KR102618440B1 - 광 확장 커플러들을 갖는 광학 시스템들 - Google Patents

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프란체스코 아이에타
세 백 오
프리소 쉴로타우
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애플 인크.
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Abstract

전자 디바이스는 광을 아이 박스를 향해 방향전환시키는 광학 시스템을 위한 광을 생성하는 디스플레이를 포함할 수 있다. 광학 시스템은 도파관, 비회절 입력 커플러, 크로스 커플러, 및 출력 커플러를 포함할 수 있다. 크로스 커플러는 광을 제1 방향으로 확장시킬 수 있다. 크로스 커플러는 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행할 수 있고, 광을 내부 전반사에 적합한 각도로 다시 도파관 내로 결합시킬 수 있다. 출력 커플러는 광을 제2 방향으로 확장시키면서 광을 도파관 외부로 결합시킬 수 있다. 크로스 커플러는, 도파관 내에 매립되거나 별개의 기판 내에 형성되는 표면 릴리프 격자들 또는 홀로그래픽 격자들을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 색 분산 없이 그리고 확장된 시야 및 광학 대역폭을 지원하면서 광을 아이 박스를 향해 지향시킬 수 있다.

Description

광 확장 커플러들을 갖는 광학 시스템들
본 출원은 2020년 3월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/831,147호, 및 2019년 5월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/854,905호에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은, 대체적으로, 광학 시스템들에 관한 것으로, 더 상세하게는, 디스플레이들을 위한 광학 시스템들에 관한 것이다.
전자 디바이스들은 사용자의 눈 가까이에 이미지들을 제공하는 디스플레이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가상 현실 및 증강 현실 헤드셋들과 같은 디바이스들은 사용자들이 디스플레이들을 볼 수 있게 하는 광학 요소들을 구비한 디스플레이들을 포함할 수 있다.
이들과 같은 디바이스들을 설계하는 것은 어려울 수 있다. 주의를 기울이지 않으면, 콘텐츠를 디스플레이하는 데 사용되는 컴포넌트들은 보기 흉하고 부피가 클 수 있으며, 원하는 수준의 광학 성능을 나타내지 않을 수 있다.
헤드 장착형 디바이스와 같은 전자 디바이스는 사용자를 위해 이미지들을 생성하는 하나 이상의 근안 디스플레이들을 가질 수 있다. 헤드 장착형 디바이스는 한 쌍의 가상 현실 안경일 수 있거나, 또는 뷰어(viewer)가 컴퓨터 생성 이미지들 및 뷰어의 주변 환경 내의 실세계 객체들 둘 모두를 볼 수 있게 하는 증강 현실 헤드셋일 수 있다.
근안 디스플레이는 광을 생성하는 디스플레이 유닛, 및 디스플레이 유닛으로부터의 광을 아이 박스(eye box)를 향해 방향전환시키는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 도파관, 도파관 상의 입력 커플러, 도파관 상의 크로스 커플러(cross coupler), 및 도파관 상의 출력 커플러를 포함할 수 있다. 입력 커플러는 광을 도파관 내로 그리고 크로스 커플러를 향해 결합시키는 입력 프리즘과 같은 비회절 입력 커플러일 수 있다. 크로스 커플러는 도파관 내로 결합된 광을 제1 방향으로 확장시킬 수 있다. 크로스 커플러는 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행할 수 있고, 회절된 광을 도파관 내에서의 내부 전반사에 적합한 각도로 다시 도파관 내로 결합시킬 수 있다. 출력 커플러는 크로스 커플러로부터 광을 수신할 수 있다. 출력 커플러는 광을 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 확장시키면서 도파관 외부로 광을 결합시킬 수 있다.
크로스 커플러는, 도파관 내에 매립되거나 도파관의 외부 표면에 부착된 별개의 기판 내에 형성되는 체적 홀로그램들과 같은 표면 릴리프 격자(surface relief grating)들, 메타 격자(meta-grating)들, 또는 홀로그래픽 위상 격자들을 포함할 수 있다. 광학 시스템은 색 분산 없이 그리고 확장된 시야 및 광학 대역폭을 지원하면서 광을 아이 박스를 향해 지향시킬 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른, 디스플레이를 갖는 예시적인 시스템의 다이어그램이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 입력 커플러, 크로스 커플러, 및 출력 커플러를 포함하는, 디스플레이를 위한 예시적인 광학 시스템의 평면도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 인-커플링된 광(in-coupled light)을 제1 방향으로 확장시키면서 광을 짝수회 회절시키는 크로스 커플러를 갖고 광을 제2 방향으로 확장시키는 출력 커플러를 갖는 예시적인 광학 시스템의 정면도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 비직사각형 형상을 갖는 예시적인 크로스 커플러의 다이어그램이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 도파관 상의 표면 릴리프 격자 구조물로부터 형성된 크로스 커플러를 갖는 예시적인 도파관의 평단면도이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 도파관을 위한 출력 커플러를 형성하는 데 사용되는 격자 매체 내에 매립된 표면 릴리프 격자 구조물로부터 형성된 크로스 커플러를 갖는 예시적인 도파관의 평단면도이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른, 입력 커플링 프리즘과 동일한 도파관의 측부 상의 표면 릴리프 격자 구조물로부터 형성된 크로스 커플러를 갖는 예시적인 도파관의 평단면도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른, 입력 커플링 프리즘과 동일한 도파관의 측부에서 격자 매체 내에 매립된 표면 릴리프 격자 구조물로부터 형성된 크로스 커플러를 갖는 예시적인 도파관의 평단면도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른, 도 5 내지 도 8에 도시된 유형들의 표면 릴리프 격자 구조물들이 상이한 파장들의 인-커플링된 광이 도파관을 통해 전파되는 것을 보장하기 위해 비교적 높은 굴절률을 갖는 기판 내에 어떻게 형성될 수 있는지를 예시하는 k-공간(k-space) 다이어그램이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 체적 홀로그래픽 격자 구조물들로부터 형성된 크로스 커플러를 갖는 예시적인 도파관의 평단면도이다.
도 11은 일부 실시예들에 따른, 가변 회절 효율을 갖는 예시적인 출력 커플러의 정면도이다.
도 12 및 도 13은 일부 실시예들에 따른, 인-커플링된 광을 제1 방향으로 확장시키면서 광을 짝수회 회절시키는 단일 격자 구조물을 갖는 크로스 커플러를 갖고 광을 제2 방향으로 확장시키는 출력 커플러를 갖는 예시적인 광학 시스템의 정면도들이다.
하나 이상의 근안 디스플레이 시스템들을 갖는 디바이스를 갖는 예시적인 시스템이 도 1에 도시되어 있다. 시스템(10)은 지지 구조물(하우징)(8) 내에 장착된 근안 디스플레이들(20)과 같은 하나 이상의 디스플레이들을 갖는 헤드 장착형 디바이스일 수 있다. 지지 구조물(8)은 한 쌍의 안경(예컨대, 지지 프레임들)의 형상을 가질 수 있거나, 헬멧 형상을 갖는 하우징을 형성할 수 있거나, 또는 근안 디스플레이들(20)의 컴포넌트들을 사용자의 헤드 상에 또는 눈 근처에 장착 및 고정시키는 것을 돕기 위한 다른 구성들을 가질 수 있다. 근안 디스플레이들(20)은 디스플레이 모듈들(20A)과 같은 하나 이상의 디스플레이 모듈들, 및 광학 시스템들(20B)과 같은 하나 이상의 광학 시스템들을 포함할 수 있다. 디스플레이 모듈들(20A)은 지지 구조물(8)과 같은 지지 구조물 내에 장착될 수 있다. 각각의 디스플레이 모듈(20A)은 광학 시스템들(20B) 중 연관된 광학 시스템을 사용하여 아이 박스(24)에 있는 사용자의 눈을 향해 방향전환되는 광(38)(이미지 광)을 방출할 수 있다.
시스템(10)의 동작은 제어 회로부(16)를 사용하여 제어될 수 있다. 제어 회로부(16)는 시스템(10)의 동작을 제어하기 위한 저장소 및 프로세싱 회로부를 포함할 수 있다. 회로부(16)는 하드 디스크 드라이브 저장소, 비휘발성 메모리(예컨대, 솔리드 스테이트 드라이브를 형성하도록 구성된 전기적으로 프로그래밍가능한 판독 전용 메모리), 휘발성 메모리(예컨대, 정적 또는 동적 랜덤 액세스 메모리) 등과 같은 저장소를 포함할 수 있다. 제어 회로부(16) 내의 프로세싱 회로부는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 디지털 신호 프로세서들, 기저대역 프로세서들, 전력 관리 유닛들, 오디오 칩들, 그래픽 프로세싱 유닛들, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit)들 및 다른 집적 회로들에 기초할 수 있다. 소프트웨어 코드는 회로부(16) 내의 저장소 상에 저장될 수 있고, 시스템(10)에 대한 동작들(예컨대, 데이터 수집 동작들, 제어 신호들을 사용한 컴포넌트들의 조정을 수반하는 동작들, 사용자를 위해 디스플레이될 이미지 콘텐츠를 생성하는 이미지 렌더링 동작들 등)을 구현하기 위해 회로부(16) 내의 프로세싱 회로부 상에서 실행될 수 있다.
시스템(10)은 입출력 디바이스들(12)과 같은 입출력 회로부를 포함할 수 있다. 입출력 디바이스들(12)은, 외부 장비(예컨대, 테더링된 컴퓨터, 휴대용 디바이스, 예컨대, 핸드헬드 디바이스 또는 랩톱 컴퓨터, 또는 다른 전기 장비)로부터 시스템(10)에 의해 데이터가 수신되게 하고 사용자가 사용자 입력을 헤드 장착형 디바이스(10)에 제공하게 하는 데 사용될 수 있다. 입출력 디바이스들(12)은, 또한, 시스템(10)(예컨대, 헤드 장착형 디바이스(10))이 동작하고 있는 환경에 대한 정보를 수집하기 위해 사용될 수 있다. 디바이스들(12) 내의 출력 컴포넌트들은 시스템(10)이 사용자에게 출력을 제공할 수 있게 할 수 있고, 외부 전기 장비와 통신하는 데 사용될 수 있다. 입출력 디바이스들(12)은 센서들 및 다른 컴포넌트들(18)(예컨대, 시스템(10) 내의 디스플레이 상의 가상 객체들과 디지털 병합되는 실세계 객체의 이미지들을 수집하기 위한 이미지 센서들, 가속도계들, 깊이 센서들, 광 센서들, 햅틱 출력 디바이스들, 스피커들, 배터리들, 시스템(10)과 외부 전자 장비 사이에서 통신하기 위한 무선 통신 회로들 등)을 포함할 수 있다.
디스플레이 모듈들(20A)은 액정 디스플레이들, 유기 발광 다이오드 디스플레이들, 레이저 기반 디스플레이들, 반사 디스플레이들, 또는 다른 유형들의 디스플레이들일 수 있다. 광학 시스템들(20B)은 뷰어(예컨대, 아이 박스(24)에 있는 뷰어의 눈)가 디스플레이(들)(20) 상의 이미지들을 볼 수 있게 하는 렌즈를 형성할 수 있다. 사용자의 각각의 좌측 눈 및 우측 눈과 연관된 (예컨대, 좌측 렌즈 및 우측 렌즈를 형성하기 위한) 2개의 광학 시스템들(20B)이 있을 수 있다. 단일 디스플레이(20)가 두 눈 모두를 위해 이미지들을 생성할 수 있거나, 또는 한 쌍의 디스플레이들(20)이 이미지들을 디스플레이하는 데 사용될 수 있다. 다수의 디스플레이들(예컨대, 좌측 눈 디스플레이 및 우측 눈 디스플레이)을 갖는 구성들에서, 광학 시스템(20B)에 의해 형성된 렌즈들의 초점 거리 및 위치들은 디스플레이들 사이에 존재하는 임의의 갭이 사용자에게 보이지 않을 수 있도록(예컨대, 좌측 디스플레이 및 우측 디스플레이의 이미지들이 중첩되거나 이음매 없이 병합되도록) 선택될 수 있다.
