WO2023059134A1 - 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스 - Google Patents

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WO2023059134A1
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input
light
coupling element
coupling
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PCT/KR2022/015143
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류재열
윤정근
곽규섭
정영모
최명조
최종철
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삼성전자 주식회사
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Definitions

  • the present disclosure relates to a waveguide with increased system efficiency and an augmented reality device employing the same.
  • An augmented reality device is a device capable of viewing augmented reality (AR), and includes, for example, augmented reality glasses (AR Glass).
  • An image optical system of an augmented reality device includes an image generating device for generating an image and a waveguide for sending the generated image to eyes.
  • Such an augmented reality device has a wide viewing angle and high-quality image, and the device itself is required to be lightweight and miniaturized.
  • an optical system based on a waveguide is being researched and developed for an augmented reality device such as augmented reality glasses.
  • Conventional waveguides use free curved surface reflection or multi-mirror reflection to input light into the waveguide, or input-coupling diffractive elements such as diffractive optical elements or holographic optical elements to input light into the waveguide.
  • input In the case of using the conventional free-curved surface reflection or multi-mirror reflection, the structure may be simple and the light transmission efficiency may be high, but there is a limit to the viewing angle and it is difficult to thin the waveguide.
  • the problem to be solved is to provide a waveguide with reduced loss generated from an input-coupling element and an augmented reality device employing the same.
  • the problem to be solved is to provide a waveguide having a thin thickness while having a sufficient viewing angle, and an augmented reality device employing the same.
  • the technical problem to be solved is not limited to the technical problems described above, and other technical problems may exist.
  • a waveguide includes a waveguide body including a first surface on which light is incident and a second surface opposite to the first surface; an input-coupling element for inputting a part of the light into the waveguide body; a reflective element located on the second surface of the waveguide body and re-inputting another part of light into the waveguide body; and an output-coupling element for outputting the light propagating within the waveguide body to the outside.
  • the input-coupling element is located between the second surface of the waveguide body and the reflective element, and the reflective element transmits light of the 0th diffraction order generated from the input-coupling element to the input-coupling element.
  • the input-coupling element may diffract the light of the 0th diffraction order reflected from the reflection element and re-input it into the waveguide body.
  • the input-coupling element is located on the first surface of the waveguide body, the reflection element reflects the light of the 0th diffraction order generated from the input-coupling element to the waveguide, and the input-coupling element The element may diffract the light of the 0th diffraction order reflected from the reflective element and pass through the waveguide body and re-input it into the waveguide body.
  • the input-coupling element is located inside the waveguide body, the reflection element reflects the 0th diffraction order light generated from the input-coupling element to the waveguide, and the input-coupling element reflects Light of the 0th diffraction order reflected from the element can be diffracted.
  • the waveguide body may be a single layer waveguide.
  • the waveguide body includes a plurality of waveguide layers
  • the input-coupling element includes a number of sub-input-coupling elements equal to or greater than the number of the plurality of waveguide layers
  • the sub-input - One of the coupling elements may be located on one of the first and second surfaces, and the rest of the sub-input-coupling elements may be located between the plurality of waveguide layers.
  • the reflective element may be any one selected from the group consisting of a metal, a dielectric, a polymer, a polarization dependent element, a meta element, a hologram, and a dichroic mirror.
  • the reflective element may be attached to, coated with, or separated from the second surface of the waveguide body.
  • the input-coupling element may be a diffractive element or a meta element.
  • the output-coupling element may be a diffractive element or a meta element.
  • the waveguide may further include an expansion element for expanding light propagating within the waveguide body.
  • An augmented reality device includes a display engine emitting light of an image; and a waveguide, wherein the waveguide includes a waveguide body including a first surface on which light is incident and a second surface opposite to the first surface; an input-coupling element for inputting a part of the light into the waveguide body; a reflective element located on the second surface of the waveguide body and re-inputting another part of light into the waveguide body; and an output-coupling element for outputting light propagating within the waveguide body to the outside, wherein the display engine is disposed to face the first surface of the waveguide, and the waveguide directs the light emitted from the display engine to the target. It guides to an area, and the target area may be the user's eye motion box.
  • Augmented reality glasses include a left eye element and a right eye element, each of the left eye element and the right eye element includes a display engine for emitting light of an image, and a wave guide, wherein the wave guide includes a first light incident light a waveguide body including a surface and a second surface opposite to the first surface; an input-coupling element for inputting light into the waveguide body; a reflective element located on the second surface of the waveguide body and re-inputting light transmitted or not input into the waveguide body from the input-coupling element into the waveguide body; and an output-coupling element for outputting the light propagating within the waveguide body to the outside, wherein the output-coupling element for outputting light emitted from the display engine of the waveguide faces an area including the user's eyes. It can be located on the left eye element and the right eye element in a way that is positioned so as to be.
  • the disclosed waveguide and augmented reality device employing the same can reduce loss generated in an input-coupling element.
  • the disclosed waveguide and augmented reality device employing the same can improve system efficiency.
  • the disclosed waveguide may have a reduced thickness, and accordingly, a lightweight augmented reality device may be provided.
  • FIG. 1 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 1;
  • FIG. 4 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 4;
  • FIG. 7 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 7 .
  • FIG. 10 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • FIG. 14 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • 15 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • FIG. 16 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • FIG. 17 is a diagram explaining the operation of the waveguide of FIG. 11;
  • FIG. 19 schematically illustrates a waveguide according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 21 schematically illustrates an augmented reality device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 22 schematically illustrates augmented reality glasses according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 schematically shows a waveguide 10 according to one embodiment.
  • a waveguide 10 is a plate-like member including a first surface 10a and a second surface 10b opposite to the first surface 10a.
  • the first surface 10a and the second surface 10b refer to the wide surfaces of the plate-shaped member.
  • the waveguide 10 is shown in FIG. 1 as a plate-like member of a flat plate, it may also be a plate-like member having a curved surface.
  • the waveguide 10 may be formed of a material that is transparent to the visible light band, but is not limited thereto.
  • the display engine 20 is disposed on the first surface 10a of the waveguide 10 so that light of a virtual object may be incident.
  • the display engine 20 is a device that emits light carrying a virtual object at a predetermined viewing angle.
  • the display engine 20 may be a projector that projects light generated by an image panel or a projector that scans modulated light, but is not limited thereto.
  • the first surface 10a of the waveguide 10 is coated with an antireflection layer (not shown) or a filter (not shown) that passes only the wavelength band and/or polarization of the light L emitted from the display engine 20. There may be.
  • An input-coupling element 30 is disposed on the second surface 10b of the waveguide 10 .
  • the input-coupling element 30 may be a diffraction element or a meta element.
  • the diffractive element include a diffractive optical element (DOE), a holographic optical element (HOE), a volume holographic optical element (VHOE), or a surface relief grating; SRG) as an example, but is not limited thereto.
  • a meta element is an element having a metasurface structured in a pattern in which incident light is smaller than a wavelength range (ie, surf wavelength), for example, a metagrating ) or metalens, but is not limited thereto.
  • the input-coupling element 30 may be formed by being attached to or coated on the second surface 10b of the waveguide 10 .
  • the input-coupling element 30 may be formed by etching the second surface 10b of the waveguide 10 .
  • a reflection element 40 is disposed outside the input-coupling element 30 . That is, the input-coupling element 30 and the reflection element 40 are sequentially disposed from the side of the second surface 10b of the waveguide 10. In other words, the input-coupling element 30 is located between the second surface 10b of the waveguide 10 and the reflection element 40 .
  • the reflective element 40 may be a metal, dielectric, polymer, polarization dependent element, meta element, hologram, or dichroic mirror, but is not limited thereto.
  • the reflective element 40 is spaced apart from the input-coupling element 30, but is not limited thereto.
  • the reflection element 40 may be spaced apart from the waveguide 10 or the input-coupling element 30, attached to the input-coupling element 30, or coated. may be
  • the reflection element 40 is shown to exactly face the input-coupling element 30, but is not limited thereto.
  • the reflective element 40 may be disposed to face the input-coupling element 30 with a slight misalignment.
  • An area of the reflective element 40 may be equal to or larger than that of the input-coupling element 30, but is not limited thereto.
  • the reflective element 40 can see a real-world scene in a see-through manner. ) may be limited so as not to invade the area of the output-coupling element (see 50 in FIG. 21).
  • an expansion element or an output-coupling element (50 in FIG. 21) may be provided on the waveguide layers 10.
  • FIG. 2 and 3 are views explaining the operation of the waveguide 10 of FIG. 1 .
  • the first to third lights L1 , L2 , and L3 may be incident to the waveguide 10 at various incident angles.
  • the first light L1 is light incident from one side of the outermost viewing angle of the display engine 20
  • the second light L2 is light incident near the center of the viewing angle of the display engine 20
  • the third light (L3) may be light incident from the other outermost viewing angle of the display engine 20.
  • the first light (L1) is indicated by a medium thickness dotted line or solid line
  • the second light (L2) is indicated by a thick dotted line or solid line
  • the third light (L3) is indicated by a thin dotted line or solid line .
  • refraction of the first to third lights L1 , L2 , and L3 at the boundary of the medium ie, the first surface 10a of the waveguide 10 ) is not shown for convenience.
  • Incidence angles of the first to third lights L1, L2, and L3 are angles that do not satisfy the total reflection condition in the waveguide 10 after being refracted at the boundary of the medium. Incidence angles of the first to third lights L1 , L2 , and L3 are angles that satisfy a condition for total reflection of 1st-order diffracted light diffracted by the input-coupling element 30 . Furthermore, a constraint condition to be emitted from the waveguide 10 into the user's eye box may be further added to the incident angles of the first to third lights L1, L2, and L3.
  • the first to third lights L1, L2, and L3 are directed to the second surface 10b.
  • the input-coupling element 30 on the second surface 10b of the waveguide 10 diffracts the first to third lights L1, L2, and L3 to produce 0th, 1st, etc. diffracted lights.
  • the 0th order diffraction light (L10, L20, L30) is not bent in the input-coupling element 30, but remains as it is. It is a light that goes on. Accordingly, the 0th-order diffraction rays L10, L20, and L30 generated by the input-coupling element 30 are directed to the reflective element 40, reflected by the reflective element 40, and then returned to the input-coupling element 30.
  • the input-coupling element 30 diffracts the 0th-order diffracted light L10, L20, and L30 reflected by the reflection element 40 back into 0th-order, 1st-order diffracted light, and the like.
