WO2022075820A1

WO2022075820A1 - 증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처

Info

Publication number: WO2022075820A1
Application number: PCT/KR2021/013947
Authority: WO
Inventors: 니콜라예비치 보리소프블라디미르; 예브게니예비치 앙게르박스알렉산더; 빅토로비치 무라비에프니콜라이; 알렉산드로비취 오쿤로만; 비아체슬라보비치 포포프미하일; 니콜라예비치 보스트리코프가브릴
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2022-04-14
Also published as: EP4191321A1; EP4191321A4; US20230221570A1

Abstract

본 발명은 증강현실장치, 즉 근거리 디스플레이에 관한 것으로, 회절광학소자를 갖는 평면 도파로 및 이러한 평면 도파로 기반의 디스플레이에 관한 것이다. 도파로에서 수행되는 회절광학소자의 아키텍처가 제안된다. 회절광학소자의 아키텍처를 작동하여 이미지 분산을 제거하고 수평 화각을 확장하는 방법이다. 회절광학소자의 아키텍처를 작동하여 수직 화각을 확장하는 방법이다. 증강현실 디스플레이용 장치는 제안된 회절광학소자 아키텍처를 포함한다. 증강현실 안경은 제안된 증강현실 디스플레이 장치를 포함한다.

Description

증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처

본 발명은 증강현실장치, 즉 근거리 디스플레이에 관한 것으로, 회절광학소자를 갖는 평면 도파로 및 이러한 평면 도파로 기반의 디스플레이에 관한 것이다.

증강현실의 개념은 세상의 실제 영상 위에 가상 이미지를 겹쳐서 이미지를 만드는 것이다. 사용자는 증강현실 시청 장치, 특히 증강현실 안경을 사용하여 증강현실 영상을 볼 수 있다.

웨어러블 증강현실(AR) 안경은 예를 들어 스마트폰 또는 기타 전자장치용 추가 화면으로 사용할 수 있는 개인용 장치이다. 대중 소비자를 위해 넓은 화각(FOV), 더 낮은 무게와 비용, 컴팩트함 및 고해상도를 가진 증강현실 안경 장치의 개발이 필요하며, 이러한 웨어러블 장치는 사용자에게 있어서 TV와 스마트폰을 대체할 수 있다. 기술개발의 현 단계에서 최대 화각은 대각선으로 600 이다.

증강현실 안경 시스템에는 아래 요구사항이 요구된다.

- 인간의 눈이 보는 영역 전체를 커버할 수 있도록 하는 넓은 화각, 넓은 영역 위에 가상 이미지를 중첩할 수 있는 기능;

- 좋은 이미지 품질;

- 경량;

- 컴팩트함;

- 저렴한 비용;

- 고해상도, 고대비 등

이러한 요구사항을 달성함에 있어서, 예를 들어 영역 내에서 눈이 이미지 전체를 손실 없이 완전히 볼 수 있는 넓은 영역을 제공해야 한다는 사실과 관련된 문제가 발생한다. 이러한 요구사항을 달성하기 위한 다양한 접근법이 있다. 일부 접근법은 넓은 화각은 제공할 수 있지만, 영역 내에서 눈이 이미지 전체를 손실 없이 완전히 볼 수 있는 넓은 영역을 제공하지 못한다. 다른 접근법은 눈이 이미지 전체를 손실 없이 볼 수 있는 넓은 영역은 제공할 수 있지만, 넓은 화각을 제공하지 못한다. 화각의 폭을 넓히는 고전적인 방법은 증강현실장치에서 도파로의 수를 늘리는 것이다. 그러나 도파로 수가 늘어나면 증강현실장치의 전체 크기와 증강현실장치의 무게가 증가하고 장치 해상도는 감소하게 된다.

도 1은 종래기술로부터 알려진 증강현실장치에서 회절광학소자를 사용할 때 화각의 한계를 개략적으로 도시한다. 도 1에서 가로축은 수평 화각(FOV)이고, 세로축은 수직 화각이다. 가로축과 세로축이 교차하는 부분에는 사각형이 표시되는데, 이는 시청을 위해 사용자에게 전달해야 하는 이미지이다. 전달된 이미지가 회절광학소자와 상호작용하면, 이는 전달된 이미지를 우측(벡터 K_in의 화살표)으로 인도하고 이미지는 도 1에 도시된 링 내부로 들어간다. 링은 도파로 내에서 전파되지만 도파로 외부로는 전파되지 않는 전파하는 복사선의 각도 성분 영역(전파하는 복사선의 파동벡터 성분 영역)을 나타낸다. 모서리 성분은 Bx, By, Bz와 같은 각도 좌표가 있는 각도 격자망 상의 특정 지점을 나타낸다. 링의 내부 경계는 내부 전반사(TIR)의 각도, 즉 도파로를 떠나지 않고 복사선이 전파되는 임계 각도의 영역이다. 링의 외부 경계는 도파로 내부에 존재하는 복사선의 경계이다. 즉, 복사선의 전파 각도는 도파로 내부에서 90°이다. 따라서 도파로 내부에는 TIR 각도에서 90° 각도까지의 각도로 전파되는 복사선이 있다. 즉, 이미지가 입력 회절격자와 상호작용할 때 이미지의 일부가 잘리며, 이미지의 일부만이 남게 되므로, 남은 이미지 일부는 전술한 각도 범위에만 존재할 수 있다. 즉, 이미지는 이 경우 가로로, 즉 좌우로 잘린다. 또한, 그 벡터가 도 1에 K_exp로 표시된 증배 회절격자와 상호작용할 때, 모서리의 일부 역시 경계가 동일한 이미지에서 잘리는데, 세로로 잘린다. 이미지가 표시될 때는 세로 및 가로로 크롭된 작은 이미지가 남는다.

즉, 각각의 회절광학소자는 화각에 각각의 한계가 있으므로, 증강현실장치에 포함되는 회절광학소자는 적을수록 좋다.

2차원 이미지를 생성하려면 적어도 3개의 회절광학소자, 즉 도입 회절소자, 증배 회절소자 및 유출 회절소자가 필요하다. 3개의 회절광학소자는 본원에서 한 세트의 회절광학소자로 지칭한다. 도 1은 화각의 특정 부분을 출력하는 한 세트의 회절광학소자를 도시한다.

굴절률이 1.5 인 가장 일반적으로 사용되는 광학 재료의 경우 이러한 회절광학소자 세트에 의해 형성되는 최종 화각은 300 x 300 이라는 점에 유의해야 한다.

화각을 늘리는 표준적인 방법은 이미지를 전달하는 도파로의 수를 늘리는 것이다. 그러나, 도파로 수가 늘어나면 증강현실 디스플레이의 두께와 무게가 증가하고 또한 이러한 증강현실 디스플레이의 투명도는 감소한다. 만약 동시에 도파로의 두께가 감소하면, 눈이 감지하는 이미지가 열화될 것이고, 도파로 두께가 감소하면 도파로 자체의 불균일성과 비평탄성으로 인해 둘 이상의 이미지 출력이 동공에 들어가기 때문에, 둘 이상의 입력 이미지가 눈에 들어간다. 즉, 복시가 발생하여 해상도가 급격히 떨어지기 시작하고 이미지 품질이 저하된다.

또한, 화각을 늘리기 위해, 회절광학소자 재료와 도파로의 굴절률을 증가시킨다. 굴절률이 증가함에 따라, 도파로 내에는 존재하지만 공기 중에는 존재하지 않는 각도의 범위가 늘어난다. 따라서 사용자는 넓은 화각으로 이미지를 보게 된다. 그러나, 이 방안의 근본적인 문제는 굴절률이 높은 재료가 스펙트럼의 청색 영역을 흡수한다는 점이며, 이는 사용자가 이미지를 볼 때 실제 이미지의 스펙트럼 중 청색 부분이 손실됨을 뜻한다. 또한, 가상 중첩 이미지의 스펙트럼 중 청색 부분을 전달할 수 없으므로, 이미지의 색상이 손실된다.

종래기술에서는 또한, 평면 도파로의 아키텍처를 변경함으로써 화각을 늘린다. 가장 잘 알려진 변경은 한 세트의 회절광학소자를 사용하는 대신 두 세트의 회절광학소자를 사용하는 것이며, 각 세트는 화각의 상이한 부분을 제공한다. 두 세트를 사용하면 화각의 폭을 두 배로 늘릴 수 있지만 수직 화각만 늘어나게 되는데, 수직 화각과 수평 화각을 모두 늘리는 것이 바람직하다는 점에 유의해야 한다. 즉, 이 접근법을 사용하면 가로 폼 팩터(form factor)의 손실이 있다. "폼 팩터"라는 용어는 표시된 이미지의 가로세로비를 나타낸다. 가로 폼 팩터는 세로 여백보다 가로 여백이 더 큰 이미지이다. 세로 폼 팩터는 가로 여백보다 세로 여백이 더 큰 이미지이다.

가로 또는 세로 폼 팩터는 표시된 이미지의 가로세로비를 나타낸다. 그러나, 세로 폼 팩터와 입력 회절격자가 출력 회절격자에 대해 예를 들어 좌측에 위치하는 경우, 도파로를 90° 회전하면, 입력 회절격자가 위에 있고, 폼 팩터는 세로 폼 팩터에서 가로 폼 팩터로 변경된다. 인커플링 회절소자가 위에 있는 경우에는 빛도 위에서 유입되어야 한다. 즉, 이미지 프로젝터도 위로부터 부착해야 한다. 따라서 안경은 부피가 커지고 헬멧과 비슷해진다.

