KR20230117354A

KR20230117354A - 만곡된 그레이디드 지수 도파관들 및 그 제조 방법들

Info

Publication number: KR20230117354A
Application number: KR1020237019498A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 존 오우더커크; 성 예; 팅링 라오
Original assignee: 메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-08-08
Also published as: WO2022125813A1; US11740408B2; EP4259967A1; JP2023552518A; US20230117679A1

Abstract

중합체 도파관의 폭 차원 및 길이 차원을 따라 그 내부에서 광을 전파하기 위한 중합체 도파관이 개시된다. 중합체 도파관은 그 일 측면 상의 제1 만곡된 표면과 그 반대측 제2 측면 상의 제2 만곡된 표면을 갖고, 굴절률은 제1 만곡된 표면과 제2 만곡된 표면 사이의 그의 두께를 통해 공간적으로 변화한다. 만곡된 도파관 구조물은 폭 차원 및 길이 차원 중 적어도 하나를 포함하는 단면에서 만곡된다.

Description

만곡된 그레이디드 지수 도파관들 및 그 제조 방법들

관련 출원에 대한 참조

이 출원은 "Curved Graded-Index Waveguides and Methods of Making the Same"이라는 명칭으로 2020년 12월 10일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/123,853호에 대한 우선권을 주장한다.

기술분야

본 개시는 일반적으로 디스플레이 디바이스들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 증강 현실(augmented reality; AR) 안경과 같은 머리 장착 디스플레이 디바이스들을 위한 도파관들에 관한 것이다.

인공 현실 시스템은 일반적으로 사용자에게 콘텐츠를 표시하도록 구성된 근안(near-eye) 디스플레이(예를 들어, 헤드셋 또는 안경)를 포함할 수 있다. 근안 디스플레이는, 가상 현실(virtual reality; VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality; MR) 애플리케이션들에서와 같이, 가상 객체들을 디스플레이하거나 실제 객체들의 이미지들을 가상 객체들과 결합할 수 있다. 예를 들어, AR 시스템에서, 사용자는, 디스플레이 광과 환경 광이 사용자의 시야 내에서 하나로 합쳐지는 물리적 구조인 "결합기(combiner)" 구성요소를 통해 보는 것에 의해, 가상 객체들(예를 들어, 컴퓨터 생성 이미지들(computer-generated images; CGIs))과 주변 환경 모두의 이미지들을 볼 수 있다. 착용 가능한 헤드업(heads-up) 디스플레이의 결합기는 전형적으로 주변 광에 투명하지만 디스플레이 광을 사용자의 시야로 지향시키는 일부 광 라우팅 광학 기기(optic)를 포함한다.

착용 가능한 헤드업 디스플레이들은 투명 또는 반투명 결합기들로서 광가이드(lightguide)들을 이용할 수 있다. 광가이드들은 전형적으로 주변 매체보다 더 높은 굴절률을 갖는 투명 재료의 판(plate)들로 구성된다. 판에 입력된 광은, 광이 판과 주변 매체 사이의 경계들에서 임계 각도보다 큰 각도로 계속 입사되는 한, 판의 길이를 따라 전파된다. 광가이드들은, 사용자가 볼 수 있는 이미지를 생성하기 위해, 인커플링 및 아웃커플링 요소들을 이용하여, 광이 도파관을 따라 특정 경로를 따라서 이동한 다음에, 특정 위치에서 도파관을 빠져나가는 것을 보장한다. 광가이드들은, 디스플레이되는 이미지의 왜곡을 방지하기 위해, 인커플링된 광 빔의 밝기의 각도 분포를 사용자의 눈들에 정확하게 전달할 필요가 있다.

본 개시의 제1 양태에 따르면, 중합체 도파관(polymeric waveguide)의 폭 차원 및 길이 차원을 따라 그 내부에서 광을 전파하기 위한 중합체 도파관이 제공되며, 중합체 도파관은 그의 일 측면 상의 제1 만곡된(curved) 표면 및 그의 반대쪽 제2 측면 상의 제2 만곡된 표면을 갖고, 중합체 도파관은 제1 만곡된 표면과 제2 만곡된 표면 사이에서 그의 두께를 통해 공간적으로 변화하는 굴절률을 갖고, 중합체 도파관은 폭 차원 및 길이 차원 중 적어도 하나를 포함하는 단면에서 만곡된다.

실시예에서, 제1 만곡된 표면은 오목한 표면이고, 제2 만곡된 표면은 볼록한 표면이며, 굴절률은 오목한 표면으로부터 볼록한 표면까지 단조(monotonically) 감소한다. 실시예에서, 제1 만곡된 표면은 오목한 표면이고, 제2 만곡된 표면은 볼록한 표면이며, 굴절률의 공간 프로파일은, 오목한 표면으로부터 볼록한 표면까지 가면서 대략적으로 포물선형이다. 실시예에서, 중합체 도파관은 오목한 표면과 볼록한 표면 사이에 만곡된 중간 평면(mid-plane)을 가질 수 있고, 굴절률은 만곡된 중간 평면과 오목한 표면 및 볼록한 표면 각각과의 사이에서 감소한다. 실시예에서, 볼록한 표면에서의 굴절률은 오목한 표면에서의 굴절률보다 낮다. 실시예에서, 제1 및 제2 만곡된 표면들은 단순 만곡(simple curve)을 따를 수 있다. 실시예에서, 제1 및 제2 만곡된 표면들은 복합 만곡(compound curve)을 따를 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합체 도파관은, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체들, 및 이들의 혼합물들, 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 실시예에서, 중합체 도파관은 길이 방향을 따르는 길이와 폭 방향을 따르는 폭을 가지며, 중합체 도파관의 두께에 대한 중합체 도파관의 길이의 비율, 및 중합체 도파관의 두께에 대한 중합체 도파관의 폭의 비율은 모두 적어도 10:1이다.

본 개시의 제2 양태에 따르면, 중합체 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드(graded) 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법이 제공되며, 이 방법은, 적어도 제1 수지의 층과 제2 수지의 층을 포함하는 적층된 구조물을 형성하는 단계 - 제1 수지는 중합될 때 제1 굴절률을 갖고 제2 수지는 중합될 때 제1 굴절률과는 상이한 제2 굴절률을 가짐 - ; 제1 수지와 제2 수지가 서로에게로 확산되어 복합 수지 구조물을 형성하는 것을 허용하는 단계 - 복합 수지 구조물 내에서 복합 수지 내의 제1 수지에 대한 제2 수지의 비율은 적층된 구조물의 두께 방향에서 변화함 - ; 복합 수지 구조물을 중합하는 단계; 및 중합된 복합 수지 구조물을 사전 정의된 만곡된 형태로 형성하는 단계를 포함한다.

실시예에서, 적층된 구조물을 형성하는 단계는, 확산 채널의 제1 단부에 있는 복수의 입구들 중 제1 입구 내로 제1 수지를 흐르게 하는 단계 - 확산 채널은 제1 단부에 반대측에 있고 복수의 입구들로부터 채널 길이만큼 분리된 제2 단부에 있는 출구를 포함함 - ; 및 복수의 입구들 중 제2 입구 내로 제2 수지를 흐르게 하는 단계 - 제2 수지의 흐름은 제1 수지의 주변을 따라 지향됨 - 를 포함한다. 실시예에서, 제1 수지 및 제2 수지는 복수의 입구들과 출구 사이의 채널 길이에 걸쳐 서로에게로 확산된다. 일부 실시예들에서, 제1 수지 및 제2 수지는, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체들, 및 이들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 실시예에서, 사전 정의된 만곡된 형태는, 실질적으로 구의 일부 및 실질적으로 원통의 일부, 중 적어도 하나를 포함한다. 실시예에서, 방법은, 제1 수지가 적층된 구조물 내의 제1 수지와 제2 수지 사이에 배치되도록, 제1 주변부의 반대측에 있는 제1 수지의 제2 주변부를 따라 제3 수지의 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 예시에서, 제3 수지는 중합될 때 제1 굴절률과는 상이한 제3 굴절률을 갖는다. 예시에서, 제1 굴절률은 제3 굴절률보다 높고, 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 낮고 또한 제3 굴절률보다 낮거나 제3 굴절률과 같다. 실시예에서, 복합 수지 구조물 내의 제 1 수지에 대한 제2 수지의 비율의 변화는, 즉 중합된 복합 수지 구조물이 사전 정의된 만곡된 형태로 형성된 후에, 만곡된 중합체 도파관에서 사전 결정된 굴절률 프로파일을 생성하도록 선택된다.

본 개시의 제3 양태에 따라, 만곡된 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 만드는 방법이 제공되며, 이 방법은, 퇴적 챔버(deposition chamber) 내에 기판을 제공하는 단계; 퇴적 챔버 내로 단량체(monomer) 함유 증기를 도입하고, 기간에 걸쳐 단량체 함유 증기로부터의 재료를 기판의 표면 상에 퇴적하는 단계; 기판 상에 퇴적되는 재료의 조성이 기간에 걸쳐 변경되도록, 기간에 걸쳐 단량체 함유 증기 내의 제2 단량체의 양에 대한 제1 단량체의 양의 비율을 제어 가능하게 변화시키는 단계 - 제1 단량체는 중합될 때 제1 굴절률을 갖고, 제2 단량체는 중합될 때 제2 굴절률을 가지며, 제2 굴절률은 제1 굴절률과는 상이함 - ; 및 기판 상에 퇴적된 재료를 중합하는 단계를 포함한다.

실시예에서, 기판의 표면은, 실질적으로 구의 일부 및 실질적으로 원통의 일부, 중 적어도 하나를 포함하는 만곡된 형태를 갖는다. 실시예에서, 단량체 함유 증기는 개시제를 포함한다. 실시예에서, 단량체 함유 증기로부터의 재료를 기판 상에 퇴적하는 단계는, 개시제를 개시하기 위한 에너지를 제공하기 위해 화학(actinic) 소스 및 열 소스 중 적어도 하나를 사용하여 개시제를 개시하고, 이에 의해 퇴적된 재료를 중합하는 단계를 더 포함한다. 실시예에서, 기판의 표면은 볼록한 형태를 갖는다. 실시예에서, 단량체 함유 증기 내의 제2 단량체의 양에 대한 제1 단량체의 양의 비율은 기간에 걸쳐 감소한다. 실시예에서, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 크다.

