KR20210059594A - 사출동 확장기 및 이를 포함하는 디스플레이 - Google Patents

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KR20210059594A
KR20210059594A KR1020200067855A KR20200067855A KR20210059594A KR 20210059594 A KR20210059594 A KR 20210059594A KR 1020200067855 A KR1020200067855 A KR 1020200067855A KR 20200067855 A KR20200067855 A KR 20200067855A KR 20210059594 A KR20210059594 A KR 20210059594A
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안드레이 니콜래비치 퓨티린
알렉산드르 빅토로비치 모로조브
블라디스라브 블라디미로비치 드루진
세르기 에브지니비치 두비닌
크시니아 이고리브나 르보바
폴리나 이고르비나 말리니나
세르지 세르지비치 코핀킨
유리 페트로비치 보로딘
아나스타샤 세르지브나 페르보즈니코바
신봉수
김선일
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Abstract

사출동 확장기 및 이를 포함하는 디스플레이를 제공한다. 본 사출동 확장기는 입사된 광을 회절시켜 회절 차수가 서로 다른 복수 개의 회절광을 출력하는 회절 격자 및 회절 격자 상에 배치되며, 회절 격자에서 출력된 복수 개의 회절광을 이용하여 사출동 및 사출동 차수를 형성하는 도파관을 포함한다.

Description

사출동 확장기 및 이를 포함하는 디스플레이{DEVICE FOR ENLARGING AN EXIT PUPIL AREA AND DISPLAY INCLUDING THE SAME}
개시된 실시예들은 시각적 광학 장치의 아이 박스를 확장시킬 수 있는 광학 장치 및 이를 포함한 디스플레이에 관한 것이다.
증강 현실 장치, 접안경 및 광학 장치의 렌즈(현미경, 망원경, 사이츠(sights) 등)와 같은 시각적 광학 장치가 활발히 개선되고 있다. 이러한 시각적 광학 장치의 가장 중요한 특성 파라미터는 시야(field of view: FoV)의 크기 및 아이 박스의 크기이다. 종래 기술의 분석에 따르면, 요구되는 이미지의 품질 또는 해상도(예를 들어, 눈의 해상도의 제한 각도보다 크지 않은, 1 아크 분과 동일한)를 형성하면서, 시각 광학 장치에서 넓은 시야(예를 들어, 60도 이상)과 큰 아이 박스(예를 들어, 3mm 이상)을 동시에 제공하는 것이 매우 어렵다. 아이 박스를 확장하기 위해 알려진 일반적인 장치는 복잡한 요소가 사용되기 때문에 보편적이지 않다. 반대로, 각각의 시각적 광학 장치에 대해 아이 박스를 확장하기 위한 장치를 별도로 설계할 필요가 있다.
US 8508848 B2(2013 년 8 월 15 일 공개)에 개시된 넓은 시야를 갖는 사출동 확장기(exit pupil expander)는 종래 기술로 알려져 있다. 사출동 확장기는 도파관을 포함하고, 광(radiation)은 회절 요소를 통해 도파관에 입사되고, 도파관 내부로 진행하며 회절 요소를 통해 출사될 수 있다. 상기한 사출동 확장기는 높은 굴절률을 갖는 물질 없이 시야를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이는 시야의 폭이 작고(시야의 수평 크기의 제한된 값), 전체 치수가 큰 복잡한 구조를 갖는다. 또한, 이러한 유형의 사출동 확장기는 광이 도파관에서 먼 거리를 따라 전파되기 때문에 상당한 에너지 손실이 발생할 수 있다. 이러한 장치는 여러 회절 요소가 광을 입사 및 출사하는데 사용되기 때문에 결과 이미지의 회절 효율, 균일성 및 밝기가 제한적일 수 있다.
US 6829095 B2(2001 년 5 월 16 일 공개)에 개시된 기판-가이드 광 확장기(substrate-guided optical beam expander)는 종래 기술로 알려져 있으며, 확장기는 도파관 장치로서, 광은 반투명 거울을 사용하여 시야에 디스플레이될 수 있다. 사출동의 크기는 확장기의 기하학적 파라미터, 특히 도파관의 두께 및 미러 요소의 수와 관련이 있다. 이러한 장치의 단점은 도파관의 두께가 상당히 크기 때문에 확장기가 전체적으로 큰 치수를 가지면서 설계가 복합하다. 또한, 이러한 장치를 사용한다 하더라도 충분한 시야를 얻을 수 없다.
시각적 광학 장치의 넓은 시야, 높은 회절 효율, 이미지의 균일성 및 밝기를 유지하면서 사출동의 넓은 영역을 제공할 수 있는 아이 박스를 확장시킬 수 있는 사출동 확장기를 제공할 수 있다.
입사되는 광으로부터 에너지 손실이 적고, 소형이며, 보편적인 사출동 확장기를 제공할 수 있다.
또한, 임의의 시각적 광학 장치에 용이하게 통합될 수 있는 사출동 확장기를 제공할 수 있다.
일 유형에 따르면, 시각적 광학 장치의 사출동을 확장시키기 위한 사출동 확장기는 입사된 광을 회절시켜 회절 차수가 서로 다른 복수 개의 회절광을 출력하는 회절 격자; 및 상기 회절 격자상에 배치되며, 상기 회절 격자에서 출력된 상기 복수 개의 회절광 중 제1 회절광을 이용하여 사출동을 형성하고, 상기 복수 개의 회절광 중 제2 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 도파관;을 포함한다.
그리고, 상기 도파관은, 상기 회절 격자에서 출력된 제1 회절광을 전반사 없이 출력시켜 상기 사출동을 형성할 수 있다.
또한, 상기 도파관은, 상기 회절 격자에서 출력된 제2 회절광을 적어도 1회 내부 전반사시킨 후 출력시켜 하나 이상의 사출동 차수를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 도파관은 상기 제2 회절광을 내부 전반사시켜 상기 회절 격자에 재입사시키고, 상기 회절 격자는 상기 제2 회절광을 회절시켜 복수 개의 회절광으로 출력하며, 상기 도파관은 제2 회절광의 회절에 따른 복수 개의 회절광 중 일부 회절광을 출력시켜 사출동 차수를 형성하고, 복수 개의 회절광 중 나머지 회절광을 전반사시켜 상기 회절 격자에 재입사시킬 수 있다.
그리고, 상기 도파관은, 상기 회절 격자와 마주하는 제1 표면과 상기 제1 면과 대향하면서 상기 제1 회절광을 외부로 출력시키는 제2 표면을 포함할 수 있다.
또한, 상기 도파관은, 상기 제2 면에 입사된 회절광 모두를 전반사시킬 때까지 상기 사출동 차수를 추가적으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 사출동 차수의 개수는, 상기 도파관의 제2 면에 입사된 회절광 중 일부의 회절광이 투과되는 횟수에 비례할 수 있다.
또한, 상기 사출동 차수들 간의 간격은, 상기 도판관의 두께에 비례할 수 있다.
그리고, 상기 사출동 차수들 간의 간격은, 상기 도판관의 굴절률에 반비례할 수 있다.
또한, 상기 제1 회절광은 "0" 회절 차수를 갖는 회절광이고, 상기 제1 회절광은 "+1" 회절 차수를 갖는 회절광 및 "-1" 회절 차수를 갖는 회절광 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 도파관은 상기 "+1" 회절 차수를 갖는 회절광을 이용하여 제1 사출동 차수를 형성하고, 상기 "-1" 회절 차수를 갖는 회절광을 이용하여 제2 사출동 차수를 형성할 수 있다.
또한, 상기 도파관은 상기 제1 사출동 차수와 상기 제2 사출동 차수를 상기 사출동을 사이에 두고 서로 다른 방향에 형성할 수 있다.
그리고, 상기 회절 격자는, 개구각 이하로 입사된 광을 회절시킬 수 있다.
또한, 상기 개구각은, 상기 시각적 광학 장치의 시야각이상일 수 있다.
그리고, 상기 회절 격자상에 배치되며, 상기 회절 격자로부터 출력된 광을 전반사시키는 제2 도파관;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회절 격자는, 상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 회절 격자는, 제1 개구각 이하로 입사된 광을 회절시키는 제1 회절 영역과 상기 제1 개구각 초과 제2 개구 각 이하로 입사된 광을 회절시키는 제2 회절 영역을 포함하고, 상기 도판관은 상기 제1 회절 영역에 출력된 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 제1 도파관; 및 상기 제2 회절 영역에서 출력된 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 제 2 도파관;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 회절 격자, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관은 상기 광의 진행 경로를 기준으로 순차적으로 배열될 수 있다.
