KR102581320B1 - 넓은 입사 각도 범위들의 광을 방향전환시키기 위한 다중층 액정 회절 격자들 - Google Patents

Abstract

광학 디바이스는 다수의 격자 구조물들의 스택을 포함하고, 이들 각각은 액정 재료의 복수의 서브층들을 포함한다. 액정 재료의 각각의 서브층은 측방향으로 연장되는 반복 유닛들을 포함하고, 이들 각각은 복수의 액정 분자들로 형성된다. 액정 층들의 반복 유닛들은 서로 측방향으로 오프셋되고, 경사 각도를 규정한다. 격자 구조물의 스택을 형성하는 격자 구조물들은 상이한 크기들의 경사 각도들을 갖는다. 격자 구조물들은 가시광 또는 적외선 파장들의 광을 방향시키도록 구성될 수 있다. 유리하게도, 격자 구조물들의 스택의 상이한 경사 각도들은 광범위한 입사 각도들에서 격자 구조물들에 입사되는 광의 매우 효율적인 회절을 허용한다.

Description

넓은 입사 각도 범위들의 광을 방향전환시키기 위한 다중층 액정 회절 격자들{MULTILAYER LIQUID CRYSTAL DIFFRACTIVE GRATINGS FOR REDIRECTING LIGHT OF WIDE INCIDENT ANGLE RANGES}

[0001] 본 출원은 2016년 11월 18일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/424,305호를 우선권으로 주장하고, 상기 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.

[0002] 본 출원은, 하기의 특허 출원들: 2014년 11월 27일에 출원된 미국 출원 제14/555,585호; 2015년 4월 18일에 출원된 미국 출원 제14/690,401호; 2014년 3월 14일에 출원된 미국 출원 제14/212,961호; 및 2014년 7월 14일에 출원된 미국 출원 제14/331,218호 각각의 전체를, 인용에 의해 통합한다.

[0003] 본 개시내용은 가상 현실 및 증강 현실 이미징 및 시각화 시스템들을 포함하는 광학 디바이스들에 관한 것이다.

[0004] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 용이하게 했으며, 여기서 디지털적으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실 또는 "MR" 시나리오는 AR 시나리오의 유형이며, 통상적으로 자연 세계에 통합되고 그에 응답하는 가상 객체들을 포함한다. 예컨대, MR 시나리오에서, AR 이미지 콘텐츠는 실제 세계의 객체들에 의해 차단되거나, 그렇지 않으면, 실제 세계의 객체들과 상호작용하는 것으로나 지각될 수 있다.

[0005] 도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(scene)(10)이 도시되며, 여기서 AR 기술의 사용자는 배경에 있는 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 콘크리트 플랫폼(30)을 특징으로 하는 실세계 공원-형 세팅(20)을 본다. 이들 아이템들에 더하여, AR 기술의 사용자는 또한, 자신이 "가상 콘텐츠", 이를테면, 실세계 플랫폼(30) 상에 서 있는 로봇 동상(40), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화-형 아바타 캐릭터(50)를 "보는 것"을 지각하지만, 이들 엘리먼트들(40, 50)은 실세계에 존재하지 않는다. 인간 시각 지각 시스템은 복잡하기 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고, 자연스럽고, 풍부한 프리젠테이션을 용이하게 하는 AR 기술을 생성하는 것은 난제이다.

[0006] 본원에 개시된 시스템들 및 방법들은 AR 및 VR 기술에 관련된 다양한 난제들을 해결한다.

[0007] 본 개시내용의 시스템들, 방법들, 및 디바이스들 각각은 여러 혁신적인 양상들을 가지며, 그 양상들 중 어떠한 단일 양상도 본원에서 개시된 바람직한 속성들을 단독으로 담당하지 않는다.

[0008] 본 출원의 청구대상의 혁신적인 양상은 제1 편광 격자 구조물(polarization grating structure) 및 제1 편광 격자 구조물 위의 제2 편광 격자 구조물을 포함하는 광학 디바이스를 포함한다. 제1 편광 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 제1 복수의 액정 서브층들을 포함한다. 액정 분자들은 가로축을 따라 제1 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성한다. 반복 유닛들은, 제1 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제1 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트된다. 제1 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선(normal)에 대한 제1 경사 각도(tilt angle)를 규정하고, 법선은 제1 편광 격자 구조물의 두께 축을 따라 연장된다. 제2 편광 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 제2 복수의 액정 서브층들을 포함하고, 액정 분자들은 가로축을 따라 제2 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성한다. 반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제2 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트된다. 제2 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 제2 경사 각도를 규정한다. 제1 및 제2 경사 각도들의 크기들은 상이하다.

[0009] 광학 디바이스의 다양한 실시예들에서, 제1 편광 격자 구조물의 복수의 서브층들 각각의 액정 분자들은 제1 트위스트 각도(twist angle)만큼 트위스트될 수 있다. 액정 분자들의 배향들은, 측면 또는 하향식 뷰에서 볼 때, 서브층들 각각에 걸쳐 측방향으로 반복하는 패턴으로 변동할 수 있다. 제1 편광 격자 구조물의 복수의 액정 서브층들 내의 반복 유닛들 각각은 유사한 진행의 배향들을 갖는 복수의 액정 분자들에 의해 형성될 수 있다.

[0010] 광학 디바이스의 다양한 실시예들에서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 액정 서브층들의 연속적으로 더 높은 레벨들의 반복 유닛들은 동일한 방향으로 시프트될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제2 편광 격자 구조물의 복수의 서브층들 각각의 액정 분자들은 제2 트위스트 각도만큼 트위스트될 수 있다. 액정 분자들의 배향들은, 측면 또는 하향식 뷰에서 볼 때, 서브층들 각각에 걸쳐 측방향으로 반복하는 패턴으로 변동할 수 있다. 제2 편광 격자 구조물의 복수의 액정 서브층들 내의 반복 유닛들 각각은 유사한 진행의 배향들을 갖는 복수의 액정 분자들에 의해 형성될 수 있다. 복수의 서브층들 내의 액정 분자들은 중합된 액정 재료의 부분일 수 있다. 예컨대, 복수의 서브층들 내의 액정 분자들은 액정질 디-아크릴레이트(liquid crystalline di-acrylate)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 복수의 서브층들은 카이랄 도펀트들(chiral dopants)로 도핑될 수 있다. 액정 분자들은 약 -85 도 내지 85 도의 경사 각도(θ1)를 가질 수 있다. 다양한 실시예들에서, 액정 분자들은 경사 각도에 대해 약 -20 도 내지 20 도의 입사 각도(θ_inc)로 편광 격자 구조물에 입사되는 광 빔 중 적어도 40 %를 회절시키도록 구성될 수 있다.

[0011] 광학 디바이스의 다양한 실시예들은 제2 편광 격자 구조물 위의 제3 편광 격자 구조물을 더 포함할 수 있고, 제3 편광 격자 구조물은 제3 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하는 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함할 수 있다. 반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제3 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트될 수 있다. 제3 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 제3 경사 각도를 규정한다. 제1, 제2, 및 제3 경사 각도들의 크기들은 상이할 수 있다.

[0012] 제1, 제2, 및 제3 편광 격자 구조물들 각각의 액정 서브층들은 제1, 제2, 및 제3 편광 격자 구조물들 중 다른 편광 격자 구조물들과 상이한 조성들(compositions)을 가질 수 있다. 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 도파관 위에 있고, 도파관 위의 그리고 제1 및 제2 편광 격자 구조물들 아래의 템플릿 층(template layer)을 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들은, 입사 광 빔이 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 도파관을 통해 전파되도록, 입사 광 빔을 도파관에 인-커플링(in-couple)하도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트들일 수 있다. 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전파되는 입사 광 빔을 아웃-커플링(out-couple)하도록 구성된 아웃-커플링 광학 엘리먼트들일 수 있다. 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전파되는 광을 방향전환(redirect)시키도록 구성된 직교 동공 확장기들(orthogonal pupil expanders)일 수 있고, 방향전환된 광은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 계속 전파된다.

[0013] 광학 디바이스의 다양한 실시예들은 제1 및 제2 편광 격자 구조물들을 통해 광을 도파관으로 지향시키도록 구성된 광 변조 디바이스를 포함할 수 있다. 광학 디바이스의 다양한 실시예들은 도파관들의 스택을 더 포함할 수 있고, 각각의 도파관은 상이한 크기들의 경사 각도들을 갖는 복수의 액정 서브층들을 포함하는 제1 및 제2 편광 격자 구조물들을 포함한다.

[0014] 본 출원의 청구대상의 다른 혁신적인 양상은 제1 두께를 갖는 제1 편광 격자 구조물 및 제1 편광 격자 구조물 위의 제2 편광 격자 구조물을 포함하는 광학 디바이스로 구현된다. 제1 편광 격자 구조물은 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제1 복수의 액정 서브층들을 포함한다. 제2 편광 격자 구조물은 제2 두께를 갖고, 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제2 복수의 액정 서브층들을 포함한다. 제1 편광 격자 구조물과 제2 편광 격자 구조물 간에, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들 내의 카이랄 도펀트들의 농도들, 또는 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들 중 적어도 하나가 상이할 수 있다. 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성(handedness)을 가질 수 있다.

[0015] 광학 디바이스의 다양한 실시예들에서, 액정 분자들은 카이랄 네마틱 액정 분자들(chiral nematic liquid crystal molecules)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트 농도들은 약 0.1 wt-% 이상만큼 상이할 수 있다. 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들은 약 10 ㎛ 미만의 양만큼 상이할 수 있다.

[0016] 본 출원의 청구대상의 다른 혁신적인 양상은 광학 디바이스를 제조하기 위한 방법을 포함하고, 방법은: 기판 위에 정렬 층을 제공하는 단계; 정렬 층을 패터닝하는 단계; 정렬 층 상에 제1 액정 층을 증착하는 단계; 제1 액정 층의 액정 분자들을 정렬 층과 정렬시키고, 이로써 제1 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제1 복수의 레벨들을 형성하는 단계; 제1 액정 층들 상에 제2 액정 층을 증착하는 단계; 제2 액정 층의 액정 분자들을 바로 아래에 놓인 제1 액정 층의 액정 분자들과 정렬시키고, 이로써 제2 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제2 복수의 레벨들을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 경사 각도들의 크기들은 상이하다.

[0017] 방법의 다양한 실시예들에서, 정렬 층을 패터닝하는 단계는 정렬 층에 그루브들(grooves)의 패턴을 규정하는 단계를 포함할 수 있다. 정렬 층에 그루브들의 패턴을 규정하는 단계는 나노-임프린팅(nano-imprinting)하는 단계를 포함할 수 있다. 정렬 층을 패터닝하는 단계는 간섭 패턴을 정렬 층에 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 방법의 다양한 실시예들은 제1 액정 층 위에 부가적인 정렬 층을 증착하는 단계; 및 부가적인 정렬 층을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.

[0018] 본 출원의 청구대상의 또 다른 혁신적인 양상은 광학 투과성 도파관 및 도파관의 표면 상에 인-커플링 광학 엘리먼트, 출사 동공 확장기, 또는 직교 동공 확장기를 형성하는 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 디스플레이 시스템으로 구현된다. 회절 광학 엘리먼트는 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함한다. 액정 분자들은 가로축을 따라 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성할 수 있다. 반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트된다. 시프트 거리는 가로축의 법선에 대한 경사 각도를 규정하고, 법선은 제1 편광 격자 구조물의 두께 축을 따라 연장된다.

[0019] 디스플레이 시스템의 다양한 실시예들에서, 도파관은 도파관들의 스택의 부분일 수 있다. 스택의 각각의 도파관은 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함하는 연관된 회절 광학 엘리먼트를 가질 수 있다. 액정 분자들은 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성할 수 있다. 반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트될 수 있다. 시프트 거리는 가로축의 법선에 대한 경사 각도를 규정할 수 있다.

[0020] 본 출원의 청구대상의 다른 혁신적인 양상은 광학 디바이스를 제조하기 위한 방법을 포함하고, 방법은: 기판과 접촉하는 제1 액정 층 및 제1 패턴으로 배열된 복수의 표면 피처들(surface features)을 포함하는 제1 임프린트 템플릿을 제공하는 단계; 및 제1 액정 층의 분자들을 표면 피처들에 정렬시키고, 이로써 제1 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제1 복수의 레벨들을 형성하는 단계를 포함한다.

[0021] 방법의 다양한 실시예들은 제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계; 제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계; 제1 액정 층과 접촉하는 제2 액정 층을 증착하는 단계; 및 제2 액정 층의 분자들을 제1 액정 층의 분자들에 정렬시키는 단계를 포함할 수 있다.

[0022] 다양한 실시예들에서, 제1 액정층 과 제2 액정 층 간에, 제1 및 제2 액정 층들의 두께들; 제1 및 제2 액정 층들 내의 카이랄 도펀트들의 농도들; 또는 제1 및 제2 액정 층들의 카이랄 도펀트들 중 적어도 하나가 상이할 수 있다. 제1 및 제2 액정 층들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성을 가질 수 있다.

[0023] 방법의 다양한 실시예들에서, 기판과 접촉하는 제1 액정 층 및 제1 임프린트 템플릿을 제공하는 단계는 기판 상에 제1 액정 층을 증착하는 단계; 및 제1 액정 층과 제1 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계를 포함한다.

[0024] 방법의 다양한 실시예들은 제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계; 제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계; 제1 액정 층과 접촉하는 제2 액정 층을 증착하는 단계; 제2 액정 층과 제2 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계; 및 제2 액정 층의 분자들을 제2 임프린트 템플릿의 표면 피처들의 패턴에 정렬시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

[0025] 방법의 다양한 실시예들은 제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계; 제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계; 제1 액정 층 위에 평탄화 층(planarization layer)을 형성하는 단계; 평탄화 층 위에 제2 액정 층을 증착하는 단계; 제2 액정 층과 제2 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계; 및 제2 액정 층의 분자들을 제2 임프린트 템플릿의 표면 피처들의 패턴에 정렬시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

[0026] 아래에 열거된 예들과 같이, 격자 구조물들을 포함하는 광학 디바이스들 및 그들의 제조 방법들의 다양한 예들이 본원에 설명된다.

[0027] 예 1 : 광학 디바이스로서,

제1 편광 격자 구조물: 및

제1 편광 격자 구조물 위의 제2 편광 격자 구조물을 포함하고,

제1 편광 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 제1 복수의 액정 서브층들을 포함하고, 액정 분자들은 가로축을 따라 제1 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고,

반복 유닛들은, 제1 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제1 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고, 제1 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 제1 경사 각도를 규정하고, 법선은 제1 편광 격자 구조물의 두께 축을 따라 연장되고,

제2 편광 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 제2 복수의 액정 서브층들을 포함하고, 액정 분자들은 가로축을 따라 제2 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고,

반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제2 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고, 제2 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 제2 경사 각도를 규정하고,

제1 및 제2 경사 각도들의 크기들은 상이하다.

