KR20240023189A - 광 가이드 디바이스 및 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광을 가이드하기 위한 광 가이드 디바이스에 관한 것이다. 광 가이드 디바이스는 광 가이드, 광 커플링 장치 및 광 디커플링 장치를 포함한다. 광은 광 가이드 내부에서 광 가이드의 경계 표면에서의 반사를 통해 전파된다. 광 가이드의 경계 표면에서 광의 미리 정해진 횟수의 반사 후에 광은 광 디커플링 장치에 의해 광 가이드로부터 디커플링된다. 또한, 디스플레이 디바이스, 특히 눈에 가까이 제공되는 디스플레이 디바이스가 제공되고, 이러한 디스플레이 디바이스는 적어도 하나의 광원을 포함하는 조명 장치, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치, 광학 시스템 및 광 가이드 디바이스를 갖는다.
Description
본 발명은 광을 가이드하기 위한 광 가이드 디바이스 및 이러한 유형의 광 가이드 디바이스를 포함하는, 장면, 특히 3차원 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 또한 공간 광 변조 장치 및 광 가이드 디바이스에 의해 재구성된 장면을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
광 가이드 디바이스는 특히 광학 분야에서 다양하게 사용된다. 특히, 광 가이드 디바이스는 레이저 영역에서 사용된다. 광 가이드는 일반적으로 내부에, 클래딩(cladding) 또는 클래딩 층으로 둘러싸인 코어를 포함한다. 광 가이드 내로 진입되는 광은 그 내부에서 대부분 전반사를 통해 전달된다. 전반사로 인한 이러한 광 가이드 효과는 클래딩 재료의 굴절률에 대한 코어 재료의 더 높은 굴절률에 의해 발생하거나 또는, 클래딩 층이 존재하지 않는 경우에는, 예를 들어 공기와 같은 주변 환경의 굴절률에 대한 광 가이드 재료의 더 높은 굴절률에 의해 발생한다.
그러나, 광 가이드 디바이스 또는 광 가이드는 예를 들어 재구성된 장면을 표현하기 위한 디바이스, 특히 재구성된, 바람직하게는 3차원 장면 또는 오브젝트 포인트를 표현하기 위한 디바이스와 같은 다른 분야에서도 또한 사용될 수 있다. 이러한 유형의 디바이스는 예를 들어 장면의 관찰자의 눈 근처에 위치한 디스플레이 또는 디스플레이 디바이스, 소위 눈 인접 디스플레이(Near-to-Eye Display)일 수 있다. 눈 인접 디스플레이는 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이(HMD)이다.
헤드 마운트 디스플레이(HMD) 또는 눈 근처에 위치하는 유사한 디스플레이 또는 디스플레이 디바이스를 위해, 컴팩트하고 가벼운 광학 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 유형의 디스플레이 디바이스는 일반적으로 사용자의 머리에 고정되기 때문에, 부피가 크고 무거운 조립체는 사용자 편의성에 불리한 악영향을 주게 된다.
또한 AR(augmented reality)-HMD에서 사용자는 한편으로는 그의 자연 환경을 HMD에 의해 가능한 한 방해 없이 인지할 수 있고, 다른 한편으로는 HMD 자체에 표현되는 컨텐츠를 양호하게 인지할 수 있는 것이 바람직하다.
공간 광 변조 장치 및 공간 광 변조 장치를 이미징하기 위한 광학 조립체를 사용할 때, 이 경우 광학 조립체는 공간 광 변조 장치로부터의 광뿐만 아니라 관찰자의 자연 환경으로부터의 광도 또한 눈에 도달할 수 있도록 구상되어야 한다.
HMD에서 사용자 편의를 위해 중요한 것은 가시성 영역 또는 시야(Field of View)이다. 여기서 가능한 한 넓은 가시성 영역이 유리하다. 그러나, 일반적으로 고해상도와 결합한 넓은 가시성 영역의 표현은 매우 많은 개수의 픽셀을 갖는 공간 광 변조 장치를 필요로 한다.
US 2013/0222384 A1호에는 관찰자 윈도우를 갖는 홀로그래픽 헤드 마운트 디스플레이(HMD)가 개시되어 있다. 이러한 유형의 헤드 마운트 디스플레이는 도 1에 개략적으로 도시되고, 가시성 영역의 세그먼트화를 통해 넓은 가시성 영역을 달성할 수 있다. 이 경우 공간 광 변조기(200) 및 적절한 광학 시스템(400, 500)에 의해, 관찰자 윈도우로부터 가시적인 가시성 영역의 다양한 부분이 시간적으로 연속적으로 생성된다. 이러한 조립체의 이점은 공간 광 변조기의 많은 개수의 픽셀을 필요로 하지 않고도, 순차적인 표현을 통해 넓은 가시성 영역이 달성된다는 것이다. US 2013/0222384 A1호에는 세그먼트들로 구성된 공간 광 변조기의 이러한 유형의 다중 이미지 또는 타일링을 수행하기 위한 다양한 실시예들이 설명된다. 그러나, 설명된 일부 실시예는 그 치수가 비교적 큰 광학 컴포넌트를 사용하는데, 이는 AR-HMD에서의 컴팩트하고 그리고/또는 가벼운 디자인 또는 사용 가능성의 요구 사항에 제한적으로만 대응한다.
예를 들어 도 2에는 관찰자의 눈 전방 가까이에 복수의 렌즈(800)를 포함하는 US 2013/0222384 A1호의 조립체가 도시된다. 이러한 유형의 조립체는 특히 VR(가상 현실) HMD에 적합하다. 그러나, AR-HMD에서 이러한 렌즈(800)는 자연 환경이 관찰자에 의해 마찬가지로 렌즈를 통해 인지될 수 있다면, 이러한 자연 환경이 왜곡된 형태로 재현되게 한다.
마찬가지로 US 2013/0222384 A1호로부터 취해진 도 3은 복수의 거울(950, 960, 970)을 갖는 HMD 조립체를 도시한다. 부분 투과성 요소로서의 거울의 적합한 디자인에서, 이러한 조립체는 원칙적으로 관찰자가 자신의 환경을 인지할 수 있는데 적합할 수 있다. 즉, 이러한 조립체는 증강 현실 사용(AR)에 적합할 수 있다. 그러나, 넓은 가시성 영역을 생성하기 위해 비교적 큰 거울이 필요하다. 즉, 이러한 조립체의 컴팩트한 공간 절약형 버전을 달성하는 것이 어려울 수 있다.
US 2013/0222384 A1호에는 도파관(파형 가이드)을 사용하는 실시예가 또한 설명된다. 이러한 유형의 실시예는 도 4에 도시되고, 각각 관찰자의 좌측 눈을 위한 도파관(1101) 및 관찰자의 우측 눈을 위한 도파관(1102)을 포함한다. 이러한 배치에서, 공간 광 변조기(201, 202) 및 광학 장치(811, 812)는 관찰자의 머리 옆에 각각 측면으로 제공되고, 여기서 각 눈에 대해 광이 얇은 도파관(1101, 1102) 내로 격자(1111, 1112)에 의해 각각 커플링된다. 커플링 광학 유닛으로써 사용되는 격자는 바람직하게는 체적 격자로서 형성되고, 여기서 이러한 광은 편평한 각도로 얇은 도파관 내로 커플링되어, 모든 커플링 각도의 광은 서로 평행하게 배치된 도파관의 2개의 경계 표면에서의 전반사를 통해 도파관의 방향으로 전파된다. 이 경우, 도파관은 완전히 평면일 필요는 없고, 만곡된 표면을 포함할 수도 있다. 그러나, US 2013/0222384 A1호에는 표면의 만곡에 대한 정량적 정보가 존재하지 않는다. 광 편향 장치는 도파관 내에 커플링된 다양한 각도 스펙트럼을 순차적으로 생성한다. 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하기 위해, 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 다른 각도 스펙트럼이 도파관 내로 커플링된다. 상이한 각도 범위를 위해 각도 선택성과 관련하여 각각 설계되고 나란히 배치된 복수의 반사성 체적 격자를 통해, 각각 상이한 위치에서 광 편향 장치에 의해 생성된 각도 스펙트럼 중 하나의 광이 관찰자의 눈 방향으로 도파관으로부터 디커플링된다.
US 2013/0222384 A1호에 설명된 다른 실시예에 대해, 도 4에 따른 이러한 유형의 조립체의 이점은 도파관이 가볍고 컴팩트하며, 관찰자가 도파관을 통해 볼 때 그 환경을 또한 인지할 수 있다는 것이다. 따라서, 도파관의 사용은 AR 조립체에 유리할 것이다. 그러나, 도파관의 사용은 AR 조립체로 제한되지 않고, VR 조립체에 또한 적합하다. 도파관은 US 2013/0222384 A1호의 설명에서 두께에 대한 수치가 제공되지는 않고, 얇은 것으로 지칭된다.
광학 가이드(optical guides)에서의 광의 전파에 대해, 여기서 케이고 이이즈카(Keigo lizuka)의 책, 엘리먼츠 오프 포토닉스(Elements of Photonics), 2권, 9장 "통합 광학을 위한 평면 광학 가이드"가 인용된다: "통합 광학의 기초는 평면 광학 가이드이다. 광은 굴절률이 주변 레이어의 굴절률보다 높은 매체에 의해 가이드된다. … 기하학적 광학에 따르면, 광은 특정 조건을 충족시키는 매우 적은 손실만 제공되는 연속적인 내부 전반사에 의해 전파될 것이다. 이러한 조건은 전파를 지지하는 층이 주변 매체보다 더 높은 굴절률을 가져야 하며, 상부 경계와 하부 경계에서 내부 전반사를 만족하는 각도 내에서 광이 출사되어야 한다. 이 단순한 기하학적 광학 이론은 가이딩 매체의 치수가 광의 파장과 비교될 때 실패한다. 이러한 체제에서, 가이드는 전파 모드라고 불리는 다수의 불연속 각도들에 대해서만 전파를 지원한다." 후자의 경우, 광 전파는 파장 광학 접근법에 의해 설명된다. 일반적으로 "도파관(waveguide)"이라는 용어가 사용된다. 이러한 도파관에는 정의된 기하학적 빔 프로파일이 존재하지 않는다.
이와 상이하게, 본 출원에서 "광 가이드"라는 용어는 기하학적 광학에 의한 광의 전파가 설명될 수 있는 충분히 두꺼운 배치를 나타내도록 사용된다. 이러한 광 가이드는 수 밀리미터, 예를 들어 2 mm 또는 3 mm의 두께를 포함할 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 또는 디스플레이 디바이스는 특히 공간 광 변조 장치의 픽셀의 구멍에서의 회절 효과 및 광원에 의해 방출된 간섭 광의 간섭에 기초한다. 그럼에도 불구하고, 가상 관찰자 윈도우를 생성하는 홀로그래픽 디스플레이에 대한 중요한 조건은 기하학적 광학으로 공식화되고 정의될 수 있다.
한편으로는 여기서 중요한 것은, 디스플레이 디바이스에서의 조명 빔 경로이다. 이것은 특히 가상 관찰자 윈도우를 생성하기 위해 사용된다. 공간 광 변조 장치는 적어도 하나의 실제의 또는 가상의 광원을 포함하는 조명 장치에 의해 조명된다. 따라서, 공간 광 변조 장치의 상이한 픽셀로부터 나오는 광은 각각 가상 관찰자 윈도우로 향해야 한다. 이를 위해, 공간 광 모듈 장치를 조명하는 조명 장치의 적어도 하나의 광원은 보통 가상 관찰자 윈도우를 포함하는 관찰자 평면으로 이미징된다. 광원의 이러한 이미징은 예를 들어 가상 관찰자 윈도우의 중앙에서 수행된다. 그런 다음, 무한대의 광원에 대응하는 평면파로 공간 광 변조 장치를 조명할 때, 예를 들어 이러한 픽셀들로부터 수직으로 방출되는 공간 광 변조 장치의 상이한 픽셀들로부터의 광이 가상 관찰자 윈도우의 중심에 포커싱된다. 그러나, 수직이 아닌 각각 공간 광 변조 장치의 다양한 픽셀들로부터 동일한 회절 각도로 나오는 광은 따라서 가상 관찰자 윈도우에서 각각의 동일한 위치에 마찬가지로 포커싱된다. 그러나, 일반적으로 가상 관찰자 윈도우는 또한 적어도 하나의 광원의 이미지에 대해 측방향으로 변위될 수 있고, 예를 들어 적어도 하나의 광원의 이미지의 위치는 관찰자 윈도우의 좌측 가장자리 또는 우측 가장자리와 일치할 수 있다.
다른 한편으로는, 다이렉트 뷰 디스플레이를 제외하고, 홀로그래픽 디스플레이 또는 디스플레이 디바이스에서는 이미징 빔 경로가 중요하다. HMD에서는, 일반적으로 그 치수가 작은 공간 광 변조 장치의 확대된 이미지가 생성된다. 이는 종종 공간 광 변조 장치 자체가 위치하는 거리보다 더 먼 거리로 관찰자에게 나타나는 가상 이미지이다. 공간 광 변조 장치의 개별 픽셀은 보통 확대되어 이미징된다.
그러나, US 2013/0222384 A1호는 잘 정의된 이미징 빔 경로 및 잘 정의된 조명 빔 경로가 존재하도록, 그리고 가상 관찰자 윈도우뿐만 아니라 공간 광 변조기의 이미지도 또한 바람직한 방식으로 생성될 수 있도록, 도파관이 어떻게 설계되어야 하는지에 관한 어떠한 교시도 포함하지 않는다. 특히, 이미 언급된 바와 같이, 도파관에서의 빔 경로를 기하학적으로 설명하는 것은 일반적으로 가능하지 않다. 하나의 도파관에서 전파되는 다양한 광학 모드는 상이한 광학 경로에 대응할 수 있다.
도파관을 구비하는 비-홀로그래픽 HMD를 위한 배치는 예를 들어 US 2009/303212 A1호에서 설명된다. 거기에서, 광 변조기는 무한대에 이미징된다. 무한대 거리로 인해, 광의 광학 경로는 도파관에서의 전파에서 중요한 역할을 하지 않는다. 따라서 간단히 표현하면, 도파관을 통과하여 연장되는 경로 부분의 길이가 상이하더라도, 광 변조기의 픽셀의 이미지로부터 눈까지의 총 경로는 항상 무한대 길이이다.
그러나, 홀로그래픽 디스플레이에서는 깊이 범위가 큰 3차원(3D) 장면의 표현을 가능하게 하는 노력이 항상 수행되고 있다. 일반적으로 이러한 유형의 디스플레이의 목적은 관찰자로부터 매우 먼 거리에 위치되는 컨텐츠만을 표현하는 것은 아니다. 홀로그래픽 디스플레이에서 광 변조기의 이미지가 무한대로 위치되는 경우에도, 3차원 장면은 일반적으로 유한한 거리로 표현될 것이다. US 2009/303212 A1호에 설명된 바와 같은 배치에 의해, 특정 환경 하에 광 변조기 자체는 홀로그래픽 디스플레이에서 무한대에 정확하게 이미징될 수 있다. 그러나, 유한한 거리에서, 즉 광 변조기의 이미지 전방에서는 장면의 오브젝트 포인트의 정확한 재구성이 수행될 수 없다.
가상 관찰자 윈도우를 생성하는 홀로그래픽 다이렉트 뷰 디스플레이는 조명 빔 경로를 포함한다. 디스플레이는 적어도 하나의 광원을 갖는 조명 장치를 포함한다. 예를 들어 조명 장치는 백라이트로서 형성되고, 이는 공간 광 변조 장치를 조명하는 시준된 평평한 파면을 생성한다. 시준된 파면은 무한대 거리로부터 공간 광 변조 장치를 조명하는 가상 광원에 대응한다. 공간 광 변조 장치는 또한 발산된 또는 수렴된 파면에 의해 또한 조명될 수 있는데, 그러나 이는 공간 광 변조 장치의 전방 또는 후방에서 유한한 거리에 있는 실제의 또는 가상의 광원에 대응한다. 필드 렌즈는 공간 광 변조 장치에 의해 발생하는 광을 가상 관찰자의 위치에 포커싱한다. 공간 광 변조 장치에 홀로그램이 기록되지 않으면, 관찰자 평면에 광원의 이미지 및 이러한 이미지의 주기적인 반복이 더 높은 회절 차수로서 발생한다. 적절한 홀로그램이 공간 광 변조 장치에 기록되면, 가상 관찰자 윈도우는 0차 회절 차수 가까이에서 발생한다. 이것은 이하에서 가상 관찰자 윈도우가 광원 이미지의 평면에 위치되도록 언급된다. 홀로그래픽 다이렉트 뷰 디스플레이에서, 광원의 이미지를 생성하는 필드 렌즈는 일반적으로 공간 광 변조 장치에 가깝다. 공간 광 변조 장치의 이미지는 존재하지 않고, 관찰자가 실제 거리로 공간 광 변조 장치를 본다. 따라서, 이미징 빔 경로가 존재하지 않는다.
예를 들어 헤드 마운트 디스플레이(HMD), 헤드 업 디스플레이(HUD) 또는 다른 프로젝션 디스플레이와 같은 다른 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서, 이미 짧게 언급된 바와 같은 이미징 빔 경로를 추가적으로 제공할 수 있다. 이러한 디스플레이 디바이스에서 공간 광 변조 장치의 관찰자가 보는 실제의 또는 가상의 이미지가 생성되고, 여기서 또한 조명 빔 경로는 가상 관찰자 윈도우의 생성에 중요하다. 따라서, 여기에서 2개의 빔 경로, 조명 빔 경로 및 이미징 빔 경로는 중요하다.
예를 들어 입체 디스플레이 디바이스와 같은 다른 디스플레이 디바이스에서도, 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로가 존재하는 경우가 발생할 수 있다. 스위트 스폿을 생성하기 위한 입체 디스플레이 디바이스는 예를 들어 언급된 홀로그래픽 디스플레이, 즉 공간 광 변조 장치의 시준된 조명 및 필드 렌즈와 같은 유사한 광학 배치를 포함할 수 있지만, 그러나 예를 들어 정의된 산란 각도를 갖는 산란 요소와 같은 추가적인 컴포넌트도 또한 포함할 수 있다. 산란 요소가 디스플레이 디바이스로부터 제거되면, 필드 렌즈는 스위트 스폿의 평면에서 광원 이미지를 생성할 것이다. 그 대신에, 산란 요소를 사용함으로써, 광은 관찰자의 눈 거리보다 더 좁은 연장된 스위트 스폿에 걸쳐 분포된다. 그러나, 비네팅(vignetting) 효과 없이 입체 이미지를 완전히 볼 수 있기 위해서는, 조명 빔 경로가 중요하다. 이 경우, 3차원 입체 디스플레이 디바이스는 마찬가지로 공간 광 변조 장치가 관찰자로부터 특정 거리로 이미징되는 이미징 빔 경로를 포함할 수 있다.
디스플레이 디바이스는 일반적으로 2개의 빔 경로, 조명 빔 경로와 이미징 빔 경로 모두에 영향을 주는 렌즈 또는 다른 이미징 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 단일 이미징 요소가 공간 광 변조 장치와 관찰자 사이에 배치되어, 이러한 이미징 요소가 공간 광 변조 장치의 이미지뿐만 아니라 관찰자 평면에서의 광원의 이미징도 모두 생성할 수 있다.
홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서, 3차원 장면으로부터 홀로그램을 계산할 때 서브 홀로그램의 전형적인 크기는 공간 광 변조 장치의 이미지 평면에 대한 공간에서의 3차원 장면의 위치에 의존한다. 예를 들어 치수가 큰 홀로그램은 공간 광 변조 장치의 이미지 평면 전방에서 관찰자를 향해 멀리 장면이 존재하는 경우에 형성된다. 그러나, 큰 서브 홀로그램은 홀로그램 계산 시 계산 비용을 증가시킨다. 출원인의 WO 2016/156287 A1호에서 공간 광 변조 장치의 가상 평면의 계산 도입을 통해 계산 비용을 감소시키는 방법이 개시된다. 그러나, 대안적으로 공간 광 변조 장치의 이미지 평면이 유리한 위치에 형성되어, 홀로그램이 치수가 작은 서브 홀로그램을 갖도록 계산될 수 있는 광학 시스템을 선택할 수 있는 가능성이 바람직할 것이다.
광학 시스템 또는 이미징 시스템에서의 제한으로 인해, 서브 홀로그램 계산에 유리한 위치에서 공간 광 변조 장치의 이미지를 생성하는 것이 모든 경우에 가능한 것은 아니다. 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이에서 넓은 시야를 생성해야 하는 요구 사항은 관찰자의 눈 전방 가까이에 짧은 초점 거리 렌즈가 사용되어야 하는 것을 유도한다. 이는 다른 한편으로는, 공간 광 변조 장치를 렌즈에 충분히 가깝게 배치하는 것이 가능하지 않은 경우, 홀로그램 계산에 유리한 위치에서 공간 광 변조 장치의 이미지 평면을 생성하는 것이 어려울 수 있다.
일반적으로 고려할 때, 조명 빔 경로에 필요한 광학 요소는 이미징 빔 경로에 불리한 영향을 줄 수 있으며, 그 반대도 또한 마찬가지이다.
가상 관찰자 윈도우를 생성하는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스의 대안적인 실시예에서, 공간 광 변조 장치의 이미징이 가상 관찰자 윈도우에서 또한 발생할 수 있다. 물리적인 스크린이 존재하지 않는 경우, 3차원 장면의 홀로그래픽 표현을 위한 일종의 스크린 또는 기준 평면이 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에 제공되어, 따라서 광원의 이미지 평면이 제공된다. 따라서, 이러한 유형의 디스플레이 디바이스에서 마찬가지로 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로가 존재한다. 그러나, 홀로그램 평면과 관찰자 평면에 대한 중요성은 교환될 수 있다. 그 때, 가상 관찰자 윈도우는 공간 광 변조 장치의 이미지 평면에 위치되고, 따라서 이미징 빔 경로에 대한 기준을 갖는다. 3차원 장면으로부터 홀로그램을 계산하기 위한 홀로그램 또는 기준 평면은 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에 위치되고, 따라서 조명 빔 경로에 대한 기준을 갖는다.
WO 2016/156287 A1호에 따르면, 이러한 유형의 디스플레이 디바이스에 대한 홀로그램의 계산을 위해, 가상 평면이 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에 배치될 수 있다. 이 경우, 이러한 가상 평면에는 서브 홀로그램이 계산되고 합산된다. 퓨리에 변환에 의해, 공간 광 변조 장치에 기록될 수 있는 홀로그램은 합산 홀로그램으로부터 확인된다.
또한, 관찰자 평면에서 공간 광 변조 장치의 이미지를 갖는 디스플레이 디바이스는 변형된 버전에서, 좌측 눈 및 우측 눈에 대한 2개의 평면 뷰를 갖는 입체 3차원 디스플레이 디바이스의 구성을 생성할 수 있도록 사용될 수 있다.
적절하게 계산된 홀로그램이 공간 광 변조 장치에 기록되고, 디스플레이 디바이스가 충분히 간섭성인 광을 생성하는 조명 장치를 포함하는 경우, 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에서 홀로그램의 퓨리에 변환으로서 2차원 이미지가 생성된다. 이러한 평면에 추가적인 산란 요소가 위치될 수 있다. 관찰자 평면에서 공간 광 변조 장치의 이미지가 산란 요소 없이 생성되면, 산란 요소는 그 대신 스위트 스폿을 생성할 것이다. 여기서, 스위트 스폿의 크기는 산란 요소의 산란 각도에 의존한다. 이러한 유형의 배치는 예를 들어 헤드 업 디스플레이(HUD)에서 사용될 수 있다.
이하의 설명은 주로 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿이 광원 이미지의 평면에 존재하는 경우에 관한 것이다. 그러나, 그 설명은 이미징 빔 경로와 조명 빔 경로 또는 공간 광 변조 장치의 평면과 퓨리에 평면의 각각 상호 교환을 통해 가상 관찰자 윈도우에 공간 광 변조 장치를 이미징함으로써 실시예들에 또한 적당하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 광원 이미지의 평면에서 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿을 갖는 경우로 제한되지 않아야 한다.
이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로 모두에 어려움을 야기할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스는 이미 간략히 언급된 바와 같이 US 2013/0222384 A1호의 디스플레이 디바이스이다. 선택된 광학 시스템에 따라, 거기에서 특정 상황 하에 다중 이미지의 상이한 세그먼트에 상이한 광학 경로가 발생할 수 있다.
이는 이미징 빔 경로에 대해 공간 광 변조 장치의 이미지 평면이 개별 세그먼트에서 상이한 깊이에 있다는 것을 의미할 수 있다. 홀로그래픽 디스플레이 디바이스의 경우, 다양한 세그먼트에서의 공간 광 변조 장치의 상이한 이미지 평면은 원칙적으로 개별 세그먼트에 대한 공간 광 변조 장치의 각각의 이미지 위치에 대응하는 서브 홀로그램이 계산됨으로써 보상될 수 있다. 예를 들어 관찰자로부터 특정 거리에 있는 오브젝트 포인트는 공간 광 변조 장치 전방의 오브젝트 포인트에 대한 서브 홀로그램으로서 공간 광 변조 장치의 먼 거리의 이미지를 갖는 세그먼트에 대해 인코딩될 수 있고, 오브젝트 포인트는 공간 광 변조 장치 후방의 오브젝트 포인트에 대한 서브 홀로그램으로서 공간 광 변조 장치의 더 가까운 이미지에서 유사한 거리로 인코딩될 수 있다. 그 다음, 관찰자로부터 공간 광 변조 장치의 이미지의 상이한 거리에도 불구하고, 관련된 3차원 장면이 표현될 수 있다. 그러나, 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대한 바람직하지 않은 이미지 위치는 서브 홀로그램의 크기를 증가시켜 계산 비용을 증가시킬 수 있다는 단점이 존재할 수 있다. 개별 세그먼트들에서의 공간 광 변조 장치의 이미지 변위보다 더 불리한 것은, 개별 세그먼트들에서의 상이한 광학 경로로 인해 가상 관찰자 윈도우의 축방향 위치가 변위될 수 있다는 것이다. 세그먼트화 또는 타일링의 목적은 넓은 시야가 가시적일 수 있는 균일한 가상 관찰자 윈도우를 생성하는 것이다. 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대한 가상 관찰자 윈도우의 깊이가 변위되는 위치는 각각의 경우에 3차원 장면의 인지에 불리한 영향을 줄 것이다. 따라서, 모든 세그먼트에는 동일한 관찰자 평면에서의 균일한 광원 이미지를 획득할 필요가 있다. 또한, 공간 광 변조 장치의 이미지는 또한 모든 세그먼트들에 대해 추가적으로 관찰자로부터 동일하거나 또는 적어도 유사한 거리로 생성되어야 한다. 일반적으로, US 2013/0222384 A1호에 개시된 바와 같이, 다중 이미지의 세그먼트를 생성하기 위해, 관찰자 평면에서 광원 이미지가 생성되는 디스플레이 디바이스가 사용될 수 있다. 세그먼트들은 공간 광 변조 장치의 이미지가 개별 세그먼트들에서 각각 서로 오프셋되어 생성됨으로써 생성된다.
그러나, 관찰자 평면에 공간 광 변조 장치의 이미지를 포함하는 디스플레이 디바이스를 위해 세그먼트화 또는 타일링도 또한 생성될 수 있다. 이러한 유형의 디스플레이 디바이스를 위해 각각의 세그먼트에서 공간 광 변조 장치의 이미지가 모든 세그먼트들에 대해 균일한 가상 관찰자 윈도우를 생성하기 위해 동일한 위치에서 생성된다. 대신에, 개별 세그먼트들에서 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면은 넓은 시야를 생성하기 위해 서로에 대해 변위된다. 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에서 일반적으로 더 높은 회절 차수가 발생하기 때문에, 이러한 유형의 배치는 여러 단계로 생성될 수 있는데, 예를 들어 제1 단계에서 변위되지 않는 퓨리에 평면이 생성되고, 이러한 퓨리에 평면에서 단지 최대 하나의 회절 차수만이 통과되고, 다른 회절 차수는 필터링되도록 필터링이 수행된다. 제2 단계에서 이러한 필터링된 회절 차수의 이미지가 생성되고, 여기서 이러한 이미지는 개별 세그먼트들에서 서로 변위되어 넓은 시야를 생성할 수 있다. 제1 단계에서 모든 회절 차수가 변위되지만, 그러나 필터의 구멍은 각각 동일한 회절 차수가 통과되도록 변위되는 가변 필터를 갖는 단일 시스템이 대안일 수 있다. 관찰자 평면에서 광원 이미지를 갖는 디스플레이 디바이스에 대해 생성된 진술은 관찰자 평면에서 공간 광 변조 장치의 이미지를 갖는 디스플레이 디바이스로 다시 유사하게 전달될 수 있다.
디스플레이 디바이스에서 조명 빔 경로 및 이미징 빔 경로를 생성하기 위한 광학 시스템은 또한 일반적인 경우에 수차를 포함한다. 예를 들어 관찰자 평면에 광원 이미지를 갖는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에 대해, 다음과 같은 효과가 발생할 수 있다. 이미징 빔 경로의 수차는 공간 광 변조 장치의 이미지가 생성되는 해상도에 영향을 미치고, 경우에 따라서는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서 홀로그램이 공간 광 변조 장치 상에 인코딩되는 3차원 장면의 선명도 및 해상도에 영향을 미친다.
조명 빔 경로의 수차는 예를 들어 선명하게 구분되는 가상 관찰자 윈도우의 형성에 영향을 미친다. 수차에 의해 흐려진 가상 관찰자 윈도우는 예를 들어 비네팅 효과로 이어질 수 있으므로, 가상 관찰자 윈도우의 특정 위치에서 전체 3차원 장면을 더 이상 볼 수 없게 된다.
