KR20070119017A - 다중 평면 광학 장치 - Google Patents

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KR20070119017A
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우지아 니본
예후다 니브
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미라지 이노베이션스 리미티드
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Abstract

다수의 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치가 개시된다. 본 광학 장치는 상기 광을 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 다수의 부분으로 분해하도록 설계 및 구성된 다수의 광학 기기를 포함하고, 상기 광의 각 부분은 상이한 광학 기기 내에서 전송된다.
광학, 색채광(chromatic light), 서브 스펙트럼(sub-spectra), 분해, 합성, 전송, 광투과 기판(light-transmissive substrate), 전반사

Description

다중 평면 광학 장치{MULTI-PLANE OPTICAL APPARATUS}
본 발명은 광학 분야, 특히 색채광(chromatic light)을 2개 이상의 서브 스펙트럼(sub-spectra)으로 분해함으로써 광 전송 효율을 향상시키는 색채광 전송 방법, 전송 장치 및 전송 시스템에 관한 것이다.
종래로부터 전자 장치의 소형화는 전자 공학 분야의 지속적인 목표가 되어 왔다. 전자 장치는 사용자가 볼 수 있는 몇 가지 형태의 디스플레이가 장착된 경우가 많다. 이들 전자 장치의 치수가 축소됨에 따라, 소형 치수의 전자 장치에 부합하는 콤팩트한 디스플레이를 제작해야 할 필요성이 증대된다. 이 같은 디스플레이는 소형 치수를 구비하는 것 외에도, 화상의 품질을 희생해서는 안 되고, 저비용으로 구입할 수 있어야 한다. 당연히 상기 특징들은 상호 모순되기 때문에 균형 잡힌 해결책을 제공하기 위한 많은 시도들이 제안되어 왔다.
전자 디스플레이는 크기가 디스플레이 장치의 물리적인 치수에 의해 결정되는 실상이나 크기가 디스플레이 장치의 치수를 초과할 수 있는 허상을 제공할 수 있다.
실상이라 함은 이미지의 위치에 설치된 화면에 투사되거나 표시되고, 육안(교정용 안경이 불필요한 관찰자의 육안)에 의해 관찰되는 상으로서 정의된다. 실 상 디스플레이의 예에는 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기발광 다이오드 어레이(OLED), 도는 임의의 스크린 투사식 디스플레이가 포함된다. 실상은 사람의 눈이 물체에 대해 초점을 맺을 수 있는 최소 거리인 통상 약 25 cm의 거리에서 볼 수 있다. 원시가 아닌 사람은 근거리에서 선명한 화상을 보지 못할 수도 있다.
통상, 데스크탑 컴퓨터 시스템 및 워크플레이스 컴퓨터 장치는 사용자를 위한 화상의 표시를 위해 CRT 디스플레이 스크린을 사용한다. 상기 CRT 디스플레이는 중량이 무겁고, 부피가 크며, 소형화가 쉽지 않다. 랩탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 또는 팜 컴퓨터에는 통상 평판 디스플레이가 사용된다. 평판 디스플레이는 패시브 매트릭스(passive matrix) 패널 또는 액티브 매트릭스(active matrix) 패널로서 구현된 LCD 기술을 이용할 수 있다. 상기 패시브 매트릭스 LCD 패널은 수평 와이어 및 수직 와이어로 된 그리드로 구성된다. 각 그리드의 각 교점은 하나의 화소(pixel)를 구성함과 동시에 LCD 소자를 제어한다. 상기 LCD 소자는 광을 투과 또는 차폐할 수 있다. 상기 액티브 매트릭스 패널은 각 화소를 제어하기 위해 트랜지스터를 사용하므로 가격이 더 비싸다. 반면에, 액티브 매트릭스 패널은 통상 소광비(extinction ratio; 암화소(dark pixel) 및 명화소(lighted pixel) 사이의 차이) 및 계조수(number of gray levels)가 크고, 따라서 고급 디스플레이를 제공한다.
OLED 평판 디스플레이는 유기 고분자 물질로 제조된 발광 다이오드의 어레이이다. 기존의 OLED 평판 디스플레이는 패시브 구조 및 액티브 구조의 양 구조에 기초한 것이다. 광투과 및 광반사를 제어하는 LCD 디스플레이와 달리, OLED 디스 플레이는 광을 출사하고, 출사광의 강도는 인가된 전기 바이어스에 의해 제어된다. 평판(flat-panels)도 CRT 디스플레이에 비해 콤팩트하고 에너지 효율이 우수하므로 소형의 화상 표시 시스템에 사용된다. 소형의 실상 디스플레이는 실상을 표시하기 위한 표면적이 비교적 작으므로 사용자에게 충분한 정보를 제공하는 능력에 한계가 있다. 다시 말하면, 사람의 눈의 해상력은 한계가 있으므로 소형의 실상의 해상에 의해 얻은 정보는 불충분하다.
실상과 대비되는 허상은 화면상에 투사되거나 화면으로부터 출사되지 않고, 상과 관찰자 사이에 광선이 연결되지 않는 상으로서 정의된다. 허상은 광학 소자를 통해서만 볼 수 있다. 예를 들면, 전형적인 허상은 볼록렌즈의 전방의 렌즈와 초점면(focal plane) 사이 또는 그 초점면 상에 놓여진 물체로부터 얻을 수 있다. 상기 물체의 각 점으로부터 출사되거나 반사된 광선들은 볼록렌즈를 통과할 때 수렴되므로 두 개의 광선은 종점이 두 개로 나뉘지 않는다. 상기 볼록렌즈의 타측에서 보는 관찰자는 물체의 후방에 위치된 따라서 확대된 상을 볼 수 있다. 렌즈의 초점면에 위치하는 물체의 허상은 무한원(infinity)으로 투사된다고 말한다. 소형 디스플레이 패널과 렌즈를 구비하는 허상 디스플레이 시스템은 25 cm 보다 훨씬 짧은 거리에서 소형이지만 고품위의 화상을 볼 수 있게 한다. 이 같은 디스플레이 시스템은 훨씬 먼 거리로부터 보는 고품질의 대형 실상 디스플레이 시스템과 동등한 시인 성능을 제공한다.
종래의 허상 디스플레이는 많은 결점이 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 종래의 허상 디스플레이는 중량이 지나치게 무거워서 사용하기가 불편하고, 치 수가 지나치게 커서 눈에 거슬린다. 이들 결점은 주로 장착 구조 내에 비교적 대형의 광학 시스템을 결합한 점 및 치수, 형태, 중량 등과 같은 중요 인자들을 적절히 고려하는 데 실패한 외형적인 디자인 상의 문제점으로부터 기인된다.
최근, 휴대용 허상 디스플레이에 홀로그래픽 광학 소자가 사용되고 있다. 홀로그래픽 광학 소자는 결상 렌즈(imaging lens) 및 합성기(combiner)의 작용을 하고, 여기서 2차원의 준단색(quasi-monochromatic) 디스플레이에는 무한원의 화상이 형성되어 관찰자의 눈에 반사된다. 모든 홀로그래픽 광학 소자의 공통된 문제점은 색분산(chromatic dispersion)이 높다는 것이다. 이것은 광원이 순수 단색광이 아닌 적용 분야에서 중요한 결점이 된다. 이들 디스플레이의 다른 결점은 화상의 형상과 홀로그래픽 광학 소자의 형상 사이의 부정합으로서, 이 부정합은 화상의 품질을 저하시키는 화상 어레이의 수차(aberration)의 원인이 된다.
단일 홀로그래픽 광학 소자를 통상 다루는 새로운 설계에서는 기록을 위해 단순 구면파 대신 비구면파를 사용함으로써 기하수차(geometric aberration) 및 색수차를 보정한다. 그러나, 이 설계는 색분산 문제를 극복하지 못한다. 또, 이들 설계에 있어서, 모든 광학 시스템은 일반적으로 매우 복잡하고, 제조가 어렵다. 또, 이들 설계에 의해 얻어지는 시야는 일반적으로 매우 좁다.
우패닉스(Upatnieks)에게 허여된 미국특허 제US4,711,512호(이 특허의 내용은 참조로서 본 명세서에 도입된다)에는 화상의 평행광의 파면(wavefronts)을 전송하도록 구성됨과 동시에 광선이 항공기의 윈드스크린을 투과하여 조종사가 시인할 수 있도록 구성된 회절 평면 광학 헤드업 디스플레이가 개시되어 있다. 상기 광의 파면은 제1의 회절 소자를 통해 항공기 조종실 내에 설치된 기다란 광학 소자 내에 입사되고, 상기 광학 소자 내에서 회절되어 전반사되고, 제2의 회절 소자에 의해 상기 광학 소자로부터 회절에 의해 출사되어 평행상태를 유지한 상태로 조종사의 눈의 방향을 따라 입사된다. 그러나, 상기 우패닉스의 미국특허는 디스플레이가 광시야를 전송하거나 파장(컬러 화상을 제공하기 위한 파장)의 광 스펙트럼을 취급하는 방법에 대해 교시하고 있지 않다. 특히, 우패닉스의 미국특허는 높은 회절 효율에도 불구하고 각도응답(angular response) 및 색응답(chromatic response)이 협소한 것으로 알려져 있다.
프리셈(Friesem) 등에게 허여된 미국특허 제US5,966,223호 및 제US5,682,255호(이 특허의 내용은 참조로서 본 명세서에 도입된다)에는 우패닉스의 미국특허와 유사한 홀로그래픽 광학 기기가 개시되어 있다. 이 광학 기기는 제1회절 광학 소자가 디스플레이 소스의 각 데이터 점에서 출사된 파들을 집속함과 동시에 시야수차(field aberrations)를 교정하는 집속 소자의 작용을 하는 추가의 관점을 가진다. 논의된 시야는 ±6°이고, 632.8 nm의 중심 파장(λc) 주위의 ±2 nm의 파장 시프트(wavelength shift; Δλc)에 대한 낮은 색감수성에 대한 설명이 더 있다. 그러나, 상기 프리셈 등의 미국특허의 회절 집속 소자는 분광응답(spectral response)이 협소한 것으로 알려져 있고, ±2 nm의 분광 영역에서의 낮은 색감수성은 ±20 nm 또는 ±70 nm에서는 허용되지 않는 색감수성이 된다.
니브(Niv) 등에게 허여된 미국특허 제US6,757,105호(이 특허의 내용은 참조 로서 본 명세서에 도입된다)에는 다색 스펙트럼에 대한 시야를 최적화하기 위한 회절 광학 소자가 제공되어 있다. 상기 광학 소자는 광투과 기판(light-transmissive substrate)과 이 기판 내에 형성된 직선형 격자를 포함한다. 상기 니브 등의 미국특허는 직선형 격자의 피치(pitch) 및 소정의 스펙트럼을 가지는 광선을 포착하기 위한 광투과 기판의 회절지수를 선택하는 방법을 교시하고 있으며, 상기 광투과 기판 내에서 전반사를 통해 전파하는 소정의 시야를 특징으로 한다. 상기 니브 등의 미국특허는 또 사용자의 눈에 광(일반적인 경우) 및 화상(특수한 경우)을 전송하기 위한 전술한 회절 광학 소자가 결합된 광학 기기를 개시하고 있다.
