KR101789895B1 - 시력 처방을 가진 시스루 근안 디스플레이 - Google Patents

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아누락 굽타
그레그 이. 프리스트-도르만
버나드 씨. 크레스
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구글 엘엘씨
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Abstract

광학 장치는 광 결합기, 이미지 렌즈 및 외부 장면의 렌즈를 포함하고 있다. 광 결합기는 아이-워드 측과 외부 장면 측을 가지며, 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지 광에 적어도 부분적으로 반사하고 외부 장면 측을 통해 입사하는 외부 장면 광에 적어도 부분적으로 투과하는 부분적으로 반사형 회절 격자를 포함하고 있다. 제1 마운트는 이미지 광에 제1 교정 처방을 적용하기 위해 이미지 광의 광로에 이미지 렌즈를 보유하도록 배치되어 있다. 제2 마운트는 외부 장면 광에 제2 교정 처방을 적용하기 위해 광 결합기의 외부 장면 측에 걸쳐 외부 장면 렌즈를 보유하도록 배치되어 있다. 광 결합기는 제1 및 제2 교정 처방에 따라 교정된 결합 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 장면 광과 결합한다.

Description

시력 처방을 가진 시스루 근안 디스플레이 {SEE-THROUGH NEAR-TO-EYE DISPLAY WITH EYE PRESCRIPTION}
본 발명은 일반적으로 광학의 분야에 관한 것으로, 특히 독점적인 것은 아니지만 근안 디스플레이(near-to-eye display)에 관한 것이다.
광학 분야에 있어서, 결합기(combiner)는 결합기의 동일한 측(반사/반사 또는 투과/투과)의 어느 하나로부터 또는 결합기의 두 개의 다른 측(반사/투과)으로부터 두 이미지를 함께 결합하는 광학 장치이다. 때때로, 광 결합기는 헤드 업 디스플레이(heads up displays, "HUDs")에서 사용되며, 이따금씩 사용자가 외부 시야(external view)에 걸쳐 중첩(superimpose)된 컴퓨터 생성 이미지(computer generated image, "CGI")를 보도록 하는 머리 장착 디스플레이(head mounted displays, "HMDs") 또는 근안 디스플레이(near-to-eye displays)라고도 한다. HUD는 사용자가 그의 평소의 시점(viewpoint)으로부터 떨어져서 볼 필요없이 CGI를 볼 수 있도록 한다. 용어 HUD는, 계기판(instrument panel)을 내려다 보는 것과 대조적으로, 파일럿(pilot)이 그의 머리를 위로 하여 앞쪽을 보면서 정보를 보는 것이 가능하도록 한 항공 전자 기기(avionics)에서의 그 이용으로부터 유래된다. 기존의 HUD는 기울어진 이색 플레이트(tilted dichroic plates), 홀로그래픽 결합기(holographic combiner), 각진 투명 기판(angled transparent substrate) 및 화합물 복합 렌즈(compound conjugate lens)를 포함한다.
결합기의 두 가지 버전이 존재한다. 제1 버전은, 어느 하나의 필드(일반적으로는 기울어진 이색 플레이트 또는 화합물 복합 렌즈)에 어떤 렌즈 효과(lensing)를 추가하지 않고 두 필드를 결합한다. 제2 버전은, 일반적으로 디스플레이로부터 도래하는 필드를 위한 오프 축 비구면 렌즈 효과(off-axis aspheric lensing)인 결합 기능에 더해서 렌즈 효과 기능을 포함하고 있다. 렌즈 효과 기능은, 원 시야(far field)로 디스플레이로부터 또는 결합기로부터 특정 거리에서 발생하는 가상 이미지를 옮겨 놓기 위해 그리고 사용자가 타겟 크기(target size)에서 가상 이미지를 초점으로 가져 오는 것을 가능하게 하기 위해 이미지를 특정 관측 시야(field of view)에 제공하는 데 사용된다.
정의에 의해 근안 디스플레이가 사용자의 눈 가까이에 착용되어 있기 때문에, HUD는 물리적으로 기존의 처방 교정 안경(prescription corrective glasses)을 방해할 수 있다. 몇몇 구성에서는, HUD는 처방 교정 안경에 걸쳐 착용될 수 있지만, 그러한 구성은 종종 불쾌하고 불편할 수 있다. 기존의 근안 디스플레이는, 사용자가 콘택트 렌즈를 착용하는 것을 선택하지 않는 한, 처방 교정 렌즈를 필요로 하는 사용자에 의한 사용에는 적합하지 않다. 그러나, 처방 교정 렌즈를 필요로 하는 많은 사람들이 다양한 이유로 콘택트 렌즈를 착용하지 않는 것을 선택했고, 따라서 HUD를 착용할 때 바람직한 옵션 미만으로 남아 있다.
본 발명의 비제한하는 비전면적인 실시예는, 별도로 명시하지 않는 한, 동일한 참조 번호가 각종의 도면을 통해 동일한 부품을 지칭하는 다음의 도면을 참조하여 설명된다. 이들 도면은 기재된 원리를 설명하도록 배치되는 대신에 반드시 일정한 축척으로 강조되는 것은 아니다.
도 1은 시력 처방을 시스루 근안 디스플레이와 통합하는 과제를 나타내는 기능 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시력 처방을 수용하는 시스루 근안 디스플레이를 나타내는 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시력 처방을 수용하는 샌드위치된 회절 광 결합기로 구현되는 시스루 근안 디스플레이를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치된 회절 광 결합기의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리소그래피를 이용하여 샌드위치된 회절 광 결합기를 제조하기 위한 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 실시예에 따른 리소그래피를 이용하여 샌드위치된 회절 광 결합기를 제조하기 위한 제조 단계를 나타낸다.
도 7은 각각이 본 발명의 실시예에 따른 시력 처방을 수용하는 두 개의 시스루 디스플레이를 이용하는 양안 머리 장착 디스플레이의 평면도이다.