[0028] 예 2 : 제1 예의 디바이스에 있어서, 제1 편광 격자 구조물의 복수의 서브층들 각각의 액정 분자들은 제1 트위스트 각도만큼 트위스트되고,

액정 분자들의 배향들은, 측면 또는 하향식 뷰에서 볼 때, 서브층들 각각에 걸쳐 측방향으로 반복하는 패턴으로 변동하고,

제1 편광 격자 구조물의 복수의 액정 서브층들 내의 반복 유닛들 각각은 유사한 진행의 배향들을 갖는 복수의 액정 분자들에 의해 형성된다.

[0029] 예 3 : 제1 예 또는 제2 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 액정 서브층들의 연속적으로 더 높은 레벨들의 반복 유닛들은 동일한 방향으로 시프트된다.

[0030] 예 4 : 제1 예 내지 제3 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 제2 편광 격자 구조물의 복수의 서브층들 각각의 액정 분자들은 제2 트위스트 각도만큼 트위스트되고,

액정 분자들의 배향들은, 측면 또는 하향식 뷰에서 볼 때, 서브층들 각각에 걸쳐 측방향으로 반복하는 패턴으로 변동하고,

제2 편광 격자 구조물의 복수의 액정 서브층들 내의 반복 유닛들 각각은 유사한 진행의 배향들을 갖는 복수의 액정 분자들에 의해 형성된다.

[0031] 예 5 : 제1 예 내지 제4 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 복수의 서브층들 내의 액정 분자들은 중합된 액정 재료의 부분이다.

[0032] 예 6 : 제1 예 내지 제5 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 복수의 서브층들 내의 액정 분자들은 액정질 디-아크릴레이트를 포함한다.

[0033] 예 7 : 제1 예 내지 제6 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 복수의 서브층들은 카이랄 도펀트들로 도핑된다.

[0034] 예 8 : 제1 예 내지 제7 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 액정 분자들은 약 -85 도 내지 85 도의 경사 각도(θ1)를 갖는다.

[0035] 예 9 : 제1 예 내지 제8 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 액정 분자들은 경사 각도에 대해 약 -20 도 내지 20 도의 입사 각도(θ_inc)로 편광 격자 구조물에 입사되는 광 빔 중 적어도 40 %를 회절시키도록 구성된다.

[0036] 예 10 : 제1 예 내지 제9 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 제2 편광 격자 구조물 위의 제3 편광 격자 구조물을 더 포함하고, 제3 편광 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함하고,

액정 분자들은 제3 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고,

반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제3 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고, 제3 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 제3 경사 각도를 규정하고,

제1, 제2, 및 제3 경사 각도들의 크기들은 상이하다.

[0037] 예 11 : 제10 예의 디바이스에 있어서, 제1, 제2, 및 제3 편광 격자 구조물들 각각의 액정 서브층들은 제1, 제2, 및 제3 편광 격자 구조물들 중 다른 편광 격자 구조물들과 상이한 조성들을 갖는다.

[0038] 예 12 : 제1 예 내지 제11 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 도파관 위에 있고,

도파관 위의 그리고 제1 및 제2 편광 격자 구조물들 아래의 템플릿 층을 더 포함한다.

[0039] 예 13 : 제12 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은, 입사 광 빔이 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전파되도록, 입사 광 빔을 도파관에 인-커플링하도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트들이다.

[0040] 예 14 : 제13 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들을 통해 광을 도파관으로 지향시키도록 구성된 광 변조 디바이스를 더 포함한다.

[0041] 예 15 : 제13 예 또는 제14 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전파되는 입사 광 빔을 아웃-커플링하도록 구성된 아웃-커플링 광학 엘리먼트들이다.

[0042] 예 16 : 제13 예 내지 제15 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전파되는 광을 방향전환시키도록 구성된 직교 동공 확장기들이고, 방향전환된 광은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 계속 전파된다.

[0043] 예 17 : 제13 예 내지 제16 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 도파관들의 스택을 더 포함하고, 각각의 도파관은 상이한 크기들의 경사 각도들을 갖는 복수의 액정 서브층들을 포함하는 제1 및 제2 편광 격자 구조물들을 포함한다.

[0044] 예 18 : 광학 디바이스로서,

제1 두께를 갖는 제1 편광 격자 구조물; 및

제1 편광 격자 구조물 위의 제2 편광 격자 구조물을 포함하고,

제1 편광 격자 구조물은 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제1 복수의 액정 서브층들을 포함하고,

제2 편광 격자 구조물은 제2 두께를 갖고, 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제2 복수의 액정 서브층들을 포함하고,

제1 편광 격자 구조물과 제2 편광 격자 구조물 간에,

제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들;

제1 및 제2 편광 격자 구조물들 내의 카이랄 도펀트들의 농도들; 또는

제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들

중 적어도 하나가 상이하고,

제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성을 갖는다.

[0045] 예 19 : 제18 예의 디바이스에 있어서, 액정 분자들은 카이랄 네마틱 액정 분자들이다.

[0046] 예 20 : 제18 예 또는 제19 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트 농도들은 약 0.1 wt-% 이상만큼 상이하다.

[0047] 예 21 : 제18 예 내지 제20 예 중 어느 한 예의 디바이스에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들은 약 10 ㎛ 미만의 양만큼 상이하다.

[0048] 예 22 : 광학 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,

기판 위에 정렬 층을 제공하는 단계;

정렬 층을 패터닝하는 단계;

정렬 층 상에 제1 액정 층을 증착하는 단계;

제1 액정 층의 액정 분자들을 정렬 층과 정렬시키고, 이로써 제1 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제1 복수의 레벨들을 형성하는 단계;

제1 액정 층들 상에 제2 액정 층을 증착하는 단계;

제2 액정 층의 액정 분자들을 바로 아래에 놓인 제1 액정 층의 액정 분자들과 정렬시키고, 이로써 제2 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제2 복수의 레벨들을 형성하는 단계를 포함하고,

제1 및 제2 경사 각도의 크기들은 상이하다.

[0049] 예 23 : 제22 예의 방법에 있어서, 정렬 층을 패터닝하는 단계는 정렬 층에 그루브들의 패턴을 규정하는 단계를 포함한다.

[0050] 예 24 : 제23 예의 방법에 있어서, 정렬 층에 그루브들의 패턴을 규정하는 단계는 나노-임프린팅하는 단계를 포함한다.

[0051] 예 25 : 제22 예 내지 제24 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서, 정렬 층을 패터닝하는 단계는 정렬 층에 간섭 패턴을 기록하는 단계를 포함한다.

[0052] 예 26 : 제22 예 내지 제25 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서,

제1 액정 층 위에 부가적인 정렬 층을 증착하는 단계; 및

부가적인 정렬 층을 패터닝하는 단계를 더 포함한다.

[0053] 예 27 : 디스플레이 시스템으로서,

광학 투과성 도파관;

도파관의 표면 상에 인-커플링 광학 엘리먼트, 출사 동공 확장기, 또는 직교 동공 확장기를 형성하는 회절 광학 엘리먼트를 포함하고,

회절 광학 엘리먼트는 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함하고,

액정 분자들은 가로축을 따라 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고,

반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고, 시프트 거리는 가로축의 법선에 대한 경사 각도를 규정하고, 법선은 제1 편광 격자 구조물의 두께 축을 따라 연장된다.

[0054] 예 28 : 제27 예의 시스템에 있어서, 도파관은 도파관들의 스택의 부분이고, 도파관들 각각은 연관된 회절 광학 엘리먼트를 갖고,

회절 광학 엘리먼트는 액정 분자들을 포함하는 복수의 액정 서브층들을 포함하고,

액정 분자들은 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고,

반복 유닛들은, 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고, 시프트 거리는 가로축의 법선에 대한 경사 각도를 규정한다.

[0055] 예 29 : 광학 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,

기판과 접촉하는 제1 액정 층 및 제1 패턴으로 배열된 복수의 표면 피처들을 포함하는 제1 임프린트 템플릿을 제공하는 단계; 및

제1 액정 층의 분자들을 표면 피처들에 정렬시키고, 이로써 제1 경사 각도를 규정하는 반복하는 액정 분자들의 제1 복수의 레벨들을 형성하는 단계를 포함한다.

[0056] 예 30 : 제29 예의 방법에 있어서,

제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계;

제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계;

제1 액정 층과 접촉하는 제2 액정 층을 증착하는 단계; 및

제2 액정 층의 분자들을 제1 액정 층의 분자들에 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

[0057] 예 31 : 제30 예의 방법에 있어서,

제1 및 제2 액정 층들의 두께들;

제1 및 제2 액정 층들 내의 카이랄 도펀트들의 농도들; 또는

제1 및 제2 액정 층들의 카이랄 도펀트들

중 적어도 하나는 제1 액정 층과 제2 액정 층 간에 상이하고,

제1 및 제2 액정 층들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성을 갖는다.

[0058] 예 32 : 제29 예 내지 제31 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서,

기판과 접촉하는 제1 액정 층 및 제1 임프린트 템플릿을 제공하는 단계는:

기판 상에 제1 액정 층을 증착하는 단계; 및

제1 액정 층과 제1 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계를 포함한다.

[0059] 예 33 : 제29 예 내지 제31 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서,

제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계;

제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계;

제1 액정 층과 접촉하는 제2 액정 층을 증착하는 단계;

제2 액정 층과 제2 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계; 및

제2 액정 층의 분자들을 제2 임프린트 템플릿의 표면 피처들의 패턴에 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

[0060] 예 34 : 제29 예 내지 제33 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서,

제1 액정 층의 분자들을 중합하는 단계;

제1 임프린트 템플릿을 제거하는 단계;

제1 액정 층 위에 평탄화 층을 형성하는 단계;

평탄화 층 위에 제2 액정 층을 증착하는 단계;

제2 액정 층과 제2 임프린트 템플릿을 접촉시키는 단계; 및

제2 액정 층의 분자들을 제2 임프린트 템플릿의 표면 피처들의 패턴에 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

[0061] 본 명세서에서 설명되는 청구 대상의 하나 이상의 실시예들의 세부사항들은, 아래의 첨부 도면들 및 설명에서 기술된다. 다른 특징들, 양상들, 및 이점들은 설명, 도면들, 및 청구항들로부터 자명해질 것이다. 다음의 도면들의 상대적인 치수들이 실척대로 도시되지 않을 수 있다는 것이 주목된다.

[0062] 도 1은 AR(augmented reality) 디바이스를 통한 AR의 사용자의 뷰를 예시한다.
[0063] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0064] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0065] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0066] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0067] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0068] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0069] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0070] 도 9a는 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0071] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0072] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0073] 도 10a는 액정 재료의 복수의 서브층들을 포함하는 격자 구조물의 예의 하향식 사시도를 예시한다.
[0074] 도 10b는 도 10a의 격자 구조물의 측면도를 예시한다.
[0075] 도 11은 액정 분자들의 측방향 오프셋 반복 유닛들을 갖는 액정 재료의 복수의 서브층을 포함하는 격자 구조물의 예를 예시한다.
[0076] 도 12a 및 도 12b-1은 격자 구조물들의 스택들의 예들을 예시한다.
[0077] 도 12b-2는 도 12b-1에 예시된 스택의 경사 각도들 및 두께들의 플롯의 예이다.
[0078] 도 12c-1은 하나의 경사 각도를 갖는 단일 액정 편광 격자 구조물의 예를 예시한다. 도 12c-2는 도 12c-1에 도시된 하나의 경사 각도를 갖는 단일 액정 편광 격자 구조물의, 상이한 입사 각도들의 광에 대한 1차 회절 효율의 예들을 예시한다.
[0079] 도 12d-1은, 각각이 상이한 크기의 경사 각도를 갖는 2개의 액정 편광 격자 구조물들의 스택의 예를 예시한다. 도 12d-2는, 도 12d-1에 도시된 각각이 상이한 크기의 경사 각도를 갖는 2개의 액정 편광 격자 구조물들의 스택의, 상이한 입사 각도들의 광에 대한 1차 회절 효율의 예들을 예시한다.
[0080] 도 13a 내지 도 13e는 격자 구조물들의 스택을 제조하기 위한 프로세스 동안 형성된 상이한 구조물들의 예들을 예시한다.
[0081] 도 14는 다수의 정렬 층들을 갖는 격자 구조물들의 스택을 예시한다.
[0082] 도 15a 내지 도 15d는 격자 구조물들의 스택을 제조하기 위한 다른 프로세스 동안 형성된 상이한 구조물들의 예들을 예시한다.
[0083] 다양한 도면들 내의 유사한 참조 번호들 및 지정들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.

[0084] 일부 실시예들에서, 편광 격자들과 같은 회절 광학 엘리먼트들은 광범위한 입사 각도들에 대해 고효율(예컨대, 약 40 % 이상의 회절 효율들)로 광을 회절시키도록 구성된 액정 격자 구조물들(예컨대, 액정 편광 격자들)을 포함한다. 액정 격자 구조물은 액정 분자들을 포함하는 액정 재료의 복수의 서브층들을 포함한다. 액정 분자들의 배향들은 서브층에 걸쳐 가로축을 따라 규칙적인 인터벌로 변동하며, 이로써 가로축을 따라 이격된 세장형 액정 분자들의 반복 유닛들을 형성한다. 반복하는 액정 유닛들은 액정 재료의 바로 인접한 서브층 내의 유사한 반복 유닛들에 대해 측방향으로 오프셋되어, 상이한 서브층들(예컨대, 바로 이웃하는 서브층들)의 오프셋된 반복 유닛들은 가로축의 법선에 대한 경사 각도(θ)를 규정하고, 법선은 액정 격자 구조물의 두께 치수에 평행하게 연장된다. 각각 액정 재료의 복수의 서브층들에 의해 형성되는 다수의 액정 격자 구조물들은 액정 격자 구조물들의 스택을 형성할 수 있다. 각각의 액정 격자 구조물을 형성하는 서브층들의 경사 각도는, 스택의 이웃하는 액정 격자 구조물을 형성하는 서브층들의 경사 각도와 상이한 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 격자 구조물들은 서로 상이한 조성들 및/또는 두께들을 가질 수 있다. 예컨대, 상이한 액정 격자 구조물들은 상이한 농도들 및/또는 타입들의 카이랄 도펀트들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 격자 구조물들 중 적어도 일부는 다른 액정 격자 구조물들과 상이한 액정 재료를 포함할 수 있고, 각각의 구조물을 위한 재료는 원하는 경사 각도를 제공하는 것을 가능하게 하도록 선택될 수 있다.

[0085] 일부 실시예들에서, 각각의 서브층의 액정 재료는, 격자 구조물의 다른 서브층의 액정 분자들에 대해 트위스트 각도(Φ)만큼 회전되는 액정 분자들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 트위스트 각도는 복수의 서브층들의 최상부 서브층 상의 액정 분자와 최하부 서브층 상의 아래에 놓인(예컨대, 바로 아래에 놓인) 액정 분자 사이의 상대적인 방위각 회전(relative azimuthal angular rotation)이다. 일부 실시예들에서, 액정 격자 구조물들 중 상이한 액정 격자 구조물들 내의 액정 분자들의 트위스트 각도들은 상이하여, 상이한 격자 구조물들에 대해 상이한 경사 각도들 발생시킬 수 있다. 정해진 타입의 액정 분자들에 대해, 트위스트 각도가 서브층들에 존재하는 카이랄 도펀트들, 및 액정 격자 구조물을 형성하는 액정 재료의 두께(예컨대, 특정 액정 격자 구조물을 형성하는 서브층들의 어그리게이트 두께)에 기반하여 변동될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 결과적으로, 상이한 액정 격자 구조물들에 대한 상이한 트위스트 각도 크기들은, 본원에서 논의된 바와 같이, 액정 격자 구조물들 각각을 형성하는 액정 재료에 대해 상이한 조성들 및/또는 상이한 두께들을 사용하여 달성될 수 있다.

