KR101883221B1

KR101883221B1 - 픽셀 렌즈를 갖춘 콜리메이팅 디스플레이

Info

Publication number: KR101883221B1
Application number: KR1020137017315A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 에이. 해리슨; 데이비드 알렌 스미스
Original assignee: 록히드 마틴 코포레이션
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US9720228B2; KR20140018209A; CA2821401C; AU2011343660A1; EP2652542A1; JP6246592B2; JP2014505271A; CA2821401A1; CN103348278A; BR112013014975A2; MX2013006722A; WO2012083042A1; EP2652542B1; US20120154920A1

Abstract

디스플레이 어셈블리(515)는 (a) 픽셀 어레이(120)를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템 및 (b) 픽셀 렌즈 어레이(115)로 이루어진다. 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 픽셀 어레이에 상응하는 단일 픽셀로부터의 빛을 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하기 위해 배치된 각각의 렌즈를 갖는다. 상기 디스플레이 어셈블리(515)는 사용자의 눈으로부터 바람직한 거리에 있게 디스플레이 어셈블리(515)를 지지하는 프레임(510)을 포함하는 머리-장착 디스플레이 장치(500)에 이용된다. 상기 머리-장착 디스플레이 장치는 디스플레이 어셈블리(515)로부터 사용자의 눈에 이미지를 반사하기 위한 빔 분리기(520)를 또한 포함할 수 있다. 상기 머리-장착 디스플레이 장치는 사용자에게 넓은 범위의 시야를 제공할 것이고 확대 실재(augmented-reality) 또는 실감형(immersive) 타입이 될 수 있다.

Description

픽셀 렌즈를 갖춘 콜리메이팅 디스플레이 {COLLIMATING DISPLAY WITH PIXEL LENSES}

본 발명은 머리-장착 디스플레이(HEAD-MOUNTED DISPLAY) 장치에 관련된 것으로, 특히 픽셀화된 이미지 디스플레이 시스템으로부터 발생하는 콜리메이팅 또는 부분 콜리메이팅 광에 대한 렌즈 어레이(ARRAY OF LENSES)를 사용하는 머리-장착 디스플레이에 관한 것이다(이 렌즈 어레이를 “픽셀 렌즈”라 한다). 특정의 구체예에서, 상기 장치는 하나 이상의 반사광 표면, 예를 들어, 하나 이상의 자유 공간, 초광각, 반사광 표면(이하 “FS/UWA/RO 표면”으로 약칭함)을 사용한다. 특정의 구체예에서, 전체적인 광학 시스템은 비-동공 생성 시스템이다. 즉, 그 전체 시스템의 조절형 조리개(구경 조리개)는 사용자 눈의 동공이다.

픽셀 렌즈 및 하나 이상의 반사 표면(예를 들어, 하나 이상의 FS/UWA/RO 표면)은 사용자의 눈 가까운 곳에서 일어나는 발광 디스플레이 시스템으로부터 이미지를 표시하기 위해 사용된다.

헬멧-착용 디스플레이 또는 안경-착용 디스플레이와 같은 머리-장착 디스플레이(“HMD”)는 사용자의 한쪽 눈, 또는 통상적으로 두 눈 가까이에 위치한 하나 또는 그 이상의 작은 디스플레이 장치를 갖는 것으로 사용자의 머리에 장착하는 디스플레이 장치이다. 실물 이미지에 대향하는 것으로, 몇몇의 HMD 디스플레이만의 가상화된(컴퓨터 생성된) 이미지는 종종 “가상의 현실(VIRTUAL REALITY)” 또는 실감(IMMERSIVE) HMD로 명명된다. 다른 HMD들은 가상화되지 않은 실물 이미지 위에 가상의 이미지를 부과한다(결합한다). 이런 비가상화된 이미지와 가상화된 이미지의 결합은 이행하고자 하는 과제와 관련된 추가 데이터를 사용자의 전방가시영역(FORWARD FIELD OF VIEW: FOV)상에 결합시키는 바이저(VISOR) 또는 아이피스(EYEPIECE)를 통하여 HMD 사용자로 하여금 실물을 보게 한다. 이러한 결합은 때로 “확대 실재(AUGMENTED REALITY)” 또는 “혼합된 현실(MIXED REALITY)”로 명명된다.

비가상의 현실 시야에 가상의 이미지를 결합시키는 것은 부분-반사/부분-투과 광학 표면(“빔 분리기(BEAM SPLITTER)”)를 사용하여 달성될 수 있는데, 이 경우에는 표면 반사가 가상 이미지와 같은 (광학 감각 내에서) 가상화 이미지를 나타내는데 사용되고 표면 투과는 사용자로 하여금 실물 세계를 직접 보도록 하는데 사용된다(“OPTICAL SEE-THROUGH SYSTEM”이라 함). 실물 세계를 가상화 이미지에 결합하는 것은 또한 카메라로부터의 실물 세계 시야 비디오를 수용하고 그것을 전자적으로 결합기를 사용하여 가상화 이미지와 혼합함으로써 달성될 수 있다(“VIDEO SEE-THROUGH SYSTEM”이라 함). 이들 결합된 이미지는 반사광 표면 장치에 의하여 (광학 감각 내에서) 가상의 이미지로 사용자에게 제공될 수 있고, 이 경우는 투과성을 가질 필요가 없다.

위에서 살펴본 바와 같이, 반사광 표면은 HMD에 사용되어 사용자에게 (ⅰ) 가상화 이미지와 비가상화 이미지의 결합, (ⅱ) 가상화 이미지와 실제 세계의 비디오 이미지의 결합, 또는 (ⅲ) 순수한 가상화 이미지를 제공한다. (마지막의 경우를 “실감(IMMERSIVE)”시스템이라 한다). 이들 각각의 경우에, 반사광 표면은 사용자에게 보이는 (광학 감각 내에서) 가상의 이미지를 생성한다. 역사적으로, 이러한 반사광 표면은 출사동(出射瞳): EXIT PUPIL)이 실질적으로 사용자에게 보일 수 있는 시야의 동적 영역뿐만 아니라 시야의 정적 영역을 한정하는 광학 시스템의 일부이다. 구체적으로, 이 광학 시스템에 의해 생성된 이미지를 보기 위하여, 사용자는 그 광학 시스템의 출사동에 눈을 일치시켜야 하고, 그렇다 하더라도 사용자가 볼 수 있는 이미지는 시야의 전체 정적 영역을 커버하지 못하였다. 즉 반사광 표면을 사용한 HMD에서의 종래의 광학 시스템은 동공 형성(PUPIL-FORMING) 시스템의 일부이고 그래서 출사동을 제안하였다.

이 시스템이 그렇게 제한하였던 이유는 인간의 시야가 현저히 크다는 기본적인 사실이다. 즉 인간의 눈 정적 시야 공간은 눈의 중심와(FOVEAL) 시각과 주변 시각을 포함하여 수평 방향으로 약 150° 정도이고 수직방향으로 약 130° 정도이다. (본 발명의 목적을 위해서는, 150°의 시야각이 인간 눈의 전방 주시 정적 시야로 사용될 것이다). 이러한 큰 정적 시야를 수용할 수 있는 출사동을 갖는 잘 고정된 광학 시스템은 거의 존재하지 않고, 존재한다면 값이 비싸고 규모도 크다.

나아가, 인간 눈의 작동 시야는(동적 시야) 눈이 회전 중심을 중심으로 회전하기 때문에 더 크다. 즉 인간의 두뇌는 눈의 응시 방향을 변화시킴으로써 다른 방향으로 눈의 중심와 및 주변 시야를 향할 수 있다. 인간 눈의 수직 운동 범위는 위로 약 40° 아래로 약 60°이고, 수평 운동 범위는 전방으로부터 ±50° 범위이다. HMD에 종전에 사용된 광학 시스템에 의해 생성되는 출사공의 크기를 위하여, 눈의 작은 회전은 눈의 정적 시야와 출사동 사이에서 오버랩되는 것을 실질적으로 감소시키고, 눈의 더 큰 회전은 이미지가 완전히 사라지도록 한다. 이론적으로는 가능할지라도, 사용자의 눈과 공시적으로(in synchrony) 움직이는 출사동이 실용적이지 못하고 엄청나게 값이 비싸다.

인간 눈의 이러한 특성 때문에, 사람이 실제 세계를 보는 방식대로 이미지 디스플레이 시스템에 의하여 생성된 이미지를 보도록 하는 광학 시스템을 제공하는데 관련되는 세 가지 시야 영역이 있다. 이들 시야 영역 중에서 가장 작은 것은 눈을 회전하고 그래서 외부 세계에 대한 중심와(fovea)를 스캔할 수 있는 사용자의 능력에 의하여 결정된다. 최대 회전은 전방으로부터 ±50°이고, 그래서 이 시야 (중심와 동적 시야)는 약 100°이다. 중간 영역은 전방주시 정적 시야 영역으로 사용자의 중심와 및 주변 시야를 포함한다. 상기 설명한 바와 같이, 예를 들어 이 시야는 (중심와+주변 정적 시야 영역) 150°~168°이다. 가장 큰 영역은 눈을 회전하고 그래서 외부 세계에 대한 중심와 및 주변 시야를 스캔할 수 있는 사용자의 능력에 의하여 결정된다. ±50°의 최대 회전 및 150°의 중심와+주변 정적 시야에 기초하여, 가장 큰 시야 영역(중심와+주변 동적 시야 영역)은 200°이다. 최소 100°로부터 최소 150°까지 그리고 최소 200°까지로 증가하는 이들 시야 영역은 직관적이고 자연스럽게 이미지 디스플레이 시스템에 의해 생성된 이미지를 볼 수 있다는 점에서 사용자에게 상응하는 혜택을 제공한다.

사람의 눈이 눈에서부터 10인치 이내의 범위의 디스플레이에 쉽게 초점을 맞추기 위해, 콜리메이션 형성이 디스플레이로부터 발생하는 광선에 적용될 필요가 있다. 콜리메이션은 마치 광선이 눈과 디스플레이 사이의 실제거리보다 더 먼 거리에서부터 만들어진 것처럼 광선이 나타나도록 하게 한다. 보다 명백한 거리는 차례대로 눈이 디스플레이의 이미지에 더 쉽게 초점을 맞출 수 있게 해준다. 몇몇 머리-장착 디스플레이는 디스플레이로부터 빛을 콜리메이트(collimate) 하려는 시도로 그로스 레벨 미러(gross level mirrors), 렌즈, 또는 프리즘을 이용한다. 이러한 접근은 부피와 무게가 더해져서 이러한 머리-장착 디스플레이를 바라는 것보다 더 다루기 힘들고 무겁게 만든다. 또한, 이 접근은 모든 픽셀로부터의 빛을 그룹으로 콜리메이트 하도록 하기 때문에, 그들은 픽셀 단위 콜리메이션을 조절하는 능력이 없고 광학 수차를 콜리메이트 된 광 빔의 결과로 도입하는 경향이 있다.

그러므로 초점능력뿐만 아리나 적어도 인간 눈의 중심와 동적 시야와 호환할 수 있는 머리-장착 디스플레이가 필요하다. 본 발명은 이러한 필요성과 직접 연관이 있고, 넓은 시야에 걸친 콜리메이트 된 빛을 생성하는 머리-장착 디스플레이를 제공한다.

관련특허 출원

본 출원은 미국임시특허출원 제 61/432,934호(2010.12.16 출원), 제 61/424,162호( 2010.12.17 출원), 및 제 61/424,166호(2010.12.17 출원)를 우선권 주장한 것으로, 이들은 모두 본 발명과 직접 관련된다.

용어 정의

본 발명에서 “가상의 이미지(virtual image)”는 광학 감각 의미로 사용된다. 즉 가상의 이미지는 실제 인지되는 빛은 그 장소에서 발생하지 않는데 그 특정한 장소에서 나오는 것이라고 인지되는 이미지이다.

본 발명에서, 다음과 같은 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다:

(1) “반사광 표면(reflective optical surface)” (또는 “반사표면(reflective surface)” 혹은 “반사면(reflector)”이라고도 함)은 반사 및 투시 표면뿐만 아니라 단지 반사만을 하는 표면도 포함한다. 어떤 경우든지, 반사는 부분적인 것인데, 이는 입사 광선이 그 표면을 통하여 투과될 수 있다. 마찬가지로, 그 표면이 반사성과 투시성을 가질 때, 반사 및/또는 투사는 부분적일 수 있다. 아래에 설명한 바와 같이, 특정한 구체예에서, 단일 반사광 표면은 두 눈 혹은 각각의 눈이 자신의 각각의 반사광 표면을 가질 수 있게 사용될 수 있다. 다른 변형은 두 눈 또는 각각의 눈의 다중 반사광 표면을 사용하는 것을 포함한다. 믹스 앤 매치 조합은 또한 이렇게 사용될 수 있다. 예를 들어 단일 이미지 디스플레이 시스템은 한쪽 눈에 사용되고, 다중 이미지 디스플레이 시스템은 다른 쪽 눈에 사용되게 이용될 수 있다. 다른 대안으로 단일 또는 다중의 반사광 표면은 사용자 눈의 하나에 대해서만 제공될 수 있다. 아래에 명시된 청구항은 이들과 다른 반사광 표면 형태들을 커버하기 위한 것이다. 특히, 반사광 표면을 필요로 하는 각각의 청구항은 적어도 하나의 그러한 표면을 포함하는 머리-장착 디스플레이 장치를 커버 하기 위한 것이다.

