KR20230119015A - 도파로 기반 디스플레이에서의 홍목현상 억제 기술 - Google Patents
도파로 기반 디스플레이에서의 홍목현상 억제 기술 Download PDFInfo
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Abstract
도파로 시스템 내에서의 홍목 억제를 위한 방법 및 장치가 본 명세서에서 개시된다. 이러한 방법 및 장치의 일부 실시형태는 이미지 변조된 광의 소스; 눈-배향면 및 외부 세계를 바라보는 외면을 가지는 도파로; 광을 도파로 내의 전반사 내부 경로 내로 커플링하기 위한 입력 커플러; 빔 확장을 제공하고 광을 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자; 변조 깊이 및 격자 피치를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 포함한다. 변조 깊이는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 격자 피치보다 크다. 바람직하게는, 폴리머 격자 구조체는 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 외면을 통하여 외부 세계 내로 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키도록 구성된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 12월 21일에 출원된 미국 가출원 번호 제 63/128,645, 및 2020년 12월 22일에 출원된 미국 가출원 번호 제 63/129,270에 대한 우선권을 주장하고, 이들의 전체 내용은 모든 점에서 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 도파로 시스템 내에서 홍목현상(eye glow)을 억제하는 기술에 관한 것이다.
도파로는 파를 구속하고 유도하는 능력을 가지는 구조체이다(즉, 파가 전파될 수 있는 공간 영역을 한정함). 하나의 서브클래스는 광 도파로를 포함하는데, 이것은 전자기 파를, 통상적으로 가시광 스펙트럼 내의 전자기파를 유도할 수 있는 구조체이다. 도파로 구조체는 파의 전파 경로를 여러 상이한 메커니즘을 사용하여 제어하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 평면 도파로는 입사 광을 회절시키고 도파로 구조체 내로 커플링하도록 회절 격자를 활용하도록 설계될 수 있어서, 인-커플링된 광이 내부 전반사("TIR(total internal reflection)")를 통해 평면 구조체 내에서 이동하도록 진행할 수 있다.
도파로를 제조하는 것은 도파로 내에서 홀로그램 광학 요소가 기록되게 하는 재료 시스템을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 재료의 하나의 클래스는 폴리머 분산 액정("PDLC(polymer dispersed liquid crystal)") 혼합물이고, 이것은 광경화성 단위체 및 액정을 포함하는 혼합물이다. 더 나아가 이러한 혼합물의 서브클래스는 홀로그램 폴리머 분산 액정("HPDLC(holographic polymer dispersed liquid crystal)") 혼합물이다. 홀로그램 광학 요소, 예컨대 볼륨 상 격자는 재료를 두 개의 상호 간섭성 레이저 빔으로 조명함으로써 이러한 액체 혼합물 내에 기록될 수 있다. 기록 프로세스 도중에, 단위체가 중합되고, 혼합물은 광경화-유도 상 분리를 거쳐서 선명한 폴리머의 영역이 산재된 액정 마이크로-액적에 의해 조밀하게 파퓰레이션되는 영역을 생성한다. 교번하는 액정-풍부 영역과 액정-결핍 영역들이 격자의 무늬 평면을 형성한다. 일반적으로 스위칭가능 브래그 격자(switchable Bragg grating; SBG)라고 불리는 결과적으로 얻어지는 격자는 볼륨 또는 브래그 격자와 일반적으로 연관된 모든 속성을 가지지만, 회절 효율(소망되는 방향으로 회절된 입사 광의 비율)의 연속적 범위에 걸쳐서 격자를 전기적으로 튜닝하는 능력과 조합된 훨씬 더 높은 굴절률 변조 범위를 가진다. 후자는 비-회절(클리어됨)로부터 100% 효율에 가까운 회절까지 연장될 수 있다.
전술된 바와 같은 도파로 광학기는 디스플레이 및 센서 애플리케이션들의 범위에 대해서 고려될 수 있다. 많은 애플리케이션에서, 다수의 광학 기능을 인코딩하는 하나 이상의 격자층을 포함하는 도파로는 다양한 도파로 아키텍처 및 재료 시스템을 사용하여 실현될 수 있고, 도로 수송, 항공 분야, 및 군용 애플리케이션들을 위한 증강 현실("AR(Augmented Reality)") 및 가상 현실("VR(Virtual Reality)"), 콤팩트 헤드업 디스플레이("HUD(Heads Up Display)")를 위한 근안(near-eye) 디스플레이, 및 생체측정 및 레이저 레이더("LIDAR") 애플리케이션을 위한 센서에서 새로운 혁신이 이루어질 수 있게 한다.
다양한 실시형태들이 이미지 변조된 광의 소스; 눈-배향면 및 외부 세계를 바라보는 외면을 가지는 도파로; 광을 도파로 내의 전반사 내부 경로 내로 커플링하기 위한 입력 커플러; 빔 확장을 제공하고 광을 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자; 변조 깊이 및 격자 피치를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 포함하는 도파로 디스플레이에 직결된다. 변조 깊이는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 격자 피치보다 크다. 폴리머 격자 구조체는 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 외면을 통하여 외부 세계 내로 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키도록 구성된다. 폴리머 격자 구조체는 상기 도파로 내에서의 이미지 변조된 광의 전파 및 이미지 변조된 광을 아이박스(eyebox)를 향하여 추출하는 것을 크게 교란하지 않는다. 도파로는 내에서 생성된 부유 광은: 격자 재료로부터 산란된 광; 0차 회절된 이미지 변조된 광; 및 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출되지 않은 광로를 따라서 전파되는 이미지 변조된 광으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
다양한 실시형태들에서, 폴리머 격자 구조체는 인접한 폴리머 구역들 사이에 뒤채움 재료를 더 포함한다. 뒤채움 재료는 폴리머 구역의 굴절률 보다 높거나 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 뒤채움 재료는 상기 폴리머 격자 구조체의 인접한 부분들 사이의 공간의 하단부에 있는 공간을 점유하고, 공기는 상기 뒤채움 재료의 상단면 위로부터 상기 변조 깊이까지의 공간을 점유한다.
더 다양한 실시형태에서, 뒤채움 재료는 등방성 재료를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서 등성 뒤채움 재료는 복굴절 재료를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 복굴절 재료는 액정 재료를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 가시광의 파장보다 크다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 격자 피치는 상기 폴리머 격자 구조체의 회절 피쳐들의 간극이고, 상기 변조 깊이는 상기 폴리머 격자 구조체의 깊이이다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 격자 피치는 0.35μm 내지 1μm이고, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 1μm 내지 10 μm이다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이 대 격자 피치 간극의 비율은 1:1 내지 10:1의 범위 안에 있다.
더 다양한 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 다중화된 격자로서 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 상기 도파로로부터 광을 아웃커플링하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 빔 확장기로서 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 상기 소스로부터의 이미지 변조된 광을 상기 도파로 내의 전반사 내부 경로 내로 커플링하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 S 편광광 및 P 편광광의 규정된 밸런스를 높은 효율도로 인커플링하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 교번하는 폴리머 구역 및 공극 구역을 포함하고, 상기 폴리머 구역과 상기 공극 구역 사이의 굴절률차는 1.4 내지 1.9의 범위에 속한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 구역과 상기 복굴절 재료 사이의 굴절률차는 0.01 내지 0.2 이다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 2-차원 래티스 구조체 또는 3-차원 래티스 구조체를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는, 폴리머 회절 피쳐; 및 인접한 폴리머 회절 피쳐들 사이의 복굴절 재료를 포함하고, 상기 복굴절 재료는 상기 폴리머 회절 피쳐보다 높은 굴절률을 가진다.
더 다양한 실시형태에서, 입력 커플러는 격자 또는 프리즘이다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는, 공간적으로 변동하는 편광-의존적 회절 효율 특성을 제공하도록 상기 도파로에 걸쳐서 변한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는, 공간적으로 변동하는 각도-의존적 회절 효율 특성을 제공하도록 상기 도파로에 걸쳐서 변한다.
더 다양한 실시형태에서, 공간, 각도, 또는 편광 회절 효율 특성 중 적어도 하나는, 상기 폴리머 격자 구조체를 특정된 굴절률 또는 복굴절의 광학 재료로 뒤채움함으로써 제공될 수 있다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 브래그 격자(Bragg grating) 또는 라만-나스 격자(Raman-Nath grating)로서 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는, 상기 도파로의 외면 및/또는 상기 도파로의 눈 배향면 상에 형성되고, 빔 확장을 제공하고 상기 도파로로부터 광을 추출하기 위하여 상기 입력 커플러 및/또는 상기 적어도 하나의 격자와 적어도 부분적으로 중첩한다.
더 다양한 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 브래그 격자(Bragg grating), 라만-나스 격자(Raman-Nath grating), 및 무격자(no grating)를 포함하는 구역을 포함한다. 이러한 구역은 빔 확장을 제공하고 광을 추출하기 위하여 입력 커플러 및 적어도 하나의 격자를 적어도 부분적으로 커버한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 도파로 디스플레이는, 무격자를 보유하는 상기 폴리머 격자 구조체의 구역과 중첩하는 광 제어층을 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 광 제어층은, 편광 회전, 편광-선택적 흡수, 편광-선택적 투과, 편광-선택적 회절, 각도-선택적 투과, 각도 선택적 흡수, 반-반사도(anti-reflectivity), 및 규정된 스펙트럼 대역폭 내의 투과로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 제공한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 연속적으로 또는 피스별 스텝(piecewise step)으로 변하는 경사각을 가지는 롤드 K-벡터 격자(rolled K-vector grating)를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 공간적으로 변하는 피치를 가지는 격자를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광은 외부 광원으로부터 제공되고, 상기 도파로의 상기 외면 및/또는 상기 눈-배향면을 통하여 상기 도파로에 진입한다.
더 다양한 실시형태에서, 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광은 디스플레이의 시청자의 해부학적 표면(anatomical surface)을 벗어나는 반사(reflection)를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 도파로는 두 개의 모재를 포함하고, 상기 폴리머 격자 구조체는, 두 개의 모재 사이에서 샌드위치되거나 어느 한 모재의 외면 상에 위치된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 적어도 하나의 타입의 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료의 합성물이다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료의 합성물이고, 상기 폴리머는 상기 폴리머 격자 구조체가 형성된 후에 제거된다.
더 다양한 실시형태에서, 적어도 하나의 다른 재료는 나노입자를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 적어도 하나의 다른 재료는 기능성(functionalized) 나노입자를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 광학 재료로 코팅된다.
더 다양한 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 반사성 광학 재료로 코팅된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체에 적용된 코팅은 2.5까지의 실효 인덱스(effective index)를 제공한다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 제 1 재료로 코팅되고, 코팅된 격자는 상기 제 1 재료의 굴절률보다 높은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는 제 1 재료로 코팅되고, 코팅된 격자는 상기 제 1 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움된다.
더 다양한 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체는, 상기 도파로의 외면 상에 위치된 제 1 격자 구조체 및 상기 도파로의 눈-배향면 상에 위치된 제 2 격자 구조체를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 제 1 격자 구조체 및 제 2 격자 구조체는 상이한 격자 주기를 가진다.
또한, 다양한 실시형태는 도파로 디스플레이로부터 홍목현상(eyeglow)을 감소시키기 위한 방법으로서, 이미지 변조된 광의 소스, 도파로, 입력 커플러; 및 빔 확장을 제공하고 광을 상기 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자를 제공하는 단계 - 상기 도파로는 눈-배향면 및 외부 세계를 바라보는 외면을 포함함 -; 변조 깊이 및 격자 피치를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 제공하는 단계 - 상기 변조 깊이는 상기 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 상기 격자 피치보다 큼 -; 이미지 변조된 광을 상기 도파로 내의 내부 전반사 경로 내로 디렉팅하고, 상기 광을 빔 확장하며, 이것을 아이박스를 향하여 추출하는 단계; 상기 도파로 내에서 전파되는 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 외부 세계 내로 굴절되는 광로로부터 멀어지게 디렉팅하는 단계; 및 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키는 단계를 포함하는, 홍목현상 감소 방법에 직결된다.
또한, 다양한 실시형태는 도파로-기반 디스플레이 디바이스로서,
인-커플링 광학 요소 및 아웃-커플링 광학 요소를 포함하는 도파로 - 상기인-커플링 광학 요소는 이미지 변조된 광을 인-커플링하도록 구성되고, 상기 아웃-커플링 광학 요소는 이미지 변조된 광을 사용자를 향해서 아웃-커플링하도록 구성되며, 상기 도파로는 외면 및 외면의 반대편인 내면을 포함하고, 내면이 외면보다 사용자에 더 가까움 -; 및
사용자 반대편의 도파로의 외면 위에 있는 부분적 광 차단층을 포함하고,
상기 부분적 광 차단층은 도파로의 외면으로부터 빠져나오는 홍목 광이 도파로의 외면 밖의 환경에 진입하는 것을 방지하도록 구성되는, 도파로-기반 디스플레이 디바이스에 직결된다.
다양한 실시형태들에서, 홍목 광은 사용자로부터 멀어지게 외면 밖으로 디렉팅되는 광을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 홍목 광은 아웃-커플링 광학 요소, 인-커플링 광학 요소, 및/또는 내면에 의해서 반사되는 광이다.
더 다양한 실시형태에서, 도파로는 인-커플링된 광이 내면 및 외면 사이에서 내부 전반사(TIR)로 디렉팅되게 한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 가시광 스펙트럼의 일부 내의 광을 흡수한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 협대역 염료 흡수층을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 협대역 염료 흡수층은 투명한 매트릭스 내에 서스펜딩된 광 흡수 염료를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 메타물질 흡수층을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 메타물질 흡수층은 메타물질 내에 형성된 흡수체를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 가시광 스펙트럼의 일부 내의 광을 사용자를 향해 편향시킨다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 유전체 또는 이색성 반사체를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 가시광 스펙트럼의 일부 내의 광을 비-가시 방사선으로 변환한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 양자점 또는 인광체(phosphor)를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 가시광 스펙트럼의 일부 내의 광을 환경에 진입하지 않는 경로 내로 회절시킨다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 반사성 또는 투과성 회절 구조체를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 반사성 격자층을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 반사성 격자층은 광을 광 흡수 요소를 향해 지향시키도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 반사성 격자층은 두 개의 도파로 모재들 사이에 위치된다.
더 다양한 실시형태에서, 반사성 격자층은 홀로그래피로 기록된 격자를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 복수 개의 중첩하는 회절 구조체를 포함하고, 각각의 구조체는 홍목 광의 고유한 각도 대역폭을 회절시키고 이것을 광 흡수 요소 상으로 회절시키도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 복수 개의 다중화된 회절 구조체를 포함하고, 각각의 다중화된 회절 구조체는 홍목 광의 고유한 각도 대역폭을 광 흡수체 상으로 회절시키도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 도파로 바로 위에 코팅된다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 도파로 상에 배치된 모재 상에 코팅된다.
더 다양한 실시형태에서, 스페이서가 모재 및 도파로 사이에 위치되어 모재 및 도파로 사이에 갭을 형성한다.
더 다양한 실시형태에서, 갭은 공극이다.
더 다양한 실시형태에서, 모재는 보호층을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는 도파로 아래에 위치된 다른 도파로를 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는 도파로 및 다른 도파로 사이에 배치되어 도파로 및 다른 도파로 사이에 갭을 형성하는 스페이서를 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 갭은 공극을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스 다른 부분적 광 차단층을 더 포함하고, 다른 도파로는 도파로와 다른 광의 상이한 파장을 디스플레이하도록 구성되며, 부분적 광 차단층은 도파로가 디스플레이하도록 구성된 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성되고, 다른 부분적 광 차단층은 다른 도파로가 디스플레이하도록 구성된 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 다른 도파로는 도파로와 다른 광의 파장을 디스플레이하도록 구성되고, 부분적 광 차단층은 도파로 및 다른 도파로의 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 도파로는 제 1 도파로이고, 디스플레이 디바이스는 제 2 도파로 및 제 3 도파로를 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 제 1 도파로, 제 2 도파로, 및 제 3 도파로는 광의 상이한 파장을 디스플레이하도록 각각 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 제 1 부분적 광 차단층이고 디스플레이 디바이스는 제 2 부분적 광 차단층 및 제 3 부분적 광 차단층을 포함하며, 제 1 부분적 광 차단층은 제 1 도파로가 디스플레이하도록 구성된 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성되고, 제 2 부분적 광 차단층은 제 2 도파로가 디스플레이하도록 구성된 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성되며, 제 3 부분적 광 차단층은 제 3 도파로가 디스플레이하도록 구성된 광의 파장에 대응하는 광의 파장을 차단하도록 구성된다.
더 다양한 실시형태에서, 제 2 도파로는 제 1 도파로 및 제 2 도파로 사이에 배치된다.
더 다양한 실시형태에서, 제 2 부분적 광은 제 2 도파로의 상단면 상에 형성된다.
