KR101691248B1 - 터치 및 사물 감지 디스플레이를 위한 조명 장치 - Google Patents

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마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
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Abstract

통합 비전 및 디스플레이 시스템은 디스플레이 표면을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 투과하도록 구성된 디스플레이 이미지 형성층과, 디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위의 적외선 광을 이미지화하고 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 사물로부터의 반사를 포함하는 이미징 탐지기와, 하나 이상의 사물을 조명하기 위해 적외선 광을 방출하도록 구성된 비전 시스템 에미터와, 대향하는 윗면 및/또는 아랫면을 갖고 있고, 비전 시스템 에미터로부터 적외선 광을 수신하여, 윗면 및 아랫면으로부터 내부 전반사를 통해 적외선 광을 전도하고, 디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위 밖에서 사물에 적외선 광을 투사하도록 구성된 가시광선 및 적외선 투과 광 가이드를 포함한다.

Description

터치 및 사물 감지 디스플레이를 위한 조명 장치{ILLUMINATOR FOR TOUCH- AND OBJECT-SENSITIVE DISPLAY}
비전 기반 입력 시스템(vision-based input systems)에 의해 사람들은 컴퓨터와 쉽게 인터랙션할 수 있다. 특히, 터치를 감지하고 사물을 식별하는 컴퓨터의 기능을 통해 자연스럽고 직관적인, 광범위한 입력 메카니즘이 가능해졌다. 따라서, 비전 기반 입력 기술의 발전은 키보드 및 마우스 기반 입력 메카니즘의 실질적인 대안을 제공할 수 있다. 보다 많은 기능, 소형(compactness), 및 설계 융통성(design flexibility)을 위해, 비전 기반 입력 시스템은 평면 디스플레이 시스템(flat-panel display system)과 같은 디스플레이 시스템과 공간을 공유할 수 있다.
통합 비전 및 디스플레이 시스템이 제공된다. 시스템은 디스플레이 표면을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 전송하도록(transmit) 구성된 디스플레이 이미지 형성층을 포함한다. 또한, 시스템은 디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위의 적외선 광을 이미지화하는 이미징 탐지기를 포함한다. 여기서, 이미지화된 적외선 광은 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 사물로부터의 반사를 포함한다. 시스템은 또한, 비전 시스템 에미터, 가시광선 및 적외선 전송 광 가이드를 포함하는 비전 시스템 조명 장치를 포함한다. 비전 시스템 에미터는 하나 이상의 사물을 조명하기 위해 적외선 광을 방출하도록 구성된다. 광 가이드는 비전 시스템 에미터로부터 적외선 광을 수신하도록 구성된다. 광 가이드는 내부 전반사를 통해 적외선 광을 전도하고, 디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위 밖에서 하나 이상의 사물에 적외선 광을 투사한다.
본 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가적으로 설명되는 일련의 컨셉을 간략한 형태로 소개한다. 본 요약은 특허 청구된 대상의 핵심 특징이나 필수 특징을 밝히기 위한 것이 아니며, 특허 청구된 대상의 범위는 상세한 설명에 뒤이어 나오는 특허 청구 범위에 의해 정의된다. 또한, 특허 청구된 대상은 앞서 언급된 또는 본 개시에서 언급된 임의의 단점을 해결하는 구현에 한정되지 않는다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 워크 스테이션의 양태들을 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 광학 시스템의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3에서 10은 본 개시의 다른 실시예들에 따른 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 개시의 다른 실시예의 광학 시스템의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 광 가이드를 통과하는 광도(irradiance) 대 거리의 도표를 도시한다.
도 13은 본 개시의 실시예에 따른, 두 범위의 입사각에 대한 파장의 함수로써 필터층의 반사도(reflectance) R의 도표를 도시한다.
도 14는 본 개시의 다른 실시예에 따른 광학 시스템의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다.
본 개시의 대상은 예시를 통해 또한, 도시된 특정 실시예를 참조하여 설명된다. 둘 이상의 실시예에서 실질적으로 동일한 컴포넌트는 대등하게 식별되며, 반복을 최소한으로 하여 설명된다. 그러나, 다른 실시예들에서 대등하게 식별된 컴포넌트는 적어도 부분적으로 상이할 수 있음을 알 것이다. 또한, 본 개시에 포함된 도면은 개략적인 것임을 알 것이다. 도시된 실시예들의 도면은 일반적으로 일정한 비율로 그려진 것이 아니며, 몇몇 특징들의 형상비(aspect ratios), 특징 크기 및 특징 개수는 선택된 특징이나 관계를 보다 쉽게 볼 수 있도록 의도적으로 왜곡된 것일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 워크 스테이션(10)의 양태들을 도시한다. 워크 스테이션은 수평 방향의, 대형의 터치 및 사물 감지 디스플레이 표면(large-format, touch- and object-sensitive display surface, 12)을 포함한다. 이러한 방향에서, 한 명 이상의 사람이 디스플레이 표면을 위에서 보고 인터랙션하기 위해 워크 스테이션 옆에 서거나 앉을 수 있다. 광학 시스템(14)은 디스플레이 표면 아래에 위치한다. 광학 시스템은 워크 스테이션에 비전 기반 입력 기능뿐만 아니라 디스플레이 기능도 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 광학 시스템은 통합 디스플레이 및 비전 시스템(integrated display and vision system)을 포함할 수 있다.
디스플레이 기능을 제공하기 위해, 광학 시스템(14)은 디스플레이 표면(12)을 통해 가시 이미지(visible image)를 투사하도록(project) 구성될 수 있다. 비전 기반 입력 기능을 제공하기 위해서는, 광학 시스템은 손가락, 게임 부품, 전자 장치, 종이 카드, 음식 또는 음료수 등 터치 감지 디스플레이 표면 위에 또는 근처에 놓인 하나 이상의 사물(object)(16)의 적어도 부분적인 이미지를 캡쳐하도록 구성될 수 있다. 따라서, 광학 시스템은 이러한 사물을 조명하고(illuminate), 그 사물로부터 반사된 빛을 탐지하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 시스템은 디스플레이 표면 위에 또는 근처에 놓인 사물의 위치, 풋프린트(footprint) 및 다른 특성을 기록할 수 있다.
도 1은 워크 스테이션(10) 안에 감춰져 있고 광학 시스템(14)과 연결되어 동작하는 컴퓨터(18)를 도시한다. 다른 실시예들에서, 컴퓨터는 유선 또는 무선 통신을 통해 광학 시스템과 떨어져 위치 및/또는 분포되고, 연결될 수 있다. 그 위치와 상관없이, 컴퓨터는 광학 시스템에 디스플레이 데이터를 제공하고 입력 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 또한, 컴퓨터는 다양한 종류의 정보를 내놓는 입력 데이터를 처리하도록 구성될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광학 시스템(14)의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 광학 시스템은 LCD 백라이트(liquid-crystal display backlight, 20)를 포함하고, 이 LCD 백라이트(20)는 가시광을 LCD 제어층(22)에 투사하여 부분적으로 통과시키도록 배치된다. LCD 백라이트와 LCD 제어층은 함께 디스플레이 표면(12)을 통해 볼 수 있는 디스플레이 이미지를 형성하도록 배치된다.
LCD 백라이트(20)는 LCD 디스플레이 시스템용으로 적절히 구성된 임의의 광원을 포함할 수 있고, 적절한 BEF(brightness-enhancement film), 각도 제한 필름(angle-limiting film) 또는 기타 구조 및, 하나 이상의 조명 프로파일 레이어(illumination-profiling layers)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, LCD 백라이트는 하나 이상의 CCFL(compact cylindrical fluorescent) 광원을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, LCD 백라이트는 하나 이상의 LED(light-emitting diodes), 예컨대, 적색, 녹색 및 청색 LED 또는 통합 백색 LED(integrated white LED)를 포함할 수 있다.
LCD 제어층(22)은 디스플레이 표면(12)을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 전송하게끔 구성된 디스플레이 이미지 형성층이며, LCD 백라이트(20)로부터의 빛의 강도(intensity)를 공간적으로 또한 시간적으로 변조하도록 구성된 광-게이팅 소자(light-gating elements)의 이차원 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 광-게이팅 소자는 적색, 녹색 및 청색 투과 창(transmissive windows)에 연결된 LCD 소자들을 편광시킬 수 있다. 일 실시예에서, LCD 제어층 및 LCD 백라이트는 컴퓨터(18)에 연결되어 동작하며, 그로부터 디스플레이 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다.
