KR100397897B1 - 반사형 디스플레이 조사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 독특한 빔 폴딩(beam folding) 설계에 의해서 종래 기술에서 공지된 것보다 경량이며, 상당히 편리하며, 광범위한 사용 범위의 착용가능한 컴퓨터 시스템을 가능케하며, 광범위한 사용자에게 만족할 만한 새로이 설계된 헤드 탑재형 가상 영상 디스플레이(head mounted virtual image display)를 제공한다. 이러한 디스플레이 유닛(unit)은 안경과 결합하여 편리하게 이용될 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 광학 시스템은 방사형, 투과형 및 반사형 마이크로디스플레이와 함께 사용할 경우에 효과적이며, 높은 광학 성능, 컴팩트한 설계 및 명확한 투명 특성을 제공한다. 또한, 본 발명은 액정 마이크로디스플레이에 향상된 조사 방법을 제공한다. 이것은 가상 영상 디스플레이에 대한 광학 시스템이 만족할만한 효율과 함께 개선된 시계(field of view), 컴팩트한 설계 및 단축된 영상 경로를 가능케한다.

Description

반사형 디스플레이 조사 시스템{COMPACT ILLUMINATION SYSTEM PROVIDING IMPROVED FIELD OF VIEW FOR VIRTUAL DISPLAY APPLICATIONS}

본 출원은 1999년 4월 12일에 알 버드(R. Budd) 및 디 도브(D.Dove)에 의해 "Compact Optical Designs for Virtual Display Applications and Head Mounted Displays"라는 명칭으로 출원된, 미국 특허 출원 제 60/128,899 호와 관련되고, 상기 출원은 본 명세서에서 참조로 인용되며, 또한 알 버드(R. Budd) 및 디 도브(D.Dove)에 의해 "Compact Optical System for Use in Virtual Display Application"이라는 명칭으로 본 발명과 동시 출원된, 대리인 문서 번호 YO999-188로 식별된 미국 특허 출원에 관련되어 있으며, 상기 출원은 본 명세서에서 참조로 인용된다.

본 발명은 전체적으로 컴팩트한 광학 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 디스플레이 장치, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터 시스템(wearable personal cimputer system), 헤드 탑재형 디스플레이(head mounted display), 휴대용 전화(portable telephone)등과 같은 퍼스널 장치(personal device)에서 사용하기 위한, 컴팩트한 광학 시스템내에서의 조사 시스템(illumination system)에 관한 것이다.

가상 영상 디스플레이(Virtual image display)는 확대 광학 장치(magnifying optic)와 작은 영상 패널(image panel)을 결합하여 관찰자에게 많은 양의 정보를 디스플레이할 수 있는 가상 영상을 제공한다. 이러한 디스플레이는, 소위 헤드 탑재형 디스플레이에서의 응용이 가능하며, 다양한 응용을 위해 컴퓨터 기반 장치와 결합하여 이용된다. 공지된 바와 같이, 컴퓨터 기반 장치는 광학 장치 및 영상 패널을 통하여 디스플레이될 영상 신호를 생성하는 처리 및 디스플레이 구동 회로를 포함한다.

그러나, 이러한 통상적인 가상 영상 디스플레이는 많은 단점을 가진 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 이러한 디스플레이는 편리하게 이용하기에는 너무 무거울뿐만 아니라, 너무 커서 돌출되며(obtrusive), 산만하며(distracting), 시야를 혼란시킨다(disorienting). 무엇보다도, 이러한 결점들은 상대적으로 큰 광학 시스템의 탑재 구조(mounting structure)내로의 합체뿐만 아니라 크기, 형태, 무게 등과 같은 중요한 휴먼 인자(human factor)를 적절하게 고려하지 못한 물리적 설계에 기인한다.

몇몇 통상적인 헤드 탑재형 가상 디스플레이의 예가 도 1 및 도 2에 도시되어있다. 도 1은 사용자의 헤드 및 얼굴에 안경과 비슷한 방식으로 착용되는 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛(10)을 도시한다. 사용자는 디스플레이(12)를 통하여 가상 영상(virtual image)을 본다. 콧날(nose bridge)(14) 및 측면 지지대(side support)(16)는 사용자의 헤드 및 얼굴에 착용되고 있는 디스플레이를 지지하는 데에 이용된다. 상기 디스플레이 유닛(10)은 커넥터(18)를 통해 컴퓨터에 연결될 수 있다. 이러한 디스플레이 유닛은 거추장스러우며, 착용자로 하여금 디스플레이 스크린을 제외한 다른 것은 거의 전혀 보지 못하도록 한다. 다시 말하면 사용자는 그의 순간적인 환경을 볼 수가 없다. 이러한 헤드 탑재형 가상 디스플레이는 WO 95/11473로 식별되는 국제 특허 출원에 공지되어 있는데, 이는 본 명세서에서 참조로 인용된다.

도 2는 헤드 탑재형 단안(monocular) 가상 디스플레이 유닛(20)을 도시한다. 지지 구조(12)는 사용자의 헤드상에 위치하며, 디스플레이 부분(14)은 사용자의 시계(field of view)로 내려온다. 이러한 설계는 또한 거추장스러우며 사용자의 주위 시야를 방해하는 것으로 알려져 있다. 이러한 헤드 탑재형 단안 가상 디스플레이 또한 WO95/11473으로 식별되는 국제 특허 출원에 공지되어 있다.

통상적인 컴팩트 디스플레이 시스템 및 헤드 탑재형 디스플레이의 다른 예는 퀸즈(Kintz) 등의 미국 특허 제 5,771,124 호와, 윌리엄(Williams) 등의 미국 특허 제 5,757,339 호 및 론자니(Ronzani) 등의 미국 특허 제 5,844,656 호에 공지되어 있으며, 이들은 본 명세서에서 참조로 인용된다.

소니 코포레이션(Sony Corporation)은 "Glasstron"이라고 알려진 헤드 탑재형 가상 디스플레이를 제조하고 있다는 것이 알려지고 있다.