원하는 경우, 광학 시스템(20B)은 실세계 이미지들 또는 객체들(28)로부터의 실세계 이미지 광이 이미지 광(38) 내의 가상 이미지들과 같은 가상 (컴퓨터 생성) 이미지들과 광학적으로 조합될 수 있게 하는 컴포넌트들(예컨대, 광학 조합기 등)을 포함할 수 있다. 때때로 증강 현실 시스템으로 지칭되는 이러한 유형의 시스템에서, 시스템(10)의 사용자는 실세계 콘텐츠 및 실세계 콘텐츠의 상부에 오버레이되는 컴퓨터 생성 콘텐츠 둘 모두를 볼 수 있다. 카메라 기반 증강 현실 시스템들은, 또한, 디바이스(10)에서 (예컨대, 카메라가 객체(28)의 실세계 이미지들을 캡처하고 이러한 콘텐츠가 광학 시스템(20B)에서 가상 콘텐츠와 디지털 병합되는 배열로) 사용될 수 있다.
시스템(10)은, 원하는 경우, 컴퓨터 또는 다른 외부 장비(예컨대, 디스플레이(20)에 이미지 콘텐츠를 공급하는 컴퓨터)와의 통신을 지원하기 위한 무선 회로부 및/또는 다른 회로부를 포함할 수 있다. 동작 중에, 제어 회로부(16)는 이미지 콘텐츠를 디스플레이(20)에 공급할 수 있다. 콘텐츠는 (예컨대, 시스템(10)에 결합된 컴퓨터 또는 다른 콘텐츠 소스로부터) 원격으로 수신될 수 있고/있거나 제어 회로부(16)에 의해 생성될 수 있다(예컨대, 텍스트, 기타 컴퓨터 생성 콘텐츠 등). 제어 회로부(16)에 의해 디스플레이(20)에 공급되는 콘텐츠를 아이 박스(24)에서 뷰어가 볼 수 있다.
도 2는 도 1의 시스템(10)에서 사용될 수 있는 예시적인 광학 시스템(20B)의 평면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(20B)은, 도파관(50), 입력 광학계(58), 출력 광학계(60), 입력 커플러(52), 크로스 커플러(54), 및 출력 커플러(56)와 같은 광학 요소들을 포함할 수 있다. 입력 광학계(58)는 이미지 광(38)을 입력 커플러(52)로 통과시키는 시준 렌즈들 또는 다른 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이미지 광(38)은 디스플레이 모듈(20A)(도 1) 내의 디스플레이 유닛에 의해 광학 시스템(20B)에 제공될 수 있다. 디스플레이 유닛은 액정 디스플레이, 유기 발광 다이오드 디스플레이, 캐소드 레이 튜브, 플라즈마 디스플레이, 프로젝터 디스플레이(예컨대, 마이크로미러들의 어레이에 기초한 프로젝터), 실리콘 디스플레이 상의 액정, 또는 다른 적합한 유형의 디스플레이에 기초한 디스플레이 유닛일 수 있다. 광학 시스템(20B)은 디스플레이 유닛으로부터 출력되는 광(38)을 아이 박스(24)에 제공하는 데 사용될 수 있다.
광학 시스템(20B) 내의 도파관(50)과 같은 도파관 구조물들은 내부 전반사를 통해 광을 안내할 수 있는 중합체, 유리, 또는 다른 투명 기판들의 하나 이상의 적층된 층들로부터 형성될 수 있다. 입력 커플러(52), 크로스 커플러(54), 및 출력 커플러(56)는 각각 도파관(50) 내에 부분적으로 또는 완전히 매립되거나 도파관(50)의 표면에 장착될 수 있다. 광학 커플러들(52, 54, 56) 중 일부는 도파관(50)의 표면에 장착될 수 있는 한편, 커플러들(52, 54, 56) 중 다른 것들은 도파관(50) 내에 매립된다. 출력 광학계(60)는 출력 커플러(56)에 의해 도파관(50) 외부로 결합된 광(38)을 아이 박스(24) 상으로 집속시키는 데 도움을 주는 렌즈들을 포함할 수 있다. 입력 광학계(58) 및/또는 출력 광학계(60)는 원하는 경우 생략될 수 있다.
입력 커플러(52)는 디스플레이 모듈로부터의 광(38)을 도파관(50) 내로 결합시키도록 구성될 수 있는 반면, 출력 커플러(32)는 도파관(50) 내로부터의 광(38)을 도파관(50) 외부로 그리고 아이 박스(24)를 향해 결합시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 입력 광학계(58)로부터의 광(38)이 입력 커플러(52)에 충돌할 때, 입력 커플러(52)는 광(38)을 광이 출력 커플러(56)를 향해(예컨대, X축의 방향으로) 내부 전반사를 통해 도파관(50) 내에서 전파되도록 방향전환시킬 수 있다. 광(38)이 출력 커플러(56)에 충돌할 때, 출력 커플러(56)는 광(38)을 아이 박스(24)를 향해(예컨대, Z축을 따라) 도파관(50) 외부로 방향전환시킬 수 있다.
도 2의 예에서, 크로스 커플러(54)는 입력 커플러(52)와 출력 커플러(56) 사이에 광학적으로 개재된다. 이러한 예에서, 입력 커플러(52)는 광(38)을 크로스 커플러(54)를 향해 방향전환시킬 수 있다. 크로스 커플러(54)는 광(38)을 제1 방향으로 확장시킬 수 있고, 또한, 확장된 광을 다시 도파관(50) 내로 결합(방향전환)시킬 수 있다. 도파관(50)은 크로스 커플러(54)에 의해 확장된 광을 내부 전반사를 통해 출력 커플러(56)로 전파시킨다. 원하는 경우, 출력 커플러(56)는, 이어서, 크로스 커플러(54)로부터 수신된 광을 제1 방향과는 상이한(예컨대, 그에 수직인) 제2 방향으로 확장시킬 수 있다. 출력 커플러(56)는, 원하는 경우, 도파관 외부로 결합된 광에 광학 굴절력을 제공할 수 있다. 입력 커플러(52)에 의해 도파관(50) 내로 결합된 광(38)이 광의 동공(pupil)을 포함하는 예를 고려한다. 크로스 커플러(54) 및 출력 커플러(56)에 의한 광(38)의 확장은 동공을 다수의(예컨대, 직교) 차원들로 확장시키는 역할을 하여, 그에 의해 비교적 큰 아이 박스(24)가 아이 박스의 전체 영역에 걸쳐 충분한 그리고 실질적으로 균일한 세기를 갖는 광(38)의 동공들로 채워지도록 허용할 수 있다.
입력 커플러(52), 크로스 커플러(54), 및 출력 커플러(56)는 반사 및 굴절 광학계에 기초할 수 있거나, 홀로그래픽(예컨대, 회절) 광학계에 기초할 수 있다. 커플러들(52, 54 또는 56)이 반사 및 굴절 광학계로부터 형성되는 배열들에서, 커플러들은 하나 이상의 반사기들(예컨대, 마이크로미러들, 부분 미러들, 또는 다른 반사기들의 어레이)을 포함할 수 있다. 커플러들(52, 54 또는 56)이 홀로그래픽 광학계에 기초하는 배열들에서, 커플러들(52, 54, 56)은 포토폴리머들과 같은 홀로그래픽 매체, 중크롬산 젤라틴과 같은 젤라틴, 할로겐화은, 홀로그래픽 폴리머 분산 액정, 또는 다른 적합한 체적 홀로그래픽 매체를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 기록들(예컨대, 때때로 본 명세서에서 홀로그램들로 지칭되는 홀로그래픽 위상 격자들)이 홀로그래픽 매체에 저장될 수 있다. 홀로그래픽 매체는 때때로 본 명세서에서 격자 매체로 지칭될 수 있다.
홀로그래픽 기록은 홀로그래픽 매체와 같은 감광성 광학 재료 내에 광학 간섭 패턴(예컨대, 상이한 굴절률들의 교대 영역들)으로서 저장될 수 있다. 광학 간섭 패턴은, 주어진 광원으로 조명될 때, 광을 회절시켜 홀로그래픽 기록의 3차원 재구성을 생성하는 홀로그래픽 위상 격자를 생성할 수 있다. 홀로그래픽 위상 격자는 영구 간섭 패턴으로 인코딩된 스위칭불가(non-switchable) 회절 격자일 수 있거나, 또는 회절된 광이 홀로그래픽 기록 매체에 인가된 전기장을 제어함으로써 변조될 수 있는 스위칭가능 회절 격자일 수 있다. 원하는 경우, 다수의 홀로그래픽 위상 격자들(홀로그램들)이 동일한 체적의 격자 매체 내에 기록될(예컨대, 그 내에 중첩될) 수 있다. 홀로그래픽 위상 격자들은, 예를 들어, 격자 매체 내의 체적 홀로그램들일 수 있다.
원하는 경우, 커플러들(52, 54, 56) 중 하나 이상은 표면 릴리프 격자 구조물들과 같은 다른 유형들의 회절 격자 구조물들을 사용하여 구현될 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물들은 표면 릴리프 격자 매체 내에 기계적으로 절단, 에칭, 또는 달리 형성되는 회절 격자들(예컨대, 표면 릴리프 격자들)을 포함한다. 표면 릴리프 격자들은 표면 릴리프 격자들에 입사하는 광을 회절시킨다. (체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들을 생성하기 위해 수행되는 바와 같이) 격자 매체 내의 굴절률을 변조하기보다는, 표면 릴리프 격자들은 매체의 측방향 영역에 걸쳐 매체의 물리적 두께를 변화시킴으로써 생성된다. 원하는 경우, 다수의 표면 릴리프 격자들(예컨대, 2개의 표면 릴리프 격자들)이 동일한 체적의 표면 릴리프 격자 매체 내에서 다중화될 수 있다.
때때로 본 명세서에서 예로서 설명되는 하나의 적합한 배열에서, 입력 커플러(52)는 비회절 입력 커플러(예컨대, 표면 릴리프 격자들 또는 홀로그래픽 위상 격자들과 같은 회절 격자들을 포함하지 않는 입력 커플러)이다. 예를 들어, 입력 커플러(52)는 입력 프리즘, 도파관(50)의 경사진 표면(에지) 등을 포함할 수 있다. 입력 프리즘과 같은 비회절 입력 커플러의 사용은, 그렇지 않을 경우, 회절 요소들을 사용하는 입력 커플링과 연관되는 색 분산을 생성하지 않고서, 광(38)이 도파관(50) 내로 결합되도록 허용할 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 입력 커플러(52)는 체적 홀로그램들 또는 다른 격자 구조물들과 같은 회절 격자들을 사용하여 형성될 수 있다. 이들 시나리오들에서, 입력 커플러에 의해 도입된 임의의 색 분산은 (예컨대, 출력 커플러가 체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들을 포함하는 시나리오에서) 도파관 외부로 광을 회절시키는 데 있어서 출력 커플러에 의해 역전될 수 있다.
크로스 커플러(54)는 (비회절) 입력 커플러(52)에 의해 도파관(50) 내로 결합된 광(38)을 회절시키는 회절 격자 구조물들을 포함할 수 있다. 크로스 커플러(54) 내의 격자 구조물들은 표면 릴리프 격자 구조물들(예컨대, 하나 이상의 표면 릴리프 격자들), 또는 체적 홀로그래픽 격자 구조물들(예컨대, 적어도 부분적으로 중첩되는 체적 홀로그램들의 세트)과 같은 위상 격자 구조물들을 포함할 수 있다. 크로스 커플러(54) 내의 격자 구조물들은 광(38)을 짝수회 회절시키도록 구성될 수 있다. 회절들 중 적어도 하나는 광(38)을 제1 방향으로(예컨대, Y축을 따라 도 2의 평면 내로 그리고/또는 그 외부로) 확장시키는 역할을 할 수 있다. 회절들 중 적어도 하나는 확장된 광을 광이 내부 전반사에 의해 출력 커플러(54)로 전파되도록 하는 각도로 다시 도파관(50) 내로 방향전환시키는 역할을 할 수 있다. 광을 짝수회 회절시킴으로써, 광을 1회 회절시키는 것과 연관된 임의의 색 분산 효과들이 광을 대응하는 후속 시간에 회절시킴으로써 역전될 수 있다. 이는 출력 커플러(56)로 전달되는 광의 색 분산을 완화시키는 역할을 할 수 있다.
출력 커플러(56)는 체적 홀로그래픽 격자 구조물들 또는 다른 홀로그래픽 위상 격자들과 같은 회절 격자 구조물들을 포함할 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 출력 커플러(56)는 루버형 미러(louvred mirror)와 같은 반사 미러 구조물들을 포함할 수 있다. 출력 커플러(56)는 광(38)을 반사하거나 회절시킬 수 있다. 출력 커플러(56)에 의한 광(38)의 반사/회절은, 광(38)을 제2 방향으로(예컨대, X축을 따라) 확장시키고 확장된 광을 도파관(50) 외부로 아이 박스(24)를 향해 결합시키는 역할을 할 수 있다.
