WO2021010603A1 - 근안 디스플레이 장치, 이를 포함한 증강 현실 안경 및 그 작동 방법 - Google Patents

근안 디스플레이 장치, 이를 포함한 증강 현실 안경 및 그 작동 방법 Download PDF

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빅토로비치 무라베브니콜라이
에브게느예비치 피스쿠노브드미트리이
니콜라에비치 보스트리코브가브릴
니콜라에비치 푸티린안드레이
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Definitions

  • An exemplary embodiment relates to a near-eye display device, an augmented reality device including the same, and a method of operating the same.
  • Wearable near-eye display devices are widely used. Users need a wide field of view (FOV), low weight and low cost, small and high resolution AR devices or VR devices. These wearable near-eye display devices can replace TVs and smart phones.
  • FOV field of view
  • AR devices small and high resolution AR devices or VR devices.
  • the augmented reality glasses system includes the possibility of superimposing a virtual image on a large area, low weight, low cost, high resolution, high contrast, etc. for a wide viewing angle that allows the human eye to cover the entire area seen by the human. Is required.
  • the near-eye display device can provide a wide area and wide field of view in which the eye can see the entire image without loss.
  • Some approaches can provide a wide field of view, but cannot provide a large area where the eye can see the entire image without loss.
  • Other approaches can provide a large area in which the eye can see the entire image without loss, but cannot provide a large field of view.
  • An exemplary embodiment provides a near-eye display device capable of providing a wide viewing angle.
  • An exemplary embodiment provides an augmented reality device capable of providing a wide viewing angle.
  • An exemplary embodiment provides a method of operating a near-eye display device capable of providing a wide viewing angle.
  • a near-eye display apparatus includes: a projection system that displays an image; A first expansion waveguide comprising a first surface and a second surface facing the first surface, wherein light from the projection system is incident on the first surface or the second surface; A first extended diffraction grating provided in the first extended waveguide; A second waveguide into which light emitted from the first expansion waveguide is incident; And a second diffraction grating provided in the second waveguide, wherein the first extended diffraction grating and the second diffraction grating are mutually formed so that the zero-order diffracted light emitted from the first extended waveguide enters the second waveguide.
  • a projection system that displays an image
  • a first expansion waveguide comprising a first surface and a second surface facing the first surface, wherein light from the projection system is incident on the first surface or the second surface
  • a first extended diffraction grating provided in the first extended waveguide
  • a second waveguide into which light emitted from the first expansion waveguide is incident
  • the light from the projection system may be incident on the first expansion waveguide, and an angle incident on the first expansion diffraction grating may range from 0° to 90° with respect to a normal to a surface of the first expansion waveguide.
  • the grating lines of the first extended diffraction grating may be arranged along the projection of light from the projection system onto the first extended diffraction grating.
  • the acute angle between the projection of the main light beam of the projection system onto the plane of the first expansion waveguide and the grating line of the first expansion diffraction grating may include a range of (+) 30 degrees to (-) 30 degrees.
  • the first expansion diffraction grating may be located on a first surface of the first expansion waveguide on which light from a projection system is incident.
  • the second surface of the first expansion waveguide may have a mirror coating.
  • Light from the projection system can be incident on a first surface and the first extended diffraction grating can be located on a second surface.
  • the second waveguide may include a first area through which light is incident, a second area through which the light does not enter the user's eye, and a third area through which the light enters the pupil of the eye.
  • It may be configured such that diffraction does not occur in the second region of the second waveguide.
  • the second diffraction grating may be configured to have diffraction efficiency in the first region> diffraction efficiency in the third region> diffraction efficiency in the second region.
  • the first region of the second diffraction grating may have high diffraction efficiency, and the second region and the third region may have gradient diffraction efficiency.
  • the first region of the second diffraction grating may have high diffraction efficiency
  • the second region may have a diffraction efficiency lower than that of the first region
  • the third region may have a gradient diffraction efficiency
  • first expansion waveguide and the second waveguide may constitute a monolithic curved waveguide.
  • Each of the first expansion waveguide and the second waveguide may be composed of one of a diffractive optical element and a hologram element.
  • the second diffraction grating may include an input coupling diffraction grating and an output coupling diffraction grating on one surface.
  • the augmented reality glasses include a left eye element and a right eye element, and at least one of the left eye element and the right eye element is a projection system, a first surface, and an agent facing the first surface.
  • They can be located in different planes with respect to each other.
  • the left-eye element may be located separately from the right-eye element, or the left-eye element may be combined with the right-eye element.
  • a method of operating a near-eye display device includes the steps of: incident light from a projection system to a first extended diffraction grating; Diffraction of each light incident on the first extended diffraction grating to form (-1) order diffraction, 0 order diffraction and (+1) order diffraction; Outputting a first expansion waveguide and inputting the zero-order diffracted light to a second waveguide; Due to total internal reflection, the (-1) order diffracted light and the (+1) order diffracted light expand in the first expansion waveguide, return to the first expansion diffraction grating, and enter different points that do not coincide with each other, and the (-1) order diffracted light expands.
  • Each 0th-order diffraction light incident on the second waveguide passes through the second diffraction grating through the second waveguide, and the diffraction of each ray incident on the second diffraction grating is (-1) diffraction, 0
  • the second order diffraction and the (+1) order diffraction are formed, and the (+1) order diffraction is reflected from the side opposite to the side of the second waveguide facing the eye, and may re-enter the second diffraction grating.
  • the near-eye display device may provide a wide viewing angle.
  • an input coupling diffraction grating and an output coupling diffraction grating are provided on one plane, thereby reducing a manufacturing cost.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating the near-eye display device illustrated in FIG. 1.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • Fig. 4 shows diffraction efficiency according to the length of a second diffraction grating of a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • Fig. 7 is a schematic diagram of a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 8A to 8C schematically illustrate augmented reality glasses according to an exemplary embodiment.
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams illustrating a method of operating a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 11 schematically illustrates a configuration of an extended diffraction grating of a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an operation of a near-eye display device of a comparative example.
  • Fig. 13 is a diagram for describing an operation of a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • ... unit and “module” described in the specification mean units that process at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .
  • connection or connection members of the lines between the components shown in the drawings exemplarily represent functional connections and/or physical or circuit connections, and in an actual device, various functional connections that can be replaced or additionally It may be referred to as a connection, or circuit connections.
  • Fig. 1 schematically shows a near-eye display device according to an exemplary embodiment.
  • the near-eye display device 10 can be used as an independent device for one eye (monocular). Alternatively, the near-eye display device may be provided for each of the eyes. When combining the near-eye display device for the right eye and left eye, the user can view a stereo image.
  • the near-eye display device may be used in, for example, augmented reality glasses, augmented reality helmets, and virtual reality glasses.
  • the near-eye display device 10 may include a projection system 1, a first extended waveguide 2, and a second waveguide 3 into which light from the projection system 1 is incident. have.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a near-eye display device.
  • the first expansion waveguide 2 includes a first surface 21 on which light from the projection system 1 is incident, and a second surface 22 facing the first surface 21. can do.
  • the first surface 21 and the second surface 22 can be parallel. However, it is not limited to this.
  • the first extended diffraction grating 2a may be provided in the first extended waveguide 2.
  • the first extended diffraction grating 2a may be provided on the second surface 22.
  • the first extended diffraction grating 2a may be of a transmission type, for example.
  • a second diffraction grating 3a may be provided in the second waveguide 3.
  • the second waveguide 3 may include a third surface 31 on which the light output from the first expansion waveguide 2 is incident, and a fourth surface 32 facing the third surface 31.
  • a second diffraction grating 3a may be provided on the third surface 31.
  • the third surface 31 and the fourth surface 32 may be parallel. However, it is not limited to this.
  • the first expansion waveguide 2 and the second waveguide 3 may be positioned on different planes.
  • the first expansion waveguide 2 and the second waveguide 3 may be positioned on different planes within an angular range greater than 0 degrees and less than 180 degrees.
  • the angle ⁇ between the first plane 21 of the first expansion waveguide 2 and the third plane 31 of the second waveguide 3 is greater than 0 degrees and has a range of 180 degrees or less. I can.
  • the 0-th order diffracted light output from the first extended diffraction grating 2a may output the first extended waveguide 2 at the same angle as the light incident on the first extended waveguide 2.
  • the first expansion waveguide 2 and the second waveguide 3 may be transparent.
  • each projection system may project a respective image for each eye.
  • the projection system 1 can be located on the side of the first expansion waveguide 2.
  • a near-eye display device for displaying augmented reality may be provided for each of the right and left eyes, so that glasses for displaying augmented reality may be configured.
  • the second diffraction grating 3a may have a configuration in which an input coupling diffraction grating 4 to which light is input and an output coupling diffraction grating 5 are provided on one surface. Accordingly, the manufacturing cost can be reduced compared to the case where the input coupling diffraction grating and the output coupling diffraction grating are respectively provided on different surfaces.
  • the near-eye display device comprises an element for the right eye and an element for the left eye, each element being a projection system 1, an extended waveguide 2 comprising a first extended diffraction grating 2a, and a diffraction grating It may include a waveguide 3 including (3a).
  • the waveguide 3 may include a light input area, an intermediate area that prevents output light from entering the eye, and an area of useful light output through which light can enter the pupil of the eye when the pupil moves while viewing an image. This will be described later.
  • the display device makes it possible to avoid a limitation of a field of view when an image is viewed vertically and horizontally. That is, it is possible to increase the visible field of view, eye movement, and reproduction efficiency, and the spectacle system is compact and thus easy to manufacture and low in cost.
  • the input coupling diffraction grating and the output coupling diffraction grating consist of a single diffraction grating, and the light from the extended diffraction grating to multiplex or expand the light from the projection system is combined into a diffraction grating for input/output to the waveguide. It is achieved by the fact that it becomes.
  • the holographic diffraction grating can be used as the diffraction grating.
  • the eye movement box represents the inner area where the eye can see the entire virtual image completely without loss while the eyeball is moving.
  • the first extended waveguide including the first extended diffraction grating may be a system for proliferating an exit pupil. That is, not one but several exit holes are formed at the output from the first expansion waveguide, and the first expansion diffraction grating and the first expansion waveguide are disposed close to each other, disposed in contact, or located at a certain distance from each other. I can.
  • the formation of the proliferated exit sinus provides a wide eye movement area so that the entire virtual image can be viewed completely without loss.
  • the expansion or multiplexing of the light beam means an increase in the width (the lateral dimension of the beam) that does not cause distortion (aberration).
  • the exit pupil represents the paraxial image of the aperture stop in the image space formed by the optical system in the direct course of the light beam. This term is well established in the field of optics.
  • the main characteristic of the exit hall is that there is an entire image field at any point in time. By proliferating the exit cavity, it is possible to increase the size of the exit cavity without increasing the longitudinal dimension of the optical system.
  • the classical optical system increases the size of the exit hole, while the longitudinal dimension of the optical system increases, while the waveguide optics of the exemplary embodiment does not increase the size of the exit hole due to multiple reflections of light rays inside the waveguide.