교정 시력 처방을 수용하는 시스루 근안 디스플레이의 제조의 장치, 시스템 및 방법의 실시예가 본 명세서에 기재되어 있다. 다음의 설명에서는, 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세(details, 세부 사항)가 제시되어 있다. 그러나, 당업자라면 본 명세서에 기재된 기술은 특정 세부 사항 중 하나 이상 없이 또는 다른 방법, 구성 요소(component), 재료 등으로 실시될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 다른 예에서는, 주지의 구조, 재료, 또는 조작은 특정 태양(aspect)을 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해 상세하게 도시 또는 기재하지 않았다.
"하나의 실시예(one embodiment)" 또는 "실시예"에 대한 이 명세서를 통한 참조는, 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 이 명세서를 통해 다양한 위치에서의 어구 "하나의 실시예에서(in one embodiment)" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 어떤 적절한 방법으로 조합될 수 있다.
도 1은 시스루 근안 디스플레이(see-through near-to-eye display; 100)에 시력 처방을 통합하는 과제를 나타내는 기능 블록도이다. 디스플레이(100)는 이미지 소스(image source; 105)와 시스루 광 결합기(see-through optical combiner; 110)를 포함하고 있다. 광 결합기(110)는, 광 결합기(110)를 통과하는 외부 장면 광(external scene light; 120)과 이미지 소스(105)로부터 출력되는 이미지 광(115)을 오버레이(overlay, 덮어 씌움)하거나 또는 그렇지 않으면 결합하도록 동작한다. 결합된 이미지는, 눈(eye; 125)을 향해 광 결합기(110)의 아이-워드(eye-ward, 눈 방향) 측으로부터 연장되는 결합된 시청 경로(viewing path)를 따라 눈(125)으로 향하고 있다.
콘택트 렌즈를 착용하지 않는 사용자를 위해 디스플레이(100)에 교정 시력 처방을 수용하는 것은, 과도하게 중량을 부가하거나 또는 다른 방법으로 산업 디자인을 희생하지 않는 비용 효율적인 방법으로 그렇게 하기 위해 몇 가지 과제를 제시한다. 예를 들어, 교정 렌즈(corrective lens; 130)가 광 결합기(110)의 바로 외부 장면 측(external scene side)에 걸쳐 배치되어 있는 경우에는, 이미지 광(115)은 어떤 규범적인 교정(prescriptive correction)을 받지 않는다. 이에 대응하여, 교정 렌즈(135)가 광 결합기(110)의 아이-워드 측에 배치되어 있는 경우에는, 이미지 광(115)은 단지 외부 장면 광(120)에 의한 단일의 순회(traversal)와 비교해서 이 렌즈를 두 번 순회함으로써 두 이미지에 고르지 못한 규범적인 교정이 적용되게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시력 처방을 수용하는 시스루 디스플레이(see-through display; 200)를 나타내는 기능 블록도이다. 시스루 디스플레이(200)는 디스플레이(100)와 관련하여 상술한 과제를 극복하고 바람직한 산업 디자인을 유지하면서 이미지 광과 외부 장면 광의 양쪽 모두에 효과적으로 일관된 규범적인 교정을 적용할 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 교정 처방은, 근시, 원시, 또는 다른 시각 장애를 교정하는 데에 사용될 수 있다. 시스루 디스플레이(200)는 머리 장착 디스플레이(head mounted display, "HMD") 또는 헤드 업 디스플레이(heads up display, "HUD")와 같은 근안 구성(near-to-eye configuration)으로 실현될 수 있다. 다른 응용도 마찬가지로 가능하다.
디스플레이(200)의 도시된 실시예는, 이미지 소스(205), 광 결합기(210), 이미지 광(220)에 제1 교정 처방을 적용하는 이미지 렌즈(image lens; 215) 및 외부 장면 광(external scene light; 230)에 제2 교정 처방을 적용하는 외부 장면 렌즈(external scene lens; 225)를 포함하고 있다.
이미지 소스(205)로부터 출력되는 디스플레이 광(220)은 이미지 렌즈(215)를 이용하여 사용자의 교정 처방을 위해 조정된다. 도시된 실시예에서, 이미지 렌즈(215)는, 사용자의 관측 시야(field of view)와는 대조적으로 이미지 소스(205)의 출사 개구부(emission aperture)를 확장하는 것만을 필요로 하기 때문에, 외부 장면 렌즈(225)보다 실질적으로 작다. 예를 들어, 이미지 렌즈(215)는 대략 콘택트 렌즈의 크기로 될 수 있다. 이미지 소스(205) 및 이미지 렌즈(215)는, 광 결합기(210)의 아이-워드 측을 조명하기 위해, 광 결합기(210)의 아이-워드 측의 뒤로 (예를 들어, 가로 방향으로) 물리적으로 오프셋(offset)되어 있다. 이 구성은, 이미지 소스(205) 및 이미지 렌즈(215)가 (예를 들어, 안경테의 이어-암(ear-arm) 안쪽의) 사용자의 측두부(temple region) 근처에 배치되는 것을 가능하게 하여 콤팩트하고 바람직한 산업 디자인에 잘 어울리는 적합한 것이다.
