 경로들(1133 및 1134)로부터의 광을 균일한 출력 경로(1135)로 회절시킨다. 일부 실시예들에서, 격자 처방은 폴드 격자 각도 대역폭을 향상시킬 수 있는, 격자와 유도된 광의 이중 상호 작용을 제공하도록 설계된다. 도파과 격자 장치라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 14/620,969에 기술된 격자와 같이 이중 상호 작용 폴드 격자들의 다수의 실시예들이 사용될 수 있다.Returning to Figure 14, the first polarization component of input light incident on input grating 233 along one direction 1130 is directed by grating 233B to the TIR path along direction 1131, and the second polarization component is directed to the TIR path along direction 1131. is directed by the second grating 233A to the second TIR path along direction 1132. Light traveling along TIR paths 1131 and 1132 is expanded in the plane of optical substrate 231 by fold gratings 234 and 236 and directed to second TIR paths 1133 and 1134 toward output grating 238. ) is diffracted. The alternating slopes 238A and 238B of the output grating 238 diffract light from the second TIR paths 1133 and 1134 into the uniform output path 1135 such that the banding effect is eliminated or mitigated. In some embodiments, the grating prescription is designed to provide dual interaction of the guided light with the grating, which can enhance the fold grating angular bandwidth. Many embodiments of dual interacting fold gratings can be used, such as the grating described in U.S. Patent Application No. 14/620,969 entitled Waveguide Grating Device.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 적어도 하나의 방향을 따라 공간적으로 변화될 수 있는 가변 유효 개구 수(NA)를 제공하는 마이크로 디스플레이 내의 광학 성분이다. 도 15는 동공 시프트를 제공하도록 마이크로 디스플레이(241) 패널의 한 측면의 높은 NA로부터 다른 측면에서의 낮은 NA까지의 범위에 걸쳐 부드럽게 변화하는 개구 수(NA)의 변화를 갖도록 설계된 입력 이미지 발생기(240)의 한 실시예를 도시한다. 설명의 목적을 위해, 마이크로 디스플레이에 대한 NA는 본 명세서에서 마이크로 디스플레이에 수직인 축에 대해 마이크로 디스플레이 표면 상의 지점으로부터 이미지 광선 콘(image ray cone)의 최대 각도의 사인(sine)에 비례하는 것으로서 정의된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 마이크로 디스플레이(241)의 NA는 광학 성분(242)에 의해 공간적으로 변화되며, 이는 NA가 연장된 광선들(1140-1142)에 의해 지시되는 바와 같이 마이크로 디스플레이의 적어도 하나의 주 치수에 걸쳐 변하도록 한다. NA를 변화시키는데 사용되는 광학 성분은 도파관 디스플레이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2016000181에 기술된 임의의 광학 성분들과 같은 임의의 적절한 광학 성분일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 어레이가 마이크로 디스플레이의 디스플레이 패널에 걸쳐 NA를 공간적으로 변화시키는 데 사용된다.  다수의 실시예들에서, MEM 어레이는 마이크로 디스플레이 패널로부터 반사된 광의 NA를 공간적으로 변화시킨다. 많은 실시예들에서, MEMS 어레이는 데이터 프로젝터들에 사용되는 기술을 이용한다.In some embodiments, the debending optics include an optical component within the microdisplay that provides a variable effective numerical aperture (NA) that can be spatially varied along at least one direction to shift the pupil to eliminate or mitigate banding effects. am. 15 shows an input image generator 240 designed to have a smoothly varying numerical aperture (NA) over a range from high NA on one side to low NA on the other side of the micro display 241 panel to provide pupil shift. ) shows one example. For purposes of explanation, NA for a micro display is defined herein as being proportional to the sine of the maximum angle of the image ray cone from a point on the micro display surface with respect to the axis perpendicular to the micro display. do. As shown in FIG. 15 , the NA of the micro display 241 is spatially varied by the optical component 242, which allows the NA to be at least one part of the micro display as indicated by the elongated rays 1140-1142. Let it vary over one major dimension. The optical component used to change the NA may be any suitable optical component, such as any of the optical components described in PCT Application No. PCT/GB2016000181 entitled Waveguide Display. In many embodiments, a micro electromechanical system (MEMS) array is used to spatially vary the NA across the display panel of a micro display. In many embodiments, the MEM array spatially varies the NA of light reflected from the micro display panel. In many embodiments, the MEMS array utilizes technology used in data projectors.

일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 반사 장치이다. 일부 실시예들에서, 마이크로 디스플레이는 예를 들어 실리콘 상의 투과 액정(LCoS) 장치와 같은 투과 장치(transmission device)이다. 많은 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 백라이트 및 가변 NA 성분을 갖는 투과 마이크로 디스플레이 패널을 갖는다. 백라이트가 채용될 때, 다양한 실시예들에 따라, 조명된 광은 전형적으로 마이크로 디스플레이의 후면을 조명하는 후면에 걸쳐 균일한 NA를 가지며, 이는 가변적인 NA 성분을 통해 전파되고, 마이크로 디스플레이의 주 축을 따라 변하는 NA 각들을 갖는 출력 이미지 변조된 광으로 변환된다.In some embodiments, the micro display is a reflective device. In some embodiments, the micro display is a transmission device, such as a transmission liquid crystal on silicon (LCoS) device. In many embodiments, the input image generator has a transmissive micro-display panel with a backlight and a variable NA component. When a backlight is employed, according to various embodiments, the illuminated light typically has a uniform NA across the backside illuminating the backside of the microdisplay, which propagates through a variable NA component and moves along the main axis of the microdisplay. The output image with NA angles varying accordingly is converted into modulated light.

다수의 실시예들에서, 방출형 디스플레이가 마이크로 디스플레이에 사용된다. 마이크로 디스플레이 내에서 사용하기 위한 방출형 디스플레이의 예들은 LED 어레이들 및 발광 폴리머 어레이들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 생성기는 방출형 마이크로 디스플레이 및 공간적으로 변화하는 NA 성분을 통합한다. 다양한 실시예들에 따라, 방출형 디스플레이를 채용하는 마이크로 디스플레이로부터의 광은 전형적으로 디스플레이의 방출면에 걸쳐 균일한 NA를 가지며, 공간적으로 변화하는 NA 성분을 조명하고, 디스플레이 개구에 걸쳐 변화하는 NA 각들을 갖는 출력 이미지 변조된 광으로 변환된다.In many embodiments, an emissive display is used in a micro display. Examples of emissive displays for use within a microdisplay include, but are not limited to, LED arrays and light-emitting polymer arrays. In some embodiments, the input image generator integrates an emissive micro-display and a spatially varying NA component. According to various embodiments, light from a microdisplay employing an emissive display typically has a uniform NA across the emissive surface of the display, illuminates a spatially varying NA component, and has an NA that varies across the display aperture. The output image with the angles is converted into modulated light.