[0086] 일부 실시예들에서, 정렬 층은 액정 분자들의 배향을 설정하는 데 사용될 수 있다. 정렬 층은 기판 상에 증착되고, 후속하여 패터닝될 수 있다. 이어서, 액정 분자들의 제1 층은 정렬 층 상에 증착될 수 있고, 액정 분자들은 정렬 층의 아래에 놓인 패턴과 정렬되도록 허용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬은, 본원에서 논의된 바와 같이, 특정 경사 각도를 갖는 액정 분자들의 다수의 서브층들의 형성을 초래할 수 있다. 이어서, 액정 분자들은 적소에 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 분자들은, 예컨대, 액정 분자가 포토-활성화 가교 화학 종들(photo-activated cross-linking chemical species)을 포함하는 경우, UV 광과 같은 에너지 원에 대한 노출에 의해 중합 가능할 수 있다. 이어서, 제2 액정 층이 증착될 수 있고, 그 층의 액정 분자들은 아래에 놓인 액정 층과 정렬되고, 이어서 적소에 고정되도록 허용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부가적인 액정 층들이 증착될 수 있고, 그들의 구성 액정 분자들은 자기-정렬되고, 이어서 적소에 고정되도록 허용될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 제2 및 부가적인 액정 층들은 제1 액정 층과 상이한 조성 및/또는 두께를 가져서, 각각의 층에 대해 상이한 크기들의 경사 각도들을 초래할 수 있다.

[0087] 일부 실시예들에서, 액정 분자들이 중합 가능할 수 있고, 일단 중합되면, 다른 액정 분자들과 네트워크를 형성할 수 있음이 인지될 것이다. 예컨대, 액정 분자들은 화학 결합들에 의해 결합되거나, 화학 종들과 다른 액정 분자들을 결합할 수 있다. 설명을 용이하게 하기 위해, 본원에서 "액정 분자"라는 용어는, 적절하게, 중합 전의 액정 분자들 및 중합 후에 이들 분자들에 의해 형성된 액정 도메인들을 지칭하도록 사용된다. 일부 실시예들에서, 일단 함께 결합되면, 액정 분자들은, 함께 결합되기 전에 실질적으로 동일한 배향들 및 위치들을 갖는 액정 도메인들을 형성할 수 있다.

[0088] 이론에 의해 제한되지 않고서, 상이한 경사 각도들은 상이한 입사 각도들의 입사 광을 회절시키는 것에 대해 상이한 피크 효율들을 발생시킬 수 있다. 상이한 경사 각도들을 갖는 액정 서브층들을 갖는 액정 격자 구조물들을 제공함으로써(예컨대, 상이한 경사 각도들을 달성하기 위해 액정 격자의 서브층들의 액정 분자들의 트위스트 각도를 수정함으로써), 상이한 피크 효율들은 액정 격자 구조물들의 스택이 광을 회절하는데 매우 효율적인 광범위한 입사 각도들을 달성하도록 함께 혼합될 수 있다. 유리하게, 결과적으로, 액정 격자 구조물에 의해 방향전환되는 광의 양이 증가될 수 있다.

[0089] 이론에 의해 제한되지 않고서, 일부 실시예들에서 입사 광의 회절 각도는 경사 각도(θ)에 실질적으로 비례(예컨대, 거의 동일)하는 것으로 여겨진다. 다시 말해서, 광이 인-커플링 광학 엘리먼트들에 의해 도파관으로 회절되는 각도는 경사 각도(θ)에 비례(예컨대, 거의 동일)할 수 있다. 따라서, 인-커플링 광학 엘리먼트들에 포함된 액정 격자 구조물들은, 예컨대, 약 ± 85도 사이의 범위와 같은 원하는 경사 각도(θ)를 제공하기 위해, 서브층에 통합된 카이랄 도펀트의 양 및/또는 타입을 조절하고, 두께를 변동시키는 것 등에 의해 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트들은 브래그 각도(Bragg angle) 둘레에 약 ± 30도 범위의 입사 각도들에서 고효율(예컨대, 약 40 % 이상의 회절 효율)로 입사 광을 회절시키도록 구성될 수 있다.

[0090] 또한, 격자 주기(예컨대, 개별적인 액정 분자들의 주기성)를 변경하는 것이 액정 격자 구조물에 의해 가장 효율적으로 회절된 광의 파장들을 변경할 수 있음이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 상이한 격자 주기들을 갖는 다수의 격자 구조물들은 상이한 파장들의 광을 회절시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 격자 구조물들은 수직으로 스택되고 그리고/또는 동일한 수직 레벨로 배치(예컨대, 서로 측방향으로 이격)될 수 있다.

[0091] 일부 실시예들에서, 격자 구조물들에 의해 형성된 회절 광학 엘리먼트들은 디스플레이 시스템의 구성 부분들로서 활용될 수 있다. 디스플레이 시스템은 도파관, 및 광 스트림을 도파관으로 지향시키도록 구성된 이미지 주입 디바이스를 포함할 수 있다. 회절 광학 엘리먼트는, 인-커플링 광학 엘리먼트, 아웃-커플링 광학 엘리먼트, 및 도파관 내에서 전파되는 입사 광을 수신하고 그 입사 광을 방향전환시켜 방향전환된 광이 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 계속 전파 계속되도록 하기 위한 광학 엘리먼트 중 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 후자 타입의 광학 엘리먼트의 예들은 직교 동공 확장기(OPE)들과 같은 동공 확장기들을 포함한다.

[0092] 일부 실시예들에서, 회절 광학 엘리먼트들은 도파관 내에서 전파되는 광을 인-커플링, 아웃-커플링 및/또는 방향전환시키는 데 사용될 수 있다. 광은 단일 파장의 또는 단일 범위의 파장들의 광일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광은, 상이한 광 특성들을 갖는 복수의 광 스트림들(예컨대, 각각의 스트림은 상이한 파장을 가질 수 있음)을 포함하는 멀티플렉싱된 광 스트림의 부분인 광 스트림일 수 있다. 예컨대, 도파관은, (예컨대, 제1 파장과 상이한 파장들을 갖는) 광의 하나 이상의 다른 스트림들을 실질적으로 투과시키면서, 특정 광 특성(예컨대, 제1 파장)을 갖는 광으로 형성된 광 스트림을 선택적으로 방향전환시키도록 구성될 수 있는 회절 광학 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은, 하나 이상의 다른 광 스트림을 투과시키면서, 제2 광 스트림들을 선택적으로 터닝(turn)시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 제2 도파관을 포함할 수 있는 도파관들의 스택의 부분이다. 일부 실시예들에서, 도파관의 인-커플링 회절 광학 엘리먼트들은 광 스트림들 중 적어도 하나를 제2 도파관의 인-커플링 회절 광학 엘리먼트들에 전송하도록 구성된다.

[0093] 이제 유사한 참조 번호들이 전반에 걸쳐 유사한 부분들을 지칭하는 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다. 본원에 개시된 실시예들이 일반적으로 디스플레이 시스템들을 포함하여 광학 시스템들을 포함한다는 것이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템들은 착용 가능하고, 이는 유리하게는, 보다 몰입형 VR 또는 AR 경험을 제공할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 도파관들(예컨대, 도파관들의 스택)을 포함하는 디스플레이들은 사용자 또는 뷰어의 눈들의 전면에 포지셔닝되게 착용되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관들의 2개의 스택들(뷰어의 각각의 눈마다 하나씩)은 각각의 눈에 상이한 이미지들을 제공하기 위해 활용될 수 있다.

예시적인 디스플레이 시스템들

[0094] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(60)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(60)은 디스플레이(70), 및 그 디스플레이(70)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계적 및 전자적 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(70)는, 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(90)에 의해 착용 가능하고 그리고 사용자(90)의 눈들의 전면에 디스플레이(70)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(80)에 커플링될 수 있다. 디스플레이(70)는 일부 실시예들에서, 안경류(eyewear)로 간주될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(100)는 프레임(80)에 커플링되고 사용자(90)의 외이도에 인접하게 포지셔닝되도록 구성된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝되어 스테레오/성형 가능(shapeable) 사운드 제어를 제공함). 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한 하나 이상의 마이크로폰들(110) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰은 사용자가 시스템(60)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성 메뉴 커맨드들의 선택, 자연어 질문 등)을 제공하도록 허용하게 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰은 추가로, 오디오 데이터(예컨대, 사용자 및/또는 환경으로부터의 사운드들)를 수집하기 위한 주변 센서로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한, 프레임(80)과 별개이고 사용자(90)의 신체(예컨대, 사용자(90)의 머리, 몸통, 사지(extremity) 등)에 부착될 수 있는 주변 센서(120a)를 포함할 수 있다. 주변 센서(120a)는, 일부 실시예들에서, 사용자(90)의 생리학적 상태를 특징화하는 데이터를 취득하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 센서(120a)는 전극일 수 있다.

[0095] 도 2를 계속 참조하면, 디스플레이(70)는, 다양한 구성들로 장착될 수 있는, 예컨대, 프레임(80)에 고정되게 부착되거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정되게 부착되거나, 헤드폰들에 내장되거나, 그렇지 않으면 사용자(90)에게 제거 가능하게 부착되는(예컨대, 백팩(backpack)-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)에 통신 링크(130)에 의해, 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해, 동작 가능하게 커플링된다. 유사하게, 센서(120a)는 통신 링크(120b), 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해 로컬 프로세서 및 데이터 모듈(140)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 하드웨어 프로세서뿐 아니라, 디지털 메모리 예컨대, 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱(caching) 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) 센서들(예컨대 프레임(80)에 동작 가능하게 커플링되거나 그렇지 않으면 사용자(90)에게 부착될 수 있음), 예컨대, 이미지 캡처 디바이스들(예컨대, 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본원에서 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(150) 및/또는 원격 데이터 저장소(repository)(160)(가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함함)를 사용하여 취득 및/또는 프로세싱되는(가능하게는, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후 디스플레이(70)에 전달하기 위한) 데이터를 포함한다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 통신 링크들(170, 180)에 의해, 예컨대, 유선 또는 무선 통신 링크들을 통하여, 원격 프로세싱 모듈(150) 및 원격 데이터 저장소(160)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어서, 이들 원격 모듈들(150, 160)은 서로 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에 대한 자원들로서 이용 가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이들 센서들 중 하나 이상은 프레임(80)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)과 통신하는 자립형 구조들일 수 있다.

[0096] 도 2를 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, 원격 프로세싱 모듈(150)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 저장소(160)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통하여 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 저장소(160)는 정보, 예컨대, 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(150)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 컴퓨테이션들은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.

[0097] "3-차원" 또는 "3-D"로서 이미지의 지각은 뷰어의 각각의 눈에 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 2개의 별개의 이미지들(190 및 200)(각각의 눈(210 및 220)에 대해 하나씩)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(190, 200)은 뷰어의 시선과 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(230) 만큼 눈들(210, 220)로부터 이격된다. 이미지들(190, 200)은 편평하고 눈들(210, 220)은 단일 원근조절된 상태를 취함으로써 이미지들에 포커싱될 수 있다. 그러한 3-D 디스플레이 시스템들은 결합된 이미지에 대한 스케일 및/또는 깊이의 지각을 제공하기 위하여 이미지들(190, 200)을 결합하는데 인간 시각 시스템에 의존한다.

[0098] 그러나, 인간 시각 시스템은 더 복잡하고 현실적인 깊이의 지각을 제공하는 것이 더 어렵다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 종래의 "3-D" 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 그런 시스템들이 불편하다는 것을 발견하거나, 깊이 감을 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 객체의 뷰어들은 이접운동 및 원근조절의 결합으로 인해 객체를 "3-차원"인 것으로 지각할 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 2개의 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(즉, 객체를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 동공들이 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 움직이도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 렌즈들 및 동공들의 포커싱(또는 "원근조절")과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들 하에서, 하나의 객체에서 상이한 거리의 다른 객체로 포커스를 변경하기 위해, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변경하거나, 눈들을 원근조절하는 것은, "원근조절-이접운동 반사작용(accommodation-vergence reflex)"으로 알려진 관계 하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동의 매칭하는 변화뿐만 아니라 동공 팽창 또는 수축을 자동으로 발생시킬 것이다. 마찬가지로, 이접운동에서의 변화는 정상 조건들하에서, 렌즈 형상 및 동공 크기의, 원근조절에서의 매칭하는 변화를 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 다수의 스테레오스코픽 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들은, 3-차원 원근투시가 인간 시각 시스템에 의해 지각되도록 각각의 눈에 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 따라서, 약간 상이한 이미지들)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 그러한 시스템들은 많은 뷰어들에게 불편한데, 그 이유는 다른 것들 중에서, 그러한 시스템들이 단순히 장면의 상이한 프리젠테이션을 제공하지만, 눈들이 단일 원근조절된 상태에서 모든 이미지 정보를 보고, 그리고 "원근조절-이접운동 반사"에 반하여 작동하기 때문이다. 원근조절과 이접운동 사이의 더 양호한 매칭을 제공하는 디스플레이 시스템들은 3-차원 이미저리의 더 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성하여, 착용 지속기간을 증가시키고, 그리고 결국 진단 및 치료 프로토콜들을 준수하는데 기여할 수 있다.

[0099] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, z-축 상에서 눈들(210, 220)로부터의 다양한 거리들에 있는 객체들은, 이들 객체들이 인 포커싱(in focus)되도록 눈들(210, 220)에 의해 원근조절된다. 눈들(210, 220)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 객체들에 포커스를 맞추게 하는 특정 원근조절된 상태들을 취한다. 결과적으로, 특정 원근조절된 상태는 연관된 초점 거리를 갖는 깊이 평면들(240) 중 특정한 하나의 깊이 평면과 연관되는 것으로 말할 수 있어서, 특정 깊이 평면의 객체들 또는 객체들의 부분들은, 눈이 해당 깊이 평면에 대해 원근조절된 상태에 있을 때 인 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는 눈들(210, 220) 각각에 대해 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써, 그리고 또한 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 별개인 것으로 도시되지만, 눈들(210, 220)의 시야들은 예컨대, z-축을 따른 거리가 증가함에 따라 겹쳐질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 게다가, 예시의 용이함을 위해 평평한 것으로 도시되지만, 깊이 평면의 윤곽들은 물리적 공간에서 만곡될 수 있어서, 깊이 평면의 모든 피처들은 특정 원근조절된 상태에서 눈과 인 포커싱된다는 것이 인지될 것이다.