도 3은, 크로스 커플러(54)가, 광(38)을 확장시키면서 또한 광(38)을 짝수회 회절시켜 색 분산을 완화시키는 격자 구조물들을 어떻게 포함할 수 있는지를 보여주는 도파관(50)의 정면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도파관(50)은 측방향 (외부) 표면(114)을 갖는 도파관 기판을 포함할 수 있다. 입력 프리즘(70)과 같은 비회절 입력 커플러(52)가 표면(114)에 장착될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 광(38)을 도파관(50) 내로 그리고 크로스 커플러(54)를 향해 하향으로(예컨대, +Z 방향으로) 결합시킬 수 있다. 크로스 커플러(54)는 도파관(50) 내의 도파관 기판의 측방향 표면 상에 형성될 수 있거나, 도파관(50) 내에 매립될 수 있다.
크로스 커플러(54)는 제1 회절 격자 구조물(72) 및 제2 회절 격자 구조물(74)을 포함할 수 있다. 제1 격자 구조물(72)은 (예컨대, 중첩 영역(76) 내에서) 제2 격자 구조물(74)과 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 격자 구조물들(72, 74)은, 예를 들어, 중첩 영역(76) 내의 격자 매체의 동일한 체적(면적) 내에서 서로 중첩될 수 있다. 중첩 영역(76)은 입력 프리즘(70)의 폭과 대략 동일한(예컨대, 그 이상인) (예컨대, Y축에 평행한) 폭을 가질 수 있다. 이는 단지 예시적일 뿐이다. 중첩 영역(76)은 입력 프리즘(70)의 폭 이하인 폭을 가질 수 있거나, 다른 형상들을 가질 수 있다. 중첩 영역(76)은 균일한 폭을 가질 필요는 없다.
X축에 평행하게 도파관(50) 내로 결합되는 광(38)(때때로 본 명세서에서 DC 광(86)으로 지칭됨)은, 수직 방향으로 확장되지 않고서, 크로스 커플러(54)에 의해 다시 도파관(50) 내로 그리고 출력 커플러(56)를 향해 지향될 수 있다. DC 광(86)은 도파관(50)의 길이를 따라 내부 전반사를 통해 출력 커플러(56)로 전파될 수 있다. X축에 대해 0이 아닌 각도로 도파관(50) 내로 결합되는 광(38)은 (예컨대, 때때로 본 명세서에서 "제1 방향"으로 지칭되는, Y축에 평행한 방향으로 광을 수직으로 회절시킴으로써) 제1 격자 구조물(72) 및/또는 제2 격자 구조물(74)에 의해 수직으로 확장될 수 있다. 제1 격자 구조물(72) 및/또는 제2 격자 구조물(74)은 (예컨대, 회절의 단일 인스턴스(instance)에 의해 생성된 색 분산을 완화시키기 위해) 광이 내부 전반사에 의한 출력 커플러(56)로의 전파를 위해 도파관(50)에 재진입할 때까지 광(38)을 짝수회 누적 회절시키도록 구성될 수 있다.
일례로서, DC 광(86)에 대해 양의 각도에 있는 광(38)은, 화살표(88)에 의해 도시된 바와 같이, 도파관(50) 내로 결합되고 크로스 커플러(54)를 향해 지향될 수 있다. 제1 격자 구조물(72)은 제2 격자 구조물(74) 내의 프린지(fringe)들(78)에 대해 평행하지 않은 각도로 배향되는 프린지들(78)을 포함할 수 있다. 제1 격자 구조물(72) 및 제2 격자 구조물(74)은 표면 릴리프 격자들, 또는 체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들을 포함할 수 있다. 격자 구조물들(72, 74)이 홀로그래픽 위상 격자들로부터 형성되는 시나리오들에서, 프린지들(78)은 격자 매체의 일정한 굴절률의 라인들을 나타낼 수 있다. 격자 구조물들(72, 74)이 표면 릴리프 격자들을 사용하여 형성되는 시나리오들에서, 프린지들(78)은 격자 매체의 일정한 두께의 라인들을 나타낼 수 있다. 프린지들(78)은 주기 (예컨대, 굴절률의 변조 주기 또는 격자 매체의 두께의 변조 주기) 및 (예컨대, 격자 구조물들(72, 74)에 대한 격자 벡터(여기에서 격자 벡터는 프린지(78)에 수직으로 배향됨)의 방향에 의해 한정되는) 배향에 의해 특징지어진다. 프린지들(78)은, 또한, 측방향 표면(114)의 법선 표면에 대해 한정되는 연관된 프린지 각도를 가질 수 있다.
격자 구조물들(72, 74)의 주기들, 배향들, 및 프린지 각도들은 특정 입사각 범위들로부터의 그리고 특정 파장 범위에 있는 광을 특정 출력 각도 범위들에 걸쳐 회절시키도록 격자 구조물들을 구성할 수 있다. 이들 인자들은, 광(38)에 포함된 파장들(색상들)에 대해 그리고 광이 입력 프리즘(70)에 의해 크로스 커플러에 제공되는 입사각들에 걸쳐, 광을 짝수회 회절시키면서 그리고 광이 내부 전반사를 통해 도파관(50)을 따라 전파될 수 있는 각도로 광을 다시 도파관(50) 내로 회절시키면서 광(38)을 수직으로 확장시키도록 크로스 커플러(54)를 구성하게끔 선택될 수 있다.
격자 구조물들(72, 74)이 표면 릴리프 격자들을 사용하여 형성되는 예를 고려한다. 이러한 예에서, 격자 구조물(74)은 화살표(88)와 연관된 입사각에 있는 광(예컨대, +X 방향, -Y 방향, 및 -Z 방향으로 입사하는 광)이 화살표(90)에 의해 도시된 바와 같이 대응하는 출력 각도(예컨대, +Y 방향 및 +X 방향으로의 출력 각도)로 회절되는 제1 회절을 수행하도록 구성될 수 있다. 격자 구조물(74)은, 또한, 화살표(90)와 연관된 입사각(예컨대, 제1 회절의 출력 각도)에 있는 광이 화살표(92)에 의해 도시된 바와 같이 대응하는 출력 각도(예컨대, +X 방향, -Y 방향, 및 +Z 방향으로의 출력 각도)로 회절되는 (후속) 제2 회절을 수행하도록 구성될 수 있다. 제1 회절은 입사광(38)의 상이한 파장들이 약간 상이한 출력 각도들로 회절되는 색 분산을 도입할 수 있다. 제2 회절은 제1 회절에 의해 도입된 색 분산을 (예컨대, 제1 회절로부터의 광을 각각의 파장에 대해 동일한 출력 각도로 다시 도파관(50) 내로 회절시킴으로써) 역전시킬 수 있다. 화살표(92)를 생성한 제2 회절은 광이 도파관(50)의 길이를 따라 내부 전반사에 의해 출력 커플러(56)로 전파될 수 있도록 하는 각도로 광을 다시 도파관(50) 내로 지향시킬 수 있다.
유사하게, 격자 구조물(72)은 화살표(88')와 연관된 입사각에 있는 광(예컨대, +X 방향, +Y 방향, 및 -Z 방향으로 입사하는 광)이 화살표(90')에 의해 도시된 바와 같이 대응하는 출력 각도(예컨대, -Y 방향 및 +X 방향으로의 출력 각도)로 회절되는 제1 회절을 수행하도록 구성될 수 있다. 격자 구조물(72)은, 또한, 화살표(90')와 연관된 입사각(예컨대, 제1 회절의 출력 각도)에 있는 광이 화살표(92')에 의해 도시된 바와 같이 대응하는 출력 각도(예컨대, +X 방향, +Y 방향, 및 +Z 방향으로의 출력 각도)로 회절되는 (후속) 제2 회절을 수행하도록 구성될 수 있다. 제1 회절은 입사광(38)의 상이한 파장들이 약간 상이한 출력 각도들로 회절되는 색 분산을 도입할 수 있다. 제2 회절은 제1 회절에 의해 도입된 색 분산을 역전시킬 수 있다. 화살표(92')와 연관된 제2 회절은 광이 도파관(50)의 길이를 따라 내부 전반사에 의해 출력 커플러(56)로 전파될 수 있도록 하는 각도로 광을 다시 도파관(50) 내로 지향시킬 수 있다.
격자 구조물들(72, 74)에 의한 수직 방향으로의(예컨대, +Y/-Y 방향으로의) 회절은 광(38)을 수직 방향으로(예컨대, Y축에 평행하게) 확장시키는 역할을 할 수 있다. 출력 커플러(56)는, 화살표들(84)에 의해 도시된 바와 같이, 크로스 커플러(54)로부터 수신된 광을 아이 박스를 향해 회절시키거나 반사하면서, 또한 광을 수직 방향과는 상이한(예컨대, 그에 직교하는) 수평 방향으로 확장시킬 수 있다(예컨대, 출력 커플러(56)는 화살표들(82)에 의해 도시된 바와 같이 X축에 평행한 방향으로 광을 확장시킬 수 있음). 이는 도파관(50) 내로 결합된 광 내의 동공들이 광이 아이 박스에서 수신될 때까지 2차원으로 확장되도록 허용할 수 있다.
격자 구조물들(72, 74)은 각각 DC 광(86)에 대한 일정 각도 범위에 걸쳐 제1 회절을 수행할 수 있다(예컨대, 격자 구조물(72)은 화살표(88)와 X축 사이의 연속적인 입사각 범위에 걸쳐 광(38)을 회절시킬 수 있는 반면, 격자 구조물(74)은 화살표(88')와 X축 사이의 연속적인 입사각 범위에 걸쳐 광(38)을 회절시킴). 격자 구조물들(72, 74)에 의해 수행되는 제2 회절은 대응하는 입사각 범위에 걸쳐 유사하게 수행될 수 있다. 원하는 경우, 선택적인 회절 빔 덤프(beam dump)(77)와 같은 회절 격자 구조물들(예컨대, 체적 홀로그램들, 표면 릴리프 격자들 등)이 도파관(50) 상에 형성될 수 있다. 회절 빔 덤프(77)는, 화살표들(79)에 의해 도시된 바와 같이, DC 광(86)과 같은 저각 광을 출력 커플러(56) 이외의 위치들로(예컨대, 다른 광학계, 흡수 재료와 같은 광 싱크(light sink) 등을 향해) 회절시키도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들어, (예컨대, DC 광(86)이 회절된 광(92', 92)보다 더 밝을 수 있기 때문에) 균일한 세기의 광이 출력 커플러(56)에 제공되는 것을 보장하는 데 도움을 줄 수 있다.
표면 릴리프 격자들은 파장에서 비교적 넓은 대역폭을 나타낸다. 이는, 원하는 경우, 격자 구조물들(72, 74)이 단일 표면 릴리프 격자를 사용하여 각각 구현되도록 허용하면서, 광(38)의 각각의 파장에 대해(예컨대, 가시 스펙트럼에 걸쳐) 만족스러운 회절 효율을 여전히 나타낼 수 있다. 바꾸어 말하면, 크로스 커플러(54)는 단지 2개의 표면 릴리프 격자들(예컨대, 격자 구조물(72) 내의 하나의 표면 릴리프 격자 및 격자 구조물(74) 내의 다른 표면 릴리프 격자)만을 사용하여 광(38) 내의 각각의 파장에 대해 광(38)을 회절시키고 확장시킬 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 2개 초과의 표면 릴리프 격자들이 크로스 커플러(54) 내에 포함될 수 있다. 이들 시나리오들에서, 표면 릴리프 격자 매체의 추가 층들이 서로의 상부에 적층될 수 있으며, 여기에서 각각의 층은 1개 또는 2개의 연관된 표면 릴리프 격자들을 포함한다.