광학 요소가 조명 빔 경로 및 이미징 빔 경로 모두에 영향을 미치는 경우, 수차는 일반적으로 두 빔 경로 모두에 영향을 미친다.
따라서, 본 발명의 과제는 디스플레이 디바이스에서 사용될 수 있고 디스플레이 디바이스 내에서 잘 정의된 이미징 빔 경로 및 잘 정의된 조명 빔 경로가 구현될 수 있는 디바이스를 제공하는 것이다. 또한, 디스플레이 디바이스, 특히 사용자의 눈 가까이에 제공되는 디스플레이 디바이스에는 넓은 시야 영역 또는 시야를 생성할 수 있는 이러한 유형의 장치가 제공된다. 이것은 바람직하게는 공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지와 조합되어 구현될 수 있어야 한다. 본 발명의 또 다른 과제는 컴팩트하고 가벼운 구조를 포함하는, 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 모든 세그먼트들에 대해 가상 관찰자 윈도우가 동일한 위치에서 각각 생성될 수 있는 디스플레이 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따르면, 청구항 제1항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 눈 인접 디스플레이 및 여기서 특히 헤드 마운트 디스플레이에서 사용하기에 특히 적합한 광 가이드 디바이스가 제안되는데, 그러나 그 사용이 이러한 디스플레이들에 제한되지는 않는다.
광을 가이드하기 위한 본 발명에 따른 이러한 광 가이드 디바이스는 광 가이드, 광 커플링 장치 및 광 디커플링 장치를 포함한다. 이 경우, 광 커플링 장치에 의해 광 가이드 내로 진입되는 광은 광 가이드 내부에서 광 가이드의 경계 표면에서의 반사, 특히 전반사를 통해 전파된다. 광 가이드로부터의 다중 반사된 광의 디커플링은 광 디커플링 장치에 의해 수행된다. 여기서 광의 디커플링은 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 미리 정해진 또는 미리 결정된 횟수의 반사 후에 제공된다.
즉, 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스에 의해, 광의 광 가이드로부터의 디커플링은 각각 광 가이드의 경계 표면에서 광의 미리 정해진 또는 고정된 방식으로 정의된 횟수의 반사 후에 광 가이드 내의 상이한 위치에서 수행된다. 따라서 이 경우, 광의 각각의 동일한 각도 범위도 또한 광 가이드의 다른 위치에서 디커플링될 수 있다.
광 가이드 디바이스 상에 입사되는 광이 다수의 또는 복수의 광 빔을 포함하는 광 번들 또는 광 필드로 형성되는 경우, 광 번들 또는 광 필드의 모든 광 빔에 대해 각각 광 가이드의 경계 표면에서의 동일한 횟수의 반사 후에 광 빔에 대해 광 가이드로부터 디커플링이 제공되는 것이 특히 유리할 수 있다.
광 필드는 본 발명에 따르면, 특정 범위 내에서 광 빔의 개수에 의해 정의되어야 한다. 따라서, 광 필드는 모든 들어오는 광 빔들의 총합이다.
예를 들어 광 가이드 디바이스가 디스플레이 디바이스, 예를 들어 US 2013/0222384 A1호에 따른 디스플레이 디바이스에서 사용되면, 이에 따라 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해, 공간 광 변조 장치의 다양한 픽셀로부터 나오는 광은 광 가이드 디바이스의 광 가이드 내로 커플링되고, 모든 픽셀에 대해 광 가이드의 경계 표면에서의 각각 동일한 횟수의 반사 후에 다시 디커플링된다.
광 가이드 내에는 정의된 기하학적 경로가 존재한다. 따라서, 특히 광 가이드에서 광이 전파될 때 광 가이드 내의 광학 경로 및 그 경계 표면에서의 반사 횟수가 결정될 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로, 광이 광 가이드로부터 디커플링되게 하는, 광 가이드의 경계 표면에서의 미리 결정된 반사 횟수가 미리 정해진다.
따라서 본 발명에 따르면, 광 가이드의 기하학적 특성 및 광학적 특성 그리고 광 커플링 장치의 광학적 특성으로부터, 광이 미리 결정된 횟수의 반사 후에 도달하는 광 가이드의 경계 표면 중 하나 상의 광 입사 지점이 확인될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 여기서 바람직하게는, 광 가이드의 경계 표면의 두께 및/또는 만일의 곡률이 광 입사 지점을 확인하기 위해 광 가이드의 기하학적 특성으로서 사용될 수 있고, 여기서 광 가이드 재료의 굴절률이 광 가이드의 광학적 특성으로서 사용될 수 있다.
광 가이드의 기하학적 구조는 여기서 광 가이드의 설계에 따라 상이할 수 있는 광 가이드의 두께 및 만일의 곡률인 것으로 이해되어야 한다. 여기서 광 커플링 장치의 광학적 특성은 광 커플링 장치에 제공되는 적어도 하나의 요소, 예를 들어 격자 요소에 관한 것이다. 광 커플링 요소가 격자 요소이면, 이에 따라 광 가이드 내의 광의 반사 횟수에 영향을 미치는 광학적 특성은 격자 요소의 격자 주기이다. 광 가이드 내부에서 원하는 반사 횟수를 확인하기 위해, 따라서 광 가이드의 두께 및 가능한 현재의 곡률 및 커플링 요소의 광학적 특성이, 본 예시에서는 격자 요소의 격자 주기가 사용되고 고려된다. 그런 다음, 이러한 값들로부터 광 가이드 내에 요구되거나 또는 바람직한 광의 반사 횟수가 확인되고 결정된다. 격자 방정식은 일반적으로 sinβout = λ/g + sinβin으로 알려져 있으며, 여기서 g는 격자 주기, λ는 광의 파장, βin은 광의 입사 각도, βout은 광의 출사 각도이다. 그러나, 이러한 형태에서 격자 요소 이전의 그리고 이후의 광 경로에서의 매체의 굴절률이 동일한 경우에만 방정식이 적용된다. 커플링 요소가 공기로부터 광 가이드의 매체 내로 광을 커플링하기 위해 사용되는 경우, 이에 따라 광 가이드의 굴절률(nlichtleiter)도 추가적으로 고려되어야 한다: nlichtleiter sinβout = λ/g + nluft sinβin.
예를 들어 파장 λ = 532nm의 광 빔이 공기로부터 커플링 요소에 수직으로 입사하고, 커플링 요소가 격자 주기 g = 400nm를 갖고, 광 가이드 재료가 굴절률 nlichtleiter = 1.6을 갖는 경우, 각도 ßout가 56.2°로 계산될 수 있고, 광 빔은 광 가이드에 커플링된 후에 전파된다. 예를 들어 두께 d = 3mm의 편평한 광 가이드에서, 광 빔은 광 가이드에 대향하여 위치되는 측면에서 반사된 후, 이러한 경우 8.96mm의 거리 2dtanßout 이후에, 커플링된 측면 상에서 광 가이드의 표면에 다시 도달하게 된다. 따라서, 5회 반사 후에, 광 빔은 커플링 지점으로부터 5 x 8.96 = 44.8mm의 거리에서 다시 광 가이드로부터 디커플링 될 수 있다.
확인된 값은 바람직하게는 평가 테이블(룩 업 테이블)에 세이브되거나 또는 저장될 수 있다. 평가 테이블에서 광의 반사 횟수에 대해 이러한 확인된 값들을 세이브 또는 저장하는 것은 이러한 방식으로 이들 값들의 갱신된 확인이 필요하지 않으므로 계산 노력이 감소될 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 그런 다음, 값이 평가 테이블로부터 간단히 취출되어 대응하게 사용될 수 있다.
광 가이드 디바이스는 또한 예를 들어 AR(증강 현실) 디스플레이 디바이스로서 사용하는 디스플레이 디바이스에서 유리하게 사용될 수 있는데, 왜냐하면 AR 응용에서 자연 환경에 대한 양호한 인지에 기여하기 때문이다. 여기서, "증강 현실"은 일반적으로 삽입 또는 중첩에 의해 생성된 추가 정보/추가 표현으로 (이동된) 이미지 또는 장면을 증강시키는 것을 의미하는 정보의 시각적 표현을 의미하는 것으로 이해된다. 물론, 이러한 유형의 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스는 이러한 유형의 AR 디스플레이 디바이스에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 유리한 실시예 및 개발예는 다른 종속항으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 광 디커플링 장치는 광 가이드 상에 배치되어, 광 디커플링 장치의 위치는 광이 미리 정해진 횟수의 반사 후에 광 가이드의 경계 표면 중 하나에 도달하는 광 입사 지점과 일치하는 것이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 광은 또한 광 가이드의 미리 정해진 위치에서 광 가이드로부터 디커플링되는 것이 보장될 수 있다. 이 경우, 광 디커플링 장치의 치수는 그 위에 입사되는 광 번들의 치수를 포함하므로, 완전한 광이 디커플링되도록 항상 보장된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 광 디커플링 장치는 제어 가능하게 형성되고, 여기서 광 디커플링 장치는 광 디커플링 장치의 구동 상태에서 광이 미리 정해진 횟수의 반사 후에 디커플링되고 광 디커플링 장치의 다른 구동 상태에서 광이 광 가이드 내에서 더 전파되는 방식으로 구동될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 이를 통해, 광 가이드 내에서 광의 몇 번의 반사 후에 광이 디커플링되어야 하는지가 제어될 수 있다. 따라서, 광 가이드의 경계 표면에서의 반사 횟수는 변경될 수 있다.
유리하게는, 광 디커플링 장치는 섹션들로 분할되고, 여기서 광 디커플링 장치는 섹션별로 제어 가능하게 형성되고, 광이 일 횟수의 반사 후에 도달하는 광 입사 지점과 일치하는 광 디커플링 장치의 섹션의 예를 들어 제1 구동 상태를 통해, 그리고 광이 다른 횟수의 반사 후에 도달하는 광 입사 지점과 일치하는 광 디커플링 장치의 다른 섹션의 다른 구동 상태, 예를 들어 제2 구동 상태를 통해 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 반사 횟수가 변경될 수 있는 방식으로 광 디커플링 장치가 구동될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 광 디커플링 장치의 섹션의 다양한 구동 상태 사이에서 더 교대로 구동됨으로써, 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 반사 횟수가 더 변경될 수 있다. 광 디커플링 장치를 섹션들로 분할함으로써, 반사 횟수가 특히 유리한 방식으로 변경될 수 있다.
광 커플링 장치가 적어도 하나의 격자 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 적어도 하나의 거울 요소를 포함하는 경우, 그리고 광 디커플링 장치가 적어도 하나의 격자 요소, 특히 편향 격자 요소, 바람직하게는 체적 격자 또는 적어도 하나의 거울 요소를 포함하는 경우가 특히 유리할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광 가이드로부터 광의 커플링 및 디커플링은 격자 요소, 바람직하게는 제어 가능한 격자 요소, 예를 들어 체적 격자에 의해 수행될 수 있다. 광 가이드 디바이스가 예를 들어 공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서 사용되는 경우, 예를 들어 디커플링을 위한 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 제어 가능한 격자 요소 또는 적어도 하나의 제어 가능한 격자 요소의 개별 섹션이 제어되고, 즉 예를 들어 스위칭 온되거나 또는 스위칭 오프되는 방식으로 광 가이드로부터 다양한 세그먼트의 디커플링이 제어될 수 있다. 디커플링 장치의 스위칭 오프된 격자 요소는 예를 들어 이러한 격자 요소 상에 입사되는 광이 디커플링되지 않고 반사되고, 또한 광 가이드 내에 전파되어 광 가이드의 다른 지점에서의 추가적인 반사 후에 디커플링될 수 있도록 유도될 것이다.
광의 커플링 및 디커플링을 위해 광 디커플링 장치에서 적어도 하나의 거울 요소가 적어도 하나의 제어 가능한 격자 요소 대신에 사용될 수 있다. 여기서, 거울 요소는 광 가이드의 표면에 대해 경사진 거울 표면을 포함할 수 있다.
격자 요소의 격자 상수 또는 광 가이드 표면에 대한 거울 요소의 경사 각도는 광이 미리 정해진 횟수의 반사 후에 광에 도달하는 광 입사 지점을 확인하기 위해 광 커플링 장치의 광학적 특성으로서 사용될 수 있다.
여기서 특히 바람직하게는, 광 디커플링 장치는 스위칭 요소와 관련한 적어도 하나의 수동 격자 요소, 바람직하게는 편광 스위치와 관련한 편광 선택성 격자 요소를 포함하는 것이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 스위칭 가능한 격자 요소 대신에, 광 디커플링 장치가 또한 스위칭 가능한 요소와 조합된 수동 격자 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 수동 격자 요소는 편광 선택성 격자 요소로서, 특히 편광 선택성 브래그 격자 요소로서 형성될 수 있는데, 이는 광의 하나의 편광 방향에 대해서만 광을 편향시키고, 다른 편광 방향에 대해서는 광을 편향시키지 않는다. 이 경우, 편광 선택성 격자 요소는 스위칭 가능한 요소로서 편광 스위치와 조합될 수 있다. 스위칭 요소와 관련한 이러한 수동 격자 요소는 광 가이드의 외부 표면 또는 클래딩 층 상에 제공될 수 있다.
크거나 또는 더 큰 격자 주기를 갖는 편광 격자와 대조적으로, 편광 선택성 브래그 격자 요소는 < 2 ㎛의 격자 주기 및 브래그 특성을 포함한다. 빔은 입력 빔의 원형 편광의 방향에 따라 회절 없이 전달되거나 또는 회절되며, 여기서 최대 회절 효율은 정확한 입사 각도 하에서만 달성된다. 이러한 유형의 편광 선택성 브래그 격자 요소의 제조는 두 단계로 이루어진다. 제1 단계에서, 층의 홀로그래픽 구조화는 신남산 에스테르 그룹의 광 선택적 첨가에 의해 발생되는 액정 중합체 층의 벌크 광 배향 기술에 의해 실온에서 수행된다. 마지막으로, 유리 온도 Tg 초과의 층의 열 어닐링(장기간 가열)은 층의 유도된 광학 이방성을 증가시켜 격자 요소의 회절 효율을 증가시킨다.
높은 회절 효율(DE(diffraction efficiency) > 95%), 큰 회절 각도(예를 들어 30° 초과) 및 광각 및 수용 파장 갖는 원형 편광 선택 브래그 격자는 광 가교성 액정 중합체(LCP)에 기초하여 형성된다. 이러한 격자 요소는 이러한 광 가교성 액정 중합체의 특정적인 특성 및 2단계 광화학/열 처리의 결과이다. 홀로그래픽 구조화는 최종 격자 요소의 높은 광학적 품질 및 열적 및 화학적 안정성뿐만 아니라 액정 디렉터의 높은 공간 해상도 및 임의의 정렬을 가능하게 한다.
이러한 유형의 격자 요소는 이중 스위칭 가능한 편향 요소로서 및/또는 필드 렌즈와의 사전 편향을 위한 스위칭 요소로서 편광 스위치와 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 이들은 편향 편광 격자 또는 반사 편광 필터로서 사용될 수 있다. 높은 회절 효율과 조합된 사용 가능한 높은 회절 각도는, 헤드 마운트 디스플레이에서 요구되는 시스템-특정된 짧은 초점 거리와 많은 개수의 구멍으로 인해, 이러한 유형의 격자 요소가 AR(증강 현실)/VR(가상 현실) 응용과 관련한 헤드 마운트 디스플레이에 대해 매력적이게 한다. 반대되는 배향을 갖는 2개의 격자 요소가 사용되면, 광의 편향 각도가 두 배로 될 수 있다
광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치에 사용될 수 있는 편광 선택성 브래그 격자 요소의 보다 상세한 설명은 이하의 도면 설명에서 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 제어 가능한 격자 요소는 광 가이드의 사전 정의된 표면에 걸쳐 연장되고, 여기서 격자 요소는 스위칭 가능한 섹션으로 분할되는 것이 제공될 수 있다.
광 가이드의 가능한 디커플링 영역에는 적어도 하나의 스위칭 가능한 디커플링 요소가 격자 요소 형태로 제공된다. 이러한 격자 요소는 스위칭 가능한 섹션들로 분할된다. 격자 요소의 특정 섹션들을 스위칭 온 또는 스위칭 오프함으로써, 광 가이드로부터의 광의 디커플링 위치가 정해지고 정의될 수 있다. 이것은 또한 스위칭 요소와 관련한 수동 격자 요소, 즉 예를 들어 편광 스위치와 관련한 편광 민감 브래그 격자 요소에 적용된다. 그런 다음, 수동 격자 요소는 광 가이드의 사전 정의된 표면에 걸쳐 연장되고, 여기서 스위칭 요소는 개별 스위칭 가능한 섹션들로 분할된다.
스위칭 가능한 격자 요소 형태의 디커플링 요소는 예를 들어 반사성 격자 요소 또는 투과성 격자 요소일 수 있다. 반사성 격자 요소는 광 가이드의 외측에 제공될 수 있고, 여기서 투과성 격자 요소는 광 가이드의 내부에 제공될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 적어도 섹션별로 적어도 일 방향으로 만곡된 광 가이드가 제공될 수 있다.
특정 실시예에서, 광 가이드가 편평한 또는 평평한 또는 평면의 기하학적 구조를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 예를 들어 공간 절약이 필요한 사용의 경우인데, 왜냐하면 편평한 광 가이드는 만곡된 광 가이드보다 더 적은 공간을 차지하기 때문이다. 특히 헤드 마운트 디스플레이에 대한 다른 실시예에서, 광 가이드는 만곡된 기하학적 구조를 또한 포함할 수 있다. 일반적인 경우에, 광 가이드는 또한 직선의 그리고 만곡된 섹션 또는 상이한 강도의 곡률의 섹션으로 또한 구성될 수 있다. 예를 들어 커플링 영역은 편평할 수 있지만, 디커플링 영역은 만곡되어 형성될 수 있다. 안경 형상으로 형성된 헤드 마운트 디스플레이의 경우, 예를 들어 광 가이드의 편평한 섹션은 안경 클립의 영역에서 헤드의 측방향으로 배치될 수 있고, 만곡된 섹션은 사용자의 눈 전방에 배치될 수 있다. 만곡된 광 가이드는 디커플링 각도가 광 가이드 상/내에서의 격자 요소의 위치에 의존하지 않는 광 디커플링 장치에서의 격자 요소의 사용을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 유리한 실시예에서 광 가이드가 적어도 섹션별로 중공 실린더의 형태를 포함하고, 여기서 경계 표면은 상이한 반경을 갖는 중공 실린더의 부분으로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 광 가이드는 예를 들어 반원과 유사한 형태를 포함할 수 있다.
광 커플링 장치는 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 광 가이드 내로의 광의 커플링 영역에 제공된다. 광 커플링 장치는 적어도 하나의 커플링 요소를 예를 들어 격자 요소 또는 거울 요소 형태로 포함한다. 격자 요소는 제어 가능하거나 또는 스위칭 가능하게 설계될 수 있다. 또한, 커플링 요소는 광 가이드의 외부 표면 또는 내부 표면에 제공될 수 있다. 커플링 요소의 실시예에서, 이는 광 가이드의 내부 표면에 제공되는 반사성 격자 요소로서 형성될 수 있다. 광 가이드 상에 입사되는 광은 우선 수직으로 광 가이드를 한 번 통과하고, 광 가이드의 내부 표면에서 반사성 격자 요소 또는 거울 요소로부터 편향되고, 그 후 광 가이드를 통해 지그재그로 전파된다.
이 경우 일 실시예에서, 전파 각도는 전반사에 의해 주변 매체에 대해, 예를 들어 공기에 대해 광 가이드의 경계 표면에서의 반사가 발생하는 방식으로 선택될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 유전체 층 스택과 같은 추가적인 층이 광 가이드의 내부 및 외부 클래딩 표면 또는 경계 표면 상에 제공될 수 있다. 이러한 유전체 층은 특정 또는 사전 정의된 각도로 입사되는 광의 반사를 발생시킨다. 여기서 바람직하게는, 유전체 층은 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스가 AR 응용을 위한 장치에 사용될 때, 주변 광이 AR 응용 동안 광 가이드를 통과할 수 있는 방식으로 설계될 수 있다. 따라서, 광 가이드가 경계 표면 상에 유전체 층을 포함하는 것이 또한 유리하게 제공될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 광 커플링 장치의 광 편향 각도 및 광 디커플링 장치의 광 편향 각도는 광 가이드의 표면 상에 수직으로 입사되는 광 빔이 또한 광 가이드로부터 수직으로, 즉 직각으로 출사되는 방식으로 서로 반대로 선택될 수 있다. 다시 말하면, 광 커플링 장치의 격자 요소의 광 편향 각도는 광 가이드의 외부 표면을 통해 수직으로 진입되는 광 빔이 또한 광 가이드의 내부 표면으로부터 수직으로 다시 출사되는 방식으로 광 디커플링 장치의 격자 요소의 광 편향 각도와는 서로 반대된다.
광 가이드 디바이스의 광 가이드는 선택적으로 유리 또는 광학 플라스틱으로 구성될 수 있다.
광 커플링 장치 및/또는 광 디커플링 장치의 격자 요소는 투과성 또는 반사성으로 형성될 수 있다.
유리하게는, 광 커플링 장치의 치수는 광 가이드 디바이스에 입사되는 광 번들의 치수보다 클 수 있고, 여기서 광 가이드 내로의 광 번들의 커플링 지점은 광 커플링 장치의 치수의 경계 내에서 변위될 수 있다. 광 번들의 커플링 지점을 변위시킴으로써, 광 가이드 내에 미리 정해지거나 또는 사전 설정된 반사 횟수에 대해 광 번들의 광 가이드로부터의 디커플링 지점도 또한 변위될 수 있다.
본 발명의 과제는 또한 청구항 제18항에 따른 디스플레이 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스로서 또는 오토스테레오스코픽 디스플레이 디바이스로서 형성될 수 있다. 특히 유리하게는, 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이 또는 헤드 업 디스플레이와 같은 눈 가까이에 제공되는 디스플레이 디바이스로서 형성될 수 있다. 이 경우, 디스플레이 디바이스는 조명 장치, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치, 광학 시스템 및 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스를 포함한다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 특징들에 대한 이하의 상세한 설명을 설명하기 위해, 우선 넓은 시야에서, 일반적으로 관찰자가 시야의 다양한 부분을 관찰할 때, 디스플레이 디바이스에 의해 생성된 장면의 관찰자의 눈동자들이 상이하게 회전된다는 것이 참조되어야 한다. 넓은 시야 및 가상 관찰자 윈도우를 갖는 디스플레이 디바이스 또는 디스플레이는 또한 본 출원의 의미에서, 관찰자의 눈의 눈동자가 회전할 때 가상 관찰자 윈도우가 중심점을 중심으로 회전된다는 것이 이해되어야 한다. 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 모든 세그먼트들에 대해 가상 관찰자 윈도우가 동일한 위치에서 생성되어야 한다는 요구 사항은 일반적으로 가상 관찰자 윈도우가 각각 다중 이미지의 다양한 세그먼트에 대해서는 또한 서로에 대해 기울어질 수 있지만, 그러나 공동의 중심점을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
관찰자가 넓은 시야의 다양한 부분을 관찰하고, 여기서 그의 눈이 회전하는 경우, 동공의 약 12 mm 후방에 위치되는 눈 렌즈의 중심점을 중심으로 회전된다. 따라서, 눈 렌즈가 회전될 때, 자동적으로 동공 위치도 또한 측면으로 변위된다. 15도의 회전은 예를 들어 동공이 약 3.2 mm만큼 변위되는 것에 대응한다. 따라서 예를 들어 공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지로 생성되는 넓은 시야를 갖는 디스플레이 디바이스의 경우, 대안적인 실시예는 또한 다중 이미지의 개별 세그먼트의 가상 관찰자 윈도우가 서로에 대해 대응하여 변위되는 방식으로 눈 렌즈의 회전 시 동공 위치의 의도적인 이러한 변화를 고려할 수 있다. 시야에서 15도의 거리를 포함하는 세그먼트들의 경우, 예를 들어 가상 관찰자 윈도우의 중심점은 서로에 대해 3.2 mm만큼 변위될 것이므로, 눈이 회전될 때 동공 중심점과 일치한다. 따라서 이러한 경우, 각각의 세그먼트는 의도적으로 약간 변위된 위치를 가지며, 경우에 따라서는 가상 관찰자 윈도우의 기울어진 배향을 추가적으로 갖는다.
광 가이드의 곡률은 예를 들어 광의 광 가이드로부터의 수직 디커플링에 대해, 광 가이드 표면으로부터 관찰자 거리로 이러한 변위가 발생하도록 적응될 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스에서, 광의 디커플링은 광 가이드의 경계 표면에서 광의 각각의 미리 정해진 횟수의 반사 후에 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 상이한 위치에서 이루어진다.
이미 언급된 바와 같이, 광 가이드에는 정의된 기하학적 경로가 존재한다. 따라서, 광 가이드 내에서 광의 전파 시, 광 가이드 내의 광학 경로 및 광 가이드의 경계 표면에서의 반사 횟수가 결정될 수 있다. 따라서, 사용되는 광 가이드의 길이는 미리 결정될 수 있고, 이는 광학 시스템의 이미징 요소의 초점 거리 및 공간 광 변조 장치와 가상 관찰자 윈도우의 거리 또는 광 가이드 디바이스로부터의 스위트 스폿이 특정 이미징 빔 경로 및/또는 조명 빔 경로가 설정될 수 있는 방식으로 설정된다. 사용된 "관찰자 영역"이라는 개념은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스가 홀로그래픽 또는 입체 디스플레이 디바이스로서 형성되는지 여부에 따라 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿, 이 두 가지를 포함한다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서, 광 가이드 디바이스 및 광학 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 이미지가 생성될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 이미지는 시야를 결정하고, 시야의 내부에서 공간 광 변조 장치에서 인코딩된 장면의 정보가 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성될 수 있다.
유리하게는, 광 가이드 디바이스 및 광학 시스템에 의해, 광의 광 가이드 디바이스로부터의 디커플링 후에 광 경로에서 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 광원 이미지 또는 공간 광 변조 장치의 이미지가 생성될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
이 경우, 광원 이미지의 평면 또는 공간 광 변조 장치의 이미지의 평면에 가상 관찰자 영역이 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광 가이드 디바이스의 광 가이드는 적어도 섹션별로 중공 실린더의 부분으로서 만곡되고, 여기서 중공 실린더의 원호의 중심점의 영역에 가상 관찰자 영역이 생성될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
특히 바람직하게는 광 가이드 디바이스 및 광학 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 세그먼트로 구성된 다중 이미지가 생성될 수 있고, 여기서 다중 이미지는 시야를 결정하고, 시야의 내부에서 공간 광 변조 장치에서 인코딩된 장면의 정보가 광원 이미지의 평면에서 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
이 경우, 다른 실시예에서 광 가이드 디바이스 및 광학 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에 세그먼트로 구성된 회절 차수의 다중 이미지가 생성될 수 있고, 다중 이미지는 시야를 결정하고, 시야의 내부에서 공간 광 변조 장치에서 인코딩된 장면의 정보가 공간 광 변조 장치의 이미지 평면에서 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
광 가이드 디바이스 및 광학 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 이미지가 생성될 수 있다. 이러한 이미지는 시야의 크기를 결정하고, 그 내부에서 장면 또는 오브젝트가 생성될 수 있거나 또는 재구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 넓은 시야를 생성하기 위해, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치는 다중으로 서로 인접하게 그리고/또는 서로 중첩되어 또는 측면으로 서로에 대해 오프셋되어 이미징될 수 있다. 이것은 시야의 시간 순차적 구성이 관찰자에 의해 인지되지 않는 속도로 이루어진다. 그러나, 이미지는 부분적으로 또는 완전히 중첩될 수 있다.
장면 또는 오브젝트는 공간 광 변조 장치의 전방 또는 후방 또는 그 주위에 생성될 수 있다. 특히 장면의 홀로그래픽 재구성 시, 장면 생성의 영역은 홀로그램에서 장면 또는 오브젝트의 깊이 인코딩에 의존한다.
공간 광 변조 장치는 시야에서 확대 가능하게 이미징되어 생성될 수 있다. 공간 광 변조 장치의 평면은 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 생성될 세그먼트의 개수에 대응하게 시야에서 확대 가능하며, 여기서 공간 광 변조 장치의 이미지가 확대되어 생성되고, 따라서 시야의 크기를 결정한다.
공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지의 생성에 대한 상세한 개시가 예를 들어 US 2013/0222384 A1호에서 찾을 수 있고, 그 개시는 본 명세서에 완전히 포함된다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면은 광학 시스템에 의해 생성될 수 있다. 이것은 예를 들어 SLM이 이미징 요소의 오브젝트측 초점 평면에 배치되고, 퓨리에 평면이 이미징 요소의 이미지측 초점 평면에 발생하는 2f 배치에 의해 수행될 수 있다. 이러한 퓨리에 평면에는 최대 하나의 회절 차수를 투과시키고 다른 회절 차수를 필터링하는 필터 개구가 배치될 수 있다. 그런 다음, 광학 시스템에 의해, 필터 구멍에 의해 투과된 회절 차수의 부분 또는 부분들의 세그먼트화된 다중 이미지가 생성될 수 있다. 회절 차수의 이러한 다중 이미지는 시야의 크기를 결정하고, 그 내부에서 장면 또는 오브젝트가 생성될 수 있거나 또는 재구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 넓은 시야를 생성하기 위해, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치의 회절 차수는 다중으로 서로 인접하게 그리고/또는 또한 서로 중첩되어 또는 측면으로 서로에 대해 오프셋되어 이미징될 수 있다. 이것은 시야의 시간 순차적 구성이 관찰자에 의해 인지되지 않는 속도로 이루어진다. 그러나, 이미지는 또한 부분적으로 또는 완전히 중첩될 수 있다.
