KR20230049099A - Pic 입력 및 이에 기초한 근안 디스플레이를 갖는 빔 스캐너 - Google Patents

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KR20230049099A
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바박 아미르솔라이마니
알렉산더 코쉬레프
이민 딩
브라이언 휠라이트
다니엘 구엔더 그레이프
웨이추안 가오
미아오미아오 수
자크스 골리어
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

빔 스캐너와 디스플레이 디바이스는 한 쌍의 대향 반사기에 광을 커플링하는 광자 집적 회로를 기반으로 한다. 하나의 반사기는 경사 가능하고 광이 커플링되는 개구부를 가지며, 다른 반사기는 예를 들어 오목 반사기와 같이 광을 포커싱하도록 구성된다. 편광 폴딩 구성은, 포커싱된 광이 제1 반사기의 개구를 통해 전파되고, 제2 반사기에 의해 콜리메이팅되고, 제1 반사기에 의해 스캐닝되고, 제2 반사기를 통해 스캐닝된 빔의 다수의 측방으로 오프셋된 평행 부분을 제공하는 동공 복제 광가이드로 전파되게 하기 위해 사용된다.

Description

PIC 입력 및 이에 기초한 근안 디스플레이를 갖는 빔 스캐너
[관련 출원에 대한 참조]
본 출원은, 2020년 8월 17일에 출원되고 발명의 명칭이 “Compact Beam Scanner”인 미국 특허 가출원 No. 63/066,592 및 2021년 6월 15일에 출원되고 발명의 명칭이 “MEMS Scanner with Input Beam Provided by Photonic Integrated Circuit”인 미국 특허 가출원 No. 63/210,969에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 2020년 8월 17일에 출원되고 발명의 명칭이 “Compact Beam Scanner”인 미국 특허 가출원 No. 63/066,592에 대한 우선권을 주장하는, 2020년 10월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "Display with a Compact Beam Scanner”인 미국 특허 가출원 No. 17/081,272의 일부 계속 출원이고 이에 대한 우선권을 주장한다. 이 출원들 모두는 그 전체가 참조에 의해 여기에 포함되어 있다.
[기술분야]
본 개시는, 이미지 프로젝터, 근안 디스플레이를 포함하는 시각적 디스플레이, 및 관련 방법에 관한 것이다.
시각적 디스플레이는 스틸 이미지, 비디오, 데이터 등을 포함하여 뷰어(들)에게 정보를 제공한다. 시각적 디스플레이는, 몇가지 예를 들자면, 엔터테인먼트, 교육, 엔지니어링, 과학, 전문 교육, 광고를 포함하는 다양한 분야에서 응용할 수 있다. TV 세트와 같은 일부 시각적 디스플레이는 다수의 사용자를 대상으로 하며, 근안 디스플레이 또는 NED와 같은 일부 시각적 디스플레이 시스템은 개별 사용자를 대상으로 한다.
인공 현실 시스템은 일반적으로 사용자에게 콘텐트를 제공하도록 구성된 NED(예컨대, 헤드셋 또는 안경)를 포함한다. 근안 디스플레이는, 가상 현실(virtual reality; VR), 증강 현실(augmented reality; AR), 또는 혼합 현실(mixed reality; MR) 애플리케이션에서와 같이, 실제 오브젝트와 가상 오브젝트의 이미지를 결합하거나 가상 오브젝트를 디스플레이할 수 있다. 예컨대, AR 시스템에서, 사용자는 “콤바이너(combiner)” 콤포넌트를 통해 가상 오브젝트[예컨대, 컴퓨터 생성 이미지(CGI)]의 이미지와 주변 환경을 모두 볼 수 있다. 웨어러블 디스플레이의 콤바이너는 일반적으로 외부 조명에 투명하지만 디스플레이 조명을 사용자의 시야로 지향시키는 일부 광 라우팅 광학 장치를 포함한다.
HMD 또는 NED의 디스플레이는 일반적으로 사용자의 머리에 착용하기 때문에 크고, 부피가 크며, 균형이 맞지 않고, 그리고/또는 무거운 배터리가 장착된 무거운 디스플레이 디바이스는 사용자가 착용하기 번거롭고 불편할 수 있다. 머리 장착형 디스플레이 디바이스에는 광학 빔을 스캔하여 각도 영역에서 이미지를 렌더링하는 작고 효율적인 프로젝터가 필요하다.
본 개시의 제1 양태에 따르면, 빔 스캐너가 제공되고, 빔 스캐너는, 제1 광 빔을 안내하기 위한 제1 도파관을 포함하는 광 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC); 및 제1 및 제2 대향 반사기(first and second opposed reflectors)를 포함하고, 제1 반사기는 제어 신호의 인가(application)시 경사 가능하며(tiltable) 제1 도파관으로부터 아웃 커플링된(out-coupled) 제1 광 빔을 수신하기 위한 개구부를 구비하고; 제2 반사기는 제1 반사기 내의 개구부를 통해 제1 광 빔이 전파된 후, 제1 광 빔을 적어도 부분적으로 제1 반사기를 향해 반사하고, 이에 따라, 제2 반사기를 향해 가변 각도로 제1 반사기에 의해 반사될 제1 콜리메이트 빔(collimated beam)을 형성하도록 구성되고, 제2 반사기는 제1 반사기에 의해 반사된 제1 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 제1 반사기는 MEMS(microelectromechanical system) 경사 가능 반사기(tiltable reflector)를 포함한다. 1/4 파장판(quarter-wave plate; QWP)은 제1 광 빔의 제1 선형 편광을 제1 콜리메이트 빔(collimated beam)의 제2 직교 선형 편광으로 변환하기 위해 제1 반사기와 제2 반사기 사이의 광 경로에 배치될 수 있다. 제2 반사기는 편광 선택적일 수 있다. 개구부를 통해 제1 광 빔을 포커싱하기 위해 제1 반사기 내의 개구부와 PIC 사이의 광 경로 내에 커플링 렌즈(coupling lens)가 배치될 수 있다.
일부 실시형태에서, PIC는 도파관으로부터 제1 광 빔을 아웃 커플링하기 위한 아웃 커플러(out-coupler)를 포함한다. 아웃 커플러는 PIC의 평면 외부로 제1 광 빔을 재지향시키기 위한 터닝 미러(turning mirror)를 포함할 수 있다. 터닝 미러는 제1 반사기 내의 개구부를 통해 광 빔을 포커싱하기 위해 오목하게 될 수 있다. 빔 스캐너는, 터닝 미러에 의해 반사된 제1 광 빔을 제1 반사기의 개구부로 전달하기 위해 PIC로부터 제1 반사기 내의 개구부를 향하여 연장되는 보조 도파관을 더 포함할 수 있다. PIC는 제2 광 빔을 가이드하기 위한 제2 도파관을 더 포함할 수 있고, 제2 도파관으로부터 아웃 커플링된 제2 광 빔은 제1 반사기 내의 개구부에 커플링된다. 제2 반사기는 제2 광 빔이 제1 반사기 내의 개구부를 통해 전파된 후에 제2 광 빔을 다시 제1 반사기를 향하여 적어도 부분적으로 반사하도록 구성될 수 있고, 이에 따라 제2 반사기를 향하여 가변 각도로 제1 반사기에 의해 반사될 제2 콜리메이트 빔을 형성한다. 제2 반사기는 제1 반사기에 의해 반사된 제2 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, PIC는 상이한 파장들에서 복수의 광 소스들을 제1 도파관으로 광학적으로 커플링하기 위한 콤바이너 엘리먼트(combiner element)를 더 포함한다. 콤바이너 엘리먼트는 복수의 광 소스들에 의해 방출된 광 빔들을 결합하기 위한 멀티모드 간섭(multimode interference; MMI) 커플러를 포함할 수 있다. 콤바이너 엘리먼트는, 복수의 링 공진기들 - 복수의 링 공진기들 중의 각각의 링 공진기는 복수의 광 소스들 중의 광 소스를 도파관에 광학적으로 커플링함 - ; 또는 복수의 방향성 커플러들 - 복수의 방향성 커플러들 중의 각각의 방향성 커플러는 복수의 광 소스들 중의 특정 광 소스를 도파관에 광학적으로 커플링함 - 를 포함할 수 있다. 콤바이너 엘리먼트는 복수의 입력 도파관들 및 출력 도파관에 커플링된 캐비티(cavity)를 포함할 수 있고, 복수의 입력 도파관들 중의 각각의 입력 도파관은 복수의 광 소스들 중의 광 소스를 캐비티에 광학적으로 커플링한다. 캐비티는 각각의 광 소스에 의해 방출된 광을 콤바이너 엘리먼트의 출력 도파관에 커플링하기 위해 최적화된 유효 유전율의 불균일한 공간 분포를 제공하는 나노구조를 포함할 수 있다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 제1 광 빔을 방출하기 위한 제1 광 소스, 여기에 개시된 PIC, 및 동공 복제 광가이드(pupil-replicating lightguide)을 포함하는 디스플레이 디바이스가 제공된다. 동공 복제 광가이드는, 제2 반사기를 통해 전파된 콜리메이트 빔을 인 커플링하고 콜리메이트 빔의 부분들을 아웃 커플링 각도로 아웃 커플링하도록 구성되고 상기 부분들은 디스플레이 디바이스의 아이박스(eyebox)의 길이 치수를 따라 오프셋된다.