격자 구조물들(72, 74)이 체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들을 사용하여 구현되는 시나리오들에서, 각각의 체적 홀로그램은 파장에서 표면 릴리프 격자보다 훨씬 더 좁은 대역폭을 나타낸다. 예를 들어, 체적 홀로그램들은 유사한 표면 릴리프 격자에 의해 회절되는 파장 범위보다 훨씬 더 좁은 특정 파장 범위에 대해 특정 입사각 범위로부터의 광을 특정 출력 각도 범위로 회절시킨다. 광(38) 내의 각각의 파장을 회절시키기 위해, 격자 구조물들(72, 74)은 다중화된 체적 홀로그램들(또는 다른 홀로그래픽 위상 격자들)의 대응하는 세트를 각각 포함할 수 있다. 세트 내의 각각의 체적 홀로그램은 상이한 각각의 파장 범위 및/또는 입사각 범위로부터의 광을 회절시키도록 구성될 수 있지만(예컨대, 그에 브래그 정합(Bragg-matching)될 수 있음), 각각 입사광을 동일한 출력 각도 범위로 회절시킬 수 있다. 세트 내의 각각의 체적 홀로그램은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 예를 들어, 세트 내의 각각의 체적 홀로그램은 동일한 체적의 격자 매체 내에 중첩될 수 있거나, 격자 매체의 상이한 층들 사이에서 분할될 수 있다(예컨대, 여기에서 각각의 층은 세트로부터의 적어도 하나의 체적 홀로그램을 포함함). 이러한 방식으로, 크로스 커플러(54) 내의 홀로그래픽 위상 격자들(예컨대, 체적 홀로그램들)은 넓은 파장 범위에 걸쳐 그리고 입력 프리즘(70)에 의해 제공되는 입사각들 각각에 걸쳐 입사광에 대해 짝수회의 회절들(예컨대, 화살표들(88, 90, 92, 88', 90', 92')로 나타낸 회절들)을 집합적으로 수행할 수 있다. 격자 구조물들(72) 내의 체적 홀로그램들의 세트는 때때로 본 명세서에서 체적 홀로그램 구조물들로 지칭될 수 있다. 유사하게, 격자 구조물들(74) 내의 체적 홀로그램들의 세트는 때때로 본 명세서에서 체적 홀로그램 구조물들로 지칭될 수 있다.
도 3의 예는 각각의 격자 구조물에 의해 수행되고 있는 2회의 회절 동작들만을 도시한다. 이는 단지 예시적일 뿐이다. 원하는 경우, 각각의 격자 구조물은 4회의 회절 동작들, 6회의 회절 동작들, 8회의 회절 동작들, 또는 임의의 다른 원하는 짝수회의 회절들을 수행할 수 있다. 이러한 방식으로 짝수회의 회절들을 수행하는 것은 제1 회절과 연관된 임의의 색 분산이 대응하는 추가 회절에 의해 역전되도록 허용할 수 있고, 광이 출력 커플러(56)를 향해 방향전환되도록 허용할 수 있다. 단일 회절 동작(또는 임의의 다른 홀수회의 회절 동작들)만이 수행되는 경우, 광은 시스템 내의 다른 곳으로(예컨대, 화살표(94)에 의해 도시된 바와 같이, 출력 커플러(56)로부터 멀어지게) 지향될 수 있다. 이들 시나리오들에서, 원하는 경우, 출력 커플러(56)는 화살표(94)와 연관된 미광도 출력 커플러에서 수신되도록 재위치되거나 크기가 확장될 수 있다. 짝수회 회절된 광에 더하여, 도파관 내로 결합된 이미지 광의 일부는 크로스 커플러에 의해 전혀 회절되지 않고서 출력 커플러로 통과할 수 있다(예컨대, 도 3의 아키텍처는 이미지의 소정 부분들에 대해 크로스 커플러와의 상호작용을 필요로 하지 않을 수 있음).
다른 적합한 배열에서, 크로스 커플러(54)는 메타 격자 구조물들을 사용하여 구현될 수 있다(예컨대, 격자 구조물들(72, 74)은 각각 각각의 메타 격자를 사용하여 형성될 수 있음). 다른 유형들의 회절 격자들(예컨대, 비메타 격자들)은 전형적으로 주기적 구조 및 색 분산을 나타낸다. 예를 들어, 격자에 의한 제1 회절 시의 전파 각도는 파장의 함수로서 변화하고, 결과적으로, 상이한 파장들에서의 동공 복제물(pupil replication)들이 도파관 내측에서 공간적으로 분리될 것이다. 전파 각도는 (예컨대, 분산을 보상하는) 격자에 의한 제2 회절 시에 복원된다. 그러나, 동공 분리는 이미지에 색상 불균일성을 초래할 수 있다.
대조적으로, 메타 격자들은 (예컨대, 도파관(50)의 표면(114) 또는 도파관 상의 또는 그 내의 다른 표면들 상에 형성되는) 고굴절률 유전체 공진기들의 비주기적 조립체들이다. 격자 구조물들(72, 74) 내의 메타 격자들은, 예를 들어, 도파관(50)의 표면(114) 상에 형성될 수 있다. 메타 격자들 내의 각각의 유전체 공진기는 입사광에 위상 지연을 부여하도록 설계될 수 있다. 각각의 유전체 공진기의 위상 지연은 상이한 파장에 대해 독립적으로 제어될 수 있다. 유전체 공진기들의 분포의 적합한 구성을 통해, 모든 파장들이 동일한 출력 각도로 회절되도록 파장 의존 위상 프로파일이 얻어질 수 있다. 이러한 방식으로, 동공은 색상 분리를 도입하지 않고서 전파되고 확장될 수 있다.
크로스 커플러(54)가 직사각형 형상을 갖는 도 3의 예는 단지 예시적인 것이다. 일반적으로, 크로스 커플러(54)(예컨대, 제1 격자 구조물(72), 제2 격자 구조물(74), 및/또는 중첩 영역(76))는 임의의 원하는 수의 직선형 및/또는 만곡된 에지들을 갖는 임의의 원하는 형상(예컨대, 삼각형 형상, 사다리꼴 형상, 다른 다각형 형상, 원형 형상, 타원형 형상, 이들의 조합들 등)을 가질 수 있다. 도 4는 크로스 커플러(54)에 대한 하나의 가능한 형상의 다이어그램이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 크로스 커플러(54)는 5개의 측부들을 가질 수 있고, 중첩 영역(76)은 5개의 측부들을 가질 수 있다. 제1 격자 구조물(72) 및 제2 격자 구조물(74)은 (예컨대, X축에 평행한) 불균일한 길이들을 가질 수 있다. 크로스 커플러(54)의 형상은, 예를 들어, 출력 커플러(56)(도 3)에서 수신되는 광의 양을 최대화하도록 선택될 수 있다. 다른 형상들이 사용될 수 있다. 출력 커플러(56)에는 또한 임의의 원하는 형상이 제공될 수 있고, 직사각형일 필요는 없다. 원하는 경우, 크로스 커플러(54)는 제1 격자 구조물(72) 또는 제2 격자 구조물(74) 중 단지 하나만을 사용하여 형성될 수 있다. 원하는 경우, 격자 구조물들(72, 74)은 중첩되지 않을 수 있다(예컨대, 중첩 영역(76)은 생략될 수 있음).
도 5는 (예컨대, 도 3의 화살표(95)의 방향으로 볼 때) 크로스 커플러(54)가 표면 릴리프 격자 구조물을 사용하여 형성되는 예에서의 도파관(50)의 평단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도파관(50)은 기판(108) 및 기판(110)과 같은 하나 이상의 도파관 기판들을 포함할 수 있다. 격자 매체(106)와 같은 홀로그래픽 기록 매체가 기판들(108, 110) 사이에 개재(적층)될 수 있다. 격자 매체(106)의 측방향(예컨대, 평면형) 표면(120)이 기판(108)과 접촉할 수 있다. 격자 매체(106)의 측방향 표면(122)이 기판(110)과 접촉할 수 있다. 출력 커플러(56)는 (예컨대, 격자 매체(106) 내에 기록된 체적 홀로그램들 또는 다른 홀로그래픽 위상 격자들, 격자 매체(106) 내에 매립된 루버형 미러들 등을 사용하여) 격자 매체(106) 내에 형성될 수 있다. 원하는 경우, 선택적인 반사방지 코팅(118)이 출력 커플러(56)에서 표면(120) 및/또는 표면(122) 상에 적층될 수 있다. 반사방지 코팅(118)은, 예를 들어, 출력 커플러(56) 내에서의 홀로그래픽 위상 격자들의 기입(기록) 동안 격자 매체(106) 내에서의 원하지 않는 광 반사들을 방지할 수 있다.
입력 프리즘(70)은 기판(108)의 외부 표면(114)에 장착될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 이미지 광(38)을 도파관(50) 내로 그리고 크로스 커플러(54)를 향해 결합시킬 수 있다. 크로스 커플러(54)는 표면 릴리프 격자 구조물(100)과 같은 표면 릴리프 격자 구조물을 포함할 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 제1 격자 구조물(72)을 형성하는 데 사용될 수 있거나(예컨대, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 도 3의 화살표들(88', 90', 92')과 연관된 적어도 제1 회절 및 제2 회절을 수행하는 표면 릴리프 격자를 포함할 수 있음), 제2 격자 구조물(74)을 형성하는 데 사용될 수 있거나(예컨대, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 도 3의 화살표들(88, 90, 92)과 연관된 적어도 제1 회절 및 제2 회절을 수행하는 표면 릴리프 격자를 포함할 수 있음), 또는 중첩 영역(76)을 형성하는 데 사용될 수 있다(예컨대, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 동일한 영역 내에 중첩되는, 제1 격자 구조물(72)을 형성하는 데 사용되는 표면 릴리프 격자, 및 제2 격자 구조물(74)을 형성하는 데 사용되는 표면 릴리프 격자를 포함할 수 있음).
도 5에 도시된 바와 같이, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 표면 릴리프 격자 기판(매체)(112)과 같은 기판 내에 형성될 수 있다. 일례로서, 표면 릴리프 격자 구조물(100) 내의 표면 릴리프 격자(들)는 표면 릴리프 격자 기판(112)의 두께 내의 리지(ridge)들(피크들)(102) 및 트로프(trough)들(최저점들(104))에 의해 한정될 수 있다. 도 5의 예에서, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 격자가 피크들(102)과 연관된 제1 두께 또는 트로프들(104)과 연관된 제2 두께에 의해 한정되는 이원 구조물(binary structure)이다. 이는 단지 예시적일 뿐이다. 원하는 경우, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 두 부분으로 이루어지지 않을 수 있다(예컨대, 임의의 원하는 프로파일을 따르는 임의의 원하는 수의 두께들을 포함할 수 있거나, Y축에 대해 평행하지 않은 프린지 각도들로 경사진 피크들(102)을 포함할 수 있거나, 기타 등등일 수 있음). 표면 릴리프 격자 기판(112)은 비교적 높은 굴절률(예컨대, 격자 매체(106)의 벌크 굴절률보다 큰 굴절률)을 나타낼 수 있다. 표면 릴리프 격자 기판(112)은 접착제 층(115)을 사용하여 도파관 기판(110)의 표면(116)에 접착될 수 있다. 접착제 층(115)은 비교적 낮은(예컨대, 표면 릴리프 격자 기판(112)의 굴절률보다 작은) 굴절률을 가질 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 도파관(50) 내의 출력 커플러(56)와는 별도로 제조될 수 있고, 예를 들어 제조 후에 도파관(50)에 접착될 수 있다.
입력 프리즘(70)은 광(38)을 도파관(50) 내로 그리고 표면 릴리프 격자 구조물(100)을 향해 이미지 결합시킬 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 광(38)을 Y축에 평행한 방향으로 확장시키는 역할을 하면서 광(38)을 짝수회 회절시킬 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)에 의해 수행되는 최종 회절은 광이 내부 전반사에 의해 도파관(50)의 길이를 따라 계속 전파되도록 하는 각도로 (예컨대, 확장된 광으로서의) 광(38)을 다시 도파관(50) 내로 결합시킬 수 있다. 이어서, 광(38)은, 화살표(38')에 의해 도시된 바와 같이, 출력 커플러(56)에 의해 도파관(50) 외부로 결합된다. 출력 커플러(56)는, 또한, X축에 평행한 방향으로 광(38)을 확장시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 출력 커플러(56) 및 크로스 커플러(54)는 확장된 광을 아이 박스에 제공하기 전에 광(38)을 2차원으로 집합적으로 확장시킬 수 있다.
