KR101803137B1 - 전체 이미지를 프로젝팅하기 위한 프로젝션 디스플레이 및 방법 - Google Patents

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KR101803137B1 KR1020147030053A KR20147030053A KR101803137B1 KR 101803137 B1 KR101803137 B1 KR 101803137B1 KR 1020147030053 A KR1020147030053 A KR 1020147030053A KR 20147030053 A KR20147030053 A KR 20147030053A KR 101803137 B1 KR101803137 B1 KR 101803137B1
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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

프로젝션 디스플레이(100)는 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 서브 이미지들을 디스플레이하기 위한 이미저(110) 및 프로젝션 광학(125)의 2차원 분포(122)를 갖는 프로젝션 광학 어레이(120)를 포함한다. 상기 프로젝션 광학 어레이(120)은 이미지 평면(140)에서의 전체 이미지(150)로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포드(superimpose)하도록 구성되어, 쌍을 이루는 이미지 평면(140) 내의 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(140)이 발생되도록 하며, 상기 공동 영역 오버랩(140)은 모든 쌍들(137)에 대하여 0.1과 0.8 사이이다. 여기서, 프로젝션 디스플레이(100)는 전체 이미지(150)가 가상의 전체 이미지가 되도록 구현된다.

Description

전체 이미지를 프로젝팅하기 위한 프로젝션 디스플레이 및 방법{PROJECTION DISPLAY AND METHOD FOR PROJECTING AN OVERALL IMAGE}
본 발명의 실시예들은 전체(overall) 이미지를 프로젝팅하기 위한 프로젝션 디스플레이 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 추가적인 실시예들은 멀티채널 광학기(optics)를 이용하는 가상 이미지들에 대한 프로젝션 디스플레이에 관한 것이다.
헤드-마운팅 디스플레이(HMD:Head-Mounted Display)들은, 마이크로 디스플레이를 구별 시각 거리(distinct visual distance)와 무한대(infinity) 사이에서 시각화(visualization)에 적합한 거리(distance)로 맵핑하는 안구 광학(ocular optics)과 관련되어, LCD(luquid crystal display), LCoS(liquid crystal on silicon) 또는 OLED(organic light emitting diode)-기반 마이크로 디스플레이와 같은, 마이크로 디스플레이를 통해 일반적으로 실현된다.
안구(ocular)의 초점 거리(focal length)(fOk)는 마이크로 디스플레이의 대각선(diagonal)(D)과 함께 헤드-마운팅 디스플레이의 관측 시야(field of view)(FOV)를 결정한다.
Figure 112014102578406-pct00001
일반적인 2/3"의 대각선 스크린(diagonal sreen)들을 갖는 가용 마이크로 이미저(imager)들을 통하여 40˚와 60˚사이의 범위에서의 헤드-마운팅 디스플레이들의 공통적인 관측 시야를 획득하기 위해서는, 15 내지 23mm의 범위에서의 안구(ocular) 초점 거리들이 요구된다. 여기서, 안구(ocular)의 동공 직경(pupil diameter)(Dpupil)은 관측자의 눈(eye)이 이동할 수 있는 범위의 크기(눈 모션 박스(EMB:eye motion box))를 결정한다. 동공 크기 또는 EMB는 초점 너비(focal width)(fOk)와 안구(ocular)의 f-넘버(f/#) 간의 비율로부터 획득된다:
Figure 112014102578406-pct00002
f/2.8의 근사치 범위에서의 전형적인 f-넘버들에 대하여, 5 내지 8mm의 크기 단위(order of magnitude)의 EMB가 획득된다. 여기서, 2개의 주된 문제점들이 발생된다. 한편으로는, 비교적 큰 불가피한 안구 초점 거리는 큰 시스템 규모를 유발시키며, 이는 헤드-마운팅 디스플레이의 착용감을 악화시킨다. 다른 한편으로는, 큰 FOV와 함께 큰 EMB에 대하여 요구되는 작은 f-넘버는 맵핑 에러들에 대한 보정(correction)을 보다 어렵게 하며, 이는 안구 광학기들의 복잡성(이에 따른 크기 및 질량(mass))를 보다 더 증가시킨다.
주어진 초점 거리를 갖는 광학기의 크기를 줄이기 위하여, 기존 기술에서는, 예를 들어, "Canon Video see-through" 시스템(A. Takagi, S. Yamazaki, Y. Saito 및 N. Taniguchi "Development of a stereo video see-through HMD for AT systems" 증강현실에 대한 국제 학회, 뮌헨, 독일, 2000년 10월 5-6일)에서와 같은 수회 접힌(folded) 광학 경로들, 또는 (Ichiro Kasai Yasushi, Yasushi Tanijiri, Takeshi Endo, Hiroaki Ueda "A Forgettable Near Eye Display", 웨어러블 컴퓨터에 대한 제 4 회 국제 학회, ISWC 2000년, 애틀란타)에서와 같은 눈으로의 미러링을 위한 후속적인 이미지 가이드를 통한 사이드 피스(side piece)들의 방향에서의 안구 광학기의 변위(displacement)가 사용된다. 이러한 공지의 기법들의 주된 단점들은, (A. Takagi, S. Yamazaki, Y. Saito, and N. Taniguchi, "Development of a stereo video see-through HMD for AT systems", 증강현실에 대한 국제 학회, 뮌헨, 독일, 2000년 10월 5-6일)에서와 같은 기존 기술에 따라서, 결과적으로 비교적 큰 시스템 차원 및 메스(mass)들 뿐만 아니라 수차 보정(aberration correction)에 대해 요구되는 복잡한 자유 형태 광학기(free form optics)이거나 또는 (Ichiro Kasai Yasushi, Yasushi Tanijiri, Takeshi Endo, Hiroaki Ueda "A Forgettable Near Eye Display", 웨어러블 컴퓨터에 대한 제 4 회 국제 학회, ISWC 2000년, 애틀란타)에서와 같은 생성하기에 매우 복잡한 이미지 가이드 엘리먼트들이다.
기존 기술에서 기재된 대안적인 광학 접근법은 렌즈 어레이(렌즈 그리드) 광학기를 사용하며, 여기서 하나의 렌즈렛(lenslet)(렌즈 엘리먼트)가 마이크로 이미저의 하나의 픽셀로 각각 할당되며, 이는 US 5,499,138, US 5,561,538, US 6,816,313 B2 및 US 2008/020473 A1에 기재된 바와 같다. 대안적인 광학 기법은 매우 짧은 구조적 길이의 광학기를 보장하는 반면에, 이는 오직 매우 적은 디스플레이가능한 수의 픽셀들 및 매우 적은 전달(transmission)만을 허용하여, 네트워크 독립 디바이스들에 대한 짧은 배터리 런타임(run-time) 및 낮은 이미지 밝기를 야기한다.
추가적으로 공지의 접근법은 어레이 프로젝터 또는 래스터(raster) 프로젝터의 사용이며, 이는 WO 2010/145784 A1에서 기재된다. 이러한 접근법을 통하는 경우, US 5,499,138, US 5,561,538, US 6,816,313 B2 and US 2008/020473 A1에 기재된 어레이 광학기 또는 래스터 광학기에 비하여 매우 높은 이미지 밝기가 획득될 수 있다. 하지만, 멀티채널 프로젝션에 기초한 공지의 어레이 프로젝터는, (A. Takagi, S. Yamazaki, Y. Saito, and N. Taniguchi, "Development of a stereo video see-through HMD for AT systems", 증강현실에 대한 국제 학회, 뮌헨, 독일, 2000년 10월 5-6일) 및 (Ichiro Kasai Yasushi, Yasushi Tanijiri, Takeshi Endo, Hiroaki Ueda "A Forgettable Near Eye Display", 웨어러블 컴퓨터에 대한 제 4 회 국제 학회, ISWC 2000년, 애틀란타)에서와 같은 디스플레이가능한 픽셀들의 수가 단일-채널 광학기보다 뒤떨어진다는 단점을 가진다.