  • the 0th order diffracted lights (L10, L20, L30) reflected by the reflective element 40 the light diffracted in the 0th order by the input-coupling element 30 does not bend in its propagation direction, so it penetrates the waveguide 10.
  • the first-order diffracted lights L101, L201, and L301 from the input-coupling element 30 are included in the waveguide 10. Since it satisfies the total reflection condition, it propagates in the waveguide 10. That is, the 0th order diffracted light (L10, L20, L30) primarily generated by the input-coupling element 30 may be re-input into the input-coupling element 30 and be diffracted in the second order, of which one Since the differentially diffracted lights L101, L201, and L301 are totally reflected and propagated within the waveguide 10, the amount of light loss can be reduced.
  • FIG. 3 shows the path of the first-order diffracted light generated from the input-coupling element 30 .
  • the input-coupling element on the second surface 10b side It is diffracted at (30) to form 0th order, 1st order, etc. diffracted light.
  • each of the first-order diffracted rays L11, L21, and L31 is re-input into the waveguide 10 while being reflected and diffracted by the input-coupling element 30.
  • the first-order diffraction rays L11, L21, and L31 may propagate while being totally reflected within the waveguide 10.
  • the first-order diffracted lights L11, L21, and L31 may be diffracted again at the input-coupling element 30 on the second surface 10b of the waveguide 10.
  • the first order diffraction lights L111 , L211 , and L311 escape the waveguide 10 .
  • the first-order diffraction rays L111, L211, and L311 that deviate from the waveguide 10 are reflected again by the reflection element 40 and re-input into the input-coupling element 30, and the input-coupling element 30 ) can be diffracted again (ie, in the third order).
  • the light diffracted again ie, in the third order
  • one diffracted light satisfies the total reflection condition of the waveguide 10 and can be propagated within the waveguide 10, thereby reducing the amount of light lost.
  • K i , K G “+1” order diffraction rays (L11, L21, L31) in the 1st order diffraction can be expressed as K i + K G .
  • the lattice vector of the input-coupling element 30 may or may not include a component in a direction perpendicular to the waveguide 10 .
  • the direction parallel to the waveguide 10 means a direction parallel to the first surface 10a (or the second surface 10b) of the waveguide 10
  • a direction perpendicular to the waveguide 10 means a direction perpendicular to the first surface 10a (or the second surface 10b) of the waveguide 10.
  • the “+1” order diffracted rays L11, L21, and L31 from the input-coupling element 30 are diffracted again at the input-coupling element 30 after total reflection, and -1" order diffracted light (L111, L211, L311).
  • FIG. 4 schematically shows a waveguide 10 according to an embodiment
  • FIGS. 5 and 6 are views explaining the operation of the waveguide 10 of FIG. 4
  • refraction of the first to third lights L1, L2, and L3 at the boundary of the medium ie, the first surface 10a of the waveguide 10) is not shown for convenience. Since this embodiment is substantially the same as the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3, except that the input-coupling element 30 is disposed inside the waveguide 10, overlapping descriptions are made. will be omitted and the differences will be mainly explained.
  • an input-coupling element 30 may be disposed inside the waveguide 10 .
  • the reflective element 40 is disposed on the second surface 10b of the waveguide 10. 4 shows a case where the reflective element 40 is attached to the second surface 10b of the waveguide 10, but the reflective element 40 is spaced apart from the second surface 10b of the waveguide 10. Of course it can be.
  • an expansion element or an output-coupling element (50 in FIG. 21) may be provided inside or on the surface of the waveguide 10.
  • the first to third lights L1 , L2 , and L3 are incident on the first surface 10a of the waveguide 10 and then encounter the input-coupling element 30 .
  • the input-coupling element 30 diffracts the first to third lights L1, L2, and L3 to form zero-order, first-order, and the like diffracted lights.
  • the 0th order diffraction light (L10, L20, L30) is not bent in the input-coupling element 30, but remains as it is. It is a light that goes on.
  • the 0th-order diffraction rays L10, L20, and L30 generated by the input-coupling element 30 are directed to the second surface 10b of the waveguide 10. Since the 0th-order diffraction rays L10, L20, and L30 do not satisfy the total reflection condition of the waveguide 10, they exit the second surface 10b of the waveguide 10. However, since there is a reflective element 40 on the side of the second surface 10b of the waveguide 10, the 0th-order diffraction rays L10, L20, and L30 are reflected by the reflective element 40 and return to the waveguide 10. re-entered into Even if the reflective element 40 is attached to or spaced apart from the second surface 10b of the waveguide 10, the paths of the 0th-order diffracted light L10, L20, and L30 are substantially the same.
  • the input-coupling element 30 diffracts the 0th-order diffraction rays L10, L20, and L30 re-incident into the waveguide 10 into 0th-order, 1st-order, etc. diffracted rays.
  • the 0th order diffracted lights (L10, L20, L30) reflected by the reflective element 40 the light diffracted in the 0th order by the input-coupling element 30 does not bend in its propagation direction, so it penetrates the waveguide 10.
  • the first-order diffracted lights L101, L201, and L301 from the input-coupling element 30 are included in the waveguide 10. Since it satisfies the total reflection condition, it propagates in the waveguide 10. That is, the 0th order diffracted light (L10, L20, L30) primarily generated by the input-coupling element 30 may be re-input into the input-coupling element 30 and be diffracted in the second order, of which one Since the differentially diffracted lights L101, L201, and L301 are totally reflected and propagated within the waveguide 10, the amount of light loss can be reduced.
  • FIG. 6 shows the path of the first-order diffracted light generated from the input-coupling element 30 .
  • the first to third lights L1, L2, and L3 are incident on the first surface 10a of the waveguide 10 and then diffracted by the input-coupling element 30 to generate a 0th order light. , first-order, etc. diffracted light is formed.
  • each of the first-order diffraction rays L11, L21, and L31 is input into the waveguide 10 while being diffracted by the input-coupling element 30.
  • the first-order diffraction rays L11, L21, and L31 may propagate while being totally reflected within the waveguide 10.
  • the first-order diffracted lights L11, L21, and L31 may be diffracted again by the input-coupling element 30.
  • the 0th order diffraction light L310 among the diffracted lights diffracted again (ie, secondly) by the input-coupling element 30 maintains total reflection propagation, but the 1st order diffracted light (L311) does not satisfy the total reflection condition of the waveguide 10.
  • the 1st order diffracted light L311 is again incident into the waveguide 10 by the reflective element 40, It can be diffracted second-order (ie, third-order) at the input-coupling element 30 .
  • the first diffracted light L3111 satisfies the total reflection condition of the waveguide 10 and can be propagated within the waveguide 10, thereby reducing the amount of light loss.
  • Paths of the first and second lights L1 and L2 are also substantially the same as those of the third light L3, so descriptions thereof will be omitted.
  • FIG. 7 schematically shows a waveguide 10 according to an embodiment
  • FIGS. 8 and 9 are views explaining the operation of the waveguide 10 of FIG. 7
  • refraction of the first to third lights L1, L2, and L3 at the boundary of the medium ie, the first surface 10a of the waveguide 10.
  • This embodiment is substantially the same as the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 6, except that the input-coupling element 30 is disposed on the first surface 10a of the waveguide 10. Since they are the same, overlapping descriptions will be omitted and description will focus on the differences.
  • an input-coupling element 30 may be disposed on the first surface 10a of the waveguide 10 .
  • the input-coupling element 30 may be formed by being etched, attached or coated on the first surface 10a of the waveguide 10, but is not limited thereto.
  • the reflective element 40 is disposed on the second surface 10b of the waveguide 10.
  • FIG. 7 shows a case where the reflective element 40 is attached to the second surface 10b of the waveguide 10, the reflective element 40 is spaced apart from the second surface 10b of the waveguide 10. Of course it can be.
  • an expansion element or an output-coupling element (50 in FIG. 21) may be provided inside or on the surface of the waveguide 10.
  • the first to third lights L1, L2, and L3 are incident on the input-coupling element 30 located on the first surface 10a of the waveguide 10, and input-coupling.
  • the element 30 diffracts the first to third lights L1, L2, and L3 to form 0th, 1st, and the like diffracted lights.
  • the 0th order diffraction light (L10, L20, L30) is not bent in the input-coupling element 30, but remains as it is. It is a light that goes on. Therefore, the 0th-order diffracted light (L10, L20, L30) generated from the input-coupling element 30 is incident to the waveguide 10 and then directed to the reflective element 40 without total reflection, and the reflective element 40 is reflected from the input-coupling element 30 again.
  • the input-coupling element 30 diffracts the 0th-order diffracted light L10, L20, and L30 reflected by the reflection element 40 back into 0th-order, 1st-order diffracted light, and the like.
  • Light transmitted through the input-coupling element 30 among the 0th order diffraction lights L10 , L20 , and L30 reflected by the reflection element 40 may be lost.
  • the first-order diffraction-reflected lights L101, L201, and L301 from the input-coupling element 30 are the waveguide 10. Since it satisfies the total reflection condition within, it propagates in the waveguide 10.
  • the 0th order diffracted light (L10, L20, L30) primarily generated by the input-coupling element 30 may be re-input into the input-coupling element 30 and be diffracted in the second order, of which one Since the differentially diffracted lights L101, L201, and L301 are totally reflected and propagated within the waveguide 10, the amount of light loss can be reduced.
  • FIG. 9 shows the path of the 1st order diffraction light generated from the input-coupling element 30 .
  • the first to third lights L1, L2, and L3 are diffracted by the input-coupling element 30 on the first surface 10a of the waveguide 10 to produce 0-order and 1-order light. , etc. to form diffracted light.
  • each of the first-order diffracted rays L11, L21, and L31 may propagate while being totally reflected within the waveguide 10.
  • the 1st order diffracted light (L11, L21, L31) may be diffracted again at the input-coupling element 30 on the first surface 10a of the waveguide 10.
  • the light diffracted again ie, in the third order
  • one diffracted light satisfies the total reflection condition of the waveguide 10 and can be propagated within the waveguide 10, thereby reducing the amount of light lost.
  • the input-coupling element 30 has been described as an example of a single layer in the above-described embodiments, the input-coupling element 30 may be formed by stacking multiple layers having different lattice characteristics.
  • 10 schematically shows a waveguide according to an embodiment. It is substantially the same as the waveguide of the embodiment described with reference to FIG. 1 except that the input-coupling element 30 is composed of first and second layers 30a and 30b.