(2) “발광 배열 픽셀로 구성된 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템” (“이미지 디스플레이 시스템” 또는 “디스플레이 시스템”으로 또한 나타낸다)은 표면을 통해 빛을 전송, 표면에서 빛을 형성 (예를 들어, LED의 배열을 통해), 다른 광원으로부터 빛의 표면을 반사, 혹은 등등의 방법으로 일반적으로 인간이 인지할 수 있는 이미지를 형성하는 빛을 방출하는 픽셀화된 표면을 갖는 어떠한 시스템을 포함하게 사용된다. 시스템은 하나 이상의 이미지 디스플레이 장치를 사용할 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 LED, OLED, 및/또는 LCD 배열을 사용할 수 있다. 반사광 표면을 갖췄기 때문에, 단일 이미지 디스플레이 시스템은 양쪽 눈에 대해서 사용될 수 있고, 또는 각각의 눈이 각각의 이미지 디스플레이 시스템을 가질 수 있다. 다른 변형은 두 눈 혹은 각각의 눈에 대한 다중 이미지 디스플레이 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 믹스 앤 매치 조합은 또한 이렇게 사용될 수 있다. 예를 들어 단일 이미지 디스플레이 시스템은 한쪽 눈에 사용되고, 다중 이미지 디스플레이 시스템은 다른 쪽 눈에 사용되게 이용될 수 있다. 다른 대안으로 단일 또는 다중의 반사광 표면은 사용자 눈의 하나에 대해서만 제공될 수 있다. 아래에 명시된 청구항은 이들과 다른 반사광 표면 형태들을 커버 하기 위한 것이다. 특히, 발광 픽셀 어레이로 이루어지는 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템을 필요로 하는 각각의 청구항은 적어도 하나의 이러한 시스템을 포함하는 머리-장착 디스플레이 장치를 커버 하기 위한 것이다.

(3) “디스플레이 어셈블리(display assembly)”는 이미지 디스플레이 시스템과 이미지 디스플레이 시스템의 발광면에 픽셀렌즈 배열의 조합을 말한다.

(4) “두 눈의 관찰자(binocular viewer)”는 각각의 눈에 대해 적어도 하나의 분리된 광학 요소(예를 들어 하나의 디스플레이 장치 및/또는 하나의 반사광 표면)를 포함하는 장치를 의미한다.

(5) “시야 영역(field of view: FOV)”은 물체(즉 디스플레이) 공간에서 “실제(real)” 의 시야 영역에 대향하여 이미지(눈) 공간에서 “출현하는(apparent)” 시야 영역을 의미한다.

(6) “실질적으로 콜리메이트 된(substantially collimated)”은 본 명세서에서 특별한 의미로 사용된다. 그러나 이 용어는 일반적으로는, 사용자 눈에서 양안전도(vergence)가 -1.0 디옵터 보다 크다면 발광 픽셀로부터의 빛이 "실질적으로 콜리메이트 되었다(substantially collimated)”고 한다. 참고로, 25m에서의 점광원은 -0.04 디옵터의 양안전도를 갖는다. 그래서 만약 픽셀렌즈 혹은 픽셀렌즈와 반사광 곡면의 조합은 사용자에게 나타나도록 25m의 거리에서 온 픽셀에 빛을 야기한다면 빛은 -1.0보다 큰 값인 -0.04 디옵터로 사용자의 눈에 양안전도 한다. 즉, -1.0보다 작은 음의 값을 갖고, 그래서 빛은 실질적으로 콜리메이트 되었다고(substantially collimated) 생각한다. 또한 참고로, 어떠한 콜리메이션 없는 이미지 디스플레이 시스템으로부터 방출된 빛은 약 3cm에서 약 -33 디옵터의 안전도를 가질 수 있다.

발명의 요약

본 발명의 제1 측면에 따르면,

(Ⅰ) 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;

(Ⅱ) 발광 픽셀 어레이로 이루어진 발광 표면을 갖고 상기 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(예를 들어, HMD의 사용 중에, 상기 프레임은 사용자 시야 밖의 고정된 위치에서 상기 이미지 디스플레이 시스템을 지지한다); 및

(Ⅲ) 상기 프레임에 의해 지지되는 반사광 표면(예를 들어, 상기 반사광 표면은 삼차원적 데카르트 좌표계의 어떠한 좌표축에 대해 회전 대칭적이 아닌 연속적인 표면이 될 수 있다(회전면이 아니다.), 예를 들어, 상기 반사광 표면은 자유공간, 초광각, 임의의 기원을 갖는 삼차원적 데카르트 좌표계의 x, y, 또는 z축에 대해 회전 대칭적이지 않은 반사광 표면이 될 수 있다.)

을 포함하고,

(a) 상기 장치는 상기 발광 픽셀 어레이와 상기 반사광 표면 사이에 위치한 픽셀 렌즈 어레이 및 각각의 상기 발광 픽셀에 대한 하나의 픽셀 렌즈를 포함하고, 상기 하나의 픽셀렌즈는 상기 장치의 사용 중에 관련 발광 픽셀로부터의 빛에 정렬되어 그 빛을 수신하고; 그리고

(b) 상기 픽셀 렌즈 어레이는 단독 또는 상기 반사광 표면과 조합하여 상기 장치를 사용하는 동안 상기 발광 픽셀 어레이로부터의 빛을 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하는(collimate or substantially collimate);

것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치를 개시한다.

본 발명의 제2 측면에 따르면,

(Ⅰ) 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;

(Ⅱ) 발광 픽셀 어레이로 이루어진 발광 표면을 갖고, 상기 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템;

(Ⅲ) 자유공간, 초광각, 상기 프레임에 지지되는 반사광 표면;

을 포함하고

(a) 상기 장치는 상기 발광 픽셀 어레이와 자유공간, 초광각, 반사광 표면의 사이에 위치한 픽셀 렌즈 어레이 및 각각의 상기 발광 픽셀에 대한 하나의 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 하나의 픽셀 렌즈는 상기 장치의 사용 중에 관련 발광 픽셀로부터의 빛에 정렬되어 그 빛을 수신하고; 그리고

(b) 상기 장치의 사용 중에, 자유공간, 초광각, 반사광 표면 및 상기 픽셀 렌즈는 상기 발광 표면의 공간적으로-분리된 부분의 공간적으로-분리된 가상의 이미지를 생성하고, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 공간적으로-분리된 최소한 다른 하나의 가상의 이미지로부터 적어도 100° 이상의 각도로 (구체예에서, 적어도 150°의 각도로, 또 다른 구체예에서, 적어도 200°의 각도로) 분리되며, 상기 각도 분리는 사용자 눈의 최전 중심으로부터 측정되는;

머리-장착 디스플레이 장치를 개시한다.

본 발명의 제3 측면에 따르면,

(Ⅰ) 사용자의 머리에 장착되기에 적합한 프레임; 및

(Ⅱ) 다음을 포함하는 프레임에 의해 지지되는 디스플레이 어셈블리;

(a) 발광 픽셀 어레이로 이루어진 발광 표면을 갖는 이미지 디스 플레이 시스템; 및

(b) 픽셀 렌즈 배열, 및 각각의 발광 픽셀에 대한 상기 장치의 사 용 중에 관련 발광 픽셀로부터의 빛에 정렬되어 그 빛을 수신 하는 하나의 픽셀렌즈;

를 포함하고,

상기 장치의 사용 중에, 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 발광 표면과 사용자의 눈 사이에 광 파워를 갖춘 상기 장치의 유일한 부품인 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치를 개시한다.

본 발명의 제4 측면에 따르면

(I) 사용자의 머리에 장착되기에 적합한 프레임; 및

(II) 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템;

을 포함하고,

(a) 이미지 디스플레이 시스템은 발광 픽셀 어레이로 이루어진 발광 표면으로 이루어져 있고;

(b) 상기 장치는 구형의 픽셀 렌즈 어레이 및 각각의 상기 발광 픽셀에 대한 하나의 구형의 픽셀 렌즈를 포함하고, 상기의 구형의 픽셀 렌즈 어레이는 상기 장치의 사용 중에 상기 발광 픽셀 어레이와 사용자의 눈 사이에 위치하는 머리-장착 디스플레이 장치를 개시한다.

본 발명의 제5 측면에 따르면,

발광 픽셀 어레이로 이루어진 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템으로부터 이미지를 생성하고;

상기 발광 픽셀 어레이에 정렬된 픽셀 렌즈 어레이의 각각 하나의 픽셀 렌즈에 의해 상기 발광 픽셀 어레이의 각각 하나의 발광 픽셀로부터의 빛을 독립적으로 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하고;

콜리메이트 되거나 실질적으로 콜리메이트 된 상기 픽셀 렌즈 어레이로부터의 빛을 사용자의 한 쪽 눈을 기준으로 배치된 반사면에 제공하고;

상기 반사면으로부터 콜리메이트 되거나 혹은 실질적으로 콜리메이트 된 빛을 사용자의 눈으로 반사하는 단계의 방법을 개시한다.

본 발명의 제6 측면에 따르면,

(a) 발광 픽셀 어레이로부터의 빛을 생성하고;

(b) 배치된 픽셀 렌즈 어레이에서 상기 발광 픽셀 어레이로부터 생성된 빛을 수신하고, 이러한 각각의 발광 픽셀로부터의 빛은 상기 픽셀 렌즈 어레이에서 상응하는 픽셀에 의해 콜리메이트 되거나 혹은 실질적으로 콜리메이트 되는; 그리고

(c) 사용자의 한 쪽 눈에 콜리메이트 되거나 혹은 실질적으로 콜리메이트 된 빛을 직접적으로 제공하는(즉, 빛을 렌즈의 영역 또는 광 파워를 가진 광 부품을 통해 통과하지 않고) 단계를 포함하는 방법을 개시한다.

다양한 구체예에서, 본 발명의 장치 및 방법은 다음과 같은 특징을 갖는다:

(i) 상기 반사광 표면 및 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 발광 표면의 공간적으로-분리된(spatially-seperated) 부분의 공간적으로-분리된(spatially-seperated) 가상의 이미지를 생성하고, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 공간적으로-분리된 최소한 다른 하나의 가상의 이미지로부터 적어도 100° 이상의 각도로(몇몇 구체예에서, 적어도 150°의 각도로, 그리고 다른 구체예에서는, 적어도 200°의 각도로)분리되며, 상기 각도 분리는 사용자 눈의 회전 중심으로부터 측정된다; 그리고 (ii) 상기 반사광 표면의 최소한 한 포인트는 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 다른 포인트로부터 적어도 100° 이상의 각도로(몇몇 구체예에서, 적어도 150°의 각도로, 그리고 다른 구체예에서는, 적어도 200°의 각도로) 분리되고, 상기 각도 분리는 사용자 눈의 회전 중심으로부터 측정된다. 이러한 구체예에서, 사용 중에, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 포인트를 지나는 시선 방향을 따라 위치할 수 있고, 최소한 하나의 다른 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 다른 포인트를 지나는 시선 방향을 따라 위치할 수 있다.

본 발명의 다양한 구체예에서, 분리된 픽셀 렌즈 어레이, 분리된 이미지 디스플레이 시스템, 및/또는 분리된 반사광 표면은 사용자의 눈 각각에 대해 사용된다. 다른 구체예에서, 상기 반사광 표면은 상기 픽셀 렌즈 어레이에 의해 제공된 상기 이미지 디스플레이 시스템으로부터 빛의 콜리메이션(또는 실질적 콜리메이션)에 기여하고, 상기 콜리메이션(또는 실질적 콜리메이션)에 대한 기여는 표면의 국소 곡률 반경(surface’s local radii of curvature)을 통해 성취된다.

다양한 구체예에서, 상기 HMD 장치는 두 눈의 비-동공-형성 시스템일 것이고, 눈은 롤링 센터에 대해 일반적으로 얻을 수 있는 각도 내에서 외부 동공을 통해 보는 것이 강제되지 않고 장치 내에서 자유롭게 움직일 수 있다. 이전의 HMD 장치는 그것이 넓은 범위의 시야를 갖거나 또는 제공할 수 있다고 주장했다. 그러나 이러한 장치는 눈을 통해 봐야 하는 외부 동공을 포함한다. 비록 눈에 제공되는 많은 정보들이 있지만, 만약 상기 눈이 밝혀지면 정보는 사라질 것이다. 이것은 반사 표면 및, 특히, FS/UWA/RO 표면을 사용하는 본 발명의 구체예에서 피해지는 동공-형성 시스템에 관한 핵심적인 문제이다.