즉, 크기를 줄이려면 가로 폼 팩터를 유지하면서 이미지 프로젝터를 측면에 배치하는 것이 바람직하다.

증강현실장치의 또 다른 문제는 색상 분산이다. 즉, 이미지를 전달하는 특정 개수의 회절격자 세트를 갖는 하나의 도파로가 있는 경우, 이러한 도파로는 이미지 필드 전체에 걸쳐 풀 컬러 이미지를 전달하지 않을 것이며, 이미지의 한 부분은 사용자에게 적색으로 보이고, 이미지의 다른 부분은 사용자에게 녹색으로 보이며, 이미지의 제3 부분은 사용자에게 청색으로 보일 것이다. 사용자는 풀 컬러 이미지를 볼 수 있는 작은 영역에만 접근 가능할 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 종래기술은 여러 개의 도파로를 사용하며, 각 도파로는 각자의 색상 또는 2개의 인접 색상을 담당한다. 따라서 증강현실장치의 두께가 증가한다.

종래기술로부터 US20190212557 A1 문헌이 알려져 있는데, 출원공개일이 2019년 7월 11일이고, 도파로 아키텍처를 개시한다.

이 문헌은 브래그(Bragg) 격자가 포함된 도파로를 사용하여 헤드업 디스플레이(HUD)를 생성하는 시스템 및 방법을 제공한다. 이 공지된 방안의 단점은 화각의 폭이 작고 장치의 전체 크기가 크다는 점이다.

종래기술로부터 US2019004321 A1 문헌이 알려져 있는데, 출원공개일이 2019년 1월 3일이고, 증강현실 디스플레이를 위해 유입 광을 2차원으로 확장하기 위한 광학장치를 개시한다. 이 장치는 도파로(12)와 3개의 선형 회절격자(H0, H1, H2)로 이루어진다. 프로젝터에서 입사되는 빔은 다색광으로 입력 격자(H0)를 비추고 이 빛은 도파로(12)로 들어간다. 나머지 두 격자(H1, H2)는 서로 중첩된다. 빛은 하나의 격자(H1)에서 첫 번째 회절 순서에 다른 격자(H2)의 방향으로 회절될 수 있으며, 이로써 도파로(12)에서 나온 빛이 관찰자를 향하게 할 수 있다. 이 공지된 방안의 단점은 화각의 폭이 작고 장치의 전체 크기가 크다는 점이다.

종래기술로부터 US 9927614 B2 문헌이 알려져 있는데, 출원공개일이 2018년 3월 27일이고, 증강현실 애플리케이션 및 장치에서 사용될 수 있는 근거리 광학 디스플레이 시스템을 개시한다. 이 시스템은 입력, 출사동 확장 및 출력을 위해 구성된 회절광학소자(DOE)를 갖는 회절 도파로를 포함한다. 전기변조 튜너블 액정(LCD) 렌즈가 회절격자와 사용자의 눈 사이에 위치한다. 편광 필터가 회절격자의 반대쪽에 위치하여 실제 세상의 빛이 특정 편광 상태로 시스템에 들어오도록 한다. 이 공지된 방안의 단점은 화각의 폭이 작고 장치의 전체 크기가 크다는 점이다.

본 발명의 원형은 출원공개일이 2019년 1월 22일인 US 10185151 B2 문헌에 개시된 방안이다. 이 공지된 방안은 작은 폼 팩터, 영역 내에서 눈이 이미지 전체를 손실 없이 완전히 볼 수 있는 넓은 영역, 및 넓은 화각을 갖춘 도파로 디스플레이를 제공한다. 사용자에게 매체를 제공하기 위해 공지의 도파로 디스플레이가 사용된다. 도파로 디스플레이는 광원 조립체, 출력 도파로 및 제어기를 포함한다. 광원 조립체는 적어도 하나의 치수를 따라 이미지를 투사하는 하나 이상의 프로젝터를 포함한다. 출력 도파로는 2개의 대향 표면이 있는 도파로 본체로 이루어진다. 출력 도파로는 입력 파동벡터를 따라 전파되는 이미지 광을 수신하는 제1 격자, 제2 격자, 그리고 제2 격자 반대편에 있으며, 입력 파동벡터에 대응하는 파동벡터를 갖는 확장된 이미지 광을 출력하는 제3 격자를 포함한다. 제어기는 하나 이상의 광원 조립체의 스캔을 제어하여 2D 이미지를 형성한다. 그러나, 이 공지된 방안의 단점 역시 화각의 폭이 불충분하다는 것인데, 이는 이 공지된 방안에서 화각의 폭을 늘리기 위해 단지 두 세트의 광학소자가 사용되기 때문이며, 장치의 전체 크기가 크다는 점 또한 단점이다.

공지의 방안들은 화각의 폭이 좁고, 사용되는 도파로 개수가 증가하면 디스플레이 두께가 증가하며, 도파로 두께가 감소하면 해상도가 저하되고, 고굴절률의 사용은 색상 손실을 제공하며, 두 세트의 회절광학소자를 사용하면 위로부터 이미지 입력이 제공되고, 이로 인해 전반적인 특성이 상실된다고 전제한다. 즉, 현재 검토 중인 기술 분야의 현 발전 단계에서는 넓은 화각을 갖는 풀 컬러 이미지를 하나의 도파로만을 사용하여 구현할 수 있는 방안이 없다.

개시된 발명은 위의 모든 문제를 해결하는 것으로서, 두께가 얇고 풀 컬러이며, 해상도가 좋고, 복사선이 측면으로부터 유입되면서, 넓은 화각을 달성할 수 있는 증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처를 제공한다.

증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처로서, 프로젝터에서 나오는 복사선을 입력하도록 구성된 인커플링 회절소자로서, 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자 및 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 포함하는 인커플링 회절소자; 복사선을 증배하도록 구성된 제1 증배 회절소자 및 제2 증배 회절소자; 복사선을 증배하고 도파로에서 나오는 복사선을 출력하도록 구성된 아웃커플링 회절소자로서, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자, 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자를 포함하는 아웃커플링 회절소자;를 포함하며, 또한, 인커플링 회절소자는 증강현실장치의 작동 중에 프로젝터에서 나오는 이미지를 적색, 녹색, 청색의 이미지 색상 성분으로 분리하고, 각 색상 성분의 빔 경로 방향을 대응하는 회절소자 세트를 통해 분리하며, 이때 복사선의 행로를 따라, 회절소자 제1 세트는 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자, 아웃커플링 회절소자의 제1 및 제2 선형 회절소자로 구성되고, 회절소자 제2 세트는 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자, 아웃커플링 회절광학소자의 제2 및 제1 선형 회절소자로 구성되며, 회절소자 제3 세트는 제1 증배 회절광학소자의 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자와 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자로 구성되고, 회절소자 제4 세트는 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자, 제2 증배 회절소자, 및 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자로 구성되는, 아키텍처가 제안된다. 이에, 각 세트의 모든 회절소자의 벡터의 합은 0과 동일하다. 이에, 회절소자 제1 세트 및 회절소자 제3 세트는 화각의 상부 부분을 담당하도록 구성되고, 회절소자 제2 세트 및 회절소자 제4 세트는 화각의 하부 부분을 담당하도록 구성된다.

각 색상 성분의 빔 경로 방향은 연립방정식

에서 계산된 회절소자의 매개변수에 따라 달라지며,

여기서

는 전자기파의 파동벡터로서, l, x, y의 세 좌표로 정의되고, 여기서 l은 전자기파의 파장, x는 전자기파의 x방향 각도 좌표, y는 전자기파의 y방향 각도 좌표이며;

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이고;

n_λg는 파장 λ_g에 대한 광학계의 굴절률이며;

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이고;

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이며;

λ_g는 녹색에 해당하는 전자기파의 파장이고;

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이며:

θ는 전달된 화각의 x방향 최대 각도이고(화각의 x방향 크기는 2^θ);

δ는 전달된 화각의 y방향 최대 각도이며(화각의 y방향 크기는 2^δ);

여기서, 이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_b,λ_g,λ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λb,n_λg, n_λr), 화각 변들의 가로세로비(θ/δ), 및 아래의 선형 소자 벡터들의 기하학적 관계이고,

,

또한, 벡터

는 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자의 "+1" 및 "-1" 회절 차수에 대응하며;

벡터

은 제2 증배 회절광학소자에 대응하고;

벡터

는 제1 증배 회절광학소자에 대응하며;

벡터

는 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터

은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응하며;

벡터

은 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터

은 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응한다.

각 색상 성분의 빔 경로 방향은 연립방정식

에서 계산된 회절소자의 매개변수에 따라 달라지며,

여기서

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이고;

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이고;

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이며;

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이며:

φ 및 ψ는 화각 내의 y방향 각도로서, 화각의 두 부분, 즉 전달된 제1, 2 세트 및 제3, 4 세트의 접촉 각도이고,

여기서, 이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_bλ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λbn_λr), 화각 변들의 가로세로비(비(θ/δ), 및 도파로 아키텍처의 기하학적 특징에서 기인한 아래의 선형 소자 벡터들의 기하학적 관계이고,

,

또한, 벡터

벡터

은 제2 증배 회절광학소자에 대응하고;

벡터

는 제1 증배 회절광학소자에 대응하며;

벡터

모든 회절소자는 도파로의 한쪽에 적용된다. 회절소자 제1 및 제2 세트는 도파로의 한쪽에 위치하고, 회절소자 제3 및 제4 세트는 도파로의 반대쪽에 위치한다.