동공 복제 광가이드는 콜리메이트 빔을 인 커플링하기 위한 인 커플링 격자(in-coupling grating) 및 아이박스의 길이 치수를 따라 콜리메이트 빔의 부분들을 아웃 커플링하기 위한 아웃 커플링 격자(out-coupling grating)를 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스는 제1 광 소스 및 제1 반사기에 동작 가능하게 커플링되고 콜리메이트 빔 부분을 스캐닝하여 아이박스에서의 각도 도메인 내의 이미지를 형성하기 위해 제1 반사기에 제어 신호를 인가하는 것과 함께 제1 광 소스의 밝기를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스가 제1 광 빔과는 상이한 파장으로 제2 광 빔을 방출하기 위한 제2 광 소스를 포함하는 실시형태에서, PIC는 제1 도파관으로 제1 및 제2 광 빔을 광학적으로 커플링하기 위한 콤바이너 엘리먼트를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 제3 양태에 따르면, 광 빔을 스캐닝하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 광 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC)의 도파관 내의 광 빔을 제1 반사기 내의 개구부를 통해 그리고 상기 제1 반사기의 반대편의 제2 반사기로 가이드하는 단계 - 상기 제1 반사기는 제어 신호의 인가 시에 경사 가능함 - ; 상기 개구부를 통해 전파된 상기 광 빔을 적어도 부분적으로 반사함으로써 콜리메이트 빔을 형성하는 단계; 상기 제1 반사기에 의해 상기 콜리메이트 빔을 가변 각도로 다시 상기 제2 반사기에 반사하는 단계; 상기 제2 반사기를 통해 상기 제1 반사기에 의해 반사된 상기 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하는 단계; 및 상기 제어 신호를 상기 제1 반사기에 인가하여 상기 제1 반사기를 기울임으로써 상기 제2 반사기를 통해 전파되는 상기 콜리메이트 빔을 경사지게 스캐닝하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 커플링 렌즈를 사용하여 제1 반사기 내의 개구부에 PIC의 도파관에 의해 가이드된 광 빔을 커플링하는 단계를 포함한다. 제2 반사기가 편광 선택적인 실시형태에서, 방법은, 상기 제2 반사기로의 상기 광 빔의 제1 입사와 제2 입사 사이의 광 경로 상의, 상기 제2 반사기에 의해 반사되고 상기 제2 반사기를 통해 전파되는 상기 광 빔의 편광을 제1 편광 상태로부터 제2 편광 상태로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이제 도면과 함께 실시예가 설명된다.
도 1은 스캐닝 이미지 프로젝터에 기초한 근안 디스플레이의 개략도이다.
도 2a는 비경사 포지션(non-tilted position)에 경사 가능 반사기(tiltable reflector)를 가진 본 개시의 콤팩트 스캐닝 프로젝터(compact scanning projector)의 개략적 단면도이다.
도 2b는 경사 포지션(tilted position)에 경사 가능 반사기를 가진 도 2a의 스캐닝 프로젝터의 개략적 단면도이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b의 스캐닝 프로젝터에 기초한 근안 디스플레이의 개략적 단면도이다.
도 3은 몇 개의 광 입력이 있는 콤팩트 스캐닝 프로젝터의 개략적 단면도이다.
도 4a는 선형 편광 선택적 반사기를 가진 스캐닝 프로젝터에 대한 편광 다이어그램이다.
도 4b는 원형 편광 선택적 반사기를 가진 스캐닝 프로젝터에 대한 편광 다이어그램이다.
도 5는 본 개시의 2D 경사 가능 반사기의 평면도이다.
도 6a는 도 2a 및 도 2b의 스캐닝 프로젝터에 대한 광 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC) 커플러의 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 PIC 커플러의 확대도이다.
도 6c는 커플링 렌즈를 가진 도 6a의 PIC 커플러의 측단면도이다.
도 6d는 도 6c의 커플링 렌즈를 통한 광선 전파(light ray propagation)를 예시하는 광학 광선추적 다이어그램(optical raytrace diagram)이다.
도 7a는 파장 분할 다중화를 가진 PIC 구성 및 다중 파장 이미터(multi-wavelength emitter)의 개략도이다.
도 7b는 개별 이미터의 공통 도파관으로의 파장 분할 다중화를 가진 PIC의 개략적 상면도이다.
도 8a는 상이한 파장의 광 소스들을 결합하기 위한 멀티모드 간섭(MMI) 커플러의 개략도이다.
도 8b는 상이한 파장의 광 소스들을 결합하기 위한 링 공진기 기반 커플러(ring resonator based coupler)의 개략도이다.
도 8c는 상이한 파장의 광 소스들을 결합하기 위한 복합 방향성 커플러(compound directional coupler)의 개략도이다.
도 8d는 커플러의 캐비티의 역최적화(inverse optimization)와 함께 상이한 파장의 광 소스들을 결합하기 위한 콤팩트 멀티모드 커플러의 개략도이다.
도 9a는 직선 에칭 미러(straight etched mirror)를 사용하는 PIC 아웃커플러의 측단면도이다.
도 9b는 오프 센터 오목 에칭 미러(off-center concave etched mirror)를 사용하는 PIC 아웃커플러의 측단면도이다.
도 9c는 수직 배치된 보조 도파관의 어레이에 기초한 PIC 광의 아웃 커플러의 측단면도이다.
도 9d는 직선 에칭 미러 및 빔 형성 광학부를 사용한 PIC 아웃 커플러의 측면도 및 정면도를 포함한다.
도 10은 본 개시에 따른 광 빔을 스캐닝하기 위한 방법의 플로우 차트이다.
도 11은 한쌍의 안경의 폼 팩터를 갖는 본 개시의 증강 현실(AR) 디스플레이의 도면이다.
도 12는 본 개시의 머리 장착형 디스플레이(HMD)의 3D 도면이다.
본 교시는 다양한 실시형태 및 실시예와 관련하여 설명되지만, 본 교시가 이러한 실시형태로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 교시 내용은 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이 다양한 대안 및 등가물을 포함한다. 본 개시의 원리, 양태, 및 실시형태를 인용하는 모든 진술 및 그의 구체적인 예는 그의 구조적 및 기능적 등가물 모두를 포함하도록 의도된다. 또한, 그러한 등가물은 현재 알려진 등가물뿐만 아니라 미래에 개발될 등가물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 모든 요소를 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "제1", "제2" 등의 용어는 순차적인 순서를 의미하는 것이 아니라 명시적으로 언급되지 않는 한, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위한 것이다. 마찬가지로, 방법 단계의 순차적 순서 지정은 명시적으로 언급하지 않는 한 순차적 실행 순서를 의미하지 않는다.
스캐닝 프로젝터 디스플레이는 경사 가능 미러를 사용하여 하나 또는 두 개의 축에 대해 강도 변조 광 빔을 경사지게 스캔할 수 있다. 광 빔이 스캐닝될 때, 각도 도메인에서 이미지를 제공하기 위해, 밝기 및/또는 컬러가 스캐닝에 따라 변경될 수 있다. 광 빔은 두 방향, 예컨대 X 시야 각도 및 Y 시야 각도로 스캐닝될 수 있다. 프레임 레이트(frame rate)가 충분히 높으면, 눈이 스캐닝된 광 빔을 통합하여 사용자가 깜박임 없이 실질적으로 디스플레이된 이미지를 볼 수 있다. 스캐너는 디스플레이의 전체 시야각(field of view; FOV)에 걸쳐 광 빔을 스캐닝할 수 있다. FOV는 이미지 광이 뷰어(viewer)에 제공될 수 있는 입체각(solid angle)으로서 규정될 수 있다.
각도 도메인에서의 이미지를 디스플레이의 아이박스에 릴레이하기 위해 릴레이 광가이드(relay lightguide)가 제공될 수 있다. 릴레이 광가이드는, 디스플레이의 아이박스 위로 광을 확장하기 위해 릴레이된 광의 동공 복제를 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 광가이드는 동공 복제 광가이드라 지칭된다. 동공 복제 광가이드는 스캐닝된 입력 빔 및 동일 각도를 가진 빔의 다수의 오프셋 부분들을 제공한다. 동공 복제 광가이드 뒤에 눈이 배치되면, 접안 렌즈(ocular lens) 없이 래스터 이미지(rastered image)를 직접 볼 수 있고, 이에 따라 전체 디스플레이 구조가 작고 가벼워진다.
동공 복제 광가이드의 입력 커플러에서 빔 워크오프(beam walk-off)를 최소화하기 위해 스캐닝 미러를 동공 복제 광가이드에 더 가깝게 만드는 것이 바람직하다. 또한, 경사 가능 미러의 각도 스캐닝 범위를 최대한 사용하기 위해 경사 가능 미러에서 거의 수직에 가까운 광 빔의 입사가 필요하다. 이러한 요구 사항을 모두 수용하기 위해, 광 빔은 경사 가능 미러에 충돌하기 전에 동공 복제 광가이드를 통해 전파되도록 지향될(directed) 수 있다. 동공 복제 광가이드를 통한 콜리메이트 광 빔의 전파는 생성되는 각도 도메인의 이미지 내의 밝은 포인트 아티팩트(bright point artifact)를 초래하기 때문에 바람직하지 않다.