계속해서 도 2에서, 광학 시스템(14)은 이미징 광학기(imaging optic, 24) 및 이미징 탐지기(imaging detector, 26)을 포함한다. 이미징 광학기는, 1 도 이하의 웨지 각을 이루는, 실질적으로 평면이며 서로 대향하고 있는 윗면 및 아랫면을 갖는 웨지 형태일 수 있다. 이미징 광학기의 윗면은 디스플레이 표면(12) 상에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 사물(16)로부터 반사되는 빛을 받아들이도록 구성될 수 있다. 아랫면은 이미징 광학기의 곡선의 가장자리면(curved edge face)을 향하게끔 반사된 빛을 터닝시키도록 구성된 터닝 필름(turning film)을 포함할 수 있다. 곡선의 가장자리면은 빛이 이미징 탐지기(26)에 초점을 맞추고 반사되도록 구성된 반사 프레넬 구조(reflective Fresnel structure)를 지원할 수 있다. 일 실시예에서, 디스플레이 표면 위의 사물에서 반사되는 빛은 이미징 광학기의 윗면과 아랫면으로부터 TIR(total internal reflection)를 통해 곡선의 가장자리면에 또한 그 면으로부터 전파될 수 있다.
이미징 탐지기(26)는 디스플레이 표면(12) 상에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 사물(16)로부터 반사를 이미지화하도록 구성될 수 있다. 이미징 탐지기는 적어도 사물의 부분 이미지를 캡쳐하고, 해당 이미지 데이터를 컴퓨터(18)에 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 컴퓨터는 이미징 탐지기로부터 이미지 데이터를 수신하고 처리하여, 사물의 위치에 대응하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 이미징 탐지기는 디지털 카메라를 포함할 수 있다.
이미징 탐지기(26)는 사물(16)로부터의 일부 반사를 이미지화하고 나머지를 차단시킬 수 있다. 특히, 이미징 탐지기에 의해 이미지화되는 반사는 디스플레이 표면 법선에 대한, 즉, 디스플레이 표면(12)에 수직인 방향에 대한 좁은 각도 범위(예컨대, ±10 도)로 한정될 수 있다. 이러한 제한은 도시된 구성의 적어도 세 가지의 설계 특징들에 의해 가능해질 수 있다. 첫번째로, 이미징 탐지기는, 이미징 탐지기의 한정된 각도의(angularly restricted) "시야(field of view)" 안의 빛을 받아들이고, 시야 밖으로부터의 빛을 거부하도록 구성된 조리개(aperture)를 포함할 수 있다. 두번째로, 이미징 광학기(24)의 웨지 형태는 윗면으로부터 커플링된 수용 광추(acceptance cone of light)를 상대적으로 좁은 범위의 각도(예컨대, 2 도에서 3 도)로 본질적으로 제한할 수 있다. 이미징 광학기는 광학기를 가로지르는 위치 대 수용 광추의 포인트 각도(pointing angle)에 있어서 실질적으로 텔레센트릭(telecentric)이며, 포인트 각도는 윗면의 임의의 지점에서 표면 법선의 10 도 내에서 변할 수 있다. 세번째, 이미징 광학기는 수용 창의 위치 공간을, 이미징 탐지기의 렌즈가 배치될 수 있는 출구 창(exit window)의 각도 공간에 매핑시키도록 구성될 수 있다. 이미징 광학기와 (출구 창의 각도 컨텐츠를 이미징 탐지기의 공간 컨텐츠로 다시 변환시키는) 렌즈에 의한 위치 대 각도 매핑으로 인해, 디스플레이 표면은 이미징 탐지기에 이미지화되고, 따라서 이미지 탐지기에 의해 이미지화되는 시야는 디스플레이 표면의 이미지를 포함한다. 디스플레이 표면(12) 상에 또는 그 근처에 있는 사물(16)로부터의 반사가 큰(예컨대, 람베르시안(Lambertian)) 투입각으로 실질적으로 확산되기(diffuse) 때문에, 디스플레이 표면(12)에 실질적으로 수직으로, 사물로부터 아래쪽으로 반사된 빛은 이미지화되지만, 디스플레이 표면에 대해 더 큰 입사각(incidence angles)을 갖는 빛은 이미지화되지 않을 수 있다. 이러한 구성은 비전 시스템 조명 장치로부터 아래로 산란되는(scattering) 빛으로 인해, 캡쳐된 이미지의 원치 않는 콘트라스트(contrast)의 감소를 피할 수 있게 도와준다.
이미징 탐지기(26)는, 하나 이상의 파장 대역에 대한 이미징 탐지기의 응답을 제한하기 위해 조리개의 앞에 마련된, 색상 또는 간섭(interference) 필터와 같은 하나 이상의 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 하이 패스, 로우 패스 또는 밴드 패스 필터를 포함하고, 이들은 적외선 투과(infrared-transmissive), 가시광선 흡수(visible-absorbing) 및/또는 가시광선 반사 필터 등일 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 광학 필터가 비전 시스템 조명 장치에서 방출하는 협 파장 대역(narrow wavelength band)에 대해 이미징 탐지기의 응답을 제한하도록 구성될 수 있으며, 이는 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 2는 광학 시스템(14)의 하나의 실시예만을 도시한다. 다른 실시예들에서는, 이미징 광학기(24) 및 이미징 탐지기(26)가 디스플레이 표면(12)의 국부(localized part)의 이미지를 캡쳐하는 단초점(short-throw) 이미징 탐지기들의 타일링(tiling)으로 대체될 수 있다. 따라서, 컴퓨터(18)는 각 이미징 탐지기로부터 이미지를 수신하고, 이들의 결합된 이미지를 짜맞추도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 오프셋 이미징 구성(offset-imaging configuration)을 사용하여 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 사물을 이미지화할 수 있다.
계속해서 도 2에서, 광학 시스템(14)은 비전 시스템 조명 장치(28)를 포함한다. 비전 시스템 조명 장치는 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 놓인 사물을 조명하도록 구성되어, 전술한 바와 같이, 사물로부터 반사되어 탐지된 빛을 공급한다. 도시된 실시예에서, 비전 시스템 조명 장치는 비전 시스템 에미터(30), 광 가이드(32) 및 커플링 구조(34)를 포함한다.
비전 시스템 에미터(30)는 적외선 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 비전 시스템 에미터는 850 나노미터에 중심이 있는 협 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다. 따라서, 비전 시스템 에미터는 광 가이드(32)의 하나 이상의 측면 또는 가장자리를 따라 배치되는 IR-LED(infrared light-emitting diodes)의 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, IR-LED는, 다른 간격도 고려될 수 있지만, 서로 10 밀리미터에서 20 밀리미터씩 떨어져 광 가이드의 가장자리를 따라 배치될 수 있고, 또 다른 실시예에서는, IR-LED 어레이가 광 가이드의 반대편 가장자리를 따라 분포할 수도 있다.
광 가이드(32)는 대향하는 윗면 및 아랫면을 갖는 시트형의(sheet-like) 또는 웨지 형태의 모노리스(monolith)를 포함하고, 비전 시스템 에미터(30)로부터 적외선 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 광 가이드를 상세하게 도시하는 다음 도면에서는, 도면 부호 36은 시트형의 광 가이드를, 도면 부호 38은 웨지 형태의 광 가이드를 나타내기 위해 사용된다. 계속해서 도 2에서, 광 가이드는 하나 이상의 적외선 파장 대역 및 하나 이상의 가시광선 파장 대역을 투과시키는 물질로 형성될 수 있다. 특히, 그 물질은 비전 시스템 에미터(30)에서 방출되는 적어도 일부 파장 및 LCD 백라이트(20)에서 방출되는 적어도 일부 파장을 투과시킬 수 있다. 광 가이드는 윗면 및 아랫면으로부터 TIR을 통해 적외선 광을 전도하고, 이미징 탐지기(26)에서 받아들이는 좁은 각도 범위 밖에서 적외선 광을 사물(16)에 투사시키도록 구성될 수 있다.
커플링 구조(34)는 비전 시스템 에미터(30)로부터의 빛을 광 가이드(32)로 부분적으로 수렴하고 커플링시키도록 구성되는 임의의 집광 장치의 배치일 수 있다. 커플링 구조의 몇몇 실시예가 도 3에서 10을 참조하여 이하에서 설명된다. 각 실시예에서, 비전 시스템 에미터, 커플링 구조 및 광 가이드의 상대적인 배치 및 물질 특성은 비전 시스템 에미터로부터의 발산광(divergent light)이 광 가이드로 모아져 커플링되도록 선택될 수 있다.