회절광학소의 작동 방법으로서, 프로젝터에서 나오는 복사선이 입력 회절소자로 들어가서, 이미지의 적색 성분, 이미지의 청색 성분 및 이미지의 녹색 성분으로 나뉘고, 동시에 작동하는 회절소자 세트들로 보내지며, 이때 회절소자 제1 세트는, 이미지의 녹색 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 출력 회절소자로 들어가고, 출력 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며, 청색 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 출력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자로 들어가며, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고, 회절소자 제2 세트는, 이미지의 녹색 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자로 들어가고, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며, 청색 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자로 들어가며, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고, 회절소자 제3 세트는, 녹색 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며, 적색 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 출력 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고, 회절소자 제4 세트는, 녹색 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며, 적색 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하는 단계들을 포함하는 방법이 제안된다.

회절광학소자의 작동 방법으로서, 프로젝터에서 나오는 복사선이 입력 회절소자로 들어가서, 이미지의 적색 성분, 이미지의 청색 성분 및 이미지의 녹색 성분으로 나뉘고, 동시에 작동하는 회절소자 세트들로 보내지며, 이때 회절소자 제1 세트는, 녹색 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자로 들어가고, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며, 청색 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 출력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자로 들어가며, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈에 입력되고, 적색 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 출력 회절소자로 들어가며, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자를 통해 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고, 회절소자 제2 세트는, 녹색 하부 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자로 들어가고, 출력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며, 적색 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 출력 회절소자로 들어가며, 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 의해 사용자의 눈으로 출력되고, 적색 하부 성분은 입력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 출력 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자로 들어가며, 출력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 의해 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고, 회절소자 제3 세트는, 녹색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며, 적색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되고, 청색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈에 표시되도록 작동하고, 회절소자 제4 세트는, 녹색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며, 적색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되고, 청색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하는 단계들을 포함하는 방법이 또한 제안된다.

이미지 프로젝터; 제안된 회절광학소자를 포함하는 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치가 또한 제안된다.

이미지 프로젝터; 제안된 회절광학소자를 포함하여, 수평 화각을 확장하고 이미지의 분산을 제거하도록 작동하는 제1 도파로; 제안된 회절광학소자를 포함하여, 수직 화각을 확장하도록 작동하는 제2 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치가 제안된다.

이미지 프로젝터; 제안된 회절광학소자를 포함하는 도파로로서, 회절소자 제1 및 제2 세트는 도파로의 한쪽에 위치하고, 회절소자 제3 및 제4 세트는 도파로의 반대쪽에 위치하는, 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치가 제안된다.

이미지 프로젝터; 제안된 회절광학소자를 적어도 하나 포함하는 적어도 하나의 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치가 또한 제안된다.

좌안용 소자와 우안용 소자를 포함하는 증강현실 안경이 제안되며, 좌안용 및 우안용 소자 각각은 증강현실 디스플레이 장치이고,

회절광학소자를 포함하는 도파로가 우안 소자 및 좌안 소자 각각에 위치되어 아웃커플링 회절소자가 사용자 눈의 맞은편에 위치하도록 한다.

제1 및 제2 도파로는 우안 소자 및 좌안 소자 각각에 배치되어 아웃커플링된 회절소자가 사용자 눈의 맞은편에 위치하도록 한다.

일 실시예에 따른 증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처에 의하면, 두께가 얇고 풀 컬러이며, 해상도가 좋고, 복사선이 측면으로부터 유입되면서, 넓은 화각을 달성할 수 있다.

도 1은 한 세트의 회절광학소자를 사용할 때 화각의 한계를 개략적으로 도시한다.

도 2는 X, Y, Z 구역으로 분할된 제안된 도파로의 아키텍처를 도시한다.

도 3은 제안된 회절소자 아키텍처와 3개의 선형 회절광학소자의 출력회절소자 Z의 구현을 개략적으로 도시한다.

도 4는 화각의 수평 확장의 경우에 회절광학소자 세트들에 걸친 전체 화각의 광 분리를 도시한다.

도 5a는 제안된 회절소자 아키텍처의 벡터 다이어그램을 도시한다.

도 5b는 회절광학소자의 아키텍처에 벡터 다이어그램을 중첩한 것을 도시한다.

도 6은 이미지 전파 중에 도파로 내의 전달된 이미지 부분들의 배열을 도시한다.

도 7은 화각의 수직 확장의 경우에 회절광학소자 세트들에 걸친 전체 화각의 광 분리를 도시한다.

도 8은 증강현실 디스플레이 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 9는 제안된 회절소자 아키텍처의 두 가지 방식을 도시한다.

도 10은 2-도파로 시스템의 사용을 도시한다.

도 11은 3-도파로 시스템의 사용을 도시한다.

도 12는 격자 아키텍처가 양쪽에 적용된 도파로의 사용을 도시한다.

본 발명은 회절광학소자의 구조인 회절 아키텍처를 포함하는 도파로를 포함한다. 회절 아키텍처(구조)는 4개의 상이한 회절광학소자 세트를 포함한다. 회절광학소자는 회절격자이며, 이하에서는 편의상 "회절소자"로 지칭한다. 회절광학소자 세트는 3개의 회절소자, 즉 인커플링 회절소자, 증배 회절소자, 및 아웃커플링 회절소자를 포함한다. 각 회절소자 세트는 증강현실 이미지 중 각자의 부분을 표시하도록 하는 식으로 설계된다. 출력 광학소자는 여러 회절소자에서 나오는 이미지의 출력을 생성한다.

제안된 발명은 증강현실장치의 전체 크기를 줄이는 데 목적이 있으며, 각 쌍의 회절소자 세트가 이미지 중에서 서로 겹치지 않는 상이한 색상 부분을 담당할 수 있기 때문에, 제안된 발명은 색 분산 문제를 해결한다. 즉, 제안된 발명 덕분에, 하나의 도파로만 사용할 때에도 넓은 풀 컬러 화각이 제공된다.

회절소자(홀로그래픽(HOE) 또는 회절(DOE)) 기반 장치가 작동하여 사람의 눈에 이미지를 표시하려면, 프로젝터에서 전달된 영상이 최소 3개의 선형 회절격자, 즉 인커플링 회절격자, 증배 회절격자 및 아웃커플링 회절격자와 교대로 상호작용해야 한다.

회절격자의 벡터는 격자 선에 수직으로 지향되고 작동 표면과 동일한 평면에 위치하는 회절격자의 파동벡터이다. 격자 데이터를 이러한 격자의 벡터로 간주하면, 왜곡되지 않은 이미지를 얻기 위해, 이 3개의 회절격자의 벡터는 2차원의 닫힌 도형을 형성해야 한다. 즉, 모든 벡터의 합이 0이어야 한다. 벡터의 합이 0이 아니면 이미지가 왜곡되어 전달된다. 3개의 벡터가 2차원 도형을 형성하지 않으면 입력된 넓은 화각이 출력에서는 보기에 별로 편하지 않은 좁은 영상으로 바뀌는데, 이는 눈동자가 정면을 보면 이미지의 중앙 필드만이 명확히 보이는 반면 이미지 중 주변에 위치한 부분은 어두운 영역을 나타내고, 눈동자가 수직 방향으로 변위되면 반대로 중앙 부분이 어두운 영역으로 나타날 것이기 때문이다. 즉, 알려진 전형적인 시스템에서 사용자는 이미지의 좁은 띠만을 볼 수 있다. 초기에는 전달된 이미지의 크기가 도파로의 화각과 일치한다고 가정하기 때문에, 화각은 이미지의 필드와 일치한다.

본 발명에서 제안하는 도파로 아키텍처는 화각의 폭을 늘릴 수 있도록 한다.

도 2는 제안된 도파로의 아키텍처를 회절소자 X, Y, Z로 나눈 것을 도시한다. 또한 X는 인커플링 회절소자이다. 인커플링 회절소자 X는 2개의 선형 광학소자를 포함한다. 2개의 Y 회절소자는 증배 회절소자이다. 아웃커플링 회절소자 Z는 복사선 증배와 복사선 출력이 모두 제공되는 회절소자이다. 아웃커플링 회절소자 Z는 3개의 선형 회절광학소자를 포함한다.

화살표는 도파로 내부의 복사선 경로를 나타낸다. 빔 I 및 빔 II는 인커플링 회절소자 X에 의해 도입된다. 빔 I은 아웃커플링 회절소자 Z와 상호작용하여 거기서 빔 IV로 증배된다. 빔 II는 증배 회절소자 Y에 들어가고, 여기서 빔 III로 증배되며, 빔 III는 증배 회절격자 Y에서 빠져나와 출력 회절소자 Z로 들어간다. 빔 III 및 빔 IV는 아웃커플링 회절소자 Z에서 출력된다.