본 개시에서, 전술한 제한으로부터 자유로운 스캐닝 프로젝터 구성이 제시된다. 경사 가능 미러 내에 작은 개구부가 제공되고, 개구부를 통해 강도 조정된 광 빔이 포커싱되어 반사 시에 광 빔을 콜리메이팅하는 고정된 오목 미러에 충돌하고, 빔을 경사지게 스캐닝하는 경사 가능 미러로 다시 빔을 재지향한다. 광 빔이 동공 복제 광가이드로 전파되도록 하는 제2 패스(pass)에서 오목 미러를 통해 스캐닝된 빔을 전파하기 위해 편광 구성이 사용될 수 있다. 광자 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC)는 포커싱된 광 빔을 경사 가능 미러의 개구부로 가져오는 데 사용된다. PIC는 다수의 광 소스로부터의 광을 전달할 수 있고, 여기에 기술된 바와 같이 상이한 컬러 채널의 광을 경사 가능 미러의 개구부에 결합할 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 디스플레이 디바이스(100)는 광 빔(104)을 제공하는 광 소스(102)를 포함한다. 전자 드라이버(106)는 광 소스(102)에 전력을 공급하기(powering) 위해 광 소스(102)에 동작 가능하게 커플링된다. 경사 가능 반사기 예컨대 MEMS(microelectromechanical) 경사 가능 반사기를 포함하는 빔 스캐너(108)는 광 소스(102)에 의해 생성된 광 빔(104)을 스캐닝하기 위해 광 소스(102)에 광학적으로 커플링된다. 스캐닝은 1차원 또는 2차원으로 예컨대 X축 및/또는 X축에 수직인 Y축에 대해 수행될 수 있고, X축 및 Y축은 정상 위치, 즉 전력이 공급되지 않은 위치에서 MEMS 반사기의 평면에 있다. 동공 복제기(110)는 빔 각도, 즉 광 빔(104)이 경우에 따라 약 하나 또는 두 개의 축에 대해 스캐닝될 때 매 순간 광 빔(104)의 전파 방향을 반복하는, 스캐닝된 광 빔(104)의 다수의 측방향으로 시프트된 평행 부분들(multiple laterally shifted parallel portions)을 포함하는 광 필드(light field)(115)를 제공한다.
컨트롤러(112)는 전자 드라이버(106) 및 빔 스캐너(108)에 동작 가능하게 커플링된다. 컨트롤러(112)는 빔 스캐너(108)를 구동하고 그 위치를 판독하는 것과 협력하여 광 소스(102)에 전력을 공급하기 위한 전자 드라이버(106)를 동작시키도록 구성된다. 예를 들어, 컨트롤러(112)는 제어 신호(113)를 인가하여 빔 스캐너(108)로 하여금 빔 각도 또는 방향 “A” 내지 “G”의 연속을 통해 광 빔(104)을 스캐닝하게 하는 한편, 전력 신호(111)를 인가하여 전자 드라이버(106)로 하여금 디스플레이될 이미지에 따라 광 소스(102)의 밝기를 변경할 수 있고, 이에 따라 뷰어(viewer)의 눈(114)에 의한 직접 관찰을 위해 각도 도메인에서 이미지를 형성한다. 피드백 회로는 컨트롤러(112)에 현재 MEMS 미러 포지션을 표시하기 위한 피드백 신호(117)를 제공할 수 있다.
동공 복제기(110)는 도시된 바와 같이, 방향 “A” 내지 “G”로 스캐닝된 광 빔(104)의 다수의 측방향으로 변위된 평행 부분들(multiple laterally displaced parallel portions)을 제공한다. 뷰어의 눈(114)은 광 필드(115)를 수신하고 도시된 바와 같이 대응하는 복제된 광 빔으로부터 눈의 망막(retina)(116)에 이미지를 형성한다. 눈의 망막(116) 상의 빔 부분의 선형 포지션은 문자 "a" 내지 "g"로 표시되고, 스캐닝된 광 빔(104)의 빔 각도 또는 방향 "A" 내지 "G"에 대응한다. 이러한 방식으로, 눈(114)은 광 필드(115)에 의해 형성된 각도 도메인의 이미지로부터 눈의 망막(116) 상의 선형 도메인의 이미지를 형성한다.
디스플레이 디바이스(100)와 연관된 한 가지 문제는 빔 스캐너(108)의 기울어진 경사 가능 반사기 상으로의 광 빔의 경사 입사각에 의해 야기되는 FOV의 감소이다. 예컨대 스캐닝된 즉 반사된 광 빔으로부터 충돌하는 광 빔을 물리적으로 분리하기 위해 사용되는 광학 지오메트리(optical geometry)에 의해 경사각이 요구될 수 있다. FOV 감소는 경사 가능 반사기에서 광 빔의 기울어진 경사 입사각에서의 스캐닝 범위를 나타내는 입체각의 왜곡에 의해 야기된다.
본 개시의 빔 스캐너는 개구부를 가진 경사 가능 반사기 및 개구부를 통해 투과된 광을 다시 스캐닝 반사기를 향하여 반사시키기 위해 스캐닝 반사기 반대편에 배치된 곡면 반사기(curved reflector)를 포함한다. 이러한 구성은 경사 가능 반사기 상의 광 빔의 거의 수직 입사를 가능하게 하고 빔 복제기(beam replicator)에 관한 경사 가능 반사기의 거의 평행한 포지셔닝을 가능하게 한다는 점에서 상기 결점으로부터 자유롭다.
도 2a를 참조하면, 빔 스캐너(200)는 스캐너의 반사기 상의 광 빔의 거의 수직 입사각을 가진 스캐너로서 도 1의 디스플레이 디바이스(100)에 사용될 수 있다. 도 2의 빔 스캐너(200)는 제1 반사기(210)를 향하여 광 빔(201)을 가이드하기 위한 도파관(204)을 가진 광자 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC)(202)를 포함한다. 제1 반사기(210)는 제어 신호의 인가 시에 제어된 양 만큼 경사 가능하다. 제1 반사기(210)는 2개의 비평행 축 또는 하나의 축에 대해 경사질 수 있고, 예컨대 MEMS(microelectromechanical system) 경사 가능 반사기를 포함할 수 있다. 제2 반사기(220)는 제1 반사기(210)의 반대편에 배치된다.
동작에서, 광 빔(201)은 PIC(202)의 도파관(204)으로부터 아웃 커플링되고, 제1 반사기(210)의 배면(211)으로부터 제1 반사기(210) 내의 개구부(215)로 선택적 릴레이 렌즈(optional relay lens)(206)에 의해 리포커싱된다(re-focused). 개구부(215)를 통한 전파 시, 광 빔(201)은 광선(213)으로 표시된 바와 같이 발산한다. 제2 반사기(220)는 다시 제1 반사기(210)를 향해 광 빔(201)을 적어도 부분적으로 반사하고 광 빔(201)을 콜리메이트하여, 제1 반사기(210)를 향해 전파되는 콜리메이트된 광 빔(203)을 형성하도록 구성된다. 예컨대, 제2 반사기(220)는 도 2a에 도시된 바와 같이 오목할 수 있고, 제2 반사기(220)는 예컨대 포물선 형상일 수 있다.
콜리메이트 광 빔(203)은 제1 반사기(210)에 의해 제1 반사기(210)의 경사 각도에 따른 각도에서 제2 반사기(210)를 향해 다시 반사된다. 본 명세서에서 스캐닝된 빔(205)으로 지칭되는 이중 반사된 빔의 적어도 일부는 제2 반사기(220)를 통해 전파되고 동공 복제 광가이드(240)의 입력 커플러(225) 상에 충돌한다. 입력 커플러(225)는 스캐닝된 빔(205)을 동공 복제 광가이드(240)에 인 커플링하도록 구성된 하나 이상의 회절 격자를 포함할 수 있다. 개구부(215)의 면적이 제1 반사기(210) 전체의 반사 면적보다 훨씬 작기 때문에 빔 스캐너(200)에서의 광학적 손실은 작다. 예를 들어, 개구부의 면적은 제1 반사기(210)의 반사 면적의 20% 내지 0.001%일 수 있다.
광 빔(201)은 편광 엘리먼트를 사용하여 폴딩될(folded) 수 있는 광 경로를 따라 제1 반사기(210)와 제2 반사기(220) 사이의 캐비티(222) 내에서 이동한다. 예컨대, 제2 반사기(220)의 코팅(221)은 편광 선택적일 수 있고, 폴딩된 광 경로는, 광 빔(201)의 편광 상태를 광이 편광 선택적 코팅(221)에 의해 반사되는 제1 상태로부터 광이 편광 선택적 코팅(221)에 의해 투과되는 제2 상태로 전이시키는 광학 엘리먼트를 포함할 수 있고, 이는 명확함을 위해 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있지 않다. 빔 스캐너(200) 내의 빔 경로의 폴딩을 위한 편광 구성의 비제한적 실시예는 도 2a 내지 도 2c로부터 생략되어 있고, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 이하 추가로 고려될 것이다.
제1 반사기(210)와 동공 복제 광가이드(240) 사이의 거리(d)를 작게 하기 위해 제2 반사기(220)는 제1 반사기(210)에 적절히 근접하여 배치될 수 있다. 이 거리는 제1 반사기(210)의 사이즈 및 그 경사의 각도 범위에 따를 수 있다. 예로서, 제1 반사기(210)는 동공 복제 광가이드(240)에 1 mm 이하만큼 근접할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 반사기(210)는 비스듬한 각도로 스캐닝된 빔(205)을 반사시키기 위해 기울어진 것으로 도시되어 있다. 개구부(215)는 포커싱된 광 빔(201)의 허리 부분(waist)(251)을 수용하도록 충분히 커야 한다. 개구부(215)는 광 빔 전파를 용이하게 하기 위해 일 측(one side) 또는 양 측(both sides)으로부터 테이퍼될(tapered) 수 있다. 입력 커플러(225)의 영역(227)은 스캐닝된 빔(205)을 동공 복제 광가이드(240)에 커플링하도록 충분히 넓다. 영역(227)은 동공 복제 광가이드(240)에 대한 제1 반사기(210)의 근접성으로 인해 상대적으로 작다.