장면 또는 오브젝트는 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면 전방 또는 후방 또는 그 주위에 생성될 수 있다. 특히 장면의 홀로그래픽 재구성 시, 장면 생성의 영역은 홀로그램에서 장면 또는 오브젝트의 깊이 인코딩에 의존한다.
공간 광 변조 장치의 회절 차수는 시야에서 확대 가능하게 이미징되어 생성될 수 있다. 회절 차수는 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에서 공간 광 변조 장치의 생성될 세그먼트의 개수에 대응하게 시야에서 확대될 수 있고, 그 내부에서 회절 차수의 이미지가 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에서 확대되어 생성되고 따라서 시야의 크기를 결정한다.
이하에서, 실시예에서 적어도 하나의 공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지가 상세히 설명된다. 그러나 유사하게는, 설명이 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에서 회절 차수의 세그먼트화된 다중 이미지의 경우에도 또한 전달될 수 있다.
적어도 하나의 공간 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지를 위한 배치에서 광 가이드의 본 발명에 따른 사용은 특히 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해 공간 광 변조 장치의 다양한 픽셀의 광이 광 가이드 디바이스에 커플링되고, 공간 광 변조 장치의 모든 픽셀에 대해 각각 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 동일한 횟수의 반사 후에 다시 디커플링되는 것을 의미한다.
다시 말하면, 이미지 또는 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해, 광 가이드 디바이스 내로의 진입 후에 공간 광 변조 장치의 다양한 픽셀로부터 나오는 광의 디커플링은 모든 픽셀에 대해 각각 광 가이드의 경계 표면에서 동일한 횟수의 반사 후에 제공되는 것이 제공될 수 있다.
여기서 또한 다중 이미지의 상이한 세그먼트들에 대해, 하나의 세그먼트를 생성하기 위한 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 반사 횟수는 다른 세그먼트를 생성하기 위한 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 반사 횟수와는 상이한 것이 제공될 수 있다. 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 상이한 세그먼트들은 예를 들어 다중 이미지의 인접한 세그먼트에 대해 광 가이드의 경계 표면에서의 많은 반사와는 상이하게 설계되는 방식으로 형성될 수 있다. 그러나, 예를 들어 다중 이미지의 상이한 세그먼트에 대해, 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 동일하게 많은 반사가 생성되지만, 그러나 변위된 커플링 지점 또는 광의 변경된 커플링 각도를 사용하는 다른 배치도 또한 가능하다.
본 발명에 따른 광 가이드 디바이스를 위해 이미 언급된 바와 같이, 다중 이미지의 다양한 세그먼트들을 생성하기 위한 광의 디커플링은 예를 들어 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 격자 요소 또는 적어도 하나의 격자 요소의 개별 섹션이 광의 디커플링을 위해 스위칭 온되거나 또는 스위칭 오프되는 방식으로 제어될 수 있다. 스위칭 오프된 격자 요소는 예를 들어 이러한 격자 요소 상에 입사되는 광이 디커플링되지 않고 반사되어, 나아가 광 가이드에서 전파되고, 광 가이드의 다른 지점에서의 추가적인 반사 후에 디커플링될 수 있도록 유도될 것이다.
격자 요소 대신에, 광 디커플링 장치뿐만 아니라 광 커플링 장치는 또한 거울 요소, 특히 경사진 거울 표면을 갖는 거울 요소를 포함할 수 있다. 이러한 거울 요소는 마찬가지로 광을 광 가이드 디바이스 내로의 커플링 또는 광 가이드 디바이스로부터의 디커플링을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 다중 이미지의 상이한 세그먼트들에 대해, 광 가이드의 경계 표면에서의 광의 반사 횟수는 동일할 수 있고, 광 가이드 내로의 광의 커플링 지점은 이러한 세그먼트들에 대해 상이하다.
유리하게는, 광 가이드 내로의 광의 커플링 지점을 변위시키기 위해, 광 편향 장치가 광 방향으로 광 가이드 디바이스 이전에 제공될 수 있다.
광 가이드에서 광의 커플링 지점의 변위는 바람직하게는 광 편향 장치에 의해 수행될 수 있다. 이를 위해, 광 편향 장치는 격자 주기가 설정될 수 있는 적어도 하나의 격자 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 광 편향 장치는 2개의 격자 요소를 포함할 수 있다. 그런 다음, 제1 격자 요소는 설정 가능한 각도로 입사광을 편향시키고, 여기서 제2 격자 요소는 제1 격자 요소에 의해 편향된 광을 동일한 크기지만 반대 부호를 갖는 각도로 반대 방향으로 편향시키므로, 본질적으로 광의 평행 오프셋이 발생되거나 또는 생성된다.
디스플레이 디바이스의 다른 유리한 실시예에서, 광학 시스템은 2단계 광학 시스템으로 형성되고, 제1 단계에서 광학 시스템의 적어도 하나의 제1 이미징 요소에 의해 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 중간 이미지가 생성될 수 있고, 제2 단계에서 광원의 중간 이미지는 광학 시스템의 적어도 하나의 제2 이미징 요소에 의해, 광 가이드로부터의 광의 디커플링 후에 광 경로에서 가상 관찰자 영역으로 이미징될 수 있는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 가이드 디바이스를 포함하는 디스플레이 디바이스에서 2단계 광학 시스템이 사용될 수 있다. 이를 위해, 디스플레이 디바이스는 적어도 하나의 공간 광 변조 장치를 포함하고, 공간 광 변조 장치를 조명하고 적어도 하나의 광원을 포함하는 조명 장치를 포함한다. 제1 단계에서, 적어도 하나의 제1 이미징 요소, 예를 들어 렌즈에 의해 공간 광 변조 장치 후에 광 방향으로 조명 장치의 중간 이미지, 즉 조명 장치가 포함하는 적어도 하나의 광원의 중간 이미지 및 이에 따른 관찰자 영역, 특히 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿의 중간 이미지가 생성된다. 그런 다음 제2 단계에서, 조명 장치의 이러한 중간 이미지는 마찬가지로 렌즈일 수 있는 적어도 하나의 다른 또는 제2 이미징 요소에 의해 관찰자 평면으로 보다 구체적으로는 실제 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿으로 이미징된다. 이를 위해, 디스플레이 디바이스에서 광 가이드 디바이스는 조명 빔 경로 및 제2 이미징 요소의 중간 이미지 후에 빔 경로에 위치된다. 적어도 하나의 제1 이미징 요소는 공간 광 변조 장치의 이미지를 동시에 생성한다. 조명 장치 및 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿을 이미징하는 제2 이미징 요소는 마찬가지로 공간 광 변조 장치의 이미징에 기여한다. 광학 시스템의 이미징 요소의 초점 거리에 대한 적절한 선택 시, 공간 광 변조 장치의 추가 이미지가 광 가이드 디바이스 내부에서, 특히 광 가이드 내부에서 형성된다. 광 가이드 디바이스 내부에서 공간 광 변조 장치의 중간 이미지는 원통형 이미징 요소를 포함하는 본 발명의 실시예에서 광 커플링 장치의 적어도 하나의 격자 요소의 일 편향 방향으로만 생성될 수 있고, 한편 이에 대해 수직 방향으로 광 가이드 디바이스 외부에 공간 광 변조 장치의 중간 이미지가 존재할 수 있다.
또한, 디스플레이 디바이스의 특히 유리한 실시예에서, 광 방향으로 광 가이드 디바이스 이전에 배치된 적어도 하나의 가변 이미징 시스템이 제공될 수 있다.
적어도 하나의 이러한 가변 이미징 시스템은 바람직하게는 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 중간 이미지 평면의 근처에 또는 중간 이미지 평면에 가능한 한 가까이 또는 중간 이미지 평면 내에 제공될 수 있고 그리고/또는 가변 이미징 시스템은 공간 광 변조 장치 근처에 또는 공간 광 변조 장치의 이미지 평면 내에 제공될 수 있다.
이를 위해, 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 제어 가능한 가변 주기를 갖는 격자 요소로서 또는 제어 가능한 액정 요소로서 또는 거리가 가변적인 적어도 2개의 렌즈 요소로서 형성되는 적어도 하나의 이미징 요소를 포함할 수 있다. 가변 이미징 시스템의 적어도 하나의 이미징 요소는 전도성으로 또는 반사성으로 형성될 수 있다. 예를 들어 가변 이미징 시스템은 이미징 요소로서 둘 다 반사성으로 형성될 수 있는 2개의 제어 가능한 액정 요소를 포함할 수 있다. 2개의 액정 요소의 반사성 실시예에 기초하여, 2개의 액정 요소 사이의 특정 거리가 요구된다. 따라서, 2개의 액정 요소는 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 정확하지 않게 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 유형의 액정 요소를 포함하는 가변 이미징 시스템은 전체적으로 봤을 때, 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 가능한 한 가깝게 배치되어야 한다.
따라서, 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면 또는 스위트 스폿을 동시에 표현하는 조명 장치의 중간 이미지 평면 내에 또는 매우 가까이에 가변 이미징 시스템이 제공될 수 있다. 가변 이미징 시스템이라 함은, 여기서 초점 거리가 가변적인 이미징 시스템으로 이해되어야 한다. 광학 시스템의 적어도 하나의 제1 이미징 요소는 공간 광 변조 장치의 이미지를 또한 생성한다. 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿을 이미징하는 광학 시스템의 적어도 하나의 제2 이미징 요소는 공간 광 변조 장치의 이미징에 또한 기여한다. 그러나, 조명 장치 또는 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿의 중간 이미지 평면 내의 또는 근처의 가변 이미징 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 이미지는 조명 빔 경로와 가상 관찰자 윈도우의 위치 및 크기 또는 스위트 스폿 자체에 영향을 주지 않고 유리한 방식으로 그 깊이가 변위될 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 공간 광 변조 장치의 이미지는 가변 이미징 시스템에 의해 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 각각의 개별 세그먼트에 대해 변위될 수 있어, 여기서 상이한 개별 세그먼트에 대해 발생하는 광 가이드 디바이스의 광 가이드를 통해 광의 상이한 광학 경로가 적어도 부분적으로 보상될 수 있다. 공간 광 변조 장치의 이미지가 각각의 개별 세그먼트에 대해 얼마나 많이 변위되어야 하는지에 대한 계산은 디스플레이 디바이스의 작동 이전에 이루어진다.
이 경우 바람직하게는, 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿으로부터 관찰자에게 가시적인 공간 광 변조 장치의 이미지는 다중 이미지의 모든 세그먼트에 대해 동일하거나 또는 적어도 유사한 깊이로 형성된다. 가변 이미징 시스템은 이를 위해, 예를 들어 제어 가능한 가변 주기를 갖는 격자 요소(예를 들어 액정 격자(LCG)(liquid crystal grating))로서 또는 전기 습윤 렌즈로서 또는 액정 렌즈로서 형성될 수 있는 적어도 하나의 이미징 요소를 포함한다. 그러나, 가변 이미징 시스템은 또한 적어도 2개의 이미징 요소로부터 예를 들어 줌 오브젝트와 같이, 그 거리가 서로에 대해 가변적으로 설정될 수 있는 예를 들어 적어도 2개의 렌즈 형태로 시스템을 포함할 수 있다.
유리한 방식으로, 적어도 하나의 가변 이미징 시스템의 적어도 하나의 제어 가능한 이미징 요소에는, 변경 가능한 프리즘 함수(function) 또는 변경 가능한 렌즈 함수 및/또는 변경 가능한 복합 위상 함수가 기록될 수 있다.
가변 이미징 시스템의 제어 가능한 이미징 요소는 광 가이드 디바이스의 광 가이드 내로의 광의 커플링 지점을 변경시키기 위해, 조명 장치의 중간 이미지 평면에 배치될 수 있다. 특히 제어 가능한 이미징 요소에 변경 가능한 프리즘 함수를 기록함으로써, 광 가이드에서 광의 커플링 지점이 변위될 수 있다. 이러한 방식으로, 공간 광 변조 장치의 이미지는 시야에서 측면으로 변위될 수 있다.
가변 이미징 시스템의 이러한 유형의 제어 가능한 이미징 요소에는, 예를 들어 제어 가능한 가변 주기(LCG)를 갖는 격자 요소와 같은 위상 변조 요소가 변경 가능한 렌즈 함수 또는 프리즘 함수 대신에 또는 이에 대해 추가적으로 또한 변경 가능한 복합적인, 따라서 단순한 선형 또는 구형 함수와는 상이한 위상 함수가 기록될 수 있다. 예를 들어 수차 보정을 위한 위상 함수는 다항식일 수 있다. 수차는 예를 들어 제르니케 다항식에 의해 설명될 수 있다. 이러한 절차는 유리하게는 특히 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스가 홀로그래픽 디스플레이 디바이스로 형성되는 경우, 수차를 보상하는 역할을 한다. 따라서, 가변 이미징 시스템이 이미징 빔 경로에서 수차를 보정하기 위해 조명 장치의 광원 이미지의 평면 또는 공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면에 배치되는 것이 유리한 방식으로 제공될 수 있다.
광이 예를 들어 격자 요소에 의해 광 가이드에 커플링되고 디커플링되면, 수차가 발생할 수 있다. 이미징 빔 경로에 대해, 비점 수차와 유사한 이러한 수차는 예를 들어 수평 방향 및 수직 방향으로 관찰자와 상이한 거리에서 공간 광 변조 장치의 이미지를 생성하도록 작용할 수 있다. 또한, 커플링 요소와 디커플링 요소 사이의 상이한 길이의 경로로 인한 상이한 세그먼트들이 상이한 수차를 또한 포함할 수 있다.
이미징 빔 경로에서의 수차의 보정은, 예를 들어 공간 광 변조 장치의 방향으로 광 가이드를 통한 가상 관찰자 윈도우로부터의 역 계산에서 홀로그램의 진폭 및 위상의 결정과 조합하여 수행될 수 있다. 그러나, 역 계산은 우선 단지 가상 관찰자 윈도우로부터 조명 장치의 중간 이미지 평면까지만 수행된다. 특히, 실질적으로 이미징 빔 경로의 수차가 존재하고, 조명 빔 경로의 수차가 없거나 또는 단지 작은 수차만이 존재하는 일 실시예에서, 역 계산 시, 광 빔은 조명 장치의 중간 이미지 평면에는 실질적으로 정확한 위치를 갖지만, 그러나 수차로 인해 목표 위치와 비교하여 잘못된 각도를 갖고 가상 관찰자 윈도우에서 직접적인 광 빔의 각도를 갖는다. 따라서, 개별 광 빔에 대해, 각도는 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 가변 이미징 시스템의 예를 들어 국부적인 편향 격자 요소와 같은 대응하는 국부적인 이미징 요소에 의해 보정될 수 있다. 예를 들어 위치 x에서 ß (x)가 광 빔의 바람직한 입사 각도이고, 이러한 위치 x에서 ß' (x)가 이러한 광 빔의 실제 입사 각도인 경우, 보정 함수 Δβ (x) = ß(x) - ß' (x)가 확인될 수 있고, 이에 의해 이러한 수차를 적어도 부분적으로 제거할 수 있다. 그 후, 가변 이미징 시스템의 이미징 요소의 국부적인 격자 주기는 g(x) = λ / tan Δβ (x)로 결정되고, 여기서 λ는 광의 사용된 파장이다. 따라서, 이미징 요소의 격자 주기는 조명 장치의 중간 이미지 평면으로부터 가상 관찰자 윈도우까지의 이미징 배율을 고려하여, 각각의 개별 광 빔의 위치 및 바람직한 입사 각도가 가상 관찰자 윈도우에서 그 자체로 대응하는 방식으로 변경될 수 있거나 또는 조정될 수 있다.
위상 함수에 의해 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 수차를 보정하는 것의 이점은 이러한 보정이 바람직하게는 3차원(3D) 장면의 컨텐츠와는 독립적이라는 것이다. 따라서, 보정 함수는 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해, 그리고 또한 공간 광 변조 장치의 중간 위치에 대해 광의 광 가이드 내로의 커플링 지점이 연속적으로 변위될 때 각각 한 번 계산될 수 있고, 평가 테이블에 저장될 수 있고, 그 다음 다시 적용되고, 대응하는 격자 주기가 계산될 수 있다.
유사하게 형성된 제2 가변 이미징 시스템은 유리하게는 조명 빔 경로에서의 수차를 보정하기 위해, 동일한 위치에서 다중 이미지의 모든 세그먼트들에 대한 가상 관찰자 영역을 생성하기 위해 공간 광 변조 장치의 이미지 평면에 배치될 수 있다.
공간 광 변조 장치의 퓨리에 평면 대신 공간 광 변조 장치의 이미지 평면에서의 가변 이미징 시스템에 의해, 조명 빔 경로에서의 수차가 보정될 수 있고, 이는 광 가이드에서 광의 커플링 및/또는 디커플링 시 광 커플링 장치 및/또는 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 격자 요소를 통해 생성된다.
디스플레이 디바이스의 다른 유리한 실시예에서, 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 제어 가능한 격자 요소는 적어도 하나의 렌즈 함수를 포함하도록 제공될 수 있다.
가변 이미징 시스템에 대해 추가적으로, 디스플레이 디바이스는 단순한 격자 요소 대신에 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치에서 적어도 하나의 렌즈 함수를 포함하는 격자 요소를 또한 포함할 수 있다. 넓은 시야를 생성하기 위해 공간 광 변조 장치의 복수의 세그먼트들이 생성되면, 렌즈 함수는 상이한 개별 세그먼트와는 상이할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 다중 이미지의 모든 세그먼트들에 대해 동일한 렌즈 함수가 또한 존재할 수 있다. 예를 들어 복수의 세그먼트들만이 수평으로 서로 인접하게 생성되고, 단지 하나의 세그먼트만이 수직 방향으로 존재하는 광 가이드에서, 광 디커플링 장치는 수직 포커스를 생성하는 모든 세그먼트들에 대한 동일한 원통형 렌즈 함수를 포함한다. 이러한 렌즈 함수는 가변 이미징 시스템의 전체 초점 거리에 기여한다. 이는 가변 이미징 시스템의 초점 거리가 변경될 필요가 있는 설정 영역을 감소시킨다.
본 발명에 따른 디스플레이 디바이스는 유리하게는 2개의 디스플레이 디바이스를 갖는 헤드 마운트 디스플레이로서 형성될 수 있고, 여기서 디스플레이 디바이스는 각각 청구항 제18항 내지 제38항 중 어느 한 항에 따른 디스플레이 디바이스에 따라 형성되고, 각각 관찰자의 좌측 눈 및 관찰자의 우측 눈에 할당된다.
본 발명의 과제는 또한 청구항 제40항의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다.
공간 광 변조 장치 및 광 가이드에 의해 재구성된 장면을 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 다음과 같이 수행된다:
- 공간 광 변조 장치는 입사광을 장면의 필요한 정보로 변조시키고,
- 공간 광 변조 장치에 의해 변조된 광은 광 커플링 장치에 의해 광 가이드 내로 커플링되고, 광 디커플링 장치에 의해 광 가이드로부터 디커플링되며,
- 광은 광 가이드의 경계 표면에서 사전 정의된 횟수의 반사 후에 광 가이드로부터 디커플링된다.
유리하게는, 공간 광 변조 장치의 이미지 또는 공간 광 변조 장치의 세그먼트로 구성된 다중 이미지가 생성된다.
적어도 광 가이드 내에서 다중 이미지의 세그먼트의 일부에 대해 공간 광 변조 장치의 중간 이미지가 생성될 수 있다.
광 방향으로 광 가이드 디바이스 이전에 또는 광 가이드 이전에 공간 광 변조 장치의 제1 중간 이미지가 생성된다. 공간 광 변조 장치의 다른 중간 이미지는 중간 이미지가 적어도 광 가이드 내에서 공간 광 변조 장치의 다중 이미지의 세그먼트의 일부에 대해 위치하도록 생성될 수 있다. 중간 이미지는 또한 광 가이드 외부에서 다중 이미지의 세그먼트의 다른 부분에 대해 위치할 수 있다.
바람직하게는, 광의 광 가이드 내로의 커플링 이전에 광 경로에서 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 광원 이미지의 평면에 배치된 적어도 하나의 가변 이미징 시스템에 의해, 공간 광 변조 장치의 이미지가 다중 이미지의 각각의 개별 세그먼트에 대해 변위될 수 있어, 광 가이드 내에서 개별 세그먼트에 대해 생성된 상이한 광학적 광 경로가 적어도 부분적으로 보상된다.
가변 이미징 시스템에 의해, 다중 이미지의 각각의 개별 세그먼트에 대해 수차 보정이 수행될 수 있어, 가변 이미징 시스템의 적어도 하나의 광학적 특성이 변경되고, 여기서 각각의 세그먼트에 대해 보정 함수가 각각 한 번 계산되고 저장된다.
가변 이미징 시스템이 예를 들어 제어 가능한 가변 주기(LCG)를 갖는 격자 요소를 포함하는 경우, 그곳에 수차 보정을 위해 위상 함수가 다항식 형태로 기록될 수 있다.
다중 이미지의 각각의 개별 세그먼트에 대한 수차 보정은 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 그리고/또는 공간 광 변조 장치로 인코딩된 홀로그램의 진폭 및/또는 위상 곡선에서 수행될 수 있다.
보정 함수의 계산은 유리하게는 광 경로의 계산적 인버전(inversion) 및 가상 관찰자 영역으로부터 광 가이드를 통해 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 광원 이미지의 평면으로의 광 빔의 역추적에 의해 수행될 수 있다.
이제 본 발명의 교시를 유리한 방식으로 구성하고 그리고/또는 상기 및 이하에 설명되는 실시예 또는 구성예를 서로 조합하기 위한 다양한 가능성이 제공된다. 이를 위해, 한편으로는 독립항에 종속된 청구항을 참조해야 하고, 다른 한편으로는 또한 본 교시의 일반적으로 바람직한 구성예가 설명되는 도면에 기초하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명을 참조해야 한다. 이 경우, 본 발명은 설명된 실시예에 기초하여 원칙적으로 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시하고, 여기서 디스플레이 디바이스는 헤드 마운트 디스플레이로 형성된다.
도 5는 광 가이드를 제공하지 않는 단순한 디스플레이 디바이스의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 6은 공간 광 변조 장치의 확대된 가상 이미지의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 7은 도 6을 참조하여 공간 광 변조 장치의 위치 변경의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제1 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제2 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제3 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 11은 도 10에 따른 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 원칙적인 도면을 도시하고, 여기서 광 가이드는 원통형으로 설계된다.
도 12는 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스에 대한 조명 빔 경로를 개략적으로 도시한다.
도 13은 디스플레이 디바이스에 대한 이미징 빔 경로를 개략적으로 도시하고, 여기서 개별 픽셀에 대해 광 가이드 내부에서 각각 포커스가 생성된다.
도 14는 광 편향 장치에 의한 광의 커플링 지점의 변위를 개략적으로 도시한다.
도 15는 광 가이드를 통해 가상 관찰자 윈도우로부터 공간 광 변조 장치까지의 홀로그램의 진폭 및 위상을 확인하기 위한 역 계산을 개략적으로 도시한다.
도 16은 도 15에 따른 역 계산을 통해 생성되는 바와 같은 공간 광 변조 장치의 평면에서의 강도 분포를 그래픽 도면으로 도시한다.
도 17은 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 역 계산 및 수차 보정을 개략적으로 도시한다.
도 18은 헤드 마운트 디스플레이 형태의 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 19의 a)는 광 가이드 내의 광의 전파와 관련한 평면 광 가이드를 도시하고, 도 19의 b)는 만곡된 광 가이드를 도시한다.
도 20은 평면 광 가이드를 개략적으로 도시하고, 여기서 다양한 위치에서 상이한 광 빔이 광 가이드 내로 커플링된다.
도 21은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 22는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제2 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 23은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제3 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 24는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제4 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 25는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제5 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 26은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제6 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예의 원칙적인 도면을 도시하고, 여기서 디스플레이 디바이스는 헤드 마운트 디스플레이로 형성된다.
도 5는 광 가이드를 제공하지 않는 단순한 디스플레이 디바이스의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 6은 공간 광 변조 장치의 확대된 가상 이미지의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 7은 도 6을 참조하여 공간 광 변조 장치의 위치 변경의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제1 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제2 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 제3 실시예의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 11은 도 10에 따른 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스의 원칙적인 도면을 도시하고, 여기서 광 가이드는 원통형으로 설계된다.
도 12는 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스에 대한 조명 빔 경로를 개략적으로 도시한다.
도 13은 디스플레이 디바이스에 대한 이미징 빔 경로를 개략적으로 도시하고, 여기서 개별 픽셀에 대해 광 가이드 내부에서 각각 포커스가 생성된다.
도 14는 광 편향 장치에 의한 광의 커플링 지점의 변위를 개략적으로 도시한다.
도 15는 광 가이드를 통해 가상 관찰자 윈도우로부터 공간 광 변조 장치까지의 홀로그램의 진폭 및 위상을 확인하기 위한 역 계산을 개략적으로 도시한다.
도 16은 도 15에 따른 역 계산을 통해 생성되는 바와 같은 공간 광 변조 장치의 평면에서의 강도 분포를 그래픽 도면으로 도시한다.
도 17은 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 역 계산 및 수차 보정을 개략적으로 도시한다.
도 18은 헤드 마운트 디스플레이 형태의 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 19의 a)는 광 가이드 내의 광의 전파와 관련한 평면 광 가이드를 도시하고, 도 19의 b)는 만곡된 광 가이드를 도시한다.
도 20은 평면 광 가이드를 개략적으로 도시하고, 여기서 다양한 위치에서 상이한 광 빔이 광 가이드 내로 커플링된다.
도 21은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 22는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제2 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 23은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제3 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 24는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제4 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 25는 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제5 실시예를 원칙적으로 도시한다.
도 26은 광 가이드 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스의 제6 실시예를 원칙적으로 도시한다.
동일한 요소들/부품들/컴포넌트들은 또한 도면에서 동일한 참조 부호를 포함한다는 것이 간단히 언급된다.
이제 설명된 실시예들의 이해를 위해, 우선 디스플레이 디바이스에서의 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로 및 관찰자 영역, 즉 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿 및 시야의 크기의 관계가 특히 단순한 홀로그래픽 헤드 마운트 디스플레이에 기초하여 광 가이드를 사용하지 않고 설명되어야 한다. 이하에서, "관찰자 윈도우"라는 용어를 사용할 때, 적용이 또한 입체 디스플레이 디바이스에도 적용될 수 있는 경우, "스위트 스폿"으로도 또한 이해되어야 한다. 이러한 디스플레이 디바이스는 조명 장치, 이하에서 SLM으로 지칭되는 공간 광 변조 장치, 및 설명을 위해 여기서 이상적인 렌즈, 즉 이미징 오류 없는 얇은 렌즈를 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 이러한 유형의 디스플레이 디바이스는 제한된 시야만을 가질 것이고, 예를 들어 이하에서 AR 적용으로 지칭되는 증강 현실 적용에 적합하지 않을 것이다. 도 5에는 이러한 유형의 디스플레이 디바이스가 개략적으로 도시되어 있다.
SLM은 파장(λ)의 평면파(1)로 조명된다. 평면파(1)는 예를 들어 포인트 광원을 포함하는 조명 장치로 생성될 수 있고, 이러한 조명 장치는 포인트 광원과 SLM 사이에 위치된 광학 시스템의 렌즈로부터 초점 거리에 제공된다. 그런 다음, 포인트 광원의 가상 이미지가 무한대에 생성된다. SLM은 픽셀 피치(p)를 포함하고, 초점 거리(f1)의 렌즈(2)로부터의 거리(d)에 위치된다. 평면파로 SLM을 조명할 때 조명 장치는 무한대에 위치된다. 그런 다음, 조명 장치는 렌즈(2)의 초점 평면(BE)으로, 즉 렌즈(2)로부터 거리(f1)에 이미징되고, 이는 도 5의 상기 도면으로부터 알 수 있다.
SLM에 홀로그램이 기록되면, 이에 따라 렌즈(2)의 초점 평면(BE)에 크기(f1 λ /p)의 가상 관찰자 윈도우(VW)가 생성된다. 이것은 도 5의 아래 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, SLM의 픽셀로부터 회절 각도로 나오는 광 빔이 관찰됨으로써, 기하학적 광학 모델링에서 고려될 수 있다. SLM의 각각 상이한 픽셀로부터 나오는 이러한 광 빔은 여기서 상이한 회색 음영으로 도시된다.
시야는 렌즈(2)의 초점 거리(f1)를 통해 SLM의 공간적 치수의 아크 탄젠트로부터 생성된다. 이는 수평 시야는 arctan(SLM의 폭)/f1으로 계산될 수 있고 수직 시야는 arctan(SLM의 높이)/f1으로 계산될 수 있는 것을 의미한다.
SLM이 렌즈(2)로부터의 거리(d < f1)를 포함하는 경우, SLM의 확대된 가상 이미지(3)는 이미징 방정식(1/d' - 1/d = 1/f1)에 따라 배율(ß = d'/d)을 갖는 렌즈로부터 거리(d')에 생성된다. 이것은 도 6에 개략적으로 도시된다. SLM이 렌즈(2)로부터 거리(d > f1)을 가지면, 가상 이미지 대신에 실제 이미지가 생성될 것이다.