상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 모두 단지 본 발명의 예시로 이해되고, 본 발명의 성질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공한다. 본 발명의 추가적인 특징 및 효과는 하기 상세한 설명에 개시되고, 본 발명의 기술분야의 당업자에게 부분적으로 명백하거나 또는 여기 기재된 설명에 의한 예시로서 본 발명을 실행함으로써 인식될 것이다. 첨부된 도면은 본 발명에 대한 이해를 제공하기 위해 포함되어 있고, 병합되어 있으며, 본 명세서의 일부를 구성한다. 본 명세서 및 도면에 개시된 본 발명의 다양한 특징은 일부 및 전부의 조합에 사용될 수 있다.

제1도는 구체예에 따라 각각의 픽셀에 대한 콜리메이팅 픽셀 렌즈를 포함하는 디스플레이 어셈블리의 부분 블록을 나타낸다.
제2도는 구체예에 따라 각각의 픽셀에 대한 콜리메이팅 픽셀 렌즈를 포함하는 디스플레이 어셈블리의 블록을 나타낸다.
제3도는 구체예에 따라 각각의 픽셀에 대한 콜리메이팅 픽셀 렌즈를 포함하는 디스플레이 어셈블리의 투시도이다.
제4도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈에 의해 콜리메이트 된 빛의 다이어그램이다.
제5도는 구체예에 따라 대체 픽셀 렌즈에 의해 콜리메이트 된 빛의 다이어그램이다.
제6도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 확대-실재 머리-장착 디스플레이 장치의 측면도이다.
제7도는 제6도의 확대-실재 머리-장착 디스플레이 장치를 입은 사용자의 정면도이다.
제8도는 제6도 및 제7오의 확대-실재 머리-장착 디스플레이 장치에 대한 빛의 경로를 도시한 다이어그램이다.
제9도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 확대-실재 머리-장착 디스플레이 장치에 대한 광선을 도시한 다이어그램이다.
제10도는 구체예에 따라 안구에 들어가는 광선을 도시한 다이어그램이다.
제11도는 구체예에 따라 사용자의 두 눈에 상응하는 두 개의 굽은 반사광 표면의 사용을 도시한 머리-장착 디스플레이 장치의 상면도이다.
제12도는 시선의 직진 방향에 대한 사람 눈의 정적 시야를 도시한 개략도이다.
제13도는 제12도의 정적 시야와 구체예에 따른 FS/UWA/RO 표면 사이의 상호작용을 도시한 개략도다. 제13도의 화살표는 빛의 전달 방향을 도시했다.
제14도는 구체예에 따라 픽셀이 눈을 향해 반사되기 때문에 디스플레이 위에 주어진 픽셀로부터 빛의 경로를 도시한 다이어그램이다.
제15도는 구체예에 따라 반사표면에 대한 국소 법선을 계산하기 위한 기하학을 도시한 개략도다.
제16도는 구체예에 따라 픽셀이 눈을 향해 반사되기 때문에 디스플레이 위의 두 개의 픽셀로부터 빛의 경로를 도시한 다이어그램이다.
제17도는 구체예에 따라 반사면의 국소 법선의 방향을 선택하는데 사용되는 변수를 도시한 다이어그램이다.
제18도는 구체예에 따라 빛의 경로와 함께 곡선의 반사면을 나타낸다.
제19도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 대체 확대-실재 머리-장착 디스플레이 장치의 측면도이다.
제20도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 실감 머리-장착 디스플레이 장치의 측면도이다.
제21도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 실감 머리-장착 디스플레이 장치에 대한 광선의 경로를 도시한 다이어그램이다.
제22도는 구체예에 따라 픽셀 렌즈를 갖는 실감 머리-장착 디스플레이 장치에 대한 빛의 경로를 도시한 다이어그램이다.

Ⅰ. 도입부

상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 픽셀 렌즈의 이용을 통해 사용자에게 콜리메이트 된(혹은 실질적으로 콜리메이트 된) 이미지를 제공하는 HMD 장치와 관련 있다. 상기 픽셀 렌즈는 광학 시스템 또는 굽은 반사광 표면(예를 들어, FS/UWA/RO 표면)을 사용하는 구체예에서 콜리메이션의 유일한 소스가 될 것이고, 픽셀 렌즈에 의해 제공된 콜리메이션은 상기 굽은 반사광 표면으로부터 기여된 콜리메이션과 결합될 것이다.

일반적으로, 특정 구체예에서, 상기 HMD의 이미지 디스플레이 시스템은 실감 디스플레이 장치(immersive display device)로 이용되기 위해 눈 앞에 직접적으로 위치한다. 다른 구체예에서, 상기 HMD 장치는 확대-실재(augmented-reality) 디스플레이 장치를 생산하기 위해 이미지 디스플레이 시스템으로부터 빛을 반사하기 위한 평평하거나 혹은 굽은 빔-분리기(beam-splitter)를 포함한다. 원하는 경우에, 상기 반사 구체예는 상기 반사 표면을 비-투과적(non-transmissive)으로 만듦으로써 실감 디스플레이 장치를 생산하는 데 이용될 수 있다.

아래의 설명은 본 발명의 HMD 장치에서 이용될 수 있는 픽셀 렌즈의 구체예의 비-제한적 예시를 설명과 함께 시작하고(Section II) 그런 다음 최소한 하나의 FS/UWA/RO 표면을 포함하는 HMD 장치를 포함하여, 최소한 하나의 굽은 반사광 표면을 사용하는 HMD 장치에 대한 설명을 진행한다(Section III). Section III은 픽셀 렌즈를 포함하는 광학 시스템에 이용되는 FS/UWA/RO 표면에 대한 설계과정의 설명을 또한 포함한다. Section III 다음에, 굽은 표면이 아닌 반사광 표면을 사용하는 구체예가 설명되고(Section IV), 다음으로 반사 표면의 사용 없이 직접 보는 이미지 디스플레이 시스템을 설명한다(Section V). 마지막으로, 본 발명의 다양한 구체예에 적용할 수 있는 일반적인 설명이 제공된다(Section VI).

본 발명의 특정한 설명 부분에서 나타나는 HMD 장치의 다양한 부품의 설명은 이 부분의 구체예에 제한되지 않는다, 그러나 상기의 설명은 본 발명의 모든 구체예에 일반적으로 적용할 수 있다. 하나의 예로서, Section Ⅱ 및 Ⅲ에서 나타난 HMD 장치에 이용될 상기의 픽셀 렌즈 타입 및 이미지 디스플레이 시스템의 설명은 본 발명의 모든 구체예에 적용할 수 있다.

II . 픽셀 렌즈( Pixel Lenses )

상기 개시 및 아래의 상세 설명에 따라, 상기 픽셀 렌즈는 사용자의 눈에 가까이 위치할 때 상당한 부피 또는 무게를 HMD 장치에 도입하지 않고 시스템의 보기를 허용하기 위해 이미지 디스플레이 시스템에 의해 발산된 빛의 콜리메이션(또는 부분 콜리메이션)을 수행한다. 픽셀당 단일 렌즈를 갖는 것은 요구되는 상기 디스플레이 광학기(display optics)의 크기를 감소시키고, 그리고 단지 단일의 큰 거울 또는 렌즈로 수행한 콜리메이션의 결과인 왜곡(distortion)을 제거한다. 특히, 한번에 하나의 픽셀만을 진행시키기 때문에 상기 디스플레이로부터 형성된 이미지에서 상기 픽셀 렌즈는 넓은 범위의 수차(aberrations)를 야기하지 않는다. 게다가, 큰 픽셀 렌즈 어레이는 원하는 만큼의 시야 범위를 허용하도록 사용자에게 제공된다. 특히, 특정 구체예에서, 상기 픽셀 렌즈 기술은 휴대폰 디스플레이와 유사한 스크린과 같은 근접하지만 반사 표면에 걸쳐 펼쳐 있는 디스플레이 스크린을 보는 것을 허용한다. 원하는 경우, 각각의 픽셀 렌즈는 각각의 사용자의 눈에 대해서 관련된 하나의 픽셀의 위치에 기초하여 독립적으로 달라질 수 있다.

제1도는 하나의 구체예에 따라 이미지 디스플레이 시스템(10) 및 그것의 관련 픽셀 렌즈 어레이의 부분 블록 다이어그램이다. 상기 이미지 디스플레이 시스템(10)은 하나의 컴퓨터 출력표면 또는 투사표면(25) 및, 이 구체예에서, 하나의 이미지 투사 어셈블리(image projecting assembly)(40)로 이루어져 있다. 상기 투사표면(25)은 발광 픽셀의 다수 또는 어레이를 포함한다(예를 들어, 제2도 및 제3도의 픽셀(120)). 상기 이미지 디스플레이 시스템(10)은 사람 눈에 인지할 수 있는 텍스트, 그래픽 또는 비디오 이미지(이하 “이미지”)를 만든다. 상기 발광 픽셀의 다수 또는 어레이 및 이미지 투사 어셈블리(40)는 현재까지 알려지거나 또는 개발된 액정표시장치(liquid crystal display: LCD) 기술, 발광 다이오드(light-emitting diode: LED) 기술, 유기발광 다이오드(organic light emitting diode: OLED) 기술, 가스 플라즈마(gas plasma) 기술, 광섬유 번들(fiber optic bundle) 기술 또는 다른 이미지 투사기술을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 이미지 디스플레이 시스템(10)과 관련된 픽셀 렌즈의 다수 또는 어레이(15)는 기판(30) 위에 또는 기판(30) 안에 있다. 각각의 픽셀 렌즈(15)는, 예를 들어 마이크로미터(μm) 범위의, 작은 크기이고, 상기 이미지 디스플레이 시스템의 단일 발광 픽셀에 정렬하기 위해 구성되고, 이러한 상기 픽셀로부터의 빛의 발광은 근접한 범위에서 상기 이미지 디스플레이 시스템으로부터 형성된 이미지의 보기를 가능하게 하기 위해 콜리메이트 또는 부분 콜리메이트(collimated or partially collimated) 된다.

상기 이미지 디스플레이 시스템(10)의 자세한 사항에 따르면, 상기 시스템은 일반적으로 사용자에 의하여 보여지기 위한 상기 시스템의 발광 표면(시스템의 스크린) 위에 표시된 이미지를 생성하기 위하여 다층 구조물, 필터를 갖춘 필름 및/또는 기판, 이미터(emitters) 등을 포함한다. 하나의 구체예에서, 각각의 발광 픽셀은 특정한 픽셀의 색 조도와 상응하는 RGB(red, green and blue) 데이터와 같은 픽셀 컨트롤 정보(pixel control information)에 의해 조절된다. 상기 이미지 디스플레이 시스템(10)은 RGB 입력 데이터 또는 그래픽 소스(예를 들어 제6도의 카메라(540))로부터의 다른 이미지 정보를 수신할 수 있다. 상기 RGB 데이터는 어느 정도 사람 눈에 의해 식별될 수 있게 행열 구동회로 및 이미지를 디스플레이 하기 위한 상기 픽셀을 조절하는 수단을 작동시키기 위해서 사용된다. 하나의 구체예에서, 상기 이미지 디스플레이 시스템(10)은 평평한 판 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 이미지 디스플레이 시스템은 굽은 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다.

작동 중에, 상기 이미지 디스플레이 시스템은 상기 픽셀 레벨(pixel level)에서 조절하도록 구성된다. 특히, 각각의 발광 픽셀의 상기 조도는 위치에 기초하여 각각의 상기 눈 및/또는 그것의 관련 픽셀 렌즈에 대해 독립적으로 달라질 수 있다. 이러한 방법으로, 상기 디스플레이 시스템으로부터 생성된 상기 이미지는 눈-근접 보기(near-to-the-eye viewing) 중에 시야에 걸쳐 상당히 획일적인 조도를 가질 수 있다.

몇몇 구체예에서, 상기 픽셀 렌즈의 사용은 상기 머리-장착 디스플레이 장치에서 사용되는 다른 광학기를 간소화시킬 것이다. 예를 들어, 몇몇의 구체예에서, 콜리메이션을 위해 달리 사용될 상기의 렌즈 또는 거울 구성은 더 이상 필요하지 않다. 추가의 광학기가 더 이상 필요없는 경우, 모든 남아 있는 광학기는 오로지 상기 이용할 수 있는 콜리메이트 된 픽셀 빔을 적절한 시야에 걸쳐 바람직한 시야를 사용자에게 제공하기 위해 분배하는 것과 관련될 것이다. 더 많은 광학기가 확대 실재(augmented reality) 경우에 필요로 될 수 있다, 그러나 이 경우에, 콜리메이션 제공은 필요 없을 수 있고, 단지 상기 광 빔의 분배 제공만 필요할 수 있다. 모든 경우에, 하나의 렌즈에 있는 모든 상기 픽셀을 다루는 그로스 굴절 렌즈(gross refractive lens)를 지나가는 것으로부터 발생하는 색수차(chromatic aberration)는 많이 감소되거나 또는 없고, 그리고 색수차는 반사면에서 일어나지 않는다.