US 6,611,241 B1은 작은 디스플레이 디바이스들 또는 모듈들의 어레이를 포함하는 큰 광학 디스플레이들을 기재하며, 이들 각각은 디스플레이될 이미지의 일부분을 보여줌으로써, 작은 디스플레이 디바이스들의 어레이는 함께 완전한 이미지를 디스플레이한다. 디스플레이 디바이스는 좁은(narrow) 엣지들을 가지지 않으며 인접하지 않은 디스플레이 엘리먼트들을 사용할 수 있어서, 오버랩되는 서브-이미지들을 생성할 수 있다. "인터페이스"들 또는 갭(gap)들인 이미지 픽셀들은 이미지 데이터에 의해 생성되고 그리고 오버랩되는 서브-이미지들의 오버랩 지역(region)들에서와 같은, 보정 위치(correction position)에서 그리고 디스플레이된 이미지 내의 밝기로 디스플레이된다.
WO 2011/157632 A1은 적어도 하나의 광원, 서브 영역(area)들의 2차원 분포에서의 개별적인 이미지들을 디스플레이하기 위해 구현되는 적어도 하나의 반사 이미저, 2차원 어레이의 프로젝션 광학기를 갖는 프로젝션 광학 어레이(이는 적어도 하나의 이미저의 할당된 서브-영역(area)을 하나의 이미지 레벨로 각각 맵핑하도록 구현되어, 개별적인 이미지들의 맵핑들이 이미지 평면(plane)에서의 전체 이미지로 오버랩되도록 함), 및 적어도 하나의 빔 스플리터(beam splitter)(이는 한편으로 적어도 하나의 반사 이미저와 2차원 어레이의 프로젝션 광학기 사이에서의 광학 경로에서 배열되고 그리고 다른 한편으로는 적어도 하나의 광원과 적어도 하나의 반사 이미저 간의 광학 경로에서 배열됨)을 갖는 프로젝션 디스플레이를 기재한다.
US 5,499,138 A는 안경형(spectacle type) 이미지 디스플레이 장치와 같은 이미지 디스플레이 장치를 기재하며, 이는 사용자의 눈에서의 망막(retina)에 대한 보정 피치(correct pitch)에서 픽셀들을 프로젝팅함으로써 고해상도 이미지를 재생산할 수 있다. 상기 이미지 디스플레이 장치는, 마이크로렌즈 어레이를 포함한다. 마이크로 렌즈 어레이 대신에, Fresnel 존 플레이트 어레이(Fresnel zone plate array) 또한 사용될 수 있다.
US 5,499,138 A에서 기재된 프로젝션 시스템의 단점은 오직 하나의(단일의) 디스플레이 픽셀(예컨대, 매우 작은 LED 칩 또는 LCD 픽셀)을 하나의 마이크로렌즈로 각각 할당한다는 것이다. 따라서, 이러한 공지된 접근법은 큰 측면(lateral) 광학 치수들과 동시에 디스플레이가능한 픽셀들의 적은 수를 야기한다.
그러므로, 기존의 기술에서는 프로젝션 디스플레이의 짧은 구조적 길이를 갖는 많은 수의 디스플레이가능한 픽셀들에 대한 멀티채널 프로젝션을 통합하는 컨셉이 존재하지 않는다는 기본적인 문제점이 있다.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 동시에 프로젝션 디스플레이의 짧은 구조적 길이 및 디스플레이가능한 픽셀들의 많은 수를 갖는 멀티채널 프로젝션을 허용하는 컨셉을 제공하기 위함이다.
청구항 제1항에 따른 프로젝션 디스플레이 및 청구항 제15항에 따른 방법에 의해 상기 목적이 해결된다.
본 발명의 실시예들은 이미저의 서브-영역들의 2차원 분포로 서브-이미지들을 디스플레이하기 위한 이미저, 및 프로젝션 광학기의 2차원 분포를 갖는 프로젝션 광학기 어레이를 포함하는 프로젝션 디스플레이를 제공한다. 상기 프로젝션 광학기 어레이는 이미지 평면에서의 전체 이미지로 서브 이미지들의 프로젝션들을 슈퍼임포즈(superimpose)하도록 구현되어, 쌍을 이루는(in pairs) 이미지 평면에서의 서브 이미지들의 프로젝션들의 공동(mutual) 영역 오버랩이 발생되도록 하며, 상기 공동 영역 오버랩은 모든 쌍들에 대하여 0.1과 0.8 사이이다. 여기서, 프로젝션 디스플레이는 전체 이미지가 가상 전체 이미지이도록 구현된다.
본 발명의 핵심 아이디어는, 이미저의 서브 영역들의 2차원 분포에서의 이미저를 통하여 서브 이미지들이 디스플레이될 때 그리고 프로젝션 광학기의 2차원 분포를 갖는 프로젝션 광학기 어레이에 의해 이미지 평면에서의 전체 이미지로 서브 이미지들의 프로젝션들이 슈퍼임포즈될 때, 프로젝션 디스플레이의 짧은 구조적 길이와 동시에 상기 언급된 멀티 채널 프로젝션의 많은 수의 디스플레이가능한 픽셀들이 획득될 수 있어서, 쌍을 이루는 이미지 평면에서의 서브 이미지들의 프로젝션들의 공동 영역 오버랩이 발생되도록 하며, 여기서 공동 영역 오버랩은 모든 쌍들에 대하여 0.1과 0.8 사이이며, 여기서 프로젝션 디스플레이는 전체 이미지가 가상 전체 이미지이도록 구현된다는 점이다. 따라서, 한편으로는, 멀티 채널 프로젝션의 많은 수의 디스플레이 가능한 픽셀들(또는 높은 이미지 퀄리티)을 획득될 수 있으며, 그리고 다른 한편으로는, 동시에, 프로젝션 디스플레이의 짧은 구조적 길이가 달성될 수 있다. 여기서, 서브-이미지들을 디스플레이하는 것이 사용될 수 있으며, 그리고 (가상) 전체 이미지로 이미지 평면에서의 서브 이미지들의 프로젝션들의 구체적인 중첩(superposition)이 사용될 수 있다.
*본 발명의 실시예들에서, 프로젝션 광학기는, 프로젝션 디스플레이의 사용자의 동공으로 서브 이미지들의 프로젝션들을 지향하게 하기 위한 프로젝션 방향으로 프로젝션 광학기의 2차원 분포에 대한 필드 렌즈 다운스트림(downstream)을 더 포함한다. 따라서, 이미지 평면은 가상의 이미지 평면일 수 있으며, 프로젝션 광학기의 2차원 분포 및 이미저는 이미지 평면과 필드 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 이미저는, 서브 이미지의 엣지로 향하면서 연속적으로 감소하는 이미지 밝기를 갖는 서브 이미지들 각각을 디스플레이하기 위해 구현된다. 따라서, 이미지 평면에서의 프로젝션들의 오버랩핑 영역의 잡음(artefact)들은 억제될 수 있거나 또는 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 이미저는 이미저의 서브 영역들의 2차원 분포의 측면 연장부(lateral extension)의 방향으로 균등하게 모든 서브 이미지들을 재배치(displace)하도록 구현된다. 여기서, 서브 이미지들의 균등한 재배치는 프로젝션 광학기 어레이의 광학 축과 관련하여 사용자의 안구(eye ball)의 측정된 위치에 기초하여 조정될 수 있다. 따라서, 프로젝션 광학기 어레이의 광학 축과 관련하여 사용자의 안구의 중심이탈(decentralization)에 대한 보상이 획득될 수 있다. 이러한 중심이탈을 보상함으로써, 고스트 이미지들의 인식(perception)이 억제되거나 또는 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 동반되는 도면들을 참조하여 보다 자세하게 이하에서 논의될 것이며, 이러한 도면들에서 동일 또는 동등한 엘리먼트들은 동일한 참조 번호들을 지정한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이의 측면도이다.
도 1b는 이미지 평면에서의 서브 이미지들의 프로젝션들의 진보한 공동(mutual) 영역 오버랩을 도시하기 위한 개략도이다.
도 2a는 이미지 평면에서의 진보한 전체 이미지를 도시하기 위한 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 이미저의 서브 영역들의 2차원 분포에서의 서브 이미지들을 도시하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 이미저의 서브 영역들의 2차원 분포에서의 서브 이미지들을 도시하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 프로젝션 광학기의 2차원 분포의 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따라 서브 이미지들의 변위(displacement)들을 디스플레이하기 위한 이미저들의 평면도이다.
도 6a 및 6b는 디스플레이가능한 전체 개수의 픽셀들에 대한 진보한 수학식(equation)을 유도하기 위한 FOV의 분해(decomposition) 및 광학 경로에 대한 개략도이다.
