KR20200103066A - 무기 재료들을 포함하는 중합체 구조들에 기반한 광학 엘리먼트들 - Google Patents
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Abstract
본 개시내용은 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증강 현실 디스플레이 시스템들에 관한 것이다. 일 양상에서, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법은, 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 추가로, 기판 상에 주기적으로 반복되는 중합체 구조들를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계를 더 포함한다. 기판을 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성된다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
Description
[0001]
본 출원은 "OPTICAL ELEMENTS BASED ON POLYMERIC STRUCTURES INCORPORATING INORGANIC MATERIALS"라는 명칭으로 2018년 1월 4일에 출원된 미국 가특허출원 제62/613,651호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이 미국 가특허출원의 내용은 이로써 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002]
본 출원은 다음의 특허 출원들 각각의 전체 내용을 인용에 의해 포함한다: 2014년 11월 27일에 미국 출원 제14/555,585호로 출원되어 2015년 7월 23일에 공개된 미국 공개 제2015/0205126호; 2015년 4월 18일에 미국 출원 제14/690,401호로 출원되어 2015년 10월 22일에 공개된 미국 공개 제2015/0302652호; 2014년 3월 14일에 미국 출원 제14/212,961호로 출원되어 2016년 8월 16에 등록된 현재 미국 특허 제9,417,452호; 및 2014년 7월 14일에 미국 출원 제14/331,218호로 출원되어 2015년 10월 29일에 공개된 미국 공개 제2015/0309263호.
[0003]
본 개시내용은 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 더 상세하게는, 증강 현실 디스플레이 시스템들에 관한 것이다.
[0004]
현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 가능하게 했으며, 여기서 디지털 방식으로 재생된 이미지들 또는 그 이미지들의 부분들은, 이들이 실제인 것으로 보이거나 실제인 것으로 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제공된다. 가상 현실 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각 입력에 대한 투명도(transparency) 없이 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위의 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실 또는 "MR" 시나리오는 AR 시나리오의 타입이고, 자연계(natural world)에 통합되고 그에 응답하는 가상 오브젝트들을 통상적으로 수반한다. 예컨대, MR 시나리오는, 실세계의 오브젝트들에 의해 차단되는 것으로 나타나거나 아니면 실세계의 오브젝트들과 상호 작용하는 것으로 지각되는 AR 이미지 콘텐츠를 포함할 수 있다.
[0005]
도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(1)이 묘사된다. AR 기술의 사용자는 배경 내의 사람들, 나무들, 빌딩들 및 콘크리트 플랫폼(30)을 특징으로 하는 실세계 공원형 세팅(20)를 본다. 사용자는 또한, 자신이 "가상 콘텐츠", 이를테면 실세계 플랫폼(1120) 위에 서 있는 로봇 동상(40), 및 호박벌의 의인화인 것처럼 보이는 날고 있는 만화형 아바타 캐릭터(50)를 "보는 것"으로 지각한다. 이러한 엘리먼트들(50, 40)은 이들이 실세계에는 존재하지 않는다는 점에서 "가상"이다. 인간의 시각적 지각 시스템은 복잡하기 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리(imagery) 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고 자연스러운 느낌의 풍부한 프리젠테이션을 가능하게 하는 AR 기술을 생성하는 것은 난제시된다.
[0006]
본원에서 개시된 시스템들 및 방법들은 AR 및 VR 기술에 관련된 다양한 난제들을 처리한다.
[0007]
제1 양상에서, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법은 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 기판 상에 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계를 추가적으로 포함한다. 방법은 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계를 더 포함한다. 기판을 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록(incorporated) 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성된다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
[0008]
제2 양상에서, 광학 엘리먼트는, 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 포함한다. 광학 엘리먼트는, 기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 추가로 포함한다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다.
[0009]
제3 양상에서, 광학 시스템은 광학 엘리먼트를 포함한다. 광학 엘리먼트는, 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 포함한다. 광학 엘리먼트는, 기판 상에 형성되고 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 추가적으로 포함한다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다. 주기적으로 반복되는 광학 구조들은 메타표면(metasurface)으로서 배열된 나노빔(nanobeam)들을 포함한다. 메타표면은 복수의 반복 유닛 셀들을 포함하며, 여기서 각각의 유닛 셀은 하나 이상의 제1 나노빔들에 의해 형성된 제1 세트의 나노빔들, 및 하나 이상의 제1 나노빔들에 인접하게 배치되고 서브-파장 간격에 의해 서로 분리되는, 하나 이상의 제2 나노빔들에 의해 형성된 제2 세트의 나노빔들을 포함한다. 하나 이상의 제1 나노빔들 및 복수의 제2 나노빔들은 상이한 배향 방향들로 길게 늘어진다.
[0010]
제4 양상에서, 광학 시스템은 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함한다. 광학 시스템은 제1 굴절률을 갖는 기판을 포함하고, 기판은 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 광이 그 기판 내부로 가이드될 수 있도록 가시 스펙트럼에서 투명하다. 광학 시스템은, 기판 상에 형성되며 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 추가적으로 포함한다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다. 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 광을 입사광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 그리고 회절된 광이 내부 전반사 하에서 기판에서 전파되게 하도록 배열되거나, 또는 내부 전반사 하에서 기판 내에 가이드된 광을, 기판 내에 가이드된 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 배열된다.
[0011]
제5 양상에서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는 증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해서 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임을 포함한다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 프레임 상에 배치된 디스플레이를 추가적으로 포함하고, 여기서 디스플레이의 적어도 일부는 하나 이상의 도파관들을 포함한다. 하나 이상의 도파관들은 투명하고, 사용자가 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때 사용자의 눈 앞 위치에 배치되어, 투명 부분이 사용자 앞의 환경의 일부로부터 사용자의 눈으로 광을 투과시켜 사용자 앞의 환경의 일부에 대한 뷰를 제공한다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 하나 이상의 광원들, 및 그 광원들로부터의 광을 하나 이상의 도파관들에 커플링시키도록 또는 하나 이상의 도파관들로부터 광을 아웃 커플링시키도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자를 추가적으로 포함한다. 적어도 하나의 회절 격자는, 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 포함한다. 적어도 하나의 회절 격자는, 기판 상에 형성되며 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 추가적으로 포함한다. 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다.
[0012]
제6 양상에서, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법은 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계, 기판 상에, 제1 굴절률을 갖는 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계, 및 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다. 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 굴절률을 증가시켜 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성된다.
[0013]
제7 양상에서, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법은, 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 기판 상에는 주기적으로 반복되는 중합체 구조들이 형성된다. 방법은 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계를 추가적으로 포함한다. 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되고, 여기서 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
[0014]
도 1은 AR(augmented reality) 디바이스를 통한 AR의 사용자의 뷰를 예시한다.
[0015] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0016] 도 3은 사용자를 위한 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0017] 도 4는 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0018] 도 5a-5c는 곡률 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0019] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택(waveguide stack)의 예를 예시한다.
[0020] 도 7은 도파관에 의해 출력되는 출사 빔(exit beam)들의 예를 예시한다.
[0021] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0022] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 한 세트의 스택된 도파관들의 예의 측단면도를 예시한다.
[0023] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0024] 도 9c는 도 9a 및 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 평면도(top-down plan view)를 예시한다.
[0025] 도 10은 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트의 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0026] 도 11은 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제조하는 방법을 개략적으로 예시한다.
[0027] 도 12a-12c는 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 포토리소그래픽 프로세스를 사용하여 제공하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0028] 도 13a-13c는 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 나노임프린팅 프로세스를 사용하여 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0029] 도 14a-14b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0030] 도 15a-15b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0031] 도 16a-16b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0032] 도 17a-17h는 복수의 파장판 엘리먼트들을 포함하는 광학 엘리먼트를 예시하고, 여기서 각각의 파장판 엘리먼트는, 0, π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4, 3π/2 및 7π/4의 각도 θ만큼의 파장판(waveplate) 엘리먼트들의 빠른 축들(fast axes)에서의 회전에 각각 대응하는 입사 광의 편광 벡터들의 변화들에 대하여, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들의 패턴을 포함한다.
[0033] 도 18a는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체-기반 광학 구조들로 형성되는 2-위상 레벨 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 회절 격자의 측단면도를 예시한다.
[0034] 도 18b는 도 18a의 회절 격자의 평면도(top-down view)를 예시한다.
[0035] 도 19는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체-기반 광학 구조들로 형성되는 4-위상 레벨 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 회절 격자의 평면도를 예시한다.
[0015] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0016] 도 3은 사용자를 위한 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0017] 도 4는 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0018] 도 5a-5c는 곡률 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0019] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택(waveguide stack)의 예를 예시한다.
[0020] 도 7은 도파관에 의해 출력되는 출사 빔(exit beam)들의 예를 예시한다.
[0021] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0022] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 한 세트의 스택된 도파관들의 예의 측단면도를 예시한다.
[0023] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0024] 도 9c는 도 9a 및 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 평면도(top-down plan view)를 예시한다.
[0025] 도 10은 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트의 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0026] 도 11은 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제조하는 방법을 개략적으로 예시한다.
[0027] 도 12a-12c는 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 포토리소그래픽 프로세스를 사용하여 제공하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0028] 도 13a-13c는 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 나노임프린팅 프로세스를 사용하여 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0029] 도 14a-14b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0030] 도 15a-15b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0031] 도 16a-16b는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트를 제작하는 다양한 스테이지들에서 중간 구조들의 단면도들이다.
[0032] 도 17a-17h는 복수의 파장판 엘리먼트들을 포함하는 광학 엘리먼트를 예시하고, 여기서 각각의 파장판 엘리먼트는, 0, π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4, 3π/2 및 7π/4의 각도 θ만큼의 파장판(waveplate) 엘리먼트들의 빠른 축들(fast axes)에서의 회전에 각각 대응하는 입사 광의 편광 벡터들의 변화들에 대하여, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들의 패턴을 포함한다.
[0033] 도 18a는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체-기반 광학 구조들로 형성되는 2-위상 레벨 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 회절 격자의 측단면도를 예시한다.
[0034] 도 18b는 도 18a의 회절 격자의 평면도(top-down view)를 예시한다.
[0035] 도 19는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체-기반 광학 구조들로 형성되는 4-위상 레벨 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 회절 격자의 평면도를 예시한다.
[0036]
광학 시스템들, 이를테면 디스플레이 시스템들은 광의 전파를 제어하기 위해서 광학 엘리먼트들을 종종 활용한다. 일부 애플리케이션들에서는, 컴팩트한 광학 시스템들에 대한 요구로 인해, 감소된 디멘션들(예컨대, 얇은 구조들)을 갖는 광학 엘리먼트들이 유용할 수 있다. 그러한 광학 엘리먼트들은, 예컨대, 회절 광학 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[0037]
예시적인 회절 광학 엘리먼트는 광을 광 가이드, 예컨대, 도파관 내로 커플링하기 위한 회절 격자이다. 예컨대, 법선 입사로 광 가이드에 입사하는 광을 회절된 광이 내부 전반사에 의해 광 가이드 내로 가이드되도록 하는 각도로 광 가이드 내로 커플링하도록 구성된 회절 격자가, 예컨대, 광 가이드 상에 또는 광 가이드 내에 배치될 수 있다. 회절 광학 엘리먼트, 이를테면 회절 격자는 내부 전반사에 의해서 광 가이드 내로 안내된 광을 광 가이드로부터 아웃 커플링하기 위해서 광 가이드 내에 또는 광 가이드 상에 포함될 수 있다. 회절 광학 엘리먼트는 내부 전반사에 의해서 광 가이드 내로 전파되는 광 빔을 조작하기 위해, 예컨대 광 빔을 재지향시키고 그리고/또는 수정하기 위해, 또한 사용될 수 있다. 광 가이드들 내에서 광의 증가된 구속을 또한 제공하고 그리고/또는 회절 효율성을 증가시키는 그러한 회절 광학 엘리먼트들을 제조하기 위한 본원에서 설명된 바와 같은 방법들이 유용할 수 있다.
[0038]
그러한 회절 광학 엘리먼트들은, 기판 상에 형성되고 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 포함할 수 있고, 여기서 광학 구조들은 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다. 회절 광학 엘리먼트들은 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료로 형성된다. 일부 경우들에서 중합체 재료는 최종 광학 구조들로서 유지하는 포토레지스트를 서빙할 수 있고, 제조 복잡도를 상당히 감소시킬 수 있다. 무기 재료를 광학 구조들에 혼입시키는 것은 잠재적으로, 광학 특성들, 예컨대, 굴절률, 및 기계적 특성들, 예컨대, 강도의 다양한 튜닝을 허용한다. 무기 재료는 원자 층 증착을 사용하여 혼입될 수 있고, 이는 광학 구조들로의 혼입의 양 및 깊이의 정확한 제어를 가능하게 할 수 있다.
[0039]
컴팩트한 광학 엘리먼트들을 제공하기 위한 다른 접근법은 박막-기반 나노구조들로 형성된 메타표면들에 기반하여 박막들, 예컨대, 회절 격자들을 사용하는 것을 포함한다. 메타표면들, 또는 메타물질 표면들은 기하학적 광학기와 비교하여, 훨씬 더 작은 스케일들로 사실상 수차없는 평탄한 광학기를 실현하는 기회들을 제공한다. 이론에 제한되지 않고, 일부 실시예들에서, 메타표면들은 공진 광학 안테나들로서 기능하는 표면 구조들의 조밀한 어레인지먼트를 포함한다. 광-표면 구조 상호작용의 공진 특성은 광학 파면들을 조작하는 능력을 제공한다. 일부 경우들에서, 메타표면들은 부피가 크거나 제조하기 어려운 광학 컴포넌트들을 간단한 패터닝 프로세스들에 의해 형성되는 얇고 비교적 평면형인 엘리먼트들로 대체하는 것을 허용할 수 있다. 그러나, 박막-기반 광학 엘리먼트들의 제조는 리소그래피방식으로 또는 나노임프린팅에 의해 금속들 또는 고-인덱스 유전체 재료들을 패터닝하는 것을 포함할 수 있고, 리소그래픽 방식 및 나노임프린팅 방식 둘 모두는 작은 디멘션들 및/또는 복잡한 형상들을 갖는 구조들을 구현하는데 비용이 많이 들고 그리고/또는 어려울 수 있다.
[0040]
유리하게, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체-기반 광학 구조들은 회절 격자들을 포함한 다양한 광학 엘리먼트들을 형성하기 위한 메타표면들로서 구성될 수 있다. 메타표면들은 복수의 반복 유닛 셀들에 의해 형성되는 격자의 형태를 취할 수 있다. 각각의 유닛 셀은 교차 방향들로 길게 늘어나는 두 세트들 또는 그 이상의 나노빔들을 포함할 수 있다: 하나 이상의 제1 나노빔들은 제1 방향으로 길게 늘어나고 그리고 복수의 제2 나노빔들은 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 길게 늘어진다.
[0041]
일부 회절 광학 엘리먼트들, 예컨대, 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 메타표면들을 포함하는 회절 광학 엘리먼트들이 컴팩트한 광학 엘리먼트들을 제공하기 위해 웨어러블 디스플레이 시스템에서 활용될 수 있다. 증강 현실 시스템들은 가상 콘텐츠를 사용자 또는 뷰어에게 디스플레이하는 동시에 사용자가 그 주위의 세계를 보게 또한 허용할 수 있다. 이런 콘텐츠는 뷰어의 머리에 장착될 수 있는 머리-장착 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다. 머리-장착 디스플레이는, 예컨대, 안경류의 일부일 수 있고, 이미지 정보를 사용자의 눈들에 투사할 수 있다. 추가로, 디스플레이는 또한 주변 환경으로부터의 광을 사용자의 눈들로 투과시켜, 그 주변 환경의 뷰를 허용할 수 있다.
[0042]
이제 도면들이 참조될 것인데, 도면들 전반에 걸쳐 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 지칭한다.
예시적인 디스플레이 시스템들
[0043]
도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(60)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(60)은 디스플레이(70), 및 그 디스플레이(70)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계적 및 전자 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(70)는 프레임(80)에 커플링될 수 있고, 그 프레임(80)은 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(90)에 의해 착용가능하고 사용자(90)의 눈들의 앞에 디스플레이(70)를 포지셔닝하도록 구성된다. 디스플레이(70)는 일부 실시예들에서 안경류로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(100)가 프레임(80)에 커플링되고, 사용자(90)의 외이도에 인접하게 포지셔닝되도록 구성된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 선택적으로, 입체/형상화가능한 사운드 제어를 제공하기 위해 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝될 수 있다). 디스플레이 시스템은 또한 사운드를 검출하기 위해 하나 이상의 마이크로폰들(110) 또는 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰은 사용자가 시스템(60)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성, 메뉴 커맨드들, 자연어 질문들 등의 선택)을 제공하게 허용하도록 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰은 오디오 데이터(예컨대, 사용자 및/또는 환경으로부터의 사운드들)를 수집하기 위해 주변 센서로서 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한 주변 센서(120a)를 포함할 수 있고, 주변 센서(120a)는 프레임(80)으로부터 분리되고 사용자(90)의 신체(예컨대, 사용자(90)의 머리, 몸통, 손발 등)에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주변 센서(120a)는 사용자(90)의 생리학적 상태를 특징화하는 데이터를 획득하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 센서(120a)는 전극일 수 있다.
[0044]
도 2를 계속해서 참조하면, 디스플레이(70)는 통신 링크(130)에 의해서, 이를테면 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해서, 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)에 동작가능하게 커플링되고, 그 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)은 다양한 구성들로 장착될 수 있는데, 이를테면 프레임(80)에 고정적으로 부착될 수 있거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착될 수 있거나, 헤드폰들에 삽입될 수 있거나, (예컨대, 백팩-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 사용자(90)에 다른 방식으로 제거가능하게 부착될 수 있다. 유사하게, 센서(120a)는 통신 링크(120b), 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해서 로컬 프로세서 및 데이터 모듈(140)에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 하드웨어 프로세서뿐만 아니라, 디지털 메모리, 이를테면 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이들 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱, 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) (예컨대, 프레임(80)에 동작 가능하게 커플링되거나 아니면 사용자(90)에게 부착될 수 있는) 센서들, 이를테면 (카메라들과 같은) 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본 명세서에 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 그리고/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(150) 및/또는 (가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함하는) 원격 데이터 저장소(160)를 사용하여 획득 및/또는 프로세싱되는 (가능하게는 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후에 디스플레이(70)로의 전달을 위해) 데이터를 포함한다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 통신 링크들(170, 180)에 의해, 이를테면 유선 또는 무선 통신 링크들을 통해, 원격 프로세싱 모듈(150) 및 원격 데이터 저장소(160)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어, 이러한 원격 모듈들(150, 160)은 서로 동작 가능하게 커플링되고, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에 대한 자원들로서 이용가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이러한 센서들 중 하나 이상은 프레임(80)에 부착될 수 있거나, 유선 또는 무선 통신 경로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)과 통신하는 독립형 구조들일 수 있다.
[0045]
도 2를 계속해서 참조하면, 일부 실시예들에서, 원격 프로세싱 모듈(150)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석하고 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 저장소(160)는 "클라우드" 자원 구성으로 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통해 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 저장소(160)는 정보, 예컨대 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(150)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 모든 데이터가 저장되고 모든 컴퓨테이션(computation)들이 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0046]
이제 도 3을 계속해서 참조하면, "3-차원" 또는 "3-D"인 것으로 이미지의 지각은 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 뷰어의 각각의 눈에 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자를 위한 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 각각의 눈(210, 220)에 대해 하나씩 2개의 별개의 이미지들(190, 200)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(190, 200)은 뷰어의 시선에 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(230)만큼 눈들(210, 220)로부터 이격된다. 이미지들(190, 200)은 평탄하고, 눈들(210, 220)은 단일 원근조절 상태를 가정함으로써 이미지들에 포커싱할 수 있다. 그런 3-D 디스플레이 시스템들은 이미지들(190, 200)을 조합하여 조합된 이미지에 대한 깊이 및/또는 스케일의 지각을 제공하기 위해서 인간 시각 시스템에 의존한다.
[0047]
그러나, 인간 시각 시스템은 더욱 복잡하고, 현실적인 깊이 지각을 제공하는 것은 더욱 난제시된다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 종래의 "3-D" 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 그러한 시스템들이 불편하다는 것을 알거나, 감지 깊이를 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 제한되지 않고, 오브젝트의 뷰어들은 이접운동과 원근조절의 조합으로 인해 오브젝트를 "3-차원"인 것으로 지각할 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 2개의 눈들의 이접운동 움직임들(즉, 오브젝트를 응시하도록 눈들의 시선들을 수렴시키기 위해 동공들이 서로를 향해 또는 서로로부터 멀어지게 이동하도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 동공들 및 렌즈들의 포커싱(또는 "원근조절")과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들 하에서, 상이한 거리에 있는 하나의 오브젝트로부터 다른 오브젝트로 초점을 변경하기 위해 눈들의 렌즈들의 형상들을 변경하는 것이나 또는 눈들을 원근조절하는 것은 "원근조절-이접운동 반사작용(accommodation-vergence reflex)"으로 알려진 관계 하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동의 매칭 변화뿐만 아니라 동공 확장 또는 수축을 자동으로 야기할 것이다. 마찬가지로, 이접운동의 변화는 정상 조건들 하에서 렌즈 형상의 원근조절 및 동공 사이즈의 매칭 변화를 트리거할 것이다. 위에서 언급한 바와 같이, 많은 입체 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들이 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 그로 인해 약간 상이한 이미지들)을 사용하는 장면을 각각의 눈에 디스플레이함으로써, 3-차원 원근감이 인간 시각 시스템에 의해 지각된다. 그러나, 이러한 시스템들이 무엇보다도 단순히 장면의 상이한 프리젠테이션들을 제공하고(그러나, 눈들은 단일 원근조절 상태들에서의 모든 이미지 정보를 보고 있음) "원근조절-이접운동 반사작용"에 대해 작동하기 때문에, 이러한 시스템들은 많은 뷰어들에게 불편하다. 원근조절과 이접운동 간의 더 나은 매치를 제공하는 디스플레이 시스템들은 3-차원 이미저리의 보다 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0048]
도 4는 다수의 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, z-축 상에서 눈들(210, 220)로부터 다양한 거리들에 있는 오브젝트들이 눈들(210, 220)에 의해 원근조절됨으로써, 이들 오브젝트들은 포커스가 맞춰진다. 눈들(210, 220)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 오브젝트들에 포커싱하도록 특정 원근조절된 상태들을 취한다. 결과적으로, 특정 원근조절된 상태는 깊이 평면들(240) 중 특정 깊이 평면과 연관되는 것으로(연관된 초점 거리를 가짐) 말해짐으로써, 눈이 특정 깊이 평면에 대한 원근조절된 상태에 있을 때, 그 특정 깊이 평면의 오브젝트들 또는 오브젝트들의 부분들이 포커스가 맞춰진다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는, 눈들(210, 220) 각각에 대한 이미지의 상이한 프로젠테이션들을 제공함으로써 그리고 또한 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프로젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 분리된 것으로 도시되어 있지만, 예컨대 z-축을 따른 거리가 증가함에 따라, 눈들(210, 220)의 시야들이 오버랩할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 추가로, 예시의 용이성을 위해 평탄한 것으로 도시되어 있지만, 깊이 평면의 윤곽들이 물리적 공간에서 곡면형일 수 있음으로써, 깊이 평면의 모든 피처들이 특정 원근조절된 상태에서 눈과 포커스를 맞춘다는 것이 인지될 것이다.
[0049]
오브젝트와 눈(210 또는 220) 간의 거리는 또한, 그 눈에 의해 보여질 때, 그 오브젝트로부터의 광의 발산량을 변경할 수 있다. 도 5a-5c는 광선들의 발산과 거리 간의 관계들을 예시한다. 오브젝트와 눈(210) 사이의 거리는 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3으로 표현된다. 도 5a- 5c에 도시된 바와 같이, 광선들은 오브젝트까지의 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 반대로, 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더욱 시준된다. 달리 말하면, 포인트(오브젝트 또는 오브젝트의 부분)에 의해 생성된 광 필드는 포인트가 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수인 구면 파면 곡률을 갖는다고 말해질 수 있다. 곡률은 오브젝트와 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도가 또한 상이한데, 그 발산 정도는 깊이 평면과 뷰어의 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 도 5a-5c 및 본원의 다른 도면들에서는 예시의 명확성을 위해 단일 눈(210)만이 예시되지만, 눈(210)에 관한 논의들은 뷰어의 양쪽 눈들(210, 220)에 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0050]
이론에 제한되지 않고, 인간 눈이 전형적으로 깊이 지각을 제공하기 위해 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있는 것으로 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 실감나는 시뮬레이션은 이러한 제한된 수들의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 눈에 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 뷰어의 눈들에 의해서 별개로 포커싱될 수 있음으로써, 상이한 깊이 평면에 위치된 장면에 대한 상이한 이미지 피처들에 포커싱하도록 요구되는 눈의 원근조절에 기반하여 그리고/또는 포커스에서 벗어나는 상이한 깊이 평면들 상의 상이한 이미지 피처들을 관찰하는 것에 기반하여 사용자에게 깊이 큐들을 제공하는 것을 도울 수 있다.
