KR20240075926A - 레인보우 없는 도파관 결합기 - Google Patents

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KR20240075926A
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데이비드 셀
사마스 바르가바
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

레인보우 없는 도파관 디스플레이, 레인보우 없는 도파관을 포함하는 근안 디스플레이, 및 레인보우 없는 도파관을 제조하는 방법들이 제공된다. 디스플레이는, 이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이를 포함한다. 도파관 디스플레이는 도파관 결합기 및 아웃-커플러 격자를 포함하며, 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(KOC)를 갖는다.

Description

레인보우 없는 도파관 결합기
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로 근안(near-eye) 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 감소된 레인보우 아티팩트(rainbow artifact)들을 갖는 근안 디스플레이 시스템들 및 이를 형성하는 방법들에 관한 것이다.
가상 현실(VR)은 일반적으로, 사용자가 명백한 물리적 존재를 갖는 컴퓨터 생성 모의 환경인 것으로 간주된다. 가상 현실 경험은 3D로 생성되어 헤드 장착 디스플레이(HMD), 이를테면, 실제 환경을 대체하는 가상 현실 환경을 표시하기 위한 렌즈들로서 근안 디스플레이 패널들을 갖는 안경 또는 다른 웨어러블 디스플레이 디바이스들을 이용하여 보여질 수 있다.
그러나, 증강 현실(AR)은, 사용자가 여전히 주변 환경을 보도록 안경 또는 다른 HMD 디바이스의 디스플레이 렌즈들을 통해 보면서 또한 환경의 일부로서 디스플레이에 생성되어 나타나는 가상 객체들의 이미지들을 볼 수 있는 경험을 가능하게 한다. AR은, 임의의 유형의 입력, 이를테면, 오디오 및 햅틱 입력들뿐만 아니라 사용자가 경험하는 환경을 향상 또는 증강시키는 가상 이미지들, 그래픽들, 및 비디오를 포함할 수 있다. 첨단 기술로서, 증강 현실에는 많은 난제들 및 설계 제약들이 존재한다.
전형적인 회절식 근안 디스플레이 시스템들은 외부 광원 회절, 예컨대, 레인보우 아티팩트로부터 어려움을 겪으며, 이는, 사용자의 시야(FoV) 내의 레인보우 광 선조(streak)의 출현을 초래한다. 이러한 레인보우 아티팩트는 AR 디스플레이 시스템에서의 사용자 경험에 대한 원치 않는 회절이다.
그에 따라서, 감소된 레인보우 아티팩트를 갖는 근안 디스플레이 시스템들이 관련 기술분야에 필요하다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로 근안 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 감소된 레인보우 아티팩트들을 갖는 근안 디스플레이 시스템들 및 이를 형성하는 방법들에 관한 것이다.
일 양상에서, 레인보우 없는 도파관 디스플레이를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은, 이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스(eyebox) 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이 조립체를 제조하는 단계를 포함한다. 도파관 디스플레이 조립체는 도파관 결합기 및 아웃-커플러(out-coupler) 격자를 포함한다. 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖는다:
(I)
여기서, λ는 외부 광원으로부터의 광의 파장이다.
다른 양상에서, 도파관 디스플레이가 제공된다. 도파관 디스플레이는, 이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성된다. 도파관 디스플레이는 도파관 결합기 및 아웃-커플러 격자를 포함한다. 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖는다:
여기서, λ는 외부 광원으로부터의 광의 파장이다.
또 다른 양상에서, 근안 디스플레이가 제공된다. 근안 디스플레이는 프레임 및 디스플레이를 포함한다. 디스플레이는, 이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이를 포함한다. 도파관 디스플레이는 도파관 결합기 및 아웃-커플러 격자를 포함하며, 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖는다:
(I)
여기서, λ는 외부 광원으로부터의 광의 파장이다.
다른 양상에서, 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 매체 상에는 명령어들이 저장되며, 명령어들은, 프로세서에 의해 실행될 때 프로세스로 하여금 위의 장치 및/또는 방법의 동작들을 수행하게 한다.
본 개시내용의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 구현들의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 근안 디스플레이 시스템의 사시도를 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1의 근안 디스플레이 시스템의 단면도를 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 도파관 디스플레이의 단면도를 예시한다.
도 4a는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 격자 벡터 아키텍처의 K-공간 다이어그램을 예시한다.
도 4b는 레인보우 아티팩트 광의 경로를 포함하는 도 4a의 격자 벡터 아키텍처의 K-공간 다이어그램을 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 레인보우 없는 근안 디스플레이 시스템에 대한 시스템 설계 파라미터들을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
도 6은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들을 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들을 예시한다.
