KR20240006707A - 직사각형 도파관을 갖는 광 개구 증배기 - Google Patents

Abstract

광 디바이스는 평행한 제1 겉면 및 제2 겉면 및 직사각형 단면을 형성하는 평행한 제3 겉면 및 제4 겉면을 갖는 제1 도파관을 포함하고, 이는 4중 내부 반사에 의해 광을 가이드하고 제1 도파관으로부터의 광을 제2 도파관으로 커플링하는 커플링-아웃 구성과 연관된다. 제1 겉면 또는 제2 겉면은 상이한 광학적 특성을 갖는 제1 및 제2 영역들로 세분된다. 광 디바이스는 또한 제1 도파관 내로 광을 투과시키는 표면을 갖는 커플링-인 구성을 포함한다. 표면은 제2 영역에 인접한 제3 또는 제4 겉면의 일부와 연관하여 배치되어 표면과 연관된 에지가 제1 차원에서 입력 시준된 이미지를 트리밍하고, 제1 영역과 제2 영역 사이의 경계가 제2 차원에서 입력 시준된 이미지를 트리밍하여 4중 내부 반사에 의해 전진하는 트리밍된 시준된 이미지를 생성한다.

Description

직사각형 도파관을 갖는 광 개구 증배기{OPTICAL APERTURE MULTIPLIERS HAVING A RECTANGULAR WAVEGUIDE}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2021년 2월 25일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/153,433호 및 2022년 1월 7일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/297,299호로부터 우선권을 주장하며, 이들의 개시는 본 명세서에 그 전체가 참조로 통합된다.

기술 분야

본 발명은 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 얇은 슬랩형(slab-type) 광 도파관과 광학적으로 커플링된 직사각형 광 도파관을 포함하는 광 개구 증배기에 관한 것이다.

2차원 광 개구 확장(또는 증배(multiplication))을 제공하는 광 디바이스는 Lumus Ltd(이스라엘)에 의한 다양한 간행물에 설명되어 있다. 그러한 광 디바이스들의 하나의 특정 세트에서, 2차원 개구 확장은 2개의 광 도파관들에 의해 달성된다. 제1 광 도파관은 직사각형 단면을 형성하는 2쌍의 평행한 겉면(face)들을 갖고, 제1 광 도파관의 신장(elongation) 방향에 비스듬한(oblique) 제1 세트의 부분 반사성 내부 표면들을 갖는다. 얇은 슬랩(slab) 형태의 제2 광 도파관은 제1 (직사각형) 도파관에 광학적으로 커플링되고, 한 쌍의 평행한 주(major) 외부 겉면들 및 주 외부 겉면들에 대해 비스듬한 제2 세트의 부분 반사성 내부 표면들을 갖는다. 광 커플링 및 부분적으로 반사하는 내부 표면들의 세트들은 직사각형 도파관 내로 커플링된 이미지 광이 (2 쌍의 평행한 겉면들에서) 4중(four-fold)의 내부 반사에 의해 직사각형 도파관을 따라 전진하고 이미지의 세기의 일부는 제1 세트의 내부 표면들에서 반사되어 제2 도파관 내로 커플링되도록 한다. 그런 다음, 이미지 광은 제2 도파관의 주 외부 겉면들에서의 내부 반사에 의해 전진하고, 이미지의 세기의 일부는 관찰자의 눈으로 보도록 제2 도파관 밖으로 커플링되도록 제2 세트의 내부 표면들에서 반사된다.

본 발명의 양태들은 직사각형 도파관들을 갖는 광 개구 증배기들을 제공한다. 본 발명의 제1 양태에 따른 바람직한 특정 실시예들은 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)들을 제공하며, 이들 각각은 제2 얇은 슬랩형 광 도파관과 광학적으로 커플링되는 제1 직사각형 광 도파관으로 이미지 광을 전달하기 위한 광 커플링-인 구성(optical coupling-in configuration)을 갖는다. 직사각형 도파관은 (직사각형 단면을 형성하는) 2쌍의 평행한 겉면(face)들을 갖고, 2쌍의 평행한 겉면들에서 4중의 내부 반사에 의해 광을 가이드하고, 직사각형 도파관 내부의 부분 반사 표면들의 세트를 통해 제2 도파관 내로 가이드된 광을 커플링하도록 구성된다. 제2 도파관은 한 쌍의 평행한 겉면(face)들을 갖고, 한 쌍의 평행한 겉면들에서의 내부 반사에 의해 커플링된 광을 가이드하고, 제2 도파관 내부의 부분 반사 표면들의 세트를 통해(또는 하나 이상의 회절 엘리먼트들을 통해) 가이드된 광을 관찰자를 향해 외향으로 커플링하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 광 커플링-인 구성은 계면의 제1 영역과 상이한 광학 특성을 갖는 2개의 도파관들 사이의 계면의 제2 영역에 인접하는 직사각형 도파관의 전면 또는 후면의 일부 상에 배치된다. 한 세트의 실시예에서, 계면의 제1 영역은 반사성 코팅을 포함하고, 제2 영역은 코팅되지 않거나 저 굴절률 재료 또는 코팅을 포함한다. 다른 세트의 실시예에서, 계면의 제1 영역은 코팅되지 않고, 제2 영역은 저 굴절률 재료로 코팅된다.

본 발명의 제2 양태에 따른 소정의 바람직한 실시예들은 직사각형 도파관 내부에 부분 반사 표면들의 세트를 포함하지 않는 직사각형 도파관을 제공한다. 대신에, 직사각형 도파관으로부터 제2 도파관으로의 광의 광학적 커플링은 제2 도파관과 광 커플링(계면)을 형성하는 직사각형 도파관의 하단 겉면(lower face)과 연관되고 그에 평행한 부분 반사 표면에 의해 수행된다. 특정 바람직한 실시예들에서, 부분 반사 표면은 직사각형 도파관의 하단 겉면을 하나 이상의 유전체 층들로 코팅함으로써 형성되고, 직사각형 도파관 내로 커플링되는 광은 코팅된 하단 겉면에 대해 s-편광된다. 직사각형 도파관 내부의 부분 반사 표면들의 세트 대신에 부분 반사 표면을 사용하면, 제조 공정을 단순화하고 광 개구 증배기의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 개구 증배기가 제공된다. 광 개구 증배기는, 제1 겉면과 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면과 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 제1 광 도파관은 한 쌍의 평행한 겉면들에서 4중의 내부 반사에 의해 광을 가이드하도록 구성되고, 제1 광 도파관 밖으로의 광을 제1 광 도파관과 광학적으로 커플링되는 제2 광 도파관으로 커플링하는 커플링-아웃 구성(coupling-out configuration)과 연관되고, 제1 겉면 또는 제2 겉면은 개별적으로 상이한 광학 특성들을 갖는 제1 영역과 제2 영역으로 세분(subdivide)된, 제1 광 도파관; 및 제1 광 도파관으로 광을 투과하는 표면을 포함하는 광 커플링-인 구성을 포함하고, 표면은 제2 영역에 인접한 제3 겉면 또는 제4 겉면의 부분과 연관되어 배치되어, 표면과 연관된 에지가 제1 차원에서 입력 시준된 이미지를 트리밍(trim)하고, 제1 영역과 제2 영역 사이의 경계가 제2 차원에서 입력 시준된 이미지를 트리밍하여 4중의 내부 반사에 의해 제1 광 도파관을 통해 전진하는 트리밍된 시준된 이미지를 생성한다.

옵션으로, 제1 영역과 제2 영역 사이의 경계는 광 입력 축을 따라 볼 때 경계의 이미지와 함께 겉보기 입력 광 개구(apparent input optical aperture)를 제공한다.

옵션으로, 입력 시준된 이미지의 일부는 에지와 교차하거나 에지에 의해 중첩되는 제1 겉면 상의 지점에서 반사된다.

옵션으로, 에지는 표면의 제1 에지이고, 표면은 광 이미지 생성기로부터 입력 시준된 이미지를 수신하는 광 입사 표면을 갖는 공통 에지인 제2 에지를 포함한다.

옵션으로, 에지는 광 입사 표면에 평행하다.

옵션으로, 에지는 광 입사 표면에 평행하지 않다.

옵션으로, 표면은 광 이미지 생성기로부터 입력 시준된 이미지를 수신하고, 에지는 표면의 제1 에지이고, 표면은 에지에 의해 트리밍되도록 수신된 입력 시준된 이미지를 다시 표면으로 반사하는 반사 표면을 갖는 공통 에지인 제2 에지를 포함한다.

옵션으로, 광 개구 증배기는 제2 광 도파관을 더 포함하고, 제2 광 도파관은 제3 평행 겉면 쌍을 가지며, 제3 평행 겉면 쌍에서 내부 반사에 의해 광을 가이드하도록 구성되고, 제2 광 도파관은 제2 광 도파관 밖으로의 광을 커플링하는, 제3 평행 겉면 쌍 사이에 있고 제3 평행 겉면 쌍에 비스듬한 복수의 부분 반사 표면을 포함한다.

옵션으로, 코팅 또는 재료는 제1 겉면을 제1 및 제2 영역으로 세분하기 위해 제2 겉면과 연관되게 배치된다.

옵션으로, 광 개구 증배기는 제5 겉면을 포함하고 제1 겉면에서 제1 광 도파관과 광학적으로 커플링되는 광학 기판을 더 포함하고, 코팅 또는 재료는 제1 겉면을 제1 및 제2 영역으로 세분하기 위해 제1 겉면과 연관된다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제1 광 도파관을 적어도 부분적으로 횡단하고 제1 광 도파관의 신장 방향에 비스듬하게 경사진(inclined) 복수의 부분 반사 표면들을 포함한다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제2 겉면과 연관된 부분 반사 표면을 포함한다.

또한, 본 발명의 교시의 일 실시예에 따르면, 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)가 제공된다. 광 개구 증배기는 다음을 포함한다 : 제1 겉면 및 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면 및 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 상기 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 부분 반사 표면은 상기 제2 겉면과 연관되고 상기 제2 겉면에 평행한, 상기 제1 광 도파관; 이미지에 대응하는 편광을 상기 제1 쌍의 평행 겉면 및 상기 제2 쌍의 평행 겉면 둘 모두에 대해 비스듬한 커플링 각도로 전파의 초기 방향을 갖는 상기 제1 광 도파관 내로 커플링하기 위한 광 커플링-인 구성(optical coupling-in configuration)으로서, 상기 편광은 상기 제2 겉면에 대해 s-편광된, 상기 광 커플링-인 구성; 및 제3 쌍의 평행한 겉면들을 포함하는 복수의 겉면들을 갖는 제2 광 도파관으로서, 상기 제2 광 도파관은 상기 제2 겉면과 상기 제2 광 도파관의 겉면들 중 하나 사이의 계면에서 상기 제1 광 도파관과 광학적으로 커플링되고, 광 커플링-아웃 구성(optical coupling-out configuration)이 상기 제2 광 도파관과 연관되는, 제2 광 도파관을 포함하고, 상기 광 커플링 및 상기 부분 반사 표면은, 상기 이미지에 대응하는 광이 상기 제1 광 도파관 내로 커플링될 때, 상기 광은 상기 제1 광 도파관을 따라 4중(four-fold) 내부 반사에 의해 전진하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 제2 광 도파관 내로 커플링되도록 하기 위해 상기 부분 반사 표면에서 투과되고, 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 내부 반사에 의해 제2 광 도파관내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 커플링-아웃 구성에 의해 상기 제2 광 도파관 밖으로 편향되도록 상기 제2 광 도파관내에서 전파하도록 구성된다.

옵션으로, 제2 겉면의 적어도 대부분은, 부분 반사 표면을 형성하도록 그리고 부분 반사 표면이 s-편광된 광에 대해 부분적으로 반사되도록 하나 이상의 유전체 코팅 층을 포함한다.

옵션으로, 광 개구 증배기는 제2 광 도파관에 커플링될 광의 편광 상태를 회전시키기 위해 계면에 위치된 파장판(waveplate)을 더 포함한다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제3 쌍의 평행한 겉면들에 대해 비스듬한 제2 광 도파관 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면들을 포함한다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제3 쌍의 평행한 겉면들의 면들 중 적어도 하나와 연관된 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.

또한, 본 발명의 교시의 일 실시예에 따르면, 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)가 제공된다. 광 개구 증배기는 다음을 포함한다 : 제1 겉면 및 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면 및 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 상기 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 부분 반사 표면은 상기 제2 겉면과 연관되고 상기 제2 겉면에 평행한, 상기 제1 광 도파관; 제3 쌍의 평행한 겉면들을 포함하는 복수의 겉면들을 갖는 제2 광 도파관으로서, 상기 제2 광 도파관은 상기 제2 겉면과 상기 제2 광 도파관의 겉면들 중 하나 사이의 계면에서 상기 제1 광 도파관과 광학적으로 커플링되고, 광 재지향 배열(light redirecting arrangement)은 상기 제2 광 도파관의 제1 영역과 연관되고, 광 커플링-아웃 구성은 상기 제2 광 도파관의 제2 영역과 연관되는, 상기 제2 광 도파관을 포함하고, 상기 광 커플링, 상기 부분 반사 표면, 상기 광 재지향 배열, 및 상기 광 커플링-아웃 구성은, 이미지에 대응하는 광이 상기 제1 광 도파관 내로 커플링될 때, 상기 광이 상기 제1 광 도파관을 따라서 4중 내부 반사에 의해 전진하고, 상기 광의 세기의 일부가 상기 제2 광 도파관의 상기 제1 영역으로 커플링되도록 하기 위해 상기 부분 반사 표면에서 투과되고, 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 상기 내부 반사에 의해 상기 제2 광 도파관의 상기 제1 영역내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 도파관의 상기 제2 영역으로 재지향되도록 하기 위해 상기 광 재지향 배열에 의해 편향되고, 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 상기 내부 반사에 의해 상기 제2 도파관의 제2 영역내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 커플링-아웃 구성에 의해 상기 제2 광 도파관 밖으로 편향된 상기 제2 광 도파관의 상기 제2 영역내에서 전파하도록 구성된다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제3 쌍의 평행한 겉면들에 대해 비스듬한 제2 광 도파관 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면들을 포함한다.

옵션으로, 광 커플링-아웃 구성은 제3 쌍의 평행한 겉면들의 면들 중 적어도 하나와 연관된 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.

옵션으로, 광 재지향 배열은 추가 겉면에 대해 비스듬한 제2 광 도파관의 제1 영역 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면을 포함한다.

옵션으로, 광 재지향 배열은 제2 광 도파관의 겉면들 중 하나와 연관된 회절 광학 엘리먼트를 포함한다.

또한, 본 발명의 교시의 일 실시예에 따르면, 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)가 제공된다. 광 개구 증배기는 다음을 포함한다 : 제1 겉면 및 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면 및 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 상기 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 부분 반사 표면은 상기 제2 겉면과 연관되고 상기 제2 겉면에 평행한, 상기 제1 광 도파관; 제5 겉면 및 제6 겉면을 포함하는 평행한 겉면들의 제3 쌍을 갖는 제2 광 도파관으로서, 광 커플링-아웃 구성은 상기 제2 광 도파관과 연관되고, 상기 제1 광 도파관은 상기 제2 광 도파관과 광학적으로 커플링되고, 상기 제2 겉면이 상기 제5 겉면에 대해 비스듬하게 경사지도록 상기 제2 광 도파관에 대해 경사지는, 상기 제2 광 도파관;을 포함하고, 상기 광 커플링 및 상기 부분 반사 표면은, 이미지에 대응하는 광이 제1 광 도파관 내로 커플링될 때, 상기 광이 상기 제1 광 도파관을 따라 4중 내부 반사에 의해 전진하고, 상기 광의 일부는 상기 제2 광 도파관으로 진입하도록 하기 위해 상기 부분 반사 표면에서 투과되고, 상기 제2 광 도파관으로 진입하는 상기 광의 일부는 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 내부 반사에 의해 상기 제2 광 도판관 내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 커플링-아웃 구성에 의해 상기 제2 광 도파관 밖으로 편향되도록 상기 제2 광 도파관 내에서 전파하도록 구성된다.

옵션으로, 광 개구 증배기는 제1 광 도파관과 제2 광 도파관 사이의 광 커플링을 제공하는 중간 윈도우(intermediate window)를 더 포함하고, 중간 윈도우는 제2 광 도파관에 진입하는 부분 반사 표면에서 투과된 광의 일부가 제5 겉면에서 중간 윈도우를 향해 다시 반사되도록 배치된다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및/또는 과학)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시예의 실행 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료가 이하에 설명된다. 충돌이 있는 경우, 정의를 포함한 특허 명세서가 통제할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 예는 단지 예시적이며, 반드시 제한적인 것으로 의도되지 않는다.