[0051]
도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(250)은 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 사용하여 눈/뇌에 3-차원 지각을 제공하기 위해 활용될 수 있는 도파관들의 스택 또는 스택된 도파관 어셈블리(260)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 도 2의 시스템(60)이고, 도 6은 그 시스템(60)의 일부 부분들을 더욱 상세히 개략적으로 도시한다. 예컨대, 도파관 어셈블리(260)는 도 2의 디스플레이(70)의 부분일 수 있다. 디스플레이 시스템(250)은 일부 실시예들에서 광 필드 디스플레이로 고려될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0052]
도 6을 계속해서 참조하면, 도파관 어셈블리(260)는 도파관들 사이에 복수의 피처들(320, 330, 340, 350)을 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 및/또는 복수의 렌즈들(320, 330, 340, 350)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고, 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 도파관들에 대한 광원으로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 주입하기 위해 활용될 수 있으며, 그 도파관들 각각은 본원에서 설명되는 바와 같이, 눈(210)을 향해 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관에 걸쳐 인입 광을 분배하도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)의 출력 표면(410, 420, 430, 440, 450)에서 출사하여 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 대응하는 입력 표면(460, 470, 480, 490, 500)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(460, 470, 480, 490, 500) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 대응하는 도파관의 주 표면(즉, 도파관 표면들 중 직접적으로 세계(510) 또는 뷰어의 눈(210)을 향하는 도파관 표면)의 부분일 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일 광 빔(예컨대, 시준된 빔)이 각각의 도파관으로 주입되어, 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산량들)로 눈(210)을 향해 지향되는 클로닝된 시준된 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 단일 이미지 주입 디바이스가 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 복수의 도파관들(예컨대, 3개)과 연관되고 그 도파관들에 광을 주입할 수 있다.
[0053]
일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 대응하는 도파관(270, 280, 290, 300, 310)으로의 각각의 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 다른 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은, 예컨대, 이미지 정보를 (광섬유 케이블들과 같은) 하나 이상의 광학 도관들을 통해 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일의 멀티플렉싱된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같은 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0054]
일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 방출기를 포함할 수 있는 광 모듈(530)을 포함하는 광 투사기 시스템(520)에 의해 제공된다. 광 모듈(530)로부터의 광은 빔 분할기(550)를 통해 광 변조기(540), 예컨대, 공간 광 변조기에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(540)는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 주입되는 광의 지각된 세기를 변경하도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기들의 예들은 LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들을 포함한다.
[0055]
일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴들 등)로 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 그리고 궁극적으로는 뷰어의 눈(210)으로 투사하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 하나 또는 복수의 도파관들로 광을 주입하도록 구성된 단일 스캐닝 섬유 또는 스캐닝 섬유들의 번들(bundle)을 개략적으로 표현할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 복수의 스캐닝 섬유들 또는 스캐닝 섬유들의 복수의 번들들을 개략적으로 표현할 수 있으며, 이들 각각은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 연관된 도파관으로 광을 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(530)로부터 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 광을 투과시키도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 스캐닝 섬유에서 출사되는 광을 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 재지향시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 사이에 하나 이상의 중간 광학 구조들이 제공될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0056]
제어기(560)는 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400), 광원(530) 및 광 변조기(540)의 동작을 포함하여, 스택된 도파관 어셈블리(260)의 하나 이상의 도파관들의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)의 부분이다. 제어기(560)는 예컨대, 본원에서 개시된 다양한 스킴(scheme)들 중 임의의 스킴에 따라 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로의 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기는 단일 일체형 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산형 시스템일 수 있다. 제어기(560)는 일부 실시예들에서, 프로세싱 모듈들(140 또는 150)(도 2)의 부분일 수 있다.
[0057]
도 6을 계속해서 참조하면, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개개의 도파관 내에서 광을 전파하도록 구성될 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 각각 평면형이거나, 주 최상부 표면 및 최하부 표면 그리고 이러한 주 최상부 표면과 최하부 표면 사이로 연장되는 에지들을 갖는 다른 형상(예컨대, 곡면형)을 가질 수 있다. 예시된 구성에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 이미지 정보를 눈(210)으로 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관으로부터 광을 추출하도록 구성되는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 각각 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃-커플링된 광으로도 또한 지칭될 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로도 또한 지칭될 수 있다. 추출된 광 빔은 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트을 가격하는 위치들에서 도파관에 의해 출력될 수 있다. 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절 광학 피처들을 포함하는 격자들일 수 있다. 설명의 편의 및 도면 명확성을 위해 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 볼륨 내에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 투명 기판에 부착되어 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 형성하는 재료 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 모놀리식 피스(piece)의 재료일 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 해당 피스의 재료의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.
[0058]
도 6을 계속해서 참조하면, 본원에서 논의되는 바와 같이, 각각의 도파관(270, 280, 290, 300, 310)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(270)은 (그러한 도파관(270)에 주입된) 시준된 광을 눈(210)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위로 그 다음 도파관(280)은 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있으며, 시준된 광은 눈(210)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(350)(예컨대, 음화 렌즈(negative lens))를 통과하고; 그러한 제1 렌즈(350)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어, 눈/뇌는 그 위로 그 다음 도파관(280)으로부터 오는 광을, 광학 무한대로부터 눈(210)을 향해 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위로 세 번째 도파관(290)은 자신의 출력 광을 눈(210)에 도달하기 전에 제1 렌즈(350)와 제2 렌즈(340) 모두를 통과시키고; 제1 렌즈(350)와 제2 렌즈(340)의 조합된 광 파워(optical power)는 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어, 눈/뇌가 세 번째 도파관(290)으로부터 오는 광을, 위로 그 다음 도파관(280)으로부터의 광보다는 광학 무한대로부터 사람을 향해 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.
[0059]
다른 도파관 층들(300, 310) 및 렌즈들(330, 320)은 유사하게 구성되는데, 스택에서 가장 높은 도파관(310)은 자신의 출력을, 사람에 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 집계 초점 배율을 위해 자신과 눈 사이의 모든 렌즈들을 통해 전송한다. 스택된 도파관 어셈블리(260)의 다른 측에서 세계(510)로부터 오는 광을 볼 때/해석할 때 렌즈들(320, 330, 340, 350)의 스택을 보상하기 위해, 보상 렌즈 층(620)이 스택의 최상부에 배치되어, 아래의 렌즈 스택(320, 330, 340, 350)의 집계 배율을 보상할 수 있다. 이러한 구성은 이용가능한 도파관/렌즈 쌍들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들과 렌즈들의 초점 양상들 모두가 정적일(즉, 동적이거나 전기 활성이 아닐) 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 다는 전기 활성 피처들을 사용하여 동적일 수 있다.
[0060]
일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 둘 이상은 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 다수의 서브세트들의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 각각의 깊이 평면에 대해 하나씩 세팅하여 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하도록 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 이점들을 제공할 수 있다.
[0061]
도 6을 계속해서 참조하면, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 이들 개개의 도파관들 밖으로 광을 재지향시키고 그리고 또한, 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적합한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 상이한 연관된 깊이 평면들을 갖는 도파관들은 상이한 구성들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 가질 수 있고, 이러한 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 연관된 깊이 평면에 의존하여 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 특정한 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭 또는 표면 피처들일 수 있다. 예컨대, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 에어 갭들을 형성하기 위한 클래딩 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.
[0062]
일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 회절 패턴을 형성하는 회절 피처들 또는 (본원에서는 "DOE"로도 또한 지칭되는) "회절 광학 엘리먼트"이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율성을 가져, DOE의 각각의 교차로 인해 빔의 광의 일부만이 눈(210)을 향해 편향되는 한편, 나머지는 TIR을 통해 도파관을 거쳐 계속 이동한다. 따라서 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관을 출사하는 다수의 관련된 출사 빔들로 분할되고, 결과적으로는 도파관 내에서 이리저리 바운싱하는 이러한 특정 시준된 빔에 대해 눈(210)을 향하는 상당히 균일한 출사 방출 패턴이다.
[0063]
일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은 이들이 활성적으로 회절시키는 "온" 상태들과 이들이 크게 회절하지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭가능한 DOE는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있는데, 여기서는 미세액적(microdroplet)들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하고, 미세액적들의 굴절률은 호스트 재료의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사 광을 현저하게 회절시키지 않음) 미세액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우에 패턴은 입사 광을 활성적으로 회절시킴).
[0064]
일부 실시예들에서, 예컨대 사용자 입력들을 검출하고 그리고/또는 사용자의 생리학적 상태를 모니터하기 위해 눈(210) 및/또는 눈(210) 주위 조직의 이미지들을 캡처하도록 카메라 어셈블리(630)(예컨대, 가시광 및 적외선 광 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)가 제공될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈에 광(예컨대, 적외선 광)을 투사하기 위한 광원을 포함할 수 있으며, 그런다음 이 광은 눈에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)는 프레임(80)(도 2)에 부착될 수 있고, 카메라 어셈블리(630)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 프로세싱 모듈들(140 및/또는 150)과 전기 통신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 어셈블리(630)가 각각의 눈을 별개로 모니터하도록 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.
[0065]
이제 도 7을 참조하면, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예가 도시된다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 어셈블리(260)(도 6) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있다고 인지될 것이며, 여기서 도파관 어셈블리(260)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(640)은 도파관(270)의 입력 표면(460)에서 도파관(270)에 주입되고 TIR에 의해 도파관(270) 내에서 전파된다. 광(640)이 DOE(570)에 부딪치는 포인트들에서, 광의 일부는 출사 빔들(650)로서 도파관에서 출사된다. 출사 빔들(650)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에서 논의된 바와 같이, 이러한 출사 빔들은 또한 도파관(270)과 연관된 깊이 평면에 의존하여, (예컨대, 발산 출사 빔들을 형성하는) 일정 각도로 눈(210)으로 전파되도록 재지향될 수 있다. 실질적으로 평행한 출사 빔들은 눈(210)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것처럼 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃-커플링하는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 도파관을 나타낼 수 있다고 인지될 것이다. 다른 도파관들 또는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 많이 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(210)이 망막 상에 포커싱하게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학 무한대보다 눈(210)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
[0066]
일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대 3개 이상의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이함으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(240a-240f)을 도시하지만, 더 많은 또는 더 적은 깊이들이 또한 고려된다. 각각의 깊이 평면은 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 포함하여, 각각의 깊이 평면과 연관된 3개 이상의 컴포넌트 컬러 이미지들을 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 dpt(diopters)에 대한 상이한 숫자들로 도면들에 표시된다. 단지 예들로서, 이러한 문자들 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터(1/m) 또는 뷰어로부터의 깊이 평면의 역 거리(inverse distance)를 표시하며, 도면들 내의 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 눈이 상이한 파장들의 광을 포커싱하는 데 있어서의 차이를 감안하도록, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 달라질 수 있다. 예컨대, 정해진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들이 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있고 그리고/또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.
[0067]
일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 단일 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로 각각의 깊이 평면은 그와 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, G, R 또는 B 글자들을 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 표현하는 것으로 이해될 수 있고, 깊이 평면마다 3개의 도파관들이 제공될 수 있으며, 여기서 깊이 평면마다 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들은 설명의 편의상 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서 도파관들은 모두 레벨마다 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다고 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어, 예컨대 깊이 평면마다 단지 단일 도파관만이 제공될 수 있다.
[0068]
도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 자홍색 및 청록색을 포함하는, 다른 파장들의 광과 연관된 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 부가하여 사용될 수 있다.
[0069]
본 개시내용 전반에 걸쳐 정해진 컬러의 광에 대한 참조들은 정해진 해당 컬러인 것으로서 뷰어에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이라고 인지될 것이다. 예컨대, 적색 광은 약 620-780㎚ 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577㎚ 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493㎚ 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0070]
일부 실시예들에서, 광원(530)(도 6)은 뷰어의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대 적외선 및/또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 추가로, 디스플레이(250)의 도파관들의 인-커플링, 아웃-커플링 및 다른 광 재지향 구조들은 예컨대, 이미징 및/또는 사용자 자극 애플리케이션들을 위해 사용자의 눈(210)을 향해 디스플레이 밖으로 이 광을 지향시키고 방출하도록 구성될 수 있다.
[0071]
이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 부딪치는 광은 그 광을 도파관으로 인-커플링하기 위해 재지향될 필요가 있을 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 재지향시키고 인-커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 복수의 스택된 도파관들 또는 스택된 도파관들의 세트(660)의 예의 측단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 스택(660)은 스택(260)(도 6)에 대응할 수 있고, 스택(660)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 하나 이상으로부터의 광이 인-커플링을 위해 광이 재지향되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 부분에 대응할 수 있다고 인지될 것이다.
[0072]
스택된 도파관들의 예시된 세트(660)는 도파관들(670, 680, 690)을 포함한다. 각각의 도파관은 (도파관 상의 광 입력 영역으로도 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인-커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치되고, 인-커플링 광학 엘리먼트(710)는 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치되며, 인-커플링 광학 엘리먼트(720)는 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 하나 이상은 (특히, 하나 이상의 인-커플링 광학 엘리먼트들이 반사성 편향 광학 엘리먼트들인 경우) 개개의 도파관(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다. 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 특히, 그러한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 투과성 편향 광학 엘리먼트들인 경우, 이들 개개의 도파관(670, 680, 690)의 상부 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각의 도파관(670, 680, 690)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 광 파장들을 선택적으로 재지향시키는 한편, 다른 광 파장들을 투과시킨다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 이들 개개의 도파관(670, 680, 690)의 한 면 또는 코너 상에 예시되지만, 일부 실시예들에서, 이들 개개의 도파관(670, 680, 690)의 다른 영역들에 배치될 수 있다고 인지될 것이다.
[0073]
예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트는 광이 다른 인-커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트가 해당 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710, 720)는 도 6에 도시된 바와 같이 상이한 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390, 400)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710, 720)가 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 다른 인-커플링 광학 엘리먼트들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않도록 다른 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)로부터 분리(예컨대, 측방향으로 이격)될 수 있다.
[0074]
각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대 광 분배 엘리먼트들(730)은 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(740)은 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(750)은 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 다에 각각 배치될 수 있거나; 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 상이한 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 주 표면들 상에 각각 배치될 수 있다.
[0075]
도파관들(670, 680, 690)은 예컨대, 기체, 액체 및/또는 고체 재료 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(760a)은 도파관들(670, 680)을 분리할 수 있고; 층(760b)은 도파관들(680, 690)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a, 760b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(670, 680, 690) 중 바로 인접한 도파관을 형성하는 재료보다 더 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상으로 크거나 0.10 이하로 작다. 유리하게, 더 낮은 굴절률 층들(760a, 760b)은 도파관들(670, 680, 690)을 통한 광의 내부 전반사(TIR)(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 주 표면과 최하부 주 표면 사이의 TIR)을 가능하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a, 760b)은 공기로 형성된다. 예시되진 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(660)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃하는 클래딩 층들을 포함할 수 있다고 인지될 것이다.
[0076]
바람직하게는, 제조의 편의상 그리고 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 간에 상이할 수 있고, 그리고/또는 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 상이할 수 있지만, 여전히 위에서 언급한 다양한 굴절률 관계들을 홀딩할 수 있다.
[0077]
계속해서 도 9a를 참조하면, 광선들(770, 780, 790)이 도파관들의 세트(660) 상에 입사된다. 광선들(770, 780, 790)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)(도 6)에 의해 도파관들(670, 680, 690)로 주입될 수 있다고 인지될 것이다.
[0078]
일부 실시예들에서, 광선들(770, 780, 790)은 상이한 특성들, 예컨대 상이한 컬러들에 대응할 수 있는 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 갖는다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각, 입사 광이 TIR에 의해 도파관들(670, 680, 690) 중 각각의 도파관을 통해 전파되도록 광을 편향시킨다. 일부 실시예들에서, 인커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각, 하나 이상의 특정 광 파장들을 선택적으로 편향시키는 한편, 다른 파장들을 하부 도파관 및 연관된 인커플링 광학 엘리먼트로 투과시킨다.
[0079]
예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 제1 파장 또는 파장들의 범위를 갖는 광선(770)을 편향시키는 한편, 상이한 제2 파장과 제3 파장 또는 파장들의 범위들을 각각 갖는 광선들(1242, 1244)을 투과시키도록 구성될 수 있다. 투과된 광선(780)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성되는 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 부딪치고 그에 의해 편향된다. 광선(790)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성되는 인-커플링 광학 엘리먼트(720)에 의해 편향된다.
[0080]
도 9a를 계속해서 참조하면, 편향된 광선들(770, 780, 790)은 이들이 대응하는 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 해당 대응하는 도파관(670, 680, 690)으로 광을 편향시켜 해당 대응하는 도파관으로 광을 인-커플링한다. 광선들(770, 780, 790)은 광이 TIR에 의해 개개의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(770, 780, 790)은 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 부딪칠 때까지 TIR에 의해 각각의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파된다.
[0081]
이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도가 예시된다. 위에서 주목된 바와 같이, 인-커플링된 광선들(770, 780, 790)은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)에 의해 각각 편향되고, 그런다음 도파관들(670, 680, 690) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그런다음, 광선들(770, 780, 790)은 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 각각 부딪친다. 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 광선들(770, 780, 790)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)을 향해 각각 전파되도록 이러한 광선들을 편향시킨다.
[0082]
일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 직교 동공 확장기(OPE: orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)로 광을 편향시키거나 분배하고, 일부 실시예들에서는 광이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 사이즈를 또한 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 생략될 수 있고, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)은 뷰어의 눈(210)(도 7)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다. OPE들은 적어도 하나의 축에서 아이박스(eye box)의 치수들을 증가시키도록 구성될 수 있고, EPE들은 OPE들의 축을 가로지르는, 예컨대 그와 직교하는 축에서 아이박스를 증가시키기 위한 것일 수 있다고 인지될 것이다. 예컨대, 각각의 OPE는 OPE를 가격하는 광의 일부를 동일한 도파관의 EPE로 재지향시키는 한편, 광의 남아있는 부분이 도파관 아래로 계속 전파되게 허용하도록 구성될 수 있다. OPE에 다시 부딪칠 때, 나머지 광의 다른 부분은 EPE로 재지향되고, 그 부분의 남아있는 부분은 도파관 아래로 추가로 계속 전파되는 식이다. 유사하게, EPE를 가격할 시에, 부딪히는 광의 일부는 도파관 밖으로 사용자를 향해 지향되고, 그 광의 남아있는 부분은 그 부분이 EP를 다시 가격할 때까지 도파관을 통해 계속 전파되며, 이때 부딪치는 광의 다른 부분은 도파관 밖으로 지향되는 식이다. 결과적으로, 인커플링된 광의 단일 빔은 그 광의 일부가 OPE 또는 EPE에 의해 재지향될 때마다 "복제"될 수 있으며, 이로써 도 6에 도시된 바와 같이 복제된 광 빔들의 필드를 형성한다. 일부 실시예들에서, OPE 및/또는 EPE는 광 빔들의 사이즈를 수정하도록 구성될 수 있다.
[0083]
그에 따라서, 도 9a 및 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(660)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(670, 680, 690); 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720); 광 분배 엘리먼트들(예컨대, OPE들)(730, 740, 750); 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(800, 810, 820)을 포함한다. 도파관들(670, 680, 690)은 각각의 도파관 사이의 에어 갭/클래딩 층과 함께 스택될 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 (상이한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신하여) 입사 광을 자신의 도파관으로 재지향 또는 편향시킨다. 그런다음, 광은 각각의 도파관(670, 680, 690) 내에서 TIR을 야기할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(770)(예컨대, 청색 광)은 제1 인-커플링 광학 엘리먼트(700)에 의해 편향되고, 그런다음 도파관 아래로 계속 바운싱하여, 앞서 설명한 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730) 그리고 그런다음 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(800)와 상호 작용한다. 광선들(780, 790)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(670)을 통과할 것이고, 광선(780)은 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 부딪치고 그에 의해 편향된다. 그런다음, 광선(780)은 TIR을 통해 도파관(680) 아래로 바운싱하여, 도파관(680)의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(740)로 그리고 그런다음 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(810)로 진행한다. 마지막으로, 광선(790)(예컨대, 적색 광)은 도파관(690)을 통과하여 도파관(690)의 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)에 부딪친다. 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)은, 광선(790)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(750)로, 그리고 그런다음 TIR에 의해 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(820)로 전파되도록 그 광선(790)을 편향시킨다. 그런다음, 아웃-커플링 광학 엘리먼트(820)는 마지막으로 광선(790)을 뷰어에 아웃-커플링하며, 이 뷰어는 또한 다른 도파관들(670, 680)로부터 아웃-커플링된 광을 수신한다.
[0084]
도 9c는 도 9a 및 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도파관들(670, 680, 690)은 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(730, 740, 750) 및 연관된 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)와 함께 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인-커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 중첩되지 않는다(예컨대, 평면도에 도시된 바와 같이 측방향으로 이격된다). 본원에서 추가로 논의된 바와 같이, 이러한 비오버랩핑 공간 어레인지먼트는 일대일 단위로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관들로의 광의 주입을 가능하게 하고, 이로써 특정한 광원이 특정한 도파관에 고유하게 커플링되게 허용한다. 일부 실시예들에서, 비오버랩핑하는 공간적으로-분리된 인-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트들은 시프팅된 동공 시스템으로 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들 내의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 서브 동공들에 대응할 수 있다.
무기 재료가 혼입된 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 광학
엘리먼트들
[0085]
디스플레이 시스템들은 광의 전파를 제어하기 위한 다양한 광학 엘리먼트들을 이용할 수 있다. 하지만, 머리-장착 디스플레이 디바이스(예컨대, 도 2를 참조로 상기 설명된 디스플레이 시스템(80))를 포함하는 디스플레이 시스템들과 같은 일부 상황들에서, 종래의 광학 엘리먼트들은, 이들의 비교적 무거운 중량, 큰 사이즈, 제조 난제들, 및/또는 회절 각도들 및 회절 효율성과 같은 광학 특성들에서의 결핍들로 인해, 바람직하지 않거나 적절하지 않을 수 있다.
[0086]
예컨대, 도 9a-9c를 참조로 위에서 설명된 바와 같이, 디스플레이 시스템은 회절 격자들을 포함할 수 있는 광학 엘리먼트들(예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트들, 광 분배 엘리먼트들 및 아웃커플링 광학 엘리먼트들)을 포함할 수 있다. 또한, 도 9a-9c를 참조로 위에서 추가로 설명된 바와 같이, 대응하는 도파관에 커플링된 광은 내부 전반사(TIR)에 의해 도파관 내에서 전파될 수 있다. TIR을 달성하기 위해, 회절 격자가 표면 법선에 대해 비교적 높은 회절 각도들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 추가로, 광 세기 및 이미지 밝기를 증가시키기 위해서는 높은 회절 효율성들이 바람직할 수 있다. 그러나, 가시광에 대해 높은 회절 각도들 및 높은 회절 효율성들을 달성할 수 있는 회절 격자들을 제공하는 것은 난제를 부과할 수 있다. 이들 및 다른 요구들을 처리하기 위해, 본원에 개시된 광학 엘리먼트들의 예들, 예컨대 회절 격자들은 무기 재료를 내부에 포함하는(incorporate) 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 광학 엘리먼트들을 활용할 수 있다.
[0087]
도 10은 다양한 구현들에 따른, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 광학 엘리먼트, 예컨대 회절 격자(1000)의 단면도를 예시한다. 회절 격자(1000)는, 제1 굴절률(n1)을 가지며 그리고 가시 스펙트럼에서 투명한 기판(1004)을 포함한다. 회절 격자(1000)는, 기판(1004) 상에 형성되며 그리고 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴(1008)을 추가적으로 포함한다. 광학 구조들(1008)은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률(n2)을 가지며, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다.