도 9는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 최대 시야(°) 대 기판 굴절률을 묘사하는 플롯을 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 구현들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
다음의 개시내용은 일반적으로, 가상 현실 및 증강 현실을 위한 디스플레이 시스템들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1 내지 도 9에서는 특정 세부사항들이 설명된다. 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 가상 현실 및 증강 현실을 위한 디스플레이 시스템들과 종종 연관되는 잘 알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다음의 개시내용에서 기재되지 않는다.
도면들에서 도시되는 세부사항들, 치수들, 각도들, 및 다른 특징들 중 다수는, 단지 특정한 구현들의 예시일 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은, 본 개시내용의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다른 세부사항들, 구성요소들, 치수들, 각도들, 및 특징들을 가질 수 있다. 게다가, 하기에서 설명되는 세부사항들 중 몇몇이 없이도, 본 개시내용의 추가적인 구현들이 실시될 수 있다.
본원에서 설명된 실시예들은 일반적으로 근안 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 감소된 레인보우 아티팩트들을 갖는 근안 디스플레이 시스템들 및 이를 형성하는 방법들에 관한 것이다. 근안 디스플레이 시스템은, 외부 세계로부터의 광원들이 사용자의 눈으로 회절되는 것(통상적으로, 레인보우 아티팩트로 지칭됨)을 방지하도록 설계되는 회절식 도파관 결합기 층을 활용한다. 도파관 결합기 및 광학 시스템 설계에 대한 관계들 및 제약들의 세트는, 어떠한 레인보우 아티팩트들도 정상 동작에서 사용자의 눈에 도달할 수 없다는 것을 보장하기 위해 제공된다.
전형적인 회절식 근안 디스플레이들은 외부 광원 회절(레인보우 아티팩트)로부터 어려움을 겪으며, 이는, 사용자의 시야 내의 레인보우 광 선조의 출현을 초래한다. 그러한 외부 소스들은 실내 조명(room light)들 및 태양을 포함한다. 이러한 레인보우 아티팩트는 증강 현실 디스플레이 시스템에서의 사용자 경험에 대한 원치 않는 혼란이다.
현재의 근안 디스플레이 설계들은 문제를 감수하거나, 복잡한 격자 구조들로 문제를 완화하거나, 문제를 완화하기 위해 외부 필름들을 사용하거나, 또는 바람직하지 않은 광 경로들을 차단하기 위해 바이저형(visor-like) 기계적 피쳐들을 사용한다. 대조적으로, 본 개시내용의 일부 실시예들에서, 외부 광원들로부터의 회절된 차수들이 사용자의 눈에 도달할 수 없게 하는 아웃-커플러 격자 주기들을 활용함으로써 레인보우 아티팩트들이 제거된다.
본 개시내용에 약술된 설계 관계들 및 제약들을 활용함으로써, 본원에서 설명된 이러한 디스플레이 시스템은 사용자의 시야에서 외부 광원 회절("레인보우" 아티팩트)로부터 어려움을 겪지 않는다. 이러한 아티팩트를 완화하기 위한 다른 접근법들과 달리, 본원에서 설명된 일부 실시예들은, 도파관 결합기 상에 입사되는 세계의 소스들로부터의 광을 필터링하기 위해 어떠한 외부 디바이스 또는 층들도 사용하지 않는다. 부가적으로, 본원에서 설명된 일부 실시예들은, "레인보우" 아티팩트들을 생성하는 광 경로들이 도파관 결합기에 닿는 것을 방지하기 위해, 도파관 결합기의 평면을 넘어 연장되는 어떠한 바이저형 기계적 차단부들도 사용하지 않는다.
레인보우 아티팩트들의 출현은 그들을 생성하는 광원들의 스펙트럼뿐만 아니라 사용자의 눈의 동공의 위치에 의존한다. "레인보우" 없음의 정량적 정의를 제공하기 위해, 450 nm의 최소 파장이 소스 스펙트럼에 대해 사용되고, 사용자의 동공은 도파관 결합기 디스플레이 시스템의 의도된 아이 릴리프(eye relief)에서 설계된 아이박스 평면의 공칭 눈 위치(중심)에 위치된다고 가정된다. 이러한 정의로, 아마도 보일 수 있는 유일한 가능한 레인보우 아티팩트들은 인간의 민감도가 매우 낮은 매우 청색/자외선일 것이며(가정에서 450 nm 컷오프(cutoff)에 기인함), 여기서, 아웃-커플링 격자 구역의 에지들 근처의 작은 각도 범위에 걸쳐 위치될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 근안 디스플레이 시스템(100)의 사시도를 예시한다. 근안 디스플레이 시스템(100)은 사용자에게 미디어를 제시할 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(100)에 의해 제시되는 미디어의 예들은 하나 이상의 이미지, 비디오, 및/또는 오디오를 포함할 수 있다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일 실시예에서, 근안 디스플레이 시스템(100), 콘솔, 또는 둘 모두로부터 오디오 정보를 수신하고 오디오 정보에 기반하여 오디오 데이터를 제시하는 외부 디바이스(예컨대, 스피커들 및/또는 헤드폰들)를 통해 오디오가 제시될 수 있다. 근안 디스플레이 시스템(100)은 일반적으로 인공 현실 디스플레이로서 동작하도록 구성된다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일 실시예에서, 근안 디스플레이 시스템(100)은 증강 현실(AR) 디스플레이로서 동작할 수 있다.