렌즈(2)로부터의 SLM의 거리만이 변경되고, 그러나 초점 거리는 변경되지 않는 경우, 가상 관찰자 윈도우(VW), 가상 관찰자 윈도우(VW)의 위치 및 크기, 그리고 시야(4)는 동일하게 유지되고, SLM의 이미지의 위치만이 변경될 것이다. 이것은 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 렌즈(2)의 초점 거리가 변경되면, 이에 따라 조명 장치의 이미지의 위치 및 가상 관찰자 윈도우(VW)의 위치뿐만 아니라 가상 관찰자 윈도우(VW)의 크기, 시야(4)의 크기 및 SLM의 이미지 위치 모두가 변경될 것이다.
특히, 시야는 가상 관찰자 윈도우의 크기에 대해 고정된 관계에 있는데, 왜냐하면 이 둘은 디스플레이 디바이스의 렌즈 또는 광학 시스템의 초점 거리(f1)에 의존하기 때문이다. 가상 관찰자 윈도우가 확대되면, 시야는 그 크기가 작아지고, 그 반대도 마찬가지이다. 일반적으로, 사용된 렌즈 또는 광학 시스템은 디스플레이 디바이스 내의 조명 빔 경로뿐만 아니라 이미징 빔 경로 모두에 영향을 미친다.
디스플레이 디바이스의 광학 시스템은 일반적으로 또한 복수의 렌즈 또는 이미징 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 시스템의 전체 초점 거리 및 주요 평면은 기하학적 광학의 공지된 방법에 따라 확인될 수 있다. 따라서, 상기 설명은 전체 시스템에 대해서도 유사하게 적용된다.
복수의 이미징 요소를 갖는 광학 시스템을 포함하는 이러한 디스플레이 디바이스에 광 가이드가 도입되고, 우선 SLM의 개별 이미지만이 사용되고 이에 따라 광 가이드 내로 입사되고 전파되는 광의 고정된 커플링 지점 및 고정된 디커플링 지점이 사용되는 경우, 광 가이드 상의 광의 커플링 지점 및 디커플링 지점 사이의 광학 경로는 SLM, 광학 시스템의 이미징 요소 및 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로의 가상 관찰자 윈도우 사이의 거리에서 고려되어야 한다.
예를 들어 광 가이드가 적어도 하나의 이미징 요소와 가상 관찰자 윈도우 사이에 도입되고, 초점 거리가 60 mm인 이미징 요소가 광의 광 가이드 내로의 커플링에 가깝게 제공되고, 광 가이드를 통한 광학 경로가 40 mm인 경우, 가상 관찰자 윈도우가 광 가이드로부터의 디커플링 측으로부터 20 mm의 거리로 생성될 수 있다.
도 8은 광 가이드 디바이스(5)를 포함하는 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스에 대한 조명 빔 경로를 도시한다. 광 가이드 디바이스(5)는 광 가이드(6), 광 커플링 장치(7) 및 광 디커플링 장치(8)를 포함한다. 광 커플링 장치(7)와 광 디커플링 장치(8)는 이러한 경우 각각 적어도 하나의 거울 요소(9, 10)를 포함한다. 도 8에서 거울 요소(9, 10)는 경사진 거울 요소로서 형성된다. 거울 요소 대신에, 광 커플링 장치(7) 및 광 디커플링 장치(8)는 또한 선택적으로 격자 요소를 포함할 수 있다. 광 커플링 장치(7) 및 광 디커플링 장치(8)의 거울 또는 격자 요소는 이후에 더 상세히 설명된다. 디스플레이 디바이스는 SLM 및 적어도 하나의 이미징 요소를 갖는 광학 시스템을 포함한다. 적어도 하나의 이미징 요소는 여기서 렌즈(11)로서 형성된다. SLM 및 렌즈(11)는 광 방향으로 광 커플링 장치(7) 이전에 위치된다. 간략화를 위해, SLM의 단지 3개의 픽셀(P1, P2 및 P3)만이 도시되어 있다. SLM의 각각의 픽셀(P1, P2 및 P3)로부터 나오는 광은 렌즈(11)를 통해 광 가이드 디바이스(5) 상으로 안내되어 이에 입사된다. 광 가이드(6)의 기하학적 구조로부터, 즉 예를 들어 광 커플링 장치(7)의 두께 또는 만일의 곡률 및 광학적 특성, 특히 경사진 거울 요소의 경사 각도 또는 격자 요소의 사용 시 격자 주기로부터, 광 가이드(6)의 내부에서 광이 수행해야 하는 반사 횟수가 결정될 수 있다. 광이 광 가이드에서 디커플링되어야 하는 위치에 따라, 광 가이드(6) 내에는 광의 소정의 반사 횟수가 필요하고, 이는 미리 결정될 수 있다. 다양한 디커플링 위치에 대한 반사 횟수의 이러한 값은 평가 테이블에 저장될 수 있고, 따라서 이용 시에 제공될 수 있고, 한 번 더 계산될 필요가 없다. 따라서, 단지 한 번만 결정되기만 하면 된다. 도 8에서, 광 가이드(6) 내에서 광은 경계 표면에서 고정된 횟수의 반사를 거친다. 이러한 경우, 광 가이드 디바이스(5)로부터 광의 디커플링 후에, 이로부터 특정 거리에 조명 장치의 이미지가 생성된다. 조명 장치의 이미지의 이러한 지점에서, 가상 관찰자 윈도우(VW)가 생성될 수 있다.
광 가이드 디바이스(5)가 SLM과 광학 시스템, 여기서 렌즈(11) 사이에 도입되면, 광 가이드(6)를 통한 광학 경로는 SLM의 이미지 위치에 영향을 미친다. 예를 들어 SLM이 렌즈(11)로부터 50 mm의 거리를 가져야 한다면, SLM은 광 가이드의 광학 경로가 40 mm인 경우 광 가이드 디바이스(5)로부터 10 mm 떨어져 배치될 수 있다.
따라서, 도 8은 디스플레이 디바이스 내의 광 가이드 디바이스(5)를 도시하고, 여기서 SLM의 모든 픽셀로부터의 광은 광 가이드(6)에서 미리 정해진 횟수의 반사 후에 다시 광 가이드 디바이스(5)로부터 디커플링된다. 도 8에 도시된 디스플레이 디바이스는 SLM의 개별 이미지만을 생성한다.
그러나, 넓은 시야를 생성하기 위해, SLM의 세그먼트화된 다중 이미지가 생성되어야 한다. 넓은 시야가 생성될 수 있는 이러한 유형의 디스플레이 디바이스에서, 광이 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해 상이한 위치에서 광 가이드 디바이스로부터 디커플링된다.
예를 들어 광이 고정된 위치에서 광 가이드 디바이스 내로 커플링되지만, SLM의 다중 이미지의 상이한 세그먼트들에 대해 상이한 위치에서 광 가이드 디바이스로부터 디커플링되는 경우, 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 광 가이드 자체를 통해 각 세그먼트에 대해 상이한 광학 경로가 생성된다. 이것은 특히 조명 빔 경로에 관련된다. 특히, 이것은, 광 가이드 디바이스 내에서 고정된 초점 거리를 갖는 이미징 요소와 가상 관찰자 윈도우 사이에 배치되는 편평한 또는 평평한 광 가이드에 대해, 광 가이드로부터 광을 디커플링하기 위한 가상 관찰자 윈도우의 거리가 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 변경된다는 것을 의미한다. 그러나, 이것은 디스플레이 디바이스에 의해 생성된 전체 장면을 동일한 위치에서 관찰하는 것이 가능하지 않기 때문에 불리하다. 이 경우, 관찰자는 생성된 장면의 각 부분을 다양한 위치로부터 보기 위해서는 자신의 머리를 움직여야 한다. 따라서, SLM의 다중 이미지의 모든 세그먼트에 대한 공통 지점에서 광 가이드 디바이스와 동일한 거리로 공통 가상 관찰자 윈도우를 생성하는 것이 중요하다.
SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트에 대해 가상 관찰자 윈도우의 상이한 위치의 이러한 단점을 제거하기 위해, 디스플레이 디바이스는 빔 경로에서 가변 이미징 시스템을 포함한다. 가변 이미징 시스템은 적어도 하나의 이미징 요소, 특히 제어 가능한 가변 주기를 갖는 적어도 하나의 격자 요소 또는 제어 가능한 액정 요소 또는 거리가 가변적인 적어도 2개의 렌즈 요소를 포함한다. 이미징 요소는 또한 가변 초점 거리를 갖는 적어도 하나의 렌즈일 수 있다. 이러한 가변 이미징 시스템은 광 방향으로 광 가이드 디바이스의 광 커플링 장치 이전에 배치된다. 가변 이미징 시스템의 광학적 특성, 즉 예를 들어 초점 거리 또는 격자 주기는 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 적응되어, 각각 가상 관찰자 윈도우가 광 가이드 디바이스의 디커플링 측으로부터 동일한 거리에서 생성된다.
광 디커플링 장치는 단순한 격자 요소 대신에 추가적으로, SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트와는 상이하고 전체 초점 거리에 기여하는 렌즈 항 또는 렌즈 함수를 포함할 수 있다. 이것은 가변 이미징 시스템의 광학적 특성이 개별 세그먼트에 대해 변경되어야 하는 설정 범위에서의 설정을 용이하게 한다. 그러나, 가변 이미징 시스템의 배치에 따라, 이것은 일반적으로 2개의 빔 경로, 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로에 영향을 미친다. 조명 빔 경로에만 영향을 주기 위해서는, 가변 이미징 시스템이 SLM에 직접 배치되어야 하거나 또는 SLM의 이미지 평면에 배치되어야 한다. SLM과 광의 광 가이드 내로의 커플링 사이에서 SLM에 직접 배치되는 가변 이미징 시스템을 갖는 디스플레이 디바이스에 대해, 일반적으로 SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트들에 대해 가변 이미징 시스템의 광학적 특성을 변화시킴으로써, 공통의 가상 관찰자 윈도우를 동일한 위치에서 생성하는 것이 가능하다. 그러나, 이미 언급된 바와 같이, 가변 이미징 시스템의 이러한 광학적 특성은 가상 관찰자 윈도우 및 시야의 크기와 관련된다. 따라서, 도 9에 따른 이러한 실시예에서, SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해 크기가 다양한 가상 관찰자 윈도우 및 마찬가지로 개별 세그먼트에 대해 크기가 다양한 시야의 부분 영역이 형성된다. 따라서, SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트는 전체 시야에 대해 상이한 가중치로 기여한다.
이 경우, 가상 관찰자 윈도우와 관련하여, SLM의 다중 이미지의 각각의 개별 세그먼트에 대해 생성되는 가장 작은 관찰자 윈도우 크기만이 효과적으로 사용될 수 있다.
특히, SLM의 다중 이미지의 각각의 세그먼트에 대해 상이한, 광의 디커플링을 위한 광 디커플링 장치의 격자 요소에서 렌즈 함수를 사용하는 경우, 추가적인 문제가 발생한다:
일반적으로, SLM의 다중 이미지의 인접한 세그먼트는 개별 세그먼트에 대한 이러한 광의 디커플링 시 공간적으로 중첩된다. 따라서, 광 디커플링 장치에서 스위칭 가능한 격자 요소의 복수의 층은 SLM의 다중 이미지의 중첩된 세그먼트를 생성하기 위해 적층되어 생성되어야 한다. 따라서, 광 가이드 디바이스의 일 실시예에서는, 광 가이드 디바이스의 광 가이드의 전방 측면 및 후방 측면 상에서 또는 양 표면/경계 표면 상에서 격자 요소를 통해 교대로 SLM의 다중 이미지의 인접한 세그먼트들을 디커플링하도록 제공된다.
도 9는 이제 SLM의 다중 이미지의 3개의 다양한 세그먼트가 생성되는, 광 가이드 디바이스(5)와 조명 빔 경로를 갖는 디스플레이를 3개의 다양한 도면으로 도시한다. 광 커플링 장치(7)는 여기서 다시 적어도 하나의 거울 요소(9), 특히 경사지게 배치된 거울 요소를 포함한다. 광 디커플링 장치(8)는 여기서 거울 요소 대신에, 여기서 3개의 격자 요소인 격자 요소(12)를 포함한다. 격자 요소(12)는 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능하게 형성된다. 즉, 격자 요소(12)는 스위칭 온 및 스위칭 오프 상태로 스위칭될 수 있다. 광 가이드의 내부에 전파되는 광이 격자 요소(12)에서 디커플링되어야 하는 경우, 이러한 격자 요소(12)는 구동되고 스위칭 오프 상태에서 스위칭 온 상태로 스위칭된다. 이러한 방식으로, 광은 더 이상 격자 요소(12) 상에서 반사되지 않고, 격자 요소(12)를 통해 광 가이드로부터 디커플링된다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 격자 요소(12)는 광 가이드의 상부면 또는 하부면에 또한 제공될 수 있다. 광 가이드의 하부면은 가상 관찰자 윈도우(VW)에 대면하는 광 가이드의 측면이다. 이에 상응하게, 광 가이드의 상부면은, 하부면에 대향하여 위치하고 가상 관찰자 윈도우(VW)의 하부면보다 더 먼 광 가이드의 측면이다. 격자 요소(12)는 광 가이드의 상부면에서 반사성 격자 요소로 형성되고, 격자 요소(12)는 광 가이드의 하부면에서 투과성 격자 요소로 형성된다. 도 9에서 각각 3개의 모든 도면에 도시되는 SLM은 단순화를 위해 SLM 및 가변 이미징 시스템을 나타낸다. 물론 이것은 SLM과 가변 이미징 시스템이 서로 연결되지 않은 2개의 독립적인 구성 요소라는 것을 의미한다.
도 9의 a)에 따르면, 도시되지 않은 조명 장치로부터 나오는 광이 SLM 상에 입사되고, 이를 통해 표현될 세그먼트 또는 이미징에 대한 정보로 변조된다. 변조된 광은 가변 이미징 시스템을 통과하여, 광 가이드 디바이스(5)의 광 커플링 장치(7)의 거울 요소(9)에 입사된다. 거울 요소(9)는 광을 반사하고, 여기서 광은 광 가이드(6) 내에서 전반사에 의해 전파된다. 이러한 방식으로 광 가이드(6)에 전파되는 광은 스위칭 온 상태에서 스위칭되는 격자 요소(12)에 입사될 때까지 광 가이드의 경계 표면 상에서 반사된다. 도 9의 a)에 따르면, SLM의 다중 이미지의 중간 세그먼트에 대해, 광 가이드(6)의 상부면 상의 스위칭 가능한 반사성 격자 요소(12)에서 광의 디커플링이 수행된다. 광 가이드(6)의 상부면 상의 이러한 격자 요소(12)는 이에 대응하여 광을 편향시킬 뿐만 아니라, 렌즈 함수도 추가적으로 포함한다. 도 9의 b)에 따른 좌측 세그먼트에 대한 광의 디커플링 및 도 9의 c)에 따른 SLM의 다중 이미지의 우측 세그먼트에 대한 광의 디커플링은 각각 광 가이드의 하부면 상에서 스위칭 가능한 투과성 격자 요소(12)에 의해 수행된다. 광 가이드의 하부면 상에서 이러한 투과성 격자 요소(12)는 또한 렌즈 함수를 포함한다.
추가적으로, 가변 이미징 시스템의 초점 거리는 광의 광 가이드(6) 내로의 커플링 이전에 각 세그먼트에 대해 변경될 수 있다. 이러한 방식으로, 도 9의 a) 내지 c)에 따른 SLM의 다중 이미지의 모든 3개의 세그먼트에 대해, 동일한 위치에서 가상 관찰자 윈도우가 생성될 수 있다. 그러나, 이러한 예시에서 도 9의 b)에 따른 SLM의 다중 이미지의 좌측 세그먼트에 대해, 가상 관찰자 윈도우(VW)는 그 치수가 약간 더 작고, 따라서 시야는 도 9의 a)에 따른 가상 관찰자 윈도우(VW) 및 시야와 비교하여 약간 더 크다. SLM의 다중 이미지의 우측 세그먼트의 경우는 그 반대이며, 가상 관찰자 윈도우(VW)는 그 치수가 약간 더 크고, 시야는 약간 더 작다. 이에 대한 이유는 가상 관찰자 윈도우의 크기가 λ D/p에 따라 SLM과 가상 관찰자 윈도우 사이의 광학 경로에 의존하고, 여기서 D는 SLM과 가상 관찰자 사이의 경로이며, 이러한 경로는 개별 세그먼트에서 또한 길이가 상이하다는 점에 있다. 마찬가지로, SLM의 크기는 동일하지만, 가상 관찰자 윈도우까지의 더 긴 거리(D)에서는 시야에 대해 더 작은 각도가 생긴다.
SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해 광 가이드로부터의 디커플링 지점의 위치는 개별 세그먼트에 대해 상이한 디커플링을 위한 격자 요소에서의 렌즈 함수의 위치를 통해 고정된다. 예를 들어 특정 적용, 예를 들어 시선 추적(gaze tracking)에 적합한 개별 세그먼트의 연속적인 변위가 수행되는 것이 가능하지 않는데, 왜냐하면 이에 따라 광이 격자 요소의 2개의 상이한 렌즈 함수에 의해 디커플링되기 때문이다.
광 가이드 디바이스의 광 가이드는 평평하거나 또는 평면으로, 또는 만곡되어 또한 형성될 수 있다.
이하에서, 각각 만곡된 광 가이드를 포함하는 실시예가 설명된다. SLM의 적어도 하나의 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 디바이스에서, 만곡된 광 가이드는 평면 광 가이드 대신에 특별한 이점을 포함할 수 있다. 한편으로는 가변 이미징 시스템을 사용할 필요가 없고, 따라서 고정 광학 시스템에 의해, SLM의 다중 이미지의 복수의 세그먼트에 대해 각각 동일한 위치 또는 지점에서 가상 관찰자 윈도우가 생성될 수 있는 것이 가능한 조명 빔 경로가 허용될 수 있다. 추가적으로, SLM의 다중 이미지의 복수의 세그먼트에 대해 가상 관찰자 윈도우는 동일한 크기를 포함하고, 이에 따라 모든 세그먼트에 대해 동일하게 큰 부분 시야가 각각 생성되는 것이 달성될 수 있다. 따라서, 이 경우 SLM의 다중 이미지의 모든 세그먼트들은 전체 시야에 대해 동일한 부분으로 기여한다.
다른 한편으로는 광의 디커플링 각도가 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스 상에/내에서의 위치에 의존하지 않는 광 디커플링 장치가 사용될 수 있다. 특히, 또한 SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트의 디커플링에 대해 디커플링 각도는 각각 동일하다. 특히, 이는 광 가이드로부터 세그먼트의 디커플링 지점의 연속적인 변위를 가능하게 하여, 세그먼트의 미리 정해진 디커플링 위치가 존재할 필요가 없다.
일 실시예에서, 만곡된 광 가이드는 광 가이드 디바이스 내에서 원호의 부분을 형성하고, 여기서 가상 관찰자 윈도우는 원의 중심점을 나타낸다.
따라서, 광 가이드의 내부 및 외부 경계 표면은 각각 원호를 형성하고, 여기서 가상 관찰자 윈도우에 더 가까이 위치되는 내부 경계 표면은 더 작은 반경을 포함하고, 가상 관찰자 윈도우로부터 더 먼 외부 경계 표면은 더 큰 반경을 포함한다. 따라서, 두 경계 표면이 서로 평행하지 않는다.
예를 들어 내부 경계 표면은 30 mm의 반경을 포함하고, 가상 관찰자 윈도우의 중앙으로부터 30 mm의 거리에 위치된다. 외부 경계 표면은 5 mm의 광 가이드의 대응하는 두께에서 35 mm의 반경을 포함하고, 이에 대응하여 가상 관찰자 윈도우의 중앙으로부터 35 mm 이격되어 위치된다.
바람직한 실시예에서, 광 가이드는 원통형 형태를 포함하는데, 즉 상기 설명된 형태의 곡률은 1차원 또는 일 방향으로 존재하고, 이에 대한 수직적 차원의 직선 프로파일이다. 예를 들어 일반적으로 HMD 형태의 디스플레이 디바이스에서, 수평 방향으로의 넓은 시야가 수직 방향보다 더 중요하기 때문에, 이에 따라 바람직하게는 광 가이드는 광 가이드의 곡률이 수평 방향으로 연장되고 만곡되지 않은 또는 평평한 광 가이드의 실시예는 수직 방향으로 연장되도록 광 가이드 디바이스 내에 배치될 것이다.
광 가이드는 또한 2개의 차원 또는 방향으로 만곡되어 형성될 수 있다. 이 경우, 광 가이드의 내부 경계 표면 및 외부 경계 표면은 구형 쉘로부터의 부분의 형태를 포함하고, 여기서 각각 가상 관찰자 윈도우의 중심은 구의 중심점을 나타낸다.
적어도 일 방향으로 만곡된 광 가이드를 포함하는 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스는 적어도 하나의 SLM, 적어도 하나의 광원을 갖고 SLM을 조명하는 조명 장치, 및 적어도 하나의 이미징 요소를 갖는 광학 시스템을 포함한다. 조명 장치, SLM 및 광학 시스템은 광 가이드를 갖는 광 가이드 디바이스가 없을 때, 광학 시스템이 조명 장치를 가상 관찰자 윈도우의 중앙으로 이미징하는 방식으로 서로에 대해 배치된다.
원통형 광 가이드를 사용할 때, 광학 시스템은 바람직하게는 원통형 이미징 요소를 포함한다.
이 경우, 광 가이드를 갖는 광 가이드 디바이스는 광학 시스템에 의해 생성된 조명 장치의 이미지가 광 가이드의 원호의 중심에 위치되도록 디스플레이 디바이스에 도입된다. 이러한 디스플레이 디바이스를 통해, 조명 빔 경로는 광 빔이 실질적으로 광 가이드의 외부 표면에 수직으로 입사되도록 연장된다.
원통형 광 가이드에서, 바람직하게는 광 가이드의 구부러지지 않은 또는 만곡되지 않은 방향으로 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치에 원통형 렌즈 함수가 제공되거나 또는 광 가이드의 디커플링 측에 또는 그 근처에 원통형 렌즈가 제공되고, 이러한 원통형 렌즈는 이러한 방향으로 가상 관찰자 윈도우의 중앙으로 포커싱한다.
그러나, 단일 시차 홀로그램 인코딩을 제공함으로써, 이러한 수직 포커스의 필요성이 제거될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 광 가이드의 디커플링 측에 렌즈가 제공될 수 있거나 또는 광 디커플링 장치에 렌즈 함수가 제공될 수 있지만, 그러나 이 경우 또한 가상 관찰자 윈도우까지의 거리와는 상이한 초점 거리를 포함할 수도 있다.
광 커플링 장치는 광 가이드의 외부 또는 내부 표면 상의 커플링 영역에 제공될 수 있다. 광 커플링 장치는 광을 광 가이드로부터 디커플링하기 위해, 실시예에서 광 가이드의 내부 표면 상의 반사성 격자 요소인 적어도 하나의 격자 요소를 포함할 수 있다. 이 경우, 광은 우선 광 가이드를 수직으로 한 번 통과하고, 반사성 격자 요소의 내부 표면에서 편향된 후, 광 가이드를 통해 지그재그로 전파된다.
광의 전파 각도는 전반사에 의해 공기로의 광 가이드의 경계 표면에서의 반사가 발생하는 방식으로 선택될 수 있다. 대안적으로, 광의 전파 각도는 또한 경계 표면에서 공기로의 전반사가 발생되지 않도록 선택될 수 있다. 이러한 경우, 추가적인 층, 예를 들어 유전체 층 또는 층 스택이 제공될 수 있으며, 이러한 추가적인 층은 특정 각도하에 층 또는 층 스택 상에 입사되는 광의 반사를 발생시키므로, 따라서 광 가이드 내에서 광이 층 또는 층 스택 상의 반사에 의해 더 전파된다. 바람직하게는, 층 또는 층 스택은 가능한 AR 적용에서 주변 광이 광 가이드를 통과할 수 있도록 설계될 수 있다. 이 경우, 층 스택은 작은 각도 범위에 대해서만 선택적으로 반사 작용을 하고, 여기서 이러한 각도 범위는 광 가이드 내에서 광의 전파 각도와 일치한다. 이러한 방식으로, 디스플레이 디바이스는 또한 AR 적용에서 사용될 수 있다.
광 가이드 내에서 가능한 광 디커플링 영역에 광 디커플링 장치가 제공된다. 광 디커플링 장치는 적어도 하나의 수동 또는 제어 가능하거나 또는 스위칭 가능한 격자 요소를 포함할 수 있다. 격자 요소의, 또는 격자 요소의 특정 섹션의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 통해, 이것은 스위칭 가능한 섹션들로 분할되는 방식으로 설계되며, 광의 광 가이드로부터의 디커플링 위치가 정해질 수 있다. 수동 격자 요소가 사용되는 경우, 다른 스위칭 가능한 요소, 예를 들어 편광 스위치와 조합되어, 하나의 편광 방향으로만 광을 편향시키고, 다른 편광 방향으로는 광을 편향시키지 않는 편광 선택성 격자 요소를 필요로 한다. 전반사에 의해 광 가이드 내에 광을 전파할 때, 예를 들어 광 디커플링 장치의 격자 요소를 통해, 전반사 각도를 초과하고 광이 광 가이드로부터 출사되도록 각도가 변경된다.
광 가이드 내에 광이 전파될 때, 광 빔은 큰 반경을 갖는 외부 경계 표면 및 작은 반경을 갖는 내부 경계 표면에 교대로 반사된다. 예시적으로 말하면, 이는 이러한 광 빔을 디커플링한 후에 광 가이드를 통한 복수의 광 빔의 상이한 길이의 경로에도 불구하고, 광 가이드의 디커플링 지점으로부터 동일한 거리에서 각각 포커스가 발생하도록 기여한다.
따라서 특히, 상기 설명된 디스플레이 디바이스에서 광 디커플링 장치의 격자 요소의 편향 각도는 광 가이드 내의 격자 요소의 위치에 의존하지 않는다. 격자 요소에 원통형 렌즈 함수가 제공되거나 또는 광의 디커플링 위치 근처에서 광 가이드의 만곡되지 않은 방향으로 원통형 렌즈가 사용되는 원통형 광 가이드에서, 이러한 렌즈 또는 렌즈 함수의 초점 거리는 마찬가지로 광의 디커플링 지점에 의존하지 않는다. 예를 들어 원통형 렌즈 함수를 갖는 직사각형 격자 요소일 수 있으며, 이는 원통형 광 가이드의 만곡된 내부 표면 상에 적층되어, 포커스 함수는 만곡 방향에 수직으로 작용한다.
스위칭 온 상태 또는 스위칭 오프 상태로의 광 디커플링 장치의 스위칭을 통해, SLM의 다중 이미지의 복수의 세그먼트에 대해 만곡된 광 가이드에서 상이한 횟수의 반사 후에 광이 디커플링될 수 있다.
도 10은 만곡된 이러한 유형의 광 가이드 디바이스(15)를 도시하고, 이는 디스플레이 디바이스에 제공된다. 이러한 디스플레이 디바이스는 광 가이드(16)를 갖는 광 가이드 디바이스(15) 외에도 SLM과 광학 시스템을 포함한다. 광학 시스템은 여기서 이미징 요소(17)의 형태로 표현된다. 광 커플링 장치(18)에 의해 광이 광 가이드(16) 내로 커플링되고, 광 디커플링 장치(19)에 의해 미리 정해진 횟수의 반사 후에 광 가이드로부터 다시 디커플링된다. 광 커플링 장치(18)와 광 디커플링 장치(19) 모두는 각각 적어도 하나의 격자 요소(20, 21)를 포함한다. 광 디커플링 장치(19)의 적어도 하나의 격자 요소(20)는 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능하게 형성되고, 여기서 개별 섹션(20-1, 20-2)들로 분할된다. 격자 요소(19)의 섹션(20-1)은 여기서 스위칭 오프 상태이고, 여기서 섹션(20-2)은 스위칭 온 상태에 위치되어, 광 가이드 내로 전파되는 광이 격자 요소(19)의 섹션(20-2) 상에서 디커플링된다. 격자 요소(19)의 섹션(20-1)이 스위칭 온 상태이고, 섹션(20-2)이 스위칭 오프 상태인 경우, 이에 따라 더 적은 횟수의 반사 후에 광이 광 가이드로부터 디커플링된다. SLM의 개별 픽셀(P1, P2 및 P3)로부터 나오는 광 빔은 이미징 요소(17)를 통과하고, 광 가이드(16) 내로 입사된다. 이 경우, 광 빔은 광 가이드(16)의 내부 표면에 제공되는 광 커플링 장치(18)에 입사된다. 광 커플링 장치(18)는 이러한 실시예에서 반사성으로 설계되는 적어도 하나의 격자 요소(21)를 포함한다. 격자 요소(21) 상에 입사되는 광 빔이 반사되고, 광 가이드(16) 내에서 광 빔이 전반사를 통해 확장되는 방식으로 편향된다. 이 경우, 개별적인 광 빔은 격자 요소(19) 상에서, 여기서는 격자 요소의 섹션(20-2) 상에서 미리 정해진 횟수의 반사 후에 광 가이드 디바이스(15)의 광 가이드(16)로부터 디커플링된다. SLM의 다중 이미지의 이미징 또는 세그먼트를 표현하기 위한 모든 광 빔은 동일한 횟수의 반사 후에 디커플링된다.
그러나, SLM의 다중 이미지의 상이한 세그먼트에 대한 상이한 반사 횟수 대신에, 광 가이드 상/내에서의 광의 디커플링 지점의 연속적인 변위도 또한 가능하다. 이는 예를 들어 광 가이드의 경계 표면에서 광의 동일한 반사 횟수에서 광의 커플링 지점의 작은 변위를 통해 달성될 수 있다.
