WO2021107720A1 - 광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 길이 확장 방법 - Google Patents

광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 길이 확장 방법 Download PDF

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WO2021107720A1
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light
electroactive
optical
polarization
optical cell
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PCT/KR2020/017190
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에브겐이비치 피스쿠노브드미트리
블라디미로브나 다니로바스베틀라나
빅토로비치 무라베브니코레이
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삼성전자 주식회사
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    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/117—Adjustment of the optical path length

Definitions

  • Exemplary embodiments relate to an optical system, and more particularly, to an optical device capable of extending an optical path length, a display device including the same, and a method.
  • augmented reality or virtual reality (AR/VR) systems for a variety of applications, varifocal glasses for vision correction, especially presbyopia compensation glasses, lenses for photo and video cameras, electroactive diffractive lenses, especially liquid crystal (LC) lenses or Polymer gel-based lenses and the like are used.
  • LC liquid crystal
  • frame shifting is provided to increase the image resolution as well as adjusting the focal length of the optical system to change the visible position of the virtual image.
  • An exemplary embodiment provides an optical device capable of extending an optical path length.
  • An exemplary embodiment provides a display device including an optical device capable of extending a light path length.
  • An exemplary embodiment provides a method for extending the optical path length.
  • An optical device includes at least one electroactive optical cell capable of adjusting a phase profile of light; and an optical path expander configured to expand a path of light by allowing light to pass through the electroactive optical cell in opposite directions a plurality of times.
  • the optical path expander may include at least one of a translucent mirror, a quarter wave plate (QWP), and a polarization selection element.
  • QWP quarter wave plate
  • the polarization selection element may include at least one of a polarization beam splitter, a wire grid polarizer, a cholesteric crystal, a circular polarization selection mirror, or a geometric phase lens.
  • the at least one electroactive optical cell comprises a first electrode layer, a second electrode layer opposite the first electrode layer, and an electroactive layer between the first electrode layer and the second electrode layer, the electroactive layer can be configured to change the phase profile by a voltage applied to the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the polarization selection element may include a first polarization selection element and a second polarization selection element arranged to cross each other.
  • the first polarization selection element may be configured to reflect left circularly polarized light and transmit right circularly polarized light
  • the second polarization selection element may transmit left circularly polarized light and reflect right circularly polarized light
  • the optical path expander may include a translucent mirror disposed before of the electroactive optical cell on the optical path, a quarter wave plate, and a polarizing beam splitter disposed after the electroactive optical cell.
  • the optical path expander includes a polarizing beam splitter disposed before the electroactive optical cell on the optical path, and a first quarter wave plate, a translucent mirror, a second quarter wave disposed after the electroactive optical cell. plate, wire grid polarizer.
  • the optical path expander may be configured to allow light to pass through the at least one electroactive optical cell at least three times.
  • the at least one electroactive optical cell comprises a first electroactive optical cell and a second electroactive optical cell
  • the optical path expander is a first polarizing beam disposed in the optical path prior to the first electroactive optical cell.
  • the optical path expander may include in the optical path a translucent mirror disposed before the at least one electroactive optical cell and a circularly polarization selection mirror disposed after the at least one electroactive optical cell.
  • At least one of the translucent mirror and the circular polarization selection mirror may be configured as a curved surface.
  • a display apparatus includes a display panel for forming an image; and an optical device capable of adjusting a phase profile of the light emitted from the display panel, wherein the optical device includes at least one electroactive optical cell, and light passes through the electroactive optical cell in opposite directions a plurality of times and an optical path expander configured to expand the path of the light.
  • the optical path expander may include at least one of a translucent mirror, a quarter wave plate (QWP), or a polarization selection element.
  • QWP quarter wave plate
  • the polarization selection element may include at least one of a polarization beam splitter, a wire grid polarizer, a cholesteric crystal, a circular polarization selection mirror, or a geometric phase lens.
  • It may further include a waveguide for transmitting the light from the display panel.
  • a method of extending an optical path length of incident light in an optical device comprising:
  • QWP quarter wave plate
  • the first polarized light and the second polarized light may be left circularly polarized light or right circularly polarized light, respectively.
  • the first polarized light and the second polarized light may be linear p-polarized light or linear s-polarized light.
  • the optical device may enlarge the optical path length by allowing light to pass through the electroactive optical cell a plurality of times. Thereby, the optical performance can be ensured while the thickness of the electroactive optical cell is made small, and the reaction rate of the electroactive optical cell can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows an example of an electroactive optical cell provided in an optical device according to an exemplary embodiment.
  • 3 to 6 show examples of electrode structures of an electroactive optical cell provided in an optical device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 illustrates a phase profile for each optical path according to the number of first electrodes of an electroactive optical cell provided in an optical device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 8 shows the combination of each of the phase profiles shown in FIG. 7 .
  • Fig. 9 schematically shows an optical device according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 10 schematically shows an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 11 schematically illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 12 schematically shows an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 13 schematically shows an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 14 schematically shows an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 15 schematically shows an optical device according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 16 shows a modified example of the optical device shown in FIG. 15 .
  • 17 is a diagram for describing an operation of an optical device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining an effect of increasing a resolution according to an operation of the optical device shown in FIG. 17 .
  • FIG. 19 schematically illustrates a display device including an optical device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 20 schematically illustrates a display device including an optical device according to another exemplary embodiment.
  • ...unit and “module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. .
  • connections or connecting members of the lines between the components shown in the drawings illustratively represent functional connections and/or physical or circuit connections, and in actual devices, various functional connections, physical connections that are replaceable or additional may be referred to as connections, or circuit connections.
  • FIG. 1 schematically illustrates an optical device according to an exemplary embodiment.
  • the optical device 10 includes at least one electroactive optical cell 20 and an optical path expander 30 that allows light to pass through the electroactive optical cell 20 at least two or more times in opposite directions.
  • the electroactive optical cell 20 can electrically adjust the optical power.
  • the optical path expander 30 may expand the path of the light by allowing the light to pass through the electroactive optical cell 15 at least twice or more.
  • the optical path expander 30 comprises a first element C1 arranged before the electroactive optical cell 20 and a second element arranged after the electroactive optical cell 20 on the optical path. (C2) may be included.
  • At least one of the first element ⁇ 1 and the second element ⁇ 2 may include at least one of a translucent mirror, a phase retardation element, or a polarization selection element.
  • the translucent mirror, phase retardation element, and polarization selection element can be arranged in various ways before and after the electroactive optical cell 20 . These various examples will be described later.
  • the at least one polarization selection element may include any one of a polarization beam splitter, a wire grid polarizer, a cholesteric crystal, a circular polarization selection mirror, or a geometric phase lens.
  • the first element ⁇ 1 and the second element ⁇ 2 are, for example, a translucent mirror, a phase retardation element (such as for example a quarter-wave plate (QWP) or a half-wave plate (HWP)), circularly polarized light at least one of a polarization selective mirror (eg, a cholesteric crystal), a polarizer (eg, a wire grid polarizer), a polarizing beam splitter (PBS), or a per-pixel polarizer for may include.
  • a polarization selective mirror eg, a cholesteric crystal
  • a polarizer eg, a wire grid polarizer
  • PBS polarizing beam splitter
  • per-pixel polarizer for may include.
  • Optical path expander 30 may provide for selective transmission, reflection, or blocking (reflection or absorption) of light having a given phase or polarization.
  • the first element C1 transmits, for example, incident light PS_in1 having a first polarization state, converts it into light having a second polarization state PS2, and light having a third polarization state PS3 can be reflected and converted into light having the fourth polarization state PS4.
  • the first element C1 may transmit the incident light PS_in2 having the fifth polarization state and convert it into light having the fourth polarization state PS4 .
  • the second element C2 may, for example, partially reflect and partially transmit light having the second polarization state PS2 .
  • the second element C2 may convert a portion of the light having the second polarization state PS2 into light having the third polarization state PS3 and reflect it while outputting a portion of the light PS_out1 .
  • the second element C2 may transmit the light having the fourth polarization state PS4 to output the light PS_out2 .
  • the optical path expander 30 can extend the optical path length by allowing light to pass through the electroactive optical cell 20 a plurality of times.
  • FIG. 2 shows an example of an electroactive optical cell 20 .
  • the electroactive optical cell 20 comprises a first electrode layer 21 , a second electrode layer 28 opposite to the first electrode layer 21 , and between the first electrode layer 21 and the second electrode layer 28 .
  • An electroactive layer 25 may be included.
  • the first electrode layer 21 may be provided on the first substrate 23
  • the second electrode layer 28 may be provided on the second substrate 27 .
  • the first electrode layer 21 may include a plurality of electrodes 22 arranged to be spaced apart from each other. A voltage may be independently applied to each of the plurality of electrodes 22 .
  • the second electrode layer 28 may be a common electrode.
  • the phase profile 40 may be adjusted by selectively applying a voltage to the plurality of electrodes 22 to drive the electroactive layer 25 .
  • the optical power or focal length may be adjusted by adjusting the phase profile 40 .
  • the first electrode layer 21 may include a circular electrode 22a disposed at the center and a concentric ring electrode 22b.
  • the first electrode layer 21 may include strip electrodes 22c arranged in parallel in the horizontal direction.
  • the first electrode layer 21 may include strip electrodes 22d arranged in parallel in a vertical direction.
  • the first electrode layer 21 may include a structure in which polygonal electrodes 22e are arranged.
  • the at least one electroactive optical cell may form a polarization-dependent structure or a polarization-independent structure. Also, electrode patterns of irregular shapes and irregular arrangements may be used.
  • the one or more electroactive optical cells may have a rectangular, circular or any other suitable aperture shape depending on the shape of the selected electrode pattern.
  • the aperture shape of the electroactive optical cell is not limited to round and rectangular, and may in particular be rectangular, polygonal or curved.
  • the shape of the opening of the electroactive optical cell may be arbitrarily selected according to the actual requirements of the optical device, size restrictions, required electrode shapes and sizes, and the like.
  • the first electrode layer 21 and the second electrode layer 28 may include transparent conductive materials well known to those skilled in the art.
  • the first electrode layer 21 and the second electrode layer 28 may include, for example, at least one of indium oxide, tin oxide, indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), or zinc oxide. have.
  • the electroactive optical cell 20 may include an electroactive layer 25 of various types known in the art.
  • the electroactive layer 25 may include a material whose refractive index is changed by an applied voltage.
  • the electroactive layer 25 may comprise, for example, a liquid crystal layer or a polymer gel layer. However, the electroactive layer 25 is not limited thereto.
  • the implementation of the electroactive optical cell 20 is not limited by the electroactive layer of the exemplary kind described above.
  • the effect (polarization) of the electrode on the orientation of the crystals of the electroactive layer 25 is as follows.
  • the voltage applied to the first electrode layer 21 and the second electrode layer 28 changes the orientation of the crystals of the electroactive layer 25, thereby changing the refractive index.
  • the first electrode layer 21 and the second electrode layer 28 are arranged over the entire surface of the electroactive optical cell 20 , and as a specific voltage is applied to each electrode, a voltage profile is created, the voltage profile
  • the transition from to phase profile can be realized by using the phase-voltage dependence characteristic of the material of each electroactive layer 25 .
  • the voltage applied to the electrodes may change the phase profile by the electroactive layer 25 and change the optical power of the electroactive optical cell 20 .
  • the phase delay ⁇ applied by the electroactive optical cell 20 can be proportional to the optical path length OPL as The phase delay ⁇ may indicate an amount of change in the phase profile. The longer the optical path length, the better the optical performance, such as the optical power of the electroactive optical cell 20 .
  • k is a wavenumber equal to (2 ⁇ / ⁇ )
  • ⁇ is the wavelength of light.
  • OPL optical path length
  • n is the refractive index of the electroactive material of the electroactive layer 25 and t is the thickness of the electroactive layer 25 .
  • a change in the voltage applied to each electrode of the electrode layer causes a change in the phase profile of the electroactive layer 25 .
  • the phase retardation value is increased by N times each.
  • the response time ⁇ of the electroactive layer 25 is proportional to the square of the thickness t of the electroactive layer 25 as shown in the following equation.
  • Equations 1, 2 and 3 when a light ray passes through the same electroactive optical cell N times, the thickness t of the electroactive layer 25 for the same optical path length is (1/N) times can be reduced, and the response time of the electroactive optical cell can be reduced by a factor of (1/N 2 ).
  • a smaller thickness of the electroactive layer 25 reduces the response time, but a shorter optical path length may degrade the optical performance of the electroactive optical cell.
  • both the response time and optical performance of the electroactive optical cell can be improved by increasing the optical path length while decreasing the thickness of the electroactive layer 25 .
  • light L may pass through the electroactive optical cell 20 three times.
  • the optical path when the light L first passes through the electroactive optical cell 20 is referred to as OPL1, and the light path when the light L passes through the electroactive optical cell 20 second is referred to as OPL2, and the electroactive optical cell 20 is referred to as OPL2.
  • the optical path when passing through the cell 20 for the third time is referred to as OPL3.
  • FIG. 7 shows phase profiles for the first number of electrodes for the first optical path OPL1 , the second optical path OPL2 , and the third optical path OPL3 , respectively.
  • the vertical axis of the graph represents the phase delay ( ⁇ ).
  • 8 shows the overall phase profile when light passes through the same electroactive optical cell three times. Referring to FIG. 8 , when light passes through the same electroactive optical cell three times, the phase profile for the first optical path OPL1 , the second optical path OPL2 , and the third optical path OPL3 is summed. Profiles may be implemented. Since the amount of change of the overall phase profile is large, it is possible to increase the optical performance of the electroactive optical cell by expanding the range of tunable optical power. Therefore, for an electroactive optical cell of the same thickness, by allowing light to pass through the electroactive optical cell a plurality of times in opposite directions to increase the optical path length, the response time of the electroactive optical cell is reduced, and the optical performance is can be improved
  • the optical path expander 30 increases the optical path length while maintaining the same thickness by allowing light to pass through the electroactive optical cell 20 a plurality of times in opposite directions. can do it
  • the optical device 10 may provide a plurality of channels by dividing the incident light into a plurality of lights having different phase characteristics and/or polarization states. And, it can provide different optical powers and/or different focal plane positions.
  • FIG 9 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • the optical device 100 may include an electroactive optical cell 110 and an optical path expander 120 configured to repeatedly pass the photoelectroactive optical cell 110 in opposite directions. have.
  • the optical path expander 120 may include at least one or more translucent mirrors 122 , at least one or more quarter-wave plate (QWP) 124 , and at least one or more polarizing beamsplitters (PBS) 128 . have.
  • QWP quarter-wave plate
  • PBS polarizing beamsplitters
  • At least one or more translucent mirrors 122 and at least one quarter wave plate 124 may be disposed in the previous optical path of the electroactive optical cell 122 .
  • a polarizing beam splitter 126 may be disposed in the optical path after the electroactive optical cell 122 .
  • An optical device such as a spatial light modulator (SLM)
  • SLM spatial light modulator
  • An optical device can provide a phase retardation for an incident light beam to adjust the optical path length of the light beam.
  • the performance of the spatial light modulator (SLM) can be improved, such as the maximum optical power, the diffraction angle of the light beam, and the aperture diameter of the spatial light modulator (SLM).