본 발명이 상기 도면들에 기초하여 보다 구체적으로 이하에서 설명될 것이며, 이하의 실시예들에서 도면들에서의 동일한 엘리먼트들 또는 기능적으로 동등한 엘리먼트들은 동일한 참조 번호들로 제공된다. 따라서, 동일한 참조 번호들을 갖는 엘리먼트들에 대한 설명은 상이한 실시예들에서의 다른 하나와 상호적으로 교환가능하거나 그리고/또는 다른 하나에 적용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 프로젝션 디스플레이(100)의 측면도를 도시한다. 도 1a에서 도시되는 바와 같이, 프로젝션 디스플레이(100)는 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 서브 이미지들을 디스플레이하기 위한 이미저(110)를 포함한다. 추가적으로, 도 1a에서 도시되는 프로젝션 디스플레이(100)는 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)를 갖는 프로젝션 광학기 어레이(120)를 포함한다.
도 1b는 이미지 평면에서의 서브 이미지들의 프로젝션들의 진보한 공동 영역 오버랩을 도시하기 위한 개략도를 도시한다. 도 1a 및 도 1b와 관련하여, 프로젝션 디스플레이(100)의 프로젝션 광학기 어레이(120)는 이미지 평면(140)에서의 전체 이미지(150)로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포즈하도록 구현되어, 쌍을 이루는 이미지 평면(140)에서의 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(139)이 발생되며, 이는 모든 쌍들에 대하여 0.1과 0.8 사이이다. 여기서, 프로젝션 디스플레이(100)는 전체 이미지(150)가 가상 전체 이미지이도록 구현된다. 모든 쌍들에 대하여 0.1과 0.8 사이인 공동 영역 오버랩을 제공함으로써, 높은 이미지 퀄리티를 가짐과 동시에 프로젝션 디스플레이의 짧은 구조적 길이를 갖는 멀티채널 프로젝션이 획득될 수 있다.
특히, 프로젝션 디스플레이(100)는, 전체 이미지(150)가 가상 전체 이미지이며 어떠한 (프로젝션) 스크린도 필요치 않도록 구현된다.
실시예들에서, 상기 쌍(pair)들(137)은 쌍을 이루어 오버랩되는 프로젝션들(135)에 의해 형성될 수 있으며, 그리고 이들은(이들 전부는) 0.1과 0.8 사이인 공동 영역 오버랩(139)를 가진다. 여기서, 또한 도 1b를 참조하면, 모든(인접한) 쌍들(137)은 이미지 평면(140)에서 오버랩될 수 있다는 점이 예시적으로 도시된다.
추가적으로, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 이를 기초로 하여 각도 스페이스(angular space)에서의 인접한 프로젝션 광학기(125)에 의해 프로젝팅되는 관측 시야(field of view)(FOV)의 부분들의 오버랩이 기재된다. 실시예들에서, 바로 인접한 것들뿐만 아니라 "다다음번 단위의(after next)" 이웃들(또는 2차원 분포(122)에서의 바로 나란하게 배열되지 않는 프로젝션 광학기(125)의 프로젝션들(135))이 오버랩된다는 점이 가능하다. 이는 또한 도 3에서의 문자 "B"의 프로젝션에서 예시적으로 도시된다.
따라서, 실시예들에서, 다다음번 단위의(after-next) 오버랩(또는 "페어링(pairing)") 또는 더 멀리 떨어진 프로젝션들(또는 인접한 서브 이미지들)이 인식된다는 점 또한 가능하다. 다시 말하면, 바로 인접하지 않은 프로젝션 광학기(125)(또는 "렌즈렛(lenslet)들")에 의해 야기되는 FOV의 프로젝팅되거나 디스플레이된 부분들의 오버랩이 가능하다.
공동 영역 오버랩은 진보한 수학식 6에서의 파라미터 σ에 필수적으로 대응된다는 점에 주목해야 하며, 상기 진보한 수학식 6은 도 6a 및 도 6b에 기초하여 예시적으로 유도될 것이다. 여기서, σ= 0 은 어떠한 오버랩도 존재하지 않는 경우를 설명하며, σ= 1 은 완전한 오버랩이 존재하는 경우를 설명한다. 실시예들에서, 공동 영역 오버랩은 0 보다 크며 1 보다 작다. 이는 완전한 오버랩이 아닌 부분적인 오버랩이 존재한다는 것을 의미한다.
실시예들에서, 필드 렌즈의 F 및 마이크로 렌즈들의 초점 거리들 f의 선택에 의해 고유하게 또는 명확하게 결정되는, 진보한 수학식 6에 따라 개별적인 이미지 컨텐츠의 오버랩은 특별한 장점을 가진다.
도 1a 및 도 1b에 따른 실시예들에서, 프로젝션 광학기 어레이(120)는, 이미지 평면(140)에서의 전체적인 이미지(150)로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포즈하기 위해 구현될 수 있어서, 프로젝션의 쌍들(137)의 공동 영역 오버랩(139)의 분포에 대한 집중 경향성(central tendency)이 0.2 과 0.8 사이에 있도록될 수 있다. 공동 영역 오버랩의 분포에 대한 집중 경향성은, 예를 들어, 0.5의 값을 가질 수 있다. 전형적으로, 이러한 값은 이미지 평면에서의 전체 이미지의 디스플레이에 대한 높은 이미지 퀄리티를 허용한다.
도 1a 및 도 1b에 따른 실시예들에서, 이미지 평면(140)에서 오버랩되는 프로젝션들(135)은 또한 프로젝션 광학기(125)에서의 다른 하나와 인접하다. 다시 말하면, 공동 영역 오버랩(139)을 형성하는 도 1b에서 도시되는 프로젝션의 쌍들(137)은 도 1a에서 도시되는 프로젝션 광학기 어레이(120)의 2개의 인접한 프로젝션 광학기(125)로 할당된다.
실시예들에서, 프로젝션 광학기(125)는 각각 이미저(110)의 서브 영역(115)으로 할당된다(도 1a 참조). 여기서, 프로젝션 광학기(125)의 피치(pitch)(127)는 프로젝션 광학기(125)로 할당된 이미저(110)의 서브 영역(115)의 피치(117)와 동일하다.
할당된 서브 영역들과 프로젝션 광학기 간의 동일한 피치를 사용함으로써, 이미저(110)의 할당된 서브 영역(115)에 의해 제공되는 개별적인 서브 이미지들은 무한대(infinity)로 맵핑될 수 있다. 여기서, 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로부터 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)로의 거리는, 예를 들어 초점 거리 f를 갖는 프로젝션 광학기(125)의 굴절력(refractive power)과 초점 거리 F를 갖는 필드 렌즈(130)의 굴절력의 합산으로부터의 결과 초점 거리 Fres에 대응될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 따른 실시예들에서, 프로젝션 광학기 어레이(120)는 필드 렌즈(130)를 더 포함하며, 여기서 필드 렌즈(130)는, 프로젝션 디스플레이(100)의 사용자의 동공(103)으로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 지향시키도록 하기 위하여, 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)의 프로젝션 방향(111)으로의 다운스트림이다. 따라서, 이미지 평면(140)은 가상의(virtual) 이미지 평면일 수 있으며, 여기서 이미저(110) 및 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는 필드 렌즈(130)와 이미지 평면 사이에 배열된다. 사용자의 눈(105)은 도 1a에서 개략적으로 도시된다.
도 1a에서 예시적으로 도시된 바와 같이, 필드 렌즈(130)는 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)의 방향에 대하여 광학 채널들의 각들(102)을 변경하도록 구현될 수 있어서, 광학 채널들이 동공(103)을 통하여 사용자의 눈(105)으로 나아가도록 할 수 있다. 바람직하게, 필드 렌즈의 초점(focal point)은 안구(eyeball)의 회전 중심과 인접하다. 여기서, 광학 채널들 각각은, 프로젝션 방향(111)으로 개별적인 프로젝션 광학기(125)를 통하는 광학 경로들을 포함한다.
이미지 평면으로 서브 이미지들의 프로젝션을 위한 몇몇의 광학 채널들을 사용함으로써, 멀티채널 프로젝션이 필수적으로 획득될 수 있다.