더 다양한 실시형태에서, 제 2 부분적 광 차단층은 제 1 도파로 상에 배치된 모재 상에 형성된다.
더 다양한 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는 모재 및 제 1 도파로 사이에 배치되어 모재 및 제 1 도파로 사이에 공극을 형성하는 스페이서를 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 모재는 보호층을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 아웃-커플링 광학 요소와 중첩하고인-커플링 광학 요소와 중첩하지 않는다.
더 나아가, 다양한 실시형태는, 본 명세서 전체에서 설명되는 디스플레이 디바이스; 및 광을 포함하는 이미지를 인-커플링 광학 요소를 향하여 투영하도록 구성된 프로젝터를 포함하는 증강현실 또는 혼합 현실 헤드-착용 디스플레이 디바이스에 직결된다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 액정 폴리머 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 아웃-커플링 광학 요소와 나란한 주된 k-벡터와 정렬된 선형 편광자를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 아웃 커플링 광학 요소에 의해서 사용자를 향해서 아웃-커플링된 이미지 광과 이위상(out of phase)이 되도록 광이 위상 스크램블러(phase scrambler)에 의해서 도파로 내로 되지향되게 하는 위상 스크램블러를 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 부분적 광 차단층은 미세루버(microlouver) 필름을 포함한다.
더 나아가, 다양한 실시형태는 홍목 광(eye glow light)을 억제하는 방법으로서,
이미지 변조된 광의 소스,
사용자의 눈에 근접한 내부 반사면 및 내부 반사면 위에 위치된 외부 반사면을 가지는 도파로 - 상기 도파로는 인-커플링 광학 요소 및 아웃-커플링 광학 요소를 지지함 - 및
상기 외부 반사면 위의 부분적 광 차단층을 제공하는 단계;
이미지 변조된 광의 소스로부터의 이미지 변조된 광을 도파로 내에 커플링하는 단계;
아웃-커플링 광학 요소를 사용하여 도파로를 벗어나 사용자에게 향하는, 시청을 위한 이미지 변조된 광을 추출하는 단계; 및
오프-브래그(off-Bragg) 이미지 변조된 광이 외면을 통하여 홍목 광으로서 도파로를 떠나는 것을 부분적 광 차단층을 사용하여 차단하는 단계를 포함하는 방법에 직결된다.
다양한 실시형태들에서, 오프-브래그 이미지 변조된 광을 차단하는 것은 오프-브래그 이미지 변조된 광을 흡수하는 것을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 오프-브래그 이미지 변조된 광을 차단하는 것은 오프-브래그 이미지 변조된 광을 사용자를 향하여 편향시키는 것을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 오프-브래그 이미지 변조된 광을 차단하는 것은 오프-브래그 이미지 변조된 광을 비-가시 방사선으로 변환하는 것을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 오프-브래그 이미지 변조된 광을 차단하는 것은 오프-브래그 이미지 변조된 광을 환경에 진입하지 않는 경로 내로 회절시키는 것을 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 이러한 방법은 회절된 오프-브래그 이미지 변조된 광을 흡수하는 단계를 더 포함한다.
더 다양한 실시형태에서, 이러한 방법은 회절된 오프-브래그 이미지 변조된 광을 감쇠하는 단계를 더 포함한다.
상세한 설명은 후속하는 도면을 참조하여 더 완전하게 이해될 것인데, 이들은 본 발명의 예시적인 실시형태로서 제공된 것이고, 본 발명의 범위를 완전하게 진술하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도 1a는 홍목현상을 본 발명의 일 실시형태에 따른 오프-브래그 상호작용의 산물로서 개념적으로 예시한다.
도 1b는 홍목현상을 본 발명의 일 실시형태에 따른 프레넬 반사의 산물로서 개념적으로 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목현상 억제층으로서 회절 요소를 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목현상 억제층 내에 회절 요소를 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 투과성 회절 요소를 포함하는 홍목현상 억제층의 일 예를 예시한다.
도 3c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반사성 회절 요소를 포함하는 홍목현상 억제층의 일 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목 억제 구조체로서 반사 격자를 포함한 도파로 디스플레이를 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 홍목 억제를 위한 표면 양각 격자(relief grating)를 구현하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라서 홍목현상을 억제하기 위해서 별개의 모재 상에 배치된 반사 격자를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이색성 반사체 코팅을 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 11a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이색성 필터를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 단면도를 예시한다.
도 11b는 도 11a에 예시된 도파로-기반 디스플레이의 개략적인 평면도이다.
도 1a는 홍목현상을 본 발명의 일 실시형태에 따른 오프-브래그 상호작용의 산물로서 개념적으로 예시한다.
도 1b는 홍목현상을 본 발명의 일 실시형태에 따른 프레넬 반사의 산물로서 개념적으로 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목현상 억제층으로서 회절 요소를 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목현상 억제층 내에 회절 요소를 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 투과성 회절 요소를 포함하는 홍목현상 억제층의 일 예를 예시한다.
도 3c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반사성 회절 요소를 포함하는 홍목현상 억제층의 일 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목 억제 구조체로서 반사 격자를 포함한 도파로 디스플레이를 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 홍목 억제를 위한 표면 양각 격자(relief grating)를 구현하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라서 홍목현상을 억제하기 위해서 별개의 모재 상에 배치된 반사 격자를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이색성 반사체 코팅을 포함하는 도파로 디스플레이를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 구조를 예시한다.
도 11a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이색성 필터를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 단면도를 예시한다.
도 11b는 도 11a에 예시된 도파로-기반 디스플레이의 개략적인 평면도이다.
실시형태를 설명하기 위하여, 광학 디자인 및 시각 디스플레이의 기술의 당업자들에게 알려져 있는 광학 기술의 일부 주지된 피쳐들은 본 발명의 기본적인 원리가 가려지지 않게 하기 위해서 생략되거나 단순화되었다. 그렇지 않다고 진술되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향과 관련하여 "축상(on-axis)"이라는 용어는 본 발명과 관련하여 설명되는 광학 컴포넌트의 표면에 법선인 축과 평행한 전파를 가리킨다. 후속하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서, 광, 광선, 빔 및 방향이라는 용어는 직선 궤적에 따른 전자기 방사선의 전파 방향을 표시하기 위하여 상호교환가능하도록 그리고 서로 연관되어 사용될 수 있다. 광 및 조명이라는 용어는 전자기 스펙트럼의 가시광 대역 및 적외선 대역에 관련하여 사용될 수 있다. 후속하는 설명의 일부는 광학 디자인의 기술의 당업자들에게 일반적으로 채용되는 용어를 사용하여 제공될 것이다. 본 명세서에서 사용될 때, 격자라는 용어는 일부 실시형태들에서의 격자들의 세트로 이루어진 격자를 망라할 수 있다. 예시를 위하여, 달리 진술되지 않는 한 도면이 척도에 맞게 도시되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도파로-기반 디스플레이에서, 광은 사용자를 향해서, 그리고 또한 사용자로부터 멀어지게 회절될 수 있다. 홍목현상은 디스플레이 도파로의 전면 페이스(예를 들어 눈으로부터 가장 멀리 있는 도파로 페이스)으로부터 대두되고 눈의 반사면, 도파로 반사면 및 격자의 표면에서 유래하는(누설, 부유 광 회절, 산란, 및 다른 효과에 기인함) 원치 않는 광을 포함할 수 있다. 멀어지게 회절되는 광은 일반적으로 "홍목(eye-glow)"이라고 불리고, 보안, 프라이버시, 및 사회적인 허용가능성에 대한 책임을 부과한다. "홍목"은 사용자의 눈이 디스플레이로부터의 광의 누설에 의해서 초래된 아이 디스플레이(eye display)를 통해서 붉게(glow) 되거나 빛나는(shine) 것처럼 보이는 현상을 가리킬 수 있고, 이것은 일부 사람에게는 불편할 수 있는 심미적 효과를 생성한다. 패션의 의미에서의 사회적인 허용가능성에 관련된 우려 사항에 추가하여, 홍목현상은 홍목에 대해서 명료도(clarity)가 충분하다면 사용자를 바라보는 시청자가 사용자만을 위해서 의도된 투영된 이미지를 볼 수 있게 될 수 있다는 상이한 이슈를 제공할 수 있다. 이와 같이, 홍목현상은 많은 사용자에 대해서 심각한 보안 문제점을 제공할 수 있다. 프레넬 반사 및 오프-브래그 회절을 비한정적으로 포함하는 홍목현상의 많은 소스가 눈-근접(near-eye) 디스플레이에 존재한다
. 이것은 모든 회절형 도파로 솔루션(표면 양각 격자, 볼륨 브래그 격자 등) 및 시-스루(ses-through)를 활용할 수 있는 광 결합기 방법에 대해서 문제가 될 수 있다. 원치 않는 홍목 광을 차단하는 것이 추가하여, 도파로는 관측자가 실세계를 여전히 볼 수 있게 하기 위해서 높은 투과를 유지할 수 있다. 더욱이, 아이 콘택에 대한 필요성이 홍목 광을 차단하면서 고도로 투명한 도파로를 구동한다. 홍목 광을 억제하는 것은 모든 도파로 및 광 결합기의 증강된 현실 또는 혼합 현실 착용가능한 디바이스를 위한 선택적 광 차단 기법일 수 있다. 홍목현상 억제는 자동차 헤드업 디스플레이 또는 우주선 헤드와 같은 도파로 기반 헤드업 디스플레이에도 적용될 수 있다이
도파로 디스플레이로부터 홍목현상을 제거할 때에, 구성하는 도파로 격자들 사이의 밸런스를 이루어서 아이박스 내로의 이미지 광 전파를 최대화하고 임의의 부유 광을 도파로의 전면을 통해서 굴절될 수 있는 경로로부터 멀어지게 디렉팅하는 것이 유익하다. 여기에서, 부유 광은 회절 효율에 기인하여 아이박스 내로 회절되지 않는 임의의 이미지 광, 및 격자 재료 및 격자 불완전성에 의해서 생성되는 헤이즈(haze)를 포함할 수 있다. 도파로의 외면으로부터 대두되는 부유 광은 홍목현상에 기여할 수 있다. 많은 경우에, 부유 광 중 적어도 일부는 도파로의 내면(눈-근접면)을 통해서 도파로로부터 대두될 수 있다. 내부로부터의 광은, 도파로의 전면을 통해서 굴절된다면 어느 정도의 홍목현상을 제공할 수 있는 사용자의 얼굴로부터 산란할 수 있다. 부유 광이 홍목으로서 대두되기 위해서, 이것은 임계 각도보다 작은 각도로 도파로의 외면을 타격할 수 있다. 많은 경우에, 이러한 광이 취하는 광로는 아이박스를 향해서 전파되는 이미지 광에 상대적으로 편광 회전을 가질 수 있다. 많은 실시형태에서, 홍목 광은, 예를 들어, 폴드 격자 및 듀얼 상호작용 격자의 경우에서와 같이 그 안에서 다수의 빔 격자 상호작용이 원치 않는 광 추출을 초래할 수 있는 격자 구역 주위에서 높은 농도를 가질 수 있다.
개시된 홍목 억제 시스템은 아이 박스를 향한 이미지 광의 전파를 보조하거나 교란하지 않으면서 전면으로부터의 부유 광을 우회시킬 수 있는 것에 관하여 장점을 제안할 수 있는 하나 이상의 폴리머 격자 구조체를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 변조 깊이 및 격자 피치를 가지는 브래그 격자로서 구성될 수 있고, 변조 깊이는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 격자 피치보다 크다. 일부 실시형태들에서, 폴리머 격자 구조체는 라만-나스 회절 레짐 내에서 작동하는 라만-나스 격자(Raman-Nath grating)로서 구성될 수 있다. 라만-나스 격자는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 격자 피치보다 적은 변조 깊이를 가질 수 있다. 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 S 편광광 및 P 편광광의 규정된 밸런스를 높은 효율로 인커플링하도록 구성될 수 있다.
많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 도파로의 규정된 부분에 걸쳐서 브래그 격자의 속성을 가지고, 도파로의 다른 부분에 걸쳐서 라만-나스 격자의 속성을 가질 수 있다. 많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 홍목 억제를 위해서 전체적으로 브래그 레짐 내에서 또는 전체적으로 라만-나스 레짐 내에서 기능성으로 동작할 수도 있다. 높은 회절 효율 및 편광 선택도가 유익한 경우에는 브래그 격자가 사용될 수 있다. 브래그 격자는, 흔히 편광 회전과 연관되는 폴드 격자 구역과 중첩할 수 있다. 예를 들어 부유 광을 도파로의 에지 근처에 배치된 흡수체 또는 다른 타입의 광 포획 피쳐를 향해서 지향시키기 위해서 큰 각도에서의 동작이 유익한 경우에는 라만-나스 격자가 유익할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 도파로 아키텍처는 애플리케이션에 따라서 별개로 또는 공동으로 사용될 수 있는 다양한 상이한 방법을 사용하여 홍목현상을 완화 또는 억제할 수 있다. 이제 도면으로 돌아가면, 홍목현상의 문제점을 더 잘 예시하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 도파로 디스플레이 내의 홍목현상의 소스를 예시하는 다이어그램이 도 1a에 개념적으로 예시된다. 도파로(100)는 두 개의 모재들(111, 112) 사이에 샌드위치된 하나 이상의 홀로그램 격자를 포함하는 격자층(110)을 포함한다.
도파로(100)의 영역(120)은 도파로 디스플레이의 의도된 동작을 예시한다. 많은 실시형태에서, 홀로그램 격자는 브래그 회절을 겪은 빔을 도파로 디스플레이의 눈쪽을 향해 회절시키도록 설계된다. 도시된 바와 같이, 도파로(100) 내의 TIR 경로 안에서 이동하는 빔(122)은 격자층(110) 내의 격자와의 상호작용시에 미리 결정된 각도 θ2에서 도파로(100)의 눈쪽을 향한 홀로그램 격자로 회절되고 시청자의 눈(113)을 향해서 계속 통과한다. 일부 실시형태들에서, 광은 눈쪽으로 그리고 눈쪽으로부터 멀어지게 회절될 수 있다. 멀어지게 회절되는 광은 일반적으로 "홍목(eye-glow)"이라고 불리고, 보안, 프라이버시, 및 사회적인 허용가능성에 대한 책임을 부과한다. 도파로(100)의 영역(130)은 오프-브래그 상호작용을 예시하고, 이것은 많은 도파로 디스플레이에서의 홍목 현상의 실질적인 소스이다. 입사 빔(132)은 격자층(110) 내의 격자와의 오프-브래그 상호작용에 기인하여 약하게 회절되고, 빔(132)의 일부가 홍목 빔(134)으로서 미리 결정된 각도 θ1으로 회절되게 하며, 이것은 도파로(100)의 눈쪽에 반대편인 쪽(또는 환경 측 - 즉, 출력측의 반대편 측면)으로 지나간다. 이러한 홍목 빔은 외부 관측자가 바라볼 때 홍목현상으로서 보일 수 있다. "눈쪽"이 본 명세서에서 의도된 회절 방향을 설명하기 위해서 사용되지만, 오프-브래그 상호작용이 눈 위에 착용되도록 설계되지 않은 광학 시스템에 대해서 이슈를 부과할 수 있고, 따라서 본 명세서에서 설명되는 아키텍처는 유사한 이슈를 겪는 임의의 광학 시스템에 쉽게 적용될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 수 있다. 예를 들어, 센서 내에서, 오프-브래그 광로는 센서의 신호 대 잡음 비를 감소시킬 수 있는 부유 광로를 초래할 수 있다. 홍목현상은 적외선 도파로에서도 역시 이슈가 될 수 있다. 예를 들어, 눈 추적기 내의 오프-브래그 경로는 검출가능한 적외선 방출을 초래할 수 있다.
홍목현상 및 의도된 동작이 도파로(100)의 별개의 위치에서 일어나는 것으로 도시되지만, 홍목현상 및 의도된 동작이 디바이스의 아키텍처에 의존하여 사실상 도파로 디스플레이 전체에 걸쳐서 동시에 발생할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 홍목현상에 대한 중요한 기여자(contributor)가 도 1a에 도시되지만, 다른 인자도 홍목현상에 기여할 수 있다는 것이 고찰된다. 예를 들어, 도파로 디스플레이의 눈쪽에서의 표면 인터페이스 상의 프레넬 반사도 홍목현상을 초래할 수 있다. 일부 경우에, 사용자의 눈의 표면에서 역시 일어날 수 있는 표면, 또는 도파로에 진입하고 도파로 박으로 회절되는 태양 조명이 홍목현상에 기여할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서 홍목현상을 초래하는 반사의 예가 도 1b에서 개념적으로 예시된다. 도시된 바와 같이, 사용자의 눈을 향해서 회절된 빔은 프레넬 반사를 나타내는, 표면 인터페이스에서 되반사된 부분을 가질 수 있다. 반사된 빔(140a)은 도파로를 통해서 이동하고, 홍목 빔으로서 도파로의 환경측에서 빠져나갈 수 있다. 반사된 빔(140b)은 격자층(110)에 의해서도 생성될 수 있다. 도 1a 및 도 1b가 전체적인 광선 경로 및 상호작용을 예시하고, 도파로형(waveguiding) 광학기의 속성을 전체적으로 보여주지 않을 수도 있다는 것에 주의하여야 한다. 예를 들어, 비-수직 각도에서 도파로를 빠져나가고 도파로에 진입하는 광선은 도파로의 표면에서의 각도의 굴절성 변화(refractive change)를 초래할 수 있다. 홍목현상의 상이한 소스를 이렇게 이해한 상태로, 제안된 그 외의 홍목 억제 구조체가 더 상세하게 후술된다.