제2도 및 제3도는 이미지 디스플레이 시스템의 각각의 픽셀(120)에 대한 픽셀 렌즈(115)를 포함하는 디스플레이 어셈블리(100)의 부분 묘사를 보여준다. 한번에 단일 픽셀의 상기 콜리메이션을 조정함으로써, 콜리메이트 되거나 또는 부분 콜리메이트 된 광 빔의 세트는 디옵터 또는 콜리메이션 특성을 조정하지 않고(또는 디옵터 또는 콜리메이션 특성을 덜 조절하고) 다른 광 투과 및/또는 반사 장치로 조작되는 상기 디스플레이 어셈블리(100)에 의해 제공되고, 그러므로 눈-근접(near-to-the-eye) 디스플레이 시스템의 구성을 용이하게 한다. 상기 눈-근접 디스플레이 시스템은 눈으로부터 일, 이 또는 삼 인치 거리로 장착될 것이고, 또는 상기 시스템에 의한 상기 이미지는 눈으로부터 일, 이 또는 삼 인치 거리의 표면으로부터 반사될 수 있다, 이는 아래에 좀 더 상세하게 설명될 것이다. 각각의 픽셀 렌즈(115)는 상기 디스플레이 어셈블리(100)가 사람의 눈에 얼마나 가까이에 위치할지에 대한 적절한 콜리메이션 교정의 양을 제공하기 위해 구성된다. 모든 상기 픽셀 렌즈의 상기 복합체는 픽셀 렌즈 어레이가 되고, 어레이로 합쳐질 때, 발광 픽셀 당 하나의 렌즈는 하나의 이미지를 만들기 위해 공동으로 조합한다. 상기 어레이는 제1도 내지 제3도에 도시된 것보다, 일반적으로 더 많은 픽셀 렌즈를 갖는다, 예를 들어 수십만의 또는 수백만의 픽셀 렌즈를 갖는다.

제2도 및 제3도에 나타난 구체예에서, 상기 픽셀(120)은 기판(125) 위에 지지된다. 상기 픽셀 렌즈(115)는 최소한 상기 픽셀 렌즈(115)를 지지하는 부분에서 빛이 지나가도록 하는 기판(130) 위에 지지되거나 또는 기판(130)에서 형성될 것이다. 기판(130) 및 해당하는 픽셀 렌즈(115)는 하나의 구체예에서 기판(125)로부터의 고정된 거리 및 픽셀(120)을 지지한다. 제2도에서, 스페이서(spacers)(121)는 상기 픽셀 렌즈와 상기 렌즈 사이의 바람직한 간격을 얻기 위해 사용된다. 제3도는 다른 구체예에서 기판(130)을 기판(125)에 일체 시키고, 그리고 기판(130)은 픽셀(120) 및 픽셀 렌즈(115)의 바람직한 분리를 제공하기에 충분히 두껍다.

비록 제1도 내지 제3도에서 평평한 것으로 도시되어 있지만, 상기 디스플레이 어셈블리는 구부러질 수 있다. 예를 들어, 직진 시야 HMD의 경우에서, 상기 디스플레이 어셈블리는 사용자의 눈을 향해 오목할 수 있다. 다른 예로써, 반사 표면을 사용하는 HMD 장치의 경우에, 상기 디스플레이 어셈블리는 상기 각각의 픽셀 빔을 넓은 어레이로 확산시키기 위해 상기 반사표면을 향해, 예를 들어 원통형처럼, 볼록할 수 있고 그러므로 넓은 시야를 제공한다.

상기 빛이 픽셀 렌즈(115)로부터 완전하게 콜리메이트 되었을 때, 픽셀(120)로부터의 상기 광자 방출은 상기 픽셀(120)과 같은 직경의 좁은 광선 속에서 눈으로 이동할 것이다. 이것은 뷰어의 내부 부유 빛을 감소시키고, 이미지를 더 선명하게 만들고, 상기 이미지 시스템으로부터의 빛 또는 외부로부터 옮겨진 빛을 더 쉽게 보게 만든다. 구체적으로 말하면, 픽셀 렌즈를 사용하는 머리-장착 디스플레이 장치의 하나의 구체예에서, 상기 눈의 롤링 센터는 주어진 픽셀(120)에 관하여 특정한 고정된 위치에 있고, 그리고 픽셀 렌즈의 사용을 통해서, 상기 픽셀(120)은 하나의 방향으로 비추고, 눈이 다른 방향을 향할 때, 넓은 시야의 부분으로서 픽셀(120)에서 직접적으로 보거나 혹은 픽셀의 빛을 흡수하기 위한 상기 눈의 필요를 충족시킨다. 다른 방법을 살펴보면, 각각의 픽셀(120)로부터의 빛이 콜리메이트 되거나 혹은 실질적으로 콜리메이트 되기 때문에, 사용자에게 같은 양의 빛을 디스플레이 하기 위해 필요로 되는 파워의 양은 픽셀 렌즈를 사용하지 않는 시스템의 경우에서 필요 되는 것으로부터 감소된다. 픽셀 렌즈를 사용하지 않는 시스템의 경우, 상기 픽셀은 사용자의 눈으로 들어가지 않는 여러 방향으로 흩어진 빛을 생성하고, 그리고, 비록 상기 부유 빛은 흡수되더라도, 그것은 상기 머리-장착 디스플레이 장치 내에서 광학 환경을 방해하는 내부 “잡음광(light noise)”이 된다. 그러므로, 요약하자면, 상기 픽셀 렌즈는 상기 빛을 콜리메이트 된(또는 실질적으로 콜리메이트 된) 좁은 빔의 세트로 모으고, 부유 발산물을 줄이고, 그래서 관련 없고 사용되지 않는 발산물을 생성하는데 필요로 하는 여분의 파워를 요구하지 않게 구성된다.

몇몇 구체예에서, 눈과 고정되지 않은 관계는 필요하지 않다. 특히 상기 픽셀(115)은 상기 발광 픽셀로부터 발산하는 빛을 완전하게 콜리메이트 하기 위해 상기 픽셀 및 픽셀 렌즈가 눈이 볼 수 있는 어느 곳에든 설치될 수 있다. 부분적으로 콜리메이트 된 시스템은 사용자가 디스플레이 된 이미지, 텍스트, 비디오 또는 다른 그래픽 정보를 볼 수 있게 허용하는 양에 의해 눈으로부터 멀리 디스플레이 될 수 있다. 예를 들어, 유한 거리(예를 들어, 30미터)에서의 이미지를 가짐으로써, 무한 거리에서와는 대조적으로, 이미지를 볼 때 상기 눈은 보다 편안해 질 수 있다(덜 수용할 수 있다).

하나의 구체예에서, 텔레비전 스타일의 디스플레이 시스템이 사용자에게 제공될 수 있고, 그 사용자는 그 파동이 콜리메이트 되기 때문에 이미지가 멀리서부터 온 것 같은 비디오 이미지를 볼 수 있고, 그리고, 예를 들어, 그의/그녀의 눈에 다시 초점을 맞추지 않고, 걸어갈 수 있다. 상기 텔레비전 디스플레이 시스템은 사용자 시야 내의 어느 곳에든 놓여질 수 있다. 예를 들어, 디스플레이가 사용자의 눈에 매우 가깝기 때문에, 만약 상기 디스플레이가 사용자 시야의 전 범위를 커버한다면, 상기 디스플레이는 사용자가 볼 수 있는 것을 조절하고, 대상을 가까이에, 멀리에, 또는 그 중간에 나타나게 할 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 디스플레이 시스템이 확대 실재 비전 시스템에 이용된다면, 이미지를 현실에서 나타나게 하기 위해 상기 디스플레이 시스템은 확대 실재 시스템이 이미지가 나타나게 설계되는 곳에 위치해야 한다.

몇몇 구체예에서, 디스플레이로부터의 빛을 모든 픽셀을 수용하는 렌즈 구성을 통해 진행시키는 이전의 장치에서 발생하는 것과 같은 이미지의 비-근축(non-paraxial) 왜곡은 없다. 상기 픽셀은 사용자에게 제공될 가장 작은 디스플레이 유닛으로 이미 나뉘어졌기 때문에, 디옵터-교정 렌즈(diopter-corrective lensing)(즉, 픽셀 렌즈(115))를 상기 가장 작은 유닛에 단독으로 적용하는 것은 그렇지 않으면 렌즈와 관련하여 발생할 비-근축 수차 및 왜곡을 피하게 한다. 또한, 상기 빛이 콜리메이트 된 후에, 거울이 더 이상 콜리메이션 기능을 수행할 필요가 없기 때문에 상기 빛의 경로는 쉽게 접힐 수 있고 또한 상기 거울 어셈블리에 유도될 수 있다.

하나의 구체예에서, 각각의 픽셀 렌즈(115)의 상기 디옵터 설명서는 커스텀 레벨(custom level)로 설정될 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 디스플레이 어셈블리(100)는, 그것이 거울과 접촉할 때, 특정한 방향으로 반사하기 위해 초점이 맞춰진 각각의 픽셀 렌즈(115)의 출력과 함께 굽은 방식으로 구성될 수 있다. 하나의 픽셀렌즈(120)에 정확하게 상응하는 단일의 픽셀 렌즈(115)를 사용하면 눈 바로 위에 놓여질 수 있고 선명하게 보여질 수 있는 축소된 디스플레이의 생성을 가능하게 한다. 상기 픽셀 렌즈(115)는 상기 픽셀(120)과 함께 각각의 픽셀(120)의 디옵터를 교정하기 위해 직접 작동한다.

제4도는 픽셀(315)로부터 발산되고 픽셀 렌즈(320)로 들어가는 큰 양안전도를 갖는 광선(310)을 나타내고, 그것의 지지기판(130)은 상기 픽셀로부터 D1의 거리에 위치한다(예를 들어, D1은 8μm). 상기 픽셀 렌즈(320)는 일반적으로 고체의 돔 모양 프로필을 갖는다. 다른 말로, 상기 픽셀 렌즈(320)의 출사면은 굽어있고, 입사면은 필히 평평하고 기판(130)과 일체형이다. 상기 픽셀 렌즈 (320)의 평평한 면은 D2의 지름을 갖고, 예를 들어, D2는 8μm이다. 상기 구체예에서, 예를 들어, 렌즈(320)의 굽은 부분의 곡률반경은 5.45μm가 될 수 있다. 상기 굽은 출사면으로부터 상기 렌즈(320)를 출사하는 것은 사람 눈에 의해 가깝게 보기에 적합한 콜리메이트 된 파장(325)이다. 또 다른 구체예에서, 기판(130)에서부터 상기 픽셀(315)까지의 거리 D1 및 상기 렌즈(320)와 픽셀(315)의 크기는 해당 곡률에 따라 바람직한 빛의 콜리메이션을 제공하기 위해 달라질 수 있다. 상기 픽셀의 면적 및 곡률은 다양한 방법, 즉, ZEMAX와 같이 광학기기 모델링 프로그램을 사용하는 것과 같은 편리한 접근법, 및 바람직한 콜리메이션 레벨을 얻을 때까지 파라미터를 조정하는 것으로 결정될 수 있다.

제5도는 하나의 구체예에 따라 다른 픽셀 렌즈(420)에 의해 콜리메이트 된 빛의 다이어그램이다. 상기 거리에서 큰 양안전도를 갖고 픽셀(415)로부터 발산하는 광선(410)은 D3의 거리(예를 들어 D3은 픽셀(415)로부터 약 3.3 μm의 거리에 있다)에 위치한 구형의 렌즈(420)에 들어간다. 상기의 경우에, 상기 렌즈(420)의 지름 D4은, 예를 들어, 8.7μm가 될 수 있다. 상기 렌즈(420)를 출사하는 것은 가깝게 보이게 적합한 콜리메이트 된 파장(425)이다. 하나의 구체예에서의 디스플레이 어셈블리는 픽셀(415)과 같은 어레이 및 구형의 렌즈(420)로 이루어져 있다. 상기 픽셀 렌즈(420)는 필히 고체일 것이다. 이러한 렌즈는, 예를 들어 기판과 일체형 유닛 같은, 몇몇의 구체예에서, 제조하기가 더 쉬워질 수 있다. 하나의 구체예에서, 렌즈(420)는 픽셀(415)에 정렬된 중간면(midplane)(401)의 중앙에서 중심를 갖고, 상기 렌즈(420)는 상기 픽셀로부터 발산하는 광선(410)의 경로에서 대칭적으로 놓여 있다. 구형의 렌즈와 같은 어레이는 또 다른 렌즈 옆에 하나의 렌즈와 함께 형성될 수 있고, 각각의 렌즈는 각각의 하나의 픽셀에 대해 정렬된 중심 C를 갖는다. 제4도의 픽셀 렌즈와 함께 제5도의 픽셀 렌즈는 다양한 방법으로 즉, 광학 소프트웨어 프로그램을 사용하는 편리한 접근법 및 하나 그 이상의, 예를 들어 픽셀(415)과 관련된 구형의 렌즈의 위치와 같은, 디스플레이 어셈블리 파라미터를 다양하게 하는 것으로 설계될 수 있다.