그러나, 이러한 주어진 모든 예는 상기 언급된 하나 혹은 그 이상의 설계 부족으로 인하여 악영향을 받는다. 그 결과, 이러한 결함은 이러한 장치의 일반적인 수용을 심하게 방해한다.

따라서, 디스플레이 장치, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터, 헤드 탑재형 디스플레이, 휴대용 전화 등과 같은 퍼스널 장치에서 이용될 컴팩트한 광학 시스템을 필요로 하는데, 이것은 이러한 결함을 실질적으로 감소시키거나 제거한다.

도 1은 통상적인 안경(eye glass) 형태의 헤드 탑재형 가상 디스플레이,

도 2는 통상적인 단안(monocular) 형태의 헤드 탑재형 가상 디스플레이,

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛 및 컴퓨터 기반 장치,

도 3b는 본 발명에 따라 사용자에게 착용될 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛의 미술적인 묘사,

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,

도 12는 편광 빔 분할기(splitter)를 이용하는 반사형 마이크로디스플레이의 조사(illumination)에 대한 공지된 방법의 예,

도 13은 DBEF로 알려진 반사 및 편광 물질의 박막을 이용하는 반사형 마이크로디스플레이의 조사의 공지된 방법의 예,

도 14는 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 컴팩트 프리즘을 이용한 본 발명의 한 실시예에 따른 가상 디스플레이에 대한 향상된 광학 장치를 제공하는 조사 방법.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

50 : 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛

52 : 디스플레이 54 : 조절가능한 붐(boom)

56 : 헤드지지부 60 : 헤드 밴드

62 : 이어폰 63 : 마이크로폰

64 : 케이블 70 : 컴퓨터 기반 장치

100 : 광원 200 : 마이크로디스플레이

420 : 렌즈 장치 500 : 렌즈 장치

650 : 필드 렌즈 750 : 조사 시스템

1400 : 조사 시스템 1500 : 제 1 프리즘

1600 : 광 파이프 1700 : 거울

2000 : 광원 2100 : 편광 빔 분할기

2200 : 확산기 2400 : 영상 광학 장치

2500 : 사용자의 눈 2600 : 판(plate)

본 발명은 예를 들면, 통상적인 설계에서 나타난 결점―매우 큰 크기와 무게, 방해된 시계 등―을 없애는 헤드 탑재형 가상 영상 디스플레이와 같은 디스플레이 장치에서 이용되는 다양한 광학 시스템 설계를 제공한다. 광학 시스템은 매우 컴팩트하며 무게가 가벼워서 헤드 탑재형 지지 구조와 결합하여 눈에 근접하게 디스플레이를 유지하는데, 단지 1 내지 2 온스(ounce)의 무게를 필요로 한다. 이러한 디스플레이는 탁월한 광학 특성을 가진다. 본 발명의 특히 바람직한 한 가지 특징은 광학 시스템과 관련하여 상대적으로 작은 두께로 소정의 시계를 획득할 수 있어, 경량이며 부피가 작다는 것이다. 경량의 컴퓨터 기반 장치와 결합하여, 이 디스플레이 장치는 고유의 이동가능하며 편리하게 착용할 수 있는 컴퓨팅 시스템을 가능케 한다.

본 발명의 일 측면에서, 마이크로디스플레이(microdisplay)에 의하여 생성된 영상 신호를 사용자가 볼 수 있도록 지향시키는 컴팩트 광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 상기 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하는데, 상기 제 1 프리즘, 상기 1/4 파장판, 상기 반사 렌즈 및 상기 제 2 프리즘은, 영상 신호가 상기 제 1 프리즘에 입사하여 상기 제 1 프리즘과 상기 1/4 파장판 사이의 공간(air gap)에서 반사하며 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계(boundary)에서 반사하며 먼저 상기 1/4 파장판을 투과하여 상기 반사 렌즈에서 반사하며 상기 1/4 파장판을 다시 투과하고 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며 상기 제 2 프리즘을 빠져나와 사용자가 볼 수 있도록, 배열된다.

바람직하게, 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계는 마이크로디스플레이에 의해서 생성된 영상 신호와 관련된 편광된 광을 반사하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 경계는 다증층의 반사 코팅재 또는 DBEF 박막을 포함할 수 있다. 부가하여, 상기 반사 렌즈는 바람직하게는 상기 1/4 파장판과 면하는 볼록한 형태의 표면을 포함할 수 있다. 상기 반사 렌즈는, 예를 들면 완전 반사 금속 코팅재, 완전 반사 다중층 유전체 코팅재, 부분 반사 코팅재 또는 홀로그래픽(holographic) 코팅재와 같은 반사 코팅재를 포함할 수 있다. 부가하여, 반사 코팅재는 바람직하게는 영상 신호의 실질적인 반사 및 하나 또는 그 이상의 다른 영상―예를 들면, 상기 반사 렌즈의 반대측상의 영상, 즉 사용자가 면하는 측의 반대측의 영상―의 실질적인 전송을 가능케하는 사전결정된 파장을 가진다. 이러한 방식으로, 사용자는 영상 신호를 볼 수 있으나, 실질적으로 광학 시스템을 통하여 주위 환경을 본다.