그리고, 상기 도파관은 만곡형을 포함할 수 있다.
또한, 상기 회절 격자는, 브래그 회절 격자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 디스플레이는, 특정 시야각으로 을 방출하는 시각적 광학 장치 및 상기 시각적 광학 장치의 사출동 영역을 확장시키기 위한 앞서 기술한 동 확장기;를 포함한다.
그리고, 상기 디스플레이는 근안 디스플레이일 수 있다.
개시된 사출동 확장기는 보편적이며, 컴팩트한 슬림 디자인을 가지면 높은 회절 효율을 가질 수 있다.
시각적 광학 장치의 시야를 유지하면서 아이 박스를 확장할 수 있다.
사출동에 형성된 이미지는 균일성과 밝기를 보장할 수 있다.
다중 스펙트럼광을 이용한 이미지에도 적용될 수 있다.
도 1은 객체 공간에서 텔레센트릭 광선 경로(telecentric ray path)를 도시한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 아이 박스를 확장시키는 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 아이 박스를 확장하는 사출동 확장기에서 광의 전파를 도시한 도면이다.
도 2c는 일 실시예에 따른 시각적 광학 장치에 사출동 확장기를 사용한 예를 도시한 도면이다.
도 2d는 일 실시예에 따른 반사 모드로 동작하는 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 사출동 확장기를 이용한 디스플레이의 공간도를 도시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 투과 모드로 동작하는 결합기와 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 반사 모드로 동작하는 결합기와 사출동 확장기의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 1차원 회절 격자를 포함하는 사출동 확장기를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 2차원 회절 격자를 포함하는 사출동 확장기를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 8a는 이산적으로 분포된 복수 개의 사출동 차수를 포함하는 아이 박스를 도시한 도면이다.
도 8b는 일 실시예에 따른 사출동 확장기에 의해 형성된 사출동 차수를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 스팟을 형성하는 평면형 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 곡선형 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 복수 개의 도파관을 포함하는 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
앞서 기술한 문제를 해결하고 기술적 결과를 달성하기 위해, 광 입사 또는 출사에 이용되는 회절 광학 소자(a diffractive optical element: DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(a holographic optical element: HOE)인 하나의 회절 격자와 도파관에 기초하여 아이 박스(또는 사출동 영역이라고도 칭한다.)를 확장시키는 소형 장치가 제안될 수 있다.
제안된 장치는, 예를 들어, 광학 기기의 접안경과 같은 시각적 광학 장치의 아이 박스를 확장하는데 사용될 수 있다. 알려진 바와 같이, 광학 장치의 접안경은 시청자의 눈을 향한 광학 장치의 요소이고, 접안경은 장치의 렌즈 또는 주거울에 의해 형성된 이미지를 볼 수 있도록 설계된 광학 장치(뷰 파인더, 거리 측정기, 쌍안경, 현미경, 망원경 등)의 일부일 수 있다.
아이 박스를 확장하기 위해 제안된 장치는 시각적 광학 장치 또는 HOE/DOE를 사용하여 환경 이미지와 내부 디스플레이에 의해 형성된 이미지 등을 결합하는 이미지 결합기가 있는 증강 현실 장치(AR)에 적용될 수 있다.
아이 박스를 확장하기 위해 제안된 장치(이하 '사출동 확장기'라고 칭한다)는 콤팩트하고 보편적일 수 있다. 여기서 컴팩트함과 보편성은 광의 입사 및 출사하기 위해 하나의 요소인 회절 격자만을 사용하여 결정되며, 제안된 장치에 사용되는 도파관은 고품질일 필요는 없다.
제안된 사출동 확장기는 전체 치수(dimension)가 작을 수 있다. 즉, 제안된 장치는 시각적 광학 장치의 전체 치수를 변경하지 않으며, 다양한 광학 장치에서 사용될 수 있다.
시각적 광학 장치의 사출동(exit pupil)은 시청자가 이미지를 보는 영역이다. 다시 말해서, 사출동은 이미지 공간에서 개구 다이어그램의 근축 이미지(a paraxial image of the aperture diaphragm)이고, 이러한 이미지는 광선의 직접적인 경로(direct course)에서 시각적 광학 장치의 다음 부분에 의해 형성될 수 있다. 이 용어는 광학 분야에서 잘 확립되어 있다. 시각적 광학 장치의 사출동의 주요 특성은 전체 이미지 필드가 광학 장치의 임의의 지점에 있다는 것이다.
사출동을 증가(확장)시킨다는 것은 시각적 광학 장치의 종 방향 치수(the longitudinal dimensions)를 증가시키지 않으면서 사출동의 디멘젼(dimension)(또는 갯수)가 증가된다는 것을 의미한다. 고전 광학계는 사출동의 크기를 증가시킬 수 있지만, 시각적 광학 장치의 종 방향 크기도 동시에 증가해야 했다. 도파관 광학계의 사용은, 도파관 내부의 광(radiation beams)의 다중 반사로 인해, 시각적 광학 장치의 크기를 크게 증가시키지 않으면서 사출동의 디멘젼을 증가시킬 수 있다.
아이 박스(eye box)은 눈 동공의 임의의 위치로부터 (눈 동공이 변위될 때) 사람 눈의 동공이 접근 할 수 있는 영역으로서 사출동을 포함하는 사출동 영역이라고도 한다.
시야(field of view)의 크기는 동공과 고정식 헤드의 고정된 위치에서 눈에 보이는 각도 공간이다. 시야의 크기가 클 때, 눈은 대부분의 객체 공간을 볼 수 있다. 그러나, 눈의 동공이, 예를 들어, 측면으로 수 밀리미터만큼 변위되면, 시야가 차단되고, 시야의 크기가 감소될 수 있다. 이것은 시각적 광학 장치의 아이 박스가 작고, 눈의 동공이 변위될 때, 아이 박스가 눈의 동공과 완벽하게 일치하지 않거나 전혀 일치하지 않기 때문이다.
회절 효율은 회절 격자의 특성이고, 단위는 퍼센트 또는 십진 분수로 측정되며, 회절 격자에 입사되는 에너지에 대한 회절 차수 중 하나에 포함된 에너지의 비율이다.
도 1은 객체 공간에서 텔레센트릭 광선 경로(telecentric ray path)를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 시각적 광학 장치에서 출사된 광이 사출동을 형성할 수 있다.
시각적 광학 장치(100)의 시야(field of view FoV) 크기는 하기와 같은 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, S는 대상체의 크기(단위: mm), F는 시각적 광학 장치(100)에 포함된 렌즈의 초점 거리(단위:mm)이고, FoV는 시야의 크기(단위:도(degree))이다.
시각적 광학 장치(100)의 사출동의 크기(E)는 하기와 같은 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, E는 사출동의 크기(mm)이고, Le는 시각적 광학 장치(100)에서 눈(1)의 동공(1a)까지의 접안 거리(eye-relief distance)(mm)이며, D는 시각적 광학 장치(100)에 포함된 클리어 렌즈의 구경(mm)이다.
수학식 1 및 2에 도시된 바와 같이, 시각적 광학 장치(100)에, 일 실시예에 따른 사출동 확장기를 적용하지 않는 경우, 아이 박스의 크기(E)는 시야(FoV)에 의해 제한되고, 시야(FoV)는 시각적 광학 장치(100)의 초점 거리(F) 및 객체의 크기(S)등에 의해 제한될 수 있다. 사용자가 보고자 하는 객체의 공간(즉, 객체) 영역이 클수록 시야의 크기(FoV)는 커야 한다. 반면에 시각적 광학 장치(100)에 포함된 렌즈의 초점 거리(F)는 예를 들어 증강 현실 안경와 같은 장치가 소형화될수록 소형이여야 한다.
수학식 1 및 2에 따르면, 일반적으로, 시야의 크기(FOV)와 아이 박스의 크기(E) 사이에는 반비례 관계에 있다. 통상적인 시각적 광학 장치(100)에서, 추가 요소를 사용하지 않으면서 시야의 크기(FOV) 및 아이 박스의 크기(E) 모두 크게 하는 것은 어렵다. 일 실시예에 따른 아이 박스를 확장하기 위한 장치는 보편적이고 컴팩트하다.