인커플링 회절소자 X는 2개의 선형 광학소자를 포함한다. 더욱이, 인커플링 회절소자 X는 선형 회절광학소자 중 하나는 하나의 회절 차수를 사용하여 출력 회절소자 Z를 향해 복사선을 도입하고 선형 회절소자 중 다른 하나는 "+1" 회절 차수 및 "-1" 회절 차수를 사용하여 증배 회절소자 Y를 향해 복사선을 도입하는 식으로 설계된다. 아웃커플링 회절소자 Z를 향해 도입되는 복사선은 증배 회절소자 Y를 향해 도입되는 복사선과 다르다. 즉, 이들은 화각의 상이한 부분들이다. 이는 화각의 한 부분은 증배 회절소자 Y쪽으로 도입되고 화각의 다른 부분은 아웃커플링 회절소자 Z쪽으로 도입된다는 것을 의미한다. 이들 부분은 도파로 내부에서 상이한 각도로 전파된다.

아웃커플링 회절소자 Z는 4개의 상이한 회절소자, 즉 출력 회절소자 Z의 2개의 선형 광학소자와 2개의 증배 회절소자 Y로부터 복사선을 출력한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 아웃커플링 회절소자 Z는 3개의 선형 회절광학소자 1, 2, 3을 포함한다.

제1 및 제2 증배 회절소자 Y로부터 전달된 복사선은 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자 3에 의해 출력된다. 또한, 제3 회절광학소자의 벡터는 도 3은 인커플링 회절소자 X를 향한다.

X 구역에서 Z 구역 쪽으로 향하는 이미지 필드의 상부 부분에 해당하는 복사선의 한 부분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자 1에서 증배되고 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자 2에서 출력되며, X 구역에서 Z 구역 쪽으로 향하는 이미지 필드의 하부 부분에 해당하는 복사선의 두 번째 부분은 제2 선형 회절광학소자 2에서 증배되고 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자 1에서 출력된다. 따라서, 아웃커플링 회절소자 Z(Z 구역)는 증배 및 출력하는 선형 회절광학소자에서 나오는 복사선을 증배 및 출력하고 있다. 즉, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자 1은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자 2에서 나오는 복사선을 출력하고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 회절광학소자 2는 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자 1에서 나오는 복사선을 출력하며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자 3은 증배 회절소자 Y에서 나오는 복사선을 출력한다.

증배를 위해 작동하는 회절광학소자의 작동 원리는 다음과 같다고 알려져 있다. 도파로 내부에서 전파되는 빔은 증배 회절소자로 들어가고 이 빔의 복사선의 일부는 증배 회절소자에 의해 회절되어 회절 차수를 형성하며, 이 경우 "+1" 회절 차수가 고려된다. 회절 없이 통과한 빔은 원래 경로를 따라 계속 전파되고, 도파로의 평면에서 재반사된 후 다시 증배 회절소자에 들어가며, 이 빔의 복사선의 일부는 증배 격자에 의해 다시 회절되어, "+1" 회절 차수를 형성한다. 그런 다음 상황이 여러 번 반복된다. 첫 번째 회절된 빔과 두 번째 회절된 빔은 서로 평행하지만 서로 고정된 거리를 두고 전파된다. 따라서 하나의 빔에서 많은 평행 빔을 얻는다. 즉, 복제가 발생한다.

제안된 발명에 따른 도파로 아키텍처의 작동 중에 이미지의 별개 부분들(화각)을 표시하도록 작동하는 회절소자 세트를 고려해 본다.

회절소자 제1 세트는 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자와, 또한 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 및 제2 선형 회절소자로 구성된다.

회절소자 제2 세트는 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자와, 또한 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 및 제1 선형 회절광학소자로 구성된다.

회절소자 제3 세트는 제1 증배 회절광학소자 Y의 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자와 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자로 구성된다.

회절소자 제4 세트는 제2 증배 회절광학소자 Y의 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자와 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자로 구성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 회절소자 세트들에 의한 전체 화각의 광 분리는 다음과 같이 구현된다. 회절소자의 홀수 제1 및 제3 세트는 화각의 상부 부분을 담당한다. 회절소자의 짝수 제2 및 제4 세트는 화각의 하부 부분을 담당한다. 회절소자의 제1 및 제2 세트는 화각의 청색 부분 전체와 화각의 녹색 부분 절반을 소비한다. 회절소자의 제3 및 제4 세트는 화각의 적색 부분 전체와 화각의 녹색 부분 절반을 소비한다.

단일 도파로에 네 세트의 회절소자를 사용하여, 직선 공간에서 상이한 회절소자 세트들을 부분적으로 분리함으로써 화각의 폭을 늘린다. 이러한 응용의 맥락에서 "직선 공간" 및 "각도 공간"이라는 용어는 분석/계산이 수행되는 좌표 격자망을 정의한다는 점에 유의해야 한다. 직선 공간에서 좌표 격자망은 공간 좌표(x, y, z 방향)에 의해 정의된다. 각도 공간에서 격자망은 각도 좌표(예를 들어, Ax, Ay, Az)에 의해 정의된다. 제안된 발명은 복사선의 전파 방향(각도 공간)뿐만 아니라 이 복사선이 전파되는 도파로 내부의 장소(직선 공간)도 고려한다. 이미지 필드의 모든 부분이 혼합되는 것을 방지하려면, 도파로 내부 공간의 각 특정 지점마다 각도 좌표 격자망 상의 한 지점이 전달된 이미지의 한 부분만큼만 차지해야 한다. 이는 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점에서 전달된 이미지의 두 부분 이상을 사용하는 것을 엄격히 금지함으로써 달성될 수 있으며, 이 접근법은 종래기술에서 널리 사용된다. 본 발명에서는, 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점이 전달된 이미지의 두 부분 이상을 차지할 수 있는데, 이는 전달된 이미지의 여러 부분들이 도파로 내부의 여러 곳에서 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점을 차지하기 때문이다. 즉, 그들은 직선 공간에서 분리되어 있다.

벡터는 입력 회절소자 X의 선형 회절광학소자에 대응한다.

벡터

는 증배 회절광학소자 Y에 대응한다.

벡터는 아웃커플링 회절소자 Z에 대응한다.

벡터

는 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자의 "+1" 및 "-1" 회절 차수에 대응한다. 벡터

은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 대응한다.

벡터는 제2 증배 회절소자 Y에 대응한다.

벡터는 제1 증배 회절소자 Y에 대응한다.

벡터는 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에 대응한다. 벡터

은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에 대응한다. 벡터

는 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 대응한다.

전술한 회절소자 세트들은 동시에 작동한다. 프로젝터에서 나오는 복사선은 인커플링 회절광학소자 X로 들어가서, 상이한 각도에서 적색 성분, 녹색 성분 및 청색 성분으로 나뉜다.

회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

이미지의 녹색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 성분은 입력 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 성분은 입력 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 성분은 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

입력 회절소자 X는 적어도 2개의 선형 회절격자(인커플링 회절소자 X의 제1 및 제2 선형 회절광학소자)로 구성된다는 점에 유의해야 한다. 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자는 아웃커플링 회절소자 Z를 향해 복사선을 도입하는 한편, 녹색 이미지의 두 부분은 한 번에 도입된 다음 아웃커플링 회절소자 Z의 대응 선형 회절소자에서 증배 중에 분리된다. 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자는 제1 및 제2 증배 회절소자 Y 각각을 향해 녹색 이미지의 다른 두 부분을 도입한다. 이러한 분리는 회절격자의 매개변수의 선택, 즉 공간 주파수(주기) 및 배향의 선택에 의해 달성된다.

즉, 어느 색상 성분이 대응 회절소자와 상호작용하느냐는 회절격자의 공간 주파수(주기)에 의해 결정된다. 인커플링 회절소자 X의 경우, 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자는 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자보다 더 높은 공간 주파수(즉, 더 짧은 주기)를 갖는다. 따라서, 청색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에서 도파로 모드 내로 회절되고, 적색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에서 도파로 모드 내로 회절된다. 녹색 성분은 스펙트럼에서 적색과 청색 사이에 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 인커플링 회절소자 X의 제1 및 제2 선형 회절소자 사이에서 분할된다.

이미지 필드의 모든 부분이 혼합되는 것을 방지하려면, 도파로 내부 공간의 각 특정 지점마다 각도 좌표 격자망 상의 한 지점이 전달된 이미지의 한 부분만큼만 차지해야 한다. 이는 전달된 이미지의 두 부분 이상에 대해 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점을 사용하는 것을 엄격히 금지함으로써 달성될 수 있으며, 이 접근법은 종래기술로부터 알려져 있다.

본 발명에서는, 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점이 전달된 이미지의 두 부분 이상을 차지할 수 있는데, 이는 도 6에 도시된 바와 같이 전달된 이미지의 여러 부분들이 도파로 내부의 여러 곳에서 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점을 차지(그들은 직선 공간에서 분리되어 있음)하기 때문이라는 점에 유의해야 한다. 도 6은 모서리 공간의 각 구역(우측의 Z 구역, 상부의 Y 구역, 하부의 Y 구역)에 대한 각도 좌표 격자망을 도시한다. Z 구역에서, 각도 공간의 상부 대각선 1/4 은 필드 2의 일부, 즉 회절소자 제2 세트가 담당하는 이미지 필드가 차지한다. Z 구역에서, 각도 공간의 상부 대각선 1/4 은 필드 1의 일부, 즉 회절소자 제1 세트가 담당하는 이미지 필드가 차지한다. 동시에, Y 구역에서, 하부 및 상부 대각선 1/4 은 회절소자 제1 및 제2 세트가 각각 담당하는 이미지 필드의 일부가 없는 상태가 유지되므로, 상부 Y 구역에서, 상부 대각선 1/4 은 필드 4의 일부, 즉 회절소자 제4 세트가 담당하는 이미지 필드가 차지한다.