본 발명의 일부 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에 설명된다. 도면들을 상세히 구체적으로 참조하면, 도시된 상세사항들은 예로서 그리고 본 발명의 실시예들의 예시적인 논의를 위한 목적들이라는 점이 강조된다. 이와 관련하여, 도면들과 함께 취해진 설명은 본 발명의 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 당업자에게 명백하게 한다.
이제, 유사한 도면 번호들 또는 문자들이 대응하는 또는 유사한 컴포넌트들을 나타내는 도면들에 주목한다. 도면들에서,
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 양태의 실시예의 교시에 따른, 복수의 부분 반사성 내부 표면을 갖는, 제2 얇은 슬랩형 광 도파관과 광학적으로 커플링되는, 복수의 부분 반사성 내부 표면을 갖는, 제1 직사각형 광 도파관을 갖는 광 개구 증배기를 개별적으로 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 1c는 도 1b와 유사하지만, 제2 광 도파관을 형성하는 광 투과 기판의 외부 겉면들에 배치된 커버 플레이트(cover plate)들 없는 제2 광 도파관을 예시하는 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 2개의 광 도파관들 사이의 계면 영역의 대부분에서의 입사각(AOI : angle of incidence)의 함수로서의 반사율의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광을 직사각형 광 도파관에 커플링하는 데 사용될 수 있는 광 커플링-인 구성을 예시하는 등각도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1a 및 도 1b에 상응하는 광 개구 증배기를 상향식 구성(bottom-up configuration)으로 배치된 도 3의 광 커플링-인 구성과 함께 예시하는, 각각 개략적인 정면도, 측면도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광 커플링-인 구성의 변형예를 도시하는, 도 4a와 유사한 개략적인 정면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 직사각형 광 도파관과 커플링된 광학 기판과 함께 하향식 구성(top-down configuration)으로 배치된 도 3의 광 커플링 구성을 예시하는 각각 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 커플링 반사기를 갖는 커플링 프리즘으로서 배치된 광 커플링-인 구성들을 도시하는 도 4b 및 도 4c와 각각 유사한 개략적인 측면도 및 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 광 도파관들 사이의 계면 영역에 배치된 부분 반사 표면을 갖는 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제2 태양의 실시예의 교시에 따라, 제2 얇은 슬랩형 광 도파관과 광학적으로 커플링되고 불활성 재료의 블록과 추가로 커플링되는 제1 직사각형 광 도파관을 갖는 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이며, 여기서 부분 반사 표면은 제2 광 도파관과 광학적으로 커플링되는 직사각형 광 도파관의 겉면에 평행하고 그와 연관되며, 제2 광 도파관은 복수의 부분 반사성 내부 표면을 갖는다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 9a의 광 개구 증배기와 유사하지만 직사각형 광 도파관이 제2 광 도파관에 대해 경사진 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 도 9a의 광 개구 증배기와 유사한 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 등각도이고, 2개의 광 도파관 사이의 계면 영역은 도 3의 광 커플링-인 구성의 배치를 수용하기 위해 2개의 광 도파관 사이에서 인터페이싱하는 겉면의 전체가 아니라 대부분을 따라 연장되는 재료 또는 코팅을 갖는다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 11에 도시된 광 개구 증배기와 유사하지만, 직사각형 광 도파관의 커플링 겉면과 연관된 부분 반사 표면이 각각의 영역에서 상이한 반사율을 갖는 복수의 비중첩 영역으로 분할되는 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 등각도이다.
도 13은 4개의 예시적인 입사각(AOI)에서 도 12의 영역의 예시적인 반사율의 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 직사각형 광 도파관으로부터 밖으로 커플링된 이미지들 중 하나만이 제2 광 도파관에 커플링되도록 직사각형 광 도파관이 제2 광 도파관에 대해 경사진 광 개구 증배기를 예시하는 개략적인 측면도이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제2 태양의 실시예의 교시에 따른 제2 얇은 슬랩형 광 도파관과 광학적으로 커플링된 제1 직사각형 광 도파관을 갖는 광 개구 증배기를 각각 도시하는 개략적인 정면도 및 측면도이며, 여기서 부분 반사 표면은 제2 광 도파관과 광학적으로 커플링된 직사각형 광 도파관의 겉면과 연관되고, 커버 부재는 직사각형 광 도파관의 외부 겉면 중 일부를 커버하도록 배치된다.
도 16a 및 도 16b는 각각 좌안 및 우안에 대한 눈 위 구성(above-eye configuration)으로 배치된 도 15a 및 도 15b의 광 개구 증배기를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 각각 좌안 및 우안에 대한 눈 아래 구성(below-eye configuration)으로 배치된 도 15a 및 도 15b의 광 개구 증배기를 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시예에 따른 도 15a 및 도 15b의 광 개구 증배기와 유사하지만, 커버 부재를 갖지 않고 회절 커플링-인 및 커플링-아웃 엘리먼트를 갖는 광 개구 증배기를 각각 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 제2 양태의 실시예의 교시에 따른 제2 얇은 슬랩형 광 도파관과 광학적으로 커플링된 제1 직사각형 광 도파관을 갖는 광 개구 증배기를 각각 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이며, 부분 반사 표면은 제2 광 도파관과 광학적으로 커플링된 직사각형 광 도파관의 겉면과 연관되고, 제2 광 도파관은 제1 영역에서 광 재지향 배열(light redirecting arrangement) 및 제2 영역에서 복수의 부분 반사성 내부 표면을 갖는다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 실시예에 따른 도 19a 및 도 19b에 도시된 광 개구 증배기와 유사한, 회절 커플링-인 및 커플링-아웃 엘리먼트를 갖는 광 개구 증배기를 각각 예시하는 개략적인 정면도 및 측면도이다.
도 21은 직사각형 도파관의 원단(far end) 및 근단(near end)에서 전파하는 빔을 도시하는, 도 15a에 도시된 광 개구 증배기를 도시하는 개략적인 정면도이다.
도 22는 도 15a - 도 20b 중 임의의 것의 2개의 광 도파관 사이의 계면에서 부분 반사 표면의 코팅을 디자인하는데 사용될 수 있는 AOI의 함수로서의 s-편광된 광의 반사율의 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 직사각형 광 도파관과 얇은 슬랩형 광 도파관 사이의 변형 커플링 기하학적 구조(variant coupling geometry)를 예시하는 개략적인 등각도이다.
도 24a 내지 도 24f는 본 발명의 실시예들에 따른 광 개구 증배기의 제조 프로세스에서 사용되는 단계들의 시퀀스를 예시하는 개략적인 등각도이다.

본 발명의 양태들의 실시예들은 직사각형 도파관들을 갖는 광 개구 증배기들의 형태에 광 디바이스들을 제공한다.

본 발명에 따른 광 디바이스 및 방법의 원리 및 동작은 설명을 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 첨부된 도면들은 임의로 라벨링되지만 도면들 사이에 일치하는 xyz 좌표계가 제공된다. 이 xyz 좌표계는 도면들 사이에 공통 기준 프레임을 제공함으로써 개시된 실시예들을 더 잘 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 다음의 설명에 제시되고 및/또는 도면들 및/또는 예들에 예시된 컴포넌트들 및/또는 방법들의 구성 및 배열의 세부사항들에 대한 그의 적용에 있어서 반드시 제한되는 것은 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하거나 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 처음에, 본 문서 전체에 걸쳐, 예를 들어, 전방 및 후방, 최상부 및 바닥, 상단 및 하단 등과 같은 방향에 대한 참조가 이루어진다. 이들 방향 참조는 단지 예시적인 것이며, 표현의 편의를 위해 사용된 것일 뿐이고 도면에 도시된 임의의 배향을 지칭한다. 최종 광 디바이스는 임의의 필요한 배향으로 배치될 수 있다.

이제 도면들을 참조하면, 도 1a 내지 도 7b는 본 발명의 제1 양태의 실시예들에 따라 구성되고 동작하는 광 개구 증배기(1)를 도시한다. 일반적인 용어로, 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)(1)("광 디바이스"라고도 함)는 연신의 방향을 갖는 제1 광 도파관(10)("x-축"에 대응하는 것으로 본 명세서에서 임의로 예시됨) 및 시준된 이미지에 대응하는 이미지 광(60)("광 빔" 또는 "빔"이라고도 함)을 광 도파관(10)으로 커플링시키는 광 커플링-인 구성(80)을 포함한다.

광 도파관(10)은 광 투과 재료(광 투과 기판)로 형성되고, 직사각형 단면을 형성하는 제1 및 제2 쌍의 평행한 겉면(face)들(12a, 12b, 14a, 14b)을 갖는다(즉, 제1 및 제2 쌍의 겉면들은 직교한다). 광 도파관(10)은 또한 (평행한 겉면(face)들일 수 있거나 그렇지 않을 수 있는) 추가적인 한 쌍의 겉면들(16a, 16b)을 갖는다. 겉면들(16a, 16b)이 평행한 겉면들인 특정 실시예들에서, 겉면들(16a, 16b)은 겉면들의 제1 및 제2 쌍들(12a, 12b, 14a, 14b)에 직교할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 광 도파관(10)은 광 도파관(10)을 적어도 부분적으로 횡단하고 광 도파관(10)의 신장 방향에 비스듬하게 경사진(겉면들(12a, 12b)에 비스듬한) 복수의 상호 평행한 부분 반사성 내부 표면들(또한 "패싯(facet)들"이라 지칭됨)(18)을 갖는다. 특정 실시예에서, 패싯(18)은 양쪽 겉면(12a, 12b 및 14a, 14b) 모두에 대해 비스듬하다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "겉면(face)", "외부 겉면(external face)", 및 "외부 표면(external surface)"은 상호교환적으로 사용된다. 명백해지는 바와 같이, 그러한 겉면들 중 일부는 주 겉면(major face)들(또한 "주 외부 겉면들" 또는 "주 외부 표면들"로도 지칭됨)이다.

바람직한 실시예에서, 광 개구 증배기(1)는 또한 광 도파관(10)과 광학적으로 커플링되고, 제3 쌍의 평행 겉면(22a, 22b)을 갖는 제2 광 도파관(20)을 포함한다. 여기서도, 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 복수의 상호 평행한 부분 반사성 내부 표면들("패싯들")(28)은 적어도 부분적으로 광 도파관(20)을 가로지르고 겉면들(22a, 22b)에 비스듬히 경사진다. 광 도파관(20)은 또한 2개의 추가적인 쌍의 겉면(24a, 24a, 26a, 26b)을 가지며, 이들 각각은 겉면(22a, 22b)에 평행하지 않으며, 이들 각각은 한 쌍의 평행한 겉면일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 특정 실시예에서, 겉면 쌍(22a, 22b, 24a, 24b, 24b, 26a, 26b)들은 상호 직교한다. 특정 실시예에서, 패싯(28)은 또한 겉면(24a)에 비스듬하게 경사지지만, 논의되는 바와 같이, 다른 실시예에서 패싯(28)은 겉면(24a)에 평행할 수 있다.

광 도파관(20)은 또한 광 투과 재료(광 투과 기판(19)), 바람직하게는 광 도파관(10)을 형성하는 데 사용되는 동일한 재료로 (2개의 광 도파관(10, 20)이 동일한 굴절률을 갖도록) 형성되지만, 얇은 슬랩형 도파관을 형성하며, 여기서 한 쌍의 겉면(24a, 24b, 26a, 26b) 사이의 거리는 적어도 겉면(22a, 22b) 사이의 거리보다 적어도 10배(order of magnitude) 더 크다.

바람직하게는, 겉면(16a, 26a)은 겉면(16b, 26b)과 평행하다. 또한, 바람직하게는 겉면(14a, 22a)은 겉면(14b, 22b)과 평행하다.

광 도파관(20)은 겉면들(12b, 24a) 사이의 계면(40)에서 광 도파관(10)과 광학적으로 커플링된다. 다시 말해서, 광 도파관(10, 20) 사이의 광 커플링은 겉면(12b, 24a) 사이에 형성되는 계면(40)을 정의한다. 광 커플링-인 구성(80)은 광 빔(60)의 주입된 개구로 광 도파관(10)의 충진을 가능하게 하기 위해 겉면(12b)(및 따라서 계면(40))의 특정 영역(46)에 인접하는 도파관(20)의 전방 겉면 또는 후방 겉면(14a, 14b)의 일부와 연관되어 배치되는 것이 본 발명의 특정 실시예의 특정 특징부이다. 도파관들(10, 20)에 대한 광 커플링-인 구성(80)의 배치의 세부사항들은 특히 도 3a-3e를 참조하여 본 개시의 후속 섹션들에서 상세히 설명될 것이다.

광 도파관(10, 20) 사이의 광 커플링과, 부분 반사 표면(18, 28) 및 광 커플링-인 구성(80)의 배치 및 구성, 광 커플링-인 구성(80)은 제1 및 제2 쌍의 평행한 겉면(12a, 12b, 14a, 14b) 둘 모두에 대해 비스듬한 커플링 각도로 초기 전파 방향으로 이미지 광(60)을 광 도파관(10)으로 커플링(주입)할 때, 이미지는 광학 도파관(10)을 따라 4중 내부 반사(이미지 62a, 62b, 62c, 62d)에 의해 전진하고, 이미지의 세기의 일부는 광 도파관(20) 내로 커플링되도록 하기 위해 부분 반사 표면(18)에서 반사되고, 그런 다음 광 도파관(20) 내의 2중의 내부 반사(이미지(64a, 64b)를 통해 전파하고, 이미지 세기의 일부는 관찰자의 눈(2)에 의해 보이는 가시 이미지(66)로서 평행 겉면(22a) 중 하나로부터 바깥쪽으로 지향하도록 하기 위해 부분 반사 표면(28)에서 반사된다(편향된다). EMB(eye-motion box)(3)에 의해 지정된 포지션(position)들의 허용된 범위 내의 일부 포지션에 위치된 눈(2)(즉, 눈(2)의 동공이 투영된 이미지를 볼 수 있는 광 도파관(20)의 겉면(22a)의 평면으로부터 이격된, 전형적으로 직사각형으로 표현되는 형상).

광 도파관(10)은 2개 세트의 평행한 겉면들(12a, 12b, 14a, 14b) 사이에서 반사에 의해 2차원으로 주입된 이미지를 가이드한다는 의미에서 본 명세서에서 2차원(2D) 도파관으로 지칭되는 반면, 광 도파관(20)은 한 쌍의 평행한 겉면들(22a, 22b) 사이에서 단지 하나의 차원으로만 주입된 이미지를 가이드하는 1차원(1D) 도파관 또는 광-가이드 광학 엘리먼트(LOE : light-guide optical element)로 지칭된다. 광 빔(60)(도시되지 않은 광 이미지 생성기에 의해 생성됨)은 광 커플링-인 구성(80)에 의해 광 도파관(10) 내로 기울여서 주입된다. 결과적으로, 광은 도 1b의 측면도에 도시된 바와 같이 광 도파관(10)의 4개의 외부 겉면(12a, 12b, 14a, 14b) 모두로부터 내부로 반사되면서 광 도파관(10)를 따라 전파된다. 이 프로세스에서, 4개의 컨쥬게이트 빔 벡터(conjugate beam vector)가 생성되며(62a, 62b, 62c, 62d), 이는 겉면(12a, 12b, 14a, 14b)에 의해 내부적으로 반사되는 것과 동일한 이미지를 나타낸다.

광 도파관(10) 내의 가이드된 광 빔들(예를 들어, 62a 및 62b)의 일부는 패싯들(18)에 의해 계면(40)을 통해 하향으로 그리고 광 도파관(20)의 입력 커플링 표면(겉면(24a)) 상으로 반사된다. 광 도파관(20)에서, 이들 빔은 64a 및 64b로 정의된다. 빔(64a 및 64b)은 외부 겉면(22a, 22b)에 의해 반사되어 컨쥬게이트가 되는데, 즉 빔(64a)은 64b로 반사되고 그 반대도 마찬가지이다(도 1b에 도시된 바와 같음). 즉, 광 도파관(20)은 겉면(22a, 22b)에서 2중(two-fol) 내부 반사에 의해 이미지 광(64a, 64b)을 가이드하여 이미지 광(64a, 64b)이 광 도파관(20)을 따라 2중 내부 반사(이미지(64a, 64b))에 의해 전진한다. 광 도파관(20) 내의 내부 반사는 패싯들(18)이 광 빔들을 광 도파관(20) 내로 주입하는 가파른 각도(steep angle)들로 인해 TIR에 의해 달성될 수 있거나, 또는 광학 코팅에 의해 달성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 광 도파관(10)의 외부 전방 겉면 및 후방 겉면(14a, 14b)은 서로 평행해야 하며, 본 구현예에서는 광 도파관(20)의 대응하는 외부 겉면(22a, 22b)에 평행해야 한다. 평행 관계(parallelism)로부터의 임의의 일탈은 커플링된 이미지들(64a 및 64b)이 정밀한 컨쥬게이트 이미지들이 되지 않게 할 것이고, 이미지 품질이 저하될 것이다.

광 도파관(20) 내의 패싯들(28)은 광 도파관들의 외부에 그리고 눈(2)을 향해 가시 이미지("투영된 이미지(projected image)"로 지칭됨)로서 빔(64b)을 반사한다. 예시된 실시예에서, 패싯(18, 28)의 부분 반사율은 패싯(18, 28) 상의 광학 코팅(선택적으로 반사 코팅)에 의해 결정된다.

패싯들(18, 28)의 세트들 각각은 개개의 광 도파관과 연관되고 광 도파관 밖으로 전파하는 광을 커플링하도록 기능하는 광 커플링-아웃 구성(optical coupling-out configuration)이다. 그러나, 본 개시의 후속 섹션들에서 논의되는 바와 같이, 광 커플링-아웃 구성들이 다른 형태들을 취하는 다른 실시예들이 고려된다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 내부 패싯들(18) 대신에, 제1 광 도파관(10)과 연관된 광 커플링-아웃 구성은 도파관(10)의 바닥 겉면(12b)에 평행한 광 도파관들(10, 20) 사이의 계면(40)에서 부분 반사 표면의 형태를 취할 수 있다. 특정 실시예에서, 제2 광 도파관(20)과 연관된 광 커플링-아웃 구성은 겉면(22a, 22b)의 하나 이상의 부분 상에 하나 이상의 회절 엘리먼트의 형태를 취할 수 있다.

도파관들(10 및 20)의 외부 겉면들 및 내부 패싯들에 의한 조합된 반사들은 제1 및 제2 차원들 둘 모두에서 원래의 주입된 개구를 확장시킨다. 도파관(10)은 제1 차원(도 1a의 x 차원임)으로 개구를 확장하고, 도파관(20)은 패싯들(18)의 평면에 직교하는 제2 차원(대략 도 1a의 y 차원을 따르지만, 예시된 실시예에서는 보다 상세하게는 y 축으로부터 오프셋된 y' 차원을 따름)으로 개구를 확장한다. 도파관(10)의 개구 확장은 바람직하게는 도파관을 이미지로 충진한 다음 도파관의 길이를 따라 연속적인 방식으로 패싯들(18)을 통해 도파관 밖으로 이미지를 커플링함으로써 달성된다.

본 명세서에 예시된 많은 실시예에서, 겉면(22a, 22b)은 실제로 광 도파관(20)이 형성되는 광 투과 기판(19)의 외부 겉면(27a, 27b)에 광학적으로 부착되는 커버 플레이트(39a, 39b)의 외부 겉면으로서 형성된다는 것에 주목한다. 패싯들(28)은 일반적으로 기판의 외부 겉면들(27a, 27b) 사이에서 연장되며, 따라서 커버 플레이트들(39a, 39b)의 겉면들(22a, 22b) 사이에서 연장되지 않는다. 커버 플레이트들(39a, 39b)은 이중 반사들, 즉 이미지들(64a 또는 64b)이 동일한 패싯으로부터 2회 반사되는 상황들을 회피하기 위해 사용될 수 있다. 구체적으로, 커버 플레이트들(39a, 39b)은 패싯(28)에 의해 한번 반사된 후, 광의 투과된 부분이 해당 패싯 위 또는 아래로 전파되어, 다음 패싯으로 직접 전진하여, 개선된 이미지 균일성을 초래하는 것을 보장하는 것을 돕는다. 그러나, 특정 실시예들에서, 커버 플레이트들(39a, 39b)은 배제될 수 있고, 기판(19)의 두께는 기판(19)의 외부 겉면들(27a, 27a) 및 도파관(10)의 겉면들(22a, 22b)이 동일하도록 조정될 수 있다. 커버 플레이트가 없는 얇은 슬랩형 광 도파관(20)을 갖는 광 개구 증배기의 예가 도 1c에 도시된다. 커버 플레이트들(39a, 39b)을 갖는 본 명세서에 설명된 본 발명의 모든 실시예들은 달리 명시적으로 지시되지 않는 한, 그러한 커버 플레이트들 없이 또한 실시될 수 있다.