표면 릴리프 격자 구조물을 사용하여 크로스 커플러(54)를 형성하는 것은 체적 홀로그램들이 사용되는 시나리오들에 비해 더 높은 광 처리량을 허용할 수 있다. 크로스 커플러(54)를 사용하여 짝수회의 회절들을 수행하는 것은 표면 릴리프 격자 구조물에 의해 생성되는 임의의 색 분산을 완화시킬 수 있다. 입력 프리즘(70)과 같은 비회절 입력 커플러의 사용은 색 분산을 도입하지 않고서 광(38)이 도파관(50) 내로 결합되도록 허용할 수 있다. 이들 예들은 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우, 크로스 커플러(54)는 체적 홀로그램들을 사용하여 구현될 수 있고, 입력 프리즘(70)은 다른 입력 커플링 구조물들(예컨대, 홀로그램들 또는 다른 회절 격자들, 도파관(50)의 경사진 표면 등)을 사용하여 구현될 수 있다. 다른 배열에서, 기판(110)은 생략될 수 있고, 표면 릴리프 격자 기판(112)은 격자 매체(106)의 표면(122)과 접촉하여 배치될 수 있다.
원하는 경우, 빔 스플리터들(124)의 하나 이상의 층들과 같은 선택적인 광 균질화 구조물들이 격자 매체(106) 내에 매립될 수 있다. 빔 스플리터들(124)은 금속 코팅들, 유전체 코팅들, 상이한 굴절률들을 갖는 유전체 층들, 또는 다른 부분 반사 구조물들을 사용하여 형성될 수 있다. 원하는 경우, 하나 이상의 빔 스플리터들(124)이 표면(120), 표면(122), 표면(114), 및/또는 표면(116)에 장착될 수 있다. 빔 스플리터들(124)은 광(38)의 제1 부분을 투과시키면서 광(38)의 제2 부분을 반사할 수 있다. 이는 (예컨대, 균일한 세기의 광이 아이 박스를 채우는 것을 보장하기 위해) 표면 릴리프 격자 구조물(100)에, 출력 커플러(56)에, 그리고 궁극적으로 아이 박스에 제공되는 광(38)의 동공들을 측방향으로 복제하는 역할을 할 수 있다. 하나 초과의 빔 스플리터(124)가 도파관(50) 내에 제공되는 시나리오들에서, 빔 스플리터들은 부분적으로 중첩되거나 완전히 중첩되거나 또는 중첩되지 않을 수 있다. 빔 스플리터들은, 원하는 경우, 가변 반사율을 나타낼 수 있다(예컨대, 빔 스플리터들은 빔 스플리터들의 반대편 단부에서보다 일 단부에서 더 큰 반사율을 나타낼 수 있음). 반사율은 연속적으로 변화되거나 개별 단계들에서 변화될 수 있다.
다른 적합한 배열에서, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 격자 매체(106) 내에 매립될 수 있다. 도 6은 표면 릴리프 격자 구조물(100)이 격자 매체(106) 내에 어떻게 매립될 수 있는지를 보여주는 다이어그램이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(110)은 생략될 수 있고, 표면 릴리프 격자 기판(112)은 격자 매체(106)의 표면(122)과 접촉하도록 배치될 수 있다(예컨대, 격자 매체(106)는 표면 릴리프 격자 기판(112) 위에 성형될 수 있음). 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 격자 매체(106) 내에 매립될 수 있다. 원하는 경우, 선택적인 투명 유전체 코팅(130)이 표면 릴리프 격자 구조물(100) 위에 적층될 수 있다(예컨대, 코팅(130)은 표면 릴리프 격자 구조물(100)과 격자 매체(106) 사이에 개재될 수 있음). 코팅(130)은, 회절 효율을 증가시키고 표면 릴리프 격자 구조물(100)의 각도 응답을 넓히는 역할을 할 수 있다. 코팅(130)은 산화티타늄, 질화규소, 오산화탄탈륨, 또는 임의의 다른 원하는 재료들로부터 형성될 수 있다.
표면 릴리프 격자 구조물(100)이 입력 프리즘(70)의 반대편에 있는 도파관(50)의 측부 상에 형성되는 도 5 및 도 6의 예들은 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 입력 프리즘(70)과 동일한 도파관(50)의 측부 상에 형성될 수 있다.
도 7의 예에 도시된 바와 같이, 표면 릴리프 격자 기판(112)은 접착제 층(115)을 사용하여 기판(108)의 표면(114)에 장착될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 표면 릴리프 격자 기판(112)에 장착될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 광을 도파관(50) 내로 결합시킬 수 있다. 인-커플링된 광은 도파관(50)의 하나 이상의 표면들로부터 표면 릴리프 격자 구조물(100)로 반사될 수 있다.
도 8의 예에 도시된 바와 같이, 기판(108)은 생략될 수 있고, 표면 릴리프 격자 기판(112)은 격자 매체(106)의 표면(120)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 격자 매체(106) 내에 매립될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 표면 릴리프 격자 기판(112)에 장착될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 광을 도파관(50) 내로 결합시킬 수 있다. 인-커플링된 광은 표면 릴리프 격자 구조물(100)에서 직접 수신될 수 있거나, 또는 도파관(50)의 하나 이상의 표면들로부터 표면 릴리프 격자 구조물(100)을 향해 반사될 수 있다.
이들 예들은 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 하나 초과의 표면 릴리프 격자 구조물이 도파관(50) 상에 제공될 수 있다. 이들 시나리오들에서, 연관된 표면 릴리프 격자 구조물들을 갖는 다수의 표면 릴리프 격자 기판들(112)이 서로 위에 적층될 수 있다. 임의의 원하는 입력 커플링 구조물들이 사용될 수 있다. 원하는 경우, 도 5의 빔 스플리터들(124) 및/또는 반사방지 코팅(118)이 도 6 내지 도 8의 도파관들 내에 제공될 수 있다. 원하는 경우, 도 6의 코팅(130)이 도 8의 표면 릴리프 격자 구조물(100) 아래에 적층될 수 있다.
표면 릴리프 격자 기판(112)에는 비교적 높은 굴절률(예컨대, 기판들(108, 110)의 굴절률보다 크고 격자 매체(106)의 벌크 굴절률보다 큰 굴절률)이 제공될 수 있다. 도 9는 비교적 높은 굴절률을 갖는 표면 릴리프 격자 기판(112)을 형성하는 것이 입력 프리즘(70)의 전체 시야로 하여금 광(38)의 각각의 파장에 대해 내부 전반사에 의한 출력 커플러(56)로의 전파를 위해 다시 도파관(50) 내로 결합되도록 어떻게 허용할 수 있는지를 보여주는 k-공간 다이어그램이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 수평축은 kx/kmedia를 플로팅하고, 수직축은 ky/kmedia를 플로팅하며, 여기에서 kx/kmedia는 광학 시스템(20B)을 통해 전파되는 광에 대한 k-벡터의 X 성분을 나타내고, ky/kmedia는 그의 Y 성분을 나타낸다. Z 성분은 명확성을 위해 도 9로부터 생략된다(예컨대, 도 9는 3차원 k-공간의 2차원 투영을 예시함). 영역(150)은 (예컨대, 아이 박스에 제공되는 바와 같은) 출력 커플러(56)로부터의 시야를 나타낸다. 영역(158)은 입력 프리즘(70)에 의해 도파관(50) 내로 결합되는 광(38)을 나타낸다. 입력 프리즘(70)이 색 분산을 도입하지 않기 때문에, 도파관(50) 내로 결합된 광은 파장에 상관없이 k-공간에서 동일한 영역(158)에 의해 표현된다. 유사하게, 시스템 내로 도입된 임의의 색 분산이 광이 도파관 외부로 결합될 때까지 완화되기 때문에, 출력 커플러(56)로부터의 시야는 파장에 상관없이 k-공간에서 동일한 영역(150)에 의해 표현된다.
표면 릴리프 격자 구조물(100)에 의해 수행되는 제1 회절은 화살표(168)에 의해 개략적으로 표현된다. 제1 회절이 색 분산을 도입하기 때문에, 광의 상이한 파장들이 영역들(162, 164, 166)과 같은 k 공간 내의 상이한 영역들로 회절된다. 단지 하나의 예로서, 영역(162)은 청색 파장에 대응할 수 있고, 영역(164)은 녹색 파장에 대응할 수 있으며, 영역(166)은 적색 파장에 대응할 수 있다. 도 9의 예는 명확성을 위해 수평축 아래에 있는 영역(158)의 부분의 회절만을 예시한다. 실제로, 수평축 위에 있는 영역(158)의 부분도 제1 회절에서 수평축 아래의 추가 영역들(예컨대, 영역들(162, 164, 166)에 대응하는 추가 영역들)로 회절된다.
곡선(152)은 내부 전반사가 도파관(50)에 의해 여전히 지원될 수 있는 하한을 나타낸다. 영역(158)으로부터의 회절이 곡선(152) 내에 속하는 광을 생성하는 경우, 광은 도파관(50)이 내부 전반사를 지원할 수 없는 각도로 회절될 것이고, 광은 출력 커플러로 적절히 전파되지 않을 것이다. 곡선(154)은 표면 릴리프 격자 기판(112)에 의해 지원되는 회절의 상한을 나타낸다. 영역(158)으로부터의 회절이 곡선(154)의 외측에 있는 광을 생성하는 경우, 표면 릴리프 격자 구조물(100)은 (예컨대, 광을 다시 도파관 내로 결합시키기 위해) 광에 대해 추가 회절들을 수행할 수 없을 것이다. 바꾸어 말하면, 영역(158)으로부터의 제1 회절은 광이 출력 커플러(56)에 제공되도록 곡선들(152, 154) 사이에 속하는 광을 생성할 필요가 있다. 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 회절에 의해 생성된 색 분산은 일부 파장들에 대해(예컨대, 영역(166)과 연관된 파장에 대해) 이러한 영역의 외측에 있는 광을 생성할 수 있다. 이는 크로스 커플러가 광(38)의 파장들 중 일부를 출력 커플러(56)로 지향시키지 못하게 할 수 있다.
이들 효과를 완화시키기 위해, 표면 릴리프 격자 기판(112)에는 비교적 높은 굴절률을 갖는 재료(예컨대, 비교적 높은 굴절률의 유리 또는 다른 재료)가 제공될 수 있다. 표면 릴리프 격자 기판(112)의 굴절률은, 예를 들어, 격자 매체(106)의 벌크 굴절률보다 클 수 있다. 이러한 방식으로 비교적 높은 굴절률을 갖는 표면 릴리프 격자 매체를 제공하는 것은, 화살표(160)에 의해 도시된 바와 같이, 곡선(154)을 곡선(154')으로 확장시킬 수 있다. 영역들(162, 164, 166) 각각이 곡선들(154', 152) 사이에 속함에 따라, 제1 회절로부터의 광의 각각의 파장은 (예컨대, 광이 출력 커플러를 향해 적절히 지향되도록) 내부 전반사에 적합한 각도로 다시 도파관 내로 만족스럽게 회절될 수 있다. 표면 릴리프 격자 구조물(100)이 짝수회의 회절들을 수행하기 때문에, 화살표(168)와 연관된 색 분산은 표면 릴리프 격자 구조물(100)에서의 대응하는 후속 회절에 의해(예컨대, 도 3의 화살표들(92, 92')과 연관된 제2 회절에 의해) 역전된다.
도 10은 크로스 커플러(54)가 체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들로부터 어떻게 형성될 수 있는지를 보여주는 다이어그램이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 추가 격자 매체(180)가 기판(110)의 표면(116) 상에 적층될 수 있다. 추가 도파관 기판(182)이 격자 매체(180) 아래에 제공될 수 있다. 크로스 커플러(54)는 격자 매체(180) 내의 체적 홀로그램 구조물들(184)을 포함할 수 있다. 체적 홀로그램 구조물들(184)은 하나 이상의 적어도 부분적으로 중첩되는 체적 홀로그램들(예컨대, 각각의 파장 및/또는 입사각 범위를 동일한 출력 각도 범위로 각각 회절시키는 체적 홀로그램들의 세트)을 포함할 수 있다. 체적 홀로그램들은 격자 매체의 별개의 층들 내에 제공될 수 있거나, 또는 격자 매체의 동일한 체적의 동일한 층과 중첩될 수 있다.