  • the first and second layers 30a and 30b of the input-coupling element 30 may have different grating characteristics such as grating vectors.
  • FIG. 11 schematically shows a waveguide according to an embodiment
  • FIGS. 12 to 17 are views explaining the operation of the waveguide of FIG. 11
  • the refraction of the first to third lights L1, L2, and L3 at the boundary of the medium that is, the first to third waveguide layers 11, 12, and 13
  • This embodiment is substantially the same as the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3 except that the waveguide is composed of multiple layers and a plurality of input-coupling elements are provided, so that overlapping components The description will be omitted and the description will focus on the differences.
  • the waveguide includes first to third waveguide layers 11, 12, and 13.
  • the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 may have the same or different refractive indices.
  • the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 may be spaced apart with a gap.
  • a spacer (not shown) may be disposed between the first to third waveguide layers 11, 12, and 13.
  • the light L is expected to be incident on the first surface 11a of the first waveguide layer 11 of the waveguide. That is, the display engine 20 is disposed on the first surface 11a of the first waveguide layer 11 so that the light of the virtual object can be incident.
  • the input-coupling element may include first to third sub-input-coupling elements 31 , 32 , and 33 .
  • the first and second sub input-coupling elements 31 and 32 are positioned between the first to third waveguide layers 11 , 12 and 13 .
  • the first sub input-coupling element 31 may be located on the second surface 11b of the first waveguide layer 11 opposite to the first surface 11a.
  • the second sub input-coupling element 32 may be located on the second surface 12b of the second waveguide layer 12 .
  • the second waveguide layer 12 has a first face 12a and a second face 12b opposed to each other, the second face 12b facing away from the display engine 20 .
  • the third sub input-coupling element 33 may be located on the second surface 13b of the third waveguide layer 13 .
  • the third waveguide layer 13 has a first face 13a and a second face 13b opposed to each other, and the second face 13b is far from the display engine 20 .
  • the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 may be formed by etching, attaching, or coating the first to third waveguide layers 11, 12, and 13, respectively. It is not limited thereto.
  • an expansion element or an output-coupling element (50 in FIG. 21) may be provided on at least one of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13.
  • the first to third lights L1 , L2 , and L3 do not mean light of different wavelengths, but mean light having different incident angles.
  • Light incident to the waveguide may include light of different wavelengths. In this case, there is no substantial difference except that the angles of the diffracted light diffracted by the first to third sub input-coupling elements 31, 32, and 33 are different.
  • the refractive index or thickness of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13, the period of the grating of the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33, etc., depend on the wavelength or viewing angle of propagated light. , may vary depending on the location of the exit pupil.
  • the reflective element 40 is positioned on one side of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 (ie, the second surface 13b of the third waveguide layer 13).
  • the reflective element 40 may be located outside the third sub-input-coupling element 33 . That is, the second surface 13b of the third waveguide layer 13, the third sub-input-coupling element 33, and the reflection element 40 are sequentially disposed.
  • the 0th-order diffraction light L10 is light that proceeds as it is without being bent in the direction of propagation in the first sub-input-coupling element 31.
  • the 0th-order diffracted light L10 generated by the first sub-input-coupling element 31 is incident into the second waveguide 12 and then directed to the second sub-input-coupling element 32 .
  • the second sub-input-coupling element 32 diffracts the 0th order diffracted light L10 again (second order).
  • the 0th-order diffracted light L10 is incident into the third waveguide 13 and then the third sub-input-coupling element 33 ), and is diffracted again (third order) in the third sub-input-coupling element 33.
  • the 0th-order diffracted light L10 is directed to the reflective element 40, reflected by the reflective element 40, and then removed again. 3 sub input - incident on the coupling element (33).
  • the third sub-input-coupling element 33 diffracts the 0th-order diffraction light L10 reflected by the reflection element 40 back into 0th-order, 1st-order, etc. diffracted light.
  • the light L101 first-order diffracted by the third sub-input-coupling element 33 satisfies the total reflection condition in the third waveguide layer 13. Therefore, it propagates in the third waveguide layer 13.
  • the 0th order diffracted light at the third sub input-coupling element 33 passes through the third waveguide layer 13 to form the second sub It is directed to the input-coupling element 32, and a part of it is first-order diffracted again in the second sub-input-coupling element 32 to satisfy the total reflection condition in the second waveguide layer 12, so that the second waveguide Propagates in layer 12.
  • the light diffracted in the 0th order by the second sub-input-coupling element 32 passes through the second waveguide layer 12 and is directed to the first sub-input-coupling element 31, and the first sub-input-coupled light Part of the first-order diffracted from the ring element 31 again satisfies the total internal reflection condition in the first waveguide layer 11, so it propagates in the first waveguide layer 11.
  • the 0th-order diffracted light exiting the third waveguide layer 13 is reflected by the reflective element 40 and has an additional diffraction opportunity, thereby increasing light efficiency.
  • the diffracted light L101 that is additionally diffracted and totally reflected is diffracted in the first order by the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33, and the first to third waveguide layers 11, 12 and 13), the reflective element 40 re-inputs these lights into the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 to increase light efficiency.
  • the 0th-order diffraction light shows the optical path of the 0th-order diffraction light as the center among the optical paths of the second light L2.
  • the second light L2 is diffracted by the first sub-input-coupling element 31 into 0th, 1st, etc. diffracted light, , Of these, the 0th order diffracted light L20 proceeds as it is without being bent in the direction of propagation in the first sub-input-coupling element 31 and is incident into the second waveguide 12.
  • the 0th-order diffraction light L20 is diffracted again (second-order) in the second sub-input-coupling element 32, and the 0th-order diffraction light L20 among them is incident into the third waveguide 13 and then It is diffracted again (third order) in the third sub-input-coupling element 33.
  • the 0th-order diffraction light L20 among the lights diffracted again (third-order) by the third sub-input-coupling element 33 is directed to the reflective element 40, reflected by the reflective element 40, and then removed again. 3 sub input - incident on the coupling element (33).
  • the third sub-input-coupling element 33 diffracts the 0th-order diffracted light L20 reflected from the reflection element 40 again, and among them, the 1st-order diffracted light L201 is formed on the third waveguide layer 13. to propagate total internal reflection.
  • the 0th-order diffracted light has an additional diffraction opportunity at the first and second sub-input-coupling elements 31 and 32, so that light efficiency can be increased.
  • the diffracted light (L2011) totally reflected through such a path is diffracted in the first order by the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33, and the first to third waveguide layers 11 , 12, and 13), the reflective element 40 re-inputs these lights L2011 into the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 to increase light efficiency.
  • FIG. 14 shows a path of the third light L3 among 0th order diffraction lights generated from the first sub-input-coupling element 31 .
  • the third light L3 is diffracted by the first sub-input-coupling element 31 into zero-order, first-order, etc. diffracted light, and , Of these, the 0th-order diffraction light L30 is diffracted again (second-order) at the second sub input-coupling element 32, and among the second-order diffracted diffracted lights, the 0th-order diffraction light L30 is the third sub-input-coupling element 32. It is diffracted again (third order) at the input-coupling element 33.
  • the 0th order diffraction light L30 among the diffracted light diffracted again (third order) by the third input-coupling element 33 is directed to the reflective element 40, reflected by the reflective element 40, and then removed again. 3 sub input-directed towards the coupling element (33). Thereafter, the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 diffract the 0th-order diffracted light L30 reflected from the reflection element 40 again, and the 1st-order diffracted light L301 among them is Light efficiency can be increased by allowing total internal reflection to propagate within the first to third waveguide layers 11, 12, and 13.
  • part of the diffracted light L301 totally reflected through such a path is diffracted in the first order by the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33, and the first to third waveguide layers ( 11, 12, and 13), the reflective element 40 re-inputs these lights into the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 to increase light efficiency.
  • 15 to 17 show paths of first-order diffraction rays of the first to third lights L1, L2, and L3 generated from the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33.
  • the 1st order diffracted light (L11, L21, L31) propagates with total reflection in the first waveguide layer 11, and the 0th order diffraction light is the second waveguide layer ( 12).
  • the 0th-order diffracted light propagating to the second waveguide layer 12 is diffracted again (second-order) at the second sub-input-coupling element 32, and the 1st-order diffracted light among the second-order diffracted light is Total internal reflection propagates in the second waveguide layer 12, and among the second-order diffracted diffraction rays, the 0th-order diffracted light propagates to the third waveguide layer 13.
  • the 0th-order diffracted light propagating to the third waveguide layer 13 is diffracted again (third-order) at the third sub-input-coupling element 33, and the first-order Diffracted light propagates through total internal reflection within the third waveguide layer 13 .
  • the diffracted light that is totally reflected (L111, L211, L311) is first diffracted again by the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33, and the first to third waveguide layers 11 , 12, 13), the reflective element 40 re-inputs these lights L111, L211, and L311 back into the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 to increase light efficiency.
  • the grating vectors of the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 may be different from each other, and accordingly, the traveling direction of the first light first diffracted in the first waveguide layer 11 and The traveling direction of the first light first diffracted at the second waveguide layer 12 and the first light first diffracted at the third waveguide layer 12 may be different from each other.
  • the traveling direction of the first-order diffracted second light may also be different in the first to third waveguide layers 11, 12, and 13, and the traveling direction of the first-order diffracted third light may also be the first to third waveguide layers.
  • Layers 11, 12 and 13 may be different.
  • the first to third sub input-coupling elements 31, 32, and 33 of the input-coupling elements are inside the first to third waveguide layers 11, 12, and 13, respectively.
  • 18 shows a case where the reflective element 40 is spaced apart from the second surface 13b of the third waveguide layer 13, but the reflective element 40 is the second surface 13b of the third waveguide layer 13. Of course, it can be attached to the second surface (13b).
  • the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 of the input-coupling elements are the display engines of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 ( 20) (that is, the first surfaces 11a, 12a, and 13a of each of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13).
  • the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 may be formed by being etched, attached, or coated to the first to third waveguide layers 11, 12, and 13, respectively. It is not limited.
  • the number of sub input-coupling elements is equal to the number of waveguide layers, but is not limited thereto.
  • the number of sub input-coupling elements may be greater than the number of waveguide layers.
  • the input-coupling element includes first to fourth sub-input-coupling elements 31 , 32 , 33 , and 34 .
