KR20200090819A

KR20200090819A - 구조화된 광학 표면 및 광학 이미징 시스템

Info

Publication number: KR20200090819A
Application number: KR1020207017225A
Authority: KR
Inventors: 자오후이 양; 브렛 제이 시터
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-07-29
Also published as: WO2019126151A1; JP2021507300A; TW201937240A; JP7262467B2; US20200333601A1

Abstract

구조화된 광학 표면, 및 구조화된 광학 표면을 포함하는 광학 이미징 시스템이 기술된다. 구조화된 광학 표면은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는 복수의 구조체들을 포함하여, 간극만큼 이격된 적어도 2개의 서브픽셀들을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 갖는 픽셀화된 디스플레이 표면을 포함하는 광학 이미징 시스템 내에 구조화된 광학 표면이 통합될 때, 구조화된 광학 표면은 적어도 2개의 서브픽셀들을 대응하는 이미지화된 간극에 의해 이격된 적어도 2개의 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면 상에 이미지화하며, 구조화된 광학 표면은 광을 회절시켜 회절된 광이 적어도 2개의 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하게 한다.

Description

구조화된 광학 표면 및 광학 이미징 시스템

픽셀화된 디스플레이(pixelated display)는 전형적으로 인접한 픽셀들과 서브픽셀들 사이에 간극들을 갖는다. 일부 경우에, 이들 간극은 관찰자에게 불쾌할 수 있는 스크린-도어 효과(screen-door effect)로서 알려진 광학 아티팩트(artifact)를 초래한다.

본 발명의 일부 태양에서, 구조화된 광학 표면(structured optical surface)이 제공된다. 구조화된 광학 표면은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴(Fresnel pattern)들의 교차에 의해 형성되는 복수의 3차원 구조체들을 포함하여, 간극만큼 이격된 적어도 2개의 서브픽셀들을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 갖는 픽셀화된 디스플레이 표면을 포함하는 광학 이미징(imaging) 시스템 내에 구조화된 광학 표면이 통합될 때, 구조화된 광학 표면은 적어도 2개의 서브픽셀들을 대응하는 이미지화된(imaged) 간극에 의해 이격된 적어도 2개의 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면 상에 이미지화하며, 구조화된 광학 표면은 광을 회절시켜 회절된 광은 적어도 2개의 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하게 한다.

본 발명의 일부 태양에서, 구조화된 광학 표면이 제공된다. 구조화된 광학 표면은 복수의 구조체들을 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광의 제1 부분을 대응하는 복수의 상이한 방향들로 전파되는 복수의 회절 차수들로 실질적으로 회절시키고, 입사광의 상이한 제2 부분을 실질적으로 굴절시켜 실질적으로 굴절된 광이 구조화된 광학 표면과 경사각을 이루게 한다.

본 발명의 일부 태양에서, 구조화된 광학 표면이 제공된다. 구조화된 광학 표면은 복수의 구조체들을 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광을 기하학적 광학계(optics)를 사용하여 충분히 기술되지 않는 복수의 방향들을 따라 전파되는 제1 부분 및 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술되는 방향들로 전파되는 제2 부분을 갖는 투과된 광으로서 투과시키며, 제2 부분의 방향들은 구조화된 광학 표면과 경사각들을 이룬다.

본 발명의 일부 태양에서, 광학 이미징 시스템이 제공된다. 광학 이미징 시스템은 복수의 간극들에 의해 분리된 복수의 서브픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고 이미지를 표시하기 위한 픽셀화된 디스플레이 표면을 포함한다. 광학 이미징 시스템은 복수의 서브픽셀들 및 간극들을 복수의 이미지화된 간극들에 의해 분리된 복수의 이미지화된 서브픽셀들로서 광학 이미징 시스템의 이미지 표면 상에 이미지화하고, 디스플레이 표면으로부터의 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 복수의 이미지화된 간극들을 적어도 부분적으로 충전하게 하는 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면을 포함한다.

도 1 및 도 2는 구조화된 광학 표면의 개략 평면도.
도 3a 및 도 3b는 구조화된 광학 표면을 갖는 광학 요소의 개략 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 구조화된 광학 표면 및 반대편의 광학 표면을 갖는 광학 요소의 개략 단면도.
도 5는 픽셀화된 디스플레이 표면의 개략 평면도.
도 6a 및 도 6b는 광학 이미징 시스템의 개략 단면도.
도 7a는 픽셀의 개략 평면도.
도 7b는 도 7a의 픽셀의 어레이의 개략 평면도.
도 7c 내지 도 7e는 구조화된 광학 표면에 의해 생성된 도 7a의 픽셀의 이미지화된 어레이의 개략 평면도.
도 8은 광학 이미징 시스템에서의 이미징 렌즈의 광학 전달 함수(optical transfer function)의 플롯(plot).
도 9는 광학 이미징 시스템 내의 이미징 렌즈의 점 확산 함수(point spread function)의 플롯.
도 10은 2개의 프레넬 패턴(Fresnel pattern)의 교차에 의해 형성된 구조체들을 포함하는 구조화된 광학 표면의 평면도.
도 11은 광학 이미징 시스템에서의 도 10의 구조화된 광학 표면의 광학 전달 함수의 플롯.
도 12는 광학 이미징 시스템에서의 도 10의 구조화된 광학 표면의 점 확산 함수의 플롯.
도 13은 8개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된 구조체들을 포함하는 구조화된 광학 표면의 평면도.
도 14는 광학 이미징 시스템에서의 도 13의 구조화된 광학 표면의 광학 전달 함수의 플롯.
도 15는 광학 이미징 시스템에서의 도 13의 구조화된 광학 표면의 점 확산 함수의 플롯.
도 16은 구조화된 광학 표면이 16개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된 구조체들을 포함하는 광학 이미징 시스템 내에서의 구조화된 광학 표면의 광학 전달 함수의 플롯.
도 17은 구조화된 광학 표면이 16개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된 구조체들을 포함하는 광학 이미징 시스템 내에서의 구조화된 광학 표면의 점 확산 함수의 플롯.
도 18은 헤드셋의 개략 평면도.
도 19는 구조화된 광학 표면의 개략 평면도.

하기 설명에서, 본 명세서의 일부를 이루고 다양한 실시 형태가 예시로서 도시되어 있는 첨부 도면을 참조한다. 도면은 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다. 다른 실시 형태가 고려되고 본 설명의 범위 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.