[0088]
실시예들에 따르면, 기판(1004)은 가시 스펙트럼에서 투명하다. 본원에서 그리고 명세서 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, "투과성" 또는 "투명한" 구조, 예컨대, 투과성 기판은 입사광의 적어도 일부, 예컨대 적어도 20, 30, 50, 70, 90 % 또는 95 %가 자신을 통과하게 허용할 수 있지만, 99 % 또는 100 % 미만을 투과시킬 수 있다. 투과율(percent transmission)은 이들 값들 중 임의의 값에 의해 정의되는 임의의 범위 내에 있을 수 있거나, 또는 이들 범위들을 벗어날 수 있다. 그에 따라서, 일부 실시예들에서, 투명 기판은 유리, 사파이어 또는 중합체 기판일 수 있다. "반사" 구조, 예컨대, 반사 기판은, 자신으로부터 반사시키기 위해, 입사광의 적어도 일부, 예컨대, 적어도 20, 30, 50, 70, 90 % 또는 95 % 또는 그 이상을 반사시킬 수 있지만, 99 % 또는 100 % 미만을 반사시킬 수 있다. 반사 율(percent reflection)은 이들 값들 중 임의의 값에 의해 정의되는 임의의 범위 내에 있을 수 있거나, 또는 이들 범위들을 벗어날 수 있다.
[0089]
실시예들에 따르면, 기판(1004)은 제1 굴절률(n1)을 가지며, 제1 굴절률(n1)은 공기보다는 크지만, 광학 구조들(1008)의 제2 굴절률(n2) 미만이다. n1은, 예컨대 약 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9와 같은 값, 또는 이러한 값들에 의해 정의되는 임의의 범위 내의 또는 이러한 범위들을 벗어나는 임의의 값을 가질 수 있다. 기판(1004)을 형성하기 위한 재료들의 예들은, 실리카 유리(예컨대, 도핑된 실리카 유리), 실리콘 산질화물, 전이 금속 산화물들(예컨대, 하프늄 산화물, 탄탈 산화물, 지르코늄 산화물, 니오븀 산화물, 리튬 니오베이트, 알루미늄 산화물(예컨대, 사파이어)), 플라스틱, 중합체, 또는 예컨대 본원에서 설명되는 바와 같이 적절한 굴절률을 갖는 다른 광학적 투과성 재료를 포함한다.
[0090]
기판(1004) 상에 형성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴(1008)은, 이를테면 본원에서 설명되는 바와 같이, 재료, 디멘션들 및 기하학적 구성으로 인해 가시광을 회절시키도록 구성된다.
[0091]
계속해서 도 10을 참조하면, 다양한 실시예들에 따르면, 광학 구조들(1008)은, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 베이스 중합체 재료를 포함한다. 베이스 중합체 재료는, 무기 재료를 혼입시키기 위한 그리고 리소그래피방식으로 패터닝될 수 있는 재료로서 기능하기 위한 적절한 중합체, 이를테면 포토리소그래피방식으로(photolithographically) 패터닝될 수 있는 감광성 재료, 이를테면 포토레지스트, 또는 용이하게 패터닝될 수 있는 다른 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 베이스 중합체 재료는, 다른 중합체들 중에서, 몇 가지만 말하자면, 폴리에틸렌(PE)(-(CH2-CH2)n-), 폴리프로필렌(PP)(-[CH2-CH(CH3)]n-), 폴리(비닐 염화물)(PVC)(-[CH2-CH(CH3)]n-), 폴리(염화 비닐리덴)(-(CH2-CCl2)n-), 폴리스티렌(PS)(-[CH2-CH(C6H5)]n-), 폴리아크릴로니트릴(PAN)(-(CH2-CHCN)n-), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE,)(-(CF2-CF2)n-), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)(-[CH2-C(CH3)CO2CH3]n-), 폴리(비닐아세테이트)(PVAc)(-(CH2-CHOCOCH3)n-), 시스-폴리이소프렌(-[CH2-CH=C(CH3)-CH2]n-) 및 폴리클로로프렌(시스 + 트랜스)(-[CH2-CH=CCl-CH2]n-)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 베이스 중합체의 체인들은 동종 중합체(homopolymer)로서 구성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 베이스 중합체의 체인들은 공중합체(copolymer)로서 구성될 수 있다. 공중합체로서 구성될 때, 베이스 중합체의 체인들은, 예컨대, 위에서 설명된 다양한 중합체들의 모노머 유닛들이 혼입된 그래프트 공중합체(graft copolymer), 블록 공중합체를, 교번하는 공중합체 및 통계적 공중합체를 포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는 다양한 형태들 중 하나를 갖도록 구성될 수 있다.
[0092]
특정한 중합체는, 다른 팩터들 중에서, 베이스 중합체 재료 내로 혼입될 무기 재료를 형성하기 위한 증착 케미스트리에 기반하여 선택될 수 있다. 예컨대, 다양한 실시예들에서, 베이스 중합체 유닛들의 중합체 체인들은 다양한 작용기들, 예컨대 카르보닐기들, 히드록실기들 및 피리딘기들을 포함할 수 있으며, 하기에서 추가로 상세히 설명될 바와 같이, 이들은 무기 재료를 형성하는 데 사용될 수 있는 금속 전구체와 반응하도록 적응될 수 있다. 하나의 예를 제공하기 위해, 증착 케미스트리가 금속 전구체로서 Al(CH3)3(TMA)를 그리고 Al2O3의 형성을 위한 산화 전구체로서 H2O를 포함하는 경우, PMMA가 중합체 재료 내에 포함될 수 있으며, 이에 따라, PMMA의 카르보닐기가 TMA와 반응하여 Al-OH 종을 형성할 수 있으며, 이는 결국 가수분해 반응에서 H2O와 반응하여 Al2O3를 형성한다. 추가적인 예들은 하기에서 더 상세히 설명된다.
[0093]
다양한 실시예들에서, 베이스 중합체는 감광성 또는 광 반응성일 수 있다. 베이스 중합체는 포토레지스트를 포함하거나 또는 포토레지스트의 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 포토레지스트는, 광에 노출된 부분들이 포토레지스트 현상제(developer)들에 대해 가용성이 되는 한편, 노출되지 않은 부분들은 포토레지스트 현상제들에 대해 불용성으로 유지되는 포지티브 레지스트일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 포토레지스트는, 광에 노출된 포토레지스트의 부분들이 포토레지스트 현상제들에 대해 불용성이 되는 한편, 노출되지 않은 부분들은 포토레지스트 현상제들에 의해 용해되는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
[0094]
일부 실시예들에서, 포함될 때, 베이스 중합체의 포토레지스트는, 예컨대 알릴 모노머를 포함할 수 있는 광중합체 포토레지스트일 수 있으며, 알릴 모노머는, 광에 노출될 때 자유 라디칼을 생성하도록 구성되며, 자유 라디칼은 결국, 중합체를 생성하도록 모노머의 광중합을 개시한다. 네거티브 레지스트로서 구성될 때, 광중합체 포토레지스트는, 예컨대 메틸 메타크릴레이트를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 포함될 때, 베이스 중합체의 포토레지스트는 광 하에서 친수성 생성물들을 생성하도록 구성되는 광분해 포토레지스트일 수 있다. 포지티브 레지스트로서 구성될 때, 광분해 포토레지스트들은, 예컨대 아지드 퀴논(azide quinone), 예컨대 디아조나프타퀴논(diazonaphthaquinone)(DQ)을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 포함될 때, 베이스 중합체의 포토레지스트는 광가교결합 포토레지스트(photocrosslinking photoresist)일 수 있으며, 이는 광에 노출될 때, 체인별로(chain by chain) 가교결합하여, 불용성 네트워크(insoluble network)를 생성하도록 구성된다.
[0095]
계속해서 도 10을 참조하면, 다양한 실시예들에 따르면, 광학 구조들(1008) 내로 혼입된 무기 재료는 절연 재료, 예컨대 금속 산화물 또는 금속 질화물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 재료는, Al, Zn, Zr, Hf, Ti 및 Ta를 포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는 하나 이상의 전이 금속들의 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함한다. 예컨대, 무기 재료는, 몇 가지만 말하자면, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈 산화물 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[0096]
본원에서 설명된 바와 같이, 무기 재료가 산화물을 포함하는 경우, 이는 화학량론적(stoichiometric) 또는 아화학량론적(substoichiometric)일 수 있다. 예컨대, 알루미늄 산화물은 화학량론적 형태의 Al2O3뿐만 아니라 아화학량론적 형태의 AlOx 일 수 있으며, 여기서 x는 1.5의 화학양론적 값 미만이다. 추가로, 본원에서 설명되는 바와 같이, 금속의 산화물은 다른 금속들을 포함할 수 있다. 예컨대, 알루미늄 산화물은 알루미늄 하프네이트(AlHfOx)의 일부로서 포함될 수 있다. 따라서, 재료는 2 개의 상이한 금속들을 포함할 수 있다.
[0097]
실시예들에 따르면, 무기 재료는 자신의 벌크 굴절률(bulk refractive index)에 기반하여 선택될 수 있다. 무기 재료의 굴절률은 기판의 굴절률보다 더 높을 수 있다. 무기 재료의 굴절률은, 예컨대 1.7, 2.0, 2.3, 2.6, 3.0 보다 크거나, 또는 이들 값들에 의해 정의되는 범위 내의 값을 갖거나 이들 범위들을 벗어날 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 재료는 자신의 벌크 굴절률에 기반하여 선택되는 화학량론적 재료일 수 있다. 예컨대, 무기 재료는, 몇 가지만 말하자면, 1.66의 굴절률을 갖는 화학량론적 알루미늄 산화물, 1.95의 굴절률을 갖는 화학량론적 아연 산화물, 1.95의 굴절률을 갖는 화학량론적 지르코늄 산화물, 2.09의 굴절률을 갖는 화학량론적 하프늄 산화물, 2.35의 굴절률을 갖는 화학량론적 티타늄 산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 무기 재료는 대응하는 화학량론적 무기 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 아화학량론적 무기 재료일 수 있다. 예컨대, 금속 산화물의 굴절률은, 산소 함유량을 감소시킴으로써, 2 %, 5 %, 10 %, 20 % 또는 30 %, 또는 이들 값들에 의해 정의되는 임의의 범위들의 임의의 퍼센티지 만큼 증가될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 무기 재료는 컴포넌트 무기 재료들의 굴절률들 사이의 굴절률을 갖는 무기 재료들의 혼합물일 수 있다. 예컨대, 삼원 금속 산화물의 굴절률은 상대 분율들을 튜닝함으로써 컴포넌트 이원 금속 산화물들의 굴절률들 사이에 있도록 튜닝될 수 있다.
[0098]
일부 실시예들에서, 광학 구조들(1008)은, 베이스 중합체 재료와 그 내에 혼입된 무기 재료 사이의 굴절률을 갖는다. 다양한 실시예들에서, 광학 재료를 포함하는 광학 구조들의 제2 굴절률은 1.7, 1.8, 1.9, 2.0 또는 2.1 보다 크고, 기판의 제1 굴절률보다 적어도 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 또는 1.0 만큼 더 크다. 그러나, 실시예들은 이에 제한되지 않으며, 제2 굴절률은 제1 굴절률과 동일하거나 또는 제1 굴절률보다 낮을 수 있다.
[0099]
광학 구조들(1008)의 베이스 중합체 재료는 다양한 구성들로 내부에 무기 재료를 포함할 수 있다. 예시된 실시예들에서, 광학 구조들(1008)은 베이스 중합체 구역(1008a) 및 위에서 설명된 무기 재료로 침투된 침투 구역(1008b)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 각각의 광학 구조(1008)가, 실질적으로 무기 재료가 내부에 혼입되지 않은 코어 구역을 포함하는 베이스 중합체 구역(1008a)을 갖도록, 그리고 무기 재료가 내부에 침투된 표면 구역을 포함하는 침투 구역(1008b)을 갖도록, 무기 재료가 광학 구조들(1008)의 표면 구역들에 혼입된다.
[0100]
실시예들에 따르면, 침투 구역(1008b)은, 약 1 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm, 300 nm 보다 큰 두께, 깊이, 또는 폭, 또는 이들 값들에 의해 정의되는 범위 내의 또는 가능하게는 이들 범위들을 벗어나는 두께를 갖는다.
[0101]
일부 실시예들에서, 베이스 중합체 구역(1008a)에는 무기 재료가 실질적으로 없다. 일부 경우들에, 베이스 중합체 구역(1008a)은 베이스 중합체 구역(1008a)의 총 볼륨을 기준으로, 40 %, 30 %, 20 %, 10 %, 5 %, 1 %, 0.5 % 또는 0.1 % (또는 이들 값들에 의해 정의되는 임의의 범위) 미만의 무기 재료를 갖는다. 대조적으로, 침투 구역(1008b)은 실질적으로 무기 재료로 침투된다. 일부 경우들에서, 침투 구역(1008b)은 침투 구역(1008b)의 총 볼륨을 기준으로, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 % 또는 90 % (또는 이들 값들에 의해 정의되는 임의의 범위) 초과의 무기 재료를 갖는다.
[0102]
회절 격자(1000)는 광학 구조들(1008)을 가지며, 광학 구조들(1008)은, 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008) 중의 인접하는 광학 구조들이 공간(1012)에 의해 분리되도록 배열된다. 예시된 실시예에서, 공간(1012)에서 기판의 표면은 그 상부에 형성된 무기 재료 또는 베이스 중합체 재료를 갖지 않는다. 그 이유는, 무기 재료를 혼입시키기 전에, 베이스 중합체 재료가 베이스 중합체 구조들 중의 인접하는 베이스 중합체 구조들 사이에서 완벽하게 제거될 수 있어서, 기판의 표면이 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 중의 인접하는 베이스 중합체 구조들 상의 결과적인 공간(1012)에서 노출되기 때문이다. 후속적으로, 기판의 노출된 표면 상에는 무기 재료를 형성하기 위한 금속 전구체들을 흡착 또는 화학 흡착하도록 적응되는 작용기들이 형성되지 않기 때문에, 무기 재료가 상부에 형성되지 않거나 또는 기판(1004) 내로 혼입되지 않는다. 결과적으로, 공간(1012) 에서 기판의 표면은 그 상부에 형성된 무기 재료 또는 베이스 중합체 재료를 갖지 않는다. 이 프로세스는 도 14a-14b와 관련하여 하기에서 더 상세히 설명된다.
[0103]
그러나, 하기에서 상세히 예시되는 바와 같이, 다른 실시예들이 가능하다. 다른 실시예들에서, 도 15a-15b 및 16a-16b와 관련하여 상세히 설명되는 바와 같이, 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008) 중 인접하는 광학 구조들은 공간(1012)에 의해 분리되고, 이 공간에서 기판의 표면 상에는, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료의 층(도 15b, 16b)이 형성되었다. 이들 실시예들에서, 무기 재료를 혼입시키기 전에, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 중 인접하는 베이스 중합체 구조들 사이에서 베이스 중합체 재료가 불완전하게 또는 부분적으로 제거되어, 기판의 표면은 돌출된 베이스 중합체 구조들(도 15a, 16a) 중 인접하는 베이스 중합체 구조들 사이의 공간(1012)에서 얇은 층으로 커버된 상태로 유지된다. 후속적으로, 돌출된 베이스 중합체 구조들의 표면들뿐만 아니라, 돌출된 베이스 중합체 구조들 중 인접하는 베이스 중합체 구조들 사이의 중합체 층들의 표면들은 무기 재료를 혼입시키기 위해 전구체들에 노출된다. 예컨대, 무기 재료의 혼입은, 금속 전구체들을 흡착 또는 화학 흡착하고 그리고 금속 전구체들과 산화 전구체들 간의 후속적 반응들로부터 광학 구조(1008) 내에 무기 재료를 형성하는, 베이스 중합체 구조 내의 작용기들의 존재로부터 기인할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공간 내에 형성된 중합체 재료의 층은 무기 재료와 혼입된 전체 두께 또는 부분 두께를 가질 수 있다. 이들 프로세스들은 도 15a-15b 및 16a-16b와 관련하여 하기에서 상세히 설명된다.
무기 재료가 내부에 혼입된 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 광학
엘리먼트들을
제조하는 방법
[0104]
다음으로, 무기재료가 내부에 혼입된 중합체-기반 광학 구조들을 포함하는 중합체-기반 광학 엘리먼트들, 예컨대 회절 격자(1000)(도 10)를 제조하는 방법들이 설명된다. 도 11을 참조하면, 방법(1100)은, 제1 굴절률을 가지며 가시 광선 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계(1104)를 포함한다. 방법은 기판 상에 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 형성하는 단계(1108)를 추가적으로 포함한다. 방법은 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계(1112)를 추가적으로 포함한다. 기판을 노출시키는 것은, 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 내로 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되며, 이 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
[0105]
도 11을 참조하면, 제1 굴절률을 가지며 가시 광선 스펙트럼에서 투명한 기판이 제공된다(1104). 이는, 예컨대, 도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 기판(1004)을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
[0106]
계속해서 도 11을 참조하면, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들이 기판 상에 형성된다(1108). 중합체 구조들을 형성하는 것은, 하기에서 설명되는 바와 같이, 예컨대 리소그래피 프로세스(도 12a-12c) 또는 나노-임프린팅 프로세스(도 13a-13c)를 포함하는 적절한 프로세스를 사용하여 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 12a-12c와 관련하여 설명된 바와 같이, 기판 상에 주기적으로 반복되는 광학 구조들을 형성하는 것(1108)은, 도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 적절한 중합체 재료를 증착한 다음, 리소그래피 및 에칭 프로세스들을 사용하여 패터닝함으로써 수행될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도 13a-13c와 관련하여 설명된 바와 같이, 기판 상에 주기적으로 반복되는 광학 구조들을 형성하는 것(1108)은, 도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 적절한 중합체 재료를 증착한 다음, 나노임프린트 기법(nanoimprint technique)을 사용하여 패터닝함으로써 수행될 수 있다.
[0107]
도 12a-12c는 실시예들에 따른, 리소그래피 프로세스를 사용하여 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 제조하는 다양한 스테이지들에서의 중간 구조들(1200A-1200C)의 단면도들을 각각 예시한다. 도 12a의 중간 구조(1200A)를 참조하면, 방법은 기판(1004)을 제공하는 단계를 포함한다. 기판(1004)은, 제1 굴절률(n1) 및 가능하게는 도 10을 참조로 위에서 설명된 것과 같은 다양한 다른 재료 속성들을 갖는 광학적 투과성 재료를 포함한다. 이 방법은, 굴절률(n2 initial) 및 가능하게는 도 10을 참조로 위에서 설명된 것과 같은 다양한 다른 재료 속성들을 갖는 베이스 중합체 층(1208)을 기판(1004) 상에 형성하는 단계를 추가적으로 포함한다. 베이스 중합체 층(1208)은, 패터닝될 때, 도 10을 참조로 위에서 설명된 것과 같은 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 형성하는 데 적합하다.
[0108]
일부 실시예들에서, 베이스 중합체 층(1208)은 금속 전구체들의 후속적 흡착, 화학 흡착 또는 반응을 위한 작용기들을 제공하는 역할을 하는 단일 층으로 형성된다. 베이스 중합체 층(1208)은 또한, 노광/현상 및 후속적 에칭에 의해 포토리소그래피방식으로 패터닝될 수 있는 포토레지스트의 역할을 한다. 베이스 중합체 층(1208)은 이들 기능성들 둘 모두를 서빙하는 단일 층일 수 있다. 그러나, 설계들은 그렇게 제한될 필요는 없으며, 일부 다른 실시예들에서, 베이스 중합체 층(1208)은 금속 전구체들의 흡착, 화학 흡착 또는 반응을 위한 작용기들을 갖는 별개의 활성 중합체 층 상에 형성된 포토레지스트 층을 포함하는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 즉, 베이스 중합체 층(1208)은, 예컨대 단일 베이스 중합체 층(1208)이 포토레지스트의 역할을 충분히 하지 않을 때, 금속 전구체들을 흡착, 화학 흡착 또는 반응시키기 위한 작용기들을 제공하기 위한 다층 구조를 포함할 수 있다.
[0109]
설계에 의존하여, 베이스 중합체 층(1208)은 스핀-코팅에 의해 증착될 수 있으며, 이후 포스트-베이크(post-bake)가 이어진다.
[0110]
도 12b의 중간 구조(1200B)를 참조하면, 증착 및 증착 후 베이크(post-deposition bake) 이후, 방법은 베이스 중합체 층(1208)의 일부들을 포토마스크(1216)에 의해 생성된 광 패턴에 선택적으로 노출시킴으로써 베이스 중합체 층(1208)을 패터닝하는 단계를 포함한다. 예시된 바와 같이, 포토마스크(1216)는 포지티브 포토레지스트에 대해 적응된 포지티브 포토마스크일 수 있고, 베이스 중합체 층(1208)이 유지될 구역들에서 광을 통과시키도록 구성될 수 있다. 포토마스크(1216)가 네거티브 포토레지스트에 대해 적응된 네거티브 포토마스크일 때, 포토마스크는 베이스 중합체 층(1208)이 제거될 구역들에서 광을 통과시키도록 반대로 구성될 수 있다.
[0111]
광(1212), 예컨대, 코히어런트 UV 광 또는 전자 빔에 대한 노출은, 예컨대, 포토레지스트를 포함하는 베이스 중합체 층(1208)에서의 화학적 변화, 예컨대 중합체 가교결합을 야기하며, 이는 베이스 중합체 층(1208)의 노출된 부분들이, 포지티브 레지스트를 포함하거나 또는 그 역할을 하는 베이스 중합체 층(1208)에 대해 현상액(developer solution)을 사용하여 선택적으로 제거되게 허용하거나, 또는 포토레지스트의 노출되지 않은 부분들이, 네거티브 포토레지스트를 포함하거나 또는 그 역할을 하는 베이스 중합체 층(1208)에 대해 현상액을 사용하여 선택적으로 제거되게 허용한다.
[0112]
도 12c의 중간 구조(1200C)를 참조하면, 선택적으로 제거할 시에, 결과적인 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1220a/1220b)은 기판(1004) 상에 남으며, 이로써 무기 재료의 후속적 침투를 위한 템플릿의 역할을 한다. 베이스 중합체 구조들(1220a)은 제1 방향, 예컨대 y-방향으로 길게 늘어진 한 세트의 베이스 중합체 구조들일 수 있다. 대안적으로, 베이스 중합체 구조들(1220b)은 제2 방향, 예컨대 x-방향으로 길에 늘어진 한 세트의 베이스 중합체 구조들일 수 있다. 베이스 중합체 구조는 또한, 제1 방향으로 길게 늘어진 베이스 중합체 구조들 및 제2 방향들로 길게 늘어진 베이스 중합체 구조들을 포함할 수 있다. 다른 구성들이 가능하다.
[0113]
도 13a-13c는 나노임프린트 프로세스를 사용하여, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 제조하는 다양한 스테이지들에서의 중간 구조들(1300A-1300C)의 단면도들을 각각 예시한다. 예시된 예에서, 중간 구조(1300A)를 형성하는 방법은 도 12a의 중간 구조(1200A)를 형성하는 방법과 유사하다. 그러나, 도 13b 및 13c의 중간 구조들(1300B 및 1300C)을 형성하는 방법은, 각각, 도 12b 및 12c의 중간 구조(1200B 및 1200C)를 형성하는 방법과 각각 상이하며, 그 차이점들은 아래에 설명된다.
[0114]
도 13b의 중간 구조(1300B)를 참조하면, 도 12b를 참조로 위에서 설명된 방법과 달리, 광 또는 전자 빔 및 현상액을 사용하여 부분들을 선택적으로 노광 및 제거함으로써 베이스 중합체 층(1208)을 패터닝하는 대신, 예시된 예에서, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들의 형성에 따라 미리정의된 토폴로지컬 패턴들을 갖는 나노임프린트 템플릿(1316) 또는 나노임프린트 몰드가 베이스 중합체 층(1204)과 접촉하게 된다. 후속적으로, 템플릿(1316)은, 예컨대 베이스 중합체 층(1208)의 유리 전이 온도보다 높은 특정 온도 하에서 열가소성 중합체를 포함할 수 있는 베이스 중합체 층(1208)으로 가압되며, 이로써 템플릿(1316)의 패턴을 연화된 베이스 중합체 층(1208) 내로 전사시킨다. 냉각된 후, 템플릿(1316)은 베이스 중합체 층(1208)으로부터 분리되며, 패터닝된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1220a/1220b)이 기판(1004) 상에 남는다. 일부 다른 접근법들에서, 베이스 중합체 층(1208)으로 가압된 후, 베이스 중합체 층(1208)은 UV 광 하에서 가교결합에 의해 경화된다.