투과형, 방사형 및/또는 반사형 마이크로디스플레이에 따라 이용되는 본 발명의 다양한 다른 실시예가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에서, 헤드 탑재형 가상 영상 디스플레이 유닛은 (a) 마이크로디스플레이와, (b) 마이크로디스플레이에 따라 생성된 영상 신호를 사용자가 볼 수 있도록 전송하는 광학 시스템―상기 광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 상기 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하는데, 상기 제 1 프리즘, 상기 1/4 파장판, 상기 반사 렌즈 및 상기 제 2 프리즘은, 영상 신호가 상기 제 1 프리즘에 입사하여 상기 제 1 프리즘과 상기 1/4 파장판 사이의 공간(air gap)에서 반사하며 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계(boundary)에서 반사하며 먼저 상기 1/4 파장판을 투과하여 상기 반사 렌즈에서 반사하며 상기 1/4 파장판을 다시 투과하고 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며 상기 제 2 프리즘을 빠져나와 사용자가 볼 수 있도록, 배열됨―과, (c) 사용자 눈의 시계내에서 상기 광학 시스템을 지지하는 광학 시스템 탑재 구조체를 포함한다. 바람직하게, 상기 탑재 구조체는 상기 광학 시스템이 선택적으로 사용자의 눈의 시계로 이동하거나 벗어나는 것을 가능케하도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 휴대용 컴퓨터 시스템은 (1) 헤드 탑재형 가상 영상 디스플레이 유닛―상기 유닛은 (a) 마이크로디스플레이와, (b) 마이크로디스플레이에 따라 생성된 영상 신호를 사용자가 볼 수 있도록 전송하는 광학 시스템―상기 광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 상기 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하는데, 상기 제 1 프리즘, 상기 1/4 파장판, 상기 반사 렌즈 및 상기 제 2 프리즘은, 영상 신호가 상기 제 1 프리즘에 입사하여 상기 제 1 프리즘과 상기 1/4 파장판 사이의 공간(air gap)에서 반사하며 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계(boundary)에서 반사하며 먼저 상기 1/4 파장판을 투과하여 상기 반사 렌즈에서 반사하며 상기 1/4 파장판을 다시 투과하고 상기 제 1 프리즘과 상기 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며 상기 제 2 프리즘을 빠져나와 사용자가 볼 수 있도록, 배열됨―과, (c) 사용자 눈의 시계내에서 상기 광학 시스템을 지지하는 광학 시스템 탑재 구조체를 포함한다―, 및 (2) 상기 헤드 탑재형 가상 영상 디스플레이 유닛에 결합되어, 사용자가 볼 수 있는 영상 신호를 생성하는 데에 사용하는 전기적 신호를 생성하여 마이크로디스플레이에 제공하는 컴퓨터 기반 장치를 포함한다.

본 발명의 부가되는 측면에서, 반사형 액정 마이크로디스플레이(reflective liquide crystal microdisplay)를 이용하는 가상 영상 디스플레이에 대한 개선된 조사 시스템이 제공된다. 특히, 조사 시스템의 기능은 (ⅰ) 광원의 집속과 분산 및 반사형 마이크로디스플레이에 입사하는 광 빔의 편광의 제공과, (ⅱ) 마이크로디스플레이로부터 반사된 광이 영상 형성 광학 장치로 입사하는 경로의 제공과, (ⅲ) 이용가능한 광량의 효율적인 사용의 유지를 포함한다. 본 발명의 조사 방법은 효율 및 편광의 품질을 유지하면서 짧은 영상 경로를 제공하는 특징을 가진다. 이것은 특히 컴팩트한 가상 영상 디스플레이에 있어서 바람직하다.

본 발명의 많은 특징과 장점들이, 수반하는 도면과 연관하여 읽혀질 예증적인 실시예의 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 다양한 광학 시스템 설계가 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛 및 착용가능한 컴퓨터와 관련해 후술될 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 또는 어떠한 다른 특정 디스플레이 애플리케이션에 한정되지 않을 것임이 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 컴팩트한 광학 시스템을 이용하여 영상을 디스플레이하는 것이 바람직한 어떠한 적절한 디스플레이 애플리케이션에서도 보다 일반적으로 응용될 수 있으며, 애플리케이션에서 이용되는 장치에 합체될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터, 헤드 탑재형 디스플레이, 휴대용 전화 등과 같은 퍼스널 장치일 수 있다.

먼저, 도 3a와 관련하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛(50) 및 컴퓨터 기반 장치(70)가 도시되어 있다. 컴퓨터 기반 장치(70)는 바람직하게 작은 형태 요소(form factor)―즉, 주머니에 들어갈 만한 크기 및 경량―를 가져야 함이 이해되어야 한다. 또한 바람직하게 사용자의 벨트 또는 주머니에 부착할 수 있는 클립(clip)을 가져야 할 것이다. 이러한 컴퓨터 기반 장치는 "착용가능한 컴퓨터"라고 불리운다. 착용가능한 컴퓨터는 퍼스널 컴퓨터, 랩탑(laptop) 컴퓨터, 퍼스널 디지털 어시스턴트(personal digital assistant) 등에서의 모든 혹은 대부분의 통상적인 구성 요소―예를 들면, 프로세서(예를 들면, CPU), 고정 메모리, 제거가능한 메모리, 디스플레이 구동 회로, 외부 네트워크(예를 들면, 인터넷) 접속 장치, 응용 소프트웨어 등―를 포함할 수 있다.

헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛(50)은 디스플레이 부분(52), 조절가능한 붐(boom)(54), 착용자의 헤드의 우측부 및 좌측부 각각에 대한 헤드 지지부(56,58), 착용자의 헤드의 뒷부분을 둘러싸는 헤드 밴드(60), 이어폰(62) 및 컴퓨터 기반 장치(70)를 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛(50)에 전기적으로 접속하는 케이블(64)을 포함한다. 상기 유닛(50)은 또한 내장된 마이크로폰(built-in microphone)을 포함할 수 있다. 상기 유닛(50)의 디스플레이 부분(52)에는 설명되는 바와 같은 본 발명의 컴팩트한 광학 시스템이 포함된다. 디스플레이 부분(52)은 붐(54) 및 헤드 지지부(56)를 통해 회전(pivoting)할 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 디스플레이 부분(52)을 시계(the field of view)―본 경우에는 사용자의 우측 눈―의 안으로 혹은 밖으로 움직일 수 있다. 물론, 상기 유닛(50)은 디스플레이 부분(52)이 착용자의 좌측 눈으로 보여지도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 유닛(50)은 좌측 눈에 의해 사용되도록 방향이 바뀌어질 수 있다. 또한 상기 유닛(50)은 2개의 분리된 디스플레이 부분을 포함하도록, 즉 하나는 우측 눈에, 하나는 좌측 눈에 맞추어 구성될 수 있다. 당업자는 다른 구성을 구현할 수 있을 것이다.