  • Birefringence equal to the difference between the refractive index for a non-ordinary beam and the refractive index for an ordinary beam, is determined by the properties of the material used and therefore will be changed for the electroactive material of the optical cell.
  • the thickness of the spatial light modulator SLM
  • the thickness of the electroactive optical cell may be increased, but this may entail longer response times and/or higher voltages for the electrodes required to tune the electroactive optical cell.
  • the optical device when applied to an augmented reality (AR) system or a virtual reality (VR) system, it may cause eye fatigue of the user, and may cause discomfort such as headache and nausea. Problems can arise.
  • AR augmented reality
  • VR virtual reality
  • Most existing AR headsets or VR headsets have a fixed focal length and cannot move the virtual image beyond the focal length. The reason is that the distance at which the user's eyes focus and the convergence of the eyes are not on the same plane during the focal length adjustment process.
  • a VAC collision occurs when the focal plane (eye accommodation on the display) does not match the relative size of the object (convergence of the optical axis of the eye on the object).
  • an important problem when optical devices are used in AR/VR systems is the need to correct the refractive error of the user's eyes for users whose visual acuity is out of standard due to vision disorders such as presbyopia, myopia, and farsightedness.
  • vision disorders such as presbyopia, myopia, and farsightedness.
  • a separate vision correction means such as contact lenses or glasses is used. This makes the use of the AR / VR system inconvenient, degrades the system's performance and user experience, or increases the size of the optical system.
  • known AR/VR systems particularly virtual reality systems
  • Most user devices, particularly displays such as smart phones, tablets, desktop monitors, and televisions, have a resolution sufficient to provide high-quality images to users because users view them with a small angle of view.
  • the virtual reality system displays the image to the user with a large viewing angle, the image resolution is relatively lower.
  • the resolution of an image displayed by a display of a known VR system is not higher than 25 pixels per angle of view, but the human eye can see the image at a resolution of 60 pixels per angle of view. Therefore, there is a need to increase the resolution of images displayed by optical devices in AR/VR systems.
  • Exemplary embodiments may provide an optical device for extending the optical path length of an incident light beam.
  • the optical device may include one or more electroactive optical cells and an optical path expander. Electroactive optical cells and optical path expanders can extend the optical path length of a ray by changing the phase of the ray while providing repeated transmission of the ray in opposite directions. Thereby, it is possible to display the virtual image at various focal lengths.
  • the optical device comprises a greater number of electroactive optical cells, translucent mirrors, quarter-wave plates and each arranged to provide repeated transmission of the light beam and suitably varying phase and/or polarization of the light beam. It may include a polarizing beam splitter. Meanwhile, the configuration of one or more electroactive optical cells and/or selective polarizers with respect to the direction of the incident light beam may vary according to a specific embodiment of the present invention.
  • the at least one electroactive optical cell may be a variable electroactive optical cell comprising an electroactive layer and an electrode pattern, the electroactive layer configured to change the optical path length by applying a respective voltage to the electrode pattern.
  • the selective polarization element may comprise at least two crossed polarization selection mirrors, one of which may be configured to reflect a light beam with a left circular polarization and transmit a light beam with a right circular polarization. The other may be configured to transmit light rays with left circular polarization and reflect rays with right circular polarization.
  • the number of electroactive optical cells and/or translucent mirrors may also be greater than one.
  • the polarization selective mirror may be formed of, for example, a cholesteric crystal, but is not limited thereto.
  • the optical apparatus 100 may operate to extend an optical path length of incident light as follows.
  • Light with s polarization then passes through electroactive optical cell 126 , retains its polarization and reaches polarizing beam splitter (PBS) 128 .
  • Light with s polarization is reflected from the polarizing beam splitter 128 and returned to the electroactive optical cell 126 .
  • Light with s polarization may pass through an electroactive optical cell 126 and be converted to left circularly polarized light (LHCP) through a quarter wave plate 124 . A portion of the left circularly polarized light (LHCP) may be reflected by the translucent mirror 122 to be converted into the right circularly polarized light (RHCP).
  • LHCP left circularly polarized light
  • RHCP right circularly polarized light
  • Right circularly polarized light (RHCP) is converted to p-polarized light by a quarter-wave plate 124 and can then pass through an electroactive optical cell 126 maintaining p-polarized light. Then, the p-polarized light is transmitted to the user's eyes through the polarization beam splitter 128 .
  • the light beam passes through the electroactive optical cell 126 in opposite directions at least three times (two times in the forward direction and once in the reverse direction), so that the optical path length of the light beam can be extended.
  • a polarizing beam splitter 128 is configured to transmit p-polarized light and reflect s-polarized light
  • a translucent mirror 122 transmits a portion of the incident light beam and at least partially optics the light beam. reflected back to the device.
  • the optical device 100 may provide for repeated transmission of light rays.
  • the specific polarization states of light rays transmitted and/or reflected by elements of an optical device are exemplary only, and in other embodiments, elements may transmit and/or reflect light rays with different polarizations.
  • FIG. 10 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • the optical device 200 includes a polarizing beam splitter 210 , an electroactive optical cell 212 , a first quarter-wave plate 214 and a second quarter-wave plate 218 , and , a wire grid polarizer (WGP) 220 .
  • WGP wire grid polarizer
  • a translucent mirror 216 may be further provided between the first quarter-wave plate 214 and the second quarter-wave plate 218 .
  • This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 9 in the arrangement of elements of the optical device.
  • the polarizing beam splitter 210, the first quarter-wave plate 214, the translucent mirror 216, the second quarter-wave plate 218, and the wire grid polarizer 220 form the optical path expander. configurable. Then, the polarizing beam splitter 210 constitutes the first element (C1 in FIG. 1 ) of the optical path expander, the first quarter wave plate 214 , the translucent mirror 216 , and the second quarter wave plate 218 , a wire grid polarizer (WGP) 220 may constitute the second element (C2 in FIG. 1 ).
  • WGP wire grid polarizer
  • the optical device 200 operates as follows.
  • the polarization beam splitter 210 may transmit light of a first linearly polarized light, for example, p-polarized light, and reflect light of a second linearly polarized light, for example, s-polarized light. Of the light incident to the polarization beam splitter 210 , only the p-polarized light may be transmitted. The p-polarized light passes through the electroactive optical cell 212 while maintaining the p-polarized light without changing the phase difference. Then, the p-polarized light passes through the first quarter wave plate 214 .
  • the p-polarized light is converted to right-circularly polarized light (RHCP) by the quarter wave plate 214 , and in the right-circularly polarized light, some light is reflected and some light is transmitted by the translucent mirror 216 .
  • Right circularly polarized light (RHCP) reflected from the translucent mirror 216 may be returned to the first quarter wave plate 214 and be converted into s-polarized light through the first quarter wave plate 214 .
  • the s-polarized light passes through the electroactive optical cell 212 as it is and is directed to the polarizing beam splitter 210 .
  • the s-polarized light is reflected from the polarizing beam splitter 210 and returned to the electroactive optical cell 212 .
  • the s-polarized light passes through the electroactive optical cell 212 as it is and enters the first quarter wave plate 214 .
  • the s-polarized light is converted to left circularly polarized light (LHCP) by the quarter-wave plate 214 , passes through the translucent mirror 216 and is incident on the second quarter-wave plate 218 .
  • Left circularly polarized light (LHCP) is converted to p-polarized light by the second quarter wave plate 218 and is incident on the wire grid polarizer 220 .
  • the p-polarized light may be output through the wire grid polarizer 220 .
  • the wire grid polarizer 220 may pass, for example, p-polarized light and absorb or reflect s-polarized light.
  • wire grid polarizer (WGP) 220 may be dictated by the need to block or conversely output light rays having a desired polarization vector orientation.
  • FIG. 11 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • the optical element 300 includes a pixel level polarizer 310 , a first polarization selection element 312 , a second polarization selection element 314 , a first electroactive optical cell 316 ; A second electroactive optical cell 318 may be included.
  • the first polarization selection element 312 may be arranged to cross the second polarization selection element 314 .
  • the first electroactive optical cell 316 and the second electroactive optical cell 318 may face each other and be arranged in parallel.
  • the first polarization selection element 312 and the second polarization selection element 314 may be disposed between the first electroactive optical cell 316 and the second electroactive optical cell 318 .
  • a first mirror 317 may be provided adjacent to the first electroactive optical cell 316
  • a second mirror 319 may be provided adjacent to the second electroactive optical cell 318 .
  • the optical path expander may include a first polarization selection element 312 and a second polarization selection element 314 .
  • the first polarization selection element 312 may include, for example, a left circularly polarized cholesteric crystal.
  • the second polarization selection element 314 may include, for example, a right-circularly polarized cholesteric crystal.
  • the light rays shown as unpolarized light rays forming two different images formed by the display panel 305 enter the optical device 300 through the pixel unit polarizer 310, and the pixel unit polarizer 310 is Incident light can be converted into right circularly polarized light and left circularly polarized light.
  • the pixel-by-pixel polarizer 310 can change the polarization state as well as change the intensity of light rays from each individual pixel of the display panel 305 .
  • Pixel-by-pixel polarizer 310 may provide one of four possible polarization vector directions on a per-pixel basis, for example, each.
  • the pixel unit polarizer 310 may provide a polarization vector direction of, for example, one of 0°, 45°, 90°, and 135°. This is achieved by providing a superpixel out of four regions according to the number of possible polarization vector directions, each region capable of corresponding to its own intensity modulation and ray polarization.
  • the pixel unit polarizer 310 may resolve a convergence-accommodation conflict by splitting light rays from various images and focusing each beam at a plurality of focal lengths to different focal lengths. See, for example, "A pixelated micropolarizer-based camera for instantaneous interferometric measurements.” by Brock, Neal, Bradley T. Kimbrough, and James E. Millerd. Polarization Science and Remote Sensing V. Vol. 8160. See International Society for Optics and Photonics, 2011.
  • Light emitted from the display panel 305 may be converted into left-circularly polarized light (LHCP) light and right-circularly polarized light (RHCP) light on a pixel-by-pixel basis by the pixel unit polarizer 310 .
  • LHCP left-circularly polarized light
  • RHCP right-circularly polarized light
  • the first polarization selection element 312 may reflect left circularly polarized light and transmit right circularly polarized light.
  • the second polarization selection element 314 may transmit left circularly polarized light and reflect right circularly polarized light.
  • Right circularly polarized light (RHCP) light from the pixel unit polarizer 310 passes through the first polarization selection element 312 and enters the second polarization selection element 314 .
  • the right-circularly polarized light is reflected from the second polarization selection element 314 and is incident on the second electroactive optical cell 318 .
  • Right circularly polarized light may be converted into left circularly polarized light (LHCP) while passing through the second electroactive optical cell 318 and being reflected by the second mirror 319 .
  • Left circularly polarized light passes through the second electroactive optical cell 318 and enters the second polarization selection element 314 .
  • left circularly polarized light may pass through the second polarization selection element 314 and be reflected by the first polarization selection element 312 to be output. This constitutes the first optical path OPL1.
  • Left circularly polarized light (LHCP) light from the pixel unit polarizer 310 is reflected by the first polarization selection element 312 and enters the second polarization selection element 314 .
  • Left circularly polarized light passes through the second polarization selection element 314 and is incident on the first electroactive optical cell 316 .
  • Left circularly polarized light may be converted into right circularly polarized light (RHCP) while passing through the first electroactive optical cell 316 and being reflected by the first mirror 317 .
  • Light of right circular polarization passes through the first electroactive optical cell 316 and enters the second polarization selection element 314 .
  • the right-circularly polarized light may be reflected by the second polarization selection element 314 and may be output through the first polarization selection element 312 . This constitutes the second optical path OPL2.
  • the light passes through the corresponding electroactive optical cell twice.
  • FIG. 12 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • the optical device 400 includes a polarizing beam splitter 410 , an electroactive optical cell 412 , a first quarter wave plate 414 , a translucent mirror 416 , and a second quarter wave plate 418 . ) and a wire grid polarizer 420 .
  • the polarizing beam splitter 410 transmits light of a first linearly polarized light, eg, (+)45 degree polarization, and reflects light of a second linearly polarized light, eg, ( ⁇ )45 degree polarization.
  • a first linearly polarized light eg, (+)45 degree polarization
  • a second linearly polarized light eg, ( ⁇ )45 degree polarization.
  • the electroactive optical cell 412 Light of the first linear polarization is converted into light of right circular polarization (RHCP) by the first quarter wave plate 414 .
  • a portion of the right circularly polarized light (RHCP) light is transmitted through the translucent mirror 416 , and some is reflected off the translucent mirror 416 .
  • the transmitted right circularly polarized light may be converted into a second linearly polarized light by the second quarter wave plate 418 .
  • the wire grid polarizer 420 may reflect or absorb light of the first linear polarization to block it, and transmit the light of the second linear polarization. Accordingly, light of the second linearly polarized light transmitted through the second quarter wave plate 418 may be blocked by the wire grid polarizer 420 .
  • LHCP left circularly polarized light
  • first quarter wave plate 414 When light of right circularly polarized light is reflected by the translucent mirror 416 , it is converted to left circularly polarized light (LHCP) and enters the first quarter wave plate 414 .
  • Left circularly polarized light is converted to a second linearly polarized light by a first quarter wave plate 414 , passes through an electroactive optical cell 412 and enters a polarizing beam splitter 410 .
  • Light of a second linear polarization is reflected from the polarizing beam splitter 410 and re-enters the electroactive optical cell 412 .
  • the second linearly polarized light passing through the electroactive optical cell 412 is converted to left circularly polarized light (LHCP) through the first quarter wave plate 414 .
  • the left circularly polarized light passes through the translucent mirror 416 and is converted to the first linearly polarized light by the second quarter wave plate 418 .
  • the first linearly polarized light may be output through the wire grid polarizer 420 .
  • Light of a first linear polarization enters the user's eye as effective light.
  • the light reflected from the translucent mirror 416 is 50%.
  • the first 25% of the light is transmitted with respect to the incident light.
  • the light output through the wire grid polarizer 420 is 25% of the first incident light.
  • a method of extending the optical path length of an incident ray in an optical device can be characterized as follows.
  • the incident light is split into light having a first polarization and light having a second polarization by the polarization selecting element.
  • the polarization selection element may include, for example, a pixel unit polarizer, a polarization beam splitter (PBS), a wire grid polarizer (WGP), a cholesteric crystal, or a polarization selection mirror made of a material sensitive to the polarization state of incident light.
  • the polarization of at least one of the first polarization and the second polarization may be changed to another polarization by the quarter wave plate (QWP).
  • QWP quarter wave plate
  • Light having a first polarization and light having a second polarization are transmitted through at least one electroactive optical cell, and the light with the changed polarization is at least partially reflected by a polarizing beam splitter (PBS).
  • PBS polarizing beam splitter
  • the reflected light with altered polarization is transmitted through an electroactive optical cell (same or different as mentioned above depending on a given embodiment).
  • the light is at least partially reflected by the translucent mirror, and the light reflected by the translucent mirror is again at least partially transmitted through the electroactive optical cell.
  • Another portion of the light is at least partially transmitted by a polarizing beam splitter (PBS).
  • the above-mentioned first polarization may be left-circular polarization or right-circular polarization
  • the above-mentioned second polarization may be right-circular polarization or left-circular polarization, respectively.