홍목억제 구조체
본 발명의 다양한 실시형태에 따라서 홍목현상을 억제하기 위한 아키텍처는 홍목 빔을 반사 및/또는 재지향시킴으로써 홍목현상의 원인을 완화시키려고 시도한다. 홍목 억제 구조체는 동일한 디스플레이 시스템 내에 여러 번 도입될 수 있고, 그 특정한 구성은 특정 시스템에 기반할 수 있다. 예를 들어, 다수의 상이한 도파로를 사용하는(예를 들어 상이한 파장 및/또는 각도 대역에 대하여) 시스템에서는, 다수의 홍목 억제 구조체가 전체 시스템 내에 포함될 수 있다. 다수의 실시형태에서는, 다수의 도파로로부터의 홍목 빔을 완화시키는 단일 홍목 억제 구조체가 포함될 수 있다. 원치 않는 홍목 광을 차단하는 것에 추가하여, 도파로는 사용자가 실세계를 볼 수 있게 하기 위한 높은 투과를 가진다. 따라서, 홍목 광을 동시에 차단하는 고도로 투명한 도파로가 유리하다. 홍목 광을 억제하는 것은 모든 도파로 및 광 결합기 AR/XR 웨어러블에 대한 선택적 광 차단 기법일 수 있다.
많은 실시형태에서, 적어도 하나의 반사 격자와 같은 회절 요소가 도파로 디스플레이 내의 홍목현상의 실질적 부분을 억제하기 위해서 구현될 수 있다. 다층 도파로 디스플레이 시스템에서는, 이러한 반사 격자 중 적어도 하나를 가지는 격자층이 각각의 도파로층에 대해서 구현될 수 있다. 반사 격자는 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 반사 격자는 이차 도파로 내의 격자층 내에 있는 홀로그램 격자(holographic grating)로서 구현된다. 이러한 이차 반사 도파로는 베이스 도파로 근처에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 두 개의 도파로의 모재들은 그 안에서 광이 전파될 수 있는 단일 TIR 구조체를 제공하도록 인덱스-매칭될 수 있다. 여러 실시형태에서, 반사 도파로 및 베이스 도파로는 그들 사이에 공극을 가지고 구성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 반사 격자는 환경측을 바라보는 모재에 인접하고 그리고 베이스 도파로의 격자층의 반대쪽에 배치된 격자층 내에 구현된다. 이러한 경우에, 도파로 디스플레이는 교번하고 두 개의 격자층과 인터리빙하는 세 개의 격자층을 포함하고, 단일 TIR 구조체를 형성할 수 있다. 반사 격자는 표면 양각 격자로서도 구현될 수 있다. 예를 들어, 표면 반사 격자는 도파로의 환경측의 표면 상에 구현될 수 있다.
전술된 바와 같이, 다층 도파로 디스플레이 내의 각각의 도파로층은 홍목현상을 억제하기 위한 반사 격자, 또는 반사 격자층을 포함할 수 있다. 애플리케이션에 의존하여, 반사 격자는 미리 결정된 파장 및/또는 각도 대역을 반사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 3층 RGB 도파로 디스플레이 시스템에서는, R, G, 및 B 계층들 각각이 해당 층에 대응하는 스펙트럼 파장 대역을 반사하도록 구성된 반사 격자, 또는 반사 격자층을 가지고 구현될 수 있다(즉, 적색 광을 반사하도록 설계된 반사 격자는 도파로 디스플레이의 R 층에 대해서 구현될 수 있음). 여러 실시형태에서, 반사 격자들은 다중화될 수 있다. 여러 실시형태에서, 반사 격자(들)는 도파로 디스플레이의 레이크(rake) 각도에 부합하는 격자 벡터를 가지고 기록되거나 형성될 수 있다.
반사 격자에 추가하거나 그 대신에, 홍목현상을 억제하기 위해서 필터가 활용될 수 있다. 예를 들어, 이색성 반사체 또는 유전체 미러(예를 들어 유전체 반사체)가 도파로의 환경측의 표면 상에 적용 및 구현될 수 있다. 전술된 구성과 유사하게, 다층 도파로 디스플레이 시스템은 각각의 도파로층에 대한 이색성 반사체를 포함할 수 있고, 각각의 이색성 반사체는 개별적인 도파로층에 대응하는 특정 파장 및/또는 각도 대역을 반사하도록 구성된다. 많은 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 추가적인 보호층을 포함한다. 이러한 경우에, 구현하기 위해 소망되는 이색성 반사체들 중 하나는 보호층 위에 통합될 수 있다.
홍목현상을 억제하기 위한 다른 방법은 양자점을 사용하는 것을 포함하는데, 이러한 구조체는 제 1 파장의 광을 흡수하고 제 2 파장의 광을 방출할 수 있다. 많은 실시형태에서, 양자점은 도파로의 환경측에 인접한 모재 내에 통합될 수 있다. 양자점은 이것이 안에 포함된 특정 도파로층에 대응하는 광의 특정한 파장을 흡수하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적색 광원에 대응하는 적색의 특정 파장을 흡수하도록 구성된 양자점은 적색 도파로층의 모재 내에 통합될 수 있다. 양자점은 미리 결정된 파장 대역(예를 들어 적외선)으로 천이된 광을 방출하여, 홍목현상이 억제되게 하도록 더 구성될 수 있다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 홍목현상을 억제하기 위한 여러 방법 및 구조체가 본 발명의 다양한 실시형태에 따라서 적합한 경우에 구현될 수 있다. 구현될 특정한 구성은 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 많은 경우에, 이용되는 방법 및 구조체를 선택하는 것은 비한정적으로 시-스루 투과, 억제 성능, 비용 등을 포함하는 여러 인자들 사이의 밸런스를 포함할 수 있다. 더 나아가, 위에서 언급된 바와 같이, 눈쪽 인터페이스와 상호작용하는 광선은 프레넬 반사에 기인하여 반사될 수 있고, 결과적으로 홍목현상을 초래한다. 많은 실시형태에서, 프레넬 반사에 기인한 홍목 광선은 도파로의 눈쪽 표면에 있는 반사방지 코팅을 사용하여 거의(또는 완전히) 완화될 수 있다. 광학 구조체, 홍목 억제 구조체, 및 관련된 구현 및 적용 방법이 차례대로 후술된다.
광학 도파로 및 격자 구조체
도파로 내에 기록된 광학 구조체는 많은 상이한 타입의 광학 요소, 예컨대 비한정적으로 회절 격자를 포함할 수 있다. 격자는 광의 다양한 광학 기능, 광의 지향, 및 광의 투과 방지를 비한정적으로 포함하는 다양한 광학 기능을 수행하도록 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 격자는 도파로의 외면 위에 상주하는 표면 양각 격자이다. 다른 실시형태들에서, 격자는 브래그 격자(또한 볼륨 격자라고도 불림)인데, 이들은 주기적인 굴절률 변조를 가지는 구조체이다. 브래그 격자는 다양한 상이한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 하나의 프로세스는 주기적인 구조체를 형성하기 위한 홀로그램의 광중합체 재료의 간섭성 노광을 포함한다. 브래그 격자는 광이 높은 차수로 거의 회절되지 않아서 높은 효율을 가질 수 있다. 회절 차수 및 제로 차수에서의 광의 상대량은 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변할 수 있다; 이것은 큰 퓨필에 걸쳐서 광을 추출하기 위한 손실형(lossy) 도파로 격자를 제조하기 위하여 사용될 수 있는 속성이다.
홀로그램 도파로 디바이스 내에서 사용되는 브래그 격자의 하나의 클래스는 스위칭가능 브래그 격자("SBG(Switchable Bragg Grating)")이다. SBG는 우선 광경화성 단위체 및 액정 재료의 혼합물의 박막을 모재들 사이에 배치함으로써 제조될 수 있다. 모재들은 다양한 타입의 재료, 예컨대 유리 및 플라스틱으로 제조될 수 있다. 많은 경우에, 모재는 평행한 구성이다. 다른 실시형태들에서, 모재는 웨지 형상을 형성한다. 하나 또는 양자 모두의 모재는 통상적으로 투명한 주석 산화물 필름인 전극을, 이러한 필름에 걸쳐서 전기장을 인가하기 위하여 지지할 수 있다. SBG 내의 격자 구조체는 공간 주기성 세기 변조가 있는 간섭성(interferential) 노광을 사용하는 광경화-유도된 상 분리를 통해서 액상 재료(흔히 시럽이라고 불림) 내에 기록될 수 있다. 비한정적으로 조사 세기, 혼합물 내의 재료의 성분 부피 분율, 및 노광 온도와 같은 인자들이 결과적으로 얻어지는 격자 형상(morphology) 및 성능을 결정할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 매우 다양한 재료 및 혼합물이 사용될 수 있다. 많은 실시형태에서는 HPDLC 재료가 사용된다. 기록 프로세스 도중에, 단위체는 중합되고 혼합물은 상 분리를 겪는다. LC 분자는 모여서, 광 파장의 스케일에서 폴리머 네트워크 내에 주기적으로 분포되는 이산 또는 응집된(coalesced) 액적을 형성한다. 교번하는 액정-풍부 및 액정-결핍 영역이 격자의 무늬 평면을 형성하고, 이것이 액적 내의 LC 분자의 배향 정렬(ordering)로부터 결과적으로 얻어지는 강한 광학 편광을 가지는 브래그 회절을 생성할 수 있다.
결과적으로 얻어지는 볼륨 상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있고, 이것은 필름에 걸쳐서 인가되는 전기장의 크기에 의해서 제어될 수 있다. 전기장이 투명 전극을 통하여 격자에 인가되면, LC 액적의 자연적인 배향이 변할 수 있어서, 무늬의 굴절률 변조가 더 낮아지게 하고 홀로그램 회절 효율이 매우 낮은 레벨로 떨어지게 한다. 통상적으로, 전극은 인가된 전기장이 모재에 수직이 되도록 구성된다. 여러 실시형태에서, 전극은 인듐 주석 산화물("ITO")로 제작된다. 전기장이 인가되지 않는 오프 상태에서, 액정의 특이 축(extraordinary axis)은 대체적으로 무늬에 수직으로 정렬된다. 따라서, 격자는 P-편광광에 대해서 높은 굴절률 변조 및 높은 회절 효율을 보여준다. 전기장이 HPDLC에 인가되면, 격자는 액정 분자의 특이 축들이 인가된 필드와 나란하게, 즉 모재에 수직으로 정렬하는 ON 상태로 스위칭된다. ON 상태에서, 격자는 S- 및 P-편광광 양자 모두에 대해서 더 낮은 굴절률 변조 및 더 낮은 회절 효율을 나타낸다. 따라서, 격자 영역은 광을 더 이상 회절시키지 않는다. 각각의 격자 영역은, 예를 들어 HPDLC 디바이스의 기능에 따르는 픽셀 매트릭스와 같은 다수의 격자 요소로 분할될 수 있다. 통상적으로, 하나의 모재 표면 상의 전극은 균일하고 연속적인 반면, 상반된 모재 표면 상의 전극은 다수의 선택적으로 스위칭가능한 격자 요소에 따라서 패터닝된다.
통상적으로, SBG 요소는 30 μs 내에 클리어 상태로 스위칭되고, 스위치 ON까지 이완 시간이 더 길다. 디바이스의 회절 효율은 인가된 전압을 이용하여 연속적인 범위에 걸쳐 조절될 수 있다. 많은 경우에, 디바이스는 전압이 인가되지 않으면 100%에 가까운 효율을 보이고, 인가된 전압이 충분히 높으면 본질적으로 제로 효율을 나타낸다. 특정 타입의 HPDLC 디바이스 내에서는, LC 배향을 제어하기 위하여 자기장이 사용될 수 있다. 일부 HPDLC 애플리케이션에서, 폴리머로부터의 LC 재료의 상 분리는 구별가능한 액적 구조체가 결과적으로 나타나지 않게 하는 정도로 달성될 수 있다. 또한, SBG는 수동 격자로서 사용될 수도 있다. 이러한 모드에서, 이것의 주된 이점은 고유하게 높은 굴절률 변조이다. SBG는 자유 공간 애플리케이션에 대하여 투과 또는 반사 격자를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. SBG는, HPDLC가 도파로에 가까이 도파로 코어 또는 에버네슨트하게(evanescently) 커플링된 층을 형성하는 도파로 디바이스로서 구현될 수 있다. HPDLC 셀을 형성하기 위하여 사용된 모재는 내부 전반사("TIR") 광 유도 구조체를 제공한다. 스위칭가능 격자가 광을 TIR 조건을 넘는 각도로 회절시키면, 광은 SBG를 벗어나게 커플링된다.
일부 실시형태들에서, LC는 SBG로부터 추출되거나 소개되어 소개된 브래그 격자(evacuated Bragg grating; EBG)를 제공할 수 있다. EBG는 SRG 구조체의 깊이(이것은 SRG를 제작하기 위해서 일반적으로 사용되는 표면 에칭 및 그 외의 종래의 프로세스를 사용하여 실용적으로 달성가능한 것보다 훨씬 큼)에 기인하여 브래그 격자와 매우 유사한 속성을 가지는 표면 양각 격자(SRG)로서 특징지어질 수 있다. LC는 이소프로필 알코올 및 용매를 가지고 플러싱(flushing)하는 것을 포함하지만 이들로 한정되는 것은 아닌 다양한 상이한 방법을 사용하여 추출될 수 있다. 많은 실시형태에서, SBG의 투명 모재 중 하나는 제거되고, LC가 추출된다. 추가적인 실시형태에서, 제거된 모재는 교체된다. SRG는 더 높은 또는 더 낮은 굴절률의 재료로 적어도 부분적으로 뒤채움될 수 있다. 이러한 격자는 효율, 각도/스펙트럼 응답, 편광, 및 다른 속성을 다양한 도파로 애플리케이션에 맞도록 맞춤화하기 위한 범위를 제공한다. EBG 및 EBG를 제조하기 위한 방법의 예들이, 발명의 명칭이 "Evacuating Bragg Gratings and Methods of Manufacturing"이고 2020 년 8 월 28 일에 출원되며 그 전체가 원용에 의해 본원에 통합되는 US 특허 공개 번호 제 2021/0063634에서 논의된다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도파로는 특정한 목적 및 기능을 위해서 설계된 다양한 격자 구성을 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파로는 시준 광학 시스템의 출사 퓨필을 실효적으로 확장시킴으로써 렌즈 크기를 줄이면서 아이박스 크기를 보존할 수 있는 격자 구성을 구현하도록 설계된다. 출사 퓨필은 이러한 가상 애퍼쳐를 통과하는 광선만이 사용자의 눈에 진입할 수 있는 가상 애퍼쳐로서 규정될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도파로는 광원에 광학적으로 커플링된 입력 격자, 제 1 방향 빔 확장을 제공하기 위한 폴드 격자, 및 빔 확장을 통상적으로 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 제공하고 아이박스에 빔 추출을 제공하기 위한 출력 격자를 포함한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 격자 구조로 구현된 도파로 아키텍처는 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 달라질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 격자 구성은 다수의 폴드 격자를 포함한다. 여러 실시형태에서, 격자 구성은 입력 격자 및 빔 확장 및 빔 추출을 동시에 수행하기 위한 제 2 격자를 포함한다. 제 2 격자는 가시 범위의 상이한 부분을 전파시키기 위한, 별개의 중첩하는 격자층들 내에 배치되거나 단일 격자층 내에 다중화되는 상이한 처방(prescription)의 격자들을 포함할 수 있다. 더욱이, 다양한 타입 격자 및 도파로 아키텍처가 사용될 수도 있다.