니브 등에 의해 출원된 미국특허출원 제US10/896,865호 및 US11/017,920호에는 광이 회절 소자를 통해 광투과 기판 내로 회절하고, 상기 기판 내에서 2방향으로 전파하는 쌍안 장치가 개시되어 있다. 상기 광은 좌측 회절 소자 및 우측 회절 소자를 통해 회절한 다음 상기 광투과 기판을 빠져나가서 사용자의 눈에 입사된다. 상기 쌍안 장치는 인간의 시각 체계의 잘 알려진 생리학적 기구를 이용하여 다수의 부분들에 기초하여 완전한 화상을 추론한다. 상기 좌측 회절 소자 및 우측 회절 소자는 사용자의 각 눈에 서로 다른 비대칭 시야를 제공한다. 그러나, 사용자는 2개의 비대칭 시야의 각각에 비해 광폭인 쌍안의 대칭 시야(binocular symmetric field-of-view)를 감지한다.
광의 회절 및 투과는 광의 파장(색)에 의존한다는 것이 잘 알려져 있다. 종래 기술의 허상 장치는 특정 색에 대해서는 최대 회절 효율 및 최대 투과 효율을 가지도록 설계되는 한편 다른 색들에 대해서는 낮은 회절 효율 및 낮은 투과 효율로 타협한다. 따라서, 상기 쌍안 장치에서 얻어지는 화상은 색 휘도(color brightness)가 불균일하므로 품질이 떨어진다.
따라서, 전술한 결점이 없는 광 전송 장치, 시스템 및 방법에 대한 필요성이 광범위하게 인식되어 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치로서, 상기 광학 장치는 상기 광을 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 다수의 부분으로 분해하도록 설계 및 구성된 다수의 광학 기기를 포함하고, 상기 다수의 부분들의 각 부분은 상이한 광학 기기 내에서 효율적으로 전송되는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 기기가 제공된다.
후술하는 본 발명의 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 각 광학 기기는 광투과 기판 내에서 전반사를 통한 상기 광의 전파가 가능하도록 상기 광의 각 부분을 광투과 기판 내에 회절시키도록 설계 및 구성된 적어도 하나의 입력 광학 소자가 형성되어 있는 광투과 기판을 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 상이한 광투과 기판들의 입력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 각 광학 기기는 상기 광학 장치의 전체 수평 시야와 동일한 수평 시야를 특징으로 한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광투과 기판에는 적어도 하나의 출력 광학 소자가 더 형성되어 있다. 상기 출력 광학 소자(들)는 상기 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시킴과 동시에 상기 광의 다른 부분을 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자를 통해 최소의 회절 상태 또는 비회절 상태로 투과시키도록 설계 및 구성된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 상이한 광투과 기판들의 출력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 상기 광의 상이한 부분들이 상이한 광학 기기 내에서 효율적으로 전파되고, 상기 광학 장치의 외부로 출사되어 사용자의 적어도 하나의 제1눈 내에 도달하도록 상기 광을 분해 및 재합성하도록 설계 및 구성된 다수의 광학 기기를 포함하는 광학 장치; 및 상기 화상을 상기 광학 장치에 제공하기 위한 화상 제공 장치를 포함한다.
후술하는 본 발명의 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 각 광학 기기는 상이한 평면에 결합하는 평면 광학 기기다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 다수의 광학 기기는 제1의 광학 기기 및 제2의 광학 기기를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 서브 스펙트럼은 제1의 서브 스펙트럼 및 제2의 서브 스펙트럼을 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 다수의 광학 기기는 장치는 제1의 광학 기기, 제2의 광학 기기 및 제3의 광학 기기를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 서브 스펙트럼은 제1의 서브 스펙트럼, 제2의 서브 스펙트럼 및 제3의 서브 스펙트럼을 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법으로서, 상기 광을 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 다수의 부분으로 분해하는 단계, 및 상이한 광학 기기 내에서 상기 광의 각 부분을 효율적으로 전송하는 단계를 포함하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법이 제공된다.
후술하는 본 발명의 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 분해 단계는 실질적인 배타적 방식으로 상기 광의 각 부분을 회절시키는 단계를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광의 전송 방법은 다수의 부분을 재합성하는 단계를 더 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 재합성 단계는 각 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시키는 단계를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 분해 단계, 전송 단계 및 재합성 단계는 상기 광을 특징화하는 수평 시야를 보존하도록 실행된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 최소 회절은 10% 미만의 회절 효율을 특징으로 한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 각 광학 기기의 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 광선들이 상기 적어도 하나의 광학 소자에 의해 상기 광학 소자 내에 회절됨과 동시에 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자에 의해 각도가 보존되는 형식으로 상기 광학 기기의 외부로 회절되도록 설계 및 구성된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 각 광학 기기의 각 출력 광학 소자는 상기 출력 광학 소자에 의해 회절된 광의 사전에 결정된 부분의 휘도 불균일성을 감소시키도록 설계 및 구성된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 출력 광학 소자는 다수의 부분을 포함하고, 상기 다수의 부분의 각 부분은 상이한 회절 효율을 특징으로 한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 다수의 부분의 회절 효율은 조화 수열을 형성한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 부분들의 개수는 상기 출력 광학 소자를 따라 전파되는 동안의 각 서브 스펙트럼의 광선의 고유의 반사 횟수와 동일하다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 제1의 출력 광학 소자 및 제2의 출력 광학 소자를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자, 상기 제1의 광학 소자 및 상기 제2의 출력 광학 소자는 상기 광의 각 부분의 광이 상기 광학 기기 내에서 이분할되고, 상기 광투과 기판의 외부로 2개의 실질적으로 평행한 광선의 형태로 출사되도록 설계 및 구성된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 각각은 독립적인 직선형 회절 격자이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 각각은 독립적인 직선형 회절 격자이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자는 실질적으로 동일한 주기를 구비한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자는 실질적으로 평행하다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광의 상기 각 부분의 파장과 상기 직선형 회절 격자의 특징인 주기 사이의 비율은 1 이상이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광의 상기 각 부분의 파장과 상기 직선형 회절 격자의 특징인 주기 사이의 비율은 상기 광투과 기판의 회절 지수보다 작다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광학 장치 및 시스템은 상기 광을 평행광 처리하기 위한 콜리메이터를 더 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 콜리메이터는 볼록 렌즈를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 콜리메이터는 회절 광학 소자를 포함한다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 전반사를 특징으로 하는 최대 회절각은 상기 광투과 기판의 수직 방향에 대해 약 80°이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 전반사를 특징으로 하는 최대 회절각은 상기 광투과 기판 내의 사전에 결정된 거리에 걸쳐 적어도 1회의 반사를 허용하도록 선택된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 사전에 결정된 거리는 약 25 mm 내지 약 80 mm이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광투과 기판의 두께는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm이다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광투과 기판의 두께는 상기 스펙트럼의 최단 파장의 10 배보다 크다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 광투과 기판은 글래스 및 투명 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
전술한 바람직한 실시예의 추가의 특징에 따르면, 상기 수평 시야는 적어도 16°, 더욱 바람직하게는 적어도 20°, 가장 바람직하게는 적어도 24°이다.
본 발명은 색채광을 효율적으로 전송하기 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공함으로써 공지의 구성의 결점에 성공적으로 대처한다.
본 명세서에서 별도로 정의되지 않고 사용된 모든 기술용어 및 과학용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 발명을 실시하거나 실험함에 있어서, 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료들을 사용할 수 있으나, 적합한 방법 및 재료들은 이하에 기술된다. 모순되는 경우, 정의들을 포함하는 본 특허 명세서가 우선한다. 또, 다수의 재료, 다수의 방법, 및 다수의 실시예는 설명을 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하려는 의도는 없다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 예시적으로만 기술된다. 도면에 도시된 세부 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 예로서, 이는 가장 유용한 것으로 생각되는 내용 및 본 발명의 원리 및 개념을 용이하게 이해할 수 있는 것이라고 생각되는 내용을 제공하기 위해 제시된 것임을 강조한다. 이러한 점에서, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 상세하게 발명의 세부 사항을 도면에 도시하려는 시도는 하지 않았고, 본 기술 분야의 전문가는 도면을 참조한 발명의 상세한 설명을 통해 본 발명의 다수의 형태를 구현할 수 있는 방법을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 색채 화상 디스플레이 시스템의 대략도이다;
도 2는 본 발명의 다양한 예식적 실시예에 따른 다수 파장의 스펙트럼을 가지는 광을 전송하기 위한 적합한 방법의 흐름도이다;
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 따른 다수 파장의 스펙트럼을 가지는 광을 전송하기 위한 광학 장치의 개략도이다;
도 3c는 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 따른 출력 광학 소자의 개략도이다;
도 4는 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 따른 사용자에게 화상을 제공하기 위한 시스템의 개략도이다.
본 발명은 색광을 전송하는데 사용할 수 있는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사용자의 양 눈에 색채가 있는 허상을 효율적으로 전송하는데 사용할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 후술하는 설명이나 도면에 개시된 구조 및 부품의 배열에 그 적용이 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하거나 다양한 방법으로 실시될 수 있다. 또, 본 명세서에서 사용하는 표현 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것으로서 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
광선이 광투과 기판 내에서 이동하여, 이 광투과 기판의 내면 중의 하나에 그 내면의 법선으로부터 측정된 α1의 각도로 입사되면, 광선은 그 내면으로부터 반사되거나 상기 내면으로부터 회절되어 상기 광투과 기판과 접촉하고 있는 대기 속으로 빠져 나간다. 광의 반사 또는 회절에 따른 상태는 다음과 같은 식을 통해 수 학적으로 성립되는 스넬스 법칙(Snell's law)에 의해 결정된다:
n A sin α2 = n S sin α1, (식 1)
여기서, n S는 광투과 기판의 회절 지수, n A는 광투과 기판의 외부의 매질의 회절 지수 (n S > n A), α2는 회절시 회절되어 나오는 광선의 각도이다. α1과 마찬가지로, α2도 광투과 기판의 내면의 법선으로부터 측정된다. 상기 광투과 기판의 외부의 전형적인 매질은 대략 균일한 회절 지수를 가지는 공기이다.