또한, 만곡된 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 제조하는 방법이 설명되며, 이 방법은, 단일 굴절률을 갖는 중합체 재료를 포함하는 만곡된 바디 - 만곡된 바디는, 제1 주요 표면, 제1 주요 표면의 반대측에 있는 제2 주요 표면, 및 제1 주요 표면과 제2 주요 표면 사이의 두께를 가짐 - 를 제조하는 단계; 제1 주요 표면과 제2 주요 표면 중 하나를 보호하는 단계; 제1 주요 표면과 제2 주요 표면 중 나머지 다른 하나를 용액 - 용액은 개시제, 및 중합될 때 중합체 재료의 단일 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 단량체를 포함함 - 에 노출시키는 단계; 단량체가 중합체 재료 내로 확산되도록 허용하여, 중합체 재료 내의 단량체의 농도 구배가 제1 주요 표면과 제2 주요 표면 사이의 두께의 적어도 일부 내에 형성되도록 하는 단계; 및 확산된 단량체를 중합체 재료 내에서 중합시키는 단계를 포함한다.

또한, 만곡된 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 만드는 방법이 설명되며, 이 방법은, 만곡된 기판을 제공하는 단계; 중합될 때 제1 굴절률을 갖는 제1 재료의 제1 딥 코팅된(dip-coated) 층을 기판 상에 도포하는 단계; 제1 재료의 층을 중합하는 단계; 중합될 때 제2 굴절률을 갖는 제2 재료의 제2 딥 코팅된 층을 제1 재료의 층 상에 도포하는 단계 - 제2 굴절률은 제1 굴절률과는 상이함 - ; 및 제2 재료의 층을 중합하는 단계를 포함한다.

본 개시는 이제 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로만 설명될 것이다:
도 1은 그레이디드(graded) 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관 구조물을 도시하는 단면도이고;
도 2는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 또 다른 만곡된 도파관 구조물을 도시하는 단면도이고;
도 3은 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 제조하기 위한 수지 플로우 시스템을 도시하는 단면도이고;
도 4는 도 3의 수지 플로우 시스템의 제1 단부에서 제1 및 제2 수지들이 서로에게로 확산되는 것을 도시하는 단순화된 예시이고;
도 5는 도 3의 시스템의 제2 단부 내에서 제1 및 제2 수지들이 서로에게로 추가로 확산되는 것을 도시하는 단순화된 예시이고;
도 6은 대체 구성을 갖는 수지 플로우 시스템의 입구 영역의 종단면도이고;
도 7은 또 다른 대체 구성을 갖는 수지 플로우 시스템의 입구 영역의 종단면도이고;
도 8은, 원하는 형태로 후속하여 형성하기 위해 도파관 시트를 라이너 상에 제조하는 것을 도시하는 등측도(isometric view)이고;
도 9는 z 방향에서 공간적으로 변화하는 굴절률을 갖는 평면 도파관 구조물의 등측도이고;
도 10은 도 9의 평면 도파관 구조물의 단면도이고;
도 11은 1차원 그레이디드 지수(index) 도파관 디바이스에서의 광선 번들(ray bundle) 전파를 도시하고;
도 12는 중합체 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법에 대한 단순화된 흐름도이고;
도 13은 그레이디드 지수를 갖는 만곡된 도파관을 제조하기 위한 개시된(initiated) 화학 기상 퇴적(iCVD) 시스템을 도시하는 단순화된 도표(diagram)이고;
도 14는 중합체 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 또 다른 방법에 대한 단순화된 흐름도이고;
도 15는 이 개시의 도파관들을 사용하는 근안 디스플레이의 평면 개략도이다.

본 교시들(teachings)은 다양한 실시예들 및 예시들과 함께 설명되지만, 본 교시들을 그러한 실시예들 및 예시들로 제한하는 것을 의도한 것은 아니다. 반대로, 본 교시들은, 통상의 기술자에 의해 인식될 수 있을 바와 같이, 다양한 대안들 및 균등물들을 포함한다. 이 개시의 원리들, 양태들, 예시들, 및 실시예들을 언급하는 본 명세서 내의 모든 진술들은, 그의 구조적인 그리고 기능적인 균등물들을 모두 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 그러한 균등물들은, 현재 공지된 균등물들뿐만 아니라 미래에 개발되는 균등물들, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발되는 임의의 요소들을 모두 포함하도록 의도된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "제1", "제2" 등의 용어들은, 명시적으로 언급되지 않는 한, 순차적인 순서를 의미하도록 의도되는 것이 아니라 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하도록 의도된다. 유사하게, 방법 단계들의 순차적인 순서는, 명시적으로 언급되지 않는 한, 그들의 실행의 순차적인 순서를 의미하지 않는다.

본 명세서에서, "수지(resin)"라는 용어는, 전형적으로 합성에서 유래(synthetic origin)되지만 선택적으로 식물에서 유래(plant origin)되며, 중합체(polymer)들로 전환 가능한 고체 또는 점성이 있는 유동성 물질로 정의된다. 수지는 다음의 성분들 중 임의의 것 또는 전부를 포함할 수 있다: 단량체들, 올리고머(olligomer)들, 개시제(initiator)들, 가소제들, 용매들, 다른 적합한 첨가제들. "단순 만곡"이라는 용어는, 예를 들어, 평평한 판을 구부리거나 유사한 단순 동작에 의해 쉽게 형성될 수 있는 만곡을 의미한다. 예시는 원통형 메니스커스 형태이다. “복합 만곡”이라는 용어는, 예를 들어, 구형(spherical) 또는 비구면(aspherical) 메니스커스 형태를 의미하도록 취해진다.

예시적인 실시예들은, 다양한 시각 디스플레이 시스템들, 예를 들어, 증강 현실(AR) 또는 가상 현실(VR) 안경과 같은, 예를 들어, 착용 가능한 헤드업 디스플레이 시스템들에 사용하기 위한 만곡된 중합체 도파관을 제공한다. 얼굴에 착용하는 디바이스들에 만곡된 도파관을 사용하는 것은, 이례적이거나 산만한 반사들을 줄이고 안경 렌즈들의 보다 친숙한 모양을 시뮬레이션함으로써, 그들의 사회적 수용성을 향상시킬 수 있다. 만곡된 도파관들의 하나의 단점은, 상대적으로 대단하지 않은 도파관 곡률들에서조차도, 내부 전반사에 의해 광이 이동하는 방향을 따라 파면 오차(즉, 시준 손실)가 누적된다는 점이다. 빔 왜곡을 보정하는 하나의 해결책은, 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 만곡된 주요 표면들 사이의 두께에 걸쳐 공간적으로 변화하는 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 형성하는 것이다.

만곡된 그레이디드 지수(Graded-Index; GRIN) 도파관 구조물

도 1은 그레이디드 굴절률(graded refractive index; GRIN) 프로파일을 갖는 예시적인 만곡된 도파관 구조물(100)을 도시하는 단면도이다. 만곡된 GRIN 도파관 구조물(100)은 제1 주요 표면(105)과 제2 주요 표면(110)을 갖는다. 도 1에서, 제1 주요 표면(105)은 오목한(눈을 향하는) 표면이고, 제2 주요 표면(110)은 볼록한(세계를 향하는) 표면이다. 만곡된 도파관 구조물(100)은 제1 주요 표면(105)과 제2 주요 표면(110) 사이에 정의된 두께(T), 길이 차원(예를 들어, 도 1의 y 방향)을 따라 정의된 길이, 및 폭 차원(예를 들어, 도 1의 x 방향)을 따라 정의된 폭을 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 만곡된 도파관 구조물(100)은 폭 차원 및 길이 차원 중 적어도 하나를 포함하는 단면에서 만곡된다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관 구조물(100)은 (도 1에 예시된 바와 같은) YZ 평면 및/또는 (예시되지 않은) XZ 평면에서 단순 만곡을 따르는 형태를 갖는다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관 구조물(100)은 YZ 평면 및/또는 XZ 평면에서 복합 만곡을 따르는 형태를 갖는다.

여전히 도 1을 참조하면, 제1 주요 표면(105)과 제2 주요 표면(110) 사이의 굴절률의 공간 프로파일(115)은 만곡된 GRIN 도파관(100)의 곡률을 적어도 부분적으로 보상하여, 만곡된 도파관 구조물(100)을 통해 전파되는 입력된 광(120)이, 도파관 곡률에 의해, 즉 도파관 구조물(100)이 평면 평행 판이 아닌 것에 의해 도입되는 왜곡들이 실질적으로 없이 각도 도메인에서 이미지를 전달하게 한다. 두께 T에 걸친 굴절률 변화는, 만곡된 제1 (105) 및 제2 (115) 주요 표면들로 인한 이미지 왜곡들을 감소시키는, 입력된 광(120)의 광선들을 구부리는 것을 용이하게 하도록 선택된다. 굴절률은 만곡된 표면들(105 및 110)에 평행하게 계속되는 만곡된 표면을 따라 직교 방향들(x 방향 및 y 방향)에서 실질적으로 계속 일정할 수 있다. 일부 예시들에서, 두께 T는 x 방향 및 y 방향에서 계속 일정할 수 있다.

도 1에 도시된 예시에서, 굴절률은 제1 주요 표면(105)과 제2 주요 표면(110) 사이에서 변화한다. 굴절률은 단조(monotonically) 또는 비단조(non-monotonically) 변화할 수 있으며, 그레이디드 지수(GRIN) 프로파일에 의해 설명될 수 있다. 굴절률은 오목한 제1 표면(105)으로부터 볼록한 제2 표면(115)까지 이동함에 따라 감소할 수 있다. 일부 예시들에서, 오목한 표면(제1 주요 표면(105))으로부터 볼록한 표면(제2 주요 표면(110))까지 이동하는 굴절률의 공간 프로파일은, 비대칭 포물선을 포함하는 대략 포물선형이다. 일부 예시들에서, 오목부(제1 주요 표면(105))에 가장 가까운 굴절률은 볼록부(제2 주요 표면(110))에 가장 가까운 굴절률보다 적어도 0.05; 적어도 0.1; 적어도 0.15; 적어도 0.2; 또는 적어도 0.3 더 크다. 일부 예시들에서, 굴절률의 공간적 변화는 적어도 0.001/μm; 적어도 0.002/μm; 적어도 0.005/μm; 또는 적어도 0.01/μm이다. 일부 예시들에서, 두께 T에 대한 길이 차원(예를 들어, 도 1의 y 방향)을 따르는 도파관(100)의 길이의 비율과, 두께 T에 대한 폭 차원(예를 들어, 도 1의 x 방향)을 따르는 도파관(100)의 폭의 비율은, 모두 적어도 10:1이다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관(100)의 곡률 반경은, 2미터; 1미터; 0.5미터; 0.25미터; 0.1미터; 또는 0.05미터보다 크지 않다.