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 적어도 하나의 격자 내의 복수의 격자 층들로서, 복수의 격자 층들은 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공 시프트를 초래하는 임의의 고정 패턴 노이즈를 스미어링 아웃(smear out)하도록 구성된다. 도 16a는 출력 격자(253)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(252)에 광학적으로 결합된 픽처 생성 유닛(PGU)(251)을 갖는 도파관 장치(250)의 한 실시예이다. 광학 기판(252)은 적층된 입력 격자들(254 및 255) 및 도시되지 않은 폴드 격자를 포함한다. PGU(251)로부터의 입력 광(1150)은 입력 격자들(254 및 255)에 의해 도파관 기판(252)에 결합되고, 임의의 고정된 패턴 노이즈를 스미어링 아웃하고, TIR 경로들(1151)로 회절되고, 출력 격자(253)에 의해 추출된 광(1152)으로 회절되어 동공 시프트를 초래하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 다중의 격자들은 다중화된 격자로 결합된다.In many embodiments, the debanding optics comprise a plurality of grating layers within at least one grating, wherein the plurality of grating layers smear out any fixed pattern noise that results in pupil shift to eliminate or mitigate banding effects. It is configured to smear out. 16A is an embodiment of a waveguide device 250 having a picture generation unit (PGU) 251 optically coupled to an optical substrate 252 that extracts light through an output grating 253. Optical substrate 252 includes stacked input gratings 254 and 255 and a folded grating, not shown. Input light 1150 from PGU 251 is coupled to waveguide substrate 252 by input gratings 254 and 255, smearing out any fixed pattern noise, and directing to TIR paths 1151. diffracted into the light 1152 extracted by the output grating 253, resulting in a pupil shift, eliminating or mitigating the banding effect. In some embodiments, multiple gratings are combined into a multiplexed grating.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 선택적으로 스위칭 가능한 요소들의 어레이로서 구성되는 입력 격자로서, 입력 격자를 스위칭 격자 어레이로서 구성하는 것은 수직 및 수평 방향들로 동공 스위칭을 제공하여 밴딩 효과를 제거하거나 완화하도록 동공을 시프트시킨다. 많은 실시예들에서, 개별적 격자 소자들은 미리 정의된 입력 빔 각도 범위에서 입사된 광을 대응하는 TIR 각 범위로 회절하도록 설계된다. 도 16b는 출력 격자(253)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(262)에 광학적으로 결합된 PGU(261)을 갖는 도파관 장치(260)의 한 실시예이다. 광학 기판(262)은 선택적으로 스위칭 가능한 요소들(265)의 스위칭 가능한 입력 격자 어레이(264)를 포함한다. 입력 광(1160)은 입력 격자(264)에 의해 광학 기판(262)에 결합되며, 이는 TIR 경로들(1161)로 회절되고 출력 격자(263)에 의해 추출된 광으로 회절되는 수직 및 수평 방향들로의 동공 시프트를 제공하고, 밴딩 효과가 제거되거나 완화된다.In some embodiments, the debanding optic is an input grating configured as an array of selectively switchable elements, wherein configuring the input grating as a switching grating array provides pupil switching in vertical and horizontal directions to eliminate banding effects. Shift the pupil to relax or relieve it. In many embodiments, individual grating elements are designed to diffract incident light from a predefined input beam angle range into a corresponding TIR angle range. 16B is an embodiment of a waveguide device 260 with a PGU 261 optically coupled to an optical substrate 262 extracting light through an output grating 253. Optical substrate 262 includes a switchable input grating array 264 of selectively switchable elements 265 . Input light 1160 is coupled to the optical substrate 262 by input grating 264, which is diffracted in vertical and horizontal directions into TIR paths 1161 and into light extracted by output grating 263. pupil shift, and the banding effect is eliminated or alleviated.

다수의 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 회절 효율, 광 투과, 편광 및 복굴절 중 적어도 하나의 각 TIR 경로를 따라 공간적 변화를 제공하여 기판 내의 광선 각도 또는 광선 위치 중 적어도 하나의 함수로서, 도파관 기판 내의 광선 경로들에 영향을 주며 동공을 시프트시켜 밴딩 효과를 제거하거나 완화시키는 복수의 굴절률 층들이다. 일부 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 특히 높은 각 반사들에 영향을 주기 위해 상이한 인덱스들의 접착제를 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 굴절률 층들은 정렬 층, 등방성 굴절 층, GRIN 구조, 반사 방지층, 부분 반사 층, 또는 복굴절 연신 폴리머 층들과 같은 층들을 포함한다. 도 16c는 출력 격자(273)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(272)에 광학적으로 결합된 PGU(271)을 갖는 도파관 장치(270)의 한 실시예이다. 광학 기판(272)은 입력 격자(274) 및 적어도 하나의 굴절률 층(275)을 포함한다. 입력 광(1170)은 입력 격자(275)에 의해 광학 기판(272)에 결합되고 공간 변화를 야기하는 굴절률 층(275)을 통과하는 TIR 경로들(1171)로 회절된 다음, 출력 격자(273)에 의해 추출된 광(1172)으로 회절되여, 밴딩 효과를 제거하거나 완화하는 동공 시프트을 초래한다. In many embodiments, the debanding optics provide spatial variations along each TIR path in at least one of diffraction efficiency, light transmission, polarization, and birefringence as a function of at least one of the light beam angle or light position within the substrate, the waveguide. A plurality of refractive index layers that affect the light ray paths within the substrate and shift the pupil to eliminate or mitigate the banding effect. In some embodiments, the plurality of refractive index layers include different indices of adhesive to particularly influence high angle reflections. In some embodiments, the plurality of refractive index layers include layers such as an alignment layer, an isotropic refractive layer, a GRIN structure, an anti-reflective layer, a partially reflective layer, or birefringent stretched polymer layers. 16C is an embodiment of a waveguide device 270 with a PGU 271 optically coupled to an optical substrate 272 that extracts light through an output grating 273. Optical substrate 272 includes input grating 274 and at least one refractive index layer 275. Input light 1170 is coupled to the optical substrate 272 by the input grating 275 and diffracted into TIR paths 1171 passing through the spatially varying refractive index layer 275 and then into the output grating 273. is diffracted into the light 1172 extracted by , resulting in a pupil shift that eliminates or alleviates the banding effect.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 밴딩 효과를 제거하거나 완화하기 위해 동공을 시프트하는 공간적으로 변화하는 NA들을 투사하는 마이크로 디스플레이이다. 일부 실시예들에서, NA는 두 개의 직교 방향들로 변화될 수 있다. 도 16d는 출력 격자(283)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(282)에 광학적으로 결합된 PGU(281)을 갖는 도파관 장치(280)의 한 실시예이다. 광학 기판(282)은 입력 격자(285)를 포함한다. 입력 광(1180)은 입력 격자(285)에 의해 광학 기판(282)에 결합되고 TIR 경로들(1181)로 회절된 다음 출력 격자(283)에 의해 추출된 광(1182)으로 회절된다. PGU(281)는 NA를 공간적으로 변화시키고 광을 변화하는 빔 프로파일들(1184-1186)로 변경할 수 있는 NA 변경 층(287)에 의해 중첩된 마이크로 디스플레이(286)를 가지며, 이로 인한 동공 시프트로 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 다양한 실시예들에 따라, PGU는 또한 예를 들어 투사 렌즈 및/또는 빔 스플리터와 같은 다른 성분들을 통합한다. In some embodiments, the debending optics is a micro-display that projects spatially varying NAs that shift the pupil to eliminate or mitigate banding effects. In some embodiments, NA can vary in two orthogonal directions. 16D is an embodiment of a waveguide device 280 with a PGU 281 optically coupled to an optical substrate 282 extracting light through an output grating 283. Optical substrate 282 includes input grating 285 . Input light 1180 is coupled to the optical substrate 282 by input grating 285 and diffracted into TIR paths 1181 and then into extracted light 1182 by output grating 283. PGU 281 has a micro display 286 superimposed by an NA modification layer 287 that can spatially vary the NA and alter light with varying beam profiles 1184-1186, resulting in pupil shift. Eliminates or alleviates the banding effect. According to various embodiments, the PGU also integrates other components, such as projection lenses and/or beam splitters.