도 2c를 참조하면, 디스플레이 디바이스(250)는 도 2a 및 도 2b의 빔 스캐너(200)를 사용한다. 도 2c의 디스플레이 디바이스(250)는, 광 빔(201)을 방출하는 광 소스(261), 광 소스(261)에 커플링된 PIC(202), 제1 반사기(210)와 그 반대편의 제2 반사기(220), 및 동공 복제 광가이드(240)를 포함한다. 제1 반사기(210)는 제어 신호(113)의 인가 시 경사 가능하고, 제1 반사기(210)를 통해 도파관(204)으로부터 아웃 커플링된 광 빔(201)을 수신하기 위한 개구부(215)를 갖는다. 개구부(215)는, 투명 재료를 포함할 수 있고, 제1 반사기(210)의 경사 및 포커싱된 광 빔을 더 잘 수용하도록 테이퍼될 수 있다. 제1 반사기(220)는 제1 반사기(210) 내의 개구부(215)를 통해 광 빔(201)이 전파된 후에 다시 제1 반사기(210)를 향해 광 빔(201)을 반사시키도록 구성되고, 이에 따라 가변 각도로 제1 반사기(210)에 의해 제2 반사기(220)를 향해 반사된 콜리메이트 빔을 형성하고 스캐닝된 빔(205)을 형성한다. 스캐닝된 빔(205)의 적어도 일부는 제2 반사기(220)를 통해 전파되고 동공 복제 광가이드(240)의 입력 커플러(225) 상에 충돌한다. 동공 복제 광가이드(240)의 입력 커플러(225)는 제2 반사기(220)를 통해 전파된 스캐닝된 빔(205)을 인 커플링하도록 구성된다. 동공 복제 광가이드(240)는 또한, 스캐닝된 빔(205)의 부분들을 아웃 커플링하기 위한 적어도 하나의 아웃 커플링 격자(230)(도 2c에 2개가 도시됨) 를 포함할 수 있다. 부분들은 디스플레이 디바이스(250)의 아이박스(252)의 길이 치수, 즉 도 2c의 X-치수를 따라 오프셋된다.
컨트롤러(255)는, 광 소스(261) 및 제1 반사기(210)에 동작 가능하게 커플링될 수 있고, 디스플레이 디바이스(250)의 아이박스에서 각도 도메인의 이미지를 형성하기 위해, 동공 복제 광가이드(240)의 아웃 커플링 격자(들)(230)에 의해 아웃 커플링된 콜리메이트 빔 부분들을 스캐닝하기 위해 제1 반사기(210)에 제어 신호(113)를 인가하는 것과 협력하여 광 소스(261)의 밝기 또는 컬러 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다. 피드백 신호(117)는, 경사 가능 반사기(210)의 현재 경사 각도에 관한 정보를 획득하기 위해 컨트롤러(255)에 의해 사용될 수 있다. 피드백 신호(117)는 예를 들어, 제1 반사기(210)의 X 각도 포지션 및 Y 각도 포지션의 시간적 샘플링, 제1 반사기(210)의 미리 결정된 특정 경사각에서의 동기 신호 등을 포함할 수 있다. 광 소스(261)는, LED(light-emitting diode), SLED(superluminescent light-emitting diode), 측발광 레이저 다이오드(side-emitting laser diode), VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser diode) 등의 고체 상태 싱글 모드 또는 멀티 모드 광 소스에 기초할 수 있는 하나 이상의 이미터를 포함할 수 있다.
멀티 이미터 광 소스는 서로 근접하게 위치한 복수의 초점(focal spot)으로 포커싱되는 동일한 컬러 또는 상이한 컬러의 다중 광 빔을 제공한다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 초점(301)은 제1 반사기(210) 내의 공동 개구부(215) 내에 배치된다. 다수의 초점(301)은 컬러 이미지의 상이한 컬러들을 지원할 수 있고, 그리고/또는 디스플레이되는 이미지의 픽셀의 상이한 픽셀들 또는 상이한 그룹들에 대하여 상이한 이미터를 사용함으로써 스캐닝 프로젝터 기반 디스플레이에서 향상된 이미지 해상도를 제공할 수 있다.
이제, 빔 스캐너(200)의 편광 기반 빔 폴딩 구성(polarization-based beam folding configuration)이 고려될 것이다. 첫째로 도 4a를 참조하면, 빔 스캐너(400A)는 제1 (경사 가능) 반사기(210) 및 제1 반사기를 대면하는(facing) 반사 편광기(reflecting polarizer)(420)를 포함하는 제2 (콜리메이팅) 반사기를 포함한다. 도시된 실시예에서, 반사 편광기(420)는, 도 4a의 평면에서 편광된 p-편광된 광(p-polarized light)을 반사시키도록 그리고 도 4a의 평면에 수직으로 편광된 s 편광된 광(s-polarized light)을 투과시키도록 구성된 선형 반사 편광기이다. 반사 편광기(420)는 도 2a 및 도 2b의 빔 스캐너(200)의 제2 반사기(220) 상의 코팅으로 구현될 수 있다. 수렴/발산 광 빔(201)의 광선(401)은 원형 편광된다. 제1 반사기(210)와 반사 편광기(420) 사이의 광 경로에 배치된 적합하게 배향된 1/4 파장판(quarter-wave plate; QWP)(425)은, 광선(401)의 편광 상태를 반사된 광선(403)을 형성하는 반사 편광기(420)에 의해 다시 반사되는 p 편광 상태로 변환한다. QWP(425)을 통해 반사된 광선(403)의 전파는 p 편광 상태를 다시 원형 편광 상태로 변환한다. 제1 반사기(210)로부터의 반사는 스캐닝된 광 빔(205)의 스캐닝된 광선(405)의 원형 편광 상태를 직교 원형 편광으로 뒤집는다(flip). QWP(425)를 통한 제3 통과는 직교 원형 편광 상태를 선형 s-편광 상태로 변환한다. 이 편광 상태에서, 스캐닝된 광선(405)은 선형 반사 편광기(420)를 통해 투과된다. 다른 실시예에서, 반사 편광기(BR)(420)는 입력 광선(401)의 편광 및 QWP(425) 배향에 대응하는 변화와 함께 s-편광된 광을 반사하고 p-편광된 광을 투과하도록 구성될 수 있다. QWP(425)는 SR(210)과 BR(420) 사이 어디에나 위치 결정될(positioned) 수 있고; 일부 실시예에서 이것은 제1 반사기(210)를 대면하는 반사 편광기(420) 상에, 또는 반사 편광기(420)를 대면하는 제1 반사기(210) 상에 적층될 수 있다.
다시 도 4b를 참조하면, 빔 스캐너(400B)는 ChLC(cholesteric liquid crystal) 편광기(423)를 포함하는 제2 (콜리메이팅) 반사기 반대편의 제1 (경사 가능) 반사기(210)를 포함한다. ChLC 편광기(423)는 ChLC 물질과 동일한 헬리시티(helicity)를 갖는 원 편광된 광을 반사하고 반대 헬리시티의 원 편광된 광은 투과시키도록 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, ChLC 편광기(423)는 원형 편광된 입력 광선(401)을 반사시켜서 반사된 광선(403)을 형성하도록 구성된다. 제1 반사기(210)로부터의 반사는 스캐닝된 광선(405)의 원형 편광을 직교 원형 편광으로 뒤집고, 이는 ChLC 편광기(423)를 통해 투과된다. 따라서, 제1 반사기(210)와 ChLC 편광기(423) 사이의 QWP는 도 4b의 실시예에서 요구되지 않는다. 도 4a 및 4b에서 우측 반사기(420, 423)는 평면으로 개략적으로 도시되어 있지만, 전술한 바와 같이 제1 반사기를 대면하는 오목한 반사면을 가질 수 있다.
여기에 개시된 임의의 실시예들 및 실시형태들에서, 제1 반사기(210)는 MEMS 경사 가능 반사기를 포함할 수 있다. 비제한적인 예시적 실시예에서, 도 5의 MEMS 스캐너(500)는 2개의 직교 축에 대하여 경사 가능한 반사기(510)를 포함한다. 경사 가능 반사기(510) 예컨대 미러 또는 회절 격자는, X축에 대해 반사기(510)의 경사를 허용하는 한 쌍의 제1 비틀림 힌지(first torsional hinge)(501)에 의해 지지될 수 있다. 제1 비틀림 힌지(501)는 경사 가능 반사기(510)로부터 짐벌 링(gimbal ring)(520)으로 연장되며, 이는 짐벌 링(520)으로부터 고정 베이스(fixed base)(522)로 연장되는 한 쌍의 제2 비틀림 힌지(502) 또는 중간에 있는, Y축에 대한 반사기(510)와 함께 짐벌 링(520)의 경사를 위한 선택적 제2 짐벌 링에 의해 지지된다. 고정 베이스(522)는 기판(555)에 의해 지지될 수 있다. 액추에이터(actuator)는 X축 및 Y축에 대하여 반사기(510)의 경사를 작동시키기(actuating) 위한 힘을 제공하는 짐벌 링(520) 그리고 또는 경사 가능 반사기(510) 아래에 배치될 수 있다. 액추에이터는 정전기, 전자기, 압전 등일 수 있다. 정전식 미러 작동의 경우, 콤브 드라이브(comb drive)가 비틀림 힌지 상에 위치될 수 있다. 예컨대, 하나의 액추에이터(미도시)는 X축에 대해 반사기(510)를 기울이기 위해 반사기(510)의 에지(edge) 아래에 배치될 수 있고, 다른 액추에이터(미도시)는 Y축에 대해 반사기(510)와 함께 짐벌 링(520)을 기울이기 위해 짐벌 링(520) 아래에 배치될 수 있다.