일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관(100)은, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 다른 광학적으로 투명한 중합체들, 이들의 공중합체들, 또는 하나 이상의 중합체 또는 공중합체의 혼합물들, 또는 상이한 중합체들, 공중합체들 및 이들의 혼합물들의 층들로부터 제조된다.

일부 예시들에서, 다분산 지수(polydispersity index)(Mw/Mn)는 10 미만, 또는 5 미만, 또는 2 미만이다. 다분산 지수는 수 평균 분자량(average molecular weight by number)(Mn)에 대한 중량 평균 분자량(average molecular weight by weight)(Mw)의 비율에 의해 결정된다. 예시에서, 분자량 및 수 평균들은 크기 배제 크로마토그래피에 의해 결정된다. 일부 예시들에서, 중합체들은 약 0.001, 0.01 또는 0.1 이상인 단량체의 분자당 가교 결합들의 수로 가교 결합된다.

만곡된 GRIN 도파관(100)의 다른 피처들은 아래에서 추가로 고려될 상이한 시스템들 및 그러한 구성요소들을 제조하기 위한 방법들과 관련하여 더 자세히 설명된다.

도 2는 제1 주요 표면(205)과 제2 주요 표면(210) 사이에 중앙층(225)을 갖는 만곡된 도파관 구조물(200)의 주요 피처들을 도시하는 단면도이다. 만곡된 GRIN 도파관 구조물(200)은 제1 주요 표면(205)과 제2 주요 표면(210)을 갖는다. 도 2에서, 제1 주요 표면(205)은 오목한(눈을 향하는) 표면이고, 제2 주요 표면(210)은 볼록한(세계를 향하는) 표면이다. 만곡된 도파관 구조물(200)은 제1 주요 표면(205)과 제2 주요 표면(210) 사이에 정의된 두께(T), 길이 차원(예를 들어, 도 2의 y 방향)을 따라 정의된 길이, 및 폭 차원(예를 들어, 도 2의 x 방향)을 따라 정의된 폭을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 만곡된 도파관 구조물(200)은 폭 차원 및 길이 차원 중 적어도 하나를 포함하는 단면에서 만곡된다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관 구조물(200)은 (도 2에 예시된 바와 같은) YZ 평면 및/또는 (예시되지 않은) XZ 평면에서 단순 만곡을 따르는 형태를 갖는다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관(200)은 YZ 평면 및/또는 XZ 평면에서 복합 만곡을 따르는 형태를 갖는다.

여전히 도 2를 참조하면, 제1 주요 표면(205)과 제2 주요 표면(210) 사이의 굴절률의 공간 프로파일(215)은 만곡된 GRIN 도파관(200)의 곡률을 보상하여, 도파관(200)을 통해 전파되는 입력된 광(220)이, 도파관 곡률에 의해, 즉 도파관 구조물(200)이 평면 평행 판이 아닌 것에 의해 도입되는 왜곡들 없이 각도 도메인에서 이미지를 전달하게 한다. 굴절률은 만곡된 표면들(205 및 210)에 평행하게 계속되는 표면을 따라 직교 방향들(x 방향 및 y 방향)에서 실질적으로 일정하다.

만곡된 GRIN 도파관(200)의 중앙층(225)은 제1 주요 표면(205)과 제2 주요 표면(210) 사이의 중간에 배치될 수 있고, 중앙층(225)의 굴절률은 제1 주요 표면(205)에 인접한 굴절률보다 높을 수 있고, 제2 주요 표면(210)에 인접한 굴절률보다 높다. 그레이디드 굴절률 프로파일은 중앙층(225)을 중심으로 비대칭이거나 대칭일 수 있다. 일부 예시들에서, 중앙층(225)의 굴절률은, 제1 주요 표면(205) 및/또는 제2 주요 표면(210)에 인접한 굴절률보다 적어도 0.01; 적어도 0.02; 적어도 0.05; 또는 적어도 0.10만큼 더 높을 수 있다. 일부 예시들에서, 중앙층(225)은 표면(210)보다 표면(205)에 더 가까울 수 있다.

일부 예시들에서, 두께 T에 대한 길이 차원(예를 들어, 도 2의 y 방향)을 따르는 도파관(200)의 길이의 비율과, 두께 T에 대한 폭 차원(예를 들어, 도 2의 x 방향)을 따르는 도파관(200)의 폭의 비율은, 모두 적어도 10:1이다. 일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관(200)의 곡률 반경은, 2미터; 1미터; 0.5미터; 0.25미터; 0.1미터; 또는 0.05미터보다 크지 않다.

일부 예시들에서, 만곡된 GRIN 도파관(200)은, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 다른 광학적으로 투명한 중합체들, 이들의 공중합체들, 또는 하나 이상의 중합체 또는 공중합체의 혼합물들, 또는 상이한 중합체들, 공중합체들 및 이들의 혼합물들의 층들로부터 제조된다.

일부 예시들에서, 다분산 지수(Mw/Mn)는 10 미만(또는 5 미만, 또는 2 미만)이다. 다분산 지수는 수 평균 분자량(Mn)에 대한 중량 평균 분자량(Mw)의 비율에 의해 결정된다. 예시에서, 분자량 및 수 평균들은 크기 배제 크로마토그래피에 의해 결정된다.

만곡된 GRIN 도파관(200)의 다른 피처들은 아래에서 추가로 고려될 상이한 시스템들 및 그러한 구성요소들을 제조하기 위한 방법들과 관련하여 더 자세히 설명된다.

만곡된 GRIN 도파관들의 제조

예를 들어 AR 또는 VR 안경과 같은, 예를 들어, 착용 가능 헤드업 디스플레이 시스템들에서, 디스플레이들의 사용에 적합한 만곡된 GRIN 도파관들의 제조는, 크게 두 개의 범주로 나뉠 수 있다: 1) 원하는 최종 만곡된 형태를 얻기 위한 후속 성형(shaping) 단계가 뒤따르는 중간 도파관 구조물의 제조; 및 2) 원하는 최종 만곡된 형태를 갖는 도파관 구조물의 직접 제조. 일반적으로, 중간 도파관 구조물의 후속 성형은, 예를 들어, 도파관 재료의 연신(stretching) 및/또는 압축으로 인해 최종 도파관 구조물의 굴절률 구배(gradient) 프로파일에 영향을 미칠 수 있다. 일부 예시들에서, 중간 도파관 구조물의 조성(composition)은 중간 도파관 구조물이 최종 원하는 만곡된 형태로 성형된 후 원하는 굴절률 프로파일을 생성하도록 제조된다.

아래에 설명된 제조 방법들은 복수의 바람직한 특성들을 나타내는 만곡된 GRIN 도파관 구조물들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 비제한적인 예시로서, 제조 방법들은, 서로 평행하고 표면 불완전성들 또는 불규칙성들이 실질적으로 없는 주요 만곡된 표면들을 갖는 만곡된 GRIN 도파관 구조물들을 생성할 수 있다. 또 다른 비제한적인 예시로서, 제조 방법들은, 굴절률 프로파일이 주요 만곡된 표면들에 대해 수직인 방향을 따라 연속적으로 또는 불연속적으로 변화하고, 굴절률이 주요 만곡된 표면들에 평행하게 계속되는 만곡된 평면들을 따라 실질적으로 균일한, 만곡된 도파관 구조물들을 생성할 수 있다.

예시 1: 수지 코플로우(co-flow)

이제 도 3을 참조하면, 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 GRIN 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법에 사용하기 위한 수지 플로우 시스템(300)의 등측도가 도시된다. 수지 플로우 시스템(300)은 수지 플로우 시스템(300)의 제1 단부에 배치된 복수의 입구들을 포함하며, 중앙 입구(305), 외측 입구(310a) 및 외측 입구(310b)를 포함한다. 출구(320)는 수지 플로우 시스템(300)의 제2 단부에 배치된다. 채널(315)은, 입구들(305, 310a, 310b)로부터 출구(320)로 수지 재료의 흐름을 안내하기 위해 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 채널(315)은 폭 W(x 방향으로), 높이 H(z 방향으로) 및 길이 L(y 방향으로)을 갖는다. 일 예시에서, 폭 W는 높이 H의 적어도 2배이다. 또 다른 예시에서, 폭 W는 높이 H의 적어도 5배이다. 또 다른 예시에서, 폭 W는 높이 H의 적어도 10배이다.

중앙 입구(305)는 제1 수지(예를 들어, 메틸 메타크릴레이트)의 (예시되지 않은) 소스와 유체 연통(fluid communication)하고, 외측 입구들(310a 및 310b)은 제2 수지(예를 들어, 헥사플루오로이소프로필 아크릴레이트)의 예시되지 않은 소스와 유체 연통한다. 사용 중에, 제1 수지는 제1 입구(305)를 통해 채널(315) 내로 도입되고, 제2 수지는 외측 입구들(310a 및 310b)을 통해 채널(315) 내로 도입된다. 입구들(305, 310a 및 310b)은 제1 수지 및 제2 수지를 영역(325)에서 서로 접촉시키도록 구성되며, 이에 의해 채널(315) 내에 층상 수지 흐름을 생성한다. 제1 수지 및 제2 수지는 채널(315)의 길이 L을 따라 흐르면서 부분적으로 확산되거나 서로 혼합될 수 있으며, 이에 의해 출구(320)를 통해 시스템(300)을 빠져나가는 복합 수지를 생성한다.