[0100] 객체와 눈(210 또는 220) 간의 거리는 또한, 그 눈으로 볼 때, 그 객체로부터 광의 발산량을 변경할 수 있다. 도 5a-5c는 광선들의 거리와 발산 간의 관계들을 예시한다. 객체와 눈(210) 간의 거리는, 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a-5c에 도시된 바와 같이, 광선들은, 객체에 대한 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더 시준된다. 다시 말해서, 포인트(객체 또는 객체의 일부)에 의해 생성된 광 필드가 구체 파면 곡률을 가지는 것으로 말해질 수 있고, 구체 파면 곡률은, 포인트가 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 객체와 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도는 또한 상이하고, 발산 정도는, 깊이 평면들과 뷰어의 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 단지 하나의 눈(210)이 도 5a-5c 및 본원의 다른 도면들에서 예시의 명확성을 위해 예시되지만, 눈(210)에 대한 논의들이 뷰어의 양쪽 눈들(210 및 220)에 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0101] 이론에 의해 제한되지 않고서, 인간 눈이 통상적으로 깊이 지각을 제공하기 위하여 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있다고 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 그럴듯한 시뮬레이션은, 눈에, 이들 제한된 수의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 뷰어의 눈들에 의해 별개로 포커싱될 수 있고, 그리하여, 상이한 깊이 평면 상에 위치되는 장면에 대한 상이한 이미지 피처들에 포커스를 맞추도록 요구되는 눈의 원근조절에 기반하여 그리고/또는 상이한 깊이 평면 상의 상이한 이미지 피처들이 아웃 포커스(out of focus)되는 것을 관찰하는 것에 기반하여 깊이 단서들을 사용자에게 제공하는 것을 돕는다.

[0102] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(250)은 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 사용하여 3-차원 지각을 눈/뇌에 제공하기 위하여 활용될 수 있는 도파관들의 스택, 또는 스택된 도파관 어셈블리(260)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 도 2의 시스템(60)이고, 도 6은 그 시스템(60)의 일부 부분들을 더 상세히 개략적으로 도시한다. 예컨대, 도파관 어셈블리(260)는 도 2의 디스플레이(70)의 부분일 수 있다. 디스플레이 시스템(250)은 일부 실시예들에서 광 필드(light field) 디스플레이로서 간주될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0103] 도 6을 계속 참조하면, 도파관 어셈블리(260)는 또한 도파관들 사이에 복수의 피처들(320, 330, 340, 350)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 및/또는 복수의 렌즈들(320, 330, 340, 350)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고, 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 도파관들에 대한 광원으로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 주입하기 위하여 활용될 수 있으며, 도파관들 각각은, 본원에 설명된 바와 같이, 눈(210)을 향하여 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관에 걸쳐 인입 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)의 출력 표면(410, 420, 430, 440, 450)을 나가고 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 대응하는 입력 표면(460, 470, 480, 490, 500)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(460, 470, 480, 490, 500) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면의 일부일 수 있다(즉, 도파관 표면들 중 하나는 직접적으로 세계(510) 또는 뷰어의 눈(210)을 향함). 일부 실시예들에서, 단일 광 빔(예컨대, 시준된 빔)은 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산 양들)로 눈(210)을 향하여 지향되는 시준된 클론 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력하기 위하여 각각의 도파관으로 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 하나의 이미지 주입 디바이스가 복수(예컨대, 3개)의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)과 연관되고 그에 광을 주입할 수 있다.

[0104] 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 각각 대응하는 도파관(270, 280, 290, 300, 310)에 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 다른 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 예컨대, 이미지 정보를 하나 이상의 광학 도관들(예컨대, 광섬유 케이블들)을 통하여 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일 멀티플렉싱된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0105] 일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 이미터를 포함할 수 있는 광 모듈(530)을 포함하는 광 프로젝터 시스템(520)에 의해 제공된다. 광 모듈(530)로부터의 광은 빔 분할기(550)를 통해 광 변조기(540), 예컨대, 공간 광 변조기에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(540)는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 주입되는 광의 지각된 세기를 변화시키도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기들의 예들은, LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들을 포함한다.

[0106] 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선형 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴 등)로 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 그리고 궁극적으로 뷰어의 눈(210)으로 프로젝팅하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 하나 또는 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 광을 주입하도록 구성된 단일 스캐닝 광섬유 또는 스캐닝 광섬유들의 번들(bundle)을 개략적으로 표현할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 복수의 스캐닝 광섬유들 또는 스캐닝 광섬유들의 복수의 번들(bundle)들을 개략적으로 표현할 수 있고, 이들 각각은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 연관된 도파관 내로 광을 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(530)로부터 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 광을 송신하도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 스캐닝 섬유에서 나오는 광을 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 방향전환시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 사이에 하나 이상의 개재된 광학 구조들이 제공될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0107] 제어기(560)는 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400), 광원(530) 및 광 변조기(540)의 동작을 포함한, 스택된 도파관 어셈블리(260)의 하나 이상의 도파관들의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)의 부분이다. 제어기(560)는 예컨대, 본원에 개시된 다양한 방식들 중 임의의 방식에 따라 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기는 단일 통합 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산 시스템일 수 있다. 제어기(560)는 일부 실시예들에서, 프로세싱 모듈들(140 또는 150)(도 2)의 부분일 수 있다.

[0108] 도 6을 계속 참조하면, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개개의 도파관 내에서 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 각각 평면형이거나 다른 형상(예컨대, 곡선)을 가질 수 있으며, 주 최상부 및 최하부 표면들 및 이들 주 최상부와 최하부 표면들 사이에서 연장되는 에지들을 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 각각은 이미지 정보를 눈(210)에 출력하기 위해 각각의 개개의 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 방향전환시킴으로써 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성되는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃-커플링된 광으로서 또한 지칭될 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로서 지칭될 수 있다. 추출된 광 빔은, 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치들에서 도파관에 의해 출력될 수 있다. 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절 광학 피처들을 포함하는 격자들일 수 있다. 설명의 용이함 및 도면 명확성을 위하여 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 볼륨에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착된 재료의 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 재료의 모놀리식 피스(piece)일 수 있고 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 재료의 해당 피스의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.

[0109] 도 6을 계속 참조하면, 본원에 논의된 바와 같이, 각각의 도파관(270, 280, 290, 300, 310)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(270)은, (그러한 도파관(270)에 주입된) 시준된 광을 눈(210)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위의 다음 도파관(280)은, 시준된 광이 눈(210)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(350)(예컨대, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 그러한 제1 렌즈(350)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 위의 다음 도파관(280)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(210)을 향하여 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위의 제3 도파관(290)은 자신의 출력 광을 눈(210)에 도달하기 전에 제1(350) 및 제2(340) 렌즈들 둘 모두를 통과시키고; 제1(350) 및 제2(340) 렌즈들의 결합된 광학 전력은 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 제3 도파관(290)으로부터 오는 광을, 위의 다음 도파관(280)으로부터의 광보다는 광학적 무한대로부터 사람을 향하여 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.

[0110] 다른 도파관 층들(300, 310) 및 렌즈들(330, 320)은 유사하게 구성되는데, 스택에서 가장 높은 도파관(310)은 자신의 출력을, 사람과 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 어그리게이트 초점 전력에 대해 자신과 눈 사이의 렌즈들 모두를 통하여 전송한다. 스택된 도파관 어셈블리(260)의 다른 측 상에서 세계(510)로부터 오는 광을 보거나/해석할 때 렌즈들(320, 330, 340, 350)의 스택을 보상하기 위하여, 보상 렌즈 층(620)은 아래의 렌즈 스택(320, 330, 340, 350)의 어그리게이트 파워를 보상하기 위하여 스택의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 이용 가능한 도파관/렌즈 페어링들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들 및 렌즈들의 포커싱 양상들 둘 모두는 정적(즉, 동적이거나 전자-활성이지 않음)일 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 모두는 전자-활성 피처들을 사용하여 동적일 수 있다.

[0111] 일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 둘 이상은 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 다수의 서브세트들은 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 이미지가 세팅됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 이점들을 제공할 수 있다.

[0112] 도 6을 계속 참조하면, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 자신의 개별 도파관들 밖으로 광을 방향전환시키고 그리고 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 상이한 연관된 깊이 평면들을 가진 도파관들은 상이한 구성들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 가질 수 있고, 이러한 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 연관된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 특정 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭(volumetric) 또는 표면 피처들일 수 있다. 예컨대, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들, 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 공기 갭들을 형성하기 위한 클래딩(cladding) 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.

[0113] 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 회절 패턴을 형성하는 회절 피처들 또는 "회절 광학 엘리먼트"(또한 본원에서 "DOE"로서 지칭됨)이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율성을 가져서, 빔의 광의 일부만이 DOE의 각각의 교차로 인해 눈(210)을 향하여 편향되지만, 나머지는 TIR을 통하여 도파관을 통해 계속 이동한다. 따라서, 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관을 나가는 다수의 관련된 퇴장 빔들로 분할되고 그 결과는 이런 특정 시준된 빔이 도파관 내에서 이리저리 바운싱되기 때문에 눈(210)을 향하는 상당히 균일한 퇴장 방출 패턴이다.

[0114] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은, 그것들이 활발하게 회절시키는 "온" 상태들과 그것들이 크게 회절시키지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭 가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능 DOE는, 마이크로액적들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있고, 마이크로액적들의 굴절률은 호스트 매질의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사 광을 현저하게 회절시키지 않음) 또는 마이크로액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우 패턴은 입사 광을 활발하게 회절시킴).

[0115] 일부 실시예들에서, 예컨대, 사용자 입력들을 검출하고 그리고/또는 사용자의 생리학적 상태를 모니터링하기 위해 눈(210) 및/또는 눈(210) 주위 조직의 이미지들을 캡처하도록 카메라 어셈블리(630)(예컨대, 가시광 및 적외선 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)가 제공될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(630)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈에 광(예컨대, 적외선)을 프로젝팅하기 위한 광원을 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의되는 바와 같이, 카메라 어셈블리(630)는 프레임(80)(도 2)에 부착될 수 있고, 예컨대, 사용자의 생리학적 상태에 관한 다양한 결정들을 하기 위해 카메라 어셈블리(630)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 프로세싱 모듈들(140 및/또는 150)과 전기 통신할 수 있다. 사용자의 생리학적 상태에 관한 정보가 사용자의 거동 또는 감정 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 이러한 정보의 예들은 사용자의 움직임들 및/또는 사용자의 얼굴 표정들을 포함한다. 이어서, 사용자의 거동 또는 감정 상태는 거동 또는 감정 상태, 생리학적 상태 및 환경 또는 가상 콘텐츠 데이터 간의 관계들을 결정하기 위해 수집된 환경 및/또는 가상 콘텐츠 데이터로 삼각 측량될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 어셈블리(630)가 각각의 눈을 별개로 모니터링하기 위해 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.

[0116] 이제 도 7을 참조하면, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예가 도시된다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 어셈블리(260)(도 6) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있다는 것이 인지될 것이며, 여기서 도파관 어셈블리(260)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(640)은 도파관(270)의 입력 표면(460)에서 도파관(270)으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(270) 내에서 전파된다. 광(640)이 DOE(570)에 충돌하는 지점들에서, 광의 일부는 퇴장 빔들(650)로서 도파관을 나간다. 출사 빔들(650)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에 논의된 바와 같이, 이들 출사 빔들(650)은 또한 도파관(270)과 연관된 깊이 평면에 따라, 임의의 각도로 눈(210)으로 전파되도록 방향전환될 수 있다(예컨대, 발산하는 출사 빔들을 형성함). 실질적으로 평행한 출사 빔들은, 눈(210)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것으로 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃커플링하는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 도파관을 나타낼 수 있다는 것이 인지될 것이다. 다른 도파관들 또는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(210)이 망막 상에 포커싱을 맞추게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학적 무한대보다 눈(210)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.

[0117] 일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대, 3개 이상의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이시킴으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(240a-240f)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 깊이들이 또한 고려될 수 있다. 각각의 깊이 평면은, 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 포함해서, 자신과 연관된 3개 이상의 컴포넌트 컬러 이미지들을 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 디옵터들(dpt)에 대한 상이한 숫자들에 의해 도면에 표시된다. 단지 예들로서, 이들 문자들 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터들(1/m) 또는 뷰어로부터의 깊이 평면의 역 거리(inverse distance)를 표시하며, 도면들에서 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장들의 광의 눈의 포커싱에서의 차이를 참작하기 위해, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 변동될 수 있다. 예컨대, 주어진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들은 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력(visual acuity) 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있고 그리고/또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.

[0118] 일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 하나의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 그것과 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 문자들 G, R 또는 B를 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 3개의 도파관들이 깊이 평면 당 제공될 수 있으며, 여기서 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 깊이 평면 당 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들이 설명의 용이함을 위해 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관들은 모두 레벨 당 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어서, 예컨대, 단지 단일 도파관이 깊이 평면 당 제공될 수 있다.

[0119] 도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 마젠타 및 시안을 포함하는, 다른 광의 파장들과 연관되는 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 추가로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 및 350)은 주변 환경으로부터 뷰어의 눈들로의 광을 선택적으로 차단하도록 구성된 능동 또는 수동 광학 필터들일 수 있다.

[0120] 본 개시내용 전반에 걸쳐 주어진 컬러의 광에 대한 참조는 그 주어진 컬러인 것으로서 뷰어에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이란 점이 인지될 것이다. 예컨대, 적색광은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.

[0121] 일부 실시예들에서, 광원(530)(도 6)은 뷰어의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대, 적외선 및/또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 디스플레이(250)의 도파관들의 인-커플링, 아웃-커플링 및 다른 광 방향전환 구조들은, 예컨대, 이미징 및/또는 사용자 자극 애플리케이션들을 위해 사용자의 눈(210)을 향하여 디스플레이 밖으로 이 광을 지향 및 방출하도록 구성될 수 있다.

[0122] 이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 충돌하는 광은 도파관 내로 그 광을 인-커플링하기 위해 방향전환될 필요가 있을 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 방향전환 및 인-커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 복수의 스택된 도파관들 또는 스택된 도파관들의 세트(660)의 예의 측 단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장들의 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 스택(660)은 스택(260)(도 6)에 대응할 수 있고, 스택(660)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 하나 이상으로부터의 광이 인-커플링을 위해 광이 방향전환되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 부분에 대응할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0123] 스택된 도파관들의 예시된 세트(660)는 도파관들(670, 680, 및 690)을 포함한다. 각각의 도파관은, (도파관 상의 광 입력 영역으로서 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인-커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되고, 인-커플링 광학 엘리먼트(710)는 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되며, 인-커플링 광학 엘리먼트(720)는 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 하나 이상은 각각의 도파관(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히, 여기서 하나 이상의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 반사성 편향 광학 엘리먼트들임). 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 상위 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있으며, 특히, 여기서 이러한 인-커플링 광학 엘리먼트들은 투과성 편향 광학 엘리먼트들이다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각의 도파관(670, 680, 690)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 광 파장들을 선택적으로 방향시키면서 다른 광 파장들을 투과시킨다. 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 한 측 또는 코너 상에서 예시되지만, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 일부 실시예들에서, 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0124] 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트는, 광이 다른 인-커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 자신이 그 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710, 720)는 도 6에 도시된 바와 같이 상이한 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390, 400)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 다른 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)로부터 분리(예컨대, 측방향으로 이격)될 수 있어서, 그것은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 다른 것들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않는다.