계속해서 도 2에서, 광학 시스템(14)은 보호층(protective layer, 40)을 포함한다. 보호층은 광 가이드(32)에 대해 전술한 바와 같이 대체적으로 가시광선 및 적외선 투과 물질로 형성된 시트를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 보호층의 윗면은 주변광(ambient light)의 거울 반사(specular reflection)를 줄이도록 구성된 약한 확산층(weakly diffusive layer, 42)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 보호층은 임의의 적절한 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 보호층(40)은 디스플레이 표면(12)을 통한 시야로부터 광학 시스템의 다양한 내부 컴포넌트들을 감추거나 안 보이게 하도록 구성된 보통 확산층(moderately diffusive layer, 44)을 거쳐 LCD 제어층(22)에 커플링된다. 일 실시예에서, 보통 확산층은 대략 35 도에서 45 도 FWHM으로 디스플레이 빛의 각도 퍼짐(angular spread)을 제공하여, 광학 시스템의 내부 컴포넌트들이 사용자에게 덜 눈에 띄게 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, LCD 제어층(22)은 광 가이드(32)와 디스플레이 표면(12) 사이에 층을 이룰 수 있다. 그러나, 본 개시와 완전히 일치하는 다른 구성이 다른 층 구성을 제시할 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 광 가이드는 디스플레이 이미지 형성 층과 디스플레이 표면 사이에 층을 이룰 수 있고, 예컨대, 광 가이드는 LCD 제어층 위에 배치되어 LCD 제어층으로부터의 조명 손실을 줄일 수 있으며, 이는 아래에서 추가적으로 설명될 것이다. 몇몇 실시예에서, 광학 시스템에서 임의의 또는 모든 보호층(40) 및 확산층(42 및 44)이 생략될 수도 있으며, 이들 층의 기능은 광학 시스템의 다른 컴포넌트에 포함될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(rod lens, 46) 및 코너 프리즘(corner prism, 48)을 포함한다. 코너 프리즘의 빗면(hypotenuse face)은 광 가이드(32)의 아랫면에 수평하게(flush), 광 가이드의 아랫면의 가장자리 근처에 그 가장자리와 평행하게 광학적으로 커플링된다. 로드 렌즈는 광 가이드 아래에 광 가이드의 아랫면 가장자리와 평행하게, 코너 프리즘의 기저면(basal face)과 나란하게 배열된다. 코너 프리즘의 기저면에 대해, 비전 시스템 에미터(30)는 로드 렌즈의 정반대 쪽에 배치된다. 일 실시예에서, 로드 렌즈 및 코너 프리즘은 아크릴(acrylic)이나 폴리카보네이트(polycarbonate)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 로드 렌즈는 직경 3 밀리미터의 압출형(extruded) 아크릴 로드일 수 있다.
본 실시예 및 다음의 실시예에서, 로드 렌즈(46)는 비전 시스템 에미터(30)에서 방출되는 광추를 좁혀, 빛의 상당량이 광 가이드(32)의 대칭체의 수평면을 통해 그리고 수평면에 거의 평행하게, 광 가이드의 윗면 및 아랫면으로부터의 반사가 상대적으로 거의 없게 투과된다. 몇몇 실시예에서, 동일한 로드 렌즈(46)가 복수의 비전 시스템 에미터로부터의 빛을 광 가이드에 커플링시키도록 동작할 수 있다. 이러한 배치는 이하의 실시예의 평면도를 제공하는 도 4에서 보다 쉽게 볼 수 있다. 일 실시예에서, 로드 렌즈는 광 가이드의 아랫면 가장자리에 위치한다(span). 다른 실시예들은 광 가이드의 대향하는 두 아랫면 가장자리 각각을 따라 로드 렌즈와 코너 프리즘을 포함할 수 있다. 로드 렌즈를 포함하는 실시예들에서, 광 가이드의 수평면에 대해 실질적으로 수직인 빛만이 낮은 발산(lower divergence)으로 집광되어, 수평면에서의 빛의 측면 퍼짐(lateral spread)이 짧은 광경로(optical path)에서 발생하고, 이는 광 가이드를 따라 가장 짧은 광경로로 높은 균일성(uniformity)을 얻기 위한 몇몇 경우에서 유용할 수 있다. 돔 렌즈(done lenses)로 포커싱(아래 참조)을 제공하는 다른 실시예들에서는, 빛이 두 차원에서 집광되어서, 광 가이드의 측면 차원에서 비슷한 수준의 균일성을 얻기 전에 광 가이드를 따라 보다 긴 광경로가 요구될 수 있다.
도 5는 다른 실시예의 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(46)와 프레넬 프리즘(50)을 포함한다. 프레넬 프리즘은 광 가이드의 아랫면에 수평하게, 광 가이드의 아랫면의 가장자리 근처에 그 가장자리와 평행하게 광학적으로 커플링된다. 로드 렌즈는 광 가이드 아래에 광 가이드의 아랫면 가장자리와 평행하게 배치되고, 빛을 프레넬 프리즘에 커플링시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 로드 렌즈는 광 가이드의 아랫면 가장자리에 위치한다. 다른 실시예들은 광 가이드의 대향하는 두 아랫면 각각의 가장자리를 따라 로드 렌즈와 프레넬 프리즘을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 프레넬 프리즘을 대신하여 프리즘 격자(prismatic grating)가 사용될 수도 있다. 또 다른 실시예들에서, 프리즘 격자는 결합 광출력(optical power)을 위해 렌즈 배열(lenticular array)에 의해 보완될 수 있다.
도 6은 다른 실시예의 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(46) 및 은도금된 빗면이 있는 코너 프리즘(52)을 포함한다. 코너 프리즘의 빗면은 광 가이드(32)의 가장자리면에 수평하게 배열된다. 로드 렌즈는 광 가이드 아래에 광 가이드의 아랫면 가장자리와 평행하게, 코너 프리즘의 인접한 기저면과 나란하게 배열된다. 일 실시예에서, 로드 렌즈는 광 가이드의 아랫면 가장자리에 위치한다. 다른 실시예들은 광 가이드의 대향하는 가장자리면을 따라 두 로드 렌즈와 두 프레넬 프리즘을 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예들에서, 은도금되지 않은 빗면이 있는 코너 프리즘을 포함할 수 있으며, 접힌 부분에서 TIR을 사용한다. 이런 경우, 고효율의 커플링을 유지하기 위해 집광 발산(light collection divergence)이 적을 수 있다.
도 7은 다른 실시예의 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(46)와 은도금된 경사면(oblique faces)이 있는 사다리꼴 프리즘(54)을 포함한다. 사다리꼴 프리즘의 긴 기저면은 대향하는 제 1 및 제 2 말단부를 포함한다. 긴 기저면의 제 1 말단부는 광 가이드(32)의 가장자리면에 수평하게 배열된다. 긴 기저면의 제 2 말단부는 광 가이드 아래에 광 가이드의 아랫면 가장자리와 평행하게, 로드 렌즈와 나란하게 배열된다. 일 실시예에서, 사다리꼴 프리즘은 아크릴이나 폴리카보네이트로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 로드 렌즈는 광 가이드의 아랫면 가장자리에 위치한다. 다른 실시예들은 광 가이드의 대향하는 두 가장자리면 각각을 따라 로드 렌즈와 사다리꼴 프리즘을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 커플링 구조는 은도금되지 않은 경사면을 갖는 사다리꼴 프리즘을 포함할 수도 있다.
도 8은 다른 실시예의 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(46)를 포함한다. 로드 렌즈의 축이 광 가이드(32)의 수평 대칭면에 위치하고, 광 가이드의 가장자리면과 평행한 방향으로 놓일 수 있다. 일 실시예에서, 로드 렌즈는 광 가이드의 가장자리면에 위치한다. 다른 실시예들은 광 가이드의 대향하는 두 가장자리면 각각을 따라 로드 렌즈를 포함할 수 있다.
도 9는 다른 실시예의 커플링 구조의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도시된 커플링 구조는 로드 렌즈(46)와 렌즈 배열(56)을 포함한다. 로드 렌즈는 광 가이드(38)의 경사진 가장자리면 근처에서 그 가장자리면과 평행할 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈 배열은 광 가이드의 경사진 가장자리면에 접합된 필름에 내장될 수 있다. 다른 실시예들에서, 1D-CPC(one-dimensional, compound parabolic concentrator) 콜렉터로 로드 렌즈를 대신할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 렌즈 배열은 결합 광출력을 위해 1D-CPC에 의해 보완될 수 있으며, 일 실시예에서, 1D-CPC로 로드 렌즈 및 렌즈 배열 모두를 대신할 수 있다.