도 1a에서 도시되는 필드 렌즈(130)는, 예를 들어 Fresnel 렌즈일 수 있다. 일반적으로, Fresnel 렌즈는 비교적 얇다. 따라서, 상기 Fresnel 렌즈를 필드 렌즈로서 사용함으로써, 프로젝션 디스플레이의 구조적 길이가 보다 더 짧아질 수 있다.
따라서, 도 1a는 프로젝션 디스플레이(100)의 광학 기법에 대한 개략적인 도면을 도시한다. 도 1a에서 도시되는 실시예의 기본적인 구조는 이하에서 요약화될 수 있다. 전송될 전체 이미지 컨텐츠의 서브 이미지들은 각각 이미저(110) 또는 마이크로 이미저 상에서 어레이(2차원 그리드)로서 서브 영역들(115)로 표현된다. 이러한 서브 이미지들 각각은 2차원 분포(122)(렌즈 어레이)의 할당된 프로젝션 광학기(125)(예컨대, 마이크로 렌즈)에 의해 맵핑된다. 프로젝션 방향(111)으로 다운스트림하거나 또는 후속하는 필드 렌즈(130)는 관측자의 눈(105)으로 오버랩되는 방식으로 모든 서브 이미지들을 맵핑한다. 도 1a에 따른 이러한 어레이에 의하여, 인접한 가상의 전체 이미지가 사용자 또는 관측자에 대하여 이미지 평면(140)으로 발생된다.
도 2a는 이미지 평면에서의 진보한 전체 이미지를 도시하기 위한 개략도를 도시한다. 도 2a는 프로젝팅되는 가상의 전체 이미지(150)를 예시적으로 도시한다. 도 2a에서 프로젝팅되는 가상의 전체 이미지(150)는 도 1a에서 도시되는 프로젝션 디스플레이(100)의 이미지 평면(140) 내에 있다. 이미지 평면(140) 내의 전체 이미지(150)는 이미지 컨텐츠(205)를 포함한다. 예를 들어, 전체 이미지(150)의 이미지 컨텐츠(205)는 심볼 "ABC"(완전한 이미지 컨텐츠)를 표현한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 이미지의 서브 영역들의 2차원 분포에서의 서브 이미지들을 도시하기 위한 개략도를 도시한다. 도 2b는 이미저(110) 또는 마이크로 디스플레이 상의 서브 이미지들(215) 또는 부분 이미지들을 예시적으로 도시한다. 도 2b에서 도시되는 바와 같이, 서브 이미지들(215)은 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 상기 이미저(110)에 의해 디스플레이된다. 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 제공되는 서브 이미지들(215)은 이미지 컨텐츠(205)를 갖는, 도 2a에서 도시되는 전체 이미지(150)의 부분들을 표현한다. 추가적으로, 도 1a에서 도시되는 프로젝션 광학기(125)는 도 2b에서 도시되는 이미저(110)의 서브 영역들(115)로 각각 할당된다. 추가적으로, 도 2b의 개략도는 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)을 도시한다. 도 2b에서 도시되는 광학 축(101)은 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포의 중심을 필수적으로 통과한다.
도 2b에서 도시되는 실시예에서, 이미저(110)는 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)으로부터 증가된 거리를 갖도록, 프로젝션 광학기(125)로 할당된 이미저(110)의 서브 영역들(115)에서 서브 이미지들(215)를 디스플레이하도록 구현되어, 서브 이미지들(215)이, 이미저(110)로 제공되는, 디스플레이될 전체 이미지의 점차적으로(increasingly) 중심이탈된(decentered) 부분들이 될 수 있도록 한다. 이미저(110)로 제공되는 디스플레이될 전체 이미지는 이미지 평면(140)에서의 이미지 컨텐츠(205)를 갖는 프로젝팅된 가상의 전체 이미지(150)와 필수적으로 대응된다.
실시예들에서, 광학 축(101)은 상기 광학 축(101)이 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포의 중심을 필수적으로 통과하도록 정의된다.
도 2b에서, 광학 축(101)의 가장 짧은 거리를 갖는 이미저(110)의 서브 영역에서 표현되는 서브 이미지(213)에 비하여 광학 축(101)에 대한 더 긴 거리를 갖는 이미저(110)의 서브 영역들에서 표현되는 서브 이미지들(217-1 및 217-2)은, 이미저(110)로 제공되며 그리고 디스플레이될 전체 이미지의 보다 중심이탈된(decentered) 부분들이다. 서브 이미지(213)는, 예를 들어, 프로젝팅된 전체 이미지(150)의 이미지 컨텐츠에 대한 상대적으로 중심에 있는 부분(예컨대, 심볼 "B")를 표현하며, 서브 이미지들(217-1 및 217-2)은 프로젝팅된 전체 이미지(150)의 이미지 컨텐츠(205)에 대한 보다 중심이탈된 부분들(예컨대, 심볼들 "A" 및 "C")을 표현한다. 몇몇의 광학 채널들을 통한 멀티채널 프로젝션에 의하여, 이미저(110)로 제공되고 디스플레이될 전체 이미지의 점점더 중심이탈된 부분들 또는 서브 이미지들(215)은, 이미지 평면(140)에서의 전체 이미지(150)로 슈퍼임포즈될 수 있다. 따라서, 완전한 이미지 컨텐츠(예컨대, "ABC")를 갖는 프로젝팅된 가상의 전체 이미지(150)가 이미지 평면(140)에서 발생된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미저의 서브 영역들의 2차원 분포에서의 서브 이미지들을 도시하기 위한 개략도를 도시한다. 도 3은 프로젝팅된 가상의 전체 이미지에서의 잡음(artefact)들을 억제하기 위한 이미저의 엣지들 상의 서브 이미지들의 이미지 밝기의 연속적인 엣지 감소를 예시적으로 도시한다.
도 3의 실시예는 이미저(110)를 다시 도시하며, 상기 이미저(110) 상의 서브 이미지들(215)은 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 표현된다. 도 3에서 도시되는 서브 이미지들(215)은, 예를 들어, 도 2b의 실시예에 기초하여 논의된 바와 같이, 이미저(110)로 제공되며, 그리고 디스플레이될 전체 이미지의 점점더 중심이탈된 부분들일 수 있다.
도 3에 따른 실시예에서, 이미저(110)는, 서브 이미지(215)의 엣지(218)를 향하여 연속적으로 감소하는 이미지 밝기를 갖는 서브 이미지들(215) 각각을 디스플레이하도록 구현될 수 있다. 이에 따라서, 이미지 평면에서의 프로젝션들의 오버랩되는 영역에서의 잡음들이 억제되거나 또는 방지될 수 있다.
이미저(110)의 각각의 서브 이미지의 이미지 밝기는, 예를 들어, 중심 영역을 둘러싸는 엣지 영역(엣지(218)) 보다 서브 이미지(215)의 중심 영역에서 보다 밝은 이미지 밝기를 갖도록 조절될 수 있다. 동시에, 이미지 밝기는, 이미지 밝기가 최대 값으로부터 최소 값으로 단조롭게(monotonously) 떨어지도록 조절될 수 있다. 이는 이미지 밝기의 예시적인 연속적 엣지 감소를 설명한다. 도 3의 실시예에서, 이미지 밝기의 예시적인 연속적 엣지 감소를 사용함으로써 잡음들이 억제되거나 또는 제거되는 오버랩되는 영역은, 도 1b에서 도시되는 이미지 평면(140)에서의 서브 이미지들(135)의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(139)에 대응한다.
다시 말하면, 도 3에서 도시되는 실시예에서, 이미저는, 슈퍼임포즈되는 전체 이미지에서의 밝기 점프(jump)들을 억제하기 위하여, 상기 이미저 상의 서브 이미지들의 엣지들에서 이미지 밝기가 연속적으로 감소하도록 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 광학의 2차원 분포의 측면도를 도시한다. 도 4의 측면도는, 프로젝션 디스플레이(100)의 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122) 및 서브 영역들(115)의 2차원 분포를 갖는 이미저(110)를 도시한다. 도 4에서 도시되는 실시예에서, 프로젝션 광학기(125)는 각각 이미저(110)의 서브 영역(115)으로 할당된다. 도 1a에 따른 실시예와 유사하게, 도 4에서 도시되는 실시예에서의 프로젝션 광학기(125)의 피치(127)는 프로젝션 광학기(125)로 할당되는 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 피치(117)와 동일하다.