[0115]
도 11을 다시 참조하면, 무기 재료가 혼입된 중합체 광학 엘리먼트들을 제조하는 방법은, 금속 전구체 및 이어서 산화 전구체에 기판을 노출시키는 단계(1112)를 추가적으로 포함하며, 여기서 기판을 노출시키는 단계는, 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 내로 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴을 형성되며, 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다. 하기에서, 도 14a-14b, 15a-15b 및 16a-16c를 참조하여, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 내로 무기 재료를 혼입시키기 위해 기판을 노출시키는 상이한 방법들이 설명된다.
[0116]
도 14a는 예컨대 12a-12c 및 도 13a-13c와 관련하여 위에서 예시된 방법들과 유사한 방법들을 사용하여 제조된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조(1204)를 포함하는 중간 구조들(1400A)을 예시한다. 따라서, 기판(1004) 상에 형성된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)은 도 12a-12c 및 도 13a-13c와 관련하여 위에서 예시된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1220a/1220b)과 유사하다. 도 14b는 도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)을 포함하는 중간 구조(1400B)를 예시한다. 하기에서, 도 14a 및 14b를 참조하면, 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)(도 14b)을 형성하기 위해 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)(도 14a)에 무기 재료를 혼입시키는 방법이 상세히 설명된다.
[0117]
주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)(도 12b)을 형성하기 위해 무기 재료를 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)(도 12a)에 혼입시키는 것은 ALD(atomic layer deposition)에 사용되는 일부 프로세스 피처들을 사용하여 수행될 수 있다. 일부 양상들에서, ALD는 성장 사이클에 포함되는 2개의 별개의 절반 반응들로 화학 반응의 분배에 의해 제어되는 자체-제한 성장을 갖는 CVD(chemical vapor deposition) 프로세스의 타입들을 포함하는 것으로 고려될 수 있다. ALD 프로세스에 대한 그러한 성장 사이클은 4개의 스테이지들: 즉, (1) 제1 전구체, 예컨대 금속 전구체의 노출; (2) 반응 챔버의 퍼지; (3) 제2 전구체, 예컨대 산화 전구체의 노출; 및 (4) 반응 챔버의 추가 퍼지를 포함할 수 있다. ALD 프로세스의 제1 스테이지에서, 제1 전구체는 기판상의 사이트들과 반응하여, 그에 의해 제1 전구체의 전체 또는 부분 분자 층을 형성한다. 제2 스테이지에서, 반응하지 않는 제1 전구체 분자들은 예컨대 불활성 가스, 이를테면 아르곤 또는 N2를 사용하여 퍼지 및/또는 펌프 아웃되어, 남아있는 제1 전구체와 후속적으로 도입된 제2 전구체 사이에서 발생할 수 있는 가스상(gas phase) 반응들을 방지 또는 최소화할 수 있으며, 후속적으로 도입된 제2 전구체의 반응은 층 레벨만큼 분자 층에서의 성장을 막는다. 제3 스테이지에서, 제2 전구체는 퍼지된 챔버 내로 도입되어 제1 전구체의 분자 층과 반응하여, 타겟 재료의 단일 분자 층 또는 서브 분자 층을 산출한다. 제4 스테이지는 다른 성장 사이클에 대비하여 제2 전구체의 잔류물들을 퍼지/펌핑하는 것을 포함하며, 이는 원하는 두께가 달성될 때까지 반복될 수 있다.
[0118]
도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 광학 구조들(1008)에 혼입된 무기 재료는 금속을 포함하는 유전체와 같은 금속 화합물을 포함할 수 있다. 무기 재료는 예컨대 금속 산화물 또는 금속 질화물, 예컨대 Al, Zn, Zr, Hf, Ti 및 Ta를 포함하는 하나 이상의 전이 금속들의 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있다. 따라서, ADL 성장 사이클은 (1) 전이 금속을 포함하는 금속 전구체에 대한 기판의 노출; (2) 반응 챔버의 퍼지; (3) 산화 전구체의 노출; 및(4) 반응 챔버의 추가 퍼지를 포함할 수 있다. 무기 재료는 산화 프로세스에 의해 생성되어, 예컨대 금속 산화물, 금속 질화물 또는 다른 무기 재료들을 생성할 수 있다.
[0119]
유리하게, 무기 재료를 혼입시키기 위해 ALD 프로세스를 사용하는 것은 다수의 장점들을 제공한다. 예컨대, 전구체들의 흡착, 화학 흡착 또는 반응이 단층 또는 서브단층(submonolayer) 레벨에서 증착된 재료의 양을 제어하기 때문에, 증착된 재료의 막 두께 또는 양은 반응 사이클들의 수에 기반하여 정확하게 제어될 수 있다. 추가로, 가스상의 전구체들이 다른 증착 기법들, 예컨대 시선 및/또는 종횡비에 의존적일 수 있는 PVD(physical vapor deposition) 또는 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)와 같은 증착 기법들을 사용하여 액세스하기에 곤란하거나 또는 불가능한 표면들에 도달할 수 있기 때문에, ALD는 3차원 표면들 상에 등각 박막들을 증착하기에 적합한 방법일 수 있다. 또한, 흡착, 화학 흡착 또는 반응이 비교적 낮은 온도(예컨대, 100 ℃ 미만)에서 발생할 수 있기 때문에, ALD는 제한된 열적 버짓(thermal budget) 또는 열적 공차(thermal tolerance)를 갖는 구조들 또는 표면들 상에 증착하기에 적절할 수 있다.
[0120]
따라서, 바람직한 실시예들에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들(1008)을 형성하기 위해 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)에 무기 재료를 혼입시키는 것은 위에서 설명된 바와 같이 ALD에서 사용되는 일부 프로세스 피처들을 사용하여 그리고/또는 ALD를 위해 구성된 반응기에서 수행될 수 있다.
[0121]
압력, 온도 및 시간의 특정 조합들은 다음과 같이 상세히 설명되는 바와 같이 광학 구조들(1008)을 형성하는데 특히 적절할 수 있다. 따라서, 실시예들에 따르면, 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나 또는 둘 다에 기판을 노출시키는 것은, 금속 전구체 및 산화 전구체 둘 모두 중 하나로 베이스 중합체 구조들의 노출된 표면들을 포화시키기에 충분한 지속기간 동안 그리고 전체 및/또는 부분 압력에서 노출시키는 것을 포함한다.
[0122]
도 11을 다시 참조하면, 실시예들에 따르면, 노출(1112)은 대기압보다 큰 압력 하에서 수행된다. 임의의 이론에 제한되지 않고, 보다 높은 압력들은 무기 재료를 형성하기 위해 반응 이전에 전구체들의 확산을 향상시키고 그리고/또는 형성 후 무기 재료의 확산을 향상시킬 수 있다. 금속 및/또는 산화 전구체들로 노출시키는 동안 전체 압력 및 부분 압력들 중 하나 또는 둘 모두가 조정되거나 최적화될 수 있다. 상이한 경우들에서, 노출(들) 동안의 전체 압력은 약 10 mTorr 내지 약 100 Torr, 약 50 mTorr 내지 약 50 Torr, 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr, 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위 내 또는 이들 범위들을 벗어난 임의의 압력, 예컨대 약 800 mTorr 내지 약 5 Torr 또는 1 Torr 및 5 Torr일 수 있다. 전체 압력하에서, 전구체의 부분 압력은 전체 압력의 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 또는 이들 값에 의해 정의된 범위 내의 임의의 압력일 수 있거나 또는 이들 범위를 벗어날 수 있으며, 예컨대 약 25-50 mTorr일 수 있다. 나머지 부분 압력들은 전구체 이외의 가스(들), 예컨대 불활성 가스, 예컨대 아르곤 및/또는 N2에 의해 제공될 수 있다.
[0123]
퍼지 프로세스들 동안, 전체 압력은 위에서 설명된 바와 같이 전구체들에 대한 노출 동안 전체 압력과 동일하거나 상이하게 유지될 수 있다.
[0124]
접근법에 따라, 노출(1112)은 1초, 5초, 10초, 30초, 60초, 100초, 500초 또는 1000초, 예컨대 약 10초 내지 400초를 초과하는 지속기간 또는 이 값들에 의해 정의된 범위내의 지속기간 동안 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나 또는 둘 다에 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)을 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 이들 범위들을 벗어난 지속기간들이 또한 가능하다. 상황에 따라, 노출 시간들은 전구체로 증착 표면을 포화시키기에 충분한, 종래의 ALD에서 이용되는 일부 종래의 노출 시간들을 초과할 수 있다. 이러한 노출 시간들은 1초 미만일 수 있다. 임의의 이론에 제한되지 않고, 더 긴 노출 시간들은 유리하게 무기 재료를 형성하기 이전에 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 전구체들의 확산에 충분한 시간을 제공하고 그리고/또는 무기 재료의 하나 이상의 단층들의 형성 후에 무기 재료의 확산에 충분한 시간을 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 노출 시간의 프랙션(fraction)은 전구체로 표면을 포화시키기에 충분할 수 있는 반면에, 노출 시간의 나머지는 전구체들 및/또는 무기 재료를 확산시키는 데 소비될 수 있다. 일부 경우들에서, 노출의 지속기간은 10x, 20x, 50x, 100x 또는 1000x 또는 이들 값들에 의해 정의된 임의의 범위만큼, 전구체로 표면을 포화시키기에 충분한 지속기간을 초과한다. 이 범위들을 벗어난 값들이 또한 가능하다.
[0125]
퍼지 프로세스들 동안, 퍼지 시간들은 위에서 설명된 전구체들에 대한 노출을 위한 노출 시간들과 동일하거나, 또는 이 노출 시간들 보다 예컨대 2x, 5x 또는 10x 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위 내의 임의의 시간 만큼 더 길 수 있다. 퍼지 시간들은 또한 이들 범위들을 벗어날 수 있다. 그에 따라서, 금속 전구체에 기판을 노출시키기 위한 제1 노출 시간, 금속 전구체를 퍼지하기 위한 제1 퍼지 시간, 산화 전구체에 기판을 노출시키기 위한 제2 노출 시간, 및 산화 전구체를 퍼지하기 위한 제2 퍼지 시간에 대응하는 서브사이클들(t1, t2, t3 및 t4)의 지속기간들은 위의 지속기간, 예컨대 t1, t3 = 1-100초 또는 위에서 설명된 임의의 범위 및 t2, t4 = 5-500 초 또는 위에서 설명된 임의의 범위의 조합을 가질 수 있다.
[0126]
구성 및/또는 제조 방법에 따라, 노출(1112)은 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들을 약 100 ℃ 보다 낮은 온도에서 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나 또는 둘 다에 노출시키는 것을 포함한다. 비교적 낮은 온도들은 증가된 압력 및 더 긴 노출 시간이 더 낮은 온도들을 보상할 수 있기 때문에, 전구체들 및/또는 무기 재료의 원하는 확산 깊이를 달성하기 위해 이용될 수 있다. 실시예들에 따르면, 노출은 200oC, 150oC, 100oC, 80oC, 60oC, 40oC 또는 20oC 보다 낮은 온도, 또는 이들 값들에 의해 정의된 임의의 범위 내의 온도에서 수행될 수 있다. 100℃ 보다 큰 온도들을 포함하여, 이들 범위들을 벗어난 온도들이 사용될 수 있다.
[0127]
기판을 금속 전구체에 노출시키는 것은 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속과 같은 전이 금속을 포함하는 전구체에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈 산화물 및 이들의 조합들을 포함하는 전이 금속 산화물을 혼입시키기 위해, 제1 스테이지에 사용되는 금속 전구체는 할로겐화물들(즉, F, Cl, Br 또는 I에 본딩된 금속), 알킬 화합물들 및 전이 금속을 갖는 알콕시드들을 포함할 수 있다.
[0128]
원하는 구조 및/또는 방법에 따라, 금속 할로겐화물 전구체들은 알루미늄 염화물 또는 요오드화물, 아연 염화물 또는 요오드화물, 지르코늄 염화물 또는 요오드화물, 하프늄 염화물 또는 요오드화물, 티타늄 염화물 또는 요오드화물 또는 탄탈 염화물 또는 요오드화물을 포함할 수 있다.
[0129]
원하는 구조 및/또는 방법에 따라, 금속에 본딩된 산소를 갖는 금속 전구체들은 알콕시드들(M-(O-CR)n), 이를테면 하프늄 tert-부톡시드, Hf(OC4H9)4를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 알콕소 리간드는 하나의 O 원자 및 ß-디케토네이트들(M=(O2C3R3)n, 이를테면 Zr(thd)4를 통해 금속 원자에 본딩되며, 여기서 각각의 디케토네이토 리간드는 2개의 금속-산소 본드들(금속 중심의 리간드 "킬레이트들")을 통해 금속에 본딩된다.
[0130]
원하는 구조 및/또는 방법에 따라, 금속에 본딩된 질소를 갖는 전구체들은 금속 알킬아미드들(M(NR2)n), 이를테면 하프늄 디메틸아미드, Hf(N(CH3)2)4 및 금속 아미디네이트들(M(N2CR3)n)를 포함할 수 있다.
[0131]
탄소에 직접적으로 본딩된 금속 원자들을 갖는 유기금속 전구체들이 또한 사용될 수 있다. 이러한 유기금속 전구체들은 알킬 M(CxHy)n, 이를테면 트리메틸알루미늄, Al(CH3)3; 및 시클로펜타디엔일들, 이를테면 디시클로펜타디에일디메틸하프늄, Hf(C5H5)2(CH3)2(혼합 리간드 전구체)를 포함할 수 있다. 다른 전구체들이 또한 사용될 수 있다.
[0132]
원하는 구조 및/또는 방법에 따라, 산화 전구체에 기판을 노출시키는 것은 실시예들에 따라 산소(O, O2), 오존(O3), 물(H2O), 수소 과산화물(H2O2), 질소 산화물(NO, N2O), 암모니아(NH4) 또는 이들의 조합들을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 산화 전구체들과 같은 다른 전구체들이 사용될 수 있다.
[0133]
상이한 전구체들의 조합이 사용될 수 있고, 어떤 무기 재료가 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)에 혼입되고 있는지에 의존할 수 있다. 예컨대, 알루미늄 산화물은 트리메틸알루미늄 및 물 또는 오존으로부터 보다 용이하게 증착될 수 있는 반면에, 알루미늄 질화물은 알루미늄 디메틸아미드, Al2(N(CH3)2)6 및 암모니아로부터 더욱 용이하게 만들어질 수 있다. 하프늄 산화물 및 하프늄 산질화물의 ALD의 경우, 하프늄 에틸메틸아미드, Hf(N(CH3)(C2H5))4는 충분한 휘발성 및 안정성과 물, 오존 및 암모니아에 대한 높은 반응성을 조합한 적합한 액체 전구체일 수 있다.
[0134]
추가로, 도 10과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 베이스 중합체 유닛들의 중합체 체인들은 무기 재료들을 형성하기 위해 특정 금속 전구체와 반응하도록 구성된 다양한 작용기들, 예컨대 카르보닐기들, 히드록실기들 및 피리딘기들을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 예를 제공하기 위해, 증착 화학물이 Al2O3의 형성을 위해 Al(CH3)3 (TMA) 및 H2O를 포함하는 경우에, PMMA는 PMMA의 카보닐기가 Al-OH 종을 형성하기 위해 TMA와 반응할 수 있도록 중합체 베이스 재료에 포함될 수 있으며, 이는 결국 베이스 중합체 구조들(1204)에 혼입되는 Al2O3를 형성하기 위해 가수분해 반응에서 H2O와 반응한다.
[0135]
도 14a 및 14b를 참조하면, 전술한 것에 기반하여, 노출 시간, 퍼지 시간, 전체 또는 부분 압력, 및 기판 온도를 포함하는 다양한 파라미터들이 베이스 중합체 구역(1008a) 및 무기 재료가 침투된 침투 구역(1008b)을 포함하는 광학 구조들(1008)을 형성하기 위해 전구체들 및/또는 무기 재료의 확산을 제어하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 무기 재료는 광학 구조들(1008)의 표면 구역들에 혼입되어, 각각은 실질적으로 무기 재료가 내부에 혼입되지 않은 광학 구조의 코어 구역을 포함하는 베이스 중합체 구역(1008a)을 가지며, 무기 재료가 내부에 침투된 표면 구역을 포함하는 침투 구역(1008b)을 추가로 갖는다.
[0136]
또한, 전구체들 및/또는 무기 재료의 확산은 침투 구역(1008b)의 폭, 깊이 또는 두께(Hi-Hf 및/또는 Wi-Wf)가 약 1nm, 10nm, 20nm, 50nm, 100nm, 200nm, 300nm 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위 내의 두께를 초과하도록 제어될 수 있다. 이들 범위를 벗어난 두께들이 또한 가능하다. 따라서, 베이스 중합체 구역(1008a)은 실질적으로 무기 재료가 없을 수 있다. 베이스 중합체 구역은 베이스 중합체 구역(1008a)의 전체 볼륨을 기준으로 40%, 30%, 20%, 10%, 5% 또는 1% 미만의 무기 재료를 가질 수 있거나 또는 이들 값들에 의해 정의된 임의의 범위의 임의의 퍼센티지를 가질 수 있다. 이들 범위들 벗어난 퍼센티지들이 또한 가능하다. 대조적으로, 침투 구역(1008b)은 무기 재료가 실질적으로 침투된다. 침투 구역(1008b)은 베이스 중합체 구역(1008a)의 전체 볼륨을 기준으로 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 99% 초과의 무기 재료를 가질 수 있거나, 또는 이들 값들에 의해 정의된 임의의 범위의 임의의 퍼센티지를 가질 수 있다. 이들 범위를 벗어난 퍼센티지들이 또한 가능하다.
[0137]
그러나, 구성들은 그렇게 제한되지 않고, 일부 다른 구성들에서, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 실질적으로 모든 볼륨들은 무기 재료가 침투되며, 이에 따라 침투 후, 베이스 중합체 구조들(1204)에는 실질적으로 무기 재료가 없는 베이스 중합체 구역들(1008a)이 없다.
[0138]
위에서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 노출 조건들은 전구체(들) 및/또는 무기 재료의 확산 특징들에 영향을 준다. 임의의 이론에 제한되지 않고, 일부 실시예에서, 전구체(들) 중 적어도 일부는 무기 재료를 형성하기 전에 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 확산된다. 예컨대, 금속 전구체의 단층의 적어도 일부는 예컨대 중합체 구조들(1204)의 베이스 중합체 재료의 작용기와 반응하도록 침투 구역(1008b)의 깊이 이하의 깊이까지 중합체 구조들(1204)내로 확산될 수 있다. 그 후, 산화 전구체의 단층의 적어도 일부는 예컨대, 금속 전구체와 반응하도록 침투 구역(1008b)의 깊이 이하의 깊이까지 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 확산될 수 있으며, 이에 의해, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 표면 아래 또는 그 내부에 무기 재료의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
[0139]
그러나, 구성들은 그렇게 제한되지 않는다. 임의의 이론에 제한되지 않고, 일부 다른 실시예들에서, 무기 재료의 적어도 일부들은 형성된 후 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 확산된다. 예컨대, 무기 재료의 단층의 적어도 일부는 베이스 중합체 구조들(1204)의 표면들에 형성된 후에 침투 구역(1008b)의 깊이 이하의 깊이까지 중합체 구조(1204) 내로 확산될 수 있다.
[0140]
계속해서 도 14a 및 14b를 참조하면, 유리하게, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들(1204)을 형성하는 베이스 중합체 재료는 위에서 설명된 바와 같이 다양한 프로세싱 및 재료 파라미터 하에 무기 재료를 혼입시킨 후에, 무기 재료의 혼입 이전에 주기적으로 반복되는 중합체 구조들(1204)의 디멘션들 및 무기 재료의 혼입 후 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)의 디멘션들이 비교적 제한된 양 내에서 상이하도록 하는 구성, 구조 및 밀도를 갖는다. 예컨대, 실질적으로 직사각형 단면 형상을 갖는 예시된 실시예와 같은 설계들의 경우, 폭 및 높이 중 하나 또는 둘 모두가 30%, 20%, 10%, 5% 또는 1% 미만 만큼, 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위내의 퍼센티지만큼 변하는 반면에, 이들 범위들을 벗어난 퍼센티지 변화들이 또한 가능하다. 측면 디멘션들의 상대적으로 작은 변화는 적어도 프로세싱의 결과로서 임계 디멘션들의 가변성이 감소되기 때문에 유리하다.
[0141]
일부 실시예들에 따르면, 무기 재료는 열적 ALD(thermal atomic layer deposition)과 유사한 프로세스 시퀀스를 사용하여 베이스 중합체 구조들(1204)에 혼입되거나 침투된다. 열적 ALD 프로세스는 플라즈마를 사용하지 않고 수행되는 증착이다. 일부 다른 실시예들에서, 무기 재료는 PE-ALD(plasma-enhanced atomic layer deposition)을 사용하여 혼입되거나 침투된다. 열적 또는 PE-ALD가 이용되는지의 여부는 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 디멘션들 및 종횡비들에 의존할 수 있다. 예컨대, 인접 중합체 구조들(1204) 사이의 상대적으로 높은 종횡비 및/또는 비교적 작은 간격을 갖는 베이스 중합체 구조들(1204)의 경우, 플라즈마는 일부 상황들에서 고 종횡비의 베이스 중합체 구조들(1204)의 더 깊은 구역들에 도달하지 않을 수 있다. 이러한 상황들에서, PE-ALD가 이용될 때, 베이스 중합체 구조들(1204)의 상이한 부분들이 상이한 양의 플라즈마에 노출되어, 비-균일한 증착, 예컨대 더 깊은 구역들과 비하여 베이스 중합체 구조들(1204)의 상부 구역들 인근에 증착된 더 두꺼운 막으로 이어질 수 있다. 대신에, 증착되는 표면의 부분들에 플라즈마가 도달하는 능력에 열적 ALD가 의존하지 않을 수 있기 때문에, 열적 ALD가 더 유리할 수 있다. 그러나, 다른 상황들에서, PE-ALD는 플라즈마가 ALD 반응의 활성화 에너지들을 낮출 수 있기 때문에, 예컨대 저온 증착을 허용하는데 더 바람직할 수 있다.
[0142]
위에서, 무기 재료가 ALD와 관련된 프로세스들을 사용하여 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)에 혼입되거나 침투되는 예시적인 방법들 및 장치가 설명되었다. 그러나, 방법들 및 장치는 그렇게 제한되지 않는다. 일부 상황들에서, 예컨대, 무기 재료가 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 확산되기 이전에 형성되는 경우 및/또는 베이스 중합체 구조들(1204)의 디멘션들 및 이들 사이의 간격이 비교적 큰 경우, 예컨대 더 빠른 스루풋을 위해 다른 증착 기법들이 이용될 수 있다. 예컨대, 일부 경우들에서, 무기 재료는 플라즈마-기반 CVD(chemical vapor deposition) 프로세스들, 이를테면 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition), 및 열-기반 CVD 프로세스들, 이를테면 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)를 포함하는 프로세스들, 이를테면 CVD(chemical vapor deposition)를 사용하여 침투될 수 있다. 무기 재료는 또한 다른 기법들 중에서도 PVD(physical vapor deposition) 및 증발을 사용하여 침투될 수 있다.
[0143]
다양한 실시예들에 따르면, 유리하게, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 것은 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 베이스 중합체 재료의 노출된 표면을 통해 무기 재료를 혼입시킨다. 이는, 위에서 설명된 바와 같이, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 표면들과 달리, 기판(1004)의 표면이 금속 전구체들과의 흡착, 화학 흡착 또는 반응에 적응된 작용기들을 갖지 않기 때문이다. 따라서, 금속 전구체의 흡착, 화학 흡착 또는 반응의 선택도에 기반하여, 도 14a/14b, 15a/15b 및 16a/16b와 관련하여 아래에서 설명되는 바와 같이 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 변동들이 형성될 수 있다.
[0144]
도 14a 및 14b의 예시된 실시예에서, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)이 형성될 때, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들 중 인접한 구조는 공간(1012)에 의해 분리된다. 베이스 중합체 구조들(1204)의 표면들과 달리, 공간들(1012)에서 기판의 표면들 상에는 베이스 중합체 재료가 형성되지 않는다. 즉, 무기 재료를 중합체 구조들(1204) 내에 혼입시키기 위해 전구체들을 노출시키기 전에, 베이스 중합체 재료는 베이스 중합체 구조들(1204)들 인접한 구조들 사이에서 완전히 제거되어, 기판의 표면은 공간들(1012)에서 노출된다. 후속적으로, 금속 전구체들과의 흡착, 화학 흡착 또는 반응에 적응된 작용기들이 기판의 노출된 표면들 상에 형성되지 않기 때문에, 무기 재료가 그 상부에 형성되지 않는다.