디스플레이 장치는 전형적으로 2차원적으로 픽셀화된 디스플레이를 포함한다. 일부 경우에, 픽셀들 또는 서브픽셀들 사이의 공간은 관찰자에게 가시적이며, 이는 특히 광학 시스템이 관찰자에 의한 관찰을 위해 표시된 이미지를 확대하는 헤드 마운트 디스플레이에서 불쾌할 수 있다. 이는 스크린-도어 효과 또는 고정-패턴 노이즈(fixed-pattern noise)로서 알려져 있다. 본 발명의 일부 실시 형태에 따르면, 디스플레이의 스크린-도어 효과를 감소시키는 데 사용될 수 있는 구조화된 광학 필름이 제공된다. 구조화된 광학 표면은 구조체의 기하학적 형상에 따라 다른 응용에 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면은 적어도 2개의 서브픽셀을 대응하는 이미지화된 간극에 의해 이격된 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면 상에 이미지화하며, 구조화된 광학 표면은 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전한다. 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하는 것은 스크린-도어 효과를 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 일부 실시 형태에서, 굴절 및 회절 광파워(optical power) 둘 모두를 제공하는 데 단일의 구조화된 광학 표면이 사용될 수 있다. 그러한 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면은 디스플레이 표면의 복수의 서브픽셀 및 그 사이의 간극들을 복수의 이미지화된 간극에 의해 분리된 복수의 이미지화된 서브픽셀로서 이미지 표면 상에 이미지화할 수 있고, 디스플레이 표면으로부터의 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 복수의 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전할 수 있다.

도 1은 제1 및 제2 프레넬 패턴(101, 102)들의 교차에 의해 형성되는 복수의 3차원 구조체(110)를 포함하는 구조화된 광학 표면(100)의 개략 평면도이다. 프레넬 패턴(101, 102)들은 프레넬 세그먼트들의 동일한 간격을 가질 수 있거나, 간격은 상이한 프레넬 패턴들에 대해 상이할 수 있다. 프레넬 패턴 내의 프레넬 세그먼트들의 간격은 균일하거나 불균일할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 2개 초과의 프레넬 패턴(101, 102)이 포함된다(예컨대, 본 명세서의 다른 곳에서 추가로 기술되는 도 2 참조). 일부 실시 형태에서, 복수의 3차원 구조체(110)는 2개 내지 16개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된다. 예를 들어, 2개 이상, 또는 3개 이상, 또는 4개 이상, 또는 5개 이상, 또는 6개 이상의 프레넬 패턴; 및 16개 이하, 또는 14개 이하, 또는 12개 이하, 또는 10개 이하의 프레넬 패턴. 스크린-도어 효과를 감소시키기 위해 2개 이상, 또는 3개 이상, 또는 4개 이상, 또는 5개 이상, 또는 6개 이상의 프레넬 패턴이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 16개 이하, 또는 14개 이하, 또는 12개 이하의 프레넬 패턴, 또는 10개 이하의 프레넬 패턴을 사용하는 것이 낮은 수준의 산란을 유지하는 데 바람직한 것으로 밝혀졌다.

제1 프레넬 패턴(101)은 제1 중심(121)을 갖고, 제2 프레넬 패턴(102)은 제1 중심(121)으로부터 거리(S)만큼 이격된 제2 중심(122)을 갖는다. 일부 실시 형태에서, S는 약 1 밀리미터 내지 약 20 밀리미터의 범위이다. 거리(S)는 초점의 원하는 측방향 이동을 생성하도록 선택되어, 구조화된 광학 표면을 통과하는 픽셀화된 디스플레이로부터의 일부 광이 픽셀화된 디스플레이의 서브픽셀들 사이의 간극 영역들에 초점이 맞춰질 수 있다. 구조화된 광학 표면을 포함하는 이미징 시스템에 대한 초점의 이러한 측방향 이동(Δs)은 이미징 시스템의 등가 초점 거리(f) 및 이미징 시스템의 구형 성분의 초점 거리(f1)와 Δs = S(f1-f)/f로서 관련된다.

일부 실시 형태에서, 스크린-도어 효과를 감소시키기 위해 거리(S)는 광이 이미지화된 서브픽셀들 사이의 이미지화된 간극 내로 회절되도록 선택된다. 구조화된 광학 표면의 효과는 구조화된 광학 표면의 광학 전달 함수(OTF) 및/또는 점 확산 함수(PSF)에 의하여 특징지어질 수 있다. 픽셀화된 디스플레이 표면의 이미지의 푸리에 변환(Fourier transform)은 전형적으로 0차 고조파를 나타내는 중심점(거의 0의 파수 벡터(wavevector)) 및 고차 고조파들을 나타내는 추가의 점들을 보여준다. 이들 고차 고조파는 스크린-도어 효과의 원인이 된다. 구조화된 광학 표면은 서브픽셀들 사이의 간극들을 충전하도록 S를 선택함으로써 이들 고차 고조파를 감소시키도록 선택될 수 있다. 이때, 구조화된 광학 표면의 OTF는 고차 고조파들을 억제하는 어두운 줄무늬(fringe)를 나타낸다. 구조화된 광학 표면의 PSF는 전형적으로, 이미지화된 서브픽셀에 초점이 맞춰지고 서브픽셀들 사이의 간극 내로 회절된 광에 대응하는 피크들을 나타낸다. 피크들 사이의 영역들에서의 PSF는, 전형적으로 바람직하지 않은 산란을 나타낸다. 일부 경우에, 더 많은 개수의 교차하는 프레넬 패턴들은 스크린-도어 효과를 감소시키는 데 더 효과적인 OTF를 제공하지만, 또한 증가된 산란을 나타내는 피크들 사이에서 더 큰 강도를 갖는 PSF를 생성할 수 있다. 이러한 이유로, 전형적으로 2 내지 16개, 또는 4 내지 14개, 또는 6 내지 12개, 또는 6 내지 10개의 교차하는 프레넬 패턴을 포함하는 것이 바람직하다.

스크린-도어 효과는 스크린-도어 효과 지수(screen-door effect index, SDEI)에 의해 특징지어질 수 있으며, 이는 각각의 원색의 서브픽셀들 각각이 조명될 때 픽셀화된 디스플레이 표면으로부터 출력되는 광의 푸리에 변환을 계산함으로써 결정될 수 있다. 각각의 조명된 색상에 대해, 0차 공간 주파수 파워에 대한 푸리에 변환의 최대 고차 공간 주파수 파워의 비는 총 파워의 0.5% 미만이 노이즈로 간주되고 폐기되는 임의의 성분을 가지고 결정된다. SDEI는 각각의 색상에 대해 결정된 비들의 가중 평균의 100배로서 계산되고, 여기서 가중치는 색상에 대한 부분 파워 출력에 의해 결정된다. 전형적으로, SDEI가 낮게 되는 것이 바람직하다(예컨대, 약 2 미만, 또는 약 1 미만, 또는 약 0.5 미만).

3차원 구조체(110)들은 넓은 범위의 길이 규모를 가질 수 있다. 구조체들의 하나의 길이 규모는 주 평면 내의 구조체의 최대 치수인 최대 측방향 치수이다(x-y 평면은 도 1의 x-y-z 좌표계에 관련된다). 예를 들어, 3차원 구조체(111)는 d의 최대 측방향 치수를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 복수의 3차원 구조체(110) 내의 적어도 하나의 3차원 구조체는 약 10 밀리미터 내지 약 100 밀리미터 범위의 최대 측방향 치수를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 복수의 3차원 구조체(110) 내의 적어도 하나의 3차원 구조체는 실질적으로 10 밀리미터 미만인 적어도 하나의 길이 규모(예컨대, 최대 측방향 치수에 직교하는 최대 측방향 폭)를 갖는다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 복수의 3 차원 구조체(110) 내의 적어도 하나의 3차원 구조체는 약 0.1 마이크로미터 내지 약 1 밀리미터 또는 약 100 마이크로미터 범위의 적어도 하나의 길이 규모를 갖는다.