따라서, 상기 디스플레이 유닛(50)과 컴퓨터 기반 장치(70)의 결합은 사용자가 장치(70)―예를 들면, 응용 소프트웨어, 웹 브라우저 등으로부터―에 따라 생성된 영상 데이터를 보는 것을 가능케한다. 영상 정보는 케이블(64)을 통해 디스플레이 부분에 제공된다. 이어폰(62)은 사용자가 장치(70)에 따라 생성된 음성 데이터를 청취하는 것을 가능케한다. 마이크로폰(63)은 사용자가 컴퓨터에 음성 명령을 입력하는 것을 가능케한다.

따라서, 도 3a는 포켓 크기의 착용가능한 컴퓨터와 결합하여 사용되는 컴팩트한 광학 시스템을 포함하는 경량의 헤드 탑재형 디스플레이 유닛을 포함하는 경량의 착용가능한 컴퓨터 시스템을 설명한다. 도시된 바와 같이, 광학 시스템이 경량의 붐(boom) 또는 밴드 구조에 의하여 사용자의 헤드에 부착되었기 때문에, 전체 헤드 탑재형 디스플레이의 무게를 대략 2 온스 이하로 할 수 있다. 이러한 설계는 융통성이 있으며, 원한다면 안경상에도 착용될 수 있다. 도 3b는 사용자에게 착용된, 본 발명에 따른 헤드 탑재형 가상 디스플레이 유닛의 미술적인 묘사를 도시한다. 도시된 바와 같이, 디스플레이 부분(52)은 바람직하게 사용자의 우측 눈 또는 좌측 눈의 시계로 이동할 수 있다.

디스플레이는 작아서 돌출되지 않으며, 광학 시스템을 통해서 바깥을 왜곡되지않게 보는 것을 가능케한다. 디스플레이에 전원이 켜지면, 충분한 광이 존재하여, 주위 환경에 대하여 디스플레이가 명확하게 보일수 있다. 매우 밝은 조건에서, 외부 광에 대한 셔터(shutter)가 합체될 수 있다.

디스플레이 부분(52)에서 이용될 본 발명에 따른 다양한 광학 시스템이 이제 기술될 것이다. 그러나, 이러한 발명의 광학 시스템 설계는 도 3a에 설명된 착용가능한 컴퓨터 시스템이외의 장치에 따라서 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 컴팩트한 형태의 요소 및 고질의 광학 영상을 디스플레이하는 능력이 주어진 경우에, 본 발명의 다양한 광학 시스템은 적절한 많은 응용이 가능하다. 당업자는 이러한 광학 시스템이 사용될 수 있는 다양한 다른 실시예 및 응용을 구현할 수 있을 것이다.

더우기, 다양한 실시예와 연관하여 상술되는 바와 같이, 본 발명의 광학 시스템은 "자유로운 형태(free form)" 광학 장치이라기 보다는 "축상(on-axis)" 광학 장치인, 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 광학 장치을 제공한다. 이러한 방식으로, 광학 시스템은 여기에 기술된 장점 및 특징을 제공할 수 있을뿐만 아니라 당업자는 본 발명의 기술을 구현할 수 있을 것이다. "축상(on-axis)" 및 "자유로운 형태(free form)"의 용어의 의미는 다음 설명으로부터 이해될 수 있다. 특정한 구형 렌즈를 통과하는, 렌즈에 직교하며 그 중심을 통과하는 광선은 광학 축을 규정한다. 광선의 묶음은 이 축 근처에서 렌즈 클러스터(cluster)를 통과하며 렌즈에 의해서 상이 잘 맺힐 것이다. 카메라, 현미경, 쌍안경을 상기 시스템의 예로 들수 있다. 보다 복잡한 시스템에서, 광선의 묶음은 렌즈에 대하여 경사진 선 근처에 무리를 지을 수 있으며, 이것은 "축밖의(off-axis)"를 의미한다. 통상적인 구형 렌즈는 광학 축 상에 대하여 대칭적임을 주시하여야 한다. 그러나, 다른 시스템은 방사상으로 대칭이 아니며, 위에서 규정한 것과 같은 명확한 광학 축을 가지지 않지만, 영상화 기능을 여전히 수행한다. 이것을 통상적으로 "자유로운 형태(free-form)"라고 부른다.

이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템이 도시된다. 통상적으로 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드(LED)의 클러스터인 광원(100)으로부터의 광은 마이크로디스플레이(200)를 조사한다. 이러한 실시예에서, 마이크로디스플레이는 투과형(transmissive) 마이크로디스플레이이다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 투과형 마이크로디스플레이는, 예를 들면 메인주(MA) 타톤(Taunton)의 코핀(Kopin)으로부터 입수할 수 있다. 투과형 마이크로디스플레이는 광원이 마이크로디스플레이에 내장되어 있는 방사형 마이크로디스플레이로 대체될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명에 따라 사용될 방사형 마이크로디스플레이는, 예를 들면 오레곤주(OR) 비버톤(Beaverton)의 플레너(Planar)로부터 입수할 수 있다. 또한, 후술되는 바과 같이, 마이크로디스플레이는 반사형의 마이크로디스플레이일 수 있다. 공지된 바와 같이, 어떠한 경우라도 마이크로디스플레이는 디스플레이에 인가되는 전기적 신호에 반응하여 영상을 생성한다. 전기적 신호는, 예를 들면 컴퓨터 기반 장치(70)(도 3a)로부터 마이크로디스플레이에 제공될 수 있다. 이러한 영상은 제 1 프리즘(300), 반사 렌즈(500) 및 제 2 프리즘(600)에 의해서 사용자에게 보여진다.