[0145]
도 15a 및 16a의 중간 구조들(1500A, 1600A) 및 도 15b 및 16b의 중간 구조들(1500B, 1600B)을 각각 참조하면, 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)(도 15b, 16a)을 형성하기 위해 무기 재료를 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)(도 15a, 도 16a)에 혼입시키는 방법들은 대안적인 실시예들에 따라 설명된다. 중간 구조들(1400a(도 14a) 및 1400b(도 14b))을 각각 산출하는 제조 프로세스들과 유사한 중간 구조들(1500a, 1600a 및 1500b, 1600b)를 산출하는 다양한 제조 프로세스들이 본원에서 생략되는 반면에, 차이점들이 본원에서 설명된다. 예시된 실시예에서, 도 14a/14b와 관련하여 예시된 실시예와는 달리, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)을 형성하는 것은 베이스 중합체 재료의 층(1504(도 15a) 및 1604(도 16a))이 상부에 형성되는 기판 표면을 갖는 공간(1012)에 의해 분리된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204) 중 인접한 구조들을 형성하는 것을 포함한다. 즉, 베이스 중합체 구조들(1204)에 무기 재료를 혼입시키기 이전에, 베이스 중합체 재료는 공간(1012)에서의 기판 표면으로부터 그들 사이에서 불완전하게 또는 부분적으로 제거된다. 결과적으로, 돌출된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204) 중 인접한 구조들 사이의 공간들(1012)에서, 기판(1004)의 표면은 베이스 중합체 재료의 층으로 커버된 상태를 유지한다. 후속적으로, 돌출된 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 표면들뿐만 아니라 공간들(1012)의 기판상의 중합체 층들(1504(도 15a) 및 1604(도 16a))의 표면들은 무기 재료를 혼입시키기 위해 전구체들에 노출된다. 위에서 설명되는 바와 같이, 무기 재료의 혼입은 금속 전구체들을 흡착 또는 화학 흡착하는 베이스 중합체 구조들에서 작용기들의 존재로부터 그리고 금속 전구체들과 산화 전구체들 간의 후속적 반응으로부터 기인할 수 있다. 대안적으로, 혼입은 주기적으로 반복되는 광학 구조들(1008)을 형성하기 위해 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 후속적으로 확산되는 중합체 재료의 표면들 상에 무기 재료의 형성으로부터 기인할 수 있다. 결과적으로, 광학 구조들(1008) 중 인접한 구조들 사이의 공간들(1012)에서 기판 표면상의 중합체 층들(1508(도 15a) 및 1608(도 16a))의 표면들뿐만 아니라 돌출된 광학 구조들(1008)의 표면 구역들을 포함한 전체 노출된 표면은 무기 재료를 포함한다(incorporate).
[0146]
일부 실시예에서, 도 15a에 예시된 바와 같이, 공간들(1012)에서의 기판 표면들 상에 형성된 중합체 재료의 층들(1504)은 비교적 얇은 두께, 예컨대 침투 구역(1008b)의 두께(Hi-Hf 및/또는 Wi-Wf)와 유사하거나 또는 이보다 더 작은 두께를 갖는다. 이들 실시예들에서, 무기 재료의 침투 후, 공간(1012)에서 중합체 재료의 층들(1508)의 실질적으로 전체 두께는 도 15b에 예시된 바와 같이 무기 재료를 포함할 수 있다(또는 포함하지 않을 수 있다).
[0147]
일부 다른 실시예들에서, 도 16a에 예시된 바와 같이, 공간들(1012)에서의 기판 표면들 상에 형성된 중합체 재료의 층(1604)은 비교적 두꺼운 두께, 예컨대 침투 구역(1008b)의 두께(Hi-Hf 및/또는 Wi-Wf)를 초과하는 두께를 갖는다. 이들 실시예들에서, 무기 재료의 침투 후, 공간들(1012)에서 중합체 재료의 층들(1608)의 두께들의 일부(그 전체 두께 미만의 부분)는 도 16b에 예시된 바와 같이 표면 구역들에서 무기 재료를 포함한다.
[0148]
유리하게, 광학 구조들(1008)을 형성하기 위해 무기 재료를 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 혼입시키는 것은 구조들의 굴절률 증가를 산출한다. 실시예들에 따르면, 기판(1004)은 공기의 굴절률를 보다는 크나 광학 구조들(1008)의 제2 굴절률, 예컨대 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값 미만인 제1 굴절률을 갖는다. 이들 범위들을 벗어난 굴절률들이 또한 가능하다. 무기 재료의 혼입 후, 다양한 실시예들에서, 제2 굴절률은 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값보다 크고, 적어도 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값만큼 제1 굴절률보다 크다. 이들 범위들을 벗어난 굴절률들 및 굴절률의 증가들이 또한 가능하다. 무기 재료의 혼입 이전에, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)은 광학 구조들(1008)의 최종 제2 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예컨대, 무기 재료의 혼입 이전에 베이스 중합체 구조들(1204)의 굴절률은 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값일 수 있다. 예컨대, PMMA 및 폴리스티렌은 약 588nm에서 각각 약 1.49 및 약 1.59의 굴절률들을 갖는다. 1.7, 2.0, 2.3, 2.6, 3.0 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값보다 큰 굴절률을 갖는 무기 재료의 혼입시에, 베이스 중합체 구조들(1204)의 굴절률은 예컨대, 위의 범위들의 값을 갖도록 증가될 수 있다. 따라서, 굴절률은 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 초과 만큼 증가되거나 또는 이들 값들에 의해 정의된 범위의 값까지 증가될 수 있다. 이들 범위를 벗어난 굴절률들 및 굴절률의 증가들이 또한 가능하다.
[0149]
유리하게, 광학 구조들(1008)을 형성하기 위해 무기 재료를 베이스 중합체 구조들(1204) 내로 혼입시키는 것은, 예컨대 영률(Young's modulus)(E)에 의해 측정되는 바와 같이 기계적 강도 증가를 산출할 수 있다. 본원에 개시된 실시예들에 따른 무기 재료의 혼입 이전에, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조(1204)의 영률은 약 1.0 GPa 및 약 5 GPa 내에 있을 수 있다. 예컨대, PMMA는 약 2.5 내지 3.5 GPa, 예컨대 약 3.1 GPa의 영률을 가질 수 있고, 폴리스티렌은 약 1.5 내지 2.5 GPa, 예컨대 약 2.0 GPa의 영률을 가질 수 있다. 무기 재료의 혼입시, 다양한 실시예들에서, 주기적으로 반복되는 베이스 중합체 구조들(1204)의 영률은 1 GPa, 2 GPa, 5 GPa, 10 GPa 초과 또는 이들 값에 의해 정의된 범위 내의 값만큼 증가할 수 있다. 무기 재료를 혼입시킨 결과적인 광학 구조들(1008)의 영률은 약 2.5 GPa 내지 약 17.5 GPa, 약 2.5 GPa 내지 약 7.5 GPa, 약 7.5 GPa 내지 약 12.5 GPa, 약 12.5 GPa 내지 약 17.5 GPa일 수 있다 . 이들 범위들을 벗어난 영률의 값들이 또한 가능하다.
[0150]
비록 특정 산화물들 및 질화물들이 무기 재료를 포함하는 것으로 본원에 개시되지만, 다른 재료들이 가능하다. 추가로, 산화물들 및 질화물들은 본원에서 설명되는 바와 같은 산화 프로세스들에 의해 또는 다른 타입들의 산화 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 다른 재료들이 또한 산화 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 또 다른 타입들의 프로세스들이 또한 사용될 수 있다.
무기 재료가 혼입된 중합체 기반 광학 구조들을 포함하는 기하학적 위상
메타표면들에
기반한
광학
엘리먼트들
[0151]
메타표면들은 반사 또는 투과에서 광의 편광, 위상 및/또는 진폭을 로컬로 수정할 수 있는 표면 구조들을 포함할 수 있다. 메타표면들은 패턴들이 광의 파면을 제어하도록 구성된 서브파장-사이즈 및/또는 서브파장-이격 위상 시프트 엘리먼트들의 어레이를 포함할 수 있어서, 이로부터 빔 성형, 렌싱(lensing), 빔 굽힘, 및 편광 분리를 포함하는 다양한 광학 기능성들이 도출될 수 있다. 광의 파면을 조작하는 데 사용될 수 있는 팩터들은 표면 구조들의 재료, 사이즈, 기하학적 구조 및 배향을 포함한다. 표면 상에 별개의 스캐터링 특성들을 갖는 표면 구조들을 배열함으로써, 공간-변형 메타표면들이 생성될 수 있으며, 이들 전반에 걸쳐 광학 파면들이 실질적으로 조작될 수 있다.
[0152]
렌즈들 및 파장판들과 같은 종래의 광학 엘리먼트들에서, 파면은 파장보다 훨씬 두꺼운 매체에서 전파 위상들을 통해 제어된다. 종래의 광학 엘리먼트들과 달리, 메타표면들은 대신 위상 시프트 엘리먼트들로서 서브파장-사이즈 공진기들을 사용하여 광의 위상 변화들을 유도한다. 메타표면들이, 두께가 비교적 얇고 균일한 피처들로 형성되기 때문에, 이들은 반도체 프로세싱 기법들과 같은 박막 프로세싱 기법들뿐만 아니라 나노 임프린트 기법들과 같은 다이렉트-프린팅 기법들을 사용하여 표면에 걸쳐 패터닝될 수 있다.
[0153]
위에서 설명된 바와 같이, 무기 재료들가 혼입된 중합체 광학 엘리먼트들은 튜닝 가능한 굴절률 및 강도를 제공하면서 제조하는데 비교적 용이하다. 결과적으로, 무기 재료들가 혼입된 중합체 광학 엘리먼트들은 메타표면들에 기반한 광학 엘리먼트들에 대한 우수한 후보이다. 하기에서, 무기 재료들이 혼입된 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 메타표면들에 기반한 광학 엘리먼트들, 예컨대 회절 격자들이 설명된다.
[0154]
임의의 이론에 제한되지 않고, 광 빔이 광의 편광 상태들의 공간에서 폐쇄 사이클을 따라 취해질 때, 이는 누적된 경로 길이들 뿐만아니라 기하학적 위상으로부터 동적 위상을 획득할 수 있다. 기하학적 위상으로부터 획득된 동적 위상은 편광의 로컬 변화들 때문이다. 원하는 위상면을 형성하기 위해 기하학적 위상에 기반한 일부 광학 엘리먼트들은 PBOE(Pancharatnam-Berry phase optical element)들로서 지칭될 수 있다. PBOE들은 빠른 축들의 배향이 파장판 엘리먼트들의 공간 포지션에 의존하는 파장판 엘리먼트들로부터 구성될 수 있다.
[0155]
이론에 의해 제한되지 않고, 기하학적 위상 광학 엘리먼트들, 예컨대 PBOE들로 형성된 반-파장판(half-wave plate)들(이들의 빠른 축 배향들은 함수 
에 따름)을 갖는 메타표면을 형성함으로써, 입사 원형 편광된 광 빔은 
과 동일한 기하학적 위상을 갖는 반대 헬리시티의 빔으로 완전히 변환될 수 있다. 0과 π간의 파장 판 엘리먼트들의 빠른 축들의 로컬 배향을 제어함으로써, 전체 광학 엘리먼트에 걸쳐 비교적 높은 그리고 균일한 투과 진폭을 유지하면서 전체 0-내지-2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있으며, 이로써 원하는 파면이 제공될 수 있다.
[0156]
하기에서, 도 17a-도 17h를 참조하면, 실시예들에 따라, 복수의 기하학적으로 회전된 파장판 엘리먼트에 기반한 기하학적 PBOE의 구성(1700)이 설명되며, 여기서 각각의 파장판 엘리먼트는 위에서 설명되는 바와 같이 주기적으로 반복되는 광학 구조들(도 10, 14b, 15b, 16b의 1008)의 패턴을 포함한다. 특히, π의 위상 지연을 갖는 반-파장판으로서 구성된 PBOE가 설명된다. 예시된 실시예에서, 8개의 이웃하는 반-파장판 엘리먼트들은 동등하게 이격된 것처럼 배열되며, 이웃 파장판들 간에 일정한 배향-각도 차이 
를 특징으로 한다. 그러나, 더 적은 또는 더 많은 수의 파장판 엘리먼트들이 인접하는 파장판들 간에 상이한 배향-각도 차이 
로 이용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예시 목적들로, 최하부 행은 왼쪽 원형 편광, 즉 
상태를 갖는 입사 광 빔의 편광 벡터의 회전을 개략적으로 묘사한다. 중간 행은 도 14b, 15b 및 16b를 참조하여 설명된 것들과 유사한 복수의 주기적으로 반복되는 광학 구조들로 구성된 반-파장판 엘리먼트들을 예시하며, 반-파장판 엘리먼트들의 빠른 축들은 수직 축에 대해 상이한 각도들(θ)로 배향된다. 최상부 행은 파장판 엘리먼트들을 통해 투과된 광의 대응하는 편광 벡터들을 뒤에서 개략적으로 예시한다. 파장판의 빠른 축의 원형 편광 및 반시계 방향 배향 각도들은 광원의 관점에서 정의된다.
[0157]
계속해서 도 17a-17h를 참조하면, 입사 광 빔은 x 및 y 방향들에서 각각 동일한 진폭들을 갖는 편광 벡터(1704 및 1708) 및 편광 벡터들 간의 π/2의 위상 지연(1712)에 의해 설명될 수 있다. 동작시, 반-파장판은 π의 위상만큼 2개의 수직 편광들 간의 위상을 시프팅함으로써 작동한다. 이러한 액션의 최종적인 결과는 느린 축을 따라 지향되는 전기장을 뒤집고 빠른 축을 따라 전기장을 유지하는 것이다. 이러한 액션은 또한 오리지널 편광 벡터가 미러의 역할을 하는 빠른 축에 대해 자신의 미러 이미지로 뒤집어진다. 편광 벡터가 시간에 대해 회전하는 헬리컬 입사 상태를 고려할 때, 파장판의 액션은 
로부터 
으로 헬리시티를 스위칭하는 (또는 그 반대의 경우도 마찬가지임) 것을 알 수 있다.
[0158]
도 17a의 최하부 행을 참조하면, 입사 
빔의 전기장은 벡터(1704)에 의해 표시된 바와 같이 초기 시간 t = t0에서 포지티브 y 축에서 상향으로 지향한다. 광학 사이클의 1/4(즉, π/2) 후에, 광은 벡터(1708)에 의해 표현되는 바와 같이 네거티브 y-방향을 따라 지향된다. 도 17a의 중간 행에서 파장판의 액션은 광의 전파 방향 및 빠른 축의 평면에 배치된 미러에서 벡터들(1704 및 1708)을 미러링하는 것이다. 이러한 미러의 액션은 포지티브 x-방향으로 벡터(1704)를 뒤집고 오리지널 방향으로 벡터(1208)를 유지하는 것이다. 결과적으로, 
빔이 
빔으로 변환된다.
[0159]
도 17b-17h은 파장판들의 빠른 축들이 각각 π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4, 3π/2 및 7π/4의 각도 θ만큼 회전될 때 
빔의 편광 벡터들이 어떻게 변하는지를 예시한다. 회전 각도에 관계 없이, 
출력 빔이 생성된다. 그러나, 도 17a를 참조로 벡터들(1704 및 1708)의 생성된 위상 지연은 
에 의해 정해진다. 예컨대, 도 17e에 도시된 바와 같이 
일 때, 파장판의 액션은 네거티브 y-방향으로부터 포지티브 y-방향으로 벡터(1708)를 뒤집으면서 동일한 방향으로 벡터(1704)를 유지하는 것이다. 이는 LCP의 입사 광에 대해 
만큼 지연된 
빔을 생성한다. 이로써, 예시된 반파장판에 대해, 도 17a에 도시된 상태가 도달되기 전에 광학 사이클의 절반이 더 오래 걸릴 것이다.
[0160]
따라서, 예시적인 예로서, 동등하게 이격되고 일정한 배향-각도 차이, 예컨대 이웃들 간에 
를 특징으로 하는 8 개의 반-파장판 엘리먼트들을 통과한 후, 투과된 RCP 파들은 이웃 파장판들 간의 일정한 위상차(phase difference) 
를 디스플레이한다. 0과 π 사이에서 변하는 빠른-축 배향을 갖는 8 개의 파장판 엘리먼트들을 사용함으로써, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 지연들/픽업들이 달성될 수 있다. 그러나, 가시광에 대한 높은 회절 각도를 갖는 반-파장판 엘리먼트들을 제조하는 것은 난제일 수 있다. 이는 회절 각도가 무엇보다도 주기적으로 반복되는 파장판 엘리먼트들의 기간 길이에 의존하기 때문이며, 비교적 짧은 기간 길이내에서 비교적 많은 수의 반-파장판 엘리먼트들을 형성하는 것은 공간적 제약으로 인해 어려울 수 있다.
[0161]
도 17a-17h에서, 예시의 목적으로, 예시된 반-파장판은 이웃한 파장판들 간의 일정한 배향-각도 차이 
를 갖는 8 개의 동등하게 이격된 이웃한 반-파장판 엘리먼트들을 포함하였고, 여기서 각각의 파장판 엘리먼트는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적으로 반복되는 중합체-기반 광학 구조들의 패턴을 포함하였다. 그러나, 실시예는 그렇게 제한되지 않으며, 하기에서, 회절 격자의 실시예들에서, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 지연들/픽업들이 더 적은 수의 파장판 엘리먼트들로, 비교적 높은 회절 각도들 및 회절 효율성들 뿐만 아니라 비교적 넓은 입사각에 걸친 회절 효율성들의 균일성으로 달성될 수 있다.
[0162]
PBOE들을 포함하는 메타표면들의 적용들은 다양한 다른 적용들 중에서도, 회절 격자들, 예컨대 블레이즈드 격자(blazed grating)들, 포커싱 렌즈들 및 액시콘들을 포함한다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 블레이즈드 격자는 광 빔을 몇 개의 회절된 차수들로 스티어링할 수 있다. 블레이즈드 격자는 하나 이상의 회절 차수들, 예컨대 +1 및/또는 -1 회절 차수들에서 높은 격자 효율성을 달성하도록 구성될 수 있으며, 따라서 광 파워가 원하는 회절 차수(들)로 집중되는 결과를 야기하는 반면 다른 차수들(예컨대, 제로차)에서 잔류 전력은 낮다. 본 개시내용에서, 회절 격자들로서 구성된 PBOE들을 포함하는 메타표면들의 다양한 실시예들이 설명된다. 다양한 실시예들에 따른 회절 격자들은, 높은 회절 각도, 높은 회절 효율성, 넓은 수광각(acceptance angle) 범위 및 수광각 범위 내의 매우 균일한 회절 효율성 중 하나 이상을 포함하는 원하는 광학 특성들의 조합을 갖는다. 이러한 원하는 광학 특성들은 메타표면들의 엘리먼트들의 기하학적 구성들, 디멘션들 및 재료를 포함하는 다양한 발명 양상들의 조합으로부터 기인할 수 있다.
[0163]
본원에서 설명된 바와 같이, 가시광은 적색, 녹색 또는 청색 컬러 범위들을 포함하는 다양한 컬러 범위들에서 하나 이상의 파장들을 갖는 광을 포함할 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 적색 광은 약 620 - 780 nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492 - 577 nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함 할 수 있으며, 청색 광은 약 435 - 493 nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다. 따라서, 가시광은 약 435 nm - 780 nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0164]
본원에서 설명된 바와 같이, 평행, 명목상 평행 또는 실질적으로 평행한 피처들은, 예컨대 나노빔들, 라인들, 라인 세그먼트들 또는 유닛 셀들은, 신장 방향(elongation direction)들로 약 10 % 미만, 약 5 % 미만 또는 약 3 % 미만 만큼 상이한 신장 방향을 갖는 피처들을 지칭한다. 추가로, 수직, 명목상 수직 또는 실질적으로 수직한 피처들은, 신장 방향에서 약 10 % 미만, 약 5 % 미만 또는 약 3 % 미만 만큼 90도로부터 벗어난 신장 방향들을 갖는 피처들을 지칭한다.
[0165]
본원에서 설명되는 바와 같이, 회절 격자들과 같은 광을 회절시키도록 구성된 구조들은 투과 모드 및/또는 반사 모드로 광을 회절시킬 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 투과 모드로 광을 회절시키도록 구성된 구조들은, 광-입사측과 반대측의 구조들 상에서 회절된 광의 세기가, 광-입사측과 동일한 측의 구조들 상에서 회절된 광의 세기와 비교해서 예컨대 적어도 10 % 초과, 20 % 초과 또는 30 % 초과로 더 큰 구조들을 지칭한다. 반대로, 반사 모드로 광을 회절시키도록 구성된 구조들은, 광-입사측과 동일한 측의 구조들 상에서 회절된 광의 세기가, 광-입사측과 반대 측의 구조들 상에서 회절된 광의 세기와 비교해서 예컨대 적어도 10 % 초과, 20 % 초과 또는 30 % 초과로 더 큰 구조들을 지칭한다.
[0166]
본원에서 설명되는 바와 같이, 빔 또는 나노빔으로도 지칭되는 라인은 볼륨을 갖는 세장형 구조이다. 라인들 또는 나노빔들은 위에서 설명된 바와 같이 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료로 형성된다. 라인들은 임의의 특정 단면 형상으로 제한되지 않는다는 것이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 단면 형상은 직사각형이다.
[0167]
도 18a 및 18b는 일부 실시예들에 따라, 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 메타표면을 포함하는 회절 격자(1800)의 측단면도 및 평면도를 각각 예시한다. 회절 격자(1800)는 2-레벨 기하학적 위상 메타표면을 포함한다. 도 18a를 참조로 예시된 측단면도는 도 18b에 예시된 AA'를 따른 단면도이다. 회절 격자(1800)는 가시 스펙트럼에서 파장을 갖는 광을 회절시키도록 구성된 메타표면(1808)이 형성된 표면을 갖는 기판(1804)을 포함한다. 메타표면(1808)은 제1 배향을 갖고 일반적으로 제1 측방향(예컨대, y-방향)으로 연장되는 하나 이상의 제1 라인들 또는 나노빔들(1812) 및 일반적으로 제2 방향(예컨대, x-방향)으로 연장되는 제2 배향을 갖는 복수의 제2 라인들 또는 나노빔들(1816)을 포함한다. 하나 이상의 제1 라인들 또는 나노빔들(1812) 및 복수의 제2 라인들 또는 나노빔들은 위에서 설명된 바와 같이 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료로 형성된다. 제1 라인들 또는 나노빔들(1812)은 제1 세트의 나노빔들을 형성하는 것으로 간주될 수 있고, 제2 라인들 또는 나노빔들(1816)은 제2 세트의 나노빔들을 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 하나 이상의 제1 라인들(1812)과 제2 라인들(1816)은 제2 방향으로 서로 인접하게 배치되고, 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 광(메타평면이 이 광을 회절시키도록 구성됨)의 파장보다 작은 주기로 제2 방향으로 교대로 반복된다.
[0168]
바람직하게는, 제1 라인들(1812)은 각각 동일한 폭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들(1816)은 하나 이상의 제1 라인들(1812)의 인접한 쌍들 사이에 y-방향으로 측방으로 스택된다. 이론에 제한되지 않고, 하나 이상의 제1 라인들(1812)과 제2 라인들(1816)은 바람직하게는 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 의해 회절된 가시광과 제2 라인들(1816)에 의해 회절된 가시광 간에 위상차가 유발되도록 서로에 대해 어떤 각도로 배향되며, 여기서 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 의해 회절된 가시광과 제2 라인들(1816)에 의해 회절된 가시광 사이의 위상차는 이 어떤 각도의 두 배이다.
[0169]
일부 실시예에서, 도 17a-17h를 참조로 위에서 예시된 파장판들의 조합과 유사하게, 0과 π 사이에서 변할 수 있는, 제2 라인(1816)에 대한 하나 이상의 제1 라인(1812)의 상대 배향들에 의해 유발된 위상차, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들(1816) 및 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 하나가 서로에 대해 π만큼 회전될 때, 예컨대 서로 수직일 때, 하나 이상의 제1 라인들(1812)과 제2 라인들(1816) 사이에 2π의 위상 픽업/지연이 달성될 수 있다. 즉, 도 18a-18h와 달리, 일부 실시예들에 따라, 단지 2 개의 상이한 방향들로 배향된 라인들을 갖는 2-레벨 기하학적 위상 메타표면에 기반하여 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있다. 유리하게, 도 17a - 17h, 즉 도 17a - 17h를 참조로 예시된 파장판들의 조합과 달리, 예시된 메타표면(1808)에 의해 점유된 풋프린트는 더 콤팩트하며, 가시 스펙트럼에서 파장 이하의 주기를 가지며, 이는 차례로 회절된 빔들(1838, 1842)의 비교적 높은 회절 각도(θ)를 가능하게 한다.