  • the extended characteristics may appear when the grating lines of the waveguide and diffraction grating are positioned at a specific angle with respect to incident light. These will be discussed below.
  • Diffraction efficiency is a property of a diffraction grating measured as a percentage or part of a unit. The diffraction efficiency is the ratio of the energy contained in one of the diffraction orders to the energy incident on the diffraction grating. The diffraction efficiency is known.
  • the projection system 1 is inclined at an angle with respect to the first extended diffraction grating 2a and the first extended waveguide 2.
  • the grating line of the first extended diffraction grating 2a is a first extended waveguide in which a part of the received diffraction order of incident light has total internal reflection. It can be oriented to face along (2).
  • the light incident on the first extended diffraction grating 2a propagates in three directions, while 0th, (first order) and (+1st order) diffraction orders are formed.
  • relief diffraction gratings can be formed by etching through a mask or nano-imprinting, and holographic diffraction gratings can be recorded as interference patterns.
  • the theoretical angular range between waveguides (between the first extended waveguide and the second waveguide) and between the corresponding diffraction gratings (between the first extended diffraction grating and the second diffraction grating) are For example, it may range from (+) 90 degrees to (-) 90 degrees.
  • the range of the grating period of the first extended diffraction grating 2a may be, for example, 1200 to 400 nm for visible colors.
  • the range of the grating period of the second diffraction grating 3a may be, for example, 700 to 200 nm.
  • Each of the first expansion waveguide 2 and the second waveguide 3 may be composed of any one of a diffraction optical element and a hologram element.
  • any suitable material for example glass, polymer, crystal.
  • the materials and parameters are not limited to those listed, and while this is apparent to a person skilled in the art, the above options do not limit the present invention because all options are apparent to those skilled in the art.
  • FIG. 2 illustrates a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • the near-eye display device 100 includes a transparent system 101 that provides an image, a first expansion waveguide 102 to which light from the projection system 101 is incident, and light output from the first expansion waveguide 102 is incident.
  • a second waveguide 103 may be included.
  • the first expansion waveguide 102 may include a first plane 121 and a second plane 122 facing the first plane 121. Light from the projection system 101 can be incident on the first surface 121 of the first expanding waveguide 102.
  • the first extended diffraction grating 102a may be located on the first surface 121.
  • a reflective coating 104 may be provided on the second surface 122 of the first expansion waveguide 102.
  • the reflective coating 104 may improve the light efficiency of the first expansion waveguide 102. In this embodiment, compared to the case where the first extended diffraction grating 102a is positioned on the second surface 122, the light efficiency may be relatively increased.
  • the reflective coating 104 can help avoid light loss that occurs when the first extended diffraction grating 102a is positioned on the second surface 122.
  • the first extended diffraction grating 102a is a geometric shape in which the boundary between the first extended diffraction grating 102a and the first extended waveguide 102 is various, for example, any geometric shape having a rectangular, polygonal, or arcuate surface. It may be provided in the first expansion waveguide 102 to form, that is, a boundary surface where the first expansion diffraction grating 102a and the first expansion waveguide 102 meet may have various geometric shapes. Alternatively, depending on the method of forming the diffractive structure, the first extended diffraction grating 102a may be directly formed on the surface of the first extended waveguide 102.
  • the first extended diffraction grating 102a may be symmetrical or asymmetrical. Different boundary profiles can affect image performance and eye image uniformity.
  • the boundary profile of the first extended diffraction grating 102a and the first extended waveguide 102 can be determined depending on the target, e.g., to obtain a given picture of the image intensity distribution at different locations, or non-uniform from the projection system across the field of view. It can be chosen according to goals such as compensating for image brightness.
  • the second diffraction grating 103a may have a plurality of regions each having different diffraction efficiencies. Combined with all elements of the device for displaying augmented reality, the various configurations of diffraction efficiency make it possible to compensate for non-uniform brightness in the field of view and increase the uniformity of the image seen by the eye.
  • the entire area of the second diffraction grating 103a may be divided into several areas.
  • the second diffraction grating 103a includes a first region (I) into which light is input, a second region (II) in which the output light does not enter the eye, and a useful third region (III) into which the output light enters the eye. ) Can be included. While viewing in the eye movement field, light from the third area III, which is useful when moving the pupil of the eye, can enter the pupil of the eye.
  • the first region I may include an input coupling diffraction grating
  • the third region III may include an output coupling diffraction grating.
  • the second diffraction grating 103a may have different diffraction efficiencies in the first, second, and third regions (I) (II) (III).
  • the diffraction efficiency distributions of the first, second, and third regions (I) (II) (III) of the second diffraction grating 103a are schematically shown in a graph.
  • the second diffraction grating 103a may provide diffraction efficiency in various forms.
  • FIG. 4 For example, a) of FIG. 4 will be described as follows.
  • the maximum diffraction efficiency can be obtained in the first region I into which the light is input to the second diffraction grating 103a.
  • the first region I may have the lowest loss.
  • the maximum diffraction efficiency of the second diffraction grating 103a can provide the user with high image brightness and wide brightness.
  • the second region II may have a minimum diffraction efficiency. In an ideal case, the diffraction efficiency of the second region II may be zero.
  • the third region III it has a relatively low diffraction efficiency in the useful light output field, which can ensure a uniform image output, ie a uniform image brightness.
  • the first region (I) is a region where light enters the second diffraction grating (103a) and thus has the maximum diffraction efficiency, and thus, the light emitted from the first extended waveguide (102) has the lowest loss and the second diffraction grating ( 103a).
  • the maximum diffraction efficiency provides high image brightness, and thus can provide a wide range of brightness settings for the user.
  • the second region II and the third region III may have an average diffraction efficiency less than the maximum diffraction efficiency.
  • the first region (I) is a region where light enters the second diffraction grating 103a, so it has the maximum diffraction efficiency, and thus, the light emitted from the first extended waveguide 102 has the lowest loss and the second diffraction grating ( 103a).
  • the second region II and the third region III may have gradient diffraction efficiency.
  • the diffraction efficiency may have a distribution gradually increasing from the second region (II) to the third region (III). In this case, compared to a) of FIG. 4, the overall light efficiency of the near-eye display device may be increased.
  • the first region (I) is a region where light enters the second diffraction grating 103a, so it has the maximum diffraction efficiency, and thus, the light emitted from the first extended waveguide 102 has the lowest loss and the second diffraction grating ( 103a).
  • the second region II may have a minimum diffraction efficiency.
  • the third region III may have gradient diffraction efficiency.
  • the light efficiency of the second waveguide 103 is good, and in b) of FIG. 4, it is easy to manufacture the second diffraction grating.
  • FIG. 5 illustrates a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • the near-eye display apparatus 200 may include a projection system 201, a first expansion waveguide 202, and a second waveguide 203.
  • a first extended diffraction grating 202a may be provided in the first extended waveguide 202.
  • the first expansion waveguide 202 may include a first surface 221 and a second surface 222 facing the first surface 221.
  • the first extended diffraction grating 202a may be provided, for example, on the second surface 222.
  • a second diffraction grating 203a may be provided in the second waveguide 203.
  • Light from the projection system 201 may be incident towards the second surface 221 of the first expanding waveguide 202.
  • the second waveguide 203 may include a first region (I) into which light is input, a second region (II) in which the output light does not enter the eye, and a useful third region (III) into which the output light enters the eye. have. While viewing in the eye movement field, light from the third area III, which is useful when moving the pupil of the eye, can enter the pupil of the eye.
  • Diffraction may not occur in the second region II of the second waveguide 203. That is, the diffraction efficiency of the second region II may be zero.
  • the second diffraction grating 203a may not be provided in the second region II of the second waveguide 203 or may have zero diffraction efficiency.
  • the second region II does not have any functional load for outputting light.
  • the light does not emit the second waveguide 203 and may travel further along the second waveguide 203 due to total internal reflection. Due to this, light loss can be reduced.
  • FIG. 6 illustrates a near-eye display device according to another exemplary embodiment.
  • the near-eye display device 300 may include a projection system 301, a first expansion waveguide 302, and a second waveguide 303.
  • the first expansion waveguide 302 and the second waveguide 303 may be integrally formed.
  • a first extended diffraction grating 302a may be provided in the first extended waveguide 302.
  • the first expansion waveguide 302 may include a first surface 321 and a second surface 322 facing the first surface 321.
  • the first extended diffraction grating 302a may be provided, for example, on the first surface 321.
  • the present invention is not limited thereto, and the first extended diffraction grating may be provided on the second surface 322.
  • a second diffraction grating 303a may be provided in the second waveguide 303. Light from the projection system 301 can be incident on the first surface 221 of the first expanding waveguide 302.
  • the first expansion waveguide 302 and the second waveguide 303 may be configured as a monolithic curved waveguide.
  • the first expansion waveguide 302 may constitute a part of the waveguide curved in one direction
  • the second waveguide 203 may constitute a part of the same waveguide curved in the other direction.
  • This embodiment is advantageous for manufacturing glasses based on a near-eye display device. The principle of operation of this embodiment is the same as described above.
  • FIG. 7 illustrates a display device according to another exemplary embodiment.
  • the display device 400 may include a projection system 401, a first expansion waveguide 402, and a second waveguide 403.
  • the first expansion waveguide 402 may include a first surface 421 and a second surface 422 facing the first surface 421.
  • the first surface 421 and the second surface 422 may be parallel.
  • a first expansion diffraction grating 402a may be provided on the first surface 421 of the first expansion waveguide 402.
  • a reflective coating 404 may be provided on the second surface 422.
  • a second diffraction grating 403a may be provided in the second waveguide 403.
  • Light from the projection system 301 may be incident on the first extended diffraction grating 402a of the first extended waveguide 402.
  • the second waveguide 403 may include a third surface 431 and a fourth surface 432 facing the third surface 431.
  • the third surface 431 and the fourth surface 432 may be parallel.
  • the second diffraction grating 403a may be provided on the fourth surface 432.
  • Light output from the first expansion waveguide 402 may be incident on the fourth surface 432.
  • the first expansion waveguide 402 and the second waveguide 403 may be disposed parallel to each other, for example. A portion of the first surface 421 of the first expansion waveguide 402 may overlap and be disposed to face a portion of the fourth surface 422 of the second waveguide 403. In addition, the first expansion waveguide 402 and the second waveguide 403 may be disposed to be spaced apart. For example, the second waveguide 403 may be positioned above the first expansion waveguide 402. This embodiment can be advantageously applied to an augmented reality helmet mounting system.
  • the near-eye display device may be applied to, for example, augmented reality glasses.
  • the augmented reality glasses may include a first element for the left eye and a second element for the right eye.
  • a first element for generating and transmitting an image for the left eye and a second element for generating and transmitting an image for the right eye may be provided, respectively.
  • the first element and the second element may each include their own projection system 1 and a first extended waveguide 2 having a first extended diffraction grating 2a.