  • the first polarization may be linear s-polarized light or linear p-polarized light
  • the second polarized light may be linear p-polarized or linear s-polarized light, respectively.
  • the first polarization may be (+)45 degree polarized light or (-)45 degree polarized light
  • the second polarized light may be (+)45 degree polarized light or (-)45 degree polarized light, respectively.
  • Transmitting the reflected light with the altered polarization through the electroactive optical cell may include providing light having a first phase difference. And, it may optionally include the step of transmitting the light reflected by the translucent mirror through the electroactive optical cell.
  • the method may include providing light having a second phase difference different from the first phase difference.
  • the phase difference can be zero, for example, when light with polarization unaffected by the electroactive optical cell is transmitted and reflected.
  • the electroactive optical cell 412 may be activated for light with a polarization vector direction of ( ⁇ )45°, and may be passive for light with a polarization vector direction of (+)45°.
  • light with a polarization vector direction of ( ⁇ )45° will pass through the electroactive optical cell 412 twice and be provided with twice the phase defined by the phase profile of the electroactive optical cell 412 .
  • the right-circular polarization after the translucent mirror 416 may be provided with a polarization vector direction of ( ⁇ )45° after the second quarter wave plate 418 .
  • FIG 13 illustrates an optical device 500 according to another embodiment.
  • Optical device 500 includes a first polarizing beam splitter 510 , a first electroactive optical cell 512 , a first quarter wave plate 514 , a translucent mirror 516 , and a second quarter It may include a wave plate 518 , a second electroactive optical cell 519 , and a second polarizing beam splitter 520 .
  • the first polarization beam splitter 510 and the second polarization beam splitter 520 may transmit light of the first linear polarization and reflect light of the second linear polarization.
  • the first linearly polarized light may have, for example, a (+)45° polarization vector direction
  • the second linearly polarized light may have, for example, a ( ⁇ )45° polarization vector direction.
  • first linear polarization Among the lights incident on the first polarization beam splitter 510 , light of a first linear polarization is transmitted, and light of the first linear polarization is transmitted through the first electroactive optical cell 512 .
  • Light of the first linear polarization is converted into light of right circular polarization (RHCP) by the first quarter wave plate 514 .
  • RHCP right circularly polarized light
  • a portion of the right circularly polarized light (RHCP) light is transmitted through the translucent mirror 416 , and some is reflected off the translucent mirror 416 .
  • the transmitted right circularly polarized light may be converted into a second linearly polarized light by the second quarter wave plate 418 . Then, the light of the second linearly polarized light passes through the second electroactive optical cell 519 and is incident on the second polarization beam splitter 520 .
  • Light of the second linear polarization that has passed through the second electroactive optical cell 519 is reflected by the second polarizing beam splitter 520 and returned to the second electroactive optical cell 519 .
  • Light of the second linearly polarized light passing through the second electroactive optical cell 519 may be converted into light of right circularly polarized light (RHCP) by the second quarter wave plate 519 .
  • the right-circularly polarized light may be partially reflected by the translucent mirror 516 and may be converted into light of the first linearly polarized light by passing through the second quarter wave plate 519 .
  • Light of the first linear polarization passes through the second electro-optic cell 519 and is incident on the second polarization beam splitter 520 .
  • Light of the first linear polarization may be output through the second polarization beam splitter 520 .
  • the light path described herein is referred to as a first optical path OP1.
  • the second linearly polarized light passing through the first electroactive optical cell 512 is converted to left circularly polarized light (LHCP) through the first quarter wave plate 514 .
  • LHCP left circularly polarized light
  • Some of the left circularly polarized light passes through the translucent mirror 516 and is converted to the first linearly polarized light by the second quarter wave plate 518 .
  • the first linearly polarized light may pass through the second electroactive optical cell 512 and output through the second polarizing beam splitter 520 .
  • the path of light described herein is referred to as a second optical path OP2.
  • the first linearly polarized light among the light passing through the translucent mirror 516 and the light reflected by the translucent mirror 516 enters the user's eyes as effective light.
  • the first polarizing beam splitter 510 100% of light is incident on the first polarizing beam splitter 510 .
  • the transmittance of the translucent mirror 516 is 50%
  • the light transmitted through the translucent mirror 516 is 50%.
  • the light reflected from the translucent mirror 516 through the second quarter wave plate 518, the second electroactive optical cell 519, the second polarizing beam splitter 520, and the like is 25 %to be.
  • This light is output through the second polarizing beam splitter 520 . Accordingly, the light of the first optical path OP1 outputted through the second polarization beam splitter 520 is 25%.
  • the light reflected from the translucent mirror 515 is 50%. 25% when the reflected light passes back through the translucent mirror 516 via the first quarter wave plate 514, the first electroactive optical cell 512, the first polarizing beam splitter 510, etc. of light is transmitted Accordingly, the light of the second optical path OP2 output through the second polarization beam splitter 520 is 25%.
  • 50% of the total light may be output with respect to the first incident light.
  • reference numerals OPL1 , OPL2 , and OPL3 denote segments of the length of the second optical path OP2
  • reference numerals OPL4 , OPL5 , and OPL6 denote segments of the length of the first optical path OP1
  • the total length of the first optical path OP1 is (OPL4 + OPL5 + OPL6)
  • the total length of the second optical path OP2 is (OPL1 + OPL2 + OPL3).
  • a second electroactive optical cell 519 is added, and the output of the optical device can be increased to an efficiency of 50%.
  • FIG. 14 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • an optical device 600 includes a polarizing beam splitter 610 , an electroactive optical cell 612 , a quarter wave plate 614 , a translucent mirror 616 , and a geometric phase lens 618 . ) may be included.
  • the polarizing beam splitter 610, the quarter-wave plate 614, the translucent mirror 416, and the geometric phase lens 618 may constitute an optical path expander.
  • the optical device 600 operates as follows.
  • the polarization beam splitter 610 may transmit light of a first linearly polarized light, for example, p-polarized light, and reflect light of a second linearly polarized light, for example, s-polarized light. Of the light incident to the polarization beam splitter 610 , only the p-polarized light may be transmitted. Light of p polarization passes through electroactive optical cell 612 while maintaining p polarization. Then, the p-polarized light passes through the quarter wave plate 614 . The p-polarized light is converted to right circularly polarized light (RHCP) by the quarter wave plate 614 , and the right circularly polarized light is partially reflected and some light is transmitted by the translucent mirror 616 .
  • RHCP right circularly polarized light
  • the geometric phase lens 618 converts the right circularly polarized light to the left circularly polarized light, and may act as a convex lens at this time. In addition, the geometric phase lens 618 converts the left circularly polarized light to the right circularly polarized light, and may operate as a concave lens at this time. As such, the geometric phase lens 618 may operate as a convex lens or a concave lens depending on the polarization state of the incident light. In other words, the geometric phase lens 618 may operate as a lens that focuses or diverges light depending on the polarization state of the incident light.
  • the light of the right circularly polarized light (RHCP) is converted to the left circularly polarized light (LHCP) by the geometric phase lens 618, and the light of the left circularly polarized light may be focused.
  • the path of the light traveling in this way is referred to as a first optical path OL1.
  • Right circularly polarized light (RHCP) is converted to left circularly polarized light (LHCP) when reflected from translucent mirror 616 and returned to quarter wave plate 614 .
  • Left circularly polarized light (LHCP) may be converted to s-polarized light through a quarter wave plate 614 .
  • the s-polarized light passes through the electroactive optical cell 612 as it is and is directed to the polarizing beam splitter 610 .
  • the s-polarized light is reflected from the polarizing beam splitter 610 and returned to the electroactive optical cell 612 .
  • phase difference defined by the phase profile of the electroactive optical cell may be provided.
  • PBS polarizing beam splitter
  • the s-polarized light passes through the electroactive optical cell 612 as it is and enters the quarter wave plate 614 .
  • the s-polarized light is converted to left circularly polarized light (LHCP) by the quarter wave plate 614 , passes through the translucent mirror 616 and is incident on the geometric phase lens 618 .
  • LHCP left circularly polarized light
  • LHCP left circularly polarized light
  • RHCP right circularly polarized light
  • two images having different magnifications may be provided.
  • Light passing through the first optical path OL1 may provide a reduced image
  • light passing through the second optical path OL2 may provide an enlarged image.
  • an image matching the visual acuity of both eyes of the user may be provided.
  • the light passes through the electroactive optical cell 612 three times, thereby increasing the optical path length. Therefore, by increasing the optical path length for the electroactive optical cell 612 of the same thickness, optical performance such as optical power control and focal length control can be improved while maintaining or increasing the reaction rate of the electroactive optical cell. have.
  • 15 illustrates an optical device according to another exemplary embodiment.
  • the optical element 700 may include a translucent mirror 710 , an electroactive optical cell 712 , and a polarization selection element 715 .
  • LHCP left circularly polarized light
  • the polarization selection element 715 may be, for example, a circular polarization selection mirror.
  • the polarization selection element 715 may reflect, for example, left circularly polarized light (LHCP) light and transmit right circularly polarized light (RHCP) light. Accordingly, left circularly polarized light (LHCP) light is reflected from the polarization selection element 715 and enters the electroactive optical cell 712 .
  • Left circularly polarized light passing through the electro-optical cell 712 is partially reflected by the translucent mirror 710 and returned to the electroactive optical cell 712 .
  • Left circularly polarized light that has passed through the electroactive optical cell 712 may pass through the polarization selection element 715 and be output.
  • the translucent mirror 710 and the polarization selection element 715 may constitute an optical path expander. Accordingly, in the present embodiment, the optical path expander can be configured simply. The light path length can be extended by allowing light to pass through the electroactive optical cell 712 three times.
  • FIG. 16 is a modified example of the optical element shown in FIG. 15 .
  • the optical element 700A may include a translucent mirror 710a , an electroactive optical cell 712 , and a polarization selection element 715a .
  • optical operation of the optical element 700A is similar to that of the optical element 700 shown in FIG. 15 , a detailed description thereof will be omitted.
  • At least one of the translucent mirror 710a and the polarization selection element 715a may be configured as a curved surface.
  • the translucent mirror 710a may have a curved shape concave toward the electroactive optical cell 712 .
  • the polarization selection element 715a may have a curved shape concave toward the electroactive optical cell 712 .
  • the translucent mirror 710a and the polarization selection element 715a may each have a concave shape in a direction opposite to that shown in FIG. 16 .
  • the semi-transparent mirror 710a or the polarization selection element 715a When the semi-transparent mirror 710a or the polarization selection element 715a is configured as a curved surface, it may have optical power. Thus, their optical power can be synthesized into the variable optical power by the electroactive optical cell 712 . Alternatively, the optical aberration may be corrected by configuring at least one of the translucent mirror 710a and the polarization selection element 715a as a curved surface.
  • the light path expander may further include a wire grid polarizer (WGP) configured to transmit light of one polarization type and reflect or absorb light of another polarization type.
  • WGP wire grid polarizer
  • the optics may further comprise a geometric phase lens (GPL) configured to focus light rays with different polarizations at different focal lengths.
  • GPL geometric phase lens
  • the selective polarizer element may include elements such as translucent mirrors and/or at least one polarization selective mirror having a curvature, which is consistent with the variable phase profile of the one or more variable electroactive cells, the constant phase profile. can be added.
  • the optical device in an augmented reality (AR) or virtual reality (VR) system, the optical device according to an exemplary embodiment may be implemented as a so-called optical wedge.
  • AR augmented reality
  • VR virtual reality
  • the electroactive optical cell can act as an optical wedge to increase the resolution of the image displayed by the optical device.
  • the constant phase profile may enable an optical power offset or aberration correction and/or an optical wedge angle offset of the at least one variable electroactive cell.
  • FIG 17 illustrates a case in which an electroactive optical cell of an optical device operates as an optical wedge according to an exemplary embodiment.
  • the electroactive optical cell 800 may form a phase profile of a prism structure by a voltage applied to the electrode.
  • the phase profile of the prismatic structure can diffract the light beam.
  • the electroactive optical cell 800 may generate a first frame in which incident light is diffracted with a diffraction angle ⁇ , and a second frame in which light is transmitted in a straight line. Here the image is not shifted through diffraction of the optical beam.
  • FIG. 18 illustrates a pixel of a first frame and a pixel of a second frame.
  • the pixels of the first frame and the pixels of the second frame may overlap to show an image to the user.
  • the fast switching of the first and second frames superimposed on each other eg, at frequencies higher than 50 Hz
  • FIG. 19 illustrates a display device according to an exemplary embodiment.
  • the display device 1000 includes a display panel 1100 that provides an image and at least one optical device that adjusts a phase profile of light from the display panel 1100 .
  • the display panel 1100 may be, for example, a liquid crystal display (LCD), an organic LED (OLED), an inorganic LED (ILED), an active matrix having an organic light emitting diode (AMOLED), a transparent organic light emitting diode (TOLED), or a quantum dot display. (QOLED, QLED) and the like.
  • LCD liquid crystal display
  • OLED organic LED
  • ILED inorganic LED
  • AMOLED organic light emitting diode
  • TOLED transparent organic light emitting diode
  • QLED quantum dot display.
  • the display panel is not limited thereto.
  • the at least one optical device may include, for example, a first optical device 1200 , a second optical device 1300 , and a third optical device 1400 .
  • One of the optical devices described with reference to FIGS. 1 to 18 may be employed as the first to third optical devices 1200 , 1300 , and 1400 .
  • the display apparatus 1000 may further include a waveguide 1250 .
  • the waveguide 1250 may include a first surface 1251 and a second surface 1252 facing the first surface 1251 .
  • the first optical device 1200 is provided on one side of the first surface 1251 of the waveguide 1250
  • the second optical device 1200 is provided on the other side of the second surface 1252 of the waveguide 1250
  • the third optical device 1300 may be disposed to face the second optical device 1200 on the first surface 1251 of the waveguide 1250 .
  • the first optical device 1200 may be disposed between the display panel 1100 and the waveguide 1250 .
  • the first optical device 1200 may adjust the optical power (focal length) so that the image from the display panel 1100 is well focused on the user's eyes.
  • the second optical device 1300 may adjust the optical power so that a real object from the outside can be easily seen.
  • the third optical device 1300 may, for example, adjust the optical power to supplement the user's eyesight.
  • the third optical device 1300 may be optional as needed.
  • the at least one optical device may be variously disposed on a path of a light beam from a display panel connected by a waveguide to display a virtual image superimposed on the real-world image in an augmented reality (AR) system.
  • AR augmented reality
  • a convergence-accommodation conflict may be eliminated, and a refraction error of the user's eye may be corrected.
  • FIG. 20 illustrates a display device according to another exemplary embodiment.
  • the display device 2000 includes a display panel 2100 that provides an image and at least one optical device that adjusts a phase profile of light from the display panel 2100 .
  • the at least one optical device may include, for example, a first optical device 2200 and a second optical device 2300 .
  • One of the optical devices described with reference to FIGS. 1 to 18 may be employed as the first and second optical devices 2200 and 2300 .
  • the display device 2000 may further include a waveguide 2250 .
  • the waveguide 2250 may include a first surface 2251 and a second surface 2252 facing the first surface 2251 .