  • the first to third sub-input-coupling elements 31, 32, and 33 are formed on the side of the first to third waveguide layers 11, 12, and 13 close to the display engine 20 (ie, the first to third waveguide layers 11, 12, and 13).
  • the fourth sub input-coupling element 34 is provided on the first surfaces 11a, 12a, and 13a of each of the third waveguide layers 11, 12, and 13, respectively.
  • the third and fourth sub-input-coupling elements 33 and 34 provided on the first and second surfaces 13a and 13b of the third waveguide layer 13 may have different grating characteristics such as a grating vector. .
  • the 20 shows a case in which sub-input-coupling elements are provided on the first and second surfaces 13a and 13b of the third waveguide layer 13, respectively, but the sub-input-coupling elements are provided on the first waveguide layer 13. It may be provided on both sides of the layer 11 or on both sides of the second waveguide layer 12 .
  • the sub input-coupling elements are single-layered as an example, but similar to the embodiment described with reference to FIG. 10, the sub input-coupling elements are different from each other. It may be configured by stacking a plurality of layers having lattice characteristics.
  • the waveguide may be composed of two layers or four or more layers. In this way, as the waveguide is composed of multiple layers, it is possible to widen the range of incident angles allowed on the entrance pupil side of the waveguide, and accordingly, the viewing angle of the waveguide can be increased.
  • 21 schematically illustrates an augmented reality device according to an embodiment.
  • an augmented reality device may include the waveguide 10 according to the above-described embodiments.
  • the waveguide 10 may include an input-coupling element 30 and an output-coupling element 50 .
  • the figure shows the case where the output-coupling element 50 is provided on the second surface 10b of the waveguide 10, it is provided on the first surface 10a of the waveguide 10 or the waveguide 10 ) may be provided on both sides (ie, the first and second surfaces 10a and 10b).
  • An expanding element for pupil expansion of the input light may be further provided in the waveguide 10 .
  • the extension element is located between the input-coupling element 30 and the output-coupling element 50, overlaps with the output-coupling element 50 in some areas, or overlaps with the output-coupling element 50. They may be overlapped in the same area.
  • the output-coupling element 50 or the expansion element may be a diffraction element or a meta element.
  • the diffractive element include a diffractive optical element (DOE), a holographic optical element (HOE), a volume holographic optical element (VHOE), or a surface relief grating (SRG), but are not limited thereto.
  • a meta element is an element having a metasurface structured in a pattern in which incident light is smaller than a wavelength range (i.e., surf wavelength). However, it is not limited thereto.
  • the augmented reality device may further include a display engine 20 emitting light of an image (eg, a virtual object). Light emitted from the display engine 20 is output to the target area through the waveguide 10 .
  • the target area may be the user's eye motion box (EMB).
  • Information processing and image formation for the display engine 20 is performed directly on the computer of the augmented reality device itself, or when the augmented reality device is connected to an external electronic device such as a smart phone, tablet, computer, laptop, or any other intelligent (smart) device. It can be connected to and made in an external electronic device. Signal transmission between the augmented reality device and the external electronic device may be performed through wired communication and/or wireless communication.
  • the augmented reality device may receive power from at least one of a built-in power source (rechargeable battery), an external device, and an external power source.
  • the waveguide 10 can improve the efficiency of light use by using the reflective element 40, thereby reducing the size and thickness of the waveguide 10, and thus the augmented reality device. can improve the brightness of the displayed image, compact the size of the device itself, and reduce power consumption in the display engine.
  • an 'Augmented Reality Device' refers to a device capable of expressing augmented reality, as well as a glasses-shaped augmented reality glasses worn on a face by a user. , Head Mounted Display (HMD) worn on the head, Augmented Reality Helmet, and Head Up Display (HUD).
  • HMD Head Mounted Display
  • HUD Head Up Display
  • augmented reality glasses may use the augmented reality device described with reference to FIG. 21 as a left eye element and a right eye element instead of lenses. That is, the augmented reality glasses may include the waveguide 10 and the display engine 20 according to the above-described embodiments for each of the left eye element and the right eye element.
  • Each waveguide 10 may be fixed to the frame 90.
  • Each display engine 20 may be positioned near the temple of the user's head and fixed to a frame 90 .
  • Each waveguide 10 includes an input-coupling element 30 for inputting light from the display engine 20 to the waveguide 10 .
  • Each waveguide 10 is arranged such that an area having an output-coupling element (50 in FIG. 21) is located opposite to the corresponding user's (wearer's) eye.
  • the display engine 20 is located opposite the input-coupling element 30 .
  • the waveguide 10 has been described focusing on an example applied to an augmented reality device, but it can be applied to a near-eye display including a virtual reality device capable of expressing virtual reality and a head-up display (HUD) device. It will be apparent to those skilled in the art.
  • HUD head-up display

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Abstract

웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스가 개시된다. 개시된 웨이브가이드는 웨이브가이드 몸체와, 광을 상기 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자와, 웨이브가이드 몸체의 일 면에 위치하며 입력-커플링 소자에서 웨이브가이드 몸체 내로 입력되지 않거나 투과된 광을 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자와, 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자를 포함한다.

Description

웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스
본 개시는 시스템 효율을 증가시킨 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스에 관한 것이다.
증강현실 디바이스는 증강현실(Augmented Reality, AR)을 볼 수 있는 장치로서, 예를 들어 증강현실 안경(AR Glass)이 있다. 증강 현실 장치의 이미지 광학 시스템은 영상을 생성하는 영상생성장치와, 생성된 영상을 눈으로 보내주기 위한 웨이브가이드(waveguide)을 포함한다. 이러한 증강현실 디바이스는 넓은 시야각과 고품질의 이미지를 가지며, 디바이스 자체가 경량 및 소형화될 것을 요구받고 있다.
최근 증강현실 안경과 같은 증강현실 디바이스는 웨이브가이드에 기반한 광학계가 연구 개발되고 있다. 종래의 웨이브가이드는 자유곡면 반사나 멀티미러 반사를 이용하여 웨이브가이드 내부에 광을 입력시키거나, 회절 광학소자나 홀로그래픽 광학소자와 같은 입력-커플링 회절 소자를 이용하여 웨이브가이드 내부에 광을 입력시킨다. 종래의 자유곡면 반사나 멀티미러 반사를 이용하는 경우, 구조가 단순하고 광전달 효율이 높을 수 있으나, 시야각에 한계가 있고 웨이브가이드를 박형화하는데 어려움이 있다. 종래의 입력-커플링 회절 소자를 이용하는 경우, 웨이브가이드의 박형화가 상대적으로 용이하나, 입력-커플링 회절 소자에서 1차 회절광만을 이용하므로, 광전달 효율이 낮다는 문제가 있다.
해결하고자 하는 과제는 입력-커플링 소자에서 발생되는 손실을 감소시킨 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스를 제공하는데 있다.
해결하고자 하는 과제는 충분한 시야각을 가지면서 얇은 두께를 갖는 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 따르는 웨이브가이드는 광이 입사되는 제1 면과 제1 면에 대향되는 제2 면을 포함하는 웨이브가이드 몸체; 광의 일부를 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자; 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 위치하며, 광의 다른 일부를 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자; 및 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 입력-커플링 소자는 웨이브가이드 몸체의 제2 면과 반사 소자 사이에 위치하며, 반사 소자는 입력-커플링 소자에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 입력-커플링 소자로 반사시키며, 입력-커플링 소자는 반사 소자에서 반사된 0차 회절 차수의 광을 회절시켜 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시킬 수 있다.
일 실시예에서, 입력-커플링 소자는 웨이브가이드 몸체의 제1 면에 위치하며, 반사 소자는 입력-커플링 소자에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 웨이브가이드로 반사시키며, 입력-커플링 소자는 반사 소자에서 반사되고 웨이브가이드 몸체를 통과한 0차 회절 차수의 광을 회절시켜 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시킬 수 있다.
일 실시예에서, 입력-커플링 소자는 웨이브가이드 몸체 내부에 위치하며, 반사 소자는 입력-커플링 소자에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 웨이브가이드로 반사시키며, 입력-커플링 소자는 반사 소자에서 반사된 0차 회절 차수의 광을 회절시킬 수 있다.
일 실시예에서, 웨이브가이드 몸체는 단층 웨이브가이드일 수 있다.
일 실시예에서, 웨이브가이드 몸체는 복수의 웨이브가이드 층들을 포함하며, 입력-커플링 소자는 복수의 웨이브가이드 층들의 개수와 같거나 그보다 많은 개수의 서브 입력-커플링 소자들을 포함하며, 서브 입력-커플링 소자들 중 하나는 제1 면 및 제2 면 중 어느 한 면에 위치하며, 서브 입력-커플링 소자들의 나머지는 복수의 웨이브가이드 층들 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 반사 소자는 금속, 유전체, 폴리머, 편광 의존성 소자, 메타 소자, 홀로그램, 및 이색 미러로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 반사 소자는 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 부착되거나 코팅되거나, 이격될 수 있다.
일 실시예에서, 입력-커플링 소자는 회절 소자 또는 메타 소자일 수 있다.
일 실시예에서, 출력-커플링 소자는 회절 소자 또는 메타 소자일 수 있다.
일 실시예에서, 웨이브가이드는 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 확장시키는 확장 소자를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르는 증강현실 디바이스는 이미지의 광을 방출하는 디스플레이 엔진; 및 웨이브가이드;를 포함하며, 웨이브가이드는 광이 입사되는 제1 면과 제1 면에 대향되는 제2 면을 포함하는 웨이브가이드 몸체; 광의 일부를 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자; 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 위치하며, 광의 다른 일부를 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자; 및 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자;를 포함하며, 디스플레이 엔진은 웨이브가이드의 제1 면에 대향되게 배치되며, 웨이브가이드는 디스플레이 엔진에서 방출된 광을 타겟 영역으로 가이드하며, 타겟 영역은 사용자의 아이 모션 박스일 수 있다.
또 다른 측면에 따르는 증강현실 안경은 좌안 소자 및 우안 소자를 포함하고, 좌안 소자 및 우안 소자 각각은 이미지의 광을 방출하는 디스플레이 엔진과, 웨이브가이드를 포함하며, 웨이브가이드는 광이 입사되는 제1 면과 제1 면에 대향되는 제2 면을 포함하는 웨이브가이드 몸체; 광을 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자; 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 위치하며, 입력-커플링 소자에서 웨이브가이드 몸체 내로 입력되지 않거나 투과된 광을 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자; 및 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자;를 포함하며, 웨이브가이드는 디스플레이 엔진에서 방출된 광을 출력시키는 출력-커플링 소자가 사용자의 눈을 포함한 영역에 대향되게 위치하는 방식으로 좌안 소자 및 우안 소자에 위치할 수 있다.