입력 프리즘(70)은 광(38)을 도파관(50) 내로 그리고 체적 홀로그램 구조물들(184)을 향해 결합시킬 수 있다. 체적 홀로그램 구조물들(184)은 인-커플링된 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행할 수 있고, 광을 Y축에 평행한 방향으로 확장시킬 수 있으며, 광을 내부 전반사에 적합한 각도로 다시 도파관(50) 내로 회절시킬 수 있다. 원하는 경우, 체적 홀로그램 구조물들(184) 내의 체적 홀로그램들은 일정한 피치, 가변 주기, 및/또는 가변 프린지 각도를 갖는 프린지들을 가질 수 있다. 주기(예컨대, )는 격자 벡터(즉, 프린지에 직교하는 벡터)를 따라 측정되는 바와 같은, 프린지들 사이의 간격을 지칭하고; 피치(예컨대, ρ)는 격자 표면(예컨대, 표면(116) 또는 기판(182)의 표면)을 따라 측정되는 바와 같은, 프린지들 사이의 거리를 지칭하며; 프린지 각도는 격자 표면 법선(예컨대, Z축)과 격자 벡터 사이의 각도를 지칭한다. 바꾸어 말하면, 주기는 구조물들(184)에 걸쳐 변화할 수 있고(예컨대, 도 10의 X축을 따른 위치의 함수로서 변화할 수 있음), 피치는 구조물들(184)에 걸쳐 일정할 수 있으며, 프린지 각도는 구조물들(184)에 걸쳐 변화할 수 있다(예컨대, 도 10의 X축을 따른 위치의 함수로서 변화할 수 있음). 일정한 피치의 가변 주기 격자들은 주어진 파장에 대한 입사각 범위에 걸쳐 높은 회절 효율을 유지시키는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 유형의 체적 위상 홀로그래픽 격자는, 이어서, 광학 시스템에서의 바람직하지 않은 색상 변이들, 효율 손실들, 및 휘도 변화들을 회피하는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 예는 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우, 다른 유형들의 체적 홀로그램들 또는 다른 홀로그래픽 위상 격자들이 사용될 수 있다. 원하는 경우, 격자 매체(180)는 기판(108)의 표면(114)에 제공될 수 있다. 원하는 경우, 추가 격자 매체가 격자 매체(180) 위에 적층될 수 있다. 원하는 경우, 하나 이상의 빔 스플리터들(124)(도 5)이 도 10의 격자 매체(106) 내에 또는 도파관(50) 내의 또는 그 상의 다른 곳에 제공될 수 있다. 원하는 경우, 도 5의 반사방지 코팅(130)이 도 10의 출력 커플러(56)에 제공될 수 있다.
실제로, DC 광(86)(도 3)은 (예컨대, 도 3의 화살표들(92, 92')에 의해 도시된 바와 같이) 출력 커플러(56)에 제공되는 수직으로 확장된 광보다 더 큰 휘도를 가질 수 있다. 이러한 휘도 차이를 완화시키기 위해, 출력 커플러(56)에는 Y축을 따른 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율이 제공될 수 있다. 도 11은 출력 커플러(56)에 가변 회절 효율이 어떻게 제공될 수 있는지를 보여주는 다이어그램이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 출력 커플러(200)는 DC 광(86)을 수신하는 중심 영역(200)을 가질 수 있다. DC 광은 주연부 영역들(202) 내에서 출력 커플러(200)에 입사하는 회절된 광보다 더 큰 휘도를 가질 수 있다. 이러한 휘도 차이를 완화시키기 위해, 출력 커플러(56)에는 중심 영역(200) 내에서보다 주연부 영역들(202) 내에서 더 큰 회절 효율이 제공될 수 있다. 이는 아이 박스에 제공된 광이 아이 박스 전체에 걸쳐 균일한 휘도를 나타내도록 허용할 수 있다.
원하는 경우, 출력 커플러(56)는 상이한 회절 효율들을 갖는 임의의 원하는 수의 영역들을 포함할 수 있다(예컨대, 여기에서 출력 커플러(56)의 중심 수평축에 더 가까운 영역들은 중심 수평축으로부터 더 먼 영역들보다 더 큰 회절 효율을 나타냄). 다른 적합한 배열에서, 출력 커플러(56)의 회절 효율은 Y축을 따른 위치의 함수로서 연속적으로 변화될 수 있다. 선도(206)는 출력 커플러(56)에 대한 하나의 예시적인 연속 회절 효율을 도시한다. 곡선(204)에 의해 도시된 바와 같이, 회절 효율은 출력 커플러(56)의 중심에서 최소치를 그리고 출력 커플러(56)의 에지들에서 최대치를 나타내는 매끄럽게 변화하는 곡선일 수 있다. 이는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로, 곡선(204)은 임의의 다른 원하는 형상을 나타낼 수 있다. 출력 커플러(56)의 회절 효율은, 원하는 경우, X축 또는 임의의 다른 축을 따라 개별적으로 또는 연속적으로 변화할 수 있다.
출력 커플러(56)의 회절 효율이 위치의 함수로서 변화하는 도 11의 예는 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 크로스 커플러(54)의 회절 효율은 위치의 함수로서 변화할 수 있다. 도 11의 출력 커플러(56)는, 예를 들어, 크로스 커플러(54)로 대체될 수 있다(예컨대, 크로스 커플러(54)는 도 11의 출력 커플러(56)와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 가변 회절 효율을 가질 수 있음). 크로스 커플러(54) 및 출력 커플러(56) 둘 모두는, 원하는 경우, 하나 이상의 축들을 따른 위치의 함수로서 연속적으로 또는 개별적으로 변화하는 회절 효율을 가질 수 있다. 크로스 커플러(54) 및/또는 출력 커플러(56)를 형성하는 데 사용되는 홀로그램들은 원하는 경우 콤-시프트(comb-shift)될 수 있다. 콤-시프트된 홀로그램들은 격자 매체의 제1 영역 내의 홀로그램들의 세트, 및 격자 매체의 인접한 제2 영역 내의 홀로그램들의 제2 세트를 포함할 수 있다. 제2 세트의 격자 주파수들은 각각 제1 세트의 격자 주파수들 사이의 인접한 주파수 갭들 내에 놓일 수 있다(예컨대, 여기에서 제1 세트 및 제2 세트에 대한 격자 벡터들은 동일한 방향으로 배향됨). 이는, 예를 들어, 아이 박스에 걸친 더 균질한 회절을 허용할 수 있다.
크로스 커플러(54)가, 광(38)을 확장시키면서 또한 광(38)을 짝수회 회절시켜 색 분산을 완화시키기 위한 2개의 격자 구조물들(72, 74)을 갖는 위의 예들은 단지 예시적인 것이다. 다른 적합한 배열에서, 크로스 커플러(54)는, 광(38)을 확장시키면서 또한 광(38)을 짝수회 회절시켜 색 분산을 완화시키기 위한, 동일한 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 단일 격자 구조물을 포함할 수 있다. 도 12는 크로스 커플러(54)가, 광(38)을 확장시키면서 또한 광(38)을 짝수회 회절시켜 색 분산을 완화시키기 위한, 동일한 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 단일 격자 구조물을 어떻게 포함할 수 있는지를 보여주는 다이어그램이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 크로스 커플러(54)는 단일 방향으로 배향되는 프린지들(78)(예컨대, 단일 방향으로 배향되고 일정 주기 에 의해 특징지어지는 격자 벡터들을 갖는 프린지들)을 갖는 단일 격자 구조물(236)을 포함할 수 있다. 크로스 커플러(54)의 적어도 일부는 입력 프리즘(70)과 출력 커플러(56) 사이에 (예컨대, X축을 따라) 측방향으로 개재될 수 있다(예컨대, 여기에서 입력 프리즘(70)은 크로스 커플러(54)의 적어도 일부와 도파관(50)의 좌측 에지(220) 사이에 측방향으로 개재됨). 입력 프리즘(70)은, 화살표들(222)에 의해 도시된 바와 같이, 광(38)을 도파관(50) 내로 결합시킬 수 있다. 격자 구조물(236)은 인-커플링된 광(38)을 제1 방향으로 확장시킬 수 있고(반면에 출력 커플러(56)는 광을 제2 방향으로 확장시킬 수 있음), 화살표들(226)에 의해 도시된 바와 같이 광을 출력 커플러(56)에 제공할 수 있다. 격자 구조물(236)은 광이 출력 커플러(56)에 도달할 때까지, 또는 (예컨대, 회절의 단일 인스턴스에 의해 생성된 색 분산을 완화시키기 위해) 광이 내부 전반사에 의한 전파를 위해 다시 도파관 내로 결합될 때까지 광(38)을 짝수회 회절시키도록 구성될 수 있다.
도 12의 예는 단지 예시적인 것이다. 격자 구조물(224)을 갖는 크로스 커플러(54)는 도파관(50)의 다른 에지들과 출력 커플러(56) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 크로스 커플러(54)를 위한 격자 구조물(224)의 적어도 일부는 도파관(50)의 상부 에지(230)와 출력 커플러(56) 사이에 측방향으로 개재될 수 있다. 입력 프리즘(70)은 격자 구조물(224)의 적어도 일부와 에지(230) 사이에 측방향으로 개재될 수 있다. 입력 프리즘(38)은, 화살표들(232)에 의해 도시된 바와 같이, 이러한 예에서 광(38)을 Y축의 방향을 따라 도파관(50) 내로 결합시킬 수 있다. 격자 구조물(224)은 광(38)을 확장시킬 수 있고, 화살표들(234)에 의해 도시된 바와 같이, 광을 출력 커플러(56)에 제공하기 전에 광(38)을 짝수회 회절시킬 수 있다. 출력 커플러(56)는 광을 격자 구조물(224)에 의해 제공되는 확장 방향과는 상이한 방향으로 확장시킬 수 있다. 도 12 및 도 13의 예들에서, 격자 구조물(224)은 표면 릴리프 격자들, 메타 격자들, 체적 홀로그램들과 같은 홀로그래픽 위상 격자들 등을 포함할 수 있다. 격자 구조물(224)은 도 5 내지 도 8 및 도 10에 의해 도시된 바와 같이 도파관(50)의 층들 내에 또는 도파관(50) 상의 임의의 다른 원하는 위치에 제공될 수 있다.
물리적 환경은 사람들이 전자 시스템들의 도움없이 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있는 물리적 세계를 지칭한다. 물리적 공원과 같은 물리적 환경들은 물리적 물품들, 예컨대 물리적 나무들, 물리적 건물들, 및 물리적 사람들을 포함한다. 사람들은, 예컨대 시각, 촉각, 청각, 미각, 및 후각을 통해, 물리적 환경을 직접 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있다.
대조적으로, 컴퓨터 생성 현실(computer-generated reality, CGR) 환경은 사람들이 전자 시스템(예컨대, 본 명세서에서 설명되는 디스플레이 시스템들을 포함하는 전자 시스템)을 통해 감지하고/하거나 그와 상호작용하는 완전히 또는 부분적으로 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. CGR에서, 사람의 물리적 움직임들, 또는 이들의 표현들의 서브세트가 추적되고, 이에 응답하여, CGR 환경에서 시뮬레이션된 하나 이상의 가상 객체들의 하나 이상의 특성들이 적어도 하나의 물리 법칙에 따르는 방식으로 조정된다. 예를 들어, CGR 시스템은 사람이 고개를 돌리는 것을 검출할 수 있고, 이에 응답하여, 그 사람에게 제시되는 그래픽 콘텐츠 및 음장(acoustic field)을 물리적 환경에서 그러한 뷰들 및 소리들이 변화하는 방식과 유사한 방식으로 조정할 수 있다. 일부 상황들에서(예를 들어, 접근성 이유들 때문에), CGR 환경에서의 가상 객체(들)의 특성(들)에 대한 조정들은 물리적 움직임들의 표현들(예를 들어, 음성 커맨드들)에 응답하여 이루어질 수 있다.
사람은, 시각, 청각, 촉각, 미각, 및 후각을 포함하는 그들의 감각들 중 임의의 하나를 사용하여 CGR 객체를 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있다. 예를 들어, 사람은 3D 공간에서의 포인트 오디오 소스들의 지각을 제공하는 3D 또는 공간적 오디오 환경을 생성하는 오디오 객체들을 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있다. 다른 예에서, 오디오 객체들은 오디오 투명성을 가능하게 할 수 있으며, 이는 선택적으로, 물리적 환경으로부터의 주변 소리들을 컴퓨터 생성 오디오와 함께 또는 그것 없이 통합한다. 일부 CGR 환경들에서, 사람은 오디오 객체들만을 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있다. CGR의 예들은 가상 현실 및 혼합 현실을 포함한다.
가상 현실(VR) 환경은 하나 이상의 감각들에 대한 컴퓨터 생성 감각 입력들에 전적으로 기초하도록 설계된 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. VR 환경은 사람이 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있는 복수의 가상 객체들을 포함한다. 예를 들어, 나무들, 빌딩들, 및 사람들을 표현하는 아바타들의 컴퓨터 생성 형상화가 가상 객체들의 예들이다. 사람은, 컴퓨터 생성 환경에서의 사람의 존재의 시뮬레이션을 통해 그리고/또는 컴퓨터 생성 환경에서의 사람의 신체적 움직임들의 서브세트의 시뮬레이션을 통해 VR 환경에서 가상 객체들을 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있다.