여러 실시형태에서, 각각의 계층 내의 격자는 상이한 스펙트럼 및/또는 각도 응답을 가지도록 설계된다. 예를 들어, 많은 실시형태에서, 상이한 격자층에 걸쳐 있는 상이한 격자들이 중첩되거나 다중화되어 스펙트럼 대역폭이 증가되게 한다. 일부 실시형태들에서, 풀 컬러 도파로는 상이한 스펙트럼 대역(적색, 녹색, 및 청색)에서 동작하도록 각각 설계된 세 개의 격자층을 사용하여 구현된다. 다른 실시형태들에서, 풀 컬러 도파로는 두 개의 격자층인, 적색-녹색 격자층 및 녹색-청색 격자층을 사용하여 구현된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 기법은 도파로의 각도 대역폭 동작을 증가시키기 위해서 유사하게 구현될 수 있다. 상이한 격자층들에 걸친 격자의 다중화에 추가하여, 여러 개의 격자들이 단일 격자층 내에 다중화될 수 있다 - 즉, 다수의 격자가 동일한 볼륨 내에 중첩될 수 있다. 여러 실시형태에서, 도파로는 동일한 볼륨 내에 다중화된 두 개 이상의 격자 처방을 가지는 적어도 하나의 격자층을 포함한다. 추가적인 실시형태에서, 도파로는 두 개의 격자층을 포함하고, 각각의 층은 동일한 볼륨 내에 다중화된 두 개의 격자 처방을 가진다. 두 개 이상의 격자 처방을 동일한 볼륨 내에서 다중화하는 것은 다양한 제작 기법을 사용하여 달성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 다중화된 격자를 형성하기 위한 노광 구성을 가지는 다중화된 마스터 격자가 활용된다. 많은 실시형태에서, 다중화된 격자는 광학 기록 재료층을 노광 광의 두 개 이상의 구성으로 순차적으로 노광함으로써 제작되는데, 각각의 구성은 격자 처방을 형성하도록 설계된다. 일부 실시형태에서, 다중화된 격자는 광학 기록 재료층을 노광 광의 두 개 이상의 구성들 사이에서 교번함으로써 노광하여 제작되는데, 각각의 구성은 격자 처방을 형성하도록 설계된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 당업계에 잘 알려져 있는 것을 포함하는 다양한 기법이 다중화된 격자를 제작하기 위해서 적합한 경우에 사용될 수 있다.
많은 실시형태에서, 도파로는: 각도 다중화된 격자, 색상 다중화된 격자, 폴드 격자, 이중 상호작용 격자, 롤드 K-벡터 격자, 크로스드(crossed) 폴드 격자, 테셀레이션된 격자, 처프드(chirped) 격자, 공간적으로 변동하는 굴절률 변조가 있는 격자, 공간적으로 변동하는 격자 두께를 가지는 격자, 공간적으로 변동하는 평균 굴절률을 가지는 격자, 공간적으로 변동하는 굴절률 변조 텐서를 가지는 격자, 및 공간적으로 변동하는 평균화 굴절률 텐서를 가지는 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도파로는: 하프 파 플레이트, 쿼터 파 플레이트, 반사방지 코팅, 빔분할 층, 정렬 층, 글래어 감소를 위한 광변색 백업층(photochromic back layer), 및 글레어 감소를 위한 루버 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 도파로는 상이한 편광에 대한 별개의 광로를 제공하는 격자들을 지지할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 도파로는 상이한 스펙트럼 대역폭에 대한 개별 광로를 제공하는 격자를 지지할 수 있다. 여러 실시형태에서, 격자는 HPDLC 격자, HPDLC 내에 기록된 스위칭 격자(예컨대, 스위칭가능 브래그 격자), 홀로그램 광중합체 내에 기록된 브래그 격자, 또는 표면 양각 격자일 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파로는 흑백 대역에서 동작한다. 일부 실시형태들에서, 도파로는 녹색 대역에서 동작한다. 여러 실시형태에서, 적색, 녹색, 및 청색(RGB)과 같은 상이한 스펙트럼 대역에서 동작하는 도파로층은 적층되어 3층 도파로형(waveguiding) 구조체를 제공할 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 층들은 도파로층들 사이에 공극을 가지고 적층된다. 다양한 실시형태들에서, 도파로층은 청색-녹색 및 녹색-적색과 같은 더 넓은 대역에서 동작하여 2-도파로층 솔루션을 제공한다. 다른 실시형태들에서, 격자들은 색상이 다중화되어 격자층의 개수를 줄인다. 다양한 타입의 격자들이 구현될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 각각의 층 내의 적어도 하나의 격자는 스위칭가능 격자이다.
위에서 논의된 것과 같은 광학 구조체를 포함하는 도파로가 도파로 디스플레이를 비한정적으로 포함하는 다양한 상이한 애플리케이션에서 구현될 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 도파로 디스플레이는 10 mm보다 큰 아이박스 및 25 mm보다 큰 눈 양각(eye relief)을 가지고 구현된다. 일부 실시형태들에서, 도파로 디스플레이는 2.0 - 5.0 mm 사이의 두께를 가지는 도파로를 포함한다. 많은 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 적어도 50° 대각선의 이미지 가시 범위를 제공할 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 적어도 70° 대각선의 이미지 가시 범위를 제공할 수 있다. 도파로 디스플레이는 많은 상이한 타입의 픽쳐 생성 유닛(picture generation unit; PGU)을 채용할 수 있다. 여러 실시형태에서, PGU는 액정 온 실리콘(LCoS) 패널 또는 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 패널과 같은 반사성 또는 투과성 공간 광 변조기일 수 있다. 여러 실시형태에서, PGU는 유기 발광 다이오드(OLED) 패널과 같은 방출형 디바이스일 수 있다. 일부 실시형태들에서, OLED 디스플레이 느 4000 니트(nits)보다 큰 휘도 및 4kx4k 픽셀의 분해능을 가질 수 있다. 여러 실시형태에서, 도파로 10%보다 큰 광학 효율을 가질 수 있어서, 400 니트보다 큰 이미지 휘도가 휘도 4000 니트의 OLED 디스플레이를 사용하여 제공될 수 있게 한다. P-회절 격자(즉, P-편광광에 대해서 높은 효율을 가지는 격자)를 구현하는 도파로는 통상적으로 5% - 6.2%의 도파로 효율을 가진다. P-회절 또는 S-회절 격자가 OLED 패널과 같은 무편광된 소스로부터의 광의 절반을 낭비할 수 있기 때문에, 많은 실시형태는 S-회절 및 P-회절 격자 양자 모두를 제공할 수 있어서 도파로의 효율이 두 자리수의 인자까지 증가되게 하는 도파로를 향해서 직결된다. 일부 실시형태들에서, S-회절 및 P-회절 격자는 별개의 중첩하는 격자층들 내에 구현된다. 대안적으로, 특정 조건에서는, 단일 격자가 p-편광광 및 s-편광광 양자 모두에 대해서 높은 효율을 제공할 수 있다. 여러 실시형태에서, 도파로는, 격자 두께의 적절하게 선택된 값(통상적으로, 2 - 5 μm의 범위에 속함)에 대하여 특정 파장 및 각도 범위에 걸쳐서 높은 S 및 P 회절 효율이 가능해지게 하기 위한, 전술된 바와 같은 HPDLC 격자로부터 LC를 추출하여 생성된 브래그-유사 격자를 포함한다. 도파로 기반 디스플레이 디바이스의 예는 발명의 명칭이 "Waveguide Display"이고 2018 년 3 월 30 일에 출원되며 본 명세서에서 그 전체가 원용에 의해 포함되는 US 특허 공개 번호 제 2018/0284440에서 설명된다.
보호층을 포함하는 도파로
도파로 및 도파로 디스플레이는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 보호층을 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파로 또는 도파로 디스플레이는 적어도 하나의 보호층을 포함한다. 추가적인 실시형태에서, 도파로 또는 도파로 디스플레이는 디바이스의 각 측면에 하나씩 두 개의 보호층을 포함한다. 앞선 섹션에서 논의된 바와 같이, 도파로 및 도파로 디스플레이는, 그들의 에어 인터페이스를 통하여 TIR 광 유도 구조체를 제공하는 투명 모재로 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 모재의 에어 인터페이스에 대해 최소의 교란이 존재하도록 보호층이 구현되고 포함될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 보호층은 그 재료 속성 및/또는 도파로 모재 상에 증착하는 방법 덕분에, 비한정적으로 표면 리플, 스크래치, 및 표면의 기하학적 구조가 완벽한 평면성(또는 다른 소망되는 표면의 기하학적 구조)으로부터 벗어나게 하는 다른 불균일성과 같은 모재 내의 표면 결함을 보상할 수 있다. 보호층은 다양한 두께, 기하학적 구조, 및 크기로 구현될 수 있다. 예를 들어, 더 내구성이 높은 도파로를 요구하는 애플리케이션을 위해서는 더 두꺼운 보호층이 활용될 수 있다. 많은 실시형태에서, 보호층은 그것이 포함되는 도파로와 유사하게 크기가 결정되고 성형된다. 만곡형 도파로의 경우, 보호층도 역시 만곡될 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 보호층은 도파로와 유사한 곡률로 만곡된다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 보호층은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 비한정적으로 두께, 형상 및 재료 조성을 포함하는 보호층의 속성은 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 기반하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 보호층은 다양한 애플리케이션에 대한 구조적 지지를 제공하도록 구현될 수 있다. 이러한 경우에, 보호층은, 예컨대 비한정적으로 플라스틱 및 다른 폴리머와 같이 견실한 재료로 제조될 수 있다. 애플리케이션에 따라서는, 보호층은 유리, 실리카, 소다석회 유리, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 및 다른 플라스틱/폴리머로 제조될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 보호층은 도파로의 모재 및 보호층 사이에 공극을 제공하고 유지하기 위한 스페이서를 사용하여 포함될 수 있다. 이러한 스페이서는 앞선 섹션에서 설명된 것들과 유사하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 스페이서 및 아세톤의 서스펜션이 도파로의 외면 상에 분사될 수 있다. 많은 경우에, 서스펜션을 균일하게 분사하는 것이 바람직하다. 아세톤은 기화할 수 있고, 스페이서를 남긴다. 그러면, 보호층(에지에 추가된 아교/접착제/밀봉제/등을 가짐)이 배치되고 스페이서와 접촉되도록 저압으로 진공처리된다. 비록 일부 애플리케이션에서 스페이서가 작은 양을 이동할 수 있지만, 이들은 반데르 발스 힘에 기인하여 대체적으로 제 자리에서 유지된다. 스페이서는 비한정적으로 플라스틱(예를 들어, 다이비닐벤젠(divinylbenzene)), 실리카, 및 도전성 재료를 포함하는 다양한 재료 중 임의의 것으로 제조될 수 있다. 여러 실시형태에서, 스페이서의 재료는 그 굴절률이 도파로 셀 내에서의 광의 전파에 실질적으로 영향을 주지 않도록 선택된다. 스페이서는 비한정적으로 막대 및 구를 포함하는 임의의 적절한 기하학적 구조를 취할 수 있다. 추가적으로, 임의의 적절한 크기의 스페이서가 활용될 수 있다. 예를 들어, 많은 경우에, 스페이서의 크기는 1 내지 30 μm의 범위를 가진다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 활용되는 스페이서의 형상 및 크기는 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 따라서 매우 달라질 수 있다. 일부 경우에, 보호층은 바람직하게는 도파로로부터 더 멀어지게 배치될 수 있다. 이러한 실시형태에서는, 더 큰 크기의 스페이서가 활용될 수 있다.
보호층을 포함시키는 것은 단층 및 다층 도파로를 포함하는 상이한 도파로 구성을 가지고 구현될 수 있다. 예를 들어, 다층 도파로는 외면들 각각에 가까이 배치된 두 개의 보호층을 포함할 수 있다. 도파로를 위한 환경적 격리 및 구조적 지지를 제공하는 것에 추가하여, 보호층은 다양한 다른 애플리케이션을 위해서도 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 보호층은 디밍 및/또는 암화(darkening)를 허용한다. 보호층은 광변색 또는 온도변색 능력을 위한 재료를 포함할 수 있다. 또한, 보호층은 제어가능한 디밍 및/또는 암화를 허용하도록 구성될 수 있다. 여러 실시형태들에서, 보호층은 전기변색 기능을 구현한다. 또한, 보호층은 비한정적으로 반사-방지 코팅 및 흡수 필터를 포함하는 다른 필름을 위한 표면을 제공할 수 있다. 이러한 필름은 외부로부터 광을 관찰하는 것을 피하도록 구현될 수 있다. 많은 경우에, 이러한 필름은 도파로 상에 직접 배치될 수 없을 수 있는데, 이것은 요구된 고온 프로세스 또는 일반적인 도파로화(waveguiding)에 대한 교란에 기인할 수 있다. 여러 실시형태에서, 보호층은 광력(optical power)을 제공한다. 추가적인 실시형태에서, 보호층은 가변의 튜닝가능한 광력을 제공한다. 이러한 초점-튜닝가능 렌즈는 유체 렌즈 또는 SBG를 사용하여 구현될 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 픽쳐 생성 유닛이 구현되고, 도파로 애플리케이션 및 디자인에 의존하여, PGU 및 도파로 사이에 방해받지 않는 광로를 요구할 수 있는데, 이것은 보호층이 입력 빔을 굴절하여 위치 오차를 초래할 수 있기 때문이다. 많은 경우에, 입사 빔은 도파로화 모재에 대해서 소정 각도를 이루는 광선을 포함할 것이다. 이러한 효과는 입사 광선 각도가 증가할수록 악화될 것이다. 굴절되지 않을 입사 빔의 경우에도, 보호층 내에 사용된 재료가 빔의 편광에 영향을 주고 산란을 도입할 수 있기 때문에 여전히 잠재적인 이슈들이 존재한다. 이러한 실시형태에서, 보호층은 보호층과 광로의 간섭을 방지하기 위해서 이에 상응하도록 설계되고 성형될 수 있다.
홍목 억제
a. 회절 요소.
홍목 억제는 회절 요소를 포함할 수 있는 부분적 광 차단층에서 구현될 수 있다. 회절 요소는 반사 격자일 수 있다. 많은 실시형태에서, 홍목현상을 억제하기 위해서 적어도 하나의 반사 격자가 도파로 디스플레이 시스템 내에서 구현되고 활용된다. 그렇지 않으면 탈출했을 홍목 빔을 도파로 내로 되반사하기 위해서, 반사 격자가 도파로 디스플레이의 환경에 도입될 수 있다. 많은 실시형태에서, 이러한 반사는 연관된 아웃-커플링된 광의 각도와 일치하는 각도에서 일어나고, 시청자의 관점으로부터 임의의 왜곡 또는 고스트 이미징을 방지한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목 억제 구조체로서 반사 격자를 포함하는 도파로 디스플레이가 도 2에 개념적으로 예시된다. 도시된 바와 같이, 시스템은 광의인-커플링, 전파, 및 아웃-커플링을 제공하기 위한 격자층(210)을 포함하는 도파로(200)를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 시스템은 적어도 하나의 반사 격자가 있는 격자층(240)을 가지는 제 2 도파로(230)를 포함한다. 반사성 격자층(240)은 전술된 격자와 유사한, 두 개의 모재 사이에 샌드위치된 하나 이상의 홀로그램 격자를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 도파로(200 및 230)의 모재는 인덱스-매칭되어, 그 안에서 광이 전파될 수 있는 단일 TIR 구조체를 형성한다. 영역(250) 내에 도시된 바와 같은 제 1 도파로(200)에 대한 의도된 동작 모드에서, 두 개의 도파로(200, 230) 내의 TIR 경로에서 이동하는 빔(252)은 격자층(210) 내의 격자에 의하여 시청자를 향해서 아웃-커플링된다(254).
이에 반해, 영역(260)은 홍목현상을 초래할 수 있는 오프-브래그 상호작용의 일 예를 예시한다. 이러한 예는 한정하는 것이 아니고, 홍목현상의 다른 원인이 존재하며 도 1a 및 도 1b와 연계하여 전술된다. 도시된 바와 같이, 광선(264)은 광선(262)으로부터 유래하는 격자층(210) 내의 격자와의 오프-브래그 상호작용의 결과이다. 광선(264)은 도파로(200)를 통과하여 격자층(230) 내의 반사 격자 상에 입사하는데, 여기에서 광선(264)의 일부가 제 2 도파로(230) 내로 회절된다. 광 흡수층(270)은 광선(264)을 흡수할 수 있다. 광 흡수층(270)은 회절 요소에 의해서 회절된 홍목 광을 흡수하고, 임의의 외부 광이 광 흡수층(270)을 향하여 회절되는 것을 차단할 수 있다. 광 흡수층(270)은 도파로 디스플레이에 걸쳐서, 옆에 착용된 프로젝터 또는 안경의 흡수 프레임(absorbing frame)이 있는 사용자의 관자놀이를 향하여; 사용자의 코를 향하여; 상하(top-down) 프로젝터 시스템 내에 장착된 프로젝터를 향해 상향으로; 도파로를 홀딩하는 프레임의 에지를 향하여; 그리고 흡수 요소 내의 다른 특정한 위치를 향하여와 같은 많은 장소에 위치될 수 있다. 제 2 도파로(230)는 폴리카보네이트 또는 유리로 제작된 얇은 모재를 포함할 수 있다. 얇은 모재는 소망되는 파장인 작은 양(예를 들어 ~5% 틸트)의 흡수 염료로 도핑될 수 있다. 일부 실시형태들에서, TIR을 통하여, 홍목 광은 모든 광을 효과적으로 흡수하는 제 2 도파로(230)를 통과하는 긴 경로를 가질 수 있다. 환경 광은 제 2 도파로(230)를 통과하는 짧은 경로를 가질 수 있지만, 도파로(230)를 통해 투과되는 동안에 바뀌지 않고 남겨질 수 있다. 많은 실시형태에서, 홍목 광선 중 소부분은 반사 격자층(240) 내의 작은 오차 또는 물리적 제한사항에 기인하여 통과되지 않고, 도파로(230)에 걸쳐서 계속 진행하며, 홍목으로서 나타난다. 그러나, 이러한 광선은 통상적인 완화되지 않은 홍목 광선보다 훨씬 약하다.