근안 디스플레이 시스템(100)은 프레임(110) 및 디스플레이(120)를 포함할 수 있다. 프레임(110)은 하나 이상의 광학 요소에 커플링될 수 있다. 디스플레이(120)는, 사용자가 근안 디스플레이 시스템(100)에 의해 제시된 콘텐츠를 보도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일 실시예에서, 디스플레이(120)는, 하나 이상의 이미지로부터의 광을 사용자의 눈으로 지향시키기 위한 도파관 디스플레이 조립체를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 도 1의 근안 디스플레이 시스템(100)의 단면도를 예시한다. 근안 디스플레이 시스템(100)은 적어도 하나의 도파관 디스플레이 조립체(210)를 포함할 수 있다. 도파관 디스플레이 조립체(210)는, 이미지 광, 예컨대 디스플레이 광을, 아이박스 평면을 정의하는 아이박스 평면(220)으로 그리고 이어서 사용자의 눈(230)으로 지향시키도록 구성된다. 도파관 디스플레이 조립체(210)는, 하나 이상의 굴절률을 갖는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일 실시예에서, 근안 디스플레이 시스템(100)은, 도파관 디스플레이 조립체(210)와 사용자의 눈(230) 사이의 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 도파관 디스플레이(300)의 단면도를 예시한다. 도 3은 도파관 디스플레이(300)에서의 레인보우 아티팩트들을 예시한다. 도파관 디스플레이(300)는 도파관 디스플레이 조립체(310)를 포함한다. 도파관 디스플레이 조립체(310)는 도파관 결합기(320) 및 아웃-커플러 격자(330)를 포함한다. 도파관 디스플레이(300)는 투영기(340)를 더 포함할 수 있다. 투영기(340)로부터의 디스플레이 광은 도파관 결합기(320) 내로 커플링될 수 있고, 사용자의 눈(230)에 도달하도록, 아웃-커플러 격자(330)에 의해 상이한 위치들에서 도파관 결합기(320)로부터 부분적으로 커플링될 수 있다. 외부 광원(350), 예컨대, 태양 또는 램프로부터의 외부 광(352)이 또한, 아웃-커플러 격자(330)에 의해 도파관 결합기(320) 내로 회절되고, 이어서, 도파관 결합기(320)를 통해 전파되어 사용자의 눈(230)에 도달할 수 있다. 이러한 외부 광(352)은 레인보우 아티팩트들의 존재로 이어질 수 있다.
도 3을 참조하면, "레인보우" 없는 시스템을 보장하기 위해 따르는 일반적인 원리는, 세계로부터의 외부 광, 예컨대, 사용자의 눈(230) 앞의 아웃-커플러 격자(330) 상에 임의의 각도로 입사되는 외부 광원(350)으로부터의 외부 광(352)이 아웃-커플러 격자(330)로부터 사용자의 눈(230) 내로 회절될 수 있게 하지 않는다는 것이다. 이러한 아티팩트의 제한적인 경우는 큰 주기의 격자들 상에 입사되는 짧은 파장의 광이다. 이는, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 살펴봄으로써 이해될 수 있다:
(I)
여기서, θout은 아웃-커플러 격자(330)에 의해 회절되는 광(354)의 각도이고, θin은 아웃-커플러 격자(330) 상에 입사되는 광(352)의 각도이고, λ는 광(354)의 파장이며, ΛOC는 아웃-커플러 격자(330)의 주기이다. 파장(λ)이 감소되거나 격자 주기(ΛOC)가 증가됨에 따라, θout은 θin에 더 가까워지게 되고, 따라서, 회절된 광(354)은 사용자의 시야의 중심에 더 가까워지게 된다. 그러나, 아웃-커플러 격자(330)가, 모든 입사 각도들(θin)이 사용자의 눈(230)에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오게 충분히 작은 격자 주기(ΛOC)를 갖도록 설계되는 경우, 어떠한 레인보우 아티팩트도 사용자에게 보이지 않는다.