도 9에 도시된 커플링 구조는 그 중에서도, 웨지 형태의 광 가이드(38)의 경사진 가장자리면에 빛을 커플링시켜, 도면에 도시된 바와 같이, 광 가이드에 커플링된 빛이 윗면을 통해 빠져나오게 하기 위해 사용될 수 있다. 본 구성에서, 윗면을 빠져나오는 빛의 공간 균일성(spatial uniformity)은 경사진 가장자리면에 커플링된 빛의 각 균일성(angular uniformity)에 관련된다. 따라서, 커플링 구조는 입사각의 함수로써 아주 균일한 빛의 입력을 제공하는 것이 바람직하다. 이는, 도 9의 실시예에서, 한정된 범위의 각도와 높은 각 균일성으로 빛을 투사시키는 렌즈 배열(56) 및/또는 1D-CPC를 선택함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 로드 렌즈(46)는 렌즈 배열의 출구콘(exit cone)보다 약간 더 예각인 각도 범위에서 집광하도록 선택될 수 있다.
앞서 설명된 커플링 구조 실시예들은 오직 일차원으로만 광출력을 갖는 집광 장치(collection optics)(로드 렌즈, 프리즘, 렌즈 배열, 1D-CPC 컬렉터 및 격자)를 포함한다. 따라서, 이러한 집광 장치는 비전 시스템 에미터(30)로부터 일차원으로만 집광한다. 따라서, 도 4의 평면도의 예시에서 도시된 바와 같이, 가장자리에 배치된 복수의 비전 시스템 에미터로부터 집광하기 위해서 광 가이드의 전체 가장자리 길이를 따라 퍼져 있을 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 커플링 구조는 돔 렌즈와 2D-CPC 컬렉터 등 이차원의 광출력을 갖는 유사 집광 장치를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 커플링 구조는 일련의 해당 비전 시스템 에미터들에 커플링되고 또한, 광 가이드(32)에 커플링된 일련의 집광 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 배치는 집광 장치(58)가 2D 집광 장치를 포함하는 도 10에 도시된다.
앞서 밝힌 다양한 집광 장치들은 광 가이드에 향상된 커플링 효율(coupling efficiency)을 제공할 수 있지만, 이들이 모든 경우에 필요한 것은 아니라는 점을 알 것이다. 예를 들어, 광 가이드(32)의 가장자리에 커플링될 때, 집광 장치를 사용하지 않고도 높은 커플링 효율을 얻을 수 있지만, 커플링된 빛의 높은 각도 퍼짐으로 인해, 확산광 추출층(diffusing light extracting layer, 아래 참조)은 낮은 발산으로 집광되는 경우와 비교하여 상당히 적은 확산력(diffusing strength)을 제공해야만 한다. 이는 더 많은 빛이 더 많은 양의 반사를 하기 때문이다. 그러나, 빛이 광 가이드의 바닥면에 커플링되는 구성에서는, 빛이 충분히 현저히 낮은 발산으로 집광되지 않을 때 커플링 손실이 발생할 수 있다.
도 9로 다시 돌아가서, 웨지 형태 광 가이드(38)는 실질적인 평면으로, 대향하는 윗면과 아랫면을 포함한다. 몇몇 예시에서, 윗면과 아랫면은 0 도와 1 도 사이의 웨지 각도를 형성한다. 높이가 같지 않은, 대향하는 제 1 및 제 2 가장자리면은 윗면과 아랫면에 인접하여 배치된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 비전 시스템 에미터(30)로부터의 적외선 광은 커플링 구조를 거쳐 광 가이드로 들어가고, TIR을 통해 광 가이드를 거쳐 전파된다. 빛은 제 1 가장자리면으로부터 제 2 가장자리면으로 전도되어, 임계치 이하의 입사각으로 윗면과 아랫면을 만나서, 광 가이드의 윗면에서 굴절되어 실질적으로 콜리메이션된다(collimated).
도 9에 도시된 실시예에서, 대향하는 윗면 및 아랫면에 대해 커플링된 빛의 입사각은 각 반사마다 웨지 반각(half-angle)의 두 배로 감소된다. 빛이 들어가는 가장자리면의 입사각은 빛이 빠져나오는 윗면 또는 아랫면에 따른 위치에 매핑하게 된다. TIR 조건을 위반하는 빛만이 광 가이드를 빠져나오기 때문에, 광 가이드로부터 투사되는 모든 빛은 일반적으로 임계각과 몇 도 차이의 큰 각도로 빠져나오게 되고, 임계각은 광 가이드 매질의 굴절률(refractive index), 광 가이드를 둘러싼 매질(예컨대, 공기)의 굴절률, 입구 가장자리면에서의 빛의 각도 및, 고차로(at higher order), 웨지의 두께 및 웨지 커플링 면에서의 입력 광의 수직 위치에 의해 결정된다. 따라서, 이들 파라미터는 대부분의 빛이 상대적으로 큰 출구각(exit angle)으로 광 가이드를 빠져나오도록 선택될 수 있다. 큰 출구각은 이미징 탐지기(26)에서 받아들일 수 있는 비전 시스템 조명 장치로부터의 산란광의 양을 최소화시키기 때문에, 큰 출구각을 제공하는 것이 유용하다. 또한, 앞서 언급된 바와 같이, 큰 값 θ로 광가이드의 윗면을 빠져나오는 광속(light flux)의 공간 분포가 광 가이드에 커플링된 광속의 각도 분포에 의해 제어됨을 알 수 있다.
도 11은 다른 실시예의 광학 시스템의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 광학 시스템(60)은 도 8에 도시된 것과 같은 시트형의 광 가이드(36)와 커플링 구조(34)를 포함한다. 도 11에 도시된 실시예에서, 광 가이드는 대략 3 밀리미터 두께의 시트인 B270 유리, Schott Glass 사의 제품을 포함할 수 있다. 이 제품은 850 나노미터에서 미터 경로 길이당 54 퍼센트에서 50 퍼센트의 투과율(transmittance)을 가진다.
광 가이드(36)는 실질적으로 평면이고 대향하는 윗면 및 아랫면과, 아랫면 및 밑면에 인접하여 실질적으로 갚은 높이의 대향하는 제 1 및 제 2 가장자리면을 포함한다. 비전 시스템 에미터(30)로부터의 적외선 광은 제 1 가장자리면으로부터 제 2 가장자리면으로 전도되고, 대향하는 면들로부터의 반사에 의해, 광 가이드에 커플링된 적외선 광이 TIR을 통해 광 가이드를 거쳐 전파된다. TIR 조건은 다양한 방식으로 실패할(즉, 방해될) 수 있고, 이는 윗면 또는 아랫면에서 터치 및/또는 사물 탐지의 다양한 모드를 초래할 수 있으며, 이는 아래에서 추가적으로 설명될 것이다.
예를 들어, 광 가이드(36)의 윗면 - 또는 광 가이드가 광학적으로 커플링된 보호층(44) - 에 손가락을 대면 TIR 조건이 방해되어, 빛이 광 가이드를 빠져나와 손가락에서 반사될 수 있다. 이후에, 반사된 빛은 표면 법선에 대해 상대적으로 작은 각도로 광 가이드로 다시 전파되고, 이미징 탐지기(26)에 의해 이미지화될 수 있다. 또한, 반사된 광속은 손가락과 광 가이드의 윗면 간의 접촉 영역에 달려있기 때문에, 이미징 탐지기에 접속되어 동작하는 컴퓨터는 하나 이상의 사물과 디스플레이 표면 사이에서 증가하거나 감소하는 접촉 영역에 대응하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터는 표면에 가해진 압력을 탐지하고, 터치 및/또는 계속해서 가해지는 압력에 대응하여 적절한 행동 - 볼륨을 높이거나, 사진을 확대하는 등 - 을 취할 수 있다.