도 2는 제1, 제2 및 제3 프레넬 패턴(201, 202, 203)들의 교차에 의해 형성되는 구조화된 광학 표면(200)의 개략 평면도이다. 일부 실시 형태에서, n개의 광학 요소의 교차에 의해 형성되는 구조화된 광학 표면은 n겹 대칭(n-fold symmetry)을 갖는다. 표면의 주 평면에 수직인 축을 중심으로 한 360도/n(여기서, n은 1 초과의 정수임)의 회전 하의 표면 대칭은 n겹 대칭을 갖는다고 말해질 수 있다. 예를 들어, 구조화된 광학 표면(200)은 z-축(도 2의 x-y-z 좌표계에 관계됨)에 평행하고 3개의 프레넬 패턴의 중심점을 통과하는 축을 중심으로 한 120도의 회전 하에 대칭이므로 3겹 대칭을 갖는다. 프레넬 패턴들 사이의 중심간 간격은 구조화된 광학 표면(100)에 대해 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같을 수 있다.

일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면은 n겹 대칭(여기서, 2 ≤ n ≤ 16)을 갖는다. 일부 실시 형태에서, n은 2, 또는 3, 또는 4, 또는 5, 또는 6 이상이다. 일부 실시 형태에서, n은 16, 또는 14, 또는 12, 또는 10 이하이다. n겹 대칭을 갖는 구조화된 광학 표면이 n개의 프레넬 패턴의 교차로부터 구성될 수 있거나, 다른 광학 요소들이 사용될 수 있다. 프레넬 패턴은 동일한 패턴(예컨대, 동심 링들 사이의 동일한 간격)일 수 있거나, 상이한 패턴들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 프레넬 패턴(201, 202, 203)들 각각은 동일한 패턴(즉, 패턴의 중심점의 위치 이외의 동일한 기하학적 형상)일 수 있거나, 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 프레넬 패턴의 적어도 하나의 다른 것과 상이할 수 있다(예컨대, 상이한 간격). 일부 실시 형태에서, n개의 프레넬 패턴의 교차는 n겹 대칭이 아니다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 교차하는 프레넬 패턴들은, 프레넬 패턴들의 배열이 회전 대칭성을 갖지 않거나, m개의 교차하는 프레넬 패턴이 n겹 대칭을 갖게(이때, m > n) 감소된 회전 대칭을 갖도록, 일부 방식(예컨대, 요소들의 크기 또는 간격)으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 4개의 프레넬 패턴은 서로 대칭이지만 다른 프레넬 패턴들과는 대칭이 아닌 프레넬 패턴들의 대향하는 쌍들과 교차하여 2겹 대칭을 갖는 구조화된 광학 표면을 제공할 수 있다. 이는 4개의 프레넬 패턴을 포함하는 구조화된 광학 표면(1900)의 개략 평면도인 도 19에 예시되어 있다. 제1 및 제2 프레넬 패턴(1901, 1902)들은 동일한 패턴(예컨대, 세그먼트들의 동일한 간격)이고, 제3 및 제4 프레넬 패턴(1903, 1904)들은 동일한 패턴(예컨대, 세그먼트들의 동일한 간격)이다. 예를 들어, 제1 프레넬 패턴(1901) 및 제3 프레넬 패턴(1903)은 상이한 패턴(예컨대, 세그먼트들의 상이한 간격)들이다. 구조화된 광학 표면(1900)은 2겹 대칭을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 360도 미만의 회전에 대해 회전 대칭이 없을 수 있다(예컨대, 프레넬 패턴들이 랜덤으로 배치될 수 있음). 전형적으로, 상당한 원하지 않는 산란을 생성함이 없이 스크린-도어 효과를 감소시키기 위해 2 내지 16개의 가상 서브픽셀을 생성하도록 프레넬 패턴의 개수, 및 상이한 프레넬 패턴들의 사용으로 인한 임의의 대칭 파괴가 선택되는 것이 바람직하다.

구조화된 광학 표면은 중합체 필름 또는 유리와 같은 기재(substrate)의 주 표면 상에 제공될 수 있다. 구조화된 광학 표면은, 예를 들어 리소그래피(lithography) 또는 다이아몬드 선삭(turning)과 같은 임의의 적합한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 리소그래피(예컨대, 포토리소그래피 또는 e-빔 리소그래피)가 프레넬 렌즈 요소를 포토레지스트 내에 기록하는 데 사용될 수 있다. 일 방법에서, 단일의 프레넬 렌즈 요소가 먼저 기재 상에 기록될 수 있다. 제1 프레넬 렌즈 요소가 생성된 후에, 리소그래피 공정은 나머지 대칭 겹(들)을 생성하도록 이동될 수 있다. 유사하게, 다이아몬드 선삭은 1겹을 만드는 데 사용될 수 있고, 이어서 기재는 다수-겹 대칭을 만들도록 선삭될 수 있다. 다른 리소그래피 방법에서, 다중-겹 대칭을 갖는 완전한 프레넬 패턴은 단일 그레이 스케일 마스크 또는 기록 필드로 1회 기록될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 포토리소그래피 또는 다이아몬드 선삭을 통해 마스터 피스가 생성되고, 이어서 미세 복제에 의해 슬레이브 피스가 제조된다.

도 3a는 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는 복수의 구조체(310)를 포함하는 구조화된 광학 표면(300)을 갖는 광학 요소(350)의 개략 단면도이다. 광학 요소(350)는 구조화된 광학 표면(300)의 반대편의 실질적으로 평탄한 주 표면(324)을 갖는다. 다른 실시 형태에서, 반대편의 주 표면(324)은 구조화되거나 만곡된다. 광학 요소의 실질적으로 평탄한 표면은 광학 요소의 최대 측방향 치수의 10배 초과의 곡률 반경을 갖는 표면을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다. 실질적으로 평탄한 표면은 평탄할 수 있거나, 공칭적으로 평탄할 수 있지만 예를 들어 보통의 제조 변동으로 인해 정밀하게 평탄한 것과는 상이할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면은 입사광을 회절 및 굴절 둘 모두를 시키도록 구성된 복수의 구조체를 포함한다. 구조체들은 프레넬 구조체들일 수 있거나, 일정 범위의 길이 규모들을 포함하는 다른 구조체들이 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면은, 수직 입사광에 대해, 광의 일부 부분이 고전적인 기하학적 광학계들에 의해 예측된 경로를 따를 것이고 광의 일부 부분이 회절로 인해 고전적인 기하학적 광학계의 예측으로부터 실질적으로 벗어날 것이도록 구성된다. 기하학적 광학계를 사용하여 기술되는 경로들을 따르거나 실질적으로 따르는 광의 부분은 본 명세서에서 광의 실질적으로 굴절된 부분으로 지칭될 것이고, 기하학적 광학계를 사용하여 기술된 경로들로부터 실질적으로 벗어나는 광의 부분은 본 명세서에서 실질적으로 회절된 부분으로 지칭될 것이다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면은 복수의 구조체를 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의(예컨대, 400 nm 내지 700 nm 범위 내의) 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광의 제1 부분을 대응하는 복수의 상이한 방향으로 전파되는 복수의 회절 차수로 실질적으로 회절시키고, 입사광의 상이한 제2 부분을 실질적으로 굴절시켜 실질적으로 굴절된 광이 구조화된 광학 표면과 경사각을 이루게 한다. 입사광을 실질적으로 굴절시키고 실질적으로 회절시키는 구조화된 광학 표면은 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면으로 지칭될 수 있다.