  • the first optical device 2200 may be provided on the first surface 2251 of the waveguide 2250
  • the second optical device 2200 may be provided on the second surface 2252 of the waveguide 2250
  • the first optical device 2200 and the second optical device 2300 may be disposed to face each other with the waveguide 2250 interposed therebetween.
  • the first optical device 2200 may adjust the optical power (focal length) so that the image from the display panel 2100 is well focused on the user's eyes.
  • the second optical device 2300 may adjust the optical power so that a real object from the outside can be easily seen.
  • the first optical device 2200 may be configured to have a first optical power D1 so that light from the display panel 2100 is focused on the user's eyes.
  • the second optical device 2300 may be configured to have a second optical power ⁇ D1 having the same magnitude as the first optical power D1 but opposite in sign. In this case, when the user sees the real object from the outside, it can feel as if the user sees the real object with the naked eye without the first optical device 2200 and the second optical device 2300 .
  • the display apparatuses 1000 and 2000 may be applied to, for example, a virtual reality apparatus, an augmented reality apparatus, a heads-up display, a head mounted display, and the like.
  • the image in addition to moving the image to increase the resolution of the image displayed to the user, it provides multi-channels using a selective polarization structure and transmission/reflection of light with different phases and/or different polarizations. can do.
  • images of different objects may be positioned at different depths along the optical axis and may be moved substantially in the direction of the optical axis to be closer or further away from the user's eyes. This can resolve vergence-accommodation conflicts (VAC), correct refractive errors in the eyes of users with visual impairments, and display images to users.
  • VAC vergence-accommodation conflicts
  • the optical device may adjust a focal length and extend an optical path length.
  • the optical device according to the exemplary embodiment may be applied to an augmented reality or virtual reality (AR / VR) system, variable focus glasses for vision correction, lenses for photo and video cameras, and the like.
  • An optical device may change the position of a virtual image by changing the focal length or by increasing the resolution of an augmented reality or virtual reality (AR/VR) device, and may change the position of a virtual image for people with visual impairments such as nearsightedness, presbyopia, farsightedness, etc. It can be useful for users.
  • an apparent position of an image of a virtual object overlapping each object in the real world may be changed.
  • AR augmented reality
  • augmented reality goggles or a head-up display (HUD) this improves vision in limited visibility conditions (especially at night, fog, blind spots) and provides the user with additional information.
  • the additional information may include, for example, navigation information, vehicle movement characteristics, obstacle warnings, and the like.
  • one or more optical devices may be used, which may include one or more electroactive optical cells and the aforementioned optical path expander.
  • the electroactive optical cell may have a plurality of stack structures, which may increase the diameter and/or thickness and maximum optical power and/or image shift angle of the optical device, etc., depending on the application of the given optical device.
  • the optical device according to various embodiments when used in a virtual reality (VR) system, the resolution of an image displayed to a user of the VR system may be increased.
  • the optical path length may be extended, for example, 3 times. In this case, it is possible to increase the response speed of the optical device by a factor of 9 and decrease the thickness by a factor of 3.

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Abstract

광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 확장 방법이 개시된다. 개시된 광학 장치는, 광의 위상 프로파일을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀; 및 광이 상기 전기 활성 광학 셀을 서로 반대 방향으로 광 복수 회 투과하도록 하여 광의 경로를 확장시키도록 구성된 광 경로 확장기;를 포함한다.

Description

광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 길이 확장 방법
예시적인 실시예는 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 경로 길이를 확장할 수 있는 광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이다.
다양한 응용 분야를 위해 증강 현실 또는 가상 현실 (AR / VR) 시스템에, 시력 교정을 위한 가변 초점 안경, 특히 노안 보상 안경, 사진 및 비디오 카메라 용 렌즈, 전기 활성 회절 렌즈, 특히 액정 (LC) 렌즈 또는 폴리머 겔 기반 렌즈 등이 사용된다. 이러한 광학 시스템을 개선하기 위해, 가상 이미지의 가시적인 위치를 변경하기 위한 광학 시스템의 초점 길이 조정뿐만 아니라 이미지 해상도를 증가시키기 위해 프레임 시프팅을 제공한다.
예시적인 실시 예는 광 경로 길이를 확장할 수 있는 광학 장치를 제공한다.
예시적인 실시 예는 광 경로 길이를 확장할 수 있는 광학 장치를 포함한 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 실시 예는 광 경로 길이를 확장할 수 있는 방법을 제공한다.
예시적인 실시 예에 따른 광학 장치는, 광의 위상 프로파일을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀; 및 광이 상기 전기 활성 광학 셀을 서로 반대 방향으로 광 복수 회 투과하도록 하여 광의 경로를 확장시키도록 구성된 광 경로 확장기;를 포함할 수 있다.
상기 광 경로 확장기는 반투명 거울, 1/4 파장 판(QWP), 및 편광 선택 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 편광 선택 소자는, 편광 빔 스플리터, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 결정, 원편광 선택 거울 또는 기하학적 위상 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀은 제1 전극 층, 제1 전극 층과 마주보는 제2 전극 층, 및 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 전기 활성 층을 포함하고, 상기 전기 활성 층은 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층에 인가된 전압에 의해 위상 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
상기 편광 선택 소자는, 서로 교차하여 배열된 제1 편광 선택 소자와 제2 편광 선택 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 편광 선택 소자는, 좌원 편광은 반사시키고, 우원 편광은 투과시키도록 구성되고, 상기 제2 편광 선택 소자는 좌원 편광을 투과시키고, 우원 편광을 반사 시킬 수 있다.
상기 광 경로 확대기는 광 경로 상에서 상기 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 반투명 거울, 1/4 파장 판과, 상기 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
상기 광 경로 확대기는 광 경로 상에서 상기 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 편광 빔 스플리터와, 상기 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 제1 1/4 파장 판, 반투명 거울, 제2 1/4 파장 판, 와이어 그리드 편광기를 포함할 수 있다.
상기 광 경로 확대기는 광이 상기 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀을 적어도 3회 통과하도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀이 제1 전기 활성 광학 셀과 제2전기 활성 광학 셀을 포함하고, 상기 광 경로 확대기가 광 경로 상에서 상기 제1 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 제1 편광 빔 스플리터와, 상기 제1 전기 활성 광학 셀과 제2 전기 활성 광학 셀 사이에 배치된 제1 1/4 파장 판, 반투명 거울, 제2 1/4 파장 판과, 상기 제2 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 와이어 그리드 편광기를 포함할 수 있다.
상기 광 경로 확대기가 광 경로 상에서 상기 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 반투명 거울과, 상기 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 원편광 선택 거울을 포함할 수 있다.
상기 반투명 거울과 원편광 선택 거울 중 적어도 하나가 곡면으로 구성될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치는, 영상을 형성하는 디스플레이 패널; 및 상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 위상 프로파일을 조절할 수 있는 광학 장치;를 포함하고, 상기 광학 장치가, 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀, 및 광이 상기 전기 활성 광학 셀을 서로 반대 방향으로 광 복수 회 투과하도록 하여 광의 경로를 확장시키도록 구성된 광 경로 확장기를 포함할 수 있다.
상기 광 경로 확장기는 반투명 거울, 1/4 파장 판(QWP), 또는 편광 선택 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 편광 선택 소자는, 편광 빔 스플리터, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 결정, 원편광 선택 거울 또는 기하학적 위상 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 패널로부터의 광을 전달하는 도파관을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따르면, 광학 장치에서 입사 광의 광 경로 길이를 확장하는 방법으로서,
상기 입사 광을 제 1 편광을 갖는 광과, 제 2 편광을 갖는 광으로 분할하는 단계; 1/4 파장 판(QWP)에 의해 상기 제 1 편광 및 제 2 편광 중 적어도 하나를 이용하여 광선의 편광을 변환시키는 단계; 전기 활성 광학 셀을 통해 제 1 편광을 갖는 광 및 제 2 편광을 갖는 광을 투과하는 단계; 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 변환된 편광의 광을 적어도 부분적으로 반사시키는 단계; 상기 전기 활성 광학 셀을 통해 변환된 편광의 광을 투과하는 단계; 반투명 거울에 의해 광을 적어도 부분적으로 반사시키는 단계; 및 상기 반투명 거울에 의해 반사 된 광을 상기 전기 활성 광학 셀을 투과하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 편광과 제2 편광은 각각 좌원 편광 또는 우원 편광일 수 있다.
상기 제 1 편광과 제2 편광은 선형 p 편광 또는 선형 s 편광일 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 광학 장치는, 광이 전기 활성 광학 셀을 복수 회 통과하도록 하여 광 경로 길이를 확대할 수 있다. 그럼으로써, 전기 활성 광학 셀의 두께를 작게 하면서 광학 성능을 확보하고, 전기 활성 광학 셀의 반응 속도를 높일 수 있다.
예시적인 실시예들의 본질의 이해를 돕기 위해 이 문서에 도면이 제공된다. 도면은 개략적이며 축척대로 그려지지 않는다. 도면은 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 정의하도록 의도 된 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치에 구비된 전기 활성 광학 셀의 일 예를 도시한 것이다.
도 3 내지 도 6은 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치에 구비된 전기 활성 광학 셀의 전극 구조의 예들을 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치에 구비된 전기 활성 광학 셀의 제1 전극 개수에 따른 위상 프로파일을 각각의 광 경로에 대해 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 각각의 위상 프로파일의 결합을 도시한 것이다.
도 9는 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14는 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15는 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16은 도 15에 도시된 광학 장치의 변형 예를 도시한 것이다.
도 17은 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 17에 도시된 광학 장치의 동작에 따른 해상도 증가 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 포함한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20은 다른 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치를 포함한 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 광학 장치, 이를 포함한 디스플레이 장치 및 광 경로 확장 방법에 대해 상세히 설명한다. 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 광학 장치를 개략적으로 도신한 것이다.
광학 장치(10)는 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀(20)과, 광이 전기 활성 광학 셀(20)을 반대 방향으로 적어도 2번 이상 통과하도록 만드는 광 경로 확장기(30)를 포함한다.
전기 활성 광학 셀(20)은 전기적으로 광학 파워를 조절할 수 있다.
광 경로 확장기(30)는 광이 전기 활성 광학 셀(15)을 적어도 2회 이상 통과하도록 하여 광의 경로를 확장할 수 있다.
도 1을 참조하면, 광 경로 확장기(30)는 광 경로 상에서 전기 활성 광학 셀(20)의 이 전에 배열된 제1 요소(C1) 및 전기 활성 광학 셀(20)의 이 후에 배열된 제2 요소(C2)를 포함할 수 있다.
제1 요소(С1) 및 제2 요소(С2) 중 적어도 하나는 반투명 거울, 위상 지연 소자, 또는 편광 선택 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반투명 거울, 위상 지연 소자 및 편광 선택 소자는 전기 활성 광학 셀(20)의 앞과 뒤에 다양한 방법으로 배열될 수 있다. 이러한 다양한 예들에 대해서는 후술하기로 한다.
적어도 하나 이상의 편광 선택 소자는, 편광 빔 스플리터, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 결정, 원편광 선택 거울 또는 기하학적 위상 렌즈 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 요소(С1) 및 제2 요소(С2)는 예를 들어, 반투명 거울, 위상 지연 소자(예를 들어, 1/4 파장 판(QWP) 또는 반 파장 판(HWP)와 같은), 원형 편광을 위한 편광 선택성 거울(예를 들어, 콜레스테릭 결정과 같은), 편광기(예를 들어, 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)와 같은), 편광 빔 스플리터(PBS), 또는 픽셀 단위 편광기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
광 경로 확장기(30)는 주어진 위상 또는 편광을 갖는 광의 선택적 투과, 반사 또는 차단(반사 또는 흡수)을 제공할 수 있다.
제1 요소(C1)는 예를 들어, 제1 편광 상태를 갖는 입사 광(PS_in1)을 투과시키고, 제2 편광 상태(PS2)를 갖는 광으로 변환하고, 제3 편광 상태(PS3)를 갖는 광을 반사시키고 제4 편광 상태(PS4)를 갖는 광으로 변환할 수 있다. 그리고, 제1 요소(C1)는 제5 편광 상태를 갖는 입사 광(PS_in2)을 투과시키고, 제4 편광 상태(PS4)를 갖는 광으로 변환할 수 있다.
제2 요소(C2)는 예를 들어, 제2 편광 상태(PS2)를 갖는 광을 부분적으로 반사하고, 부분적으로 투과시킬 수 있다. 제2 요소(C2)는 제2 편광 상태(PS2)를 갖는 광의 일부를 제3 편광 상태(PS3)를 갖는 광으로 변환하여 반사하는 한편, 일부 광(PS_out1)을 출력할 수 있다. 그리고, 제2 요소(C2)는 제4 편광 상태(PS4)를 갖는 광을 투과시켜, 광(PS_out2)을 출력할 수 있다.
도 1에서 참조 부호 OPL1, OPL2, OPL3은 결과적인 광 경로의 길이의 세그먼트를 나타내고, 여기서 전체 광 경로는 이들 세그먼트의 길이의 합이다(OPL = OPL1 + OPL2 + OPL3). 광 경로 확장기(30)는 광이 전기 활성 광학 셀(20)을 복수 회 통과하도록 하여 광 경로 길이를 확장할 수 있다.
도 2는 전기 활성 광학 셀(20)의 일 예를 도시한 것이다.
전기 활성 광학 셀(20)은제1 전극 층(21), 제1 전극 층(21)에 마주보는 제2 전극 층(28) 및 제1 전극 층(21)과 제2 전극 층(28) 사이의 전기 활성 층(25)을 포함할 수 있다. 제1 전극 층(21)이 제1 기판(23)에 구비되고, 제2 전극 층(28)이 제2 기판(27)에 구비될 수 있다.
제1 전극 층(21)은 서로 이격 되어 배열된 복수 개의 전극(22)을 포함할 수 있다. 복수 개의 전극(22)에 각각 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 제2 전극 층(28)은 공통 전극일 수 있다. 복수 개의 전극(22)에 선택적으로 전압을 인가하여 전기 활성 층(25)을 구동함으로써 위상 프로파일(40)이 조절될 수 있다. 위상 프로파일(40)을 조절하여 광학 파워 또는 초점 거리를 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 전극 층(21)은 중심에 배치된 원형의 전극(22a)과, 동심의 링 전극(22b)을 포함할 수 있다. 또는, 도 4를 참조하면, 제1 전극 층(21)은 수평 방향으로 평행하게 배열된 스트립 전극(22c)을 포함할 수 있다. 또는, 제5를 참조하면, 제1 전극 층(21)은 수직 방향으로 평행하게 배열된 스트립 전극(22d)을 포함할 수 있다. 또는, 도 6을 참조하면, 제1 전극 층(21)은 다각형의 전극(22e)이 배열된 구조를 포함 할 수 있다. 하지만, 제1 전극 층(21)이 여기에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에 따르면, 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀은 편광-의존적 구조 또는 편광-비 의존적 구조를 형성 할 수 있다. 또한, 불규칙한 형상과 불규칙한 배열의 전극 패턴이 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 하나 이상의 전기 활성 광학 셀은 선택된 전극 패턴의 형상에 따라 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 적절한 개구 형상을 가질 수 있다. 전기 활성 광학 셀의 개구 형상은 원형 및 직사각형으로 제한되지 않으며, 특히 직사각형, 다각형 또는 곡선 일 수 있다. 전기 활성 광학 셀의 개구의 형상은 광학 장치의 실제 요구 사항, 크기 제한, 필요한 전극 모양 및 크기 등에 따라 임의로 선택될 수 있다.