개시된 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스는 입력-커플링 소자에서 발생되는 손실을 감소시킬 수 있다.
개시된 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스는 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
개시된 웨이브가이드는 두께를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 경량의 증강현실 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 4의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 8은 도 7의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 7의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 12는 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 13은 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 14는 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 15는 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 16은 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 17은 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따른 증강현실 안경을 개략적으로 도시한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 웨이브가이드(10)를 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 웨이브가이드(10)는 제1 면(10a)과 제1 면(10a)에 대향되는 제2 면(10b)을 포함하는 판형 부재이다. 제1 면(10a)과 제2 면(10b)은 판형 부재의 넓은 양면을 의미한다. 도 1에는 웨이브가이드(10)가 평판의 판형 부재처럼 도시되어 있으나, 곡면을 갖는 판형 부재일 수도 있다. 웨이브가이드(10)는 가시광선 대역에 투명한 재질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에는 광(L)이 입사될 것이 예정된다. 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에는 디스플레이 엔진(20)이 배치되어 가상객체의 광이 입사될 수 있다. 디스플레이 엔진(20)은 소정의 시야각으로 가상객체를 담지한 광을 방출하는 장치이다. 예를 들어, 디스플레이 엔진(20)은 화상패널에 의해 생성된 광을 투사하는 프로젝터이거나 변조된 광을 주사(scanning)하는 프로젝터일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에는 반사방지층(미도시)이나 디스플레이 엔진(20)에서 출사되는 광(L)의 파장대역 및/또는 편광만을 통과시키는 필터(미도시)가 코팅되어 있을 수도 있다.
웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에는 입력-커플링 소자(30)가 배치된다.
입력-커플링 소자(30)는 회절소자 또는 메타소자(meta element)일 수 있다. 회절소자로는 회절 광학소자(Diffractive Optical Element; DOE), 홀로그래픽 광학소자(Holographic Optical Element; HOE), 볼륨 홀로그래픽 광학소자(Volume Holographic Optical Element; VHOE), 또는 표면 부조 격자(Surface relief grating; SRG)를 예로 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 메타소자는 입사되는 광이 파장대보다 작은(즉, 서프파장의) 패턴으로 구조화된 메타표면(metasurface)를 갖는 소자로서, 예를 들어 입사되는 광이 파장대보다 작은 크기의 패턴을 갖는 메타격자(metagrating)나 메타렌즈(metalens)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서 입력-커플링 소자(30)는 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 부착되거나, 코팅되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서 입력-커플링 소자(30)는 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 에칭되어 형성될 수 있다.
입력-커플링 소자(30)의 외곽에는 반사 소자(40)가 배치된다. 즉, 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)쪽에서부터 입력-커플링 소자(30), 및 반사 소자(40)가 순차적으로 배치된다. 달리 말하면, 입력-커플링 소자(30)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)과 반사 소자(40) 사이에 위치한다.
반사 소자(40)는 금속, 유전체, 폴리머, 편광 의존성 소자, 메타 소자, 홀로그램, 또는 이색 미러일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1에는 반사 소자(40)가 입력-커플링 소자(30)로부터 이격되어 위치한 경우가 도시되고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반사 소자(40)는, 도 2 및 도 3에 도시되듯이 웨이브가이드(10) 또는 입력-커플링 소자(30)에서 이격되거나, 입력-커플링 소자(30)에 부착되거나, 코팅되어 형성될 수도 있다.
도 1에는 반사 소자(40)가 입력-커플링 소자(30)와 정확히 대향되도록 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 반사 소자(40)가 입력-커플링 소자(30)와 약간 어긋나게 대향되도록 배치될 수도 있다. 반사 소자(40)의 면적은 입력-커플링 소자(30)의 면적과 같거나 그보다 클 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 후술하는 바와 같이, 웨이브가이드(10)는 증강현실 디바이스의 광학계에 사용될 수 있으므로, 현실세계의 장면(real-world scene)을 씨-드루우(see-through) 방식으로 볼 수 있도록 반사 소자(40)의 면적은 출력-커플링 소자(도 21의 50 참조)의 영역을 침범하지 않도록 제한될 수 있다. 도면에 도시되지는 아니하였으나, 확장 소자나 출력-커플링 소자(도 21의 50)가 웨이브가이드 층들(10)에 마련되어 있을 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 웨이브가이드(10)의 동작을 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 도 1의 웨이브가이드(10)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 다양한 입사각으로 웨이브가이드(10)에 입사될 수 있다. 가령, 제1 광(L1)은 디스플레이 엔진(20)의 시야각 최외곽 일측에서 입사되는 광이고, 제2 광(L2)은 디스플레이 엔진(20)의 시야각 중앙 부근에서 입사되는 광이고, 제3 광(L3)은 디스플레이 엔진(20)의 시야각 최외곽 타측에서 입사되는 광일 수 있다. 제1 광(L1)은 중간 굵기의 점선 또는 실선으로 표시하였고, 제2 광(L2)은 굵은 굵기의 점선 또는 실선으로 표시하였고, 제3 광(L3)은 얇은 굵기의 점선 또는 실선으로 표시하였다. 도 2 및 도 3에서 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 매질의 경계(즉, 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a))에서의 굴절은 편의상 표시하지 않았다.
도 2는 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 0차 회절광의 경로를 도시한다. 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 입사각은 매질의 경계에서 굴절된 후 웨이브가이드(10) 내에서의 전반사 조건을 만족하지 않는 각도이다. 또한, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 입사각은 입력-커플링 소자(30)에서 회절된 1차 회절광이 전반사하는 조건을 만족하는 각도이다. 나아가, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 입사각에는 웨이브가이드(10)에서 사용자의 아이박스(eye box) 내로 출사되는 제약조건이 더 부가될 수 있다.
제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 입사된 후, 제2 면(10b)을 향하게 된다. 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 있는 입력-커플링 소자(30)는 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)을 회절하여 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다.
입력-커플링 소자(30)에서 회절된 0차, 1차, 등의 회절광 중 0차 회절광(L10, L20, L30)은 입력-커플링 소자(30)에서 진행방향이 꺽이지 않고 그대로 진행하는 광이다. 따라서, 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 반사 소자(40)로 향하게 되며, 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 입력-커플링 소자(30)에 입사된다. 입력-커플링 소자(30)은 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30)을 다시 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절시킨다. 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 0차 회절된 광은 그 진행방향이 꺽이지 않으므로, 웨이브가이드(10)를 관통하여 나가게 된다. 그러나, 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 1차 회절된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 웨이브가이드(10)에서 전파된다. 즉, 1차로 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 다시 입력-커플링 소자(30)에 재입력되어 2차로 회절될 수 있으며, 이 중 1차 회절된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사 전파되므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다.
도 3은 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 1차 회절광의 경로를 도시한다. 도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 입사된 후, 제2 면(10b) 쪽의 입력-커플링 소자(30)에서 회절되어 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다. 이때, 1차 회절광(L11, L21, L31) 각각은 입력-커플링 소자(30)에서 반사 회절되면서 웨이브가이드(10) 내로 재입력된다. 1차 회절광(L11, L21, L31)은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사하면서 전파될 수 있다. 그런데, 전반사 과정에서 1차 회절광(L11, L21, L31)은 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 있는 입력-커플링 소자(30)에서 재차 회절될 수 있다. 입력-커플링 소자(30)에서 재차(즉, 2차로) 회절된 회절광 중 1차 회절광(L111, L211, L311)은 웨이브가이드(10)를 벗어나게 된다. 그러나, 웨이브가이드(10)를 벗어난 1차 회절광(L111, L211, L311)은 반사 소자(40)에서 다시 반사되어 입력-커플링 소자(30)에 재입력되고, 입력-커플링 소자(30)에서 재재차(즉, 3차로) 회절될 수 있다. 재재차(즉, 3차로) 회절된 광 중 1 회절광은 웨이브가이드(10)의 전반사 조건을 만족하여, 웨이브가이드(10) 내에서 전파될 수 있으므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다.
k-공간에서 입사광(즉, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3))과 입력-커플링 소자(30)를 나타내는 k-벡터의 웨이브가이드(10)에 평행한 방향의 성분을 각각 Ki, KG라 할 때, 1차 회절에서의 "+1"차 회절광(L11, L21, L31)은 Ki + KG으로 표현할 수 있다. 입력-커플링 소자(30)의 격자 벡터는 웨이브가이드(10)에 대한 수직 방향의 성분을 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. 여기서, 웨이브가이드(10)에 평행한 방향(이하, 간략히 평행 방향)이라 함은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)(또는 제2 면(10b))에 평행한 방향을 의미하며, 웨이브가이드(10)에 대한 수직한 방향(이하, 간략히 수직 방향)이라 함은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)(또는 제2 면(10b))에 대한 수직 방향을 의미한다.
도 2를 다시 참조하면, 0차 회절광(L10, L20, L30)이 반사 소자(40)에서 반사될 때, 0차 회절광(L10, L20, L30)의 k 벡터의 수직 방향 성분만이 반전(inverse)되고 k 벡터의 수평 방향 성분은 유지된다. 따라서, 반사 소자(40)에서 반사된 후 입력-커플링 소자(30)에서 "+1"차 회절된 광(L101, L201, L301)의 평행 방향 성분은 Ki + KG을 갖는다.
한편, 도 3을 다시 참조하면, 입력-커플링 소자(30)에서의 "+1"차 회절광(L11, L21, L31)은 전반사후 입력-커플링 소자(30)에서의 재차 회절되어 "-1"차 회절광(L111, L211, L311)이 되며, 이때 "-1"차 회절광(L111, L211, L311)은 Ki + KG - KG = Ki 의 수평 방향 성분을 갖는다. "-1"차 회절광(L111, L211, L311)은 이후 반사 소자(40)에서의 반사와 입력-커플링 소자(30)에서의 회절을 통해 다시 웨이브가이드(10) 내로 입사되므로, 재재차(즉, 3차로) 회절된 광 중 "+1" 회절광의 평행 방향 성분은 Ki + KG을 갖는다.