하부 Y 구역에서, 하부 대각선 1/4 은 필드 3의 일부, 즉 회절소자 제3 세트가 담당하는 이미지 필드가 차지한다. 이 경우, 회절소자 제1 및 제3 세트가 담당하는 이미지 부분들은 서로 섞이지 않으며, 부분 2와 부분 4 역시 서로 섞이지 않는다. 이는 각도 공간의 동일한 부분이 직선(로컬, 좌표) 공간의 여러 지점에서 도파로 내에 점유되기 때문에 발생한다.

즉, 달리 말해, 제1 및 제2 세트를 통해 전달된 복사선, 즉, 예를 들어 아웃커플링 회절소자 Z가 증배 회절소자 Y가 위치하는 구역에서 제3 및 제4 세트에 의해 사용될 수 있는 구역에서, 제1 및 제2 세트가 차지하는 각도 성분은 증배 회절소자 Y가 위치한 곳에서는 도파로 내부에서 전파되지 않는다. 따라서 Y 구역과 Z 구역은 동일한 각도 성분을 사용하여 상이한 격자 세트들을 작동시킨다. 따라서, 회절격자 세트는 직선 공간에서 분리되어 있고, 이는 하나의 도파로에서 2개가 아닌 4개의 회절격자 세트를 사용할 수 있게 하며, 여기서 각 회절격자 세트는 화각의 별개 부분을 전달하는데, 즉 종래기술에서보다 2배 더 큰 화각을 담당할 수 있는데, 이는 하나의 도파로에 두 세트 이하의 회절소자를 갖는 방안만이 종래기술로부터 알려져 있기 때문이다. 각 회절소자 세트는 화각의 고정된 각도 크기를 전달하므로, 도파로에 있는 회절소자 세트의 수를 두 배로 늘리면 화각이 두 배가 된다.

회절소자의 제안된 배열로 인해 화각의 상이한 부분들이 도파로 내에서 서로 상호작용하지 않는다는 점이 강조되어야 한다.

입력 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 의해 제1 및 제2 증배 회절소자 Y 각각을 향하여 도입되는 복사선은 임의의 각도로 전파될 수 있는데, 이는 입력 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 의해 출력 회절소자 Z를 향하여 도입되는 복사선은 증배 회절소자 Y가 있는 곳에는 적용되지 않기 때문이다.

각 세트는 각도뿐만 아니라 색상도 상이한 화각의 여러 부분을 담당한다. 각 쌍의 회절소자 세트는 상이한 색상의 화각 수평 부분을 제공하여 최종 수평 화각을 늘린다. 따라서 사용자는 풀 컬러 이미지를 볼 수 있는 반면 하나의 도파로만이 사용된다. 화각의 각 지점은 수평 각도 좌표(Ax) 및 수직 각도 좌표(Ay)와 색상(R, G, B)의 세 가지 변수에 의해 결정된다. 따라서 화각의 세 지점(Ax, Ay, R; Ax, Ay, G; Ax, Ay, B)은 좌표가 Ax 및 Ay인 각도 좌표 격자망 상의 특정 지점에 대응한다. 화각을 세트들로 나누는 것은 각도 좌표에 의해서뿐만 아니라 색상에 의해서도 발생한다.

도파로는 제1 및 제2 세트와 상호작용하는 복사선이 제3 및 제4 세트와 상호작용하지 않는 식으로 설계되며, 화각의 녹색 부분의 경우, 화각의 절반은 제1 및 제2 세트와 상호작용하고, 화각의 제2 절반은 제3 및 제4 세트와 상호작용한다. 따라서, 화각의 상이한 스펙트럼 각도 부분들을 사용자에게 보여주기 위해 표시할 수 있고, 색 분산이 보정된다.

도파로는 회절소자의 매개변수에 의해, 즉 회절광학소자의 벡터에 의해 설명되는 회절소자의 공간 배향과 회절소자의 공간 주기를 통해 설계된다.

도파로에 있는 모든 회절소자의 매개변수는 아래 연립방정식으로부터 결정된다.

(1)

벡터

은 전술한 선형 회절소자의 벡터이다.

는 전자기파의 파동벡터로서, l, x, y의 세 좌표로 정의되고, 여기서 l은 전자기파의 파장, x는 전자기파의 x방향 각도 좌표, y는 전자기파의 y방향 각도 좌표이다.

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이다.

n_λg는 파장 λ_g에 대한 광학계의 굴절률이다.

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이다.

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이다.

λ_g는 녹색에 해당하는 전자기파의 파장이다.

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이다.

θ는 전달된 화각의 x방향 최대 각도이다(화각의 x방향 크기는 2^θ).

δ는 전달된 화각의 y방향 최대 각도이다(화각의 y방향 크기는 2^δ).

이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_b,λ_g,λ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λb,n_λg, n_λr), 화각 변들의 가로세로비(θ/δ), 및 도 4a에서 볼 수 있는 도파로 아키텍처의 기하학적 특징에서 발생하는 선형 소자 벡터의 기하학적 비율이다.

,

이 연립방정식의 해는 벡터

, 즉 선형 회절소자의 벡터, 및 전달된 화각의 x 및 y방향 최대 각도를 결정할 수 있게 한다.

즉, 회절소자의 필수 매개변수를 해석적으로 계산할 수 있다.

도 8은 증강현실 디스플레이 시스템을 개략적으로 도시한다. 제안된 시스템은 회절광학소자를 포함하는 적어도 하나의 도파로(1), 이미지를 생성하는 프로젝터(2)로 구성된다. 도파로 내의 회절광학소자는 입력 회절광학소자 X, 제1 및 제2 증배 회절소자 Y(도 8에 도시된 도면에서는 보이지 않음), 및 이미지 성분을 증배도 하고 사용자 눈으로 출력하기도 하는 아웃커플링 회절소자 Z이다.

프로젝터(2)에 의해 생성된 이미지는 입력 회절소자 X를 통해 회절소자의 아키텍처로 들어가고, 도파로의 회절소자 아키텍처를 통해 전파되며, 아웃커플링 회절소자 Z를 빠져나와, 사용자의 눈으로 들어간다.

본 발명의 일 실시예에서, 회절소자 세트는 위에서 설명한 바와 같이 수평 화각을 늘리는 동시에 이미지의 색상 분산을 보정하는 데 사용되는 것이 아니라, 수직 화각을 늘리는 데 사용된다. 수직 화각을 늘리지 않고 이미지의 색상 분산을 보정하면 수평 화각만 늘어날 수 있다.

격자 세트들이 상이하게 설계된 경우, 제1 및 제2 세트는 수직 이미지의 최외측 부분을 전달하고 제3 및 제4 세트는 더 많은 중앙 부분을 전달한다. 설계는 아래 제시된 연립방정식에 따라 수행된다.

작동 방식: 회절소자의 제1 및 제2 세트에 의해 전달되는 이미지 부분은 회절소자의 제3 및 제4 세트에 의해 전달되는 이미지 부분과 수직 각도 좌표가 다르다. 선형 회절소자의 매개변수를 결정하기 위해 연립방정식을 적용하면, 전체적으로 이러한 부분들이 가장 큰 수직 화각을 제공할 것이다.

이 경우 회절격자 매개변수는 아래 연립방정식에 의해 결정된다.

(2)

벡터

은 전술한 선형 회절소자의 벡터이다.

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이다.

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이다.

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이다.

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이다.

φ 및 ψ는 화각 내의 y방향 각도로서, 제1, 2 세트 및 제3, 4 세트의 재봉 각도이다. 스티칭 각도는 여러 회절격자 세트를 통해 전달되는 화각의 두 부분 사이의 접촉 각도로 이해된다는 점을 명확히 할 필요가 있다. 즉, 여러 회절격자 세트를 통해 전달되는 화각의 인접한 두 부분은 부분적으로 서로 겹치거나, 화각 내의 어느 세트도 전달하지 않는 각도 좌표인 검은 반점이 이미지에 없도록 서로 접촉해야 한다. 대부분의 경우 화각의 인접한 두 부분은 부분적으로 서로 겹치고 한 지점에서만 접촉한다(이 접근법을 사용하면 최대 화각을 얻을 수 있음). 각도 격자 상의 이 지점을 스티칭 각도라고 한다.

이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_bλ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λbn_λr), 화각 변들의 가로세로비(비(θ/δ), 및 도파로 아키텍처의 기하학적 특징에서 기인한 아래의 선형 소자 벡터들의 기하학적 관계이다.

,

또한, 수직 화각을 확장하는 조건은 수평 화각을 확장하고 분산 보정을 하는 조건과 동일하다. 이러한 조건은 회절소자의 기하학적 배열과 대칭 고려사항을 따른다.

이 연립방정식의 해는 벡터

즉 선형 회절소자의 벡터, 및 전달된 화각의 x 및 y방향 최대 각도를 결정할 수 있게 한다.