이 경우, 예를 들어 더 많은 단계에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트를 생성하기 위해 광 가이드의 경계 표면에서의 다양한 반사 횟수가 사용되고 그 사이에 더 작은 단계에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트에 대해 광의 커플링 지점의 연속적인 변위가 사용됨으로써, 넓은 시야가 생성될 수 있다. 예를 들어 60도의 넓은 시야는 중첩되지 않은 각각 10도의 6개의 세그먼트로 생성될 수 있다. 이 경우, 광 커플링 장치의 광 가이드 및 격자 요소는 광 가이드 내에서 추가적인 반사를 통해 광의 디커플링 지점이 관찰자가 볼 때 20도 변위되도록 설계될 수 있다. 추가적으로 커플링 지점의 변위를 통해, 디커플링 지점은 고정된 반사 횟수에 대해 관찰자가 볼 때 10도 변위될 수 있다.
이 경우, 예를 들어 변위되지 않은 커플링 지점에 대해 광이 반사 후에 디커플링됨으로써, 제1 세그먼트가 생성된다. 제2 세그먼트는 10도 변위된 커플링 지점에 대해 광이 반사 후에 디커플링됨으로써 생성된다. 제3 세그먼트는 변위되지 않은 커플링 지점에 대해 광이 2회의 반사 후에 디커플링됨으로써 생성된다. 제4 세그먼트는 10도 변위된 커플링 지점에 대해 광이 2회의 반사 후에 디커플링됨으로써 생성된다. 제5 세그먼트는 변위되지 않은 커플링 지점에 대해 광이 3회의 반사 후에 디커플링됨으로써 생성된다. 제6 세그먼트는 10도 변위된 커플링 지점에 대해 광이 3회의 반사 후에 디커플링됨으로써 생성된다.
선택적으로, 광 커플링 장치(18)의 격자 요소(20)에 의해 생성된 광의 편향 각도의 작은 변화가 또한 넓은 시야를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이를 위해 격자 요소(20)는 제어 가능하거나 또는 스위칭 가능하게 형성되는 것을 필요로 한다.
광 가이드에서 광의 커플링 지점의 변위는 바람직하게는 적어도 하나의 격자 요소를 포함할 수 있는 광 편향 장치(29)에 의해 수행된다. 이는 도 14와 관련해서 보다 상세히 설명될 것이다. 격자 요소는 설정 가능한 격자 주기를 포함한다. 예를 들어 광 편향 장치에는 2개 격자 요소의 쌍이 사용될 수 있고, 이 중에서 제1 격자 요소는 SLM으로부터 광을 편향시키고, 그 후 제2 격자 요소가 광을 서로 반대로 편향시켜, 실질적으로 평행한 오프셋이 이루어진다.
2단계 광학 시스템 또는 광의 2단계 이미징을 포함하는, 즉 조명 장치의 중간 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에는, 광 편향 장치가 조명 장치의 중간 이미지 평면에 배치될 수 있다. 예를 들어 각각의 추가적인 반사 후에 전면 및 후면에 20도의 거친 단계가 달성되고, 추가적으로 광 편향 장치를 통해 커플링 지점이 ±10도까지 변위됨으로써, 광 가이드의 곡률 방향으로 대략 60도의 시야가 달성될 수 있다.
원통형으로 형성된 광 가이드의 경우, 특히 만곡되지 않은 방향으로 광 가이드에서 광의 커플링 지점의 변위가 또한 광 편향 장치에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어 20도의 큰 수직 시야는 각각 10도의 2개의 세그먼트로 구성될 수 있고, 여기서 광 가이드의 하부 절반 또는 상부 절반 상에서 수직 커플링 지점의 변위를 통해 광이 커플링된다.
도 11은 SLM, 여기서 다시 이미징 요소(17)의 형태인 광학 시스템 및 원통형 광 가이드(23)를 포함하는 광 가이드 디바이스(22)를 갖는 디스플레이 디바이스를 사시도로 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 광 가이드(23)의 만곡되지 않은 방향으로 광이 SLM의 상이한 수직 위치(V1, V2, V3)로부터 광 가이드(23) 내로 광 커플링 장치(24)에 의해 커플링된다. 그런 다음, 전반사를 통해 광 가이드 내로 전파되는 광은 광 디커플링 장치(25)에 의해 디커플링되고, 광 디커플링 장치(25)에 통합된 수직 원통형 렌즈 함수에 의해 광 가이드(23)의 디커플링 측에서 가상 관찰자 윈도우(VW)로 포커싱된다.
표현되는 바람직하게는 3차원(3D) 장면의 컨텐츠에 따라 또는 관찰자의 눈이 장면을 관찰할 때 정확히 바라보는 위치에 따라 시야의 상이한 부분이 표현되어야 하는 경우, 세그먼트의 연속적인 변위는 특히 유용하다.
따라서, 예를 들어 HMD에서 관찰자가 장면의 어떤 부분을 정확히 바라보는지가 검출될 수 있고, 단지 이 부분만이 예를 들어 홀로그래픽으로 표현될 수 있다.
이하에서는, 2단계 광학 시스템 또는 2단계 이미징을 갖는 디스플레이 디바이스가 보다 상세히 논의될 것이다.
홀로그래픽 디스플레이 디바이스, 예를 들어 HMD에서 일반적으로 SLM이 이미징된다. 세그먼트화된 다중 이미지에서 각각의 세그먼트에 각각 SLM의 하나의 이미지가 생성된다. SLM의 사전 설정된 거리로의 이미징은 광학 시스템의 사용된 이미징 요소의 특정 초점 거리 및 이러한 이미징 요소에 대한 SLM의 특정 거리를 전제로 한다. 특히, 일반적으로 디스플레이 디바이스에서 이미징 빔 경로와 조명 빔 경로는 서로 독립적이지 않다. 조명 빔 경로의 만일의 필요한 설정은 경우에 따라서는 이미징 빔 경로의 변화를 또한 수반할 수 있다.
광 방향으로 광 가이드 내로의 커플링 이전에 평평한 또는 평면의 광 가이드 및 적어도 하나의 이미징 요소, 예를 들어 렌즈를 사용하는 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서, 예를 들어 상기 설명된 바와 같이, SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트에 대해 가상 관찰자 윈도우의 동일한 위치를 설정하기 위해 이러한 적어도 하나의 이미징 요소의 초점 거리를 변화시킬 필요성이 발생한다. 이미징 요소에 대해 SLM의 거리가 고정되면, 이미징 요소의 초점 거리가 변화됨에 따라 SLM의 이미징의 지점이 변경된다. 따라서, SLM의 세그먼트화된 다중 이미지에서 각 세그먼트에 대해 SLM의 다른 이미지 평면이 발생한다.
오직 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치와 관찰자의 눈 사이에만 존재하는 적어도 하나의 렌즈 또는 광 디커플링 장치의 격자 요소에 통합된 렌즈 함수를 포함하는 광 가이드를 사용하는 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서, SLM의 다중 이미지의 모든 세그먼트에 대해 광의 디커플링과 관찰자 사이의 적어도 하나의 렌즈의 초점 거리가 동일해야 한다. 그러나, 광 가이드를 통해 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트의 광의 상이한 길이의 광학 경로로 인해, 광 디커플링 장치의 격자 요소에서 SLM과 적어도 하나의 렌즈 또는 렌즈 함수 사이의 거리는 각 세그먼트에 대해 상이한 길이이다. 따라서, 이러한 경우에도 또한 SLM의 이미지는 일반적으로 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 다른 거리 또는 다른 지점에 존재한다.
홀로그래픽 디스플레이 디바이스 또는 디스플레이에서, 다중 이미지의 모든 세그먼트들에 대해 공통 이미지 평면을 가질 필요는 없다. 또한, SLM의 상이한 이미지 평면을 갖는 세그먼트 경계를 통해, 예를 들어 개별 세그먼트에서 SLM 상에서 홀로그램의 서브 홀로그램의 초점 거리가 적응됨으로써, 3D 장면이 연속적으로 표현될 수 있다. 장면의 오브젝트 포인트는 예를 들어 오브젝트 포인트가 이러한 세그먼트에 대해 SLM의 이미지 평면 이전에 위치되는 경우, 양의 초점 거리(볼록 렌즈)를 갖는 서브 홀로그램을 통해 SLM의 다중 이미지의 세그먼트에 표현될 수 있다. 다른 세그먼트에서, 그러나 관찰자에 대해 동일한 깊이에 있는 인접한 오브젝트 포인트는 예를 들어 이러한 세그먼트에 대해 오브젝트 포인트가 SLM의 이미지 이후에 위치되면, 음의 초점 거리(오목 렌즈)를 갖는 서브 홀로그램을 통해 표현될 수 있다. 그러나 다른 한편으로는, SLM의 이미지 평면이 모든 세그먼트에 대해 적어도 유사한 경우, 즉 예를 들어 수 미터가 아닌 단지 수 센티미터만 다른 경우에는 홀로그램 계산이 단순화된다.
광 가이드 내로의 또는 광 가이드로부터의 광의 커플링 및/또는 디커플링 시 격자 요소, 특히 예를 들어 1㎛ 또는 그보다 작은 범위의 작은 주기를 갖는, 따라서 전형적으로 30도 초과, 예를 들어 50도 내지 60도의 큰 편향 각도를 갖는 격자 요소가 사용되면, 이를 통해 일반적으로 광학 빔 경로 내에 수차가 발생한다.
수차를 가능한 한 작게 유지하기 위해, 광 가이드로부터 광의 커플링 및 디커플링에 대해 한 쌍의 격자 요소를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 격자 요소가 광 커플링 장치에 제공되고, 격자 요소가 광 디커플링 장치에 제공되며, 여기서 2개의 격자 요소는 실질적으로 서로 반대로 동일한 편향 각도를 포함하는 것을 의미한다. 제1 격자 요소, 즉 광 커플링 장치의 격자 요소에서 예를 들어 수직으로 입사되는 광은 법선에 대해 60도의 각도로 편향된다. 제2 격자 요소, 즉 광 디커플링 장치의 격자 요소에서는 60도 미만으로 입사되는 광이 격자 요소로부터 수직으로 출사되도록 편향된다. 따라서 두 격자 요소의 통과 후에, 제2 격자 요소로부터의 광의 출사 각도는 제1 격자 요소로의 광의 입사 각도에 대응한다. 광 가이드 내로의 또는 광 가이드로부터 광의 커플링 및 디커플링을 위한 광 가이드 디바이스에서의 두 격자 요소의 이러한 배치는 디스플레이 디바이스, 예를 들어 HMD에서 조명 빔 경로의 수차를 작게 유지하거나 또는 감소시키기 위해 유리하다. 잔여 수차는 특히 이미징 빔 경로와 관련이 있다. 이러한 수차로 인해, 광 커플링 장치 및/또는 광 디커플링 장치에서 격자 요소를 사용하지 않으면서, 광 가이드 디바이스와 비교하여 SLM의 이미지의 위치가 바람직하게 않게 멀리 변위될 수 있다. 특히, SLM의 이미지의 이러한 변위는 주로 격자 요소가 광을 편향시키는 방향으로 이루어지므로, SLM 이미지의 비점 수차가 또한 발생할 수 있다. 수평으로 편향하는 격자 요소에서, 예를 들어 SLM의 수평 픽셀 이미지는 SLM의 수직 픽셀 이미지와는 다른 깊이로 형성된다.
SLM의 이미지의 위치에 대한 광 가이드 디바이스 내의 격자 요소의 영향을 보상하거나 또는 감소시키기 위해, SLM의 중간 이미지가 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스의 내부에서 생성될 수 있다.
SLM의 중간 이미지를 생성하기 위해, 디스플레이 디바이스는 2단계 광학 시스템을 사용할 수 있다. 이 경우, 디스플레이 디바이스는 이러한 2단계 광학 시스템 외에도 적어도 하나의 SLM 및 SLM을 조명하는, 적어도 하나의 광원을 갖는 조명 장치를 포함한다. 제1 단계에서, 광 방향으로 2단계 광학 시스템의 적어도 하나의 제1 이미징 요소, 예를 들어 렌즈를 갖는 SLM 이후에 조명 장치의 중간 이미지 및 이에 따라 생성될 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 생성된다. 제2 단계에서, 2단계 광학 시스템의 적어도 하나의 제2 이미징 요소, 예를 들어 렌즈를 갖는 조명 장치의 중간 이미지뿐만 아니라 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 실제 가상 관찰자 윈도우 또는 관찰자 평면에서 이미징된다. 이 경우, 디스플레이 디바이스에서 광 가이드 디바이스는 빔 경로에서 가상 관찰자 윈도우 및 제2 이미징 요소의 중간 이미지 이후에 위치된다. 제1 및 제2 이미징 요소와의 배치는 SLM의 이미지를 또한 생성한다. 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 또는 조명 장치의 중간 이미지를 이미징하는 제2 이미징 요소는 SLM의 이미징에도 또한 기여한다. 이미징 요소의 초점 거리의 적절한 선택 시, 광 가이드 디바이스의 광 가이드 내부에서 SLM의 추가적인 이미지가 생성된다. 광 가이드 내부에서 SLM의 이러한 중간 이미지는 또한 예를 들어 원통형 이미징 요소에 의해 광 커플링 장치 및/또는 광 디커플링 장치의 격자 요소의 단지 편향 방향으로만 생성될 수 있고, 한편 이에 대해 수직인 방향으로 광 가이드의 외부에 SLM의 중간 이미지가 놓일 수 있다.
도 12에는 2단계 광학 시스템을 갖는 디스플레이 디바이스가 도시된다. 디스플레이 디바이스는 또한 적어도 하나의 SLM 및 광 가이드 디바이스(26)를 포함한다. 이 경우, 광 가이드 디바이스(26)는 광 방향으로 적어도 2개의 이미징 요소(27 및 28)를 포함하는 2단계 광학 시스템 이후에 배치된다. 제1 이미징 요소(27)는 광 방향으로 SLM 이후에 배치되지만, 그러나 SLM에 바로 근접하여 배치된다. 이 경우, 도 12는 이러한 유형의 디스플레이 디바이스에 대한 조명 빔 경로를 개략적으로 도시하고, 여기서 이미징 요소(27)는 도시되지 않은 조명 장치의 중간 이미지(ZB)를 생성한다. 그런 다음, 조명 장치의 중간 이미지(ZB)는 이미징 요소(28)에 의해 가상 관찰자 윈도우(VW)로 이미징되고, 거기서 다시 조명 장치의 이미지를 형성한다. 중간 이미지(ZB)의 평면에는 이미징 시스템(30)이 제공될 수 있지만, 그러나 이는 조명 빔 경로에 영향을 미치지 않는다. 이미징 빔 경로에 대한 이러한 기능은 이하에서 설명된다.
도 13은 도 12에 따른 디스플레이 디바이스에 대한 이미징 빔 경로를 도시하고, 여기서 이미징 빔 경로의 개략도는 상부 도면에 도시되어 있고, 하부 도면에는 상부 도면에서의 주변 영역의 상세도가 도시되어 있다. 상부 도면에는 명료성을 위해 SLM의 단지 한 픽셀로부터 시작하는 광이 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 광은 이미징 요소(27 및 28) 및 이미징 시스템(30)을 통과한 후 광 가이드 디바이스의 광 가이드 내로 입사되고, 광 가이드의 전반사를 통해 전파된 후, 광 디커플링 장치에 의해 다시 디커플링된다.
하부 도면에는 상부 도면의 원형 영역이 보다 상세하게 도시되지만, 그러나 하나의 광 빔뿐만 아니라, SLM의 복수의 픽셀로부터 나오는 복수의 광 빔도 도시되어 있다. 이러한 상세도로부터, 이미징 요소(27 및 28) 및 이미징 시스템(30)에 의해 SLM의 개별 픽셀에 대해 각각 포커스가 광 가이드 내부에서 형성된다는 것이 분명해진다. 이는 광 가이드 디바이스(26)의 광 가이드 내부에서 SLM의 추가 이미지(ZS)가 형성된다는 것을 의미한다. 이미징 시스템(30)은 조명 장치의 중간 이미지(ZB)의 평면에서 단지 이미징 빔 경로에만 영향을 미치고 조명 빔 경로에는 영향을 미치지 않는 유리한 특성을 갖는다.
이미징 시스템(30)이 예를 들어 렌즈 요소이면, SLM의 이미지 평면은 가상 관찰자 윈도우의 위치가 바람직하지 않게 변위되지 않으면서, 이러한 렌즈 요소의 초점 거리를 적절하게 선택함으로써 변위될 수 있다.
본 발명의 예시에서, 이미징 요소(28)는 또한 렌즈 요소이다. 우선, 이러한 렌즈 요소의 초점 거리는 광의 광 가이드(26)로부터의 디커플링 후에 가상 관찰자 윈도우가 형성되도록 선택된다. 그런 다음, 이미징 요소(28)의 초점 거리를 고려하여 이미징 시스템(30)의 렌즈 요소의 초점 거리가 광 가이드 디바이스(26)의 광 가이드 내부에서 SLM의 이미지(ZS)를 형성하도록 선택된다.
광을 커플링하고 디커플링하기 위한 격자 요소를 통해 형성된 이미징 빔 경로에서의 수차의 크기는 격자 요소의 거리, 즉 광 디커플링 장치의 적어도 하나의 격자 요소에 대한 광 커플링 장치의 적어도 하나의 격자 요소의 거리에 의존한다. 따라서, 광이 광 가이드 내에서 상이한 경로로 전파하고, 따라서 광을 커플링하기 위한 격자 요소와 광을 디커플링하기 위한 격자 요소 사이의 상이한 거리를 포함하는 광 가이드에서 SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트는 또한 각 세그먼트에 대해 이미징 빔 경로에서 상이한 수차를 발생시킨다.
광학 시스템의 이미징 요소에 대한 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트의 상이한 거리로 인해, 광 가이드 내에서 광의 상이한 길이의 경로로 인해 또는 커플링 및 디커플링을 위한 격자 요소를 통해 생성된 수차로 인해, 가상 관찰자 윈도우로부터 볼 때 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트의 상이한 깊이의 위치에 대한 해결 방안이 이하에서 제안된다: 이미 개시된 바와 같이, 디스플레이 디바이스는 2단계 광학 시스템 외에도 적어도 하나의 SLM 및 SLM을 조명하는 조명 장치를 포함한다. 제1 단계에서, 광 방향으로 SLM 이후에 적어도 하나의 제1 이미징 요소에 의해 조명 장치의 중간 이미지 및 이에 따라 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 생성된다. 제2 단계에서, 조명 장치의 중간 이미지 및 이에 따라 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지는 적어도 하나의 제2 이미징 요소에 의해 실제 가상 관찰자 윈도우에서 이미징된다. 추가적으로, 이러한 디스플레이 디바이스는 예를 들어 도 15를 참조하면, 가변 이미징 시스템을 포함한다. 즉, 이러한 경우에 이미징 시스템(30)은 중간 이미지 평면(ZB)에 가변적으로 형성된다. 가변 이미징 시스템(30)은 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면(ZB) 내에 또는 이러한 중간 이미지 평면 근처에 배치된다. 가변 이미징 시스템(30)은 제어 가능하게 형성될 수 있는 적어도 하나의 이미징 요소를 포함한다. 예를 들어 이미징 요소의 초점 거리는 가변적일 수 있다. 제1 및 제2 이미징 요소(27, 28)를 갖는 배치는 SLM의 이미지를 또한 생성한다. 가상 관찰자 윈도우를 이미징하는 제2 이미징 요소(28)는 SLM의 이미징에 또한 기여한다. 그러나, 가변 이미징 시스템의 이미징 요소에 의해, 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면 내에 또는 가능한 그 근처에 조명 빔 경로 및 가상 관찰자 윈도우 자체의 위치 및 크기에 영향을 주지 않으면서 SLM의 이미지가 유리하게 변위될 수 있다. 가변 이미징 시스템의 이미징 요소를 통해, SLM의 이미지는 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 변위되어, 여기서 개별 세그먼트에 대해 생성되는 광 가이드를 통한 광의 상이한 광학 경로가 적어도 부분적으로 보상된다.
보상을 통해 동일하거나 또는 적어도 유사한 깊이의 모든 세그먼트들에 대해 관찰자가 가상 관찰자 윈도우를 통해 SLM의 관찰 가능한 가시적인 이미지가 형성된다. 가변 이미징 시스템(30)의 이미징 요소는 예를 들어 제어 가능한 가변 주기(LCG - liquid crystal graing)를 갖는 격자 요소, 전기 습윤 렌즈, 액정 렌즈 또는 거리가 변경되는 렌즈와 같은 적어도 2개의 이미징 요소로부터의 줌 오브젝트와 같은 시스템일 수 있다.
SLM의 중간 이미지는 또한 SLM의 이러한 중간 이미지가 SLM의 다중 이미지의 세그먼트의 적어도 일부에 대해 광 가이드 내부에 위치되는 방식으로 생성될 수 있다. 세그먼트의 다른 부분에 대해, SLM의 중간 이미지는 또한 광 가이드의 외부에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 이러한 보상을 통해 모든 세그먼트들에 대해 유사한 거리에서 광을 광 가이드로부터 디커플링하기 위해 SLM의 중간 이미지가 형성된다. 모든 세그먼트들에 대해 광 가이드 내에 중간 이미지가 형성되는 경우, 광 가이드 내에 보다 많은 반사 횟수를 갖는 세그먼트에 대해 광 가이드 내에서 중간 이미지는 광 가이드 내에서 더 적은 반사 횟수를 갖는 세그먼트보다 광의 커플링으로부터 더 멀리 형성되는 것이 적용된다.
단지 단일의 광학 시스템에서 SLM의 픽셀의 이미징 시에 광 가이드 내로의 또는 광 가이드로부터의 광의 커플링 및 디커플링을 위한 격자 요소를 사용함으로써 형성되는 비점 수차가 설명된 2단계 시스템에서 적어도 부분적으로 보상될 수 있다. 이것은 2단계 광학 시스템에서 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면에서 교차된 - 즉, 서로에 대해 수직으로 배치되는 - 원통형 렌즈와 같은 각각 가변 초점 거리를 갖는 원통형 이미징 요소 또는 원통형 렌즈 함수를 갖는 구동 가능한 격자 요소가 사용되고, SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 2개의 원통형 이미징 요소의 초점 거리가 각각 SLM의 가상 관찰자 윈도우를 통해 가시적인 수평 및 수직의 이미지가 유사한 깊이 평면으로 형성되도록 설정됨으로써 수행될 수 있다.
추가적으로, 광 가이드에서 광의 커플링 지점의 연속적인 변위는 도 14에 도시된 바와 같이, 광 방향으로 가상 관찰자 윈도우 또는 조명 장치의 중간 이미지 평면(ZB)에서 가변 이미징 시스템(30)에 근접하여 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스(26) 이전에 배치되는 광 편향 장치(29)를 통해 수행될 수 있다. 이를 위해, 광 편향 장치(29)는 제어 가능하거나 또는 가변적으로 형성된 적어도 하나의 격자 요소를 포함할 수 있다. 따라서 광 편향 장치(29)에 의해, 이에 입사하는 광은 그에 대응하여 편향될 수 있는데, 즉 광 편향 장치의 격자 요소는 입사광이 필요한 방향으로 편향되어 이를 통해 광 편향 장치(29)에 의한 광 편향이 없는 것보다, 광 가이드의 다른 커플링 지점에서 커플링될 수 있는 방식으로 제어될 수 있다. 도 12 및 도 14는 모두 조명 빔 경로를 도시한다. 도 12에서 광 편향 장치가 없는 광 가이드 내에 변위되지 않은 커플링 지점이 도시된다. 도 14에는 이와 비교하여 변위된 커플링 지점이 도시된다.
이러한 방식으로, 광 가이드에서 광의 다양한 커플링 지점이 생성될 수 있다. 광 편향 장치(29)의 기능 및 가변 이미징 시스템(30)의 기능은 또한 하나의 장치 또는 시스템에 커플링될 수 있으므로, 두 기능에 대해 단지 하나의 장치만이 필요하다. 동일하게 구동 가능한 격자 요소에는 예를 들어 가변 이미징을 위한 렌즈 함수뿐만 아니라 편향을 위한 프리즘 함수도 또한 기록될 수 있다.
바람직하게는 3차원으로 생성될 장면에 대한 SLM의 이미지의 위치는 특히, SLM 내로 인코딩될 홀로그램의 계산에도 또한 영향을 미친다. 특히, 모든 서브 홀로그램이 전체 홀로그램 또는 홀로그램을 형성하는 서브 홀로그램의 크기는 장면의 오브젝트 포인트가 또한 시야를 정의하는 SLM의 이미지 평면의 이전에 또는 이후에 얼마나 멀리 위치되는지에 의존한다. SLM의 이미지가 관찰자가 재구성되거나 또는 생성된 장면을 관찰할 수 있는 가상 관찰자 윈도우에 매우 가까이 위치되어 있는 경우, 서브 홀로그램은 일반적으로 그 치수가 매우 커진다. 대조적으로, SLM의 이미지가 가상 관찰자 윈도우로부터 매우 멀리 떨어져 위치되면, 이는 마찬가지로 서브 홀로그램의 치수가 큰 것을 의미할 수 있다. 가상 관찰자 윈도우와 무한대 사이에 SLM의 이미지가 존재하지 않고 그 대신에 가상 관찰자 윈도우 이후에 SLM의 실제 이미지가 존재하는 경우, 3차원 장면이 또한 계속 표현될 수 있다. 이미징 요소로부터 SLM의 거리가 이미징 요소의 초점 거리보다 큰 경우, 가상 이미지는 형성되지 않는다. 따라서, 관찰자는 SLM의 선명한 이미지를 볼 수 없다. 그러나, SLM 자체 상에 - 즉, 이미지 상이 아님 - 이미징 요소까지의 거리가 이미징 요소의 초점 거리보다 작은 오브젝트 포인트가 생성되도록 긴 초점 거리를 갖는 서브 홀로그램이 인코딩되면, SLM의 가상 이미지가 아니라 오브젝트 포인트의 가상 이미지가 형성된다. 그러나 이러한 경우, 마찬가지로 치수가 매우 큰 서브 홀로그램이 제공된다.
일반적으로 3차원 장면의 내부에 위치한 SLM의 이미지 평면이 유리할 수 있으므로, 장면의 오브젝트 포인트의 일부는 SLM의 이미지 이전에, 오브젝트의 다른 부분은 SLM의 이미지 이후에, 예를 들어 가상 관찰자 윈도우로부터 약 1미터 또는 1.5미터 거리에 위치되는 이미지 평면이 존재한다. 홀로그램의 계산을 위한 계산 노력은 서브 홀로그램의 크기에 따라 증가한다.
예를 들어 2단계 광학 시스템 및 가변 이미징 시스템을 갖는 디스플레이 디바이스에서, 가변 이미징 시스템의 이미징 요소의 초점 거리를 적응시킴으로써, SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트에서 SLM의 이미지 평면의 위치가 서브 홀로그램의 전형적인 또는 최대 크기가 최소화되도록 변위될 수 있다. 따라서, 유리하게는 홀로그램의 계산에 대한 비용이 감소된다.
가변 이미징 시스템을 사용하지 않는 디스플레이 디바이스에서, SLM에 인코딩될 홀로그램의 계산은 서브 홀로그램의 작은 평균 크기를 포함하는 가상 SLM 평면에 의해, 그리고 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 SLM의 각각의 이미지 평면에서의 계산적 변환에 의해 수행될 수 있다. 그런 다음, 이는 가상 관찰자 윈도우 이후에 SLM의 실제 이미지 평면으로의 변환도 또한 포함할 수 있다. 예를 들어 SLM의 다중 이미지의 모든 세그먼트에 대해 SLM의 가상 평면은 동일하지만, 그러나 변환된 SLM의 이미지 평면은 각 세그먼트에 대해 광학 시스템에 의해 생성된 이미지 평면에 대응하여 상이하다.
이하의 설명은 광학 시스템의 수차를 고려하여 서브 홀로그램의 진폭 및 위상을 결정하기 위한 역 계산에 관한 것이다. 이미 설명된 바와 같이, 예를 들어 광 가이드 내로 또는 광 가이드로부터의 광의 커플링 및 디커플링을 위한 격자 요소를 통해 이미징 빔 경로에서 수차가 또한 발생하는데, 이는 SLM의 픽셀 이미지의 바람직하지 않은 변위를 야기할 뿐만 아니라, SLM의 선명하게 이미징된 픽셀 이미지가 더 이상 전혀 형성되지 않는 결과도 또한 초래한다.
원칙적으로, 홀로그래픽 디스플레이 디바이스 또는 디스플레이를 사용하여, SLM이 선명하게 이미징되지 않은 경우에도, 공간에서 장면의 3차원 오브젝트 포인트가 또한 선명하게 재구성되는 것이 가능하다. 그러나, 어떠한 경우에는 서브 홀로그램의 위상 곡선이 일반적으로 홀로그래픽 다이렉트 뷰 디스플레이 또는 SLM의 선명한 이미지를 갖는 디스플레이에서 생성되는 바와 같이, 간단한 구형 렌즈 함수로부터의 편차를 포함한다. 마찬가지로, 서브 홀로그램의 진폭 곡선은 또한 가장 간단한 경우 서브 홀로그램에 걸쳐 일정한 진폭이 되는 일반적인 곡선과의 편차를 포함할 수 있다.
이제 SLM 상의 서브 홀로그램이 정확하게 표현될 수 있는지 여부를 테스트하고, 오브젝트 포인트를 재구성하기 위해 필요한 서브 홀로그램에서의 진폭 분포 및 위상 분포를 결정하기 위한 방법이 여기서 설명된다.