하나의 실시예에서, 이미지 렌즈(215)는 이미지 소스(205)의 출사 개구부의 전면에 배치된 마운트(mount)에 삽입됨으로써 교환 가능한 디자인을 용이하게 하고, 그것에 의하여 사용자는 그들의 처방이 변경되거나 다른 사용자가 디스플레이(200)를 착용하는 것과 같이 이미지 렌즈(215)를 교환할 수 있다. 마운트는, 이미지 렌즈(215)가 클립 장착, 경첩 걸쇠(hinging clasp) 또는 클램프, 투명 접착제, 마찰 결합(friction fit) 또는 다른 방법으로 삽입되거나 슬라이드(slide)되는 슬롯(slot)일 수 있다. 변형 실시예에서는, 이미지 렌즈(215)는 사용자의 필요에 따라 그 교정 처방을 변경할 수 있는 조정 가능한 렌즈이다. 예를 들어, 이미지 렌즈(215)는 유체 렌즈(fluid lens), 굴절률 정합 유체 렌즈(index matched fluid lens), 또는(예를 들어 UK 베이스드 Adlens®에 의해 제공되는 알바레즈 렌즈와 비슷한) 한 쌍의 보완적인 백투백 슬라이딩 렌즈(back-to-back sliding lens) 또는 다른 것으로서 구현될 수 있다. 이미지 렌즈(215)는 굴절 또는 회절 렌즈로서 구현될 수 있다.
광 결합기(210)를 통해 전송된 외부 장면 광(230)은 외부 장면 렌즈(225)를 이용한 사용자의 교정 처방을 위해 조정된다. 외부 장면 렌즈(225)는 광 결합기(210)의 외부 장면 측에 오버레이한다. 외부 장면 렌즈(225)는 사용자의 외부 시야(external view)에 그 규범적인 교정을 적용하기 위해 사용자의 관측 시야의 적어도 상당 부분을 덮고 있다.
하나의 실시예에서는, 외부 장면 렌즈(225)는 교환 가능한 설계를 용이하게 하기 위해 광 결합기(210)의 전면에 상호 교환가능하게 장착되고, 그것에 의하여 사용자는 그들의 처방이 변경되거나 다른 사용자가 디스플레이(200)를 착용하는 것과 같이 외부 장면 렌즈(225)를 교환할 수 있다. 마운트는, 외부 장면 렌즈(225)가 클립 장착, 경첩 걸쇠 또는 클램프, 마찰 결합, 반영구적인 투명 접착제, 또는 다른 방법으로 삽입되거나 슬라이드되는 슬롯일 수 있다. 하나의 실시예에서, 외부 장면 렌즈(225)는 내부 반사 및 굴절 광 굴곡(refractive light bending)을 줄이기 위해 광 결합기(210)에 굴절률 정합된다. 외부 장면 렌즈(225)가 광 결합기(210)에 굴절률 정합되지 않는 실시예에서는, 반사 방지 코팅(anti-reflective coatings)은 광 결합기(210)와 외부 장면 렌즈(225)의 인터페이스 표면(interfacing surface, 계면)의 한쪽 또는 양쪽 모두에 적용될 수 있다.
다른 실시예에서, 외부 장면 렌즈(225)는 사용자의 필요에 따라 그 교정 처방을 변경할 수 있는 조정 가능한 렌즈로서 구현된다. 예를 들어, 외부 장면 렌즈(225)는 유체 렌즈, 굴절률 정합 유체 렌즈, 또는 (예를 들어, UK 베이스드 Adlens®에 의해 제공되는 알바레즈 렌즈와 비슷한) 한 쌍의 보완적인 백투백 슬라이딩 렌즈 또는 다른 것으로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 슬라이딩 렌즈는 서로에 대해 가로 방향으로 슬라이드하는 2개의 오버랩하는 렌즈 소자를 포함할 수 있고, 그에 의해 조정가능한 처방을 실현한다. 외부 장면 렌즈(225)는 굴절 또는 회절 렌즈로서 구현될 수 있다.
이미지 렌즈(215)와 외부 장면 렌즈(225)는 사용자의 필요에 따라 동일한 교정 처방 또는 다른 교정 처방을 적용할 수 있다. 예를 들어, 이미지 렌즈(215)와 외부 장면 렌즈(225) 사이의 형상(geometry), 상대 위치 및 크기의 차이로 인해, 이들 렌즈는 각각 사용자의 관점으로부터 이미지 광(220) 및 외부 장면 광(230) 양쪽 모두에 대해 일치하도록 인식되는 효과적인 교정 처방을 달성하기 위해 약간 다른 교정 처방을 줄 수 있다. 이러한 변경은 콘택트 렌즈 대 안경에 적용되는 처방 교정과 유사할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치된 회절 광 결합기(301)를 포함하는 시스루 디스플레이(see-through display; 300)를 나타낸다. 도 3은 광 결합기(301)의 단면도를 나타내고, 반면에 도 4는 광 결합기(301)의 평면도를 나타낸다. 시스루 디스플레이(300)는 (도 2에 도시된) 디스플레이(200)의 하나의 가능한 구현이며, 그에 대응하여 샌드위치된 회절 광 결합기(301)는 광 결합기(210)의 하나의 가능한 구현이다.
시스루 디스플레이(300)의 도시된 실시예는, 샌드위치된 회절 광 결합기(301), 이미지 소스(302), 이미지 렌즈(303), 렌즈 마운트(lens mounts; 304), 외부 장면 렌즈(306) 및 렌즈 마운트(307)를 포함하고 있다. 광 결합기(301)의 도시된 실시예는, 기판(305), 베이스 샌드위치 층(base sandwich layer; 310), 반사형 회절 격자(reflective diffraction grating; 315), 평탄화 샌드위치 층(320), 아이 워드 측(eye-ward side; 325) 및 외부 장면 측(external scene side; 330)을 포함하고 있다. 반사형 회절 격자(315)의 도시된 실시예는, 3차원 회절 소자 형상 위에 코팅되고 그것에 부합하는 부분적으로 반사형 소자(partially reflective elements; 335)로 베이스 샌드위치 층(310)에 형성된 3차원(three-dimensional, "3D") 회절 소자 형상의 이차원(two-dimensional, "2D") 어레이로 형성된다.