일반적으로, 임의의 기판의 회절 지수는 표면에 입사하는 광의 특수 파장(λ)에 의존한다. 입사각이 α1이고, 회절 지수가 n S 및 n A인 경우, α1은 종종 임계각이라고 호칭됨과 동시에 αc로 표시되는 n A/n A의 아크사인(arcsine)보다 작기 때문에 식 1은 α2에 대한 해(solution)만 가진다. 따라서, 충분히 큰 α1(임계각을 초과하는 각)에 대해 회절각 α1은 식 1을 만족하지 않고, 광의 에너지는 상기 광투과 기판의 내부에 포획된다. 다시 말하면, 상기 광은 마치 거울에 입사된 것처럼 상기 내면으로부터 반사된다. 이 같은 조건을 전반사가 발생했다고 하는 것이다. 광의 상이한 파장(상이한 색의 광)은 상이한 회절 지수와 일치하므로 전반사 조건은 기판에 대한 광의 입사각 뿐 아니라 광의 파장에 따라서도 달라진다. 다시 말하면, 하나의 파장에 대한 전반사 조건을 만족시키는 각도는 다른 파장에 대한 전반사 조건을 만족시키지 않을 수 있다.
평면 광학에 있어서, 광을 광투과 기판에 안내함과 동시에, 광이 상기 광투과 기판 내의 소정의 광학거리(optical distance) 내에서 전송되도록 하는 적합한 전반사 조건을 부여하는 다양한 광학 소자가 있다. 상기 광학 소자는 통상 광선 입사점의 위치 또는 그 반대 위치의 광투과 기판의 일 표면상에 배치된 직선형 격자로서 제조된다. 직선형 격자는 광의 파장(λ) 및 상기 광투과 기판에 대한 입사각(αI ) 및 상기 광투과 기판의 내부로의 회절각(αD)에 직접 관련되는 소위 격자 주기 또는 격자 피치(grating period; grating pitch; d)를 특징으로 한다. 상기 관계는 다음의 식으로 주어진다:
n S sin αD - n A sin αI = ± λ/d. (식 2)
주지된 관례에 따르면, 상기 αI 및 αD 의 부호는 표면의 법선으로부터 시계방향으로 측정된 경우에 양(+)이고, 반대의 경우는 음(-)이다. 식의 우측 항의 이중부호는 양 방향으로의 회절 즉 "우측으로의 회절" 및 "좌측으로의 회절"에 각각 대응하는 가능한 2가지의 회절 방향(+1 및 -1)에 관련된다.
광을 제어하도록 설정된 임의의 광학 소자는 이 광학 소자가 동작할 수 있는 허용된 입사각의 범위가 특징이 될 수 있다. 문헌상에는 상기 양이 "수평 시야(horizontal field-of-view)"로 알려져 있다. 상기 광투과 기판 내에 광을 안내 함과 동시에 전반사 조건을 제공하는 광학 소자에 있어서, 상기 수평 시야는 상기 전반사 조건이 만족될 수 있는 입사각의 범위로서 정의된다. 본 명세서에서는 "수평 시야"를 간략하게 "시야"로 기재한다.
상기 시야는 포괄적으로 표현되거나 명시적으로 표현될 수 있다. 포괄적으로 표현되는 경우의 시야는 최소 입사각과 최대 입사각의 차이와 일치하고, 명시적으로 표현되는 경우의 시야는 수학적 범위 또는 수학적 집합의 형태를 가진다. 따라서, 예를 들면, 최소 입사각(α)으로부터 최대 입사각(β)에 이르는 범위인 시야(φ)는 포괄적으로는 φ = β - α로 표현되고, 명시적으로는 φ = [α, β]로 표현된다. 상기 최소 입사각 및 최대 입사각은 또한 좌단(leftmost) 입사각 및 우단(rightmost) 입사각 또는 시계방향 시야각 및 반 시계방향 시야각이라고도 한다.
니브 등에게 허여된 미국특허 제US6,757,105호(이 특허의 내용은 참조로서 본 명세서에 도입된다)에는 선형 회절 격자의 시야를 계산하는 방법이 개시되어 있다. 요약하면, 주기가 d인 선형 회절 격자에 있어서, 우측으로 회절될 수 있는 최대 시야, 예를 들면, φ = [αI F OV-, αI FOV +]는 다음과 같이 계산될 수 있다:
먼저, 식 2에서 회절각(αD)이 임계각(αc)으로 치환된다.
n S sin αc - n A sin αI F0V - = λ/d. (식 3)
전반사 조건(sin αc = n A/n S )을 치환하면 아래 식을 얻는다:
n A(1-sin αI F0V -) = λ/d. (식 4)
둘째, αD의 허용 최대치는 예를 들면 αD Max = 80°로 정의되고, 식 4를 각 αI FOV +에 대해 푼다.
n S sin αD Max - n A sin αI F0V + = λ/d.
본 기술분야의 전문가는 좌측방향으로의 회절에 대해서 유사한 연산을 수행할 수 있다.
전술한 배경기술란에 기재되어 있는 바와 같이, 광의 회절효율은 광의 파장에 의존한다. 본 기술분야의 전문가가 알 수 있는 바와 같이, 하나의 위치에서 다른 위치로 광을 전송(예를 들면, 적절한 전반사 발생 조건을 제공함으로써 전송)하는데 회절 효과를 이용하는 경우, 회절 효율의 파장 의존성은 광의 전송 효율에도 영향을 미친다. 따라서, 다수 파장의 스펙트럼을 가지는 광이 회절 격자를 통해 회절되는 경우, 광의 일부의 파장은 다른 파장에 비해 저효율 상태로 회절된다.
본 발명은 분해된 상태로 광을 전송하기 위한 방법, 장치 및 시스템을 성공적으로 제공한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 이해를 돕기 위해, 먼저 도 1에 도시된 공지(즉, 종래기술)의 광학계의 구조 및 동작을 참조한다.
도 1은 미국특허 출원 제US10/367,894호(이 특허출원의 내용은 참조로서 본 명세서에 도입된다)에 개시된 색채 화상 디스플레이 시스템(100)의 단면도이다. 상기 시스템(100)은 3개의 투명판(101, 102, 103)을 포함하고, 이들 각 투명판에는 입력 회절 광학 소자(도 1에서 각각 참조번호 104, 105, 106로 표시됨) 및 출력 회절 광학 소자(도 1에서 각각 참조번호 107, 108, 109로 표시됨)이 형성되어 있다. 상기 입력 회절 광학 소자들은 상호 이격되어 있으므로 이들 소자 사이에는 상기 투명판에 수직인 방향에 대해 중첩 부분이 존재하지 않는다. 상기 시스템(100)은 또 각각의 입력 회절 광학 소자(104, 105, 106)에 공급하기 위한 3개의 단색 화상원(monochromatic image sources; 110, 111, 112)을 포함하고 있다.
따라서, 상기 시스템(100)은 각각 입력 회절 광학 소자, 투명판, 출력 회절 광학 소자 및 단색 화상원을 구비하는 3개의 단색 화상 디스플레이 시스템으로부터 조립된다. 화상원(112)에 의해 생성된 적색 화상을 구성하는 적색광은 광학 소자(106)를 통해 투명판(103) 내에 입사되고, 상기 투명판(103)을 통해 전반사에 의해 전파되고, 광학 소자(109)를 통해 출사된다. 화상원(111)에 의해 생성된 녹색 화상을 구성하는 녹색광은 광학 소자(105)를 통해 투명판(102) 내에 입사되고, 상기 투명판(102)을 통해 전파되고, 광학 소자(108)를 통해 출사된다. 출사된 상기 녹색광선은 투명판(103)에 입사되고, 이 투명판을 비회절 상태로 투과한 후 광학 소자(109)를 통해 출사된다. 유사한 방식으로, 화상원(110)에 의해 생성된 청색 화상을 구성하는 청색광은 광학 소자(104)를 통해 투명판(101) 내에 입사되고, 상기 투명판(101)을 통해 전파되고, 광학 소자(107)를 통해 출사된다. 상기 청색광선은 광학 소자들을 경유하여 투명판(102, 103)을 투과한다. 상기 독립적으로 생성되는 적색 화상, 녹색 화상 및 청색 화상은 출사 위치에서 합성되어 색채 화상으로서 눈(119)에 의해 시인된다.
따라서 상기 시스템(100)은 사용자에게 3개의 서로 이격된 단색 화상원에 의해 생성된 색채 화상을 제공하는데 유용하다. 상기 시스템(100)에 있어서, 공간적으로 이격된 단색 광선들은 개개의 입력 소자 내에 입사되고, 그 입사광 사이의 중첩이나 광학 소자(104, 105, 106) 사이의 중첩은 없다. 따라서, 광범위한 파장을 단일 광선으로 출사하는 단일 색채 화상원은 상기 시스템(100)이 유리하지 않다.
본 발명을 연구하는 동안에 발명자들은 하나의 색채광(예를 들면, 단일 색채 화상원에 의해 출사된 광)은 그 광을 개개의 서브 스펙트럼으로 분해한 다음 각 서브 스펙트럼을 상이한 광학 기기(optical device)를 이용하여 전송함으로써 효과적으로 전송시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다.
도 2는 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 따라 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광(즉, 색채광)을 전송하는데 적합한 방법의 흐름도이다. 상기 전송 방법은 단계 10에서 시작되어, 단계 12로 진행하고, 여기서 광이 다수의 부분들로 분해된다. 상기 광의 분해된 각 부분들은 상이한 서브 스펙트럼에 해당한다. 따라서 상기 광의 분해는 특정 방향으로부터 출사되는 색채 광선이 각각 상이한 서브 스펙트럼에 속하는 2개 이상의 광선으로 분해된다는 점에서 스펙트럼 분해(spectral decomposition)라고 볼 수 있다.
따라서, 효율적인 화상의 전송이 가능하도록 광선이 다수의 단색 화상원에 의해 생성되어야 하는 종래 기술의 시스템(100)과 달리, 본 발명의 실시예는 색채광선을 다수의 서브 스펙트럼으로 성공적으로 분해하므로 단일의 색채 화상원에 의해 생성된 색채 광선을 전송할 수 있다.
상기 서브 스펙트럼의 개수는 광선 내에 존재하는 개별 파장의 개수와 동일해서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 이와 같은 실시예가 본 발명의 범위로부터 배제되는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 비교적 적은 수(예, 2, 3, 4)의 서브 스펙트럼이 사용된다. 2개의 서브 스펙트럼이 사용되는 바람직한 실시예에 있어서, 하나의 서브 스펙트럼은 적색 파장 및 근적색 파장(near-red wavelengths)을 포함할 수 있고, 하나의 서브 스펙트럼은 청색 파장 및 근청색 파장(near-blue wavelengths)을 포함할 수 있다. 3개의 서브 스펙트럼이 사용되는 바람직한 실시예에 있어서, 추가의 서브 스펙트럼은 녹색 파장 및 근녹색 파장(near-green wavelengths)이 포함될 수 있다. 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 다수의 서브 스펙트럼 사이에는 중첩부가 존재한다. 예를 들면, 전술한 2개의 서브 스펙트럼 실시예에 있어서, 제1의 서브 스펙트럼은 스펙트럼의 적색부분에 대응하는 약 540 내지 약 650 nm의 파장을 포함할 수 있고, 제2의 서브 스펙트럼은 스펙트럼 의 청색부분에 대응하는 약 460 내지 570 nm의 파장을 포함할 수 있다. 따라서, 본 예시적인 실시예에 있어서, 상기 2개의 서브 스펙트럼은 약 30 nm의 중첩부를 가진다.