부가적으로, "레인보우" 아티팩트를 또한 제거하면서 가상 콘텐츠의 큰 시야(FoV) 및 아이박스 평면(220)을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 시스템의 최대 FoV는 기판 굴절률(index)에 의해 결정될 수 있다. 반대로, 도파관 결합기(320)의 요구되는 최소 기판 굴절률이 FoV에 대한 요건으로부터 결정될 수 있다.
유효 아웃-커플러 격자 주기
도 4a는 격자 벡터 아키텍처의 K-공간 다이어그램(410)을 예시한다. 도 4b는 레인보우 아티팩트 광의 경로를 포함하는 도 4a의 격자 벡터 아키텍처의 K-공간 다이어그램(420)을 예시한다. 유효 아웃-커플러 격자 주기는 "레인보우" 없는 도파관 결합기를 설계하는 데 사용되는 파라미터이다. 유효 아웃-커플러 격자 주기는, 도파관 결합기의 아웃-커플링 구역에서 레인보우 아티팩트들을 생성할 수 있는 모든 가능한 회절 차수들의 최대 유효 주기로서 정의된다. 유효 아웃-커플러 격자 주기는, 아웃-커플링 구역에서 단일 1차원 격자를 갖는 도파관 결합기 격자 아키텍처들에 대해 쉽게 정의되며, 이러한 경우에, ΛOCEff = ΛOC이다. 그러나, 더 복잡한 도파관 결합기 격자 아키텍처들에서, 도파관 결합기의 각각의 표면 상에 상이한 배향을 갖는 2차원 또는 2개의 1차원 격자가 존재할 수 있으며, 이는, 레인보우 아티팩트들의 더 복잡한 경로들을 초래할 수 있다. 이러한 경우들에서, 광이 외부 광원으로부터 내부 전반사(TIR)로 회절되고, 이어서, 상이한 격자 벡터에 의해 TIR을 벗어나 회절되는 것이 가능하다. 이러한 2개의 회절 이벤트의 합은 원래의 격자 벡터들 중 어느 하나보다 크기가 더 짧은 k-벡터일 수 있다. 그러한 격자 벡터 아키텍처의 예가 도 4a 및 도 4b에 도시된다. K-공간 다이어그램(410)은 의도된 이미지 경로인 가상 FoV의 경로를 묘사한다. K-공간 다이어그램(420)은 바람직하지 않은 레인보우 경로인 외부 광 회절의 경로를 묘사한다. 특정 격자 아키텍처에 대해 식별된 최소 유효 격자 벡터는 이어서, 유효 아웃-커플러 격자 주기(ΛOCEff)의 관점에서 시스템의 다른 격자들의 요구되는 주기성들을 결정하는 데 사용될 수 있다.
"유효" 아웃-커플러 격자 주기(ΛOCEff)의 일 예는 다음과 같다. 2개의 상이한 물리적 격자의 조합으로부터 생성될 수 있지만 단일 "유효" 격자 주기와 일관되는 출력 각도들을 갖는 레인보우 아티팩트들을 생성하는 레인보우 경로들이 존재한다.
2개 이상의 아웃-커플러 격자 벡터가 존재하는 경우, ΛOCEff를 찾기 위해 더 작은 크기의 격자 벡터를 잠재적으로 생성하는 격자 벡터들의 조합들(합들)을 탐색해야 한다.
예컨대, 2개의 1D 아웃-커플러 격자들에 대해, 다음과 같다:
여기서, 은 제1 1D 아웃-커플러의 주기성 벡터이고, 는 제2 1D 아웃-커플러의 주기성 벡터이고, 은 제1 1D 아웃-커플러의 격자 벡터이고, 제2 1D 아웃-커플러의 격자 벡터이고, 는 아웃-커플러 조합의 유효 격자 벡터이고, 는 유효 아웃-커플러 주기성 벡터이며, λ는 이러한 계산에서 소거될 광의 파장이다.
이러한 유형의 다중 아웃-커플러 격자 구성의 일 예가 도 4a 및 도 4b에 의해 설명된다.
"레인보우" 없는 시스템에서 활용되는 도파관 결합기 층들의 수에 대해 다양한 옵션들이 존재한다. 단일 도파관 층들에서, 3개의 디스플레이 채널(적색, 녹색, 청색)이 동일한 층을 통해 전파되고, 동일한 격자 구조들로부터 회절되어 가상 이미지를 사용자의 눈에 전송한다. 3개 도파관-층 시스템들에서, 각각의 도파관 층은 단일 디스플레이 색상 채널만을 지원하도록 설계될 수 있다. 전형적으로, 3개 도파관-층 시스템들은, 단일 도파관 층 시스템들보다 더 큰 유효 아웃-커플러 격자 주기들(ΛOCEff)을 활용하는데, 그 이유는, 전용 적색 층이, 더 짧은 청색 파장들(430 - 470 nm)의 포함을 또한 요구하는 대신에 적색 파장들(600 - 650 nm)만을 지원하도록 설계되기 때문이다.