동일하지 않은 경우에는 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 2개의 재료 층(즉, 베이스 샌드위치 층(310)과 평탄화 샌드위치 층(320)) 사이에 반사형 회절 격자(315)를 샌드위치하기 때문에, 광 결합기(301)는 샌드위치된 광 결합기라고 불린다. 이렇게 함으로써, 광 결합기(301)는 각 모드가 서로 다른 특성을 갖는 반사 및 투과 모드의 양쪽 모두에서 동시에 작동한다. 반사 시에, 이미지 소스(302)는 사용자의 눈(125)과 광 결합기(301)의 동일한 측(즉, 아이 워드 측(325))에 배치되어 있다. 반사형 회절 격자(315)는 부분적으로 반사형 소자(335)로 구성되어 있기 때문에, 이미지 소스(302)로부터 출력되는 이미지 광(220)의 일부는 사용자의 눈(125)을 향해 거꾸로 반사된다. 전송 시에, 반사형 회절 격자(315)의 회절 효과는 부분적으로 반사형 소자(335)의 위 및 아래에 동일하거나 유사한 굴절률 재료를 사용함으로써 소멸된다. 부분적으로 반사형 소자(335)는 또한 부분적으로 투명하고 실질적으로 균일한 굴절률 재료(들)에 샌드위치되어 있기 때문에, 반사형 회절 격자(315)를 통과하는 외부 장면 광(230)의 일부는 회절되지 않지만 오히려 실질적으로 광학 왜곡 없이 눈(125)에 전달된다. 이것은, 반사 및 투과 모드의 양쪽 모두에서 광 결합기(301)을 동시에 작동시킴으로써, 사용자에게 일종의 증강 현실(augmented reality)을 제공하기 위해 외부 장면 광(330)에 이미지 광(220)을 오버레이하는 데에 사용될 수 있다.
이미지 렌즈(303)는, 광이 광 결합기(301)에 입사하기 전에 디스플레이 광(220)에 교정 처방을 적용하기 위해 이미지 소스(302)와 광 결합기(301) 사이의 디스플레이 광(220)의 광로(optical path)에 배치되어 있다. 도시된 실시예에서는, 이미지 렌즈(303)는 렌즈 마운트(304)에 의해 이미지 소스(302)의 출사 구멍에 걸쳐 제자리에 유지되어 있다. 렌즈 마운트(304)는, 이미지 렌즈(303)가 클립 장착, 경첩 걸쇠 또는 클램프, 투명 접착제, 마찰 결합 또는 다른 방법으로 삽입되거나 슬라이드되는 슬롯(slot)일 수 있다.
외부 장면 렌즈(306)는, 광이 광 결합기(301)를 통과하기 전에 외부 장면 광(230)에 교정 처방을 적용하기 위해 광 결합기(301)의 외부 장면 측(330)에 걸쳐 외부 장면 광(230)의 광로에 배치되어 있다. 도시된 실시예에서, 이미지 렌즈(303)는 렌즈 마운트(307)에 의해 광 결합기(301)의 외부 장면 측(330)에 걸쳐 제자리에 유지되어 있다. 렌즈 마운트(307)는, 외부 장면 렌즈(306)가 클립 장착, 경첩 걸쇠 또는 클램프, 투명 접착제, 마찰 결합 또는 다른 방법으로 삽입되거나 슬라이드되는 슬롯일 수 있다. 변형 실시예에서, 외부 장면 렌즈(306)는 교환될 수는 없지만, 오히려 기판(305)의 외부 장면 측(330)에 영구적으로 형성되어 있다. 이 변형 실시예에서는, 외부 장면 측(330)의 곡률은 (평탄할 수 있는) 광 결합기(301)의 아이-워드 측(325)과 다르며, 광 결합기의 매크로 형상(macro-shape)은 외부 장면 렌즈를 형성한다.
몇몇 실시예에서, 베이스 샌드위치 층(310)에 형성된 각각의 3차원 회절 소자 형상의 형상, 크기, 방향 및 배치(placement)는 이미지 광(220)을 확대하기 위한 광출력(optical power)을 제공하도록 설계되어도 좋다. 이러한 확대하는 구성은, 머리 장착 디스플레이("HMDs") 및 스코프(scope)와 같은 몇몇 타입의 헤드 업 디스플레이("HUDs") 등과 같은 근안 구성에 특히 유용할 수 있다. 광출력을 제공하는 회절 격자의 일반적인 디자인은 주지이다. 예를 들어, 회절 광학 소자의 설계는 2009년에 존 와일리 앤드 손스(John Wiley and Sons)에 의해 발행된 버나드 크레스(Bernard Kress) 및 패트릭 메이류에이스(Patrick Meyrueis)에 의한 "Applied Digital Optics: From Micro-optics to Nanophotonics"에서 논의되어 있다. 특히, 이 책은 제로 및 더 높은 회절 차수로 회절된 광을 감소시키면서 회절 구조(미세한 홈)를 설계하고 이어서 회절 구조(미세한 홈)를 얻으며 특정 회절 차수로 회절된 광의 양을 최대로 하기 위해 그들의 깊이를 선택하는 방법에 대해 논의하고 있다.
하나의 실시예에서는, 반사형 회절 격자(315)는, 입사 각도 A1에서 입력된 광을 수광하는 것이 가능하며, A1과 다른 출사 각도 A2를 갖는 반사 경로를 따라 이미지 광을 반사하는 오프 축 렌즈(off-axis lens)이다. A1 및 A2는 반사된 이미지 광(220)이 출사되는 광 결합기(301)의 출사면의 법선으로부터 측정된다는 점에 주의해야 한다. 도 3에서, 출사면은 평탄화 샌드위치 층(320)의 아이-워드 측(325)과 일치한다. 하나의 실시예에서, 입사 각도 A1은 출사 각도 A2보다 크거나 또는 출사 각도 A2보다 법선으로부터 더 경사지게 된다. 이것은, 이미지 소스(302)가 외부 장면 광(230)을 차단하지 않도록 광 결합기(301)에 가로 방향으로 배치되는 것을 가능하게 한다. HMD 구성에서, 오프 축 렌즈 효과는 이미지 소스(302)가 사용자의 측두부(temple region) 주위에 배치됨으로써 사용자의 전방 시야(vision)를 방해하지 않도록 한다. 오프 축 렌즈 효과는 출사 각도 A2가 입사 각도 A1보다 법선으로부터 덜 경사지도록 전용(redirect)하고, 그것에 의해 눈을 오버슈트하고 코를 조명하는 것과 대조적으로 법선 각도(normal angle) 가까이에서 사용자의 눈에 반사된 이미지 광을 보낸다. 회절 광학 소자를 이용한 오프 축 렌즈 효과도 또한 반사형 회절 격자(315)에 특정 각도 대역폭을 제공한다. 이것은, 이면 반사로 인한 혼란을 저감하고 외부 장면 광(230)에 걸쳐 반사된 이미지 광(220)의 대비(constrast)를 향상시키는데 도움을 준다.