비록 도 2가 홍목 억제를 위한 반사 격자를 구현하는 도파로 디스플레이의 특정한 구성을 예시하지만, 다른 많은 구성들이 주어진 애플리케이션의 특정한 요구 사항에 의존하여 적합할 경우에 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 실시형태에서, 반사 격자를 포함하는 도파로는 베이스 도파로와 동일한 크기 및 형상이다. 다른 실시형태들에서, 반사 격자를 포함하는 도파로는 베이스 도파로보다 작고, 베이스 도파로 내의 격자의 미리 결정된 부분을 커버한다. 추가적으로, 반사 도파로들은 베이스 도파로와 접촉하고 있도록 위치될 필요가 없다. 다수의 실시형태에서, 반사 및 베이스 도파로 사이에는 갭이 존재한다. 많은 실시형태에서, 갭은 공기로 채워지지만, 적합한 경우에는 비한정적으로 본 발명의 실시형태의 특정한 애플리케이션의 요구 사항에 인덱스-매칭되는 재료와 같은 임의의 재료로 채워질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른, 공극이 있는 반사 격자 홍목 억제 구조체가 도 3a에 도시된다. 도시된 바와 같이, 반사 격자(240)를 포함하는 도파로(230)는 스페이서 비드(320)의 사용을 통하여 공극을 가지고 베이스 도파로(200)로부터 분리된다. 이러한 실시형태에서, 메인 광선의 TIR 경로가 베이스 도파로(310)로 구속된다.
일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 광을 투과성 회절을 통하여 도파로 내로인-커플링할 수 있는 투과성 회절 요소일 수 있다. 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 투과성 회절 요소와 같은 회절 요소의 일 예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 투과성 회절 요소(240a)는 유입 광(352)을 투과성 회절을 통하여 도파로 내로인-커플링한다. 인-커플링된 광(354)은 도파로를 통해서 내부 전반사로 이동한다. 일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 광을 투과성 회절을 통하여 도파로 내로인-커플링할 수 있는 반사성 회절 요소일 수 있다. 도 3c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 반사성 회절 요소와 같은 회절 요소의 일 예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 반사성 회절 요소(240b)는 유입 광(352)을 반사성 회절을 통하여 도파로 내로인-커플링한다. 인-커플링된 광(354)은 도파로를 통해서 내부 전반사로 이동한다.
일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 폴리머 격자 구조체일 수 있다. 폴리머 격자 구조체는 홍목현상에 기여하는 도파로 구역 및 광로에 의존하여 많은 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 주된 도파로 구역 및 광로는 광선 추적 기법을 사용하여 결정될 수 있다. 많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는, 이것이 빔 확장을 제공하고 및 도파로로부터 광을 추출하기 위한 입력 커플러 및 격자 중 적어도 하나와 적어도 부분적으로 중첩하도록 구성될 수 있다. 반사 격자(240)는 도파로의 외면(도 2 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같음) 및 도파로의 눈-배향면(후술되는 바와 같음) 중 적어도 하나 상에 형성될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 반사 격자(240)가 도파로(200)의 격자층(210)의 일부로서 형성되도록 도파로(200)의 모재들 사이에 형성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)의 일부는 소스로부터의 이미지 변조된 광을 도파로(200) 내의 전반사 내부 경로 내로 커플링하기 위한 입력 커플러로서 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)의 일부는 도파로(200)로부터 광을 아웃커플링하도록 구성된 출력 커플러로서 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)의 일부는 빔 확장기로서 구성된 폴드 격자로서 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 입력 커플러는 격자 또는 프리즘일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 홍목현상 억제 구조체로서 반사 격자를 포함한 도파로 디스플레이를 개략적으로 예시한다. 도 4는 도 2와 유사하게 기능하는, 도 2의 것과 동일하게 라벨링된 많은 요소를 포함한다. 도 2로부터의 설명은 도 4의 도파로 디스플레이에 적용될 수 있고, 이러한 설명은 자세하게 반복되지 않을 것이다. 도시된 바와 같이, 도파로(200)는 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241) 사이에 위치될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241)는 상이한 격자 주기를 가질 수 있다. 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241) 상에 입사하는 홍목에 기여하는 광선은 상이한 소스로부터 유래할 수 있고, 상이한 도파로 광선 경로를 따라 왔을 수 있으며, 따라서 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241)는 이들을 홍목 경로로부터 멀어지게 편향시키기 위한 상이한 회절 처방을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241)는 그들의 주기에 관해서만 다를 수 있는 것이 아니라 상이한 격자 변조를 가질 수도 있는 상이한 처방을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바닥 격자(241)는 바닥 격자(241)의 법선에 대해서 상대적으로 작은 각도인 그 상단면을 통하여 도파로에 진입하는 입사 광(예를 들어 외부 광원에서 유래함을 광 흡수체(270a)를 향하여 훨씬 큰 각도로 산란시키기 위한 처방을 포함할 수 있다.
상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 폴리머 격자 구조체일 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 시스템은 하우징 바닥 격자(241)를 수용하는 도파로(230a)를 포함한다. 바닥 격자(241)는 전술된 격자와 유사한, 두 개의 모재 사이에 샌드위치된 하나 이상의 홀로그램 격자를 포함할 수 있다. 도파로(200 및 231)의 모재는 인덱스-매칭될 수 있어서, 그 안에서 광이 전파될 수 있는 단일 TIR 구조체를 형성한다.
광 흡수층(270a)은 광선(265)을 흡수할 수 있다. 광 흡수층(270a)은 회절 요소에 의해서 회절된 홍목 광(265)을 흡수하고, 임의의 외부 광이 광 흡수층(270a)을 향하여 회절되는 것을 차단할 수 있다. 광 흡수층(270a)은 도파로 디스플레이에 걸쳐서, 옆에 착용된 프로젝터 또는 안경의 흡수 프레임(absorbing frame)이 있는 사용자의 관자놀이를 향하여; 사용자의 코를 향하여; 상하(top-down) 프로젝터 시스템 내에 장착된 프로젝터를 향해 상향으로; 도파로를 홀딩하는 프레임의 에지를 향하여; 그리고 흡수 요소 내의 다른 특정한 위치를 향하여와 같은 많은 장소에 위치될 수 있다. 도파로(231)는 폴리카보네이트 또는 유리로 제작된 얇은 모재를 포함할 수 있다. 얇은 모재는 소망되는 파장인 작은 양(예를 들어 ~5% 틸트)의 흡수 염료로 도핑될 수 있다. 일부 실시형태들에서, TIR을 통하여, 홍목 광은 모든 광을 효과적으로 흡수하는 도파로(231)를 통과하는 긴 경로를 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241)는 브래그 격자 및 라만-나스 격자의 조합일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 일부 구역에 브래그 격자를 그리고 다른 구역에 라만-나스 격자를 포함할 수 있다. 도파로 내에서의 빔- 격자 상호작용의 성질에 의존하여, 입력 격자, 폴드 격자 및 격자들 각각은 브래그 격자 또는 라만-나스 격자와 중첩하는 구역을 가질 수 있다. 많은 실시형태에서, 두 가지 타입의 격자들이 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)에 걸쳐서 산재될 수 있다. 예를 들어, 도파로(200) 내의 폴드 격자는 폴드 격자의 일부 구역 내의 브래그 격자 및 다른 구역 내의 라만-나스 격자에 의해서 중첩될 수 있다. 메인 이미징 격자(예를 들어 입력 격자, 폴드 격자 및 출력 격자) 중 임의의 것은 브래그 격자 구역, 라만-나스 격자 구역 및 무격자를 보유한 구역 중에서 선택된 적어도 하나에 의해서 적어도 부분적으로 커버될 수 있다. 예를 들어, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 브래그 격자 구역, 라만-나스 격자 구역 및/또는 무격자를 보유한 구역을 포함할 수 있고, 이들 각각은 복잡한 광선 경로 및 격자 상호작용에 기인하여 폴드 격자의 부분들과 중첩할 수 있다. 무격자를 보유한 구역은 이들이 이하 설명되는 타입의 홍목현상 억제층을 지지하기 때문에 광 관리에서 역할을 할 수 있다.
도 4가 상단 격자(240) 및 바닥 격자(241) 양자 모두를 예시하지만, 상단 격자(240)만(도 2에 도시된 바와 같음) 또는 바닥 격자(241)만(미도시)을 포함하는 실시형태들도 역시 개시된다. 일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)를 이미지 광을 아이박스를 향해서 전파시키기 위해서 사용되는 도파로(200)로부터 분리시키는 공기를 포함할 수 있는 별개의 모재 상에 형성될 수 있다. 그 예가 도 3a와 연계하여 설명된다.
많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 브래그 격자, 라만-나스 격자, 또는 무격자를 포함하는 구역을 포함할 수 있다. 세 가지 타입의 구역 중 임의의 하나는 입력 격자, 폴드 격자 및 출력 격자 중 적어도 하나를 적어도 부분적으로 커버할 수 있다. 많은 실시형태에서, 광 제어 코팅이 무격자를 포함하는 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)의 구역에 적용될 수 있다. 많은 상이한 타입의 광 제어 코팅이 홍목 관리를 지원하기 위해서 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 광 제어 코팅은, 편광 회전, 편광-선택적 흡수, 편광-선택적 투과, 편광-선택적 회절, 각도-선택적 투과, 각도 선택적 흡수, 반-반사도(anti-reflectivity), 및/또는 규정된 스펙트럼 대역폭 내의 투과로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 기능을 제공할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 광 제어 코팅은 전술된 예시적인 광학 기능의 공간적 변동을 제공할 수 있다.
많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 연속적으로 변동하거나 구간별로 변동하는 경사각에 기반하여 롤드 K-벡터 격자를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 공간적으로 변동하는 피치를 가지는 격자를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 다중화된 격자로서 구성될 수 있다.
많은 실시형태에서, 외부 세계로부터 도파로(200)에 진입하는 광(265)은, 도파로(200)의 상단면(예를 들어 도파로의 세계측)을 통하여 또는 하단면(예를 들어 눈 배향면)을 통하여 도파로(200)에 진입하는 일광 또는 공간 조명을 포함할 수 있다. 홍목현상을 잠재적으로 초래하는 광(265)의 다른 소스는 차량 헤드라이트 및 레이저 소스를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 외부 소스로부터의 광은 도파로를 통해 전파된 이후에 디스플레이의 시청자의 눈으로부터 멀어지게 반사될 수 있다. 많은 실시형태에서, 눈 표면(eye surface)과 같은 해부학적 표면으로부터 멀어지게 반사되는 이미지 광은 홍목현상에 기여할 수 있다. 일부 실시형태에서, 외부 세계로부터 도파로(200)에 진입하는 광은 외부 광원으로부터 제공되고, 도파로(200)의 외면 및/또는 눈-배향면을 통하여 도파로에 진입하며, 이것이 홍목에 기여할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 홀로그램 반사 격자일 수 있다. 홀로그램의 반사 격자는 브래그 격자일 수 있고, 위에서 논의된 바와 같이 홀로그램 노광을 통하여 제조될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 홀로그램 반사 격자는 EBG일 수 있고 위에서 논의된 프로세스에서 제조될 수 있다. EBG는 변조 깊이 및 격자 피치를 포함할 수 있는 브래그 격자일 수 있는 심층 SRG를 생성하는 데에 유용할 수 있고, 여기에서 변조 깊이는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸친 격자 피치보다 크다. 일부 실시형태들에서, EBG는 라만-나스 회절 레짐 내에서 작동하는 라만-나스 격자(Raman-Nath grating)로서 구성될 수 있다. 라만-나스 격자는 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 격자 피치보다 적은 변조 깊이를 가질 수 있다. EBG는 라만-나스 레짐에서 작동하도록 구성된 소개된 주기적 격자(evacuated periodic grating)일 수 있고, 해당 구역 내의 격자 피치보다 작은 변조 깊이를 가질 수 있다. 이러한 격자는 엄격하게 브래그 레짐 내에 있지 않다. 제조 프로세스를 제어함으로써, EBG는 브래그 레짐 내에서 작용하는 구역, 라만-나스 레짐 내에서 작용하는 구역, 및/또는 무격자를 가지는 구역을 포함하는 격자를 제조하는 데에 유용할 수 있다.
많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체 변조 깊이는 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)에 걸쳐서 변할 수 있어서, 그 전체가 원용에 의해 앞선 내용에 포함되는 US 특허 공개 번호 제 2021/0063634에서 논의되는 원리에 따른 공간적으로 변동하는 편광-의존적 회절 효율 특성을 제공한다. 많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체 변조 깊이는 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)에 걸쳐서 변할 수 있어서, 공간적으로 변동하는 각도-의존적 회절 효율 특성 또는 공간적으로 변동하는 편광 의존적 회절 효율 특성을 제공한다. 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)가 EBG를 포함하면, EBG의 공간적, 각도, 또는 편광 회절 효율 특성 중 적어도 하나는 EBG를 규정된 굴절률 및/또는 복굴절의 광학 재료로 뒤채움함으로써 맞춤될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 뒤채움 재료는 복굴절 재료와 같은 등방성 재료일 수 있다. 뒤채움 재료는 상기 폴리머 격자 구조체의 인접한 부분들 사이의 공간의 하단부에 있는 공간을 점유하고, 공기는 상기 뒤채움 재료의 상단면 위로부터 상기 변조 깊이까지의 공간을 점유할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이 대 격자 피치 간극의 비율은 1:1 내지 10:1의 범위 안에 있다. 일부 실시형태에서, 상기 폴리머 격자 구조체의 격자 피치는 0.35μm 내지 1μm이고, 상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 1μm 내지 10 μm이다. 격자 피치는 상기 폴리머 격자 구조체의 회절 피쳐들의 간극일 수 있고, 변조 깊이는 폴리머 격자 구조체의 깊이일 수 있다. 폴리머 격자 구조체는 가시광의 파장보다 큰 변조 깊이를 가질 수 있다.
많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 합성물 구조체를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 포함할 수 있다. 합성물 구조체는 적어도 하나의 타입의 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 폴리머 격자 구조체는 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료의 합성물일 수 있고, 폴리머는 격자가 형성된 이후에 제거된다. 많은 실시형태에서, 적어도 하나의 다른 재료는 나노입자일 수 있다. 많은 실시형태에서, 나노입자는 기능성(functionalized) 나노입자일 수 있다. 나노입자를 포함하는 격자는 발명의 명칭이 "Nanoparticle-Based Holographic Photopolymer Materials and Related Applications"이고 2021 년 7 월 14 일에 출원되며 그 전체가 모든 목적을 위하여 원용에 의해 본 명세서에 포함되는 PCT 출원 번호 에서 설명된다.
일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 2-차원 래티스 구조체 또는 3-차원 래티스 구조체를 포함할 수 있다. 2-차원 래티스 구조체는 2D 광자 결정일 수 있다. 2D 래티스의 일 예는 베이스가 평면 위에 놓여 있는 회절 칼럼(diffracting column)의 어레이일 수 있다. 3-차원 래티스 구조체는 3D 광자 결정일 수 있다. 3D 래티스는 회절형 점-유사 구역을 포함할 수 있다.
많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 광학 재료로 코팅될 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 반사성 광학 재료로 코팅될 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 2.5에 달하는 실효 인덱스를 가지는 코팅으로 적용될 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 제 1 재료로 코팅될 수 있고, 코팅된 격자는 제 1 재료의 굴절률보다 높은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움될 수 있다. 많은 실시형태에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 제 1 재료로 코팅될 수 있고, 코팅된 격자는 제 1 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 인접한 폴리머 회절 피쳐들 사이에 폴리머 회절 피쳐 및 복굴절 재료를 포함하는데, 복굴절 재료는 폴리머 회절 피쳐보다 높은 굴절률을 가진다. 일부 실시형태들에서, 폴리머 회절 피쳐 및 복굴절 재료 사이의 굴절률차는 0.01 내지 0.2이다. 일부 실시형태들에서, 상단 격자(240) 및/또는 바닥 격자(241)는 교번하는 폴리머 구역 및 공극 구역을 포함하고, 상기 폴리머 구역과 상기 공극 구역 사이의 굴절률차는 1.4 내지 1.9의 범위에 속한다. 일부 실시형태들에서, 복굴절 재료는 액정 재료이다.