이미지가 광 도파관(10)을 통해 전진할 때, 조명의 세기는 패싯들(18)에 의한 광의 점진적인 커플링-아웃으로 인해 점차적으로 감소한다는 것이 또한 주목된다. 더 양호한 균일성 및 광 효율을 달성하기 위해, 특정의 바람직한 실시예에서, 패싯(18)의 반사율은 광 도파관(10)을 통한 광의 전파 방향을 따라 증가하며, 이는 광 도파관(20) 내로 커플링된 광의 세기의 점진적인 증가를 제공한다. 동일한 방식으로, 특정 실시예들에서, 패싯들(28)의 반사율은 또한 바람직하게는 패싯들(28)에 의한 광의 점진적인 커플링-아웃에 의해 부여되는 광 세기의 감소를 상쇄하기 위해 광 도파관(20)을 통한 광의 전파 방향을 따라 증가한다.

실질적으로는, 본 명세서에서 이미지가 광 빔에 의해 표현되는 곳이면, 빔은 이미지의 샘플 빔(sample beam)이며, 이는 전형적으로 이미지의 지점 또는 픽셀에 각각 대응하는 약간 상이한 각도들의 다수의 빔들에 의해 형성된다는 점에 유의해야 한다. 이미지의 말단(extremity)으로 구체적으로 지칭되는 경우를 제외하고, 예시된 빔들은 전형적으로 이미지의 중심이다.

특히 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 겉면(12b)은 각각의 제1 및 제2 광학 특성을 갖는 비중첩 제1 및 제2 영역(45, 46)으로 세분된다. 제1 영역(45)은 연신 방향을 따라 겉면(12b)의 전체가 아닌 대부분을 점유하는(즉, 이를 따라 연장되는) 반면, 제2 영역(46)은 연신 방향을 따라 겉면(12b)의 나머지 소수 부분을 점유한다(이를 따라 연장된다). 영역(45)은 바람직하게는 연신 방향으로 겉면(12b)의 적어도 70%이지만, 연신 방향으로 연장의 특정 양은 본 발명의 후속 섹션에서 논의되는 바와 같이, 광 개구 증배기의 광학 디자인 사양, 특히 광 커플링-인 구성(80)의 크기 및 배치 위치에 기초할 수 있다. 특정 경우에, 연신 방향으로의 연장의 양은 적어도 80% 또는 적어도 90%일 수 있다.

제1 광학 특성은, 영역(45) 내의 겉면(12b)의 부분들에 입사하는 겉면들(12a, 14a, 14b) 중 하나로부터 반사된 광이 겉면(12b)에서 반사되도록(내부 반사에 의해 도파관(10)을 통해 전파를 계속하도록), 뿐만 아니라 겉면들(18)에 의해 영역(46) 내의 겉면(12b)의 부분들을 향해 편향되는 광이 겉면(12b)에 의해 도파관(20) 내로 투과되도록, 내부 반사의 조건들을 보존하는 부분 반사 특성이다. 제1 광학 특성과는 상이한 제2 광학 특성은 투과 특성이어서, 광 커플링-인 구성(80)으로부터의 광이 영역(46)에 인접하는 도파관(10)의 일부분을 통한 투과를 통해 도파관(10)에 유입될 수 있다.

또한, 광 도파관(10)은, 신장 방향에 직교하고 2개의 영역(45, 46) 사이의 경계(47)를 통과하는 광 도파관(10) 내의 직사각형 단면 평면(P)(임의로 라벨링된 좌표계에서 yz 평면임)에 의해 제1 및 제2 도파관 영역(11, 13)으로 세분된다. 제1 도파관 영역(11)의 바닥 겉면은 겉면(12b)의 제1 영역(45)이고(즉, 제1 영역(45)은 제1 도파관 영역(11)에 대응함), 제2 도파관 영역(13)의 바닥 겉면은 겉면(12b)의 제2 영역(46)(즉, 제2 영역(46)은 제2 도파관 영역(13)에 대응하며, 이는 도파관(10)의 "커플링-인 영역"이라고도 지칭됨)이다.

특정 실시예에서, 겉면(12)의 세분화는 신장 방향으로 겉면(12b)의 전체가 아니라 대부분을 따라 연장되는 겉면(12b)의 대부분과 연관되어 배치되는 코팅 또는 재료(44)에 의해 적어도 부분적으로 달성된다. 코팅 또는 재료(44)의 연장은 또한 바람직하게는 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 횡방향(또는 측방향)(임의로 라벨링된 좌표계는 z-축을 따름)으로 겉면(12b)의 전체를 따른다. 겉면(12b)의 제1 영역(45)은 재료 또는 코팅(44)과 연관되고, 겉면(12b)의 제2 영역(46)은 재료 또는 코팅(44)과 연관되지 않는다. 또한, 계면(40)이 겉면들(12b, 24a) 사이에 형성되기 때문에, 코팅 또는 재료(44)는 계면(40)에 위치되고, 계면(40)을 2개의 전술한 영역(45, 46)에 대응하는 2개의 영역으로 효과적으로 세분한다.

특정 실시예에서, 재료 또는 코팅(44)의 연장은 연신 방향으로 겉면(12b)의 적어도 70%를 따르지만, 연신 방향으로의 연장의 양은 적어도 80% 또는 적어도 90%일 수 있다.

재료 또는 코팅(44)이 겉면(12b)의 대부분의 부분(영역(45))을 따라 연장되도록, 그리고 재료 또는 코팅(44)이 겉면(12b)의 소수 부분(minority portion)(46)(예시된 실시예에서 겉면(16b, 26b)에 근접함)에 부재(absent)하도록 재료 또는 코팅(44)은 2개의 도파관(10, 20)을 함께 커플링하기 전에 겉면(12b, 24a) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 도포될 수 있다.

일 예에서, 재료 또는 코팅(44)은 입사각(AOI)의 특정 범위에서만 입사광을 반사시키고 해당 각도 범위 밖의 광을 투과시키는(바람직하게는 도 2에 도시된 반사율에 따라) ASR(angularly selective reflective) 코팅과 같은 선택적 반사 코팅일 수 있는 반사 코팅이다. 코팅(44)의 반사는 겉면(12b)에 입사하는 겉면(12a, 14a, 14b) 중 하나로부터 반사된 광이 겉면(12b)에서 반사되고, 겉면(12b)을 향해 겉면(18)에 의해 편향된 광이 겉면(12b)에 의해 도파관(20)으로 투과되도록 하는 것이다. 대안적으로, 반사 코팅이 겉면(24b)에 도포될 수 있거나, 또는 반사 코팅이 겉면들(12b, 24a)의 하나 이상의 대응하는 부분에 도포되어 광 도파관들(10, 20)이 함께 본딩되거나 광학적으로 커플링될 때, 결과적인 반사 코팅이 겉면(12b)의 대부분을 따라 연장되도록 할 수 있다.

다른 예에서, 위에서 논의된 바와 같은 선택적 반사 특성을 갖는 부분 반사 재료의 박막은 겉면(12b, 24a)을 함께 본딩하기 전에 연신 방향으로 겉면(12b)(또는 대안적으로 겉면(24a))의 대부분에 도포될 수 있다.

또 다른 예에서, 재료 또는 코팅(44)은 겉면들(12b, 24a) 사이에 위치되고 연신 방향으로 겉면들(12b, 24a)의 대부분을 따라 연장되는 별개의 부분 반사 표면 형태의 부분 반사 재료이다. 부분 반사 표면은 전술한 바와 같이 선택적으로 반사 특성을 갖는 반사 코팅으로 코팅된 임의의 얇은 재료 플레이트로 형성될 수 있다.

특정 실시예에서, 영역(46)은 단지 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 대부분의 부분에 재료 또는 코팅(44)을 도포하고 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 나머지 소수 부분으로부터 재료 또는 코팅(44)을 보류함으로써 형성되어, 제1 영역(45)은 "코팅된 부분(coated portion)"이고 제2 영역(46)은 "코팅되지 않은 부분(uncoated portion)"이며, 이에 의해 코팅된 부분과 코팅되지 않은 부분은 본질적으로 상이한 광학 특성을 갖는다. 그러나, 특정 바람직한 실시예에서, 재료 또는 코팅(44)과 상이한 광학 특성을 갖는 저 굴절률 재료 또는 코팅(즉, 광 도파관(10, 20)을 제조하는 데 사용되는 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료 또는 코팅)은, 겉면(12b)의 소수 부분(영역(46))을 따라 연장되도록 겉면(12b)의 나머지 소수 부분과 연관된다. 일 예에서, 저 굴절률 재료의 얇은 플레이트가 사용된다. 얇은 플레이트는 겉면(12b 또는 24a) 중 하나의 소수 부분 상에 직접 증착된 다음, 박형 접착층으로 겉면(24a 또는 12b) 중 다른 하나에 접착식으로 본딩될 수 있거나, 박형 접착층을 사용하여 겉면(12b, 24a)에 접착식으로 본딩될 수 있다. 다른 예에서, 고체 유전체 재료의 얇은 코팅 층. 매우 낮은 굴절률 (1.1 - 1.2) 뿐만 아니라 안정화 기계적 속성을 갖는 에어로겔(Aerogel) 재료의 패밀리가 수년에 걸쳐 개발되었으며, 영역 (46)을 형성하기에 특히 적합할 수 있다. 다른 예에서, 낮은 굴절률 광학 시멘트가 소수 부분(46)에 배치되고 또한 광 도파관(10, 20)을 함께 본딩하는 것을 돕기 위해 사용된다.

특정 실시예에서, 영역(46)은 단지 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 소수 부분에 저 굴절률 재료를 도포하고 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 대부분의 부분에 어떠한 코팅 또는 재료도 도포하지 않음으로써 형성되며, 따라서 제1 영역(45)은 "코팅되지 않은 부분"이고 제2 영역(46)은 "코팅된 부분"이며, 이에 의해 재차 이들 코팅된 부분 및 코팅되지 않은 부분은 본질적으로 상이한 광학 특성을 갖는다.

패싯(facet)들(18)이 도파관(10) 밖으로의 광을 도파관(20) 내로 커플링하기 위해 사용되는 실시예들에서, 재료 또는 코팅(44)이 필요하지 않을 수 있으며, 이에 의해 겉면(12b)에서의 전파 광의 반사는 내부 전반사에 의해 이루어진다. 이러한 실시예에서, 2개의 영역으로의 겉면(12b)의 세분화는 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 소수 부분에 낮은 굴절률 재료를 도포하고 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 대부분의 부분에 어떠한 코팅 또는 재료도 도포하지 않음으로써 달성될 수 있다. 도파관(10)의 바닥 겉면(12b)이 도파관(10) 밖으로(그리고 도파관(20) 내로) 전파하는 광의 세기의 일부를 커플링하기 위한 부분 반사기로서 구현되는 실시예에서, 겉면(12b)의 2개의 전술된 영역들로의 세분화는 바람직하게는 겉면(12b)(또는 겉면(24a))의 대부분에서 코팅 또는 재료(44)의 도포에 의해 적어도 부분적으로 달성된다. 그러한 실시예들에서, 코팅 또는 재료(44)는 바람직하게는, 아래의 후속 섹션들에서 논의되는 바와 같이, 유전체 코팅 및/또는 금속 코팅으로서 구현된다.

확장된 개구에 걸쳐 균일한 세기를 획득하기 위해, 빔의 주입된 초기 개구는 균일해야 하고 도파관을 "충진(fill)"해야 한다. 이러한 맥락에서, 이미지 내의 각각의 지점(픽셀)에 대응하는 광선들이 광 도파관(10)의 전체 단면에 걸쳐 존재한다는 것을 나타내기 위해 용어 "충진"이 사용된다. 개념적으로, 이러한 속성은, 광 도파관(10)이 임의의 지점에서 횡방향으로 절단된다면, 그리고 핀홀(pinhole)을 갖는 불투명 시트가 그런 다음 절단 단부 위에 배치된다면, 핀홀은 단면을 가로질러 어디에나 배치될 수 있고 완전한 투영된 이미지를 초래할 것임을 의미한다. 실제로, 광 도파관(10)에 대해, 이것은 4개의 완전한 이미지들(62a, 62b, 62c, 및 62d)의 투영을 초래할 것이며, 그 중 62b 및 62d는 반전된다. 입력 이미지(60)로 도파관의 충진을 보장하기 위해, 약간 오버사이즈된(oversized) 입력 이미지는 도파관(10)으로의 진입 시에 크기로 트리밍(trim)되어야 한다. 이는 증배된 인접한 개구들이 한편으로는 중첩되지 않을 것이고, 다른 한편으로는 갭(gap)들을 갖지 않을 것을 보장한다. 이미지(60)의 트리밍은, 이미지가 도파관(10) 내로 주입될 때 그러나 이미지(60)가 4중 내부 반사에 의해 도파관(10) 내에서 가이드되기 전에 광 커플링-인 구성(80)에 의해 수행된다.

도 1a - 1c를 계속 참조하면서, 이제 본 발명의 실시예에 따른 광 개구 증배기(1) 및 광 커플링-인 구성(80)의 양태를 예시하는 도 3 및 도 4a - 4c를 참조한다. 제시의 간략화를 위해, 도파관(20)의 패싯들(28)은 도 4a 및 도 4c에 도시되지 않았음에 유의한다. 먼저 도 3을 참조하면, 광 커플링-인 구성(80)은 일반적으로 겉면(81, 83, 85, 87, 89)을 포함하는 복수의 표면(surface)(겉면(face))을 갖는 커플링 프리즘으로서 형성된다. 겉면(81 및 83)은 공통 에지(82)에서 접합(join)되고, 겉면(81 및 85)은 공통 에지(84)에서 접합된다. 꼭지점(86, 88)은 엣지(84)의 대향 단부들에 있으며, 겉면(81, 85, 87)과 겉면(81, 85, 89)의 꼭지점으로 각각 형성된다.

이제 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 광 커플링-인 구성(80)은 광 커플링-인 구성(80)이 제2 영역(46)에 인접하도록 도파관들(10, 20)과 연관되어 배치된다. 특히, 광 커플링-인 구성(80)은 제2 영역(46)에 인접한 겉면(14a)의 일부와 연관되어 배치된다. 보다 구체적으로, 배치는 겉면(81)의 제1 부분이 제2 도파관 영역(13) 내에 있는 전방 겉면(14a)의 일부와 연관되도록, 그리고 겉면(81)의 나머지 제2 부분이 도파관(20)의 겉면(22a)의 일부와 연관되도록 이루어진다. 예시된 실시예에서, 꼭지점(vertex)(88)은 평면(P)과 정렬된다(즉, 평면(P)이 도파관(20) 내로 연장된다면, 꼭지점(88)은 연장된 평면(P) 내에 놓일 것이다).

겉면(81)은 광 커플링-인 구성(80)으로부터의 광이 도파관(10)(또는 도파관(20))에 진입(즉, 투과)하는 광 투과성 표면(즉, 광 진입 표면)이고, 따라서, 도파관에 진입 시 주입된 이미지 광의 굴절을 방지하기 위해 겉면(81)은 겉면들(14a, 22a)에 굴절률 정합되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서, 겉면(81)과 도파관(10, 20) 사이에 인덱스 매칭 및 본딩을 제공하기 위해 인덱스 정합(index matching) 광학 시멘트가 사용될 수 있다.

광 커플링-인 구성(80)은 원하는 각도 시야 내의 모든 광이 4중(four-fold)의 내부 반사에 의해 도파관(10)에 진입하고 도파관(10)을 통해 전진하도록 경계(47)와 경계(47)(이는 겉보기 입력 광 개구를 제공함)의 이미지 사이를 통과하도록 구성되고 배치된다. 논의될 바와 같이, 이러한 배치는 도파관(10)에 진입하는 원하는 각도 시야의 주변 광선(marginal ray)들이 경계(47)를 따르는 지점들에 입사하는 것을 보장한다.

도 4a는 겉면들(14a, 22a)의 평면 내의 광 커플링-인 구성(80)의 풋프린트(footprint), 및 시준된 이미지(60) 내의 지점들을 나타내는 시준된 빔들의 세트들을 도시한다. 도면들에서, 명확성을 위해 각각의 빔 세트의 하나의 광선만이 도시되지만, 빔 세트 내의 많은 평행 광선들 중 하나를 나타낸다. 실선 광선(60A)은 투영된 필드의 하나의 에지에서의 빔을 나타내는 반면, 점선 광선(60C)은 투영된 필드의 다른 에지에서의 빔을 나타낸다(이들 광선(60A, 60C)은 "주변 광선(marginal ray)"임). 점선 광선(60B)은 필드의 중심(즉, 이미지의 중심)에서의 빔을 나타낸다.

예시된 구성에서, 커플링 프리즘은, 에지(82, 82)가 상호 평행하고 에지(84)가 프리즘의 광 입사면인 겉면(83)의 연장 방향에 평행하도록 단순화된다. 커플링 프리즘은 바람직하게는 광 입사 겉면(83)이 광학 수차를 감소시키기 위해 중심 빔(광선(60B))에 수직(직교)이도록 디자인된다. 실제로, 겉면(83)의 배향은 중심 광선(60B)의 전파 방향(광 이미지 생성기의 위치 및 공간 배향에 기초함)에 따라 설정된다.

광 커플링-인 구성(80)의 구성 및 배치는 이제 도 4a-4c를 참조하여 설명되는 바와 같이, 광 커플링-인 구성(80)이 입력 이미지를 트리밍할 수 있게 한다. 예시된 바와 같이, 광선들(60A, 60B, 60C)은 겉면(83)의 각각의 지점들(91a, 91b, 91c)에서 겉면(83)을 통해 광 커플링-인 구성(80)에 진입하고, 그런 다음 겉면(81)을 통해 광 커플링-인 구성(80)을 빠져나가고 각각의 지점들(93a, 93b, 93c)을 통해 도파관들 중 하나에 진입한다. 예시된 구성에서, 지점들(93a 및 93b)은 직사각형 도파관(10)의 겉면(14a) 상의 상이한 각각의 지점들이고, 지점(93c)은 제2 도파관(20)의 겉면(22a) 상의 지점이다. 즉, 광선들(60A 및 60B)은 겉면(14a) 상의 상이한 지점들을 통해 도파관(10)에 진입하고, 광선(60C)은 겉면(22a)을 통해 도파관(20)에 진입한다.