상기와 같이, 웨이브가이드(10)에서 가이드되는 광은 모두 평행 방향 성분이 Ki + KG을 가지므로, 이미지 더블링 없이 가상 영상의 효율을 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 웨이브가이드(10)를 개략적으로 도시하며, 도 5 및 도 6은 도 4의 웨이브가이드(10)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 5 및 도 6에서 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 매질의 경계(즉, 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a))에서의 굴절은 편의상 표시하지 않았다. 본 실시예는, 입력-커플링 소자(30)가 웨이브가이드(10)의 내부에 배치된다는 점을 제외하고는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 웨이브가이드(10)의 내부에 입력-커플링 소자(30)가 배치될 수 있다. 반사 소자(40)는 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 배치된다. 도 4에는 반사 소자(40)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 부착된 경우를 도시하고 있으나, 반사 소자(40)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에서 이격되어 있을 수 있음은 물론이다. 도면에 도시되지는 아니하였으나, 확장 소자나 출력-커플링 소자(도 21의 50)가 웨이브가이드(10)의 내부 또는 표면에 마련되어 있을 수 있다.
도 5는 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 0차 회절광의 경로를 도시한다. 도 5를 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 입사된 후, 입력-커플링 소자(30)을 만나게 된다. 입력-커플링 소자(30)은 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)을 회절하여 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다. 입력-커플링 소자(30)에서 회절된 0차, 1차, 등의 회절광 중 0차 회절광(L10, L20, L30)은 입력-커플링 소자(30)에서 진행방향이 꺽이지 않고 그대로 진행하는 광이다. 따라서, 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)을 향하게 된다. 0차 회절광(L10, L20, L30)은 웨이브가이드(10)의 전반사 조건을 만족하지 아니하므로, 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)을 나가게 된다. 그러나, 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b) 쪽에는 반사 소자(40)가 있으므로, 0차 회절광(L10, L20, L30)은 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 웨이브가이드(10) 내로 재입사된다. 반사 소자(40)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 부착되어 있거나 이격되어 있더라도 0차 회절광(L10, L20, L30)의 경로는 실질적으로 동일하다.
입력-커플링 소자(30)은 웨이브가이드(10) 내로 재입사된 0차 회절광(L10, L20, L30)을 다시 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절시킨다. 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 0차 회절된 광은 그 진행방향이 꺽이지 않으므로, 웨이브가이드(10)를 관통하여 나가게 된다. 그러나, 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 1차 회절된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 웨이브가이드(10)에서 전파된다. 즉, 1차로 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 다시 입력-커플링 소자(30)에 재입력되어 2차로 회절될 수 있으며, 이 중 1차 회절된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사 전파되므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다.
도 6은 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 1차 회절광의 경로를 도시한다. 도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 입사된 후, 입력-커플링 소자(30)에서 회절되어 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다. 이때, 1차 회절광(L11, L21, L31) 각각은 입력-커플링 소자(30)에서 회절되면서 웨이브가이드(10) 내로 입력된다. 1차 회절광(L11, L21, L31)은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사하면서 전파될 수 있다. 그런데, 전반사 과정에서 1차 회절광(L11, L21, L31)은 입력-커플링 소자(30)에서 재차 회절될 수 있다. 가령, 제3 광(L3)만을 살펴보면, 입력-커플링 소자(30)에서 재차(즉, 2차로) 회절된 회절광 중 0차 회절광(L310)은 전반사 전파를 유지하지만, 1차 회절광(L311)은 웨이브가이드(10)의 전반사 조건을 만족하지 못한다. 그러나, 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)측에는 반사 소자(40)가 위치하므로, 1차 회절광(L311)은 반사소자(40)에 의해 다시 웨이브가이드(10) 내로 입사되게 되며, 입력-커플링 소자(30)에서 제재차(즉, 3차로) 회절될 수 있다. 재재차(즉, 3차로) 회절된 광 중 1 회절광(L3111)은 웨이브가이드(10)의 전반사 조건을 만족하여, 웨이브가이드(10) 내에서 전파될 수 있으므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다. 제1 및 제2 광(L1, L2)의 경로 역시 제3 광(L3)의 경로와 실질적으로 동일하므로, 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 6에 도시되지는 아니하였으나, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 1차 회절에서 입력-커플링 소자(30)를 관통한 회절 성분이 있고, 이들 회절 성분 역시 반사 소자(40)에 의해 동일한 방식으로 광량 손실을 억제할 수 있게 된다.
도 7은 일 실시예에 따른 웨이브가이드(10)를 개략적으로 도시하며, 도 8 및 도 9는 도 7의 웨이브가이드(10)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 8에서 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 매질의 경계(즉, 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a))에서의 굴절은 편의상 표시하지 않았다. 본 실시예는, 입력-커플링 소자(30)가 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 배치된다는 점을 제외하고는, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예들과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 입력-커플링 소자(30)가 배치될 수 있다. 입력-커플링 소자(30)는 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 에칭되어 형성되거나, 부착 또는 코팅되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반사 소자(40)는 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 배치된다. 도 7에는 반사 소자(40)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 부착된 경우를 도시하고 있으나, 반사 소자(40)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에서 이격되어 있을 수 있음은 물론이다. 도면에 도시되지는 아니하였으나, 확장 소자나 출력-커플링 소자(도 21의 50)가 웨이브가이드(10)의 내부 또는 표면에 마련되어 있을 수 있다.
도 8는 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 0차 회절광의 경로를 도시한다. 도 8을 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 위치한 입력-커플링 소자(30)에 입사되며, 입력-커플링 소자(30)는 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)을 회절하여 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다.
입력-커플링 소자(30)에서 회절된 0차, 1차, 등의 회절광 중 0차 회절광(L10, L20, L30)은 입력-커플링 소자(30)에서 진행방향이 꺽이지 않고 그대로 진행하는 광이다. 따라서, 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 웨이브가이드(10) 내에 입사된 후 전반사 없이 반사 소자(40)로 향하게 되며, 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 입력-커플링 소자(30)에 입사된다. 입력-커플링 소자(30)은 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30)을 다시 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절시킨다. 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 투과된 광은 손실될 수 있다. 그러나, 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10, L20, L30) 중 입력-커플링 소자(30)에서 1차 회절 반사된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 웨이브가이드(10)에서 전파된다. 즉, 1차로 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절광(L10, L20, L30)은 다시 입력-커플링 소자(30)에 재입력되어 2차로 회절될 수 있으며, 이 중 1차 회절된 광(L101, L201, L301)은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사 전파되므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다.
도 9는 입력-커플링 소자(30)에서 발생되는 1차 회절광의 경로를 도시한다. 도 9를 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 있는 입력-커플링 소자(30)에서 회절되어 0차, 1차, 등의 회절광을 형성한다. 이때, 1차 회절광(L11, L21, L31) 각각은 웨이브가이드(10) 내에서 전반사하면서 전파될 수 있다. 그런데, 전반사 과정에서 1차 회절광(L11, L21, L31)은 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 있는 입력-커플링 소자(30)에서 재차 회절될 수 있다. 재재차(즉, 3차로) 회절된 광 중 1 회절광은 웨이브가이드(10)의 전반사 조건을 만족하여, 웨이브가이드(10) 내에서 전파될 수 있으므로, 광량 손실을 줄일 수 있게 된다.
전술한 실시예들에서 입력-커플링 소자(30)는 단층인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 입력-커플링 소자(30)는 서로 다른 격자 특성을 갖는 복수층이 적층되어 형성될 수도 있다. 도 10은 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다. 입력-커플링 소자(30)가 제1 및 제2 층(30a 30b)로 구성된다는 점을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명된 실시예의 웨이브가이드와 실질적으로 동일하다. 서로 다른 파장의 광의 입력 효율을 증대시키거나 시야각을 확장시키기 위해 입력-커플링 소자(30)의 제1 및 제2 층(30a 30b)은 격자 벡터와 같은 격자 특성을 서로 다르게 할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시하며, 도 12 내지 도 17은 도 11의 웨이브가이드의 동작을 설명하는 도면이다. 도 12 내지 도 17에서 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 매질(즉, 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 경계에서의 굴절은 편의상 표시하지 않았다. 본 실시예는 웨이브가이드가 다층으로 구성되고, 입력-커플링 소자가 복수개로 마련된다는 점을 제외하고는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 구성요소에 대해서는 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 11을 참조하면, 웨이브가이드는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)을 포함한다. 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)는 굴절률이 서로 같거나, 또는 서로 다를 수 있다. 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)이 갭을 가지고 이격되어 있을 수 있다. 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 사이에는 스페이서(미도시)가 배치될 수 있다.
웨이브가이드의 제1 웨이브가이드 층(11)의 제1 면(11a)에는 광(L)이 입사될 것이 예정된다. 즉, 제1 웨이브가이드 층(11)의 제1 면(11a)에는 디스플레이 엔진(20)이 배치되어 가상객체의 광이 입사될 수 있다.
입력-커플링 소자는 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 서브 입력-커플링 소자(31, 32)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 사이에 위치한다. 일 실시예에서 제1 서브 입력-커플링 소자(31)는 제1 웨이브가이드 층(11)의 제1 면(11a)에 대향되는 제2 면(11b)에 위치할 수 있다. 일 실시예에서 제2 서브 입력-커플링 소자(32)는 제2 웨이브가이드 층(12)의 제2 면(12b)에 위치할 수 있다. 제2 웨이브가이드 층(12)은 서로 대향되는 제1 면(12a)과 제2 면(12b)을 가지며, 제2 면(12b)은 디스플레이 엔진(20)에서 먼 쪽이다. 제3 서브 입력-커플링 소자(33)는 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b)에 위치할 수 있다. 제3 웨이브가이드 층(13)은 서로 대향되는 제1 면(13a)과 제2 면(13b)을 가지며, 제2 면(13b)은 디스플레이 엔진(20)에서 먼 쪽이다. 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 각각에 에칭되어 형성되거나, 부착 또는 코팅되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도면에 도시되지는 아니하였으나, 확장 소자나 출력-커플링 소자(도 21의 50)가 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 중 적어도 어느 한 층에 마련되어 있을 수 있다.
도면에서 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 서로 다른 파장의 광을 의미하는 것이 아니며, 입사각을 달리하는 광을 의미한다.
웨이브가이드에 입사되는 광은 서로 다른 파장의 광을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에서 회절되는 회절광의 각도가 달라진다는 점을 제외하고는 실질적으로 차이가 없다.