제4도 및 제5도는 두 개의 사용될 수 있는 픽셀 렌즈의 예시를 보여준다. 다른 구체예에서, 이러한 렌즈의 파라미터는 현저하게 달라질 수 있고, 상기 픽셀로부터의 거리는 그에 맞춰 조정될 수 있다. 픽셀의 밀도 및 해당 렌즈는 상기 디스플레이의 바람직한 해상도에 따라 또한 달라질 수 있다.

상기 픽셀 렌즈 어레이는 다양한 나노- 및 마이크로-제조 기술의 사용과 생성 같은 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 상기 렌즈는 투명체(transparent media)에 직접적으로 에칭(etch)될 수 있고 또는 나노-연마기(nano-polishing machines)와 함께 생산될 수 있다. 뜨거운 융기를 통한 미세복제 기술은 몇몇 구체예에 이용될 수 있다. 유사한 방법은 마이크로 주입 몰딩(micro injection molding), 마이크로열형성(microthermoforming), 및 나노각인(nanoimprinting)을 포함한다. 박막기술(Thin-film technologies)은 몇몇 구체예에서 상기 렌즈를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 픽셀 렌즈는 박막 반도체 기술을 사용하는 것에 조절되고 적용되는 반도체 용착 광투명 물질(semiconductor deposited optically-transparent material)로부터 만들어진다. 또 다른 구체예에서, 주입 몰딩(injection molding)은 사용될 수 있다. 반도체를 위해 수행되는 직접 화학-광학 에칭(Direct chemical-optical etching)이 사용될 수 있다. 나노머신 렌즈 연마기(Nanomachine lens polishers)가 어레이의 각각의 렌즈를 생산하는데 이용될 수 있다. 커스텀 연마기 설명서는 픽셀 렌즈의 그룹 및/또는 각각의 렌즈에 적용될 수 있다. 일반적으로, 상기 픽셀 렌즈는 디스플레이 장치의 창조에 사용되는 것처럼 같은 타입의 조영 기법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 조영 기법은, 예를 들어 LCD, LED, OLED 또는 다른 이미지 투사 장치를 만들기 위해 사용되는 타입의 조영 기법을 말한다.

다이아몬드 절삭된 프로토타입 부품(diamond-turned prototype parts)을 위한 아크릴 (플렉시글라스: plexiglas) 플라스틱은 하나의 구체예에서 이용된다. 몰딩된 부품에 대해, 아크릴 물질 또는 폴리카보네이트 물질 둘 중 하나는 하나의 예로써 사용된다. 일반적으로, 상기 작은 픽셀 렌즈는 같은 타입의 물질로부터 생산된다. 상기 물질은 비슷한 크기를 특징으로 갖는 프레넬 렌즈(Fresnel lenses)를 생산하기 위해 사용된다.

다음에서 설명한대로, 다양한 구체예에서, 상기 픽셀 렌즈 어레이와 발광 픽셀 어레이의 조합은 사용자의 한쪽 눈 혹은 양쪽 눈에 고정된 관계에서 디스플레이 장치를 홀딩하기에 적합한 형태로, 예를 들어, 유리, 고글, 또는 다른 형태로, 머리-장착 디스플레이 장치에 일체화될 수 있다.

Ⅲ. 굽은 반사광 표면을 사용하는 HMD 장치( HMDs That Employ a Curved Reflective Optical Surface )

상기에서 설명했듯이, 예를 들어, HMD 장치는 특히, 굽은 반사광 표면과 같은 반사광 표면을 사용하는 HMD 장치는 확대 실재 타입이 될 수 있다. 이러한 구체예에서, 외부 세계로부터의 빛을 눈으로 들어가게 허용하게 하면서, 상기 반사광 표면은 이미지 디스플레이 시스템으로부터 형성된 이미지를 사용자의 눈으로 반사하는 빔 분리기 렌즈 시스템의 기능을 할 수 있다. 두 개의 이미지는 적절한 한정 기구(localization equipment) 및 컴퓨터로 생성된 이미지를 제어하는 소프트웨어를 통해 가상의 이미지를 분명하게 사용자의 눈에 보이도록 외부 환경에 놓도록 정렬되어 있다.

하나의 구체예에서, 상기 빔 분리기 렌즈 시스템은 상기 빔 분리기 렌즈 시스템 상의 외부 환경의 대상의 방향으로 조절된 위치 맵핑(mapping of locations)을 갖는다. 상기 맵핑은 상기 픽셀을 통해 수행되고 그리고 빠른 속도에서 외부 환경과 함께 정렬 및 등록을 하도록 만들어진다. 그러므로 각각의 외부 환경에 대한 다른 배향으로의 사용자 머리의 움직임은 외부 환경을 바르게 보완하는 이미지의 생성과 디스플레이를 야기한다. 상기의 이미지는 빔 분리기 렌즈 시스템상의 바른 반사 위치를 비춤으로써 외부 환경의 바르고 분명한 위치에 디스플레이 된다.

상기 디스플레이 시스템의 표면 및 상기 픽셀 렌즈에 의해 제공되는 디옵터 이동(diopter shift)에 대한 곡률은 상기 디스플레이로부터 눈에 들어가는 이미지의 모든 방향에 대해 0(제로) 디옵터를 얻기 위해 조정될 수 있다. 각각의 픽셀 렌즈 및 상기 빔 분리기 렌즈 시스템의 반사면의 디옵터 변화량은 또한 상기 머리-장착 디스플레이 설계를 지지하기 위해 적절하게 조정될 수 있다. 평평한 반사면은 상기 디스플레이 시스템의 스크린으로부터 거리 및 즉, 광원으로부터 더 큰 거리, 단독 거리(distance alone) 때문에 디옵터를 변화시키는 눈과 관련 없이 디옵터 변화를 갖지 않고, 더 적은 광원의 효과적인 발산 및 단독 거리(distance alone)는 디스플레이 스크린으로부터 발산하는 빛의 디옵터의 효과를 바꿀 수 있다. 그러므로, 상기 반사면에서 눈까지의 거리 및 상기 디스플레이 시스템은 또한 상기 머리-장착 디스플레이 장치로부터 디스플레이 된 이미지의 선명도를 최대한 좋게 하기 위해 조정될 수 있다.

제6도 및 제7도를 참고하면, 이 도면은 각각 사용자(505)에 의해 착용되는 머리-장착 디스플레이 장치(500)의 측면도와 정면도를 나타낸다. 상기 머리-장착 디스플레이 장치는 예를 들어, FS/UWA/RO 표면(520)과 같은 굽은 반사광 표면을 사용한다.

하나의 구체예에서, 예를 들어, 상기 머리-장착 디스플레이 장치(500)는, 하나의 시스루 광(optical see-through), 확대 실재, 두 눈의 관찰자가 될 수 있다. 시스루 광, 확대 실재, 두 눈의 관찰자는 일반적으로 HMD 장치의 가장 복합한 형태이기 때문에, 본 발명은 우선적으로 이 타입의 구체예를 설명한다, 본 발명에서 설명된 원리는 시스루 광, 확대 실재, 외눈의 관찰자, 시스루 비디오, 확대 실재, 두 눈 및 외눈의 사용자, 및 두 눈 및 외눈의 “가상의 현실” 시스템에 똑같이 적용할 수 있다.

제6도 및 제7도에서 설명하듯이, 상기 머리-장착 디스플레이 장치(500)는 사용자에게 장착되기에 적합하고 안경을 착용하는 것과 유사한 방식으로 사용자의 눈 및 귀에 의해 지지되는 하나의 프레임(510)을 포함한다. 제6도에서 제7도의 구체예와, 또한 본 발명의 다른 구체예에서, 상기 머리-장착 디스플레이 장치는 다양한 구성을 가질 수 있고, 그리고, 예를 들어, 기존 고글, 안경, 헬멧 등과 유사할 수 있다. 제6도에서, 성분(550) 및 성분(555)는 사용자의 눈에 대해 바람직한 위치에서 HMD 프레임을 지지하는데 사용할 수 있는 다양한 지지 형태를 설명한다. 예를 들어, 상기의 지지는 몇몇 구체예에서 조절될 수 있는 밴드 또는 코드가 될 수 있다. 일반적인 용어로, HMD 패키지의 외부 표면은 사용자의 눈과 관련하여 요구되는 에서 HMD의 광학 시스템을 지지하는 형태를 가정할 수 있다.

제6도 및 제7도에서 설명하는 바와 같이, 상기 머리-장착 디스플레이 장치(500)는 다음을 포함한다: (a) 하나의 이미지 디스플레이 시스템 및 하나의 픽셀 렌즈 어레이를 포함하는 최소한 하나의 이미지 디스플레이 어셈블리(515), 및 (b) 하나의 구체예에서, 필요에 의해 구부러진 자유공간, 초광각, 반사광 표면(520), 즉 FS/UWA/RO 표면(520)은 완전하게 구부러질 수 있고, 또는 반사성 및 투과성을 둘 다 가질 수 있고, 이 경우에, 그것은 “빔 분리기”의 하나의 타입으로 간주될 수 있다.

표면(520)은 국소 공간적 위치(local spatial positions), 국소 표면 곡률(local surface curvatures), 및 국소 표면 배향(local surface orientations)이 특별한 기판에 묶여 있지 않기 때문에 이하 “자유공간”으로 지칭한다, 그러나 오히려, 표면의 설계 시, x-y축은 삼차원 공간에서 적용되는 기본적인 광학 원리(예를 들어, Fermat Hero 원리)를 이용하여 결정된다. 사용 중에, 최소한으로, 표면(520)은 사용자의 동적 중심와 시야를 제한하지 않기 때문에 초광각(ultra-wide angle)” 표면이라고 한다. 이처럼, FS/UWA/RO 표면과 함께 사용되는 상기 디스플레이 어셈블리의 광학 성질에 따라, HMD 장치의 전체 광학 시스템은 비-동공 형성될 수 있다. 즉, 사용자의 시야를 제한하는 출사공(exit pupil)을 갖는 기존 광학 시스템과 달리, 본 발명에서의 광학 시스템의 다양한 구체예에서의 작동 동공(operative pupil)은 외부 광학 시스템에 관련된 하나에 반대되어 사용자의 눈의 입사동(entrance pupil)이 될 수 있다. 부수적으로, 이 구체예에서, 사용자에게 제공되는 시야는 기존 광학 시스템보다 크다. 그리고 상기 기존 광학시스템에서 외부 광학 시스템의 출사공과 사용자 눈의 작은 불일치는 사용자가 사용할 수 있는 정보 내용을 많이 줄일 수 있고, 그리고 큰 불일치는 전체 이미지를 사라지게 할 수 있다.

FS/UWA/RO 표면(520)은 한쪽 또는 양쪽의 눈뿐만 아니라 디스플레이 어셈블리(515)를 완전하게 둘러쌀 수 있다. 특히, 상기 표면은 이용할 수 있는 수평의 시야를 확대하기 위해 눈의 측면을 굽어 감을 수 있고 눈의 측면을 향할 수 있다. 하나의 구체예에서, FS/UWA/RO 표면(520)은 180° 혹은 그 이상으로(예를 들어, 200° 이상) 연장할 수 있다. 제7도에서 도시화된 바와 같이, 상기 HMD 장치는 상기 프레임 및/또는 콧등 부분(nasal ridge piece)(710)에 의해 각각 지지되고 사용자 두 눈에 대해 두 개로 분리된 FS/UWA/RO 표면(520R), FS/UWA/RO 표면(520L)을 포함할 수 있다. 교대로, 상기 HMD 장치는 하나의 구조로 두 눈을 제공하는 단일의 FS/UWA/RO 표면 사용할 수 있고, 그리고 그것의 몇몇 부분은 두 눈에 보여지고 다른 부분은 하나의 눈에 보여진다.

바로 위에서 언급하고 제7도에서 도시된 바와 같이, 상기 머리-장착 디스플레이 장치(100)는 하나의 콧등부분(nasal ridge piece)(710)을 포함할 수 있다. 상기 콧등부분은 두 개의 FS/UWA/RO 표면 사이에 분리를 제공하는 사용자의 각각의 눈에 대한 수평의 바 또는 벽이 될 수 있다. 콧등부분 (710)은 또한 사용자의 두 눈의 시야 사이의 분리를 제공할 수 있다. 이러한 방법으로, 사용자의 오른쪽 눈은 상기 환경 내에서 제1 디스플레이 어셈블리(515R) 및 제1 FS/UWA/RO 표면(520R)을 통해서 오른쪽 눈에 디스플레이 함으로써 제1 삼차원적 물리 실재의 묘사를 나타낼 수 있다. 반면 사용자의 왼쪽 눈은 상기 환경 내에서 왼쪽 눈에 제2 디스플레이 어셈블리(515L) 및 제2 FS/UWA/RO 표면(520L)을 통해서 제2 이미지를 디스플레이 함으로써 제2 삼차원적 물리 실재의 묘사를 나타낸다. 상기 환경 내의 삼차원 물리 실재와 관련된 그것의 위치에 대한 바른 이미지를 보는 각각의 눈을 가진 하나의 분리된 디스플레이 어셈블리/반사 표면 조합은 그러므로 사용자의 각각의 눈을 제공한다. 사용자의 두 눈을 분리함으로써, 상기 콧등부분(710)은 각각의 눈에 적용되는 이미지를 다른 눈에 대해 독립적으로 최적화시킨다. 하나의 구체예에서, 상기 콧등부분의 수직 벽은 사용자가 그의 눈을 떴을 때 사용자가 왼쪽으로 또는 오른쪽으로 이미지를 보게 하기 위해 각 측면에 하나씩, 두 개의 반사면을 포함할 수 있다. 비록 굽은 빔 분리기의 맥락에서 도시되었지만, 콧등부분은 또한 굽어 있지 않은(평평한) 빔 분리기를 사용하는 구체예와 함께 사용될 수 있다.