도 4는 수지 플로우 시스템(300)의 제1 단부(400)에서 제1 및 제2 수지들이 서로에게로 확산되는 것을 도시하는 단순화된 예시이다. 제1 수지는 채널(315)의 대략 중간 높이에 있는 중앙 입구(305)를 통해 도입된다. 제2 수지는 외측 입구들(310a 및 310b)을 통해 도입되고 영역(325)에서 제1 수지와 접촉하여, 채널(315)의 벽들과 제1 수지 층 사이의 공간을 채운다. 입구들(305, 310a 및 310b)을 통한 추가 수지의 도입은 채널(315) 내에서 흐름이 발생하게 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 수지와 제2 수지는 영역(325)과 영역(405) 사이를 흐르면서 서로에게로 확산되기 시작한다.

도 5는 수지 플로우 시스템(300)의 제2 단부(500) 내에서 제1 및 제2 수지들이 서로에게로 추가로 확산되는 것을 도시하는 단순화된 예시이다. 보다 구체적으로, 도 5는 도 4의 영역(405)으로부터 다운스트림에서 제1 및 제2 수지들이 서로에게로 확산되는 것을 도시한다. 제2 수지는 제1 수지의 반대측들을 따라 별도의 흐름들로 도입되기 때문에, 확산은 채널(315)의 중간 높이에서 평면 P에 대해 대략(more-or-less) 대칭적으로 발생한다. 개시제들, 용매들 등과 같은 첨가제들을 포함하는 제1 및 제2 수지들의 조성들, 채널(315) 내 제1 및 제2 수지들의 유속/체류 시간, 채널(315)의 치수들, 제1 및 제2 수지들의 가열/조사(irradiation) 등은, 출구(320)에 근접한 영역(505)에서 원하는 복합 수지를 생성하기 위한 제1 및 제2 수지들의 서로로의 확산에 영향을 미친다.

복합 수지는 출구(320)를 통해 채널(315)을 통과하고 기판 상에 퇴적된다(도 8을 참조하여 보다 상세히 논의된다). 제1 수지 및 제2 수지의 서로로의 확산은 수지들 각각이 충분히 중합되는 지점까지 계속된다. 채널(315) 내에서 발생하는 확산과 기판 상에 퇴적된 후의 확산의 조합은 만곡된 GRIN 도파관 구조물 내에서 원하는 굴절률 프로파일을 생성한다. 원하는 확산의 주요 부분이 채널(315) 내에서 발생하는 경우, 바람직하게 채널(315)은 약 100 cm보다 넓지 않다. 대안적으로, 채널(315)은 약 10 cm보다 넓지 않다. 추가로 대안적으로, 채널(315)은 약 1 cm보다 넓지 않다. 채널(315) 내의 평균 유속들은 100 cm/min 미만일 수 있다. 대안적으로, 채널(315) 내의 평균 유속들은 20 cm/min 미만일 수 있다. 추가로 대안적으로, 채널(315) 내의 평균 유속들은 10 cm/min 미만일 수 있다.

일부 예시들에서, 중합될 때 복합 수지는 하나의 외부 표면으로부터 다른 외부 표면으로 가면서 일정하거나 공간적으로 변화하는 구배를 갖는 굴절률 프로파일을 가질 수 있다. 일부 예시들에서, 복합 수지는 미러링된 대칭 프로파일을 갖는다. 중합될 때 복합 수지의 굴절률은, 구체적이고 비제한적인 예시로서, 일 측면 상의 1.55로부터 다른 측면 상의 1.5까지 변화하는 굴절률을 가질 수 있다. 물론, 상이한 애플리케이션들은 상이한 굴절률들을 필요로 할 수 있다.

이제 도 6을 참조하면, 대체 구성을 갖는 수지 플로우 시스템(600)의 입구 영역의 종단면도가 도시된다. 시스템(600)은 예시되지 않은 제1 수지의 소스와 유체 연통하는 제1 입구(605) 및 예시되지 않은 제2 수지의 소스와 유체 연통하는 제2 입구(610)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 입구(605)는 제1 수지를 채널(615) 내로 도입하고, 제2 입구(610)는 제2 수지를 채널(615) 내로 도입하여, 제1 수지 및 제2 수지가 영역(620)에서 서로 접촉하고 채널(615)의 길이를 따라 예시되지 않은 출구를 향해 함께 흐르도록 한다. 제1 수지 및 제2 수지는 도 6의 양방향 블록 화살표로 표시된 바와 같이 서로에게로 확산되면서, 채널(615)의 길이를 따라 출구를 향해 흘러, 중합될 때 적어도 하나의 차원에서 복수의 굴절률들을 갖는 프로파일을 갖는 복합 수지를 형성한다. 복합 수지는, 도 5를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 예시되지 않은 출구를 통해 시스템(600)을 빠져나와 기판 상에 퇴적된다.

이제 도 7을 참조하면, 또 다른 대체 구성을 갖는 수지 플로우 시스템(700)의 입구 영역의 종단면도가 도시된다. 시스템(700)은 예시되지 않은 제1 수지 재료의 소스와 유체 연통하는 중앙 입구(705)를 포함한다. 또한, 시스템(700)은 제2 수지 재료의 예시되지 않은 소스와 유체 연통하는 외측 입구들(710a 및 710b)을 포함한다. 또한, 시스템(700)은 예시되지 않은 제3 수지 재료의 소스와 유체 연통하는 중간 입구들(715a 및 715b)을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중앙 입구(705)는 채널(720)의 대략 중간 높이에서 제1 수지를 도입하고, 중간 입구들(715a 및 715b)은 제1 수지와 제3 수지가 영역(725)에서 서로 접촉하도록 제3 수지를 채널(720) 내로 도입하며, 외측 입구들(710a 및 710b)은 제2 수지와 제3 수지가 영역들(730a 및 730b)에서 서로 접촉하도록 제2 수지를 채널(720) 내로 도입한다. 제1, 제2 및 제3 수지들은 예시되지 않은 출구를 향해 채널(720)의 길이를 따라 함께 흐른다. 도 7의 양방향 블록 화살표들로 표시된 바와 같이, 제1 수지와 제3 수지는 서로에게로 확산되고 제2 수지 및 제3 수지 또한 서로에게로 확산되면서, 채널(620)의 길이를 따라 출구를 향해 흘러, 중합될 때 적어도 하나의 차원에서 복수의 굴절률들을 갖는 프로파일을 갖는 복합 수지를 형성한다. 복합 수지는, 도 5를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 예시되지 않은 출구를 통해 시스템(700)을 빠져나와 기판 상으로 퇴적된다.

일부 예시들에서, 수지 플로우 시스템(700)으로 들어가는 수지들은 굴절률들의 범위를 갖는 수지들의 세트일 수 있다. 예를 들어, 제1 수지 재료는 중합될 때 높은 굴절률을 가질 수 있고, 제2 수지 재료는 중합될 때 낮은 굴절률을 가질 수 있으며, 제3 수지 재료는 제1 수지 재료와 제2 수지 재료의 혼합물일 수 있다. 대안적으로, 제3 수지 재료는, 중합될 때의 제1 수지 재료의 굴절률과 중합될 때의 제2 수지 재료의 굴절률의 중간인 중합될 때의 굴절률을 갖는 상이한 수지 재료일 수 있다.

구체적이고 비제한적인 예시로서, 위에서 설명된 시스템들에 사용되는 고지수(high index) 수지들은 중합될 때 적어도 1.55의 굴절률을 가질 수 있고 저지수 수지들은 중합될 때 최대 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 대안적으로, 상이한 굴절률들을 갖는 수지들은 특정 애플리케이션에 대해 원해지는 대로 사용될 수 있다. 광 도파관의 원하는 굴절률 프로파일은, 유속들, 수지 플로우 시스템에 제공되는 수지들의 혼합, 중합 전 확산에 허용되는 시간, 수지 플로우 시스템에 걸친 온도 구배 등을 포함하되 이에 한정되지 않는 공정 파라미터들을 제어함으로써 달성될 수 있다.

도 8은 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 광 도파관을 제조하기 위한 시스템(800)의 등측도를 예시한다. 시스템(800)은 수지 플로우 시스템(300), 또는 선택적으로 수지 플로우 시스템들(600 또는 700) 중 하나, 기판(805), 회전 어셈블리(810) 및 조사(irradiation) 시스템(815)을 포함한다. 기판(805)은, 예를 들어, 플라스틱 시트의 얇은 층일 수 있다. 적합한 기판들은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 및 폴리이미드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 기판 두께는 바람직하게 10과 100 미크론 사이이다. 회전 어셈블리(810)는 기판(805)이 제2 차원 및 제3 차원(예를 들어, y 차원 및 z 차원)을 따라 움직이도록 제1 차원에 대해 기판(805)의 회전(예를 들어, x 차원을 중심으로 회전)을 수행한다. 조사 시스템(815)은 하나 이상의 수지의 혼합물의 적어도 일부의 중합을 수행하는 조명 시스템이다. 기판(805)의 움직임은, 수지 플로우 시스템(300)의 출구 위로 기판(805)을 슬라이딩하거나, 이동(translation) 스테이지를 사용하는 것을 포함하는 다른 수단에 의해서도 달성될 수 있다. 대안적으로, 수지가 수지 플로우 시스템(300)으로부터 흘러나와 자유롭게 부유된 수지 스트림을 형성하도록 허용될 수 있고, 그 다음 수지는 중합되어 도파관을 형성할 수 있다.

도 8에서, 수지 플로우 시스템(300)은 하나 이상의 수지(820), 예를 들어, 도 3 내지 5를 참조하여 위에 설명된 복합 수지를 회전 어셈블리(810)에 의해 지지되는 기판(805)에 도포한다. 수지(820)는 수지 플로우 시스템(300)으로부터 기판(805)으로 흘러, 전이 시 혼합이 거의 일어나지 않는 영역(825)을 형성한다. 일부 구성들에서, 조사 시스템(815)은 화학(actinic) 방사선(예를 들어, 청색 광, UV, 또는 전자 빔들), 열 개시(thermal initiation), 또는 이 둘의 조합을 통해 수지들을 중합한다. 두 개 이상의 수지들은 상이한 개시 접근법들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열 개시제가 수지 플로우 시스템(300)의 중앙 근처의 수지들에 사용될 수 있고, 광 개시제가 수지 플로우 시스템(300)의 벽들 근처에 있거나 벽들에 기대어 있는 수지들에 사용될 수 있다. 수지들은 수지 플로우 시스템(300)을 통과하는 동안 부분적으로 중합될 수 있고, 부분적으로 중합된 수지들이 수지 플로우 시스템(300)의 출구(320)를 빠져나온 후에 중합이 완료될 수 있다.