본 명세서에서 사용된 "약"이라는 용어는 ± 10 %를 말한다.
상기 전송 방법은 단계 14로 진행하고, 여기서 상기 광의 각 부분은 상이한 광학 기기 내에서 전송된다. 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 상기 광의 부분들을 전송하기 위해 사용된 광학 기기는 상이한 평면들(바람직하게는 평행한 평면들)을 결합한 평면 광학 기기다. 따라서, 본 실시예의 전송 방법은 상이한 서브 스펙트럼을 상이한 평면을 통해 성공적으로 전송한다. 분해된 광을 전송하는 방법의 장점은 광의 각 부분의 전송 효율을 그 스펙트럼의 범위로 제어할 수 있고, 그 결과 전체 전송 효율을 최적화할 수 있다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전송 방법은 단계 16으로 진행하고, 여기서 서브 스펙트럼은 재합성되어 원래의 광선 스펙트럼을 재구성한다. 후에 상술하는 바와 같이, 상기 광은 화상 생성 장치에 의해 생성될 수 있고, 이 경우, 상기 광은 화상 정보를 반송한다. 이들 실시예에 있어서, 전송 방법의 단계 12는 화상을 각각 상이한 스펙트럼 영역을 가지는 다수의 부분 화상(partial images)으로 분해하고, 단계 16은 상기 다수의 부분 화상의 스펙트럼 영역들을 합성함으로써 원래의 화상을 재구성한다.
상기 전송 방법은 단계 18에서 종료된다.
상기 전송 방법의 단계들은 도 3a 및 도 3b에 개략적으로 도시된 광학 기 기(20)를 이용하여 구현할 수 있다. 상기 광학 장치(apparatus; 20)는 다수의 광학 기기(devices; 22)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광학 기기(22)는 광을 상이한 서브 스펙트럼에 대응하는 다수의 부분으로 분해한다. 각 광학 기기(22)는 상이한 다수의 평면 내에서 광의 일부분을 전송하는 것이 바람직하다. 도 3a 및 도 3b에는 2개의 광학 기기(22a, 22b)가 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 광(24a, 24b)은 광학 장치(20)를 통해 분해된 상태로 전송된다. 즉 광(24a)은 광학 기기(22a)를 통해 전송되고, 광(24b)은 광학 기기(22b)를 통해 전송된다.
상기 광의 분해는 광이 개개의 광학 기기 내에 입사시 달성되는 것이 바람직하다. 특히, 제1의 광학 기기(예, 광학 기기(22a))는 광(예, 광(24a))의 제1부분을 포획함과 동시에 광의 나머지 부분(예, 광(24b))을 다음 순서의 광학 기기(예, 광학 기기(22b))로 계속 진행시키도록 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 광학 기기는 하나 이상의 입력 광학 소자(28)를 구비한 광투과 기판(26)을 포함한다. 상기 입력 광학 소자는 광의 각 부분을 상기 광투과 기판 내에 실질적으로 배타적인 방식으로 회절시킨다.
상기 "회절"이라는 용어는 투과 모드나 반사 모드에 있어서 파면의 전파 방향의 변화(Δθ)를 말한다. 투과 모드에 있어서의 "회절"은 광학 소자를 투과하는 동안의 파면의 전파 방향의 변화를 말하고, 반사 모드에 있어서의 "회절"은 광학 소자로부터 반사되는 동안의 파면의 전파 방향의 변화를 말한다. 바람직하게, 상기 "회절"은 반사각이 입사각과 동일한 종래의 반사의 정의와 상이한 전파 방향의 변화를 말한다. 투과 모드에 있어서, 상기 Δθ는 90°보다 작은 각도이고, 반사 모드에 있어서, 상기 Δθ는 90°보다 큰 각도이다.
본 명세서에서 "실질적인 배타적 회절(diffraction in a substantially exclusive manner)"이라 함은 광의 일부(X)는 회절되고, 광의 나머지의 모든 부분은 회절되지 않거나 상기 광의 일부(X)의 회절 효율에 비해 낮은 회절 효율로 부분적으로 회절되는 상태를 말한다.
상기 배타적 회절은 다음의 수치 실시예를 통해 더 잘 이해할 수 있다. 본 발명은 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다. 청색광 또는 근청색광, 즉 파장이 400-500 nm인 광을 전송하기 위한 특정의 광학 기기를 설정했다고 가정한다. 이 범위(400 ≤ λ ≤ 500) 내의 비편광된 광의 파장(λ)에 있어서, 상기 광학 기기의 입력 광학 소자(들)은 상기 광을 15%-30%의 회절 효율로 광투과 기판 내로 회절시킨다. 한편, λ
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[400, 500](예, 적색광 부분 및 근적색광 부분)에 있어서, 상기 입력 광학 소자(들)은 상기 광을 회절시키지 않거나, 극히 저조한 회절 효율(예, 10% 미만, 더욱 바람직하게는 7% 미만, 더욱 바람직하게는 5% 미만)로 회절시킨다.
도 3a는 전술한 실시예를 도시한 것이다. 양 광선(24a, 24b)은 광학 기기(22a)의 입력 광학 소자(28a) 상에 입사된다. 광학 소자(28a)는 광선(24a; 청색선)을 효율적으로 회절시키므로, 이 광선은 기판(26a) 내에서 전반사를 통해 전파된다. 광선(24a)은 도면에서 청색 파선으로 도시된 것으로서, 기판(26a)의 양 표면으로부터 반사되는 것으로 나타나 있다. 광선(24b; 적색선)도 기판(26a) 내에 입사되지만 저효율의 부분 회절만이 발생된다. 상기 광선(24b)의 부분 회절은 도면에서 적색의 가는 파선으로서 도시된 것으로서, 기판(26a)의 표면으로부터 광각 으로 반사되는 것으로 나타나 있다. 광선(24b)에 의해 반송된 대부분의 광학 에너지는 기판(26a) 내에 포획되지 않고, 광학 기기(22b)의 기판(26b)의 방향으로 진행하여 도 3의 실시예에서 기판(26b)의 입력 측 상에 형성되어 있는 입력 광학 소자(28b) 상에 입사된다. 광선(24b)는 광학 소자(28b)에 입사되는 특히 기판(26b) 내로 효과적으로 회절되고, 그 내부에서 전반사를 통해 전파된다. 상기 전파는 도면에서 적색 파선으로 도시된 것으로서, 광선(24b)이 상기 기판(26b)의 양 표면으로부터 반사되는 것으로 나타나 있다. 상기 입력 소자는 기판(26b) 내의 광선(24b)의 회절각이 기판(26a) 내의 광선(24b)의 회절각 보다 대폭 작은 각이 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 입력 소자들은 기판(26b) 내의 광선(24b)의 회절각이 기판(26a) 내의 광선(24a)의 회절각에 거의 동일한 각이 되도록 설계된다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 상기 입력 광학 소자들은 이들 소자들 사이에 충분한 공간적 중첩부가 형성되도록 배치된다. 다시 말하면, 상기 광투과 기판에 수직한 방향에서 보았을 때, 상기 입력 광학 소자들은 적어도 부분적으로 중첩을 이룬다. 상기 입력 광학 소자들 사이의 중첩은 바람직하게는 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 75%, 더 바람직하게는 적어도 95%(예, 100%)가 된다. 상기 입력 광학 소자들의 사이가 중첩되어 있으므로 하나의 광학 소자에 의해 효율적으로 회절되지 않은 광선들을 최소의 회절상태 또는 비회절상태에서 다음 순서의 광학 소자로 진행될 수 있다. 도 3a의 예시적인 실시예에 있어서, 상기 광학 소자(28a, 28b)의 사이가 중첩되어 있으므로 광학 소자(28a)에 의해 효율적으로 회 절되지 않은 광선(24b)은 광학 소자(28b) 상에 입사될 수 있다.
광학 소자(28b) 상에 입사된 광선(24b)은 기판(26b) 내로 효율적으로 회절되고, 그 내부에서 전반사를 통해 전파된다. 상기 전파는 도면상에 적색의 파선으로 도시되어 있고, 광(24b)이 기판(26b)의 양 표면으로부터 반사되는 것으로 나타나 있다.
도 3a의 입사 광선은 광학 기기의 표면에 대해 수직(전술한 관례에 따라 입사각이 0으로 표시됨)하게 도시되어 있다. 상기 광학 소자(28a, 28b)가 선형 회절 격자이면, 상기 2개의 광선의 각각 회절각 사이의 관계는 상기 식 2에 αI = 0을 대입함으로써 연산할 수 있다:
Sin αD,24b/sin αD,24a = λ24b/λ24a. (식 5)
여기서αD,24a, λ24a, 및 αD,24b 는 각각 광선(24a, 24b)의 회절각 및 파장이다.
하나의 수치 실시예로서, 상기 기판(26a)의 회절 지수가 1.66인 경우, 상기 광선(24a)의 파장은 470 nm이고, 상기 광선(24b)의 파장은 620 nm이고, 상기 광학 소자(28a)의 격자 주기는 389 nm이고, 상기 광학 소자(28a)에 수직 입사된 광(24a)의 회절각은 46.7°이고, 광학 소자(28a)에 수직 입사된 광(24b)의 회절각은 73.8°이다.
광학 소자(28a)의 격자 지수 및 회절 지수도 또한 광(24b)의 회절이 전혀 발생하지 않도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판의 회절 지수가 n S = 1.5이면, 수직 입사된 광선(24b)은 광학 소자(28a)에 의해 회절되지 않는다.
경사지게 입사된 광선들은 상이한 각으로 회절되거나 전혀 회절되지 않는다. 도 3b은 상기 상태를 도시한 것이다. 광선(24a, 24b)는 기판(26a)의 표면에 경사지게 입사(입사각이 0이 아님)되어 광학 소자(28a)에 의해 배타적으로 회절된다. 상기 광선(24b)의 전체 광학 에너지는 기판(26b) 내에 진입하고, 광선(24b)의 스펙트럼 영역을 위해 특수 설계된 광학 소자(28b)에 의해 회절되고, 기판(26b) 내에서 전파된다.
본 기술분야의 통상 전문가가 이해하는 바와 같이, 입사각이 광학 기기의 시야 내에 있지 않을 때 양 광선은 상기 광투과 기판 내에 포획되지 않는다.
광학 장치(20)는 광폭의 수평 시야를 특징으로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 광학 장치(20)의 수평 시야는 포괄적 표현으로 적어도 16°(예, ±8°의 입사각), 더욱 바람직하게는 적어도20°(예, ±10°의 입사각), 더욱 바람직하게는 24°(예, ±12°의 입사각)이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 광학 기기 및 모든 광학 기기는 광학 장치(20)의 동일한 시야를 특징으로 한다. 본 실시예의 장점은 모든 색채가 전 시야(entire field-of-view)를 통해 전송되는 것이다.
