Enhanced waveguide-based near-eye displays with polarization multiplexing

Abstract

This dissertation presents the studies on the optical design method that enhances the display performance of see-through waveguide-based near-eye displays (WNEDs) using the polarization multiplexing technique. The studies focus on the strategies to improve the crucial display performances without compromising a small form factor, the most attractive merit of the WNEDs. To achieve this goal, thin and lightweight polarization-dependent optical elements are devised and employed in the WNED structure. The polarization-dependent devices can allow multiple optical functions or optical paths depending on the polarization state of the input beam, which can break through the limitation of the waveguide system with the polarization multiplexing. To realize the function-selective eyepiece for AR applications, the proposed devices should operate as an optically transparent window for the real scene while performing specific optical functions for the virtual image. The proposed devices are manufactured in a combination structure in which polarization-dependent optical elements are stacked. The total thickness of the stacked structure is about 1 mm, and it can be attached to the waveguide surface without conspicuously increasing the form factor of the optical system. Using the proposed polarization-dependent devices, the author proposes three types of novel WNED systems with enhanced performance. First, the author suggests a compact WNED with dual focal planes. Conventional WNEDs have an inherent limitation that the focal plane of the virtual image is at an infinite distance because they extract a stream of collimated light at the out-coupler. By using the polarization-dependent eyepiece lens, an additional focal plane can be generated with the polarization multiplexing in addition to infinity depth. The proposed configuration can provide comfortable AR environments by alleviating visual fatigue caused by vergence-accommodation conflict. Second, the novel WNED configuration with extended field-of-view (FOV) is presented. In the WNEDs, the maximum allowable FOV is determined by the material properties of the diffraction optics and the substrate. By using the polarization-dependent steering combiner, the FOV can be extended up to two times, which can provide more immersive AR experiences. In addition, this dissertation demonstrates that the distortion for the real scene caused by the stacked structure cannot severely disturb the image quality, considering the acuity of human vision. Lastly, the author presents a retinal projection-based WNED with switchable viewpoints by simultaneously adopting the polarization-dependent lens and grating. The proposed system can convert the viewpoint according to the position of the eye pupil without mechanical movement. The polarization-dependent viewpoint switching can resolve the inherent problem of a narrow eyebox in retinal projection displays without employing the bulky optics for mechanical movement. In conclusion, the dissertation presents the practical optical design and detailed analysis for enhanced WNED based on the polarization multiplexing technique through various simulations and experiments. The proposed approaches are expected to be utilized as an innovative solution for compact wearable displays.

본 박사학위 논문에서는 편광 다중화 기법을 이용하여 도파관 기반의 증강현실 근안 디스플레이의 성능을 향상시키는 광학 설계 및 이에 대한 분석에 대해 논의한다. 본 연구는 도파관 기반 근안 디스플레이의 가장 큰 장점인 소형 폼 팩터를 유지하면서 디스플레이 성능을 개선하는 것에 중점을 둔다. 이를 위해 기존 광학 소자에 비해 매우 가볍고 얇은 편광 의존형 결합기 광학 소자가 새롭게 제안되며, 이는 입사광의 편광 상태에 따라 독립적인 광 경로 제어를 가능케 하여 편광 다중화를 통해 향상된 성능을 제공 할 수 있다. 또한 실제 영상의 빛은 그대로 투과 시킴으로써 증강현실을 위한 소자로 활용 가능하다. 본 연구에서 제안하는 편광 의존형 결합기 광학 소자는 기하학적 위상(geometric phase, GP)에 기반하여 동작한다. GP 기반의 광학소자가 서로 직교하는 원형 편광 입사광에 대해 상보적인 기능을 수행하는 것을 이용하여, 두 개 이상의 GP 소자와 편광 제어를 위한 광학 필름들을 중첩 시킴으로써 증강현실 결합기 광학 소자를 구현할 수 있다. 이들 광학소자는 매우 얇기 때문에, 본 연구에서 제작된 편광 의존형 결합기 광학 소자의 총 두께는 1 mm 수준으로 폼 팩터 제약으로부터 자유롭다. 또한 평평한 필름 형태이므로, 평판형 도파관에 부착하기 쉽다는 이점을 지닌다. 고안된 편광 의존형 결합기 광학 소자를 사용하여 세 가지 유형의 새로운 도파관 기반의 근안 디스플레이 구조를 제안한다. 첫 번째는 입사광의 편광 상태에 따라 투명 광학 창 또는 오목 렌즈로 작동하는 편광 의존형 결합기 렌즈를 적용하여 가상 영상에 대해 이중 초점면을 제공하는 시스템이다. 제안된 구조는 기존의 도파관 기반 근안 디스플레이가 무한대 위치에 단일 초점면을 제공함으로써 발생하는 시각적 피로 및 흐릿한 증강현실 영상의 문제를 완화할 수 있다. 두 번째로는 입사광의 편광 상태에 따라 광 경로를 좌측 또는 우측으로 제어할 수 있는 편광 격자를 활용하여 가상 영상의 시야각을 기존보다 최대 2배까지 확장할 수 있는 시스템을 제안한다. 이는 단일 도파관 기반 근안 디스플레이에서 영상 결합기 (imaging combiner)로 활용되는 회절 소자의 설계 변수에 의해 제한되는 시야각 한계점을 돌파할 수 있는 구조로 컴팩트한 폼 팩터로 더욱 몰입감 있는 대화면 증강현실 영상을 제공할 수 있다. 마지막으로 위에서 제안된 두 가지 편광 의존형 광학 소자를 모두 사용하여 시점 전환이 가능한 도파관 기반의 망막 투사형 디스플레이 구조를 제안한다. 편광 다중화를 통해 다중 초점들을 선택적으로 활성화함으로써, 확장된 시청영역을 제공하는 동시에 동공 크기 변화 또는 움직임에 의한 이중 영상 문제를 완화할 수 있다. 또한 기계적 움직임 없이 시점 간의 고속 전환이 가능하다는 장점을 지니고 있다. 본 박사학위 논문에서 제시한 편광 다중화를 활용한 새로운 결합기 광학 소자 및 광학 구조들은 도파관 기반 근안 디스플레이의 향상된 성능을 제공하는 해결책 및 새로운 가능성으로 제시할 수 있을 것이라 기대된다.