제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 굴절률이나 두께, 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)의 격자의 주기 등은 전파되는 광의 파장이나 시야각, 출사동공의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
반사 소자(40)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 중 일측(즉, 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b))에 위치한다. 반사 소자(40)는 제3 서브 입력-커플링 소자(33)의 외곽에 위치할 수 있다. 즉, 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b), 제3 서브 입력-커플링 소자(33), 및 반사 소자(40)가 순차적으로 배치된다.
도 12는 제1 광(L1)의 광경로 중 0차 회절광의 경로를 중심으로 도시한다. 도 12를 참조하면, 제1 광(L1)은 제1 웨이브가이드 층(11)에 입사된 이후 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절된다. 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 회절된 회절광 중 0차 회절광(L10)은 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 진행방향이 꺽이지 않고 그대로 진행하는 광이다. 따라서, 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 발생된 0차 회절광(L10)은 제2 웨이브가이드(12) 내에 입사된 후 제2 서브 입력-커플링 소자(32)로 향하게 된다. 제2 서브 입력-커플링 소자(32)는 0차 회절광(L10)을 재차(2차) 회절시킨다. 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 재차(2차) 회절된 광 중 0차 회절광(L10)은 제3 웨이브가이드(13) 내에 입사된 후 제3 서브 입력-커플링 소자(33)로 향하게 되며, 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된다. 결국 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된 광 중 0차 회절광(L10)은 반사 소자(40)로 향하게 되며, 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에 입사된다.
제3 서브 입력-커플링 소자(33)는 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10)을 다시 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절시킨다. 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10) 중 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 1차 회절된 광(L101)은 제3 웨이브가이드 층(13) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 제3 웨이브가이드 층(13)에서 전파된다. 또한, 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L10) 중 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 0차 회절된 광은 제3 웨이브가이드 층(13)을 통과하여 제2 서브 입력-커플링 소자(32)로 향하게 되며, 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 다시 일부가 1차 회절되어 제2 웨이브가이드 층(12) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 제2 웨이브가이드 층(12)에서 전파된다. 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 0차 회절된 광은 제2 웨이브가이드 층(12)을 관통하여 제1 서브 입력-커플링 소자(31)로 향하게 되며, 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 다시 일부가 1차 회절되어 제1 웨이브가이드 층(11) 내의 전반사 조건을 만족하므로, 제1 웨이브가이드 층(11)에서 전파된다. 상기와 같이 제3 웨이브가이드 층(13) 밖으로 나간 0차 회절된 광은 반사 소자(40)에서 반사되어 추가적인 회절 기회를 갖게 되어 광효율을 증대시킬 수 있다. 나아가 추가적으로 회절되어 전반사되는 회절광(L101)의 일부는 다시 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에 의해 1차 회절되어 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)의 밖으로 나가게 되는데, 반사 소자(40)는 이들 광을 다시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)으로 재입력시켜 광효율을 증대시킬 수 있다.
도 13은 제2 광(L2)의 광경로 중 0차 회절광의 광경로를 중심으로 도시한다. 도 13을 참조하면, 제2 광(L2)은 제1 웨이브가이드 층(11)에 입사된 이후 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절되며, 이들 중 0차 회절광(L20)은 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 진행방향이 꺽이지 않고 그대로 진행하여 제2 웨이브가이드(12) 내에 입사된다. 이후 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 0차 회절광(L20)은 재차(2차) 회절되고, 이들 중 0차 회절광(L20)은 제3 웨이브가이드(13) 내에 입사된 후 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된다. 결국 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된 광 중 0차 회절광(L20)은 반사 소자(40)로 향하게 되며, 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에 입사된다. 제3 서브 입력-커플링 소자(33)는 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L20)을 다시 회절시켜 이들 중 1차 회절된 광(L201)이 제3 웨이브가이드 층(13) 내에 전반사 전파되도록 한다. 같은 방식으로 0차 회절된 광은 제1 및 제2 서브 입력-커플링 소자(31, 32)에서 추가적인 회절 기회를 갖게 되어 광효율을 증대시킬 수 있다. 나아가, 이와 같은 경로로 전반사되는 회절광의 일부(L2011)는 다시 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에 의해 1차 회절되어 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)의 밖으로 나가게 되는데, 반사 소자(40)는 이들 광(L2011)을 다시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)으로 재입력시켜 광효율을 증대시킬 수 있다.
도 14는 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 발생되는 0차 회절광 중 제3 광(L3)의 경로를 도시한다. 도 14를 참조하면, 제3 광(L3)은 제1 웨이브가이드 층(11)에 입사된 이후 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절되며, 이들 중 0차 회절광(L30)은 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 재차(2차) 회절되고, 2차 회절된 회절광들 중 0차 회절광(L30)은 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된다. 결국 제3 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절된 회절광 중 0차 회절광(L30)은 반사 소자(40)로 향하게 되며, 반사 소자(40)에서 반사되어 다시 제3 서브 입력-커플링 소자(33) 쪽으로 향하게 된다. 이후 제1 내지 3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절광(L30)을 다시 회절시켜 이들 중 1차 회절된 광(L301)이 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13) 내에 전반사 전파되도록 하여 광효율을 증대시킬 수 있다. 나아가, 이와 같은 경로로 전반사되는 회절광(L301)의 일부는 다시 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에 의해 1차 회절되어 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)의 밖으로 나가게 되는데, 반사 소자(40)는 이들 광을 다시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)으로 재입력시켜 광효율을 증대시킬 수 있다.
도 15 내지 도 17은 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에서 발생되는 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)의 1차 회절광의 경로를 도시한다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 제1 내지 제3 광(L1, L2, L3)은 제1 웨이브가이드 층(11)에 입사된 후 제1 서브 입력-커플링 소자(31)에서 0차, 1차, 등의 회절광으로 회절되며, 이들 중 1차 회절광(L11, L21, L31)은 제1 웨이브가이드 층(11) 내에서 전반사 전파되며, 0차 회절광은 제2 웨이브가이드 층(12)으로 진행한다. 제2 웨이브가이드 층(12)으로 진행한 0차 회절광은 제2 서브 입력-커플링 소자(32)에서 재차(2차) 회절되고, 2차 회절된 회절광들 중 1차 회절광은 제2 웨이브가이드 층(12) 내에서 전반사 전파되며, 2차 회절된 회절광들 중 0차 회절광은 제3 웨이브가이드 층(13)으로 진행한다. 제3 웨이브가이드 층(13)으로 진행한 0차 회절광은 제3 서브 입력-커플링 소자(33)에서 재재차(3차) 회절되어 재재차(3차) 회절된 회절광들 중 1차 회절광은 제3 웨이브가이드 층(13) 내에서 전반사 전파된다. 한편, 전반사되는 회절광의 일부(L111, L211, L311)는 다시 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)에 의해 1차 회절되어 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)의 밖으로 나가게 되는데, 반사 소자(40)는 이들 광(L111, L211, L311)을 다시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층(11, 12, 13)으로 재입력시켜 광효율을 증대시킬 수 있다.
도 12 내지 도 17에서 제1 웨이브가이드 층(11)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향과 제2 웨이브가이드 층(12)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향과 제3 웨이브가이드 층(12)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향이 모두 같은 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가령, 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)의 격자 벡터는 서로 다를 수 있으며, 이에 따라 제1 웨이브가이드 층(11)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향과 제2 웨이브가이드 층(12)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향과 제3 웨이브가이드 층(12)에서 1차 회절된 제1 광의 진행 방향은 서로 다를 수도 있다. 같은 이유로 1차 회절된 제2 광의 진행방향 역시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)에서 서로 다를 수 있으며, 1차 회절된 제3 광의 진행방향 역시 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)에서 서로 다를 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다. 본 실시예는 입력-커플링 소자의 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)의 위치를 제외한 나머지 점들은 도 11 내지 도 17을 참조하여 설명된 실시예의 웨이브가이드와 실질적으로 동일하다.
도 18을 참조하면, 입력-커플링 소자의 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 내부에 각각 마련될 수 있다. 도 18에는 반사 소자(40)가 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b)에서 이격되어 있는 경우를 도시하고 있으나, 반사 소자(40)가 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b)에 부착될 수 있음은 물론이다.
도 19는 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다. 본 실시예는 입력-커플링 소자의 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)의 위치를 제외한 나머지 점들은 도 11 내지 도 17을 참조하여 설명된 실시예의 웨이브가이드와 실질적으로 동일하다. 도 19를 참조하면, 입력-커플링 소자의 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 디스플레이 엔진(20)에 가까운 쪽 면(즉, 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 각각의 제1 면(11a, 12a, 13a))에 각각 마련될 수 있다. 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 각각에 에칭되어 형성되거나 부착 또는 코팅되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 11 내지 도 19를 참조하여 설명한 실시예들에서 서브 입력-커플링 소자의 개수는 웨이브가이드 층들의 개수와 같으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 서브 입력-커플링 소자의 개수는 웨이브가이드 층들의 개수보다 클 수도 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 웨이브가이드를 개략적으로 도시한다. 본 실시예는 제4 서브 입력-커플링 소자(34)가 더 마련된다는 점을 제외하고는 도 19를 참조하여 설명된 실시예의 웨이브가이드와 실질적으로 동일하다. 도 20을 참조하면, 입력-커플링 소자는 제1 내지 제4 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33, 34)를 포함한다. 제1 내지 제3 서브 입력-커플링 소자(31, 32, 33)는 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 디스플레이 엔진(20)에 가까운 쪽 면(즉, 제1 내지 제3 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 각각의 제1 면(11a, 12a, 13a))에 각각 마련되고, 제4 서브 입력-커플링 소자(34)는 제3 웨이브가이드 층(13)의 제2 면(13b)에 마련된다. 제3 웨이브가이드 층(13)의 제1 및 제2 면(13a, 13b)에 마련된 제3 및 제4 서브 입력-커플링 소자(33, 34)는 격자 벡터와 같은 격자 특성이 서로 다를 수 있다.
도 20은 서브 입력-커플링 소자들이 제3 웨이브가이드 층(13)의 제1 및 제2 면(13a, 13b)에 각각 마련된 경우를 도시하고 있으나, 서브 입력-커플링 소자들은 제1 웨이브가이드 층(11)의 양면에 마련되거나 제2 웨이브가이드 층(12)의 양면에 마련될 수도 있다.