일반적으로, 모든 광학 기기의 공통의 시야는 일련의 교정(calibrating) 파 라메터를 선택하는 단계 및 특정된 상기 교정 파라메터에 대해 모든 광학 기기가 실질적으로 동일한 회절각을 통해 광의 부분들을 각각 회절시키도록 상기 광학 기기를 구성하는 단계에 의해 성취할 수 있다. 상기 교정 파라메터들은 광학 기기의 조절되는 입사각, 각 서브 스펙트럼의 대표 파장, 광투과 기판의 회절 지수 등인 것이 바람직하다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 구성에 있어서, 서브 스펙트럼의 대표 파장은 광학 기기(22a)에 대해서는 제1대표 파장(λ1)이고, 광학 기기(22b)에 대해서는 제2대표 파장(λ2)이다. 예를 들면, 광학 기기(22a)가 청색 파장 및 근청색 파장을 전송하도록 설정되어 있고, 광학 기기(22b)가 적색 파장 및 근적색 파장을 전송하도록 설정된 경우, λ1은 청색광의 전형적인 파장(즉, 470 nm), λ2는 적색광의 전형적인 파장(즉, 620 nm)이 될 수 있다.
양 광학 기기의 공통의 시야는 광학 기기(22a)에 소정의 입사각(αI)으로 입사하는 파장 λ1의 광선의 회절각이 광학 기기(22b)에 동일한 입사각(αI)으로 입사하는 파장 λ2의 광선의 회절각과 동일하도록 지령함에 의해 달성된다. 양 기판(26a, 26b)의 회절 지수는 동일하게 하고, 교정 입사각(αI)은 도 3a에 도시된 바와 같이 0으로 설정하는 것이 편리하다(그러나, 이것은 필수사항이 아니다.). 상기 교정 파라메터를 선택함으로써, d 1의 격자 주기를 가지는 선형 회절 격자로서 광학 소자(28a)를 구성하고, d 2의 격자 주기를 가지는 선형 회절 격자로서 광학 소 자(28b)를 구성함으로써 전술한 동일 회절각을 달성할 수 있다. 여기서, d 1 및 d 2는 d 1/d 2 = λ1/λ2를 만족시킨다. 이 같은 선택은 2개 이상의 광학 기기에 대해서 일반화될 수 있다. 예를 들면, 3개의 광학 기기를 사용하는 경우, 입력 소자들의 격자 주기는 d 1:d 2:d 3 = λ1: λ2: λ3의 관계를 만족시키도록 설정될 수 있다.
수치 실시예로서, 광학 기기(22a, 22b)에 의해 전송된 서브 스펙트럼이 λ1 = 470 nm 및 λ2 = 620 nm로 표시된다고 가정한다. 또, 양 광학 기기(22a, 22b)에 대해 ±12°의 시야를 달성하고자 하는 것으로 가정한다. 상기 시야는 양 광투과 기판에 대해 동일한 회절 지수를 사용하고, 광학 소자(28a)에 대해서는 d 1 = 389 nm의 격자 지수를 사용하고, 광학 소자(28b)에 대해서는 d 2 = 513 nm의 격자 지수를 사용함으로써 달성할 수 있다. 이 같은 조건 하에서 전체 시야 내의 광선들은 각각의 입력 광학 소자에 의해 비교적 높은 회절 효율로 회절된다. 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 상기 2개의 기판은 ns ≥ (λ/d + n A sin αI F0V +)/sin αD Max의 관계가 만족되도록 선택된 동일하거나 유사한 회절 지수를 가진다. 상기 기판의 회절 지수가 높으면 전체 시야 내의 회절각의 범위가 낮아지므로, 바람직한 구성은 회절각의 범위를 최소화 또는 감소시키기 위해 비교적 높은 회절 지수를 사용하는 것이다. 이 실시예는 상기 광학 기기가 출력 광학 소자를 포함한 경우 및 후에 상술하는 바와 같이 실질적으로 균일한 출사광의 휘도를 얻고자 하는 경우에 특히 유용하다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예에 있어서, 각 광투과 기판은 하나 이상의 출력 광학 소자(30)를 더 구비한다. 도 3a 및 도 3b에는 2개의 출력 광학 소자(각 기판에 하나씩)가 도시되어 있다. 즉, 기판(26a) 내에는 출력 광학 소자(30a)가 형성되어 있고, 기판(26b) 내에는 출력 광학 소자(30b)가 형성되어 있다. 광학 소자(30)는 광학 장치(20)로부터 출사되는 광선들을 결합함으로써 광의 개개의 부분들을 재합성하는 작용을 한다. 상기 입력 광학 소자들과 마찬가지로, 각 출력 광학 소자는 각 광투과 기판으로부터 출사된 광의 각 부분을 회절시킴과 동시에 광의 다른 부분들은 최소의 회절 상태나 비회절 상태로 투과하도록 한다. 예를 들면, 광(24a)은 기판(26a)의 광학 소자(30a)에 의해 회절되어 출사되고, 최소의 회절 상태 또는 비회절 상태로 광학 소자(30b)를 투과한다. 광학 소자(30b)는 기판(26b)으로부터 광(24b)을 배타적으로 회절하여 출사키고, 상기 2개의 광은 합성되어 원래의 광선이 된다.
도 3a 및 도 3b는 광선(24a)가 광학 소자(30b)에 의해 회절되지 않는 예시적 상태를 도시한 것이다. 임의의 특정의 광선이 광학 기기의 외부로 회절되도록 상기 출력 광학 소자들 중의 하나에 성공적으로 입사되는지의 여부는 광의 파장, 입력 광학 소자에 대한 초기 입사각, 입력 광학 소자와 출력 광학 소자의 치수 및 이들 사이의 간격, 및 광학 기기의 특성에 의존한다. 어떤 경우에도, 각 광학 기기는 소정의 파장 및 소정의 입사각을 가지는 광을 규정된 회절각 및 최적의 효율로 회절시키도록 설계된다. 수치 실시예로서, 광학 기기(22b)가 513 nm의 파장을 가 지는 적색광을 최대 효율로 회절시킴에 의해 [-12°, +12°]의 수평 시야를 제공하도록 설계된 경우, 상기 광학 기기에서 470 nm의 파장을 가지는 청색광은 4.8° 미만의 입사각에서 전반사로 회절되지 않고, 4.8° 내지 12° 사이의 입사각에 대해 비교적 저효율로서 회절된다.
상기 광선들은 상기 광학 기기의 외부로 각도가 보전(angle-preserving)되는 형태로 회절되는 것이 바람직하다. 특히, 특정의 광선이 회절에 의해 상기 광투과 기판들 중의 하나로부터 출사되는지의 여부에 관계없이 상기 광선의 출사각은 상기 광선의 기판 상의 입사각과 실질적으로 동일하다. 도 3a 및 도 3b에 있어서, 광선(24a, 24b)는 기판(26a, 26b) 내에서 다수회 반사되지만 그 광선들의 출사각은 입사각과 실질적으로 동일하고, 외부의 매질 내에서의 광선의 전파 방향은 보존된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 출력 광학 소자들은 이 소자에 의해 회절되는 광 부분의 휘도 불균일성을 감소시키도록 설계 및 구성된다. 이 것은 상이한 회절 효율을 특징으로 하는 다수의 부분을 포함하는 출력 광학 소자를 이용하여 달성할 수 있다. 이에 대해서는 도 3c를 참조하여 후술한다.
도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사 출력 광학 소자(30)의 개략도이다. 광선은 기판(26) 내에서 전파되어 광학 소자(30)에 도달하고, 이 광학 소자는 기판(26)의 외부로 광선을 회절시킨다. 상기 광선에 의해 반송된 광학 에너지의 일부는 상기 광학 소자(30)에 의해 회절되어 기판(26)의 외부로 방출된다. 상기 광선의 나머지 부분들은 기판(26)의 타면으로부터 전반사를 일으키는 각도로 재반사된다. 제1반사후, 광선은 광학 소자(30)에 재 입사되고, 여기서 일부는 기판(26)의 외부로 회절되고, 일부는 다시 재반사된다. 상기 부분 회절 및 기판(26)의 타측으로부터의 전반사는 광학 소자(30)를 따라 연속적으로 발생한다.
도 3c의 예시적 실시예에 있어서, 상기 광선은 광학 요소(30)을 따라 4회 반사된다. 출사광의 휘도 균일성을 향상시키기 위해, 각 회절은 상이한 회절 효율로 발생시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 출력 광학 소자의 부분의 개수는 상기 출력 광학 소자를 따른 반사의 횟수와 동일하다(본 실시예에서는 4회). 광학 소자(30)의 부분들은 로마숫자인 I, II, III 및 IV로 표시되어 있다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 출력 광학 소자의 회절 효율은 하나의 조화수열(1/k, k =1, 2, ...)을 형성한다. 도 3c의 실시예에 있어서, I, II, III 및 IV 부분의 회절 효율은 각각 약 25 %, 33 %, 50 % 및 광학 소자(30)의 최대 회절 효율인 100 %이다. 도 3c의 다양한 광학 에너지의 반사광선은 설명을 위해 서로 다른 선으로 표시되어 있다. 실선은 원래의 광학 에너지의 100%를 반송하는 광선을 나타내고, 점선은 75%, 파선은 50%, 쇄선은 25%를 반송하는 광선을 나타낸다. 따라서, 4개의 회절 각각에 의해 광선의 원래의 광학 에너지의 25%가 방출되고, 광학 소자(30)를 투과하는 광선의 휘도가 균일해진다.
반면에, 상기 출력 광학 소자의 설계 파장 범위 이외의 파장에 있어서, 상기 출력 광학 소자의 폭의 범위 내에서 상이한 횟수의 반사가 발생함으로써 상기 출력 광학 소자를 투과하는 이들 파장의 휘도는 불균일해진다. 본 기술분야의 전문가가 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 구성은 광의 재조합을 보다 효율적이 되게 하므로 출력 광선의 색채 왜곡(color distortion)이 감소된다.
상이한 서브 스펙트럼을 위해 상이한 기판 및 상이한 출력 광학 소자를 사용하면 색상이 독특한 디자인을 얻을 수 있고, 그 결과 각 색채는 다른 서브 스펙트럼과 무관하게 광학 장치(20)로부터 관찰자의 눈에 균일하게 회절된다.
상기 기판 내의 전반사의 2개의 연속 점들 사이의 광선의 횡방향 이동 거리인 "도약 길이(hop length)"를 정의할 수 있다. 도약 길이 h는 다음식에 따라 회절각 αD, 기판의 두께 t에 의존한다:
h = t tan αD. (식 6).
상기 식 6은 상이한 기판의 회절 지수가 동일하지 않은 경우 및 시야의 중심각의 도약 길이가 기판마다 상이한 경우에 사용할 수 있다. 상기 경우, 상기 시야의 중심각의 도약 길이의 변화는 기판의 두께 t를 적절히 선택함으로써 제거하거나 감소시킬 수 있다.