[0170]
제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 광학적 투과성 재료로 형성된다. 본원에서 그리고 명세서 전반에 걸쳐 설명되는 바와 같이, "투과성" 또는 "투명한" 구조, 예컨대 투과성 기판은 입사 광의 적어도 일부, 예컨대, 적어도 20, 30, 50, 70 또는 90 %가 통과하게 허용할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서 투명한 기판은 유리, 사파이어 또는 중합체 기판일 수 있다. "반사" 구조, 예컨대 반사 기판은 입사 광의 적어도 일부, 예컨대 적어도 20, 30, 50, 70, 90 % 이상을 그로부터 반사할 수 있다.
[0171]
하나 이상의 제1 라인(1812) 및 제2 라인(1816)은 페이지 밖으로 돌출하고, 페이지를 따라 연장하며, 폭을 갖는 돌출부들, 릿지 주름들 또는 나노와이어들인 것으로 설명될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 인접한 제1 라인들(1812) 사이 및/또는 인접한 제2 라인들(1816) 사이의 분리 구역들은 페이지 내로 리세싱하고 간격을 갖는 함몰부, 홈통들, 리세스들 또는 트렌치들인 것으로 설명될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 y-z 평면에서 실질적으로 직사각형 단면 형상을 갖는 세장형 직사각형 구조들이다. 그러나, 다른 실시예들이 가능하며, 여기서 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 원형, 타원형, 삼각형, 평행사변형, 마름모꼴, 사다리꼴, 오각형 또는 임의의 적합한 형상을 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.
[0172]
하기에서, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 디멘션들 및 기하학적 어레인지먼트들을 포함하는 다양한 구성들이 설명되며, 이의 조합된 효과는 비교적 높은 회절 각도, 비교적 높은 회절 효율, 비교적 넓은 범위의 수광각 및 수광각의 범위 내의 비교적 균일한 효율성 중 하나 이상을 포함하는, 본원에서 설명된 원하는 광학 특성들을 갖는 기하학적 위상 광학 엘리먼트들에 기반하여 격자를 생성하는 것이다.
[0173]
계속해서 18a 및 18b를 참조하면, 동작에서, 입사 광 빔(1830), 예컨대 가시광이 표면(1804S)에 수직인 평면에 대해 측정된 입사각(
)으로 메타표면(1808) 상에 입사하고 제1 라인들(1812)에 평행한 방향, 예컨대, x-y 평면에서 연장할 때, 격자(1800)는 입사 광을 투과 된 광 빔(1834)으로서 부분적으로 투과시키고 회절 각도(θ1)로 +1 차수의 회절된 광 빔(1842)으로서 그리고 회절 각도(θ2)로 -1 차수의 회절된 광 빔(1838)으로서 입사 광을 부분적으로 회절시키며, 여기서 회절 각도들은 
를 측정하기 위해 동일한 평면, 예컨대 y-z 평면에 대해 측정된다. 회절 된 광 빔들(1838 및 1842) 중 하나 또는 둘 다가 도파관으로서 구성된 기판(1804)에서 내부 전반사의 발생을 위한 임계 각도(θTIR)를 초과하는 회절 각도로 회절될 때, 회절된 광 빔들(1838 및 1842)은, 광 빔이 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750) 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)(도 9b)에 대응할 수 있는 OPE들/EPE들(1846)에 도달할 때까지, 내부 전반사(TIR) 하에서 x-축을 따라 개개의 반대 방향들로 전파한다.
[0174]
임의의 이론에 제한되지 않고, 서브 파장 피처 사이즈들을 갖는 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)이 누설 모드 공진들을 지원할 때, 이들은 광을 구속할 수 있고, 이에 의해 TE 및 TM 조명 하에서 생성된 산란된 광파에서 위상 지연을 야기할 수 있다. 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)에서의 광의 구속의 유효성은 공진기들로서 동작하는 도파관들로서 구성됨으로써 발생할 수 있고, 결과적인 회절 효율성은 다른 팩터들 중에서, 재료의 굴절률 및 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 서브파장 디멘션들에 의존할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
[0175]
그에 따라서, 일부 실시예들에서, 제1 라인들(1812) 및/또는 제2 라인들(1816)은 비교적 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성된다. 그에 따라서, 위에서 설명된 바와 같이, 실시예들에 따르면, 제1 라인들(1812) 및/또는 제2 라인들(1816)은, 무기 재료의 혼입 후, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0 또는 2.1보다 크고 제1 굴절률보다 적어도 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 또는 1.0만큼 더 큰 제2 굴절률을 갖는다.
[0176]
도 18a 및 18b를 계속해서 참조하면, 위에서 설명된 다양한 재료들로 형성되는 것에 부가하여, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 광의 위상 시프트들을 유도하는 서브파장-사이즈가 정해진 공진기들로서 역할을 하기 위해 디멘션들의 특정 조합을 갖는다.
[0177]
다양한 실시예들에서, 제1 라인들(1812)의 Wnano1 및 제2 라인들(1816)의 Wnano2 각각은 광(메타표면(1808)이 이 광을 회절시키도록 구성됨)의 파장보다 작고, 바람직하게는 가시 스펙트럼의 파장보다 더 작다. 일부 실시예들에서, Wnano1 및 Wnano2 각각은 10 nm 내지 1 ㎛, 10 nm 내지 500 nm, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 100 nm 또는 10 nm 내지 50 nm의 범위에 있고, 예컨대 30 nm이다. 일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 각각은 동일한 폭(Wnano1)을 갖는다. 일부 실시예들에 따르면, 제2 라인들(1816) 각각은 동일한 폭(Wnano2)을 갖는다. 일부 실시예들에 따르면, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 동일한 폭(즉, Wnano1 = Wnano2)을 갖는다. 그러나, 일부 다른 실시예들에서, Wnano1 및 Wnano2는 실질적으로 상이할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 상이한 제1 라인들 및/또는 제2 라인들(1816) 중 상이한 제2 라인들은 다른 폭들을 가질 수 있다.
[0178]
일부 실시예들에 따르면, 제2 방향의 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 바로 인접한 제1 라인들은 일정한 간격(s1)으로 분리된다. 추가로, 제2 방향으로 서로 바로 인접한 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 하나 및 제2 라인들(1816) 중 하나는 일정한 간격(s2)으로 분리된다. 일부 실시예들에 따르면, s1 및 s2 중 하나 또는 둘 모두는 파장(메타표면(1808)이 이 파장을 회절시키도록 구성됨)보다 더 작다. 추가로, 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은 각각 높이 hnano1 및 hnano2를 갖는다. 때때로 FOV(field-of-view) 또는 수광각의 범위로 지칭되는 입사각(
)의 원하는 범위(
)가 획득되도록, 간격들(s1, s2) 및 높이들(hnano1 및 hnano2)의 특정 조합이 선택될 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 원하는 범위(
)는 네거티브 및 포지티브 값들에 걸친 각도들(
)의 범위에 의해 설명될 수 있고, 이를 벗어나면, 회절 효율성은 
에서의 회절 효율에 비해 10 % 이상, 25 % 이상, 50 % 이상, 또는 75 % 이상 감소된다. 예컨대, 
내에서 균일한 회절된 광의 세기가 요구되는 경우, 회절 효율성이 비교적 평탄한 
를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 도 18a를 다시 참조하면, 입사 광 빔(1830)은 표면 법선, 예컨대 y-z 평면에 대한 각도(
)로 메타표면(1808) 및 도파관(1804)의 표면 상에 입사한다. 일부 실시예들에 따르면, 위에서 설명된 바와 같이, 
는 메타표면(1808)에 대한 각도 대역폭과 관련되어, 
내의 광 빔(1830)은 표면 법선(예컨대, y-z 평면)에 대해 회절 각도(θ)로 메타표면(1808)에 의해 효율적으로 회절된다. 특히, θ가 θTIR이거나 이를 초과하는 경우, 회절된 광은 내부 전반사(TIR) 하에서 기판(1804) 내에서 전파된다.
[0179]
는 제2 방향의 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 인접한 제1 라인들에 의해 그리고 제1 방향의 제2 라인들(1816) 중 바로 인접한 제2 라인들에 의해 생성된 쉐도잉 효과에 의존할 수 있음이 밝혀졌다. 즉, 입사 광 빔(1830)이 특정 값보다 큰 입사각(
)으로 입사될 때, 피처를 향하는 입사 광 빔은 바로 인접한 피처에 의해 차단될 수 있다. 예컨대, 
가 s1/hnano1, s2/hnano1 및/또는 s2/hnano1의 아크탄젠트와 연관될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 비율들 s1/hnano1, s2/hnano1 및/또는 s2/hnano1는, 
가 20도(예컨대, +/- 10도), 30도(예컨대, +/- 15도), 40도(예컨대, +/- 20도) 또는 50도(예컨대, +/- 25도)를 초과하거나 이들 값 중 임의의 것에 의해 정의된 각도들의 범위 내에 있도록 선택된다. 원하는 비율들 s1/hnano1, s2/hnano1 및/또는 s2/hnano1는, 예컨대, 각각의 s1 및 s2가 10 nm 내지 1 ㎛, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 100 nm 또는 10 nm 내지 50 nm의 범위에 있는 경우, 예컨대 30 nm인 경우 실현될 수 있다. 물론, hnano1 및 hnano2가 상응하게 비교적 더 낮은 값을 갖는 것에 의해 비교적 더 낮은 값의 s1 및 s2가 실현될 수 있다.
[0180]
유리하게, 일부 실시예들에 따른 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및/또는 제2 라인들(1816)의 재료의 비교적 고굴절률(n2)은 비교적 작은 두께 또는 높이를 허용한다. 그에 따라서, 다양한 실시예들에서, 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)은, n1에 의존하여 일부 실시예들에 따라, 10 nm 내지 1 ㎛, 10 nm 내지 500 nm, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 100 nm 및 10 nm 내지 50 nm의 범위에 있을 수 있는, 예컨대 107 nm일 수 있는 hnano1 및 hnano2 를 갖는다. 예컨대, hnano1 및 hnano2는, n2가 3.3 초과인 경우, 10 nm 내지 450 nm이고, n1이 3.3 이하인 경우, 10 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 다른 예로서, 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 높이는 10 nm 내지 450 nm일 수 있다.
[0181]
다양한 실시예들에 따르면, s1과 Wnano1의 조합은, s1과 Wnano1의 합으로 정의된 하나 이상의 제1 라인들(1812)의 피치(pnano1)가 10 nm 내지 1 ㎛, 10 nm 내지 500 nm, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 100 nm 또는 10 nm 내지 50 nm의 범위들로부터 선택된 Wnano1과 10 nm 내지 1 ㎛, 10 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 100 nm 또는 10 nm 내지 50 nm의 범위로부터 선택된 s1의 합에 의해 획득된 값을 갖도록 선택될 수 있으며, 예컨대 pnano1 = 95.5 nm이다.
[0182]
물론, 비교적 작은 값들의 s1 및 s2가 실현될 수 있고, hnano1 및 hnano2가 그에 대응하여 비교적 작은 값들을 갖는다. 유리하게, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및/또는 제2 라인들(1816)을 형성하기 위해 비교적 고굴절률(n1)을 갖는 재료를 사용하여, 비교적 작은 값들의 s1, s2, hnano1 및 hnano2가 획득될 수 있다. 이는, 본 발명자들이 발견한 바와 같이, hnano1 및 hnano2가 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)을 형성하는 재료의 벌크 굴절률에 반비례할 수 있기 때문이다. 그에 따라서, 위에서 설명된 바와 같이, 굴절률 값들을 갖는 중합체-기반 광학 구조들에 대해, 다양한 실시예들에서,hnano1 및 hnano2는 각각 500 nm 내지 1 ㎛, 300 nm 내지 500 nm, 100 nm 내지 300 nm 및 10 nm 내지 100nm의 범위일 수 있다. 따라서, 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 높은 벌크 굴절률 n1 및 대응하는 디멘션들(s1, s2, hnano1 및 hnano2)을 갖는 재료의 특정 조합에 의해, 전체 피치(
)는 또한 그에 대응하여 감소될 수 있으며, 이는 결국, 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 회절 각도(θ)를 증가시킨다.
[0183]
바람직하게, hnano1 및 hnano2는 실질적으로 동일하며, 이는 제조에 유리할 수 있다. 그러나, 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, hnano1 및 hnano2는 실질적으로 상이할 수 있다.
[0184]
다양한 실시예들에서, 제1 라인들(1812) 및/또는 제2 라인들(1816)은, 벌크 굴절률(n2 bulk)이 기판(1804)의 굴절률(n1)보다 큰(즉, n2 bulk > n1) 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 기판(1804)은 도파관으로서 구성될 수 있고, 도파관들(310, 300, 290, 280, 270)(도 6) 및/또는 도파관들(670, 680 및 690)(도 9a)에 대응할 수 있다. 이러한 애플리케이션들에서, 기판은 바람직하게는 공기의 굴절률과, n2 bulk 미만인 n1 bulk 의굴절률, 예컨대 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9 이상 사이의 굴절률을 가지며, 이는 그 기판(1816)으로부터 광을 출력함으로써 이미지를 형성하는 디스플레이의 
를 증가시키기 위한 이익들을 제공할 수 있다.
[0185]
계속해서 18a 및 18b를 참조하면, 메타표면(1808)은 적어도 x-방향으로 반복되는 복수의 메타표면 유닛 셀들(1820)을 형성하는 것으로 설명될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 메타표면 유닛 셀(1820)은 x-방향으로 가장 작은 반복 디멘션을 갖는 풋프린트로 정의될 수 있으며, 이는 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)을 포함한다. 예로서, 각각의 유닛 셀(1820)은 하나의 유닛 셀(1820)의 제1 라인들(1812) 중 왼쪽 라인의 왼쪽 수직 측으로부터 바로 인접한 유닛 셀(1820)의 제1 라인들(1812)의 왼쪽 라인의 왼쪽 수직 측의 왼쪽 수직측까지 측정된 유닛 셀 폭(1820a)에 걸쳐 있으며, 이로써 도시된 실시예들에서, y-방향으로 스택된 한 쌍의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 열을 포함한다.
[0186]
본원에서 설명되는 바와 같이, 메타표면 유닛 셀들(1820)의 측면 디멘션, 또는 유닛 셀들(1820)의 반복 유닛들의 주기는 본원에서 유닛 셀 피치(
)로 지칭될 수 있다. 피치(
)는 x-방향으로 도파관(1804)을 가로 질러 규칙적인 인터벌들로 적어도 두 번 반복된다. 다른 말로, 유닛 셀 피치(
)는 바로 이웃한 유닛 셀들(1820)의 동일한 지점들 간의 거리일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 
는 파장(격자(1800)가 이 파장을 회절시키도록 구성됨)보다 작을 수 있고, 약 435 nm - 780 nm 범위의 파장 또는 임의의 파장보다 더 작을 수 있다. 적어도 적색광을 회절시키도록 구성된 일부 실시예들에서, 
는 약 620 - 780 nm 범위의 파장(또는 임의의 파장)보다 작을 수 있다. 적어도 녹색광을 회절시키도록 구성된 일부 다른 실시예들에서, 
는 약 492 - 577 nm 범위의 파장(또는 임의의 파장)보다 작을 수 있다. 적어도 청색광을 회절시키도록 구성된 일부 다른 실시예들에서, 
는 약 435 - 493 nm 범위의 파장(또는 임의의 파장)보다 작을 수 있다. 대안적으로, 다양한 실시예들에 따르면, 
는 10 nm 내지 500 nm 또는 300 nm 내지 500 nm를 포함하는 10 nm 내지 1 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 본원에서 개시된 각각의 메타표면들은 광을 회절시키기 위해 이용될 수 있고 디스플레이 시스템(250)(도 6)의 일부일 수 있으며, 디스플레이 시스템(1000)은 좁은 대역의 파장들을 갖는 메타표면으로 광을 지향시키도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 바람직하게는, 정해진 메타표면에 대한 
는, 디스플레이 시스템의 파장 대역의 가장 작은 파장(광원이 이 파장을 메타표면으로 지향시키도록 구성됨)보다 작다.
[0187]
일부 실시예들에서, 
는 비율 
보다 작은 값을 가질 수 있으며, 여기서 m은 정수(예컨대, 1, 2, 3...)이고, 
, n2 및 θ 각각은 명세서 다른 곳에 설명된 값들을 갖는다. 예컨대, 
는 40도를 초과하는 범위(
) 내에 있을 수 있고, n2는 1 - 2의 범위에 있을 수 있으며, θ는 40 - 80도의 범위에 있을 수 있다.
[0188]
일부 실시예들에서, 
는 복수의 유닛 셀들에 의해 형성된 격자(1800)의 표면(1804S)에 걸쳐 실질적으로 일정할 수 있다. 그러나, 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 일부 다른 실시예들에서, 
는 표면(1804S)에 걸쳐 변할 수 있다.
[0189]
계속해서 도 18b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 제2 라인들(1816) 각각은 적어도 2배, 3배, 4배 또는 그 이상만큼 하나 이상의 제1 라인들(1812) 각각보다 길이가 더 짧다. 그러나, 제2 라인들(1816)이 하나 이상의 제1 라인들(1812)보다 더 긴 실시예들이 가능하다. 다양한 실시예들에 따르면, 하나 이상의 제1 라인들(1812)은 200 ㎛ - 5 mm, 200 ㎛ - 1 mm 또는 1 mm - 5 mm 범위의 길이(L1)를 가질 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 제2 라인들(1816)은 100 nm - 500 nm, 100 nm - 300 nm 및 300 nm - 500 nm 범위의 길이(L2)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 제1 라인들(1812)은 메타표면에 의해 형성된 광학 엘리먼트의 총 측면 디멘션에 대응하는, 예컨대, 라인들(1812)을 포함하는 메타표면에 의해 형성된 인커플링 또는 아웃커플링 광학 엘리먼트의 길이에 대응하는 길이(L1)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들은 유닛 셀 피치(
)의 약 40 % 내지 약 60 %, 예컨대 
의 약 50 %인 길이(L2)를 갖는다. 일부 실시예들에서, L1은 하나 이상의 제1 라인들(1812)이 5 개의 제2 라인들(1816)에 대응하는 y-방향의 거리에 걸쳐 지는 정도이다. 그러나, 다양한 실시예들에 따라, 하나 이상의 제1 라인들(1812)은 하나 초과, 예컨대 10 초과, 20 초과, 50 초과 또는 100 초과 또는 10, 20 및 100 중 임의의 것들 사이의 범위의 임의의 적절한 수의 제2 라인들(1816)에 대응하는 y-방향의 거리에 걸쳐 있을 수 있음을 이해할 것이다.
[0190]
계속해서 18a 및 18b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 제2 라인들(1816) 각각은 동일한 길이를 가지므로, 제2 라인들(1816)은 x 방향으로 연장되고 하나 이상의 제1 라인들(1812) 중 임의의 라인과 교차하지 않고 함께 종결된다. 그러나, 제2 라인들(1816)이 상이한 길이들을 갖는 실시예들이 가능하다.
[0191]
계속해서 도 18a의 예시된 실시예를 참조하면, 하나 이상의 제1 라인들(1812)의 연장 방향(y-방향)은 제2 라인들(1816)의 연장 방향(x-방향)에 실질적으로 수직이다. 즉, 제2 라인들(1816)은 입사 광의 전파 방향(예컨대, 페이지 쪽)을 볼 때 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 대해 π/2 회전 각도만큼 회전된다. 그러나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 라인들(1816)은 입사 광의 전파 방향(예컨대, 페이지 쪽)을 볼 때 π/2보다 작은 각도만큼 반 시계 방향으로 회전되는 임의의 방향으로 연장될 수 있다. 예컨대, 제2 라인들(1816)은 도 17b 내지도 17h에 예시된 파장판들의 나노빔들이 도 17a에 예시된 파장판에 대해 회전되는 것과 유사한 방식으로 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 대해 회전될 수 있다. 예컨대, 제2 라인들(1816)은 각각 π/4, π/2, 3π/4, π, 5π/4, 3π/2 및 7π/4의 회전 각도(θ)만큼 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 대해 회전될 수 있다. 따라서, |LCP> 빔이 제1 및 제2 라인들(1812 및 1816)을 갖는 메타표면(1808) 상에 입사할 때, |RCP> 출력 빔이 생성되고, 여기서 TE 및 TM 편광들에 대응하는 편광 벡터들의 결과적인 위상 지연은 
= 2θ의 값을 가질 수 있고, 여기서 θ는 파장판들의 빠른 축들이 회전 각도(θ)만큼 회전할 때의 회전 각도의 변화이다. 특히, 예시된 실시예의 경우, 하나 이상의 제1 라인들(1812)에 대해 θ = π/2만큼 회전된 제2 라인들(1816)은 입사 광 빔, 예컨대, |LCP> 빔을 회절시키고, 이로써 회절된 |RCP> 빔이 생성되고, 여기서 회절된 빔은 제2 라인들(1816)에 의해 
= 2θ = π만큼 지연된다. 따라서, 예시된 실시예로서, x-방향으로 교번하는 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)이 Δθ = π/2의 일정한 배향-각도 차이를 갖는 메타표면(1808)을 통과한 후, 투과된 RCP 파들은 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816) 중 인접한 라인들 간의 일정한 위상차 
= π를 디스플레이한다. 결과적으로, 빠른-축들 배향이 0 과 π 사이에서 변하게 함으로써, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있지만, 도 17a-17h에 예시된 예와 비교하여 훨씬 더 컴팩트한 유닛 셀 피치 및 더 큰 회절 각들로 달성될 수 있다.
무기 재료가 혼입된 중합체-기반 광학 구조들로 형성된 기하학적 위상
메타표면
-기반 격자들을 가진 디스플레이
디바이스들
[0192]
본원에 개시된 바와 같이, 위에서 설명된 다양한 실시예들에서, 메타표면으로서 구성될 수 있는, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적인 중합체-기반 광학 구조들은 입사 광이 내부 전반사에 의해 기판(1304)을 통해 전파되도록 입사 광을 인커플링하기 위해, 인커플링 광학 엘리먼트(예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)(도 9A)) 중 하나 이상으로서 구현될 수 있다. 그러나, 메타표면(1808)은 또한 그것에 충돌하는 광을 기판(1804) 내에서부터 편향시키도록 구성될 수 있다는 것을 인식하여, 일부 실시예들에서, 본원에서 개시된 메타표면들이 아웃커플링 광학 엘리먼트들, 이를테면, 표면(2000a)상의 상이한 위치들에 인커플링 광학 엘리먼트를 형성하는 대신에 또는 이에 부가하여 아웃커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610(도 6) 또는 800, 810, 820(도 9b)) 중 하나 이상을 형성하도록 적용될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 메타표면(1808)은 광 분배 엘리먼트들(예컨대, OPE들)(730, 740, 750)(도 9b)로서 활용될 수 있다. 상이한 도파관들이 상이한 연관된 컴포넌트 엘리먼트 컬러들을 갖는 경우, 각 도파관과 연관된 아웃커플링 광학 엘리먼트들 및/또는 인커플링 광학 엘리먼트들은, 광(도파관이 이 광을 전파하도록 구성됨)의 파장 또는 컬러에 특정한 기하학적 크기 및/또는 주기성을 가질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 상이한 도파관들은 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 상이한 어레인지먼트들을 갖는 메타표면들을 가질 수 있다. 특히, 상이한 어레인지먼트들은 입사 광 빔의 파장 또는 컬러에 의존할 수 있다. 예컨대, 입사 광 빔의 컬러에 의존하여, 
는 파장(격자(1800)가 이 파장을 회절시키도록 구성됨)에 따라 다르게 구성될 수 있다. 예컨대, 적어도 적색광, 녹색광 또는 청색광을 회절시키기 위해, 메타표면(1808)은, 각각 약 620 - 780nm 범위의 파장, 약 492 - 577nm 범위의 파장, 및 약 435 - 493nm 범위의 파장보다 작은 
를 갖도록 구성될 수 있다. 
를 스케일링하기 위해, 하나 이상의 제1 라인들(1312) 및/또는 제2 라인들(1316)의 굴절률들, 폭들, 높이들 및 간격들과 같은 파라미터들이 비례적으로 조정될 수 있다. 대안적으로, 
는 위에서 설명된 바와 같이, 
, n2 및 
중 하나 이상을 보상함으로써 입사 광의 상이한 파장에 대해 비교적 균일하게 유지될 수 있다.