복합 수지들은 초기에 평평한 또는 평면인 중간 도파관 구조물로 형성될 수 있다. 도 9 및 도 10은 도 8의 시스템(800)을 사용하여 제조된, 그레이디드 지수 프로파일을 갖는 평평한 또는 평면인 중간 도파관 구조물(900)의 등측도 및 단면도를 각각 도시한다. 중간 도파관 구조물(900)은 전면(905), 후면(910), 면(915a) 및 면(915b)을 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 면(915a)은 광선(920) 및 광선(925)을 면(915b)으로부터 수신하고, 광선(930) 및 광선(935)을 면(915b)으로부터 송신한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 중간 도파관 구조물(900)은 z 차원을 따라 실질적으로 포물선형 지수 프로파일(940)을 가지며, x 차원 및 y 차원을 따라 굴절률의 고정된 값을 갖는다. 일부 구성들에서, x 차원 및 y 차원을 따라 굴절률은 약간의 변화가 있을 수 있다. 예를 들어, 중간 도파관 구조물(900)의 굴절률은 애플리케이션에 따라 변조되거나 원하는 프로파일로 형성될 수 있다. 일반적으로, 중간 도파관 구조물(900)의 굴절률은 전면(905) 및 후면(910)에 평행한 평면들에 대해 x 차원 및 y 차원 모두에서 일정할 수 있다. 일 예시에서, 중간 도파관 구조물(900)의 z축을 따르는 두께에 대한 y축을 따르는 길이의 비율, 및 중간 도파관 구조물(900)의 z축을 따르는 두께에 대한 x축을 따른 길이의 비율은, 모두 적어도 10:1이다. 중간 도파관 구조물(900)은 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 임의의 다른 광학적으로 투명한 중합체들 및/또는 공중합체들, 및 이들의 일부 조합을 포함하되 이에 한정되지 않는 중합체들로 만들어진다. 일 예시에서, 중간 도파관 구조물(900)은 최대 10의 다분산 지수와 연관된 제1 수지 및 제2 수지로 만들어진다.

일부 예시들에서, 중간 도파관 구조물(900)은 z 차원을 따라 0.1/μm 미만의 변화를 갖는 그레이디드 지수 프로파일을 갖고, x 차원 및 y 차원을 따라 일정한 굴절률을 갖는, 투명하고 평면인 도파관이다. 중간 도파관 구조물(900)은 전면(905)과 후면(910) 사이의 중간 지점에 위치한 중앙층(미도시)을 포함하며, 여기서 중앙층의 굴절률은 전면(905) 및 후면(910)에 인접한 영역들의 굴절률보다 적어도 0.01 더 높다.

이제 도 10을 참조하면, 단면도에 도시된 바와 같이, 중간 도파관 구조물(900)은 z 차원에서 그레이디드 굴절률(940)을 갖는다. 광선(1000) 및 광선(1005)은 중간 도파관 구조물(900)를 통해 전파되고, 광선(1000) 및 광선(1005)이 중간 도파관 구조물(900)을 통해 전파됨에 따라 초점(1010) 및 초점(1015)에 초점이 맞춰진다.

도 11에 도시된 바와 같이, XY 평면에서 보이는 도파관(1105)을 갖는 1차원 그레이디드 지수 도파관 디바이스(1100)의 평면도에서, 광선 다발(ray bundle)(1110)은 도파관(1105)으로 들어가고, 예시적인 광선(1115)에 의해 도시된 바와 같이, 이 시점(perspective)으로부터 도파관 내에서 전파되는(오른쪽에서 왼쪽으로 가는) 광선들은 도파관 내에서 굴절되지 않는다. 광선 다발(1110)은, XY 평면에서 자유롭게 전파되면서, Z 방향, 즉 도파관(1105)의 두께 방향으로 가이드되어 유지된다.

중간 도파관 구조물(900)의 후속 형성이, 그 다음, 원하는 만곡된 형태를 갖는 도파관 디바이스를 얻기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 시스템을 사용하여 생성된 중간 도파관 구조물(900)의 중합된 수지들은 만곡된 몰드와 일치(conform)될 수 있거나, 그렇지 않으면 최종적으로 원하는 만곡된 형태를 갖도록 적절히 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 중합된 수지들은 원통 또는 구 등과 일치될 수 있다. 선택적으로, 복합 수지들의 층들은, 최종적으로 원하는 만곡된 형태로 후속하여 형성될 때 그들의 광학적 속성들을 위해 배치된다. 다양한 실시예들 및 예시들에서, 만곡된 도파관 디바이스의 그레이디드 지수 프로파일은, 단조 함수, 대칭 또는 비대칭 포물선 함수, 대칭 또는 비대칭 가우스 함수 등에 의해 설명될 수 있다. 복합 수지들은 부분적으로 중합되거나 완전히 중합될 수 있고, 그 다음, 적어도 단순 만곡을 따르는 형태 또는 복합 만곡을 따르는 형태를 포함하는 원하는 만곡된 형태로 후속하여 형성될 수 있다. 구체적이고 비제한적인 예시로서, 만곡된 도파관들은, 위의 도 1에 도시된 만곡된 GRIN 도파관(100) 또는 위의 도 2에 도시된 만곡된 GRIN 도파관(200)과 유사하게, 즉 만곡된 GRIN 도파관(100 또는 200)이 만곡된 GRIN 도파관(100 또는 200)의 폭 차원 또는 길이 차원 중 적어도 하나를 각각 포함하는 단면에서 만곡되도록, 성형될 수 있다.

이제 도 12를 참조하면, 중합체 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법의 단순화된 흐름도가 도시된다. 단계 1200에서, 제1 수지는 확산 채널의 제1 단부에 있는 중앙 입구 내로 흐르고, 확산 채널에는 확산 차이에 의해 입구들로부터 분리된 제2 단부에 출구가 있다. 단계 1205에서, 제2 수지는 제1 수지의 주변을 따라 외측 입구 내로 흐른다. 1210에서, 제1 수지의 부분들과 제2 수지의 부분들의 확산이 확산 거리에 걸쳐 수행되어 적어도 하나의 차원에서 복수의 굴절률들을 갖는 프로파일을 갖는 복합 수지를 형성한다. 1215에서, 복합 수지는 적어도 부분적으로 경화되어 중간 도파관 구조물을 형성한다. 1220에서, 중간 도파관 구조물은 원하는 만곡된 형태로 성형된다. 예를 들어, 중간 도파관 구조물은 원통형 몰드와 일치되거나 구형 몰드와 일치된다. 선택적으로, 중간 도파관 구조물은 원하는 만곡된 형태로 성형되기 전에 가열된다.

예시 2: 화학 기상 퇴적(Chemical Vapor Deposition; CVD)

도 13은 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 GRIN 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관들을 만드는 방법에 사용하기 위한 화학 기상 퇴적(CVD) 시스템을 도시하는 단순화된 도표이다. 특히, 도 13에 도시된 시스템(1300)은 개시된(initiated) 화학 기상 퇴적(iCVD) 시스템이다. iCVD 시스템에서 단량체와 개시제는 활성화 소스를 포함하는 진공 챔버 내로 흐른다. 활성화 소스는 개시제가 라디칼들로 분해되게 하고, 이는 기판 표면에서 단량체의 자유 라디칼 중합을 시작한다. 용액 상(solution-phase) 자유 라디칼 중합을 증기 상(vapor phase)에서 복제함으로써, 다양한 종류의 얇은 중합체 필름들이 퇴적될 수 있다.

여전히 도 13을 참조하면, 시스템(1300)은 개시제 소스(1305), 제1 단량체 소스(1310) 및 제2 단량체 소스(1315)를 포함한다. 제1 단량체(고지수 단량체라고도 지칭됨)는, 중합하여 고지수 중합체를 형성하는 단량체일 수 있고, 제2 단량체(저지수 단량체라고도 지칭됨)는 중합하여 저지수 중합체를 형성하는 단량체일 수 있다. "저" 및 "고"라는 용어들은, 서로에 대한 상대적인 용어들로 이해된다. 일부 예시들에서, 저지수 단량체는 중합될 때, 중합될 때의 고지수 단량체보다, 적어도 0.01; 적어도 0.02; 적어도 0.05; 적어도 0.1; 또는 적어도 0.2만큼 더 낮은 굴절률을 가질 수 있다.

소스들(1305, 1310 및 1315)은 개시제, 제1 단량체 및 제2 단량체를 각각 iCVD 챔버(1320) 내로 강제하기 위한 분압을 제공하기 위해 가열될 수 있다. 개시제 및 단량체 증기의 흐름은, 예를 들어, 밸브들(1325)에 의해, 또는 질소 또는 불활성 기체와 같은 수송 재료에 의해, 제어될 수 있다. 개시제, 제1 단량체 및 제2 단량체는 매니폴드(1350)를 통해 iCVD 챔버(1320)로 들어가고, iCVD 챔버로부터의 출구(1355)가 그 초과량을 배출하기 위해 제공된다.

동작 중에, 개시제는 열 또는 화학(actinic) 소스(1330)에 의해 iCVD 챔버(1320) 내에서 라디칼들을 형성하도록 개시된다. 라디칼들 및 단량체들은 기판(1335)과 챔버 환경의 온도 차이로 인해 기판(1335)에 퇴적될 수 있다. 기판(1335) 온도는 냉각판(1340)에 의해 제어될 수 있다. 중합은 기판(1335) 상에서 일어난다. 기판(1335)은 평평할 수도 있고, 도 13에 도시된 바와 같이 단순 곡률을 가질 수도 있고, 복합 만곡을 가질 수도 있다. 기판(1335)이 평평한 경우, 그 다음, 결과적인 중간 도파관 구조물에 원하는 만곡된 형상을 부여하기 위해 퇴적 후 형성이 필요할 것이다. 기판(1335)은, 예를 들어, 회전 지지부(1345)를 사용하여 회전될 수 있다.