입/출력 광학 소자는 임의의 개수를 사용할 수 있다. 또, 2개 이상의 출력 광학 소자를 하나의 입력 광학 소자에 광통신에 의해 공유시키거나 반대로 2개 이상의 입력 광학 소자를 하나의 출력 광학 소자에 광통신에 의해 공유시킴으로써 입력 광학 소자의 개수 및 출력 광학 소자의 개수를 다르게 할 수 있다. 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 입출력 광학 요소들은 바람직하게는 광투과 기판상에 평행하게 형성된, 바람직하게는 일정한 주기의 직선형 회절 격자이다.
상기 입출력 광학 소자들은 상기 광투과 기판의 임의의 측면 상에 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 본 기술 분야의 당업자는 이것이 투과형 광학 소자 및 반사형 광학 소자의 임의의 조합에 상당하는 것임을 알 수 있다. 도 3a 내지 도 3c의 예시적인 구성에 있어서, 모든 입력 광학 소자들은 투과형이고, 모든 출력 광학 소자들은 반사형이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이것은 필수사항이 아니다.
예를 들면, 특정의 광학 기기가 광투과 기판의 제1면 상에 형성된 하나의 입력 광학 소자 및 광투과 기판의 제2면 상에 형성된 하나의 출력 광학 소자를 포함한다고 가정한다. 또, 광은 상기 광투과 기판의 제1면 상에 입사하고, 입사된 광선은 상기 제2면의 외부로 회절되어 사용자의 눈이나 인접한 광학 기기에 도달되는 것이 바람직하다고 가정한다. 이 경우, 상기 입력 광학 소자 및 출력 광학 소자의 양자는 상기 입력 광학 소자를 통한 광의 입사 및 상기 출력 광학 소자를 통한 광의 출사를 확실하게 하기 위해 투과형으로 구성한다. 또는, 상기 입력 광학 소자가 상기 기판의 제2면 상에 형성되고, 상기 출력 광학 소자가 상기 기판의 제1면 상에 형성되면, 양 광학 소자는 모두 반사형이 된다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 각 광학 기기는 2개의 출력 광학 소자를 포함한다. 본 실시예는 상기 광학 장치(20)가 이 광학 기기의 제1 및 제2의 출력 광학 소자가 광을 사용자의 좌우의 눈 내에 회절시키는 쌍안 장치로서 사용하는 경우에 특히 유용하다. 이 같은 구성은 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명 한다.
전술한 바와 같이, 광은 화상 정보를 반송할 수 있다. 이상적으로, 다색채 화상은 다수의 화상 소자에 의해 측정된 파장의 함수인 스펙트럼이다. 그러나, 이 같은 이상적인 입력은 실제의 시스템 내에서는 거의 얻을 수 없다. 그러므로, 본 실시예는 또한 다른 형태의 화상 정보를 다룬다. 가시 스펙트럼(색역)의 대부분은 적색광, 녹색광 및 청색광을 다양한 비율로 혼합하여 표현할 수 있고, 광의 강도를 달리하면 상이한 포화 수준이 제공된다. 때로, 색역을 증대시키기 위해, 적색, 녹색 및 청색 이외의 다른 색이 사용된다. 다른 경우, 인간의 가시 스펙트럼 내의 어떤 특정의 스펙트럼 범위를 표현하기 위해 색채광의 다른 조합을 사용한다.
다른 형태의 색채 화상에 있어서는 컬러 필터에 의해 얻어진 화상 정보를 구비하는 광대역(wide-spectrum) 광원이 사용된다. 상기 시스템은 공통적으로 청녹색(cyan), 적자색(magenta), 황색, 및 흑색의 보조 필터를 구비한 백색 광원을 사용하고 있다. 이들 필터를 사용하면, 적색광원, 녹색광원 및 청색광원을 사용하는 것과 유사한 스펙트럼 영역 또는 색역을 제공할 수 있고, 포화 수준은 이들 필터의 상이한 광학 흡수 두께를 사용하여 잘 알려진 "계조(grey level)"를 제공함으로써 얻는다.
따라서, 적색-녹색-청색(RGB) 또는 청녹색-적자색-황색-흑색(CMYK)과 같은 3개 이상의 체널(그러나, 이 것에 한정되지 않음)에 의해 다색 화상을 표시할 수 있다. RGB체널은 통상 액티브 디스플레이 시스템(예, CRT 또는 OLED), 광 셔터 시스 템(light shutter systems; 예, Digital Light ProcessingTM(DLPTM), 또는 LED와 같은 RGB 광원에 의해 조사되는 LCD에 사용된다. CMYK 화상은 통상 패시브 디스플레이 시스템(예, 프린트)에 사용된다. 다른 형태들도 본 발명의 범위 내에서 고려된다.
상기 광학 기기와 그 부품의 개수와 형식은 화상 생성을 위해 사용된 스펙트럼 체널에 따라 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 다색 화상은 방출 광의 파장들 사이의 상대 비율 및 상대 강도의 많은 상이한 조합에 기인하여 다색의 연속 스펙트럼으로서 눈에 보이는 적색, 녹색 및 청색의 유기 다이오드를 구비하는 OLED 어레이에 의해 제공될 수 있다. 이와 같은 화상을 위해, 3개의 광투과 기판을 사용할 수 있다. 하나의 기판은 스펙트럼 체널용이고, 각 기판에는 각 스펙트럼 체널용으로 설계된 입출력 광학 소자가 형성되어 있다. 본 발명의 발명자들은 RGB 화상은 2개의 광투과 기판만을 사용하여 효율적으로 전송할 수 있다는 것을 발견하였다.
이것은 스펙트럼의 녹색 부분은 일부가 청색광 및 근청색광에 지정된 광학 기기에 의해 회절되고, 다른 일부가 적색광 및 근적색광에 지정된 광학 기기에 의해 회절되기 때문이다. 일반적으로 상기 2개의 기판의 내부 및 외부로의 회절은 상호 보완적이므로 상기 시야 전체에 걸쳐 높은 회절 효율 및 휘도 균일성이 달성된다.
다음에 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 따른 사용자에게 화상을 제공하기 위한 시스템(40)의 개략도인 제 4도를 참조한다. 화상 제공 시스템(40)은 예를 들면 광학 장치(20)와 같은 광학 장치, 및 상기 광학 장치(20)에 화상을 제공하기 위한 화상 생성 장치(42)를 포함한다. 상기 광학 장치(20)는 단안식(monocular) 또는 쌍안식(binocular)으로 화상 정보를 반송하는 광을 전송한다.
광학 장치(20)가 단안식 광학 기기인 실시예에 있어서, 광학 장치(20)의 광학 기기(22)는 단일 출력 광학 소자를 포함한다(도 3a 및 도 3b 참조). 광학 장치(20)가 쌍안식 광학 기기인 실시예에 있어서, 각 광학 기기(22)는 광을 사용자의 제1의 눈(50) 및 제2의 눈(52) 내에 회절시키는 2개의 출력 광학 소자를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 각 입력 광학 소자는 각 서브 스펙트럼의 광선을 회절시킨다. 여기서, 각 광선은 이분할되어, 각 기판 내에서 양 방향으로 전파된 후, 2개의 실질적으로 평행한 광선의 형태로 상기 기판으로부터 방출된다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, 화상 제공 시스템(40)은 광학 기기(42)와 광학 장치(20)의 사이에 개재되는 것이 바람직한 콜리메이터(collimator; 44)를 포함한다. 상기 콜리메이터(44)는 광학 장치(20) 상에 입사되기 전의 평행광 처리되지 않은 입력광을 평행광 처리(collimating)하는 작용을 한다. 콜리메이터(44)로서는 예를 들면, 볼록렌즈(구형 볼록렌즈나 비구형 볼록렌즈), 렌지의 배열, 회절 광학 소자 등과 같은 본 기술 분야에 공지된 임의의 평행광 처리 소자를 사용할 수 있다.
평행광 처리의 목적은 결상 능력(imaging ability)을 향상시키기 위한 것이다.
볼록렌즈의 경우, 전형적인 볼록렌즈를 수직한 방향으로 투과하는 광선은 광축을 형성하는 렌즈의 중심을 통과한다. 상기 렌즈 클러스터(lens cluster)를 투과하는 광선속은 상기 광축을 중심으로 수렴하고, 예를 들면, 상기 광원이 렌즈의 초점면에 위치되고, 광에 의해 구성된 화상이 무한원으로 투사되는 경우에 렌즈에 의해 양호하게 결상된다.
다른 평행광 처리수단, 예를 들면 회절 광학 소자도 그 광축이 명확하게 형성되어 있지는 않으나 결상 성능을 제공할 수 있다. 볼록렌즈의 장점은 광축에 대해 대칭을 이루고 있는 것이고, 이에 반해 회절 광학 소자의 장점은 콤팩트하다는 것이다.
화상 생성 장치(42)는 아날로그 장치 또는 디지털 장치로 구성할 수 있다. 아날로그 화상 생성 장치는 통상 광원과 적어도 하나의 화상 캐리어(image carrier)를 포함한다. 광원의 대표적 예에는 램프(백열 램프나 형광 램프), 하나 이상의 LED나 OLED 등과 같은 것이 포함된다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 화상 캐리어의 대표적인 예에는 소형 슬라이드(miniature slide), 반사 마이크로필름이나 투과 마이크로필름 및 홀로그램이 포함된다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 상기 광원은 화상 캐리어의 전방(화상 캐리어로부터의 광의 반사를 가능하게 하기 위해)이나 후방(화상 캐리어를 통한 광의 투사를 가능하게 하기 위해)에 배치시킬 수 있다. 화상 생성 장치(42)는 필요에 따라 소형 CRT를 포함하는 것이 바람직하다. 소형 CRT는 본 기술분야에 공지된 것으로서, 예를 들면, 카이저 일렉트로닉스사(Kaiser Electronics, a Rockwell Collins business, of San Jose, California)로부터 구입할 수 있다.
디지털 화상 생성 장치는 통상 적어도 하나의 디스플레이를 포함한다. 특정의 디스플레이를 사용하는 경우 추가의 광원을 사용해야 할 필요가 있다. 디지털 화상 생성 장치에 적합한 광원은 램프(백열 램프나 형광 램프), 하나 이상의 LED(예를 들면, 적색, 녹색 및 청색의 LED) 또는 OLED 등과 같은 것이 포함된다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 적절한 디스플레이에는 LCD, OLED 어레이, Digital Light ProcessingTM(DLPTM) 유닛, 소형 플라즈마 디스플레이 등과 같은 것이 포함된다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. OLED나 소형 플라즈마 디스플레이와 같은 포지티브 디스플레이는 추가의 조사용 광원을 사용할 필요가 없다.