컴퓨터 생성 감각 입력들에 전적으로 기초하도록 설계되는 VR 환경과는 대조적으로, 혼합 현실(MR) 환경은 컴퓨터 생성 감각 입력들(예를 들어, 가상 객체들)을 포함하는 것에 부가하여, 물리적 환경으로부터의 감각 입력들, 또는 그들의 표현을 통합하도록 설계된 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. 가상 연속체(virtuality continuum)에서, 혼합 현실 환경은 한쪽의 완전히 물리적인 환경과 다른 쪽의 가상 현실 환경 사이의 임의의 곳에 있지만, 포함하지는 않는다.
일부 MR 환경들에서, 컴퓨터 생성 감각 입력들은 물리적 환경으로부터의 감각 입력들의 변화들에 응답할 수 있다. 또한, MR 환경을 제시하기 위한 일부 전자 시스템들은 물리적 환경에 대한 위치 및/또는 배향을 추적하여 가상 객체들이 실제 객체들(즉, 물리적 환경으로부터의 물리적 물품들 또는 물리적 물품들의 표현들)과 상호작용할 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 움직임들을 고려하여 가상 나무가 물리적 땅에 대하여 고정되어 있는 것처럼 보이도록 할 수 있다. 혼합 현실들의 예들은 증강 현실 및 증강 가상을 포함한다.
증강 현실(AR) 환경은 하나 이상의 가상 객체가 물리적 환경, 또는 그의 표현 위에 중첩되어 있는 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. 예를 들어, AR 환경을 제시하기 위한 전자 시스템은 사람이 직접 물리적 환경을 볼 수 있는 투명 또는 반투명 디스플레이를 가질 수 있다. 시스템은 투명 또는 반투명 디스플레이 상에 가상 객체들을 제시하도록 구성되어, 사람이, 시스템을 사용하여, 물리적 환경 위에 중첩된 가상 객체들을 지각하도록 할 수 있다. 대안적으로, 시스템은 불투명 디스플레이, 및 물리적 환경의 표현들인 물리적 환경의 이미지들 또는 비디오를 캡처하는 하나 이상의 이미징 센서들을 가질 수 있다. 시스템은 이미지들 또는 비디오를 가상 객체들과 합성하고, 합성물을 불투명 디스플레이 상에 제시한다. 사람은, 시스템을 사용하여, 물리적 환경의 이미지들 또는 비디오에 의해 물리적 환경을 간접적으로 보고, 물리적 환경 위에 중첩된 가상 객체들을 지각한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 불투명 디스플레이 상에 보여지는 물리적 환경의 비디오는 "패스 스루(pass-through) 비디오"로 불리는데, 이는 시스템이 하나 이상의 이미지 센서(들)를 사용하여 물리적 환경의 이미지들을 캡처하고, AR 환경을 불투명 디스플레이 상에 제시할 시에 이들 이미지들을 사용하는 것을 의미한다. 추가로 대안적으로, 시스템은 가상 객체들을 물리적 환경에, 예를 들어, 홀로그램으로서 또는 물리적 표면 상에 투영하는 투영 시스템을 가질 수 있어서, 사람이 시스템을 사용하여 물리적 환경 위에 중첩된 가상 객체들을 지각하게 한다.
증강 현실 환경은 또한 물리적 환경의 표현이 컴퓨터 생성 감각 정보에 의해 변환되는 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. 예를 들어, 패스 스루 비디오를 제공할 시에, 시스템은 하나 이상의 센서 이미지들을 변환하여 이미징 센서들에 의해 캡처된 관점과 상이한 선택 관점(예를 들어, 시점)을 부과할 수 있다. 다른 예를 들어, 물리적 환경의 표현은 그것의 일부들을 그래픽적으로 수정(예컨대, 확대)함으로써 변환될 수 있고, 수정된 부분은 원래 캡처된 이미지들의 대표적인 버전일 수 있지만, 실사 버전은 아닐 수 있다. 추가적인 예로서, 물리적 환경의 표현은 그의 일부들을 그래픽적으로 제거하거나 또는 흐리게 함으로써 변환될 수 있다.
증강 가상(AV) 환경은 가상 또는 컴퓨터 생성 환경이 물리적 환경으로부터의 하나 이상의 감각 입력들을 통합하는 시뮬레이션된 환경을 지칭한다. 감각 입력들은 물리적 환경의 하나 이상의 특성들의 표현들일 수 있다. 예를 들어, AV 공원은 가상 나무들 및 가상 빌딩들을 가질 수 있지만, 사람들의 안면들은 물리적 사람들을 촬영한 이미지들로부터 실사처럼 재현될 수 있다. 다른 예로서, 가상 객체는 하나 이상의 이미징 센서들에 의해 이미징되는 물리적 물품의 형상 또는 색상을 채용할 수 있다. 추가적인 예로서, 가상 객체는 물리적 환경에서 태양의 위치에 부합하는 그림자들을 채용할 수 있다.
사람이 다양한 CGR 환경들을 감지하고/하거나 그와 상호작용할 수 있게 하는 많은 상이한 유형들의 전자 시스템들이 존재한다. 예들은 헤드 장착형 시스템들, 투영 기반 시스템들, 헤드업(head-up) 디스플레이(HUD)들, 디스플레이 능력이 통합된 차량 앞유리들, 디스플레이 능력이 통합된 창문들, 사람의 눈들에 배치되도록 설계된 렌즈들로서 형성된 디스플레이들(예를 들어, 콘택트 렌즈들과 유사함), 헤드폰들/이어폰들, 스피커 어레이들, 입력 시스템들(예를 들어, 햅틱 피드백이 있거나 또는 없는 웨어러블 또는 핸드헬드 제어기들), 스마트폰들, 태블릿들, 및 데스크톱/랩톱 컴퓨터들을 포함한다. 헤드 장착형 시스템은 하나 이상의 스피커(들) 및 통합 불투명 디스플레이를 가질 수 있다. 대안적으로, 헤드 장착형 시스템은 외부 불투명 디스플레이(예를 들어, 스마트폰)를 수용하도록 구성될 수 있다. 헤드 마운트 시스템은 물리적 환경의 이미지들 또는 비디오를 캡처하기 위한 하나 이상의 이미징 센서들, 및/또는 물리적 환경의 오디오를 캡처하기 위한 하나 이상의 마이크로폰들을 통합할 수 있다. 헤드 장착형 시스템은 불투명 디스플레이보다는, 투명 또는 반투명 디스플레이를 가질 수 있다. 투명 또는 반투명 디스플레이는 이미지들을 표현하는 광이 사람의 눈들로 지향되는 매체를 가질 수 있다. 디스플레이는 디지털 광 프로젝션, OLED들, LED들, uLED들, 실리콘 액정 표시장치, 레이저 스캐닝 광원, 또는 이들 기술들의 임의의 조합을 이용할 수 있다. 매체는 광학 도파관, 홀로그램 매체, 광학 조합기, 광학 반사기, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 투명 또는 반투명 디스플레이는 선택적으로 불투명하게 되도록 구성될 수 있다. 투영-기반 시스템들은 그래픽 이미지들을 사람의 망막 상에 투영하는 망막 투영 기술을 이용할 수 있다. 투영 시스템들은 또한 가상 객체들을 물리적 환경에, 예를 들어, 홀로그램으로서 또는 물리적 표면 상에 투영하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 디스플레이 시스템들은 이들 유형들의 시스템들에 그리고 임의의 다른 원하는 디스플레이 배열들에 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 아이 박스를 향해 방향전환시키는 광학 시스템으로서, 도파관; 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 도파관 내로 결합시키도록 구성되는 비회절 입력 커플러; 도파관 상의 크로스 커플러 - 크로스 커플러는 비회절 입력 커플러에 의해 도파관 내로 결합된 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행하도록 구성되고, 짝수회의 회절들은 광을 제1 방향으로 확장시키도록 구성되며, 도파관은 제1 방향으로 확장된 광을 내부 전반사를 통해 전파시키도록 구성됨 -; 및 도파관 상의 출력 커플러 - 출력 커플러는 크로스 커플러에 의해 제1 방향으로 확장된 광을 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 확장시키면서 광을 도파관 외부로 결합시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 광학 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 크로스 커플러는 표면 릴리프 격자를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 표면 릴리프 격자는 제1 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 크로스 커플러는 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 추가 표면 릴리프 격자를 추가로 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 표면 릴리프 격자는 크로스 커플러의 중첩 영역 내에서 추가 표면 릴리프 격자와 중첩된다.
다른 실시예에 따르면, 중첩 영역은 불균일한 폭을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 표면 릴리프 격자 및 추가 표면 릴리프 격자는 제1 표면 릴리프 격자 기판 내에 형성되고, 크로스 커플러는, 적어도 하나의 추가 표면 릴리프 격자를 포함하고 제1 표면 릴리프 격자 기판 위에 적층되는 제2 표면 릴리프 격자 기판을 추가로 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 도파관은 제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 제1 도파관 기판과 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 매체를 포함하고, 표면 릴리프 격자 및 추가 표면 릴리프 격자는 제1 도파관 기판 상에 적층된 표면 릴리프 격자 기판 내에 형성된다.
다른 실시예에 따르면, 출력 커플러는 매체 내에 매립되는 루버형 미러를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 매체는 격자 매체를 포함하고, 출력 커플러는 격자 매체 내에 기록되는 체적 홀로그램들의 세트를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 표면 릴리프 격자는 비-이원 프로파일(non-binary profile)을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 도파관은 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 매체, 및 매체의 제1 표면 상에 적층되는 도파관 기판을 포함하고, 표면 릴리프 격자는 매체의 제2 표면 상에 적층된 표면 릴리프 격자 매체 내에 형성되며, 표면 릴리프 격자는 매체 내에 매립된다.
다른 실시예에 따르면, 매체는 격자 매체를 포함하고, 출력 커플러는 격자 매체 내에 기록되는 체적 홀로그램들의 세트를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 광학 시스템은, 표면 릴리프 격자 상에 있고 표면 릴리프 격자와 격자 매체 사이에 개재되는 광학적으로 투명한 코팅을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 광학 시스템은 출력 커플러에서 도파관 기판의 표면 상에 반사방지 층을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 격자 매체는 벌크 굴절률을 갖고, 표면 릴리프 격자 매체는 격자 매체의 벌크 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 출력 커플러는 제1 방향을 따른 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 출력 커플러는 출력 커플러의 중심축을 따른 제1 회절 효율, 및 제1 회절 효율보다 큰, 출력 커플러의 주연부 에지에서의 제2 회절 효율을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 크로스 커플러는 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 도파관은 제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 제1 도파관 기판과 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 제1 격자 매체를 포함하고, 크로스 커플러는 기판, 제2 격자 매체, 및 제2 격자 매체 내의 홀로그래픽 위상 격자들의 세트를 포함하며, 제2 격자 매체는 기판과 제1 도파관 기판 사이에 개재된다.
다른 실시예에 따르면, 홀로그래픽 위상 격자들의 세트는 복수의 적어도 부분적으로 중첩되는 체적 홀로그램들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 출력 커플러는 제1 격자 매체 내에 홀로그래픽 위상 격자들의 추가 세트를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 홀로그래픽 위상 격자들의 세트는 기판에서의 일정한 피치 및 가변 주기를 갖는 프린지들을 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 비회절 입력 커플러는 도파관에 장착된 프리즘 및 도파관의 경사진 에지로 이루어진 군으로부터 선택되는 비회절 입력 커플러를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 광학 시스템은 도파관 내에 매립되는 부분 반사 빔 스플리터를 포함하고, 비회절 입력 커플러에 의해 도파관 내로 결합된 광은 크로스 커플러에서 수신되기 전에 부분 반사 빔 스플리터에 부딪치도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 크로스 커플러는 도파관 상에 메타 격자를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 헤드 장착형 디바이스로서, 이미지 광을 생성하는 디스플레이 모듈; 제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 제1 도파관 기판과 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 격자 매체를 갖는 도파관; 제2 도파관 기판으로부터 형성되고 격자 매체 내에 매립되는 표면 릴리프 격자 구조물; 제1 도파관 기판에 장착되는 입력 프리즘 - 입력 프리즘은 이미지 광을 도파관 내로 그리고 표면 릴리프 격자 구조물을 향해 결합시키도록 구성됨 -; 및 격자 매체 내에 체적 홀로그램들의 세트를 갖는 출력 커플러를 포함하고, 표면 릴리프 격자 구조물은: 이미지 광을 제1 축을 따라 확장시키도록, 이미지 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행하도록, 그리고 이미지 광을 도파관 내로 그리고 출력 커플러를 향해 지향시키도록 구성되며, 출력 커플러는 이미지 광을 제1 축에 수직인 제2 축을 따라 확장시키도록 구성되고, 이미지 광을 도파관 외부로 결합시키도록 구성되는, 헤드 장착형 디바이스가 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 표면 릴리프 격자 구조물은 제2 도파관 기판 내에 형성되는 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자를 포함하며, 제1 표면 릴리프 격자는 제1 배향을 갖는 제1 프린지들을 포함하고, 제2 표면 릴리프 격자는 제1 배향에 대해 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 제2 프린지들을 포함하며, 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자는 표면 릴리프 격자 구조물의 중첩 영역 내에서 중첩된다.