[0125] 각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대, 광 분배 엘리먼트들(730)은 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(740)은 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(750)은 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 모두 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 상이한 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 것들 상에 각각 배치될 수 있다.

[0126] 도파관들(670, 680, 690)은, 예컨대, 기체, 액체 및/또는 고체 재료의 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(760a)은 도파관들(670, 680)을 분리할 수 있고; 층(760b)은 도파관(680 및 690)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a 및 760b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(670, 680, 690) 중 바로 인접한 하나를 형성하는 재료보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상 또는 0.10 이하이다. 유리하게는, 더 낮은 굴절률 층들(760a, 760b)은 도파관들(670, 680, 690)을 통한 광의 TIR(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 및 최하부 주 표면들 사이의 TIR)를 용이하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a, 760b)은 공기로 형성된다. 예시되지는 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(660)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃한 클래딩 층들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0127] 바람직하게는, 제조의 용이함 및 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 간에 상이할 수 있고, 그리고/또는 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 여전히 위에서 언급된 다양한 굴절률 관계들을 유지하면서 상이할 수 있다.

[0128] 도 9a를 계속 참조하여, 광선들(770, 780, 790)이 도파관들의 세트(660) 상에 입사된다. 광선들(770, 780, 790)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)(도 6)에 의해 도파관들(670, 680, 690) 내로 주입될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0129] 일부 실시예들에서, 광선들(770, 780, 790)은 상이한 특성들, 예컨대, 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 가지며, 이는 상이한 컬러들에 대응할 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각, 입사 광이 TIR에 의해 도파관들(670, 680, 690) 중 각각의 하나를 통해 전파되도록 광을 편향시킨다.

[0130] 예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는, 제1 파장 또는 다양한 파장들을 갖는 광선(770)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 투과된 광선(780)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 마찬가지로, 광선(790)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(720)에 의해 편향된다.

[0131] 도 9a를 계속 참조하면, 편향된 광선들(770, 780, 790)은, 이들이 대응하는 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 해당 대응하는 도파관(670, 680, 690) 내로 광을 인-커플링하도록 해당 대응하는 도파관 내로 광을 편향시킨다. 광선들(770, 780, 790)은 광이 TIR에 의해 각각의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(770, 780, 790)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 각각의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파된다.

[0132] 이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 인-커플링된 광선들(770, 780, 790)은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)에 의해 각각 편향되고, 그 후 도파관들(670, 680, 690) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그 후, 광선들(770, 780, 790)은 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 각각 충돌한다. 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은, 광선들(770, 780, 790)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)를 향해 각각 전파되도록 이들을 편향시킨다.

[0133] 일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 OPE(orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들 둘 모두는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)로 광을 편향시키거나 분배하고, 광이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 크기를 또한 증가시킨다. 예컨대, 빔 크기가 이미 원하는 크기인 일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 생략될 수 있고, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)은 뷰어의 눈(210)(도 7)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다. OPE들은 적어도 하나의 축에서 아이 박스(eye box)의 치수들을 증가시키도록 구성될 수 있고, EPE들은 OPE들의 축과 교차하는, 예컨대, 직교하는 축에서 아이 박스를 증가시키는 것일 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0134] 따라서, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(660)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(670, 680, 690); 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720); 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730, 740, 750); 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(800, 810, 820)을 포함한다. 도파관들(670, 680, 690)은 각각의 도파관 사이에 에어 갭/클래딩 층을 갖도록 스택될 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 (상이한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신함에 따라) 입사 광을 자신의 도파관으로 방향전환 또는 편향시킨다. 이어서, 광은 각각의 도파관(670, 680, 690) 내에서 TIR을 초래할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(770)(예컨대, 청색 광)은 제1 인-커플링 광학 엘리먼트(700)에 의해 편향되고, 그 후 도파관을 따라 계속 바운싱(bounce)하여, 앞서 설명된 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730) 및 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(800)와 상호작용한다. 광선들(780 및 790)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(670)을 통과할 것이고, 광선(780)은 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 이어서, 광선(780)은 TIR을 통해 도파관(680)을 따라 바운싱되어, 자신의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(740)로 그리고 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(810)로 진행된다. 마지막으로, 광선(790)(예컨대, 적색 광)은 도파관(690)을 통과하여 도파관(690)의 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)에 충돌한다. 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)은, 광선(790)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(750)로, 그리고 그 후 TIR에 의해 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(820)로 전파되도록 그 광선을 편향시킨다. 그 후, 아웃-커플링 광학 엘리먼트(820)는 최종적으로 광선(790)을 뷰어에 아웃-커플링하며, 이 뷰어는 또한 다른 도파관들(670, 680)로부터 아웃-커플링된 광을 수신한다.

[0135] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(730, 740, 750) 및 연관된 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)와 함께, 도파관들(670, 680, 690)은 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인-커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 중첩되지 않는다(예컨대, 하향식 도면에서 볼 때 측방향으로 이격됨). 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이러한 중첩되지 않는 공간적 어레인지먼트는 일대일 기반으로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관으로의 광의 주입을 용이하게 하고, 그리하여 특정 광원이 특정 도파관에 고유하게 커플링되도록 허용한다. 일부 실시예들에서, 중첩되지 않는 공간적으로-분리된 인-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트는 시프트된 동공 시스템으로서 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 서브 동공들에 대응할 수 있다.

예시적인 액정 편광 격자들

[0136] 예컨대, 광이 TIR에 의한 도파관을 통해 전파되도록, 도파관으로의 광의 인-커플링을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는, 광 조종에 사용되는 액정 편광 격자들이 격자의 법선에 대해 큰 각도들로 광을 회절 또는 방향전환시킬 수 있다는 것이 인지될 것이다. 그러나, 종래의 액정 편광 격자들은, 높은 회절 효율들을 또한 달성하면서, 큰 각도들로 광을 방향시키는데 어려움들을 가질 수 있다. 격자들의 두께를 따라 트위스트를 유도하는 것 ― 이는 격자들의 서브층들이 경사 각도를 규정하도록 시프트되게 할 수 있음 ― 은, 큰 각도 회절 또는 광 방향전환을 달성하면서, 높은 회절 효율을 제공할 수 있음이 밝혀졌다. 그러나, 이러한 격자들의 회절 효율들은 격자 상의 광의 입사 각도에 크게 의존한다. 유리하게도, 경사 각도를 변동시키는 것이 광범위한 입사 각도들에 걸쳐 높은 효율을 갖는 격자를 제공한다는 것이 밝혀졌다. 일부 실시예들에서, 고효율이 달성되는 입사 각도들의 범위는 다수의 격자 구조물들을 함께 스택함으로써 증가될 수 있고, 각각의 격자 구조물은 상이한 크기의 경사 각도를 갖는다.

[0137] 유리하게는, 본원에서 논의되는 다양한 회절 광학 엘리먼트들은 액정 편광 격자들과 같은 액정 격자 구조물들을 포함하는 격자 구조물들일 수 있다. 격자 구조물들은 바람직하게는 광범위한 입사 각도들(예컨대, 브래그 각도를 중심으로 약 ±20도 사이, 브래그 각도를 중심으로 약 ± 30도 사이, 브래그 각도를 중심으로 약 ± 45도 사이 등)에 대해 높은 회절 효율을 제공하도록 구성된다. 따라서, 본원에서 설명된 격자 구조물들은 유리하게는 광의 입사 각도에 대해 낮은 민감도를 가질 수 있다. 격자 구조물들은, 액정 재료의 아래에 있을 수 있는 패터닝된 정렬 층을 사용하여, 중합 가능한 액정 재료의 층에서 액정 분자들을 정렬시키는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다양한 방법들을 사용하여 제조될 수 있다.

[0138] 일부 실시예들에서, 액정 격자 구조물들은 도파관 스택들(260)(도 6) 또는 (660)(도 9a-9c)의 다양한 도파관들에 대해 광 방향전환 엘리먼트들을 형성할 수 있다. 예컨대, 이러한 액정 격자 구조물들은 유리하게도 인-커플링 광학 엘리먼트들(3012, 3014, 3016 및/또는 3018)(도 8a-8e) 및/또는 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720); 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750); 및/또는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)(도 9a-9c)을 형성하도록 적용될 수 있다. AR 디스플레이 시스템들 이외에, 액정 격자 구조물들은 회절 광학 엘리먼트들이 활용되는 다른 애플리케이션들에 적용될 수 있음이 인지될 것이다. 예컨대, 액정 격자 구조물들은 VR 디스플레이 시스템들, 평면 패널 컴퓨터 모니터들 또는 텔레비전들, 점멸식 표지들(illuminated signs), 이미징 시스템들 등을 포함하는 다른 광학 시스템들에서 광을 조종하는 데 활용될 수 있다.

[0139] 액정들은 분자들이 특정 방향을 따라 정렬될 수 있는 막대들 또는 판들과 같이 종종 성형되는 부분적으로 정렬된 재료들임이 인지될 것이다. 액정의 분자들이 배향되는 방향 및 패턴은 (예컨대, 입체(steric) 및/또는 앵커링 에너지 상호작용들을 통해) 분자들과 상호작용하는 템플릿 패턴의 사용에 의해 조작될 수 있다. 게다가, 액정 재료들은 카이랄 도펀트들(chiral dopants) 및/또는 RM(reactive mesogen)들을 포함할 수 있다. 카이랄 도펀트들은 액정 재료의 두께에 걸쳐 액정 분자들의 트위스트 각도(Φ)만큼의 회전을 발생시킬 수 있고, 반응성 메조겐들은 액정 분자들의 배향들 및 포지션들이 중합을 통해 고정될 수 있게 할 수 있다.

[0140] 도 10a는 제1 주 표면(1002a) 및 제2 주 표면(1002b)을 포함하는 격자 구조물(1001)의 예의 하향식 사시도를 예시한다. 액정 재료의 복수의 서브층들(예컨대, 서브층들(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d))은, 도 10a에 예시된 구조물의 측면도인 도 10b에 도시된 바와 같이, 제1 표면(1002a)과 제2 표면(1002b) 사이에 포함될 수 있다. 각각의 서브층은 공통 평면에 배열된 복수의 액정 분자들에 의해 규정될 수 있으며, 따라서 각각의 서브층은 단지 단일 액정 분자 두께일 수 있다. 서브층들은, 모든 서브층들의 총 두께와 동일한 두께(D)를 갖는 액정 재료의 어그리게이트 층을 형성한다. 4개의 서브층들이 예시되지만, 격자 구조물(1001)이 더 많거나 더 적은 서브층들을 포함할 수 있음이 인지될 것이다.

[0141] 도 10a를 계속 참조하면, 격자 구조물(1001)은 제1 및 제2 표면들(1002a 및 1002b)과 교차하는 표면 법선(1003)을 갖는다. 위에 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 액정 재료는 격자 구조물(1001)의 최상부 서브층(1004a)의 액정 분자(예컨대, 1005b)와 액정 구조물(1001)의 최하부 서브층(1004d)의 아래에 놓인 액정 분자(예컨대, 1005b') 간의 각도 회전에 의해 규정된 트위스트 각도(Φ)를 가질 수 있다. 이론에 의해 제한되지 않고서, 이웃하는 액정 분자들 사이의 상호작용들은 분자들의 배향들이 가로축(X)을 따른 격자 구조물(1001)에 걸친 규칙적인 진행에서 변동되게 할 수 있다. 따라서, 액정 분자들은, X-축을 따라 액정 유사한 진행의 배향들을 각각 갖는 반복 유닛들을 형성할 수 있다. 결과적으로, 서브층들(1004a-1004d) 각각에서 반복 유닛들에 대한 액정 분자들의 그룹들은, 측면 및/또는 하향식 뷰에서 볼 때, 동일한 배향을 갖는 2 개의 연속적인 액정 분자들 사이의 측방향 거리(1006')와 동일한 주기성(Λ)을 가질 수 있다.

[0142] 도 10a 및 도 10b를 다시 참조하면, 격자 구조물(1001)은 일부 실시예들에서 카이랄 네마틱 액정 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 액정 재료의 복수의 서브층들은 콜레스테릭 액정 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 액정 재료는 중합 가능하다. 본원에서 논의된 바와 같이, 액정 재료는, 예컨대, 액정질 디-아크릴레이트(liquid crystalline di-acrylate)와 같은 RM(reactive mesogen)을 포함할 수 있다. 또한 본원에서 논의된 바와 같이, 격자 구조물(1001)은 바람직하게는, 액정 분자들의 트위스트 각도(Φ)에 영향을 주는 데 활용될 수 있는 카이랄 도펀트들을 또한 포함한다. 카이랄 도펀트들의 예들은 콜레스테릴 벤조에이트, 콜레스테릴 노나노에이트, 콜레스테릴 클로라이드 및 콜레스테릴 오레일 카보네이트를 포함한다.

[0143] 도 10b를 참조하면, 각각의 서브층(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d)의 단일 반복 유닛이 예시된다. 반복 유닛들(1006)은 길이(1006')의 주기성을 갖는다. 설명을 용이하게 하기 위해, 반복 유닛들이 완전히 똑바로 수직으로 정렬된 것으로 예시되지만, 격자 구조물(1001)의 두께에 걸쳐 액정 분자들을 트위스트하는 것이 상이한 서브층들의 반복 유닛들이 서로에 대하여 측방향으로 시프트되게 할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0144] 도 11을 참조하면, 일부 실시예들에서, 액정 재료의 서브층들(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d)은 서로에 대해 측방향으로 오프셋될 수 있다. 오프셋은, 복수의 서브층들(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d)의 각각에서 대응하는 액정 분자들(즉, 동일한 배향을 갖는 액정 분자들)을 통과하는 격자 광학 축이 가로축(X)의 법선에 대해 각도(θ)로 경사지도록 할 수 있고, 이러한 법선은 또한 편광 격자 구조물의 주 표면의 법선일 수 있다. 따라서, 서브층들(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d)은, 편광 격자 구조물(1001)의 주 표면의 법선에 대해 각도(θ)로 경사진 격자 광학 축을 갖는 경사진 격자 패턴을 형성한다. 일부 실시예들에서, 이론에 의해 제한되지 않고서, 이러한 경사진 격자 패턴은, 격자 주기가 아래의 수학식 1에서 파장(λ), 평균 굴절률(n), 격자 주기(Λ)(길이(1006')에 대응함) 및 격자 구조물의 격자 광학 축의 경사 각도(θ)를 갖는 다음의 조건을 만족시킬 때, 높은 효율로 정상적으로 입사 광을 회절시킬 수 있다.

[0145] 트위스트 각도(Φ)는 아래의 수학식 2를 사용하여 격자 광학 축의 경사 각도(θ), 트위스트 각도(Φ), 격자 구조물의 두께(D) 및 격자 주기(Λ)로부터 결정될 수 있다.