고굴절률 및 저굴절률 단량체들의 비율은 기판(1335) 상에 형성되는 도파관의 두께에 걸쳐 원하는 굴절률 프로파일을 생성하기 위해 시간에 따라 제어 가능하게 변화될 수 있다. iCVD 프로세스는, 단량체 비율들을 연속적으로 변경함으로써 연속적인 구배 굴절률 변경 프로파일을 생성할 수 있다. iCVD 프로세스는 또한, 단량체 비율들의 단계적 제어에 의해 계단형(step) 지수 변경 프로파일을 생성할 수 있다.

또한 도 14를 참조하면, 만곡된 GRIN 도파관을 만드는 방법은, 단계(1400)에서 고지수 단량체를 소스(1310)로부터 iCVD 퇴적 챔버(1320)로 초기에 흐르게 하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 단계 1400에서 소스(1315)로부터의 저지수 단량체의 일부가 고지수 단량체와 혼합되어 iCVD 퇴적 챔버로 도입되거나, 단계 1400 동안 소스(1310)로부터 실질적으로 고지수 단량체만 제공된다. 구체적이고 비제한적인 예시들로서, 단계 1400 동안 초기에 100% 고지수 단량체가 iCVD 챔버(1320) 내로 제공되고, 일부 예시들에서는 단계 1400 동안 초기에 95%보다 많지만 100%보다 적은 고지수 단량체를 함유하는 혼합물이 iCVD 챔버(1320)로 제공되며, 일부 예시들에서는 단계 1400 동안 초기에 90%보다 많지만 100%보다는 적은 고지수 단량체가 iCVD 챔버(1320) 내로 제공된다. 소스(1315)로부터의 저지수 단량체, 또는 예시되지 않은 다른 단량체들 또는 첨가제들이 iCVD 챔버(1320) 내로 제공된 혼합물의 나머지를 구성한다. 물론, 다른 조성들이 제공될 수 있다. 개시제 소스(1305)로부터의 개시제 또한 iCVD 챔버(1320) 내로 제공된다. 활성화 소스(1330)는 단계 1400 동안 기체 상(gas phase)으로 단량체와 혼합된 개시제를 개시하기 위한 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 개시제는 라디칼들을 형성하고, 이는 기판(1335)의 표면에서 단량체들의 자유 라디칼 중합을 개시한다. 이와 같이, 중합은 단계 1400 동안 기판(1335) 상으로의 단량체들의 퇴적에 수반되어 발생한다.

초기 퇴적 기간 후에, iCVD 챔버(1320) 내로 제공된 단량체 혼합물의 조성은 소스(1315)로부터의 저지수 단량체의 상대적 양이 증가하도록 단계 1405에서 시간에 따라 제어 가능하게 변화된다. 일부 예시들에서, 저지수 단량체의 상대적인 양은 고지수 단량체의 상대적인 양의 연속적인 감소에 수반되어 연속적으로 증가하여, 퇴적 프로세스의 마지막에 퇴적된 최종 층들은 대부분 저지수 단량체인 조성을 갖는다. 구체적이고 비제한적인 예시들로서, 단계 1405에서 100% 저지수 단량체가 퇴적 프로세스의 마지막에 iCVD 챔버(1320) 내로 제공되고, 일부 예시들에서는 단계 1405에서 95%보다 많지만 100%보다 적은 저지수 단량체를 함유하는 혼합물이 퇴적 프로세스의 마지막에 iCVD 챔버(1320) 내로 제공되며, 일부 예시들에서는 단계 1405에서 90%보다 많지만 100%보다 적은 저지수 단량체가 퇴적 프로세스의 마지막에 iCVD 챔버(1320) 내로 제공된다. 소스(1310)로부터의 고지수 단량체, 또는 예시되지 않은 다른 단량체들 또는 첨가제들이 iCVD 챔버(1320) 내로 제공된 혼합물의 나머지를 구성한다. 물론, 다른 조성들이 제공될 수 있다. 다시 한 번, 개시제 소스(1305)로부터의 개시제 또한, iCVD 챔버(1320) 내로 제공된다. 활성화 소스(1330)는 단계 1405 동안 기체 상에서 단량체와 혼합된 개시제를 개시하기 위한 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 개시제는 라디칼들을 형성하고, 이는 기판(1335)의 표면에서 단량체들의 자유 라디칼 중합을 개시한다. 이와 같이, 중합은, 단계 1405 동안, 기판(1335) 상으로의 단량체들의 퇴적에 수반되어 발생하고, 그리고 선택적으로 완료된다.

선택적 단계 1410(도 14의 파선 박스)에서, 기판(1335) 상에 퇴적된 중합된 재료는 퇴적된 재료가 완전히 중합되고 및/또는 원하는 물리적 속성들을 갖는 것을 보장하기 위해 추가 프로세싱을 겪을 수 있다. 예시에서, 퇴적된 재료는 iCVD 챔버(1320) 내에서 추가 프로세싱을 겪는다. 예를 들어, 활성화 소스(1330) 또는 별도의 에너지 소스(미도시)는 퇴적 단계(1405)가 완료된 후, 퇴적된 재료의 추가 중합 및/또는 경화를 야기하기 위한 에너지를 제공하는 데 사용된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 외부 에너지 소스(미도시)가, 기판(1335)으로부터 퇴적된 재료를 제거하기 전 또는 후에, iCVD 챔버(1320) 외부에서 퇴적된 재료의 추가 프로세싱을 수행하기 위해 사용된다.

일부 예시들에서, 두께 축(연속 층들의 퇴적 방향)을 따라 적어도 0.001/μm; 적어도 0.002/μm; 적어도 0.005/μm; 적어도 0.01/μm; 적어도 0.05/μm; 또는 적어도 0.1/μm인 굴절률의 변화를 갖는 GRIN 프로파일을 갖는 만곡된 도파관이 얻어진다.

일부 예시들에서, 그 두께에 대한 그 길이 차원을 따르는 도파관의 길이의 비율 및 그 두께에 대한 그 폭 차원을 따르는 도파관의 폭의 비율이 모두 적어도 10:1인 GRIN 프로파일을 갖는 만곡된 도파관이 얻어진다.

앞의 단락들은, 결과적인 도파관 구조물이 단조 변경되는 굴절률 프로파일을 갖는 iCVD 퇴적 방법을 설명한다. 예를 들어, 굴절률은 결과적인 만곡된 도파관 구조물의 주요 표면들 사이에서 그들의 두께 차원를 따라 연속적으로 증가하거나 감소하며, 두께 차원은 인접한 층 퇴적 방향을 따른다. 굴절률 프로파일은 선형 관계, 포물선 관계, 쌍곡선 관계, 가우시안 관계 또는 일부 다른 관계를 따를 수 있다. 구체적이고 비제한적인 예시로서, 굴절률은 제1 주요 표면(예를 들어, 오목면)에서의 1.68으로부터 제2 주요 표면(예를 들어, 볼록면)에서의 1.60으로 감소할 수 있다.

일부 예시들에서, 위에 설명된 바와 같이 초기에 소스(1310)로부터 고지수 단량체가 iCVD 챔버(1320) 내로 제공되고, 단량체 혼합물의 조성은 소스(1315)로부터 대부분 저지수 단량체가 퇴적될 때까지 변화된다. 그 다음, 추가 퇴적이 계속될 수 있으며, 이 동안, 소스(1315)로부터의 저지수 단량체의 상대적 양이 다시 감소하고, 이에 수반하여 고지수 단량체의 상대적 양이 연속적으로 증가하여, 단계 1405에서 퇴적 프로세스의 마지막에 퇴적된 최종 층들이 대부분 고지수 단량체인 조성을 갖도록, iCVD 챔버(1320) 내로 제공되는 단량체 혼합물의 조성은 제어 가능하게 변화될 수 있다. 결과적인 도파관 구조물은 그 제1 주요 표면과 제2 주요 표면 사이에 중앙층을 가질 수 있으며, 중앙층의 굴절률은 제1 주요 표면 및 제2 주요 표면에 인접한 굴절률보다 낮다. 그레이디드 굴절률 프로파일은 중앙층을 중심으로 비대칭이거나 대칭일 수 있다. 일부 예시들에서, 중앙층의 굴절률은, 제1 주요 표면 및/또는 제2 주요 표면에 인접한 굴절률보다 적어도 0.01; 적어도 0.02; 적어도 0.05; 또는 적어도 0.10 더 낮을 수 있다.

도 13에 도시된 시스템은, 수 미크론으로부터 수 mm까지의 최종 두께를 갖는 도파관을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일부 예시들에서, 기판(1335)은 도파관 내의 내부 스트레인을 감소시키기 위해 퇴적 중에 가열될 수 있다. 대안적으로, 도파관은 내부 스트레스를 감소시키기 위해 형성 후에 가열될 수 있다.

도 13에서, 소스(1310)는, 예를 들어, 폴리카보네이트, 적합한 글리콜들과 함께, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트와 같은 폴리에스테르들, 티오에테르, 설폰, 사이클릭 티오펜, 티아디아졸 및 티안트렌을 포함하는 황 그룹들 및 브롬 및 요오드를 포함하는 할로겐 그룹들을 갖는 중합체들, 포스포네이트들 및 포스파젠들, 또는 나노복합체들, 및 이들의 혼합물들 및 공중합체들 만드는 데 사용하기 위한 중합체 전구체인, 고굴절률 단량체를 함유할 수 있다. 일부 예시들에서, 소스(1310)는, 예를 들어, 폴리(펜타브로모페닐 메타크릴레이트(PPBPMA), 폴리(펜타브로모페닐 아크릴레이트), 폴리(펜타브로모벤질 메타크릴레이트), 폴리(펜타브로모벤질 아크릴레이트), 폴리(2,4,6-트리브로모페닐 메타크릴레이트), 폴리(비닐페닐설파이드), 폴리(1-나프틸 메타크릴레이트), 폴리(2-비닐티오펜), 폴리(2,6-디클로로스티렌), 폴리(N-비닐프탈이미드), 폴리(2-클로로스티렌), 및 폴리(펜타클로로페닐 메타크릴레이트)를 만드는 데 사용되는 중합체 전구체인 고굴절률 단량체를 함유할 수 있다.