디스플레이로부터의 광은 편광되어 제 1 프리즘에 입사하며 프리즘(300)과 1/4 파장판(400)사이의 공간(340)에서 반사된다. 이러한 반사광은 제 1 프리즘(300)과 제 2 프리즘(600)사이의 경계(360)에서 두 번째로 반사된다. 이러한 경계는 바람직하게는 다중층 반사 코팅재를 수반하는데, 이는 마이크로디스플레이에서 발생하는 소위 s 편광 광을 1/4 파장판을 거쳐 반사 렌즈(500) 내로 반사시킨다. 도시된 바와 같이, 유리 조각 또는 렌즈(420)는 1/4 파장판(400)과 반사 렌즈(500)를 분리한다. 다증층 반사 코팅재(360)는, 예를 들면 미네소타주(MN) 세인트 폴(St. Paul)의 3M사에 의해서 제조된 DBEF 박막일 수 있다. DBEF는 이중 밝기 향상 박막(Dual Brightness Enhancement Film)을 나타낸다. 또한, 얇은 박막 유전층 스택이 다중층 반사 코팅재(360)로서 이용될 수 있다.

반사 렌즈(500)는, 예를 들면, 후술될 바와 같이, 특정한 파장에서 높은 반사도를 가진 반사기, 홀로그래픽 반사기, 거울(mirror) 또는 부분 거울(partial mirror)일 수 있다. 어떠한 경우라도, 반사 렌즈(500)은 곡선의 표면에서 광을 1/4 파장판(400)을 거쳐 프리즘(300)으로 되반사하는 반사 코팅재(550)를 가진다. 1/4 파장판을 거친 2 개의 경로의 작용은 편광 방향을 s에서 p로 변환하는 것인데, 이 경우에 광선은 코팅재(360)를 지나서 관찰자의 눈(700)으로 입사한다. 광학 시스템의 컴팩트한(compactness) 특징은 광 경로에 합체된 다수의 폴딩(folding)에 의해서 바람직하게 성취될 수 있음이 이해되어야 한다.

반사 렌즈 코팅재(550)는 완전 반사 금속 또는 다중층 유전체 코팅재 또는 관찰자가 유닛을 통해서 보는 것 또한 가능케하는 부분 반사 코팅재를 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 반사층은 또한 특정한 파장 선택도를 가져서 투명 또는 투과 능력을 향상시키며, 동시에 원하는 파장 또는 파장군의 광을 눈의 방향으로 반사할 수 있는 형태일 수 있다. 이것은 광원이 상대적으로 협소한 밴드의 적색, 녹색 및 청색 파장으로 구성되는 경우에, 예를 들면 LED의 경우에 바람직하다. 예를 들면, 공지된 파장은 적색, 녹색 및 청색 광 각각에 대하여 625, 525 및 460 ㎚이다. 이것은 적색, 녹색 및 청색 영상을 광학 시스템을 통해서 밀접하게 연속으로 전송함으로써(컬러 순차적 방법(color sequential method)이라고 언급된다.) 눈에서 컬러 영상이 획득되는, 관찰자에 의해서 인지되는 평균 효과가 정상적인 컬러 영상중 하나인 바람직한 실시예에서의 경우이다. 이것은 공지된 바와 같이 적색, 녹색 및 청색 광원에 연속하여, 교대로 마이크로디스플레이에 인가되는 적색, 녹색 및 청색 영상 구성 성분으로 구성되는 영상과 동위상으로 펄싱(pulsing)함으로써 얻어진다. 거울 렌즈(500)는 원하는 반사도를 획득하는 홀로그래픽(holographic) 또는 다른 코팅재를 가지는 것은 이해되어야 한다.

바람직하게, 광학 시스템을 통하여 바깥을 볼 때에, 눈은 왜곡된 영상을 보지 않는다는 것은 이러한 본 발명의 광학 시스템 설계의 특징이다. 이것은 상술된설계에 따라 제 2 프리즘(600)의 전체 표면 및 거울 반사 렌즈(500)뒤의 출구 표면을 형성시킴으로써 바람직하게 얻어진다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 표면은 모두 평탄하여 광학을 통하여 선명하게 볼 수 있도록 한다. 이러한 특징은 바람직하게도 여기에 제공된 모든 설계 실시예에서 보존된다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가상 디스플레이 공학 시스템을 도시한다. 특히, 도 5의 설계는 향상된 광학 성능을 위하여 필드 렌즈(field lens)(650)가 합체된 사실을 제외하고는 도 4의 설계와 유사하다. 공지된 바와 같이, 필드 렌즈(650)는 바람직하게는 필드 평탄화 렌즈(field flattening lens)이다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 작은 렌즈 또는 다른 구성 성분을 첨가하여, 예를 들면 필드의 평탄도 또는 컬러 수렴도와 같은 전체 광학 성능 특징을 향상시키는 것은 본 발명의 범주내의 변형으로 이해되어야 할 것이다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 6은 광학 시스템의 외부 표면이 광학 장치을 통한 왜곡되지 않은 영상을 보존하는, 그러나 외관상의 변형을 허여하는 보상적인 방식으로 곡선으로 이루어졌다는 사실을 제외하고는 도 4와 유사하다. 도시된 바와 같이, 외부 표면(A)은 오목한 모양을 띠도록 형성되는 반면, 외부 표면(B)은 볼록한 모양을 띠도록 형성된다. 부가하여, 이러한 설계는 도 4의 설계보다 적은 소자를 가진다는 장점을 가지며, 따라서 제조상 더욱 경제적이다. 이것은, 도 6의 설계에서, 반사 코팅재(550)가 렌즈(420)의 외부 표면에 도포되어 거울 렌즈를 초래한다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 별도의 반사 렌즈(500)는 필요하지 않다. 원하는 경우에 필드 렌즈 또한 합체될 수 있다는 사실은 명백하다.