광선들(60A, 60B, 60C)이 지점들(93a, 93b, 93c)에서 도파관에 진입한 후, 광선들은 도파관이 수직 방향으로(도면들에서 y-축을 따라) 균일하게 조명되도록 에지(86)에 의해 제1 차원(수직 차원)에서 트리밍된다. 광선들(60A, 60B, 60C)은 그런 다음 경계(47)에서 제1 차원에 직교하는 제2 차원에서(즉, 도면들에서 z-축을 따라 측방향으로) 트리밍되어, 모든 빔들이 측방향 차원(z 차원)로 도파관(10)을 균일하게 조명한다. 특히, 광선(60A)은 (에지(84)와 교차하거나 에지(47)에 의해 중첩되는) 상단 표면(12a)의 지점(92)에서 경계(47) 상의 지점 상으로 반사된다. 광선(60B)은 또한 상단 표면(12a)의 (상이한 지점에서) 경계(47) 상의 지점 상으로 반사되고, 주변 광선(60C)은 경계(47) 상의 지점을 통과해 겉면(12b)을 통해 도파관(20)으로부터 도파관(10)으로 투과된다. 그런 다음, 트리밍된 이미지는 4중의 내부 반사에 의해 도파관(10)을 통해 전진한다.

개념적으로, 경계(boundary)(47)는, 이미지(60)가 도입될 광 입력 축을 따라 볼 때, 그 이미지와 함께, 원하는 전체 각도 시야에 걸쳐 광 도파관(10)에 겉보기 입력 광 개구(apparent input optical aperture)를 제공한다. 광 커플링-인 구성(80)은 입력 이미지(60)를 트리밍하여 해당 시야 내의 모든 광이 도파관(10)에 진입하고 4중 내부 반사에 의해 도파관(10)을 통해 전진하도록 겉보기 입력 광 개구(즉, 경계(47)와 경계(47)의 이미지 사이)를 통과하도록 한다. 광 커플링-인 구성(80)에 의해 트리밍되지 않은 임의의 다른 광선들은 겉보기 입력 광 개구를 통과하지 않으며, 따라서 도파관(10)에 진입하지 않는다.

광 커플링-인 구성(80)의 배치 및 구성은 바람직하게는 표면(81)이 겉면(22a, 22b)(임의로 라벨링된 좌표계에서 xy 평면임)에 평행한 평면에서 패싯(28)들 중 임의의 패싯의 투영과 중첩하지 않도록 하는 것임을 알 수 있다. 이러한 비중첩 기하학적 구조 및 배향은 패싯들(28) 중 하나 이상에 의해 커플링 아웃된 광이 커플링되어 커플링 아웃된 광을 광 도파관(10) 내로 다시 재도입할 수 있는 광 커플링-인 구성(80) 내로 다시 커플링되는 상황들을 방지하는 것을 돕는다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 커플링-인 구성(80)의 구성을 예시한다. 여기서, 에지(86)는 에지(82) 및 겉면(83)에 평행하지 않고, 지점(92)으로부터 반사되는 반사된 광선에 가깝게 위치된다. 또한, 꼭지점(88)은 도 4a 및 도 4c에서와 같이 평면(P)과 정렬되지 않고, 대신에, xz 평면에서의 꼭지점(88)의 투영이 제1 영역(45) 내로 투영되도록 경계(47)를 지나 연장된다.

도 5에 예시된 구성은 도 3 내지 도 4c에 도시된 구성에 비해 장점을 제공하며, 가장 주목할 것은 도 3 - 4c에 예시된 구성에서 허용되는 것보다 겉면(83)이 도파관 겉면(14a, 22a)에 더 가깝게 포지셔닝되는 것을 허용하는 것이다. 이는 결국 이미지 프로젝터(광 이미지 생성기)가 도파관(10)에 더 가깝게 포지셔닝될 수 있게 하여, 도 3 - 4c에 예시된 구성에서 사용되어야 하는 것보다 작은 이미지 프로젝터의 사용을 가능하게 한다. 도 3 내지 도 4c에 도시된 구성에서와 같이, 주입된 광선은 에지(86)에 의해 수직 차원에서 트리밍되고, 그런 다음 경계(47)에 의해 측방향 차원에서 트리밍된다.

도 4a 내지 도 5에 도시된 광 커플링-인 구성들은, 광 커플링-인 구성을 아래로부터 조명하는 공간 배향(도 4b에서 가장 쉽게 알 수 있는 "상향식(bottom-up)" 구성)로 정면 겉면(14a)에서의 이미지 프로젝터의 배치를 수용하도록 배치된다. 그러나, 광 커플링-인 구성은 또한, 예를 들어 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 위로부터의 조명("하향식(top-down)" 구성)을 수용하도록 배치될 수 있다. 여기서, 광 커플링-인 구성은 도 4a 및 도 4b에 예시된 것에 대해 반전된 공간 배향에 있다. 이러한 배치 구성에서, 겉면(12a)은 각각의 제1 및 제2 광학 특성을 갖는 비중첩 제1 및 제2 영역(55, 56)으로 세분된다. 제1 광학 특성은, 겉면(12b, 14a, 14b) 중 하나로부터 반사되어 영역(55) 내의 겉면(12a)의 부분들에 입사하는 광이 겉면(12a)에서 반사되도록(내부 반사에 의해 도파관(10)을 통해 전파를 계속하도록), 내부 반사의 조건들을 보존하는 반사 특성이다. 제1 광학 특성과는 상이한 제2 광학 특성은 투과 특성이어서, 광 커플링-인 구성(80)으로부터의 광이 영역(56)에 인접하는 도파관(10)의 일부를 통과하는 투과를 통해 도파관(10)에 진입할 수 있다.

제1 영역(55)은 연신율 방향을 따라 겉면(12a)의 전체가 아닌 대부분을 점유하는(즉, 대부분을 따라 연장되는) 반면, 제2 영역(56)은 연신율 방향을 따라 겉면(12a)의 나머지 소수 부분을 점유하는(나머지 소수 부분(minority portion)을 따라 연장되는) 것이다. 영역(55)은 바람직하게는 연신 방향으로 겉면(12a)의 적어도 70%이지만, 연신 방향으로의 연장의 특정 양은 본 발명의 후속 섹션에서 논의되는 바와 같이, 광 개구 증배기의 광학 디자인 사양, 특히 광 커플링-인 구성(80)의 크기 및 배치 위치에 기초할 수 있다. 특정 경우에, 연신 방향으로의 연신의 양은 적어도 80% 또는 적어도 90%일 수 있다.

특정 실시예에서, 세분화는 코팅 또는 재료(44)와 유사한 방식으로 겉면(12a)과 연관되어 배치된 코팅 또는 재료(54)에 의해 수행된다. 구체적으로, 코팅 또는 재료(54)는 신장 방향(direction of elongation)으로 겉면(12a)의 전체가 아니라 대부분을 따라 연장되는 겉면(12a)의 대부분과 연관되어 배치된다. 코팅 또는 재료(54)의 연장은 또한 바람직하게는 횡방향(또는 측방향)으로 겉면(12a) 전체를 따른다. 코팅 또는 재료(54)의 배치는 겉면(12a)을 각각의 제1 및 제2 광학 특성을 갖는 비중첩 제1 및 제2 영역(55, 56)으로 세분하고, 이에 의해 겉면(12a)의 제1 영역(55)은 재료 또는 코팅(54)과 연관되고, 겉면(12a)의 제2 영역(56)은 재료 또는 코팅(54)과 연관되지 않는다.

앞에서와 같이, 광 도파관(10)은 두 영역(55, 56) 사이의 경계(57)를 통과하는 직사각형 단면 평면(P)에 의해 제1 및 제2 도파관 영역(11, 13)으로 세분된다. 제1 도파관 영역(11)의 최상부 겉면은 겉면(12a)의 제1 영역(55)이고(즉, 제1 영역(55)은 제1 도파관 영역(11)에 대응함), 제2 도파관 영역(13)의 최상부 겉면은 겉면(12a)의 제2 영역(56)이다(즉, 제2 영역(56)은 제2 도파관 영역(13)에 대응함).

코팅 또는 재료(54)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일 예에서, 금속 코팅이 겉면(12a)의 대부분에 도포된다. 다른 예에서, 저 굴절률 재료 또는 코팅(에어로겔 재료 또는 저 굴절률 광학 시멘트와 같은)이 겉면(12b)의 소수 부분(영역(46))을 따라 연장되도록 겉면(12b)의 나머지 소수 부분과 관련된 겉면(12a)의 대부분에 도포된다. 다른 실시예에서, 재료(54)는 기판(30)이 구성되는 재료 자체이며, 이는 겉면(12a)에서의 내부 반사가 보존되도록 도파관(10)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예에서, 코팅 또는 재료(54)는 광 도파관(10)과 다른 광학 기판(30)(광 투과 재료로도 형성됨) 사이의 계면(50)에 위치된다. 광학 기판(30)은 한 쌍의 겉면(32a, 32b)(평행할 수 있음) 및 한 쌍의 평행한 겉면(34a, 34b)을 갖고(또한 추가적인 한 쌍의 겉면(36a, 36b)을 포함할 수 있음), 도파관(10)은 겉면(12a, 32b) 사이에 형성되는 계면(50)에서 기판(30)과 광학적으로 커플링된다(즉, 도파관(10)과 기판(30) 사이의 광 커플링은 겉면(12a, 32b) 사이에 형성되는 계면(50)을 정의한다). 코팅 또는 재료(54)는 대안적으로 겉면(32b)의 필요한 대부분의 부분에 도포될 수 있다.

도 3 및 도 4a 내지 도 4c에 도시된 구성에서와 유사하게, 도 6a 및 도 6b에 도시된 광 커플링-인 구성은 광 커플링-인 구성(80)이 제2 영역(56)에 인접하도록 도파관들(10, 20)과 연관되어 배치된다. 특히, 광 커플링-인 구성(80)은 제2 영역(56)에 인접한 겉면(14b)의 일부와 연관되어 배치된다. 보다 구체적으로, 배치는 겉면(81)의 제1 부분이 제2 도파관 영역(13) 내에 있는 전방 겉면(14a)의 일부와 연관되고, 겉면(81)의 나머지 제2 부분이 기판(30)의 겉면(34a)의 일부와 연관되도록 이루어진다. 또한, 예시된 실시예에서, 꼭지점(88)은 평면(P)과 정렬된다(즉, 평면(P)이 도파관(20) 내로 연장된다면, 꼭지점(88)은 연장된 평면(P) 내에 놓일 것이다).

도 6a 및 도 6b의 광선(60A, 60B, 60C)의 거동은 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 바와 유사하며, 약간의 차이가 있다. 여기서, 광선(60C)은 겉면(34a) 상의 지점(93c)에서 기판(30)으로 입사한다. 광선들(60A, 60B)이 도파관(10)에 진입하고 광선(60C)이 기판에 진입한 후(지점들(93a, 93b, 93c)에서), 광선들은 도파관(10)이 수직 방향으로(도면들에서 y-축을 따라) 균일하게 조명되도록 에지(86)에 의해 트리밍된다. 광선들(60A, 60B, 60C)은 이어서 경계(57)에서 (도면들에서 z-축을 따라) 측방향에서 트리밍되어 모든 빔들이 측방향 차원(z 차원)에서 도파관(10)을 균일하게 조명한다. 특히, 광선(60A)은 (에지(84)와 교차하거나 에지(57)에 의해 중첩되는) 하단 겉면(12b)에서의 지점(92)에서 경계(57)상의 지점 상으로 반사된다. 광선(60B)은 또한 하단 겉면(12b)의 (상이한 지점에서) 경계(57) 상의 지점 상으로 반사되고, 주변 광선(marginal ray)(60C)은 경계(57) 상의 지점을 통과해 겉면(12a)을 통해 기판(30)으로부터 도파관(10) 내로 투과된다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 하향식 구성에서, 연마 평면(polishing plane)(도 6b에서 점선(95)으로 표시됨)을 따라 겉면(83)을 연마함으로써 광 이미지 생성기 (이미지 프로젝터)와 도파관(10) 사이의 거리를 추가로 감소시키는 것이 가능할 수 있으며, 이에 의해 투영 광학 기기의 크기를 추가로 감소시키는 것이 가능하다. 연마 평면(95)은 전체적으로 커플링 프리즘(80)의 겉면(83)과 평행하고, 대략 지점(93c)(즉, 빔(60C)이 기판(30)에 진입하는 곳)을 통과한다. 그 결과, 연마된 표면(83)은 지점(93c)에서 기판(30)과 대략 동일 평면이거나 일치하게 될 수 있다. 특정 실시예에서, "연마(polishing)"는 적절한 연마 장치 또는 도구를 사용하여 커플링 프리즘(80)을 연마하거나, 또는 적절한 연삭(grinding)/절단 장치 또는 도구로 커플링 프리즘(80)을 연삭/절단하고, 이어서 절단 표면을 연마함으로써 수행될 수 있다.

명백한 바와 같이, 도 5에 도시된 구성의 반전된 변형예는 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명된 바와 유사한 방식으로 겉면(12a)에 코팅 또는 재료(54)를 갖는 광 도파관(10)의 실시예들에 따라 배치될 수 있다.

프리즘을 통해 이미지 광의 일부를 도파관(10) 내로 투과하는 것에 추가하여, 기판(30)은 또한 예를 들어, 겉면(81)의 부분들과 겉면(34a)의 부분들 사이에 (인덱스 정합된 광학 접착제를 통해) 본딩을 허용함으로써 광 커플링-인 구성에 구조적 및/또는 본딩 지지를 제공할 수 있다. 또한, 기판(30)이 여기서 겉면들(16a, 26a 및 16b, 26b)과 일치하고 평행한 평행 겉면들(36a, 36b)을 갖는 것으로 표현되지만, 기판(30)은 크기가 감소될 수 있어서, 기판이 영역(56)에 인접한 도파관(10)의 부분들에만 위치되도록 할 수 있다는 것에 유의한다. 이러한 감소된 크기의 실시예에서, 겉면(36a)은 광 커플링-인 구성의 꼭지점(88)에 또는 그 바로 앞에 놓일 수 있다.

지금까지 설명된 광 커플링-인 구성의 실시예들이 광 이미지 생성기(전방 겉면(14a)과 연관되어 배치됨)로부터 광(60)을 수신하는 광 입사 겉면(83)을 갖는 커플링 프리즘으로서의 비제한적인 구현에 관한 것이지만, 광 커플링-인 구성이 커플링 반사기로서 동작하는 다른 실시예들이 본 명세서에서 고려된다. 이러한 실시예들에서, 겉면(83)은 반사 겉면이고, 광 커플링-인 구성(80)은, 겉면(81)의 일부가 제2 영역(46/57)에 인접하도록 그리고 특히 겉면(81)의 제1 부분이 제2 도파관 영역(13)에 있는 후방 겉면(14b)의 일부와 연관되도록 그리고 겉면(81)의 나머지 제2 부분이 도파관(20)의 겉면(22b)의 일부(또는 기판(30)의 겉면(34b))와 연관되도록, 도파관들(10, 20)(또는 도파관(10) 및 기판(30))과 연관되어 배치된다.

그러한 반사 실시예에서 광 커플링-인 구성의 동작 원리는 전반적으로 도 3 및 도 4a - 도 6b를 참조하여 전술한 바와 유사하며, 약간의 사소한 차이점이 있다. 이러한 차이점을 보다 명확하게 설명하기 위해, 도 7a 및 도 7b는 각각 도 4b 및 도 4c의 변형예를 도시하며, 여기서 광 커플링-인 구성은 반사 겉면(83)으로 구성된다. 한 가지 차이점은 광선들이 겉면(83) 대신 겉면(81)을 통해 프리즘에 진입한다는 것이다(즉, 겉면(81)은 광 이미지 생성기로부터 시준된 이미지를 수신한다). 다른 차이점은 도 4a 내지 도 6b에서 광선이 프리즘에 진입되는 겉면(83) 상의 지점들(91a, 91b, 91c)이 대신에 에지(84)에 의해 트리밍되도록 광선이 겉면(81)을 향해 다시 반사되는 겉면(83) 상의 지점들이라는 것이다.

마지막으로, 전방 겉면(14a)과 관련하여 이미지 프로젝터의 배치를 수용하기 위해, 도 7a 및 도 7b의 광 커플링-인 구성(80)은 후방 겉면(14b)과 연관되어 배치된다. 특히, 광 커플링-인 구성(80)은 제2 영역(46)에 인접한 겉면(14b)의 일부와 연관되어 배치된다. 후방 겉면(14b)(즉, 사용자의 눈으로부터 멀리) 상의 광 커플링-인 구성의 이러한 배치 구성은 특정 인체공학적 이점을 제공한다. 그러나, 이는 또한 광 이미지 생성기로부터 더 멀리 떨어진 광 커플링-인 구성의 배치를 수반하며, 따라서 이는 도 3 및 도 4a 내지 도 6b에 예시된 투과형 프리즘 구성에서 사용되어야 하는 것보다 큰 광 이미지 생성기를 사용할 것을 요구할 수 있다.

도 3 내지 도 7b에 도시된 광 커플링-인 구성들은 광 빔(60)의 주입 개구로 광 도파관(10)의 충진을 달성할 수 있는 본 발명의 실시예들에 따른 해결책들의 세트를 나타낸다.

도 8a 및 도 8b는 광 개구 증배기의 다른 실시예를 도시하며, 여기에서 개구 충진은 패싯들(18, 28) 사이의 도파관들의 영역에 배치된 부분 반사 표면(94)을 사용함으로써 달성되거나 보조될 수 있다. 부분 반사 표면(94)은 겉면(14a, 14b, 22a, 22b)에 평행하게 배치되고, 바람직하게는 겉면(14a(또는 22a))과 겉면(14b(또는 22b)) 사이의 중간 평면에 있다. 또한, 부분 반사 표면(94)은 패싯(18, 28)이 없는 영역에 있다. 이 실시예에서, 부분 반사 표면(94)은 실제로 광 투과성 재료(기판)로 형성되는 계면(40)의 계면 영역(70)에 배치된다. 계면 영역(70)은 3쌍의 겉면(72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b)을 포함하고, 겉면(74a, 74b, 76a, 76b)은 함께 직사각형 단면을 형성하는 한 쌍의 평행한 겉면이다. 겉면들(72a, 72b)은 또한 평행한 겉면들일 수 있으며, 이 경우 3쌍의 겉면들(72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b)은 상호 직교할 수 있다. 바람직하게는, 겉면(74a 및 74b)은 겉면(12a, 24a, 32a 및 12b, 24b, 32b)에 각각 평행하고, 겉면(76a 및 76b)은 겉면(14a, 22a, 34a 및 14b, 22b, 34b)에 각각 평행하다. 유사하게, 겉면(72a 및 72b)은 바람직하게는 겉면(16a, 26a, 36a 및 16b, 26b, 36b)에 각각 평행하다. 예시된 실시예에서, 전술된 실시예에서 겉면(12b, 24a) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 도포된 재료 또는 코팅(44)은 대신에 겉면(12b, 74a) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 도포된다. 또한, 선택적인 반사 코팅(78)은 신장 방향으로 겉면(24a, 74b)의 전체(또는 대부분)를 따라 연장되도록 겉면(24a, 74b) 중 하나 또는 둘 모두에 도포될 수 있다.