도 2a는 일 실시예에 따른 아이 박스를 확장시키는 사출동 확장기를 도시한 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 사출동 확장기(200)는 도파관(230) 및 회절 격자(210)를 포함할 수 있다. 사출동 확장기(200)가 회절 격자(210)를 사용할 때, 회절 차수는 도파관(230)에만 존재하며, 자유 공간에서는 회절 차수가 존재하지 않는다.
회절 격자(210)는 회절 격자(210)에 입사되는 광의 특정 입사각에 맞게 설계될 수 있다. 입사각은 시각적 광학 장치(100)의 개구각(aperture angle) 즉, 시야각에 의해 결정될 수 있다. 다시 말하면, 광은 광축에 대한 특정 각도로 시각적 광학 장치(100)에서 출사되고, 특정 각도와 동일한 각도로 회절 격자(210)에 입사될 수 있다.
사출동 확장기(200)의 회절 격자(210)는 입사된 광이 "0", "+1" 및 "-1"의 세 가지 회절 차수로 회절되도록 설계될 수 있다. 그리고 이러한 회절 차수는 도파관(230)내로 전파될 수 있다
상기한 조건을 만족하는 회절 격자(210)의 주기는 하기 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, n1 은 사출동 확장기(200) 앞에 있는 매질의 굴절률, 예를 들어 공기의 굴절률이고, n2는 도파관(230)의 굴절률이며, M은 회절 차수의 수이고, d는 격자의 주기이다.
는 광의 입사각으로서, 1는 공기에서 회절 격자(210)에 입사되는 광의 입사각이고, 2는 회절각, 즉, 회절 차수가 M인 광이 회절 격자(210)에서 도파관(230)내로 진행하는 광의 각이다.
Figure pat00004
는 회절 격자(210)에 입사하는 광의 파장이며;
T는 회절 격자(210)의 주파수로서, 주기의 역수 즉, T = 1/d로 표시될 수 있다. d가 mm로 표현되면, T는 dash/mm로 표현될 수 있다. .
회절 격자(210)는 수학식 3에 따라 아이 박스를 확장하기 위해 설계될 수 있다. 회절 격자(210)의 파라미터에 대한 결정은 회절 격자(210)가 수행하여야 하는 특정 기능에 따라 달라질 수 있다. 회절 격자(210)의 파라미터는 회절 격자(210)의 주기(일정 또는 가변), 릴리프 깊이(relief depth), 프로파일의 유형(스트로크), 스트로크의 방향 등일 수 있다. 여기서, 회절 격자(210)가 수행해야 할 특정 기능은 아이 박스를 확장하는 것이다.
회절 격자(210)의 파라미터는 다음에 따라 변할 수 있다.
- 시각적 광학 장치(100)로부터 회절 격자(210)에 입사되는 광의 입사각,
- 회절 격자(210)가 위치한 도파관(230)의 물질,
- 확장시키고자 하는 아이 박스의 크기
회절 격자(210)의 기능은 다음에 의해 결정될 수 있다.
회절 격자(210)가 홀로그램 기록 모드인 경우, 기록 소스들의 서로에 대한 공간적 배열 및 기록 소스들의 방사 전력의 비에 의해 회절 격자(210)의 기능이 결정될 수 있다.
회절 격자(210)가 리소그래피 기록 모드의 경우, 모델링 및 계산으로 결정된 회절 격자(210)의 구조에 의해 회절 격자(210)의 기능이 결정될 수 있다.
예비 이론 및 컴퓨터 모델링에 따르면, 회절 격자(210) 및 도파관(230)의 파라미터들이 일치하여 이들 요소의 조합이 아이 박스를 확장하도록 작용할 수 있음이 입증될 수 있다.
즉, 사출동 확장기(200)에 있어서, 회절 격자(210)의 파라미터는 "0", "+1" 및 "-1"이라는 단지 3개의 회절 차수가 존재하도록 설계될 수 있다. 이들 회절 차수 중 "0" 회절 차수를 제외한 회절 차수의 회절광은 내부 전반사 (total internal reflection: TIR)의 조건 하에서, 도파관(230) 표면에서 적어도 한번 이상 반사하여 도파관(230)의 내로 진행할 수 있다. 0 차 회절 차수의 회절광은 도파관(230)과 공기의 경계에서 굴절하여 내부 전반사 없이 사출동 확장기(200)로부터 출사될 수 있다.
사출동 확장기(200)의 핵심 요소는 도파관(230)이며, 상기한 도파관(230)은 입사된 광이 도파관(230) 모드로 동작하도록 하여 준다. 도파관(230) 모드라 함은, "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광이 도파관(230)과 공기의 경계면에 입사되면 전반사가 될 수 있도록 "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광에 대한 입사각이 전반사 각도 이상이 되는 것을 의미할 수 있다. 도파관(230)의 파라미터와 도파관(230)의 기능 사이에는 일정한 관계가 있다.
바람직한 실시예에서, 도파관(230)에서 출사되는 광이 균일하도록 도파관(230)의 두께는 얇은 것이 바람직하며, 그러면 사출동의 확장된 영역인 아이 박스에서도 광은 균일할 수 있다. 예를 들어, 도파관(230)의 두께는 약 3mm이하일 수 있다.
따라서, 아이 박스를 확장시키는 특성을 획득하기 위해, 도파관(230) 및 회절 격자(210)의 파라미터들은 사출동의 범위를 확장시키는 새로운 특성을 얻기 위해 일치해야 한다.
회절 격자(210)를 제조하는 방법은 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 릴리프 회절 격자(210)(relief diffraction gratings)는 마스크 또는 나노 임프린팅을 통해 에칭에 의해 제조될 수 있고, 홀로그래픽 회절 격자(210)는 간섭 패턴 등에 의해 기록될 수 있다.
제조 또는 기록된 회절 격자(210)는 평면 도파관(230) 또는 비평면 도파관(230) 모두에 적용될 수 있다. 회절 격자(210)는 일반적으로 사출동 확장기(200)를 제조할 때 도파관(230)상에서 적용될 수 있다. 광선의 특성을 변경하지 않으면서 사출동 확장기(200)에 입사되는 광선을 증가시키는 효과를 얻으려면, 제조 과정에서 회절 격자(210) 및 도파관(230)의 파라미터들이 일치하는 것이 바람직하다.
회절 격자(210)를 도파관(230)에 형성하는 것은 감광성 물질이 도포된 기판에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판은 본질적으로 도파관(230)의 기능을 수행할 수 있으며, 회절 격자(210)는 아이 박스를 확장할 수 있는 물질 및 두께로 기판상에 형성될 수 있다. 기판의 파라미터는 회절 격자(210)의 파라미터와 일치할 수 있다.
또는 포토 레지스트 물질 상에 회절 격자(210)를 형성한 후 회절 격자(210)를 카피하여 광중합체에 전사함으로서 박막 타입의 회절 격자(210)를 형성할 수 있다. 또한, 박막 타입의 회절 격자(210)는 임의의 공지된 방식으로 도파관(230)에 적용될 수 있다. 이 경우, 도파관(230)의 파라미터 및 회절 격자(210)의 파라미터는 전술한 바와 같이 일치해야 하며, 이는 아이 박스를 확장시킬 수있다
제조시, 사출동 확장기(200)는 시각적 광학 장치(100)의 개구 각도(aperture angle)에 의해 결정된 특정 입사각에 대응하여 설계될 수 있다. 시각적 광학 장치(100)의 개구 각도가 사출동 확장기(200)의 개구 각도와 동일하지 않더라도 시각적 광학 장치(100)의 개구 각도가 사출동 확장기(200)의 개구 각도이하이면, 사출동 확장기(200)는 상기한 시각적 광학 장치(100)에 통합되어 정확하게 동작할 수 있다. 이는 아이 박스를 확장하기 위한 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)의 보편성을 의미한다. 즉, 사출동 확장기(200)는 정확하게 동작할 수 있는 각도 범위를 갖는다는 것을 의미하며, 상기한 범위는 시각적 광학 장치(100)의 출사 개구 각도의 크기가 될 수 있다.