도 11 내지 도 20을 참조하여 설명한 실시예들에서 서브 입력-커플링 소자들은 단층인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 도 10을 참조하여 설명한 실시예와 유사하게 서브 입력-커플링 소자들은 서로 다른 격자 특성을 가진 복수층으로 적층되어 구성될 수도 있다.
도 11 내지 도 20을 참조한 실시예들은 웨이브가이드가 3개 층으로 이루어진 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 웨이브가이드가 2개 층 또는 4개 층 이상으로 이루어질 수도 있다. 이와 같이 웨이브가이드가 다층으로 구성됨에 따라, 웨이브가이드의 입사동공측에서 허용되는 입사각의 범위를 좀 더 넓게 할 수 있고, 이에 따라 웨이브가이드의 시야각을 증대시킬 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(Augmented Reality Device)를 개략적으로 도시한다.
도 21을 참조하면, 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스는 전술한 실시예들에 따른 웨이브가이드(10)를 포함할 수 있다. 웨이브가이드(10)에는 입력-커플링 소자(30)와 출력-커플링 소자(50)를 포함할 수 있다. 도면에는 출력-커플링 소자(50)가 웨이브가이드(10)의 제2 면(10b)에 마련된 경우를 도시하나, 웨이브가이드(10)의 제1 면(10a)에 마련되거나 또는 웨이브가이드(10)의 양면(즉, 제1 및 제2 면(10a, 10b))에 마련될 수도 있다. 웨이브가이드(10)에는 입력된 광을 동공 확장(pupil expansion)시키는 확장 소자(expanding element)가 더 마련될 수 있다. 확장 소자는 입력-커플링 소자(30)와 출력-커플링 소자(50) 사이에 위치하거나, 출력-커플링 소자(50)와 일부 영역에서 겹쳐 배치되거나, 출력-커플링 소자(50)와 동일한 영역에서 겹쳐 배치될 수도 있다. 출력-커플링 소자(50)나 확장 소자는 회절소자 또는 메타소자일 수 있다. 회절소자로는 회절 광학소자(DOE), 홀로그래픽 광학소자(HOE), 볼륨 홀로그래픽 광학소자(VHOE), 또는 표면 부조 격자(SRG)를 예로 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 메타소자는 입사되는 광이 파장대보다 작은(즉, 서프파장의) 패턴으로 구조화된 메타표면을 갖는 소자로서, 예를 들어 입사되는 광이 파장대보다 작은 크기의 패턴을 갖는 메타격자나 메타렌즈일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
증강현실 디바이스는 이미지(예를 들어, 가상 객체)의 광을 출사하는 디스플레이 엔진(20)을 더 포함할 수 있다. 디스플레이 엔진(20)이 방출하는 광은 웨이브가이드(10)를 통해 타겟 영역으로 출력된다. 타겟 영역은 사용자의 아이모션박스(eye motion box; EMB)일 수 있다.
디스플레이 엔진(20)을 위한 정보 처리 및 이미지 형성은, 증강현실 디바이스 자체의 컴퓨터에서 직접 이루어지거나, 증강현실 디바이스가 스마트 폰, 태블릿, 컴퓨터, 노트북, 기타 모든 지능형(스마트) 디바이스 등과 같은 외부 전자 디바이스에 연결되어 외부 전자 디바이스에서 이루어질 수 있다. 증강현실 디바이스와 외부 전자 디바이스 간의 신호 전송은 유선 통신 및/또는 무선 통신을 통해 수행될 수 있다. 증강현실 디바이스는 내장된 전원(충전식 배터리)과 외부 디바이스 및 외부 전원 중 적어도 어느 하나에서 전원을 공급받을 수 있다.
전술한 바와 같이, 웨이브가이드(10)는 반사 소자(40)를 이용하여 광의 이용효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 웨이브가이드(10)의 크기와 두께를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 증강현실 디바이스는 디스플레이되는 이미지의 밝기를 향상시키고 디바이스 자체의 크기를 컴팩트하게 할 수 있으며, 디스플레이 엔진에서 소요되는 전력 사용량을 감소시킬 할 수 있다.
본 개시에서, ‘증강현실 디바이스(Augmented Reality Device)’라 함은 증강 현실을 표현할 수 있는 장치로서, 사용자가 안면부(顔面部)에 착용하는 안경 형상의 증강 현실 안경 장치(Augmented Reality Glasses)뿐만 아니라, 두부(頭部)에 착용하는 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display; HMD)나 증강 현실 헬멧(Augmented Reality Helmet), 해드업디스플레이 (Head Up Display; HUD) 등을 포괄한다.
도 22는 일 실시예에 따른 증강현실 안경을 개략적으로 도시한다. 도 22를 참조하면, 증강현실 안경은 렌즈 대신에 도 21을 참조하여 설명한 증강현실 디바이스를 좌안 소자 및 우안 소자로 사용할 수 있다. 즉, 증강현실 안경은 좌안 소자 및 우안 소자 각각에 대해 전술한 실시예들에 따른 웨이브가이드(10) 및 디스플레이 엔진(20)을 포함할 수 있다. 각각의 웨이브가이드(10)는 프레임(90)에 고정될 수 있다. 각각의 디스플레이 엔진(20)은 사용자 머리의 관자놀이 부근에 위치하고 프레임(90)에 고정될 수 있다. 각 웨이브가이드(10)는 디스플레이 엔진(20)으로부터 웨이브가이드(10)으로 광을 입력하기 위한 입력-커플링 소자(30)를 포함한다. 각 웨이브가이드(10)는 출력-커플링 소자(도 21의 50)를 갖는 영역이 이에 대응하는 사용자(착용자)의 눈에 대향되게 위치하도록 배치된다. 디스플레이 엔진(20)은 입력-커플링 소자(30)에 대향되게 위치한다.
본 개시에서 웨이브가이드(10)는 증강현실 디바이스에 적용된 예를 중심으로 설명하였으나, 가상현실을 표현할 수 있는 가상현실 디바이스(Virtual Realtiy Device)을 포함한 근안 디스플레이 그리고 해드업디스플레이 (HUD) 장치에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명인 웨이브가이드 및 이를 채용한 증강현실 디바이스는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 광이 입사되는 제1 면(10a)과 상기 제1 면(10a)에 대향되는 제2 면(10b)을 포함하는 웨이브가이드 몸체;
    광의 일부를 상기 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자(30);
    상기 웨이브가이드 몸체의 제2 면(10b)에 위치하며, 상기 광의 다른 일부를 상기 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자(40); 및
    상기 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자(50);를 포함하는, 웨이브가이드(10).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 웨이브가이드 몸체의 제2 면(10b)과 상기 반사 소자(40) 사이에 위치하며,
    상기 반사 소자(40)는 상기 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 상기 입력-커플링 소자(30)로 반사시키며,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절 차수의 광을 회절시켜 상기 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는, 웨이브가이드(10).
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 웨이브가이드 몸체의 제1 면(10a)에 위치하며,
    상기 반사 소자(40)는 상기 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 상기 웨이브가이드(10)로 반사시키며,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 반사 소자(40)에서 반사되고 상기 웨이브가이드 몸체를 통과한 0차 회절 차수의 광을 회절시켜 상기 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는, 웨이브가이드(10).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 웨이브가이드 몸체 내부에 위치하며,
    상기 반사 소자(40)는 상기 입력-커플링 소자(30)에서 발생된 0차 회절 차수의 광을 상기 웨이브가이드로 반사시키며,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 반사 소자(40)에서 반사된 0차 회절 차수의 광을 회절시키는, 웨이브가이드(10).
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 몸체는 단층 웨이브가이드인, 웨이브가이드(10).
  6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 몸체는 복수의 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)을 포함하며,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 상기 복수의 웨이브가이드 층들(11, 12, 13)의 개수와 같거나 그보다 많은 개수의 서브 입력-커플링 소자들(31, 32, 33)을 포함하며,
    상기 서브 입력-커플링 소자들(31, 32, 33) 중 하나는 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 어느 한 면에 위치하며, 상기 서브 입력-커플링 소자들(31, 32, 33)의 나머지는 상기 복수의 웨이브가이드 층들(11, 12, 13) 사이에 위치하는, 웨이브가이드(10).
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 소자(40)는 금속, 유전체, 폴리머, 편광 의존성 소자, 메타 소자, 홀로그램, 및 이색 미러로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나인, 웨이브가이드(10).
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 소자(40)는 상기 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 부착되거나 코팅되거나 이격된, 웨이브가이드(10).
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력-커플링 소자(30)는 회절 소자 또는 메타 소자인, 웨이브가이드(10).
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력-커플링 소자(50)는 회절 소자 또는 메타 소자인, 웨이브가이드(10).
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 확장시키는 확장 소자를 더 포함하는, 웨이브가이드(10).
  12. 이미지의 광을 방출하는 디스플레이 엔진(20); 및
    광이 입사되는 제1 면(10a)과 상기 제1 면(10a)에 대향되는 제2 면(10b)을 포함하는 웨이브가이드 몸체와, 광의 일부를 상기 웨이브가이드 몸체 내로 입력시키는 입력-커플링 소자(30)와, 상기 웨이브가이드 몸체의 제2 면에 위치하며, 상기 광의 다른 일부를 상기 웨이브가이드 몸체 내로 재입력시키는 반사 소자(40)와, 상기 웨이브가이드 몸체 내에서 전파되는 광을 외부로 출력시키는 출력-커플링 소자(50)를 포함하는 웨이브가이드(10);를 포함하며,
    상기 디스플레이 엔진(20)은 상기 웨이브가이드(10)의 제1 면에 대향되게 배치되며,
    상기 웨이브가이드(10)는 상기 디스플레이 엔진(20)에서 방출된 광을 타겟 영역으로 가이드하며, 상기 타겟 영역은 사용자의 아이 모션 박스인, 증강현실 디바이스.
  13. 좌안 소자 및 우안 소자를 포함하고,
    상기 좌안 소자 및 상기 우안 소자 각각은 이미지의 광을 방출하는 디스플레이 엔진(20)과, 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 웨이브가이드(10)를 포함하며,
    상기 웨이브가이드(10)는 상기 디스플레이 엔진(20)에서 방출된 광을 출력시키는 출력-커플링 소자(50)가 사용자의 눈을 포함한 영역에 대향되게 위치하는 방식으로 상기 좌안 소자 및 상기 우안 소자에 위치하는, 증강현실 안경.
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