반사기(510)는 입력 광 빔이 반사기(510)를 통해 전파되게 하기 위한 개구부(515)를 가질 수 있다. 예컨대, 개구부(515)는 경사 가능 반사기(510)가 도넛 형상을 갖도록 경사 가능 반사기(510)의 중간 부분에 관통 개구(through opening) 또는 구멍(hole)을 가질 수 있다. 개구부(515)는 투명 물질로 충전될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 개구부(515)는 도 5에서 X 및 Y로 표시된 경사 축의 교차점에서 경사 가능 반사기(510)의 중심에 위치될 수 있으므로, 그 위치는 경사 동안 고정된 상태로 유지된다. 개구부(515)의 중심에서 벗어난 위치도 본 발명의 범위 내에 있다. 개구부(515)는 원형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 정사각형, 직사각형, 슬릿 형상, 또는 일반적으로 특정 실시예에 적합한 임의의 다른 형상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 상이한 형상의 개구부가 사용될 수 있다. 비제한적인 실시예로서, 경사 가능 반사기(510)는 직경 1.5 mm의 원형 미러일 수 있고, 개구부(515)의 직경은 0.005~0.2 mm일 수 있다. 도 5는 짐벌이 있는 반사기를 도시하지만, 짐벌이 없는 MEMS 반사기를 포함하여 개구부가 있는 짐벌 없는 경사 반사기도 SR(210)을 구현하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 경사 가능 반사기(510)의 후면에는 링 형상의 보강 구조(ring-shaped stiffening structure)가 제공될 수 있다.
이제 본 개시의 경사 가능 반사기의 개구부에 광을 전달하는 PIC의 예시적인 구성이 고려될 것이다. 도 6a를 참조하면, PIC(602)는 멀티 이미터 광 소스(660)의 개별 이미터(655)에 각각 광학적으로 커플링된 복수의 도파관(604)을 포함한다. 도파관(604)은 모두 PIC(602)의 아웃 커플링 영역(662)으로 이어지며, 이는 도 6b에 보다 상세히 도시되어 있다. 각각의 도파관(604)은 PIC(602)로부터 도파관(604)에서 전파되는 광을 아웃-커플링하는 격자 아웃-커플러(664)로 끝난다. 아웃 커플링 영역(662)은 도 6c에 도시된 커플링 렌즈(670)의 초점면에 배치된다. 개별 격자 아웃-커플러(664)에 의해 아웃-커플링된 광 빔(601)을 제1(즉, 경사 가능) 반사기(210)의 개구부(215)를 통해 포커싱하기 위해, 커플링 렌즈(670)는 PIC(602)와 제1 반사기(210)의 개구부(215) 사이의 광 경로에 배치된다. 개구부(215)는 도시된 바와 같이 테이퍼될 수 있다. 격자 아웃-커플러(664)는 포커싱된 광 빔(601)의 초점이 서로 가까이 배치되고 모두 개구부(215)에 끼워지도록 보장하기 위해 서로 가깝게 배치된다.
상이한 이미터들(655)은 동일 컬러 채널의 파장에서 또는 상이한 컬러 채널의 파장에서 광을 방출할 수 있다. 상이한 이미터들(655)의 방출 파장이 동일한 컬러 채널에 속하거나 단색 이미지에 대한 휘도 채널에 속할 때, PIC(602)에 기초한 스캐닝 디스플레이 디바이스의 공간 해상도는 이미지의 여러 픽셀을 제1 반사기(210)의 임의의 순간 경사각에서 동시에 투사함으로써 증가될 수 있다. 상이한 이미터들(655)의 방출 파장이 상이한 컬러 채널에 속할 때, 컬러 이미지가 생성될 수 있다. 도 6a 및 6b에 도시된 실시예에서, 이미터(655)의 전체는 3개의 상이한 그룹에 속한다: 3개의 이미터(655R)는 레드 컬러 채널의 광을 제공하고, 3개의 이미터(655G)는 그린 컬러 채널의 광을 제공하며, 3개의 이미터(655B)는 블루 컬러 채널의 광을 제공한다. 따라서, 3개의 도파관(604R)은 레드 컬러 채널의 광을 전달하고, 3개의 도파관(604G)은 그린 컬러 채널의 광을 전달하며, 3개의 도파관(604B)은 블루 컬러 채널의 광을 전달한다. 3개의 아웃-커플러(664R)는 레드 컬러 채널의 광을 아웃-커플링하고, 3개의 아웃-커플러(664G)는 그린 컬러 채널의 광을 아웃-커플링하며, 3개의 아웃-커플러(664B)는 블루 컬러 채널의 광을 아웃-커플링한다. 채널당 이미터의 실제 수는 하나의 이미터와 하나의 도파관으로부터 다수의(예컨대, 18개 이상) 이미터와 도파관까지 다양할 수 있다.
커플링 렌즈(670)는, 도시된 바와 같이, 일 측 또는 양 측 상에서 테이퍼될 수 있는 개구부(215)를 통해 모든 컬러 채널의 광빔(601)을 리포커싱한다(re-focuse). 이어서, 모든 컬러 채널의 광 빔(601)은 도 2a 내지 도 2c, 도 3, 및 도 4a와 도 4b를 참조하여 전술한 바와 같이 전파된다. 제2 반사기는 광 빔(601)이 제1 반사기(210)의 개구부(215)를 통해 전파된 후에 다시 제1 반사기를 향해 모든 컬러 채널의 광 빔(601)을 적어도 부분적으로 반사시키도록 구성되고, 이에 따라 제1 반사기(210)에 의해 가변 각도로 제2 반사기(220)(도 2a 내지 도 2c)를 향해 반사될 콜리메이트 빔을 형성한다. 제2 반사기(220)는 제1 반사기(210)에 의해 반사된 각각의 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 통해 투과하도록 구성된다. 다수의 빔의 공동 전파(co-propagation)는 도 3을 참조하여 위에 예시되었다.
공동 전파 콜리메이트 빔의 정확한 수는 사용된 이미터의 수에 대응한다. 동일하거나 상이한 컬러 채널, 휘도 채널 등의 하나, 둘, 또는 그 이상의 이미터와 빔이 있을 수 있다. 상이한 이미터들에 의해 방출된 공동 스캐닝된 콜리메이트 빔들은 전파 각도가 약간 상이할 것이지만, 이러한 차이는 모든 이미터들 및 스캐닝 미러(즉, 제1 반사기(210))의 타이밍을 제어하는 컨트롤러에 의해 설명될 수 있다. 광학 디자인 소프트웨어에서의 커플링 렌즈(670)의 렌더링은, 3개의 인접한 격자 아웃 커플러들(664)에 의해 아웃 커플링된 3개의 광 빔의 경우에 대한 도 6d에 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 상이한 컬러 채널들의 광은 PIC의 동일 도파관에서의 전파를 위해 결합될 수 있고, 이에 따라 더 콤팩트하고 효율적인 구성이 얻어진다. 비제한적 예를 위한 도 7a를 참조하면, PIC(702)의 아웃 커플링 영역(762)은 6개의 아웃 커플러(764)를 포함하고, 각각의 아웃 커플러(764)는 레드 컬러 채널 이미터(755R), 그린 컬러 채널 이미터(755G), 및 블루 컬러 채널 이미터(755B)의 광을 포함하는 결합된 광 빔을 아웃 커플링한다. 이 결합은 도 7a에서 얇은 검정색 화살표로 개략적으로 표시되어 있다. 결합 기능은 각 아웃 커플러(764)에 대하여 파장 분할 멀티플렉서 엘리먼트(wavelength-division multiplexer element)에 의해 제공될 수 있다. 이에 따라, 더 콤팩트한 전체 구성이 얻어지고, 그리고/또는 예컨대 개별 컬러 채널이 멀티플렉싱되지 않는 도 6b에 비하여 더 많이 아웃 커플링된 컬러 채널 광 빔이 가능하게 된다.
도 7b를 참조하면, 멀티 이미터 광 소스(760)는 레드 컬러 채널 이미터(755R), 그린 컬러 채널 이미터(755G), 및 블루 컬러 채널 이미터(755B)를 포함한다. 명확함을 위해, 각 컬러 채널의 3개의 이미터들만 도시되어 있다. 멀티 이미터 광 소스(760)는, 복수의 콤바이너 엘리먼트(774), 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터들의 트라이어드(TRIAD) 당 하나의 콤바이너 엘리먼트(774)를 포함하는 PIC(702)에 광학적으로 커플링된다. 각각의 콤바이너 엘리먼트(774)는 대응하는 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터를 대응하는 아웃-커플러(764)로 끝나는 공통 도파관(704)에 광학적으로 커플링한다. 적어도 하나의 콤바이너 엘리먼트(774), 도파관(704), 및 아웃 커플러(764)가 제공될 수 있다.
이제, 콤바이너 엘리먼트(774)의 예시적 구성이 고려될 것이다. 도 8a를 참조하면, 결합된 광을 아웃 커플러(764)에 가이드하는 공통 도파관(704)에서의 전파를 위해 MMI(multimode interference) 커플러(874A)는 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터의 광 빔들을 결합한다. 대응하는 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터들에 의해 방출된 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널들 각각의 광에 대하여 최대 인터모달 간섭(maximum of intermodal interference)이 MMI 커플러(874A) 내의 도파관(704)의 팁의 포지션과 일치되게 하기 위해, MMI 커플러(874A)는 MMI 커플러(874A) 내에서 전파의 여러 모드를 여기시키도록 구성된다.
도 8b를 참조하면, 링 콤바이너 엘리먼트(874B)는 복수의 링 공진기(ring resonator)(875R, 875G, 및 875B)를 포함하고, 각각의 링 공진기(875R, 875G, 및 875B)는 아웃 커플러(764)에 광을 가이드하는 공통 도파관(704)에 각각 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터들 중 특정 이미터의 광을 광학적으로 커플링한다. 각각의 링 공진기(875R, 875G, 875B)는 레드(755R), 그린(755G), 및 블루(755B) 이미터들 중 특정 하나의 이미터의 광을 고효율로 인 커플링 및 아웃 커플링하고, 다른 이미터들의 광을 인 커플링 또는 아웃 커플링하지 않도록 구성된다.