도 3b는 구조화된 광학 표면(300)의 (x-y 평면에 평행한) 주 평면에 대해 구조화된 광학 표면(300) 상에 수직으로 입사하는 광(377)을 예시하는, 광학 요소(350)의 개략 단면도이다. 광(377)은 전자기 스펙트럼의 가시 범위(예컨대, 약 550 nm) 내의 파장을 갖는다. 구조화된 광학 표면(300)은 입사광(377)의 제1 부분(380)을 대응하는 복수의 상이한 방향(380a, 380b)으로 전파되는 복수의 회절 차수로 실질적으로 회절시키고, 입사광(377)의 상이한 제2 부분(378)을 실질적으로 굴절시켜 실질적으로 굴절된 광(378a, 378b)이 구조화된 광학 표면과 경사각(광(378a)에 대해 θ)을 이룬다. 실질적으로 굴절된 광은 고전적인 기하학적 광학계를 사용하여 입사광(377)의 광경로(optical path)들을 결정함으로써 식별될 수 있다. 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술될 수 있는 광학 방향들을 따라 전파되는 출사광은 이 용어가 본 명세서에 사용되는 바와 같이 실질적으로 굴절된다. 예를 들어, 광(378a, 378b)은 고전적인 기하학적 광학계 계산을 사용하여 광(377) 내의 입사 광선의 광경로를 따름으로써 예측될 수 있는 경로들을 따라 출사한다. 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술되지 않는 방향들을 따라 전파되는 출사광은 이 용어가 본 명세서에 사용되는 바와 같이 실질적으로 회절된다. 예를 들어, 입사광(377)의 제1 부분(380)은 입사광(377) 내의 광선들 중 임의의 것에 대한 기하학적 광학계의 예측으로부터 벗어나는 방향(380a, 380b)들을 따라 출사한다. 구조화된 광학 표면(300)은 기하학적 광학계에 의해 충분히 설명되는 방향을 따라 전파되는 제2 부분(378) 및 기하학적 광학계에 의해 충분히 기술되지 않는 복수의 상이한 방향으로 전파되는 제1 부분(380)을 갖는 투과된 광으로서 입사광(377)을 투과시킨다.

미리 결정된 각도 초과만큼 기하학적 광학계의 예측으로부터 벗어난 방향들을 따라 전파되는 광은 기하학적 광학계의 예측으로부터 실질적으로 벗어나는 것으로 기술될 수 있거나, 기하학적 광학계에 의해 충분히 기술되지 않는 것으로 기술될 수 있다. 기하학적 광학계의 예측의 미리 결정된 각도 내의 방향들을 따라 전파되는 광은 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술될 수 있다. 미리 결정된 각도는 응용(예컨대, 서브픽셀들 사이의 간격, 및 구조화된 광학 표면과 픽셀화된 디스플레이 표면 사이의 거리) 및 구조화된 광학 표면 내의 구조체들의 크기에 따라 좌우될 수 있다. 일부 경우에, 미리 결정된 각도는 약 0.05도, 또는 약 0.03도, 또는 약 0.02도, 또는 약 0.01도이다. 구조화된 광학 표면(300)을 통과하는 임의의 광이 회절 및 굴절 둘 모두를 겪으며, 실질적으로 굴절되는 광과 실질적으로 회절되는 광을 구별하기 위해 임의의 광선이 별개로 단지 굴절 또는 단지 회절만을 겪을 필요는 없음이 이해될 것이다. 오히려, 실질적으로 굴절되는 광 및 실질적으로 회절되는 광은 출사광의 경로들에 의해 구별될 수 있다. 유사하게, 대응하는 복수의 상이한 방향으로 전파되는 복수의 상이한 회절 차수로 광이 회절되었다고 결정하기 위해 특정 회절 차수들을 식별할 필요는 없는데, 그 이유는 이것이 출사광의 경로들로부터 추론될 수 있기 때문이다.

도 4a는 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는 복수의 구조체(410)를 포함하는 구조화된 광학 표면(400)을 갖는 광학 요소(450)의 개략 단면도이다. 광학 요소(450)는 구조화된 광학 표면(400)의 반대편의 만곡된 주 표면(424)을 갖는다. 구조화된 광학 표면(400)은 구조화된 광학 표면(300)에 대해 기술된 바와 같을 수 있다. 광원(예컨대, 픽셀화된 디스플레이)에 대한 광학 요소(450)의 배향에 따라, 구조화된 광학 표면(400)에 의해 실질적으로 굴절되거나 실질적으로 회절되는 광은 이어서 만곡된 주 표면(424)에 의해 굴절될 수 있거나, 만곡된 주 표면(424)에 의해 굴절된 광은 이어서 구조화된 광학 표면(400)에 의해 실질적으로 굴절되거나 실질적으로 회절될 수 있다.

구조화된 광학 표면(400)을 갖고 반대편의 구조화된 광학 표면(424b)을 갖는 광학 요소(450b)의 개략 단면도인 도 4b에 대안적인 실시 형태가 개략적으로 예시되어 있다. 일부 실시 형태에서, 반대편의 구조화된 광학 표면(424b)은 하나 이상의 프레넬 패턴을 포함한다. 예를 들어, 도 4a의 만곡된 주 표면(424)은 프레넬 패턴으로 대체될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반대편의 구조화된 광학 표면(424b)은 복수의 교차하는 프레넬 패턴을 포함한다.