예를 들어, 사출동 확장기(200)는 60°의 개구각(즉, 시야각)를 가진 시각적 광학 장치(100)를 위해 설계될 수 있다. 이러한 사출동 확장기(200)는 60°(예를 들어, 40°) 미만의 개구각(시야각)를 갖는 시각적 광학 장치(100)에도 사용될 수 있다. 그러나, 시각적 광학 장치(100)가 60°보다 큰 개구각(시야각)를 갖는 경우, 60°의 개구각을 가진 사출동 확장기(200)는, 잘못 동작하기 때문에, 이 시각적 광학 장치(100)에는 사용될 수 없다.
도 2b는 일 실시예에 따른 아이 박스(B)를 확장하는 사출동 확장기(200)에서 광의 전파를 도시한 도면이고, 도 2c는 일 실시예에 따른 시각적 광학 장치(100)에 사출동 확장기(200)를 사용한 예를 도시한 도면이다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 시각적 광학 장치(100)으로부터의 광은 회절 격자(210)에 입사되어 3 개의 방향, 3 개의 회절 차수의 회절광으로 진행할 수 있다. 즉, "0", "+1" 및 "-1"의 회절 차수의 회절광은 도파관(230) 중 회절 격자(210)가 형성된 제1 표면(232)에 대향하는 제2 표면(234)으로 진행할 수 있다(명확성을 위해, 도 2b 및 도 2c에는 얇은 평행 광(a) 및 얇은 평행 광(b)이 도시되어 있다).
"0" 회절 차수의 회절광이 도파관(230)의 제2 표면(234)으로 입사되면, 내부 전반사(TIR)의 조건을 충족시키지 않기 때문에, 제2 표면(234)으로부터의 전반사없이, 제2 표면(234)를 통해 도파관(230)을 완전히 출사할 수 있다. 각각의 평행광(a, b)으로부터 모든 "0" 회절 차수의 회절광은 눈(1)의 동공 영역(1a)에서 수집되고(도 2b), 아이 박스(B)의 전체 영역 중에서 사출동(7)을 형성할 수 있다(도 2b).
"+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광이 도파관(230)의 제2 표면(234)으로 입사되면, 내부 전반사 조건을 만족하기 때문에 제2 표면(234)에서 내부 전반사되어, 도파관(230) 내부를 통해 회절 격자(210)로 되돌아갈 수 있다. "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 회절 격자(210)에서 회절시 및/또는 제2 표면(234)에서 전반사시 일정 각도 편향되어 진행할 수 있다. "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 편향된 각도로 회절 격자(210)에 다시 입사될 수 있다.
"+1" 및 "-1" 의 회절 차수의 회절광은 회절 격자(210)에서 다시 여러 개의 회절 차수의 회절광으로 분할될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 회절 격자(210)는 입사된 광을 3 개의 회절 차수의 회절광으로 분해하는 바, "+1" 및 "-1" 의 회절 차수의 회절광 각각은 회절 격자(210)에서 다시 회절되어 "0", "+1" 및 "-1"의 회절 차수의 회절광이 될 수 있다.
2차 회절된 광 중 "0" 회절 차수의 회절광은 도파관(230)으로부터 출사되고, "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 도파관(230) 내부에서 일정 각도 편향되어 진행할 수 있다,
"+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 편향된 각도로 회절 격자(210)에 다시 입사될 수 있다. 그리고 나서, 회절 격자(210)의 특성에 따라, 회절 격자(210)는 입사된 광을 회절할 수 있다. 회절 격자(210)는 광이 특정 각도 이상으로 입사될 때까지 입사된 광을 반복적으로 회절시키고 도파관(230)은 특정 각도 미만으로 입사된 광은 출사시키고 특정 각도이상으로 입사된 광은 전반사시킬 수 있다.
구체적으로 회절 격자(210)에서 회절된 "+1" 회절 차수의 회절광은 도파관(230)의 제2 표면(234)에서 전반사되어 회절 격자(210)으로 다시 입사된다. "+1" 회절 차수의 회절광은 회절 격자(210)에 회절되면서 "0", "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광으로 출력되고 "0" 회절 차수의 회절광은 도파관(230)의 제2 표면(234)에서 전반사 조건을 만족하지 못하는 바, 도파관(230)의 외부로 출사될 수 있다. 도파관(230)의 외부로 출사된 광은 제1 사출동 차수(8a) 이 될 수 있다. 사출동 차수(8)는 회절 격자(210)에 의해 2번 이상 회절되고 난 후 도파관(230)의 외부로 출사되어 형성된 사출동(7)을 의미한다.
도파관(230)의 제2 표면(234)에서 반사된 "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 다시 회절 격자(210)로 입사되어 3차 회절이 발생되고, 3차 회절된 광 중 "0" 회절 차수의 회절광은 도파관(230)의 제2 표면(234)을 통과하면서 추가적인 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 추가적인 사출동 차수(8)는 사출동(7)로부터 멀어지는 방향으로 제1 사출동 차수(8a)와 인접한 영역에 형성될 수 있다.
"-1" 회절 차수의 회절광의 일부도, "+1" 회절 차수의 회절광과 마찬가지로, 전반사, 회절, 굴절 및 투과 등을 반복하여 제2 사출동 차수(8b)를 형성할 수 있다. 제2 사출동 차수(8b)는 사출동(7)을 기준으로 제1 사출동 차수(8a)와 반대 방향에 형성될 수 있다.
"-1" 회절 차수의 회절광의 나머지는 전반사, 회절, 굴절 및 투과 등을 반복하면서 추가적인 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. "-1" 회절 차수의 회절광에 따른 추가적인 사출동 차수(8)는 사출동(7)로부터 멀어지는 방향으로 제2 사출동 차수(8b)와 인접한 영역에 형성될 수 있다. 이와 같이 사출동 차수(8)가 추가적으로 형성되는 것을 사출동 차수(8)가 증가한다고 칭할 수 있다.
한편, 도파관(230)의 전파 모드의 특성상, 회절 격자(210)와 광간의 상호 작용이 발생하며, 이 상호 작용에서의 출사광은 입사광에 정확히 대응될 수 있다. 즉, 사출동 확장기(200)의 출사단에서의 광의 파형은 사출동 확장기(200)의 입사단에서의 광의 파형과 동일할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 아이 박스(B)(명확성을 위해 동그라미로 표시됨)은 사출동(7) 및 복수 개의 사출동 차수(8)를 포함할 수 있다. 사출동 차수(8)의 개수는 사용된 시각적 광학 장치(100)의 필요에 따라 달라질 수 있다.
사출동 차수(exit pupil orders)(8)의 갯수는 사출동 확장기(200) 없이 시각적 광학 장치(100)에 의해 획득된 사출동(7)의 개수와 시각적 광학 장치(100)가 올바르게 동작하기 위해 필요한 사출동(7)의 크기에 의존하여 선택될 수 있다.
아이 박스(B)를 확장하기 위해 필요한 사출동 차수(8)의 개수는 회절 격자(210)의 파라미터 및 도파관(230)의 파라미터, 즉, 아이 박스(B)를 확장하기 위한 파라미터를 변경함으로서 결정될 수 있다.
사출동 차수(8)의 갯수(증가의 정도)는 도파관(230)의 두께와 회절 각도에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 사출동 차수(8)의 갯수는 도파관(230)의 두께가 얇을수록 많으며, 회절 각도가 작을수록 많을 수 있다. 사출동 차수(8)들 간의 거리는 도파관(230)의 두께 및 물질에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 사출동 차수(8)들간의 거리는 도파관(230)의 두께가 얇을수록 작아질 수 있으며, 도파관(230)의 굴절률이 클수록 커질 수 있다. 아이 박스(B)를 확장시키는 각 사출동 차수(8)의 방사 강도는 회절 격자(210)의 회절 강도에 의존할 수 있다. 예를 들어, 각 사출동 차수(8)의 방사 강도는 회절 강도에 비례할 수 있다. 아이 박스(B)를 확장하기 위해 올바르게 설계된 사출동 확장기(200)는 사출동 차수(8)의 기정의된 개수를 획득할 수 있다. 따라서, 사출동 확장기(200)를 제조하는 단계에서 확장 정도가 제어될 수 있다.