전술한 터치 감지 모드는 접촉 사물에 의해 광학적으로 '젖은(wetted)' 광 가이드의 면에 의존한다. 그러나, 많은 사물들은, 그 물질 특성이나 토폴로지(topology)로 인해, 접촉하는 표면을 신뢰할 수 있을 만큼 젖게 하지 않을 것이다. 또한, 비전 시스템은 디스플레이 표면이 터치되지 않아도 그 근처에 있는 사물을 감지할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 보다 일반적인 사물 감지 모드가 예상되고, 이는 전술한 터치 감지를 대신하거나 그에 더해서 실현될 수 있다. TIR 조건은 탐지된 사물로부터 어떤 접촉도 없이 제어되는 정도만큼 방해될 수 있고, 이는 아래에서 추가적으로 설명될 것이다. 따라서, 본원에 설명된 광학 시스템은 비전 기반뿐만 아니라 터치 감지 기반 및 디스플레이 근처에 있는 사물의 감지 및 트래킹이 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서, 광학 시스템(60)에서, 확산층(62)은 광 가이드(36)의 윗면에, 윗면과 아랫면에 평행하게 배치된다. 확산층은 광 가이드의 윗면과 그 윗층 - 도시된 실시예에서 보호층(44) 간의 인터페이스에서 TIR을 부분적으로 방해한다. 확산층과의 인터랙션으로 인해, TIR에 의해 광 가이드를 통해 들어올 일부 빛이 임계 입사각을 초과하여, 광 가이드를 빠져나오게 된다. 빠져나온 빛은 TIR이 되지 못한 인터페이스에 대해 위쪽 또는 아래쪽으로 이동할 수 있다. 위쪽으로 이동하는 빛은 디스플레이 표면(12)에 또는 그 근처에 놓인 하나 이상의 사물(16)을 조명할 수 있다.
TIR의 실패와 빛이 광 가이드(36)의 위쪽으로 빠져나오는 것은 확산층(62)이 아랫면에 또는 윗면에 배치될 때 발생할 수 있다. 확산층이 광 가이드의 아랫면에 배치되는 실시예들에서, TIR 조건이 상당히 작은 입사각도 반드시 포함하게 하고, 광 가이드를 광학적으로 격리시키고, 아래의 층들에 커플링되는 빛의 손실을 막기 위해, 중간에 있는 공기 틈새나 다른 낮은 지수의 층(low-index layer)이 사용될 수 있다. 디스플레이 콘트라스트를 낮추는 약한 확산 결과가 확산기(diffuser)와 디스플레이 층의 거리가 짧아짐에 따라 감소하기 때문에, 광 가이드의 아랫면에 확산층을 배치하는 것은 가시 디스플레이 광의 감소된 콘트라스트 손실이라는 이득을 제공한다. 또한, 광 가이드의 아랫면에 표면 양각 유형의(surface-relief type) 확산층을 배치할 때, 한 가지 주목할 만한 이득은 빠져나오는 빛의 편향성(directional bias)이다. 특히, 윗면을 향해 빠져나오는 광속은 반대 방향으로 빠져나가는 광속에 비해 20 퍼센트에서 30 퍼센트 정도 클 수 있다. 이런 식으로, 빠져나오는 빛이 디스플레이 표면(12)에 있는 사물을 보다 효율적으로 조명할 수 있다.
일 실시예에서, 확산층(62)은 복수의 확산광 특징들이 광 가이드(36) 상에 또는 그 내부에서 삼차원 볼륨으로 분포하게 되는 볼륨 유형의(volume-type) 확산층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 볼륨 유형의 확산층은, 내부에 분포되거나 고정된 입자와 같은 광 산란 중심의 제어 밀도를 갖는 플렉서블 필름(flexible film)을 포함할 수 있다. 플렉서블 필름은 지수 매칭 접착제(index-matched adhesive)를 통해 또는 기타 임의의 적절한 방식으로 광 가이드의 윗면이나 아랫면에 접합될 수 있다. 볼륨 유형의 확산층의 예시로 Fusion Optix Corporation의 제품 ADF0505을 들 수 있다.
볼륨 유형의 확산층(62)은 광 가이드(36)의 윗면에 배치될 때 특별한 장점이 있다. 이런 식으로 볼륨 유형의 확산층이 배치될 때, 광 가이드는 중간의 공기 틈새 없이 윗층에 직접 부착될 수 있다. 공기 틈새가 없는 것은, 확산 특성이 광학적인 젖음(optical wetting)에 의해 감소하는 표면 양각 유형의 확산층에서 이롭지 않을 수 있다(아래 참조). 공기 틈새의 제거는 공학적인 관점에서 유용하며, 또한 층 구조에서 주변광의 프레넬 반사에 의해 야기되는 특정한 광 아티팩트(optical artifacts)를 감소시킬 수 있다. 그러나, 광 가이드의 맨 윗면에 직접 확산층을 씌우더라도, 아랫면과, LCD 제어층(22)의 맨 윗면에 층을 이루는 보통 확산기(moderate diffuser, 도 11에는 도시되지 않음) 간에 공기 틈새가 여전히 사용될 수 있다. 이 경우에는, 광학 시스템의 다양한 임의의 공기 인터페이스에서 반사 방지 코팅이 사용되어 주변광의 반사로 인한 콘트라스트 손실을 줄이는 데 일조할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 확산층(62)은 복수의 확산광 특징들이 광 가이드(36) 상에 또는 그 내부에서 이차원 볼륨으로 배치되는 표면 양각 유형의 확산층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 확산층은 오목 및 볼록 소형 렌즈(lenslets) 또는 딤플(dimples) 또는 범프(bumps)의 주기적인 혹은 비주기적인 어레이를 포함할 수 있다. 이들은 추출 특징으로써 사용되어, 빠져나가는 빛을 정확하게 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 표면 특징이 광 가이드에 직접 몰딩될(molded) 수 있다. 예를 들어, 적절한 몰딩 기법으로 열 몰딩(thermal molding)이나 UV 캐스팅(uv-casting)을 들 수 있다. 다른 실시예에서, 이러한 특징이 있는 필름이 광 가이드의 표면에 씌워지거나, 그 위에 (예컨대, 열간압연(heat-press rolling)) 압연되거나, 또는 스크린 인쇄로 형성될 수 있다. 특히, 스크린 인쇄는 적은 생산 비용뿐만 아니라 적은 실비가 드는 옵션의 일례이다. 이런 경우에는, 일부 확산기 기술과 관련되어, 문제가 되는 교체 비용이 없을 수 있다. 또한, 스크린 인쇄, 압연 또는 유사 방법은 다른 방법에서 요구되는 층(laminations)의 수를 줄일 수 있다. 압연이나 스크린 인쇄에 의해 적용될 수 있는 표면 특징은 백색 TIR 방해 도트(white TIR-frustrating dots), 마이크로도트(microdots) 또는 확산 패드(diffusing pads)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 도트, 마이크로도트 또는 확산 패드는 눈에 띄게 투명하지만, 광 가이드 내부에 내장된 이색 코팅 표면 양각(dichroic coated surface relief)과 같이, 적외선을 반사시킬 수 있다.
반사 방지 코팅으로 도포되었을 때, 아랫면에 배치된 확산층은 주변광을 덜 산란시키게 되어, 전체적으로 더 깨끗하고 덜 흐린 모습을 갖는 디스플레이 표면을 제공할 수 있다. 본 내용에서, 임의의 확산층이 디스플레이 표면 앞에 위치할 때 디스플레이 콘트라스트가 감소하게 되는 것을 이해할 것이다. 디스플레이 콘트라스트 손실은 특정 확산기가 디스플레이 표면에서 더 멀리 떨어진 평면에 위치할수록 증가할 수 있다. 또한, 특정 분리 거리에서, 확산층의 확산력이 증가할수록 디스플레이 콘트라스트 손실이 증가한다. 확산된 주변 반사로 인한 콘트라스트 손실 감소를 돕기 위해, 확산기를 통해 디스플레이 층을 바라보는 것에 의해 야기되는 직접적인 이미지 열화와는 대조적으로, 공기 틈새의 양쪽면에 - (광 가이드의 아랫면에 적층되거나 몰딩되는) 확산기의 아랫면과, 디스플레이의 맨 윗면에 놓이거나 적층되는 보통 확산기의 윗면에 반사 방지 코팅이 도포될 수 있다. 광 가이드의 아랫면에 배치되는 표면 양각 유형의 확산기를 사용할 때, 한 가지 주목할 만한 이득으로, 아랫면 쪽으로 빠져나오는 빛 에너지와 비교하여 30 퍼센트 정도 많게 위를 향하는 산란광의 편향으로 인해, 디스플레이 표면(12) 위에 또는 그 근처에 있는 사물 쪽으로 투사된 빛의 사용 효율이 증가할 수 있다.