제1 전극 층(21)과 제2 전극 층(28)은 당업자에게 잘 알려진 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제1 전극 층(21)과 제2 전극 층(28)은 예를 들어, 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 아연 산화물(IZO), 인듐 주석 산화물(ITO), 또는 산화 아연 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전기 활성 광학 셀(20)은 당 업계에 공지 된 다양한 종류의 전기 활성 층(25)을 포함할 수 있다. 전기 활성 층(25)은 인가된 전압에 의해 굴절률이 변하는 재질을 포함할 수 있다. 전기 활성 층(25)은 예를 들어, 액정 층 또는 폴리머 겔 층을 포함할 수 있다. 하지만, 전기 활성 층(25)은 여기에 한정되는 것은 아니다.
전기 활성 광학 셀(20)의 구현은 상술 한 예시적인 종류의 전기 활성 층에 의해 제한되지 않는다. 전기 활성 층(25)의 결정의 배향에 대한 전극의 효과(분극)는 다음과 같다. 제1 전극 층(21)과 제2 전극 층(28)에 인가된 전압은 전기 활성 층(25)의 결정의 배향을 변화시키고, 이에 의해 굴절률이 변화된다.
제1 전극 층(21) 및 제2 전극 층(28)은 전기 활성 광학 셀(20)의 전체 표면에 걸쳐 배열되고, 특정 전압이 각각의 전극에 인가됨에 따라, 전압 프로파일이 생성되며, 전압 프로파일에서 위상 프로파일로의 전이는 각각의 전기 활성 층(25)의 물질에 특징적인 상-전압(phase-voltage) 의존성을 사용함으로써 실현될 수 있다. 자세한 내용은 Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, Den Boer W 를 참조할 수 있다.
전극들에 인가 된 전압은 전기 활성 층(25)에 의한 위상 프로파일을 변화시키고, 전기 활성 광학 셀(20)의 광학 파워를 변화시킬 수 있다. 전기 활성 광학 셀(20)에 의해 적용되는 위상 지연(φ)은 다음 식과 같이 광 경로 길이(OPL)에 비례할 수 있다. 위상 지연(φ)은 위상 프로파일의 변화 량을 나타낼 수 있다. 광 경로 길이가 길수록 전기 활성 광학 셀(20)의 광학 파워와 같은 광학 성능이 좋아질 수 있다.
Figure PCTKR2020017190-appb-img-000001
<식 1>
여기서, k는 (2π/λ)와 같은 파수이며, λ는 광의 파장이다. 또한, 광 경로 길이(OPL)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2020017190-appb-img-000002
<식 2>
여기서, n은 전기 활성 층(25)의 전기 활성 물질의 굴절률이고, t는 전기 활성 층(25)의 두께이다.
전극 층의 각 전극에 인가 된 전압의 변화는 전기 활성 층(25)의 위상 프로파일의 변화를 야기한다. 광선이 동일한 전기 활성 광학 셀을 N 회 통과하면, 위상 지연 값이 각각 N 배 증가된다. 전기 활성 층(25)의 응답 시간(τ)은 다음 식과 같이 전기 활성 층(25)의 두께(t)의 제곱에 비례한다.
Figure PCTKR2020017190-appb-img-000003
<식 3>
따라서, 식 1, 2, 3을 참고하면, 광선이 동일한 전기 활성 광학 셀을 N 회 통과할 때, 동일한 광 경로 길이를 위한 전기 활성 층(25)의 두께(t)는 (1/N)배로 감소될 수 있고, 전기 활성 광학 셀의 응답 시간은 (1/N 2 )배로 감소될 수 있다.
전기 활성 층(25)의 두께가 작을수록 응답 시간은 감소되지만, 광 경로 길이가 짧으면 전기 활성 광학 셀의 광학 성능은 저하될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 전기 활성 층(25)의 두께를 감소시키면서, 광 경로 길이는 증가시킴으로써 전기 활성 광학 셀의 응답 시간과 광학 성능 모두를 향상할 수 있다.
도 2를 참조하면, 광(L)이 전기 활성 광학 셀(20)을 세 번 통과할 수 있다. 광(L)이 전기 활성 광학 셀(20)을 첫 번째 통과할 때의 광 경로를 OPL1이라고 하고, 전기 활성 광학 셀(20)을 두 번째 통과할 때의 광 경로를 OPL2라고 하고, 전기 활성 광학 셀(20)을 세 번째 통과할 때의 광 경로를 OPL3라고 한다.
도 7은 제1 전극 개수에 대한 위상 프로파일을 제1 광 경로(OPL1), 제2 광 경로(OPL2), 제3 광 경로(OPL3)에 대해 각각 나타낸 것이다. 그래프의 세로 축은 위상 지연(φ)을 나타낸다. 도 8은 광이 동일한 전기 활성 광학 셀을 3회 통과할 때의 전체 위상 프로파일을 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 광이 동일한 전기 활성 광학 셀을 3회 통과할 때, 제1 광 경로(OPL1), 제2 광 경로(OPL2), 제3 광 경로(OPL3)에 대한 위상 프로파일을 합한 위상 프로파일이 구현될 수 있다. 전체 위상 프로파일의 변화량이 크므로 조절 가능한 광학 파워의 범위를 넓혀 전기 활성 광학 셀의 광학 성능을 높일 수 있다. 따라서, 동일한 두께의 전기 활성 광학 셀에 대해, 광이 전기 활성 광학 셀을 서로 반대의 방향으로 복수 번 통과하도록 하여 광 경로 길이를 증가시킴으로써, 전기 활성 광학 셀의 응답 시간은 감소시키고, 광학 성능은 향상할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광학 소자(10)에서, 광 경로 확장기(30)는 광이 전기 활성 광학 셀(20)을 서로 반대의 방향으로 복수 번 통과하도록 함으로써 동일한 두께를 유지하면서 광 경로 길이를 증가시킬 수 있다.
도 1에서 광이 전기 활성 광학 셀(20)을 3번 통과하며, 광 경로 길이는 (OPL1+OPL2+OPL3)로 확장될 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치(10)는 입사 광을 상이한 위상 특성 및/또는 편광 상태를 갖는 다수의 광으로 분할하여 복수의 채널을 제공할 수 있다. 그리고, 이 것은 다른 광학 파워 및/또는 다른 초점면 위치를 제공할 수 있다.
본 발명의 주어진 실시 예에 따라, 광 경로 확장기의 상기 언급 된 특정 요소의 수 및 광 경로에서의 위치가 달라질 수 있음을 이해해야 한다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
예시적인 실시예에 따른 광학 장치(100)는 전기 활성 광학 셀(110)과, 광이전기 활성 광학 셀(110)을 서로 반대 방향으로 반복적으로 통과하도록 구성된 광 경로 확장기(120)를 포함할 수 있다.
광 경로 확장기(120)는, 적어도 하나 이상의 반투명 거울(122), 적어도 하나의 이상의 1/4 파장 판(QWP)(124), 및 적어도 하나 이상의 편광 빔스플리터(PBS)(128)를 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 반투명 거울(122)과, 적어도 하나 이상의 1/4 파장 판(124)이 전기 활성 광학 셀(122)의 이 전의 광 경로에 배치될 수 있다. 편광 빔 스플리터(126)가 전기 활성 광학 셀(122) 이 후의 광 경로에 배치될 수 있다.
이미지 품질을 개선하기 위해, 광학 장치(100)에서 이미지를 형성하는 광의 광 경로 길이를 연장 할 필요가 있다. 공간 광 변조기(SLM)와 같은 광학 장치는 입사 광선에 대한 위상 지연을 제공하여 광선의 광학 경로 길이를 조절할 수 있다. 광선의 광학 경로 길이를 조절하여 최대 광학 파워, 광선의 회절 각도, 공간 광 변조기(SLM)의 개구 직경과 같은 공간 광 변조기(SLM)의 성능이 개선될 수 있다. 이상 빔(non-ordinary beam)에 대한 굴절률과 정상 빔(ordinary beam)에 대한 굴절률의 차이와 동일한 복굴절(birefringence)은 사용되는 재료의 특성에 의해 결정되기 때문에 광학 셀의 전기 활성 재료에 대해 변경 될 수 없다. 광학 경로 길이를 연장시키기 위해, 공간 광 변조기(SLM)의 두께를 증가시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 전기 활성 광학 셀의 두께를 증가시킬 수 있지만, 이는 전기 활성 광학 셀을 튜닝하는데 필요한 전극에 대해 더 긴 응답 시간 및 / 또는 더 높은 전압을 수반할 수 있다.
이런 경우, 광학 장치가 증강 현실(AR) 시스템 또는 가상 현실(VR) 시스템에 적용될 때, 사용자 눈의 피로를 유발하고, 두통과 메스꺼움과 같은 불편한 느낌을 유발할 수 있는 VAC(vergence-accommodation conflict)의 문제가 생길 수 있다. 대부분의 기존 AR 헤드셋 또는 VR 헤드셋은 초점 거리가 고정되어 있으며 초점 거리 이상으로 가상 이미지를 이동할 수 없다. 그 이유는 초점 거리 조절 과정에서 사용자의 눈이 초점을 맞추는 거리와, 눈의 수렴(eye vergence)이 동일한 평면에 있지 않기 때문이다.
예를 들어, 고정 된 초점 거리에서 가상 물체와 함께 AR 장치를 통해 서로 다른 거리에 위치한 실제 물체를 볼 때, 가상 물체 또는 실제 물체 중 하나 만이 초점 면에 있을 수 있고, 가상 물체와 실제 물체에 동시에 초점이 맞춰질 수 없다. VR 시스템의 경우, 초점 면(디스플레이에서 눈의 조절(eye accommodation))이 물체의 상대적인 크기(물체에서 눈의 광학 축의 수렴)와 일치하지 않을 때 VAC 충돌이 발생한다.
또한, 광학 장치가 AR / VR 시스템에서 사용될 때 중요한 문제는, 노안, 근시, 원시와 같은 시력 장애로 인해 시력이 표준을 벗어난 사용자에 대한 사용자의 눈의 굴절 오차를 교정 할 필요성에 있다. 현재 대부분의 AR / VR 시스템은 초점 거리가 고정되어 있기 때문에 AR / VR 시스템 자체를 통해 사용자 시력의 굴절 오류를 보정 할 수 없으므로 콘택 렌즈나 안경과 같은 시력 교정 수단을 따로 사용한다. 이 것은 AR / VR 시스템의 사용을 불편하게 만들고, 시스템의 성능과 사용자 경험을 저하시키거나, 또는 광학 시스템의 크기를 증가시킨다.
또한, 알려진 AR / VR 시스템, 특히 가상 현실 시스템은 사용자에게 디스플레이 되는 가상 이미지의 해상도가 제한되는 단점이 있다. 대부분의 사용자 기기, 특히 스마트 폰, 태블릿, 데스크탑 모니터, 텔레비전 등의 디스플레이에서는 사용자가 작은 화각으로 시청하므로 사용자에게 고품질 이미지를 제공하기에 충분한 해상도를 갖는다. 이에 반해, 가상 현실 시스템은 이미지를 큰 시야각으로 사용자에게 표시하므로, 이미지 해상도가 상대적으로 더 낮다. 예를 들어, 공지 된 VR 시스템의 디스플레이에 의해 디스플레이 되는 이미지의 해상도는 화각 당 25 픽셀보다 높지 않지만, 사람의 눈은 화각 당 60 픽셀의 해상도로 이미지를 볼 수 있다. 따라서, AR / VR 시스템에서 광학 장치에 의해 디스플레이 되는 이미지의 해상도를 증가시킬 필요가 있다.
예시적인 실시예는, 입사 광선의 광학 경로 길이를 연장하기 위한 광학 장치를 제공할 수 있다.
광학 장치는 하나 이상의 전기 활성 광학 셀과, 광 경로 확장기를 포함할 수 있다. 전기 활성 광학 셀 및 광 경로 확장기는 상호 반대 방향으로 광선의 반복 된 전송을 제공하면서, 광선의 위상을 변경함으로써, 광선의 광학 경로 길이를 연장시킬 수 있다. 그럼으로써, 다양한 초점 길이에서 가상 이미지의 디스플레이를 가능하게 한다.
다른 실시 예에서, 광학 장치는 광선의 반복된 투과 및 적절하게 변화하는 위상 및 / 또는 광선의 편광을 제공하기 위해 각각 배열 된 더 많은 수의 전기 활성 광학 셀, 반투명 거울, 1/4 파장 판 및 편광 빔 스플리터를 포함 할 수 있다. 한편, 입사 광선의 방향에 대한 하나 이상의 전기 활성 광학 셀 및 / 또는 선택적 편광 소자의 구성은 본 발명의 특정 실시 예에 따라 달라질 수 있다.
광학 장치의 가능한 실시 예들 중 일부 및 그 동작 원리가 아래에서 더 상세히 설명 될 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀은 전기 활성 층 및 전극 패턴을 포함하는 가변 전기 활성 광학 셀일 수 있고, 전기 활성 층은 전극 패턴에 각각의 전압을 인가 함으로써 광학 경로 길이를 변경하도록 구성 될 수 있다. 실시 예들 중 적어도 하나에서, 선택적 편광 소자는 적어도 2 개의 교차 편광 선택 거울을 포함 할 수 있으며, 그 중 하나는 좌원 편광으로 광선을 반사하고 우원 편광으로 광선을 투과시키도록 구성 될 수 있다. 다른 하나는 좌원 편광으로 광선을 투과시키고, 우원 편광으로 광선을 반사 시키도록 구성 될 수 있다. 이 경우, 전기 활성 광학 셀 및 / 또는 반투명 거울의 수는 또한 1 보다 클 수 있다. 편광 선택 거울은 예를 들어, 콜레스테릭 결정으로 형성 될 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시 예에 따른 광학 장치(100)는 다음과 같이 입사 광의 광학 경로 길이를 연장하도록 동작할 수 있다.
본 실시 예에서, 사용자의 눈 방향으로의 광의 경로에서, 우원 편광(RHCP)을 갖는 광 및 좌원형 편광(LHCP)을 갖는 광이 반투명 거울(122)을 통과 한 다음 1/4 파장판(QWP)(124)을 통과한다. 1/4 파장판(QWP)(124)은 우원 편광(RHCP)을 제1 선형 편광, 예를 들어, p 편광으로 변환하고, 좌원 편광(LHCP)을 제2 선형 편광, 예를 들어, s 편광으로 변환할 수 있다.
그런 다음, s 편광을 가진 광은 전기 활성 광학 셀(126)을 통해 통과하고, 그 편광을 유지하고 편광 빔 스플리터(PBS)(128)에 도달한다. s 편광을 가진 광은 편광 빔 스플리터(128)에서 반사되어 전기 활성 광학 셀(126)로 돌아온다. s 편광을 가진 광은 전기 활성 광학 셀(126)을 통과하고, 1/4 파장판(124)을 통해 좌원 편광(LHCP)으로 변환될 수 있다. 좌원 편광(LHCP)의 일부는 반투명 거울(122)에서 반사되어 우원 편광(RHCP)으로 변환될 수 있다.