최소한 하나의 상기 디스플레이 어셈블리(515)는 FS/UWA/RO 표면(520)안에 장착될 수 있고, 그리고 수평하게 배치되거나 또는 수평선에 대해 약간의 각도에 있을 수 있다. 교대로, 최소한 하나의 상기 디스플레이 어셈블리는 FS/UWA/RO 표면 바깥쪽에 위치할 수 있다. 상기 디스플레이 어셈블리(515) 또는, 특히, 디스플레이 어셈블리의 최소한 하나의 발광표면의 기울기 또는 각도는 일반적으로 상기 픽셀, 이미지, 및/또는 표면(520)으로부터 반사되는 디스플레이 정보 조각의 위치의 기능을 할 것이다. 픽셀 광은 팽팽한 빔이고 오프-중심-축 빔 파워(off-center-axis beam power)는 낮아질 것이기 때문에, 상기 디스플레이 어셈블리가 어떠한 각도에든 픽셀 광이 거울을 향해 가리키도록 장착된다.

특정 구체예에서, 상기 구멍 안으로 향해 반사되는 FS/UWA/RO 표면과 함께, 상기 머리-장착 디스플레이 장치(500)는 내부 구멍을 만들도록 구성한다. 투과성을 갖는 FS/UWA/RO 표면에 대해, 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리로부터의 이미지 및 디스플레이 정보는 상기 표면으로부터 상기 구멍 및 사용자의 눈으로 반사된다. 반면, 동시에, 빛은 상기 반사 표면을 지남으로써 외부 세계로부터 구멍 및 사용자의 눈으로 들어간다.

상기 머리-장착 디스플레이 장치는 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리로 인해 디스플레이 되는 이미지를 조절하기 위해 하나의 전자 패키지(electronics package)(525)를 포함할 수 있다. 하나의 구체예에서, 상기 전자 패키지(525)는 사용자의 활동과 함께 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(515)로부터 이미지를 동시에 생성하는데 필요한 위치, 배향 및 위치 정보를 제공하는 가속도계(accelerometers) 및 자이로스코프(gyroscopes)를 포함할 수 있다. 머리-장착 디스플레이 장치(500)로 또는 머리-장착 디스플레이 장치(500)로부터의 파워 및 비디오는 전자 패키지(525)에 결합된 전달 케이블(transmission cable)(530)을 통해 제공된다. 비디오 및 다른 정보는 또한 전자 패키지(525)가 트랜스시버(transceiver)를 제공하는 무선 매체를 통해 제공될 수 있다.

카메라(540)의 하나의 세트는, 예를 들어 “확대 실재” 장면의 컴퓨터 생성을 조절하기 위해, 전자 패키지 내의 소프트웨어 또는 펌웨어와 같은 전자패키지에 입력을 제공하기 위한 머리-장착 디스플레이 장치 반대쪽에 위치한다. 상기 카메라(540) 세트는 파워 및 컨트롤 시그널을 얻기 위해, 그리고 전자 패키지의 소프트웨어에 비디오 입력을 제공하기 위해 전자 패키지(525)에 결합할 수 있다.

작동 중에, 가속계 및/또는 자이로스코프를 포함하는 전자 패키지(525), 및 광학적 GPS(global positioning system) 모듈이 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(515)에 이미지를 동시에 생성하는 위치, 배향 및 위치 정보를 사용자 활동에 제공할 수 있다. 상기 정보는 전자 패키지(525)에 의해 물리적 실재 안의 상기 장치의 프레임(510)에 등록하고 그것의 이미지를 외부 시야에 겹치게 하기 위해 사용된다. 몇몇의 구체예에서, 카메라(540)의 피드백이 상기 전자 패키지(525)에 의해 보여지는 실재와 함께 디스플레이 되는 이미지를 동시에 생성하기 위해 사용된다. 이 피드백은 지형(terrain) 또는 명확하게 위치된 타겟을 정렬함으로써 수행될 수 있고, 이는 저장된 지형과 디스플레이 된 이미지의 알려진 위치를 갖는 카메라(540)에 의해 저장된 지형에 대하여 제공되는 것과 같은 실재로 발생한다. 상기 지형이 정렬된 후에, 상기 이미지는 시야에 포함되고 그리고 의도된 대로 실재 지형에 나타나게 디스플레이 스크린에 위치할 수 있다.

상기 설명대로, 머리-장착 디스플레이 장치에 사용되는 상기 이미지 디스플레이 시스템은 현재까지 알려지거나 개발된 많은 형태를 갖는다. 예를 들어, 상기 시스템은 유연한 OLED 스크린을 포함한, 소형 고해상도 LCD, LED, 및/또는 OLED를 사용할 수 있다. 특히, 상기 이미지 디스플레이 시스템은 고 픽셀 밀도의 고화질 소형인수 디스플레이 장치를 사용할 수 있고, 그 예는 휴대폰 산업에서 발견할 수 있다. 또한 광섬유 번들이 상기 이미지 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 다양한 구체예에서, 상기 이미지 디스플레이 시스템은 작은 스크린 텔레비전과 같은 기능으로 생각할 수 있다. 만약 상기 이미지 디스플레이 시스템이 편광을 생성한다면(예를 들어, 상기 이미지 디스플레이 시스템이 모든 컬러가 같은 방향에 선형으로 편광되는 LCD를 사용하는 경우), 그리고 만약 FS/UWA/RO 표면이 디스플레이에 의해 발산되는 빛을 직교로 편광시킨다면, 빛은 상기 FS/UWA/RO 표면으로부터 새지 않을 것이다. 설명된 정보 및 광원 그 자체는 HMD 장치의 외부에 보이지 않을 것이다.

본 발명에 따라 구성된 하나의 광학 시스템의 구체예의 전체적인 작동은, 특히, “확대 실재” HMD 장치의 광학 시스템은, 특히, 제6도의 광선(560), 광선(565), 및 광선(570)의 광선 추적(the ray-tracings)에 의해 설명된다. 이 구체예에서, FS/UWA/RO 표면(520)은 반사성과 투과성 둘 다를 갖는다. 표면(520)의 투과성을 사용하여, 광선(570)은 상기 표면을 통해 환경으로부터 들어가고 사용자의 눈을 향하여 진행한다. 표면(520)의 같은 부분으로부터, 광선(560)은 상기 표면에 의해(표면의 반사성을 사용하여) 반사되고 그리고 사용자가 포인트(580)의 방향으로 볼 때, 즉, 사용자의 응시 방향이 포인트(580)의 방향에 있을 때, 사용자의 눈으로 들어가는 조합된 광선(565)을 생성하기 위해 광선(570)과 합쳐진다. 그렇게 보는 동안에, 사용자의 주변 시야 능력은 다시 한번 상기 표면의 투과성을 사용하여 사용자가 환경의 다른 포인트로부터 나오며 표면(520)을 통해 지나는 빛을 보게 한다. 특히, 사용자의 주변 시야 능력은 사용자가 포인트(580) 주변으로부터 좌우 및 수직으로 더 먼 거리를 빔 분리기 렌즈 시스템(520)으로부터 표면을 통해 보게 한다.

제8도에서 보여지는 바와 같이, 상기 부재 번호는 제5도, 제6도, 및 제7도의 부재 번호와 동일하고, 비전 시스템은 세 개의 부분, 디스플레이 어셈블리(515), 빔 분리기 렌즈 시스템(520), 및 눈(810)으로 구성된다. 상기 눈(810)은 하나의 내부 렌즈(820)를 갖는다. 광선(560)은 최소한 하나의 디스플레이 시스템 어셈블리(515) 위에 하나의 픽셀로부터 발산되고 관련된 픽셀 렌즈 어셈블리에 의해 콜리메이트 된다(또는 부분 콜리메이트 된다). 광선(560)은 빔 분리리 렌즈 시스템(520)에 의해 반사된 후 눈의 망막 위의 포인트에서 나타나고 광선(565) 및 광선(830)으로 나타난다. 상기 망막의 경우에, 여기서 광선이라는 용어는 광원으로부터 발산되는 빛의 파면에 수직인 표면 및 이미터로부터 감지기까지의 가장 짧은 광학 경로를 취하는 것을 의미한다. 그러나, 벡터(840, 850)로 표현하는 거리에서 눈에 보이는 것은 눈 앞의 공간에 나타나는 가상의 이미지이다. 무한 거리(860)에서 가상의 이미지에 대해 상기 광선 거리는 벡터(840, 850)의 합이다. 빔 분리기 렌즈 시스템(520)의 거울/빔 분리기는 굽은 모양으로 나타났지만, 평평할 수 있다. 만약 거울이 굽었다면, 상기 거울에 의해 제공되는 디옵터 교정은 눈을 이미지에 초점을 맞추기 위해서 픽셀 렌즈에 의해 지지되는 디옵터 교정에서 빠져야 한다.

제9도의 광선 추적은 어셈블리를 떠나기 전에 콜리메이트 된 디스플레이 어셈블리(905)의 픽셀로부터 발산하는 빛의 발산 파면을 나타내고 그리고 반사 거울 또는 빔 분리기(915)에 0(제로) 디옵터 빛(910)으로 나타난다. 이 포인트 및 반사된 빔(920)에서 발산은 없거나 또는 매우 적다. 상기 광 빔은 눈(930)에 직접적으로 갈 수 있고, 그리고 이 포인트에 초점을 맞출 수 있다. 상기 구체예에서, 반사빔(920)은 반사 거울 또는 빔 분리기(915)에 반사되고, 눈의 동공을 향해 움직인다. 상기 반사빔은 선(925)으로 나타내는 근본적으로 무한한 거리의 포인트로부터 오는 빛과 같고, 그리고 눈(930)의 출사공을 지나, 파면에 수직인 평행한 표면을 만드는 상기 빛의 파면은 반사된 빔(920)으로 나타나고 평평하다.

제10도는 동공(1005)을 통해 눈(930)으로 들어가는 콜리메이트 된 평행한 반사빔(920)을 나타내고, 시각의 가장 예민함이 발생하는 곳인 망막(1015)의 중심와 위의 포인트(1010)에서 초점을 맞추는 반사빔(920)을 나타낸다. 망막의 주위는 넓은 시야 범위 반응을 보이지만, 낮은 시각의 예민함을 갖는다. 또한 이 방향으로부터 눈으로 들어가는 것은 콜리메이트 된 픽셀 발광에 의해 확대 이미지와 함께 결합된 외부 환경 주변으로부터의 빛이 될 수 있다.

상기에서 설명했듯이, 반사광 표면을 사용하는 HMD 장치에서 사용되는 이전의 광학 시스템은 동공 형성 시스템이고 그리고 가시 영역, 60° 이하인 전형적인 시야를 제한했다. 이것은 이전 머리-장착 디스플레이 장치의 가치와 능력을 크게 제한했다. 다양한 구체예에서, 본 발명의 머리-장착 디스플레이 장치는 더 넓은 FOV를 갖고, 그러므로 좁은 시야를 갖는 HMD 장치에 대조되어 상기 머리-장착 디스플레이 장치는 사용자에게 제공되는 더 많은 광학 정보를 갖는다. 더 많은 정보를 제공 이외에도, 넓은 범위의 시야는 더 자연적인 방법으로 사용자에 의해 진행되도록 추가적인 정보를 제공하고, 물리적 실재에 디스플레이 된 이미지의 더 나은 매치를 통해 더 나은 실감 및 확대 실재 경험을 가능하게 한다.

특히, 제11도에 도시된 구체적인 예에서, 직진의 응시 방향에 대해서, 굽은 FS/UWA/RO 표면(201) 및 굽은 FS/UWA/RO 표면(202)에 의해 눈은 제11도에서 표시된 전체의 가시영역을 받아들일 수 있다. 상기 가시 영역은 각각의 눈에 대해 수평 FOV의 최소한 150°에 해당한다(예를 들어, 수평의 FOV의 ~168°). 상기 FOV는 눈의 중심와 시야 및 주변 시야로 이루어져 있다. 게다가, 물리적 세계를 볼 때 눈의 움직임처럼, 눈은 다른 응시 방향으로 결합된 중심와+주변 시야를 겨누는 회전 중심에 대해 자유롭게 움직일 수 있다. 본 발명의 상기 광학 시스템은 물리적 세계를 볼 때 눈의 움직임과 같은 방식의 움직임의 범위 내에서 눈이 정보를 얻게 한다.