  • the second waveguide 3 and the second diffraction grating 3a of the first element for the left eye may be arranged in a separate left eyeglass frame LGF disposed over the left eye.
  • the second waveguide 3 and the second diffraction grating 3a for the right eye may be disposed in a separate right eyeglass frame RGF disposed over the right eye.
  • a stereo image may be provided by providing different images to the left eye and the right eye.
  • the first element for the left eye
  • the second waveguide 3 of the first element may be used for the second element (for the right eye).
  • the projection system 1 and the first expansion waveguide 2 may be provided in the left eye and the right eye, respectively.
  • the second waveguide 3 having a second diffraction grating 3a for input/output common to the left eye and the right eye may be disposed in the common frame GF of the glasses positioned above the left and right eyes.
  • the second waveguide 3 may combine a field of view for the left eye and the right eye.
  • the first element and the second element each comprise a first extended waveguide 2 with its own projection system 1 and a first extended diffraction grating 2a, the first element and the second element being left eye and right Each is located on the side of the eye.
  • the two projection systems 1 have one common driver for synchronizing their work, but cannot provide stereo images.
  • 8C shows another example of the augmented reality glasses.
  • the first element (for the left eye) may be combined with the second element (for the right eye). That is, the first element may be used in common for the left eye and the right eye.
  • the second waveguide 3 provided with the second diffraction grating 3a may be disposed on a common eyeglass frame GF positioned above the left eye and above the right eye.
  • the first element (for the left eye) and the second element (for the right eye) comprise a projection system 1 and a first expansion waveguide 2, and the projection system 1 and The first expansion waveguide 2 may be disposed on the side of the left or right eye.
  • FIG. 9 and 10 are diagrams illustrating a method of operating a near-eye display device according to an exemplary embodiment. A method of operating a near-eye display device according to an exemplary embodiment will be described with reference to the exemplary embodiment shown in FIG. 3.
  • the first extended diffraction grating 102a and the first diffraction grating 103a are positioned on different planes and light may be output at the same angle as the light input. For this reason, the image that the eye sees is not limited by the coordinate axis. In addition, the image is bright and expands the moving area of the eye, and is more comfortable for the user.
  • a small projector such as a DMD projector, an LCoS projector, an SLM projector, a laser scanner projector, or the like can be used.
  • FIGS. 9 and 10 show how the expansion of light occurs in the first expansion waveguide 2 when the first expansion diffraction grating 102a is provided on the first surface 121 of the first expansion waveguide 102. It is shown.
  • the first extended waveguide 102 including the first extended diffraction grating 102a may be disposed in the area of the exit pupil of the projection system 101.
  • the first expansion waveguide 102 may be made of any suitable material, such as glass, plastic, or crystalline material, or the like, by conventional methods.
  • FIG. 11 is a diagram showing a relative arrangement of the grating lines 110 of the first extended diffraction grating 102a with respect to incident light.
  • the first extended diffraction grating 102a may diffract incident light into (-1) order light, 0 order light, (+1) order light, or the like. In this case, all diffraction orders can be useful.
  • a necessary condition for the expansion (proliferation) of light from the projection system 101 is the arrangement position of the grating lines of the first expansion diffraction grating 102a arranged along the propagation direction of the center of the field of the projection system 101.
  • the grating line 110 of the first extended diffraction grating 102a may be positioned along the projection of incident light onto the first extended diffraction grating 102a.
  • the acute angle ⁇ between the projection of the main beam of the projection system 101 onto the plane of the first expansion waveguide 102 and the grating line 110 may range from (-) 30 degrees to (+) 30 degrees. have.
  • the beam from the projection system 101 is incident on the first extended diffraction grating 102a, and as a result of the diffraction, the beam has several It can be divided into rays (diffraction order).
  • the zero-order diffracted light is derived from several of these rays, which may not change the direction of expansion of the (+1) order diffraction as well as the (-1) order diffraction for the incident light.
  • the (-1) order diffracted light and the (+1) order diffracted light can be expanded at an angle symmetrical to the incident light.
  • the 0-th order diffracted light 106 passes through the first expansion waveguide 102, has an emission angle ⁇ 2 equal to the incident angle ⁇ 1 of the incident light, and emits the first expansion waveguide 102, and the second waveguide 103 ) Of the second diffraction grating 103a.
  • the incident angle ⁇ 1 and the emission angle ⁇ 2 are based on a normal to the first extended diffraction grating 102a.
  • the (-1)th order diffracted light and the (+1)th order diffracted light remain in the first extended waveguide 102 and propagate in the first extended waveguide 102, and the second surface 122, i.e., the first extended diffraction grating It is reflected from the surface opposite to 102a, and reaches the first extended diffraction grating 102a again through total internal reflection (CIR).
  • CIR total internal reflection
  • the (-1) order diffracted light and the (+1) order diffracted light each undergo diffraction, and as a result, each of the 0 order light, the (-1) order light, and the (+1) order light are again formed, thereby forming 1
  • a difference expansion area 111 may be formed.
  • each zero-order diffracted light exits from the first expansion waveguide 102 and enters the second diffraction grating 103a of the second waveguide 103.
  • each of the (-1)-th order light and the (+1)-th order light may expand from the first expansion waveguide 102 to form the second expansion region 112 as described above.
  • each of the diffracted light can be diffracted back to the new 0th order, (-1)th order and (+1)th order.
  • only the first and second extended areas are shown, but more extended areas may be formed.
  • the exit sinus may be proliferated by the first expansion region 111 and the second expansion region 112.
  • the zero-order diffracted light from the first extended waveguide 102 enters the second waveguide 103
  • the zero-order diffracted light enters the second diffraction grating 103a in the second waveguide 103 and is visually Directed, and again 0th, (-1)th and (+1)th diffracted lights are formed.
  • the (-1)th order diffracted light may extend outside the eye and become useless.
  • the zero-order diffracted light may pass through the second waveguide 103 and exit the second waveguide 103 in the same direction as the initial beam from the projection system 101.
  • the (+1)-th order diffracted light extending to the angle of the 0-th order diffracted light undergoes total internal reflection in the second waveguide 103 and may remain in the second waveguide 103.
  • the (+1) order diffracted light enters the second diffraction grating 103a again from the inside of the second waveguide 103, which is further divided into 0th order, (+1)th order, and (-1)th order , This new zero-order diffracted light exits the second waveguide 103 and enters the eye. Then, when the new (+1) order diffracted light is further expanded along the second waveguide 103, the above process is repeated, and each 0th order diffracted light can enter the eye as described above.
  • the near-eye display apparatus Due to the expansion of the above-described light, a number of exit pupils (see 111, 112 in Fig. 9) exist, and because the exit pupils are separated, a field in which the eye can move, that is, a field in which the image does not disappear from the eye's field of view Can be formed widely. Therefore, the eye movement area can be formed wide. Since the near-eye display apparatus according to the exemplary embodiment expands light and uses all diffraction orders, it is possible to reduce light loss from the projection system 101.
  • the first extended diffraction grating 102a When the first extended diffraction grating 102a is located on the first surface 121 of the first extended waveguide 102 on which the light from the projection system 101 is incident, the light from the projection system 101 is When incident on the first extended diffraction grating 102a, the incident light may be diffracted into (+1) order, 0 order, and (-1) order light. Then, the 0th order diffracted light is output from the first extended waveguide 102 and enters the second diffraction grating 103a.
  • the second surface 122 of the first expanding waveguide 102 has a reflective coating 104, while the first expanding diffraction grating 102a is located on the first surface 121 of the first expanding waveguide 102, , (-1)-order diffraction and 0-order diffraction are reflected by the reflective coating 104 and are emitted through the first surface 121 of the first expansion waveguide 102.
  • the first extended diffraction grating 102a When the first extended diffraction grating 102a is located on the second surface 122, light from the projection system 101 is input to the first extended waveguide 102, and the first extended diffraction grating 102a While passing, diffracted by the (+1) order, 0th order, and (-1) order, the 0th order diffracted light is output from the second surface 122 of the first extended waveguide 102, and the second diffraction grating 103a ).
  • the light from the projection system 101 enters the first extended waveguide 102, and the angle input to the first extended diffraction grating 102a is the first extended waveguide ( 2) may be in the range of 0 degrees to 90 degrees with respect to the normal to the first surface 21.
  • Light from the projection system 101 is incident between the first surface 121 of the first expanding waveguide 102 and the normal of the first surface 121.
  • the acute angle between the projection of the main beam of the projection system 101 onto the first plane 121 of the first expansion waveguide 012 and the grating line 110 is in the range of ⁇ 30 degrees. I can.
  • the second diffraction grating 103a deposited on the second waveguide 103 may be used for both inputting light incident from the first extended waveguide 102 and outputting the light to the eye region.
  • the direction of the same grating line of the second diffraction grating 103a inputs light into the second waveguide 103 due to the position of the first extended waveguide 102a having the first extended diffraction grating 102 and the second waveguide ( 103) can be used to output light to the eye area. This is because the first extended waveguide 102 having the first extended diffraction grating 102a is positioned on a different plane from the second waveguide 103 having the second diffraction grating 103a.
  • the augmented reality apparatus shown in FIG. 12 includes a projection system 1101, a waveguide 1102, and a diffraction grating 1103 provided in the waveguide 1102.
  • the radiation from the projection system 1101 enters the waveguide 1102 through a narrow radiation area a.
  • the diffraction grating 1103 After the light passes through the diffraction grating 1103, only one diffraction order enters the waveguide 1102, and there is no intersection of different areas of the field of view in the area where the light enters the eye.
  • the lower part of the field of view obliquely extends along the waveguide 1102 to the area (b), and when the eye is looking at the center or top of the field of view, the light does not enter the pupil of the eye. Since the output light comes out only through the narrow (c) area to the central part of the field of view, when the eye looks at the center of the field of view, only the image of the narrow strip is visible.
  • the light expanded by the first expansion waveguide 2 is expanded to the second waveguide 3. Entered into area (A), the expanded light intersects areas (B) and (C) and enters the pupil of the eye.
  • areas (B) and (C) are areas (B) and (C) and enters the pupil of the eye.
  • the edge of the image is clear because total internal reflection is disturbed, but the light responsible for the edge of the image does not enter the field of view of the eye movement, so it can be seen out of the field of view. I can't.
  • the user can view the entire image in a wide field of view.
  • the claimed invention due to its wide field of view, can provide the user with a wide field of view of eye movements and, for example, provide an interesting presence in games or movies. High resolution can provide a realistic presence. Users can see all the details, almost the same as the real world. Watching a movie using glasses including a device that displays augmented reality, the user can be completely immersed in the virtual world.
  • the near-eye display device may be used for AR/VR, HUD, HMD devices, etc. that need to have a high-resolution image and a wide field of view.
  • Augmented reality glasses using the proposed device to display augmented reality in bright ambient lighting including sunlight can provide bright and clear images.