투과형 소형 LCD는 예를 들면 코핀사(Kopin Corporation, Taunton, Massachusetts)에서 구입할 수 있다. 반사형 LCD는 예를 들면 브릴리언사(Brillian Corporation, Tempe, Arizona)로부터 구입할 수 있다. 소형 OLED 어레이는 예를 들면 이메진사(eMagin Corporation, Hopewell Junction, New York)로부터 구입할 수 있다. DLPTM유닛은 예를 들면 텍사스 인스투르먼츠 DLPTM 프로덕츠사(Texas Instruments DLPTM Products, Piano, Texas)로부터 구입할 수 있다. 상기 디지털 소형 디스플레이의 화소 해상도는 QVGA (320 x 240 화소) 이하로부터 WQUXGA (3840 x 2400 화소)까지의 범위이다.
화상 제공 시스템(40)은 특히 비교적 소형의 스크린을 구비하는 장치의 시야를 확대하는데 특히 유용하다. 예를 들면, 휴대전화 및 개인용 디지털 보조장 치(PDA)는 다소 소형의 온보드(on-board) 디스플레이를 구비한 것으로 알려져 있다. PDA는 휴렛패커드사(Hewlett-Packard Company, Palo Alto, California) 제품인 상표명 iPAQTM의 예와 같이 포켓 PC라고도 알려져 있다. 전술한 장치들은 다량의 정보를 단일 화상이나 동화상의 형태로 저장 및 다운로딩할 수 있으나 그 디스플레이의 크기가 소형이므로 사용자에게 충분한 시야를 제공할 수 없다.
화상 제공 시스템(40)은 또 데이터 소스 인터페이스(43)를 통해 화상 생성 장치(42)와 통신할 수 있는 데이터 소스(45)를 포함한다. 상기 인터페이스(43)와 데이터 소스(45) 사이의 통신 형태는 유선 통신, 무선 통신, 광통신 또는 이들의 조합을 포함하는 임의의 통신 형태로 구성할 수 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 인터페이스(43)는 데이터 소스(45)로부터 화상 데이터의 스트림(stream)(예, 비디오, 그래픽 등)을 수신하고, 이 데이터를 화상 생성 장치(42)에 입력하도록 구성되는 것이 바람직하다. 많은 형식의 데이터 소스가 고려된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 데이터 소스(45)는 휴대전화, 개인용 디지털 보조장치(PDA) 및 휴대형 컴퓨터(랩탑)과 같은 통신 장치이다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 데이터 소스(45)의 추가의 예에는 텔레비전 장치, 휴대형 텔레비전 장치, 위성방송 수신기, 비디오 카세트 레코더, DVD 플레이어, 디지털 동화상 플레이어(예, MP4 플레이어), 디지털 카메라, VGA카드, 및 많은 의료용 화상 장치(예, 초음파 화상 장치, 디지털 X선 장치(예, 컴퓨터 단층 촬영 장치) 및 자기 공명 화상 장치가 포함된다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다.
데이터 소스(45)는 화상 정보 이외에 오디오 정보도 생성할 수 있다. 상기 오디오 정보는 인터페이스(43)에 의해 수신되어 오디오 유닛(도시 생략)을 이용하여 사용자에게 제공될 수 있다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예에 따르면, 데이터 소스(45)는 엔코드(encoded) 형태 및/또는 압축 형태의 데이터 스트림을 제공한다. 이들 실시예에 있어서, 화상 제공 시스템(40)은 장치(21)에 의해 인식될 수 있는 포맷으로 상기 데이터 스트림을 디코딩 및/또는 압축해제하기 위한 디코더(decoder; 33) 및/또는 압축해제 유닛(35)을 더 포함한다. 디코더(33) 및 압축 해제 유닛(35)은 필요에 따라 2개의 별개의 유닛이나 하나의 통합된 유닛으로 제공할 수 있다.
화상 제공 시스템(40)은 장치(21)의 기능을 제어함과 동시에 필요에 따라 데이터 소스(45) 및 장치(21) 사이의 정보 전송을 제어하기 위한 제어 장치(37)를 포함하는 것이 바람직하다. 제어 장치(37)는 장치(21)의 디스플레이 특성, 예를 들면 휘도, 색조, 콘트라스트, 화소 해상도 등(그러나, 이들 특성에 제한되지 않음)을 제어할 수 있다. 또, 상기 제어 장치(37)는 데이터 소스(45)의 동작을 제어하기 위한 신호를 데이터 소스(45)에 송신할 수 있다. 특히, 상기 제어 장치(37)는 데이터 소스(45)의 동작을 개시하고, 정지시키고, 그 동작 모드를 선택할 수 있다. 예를 들면, 데이터 소스(45)가 텔레비전 장치이거나 방송국과 통신하는 장치인 경우, 상기 제어 장치(37)는 디스플레이된 체널을 선택할 수 있고, 상기 데이터 소스(45)가 DVD나 MP4 플레이어인 경우, 상기 제어 장치(37)는 데이터의 스트림이 독출되는 트랙을 선택할 수 있고, 상기 오디오 정보가 전송되는 경우, 상기 제어 장 치(37)는 오디오 유닛(31) 및/또는 데이터 소스(45)의 볼륨을 제어할 수 있다.
화상 제공 시스템(40) 또는 그 일부(예, 광학 장치(20))는 손으로 광학 기기(20)를 잡지 않고도 사용자가 화상을 볼 수 있도록 헬멧이나 안경(그러나, 이것에 한정되지 않음)과 같은 착용할 수 있는 장치와 결합될 수 있다.
광학 장치(20)는 예를 들면 근시(myopia)를 교정하기 위한 하나 이상의 교정 렌즈와 같은 하나 이상의 시력 교정 장치와 결합하여 사용할 수도 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 시력 교정 장치는 눈과 광학 장치(20) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
화상 제공 시스템(40) 또는 그 일부는 기존의 착용이 가능한 장치상에 장착되도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 광학 장치(20)는 사용자의 안경 상에 장착될 수 있는 안경 클립(spectacles clip)이나 헬멧의 스크린상에 장착될 수 있는 헬멧 부속품으로서 제조될 수 있다.
이들 실시예의 어느 것에 있어서, 상기 화상 제공 시스템 또는 광학 장치는 데이터 소스에 추가물이나 화상 데이터를 송신할 수 있는 임의의 다른 장치로서 제공될 수 있다. 또, 본 실시예는 데이터 소스, 화상 생성 장치, 쌍안 장치 및 필요에 따라 착용할 수 있는 장치를 포함하는 키트(kit)로서 사용될 수도 있다. 예를 들면, 상기 데이터 소스가 통신 장치인 경우, 본 실시예는 통신 키트로서 사용될 수 있다.
상기 실시예 중의 임의의 실시예는 광학 기기(22), 특히 입출력 광학 소자 및 광투과 기판을 적절히 설계함으로써 성공적으로 구현될 수 있다.
예를 들면, 전술한 바와 같이, 입출력 광학 소자는 동일한 주기를 구비함과 동시에 평행 배열된 직선형 회절 격자로 구성할 수 있다. 본 실시예는 각도 보전성(angle-preserving)이 있으므로 유리하다. 특히, 상기 직선형 격자의 동일 주기 및 평행성에 의해 기판으로부터 출사되는 광선들 사이의 상대 배향과 상기 입력 광학 소자 상에 입사되기 전의 상대 배향이 유사해진다. 상기 광학 장치(20)가 화상을 전송하기 위한 쌍안 광학 기기인 실시예에 있어서, 상기 각도 보전 구성에 의해 화상의 특정의 점으로부터 출사되는 광선은 2개의 평행광으로서 양 눈에 도달한다. 따라서, 상기 광선들은 공간 내의 동일한 각도로부터 도달할 때 양 눈에 의해 시인될 수 있다. 광학 소자의 상대 위치 설정 및/또는 상대 정렬이 필요한 종래 기술의 쌍안 장치와 달리, 상기 구성에 의해, 사용자의 안정 피로(眼精疲勞; eye-strain)나 임의의 다른 불편을 초래하지 않는 상태로 폭주 시인(viewing convergence)을 용이하게 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 광학 기기에 있어서 광의 각 부분의 파장 λ와 직선형 회절 격자의 주기 d 사이의 비율은 1 이상의 값을 가진다.
λ/d ≥ 1. (식 7).
다른 실시예에 있어서, λ/d의 비율은 광투과 기판의 회절 지수(n S) 보다 작다.
특히, d와 n S는 다음의 부등식에 적합하도록 선택될 수 있다.
d>λ/(n S p). (식 8)
여기서 p는 1이하의 소정의 파라메터이다.
상기 p의 값은 sin(αD MAX)인 것이 바람직하다. 여기서, αD MAX는 상기 광의 각 부분의 최대 회절각이다. 일반적으로 상기 αD MAX에 대한 이론적인 한계는 없으므로(절대값이 90° 이하라는 필요조건은 별문제로 하고), 이것은 비용, 특정의 소형화 필요성에 의해 부과되는 생산 가능성이나 형태상의 제한과 같은 실용상의 기준에 따라 선택될 수 있다.
따라서, 적어도 1회의 도약(at least one hop) 실시예라고 칭하는 일 실시예에 있어서, αD M AX는 약 25 mm 내지 약 80 mm의 소정의 거리(x) 범위 내에서 적어도 1회의 반사를 허용하도록 선택된다.
예를 들면, 회절 지수(n S)가 1.5이고, 두께가 2 mm인 광투과 유리 기판에 있어서, 465 nm의 파장을 가지는 광의 34 mm의 거리(x) 내에서의 1회의 전반사는 α D MAX = 83.3°에 대응한다.
플랫(flat) 실시예라고 칭하는 다른 실시예에 있어서, αD MAX는 예를 들면, 모든 회절각이 이를 테면 80° 미만으로 충분히 작아야 한다는 필요조건을 부과함으로써 광투과 기판 내에서의 반사의 횟수를 감소시키도록 선택된다.
상기 광투과 기판의 회절 지수가 이미 알려져 있는 산업 현장(예를 들면, 광학 장치(20)가 특정의 광투과 기판을 포함하는 특정의 장치와 동시에 동작하도록 된 경우)에 적용할 수 있는 추가의 실시예에 있어서, 식 7을 변환하여 p의 값 및 이 값에 따라 αD MAX = sin-1 p의 값을 구할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 서브 스펙트럼에 대한 격자 주기는 최단 파장에 대해서는 식 6에 적합하도록, 그리고 최장 파장에 대해서는 식 7에 적합하도록 선택되는 것이 바람직하다.
특히:
λS/(n S p) ≤ d ≤ λL. (식 9)
여기서, λS 및 λL은 각각 각 서브 스펙트럼의 최단 파장 및 최장 파장이다.
따라서, 이들 조건 하에서 식 8로부터 상기 기판의 회절 지수는 n S p ≥ λL/λS를 만족해야 한다.