사출동 확장기(200)에 포함된 도파관(230)의 물질은, 예를 들어, 광학 무색 유리일 수 있고, 굴절률은 얼마나 많은 사출동 차수(8)의 갯수가 필요한가에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 도파관(230)의 굴절률(유리의 플레인 등급)이 높을수록 내부 전반사의 각도가 커지는 바, 사출동 차수(8)들의 간격은 더 멀어지게 위치할 수 있다. 그리고, 도파관(230)의 굴절률(크라운 등급의 유리)이 낮을수록, 내부 전반사의 각도는 작아지는 바, 사출동 차수(8)들은 서로 더 가깝게 위치할 수 있다.
기술된 광의 전파 원리는 사출동 확장기(200)에 입사하는 각각의 개별적인 얇은 평행 광(도 2b 및 2c의 광(a, b))에서 관찰될 수 있다.
사출동 확장기(200)는 시각적 광학 장치(100)에 대한 변위(도 2c에서 변위의 오프셋은 "var"로 표시됨)에 민감하지 않다. 왜냐하면, 변위의 오프셋 "var"은 아이 박스(B)를 확장하기 위해 시각적 광학 장치(100)로부터 사출동 확장기(200)로의 광의 입사각에 영향을 미치지 않기 때문이다, 즉, 사출동 확장기(200)로 입사된 광은 앞서 언급한 시각적 광학 장치(100)의 출사각에 의존할 수 있다. 사출동 확장기(200)와 통합된(integrated) 시각적 광학 장치(100)는 최상의 시야 거리로부터 무한대에 이르는 이미지도 형성할 수 있다.
광축(9)에 대한 회전도 회전도 회절 격자(210)로의 입사각에 영향을 미치지 않다. 사출동 확장기(200)의 파라미터는 시각적 광학 장치(100)에 의해 결정되는 입사각에 따라 설계되며, 사출동 확장기(200)로의 입사각은 시각적 광학 장치(100)의 개구각(aperture angle) 즉, 시야각의 범위내로 설계되면 무방하다.
아이 박스(B)의 확장(증가 또는 반복)는 일반적으로 다음과 같이 발생한다(그림 2c 참조). 객체의 의미지는, 예를 들어, 증강 현실 장치 또는 현미경의 접안경, 망원경, 사이트 등과 같은, 시각적 광학 장치(100)을 사용하여 형성되고, 객체의 이미지가 눈(1)에 전송되어 이 객체의 이미지가 눈(1)의 망막에 형성될 수 있다. 즉, 객체로부터 반사된 광은 시각적 광학 장치(100)을 통과하고 동공(1a)에 입사하여 망막(1)에 초점을 맞춘다.
시각적 광학 장치(100)에서 출력되는 아이 박스(B)를 확장하기 위해, 사출동 확장기(200)는 광을 따라 시각적 광학 장치(100)의 출구쪽에 배치되고, 사출동 확장기(200)는 광을 적어도 2 개의 광으로 분할하고, 분할된 광 각각은 개별적인 사출동(7) 및 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 그리하여 시각적 광학 장치(100)에서 출력된 사출동(7)은 증가(확장)되어 확장된 아이 박스(B)가 될 수 있다.
사출동 확장기(200)는 최상의 시야 거리로부터 무한대에 이르는 이미지를 형성하는 광학 장치(시각적 광학 장치(100))와 함께 사용될 수 있다.
도파관 모드의 장점은 도파관(230)에서 전파되는 광의 손실이 매우 작다는 것이다. 따라서, 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)는 광의 입사 및 출사 모두에 사용되는 회절 격자(210)와 도판관 모드가 적용되는 도판관을 포함하기 때문에 광 손실은 거의 없다. 즉, 시각적 광학 장치(100)로부터의 모든 광은 아이 박스(B)를 구성하는 사출동 차수(8)의 형태에 포함될 수 있다.
또한, 눈(1)은 광 수신기이기 때문에, 시각적 광학 장치(100)에서 출사되는 광은 평행 광인 것이 바람직하다. 평행 광이 눈(1)에 들어오며, 평행 광은 망막상의 렌즈(본질적으로 집광 렌즈)에 의해 초점이 맞춰지고 사람은 객체를 명확하게 볼 수 있다. 비평행 광이 시각적 광학 장치(100)에서 출사되면, 눈(1)의 망막에 결상된 이미지는 흐려질 수 있다. 즉, 이미지는 망막이 아니라 망막 앞 또는 망막 뒤에 형성될 수 있다. 시각적 광학 장치(100)로부터의 평행 광 형태의 광은 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)를 통해 전파된 후에도 광은 평행하게 유지될 수 있다.
사출동 확장기(200)는 단일 스펙트럼 광 및 컬러 이미지를 형성하는 다중 스펙트럼 광을 사용하는 시각적 광학 장치(100)에 적용될 수 있다. 왜냐하면 단일한 회절 격자(210)는 도파관(230)에 광을 입사시키고 도파관(230)으로부터 광을 출사하기 위해 사용되고, 도파관(230)은 도파관(230) 모드를 만족시키기 때문이다. 그리하여, 사출동 확장기(200)에 입사된 광은 광 특성을 변경하지 않으면서 복수 개의 광으로 증가하여 출사되고, 사출동(7) 및 복수 개의 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다.
사출동 확장기(200)는, 도 2c에서 도시된 바와 같이, 투과 모드로 동작할 수 있다 그러나, 이에 한정되지 않는다. 사출동 확장기(200)는 반사 모드로도 동작할 수 있다.
도 2d는 일 실시예에 따른 반사 모드로 동작하는 사출동 확장기(200)를 도시한 도면이다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 시각적 광학 장치(100)로부터의 입사광(예를 들어, 평행 광)은 회절 격자(210)가 형성된 도파관(230)의 제1 표면(232)과 대응하는 도파관(230)의 제2 표면(234)에 입사될 수 있다.
도파관(230)에서 굴절된 평행 광은 반사 타입의 회절 격자(210)상에 경사지게 입사될 수 있다.
반사형 회절 격자(210)에서, 광은 3 개의 회절 차수, 즉 "0", "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광으로 회절되어 3 방향으로 도판관내에 전파될 수 있다.
도파관(230)을 통과하여 제2 표면(234)에 입사된 "0" 회절 차수의 회절광, 즉 1회 회절된 광의 일부는, 전체 내부 반사의 조건을 만족시키지 않기 때문에, 표면(6)에서 전반사되지 않고, 제2 표면(234)을 통해 도파관(230)으로부터 완전히 출사될 수 있다.
"0" 회절 차수의 회절광은 눈(1a)의 동공 영역의 일부 영역에 수집되고, 아이 박스(B)에 사출동(7)을 형성할 수 있다(투과 모드의 동작과 유사함).
"+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 제2 표면(234)에서 전반사 조건을 중촉하는 바, (투과 모드에서 동작하는 장치에 대해 설명하였듯이) 제2 표면(234)에서 전반사되어 도파관(230)내로 진행할 수 있다.
"+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 다시 회절 격자(210)에 입사되고, 회절 격가는 "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광 각각을 이용하여 "0",+1", 및 "-1"회절 차수의 회절광을 출력한다. 2차 회절에 따른 "0" 회절 차수의 회절광 각각은 도파관(230)의 제2 표면(234)으로 출사되어 사출동 차수(8)를 형성하고, 나머지 회절광은 다시 도파관(230)을 진행한다.
도판관을 진행하는 광은 회절 격자(210)에 입사되는 입사각이 회절할 수 없는 각도가 될때까지 반복적으로 회절, 투과, 전반사 및 굴절 등을 통해 사출동 차수(8)(orders of the exit pupil)를 추가적으로 형성할 수 있다.
투과 모드에서 사출동 확장기(200)의 동작과 유사하게, 반사 모드에서 사출동 확장기(200)에 의해 형성된 아이 박스(B)는 사출동(7) 및 사출동 차수(8)들의 집합(a set of orders of the exit pupil)이다. 전술한 바와 같이, 사출동(7)의 차수의 갯수는 임의적일 수 있다. 즉, 사출동 확장기(200)가 적용되는 시각적 광학 시스템에 필요한 수 있으며, 사출동 차수(8)의 증가 정도는 사출동 확장기(200)의 파라미터, 즉, 회절 격자(210)와 도파관(230)의 파라미터에 의해 조절될 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 아이 박스(B)를 확장하기 위한 반사형 회절 격자(210)가 사용된 사출동 확장기(200)에서 광의 전파 원리는, 투과형 회절 격자(210)가 사용되는 사출동 확장기(200)의 전파 원리와 유사하다. 유일한 차이점은 시각적 광학 장치(100)의 광축에 따른 사출동 확장기(200)의 배향이다.