도 4에서, 오프 축 렌즈 효과는 회절 격자 패턴을 처핑(chirping)하고 사용자의 시야(465)의 중심에 대해 패턴의 중심(460)을 오프셋함으로써 달성된다. 도시된 실시예에서는, 패턴의 중심(460)은 가장 큰 부분적으로 반사형 소자(335)의 중심으로서 표시된다. 패턴이 중심(460)으로부터 연장됨에 따라, 부분적으로 반사형 소자(335)는 점진적으로 더 작아지게 된다. 도 3 및 도 4에서, 3차원 회절 소자 형상은 포물선의 단면 형상(도 3 참조) 및 회전 대칭(원형 또는 구면 렌즈) 또는 비회전 대칭(비구면 렌즈) 주변 형상(perimeter shapes)(도 4 참조)을 가진다. 그러나, 다른 단면 형상 및 주변 형상(예를 들어, 타원형 등)은 반사형 회절 격자(315)를 만드는 데에 사용될 수 있다. 도 4의 도시된 실시예는 16 위상 레벨 오프 축 회절 렌즈이지만, 다른 수의 위상 레벨이 사용될 수 있고, 가장 효과적인 렌즈가 무한한 수의 위상 레벨(의사 아날로그 표면 릴리프 회절 렌즈(quasi analog surface relief diffractive lens))를 갖는다.
반사형 회절 격자(315)는 각 3차원 회절 소자 형상을 부분적으로 반사형 소자(335)와 오버레이함으로써 형성된다. 부분적으로 반사형 소자(335)는 각각 대응하는 3차원 회절 소자 형상을 등각적으로(conformally) 덮고, 그것에 의해 밑바탕의 3차원 회절 소자 형상의 형상과 방향을 상정(想定)하는 반사 구조를 만들어 낸다.
부분적으로 반사형 소자(335)는 다양한 다른 재료로 제조될 수 있다. 하나의 실시예에서, 부분적으로 반사형 소자(335)는 기존의 비편광 빔 스플리터(non-polarizing beam splitter) 재료(예를 들어, 얇은 실버 층, CrO2 등)의 층으로 제조된다. 반사율의 정도는 특정 응용(예를 들어, 주로 실내 사용, 야외 사용, 병용 사용 등)에 기초해서 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 부분적으로 반사형 소자(335)는 CrO2의 10% 반사 100nm 층을 포함한다.
하나의 실시예에서, 부분적으로 반사형 소자(335)는 다층의 이색 박막(dichroic thin film) 구조로 제조된다. 이색 막은 선택가능한 파장에서 선택가능한 반사율을 갖도록 만들어질 수 있다. 부가적으로, 이색 막은 반사형 회절 격자(315)의 각도 선택도를 향상시키도록 설계될 수 있다. 이색 막은, 실질적으로 다른 가시 스펙트럼 파장(visible spectrum wavelengths) 및 외부 장면 광(230)의 수직 입사(normal incidence)에 더 투명하면서, 특정 파장 또는 이미지 광(220)과 오버레이하는 파장 대역 및 이미지 광(220)의 입사각에 대해 높은 반사율로 설계될 수 있다. 이렇게 하여, 광 결합기(301)의 효율은 송신된 외부 장면 광(230)의 밝기(brightness)를 증가시키면서 향상될 수 있다.
하나의 실시예에서는, 부분적으로 반사형 소자(335)는 실질적으로 직교하는 선형 편광을 통과시키면서 입사광의 하나의 선형 편광을 실질적으로 반사하는 편광 빔 스플리터 재료로 제조된다. 이 경우에, 이미지 소스(302)는 부분적으로 반사형 소자(335)의 반사 특성과 매치(match)하는 편광된 이미지 광을 방출하도록 설계될 수 있다. 주변 광(ambient light)은 일반적으로 랜덤한 편광을 가지기 때문에, 외부 장면 광(230)의 약 50%가 광 결합기(301)를 통해 눈(125)으로 통과한다.