많은 실시형태에서, 도파로 디스플레이로부터의 홍목현상을 감소시키기 위한 방법은,
a) 이미지 변조된 광의 소스, 도파로, 입력 커플러; 및 빔 확장을 제공하고 광을 상기 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자를 제공하는 단계;
b) 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 상기 격자 피치보다 큰 변조 깊이를 가지는 폴리머 격자 구조체를 제공하는 단계;
c) 이미지 변조된 광을 상기 도파로 내의 내부 전반사 경로 내로 디렉팅하고, 상기 광을 빔 확장하며, 이것을 아이박스를 향하여 추출하는 단계;
d) 상기 도파로 내에서 전파되는 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 굴절되는 광로로부터 멀어지게 디렉팅하는 단계; 및
e) 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키는 단계를 포함한다.
홀로그램 반사 격자에 추가하여, 다른 타입의 구조체가 유사한 효과를 얻기 위해서 활용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 표면 양각 반사 격자일 수 있다.
일부 실시형태들에서, 반사 격자(240)는 도파로의 눈쪽과 반대편인 측면의 표면 위에 바로 에칭될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른, 홍목현상 억제를 위한 표면 양각 격자(relief grating)를 구현하는 도파로 디스플레이가 도 5에서 개념적으로 예시된다. 도파로(400)는 도파로(400)의 환경측의 표면 상에 배치된 격자층(410) 및 표면 양각 반사 격자(420)를 포함한다. 도파로 디스플레이의 의도된 동작을 예시하는 구역(430) 내에서, 도파로(400) 내의 TIR 경로 내에서의 광선(432)은 격자층(410) 내의 출력 격자에 의해서 눈쪽으로 회절된다. 오프-브래그 상호작용을 예시하는 영역(440) 내에서, 광선(442)의 일부가 홍목 광선(444)으로서 도파로(400)의 환경측을 향하여 회절된다. 홍목 광선(444)은 표면 양각 반사 격자(420)에 의해서 눈쪽을 향하여 광선(446)으로서 되반사될 수 있다. 많은 실시형태에서, 광선(446)은 대응하는 정상 출력 광선과 평행하다. 다시 말하건대, 광선(446) 중 일부는 프레넬 반사에 기인하여 표면 양각 반사 격자를 향해 되반사될 수 있지만, 차례대로 표면 양각 반사 격자(420)(미도시)에 의해서 적어도 부분적으로 반사될 수 있다. 광선이 반사 격자(420)를 통과하여 지나가는 것으로 도시되지만, 다수의 실시형태에서는 이러한 현상이 일어나지 않는다. 그러나, 불완전성 및/또는 물리적 제한사항에 기인하여, 그럼에도 불구하고 이것이 발생할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 표면 양각 반사 격자(420)는 메타표면에 의해서 제공될 수 있다. 메타표면은 나노미터-스케일 피치 회절 피쳐를 사용하는 것으로부터 초래된 더 큰 정도의 파면 상 및 진폭 제어가 가능해지게 한다. 브래그 격자와 같은 종래의 회절형 광학 요소는 마이크론 스케일 피치의 회절 피쳐, 즉 가시광 대역 파장의 큰 소부분인 회절 피쳐 피치를 가진다.
표면 양각 반사 격자의 장점은, 이들이 디스플레이 시스템에 큰 부피를 추가하지 않는다는 것이다. 그러나, 다수의 실시형태에서, 도 2와 연계하여 설명된 반사 격자(240)는 도파로에 인접한 매우 얇은 모재 상에 유사한 결과를 가지고 배치될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모재는 모재 및 도파로 사이에 갭이 존재하도록 배치될 수 있다. 갭은 (비한정적으로) 공기를 포함하는 임의의 재료로 채워질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서 홍목현상을 억제하기 위해서 별개의 모재 상에 배치된 반사 격자가 도 6에 개념적으로 예시된다. 도시된 바와 같이, 반사 격자(510)를 가지는 도파로(500)가 스페이서 비드(530)를 사용하여 베이스 도파로(200)와 분리된다. 예시적인 실시형태에서, 반사 격자(510)는 디스플레이의 환경측을 바라보는 도파로(500)의 표면 상에 배치된다. 다른 실시형태들에서, 반사 격자(510)는 베이스 도파로(200)를 바라보는 표면 상에 배치될 수 있다.
특정 반사 도파로 홍목 억제 구조체들이 도 2 내지 도 6에 도시되지만, 본 발명의 실시형태의 특정한 애플리케이션의 요구 사항에 맞는 반사성 도파로 광학기의 임의의 개수 및 위치가 적절한 경우에 사용될 수 있다. 더 나아가, 상이한 타입의 격자 중 임의의 개수가 홍목 광선을 억제하기 위해서 추가될 수 있다. 예를 들어, 소개된 브래그 격자가 표면 양각 격자 대신에 사용될 수 있다. 더욱이, 비-격자 구조체는 홍목현상을 억제하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 구조체는 더 자세하게 후술된다.
B. 반사 요소
일부 실시형태들에서, 홍목 억제는 반사 요소를 포함할 수 있는 부분 광 차단층 내에 구현될 수 있다. 반사 요소는 비한정적으로 특정 파장 대역을 정확하게 선택적으로 통과시키는 반면에 나머지는 반사할 수 있는 이색성 반사체 및 유전체 미러와 같은 필터를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 유전체 반사성 코팅이 홍목 광을 사용자에게 되반사하기 위해서 적용될 수 있다. 반사성 코팅은 조명 파장 주위의 좁은 노치 필터로서 설계될 수 있고, 특정한 파장만을 효과적으로 반사하는 반면에 다른 모든 가시적인 파장을 투과시킴으로써, 도파로가 높은 투과성을 가지고 거의 투명하게 보이게 한다. 반사성 코팅은 설계된 파장에 대한 미러로서의 역할을 할 수 있고, 반사성 코팅층에 입사하는 각도와 같은 각도를 가지는 광을 반사한다. 그러나, 반사된 광은, 출력 격자에 의해서 회절된 소망되는 이미지와 오버레이될 경우 사용자에게 고스트 이미지를 생성할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 이색성 필터와 같은 필터는 각도-의존적 반사 또는 투과 효율을 가지도록 설계될 수 있다. 이러한 필터는 다층 구조체일 수 있다. 필터는 편광-민감형 효율을 가지고 설계될 수 있다. 스펙트럼, 각도, 또는 편광 필터 특성 중 하나 이상을 사용하면 홍목현상의 억제를 최적화하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시형태들에서, 홍목 억제는 사용자의 가시 범위의 주연부에서의 잔차 홍목에 비하여 사용자의 가시 범위의 중앙 부분 내에서 더 높은 정도의 홍목 억제를 밸런싱할 수 있다.
코팅은 다양한 위치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 코팅은 각각의 도파로에 개별적으로 적용될 수 있고, 이것은 고스트 효과가 나타나기 이전에 더 큰 각도 편차를 허용할 수 있다. 또한, 코팅은 전면 보호 커버 상에도 적용될 수 있다. 사용자로부터의 거리가 멀어질수록 소망되는 이미지 및 고스트 이미지 사이에 더 큰 편차가 생길 수 있다는 것이 관찰되었다. 일부 실시형태들에서, 전면 보호 커버는 도파로로부터 더 멀리 이격될 수 있고, 그러므로 조금 더 많은 광로를 제공한다. 가산된 경로 길이는 레이저 빔 스캐너(LBS) 프로젝터 내의 뉴턴 고리 무늬와 같은 아티팩트들의 코히어런스를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 바람직하게는, 반사가 눈쪽 '신호(signal)' 이미지에 맞게 정렬될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 오정렬이 홍목 반사의 이미지 대 신호 이미지의 분해능의 스케일일 수 있는 최소가 될 수 있다; 오정렬이 생기면, 이것은 이미지 포인트 펼침 함수 확장을 초래하고, 따라서 이미지 선예도의 손실을 초래할 수 있고, 또는 반사 각도 오차가 더 커지면, 이것은 고스트 이미지를 초래할 것이다. 특히 레이저 빔 스캐너(LBS)를 사용하는 레이저 조명 솔루션의 경우에는 홍목 반사의 코히어런스가 고려될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도파로의 눈에 가까운 쪽이 아닌 쪽에 있는 위상 스크램블러는 프레넬 반사가 신호 광과 이위상이 되게 할 수 있고, 이것은 LBS 프로젝터를 이용하여 발견될 수 있는 뉴턴 고리 무늬 아티팩트를 감소시킬 수 있다. '홍목 억제' 스펙트럼 노치 반사 필터를 적용하면 LBS로부터의 뉴턴 고리 무늬의 세기를 증가시킬 수 있고, 여기에서 LBS 뉴턴 고리는 신호 빔 및 눈쪽이 아닌 쪽의 반사의 간섭에 의해서 초래된다. 일부 실시형태들에서, 눈쪽이 아닌 쪽에서의 반사방지 코팅이 홍목 및 LBS 뉴턴 고리 무늬 양자 모두가 감소되게 하면서 포함될 수 있다.
일부 실시형태에서, 보호 커저는 플라스틱일 수 있다. 이러한 경우에, 반사성 코팅이 보호 커버에 적용되면, 코팅 도중의 열적 속성 제한사항이 최소가 될 수 있다. 예를 들어, 격자가 열감응 재료를 사용하여 제조되었으면, 저온 코팅(예를 들어 섭씨 50-60)이 유용할 수 있다. 보호 커버가 유리로 제조되는 실시형태들에서는 고온 코팅이 사용될 수 있다. 반사성 코팅은 하나의 파대역을 위하여 보호 커버의 일측에 적용될 수 있고(예를 들어 녹색 반사성 노치), 다른 반사성 코팅은 상이한 파대역으로 코팅된 타측에 적용될 수 있다(예를 들어 적색/청색 노치). 파대역들의 임의의 조합(예를 들어 R, G, B 노치들의 임의의 그 외의 조합)이 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 반사성 코팅은 시쓰루 AR, UV 보호, 그레디언트 흡수 또는 디밍 코팅, 스크래치 방지 또는 하드 코트(hard coat) 코팅과 결합될 수 있다.
반사층이 평평하고 도파로에 라미테이션되어, 반사된 홍목 광 및 소망되는 이미지로부터의 각도 오프셋을 감소시키는 것이 유익할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 재료는 층들 사이에 평평도(예를 들어 두께 심(thickness shim), 스페이서 비드 등)를 제공할 수 있다. 반사층은 도파로 또는 도파로 스택에 라미네이션될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 반사층은 노치가 LED의 스펙트럼 내에 있으면 LED 홍목을 부분적으로 감소시키는 레이저를 위해서 설계된 좁은 노치 반사체일 수 있다.
구조에 따라서, 반사층은 반사되는 특정한 대역(또는 대역들의 세트)을 제외하고는 넓은 범위의 컬러를 통과시킬 수 있고, 또는 주어진 파장보다 각각 적거나 높은 모든 파장을 반사하는 고역-통과 또는 저역-통과 필터로서의 역할을 할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 유전체 재료의 교번하는 얇은 층들이 코팅되어 소망되는 필터를 형성한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 이색성 반사체 또는 유전체 미러는, 비록 내재된 동작 원리는 다르지만, 홍목 광선을 반사 격자에 관련하여 전술된 것과 유사한 결과를 생성하는 방식으로 반사하도록 도파로에 적용될 수 있다.
도파로(600)는 환경측을 바라보는 표면 상에 이색성 반사체(610)를 포함한다. 도파로(600)는 도 2와 연계하여 논의되었던 격자층(210)과 동일한 격자층(602)을 포함할 수 있다. 이색성 반사체(610)는 도파로(600)에 대응하는 광의 미리 결정된 파장 대역을 반사하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, R, G, 및 B에 대한 세 개의 층을 가지는 다층 도파로 디스플레이에서, 주어진 도파로층에 대한 이색성 반사체(610)는 그 안에서 주어진 도파로층이 동작하도록 의도되는 광을 반사하도록 설계될 수 있다(예를 들어, 적색 도파로에 대한 이색성 반사체는 광원으로부터의 적색 광에 대응하는 파장 대역을 반사하도록 설계될 수 있음). 표면 양각 격자와 유사하게, 이색성 반사체(610)는 그렇지 않으면 빠져나오고 시청자를 향해서 다시 홍목으로 나타났을 광선의 적어도 일부를 반사할 수 있다. 도 2 내지 도 6과 연계하여 전술된 것과 유사하게, 의도된 광선은 영역(620) 내에 도시되는 반면에, 오프-브래그 상호작용에 의해 생성된 홍목 광선 및 그들의 억제는 영역(630) 내에 표시된다. 다시 말하건대, 의도된 광선 및 홍목 광선이 별개로 표시되지만, 이러한 광선이 도파로에 걸쳐서 동시에 발생한다는 것이 쉽게 이해된다.
이색성 반사체를 사용할 때에, 도파로 디스플레이를 통해서 시청자의 눈으로 통과할 수 있는 환경 광의 퍼센티지는 줄어들 수 있다. 그러므로, 홍목 광선이 눈을 향해서 되반사되는 동안에, 유사한 파장 대역에 대응하는 외부 세계로부터의 광도 시청자의 눈에 도달하는 것이 방지될 수 있다. 그러면, 사용자가 세계를 가능한 선명하게 볼 수 있는 것이 소망될 수 있는 증강 현실 시스템에서 문제점이 초래될 수 있다. 이것을 해결하기 위하여, 이색성 반사체 구조체가 도파로 내에서 사용되는 파장 대역(예를 들어 특정 도파로에 대해서 선택된 컬러)을 선택적으로 반사하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 가시광 스펙트럼(예를 들어 440-640nm) 중 나머지는 영향받지 않게 하면서 홍목현상을 억제하기 위해서, 협 대역이 638nm, 520nm, 및 455nm(각각 표준 디스플레이 적색, 녹색, 및 청색임) 주위에서 선택될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 선택된 대역은 광원의 파장 대역에 대응할 수 있다.
더 나아가, 이색성 반사체는 흔히 고온에 적용되는데, 이것은 도파로 및/또는 임의의 반사방지 코팅의 구조에 의존하여 도파로가 변형되게 할 수 있다. 이것을 피하기 위해서, 더 낮은 온도의 이색성 반사체 적용 프로세스가 사용될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 이색성 반사체는 도파로의 보호층 내에 포함될 수 있다.
이색성 반사체(또는 사실상, 도파로)는 전체 시스템의 필요에 의존하여 다수의 반복에서 또는 단일 애플리케이션으로서 적용될 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 세 개의 상이한 도파로가 R, G, 및 B, 각각을 위하여 사용되는 RGB 디스플레이에서, 이색성 반사체(또는 반사 격자/반사 도파로)는 세 개의 상이한 도파로들 사이에서 또는 도파로 스택의 환경측에서 산재될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 이색성 반사체 애플리케이션의 예시적인 구성들이 도 8 내지 도 10에 도시된다. 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 일 예를 예시한다. 제 1 도파로(600a)는 적색과 같은 제 1 색상을 디스플레이하도록 구성될 수 있고, 제 2 도파로(600b)는 녹색과 같은 제 2 색상을 디스플레이하도록 구성될 수 있으며, 제 3 도파로(600c)는 청색과 같은 제 3 색상을 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 도파로(600a, 600b, 600c) 각각은 도 2와 연계하여 설명된 도파로(200)의 피쳐를 포함할 수 있다. 도 7과 연계하여 설명된 이색성 반사체(610)는 제 1 도파로(600a)의 상단에 적용될 수 있다. 인접한 도파로들 사이에는 스페이서(700)가 적용될 수 있다. 인접한 도파로들 사이의 갭은 공기와 같은 다양한 재료로 채워질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 일 예를 예시한다. 이러한 구성은 도 8의 디바이스와 동일한 많은 피쳐를 포함한다. 이러한 설명이 적용될 수 있고, 따라서 이러한 설명은 반복되지 않을 것이다. 이색성 반사체(610b)는 제 2 도파로(600b)의 상단에 적용될 수 있고, 이색성 반사체(610c)는 제 3 도파로(600c)에 적용될 수 있다. 이색성 반사체(610a)도 제 1 도파로(600a)의 상단에 존재할 수 있다. 이러한 구성에서, 이색성 필터(610a, 610b, 610c)는 특정 도파로(600a, 600b, 600c)에 맞게 맞춤될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 세 개의 상이한 도파로를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 일 예를 예시한다. 이러한 구성은 도 8 및 도 9와 연계하여 설명된 것과 같은 많은 피쳐를 포함한다. 이러한 설명이 적용될 수 있고, 따라서 이러한 설명은 반복되지 않을 것이다. 제 2 도파로(600b)의 이색성 필터(610b)는 제거되었다. 그 대신에, 별개의 모재(900) 내에 배치된 이색성 필터(910)가 제 1 도파로(600a) 위에 배치될 수 있다. 별개의 모재(900)는 보호층일 수 있다. 별개의 모재(900) 상의 이색성 필터(910)는 제 2 도파로(600b)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제 2 도파로(600b)는 녹색 도파로일 수 있고, 이색성 반사체(910)는 녹색에 대응하고 보호층(900)에 적용될 수 있다.