상이한 제1 및 제2 프레넬 패턴(401, 402)들의 교차에 의해 형성된 3차원 구조체(410c)를 포함하는 구조화된 광학 표면(400c)을 갖는 광학 요소(450c)의 개략 단면도인 도 4c에 대안적인 실시 형태가 개략적으로 예시되어 있다. 광학 요소(450c)는 반대편의 만곡된 광학 표면(424c)을 갖는다. 광학 요소(450c)는 예를 들어 수지 또는 광학적으로 투명한 접착제일 수 있는 재료(474) 내에 침지된다. 광학적으로 투명한 접착제, 또는 광학적으로 투명한 수지는 가시 범위(400 nm 내지 700 nm) 전체에 걸친 투과율이 90% 이상일 수 있고, 탁도(haze)가 5% 미만일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 광학 이미징 시스템은 본 발명의 구조화된 광학 표면에 근접하게 배치될 수 있는 복수의 광학 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 렌즈가 광학 요소(350 또는 450)의 주 표면들 중 하나 또는 둘 모두에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(450)의 만곡된 주 표면(424)을 이용하는 것은 더 적은 추가의 광학 렌즈가 광학 이미징 시스템에 사용되게 한다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면을 포함하는 광학 요소가 수지 또는 광학적으로 투명한 재료 내에 침지되고 하나 이상의 광학 렌즈가 또한 수지 내에 침지되어, 구조화된 광학 표면 및 하나 이상의 광학 렌즈를 포함하는 복합 광학 요소를 제공한다.

도 5는 이미지를 표시하기 위한 픽셀화된 디스플레이 표면(900)의 개략도이다. 디스플레이 표면(900)은 복수의 간극에 의해 분리된 복수의 서브픽셀을 포함하는 복수의 픽셀(945)을 포함한다. 픽셀(945)들 각각은 전형적으로, 원하는 색상이 각각의 픽셀(945)에 의해 생성되게 하는 3개 이상의 서브픽셀을 포함한다. 예를 들어, 예시된 서브픽셀(945a, 945b, 945c)들은 청색, 녹색 및 적색 서브픽셀들일 수 있는데, 이들은 원하는 색상 및 원하는 강도를 제공하기 위해 조정가능한 출력 레벨들을 가질 수 있다. 추가적인 서브픽셀(예컨대, 황색)이 일부 실시 형태에서 포함될 수 있다. 픽셀 및 서브픽셀 배열은 도 5에 개략적으로 예시된 것과 유사하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 삼각형 패턴, 스트라이프형 패턴, 대각선 패턴, 또는 펜타일(PENTILE) 매트릭스가 당업계에 알려진 바와 같이 사용될 수 있다. 예를 들어, 서브픽셀들의 적색과 녹색 쌍들 및 서브픽셀들의 녹색과 청색 쌍들을 포함하는 펜타일 매트릭스의 경우에, 각각의 픽셀은 각각의 픽셀이 4개의 서브픽셀을 포함하도록 적색과 녹색 쌍 및 녹색과 청색 쌍을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이가 사용되고, 서브픽셀(945a, 945b, 945c)들은 디스플레이를 위한 광원으로서 사용되는 발광 층들을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 액정 디스플레이(LCD)가 사용되고, 별개의 광원이 사용되어 LCD 디스플레이의 백라이트로의 광 입력을 제공하며, 픽셀 및 서브픽셀이 LCD 패널에 의해 형성된다.

도 6a는 광학 이미징 시스템(605)의 개략 단면도이다. 픽셀화된 디스플레이 표면(660)이 개략적으로 예시되어 있다. 픽셀화된 디스플레이 표면은 예를 들어 디스플레이 표면(900)에 대응할 수 있다. 간극들에 의해 분리된 3개의 서브픽셀(645a, 645b, 645c)을 갖는 픽셀이 예시되어 있다. 보다 일반적으로, 픽셀화된 디스플레이 표면(660)은 간극만큼 이격된 적어도 2개의 서브픽셀을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 포함한다. 전형적으로, 픽셀화된 이미지를 제공하기 위해 복수의 픽셀이 포함된다. 그러나, 다른 실시 형태에서, 단일 픽셀이 사용될 수 있다. 예를 들어, 표시기(indicator)를 제공하기 위해, 단일 픽셀, 또는 복수의 픽셀 중 각각의 픽셀은 단지 2개의 서브픽셀을 가질 수 있거나(예컨대, 단지 2개의 표시기 색상만이 필요한 경우), 3개 이상의 서브픽셀을 가질 수 있다.

구조화된 광학 표면(600)이 디스플레이 표면(660)에 근접하게 배치된다. 광학 이미징 시스템(605)은 광학 요소(650)에 인접한 광학 렌즈들을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(650)는 디스플레이 표면(660)보다 광학 렌즈들에 더 가깝게 배치된다. 구조화된 광학 표면(600)은 서브픽셀들을 대응하는 이미지화된 간극에 의해 이격된 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면(662) 상에 이미지화한다. 서브픽셀(645a, 645b, 645c)들은 대응하는 이미지화된 서브픽셀(647a, 647b, 647c)들로서 각각 이미지화된다. 서브픽셀(645a, 645b)들 사이의 간극은 이미지화된 간극(648)으로서 이미지화되고, 서브픽셀(645b, 645c)들 사이의 간극은 이미지화된 간극(649)으로서 이미지화된다.

광학 이미징 시스템(605)은 서브픽셀들 및 간극들의 가상 또는 실제 이미지들을 제공하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시 형태에서, 이미지화된 서브픽셀들 및 이미지화된 간극은 가상 이미지들이다. 이미지 표면(662) 상에 가상 이미지를 형성하는 광(678)이 도 6a에 예시되어 있다. 도 6b는 구조화된 광학 표면(600)에 의해 회절된 광(680)을 예시하는, 광학 이미징 시스템(605)의 개략 단면도이다. 구조화된 광학 표면(600)은 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 서브픽셀들 사이의 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하도록 구성된다. 예를 들어, 광(680)은 이미지화된 서브픽셀(647a, 647b)들 사이의 이미지화된 간극(648) 내로 회절된다. 예시된 실시 형태에서, 광(680)은 이미지화된 간극(648)을 사실상 부분적으로 충전한다. 즉, 광(680)은 이미지화된 간극(648)으로부터 유래하는 것처럼 관찰자(699)에게 나타난다.

초점 표면(682)까지의 구조화된 광학 표면(600)의 초점 거리(f), 광학 이미징 시스템(605)의 물체 거리(object distance, OD), 및 광학 이미징 시스템(605)의 이미지 거리(image distance, ID)가 도 6b에 나타나 있다. 이들 거리는 1/f = 1/OD - 1/ID에 의해 관련된다. 일부 실시 형태에서, ID는 매우 커서(예컨대, 헤드 마운트 디스플레이(head-mounted display) 응용에서, 이미지 표면(662)이 명목상 무한대에 있는 것이 요구될 수 있음), f

OD이고 따라서 초점 표면(682)이 디스플레이 표면(660)에 근접하거나 그와 실질적으로 일치한다. 일부 실시 형태에서, 구조화된 광학 표면(600)은 직교하는 제1 및 제2 방향들(예컨대, x-방향 및 y-방향)로 광파워를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 광파워는 초점 표면(682)이 평탄하거나 실질적으로 평탄하도록 제1 및 제2 방향들에서 동일하거나 대략 동일하다.