즉, 연립방정식(1)은 분산을 제거하고 수평 화각을 늘리기 위해 격자 매개변수를 제공하고, 연립방정식(2)은 수직 화각을 늘리기 위해 격자 매개변수를 제공한다.

따라서, 본 발명은 두 가지 구현예을 갖는다. 먼저 색상과 화각의 수평 부분에 의한 구분이 있다. 둘째, 색상과 화각의 수직 부분에 의한 구분이 있다. 이 두 실행은 모두 동등하며 설정 문제에 따라 사용된다.

이미지는 프로젝터에 의해 생성되며 이 경우 이미지는 각도 좌표 격자망에서 세 가지 색상에 대한 밝기의 함수임을 명확히 해야 한다. 이미지는 대응하는 각도 좌표와 파장을 가진 파동벡터 세트로 생각할 수 있다. 여러 회절격자(회절소자)가 임의의 파동벡터에 적용될 때, 이러한 격자의 벡터 합계가 0이면 파동벡터는 변경되지 않은 상태로 유지된다. 즉, 출력 이미지가 보존된다. 따라서 세트에 있는 회절광학소자의 벡터 합계는 0이어야 한다.

회절소자의 주기와 배향은 일부 세트는 중앙 부분과 작동하는 반면 다른 세트는 극단 부분과 작동하는 식으로 계산된다. 이 모든 것은 제시된 연립방정식(2)을 사용하여 계산할 수 있다.

증배 회절소자 Y와 아웃커플링 회절소자 Z에서의 복사선의 증배로 인해 아이모션박스(Eye Motion Box: EMB), 즉 움직이는 눈이 가상 이미지 전체를 손실 없이 완전히 볼 수 있는 영역의 폭이 증가한다. 화각(광학계의 화각(각도 필드)은 광학계에서 나오는 빔의 원뿔이며 이미지를 형성함)은 회절소자 세트의 수를 늘림으로써 증가한다. 화각이 정확히 어떻게 증가하는지(수평으로 또는 수직으로)는 연립방정식(1) 또는 연립방정식(2)에 따른 회절소자의 선택에 따라 달라진다.

수직 화각이 증가하면(회절소자의 매개변수는 연립방정식(2)에 따라 계산) 회절격자 아키텍처를 갖는 도파로는 다음과 같이 작동한다.

회절소자의 제1 및 제2 세트는 수직 화각의 가장자리를 확장하고, 제3 및 제4 세트는 화각의 중심을 확장한다.

프로젝터에서 나오는 복사선은 인커플링 회절광학소자 X로 들어가서, 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다.

회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 상부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 제2 선형 회절광학소자 Z를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 상부 성분은 입력 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절되고, 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에 의해 사용자의 눈으로 출력된다.

회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절되고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다. 이하 수평 각도는 입력 회절격자의 벡터

을 향하는 입사광의 각도 성분을 의미한다.

적색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 적색 하부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 인커플링 회절소자 X로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

제1 증배 회절광학소자 Y의 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자와 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자로 구성된 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가고, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 중앙 하부 성분은 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 중앙 하부 성분은 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도 9는 제안된 회절소자 아키텍처의 두 가지 방식을 도시한다. 회절소자의 매개변수를 계산하는 데 사용된 연립방정식(1 또는 2)에 따라, 회절소자의 아키텍처는 분산을 보정하고 수평 화각을 확장하거나(연립방정식(1)을 사용한 계산) 또는 수직 화각을 확장한다(연립방정식(2)를 사용한 계산).

계산이 연립방정식(1)에 따라 통과되면, 회절소자의 제3 및 제4 세트가 작동하는 (a)방식은 복사선의 적색 및 녹색 성분과 작동하고 전술한 바와 같이 수평 화각의 우측을 확장하며, 회절소자의 제1 및 제2 세트가 작동하는 (b)방식은 청색 및 녹색 복사선 성분과 작동하고 전술한 바와 같이 수평 화각의 좌측 부분을 확장한다(도 4, 도 5a, 도 5b).

계산이 연립방정식(2)에 따라 수행되면, 회절소자의 제3 및 제4 세트가 작동하는 (a)방식은 전술한 바와 같이 수직 화각의 중앙 부분을 확장하고, (b)방식에서는 회절소자의 제1 및 제2 세트가 전술한 바와 같이 수직 화각의 가장자리 구역을 확장한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 2개의 도파로로 구성된 시스템을 사용하여 화각의 폭을 늘릴 수 있다. 그러한 시스템의 각 도파로의 회절소자의 아키텍처는, 한 도파로의 회절소자의 한 아키텍처는 분산을 보정하고 수평 화각을 늘리도록 구성되고, 다른 하나의 도파로에 있는 회절소자의 두 번째 아키텍처는 수직 화각을 늘리도록 구성되어, 서로 반복된다.

두 도파로 각각은 화각의 자체 스펙트럼 각도 부분을 표시하도록 설계된다.

2개의 도파로를 사용하면 화각이 크게 증가할 수 있다. 또한, 첫 번째 도파로에서 회절 아키텍처는 수직 화각의 증가가 발생하도록 위치하며, 두 번째 도파로에서 회절 아키텍처는 이미지 분산이 보정되고 수평 화각이 늘어나도록 위치한다. 예를 들어, 도파로 I의 경우, 회절소자 제1 및 제2 세트는 이미지의 가장자리를 따라 수직으로 화각을 확장하도록 작동하는 반면, 제3 및 제4 세트는 화각 중앙에서 수직으로 화각을 확장하도록 작동한다. 도파로 II의 경우, 제1 및 제2 세트는 이미지의 좌측과 작동하고, 제3 및 제4 세트는 이미지의 우측과 작동하여 화각을 수평으로 확장하고 분산을 보정한다.

두 도파로로 구성된 시스템의 작동은 아래에 설명되어 있으며, 그중 한 도파로는 연립방정식(2)에 의해 계산된 회절소자의 아키텍처를 포함하고, 다른 도파로는 연립방정식(1)에 의해 계산된 회절소자의 아키텍처를 포함한다.

첫 번째 도파로는 연립방정식(2)에 의해 계산된 회절소자의 아키텍처를 포함한다.

프로젝터에서 나오는 복사선은 도파로 I의 입력 회절광학소자 X로 들어가서 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다. 적색 화각의 중앙 좌측 부분, 녹색 화각의 중앙 우측 부분 및 청색 화각의 우측 부분이 도파로 I을 통과한다. 입력 회절소자 X의 색 분산으로 인해 색상별로 분류된 화각의 여러 부분들이 통과된다는 점을 명확히 해야 한다. 순서(청색은 항상 우측, 적색은 항상 좌측, 녹색은 그 사이 어딘가)는 모든 회절소자에 대해 유효하다. 또한 "우측으로" 및 "좌측으로"는 절대적인 방향이 아니라 눈의 좌측의 고정 입력 회절소자를 고려한 상대적인 방향이다(모든 도면에 도시된 바와 같음). 입력 회절소자가 좌측이 아니라 눈의 우측에 있으면 순서가 변경된다(청색은 좌측으로, 적색은 우측으로, 녹색은 그 사이 어딘가). 정확히 이 부분들이 이 성능에서 수행되는 이유 - 계산을 기반으로, 최대 화각을 제공할 수 있을 만큼 필드의 부분들로 분류된다.

도파로 I의 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 상부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 적색 상부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 I의 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 상부 성분은 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 I의 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

적색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 회절광학소자 Y로 들어가며, 그 후 출력 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 회절광학소자 Y로 들어가며, 그 후 출력 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 I의 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 회절광학소자 Y로 들어가고, 그 후 출력 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

프로젝터에서 나오는 복사선은 도파로 II의 입력 회절광학소자 X로 들어가서 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다. 적색 화각의 극우측 부분, 녹색 화각의 극좌측 부분 및 청색 화각의 좌측 부분이 도파로 II를 통과한다. 이 실시예에서, 도파로 II는 자체 분산이 아니라 도파로 I의 분산을 보정하도록 설계된다.

도파로 II의 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

적색 성분은 입력 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 출력 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자 Z로 들어가고, 출력 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

적색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 출력 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 출력 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 성분은 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

제안된 회절격자 아키텍처를 갖는 2개의 도파로를 사용할 때 대각선 화각은 62°에 이른다.

도 11은 3-도파로 시스템의 사용을 도시한다.

프로젝터에서 나오는 복사선은 도파로 I의 인커플링 회절광학소자 X로 들어가서 상이한 각도에서 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다. 도파로 I을 통해 녹색 화각의 극좌측 부분과 청색 화각의 좌측 중앙 부분이 통과된다. 전술한 바와 같이, 입력 회절소자의 색 분산으로 인해 색분류된 화각의 여러 부분들이 통과된다.

도파로 I의 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

도파로 I의 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 하부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 인커플링 회절소자 X로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 I의 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 하부 성분은 증배가 발생하는 제1 회절광학소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 I의 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 중앙 하부 성분은 입력 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 중앙 하부 성분은 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

그런 다음 프로젝터에서 나오는 복사선, 즉 도파로 I에서 나온 복사선은 도파로 II의 입력 회절광학소자 X로 들어가서 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다. 적색 화각의 극좌측 부분, 녹색 화각의 중앙 부분 및 청색 화각의 우측 중앙 부분이 도파로 II를 통과한다.