제11도를 자세하게 살펴보면, 이 도면은 위에서 본 것처럼 사용자 머리(200)의 정면도의 간단한 선 표현이다. 상기 도면은 사용자의 눈(203, 204) 앞에 위치한 FS/UWA/RO 표면(201, 202)을 나타낸다. 상기에서 설명했듯이, FS/UWA/RO 표면(201, 202)이 사용자 머리(200)의 앞중심(center front)(214)에 함께 올 때 상기 표면(201, 202)은 사용자의 코에 얹혀 있게 된다. 아래에 자세히 설명하는 바와 같이, 표면(201, 202)의 국소 법선 및 국소 공간적 위치는 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(제11도에는 표시되지 않았다)에서 생성된 이미지가 각각의 눈에 수평 FOV의 최소한 100°를, 예를 들어, 특정한 구체예에서는, 최소한 150°, 그리고, 다른 구체예에서는, 최소한 200°, 커버하도록 조정된다. 그리고 상기 100°, 150°, 및 200°는 일반적으로 사용자의 동적 중심와 시야, 정적 중심와+주변 시야, 및 동적 중심와+주변 시야에 각각 해당한다. 또한 아래에 설명한 바와 같이, 굽은 반사광 표면의 광학 효과가 픽셀 렌즈의 광학 효과와 결합될 때, 국소 곡률 반경이 가상의 이미지 거리를 제공하기 위해 조정된다. 예를 들어, 상기 국소 법선 및 국소 공간적 위치는 사용자의 각각의 눈의 전방의 시야, 수평의 시야, 정적의 시야를 최대 168°까지 커버하도록 조정될 수 있다. 168°의 각도로 FS/UWA/RO 표면(201 또는 202)의 엣지에서 엣지로 연장된 것은 시선(210, 211 및 212, 213)으로 표시된다. 상기 시선은 그러므로 사용자에게 제공되는 넓은 정적 시야(중심와+주변)에 부합한다. 또한, 컴퓨터가 만든 이미지를 계속 보는 동안, 사용자는 롤링 센터(215) 및 롤링 센터(216) 주변에서 사용자의 눈을 자유롭게 움직일 수 있다.

제11도 및 제18도에서, 상기 FS/UWA/RO 쉽게 표현하기 위해서 구의 부분으로 나타낸다. 실제로, 상기 표면은 구가 아니고, 표면의 국소 법선, 국소 공간적 위치, 및 국소 곡률 반경이 바람직한 정적 및 동적 시야 및 바람직한 거리를 가상의 이미지에 제공하기 위해 더 복잡한 구성을 갖는다. 또한, 제11도에서, 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 오른쪽은 왼쪽에 동일하게 작동하고, 특정한 적용에 대해 원하는 경우 상기 양측은 다를 수 있는 것으로 이해된다.

제12도 및 제13도는 본 발명에서 FS/UWA/RO 표면에 의해 제공되는 정적 및 동적 시야 또한 도시한다. 제12도는 전방 주시 응시 방향(73)을 갖는 사용자의 오른쪽 눈(71)을 나타낸다. 상기 눈의 중심와+주변 시야는 168° 이하의 각도 범위를 갖는 호(75)로 표시된다. 쉬운 표현을 위해, 제12도 및 제13도에서, 시야는 사용자의 동공의 중심 또는 가장자리에 반대하여 사용자 눈의 회전 중심을 기준으로 표시된다. 사실, 사람 눈에 의해 얻어지는 큰 시야 범위(예를 들어, ~168°)는 사광선(oblique rays)이 사용자의 동공에 들어가게 하고 망막에 도달하게 하는 망막의 큰 각도 범위의 결과이다.

제13도는 제12도의 시야와 다음 (a) 및 (b)를 갖는 HMD 장치의 상호작용을 도식으로 나타낸다: (a) 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면(81)이 제1 발광 지역(82)(사각형으로 도시됨) 및 제2 발광 지역(83)(삼각형으로 도시됨)을 갖는 이미지 디스플레이 시스템 및 (b) 제1 국소 법선(85)을 갖는 제1 반사 지역(84) 및 제2 국소 법선(87)을 갖는 제2 반사 지역(86)을 갖는 FS/UWA/RO 표면.

위에서 나타낸 바와 같이, FS/UWA/RO 표면은 “자유공간(free space)” 표면 및 “초광각” 표면(ultra-wide angle) 둘 다를 말한다. 또한, 위에 설명하고, 아래에 상세히 설명한 것과 같이, 상기 표면은 사용자의 눈에 들어가는 빛의 콜리메이션(또는 부분 콜리메이션)에 참여할 수 있다. 상기 콜리메이션은 FS/UWA/RO 표면 및 픽셀에 의해 생성된 가상의 이미지를, 예를 들어, 사용자로부터 긴 거리(예를 들어, 30미터 그 이상)에 위치되게 나타나도록 생성한다, 그리고 콜리메이션은 사용자의 편안한 눈이 가상의 이미지게 쉽게 초점을 맞추도록 한다.

FS/UWA/RO 표면의 예정된 지역으로부터 생성된 최소한 하나의 이미지 디스플레이 시스템의 발광 지역을 사용자의 눈이 보이게 하기 위해 상기 FS/UWA/RO 표면의 상기 “자유공간” 및 “초광각” 측면은 표면의 국소 법선을 조절함으로써 얻을 수 있다.

예를 들어, 제13도에서, HMD 장치의 설계자는 사용자의 응시 방향이 전방 주시할 때의 사용자의 망막의 중심부에 보여지는 사각형의 가상의 이미지(88) 및 사용자의 응시 방향이, 예를 들어, 전방으로부터 왼쪽으로 50° 이하일 때의 사용자의 망막의 중심부에 보여지는 삼각형의 가상의 이미지(89)가 유리할 것이라고 판단할 수 있다. 이 설계자는 HMD 장치의 사용 중에 사각형의 가상의 미지기가 전방에 있고, 삼각형의 가상의 이미지가 전방의 왼쪽으로 ~50°에 있도록 최소한 하나의 이미지 디스플레이 시스템, FS/UWA/RO 표면, 픽셀 렌즈, 및 시스템의 다른 광학 부품을 구성할 것이다.

이러한 방법으로, 사용자의 응시 방향(시선)이 FS/UWA/RO 표면을 똑바로 교차 될 때, 사용자의 눈 중심에 원하는 대로 사각형의 가상의 이미지는 보일 수 있고, 그리고 사용자의 응시 방향(시선)이 FS/UWA/RO 표면에 전방의 왼쪽으로 50°로 교차할 때, 삼각형의 가상의 이미지는 또한 원하는 대로 사용자의 눈 중심에 보일 수 있다. 비록 제12도 및 제13도에는 도시되지 않았지만, 같은 접근 방법은 수직의 시야 및 오프-축 시야에 사용된다. 더 일반적으로, HMD 장치 및 장치의 광학 부품의 설계 중에, 눈이 특정한 방향을 응시할 때 디스플레이의 원하는 부분을 사용자의 눈에 보이게 하기 위해 상기 설계자는 반사 표면에 디스플레이의 최소한 하나의 발광 표면을 “맵핑(maps)” 한다. 그러므로, 눈이 수평 및 수직으로 시야를 스캔할 때, FS/UWA/RO 표면은 사용자의 눈에 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면의 다른 부분을 빛나게 한다. 비록 사용자의 망막의 중심에 관해 앞서 설명됐지만, 설계 과정은 원하는 경우에 당연히 사용자의 중심와 위치를 대신 사용할 수 있다.

제13도에서 사용자 눈의 오른쪽으로의 어떠한 회전도 사용자에게 더 이상 보이지 않는 삼각형의 가상의 이미지(89)를 생성한다는 것에 주의해야 한다. 그러므로, 제13도에서, 전방으로부터 오른쪽의 응시 방향이 오직 사각형의 가상의 이미지만 제공하는 것에 반해, 전방 응시 방향 또는 전방으로부터 왼쪽의 응시 방향은 사용자에게 사각형 및 삼각형 둘 다의 가상의 이미지를 제공한다. 물론, 가상의 이미지의 예민함은 가상의 이미지가 사용자의 중심와 시각으로 인해 인식될지 또는 사용자의 주변 시각으로 인해 인식될 지에 따른다.

만약 HMD 장치의 설계자가 삼각형의 가상의 이미지를 왼쪽으로 멀리 남기면서 제13도에서 사각형의 가상의 이미지를 오른쪽으로 멀리 배치한다면, 응시 방향에서는 오직 사각형의 가상의 이미지가 보일 것이고 다른 응시 방향에서는 오직 삼각형의 가상의 이미지가 보일 것이다. 이처럼, 본 발명의 원리에 기초하여, 설계자는 사각형의 가상의 이미지가 몇몇 응시 방향에 대해 보이면서 다른 방향에서는 보이지 않고, 삼각형의 가상의 이미지는 응시 방향에 대해 항상 보이도록 사각형의 가상의 이미지 및 삼각형의 가상의 이미지를 배열할 수 있다. 추가의 변화로, HMD 장치의 설계자는 사각형 및 삼각형의 가상의 이미지를 하나 이상의 응시 방향에 대해 둘 다 사용자에게 보이지 않는 위치에 배치할 수 있다, 예를 들어, 설계자는 가상의 이미지를 전방 주시 방향에 대해 사용자의 정적 시야 바깥쪽에 가상의 이미지를 배치할 수 있다. 그러므로 본 발명에 의해 HMD 장치 설계자에게 제공되는 유연성은 명확하다.

하나의 구체예에서, 반사 표면의 “자유공간” 및 “초광각” 측면은 빛은 가장 짧은(최소 시간) 광학 거리를 따라 움직인다는 Ferma Hero의 원리를 사용함으로써 생성된다. 2011년8월17일에 G. Harrison, D. Smith, 및 G. Wiese가 “자유 공간 반사광 표면을 생성하기 위한 방법 및 시스템(Methods and Systems for Creating Free Space Reflective Optical Surfaces)”이라는 명칭으로 공동출원한 미국특허출원 제13/211,389호의 내용은 본 발명에 참고로 포함된다. 여기서 Fermat Hero 원리는 HMD 장치에 적절한 FS/UWA/RO 표면을 설계하기 위해 사용된다. 2011년8월17일에 G. Harrison, D. Smith, 및 G. Wiese가 “하나 이상 반사광 표면을 사용하는 머리-장착 디스플레이 장치(Head-Mounted Display Apparatus Employing One or More Reflective Optical Surfaces)”라는 명칭으로 공동출원한 미국특허출원 제13/211,372호의 내용은 본 발명에 참고로 포함된다.

Fermat Hero의 최소-시간 원리를 사용하여, 최소한 하나의 발광 표면으로부터 FS/UWA/RO의 반사 포인트까지의 광학경로 및 최소한 하나의 발광 표면으로부터 사용자 눈의 회전 중심까지의 광학 경로가 극값에 있다면, 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면의 “바람직한 부분(desired portion)” (예를 들어, 이미지 디스플레이 시스템의 어떤 픽셀)은 FS/UWA/RO 표면에서 반사의 바람직한 포인트(desired point)를 갖게 할 수 있다

광학 경로에서 있는 하나의 극값은 광학 경로 길이의 1차 도함수가 제로 값에 도달함을 의미하고, 그 극값은 광학 경로 길이의 최대 또는 최소를 의미한다. 극값은 반사광 표면의 국소 지역(local region)을 생성함으로써 시야의 어느 포인트에든 삽입될 수 있다. 상기 반사광 표면의 법선은 (a) 국소 지역으로부터 사용자 눈까지의 벡터(예를 들어, 국소 지역의 중심으로부터 사용자 눈의 중심까지의 벡터) 및 (b) 국소 지역으로부터 발광 표면의 “바람직한 부분”까지의 벡터(예를 들어, 국소 지역의 중심으로부터 발광 표면의 “바람직한 부분”의 중심까지의 벡터)로 양분한다. 제14도에서 제16도까지는 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면의 “바람직한 부분”이 픽셀인 경우에 대한 과정을 도시한다.

특히, 제14도는 일반적으로 직사각형의 픽셀 어레이로 구성된 이미지 디스플레이 시스템의 발광 표면(1510)을 나타낸다. 상기 픽셀 어레이는 머리-장착 디스플레이 장치의 앞으로 광빔(1515)의 방향으로 빛을 발산한다. 광빔(1515)은 반사광 표면(1520)에 산란하고, 그리고 쉽게 표현하기 위해 제14도에서 평면도로 나타내었다. 반사 중에, 광빔(1515)은 사용자의 눈(1530)에 들어가는 광빔(1525)이 된다.

