Diffractive optics for augmented reality display

Abstract

Augmented reality near eye display systems aim to enhance real world experience by superimposing virtual images and projecting these to the human eye. This field has garnered interest over the years, with increasing demand for a head-mounted device that provides a truly immersive experience of metaverse. However, despite the advancements, various challenges remain. Development of AR NED systems suffer from a range of issues, including conventional display-related issues such as luminance and pixel quality as well as problems comparatively unique to near-eye display. Field of view and eye box would be examples of the latter, having gained significance due to the proximity of the eye and the display. In this dissertation, the primary objective is to attempt to address challenges related to the field of view and eye box in AR NED systems. Geometric-optics based ray tracing and k-vector analysis, along with Fourier modal method are employed in the design and validation of the presented waveguide models. For the expansion of the field of view, a dual expander waveguide combiner is presented. The eye box issue is addressed with a waveguide model that integrates the expander and output coupler by utilizing overlaid gratings or rhombus-shaped gratings. With the objective of attaining uniform light outcoupling from the integrated outcoupler, genetic algorithm and an additional post-processing step are employed for optimization of the diffraction efficiency.

증강현실 (AR: Augmented Reality) 근안 디스플레이 (NED: Near-Eye Display) 시스템은 이용자의 실제 주변 이미지에 가상 이미지가 중첩되어 이용자 눈에 도달하게 함으로써 실제 세상에 대한 경험을 향상시키고자 한다. 지난 몇 년 간 이 분야에 대한 관심은 극대화되었으며, 몰입도 있는 메타버스 경험을 위한 헤드 마운트 디스플레이에 대한 수요도 나날이 증가하고 있다. 하지만 다양한 발전에도 불구하고 여러 가지 도전이 남아 있다. AR NED 시스템은 밝기나 픽셀 품질 등 전통적인 디스플레이 관련 문제뿐 아니라 근안 디스플레이 특유의 도전 과제 또한 당면하고 있다. 예를 들어, field of view (FOV)와 eye box(EB)는 디스플레이 시스템과 눈의 근접성 때문에 부각되는 디스플레이 품질 요소로, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 AR NED 시스템의 FOV와 EB를 개선하는 것을 주요 목표로 설정한다. 기하 광학 기반의 광선 추적과 k-벡터 분석, 그리고 Fourier modal method (FMM)을 이용하여 제시된 광도파로 모델의 설계와 검증을 수행한다. FOV 확장을 위해 광선다발 복제/확장 역할의 광도파로가 이중으로 설계된 광도파로를 분석한다. EB 개선을 위해 광선 다발을 복제/확장하는 광도파로 구조와 눈의 방향으로 출력시키는 구조가 결합된 광도파로를 설계, 분석한다. 이 광도파로의 균일한 광 출력을 위해 유전 알고리즘과 추가적인 후처리 단계를 통해 회절 효율 최적화를 한다.