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 경사진 직사각형 출사 동공을 투사하도록 구성된 경사진 마이크로 디스플레이로서, 출사 동공의 단면이 필드 각도(field angle)에 따라 변하여 밴딩 효과가 제거되거나 완화되도록 한다. 다수의 실시예들에서, 출사 동공은 입력 격자 상의 위치를 변경시킨다. 다양한 실시예들에 따른 이러한 기술은 하나의 빔 확장 축에서 밴딩을 어드레스하는 데 사용될 수 있다. 도 16e는 출력 격자(293)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(292)에 광학적으로 결합된 PGU(291)을 갖는 도파관 장치(290)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(295)으로부터 방출되는 입력 광(1190)은 입력 격자(294)를 통해 도파관에 결합되고, TIR 경로들(1191)로 회절된 다음, 출력 격자(293)에 의해 추출된 광(1192)으로 회절되어 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. In many embodiments, the debending optics are inclined micro-displays configured to project an inclined rectangular exit pupil such that the cross-section of the exit pupil changes with field angle to eliminate or mitigate banding effects. In many embodiments, the exit pupil changes position on the input grating. This technique according to various embodiments can be used to address bending in one beam expansion axis. 16E is an embodiment of a waveguide device 290 with a PGU 291 optically coupled to an optical substrate 292 extracting light through an output grating 293. Input light 1190 emitted from the inclined PGU exit pupil 295 is coupled to the waveguide through input grating 294, diffracted into TIR paths 1191, and then extracted by output grating 293. (1192), which eliminates or alleviates the banding effect.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입사광의 각 방향에 대해 광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 다양하게 투사된 동공을 형성하도록 광선을 경사지게 하도록 구성된 경사 마이크로 디스플레이로서, 밴딩 효과가 하나의 확장 축을 따라 완화된다. 도 16f는 출력 격자(303)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(302)에 광학적으로 결합된 PGU(301)을 갖는 도파관 장치(300)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(305)으로부터 방출하는 입력 광(1200)은 입력 회절 격자(304)에 의해 도파관에 결합되고 TIR 경로들(1201)로 회절된다. 유도된 광은 입사광의 각 방향에 대해 기판(302)을 따라 상이한 위치들에서 빔 각도 의존 투사된 동공들(1203-1205)을 형성하고, 그 다음 출력 격자(303)에 의해 추출된 광(1202)으로 회절되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. In some embodiments, the debending optical device is a tilting micro-display configured to tilt light rays to form various projected pupils at different locations along the optical substrate for each direction of incident light, wherein the bending effect occurs along one expansion axis. It is alleviated accordingly. 16F is one embodiment of a waveguide device 300 with a PGU 301 optically coupled to an optical substrate 302 extracting light through an output grating 303. Input light 1200 emitting from the inclined PGU exit pupil 305 is coupled to the waveguide by the input diffraction grating 304 and diffracted into TIR paths 1201. The guided light forms beam angle dependent projected cavities 1203 - 1205 at different locations along the substrate 302 for each direction of incident light, which is then extracted by the output grating 303 to produce light 1202 ), eliminating or mitigating the banding effect.

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판에 결합된 프리즘으로서, 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭을 발생시키지 않는다. 많은 실시예들에서, 입력 격자는 커플링 프리즘으로 대체된다. 일부 실시예들에서, 입력 광은 경사진 PGU 동공을 통해 제공된다. 프리즘 각도 및 협동 PGU 동공 경사를 선택함으로써, 다양한 실시예들에 따라, PGU 출사 동공 밖의 각도들과 도파관의 TIR 각들 사이의 대략 선형 관계를 달성할 수 있으며, 전체 시야 범위에 걸쳐 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)에 대한 유효 입력 개구가 2D tan(U)에 의해 주어질 때 디밴딩 존건을 만족시킨다. 도 16g는 출력 격자(313)를 통해 광을 추출하는 광학 기판(312)에 광학적으로 결합된 PGU(311)을 갖는 도파관 장치(310)의 한 실시예이다. 경사진 PGU 출사 동공(315)으로부터 방출하는 입력 광(1210)은 TIR 경로들(1211)을 초래하는 프리즘(314)에 의해 광학 기판(312)에 결합되고, 그 다음 출력 격자(293)에 의해 추출된 광(1192)으로 회절되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 일부 실시예들에서, 프리즘으로 인한 컬러 분산은 회절면에 의해 보상된다. 많은 실시예들에서, 프리즘 커플러는 각도의 함수로서 광을 형성하도록 설계된 굴절면 개구들을 갖는다. 프리즘을 통해 도파관 내로 투과되지 않는 빔의 에지들에서의 광은 다수의 실시예들에 따라 배플링(baffling) 또는 광 흡수 코팅(light absorbing coatings)에 의해 주 광 경로로부터 제거된다.In many embodiments, the debending optical device is a prism coupled to an optical substrate, such that the linear relationship between the angles of the exit pupil from the light source and the TIR angles at the optical substrate is such that the TIR path angle is expressed by 2D tan(U). As defined, it does not create gaps between successive light extractions along the TIR ray path, which occurs when U. In many embodiments, the input grating is replaced with a coupling prism. In some embodiments, input light is provided through an inclined PGU pupil. By choosing the prism angle and the cooperative PGU pupil tilt, an approximately linear relationship can be achieved, according to various embodiments, between the angles outside the PGU exit pupil and the TIR angles of the waveguide and the waveguide substrate thickness (D) over the entire field of view. ) and the debanding condition is satisfied when the effective input aperture for the TIR angle (U) is given by 2D tan(U). 16G is an embodiment of a waveguide device 310 with a PGU 311 optically coupled to an optical substrate 312 extracting light through an output grating 313. Input light 1210 emitting from the inclined PGU exit pupil 315 is coupled to the optical substrate 312 by the prism 314 resulting in TIR paths 1211 and then by the output grating 293. It is diffracted into the extracted light 1192, eliminating or mitigating the banding effect. In some embodiments, color dispersion due to the prism is compensated for by the diffractive surface. In many embodiments, the prism coupler has refractive surface openings designed to shape light as a function of angle. Light at the edges of the beam that does not transmit through the prism into the waveguide is removed from the main light path by baffling or light absorbing coatings, according to many embodiments.