프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는, 자신들의 개구(aperture)와 관련하여 상이하게 중심이탈되는(decentered) 복수의 렌즈 세그먼트들(425)을 포함한다. 여기서, 복수의 렌즈 세그먼트들(425)은 도 4에서 예시적으로 도시되는 바와 같이, 프로젝션 디스플레이(100)의 사용자의 동공(103)으로 서브 이미지들의 프로젝션들을 지향시키도록 구현된다. 몇몇의 상이하게 중심이탈되는(decentered) 렌즈 세그먼트들(425)을 사용함으로써, 이미저(110)의 서브 영역들(115)에 의해 제공되는 서브 이미지들의 프로젝션들은 프로젝션 방향(111)으로의 필드 렌즈(예컨대, 도 1a에서의 필드 렌즈(130)) 다운스트림을 요구하지 않고 사용자의 동공(103)으로 직접적으로 지향될 수 있다. 이러한 다운스트림 필드 렌즈의 기능은 상이하게 중심이탈되는 렌즈 세그먼트들(425)의 전체(entirety)에 의해 제공될 수 있다.
원(circle) 401에서, 개구와 관련하여 상이하게 중심이탈되는 렌즈 세그먼트들(425)은 확대된 방식으로 도시된다. 원 401 내에서 확대된 방식으로 도시되는 렌즈 세그먼트들(425)은 각각의 렌즈 세그먼트의 개구와 상이한 중심이탈(decentration)을 갖는 렌즈 꼭짓점(vertex)들을 포함한다. 렌즈 꼭짓점들(427)의 상이한 중심이탈(decentration)을 제공함으로써, 프로젝션 방향(111)에서의 필드 렌즈(130) 다운스트림과 함께 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)를 이용하는 것과 동일한 효과가 단순히 복수의 렌즈 세그먼트들(425)에 의해 획득될 수 있다.
다시 말하면, 도 4에서 도시되는 실시예에서, 상이하게 중심이탈되는 렌즈 세그먼트들로 구성되는 렌즈렛들을 포함하는 렌즈 어레이를 사용함으로써, 필드 렌즈의 광학 기능이 렌즈 어레이로 통합될 수 있다. 따라서, 개별적인 필드 렌즈가 더이상 필요하지 않게 된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 서브 이미지들의 변위(displacement)들을 표현하기 위한 이미저들의 평면도들을 도시한다. 도 5a에서 도시되는 실시예에서, 이미저(110)는 프로젝션 거리를 조절하기 위하여 서브 이미지들(215)의 중심들(201) 사이에서의 거리들을 증가시키거나 또는 감소시키도록 구현된다. 도 5a는 2개의 상이한 세팅들 하에서 이미저(110) 상에 표현되는 서브 이미지들(215)를 도시한다. 추가적으로, 도 5a는, 서브 이미지들(215)이 표현되는 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)을 도시한다. 이미저(110) 상의 광학 축(101)과 관련하여 서브 이미지들(215)의 2개의 상이한 세팅들은 필수적으로 이미지 평면에서 프로젝팅되는 가상의 전체 이미지에 대한 2개의 상이한 프로젝션 거리들과 대응된다. 제 1 세팅에서의 서브 이미지들(215)는 점선들로 도시되며, 제 2 세팅에서의 서브 이미지들(215)은 실선들로 도시된다. 추가적으로, 서브 이미지들(215)의 중심들(201)은 제 1 세팅에서의 십자가(cross)들에 의해 도시되며, 이들은 제 2 세팅에서는 점들로 표현된다.
이미저(110)의 제 1 세팅과 제 2 세팅 간의 스위칭시, 서브 이미지들(215)의 중심들(201)은, 예를 들어, 광학 축(101)(변위 벡터들(211))에 관하여 방사형 대칭 방식(radial symmetrical manner)으로 이동될 수 있다. 광학 축(101)에 관하여 서브 이미지들(215)의 중심들(201)의 방사형 대칭 변위에 의하여, 서브 이미지들(215)의 중심들(201) 사이의 거리들은 각각의 세팅들에서 변경된다. 서브 이미지들(215)의 중심들 사이의 거리들은 예를 들어 제 1 세팅으로부터 제 2 세팅으로의 변위 벡터들(211)에 따른 변위에 의하여 증가될 수 있거나 또는 감소될 수 있다. 이는 프로젝팅된 가상의 전체 이미지의 위치를 조정하는 것을 가능케하거나 또는 프로젝션 거리를 증가 또는 감소시키는 것을 가능케한다.
도 5a에 따른 실시예들에서, 이미저 상에서의 서브 이미지들과 다른 서브 이미지들 간의 거리들의 소프트웨어-제어 변경에 의하여, 관측자에게 가상 이미지의 상이한 거리들은 이에 따라 가능한 결함있는 시야(defective vision)를 보상하기 위하여 조절될 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 실시예와 유사하게 이미저(110)의 2개의 상이한 세팅들에 대한 각자의 중심들(201)을 갖는 서브 이미지들(215)을 도시한다. 제 1 세팅에서의 서브 이미지들(215)은 실선들에 의해 도시되고 이들의 중심들(201)은 점들로 도시되며, 제 2 세팅에서의 서브 이미지들(215)은 점선들로 도시되고 이들의 중심들(201)은 십자가(cross)로 도시된다. 추가적으로, 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)이 다시 도시된다.
도 5b의 실시예에서, 이미저(110)는 이미저(110)의 서브 영역들의 2차원 분포의 측면 확장 방향(변위 벡터들(212)의 방향(212))으로 균등하게 모든 서브 이미지들(215)을 변위시키도록 구현된다. 여기서, 서브 이미지들(215)의 균등한 변위(또는 동일한 양만큼 변위 벡터들의 방향으로의 모든 서브 이미지들(215)의 중심들(201)의 변위)는 프로젝션 광학 어레이(120)의 광학 축(101)과 관련하여 사용자의 안구의 측정된 관측 방향(viewing direction)에 기초하여 설정될 수 있다. 사용자의 안구의 측정된 관측 방향에 기초하는 서브 이미지들(215)의 균등한 변위로 인하여, 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)에 관한 사용자의 사시현상(squinting)가 보상될 수 있다. 이는 또다시, 고스트 이미지들의 인지가 억제되거나 또는 방지되도록 허용하여, 멀티채널 프로젝션의 이미지 퀄리티를 추가적으로 증가시킬 수 있다.
따라서, 도 5b에 따른 실시예들에서, 상이한 사시 각(squint angle)들 및 이에 따른 관측자의 눈의 프로젝션 디스플레이의 광학 축에 대한 중심이탈(decentration)이 이미저의 서브 이미지들의 소프트웨어-제어에 의한 균등한 변위에 의해 보상될 수 있다.
추가적으로, 도 5b에 따른 실시예들에서, 프로젝션 디스플레이의 광학 축에 관한 안구의 위치는 또한 눈-추적 센서(eye-tracking sensor)에 의해 결정될 수 있다. 상기 센서에 의해 제공되는 측정된 양(quantity)으로부터, 중심이탈에 대한 설정 값(set value) 또는 이미저 상의 서브 이미지들의 균등한 변위가 유도될 수 있다.
실시예들에서, 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는 복수의 단면 볼록 렌즈(plano-convex lens) 또는 양면 볼록 렌즈(biconvex lens)들을 포함할 수 있다. 도 1a에서, 프로젝션 광학기(125)는 복수의 양면 볼록 프로젝션 렌즈들로 예시적으로 도시된다.
실시예들에서, 프로젝션 광학기 어레이(120)는 프로젝션 방향(111)에서 다른 하나의 상부에 적층된 프로젝션 광학기(미도시)의 복수의 2차원 분포들을 포함한다. 여기서, 프로젝션 광학기의 복수의 2차원 분포들은 프로젝션 광학기 어레이(120)의 수차(aberration)들을 보정하도록 구현될 수 있다. 프로젝션 광학기의 복수의 2차원 분포들(스택들)을 제공함으로써, 개별적인 프로젝션 광학기에 의한 프로젝션 동안의 맵핑 에러들의 보정들이 획득될 수 있다.
실시예들에서, 이미저(110)는 전달(transmissive) 또는 반사(reflective) 이미저이다.
도 6a 및 도 6b는 디스플레이가능한 전체 개수의 픽셀들에 대한 진보한 수학식을 유도하기 위한 관측 시야(FOV:field of view)의 분해식 및 광학 경로의 개략도들을 도시한다.
