KR20230052292A - 광 도파체 - Google Patents

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Abstract

룩 스루 디스플레이를 위한 광 도파체(200)가 개시된다. 광 도파체(200)는 도광층(110)과 오염방지 층(240)을 포함하며, 오염방지 층(240)은 도광층(110)의 계면에서 광의 전반사에 실질적으로 영향을 미치지 않는다.

Description

광 도파체
광 도파체들은 헤드 업 디스플레이들(head up displays)(HUD), 머리 장착 디스플레이들(head mounted display)(HMD), 및 다른 착용가능 디스플레이들과 같은 많은 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 많은 애플리케이션들에서의 광 도파체는 실질적으로 투명하여서, 사용자가 실생활 풍경 위에 놓이는 가상 이미지를 볼 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 단순 도파체를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 일부 예들에 따른 광 도파체를 예시한다.
도 3은 일부 예들에 따른 보호된 광 도파체를 예시한다.
도 4는 일부 예들에 따른 도파체를 예시한다.
도 1a는 단순 도파체(100)를 예시한다. 단순 도파체(100)는 도광층(110)과, 공기-도파체 계면(120)을 포함한다. 전반사(total internal reflection)(TIR)에 의해 도파체에 갇힌 광이 대역폭은 도파체 재료의 굴절률(n substrate )과 공기의 굴절률(n air )에 의해 제한되고 다음에 의해 정의되며
Figure pct00001
(1)
이는, 공기에 대한 1.0과 기판에 대한 1.8의 굴절률 값들에 대해, 33.75° 이상의 각도들로 제한되는 도파체 내의 대역폭을 제공한다.
도 1b는 단순 도파체(100)가 공기-도파체 계면(120) 상에 오염물(140)을 포함하는 시나리오를 예시한다. 공기-도파체 계면(120) 상의 오염물들(140)의 존재는 계면이 수정되게 하여, 굴절률에서의 차이를 효과적으로 감소시키고 그러므로 단순 도파체(100)의 대역폭을 감소시킬 수 있다. 이는 단순 도파체(100) 내부 및 외부 둘 다에서 광의 산란을 야기할 수 있고 단순 도파체(100)의 사용자에 의해 수신되는 이미지의 저하를 야기할 수 있다. 더욱이, 단순 도파체(100)의 산란된 광은 도파체의 효율을 감소시킬 수 있고 산란된 광은 사용자에 의해 관찰될 수 있다. 오염물들은 먼지, 기름, 또는 피부 입자들과 같이 지문들로부터 단순 도파체(100) 상으로 도입되는 재료들을 포함할 수 있다.
도 2a는 일부 예들에 따른 광 도파체(200)를 예시한다. 광 도파체(200)는 도광층(110), 코팅-도파체 계면(220) 및 오염방지 층(240)을 포함한다. 오염방지 층(240)은 오염물들이 도달할 수 있는 표면으로부터 멀어지게 TIR 계면을 이동시킴으로써 오염물들의 존재에 대하여 도파체를 보호한다.
오염방지 층(240)의 성질들은 공기-도파체 계면만 있는 상황과 비교하여 도광층(110)의 TIR 특성들에 영향을 거의 또는 전혀 미치지 않도록 선택된다. 광(130)은 도파체로 입력되고, TIR을 받아 코팅-도파체 계면(220)에서 반사된다. 코팅-도파체 계면(220)에서 실질적으로 반사가 일어나므로, 오염방지 층(240)의 표면 상의 임의의 오염물들은 도파체들에서 광의 전파에 실질적으로 영향이 없다. 이는 오염방지 층(240) 상에 오염물들이 있더라도 광 도파체(200)의 사용자에 의해 수신되는 이미지의 저하를 초래하지 않는다.
이는 도 1b와 비교하여, 오염물(250)이 광의 TIR에 어떻게 영향을 미치지 않는지를 보여주는 도 2b에서 예시된다.
일부 예들에 따르면 도광층(110)은 1 .8과 동일한 굴절률(n substrate )을 가질 수 있고 오염방지 층의 굴절률(n coating )은 1.2일 수 있다. 도파체 내의 대역폭은 다음에 의해 정의될 수 있으며
Figure pct00002
(2)
이는 41.8° 이상의 대역폭으로 이어진다. 수학식 2는, n air 가 n coating 에 의해 대체된다는 것을 제외하면, 수학식 1과 유사하다. 현재는 대역폭이 도포된 코팅이 없는 도파체보다 더 낮지만, 도파체 성능은 오염방지 층이 오염물들로부터 광 도파체(200)를 보호하므로 여전히 개선된다.
대역폭에서의 감소는 더 높은 굴절률을 갖는 기판, 또는 더 낮은 굴절률을 갖는 오염 방지 코팅을 선택함으로써 완화될 수 있다. 도광층(110)의 굴절률이 2.0과 동일하고 코팅이 1 .2이면, 대역폭 ≥ 36.9°이다.
오염방지 층(240)은 공기의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서 오염방지 층(240)의 굴절률은 실질적으로 1.0과 1.5 사이일 수 있지만, 이들 값들로 제한되지 않고, 위에서 설명된 바와 같이, 오염 방지 코팅의 더 낮은 굴절률이 바람직하다. 일부 예들에서 굴절률은 1.1과 1.3 사이일 수 있다. 일부 예들에서 이는 1.15와 1.25 사이일 수 있다. 이러한 굴절률을 포함하는 재료가 폴리머를 포함할 수 있다. 일부 예들에서 폴리머는 다공성 구조를 포함한다. 일부 예들에서 폴리머는 잉크론(Inkron)에 의해 공급되는 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어 코팅은 잉크론에 의해 공급되는 IOC-560과 같은 실록산 계 코팅을 포함할 수 있다.