최대 허용가능한 유효 아웃-커플러 격자 주기들(ΛOCEff)에 대한 요건들이 시스템의 층들 모두에 대해 유지된다면, 다층 도파관 결합기들의 "레인보우" 없는 구현들이 이루어질 수 있다. 다수의 도파관 층들을 사용하는 것의 장점은, 격자 주기들이 "레인보우" 없는 제약들에 의해 제한되더라도, 격자 구조들이 지원하도록 설계되는 의도된 디스플레이 색상 채널에 대해 격자 구조들이 최적화될 수 있다는 것이며, 이는, 단일 층 구현에 비해 개선된 색상 균일성, 휘도 균일성, 및 효율의 결과를 가져올 수 있다는 것이다.
도파관 결합기 층들의 수
"레인보우" 없는 시스템에서 활용되는 도파관 결합기 층들의 수에 대해 다양한 옵션들이 존재한다. 단일 도파관 층들에서, 3개의 디스플레이 채널(적색, 녹색, 청색)이 동일한 층을 통해 전파되고, 동일한 격자 구조들로부터 회절되어 가상 이미지를 사용자의 눈에 전송한다. 3개 도파관-층 시스템들에서, 각각의 도파관 층은 단일 디스플레이 색상 채널만을 지원하도록 설계될 수 있다. 전형적으로, 3개 도파관-층 시스템들은, 단일 도파관 층 시스템들보다 더 큰 유효 아웃-커플러 격자 주기들(ΛOCEff)을 활용하는데, 그 이유는, 전용 적색 층이, 더 짧은 청색 파장들(430 - 470 nm)의 포함을 또한 요구하는 대신에 적색 파장들(600 - 650 nm)만을 지원하도록 설계되기 때문이다.
최대 허용가능한 유효 아웃-커플러 격자 주기들(ΛOCEff)에 대한 요건들이 시스템의 층들 모두에 대해 유지된다면, 다층 도파관 결합기들의 "레인보우" 없는 구현들이 이루어질 수 있다. 다수의 도파관 층들을 사용하는 것의 하나의 장점은, 격자 주기들이 "레인보우" 없는 제약들에 의해 제한되더라도, 격자 구조들이 지원하도록 설계되는 의도된 디스플레이 색상 채널에 대해 격자 구조들이 최적화될 수 있다는 것이며, 이는, 단일 층 구현에 비해 개선된 색상 균일성, 휘도 균일성, 및 효율의 결과를 가져올 수 있다는 것이다.
도 5는 레인보우 없는 도파관 조립체 및/또는 근안 디스플레이 시스템에 대한 시스템 설계 파라미터들을 결정하기 위한 방법(500)의 흐름도를 예시한다. 방법(500)은 도 6 내지 도 8과 함께 논의될 것이다. 도 6은, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법(500)에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들(600)을 예시한다. 도 7은, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들을 예시한다. 도 8은, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들을 예시한다.
방법(500)의 동작(510)에서, 표적 FoV가 결정된다. 방법(500)의 동작(520)에서, 아이박스 치수들이 결정된다. 방법(500)의 동작(530)에서, 도파관 경사가 결정된다. 표적 FoV, 아이박스 치수들, 및 도파관 경사는, 동작(540)에서 아웃-커플러 격자 치수들을 계산하고, 동작(550)에서 아웃-커플러 격자로부터의 눈에 대한 최대 각도들을 계산하고, 동작(560)에서 레인보우 효과를 회피하는 데 요구되는 아웃-커플러 격자의 최소 격자 벡터들(최대 주기들)을 계산하고, 동작(570)에서 표적 FoV를 지원하는 데 요구되는 최소 기판 굴절률을 계산하기 위한 입력들로서 사용된다.
도 6은, 도 5의 흐름도에 의해 묘사된 방법(500)에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들(600)을 예시한다. 시야 범위(θFoV)는, 양(θ0)만큼 경사질 수 있는 유효 아웃-커플러 격자 벡터의 방향으로의 FoV의 축으로 간주된다. 부가적으로, 아이박스 평면(220)에 대한 도파관 결합기(320)의 경사(θtilt)(610)는 유효 아웃-커플러 격자 벡터의 축을 따르는 것으로 가정된다. LEyebox(620)는 아이박스 평면(220)의 길이이고, zeye(630)는 아이박스 평면(220)으로부터 도파관 결합기(320)까지의 아이 릴리프 거리이다.