상기 방법은 바람직하게는 기하학적 광학 계산을 위한 소프트웨어에 의해 수행될 수 있으며, 이것은 파동 광학 계산과 비교하여 복잡한 광학 시스템에서 수행을 단순화시킨다. 우선, 바람직하게는 3차원 장면의 오브젝트 포인트로부터 가상 관찰자 윈도우로의 광 전파의 계산이 수행되는데, 이는 오브젝트 포인트가 실제로 공간에 존재하고, 오브젝트 포인트와 가상 관찰자 윈도우 사이에 광학 시스템이 위치되지 않는 경우에 이루어진다. 따라서, 파동 광학 계산에서 오브젝트 포인트로부터 나오는 광에 대한 파면이 가상 관찰자 윈도우에서 계산된다. 단순화된 기하학적 계산 시, 오브젝트 포인트로부터 가상 관찰자 윈도우의 다양한 위치까지의 광 빔이 계산된다. 그런 다음, 가상 관찰자 윈도우로부터 광학 시스템을 통해 SLM으로 역으로 파면 또는 광 빔의 계산이 수행된다.
이는 예를 들어 다음과 같이 수행될 수 있다: 광학 계산에서, 광 방향으로 가상 관찰자 윈도우 이전에 빔 스플리터 요소가 도입되고, 가상 관찰자 윈도우의 위치에 거울 요소가 도입된다. 3차원 장면의 오브젝트 포인트로부터의 광은 빔 스플리터 요소의 표면에 커플링되어, 가상 관찰자를 향하고, 가상 관찰자 윈도우에서 거울 요소에 의해 반사되고, 다시 빔 스플리터 요소로 진입하고, 빔 스플리터 요소의 다른 표면을 통해 출사되어, 여기로부터 역으로 광학 시스템을 통해 SLM로 되돌아간다. 이러한 방식으로, 서브 홀로그램에서의 진폭 분포 및 위상 분포가 오브젝트 포인트에 대해 결정될 수 있다.
대안적으로, 예를 들어 광학 계산에서 가상 관찰자 윈도우는 후면이 조명될 수 있고, 가상 관찰자 윈도우 내에 렌즈가 배치될 수 있으며, 상기 렌즈는 나머지 광학 시스템이 없는 경우에 오브젝트 포인트를 생성한다. 예를 들어 가상 관찰자 윈도우로부터 1미터 떨어진 오브젝트 포인트에 대한 계산을 수행하기 위해, 가상 관찰자 윈도우는 후면으로부터 평면파로 조명될 수 있고, 1미터 초점 거리를 갖는 렌즈가 가상 관찰자 윈도우 내에 배치될 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 서브 홀로그램에서의 진폭 분포 및 위상 분포가 오브젝트 포인트에 대해 계산될 수 있다.
적어도 하나의 SLM, 광학 시스템의 복수의 이미징 요소 및 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스에 대해, 예를 들어 광이 가상 관찰자 윈도우로부터 나와 광의 디커플링 지점에서 광 가이드 디바이스의 광 가이드로 진입하고, 광의 커플링 지점에서 광 가이드를 다시 빠져나간 후, 광학 시스템의 이미징 요소를 통해 다시 SLM으로 전파되도록 수행될 수 있다. 서브 홀로그램의 위치 및 크기는 역으로 전파되는 광 빔이 SLM 상에 입사되는 위치를 통해 생성된다.
도 15는 SLM, 광학 시스템의 이미징 요소(27 및 28), 가변 이미징 시스템(30) 및 광 가이드 디바이스(26)를 갖는 디스플레이 디바이스를 개략적으로 도시하고, 오브젝트 포인트의 진폭 분포 및 위상 분포를 결정하기 위한 역 계산이 표현된다. 여기서, 가상 관찰자 윈도우(VW)로부터 광 가이드 디바이스(26)를 통해 SLM에 대해 역으로 계산되고 값이 결정된다. 그런 다음, 역 계산 시 가상 관찰자 윈도우(VW) 내부에서 모든 위치의 광 빔이 또한 SLM 상에 입사되면, 재구성될 오브젝트 포인트는 SLM 상에서 특히 정확하게 표현될 수 있다. 추가적으로, 광 빔은 SLM의 절반 회절 각도보다 작거나 또는 동일한 각도로 SLM 상에 입사되어야 한다. 회절 각도는 사용된 파장(λ)과 SLM의 픽셀 피치(p)로부터 λ/p로 생성된다. 이러한 조건은 일반적으로 조명 빔 경로의 수차가 작고, 실질적으로 이미징 빔 경로에 단지 수차만 존재하는 경우에 충족된다.
파동 광학 계산 시, 서브 홀로그램에서 오브젝트 포인트의 진폭 분포 및 위상 분포가 역 계산을 통해 직접 결정될 수 있다.
기하학적 계산에서 진폭 분포 및 위상 분포는 다음과 같이 결정된다:
광 빔의 기하학적 역 계산은 예를 들어 100,000개의 광 빔과 같은 많은 매우 많은 개수의 광 빔에 의해 수행된다. SLM의 서브 홀로그램에서 픽셀의 상대 강도는 SLM에서 픽셀의 영역에 입사되는 광 빔의 개수로부터 생성된다. 상대 진폭은 이러한 강도의 근으로서 계산될 수 있다. 진폭의 절대값에 대해, 서브 홀로그램에서 픽셀의 모든 강도의 합은 오브젝트 포인트의 강도와 동일하게 설정된다. 진폭이 일반적으로 서브 홀로그램 내에서 연속적으로 변하기 때문에, 각 픽셀에 대해 개별적으로 계산될 필요는 없고, 샘플 지점에 기초하여 단순화된 형태로 보간될 수 있다.
도 16에는 도 15에 따른 기하학적 계산에 따른 역 계산을 통해 생성될 수 있는 바와 같은 SLM의 평면에서의 강도 분포가 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 서브 홀로그램에서의 강도 분포를 도시한다. 도시된 서브 홀로그램은 이러한 예시에서 대략 삼각형의 형태를 가지며, 하부 가장자리에는 고강도를 갖는 대략 초승달 형상의 좁은 영역을 포함한다. 이는 서브 홀로그램의 표면에 걸쳐 일정한 진폭을 갖는 직사각형의 형태를 갖는 SLM 상의 종래의 서브 홀로그램과는 상당히 다르다. 위상 값의 계산은 특히, SLM 상의 위치와 SLM 내로의 광 빔의 입사 각도 사이의 명확한 연관성이 존재하는 경우에 수행될 수 있다. 즉, 광 빔이 명확하게 다양한 각도로 SLM에서 동일한 위치에 입사될 수 없다는 것을 의미한다. 서브 홀로그램 내에 기록되는 렌즈 함수는 위치에 따라 변화하는 격자 주기를 갖는 회절 격자로서 간주될 수 있다. 따라서, SLM의 각각 2개의 인접한 픽셀에 대해, 국부적으로 광의 편향 각도는 국부적인 격자 주기에 대응하고, 이에 의해 2개의 픽셀의 위상값의 차이가 결정될 수 있다. 따라서, 제1 픽셀에 대해 위상값이 정해지면, 각각 인접 픽셀에 대해 원하는 차이에 대응하는 위상값이 또한 결정될 수 있다. 따라서, 위상값은 하나의 픽셀로부터 시작하여 각각의 인접 픽셀로 단계적으로 정해질 수 있다.
따라서 기하학적 역 계산에서, 국부적인 격자 주기는 우선 SLM 상의 광 빔의 입사 각도로부터 결정된다. 방정식 tanα = λ / g 에 따르면, 여기서 α는 광 빔의 투사각이고, λ은 광의 파장인 경우, 국부적인 격자 주기(g)는 g = λ / tanα인 것으로 결정된다. 그런 다음, Δφ = 2*π p/g이 이러한 편향 각도를 설정하기 위해 필요한 2개의 인접한 픽셀의 위상 차이를 표현하고, 여기서 p는 SLM의 복소수 픽셀의 픽셀 피치이다. 따라서, 제1 픽셀이 위상값(φ0)을 갖는 경우, 제2 픽셀은 위상값(φ0+ Δφ)을 수신한다.
이 경우, SLM의 2차원 픽셀 배치에서 입사 각도는 수평 성분 및 수직 성분으로 세분된다. 그런 다음, 상기 주어진 방정식이 국부적인 수평 격자 주기 및 수직 격자 주기를 결정하기 위해 각각 사용된다. 국부적인 격자 주기로부터, 복소수 픽셀의 픽셀 피치가 p인 경우 2*π*p/g의 관계식으로부터 인접한 픽셀의 위상 차이가 결정된다. 예를 들어 SLM 상의 광 빔의 입사 각도가 회절 각도의 절반에 대응하면, 인접한 픽셀들 사이의 위상 차이(π)가 생성된다. SLM 상으로의 광 빔의 입사 각도가 예를 들어 회절 각도의 1/4에 대응하는 경우, π/2의 위상 차이가 생성된다. 따라서, 위상 차이 및 선택 가능한 오프셋 위상값에 의해 서브 홀로그램에서의 위상 곡선이 결정된다. 예를 들어 이러한 오프셋 위상값은 서브 홀로그램의 좌측 상부 가장자리에 있는 픽셀의 위상값이 0으로 설정되도록 결정될 수 있다. 서브 홀로그램에서의 국부적인 격자 주기가 일반적으로 연속적으로 변하기 때문에, 마찬가지로 각 픽셀의 쌍에 대해 개별적으로 계산될 필요는 없고, 샘플 지점에 기초하여 보간될 수 있다. 이렇게 확인된 위상은 평면파로 조명된 SLM에 대한 서브 홀로그램에서의 위상에 대응한다. 조명 파면이 평면파로부터 벗어난 경우, 이러한 조명 파면은 여전히 서브 홀로그램에 대한 위상값에 의해 감산된다.
경우에 따라서는, 조명 파면의 위상 분포는 기하학적 광학 계산 및 조명 장치로부터 SLM 상으로의 광 빔의 입사 각도에 대한 상기 설명과 유사하게 확인될 수 있다. 이러한 계산은 오프라인으로도 또한 수행될 수 있고, 이 경우 홀로그램 계산을 위해, 확인된 값은 룩업 테이블에 저장될 수 있다.
이미 설명된 바와 같이, 2단계 광학 시스템은 바람직하게는 조명 장치의 중간 이미지 평면을 생성하는 디스플레이 디바이스에서 사용된다. 이러한 유형의 2단계 광학 시스템을 갖는 일 실시예에서, 가변 이미징 시스템이 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면에 제공될 수 있다. 이 경우, 가변 이미징 시스템은 예를 들어 제어 가능한 가변 주기(LCG)를 갖는 격자 요소를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 조명 장치의 중간 이미지를 갖는 2단계 광학 시스템에서, 광 편향 장치의 적어도 하나의 격자 요소에 프리즘 함수를 기록함으로써 광 가이드 내에서 광의 커플링 지점을 변위시키기 위해, 조명 장치의 중간 이미지 평면에 광 편향 장치가 배치되는 실시예가 이미 설명되었다. 마찬가지로 이러한 격자 요소는 예를 들어 제어 가능한 주기를 갖는 격자 요소로서 형성될 수 있다. 가변 이미징 시스템 및 광 편향 장치 두 가지는 또한 여기서 다시 단일의 장치로 조합될 수 있다.
이하에서, 2단계 광학 시스템을 갖는 디스플레이 디바이스에 대한 다른 실시예가 설명된다. 여기서, 가변 이미징 시스템 및/또는 광 편향 장치의 적어도 하나의 격자 요소에서, 여기서 격자 요소는 위상 변조 요소, 예를 들어 제어 가능한 가변 주기(LCG)를 갖는 격자 요소이고, 수차를 보상하기 위해, 단순한 렌즈 함수 또는 프리즘 함수 대신에 또는 이에 대해 추가적으로 또한 복합 위상 곡선이 기록된다. 예를 들어 이것은 SLM 방향으로 광 가이드를 통해 가상 관찰자 윈도우로부터 이미 설명된 역 계산과 조합하여 수행될 수 있다. 그러나, 역 계산은 우선 가상 관찰자 윈도우로부터 조명 장치의 중간 이미지 평면까지만 수행된다. 특히, 이미징 빔 경로에만 기본적으로 수차가 존재하고, 조명 빔 경로에는 수차가 없거나 또는 단지 작은 수차만이 존재하는 경우, 역 계산 시 조명 장치의 중간 이미지 평면에는 광 빔이 실질적으로 정확한 위치를 갖지만, 그러나 수차로 인해 실제 가상 관찰자 윈도우에서 목표 위치 및 목표 각도와 비교하여 잘못된 각도를 갖는다. 따라서, 개별 광 빔에 대해 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 대응하는 국부 격자 요소에 의해 각도가 보정될 수 있다. 예를 들어 ß(x)가 위치(x)에서 광 빔의 원하는 입사 각도이고 ß'(x)는 위치(x)에서 광 빔의 실제 입사 각도인 경우, 이에 따라 보정값은 Δβ(x) = ß(x) - ß'(x)이다. 광 빔의 위치 및 바람직한 입사 각도는 조명 장치의 중간 이미지 평면으로부터 가상 관찰자 윈도우까지의 이미징 스케일을 고려하여, 실제 가상 관찰자 윈도우에서의 광 빔의 위치 및 입사 각도에 대응한다. SLM에서의 역 계산에서 이미 설명된 바와 유사하게, 이에 따라 국부적인 격자 주기는 g(x) = λ / tan Δβ(x)로 결정된다.
조명 장치의 중간 이미지 평면에서 위상 함수를 통해 이미징 빔 경로에서 수차를 보정하는 것의 이점은, 이러한 보정이 3차원 장면의 컨텐츠와 독립적이라는 것이다. 따라서, 보정 함수 또는 보정값은 SLM의 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 그리고 광의 커플링 지점의 연속적인 변위에서 가능한 디커플링 위치의 선택에 대해 각각 한 번 계산될 수 있고, 평가 테이블에 저장될 수 있으므로, 이러한 값은 필요한 경우에 계속해서 다시 사용될 수 있다.
SLM으로의 역 계산을 통한 상기 설명된 SLM 평면 내 서브 홀로그램의 수차 보정은, SLM의 픽셀의 선명한 이미지가 존재하지 않을 때, 서브 홀로그램에서의 적절한 진폭 곡선 및 위상 곡선을 통해, 오브젝트 포인트가 공간에서 선명한 포인트로서 또한 생성될 수 있는 경우를 표현한다. 마찬가지로 설명되는 조명 장치의 중간 이미지 평면에의 가변 이미징 시스템의 사용은 SLM의 이미지를 변위시키지만, 그러나 그럼에도 불구하고 선명하지 않은 이미지가 여전히 존재할 수 있다.
이에 비해, 이제 설명되는 조명 장치의 중간 이미지 평면 내의 수차 보정을 통해 SLM의 이미지 자체가 개선된다. SLM 픽셀의 이미지는 보다 선명해지고, 따라서 오브젝트 포인트를 재구성하기 위한 서브 홀로그램은, 다이렉트 뷰 디스플레이에서 존재하는 바와 같이 일정한 진폭을 갖는 렌즈 함수에 더 유사할 수 있다. 따라서 유리하게는, 크기가 더 작은 서브 홀로그램으로 인해 홀로그램을 계산하기 위한 계산 비용을 또한 감소시킨다. 그러나, 조명 장치의 중간 이미지 평면 내의 수차 보정 및 서브 홀로그램의 진폭 곡선 및 위상 곡선 내의 수차 보정의 두 가지 방법이 또한 서로 조합될 수 있다.
예를 들어 도 17에 도시된 바와 같이, 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 역 계산 및 수차 보정이 수행되어, 우선 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트의 시야 부분의 중심에서 그리고 가상 관찰자 윈도우로부터 SLM 이미지의 목표 거리에 대응하는, 가상 관찰자 윈도우로부터의 거리에서 오브젝트 포인트에 대한 광 경로가 조명 장치의 중간 이미지 평면에 대해 계산된다. 선명하게 이미징된 SLM에서, 오브젝트 포인트가 디스플레이 평면에 놓이기 때문에, 서브 홀로그램은 단지 하나의 픽셀 크기일 수 있다. 가변 이미징 시스템 및/또는 조명 장치의 중간 이미지 평면(ZB)에서의 광 편향 장치의 격자 요소의 국부적인 격자 주기는 SLM에 대한 추가적인 역 계산에서 광 빔이 SLM의 중심에서 픽셀에 수렴되는 방식으로 설정된다. 도 17은 가상 관찰자 윈도우에서 다양한 위치로부터 여기에서 도시되지 않은 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스(26) 및 이미징 요소(28)를 통해 조명 장치의 중간 이미지 평면(ZB)으로 이어지고 그리고 거기로부터 거기에 제공된 격자 요소의 격자 주기의 적절한 설정 후에 이미징 요소(27)를 통해 계속 SLM으로 이어지는 5개의 광 빔의 예시를 도시한다. 가상 관찰자 윈도우와는 다른 거리에 있지만, 여전히 SLM의 다중 이미지 세그먼트의 시야 부분의 중앙 영역에 있는 오브젝트 포인트의 경우, 이에 따라 서브 홀로그램은 오브젝트 포인트의 거리와의 초점 거리를 갖는 간단한 렌즈 함수로서 생성된다. 그러나, 조명 장치의 중간 이미지 평면(ZB)에서 동일한 보정이 세그먼트 부분 시야의 가장자리에 있는 오브젝트 포인트에 대해 사용되는 경우, 그럼에도 불구하고 여전히 잔여 수차가 SLM 평면에 존재할 수 있다. 이를 위해, 이미 설명된 바와 같이, 여전히 존재하는 수차를 추가적으로 보정하기 위해, 홀로그램 평면에서의 입사 각도가 확인될 수 있고, 이로부터 서브 홀로그램에 대한 위상 함수가 계산될 수 있다. 간단히 표현하면, 서브 홀로그램은 SLM의 중앙 영역에서 보정 없이 렌즈 함수로 사용되는데, 왜냐하면 거기에서 픽셀 이미지가 선명하기 때문이고, SLM의 가장자리 영역에서는 SLM 평면에서의 추가적인 수차 보정을 갖는 서브 홀로그램이 사용되는데, 왜냐하면 거기서 픽셀 이미지가 덜 선명해지기 때문이다. 그러나, 이러한 경우 전반적으로 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 보정의 사용을 통해 SLM 평면에서의 서브 홀로그램의 필요한 수차 보정이 또한 실질적으로 감소된다.
조명 장치의 중간 이미지 평면에서 가변 이미징 시스템의 사용에 대해 이미 설명된 바와 같이, 이러한 실시예는 대안적인 실시예로 대체될 수 있는데, 즉 가변 이미징 시스템은 가상 SLM 평면에서의 계산, 가상 관찰자 윈도우에서의 변환 및 실제 SLM 평면, 이러한 경우에 SLM의 실제 이미지의 평면에서의 역 변환으로 대체된다. 이러한 변환 시, 가상 SLM 평면으로부터 가상 관찰자 윈도우를 포함하는 관찰자 평면으로 그리고 거기로부터 SLM 이미지의 평면으로, 2차 위상 항이 관찰자 평면에서 2개의 평면(SLM 평면, 관찰자 평면)까지의 거리에 대응하는 위상값에 합산된다. 이러한 2차 위상 항은 렌즈 함수와 동등하다. 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 가변 이미징 시스템의 사용 및 이에 따라 SLM 이미지의 변위를 위해 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 일 방법으로서 또는 그 대신에 관찰자 평면 내 오브젝트 포인트의 계산적인 변환 그리고 이러한 평면에서 위상값에 대한 2차 위상 항의 합산 및 SLM의 실제 평면과 SLM의 실제 이미지 평면 사이의 SLM 이미지의 계산적인 변위를 위한 역 변환이 수차 보정을 위한 대안적인 가능성이다.
그러나, 조명 장치의 중간 이미지 평면 내에서의 위상 요소를 갖는 가변 이미징 시스템의 사용에 대해 대안적으로 또는 추가적으로 계산적 변환 형태의 보정이 또한 수행되는 경우가 수차 보정에 유리할 수 있다. 따라서, 서브 홀로그램은 SLM의 수차가 없는 가상 이미지 평면에서 계산되며, 거기서 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 계산적으로 변환된다. 이러한 중간 이미지 평면에서, 왕복 수차 보정이 이루어지고, 보정된 데이터는 SLM의 실제 수차의 영향을 받는 이미지 평면에서 다시 변환된다. 예를 들어 가변적으로 구동 가능한 주기를 갖는 격자 요소가, 그러나 1차원 전극 구조로 사용되는 경우에, 계산적 보정 및 위상 요소에 의한 보정의 조합이 유용하다. 가변 이미징 시스템 또는 광 편향 장치에서 2개의 교차된 격자 요소를 사용할 때, 예를 들어 단지 수평 좌표에만 또는 단지 수직 좌표에만 의존하는 위상 곡선은 각각 격자 요소에 대해 하드웨어적으로 보정될 수 있다.
수평 및 수직으로 독립적이지 않은 추가의 위상 항 또는 위상 함수는 추가적인 계산적 보정에서 위상 값의 2차원 매트릭스의 형태로 고려될 수 있다. 이를 위해, 우선 보정의 계산이 위상 곡선으로 수행된 다음, 위상 곡선의 개별 몫으로의 분류가 수행된다[ph(x,y) = ph1 (x) +ph2(y) + ph3(x,y)].
수차 보정의 계산적 고려의 경우에도 또한, 마치 보정 요소가 조명 장치의 중간 이미지 평면에 물리적으로 존재하는 것과 같이, 각도 및 국부적인 격자 주기를 통해 가상 관찰자 윈도우로부터의 역 계산을 통해 보정값이 확인될 수 있다.
도 18은 원칙적으로 관찰자의 헤드(31)를 도시하고, 여기에서 광 가이드 디바이스(26)를 갖는 디스플레이 디바이스는 각각 우측 눈(RA)과 좌측 눈(LA) 전방에 배치된다. 두 디스플레이 디바이스는 소위 헤드 마운트 디스플레이(HMD)를 형성하고, 이는 관찰자의 헤드(31)에 장착된다. 보다 나은 이해를 위해, 각각의 디스플레이 디바이스의 빔 경로는 펼쳐진 것으로 도시되어 있다. 그러나, 적절한 HMD를 제공하기 위해, 두 디스플레이 디바이스의 빔 경로는 실제로 접힌 빔 경로일 것이다. 이를 위해, 예를 들어 편향 거울이 SLM와 광 가이드 디바이스(26) 사이에 제공될 수 있으므로, 각각 SLM과 광학 시스템의 이미징 요소는 관찰자의 헤드(31) 옆에 측면으로 배치된다. 각각 헤드(31)의 외부로부터 광이 각각의 눈(LA, RA) 전방에 제공되는 광 가이드 디바이스(26) 내로 커플링되고, 그 안에 전파되고, 광 디커플링 장치(25)에 의해 관찰자의 눈(RA, LA)의 방향으로 광 가이드 디바이스(26)의 광 가이드로부터 디커플링된다. 각각의 가상 관찰자 윈도우는 눈(RA, LA)의 동공 상에 형성되어, 관찰자가 생성되거나 또는 재구성된 장면을 관찰할 수 있다. 도 18에서는, 광 가이드 디바이스(26)에 만곡된 광 가이드가 사용된다. 원칙적으로, HMD가 사용자의 헤드(31)에 고정적으로 연결되고, 따라서 사용자의 더 큰 위치 변경이 발생하지 않기 때문에, HMD는 가상 관찰자 윈도우의 추적을 필요로 하지 않는다. 사용자가 이동할 때 HMD가 동시에 이러한 위치로 전송되기 때문이다. 그러나 어떠한 경우에는, 바람직하게는 광 방향으로 광 가이드 디바이스 이후에 예를 들어 적어도 하나의 액정 격자 요소를 포함하고, 가상 관찰자 윈도우의 적어도 일 방향, 바람직하게는 수평 방향으로의 추적을 위해 형성되는 관찰자 추적 장치가 제공되는 경우, 가상 관찰자 윈도우의 정밀 추적이 유용할 수 있다.
격자 요소의 사용은 여기에서 다양한 맥락으로 언급되고 설명된다. HMD와 같은 디스플레이 디바이스는 전형적으로 장면의 컬러 재구성 또는 표현을 위해 예를 들어 적색, 녹색 및 청색의 복수의 파장의 사용을 필요로 한다. 이를 위해, 예를 들어 격자 요소에는 다양한 파장의 광이 시간 순차적으로 가해지고, 특히 설정 가능한 주기를 갖는 격자 요소에서 각 파장에 대해 개별적으로 설정되는 것이 제공될 수 있다. 또는, 예를 들어 광 가이드 내부 또는 광 가이드로부터 광을 가이드하기 위한 커플링 격자 요소 및 디커플링 격자 요소로 격자 요소가 사용되는 경우, 충분한 파장 선택성을 갖는 격자 요소가 사용되어, 예를 들어 단지 하나의 파장에 대해서만 격자 요소로서 작용한다. 본 발명에 따르면, 일반적인 경우에 커플링 격자 요소로서 예를 들어 각각 기본 색상인 적색, 녹색, 청색(RGB)에 대한 격자 요소인 3개의 격자 요소 또는 파장의 스택과 같은 복수의 격자 요소의 스택을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 지금까지의 설명은 일반적으로 그리고 실시예의 설명도 또한 특히 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스를 포함하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 그러나, 명확성을 위해, 특히 2단계 광학 시스템에 관하여 그리고 역 계산을 통한 서브 홀로그램의 확인에 관하여, 또한 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스를 포함하지 않는 홀로그래픽 또는 입체 디스플레이 디바이스에 보다 일반적으로 적용 가능한 설명의 문단이 여기서 참조되어야 한다.
일반적으로, 2단계 광학 시스템을 갖는 디스플레이 디바이스가 설명되는데, 여기에서 SLM은 조명 장치에 의해 조명되고, 광학 시스템의 적어도 하나의 제1 이미징 요소를 통해 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 생성된다. 광학 시스템의 적어도 하나의 제2 이미징 요소에 의해, 가상 관찰자 윈도우의 이러한 중간 이미지는 실제 가상 관찰자 윈도우의 위치에서 이미징된다. 이 경우, 적어도 하나의 이미징 요소를 포함하는 가변 이미징 시스템은 조명 장치의 중간 이미지 평면에 배치된다. 적어도 하나의 이미징 요소에는 프리즘 함수 및/또는 렌즈 함수 및/또는 수차 보정을 위한 위상 곡선이 기록될 수 있다.
조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 이미 설명된 계산적인 수차 보정은 또한 일반적으로 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스를 사용하지 않고 2단계 광학 시스템에 대해 수행될 수 있다.
일반적인 디스플레이 디바이스는 예를 들어 SLM의 실제 이미지가 스크린 상에 생성되는 홀로그래픽 프로젝션 시스템일 수도 있거나 또는 광 가이드 대신에 종래의 렌즈 또는 거울과 같은 다른 컴포넌트를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이일 수도 있다.
이러한 유형의 디스플레이 디바이스는 유리하게는 예를 들어 출원인의 출원 PCT/EP2017/071328호에서 도 7 및 도 8에서 설명되는 바와 같은 시스템과 조합될 수 있으며, 여기서 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 필터 요소에 의한 필터링이 수행된다. 이러한 필터링은 예를 들어 DC 스폿을 필터링하거나 또는 특정 회절 차수를 필터링하기 위해 사용된다. 이러한 출원의 개시 내용은 본 명세서에서 완전히 포함된다. 따라서, 필터링을 위한 수동 또는 가변 진폭 요소는 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 프리즘 함수 또는 렌즈 함수를 구현하기 위해 또는 수차 보정을 위해 여기에 제안된 가변 시스템의 적어도 하나의 위상 요소와 조합될 수 있다. 또한, 필터링을 제외하고 수차 보정에 대해 추가적으로 진폭 요소가 사용될 수 있다.
출원인의 PCT/EP2017/071328호에 설명된 바와 같이, 하나 또는 2개의 회절 차수를 통한 가상 관찰자 윈도우의 측면 변위는 마찬가지로 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 가변 위상 요소를 갖는, 여기에 설명된 2단계 광학 시스템과 조합될 수 있다. 예를 들어 가변 이미징 시스템의 위상 요소 또는 격자 요소와 깊이의 SLM 이미지의 변위를 위한 렌즈 함수가 가상 관찰자 윈도우의 측면으로 변위된 위치에 대해 구현된다면, 위상 요소 또는 격자 요소는 그 치수가 해당 영역 전체의 크기, 즉 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 복수의 회절 차수와 동일한 크기여야 한다. 그러나, 격자 요소 내에 렌즈 함수가 기록된 위치는 이러한 격자 요소 상에서 측면으로 변위될 수 있고, 렌즈 함수가 기록된 격자 요소 상의 영역의 치수는 단지 관찰자 윈도우에 대응하는 영역과 같이 커야 하는데, 즉 최대 회절 차수만큼 커야 한다. 다른 회절 차수는 예를 들어 조명 장치의 중간 이미지 평면에서의 필터링을 통해 필터링될 수 있다. 예를 들어 선택 가능한 다양한 회절 차수가 필터링될 수 있거나 또는 투과될 수 있는 제어 가능한 필터 장치일 수 있다. 예를 들어 수차 보정을 위한 가상 관찰자 윈도우의 역 계산 시, 마찬가지로 최대 하나의 회절 차수의 크기의 부분만이 보정의 계산에 사용되며, 이에 대응하여 변위된다. 측면으로 변위된 가상 관찰자 윈도우에서의 계산적인 보정 시, 이는 홀로그램 평면 또는 SLM 평면에서의 대응하는 선형 위상 항에 의해 계산에서 고려될 수 있다.