우원 편광(RHCP)은 1/4 파장 판(124)에 의해 p 편광으로 변환되고, 그 후에 전기 활성 광학 셀(126)을 통해 p 편광을 유지하며 통과할 수 있다. 그리고, p 편광은 편광 빔 스플리터(128)를 통해 사용자의 눈으로 전달된다.
상술한 바와 같이, 광선은 전기 활성 광학 셀(126)을 적어도 3 회(정방향으로 2 회 및 역방향으로 1 회) 상호 역방향으로 투과되므로, 광선의 광로 길이를 연장시킬 수 있다. 이 경우, 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)(128)는 p 편광 광을 투과하고 s 편광 광을 반사하도록 구성되며, 반투명 거울(122)은 입사 광선의 일부를 투과하고, 광선을 적어도 부분적으로 광학 장치로 다시 반사시킨다.
따라서, 광학 장치(100)는 광선의 반복 전송을 제공할 수 있다. 광학 장치의 요소에 의해 투과 및 / 또는 반사된 광선의 특정 편광 상태는 단지 예시적인 것이며, 다른 실시 예에서, 요소는 다른 편광으로 광선을 투과 및 / 또는 반사 할 수 있다.
도 10은 다른 실시 예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 광학 장치(200)는 편광 빔 스플리터(210), 전기 활성 광학 셀(212)과, 제1 1/4 파장 판(214)과 제2 1/4 파장 판(218)과, 와이어 그리드 편광기(WGP)(220)를 포함할 수 있다.
제1 1/4 파장 판(214)과 제2 1/4 파장 판(218) 사이에 반투명 거울(216)이 더 구비될 수 있다. 본 실시 예는 도 9에 도시된 실시 예와 비교할 때 광학 장치의 요소 들의 배치가 상이하다. 본 실시 예에서는 편광 빔 스플리터(210), 제1 1/4 파장 판(214), 반투명 거울(216), 제2 1/4 파장 판(218), 와이어 그리드 편광기(220)가 광 경로 확장기를 구성할 수 있다. 그리고, 편광 빔 스플리터(210)가 광 경로 확장기의 제1 요소(도 1의 C1)를 구성하고, 제1 1/4 파장 판(214), 반투명 거울(216), 제2 1/4 파장 판(218), 와이어 그리드 편광기(WGP)(220)가 제2 요소(도 1의 C2)를 구성할 수 있다.
광학 장치(200)는 다음과 같이 작동한다.
편광 빔 스플리터(210)는 제1 선형 편광, 예를 들어 p 편광의 광을 투과시키고, 제2 선형 편광, 예를 들어, s 편광의 광을 반사시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(210)로 입사된 광 중 p 편광의 광만이 투과될 수 있다. p 편광의 광은 위상차를 변화시키지 않고, p 편광을 유지하면서 전기 활성 광학 셀(212)을 통과한다. 그런 다음, p 편광의 광은 제1 1/4 파장 판(214)을 통과한다. p 편광의 광은 1/4 파장 판(214)에 의해 우원 편광(RHCP)으로 변환되고, 우원 편광은 반투명 거울(216)에 의해 일부 광은 반사되고 일부 광은 투과된다. 반투명 거울(216)에서 반사된 우원 편광(RHCP)은 제1 1/4 파장 판(214)으로 되돌아가고, 제1 1/4 파장 판(214)을 통해 s 편광으로 변환될 수 있다. s 편광은 전기 활성 광학 셀(212)을 그대로 통과하여 편광 빔 스플리터(210)로 향한다. s 편광은 편광 빔 스플리터(210)에서 반사되어 전기 활성 광학 셀(212)로 되돌아 간다. 여기서, s 편광의 광이 전기 활성 광학 셀(212)을 통과할 때, 전기 활성 광학 셀의 위상 프로파일에 의해 정의되는 위상 차가 제공된다. 그리고, s 편광의 광이 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 반사되고, 다시 전기 활성 광학 셀(212)을 통과할 때, 입사 광선과 비교하여 2 배의 위상 차를 제공할 수 있다.
s 편광은 전기 활성 광학 셀(212)를 그대로 통과해 제1 1/4 파장 판(214)으로 들어간다. s 편광은 1/4 파장 판(214)에 의해 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 반투명 거울(216)을 통과하여 제2 1/4 파장 판(218)으로 입사한다. 좌원 편광(LHCP)은 제2 1/4 파장 판(218)에 의해 p 편광으로 변환되고 와이어 그리드 편광기(220)로 입사한다. p 편광은 와이어 그리드 편광기(220)를 통과하여 출력될 수 있다. 와이어 그리드 편광기(220)는 예를 들어, p 편광은 통과시키고, s 편광은 흡수하거나 반사시킬 수 있다.
와이어 그리드 편광기(WGP)(220)에 의한 광선의 흡수/반사 정도의 선택은 원하는 편광 벡터 배향을 갖는 광선을 차단하거나 반대로 출력할 필요성에 의해 규정될 수 있다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 광학 소자를 도시한 것이다.
광학 소자(300)는 픽셀 단위 편광기(pixel level polarizer)(310)와, 제1 편광 선택 소자(312)와, 제2 편광 선택 소자(314)와, 제1 전기 활성 광학 셀(316)와, 제2 전기 활성 광학 셀(318)을 포함할 수 있다.
제1 편광 선택 소자(312)는 제2 편광 선택 소자(314)와 교차하여 배열될 수 있다. 제1 전기 활성 광학 셀(316)과 제2 전기 활성 광학 셀(318)은 서로 마주보며 평행하게 배열될 수 있다. 제1 편광 선택 소자(312)와 제2 편광 선택 소자(314)는 제1 전기 활성 광학 셀(316)과 제2 전기 활성 광학 셀(318) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전기 활성 광학 셀(316)에 이웃하여 제1 거울(317)이 구비되고, 제2 전기 활성 광학 셀(318)에 이웃하여 제2 거울(319)이 구비될 수 있다.
본 실시 예에서, 광 경로 확장기는 제1 편광 선택 소자(312)와 제2 편광 선택 소자(314)를 포함할 수 있다. 제1 편광 선택 소자(312)는 예를 들어, 좌원 편광 콜레스테릭 결정을 포함할 수 있다. 제2 편광 선택 소자(314)는 예를 들어, 우원 편광 콜레스테릭 결정을 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는 디스플레이 패널(305)에 의해 형성된 2 개의 상이한 이미지를 형성하는 비 편광 광선으로 도시된 광선이 픽셀 단위 편광기(310)를 통해 광학 장치(300)로 들어가고, 픽셀 단위 편광기(310)는 입사 광을 우원 편광 및 좌원 편광으로 변환할 수 있다.
광학 장치(300)의 동작에 대해 설명한다.
픽셀 단위 편광기(310)는 디스플레이 패널(305)의 각각의 개별 픽셀로부터의 광선의 강도를 변화시킬 뿐만 아니라 편광 상태를 변화할 수 있다. 픽셀 단위 편광기(310)는 픽셀 단위로 예를 들어, 각각 4 개의 가능한 편광 벡터 방향 중 하나를 제공 할 수 있다. 픽셀 단위 편광기(310)는 예를 들어, 0 °, 45 °, 90 °, 135 °중 하나의 편광 벡터 방향을 제공할 수 있다. 이것은 가능한 편광 벡터 방향의 수에 따라 4 개의 영역 중에서 슈퍼 픽셀을 제공함으로써 달성되며, 각각의 영역은 그 자체의 강도 변조 및 광선 편광에 대응할 수 있다.
픽셀 단위 편광기(310)는 다양한 이미지로부터의 광선을 분할하여 복수의 초점 거리에서 각각의 빔을 서로 다른 초점 거리로 포커싱하여 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 해결할 수 있다. 예를 들어, Brock, Neal, Bradley T. Kimbrough와 James E. Millerd의 "A pixelated micropolarizer-based camera for instantaneous interferometric measurements." Polarization Science and Remote Sensing V. Vol. 8160. International Society for Optics and Photonics, 2011를 참조할 수 있다.
디스플레이 패널(305)에서 나온 광은 픽셀 단위 편광기(310)에 의해 픽셀 단위로 좌원 편광(LHCP)의 광과 우원 편광(RHCP)의 광으로 변환될 수 있다.
제1 편광 선택 소자(312)는 좌원 편광의 광을 반사시키고, 우원 편광의 광을 투과시킬 수 있다. 제2 편광 선택 소자(314)은 좌원 편광의 광을 투과시키고, 우원 편광의 광을 반사시킬 수 있다.
픽셀 단위 편광기(310)로부터의 우원 편광(RHCP)의 광은 제1 편광 선택 소자(312)를 투과하여 제2 편광 선택 소자(314)로 들어간다. 우원 편광의 광은 제2 편광 선택 소자(314)에서 반사되고, 제2 전기 활성 광학 셀(318)로 입사한다. 우원 편광의 광은 제2 전기 활성 광학 셀(318)을 통과하여 제2 거울(319)에서 반사되면서 좌원 편광(LHCP)의 광으로 변환될 수 있다. 좌원 편광의 광은 제2 전기 활성 광학 셀(318)을 통과하여 제2 편광 선택 소자(314)로 들어간다. 그리고, 좌원 편광의 광은 제2 편광 선택 소자(314)를 투과하고 제1 편광 선택 소자(312)에서 반사되어 출력될 수 있다. 이 것은 제1 광 경로(OPL1)를 구성한다.
픽셀 단위 편광기(310)로부터의 좌원 편광(LHCP)의 광은 제1 편광 선택 소자(312)에서 반사되어 제2 편광 선택 소자(314)로 들어간다. 좌원 편광의 광은 제2 편광 선택 소자(314)를 통과하고, 제1 전기 활성 광학 셀(316)로 입사한다. 좌원 편광의 광은 제1 전기 활성 광학 셀(316)을 통과하여 제1 거울(317)에서 반사되면서 우원 편광(RHCP)의 광으로 변환될 수 있다. 우원 편광의 광은 제1 전기 활성 광학 셀(316)을 통과하여 제2 편광 선택 소자(314)로 들어간다. 그리고, 우원 편광의 광은 제2 편광 선택 소자(314)에서 반사되고 제1 편광 선택 소자(312)를 통과하여 출력될 수 있다. 이 것은 제2 광 경로(OPL2)를 구성한다.
제1 광 경로(OPL1)와 제2 광 경로(OPL2)에서 각각, 광은 대응하는 전기 활성 광학 셀을 2번 통과한다.
도 12는 다른 실시 예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
광학 장치(400)는 편광 빔 스플리터(410), 전기 활성 광학 셀(412)과, 제1 1/4 파장 판(414)과, 반투명 거울(416)과, 제2 1/4 파장 판(418)과, 와이어 그리드 편광기(420)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 편광 빔 스플리터(410)는 제1 선형 편광, 예를 들어 (+)45도 편광의 광을 투과시키고, 제2 선형 편광, 예를 들어, (-)45도 편광의 광을 반사시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(410)에 입사된 광 중 제1 선형 편광의 광이 투과하고, 제1 선형 편광의 광이 전기 활성 광학 셀(412)을 투과한다. 제1 선형 편광의 광이 제1 1/4 파장 판(414)에 의해 우원 편광(RHCP)의 광으로 변환된다. 우원 편광(RHCP)의 광의 일부는 반투명 거울(416)을 투과하고, 일부는 반투명 거울(416)에서 반사된다. 투과된 우원 편광의 광은 제2 1/4 파장 판(418)에 의해 제2 선형 편광으로 변환될 수 있다.
와이어 그리드 편광기(420)는 제1 선형 편광의 광을 반사 또는 흡수하여 차단하고, 제2 선형 편광의 광을 투과할 수 있다. 따라서, 제2 1/4 파장 판(418)을 투과한 제2 선형 편광의 광은 와이어 그리드 편광기(420)에 의해 차단될 수 있다.
우원 편광의 광이 반투명 거울(416)에서 반사될 때 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 제1 1/4 파장 판(414)으로 들어간다. 좌원 편광의 광은 제1 1/4 파장 판(414)에 의해 제2 선형 편광으로 변환되고, 전기 활성 광학 셀(412)을 통과하여 편광 빔 스플리터(410)로 들어간다. 제2 선형 편광의 광은 편광 빔 스플리터(410)에서 반사되고, 전기 활성 광학 셀(412)로 다시 들어 간다. 전기 활성 광학 셀(412)을 통과한 제2 선형 편광은 제1 1/4 파장 판(414)을 통해 좌원 편광(LHCP)으로 변환된다. 좌원 편광 중 일부 광이 반투명 거울(416)을 통과하고, 제2 1/4 파장 판(418)에 의해 제1 선형 편광으로 변환된다. 제1 선형 편광은 와이어 그리드 편광기(420)를 통해 출력될 수 있다. 제1 선형 편광의 광이 유효 광으로 사용자의 눈으로 들어간다.
한편, 편광 빔 스플리터(410)에 입사된 광에 대한 와이어 그리드 편광기(410)를 통해 출력된 광의 비율에 대해 설명한다. 여기서, 주변 환경이나 각 광학 요소 등에 의한 광 손실은 무시하기로 한다.
편광 빔 스플리터(410)에 100%의 광이 입사한다. 그리고, 반투명 거울(416)의 투과율이 50%일 때, 반투명 거울(416)에서 반사된 광은 50%이다. 반투명 거울(415)에서 반사된 광이 제1 1/4 파장 판(414), 전기 활성 광학 셀(412), 편광 빔 스플리터(410) 등을 거쳐 다시 반투명 거울(416)을 통과할 때, 처음 입사 광에 대해 25%의 광이 투과한다. 따라서, 와이어 그리드 편광기(420)를 통과하여 출력되는 광은 처음 입사 광에 대해 25%이다.
광학 장치에서 입사 광선의 광 경로 길이를 연장하는 방법은 다음과 같이 특징 지워질 수 있다. 입사 광은 편광 선택 소자에 의해 제 1 편광을 갖는 광 및 제 2 편광을 갖는 광으로 분할된다. 편광 선택 소자는, 예를 들어 픽셀 단위 편광기, 편광 빔 스플리터(PBS), 와이어 그리드 편광기(WGP), 콜레스테릭 결정 또는 입사 광의 편광 상태에 민감한 물질로 제조된 편광 선택 거울 등이 사용될 수 있다.
그 후, 제 1 편광 및 제 2 편광 중 적어도 하나의 편광은 1/4 파장 판(QWP)에 의해 다른 편광으로 변경될 수 있다. 제 1 편광을 갖는 광 및 제 2 편광을 갖는 광은 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀을 통해 투과되고, 편광이 변경된 광은 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 적어도 부분적으로 반사된다. 변경된 편광을 갖는 반사된 광은 전기 활성 광학 셀(주어진 실시 예에 따라 상기 언급 된 것과 동일한 것 또는 다른 것)을 통해 투과된다. 광은 반투명 거울에 의해 적어도 부분적으로 반사되고, 반투명 거울에 의해 반사된 광은 다시 전기 활성 광학 셀을 통해 적어도 부분적으로 투과된다. 광의 다른 부분은 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 적어도 부분적으로 투과된다.