다른 실시예에 따르면, 헤드 장착형 디바이스는, 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자 상에 있고 제2 도파관 기판과 격자 매체 사이에 개재되는 광학적으로 투명한 코팅을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 헤드 장착형 디바이스는 격자 매체 상에 부분 반사 빔 스플리터를 포함하고, 표면 릴리프 격자 구조물은 부분 반사 빔 스플리터로부터 이미지 광을 수신하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 체적 홀로그램들의 세트는 제1 축을 따른 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 디스플레이 시스템으로서, 도파관; 도파관 내로 광을 결합시키도록 구성되는 입력 커플러; 도파관 상의 크로스 커플러 - 크로스 커플러는: 제1 방향으로 배향되는 제1 프린지들을 갖는 제1 회절 격자 구조물, 및 제2 방향으로 배향되는 제2 프린지들을 갖는 제2 회절 격자 구조물을 포함하고, 제1 회절 격자 구조물은 크로스 커플러의 중첩 영역 내에서 제2 회절 격자 구조물과 중첩되며, 중첩 영역은 입력 커플러와 정렬되고, 제1 회절 격자 구조물 및 제2 회절 격자 구조물은 입력 커플러에 의해 도파관 내로 결합된 광을 짝수회 회절시키도록 각각 구성됨 -; 및 도파관 상의 출력 커플러 - 출력 커플러는 크로스 커플러에 의해 회절된 광을 수신하도록, 광을 주어진 방향으로 확장시키도록, 그리고 광을 도파관 외부로 결합시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 디스플레이 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 제1 회절 격자 구조물은 제1 표면 릴리프 격자를 포함하고, 제2 회절 격자 구조물은 제2 표면 릴리프 격자를 포함하며, 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자 둘 모두는 도파관의 외부 표면에 접착된 표면 릴리프 격자 기판 층 내에 형성되고, 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자는 입력 커플러에 의해 도파관 내로 결합된 광을 주어진 방향에 수직인 추가 방향으로 확장시키도록 구성되며, 출력 커플러는 도파관 내에 매립되는 체적 홀로그램들의 세트를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 제1 회절 격자 구조물은 도파관 상의 제1 메타 격자를 포함하고, 제2 회절 격자 구조물은 도파관 상의 제2 메타 격자를 포함한다.
전술한 것은 단지 예시적인 것이며, 설명된 실시예들에 대해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (34)

  1. 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 아이 박스(eye box)를 향해 방향전환시키는 광학 시스템으로서,
    도파관;
    상기 디스플레이 모듈에 의해 생성된 상기 광을 상기 도파관 내로 결합시키도록 구성되는 비회절 입력 커플러;
    상기 도파관 상의 크로스 커플러(cross coupler) - 상기 크로스 커플러는 표면 릴리프 격자(surface relief grating)를 포함하고, 상기 도파관은 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 매체, 및 상기 매체의 상기 제1 표면 상에 적층되는 도파관 기판을 포함하고, 상기 표면 릴리프 격자는 상기 매체의 상기 제2 표면 상에 적층되는 표면 릴리프 격자 매체 내에 형성되며, 상기 표면 릴리프 격자는 상기 매체 내에 매립되고, 상기 도파관은 상기 광을 내부 전반사를 통해 전파시키도록 구성됨 -; 및
    상기 도파관 상의 출력 커플러 - 상기 출력 커플러는 상기 광을 상기 도파관 외부로 결합시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자는 제1 방향으로 배향되는 프린지(fringe)들을 가지며, 상기 크로스 커플러는 상기 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 추가 표면 릴리프 격자를 추가로 포함하는, 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자는 상기 크로스 커플러의 중첩 영역 내에서 상기 추가 표면 릴리프 격자와 중첩되는, 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중첩 영역은 불균일한 폭을 갖는, 광학 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자 및 상기 추가 표면 릴리프 격자는 상기 제1 표면 릴리프 격자 매체 내에 형성되고, 상기 크로스 커플러는, 적어도 하나의 추가 표면 릴리프 격자를 포함하고 상기 제1 표면 릴리프 격자 매체 위에 적층되는 제2 표면 릴리프 격자 매체를 추가로 포함하는, 광학 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 출력 커플러는 상기 매체 내에 매립되는 루버형 미러(louvred mirror)를 포함하는, 광학 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 매체는 격자 매체를 포함하고, 상기 출력 커플러는 상기 격자 매체 내에 기록되는 체적 홀로그램들의 세트를 포함하는, 광학 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자는 비-이원 프로파일(non-binary profile)을 갖는, 광학 시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 매체는 격자 매체를 포함하고, 상기 출력 커플러는 상기 격자 매체 내에 기록되는 체적 홀로그램들의 세트를 포함하는, 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자 상에 있고 상기 표면 릴리프 격자와 상기 격자 매체 사이에 개재되는 광학적으로 투명한 코팅을 추가로 포함하는, 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 출력 커플러에서 상기 도파관 기판의 표면 상에 반사방지 층을 추가로 포함하는, 광학 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 격자 매체는 벌크 굴절률을 갖고, 상기 표면 릴리프 격자 매체는 상기 격자 매체의 상기 벌크 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는, 광학 시스템.
  15. 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 아이 박스(eye box)를 향해 방향전환시키는 광학 시스템으로서,
    도파관;
    상기 디스플레이 모듈에 의해 생성된 상기 광을 상기 도파관 내로 결합시키도록 구성되는 비회절 입력 커플러;
    상기 도파관 상의 크로스 커플러(cross coupler) - 상기 도파관은 상기 광을 내부 전반사를 통해 전파시키도록 구성됨 -; 및
    상기 도파관 상의 출력 커플러 - 상기 출력 커플러는 상기 광을 상기 도파관 외부로 결합시키도록 구성되고, 상기 출력 커플러는 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율을 갖고, 상기 출력 커플러는 상기 출력 커플러의 중심축을 따른 제1 회절 효율, 및 상기 제1 회절 효율보다 큰, 상기 출력 커플러의 주연부 에지에서의 제2 회절 효율을 가짐 -
    를 포함하는, 광학 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 크로스 커플러는 위치의 함수로서 변화하는 회절 효율을 갖는, 광학 시스템.
  17. 디스플레이 모듈에 의해 생성된 광을 아이 박스(eye box)를 향해 방향전환시키는 광학 시스템으로서,
    도파관;
    상기 디스플레이 모듈에 의해 생성된 상기 광을 상기 도파관 내로 결합시키도록 구성되는 비회절 입력 커플러;
    상기 도파관 상의 크로스 커플러(cross coupler) - 상기 도파관은 상기 광을 내부 전반사를 통해 전파시키도록 구성됨 -; 및
    상기 도파관 상의 출력 커플러 - 상기 출력 커플러는 상기 광을 상기 도파관 외부로 결합시키도록 구성되고, 상기 도파관은 제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 상기 제1 도파관 기판과 상기 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 제1 격자 매체를 포함하고, 상기 크로스 커플러는 기판, 제2 격자 매체, 및 상기 제2 격자 매체 내의 홀로그래픽 위상 격자들의 세트를 포함하며, 상기 제2 격자 매체는 상기 기판과 상기 제1 도파관 기판 사이에 개재되고, 상기 홀로그래픽 위상 격자들의 세트는 복수의 적어도 부분적으로 중첩되는 체적 홀로그램들을 포함하며, 상기 출력 커플러는 상기 제1 격자 매체 내에 홀로그래픽 위상 격자들의 추가 세트를 포함함 -
    를 포함하는, 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 홀로그래픽 위상 격자들의 세트는 상기 기판에서의 일정한 피치 및 가변 주기를 갖는 프린지들을 갖는, 광학 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 비회절 입력 커플러는 상기 도파관에 장착된 프리즘 및 상기 도파관의 경사진 에지로 이루어진 군으로부터 선택되는 비회절 입력 커플러를 포함하는, 광학 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 내에 매립되는 부분 반사 빔 스플리터를 추가로 포함하고, 상기 비회절 입력 커플러에 의해 상기 도파관 내로 결합된 상기 광은 상기 크로스 커플러에서 수신되기 전에 상기 부분 반사 빔 스플리터에 부딪치도록 구성되는, 광학 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 크로스 커플러는 상기 도파관 상에 메타 격자(meta-grating)를 포함하는, 광학 시스템.
  22. 헤드 장착형 디바이스로서,
    이미지 광을 생성하는 디스플레이 모듈;
    제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 상기 제1 도파관 기판과 상기 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 격자 매체를 갖는 도파관;
    상기 제2 도파관 기판으로부터 형성되고 상기 격자 매체 내에 매립되는 표면 릴리프 격자 구조물;
    상기 제1 도파관 기판에 장착되는 입력 프리즘 - 상기 입력 프리즘은 상기 이미지 광을 상기 도파관 내로 그리고 상기 표면 릴리프 격자 구조물을 향해 결합시키도록 구성됨 -; 및
    상기 격자 매체 내에 체적 홀로그램들의 세트를 갖는 출력 커플러를 포함하고, 상기 표면 릴리프 격자 구조물은:
    상기 이미지 광을 제1 축을 따라 확장시키도록,
    상기 이미지 광에 대해 짝수회의 회절들을 수행하도록, 그리고
    상기 이미지 광을 상기 도파관 내로 그리고 상기 출력 커플러를 향해 지향시키도록 구성되며, 상기 출력 커플러는 상기 이미지 광을 상기 제1 축에 수직인 제2 축을 따라 확장시키도록 구성되고, 상기 이미지 광을 상기 도파관 외부로 결합시키도록 구성되는, 헤드 장착형 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 표면 릴리프 격자 구조물은 상기 제2 도파관 기판 내에 형성되는 제1 표면 릴리프 격자 및 제2 표면 릴리프 격자를 포함하며, 상기 제1 표면 릴리프 격자는 제1 배향을 갖는 제1 프린지들을 포함하고, 상기 제2 표면 릴리프 격자는 상기 제1 배향에 대해 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 제2 프린지들을 포함하며, 상기 제1 표면 릴리프 격자 및 상기 제2 표면 릴리프 격자는 상기 표면 릴리프 격자 구조물의 중첩 영역 내에서 중첩되는, 헤드 장착형 디바이스.
  24. 제15항에 있어서, 상기 도파관은 제1 도파관 기판 및 제2 도파관 기판, 및 상기 제1 도파관 기판과 상기 제2 도파관 기판 사이에 개재되는 매체를 포함하고, 상기 크로스 커플러는 제1 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 표면 릴리프 격자를 포함하고, 상기 크로스 커플러는 상기 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 배향되는 프린지들을 갖는 추가 표면 릴리프 격자를 추가로 포함하고, 상기 표면 릴리프 격자 및 상기 추가 표면 릴리프 격자는 상기 제1 도파관 기판 상에 적층된 표면 릴리프 격자 기판 내에 형성되는, 광학 시스템.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 크로스 커플러는 상기 비회절 입력 커플러에 의해 상기 도파관에 결합된 상기 광에 대해 짝수회의 회절을 수행하도록 구성되고, 상기 짝수회의 회절은 상기 광을 제1 방향으로 확장시키도록 구성되고, 상기 도파관은 내부 전반사를 통해 상기 제1 방향으로 확장된 상기 광을 전파시키도록 구성되고, 상기 출력 커플러는 상기 크로스 커플러에 의해 상기 제1 방향으로 확장된 광을 상기 도파관 외부로 결합시키면서 상기 광을 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 확장시키도록 구성되는, 광학 시스템.
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