이미지 소스(302)는, 오늘날 피코 프로젝터(pico-projectors)에 사용되는 각종의 마이크로 디스플레이(micro-displays), 액정 온 실리콘(liquid crystal on silicon, "LCOS") 디스플레이, 백라이트 액정 디스플레이(backlit liquid crystal displays), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, "OLED"), 양자점 배열 디스플레이(quantum dot array displays), 발광 다이오드(light emitting diode, "LED") 어레이 또는 다른 것 등의 다양한 컴팩트 이미지 소스 기술을 이용하여 제조될 수 있다. CRT 튜브(tube)는 오늘날 HUD에 아직 사용되고 있지만, 머리 장착 디스플레이(HMDs)를 통해 보는 것과 같은 더 작은 장치에 사용될 가능성은 더 적다. 광 결합기(301)는, 플라스틱(예를 들어, 아크릴(acrylic), 열가소성 플라스틱(thermo-plastics), 폴리-메틸-메타-크릴레이트(poly-methyl-metha-crylate, PMMA), ZEONEX-E48R, 유리, 석영 등)을 포함하는 다양한 깨끗한 광 투과성 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 기판(305), 베이스 샌드위치 층(310) 및 평탄화 샌드위치 층(320)은 플라스틱으로 제조된다. 다른 실시예에서는, 기판(305)은 유리이고, 반면에 베이스 샌드위치 층(310) 및 평탄화 샌드위치 층(320)은 이산화 실리콘(silicon dioxide)으로 제조된다. 물론, 다른 재료 조합이 사용되어도 좋다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리소그래피를 이용하여 샌드위치된 회절 광 결합기(301)의 하나의 실시예를 제조하기 위한 예시적인 프로세스(process; 500)를 나타내는 플로우차트이다. 프로세스(500)는 유리 기판 위에 이산화 실리콘을 이용하는 광 결합기(301)의 실시예를 제조하기 위한 하나의 기술을 묘사한다. 프로세스(500)는 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 설명된다. 프로세스 블록의 일부 또는 전부가 프로세스(500)에 표시되는 순서는 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 이익을 갖는 당업자는, 프로세스 블록의 일부가 도시되지 않은 다양한 순서로 또는 병렬로 실행되어도 좋다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
프로세스 블록 505에서, 베이스 샌드위치 층(310)은 유리, 석영, 플라스틱, 또는 다른 것과 같은 깨끗한 재료로 제조된 기판(305) 상에 증착(성장)된다. 이 실시예에서는, 베이스 샌드위치 층(310)은 약 1μm 두께의 이산화 실리콘의 층이다. 처리 블록 510에서, 그레이스케일 리소그래피(grayscale lithography) 및 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)은 베이스 샌드위치 층(310)에 3차원 회절 소자 형상(605)의 2차원 어레이를 형성하기 위해 사용된다. 프로세스 블록 515에서, 형상(605)은 부분적으로 반사 재료(partially reflective material)의 층으로 스퍼터링을 통해 오버레이된다. 하나의 실시예에서는, 부분적으로 반사 재료층은 (다른 반사율이 사용될 수 있는) 약 10% 반사이다. 하나의 실시예에서, 부분적으로 반사 재료층은 약 100nm 두께의 CrO2 재료이다. 프로세스 블록 520에서는, 평탄화 샌드위치 층(320)이 부분적으로 반사 재료 층 상에 증착(성장)된다. 하나의 실시예에서, 평탄화 샌드위치 층(320)은 약 1.5μm의 두께로 증착된다. 물론, 이 단계에서는 평탄화 샌드위치 층(320)은 아직 평탄하지 않다. 프로세스 블록 525에서는, 레지스트 재료(resist material; 610)가 평탄화 샌드위치 층(320) 위에 코팅된다. 마지막으로, 프로세스 블록 530에서는, 평탄화 샌드위치 층(320)에 평탄한 정상(top)으로 되는 깊이로 진행하는 평탄화 중에, 레지스트 재료(610)가 제거된다. 이러한 프로세스는, 레지스트 에칭 속도와 밑바탕의 SiO2의 에칭 속도가 정확하게 유사한 비례 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE) 프로세스(또는 CAIBE 프로세스 - 화학적으로 지원되는 이온 빔 에칭(Chemically Assisted Ion Beam Etching))로서 구현될 수 있다. 하나의 실시예에서는, 레지스트 층(610)을 제거하고 평탄화 샌드위치 층(320)을 평탄화하기 위해 화학 기계적 연마가 사용된다. 하나의 실시예에서는, 레지스트 재료(610) 및 평탄화 샌드위치 층(320) 양쪽 모두를 동시에 에칭하는 1:1 비율을 갖는 비례 반응성 이온 에칭이 사용된다. 다른 표준 또는 관습상의 평탄화 기술이 사용되어도 좋다.
대량 생산 기술은 광 결합기(301)의 다양한 다른 실시예를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 마스터 결합기는 사출 성형(injection molding) 또는 고온/UV 엠보싱(hot/UV embossing)을 통해 플라스틱 복제를 위한 금형(mold)으로서 사용되도록 제조될 수 있다. 베이스 샌드위치 층(310)은 사출 성형된 열가소성 재료(thermo-plastic material)로 제작될 수 있다. 부분적으로 반사형 소자(335)는, 부분적으로 반사 재료에 걸쳐 적층된 3차원 회절 형상의 2차원 어레이 및 평탄화 샌드위치 층(320) 위에 오버레이되거나 코팅될 수 있다. CNC 기계 공구(tool)로 회전하는 다이아몬드는, 광 결합기를 구성하는 각종의 곡면 줄무늬(curved fringes)를 형성하기 위해 리소그래피 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 베이스 샌드위치 층(310)은 그 위에 배치된 3차원 회절 소자 형상의 2차원 어레이의 부정적인 인상(negative impression)을 가진 롤러 드럼(roller drum)을 사용하는 열가소성 플라스틱 또는 플라스틱 엠보싱(embossing, 양각)으로 프레스 성형을 이용하여 제조될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 교정 처방을 수용하는 시스루 디스플레이(see-through displays; 701) 쌍을 사용하는 양안 HMD(binocular HMD; 700)의 평면도이다. 각 시스루 디스플레이(701)는 시스루 디스플레이(200 또는 300)의 실시예와 함께 구현될 수 있다. 시스루 디스플레이(701)는 노즈 브릿지(nose bridge; 705), 왼쪽 이어 암(left ear arm; 710), 오른쪽 이어 암(right ear arm; 715)을 포함하는 프레임 어셈블리(frame assembly)에 장착되어 있다. 도 7은 양안(binocular) 실시예를 나타내지만, HMD(700)는 단안 HMD(monocular HMD)로서 구현되어도 좋다.