[0146] 계속해서 도 11을 참조하면, 복수의 서브층들(1004a, 1004b, 1004c 및 1004d) 내의 액정 분자들은 반복 유닛들을 형성할 수 있다. 반복 유닛들의 주기성은 액정 분자들의 주기성(Λ)과 동일할 수 있다. 액정들의 복수의 서브층들 각각의 반복 유닛들은 바로 인접한 서브층의 반복 유닛들에 대해 시프트 거리(r)만큼 측방향으로 오프셋될 수 있다. 경사 각도(θ)가 격자 구조물(1001)의 주 표면의 법선과 바로 이웃하는 서브층들의 반복하는 액정 유닛들 내의 유사한 점들 사이에서 연장되는 가상선(imaginary line) 사이에 형성되는 각도에 기반하여 결정될 수 있음이 인지될 것이다. 예컨대, 가상선은, 예시된 바와 같이 반복 유닛들의 우측 에지들에 의해 규정될 수 있다.

[0147] 이론에 의해 제한되지 않고서, 격자 구조물(1001)의 액정 분자들이 카이랄성(chirality)을 가질 때, 액정 재료의 이방성의 배향은 편광 격자 구조물의 두께를 따라 회전되고, 회전의 양(또한 액정 재료의 트위스트 각도로 또한 알려짐)은 액정 이방성 축의 360도 회전에 대한 거리인 나선형 피치(P)에 의해 결정된다. 일부 실시예들에서, 격자 구조물(1001)은 균일하고 연속적인 사이클로이드 이방성 프로파일(uniform and continuous cycloidal anisotropy profile)을 가지며, 격자 구조물(1001)의 두께(D)를 따른 이방성의 회전은, 도 11에 도시된 바와 같이, 격자 구조물의 주 표면 법선에 대해 격자 광학 축의 경사를 발생시키는, 격자 방향을 따른 이방성 프로파일의 측방향 시프트(ρ)로 이어진다. 수학식 2에 관하여 위에 논의된 바와 같이, 서브층들(1004a, 1004b, 1004c, 1004d)의 경사 각도(θ)는 액정 분자들의 트위스트 각도(Φ), 격자 구조물(1001)의 두께(D) 및 격자 주기(Λ)에 의존한다. 따라서, 격자 광학 축의 경사 각도는 액정 분자들의 트위스트 각도, 격자 구조물의 두께(D) 및/또는 격자 구조물의 주기성(Λ)을 변동시킴으로써 변동될 수 있다. 격자 구조물에 걸쳐 주기성(Λ) 및 두께(D)가 일정한 경우, 격자 구조물의 액정 분자들의 트위스트 각도는 경사 각도를 변경하도록 변동될 수 있다. 결국, 트위스트 각도가 격자 구조물을 도핑하는 카이랄 도펀트들 및 격자 구조물의 두께(D)에 기반하여 변동될 수 있음이 인지될 것이다.

[0148] 본원에서 논의된 바와 같이, 격자 구조물(1001)과 같은 격자 구조물들이 유리하게는 높은 회절 효율 및 큰 각도 회절을 제공하지만, 이들 격자 구조물은 제한된 범위의 입사 각도들에 대하서만 이러한 고효율 및 큰 각도 회절을 달성할 수 있다. 바람직하지 않게도, 이 제한된 범위의 입사 각도들에서 벗어나 격자 구조물에 입사하는 광은 효율적으로 회절되지 않는다. 상이한 입사 각도들의 광에 대한 큰 각도 회절 효율을 증가시키기 위해, 상이한 경사 각도들을 갖는 다수의 액정 격자 구조물들이 활용될 수 있다. 바람직하게는, 이들 격자 구조물들은 스택으로 형성된다.

[0149] 이러한 스택들은 도 12a 및 12b-1에 예시된다. 도 12a는 2 개의 LCPG(liquid crystal polarization grating) 구조물들(1110 및 1120)을 포함하는 액정 편광 격자 스택(1100a)의 예를 도시한다. 제1 LCPG 구조물(1110)은, 복수의 액정 분자들에 의해 형성된 반복 유닛들이 두께(D1)에 걸쳐 거리(ρ1)만큼 측방향으로 시프트되도록 ― 이는 제1 LCPG 구조물의 표면 법선에 대한 경사 각도(θ1)를 발생시킴 ― 거리(r1)만큼 서로 측방향으로 오프셋되는 복수의 액정 서브층들(1104a-1, 1104b-1, 1104c-1 및 1104d-1)을 포함한다. 제2 LCPG 구조물(1120)은 제1 LCPG 구조물(1110) 위에 배치되고, 바람직하게는 제1 LCPG 구조물(1110)에 직접 접촉한다. 제2 LCPG(1120) 구조물은, 복수의 액정 분자들에 의해 형성된 반복 유닛들이 두께(D2)에 걸쳐 거리(r2)만큼 측방향으로 시프트되도록 ― 이는 제2 격자 광학 축이 제2 LCPG 구조물의 표면 법선에 대해 각도(θ2)만큼 경사지게 함 ― , 거리(ρ2)만큼 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 복수의 액정 서브층들(1104a-2, 1104b-2 및 1104c-2)을 포함한다. 바람직하게는, 경사 각도들(θ1 및 θ2)의 크기들은 상이하다.

[0150] 계속해서 도 12a를 참조하면, 격자 구조물(1120)의 측면 시프트(ρ2)는 격자 구조물(1110)의 측면 시프트(ρ1)보다 더 작을 수 있다. 결과적으로, 격자 구조물(1120)의 경사 각도(θ2)는 격자 구조물(1110)의 경사 각도(θ1)보다 더 작다.

[0151] 도 12b-1은, 제3 LCPG 구조물(1130)이 제2 LCPG 구조물(1120) 위에 배치되는 격자 구조물의 예를 예시한다. 제3 LCPG 구조물(1130)은, 서브층들(1104a-3 및 1104b-3) 내의 복수의 액정 분자들에 의해 형성된 반복 유닛들이 두께(D3)에 걸쳐 거리(ρ3)만큼 측방향으로 시프트되도록 ― 이는 제3 LCPG 구조물의 표면 법선에 대한 제3 경사 각도(θ3)를 발생시킴 ― , 서로에 대해 측방향으로 오프셋된 복수의 액정 서브층들(1104a-3 및 1104b-3)을 포함한다. 제3 LCPG 구조물의 측방향 시프트(ρ3)가 제1 LCPG 구조물의 측방향 시프트(ρ1)보다 더 크다는 것이 인지될 것이다. 결과적으로, 제3 격자 광학 축의 경사(θ3)는 제1 격자 광학 축의 경사(θ1)보다 더 크다.

[0152] 도 12b-2는 도 12b-1에 예시된 격자 구조물 스택의 경사 각도들 및 두께들의 플롯의 예이다. 이론에 의해 제한되지 않고서, 경사 각도는 격자 광학 축의 각도에 대응하는 것으로 이해될 수 있으며, 도 12b-2에 도시된 플롯은 격자 구조물 스택에 걸쳐 광학 축의 변동을 도시하는 것으로 이해될 수 있다.

[0153] 본원에 기재된 액정 편광 격자 구조물의 다양한 실시예는 자외선, 가시광선 및 적외선 스펙트럼 범위의 다양한 파장을 회절시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 격자 구조물들은 약 300 nm 내지 약 10 ㎛의 범위의 파장을 갖는 입사 광을 회절시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 높은 회절 각도들을 달성하기 위해, 격자 구조물의 주기성(Λ)이 입사 광의 파장과 대략 동일하거나 훨씬 더 작은 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 격자 구조물의 주기성(Λ)은, 격자 구조물이 동작하도록 구성된 파장 범위에 의존하여 약 200 nm 내지 약 100 ㎛일 수 있다. 예컨대, 격자 구조물의 주기성(Λ)은 약 200 nm 내지 약 350 nm; 약 330 nm 내지 약 410 nm; 약 370 nm 내지 약 480 nm; 약 450 nm 내지 약 510 nm; 약 500 nm 내지 약 570 nm; 약 550 nm 내지 약 700 nm; 약 650 nm 내지 약 1 ㎛; 약 980 nm 내지 약 3 ㎛; 약 1.3 ㎛ 내지 약 3.2 ㎛; 약 2.3 ㎛ 내지 약 5 ㎛; 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 또는 이러한 범위들 또는 서브-범위들 내의 임의의 값일 수 있다. 바람직하게는, 디스플레이 애플리케이션들에서, 격자 구조물은, 광이 가시광을 회절시켜 광이 넓은 회절 각도들, 예컨대, 격자 구조물이 형성될 수 있는 도파관 내의 TIR에 적합한 각도들로 격자 구조물로부터 떨어져 전파되도록 구성된다.

[0154] 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 LCPG 구조물들의 다양한 실시예들의 두께(D)(예컨대, D1, D2 및 D3)는 약 100 nm 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있다. 예컨대, 격자 구조물의 두께(D)는 약 100nm 내지 약 350nm; 약 320 nm 내지 약 510 nm; 약 450 nm 내지 약 600 nm; 약 550 nm 내지 약 800 nm; 약 700 nm 내지 약 1 ㎛; 약 1㎛ 내지 약 5 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 7.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 약 15 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 25 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위; 또는 이러한 범위들 또는 서브-범위들 내의 임의의 값일 수 있다. 일부 실시예들에서, 스택을 형성하는 격자 구조물들의 두께들은 약 0 내지 100 nm; 약 100nm 내지 1㎛; 약 1 ㎛ 내지 2 ㎛; 또는 약 2 ㎛ 내지 10 ㎛를 포함하여, 약 0 내지 10 ㎛만큼 상이하다.

[0155] 일부 실시예들에서, 격자 광학 축의 경사 각도(θ)(예컨대, θ1, θ2 및 θ3)는 -85 도 내지 약 85도의 범위일 수 있다. 예컨대, 경사 각도(θ)는 약 -10도 내지 약 10도; -20도 내지 약 20도; -35도 내지 약 35도; -45도 내지 약 45도; -50도 내지 약 50도; -65도 내지 약 65도; -75도 내지 약 75도의 범위; 또는 이러한 범위들 또는 서브-범위들 내의 임의의 값일 수 있다. 바람직하게는, 스택을 형성하는 격자 구조물들 사이의 경사 각도들은 약 0 내지 ± 10도; 약 ±10도 내지 ±20도; 약 ±20도 내지 ±30도; 약 ±30도 내지 ±40도; 약 ±40도 내지 ±50도; 약 ±50도 내지 ±60도; 약 ±60도 내지 ±70도; 약 ±70도 내지 ±80도; 또는 약 ± 80도 내지 ±90도를 포함하여, 약 0 내지 ± 90도만큼 상이하다.

[0156] 일부 실시예들에서, 격자 구조물의 두께에 걸친 격자 패턴의 패턴 이동 거리(ρ)(예컨대, ρ1, ρ2 및 ρ3)는 1 nm 내지 약 50 ㎛ 범위일 수 있다. 예컨대, 격자 구조물의 패턴 이동 거리(ρ)는 약 1nm 내지 약 20nm; 약 10 nm 내지 약 50 nm; 약 25 nm 내지 약 125 nm; 약 100 nm 내지 약 350 nm; 약 320 nm 내지 약 510 nm; 약 450 nm 내지 약 600 nm; 약 550 nm 내지 약 800 nm; 약 700 nm 내지 약 1 ㎛; 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 7.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 약 15 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 25 ㎛ 내지 약 50 ㎛; 또는 이러한 범위들 또는 서브-범위들 내의 임의의 값에서 변동할 수 있다.

[0157] 일부 실시예들에서, 격자 구조물 스택의 모든 격자 구조물들의 모든 서브층들은 도 10a, 10b, 11, 12a 및 12b-1에 도시된 바와 같이 동일한 방향으로 시프트될 수 있다. 예컨대, 각각의 서브층의 반복하는 액정 분자 유닛들은 동일한 측, 예컨대, 좌측 또는 우측으로 시프트될 수 있다. 예컨대, 도 12a 및 12b-1에 도시된 바와 같이, 상이한 편광 격자 스택들의 격자 광학 축은 모두 표면 법선의 우측으로 경사진다. 상이한 서브층들의 격자 광학 축을 동일 측으로 경사지는 것은, 도 12c-1, 12c-2, 12d-1 및 12d-2를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, 더 넓은 범위의 입력 각도들에 걸쳐 회절 효율들을 증가시키는데 유리할 수 있다.

[0158] 본원에 개시된 바와 같이, 상이한 경사 각도들을 갖는 격자 구조물들의 스택의 유리한 회절 효율을 예시하는 도 12c-1, 12c-2, 12d-1 및 12d-2에 대해 이제 참조가 이루어질 것이다. 도 12c-2는 도 12c-1에 도시된 단일 액정 편광 격자 구조물(1148)의 제1 차수의 회절 효율을 도시한다. 회절 효율은 격자 구조물의 주 표면의 법선에 평행한 각도(즉, 법선에 대해 0 도의 각도)로 격자 구조물에 입사하는 광에 대한 피크를 갖는다. 그러나, 피크 효율은 입사 각도들이 변할 때 급격히 떨어진다. 그러나, 피크 회절 효율이 경사 각도를 변동시킴으로써 시프트될 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 도 12d-2에서 볼 때, 상이한 크기의 경사 각도들을 갖는 도 12d-1에 도시된 2개의 액정 편광 격자 구조물들(1150 및 1152)의 스택은 다수의 회절 피크들을 제공할 수 있고, 이로써, 높은 회절 효율이 달성되는 윈도우를 효과적으로 확장시킨다. 또한, 스택된 격자 구조물은 이들 피크들로부터 벗어난 각도들로 입사하는 광에 대한 회절 효율을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 도 12d-1 및 12d-2에 도시된 바와 같이, 층(1150)의 격자 구조물은 약 -20도 내지 0 도의 입사 각도들의 광에 대해 높은 회절 효율을 제공하도록 구성된 제1 경사 각도만큼 경사지고, 층(1152)의 격자 구조물은 0도 내지 약 20 도의 입사 각도들의 광에 대해 높은 회절 효율을 제공하도록 구성된 제2 경사 각도만큼 동일한 측에서 경사진다. 따라서, 도 12c-1 및 12c-2에 도시된 단일 격자 구조물(1148)에 의해 달성된 약 20 % 회절 효율과 비교하여, ± 20도 사이의 각도 범위의 입사 광의 회절 효율은 약 40 %로 증가된다.

[0159] 도 12d-1의 예시를 간략화하기 위해 2 개의 액정 편광 격자 구조물들이 예시되지만, 일부 실시예들에서, 액정 편광 격자 구조물 스택을 형성하기 위해 2개 초과의 액정 편광 격자 구조물들이 함께 스택될 수 있고, 액정 편광 격자 구조물들 각각은 상이한 입사 각도들의 광에 대해 상이한 크기들의 경사 각도들 및 피크 회절 효율들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 격자 구조물 스택은, 적어도 약 40 %의 회절 효율을 제공하면서, 적어도 약 50도, 40도 또는 30도의 (광의 입사 각도에 대한) 윈도우를 갖는다. 바람직하게는, 회절 효율은 윈도우에 걸쳐 약 50 %, 60 % 또는 75 %보다 더 크다.