볼륨 및 표면 양각 유형의 확산 층으로부터의 빛의 확산은 수학적으로 설명될 수 있다. 이러한 확산을 모델링할 때, 방향 코사인 공간에서 회전 대칭이며 확산력(σ)에 의해 결정되는 폭(width)을 갖는 가우시안 분포(Gaussian distribution)로, 실질적으로 평면인 확산층의 특징을 나타내는 것이 편하다. 따라서, 원하는 타겟(σ)은 아래에서 설명되는 것과 같이, 기대 필수 정상 투과 분포 프로필(expected required normal transmitted distribution profile)에 관련될 수 있다.
볼륨 유형의 확산층의 경우, ｎ 개의 동일 가우시안 컨볼루션은 다음과 같고,
Figure 112012013175251-pct00001
여기에서, θi는 각 층의 각 산란 프로필(angular scatter profile)의 FWHM(full-width at half maximum)이며, θ는 모든 확산 층이 동일하다는 가정 하에 동일한 각도 폭(angular width)을 나타내며, θeff는 동일한 산란 프로필을 갖는 ｎ 인접 층들에 대한 결과적인 유효 각 산란 프로필이다. 확산 매질 내부에, 광경로는 계수 ｃp에 의한 표면 법선에 따라 증가하며, 여기에서
Figure 112012013175251-pct00002
또한, θavg는 n 가우시안의 평균이다. 볼륨 유형의 확산층의 경우, 광경로는 두 배가 되고, 따라서
Figure 112012013175251-pct00003
또한,
Figure 112012013175251-pct00004
임의의 적절한 광선 추적 유틸리티(ray trace utility)를 모델링할 때, 각도 퍼짐은 σ에 의해 정의되는 폭을 갖는 가우시안으로 정의된다. 이런 경우에, σ는 다음의 관계를 사용하여 유효 FWHM 각도 폭으로 변환될 수 있고,
Figure 112012013175251-pct00005
또한, 공기의 대응 유효 각도 폭은 다음과 같이 추정될 수 있다,
Figure 112012013175251-pct00006
따라서, 볼륨 유형의 확산층의 공기의 바람직한 정상 출구 프로필(desired normal exit profile)은 다음과 같다,
Figure 112012013175251-pct00007
이런 식으로, 광 가이드의 출구면에서 특정 출력 균일성을 얻기 위한 (σ에 의해 정의된) 타겟 확산 특성이 특정 광 가이드 두께, 인터랙션 길이, 물질 흡수 손실 및 커플링된 빛의 포인팅 및 발산에 대해 계산될 수 있다. 다음으로, 일부 확산기들이 수직 입사 시 공기 중에서의 각도 산란 프로필에 대해 특징지어지기 때문에, 적절한 확산층을 선택하기 위해 결과적인 σ는 보다 물리적인 설계 미터법으로 변환될 수 있다. 마지막으로, 위의 분석은 가우시안 프로필을 다루고 있으므로, 가우시안의 각도 산란 프로필이 상기의 모델링에서 사용되는 유효 각도폭에 영향을 미칠 수 있음 알 것이다. 이와 같이 볼륨 유형의 확산층의 경우에, 프로필은 헤니이-그린스타인(Henyey-Greenstein) 프로필에 의해 보다 적절하게 설명될 수 있으며, 따라서 프로필 내에서 에너지의 절반이 프로필의 FWHM을 조금 넘는 각도 폭에 존재하게 되는 프로필을 보이게 되어, 에너지 분포에 기반하는 추가적인 팩터가 요구된다. 그러나, 타겟 σ이 모델 최적화를 통해 결정되면, 전술한 바와 같이 시그마 값의 이러한 변환은 수직 입사 시 공기 중에서 확산층이 요구하는 확산 특징을 상당히 근접하여 설명할 수 있게 되고, 따라서 광 가이드에 대해 적절한 확산층이 선택될 수 있다.
유사하게, 표면 양각 확산층에 대해,
Figure 112012013175251-pct00008
매질 내부의 모델의 경우, 평균 각도(mean angle)에서, 측정된 반사 FWHM을 사용한다,
Figure 112012013175251-pct00009
이제, 수직 입사 시 기대 투과 응답(expected transmission response)이 결정되어,
Figure 112012013175251-pct00010
최종적으로, 다음의 관계가 얻어진다,
Figure 112012013175251-pct00011
상기 이론의 적용은, 적절한 값의 σ를 본원에서 고려된 다양한 실시예에서의 확산층(62)에 대한 중요한 각도 산란 프로필 폭으로 변환하기 위한 지침이 된다. 일 실시예로, 도 3에 도시된 커플링 구조 실시예에서, 광 가이드로부터 균일한 조명을 제공하기 위해 계산된 최적의 값인 σ는 코너 프리즘의 내부 각도에 전적으로 달려있고, 로드 렌즈(46) 근처의 60 도 내부 각도에 대해 0.035로부터 75 도 내부 각도에 대해서는 0.06으로 변하게 된다.
광 가이드 출구면에서 균일 분포에 영향을 미치는 추가 파라미터들로, 광 가이드 두께 ｔ, 확산기 인터랙션 영역의 길이 Ｌ, 비전 시스템 에미터 파장(들)에서 물질 흡수, 및 광 가이드에 커플링된 빛의 각도 분포를 포함한다. 기대했던 대로, 빛의 추출률(rate of extraction)은 특정 거리에서, 광도관(light-conduit)/확산층 인터페이스에서 반사의 수가 증가할수록 증가하게 된다. 따라서, 얇은 광 가이드는 특정 거리에서 두꺼운 광 가이드와 비교하여 더 많은 반사가 일어나므로, 덜 확산하는 층이 필요하다. 비슷한 이유로, 긴 영역 Ｌ에서의 인터랙션은 덜 확산하는 층을 필요로 할 것이다. 또한, 물질 흡수로 인한 감쇠(attenuation)는 특정 거리에서 증가된 비율의 광 손실을 초래하여, 균일성을 유지하기 위해 덜 확산하는 층을 필요로 할 것이다. 광 가이드에 커플링된 빛의 각도 값은 특정 두께에 대해 빛이 겪는 반사의 수에 영향을 주고, 따라서 확산층이 광 가이드의 아랫면에 결합된 실시예에서는 약한 확산기가 필요하게 된다. 따라서 출구면에서 균일성을 유지하기 위해서는, 큰 입력각에 대해 약한 확산력이 필요하게 된다.
일 실시예에서, 확산층(62)은 커플링 구조의 하나 이상의 집광 장치로부터 - 도 11의 로드 렌즈(46)로부터 거리의 함수로써 균일하게 확산할 수 있다. 딤플, 도트, 소형 렌즈 등이 비슷한 크기, 초점 특성 및/또는 확산력을 갖고 균일하게 떨어져 있는, 동종으로(homogeneously) 형성된 볼륨 유형의 확산층 또는 표면 양각 유형의 확산층을 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 광 가이드(36)의 윗면을 빠져나오는 광속은 커플링 구조 근처에서 최대가 되며, 커플링 구조로부터 거리가 멀어질수록 기하급수적으로 약해질 수 있다.
이러한 확산층이 사용되고 빛이 광 가이드(36)의 하나의 가장자리면에 커플링되는 실시예에서는, 빛이 수신되는 광 가이드의 가장자리에 가까워질수록 조명이 강해질 수 있다. 이러한 확산층이 사용되지만 빛이 광 가이드(36)의 대향하는 두 가장자리면에 커플링되는 실시예에서는, 결과적으로 조명이 보다 균일하고, 일부 애플리케이션에서는 충분할 정도로 균일할 수 있다.
그러나, 보다 높은 균일성을 제공하기 위해, 확산층의 빛 확산력 σ가 커플링 구조로부터의 거리의 함수로 변하도록 하는 실시예를 고려해본다. 예를 들어, 빛 확산력은 커플링 구조로부터의 거리가 증가할수록 증가하여, 확산층이 커플링 구조와 가장 가까이에서 최소로 확산하고, 커플링 구조로부터의 거리가 증가함에 따라 점점 더 확산될 수 있다. 이러한 식으로 변화하는 확산층은 커플링 구조로부터의 거리가 길어질수록 산란 중심의 밀도가 증가하는, 이종으로(inhomogeneously) 형성된 볼륨 유형의 확산층이나, 또는, 딤플, 도트, 소형 렌즈 등이 증가하는 크기대로 배열되어 커플링 구조로부터의 거리가 증가함에 따라 확산력이 증가하거나 피치(pitch)가 감소하는 표면 양각 유형의 확산층을 포함할 수 있다. 빛이 광 가이드의 대향하는 가장자리들에 커플링되는 실시예에서, 확산층의 빛 확산력은 대향하는 가장자리들 가까이에서 약해지고 광 가이드의 중간 부분에서 강해질 수 있다. 경우에 따라서는, 광 가이드의 출구면에서 높은 균일성을 얻기 위해 필요한 확산력의 분산은 0이 아닌 바이어스(non-zero bias)를 갖는 실질적인 가우시안 형태일 수 있다.