도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 7은, 예를 들면 반사형 액정 디스플레이와 같은 반사형 마이크로디스플레이가 사용된 도 4의 설계의 변형을 도시한다. 본 발명에 따라 사용될 반사형 마이크로디스플레이는, 예를 들면 콜로라도주(CO)의 볼더(Boulder)의 콜로라도 마이크로디스플레이사로부터 입수할 수 있다. 반사형 마이크로디스플레이가 이용되는 경우에, 조사 시스템(750) 내부의 광원으로부터의 광을 마이크로디스플레이에 보내어 도 4에서와 같이 반사된 광이 광학 시스템내에 입사되는 것을 가능케하는 조사 방법이 이용된다. 조사 방법은 조사 시스템(750)에 의해서 구현된다. 다양한 통상적인 조사 방법이 아래의 도 12 및 도 13의 내용에서 논의될 것이다. 조사 시스템(750)에서 구현될 본 발명에 따른 바람직한 조사 방법은 도 14의 내용에서 설명될 것이다. 어떠한 경우라도, 조사 시스템(750)으로부터의 광선은 그 후에 도 4에 도시된 설계에서 기술된 바와 같은 경로를 따른다. 이러한 방식으로, 도 4의 설계의 장점은 반사형 마이크로디스플레이와 결합하여 사용될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 8은 투과형 마이크로디스플레이를 합체시키는 다른 방법을 도시한다. 광원(100)으로부터의 광은 조사 렌즈 및 확산기를 포함할 수 있는 조사 시스템(1400)을 통과한다. 그 후에 광은 투과성 마이크로디스플레이(200)를 지나서 광선의 컴팩트한 폴딩(folding)이 가능토록 설계된 제 1 프리즘(1500)으로 입사한다. 이것은 도시된 바와 같이 거울 코팅재를 수반하는 제 1 표면에서의 반사에 의해서, 그리고 내부 반사에 의해서 이루어진다. 공지된 바와 같이, 내부 반사는, 내부적으로 반사될 광선은 임계각보다 큰 입사 각도로 외부 표면상에 입사하도록 하는 설계에 의해서 확실하게 된다. 그런 다음, 이러한 제 1 프리즘으로부터의 광선은 도 4에 관하여 이미 기술된 바와 같이 영상 빔 분할 프리즘(imaging beam splitting prism) 및 렌즈 장치에 전송된다.

도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 9는 도 8의 설계가 어떻게 변형되어 반사형 마이크로디스플레이와 함께 작동할수 있는지를 도시한다. 이러한 경우에, 부가되는 프리즘 장치는 합체되어 반사형 디스플레이의 조사를 제공한다. LED로부터의 광은 필요한 만큼 집속 및 확산되어 적당한 조사 빔을 형성한다. 이것은 렌즈 및 확산기 장치(1400)에 의해서 수행될 수 있다. 이러한 광선은 하측 프리즘 또는 광 파이프(1600)에 입사하여 제 1 내부 반사를 겪는다. 이 하측 프리즘의 제 2 표면에서, 광선은 거울 코팅재에 의해서 반사된다. 이러한 광선은 조사 및 도 8의 도시에서 제 1 프리즘(1500)으로 참조된 프리즘사이의 공간으로 입사되며, 임계각보다 작은 입사각에 의해서 이들 광선은 제 1 영상(imaging) 프리즘(1500)으로 전송된다. 조사 빔을 구성하는 이들 광선은 반사형 마이크로디스플레이(200)에 의해서 제 1 영상 프리즘(1500)으로 반사되며, 도 8의 설명에서 기술된 방식을 따라서 상이 맺힌다. 부가적으로, 프리즘(1500)의 표면(360)은 DBEF를 포함하여 마이크로디스플레이(200)로부터의 s 또는 p 편광된 광을 선택적으로 반사할 수 있다. 프리즘(1500)은 도 4의 프리즘(300)으로 참조된 프리즘을 포함하여 도 8에 도시된 하나의 유리 조각을 초래함이 이해되어야 한다.

도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 10은 도 9의 광학 설계에 도시된 반사형 마이크로디스플레이에 조사하는 다른 방법을 도시한다. 이 장치에서, 하측 조사 프리즘(1600)은 단순한 거울(1700)로 대체되었다. LED 조사 시스템으로부터의 광은 적당히 위치한 거울에 보내어져서 광선이 제 1 영상 프리즘(1500)에 보내어져 마이크로디스플레이(200)에 직교하여 입사하게 한다. 반사된 광은 제 1 영상 프리즘(1500)에 입사하여 도 4의 설명에서 상세히 기술된 바와 같이 영상화된다. 몇몇 상세한 부분에서는 상이하나 본 발명의 범주내에서 실시될 수 있는 다양한 장치가 있음은 명확하다.

도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 11은 다중 반사에 의한 광선의 폴딩이 컴팩트하며 슬림(slim)한 광학 장치 구조를 초래하는 다른 광학 시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 조사 시스템(1400)으로부터의 광은 두 번의 반사를 겪게될 조사 유도 프리즘(illumination directing prism)(1800)에 입사한다. 이러한 반사는 조사 빔이 반사형 마이크로디스플레이(200)상에 수직으로 입사하도록 하는 데에 이용된다. 이러한 빔은 마이크로디스플레이(200)에 의해서 반사되어 조사 유도 프리즘(1800)에 입사하지만, 조사 유도 프리즘(1800)과 제 1 영상 프리즘(1900)사이의 공간상의 입사각에 의해서, 빔은 조사 시스템(1800)으로 재반사되는 대신에 제 1 영상 프리즘(1900)으로 입사한다. 도시된 바와 같이, 빔은 도 4의 설명에서 그 기능이 기술된 영상 빔 분할 프리즘(600) 및 렌즈 장치(420,500)로 유입되기에 앞서 유리로 된 표면(1950)에서 반사된다. 프리즘(1900)은 도 4의 참조된 프리즘(300)을 포함하여 하나의 유리 조각을 초래함이 이해되어야 한다.

조사 시스템(Illumination System)

도 7의 광학 시스템 설계 실시예에서, 조사 유닛(750)이 이용되어 조사 시스템(750) 내부의 광원으로부터의 광을 마이크로디스플레이로 보내며, 그 후에 반사된 광이 도 4에서와 같이 광학 시스템에 입사되도록 한다. 이러한 방식으로, 반사형 마이크로디스플레이는 광학 시스템과 결합하여 이용될 수 있다.