투과 모드로 동작하는 사출동 확장기(200)의 경우, 광은 먼저 투과형 회절 격자(210)를 통해 전파되고, 아이 박스(B)는 사출동 확장기(200) 뒤에 형성될 수 있다(도 2c 참조). 반사 모드로 동작하는 사출동 확장기(200)의 경우, 광은 먼저 도파관(230)을 통해 입사 및 굴절되어 반사형 회절 격자(210)에 입사될 수 있다. 아이 박스(B)는 사출동 확장기(200)의 전방에 형성될 수 있다(도. 2d).
시각적 광학 장치(100)에 사출동 확장기(200)를 적용한 경우와 적용하지 않는 경우 시각적 광학 시스템의 시야를 측정하였다. 측정 결과, 사출동 확장기(200)를 적용하는 시각적 광학 시스템은 사출동 확장기(200)를 적용하지 않는 시각적 광학 시스템에 비해 시야가 5배 이상이 확장되었음을 확인할 수 있었다.
또한, 사출동 확장기(200)에서, 광이 도파관(230)에서 매우 짧은 거리에 걸쳐 전파되기 때문에, 광 에너지 손실을 줄일 수 있다.
사출동 확장기(200)의 높은 회절 효율은 광이 아이 박스(B)에 균일하게 채워지게 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 사출동 확장기를 이용한 디스플레이의 공간도를 도시한다. 도 3의 디스플레이는 근안 디스플레이로서 증강 현실 장치일 수 있다.
이미지 소스(F)로부터의 광은 환경의 이미지와 이미지 소스(F)(예를 들어, 내부 디스플레이)에 의해 형성된 이미지를 결합하는 결합기(300)에 입사될 수 있다. 결합기(300)는 도 1, 도 2b 등에서 기술한 시각적 광학 장치(100)에 대응할 수 있다. 결합기(300)는 증강 현실 장치의 시야의 크기를 형성하고 아이 박스(B)을 확장시키기 위해 광을 사출동 확장기(200) 로 재지향시킬 수 있다.
사출동 확장기(200)는 전술한 바와 같이 증강 현실 장치의 아이 박스(B)을 증가시킬 수 있다. 사출동 확장기(200)의 다양한 구역(도 3의 a, b, c, d)에서 출사된 광는 다양한 각도로 눈(1)으로 재지향될 수 있다. 사출동 확장기(200)에서 출사된 광은 사출동(7) 및 사출동 차수(8)를 포함하는 아이 박스(B)을 완전히 및 균일하게 채울 수 있다. 이는 사출동 확장기(200)를 통해 증강 현실 장치로부터 광이 전파되기 때문이다. 이 경우, 증강 현실 장치를 위한 사출동 확장기(200)는, 2 차원 회절 격자(210)가 사용되기 때문에, 이차원적일 수 있다. 즉, 아이 박스(B)는 동일한 평면으로 2 개의 상호 수직 방향으로 확장될 수 있다.
결합기(300)가 홀로그래픽 광학 소자에 기초한 경우, 결합기(300)는 작은 아이 박스(B)를 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 결합기(300)의 아이 박스(B)를 확장하기 위해, 제안된 사출동 확장기(200)를 사용하면 아이 박스(B)를 확장하는 바, 유용할 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 투과 모드로 동작하는 결합기와 사출동 확장기를 도시한 도면이다. 도 4a의 결합기(300)와 사출동 확장기(200)는 디스플레이로서 증강 현실 장치에 통합될 수 있다. 증강 현실 장치는 안경형일 수 있다. 결합기(300)는 홀로그램 광학 소자일 수 있다. 이미지는 결합기(300) 뒤에, 즉 결합기(300)가 하이라이트된(highlighted) 반대쪽에 형성될 수 있다. 사출동 확장기(200)는 눈(1)에 더 가까운 결합기(300) 뒤에 배치될 수 있다. 즉, 사출동 확장기(200)와 눈(1) 사이에 결합기(300)가 배치될 수 있다.
이미지 소스(F)로부터의 광은 결합기(300)에 입사되고, 결합기(300)의 시야각은 경사진 평행 광에 의해 형성될 수 있다. 결합기(300)에서 출사된 광은 사출동 확장기(200)에 입사되고, 전술한 바와 같이 사출동(7) 및 복수 개의 사출동 차수(8)가 형성될 수 있다. 사출동 확장기(200)에서 출사된 광은, 결합기(300)와 상호 작용하지 않고, 결합기(300)를 통과하여 전파될 수 있다. 즉, 결합기(300)는 사출동 확장기(200)에서 출력되는 사출동(7) 및 사출동 차수(8)에 대응하는 광의 전파에 영향을 미치지 않는다.
도 4b는 일 실시예에 따른 반사 모드로 동작하는 결합기(300)와 사출동 확장기(200)의 관계를 도시한 도면이다. 즉 결합기(300)에 의해 형성된 이미지는 이미지 소스(F)와 동일한 측에서 결합기(300)의 전방에 형성될 수 있다. 이 경우, 사출동 확장기(200)도 결합기(300)의 전방에 배치될 수 있으며, 사출동 확장기(200)는 결합기(300)보다 눈(1)에 더 가깝게 배치될 수 있다. 또한, 결합기(300)는 시야각을 형성하고, 사출동 확장기(200)는 추가적인 사출동 차수(8)를 형성하여 아이 박스(B)를 확장할 수 있다.
사출동 확장기(200)는 컴팩트하기 때문에, 증강 현실 장치의 전체 치수 및 중량을 실질적으로 변경하지 않고도 증강 현실 장치에 용이하게 통합될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 1차원 회절 격자를 포함하는 사출동 확장기를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 사출동 확장기(200)가 1 차원 회절 격자(210)를 포함하는 경우, 시각적 광학 장치(100)로부터의 광은 사출동 확장기(200)에서 입사 및 회절될 수 있다. 시각적 광학 장치(100)에서 전파되는 광과 사출동 확장기(200)에서 회절된 광은 동일한 평면상이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, "0" 회절 차수의 회절광은 사출동 확장기(200)를 통과하고, "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 도파관(230)에서 전반사에 의해 도파관(230)을 통해 Y 축을 따라 전파되고, 다시 회절 격자(210)상에 입사되어 "0", "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광으로 회절될 수 있다.
2번 회절된 광 중 "0" 회절 차수의 회절광은 전반사 조건을 만족하지 않아 도파관(230)을 투과하여 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 상기와 같은 방식으로, 광은 사출동 확장기(200)에서 회절, 전반사 및 굴절 등을 하면서 사출동 확장기(200)를 출사하고, 하나의 축(Y)을 따라 추가적인 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 즉, 사출동(7)의 영역(7)은 오직 한 방향으로만 확장될 수 있다.
2차원 회절 격자(210)는, 1 차원 회절 격자(210)와 달리, 2 개의 직교 방향으로 사출동 차수(8)를 플로팅(plot)될 수 있다. 도 6은 일 실시예에 따른 2차원 회절 격자를 포함하는 사출동 확장기를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사출동 확장기(200)가 2 차원 회절 격자(210)를 포함하는 경우, 시각적 광학 장치(100)으로부터의 광은 2 차원 회절 격자(210)에 입사하고 2 방향(X 및 Y 축을 따라)으로 회절할 수 있다. 동작 원리는 1 차원 회절 격자(210)와 동일하지만 아이 박스(B)의 확장은 두 방향으로 발생할 수 있다. 즉, 아이 박스(B)은 2 개의 좌표로 확장될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 사출동 확장기를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회절 격자(210)는 도파관(230) 내부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 사출동 확장기(200)는 제1 도파관(230a), 제2 도파관(230b), 제1 도파관(230a)과 제2 도파관(230b) 사이에 배치되는 회절 격자(210)를 포함할 수 있다. 회절 격자(210)의 양단 각각은 제1 및 제2 도파관(230a, 230b)에 접할 수 있다. 제1 도파관(230a)를 통해 회절 격자(210)에 입사된 광은 두 부분으로 분할될 수 있다.