도 6a는 무한대(infinity)로의 맵핑을 위한 광학 경로를 예시적으로 도시한다. 광학 경로를 도시하기 위하여, 이하에서는 필드 렌즈(130)와 프로젝션 광학기(125)(렌즈 어레이)의 2차원 분포(122) 사이의 거리를 무시함으로써, 무한대로의 가상의 맵핑의 경우가 예시적으로 고려된다. 여기서, 디스플레이 또는 이미저(110)는 예를 들어, 초점 거리(F)를 갖는 필드 렌즈(130) 및 초점 거리(f)를 갖는 어레이의 개별적인 렌즈렛들(또는 개별적인 프로젝션 광학(125))로 구성되는 시스템의 초점 평면 내에 존재한다. 추가적으로, 관측자의 눈(105)은 예를 들어, 거리(F)에서 필드 렌즈(130)의 초점면(focal plane) 내에 존재한다.
어레이의 렌즈렛에 의해 전달되는 관측 시야(FOVlocal)의 일부분은, 결과 전체 초점 거리 Fres = f* F/(f+F)와 서브 이미지의 확장의 지수(quotient) d로부터 무한대에서의 가상 이미지의 프로젝션에 대한 근축(paraxial) 근사(approximation)로부터 획득된다. 추가적으로 η=d/a를 갖는 이미저 상의 서브 이미지들의 선형 충전율(filling factor) (여기서 a는 도 6a에서 도시되는 렌즈렛의 확장을 의미하며, 그리고 렌즈렛의 f-넘버(f/#) = f/a 임)이 삽입되는 경우, 이하의 수학식이 획득된다:
Figure 112014102578406-pct00003
상기 필드 렌즈는 관측 시야(field of view)의 글로벌 컴포넌트를 생성한다:
Figure 112014102578406-pct00004
여기서 D는 도 6a의 몇몇의 서브 이미지들(215)의 전체 확장(overall extension)이다.
결과 관측 시야(resulting field of view)는 양(both) 컴포넌트들의 합으로부터 획득된다:
Figure 112014102578406-pct00005
가능한 동종의(homogenous) 인접한 프로젝팅된 서브 이미지들 사이의(또는 이미지 평면(140)에서의 서브 이미지들의 프로젝션들(135) 사이의) 연결(connection)을 달성하기 위하여, 각각의 프로젝팅된 관측 각도(angle of view)(또는 서브 이미지들의 프로젝션들(135))의 부분적인 오버랩이 장점을 가질 수 있다. 이미지 평면(140)의 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 선형 오버랩은 이하의 수학식으로 계산된다:
Figure 112014102578406-pct00006
인접한 서브 이미지들의 정확한 연결(precise connection)은 σ = 0 (즉, 오버랩이 없음)과 대응되며, 동일한 서브 이미지들의 멀티채널 프로젝션 또는 멀티 프로젝션의 경우를 설명하는 정반대의 완전한 오버랩은 σ = 1에 대응된다.
이러한 광학 기법에 의한 1차원에서 디스플레이가능한 픽셀들의 수가 추정되는 경우, 이하의 관련성(connection)들이 야기될 것이다. 채널의 픽셀들의 수는, 이미저의 픽셀 피치(또는 픽셀들의 중심-대-중심 거리)(p) 및 서브 이미지 크기(d)로부터 계산된다:
Figure 112014102578406-pct00007
1차원에서 디스플레이되는 픽셀들의 전체 수는 이하로부터 획득된다:
Figure 112014102578406-pct00008
상기 수학식의 평가는, 이미저의 픽셀들의 수(D/p)와 비교할 때, 오직 매우 적은 수의 픽셀들만이 실제적으로 디스플레이가능하다는 점을 보여준다. 따라서, 많은 수의 픽셀들에 대한 요청과 양호한 이미지 연결을 획득하기 위해 가능한 많은 수인 인접한 프로젝팅된 서브 이미지들의 오버랩에 대한 전술한 요청 사이의 트레이드오프(tradeoff)가 발견된다. σ = 1/2 ... 3/4 의 오버랩들은 양 요청들 사이의 양호한 트레이드오프를 허용한다. 도 2b는 예시적인 특별한 케이스 σ = 0.5 및 서브 이미지들(215)의 예시적인 영역 충전율이 η = 50% 인 경우에 대한, 이미저(110) 또는 마이크로 이미저 상의 서브 이미지들(215)의 배열을 도시한다.
FOV의 인접-축(near-axis) 부분들에 대하여, 프로젝터의 눈 모션 박스(eye motion box)는 높이(height)와 대응되며, 이는 축과 평행한 빔과 동일하게 굴절되도록 어레이 엘리먼트의 로컬 FOV와 동일한 입사각을 갖는 빔(beam)이 필드 렌즈 상에서 가질 필요가 있다.
Figure 112014102578406-pct00009
하지만, 이러한 수학식은 오직 눈 모션 박스가 서브 이미지들(215)의 전체적인 확장(D)을 초과하지 않는 경우에만 적용된다. 만약에 로컬 FOVlocal σ의 큰 오버랩이 더이상 주어지지 않는 경우, EMB의 크기는 D에 대응된다. 어떠한 경우에서도, EMB는 개별적인 렌즈렛의 개구보다 크다.
FOV의 축외 부분들(off-axis parts)에 대하여, 더 적은 렌즈렛들이 맵핑에 기여할 수 있기 때문에, 눈 모션 박스의 크기는 감속될 수 있다. 이러한 FOV의 축외(off-axis) 부분들에 대하여 포커싱할 때의 안구의 한눈운동(duction)은 홍채(iris)의 중심이탈을 야기한다. 필드 렌즈의 초점이 홍채 뒤에 놓여지게 되는 경우(예컨대, 눈의 회전 중심에 놓여지게 되는 경우), 이러한 중심이탈의 방향(orientation)은, FOV의 이러한 부분들을 정확하게 프로젝팅하는 렌즈렛으로부터 발생되는 빔들의 위치와 대응될 것이다. 이러한 환경은 FOV의 외축(off-axis) 부분들에 대한 EMB의 크기의 감소를 적어도 부분적으로 보상한다.
실시예들에서, 전술된 어레이는, LED 백라이트(backlit) 전달 LCD 마이크로 이미저 또는 자가-조명 OLED 마이크로 디스플레이에 의해 또는 DLP ("digital light processing") 틸팅 미러 어레이(tilting mirror array) 또는 반사 LCoS를 통해 바람직하게 실현될 수 있다.
실시예들에서, 1 밀리미터의 범위에서의 일반적인 렌즈 피치들(프로젝션 광학의 중심-대-중심 거리들)을 갖는 단면 볼록 렌즈(plano-convex lens) 또는 양면 볼록 렌즈(biconvex lens) 어레이(122) 및 단면 볼록 필드 렌즈 또는 양면 볼록 필드 렌즈(130)는 프로젝션 광학기 어레이(120)에 의해 포함될 수 있거나 또는 맵핑 광학기로서 기능할 수 있다. 필드 렌즈(130)의 초점 거리(F)는, 여기서 관측자의 눈에 대한 충분한 거리(EC:Eye Clearance)를 획득하기 위하여 20 ... 40mm의 범위에서 선택될 수 있다. 눈에 대한 광학 거리는, 예를 들어, 개별적인 렌즈렛들의 서브 빔들(또는 프로젝션 광학(125)을 통하는 광학 경로들)이 만나는 필드 렌즈(130)의 초점면이 사용자의 안구의 회전 중심과 각막(cornea) 사이의 영역에 놓여지도록 선택될 수 있다.
렌즈 어레이(122)의 개선된 수차 보정을 획득하기 위하여, 전술한 바와 같이, 몇몇의 적층된 렌즈 어레이들에 의한 단순한 평면 또는 양면 볼록 렌즈 어레이(122)가 유용하다.
추가적으로, 실시예들에서, 광학기의 공간-절약 실현(space-saving realization) 또는 프로젝션 디스플레이(100)의 단축된 구조 길이는 Fresnel 렌즈를 필드 렌즈(130)로서 사용함으로써 획득될 수 있다.