[0160] 본원에서 논의된 바와 같이, 액정 편광 격자 구조물들은, 투과성 도파관일 수 있는 기판 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 투과성 도파관은 가시광 파장들의 광에 대해 투과성일 수 있으며, TIR에 의해 그 광을 내부적으로 안내하도록 구성될 수 있다. 투과성 도파관은, 각각의 액정 서브층의 반복 유닛들이 편광 격자 구조물의 주 표면의 법선에 대한 경사 각도(θ)를 규정하기 위해 바로 인접한 액정 서브층의 대응하는 반복 유닛들에 대해 측방향으로 시프트되는 액정 재료의 복수의 서브층들을 포함하는 편광 격자 구조물을 포함하는 인-커플링 및 아웃-커플링 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 인-커플링 및 아웃-커플링 엘리먼트들은 도파관의 표면 상에 배치될 수 있으며, 입사 광을 도파관의 안내 모드에 인-커플링하거나 도파관 내에서 전파되 광을 아웃-커플링하도록 구성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 액정 편광 격자 구조물들은, 도파관 내에서 전파되는 광을 방향시키여, 예컨대, 광이 도파관 내에서 계속 전파될 수 있게 하면서, 그 광의 방향을 변경하는 데 활용될 수 있다.

예시적인 제조 방법

[0161] 도 13a-13e를 참조하면, 본원에 설명된 다양한 액정 편광 격자 구조물들을 제조하기 위한 방법의 예가 예시된다. 도 13a를 참조하면, 위에 놓이는 정렬 층(1210)을 갖는 기판(1205)이 제공된다. 기판(1205)은 바람직하게는 광학적으로 투과성이다. 기판에 적합한 재료들의 예들은 유리, 석영, 사파이어, 인듐 주석 산화물(ITO), 또는 폴리카보네이트, 폴리아세테이트 및 아크릴을 포함하는 중합 재료들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기판(1205)은 가시광 파장들의 광에 대해 투과성일 수 있다.

[0162] 일부 실시예들에서, 정렬 층(1210)은, 예컨대, 액정 분자들과의 입체적 상호작용들 및/또는 포토-정렬 층에 의해 액정 분자에 가해지는 앵커링 에너지로 인해, 액정 분자들이 특정 배향 또는 패턴을 취하게 하는 층일 수 있다. 정렬 층(1210)의 재료들의 예들은 레지스트(예컨대, 포토레지스트), 중합체들 및 수지들을 포함한다. 예들로서, 정렬 층(1210)은 폴리이미드, LPP(linear-polarization photopolymerizable polymer), 아조-함유 중합체들, 쿠마린(Courmarine)-함유 중합체들 및 신나메이트(cinnamate)-함유 중합체들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 정렬 층(1210)은 중합 가능한 액정 재료(예컨대, 반응성 메조겐들)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬은, 예컨대, 스핀 온 코팅 프로세스 또는 제트 증착에 의해 기판의 주 표면 상에 증착될 수 있다. 주 표면이 기판의 가장 큰 영역 표면일 수 있거나 또는 각각이 다른 표면들보다 큰 영역들을 갖는 한 쌍의 유사한 크기의 대향 표면들 중 하나일 수 있음이 인지될 것이다.

[0163] 도 13b를 참조하면, 정렬 층(1210)이 후속으로 패터닝될 수 있다. 패턴은 액정 편광 격자의 원하는 격자 패턴에 대응할 수 있다(예컨대, 패턴은 원하는 패턴과 동일할 수 있거나, 또는 원하는 격자 패턴의 반대일 수 있다). 일부 실시예들에서, 정렬 층은 광-활성화 화학 종들을 포함할 수 있으며, 패터닝은 정렬 층을 이러한 화학 종들을 활성화시키기에 적절한 파장을 갖는 광에 노출시킴으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 편광 간섭 패턴은, 2개의 직교 원형 편광된 광 빔들(예컨대, 좌회전 원형 편광된 광 빔(left handed circularly polarized light beam)(1212a) 및 우회전 원형 편광된 광 빔(1212b))을 생성하고, 이들 광 빔들을 정렬 층으로 지향시킴으로써 정렬 층(1210)에 기록될 수 있고, 정렬 층은 선형 편광 포토-중합 가능한 중합체 재료로 형성될 수 있다.

[0164] 일부 다른 실시예들에서, 정렬 층(1210)은, 정렬 층(1210)에 표면 릴리프 나노-구조물들을 생성하기 위해, 나노-임프린트 기술들을 사용하여 패터닝될 수 있다. 예컨대, 정렬 층(1210)은, 원하는 패턴을 정렬 층에 임프린트하는 임프린트 레티클에 의해 물리적으로 접촉 및 변형되는 레지스트 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이어서, 정렬 층(1210)은 패터닝된 층(1210)을 경화(cure) 또는 경화(harden)시키기 위해 광(예컨대, UV 광)에 노출될 수 있다.

[0165] 도 13c를 참조하면, 액정 재료의 층(1215)은, 본원에서 논의된 바와 같이, 패터닝된 정렬 층(1210) 상에 증착되고, 서브층들로 자기-조직화되도록 허용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 재료는, 예컨대, 스핀 온 코팅에 의해 증착될 수 있다. 액체 재료는 액정질 아크릴레이트들과 같은 중합 가능한 액정 분자들을 포함할 수 있다. 액정 층(1215)은 또한 카이랄 도펀트를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 카이랄 도펀트는, 패터닝된 정렬 층(1210) 상에 증착되기 전에, 액정 재료에 혼합된다. 증착 후에, 층(1215)의 액정 분자들은 자기-조직화되도록 허용될 수 있고, 이는 본원에 개시된 다양한 서브층들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 자기-조직화는 열에너지의 인가에 의해 가능하게 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 층(1215)의 액정 분자들은 시간이 지남에 따라(예컨대, 수 시간 또는 수일에 걸쳐) 자연 발생하는 힘들 하에서 자기-조직화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 층(1215)의 액정 분자들의 자기-조직화가 발생하는 레이트는 에너지, 예컨대, 열의 인가에 의해 증가될 수 있다. 층(1215)의 두께 및 카이랄 도펀트의 동일성 및 농도가 자기-조직화 동안 액정 분자들에 대한 특정 트위스트 각도를 제공하도록 선택될 수 있음이 인지될 것이다.

[0166] 일단 자기-조직화가 완료되면, 액정 분자들의 배향들 및 포지션들은, 예컨대, 이들 분자들의 중합에 의해 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합은 도 13d에 도시된 바와 같이 UV 광(1217)을 액정 재료(1215)에 인가함으로써 개시된다.

[0167] 도 13e에 도시된 바와 같이, 이어서, 부가적인 액정 층들 각각은 도 13c-13d의 프로세스들을 반복함으로써 연속적으로 증착되고, 자기-조직화되고, 중합될 수 있다. 예컨대, 액정 층(1220)은 액정 층(1215) 바로 증착되고 이와 접촉하고, 자기-조직화되도록 허용되고, 이어서 중합될 수 있다. 부가적인 액정 층(1222)은 액정 층(1220) 바로 증착되고 이와 접촉하고, 자기-조직화되도록 허용되고, 이어서 중합될 수 있다. 이어서, 이러한 시퀀스는 추가의 액정 층에 대해 반복될 수 있다. 두께 및 카이랄 도펀트 농도 또는 조성이, 본원에서 논의된 바와 같이, 상이한 트위스트 각도들 및 상이한 경사 각도들을 제공하기 위해 액정 층들(1215, 1220, 1222) 각각에 대해 상이할 수 있음이 인지될 것이다. 일단 중합되면, 액정 층들(1215, 1220, 1222)이 위에 논의된 액정 격자들(1110, 1120, 1130)과 같은 액정 격자들을 구성할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0168] 유리하게는, 각각의 아래에 놓인 액정 층은 그 아래에 놓인 층과 직접 접촉하는 위에 놓이는 액정 층에 대한 정렬 층으로서 작동할 수 있다. 이는 간략화된 제조 프로세스 흐름을 제공할 수 있고, 또한 액정 층들 사이의 계면들에서 프레넬 반사들을 감소시킬 수 있다.

[0169] 일부 다른 실시예들에서, 부가적인 정렬 층들은, 부가적인 액정 층들을 증착하기 전에, 고정된 액정 층들 중 하나 이상 위에 배치될 수 있다. 부가적인 정렬 층들은, 도 13a 및 13b에 관하여 위에 논의된 바와 같이 증착 및 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 부가적인 정렬 층들은 패터닝된 정렬 층(1210)과 동일한 패턴으로 패터닝될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이러한 부가적인 정렬 층들은, 그러한 부가적인 정렬 층들에 정렬된 액정 층들에 대한 상이한 광 조종 특성들을 제공하기 위해, 패터닝된 정렬 층(1210)과 상이한 패턴을 가질 수 있다.

[0170] 도 14는, 액정 격자 구조물들(1215 및 1220) 사이에 부가적인 패터닝된 정렬 층(1211)을 갖는 액정 격자 구조물들(1215, 1220, 1222)의 결과적인 스택을 예시한다. 일부 다른 실시예들에서, 부가적인 정렬 층들 및 액정 층들은 별개의 기판 상에서 프로세싱되고, 이어서 적층(lamination)을 통해 또 다른 기판으로 전사된다.

[0171] 일부 실시예들에서, 임프린트 템플릿은 액정 분자들을 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 임프린트 템플릿이 후속으로 제거될 수 있고, 이로써 정렬 층 없이 액정 격자 구조물의 형성을 허용할 수 있다. 유리하게는, 임프린트 템플릿은 액정들을 한 번 이상 정렬시키는 데 사용될 수 있으며, 이는 개별 기판들에 대한 정렬 층들에 대한 패터닝 프로세스를 제거할 수 있다. 일부 실시예들에서, 임프린트 템플릿은, 마스터 임프린트 템플릿의 잠재적인 손상들 또는 오염을 피하는 데 사용될 수 있는 마스터 임프린트 템플릿으로부터의 복제된 템플릿인 중간 임프린트 템플릿일 수 있다. 도 15a-15d는 임프린트 템플릿을 사용하여 본원에 설명된 다양한 액정 편광 격자 구조물들을 제조하기 위한 방법을 예시한다. 방법은 임프린트 템플릿(1513)의 표면 상에 돌출부들(protrusions) 및 밸리들(valleys)의 패턴에 기반하여 액정 층의 액정 분자들을 정렬시키는 것을 포함한다. 위에 언급된 바와 같이, 임프린트 템플릿(1513)은 정렬 층(1210) 대신에 사용될 수 있고, 정렬 층(1210)에 제공될 패턴과 유사한 패턴을 가질 수 있다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 액정 재료의 층(1515)은 임프린트 템플릿(1513)으로 임프린트된다. 일부 실시예들에서, 층(1515)이 먼저 기판(1505) 상에 증착되고, 층(1515)은, 임프린트 템플릿(1513) 내의 패턴이 층(1515)에 임프린트되도록, 후속으로 임프린트 템플릿(1513)와 접촉된다. 일부 다른 실시예들에서, 층(1515)은 입력 템플릿(1513) 상에 증착되고, 이어서 기판(1505)과 결합된다. 액정 재료의 층이 제트-증착 또는 스핀-온 증착을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 기술들을 사용하여 기판 상에 증착될 수 있음이 인지될 것이다.

[0172] 계속해서 도 15a를 참조하면, 액정 재료의 층의 분자들은, 원하는 격자 구조물을 갖는 액정 편광 격자를 발생시키기 위해, 임프린트 템플릿(1513)의 표면 피처들에 기반하여 정렬(예컨대, 자기-정렬 또는 자기-조직화)할 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 자기-정렬들은 액정 재료가 상승된 온도에 영향을 받게 함으로써 촉진될 수 있다. 임프린트 템플릿은 후속하여, 도 15b에 도시된 바와 같이, 액정 재료의 분자들이 자기-정렬되고 격자 구조물들을 갖는 액정 재료가 (예컨대, UV 광에 노출시킴으로써) 중합된 후에, 액정 층(1515)으로부터 분리된다. 임프린트 템플릿의 제거가 액정 층(1515)의 표면 상에 함몰부(depression)의 패턴을 남길 수 있음이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 표면에는, 평탄한 표면을 형성하기 위해 평탄화 프로세스(예컨대, 화학적 및/또는 기계적 평탄화 프로세스)가 실시될 수 있다. 예컨대, 평탄화 층(1525)은, 도 15d에 도시된 바와 같이, 패터닝된 액정 층(1515) 위에 배치될 수 있다. 평탄화 층(1525)의 노출된 표면(예컨대, 액정 층(1515)에 인접한 표면에 대향하는 표면)은 평탄화 템플릿(예컨대, 실질적으로 평탄한 표면을 갖는 템플릿)을 사용하여, 화학적 기계적 폴리싱에 의해, 자기-레벨링(self-leveling) 등에 의해 평탄화될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 평탄화 층(1525)은 약 1 nm 내지 약 100 nm의 두께를 갖는 산화물 층을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 평탄화 층(1525)은 절연 층으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 평탄화 층(1525)은 생략될 수 있고, 액정 층(1515)의 표면 상의 함몰부들의 패턴이 유지될 수 있다.

[0173] 부가적인 액정 층들은, 도 15c 및 도 15d에 도시된 바와 같이, 중합된 액정 층(1515) 위에 순차적으로 증착될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 부가적인 층이 증착되는 액정 층(1515)의 표면은 평탄화될 수 있거나, 또는 임프린트 템플릿으로부터 함몰부들의 패턴을 유지할 수 있다. 함몰부들의 패턴은 후속하여 광학적으로 투과성인 필터(예컨대, 위에 논의된 바와 같은 평탄화 층)로 채워질 수 있거나 간단히 유지될 수 있고, 부가적인 액정 층들은 함몰부들 내에 및 위에 증착될 수 있다. 각각의 아래에 놓인 액정 층이, 본원에 개시되고 도 15c에 도시된 바와 같이, 위에 놓인 액정 층(1520 또는 1522)의 자기-정렬을 위한 템플릿으로서 기능할 수 있음이 인지될 것이다.

[0174] 일부 다른 실시예들에서, 부가적인 액정 층들 중 하나 이상은, 하나 이상의 부가적인 액정 층들(1520, 1522 또는 1530)에서 액정 분자들의 원하는 정렬을 획득하기 위해, 임프린트 템플릿으로 임프린트되고 중합될 수 있다. 예컨대, 도 15d에 도시된 실시예에서, 제2 액정 층(1530)은 평탄화 층(1525) 위에 배치되고, 제2 임프린트 템플릿에 의해 임프린트된다. 이러한 실시예들에서, 제2 액정 층(1530)은, 정렬 층을 갖는 아래에 놓인 액정 층을 사용하여 획득한 배향과 상이한 배향을 가질 수 있다. 예컨대, 상이한 임프린트 템플릿들은, 후속 정렬 층들을 사용하지 않고서, 상이한 경사 각도들을 갖는 액정 격자들의 스택을 형성하는 데 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정 격자 구조물들(1515, 1520, 1522)의 스택은, 이웃하는 층들과 직접 접촉하고 상이한 경사 각도들을 갖는 각각의 층으로 형성될 수 있다.