도파로 II의 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 상부 성분은 출력 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 출력 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

청색 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 상부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

적색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 적색 하부 성분은 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

적색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 적색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

청색 중앙 상부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 다음으로 청색 중앙 상부 성분은 증배가 발생하는 제1 증배 회절소자 Y로 들어가며, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 II의 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 중앙 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 제2 증배 회절소자 Y로 들어가고, 그 후 아웃커플링된 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

그런 다음 프로젝터에서 나오는 복사선은 도파로 III의 입력 회절광학소자 X에 들어가서 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다. 적색 화각의 중앙 우측 부분, 녹색 화각의 우측 부분 및 청색 화각의 극우측 중앙 부분이 도파로 III를 통과한다.

도파로 III의 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

도파로 III의 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 III의 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 중앙 상부 성분은 입력 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 회절광학소자 Y의 제1 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 출력 회절소자 Z의 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로 III의 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

제안된 회절격자 아키텍처를 갖는 3개의 도파로를 사용할 때 대각선 화각은 76°에 이른다.

도 12는 도파로 아키텍처가 단일 도파로의 양쪽에 적용될 수 있음을 도시한다. 예를 들어, 회절소자 제1 및 제2 세트는 도파로의 한쪽에 위치할 수 있고, 회절광학소자 제3 및 제4 세트는 도파로의 반대쪽에 위치할 수 있다. 이러한 구조는 제조가 용이하고 수직 화각을 늘리고 수평 화각을 늘리는 데 모두 사용될 수 있다.

수평 화각이 증가하면 도파로는 다음과 같이 작동한다.

프로젝터에서 나오는 복사선은 인커플링 회절광학소자 X에 들어가서 상이한 각도에서 적색, 녹색 및 청색 성분으로 나뉜다.

도파로의 제1 측에 위치한 회절소자 제1 세트는 다음과 같이 작동한다.

녹색 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 아웃커플링 회절소자 Z로 들어가고, 아웃커플링 회절소자 Z의 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

도파로의 제1 측에 위치한 회절소자 제2 세트는 다음과 같이 작동한다.

도파로의 제2 측에 위치한 회절소자 제3 세트는 다음과 같이 작동한다.

도파로의 제2 측에 위치한 회절소자 제4 세트는 다음과 같이 작동한다.

수직 화각이 증가하면 도파로는 다음과 같이 작동한다.

청색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 공기 중에서 전파되는 부분이 회절된다. 청색 하부 성분은 인커플링 회절소자 X의 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 인커플링 회절소자 X로 들어가며, 아웃커플링 회절소자 Z의 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력된다.

제안된 아키텍처에서, 회절광학소자는 다음과 같이 구성할 수 있다.

A) 모든 회절광학소자는 균일한 구조의 형태로 만들어질 수 있으며, 이는 회절광학소자의 광학 매개변수의 변조 진폭이 도파로 평면에서 X-Y 좌표에 따라 변하지 않는다는 뜻이다.

B) 모든 회절광학소자는 형상이 상이하고, 크기가 상이하며, 상이한 거리만큼 서로 이격된 분할 구조물의 형태로 만들 수 있다. 이 경우 회절광학소자의 광학 매개변수의 변조 진폭은 (도파로 평면에서) X-Y 좌표에 따라 구간 함수이다. 즉, 도파로의 일부 지점에서는 변조 진폭이 존재하고 다른 지점에서는 그렇지 않다. 달리 말해, 소자는 예를 들어 서로 특정 거리만큼 이격된 특정 반경의 원의 형태로 만들어진다. 이 디자인은 회절광학소자 Y 및 Z(X는 아님)에 유효하다. 구체적인 작업, 도파로의 두께, 재료 등에 따라 구체적인 디자인은 매우 다양할 수 있으므로, 가장 일반적인 형태가 본원에 제공된다.

C) 모든 회절광학소자는 체적 구조의 형태, 예를 들어 회절 홀로그래픽 소자의 형태로 만들어질 수 있다. 체적 구조는 회절소자 구현의 특성으로, 이는 광학 매개변수의 변화가 재료의 표면이 아닌 재료의 체적에서 발생함을 뜻한다. 이러한 구현은 X, Y, Z 회절광학소자 각각에 대해 일반적이다.

D) 모든 회절광학소자는 양각 또는 평면 구조의 형태로 만들 수 있다. 양각/평면 구조는 모든 회절소자의 성능 특성이며, 이는 광학 매개변수의 변화가 재료의 체적이 아닌 재료의 표면에서 발생함을 의미한다. 이러한 구현은 X, Y, Z 회절광학소자 각각에 대해 일반적이다.

E) 모든 회절광학소자는 체적 구조와 양각 구조 양쪽 모두의 형태로 만들 수 있다. 이 특성은 광학 매개변수의 변화가 체적과 표면 모두에서 발생함을 의미한다. 이러한 구현은 X, Y, Z 회절광학소자 각각에 대해 일반적이다.

E) 각 회절광학소자는 도파로 자체 내부에, 예를 들어 도파로 내부에 기록된 홀로그래픽 광학소자로 만들거나, 또는 도파로 표면에 양각 또는 혼합 구조가 생성된 경우 그 표면에, 도파로의 일부로서 만들 수 있다. 이러한 구현은 X, Y, Z 회절광학소자 각각에 대해 일반적이다.

G) 회절광학소자는 도파로의 별개 층의 내부에 또는 그 층의 표면상에 만들 수 있다. 이러한 구현은 X, Y, Z 회절광학소자 각각에 대해 일반적이다.

각 세트는 각자의 화각 부분을 각도 좌표 격자망 상에서 렌더링하는 반면, 화각의 이 부분은 색상에 따라 다르다. 각 세트는 각도 좌표 격자망의 여러 부분에서 세 가지 색상을 모두 렌더링할 수 있지만 임의의 회절소자 세트에 대해 세 가지 색상 모두를 사용할 수 있는 것은 아니며, 이는 세트와 디자인에 따라 다르다. 위에서 설명한 상황(제1 및 제2 세트는 청색과 일부 녹색, 제3 및 제4 세트는 적색과 일부 녹색)은 하나의 도파로의 실행에는 유효하지만 2개 또는 3개의 도파로의 실행에는 유효하지 않다. 다수의 도파로가 있는 경우, 분리가 유효하며, 이 경우 사전에 정의된 회절소자 세트들이 각 도파로에서 작동한다. 시야의 일부는 필연적으로 한 세트가 아닌 두 세트 또는 심지어 네 세트로 전달된다. 이는 출력에서 화각의 모든 부분이 빈틈없는 단일 이미지를 형성해야 한다는 사실 때문이다. 화각의 부분들의 형상은 정사각형이 아니며 곡선 테두리가 있다. 따라서 빈틈이 없으려면 각도 좌표 격자망의 일부 지점에서 회절소자들이 서로 겹치는 식으로 회절소자들을 계산해야 한다. 이들 위치에서 각도 좌표 격자망 상의 동일 지점은 둘 이상의 회절소자 세트에 의해 전달될 수 있다.

본 발명 덕분에 증강현실장치에서 하나의 도파로만 사용할 수 있으므로 장치의 두께, 크기 및 무게를 줄일 수 있으며 또한 증강현실장치의 투명도를 높일 수 있다. 또한, 증강현실장치는 고해상도 및 풀 컬러 이미지를 가진다. 또한 제안된 발명은 넓은 화각을 제공하며, 이는 사용자에게 임장감 효과를 제공한다. 복사선은 가로 폼 팩터를 관찰하면서 측면에서 입력된다. 측면에서 복사선이 도입되면 수평으로 전달된 화각의 크기가 수직으로 전달된 화각의 크기보다 좁아지지 않는다.

본 발명은 경량과 컴팩트한 크기가 중요한 증강현실 안경에 편리하게 적용된다. 제안된 발명은 어떤 목적으로 사용되는 증강현실장치에도 편리하게 적용될 수 있다.

본 발명을 일부 예시적인 실시예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 본질은 이러한 특정 실시예에 국한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 반대로, 본 발명의 본질은 청구범위의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 조정 및 등가물을 포함하도록 의도된다.

또한, 본 발명은 고려 과정에서 청구범위가 변경되더라도 청구된 발명의 모든 등가물을 유지한다.