반사형 디스플레이와 함께 사용될 다수의 통상적인 조사 시스템이 존재한다. 예를 들면, 도 12는 편광 빔 분할기를 이용한 반사형 마이크로디스플레이의 공지된 조사 방법의 예를 도시한다. 도 12에서, LED와 같은 광원(2000)으로부터의 광은 편광 빔 분할기 큐브 프리즘(2100)으로 지나간다. 이러한 빔은 렌즈 및 확산기(2200)에 의해서 원하는 형태를 띠어, 마이크로디스플레이(2300)에 균일한 조사를 제공한다. 빔 분할기 코팅재에 관계된 소위 s 편광 광은 코팅재로부터 반사되는 반면, 소위 p 편광 광은 편광 빔 분할기 큐브의 공지된 특성에 따라 전송된다. s 편광 광은 액정 마이크로디스플레이(2300)상에 닿는 것이 허여된다. 마이크로디스플레이의 액정층(liquid crystal layer) 양단에 전압이 인가되는 경우, 반사된 광은 편광의 방향으로 회전한다. 즉, 반사될 때에, s 편광 입사 광 빔은 완전히 또는 부분적으로 p 편광으로 변환된다. 이 경우에 반사된 빔은 p 편광되며, 편광 빔 분할기 코팅재를 통하여 전송되며, 영상 광학 장치(2400)에 입사된다. 그 후에 빔은 영상 광학 장치(2400)를 투과하여 사용자의 눈(2500)으로 보내어 진다. 향상된 광 콘트라스트(optical contrast)를 위하여 편광기(도시되지 않음)가 이용되어 s 방향으로의 광원으로부터의 광 빔을 선편광(pre-polarize)할 수 있으며, 분해기(도시되지 않음)가 반사 광 경로에 이용되어 s 편광의 잉여 광을 차단할 수 있다. 조사의 바람직한 특징은 영상화될 영역의 광 커버리지(light coverage), 영상내의 광 영역과 암 영역사이의 훌륭한 광 콘트라스트를 위한 편광의 제어, 이용가능한 광의 효율적인 사용 및 조사 및 광경로의 조사와 영상화의 분리를 제공하는 것임을 알 수 있다.

투과형 마이크로디스플레이와 비교하면, 조사 방법은 부가적인 길이를 영상 광 경로에 유입함을 알 수 있다. 이것은 원하는 정도의 확대 및 전체 영상 시스템의 크기의 증가를 보다 어렵게 만든다. 가상 영상의 확대는 통상적으로 시계(field of view)(FOV)라는 용어로 불린다. 도시된 마이크로디스플레이는 영상 형성 렌즈로부터 대략 렌즈 초점 거리만큼 떨어져서 위치한다. 이것은 눈이 마이크로디스플레이의 영상을 망막상에 초점이 맞추어질 수 있는 것을 확실히 한다. 시계는 FOV = arctan(w/f)의 관계에 의해서 주어지는데, 여기서 w 는 마이크로디스플레이의 폭이며, f는 영상 렌즈 초점 거리이다. 주어진 마이크로디스플레이에서, w는 고정되며, 적당한 프리즘 크기에서, 영상 렌즈와 마이크로디스플레이사이의 거리 또한 고정된다. 따라서, 획득할 수 있는 FOV에는 한계가 있다. 제 2 영상 렌즈가 이용되어 중간 영상을 확대하는 2 단의 광학 시스템을 이용함으로써, 또는 이와는 달리, 영상 렌즈의 복잡한 역 초점 설계(retro focus design)에 의해서 보다 큰 값을 얻는 것은 가능하다. 그러나, 이러한 극단적이며 비용이 많이드는 방법에 의존하는 것을 회피하는 것이 바람직하다.

도 13은 DBEF(미네소타주,세인트 폴,3M사)로 알려진 반사 및 편광 물질 박막을 이용한 공지된 반사형 마이크로디스플레이의 조사 방법의 예를 도시한다. 이러한 물질은 s 편광 광이 반사되며, p 편광 광이 전송된다는 점에서 편광 빔 분할기와 유사하게 작용한다. 따라서, 도시된 바와 같이, DBEF 박막을 수반하는 판(plate)(2600)은 편광 빔 분할기(2100)를 대신하여 이용될 수 있다. 통상적으로, 이러한 방법은 무게에 있어서의 감소를 제공하지만, 광학 시스템의 영상화부에서 여전히 큰 경로 길이를 요구한다. 부가하여, 경사진 판은 영상에 난시 현상(astigmatism)을 유입할 것이다. 그렇지 않다면, 이용 방법은 도 12에서 기술된 바와 같다. 기하학적인 도시를 위하여, FOV의 반각은 8도이다.

도 14는 폴딩된(folded) 광 경로를 가져 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따른 가상 디스플레이에 대하여 향상된 광학 장치를 제공하는 컴팩트한 프리즘을 이용한 조사 방법을 도시한다. 특히, 도 14는 조사 시스템(750)(도 4)에서 이용될 수 있는 새로운 영상화 방법을 도시하는데, 조사 광 경로는 폴딩(folding)되어서 영상 광학 장치에 대하여 보다 짧은 광경로를 가지는 특별한 장점을 가진 컴팩트한 장치를 가능케한다. 이러한 경우에, 기하학적 도시를 위한 FOV 반각은 13도로 도시된다.

도시된 바와 같이, 조사 시스템은 공지된 바와 같이 광원(3000), 렌즈 및 확산기(3100) 및 선편광기(pre-polarizer)(3200)를 포함하여 광원으로부터 빔을 형성하여 보낸다. 조사 빔은 폴딩 샐로우 프리즘(folding shallow prism)(3300)으로 입사한다. 빔은 먼저 프리즘과 반사형 마이크로디스플레이(3600)사이의 표면에서의 공간(3400)에서 반사된다. 그런 다음, 빔은 빔 분할층(beam splitting layer)(예를 들면, DBEF)(3500)상에 입사되는데, 여기서 s 편광 광은 반사되며, p 편광 광은 투과된다. 투과된 광은 제 2 프리즘(3700)의 상부면에서 반사를 겪으며, 검은층(도시되지 않음)에 흡수되도록 보내어진다. 반사된 광은 프리즘(3300)의 하부면에 수직하게 입사되어 통과하며, 반사형 마이크로디스플레이(3600)상에 입사된다. 마이크로디스플레이(3600)로부터의 광은 영상화될 영역내에서 p 편광으로 변환되며, 그런 다음 p 편광 광 빔은 아무런 방해를 받지않고서 조사 프리즘을 투과한다. 도시된 바와 같이 후편광기(3800)가 포함될 수 있다. 그러나, 편광기(3800)는 DBEF 반사층(3500)이 원치않는 s 편광 투과 광의 적절한 차단을 제공하지 않는 경우에만 필요하며, 이 경우에 편광기(3700) 사실상 클린업(clean-up) 편광기로 사용된다는 사실이 이해되어야 한다. 반사층(3500)은 또한 효율면에서 다소의 손실을 가진 보다 간단한 빔 분할 형태일 수 있다.