*도 1a 및 도 1b에서 도시되는 실시예에 기초하여 논의된 바와 같이, 가능한 양호한 이미지 평면에서의 개별적인 프로젝팅된 서브 이미지들의 연결(connection)을 획득하기 위하여, 인접한 서브 이미지들의 프로젝션들 또는 관측 시야의 부분적인 오버랩이 실현될 수 있다. 프로젝션 디스플레이(100)에 의해 디스플레이가능한 픽셀들의 수에 대한 제한 및 이미지 평면에 놓여있는 전체 이미지(150)의 엣지에서의 이미지 밝기의 감소를 회피하기 위하여, 프로젝팅된 가상의 전체 이미지(150)에서의 서브 이미지들의 프로젝션들 사이의 전이(transition)들의 가능한 잡음들은, 이미저(110) 상의 각각의 서브 이미지의 엣지에서의 이미지 밝기의 연속적인 감소에 의해 완화될 수 있다. 이는 도 3에서 도시되는 실시예에 기초하여 이미 설명되었다.
도 5a의 실시예와 관련하여, 개별적인 프로젝팅된 서브 이미지들이 오버랩되는 가상의 이미지 평면의 위치는 이미저(110) 또는 마이크로 디스플레이 상의 서브 이미지들(215)의 중심들(201) 사이의 거리들을 증가 또는 감소시킴으로써 영향을 받게 될 수 있다. 따라서, 기계적으로 이동가능한 부분들 없이 관측자의 가능한 결함있는 시야에 대한 오로지 소프트웨어-기술의 적응(adaptation)만이 가능해진다. 이미지 중심들에서 다른 하나로의 거리들을 증가시킴으로써, 예를 들어, 관측자에 대한 가상의 이미지 평면의 거리 또는 프로젝션 거리가 증가될 수 있다.
프로젝션 디스플레이(100)의 광학 축(101)에 관하여 관측자의 눈의 중심이탈은, 할당된 것들을 통하지 않고 인접한 렌즈렛들 또는 프로젝션 광학기(크로스토크(crosstalk), 광학 크로스토크(optics crosstalk))를 통하여 이미저의 서브 이미지들을 관측함으로써 고스트 이미지들의 인식을 야기할 수 있다.
이미지 사전프로세싱(preprocessing) 소프트웨어에 의해 제어되는 이미저 상의 모든 서브 이미지들의 균등한 측면 변위 또는 높이 변위는, 특정한 제한들 내에서의 이러한 중심이탈의 보상을 획득하는 것을 허용한다(도 5b의 실시예와 비교). 프로젝션 디스플레이가 눈 추적(eye tracking)을 위한 센서에 의해 보충되는 경우, 서브 이미지들의 중심이탈에 대한 이미지 사전프로세싱 소프트웨어에 대한 설정 신호(set signal)은, 상기 센서에 의해 획득되는 안구의 위치 정보로부터 유도될 수 있다.
풀-컬러(full-color) 디스플레이는 주요 색상들 RGB에서의 서브 이미지들의 시간-순차적 스위칭-스루(time-sequential switching-through)에 의해 바람직하게 획득될 수 있다. 대안적으로, RGB 픽셀 트리플(triple)들은 주어진 픽셀 크기에 대한 디스플레이가능한 픽셀들의 수를 감소시키도록 사용될 수 있다. 가상의 이미지에서의 횡방향 색수차(transverse chromatic aberration)는 예를 들어, 주요 색 이미지들의 색상-종속적 사전-왜곡(color-dependent pre-distortion)을 위한 적절한 이미지 프로세싱에 의하여, 사전-보상(pre-compensated)될 수 있다.
실시예들에서, 풀-컬러 디스플레이는, 각각의 주요 색상 에 대한 이미지 컨텐츠의 각각의 동기화된 변경에 의해서 그리고 조명의 색상을 스위칭시킴으로써 색상-시퀀셜 디스플레이(color sequential display)의 사용에 의하여 인에이블링(enable)될 수 있다.
실시예들에서, 맵핑 광학 또는 프로젝션 광학기 어레이의 횡방향 색수차들은 이미저를 이용하여 이미지 컨텐츠에 대한 적합한 적응(adaptation)에 의해 보상될 수 있다.
비슷하게, 필드 렌즈의 효과 및 어레이의 렌즈렛들에 의해 야기되는 왜곡 에러들에 대한 보상은 서브 이미지 컨텐츠를 사전-왜곡함으로써 가능해진다.
요약하면, 실시예들은 마이크로 디스플레이, 프로젝션 광학기의 평평한 2차원 어레이(각각 이미지의 할당된 서브 영역을 맵핑함) 및 관측자의 평면에서 광학 경로들을 슈퍼임포즈하기 위한 필드 렌즈를 갖는 프로젝션 디스플레이를 제공하며, 여기서 이미저의 서브 영역들의 이미지 컨텐츠는, 어레이 축에 대한 각각의 렌즈렛의 거리로 전체 이미지의 점점더 중심이탈되는 부분들을 디스플레이한다. 단면 볼록 렌즈(plano-convex lens) 또는 양면 볼록 렌즈(biconvex lens) 어레이는, 예를 들어, 프로젝션 광학기 어레이로서 사용될 수 있다. 추가적으로, 개선된 수차 보정을 획득하기 위한 몇몇의 적층된 렌즈 어레이들은 프로젝션 광학기 어레이로서 사용될 수 있다.
실시예들에서, 이미저 상의 인접한 서브 이미지들의 컨텐츠는 이미지 평면에서의 멀티채널 프로젝션 이후에 부분적으로 오버랩될 수 있다.
실시예들에서, 왼쪽과 오른쪽에 대한 상이한 이미지 컨텐츠를 갖는 2개의 눈 시스템(2-eye system)은 3차원 장면(scene)들의 입체적인(stereoscopic) 프레젠테이션(presentation)을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전체 이미지(150)의 프로젝팅을 위한 방법을 제시한다. 상기 방법은, 예를 들어, 이하의 단계들을 포함한다. 서브 이미지들은 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포로 이미저(110)에 의해 디스플레이된다. 추가적으로, 서브 이미지들의 프로젝션들(135)은 이미지 평면(140)에서의 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)를 갖는 프로젝션 광학기 어레이(120)에 의해 전체 이미지(150)로 슈퍼임포즈되어, 이미지 평면(140)에서 쌍을 이루는 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(139)이 발생되며, 상기 공동 영역 오버랩(139)는 모든 쌍들(137)에 대하여 0.1과 0.8 사이의 값을 갖는다. 여기서, 프로젝션 디스플레이(100)는 전체 이미지(150)가 가상의 전체 이미지가 되도록 구현된다.
상기 설명된 실시예들은 단순히 본 발명의 원리들에 대한 예시를 제시한다. 어레이들에 대한 수정 및 변경 및 여기에서 설명된 구체적인 설명들은 당해 출원 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이라는 점이 명백하다. 그러므로, 본 발명은 단지 이하의 청구범위들의 범위에 의해 제한되지만 실시예들의 설명 및 논의 또는 예시에 기초하여 여기에서 제시되는 구체적인 세부사항들에 의해 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시예들은 이미저 또는 마이크로 디스플레이 및 눈과 근접하여 위치한 프로젝션 광학기 어레이 또는 미니어쳐화된(miniaturized) 광학기를 포함하는 프로젝션 디스플레이를 통하여 가상 이미지들을 프로젝팅하기 위한 광학 컨셉을 제공한다. 프로젝션 광학기 어레이는, 예를 들어, 필드 렌즈 및 프로젝션 광학기의 2차원 분포(렌즈 어레이)를 포함하며, 여기서 프로젝션 광학기 또는 어레이의 렌즈렛들 각각은 전체 FOV의 서브 영역들을 맵핑한다. 진보한 광학 기법은 종래의 기술에 따른 공지의 어레이 프로젝터에 의해 디스플레이가능한 픽셀들의 수에 대한 제한을 극복할 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 동시에, 짧은 구조적 길이의 장점이 진보한 광학 기법을 통해 유지된다.
본 발명의 실시예들은 단순한 광학기를 제공한다. 진보한 광학기는 매우 짧은 헤드 마운팅 디스플레이(HMD), 이미지 거리의 전기적 조정, 및 중심이탈에 대한 전기적 보상이 실현된다는 점이 특징이다.