시스루 디스플레이(701)는 사용자의 머리에 장착할 수 있는 눈 유리 배치(eye glass arrangement)로 고정되어 있다. 왼쪽 및 오른쪽 이어 암(710, 715)은 사용자의 귀에 걸쳐 걸려 있고, 반면에 노즈 어셈블리(nose assembly; 705)는 사용자의 코에 걸쳐 걸려 있다. 프레임 어셈블리는 사용자의 대응하는 눈(125)의 전면에 각 광 결합기 및 외부 장면 렌즈를 위치시키도록 성형 및 치수 결정되어 있다. 물론, 다른 형상을 갖는 다른 프레임 어셈블리가 사용되어도 좋다(예를 들어, 이어 암과 노즈 브릿지 지지가 있는 바이저(visor), 단일 연속 헤드셋 부재, 머리띠(headband), 고글형 안경 등).
HMD(700)의 도시된 실시예는 사용자에게 증강된 현실을 디스플레이할 수 있다. 각 시스루 디스플레이(701)는 사용자가 외부 장면 광(230)을 통해 실세계 이미지(real world image)를 보는 것을 가능하게 한다. 왼쪽 및 오른쪽(양안 실시예) 이미지 광(220)은 왼쪽 및 오른쪽 이어 암(710)에 장착 이미지 소스(720)에 의해 생성될 수 있다. 외부 장면 광(230)은 규범적으로(규정에 의해) 외부 장면 렌즈(730)에 의해 교정되고, 반면에 디스플레이 광(220)은 규범적으로 이미지 랜즈(740)에 의해 교정된다. 교정된 이미지 광(220)은 증강된 현실로서 교정된 외부 장면 광(230)에 걸쳐 중첩된 가상 이미지(virtual image)로서 사용자에 의해 보여진다. 몇몇 실시예에서, 외부 장면 광(230)은 태양 음영 특성(sun shading characteristics)을 제공하고 이미지 광(220)의 대비(constrast)를 증가시키기 위해 부분적으로 차단되거나 또는 선택적으로 차단될 수 있다.
요약서에 기재되어 있는 것을 포함하여, 본 발명의 도시된 실시예의 상기의 설명은, 하나도 빠뜨리는 것 없이 포괄적인 것으로 하거나 또는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 특정 실시예 및 본 발명에 대한 예가 예시를 목적으로 본 명세서에 기재되어 있지만, 당업자가 인식하는 바와 같이, 다양한 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
이러한 변형은 상기의 상세한 설명에 비추어 본 발명에 대해 이루어질 수 있다. 다음의 특허청구범위에 사용된 용어는 명세서에 개시된 특정 실시예에 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 범위는 클레임 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되는 다음의 특허청구범위에 의해 완전히 결정되어야 한다.

Claims (19)

  1. 머리 장착 디스플레이용의 광학 장치로서,
    이미지 광을 출사하도록 결합된 이미지 소스;
    아이-워드 측과 외부 장면 측을 갖는 광 결합기로서, 광 결합기의 아이 워드 측을 통해 입사하는 이미지 광에 적어도 부분적으로 반사하고 광 결합기의 외부 장면 측을 통해 입사하는 외부 장면 광에 적어도 부분적으로 투과하는 부분적으로 반사형 회절 격자를 포함하는 광 결합기;
    이미지 소스로부터 방출된 이미지 광에 제1 교정 처방을 적용하기 위해 이미지 소스와 광 결합기의 아이-워드 측 사이의 이미지 광의 광로(optical path) 상에 배치된 이미지 렌즈; 및
    광 결합기를 통과하는 외부 장면 광에 제2 교정 처방을 적용하기 위해 광 결합기의 외부 장면 측에 걸쳐 배치된 외부 장면 렌즈를 구비하되,
    광 결합기가, 제1 및 제2 교정 처방에 따라 교정된 결합 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 장면 광과 결합하고 아이-워드 측으로부터 아이-워드 방향을 따라 연장되는 공통 시청 경로를 따라 전파하며, 부분적으로 반사형 회절 격자의 회절 격자 패턴은 처핑되고(chirped), 회절 격자 패턴의 중심이 오프-축 렌즈 효과(off-axis lensing)를 달성하기 위해 사용자의 시야의 중심에 대해 오프셋되며, 회절 격자 패턴이 중심으로부터 연장됨에 따라 부분적으로 반사형 회절 격자를 형성하는 부분적으로 반사형 소자들은 점진적으로 더 작아지게 되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 사용자의 눈의 전면에 배치된 광 결합기 및 외부 장면 렌즈와 사용자의 눈 주변에 배치된 이미지 소스 및 이미지 렌즈와 함께 사용자의 머리에 착용하기 위해 이미지 소스, 광 결합기, 이미지 렌즈 및 외부 장면 렌즈를 지지하기 위한 프레임 어셈블리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 이미지 소스의 전면에 이미지 렌즈를 보유하기 위한 마운트를 더 구비하되,
    이미지 렌즈가 교환 가능하며, 마운트가 다른 교정 처방을 가진 다른 이미지 렌즈를 수용하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 광 결합기의 전면에 외부 장면 렌즈를 보유하기 위한 마운트를 더 구비하되,
    외부 장면 렌즈가 교환 가능하며, 마운트가 다른 교정 처방을 가진 다른 외부 장면 렌즈를 수용하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 이미지 렌즈 또는 외부 장면 렌즈의 적어도 하나가 조정 가능한 교정 처방을 적용하는 조정 가능한 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 조정 가능한 렌즈가 유체 렌즈 또는 서로에 대해 가로 방향으로 슬라이드하는 한 쌍의 오버랩하는 렌즈 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 광 결합기가,
    제1 굴절률을 갖고 아이-워드 측을 향하는 제1 측면을 포함하는 베이스 샌드위치 층;
    베이스 샌드위치 층의 제1 측면에 배치된 3차원("3D") 회절 소자 형상들의 2차원("2D") 어레이 - 부분적으로 반사형 소자들 각각은 3차원 회절 소자 형상들 중 대응하는 하나를 코팅하고, 부분적으로 반사형 소자들 각각은 3차원 회절 소자 형상들 중 대응하는 하나에 부합하며, 총괄하여(collectively) 광 결합기의 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지광을 확대하는 광출력을 가지는 부분적으로 반사형 회절 격자를 형성함 - ; 및