상기 언급 된 제 1 편광은 좌원 편광 또는 우원 편광 일 수 있고, 상기 언급 된 제 2 편광은 각각 우원 편광 또는 좌원 편광 일 수 있다. 또한, 제 1 편광은 선형 s 편광 또는 선형 p 편광 일 수 있고, 제 2 편광은 각각 선형 p 편광 또는 선형 s 편광 일 수 있다. 또한, 제 1 편광은 (+)45도 편광 또는 (-)45도 편광 일 수 있고, 제 2 편광은 각각 (+)45도 편광 또는 (-)45도 편광 일 수 있다.
전기 활성 광학 셀을 통해, 변경된 편광으로 반사 된 광을 전송하는 단계는 제 1 위상차를 갖는 광을 제공하는 단계를 포함 할 수 있다. 그리고, 전기 활성 광학 셀을 통해 반투명 거울에 의해 반사된 광을 투과시키는 단계를 선택적으로 포함 할 수 있다. 제 1 위상차와 다른 제 2 위상차를 갖는 광을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 그러나, 예를 들어 전기 활성 광학 셀에 의해 영향을 받지 않는 편광을 갖는 광이 투과 및 반사될 때, 위상 차가 0일 수 있다.
도 12의 실시 예에서, 전기 활성 광학 셀(412)은 편광 벡터 방향이 (-)45 °인 광에 대해 활성화되고, 편광 벡터 방향이 (+) 45 °인 광에 대해서는 수동적일 수 있다. 이 실시 예에서, (-)45 °의 편광 벡터 방향을 갖는 광은 전기 활성 광학 셀(412)을 두 번 통과하고 전기 활성 광학 셀(412)의 위상 프로파일에 의해 정의되는 위상의 두 배로 제공될 수 있다. 이 실시 예에서, 반투명 거울(416) 이후의 우원 편광은 제2 1/4 파장 판(418) 이후에 (-)45 °의 편광 벡터 방향이 제공될 수 있다.
도 12에서 참조 부호 OPL1, OPL2, OPL3은 결과적인 광 경로의 길이의 세그먼트를 나타내고, 여기서 전체 광 경로는 이들 세그먼트의 길이의 합이다(OPL = OPL1 + OPL2 + OPL3). 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 장치의 출력에서의 효율은 초기 100 %와 비교하여 25 %이다.
도 13은 또 다른 실시 예에 따른 광학 장치(500)를 도시한 것이다.
광학 장치(500)는 제1 편광 빔 스플리터(510), 제1 전기 활성 광학 셀(512)과, 제1 1/4 파장 판(514)과, 반투명 거울(516)과, 제2 1/4 파장 판(518)과, 제2 전기 활성 광학 셀(519), 제2 편광 빔 스플리터(520)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 편광 빔 스플리터(510)와 제2 편광 빔 스플리터(520)는 제1 선형 편광의 광을 투과시키고, 제2 선형 편광의 광을 반사시킬 수 있다. 제1 선형 편광은 예를 들어, (+)45°편광 벡터 방향을 가질 수 있고, 제2 선형 편광은 예를 들어, (-)45°편광 벡터 방향을 가질 수 있다.
제1 편광 빔 스플리터(510)에 입사된 광 중 제1 선형 편광의 광이 투과하고, 제1 선형 편광의 광이 제1 전기 활성 광학 셀(512)을 투과한다. 제1 선형 편광의 광이 제1 1/4 파장 판(514)에 의해 우원 편광(RHCP)의 광으로 변환된다. 우원 편광(RHCP)의 광의 일부는 반투명 거울(416)을 투과하고, 일부는 반투명 거울(416)에서 반사된다.
투과된 우원 편광의 광은 제2 1/4 파장 판(418)에 의해 제2 선형 편광으로 변환될 수 있다. 그리고, 제2 선형 편광의 광이 제2 전기 활성 광학 셀(519)을 통과하여 제2 편광 빔 스플리터(520)에 입사한다.
제2 전기 활성 광학 셀(519)을 투과한 제2 선형 편광의 광은 제2 편광 빔 스플리터(520)에 의해 반사되어 제2 전기 활성 광학 셀(519)로 되돌아 간다. 제2 전기 활성 광학 셀(519)을 통과한 제2 선형 편광의 광이 제2 1/4 파장 판(519)에 의해 우원 편광(RHCP)의 광으로 변환될 수 있다. 우원 편광의 광은 반투명 거울(516)에서 일부 반사되고 제2 1/4 파장 판(519)을 통과하여 제1 선형 편광의 광으로 변환될 수 있다. 제1 선형 편광의 광은 제2 전기 광학 셀(519)을 통과하여 제2 편광 빔 스플리터(520)로 입사한다. 제1 선형 편광의 광은 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통과해 출력될 수 있다. 여기서 설명된 광의 경로를 제1 광 경로(OP1)라고 한다.
다음, 반투명 거울(516)에서 반사된 광의 경로에 대해 설명한다. 우원 편광(RHCP)의 광이 반투명 거울(516)에서 반사될 때 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 제1 1/4 파장 판(514)으로 들어간다. 좌원 편광의 광은 제1 1/4 파장 판(514)에 의해 제2 선형 편광으로 변환되고, 제1 전기 활성 광학 셀(512)을 통과하여 제1 편광 빔 스플리터(510)로 들어간다. 제2 선형 편광의 광은 제1 편광 빔 스플리터(510)에서 반사되고, 제1 전기 활성 광학 셀(512)로 다시 들어 간다. 제1 전기 활성 광학 셀(512)을 통과한 제2 선형 편광은 제1 1/4 파장 판(514)을 통해 좌원 편광(LHCP)으로 변환된다. 좌원 편광 중 일부 광이 반투명 거울(516)을 통과하고, 제2 1/4 파장 판(518)에 의해 제1 선형 편광으로 변환된다. 제1 선형 편광은 제2 전기 활성 광학 셀(512)를 통과하고, 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통해 출력될 수 있다. 여기서 설명된 광의 경로를 제2 광 경로(OP2)라고 한다.
본 실시 예에서는 반투명 거울(516)을 통과한 광과 반투명 거울(516)에서 반사된 광 중 제1 선형 편광의 광이 유효 광으로 사용자의 눈으로 들어간다.
한편, 제1 편광 빔 스플리터(510)에 입사된 전체 광에 대한 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통해 출력된 광의 비율에 대해 설명한다. 여기서, 주변 환경이나 각 광학 요소 등에 의한 광 손실은 무시하기로 한다.
제1 편광 빔 스플리터(510)에 100%의 광이 입사한다. 그리고, 반투명 거울(516)의 투과율이 50%일 때, 반투명 거울(516)를 투과한 광은 50%이다. 그리고, 투과된 광이 제2 1/4 파장 판(518), 제2 전기 활성 광학 셀(519), 제2 편광 빔 스플리터(520) 등을 경유하여 반투명 미러(516)에서 반사된 광은 25%이다. 이 광이 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통과해 출력된다. 따라서, 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통과하여 출력되는 제1 광 경로(OP1)의 광은 25%이다.
다음, 반투명 거울(515)에서 반사된 광은 50%이다. 반사된 광이 제1 1/4 파장 판(514), 제1 전기 활성 광학 셀(512), 제1 편광 빔 스플리터(510) 등을 경유하여 다시 반투명 거울(516)을 통과할 때, 25%의 광이 투과한다. 따라서, 제2 편광 빔 스플리터(520)를 통과하여 출력되는 제2 광 경로(OP2)의 광은 25%이다.
따라서, 본 실시예에서는 처음 입사된 광에 대해 전체적으로 50%의 광이 출력될 수 있다.
도 14에서 참조 부호 OPL1, OPL2, OPL3은 제2 광 경로(OP2)의 길이의 세그먼트를 나타내고, 참조 부호 OPL4, OPL5, OPL6은 제1 광 경로(OP1)의 길이의 세그먼트를 나타낸다. 제1 광 경로(OP1)의 전체 길이는 (OPL4 + OPL5 + OPL6)이고, 제2 광 경로(OP2)의 전체 길이는 (OPL1 + OPL2 + OPL3)이다.
도 13의 실시 예에서, 도 12의 실시 예와 비교할 때, 제 2 전기 활성 광학 셀(519)이 추가되고, 광학 장치의 출력에서 50 %의 효율로 증가시킬 수 있다.
도 14는 다른 실시 예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 광학 장치(600)는 편광 빔 스플리터(610), 전기 활성 광학 셀(612)과, 1/4 파장 판(614)과, 반투명 거울(616)과, 기하학적 위상 렌즈(618)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 편광 빔 스플리터(610), 1/4 파장 판(614), 반투명 거울(416), 기하학적 위상 렌즈(618)이 광 경로 확장기를 구성할 수 있다.
광학 장치(600)는 다음과 같이 작동한다.
편광 빔 스플리터(610)는 제1 선형 편광, 예를 들어 p 편광의 광을 투과시키고, 제2 선형 편광, 예를 들어, s 편광의 광을 반사시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(610)로 입사된 광 중 p 편광의 광만이 투과될 수 있다. p 편광의 광은 p 편광을 유지하면서 전기 활성 광학 셀(612)을 통과한다. 그런 다음, p 편광의 광은 1/4 파장 판(614)을 통과한다. p 편광의 광은 1/4 파장 판(614)에 의해 우원 편광(RHCP)으로 변환되고, 우원 편광은 반투명 거울(616)에 의해 일부 광은 반사되고 일부 광은 투과된다.
우원 편광(RHCP)의 광의 일부가 반투명 거울(616)을 통과한 후에, 기하학적 위상 렌즈(618)로 들어간다.
기하학적 위상 렌즈(618)는 우원 편광을 좌원 편광으로 변환하고, 이 때 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 또한, 기하학적 위상 렌즈(618)는 좌원 편광을 우원 편광으로 변환하고, 이 때 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 이와 같이 기하학적 위상 렌즈(618)는 입사 광의 편광 상태에 따라 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 다시 말하면, 기하학적 위상 렌즈(618)는 입사 광의 편광 상태에 따라 광을 집속하거나 발산하는 렌즈로 동작할 수 있다.
따라서, 우원 편광(RHCP)의 광은 기하학적 위상 렌즈(618)에 의해 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 좌원 편광의 광은 집속될 수 있다. 이와 같이 진행한 광의 경로를 제1 광 경로(OL1)라고 한다.
한편, 반투명 거울(616)에서 반사된 광에 대해 설명한다. 우원 편광(RHCP)은 반투명 거울(616)에서 반사될 때, 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 1/4 파장 판(614)으로 되돌아간다. 좌원 편광(LHCP)은 1/4 파장 판(614)을 통해 s 편광으로 변환될 수 있다. s 편광은 전기 활성 광학 셀(612)을 그대로 통과하여 편광 빔 스플리터(610)로 향한다. s 편광은 편광 빔 스플리터(610)에서 반사되어 전기 활성 광학 셀(612)로 되돌아 간다.
여기서, s 편광의 광이 전기 활성 광학 셀(612)을 통과할 때, 전기 활성 광학 셀의 위상 프로파일에 의해 정의되는 위상 차가 제공될 수 있다. 그리고, s 편광의 광이 편광 빔 스플리터(PBS)(610)에 의해 반사되고, 다시 전기 활성 광학 셀(612)을 통과할 때, 위상 차가 제공될 수 있다.
s 편광은 전기 활성 광학 셀(612)을 그대로 통과해 1/4 파장 판(614)으로 들어간다. s 편광은 1/4 파장 판(614)에 의해 좌원 편광(LHCP)으로 변환되고, 반투명 거울(616)을 통과하여 기하학적 위상 렌즈(618)로 입사한다.
좌원 편광(LHCP)의 광이 기하학적 위상 렌즈(618)를 통과할 때 우원 편광(RHCP)으로 변환되고, 우원 편광의 광은 발산될 수 있다. 이와 같은 광의 경로를 제2 광 경로(OL2)라고 한다.
본 실시 예에서는 서로 다른 배율(magnification)을 가진 두 개의 이미지를 제공할 수 있다. 제1 광 경로(OL1)를 경유한 광은 축소된 이미지를 제공하고, 제2 광 경로(OL2)를 경유한 광은 확대된 이미지를 제공할 수 있다. 이 경우, 사용자의 왼 쪽 눈과 오른 쪽 눈이 서로 다른 시력, 예를 들어 서로 다른 근시(myopia)를 가지고 있을 때, 사용자의 양쪽 눈의 시력에 맞춘 이미지를 제공할 수 있다.
또한, 제2 광 경로(OL2)에서는 광이 전기 활성 광학 셀(612)을 세 번 통과함으로써 광 경로 길이를 증가시킬 수 있다. 그러므로, 동일한 두께의 전기 활성 광학 셀(612)에 대해 광 경로 길이를 증가시킴으로써 전기 활성 광학 셀의 반응 속도를 유지 또는 증가시키는 것과 함께, 광학 파워 조절, 초점 거리 조절과 같은 광학 성능을 향상시킬 수 있다.
도 15는 다른 실시 예에 따른 광학 소자를 도시한 것이다.
광학 소자(700)는 반투명 거울(710)과, 전기 활성 광학 셀(712)과, 편광 선택 소자(715)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 좌원 편광(LHCP)의 광이 반투명 거울(710)에 입사할 수 있다. 좌원 편광의 광은 전기 활성 광학 셀(712)을 통과하여 편광 선택 소자(715)로 들어간다. 편광 선택 소자(715)는 예를 들어, 원편광 선택 거울일 수 있다. 편광 선택 소자(715)는 예를 들어, 좌원 편광(LHCP)의 광은 반사하고, 우원 편광(RHCP)의 광은 투과할 수 있다. 따라서, 좌원 편광(LHCP)의 광은 편광 선택 소자(715)에서 반사되어 전기 활성 광학 셀(712)로 들어간다. 전기 광학 셀(712)을 통과한 좌원 편광의 광이 반투명 거울(710)에서 일부 반사되어 전기 활성 광학 셀(712)로 되돌아 간다. 전기 활성 광학 셀(712)을 통과한 좌원 편광의 광은 편광 선택 소자(715)를 통과하여 출력될 수 있다.
본 실시 예는 반투명 거울(710)과 편광 선택 소자(715)가 광 경로 확장기를 구성할 수 있다. 따라서, 본 실시 예에서는 광 경로 확장기가 간단하게 구성될 수 있다. 광이 전기 활성 광학 셀(712)을 세 번 통과함으로써 광 경로 길이가 확장될 수 있다.
도 16은 도 15에 도시된 광학 소자의 변형 예이다.
광학 소자(700A)는 반투명 거울(710a)과, 전기 활성 광학 셀(712)과, 편광 선택 소자(715a)를 포함할 수 있다.
광학 소자(700A)의 광학적 동작은 도 15에 도시된 광학 소자(700)의 동작과 유사하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
반투명 거울(710a)과 편광 선택 소자(715a) 중 적어도 하나는 곡면으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 반투명 거울(710a)이 전기 활성 광학 셀(712)을 향해 오목한 곡면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 편광 선택 소자(715a)가 전기 활성 광학 셀(712)을 향해 오목한 곡면 형상을 가질 수 있다. 하지만, 반투명 거울(710a)과 편광 선택 소자(715a)는 각각 도 16에 도시된 것과 반대 방향으로 오목한 형상을 가지는 것도 가능하다.