확산층(62)의 빛 확산력이 커플링 구조로부터의 거리의 함수로써 변화하는 실시예들에서, 변화가 연속적일 수 있으며 - 이는 산란 중심 밀도의 계속적인 변화, 표면 양각 특징 특성 등에 기인한다. 다른 실시예들에서, 빛 확산력의 변화는 단계적으로 실현되고 - 이는 이들 특성의 계단식 변화에 기인한다. 예를 들어, 도 12는 아랫면에 도포된 확산층의 계단식 변수를 갖는 광 가이드에 대한 방사 데이터의 그래프를 도시한다. 본 예시에서, 확산층은 빛이 광 가이드에 커플링되는 광 가이드의 대향하는 가장자리면들에 평행하게 배치되는, 동일한 폭의 줄무늬 형태 영역(stripe-shaped zones)을 포함한다. 여기에서, 줄무늬 형태 영역의 빛 확산력 σ는 한쪽 가장자리부터 광 가이드의 중심부로 0.075, 0.076, 0.088, 0.110, 0.140 순서로 증가하고, 다른 쪽 가장자리까지 0.140, 0.110, 0.088, 0.076 및 0.075의 순서로 감소한다. 도 12의 그래프에서, 세로축은 광 가이드로부터 투사되는 빛의 상대적인 강도를 나타내고, 가로축은 광 가이드를 가로지르는 확산 영역에 관한 거리를 나타낸다. 평균 강도가 광 가이드 전반에서 상당히 일정하더라도, 영역들 간의 트랜지션(transition)에 관련된 강도 감소 부분(intensity dips)은 뚜렷하다. 확산력이 광 가이드에서 연속하여 변할 때, 계단식과는 달리, 광 가이드에서의 출력 균일성이 더욱 향상될 수 있다.
도 11로 다시 돌아와서, 일반적으로 확산층(62)은 빛이 광 가이드(36)로부터 비슷한 위아래 광속으로 빠져나오게 할 것이다. 빠져나오는 빛의 출구각은 충분히 크고 이미징 탐지기(26)의 시야는 충분히 작아, 이미징 탐지기에 도달하는 아래쪽으로 산란되는 빛으로 인한 상당한 콘트라스트 손실을 피할 수 있는 반면, 이러한 빛을 이용할 조치가 없어 빛이 낭비되는 것이 사실이다. 따라서 몇몇 실시예에서, 광 가이드는 확산층에 평행하며 디스플레이 표면을 대향하는 확산층 쪽에 배치되는 반사 및 투과 필터층을 포함할 수 있다. 이 필터층은 작은 입사각의 빛보다 큰 입사각의 빛을 더 반사시키고 덜 투과시킬 수 있다. 또한, 필터층은 가시광보다는 적외선 광을 더 반사시키며 덜 투과시킬 수 있다.
따라서, 도 11에 도시된 실시예는 광 가이드(36)의 아랫면에 배치된 필터층(64)을 포함한다. 필터층은 전술한 바와 같은 파장 선택적인 투과율 및 반사율을 보이도록 구성될 수 있다. 특히, 필터층은 하나 이상의 파장 대역을 실질적으로 투과시키고, 상대적으로 작은 입사각의 입사광보다 상대적으로 큰 입사각의 입사광을 훨씬 더 많이 반사시킬 수 있다. 이러한 특성은 예를 들어 도 13에 도시되어 있고, 반사도 Ｒ은 두 범위의 입사각에 대한 파장의 함수로써 표시된다. 광 가이드의 아랫면에 도포된 필터층은 광 가이드의 아랫면을 빠져나와 디스플레이 표면(12)의 사물(16)의 조명을 위해 사용되지 못했을 아래쪽으로 향하는 확산광의 방향을 바꿈으로써, 사물 조명 효율을 50 퍼센트에서 100 퍼센트 정도 증가시킬 수 있다.
필터층(64)은 간섭 코팅(interference coating)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 필터층은 조정된 굴절률을 갖는 복수의 얇은(10 나노미터에서 100 나노미터) 층이 쌓여있는 이색 필터(dichroic filter) 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 필터층은 물질의 굴절률이 연속적으로 변하게 조정되는 루게이트 필터(rugate filter)의 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 필터층은, 필터층이 도포된 광 가이드 인터페이스에서 위상 정합(phase-matching)이 되어, 프레넬 반사가 최소화되도록 설계될 수 있다. 이 경우에는, 광 가이드(36)는 적층 인터페이스에서 TIR 조건을 유지한 채로 다른 기판 위에 적층될 수 있다. 적층(lamination)을 통해 필터층을 결합시킴으로써, 비전 시스템 조명 장치의 효율을 높이면서 높은 콘트라스트 디스플레이 이미지를 제공할 수 있다. 또한, 적층으로 인해 층으로 이루어진 광학 시스템의 경도(rigidity)가 증가하여, 전체적으로 얇은 디자인이 가능해지고, 따라서 비전 시스템의 신뢰도(fidelity)를 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 개시의 다른 실시예의 광학 시스템의 양태들을 도시하는 개략적인 단면도이다. 광학 시스템(66)에서, 시트형의 광 가이드(36) 자체가 보호층으로 기능한다. 본 실시예에서, 광 가이드는 LCD 제어층(22) 위에 배치된다. 디스플레이 표면(12) 위의 또는 그 근처의 사물의 효율적인 조명을 위해, 표면 양각 유형의 확산층(62)이 광 가이드의 아랫면에 배치되고, 얇은 공기 틈새가 제공되어 광학 가이드를 광학적으로 격리시킨다.
계속해서 도 14에서, 보통 확산층(44)이 LCD 제어층(22)의 맨 윗면에 적층되고, 대체로 전술한 바와 같이 비전 시스템이 LCD 제어층의 아래에 배치된다. 다른 실시예에서 전술한 적어도 세 가지 설계 측면에서, 도 14에 도시된 구성은 디스플레이 표면(12) 위에 또는 그 근처에 배치된 사물의 매우 효율적인 조명을 제공한다. 첫번째로, LCD 제어층은 광 가이드의 조명 경로 밖에 배치되어, 투사된 빛이 감쇠하지 않게 된다. 두번째로, 표면 양각 유형의 확산층(62)이 광 가이드의 아랫면에 배치되어, 디스플레이 표면을 향하는 조명을 편향시킬 수 있다. 세번째로, 필터층(64)이 확산층 아래에 배치되고, 아래를 향해 확산하는 빛의 상당량의 방향을 바꾸도록 구성되어, 사물을 조명하기에 유용하게 된다.
본원에 기술된 물건, 시스템 및/또는 접근 방법은 예시적인 것으로, 다양한 변형이 가능하기 때문에, 이런 구체적인 실시예 또는 예시들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시는 본원에 개시된 다양한 시스템 및 방법의 모든 신규하고 비자명한 조합 및 서브콤비네이션뿐만 아니라, 임의의 그리고 모든 등가물도 포함한다.