[0193]
도 19는 일부 다른 실시예들에 따라, 기하학적 위상 광학 엘리먼트들을 갖는 메타표면을 포함하는 회절 격자(2500)의 평면도를 예시한다. 본원에서 개시된 메타표면들의 일부 실시예들은 각각 상이한 방향으로 연장되는 2 내지 4 세트의 나노빔들로 형성될 수 있음이 인지될 것이다. 도 18a - 18b는 2 세트의 나노빔들을 갖는 메타표면들을 예시하고, 도 19는 4 세트의 나노빔들을 갖는 메타표면을 예시한다. 특히, 도 19의 회절 격자(2500)는 4-레벨 기하학적 위상 메타표면을 포함한다. 도 18a 및 18b를 참조로 위에서 설명된 회절 격자(1800)와 유사하게, 회절 격자(2500)는 가시 스펙트럼에서 파장을 갖는 광을 회절시키도록 구성된 메타표면이 형성된 기판, 예컨대, 도파관을 포함한다. 메타표면은 제1 측방향(예컨대, y-방향)으로 연장되는 하나 이상의 제1 라인들(2512) 및 제2 방향(예컨대, x-방향)으로 연장되는 복수의 제2 라인들(2516)을 포함한다. 하나 이상의 제1 라인들(2512)과 제2 라인들(2516)은 제2 방향으로 서로 인접하게 배치되고, 제1 라인들(2512) 및 제2 라인들(2516)은 가시 스펙트럼의 파장(메타표면이 이 파장을 회절시키도록 구성됨)보다 작은 주기로 제2 방향으로 교대로 반복된다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들(2516)은 제1 라인들(2512)의 인접한 쌍들 사이에서 y-방향으로 측방으로 스택된다. 회절 격자(2500)의 하나 이상의 제1 라인들(1812) 및 제2 라인들(1816)의 다양한 피처들은 다음의 차이들을 제외하고는 도 18a 및 18b를 참조로 위에서 설명된 회절 격자(1800)의 대응하는 피처들과 유사하다.
[0194]
도 18a 및 18b를 참조하여 위에서 설명된 회절 격자(1800)와 달리, 회절 격자(2500)는 각각 제3 방향으로 연장되는 복수의 제3 라인들(2514) 및 각각 제4 방향으로 연장되는 복수의 제4 라인들(2518) 중 하나 또는 둘 모두를 더 포함한다. 제1, 제2, 제3 및 제4 방향들 각각은 서로 상이할 수 있다. 복수의 제3 라인들(2514)은 제3 세트의 나노빔들을 형성하는 것으로 고려될 수 있고 복수의 제4 라인(2518)은 제4 세트의 나노빔들을 형성하는 것으로 고려될 수 있다. 제3 라인들(2514)은 제2 라인들(2516)의 제1 측에 배치되고 하나 이상의 제1 라인들(2512)과 제2 라인들(2516) 사이의 제2 방향(예컨대, x-축 방향)으로 개재된다. 제4 라인(2518)은 제1 측에 대향하는 제2 라인들(2516)의 제2 측에 배치되고 다른 하나 이상의 제1 라인들(2512)과 제2 라인들(2516) 사이의 제2 방향(예컨대, x-방향)으로 개재된다.
[0195]
도 18a 및 18b를 참조로 위에서 설명된 회절 격자(1800)와 달리, 회절 격자(2500)는 단지 하나의 제1 라인(2512)만을 가질 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 회절 격자(2500)는 복수의 제1 라인들(2512), 예컨대, 도 18a 및 18b를 참조로 위에서 설명된 회절 격자(1800)와 같은 한 쌍의 제1 라인들을 가질 수 있다.
[0196]
일부 실시예들에서, 제3 라인들(2514)은 동일한 길이를 갖고 그리고/또는 제4 라인들(2518)은 동일한 길이를 가지므로, 제3 라인들(2514) 및/또는 제4 라인들(2518)은 각각 제3 및 제4 방향들로 함께 종결된다. 그러나, 제3 라인들(2514) 중 다른 라인들 및/또는 제4 라인들(2518) 중 다른 라인들이 함께 종결되지 않는 다른 실시예들도 가능하다. 추가로, 일부 실시예들에서, 함께 종결된 제3 라인들(2514) 및 함께 종결된 제4 라인들(2518)은 동일한 길이를 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 종결된 제3 라인들(2514) 및 종결된 제4 라인들(2518)은 상이한 길이들을 갖는다.
[0197]
일부 실시예들에서, 제3 라인들(2514) 중 인접한 라인들은 제1 방향(예컨대, y-방향)으로 일정한 간격으로 분리되고 그리고/또는 제4 라인들(2518) 중 인접한 라인들은 제1 방향으로 일정한 간격으로 분리된다. 그러나, 제3 라인들(2514) 및/또는 제4 라인들(2518)이 일정한 간격들로 분리되지 않는 다른 실시예들도 가능하다. 또한, 일부 실시예들에서, 일정 간격으로 이격된 제3 라인들(2514) 및 일정 간격으로 이격된 제4 라인들(2518)은 동일한 일정 간격을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 일정 간격으로 이격된 제3 라인들(2514) 및 일정 간격으로 이격된 제4 라인들(2518)은 상이한 간격들을 갖는다.
[0198]
일부 실시예들에서, 제3 라인들(2514)은 동일한 폭을 갖고 그리고/또는 제4 라인들(2518)은 동일한 폭을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 제3 라인들(2514) 및/또는 제4 라인들(2518)은 상이한 폭들을 갖는다. 추가로, 일부 실시예들에서, 동일한 폭을 갖는 제3 라인들(2514) 및 동일한 폭을 갖는 제4 라인들(2518)의 폭들은 동일하다. 그러나 일부 실시예들에서, 동일한 폭을 갖는 3 라인들(2514) 및 동일한 폭을 갖는 제4 라인들(2518)의 폭들은 상이하다. 추가로, 일부 실시예들에서, 제3 라인들(2514) 및 제4 라인들(2518)은 제1 라인들(2512) 및 제2 라인들(2416) 중 하나 또는 둘 모두와 동일한 폭을 갖는다.
[0199]
일부 실시예들에서, 제3 라인들(2514)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 반 시계 방향으로, 입사 광의 전파 방향(예컨대, 페이지 쪽)을 볼 때 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 제2 라인들(2516)의 가장 작은 회전 각도보다 더 작은 각도만큼 회전되는 제3 방향으로 연장된다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들(2516)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 90° 또는 π/2만큼 회전되고, 제3 라인(2514)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 45° 또는 π/4만큼 회전된다. 추가로, 제4 라인들(2518)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 반 시계 방향으로, 입사 광의 전파 방향을 볼 때 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 제2 라인들(2516)의 가장 작은 회전 각도보다 더 큰 각도만큼 회전되는 제4 방향으로 연장된다. 일부 실시예들에서, 제2 라인들(2516)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 90° 또는 π/2만큼 회전되고, 제3 라인(2514)은 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 135° 또는 3π/4만큼 회전된다.
[0200]
일부 실시예들에서, 도 17a 내지 17h를 참조로 위에서 예시된 파장판들의 조합과 유사하게, 하나 이상의 제1 라인들(2512), 제2 라인들(2516), 제3 라인들(2514) 및 제4 라인들(2518)의 상대적인 배향들에 의해 유발된 위상차들은 0과 π 사이에서 변할 수 있다. 제3 라인들(2514), 제4 라인들(2518) 및 제2 라인들(2516)이 하나 이상의 제1 라인들(2512)에 대해 π/4, 3π/4 및 π만큼 회전될 때, π/2, 3π/2 및 2π의 위상 픽업들/지연들이 각각 달성될 수 있어서, 일부 실시예들에 따라, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있다. 결과적으로, 빠른-축들 배향이 0과 π 사이에서 변하게 함으로써, 전체 0 - 2π 범위를 커버하는 위상 픽업들/지연들이 달성될 수 있지만, 도 12a 내지 12h에 예시된 예와 비교하여 훨씬 더 컴팩트한 유닛 셀 피치 및 더 큰 회절 각들로 달성될 수 있다.
무기 재료가 혼입된 중합체 기반 광학 구조들을 포함하는 기하학적 위상
메타표면들에
기반한
디스플레이
디바이스
[0201]
디스플레이 시스템의 다양한 실시예들(예컨대, 도 9a 및 9b를 다시 참조)에서, 도파관들의 세트(1200)는 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 주기적인 중합체-기반 광학 구조들을 포함할 수 있고, 이는 투과 모드로 동작하도록 구성된 메타표면 회절 격자로서 구성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도파관들의 세트(1200)는 각각의 컴포넌트 컬러(R, G, B)에 대응하는 도파관들(670, 680, 690)을 포함하며, 차례로 인커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)의 개개의 것들이 도파관들 내에 또는 그 위에 형성되고, 인커플링 광학 엘리먼트들은 도 18a 및 18b 및 19를 참조로 위에서 설명된 회절 격자들(1300, 2500)을 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 도 18a 및 18b를 참조로 위에서 설명된 EPE/OPE(1846)를 포함하거나 이에 대응하는 광 분배 엘리먼트들(예컨대, OPE들)(730, 740, 750) 및/또는 아웃커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EPE들)(800, 810, 820) 중 개개의 것들이 추가로 도파관들(670, 680, 690) 내에 또는 그 위에 형성된다. 동작에서, 일부 실시예들에서, 입사 광 빔(1830), 예컨대 가시광이 입사각(
)으로 메타표면(1808) 상에 입사될 때, 격자(1800, 2500)는 입사 광을 회절 각도(θ2)로 회절 광 빔(1842, 1838)으로 회절시킨다. 회절된 광 빔들(1838 및 1842) 중 하나 또는 둘 모두가 굴절률(n2)을 갖는 도파관으로서 구성된 기판(1804)에 대한 내부 전반사의 발생을 위한 임계 각도(θTIR)를 초과하는 회절 각도들로 회절될 때, 즉, 조건들(θ2>θTIR 및 θ1>θTIR) 중 하나 또는 둘 모두가 충족될 때, 회절된 광 빔들(1838 및 1842) 중 하나 또는 둘 모두가 내부 전반사(TIR)에 의해 x-축들을 따라 이들 개개의 반대 방향들로 전파한다. 후속적으로, 일부 실시예들에서, 회절된 광 빔(1846)은 도 9a 및 9b를 참조로 위에서 설명된 직교 동공 확장기(OPE)들(1846) 또는 출구 동공 확장기(EPE)(1846)에 도달할 때까지 TIR 모드 하에서 기판(1804)에 커플링된다.
[0202]
다양한 실시예들에 따라 메타표면이 상부에 형성되어 있는 도파관으로서 구성된 기판(1804)이 본원에서 개시된 시스템(250)(도 6)과 같은 디스플레이 시스템들을 형성하는 데 사용될 수 있음이 인지될 것이다. 예컨대, 메타표면들은 본원에서 설명된 바와 같이, 인커플링, 광 분배 및/또는 아웃커플링 광학 엘리먼트들로서 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 메타표면의 제조 후에, 도파관(2000)은 광 파이프, 이를테면, 공간 광 변조기로부터 도파관으로 이미지 정보를 주입하기 위한 광파이프에 광학적으로 커플링될 수 있다. 광 파이프는 일부 실시예들에서 광섬유일 수 있다. 광 파이프들의 예들은 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390, 400)(도 6) 및 스캐닝 광섬유들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각 메타표면들(1808)을 갖는 복수의 도파관들이 제공될 수 있고, 이들 도파관들 각각은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들에 광학적으로 커플링될 수 있다.
추가적인 예들
1.
광학 엘리먼트를 제조하는 방법은,
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계;
기판 상에 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계; 및
기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계
를 포함하며, 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되고,
광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
2.
예 1의 방법에서, 노출시키는 단계는 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr의 압력 하에서 수행된다.
3.
예 1 또는 예 2의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 약 150도보다 낮은 온도에서 수행된다.
4.
예 1 내지 예 3 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 나노임프린팅에 의해 패터닝하는 단계를 포함한다.
5.
예 1 내지 예 4 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 리소그래피방식으로(lithographically) 패터닝하는 단계를 포함한다.
6.
예 1 내지 예 5 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은, 벌크 굴절률(bulk refractive index)이 제2 굴절률 미만인 재료로 형성되고, 무기 재료는 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
7.
예 1 내지 예 6 중 어느 한 예의 방법에서, 제2 굴절률은 1.7보다 크며 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
8.
예 1 내지 예 7 중 어느 한 예의 방법에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
9.
예 1 내지 예 8 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 포토레지스트를 포함한다.
10.
예 1 내지 예 9 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체에 노출시키는 단계는 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속(transition metal)을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다.
11.
예 1 내지 예 10 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 단계는, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들이 적어도 무기 재료의 단층(minelayer)으로 포화되기에 충분한 지속기간들 동안, 개개의 전구체들의 부분 압력들에 노출시키는 단계를 포함한다.
12.
예 1 내지 예 11 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 1초를 초과하는 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
13.
예 1 내지 예 12 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
14.
예 13의 방법에서, 금속 산화물은 전이 금속 산화물을 포함한다.
15.
예 14의 방법에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
16.
예 1 내지 예 15 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 무기 재료를 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들을 통해, 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 혼입시킨다.
17.
예 16의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치되지 않은 기판 표면을 가지며, 노출시키는 단계는 공간에서의 기판 표면 상에 무기 재료의 증착 또는 공간에서의 기판 표면을 통한 무기 재료의 혼입을 초래하지 않는다.
18.
예 16의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치된 기판 표면을 가지며, 중합체 층은 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 높이들보다 작은 두께를 가지며, 노출시키는 단계는 무기 재료를 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층 내로 혼입시킨다.
19.
예 18의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
20.
예 18의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
21.
광학 엘리먼트는,
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판; 및
기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다.
22.
예 21의 광학 엘리먼트에서, 중합체 재료는 제2 굴절률 미만인 벌크 굴절률을 가지며, 무기 재료는 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
23.
예 21 또는 예 22의 광학 엘리먼트에서, 제2 굴절률은 1.7보다 크며 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
24.
예 21 내지 23 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
25.
예 21 내지 24 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 중합체 재료는 포토레지스트를 포함한다.
26.
예 21 내지 25 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 무기 재료는 전이 금속 산화물을 포함한다.
27.
예 26의 광학 엘리먼트에서, 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
28.
예 27의 광학 엘리먼트에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
29.
예 27의 광학 엘리먼트에서, 무기 재료는 광학 구조들의 표면 구역들에 혼입되고, 광학 구조들의 코어 구역들 내에는 무기 재료가 혼입되지 않는다.
30.
예 21 내지 예 29 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들 중 인접한 구조들은 공간에 의해 분리되고, 공간에서의 기판의 표면 상에는 무기 재료가 배치되지 않는다.
31.
예 21 내지 예 30 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들 중 인접한 구조들은 공간에 의해 분리되고, 공간에서의 기판의 표면 상에는, 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료의 층이 형성되고, 중합체 재료의 층은 광학 구조들의 높이들보다 작은 두께를 갖는다.
32.
예 31의 광학 엘리먼트에서, 공간에 형성된 중합체 재료의 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
33.
예 31의 광학 엘리먼트에서, 공간에 형성된 중합체 재료의 층은 표면 구역에서 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
34.
예 21 내지 예 33 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 기판은, 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 회절되는 가시광이 내부 전반사 하에서 전파되도록 구성된다.
35.
광학 시스템은,
광학 엘리먼트를 포함하며,
광학 엘리먼트는:
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판, 및
기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하고,
주기적으로 반복되는 광학 구조들은 메타표면(metasurface)으로서 배열된 나노빔들을 포함하고, 메타표면은 복수의 반복 유닛 셀들을 포함하며,
각각의 유닛 셀은:
하나 이상의 제1 나노빔들에 의해 형성된 제1 세트의 나노빔들, 및
하나 이상의 제1 나노빔들에 인접하게 배치되고 서브-파장 간격에 의해 서로 분리되는, 하나 이상의 제2 나노빔들에 의해 형성되는 제2 세트의 나노빔들
을 포함하며, 하나 이상의 제1 나노빔들 및 복수의 제2 나노빔들은 상이한 배향 방향들로 길게 늘어진다(elongated).
36.
예 35의 광학 시스템에서, 유닛 셀들은 약 10 nm 내지 1㎛ 이하의 주기로 반복된다.
37.
예 35 또는 예 36의 광학 시스템에서, 하나 이상의 제1 나노빔들 및 제2 나노빔들은, 하나 이상의 제1 나노빔들에 의해 회절되는 가시광과 제2 나노빔들에 의해 회절되는 가시광 간에 위상차(phase difference)가 유발되도록, 서로에 대해 일정 각도로 배향된다.
38.
예 35 내지 예 37 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 하나 이상의 제1 나노빔들 및 제2 나노빔들은 서로에 대해 약 90도만큼 회전되는 배향 방향들로 배향된다.
39.
예 35 내지 예 38 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 유닛 셀들은 파장 이하의 주기로 반복되고, 파장은 가시 스펙트럼 내에 있다.
40.
예 35 내지 예 39 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 하나 이상의 제1 나노빔들 및 제2 나노빔들은 파장보다 작은 높이를 갖는다.
41.
가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템으로서, 광학 시스템은:
제1 굴절률을 갖는 기판 ―기판은 내부 전반사에 의해 광이 기판 내부로 가이드될 수 있도록 가시 스펙트럼에서 투명함―; 및
기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하고,
주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 광을 입사 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 그리고 회절된 광이 내부 전반사 하에서 기판에서 전파되게 하도록 배열되거나, 또는 내부 전반사 하에서 기판 내에 가이드된 광을, 기판 내에 가이드된 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 배열된다.
42.
예 41의 광학 시스템에서, 중합체 재료는 제2 굴절률 미만인 벌크 굴절률을 가지며, 무기 재료는 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
43.
예 41 또는 예 42의 광학 시스템에서, 제2 굴절률은 1.7보다 크며 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
44.
예 41 내지 예 43 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 회절 각도는 50도를 초과한다.
45.
예 41 내지 예 44 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 광학 시스템은 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴에 파장의 광을 방출하도록 구성된 광원을 더 포함한다.
46.
예 41 내지 예 45 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 광학 시스템은 광원으로부터의 광을 변조하도록 그리고 변조된 광을 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴에 출력하도록 구성된 공간 광 변조기를 더 포함한다.
47.
증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는:
사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임; 및
프레임 상에 배치된 디스플레이
를 포함하며,
디스플레이의 적어도 일부는:
하나 이상의 도파관들 ― 하나 이상의 도파관들은 투명하며 사용자가 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때 사용자의 눈 앞 위치에 배치되어, 투명 부분이 사용자 앞의 환경의 일부로부터 사용자의 눈으로 광을 투과시켜 사용자 앞의 환경의 일부에 대한 뷰(view)를 제공하게 됨―;
하나 이상의 광원들; 및
광원들로부터의 광을 하나 이상의 도파관들에 커플링시키도록 또는 하나 이상의 도파관들로부터 광을 아웃 커플링시키도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자
를 포함하며,
회절 격자는 광학 엘리먼트를 포함하고,
광학 엘리먼트는:
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판; 및
기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함한다.
48.
예 47의 디바이스에서, 하나 이상의 광원들은 파이버 스캐닝 투사기(fiber scanning projector)를 포함한다.
49.
예 47 또는 예 48의 디바이스에서, 디스플레이는, 복수의 깊이 평면들 상에서 사용자에게 이미지 콘텐츠를 제공하기 위해, 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된다.
50.
예 1 내지 예 20 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 10 atm(atmospheric pressure) 미만의 압력 하에서 수행된다.
51.
예 1 내지 예 20 및 예 50 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 25도보다 높은 온도에서 수행된다.
52.
예 1 내지 예 20 및 예 50 및 예 51 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 약 1초 내지 약 1000초의 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
53.
예 1 내지 예 20 및 예 50 내지 예 52 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 질화물을 포함한다.
54.
예 21 내지 예 34 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들은 메타표면을 포함한다.
55.
예 21 내지 예 34 및 예 54 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 기판은, 가시광이 내부 전반사 하에서 기판 내부로 가이드되도록 그리고 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 기판 밖으로 회절되도록 구성된다.
56.
예 21 내지 예 34 및 예 54 및 예 55 중 어느 한 예의 광학 엘리먼트에서, 기판은, 가시광이 내부 전반사 하에서 기판 내부로 가이드되도록, 그리고 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 회절되어, 내부 전반사에 의해 기판 내에서 전파되는 광 빔의 방향을 변경시키도록 구성된다.
57.
예 41 내지 예 46 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 광을 입사 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 그리고 회절된 광이 내부 전반사 하에서 기판에서 전파되게 하도록 배열된다.
58.
예 41 내지 예 46 및 예 57 중 어느 한 예의 광학 시스템에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 내부 전반사 하에서 기판 내에 가이드된 광을, 기판 내에 가이드된 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 배열된다..
59.
예 58의 광학 시스템에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 내부 전반사 하에서 기판 내에 가이드된 광을 기판 밖으로 회절시키도록 배열된다.
60.
광학 엘리먼트를 제조하는 방법은,
가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계;
기판 상에, 제1 굴절률을 갖는 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계; 및
기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계
를 포함하며, 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 굴절률을 증가시켜, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성된다.
61.
예 60의 방법에서, 노출시키는 단계는 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr의 압력 하에서 수행된다.
62.
예 60 또는 예 61의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 약 150도보다 낮은 온도에서 수행된다.
63.
예 60 내지 예 62 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 나노임프린팅에 의해 패터닝하는 단계를 포함한다.
64.
예 60 내지 예 63 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 리소그래피방식으로 패터닝하는 단계를 포함한다.
65.
예 60 내지 예 64 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 벌크 굴절률이 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률 미만인 재료로 형성되고, 무기 재료는 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
66.
예 60 내지 예 65 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률은 1.7보다 크며, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
67.
예 60 내지 예 66 중 어느 한 예의 방법에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
68.
예 60 내지 예 67 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 포토레지스트를 포함한다.
69.
예 60 내지 예 68 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체에 노출시키는 단계는 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다.
70.
예 60 내지 예 69 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 단계는, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들이 적어도 무기 재료의 단층으로 포화되기에 충분한 지속기간들 동안, 개개의 전구체의 부분 압력들에 노출시키는 단계를 포함한다.
71.
예 60 내지 예 70 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 1초를 초과하는 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
72.
예 60 내지 예 71 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
73.
예 72의 방법에서, 금속 산화물은 전이 금속 산화물을 포함한다.
74.
예 73의 방법에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
75.
예 60 내지 예 74 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 무기 재료를 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들을 통해, 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 혼입시킨다.
76.
예 75의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치되지 않은 기판 표면을 가지며, 노출시키는 단계는 공간에서의 기판 표면 상에 무기 재료의 증착 또는 공간에서의 기판 표면을 통한 무기 재료의 혼입을 초래하지 않는다.
77.
예 75의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치된 기판 표면을 가지며, 중합체 층은 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 높이들보다 작은 두께를 가지며, 노출시키는 단계는 무기 재료를 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층 내로 혼입시킨다.
78.
예 77의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
79.
예 77의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
80.
광학 엘리먼트를 제조하는 방법은,
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계 ― 기판 상에는 주기적으로 반복되는 중합체 구조들이 형성됨―; 및
기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계
를 포함하며, 노출시키는 단계는 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되고,
광학 구조들은 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는다.
81.
예 80의 방법에서, 노출시키는 단계는 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr의 압력 하에서 수행된다.
82.
예 80 또는 예 81의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 약 150도보다 낮은 온도에서 수행된다.
83.
예 80 내지 예 82 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 나노임프린팅에 의해 패터닝하는 단계를 포함한다.
84.
예 80 내지 예 83 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 리소그래피방식으로 패터닝하는 단계를 포함한다.
85.
예 80 내지 예 84 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 벌크 굴절률이 제2 굴절률 미만인 재료로 형성되고, 무기 재료는 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
86.
예 80 내지 예 85 중 어느 한 예의 방법에서, 제2 굴절률은 1.7보다 크며 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
87.
예 80 내지 예 86 중 어느 한 예의 방법에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
88.
예 80 내지 예 87 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 포토레지스트를 포함한다.
89.
예 80 내지 예 88 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체에 노출시키는 단계는 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다.
90.
예 80 내지 예 89 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 단계는, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들이 적어도 무기 재료의 단층으로 포화되기에 충분한 지속기간들 동안, 개개의 전구체들의 부분 압력들에 노출시키는 단계를 포함한다.
91.
예 80 내지 예 90 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 1초를 초과하는 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
92.
예 80 내지 예 91 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
93.
예 92의 방법에서, 금속 산화물은 전이 금속 산화물을 포함한다.