도 11a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이색성 필터를 포함하는 도파로-기반 디스플레이의 단면도를 예시한다. 도 11b는 도 11b의 도파로-기반 디스플레이의 개략적인 평면도를 도시한다. 도파로(600)는 인커플링 광학 요소(1006) 및 아웃커플링 광학 요소(1004)를 포함한다. 이색성 필터(1004)는 아웃커플링 광학 요소(1004)와 중첩한다. 일부 실시형태들에서, 이색성 필터(1004)는 인커플링 광학 요소(1006)와 중첩하지 않을 수도 있다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시형태의 특정 애플리케이션의 요구 사항에 적절한 임의의 개수의 이색성 반사체(또는 반사 격자/반사 도파로)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 디자인의 요구 사항에 의존하여, 세 개의 도파로의 스택에 대해서 두 개의 이색성 반사체만이 사용될 수도 있다. 더욱이, 홍목 억제 구조체들의 임의의 혼합이 본 발명의 실시형태의 특정 애플리케이션의 요구 사항에 적절하게 사용될 수 있다. 홍목 억제 구조체는 반드시 광을 반사할 필요가 있는 것은 아니다. 대안적인 홍목 억제 구조체가 이하 설명된다.
C. 흡수 및 변환층
홍목현상 억제층은 가시광 스펙트럼의 일부에 속하는 광을 흡수할 수 있는 광 흡수층을 포함할 수 있다. 광 흡수층은 투명 매트릭스 내에서 서스펜딩된 광 흡수 염료를 포함할 수 있는 협대역 염료 흡수층일 수 있다. 흡수를 위한 염료는 흡수된 파장에 있어서 극도로 좁을 수 있다. 흡수된 임의의 불필요한 파장은 도파로가 더 낮은 투과를 가지게 하고, 외부 세계를 어둡게 하며 어둡게 보이게 될 것이다. 염료 흡수층의 위치는 변할 수 있다. 하나의 색상의 FOV를 가이드하기 위해서 다수의 도파로를 사용한다면 염료 흡수층은 보호 커버 위에 위치될 수 있다. 각각의 도파로가 하나의 색상만을 가이드하고 있다면, 염료는 도파로 스택의 전면에 있는 보호 커버에 적용될 수 있다. 염료는 각도에 민감하지 않을 수 있고, 홍목 광의 광범위한 입사각을 커버한다. 가시광 구역에 대한 예시적인 염료는 Yamada Chemical Co., Ltd(일본)에 의해서 제조된다. 높은 흡수 효율, 좁은 스펙트럼 흡수 대역폭 및 열적 안정성이 중요한 선택 기준들일 수 있다. 흡수체 성능을 개선하기 위한 하나의 가능한 접근법은 염료를 투명한 매트릭스 내에서 희석하는 것을 수반하는데, 이것은 불활성 유기 폴리머 화합물 또는 무기 화합물일 수 있다. 결과적으로 얻어지는 흡수체는 협 대역 흡수 및 높은 대역외 투과율을 제공할 수 있다. 다중층 구성은 두 개 이상의 파장이 흡수되게 할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 광 흡수층은 메타물질 흡수층일 수 있다. 메타물질 흡수체는 극히 좁은 스펙트럼 대역폭을 가지고 생성될 수 있다. 이것이 이러한 협대역 흡수를 가진다면 흡수는 각도 편차에 민감할 수도 있다. 다수의 도파로들에 걸쳐서 색상을 공유하지 않으면, 메타물질 흡수층은 각각의 도파로 상에 개별적으로 배치될 수 있다. 색상들을 도파로들 내에 공유하면, 메타물질 흡수층이 상단 도파로 위의 보호 커버에 배치될 수 있다.
논의된 홍목 억제 솔루션들 중 많은 것이 하나 이상의 타입의 나노구조와 패터닝되는 표면을 포함할 메타표면을 사용하여 구현될 수 있다. 메타표면은 하나 또는 양자 모두의 파장 또는 각도의 함수로서 광 흡수, 빔 편향 및 편광을 위해서 구성될 수 있다. 위의 함수 중 두 개 이상은 단일 메타표면 내에 통합될 수 있다. 메타표면은 도파로 표면, 눈 표면 및 산란 표면으로부터의 정반사에 의해서 기여되는 홍목현상을 억제하기 위한 완전하거나 부분적인 솔루션을 제공할 수 있다.
홍목 억제 구조체는 양자점 또는 인광체와 같은 파장 변경 요소를 포함할 수 있다. 양자점은 제 1 파장의 광을 흡수하고 제 2 파장의 광을 방출할 수 있는 나노-스케일 반도체이다. 양자점은 도파로의 모재에 도입되거나 도파로 광학 시스템의 손실측(loss side)에 적용되어 홍목 광선을 억제할 수 있다. 예를 들어, 특정한 파장의 홍목 광선을 흡수하고 비-가시광 파장(예를 들어 적외선)에서 광을 방출하는 양자점은 홍목 광선이 가시적인 홍목 광선을 생성하지 못하게 억제할 수 있다. 홍목 광선은 도파로를 여전히 벗어날 수 있지만, 이러한 홍목 광선은 비-가시광 범위에 속하도록 변경될 수 있다. 많은 실시형태에서, 자외선 광의 생물학적으로 유해한 속성에 기인하여 적외선 및 더 낮은 대역이 바람직하다. 그러나, 도파로 광학 시스템의 용도에 의존하여, 광을 자외선 또는 더 높은 대역으로 변환하는 것도 수락가능할 수 있다.
이용가능한 양자점에 의존하여, 더 높은 주파수 광(예를 들어 청색 광)을 적외선 대역을 향해서 천이시키는 것이 어려울 수도 있다. 이러한 상황에서, 스테이지 내의 광 파장을 천이하기 위하여 일련의 상이한 양자점이 사용될 수 있고, 및/또는 양자점은 본 명세서에서 설명되는 대안적 홍목 억제 구조체 중 하나 이상을 역시 레버리지하는 도파로 광학 시스템 내에 통합될 수 있다. 디스플레이 목적을 위해서 도파로 광학 시스템 내에서 사용되는 파장의 개수에 의존하여, 상이한 세트의 양자점이 상이한 파장 중 일부 또는 전부를 완하시키기 위해서 적용될 수 있다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 양자점은 전술된 홍목 억제 구조체 중 임의의 것 또는 전부를 포함하는 시스템 내에 통합될 수 있다. 사실상, 특정 홍목 억제 구조체가 전술된 도면에서 예시되는 반면에, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 홍목 억제 구조체를 포함하는 임의의 개수의 상이한 아키텍처들이 사용될 수 있다.
D. 동기화를 포함하는 실시형태
많은 애플리케이션에서, 도파로 디스플레이가 큰 아이박스와 함께 동작하는 것이 바람직하다. 비록 시청자에게는 편리하지만, 이것은 사용자의 얼굴에 충돌하는 많은 양의 비사용 광(예를 들어, 사용자의 퓨필에 도달하지 않는 광)을 생성할 수 있다. 도파로 디스플레이의 구현형태에 의존하여, 이러한 비사용 광은 외부의 관측자에게는 잘 보일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 많은 실시형태는 아이박스의 동작 크기를 보존하면서 사용자의 얼굴에 입사하는 비사용 광의 양을 줄이기 위한 솔루션에 직결된다.
많은 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 비사용 광의 양을 줄이기 위해서 아웃-커플링된 광을 제어하기 위한 적어도 하나의 스위칭가능 브래그 격자(SBG)를 포함한다. 통상적으로, 아이박스 크기는 인-커플링된 광을 회절형 격자의 사용을 통해서 승산하고나 복제함으로써 확장될 수 있다. 스위칭가능 브래그 격자가 구현되면, 시청자의 눈(들)에 도달하는 광만이 아웃-커플링되도록 하여 사용자의 얼굴을 향해서 방출된 비사용 광의 양을 줄이도록, 디스플레이는 광의 전파를 제어하도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 이러한 제어를 달성하기 위해서 요구되는 구성은, 사용자의 눈들이 동작 도중에 통상적으로는 정적이 아니기 때문에 동적으로 결정된다. 따라서, 결정되면, 이러한 구성도 동적으로 구현될 수 있다.
고휘도 광원이 있는 일부 실시형태들에서, 요구된 출력 휘도를 가지는 작은 듀티 사이클(~1%)이 사용될 수 있다. 이러한 광원이 있으면, 흡수층은 스위치 온 및 스위치 오프되고, 광원과 동기화될 수 있다. 이것은 소스가 온 상태인 동안에 홍목 광을 흡수할 수 있지만, 많은 사이클에 걸쳐서 평균화되어 관측자에게는 투명하게 보일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 흡수층은 SBG와 같은 스위칭가능 격자일 수 있다. 스위칭가능 격자는 회절형 홍목 요소를 포함할 수 있다. 그러면 가능한 원치 않는 광이 회절 요소를 통해서 사용자를 향해 거꾸로 회절되는 시간이 감소된다. 스위칭가능 격자는 스위칭가능한 출력 격자일 수 있다. 스위칭가능 출력 격자는 스위칭 파플레이트(waveplate)가 있는 다중화된 격자 스킴일 수 있다. 다중화된 격자의 경우, 출력 광은 다수의 격자들로부터 혼합된 이후에 편광될 수 있다. 격자들이 시간에 맞춰서 스위칭된다면, 각각의 격자는 고도로 편광된 출력을 생성할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스위칭가능 격자와 동기화된 파플레이트를 스위칭하면 하나 또는 양자 모두의 출력의 편광이 출력에 있는 선형 편광자와 직교가 되도록 회전시킬 수 있고, 이것이 홍목 광을 차단할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스위칭가능 격자로부터 출력되는 광과 직교가 되도록 선형 편광자를 스위칭하면 출력에 영구적 선형 편광자를 가지지 않고서도 홍목 광을 차단할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스위칭가능 서브파플레이트 격자(폼 복굴절(form birefringence)의 원리에 기반함)는 홍목 억제를 광원과 동기화하기 위한 파장 특이적 광학 지연체(retarder)를 제공할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 격자 피치는 광의 파장보다 훨씬 적을 수 있다. 따라서, 0차 및 회절된 파들만이 전파되고 더 높은 회절 차수들은 에버네슨트 파일 수 있다.
사용자의 눈에 도달할 광만을 아웃-커플링하기 위한 요구된 구성을 결정하는 것은 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 눈 추적기(eyetracker)를 포함한다. 눈 추적기는 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도파로-기반 눈 추적기가 눈 위치 및/또는 눈 시선(eye gaze) 정보를 결정하기 위해서 구현된다. 눈 추적 센서로부터의 정보를 사용하면, 도파로 디스플레이는 제어기를 활용하여 사용자의 눈에 도달할 광만을 아웃-커플링하기 위한 스위칭가능 브래그 격자의 상태의 구성을 구현할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 그렇지 않으면, 도파로 밖으로 아웃커플링되는 광은 도파로를 통해서 에지까지 계속 전파될 것이다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도파로 디스플레이는 비사용 광이 도파로의 에지를 벗어나는 것을 완화시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 에지는 에지에 도달하는 임의의 광을 흡수할 수 있는 광 흡수 재료로 커버될 수 있다.
스위칭가능 브래그 격자를 구현할 때에, 도파로는 스위칭 격자를 그들의 온/오프 상태 사이에서 스위칭하기 위한 전극으로서 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인덱스-매칭된 ITO(IMITO) 층과 같은 투명 전극을 양측에 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파로는 제 1 ITO/IMITO 층을 격자층의 일측에 포함하고 제 2 ITO/IMITO 층을 마주보는 측면에 포함한다. 제 2 층은 선택적으로 어드레싱가능한 요소가 되도록 패터닝될 수 있다. 그러면 스위칭가능 브래그 격자의 이산 영역들의 스위칭이 허용된다. 일부 실시형태들에서, 선택적으로 어드레싱가능한 요소는 라인/갭 아티팩트를 도입하지 않도록 충분히 큰데, 이것은 결과적으로 산란 및/또는 회절 효과가 두드러지게 할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 다양한 투명 도전성 산화물 층들이 활용될 수도 있다.
이러한 층들을 포함시키면, 커질 수 있는 층들에 의한 흡수 손실(absorptive loss)이 도파로 디자인 시에 고려될 수 있다. 예를 들어, 일부 ITO 층은 통과할 때마다 ~0.25% 의 흡수 손실에 기여할 수 있다. 도파로 아키텍처에 의존하여, 도파로를 통한 총 전파 손실은 커질 수 있다. 예를 들어, 아웃-커플링된 광의 양을 제어하는 것은 출력 격자의 일부를 그 회절 상태로 스위칭하는 것을 포함할 수 있다. 스위칭된 부분은 시청자의 눈 위치 및/또는 눈 시선 정보에 대응할 수 있다. 그러나, 이러한 스킴에서, 광이 도파로를 통해서 전파되는 거리가 달라질 수 있고, 이것을 ITO/IMITO 층(들)에 기인한 흡수 손실과 함께 고려하면 아웃-커플링된 광 내의 손실이 변경되는 결과가 될 수 있다. 스위칭을 사용하는 것을 통하여 출력 격자 크기 및/또는 형상을 수정함으로써, 광 전파 경로는 도파로 내에 상이한 양의 TIR 바운스(bounce)가 생기게 할 수 있다(예를 들어, 일부 구성은 ITO/IMITO 층(들)과 더 여러 번 상호작용하는 더 긴 광로를 초래할 수 있음). ITO/IMITO와 더 많이 상호작용하는 광로의 경우, 광 세기에서의 총 손실은 더 높을 수 있고, 결과적으로 상이한 구성들에 걸쳐서 비-균일성이 초래된다. 이와 같이, 많은 실시형태들은 이러한 차이를 고려하도록 설계되는 격자 아키텍처 및 스위칭 구성을 향해서 직결된다. 많은 실시형태에서, 도파로 디스플레이는 회절 상태 및 비-회절 상태 사이에서 스위칭할 수 있는 독립적으로 어드레싱가능한 섹션을 가지는 출력 격자를 포함하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도파로 디스플레이는 스크롤링(scrolling) 출력을 제공하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 출력 이미지는 순차적으로 스크롤되는 섹션 내에서 디스플레이될 수 있음). 이러한 경우에, 특정한 눈 위치/눈 시선 설정에 대한 출력 구성은 균일한 프로파일을 가지도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스위칭은 필드 균일성을 보유하기 위한 스위칭 타이밍에 관한 페더링(feathering) 효과를 포함할 수 있다.
E. 반사-방지 코팅을 가지는 실시형태
홍목현상은 여러 상이한 효과들에 의해서 초래될 수 있다. 이러한 효과는 시준된 누설 및 산란된 누설로 분할될 수 있다. 산란된 누설은 홀로그램 재료, 도파로 재료, 또는 홀로그램의 헤이즈(홀로그램 내에 기록된 헤이즈)에 의해서 생성될 수 있다. 산란된 누설은 광이 도파로를 벗어나 눈을 향하게 산란되도록 초래할 수 있다. 시준된 누설, 예를 들어 도파로 내로 커플링되는 각도 이미지 콘텐츠(angular image content)를 보존하는 광이 대두되는 홍목현상(light emerging eyeglow)은 낮은 회절 효율로 추출될 수 있다. 이것은 특히 오프-브래그인 광에 적용될 수 있다. 이러한 홍목현상은 디스플레이된 이미지 중 적어도 일부가 외부 세계로부터 시청될 수 있게 할 수 있고, 이것이 프라이버시 및 데이터 보안 이슈를 제시할 수 있다. 불완전한 위상 분리로부터 초래되는 부유 광 또는 산란 센터의 결과로서 고스트 격자가 홀로그램 기록 프로세스에서 발생한다면, 피상적 오프 브래그 상호작용(apparent off Bragg interaction)이 고스트 격자로부터 발생할 수 있고, 이것은 다중화된 격자 내에서 나타날 수 있다.