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Abstract

예시적인 실시 예는 근안 디스플레이 장치, 이를 포함하는 증강 현실 안경 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 근안 디스플레이 장치는 제 1 확장 회절 격자를 포함하는 제 1 확장 도파관, 제 2 회절 격자를 포함하는 제 2 도파관을 포함하고, 제 1 확장 회절 격자 및 제 2 회절 격자는 서로에 대해 상이한 평면에 위치된다.

Description

근안 디스플레이 장치, 이를 포함한 증강 현실 안경 및 그 작동 방법
예시적인 실시 예는 근안 디스플레이 장치, 이를 포함한 증강 현실 장치 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
웨어러블 근안 디스플레이 장치가 많이 사용되고 있다. 사용자는 넓은 시야(FOV), 저중량 및 저비용, 소형 및 고해상도의 AR 장치 또는 VR 장치 등이 필요하다. 이러한 웨어러블 근안 디스플레이 장치는 TV 및 스마트 폰을 대체 할 수 있다.
예를 들어, 증강 현실 안경 시스템에는 인간의 눈이 인간이 본 전체 영역을 덮을 수 있도록 하는 넓은 시야각을 위해, 넓은 영역에 가상 이미지를 중첩시킬 수 있는 가능성과, 저중량, 저비용, 고해상도, 고 콘트라스트 등이 요구된다.
이러한 요구 조건이 달성될 때, 근안 디스플레이 장치는, 눈이 손실 없이 전체 이미지를 볼 수 있는 넓은 영역과 넓은 시야를 제공할 수 있다. 요구 사항을 달성하기 위한 여러 가지 접근 방식이 있다. 일부 접근 방식은 넓은 시야를 제공할 수 있지만 눈이 전체 이미지를 손실 없이 볼 수 있는 넓은 영역을 제공 할 수 없다. 다른 접근법들은 눈이 전체 이미지를 손실 없이 볼 수 있는 넓은 영역을 제공 할 수 있지만, 넓은 시야를 제공 할 수는 없다.
출사동(exit pupil)의 증식(multiplication)을 사용하지 않는 기존 시스템에는 입력 및 출력 격자(홀로그램(HOE) 또는 회절 (DOE) 광학 요소)가 구비된다. 이러한 시스템은 개략적으로 다음과 같이 작동한다. 프로젝터는 평행 빔을 형성하는 무한대에서 이미지를 형성하며, 여기서 도파관 상에 위치된 입력 홀로그램 또는 입력 회절 요소는 프로젝터의 출사동에 배치된다. 소자의 회절로 인해, 평행 빔은 평행성(parallelism)을 깨뜨리지 않고 도파관에 도입된 다음 내부 전반사로 인해 빔이 도파관에서 확장하여 출력 회절 소자(HOE / DOE)로 들어간다.
이 경우, 회절 격자를 통해 투과된 광 중 하나의 회절 차수 만이 사용되며, 또한 입력 및 출력 격자는 하나의 평면에서만 사용되므로, 입력에서의 광각(wide field)은 출력에서는 좁은 사진으로 변한다. 이 것은 눈의 동공이 앞을 보면 이미지의 중앙 필드만 선명하게 보이기 때문에 보기에 편하지가 않다. 가장자리에 위치한 이미지 부분은 어두운 영역을 나타내며 눈의 동공이 세로 방향으로 움직이면 반대로 중앙 부분이 어두운 영역으로 표시된다. 즉, 사용자는 이미지의 좁은 스트립 만 볼 수 있다.
예시적인 실시 예는 넓은 시야 각을 제공할 수 있는 근안 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 실시 예는 넓은 시야 각을 제공할 수 있는 증강 현실 장치를 제공한다.
예시적인 실시 예는 넓은 시야 각을 제공할 수 있는 근안 디스플레이 장치의 작동 방법을 제공한다.
예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치는, 영상을 표시하는 투영 시스템; 제1 표면과, 상기 제1 표면에 마주보는 제2 표면을 포함하고, 상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 표면 또는 제2 표면에 입사하는 제 1 확장 도파관; 상기 제 1 확장 도파관에 구비된 제 1 확장 회절 격자; 상기 제1 확장 도파관에서 나온 광이 입사하는 제2 도파관; 및 상기 제2 도파관에 구비된 제 2 회절 격자;를 포함하고, 상기 제 1 확장 도파관을 출사하는 0차 회절 광이 상기 제 2 도파관에 입사하도록 상기 제 1 확장 회절 격자 및 제 2 회절 격자가 서로에 대해 상이한 평면에 위치된다.
상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 확장 도파관에 입사하고, 상기 제 1 확장 회절 격자로 입사하는 각도가 상기 제1 확장 도파관의 표면에 대한 법선에 대해 0도 내지 90 도의 범위를 가질 수 있다.
제 1 확장 회절 격자의 그레이팅 라인은 상기 투영 시스템으로부터 제 1 확장 회절 격자 상으로의 광의 투영을 따라 배열될 수 있다.
상기 제 1 확장 도파관의 평면 상으로 상기 투영 시스템의 메인 광 빔의 투영과 상기 제1 확장 회절 격자의 그레이팅 라인 사이의 예각은 (+)30 도 내지 (-)30도의 범위를 포함할 수 있다.
상기 제 1 확장 회절 격자는 투영 시스템으로부터의 광이 입사하는 상기 제 1 확장 도파관의 제 1 표면에 위치할 수 있다.
상기 제 1 확장 도파관의 제 2 표면은 미러 코팅을 가질 수 있다.
상기 투영 시스템으로부터의 광이 제1 표면에 입사하고, 상기 제 1 확장 회절 격자가 제 2 표면에 위치할 수 있다.
상기 제 2 도파관은 광이 입사되는 제1 영역, 상기 광이 사용자의 눈에 들어가지 않는 제2 영역, 광이 눈의 동공으로 들어가는 제3 영역을 포함할 수 있다.
상기 제 2 도파관의 제2 영역에서 회절이 발생하지 않도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 회절 격자가, 제1 영역의 회절 효율 > 제3 영역의 회절 효율 > 제2 영역의 회절 효율을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 제2 회절 격자가, 제1 영역의 회절 효율 > 제2 영역의 회절 효율=제3 영역의 회절 효율을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 제2 회절 격자의 제1 영역은 높은 회절 효율을 가지고, 상기 제2 영역 및 제3 영역은 구배 회절 효율을 가질 수 있다.
상기 제 2 회절 격자의 제1 영역은 높은 회절 효율을 가지고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 낮은 회절 효율을 가지고, 상기 제3 영역은 구배 회절 효율을 가질 수 있다.
상기 제 1 확장 도파관과 상기 제 2 도파관은 함께 모놀리식 곡선형 도파관을 구성할 수 있다.
상기 제 1 확장 도파관 및 상기 제 2 도파관은 각각 회절 광학 소자와 홀로그램 소자 중 하나로 구성될 수 있다.
상기 제 2 회절 격자가 하나의 표면에 입력 커플링 회절 격자와 출력 커플링 회절 격자를 포함할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 증강 현실 안경은, 좌안 용 요소와 우안 용 요소를 포함하고, 상기 좌안 용 요소와 우안 용 요소 중 적어도 하나가 투영 시스템, 제1 표면과, 상기 제1 표면에 마주보는 제2 표면을 포함하고, 상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 표면에 입사하는 제 1 확장 도파관, 상기 제 1 확장 도파관에 구비된 제 1 확장 회절 격자, 상기 확장 도파관으로부터의 광이 입사되는 제2 도파관, 및 상기 제 2 도파관에 구비된 제 2 회절 격자를 포함하고, 상기 제 1 확장 도파관을 출력하는 0차 회절 광이 상기 제 2 도파관에 입사하도록 상기 제 1 확장 회절 격자 및 제 2 회절 격자가 서로에 대해 상이한 평면에 위치될 수 있다.
상기 좌안 용 요소는 상기 우안 용 요소와 별도로 위치하거나, 상기 좌안 용 요소는 우안 용 요소와 결합될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 작동 방법은, 투영 시스템으로부터의 광이 제 1 확장 회절 격자에 입사하는 단계; 상기 제 1 확장 회절 격자에 입사하는 각각의 광의 회절이 (-1)차 회절, 0차 회절 및 (+1)차 회절을 형성하는 단계; 상기 0차 회절 광이 제 1 확장 도파관을 출력하고 제 2 도파관으로 입력하는 단계; 내부 전반사로 인해 상기 제 1 확장 도파관에서 (-1)차 회절 광 및 (+1)차 회절 광이 확장하며, 제1 확장 회절 격자로 돌아가서 서로 일치하지 않는 다른 지점에 입사하며, 상기 (-1)차 회절 광과 상기 (+1)차 회절 광이 각각 새로운 (-1)차 회절, 새로운 0차 회절, 새로운 (+1)차 회절을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 제 2 도파관에 입사한 각각의 0차 회절 광은 상기 제 2 도파관을 통해 제 2 회절 격자를 통과하고, 상기 제 2 회절 격자에 입사하는 각각의 광선의 회절은 (-1)차 회절, 0차 회절 및 (+1)차 회절을 형성하고, (+1)차 회절은 눈을 향하는 제 2 도파관의 면과 반대 면으로부터 반사되고, 제 2 회절 격자로 다시 입사할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치는 넓은 시야각을 제공할 수 있다. 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치는 입력 커플링 회절 격자와 출력 커플링 회절 격자가 하나의 평면에 구비되어 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 근안 디스플레이 장치의 평면도를 도시한 것이다.
도 3은 다른 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 제2 회절 격자의 길이에 따른 회절 효율을 나타낸 것이다.
도 5는 다른 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 개략적인 도면이다.
도 6은 다른 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 개략적인 도면이다.
도 7은 다른 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 개략적인 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 예시적인 실시 예에 따른 증강 현실 안경을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 확장 회절 격자의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 비교 예의 근안 디스플레이 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치, 이를 포함한 증강 현실 안경 및 그 작동 방법에 대해 설명된다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(10)는 한쪽 눈(단일 눈(monocular))을 위한 독립적인 장치로서 사용될 수 있다. 또는, 근안 디스플레이 장치는 두 눈에 각각 구비될 수 있다. 오른쪽 눈 및 왼쪽 눈에 대해 근안 디스플레이 장치를 결합 할 때, 사용자는 스테레오 이미지를 볼 수 있다. 근안 디스플레이 장치는, 예를 들어 증강 현실 안경, 증강 현실 헬멧, 가상 현실 안경 등에서 사용될 수 있다.
근안 디스플레이 장치(10)는, 도 1을 참조하면, 투영 시스템(1), 투영 시스템(1)으로부터의 광이 입사하는 제 1 확장 도파관(2), 및 제2 도파관(3)을 포함할 수 있다.
도 2는 근안 디스플레이 장치의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 제1 확장 도파관(2)은 투영 시스템(1)으로부터의 광이 입사하는 제1 표면(21)과, 제1 표면(21)에 마주보는 제2 표면(22)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 표면(21)과 제2 표면(22)은 평행할 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
제 1 확장 도파관(2)에 제 1 확장 회절 격자(2a)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 확장 회절 격자(2a)가 제2 표면(22)에 구비될 수 있다. 제1 확장 회절 격자(2a)는 예를 들어, 투과형일 수 있다.