회절 격자(210)에 입사된 광 중 일부는 회절 격자(210)를 회절하면서 회절 격자(210)를 투과하여 제1 도파관(230a)으로 진행할 수 있다. 제1 도파관(230a)을 진행하는 광은 "0", "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광이며, "0" 회절 차수의 회절광은 제1 도파관(230a)을 투과하여 사출동(7)을 형성한다. "+1" 및 "-1" 회절 차수의 회절광은 전반사, 굴절, 회절, 및 투과 등을 반복하면서 추가적인 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다.
한편, 회절 격자(210)에 입사된 광 중 다른 일부는 회절 격자(210)를 회절하면서 회절 격자(210)에서 반사되어 제2 도파관(230b)으로 진행할 수 있다. 제2 도파관(230b)을 진행한 회절광은 제2 도파관(230b)에 내부 전반사되어 다시 회절 격자(210)로 입사될 수 있다. 그 중 일부는 회절 격자(210)를 투과하고 나머지는 회절 격자(210)에서 반사될 수 있다.
투과된 광은 앞서 설명한 바와 같이, 제1 도파관(230a)을 진행하면서 추가적인 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 제2 도파관(230b)으로 반사된 회절광은 전반사, 회절 등을 반복하면서 제1 도파관(230a)으로 투과될 수 있다. . 제1 도파관(230a)으로 인해 광은 사출동 차수(8)들에 균일하게 분포될 수 있다.
도 8a는 이산적으로 분포된 복수 개의 사출동 차수를 포함하는 아이 박스를 도시한 도면이다. 시각적 광학 장치(100)에서 출사된 광은 그 자체로 복수 개의 사출동(7)을 형성할 수 있다. 시각적 광학 장치(100)에 의해 형성된 복수 개의 사출동(7)은, 도 8a에 도시된 바와 같이, 아이 박스(B)에 불균일하게(이산적으로) 분포될 수 있다. 그리하여, 아이 박스(B)에는 블라인드 영역(10)이 형성될 수 있다, 블라인드 영역(10)에는 사출동 차수(8)가 존재하지 않기 때문에, 사용자의 눈(1)이 불라인드 영역(10)에 위치하는 경우, 이미지를 볼 수 없다.
일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)는 사출동 차수(8)를 형성하고 증가시킬 수 있다. 아이 박스(B)의 해상도, 즉, 사출동 확장기(200)에 의해 증가된 사출동 차수(8)의 개수는 다음 두 가지 파라미터에 따라 달라질 수 있다.
-회절 격자(210)의 회절 각도(즉, 도파관(230)으로의 광 입사 각도) 및
-도파관(230)의 두께와 물질 (즉, 내부 전반사 각도)
이들 2 개의 파라미터를 조합함으로써, 도파관(230)의 전반사 회수 및 사출동 차수(8)의 불연속 정도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 회절 격자(210)의 회절 각도가 작을수록, 또는 도파관(230)의 내부 전반사 각도가 작을수록 아이 박스(B)의 해상도는 커질 수 있다.
도 8b는 일 실시예에 따른 사출동 확장기에 의해 형성된 사출동 차수를 도시한 도면이다. 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)는 회절, 투과, 굴절 및 전반사 등을 통해 사출동 차수(8)를 증가시킬 수 있다. 사출동 차수(8)들은 서로 적어도 일부 영역이 중첩되지 않도록 형성될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 사출동 차수(8)가 많을수록, 즉 아이 박스(B)는 사출동 차수(8)들로 채워지면서 이산성이 사라지고, 아이 박스(B)가 균일해질 수 있다.
또한, 이미지가 균질해지려면, 각각의 사출동(7) 및 사출동 차수(8)에서 광 에너지가 같아야 할 것이다. 그렇지 않으면 한 위치에서 눈(1)은 매우 밝은 이미지를 보게 되고 다른 위치에서 눈(1)은 매우 희미한 이미지를 보게 될 수 있다.
사출동(7) 및 사출동 차수(8) 각각에서 광 에너지의 균일성은 회절 격자(210)의 파라미터를 최적화함으로써 달성될 수 있다. 이를 위해, 제조시, 사출동 확장기(200)의 입사 지점과 출사 지점에서의 광이 매칭되도록 회절 격자(210)의 주기가 선택될 수 있고, 사출동(7) 및 사출동 차수(8) 각각이 균일하게 밝고 동일한 치수가 되도록 회절 격자(210)의 릴리프 높이가 선택될 수 있다. 사출동 확장기(200)는 정확하게 동작할 수 있는 각도 범위를 가질 수 있다. 이 범위는 시각적 광학 장치(100)의 시야각 즉, 시각적 광학 장치(100)의 개구각의 크기이상일 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)가 60°도 개구각 범위내에서 동작하도록 설계된 경우, 이 사출동 확장기(200)는 또한 60° 미만 (예를 들어, 40°)의 시야각을 갖는 시각적 광학 장치(100)에도 사용될 수 있다. 그러나, 시각적 광학 장치(100)의 시야각이 60°보다 큰 경우, 사출동 확장기(200)는 더 이상 이러한 장치에 적용될 수 없다. 이 경우 사출동 확장기(200)는 바르게 동작하지 않기 때문이다.
사출동 확장기(200)가 평면 도파관을 포함하는 경우, 회절 격자(210)는 임의의 유형의 회절 격자(210)가 적용될 수 있다. 그러나, 평면형 사출동 확장기(200)는 일반적으로 작은 시야를 갖는 시각적 광학 장치(100)에 유용하다.
도 9a는 일 실시예에 따른 스팟을 형성하는 평면형 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 사출동 확장기(200)에는 서로 다른 시야각의 광 입사될 수 있다. 예를 들어, 제1 시야각(Θ1)으로 입사되는, 이미지와 같은 유용한 제1 광 및 제2 시야각(Θ2)으로 입사되는, 플레이어(flare)와 같은 제2 광이 사출동 확장기(200)에 입사될 수 있다. 그리고, 사출동 확장기(200)의 개구 각 크기는 제1 시야각(Θ1)과 같을 수 있다. 사출동 확장기(200)에 제1 광이 입사되면, 사출동 확장기(200)는 제1 광을 이용하여 아이 박스(B)에 사출동(7)과 복수 개의 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다.
한편, 사출동 확장기(200)에 사출동 확장기(200)의 제1 개구각(Θ1) 보다 큰 입사각(Θ2)으로 제2 광이 입사되면, 사출동 확장기(200)는 제2 광으로부터 사출동 차수(8)를 형성하지 못한다. 그리하여 사출동 확장기(200)는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 아이 박스(B)에 "무지개" 스팟을 형성할 수 있다. 제2 광은 추가 광원, 예를 들어, 가로등, 가로등, 자동차 헤드 라이트 등)이 시각적 광학 장치(100)를 통해 보여질 수 있으나, 제2 광은 회절 격자(210)에서 회절은 하지만, 도파관(230)에 의해 다중화되지 않아 스펙트럼 형태(예: "무지개")로 나타나게 될 수 있다. 이러한 현상은 작은 아이 박스(B)를 갖는 증강 현실 안경에서 사출동 확장기(200)를 사용할 때 관찰될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 곡선형 사출동 확장기를 도시한 도면이다.
사출동 확장기(200)의 형상의 변화로 인해, 사출동 확장기(200)은 특정 개구 각에서만 동작하도록 구현될 수 있다. 즉, 사출동 확장기(200)의 곡률은 개구각의 선택성이 실현되도록 설계될 수 있다.
곡선형 사출동 확장기(200)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 곡선형 회절 격자(210) 및 곡선형 도파관(230)을 포함할 수 있다. 제1 개구각(Θ1)내로 입사하는 제1 광은 사출동 확장기(200)에 수직한 방향으로 향할 수 있다. 이는 사출동 확장기(200)의 추가 파라미터, 즉 개구각의 원하는 범위(입사각의 범위는 사용하기 위해 설계된 시각적 광학 장치(100)에 의해 설정될 수 있음)내에서 변하거나 조절될 수 있는 곡률을 갖고 있기 때문이다.