도 14의 조사 프리즘에 의해서 유입된 경로 길이는 도 12 및 도 13에서 도시된 경우보다 상당히 작음이 이해되어야 한다. 이것은 컴팩트한 광학을 가진 보다 큰 시계의 바람직한 가상 영상 디스플레이가 구현되도록하는 주요한 특징이다.

그런 다음, 광학 시스템(750)으로부터의 광선은 영상 광학 장치(2400)으로부터 사용자의 눈(2500)으로의 경로를 따른다. 영상 광학 장치는 여기에 제공된 다른 설계뿐만 아니라 도 4에 도시된 설계도 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 방식으로, 도 4의 설계의 장점이 반사형 마이크로디스플레이와 결합하여 이용될 수 있다. 이러한 폴딩 프리즘 조사 시스템은 컴팩트하며, 디스플레이와 최후 편광기(3700)사이에 짧은 거리만을 요구한다는 바람직한 특성을 가진다. 원하는 경우에는 필드 렌즈 또한 합체될 수 있음은 명백하다.

상술된 바와 같이, 바람직하게 본 발명은 다음과 같은 예시적인 특징 및 장점을 제공한다. (ⅰ) 우수한 경량의 편안함을 제공하는 헤드 탑재형 디스플레이에서 이용될 수 있는 다양한 가상 디스플레이 시스템, (ⅱ) 가상 영상의 명료성과 결합하여 조절의 용이성 및 피로도의 감소를 위한 붐 형태의 헤드 탑재 구조물에 탑재된 가상 디스플레이, (ⅲ) 광학 시스템의 투명한 특징에 기인하여 사용자의 시야를 가리지 않는 향상된 헤드 탑재형 디스플레이, (ⅳ) 안경과 결합하여 사용자에 의해 편리하게 착용될 수 있는 향상된 가상 영상 디스플레이, (ⅴ) 작은 크기에 기인하여 시야를 가리지 않으며, 시계의 상당한 부분을 막지 않고서 눈에 근접하게 위치토록하는 향상된 헤드 탑재형 디스플레이 시스템, (ⅵ) 독특한 빔 폴딩 특성에 기인하여 경량의 명확한 투명 특성과 결합된 투과성 마이크로디스플레이를 가진 높은 광학 성능을 획득하는 특정 값을 가지는 광학 시스템, (ⅶ) 경량성 및 명확한 투명성을 결합하는 반사 광 밸브(valve)를 가진 높은 광학 성능을 획득하는 특정 값을 가진 광학 시스템, (ⅷ) 편광 반사형 박막을 이용한 마이크로디스플레이의 독특한 조사 방법을 합체하는 광학 시스템, (ⅸ) 넓은 시계, 만족할 만한 눈의 피로완화 및 넓은 사출동공을 가진 광학 시스템, (ⅹ) 반사형의 마이크로디스플레이를 사용하여, 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 컴팩트한 프리즘을 이용하여 가상 디스플레이에 대한 향상된 광학 장치를 제공하는 조사 방법.

본 발명이 도 3a에 도시된 경량의 착용가능한 컴퓨터 시스템(70)과 결합된경우 상기 특징 및 장점은 구현될 수 있다. 여기에 제공된 광학 설계는 컴팩트한 경량의 가상 영상 디스플레이를 요구하는 어떠한 휴대용 애플리케이션에도 바람직하게 이용될 수 있음 또한 이해되어야 한다. 예를 들면, 이동 전화, 휴대용 팩스 뷰어(viewer) 및 컴팩트한 디스플레이를 이용하는 다른 장치들이 있다.

본 발명의 예증적인 실시예는 수반하는 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않은 다양한 많은 변화 및 변형이 당업자에 의해서 가능함이 이해되어야 한다.

Claims (7)

1. 영상 광학 장치와 함께 사용하기 위한 반사형 마이크로디스플레이를 조사하는(illuminating) 조사 시스템에 있어서,

   상기 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘과,

   상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 반사층과,

   상기 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하되,

   상기 제 1 프리즘, 상기 반사층 및 상기 제 2 프리즘은, 광원으로부터의 광이 상기 제 1 프리즘에 입사하여, 상기 제 1 프리즘과 상기 마이크로디스플레이사이의 공간(air gap)에서 반사하고, 상기 반사층에서 반사하며, 상기 마이크로디스플레이에서 영상 신호의 형태로 반사하도록 배열되어 있으며, 상기 영상 신호는 상기 제 2 프리즘을 통과하여 상기 제 2 프리즘을 빠져나와 상기 영상 광학 장치를 통해 사용자에 의해 관찰되는

   반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사층은, s 편광 광은 반사시키고 p 편광 광은 투과시키는 빔 분할층인 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원과 상기 제 1 프리즘사이에 위치한 제 1 편광기를 더 포함하는 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원과 상기 제 1 프리즘사이에 위치한 렌즈 및 확산기 장치를 더 포함하는 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 프리즘과 상기 영상 광학 장치 사이에 위치한 제 2 편광기를 더 포함하는 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 조사 시스템은 가상 영상 디스플레이 유닛에 합체된 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 가상 영상 디스플레이 유닛은 헤드에 탑재될 수 있는 반사형 마이크로디스플레이 조사 시스템.