일부 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광학 기판의 에지들에 인접한 광-흡수 막으로서, 그렇지 않으면 밴딩을 야기하는 입사광의 부분들이 제거되어 밴딩 효과를 완화시킨다. 도 16h는 하나의 빔 확장 축을 따라 빔 시프팅을 위해 설계된 도파관 장치(320)의 실시예를 도시한다. 도파관 장치는 출력 격자(323) 및 입력 격자(324)를 포함하는 도파관(322)에 결합된 PGU(321), 광 흡수 막(326)이 에지들 중 하나에 적용된 기판(325), 광 흡수 막(328)이 에지들 중 하나에 적용된 기판(327)을 가지며, 상기 기판들(325 및 327)은 상기 입력 격자를 포함하는 도파관(322)의 일부를 샌드위치한다. 입력 빔(1221)의 상한(upper limit)에서의 입력 광선은 입력 격자(324)에 의해 TIR 경로(1223)로 회절되고 기판(325)에 적용된 광 흡수 막(326)에 의해 흡수되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 입력 빔(1222)의 하한(lower limit)에서의 입력 광선은 입력 격자(32)에 의해 TIR 경로(1224)로 회절되고 기판(327)에 적용된 광 흡수 막(328)에 의해 흡수되어, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 입력 빔(1220)의 중심부 부근의 입력 광선은 입력 격자(324)에 의해 광 흡수 막들(326 및 328) 중 어느 하나와도 상호 작용하지 않는 TIR 경로(1225)로 회절되고, 출력 격자(323)에 의해 출력 빔(1226)으로 추출될 때까지 TIR 하에서 계속 전파한다.In some embodiments, the debending optical device is a light-absorbing film adjacent the edges of the optical substrate such that portions of incident light that would otherwise cause bending are removed to mitigate the banding effect. Figure 16h shows an embodiment of a waveguide device 320 designed for beam shifting along one beam expansion axis. The waveguide device includes a PGU (321) coupled to a waveguide (322) containing an output grating (323) and an input grating (324), a substrate (325) with a light absorbing film (326) applied to one of the edges, and a light absorbing film (325). 328 has a substrate 327 applied to one of its edges, with substrates 325 and 327 sandwiching a portion of the waveguide 322 containing the input grating. Input light at the upper limit of the input beam 1221 is diffracted by the input grating 324 into the TIR path 1223 and absorbed by the light absorbing film 326 applied to the substrate 325, resulting in a banding effect. eliminate or alleviate. Input light at the lower limit of the input beam 1222 is diffracted by the input grating 32 into the TIR path 1224 and absorbed by the light absorbing film 328 applied to the substrate 327, resulting in a banding effect. eliminate or alleviate. Input light near the center of the input beam 1220 is diffracted by the input grating 324 into a TIR path 1225 that does not interact with any of the light absorbing films 326 and 328, and the output grating 323 It continues to propagate under the TIR until extracted into the output beam 1226 by .

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막이고, 입사광은 TIR 경로 각이 2D tan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는다. 도 17은 입력 격자(334)가 입력 기판(333) 내에 배치되며, 입력 격자가 기판(332)과 함께 도파관(331)을 샌드위치하도록 구성된 도파관 장치(330)의 한 실시예를 도시한다. 주변 광선들(1231 및 1232)을 갖는 주어진 시야 방향(1230)에 대한 입력 빔의 단면이 입력 격자(334)로 들어간다. 광선들(1233 및 1234)로 경계가 된 입력 빔 부분은 빔 경로(1236)로 회절되고 상부 기판(332)의 에지에 적용된 흡수 막(335)에 의해 차단된다(intercepted). 광선들(1232 및 1235)로 경계가 된 입력 빔 부분은 빔 경로(1237)로 회절되고 ,상부 기판(332)의 외부 표면에서 TIR을 받게 되고, 입력 기판 에지에 적용된 흡수 막(336)에 의해 차단된다. 광선들(1231 및 1233) 및(1234 및 1235)로 경계가 된 입력 빔 부분들은 빔 단면 영역(1243)과 이후 모든 빔 단면들에서 갭 또는 중첩을 나타내지 않는 각각의 TIR 경로들(1239 및 1240) 및 (1241 및 1242)로 회절되고, 그에 의해 TIR 각(U)을 이용하여 밴딩을 제거하고, 도파관 기판 두께(D)는 2D tan(U)로 주어진다. 일부 특정 실시예들에서, 도파관의 두께는 3.4 mm이고, 상부 기판의 두께는 0.5 mm이고, 하부 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함한다. 이러한 기하학적 구조와 도파관 기판 두께(D) 및 TIR 각(U)의 디밴딩 조건이 2D tan(U)로 주어지는 데 기초하여, 처리 효율(throughput efficiency)은 대략 1-2*0.5/(2*3.4)= 84 %로 추정되며, 시야에 걸쳐 약간의 변화가 있다.In many embodiments, the debending optical device includes an input grating and a first light-absorbing film disposed adjacent the edges of the input substrate disposed adjacent the optical substrate and adjacent the optical substrate opposite the input substrate. A second light-absorbing film disposed adjacent the edges of the second substrate disposed, wherein the incident light is continuous along the TIR ray path, which occurs when the TIR path angle is U as defined by 2D tan(U). It does not create gaps between light extractions. 17 shows one embodiment of a waveguide device 330 in which an input grating 334 is disposed within an input substrate 333 and the input grating is configured to sandwich a waveguide 331 with the substrate 332. A cross section of the input beam for a given viewing direction 1230 with peripheral rays 1231 and 1232 enters the input grating 334. The portion of the input beam bounded by rays 1233 and 1234 is diffracted into beam path 1236 and intercepted by absorbing film 335 applied to the edge of top substrate 332. The portion of the input beam bounded by rays 1232 and 1235 is diffracted into the beam path 1237 and is subjected to TIR at the outer surface of the top substrate 332, by an absorbing film 336 applied to the input substrate edge. blocked. The input beam portions bounded by rays 1231 and 1233 and 1234 and 1235 have respective TIR paths 1239 and 1240 that do not exhibit a gap or overlap in the beam cross-section area 1243 and in all subsequent beam cross-sections. and (1241 and 1242), thereby removing the banding using the TIR angle (U), and the waveguide substrate thickness (D) is given by 2D tan(U). In some specific embodiments, the thickness of the waveguide is 3.4 mm, the top substrate is 0.5 mm thick, and the bottom substrate includes two 0.5 mm thick glass substrates sandwiching the input grating. Based on this geometry and the debanding conditions of waveguide substrate thickness (D) and TIR angle (U) given by 2D tan(U), the throughput efficiency is approximately 1-2*0.5/(2*3.4 )= 84%, with little variation across the field of view.

입력 기판을 이용하는 일부 실시예들에서, 입력 격자는 주 도파관에 접합된 개별 셀들에 구현되어, 인듐 주석 산화물(ITO) 코팅을 단순화한다. 입력 기판을 이용하는 많은 실시예들에서, 투사 정지부(projected stop)를 형성하고 PGU 출사 동공을 기울이는 것에 기초한 빔 시프팅 기술은 통합되어, 직교 방향들로 디밴딩을 제공한다. In some embodiments using an input substrate, the input grating is implemented in individual cells bonded to the main waveguide, simplifying indium tin oxide (ITO) coating. In many embodiments utilizing an input substrate, a beam shifting technique based on forming a projected stop and tilting the PGU exit pupil is incorporated to provide debanding in orthogonal directions.

도 18은 도파관 부분(341), 상대 각도(1250)로 기울어진 두 개의 굴절면들을 갖는 프리즘(342), 및 PGU(도시되지 않음)의 출사 동공(343)을 갖는 도파관 장치(340)의 실시예의 상세도이며, 상기 출사 동공(343)은 기준 축(1252)에 대해 각도(1251)로 경사진다. 18 shows an embodiment of a waveguide device 340 having a waveguide portion 341, a prism 342 with two refractive surfaces inclined at a relative angle 1250, and an exit pupil 343 of a PGU (not shown). In detail, the exit pupil 343 is inclined at an angle 1251 relative to the reference axis 1252.