예시된 실시 형태에서, 광학 요소(650)는 구조화된 광학 표면(600)을 포함한다. 광학 요소(650)는 구조화된 광학 표면(600)이 예시된 바와 같이 디스플레이 표면(660)을 향해 향하는 상태로 배치될 수 있거나, 광학 요소는 구조화된 광학 표면(600)이 디스플레이 표면(660)으로부터 멀어지게 향하는 상태로 배치될 수 있다. 광학 요소(650)는 예를 들어 광학 요소(350 또는 450)에 대해 기술된 바와 같을 수 있다. 광학 이미징 시스템(605)은 미국 특허 제9,557,568호(오우더커크(Ouderkirk) 등)에 기술된 바와 같은 접힌 광경로를 제공하도록 구성된 구성요소 및/또는 굴절 광학 요소(예컨대, 광학 렌즈)를 포함할 수 있는 추가적인 광학 요소를 추가로 포함할 수 있다.

이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 부분적으로 충전하는 회절된 광은, 회절되지만 임의의 이미지화된 서브픽셀에 초점이 맞춰지지 않는 광의 평균 강도가 이미지화된 서브픽셀에 초점이 맞춰진 광의 평균 강도의 25% 미만임을 의미한다. 평균 강도는 이미지화된 서브픽셀에 걸친 강도의 평균을 지칭하며, 이는 관찰자(699)의 관점에서 이미지화된 서브픽셀로부터 유래하는 것으로 보이는 광의 파워이다. 일부 실시 형태에서, 회절되지만 이미지화된 서브픽셀에 초점이 맞춰지지 않는 광의 평균 강도는 이미지화된 서브픽셀에 초점이 맞춰지는 광의 평균 강도의 20% 미만, 또는 15% 미만, 또는 10% 미만, 또는 5% 미만이다. 일부 실시 형태에서, 상이한 제2 서브픽셀에 대응하는 임의의 이미지화된 서브픽셀 상으로 회절되는 제1 서브픽셀로부터의 광의 평균 강도는 제2 서브픽셀에 대응하는 이미지화된 서브픽셀의 평균 강도의 25% 미만이다. 일부 실시 형태에서, 상이한 제2 서브픽셀에 대응하는 이미지화된 서브픽셀 상으로 회절되는 제1 서브픽셀로부터의 광의 평균 강도는 제2 서브픽셀에 대응하는 이미지화된 서브픽셀의 평균 강도의 20% 미만, 또는 15% 미만, 또는 10% 미만, 또는 5% 미만이다.

도 7a 내지 도 7e는 이미지화된 간극 내의 회절된 광의 패턴을 예시한다. 도 7a는 복수의 서브픽셀(1045a 내지 1045d)을 포함하는 픽셀(1045)의 개략 평면도이다. 일부 실시 형태에서, 예를 들어, 서브픽셀(1045a)은 적색 서브픽셀이고, 서브픽셀(1045b)은 청색 서브픽셀이고, 서브픽셀(1045c, 1045d)들은 녹색 서브픽셀들이다. 도 7b는 픽셀(1045)의 어레이의 개략 평면도이다. 도 7c는 구조화된 광학 표면에 의해 생성된 픽셀(1045)의 이미지화된 어레이(1062)의 개략 평면도이다. 이미지화된 서브픽셀(1067)이 표시되어 있다. 구조화된 표면은 서브픽셀에 의해 생성된 광의 일부분을 회절시켜, 이미지화된 서브픽셀(1067)을 이미지화된 서브픽셀들 사이의 간극들 내의 영역(1073)들 내로 생성한다. 영역(1073)들은 이미지화된 서브픽셀(1067)과 유사한 형상 및 크기를 가질 수 있거나, 영역(1073)들의 형상 및/또는 크기는 이미지화된 서브픽셀(1067)의 것과 상이할 수 있다. 상이한 영역(1073)들은 상이한 회절 차수들에 대응할 수 있다. 영역(1073)들의 패턴은 구조화된 광학 표면의 대칭을 반영할 수 있다. 예를 들어, 예시된 패턴은 4겹 대칭을 갖는 구조화된 광학 표면에 의해 생성될 수 있다. 다른 서브픽셀들은 도 7d에 개략적으로 예시된 바와 같이 다른 이미지화된 서브픽셀들 사이의 간극들 내로 회절되는 광을 제공할 것이다.

서브픽셀들 사이의 간극 내로 회절된 광은 서브픽셀과 어느 정도 중첩될 수 있고, 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 부분적으로 충전하는 것으로 여전히 간주될 수 있다. 이는 구조화된 광학 표면에 의해 생성된 픽셀(1045)의 이미지화된 어레이(1062e)의 개략 평면도인 도 7e에 개략적으로 예시되어 있다. 구조화된 표면은 서브픽셀에 의해 생성된 광의 일부분을 회절시켜, 이미지화된 서브픽셀(1067)을 이미지화된 서브픽셀들 사이의 간극들 내의 영역(1073e)들 내로 생성한다. 서브픽셀에 의해 생성된 광의 비교적 작은 부분이 이미지화된 서브픽셀(1067)을 인접한 서브픽셀들 내로 생성하고 있다. 다른 서브픽셀들은 다른 이미지화된 서브픽셀들 사이의 간극들 내로 회절되는 광을 제공할 것이다(예컨대, 도 7d 참조).

본 명세서에 기술된 구조화된 광학 표면들 중 임의의 것은 가상 현실 또는 증강 현실 디스플레이와 같은 헤드 마운트 디스플레이에 사용될 수 있는 광학 이미징 시스템에 사용될 수 있다. 도 18은 헤드셋(1800)의 개략 평면도이고, 헤드셋은 디스플레이 부분(1805), 및 사용자의 머리 상에 헤드셋(1800)을 장착하기 위한 프레임 부분(1889)을 포함한다. 디스플레이 부분(1805)은 본 명세서의 다른 곳에 기술된 구조화된 광학 표면 또는 광학 이미징 시스템 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 하나 또는 둘(예컨대, 각각의 눈에 대해 하나씩)의 구조화된 광학 표면 및/또는 광학 이미징 시스템이 디스플레이 부분(1805)에 포함될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 헤드셋(1800)은 가상 현실 헤드셋, 또는 증강 현실 헤드셋, 또는 혼합형 현실 헤드셋, 또는 가상 현실 모드, 증강 현실 모드, 및 혼합형 현실 모드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 모드를 포함하는 상이한 모드들 사이에서 절환가능한 헤드셋이다. 유용한 헤드셋 설계는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2016/0025978호(말린슨(Mallinson)), 제2016/0349509호(라니어(Lanier) 등), 제2016/0353098호(스타인(Stein)), 및 제2017/0242262호(푸크스(Fuchs))에 기술되어 있다.

하기는 본 설명의 예시적인 실시 형태들의 목록이다.