부분 반사 표면(94)의 구성은, 이미지가 도파관(10) 밖으로 커플링될 때, 커플링-아웃된 이미지의 세기의 일부가 제2 도파관(20)으로 진입하기 전에 부분 반사 표면(94)에서 반사되도록 하여, 컨쥬게이트 빔 벡터들(64a, 64b)이 생성되고 도파관(20) 내의 개구를 충진하는 것을 보장한다.

도파관 개구의 충진을 보장하기 위해 도파관들의 주 표면들에 평행하게 배치된 부분 반사 표면들(빔 분할기(beamsplitter) 표면들)에 대한 추가적인 논의는 공동 소유된 PCT 특허 공개 WO2021001841A1에서 찾아질 수 있다.

지금까지 설명된 실시예들은 도파관(10) 내부의 상호 평행한 부분 반사 표면들(패싯들)(18)의 세트로서 구현되는 광 커플링-아웃 구성을 그와 연관된 직사각형 광 도파관들(광 도파관(10))을 이용하는 광 개구 증배기들에 관한 것이다. 그러나, 위에서 암시된 바와 같이, 직사각형 도파관의 바닥 겉면과 연관되고 그에 평행하며 2개의 도파관들(10, 20) 사이의 계면에 위치되는 부분 반사 표면 형태의 광 커플링-아웃 구성들을 포함하여, 직사각형 도파관 밖으로 전파하는 광을 커플링하도록 기능하는 다른 유형들의 커플링-아웃 구성들이 고려된다. 이러한 부분 반사 표면을 형성하기 위해 계면(40)에 도포될 수 있는 (그리고 겉면(12b, 24a)의 전체 또는 대부분을 따라 연장되는) 재료 또는 코팅의 구현의 예는 재료 또는 코팅(44)에 대해 상기에서 논의되었다. 다음의 단락들은, 본 발명의 제2 양태의 실시예들에 따른, 광 개구 증배기를 설명하며, 이는 임의의 비스듬한 패싯들을 포함하지 않지만, 대신에 광 커플링-아웃 기능을 수행하기 위해 직사각형 도파관의 바닥 겉면과 연관되고 그에 평행한 부분 반사 표면을 채용하는 직사각형 광 도파관을 갖는다.

상기 내용을 염두에 두고, 이제 본 발명의 제2 태양의 실시예에 따른 광 개구를 예시하는 도 9a 및 도 9b에 주목한다. 예시된 실시예에서, 겉면(12b)은 (계면(40)에서) 부분 반사 표면(96)과 연관된다. 광 도파관(10, 20) 사이의 광 커플링과 부분 반사 표면(96)의 배치 및 구성은, 이미지 광(60)이 제1 및 제2 쌍의 평행한 겉면(12a, 12b, 14a, 14b) 둘 모두에 대해 비스듬한 커플링 각도로 초기 전파 방향으로 광 도파관(10) 내로 커플링될 때, 이미지는 전술된 바와 같이 광 도파관(10)을 따라 4중 내부 반사에 의해 전진하고(즉, 컨쥬게이트 이미지(62a, 62b, 62c, 62d)가 생성됨), 이미지의 세기의 일부(예를 들어, 62d)는 광 도파관(20) 내로 커플링되도록 하기 위해 부분 반사 표면(96)에서 투과되고, 그런 다음 광 도파관(20) 내에서 2중 내부 반사(이미지 64a, 64b)를 통해 전파되고 그리고 이미지의 세기의 일부는 가시 이미지(66)로서 평행한 겉면(22a) 중 하나로부터 외향으로 지향되도록 부분 반사 표면(28)에서 반사된다(편향된다).

도 9a에서, 이미지(60)의 2개의 샘플 이미지 광 빔(60a, 60b)이 광 도파관(10)에 진입하는 것으로 도시되어 있다. 빔들(60a, 60b)은 2개의 말단(extremity) 각도들에서 생성된 이미지의 동일한 픽셀의 2개의 샘플 빔들에 대응하는 FOV의 말단의 일부를 나타낸다. 빔(60a, 60b) 둘 모두는 전술된 바와 같이 겉면(12a, 12b, 14a, 14b)에서 4중 내부 반사에 의해 전진하며(즉, 둘 모두 빔은 컨쥬게이트 이미지(62a, 62b, 62c, 62d)를 생성함), 빔 각각으로부터의 세기의 일부는 광 도파관(20) 내로 커플링되도록 부분 반사 표면(96)에서 투과된다. 이미지(64a, 64b)는 그런 다음 제2 도파관(20)의 겉면들(22a, 22b)에서 2중 내부 반사에 의해 전진하고, 이미지의 세기의 일부는 가시 이미지(66)(이 경우, EMB(3)의 하단 코너들에 도달하는 주입된 빔들(60a, 60b)에 대응함)로서 평행한 겉면들(22a) 중 하나로부터 외향으로 지향되도록 하기 위해 부분 반사 표면들(28)에서 반사된다(편향된다).

광 도파관(10)으로 주입되는 광 빔(60)의 각도는 광 도파관(10)의 4개의 모든 외부 겉면(12a, 12b, 14a, 14b)으로부터 반사되도록 설정된다. 광 빔은 바닥 겉면(12b)(및/또는 부분 반사 표면(96))으로부터 얕은(shallow)(그레이징(grazing)) 각도로 부분적으로 반사되어야 하며, 따라서 광 도파관(10)으로부터 광 도파관(20)으로 가파른 각도(steep angle)로 부분적으로 투과되어야 한다. 즉, 빔의 세기의 일부는 겉면(12b)/부분 반사 표면(96)/계면(40)에서 도파관(20) 내로 투과되어야 하고, 빔의 세기의 일부는 겉면(12b)/부분 반사 표면(96)/계면(40)에서 반사되어 내부 반사에 의해 도파관(10)을 통해 계속 전파해야 한다. 부분 투과/반사의 이러한 속성은 부분 반사 표면(96)을 형성하기 위해 겉면(12b, 24a)에 배치된 재료 또는 코팅(44)에 의해 달성될 수 있다.

삽입구로서, 빔들은 본 실시예에서 측면 조명 주입(side illumination injection)을 제공하는 커플링 배열로서 구현되는 광 커플링-인 구성(optical coupling-in configuration)(도시되지 않음)에 의해 주입된다. 측면 조명을 제공하는 커플링-인 구성의 예는, 예를 들어, 도 19a 내지 도 21b, 도 23a, 도 23b, 도 25a 및 도 25b를 참조하여, 본 개시의 후속 섹션들에서 제공될 것이다. 이를 위해, 계면(40)의 전체는 전술한 부분 반사 표면(96)을 포함할 수 있으며, 즉 재료 또는 코팅(44)은 연신율 방향으로 겉면(12b)의 전체를 따라 연장될 수 있다. 그러나, 이전에 설명된 광 커플링-인 구성(80)에 의해 전방/후방 주입을 이용하는 다른 실시예들이 또한 도 11 내지 16을 참조하여 본 명세서에 제시될 것이라는 점에 유의한다.

이제 도 9a 및 도 9b로 돌아가면, 겉면(12b)은 효과적인 부분 반사 표면이기 때문에 광(예를 들어, 이미지(62d))이 겉면(12b)에 충돌할 때마다, 광의 세기의 일부는 겉면(12b)을 통해 광 도파관(20) 내로 투과되고, 세기의 나머지 부분은 겉면(12b)에서 반사되고 광 도파관(10)을 통해 계속 전진한다. 따라서, 겉면(12b)에서의 각각의 투과/반사는 전파되는 이미지의 전체 세기를 감소시키고, 따라서 광 효율을 향상시키기 위해 (이미지의 개구 확장을 희생하지 않고) 반사들의 수 또는 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 광 효율을 향상시키기 위한 한가지 방법이 도 10에 도시된 실시예에 도시되어 있으며, 여기서 광 도파관(10)은 광 도파관(20)에 대해 소정 각도로(즉, 경사지게) 배향되어 있다. 특히, 겉면(12a, 12b)은 겉면(24b)에 대해 비스듬하게 경사진다. 5° 내지 45° 범위의 경사각은 개구 확장에 부정적인 영향을 미치지 않고 광 효율을 증가시키기에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 예시된 실시예에서, 광 도파관(10)의 연신 방향은 더 이상 x-축을 따르는 것이 아니라, 오히려 겉면(24b)에 대한 겉면(12a, 12b)의 경사 각도만큼 x-축에 대해 경사진 방향을 따른다.

이제 도 11을 참조하면, 도 9a에 도시된 실시예와 유사하지만, 부분 반사 표면(96)이 도 3 내지 도 5, 도 7a 및 도 7b의 광 커플링-인 구성(80)과의 사용을 수용하기 위해 겉면(12b)의 전체가 아닌 대부분을 따라 연장되는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 개구 증배기의 등각도가 예시되어 있다. 특히 바람직하지만 비제한적인 구현예에서, 부분 반사 표면(96)은 광 도파관(10, 20)에 커플링하기 전에 겉면(12b)에 도포되는 선택적 반사성 코팅으로서 구현된다. 여기서, 부분 반사 표면(96)은 겉면(12b)의 다수 부분(45)을 따라 (연신 방향으로) 연장된다. 겉면(12b)의 커플링-인 영역(46)(또는 "코팅되지 않은 부분")은 겉면(12b)의 나머지 소수 부분(측면 겉면(16b, 26b)에 근접함)에 대응한다. 여기서, 이미지 광(60a, 60b)은 코팅되지 않은 부분(46)을 통해 광 도파관(10)에 진입한다. 두 부분(45, 46)을 분리하는 평면(P) 및 임계 경계(47)는 이 등각도에서 보다 명확하게 도시되어 있다.

도 11을 참조하여 설명된 실시예들이 도 6a 및 도 6b에 예시된 "하향식(top-down)" 커플링-인 구성을 채용하는 실시예들이 본 명세서에서 고려된다는 것에 유의한다. 이러한 실시예에서, 코팅 또는 재료(54)는 전술한 바와 같이 겉면(12a)의 대부분을 따라 연장되도록 배치된다.

앞서 논의된 바와 같이, 광 도파관(10)의 광 커플링-아웃 구성이 비스듬한 패싯(18)의 세트로서 구현되는 실시예에서, 광 도파관(20) 내로 커플링되는 광의 세기의 점진적인 증가를 제공하기 위해, 패싯(18)의 반사율이 광 도파관(10)을 통한 광의 전파 방향을 따라 감소하도록 패싯(18)을 디자인하는 것이 바람직할 수 있다. 동일한 의미에서, 부분 반사 표면(96)의 반사율이 광 도파관(10)을 통한 광의 전파 방향을 따라 감소하도록(그리고 등가적으로 투과율이 증가하도록) 부분 반사 표면(96)을 디자인하는 것이 바람직할 수 있다. 도 12는 이러한 광 개구 증배기의 실시예를 도시하며, 여기서 반사율의 감소는 부분 반사 표면(96)을 광 도파관(10)을 통과하는 광의 전파 방향을 따라(즉, 신장 방향인, 임의로 라벨링된 xyz 좌표계에서 x-축을 따라) 복수의 영역(이산의, 비중첩 영역)(97a, 97b, 97c, 97d, 97e, 97f)으로 분할함으로써 달성되며, 여기서 영역들(97a, 97b, 97c, 97d, 97e, 97f)의 반사율은 광 도파관(10)을 통과하는 광의 전파 방향을 따라 감소한다. 예시된 실시예에서, 6개의 이산 영역(97a, 97b, 97c, 97d, 97e, 97f)이 예시적인 목적을 위해 예시되지만, 임의의 적절한 수의 영역이 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 반사율의 변화는 겉면(12b)에(또는 특정, 때로는 덜 바람직한 구현예에서 겉면(24a)에) 도포되는 적합한 반사 코팅에 의해 제공될 수 있다.

균일한 빔이 (직사각형 도파관(10)으로부터) 광 도파관(20) 내로 커플링되는 것을 보장하기 위해, 부분 반사 표면(96)을 형성하는 반사 코팅은 바람직하게는 반사율이 도파관(10)의 연신 방향으로 겉면(12b)의 길이에 걸쳐(그리고 따라서 계면(40)에 걸쳐) 변화하도록 디자인되어야 한다. 여기서, 반사율은 전자기 스펙트럼의 가시광 영역의 적어도 대부분에 걸쳐 평균화된 비편광된 광의 반사를 지칭하며, 여기서 "대부분(majority portion)"은 바람직하게는 적어도 430 내지 660 나노미터(nm) 범위의 파장을 커버하지만, 또한 최대 750 nm까지의 파장을 포함할 수 있다. 반사 코팅은 입사광 빔들이 부분 반사 표면(96)에서의 반사로 인해 색상의 어떠한 변화도 겪지 않도록, 색상 중립 반사(color neutral reflection) 및 투과 특성들을 가져야 한다.

특정 실시예에서, 반사 코팅은 겉면(12b)의 길이에 걸친(즉, 계면(40)에 걸친) 반사율 변화가 35° 내지 55° 범위의 AOI에서 바람직하게는 50% 내지 80%(가능한 한 낮은 흡수율을 가짐)이도록 디자인된 다층 코팅(multilayer coating)이다. 비제한적인 구현예들의 하나의 세트에서, 다층 코팅은 금속(예를 들어, 은) 층 및 하나 이상의 유전체 코팅 층으로 형성되고, 여기서 반사율의 변화는 금속 층의 두께에 의해 좌우된다. 비제한적인 구현예들의 다른 세트에서, 다층 코팅은 금속(예를 들어, 은) 층 및 하나 이상의 유전체 코팅 층으로 형성되고, 여기서 반사율의 변화는 미리 결정된 인자에 의해 금속 층 및 유전체 코팅 층(들) 각각의 두께를 조정함으로써 좌우된다. 비제한적인 구현예들의 또 다른 세트에서, 다층 코팅은 임의의 금속 층 없이 다수의 유전체 코팅 층들로 형성된다. 단지 유전체 다층 코팅(dielectric only multilayer coating)을 사용할 때, 인접한 층들 사이의 경계들의 두께는 바람직하게는 가능한 작게 유지되어야 하며, 이는 마스킹 방법들을 사용하여 달성될 수 있다. 본 개시의 후속 섹션에서 논의되는 바와 같이, 특히 바람직한 실시예는 편광 광 주입 기법의 일부로서 단지 유전체 다층 코팅을 사용한다.

15 내지 35 nm 범위의 두께의 은 층(silver layer)을 갖는 다층 코팅을 사용하면 전형적으로 약 4% 내지 8% 범위의 은 층에서 광 흡수를 산출할 것이라는 것이 주목된다. 다층 코팅에 사용되는 층의 수는 2 내지 7층 사이에서 비교적 작을 수 있어서, 반사율 및 투과율이 전자기 스펙트럼의 가시 광 영역에서 비교적 "평평할" 수 있어서, 광의 색상 중립 반사 및 투과를 초래할 수 있다는 이점을 제공한다. 또한, 임의의 금속 층 없이(즉, 단지 유전체 재료 층) 다층 코팅을 사용하는 것이 낮은 흡수, 전형적으로 약 5% 미만을 제공할 수 있다는 것이 주목된다. 단지 유전체 다층 코팅(층 두께를 변화시킴으로써)에서 원하는 반사율을 달성하는 데 필요한 층들의 수는 일반적으로 코팅의 평탄도를 보존하지 않으며, 이는 색상 의존 반사 및 투과를 초래할 수 있다.

도 13은 4개의 예시적인 AOI(35°, 42°, 49° 및 55°)에서 6개의 영역(97a, 97b, 97c, 97d, 97e, 97f)에 걸친 예시적인 다층 코팅에 대한 반사율 그래프를 도시한다. 더 높은 AOI, 예를 들어 55°로 부분 반사 표면(96)에 입사하는 광은 더 낮은 AOI로 부분 반사 표면(96)에 입사하는 광보다 더 빨리 광 도파관(10)를 빠져 나간다. 따라서, 영역(97a)은 더 낮은 AOI에 대해 고 반사율(저 투과율)을 갖고, 더 높은 AOI(예를 들어, 55°)에 대해 저 반사율(고 투과율)을 갖도록 디자인된다. 더 높은 AOI들의 투과율은 영역들(97b 및 97c)에서 점진적으로 감소하고, 더 높은 AOI들에서의 광이 영역들(97d, 97e 및 97f)에서 실질적으로 투과되지(즉, 실질적으로 완전히 반사됨) 않도록 한다. 다음으로 가장 높은 AOI(예를 들어, 49°)에서의 광의 투과는 투과율이 가장 높은 영역(97b)에서 시작되고, 그런 다음 영역(97c 및 97d)에서 점진적으로 감소하며, 그러한 AOI에서의 광은 영역(97e 및 97f)에서 실질적으로 투과되지(즉, 실질적으로 완전히 반사됨) 않도록 되어 있다. 다음으로 가장 높은 AOI - 또는 두 번째로 가장 낮은 AOI -(예를 들어, 42°)에서의 광의 투과는 투과율이 가장 높은 영역(97c)에서 시작하고, 그런 다음 영역(97d 및 97e)에서 점진적으로 감소하며, 이러한 AOI에서의 광이 영역(97f)에서 실질적으로 투과되지(즉, 실질적으로 완전히 반사됨) 않도록 한다. 최저 AOI(예를 들어, 35°)에서의 광의 투과는 투과율이 가장 높은 영역(97d)에서만 시작되고, 이어서 투과율이 가장 낮지만 영역(97f)에서는 여전히 0이 아닌 영역(97e 및 97f)에서 점차 감소한다.