오염방지 층(240)의 두께는 오염방지 층(240) 밖으로의 에바네선트 커플링(evanescent coupling)을 제한하도록 제어될 수 있다. 이 두께는 파장과 오염방지 층(240)의 다른 성질들에 의존적이다. 일부 예들에서 오염방지 층(240)의 두께는 적어도 1 ㎛일 수 있다.
광 도파체(200)는 HUD 또는 HMD와 같은 시스루(see-through) 디스플레이들에서 사용자에게 이미지를 제시하는데 사용될 수 있다. 그러므로 광 도파체(200)는 광의 가시 파장들에 대해 실질적으로 투명하게 되는 것이 요구될 수 있어서, 사용자가, 광 도파체(200)를 통해, 디스플레이된 이미지 위에 놓인 외부 세계를 관찰할 수 있다. 일부 예들에서 그러므로, 광 도파체(200)의 가시광선 투과율(Visible Light Transmission)(VLT)은 75% 이상이고, 일부 예들에서 90% 이상일 수 있다. 오염방지 층(240)의 예들은 그러므로 80% 이상의 VLT를 가질 수 있고, 일부 예들에서 95% 이상일 수 있다.
도 3은 보호된 광 도파체(300)를 예시한다. 보호된 광 도파체(300)는 광 도파체(200)와 실질적으로 유사하고 도광층(110), 코팅-도파체 계면(220) 및 오염방지 층(240)을 포함한다. 보호된 광 도파체(300)는 오염방지 층(240)에 본딩되는 보호 층(310)을 또한 포함한다. 이는 오염방지 층(240)을 손상으로부터 보호하기 위한 것일 수 있는데, 일부 오염방지 층들(240)이 강건하지 않을 수 있기 때문이다.
오염방지 층(240)의 존재는 보호 층(310)의 굴절률이 오염방지 층 또는 도광층 이상인 것을 허용한다. 이는 광(130)이 코팅-도파체 계면(220)에서 반사되기 때문이고, 그래서 오염방지 층 상의 임의의 재료는 도파체의 오염물에 실질적으로 영향을 미치지 않을 것이다. 오염방지 층(240)이 없으면 임의의 보호 층(310) 전에 공기 갭이 요구되며, 그렇지 않으면 광이 더 이상 TIR을 겪지 않을 것이다.
일부 예들에서 보호 층(310)은 투명한 접착제를 사용하여 도파체에 본딩될 수 있다. 보호 층(310)은 평평할 필요가 없다.
보호된 도파체(300)는 HUD 또는 HMD와 같은 시스루 디스플레이들에서 사용자에게 이미지를 제시하는데 또한 사용될 수 있고, 그러므로 광의 가시 파장들에 실질적으로 투명하게 되는 것이 요구될 수 있어서, 사용자가 광 도파체(200)를 통해, 디스플레이된 이미지 위에 놓이는 외부 세계를 관찰할 수 있다.
일부 예들에서 광 도파체(200) 또는 보호된 도파체(300)는 표면 양각 격자들을 포함할 수 있다. 오염방지 층(240)을 표면 양각 코팅에 도포하면 격자의 효율을 정확하게 제어하는 것과 같이 격자의 성능을 또한 향상시킬 수 있다.
도 4는 일부 예들에 따른 도파체(400)를 예시한다. 도파체(400)는 도광층(110)과 오염방지 층(240)을 포함한다. TIR은 코팅-도파체 계면(220)에서 발생한다. 광(130)은 코팅-도파체 계면(220)에서 제2 필드 각도 범위의 TIR 하에 광(130)을 도파체 속으로 회절시키는 입력 회절 엘리먼트(410)를 통해 필드 각도 범위로 도파체(400) 속으로 커플링된다. 그 광은 그 다음에 제2 회절 엘리먼트(420)에 의해 도파체 밖으로 원래의 각도 범위로 회절된다.
도 4는 제1 회절 엘리먼트(410)를 표면 양각 격자인 것으로서 예시하지만, 제1 회절 엘리먼트(410)는 표면 또는 매립된 격자를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 격자는 반사 모드 또는 투과 모드에서 작동할 수 있다.
도 4는 제2 회절 엘리먼트(420)를 매립된 격자인 것으로서 예시하지만, 제2 회절 엘리먼트(420)는 표면 양각 격자 또는 매립된 격자를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 격자는 반사 모드 또는 투과 모드에서 작동할 수 있다.
추가적인 기판들이 도파체(400)의 외부 표면들에 본딩될 수 있다.
일부 예들에서 격자들의 격자 피치는 400 ㎚일 수 있고 광의 소스 파장은 532 ㎚일 수 있다. 소스 총 시야(source total field of view)는 공기 중의 필드 각도들의 범위가 ± 15°가 되도록 30°일 수 있다. 기판의 굴절률은 1.8일 수 있어서, 기판에서의 필드 각도들의 범위는 ± 8.3°일 수 있다. 제1 회절 엘리먼트(410)를 통과한 후 기판에서의 필드 각도들의 범위는 +36.3° 내지 +61.6°이다. 그러므로, 광학적 분리를 가능하게 하기 위하여, 시야 대역폭이 유지되도록 n coating 은 충분히 낮아야 한다.
수학식 2를 재배열하면 다음으로 이어지며
Figure pct00003
(3)
그래서 n coating 은 1.07 이하여야 한다. 이러한 굴절률을 포함하는 재료가 폴리머를 포함할 수 있다. 일부 예들에서 폴리머는 다공성 구조를 포함한다. 일부 예들에서 폴리머는 잉크론에 의해 공급되는 실록산 계 폴리머를 포함할 수 있다.