[0175] 다양한 실시예들이 다양한 애플리케이션들, 이를테면, 이미징 시스템들 및 디바이스들, 디스플레이 시스템들 및 디바이스들, 공간 광 변조기들, 액정 기반 디바이스들, 편광기들, 도파관 플레이트들 등으로 구현되거나 이들과 연관될 수 있다는 것이 고려된다. 본원에 설명된 구조들, 디바이스들 및 방법들은 디스플레이들, 이를테면, 증강 및/또는 가상 현실에 사용될 수 있는 웨어러블 디스플레이들(예컨대, 머리 장착 디스플레이들)에서 특히 용도를 발견할 수 있다. 더 일반적으로, 설명된 실시예들은, 동적(이를테면, 비디오)이든 정적(이를테면, 스틸 이미지들)이든, 그리고 텍스처이든, 그래픽이든 또는 그림이든 이미지를 디스플레이하도록 구성될 수 있는 임의의 디바이스, 장치, 또는 시스템으로 구현될 수 있다. 그러나, 설명된 실시예들이 다양한 전자 디바이스들, 이를테면: 모바일 전화들, 멀티미디어 인터넷 인에이블드 셀룰러 전화들, 모바일 텔레비전 수신기들, 무선 디바이스들, 스마트폰들, 블루투스® 디바이스들, PDA(personal data assistant)들, 무선 전자 메일 수신기들, 핸드-헬드 또는 휴대용 컴퓨터들, 넷북들, 노트북들, 스마트북들, 태블릿들, 프린터들, 복사기들, 스캐너들, 팩시밀리 디바이스들, GPS(global positioning system) 수신기들/내비게이터들, 카메라들, 디지털 미디어 플레이어들(이를테면, MP3 플레이어들), 캠코더들, 게임 콘솔들, 손목 시계들, 클록(clock)들, 계산기들, 텔레비전 모니터들, 평판 디스플레이들, 전자 판독 디바이스들(예컨대, e-판독기들), 컴퓨터 모니터들, 자동차 디스플레이들(주행기록계 및 속도계 디스플레이들, 등을 포함함), 조종석 제어부들 및/또는 디스플레이들, 카메라 뷰 디스플레이들(이를테면, 차량의 후방 뷰 카메라의 디스플레이), 전자 사진들, 전자 빌보드(billboard)들 또는 신호들, 프로젝터들, 건축 구조들, 마이크로파들, 냉장고들, 스테레오 시스템들, 카세트 레코더들 또는 플레이어들, DVD 플레이어들, CD 플레이어들, VCR들, 라디오들, 휴대용 메모리 칩들, 와셔(washer)들, 드라이어들, 와셔/드라이어들, 파킹 미터들, 머리 장착 디스플레이들 및 다양한 이미징 시스템들(그러나 이에 제한되지 않음)에 포함되거나 이들과 연관될 수 있다는 것이 고려된다. 따라서, 교시들은 도면들에만 묘사된 실시예들로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 대신 당업자에게 쉽게 자명할 넓은 응용성을 가진다.

[0176] 본 개시내용에서 설명된 실시예들에 대한 다양한 수정들은 당업자들에게 자명할 수 있으며, 본원에서 정의된 일반적인 원리들은 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 행해질 수 있으며, 등가물들이 본 발명의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 부가적으로, 다수의 수정들은, 특정 상황, 재료, 물질의 조성, 프로세스, 프로세스 동작(들) 또는 단계(들)를 본 발명의 목적(들), 사상 또는 범위에 적응시키도록 행해질 수 있다. 그러한 모든 수정들은, 본 개시내용과 연관된 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

[0177] "예시적인"이란 단어는, "예, 경우 또는 예시로서 기능하는" 것을 의미하도록 본원에서 배타적으로 사용된다. "예시적인" 것으로서 본원에서 설명되는 어떠한 실시예도 다른 실시예들에 비해 바람직하거나 또는 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 부가적으로, 당업자는, "상부" 및 "하부", "위" 및 "아래" 등의 용어들이 때때로 도면들을 설명하는 것을 용이하게 하기 위해 사용되고 그리고 적당하게 배향된 페이지 상에서 도면의 배향에 대응하는 상대적 포지션들을 표시하고, 그리고 이들 구조들이 구현될 때 본원에 설명된 구조들의 적절한 배향을 반영하지 않을 수 있다는 것을 인지할 것이다.

[0178] 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에 설명된 소정의 특징들은 또한, 단일 실시예의 결합으로 구현될 수 있다. 대조적으로, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 다양한 특징들은 또한, 별개로 다수의 실시예들로 또는 임의의 적절한 서브조합으로 구현될 수 있다. 또한, 특징들이 소정의 결합들에서 동작하는 것으로 위에서 설명되고 심지어 초기에는 그와 같이 청구될 수도 있지만, 청구된 결합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우들에서, 그 결합으로부터 삭제될 수 있으며, 청구된 결합은 서브결합 또는 서브결합의 변동으로 안내될 수 있다.

[0179] 유사하게, 동작들이 특정한 순서로 도면들에 도시될 수 있지만, 원하는 결과들을 달성하기 위해, 그러한 동작들이 도시된 특정한 순서 또는 순차적인 순서로 수행될 필요가 없거나, 모든 예시된 동작들이 수행될 필요가 없다는 것이 이해되어야 한다. 추가로, 도면들은 흐름도의 형태로 하나 이상의 예시적인 프로세스들을 개략적으로 도시할 수 있다. 그러나, 도시되지 않은 다른 동작들이, 개략적으로 예시된 예시적인 프로세스들에 통합될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 부가적인 동작들은, 예시된 동작들 중 임의의 동작 이전, 이후, 그와 동시에, 또는 그 사이에서 수행될 수 있다. 소정의 환경들에서, 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 위에서 설명된 실시예들에서의 다양한 시스템 컴포넌트들의 분리는 모든 실시예들에서 그러한 분리를 요구하는 것으로서 이해되지는 않아야 하며, 설명된 프로그램 컴포넌트들 및 시스템들이 일반적으로, 단일 소프트웨어 제품에 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품들에 패키징될 수 있음이 이해되어야 한다. 부가적으로, 다른 실시예들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다. 일부 경우들에서, 청구항들에서 열거된 액션들은, 상이한 순서로 수행될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 원하는 결과들을 달성할 수 있다.

[0180] 본 발명은, 본 발명의 디바이스들을 사용하여 수행될 수 있는 방법들을 포함한다. 방법들은, 그러한 적절한 디바이스를 제공하는 동작을 포함할 수 있다. 그러한 제공은 최종 사용자에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해서, "제공하는" 동작은 단지, 최종 사용자가 본 발명의 방법에서 필수적인 디바이스를 제공하도록 획득, 액세스, 접근, 포지셔닝, 셋-업, 활성화, 파워-업 또는 달리 동작하는 것을 요구한다. 본원에서 인용된 방법들은, 논리적으로 가능한 임의의 순서의 인용된 이벤트들뿐만 아니라 인용된 순서의 이벤트들로 수행될 수 있다.

[0181] 본 발명의 예시적인 양상들은, 재료 선택 및 제조에 대한 세부사항들과 함께 위에서 기술되었다. 본 발명의 다른 세부사항들에 대해, 이들은, 위에서-참조된 특허들 및 공개공보들과 관련하여 인지될 뿐만 아니라 당업자들에 의해 일반적으로 알려지거나 인지될 수 있다. 이들은 공통적으로 또는 논리적으로 이용되는 바와 같은 부가적인 동작들의 관점들에서 본 발명의 방법-기반 양상들에 적용될 수 있다.

[0182] 부가적으로, 본 발명이 다양한 피처들을 선택적으로 포함하는 여러 개의 예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은, 본 발명의 각각의 변동에 대해 고려된 바와 같이 설명되거나 표시된 것으로 제한되지 않을 것이다. 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 행해질 수 있으며, (본원에서 인용되었는지 또는 일부 간략화를 위해 포함되지 않았는지 여부에 관계없이) 등가물들이 본 발명의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 부가적으로, 다양한 값들이 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 모든 각각의 개재 값 및 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 개재 값이 본 발명 내에 포함되는 것으로 해석된다.

[0183] 또한, 설명된 본 발명의 변동들의 임의의 선택적인 피처가 본원에 설명된 피처들 중 임의의 하나 이상에 독립적으로 또는 그에 결합하여 기술되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 단수 아이템에 대한 참조는, 복수의 동일한 아이템들이 존재하는 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 본원 및 본원에 연관된 청구항들에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들은, 명확하게 달리 언급되지 않으면 복수의 지시 대상들을 포함한다. 다시 말해서, 단수들의 사용은 본 개시내용과 연관된 청구항들뿐 아니라 위의 설명의 청구대상 아이템 중 "적어도 하나"를 허용한다. 이 청구항들이 임의의 선택적인 엘리먼트를 배제하도록 작성될 수 있다는 것에 추가로 주의한다. 따라서, 이런 서술은 청구항 엘리먼트들의 나열과 관련하여 "오로지", "오직" 등 같은 그런 배타적인 용어의 사용, 또는 "부정적" 제한의 사용을 위한 선행 기초로서 역할을 하도록 의도된다.

[0184] 그런 배타적 용어의 사용 없이, 본 개시내용과 연관된 청구항들에서 "포함하는"이라는 용어는, 주어진 수의 엘리먼트들이 그런 청구항들에 열거되는지, 또는 특징의 부가가 그 청구항들에 기술된 엘리먼트의 성질을 변환하는 것으로 간주될 수 있는지 여부에 무관하게 임의의 부가적인 엘리먼트의 포함을 허용할 수 있다. 본원에 구체적으로 정의된 바를 제외하고, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 청구항 유효성을 유지하면서 가능한 한 일반적으로 이해되는 의미로 넓게 제공되어야 한다.

[0185] 본 발명의 범위는 제공된 예들 및/또는 본원 명세서로 제한되는 것이 아니라, 오히려 본 개시내용과 연관된 청구항 문언의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (17)

1. 광학 디바이스로서,
   제1 두께를 갖는 제1 편광 격자 구조물(polarization grating structure) ― 상기 제1 편광 격자 구조물은, 액정 분자들 및 카이랄 도펀트(chiral dopant)들을 포함하는 제1 복수의 액정 서브층들을 포함함 ―; 및
   상기 제1 편광 격자 구조물 위의 제2 편광 격자 구조물 ― 상기 제2 편광 격자 구조물은 제2 두께를 갖고 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제2 복수의 액정 서브층들을 포함함 ―을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들 간에, 상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들, 상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들의 농도들, 또는 상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들 중 적어도 하나가 상이하고, 상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성(handedness)을 가지며,
   상기 제1 복수의 액정 서브층들의 액정 분자들은 가로축을 따라 제1 주기성을 갖는 제1 반복 유닛들을 형성하고, 상기 제2 복수의 액정 서브층들의 액정 분자들은 상기 가로축을 따라 제2 주기성을 갖는 제2 반복 유닛들을 형성하고,
   상기 제1 복수의 서브층들의 바로 인접하는 반복 유닛들 간의 제1 시프트 거리는 제1 경사 각도를 규정(define)하고, 상기 제2 복수의 서브층들의 바로 인접하는 반복 유닛들 간의 제2 시프트 거리는 제2 경사 각도를 규정하며, 그리고
   상기 제1 시프트 거리는 상기 제2 시프트 거리보다 큰,
   광학 디바이스.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 액정 분자들은 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정 분자들인,
   광학 디바이스.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 상기 카이랄 도펀트 농도들은 0.1 wt-% 이상만큼 상이한,
   광학 디바이스.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 두께들은 10 ㎛ 미만의 양만큼 상이한,
   광학 디바이스.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 복수의 액정 서브층들은, 제1 어그리게이트(aggregate) 시프트만큼 측방향으로 시프트되며, 상기 제1 어그리게이트 시프트는 상기 제2 복수의 액정 서브층들의 제2 어그리게이트 시프트보다 큰,
   광학 디바이스.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 액정 서브층들의 연속적으로 증가하는 수직 레벨들의 반복 유닛들은 동일한 방향으로 시프트되는,
   광학 디바이스.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 경사 각도 및 상기 제2 경사 각도는 -85 도 내지 85 도인,
   광학 디바이스.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 서브층들 내의 액정 분자들은 액정질 디-아크릴레이트(liquid crystalline di-acrylate)를 포함하는,
   광학 디바이스.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 복수의 액정 서브층들의 인접한 서브층들 간의 두께 축을 따른 간격은 상기 제2 복수의 액정 서브층들의 인접한 서브층들 간의 상기 두께 축을 따른 간격보다 큰,
   광학 디바이스.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 도파관 위에 있는,
    광학 디바이스.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은, 입사 광 빔이 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 상기 도파관을 통해 전파되도록, 상기 입사 광 빔을 상기 도파관에 인-커플링(in-couple)하도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트들인,
    광학 디바이스.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 상기 도파관을 통해 전파되는 입사 광 빔을 아웃-커플링(out-couple)하도록 구성된 아웃-커플링 광학 엘리먼트들인,
    광학 디바이스.
13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들은 내부 전반사에 의해 상기 도파관을 통해 전파되는 광을 방향전환(redirect)시키도록 구성된 직교 동공 확장기(orthogonal pupil expander)들이고,
    상기 방향전환된 광은 내부 전반사에 의해 상기 도파관을 통해 계속 전파되는,
    광학 디바이스.
14. 제10 항에 있어서,
    도파관들의 스택을 더 포함하고,
    각각의 도파관은 상이한 크기들의 경사 각도들을 갖는 복수의 액정 서브층들을 포함하는 제1 및 제2 편광 격자 구조물들을 포함하는,
    광학 디바이스.
15. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 구조물 위의 제3 편광 격자 구조물을 더 포함하고,
    상기 제3 편광 격자 구조물은 액정 분자들 및 카이랄 도펀트들을 포함하는 제3 복수의 액정 서브층들을 포함하고,
    상기 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들 간에, 상기 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들의 두께들, 상기 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들의 농도들, 또는 상기 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들의 카이랄 도펀트들 중 적어도 하나가 상이하고, 상기 제1 및 제2 편광 격자 구조물들의 상이한 카이랄 도펀트들은 동일한 손잡이성을 가지는,
    광학 디바이스.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 제3 복수의 액정 서브층들의 액정 분자들은 제3 주기성을 갖는 반복 유닛들을 형성하고, 상기 반복 유닛들은, 상기 복수의 서브층들 중 바로 인접하는 서브층의 유사한 반복 유닛들과 비교하여, 제3 시프트 거리만큼 측방향으로 시프트되고,
    상기 제3 시프트 거리만큼 시프트된 반복 유닛들은 상기 가로축의 법선에 대한 제3 경사 각도를 규정하고, 상기 제1, 제2 및 제3 경사 각도들의 크기들은 상이한,
    광학 디바이스.
17. 제15 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 편광 격자 구조물들 각각의 액정 서브층들은 제1, 제2, 및 제3 편광 격자 구조물들 중 다른 편광 격자 구조물들과 상이한 조성(composition)들을 가지는,
    광학 디바이스.