일부 실시예들에서, 프리즘은 작은 에어 갭에 의해 도파관으로부터 분리된다. 많은 실시예들에서, 프리즘은 낮은 인덱스 재료의 얇은 층에 의해 도파관으로부터 분리된다. In some embodiments, the prism is separated from the waveguide by a small air gap. In many embodiments, the prism is separated from the waveguide by a thin layer of low index material.

도 18로 돌아가서, 출사 동공(343)으로부터의 광 빔들(1253 및 1254)은 빔들(1255 및 1256)로서 프리즘(342)을 통해 굴절된 두 개의 상이한 필드 각들에 대응하고, 이어서 도파관(341) 내부의 TIR 경로들(1257 및 1258)로 결합된다. 프리즘(1259A 및 1259B)에 인접한 도파관 표면에서의 빔 폭이 도시되어 있다. 프리즘 각도, PGU 출사 동공 기울기 각도, 프리즘 인덱스, 도파관 인덱스 및 도파관 두께에 적합한 값들을 선택하고 TIR 각(U) 및 도파관 기판 두께(D)가 2D tan(U)로 주어지는 것을 이용하여, 광은 모든 필드 각도들에 대해 디밴딩되고 동시에 PGU 출사 동공에서의 필드 각도와 시야에서의 임의의 광선에 대한 도파관 내의 TIR 각 사이에 대략적인 선형 관계를 제공한다.Returning to FIG. 18 , light beams 1253 and 1254 from exit pupil 343 correspond to two different field angles refracted through prism 342 as beams 1255 and 1256 and then inside waveguide 341. are combined into TIR paths 1257 and 1258. The beam width at the waveguide surface adjacent to prisms 1259A and 1259B is shown. By choosing appropriate values for the prism angle, PGU exit pupil tilt angle, prism index, waveguide index and waveguide thickness and using that the TIR angle (U) and waveguide substrate thickness (D) are given by 2D tan(U), the light is It debands with respect to the field angles while simultaneously providing an approximately linear relationship between the field angle at the PGU exit pupil and the TIR angle in the waveguide for any ray in the field of view.

컬러 도파관들을 포함하는 다수의 실시예들에서, 상이한 평면 상에 상기한 도파관들 각각에서 투사 정지부들이 생성되도록 요구되며, 상기 도파관들은 스택을 형성한다. 이들 정지부들의 오정렬은 도파관으로부터의 출력 이미지들의 컬러 성분들의 부정합 등록(misregistration) 및 그에 따른 컬러 밴딩을 초래한다. 다양한 실시예들에 따른 하나의 해결책은 컬러 밴딩에 대한 약간의 보상을 제공하기 위한 외부 이색성 부분들(outer dichroic portions)을 갖는 도파관 입력 정지부 및 상기 입력 정지부에 기인한 위상 시프트를 보상하기 위한 내부 위상 보상 코팅(예를 들면, SiO2)이다. 일부 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 외부 이색성 부분들을 갖지만, 위상 보상 코팅은 없다. 일부 실시예들에 따라 도파관 입력 정지부는 도파관의 입력 표면에 인접하며 입력 격자와 중첩하는 얇은 투명판 상에 형성된다. 다수의 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 격자 내부의 층 내에 배치된다. 많은 실시예들에서, 도파관 입력 정지부는 도파관 외부 표면에 직접 인접하여 배치된다. In many embodiments involving colored waveguides, projection stops are required to be created in each of the waveguides on a different plane, with the waveguides forming a stack. Misalignment of these stops results in misregistration of the color components of the output images from the waveguide and resulting color banding. One solution according to various embodiments is a waveguide input stop with outer dichroic portions to provide some compensation for color banding and to compensate for the phase shift due to the input stop. for internal phase compensation coating (eg SiO 2 ). In some embodiments, the waveguide input stop has external dichroic portions, but no phase compensation coating. According to some embodiments the waveguide input stop is formed on a thin transparent plate adjacent the input surface of the waveguide and overlapping the input grating. In many embodiments, the waveguide input stop is located within a layer within the grating. In many embodiments, the waveguide input stop is placed directly adjacent to the outer surface of the waveguide.

광학 기판을 따라 상이한 위치들에서 동공이 투사될 때, 다양한 실시예들에 따라, 컬러 디스플레이 적용 투사 정지부들은 별개의 적색, 녹색 및 청색 투과 광학 기판 층들 내의 상이한 평면들에서 생성된다. 일부 실시예에서, 도파관 입력 스톱은 동공을 시프트하고 색상 밴딩을 제거하거나 완화시키는 외부 이색성 부분들 및 위상 시프트를 보상하는 내부의 위상 보상 코팅 부분들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 내부 위상 보상 코팅은 SiO2이다. 도 19는 동공을 시프트하고 컬러 밴딩을 제거하거나 완화하기 위한 외부 이색성 부분들(352 및 353) 및 내부 위상 보상 SiO2 코팅(351)을 갖는 도파관 입력 정지부(350)의 실시예를 도시한다.When the pupil is projected at different positions along the optical substrate, according to various embodiments, color display application projection stops are created in different planes within the separate red, green and blue transmissive optical substrate layers. In some embodiments, the waveguide input stop includes external dichroic portions that shift the pupil and eliminate or mitigate color banding and interior phase compensation coated portions that compensate for the phase shift. In many embodiments, the internal phase compensation coating is SiO 2 . 19 shows an embodiment of a waveguide input stop 350 with external dichroic portions 352 and 353 and internal phase compensation SiO 2 coating 351 to shift the pupil and eliminate or mitigate color banding. .

많은 실시예들에서, 디밴딩 광학 장치는 광이 동공을 시프트하기 위해 임의의 주어진 입사광 방향에서 입력 격자의 에지에 대해 고유의 변위를 갖도록 구성된 입력 격자로서, 밴딩 효과를 제거하거나 완화시킨다. 광의 변위는 광 빔의 일부가 입력 격자 개구들 외부로 떨어지도록 하며, 따라서 도파관 내부의 TIR 경로로 회절되지 않으며, 이는 필드 각으로 변한다. 일부 실시예들에서, 비 회절 광은 적절한 흡수 막에 의해 트랩될 수 있다. 많은 실시예들에서, 빔 폭은 TIR 각(U) 및 도파관 기판 두께(D)가 2D tan(U)에 의해 주어지는 디밴딩 조건을 충족시키는 변위에 의해 조정될 수 있다. 도 20은 입력 격자(362)를 포함하는 광학 기판(361)을 갖는 도파관 장치(360)의 한 실시예의 상세도이다. 두개의 상이한 입력 각들에 대한 시준된 입력 광선 경로들(1090 및 1091) 및 (1092 및 1093)은 광선들(1094 및 1095) 및 (1096 및 1097)로 회절된다. 각각의 입력 빔 각도에 대해, 입력 빔의 일부는 입력 격자(362)를 놓치고 각각의 빔으로부터 나오는 광선들(1098 및 1099)로서 도파관 기판(361)을 통해 벗어나지 않고서 통과한다. 많은 실시예들에서, 도파관 표면에 적용된 광 흡수 막은 비 회절 광을 트랩한다.In many embodiments, debending optics are input gratings configured such that light has a unique displacement relative to the edges of the input grating in any given incident light direction to shift the pupil, thereby eliminating or mitigating banding effects. The displacement of the light causes a portion of the light beam to fall outside the input grating openings and thus not be diffracted into the TIR path inside the waveguide, which varies with the field angle. In some embodiments, non-diffracted light may be trapped by a suitable absorbing film. In many embodiments, the beam width can be adjusted by displacement such that the TIR angle (U) and the waveguide substrate thickness (D) satisfy the debanding condition given by 2D tan(U). 20 is a detailed view of one embodiment of a waveguide device 360 having an optical substrate 361 including an input grating 362. The collimated input ray paths (1090 and 1091) and (1092 and 1093) for two different input angles are diffracted into rays (1094 and 1095) and (1096 and 1097). For each input beam angle, a portion of the input beam misses the input grating 362 and passes through the waveguide substrate 361 without exiting as rays 1098 and 1099 from each beam. In many embodiments, a light absorbing film applied to the waveguide surface traps non-diffracted light.