격자 주기는 또한 λS + λL보다 작은 값으로 구성할 수 있다. 예를 들면:
Figure 112007066805523-PCT00002
. (식 10)
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 광학 소자의 직선형 격자는 홀로그래픽 기법, 컴퓨터 생성 마스크 및 리소그래픽 기법, 직접 기록법(direct writing techniques), 엠보싱법 또는 에칭법 또는 본 기술분야의 공지의 다른 공정을 이용하여 기록살 수 있다.
당연히 상기 광투과 기판은 가시 광선의 경우 글래스나 투명 폴리머와 같은 광을 투과시킬 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 어떤 경우에도, 상기 광투과 기판 재료의 회절 지수는 상기 광투과 기판에 접해 있는 공기나 임의의 물질의 회절 지수보다 커야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 상기 광투과 기판의 두께(t)는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm, 더욱 바람직하게는 약 2 mm 내지 약 3 mm이다. 본 발명의 다양한 예시적 실시예에 있어서, t > 10 λL이다. 상기 광투과 기판의 폭/길이는 약 10 mm 내지 약 100 mm가 바람직하다. 상기 입출력 광학 소자 의 전형적인 폭/길이는 미국특허 제US5,966,223호에 개시된 니어 아이 디스플레이(near eye display)에 적용되는 것과 같은 상이한 광학 분야에 있어서 약 5 mm 내지 약 20 mm의 범위이다. 바람직한 수평 시야는 전술한 바와 같이 포괄적인 표현으로 적어도 16°, 더욱 바람직하게는 적어도 20°, 가장 바람직하게는 적어도 24°이다. 바람직한 광의 스펙트럼은 적어도 100 nm이다. 특히, 스펙트럼의 최단 파장(λB)은 일반적으로 약 400 내지 약 500 nm의 전형적인 파장을 가지는 청색광에 대응하고, 스펙트럼의 최장 파장(λR)은 일반적으로 약 600 내지 약 700 nm의 전형적인 파장을 가지는 적색광에 대응한다.
설명을 명확히 하기 위해 별도의 다수의 실시예에 관련하여 기술된 본 발명의 특정의 특징은 단일의 실시예에 관련하여 제공될 수도 있다. 반대로, 설명을 간단히 하기 위해 단일의 실시예에 관련하여 기술된 본 발명의 다양한 특징은 별도의 분리된 실시예나 임의의 적합한 하위 실시예에 관련하여 제공될 수도 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 관련하여 기술하였으나, 본 기술분야의 전문가는 많은 대체례, 개조례 및 변경례를 구현할 수 있음이 분명하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 속하는 상기 대체례, 개조례 및 변경례는 모두 본 발명에 포함된다. 본 명세서에 언급된 각 특허공개, 특허, 특허출원이 본 명세서에 특별하고 개별적인 참조문헌으로서 도입되는 것과 같은 정도로, 본 명세서에 언급된 모든 특허공개, 특허, 특허출원들은 본 명세서 내에 그 전체가 참조문헌으로서 도입된 것이다. 또, 본 명세서에 인용되거나 표시된 임의의 참조문헌 은 본 발명의 종래의 기술로 이용할 수 있음이 인정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (51)

  1. 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치로서, 상기 광학 기기는 상기 광을 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 다수의 부분으로 분해하도록 설계 및 구성된 다수의 광학 기기를 포함하고, 상기 다수의 부분들의 각 부분은 상이한 광학 기기 내에서 효율적으로 전송되는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 광학 기기는 상이한 평면에 결합하는 평면 광학 기기인 것을 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 각 광학 기기는 광투과 기판 내에서 전반사를 통한 상기 광의 전파가 가능하도록 상기 광의 각 부분을 광투과 기판 내에 회절시키도록 설계 및 구성된 적어도 하나의 입력 광학 소자가 형성되어 있는 광투과 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 상이한 광투과 기판들의 입력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 사전에 결정된 시야를 특징으로 하고, 상기 다수의 광학 기기의 각각의 광학 기기도 상기 사전에 결정된 시야를 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 광투과 기판에는 적어도 하나의 출력 광학 소자가 더 형성되어 있고, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 상기 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시킴과 동시에 상기 광의 다른 부분을 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자를 통해 최소의 회절 상태 또는 비회절 상태로 투과시키도록 설계 및 구성된 것을 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 상이한 광투과 기판들의 출력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 색채광원에 의해 생성된 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광을 전송하기 위한 광학 장치.
  8. 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트 럼에 각각 대응하는 상기 광의 상이한 부분들이 상이한 광학 기기 내에서 효율적으로 전파되고, 상기 광학 장치의 외부로 출사되어 사용자의 적어도 하나의 제1눈 내에 도달하도록 상기 광을 분해 및 재합성하도록 설계 및 구성된 다수의 광학 기기를 포함하는 광학 장치; 및 상기 화상을 상기 광학 기기에 제공하기 위한 색채 화상 제공 장치를 포함하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 각 광학 기기는 상이한 평면에 결합하는 평면 광학 기기인 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 각 광학 기기는 적어도 하나의 입력 광학 소자 및 적어도 하나의 출력 광학 소자가 형성된 광투과 기판으로서 상기 광의 각 부분이 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자에 의해 회절되고, 전반사를 통해 상기 광투과 기판 내에서 전파되고, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자에 의해 상기 광투과 기판의 외부로 회절되도록 하는 광투과 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 상이한 광투과 기판들의 입력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 상기 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시킴과 동시에 상기 광의 다른 부분을 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자를 통해 최소의 회절 상태 또는 비회절 상태로 투과시키도록 설계 및 구성된 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 상이한 광투과 기판들의 출력 광학 소자들은 그들 사이에 적어도 하나의 부분적인 중첩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서, 사전에 결정된 시야를 특징으로 하고, 상기 다수의 광학 기기의 각각의 광학 기기도 상기 사전에 결정된 시야를 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  15. 제 3 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 다수의 광학 기기는 제1의 광학 기기 및 제2의 광학 기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  16. 제 3 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 다수의 광학 기기는 장치는 제1의 광학 기기, 제2의 광학 기기 및 제3의 광학 기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광에 의해 구성된 색채 화상을 사용자에게 제공하기 위한 시스템.
  17. 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법으로서, 상기 광을 상기 스펙트럼의 상이한 서브 스펙트럼에 각각 대응하는 다수의 부분으로 분해하는 단계, 및 상이한 광학 기기 내에서 상기 광의 각 부분을 전송하는 단계를 포함하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 분해 단계는 실질적인 배타적 방식으로 상기 광의 각 부분을 회절시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 각 광학 기기는 광투과 기판 내에서 전반사를 통한 상기 광의 각 부분의 전파가 가능하도록 상기 광의 각 부분을 광투과 기판 내에 회절시 키는 적어도 하나의 입력 광학 소자가 형성되어 있는 광투과 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 다수의 부분들을 재합성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 재합성 단계는 각 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 광투과 기판에는 적어도 하나의 출력 광학 소자가 더 형성되어 있고, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 상기 광투과 기판의 외부에 상기 광의 각 부분을 회절시킴과 동시에 상기 광의 다른 부분을 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자를 통해 최소의 회절 상태 또는 비회절 상태로 투과시키는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 서브 스펙트럼은 제1의 서브 스펙트럼 및 제2의 서브 스펙트럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 서브 스펙트럼은 제1의 서브 스펙트럼, 제2의 서브 스펙트럼 및 제3의 서브 스펙트럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 분해 단계, 전송 단계 및 재합성 단계는 상기 광을 특징화하는 시야를 보존하도록 실행되는 특징으로 하는 다수 파장의 스펙트럼을 구비하는 광의 전송 방법.
  26. 제 6 항, 제 12 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 최소 회절은 10% 미만의 회절 효율을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  27. 제 6 항, 제 12 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 각 광학 기기의 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 광선들이 상기 적어도 하나의 광학 소자에 의해 상기 광학 소자 내에 회절됨과 동시에 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자에 의해 각도가 보존되는 형식으로 상기 광학 기기의 외부로 회절되도록 설계 및 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  28. 제 6 항, 제 12 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 각 광학 기기의 각 출력 광학 소자는 상기 출력 광학 소자에 의해 회절된 광의 사전에 결정된 부분의 휘도 불균일성을 감소시키도록 설계 및 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 출력 광학 소자는 다수의 부분을 포함하고, 상기 다수의 부분의 각 부분은 상이한 회절 효율을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 다수의 부분의 회절 효율은 조화 수열을 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 부분들의 개수는 상기 출력 광학 소자를 따라 전파되는 동안의 각 서브 스펙트럼의 광선의 고유의 반사 횟수와 동일한 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  32. 제 6 항, 제 12 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자는 제1의 출력 광학 소자 및 제2의 출력 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자, 상기 제1의 광학 소자 및 상기 제2의 출력 광학 소자는 상기 광의 각 부분의 광이 상기 광학 기기 내에서 이분할되고, 상기 광투과 기판의 외부로 2개의 실질적으로 평행한 광선의 형태로 출사되도록 설계 및 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  34. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 각각은 독립적인 직선형 회절 격자인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  35. 제 6 항, 제 10 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 각각은 독립적인 직선형 회절 격자인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자는 실질적으로 동일한 주기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자 및 상기 적어도 하나의 출력 광학 소자의 상기 직성형 회절 격자는 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 광의 상기 각 부분의 파장과 상기 직선형 회절 격자의 특징인 주기 사이의 비율은 1 이상인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  39. 제 35 항에 있어서, 상기 광의 상기 각 부분의 파장과 상기 직선형 회절 격자의 특징인 주기 사이의 비율은 상기 광투과 기판의 회절 지수보다 작은 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  40. 제 3 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 광을 평행광 처리하기 위한 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 시스템.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 볼록 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 시스템.
  42. 제 40 항에 있어서, 상기 콜리메이터는 회절 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치 또는 시스템.
  43. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 전반사를 특징으로 하는 최대 회절각은 상기 광투과 기판의 수직 방향에 대해 약 80°인 것을 특징으로 하 는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  44. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 전반사를 특징으로 하는 최대 회절각은 상기 광투과 기판 내의 사전에 결정된 거리에 걸쳐 적어도 1회의 반사를 허용하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 사전에 결정된 거리는 약 25 mm 내지 약 80 mm인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  46. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 광투과 기판의 두께는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  47. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 광투과 기판의 두께는 상기 스펙트럼의 최단 파장의 10 배보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  48. 제 3 항, 제 10 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 광투과 기판은 글래스 및 투명 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광 학 시스템 또는 광 전송 방법.
  49. 제 5 항, 제 14 항 또는 제 25 항에 있어서, 상기 수평 시야는 적어도 16°인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  50. 제 5 항, 제 14 항 또는 제 25 항에 있어서, 상기 수평 시야는 적어도 20°인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
  51. 제 5 항, 제 14 항 또는 제 25 항에 있어서, 상기 수평 시야는 적어도 24°인 것을 특징으로 하는 광학 장치, 광학 시스템 또는 광 전송 방법.
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