도 7은, 동작(550)에서 아웃-커플러 격자의 치수들을 계산하기 위해 방법(500)에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들(700)을 예시한다. 아웃-커플러 격자의 길이는, 동작(510)에서 제공되는 표적 FoV, 동작(520)에서 제공되는 아이박스 치수들, 및 동작(530)에서 제공되는 도파관 경사를 사용하여 결정된다. 먼저, 아이박스 및 표적 FoV를 지원하기 위한 아웃-커플러의 크기가 수학식 (II) 및 수학식 (III)을 사용하여 도 7에 도시된 바와 같이 계산된다.
수학식 (II)에 대해, 은 아웃-커플러 격자 구역의 상부 절반의 길이이다.
(II)
수학식 (III)에 대해, 은 아웃-커플러 격자 구역의 하부 절반의 길이이다.
(III)
도 8은, 동작(550)에서 아웃-커플러로부터의 눈에 대한 최대 각도들((810) 및 (820))을 계산하기 위해 방법(500)에서 사용되는 다양한 설계 파라미터들(800)을 예시한다. 동작(550)에서, 아웃-커플러 격자의 경계들로부터 사용자의 눈으로의 최대 각도들(θoutmax)은 수학식 (IV), 수학식 (V), 및 수학식 (VI)을 사용하여 계산된다.
(IV)
(V)
(VI)
전형적인 시스템 설계들에 대해, 은 일반적으로 제한적인 경우이다.
동작(560)에서, "레인보우" 아티팩트를 피하는 데 요구되는 최소 격자 벡터들(최대 주기들)이 회절 방정식 (VII)을 사용하여 계산된다. 회절 방정식 (VII)로부터, 유효 아웃-커플러 격자 주기는 방정식 (VI)을 사용하여 동작(550)에서 계산된 최대 출력 각도와 관련될 수 있다.
(VII)
여기서, λ0은 고려되는 "레인보우" 아티팩트의 가장 짧은 파장이다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일부 실시예들에서, λ0 = 450 nm인 것으로 가정된다.
동작(570)에서, 표적 FoV를 지원하기 위한 기판, 예컨대, 도파관 결합기(320)의 최소 굴절률(n)이 계산된다. 기판, 예컨대, 도파관 결합기(320)의 굴절률(n)은 전체 표적 가상 FoV가 TIR로 전파될 수 있게 하도록 충분히 커야 한다. 여기서, 제한적인 경우는, 가장 긴 파장들로 인한 적색 디스플레이 채널 FoV이다. 기판의 최소 굴절률(n)은 수학식 (VIII)을 사용하여 계산된다:
(VIII)
여기서, n은 도파관 결합기 기판 굴절률이고, λR은 적색 디스플레이 채널(이러한 예에 대해 620 nm인 것으로 가정됨)의 파장이다.
예들:
다음의 비-제한적인 예들은 본원에 설명된 구현들을 추가로 예시하기 위해 제공된다. 그러나, 예들은 전부를 포괄하도록 의도되는 것이 아니며, 본원에 설명된 구현들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
위에 나타낸 수학식들을 사용하여 "레인보우" 없는 시스템들을 생성할 일부 예시적인 시스템 설계 파라미터들이 아래의 표 1에 도시된다:
Figure pct00028
도 9는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른, 최대 시야(°) 대 기판 굴절률을 묘사하는 플롯(900)을 예시한다. 플롯(900)은, 20 mm 아이 릴리프에서의 15 mm 아이박스에 대한 기판 굴절률에 의해 지원되는 "레인보우" 없는 최대 가상 FoV를 도시한다. 라인(910)은 0의 FoV 경사, 0의 층 경사를 표현하고; 라인(920)은 10의 FoV 경사, 0의 층 경사를 표현하고; 라인(930)은 0의 FoV 경사, 10의 층 경사를 표현하며; 라인(940)은 10의 FoV 경사, 10의 층 경사를 표현한다.
다른 실시예들과 조합될 수 있는 일부 실시예들에서, 시야를 최대화하고 "레인보우" 없는 시스템을 설계하는 능력을 유지하기 위해, 높은 굴절률의 기판 물질들이 사용된다. 이러한 높은 굴절률의 기판 물질들의 예들은, 높은 굴절률 유리들뿐만 아니라, "레인보우" 없는 회절식 도파관 결합기 증강 현실 디스플레이 시스템에서 활용하기 위한 기판들에 대한 양호한 후보들인 투명한 결정질 물질들(SiC, LiNbO3, LiTaO3, KTaO3 등)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
구현들은 다음의 잠재적인 장점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 개시내용에 약술된 설계 관계들 및 제약들을 활용하여, 본원에서 설명된 디스플레이 시스템은 사용자의 시야에서 외부 광원 회절("레인보우" 아티팩트)로부터 어려움을 겪지 않는다. 이러한 아티팩트를 완화하기 위한 다른 접근법들과 달리, 본원에서 설명된 일부 실시예들은, 도파관 결합기 상에 입사되는 세계의 소스들로부터의 광을 필터링하기 위해 어떠한 외부 디바이스 또는 층들도 사용하지 않는다. 게다가, 본원에서 설명된 일부 실시예들은, "레인보우" 아티팩트들을 생성하는 광 경로들이 도파관 결합기에 닿는 것을 방지하기 위해, 도파관 결합기의 평면을 넘어 연장되는 어떠한 바이저형 기계적 차단부들도 사용하지 않는다.