제2 도파관(3)에 제 2 회절 격자(3a)가 구비될 수 있다. 제2 도파관(3)은 제1 확장 도파관(2)에서 출력된 광이 입사되는 제3 표면(31)과, 제3 표면(31)에 마주보는 제4 표면(32)을 포함할 수 있다. 제2 회절 격자(3a)가 제3 표면(31)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 제3 표면(31)과 제4 표면(32)은 평행할 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
제 1 확장 도파관(2)과 제 2 도파관(3)이 서로 다른 평면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 확장 도파관(2)과 제2 도파관(3)이 0도 보다 크고 180도 이하의 각도 범위 내에서 서로 다른 평면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 확장 도파관(2)의 제1 평면(21)과 제2 도파관(3)의 제3 평면(31) 사이의 각도(θ)가 0도 보다 크고 180도 이하의 범위를 가질 수 있다. 제1 확장 회절 격자(2a)에서 출력되는 0차 회절 광이 제 1 확장 도파관(2)에 입사하는 광과 동일한 각도를 가지고 제 1 확장 도파관(2)을 출력할 수 있다. 그러므로, 제1 확장 도파관(2)에 입사된 광은 제1 확장 도파관(2)에서 내부 전반사를 통해 넓게 확장되고, 마치 굴절 없이 제1 확장 도파관(2)을 투과하여 제2 도파관(3)에 입사할 수 있다. 제 1 확장 도파관(2) 및 제 2 도파관(3)은 투명할 수 있다.
투영 시스템(1)이 사용자의 두 눈에 각각 사용되는 경우 동일한 이미지가 사용될 수 있다. 다른 예로서, 각각의 투영 시스템 및 각 눈에 대해 별도의 도파관이 사용되는 경우, 각각의 투영 시스템은 각 눈에 대해 각각의 이미지를 투영 할 수 있다. 투영 시스템(1)은 제 1 확장 도파관(2)의 측부에 위치 될 수 있다.
예를 들어, 증강 현실을 표시하기 위한 근안 디스플레이 장치가, 우안 및 좌안 각각에 대해 제공되어, 증강 현실을 표시하기 위한 안경이 구성 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제2 회절 격자(3a)는 광이 입력되는 입력 커플링 회절 격자(4)와 출력 커플링 회절 격자(5)가 하나의 표면에 구비된 구성을 가질 수 있다. 따라서, 입력 커플링 회절 격자와 출력 커플링 회절 격자를 다른 표면에 각각 구비하는 경우에 비해 제조 단가를 줄일 수 있다.
근안 디스플레이 장치는, 오른쪽 눈을 위한 요소 및 왼쪽 눈을 위한 요소를 포함하고, 각각의 요소는 투영 시스템(1), 제1 확장 회절 격자(2a)를 포함하는 확장 도파관(2)과, 회절 격자를(3a) 포함하는 도파관(3)을 포함할 수 있다. 도파관(3)은, 광 입력 영역, 출력 광이 눈으로 들어 가지 않도록 하는 중간 영역, 이미지를 보는 동안 동공이 움직일 때 광이 눈의 동공에 들어갈 수 있는 유용한 광 출력의 영역을 포함할 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치는, 이미지를 수직 및 수평으로 볼 때 시야의 한계를 피할 수 있게 한다. 즉, 가시 시야, 눈의 움직임, 재생 효율을 증가시킬 수 있으며, 또한 안경 시스템은 소형이고 따라서 제조가 용이하고 비용이 저렴하다. 이것은 입력 커플링 회절 격자 및 출력 커플링 회절 격자가 단일 회절 격자로 구성되고, 투영 시스템으로부터의 광을 다중화 또는 확장하기 위한 확장 회절 격자로부터의 광이 도파관으로의 입력 / 출력을 위한 회절 격자로 결합된다는 사실에 의해 달성된다. 예시적인 실시 예에서 홀로그래픽 회절 격자는 회절 격자로서 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
다음의 용어는 예시적인 실시 예들을 설명하기 위해 사용된다:
안구 운동 상자(EMB)는 안구가 움직이는 동안 눈이 전체 가상 이미지를 손실 없이 완전히 볼 수 있는 내측(inside) 영역을 나타낸다. 제 1 확장 회절 격자를 포함하는 제1 확장 도파관은 출사동(exit pupil)을 증식하는 시스템일 수 있다. 즉, 제1 확장 도파관으로부터의 출력에서 하나가 아니라 몇 개의 출사동이 형성되고, 제1 확장 회절 격자와 제1 확장 도파관은 가까이 배치되거나, 접촉하여 배치되거나 또는 서로에 대해 어느 정도 떨어진 거리에 위치할 수 있다. 이와 같이 증식된 출사동의 형성은 넓은 안구 운동 영역을 제공하여 손실 없이 전체 가상 이미지를 완전히 볼 수 있게 한다. 상기 광 빔의 확장 또는 다중화는 왜곡(수차)을 유발하지 않는 폭(빔의 횡 방향 치수)의 증가를 의미한다.
출사동(또는 광학 시스템의 퓨필)은 광선의 직접 코스(direct course)에서 광학 시스템에 의해 형성된 이미지 공간에서 개구 조리개의 근축 이미지를 나타낸다. 이 용어는 광학 분야에서 잘 확립되어 있다. 출사동의 주요 특성은 어느 시점에서든 전체 이미지 필드가 있다는 것이다. 출사동을 증식시킴으로써, 광학 시스템의 종 방향(longitudinal) 치수를 증가시키지 않고 출사동의 크기를 증가시킬 수 있다.
고전 광학 시스템은 출사동의 크기를 증가시키는 한편, 광학 시스템의 종 방향 치수는 증가하는 한편, 예시적인 실시 예의 도파관 광학 장치는 도파관 내부에서 광선의 다중 반사로 인해 종 방향 치수를 증가시키지 않고 출사동 크기를 증가시킬 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 확장 특성은 도파관 및 회절 격자의 격자 라인이 입사 광에 대해 특정 각도에 위치할 때 나타날 수 있다. 이 것들은 아래에서 논의 될 것이다. 회절 효율은 단위 퍼센트 또는 일부로 측정된 회절 격자의 특성이다. 회절 효율은 회절 격자에 입사되는 에너지에 대한, 회절 차수 중 하나에 포함된 에너지의 비율이다. 회절 효율은 공지되어 있다.
예시적인 실시 예에서, 투영 시스템(1)은 제 1 확장 회절 격자(2a)와 제 1 확장 도파관(2)에 대해 소정 각도로 경사져있다. 또한, 제1 확장 회절 격자(2a)가 제 1 확장 도파관(2)에 적용될 때 제 1 확장 회절 격자(2a)의 격자 라인은 입사 광의 수신된 회절 차수의 일부가 내부 전반사를 갖는 제1 확장 도파관(2)을 따라 향하도록 배향될 수 있다.
제1 확장 회절 격자(2a)에 입사한 광은 3 방향으로 전파되는 반면, 0차, (-1차) 및 (+1차) 회절 차수가 형성된다. 회절 격자를 생성하는 많은 방법이 있으며, 예를 들어, 릴리프 회절 격자의 경우 마스크를 통한 에칭 또는 나노 임프린팅에 의해 형성될 수 있고, 홀로그래픽 회절 격자의 경우 간섭 패턴으로 기록 될 수 있다. 예를 들어, 도파관들 사이(제 1 확장 도파관과 제 2 도파관 사이)의 이론적인 각도 범위와, 대응하는 회절 격자들 사이(제1 확장 회절 격자와 제 2 회절 격자 사이)의 이론적인 각도 범위는 예를 들어 (+)90도 내지 (-)90도 범위를 일 수 있다. 제 1 확장 회절 격자(2a)의 그레이팅 주기의 범위는 가시적인 색에 대해 예를 들어, 1200 내지 400 nm일 수 있다. 제 2 회절 격자(3a)의 그레이팅 주기의 범위는 예를 들어, 700 내지 200 nm일 수 있다.
제 1 확장 도파관(2) 및 제 2 도파관(3)은 각각 회절 광학 소자와 홀로그램 소자 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
제안된 장치의 제조를 위해, 예를 들어 유리, 중합체, 결정과 같은 임의의 적합한 재료를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에 있어서, 재료 및 파라미터는 열거된 것으로 제한되지 않으며, 이 것은 당업자에게 명백한 반면에, 모든 옵션들이 당업자에게 자명하기 때문에 상기 옵션은 본 발명을 제한하지 않는다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(100)는 영상을 제공하는 투명 시스템(101), 투영 시스템(101)으로부터의 광이 입사하는 제1 확장 도파관(102), 및 제1 확장 도파관(102)으로부터 출력된 광이 입사하는 제2 도파관(103)을 포함할 수 있다.
제1 확장 도파판(102)은 제1 평면(121)과, 제1 평면(121)에 마주보는 제2 평면(122)을 포함할 수 있다. 투영 시스템(101)으로부터의 광이 제 1 확장 도파관(102)의 제 1 표면(121)에 입사할 수 있다. 제 1 확장 회절 격자(102a)는 제1 표면(121)에 위치 할 수 있다.
제 1 확장 도파관(102)의 제 2 표면(122)에는 반사 코팅(104)이 구비될 수 있다. 반사 코팅(104)은 제 1 확장 도파관(102)의 광 효율을 향상시킬 수 있다. 본 실시 예는, 제1 확장 회절 격자(102a)가 제 2 표면(122)에 위치하는 경우에 비해 상대적으로 광 효율을 높일 수 있다. 반사 코팅(104)이 제1 확장 회절 격자(102a)가 제 2 표면(122)에 위치 할 때 발생하는 광 손실을 피하도록 도울 수 있다.
제 1 확장 회절 격자(102a)는, 제1 확장 회절 격자(102a)와 제 1 확장 도파관(102)의 경계가 다양한 기하학적 도형, 예를 들어 직사각형, 다각형, 또는 아치형 면을 갖는 임의의 기하학적 도형을 형성하도록 제 1 확장 도파관(102)에 구비될 수 있다, 다시 말하면, 제1 확장 회절 격자(102a)와 제1 확장 도파관(102)이 만나는 경게 면이 다양한 기하학적 도형 가질 수 있다. 또는, 회절 구조를 형성하는 방법에 따라, 제1 확장 회절 격자(102a)가 제 1 확장 도파관(102)의 표면에 직접 형성될 수 있다.
제 1 확장 회절 격자(102a)는 대칭 또는 비대칭형 일 수 있다. 다른 경계 프로파일은 이미지의 성능과 눈의 이미지의 균일성에 영향을 줄 수 있다. 제1 확장 회절 격자(102a)와 제1 확장 도파관(102)의 경계 프로파일은 목표에 따라, 예를 들어, 상이한 장소에서의 이미지 강도 분포의 주어진 그림을 얻거나, 시야에 걸쳐 투영 시스템으로부터 불균일한 이미지 밝기를 보상하는 것과 같은 목표에 따라 선택 될 수 있다.