일반적으로, SLM에 가까운 제어 가능한 가변 격자 주기를 갖는, 프리즘 함수를 기록함으로써 관찰자 윈도우의 중간 이미지의 위치가 조명 장치의 중간 이미지 평면에서 변위되는 추가적인 격자 요소를 사용하는 것 그리고 이러한 중간 이미지 평면에서 가변 이미징 시스템의 더 큰 위상 요소 또는 격자 요소를 사용하는 것이 또한 가능하고, 그 치수는 관찰자 윈도우의 중간 이미지가 변위될 수 있는 가능한 전체 영역을 포함하도록 크고, 그러나 여기서 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지의 현재 위치의 영역에 단지 국부적으로만 프리즘 함수 또는 렌즈 함수의 위상 함수 또는 수차 보정을 위한 위상 함수가 기록된다.
또한, 광학 시스템을 통해 가상 관찰자 윈도우로부터 SLM으로의 역 계산은 광 가이드 또는 광 가이드 디바이스와 관련된 광학 시스템 및/또는 2단계 광학 시스템에 대해서뿐만 아니라 일반적으로도 적용 가능하다. 그러나, 제2 이미징 단계에서 광 가이드 - 특히 만곡된 광 가이드 - 를 포함하고, 조명 장치의 중간 이미지 평면에 구동 가능할 수 있는 가변 이미징 시스템을 포함하고 여기서 수차 보정을 확인하기 위해 역 계산이 사용되는 2단계 광학 시스템과의 역 계산 방법의 조합은 특히 유리하게 적용 가능하다.
이하의 설명에서, 일반적으로 광 가이드의 각도 및 광 가이드 디바이스의 광 가이드에서 광의 디커플링 지점의 계산이 특히 설명된다. 광 가이드에서 특정 횟수의 반사 후에 광 빔이 이동하는 경로는 광 가이드의 기하학적 구조 및 광 커플링 장치와 광 디커플링 장치의 광학적 특성에 기초하여 계산될 수 있다.
도 19의 a)에서 평면의 또는 평평한 광 가이드(LGA)에 대한 예시가 도시되고, 도 19 b)에는 만곡된 광 가이드(LGB)에 대한 예시가 도시된다. 도 19 a)에는 광(L)이 광 가이드(LGA)의 법선에 대해 각도(ß)로 전파되도록 두께(d)의 광 가이드(LGA)에 커플링된다. 이 경우, 광(L)은 커플링 지점으로부터 거리(Δχ = dtanß) 후에 커플링 측에 반대되는 표면에 도달하고, 2배 거리(2Δχ = 2dtanß) 후에 광이 커플링된 표면에 다시 도달한다. 따라서, N회의 반사 후에 광 빔(L)이 광 가이드(LGA)로부터 디커플링되는 경우, 따라서 커플링측과 디커플링측 사이의 거리는 2Ndtanß이다.
도 19 b)에서, 원호의 부분을 표현하는 만곡된 광 가이드(LGB)에서의 광 전파가 도시된다. 내부 표면은 원 중심점(K) 주위에 반경(r1)을 포함하고, 외부 표면은 원 중심점(K) 주위에 더 큰 반경(r2)을 포함한다. 여기서 광 가이드(LGB)의 두께는 d = r2 - r1이므로, 따라서 두 반경(r1 및 r2)의 차이이다. 광 가이드(LGB)에서 내부 표면 상의 법선에 대해 각도(ß)로 전파되도록 커플링된 광(L)은 상이한 반경(r2 및 r1)으로 인해 법선에 대해 다른 각도(ß - γ/2)로 광 가이드(LGB)의 외측에 입사된다. 광 가이드(LGB)의 외측 상의 반사 후에, 광 빔(L)은 이것이 γ의 아크 상의 각도 세그먼트를 이동한 후에 다시 내측에 도달한다. 사인 정리로부터 다음과 같은 식이 생긴다: γ = 2* (ß - asin (sin (ß) r1/r2)).
수치 예시: 51.9°의 각도(ß)를 갖고, 광 가이드의 내부 반경이 32 mm이고 외부 반경이 36 mm인 경우, 광이 다시 광 가이드의 내측으로 입사될 때까지 광 가이드의 외측의 광을 반사하기 위해 15°의 원호의 부분의 각도(γ)가 생성된다. 광 가이드에서 광의 4회 반사의 경우, 광은 광 가이드 내 원호 상에서 예를 들어 60°로 전파될 것이다. 따라서, 상기 방정식으로부터, 만곡된 광 가이드의 경우에 광 가이드에서 공지된 커플링 지점 및 각도(ß)로부터 광 가이드에서 디커플링 지점이 특정 횟수의 반사 후에 계산될 수 있다.
격자 요소를 갖는 광 가이드 내로의 광의 커플링에 대해, 공지된 격자 방정식은 다음과 같다: sinβout = λ/g + sinβin, 여기서 λ는 파장, g는 격자 요소의 격자 상수, βin은 광의 입사 각도 및 βout는 광의 생성 각도이고, 이에 의해 광이 광 가이드 내로 전파된다. 입사 매체와 출사 매체가 동일한 경우, 격자 방정식이 이러한 형태로 적용된다. 공기로부터의 광의 입사 및 굴절률(n)을 갖는 광 가이드 내로의 전파를 위해, 두 매체의 경계 표면에서의 굴절도 또한 고려해야 한다: sinβinmed = 1/n sin βinair, 여기서 sinβinmed은 굴절률(n)을 갖는 매체에서 격자 요소 상의 광의 입사 각도이고, βinair는 공기 중 광의 입사 각도다.
도 20에는 평면의 또는 평평한 광 가이드(LG)가 도시되고, 여기서 광 번들의 상이한 광 빔이 상이한 지점 또는 위치에서 광 가이드(LG) 내로 커플링되는 것이 고려된다. 이러한 상이한 커플링 지점은 이러한 경우, 거리(Δxin)와는 상이하다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 예시적으로 상이한 각도(α1 및 α2)를 갖는 2개의 광 빔(L1 및 L2)은 공기 중에서 커플링 격자 요소(Gin) 상에 입사된다. 따라서, 이러한 광 빔(L1 및 L2)은 또한 이러한 커플링 격자 요소(Gin)에 의해 광 가이드(LG)에서 상이한 전파 각도(β1 및 β2)로 편향된다.
디스플레이 디바이스에서, 광을 광 가이드 내로 커플링하기 위한 각도 스펙트럼은 예를 들어 사전 설정된 픽셀 피치를 갖는 SLM의 회절 각도로부터 생성될 수 있다. 광 가이드 상에 디커플링 격자 요소의 적절한 위치 설정을 통해, 본 발명의 경우에 광 가이드 내에 하나, 둘 또는 세 번의 반사 후에 2개의 광 빔(L1 및 L2)이 광 가이드로부터 다시 디커플링되는 것이 가능할 것이다. 도 20은 광 가이드(LG)의 경계 표면에서 광의 2회 반사(N=2)에 대한 디커플링 격자 요소(Gout)의 위치를 도시한다. 도 20에 도시된 예시에서, 광 가이드(LG)의 경계 표면에서 광의 3회 반사 후에 더 큰 각도(β2)로 연장되는 광 빔(L2)과 동일하게, 더 작은 각도(β1)로 연장되는 광 빔(L1)이 4회의 반사 후에 광 가이드의 경계 표면 상에서 동일한 위치(P)에 도달함으로써, 광 가이드의 경계 표면에서 4회의 반사 후에 광 가이드(LG)로부터 광의 디커플링은 더욱 어려워질 것이다. 디커플링 격자 요소가 이러한 지점에 제공되면, 바람직하지 않게는 각도(β2)로 연장되는 광 빔(L2)이 광 가이드에서의 3회의 반사 후에, 따라서 너무 일찍 디커플링되는 경우가 발생할 수 있다. 디커플링 영역의 이러한 불리한 중첩은 예를 들어 커플링될 광 번들의 주어진 크기 및 커플링될 광의 주어진 각도 스펙트럼에 대해 광 가이드의 두께 및 커플링 격자 요소의 격자 상수의 적절한 선택에 의해 방지될 수 있다.
이하의 설명에서, 광 커플링 장치 및 광 디커플링 장치 내의 격자 요소에 대해 보다 상세히 논의되고, 보다 상세히 설명될 것이다.
이미 언급된 바와 같이, 광 가이드 디바이스의 광 가이드로부터 광을 디커플링하기 위한 광 디커플링 장치는 선택적으로 제어 가능한 격자 요소 또는 편광 스위치와 조합된 수동 격자 요소를 또한 포함할 수 있다. 그러나, 광 디커플링 장치는 단지 수동 격자 요소만을 포함할 수도 있다.
광 가이드 디바이스에 의해 SLM의 세그먼트로 구성된 다중 이미지가 생성되는 디스플레이 디바이스는 편광 스위치와 조합된 스위칭 가능한 격자 요소 또는 수동 격자 요소를 필요로 한다. 광 가이드 디바이스에 의해 단지 개별적인, 이에 따라 SLM의 세그먼트로 구성된 이미징이 생성되지 않는 디스플레이 디바이스는 특정 실시예에서 단지 수동 격자 요소를 추가적인 스위칭 요소 없이 또한 포함할 수 있다. 이하에서는, 이러한 유형의 디스플레이 디바이스를 위해 광 가이드 디바이스에 사용될 수 있는 광 디커플링 장치의 특정 실시예가 보다 상세히 설명될 것이다.
또한 광 커플링 장치는 격자 요소를 포함할 수 있다. 격자 요소의 특정 배치는 또한 광 커플링 장치뿐만 아니라 광 디커플링 장치에 대해서도 유사한 형태로 사용될 수 있다. 제어 가능한 또는 수동 격자 요소는 선택적으로 투과성 또는 반사성으로 형성될 수 있다. 이들은 선택적으로 예를 들어 광 가이드 코어와 유전층 스택과 같은 외부 층 사이의 내부 경계 표면에 또는 광 가이드의 외부 표면 상에 배치될 수 있다. 광 디커플링 장치는 또한 반사성 및 투과성 격자 요소의 조합을 포함할 수 있다. 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스에서, 투과성 격자 요소는 바람직하게는 광 디커플링 장치에서 관찰자를 향하는 광 가이드의 경계 표면 또는 표면 상에 배치되고, 반사성 격자 요소는 바람직하게는 관찰자로부터 먼 쪽을 향하는 광 가이드의 경계 표면 또는 표면 상에 배치된다.
광 커플링 장치는 디스플레이 디바이스에서 또한 그 반대로, 바람직하게는 관찰자로부터 멀어지는 표면 또는 경계 표면 상에 투과성 격자 요소를 포함하고, 바람직하게는 관찰자를 향하는 광 가이드의 표면 또는 경계 표면 상에 반사성 격자 요소를 포함할 수 있다.
격자 요소는 일반적으로 파장에 대한 편향 각도의 의존성을 포함한다. 동일한 격자 요소는 일반적으로 적색 광이 녹색 또는 청색 광보다 더 큰 각도로 편향된다. 광 가이드 디바이스를 갖는 디스플레이 디바이스의 경우, 유리하게는 예를 들어 적색, 녹색 및 청색 광(RGB)의 상이한 파장의 광이 광 가이드 내부에서 광의 사전 정의된 동일한 횟수의 반사 후에 또한 동일한 위치 또는 지점에서 광 가이드로부터 디커플링된다. 또한, 그런 다음 상이한 파장의 광은 또한 광 가이드의 디커플링 장소로부터 관찰자 영역, 즉 가상 관찰자 윈도우 또는 스위트 스폿과 동일한 각도로 전파한다. 이는 사용된 파장(적색, 녹색, 청색(RGB))에 대해 광의 커플링 각도 및 디커플링 각도가 동일하면, 가장 단순하게 구현될 수 있다. 광 가이드 내로 광을 커플링하기 위해, 예를 들어 격자 요소 대신에 거울 요소를 또한 사용하는 것이 가능하고, 이에 의해 커플링 각도는 파장과는 독립적으로 구현될 수 있다.
광 가이드 내에서/광 가이드로부터 광을 커플링 또는 디커플링하기 위한 격자 요소의 사용 및 다양한 색상 또는 파장에 대한 동일한 각도의 구현은 개별 파장에 대해 상이한 격자 요소를 사용하거나 또는 개별 색상에 대해 격자 주기를 설정할 수 있는 개별 격자 요소를 사용하는 것을 필요로 한다. 예를 들어 체적 격자는 제한된 각도 선택성 및 파장 선택성을 포함하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 각각의 다른 파장에서 매우 낮은 회절 효율을 포함하기 때문에, 유리하게는 단지 적색 광 또는 단지 녹색 광 또는 단지 청색 광만 실질적으로 편향시키는 체적 격자를 생성하는 것이 가능하다.
광 커플링 장치 또는 광 디커플링 장치도 또한 3개의 격자 요소, 예를 들어 적색 광을 위한 체적 격자, 녹색 광을 위한 체적 격자 및 청색 광을 위한 체적 격자로 된 스택을 포함할 수 있다. 이러한 3개의 체적 격자는 체적 격자 상에 동일한 각도로 입사되는 적색, 녹색 및 청색 광을 또한 각각 동일한 각도로 편향시키도록 설계된다. 체적 격자에서 개별 층에 복수의 격자 함수를 기록하는 것이 가능한 것으로 또한 알려져 있다. 따라서 격자 요소 스택 대신에, 광 커플링 장치 또는 광 디커플링 장치도 또한 적색, 녹색 및 청색 광의 편향을 위해 기록된 복수의 격자 함수를 갖는 개별 격자 요소를 포함할 수 있다. 격자 요소 스택의 경우, 모든 격자 요소는 선택적으로 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능하게 형성될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 개별 스위칭 요소, 예를 들어 편광 스위치와 조합하여 복수의 수동 격자 요소가 사용된다.
다양한 파장에 대한 광의 커플링 및 디커플링에서 동일한 편향 각도를 달성하는 다른 가능성은, 각각 개별 파장에 대해 편향 각도를 이러한 편향 각도가 다른 파장에 대한 편향 각도와 일치하도록 보정되는 보정된 격자 요소와 조합하여, 복수의 파장을 다양한 각도로 편향시키는 격자 요소의 사용에서 존재한다. 이러한 유형의 광 커플링 장치 또는 광 디커플링 장치에서 예를 들어 복수의 파장을 편향시키기 위한 제1 격자 요소는 표면 릴리프 격자 또는 편광 격자로서 형성될 수 있고, 각각 하나의 파장의 편향 각도를 보정하기 위한 다른 격자 요소는 체적 격자로서 형성될 수 있다. 제1 격자 요소는 예를 들어 적색, 녹색 및 청색 광을 편향시키고, 여기서 녹색 광은 바람직한 각도로 편향되는데, 그러나 적색 광은 큰 각도로 편향되고, 청색 광은 작은 각도로 편향된다. 제공된 다른 격자 요소는 청색 및 적색 광에 대한 편향 각도의 보정을 수행하여, 적색, 녹색 및 청색 광이 동일한 편향 각도로 광 가이드 내로 커플링되고, 또한 다시 디커플링된다. 각각 하나의 파장의 편향 각도를 보정하기 위해, 파장당 하나 이상의 격자 요소, 예를 들어 파장당 2개의 격자 요소를 갖는 체적 격자의 배치가 사용될 수 있다. 편향 각도를 보정하기 위한 제1 체적 격자는 각각 사전 편향을 수행할 수 있다. 그런 다음, 제2 체적 격자는 바람직한 출사 각도가 구현되거나 또는 형성되는 방식으로 사전 편향된 광을 편향시킬 수 있다. 여기서, 큰 편향 각도를 갖는 체적 격자는 일반적으로 작은 편향 각도를 갖는 체적 격자보다 좁은 파장 선택성을 갖는다는 것이 이용된다. 좁은 파장 선택성을 통해, 체적 격자가 단지 파장의 광만 편향시키는 것이 간단하게 달성될 수 있다.
특히, 광 커플링 장치 또는 광 디커플링 장치의 제1 격자 요소는 복수의 파장을 편향시키기 위해 스위칭 가능하게 또는 제어 가능하게 형성될 수 있다. 각각 하나의 파장의 편향 각도를 보정하기 위한 다른 격자 요소는 수동적으로 형성될 수 있다. 그러나, 광 커플링 장치 또는 광 디커플링 장치의 모든 격자 요소가 수동적으로 형성되는 것도 또한 가능하다. 광의 디커플링과 관련하여 스위칭 가능한 요소 또는 스위칭 요소가 필요한 경우, 수동 격자 요소는 스위칭 요소로서 편광 스위치와 다시 조합될 수 있다. 그러나, 대안적으로 모든 격자 요소는 또한 스위칭 가능하게 또는 제어 가능하게 형성될 수 있다.
수동 격자 요소가 예를 들어 편광 스위치와 같은 스위칭 요소와 조합되어 사용되는 광 디커플링 장치의 실시예에서, 적어도 하나의 격자 요소 자체는 편광 선택성으로 형성되는데, 즉 단지 특정 편광의 광만 편향시키거나 또는 추가적인 편광 요소가 편광 스위치와 격자 요소 사이에 배치되어야 한다.
또한 스위칭 요소가 없는 수동 격자 요소만을 갖는, 그러나 단지 특정 편광의 광만 디커플링되는 광 디커플링 장치의 실시예에서, 적어도 하나의 격자 요소 자체는 편광 선택성으로 형성되어야 하거나 또는 추가적인 편광 요소가 편광 스위치와 격자 요소 사이에 배치되어야 한다.
예를 들어 특정 유형의 체적 격자에 의해 편광 선택성, 파장 선택성 및 각도 선택성의 조합이 달성될 수 있다. 이중 굴절을 포함하는 액정 물질 및 액정 물질의 보통 또는 특정 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 등방성 물질로 된 격자 구조를 갖는 체적 격자는 격자와 같은 제1 선형 편광에 대해 그리고 이에 대해 수직인, 등방성 물질과 같은 제2 선형 편광에 대해 작용할 수 있다. 이러한 격자에 대한 예시는 PDLC(polymer dispersed liquid crystal) 격자, 폴리펨 격자 또는 POLICRYPS (polymer liquid crystal polymer slices) 격자이다. 이러한 격자는 이하에서 편광 선택성 체적 격자(PSVG)로 지칭된다. 격자가 2개의 전극 사이에 배치되고, 액정의 배향이 전계에 의해 변경됨으로써, 액정 기반의 편광 선택성 체적 격자가 또한 스위칭 가능하게 형성될 수 있다. 이하에서 ON으로 지칭되는 제1 스위칭 상태에서, 이러한 격자는 선형 편광, 일반적으로 p-편광된 광에 대해 편향되게 작용하고, 이에 대해 90도로 회전된 선형 편광, 일반적으로 s-편광에 대해서는 편향되지 않게 작용한다. 이하에서 OFF로 지칭되는 제2 스위칭 상태에서, 이러한 격자는 s-편광 또는 p-편광에 대해 작용한다. 특정 유형의 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자는 문헌에서 때때로 "스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)"로 지칭된다. 이에 대해, 본 명세서에서도 마찬가지로 PSVG라는 용어가 사용된다. 개별 회절 차수에서 높은 회절 효율을 포함할 수 있는 다른 유형의 격자는 편광 격자(PG)이다. 예를 들어 종래의 편광 격자는 좌측 원으로 편광된 광을 +1차 회절 차수로 그리고 우측 원으로 편광된 광을 -1차 회절 차수로, 격자의 형성에 따라 편향시킨다. 체적 격자와 달리, 종래의 편광 격자는 다양한 파장에 대해 넓은 수용 각도 및 높은 효율을 포함한다.
그러나, 작은 격자 주기를 갖는 특수한 유형의 편광 격자는 단지 특정 원형 편광의 광을 편향시키지만, 그러나 원형 편광의 광이 서로 반대의 회전 방향으로 편향되지 않도록 투과하는 특성을 포함한다. 편광 선택성 체적 격차(PSVG)와 종래의 편광 격자(PG)를 구별하기 위해, 이들은 이하에서 브래그 편광 격자(B-PG)로 지칭된다. 이러한 격자는 이후에 더 상세히 설명된다.
추가적인 편광 요소를 갖는 광 디커플링 장치의 일 실시예에서, 와이어 격자 편광기(WGP - wire grid polariser)가 광 가이드의 내부 또는 외부 클래딩 표면에 제공된다. 와이어 격자 편광기는 필름으로도 이용 가능하고, 예를 들어 만곡된 광 가이드의 클래딩 표면과 같은 만곡된 표면에 적층될 수 있다. 와이어 격자 편광기의 외부 표면 상에 격자 요소가 제공되거나 또는 적용된다. 와이어 격자 편광기는 제1 선형 편광의 이러한 광을 반사하고, 이에 대해 수직인 제2 선형 편광의 광을 투과하는 특성을 갖는다. 따라서, 제1 편광의 광은 광 가이드의 클래딩 표면 상의 와이어 격자 편광기에 의해 반사되고, 그 후 광 가이드 내로 계속 전파되고, 따라서 격자 요소에 전혀 도달하지 않는다. 이에 대해 수직인 제2 선형 편광의 광은 와이어 격자 편광기를 통과하고 적어도 하나의 격자 요소, 예를 들어 3개의 체적 격자의 그리드 요소 스택 상에 입사되고, 격자 요소 스택이 존재하는 경우, 격자 요소 또는 격자 요소 중 하나로부터 편향될 수 있고, 광 가이드로부터 디커플링될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 수동 격자 요소와 조합하여 사용하기 위한 스위칭 가능한 또는 제어 가능한 격자 요소 또는 편광 스위치가 또한 섹션들로 분할될 수 있으므로, 개별 섹션은 각각 부분적으로 전계를 인가함으로써 편광의 스위칭이 이루어질 수 있는 자체의 전극을 포함한다. 본 발명에 따르면, "섹션"이라는 용어는 거친 구조도 또한 포함한다. 예를 들어 스위칭 가능한 또는 제어 가능한 격자 요소 또는 예를 들어 편광 스위치와 같은 스위칭 요소는 단지 3개 또는 4개의 큰 섹션들로 분할될 수 있고, 이는 각각 개별 전극을 포함하고, 예를 들어 5 mm - 10 mm의 수 밀리미터 폭이다. 그러나, 예를 들어 0.5 mm 폭의 스트립 형상의 섹션에서 복수의 작은 섹션으로의 세분화도 또한 가능하다.
스위칭 가능한 또는 제어 가능한 격자 요소 또는 스위칭 요소의 섹션으로의 분할은 광 가이드 디바이스에 의해 SLM의 개별 이미지 또는 세그먼트로 구성된 다중 이미지가 생성되는 디스플레이 디바이스에서 다음과 같이 제공될 수 있거나 또는 사용될 수 있다:
디스플레이 디바이스의 일 실시예에서, 디커플링될 때까지의 광 가이드 내부에서의 광의 반사 횟수는 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능한 격자 요소 또는 적어도 하나의 스위칭 요소의 특정 섹션의 스위칭 온 및 스위칭 오프에 의해 설정된다. 여기서 광 가이드 내부에서 광의 반사 횟수를 바꾸거나 또는 변경하거나 또는 한정하기 위해, 특정 섹션이 일 구동 상태에, 다른 섹션은 다른 구동 상태에 있도록 또한 제공될 수 있다.
디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서, 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능한 격자 요소 또는 적어도 하나의 스위칭 요소의 특정 섹션의 스위칭 온 및 스위칭 오프에 의해 또는 광 가이드의 경계 표면에서 광의 고정된 반사 횟수에 대한 섹션의 다양한 구동 상태에서 광의 디커플링 지점이 또한 미세한 단계들에서 변경된다. 이것은 예를 들어 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트의 위치를 미세한 단계들에서 변위시키는 역할을 할 수 있다. 이것은 예를 들어 관찰자의 시선 방향의 중앙에 다중 이미지의 특정 세그먼트를 위치시키기 위해, 시선 추적(gaze tracking)과 조합하여 사용될 수 있다.
도 21에는 광 가이드(LG) 및 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시되며, 여기에서 편광 스위치(PS)는 일 측면의 광 디커플링 장치 내에 제공된다. 편광 스위치(PS) 자체는 예를 들어 전계가 인가될 수 있는 전극들 사이의 액정 층으로 구성될 수 있다. 여기서, 우선 좌측 원형 편광된 광(CL)이 광 가이드(LG) 내로 전파되고, 여기서 알 수 있는 바와 같이, 도 21의 좌측 원형 편광된 광(CL)은 좌측에서 광 가이드(LG) 내로 커플링되고, 광 가이드(LG)에서의 전반사를 통해 우측으로 전파된다. 도 21로부터 더 알 수 있는 바와 같이, 편광 스위치(PS)는 이하에서 단순화를 위해 좌측 섹션 및 우측 섹션으로 지칭되는 2개의 섹션들로 분할된다. 도 21의 좌측에 대응하는 좌측 섹션에서, 편광 스위치(PS)는 입사광의 편광을 변경하지 않도록 구동된다. 이러한 좌측 섹션은 스위칭 오프 상태 또는 OFF 상태에 위치된다. 우측 섹션에서, 편광 스위치는 입사되는 좌측 원형 광(CL)의 편광을 변경하도록 구동되어, 편광 스위치(PS)의 우측 섹션을 통해 광이 통과한 후에 우측 원형 광(CR)이 존재한다. 편광 스위치(PS)의 우측 섹션은 스위칭 온 상태 또는 ON 상태에 위치된다.
광 가이드(LG)의 외측에, 즉 편광 스위치(PS) 이후에, 체적 격자 특성을 갖는 편광 격자 요소, 따라서 브래그 편광 격자(B-PG)가 배치된다. 이러한 브래그 편광 격자(B-PG)는 브래그 편광 격자(B-PG)의 격자 주기에 의해 결정된 각도로 우측 원형 편광된 광(CR)을 편향시키지만, 그러나 좌측 원형 편광된 광(CL)은 편향시키지 않는 특성을 갖는다. 편광 스위치(PS)와 브래그 편광 격자(B-PG) 사이 그리고 브래그 편광 격자(B-PG)와 광 가이드 디바이스의 외부 표면 사이에는 예를 들어 플라스틱으로 된 추가적인 캐리어 기판이 제공될 수 있다. 이러한 캐리어 기판은 도 21에 도시되어 있지만, 그러나 이것이 필수적인 것은 아니다.
광 가이드 디바이스의 작동 중에, 편광 스위치(PS)의 좌측 섹션을 통과하는 좌측 원형 편광된 광(CL)은 브래그 편광 격자(B-PG) 상에 입사되고, 편향되지 않고 이를 통과하여 광 가이드 디바이스의 광 가이드(LG)의 경계 표면에 전반사(TIR)가 발생하는 방식으로 입사된다. 그런 다음, 광은 광 가이드(LG) 내로 계속 전파된다. 편광 스위치(PS)의 우측 섹션을 통과하는 우측 원형 편광된 광(CR)은 브래그 편광 격자(B-PG) 상에 입사되고, 이에 대응하게 이러한 브래그 편광 격자(B-PG)에 의해 편향되고, 따라서 주변 매체 공기에 대해 광 가이드(LG)의 경계 표면 상에 수직으로 입사되고, 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다. 이미 설명된 바와 같이, 광 가이드 디바이스에서 복수의 파장의 광을 동일한 각도로 광 가이드로부터 디커플링하기 위해 보정 격자 요소는 여전히 브래그 편광 격자(B-PG)를 따를 수 있다.
도 22에는 광 디커플링 장치에 와이어 격자 편광기(WGP)를 포함하는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시된다. 여기서, 광 가이드 디바이스의 광 가이드(LG) 내로 선형 s-편광된 광(S)이 전파된다. 또한, 제공된 편광 스위치(PS)는 다시 우측 섹션과 좌측 섹션의 두 섹션들로 분할된다. 편광 스위치(PS)의 좌측 섹션의 구동 상태에서 또는 스위칭 ON 상태에서, 이것은 입사되는 s-편광된 광(S)을 p-편광된 광(P)으로 변경한다. 스위칭 오프 상태 또는 OFF 상태인 편광 스위치(PS)의 우측 섹션에서 알 수 있는 바와 같이, 입사되는 s-편광된 광(S)은 이러한 섹션을 변경되지 않고 통과하여, 그 후에 s-편광된 광(S)이 또한 존재한다. 그런 다음, s-편광된 광(S)은 와이어 격자 편광기(WGP) 상에 입사된다. 와이어 격자 편광기(WGP)는 s-편광된 광(S)을 반사하고, 그런 다음 화살표로 표시된 바와 같이, 광 가이드(LG) 내로 더 전파된다. 이와는 반대로, 편광 스위치(PS)의 좌측 섹션으로부터 변환된 p-편광된 광(P)은 와이어 격자 편광기(WGP)를 통과하여 1/4 파장 기판(QWP) 상에 입사된다. 1/4 파장 기판(QWP)은 입사되는 p-편광된 광(P)을 우측 원형 편광된 광(CR)으로 변환하고, 여기서 우측 원형 편광된 광(CR)이 브래그 편광 격자(B-PG) 상에 입사된다. 우측 원형 편광된 광(CR)은 이러한 브래그 편광 격자(B-PG)에 의해 편향된 후, 광 가이드(LG)의 경계 표면 상에 주변 매체 공기에 대해 수직으로 입사되고, 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다. 이렇게 구성된 광 가이드 디바이스의 이점은 편광 스위치(PS)와 1/4 파장 기판(QWP)의 불완전한 거동이 보상될 수 있다는 것이다.
편광 스위치(PS)로부터의 100% 미만의 광이 s-편광된 광에서 p-편광된 광으로 변경되면, 이러한 광은 와이어 격자 편광기(WPG)에서 반사된다. 1/4 파장 기판(QWP)으로부터의 100% 미만의 광이 원형 편광된 광으로 변경되면, 이러한 광은 전반사에 의해 경계 표면에서 반사되고, 마찬가지로 광 가이드(LG) 내로 더 전파된다. 이를 통해, 방해 광의 잘못된 편광이 의도치 않게 광 가이드(LG)로부터 디커플링되는 것이 방지된다.