본원에서 설명된 실시예들 및 본 명세서에서 설명된 모든 기능 동작들은, 디지털 전자 회로로, 또는 본 명세서에 개시된 구조적 수단 및 그의 구조적 등가물들을 포함하는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 본원에서 설명된 실시예들은, 하나 이상의 비-일시적인 컴퓨터 프로그램 제품, 즉, 데이터 처리 장치, 예컨대, 프로그래밍가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들에 의한 실행을 위한, 또는 그 동작을 제어하기 위한, 기계 판독가능 저장 디바이스에 유형적으로(tangibly) 구현된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 프로세스들 및 논리 흐름들은, 입력 데이터에 대해 동작하여 출력을 생성함으로써 기능들을 수행하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그래밍가능 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세스들 및 논리 흐름들은 또한, 특수 목적 논리 회로, 예컨대, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)에 의해 수행될 수 있고, 장치가 또한 그들로서 구현될 수 있다.
"데이터 처리 장치"라는 용어는, 예로서, 프로그래밍가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들을 포함하는, 데이터를 처리하기 위한 모든 장치, 디바이스들, 및 기계들을 포괄한다. 장치는, 하드웨어에 부가하여, 해당 컴퓨터 프로그램에 대한 실행 환경을 생성하는 코드, 예컨대, 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 체제, 또는 그들 중 하나 이상의 것의 조합을 구성하는 코드를 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서들은, 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 저장하기에 적합한 컴퓨터 판독가능 매체는, 예로서, 반도체 메모리 디바이스들, 예컨대 EPROM, EEPROM, 및 플래시 메모리 디바이스들; 자기 디스크들, 예컨대 내부 하드 디스크들 또는 착탈형 디스크들; 자기 광학 디스크들; 및 CD ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 비롯하여, 모든 형태들의 비-휘발성 메모리, 매체 및 메모리 디바이스들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로에 의해 보충되거나, 그에 통합될 수 있다.
본 개시내용, 또는 본 개시내용의 예시적인 양상들 또는 구현(들)의 요소들을 소개할 때, 단수 표현은 그 요소들 중 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다.
"포함", "구비", 및 "갖는"이라는 용어들은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 요소들 이외의 부가적인 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
전술한 내용이 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (20)

  1. 레인보우 없는(rainbow-free) 도파관 디스플레이를 제조하는 방법으로서,
    이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스(eyebox) 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이 조립체를 제조하는 단계를 포함하며, 상기 도파관 디스플레이 조립체는,
    도파관 결합기, 및
    아웃-커플러 격자
    를 포함하고, 상기 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 상기 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖고,
    (I)
    λ는 상기 외부 광원으로부터의 광의 파장인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자는, 상기 아웃-커플러 격자의 상부 절반의 길이()와 상기 아웃-커플러 격자의 하부 절반의 길이()의 합인 길이(LOC)를 갖는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    은 다음의 수학식 (II)를 사용하여 결정되고:
    (II)
    은 다음의 수학식 (III)을 사용하여 결정되고:
    (III)
    시야 범위(θFoV)는, 양(θ0)만큼 경사질 수 있는 유효 아웃-커플러 격자 벡터의 방향으로의 FoV의 축이고, (θtilt)는 상기 아이박스 평면에 의해 정의된 평면에 대한 상기 도파관 결합기의 경사이며, 상기 도파관 결합기는 상기 아이박스 평면으로부터 제1 거리(zeye)에 위치되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자의 경계들로부터 상기 사용자의 눈으로의 최대 각도들(θoutmax)은 수학식 (IV), 수학식 (V), 및 수학식 (VI)을 사용하여 결정되며,
    (IV)
    (V)
    (VI)
    인, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자는 다음의 수학식 (VII)을 충족시키는 최대 주기를 갖고:
    (VII)
    λ0은 고려되는 "레인보우" 아티팩트의 가장 짧은 파장인, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    λ0은 450 nm인, 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 도파관 결합기는 다음의 수학식 (VIII)을 충족시키는 최소 굴절률(n)을 갖고:
    (VIII)
    λR은 적색 디스플레이 채널의 파장인, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    λR은 620 nm인, 방법.