제 2 회절 격자(103a)는 각각 상이한 회절 효율을 가지는 복수 개의 영역을 가질 수 있다. 증강 현실을 디스플레이 하기 위한 장치의 모든 요소와 조합하여, 회절 효율의 다양한 구성은 시야에서 불균일한 밝기를 보상하고 눈이 보는 이미지의 균일성을 증가시킬 수 있게 한다.
도 4는 제2 도파관(103)의 회절 효율에 따른 복수 개의 영역을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 제 2 회절 격자(103a)의 전체 영역은 여러 영역으로 분할될 수 있다. 예를 들어, 제2 회절 격자(103a)는 광이 입력되는 제1 영역(I), 출력 광이 눈에 들어가지 않는 제2 영역(II), 출력 광이 눈으로 들어가는 유용한 제3 영역(III)을 포함할 수 있다. 안구 운동 필드(field)에서 보는 동안, 눈의 동공을 움직일 때 유용한 제3 영역(III)으로부터의 광이 눈의 동공에 들어갈 수 있다. 예를들어, 제1 영역(I)이 입력 커플링 회절 격자를 포함하고, 제3 영역(III)이 출력 커플링 회절 격자를 포함할 수 있다.
도 4에 도시 된 바와 같이, 제 2 회절 격자(103a)는 제1, 제2, 및 제3 영역들(I)(II)(III)에서 상이한 회절 효율을 가질 수 있다. 제 2 회절 격자(103a)의 제1, 제2, 제3 영역(I)(II)(III)의 회절 효율 분포는 그래프로 개략적으로 도시되어 있다.
제2 회절 격자(103a)는 다양한 형태로 회절 효율을 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 a)에 대해 설명하면 다음과 같다.
제 1 확장 도파관(102)에서 나오는 광이 제2 도파관(103)으로 입사되기 때문에, 제 2 회절 격자(103a)에 광이 입력되는 제1 영역(I)에서 최대 회절 효율을 가질 수 있다. 제1 영역(I)이 가장 낮은 손실을 가질 수 있다. 제 2 회절 격자(103a)의 최대 회절 효율은 사용자에게 높은 이미지 밝기 및 광범위한 밝기를 제공할 수 있다,
제2 영역(II)은 최소 회절 효율을 가질 수 있다. 이상적인 경우에는 제2 영역(II)의 회절 효율이 0일 수 있다.
제3 영역(III)에서, 유용한 광 출력 필드에서 상대적으로 낮은 회절 효율을 가지며, 이는 균일한 이미지 출력 즉, 균일한 이미지 밝기가 보장할 수 있다. 결과적으로, 제1 영역(I)의 회절 효율 > 제 3 영역(III)의 회절 효율 > 제2 영역(II)의 회절 효율의 관계를 가질 수 있다.
다음은, 도 4의 b)에 대해 설명한다.
제1 영역(I)은 제 2 회절 격자(103a) 내로 광이 입사하는 영역이므로 최대 회절 효율을 가지며, 그로 인해 제1 확장 도파관(102)으로부터 나오는 광이 가장 낮은 손실을 가지고 제 2 회절 격자(103a) 내로 입사될 수 있다. 최대 회절 효율은 높은 이미지 밝기를 제공하고, 따라서 사용자를 위한 광범위한 밝기 설정을 제공할 수 있다.
제2 영역(II) 및 제3 영역(III)은 최대 회절 효율보다 작은 평균 회절 효율을 가질 수 있다. 여기서, 평균 회절 효율은 사용되는 회절 격자 유형에 대한 최대효율에 대한 평균을 나타내는 것으로, 최대 효율과 최소 효율 사이의 중간 값을 의미할 수 있다. 따라서, 제1 영역(I)의 회절 효율 > 제 2 영역(II)의 회절 효율=제3 영역(III)의 회절 효율의 관계를 가질 수 있다.
다음은 도 4의 c)에 대해 설명한다.
제1 영역(I)은 제 2 회절 격자(103a) 내로 광이 입사하는 영역이므로 최대 회절 효율을 가지고, 그로 인해 제 1 확장 도파관(102)으로부터 나오는 광이 가장 낮은 손실을 가지고 제 2 회절 격자(103a) 내로 입사될 수 있다.
제2 영역(II)과 제3 영역(III)은 구배 회절 효율을 가질 수 있다. 회절 효율이 제2 영역(II)에서 제3 영역(III)에 걸쳐 점차 증가하는 분포를 가질 수 있다. 이 경우, 도 4의 a)와 비교할 때, 근안 디스플레이 장치의 전체 광 효율을 증가시킬 수 있다.
다음은 도 4의 d)에 대해 설명한다.
제1 영역(I)은 제 2 회절 격자(103a) 내로 광이 입사하는 영역이므로 최대 회절 효율을 가지고, 그로 인해 제 1 확장 도파관(102)으로부터 나오는 광이 가장 낮은 손실을 가지고 제 2 회절 격자(103a) 내로 입사될 수 있다.
제2 영역(II)은 최소 회절 효율을 가질 수 있다.
제3 영역(III)은 구배 회절 효율을 가질 수 있다.
도 4의 d)의 경우, 제 2 도파관(103)의 광 효율이 좋고, 도 4의 b)는 제2 회절 격자의 제조가 용이하다.
도 5는 다른 실시 예예 따른 근안 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(200)는 투영 시스템(201)과, 제1 확장 도파관(202)과,제2 도파관(203)을 포함할 수 있다. 제1 확장 도파관(202)에 제1 확장 회절 격자(202a)가 구비될 수 있다. 제1 확장 도파관(202)은 제1 표면(221)과, 제1 표면(221)과 마주보는 제2 표면(222)을 포함할 수 있다. 제1 확장 회절 격자(202a)가 예를 들어, 제2 표면(222)에 구비될 수 있다. 제2 도파관(203)에 제2 회절 격자(203a)가 구비될 수 있다. 투영 시스템(201)으로부터의 광이 제1 확장 도파관(202)의 제2 표면(221)을 향해 입사될 수 있다.
제2 도파관(203)은 광이 입력되는 제1 영역(I), 출력 광이 눈에 들어가지 않는 제2 영역(II), 출력 광이 눈으로 들어가는 유용한 제3 영역(III)을 포함할 수 있다. 안구 운동 필드(field)에서 보는 동안, 눈의 동공을 움직일 때 유용한 제3 영역(III)으로부터의 광이 눈의 동공에 들어갈 수 있다.
제2 도파관(203)의 제2 영역(II)에서 회절이 발생하지 않을 수 있다. 즉, 제2 영역(II)의 회절 효율이 0일 수 있다.
예를 들어, 제2 도파관(203)의 제2 영역(II)에는 제 2 회절 격자(203a)가 구비되지 않거나 제로 회절 효율을 가질 수 있다. 제2 영역(II)에서는 광을 출력하기 위한 어떠한 기능적 부하(load)를 가지지 않는다. 제 2 도파관(203)의 제2 영역(II)에서는 광이 제2 도파관(203)을 출사하지 않으며, 내부 전반사에 의해 제2 도파관(203)을 따라 더 멀리 진행할 수 있다. 이로 인해, 광 손실이 감소될 수 있다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(300)는 투영 시스템(301)과, 제1 확장 도파관(302)과,제2 도파관(303)을 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는 제1 확장 도파관(302)과 제2 도파관(303)이 일체형으로 형성될 수 있다. 제1 확장 도파관(302)에 제1 확장 회절 격자(302a)가 구비될 수 있다. 제1 확장 도파관(302)은 제1 표면(321)과, 제1 표면(321)과 마주보는 제2 표면(322)을 포함할 수 있다. 제1 확장 회절 격자(302a)가 예를 들어, 제1 표면(321)에 구비될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되지 않고, 제1 확장 회절 격자가 제2 표면(322)에 구비되는 것도 가능하다. 제2 도파관(303)에 제2 회절 격자(303a)가 구비될 수 있다. 투영 시스템(301)으로부터의 광이 제1 확장 도파관(302)의 제1 표면(221)에 입사될 수 있다.
제1 확장 도파관(302)과 제2 도파관(303)이 모노리식 곡선형 도파관으로 구성될 수 있다. 제 1 확장 도파관(302)은 일 방향으로 만곡된 도파관의 일부를 구성하고, 제2 도파관(203)은 다른 방향으로 굽은 동일한 도파관의 일부를 구성할 수 있다. 본 실시 예는 근안 디스플레이 장치에 기초한 안경 제조에 유리하다. 본 실시 예의 작동 원리는 위에서 설명한 것과 동일하다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
디스플레이 장치(400)는 투영 시스템(401)과, 제1 확장 도파관(402)과, 제2 도파관(403)을 포함할 수 있다. 제1 확장 도파관(402)은 제1 표면(421)과, 제1 표면(421)과 마주보는 제2 표면(422)을 포함할 수 있다. 제1 표면(421)과 제2 표면(422)이 평행할 수 있다. 제1 확장 도파관(402)의 제1 표면(421)에 제1 확장 회절 격자(402a)가 구비될 수 있다. 제2 표면(422)에 반사 코팅(404)이 구비될 수 있다.
제2 도파관(403)에 제2 회절 격자(403a)가 구비될 수 있다. 투영 시스템(301)으로부터의 광이 제1 확장 도파관(402)의 제1 확장 회절 격자(402a)에 입사될 수 있다. 제2 도파관(403)은 제3 표면(431)과, 제3 표면(431)과 마주보는 제4 표면(432)을 포함할 수 있다. 제3 표면(431)과 제4 표면(432)이 평행할 수 있다. 제2 회절 격자(403a)는 제4 표면(432)에 구비될 수 있다. 제1 확장 도파관(402)으로부터 출력된 광은 제4 표면(432)으로 입사될 수 있다.
제1 확장 도파관(402)과 제2 도파관(403)은 예를 들어, 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 확장 도파관(402)의 제1 표면(421)의 일부가 제2 도파관(403)의 제4 표면(422)의 일부와 중첩되어 마주보도록 배치될 수 있다. 그리고, 제1 확장 도파관(402)과 제2 도파관(403)은 이격 되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 도파관(403)이 제1 확장 도파관(402)의 상부에 위치할 수 있다. 본 실시 예는 증강 현실 헬멧 장착 시스템에 유리하게 적용될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치는 예를 들어, 증강 현실 안경에 적용될 수 있다.
증강 현실 안경은 왼쪽 눈을 위한 제1 요소, 오른 쪽 눈을 위한 제2 요소를 포함할 수 있다.