다른 실시예에서, 부분 반사 표면(96)은 겉면(12b)을 유전체 코팅으로 코팅함으로써 형성된다. 유전체 코팅들은 제1 편광 방향으로 편광된 입사광(예를 들어, p-편광된 광)에 대해 낮은 반사율을 갖고, 제1 편광 방향에 직교하는 제2 편광 방향으로 편광된 입사광(예를 들어, s-편광된 광)에 대해 높은 반사율을 갖는다. 제2 편광 방향의 초기 편광(예를 들어, s-편광된 광)으로 광 도파관(10) 내에 커플링되는 광이 4중 내부 반사에 의해 광 도파관을 통해 전진할 때, 4중 내부 반사는 부분 반사 표면(96)에 관하여 전파하는 광의 편광 방향을 보존하여 s-편광된 광이 부분 반사 표면(96)에서 도파관(10) 내로 투과되게 한다. 특정 편광 방식에 따른 코팅의 디자인은 본 발명의 제2 양태에 따른 제2 세트의 실시예(도 15a 내지 도 22)의 맥락 내에서 상세히 나중에 논의될 것이며, 이는 본 개시의 후속 섹션에서 설명될 것이다.

이미지가 광 도파관(20)의 개구를 충진하기 위해, 이미지 및 그의 컨주게이트 둘 모두가 도파관(20) 내에 존재해야 한다는 것(즉, 이미지들(64a 및 64b) 모두)이 일반적으로 주목된다. 하단 도파관(20)의 개구 충진을 달성하기 위한 한 가지 방법은 이미지 및 그의 컨쥬게이트(즉, 4개의 컨쥬게이트 빔 벡터(beam vector)(62a, 62b, 62c, 62d))가 도파관(10)을 통해 전파하게 하는 것과, 이미지 및 그의 컨쥬게이트(예를 들어, 62a 및 62b) 둘 모두가 하단 도파관(20)에 커플링되는 것을 갖는 것이다. 그러나, 겉면(12a, 12b, 14a, 14b)의 각도 배향이 겉면(12a, 12b)이 평행하지 않고/않거나 겉면(14a, 14b)이 평행하지 않고/않거나 겉면(12a, 12b) 중 하나 또는 둘 모두가 겉면(14a, 14b) 중 하나 또는 둘 모두에 수직하지 않도록 되면, 이미지 및 컨쥬게이트 이미지는 비수직 표면으로부터 반사될 때 반대 방향으로 각도 시프트된다. 수직이 아닌 표면으로부터의 여러 반사들 후에, 각도 시프트들이 축적된다. 따라서, 평행도(parallelism) 또는 수직도(perpendicularity)의 편차를 야기하는 약간의 제조 에러도 이미지와 컨쥬게이트 이미지 사이에 상당한 각도 차이를 도입할 수 있으며, 이는 고스트 이미지(ghost image) 및/또는 감소된 광학 해상도를 야기할 수 있다. 그 결과, 평행도 및 수직도에 대한 제조 공차는 극히 엄격하다.

도 14는 도파관(10)으로부터 커플링-아웃된 이미지들 중 단지 하나의 이미지(이미지 및 그의 컨쥬게이트 둘 모두라기 보다는)가 도파관(20) 내에 함유되어 가이드되도록 하기 위해 도파관(20) 내로 커플링되도록 광 도파관(20)에 대해 광 도파관(10)을 기울임으로써 개구 충진에 대한 엄격한 제조 공차를 개선하는 실시예를 도시한다. 도 14에 예시된 비제한적인 구현예에서, 도파관(20)에 대한 도파관(10)의 요구되는 경사각은 겉면(22a)에 대해 α만큼 경사진 제2 도파관 커플링 표면(면(24a))의 각도 α와 정합한다. 즉, 도파관(10)은 경사져서 겉면(12b)은 겉면(22a)에 대해 비스듬하게(각도 α만큼) 경사진다. 이러한 경사는 도파관(10)으로부터의 하나의 이미지(예를 들어, 62a)를 커플링하고 도파관(10)으로부터의 다른 이미지를 커플링하지 않도록 선택되어, 커플링된 이미지의 광선들이 겉면(22a)에서 반사된 다음 겉면(22b)에서 반사되어, 컨쥬게이트 이미지 쌍(64a, 64b)을 생성하고 하단 도파관(20)의 개구를 충진한다. 바람직한 실시예들에서, 겉면들(98a, 98b)을 갖는 광 투과 광학 엘리먼트로서 형성된 중간 윈도우(intermediate window)(98)가 도파관들(10, 20) 사이에 배치되어 도파관들(10, 20) 사이에 광 커플링을 제공하고 고스트 이미지들(겉면(24a)에서의 원치않는 반사들로부터의 결과)을 방지한다. 중간 윈도우(98)는 도파관(20)의 입력 개구를 넘어 돌출하도록 배치된다. 예시된 실시예에서, 이러한 배치는, 겉면(98a)이 겉면(12b)에 평행하고 겉면(12b)의 전체를 넘어 연장되도록 하고, 겉면(98b)이 겉면(24a)에 평행하고 바람직하게는 또한 겉면(12b)의 전체를 넘어 연장되도록(그리고 겉면(24a)의 전체를 가로질러, 전체에 가깝게, 또는 전체를 넘어 연장된다) 한다. 특정 실시예들에서, 중간 윈도우(98)는 굴절층일 수 있다. 도파관(10)으로부터 밖으로 커플링되는 이미지 광의 일부는 중간 윈도우(98)를 통과하고 도파관(20) 내로 커플링되는 반면, 도파관(10)으로부터 밖으로 커플링되는 이미지 광의 일부는 중간 윈도우(98)를 통과하지만 도파관(20) 내로 커플링되지 않는다. 특히, 중간 윈도우(98)를 통과하여 도파관(20)으로 진입하고 겉면(22a)에서 반사되고 그런 다음 겉면(22b)에서 반사되는 빔(실선 화살표)은 겉면들(22a, 22b)에서의 (전체) 내부 반사에 의해 도파관(20)을 통해 가이드되도록 도파관(20) 내로 커플링된다. 그러나, 중간 윈도우(98)를 통과하여 도파관(20)에 진입하지만 겉면(22a)에서 중간 윈도우(98)를 향해 다시 반사하는 빔(점선 화살표)은 도파관(20) 내로 커플링되지 않는다. 대신에, 중간 윈도우(98)를 향해 다시 반사되는 이들 빔들은 경사진(기울어진) 표면(24a) 및 겉면(98b)을 통해 중간 윈도우(98)로 재진입하고, 중간 윈도우(98)의 에지 또는 측면 표면을 통해 커플링되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서, 광 흡수체(light absorber)(도시되지 않음)가 투명 윈도우(98)의 커플링-아웃 에지/표면에 배치되어 외부 광을 흡수할 수 있다. 특정 실시예들에서, 광 흡수체는 중간 윈도우(98)의 커플링-아웃 에지/표면을 광 흡수 재료로 코팅함으로써 달성될 수 있다. 겉면들(98a, 98b)이 겉면들(12b, 24a)에 평행하고 도파관(20)의 입력 개구를 넘어 돌출하는 한, 중간 윈도우(98)는 임의의 적합한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 구현에서, 중간 윈도우(98)는 중간 웨지(intermediate wedge)의 형태를 취할 수 있으며, 이는 또한 도파관(20)에 대해 요구되는 경사각으로 도파관(10)을 장착하는 데 사용될 수 있다.

유사한 효과가 2개의 도파관(10, 20) 사이의 계면에서 겉면(22a, 22b)에 평행한 적어도 하나의 부분 반사 표면을 도입함으로써 생성될 수 있다(도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 유사하고, PCT 특허 공개 WO2021001841A1에 설명된 바와 유사함). 이미지들 중 하나만이 도파관(20) 내로 도입되는 이러한 커플링-인(coupling-in) 방법을 채용하는 것은, 상당히 더 높은 광학 효율을 갖는 더 작은 커플링-인 개구를 요구한다. FOV에 의한 개구 크기의 상대적 감소 및 효율 스케일의 상대적 개선은 전형적으로 대각선을 따라 약 50° 내지 60°의 FOV에 대해 ~2의 인자에 도달할 수 있다.

도 1a - 14를 계속 참조하면, 이제 본 발명의 제2 양태의 실시예에 따른 광 개구를 도시하는 도 15a 및 15b를 참조한다. 도 15a 및 도 15b에 도시된 실시예의 광 개구 증배기는 도 9a - 도 14를 참조하여 이전에 설명된 광 개구 증배기와 유사하며, 몇 가지 주목할 만한 차이점이 있다.

첫째로, 도 15a 및 도 15b의 광 개구 증배기는 측면 조명을 통해 광 도파관(10) 내로 시준된 이미지(60)를 도입하는 커플링 프리즘(100)과 동작하도록 구성된다. 전술된 광 커플링-인 구성(80)과 유사하게, 커플링 프리즘(100)은 도파관(10)으로의 진입시에 입력 이미지를 트리밍하도록 구성된다. 커플링 프리즘(100)은 도 15a에 단지 개괄적으로 도시되어 있지만, 이미지 주입 및 트리밍을 제공하는 다양한 형태를 취할 수 있다. 이러한 커플링 프리즘의 구조 및 동작의 세부 사항은, 공동 소유의 미국 특허 제10,133,070호를 포함한, 루머스 리미티드(Lumus Ltd)(이스라엘)에 의한 다양한 간행물에서 찾을 수 있고, 이는 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.

또 다른 주목할 만한 차이점은 본 실시예의 광 개구 증배기가 상단 겉면(12a)에 위치된 보호층(37)을 가진다는 것이며, 이는 광 도파관(10)의 상단 측면에 기계적 보호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 보호층(37)은 이미지 품질의 저하를 초래하는 원하지 않는 방향으로 반사를 도입할 수 있는 스크래치 또는 마모에 대해 도파관(10)의 상단 측면(12a)을 보호할 수 있다. 또한, 겉면(12a) 및 부분 반사 표면(96)의 반사율은 외부 장면으로부터 눈으로의 원하지 않는 반사들을 야기할 수 있다. 따라서, 반사율을 감소시키기 위해, 불투명한 커버 부재(38)(도 15b)가 바람직하게는 도파관(10)의 겉면(14a, 14b) 및 보호층(37)을 커버하도록 배치된다. 예시된 바와 같이, 커버(38)는 역전된 U-형상을 갖고, 보호 층(37)(및 따라서 겉면(12a))을 커버하는 상단 부분(38c) 및 겉면들(14a, 14b)을 각각 커버하는 한 쌍의 레그(leg)들(38a, 38b)을 포함한다. 레그들(38a, 38b)의 단부들에서의 커버(38)의 부분들은 또한 제2 도파관(20)의 겉면들(22a, 22b)의 상단 부분들을 커버할 수 있다. 반사 코팅 또는 저 굴절률 재료의 층과 같은 재료(41)가 레그들(38a, 38b)의 부분들과 도파관들(10, 20)의 접촉 부분들 사이에 도포될 수 있다. 재료(41)는 또한 레그(38a, 38b)의 부분과 보호층(37)의 측면 접촉부 사이에 도포될 수 있다. 특정 실시예에서, 저 굴절률 재료(41)는 도파관에 대한 커버(38)의 접착제 본딩을 달성하는데 또한 사용될 수 있는 저 굴절률 광학 시멘트(optical cement)이다.

또 다른 차이점은 제2 광 도파관(20)에 관한 것이며, 이는 예시된 실시예에서는 보다 일반적인 사각형 단면을 형성하는 겉면(24a, 24b, 26a, 26b)을 갖는다. 겉면들(24a 및 26a)은 바람직하게는 서로 직교하고 겉면들(12b 및 16a)에 각각 평행하며, 겉면(24a)은 (겉면(12b)과 함께) 2개의 도파관들(10, 20) 사이의 계면을 정의한다. 겉면(24b, 26b)은 서로 직교할 수 있거나, 경사각(oblique angle)이지만 여전히 90°에 가까울 수 있고, 각각의 겉면(26a, 24a)과 둔각 및 예각을 각각 형성할 수 있다. 광 개구 증배기는 출력 이미지(66)의 배향 (패싯(28)에 의해 커플링-아웃)에 대해 대각선인 배향을 가지며, 이는 광 개구 증배기의 콤팩트하고 미학적으로 만족스러운 디자인을 제공할 수 있고, 광 도파관(10)이 눈에 대해 대각선으로 배향되고 도파관(10)의 원위 단부(도파관(10)의 근위 단부에 대향함)가 눈 위 또는 아래에 배치되는 다양한 배치 구성을 가능하게 한다. 본 명세서의 맥락에서, 도파관(10)의 근위 단부는 이미지(60)가 도파관(10) 내로 주입(커플링)되는 단부이다. 도 16a 및 도 16b는 좌안(2L) 및 우안(2R)에 대한 예시적인 눈 위 배치 구성(above-eye deployment configuration)을 도시하며, 여기서 각각의 눈(2L, 2R)은 그 자신의 광 개구 증배기(1LA, 1RA)를 갖는다. 도 17a 및 도 17b는 좌안(2L) 및 우안(2R)에 대한 예시적인 눈 아래 배치 구성(below-eye deployment configuration)들을 도시하며, 여기서 각각의 눈(2L, 2R)은 그 자신의 광 개구 증배기(1LB, 1RB)를 갖는다. 각각의 광 개구 증배기(1RA, 1LA, 1RB, 1LB)는 도 15a 및 도 15b에 예시된 광 개구 증배기에 따라 구성되고 동작하며, 관련 눈에 커플링-아웃 이미지(예를 들어, 도 15b에서 이미지(66))를 제공한다. 또한, 도 16b의 우측 눈 위 광 개구 증배기(1RA)는 도 15a에 도시된 광 개구 증배기이고, 도 16a의 좌측 눈 위 광 개구 증배기(1LA)는 y-축을 중심으로 광 개구 증배기(1RA)를 미러링함으로써 달성될 수 있다는 것에 유의한다. 도 17a 및 도 17b의 좌측 및 우측 눈 아래 광 개구 증배기(1LB, 1RB)는 유사하게 3개의 축 중 하나 이상에 대한 광 개구 증배기(1RA 및 1LA)의 적절한 미러링에 의해 달성될 수 있다. 도 17a 및 도 17b의 눈 아래 배치 구성에서, 도파관(10)의 원위 단부는 눈 아래에 포지셔닝되지만, 도파관(10)의 중간 부분 및 근위 단부는 눈 레벨 또는 그 위에 포지셔닝된다는 것에 유의한다. 그러나, 특정한 비-제한적인 구현예들에서, 도파관들(10, 20) 중 하나 또는 둘 모두의 기하학적 구조는 직사각형 도파관(10) 전체가 사용자의 눈 아래에 배치되도록 수정될 수 있다.

도 18a 및 도 18b는 도 15a 및 도 15b에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시하며, 회절 엘리먼트는 광을 광 도파관(10) 내로 그리고 광 도파관(20) 밖으로 커플링하기 위해 사용된다. 특히, 겉면들(14b) 중 하나와 연관하여 배치된 회절 엘리먼트(예를 들어, 회절 격자) 형태의 광 커플링-인 구성(110)이 광 도파관(10) 내로 이미지(60)를 커플링하기 위해 사용된다. 커플링-인 회절 엘리먼트는 광 개구 증배기의 후면에서의 광 이미지 생성기의 바람직한 배치를 수용하기 위해, 겉면(14b)과 연관되어 배치되는 것으로 도시된다.

커플링-아웃 회절 광학 엘리먼트(29), 예를 들어, 회절 격자는 겉면들(22a) 중 하나와 연관되어 배치되고, 광(64a, 64b)을 광 도파관(20) 밖으로 그리고 눈(2)을 향해 커플링한다. 회절 엘리먼트가 겉면(22a)과 연관되는 것으로서 도시되지만, 회절 엘리먼트는 또한 겉면(22b)과 연관되어 배치될 수 있다. 또한, 단일 회절 엘리먼트(29)가 도 18a 및 도 18b에 도시되어 있지만, 각각이 겉면(22a) 또는 겉면(22b)의 각각의 부분(또는 겉면(22a, 22b)의 각각의 비중첩 부분)과 연관되는 다수의 회절 엘리먼트가 이용될 수 있다.

광 도파관(10)의 광 커플링-아웃 구성이 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명된 실시예들에서와 같이 비스듬한 패싯들(18)의 세트로서 구현되는 실시예들에서, 광 도파관(20)의 패싯들(28)은 겉면(24a)에 대해 틸트 각도(tilt angle)을 갖거나 갖지 않고(즉, 겉면(24a)에 대해 비스듬하거나, 또는 겉면(24a)에 평행하고 겉면(26a)에 수직임) 여전히 전체 FOV 이미지를 커플링-아웃할 수 있다는 것에 유의한다. 이것은 부분적으로 한 쌍의 컨쥬게이트 이미지들(예를 들어, 이미지들(62a 및 62b))이 패싯들(18)에 의해 광 도파관(20) 내로 편향된다는 사실에 기인한다. 그러나, 광 도파관(10)의 광 커플링-아웃 구성이 겉면(12b)과 연관되고 겉면에 평행한 부분 반사 표면(96)으로서 구현되는 실시예들에서(예를 들어, 도 9a 내지 도 12 및 도 14에서와 같이), 하향 진행하는(downgoing) 빔 벡터(예를 들어, 이미지(62d))만이 광 도파관(20)으로 커플링된다. 따라서, 이미지 FOV를 가능한 한 크게 유지하기 위해, 패싯들(28)은 겉면(24a)(또는 24a)에 대해 틸트 각도를 가져야 한다. 특정 경우에, 패싯(28)의 틸트 각도는 광 개구 증배기의 크기 및 폼팩터(formfactor)의 증가를 초래할 수 있고, 따라서 광 개구 증배기의 크기를 감소시키기 위해 부분 반사 표면(96)으로 구현되는 커플링-아웃 구성과 연관된 광 도파관(10)과 조합하여 얇은 슬랩형 도파관 내에 배치된 틸트 각도 없는 패싯(28)을 채용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 19a 및 도 19b는 틸트 각도 없는 패싯들(28)을 갖는 제2 광 도파관(20)과 광학적으로 커플링되는 (비스듬한 패싯들 대신에) 부분 반사 표면(96)을 갖는 직사각형 도파관(10)을 갖는 광 개구의 실시예를 도시한다. 전술한 광 커플링 구성(100)이 또한 여기에 도시되어 있으며, 이는 이미지(60)를 광 도파관(10)에 커플링한다.

예시된 실시예에서, 광 도파관(20)은 한 쌍의 평행한 겉면들(22a, 22b) 및 두 개의 추가적인 쌍의 겉면들(24a, 24b, 26a, 26b)을 갖는 얇은 슬랩형 도파관이며, 이들은 평행한 겉면들의 쌍들로서 예시된다. 광 재지향 배열(light redirecting arrangement)(120)은 광 도파관(20)의 제1 영역(121)과 연관되고, 광 도파관(20)의 제2 영역(122)에 위치된 패싯들(28)을 향해 광 도파관(20)에 커플링된 광을 재지향(편향)하도록 기능한다.