Claims (19)

  1. 디스플레이 표면을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 전송하도록 구성된 디스플레이 이미지 형성층과,
    디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위의 적외선 광을 이미지화하는 이미징 탐지기(imaging detector)- 상기 이미지화된 적외선 광은 상기 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 물체(object)로부터의 반사를 포함함 -와
    상기 하나 이상의 물체를 조명하기 위해 상기 적외선 광을 방출하도록 구성된 비전 시스템 에미터(vision system emitter)와,
    가시광선 및 적외선 전송 광 가이드(a visible- and infrared-transmissive light guide)
    를 포함하고,
    상기 가시광선 및 적외선 전송 광 가이드는 대향하는 윗면과 아랫면, 상기 윗면과 상기 아랫면에 인접한 대향하는 가장자리면들, 및 상기 광 가이드 상에 또는 그 내부에 배치되고 상기 윗면과 상기 아랫면에 평행한 볼륨형(volume-type) 확산층을 구비하고,
    상기 광 가이드는 상기 비전 시스템 에미터로부터 상기 적외선 광을 수신하여, 상기 윗면 및 상기 아랫면 중 적어도 하나로부터의 내부 전반사를 통해 상기 적외선 광을 하나의 가장자리면에서 대향하는 가장자리면으로 전도하고, 상기 볼륨형 확산층에 의한 내부 전반사의 방해에 의해, 상기 적외선 광을 상기 하나 이상의 물체에 투영하도록 구성되고, 상기 볼륨형 확산층은 3차원으로 분산된 복수의 광 확산 특징(features)을 포함하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 상기 디스플레이 이미지 형성층과 상기 디스플레이 표면 사이에 층을 이루는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 이미지 형성층은 상기 광 가이드와 상기 디스플레이 표면 사이에 층을 이루는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전 시스템 에미터는 상기 광 가이드의 하나 이상의 가장자리를 따라 배치되는 복수의 적외선 에미터를 포함하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 시트 형태로서, 상기 윗면과 상기 아랫면에 인접하여 동일한 높이의 대향하는 제 1 및 제 2 가장자리면을 갖는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산층의 광 확산력(light-diffusing strength)은 상기 비전 시스템 에미터로부터의 거리가 멀어질수록 증가하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    대향하는 집광 광학 소자(opposing collection optics)가 적외선 광을 상기 광 가이드의 대향하는 가장자리에 커플링하고, 상기 볼륨형 확산층의 광 확산력은 상기 대향하는 가장자리들 가까이에서 약하고, 상기 광 가이드의 중간 부분에서 강한
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드는, 상기 볼륨형 확산층에 평행하고 또한 상기 디스플레이 표면에 대향하는 상기 볼륨형 확산층의 일 측면에 배치되는 반사 및 투과 필터층을 포함하고, 상기 필터층은 작은 입사각의 광보다 큰 입사각의 광을 더 반사시키고 덜 투과시키며, 상기 필터층은 가시광보다는 적외선 광을 더 반사시키고 덜 투과시키는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터층은 간섭 필터, 이색 필터(dichroic filter) 및 루게이트 필터(rugate filter) 중 하나 이상을 포함하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합 비전 및 디스플레이 시스템은
    상기 디스플레이 이미지 형성층에 디스플레이 데이터를 전송하고 상기 이미징 탐지기로부터 이미지 데이터를 수신하도록 구성된 컴퓨터를 더 포함하고,
    상기 컴퓨터는 상기 디스플레이 표면 상에 또는 그 근처에 배치된 상기 하나 이상의 물체의 위치 및, 상기 하나 이상의 물체과 상기 디스플레이 표면 사이에서 증가하거나 감소하는 접촉 영역에 응답하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 자신 위의 광학 층을 중간에 공기 틈새를 두지 않고 직접 접촉하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  12. 디스플레이 표면을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 전송하도록 구성된 LCD 층과,
    디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위의 적외선 광을 이미지화하도록 구성된 디지털 카메라- 상기 이미지화된 적외선 광은 상기 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 물체로부터의 반사를 포함함 -와,
    상기 하나 이상의 물체를 조명하기 위해 상기 적외선 광을 방출하도록 구성된 비전 시스템 에미터와,
    가시광선 및 적외선 전송 광 가이드-
    상기 가시광선 및 적외선 전송 광 가이드는 대향하는 윗면과 아랫면, 상기 윗면과 상기 아랫면에 인접한 대향하는 가장자리면들을 구비하고, 상기 아랫면은 상기 디스플레이 표면에 대향하고,
    상기 광 가이드는 상기 아랫면 상에서 표면 양각 유형의(surface-relief type) 확산층을 지원하고 상기 확산 층 바로 아래에서 간섭 필터층을 지원하며, 상기 광 가이드는 상기 비전 시스템 에미터로부터 상기 적외선 광을 수신하여, 상기 윗면 및 상기 아랫면 중 적어도 하나로부터의 내부 전반사를 통해 상기 적외선 광을 하나의 가장자리면에서 대향하는 가장자리면으로 전도하고, 상기 확산층에 의한 내부 전반사의 방해에 의해, 상기 적외선 광을 상기 하나 이상의 물체에 투영하도록 구성되고, 상기 필터층은 작은 입사각의 광보다 큰 입사각의 광을 더 반사시키고 덜 투과시키며, 가시광보다 적외선 광을 더 반사시키고 덜 투과시키도록 구성됨 -와,
    상기 비전 시스템 에미터로부터의 광을 부분적으로 수렴시켜 상기 광 가이드에 커플링시키도록 구성된 적어도 하나의 집광 광학 소자와,
    상기 LCD 층에 디스플레이 데이터를 전송하고 상기 디지털 카메라로부터 이미지 데이터를 수신하도록 구성된 컴퓨터- 상기 컴퓨터는 상기 디스플레이 표면 상에 또는 그 근처에 배치된 상기 하나 이상의 물체의 위치 및, 상기 디스플레이 표면과 상기 디스플레이 표면과 접촉하는 손가락 사이에서 터치 압력에 따라 증가하거나 감소하는 접촉 영역에 응답함 -
    를 포함하는 통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 웨지 형태이며, 상기 윗면과 아랫면에 인접하는 다른 높이의 대향하는 제 1 및 제 2 가장자리면을 갖고, 상기 비전 시스템 에미터로부터의 적외선 광은 상기 제 1 가장자리면으로부터 상기 제 2 가장자리면으로 전도되어, 임계치 이하의 입사각(subcritical incidence angle)으로 상기 윗면 또는 아랫면을 만나서, 상기 광 가이드로부터 굴절되어 상기 하나 이상의 물체를 조명하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 시트 형태이며, 동일한 높이의 대향하는 제1 및 제2 가장자리면과 상기 윗면 및 상기 아랫면에 평행하게 배치된 확산층을 구비하고, 상기 비전 시스템 에미터의 적외선 광은 상기 제 1 가장자리면으로부터 상기 제 2 가장자리면으로 전도되어, 상기 확산층과 인터랙션하고, 상기 광 가이드로부터 확산되어 상기 하나 이상의 물체를 조명하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 확산층은 상기 광 가이드 상에 또는 그 내부의 2차원 표면 상에 정렬된 복수의 광 확산 특징을 포함하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  16. 디스플레이 표면을 통해 보기 위한 디스플레이 이미지를 전송하도록 구성된 LCD 층과,
    디스플레이 표면 법선에 대해 좁은 각도 범위의 적외선 광을 이미지화하도록 구성된 디지털 카메라- 상기 이미지화된 적외선 광은 상기 디스플레이 표면에 또는 그 근처에 배치된 하나 이상의 물체로부터의 반사를 포함함 -와,
    상기 하나 이상의 물체를 조명하기 위해 상기 적외선 광을 방출하도록 구성된 비전 시스템 에미터와,
    가시광선 및 적외선 전송 광 가이드-
    상기 가시광선 및 적외선 전송 광 가이드는 대향하는 윗면과 아랫면, 상기 윗면과 상기 아랫면에 인접한 대향하는 가장자리면들을 구비하고, 상기 아랫면은 상기 디스플레이 표면에 대향하고,
    상기 광 가이드는 상기 아랫면 상에 정렬된 표면 양각 유형의(surface-relief type) 확산층을 지원하고 상기 확산 층 바로 아래에서 간섭 필터층을 지원하며, 상기 광 가이드는 상기 비전 시스템 에미터로부터 상기 적외선 광을 수신하여, 상기 윗면 및 상기 아랫면 중 적어도 하나로부터의 내부 전반사를 통해 상기 적외선 광을 하나의 가장자리면에서 대향하는 가장자리면으로 전도하고, 상기 확산층에 의한 내부 전반사의 방해에 의해, 상기 적외선 광을 상기 하나 이상의 물체에 투영하도록 구성되고, 상기 필터층은 작은 입사각의 광보다 큰 입사각의 광을 더 반사시키고 덜 투과시키며, 가시광보다 적외선 광을 더 반사시키고 덜 투과시키도록 구성됨 -와,
    상기 비전 시스템 에미터로부터의 광을 부분적으로 수렴시켜 상기 광 가이드에 커플링시키도록 구성된 적어도 하나의 집광 광학 소자
    를 포함하는 통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 간섭 필터는 이색 필터 및 루게이트 필터 중 하나 이상을 포함하는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 LCD 층은 상기 필터층 아래에 배열되고, 상기 하나 이상의 물체로부터 반사된 상기 적외선 광이 상기 LCD 층을 지나 상기 디지털 카메라로 전달되도록 더 구성되는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 확산층은 상기 간섭 필터층과 상기 광 가이드의 상기 아랫면 사이에 샌드위치되는
    통합 비전 및 디스플레이 시스템.
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