도 13에서, 소스(1315)는 아크릴레이트들, 플루오로아크릴레이트들, 및 불소, 실리콘들을 함유하는 다른 단량체들을 포함하는 저굴절률 단량체를 함유할 수 있다. 저굴절률 단량체는, 예를 들어, 폴리(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필 아크릴레이트)(PHFIA), 폴리(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸 아크릴레이트), 폴리(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸 메타크릴레이트), 폴리(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필 아크릴레이트), 폴리(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필 메타크릴레이트), 폴리(2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 아크릴레이트), 폴리(2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트), 폴리(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필 메타크릴레이트), 폴리(2,2,2-트리플루오로에틸 아크릴레이트), 폴리(2,2,3,3-테트라플루오로프로필 아크릴레이트), 폴리(2,2,3,3-테트라플루오로프로필 메타크릴레이트), 및 폴리(2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트)를 만드는 데 사용되는 중합체 전구체일 수 있다.

바람직하게, 도 13에 도시된 시스템과 함께 사용되는 단량체들은 공중합될 때 상분리되지 않는다. 예를 들어, 특정 예시만으로서, 저굴절률 단량체에 대해 1H,1H,5H-옥타플루오로펜틸 메타크릴레이트와 같은 플루오로아크릴레이트 단량체를 사용하고 고굴절률 단량체에 대해 2,4,6-트리브로모페닐 아크릴레이트, 벤질 메타크릴레이트, 또는 2-((1,3-디티올란-2-일)메틸티오)에틸 메타크릴레이트를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 13에 도시된 시스템에서, 소스들(1310 및 1315)로부터의 단량체 증기는, 각자의 단량체들의 증기 압력으로 인해, 선택적으로 가열에 의해 증가되거나, 또는 단량체들의 표면 위 또는 아래를 통과하는 가스를 포함하는 캐리어 가스를 사용하여, 매니폴드(1350)를 통해 iCVD 챔버(1320)로 제어 가능하게 전달될 수 있다.

도 13은 개시된(initiated) 화학 기상 퇴적 시스템을 구체적으로 예시하고 있지만, 예를 들어, 개시되지 않은(non-initiated) CVD(전통적인 CVD) 또는 플라즈마 CVD와 같은 다른 적합한 퇴적 방법이 대신 사용될 수 있다.

개시되지 않은(전통적인) CVD는 CVD 챔버 내부 또는 외부에서 시작되는 중합을 사용하여 수행될 수 있다. 목표 굴절률을 달성하기 위해, 개시제, 제1 단량체, 및 제2 단량체가 적절한 비율로 기화되고 혼합된다. 증기 혼합물은 기판(평평한 또는 만곡된)에 퇴적된다. 퇴적된 혼합물은 기판 상에 형성된 얇은 층을 중합하기 위해 화학 소스에 노출될 수 있다. 제1 층이 중합된 후, 상이한 굴절률을 목표로 하는 상이한 비율을 갖는 개시제, 제1 단량체 및 제2 단량체의 혼합물이, 제2 층으로서 퇴적되고 화학 소스에 의해 중합된다. 퇴적 및 중합 단계들을 반복함으로써 상이한 목표 굴절률들을 갖는 추가 층들이 쌓일 수 있다. 각 층에 대한 제1 및 제2 단량체들의 비율을 제어 가능하게 변화시키면, 완성된 구성요소 내에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성할 수 있다. 전통적인 CVD 공정은 상이한 층들의 단량체 비율들을 제어함으로써 굴절률 프로파일을 단계적으로 변경하는 계단형 지수를 생성할 수 있다.

플라즈마 CVD는, 퇴적 프로세스의 각 스테이지에서 목표한 굴절률을 위한 적절한 비율로 제1 단량체와 제2 단량체가 기화되고 혼합되도록 다시 수행될 수 있다. 단량체 증기 혼합물은 플라즈마 방사에 의해 개시된다. 단량체 증기 혼합물은 퇴적 챔버 내의 기판(평평한 또는 만곡된) 상에 퇴적되고 단량체들이 중합된다. 플라즈마 CVD 프로세스는 단량체 비율들을 연속적으로 변경함으로써 연속적인 구배 굴절률 프로파일을 생성할 수 있다. 플라즈마 CVD 프로세스는 또한, 단량체 비율들의 단계적 제어에 의해 계단형 지수 변경 프로파일을 생성할 수 있다.

예시 3: 일 측면으로부터의 확산

일부 예시들에서, 균일한 굴절률을 갖는 만곡된 도파관은 초기에 몰딩 또는 열적 세팅에 의해 제조될 수 있다. 초기에 형성된 만곡된 도파관의 일 측면은 환경에의 노출로부터 보호될 수 있다. 보호된 도파관은, 그 다음, 초기에 형성된 도파관의 균일한 굴절률보다 낮거나 높은 상이한 굴절률의 단량체를 함유하는 단량체/개시제 배스(bath)에 담길 수 있다. 단량체와 개시제는, 그 다음, 만곡된 도파관의 보호되지 않은 측면으로부터 도파관 안쪽을 향해 확산되도록 허용된다. 이 프로세스 동안 초래되는 확산 구배로 인해, 보호된 도파관을 배스로부터 제거하고 이를 화학 소스에 노출시켜 단량체들을 중합하고 굴절률 프로파일을 고정할 때, 최종 만곡된 도파관 내에 굴절률 구배가 형성될 수 있다.

예시 4: 딥 코팅(Dip Coat)

층별 딥(dip) 코팅 또는 스프레이 코팅 접근법 또한, 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 층을 구축하도록 수행될 수 있다. 적합한 코팅 용액들은, 용매를 갖는 중합체, 용매를 갖는 단량체/개시제, 또는 용매가 없는 단량체/개시제를 포함한다. 용매가 도포된 경우, 각 코팅 후, 상승된 온도에 의해 용매가 제거된다. 단량체가 포함된 경우, 코팅은 또한 열 또는 화학 소스의 노출에 의해 추가로 중합될 수 있다. 하나의 층이 건조된 후, 상이한 굴절률을 달성하기 위해, 상이한 코팅 용액으로 동일한 생산물을 반복함으로써 제2 층이 도포될 수 있다.

예시 5: 중합체 공압출(Polymer Co-Extrusion)

대안적인 예시에서, 기판은 제1 및 제2 중합체의 유리 전이 온도 이상에서 가열된 중합체 시트들의 적어도 3개의 교대 층들의 적층물(stack)을 형성하도록 공압출된 적어도 제1 및 제2 중합체를 지지한다. 중합체들의 적층물은 서로에게로 확산되도록 허용될 수 있고, 기판은 적층물이 원하는 굴절률 프로파일에 도달할 때까지 가열될 수 있다. 제1 및 제2 중합체들은 실질적으로 유사한 용해도 파라미터들을 가질 수 있다.

상이한 예시에서, 확산을 촉진하기 위해 저분자량 용매 또는 가소제가 제1 및 제2 수지에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 중합체들의 적층물은 적층물에 흡수되는 유기 또는 무기 재료의 존재 하에서 가열될 수 있다. 용매 또는 가소제는 확산이 완료된 후 적층물로부터 제거될 수 있다. 하나의 예시에서, 제1 및 제2 중합체는, 폴리아크릴레이트들(예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리(2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트)), 폴리에스테르들(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리(2,6-에틸렌 나프탈레이트), 이소프탈레이트 공중합체들) 및 폴리카보네이트들, 폴리실리콘들, 폴리올레핀들, 폴리스티렌들, 폴리플루오로카본들 및 이들의 일부 조합의 집단들로부터의 일부 다른 혼합 가능한 중합체 수지들을 포함한다.

이제 도 15로 가면, 증강 현실(AR) 근안 디스플레이(1500)가 안경의 폼 팩터를 갖는 프레임(1505)을 포함한다. 프레임(1505)은, 각 눈에 대해, 투영기(1510), 투영기(1510)에 광학적으로 결합된 동공 복제 도파관(1515), 시선 추적 카메라(1520) 및 복수의 조명기들(1525)을 지지한다. 동공 복제 도파관(1515)은 본 명세서에 개시된 도파관들 중 임의의 도파관을 포함할 수 있다. 조명기들(1525)은 아이박스(1530)를 조명하기 위해 동공 복제 도파관(1515)에 의해 지지될 수 있다. 투영기(1510)는 사용자의 눈으로 투영될 각도 도메인의 이미지를 전달하는 광 빔들 부채꼴(fan)을 제공한다. 동공 복제 도파관(1515)은 광 빔들의 부채꼴을 수신하고 광 빔들의 부채꼴의 각 빔의 다수의 측방향으로 오프셋된 평행 복사본들을 제공하여, 이에 의해 아이박스(1530) 위에 투영된 이미지를 확장한다. AR 애플리케이션들의 경우, 사용자가, 각 눈에 투영되고 외부 세계 뷰와 겹쳐진 이미지들과 함께 외부 세계를 볼 수 있게 하기 위해, 동공 복제 도파관(1515)은 투명하거나 반투명할 수 있다. 각 눈에 투영되는 이미지들은 실제 세계 뷰에 몰입된 것처럼 보이도록 하기 위해 시뮬레이션된 시차(parallax)로 배치된 객체들을 포함할 수 있다.

시선 추적 카메라들(1520)의 목적은 사용자의 양쪽 눈의 위치 및/또는 배향을 결정하기 위한 것이다. 사용자 눈들의 위치 및 배향이 알려지면, 시선 수렴 거리 및 방향이 결정될 수 있다. 투영기들(1510)에 의해 디스플레이되는 이미지는 사용자의 시선을 고려하여, 사용자가 디스플레이된 증강 현실 풍경으로 몰입하는 것의 더 나은 충실도를 위해, 및/또는 증강 현실과의 상호작용의 특정 기능들을 제공하기 위해, 동적으로 조정될 수 있다. 동작 시, 조명기들(1525)은 대응하는 아이박스들(1530)에서 눈들을 조명하여, 시선 추적 카메라들이 눈들의 이미지들을 획득할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 참조 반사들, 즉 반짝임들(glints)을 제공할 수 있도록 한다. 반짝임들은 캡처된 눈 이미지에서 기준점들로서 기능할 수 있으며, 이는 반짝임 이미지들에 대한 눈 동공 이미지들의 위치를 결정함으로써 눈의 응시 방향 결정을 용이하게 한다. 조명 광으로 인해 사용자의 주의가 산만해지는 것을 방지하기 위해, 후자는 사용자에게 보이지 않게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 적외선 광이 아이박스들(1530)을 조명하는 데 사용될 수 있다.