본 발명은 이하의 장점들을 도시한다. 관측 시야(FOV)의 오버랩 및 이에 따른 픽셀들의 수와 눈 모션 박스(EMB) 간의 양호한 트레이드 오프가 획득된다. 추가적으로, 어레이의 잡음들은 더이상 가시적이지 않거나 또는 오로지 FOV 세그먼트화에 대한 매우 적은 잡음들만이 남아있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 중심이탈에 대한 전기적 보상, 전기적 포커싱뿐만 아니라 횡방향 색수차들에 대한 전기적 보상을 허용한다.
이러한 진보한 프로젝션 디스플레이는, 헤드 마운팅 디스플레이들(예컨대, 데이터 디스플레이 안경 또는 스마트 안경)에 대하여 요구되는 바와 같이, 예를 들어, 눈과 인접하게 위치한 미니어쳐화된 광학을 이용하여 동적이고(moving) 정적인(static) 가상의 이미지들을 디스플레이하기 위하여 동작한다.

Claims (15)

  1. 헤드-마운팅 디스플레이에서 사용되고, 프로젝션 광학기 어레이(120)가 눈 가까이에 위치할 때 가상 전체 이미지가 디스플레이되도록 하는 상기 프로젝션 광학기 어레이를 포함하는 프로젝션 디스플레이(100)로서,
    이미저(imager)(110)의 서브 영역들(sub-areas)(115)의 2차원 분포로 서브 이미지들을 디스플레이하기 위한 이미저(110); 및
    상기 프로젝션 광학기 어레이(120)- 상기 프로젝션 광학기 어레이는 쌍을 이루는(in pairs) 이미지 평면(140)에서의 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(mutual area overlap)(139)이 발생되게 하기 위하여, 이미지 평면(140)에서의 전체 이미지(overall image)(150)로 상기 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포즈(superimpose)하도록 구현되는 프로젝션 광학기(projection optics)(125)의 2차원 분포(122)를 가지고, 상기 공동 영역 오버랩(139)은 모든 쌍들(137)에 대하여 0.1과 0.8 사이에 있으며, 완전한 오버랩은 1에 대응되고, 오버랩이 없는 것은 0에 대응됨-;
    를 포함하며,
    여기서, 전체 이미지(150)가 가상 전체 이미지이고,
    상기 프로젝션 광학기(125)는 각각 상기 이미저(110)의 서브 영역(115)으로 할당되며, 상기 이미저(110)는, 상기 프로젝션 광학기(125)로 할당되는 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)에서의 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)에 대한 거리를 증가시킴으로써 상기 이미저(110)로 제공되는 디스플레이될 전체 이미지의 점차적으로 중심이탈되는 부분(increasingly decentered part)들인 서브 이미지들(215)을 디스플레이하도록 구현되며, 여기서, 상기 광학 축(101)은 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포의 중심을 필수적으로 통과하는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기 어레이(120)는,
    상기 쌍들(137)의 프로젝션들의 공동 영역 오버랩(139)의 분포의 집중 경향(central tendency)이 0.2와 0.8 사이가 되도록 하기 위하여, 상기 이미지 평면(140)에서의 상기 전체 이미지(150)로 상기 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포즈하도록 구현되는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 평면(140)에서 오버랩되는 프로젝션들(135)은 또한 상기 프로젝션 광학기(125)에서의 다른 하나의 프로젝션과 인접한,
    프로젝션 디스플레이(100).
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기(125)는 각각 상기 이미저(110)의 서브 영역(115)으로 할당되며, 여기서 상기 프로젝션 광학기(125)의 피치(pitch)(127)는 상기 프로젝션 광학기(125)로 할당되는 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 피치(117)와 동일한,
    프로젝션 디스플레이(100).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기 어레이(120)는,
    상기 프로젝션 디스플레이(100)의 사용자의 동공(pupil)(103)으로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 지향시키기 위하여, 프로젝션 방향(111)에서 상기 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)의 필드 렌즈(130) 다운스트림(downstream)을 더 포함하여, 상기 이미지 평면(140)은 가상의 이미지 평면이 되도록 하며, 상기 이미저(110) 및 상기 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는 상기 필드 렌즈(130)와 상기 이미지 평면(140) 사이에서 배열되는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈(130)는 Fresnel 렌즈인,
    프로젝션 디스플레이(100).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는 복수의 단면-볼록(plano-convex) 또는 양면 볼록(biconvex) 프로젝션 렌즈들을 포함하는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기 어레이(120)는 프로젝션 방향(111)에서 상기 프로젝션 광학기 상부에 다른 프로젝션 광학기가 적층된 복수의 2차원 분포들을 포함하며, 상기 프로젝션 광학기의 복수의 2차원 분포들은 상기 프로젝션 광학기 어레이(120)의 수차(aberration)를 보정하도록 구현되는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미저(110)는, 서브 이미지(215)의 엣지(218)를 향하여 연속적으로 감소하는 이미지 밝기로 상기 서브 이미지(215) 각각을 디스플레이하도록 구현되어, 상기 이미지 평면(140)에서 상기 프로젝션들(135)의 오버랩되는 영역(139) 내의 잡음들이 억제되거나 또는 방지되도록 하는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)는, 복수의 렌즈 세그먼트들(425)의 개구(aperture)에 대하여 상이하게 중심이탈되는 복수의 렌즈 세그먼트들(425)을 포함하며,
    상기 복수의 렌즈 세그먼트들(425)은 상기 프로젝션 디스플레이(100)의 사용자의 동공(103)으로 상기 서브 이미지들의 프로젝션들을 지향시키도록 구현되는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미저(110)는 프로젝션 거리를 조절하기 위하여 상기 서브 이미지(215)의 중심들(201) 사이의 거리들을 증가 또는 감소시키도록 구현되는,
    프로젝션 디스플레이(100).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미저(110)는, 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포의 측면 연장부(lateral extension)의 방향(212)으로 균등하게 모든 서브 이미지들(215)을 재배치(displace)시키도록 구현되며,
    상기 서브 이미지들(215)의 균등한 재배치(displacement)는, 상기 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)에 관하여 사용자의 안구의 측정된 위치에 기초하여 조절가능한,
    프로젝션 디스플레이(100).
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미저(110)는 전달(transmissive) 또는 반사(reflective)형 이미저인,
    프로젝션 디스플레이(100).
  14. 헤드-마운팅 디스플레이에서의 사용 및 프로젝션 광학기 어레이(120)가 눈 가까이에 위치할 때 가상 전체 이미지가 디스플레이되도록 하는 상기 프로젝션 광학기 어레이를 사용하기 위한 방법으로서,
    이미저(110)의 서브 영역들의 2차원 분포로 상기 이미저(110)를 이용하여 서브 이미지들을 디스플레이하는 단계;
    상기 프로젝션 광학기 어레이(120)에 의하여 이미지 평면(140)에서의 전체 이미지(overall image)(150)로 서브 이미지들의 프로젝션들(135)을 슈퍼임포즈(superimpose)하는 단계 - 상기 프로젝션 광학기 어레이는 쌍을 이루는(in pairs) 이미지 평면(140)에서의 상기 서브 이미지들의 프로젝션들(135)의 공동 영역 오버랩(mutual area overlap)(139)이 발생되게 하기 위하여, 프로젝션 광학기(125)의 2차원 분포(122)를 포함하고, 상기 공동 영역 오버랩(139)은 모든 쌍들(137)에 대하여 0.1과 0.8 사이에 있으며, 완전한 오버랩은 1에 대응되고, 오버랩이 없는 것은 0에 대응됨;
    를 포함하되
    상기 전체 이미지(150)는 상기 가상 전체 이미지이고,
    상기 프로젝션 광학기(125)는 각각 상기 이미저(110)의 서브 영역(115)으로 할당되며, 상기 이미저(110)는, 상기 프로젝션 광학기(125)로 할당되는 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)에서의 프로젝션 광학기 어레이(120)의 광학 축(101)에 대한 거리를 증가시킴으로써 상기 이미저(110)로 제공되는 디스플레이될 전체 이미지의 점차적으로 중심이탈되는 부분(increasingly decentered part)들인 서브 이미지들(215)을 디스플레이하도록 구현되며, 여기서, 상기 광학 축(101)은 상기 이미저(110)의 서브 영역들(115)의 2차원 분포의 중심을 필수적으로 통과하는,
    프로젝션 광학기 어레이를 사용하기 위한 방법.
  15. 삭제
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