  9. 도파관 디스플레이로서,
    이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이를 포함하며, 상기 도파관 디스플레이는,
    도파관 결합기, 및
    아웃-커플러 격자
    를 포함하고, 상기 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 상기 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖고,
    (I)
    λ는 상기 외부 광원으로부터의 광의 파장인, 도파관 디스플레이.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자는, 상기 아웃-커플러 격자의 상부 절반의 길이()와 상기 아웃-커플러 격자의 하부 절반의 길이()의 합인 길이(LOC)를 갖는, 도파관 디스플레이.
  11. 제10항에 있어서,
    은 다음의 수학식 (II)를 사용하여 결정되고:
    (II)
    은 다음의 수학식 (III)을 사용하여 결정되고:
    (III)
    시야 범위(θFoV)는, 양(θ0)만큼 경사질 수 있는 유효 아웃-커플러 격자 벡터의 방향으로의 FoV의 축이고, (θtilt)는 상기 아이박스 평면에 의해 정의된 평면에 대한 상기 도파관 결합기의 경사이며, 상기 도파관 결합기는 상기 아이박스 평면으로부터 제1 거리(zeye)에 위치되는, 도파관 디스플레이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자의 경계들로부터 상기 사용자의 눈으로의 최대 각도들(θoutmax)은 수학식 (IV), 수학식 (V), 및 수학식 (VI)을 사용하여 결정되며,
    (IV)
    (V)
    (VI)
    인, 도파관 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자는 다음의 수학식 (VII)을 충족시키는 최대 주기를 갖고:
    (VII)
    λ0은 고려되는 "레인보우" 아티팩트의 가장 짧은 파장인, 도파관 디스플레이.
  14. 제13항에 있어서,
    λ0은 450 nm인, 도파관 디스플레이.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 도파관 결합기는 다음의 수학식 (VIII)을 충족시키는 최소 굴절률(n)을 갖고:
    (VIII)
    λR은 적색 디스플레이 채널의 파장인, 도파관 디스플레이.
  16. 제15항에 있어서,
    λR은 620 nm인, 도파관 디스플레이.
  17. 근안(near-eye) 디스플레이로서,
    프레임; 및
    디스플레이
    를 포함하며, 상기 디스플레이는, 이미지 광을 길이(LEyebox)를 갖는 아이박스 평면으로 그리고 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성되는 도파관 디스플레이를 포함하고, 상기 도파관 디스플레이는,
    도파관 결합기, 및
    아웃-커플러 격자
    를 포함하고, 상기 아웃-커플러 격자는, 외부 광원으로부터의 광의 모든 입사 각도들(θin)이, 다음의 1차 회절 방정식 (I)을 충족시킴으로써 상기 사용자의 눈에 이르지 못하는 회절된 각도들(θout)의 결과를 가져오도록 격자 주기(ΛOC)를 갖고,
    (I)
    λ는 상기 외부 광원으로부터의 광의 파장인, 근안 디스플레이.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자는, 상기 아웃-커플러 격자의 상부 절반의 길이()와 상기 아웃-커플러 격자의 하부 절반의 길이()의 합인 길이(LOC)를 갖는, 근안 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서,
    은 다음의 수학식 (II)를 사용하여 결정되고:
    (II)
    은 다음의 수학식 (III)을 사용하여 결정되고:
    (III)
    시야 범위(θFoV)는, 양(θ0)만큼 경사질 수 있는 유효 아웃-커플러 격자 벡터의 방향으로의 FoV의 축이고, (θtilt)는 상기 아이박스 평면에 의해 정의된 평면에 대한 상기 도파관 결합기의 경사이며, 상기 도파관 결합기는 상기 아이박스 평면으로부터 제1 거리(zeye)에 위치되는, 근안 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 아웃-커플러 격자의 경계들로부터 상기 사용자의 눈으로의 최대 각도들(θoutmax)은 수학식 (IV), 수학식 (V), 및 수학식 (VI)을 사용하여 결정되고,
    (IV)
    (V)
    (VI),
    이고, 상기 아웃-커플러 격자는 다음의 수학식 (VII)을 충족시키는 최대 주기를 갖고:
    (VII)
    λ0은 고려되는 "레인보우" 아티팩트의 가장 짧은 파장이고,
    λ0은 450 nm이고,
    상기 도파관 결합기는 다음의 수학식 (VIII)을 충족시키는 최소 굴절률(n)을 갖고:
    (VIII)
    λR은 적색 디스플레이 채널의 파장이며,
    λR은 620 nm인, 근안 디스플레이.
KR1020247015684A 2021-10-15 2022-09-20 레인보우 없는 도파관 결합기 KR20240075926A (ko)

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