또한, 이러한 광 가이드 디바이스는 기본 색상(RGB)의 다른 파장에 대한 보정 격자 요소와 조합하여 사용될 수 있고, 따라서 다양한 파장의 광이 광 가이드로부터 동일한 각도로 디커플링된다.
도 23에는 마찬가지로 도 22의 광 가이드 디바이스와 같이, 광 디커플링 장치에 와이어 격자 편광기(WGP)를 포함하는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시된다. 브래그 편광 격자(B-PG) 대신에, 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치는 이제 체적 격자(VG)를 포함한다. 여기서 1/4 파장 기판이 제공되지는 않는다. 광 가이드(LG) 및 광 디커플링 장치를 통한 광의 통과는 도 22에서와 유사하게 이루어진다. 알 수 있는 바와 같이, 편광 스위치(PS)의 섹션이 스위칭 오프 상태 또는 OFF 상태에 있는 한, s-편광된 광(S)은 이미 와이어 격자 편광기(WGP)에서 반사된다. 편광 스위치(PS)의 섹션이 스위칭 온 상태 또는 ON 상태인 경우, 여기에 입사되는 s-편광된 광(S)은 p-편광된 광(P)으로 변환되어, 와이어 격자 편광기(WGP)를 통과하여 체적 격자(VG) 상에 입사된다. 이러한 실시예에서, 체적 격자(VG) 자체는 편광 선택성으로 형성되지 않는다. 예를 들어 종래의 광 중합체 물질로 된 체적 격자일 수 있다. p-편광된 광(P)은 체적 격자(VP)에 의해 편향되고, 그 후 광 가이드(LG)의 경계 표면 상에 주변 매체 공기에 대해 수직으로 입사되고, 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다.
도 24에는 광 디커플링 장치를 갖는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시되며, 이는 단지 체적 격자(VG)가 반사성으로 형성된다는 점에서만 도 23과 구별된다. 편광 스위치(PS)의 스위칭 오프 상태 또는 OFF 상태에서, 입사되는 s-편광된 광(S)은 와이어 격자 편광기(WGP)에서 반사되고, 광 가이드(LG) 내로 더 전파된다. 그러나, 편광 스위치(PS)의 섹션이 스위칭 온 상태 또는 ON 상태인 경우, 입사되는 s-편광된 광은 편광 스위치(PS)에 의해 p-편광된 광(P)으로 변환되고, 와이어 격자 편광기(WGP)를 통과하여 반사성 체적 격자(VG) 상으로 입사된다. p-편광된 광(P)은 체적 격자(VG)에 의해 편향되고 반사된다. 반사된 p-편광된 광(P)은 광 디커플링 장치 및 광 가이드(LG)를 다시 한 번 더 수직으로 통과하고, 대향하여 위치되는 측에서 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다.
도 25에는 예를 들어 액정에 기초하여, 광 디커플링 장치에서 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG)를 포함하는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시된다. 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG)가 특정 구동 상태 또는 스위칭 오프 상태인 경우, 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG) 상에 입사되는 s-편광된 광(S)뿐만 아니라 p-편광된 광(P)도 또한 편향되지 않고, 광 가이드(LG)의 경계 표면에서 전반사에 의해 반사되고, 그런 다음 가장 좌측의 화살표로 표시된 바와 같이, 광 가이드(LG) 내로 계속 전파된다. 그러나, 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG)가 다른 구동 상태 또는 스위칭 온 상태에 있는 경우, p-편광된 광(P)은 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다. 그러나, s-편광된 광(S)은 광 가이드(LG)의 경계 표면에서 반사되고, 광 가이드(LG) 내로 계속 전파된다. 여기서, 체적 격자 자체는 스위칭 가능하거나 또는 제어 가능할 수 있고, 여기서 보다 나은 이해를 위해, 도 25에는 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG)가 광 경로와 관련한 스위칭 가능한 편광 선택성 체적 격자(PSVG)의 구동 가능성을 보다 잘 표현하기 위해 두 섹션으로 분할된다. 유사한 방식으로, 선형 편광된 광 대신에 단지 원형 광을 갖는 이러한 유형의 광 가이드 디바이스는 또한 스위칭 가능한 브래그 편광 격자로 구현될 수 있다.
도 26에는 광 가이드 디바이스가 개략적으로 도시되고, 그 광 디커플링 장치는 모든 파장의 광을 상이한 각도로 편향시키는 브래그 편광 격자(B-PG) 및 복수의 체적 격자(VG)를 포함한다. 복수의 체적 격자(VG)는 이러한 실시예에서 4개의 체적 격자(VG1, VG2, VG3 및 VG4)를 포함하는 체적 격자 스택을 형성한다. 이제 적색 파장의 광(R), 녹색 파장의 광(G) 및 청색 파장의 광(B)이 브래그 편광 격자(B-PG) 상에 동일한 각도로 입사된다. 이 경우, 녹색 파장의 광(G)은 광 가이드(LG)의 표면 또는 경계 표면에 수직으로 브래그 편광 격자(B-PG)로부터 출사되도록 편향된다. 그러나, 도 26의 점선 및 실선 화살표에 기초하여 알 수 있는 바와 같이, 적색 파장의 광(R) 및 청색 파장의 광(B)은 브래그 편광 격자(B-PG)와는 다른 각도로 출사된다.
브래그 편광 격자(B-PG)에는 4개의 체적 격자(VG1, VG2, VG3 및 VG4)를 갖는 체적 격자 스택이 뒤따른다. 체적 격자 스택의 이러한 체적 격자(VG1, VG2, VG3 및 VG4)는 파장 선택성으로 형성된다. 이는 이러한 실시예에서 이제 녹색 파장의 광(G)이 4개의 모든 체적 격자(VG1, VG2, VG3 및 VG4)를 편향되지 않고 통과한 후, 광 가이드(LG)로부터 디커플링된다는 것을 의미한다. 적색 파장의 광(R)은 편향되지 않은 상태로 최초의 2개의 체적 격자(VG1 및 VG2)를 통과하고, 녹색 파장의 광(G)과 동일한 각도로 광 가이드(LG)로부터 출사되도록 마지막 2개의 체적 격자(VG3 및 VG4)에 의해서만 편향된다. 청색 파장(B)의 광은 최초의 2개의 체적 격자(VG1 및 VG2)에 의해서만 편향되고 마지막 2개의 체적 격자(VG3 및 VG4)를 통해 편향되지 않고 통과하며, 여기서 체적 격자(VG1 및 VG2)는 청색 파장의 광이 녹색 파장의 광(G) 또는 적색 파장의 광과 동일한 각도로 광 가이드(LG)로부터 출사되는 방식으로 편향된다.
한 쌍의 체적 격자는 각각 광 가이드로부터의 청색 파장의 광 및 적색 파장의 광의 출사 각도를 보정하기 위해 사용되는데, 왜냐하면 체적 격자의 큰 편향 각도에 대해 양호한 파장 선택성이 보다 쉽게 설정될 수 있기 때문이다. 예를 들어 체적 격자(VG2)가 청색 파장의 광을 광 가이드(LG)의 표면 또는 경계 표면에 대해 수직으로 이로부터 출사되도록 편향시키기 이전에, 청색 파장의 광(B)이 우선 체적 격자(VG1)에 의해 더 큰 각도로 편향된다.
이제 이하의 설명은 SLM의 퓨리에 평면 또는 조명 장치의 광원 평면 또는 SLM의 이미지 평면에서 회절 요소를 갖는 디스플레이 디바이스에서의 이미징 빔 경로 및 조명 빔 경로의 개별적인 영향에 관한 것이다.
홀로그래픽 디스플레이 디바이스 또는 다른 바람직한 3차원 디스플레이 디바이스, 예를 들어 입체 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 회절 광학 요소는 실질적으로 단지 조명 빔 경로 또는 단지 이미징 빔 경로에만 영향을 주는 방식으로 사용된다. 이러한 적어도 하나의 회절 광학 요소는 또한 본 발명의 이전 설명에서 가변 이미징 시스템으로 또한 지칭되었다. 그러나, 이제 주로 일반적으로 조명 빔 경로 및 이미징 빔 경로의 영향에 관한 것이기 때문에, "회절 광학 요소"라는 용어가 계속 사용된다.
단지 조명 빔 경로의 또는 단지 이미징 빔 경로의 영향은, 단지 조명 빔 경로에만 영향을 주기 위해, 적어도 하나의 회절 광학 요소가 SLM의 이미지 평면 내에 또는 그 근처에 배치됨으로써 달성된다. 대신에, 적어도 하나의 회절 광학 요소는 이미징 빔 경로에만 영향을 주기 위해 SLM의 퓨리에 평면 내에 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 도 12 및 도 13에서, 예를 들어 가변 이미징 시스템(30)으로 지칭된 적어도 하나의 회절 요소가 조명 장치의 광원 평면 내에 배치되어, 단지 이미징 빔 경로에만 영향을 준다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 들어 SLM의 평면에 배치되는 도 12 및 도 13에 도시된 제1 이미징 요소(27)는 마찬가지로 단지 조명 빔 경로에만 영향을 주는 적어도 하나의 회절 요소를 포함할 수 있다.
관찰자 평면에 조명 장치의 적어도 하나의 광원의 광원 이미지가 존재하는 3차원 디스플레이 디바이스에서, 회절 광학 요소는 SLM의 퓨리에 평면 내에 또는 그 근처에서 이미징 빔 경로에 영향을 주고, 따라서 관찰자 영역, 특히 가상 관찰자 영역의 위치 및 치수에 대한 변경 없이 SLM의 이미지 평면에 영향을 준다. SLM의 이미지 평면 내에 또는 그 근처에서 회절 광학 요소는 관찰자 영역의 위치 및 치수에 영향을 주지만, 그러나 SLM의 이미지 거리에 영향을 주지는 않는다. 반대로 관찰자 평면에서 SLM의 이미지가 생성되는 3차원 디스플레이 디바이스에서, 회절 광학 요소는 SLM의 이미지 평면 내에 또는 그 근처에서 홀로그램 계산을 위한, 예를 들어 WO 2016/156287 A1호의 의미에서 가상 이미지 평면으로 선택될 수 있는 기준 평면의 위치에 관찰자 영역의 위치 및 치수를 변경하지 않고 영향을 준다. WO 2016/156287 A1호의 내용은 여기에 완전히 포함되어야 한다. SLM의 퓨리에 평면 내에 또는 근처에서 회절 광학 요소는 기준 평면의 거리에 영향을 미치지 않으면서 관찰자 영역의 위치 및 치수에 영향을 미친다.
이하에서, 특정 실시예가 보다 상세히 설명된다:
특히, 관찰자 평면에서 광원 이미지를 생성하는 디스플레이에 대한 일 실시예에서, SLM의 퓨리에 평면에 관찰자 영역의 중간 이미지 또는 광원의 중간 이미지를 생성하는 2단계 시스템이 사용되고, 적어도 하나의 회절 광학 요소는 이러한 중간 이미지 평면 내에 또는 그 근처에 배치되어, 단지 이미징 빔 경로에만 영향을 미치며, 관찰자 영역의 위치는 변경되지 않도록 한다. 광 가이드를 갖는 이러한 유형의 배치는 도 12에 도시된다. 이 경우, 적어도 하나의 회절 요소 또는 가변 이미징 시스템(30)은 조명 장치의 중간 이미지 평면에 배치된다. 일반적으로, 적어도 하나의 회절 요소를 갖는 이러한 배치는 또한 광 가이드가 없는 장치에서도 또한 사용될 수 있다.
특히, 관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서, SLM의 퓨리에 평면에서 적어도 하나의 회절 광학 요소는 SLM의 이미지 평면의 위치에 영향을 주는 렌즈 함수를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 회절 광학 요소를 통해, SLM의 퓨리에 평면에서 SLM의 이미지 평면의 위치는 바람직하게는 3차원 장면의 계산을 위한 서브 홀로그램의 평균 크기가 회절 광학 요소를 사용하지 않는 디스플레이 디바이스와 비교하여 감소되도록 적응될 수 있다.
SLM의 퓨리에 평면에서 적어도 하나의 회절 광학 요소는 이미징 빔 경로의 수차를 보정하는 방식으로 형성될 수 있다. 적어도 하나의 회절 광학 요소는 구동 가능하게 형성될 수 있다. 또한, 회절 광학 요소는 액정 격자((Liquid Crystal Grating (LCG))로 형성될 수 있다. 또한, 2개의 회절 광학 요소가 또한 사용될 수 있고, 여기서 회절 광학 요소에 수평 원통형 렌즈 함수가 기록되고, 다른 회절 광학 요소에는 수직 원통형 렌즈 함수가 기록된다.
관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하고 넓은 시야를 생성하기 위해 SLM의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소가 SLM의 퓨리에 평면에 배치되어, 다중 이미지의 각 세그먼트에 대해 렌즈 함수가 SLM의 이미지 평면이 모든 세그먼트들에 대해 관찰자로부터 유사하거나 또는 동일한 거리로 생성되도록 적어도 하나의 회절 광학 요소에 기록된다.
관찰자 평면에서 광원 이미지를 생성하고 넓은 시야를 생성하기 위해 SLM의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하고, 광 가이드에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트를 생성하기 위해 여러 상이한 반사를 갖는 광 가이드를 포함하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소는 상이한 SLM의 퓨리에 평면에 배치될 수 있어, 광 가이드에서 광의 상이한 광학 경로가 다양한 세그먼트에 대해 보상될 수 있고, 모든 세그먼트에 대해 관찰자로부터 유사하거나 또는 동일한 거리로 SLM의 이미지 평면이 생성될 수 있다.
관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하고, 넓은 시야를 생성하기 위해 SLM의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하고, 광 가이드에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트를 생성하기 위해 여러 상이한 반사를 갖는 광 가이드를 포함하고, 광 가이드 내로 또는 광 가이드로부터 광의 커플링 및/또는 디커플링을 위해 적어도 하나의 격자 요소를 포함하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 격자 요소를 통해 생성되는 수차가 이미징 빔 경로에서 보정될 수 있도록 SLM의 퓨리에 평면에 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소가 배치될 수 있다.
관찰자 평면에서 광원 이미지를 생성하고, 넓은 시야를 생성하기 위해 SLM의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하고, 광 가이드에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트를 생성하기 위해 여러 상이한 반사를 갖는 광 가이드를 포함하고, 광 가이드 내로 또는 광 가이드로부터 광의 커플링 및/또는 디커플링을 위해 적어도 하나의 격자 요소를 포함하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 격자 요소를 통해 생성되는 수차가 조명 빔 경로에서 보정될 수 있도록 SLM의 이미지 평면에 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소가 배치될 수 있다.
관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하고, 넓은 시야를 생성하기 위해 SLM의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하고, 광 가이드에서 SLM의 다중 이미지의 개별 세그먼트를 생성하기 위해 여러 상이한 반사를 갖는 광 가이드를 포함하는 디스플레이 디바이스에서, 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소는 SLM의 이미지 평면에 배치될 수 있어, 광 가이드에서 광의 상이한 광학 경로가 SLM의 다중 이미지의 다양한 세그먼트에 대해 보상될 수 있고, 모든 세그먼트에 대해 관찰자 영역을 동일한 위치에 생성할 수 있다. 디스플레이 디바이스의 이러한 실시예에 대해서는 이하에서 더 언급된다:
만곡된 광 가이드가 관찰자의 영역 중심을 갖는 원호의 부분을 원의 중심으로 형성하고, 이러한 광 가이드에 대해 광 가이드 내의 여러 상이한 반사 후에 광의 광 가이드로부터의 디커플링이 따라오는 경우, 유리하게는 SLM의 이미지 평면에서 회절 광학 요소의 사용을 통해 동일한 위치에서 SLM의 다중 이미지의 모든 세그먼트에 대해 관찰자 영역이 형성되므로, 이와 관련하여 추가적인 보정이 필요하지 않다. 그러나, 이는 사용 가능한 광 가이드 기하학적 구조를 제한한다.
따라서, SLM의 이미지 평면에 적어도 하나의 회절 광학 요소를 갖는 위에서 설명된 실시예는 다른 광 가이드, 예를 들어 편평한 또는 평면의 광 가이드 또는 만곡된 광 가이드를 사용하는 것을 허용하고, 그 곡률이 원호의 부분과 상이하고, 그럼에도 불구하고 동일한 위치에서 복수의 세그먼트에 대해 관찰자 영역이 생성될 수 있다.
관찰자 평면에 광원 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서, 시선 추적(gaze tracking)에 의해 홀로그래픽 또는 입체 시스템에서 관찰자의 눈이 어느 거리에서 포커싱되는지가 검출될 수 있다. SLM의 퓨리에 평면에서 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소에 의해, SLM의 이미지 평면의 위치는 시선 추적에 의해 검출된 거리와 관찰자로부터의 유사하거나 또는 동일한 거리에 있도록 변경될 수 있다.
그러나, 본 발명은 여기에 도시되고 설명된 실시예들로 제한되지 않아야 한다. 따라서 예를 들어 여기에 언급된 예시적인 실시예 또는 실시예들은 관찰자 평면에서 SLM의 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스로 유사하게 또한 전송될 수 있다.
예를 들어 이하의 실시예가 여기서 간략히 설명된다: 넓은 시야를 생성하기 위해, 관찰자 평면에 SLM의 이미지 및 SLM의 퓨리에 평면에 회절 차수의 하나의 세그먼트화된 다중 이미지를 생성하는 디스플레이에서, 적어도 하나의 구동 가능한 회절 광학 요소가 SLM의 이미지 평면에 배치되어, 각 세그먼트에 대해 각각 적어도 하나의 회절 광학 요소에 렌즈 함수가 기록되고, SLM의 퓨리에 평면은 관찰자로부터 유사하거나 또는 동일한 거리에서 모든 세그먼트들에 대해 홀로그램 계산을 위한 기준 평면으로 생성된다.
이하에서, 편광 선택성 브래그 격자 요소 또는 브래그 편광 격자가 보다 일반적으로 논의될 것이고, 이는 광을 광 가이드로부터 디커플링하기 위해 광 가이드 디바이스의 광 디커플링 장치에서 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 광 가이드 디바이스는 헤드 마운트 디스플레이에서 유리하게 사용될 수 있다.
브래그 편광 격자는 배향 층의 각각의 패턴화된 영역의 분자 배향의 독립성을 보장하고 경사 간섭 패턴의 형성을 가능하게 하는 벌크 광 정렬 방법에 의해 제조될 수 있다. 여기서는 적절한 각도(φ)로의 패턴의 회전만이 필요하다. 이러한 경사 홀로그래픽 편광 노출은 추가적인 화학 첨가제(키랄 LC 첨가제) 또는 배향 층을 사용하지 않고 LC 중합체의 복합 3D 정렬을 발생시킬 수 있는 것으로 간주된다. LC 디렉터가 간섭 패턴에 수직인 평면에 놓이는 것이 유리하다. 이는 효율적인 국부적 이중 굴절이 간섭 패턴의 기울기에 의존하지 않는다는 것을 의미한다. 이는 광 가교된 LC 중합체의 이점이다.
시뮬레이션을 통해 우측 원형 편광된 광 빔이 브래그 편광 격자 상에 입사되는 경우 -1차 회절 차수에서 회절이 발생하는 것이 정해질 수 있고, 여기서 브래그 편광 격자는 입사되는 우측 원형 편광된 광을 좌측 원형 편광된 광으로 변환한다. 여기서 이러한 -1차 회절 차수에서 약 98%의 회절 효율이 형성된다. 0차 회절 차수 및 +1차 회절 차수인 다른 회절 차수에서는 무시할 수 있는 회절 강도를 갖는다. 그러나, 브래그 편광 격자 상에 입사되는 좌측 원형 편광된 광이 사용되는 경우, -1차 회절 차수 및 +1차 회절 차수에서는 거의 회절이 발생하지 않고, 약 93%의 회절 효율이 존재하는 0차 회절 차수에 대부분의 광이 있다. 좌측 원형 편광된 광은 편향 및 다른 편광 상태로의 변환 없이 브래그 편광 격자를 통과한다.
브래그 편광 격자는 작은 두께로 인해 높은 수용 스펙트럼(spectral acceptance) 및 넓은 수용 각도(angle acceptance)를 갖는다. 예를 들어 λ = 532 nm의 파장을 갖는 정상적인 광 입사에 대해 최적화된 브래그 편광 격자의 수용 스펙트럼 및 수용 각도는 488 nm, 532 nm 및 633 nm의 파장을 갖는 우측 원형 편광된 광 빔을 사용하여 측정되었고, 이에 대응하는 결과가 달성되었다. 여기서, 녹색 파장에서 약 90% 초과의 1차 회절 차수에서 (η±i)의 회절 효율을 갖는 브래그 편광 격자는 적색 및 청색 파장에서 거의 동일한 회절 효율을 갖는 것이 달성되었다. 이는 또한 격자 요소가 전체 가시성 스펙트럼 영역에 대해 사용될 수 있다는 이점을 갖는다.
브래그 편광 격자의 수용 각도는 약 35°이다.
이러한 브래그 편광 격자는 박막의 높은 광학 품질, 높은 회절 효율 및 크거나 또는 넓은 수용 각도 및 높은 수용 스펙트럼과 같은 독특한 특성으로 인해 광범위한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어 이들은 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 또는 AR(증강 현실) 응용 또는 VR(가상 현실) 응용을 위한 장치에서 또한 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 격자 요소는 편광 스위치와 조합하여 간섭 광의 매우 효율적인 빔 편향을 가능하게 한다. 브래그 편광 격자의 편향 각도, 다시 말해 0차 및 1차 회절 차수 사이의, 즉 2개의 "작동 가능한" 회절 차수 사이의 각도는 시뮬레이션에서 532 nm의 사용된 파장에서 공기 중에서 42°에서 달성되었다. 스위칭 콘트라스트, 즉 서로 반대인 원형 편광에 대한 회절 효율의 비는 약 100일 수 있다. 브래그 편광 격자의 특정 편광 및 회절 특성은 복수의 이러한 격자 요소를 하나의 스택에서 조합할 수 있는 가능성을 제공한다. 예를 들어 격자 요소 스택은 녹색 광의 정상적인 광 입사를 위해 형성되는 2개의 이러한 격자 요소를 포함할 수 있다. 작동 시, 이러한 격자 요소 스택은 우측 원형 편광된 광 또는 좌측 원형 편광된 광의 광의 편광 상태에 따라, +1차 회절 차수 또는 -1차 회절 차수에서 입사되는 광 빔을 편향시킨다. 격자 요소 스택의 두 격자 요소는 Λ = 0.77 ㎛의 동일한 주기 및 동일한 경사 각도를 갖지만, 그러나 간섭 패턴의 서로 반대인 경사를 갖는다. 홀로그래픽 노출에 의해, 회전 각도(φ)는 + 28° 또는 - 28°로 유지될 수 있다. 홀로그래픽 노출 및 어닐링 후, 격자 요소는 UV-경화 접착제를 사용하여 함께 고정된다.
격자 요소 스택 상에 입사되는 우측 원형 편광된 광 빔은 제1 격자 요소를 통해 -1차 회절 차수로 회절되고, 제2 격자 요소의 브래그 각도로부터 큰 각도 편차로 인해 제2 격자 요소를 회절 없이 통과한다. 격자 요소 스택 상에 입사되는 좌측 원형 편광된 광 빔은 제1 격자 요소를 통해 회절되지 않고, 제2 격자 요소에 의해 +1차 회절 차수로 회절된다. ±1차 회절 차수에서 격자 요소 스택의 회절 효율은 약 85%이다. 이러한 격자 요소 스택은 532 nm의 파장에서 ± 42°의 회절 각도를 제공할 수 있고, 이는 공기 중에서 84°의 전체 편향 각도를 생성한다. 이러한 효과적이고, 크고 대칭적인 1-단계 편광 의존적 광 제어는 단일의 브래그 편광 격자로는 달성될 수 없다.
특히, 본 발명에 따른 광 가이드 디바이스 또는 디스플레이 디바이스에서, 이러한 격자 요소 스택 또는 단지 하나의 개별 브래그 편광 격자도 또한 유리하게 사용될 수 있다.
또한, 실시예 또는 예시적인 실시예들의 조합이 가능하다. 마지막으로, 상기 설명된 실시예는 단지 청구된 교시의 설명을 위한 것이고, 예시적인 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 특히 주목해야 한다.
Claims (25)
- 디스플레이 디바이스에 있어서,
적어도 하나의 광원을 갖는 조명 디바이스;
적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스;
2단계(two-step) 광학 시스템으로 구성된 광학 시스템; 및
프리즘 함수 및/또는 렌즈 함수를 구현하고/구현하거나 수차를 보정하도록 구성된 적어도 하나의 가변 이미징 시스템
을 포함하고,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은, 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 이미지 평면 내에 또는 상기 조명 디바이스의 광원 이미지의 평면 내에 배열되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 이미징 빔 경로에서 수차의 보정을 위해 상기 조명 디바이스의 광원 이미지의 평면 내에 배열되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 조명 빔 경로에서 수차의 보정을 위해 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 이미지 평면 내에 배열되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 조명 디바이스의 상기 적어도 하나의 광원의 광원 이미지 또는 상기 공간 광 변조 디바이스의 이미지는 상기 2단계 광학 시스템에 의해 생성될 수 있는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광원 이미지의 평면 내에 또는 상기 공간 광 변조 디바이스의 이미지의 평면 내에 가상 관찰자 영역이 생성될 수 있는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 공간 광 변조 디바이스의 이미징은 시야를 정의하고, 상기 시야 내에서 상기 공간 광 변조 디바이스에서 인코딩된 장면의 정보가 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광학 시스템은, 제1 단계에서 상기 광학 시스템의 적어도 하나의 제1 이미징 요소에 의해, 상기 조명 디바이스의 상기 적어도 하나의 광원의 중간 이미지가 생성되도록 구성되고,
제2 단계에서 상기 광원의 상기 중간 이미지는, 상기 광학 시스템의 적어도 하나의 제2 이미징 요소에 의해, 상기 공간 광 변조 디바이스 이후의 상기 광 경로에서 가상 관찰자 영역 내에 이미징되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 상기 광 방향으로 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스 뒤에 배열되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항 또는 제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 상기 조명 디바이스의 상기 적어도 하나의 광원의 중간 이미지 평면의 근처에 또는 상기 중간 이미지 평면 내에 제공되고/제공되거나, 상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 근처에 또는 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 이미지 평면 내에 제공되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 적어도 하나의 제어 가능한 이미징 요소를 포함하는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제10항에 있어서,
상기 제어 가능한 이미징 요소는 격자 요소로서 또는 제어 가능한 액정 요소로서 또는 거리가 가변적인 적어도 2개의 렌즈 요소로서 설계되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 격자 요소는 제어 가능한 가변 주기를 갖는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
변경 가능한 프리즘 함수(function), 변경 가능한 렌즈 함수 및/또는 변경 가능한 복합 위상 함수가 상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템의 적어도 하나의 제어 가능한 이미징 요소 내에 기록되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항 또는 제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은, 둘 다 반사성으로 설계될 수 있는 2개의 제어 가능한 액정 요소를 이미징 요소로서 포함하는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가변 이미징 시스템은 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 이미지를 깊이에서 변위하도록 구성되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 이미징 빔 경로에서의 상기 수차의 보정은, 보정 함수에 의해 목표 위치와 비교하여 광 빔의 잘못된 각도를 보정하기 위해 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 방향을 향해 가상 관찰자 영역으로부터 역방향 계산 동안 홀로그램의 진폭 및 위상의 결정과 결합되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광학 시스템에 의해, 세그먼트로 구성된 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 다중 이미지가 생성되고,
상기 다중 이미지는 시야를 정의하고, 상기 시야 내에서 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스 내의 인코딩된 장면의 정보가 광원 이미지의 상기 평면 내의 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 광학 시스템에 의해, 세그먼트로 구성된 회절 차수의 다중 이미지가 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 푸리에 평면 내에 생성되고,
상기 다중 이미지는 시야를 정의하고, 상기 시야 내에서 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스 내의 인코딩된 장면의 정보가 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 이미지 평면 내의 가상 관찰자 영역을 통한 관찰을 위해 재구성되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 상기 이미지 평면의 위치는, 서브 홀로그램의 최대 크기를 최소화하도록 상기 가변 이미징 시스템의 이미징 요소의 초점 거리를 적응시킴으로써 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 다중 이미지의 개별 세그먼트로 변위될 수 있는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제16항에 있어서,
상기 보정 함수는, 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 다중 이미지의 각각의 세그먼트에 대해 한 번씩 계산되고, 평가 테이블 내에 저장되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 2단계 광학 시스템은 비점수차를 보상하도록 구성되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제21항에 있어서,
상기 2단계 광학 시스템은 가변 초점 거리를 각각 갖는 교차된 원통형 이미징 요소 또는 가상 관찰자 윈도우의 중간 이미지 평면 내에 배열된 원통형 렌즈 함수를 갖는 제어 가능한 격자 요소를 포함하는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제22항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 다중 이미지의 각각의 세그먼트에 대해, 격자 요소 또는 원통형 이미지 요소 모두의 초점 거리는, 상기 가상 관찰자 윈도우를 통해 보이는 상기 적어도 하나의 공간 광 변조 디바이스의 수평 및 수직 이미지가 유사한 깊이 평면이 되는 방식으로 각각 설정되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 디스플레이 디바이스는 헤드 업 디스플레이로 설계되는 것인, 디스플레이 디바이스. - 2개의 디스플레이 디바이스를 갖는 헤드 마운트 디스플레이에 있어서,
상기 디스플레이 디바이스는 각각 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 디스플레이 디바이스에 따라 설계되고, 각각 관찰자의 좌측 눈 및 상기 관찰자의 우측 눈에 할당되는, 헤드 마운트 디스플레이.
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