본 개시의 실시예들은 인공 현실 시스템을 포함할 수 있거나, 인공 현실 시스템과 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은, 시각 정보, 오디오, 터치(체성 감각) 정보, 가속도, 균형 등과 같은 감각들을 통해 획득된 외부 세계에 대한 감각 정보를, 사용자에게 표시하기 전에, 일부 방식으로 조정한다. 비제한적인 예시들로서, 인공 현실은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실, 또는 이들의 일부 조합 및/또는 파생물들을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 완전하게 생성된 콘텐츠 또는 캡처된(예를 들어, 현실 세계) 콘텐츠와 결합되어 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이 콘텐츠 중 임의의 것은, 뷰어에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오에서와 같은 단일 채널 또는 다중 채널들에서 표시될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 인공 현실은 또한, 예를 들어, 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되기 위해 및/또는 그렇지 않으면 인공 현실에서 사용되기(예를 들어, 활동들을 수행하기) 위해, 애플리케이션들, 제품들, 액세서리들, 서비스들, 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공　현실　콘텐츠를　제공하는　인공　현실　시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템에　연결된 HMD와 같은 착용가능 디스플레이, 독립형 HMD, 안경의 폼 팩터를 갖는 근안 디스플레이, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 하나 이상의 뷰어에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 포함하는 다양한 플랫폼들에서 구현될 수 있다.

본 명세서의 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐, "포함한다(comprise)", "포함하는(including)", "갖는(having)" 및 "함유한다(contain)"라는 단어들과 단어들의 변형들, 예를 들어, "포함하는(comprising)" 및 "포함한다(comprises)" 등은, "포함하지만 이에 제한되지 않는을 의미하며, 다른 구성요소들을 배제하는 것을 의도하지 않고 다른 구성요소들을 배제하지 않는다.

여전히 개시의 범위 내에 속하면서 개시의 전술한 실시예들에 대한 변형들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 달리 진술되지 않는 한, 이 명세서에 개시된 각 피처는, 동일, 동등 또는 유사한 목적을 제공하는 대체 피처들에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 달리 진술되지 않는 한, 개시된 각 피처는 일반적인 일련의 동등하거나 유사한 피처들 중 일 예시일 뿐이다.

이 명세서에 개시된 모든 피처들은, 그러한 피처들 및/또는 단계들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외하고, 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 특히, 개시의 바람직한 피처들은 개시의 모든 양태들에 적용 가능하며 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 유사하게, 필수적이지 않은 조합들로 설명된 피처들은 (조합이 아닌) 개별적으로 사용될 수 있다.

Claims

중합체 도파관(polymeric waveguide)의 폭 차원 및 길이 차원을 따라 그 내부에서 광을 전파하기 위한 중합체 도파관으로서, 상기 중합체 도파관은 그의 일 측면 상의 제1 만곡된(curved) 표면 및 그의 반대측 제2 측면 상의 제2 만곡된 표면을 갖고, 상기 중합체 도파관은 상기 제1 만곡된 표면과 상기 제2 만곡된 표면 사이에서 그의 두께를 통해 공간적으로 변화하는 굴절률을 갖고, 상기 중합체 도파관은 상기 폭 차원 및 상기 길이 차원 중 적어도 하나를 포함하는 단면에서 만곡된 것인, 중합체 도파관.
제1항에 있어서, 상기 제1 만곡된 표면은 오목한 표면이고, 상기 제2 만곡된 표면은 볼록한 표면이며, 상기 굴절률은 상기 오목한 표면으로부터 상기 볼록한 표면까지 단조(monotonically) 감소하는 것인, 중합체 도파관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 만곡된 표면은 오목한 표면이고, 상기 제2 만곡된 표면은 볼록한 표면이며, 상기 굴절률의 공간 프로파일은, 상기 오목한 표면으로부터 상기 볼록한 표면까지 가면서 대략적으로 포물선형이고;
바람직하게 상기 도파관은 상기 오목한 표면과 볼록한 표면 사이에 만곡된 중간 평면(mid-plane)을 갖고, 상기 굴절률은 상기 만곡된 중간 평면과 상기 오목한 표면 및 볼록한 표면 각각과의 사이에서 감소하고;
더욱 바람직하게 상기 볼록한 표면에서의 굴절률은 상기 오목한 표면에서의 굴절률보다 낮은 것인, 중합체 도파관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 만곡된 표면들은 단순 만곡(simple curve)을 따르는 것인, 중합체 도파관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 만곡된 표면들은 복합 만곡(compound curve)을 따르는 것인, 중합체 도파관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체들, 및 이들의 혼합물들, 중 하나 이상을 포함하는 중합체 도파관.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 도파관은 길이 방향을 따르는 길이와 폭 방향을 따르는 폭을 가지며, 상기 중합체 도파관의 두께에 대한 상기 중합체 도파관의 길이의 비율, 및 만곡된 도파관의 두께에 대한 상기 중합체 도파관의 폭의 비율은 모두 적어도 10:1인 것인, 중합체 도파관.
중합체 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드(graded) 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법에 있어서,
적어도 제1 수지(resin)의 층 및 제2 수지의 층을 포함하는 적층된 구조물을 형성하는 단계 - 상기 제1 수지는 중합될 때 제1 굴절률을 갖고, 상기 제2 수지는 중합될 때 상기 제1 굴절률과는 상이한 제2 굴절률을 가짐 - ;
복합 수지 구조물을 형성하기 위해, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지가 서로에게로 확산되는 것을 허용하는 단계 - 상기 복합 수지 구조물 내에서, 상기 복합 수지 내의 상기 제1 수지에 대한 상기 제2 수지의 비율은 상기 적층된 구조물의 두께 방향에서 변화함 - ;
상기 복합 수지 구조물을 중합하는 단계; 및
상기 중합된 복합 수지 구조물을 사전 정의된 만곡된 형태로 형성하는 단계
를 포함하는, 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법.
제8항에 있어서, 상기 적층된 구조물을 형성하는 단계는,
확산 채널의 제1 단부에 있는 복수의 입구들 중 제1 입구 내로 상기 제1 수지가 흐르게 하는 단계 - 상기 확산 채널은, 상기 제1 단부의 반대측에 있는 제2 단부에 있되 채널 길이만큼 상기 복수의 입구들로부터 분리되는 출구를 포함함 - ;
상기 복수의 입구들 중 제2 입구 내로 상기 제2 수지가 흐르게 하는 단계 - 상기 제2 수지의 흐름은 상기 제1 수지의 제1 주변부를 따라 지향됨 -
를 포함하고,
상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는 상기 복수의 입구들과 상기 출구 사이의 상기 채널 길이에 걸쳐 서로에게로 확산되는 것인, 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 수지 및 상기 제2 수지는, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실리콘, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체들, 및 이들의 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택되고,
바람직하게, 상기 사전 정의된 만곡된 형태는, 실질적으로 구의 일부 및 실질적으로 원통의 일부, 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 수지가, 상기 적층된 구조물 내의 상기 제1 수지와 상기 제2 수지 사이에 배치되도록, 상기 제1 주변부의 반대측에 있는 상기 제1 수지의 제2 주변부를 따라 제3 수지의 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 수지는 중합될 때 상기 제1 굴절률과는 상이한 제3 굴절률을 갖고;
바람직하게 상기 제1 굴절률은 상기 제3 굴절률보다 높고, 상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 낮고 또한 상기 제3 굴절률보다 낮거나 상기 제3 굴절률과 같은 것인, 만곡된 중합체 도파관을 만드는 방법.
만곡된 도파관의 두께를 통해 굴절률이 공간적으로 변화하는 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는 만곡된 도파관을 만드는 방법에 있어서,
퇴적 챔버(deposition chamber) 내에 기판을 제공하는 단계;
상기 퇴적 챔버 내로 단량체(monomer) 함유 증기를 도입하고, 기간에 걸쳐 상기 단량체 함유 증기로부터의 재료를 상기 기판의 표면 상에 퇴적하는 단계;
상기 기판 상에 퇴적되는 재료의 조성이 상기 기간에 걸쳐 변경되도록, 상기 기간에 걸쳐 상기 단량체 함유 증기 내의 제2 단량체의 양에 대한 제1 단량체의 양의 비율을 제어 가능하게 변화시키는 단계 - 상기 제1 단량체는 중합될 때 제1 굴절률을 갖고, 상기 제2 단량체는 중합될 때 제2 굴절률을 가지며, 상기 제2 굴절률은 제1 굴절률과는 상이함 - ; 및
상기 기판 상에 퇴적된 재료를 중합하는 단계
를 포함하는, 만곡된 도파관을 만드는 방법.
제12항에 있어서, 상기 기판의 표면은, 실질적으로 구의 일부 및 실질적으로 원통의 일부, 중 적어도 하나를 포함하는 만곡된 형태를 갖는 것인, 만곡된 도파관을 만드는 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 단량체 함유 증기는 개시제(initiator)를 포함하고,
바람직하게, 상기 단량체 함유 증기로부터의 재료를 상기 기판 상에 퇴적하는 단계는, 라디칼들을 형성하도록 상기 개시제를 개시하기 위한 에너지를 제공하기 위해 화학(actinic) 소스 및 열 소스 중 적어도 하나를 사용하여 상기 개시제를 개시하는 단계를 더 포함하는 것인, 만곡된 도파관을 만드는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 표면은 볼록한 형태를 갖고, 상기 단량체 함유 증기 내의 상기 제2 단량체의 양에 대한 상기 제1 단량체의 양의 비율은 상기 기간에 걸쳐 감소하고, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 큰 것인, 만곡된 도파관을 만드는 방법.