여기에 설명된 디밴딩의 다양한 실시예들은 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 디밴딩에 대한 실시예들은 주 도파관 방향을 따라 입력 격자의 회절 효율을 변화시키는 기술과 결합될 수 있다. 또한, 많은 실시예들에서, 디밴딩의 실시예들은 각각의 빔 팽창 방향으로 수행된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 디앤딩 솔루션을 이용하는 둘 이상의 실시예들이 결합되어 2 차원에서 디밴딩을 제공한다. 도파관 장치가 2 차원으로 동작하는 다수의 실시예들에서, 상기 장치는 2 차원에서의 디밴딩을 허용하는 폴드 격자들을 포함한다. It should be understood that the various embodiments of debanding described herein may be combined. In some embodiments, embodiments of debanding may be combined with a technique that varies the diffraction efficiency of the input grating along the main waveguide direction. Additionally, in many embodiments, instances of debending are performed in each beam expansion direction. Accordingly, in some embodiments, two or more embodiments utilizing a debanding solution are combined to provide debanding in two dimensions. In many embodiments in which the waveguide device operates in two dimensions, the device includes fold gratings that allow debending in the two dimensions.

다수의 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 윈도우, 예를 들어 로드 차량 적용들에 대한 윈드스크린-통합(windscreen-integrated) HUD와 통합된다. 임의의 적절한 윈도우-통합된 디스플레이가 도파관 디스플레이에 통합되어 본 발명의 다양한 실시예들에 포함될 수 있음을 이해해야 한다. 윈도우-통합된 디스플레이의 예들은 윈도우에 통합하기 위한 광 도파관 디스플레이들이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,064 및 윈도우에 통합하기 위한 광 도파관 디스플레이들이란 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/125,066에 기재되어 있다.In many embodiments, the waveguide display is integrated with a window, such as a windscreen-integrated HUD for road vehicle applications. It should be understood that any suitable window-integrated display may be incorporated into the waveguide display and included in various embodiments of the present invention. Examples of window-integrated displays include U.S. Provisional Patent Application No. 62/125,064, entitled Optical Waveguide Displays for Integration into Windows, and U.S. Provisional Patent Application No. 62/125,066, entitled Optical Waveguide Displays for Integration into Windows. It is listed.

많은 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 입력 이미지 생성기와 도파관 사이에서 이미지 컨텐츠를 중계하기 위한 경사 굴절률(GRIN) 도파 성분들(wave-guiding components)을 포함한다. 예시적인 GRIN 도파 성분들은 경사 굴절률 광학 장치를 사용하는 근안 디스플레이라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/123,282, 경사 굴절률 광학 장치를 사용하는 도파관 디스플레이라는 명칭의 및 미국 가특허 출원 번호 62/124,550에 기재되어 있다. 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 한 방향으로 빔 확장을 제공하기 위한 광 파이프를 포함한다. 광 파이프의 예들은 광 파이프를 통합하는 도파관 장치라는 명칭의 미국 가특허 출원 번호 62/177,494에 기술되어 있다. 일부 실시예들에서, 입력 이미지 발생기는 컴팩트 에지 조명의 회절 디스플레이라는 명칭의 미국 특허 번호 9,075,184에 개시된 바와 같은 레이저 스캐너에 기초할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은, (이에 한정되는 것은 아니지만) AR 및 VR 용 HMD, 헬멧 장착형 디스플레이, 프로젝션 디스플레이, 헤드 업 디스플레이(HUD), 헤드 다운 디스플레이(HDDs), 자동 입체 디스플레이(autostereoscopic displays) 및 기타 3D 디스플레이를 포함하는 광범위한 디스플레이들에 사용된다. 다수의 실시예들은 예를 들어 아이 트랙커, 지문 스캐너, LIDAR 시스템, 조명기 및 백라이트와 같은 도파관 센서들에 적용된다.In many embodiments, the waveguide display includes gradient refractive index (GRIN) wave-guiding components to relay image content between the input image generator and the waveguide. Exemplary GRIN waveguide components are described in U.S. Provisional Patent Application No. 62/123,282, entitled Near-Eye Display Using Gradient Index Optics, and U.S. Provisional Patent Application No. 62/124,550, entitled Waveguide Display Using Gradient Index Optics. It is done. In some embodiments, the waveguide display includes a light pipe to provide beam expansion in one direction. Examples of light pipes are described in U.S. Provisional Patent Application No. 62/177,494, entitled Waveguide Device Incorporating Light Pipes. In some embodiments, the input image generator may be based on a laser scanner, such as disclosed in U.S. Patent No. 9,075,184, entitled Compact Edge-Illuminated Diffractive Display. Various embodiments of the present invention include, but are not limited to, HMDs for AR and VR, helmet-mounted displays, projection displays, head-up displays (HUDs), head-down displays (HDDs), autostereoscopic displays, and It is used in a wide range of displays, including other 3D displays. Many embodiments apply to waveguide sensors, such as eye trackers, fingerprint scanners, LIDAR systems, illuminators and backlights, for example.

일부 실시예들에서, 도파관 장치는 아이 트랙커를 포함한다. 다수의 아이 트랙커들이 사용될 수 있고 여전히 본 발명의 다양한 실시예들에 포함될 수 있음을 이해해야 하며, 상기 아이 트랙커들은 홀로그래픽 도파관 아이 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2014/000197, 홀로그래픽 도파관 광 트랙커라는 명칭의 PCT/GB2015/000274 및 아이 트랙킹을 위한 장치라는 명칭의 PCT 출원 번호 GB2013/000210에 기술된 아이 트랙커들을 포함한다.In some embodiments, the waveguide device includes an eye tracker. It should be understood that multiple eye trackers may be used and still be included in various embodiments of the present invention, such as those described in PCT/GB2014/000197, entitled Holographic Waveguide Eye Tracker, and PCT/GB2014/000197, entitled Holographic Waveguide Optical Tracker. Includes eye trackers described in PCT Application No. GB2013/000210 entitled PCT/GB2015/000274 and Device for Eye Tracking.

도면들은 예시적인 것이며 치수들이 과장되어 있음을 강조한다. 예를 들어, SBG 층들의 두께들은 크게 과장되었다. 전술 한 실시예들 중 임의의 것에 기초한 광학 장치들은, 홀로그램 폴리머 분산형 액정 재료 및 장치로의 개선이라는 명칭의 PCT 출원 번호 PCT/GB2012/000680에 개시된 재료 및 프로세스를 사용하는 플라스틱 기판들을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이중 확장 도파관 디스플레이는 만곡될 수 있다.It is emphasized that the drawings are illustrative and that the dimensions are exaggerated. For example, the thicknesses of the SBG layers were greatly exaggerated. Optical devices based on any of the foregoing embodiments may be implemented using plastic substrates using the materials and processes disclosed in PCT Application No. PCT/GB2012/000680, entitled Improvements to Holographic Polymer Disperse Liquid Crystal Materials and Devices. It can be. In some embodiments, the dual extended waveguide display can be curved.