실시 형태 1은 구조화된 광학 표면으로서, 구조화된 광학 표면은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는 복수의 3차원 구조체들을 포함하여, 간극만큼 이격된 적어도 2개의 서브픽셀들을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 갖는 픽셀화된 디스플레이 표면을 포함하는 광학 이미징 시스템 내에 구조화된 광학 표면이 통합될 때, 구조화된 광학 표면은 적어도 2개의 서브픽셀들을 대응하는 이미지화된 간극에 의해 이격된 적어도 2개의 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면 상에 이미지화하며, 구조화된 광학 표면은 광을 회절시켜 회절된 광이 적어도 2개의 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하게 하는, 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 2는 제1 프레넬 패턴이 제1 중심을 갖고, 제2 프레넬 패턴이 제1 중심으로부터 약 1 밀리미터 내지 약 20 밀리미터의 범위 내의 거리만큼 이격된 제2 중심을 갖는, 실시 형태 1의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 3은 복수의 3차원 구조체들 내의 적어도 하나의 3차원 구조체가 약 10 밀리미터 내지 약 100 밀리미터 범위의 최대 측방향 치수를 갖는, 실시 형태 1의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 4는 약 10 밀리미터 내지 약 100 밀리미터 범위 내의 초점 거리를 갖는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 5는 복수의 3차원 구조체들이 2개 내지 16개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 4 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 6은 n겹 대칭을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16인, 실시 형태 1 내지 실시 형태 6 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 7은 n ≥ 3인, 실시 형태 6의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 8은 n ≥ 4인, 실시 형태 6의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 9는 n ≤ 14인, 실시 형태 6의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 10은 n ≤ 12인, 실시 형태 6의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 11은 이미지화된 서브픽셀들 및 이미지화된 간극이 가상 이미지들인, 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 12는 직교하는 제1 및 제2 방향들을 따라 광파워를 갖는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 11 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 13은 구조화된 광학 표면의 초점 거리에 위치된 초점 표면을 포함하고, 디스플레이 표면이 초점 표면에 근접하게 배치되는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 12 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 14는 실시 형태 1 내지 실시 형태 13 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면 및 반대편의 주 표면을 포함하는 광학 요소이다.

실시 형태 15는 반대편의 주 표면이 실질적으로 평탄한, 실시 형태 14의 광학 요소이다.

실시 형태 16은 반대편의 주 표면이 만곡된, 실시 형태 14의 광학 요소이다.

실시 형태 17은 반대편의 주 표면이 하나 이상의 프레넬 패턴들을 포함하는, 실시 형태 14의 광학 요소이다.

실시 형태 18은 수지 또는 광학적으로 투명한 접착제 내에 침지되는 실시 형태 14 내지 실시 형태 17 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 요소이다.

실시 형태 19는 n겹 대칭을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16이며, 복수의 3차원 구조체들이 m개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되고, m ≥ n인, 실시 형태 1 내지 실시 형태 18 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 20은 m이 n보다 큰, 실시 형태 19의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 21은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들 내의 각각의 프레넬 패턴이 동일한 프레넬 패턴인, 실시 형태 1 내지 실시 형태 18 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 요소이다.

실시 형태 22는 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들 내의 적어도 하나의 프레넬 패턴이 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들 내의 적어도 하나의 다른 프레넬 패턴과 상이한, 실시 형태 1 내지 실시 형태 18 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 요소이다.

실시 형태 23은 광학 이미징 시스템으로서,

복수의 간극들에 의해 분리된 복수의 서브픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고 이미지를 표시하기 위한 픽셀화된 디스플레이 표면; 및

픽셀화된 디스플레이 표면에 근접하게 배치된 실시 형태 1 내지 실시 형태 22 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면

을 포함하는, 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 24는 구조화된 광학 표면으로서, 구조화된 광학 표면은 복수의 구조체들을 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광의 제1 부분을 대응하는 복수의 상이한 방향들로 전파되는 복수의 회절 차수들로 실질적으로 회절시키고, 입사광의 상이한 제2 부분을 실질적으로 굴절시켜 실질적으로 굴절된 광이 구조화된 광학 표면과 경사각을 이루게 하는, 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 25는 구조화된 광학 표면으로서, 구조화된 광학 표면은 복수의 구조체들을 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광을 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술되지 않는 복수의 방향들을 따라 전파되는 제1 부분 및 기하학적 광학계를 사용하여 충분히 기술되는 방향들로 전파되는 제2 부분을 갖는 투과된 광으로서 투과시키며, 제2 부분의 방향들은 구조화된 광학 표면과 경사각들을 이루는, 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 26은 복수의 구조체들이 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 실시 형태 24 또는 실시 형태 25의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 27은 복수의 구조체들이 2개 내지 16개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 실시 형태 26의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 28은 n겹 대칭을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16인, 실시 형태 24 내지 실시 형태 27의 구조화된 광학 표면이다.

실시 형태 29는 광학 이미징 시스템으로서,

픽셀화된 디스플레이 표면에 근접하게 배치된 실시 형태 24 내지 실시 형태 28 중 어느 한 실시 형태의 구조화된 광학 표면

을 포함하는, 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 30은 광학 이미징 시스템으로서,

복수의 서브픽셀들 및 간극들을 복수의 이미지화된 간극들에 의해 분리된 복수의 이미지화된 서브픽셀들로서 광학 이미징 시스템의 이미지 표면 상에 이미지화하고, 디스플레이 표면으로부터의 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 복수의 이미지화된 간극들을 적어도 부분적으로 충전하게 하는 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면

을 포함하는, 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 31은 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면이 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성된 복수의 3차원 구조체들을 포함하는, 실시 형태 30의 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 32는 복수의 3차원 구조체들이 2개 내지 16개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 실시 형태 31의 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 33은 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면이 n겹 대칭을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16인, 실시 형태 30 내지 실시 형태 32 중 어느 한 실시 형태의 광학 이미징 시스템이다.

실시 형태 34는 실시 형태 23 또는 실시 형태 29 내지 실시 형태 33 중 어느 한 실시 형태의 광학 이미징 시스템을 포함하는 헤드셋이다.

실시 형태 35는 가상 현실 헤드셋, 증강 현실 헤드셋, 또는 혼합형 현실 헤드셋 중 적어도 하나인, 실시 형태 34의 헤드셋이다.

실시예

픽셀화된 디스플레이 패널 및 50 mm 직경과 40 mm 초점 거리를 갖는 이미징 렌즈를 포함하고, 구조화된 광학 표면이 광학 렌즈에 인접하게 배치되고 디스플레이 패널을 향하는 광학 이미징 시스템을 스칼라(scalar) 회절을 사용하여 모델링하였다. 구조화된 광학 표면은 2 내지 16개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된 복수의 3차원 구조체를 포함하였다. 구조화된 광학 표면이 없는 이미징 렌즈에 대한 광학 전달 함수(OTF) 및 점 확산 함수(PSF)가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다.