도 8a를 참조하면, 왼쪽 눈에 대한 이미지를 생성 및 전송하는 제 1 요소와,오른쪽 눈에 대한 이미지를 생성 및 전송하기 위한 제 2 요소가 각각 구비될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 제1 요소와 제2 요소는 각각 자신의 투영 시스템(1), 및 제 1 확장 회절 격자(2a)를 갖는 제 1 확장 도파관(2)을 포함할 수 있다. 왼쪽 눈을 위한 제 1 요소의 제 2 도파관(3) 및 제 2 회절 격자(3a)는 왼쪽 눈 위에 배치된 별개의 좌측 안경 프레임(LGF)에 배치될 수 있다. 오른 쪽 눈을 위한 제2 도파관(3)과 제2 회절 격자(3a)는 오른 쪽 눈 위에 배치된 별개의 우측 안경 프레임(RGF)에 배치될 수 있다. 본 실시 예에서는, 왼쪽 눈과 오른 쪽 눈에 각각 다른 영상을 제공하여, 스테레오 이미지를 제공 할 수 있다.
도 8b에 도시된 증강 현실 안경에서는, 제 1 요소(왼쪽 눈 용)가 제 2 요소(오른쪽 눈용)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 요소(왼쪽 눈 용)의 제 2 도파관(3)은 제 2 요소(오른쪽 눈 용)에 공용될 수 있다. 투영 시스템(1)과 제1 확장 도파관(2)은 왼쪽 눈과 오른 쪽 눈에 각각 구비될 수 있다. 왼쪽 눈 및 오른 쪽 눈에 공용인 입력/출력용 제 2 회절 격자(3a)를 가진 제2 도파관(3)은 왼쪽 눈 및 오른 쪽 눈 위에 위치하는 안경의 공통 프레임(GF)에 배치될 수 있다. 제2 도파관(3)은 왼쪽 눈 및 오른 쪽 눈을 위한 시야 각(field of view)을 결합할 수 있다.
제1 요소와 제2 요소는 각각 자신의 투영 시스템(1) 및 제 1 확장 회절 격자(2a)를 갖는 제 1 확장 도파관(2)을 포함하고, 제1 요소와 제2 요소는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 측면에 각각 위치한다. 이 실시 예에서, 2 개의 투영 시스템(1)은 그들의 작업을 동기화하기 위한 하나의 공통 드라이버를 갖지만, 스테레오 이미지를 제공 할 수 없다.
도 8c는 증강 현실 안경의 다른 예를 도시한 것이다.
본 실시 예에서는 제 1 요소(왼쪽 눈 용)는 제 2 요소(오른쪽 눈 용)와 결합될 수 있다. 즉, 제1 요소가 왼쪽 눈과 오른 쪽 눈에 공용으로 사용될 수 있다. 제 2 회절 격자(3a)가 구비된 제2 도파관(3)은 왼쪽 눈 위과 오른쪽 눈 위에 위치한 공통 안경 프레임(GF)상에 배치될 수 있다. 본 실시 예에서, 제 1 요소(왼쪽 눈 용) 및 제 2 요소(오른쪽 눈 용)는 하나의 투영 시스템(1) 및 하나의 제 1 확장 도파관(2)을 포함하며, 투영 시스템(1)과 제1 확장 도파관(2)은 왼쪽 또는 오른쪽 눈의 측면에 배치될 수 있다.
도 9 및 도 10은 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다. 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치의 작동 방법은 도 3에 도시된 실시 예를 참조하여 설명한다.
예시적인 실시 예에서는 (+1)차 광, 0차 광 및 (-1)차 광을 모두 사용할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제1 확장 회절 격자(102a)와 제1 회절 격자(103a)가 다른 평면에 위치하고 광이 입력되는 것과 동일한 각도로 광이 출력될 수 있다. 이 때문에 눈이 보는 이미지는 좌표축에 의해 제한되지 않는다. 또한, 이미지가 밝고 눈의 이동 영역을 확장하고, 사용자에게 더 편안하다. 투영 시스템(101)으로는 예를 들어, DMD 프로젝터, LCoS 프로젝터, SLM 프로젝터, 레이저 스캐너 프로젝터 등과 같은 소형 프로젝터를 사용할 수 있다.
도 9 및 도 10은 제 1 확장 회절 격자(102a)가 제 1 확장 도파관(102)의 제 1 표면(121) 상에 구비될 때, 제 1 확장 도파관(2)에서 광의 확장이 어떻게 발생 하는 지를 도시한 것이다.
도 9 및 도 10에 도시 된 바와 같이, 제 1 확장 회절 격자(102a)를 포함하는 제 1 확장 도파관(102)은 투영 시스템(101)의 출사 동(exit pupil)의 영역에 배치될 수 있다. 제 1 확장 도파관(102)은 임의의 적합한 재료, 예를 들어, 유리, 플라스틱, 또는 결정질 재료 등으로 통상적인 방법에 의해 제작될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제 1 확장 회절 격자(102a)의 그레이팅 라인(110)이 입사 광에 대해 어떻게 위치되는 지가 중요하다는 것을 주목해야 한다. 도 11은 입사 광에 대한 제 1 확장 회절 격자(102a)의 그레이팅 라인(110)의 상대적인 배열을 도시 한 도면이다. 제1 확장 회절 격자(102a)는 입사 광을 (-1)차 광, 0차 광, (+1)차 광 등으로 회절 시킬 수 있다. 이 경우, 모든 회절 차수가 유용 할 수 있다. 투영 시스템(101)으로부터의 광의 확장(증식)을 위해 필요한 조건은 투영 시스템(101)의 필드 중심의 전파 방향을 따라 배열된 제1 확장 회절 격자(102a)의 그레이팅 라인의 배열 위치이다.
당업자는 각도 필드(angular field) 및 선형 필드(linear field)와 같은 개념을 알고 있는 반면, 각도 필드는 본 출원에서, 필드 중심 및 필드 에지라는 용어에 관련되어 있다. 다시 말해서, 제 1 확장 회절 격자(102a)의 그레이팅 라인(110)은 제1 확장 회절 격자(102a) 상으로의 입사 광의 투영을 따라 위치될 수 있다. 투영 시스템(101)의 메인 빔의 제 1 확장 도파관(102)의 평면 상으로의 투영과 그레이팅 라인(110) 사이의 예각(α)은 (-)30 도 내지 (+) 30도 범위를 가질 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시 된 바와 같이, 투영 시스템(101)으로부터의 빔은 제 1 확장 회절 격자(102a)에 입사하고, 회절의 결과로서, 빔은 입사 각에 대해 특정 각도로 확장하는 여러 개의 광선(회절 차수)으로 분할될 수 있다. 0차 회절 광은 이들 몇 개의 광선들로부터 도출되는데, 이 광선은 입사 광에 대해 (-1)차 회절 뿐만 아니라 (+1)차 회절의 확장 방향을 변화시키지 않을 수 있다.
(-1)차 회절 광 및 (+1)차 회절 광은 입사 광에 대해 대칭적인 각도로 확장할 수 있다. 0차 회절 광(106)은 제1 확장 도파관(102)을 통과하고, 입사 광의 입사 각(θ1)과 같은 출사 각(θ2)을 가지고 제 1 확장 도파관(102)을 출사하고 제 2 도파관(103)의 제 2 회절 격자(103a)로 입사할 수 있다. 입사 각(θ1 )과 출사 각(θ2)은 제1 확장 회절 격자(102a)에 대한 법선을 기준으로 한다.
(-1)차 회절 광 및 (+1) 차 회절 광은 제 1 확장 도파관(102)에 남아, 제 1 확장 도파관(102)에서 전파되고, 제2 표면(122), 즉 제 1 확장 회절 격자(102a)와 반대 표면에서 반사되고, 내부 전반사(CIR)를 통해 다시 제1 확장 회절 격자(102a)에 도달한다. 또한, (-1)차 회절 광 및 (+1)차 회절 광은 각각 회절을 겪고, 그 결과 각각이 다시 0차 광, (-1)차 광 및 (+1)차 광을 형성함으로써, 1차 확장 영역(111)을 형성할 수 있다. 각각의 0 차 회절 광은 제 1 확장 도파관(102)으로부터 출사하고 제 2 도파관(103)의 제 2 회절 격자(103a)로 들어간다. 그리고, (-1)차 광 및 (+1) 차 광 각각은 전술 한 바와 같이 제 1 확장 도파관(102)에서 확장하여 2차 확장 영역(112)을 형성할 수 있다. 그리고, 각각의 회절 광은 다시 새로운 0차, (-1)차 및 (+1)차로 회절 될 수 있다. 여기서는, 1차 확장 영역과 2차 확장 영역만을 도시하였으나 더 많은 확장 영역이 형성될 수 있다. 그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이 제 1 확장 도파관(102)에 들어간 광에 대해 1차 확장 영역(111)과 2차 확장 영역(112)에 의해 출사 동이 증식될 수 있다.
제 1 확장 도파관(102)으로부터의 0차 회절 광이 제 2 도파관(103)에 입사한 후, 0차 회절 광은 제 2 도파관(103)에 있는 제 2 회절 격자(103a)에 입사하여 눈으로 향하고, 다시 0차, (-1)차 및 (+1)차 회절 광이 형성된다. (-1)차 회절 광은 눈 밖으로 확장되어 쓸모 없게 될 수 있다. 0차 회절 광은 제 2 도파관(103)을 통과하고 투영 시스템(101)으로부터의 초기 빔과 동일한 방향으로 제 2 도파관(103)을 출사할 수 있다. 그리고 0차 회절 광의 각도로 확장되는 (+1)차 회절 광 만이 제 2 도파관(103)에서 내부 전반사를 겪고, 제 2 도파관(103)에 남을 수 있다. 그리고, (+1)차 회절 광이 제 2 도파관(103)의 내부로부터 제 2 회절 격자(103a)로 다시 들어가고, 이것은, 또한 0차, (+1)차, (-1)차로 다시 분할되고, 이 새로운 0차 회절 광은 제 2 도파관(103)을 출사하여 눈으로 들어간다. 그런 다음, 새로운 (+1) 차 회절 광이 제2 도파관(103)을 따라 더 확장되면, 위와 같은 과정이 반복되며, 각각의 0차 회절 광은 전술 한 바와 같이 눈으로 들어갈 수 있다.
전술 한 광의 확장으로 인해, 다수의 출사 동(도 9의 111, 112 참조)이 존재하고, 출사 동들이 이격 되어 있기 때문에, 눈이 움직일 수 있는 필드, 즉 이미지가 눈의 시야에서 사라지지 않는 필드가 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 안구 운동 영역이 넓게 형성될 수 있다. 예시적인 실시 예에 따른 근안 디스프레이 장치는 광을 확장하고 모든 회절 차수를 사용하기 때문에, 투영 시스템(101)으로부터의 광 손실을 감소시킬 수 있다.
제 1 확장 회절 격자(102a)가, 투영 시스템(101)으로부터의 광이 입사하는 제1 확장 도파관(102)의 제 1 표면(121) 상에 위치되는 경우, 투영 시스템(101)으로부터의 광은 제 1 확장 회절 격자(102a)로 입사하고, 입사 광은 (+1)차, 0차 및 (-1)차 광으로 회절 될 수 있다. 그리고, 0차 회절 광은 제 1 확장 도파광(102)으로부터 출력되어 제 2 회절 격자(103a)로 들어간다.