이제 도 8c를 참조하면, 방향성 커플러 콤바이너 엘리먼트(874C)는 공통 도파관(704)과 함께 형성된 방향성 커플러(881, 882)를 포함한다. 도 8c에 도시된 비제한적 실시예에서, 제1 방향성 커플러(881)는 레드 이미터(755R)에 커플링되고, 제2 방향성 커플러(882)는 블루 이미터(755B)에 커플링되고, 공통 도파관(704)은 그린 이미터(755G)에 커플링된다.
도 8d를 참조하면, 콤바이너 엘리먼트(874D)는 캐비티(890), 복수의 입력 도파관(891R, 891G, 891B), 및 출력 도파관(892)을 포함한다. 각각의 입력 도파관(891R, 891G, 891B)은 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널의 광 소스를 각각 캐비티(890)에 광학적으로 커플링한다. 명확함을 위해 광 소스는 도시되어 있지 않다. 캐비티(890)는 유효 유전율[ε(x,y)]의 불균일한 공간 분포를 갖는다. 유효 유전율[ε(x,y)]은 예컨대 일련의 도트(dot)를 포함하는 나노구조에 의해 결정된다. 나노구조는 각 광 소스에 의해 방출된 광을 출력 도파관(892)에 커플링하기 위한 역최적화 방법을 사용하여 최적화되고 있다.
콤바이너 엘리먼트(874D)의 역최적화 프로세스는, 도 8d에서 각각의 하면도(895, 895R, 895G and 895B)에 대한 상면도(894, 894R, 894G and 894B)의 비교로 도시되어 있다. 뷰(894)는 캐비티(890) 내의 시드 나노구조(seed nanostructure)(896)를 가진 비최적화 콤바이너 엘리먼트를 나타낸다. 입력 도파관(891R, 891G, 891B) 중 하나로부터 출력 도파관(892)으로 발생하는 광 전파와 함께 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널의 광에 대한 파동 계산 결과가 각각 상단 894R, 894G, 및 894B 뷰에 도시되어 있다. 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널의 광은 대부분 출력 도파관(892)을 놓치는(miss) 것을 볼 수 있다. 그런 다음 시뮬레이션 소프트웨어는 캐비티(890)의 시드 나노구조(896)를 교란(perturb) 및 최적화하고 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널의 광을 재전파하여 뷰(895)에 도시된 최종 나노구조(898)에 도달하도록 구성된다. 캐비티(890) 내의 최종 나노구조(898)는, 각각 하부 뷰(895R, 895G, 895B)에 도시된 바와 같이, 캐비티(890)가 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널의 광을 고효율로 입력 도파관(891R, 891G, 891B)으로부터 출력 도파관(892)으로 전파하게 하는, 유효 유전율[ε(x,y)]의 최적화된 불균일 공간 분포를 갖는다.
도 9a를 참조하면, PIC(902A)는 도파관(904) 및 도파관(904)으로부터 광 빔(901)을 아웃 커플링하는 경사진 평면 회전 미러(slanted flat turning mirror)(964A)를 포함한다. 회전 미러(964A)는 예를 들어 PIC(902)의 방향성 에칭에 의해 제조될 수 있고, 회전 미러(964A)는 에칭된 슬릿형 개구부 또는 컷아웃(etched slit-like opening or cutout)(984)의 평행한 표면 중 하나일 뿐이다. 보조 도파관(986), 예를 들어. 광 섬유 또는 섬유형 도파관의 얇은 섹션은 회전 미러(964A)에 의해 반사된 광 빔(901)을 제1 반사기(210)의 개구부(215)로 전달, 즉 내부로 안내하기 위해 PIC(902A)로부터 제1 반사기(210)의 개구부(215)를 향해 연장될 수 있다. 보조 도파관(986)은 보조 도파관(986)으로부터 연장되거나 보조 도파관(986)에 의해 지지되는 렌즈 엘리먼트(988)로 끝날(end) 수 있다. 렌즈 엘리먼트(988)는 개구부(215)를 통한 광 빔(901)의 포커싱을 용이하게 한다.
도 9b를 참조하면, PIC(902B)는 도 9a의 PIC(902A)와 유사하며, 회전 미러(964B)만이 만곡되어 광 빔(901)을 보조 도파관(986)으로 포커싱하는 축외 오목 반사기(off-axis concave reflector)를 형성한다.
몇개의 보조 도파관(986)은 예컨대 멀티 이미터 광 소스의 상이한 이미터들로부터 상이한 광 빔을 전달하기 위해 결합될 수 있다. 실시예에 대하여 도 9c를 참조하면, 각각 레드, 그린, 및 블루 컬러 채널(901R, 901G, 및 901B)의 광을 아웃 커플링하기 위한 격자들 및/또는 회전 미러일 수 있는 3개의 아웃 커플러(964C)에 3개의 보조 도파관(986)이 광학적으로 커플링된다. 보조 도파관(986)은 PIC(902C)에 비평행 각도 예컨대 수직으로 배치된 공통 기판(987) 내에 형성될 수 있다.
도 9d를 참조하면, PIC 아웃 커플러(902D)는 측면도 및 정면도로 도시되어 있다. 도 9d의 PIC 아웃 커플러(902D)는 도파관(904)의 어레이 및 도파관(904)으로부터 광 빔(901)을 아웃 커플링하는 경사진 평면 회전 미러(964A)를 포함한다. 아웃 커플링은 도 9d에서 상향 방향으로 발생한다. 회전 미러(964A)는 예를 들어 어레이의 모든 도파관(904)에 걸쳐 PIC(902)의 방향성 에칭에 의해 제조될 수 있고; 회전 미러(964A)는 에칭된 슬릿형 개구부 또는 컷아웃(984)의 평행한 표면 중 하나일 뿐이다. PIC 아웃 커플러(902D)는 도 9a의 PIC(902A)와 유사하지만, 보조 도파관(986) 대신 빔 형성 광학부(beam forming optic)(970)를 포함한다. 형성 광학부(forming optic)(970)(도 9d)는 동공 릴레이(pupil relay)로서 동작한다. 특히, 형성 광학부(970)는 회전 미러(964A)에 의해 회전된 출력 빔(901)을 개구부(215)로 전달하고, 개구부(215)에서 출력 빔을 리포커싱한다.
이제, 도 2a 내지 도 2c 및 도 4a에 추가로 도 10을 참조하면, 예컨대 도 2a 내지 도 2c의 빔 스캐너(200)를 사용하여 광 빔을 스캐닝하는 방법(100)은 제1 반사기(210) 내의 개구부(215)를 통해 그리고 제1 반사기(210) 반대편의 제2 반사기(220)로, PIC의 도파관 예컨대 PIC(202)의 도파관(204)에서 광 빔 예컨대 광 빔(201)을 가이드하는 단계(도 10; 1002)를 포함한다. 제1 반사기(210)는 제1 반사기(210)로의 제어 신호의 인가시에 경사 가능하다. 개구부(215)를 통해 제1 반사기(210)로 전파된 광 빔(201)은 적어도 부분적으로 반사되고(1004), 이에 따라 콜리메이트 빔(203)을 형성한다. 콜리메이트 빔(203)은 제1 반사기(210)에 의해 다시 제2 반사기(220)를 향해 (인가된 제어 신호에 따라) 가변 각도로 반사된다(1006). 제1 반사기(210)에 의해 반사된 콜리메이트 빔(203)의 적어도 일부는 제2 반사기(220)를 통해 전파된다(1008). 제어 신호는 제1 반사기(210)를 기울이기 위해 제1 반사기(210)에 인가되고(1010), 이에 따라 제2 반사기(220)를 통해 전파된 콜리메이트 빔(205)을 경사지게 스캐닝한다.
일부 실시예에서, 커플링 렌즈, 예컨대 도 2a의 커플링 렌즈(206)는, 단계(1002)에서 PIC(202)의 도파관(204)에 의해 가이드되는 광 빔(201)을 제1 반사기(210) 내의 개구부(215)에 커플링하기 위해 사용된다. 제2 반사기(220)는 편광 선택적일 수 있고, 예컨대 편광 선택적 코팅(221)(도 2a) 및/또는 반사 편광기(420)(도 4a)를 포함할 수 있다. 방법(1000)은, 제2 반사기(220) 상의 광 빔(201)의 제1 입사와 제2 입사 사이의 광 경로 상의 광 빔(201)의 편광을, 제2 반사기에 의해 광 빔(201)이 반사되는 제1 편광 상태로부터 제2 반사기(220)를 통해 콜리메이트 스캐닝된 광 빔(205)이 전파되는 제2 편광 상태로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 입사에서, 발산 광 빔(201)은 제2 반사기(220 또는 420)로부터 적어도 부분적으로 반사되고(1004); 제2 입사에서, 콜리메이트 스캐닝된 광 빔(205)은 제2 반사기(220 또는 420)를 통해 투과된다(1008).