Claims

증강현실장치용 도파로의 회절광학소자 아키텍처로서,

프로젝터에서 나오는 복사선을 입력하도록 구성된 인커플링 회절소자로서, 제1 선형 회절광학소자 및 제2 선형 회절광학소자를 포함하는 인커플링 회절소자;

복사선을 증배하도록 구성된 제1 증배 회절소자 및 제2 증배 회절소자;

복사선을 증배하고 상기 도파로에서 나오는 복사선을 출력하도록 구성된 아웃커플링 회절소자로서, 출력 회절소자의 제1 선형 회절광학소자, 출력 회절소자의 제2 선형 회절광학소자, 출력 회절소자의 제3 선형 회절광학소자를 포함하는 아웃커플링 회절소자;

를 포함하며,

또한, 상기 인커플링 회절소자는 상기 증강현실장치의 작동 중에 상기 프로젝터에서 나오는 이미지를 적색, 녹색, 청색의 이미지 색상 성분으로 분리하고, 각 색상 성분의 빔 경로 방향을 대응하는 회절소자 세트를 통해 분리하며, 이때 복사선의 행로를 따라,

회절소자 제1 세트는 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 및 제2 선형 회절소자로 구성되고,

회절소자 제2 세트는 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자, 상기 아웃커플링 회절광학소자의 상기 제2 및 제1 선형 회절소자로 구성되며,

회절소자 제3 세트는 상기 제1 증배 회절광학소자의 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자와 상기 출력 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자로 구성되고,

회절소자 제4 세트는 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자, 상기 제2 증배 회절소자, 및 상기 출력 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자로 구성되는, 아키텍처.
제1항에 있어서, 각 세트의 모든 회절소자의 벡터의 합은 0과 동일한, 아키텍처.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회절소자 제1 세트 및 상기 회절소자 제3 세트는 화각의 상부 부분을 담당하도록 구성되고, 상기 회절소자 제2 세트 및 상기 회절소자 제4 세트는 화각의 하부 부분을 담당하도록 구성된, 아키텍처.
제1항에 있어서, 각 색상 성분의 빔 경로 방향은 연립방정식

에서 계산된 상기 회절소자의 매개변수에 따라 달라지며,

여기서
는 전자기파의 파동벡터로서, l, x, y의 세 좌표로 정의되고, 여기서 l은 전자기파의 파장, x는 전자기파의 x방향 각도 좌표, y는 전자기파의 y방향 각도 좌표이며;

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이고;

n_λg는 파장 λ_g에 대한 광학계의 굴절률이며;

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이고;

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이며;

λ_g는 녹색에 해당하는 전자기파의 파장이고;

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이며:

θ는 전달된 화각의 x방향 최대 각도이고(화각의 x방향 크기는 2^θ);

δ는 전달된 화각의 y방향 최대 각도이며(화각의 y방향 크기는 2^δ);

여기서, 이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_b,λ_g,λ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λb,n_λg, n_λr), 화각 변들의 가로세로비(θ/δ), 및 아래의 선형 소자 벡터들의 기하학적 관계이고,

,

또한, 벡터
는 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자의 "+1" 및 "-1" 회절 차수에 대응하며;

벡터
은 제2 증배 회절광학소자에 대응하고;

벡터
는 제1 증배 회절광학소자에 대응하며;

벡터
는 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터
은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응하며;

벡터
은 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터
은 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응하는 아키텍처.
제1항에 있어서, 각 색상 성분의 빔 경로 방향은 연립방정식

에서 계산된 상기 회절소자의 매개변수에 따라 달라지며,

여기서
는 전자기파의 파동벡터로서, l, x, y의 세 좌표로 정의되고, 여기서 l은 전자기파의 파장, x는 전자기파의 x방향 각도 좌표, y는 전자기파의 y방향 각도 좌표이며;

n_λb는 파장 λ_b에 대한 광학계의 굴절률이고;

n_λr은 파장 λ_r에 대한 광학계의 굴절률이고;

λ_b는 청색에 해당하는 전자기파의 파장이며;

λ_r은 적색에 해당하는 전자기파의 파장이며:

φ 및 ψ는 화각 내의 y방향 각도로서, 화각의 두 부분, 즉 전달된 제1, 2 세트 및 제3, 4 세트의 접촉 각도이고,

여기서, 이 연립방정식을 풀기 위한 초기 데이터는 사용된 전자기파 파장(λ_bλ_r), 사용된 파장에 대한 광학계의 굴절률(n_λbn_λr), 화각 변들의 가로세로비(비(θ/δ), 및 도파로 아키텍처의 기하학적 특징에서 기인한 아래의 선형 소자 벡터들의 기하학적 관계이고,

,

또한, 벡터
는 인커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자의 "+1" 및 "-1" 회절 차수에 대응하며;

벡터
은 제2 증배 회절광학소자에 대응하고;

벡터
는 제1 증배 회절광학소자에 대응하며;

벡터
는 아웃커플링 회절소자의 제3 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터
은 인커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응하며;

벡터
은 아웃커플링 회절소자의 제2 선형 회절광학소자에 대응하고;

벡터
은 아웃커플링 회절소자의 제1 선형 회절광학소자에 대응하는 아키텍처.
제4항 또는 제5항에 있어서, 모든 회절소자가 상기 도파로의 한쪽에 적용되는, 아키텍처.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 회절소자 제1 및 제2 세트는 상기 도파로의 한쪽에 위치하고, 상기 회절소자 제3 및 제4 세트는 상기 도파로의 반대쪽에 위치하는, 아키텍처.
제4항에 따른 회절광학소자 아키텍처의 작동 방법으로서,

상기 프로젝터에서 나오는 복사선이 상기 입력 회절소자로 들어가서, 이미지의 적색 성분, 이미지의 청색 성분 및 이미지의 녹색 성분으로 나뉘고, 동시에 작동하는 회절소자 세트들로 보내지며, 이때

상기 회절소자 제1 세트는,

이미지의 녹색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 상기 출력 회절소자로 들어가고, 상기 출력 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며,

청색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 출력 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 상기 아웃커플링 회절소자로 들어가며, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고,

상기 회절소자 제2 세트는,

이미지의 녹색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 상기 아웃커플링 회절소자로 들어가고, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며,

청색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 상기 아웃커플링 회절소자로 들어가며, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고,

상기 회절소자 제3 세트는,

녹색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 상기 제1 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며,

적색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 출력 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고,

상기 회절소자 제4 세트는,

녹색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 상기 제2 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며,

적색 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하는 단계들을 포함하는 방법.
제5항에 따른 회절광학소자 아키텍처의 작동 방법으로서,

상기 프로젝터에서 나오는 복사선이 상기 입력 회절소자로 들어가서, 이미지의 적색 성분, 이미지의 청색 성분 및 이미지의 녹색 성분으로 나뉘고, 동시에 작동하는 회절소자 세트들로 보내지며, 이때

상기 회절소자 제1 세트는,

녹색 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 복사선이 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배되는 상기 아웃커플링 회절소자로 들어가고, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며,

청색 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 출력 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 상기 출력 회절소자로 들어가며, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈에 입력되고,

적색 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 상기 출력 회절소자로 들어가며, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자를 통해 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고,

상기 회절소자 제2 세트는,

녹색 하부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 상기 출력 회절소자로 들어가고, 상기 출력 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자를 사용하여 사용자의 눈으로 출력되며,

적색 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 의해 증배가 발생하는 상기 출력 회절소자로 들어가며, 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 의해 사용자의 눈으로 출력되고,

적색 하부 성분은 상기 입력 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 청색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 상기 출력 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에서 증배가 발생하는 상기 출력 회절소자로 들어가며, 상기 출력 회절소자의 상기 제1 선형 회절광학소자에 의해 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하고,

상기 회절소자 제3 세트는,

녹색 중앙 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 상기 제1 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며,

적색 중앙 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되고,

청색 중앙 상부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제1 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈에 표시되도록 작동하고,

상기 회절소자 제4 세트는,

녹색 중앙 하부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어간 다음, 증배가 발생하는 상기 제2 증배 회절소자로 들어가고, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되며,

적색 중앙 하부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되고,

청색 중앙 하부 성분은 상기 인커플링 회절소자의 상기 제2 선형 회절광학소자에 들어가서 녹색 성분 및 적색 성분의 입사각과 상이한 수평 각도로 전파되는 부분이 회절되고, 다음으로 증배가 발생하는 상기 제2 증배 회절소자로 들어가며, 그 후 상기 아웃커플링 회절소자의 상기 제3 선형 회절광학소자에 들어가서 사용자의 눈으로 출력되도록 작동하는 단계들을 포함하는 방법.
이미지 프로젝터;

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자 아키텍처를 포함하는 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치.
이미지 프로젝터;

제4항에 따른 회절광학소자 아키텍처를 포함하는 제1 도파로;

제5항에 따른 회절광학소자 아키텍처를 포함하는 제2 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치.
이미지 프로젝터;

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자 아키텍처를 포함하는 도파로로서, 상기 회절소자 제1 및 제2 세트는 상기 도파로의 한쪽에 위치하고, 상기 회절소자 제3 및 제4 세트는 상기 도파로의 반대쪽에 위치하는, 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치.
이미지 프로젝터;

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자 아키텍처를 적어도 하나 포함하는 적어도 하나의 도파로를 포함하는 증강현실 디스플레이 장치.
좌안용 소자와 우안용 소자를 포함하는 증강현실 안경으로서, 좌안용 및 우안용 소자 각각은 제10항에 따른 증강현실 디스플레이 장치이며,

상기 회절광학소자 아키텍처를 포함하는 도파로가 상기 우안 소자 및 상기 좌안 소자 각각에 위치되어 상기 아웃커플링 회절소자가 사용자 눈의 맞은편에 위치하도록 하는, 증강현실 안경.
좌안용 소자와 우안용 소자를 포함하는 증강현실 안경으로서, 좌안용 및 우안용 소자 각각은 제11항에 따른 증강현실 디스플레이 장치이며,

상기 제1 및 제2 도파로는 상기 우안 소자 및 상기 좌안 소자 각각에 위치되어 상기 출력 회절소자가 사용자 눈의 맞은편에 위치하도록 하는, 증강현실 안경.