제1 확장 도파관(102)의 제 2 표면(122)이 반사 코팅(104)을 가지는 한편, 제 1 확장 회절 격자(102a)가 제 1 확장 도파관(102)의 제1 표면(121)에 위치하면, (-1)차 회절과 함께 0차 회절이 반사 코팅(104)에서 반사되어 제1 확장 도파관(102)의 제1 표면(121)을 통해 출사한다.
제 1 확장 회절 격자(102a)가 제 2 표면(122) 상에 위치하는 경우, 투영 시스템(101)으로부터의 광은 제1 확장 도파관(102)에 입력되고, 제 1 확장 회절 격자(102a)를 통과하면서, (+1)차, 0차, 및 (-1)차로 회절되고, 0차 회절 광은 제 1 확장 도파관(102)의 제 2 표면(122)으로부터 출력되고, 제 2 회절 격자(103a)로 들어간다.
전술 한 바와 같이, 광을 효과적으로 증식하기 위해서는, 투영 시스템(101)으로부터의 광이 제 1 확장 도파관(102)에 입사하고, 제 1 확장 회절 격자(102a)에 입력되는 각도가 제 1 확장 도파관(2)의 제1 표면(21)에 대한 법선에 대해 0도 내지 90도 범위 내에 있을 수 있다. 투영 시스템(101)으로부터의 광은 제 1 확장 도파관(102)의 제1 표면(121)과, 제1 표면(121)의 법선 사이로 입사한다. 그리고, 전술한 바와 같이, 투영 시스템(101)의 메인 빔의 제 1 확장 도파관(012)의 제1 평면(121) 상으로의 투영과 그레이팅 라인(110) 사이의 예각은 ±30 도의 범위에 있을 수 있다.
예시적인 실시 예는, 제 2 도파관(103) 상에 증착된 제 2 회절 격자(103a)가 제 1 확장 도파관(102)으로부터 입사되는 광을 입력하고 광을 눈 영역으로 출력하는 양쪽에 사용될 수 있다. 제2 회절 격자(103a)의 동일한 그레이팅 라인의 방향은 제 1 확장 회절 격자(102)를 갖는 제 1 확장 도파관(102a)의 위치로 인해 제 2 도파관(103)으로 광을 입력하고 제 2 도파관(103)으로부터 눈 영역으로 광을 출력하기 위해 사용될 수 있다. 이는 제1 확장 회절 격자(102a)를 가지는 제1 확장 도파관(102)이 제 2 회절 격자(103a)를 갖는 제 2 도파관(103)과 서로 다른 평면에 위치하기 때문이다.
명확성을 위해, 다양한 실시 예에 따른 장점은 도 12와 도 13에 도시된 비교 예와 비교하여 설명한다.
도 12는 비교 예의 전형적인 증강 현실 장치 요소를 도시한다
도 12에 도시된 증강 현실 장치는, 투영 시스템(1101)과, 도파관(1102)과, 도파관(1102)에 구비된 회절 격자(1103)를 포함한다. 투영 시스템(1101)으로부터의 방사 선은 좁은 방사 영역(a)을 통해 도파관(1102)으로 진입한다. 광은 회절 격자(1103)를 통과 한 후, 하나의 회절 차수 만이 도파관(1102)으로 들어가고, 광이 눈으로 들어가는 영역에서 시야의 상이한 영역의 교차는 없다. 시야의 하단 부분은 도파관(1102)을 따라 (b) 영역으로 비스듬히 확장하고, 눈이 시야의 중앙 또는 상부를 보고 있으면 광은 눈의 동공에 들어 가지 않는다. 출력 광이 좁은 (c) 영역만을 통해 시야의 중앙 부분으로 나오기 때문에, 눈이 시야의 중앙 부분을 보면 결과적으로 좁은 스트립의 이미지 만이 보인다.
이에 반해, 도 13에 도시 된 바와 같이, 예시적인 실시 예에 따라 제 1 확장 도파관(2)을 사용할 때, 제1 확장 도파관(2)에 의해 확장 된 광은 제 2 도파관(3)에 확장된 영역(A)으로 입력되고, 확장된 광은 (B) 영역 및 (C) 영역에 교차하면서 눈의 동공으로 들어간다. 그리고, 이미지의 하부 부분 및 이미지의 상부 부분을 유지하면서 안구 운동의 넓은 시야를 제공할 수 있다.
종래 기술로부터 알려진 솔루션에서, 화각의 폭에 제한이 있을 때, 내부 전반사가 교란되기 때문에 이미지의 에지가 선명하지만, 이미지의 에지를 담당하는 광은 안구 운동의 시야 안으로 들어가지 않기 때문에 시야로부터 벗어나 볼 수 가 없다. 이에 반해, 다양한 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치에서 사용자는 넓은 시야에서 전체 이미지를 볼 수 있다.
청구 된 발명은 넓은 시야로 인해, 사용자에게 안구 운동의 넓은 시야를 제공하고, 예를 들어 게임 또는 영화에서 흥미로운 존재감을 제공할 수 있다. 고해상도는 사실적인 존재감을 제공할 수 있다. 사용자는 실제 세계와 거의 같은 모든 세부 정보를 볼 수 있다. 증강 현실을 표시하는 장치를 포함하는 안경을 사용하여 영화를 보고, 사용자는 가상 세계에 완전히 몰입 할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 근안 디스플레이 장치는, 고해상도 이미지 및 넓은 시야를 가질 필요가 있는 AR / VR, HUD, HMD 장치 등에 사용될 수 있다. 햇빛을 포함한 밝은 주변 조명에서 증강 현실을 표시하기 위해 제안 된 장치를 사용하는 증강 현실 안경은 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있다.
본 발명이 일부 예시적인 실시 예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정 실시 예에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명은 청구 범위의 본질 및 범위에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다고 가정한다. 또한, 본 발명은 청구 중에 청구가 변경 되더라도 청구 된 발명의 모든 균등물을 유지한다.

Claims (15)

  1. 영상을 표시하는 투영 시스템;
    제1 표면과, 상기 제1 표면에 마주보는 제2 표면을 포함하고, 상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 표면 또는 제2 표면에 입사하는 제 1 확장 도파관;
    상기 제 1 확장 도파관에 구비된 제 1 확장 회절 격자;
    상기 제1 확장 도파관에서 나온 광이 입사하는 제2 도파관; 및
    상기 제2 도파관에 구비된 제 2 회절 격자;를 포함하고,
    상기 제 1 확장 도파관을 출사하는 0차 회절 광이 상기 제 2 도파관에 입사하도록 상기 제 1 확장 회절 격자 및 제 2 회절 격자가 서로에 대해 상이한 평면에 위치된, 근안 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 확장 도파관에 입사하고, 상기 제 1 확장 회절 격자로 입사하는 각도가 상기 제1 확장 도파관의 표면에 대한 법선에 대해 0도 내지 90 도의 범위를 가지는, 근안 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 확장 회절 격자의 그레이팅 라인은 상기 투영 시스템으로부터 제 1 확장 회절 격자 상으로의 광의 투영을 따라 배열되는, 근안 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 확장 도파관의 평면 상으로 상기 투영 시스템의 메인 광 빔의 투영과 상기 제1 확장 회절 격자의 그레이팅 라인 사이의 예각은 (+)30 도 내지 (-)30도의 범위를 포함하는, 근안 디스플레이 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 확장 회절 격자는 투영 시스템으로부터의 광이 입사하는 상기 제 1 확장 도파관의 제 1 표면에 위치하는, 근안 디스플레이 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 확장 도파관의 제 2 표면은 미러 코팅을 갖는, 근안 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 도파관은 광이 입사되는 제1 영역, 상기 광이 사용자의 눈에 들어가지 않는 제2 영역, 광이 눈의 동공으로 들어가는 제3 영역을 포함하는, 근안 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 도파관의 제2 영역에서 회절이 발생하지 않도록 구성된, 근안 디스플레이 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 회절 격자가, 제1 영역의 회절 효율 > 제3 영역의 회절 효율 > 제2 영역의 회절 효율을 가지도록 구성된, 근안 디스플레이 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 회절 격자가, 제1 영역의 회절 효율 > 제2 영역의 회절 효율=제3 영역의 회절 효율을 가지도록 구성된, 근안 디스플레이 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 회절 격자의 제1 영역은 높은 회절 효율을 가지고, 상기 제2 영역 및 제3 영역은 구배 회절 효율을 가지는, 근안 디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 확장 도파관과 상기 제 2 도파관은 함께 모놀리식 곡선형 도파관을 구성하는, 근안 디스플레이 장치.
  13. 좌안 용 요소와 우안 용 요소를 포함하고,
    상기 좌안 용 요소와 우안 용 요소 중 적어도 하나가 투영 시스템, 제1 표면과, 상기 제1 표면에 마주보는 제2 표면을 포함하고, 상기 투영 시스템으로부터의 광이 상기 제 1 표면에 입사하는 제 1 확장 도파관, 상기 제 1 확장 도파관에 구비된 제 1 확장 회절 격자, 상기 확장 도파관으로부터의 광이 입사되는 제2 도파관, 및 상기 제 2 도파관에 구비된 제 2 회절 격자를 포함하고,
    상기 제 1 확장 도파관을 출력하는 0차 회절 광이 상기 제 2 도파관에 입사하도록 상기 제 1 확장 회절 격자 및 제 2 회절 격자가 서로에 대해 상이한 평면에 위치된, 증강 현실 안경.
  14. 투영 시스템으로부터의 광이 제 1 확장 회절 격자에 입사하는 단계;
    상기 제 1 확장 회절 격자에 입사하는 각각의 광의 회절이 (-1)차 회절, 0차 회절 및 (+1)차 회절을 형성하는 단계;
    상기 0차 회절 광이 제 1 확장 도파관을 출력하고 제 2 도파관으로 입력하는 단계;
    내부 전반사로 인해 상기 제 1 확장 도파관에서 (-1)차 회절 광 및 (+1)차 회절 광이 확장하며, 제1 확장 회절 격자로 돌아가서 서로 일치하지 않는 다른 지점에 입사하며,
    상기 (-1)차 회절 광과 상기 (+1)차 회절 광이 각각 새로운 (-1)차 회절, 새로운 0차 회절, 새로운 (+1)차 회절을 형성하는 단계;를 포함하는 근안 디스플레이 장치의 동작 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 도파관에 입사한 각각의 0차 회절 광은 상기 제 2 도파관을 통해 제 2 회절 격자를 통과하고, 상기 제 2 회절 격자에 입사하는 각각의 광선의 회절은 (-1)차 회절, 0차 회절 및 (+1)차 회절을 형성하고, (+1)차 회절은 눈을 향하는 제 2 도파관의 면과 반대 면으로부터 반사되고, 제 2 회절 격자로 다시 입사하는, 근안 디스플레이 장치의 동작 방법.
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