Claims (13)

  1. 룩 스루(look through) 디스플레이용 광 도파체로서,
    도광층과, 오염방지 층 ― 상기 오염방지 층은 상기 도광층의 계면에서 광의 전반사에 실질적으로 영향을 미치지 않음 ―
    을 포함하는, 광 도파체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오염방지 층의 굴절률이 대략 1.0과 1.5 사이인, 광 도파체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오염방지 층의 굴절률이 대략 1.1과 1.3 사이인, 광 도파체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염방지 층의 두께가 대략 1 pm보다 큰, 광 도파체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염방지 층은 폴리머 층을 포함하는, 광 도파체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염방지 층은 상기 오염방지 층에 본딩되는 보호 층을 포함하는, 광 도파체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보호 층의 상기 굴절률은 상기 오염방지 층의 상기 굴절률보다 큰, 광 도파체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 보호 층과 상기 오염방지 층 사이에 실질적으로 공기 갭이 없는, 광 도파체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 양각 격자를 포함하며, 상기 오염방지 층은 상기 표면 양각 격자를 적어도 부분적으로 덮는, 광 도파체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염방지 층의 상기 굴절률은 상기 도광층의 굴절률에 상기 도광층 내부의 원하는 필드 각도 대역폭의 사인(sine)을 곱한 값인, 광 도파체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염방지 층은 적어도 80%의 가시광선 투과율로 투명한, 광 도파체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 오염방지 층은 적어도 95%의 가시광선 투과율로 투명한, 광 도파체.
  13. 헤드 업 디스플레이 또는 머리 착용 디스플레이로서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광 도파체를 포함하는 헤드 업 디스플레이 또는 머리 착용 디스플레이.
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