제1 영역(121)은 겉면(26a, 26b) 사이의 광 도파관(20)의 전체 길이에 걸쳐 있는 것이 바람직하고, 겉면(24a)으로부터 겉면(24b)을 향하는 방향으로 측정된 광 도파관(20)의 상단 부분, 전형적으로 광 도파관(20)의 상단 10% 내지 25%를 점유한다(본 명세서에서 "y" 방향에 대응하는 것으로서 임의로 예시됨). 제2 영역(122)은 또한 바람직하게는 겉면(26a, 26b) 사이의 광 도파관(20)의 전체 길이에 걸쳐 있다. 2개의 영역(121, 122)은 비중첩 영역일 수 있어서, 제2 영역(122)은 제1 영역(121)에 의해 점유되지 않는 광 도파관(20)의 하단 부분을 점유한다. 그러나, 특정 실시예에서, 2개의 영역(121, 122)은 (y 방향을 따라) 부분적으로 중첩될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 광 재지향 배열(120)은 겉면(26a, 26b) 사이의 광 도파관(20)의 길이의 대부분 또는 전부에 걸쳐 있다. 특정 실시예에서, 광 재지향 배열(120)은 겉면(26a, 26b) 사이의 광 도파관(20)의 길이를 적어도 부분적으로 가로지르고(즉, 임의로 라벨링된 xyz 좌표계에서 x-축을 따라), 겉면(12b, 24a)에 대해 비스듬히(바람직하게는 가파른, 예각으로) 경사지는 상호 평행한 부분 반사 표면(패싯들)의 세트로서 구현된다. 다른 실시예들에서, 광 재지향 배열은 광 도파관(20)의 겉면들(22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b) 중 하나 이상과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들로서 구현될 수 있다.

광 재지향 배열(120)이 한 세트의 패싯(120)으로서 구현되는 실시예에서, 패싯(120)은 패싯(28)(겉면(22a, 22b)에 비스듬히 경사짐)의 배향에 평행하지 않은 제1 배향을 갖는다. 예시된 실시예에서, 두 세트의 패싯(120, 28)은 중첩되지 않지만, 하나 이상의 패싯(28)이 겉면(22a, 22b)(도면에서는 xy 평면임)의 평면 상으로의 투영에서 패싯(120)과 중첩되는 다른 실시예가 가능하다.

광 재지향 배열(120) 및 패싯들(28)의 구성은, 부분 반사 표면(96)이 광 도파관(10)을 통해 전파되는 이미지를 광 도파관(20) 내로 4중의 내부 반사(이미지들(62a, 62, 62c, 62d))에 의해 커플링할 때, 커플링-인 이미지는 제1 가이드 방향으로 겉면들(22a, 22b)에서 내부 반사(이미지들(63a, 63b))에 의해 광 도파관(20)의 제1 영역(121) 내에서 전파되고, 이미지의 세기의 일부는 제2 가이드 방향으로 광 도파관(20)의 제2 영역(122) 내로 재지향되도록 하기 위해 광 재지향 배열(120)에서 반사되고, 그런 다음 겉면들(22a, 22b)에서 내부 반사(이미지들(64a, 64b)에 의해 광 도파관(20)의 제2 영역(122) 내로 전파하고, 이미지 세기의 일부는 관찰자의 눈(2)에 의해 보이는 가시 이미지(66)로서 평행한 겉면(22a) 중 하나로부터 외향으로 지향되도록 하기 위해 부분 반사 표면(28)에서 반사된다(편향된다). 제1 가이드 방향은 전체적으로 도파관(10)의 신장 방향에 대해 대각선(즉, 겉면들(12b, 24a)에 대해 대각선)이다. 제2 가이드 방향은 제1 가이드 방향과 상이하고, 바람직하게는 도파관(10)(및 겉면(12b, 24a))의 신장 방향에 수직이거나 수직에 가깝고, 바람직하게는 겉면(26a, 26b)에 평행하거나 거의 평행하다.

도 20a 및 도 20b는 도 18a 및 도 18b를 참조하여 설명된 바와 유사하게, 광 도파관(10)내로 광을 커플링하고 광 도파관(20) 밖으로 광을 커플링하기 위해 회절 엘리먼트가 사용되는 것을 제외하고, 도 19a 및 도 19b에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시한다. 특히, 겉면들(14b) 중 하나에 배치된 회절 엘리먼트(예를 들어, 회절 격자)의 형태로 광 커플링-인 구성(110)은 광 도파관(10) 내로 이미지(60)를 커플링하는데 사용된다. 커플링-인 회절 엘리먼트는, 광 개구 증배기의 후면에서의 광 이미지 생성기의 바람직한 배치를 수용하기 위해, 겉면(14b)과 연관되어 배치되는 것으로 도시된다.

커플링-아웃 회절 광학 엘리먼트(29), 예를 들어, 회절 격자가 제2 영역(122)에 있는 겉면들 중 하나의 겉면(22a)의 일부와 연관되어 배치되고, 광(64a, 64b)을 광 도파관(20) 밖으로 그리고 눈(2)을 향해 커플링한다. 회절 엘리먼트가 겉면(22a)과 연관되는 것으로서 도시되지만, 회절 엘리먼트는 또한 제2 영역(122)에 있는 겉면(22b)의 일부와 연관되어 배치될 수 있다. 또한, 단일 회절 엘리먼트(29)가 도 20a 및 도 20b에 도시되어 있지만, 다수의 회절 엘리먼트들이 이용될 수 있고, 이들 각각은 제2 영역(122)에 있는 겉면(22a) 또는 겉면(22b)의 각각의 부분(또는 겉면들(22a, 22b)의 개개의 비중첩 부분들)과 연관된다.

개시된 모든 실시예에서, 광 빔(60)은 광 이미지 생성기에 의해 생성되는 시준된 이미지로부터의 광에 대응한다. 첨부 도면에는 도시되지 않았지만, 광 이미지 생성기(또한 "이미지 프로젝터"라고도 함)는 일반적으로 적어도 하나의 광원, 전형적으로 LCoS(liquid crystal on silicon) 칩과 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 조명하도록 배치된 편광 소스를 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각각의 픽셀의 투영된 세기를 변조하여, 이미지를 생성한다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 전형적으로 고속 스캐닝 미러(fast-scanning mirror)를 사용하여 구현되는 스캐닝 장치(scanning arrangement)를 포함할 수 있으며, 이 스캐닝 장치는 빔의 세기가 스캐닝 모션과 동기하여 픽셀 단위로 변하는 동안 레이저 광원으로부터의 조명을 프로젝터의 이미지 평면에 걸쳐 스캐닝하여, 각각의 픽셀에 대해 원하는 세기를 투영시킨다. 양쪽 경우들에서, 무한대로 시준되는 출력 투영된 이미지(즉, 이미지 광(60))를 생성하기 위해 시준 광학 기기들이 제공된다. 이미지 프로젝터의 컴포넌트들 중 일부 또는 전부는, 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 전형적으로 하나 이상의 편광 빔 분할기(PBS) 큐브 또는 다른 프리즘 장치의 표면 상에 배열된다. 따라서, 이미지 프로젝터에 의해 생성된 시준된 광(60)은 전형적으로 편광될 수 있고, 광 도파관(10)으로의 주입시 도파관(10)의 겉면들 중 하나에 대해 초기 편광을 가질 수 있다. 광 이미지 생성기는 예를 들어, 미국 특허 번호 제8,643,948호, 미국 특허 출원 공개 번호 제2019/0391408호, 및 미국 특허 출원 공개 번호 제2021/0072553호를 포함하는 Lumus Ltd(이스라엘)에 의한 다양한 간행물에 설명되어 있다.

광이 도파관(10) 내에 배치된 경사진 패싯들 대신에 겉면(12b)과 연관된 부분 반사 표면(예를 들어, 표면(96))에 의해 광 도파관(20) 내로 커플링되는 특정 실시예들에서 광 개구 증배기에 의해 채용되는 편광 기법은 특히 적절하며, 주입된 광이 이미지 품질의 저하 없이 2D 및 1D 도파관 둘 모두를 통과하여 전파하는 것을 보장하도록 디자인되어야 한다.

부분 반사 표면(96)이 금속 층을 갖는 다층 코팅을 사용하여 형성되는 실시예들에서, 도파관(10) 내로 주입되는 이미지 광(60)의 편광의 관점에서 일부 유연성이 있다. 특히, 부분 반사 표면(96)에 의해 커플링되는 동작 입사각들의 범위에서, 금속 코팅들은 일반적으로 p-편광 광에 대해 적합한 부분 반사율(및 따라서 부분 투과율)을 제공하고, s-편광 광에 대해 고 반사율을 제공한다. 따라서, 부분 반사 표면(96)(금속층을 사용하여 형성될 때)은 도파관(10) 밖으로 광을 전파하는 p-편광 성분들을 효율적으로 커플링시키고 도파관(10) 내에 s-편광 성분들을 보존할 수 있다. 따라서, 도파관(10)에 주입될 광 빔(60)을 생성하기 위해 임의의 적절한 편광 기법이 사용될 수 있다.

일 예에서, 광 빔(60)은 겉면(12b)(즉, 표면(96))에 대해 편광되지 않고(따라서 s-편광 및 p-편광 성분을 가짐), p-편광 성분의 세기의 일부가 도파관(10)의 밖으로 부분 반사 표면(96)에 의해 투과되고, s-편광 성분이 표면(96)에 의해 반사된다. 특정 비제한적인 실시예들에서, 광 이미지 생성기는 광원들의 특정한 구성을 채용함으로써 비편광된 빔으로서 광 빔(60)을 출력한다. 특히, 광 이미지 생성기는 직교 편광된 레이저 소스들을 조합하여 편광되지 않은 이미지 빔을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 광 이미지 생성기는 편광된 이미지 빔을 출력하지만, 예를 들어, 광 커플링-인 구성 전에 또는 광 커플링-인 구성의 출력에서, 편광 소멸기(depolarizer)가 광 이미지 생성기와 도파관(10)의 입력 개구 사이의 광학 경로에 배치된다. 편광 소멸기 배치 구성의 예는 미국 특허 제10,133,070호에 상세히 설명되어 있다.

다른 예에서, 광 빔(60)은, 예를 들어, 광 이미지 생성기의 출력(또는 광 커플링-인 구성에 대한 입력)에, 또는 대안적으로 광 커플링-인 구성의 출력에 선형 편광 필터 및 사분 파장판(quarter-waveplate)을 배치함으로써, 겉면(12b)에 대해 원형으로 편광될 수 있다.

또 다른 예에서, 광 빔(60)은 겉면(12b)에 대해 p-편광될 수 있다. 이는 p-편광을 출력하는 광 이미지 생성기를 채용함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 전형적인 구성들에서, 광 이미지 생성기는 s-편광된 광을 출력하고, 따라서 파장판은 s-편광으로부터 p-편광으로 출력 광의 편광을 회전시키기 위해 광 이미지 생성기의 출력(또는 광 커플링-인 구성에 대한 입력)에, 또는 대안적으로 광 커플링-인 구성의 출력에 배치될 수 있다.

부분 반사 표면(96)이 하나 이상의 유전체 코팅 층을 사용하여 형성되는 실시예에서, 겉면(12b)(부분 반사 표면(96))에 대한 주입된 빔(60)의 편광 방향의 관리는 합리적인 광 효율을 달성하기 위해 중요하다. 그러한 실시예들에서, 광 이미지 생성기는 겉면(12b)에 대해 s-편광된 편광 이미지 조명을 생성하도록 구성된다. 미국 특허 제8,643,948호에 설명된 광 이미지 생성기는 s-편광된 이미지 광을 생성하는 광 이미지 생성기의 일례이다.

특정 실시예들에서, 패싯들(28)이 1D 도파관 밖으로 전파하는 광을 충분히 반사시키는 것을 보장하기 위해 패싯들(28)의 반사율을 수용하기 위해, (반파장판(halfwave plate)과 같은) 파장판이 2개의 도파관들(10 및 20) 사이의 계면에 배치될 수 있다. 도 15a 및 도 15b를 다시 참조하면, 광 도파관(20) 내로 커플링될 광의 편광 상태를 회전시키기 위한 파장판(130)은 옵션으로 도파관들(10, 20) 사이의 계면에서 그리고 부분 반사 표면(96)과 연관되어 배치된다. 특히, 파장판(waveplate)(130)은 도파관(20)의 상단 표면(24a)과 부분 반사 표면(96) 사이의 계면(40)에 위치된다. 파장판(130)은 부분 반사 표면(96)이 유전체 코팅을 사용하여 형성되는(그리고 주입된 빔(60)이 겉면(12b)에 대해 s-편광되는) 실시예와 조합하여 사용될 때 특별한 값을 갖는다. 그러한 실시예들에서, 표면(96)에 의해 도파관(10) 밖으로 커플링된 조명은 표면(96)/겉면(12b)에 대해 s-편광된다. 그러나, 패싯들(28)은 전형적으로 겉면(12b)에 직교하는 겉면들(22a, 22b)에 관하여 s-편광된 광에 대한 디자인된 반사율을 갖는 광학 코팅들을 사용하여 형성된다. 따라서, 도파관(10)으로부터 밖으로 커플링되는 광의 편광 방향은 겉면(22a, 22b)에 대해 p-편광된다. 도파관들(10, 20) 사이에 파장판(130)을 배치함으로써, 파장판(130)은 겉면(22a, 22b)에 대해 s-편광되도록 커플링-아웃된 광의 편광 방향을 회전시키며, 이는 겉면들(28)에 의해 커플링-아웃된 광의 효율을 증가시킨다.

명백한 바와 같이, 파장판(130)은 도 18a-20b에 도시된 실시예에서 도파관(20)의 상단 겉면(24a)과 부분 반사 표면(96) 사이에 유사한 위치에 배치될 수 있다.

이하의 단락들은 도 21 및 도 22를 참조하여, 부분 반사 표면(96)을 형성하는 데 사용될 수 있는 유전체 코팅의 디자인 양태들 중 일부를 설명한다. 처음에, 코팅은 도파관(20)의 원단부(far end)에서 전파되는 빔의 최대 파워(세기)를 달성하면서 동시에 도파관(20)의 근단부(near end)에서 반사된 빔에 대해 동일한 파워(세기)를 달성하도록 최적으로 디자인되어야 한다. 도파관(20)의 "원단부(far end)"는 일반적으로 겉면(24b)에 가까운 겉면(26a)의 영역이고, 도파관(20)의 "근단부(near end)"는 일반적으로 겉면(26b)에 가까운 겉면(24b)의 영역이다. 도 21에서, 도파관(20)의 원단부에서 전파하는 빔은 실선 화살표로서 도시되어 있고, 광 커플링-인 구성(100)에 대한 입력에서 제1 도파관(10)을 통해 광선(60F)으로 다시 추적될 수 있다. 도파관(20)의 근단부에서 전파하는 빔은 점선 화살표로 도시되고, 광 커플링-인 구성(100)에 대한 입력에서 광선(60N)으로 다시 추적될 수 있다.

일 예로서, 원단부에서의 빔이 원하는 각도로 도파관(20)을 빠져나가도록 코팅에 의해 제공되는 반사율이 R로 표시되고, 도파관(10) 내의 반사들의 수가 N으로 표시되고, 2개의 반사들 사이의 투과율이 T로 표시되는 경우, 도파관(20)의 원단측(far side)에서 주입된 빔(60F)에 대응하는 빔의 파워 출력은 다음과 같이 표현될 수 있다:

명백한 바와 같이, 파워 P는 다변수 함수(multivariable function)이고, 예를 들어, T 및 N을 고정한 다음, P를 최대화하고 P를 최대화하는 R의 값을 식별하는 것을 포함하는 다양한 방식들로 최대화될 수 있다. 예를 들어, 이면 이면, P는 일 때 대략 0.0367의 의 최대값을 달성한다. 일반적으로, 도파관(10)의 입구에서 60N에 대응하는 광에 대한 코팅의 반사율은 일 것이며, 이는 인 본 예에서 대략 0.9633(96.33%)의 반사율을 산출한다.

도 22는 AOI의 함수로서 s-편광된 광 및 p-편광된 광의 반사율의 그래프를 예시한다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 그리고 본 예시에서 계속하여, s-편광된 광은 (브루스터 각도(Brewster's angle)에 가깝게 급격하게 들어가는 p-편광된 광의 반사율에 대조적으로) 대략 96.33%의 원하는 반사율을 달성한다. 따라서, 인 특정 예제에 대하여, 겉면(12b)에 대해 s-편광된 빔을 주입하는 것은 최적이고 균일한 조명을 달성할 것이다. 이러한 편광 기법에서, 상기의 예시 반사율을 사용하여, s-편광된 빔(60F)에 대한 부분 반사 표면(96)의 반사율은 대략 88%일 것이고, s-편광된 빔(60N)에 대한 부분 반사 표면(96)의 반사율은 대략 96.33%일 것이다.

지금까지 제2 양태에 따른 실시예들이 겉면들(12b, 24a)에서 광학적으로 커플링되는 도파관들(10, 20)의 맥락 내에서 설명되었지만, 광 커플링이 겉면(12b)과 평행한 겉면들(22a, 22b) 중 하나의 일부 사이에 있도록 광 도파관(10)이 배치되는 다른 실시예들이 가능하다. 이러한 실시예들에서, 겉면(22a)(또는 22b)은 도파관(20)에 대한 입력 커플링 표면으로서 작용한다. 이러한 실시예의 단순화된 등각 표현은 도 23에 예시되며, 이는 겉면들(12b, 22a)에서 함께 커플링된 도파관들(10, 20)을 도시한다. 중간 굴절층(99)은 겉면(12b, 22a) 사이에 배치되고, 겉면(22a)을 통해 도파관(20) 내로 커플링되기 전에 도파관(10)으로부터 밖으로 커플링된 이미지가 통과한다. 도파관(10) 내로 도입되는 빔은 굴절층(99)과의 계면에 의해 반사되어야 하고, 도파관(10)을 통해 내부 반사에 의해 전파되는 광 빔은 굴절층(99)을 통해 겉면(22a)을 거쳐 도파관(20) 내로 (패싯(18)들 또는 부분 반사 표면(96)에 의해) 커플링 아웃되어야 한다. 굴절층에 대한 보다 상세한 내용은 미국 특허 제10,133,070호에서 찾을 수 있다.