다양한 예시적인 실시예들에 도시된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 구성 및 배치는 단지 예시적인 것이다. 단지 몇몇 실시예들이 본 명세서에서 상세히 설명되었지만, 많은 변경들이 가능하다(예를 들면, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료, 색상, 배향의 사용 등). 예를 들어, 요소들의 위치들은 반대로 되거나 또는 다르게 변화될 수 있으며, 이산적인 요소들 또는 위치들의 본질 또는 수는 변경되거나 변하게 될 수 있다. 따라서, 모든 그러한 변경들은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안의 실시예들에 따라 변하거나 재 배열될 수 있다. 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건 및 배열에서 다른 치환, 수정, 변경 및 생략이 이루어질 수 있다.The configuration and arrangement of the systems and methods as shown in the various example embodiments are illustrative only. Although only a few embodiments have been described in detail herein, many variations are possible (e.g., changes in size, dimensions, structure, shape and proportions of various elements, values of parameters, mounting arrangement, materials, color, orientation). use, etc.). For example, the positions of elements may be reversed or otherwise varied, and the nature or number of discrete elements or positions may be altered or varied. Accordingly, all such changes are intended to be included within the scope of this disclosure. The order or sequence of any process or method steps may be varied or rearranged according to alternative embodiments. Other substitutions, modifications, changes, and omissions may be made in the design, operating conditions, and arrangement of the exemplary embodiments without departing from the scope of the present disclosure.

등가 원칙Equivalence Principle

상기 설명으로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 전술한 개념들은 본 발명의 실시예들에 따라 다양한 구성들으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 어떠한 특정 양태들로 설명되었지만, 많은 추가적인 수정들 및 변형들은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 면에서 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 한다.As can be inferred from the above description, the above-described concepts may be implemented in various configurations according to embodiments of the present invention. Accordingly, although the invention has been described in certain specific aspects, many additional modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is to be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described. Accordingly, the embodiments of the present invention should be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

Claims (20)