    외부 장면 측을 통해 입사하는 외부 장면 광이 실질적으로 회절하지 않고 광 결합기를 통과하는 반면에 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지 광이 부분적으로 반사형 회절 격자를 통해 반사되어 확대되도록, 베이스 샌드위치 층의 제1 굴절률과 실질적으로 동일한 제2 굴절률을 갖는 부분적으로 반사형 소자들에 걸쳐 배치된 평탄화 샌드위치 층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 부분적으로 반사형 회절 격자는 제1 각도로 아이-워드 측으로 입사하는 이미지 광을 수신하여 제2 각도를 갖는 반사 경로를 따라 이미지 광을 반사하는 오프 축 회절 렌즈를 포함하되, 제1 각도가 제2 각도보다 평탄화 샌드위치 층의 출사 면의 법선에 대해 더 경사지게 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 베이스 샌드위치 층은 제1 측면과 대향하고 외부 장면 측을 향하는 제2 측면을 포함하며,
    광 결합기는, 베이스 샌드위치 층과 부분적으로 반사형 회절 격자에 기계적지지를 제공하기 위해 베이스 샌드위치 층의 제2 측면에 물리적으로 감합되는 광학적으로 투과성 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 외부 장면 렌즈는 광학적으로 투과성 기판에 감합되고, 광학적으로 투과성 기판과 외부 장면 렌즈는 매치하는 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 광 결합기의 외부 장면 측은, 광 결합기의 매크로 형상이 외부 장면 렌즈를 포함하도록 아이-워드 측의 제2 곡률과는 다른 제1 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 아이-워드 측과 외부 장면 측을 갖는 광 결합기로서, 광 결합기의 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지 광에 적어도 부분적으로 반사하고 광 결합기의 외부 장면 측을 통해 입사하는 외부 장면 광에 적어도 부분적으로 투과하는 부분적으로 반사형 회절 격자를 포함하는 광 결합기;
    광 결합기의 아이-워드 측에 도달하기 전에 이미지 광에 제1 교정 처방을 적용하기 위해 이미지 광의 광로에 이미지 렌즈를 보유하도록 배치된 제1 마운트; 및
    광 결합기를 통과하는 외부 장면 광에 제2 교정 처방을 적용하기 위해 광 결합기의 외부 장면 측에 걸쳐 외부 장면 렌즈를 보유하도록 배치된 제2마운트를 구비하되,
    광 결합기가, 제1 및 제2 교정 처방에 따라 교정된 결합 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 장면 광과 결합하고, 아이-워드 측으로부터 아이-워드 방향을 따라 연장되는 공통 시청 경로를 따라 전파하며, 부분적으로 반사형 회절 격자의 회절 격자 패턴은 처핑되고(chirped), 회절 격자 패턴의 중심이 오프-축 렌즈 효과(off-axis lensing)를 달성하기 위해 사용자의 시야의 중심에 대해 오프셋되며, 회절 격자 패턴이 중심으로부터 연장됨에 따라 부분적으로 반사형 회절 격자를 형성하는 부분적으로 반사형 소자들은 점진적으로 더 작아지게 되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 이미지 렌즈가 교환 가능하며, 제1 마운트가 다른 교정 처방을 가진 다른 이미지 렌즈를 수용하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 외부 장면 렌즈가 교환 가능하며, 제2 마운트가 다른 교정 처방을 가진 다른 외부 장면 렌즈를 수용하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 이미지 렌즈 또는 외부 장면 렌즈의 적어도 하나가 조정 가능한 교정 처방을 적용하는 조정 가능한 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 조정 가능한 렌즈가 유체 렌즈 또는 서로에 대해 가로 방향으로 슬라이드하는 한 쌍의 오버랩하는 렌즈 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  17. 청구항 12에 있어서, 광 결합기가,
    제1 굴절률을 갖고 아이-워드 측을 향하는 제1 측면을 포함하는 베이스 샌드위치 층;
    베이스 샌드위치 층의 제1 측면에 배치된 3차원("3D") 회절 소자 형상들의 2차원("2D") 어레이 - 부분적으로 반사형 소자들 각각은 3차원 회절 소자 형상들 중 대응하는 하나를 코팅하고, 부분적으로 반사형 소자들 각각은 3차원 회절 소자 형상들 중 대응하는 하나에 부합하며, 총괄하여(collectively) 광 결합기의 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지광을 확대하는 광출력을 가지는 부분적으로 반사형 회절 격자를 형성함 - ; 및
    외부 장면 측을 통해 입사하는 외부 장면 광이 실질적으로 회절하지 않고 광 결합기를 통과하는 반면에 아이-워드 측을 통해 입사하는 이미지 광이 부분적으로 반사형 회절 격자를 통해 반사되어 확대되도록, 베이스 샌드위치 층의 제1 굴절률과 실질적으로 동일한 제2 굴절률을 갖는 부분적으로 반사형 소자들에 걸쳐 배치된 평탄화 샌드위치 층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 부분적으로 반사형 회절 격자는 제1 각도로 아이-워드 측으로 입사하는 이미지 광을 수신하여 제2 각도를 갖는 반사 경로를 따라 이미지 광을 반사하는 오프 축 회절 렌즈를 포함하되, 제1 각도가 제2 각도보다 평탄화 샌드위치 층의 출사 면의 법선에 대해 더 경사지게 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 광 결합기의 외부 장면 측은, 광 결합기의 매크로 형상이 외부 장면 렌즈를 포함하도록 아이-워드 측의 제2 곡률과는 다른 제1 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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