도 11을 참조하면, 증강 현실(AR) 근안 디스플레이(1100)는 도 2c의 디스플레이 디바이스(250)의 예이다. AR 근안 디스플레이(1100)는 한쌍의 안경의 폼 팩터를 가진 프레임(1101)을 포함한다. 프레임(1101)은, 각각의 눈에 대하여, 여기에 개시된 빔 스캐너를 포함하는 프로젝터(1108), 프로젝터(1108)에 광학적으로 커플링된 동공 복제 광가이드(1110); 눈 추적 카메라(eye-tracking camera)(1104), 및 복수의 조명기(1106)를 지지한다. 조명기(1106)는 아이박스(1112)를 조명하기 위해 동공 복제 광가이드(1110)에 의해 지지될 수 있다. 프로젝터(1108)는 사용자의 눈에 투사될 각도 도메인의 이미지를 전달하는 광 빔의 팬(fan)을 제공한다. 동공 복제 광가이드(1110)는 광 빔의 팬을 수용하고, 광 빔의 팬의 각각의 빔의 다수의 측방 오프셋 평행 복사(copy)를 제공하고, 이에 따라 투사된 이미지를 아이박스(1112) 위로 연장시킨다.
멀티 이미터 광 소스가 프로젝터(1108)에 사용될 수 있다. 멀티 이미터 레이저 칩의 각각의 이미터는 동일 컬러 채널 또는 상이한 컬러 채널의 방출 파장으로 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 동일 멀티 이미터 레이저 칩의 상이한 이미터들의 방출 파장들은 레이저 소스의 스펙트럼 폭을 가진 스펙트럼 대역을 점유할 수 있다.
일부 실시예에서, 프로젝터(1108)는 동일 컬러 채널 또는 상이한 컬러 채널의 파장으로 광을 방출하는 2개 이상의 멀티 이미터 레이저 칩을 포함할 수 있다. AR 애플리케이션의 경우, 동공 복제 광가이드(1110)는 투명하거나 반투명하여 사용자가 각 눈에 투사되고 외부 세계 뷰와 중첩된 이미지와 함께 외부 세계를 볼 수 있게 할 수 있다. 각각의 눈에 투사된 이미지는 시뮬레이트된 시차로 배치된 오브젝트를 포함하여 실세계 뷰에 몰입된 것처럼 보일 수 있다.
눈 추적 카메라(1104)의 목적은, 사용자의 두 눈의 포지션 및/또는 배향을 결정하기 위한 것이다. 사용자의 눈의 포지션 및 배향이 알려지면, 시선 수렴 거리와 방향이 결정될 수 있다. 프로젝터(1108)에 의해 디스플레이되는 이미지는 디스플레이된 증강 현실 장면에 대한 사용자의 몰입의 더 나은 충실도를 위해, 그리고/또는 증강 현실과의 상호작용의 특정 기능을 제공하기 위해, 사용자의 시선을 설명하기 위해 동적으로 조정될 수 있다. 작동 시, 조명기(1106)는 대응하는 아이박스(1112)에서 눈을 조명하여, 눈 추적 카메라가 눈의 이미지를 획득할 수 있을 뿐만 아니라 기준 반사, 즉 반짝임(glint)을 제공할 수 있게 한다. 반짝임은 캡쳐된 눈 이미지에서 기준 포인트로 기능할 수 있으며, 반짝임 이미지에 대한 눈 동공 이미지의 위치를 결정함으로써 눈 시선 방향 결정을 용이하게 한다. 조명 광으로 사용자의 주의를 산만하게 하는 것을 방지하기 위해, 후자는 사용자에게 보이지 않게 만들 수 있다. 예컨대, 적외선이 아이박스(1112)를 조명하기 위해 사용될 수 있다.
눈 추적 카메라 컨트롤러(1107)의 기능은 실시간으로 사용자의 두 눈의 눈 시선 방향을 결정하기 위해 눈 추적 카메라(1104)에 의해 획득된 이미지를 프로세싱하기 위한 것이다. 일부 실시예에서, 이미지 프로세싱 및 눈 포지션/배향 결정 기능은 AR 근안 디스플레이(1100)의, 도시되지 않은, 중앙 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다. 중앙 컨트롤러는 또한, 결정된 눈 포지션, 눈 배향, 시선 방향, 아이 버전스(eye vergence) 등에 따라, 사용자에게 디스플레이될 이미지를 생성하기 위해, 프로젝터(1108)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
도 12를 참조하면, HMD(1200)는 AR/VR 웨어러블 디스플레이 시스템의 실시예이다. HMD(1200)는 도 2c의 디스플레이 디바이스(250)의 다른 실시예이다. HMD(1200)의 기능은, 컴퓨터 생성 이미지를 가진 물리적, 실세계 환경의 뷰를 확대하고(augment) 그리고/또는 전체 가상 3D 이미지를 생성하기 위한 것이다. HMD(1200)는 전면 본체(1202) 및 밴드(band)(1204)를 포함할 수 있다. 전면 본체(1202)는 안정적이고 편안한 방식으로 사용자의 눈 앞에 배치되도록 구성되고, 밴드(1204)는 사용자의 머리에 전면 본체(1202)를 고정하기 위해 스트레칭될 수 있다. 디스플레이 시스템(1280)은 사용자에게 AR/VR 이미지를 제시하기 위해 전면 본체(1202)에 배치될 수 있다. 전면 본체(1202)의 측면(sides)(1206)은 불투명하거나 투명할 수 있다.
일부 실시예에서, 전면 본체(1202)는, HMD(1200)의 가속을 추적하기 위한 관성 측정 유닛(inertial measurement unit; IMU)(1210)과 로케이터들(locators)(1208) 및 HMD(1200)의 포지션을 추적하기 위한 포지션 센서들(1212)을 포함한다. IMU(1210)는, HMD(1200)의 모션(motion)에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성하는 포지션 센서들(1212) 중 하나 이상으로부터 수신된 측정 신호들에 기초하여 HMD(1200)의 포지션을 나타내는 데이터를 생성하는 전자 디바이스이다. 포지션 센서들(1212)의 예는, 하나 이상기 가속기, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 모션을 검출하는 다른 적합한 타입의 센서, IMU(1210)의 에러 보정을 위해 사용된 일종의 센서, 또는 이것들의 일부 조합을 포함한다. 포지션 센서들(1212)은 IMU(1210)의 외부에, IMU(1210)의 내부에, 또는 이것들의 일부 조합으로 위치될 수 있다.
로케이터들(1208)은 가상 현실 시스템이 전체 HMD(1200)의 위치 및 배향을 추적할 수 있도록 가상 현실 시스템의 외부 이미징 디바이스에 의해 추적된다. IMU(1210) 및 포지션 센서들(1212)에 의해 생성된 정보는 HMD(1200)의 포지션 및 배향의 향상된 추적 정확도를 위해 로케이터들(1208)을 추적함으로써 획득된 포지션 및 배향과 비교될 수 있다. 3D 공간에서의 사용자의 나중의 움직임과 회전에 따라 사용자에게 적절한 가상 장면을 제공하기 위해 정확한 위치와 배향이 중요하다.
HMD(1200)는, HMD(1200)의 일부 또는 전부를 둘러싸는 로컬 영역의 깊이 정보를 설명하는 데이터를 캡쳐하는 깊이 카메라 어셈블리(depth camera assembly; DCA)(1211)를 더 포함할 수 있다. 이를 위해 DCA(1211)는 레이저 레이더(laser radar; LIDAR) 또는 이와 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 깊이 정보는 3D 공간에서 HMD(1200)의 위치 및 배향 결정의 더 나은 정확도를 위해 IMU(1210)로부터의 정보와 비교될 수 있다.
HMD(1200)는 실시간으로 사용자의 눈의 배향 및 포지션을 결정하기 위한 눈 추적 시스템(1214)을 더 포함할 수 있다. 획득된 눈의 포지션 및 배향은 또한, HMD(1200)가 사용자의 시선 방향을 결정하고 그에 따라 디스플레이 시스템(1280)에 의해 생성된 이미지를 조정할 수 있게 한다. 일례로, 버전스(vergence), 즉 사용자의 눈 시선의 수렴 각도가 결정된다. 결정된 시선 방향 및 버전스 각도는 또한, 화각(angle of view) 및 눈 포지션에 따라 시각적 아티팩트(visual artifact)의 실시간 보상을 위해 사용될 수 있다. 또한, 결정된 버전스 및 시선 각도는 사용자와의 상호 작용, 오브젝트를 하이라이팅하는 것, 오브젝트를 전경으로 가져오기, 추가 오브젝트 또는 포인터 생성 등에 사용될 수 있다. 예를 들어 전면 본체(1202)에 내장된 소형 스피커 세트를 포함하는 오디오 시스템도 제공될 수 있다.
본 발명의 실시형태 및 실시예는 인공 현실 시스템을 포함하거나 이와 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은 시각 정보, 오디오, 터치[체성감각(somatosensation)] 정보, 가속도, 발란스 등 감각을 통해 획득된 외부 세계에 대한 감각 정보를 사용자에게 제시하기 전에 어떤 방식으로든 조정한다. 비제한적 예로서, 인공 현실은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 일부 조합 및/또는 파생물을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐트는 완전히 생성된 콘텐트 또는 캡처된(예컨대, 현실 세계) 콘텐트와 결합되어 생성된 콘텐트를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐트는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이 콘텐트는 뷰어에게 3차원 효과를 제공하는 스테레오 비디오와 같이 단일 채널 또는 다중 채널로 제공될 수 있다. 또한, 일부 실시형태 및 실시예에서, 인공 현실은 또한, 예를 들어 인공 현실에서 콘텐트를 생성하는 데 사용되는 그리고/또는 그렇지 않으면 인공 현실에서(예컨대, 활동을 수행하는) 사용되는 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스, 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공 현실 콘텐트를 제공하는 인공 현실 시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템, 독립형 HMD, 안경의 폼 팩터를 가진 근안 디스플레이이, 모바일 디바이스나 컴퓨팅 시스템, 또는 하나 이상의 뷰어에게 인공 현실 콘텐트를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어어 플랫폼에 접속된 HMD와 같은 웨어러블 디스플레이를 포함하는 다수의 플랫폼으로 구현될 수 있다.