도파관 장치에 있어서:
적어도 하나의 광학 기판;
적어도 하나의 광원;
상기 적어도 하나의 광학 기판 내의 전체 내부 반사(TIR)에 각도 대역폭(angular bandwidth)을 갖는 광원으로부터의 입사광을 결합시켜, 고유의 TIR 각이 입력 격자(input grating)에서 결정된 바와 같은 각각의 광 입사각에 의해 정의되도록 하는 적어도 하나의 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 상기 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 상기 적어도 하나의 광학 기판으로 직접 회절시키도록 구성되고 유효 입력 개구(effective input aperture)를 갖는, 상기 광 커플러; 및
상기 광학 기판으로부터 광을 추출하는 적어도 하나의 광 추출기를 포함하고,
유효 입력 개구 W가 상기 광학 기판에 TIR 각 U를 제공하고, TIR 각 U, 유효 입력 개구 W, 및 광학 기판의 두께 D가, W=2Dtan(U)로 연관되어서, 추출된 광이 완화된 밴딩을 갖는 실질적으로 편평한 조명 프로파일이 되도록, 조명된 동공(illuminated pupil)의 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치.
In a waveguide device:
at least one optical substrate;
at least one light source;
By combining incident light from a light source with an angular bandwidth to total internal reflection (TIR) within the at least one optical substrate, a unique TIR angle is derived from each light incident angle as determined from the input grating. at least one optical coupler configured to diffract light from the at least one light source directly into the at least one optical substrate and having an effective input aperture. coupler; and
At least one light extractor extracting light from the optical substrate,
The effective input aperture W provides a TIR angle U to the optical substrate, and the TIR angle U, the effective input aperture W, and the thickness D of the optical substrate are related as W=2Dtan(U), such that the extracted light undergoes relaxed banding. A waveguide device that mitigates the banding effect of the illuminated pupil such that there is a substantially flat illumination profile with
제 1 항에 있어서, 상기 추출된 광은 10% 미만 또는 20% 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치.2. The waveguide device of claim 1, wherein the extracted light has a spatial non-uniformity of less than 10% or less than 20%. 제 1 항에 있어서,
상기 광학 기판의 적어도 일부의 에지 상에 적어도 하나의 반사면, 및 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들을 더 포함하는, 도파관 장치.
According to claim 1,
at least one reflective surface on at least a portion of the edge of the optical substrate, and one or more index layers disposed adjacent to the at least one reflective surface where the one or more index layers are configured to shift the pupil to mitigate a banding effect. Including waveguide devices.
제 1 항에 있어서,
상기 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 상기 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계는 TIR 경로 각이 2Dtan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭들을 발생시키지 않는, 상기 광학 기판에 결합된 프리즘;
입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막과, 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막으로서, 입사광은 TIR 경로 각이 2Dtan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는, 상기 제 1 광-흡수 막 및 상기 제 2 광-흡수 막;
입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막과, 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막으로서, 입사광은 TIR 경로 각이 2Dtan(U)에 의해 정의된 바와 같이 U일 때 발생하는 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않고, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함하는, 상기 제 1 광-흡수 막 및 상기 제 2 광-흡수 막;
으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는, 도파관 장치.
According to claim 1,
The linear relationship between the angles of the exit pupil from the light source and the TIR angles at the optical substrate allows for continuous light extraction along the TIR ray path, which occurs when the TIR path angle is U as defined by 2Dtan(U). a prism coupled to the optical substrate that does not create gaps therebetween;
a first light-absorbing film comprising an input grating and disposed adjacent edges of an input substrate disposed adjacent an optical substrate, and adjacent edges of a second substrate disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate; A second light-absorbing film disposed so that the incident light does not create gaps between successive light extractions along the TIR ray path, which occurs when the TIR path angle is U, as defined by 2Dtan(U). the first light-absorbing film and the second light-absorbing film;
a first light-absorbing film comprising an input grating and disposed adjacent edges of an input substrate disposed adjacent an optical substrate, and adjacent edges of a second substrate disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate; A second light-absorbing film disposed so that the incident light does not create gaps between successive light extractions along the TIR ray path, which occurs when the TIR path angle is U as defined by 2Dtan(U), The thickness of the optical substrate is 3.4 mm, the thickness of the second substrate is 0.5 mm, and the input substrate comprises two 0.5 mm thick glass substrates sandwiching an input grating. light-absorbing membrane;
A waveguide device further comprising at least one selected from the group consisting of:
제 1 항에 있어서,
상기 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 통합되는, 도파관 장치.
According to claim 1,
The waveguide device is integrated into a display selected from the group of head-mounted displays (HMDs) and head-up displays (HUDs).
제 5 항에 있어서,
인간의 눈은 상기 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치되는 것; 및 장치는 아이 트랙커(eye tracker)를 포함하는 것 중 적어도 하나인, 도파관 장치.
According to claim 5,
the human eye is positioned with the exit pupil of the display; and wherein the device includes an eye tracker.
제 1 항에 있어서,
상기 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치(optics)를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함하는, 도파관 장치.
According to claim 1,
A waveguide device, further comprising the light source, a micro display panel, and an input image generator further comprising optics for collimating the light.
제 1 항에 있어서,
상기 광원은 적어도 하나의 레이저, 및 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)의 그룹으로부터 선택되는, 도파관 장치.
According to claim 1,
wherein the light source is selected from the group of at least one laser, and at least one light emitting diode (LED).
제 1 항에 있어서,
상기 광 커플러는 입력 격자, 및 프리즘으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 도파관 장치.
According to claim 1,
wherein the optical coupler is selected from the group consisting of an input grating, and a prism.
제 1 항에 있어서,
상기 광 추출기는 출력 격자인, 도파관 장치.
According to claim 1,
A waveguide device wherein the light extractor is an output grating.
도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법에 있어서:
광원으로부터의 입사광을 생성하는 단계;
입사광을 광 커플러를 통해 통과시켜 광학 기판에 결합시키고, 결합된 광이 광학 기판 내에서 전체 내부 반사(TIR)를 받게 하는, 입사광을 통과시키는 단계로서, 상기 광 커플러는 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 적어도 하나의 광학 기판으로 직접 회절시키도록 구성되고 유효 입력 개구를 갖는, 상기 입사광을 통과시키는 단계; 및
상기 출력 조명을 생성하도록 광 추출기를 통해 상기 광학 기판으로부터 TIR 광을 추출하는 단계를 포함하고,
유효 입력 개구 W가 상기 광학 기판에 TIR 각 U를 제공하고, TIR 각 U, 유효 입력 개구 W, 및 광학 기판의 두께 D가, W=2Dtan(U)로 연관되어서, 추출된 광이 완화된 밴딩을 갖는 실질적으로 편평한 조명 프로파일이 되도록, 조명된 동공(illuminated pupil)의 밴딩 효과를 완화시키는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
In a method of mitigating banding in the output light of a waveguide device:
generating incident light from a light source;
Passing the incident light through an optical coupler to couple the incident light to an optical substrate, wherein the coupled light undergoes total internal reflection (TIR) within the optical substrate, wherein the optical coupler combines light from at least one light source. passing the incident light, the incident light having an effective input aperture and configured to diffract directly into at least one optical substrate; and
extracting TIR light from the optical substrate via a light extractor to produce the output illumination;
The effective input aperture W provides a TIR angle U to the optical substrate, and the TIR angle U, the effective input aperture W, and the thickness D of the optical substrate are related as W=2Dtan(U), such that the extracted light undergoes relaxed banding. A method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device, wherein the banding effect of the illuminated pupil is mitigated such that the illumination profile is substantially flat with
제 11 항에 있어서,
상기 출력 조명은 10% 미만 또는 20% 미만의 공간 불균일성을 갖는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device, wherein the output illumination has a spatial non-uniformity of less than 10% or less than 20%.
제 11 항에 있어서,
상기 도파관 장치는, 상기 광학 기판의 적어도 일부의 에지 상에 적어도 하나의 반사면, 및 하나 이상의 인덱스 층들이 밴딩 효과를 완화하기 위해 동공을 시프트하도록 구성되는 적어도 하나의 반사면에 인접하여 배치된 하나 이상의 인덱스 층들을 더 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
the waveguide device comprising at least one reflective surface on at least a portion of the edge of the optical substrate, and one or more index layers disposed adjacent the at least one reflective surface configured to shift the pupil to mitigate banding effects. A method for mitigating banding in output illumination of a waveguide device, further comprising the above index layers.
제 11 항에 있어서,
상기 도파관 장치는:
상기 광원으로부터의 출사 동공의 각도들과 상기 광학 기판에서의 TIR 각들 사이의 선형 관계가 TIR 광선 경로를 따라 연속적인 광 추출들 사이에서 갭들을 발생시키지 않는, 상기 광학 기판에 결합된 프리즘;
입사광은 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않는, 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막; 및
입사광은 TIR 광선 경로를 따른 연속하는 광 추출들 사이에 갭들을 발생시키지 않고, 광학 기판의 두께는 3.4 mm이고, 제 2 기판의 두께는 0.5 mm이며, 입력 기판은 입력 격자를 샌드위치하는 두 개의 0.5 mm 두께의 유리 기판들을 포함하는, 입력 격자를 포함하고 광학 기판에 인접하게 배치된 입력 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 1 광-흡수 막 및 상기 입력 기판 반대쪽의 광학 기판에 인접하게 배치된 제 2 기판의 에지들에 인접하여 배치되는 제 2 광-흡수 막;
으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
The waveguide device:
a prism coupled to the optical substrate, wherein a linear relationship between angles of the exit pupil from the light source and TIR angles at the optical substrate does not result in gaps between successive light extractions along the TIR ray path;
a first light-absorbing film disposed adjacent the edges of an input substrate disposed adjacent the optical substrate and comprising an input grating, wherein incident light does not create gaps between successive light extractions along the TIR light path; a second light-absorbing film disposed adjacent the edges of the second substrate disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate; and
The incident light does not create gaps between successive light extractions along the TIR light path, the optical substrate is 3.4 mm thick, the secondary substrate is 0.5 mm thick, and the input substrate is two 0.5 mm thick sandwiching the input grating. a first light-absorbing film disposed adjacent the edges of an input substrate disposed adjacent an optical substrate and comprising an input grating comprising mm-thick glass substrates and disposed adjacent the optical substrate opposite the input substrate; a second light-absorbing film disposed adjacent the edges of the second substrate;
A method for mitigating banding in output illumination of a waveguide device, further comprising at least one selected from the group consisting of:
제 11 항에 있어서,
상기 방법은, 헤드 장착형 디스플레이(HMD) 및 헤드 업 디스플레이(HUD)의 그룹으로부터 선택된 디스플레이에 의해 수행되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device, the method being performed by a display selected from the group of a head mounted display (HMD) and a head up display (HUD).
제 15 항에 있어서,
인간의 눈이 디스플레이의 출사 동공과 함께 위치되는 것; 및 디스플레이가 아이 트랙커(eye tracker)를 포함하는 것 중 적어도 하나인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 15,
The human eye is positioned with the exit pupil of the display; and wherein the display includes an eye tracker.
제 11 항에 있어서,
상기 도파관 장치가, 상기 광원, 마이크로 디스플레이 패널, 및 광을 시준하기 위한 광학 장치(optics)를 더 포함하는 입력 이미지 발생기를 더 포함하는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in output illumination of a waveguide device, wherein the waveguide device further comprises an input image generator further comprising the light source, a micro display panel, and optics for collimating the light.
제 11 항에 있어서,
상기 광원이, 적어도 하나의 레이저, 및 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)의 그룹으로부터 선택되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device, wherein the light source is selected from the group of at least one laser, and at least one light emitting diode (LED).
제 11 항에 있어서,
상기 광 커플러가, 입력 격자 및 프리즘으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in output illumination of a waveguide device, wherein the optical coupler is selected from the group consisting of an input grating and a prism.
제 11 항에 있어서,
상기 광 추출기는 출력 격자인, 도파관 장치의 출력 조명에서 밴딩을 완화하는 방법.
According to claim 11,
A method of mitigating banding in the output illumination of a waveguide device, wherein the light extractor is an output grating.
KR1020237042514A 2017-01-26 2018-01-26 Waveguide device with uniform output illumination KR20230173212A (en)

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