이러한 타입의 격자는 약하게 기록될 수 있고, 오프 브래그 격자로부터 분리하기가 어려울 수 있다. 효과는, 도파로 박으로 회절되는 광을 잘못된 방향으로 시준하는 것일 수 있다. 프레넬 반사의 경우, 격자 평면으로부터 사용자의 눈을 향해서 회절되는 광은 도파로를 벗어날 수 있다. 도파로(눈쪽의 도파로) 및 공기의 인터페이스에서, 프레넬 반사가 일어날 수 있다. 이러한 인터페이스로부터의 반사는 거의 사용자 측에 있는 도파로로부터 빠져나올 것이다. 그러나, 해당 광의 작은 소부분은 차례대로 도파로의 사용자측이 아닌 측면에 있는 도파로/공기 인터페이스로부터 되반사될 것이다. 추가적으로, 일부 광은 도파로/공기 눈쪽 반사로부터의 격자를 따라가는 반사(grating following reflection)와 재상호작용한다. 일부 실시형태들에서, 프레넬 반사는 도파로 상의 AR 코팅을 통해서 완화될 수 있다. 더 높은 인덱스의 유리를 포함하는 도파로는 더 높은 프레넬 반사를 가질 수 있다. 그러므로, AR 코팅은 홍목현상을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 사용자의 눈은, 거의 통상적으로는 두 가지의 혼합물인 산란 및 정반사의 형태를 취할 수 있는 반사된 광들에 기여할 수 있다. 사용자의 눈으로부터 산란 또는 반사에 기여하는 것은 눈 안의 표면 또는 광학 매질 중 임의의 것에서 발생할 수 있고, 푸르키네(Purkinje) 반사를 포함할 수 있다. 홀로그램 및 도파로 재료로부터의 그리고 홀로그램 내에 기록된 헤이즈로부터의 산란된 광은 산란 센터의 성질에 의해서 결정된 방향성 및 등방성 특성을 가질 수 있다. 이러한 광 중 일부는 도파로 외면을 통해서 직선으로 진행할 수 있다. 다른 출구 경로는 사용자의 눈 및 사용자에 가까운 도파로의 표면에서의 반사를 포함할 수 있다.
F. 액정층을 포함하는 실시형태
일부 실시형태들에서, 액정층은 홍목현상을 감소시키도록 도파로에 의해 지지될 수 있다. 액정층은 콜레스테릭 액정층일 수 있다. 액정층은 높은 회절 효율을 제공할 수 있는 협대역 반사 격자를 제안한다. 액정층은 제조하기가 비싸지 않을 수 있다. 액정층은 다층 스택으로 구성되어 다수의 파대역 노치(예를 들어 R/G/B 레이저 광원)을 커버할 수도 있다. 키랄 도펀트(chiral dopant)가 액정층에 추가되어 격자 주기를 제어할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 홍목현상 제어층이 도파로에 포함될 수 있다. 홍목현상 제어층은, 반응성 메소젠(mesogen)이라고도 알려져 있는 액정 폴리머(LCP)를 포함할 수 있다. LCP는 LC의 모든 보통 속성을 가질 수 있지만, 액체 상태에서 존재하는 LC 정렬 및 복굴절 속성이 재료가 폴리머 내에서 경화된 경우에도 유지되는 상태로 중합되어 고체 재료를 형성할 수도 있다. LC가 그 액체 상태에 있는 동안에 LC 디렉터(director)를 소망되는 방향으로 정렬시키기 위해서 UV 정렬이 사용될 수 있다. LCP는 선택적 색상 반사체, 저지(쿼터 파, 하프 파 등) 및 다른 것과 같과 같은 광학 기능들의 범위를 가능하게 할 수 있다. LCP는 포토-개시자(initiator) 및 방향성 UV 광이 존재하면 서로 중합되어 강성인 2D 또는 3D 네트워크를 형성하는 반응성 아크릴레이트 말단기(end group)와 같은 액체 결정질 단량체를 포함할 수 있다. LCP 홍목현상 제어층은 본 명세서를 통해서 설명된 다른 홍목현상 제어층과 공동으로 사용될 수 있다. 예시적인 LCP 재료는 Merck KGaA(Germany) 사에 의해서 개발된다. 일부 실시형태들에서, 홍목현상 제어층은 반사성 콜레스테릭 반응성 메소젠 나노포스트 구조체를 사용하는 튜닝가능한 반사 필터에 기반할 수 있다. 반사 파장은 나노포스트의 피치에 의존할 수 있는데, 이것은 인쇄 기법을 사용하여 제작될 수 있다. 나노포스트는 통상적으로 10 마이크론 내지 500 nm의 높이 및 1-10 마이크론의 범위 내의 피치의 피쳐들의 어레이로서 형성될 수 있다.
G. 도파로 출력 편광 설계를 포함하는 실시형태
출력 격자가 단일 격자로 표현될 수 있는 도파로 솔루션에서는 출력 홍목 누설(output eye glow leakage)이 강하지만 완벽하게는 편광되지 않을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 강하게 편광된 홍목 누설은 도파로의 전방에 배치된 선형 편광자(예를 들어 분석기)를 사용하여 최소화될 수 있지만 시스루 투과가 희생된다. 교차 다중화된 출력 격자(예를 들어 IDA(Integrated Dual Axis-expansion) 설계)가 있는 출력 격자는 선형 출력 편광 상태를 가지지 않을 수 있다: 이러한 격자에서 편광은 구성요소 다중화된(MUX) 격자들 각각의 k-벡터와 매칭된다. MUX 출력 격자가 서로 90 도이면, 출력 편광이 혼합될 수 있다; 그러면 선형 분석기는 홍목현상을 부분적으로 줄이는(cut down) 역할만을 할 것이다. 일부 실시형태들에서, MUX 출력 격자들은 각각의 격자의 k-벡터 성분들을 하나의 특정 방향으로 최소화하고(예를 들어 k-벡터의 수직 성분을 최소화함), 반대 방향으로는 수평 성분만을 남긴다. 격자들이 완전히 정렬되지 않고(반대 방향들에서) 하나의 방향이 직교 방향보다 강한 출력 편광을 가지도록 배치되는 경우에도, 선형 분석기를 사용하는 것은 여전히 유용할 것이다. MUX 출력 구조체 k-벡터들이 대략적으로 반대 방향을 가지는 일부 실시형태들에서, 비록 홍목현상이 선형 분석기에 의해서 시스루 투과 내의 손실 인자보다 큰 인자만큼 차단될 수 있는 배향이 발견될 수 있지만, 선형 분석기는 홍목 누설을 완전히 차단하지 않을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 홍목현상 편광의 배향은 이방성 출력 격자 내의 k-벡터와 강하게 정렬되고 이방성 격자 내의 k-벡터에는 직교할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 홍목현상을 감소시킬 수 있는 디밍층이 도파로의 상단면에 적용될 수 있다. 그러나, 디밍층은 광학적 시스루 투과도 역시 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 디밍층은 수동 디밍층 또는 능동 디밍층일 수 있다. 능동 디밍층은 전기발색 또는 광변색 디밍층일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 능동 디밍층은 프로젝터(예를 들어 픽쳐 생성 유닛)에 의해 디스플레이되는 이미지 콘텐츠의 휘도에 매칭되고 동기화되는 시간적 투과 변동을 제공할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 홍목현상을 감소시킬 수 있는 미세루버 필름이 도파로의 상단면에 적용될 수 있다. 미세루버 필름은 본 명세서에 걸쳐서 설명되는 격자 및 박막 코팅 솔루션 중 많은 것들의 실효 각도 대역폭의 한계에 있을 수 있는 극단 각도에서의 홍목현상을 억제하기 위해서 사용될 수 있다. 미세루버 필름은 편광자와 결합될 수 있다. 예시적인 미세루버 필름은 3M 회사(미네소타)에 의해 제조되는 라이트 콘트롤 필름(Light Control film)이다.
균등론
앞선 설명들이 본 발명의 많은 특정한 실시형태를 포함하지만, 이것은 본 발명의 범위에 대한 한정으로서 이해되어서는 안 되고 본 발명의 일 실시형태의 일 예로서 이해되어야 한다. 그러므로 본 발명이 본 발명의 범위와 사상에서 벗어나지 않으면서, 특정하게 설명된 것과 다른 방식으로 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 어떤 경우에도 예시적인 것이지 한정적인 것이 아니라고 간주되어야 한다. 따라서, 발명의 범위는 예시된 실시형태에 의해서가 아니라, 첨부된 청구항과 그들의 균등물에 의해서 결정되어야 한다.
Claims (45)
- 도파로 디스플레이로서,
이미지 변조된 광의 소스;
눈-배향면 및 외부 세계를 바라보는 외면을 가지는 도파로;
광을 상기 도파로 내의 전반사 내부 경로 내에 커플링하기 위한 입력 커플러;
빔 확장을 제공하고 광을 상기 도파로로부터 아이박스(eyebox)를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자; 및
변조 깊이 및 격자 피치를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 포함하고,
상기 변조 깊이는 상기 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 상기 격자 피치보다 크며,
상기 폴리머 격자 구조체는 외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 외면을 통하여 외부 세계 내로 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키도록 구성되고,
상기 폴리머 격자 구조체는, 이미지 변조된 광의 상기 도파로 내에서의 전파 및 이미지 변조된 광의 상기 아이박스를 향한 추출을 실질적으로 방해하지 않으며,
상기 도파로 내에서 생성된 부유 광은,
격자 재료로부터 산란된 광; 0차 회절된 이미지 변조된 광; 및 상기 도파로로부터 상기 아이박스를 향하여 추출되지 않는 광로를 따라 전파되는 이미지 변조된 광으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 인접한 폴리머 구역들 사이에 뒤채움 재료(backfill material)를 더 포함하고,
상기 뒤채움 재료는 상기 폴리머 구역의 굴절률 보다 높거나 낮은 굴절률을 가지는, 도파로 디스플레이. - 제 2 항에 있어서,
상기 뒤채움 재료는 상기 폴리머 격자 구조체의 인접한 부분들 사이의 공간의 하단부에 있는 공간을 점유하고,
공기는 상기 뒤채움 재료의 상단면 위로부터 상기 변조 깊이까지의 공간을 점유하는, 도파로 디스플레이. - 제 2 항에 있어서,
상기 뒤채움 재료는 등방성 재료를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 4 항에 있어서,
상기 등방성 뒤채움 재료는 복굴절 재료를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 5 항에 있어서,
상기 복굴절 재료는 액정 재료를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 가시광의 파장보다 큰, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 격자 피치는 상기 폴리머 격자 구조체의 회절 피쳐들의 간극이고,
상기 변조 깊이는 상기 폴리머 격자 구조체의 깊이인, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 격자 피치는 0.35μm 내지 1μm이고,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 1μm 내지 10 μm인, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이 대 격자 피치 간극의 비율은 1:1 내지 10:1의 범위 안에 있는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 다중화된 격자로서 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 상기 도파로로부터 광을 아웃커플링하도록 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 빔 확장기로서 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 일부는 상기 소스로부터의 이미지 변조된 광을 상기 도파로 내의 전반사 내부 경로 내로 커플링하도록 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는 S 편광광 및 P 편광광의 규정된 밸런스를 높은 효율도로 인커플링하도록 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 교번하는 폴리머 구역 및 공극 구역을 포함하고,
상기 폴리머 구역과 상기 공극 구역 사이의 굴절률차는 1.4 내지 1.9의 범위에 속하는, 도파로 디스플레이. - 제 5 항에 있어서,
상기 폴리머 구역과 상기 복굴절 재료 사이의 굴절률차는 0.01 내지 0.2인, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 2-차원 래티스 구조체 또는 3-차원 래티스 구조체를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는,
폴리머 회절 피쳐; 및
인접한 폴리머 회절 피쳐들 사이의 복굴절 재료를 포함하고,
상기 복굴절 재료는 상기 폴리머 회절 피쳐보다 높은 굴절률을 가지는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 입력 커플러는 격자 또는 프리즘인, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는, 공간적으로 변동하는 편광-의존적 회절 효율 특성을 제공하도록 상기 도파로에 걸쳐서 변하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체의 변조 깊이는, 공간적으로 변동하는 각도-의존적 회절 효율 특성을 제공하도록 상기 도파로에 걸쳐서 변하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
공간, 각도, 또는 편광 회절 효율 특성 중 적어도 하나는, 상기 폴리머 격자 구조체를 특정된 굴절률 또는 복굴절의 광학 재료로 뒤채움함으로써 제공될 수 있는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 브래그 격자(Bragg grating) 또는 라만-나스 격자(Raman-Nath grating)로서 구성된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는,
상기 도파로의 외면 및/또는 상기 도파로의 눈 배향면 상에 형성되고, 빔 확장을 제공하고 상기 도파로로부터 광을 추출하기 위하여 상기 입력 커플러 및/또는 상기 적어도 하나의 격자와 적어도 부분적으로 중첩하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 브래그 격자, 라만-나스 격자, 및 무격자(no grating)를 포함하는 구역을 포함하고,
상기 구역은 빔 확장을 제공하고 광을 추출하기 위하여 상기 입력 커플러 및 상기 적어도 하나의 격자를 적어도 부분적으로 커버하는, 도파로 디스플레이. - 제 26 항에 있어서,
상기 도파로 디스플레이는,
무격자를 보유하는 상기 폴리머 격자 구조체의 구역과 중첩하는 광 제어층을 더 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 27 항에 있어서,
상기 광 제어층은,
편광 회전, 편광-선택적 흡수, 편광-선택적 투과, 편광-선택적 회절, 각도-선택적 투과, 각도 선택적 흡수, 반-반사도(anti-reflectivity), 및 규정된 스펙트럼 대역폭 내의 투과
로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 제공하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 연속적으로 또는 피스별 스텝(piecewise step)으로 변하는 경사각을 가지는 롤드 K-벡터 격자(rolled K-vector grating)를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 공간적으로 변하는 피치를 가지는 격자를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광은 외부 광원으로부터 제공되고, 상기 도파로의 상기 외면 및/또는 상기 눈-배향면을 통하여 상기 도파로에 진입하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광은 디스플레이의 시청자의 해부학적 표면(anatomical surface)을 벗어나는 반사(reflection)를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파로는 두 개의 모재를 포함하고,
상기 폴리머 격자 구조체는, 두 개의 모재 사이에서 샌드위치되거나 어느 한 모재의 외면 상에 위치된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 적어도 하나의 타입의 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료의 합성물인, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 폴리머 및 적어도 하나의 다른 재료의 합성물이고,
상기 폴리머는 상기 폴리머 격자 구조체가 형성된 후에 제거되는, 도파로 디스플레이. - 제 34 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 다른 재료는 나노입자를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 다른 재료는 기능성(functionalized) 나노입자를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 광학 재료로 코팅된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 반사성 광학 재료로 코팅된, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체에 적용된 코팅은 2.5까지의 실효 인덱스(effective index)를 제공하는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 제 1 재료로 코팅되고,
코팅된 격자는 상기 제 1 재료의 굴절률보다 높은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움되는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는 제 1 재료로 코팅되고,
코팅된 격자는 상기 제 1 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률의 제 2 재료로 뒤채움되는, 도파로 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 폴리머 격자 구조체는, 상기 도파로의 외면 상에 위치된 제 1 격자 구조체 및 상기 도파로의 눈-배향면 상에 위치된 제 2 격자 구조체를 포함하는, 도파로 디스플레이. - 제 43 항에 있어서,
상기 제 1 격자 구조체 및 상기 제 2 격자 구조체는 상이한 격자 주기를 가지는, 도파로 디스플레이. - 도파로 디스플레이로부터 홍목현상(eyeglow)을 감소시키기 위한 방법으로서,
이미지 변조된 광의 소스, 도파로, 입력 커플러; 및 빔 확장을 제공하고 광을 상기 도파로로부터 아이박스를 향하여 추출하기 위한 적어도 하나의 격자를 제공하는 단계 - 상기 도파로는 눈-배향면 및 외부 세계를 바라보는 외면을 포함함 -;
변조 깊이 및 격자 피치를 포함하는 폴리머 격자 구조체를 제공하는 단계 - 상기 변조 깊이는 상기 폴리머 격자 구조체의 적어도 일부에 걸쳐서 상기 격자 피치보다 큼 -;
이미지 변조된 광을 상기 도파로 내의 내부 전반사 경로 내로 디렉팅하고, 상기 광을 빔 확장하며, 이것을 아이박스를 향하여 추출하는 단계;
상기 도파로 내에서 전파되는 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 외부 세계 내로 굴절되는 광로로부터 멀어지게 디렉팅하는 단계; 및
외부 세계로부터 상기 도파로에 진입하는 광 또는 상기 도파로 내에서 생성된 부유 광을 상기 폴리머 격자 구조체를 사용하여 상기 외면을 통하여 굴절되는 광로로부터 멀어지게 회절시키는 단계를 포함하는, 홍목현상 감소 방법.
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