제1 개구각(Θ1)내에서 입사된 제1 광은 회절 격자(210)에 의해 회절되고, 도파관(230)은 회절광을 이용하여 사출동(7) 및 사출동 차수(8)를 형성하여 아이 박스(B)를 확장시킬 수 있다. 그러나, 제1 개구각(Θ1)보다 큰 제2 개구각(Θ2)으로 입사된 제2 광은 아이 박스(B)를 형성하지 않을 수 있다. 회절 격자(210)가 제2 개구각(Θ2)으로 입사된 제2 광을 회절시킨다 하더라도, 회절광은 도파관(230)에서 내부 전반사되어 외부로 출사되지 않기 때문이다
사출동 확장기(200)가 곡선형 도파관(230)을 사용하는 경우, 회절 격자(210)는 브래그 회절 격자를 사용할 수 있다. 브래그 회절 격자는 회절 효율이 높은 장점이 있다. 또한, 브래그 회절 격자는 광의 입사각 및 광의 파장에 대해 선택적일 수 있다.
브래그 회절 격자는, 시각적 광학 장치(100)의 시야각 범위에서 특정 각도로 입사되는 광의 효율을 증가시킬 필요가 있는 경우, 평면 도파관 또는 평면형 사출동 확장기에도 이용될 수 있다. 그리하여, 회절 격자(210)에 수직하게 입사된 광은 최소한의 에너지 손실로 출력시키고, 회절 격자(210)에 경사지게 입사된 광은 에너지 손실을 크게 하여 출력할 수 있다.
회절 격자(210)로 체적 브래그 격자가 사용되면, 시각적 광학 장치(100)로부터 특정 각도로 입사된 광의 효율은 더 증가될 수 있다.
곡선 도파관을 사용하는 주된 장점은 매우 큰 시야각을 갖는 시각적 광학 장치(100)에도 일 실시예에 따른 사출동 확장기(200)가 통합될 수 있다는 것이다. 평면형 사출동 확장기는 아이 박스(B)를 확장시키기 위한 광의 입사각에 한계가 있다. 그리하여 시각적 광학 장치(100)의 시야각이 사출동 확장기(200)의 개구각의 한계를 초과하면 사출동 확장기(200)는 올바르게 아이 박스(B)를 확장시킬 수 없다. 그러나, 곡선형 사출동 확장기는 곡률에 의해 개구각을 확장 또는 조정할 수 있는 바, 시야각이 큰 시각적 광학 장치(100)에도 적용될 수 있다.
한편, 평면형 사출동 확장기라 하더라도 복수 개의 도판관을 이용하여 개구 각를 넓힐 수도 있다. 도 11은 다른 실시예에 따른 복수 개의 도파관을 포함하는 사출동 확장기를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 회절 격자(210)의 일부 영역은 제1 개구각(Θ1) 내로 입사되는 제1 광을 회절시키고, 회절 격자(210)의 나머지 영역은 제1 개구각(Θ1)보다 큰 제2 개구각(Θ2) 내로 입사되는 광을 회절시키록 설계될 수 있다. 회절 격자(210)의 파라미터를 개구각에 대응되게 설계할 수 있다.
제1 도판관은 제1 개구각(Θ1) 내로 입사되는 제1 광을 이용하여 사출동(7) 및 사출동 차수(8)를 형성하고, 제2 도파관(230b)은 제1 개구각(Θ1)을 초과하고 제2 개구각(Θ2) 내로 입사되는 제2 광을 이용하여 사출동(7) 및 사출동 차수(8)를 형성할 수 있다. 따라서, 시야각을 넓히기 위해 복수 개의 도파관(230)을 사용할 수도 있다.
지금까지 설명한 사출동 확장기(200)는 시각적 광학 장치(100)의 아이 박스(B)를 확장시키는 소형의 편리한 추가 요소로서 시각적 광학 장치(100)에 광범위하게 응용될 수 있다.
상술한 사출동 확장기 및 디스플레이는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 따라서 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100: 시각적 광학 장치
200: 사출동 확장기
210: 회절 격자
230: 도파관
B: 아이 박스
7: 사출동
8: 사출동 차수

Claims (22)

  1. 시각적 광학 장치의 사출동을 확장시키기 위한 사출동 확장기에 있어서,
    입사된 광을 회절시켜 회절 차수가 서로 다른 복수 개의 회절광을 출력하는 회절 격자; 및
    상기 회절 격자상에 배치되며, 상기 회절 격자에서 출력된 상기 복수 개의 회절광 중 제1 회절광을 이용하여 사출동을 형성하고, 상기 복수 개의 회절광 중 제2 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 도파관;을 포함하는 사출동 확장기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 회절 격자에서 출력된 제1 회절광을 전반사 없이 출력시켜 상기 사출동을 형성하는 사출동 확장기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 회절 격자에서 출력된 제2 회절광을 적어도 1회 내부 전반사시킨 후 출력시켜 하나 이상의 사출동 차수를 형성하는 사출동 확장기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 제2 회절광을 내부 전반사시켜 상기 회절 격자에 재입사시키고,
    상기 회절 격자는 상기 제2 회절광을 회절시켜 복수 개의 회절광으로 출력하며,
    상기 도파관은 제2 회절광의 회절에 따른 복수 개의 회절광 중 일부 회절광을 출력시켜 사출동 차수를 형성하고, 복수 개의 회절광 중 나머지 회절광을 전반사시켜 상기 회절 격자에 재입사시키는 사출동 확장기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 회절 격자와 마주하는 제1 표면과
    상기 제1 면과 대향하면서 상기 제1 회절광을 외부로 출력시키는 제2 표면을 포함하는 사출동 확장기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 제2 면에 입사된 회절광 모두를 전반사시킬 때까지 상기 사출동 차수를 추가적으로 형성하는 사출동 확장기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 사출동 차수의 개수는,
    상기 도파관의 제2 면에 입사된 회절광 중 일부의 회절광이 투과되는 횟수에 비례하는 사출동 확장기.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 사출동 차수들 간의 간격은,
    상기 도판관의 두께에 비례하는 사출동 확장기.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 사출동 차수들 간의 간격은,
    상기 도판관의 굴절률에 반비례하는 사출동 확장기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회절광은 "0" 회절 차수를 갖는 회절광이고,
    상기 제1 회절광은 "+1" 회절 차수를 갖는 회절광 및 "-1" 회절 차수를 갖는 회절광 중 적어도 하나를 포함하는 사출동 확장기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 도파관은
    상기 "+1" 회절 차수를 갖는 회절광을 이용하여 제1 사출동 차수를 형성하고,
    상기 "-1" 회절 차수를 갖는 회절광을 이용하여 제2 사출동 차수를 형성하는 사출동 확장기.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 도파관은
    상기 제1 사출동 차수와 상기 제2 사출동 차수를 상기 사출동을 사이에 두고 서로 다른 방향에 형성하는 사출동 확장기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자는,
    특정 개구각 이하로 입사된 광을 회절시키는 사출동 확장기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 개구각은,
    상기 시각적 광학 장치의 시야각보다 큰 사출동 확장기.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자상에 배치되며, 상기 회절 격자로부터 출력된 광을 전반사시키는 제2 도파관;을 더 포함하는 사출동 확장기.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 회절 격자는,
    상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이에 배치되는 사출동 확장기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자는,
    제1 개구각 이하로 입사된 광을 회절시키는 제1 회절 영역과 상기 제1 개구각 초과 제2 개구 각 이하로 입사된 광을 회절시키는 제2 회절 영역을 포함하고,
    상기 도판관은
    상기 제1 회절 영역에 출력된 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 제1 도파관; 및
    상기 제2 회절 영역에서 출력된 회절광을 이용하여 사출동 차수를 형성하는 제 2 도파관;을 포함하는 사출동 확장기.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관은 상기 광의 진행 경로를 기준으로 순차적으로 배열된 사출동 확장기.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 도파관은 만곡형을 포함하는 사출동 확장기.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자는,
    브래그 회절 격자를 포함하는 사출동 확장기.
  21. 특정 시야각으로 광을 방출하는 시각적 광학기; 및
    상기 시각적 광학 장치의 사출동 영역을 확장시키기 위한 제1 항에 따른 사출동 확장기;를 포함하는 디스플레이.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 디스플레이는 근안 디스플레이인 디스플레이.
KR1020200067855A 2019-11-15 2020-06-04 사출동 확장기 및 이를 포함하는 디스플레이 KR20210059594A (ko)

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