이하의 단락들은 본 발명의 실시예들에 따른 광 개구 증배기들, 특히 도 9a-12를 참조하여 설명된 광 개구 증배기들의 일부를 제조하기 위한 다양한 방법들을 설명한다.

도 24a에 도시된 바와 같이, 복수의 LOE들(즉, 제2 광 도파관들)(20)이 획득된다. 각각의 LOE(20)는 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 전술한 바와 같고, 한 쌍의 주 평행 겉면(22a, 22b)(커버 플레이트(39a, 39b) 상에 형성될 수 있음), 및 겉면(22a, 22b)에 대해 비스듬한 복수의 상호 평행한 부분 반사성 내부 표면(패싯(facet))을 갖는다. 그러나, 특정 실시예들에서, 각각의 LOE(20)는, 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 커버 플레이트들 없이 형성될 수 있다는 점에 유의한다. 각각의 LOE(20)는 또한 다른 2개의 쌍의 겉면(24a, 24b, 26a, 26b)(이들 각각은 한 쌍의 평행한 겉면일 수 있거나 아닐 수 있음), 및 겉면(22a, 22b)에 대해 비스듬한 복수의 부분 반사성 내부 표면(패싯)을 포함한다. 명확성을 위해, LOE들의 내부 패싯들은 도 24a-24f에 도시되지 않았지만, LOE들에서의 내부 패싯들의 배치는 이 설명을 수반하는 다른 도면들로부터 잘 이해될 수 있다.

각각의 LOE(20)의 제조에 적합한 기술들은 일반적으로 공지되어 있고, 예를 들어, 도 18-23를 참조하여 설명된 바와 같이, 공동 소유되는 미국 특허 제8,432,614호에서 찾아질 수 있다.

복수의 LOE(20)는 정렬된 다음 스택으로 배열되고, 인접한 LOE의 커버 플레이트(39a, 39b)가 함께 접합되도록 함께 본딩된다. 도 24b는 3쌍의 겉면(222a, 222b, 224a, 224b, 226a, 226b)을 갖는 정렬된 LOE(20)들의 결과적인 본딩된 스택(200)을 도시한다. 겉면들(222a, 222b)은 한 쌍의 평행한 겉면들이고, 다른 두 쌍의 겉면들은 한 쌍의 평행한 겉면들일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 특정 실시예들에서, 본딩된 스택(200)의 3쌍의 겉면들은 상호 직교(수직)한다. LOE들(20)의 정렬은, 모든 LOE들(20)의 겉면들(22a, 22b)이 상호 평행하도록(xy 평면에 평행하게) 된다. 스택의 일 단부에서 LOE의 겉면(22a)은 실제로 겉면(222a)을 형성하고, 스택의 다른 단부에서 LOE의 겉면(22b)은 겉면(222b)을 형성한다. 각각의 쌍의 겉면(224a, 224b 및 226a, 226b)이 한 쌍의 평행한 겉면인 실시예에서, LOE(20)의 정렬은 또한 LOE(20)의 겉면(24a)이 동일 평면(및 xz 평면에 평행)에 있고, LOE(20)의 겉면(24b)이 동일 평면(및 xz 평면에 평행)에 있어서 정렬된 LOE(20)의 겉면(24a 및 24b)이 본딩된 스택(200)의 겉면(224a 및 224b)(xz 평면에 평행)을 각각 형성하고, LOE(20)의 겉면(26a)이 동일 평면(및 yz 평면에 평행)에 있고 LOE(20)의 겉면(26b)이 동일 평면(및 yz 평면에 평행)에 있어서 정렬된 LOE(29)의 겉면(26a 및 26b)은 본딩된 스택(200)의 겉면(226a 및 226b)(yz 평면에 평행)을 각각 형성한다. 겉면들의 쌍들(222a, 222b 및 224a, 224b) 각각이 한 쌍의 평행한 겉면들인 실시예들에서, 겉면들의 쌍들(222a, 222b 및 224a, 224b) 각각은 LOE들(20) 각각의 겉면들(22a, 222b)에 직교(수직)이다(따라서 스택(200)의 겉면들(222a, 222b)에 직교).

도 24c에 도시된 바와 같이, 3쌍의 겉면(312a, 312b, 314a, 314b, 316a, 316b)을 갖는 코팅된 투명 두꺼운 플레이트(300)가 획득된다. 겉면 쌍(312a, 312b 및 314a, 314b) 각각은 한 쌍의 평행한 겉면이고, 두 쌍의 평행한 겉면(312a, 312b, 314a, 314b)은 함께 (yz 평면에서) 직사각형 단면을 형성한다. 한 쌍의 겉면(316a, 316b)은 한 쌍의 평행한 겉면일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 특정 실시예에서, 하단 겉면(312b)은 선택적 반사 코팅(예를 들어, 유전체 층을 갖거나 갖지 않는 금속 코팅)으로 코팅되어, 코팅된 겉면(312b)은 부분 반사 표면이 된다. 다른 실시예들에서, 선택적 반사 코팅으로 코팅된 얇은 플레이트는 겉면(312b)과 정렬되고 그에 본딩된다. 또 다른 실시예에서, 부분 반사성 재료의 박막이 겉면(312b)에 부착된다. 이러한 모든 실시예에서, 코팅 또는 재료는 코팅 또는 재료가 겉면(312b)의 전체 폭을 따라("z" 방향으로) 연장되도록 겉면(312b) 상에 배치된다. 특정 실시예에서, 코팅 또는 재료는 코팅 또는 재료가 겉면(312b)의 전체 길이를 따라("x" 방향으로) 연장되도록 겉면(312b) 상에 배치된다. 이러한 실시예들은 최종 도파관 구조가 측면 조명(예를 들어, 도 15a의 커플링 프리즘(100))을 제공하는 광 커플링-인 구성과 함께 사용될 때 특히 적합하다. 다른 실시예에서, 코팅 또는 재료는 코팅 또는 재료가 겉면(312b)의 길이의 전체가 아니라 대부분을 따라 연장되도록 겉면(312b) 상에 배치된다. 이러한 실시예들은 최종 도파관 구조가 전방/후방 조명을 제공하는 "상향식" 광 커플링-인 구성(예를 들어, 도 3 내지 도 5, 도 7a 및 도 7b의 광 커플링-인 구성들)과 함께 사용될 때 특히 적합하다.

다른 실시예에서, 금속 코팅은 겉면(312a)의 전체 폭을 따라("z" 방향으로) 그리고 겉면(312a)의 길이의 대부분(전체는 아님)을 따라("x" 방향으로) 연장되도록 도포된다. 이러한 실시예들은 최종 도파관 구조가 "하향식" 광 커플링-인 구성(예컨대, 도 6a 및 도 6b의 광 커플링-인 구성)과 함께 사용될 때 특히 적합하다.

도 24d에서, 코팅된 투명 플레이트(300)는 정렬된 LOE들(20)의 본딩된 스택(200)과 정렬된다.

도면에 사용된 임의로 라벨링된 xyz 좌표계를 참조하면, 코팅된 투명판(300) 및 본딩된 스택(200)(투명판(300) 및 본딩된 스택(200) 각각이 3쌍의 평행한 겉면들을 갖는 실시예들에서)의 정렬은 다음과 같이 가장 잘 이해될 수 있다: 각각의 겉면들(312a, 312b, 224a, 224b)은 xz 평면에 평행하고, 각각의 겉면들(214a, 222a)은 xy 평면에 평행하고 바람직하게는 동일 평면 상에 있고, 각각의 겉면들(314b, 222b)은 xy 평면에 평행하고 바람직하게는 동일 평면 상에 있고, 각각의 겉면들(316a, 226a)은 yz 평면에 평행하고 바람직하게는 동일 평면 상에 있고, 각각의 겉면들(316b, 226b)은 yz 평면에 평행하고 바람직하게는 동일 평면 상에 있다.

본딩된 스택(200)은 코팅된 투명 플레이트(300)와 광학적으로 커플링되고, 이에 의해 도 24e에 예시된 바와 같이, 광학 블록(280)을 형성하는 한편, 이전 단락에서 설명된 본딩된 스택(200) 및 코팅된 투명 플레이트(300)의 정렬을 유지한다. 본딩된 스택(200)은 코팅된 투명 플레이트(300)와 광학적으로 커플링되어 겉면(312b, 224a) 사이의 계면(240)을 형성한다(즉, 겉면(312b, 224a)이 서로 마주하는 관계가 되도록). 계면(240)은 전술된 바와 같이 겉면(312b)에 도포되거나 다른 방식으로 연관된 코팅 또는 재료를 포함한다. 대안적으로, 재료 또는 코팅은 본딩된 스택(200)을 코팅된 투명 플레이트(300)와 광학적으로 커플링하기 전에 겉면(312b) 대신에 겉면(224a)에 도포될 수 있다.

옵션으로, 상단 겉면(312a) 및 하단 겉면(312b)이 동일한 입사각으로 전파하는 광을 반사하는 것을 보장하기 위해, 겉면(312a)은 금속 코팅과 같은 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 코팅은 코팅된 투명 플레이트(300)를 본딩된 스택(200)과 광학적으로 커플링하기 전 또는 후에 겉면(312a)에 도포될 수 있다.

도 24e에 도시된 바와 같이, 광학 블록(280)은 광학 블록(280)으로부터 적어도 하나의 광 개구 증배기(단일 광 개구 증배기가 도 24f에 도시되어 있지만, 다수의 그러한 광 개구 증배기가 광학 블록(280)으로부터 슬라이스될 수 있음)를 슬라이스하기 위해 적어도 2개의 평행한 절단 평면(도 24e에서 점선(245)으로 표시됨)을 따라 절단된다.

절단 평면(245)은 본딩된 스택(200)의 연속적인 LOE(20)의 평행한 겉면(22a, 22b)에 평행하고 코팅된 투명 플레이트(300)의 겉면(314a, 314b)에 평행하다. 따라서, 절단 평면(245)은 투명 플레이트(300)의 겉면(312a, 312b)에 직교한다.

각각의 슬라이스된 광 개구 증배기는 계면(40)에서 LOE(20)(1D 광 도파관)와 광학적으로 커플링된 직사각형 광 도파관(10)(2D 광 도파관)을 갖고, 도파관(10)의 커플링 표면(도 9a 내지 도 12의 겉면(12b))과 연관되는 계면(40)에 부분 반사 표면을 갖는다. 각각의 LOE(20)가 한 쌍의 커버 플레이트(39a, 39b)를 포함하는 실시예에서, 각각의 절단 평면(245)은 바람직하게는 연속적인(즉, 인접한) 커버 플레이트(39a, 39b) 사이를 통과한다. LOE(20)가 (도 1c에서와 같이) 임의의 커버 플레이트를 포함하지 않는 실시예에서, 각각의 절단 평면(245)은 바람직하게는 연속적인 LOE 기판(19)의 인접한 주 외부 표면(면) 사이의 본딩 영역에 위치된다.

전술한 제조 방법에서, 본 명세서에 설명된 다양한 광학 구조체의 절단 또는 슬라이싱은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 임의의 적합한 절단 장치/디바이스/도구에 의해 수행될 수 있다. 특정 실시예에서, 이들 절단/슬라이싱 단계에서 생성된 광학 구조체의 표면/겉면의 일부 또는 전부는 연마(polish)될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 광학 구조체들의 겉면들 및 표면들의 연마는, 당업자에 의해 이해되어야 하는 바와 같이, 임의의 적합한 연마 장치/디바이스/도구에 의해 수행될 수 있다.

본 개시의 다양한 실시예들에 대한 설명들은 예시의 목적으로 제시되었지만, 개시된 실시예들에 한정되거나 포괄적인 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정예들 및 변형예들이 설명된 실시예들의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예들의 원리들, 시장에서 발견되는 기술들에 대한 실제 적용 또는 기술적 개선을 가장 잘 설명하거나, 당업자가 본 명세서에 개시된 실시예들을 이해할 수 있도록 선택되었다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태, "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 참조를 포함한다.

용어 "예시적인"은 본 명세서에서 "예제, 경우 또는 예시로서 역할을 하는"을 의미하는 것으로 사용된다. "예시적인"으로서 설명된 임의의 실시예는 다른 실시예들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석되어야 하고/하거나 다른 실시예들로부터 특징들의 통합을 배제해야 하는 것은 아니다.

명확성을 위해, 별개의 실시예들의 맥락에서 설명되는 본 발명의 특정 특징부들이 또한 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다는 것이 이해된다. 반대로, 간결함을 위해, 단일 실시예의 문맥에서 설명되는 본 발명의 다양한 특징부들은 또한 본 발명의 개별적으로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 또는 임의의 다른 설명된 실시예에서 적합한 것으로서 제공될 수 있다. 다양한 실시예들의 맥락에서 설명된 특정 특징부들은, 실시예가 이들 엘리먼트들 없이 작동하지 않는 한, 이들 실시예들의 필수 특징부들로 간주되지 않아야 한다.

첨부된 청구항들이 다수의 의존성들 없이 드래프트된 정도까지, 이것은 그러한 다수의 의존성들을 허용하지 않는 관할 구역들에서 형식적 요건들을 수용하기 위해서만 행해졌다. 청구항들을 다중 의존성으로 되게함으로써 암시될 특징부들의 모든 가능한 조합들이 명시적으로 고려되고 본 발명의 일부로 고려되어야 한다는 것에 유의해야 한다.

본 발명이 특정 실시예들과 함께 설명되었지만, 많은 대안들, 수정예들 및 변형예들이 당업자에게 명백할 것이 확실하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 사상 및 넓은 범위 내에 속하는 그러한 모든 대안들, 수정예들 및 변형예들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (7)

1. 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)로서,
   제1 겉면 및 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면 및 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 상기 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 부분 반사 표면은 상기 제2 겉면과 연관되고 상기 제2 겉면에 평행한, 상기 제1 광 도파관;
   이미지에 대응하는 편광을 상기 제1 쌍의 평행 겉면 및 상기 제2 쌍의 평행 겉면 둘 모두에 대해 비스듬한 커플링 각도로 전파의 초기 방향을 갖는 상기 제1 광 도파관 내로 커플링하기 위한 광 커플링-인 구성(optical coupling-in configuration)으로서, 상기 편광은 상기 제2 겉면에 대해 s-편광된, 상기 광 커플링-인 구성; 및
   제3 쌍의 평행한 겉면들을 포함하는 복수의 겉면들을 갖는 제2 광 도파관으로서, 상기 제2 광 도파관은 상기 제2 겉면과 상기 제2 광 도파관의 겉면들 중 하나 사이의 계면에서 상기 제1 광 도파관과 광학적으로 커플링되고, 상기 광 커플링-아웃 구성(optical coupling-out configuration)이 상기 제2 광 도파관과 연관되는, 제2 광 도파관을 포함하고,
   상기 광 커플링 및 상기 부분 반사 표면은, 상기 이미지에 대응하는 광이 상기 제1 광 도파관 내로 커플링될 때, 상기 광은 상기 제1 광 도파관을 따라 4중(four-fold) 내부 반사에 의해 전진하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 제2 광 도파관 내로 커플링되도록 하기 위해 상기 부분 반사 표면에서 투과되고, 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 내부 반사에 의해 제2 광 도파관내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 커플링-아웃 구성에 의해 상기 제2 광 도파관 밖으로 편향되도록 상기 제2 광 도파관내에서 전파하도록 구성된, 광 개구 증배기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 겉면의 적어도 대부분은 상기 부분 반사 표면을 형성하도록 하기 위해 그리고 상기 부분 반사 표면이 s-편광된 광에 대해 부분적으로 반사되도록 하나 이상의 유전체 코팅 층을 포함하는, 광 개구 증배기.
3. 제1항에 있어서, 상기 계면에 위치되고 상기 제2 광 도파관으로 커플링되는 광의 편광 상태를 회전시키는 파장판(waveplate)을 더 포함하는, 광 개구 증배기.
4. 제1항에 있어서, 상기 광 커플링-아웃 구성은 상기 제3 쌍의 평행한 겉면들에 대해 비스듬하게 상기 제2 광 도파관 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면들을 포함하는, 광 개구 증배기.
5. 제1항에 있어서, 상기 광 커플링-아웃 구성은 상기 제3 쌍의 평행한 겉면들의 겉면들 중 적어도 하나와 연관된 회절 광학 엘리먼트를 포함하는, 광 개구 증배기.
6. 광 개구 증배기(optical aperture multiplier)로서,
   제1 겉면 및 제2 겉면을 포함하는 제1 쌍의 평행한 겉면들, 및 제3 겉면 및 제4 겉면을 포함하는 제2 쌍의 평행한 겉면들을 갖는 제1 광 도파관으로서, 상기 한 쌍의 평행한 겉면들은 함께 직사각형 단면을 형성하고, 부분 반사 표면은 상기 제2 겉면과 연관되고 상기 제2 겉면에 평행한, 상기 제1 광 도파관;
   제5 겉면 및 제6 겉면을 포함하는 평행한 겉면들의 제3 쌍을 갖는 제2 광 도파관으로서, 광 커플링-아웃 구성은 상기 제2 광 도파관과 연관되고, 상기 제1 광 도파관은 상기 제2 광 도파관과 광학적으로 커플링되고, 상기 제2 겉면이 상기 제5 겉면에 대해 비스듬하게 경사지도록 상기 제2 광 도파관에 대해 경사지는, 상기 제2 광 도파관;을 포함하고,
   상기 광 커플링 및 상기 부분 반사 표면은, 이미지에 대응하는 광이 제1 광 도파관 내로 커플링될 때, 상기 광이 상기 제1 광 도파관을 따라 4중 내부 반사에 의해 전진하고, 상기 광의 일부는 상기 제2 광 도파관으로 진입하도록 하기 위해 상기 부분 반사 표면에서 투과되고, 상기 제2 광 도파관으로 진입하는 상기 광의 일부는 상기 제3 쌍의 평행 겉면들에서 내부 반사에 의해 상기 제2 광 도판관 내에서 전파하고, 상기 광의 세기의 일부는 상기 광 커플링-아웃 구성에 의해 상기 제2 광 도파관 밖으로 편향되도록 상기 제2 광 도파관 내에서 전파하도록 구성된, 광 개구 증배기.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 광 도파관 및 제2 광 도파관 사이에서 광 커플링을 제공하는 중간 윈도우를 더 포함하고, 상기 중간 윈도우는 상기 제2 광 도파관에 진입하는 상기 부분 반사 표면에서 투과된 상기 광의 일부가 상기 중간 윈도우를 향해 상기 제5 겉면에서 다시 반사되도록 배치된, 광 개구 증배기.