2개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성되고 2겹 대칭을 갖는 3차원 구조체들을 포함하는 구조화된 광학 표면의 평면도가 도 10에 예시되어 있다. 이미징 렌즈를 갖는 광학 이미징 시스템 내의 이러한 구조화된 광학 표면에 대한 x-방향을 따른 단면에서의 OTF 및 PSF가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. PSF는 2개의 피크를 나타냈으며, 이들 둘 모두는 도 12의 단면에서 보인다.

8개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성되고 8겹 대칭을 갖는 3차원 구조체들을 포함하는 구조화된 광학 표면의 평면도가 도 13에 예시되어 있다. 이미징 렌즈를 갖는 광학 이미징 시스템 내의 이러한 구조화된 광학 표면에 대한 x-방향을 따른 단면에서의 OTF 및 PSF가 도 14 및 도 15에 도시되어 있다. PSF는 대략 원 둘레에 배열된 8개의 피크를 나타냈다. 이들 피크 중 2개가 도 15의 단면에서 보인다.

16개의 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성되고 16겹 대칭을 갖는 3차원 구조체들을 포함하는 구조화된 광학 표면을 포함하는 광학 이미징 시스템을 모델링하였다. 이미징 렌즈를 갖는 광학 이미징 시스템 내의 이러한 구조화된 광학 표면에 대한 x-방향을 따른 단면에서의 OTF 및 PSF가 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. PSF는 대략 원 둘레에 배열된 16개의 피크를 나타냈다. 이들 피크 중 2개가 도 17의 단면에서 보인다.

2, 4, 8 및 16개의 교차하는 프레넬 패턴의 교차에 의해 형성된 3차원 구조체들을 갖는 구조화된 광학 표면에 대해 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같이 스크린-도어 효과 지수를 결정하였다. 결과가 표 1에 보고되어 있다.

[표 1]

"약"과 같은 용어는 그것이 본 설명에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에 의해 이해될 것이다. 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 양에 적용되는 바와 같은 "약"의 사용은, 그것이 본 명세서에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에게 달리 명백하지 않다면, "약"은 명시된 값의 10% 이내를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 명시된 값이 약으로서 주어진 양은 정확하게 그 명시된 값일 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되고 기술된 맥락에서 당업자에게 달리 명백하지 않다면, 약 1의 값을 갖는 양은 그 양이 0.9 내지 1.1의 값을 갖고, 그 값이 1일 수 있음을 의미한다.

전술한 내용에 언급된 모든 참고 문헌, 특허 및 특허 출원은 본 명세서에 전체적으로 일관된 방식으로 참고로 포함된다. 본 출원과 포함되는 참고 문헌의 부분들 사이에 불일치 또는 모순이 있는 경우, 전술한 설명에서의 정보가 우선할 것이다.

도면의 요소들에 대한 설명은, 달리 지시되지 않는 한, 다른 도면의 상응하는 요소들에 동등하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 특정 실시 형태가 본 명세서에 예시 및 기술되었지만, 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예가 도시되고 기술된 특정 실시 형태를 대신할 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 개조 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 오직 청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims

구조화된 광학 표면(structured optical surface)으로서,
구조화된 광학 표면은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴(Fresnel pattern)들의 교차에 의해 형성되는 복수의 3차원 구조체들을 포함하여, 간극만큼 이격된 적어도 2개의 서브픽셀들을 포함하는 적어도 하나의 픽셀을 갖는 픽셀화된 디스플레이(pixelated display) 표면을 포함하는 광학 이미징(imaging) 시스템 내에 구조화된 광학 표면이 통합될 때, 구조화된 광학 표면은 적어도 2개의 서브픽셀들을 대응하는 이미지화된(imaged) 간극에 의해 이격된 적어도 2개의 대응하는 이미지화된 서브픽셀들로서 이미지 표면 상에 이미지화하며, 구조화된 광학 표면은 광을 회절시켜 회절된 광이 적어도 2개의 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 이미지화된 간극을 적어도 부분적으로 충전하게 하는, 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, 제1 프레넬 패턴은 제1 중심을 갖고, 제2 프레넬 패턴은 제1 중심으로부터 약 1 밀리미터 내지 약 20 밀리미터의 범위 내의 거리만큼 이격된 제2 중심을 갖는, 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, 약 10 밀리미터 내지 약 100 밀리미터 범위 내의 초점 거리(focal length)를 갖는 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, 복수의 3차원 구조체들은 2개 내지 16개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, 이미지화된 서브픽셀들 및 이미지화된 간극은 가상 이미지들인, 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, 구조화된 광학 표면의 초점 거리에 위치된 초점 표면을 포함하고, 디스플레이 표면은 초점 표면에 근접하게 배치되는, 구조화된 광학 표면.
제1항에 있어서, n겹 대칭(n-fold symmetry)을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16이며, 복수의 3차원 구조체들은 m개의 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되고, m ≥ n인, 구조화된 광학 표면.
제7항에 있어서, m은 n보다 큰, 구조화된 광학 표면.
구조화된 광학 표면으로서,
구조화된 광학 표면은 복수의 구조체들을 포함하여, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장을 갖는 수직 입사광에 대해, 구조화된 광학 표면은 입사광의 제1 부분을 대응하는 복수의 상이한 방향들로 전파되는 복수의 회절 차수들로 실질적으로 회절시키고, 입사광의 상이한 제2 부분을 실질적으로 굴절시켜 실질적으로 굴절된 광이 구조화된 광학 표면과 경사각을 이루게 하는, 구조화된 광학 표면.
제9항에 있어서, 복수의 구조체들은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성되는, 구조화된 광학 표면.
광학 이미징 시스템으로서,
복수의 간극들에 의해 분리된 복수의 서브픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고 이미지를 표시하기 위한 픽셀화된 디스플레이 표면; 및
픽셀화된 디스플레이 표면에 근접하게 배치된 제1항 내지 제10항의 구조화된 광학 표면
을 포함하는, 광학 이미징 시스템.
광학 이미징 시스템으로서,
복수의 간극들에 의해 분리된 복수의 서브픽셀들을 포함하는 복수의 픽셀들을 포함하고 이미지를 표시하기 위한 픽셀화된 디스플레이 표면; 및
복수의 서브픽셀들 및 간극들을 복수의 이미지화된 간극들에 의해 분리된 복수의 이미지화된 서브픽셀들로서 광학 이미징 시스템의 이미지 표면 상에 이미지화하고, 디스플레이 표면으로부터의 광을 회절시켜 회절된 광이 이미지화된 서브픽셀들 중 임의의 것과 실질적으로 중첩됨이 없이 복수의 이미지화된 간극들을 적어도 부분적으로 충전하게 하는 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면
을 포함하는, 광학 이미징 시스템.
제12항에 있어서, 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면은 적어도 제1 및 제2 프레넬 패턴들의 교차에 의해 형성된 복수의 3차원 구조체들을 포함하는, 광학 이미징 시스템.
제12항에 있어서, 하이브리드 굴절 및 회절 광학 표면은 n겹 대칭을 갖고, 2 ≤ n ≤ 16인, 광학 이미징 시스템.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 광학 이미징 시스템을 포함하는 헤드셋.