94.
예 93의 방법에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
95.
예 80 내지 예 94 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 무기 재료를 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들을 통해, 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 혼입시킨다.
96.
예 95의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치되지 않은 기판 표면을 가지며, 노출시키는 단계는 공간에서의 기판 표면 상에 무기 재료의 증착 또는 공간에서의 기판 표면을 통한 무기 재료의 혼입을 초래하지 않는다.
97.
예 95의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치된 기판 표면을 가지며, 중합체 층은 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 높이들보다 작은 두께를 가지며, 노출시키는 단계는 무기 재료를 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층 내로 혼입시킨다.
98.
예 97의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
99.
예 97의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
100.
예 80 내지 예 99 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 10 atm(atmospheric pressure) 미만의 압력 하에서 수행된다.
101.
예 80 내지 예 100 중 어느 한 예의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 25도보다 높은 온도에서 수행된다.
102.
예 80 내지 예 101 중 어느 한 예의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 약 1초 내지 약 1000초의 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
103.
예 80 내지 예 102 중 어느 한 예의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 질화물을 포함한다.
104.
예 1의 방법에서, 노출시키는 단계는 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr의 압력 하에서 수행된다.
105.
예 2의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 약 150도보다 낮은 온도에서 수행된다.
106.
예 1의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 나노임프린팅에 의해 패터닝하는 단계를 포함한다.
107.
예 1의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 리소그래피방식으로 패터닝하는 단계를 포함한다.
108.
예 1의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 벌크 굴절률이 제2 굴절률 미만인 재료로 형성되고, 무기 재료는 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
109.
예 1의 방법에서, 제2 굴절률은 1.7보다 크며 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
110.
예 1의 방법에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
111.
예 1의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 포토레지스트를 포함한다.
112.
예 1의 방법에서, 기판을 금속 전구체에 노출시키는 단계는 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다.
113.
예 1의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 단계는, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들이 적어도 무기 재료의 단층으로 포화되기에 충분한 지속기간들 동안, 개개의 전구체의 부분 압력들에 노출시키는 단계를 포함한다.
114.
예 1의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 1초를 초과하는 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
115.
예 1의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
116.
예 13의 방법에서, 금속 산화물은 전이 금속 산화물을 포함한다.
117.
예 14의 방법에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
118.
예 1의 방법에서, 노출시키는 단계는 무기 재료를 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들을 통해, 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 혼입시킨다.
119.
예 16의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치되지 않은 기판 표면을 가지며, 노출시키는 단계는 공간에서의 기판 표면 상에 무기 재료의 증착 또는 공간에서의 기판 표면을 통한 무기 재료의 혼입을 초래하지 않는다.
120.
예 16의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치된 기판 표면을 가지며, 중합체 층은 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 높이들보다 작은 두께를 가지며, 노출시키는 단계는 무기 재료를 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층 내로 혼입시킨다.
121.
예 18의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
122.
예 18의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
123.
예 80의 방법에서, 노출시키는 단계는 약 100 mTorr 내지 약 10 Torr의 압력 하에서 수행된다.
124.
예 80의 방법에서, 노출시키는 단계는 섭씨 약 150도보다 낮은 온도에서 수행된다.
125.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 나노임프린팅에 의해 패터닝하는 단계를 포함한다.
126.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 리소그래피방식으로 패터닝하는 단계를 포함한다.
127.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 벌크 굴절률이 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률 미만인 재료로 형성되고, 무기 재료는 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는다.
128.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 굴절률은 1.7보다 크며, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 크다.
129.
예 80의 방법에서, 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는다.
130.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들은 포토레지스트를 포함한다.
131.
예 80의 방법에서, 기판을 금속 전구체에 노출시키는 단계는 알루미늄, 아연, 지르코늄, 하프늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속을 포함하는 전구체에 노출시키는 단계를 포함한다.
132.
예 80의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체에 노출시키는 단계는, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들이 적어도 무기 재료의 단층으로 포화되기에 충분한 지속기간들 동안, 개개의 전구체의 부분 압력들에 노출시키는 단계를 포함한다.
133.
예 80의 방법에서, 기판을 금속 전구체 및 산화 전구체 중 하나에 또는 둘 다에 노출시키는 단계는 1초를 초과하는 지속기간 동안 노출시키는 단계를 포함한다.
134.
예 80의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되는 무기 재료는 금속 산화물을 포함한다.
135.
예 134의 방법에서, 금속 산화물은 전이 금속 산화물을 포함한다.
136.
예 135의 방법에서, 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함한다.
137.
예 80의 방법에서, 노출시키는 단계는 무기 재료를 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 노출된 표면들을 통해, 기판의 노출된 표면들에 대해 선택적으로 혼입시킨다.
138.
예 137의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치되지 않은 기판 표면을 가지며, 노출시키는 단계는 공간에서의 기판 표면 상에 무기 재료의 증착 또는 공간에서의 기판 표면을 통한 무기 재료의 혼입을 초래하지 않는다.
139.
예 137의 방법에서, 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계는 공간에 의해 분리하는 단계를 포함하며, 공간은 상부에 중합체 층이 배치된 기판 표면을 가지며, 중합체 층은 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 높이들보다 작은 두께를 가지며, 노출시키는 단계는 무기 재료를 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층 내로 혼입시킨다.
140.
예 139의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는다.
141.
예 139의 방법에서, 공간에서의 기판 표면 상에 형성된 중합체 층은 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는다.
142.
예 1 내지 예 20 및 예 50 내지 예 53 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트를 제조하는 방법에서, 방법은 머리-장착 증강 현실 안경류(eyewear)의 일부로서 광학 엘리먼트를 통합하는 단계를 더 포함한다.
143.
예 60 내지 예 79 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트를 제조하는 방법에서, 방법은 머리-장착 증강 현실 안경류의 일부로서 광학 엘리먼트를 통합하는 단계를 더 포함한다.
144.
예 80 내지 예 103 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트를 제조하는 방법에서, 방법은 머리-장착 증강 현실 안경류의 일부로서 광학 엘리먼트를 통합하는 단계를 더 포함한다.
145.
증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는:
사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임;
프레임 상에 배치된 디스플레이
를 포함하며,
디스플레이의 적어도 일부는:
하나 이상의 도파관들― 하나 이상의 도파관들은 투명하며 사용자가 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때 사용자의 눈 앞 위치에 배치되어, 투명 부분이 사용자 앞의 환경의 일부로부터 사용자의 눈으로 광을 투과시켜 사용자 앞의 환경의 일부에 대한 뷰(view)를 제공하게 됨―;
하나 이상의 광원들; 및
예 21 내지 예 34 및 예 54 내지 예 56 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트
를 포함하며, 디스플레이의 하나 이상의 도파관들은 광학 엘리먼트의 기판을 포함하고, 광학 엘리먼트는 하나 이상의 광원들로부터의 광을 하나 이상의 도파관에 커플링시키거나 또는 하나 이상의 도파관들로부터 광을 아웃 커플링시키도록 구성된다.
146.
증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는:
사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임;
프레임 상에 배치된 디스플레이;
하나 이상의 광원들; 및
예 21 내지 예 34 및 예 54 내지 예 56 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트
를 포함하며, 광학 엘리먼트는 하나 이상의 광원들로부터 발생하는 광을 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성된다.
147.
증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는:
사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임;
프레임 상에 배치된 디스플레이:
하나 이상의 광원들; 및
예 35 내지 예 40 중 어느 한 예에 따른 광학 시스템
을 포함하며, 광학 엘리먼트는 하나 이상의 광원들로부터 발생하는 광을 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성된다.
148.
증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는:
사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임;
프레임 상에 배치된 디스플레이:
하나 이상의 광원들; 및
예 41 내지 예 46 및 예 57 내지 예 59 중 어느 한 예에 따른 광학 엘리먼트
를 포함하며, 광학 엘리먼트는 하나 이상의 광원들로부터 발생하는 광을 사용자의 눈으로 지향시키도록 구성된다.
[0203]
본 발명의 다양한 예시적 실시예들이 본원에서 설명된다. 비-제한적인 의미로 이들 예들이 참조된다. 이들은, 본 발명의 보다 광범위하게 적용가능한 양상들을 예시하기 위해 제공된다. 설명된 본 발명에 대해 다양한 변경들이 이루어질 수 있고, 등가물들이 본 발명의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다.
[0204]
예컨대, 본원에서 개시된 증강 현실 콘텐츠는, 다수의 깊이 평면들에 걸쳐 이미지들을 제공하는 AR 디스플레이들에 유리하게 활용되지만, 단일 깊이 평면 상에 이미지들을 제공하는 시스템들에 의해 및/또는 가상 현실 디스플레이들로 또한 디스플레이될 수 있다. 멀티플렉싱된 이미지 정보(예컨대, 상이한 컬러들의 광)가 도파관 내로 지향되는 일부 실시예들에서, 다수의 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들이 도파관 상에 제공될 수 있는데, 예컨대, 각각의 컬러의 광에 대해 활성인 하나의 광학 엘리먼트 또는 메타표면이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 엘리먼트 또는 메타표면을 형성하는 돌출부들의 피치 또는 주기성, 및/또는 기하학적 사이즈들은 그의 표면에 걸쳐 변할 수 있다. 이러한 광학 엘리먼트 또는 메타표면은, 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들에 광이 충돌하는 위치들에서의 기하학적구조들 및 피치들에 따라, 상이한 파장들의 광을 재지향시키는 데 활성일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광학 엘리먼트 또는 메타표면 피처들의 기하학적구조들 및 피치들은, 심지어 유사한 파장들의 편향된 광선들이 광학 엘리먼트 또는 메타 표면으로부터 상이한 각도들로 멀리 전파되도록 변경되게 구성된다. 다수의 분리된 광학 엘리먼트들 또는 메타 표면들이 기판 표면에 걸쳐 배치될 수 있고, 일부 실시예들에서, 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들 각각은 동일한 기하학적구조들 및 피치들을 갖거나, 또는 일부 다른 실시예들에서, 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들 중 적어도 일부는 다른 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들과 상이한 기하학적구조들 및/또는 피치들을 갖는다는 것이 또한 인지될 것이다.
[0205]
또한, 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들은, 웨어러블 디스플레이들과 같은 디스플레이들에 유리하게 적용되지만, 컴팩트한 로우-프로파일(low-profile) 광 재지향 엘리먼트가 요구되는 다양한 다른 디바이스들에 적용될 수 있다. 예컨대, 광학 엘리먼트들 또는 메타표면들은, 일반적으로 광학 플레이트들(예컨대, 유리 플레이트들), 광섬유들, 현미경들, 센서들, 시계들, 카메라들 및 이미지 투사 디바이스들의 광 재지향 부분들을 형성하기 위해 적용될 수 있다.
[0206]
부가적으로, 특정한 상황, 재료, 재료의 조성, 프로세스, 프로세스 동작(들) 또는 단계(들)를 본 발명의 목적(들), 사상 또는 범위에 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 추가로, 본원에서 설명되고 예시되는 개별 변동들 각각은, 본 발명들의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 수 개의 실시예들 중 임의의 실시예의 특징들과 쉽게 구분될 수 있거나 또는 이들과 결합될 수 있는 별개의 컴포넌트들 및 특징들을 갖는다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다. 그러한 모든 수정들은, 본 개시내용과 연관된 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
[0207]
본 발명은, 본 발명의 디바이스들을 사용하여 수행될 수 있는 방법들을 포함한다. 방법들은 그러한 적절한 디바이스를 제공하는 동작을 포함할 수 있다. 그러한 제공은 사용자에 의해 수행될 수 있다. 즉, "제공하는" 동작은 단지, 사용자가, 대상 방법에 필요한 디바이스를 제공하기 위해 획득, 액세스, 접근, 포지셔닝, 셋업, 활성화, 파워-업하는 동작 또는 다른 동작을 하도록 요구한다. 본원에서 언급되는 방법들은, 논리적으로 가능한 임의의 순서의 언급된 이벤트들뿐만 아니라 언급된 순서의 이벤트들에서 수행될 수 있다.
[0208]
본 발명의 예시적인 양상들이, 재료 선택 및 제조에 대한 세부사항들과 함께 위에서 설명되었다. 본 발명의 다른 세부사항들에 대해, 이들은, 위에서-참조된 특허들 및 공개공보들과 관련하여 인지될 수 있을 뿐만 아니라, 당업자들에 의해 일반적으로 알려지거나 인지될 수 있다. 공통적으로 또는 논리적으로 이용되는 바와 같이 부가적인 동작들의 관점들에서 본 발명의 방법-기반 양상들에 대해 똑같은 것이 적용될 수 있다.
[0209]
설명의 편의를 위해, 특징들의 상대적 포지션들을 나타내는 다양한 단어들이 본원에서 사용된다. 예컨대, 다양한 피처들은 다른 피처들 "상에(on)", "위에(over)", "측면(side)에", "더 높은 곳에" 또는 "더 낮은 곳에" 있는 것으로 설명될 수 있다. 상대적 포지션의 다른 단어들이 또한 사용될 수 있다. 이러한 상대적 포지션의 모든 단어들은, 전체적으로 피처들에 의해 형성된 어그리게이트 구조 또는 시스템이 설명 목적들을 위한 기준점으로서 특정 배향에 있다는 것을 가정하지만, 사용 중, 구조는 옆으로 포지셔닝되거나, 뒤집히거나, 또는 다수의 다른 배향들로 포지셔닝될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0210]
부가적으로, 본 발명이 다양한 특징들을 선택적으로 포함하는 몇 개의 예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은, 본 발명의 각각의 변동에 대해 고려된 바와 같이 설명되거나 또는 표시된 것으로 제한되지 않을 것이다. 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 행해질 수 있으며, (본원에서 언급되었든 또는 소정의 간략화를 위해 포함되지 않았든 간에) 등가물들이 본 발명의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 부가적으로, 값들의 범위가 제공되는 경우, 해당 범위의 상한과 하한 사이의 모든 각각의 중간 값 및 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 중간 값이 본 발명에 포함된다는 것이 이해된다.
[0211]
또한, 설명된 본 발명의 변동들의 임의의 선택적 특징이 독립적으로 또는 본원에서 설명된 특징들 중 임의의 하나 이상의 특징들과 조합하여 설명되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 단수형의 아이템에 대한 참조는 동일한 아이템들이 복수로 존재할 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 본원 및 본원과 연관된 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단수 표현들은 구체적으로 달리 언급되지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 다시 말해서, 단수 표현들의 사용은 상기 상세한 설명뿐만 아니라 본 개시내용과 연관된 청구항들에서의 대상 아이템의 "적어도 하나"에 대해 허용한다. 그러한 청구항들은 임의의 선택적 엘리먼트를 배제하도록 작성될 수 있다는 것이 추가로 주목된다. 따라서, 이 진술은 청구항 엘리먼트들의 언급 또는 "부정적인" 제한의 사용과 관련하여, "단독으로", "오로지" 등과 같은 배타적 용어의 사용을 위한 선행 기초로서 제공되도록 의도된다.
[0212]
그러한 배타적 용어를 사용하지 않는다면, 본 개시내용과 연관된 청구항들에서 "포함하는"이라는 용어는, 주어진 개수의 엘리먼트들이 그러한 청구항들에 열거되었는지 또는 특징의 부가가 그러한 청구항들에 설명되는 엘리먼트의 특성을 변형시키는 것으로서 간주될 수 있는지 여부와 상관없이, 임의의 추가적 엘리먼트의 포함을 허용할 것이다. 본원에서 구체적으로 정의된 것을 제외하고, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 청구 유효성을 유지하면서 가능한 한 일반적으로 이해되는 넓은 의미로 제공되어야 한다.
[0213]
본 발명의 범위는 제공되는 예들 및/또는 대상 명세서로 제한되는 것이 아니라, 본 개시내용과 연관된 청구항 문언의 범위에 의해서만 제한된다. 실제로, 본원에서 설명되는 신규한 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며; 추가로, 본원에서 설명되는 방법들 및 시스템들의 형태의 다양한 생략들, 치환들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어남 없이 이루어질 수 있다. 예컨대, 블록들이 주어진 어레인지먼트로 제공되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 컴포넌트들 및/또는 회로 토폴로지들과 유사한 기능들을 수행할 수 있고, 그리고 일부 블록들은 삭제, 이동, 추가, 세분화, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 전술된 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들의 임의의 적절한 조합이 추가 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다. 전술된 다양한 특징들 및 프로세스들은 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 다양한 방식들로 결합될 수 있다. 본 개시내용의 특징들의 모든 적합한 조합들 및 하위조합들은 본 개시내용의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (37)
- 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계; 및
상기 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계
를 포함하며, 상기 노출시키는 단계는 상기 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 상기 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되고,
상기 광학 구조들은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법. - 제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판; 및
상기 기판 상에 형성되며 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 상기 광학 구조들은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 상기 제2 굴절률 미만인 벌크 굴절률(bulk refractive index)을 가지며, 상기 무기 재료는 상기 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 굴절률은 1.7보다 크며 상기 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 큰, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 기판은 1.5보다 큰 굴절률을 갖는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 포토레지스트를 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 무기 재료는 전이 금속 산화물(transition metal oxide)을 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제7 항에 있어서,
상기 무기 재료는 금속 산화물을 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제7 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물 및 티타늄 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물을 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제7 항에 있어서,
상기 무기 재료는 상기 광학 구조들의 표면 구역들에 혼입되고, 상기 광학 구조들의 코어 구역들 내에는 상기 무기 재료가 혼입되지 않는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들 중 인접한 구조들은 공간에 의해 분리되고, 상기 공간에서의 상기 기판의 표면 상에는 상기 무기 재료가 배치되지 않는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들 중 인접한 구조들은 공간에 의해 분리되고, 상기 공간에서의 상기 기판의 표면 상에는, 상기 무기 재료가 내부에 혼입되어 있는 중합체 재료의 층이 형성되고, 상기 층은 상기 광학 구조들의 높이들보다 작은 두께를 갖는, 광학 엘리먼트. - 제12 항에 있어서,
상기 공간에 형성된 상기 중합체 재료의 층은 상기 무기 재료가 혼입된 전체 두께를 갖는, 광학 엘리먼트. - 제12 항에 있어서,
상기 공간에 형성된 상기 중합체 재료의 층은 표면 구역에서 상기 무기 재료가 혼입된 부분 두께 및 상기 무기 재료가 혼입되지 않은 부분 두께를 갖는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 기판은, 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 회절되는 가시광이 내부 전반사(total internal reflection) 하에서 전파되도록 구성되는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은 메타표면(metasurface)을 포함하는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 기판은, 가시광이 내부 전반사 하에서 상기 기판 내부로 가이드되도록 그리고 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 상기 기판 밖으로 회절되도록 구성되는, 광학 엘리먼트. - 제2 항에 있어서,
상기 기판은, 가시광이 내부 전반사 하에서 상기 기판 내부로 가이드되도록, 그리고 주기적으로 반복되는 광학 구조들에 의해 회절되어, 내부 전반사에 의해 상기 기판 내에서 전파되는 광 빔의 방향을 변경시키도록 구성되는, 광학 엘리먼트. - 광학 엘리먼트를 포함하며,
상기 광학 엘리먼트는:
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판; 및
상기 기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 상기 광학 구조들은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하고,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은 메타표면으로서 배열된 나노빔들을 포함하며, 상기 메타표면은 복수의 반복 유닛 셀들을 포함하고,
각각의 유닛 셀은:
하나 이상의 제1 나노빔들에 의해 형성된 제1 세트의 나노빔들; 및
상기 하나 이상의 제1 나노빔들에 인접하게 배치되고 서브-파장 간격에 의해 서로 분리되는, 하나 이상의 제2 나노빔들에 의해 형성되는 제2 세트의 나노빔들
을 포함하며, 상기 하나 이상의 제1 나노빔들 및 복수의 제2 나노빔들은 상이한 배향 방향들로 길게 늘어지는(elongated), 광학 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 유닛 셀들은 약 10 nm 내지 1㎛ 이하의 주기로 반복되는, 광학 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 나노빔들 및 상기 제2 나노빔들은, 상기 하나 이상의 제1 나노빔들에 의해 회절되는 가시광과 상기 제2 나노빔들에 의해 회절되는 가시광 간에 위상차(phase difference)가 유발되도록, 서로에 대해 일정 각도로 배향되는, 광학 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 나노빔들 및 상기 제2 나노빔들은 서로에 대해 약 90도만큼 회전되는 배향 방향들로 배향되는, 광학 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 유닛 셀들은 상기 파장 이하의 주기로 반복되고, 상기 파장은 상기 가시 스펙트럼 내에 있는, 광학 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 나노빔들 및 상기 제2 나노빔들은 상기 파장보다 작은 높이를 갖는, 광학 시스템. - 제1 굴절률을 갖는 기판 ―상기 기판은 내부 전반사에 의해 광이 상기 기판 내부로 가이드될 수 있도록 가시 스펙트럼에서 투명함―; 및
상기 기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 상기 광학 구조들은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하고,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 광을 입사 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 그리고 상기 회절된 광이 내부 전반사 하에서 상기 기판에서 전파되게 하도록 배열되거나, 또는 내부 전반사 하에서 상기 기판 내에 가이드된 광을, 상기 기판 내에 가이드된 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 배열되는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 상기 제2 굴절률 미만인 벌크 굴절률을 가지며, 상기 무기 재료는 상기 제2 굴절률보다 높은 벌크 굴절률을 갖는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 제2 굴절률은 1.7보다 크며 상기 제1 굴절률보다 적어도 0.2만큼 더 큰, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 회절 각도는 50도를 초과하는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴에 파장의 광을 방출하도록 구성된 광원을 더 포함하는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
광원으로부터의 광을 변조하도록 그리고 상기 변조된 광을 상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴에 출력하도록 구성된 공간 광 변조기를 더 포함하는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 입사 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 광을 회절시키도록 그리고 상기 회절된 광이 내부 전반사 하에서 상기 기판에서 전파되게 하도록 배열되는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제25 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 내부 전반사 하에서 상기 기판 내에 가이드된 광을, 상기 기판 내에 가이드된 광의 방향에 대해 일정 회절 각도로 회절시키도록 배열되는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 제32 항에 있어서,
상기 주기적으로 반복되는 광학 구조들은, 내부 전반사 하에서 상기 기판 내에 가이드된 광을 상기 기판 밖으로 회절시키도록 배열되는, 가시광을 전파하도록 구성된 도파관을 포함하는 광학 시스템. - 증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서,
상기 사용자의 머리에서 지지되도록 구성된 프레임;
상기 프레임 상에 배치된 디스플레이
를 포함하며,
상기 디스플레이의 적어도 일부는:
하나 이상의 도파관들 ―상기 하나 이상의 도파관들은 투명하며 상기 사용자가 상기 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때 상기 사용자의 눈 앞 위치에 배치되어, 투명 부분이 상기 사용자 앞의 환경의 일부로부터 상기 사용자의 눈으로 광을 투과시켜 상기 사용자 앞의 환경의 일부에 대한 뷰(view)를 제공하게 됨―;
하나 이상의 광원들; 및
상기 광원들로부터의 광을 상기 하나 이상의 도파관들에 커플링시키도록 또는 상기 하나 이상의 도파관들로부터 광을 아웃 커플링시키도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자
를 포함하며,
상기 회절 격자는:
제1 굴절률을 가지며 가시 스펙트럼에서 투명한 기판; 및
상기 기판 상에 형성되며, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴
을 포함하며, 상기 광학 구조들은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 내부에 무기 재료가 혼입되어 있는 중합체 재료를 포함하는, 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스. - 제34 항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원들은 파이버 스캐닝 투사기(fiber scanning projector)를 포함하는, 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스. - 제34 항에 있어서,
상기 디스플레이는, 복수의 깊이 평면들 상에서 상기 사용자에게 이미지 콘텐츠를 제공하기 위해, 상기 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성되는, 사용자의 눈에 광을 투사하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스. - 가시 스펙트럼에서 투명한 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에, 제1 굴절률을 갖는 주기적으로 반복되는 중합체 구조들을 형성하는 단계; 및
상기 기판을 금속 전구체에 이어 산화 전구체에 노출시키는 단계
를 포함하며, 상기 노출시키는 단계는 상기 금속 전구체의 금속을 포함하는 무기 재료가 상기 주기적으로 반복되는 중합체 구조들에 혼입되도록 일정 압력 및 온도 하에서 수행되며, 이로써 상기 주기적으로 반복되는 중합체 구조들의 굴절률을 증가시켜, 가시광을 회절시키도록 구성된 주기적으로 반복되는 광학 구조들의 패턴이 형성되는, 광학 엘리먼트를 제조하는 방법.
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