본 개시는 여기에 개시된 특정 실시형태 및 실시예에 의한 범위로 한정되지 않는다. 실제로, 여기에 개시된 것 이외에 다른 다양한 실시형태, 실시예 및 수정예가 전술한 설명 및 첨부된 도면으로부터 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시형태, 실시예, 및 수정예는 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 또한, 본 명세서에서 특정 목적을 위해 특정 환경에서 특정 구현의 맥락에서 본 개시 내용을 설명했지만, 통상의 기술자는 그의 유용성이 이에 제한되지 않고 본 개시 내용이 다양한 목적을 위해 다양한 환경에서 유리하게 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 아래에 설명된 청구범위는 본 명세서에 기술된 본 발명의 전체 범위를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 빔 스캐너로서,
    제1 광 빔을 가이드하기 위한 제1 도파관을 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit; PIC); 및
    제1 및 제2 대향 반사기(opposed reflecters)
    를 포함하고,
    상기 제1 반사기는 제어 신호의 인가시 경사 가능하고, 상기 제1 도파관으로부터 아웃 커플링된(out-coupled) 상기 제1 광 빔을 수신하기 위한 개구부를 구비하고,
    상기 제2 반사기는, 상기 제1 광 빔이 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부를 통해 전파된 후, 다시 상기 제1 반사기를 향해 상기 제1 광 빔을 적어도 부분적으로 반사시키고, 이에 따라 상기 제2 반사기를 향해 가변 각도로 상기 제1 반사기에 의해 반사될 제1 콜리메이트 빔(collimated beam)을 형성하도록 구성되고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 반사기에 의해 반사된 상기 제1 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하도록 구성되는 것인, 빔 스캐너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사기는 MEMS(microelectromechanical system) 경사 가능 반사기를 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광 빔의 제1 선형 편광을 상기 제1 콜리메이트 빔의 제2 직교 선형 편광으로 변환하기 위해 상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기 사이의 광 경로 내에 1/4 파장판(quater-wave plate; QWP)을 더 포함하고, 상기 제2 반사기는 편광 선택적인 것인, 빔 스캐너.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부를 통해 상기 제1 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부와 상기 PIC 사이의 광 경로 내에 커플링 렌즈(coupling lens)를 더 포함하는, 빔 스캐너.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PIC는 상기 도파관으로부터 상기 제1 광 빔을 아웃 커플링하기 위한 아웃 커플러(out-coupler)를 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 아웃 커플러는 상기 PIC의 평면 외부로 상기 제1 광 빔을 재지향시키기 위한 터닝 미러(turning mirror)를 포함하고;
    바람직하게는, 상기 터닝 미러는 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부를 통해 상기 광 빔을 포커싱하기 위해 오목하고;
    바람직하게는, 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부로 상기 터닝 미러에 의해 반사된 상기 제1 광 빔을 전달하기 위해 상기 PIC로부터 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부를 향하여 연장되는 보조 도파관을 더 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PIC는 제2 광 빔을 가이드하기 위한 제2 도파관을 더 포함하고;
    상기 제2 도파관으로부터 아웃 커플링된 상기 제2 광 빔은 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부에 커플링되고;
    상기 제2 반사기는, 상기 제2 광 빔이 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부를 통해 전파된 후, 다시 상기 제1 반사기를 향해 상기 제2 광 빔을 적어도 부분적으로 반사시키고 이에 따라 상기 제2 반사기를 향해 가변 각도로 상기 제1 반사기에 의해 반사될 제2 콜리메이트 빔을 형성하도록 구성되고,
    상기 제2 반사기는 상기 제1 반사기에 의해 반사된 상기 제2 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하도록 구성되는 것인, 빔 스캐너.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PIC는 상기 제1 도파관으로 상이한 파장으로 복수의 광 소스를 광학적으로 커플링하기 위한 콤바이너 엘리먼트(combiner element)를 더 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 콤바이너 엘리먼트는 상기 복수의 광 소스에 의해 방출된 광 빔들을 결합하기 위해 MMI(multimode interference) 커플러를 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 콤바이너 엘리먼트는,
    복수의 링 공진기 - 상기 복수의 링 공진기의 각각의 링 공진기는 상기 복수의 광 소스 중의 광 소스를 상기 도파관에 광학적으로 커플링함 - ; 또는
    복수의 방향성 커플러 - 상기 복수의 방향성 커플러의 각각의 방향성 커플러는 상기 복수의 광 소스 중의 특정 광 소스를 상기 도파관에 광학적으로 커플링함 -
    를 포함하는 것인, 빔 스캐너.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콤바이너 엘리먼트는, 복수의 입력 도파관 및 출력 도파관이 커플링된 캐비티(cavity)를 포함하고, 상기 복수의 입력 도파관의 각각의 도파관은 상기 복수의 광 소스 중의 광 소스를 상기 캐비티에 광학적으로 커플링하고,
    상기 캐비티는 상기 콤바이너 엘리먼트의 상기 출력 도파관에 각각의 광 소스에 의해 방출된 광을 커플링하기 위해 최적화된 유효 유전율의 불균일 공간 분포를 제공하는 나노구조(nanostructure)를 갖는 것인, 빔 스캐너.
  12. 디스플레이 디바이스로서,
    제1 광 빔을 방출하는 제1 광 소스;
    상기 제1 광 소스에 커플링된 광자 집적 회로(PIC) - 상기 PIC는 상기 제1 광 빔을 가이드하는 도파관을 포함함 - ;
    제1 및 제2 대향 반사기; 및
    동공 복제 광가이드(pupil-replicating lightguide)
    를 포함하고,
    상기 제1 반사기는 제어 신호의 인가시에 경사 가능하고, 상기 도파관으로부터 아웃 커플링된 상기 제1 광 빔을 수신하기 위한 개구부를 갖고;
    상기 제2 반사기는, 상기 제1 광 빔이 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부를 통해 전파된 후, 다시 상기 제1 반사기를 향해 상기 제1 광 빔을 적어도 부분적으로 반사시키고, 이에 따라 상기 제2 반사기를 향해 가변 각도로 상기 제1 반사기에 의해 반사될 콜리메이트 빔(collimated beam)을 형성하도록 구성되고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 반사기에 의해 반사된 상기 콜리메이트 빔의 적어도 일부를 전파하도록 구성되고;
    상기 동공 복제 광가이드는, 상기 제2 반사기를 통해 전파된 상기 콜리메이트 빔을 인 커플링하도록, 그리고 상기 콜리메이트 빔의 부분들을 아웃 커플링 각도로 아웃 커플링하도록 구성되고, 상기 부분들은 상기 디스플레이 디바이스의 아이박스(eyebox)의 길이 치수를 따라 오프셋되는 것인, 디스플레이 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 동공 복제 광가이드는 상기 콜리메이트 빔을 인 커플링하기 위한 인 커플링 격자, 및 상기 아이박스의 길이 치수를 따라 상기 콜리메이트 빔의 부분들을 아웃 커플링하기 위한 아웃 커플링 격자를 포함하고,
    바람직하게는, 상기 제1 광 소스 및 상기 제1 반사기에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 아이박스에서 각도 도메인에서의 이미지를 형성하도록 상기 콜리메이트 빔 부분들을 스캐닝하기 위해 상기 제1 반사기에 상기 제어 신호를 인가하는 것과 협려하여 상기 제1 광 소스의 밝기를 제어하도록 구성되는 컨트롤러를 더 포함하고,
    바람직하게는, 상기 제1 광 빔과는 상이한 파장에서 제2 광 빔을 방출하기 위한 제2 광 소스를 더 포함하고, 상기 PIC는 상기 제1 광 빔 및 상기 제2 광 빔을 상기 제1 도파관으로 광학적으로 커플링하기 위한 콤바이너 엘리먼트를 더 포함하는 것인, 디스플레이 디바이스.
  14. 광 빔을 스캐닝하기 위한 방법으로서,
    광자 집적 회로(PIC)의 도파관 내의 광 빔을, 제1 반사기 내의 개구부를 통해, 상기 제1 반사기 반대편의 제2 반사기로 가이드하는 단계 - 상기 제1 반사기는 제어 신호의 인가시 경사 가능함 - ;
    상기 개구부를 통해 전파된 상기 광 빔을 적어도 부분적으로 상기 제1 반사기를 향해 반사시켜서 콜리메이트 빔을 형성하는 단계;
    상기 제1 반사기에 의해 다시 상기 제2 반사기를 향해 가변 각도로 상기 콜리메이트 빔을 반사시키는 단계;
    상기 제2 반사기를 통해 적어도 상기 제1 반사기에 의해 반사된 상기 콜리메이트 빔의 부분을 전파하는 단계; 및
    상기 제1 반사기를 기울이기 위해 상기 제1 반사기에 상기 제어 신호를 인가하여, 상기 제2 반사기를 통해 전파된 상기 콜리메이트 빔을 경사지게 스캐닝하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    커플링 렌즈를 사용하여 상기 PIC의 상기 도파관에 의해 가이드된 상기 광 빔을 상기 제1 반사기 내의 상기 개구부에 커플링하는 단계를 더 포함하고,
    바람직하게는 상기 제2 반사기는 편광 선택적이고, 상기 방법은, 상기 광 빔의 상기 제2 반사기로의 제1 입사와 제2 입사 사이의 광 경로 상의 상기 광 빔의 편광을, 상기 광 빔이 상기 제2 반사기에 의해 반사되는 제1 편광 상태로부터, 상기 광 빔이 상기 제2 반사기를 통해 전파되는 제2 편광 상태로 변환하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
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