반투명 거울(710a)이나 편광 선택 소자(715a)를 곡면으로 구성하는 경우, 광학 파워를 가질 수 있다. 따라서, 전기 활성 광학 셀(712)에 의한 가변 광학 파워에 이들의 광학 파워가 합성될 수 있다. 또는, 반투명 거울(710a)과 편광 선택 소자(715a) 중 적어도 하나를 곡면으로 구성함으로써 광학 수차를 보정할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 광 경로 확대기는, 하나의 편광 유형의 광선을 투과시키고, 다른 편광 유형의 광선을 반사 또는 흡수하도록 구성된 와이어 그리드 편광기(WGP)를 더 포함 할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 장치는 상이한 초점 거리에서 상이한 편광으로 광선을 집속하도록 구성된 기하학적 위상 렌즈(GPL)를 추가로 포함 할 수 있다. 또한, 일부 실시 형태에서, 선택적 편광 소자는 반투명 거울 및/또는 곡률을 갖는 적어도 하나의 편광 선택 거울과 같은 요소를 포함 할 수 있으며, 이는 하나 이상의 가변 전기 활성 셀의 가변 위상 프로파일에, 일정한 위상 프로파일을 추가할 수 있다.
한편, 증강 현실(AR) 또는 가상 현실(VR) 시스템에서, 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치가 소위 광학 웨지로 구현될 수 있다.
즉, 전기 활성 광학 셀이 광학 장치에 의해 디스플레이 되는 이미지의 해상도를 증가시키기 위해 광학 웨지 역할을 할 수 있다. 이 경우, 일정한 위상 프로파일은, 적어도 하나의 가변 전기 활성 셀의 광학 파워 오프셋 또는 수차 보정 및/또는 광학 웨지 각도 오프셋을 가능하게 할 수 있다.
도 17은 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치의 전기 활성 광학 셀이 광학 웨지로 동작하는 경우를 도시한 것이다.
전기 활성 광학 셀(800)은 전극에 인가되는 전압에 의해 프리즘 구조의 위상 프로파일을 형성할 수 있다. 프리즘 구조의 위상 프로파일은 광 빔을 회절할 수 있다. 전기 활성 광학 셀(800)은 입사 광이 회절 각(σ)을 가지고 회절되는 제1 프레임과, 광이 직진 투과하는 제 2 프레임을 생성할 수 있다. 여기서 이미지는 광학 빔의 회절을 통해 시프트되지 않는다.
도 18은 제1 프레임의 픽셀과 제2 프레임의 픽셀을 도시한 것이다. 제1 프레임의 픽셀과 제2 프레임의 픽셀은 중첩되어 사용자에게 이미지를 보여줄 수 있다. 서로 중첩 된 제 1 및 제 2 프레임의 빠른 스위칭(예를 들어, 50Hz보다 높은 주파수에서)은 사람의 눈에 2 배의 해상도를 갖는 이미지로서 인식되도록 할 수 있다.
도 19는 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
디스플레이 장치(1000)는, 영상을 제공하는 디스플레이 패널(1100) 및 디스플레이 패널(1100)로부터의 광의 위상 프로파일을 조절하는 적어도 하나의 광학 장치를 포함한다.
디스플레이 패널(1100)은 예를 들어, 액정 디스플레이 (LCD), 유기 LED (OLED), 무기 LED (ILED), 유기 발광 다이오드(AMOLED)를 갖는 능동 매트릭스, 투명 유기 발광 다이오드(TOLED), 또는 양자점 디스플레이(QOLED, QLED) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 디스플레이 패널이 여기에 한정되는 것은 아니다.
적어도 하나의 광학 장치는 예를 들어, 제1 광학 장치(1200), 제2 광학 장치(1300), 및 제3 광학 장치(1400)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 광학 장치(1200)(1300)(1400)로는 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 광학 장치들 중 하나가 채용될 수 있다.
디스플레이 장치(1000)는 도파관(1250)을 더 포함할 수 있다. 도파관(1250)은 제1 면(1251)과, 제1 면(1251)에 마주보는 제2 면(1252)을 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(1200)는 도파관(1250)의 제1 면(1251)의 일 측에 구비되고, 제2 광학 장치(1200)는 도파관(1250)의 제2 면(1252)의 다른 측에 구비될 수 있다. 제3 광학 장치(1300)는 도파관(1250)의 제1 면(1251)에서 제2 광학 장치(1200)와 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 광학 장치(1200)는 디스플레이 패널(1100)과 도파관(1250) 사이에 배치될 수 있다. 제1 광학 장치(1200)는 디스플레이 패널(1100)로부터의 영상이 사용자의 눈에 잘 초점을 맺도록 광학 파워(초점 거리)를 조절할 수 있다. 제2 광학 장치(1300)는 외부로부터의 실제 객체가 잘 보이도록 광학 파워를 조절할 수 있다.
제3 광학 장치(1300)는 예를 들어, 사용자의 시력을 보완하도록 광학 파워를 조절할 수 있다. 본 실시 예에서 제3 광학 장치(1300)는 필요에 따라 선택적일 수 있다.
적어도 하나의 광학 장치는, 증강 현실(AR) 시스템에서 현실 세계 이미지 상에 중첩된 가상 이미지를 디스플레이 하기 위해, 도파관에 의해 연결된 디스플레이 패널로부터의 광선의 경로 상에 다양하게 배치될 수 있다. 그리고, 이러한 디스플레이 장치에서는 수렴 조절 불일치(Vergence-accommodation conflict)가 제거되고, 사용자의 눈의 굴절 오류 등이 수정될 수 있다.
도 20은 다른 실시 예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
디스플레이 장치(2000)는 영상을 제공하는 디스플레이 패널(2100) 및 디스플레이 패널(2100)로부터의 광의 위상 프로파일을 조절하는 적어도 하나의 광학 장치를 포함한다.
적어도 하나의 광학 장치는 예를 들어, 제1 광학 장치(2200)와 제2 광학 장치(2300)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광학 장치(2200)(2300)로는 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 광학 장치들 중 하나가 채용될 수 있다.
디스플레이 장치(2000)는 도파관(2250)을 더 포함할 수 있다. 도파관(2250)은 제1 면(2251)과, 제1 면(2251)에 마주보는 제2 면(2252)을 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(2200)는 도파관(2250)의 제1 면(2251)에 구비되고, 제2 광학 장치(2200)는 도파관(2250)의 제2 면(2252)에 구비될 수 있다. 제1 광학 장치(2200)와 제2 광학 장치(2300)는 도파관(2250)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
디스플레이 패널(2100)로부터 나온 광은 도파관(2251)을 통해 전달되어 제1 광학 장치(2200)로 들어간다. 제1 광학 장치(2200)는 디스플레이 패널(2100)로부터의 영상이 사용자의 눈에 잘 초점을 맺도록 광학 파워(초점 거리)를 조절할 수 있다. 제2 광학 장치(2300)는 외부로부터의 실제 객체가 잘 보이도록 광학 파워를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 장치(2200)는 디스플레이 패널(2100)로부터의 광이 사용자의 눈에 초점을 맺도록 제1 광학 파워(D1)를 가지도록 구성될 수 있다. 제2 광학 장치(2300)는 제1 광학 파워(D1)와 크기는 같고 부호가 반대인 제2 광학 파워(-D1)를 가지도록 구성될 수 있다. 이 경우, 사용자는 외부로부터의 실제 객체를 볼 때, 마치 제1 광학 장치(2200)와 제2 광학 장치(2300) 없이 실제 객체를 맨눈으로 보는 것과 느낄 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치(1000)(2000)는 예를 들어, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치,헤드업 디스플레이, 헤드 마운트 디스플레이 등에 적용될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따르면, 사용자에게 디스플레이 되는 이미지의 해상도를 증가시키기 위해 이미지를 이동시키는 것 외에도, 선택적인 편광 구조 및 상이한 위상 및 / 또는 상이한 편광을 갖는 광의 투과 / 반사를 사용하여 멀티 채널을 제공 할 수 있다.
또한, 다른 물체의 이미지가 광 축을 따라 상이한 깊이에 위치 될 수 있고, 광축의 방향으로 실질적으로 이동하여 사용자의 눈에 더 가깝거나 또는 더 멀어 지도록 할 수 있다. 이를 통해 VAC(vergence-accommodation conflict)를 해결하고 시력 장애가 있는 사용자의 눈의 굴절 오류를 수정하고 사용자에게 이미지를 표시 할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 광학 장치는 초점 거리를 조절하고, 광 경로 길이를 확장할 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치는 증강 현실 또는 가상 현실 (AR / VR) 시스템, 시력 교정을 위한 가변 초점 안경, 사진 및 비디오 카메라 용 렌즈 등에 적용될 수 있다. 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치는 초점 거리를 변경함으로써 또는 증강 현실 또는 가상 현실 (AR / VR) 장치의 해상도를 증가시킴으로써 가상 이미지의 위치를 변경하고, 근시, 노안, 원시 등과 같은 시력 장애를 가진 사용자가 유용하게 사용할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치가 증강 현실(AR)시스템에서 사용될 때, 현실 세계의 각각의 객체와 중첩 된 가상 객체의 이미지의 겉보기 위치를 변경할 수 있다. AR 시스템 애플리케이션, 예를 들어 증강 현실 고글 또는 HUD(head-up display)를 이용하여 차량을 운전할 때, 이는 제한된 가시성 조건(특히 밤, 안개, 블라인드 스팟)에서 시력을 개선하고 사용자에게 추가 정보를 제공하기 위해 유리하게 사용될 수 있다. 추가 정보는 예를 들어, 내비게이션 정보, 차량 이동 특성, 장애물 경고 등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치의 응용에 따라, 하나 이상의 광학 장치가 사용될 수 있으며, 이는 하나 이상의 전기 활성 광학 셀 및 전술 한 광 경로 확장기를 포함할 수 있다. 전기 활성 광학 셀은 복수 개의 스택 구조를 가질 수 있으며, 이는 주어진 광학 장치의 응용에 따라 광학 장치의 직경 및/또는 두께 및 최대 광학 파워 및 / 또는 이미지 시프트 각도 등을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 가상 현실(VR) 시스템에서 다양한 실시 예에 따른 광학장치를 사용할 때, VR 시스템 사용자에게 디스플레이 되는 이미지의 해상도를 증가시킬 수 있다. 예시적인 실시 예에 따른 광학 장치가 없는 경우에 비해 광학 경로 길이가 예를 들어, 3 배 확장될 수 있다. 이 경우, 광학 장치의 응답 속도는 9 배 증가 및 두께는 3 배 감소를 가능하게 할 수 있다. 당업자는 본 발명의 실시 예들이 구현 될 수 있는 기술 및 재료 및 기술 수단의 가능한 예 중 일부만이 위에서 설명되고 도면에 도시되어 있음을 이해할 것이다. 상기 제공된 바와 같은 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명은 본 발명의 법적 보호 범위를 제한하거나 정의하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 범위에 포함되는 다른 실시 예는 첨부 된 도면을 참조하여 상기 명세서를 주의 깊게 읽은 후 당업자에 의해 생각 될 수 있으며, 이러한 모든 명백한 수정, 변경 및/또는 동등한 대체가 고려된다. 본원에 인용되고 논의 된 모든 선행 기술 문헌은 적용 가능한 경우 본원에 참고로 포함된다. 본 발명은 상이한 실시 예들을 참조하여 설명되고 도시되었지만, 당업자는 그 형태 및 특정 세부 사항에 있어서 다양한 수정이, 이하에 제공된 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 광의 위상 프로파일을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀; 및
    광이 상기 전기 활성 광학 셀을 서로 반대 방향으로 광 복수 회 투과하도록 하여 광의 경로를 확장시키도록 구성된 광 경로 확장기;를 포함하는, 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광 경로 확장기는 반투명 거울, 1/4 파장 판(QWP), 및 편광 선택 소자 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 편광 선택 소자는, 편광 빔 스플리터, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 결정, 원편광 선택 거울 또는 기하학적 위상 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀은 제1 전극 층, 제1 전극 층과 마주보는 제2 전극 층, 및 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 전기 활성 층을 포함하고, 상기 전기 활성 층은 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층에 인가된 전압에 의해 위상 프로파일을 변경하도록 구성된, 광학 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 선택 소자는, 서로 교차하여 배열된 제1 편광 선택 소자와 제2 편광 선택 소자를 포함하는 광학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 편광 선택 소자는, 좌원 편광은 반사시키고, 우원 편광은 투과시키도록 구성되고, 상기 제2 편광 선택 소자는 좌원 편광을 투과시키고, 우원 편광을 반사 시키는 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 경로 확대기는 광 경로 상에서 상기 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 반투명 거울, 1/4 파장 판과, 상기 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 편광 빔 스플리터를 포함하는 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 경로 확대기는 광 경로 상에서 상기 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 편광 빔 스플리터와, 상기 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 제1 1/4 파장 판, 반투명 거울, 제2 1/4 파장 판, 와이어 그리드 편광기를 포함하는 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 경로 확대기는 광이 상기 적어도 하나의 전기 활성 광학 셀을 적어도 3회 통과하도록 구성된, 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀이 제1 전기 활성 광학 셀과 제2전기 활성 광학 셀을 포함하고, 상기 광 경로 확대기가 광 경로 상에서 상기 제1 전기 활성 광학 셀의 이 전에 배치된 제1 편광 빔 스플리터와, 상기 제1 전기 활성 광학 셀과 제2 전기 활성 광학 셀 사이에 배치된 제1 1/4 파장 판, 반투명 거울, 제2 1/4 파장 판과, 상기 제2 전기 활성 광학 셀의 이 후에 배치된 와이어 그리드 편광기를 포함하는 광학 장치.
  11. 영상을 형성하는 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 위상 프로파일을 조절할 수 있는 광학 장치;를 포함하고,
    상기 광학 장치가, 적어도 하나 이상의 전기 활성 광학 셀, 및 광이 상기 전기 활성 광학 셀을 서로 반대 방향으로 광 복수 회 투과하도록 하여 광의 경로를 확장시키도록 구성된 광 경로 확장기를 포함하는 디스플레이 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광 경로 확장기는 반투명 거울, 1/4 파장 판(QWP), 또는 편광 선택 소자 중 적어도 하나를 포함하는, 디스플레이 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 편광 선택 소자는, 편광 빔 스플리터, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 결정, 원편광 선택 거울 또는 기하학적 위상 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는, 디스플레이 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널로부터의 광을 전달하는 도파관을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
  15. 광학 장치에서 입사 광의 광 경로 길이를 확장하는 방법으로서,
    상기 입사 광을 제 1 편광을 갖는 광과, 제 2 편광을 갖는 광으로 분할하는 단계;
    1/4 파장 판(QWP)에 의해 상기 제 1 편광 및 제 2 편광 중 적어도 하나를 이용하여 광선의 편광을 변환시키는 단계;
    전기 활성 광학 셀을 통해 제 1 편광을 갖는 광 및 제 2 편광을 갖는 광을 투과하는 단계;
    편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 변환된 편광의 광을 적어도 부분적으로 반사시키는 단계;
    상기 전기 활성 광학 셀을 통해 변환된 편광의 광을 투과하는 단계;
    반투명 거울에 의해 광을 적어도 부분적으로 반사시키는 단계; 및
    상기 반투명 거울에 의해 반사 된 광을 상기 전기 활성 광학 셀을 투과하는 단계;를 포함하는 방법.
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