각각의 픽셀에 해한 반사면의 표면 법선을 결정하기 위해, 광빔(1515) 및 광빔(1525)에 대응하는 벡터의 삼차원적 양분을 결정하는 것이 필요하다. 제14도에서, 이 벡터 양분은 이차원적 형태인 선(1535)으로 보여진다. 양분 벡터(1535)는 반사면(1540)의 포인트에서 반사광 표면에 직각이고, 그리고 이 양분 벡터는 표면(1520)위에 위치한다. 상기 표면 (1520)에서 발광 표면(1510)의 픽셀(1545)은 HMD 장치의 사용자에게 보여질 수 있다.

특히, 작동 중에, 디스플레이 표면(1510)에 있는 픽셀(1545)은 표면 법선에 의해 설정된 각도에서 양분 벡터(1535) 및 그 벡터의 수직면(1550)에 해당하는 반사광 표면(1520)에 산란하는 광빔(1515)을 발산한다. Fermat Hero 원리에 따라, 반사면(1540)의 포인트에서 반사된 픽셀은 광빔(1525)을 따라 눈(1530) 에 의해 보여진다. 반사면(1540)의 포인트에서의 표면 법선을 정확하게 계산하기 위해, 빔(1525)은 사용자의 눈(1530)의 중심(1555)을 지날 수 있다. 사용자의 눈이 회전하는 경우에도, 제12도 및 제13도에 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 디스플레이 영역이 사용자의 중심와 또는 주변 시야를 함께 볼 수 없을 만큼 눈을 회전시킬 때까지, 상기 결과는 주변 시야가 되어 거의 안정적으로 유지될 것이다.

표면 법선의 위치를 계산하기 위해, 사원법(method of quaternions)이 사용될 수 있다,

q1 = 빔(1515)의 배향

q2 = 빔(1525)의 배향

q3 = 바람직한 표면 법선(1535)의 배향= (q1 + q2) / 2

제17도에서 도시된 것처럼, 상기 표면 법선은 또한 벡터 표시로 설명될 수 있다. 제17도와 다음 방정식에 따라, 포인트 M으로부터 멀어질 때까지 반사광 표면의 관심 영역 중심에서 포인트 N이 한 단위이고, 그리고 이 포인트 N은 포인트 M에서 반사광 표면의 탄젠트 면에 수직인 법선의 방향에 있다. 포인트M에서 반사광 표면의 탄젠트 면은 삼차원적 공간에서 다음의 방정식으로 표현된 관계를 만족시키기 위해 조절된다. 관심 픽셀의 중심에서 포인트 M의 표면 법선은 포인트 M에서부터 포인트 P까지의 거리를 양분하고, 사용자의 눈의 롤링 센터에서 포인트 M에서부터 포인트 C까지의 거리를 양분한다(참고로, 포인트 C는 눈 전면으로부터 13mm 뒤에 있다).

포인트 M에서 표면 법선 위에 있는 포인트 N을 설명하는 방정식은 아래와 같다:

여기서 모든 포인트, N, M, P, 및 C는 임의의 데카르트 좌표계에서 그 포인트의 위치를 삼차원 공간으로 표시하는 좌표 [x, y, z]를 갖는다.

법선 벡터 N-M의 결과는 유클리드 길이를 갖는다.

여기서 두 개의 수직 바는 유클리드 길이를 나타내고, 다음과 같이 계산된다:

.

하나의 수치 예로써, 다음 M, P, 및 C의 값을 갖는다고 하면:

법선에 따라있는 포인트 N은 다음과 같이 계산된다.

P - M = [(2-4),(10-8),(5-10)]=[-2,2,-5]

C-M=[(6-4),(10-8),(5-10)]=[2, 2. -5]

(P-M)+(C-M) = [0, 4, -10]

및

= {[-2,2,-5]+[2,2,-5]}/10.7703296143 + [4,8,10]

= [0, 0.3713806764, -0.928476691] + [4,8,10]

= [4, 8.3713806764, 9.0715233091]

기하학적 구조는 제15도에 있고, 여기서 양분은 두 개의 긴 벡터 사이에 있다.

상기에 언급된 것은, 물론, 포인트의 범위에 대한 국소 탄젠트 면 각도 제한을 결정하는 Fermat Hero의 최소 시간의 원리의 사용을 보여주기 위해 제공하는 대표적인 계산이다. 그리고 그 포인트 범위는 연속적인 가상의 이미지를 사용자에게 보여주는 반사 지역의 자유공간(자유형태(free-form)) 표면 매니폴드(manifold)로 이루어져있다. 유일한 실 상수는 사용자 눈의 중심, 및 눈의 자연적 시야이다. 모든 다른 좌표는 주어진 이미지 디스플레이 시스템 및 반사광 표면 배향에 대한 적절한 해결책에 도달할 때까지 반복하여 업데이트될 수 있다. 다른 방법을 살펴보면, 픽셀 이미지 반사 위치, M1, M2, …, Mn, 및 관련된 법선 및 곡률은 매트릭스로 생각될 수 있다. 이 매트릭스는 이미지 디스플레이 시스템으로부터 형성된 컴퓨터로 생성된 바람직한 가상의 이미지 처리를 수행하기 위해 “휜다(warped)”(조절된다).

Fermat Hero 원리의 적용 중에, 사용자가 하나 이상의 포인트에서 같은 픽셀 반사를 보기 위해 법선이 조절되는 상황을 피하는 것은 바람직할 것이라는 것은 몇몇 구체예에서 주목해야 한다. 또한 반사광 표면의 국소 지역은 매우 작을 수 있고, 반사면 위에 있는 포인트에 해당할 수 있는 것은 매끄러운 표면을 만들기 위해 다른 포인트로 포인트 모핑(morphing)하는 것과 함께 몇몇 구체예에서 주목해야 한다.

쉽게 설명하면, 픽셀 렌즈의 존재의 효과는 FS/UWA/RO 표면을 설계하기 위한 Fermat Hero 원리의 사용에 대한 위의 설명에 명확하게 포함되지 않는다. 실제로, 픽셀 렌즈의 존재는 Fermat Hero 계산에 입력으로 사용되는 분석, 광빔이 픽셀 렌즈를 통과하여 지난 후의 광빔의 전달 방향 (및 전체 광학 시스템에 사용된 다른 광학 요소)에 포함된다. 예를 들어, 그 전달 방향은 가우스 광학 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 원하는 경우에, 원하는 가상의 이미지를 얻을 때까지 픽셀 렌즈의 렌즈 파워를 변화시킴으로써 조절되는 다른 초기빛 양안전도(initial light vergence) 설정을 위해 Fermat Hero 계산은 반복될 수 있다.

사용자가 쉽게 최소한 하나의 발광 표면의 “원하는 부분”의 가상의 이미지(예를 들어, 픽셀의 가상의 이미지)에 쉽게 초점을 맞출 수 있다는 것을 확인하기 위해, 특정 구체예에서, 픽셀 렌즈를 통해 지나고 FS/UWA/RO 표면으로부터 반사한 후에 콜리메이트(또는 실질적 콜리메이트) 된 이미지가 사용자에게 도착하도록 반사 포인트 주변 지역의 곡률 반경은 조절된다. 상기에 명시된 바와 같이, 마치 그 이미지가, 예를 들어, 수십미터에서 수백미터의 거리로, 사용자에게 멀리 위치된 것처럼, 콜리메이트(또는 실질적 콜리메이트)된 이미지는 더 평행한 광선을 갖는다. 이러한 표면을 얻기 위해서, 픽셀 렌즈의 콜리메이팅 파워에 따라, 최소한 하나의 발광 표면의 “원하는 부분”(원하는 발광 픽셀)에 해당하는 반사광 표면의 반사 지역의 곡률 반경은 디스플레이 위에 반사 지역으로부터 발광 표면의 실제 “원하는 부분”(실제 픽셀)까지의 거리의 반과 유사한(그러나 그 이상) 반경으로 유지될 수 있다. 특히, “원하는 부분”이 반사 지역의 위치로부터의 관련 픽셀 렌즈를 통해 보여질 때 반경은 반사 지역으로부터 발광 표면의 “원하는 부분”까지의 거리의 절반에 해당할 것이다.

그러므로, 하나의 구체예에서, 인접 픽셀에 중요한 픽셀로부터의 상호-반사-픽셀(inter-reflected-pixel) 법선 벡터는 관계를 만족시킨다. 여기서 관계는 반사 표면에 반사된 픽셀의 위치로부터 관련 픽셀을 통해 보이는 디스플레이 픽셀의 위치까지의 벡터의 길이의 거의 절반에 해당하는 곡률 반경을 설정하게 한다. 파라미터에 영향을 미치는 조정은 최소한 하나의 발광 표면의 사이즈 및 최소한 하나의 발광 표면의 휘어짐의 여부를 포함한다.

제16도는 이 구체예를 도시한다. 콜리메이트(또는 실직적 콜리메이트)된 이미지가 사용자에게 도달되도록 픽셀 반사 주변 지역의 곡률 반경을 조절하기 위해, 이러한 반사 포인트(1540)에서, 두 개의 인접한 픽셀 반사 지역은 고려된다. 더 나은 밸런스를 위해 더 많은 지역이 고려되지만 두 개면 충분하다. 제16도를 참고하여, 두 개의 픽셀 반사 포인트(1540, 1610)는 각각 디스플레이 표면(1510)에 있는 두 개의 픽셀 (1545, 1615)에 대하여 나타낸다. 포인트(1540, 1610)에서 표면 법선은 그 법선 방향 사이의 각도에 따라 계산된다. 곡률 반경은 포인트(1540, 1610) 사이의 각도 및 거리를 알고 계산된다. 특히, 픽셀 렌즈의 효과에 대해 빔의 길이가 조절됐을 때 곡률 반경이 빔(1515, 1620)의 평균 길이의 절반이 될 때까지 표면 구성 및, 필요한 경우, 표면의 공전적 위치가 조정된다. 이러한 방법으로, 제로 또는 제로에 가까운 디옵터 빛은 사용자 눈에 제공될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 빔은 근본적으로 무한한 거리의 포인트로부터 오는 빛과 같고, 빛의 파면에 수직인 평행한 표면을 만드는 상기 빛의 파면은 평평하다.

국소 곡률 반경을 조절하는 것 이외에도, 특정 구체예에서, 콜리메이트(또는 실직적 콜리메이트)된 이미지를 눈에 들어가게 하는 제1 순서 포인트 해결책으로써, 최소한 하나의 발광 표면은 FS/UWA/RO 표면으로 먼 하나의 초점거리의 거리에 위치되고, 상기 초점 거리는 FS/UWA/RO 표면으로 이루어진 다양한 반사 지역의 곡률 반경의 평균값에 기초한다.

Fermat Hero의 원리를 적용하는 것의 결과는 매끄러운 반사 표면으로 결합할 수 있는 반사 지역의 한 세트이다. 이 표면은, 일반적으로, 구형이 아니거나 또는 대칭되지 않는다. 제18도는 이러한 FS/UWA/RO 표면(1520)의 이차원적 표현이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 표면(1520)은 포인트(1710, 1730)에서 곡률 반경은 픽셀 렌즈의 콜리메이팅 효과와 결합될 때 표면에 반사되고 있는 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면으로부터 생성된 이미지의 편안한 보기를 제공하는 값으로 설정되게 구성될 수 있다. 이러한 방법으로, 선(1740)으로 나타낸 다른 방향으로 보는 것처럼, 선(1730)으로 나타낸 특정 방향으로 보는 것은 콜리메이트(또는 실질적 콜리메이트)된 가상의 이미지를 눈(1530)에 제공할 것이다. 모든 시야를 통해 보는 것의 부드러운 전환을 가능하게 하기 위해서, FS/UWA/RO 표면의 지역이 하나의 컨트롤 포인트에서 다른 포인트로 부드럽게 전환될 수 있고, 또한 FS/UWA/RO 표면의 지역은 표면 스플라인에 대해 넙스(Non-Uniform Rational B-Spline: NURBS) 기술에 의해 수행될 수 있고, 이렇게 하여 반사 표면을 통해 매끄러운 전환을 만든다. 몇몇 경우에서, FS/UWA/RO 표면은 표면을 미립자 수준에서 매끄럽게 하기 위해 충분한 수의 지역을 포함할 수 있다. 몇몇 구체예에서, 더 나은 구조, 구현, 및 이미지 품질을 만드는 점진적인 변화를 사용하여 디스플레이의 각 부분(예를 들어, 각각의 픽셀)에 대해 서로 다른 배율이 제공될 수 있다.

상기로부터, 전체 머리-장착 디스플레이는 다음의 단계를 사용하여 설계될 수 있다는 것을 알 수 있다: 원하는 시야의 범위를 결정, 디스플레이 표면 사이즈(예를 들어, 너비 및 높이의 치수)를 결정 반사 표면에 상대적인 디스플레이 표면에 대한 배향을 결정, 디스플레이와 반사 표면 사이에 픽셀 렌즈의 후보 위치를 결정, 픽셀 렌즈의 후보 배열을 결정, 픽셀 렌즈를 통해 보이는 디스플레이 표면 위에 있는 모든 픽셀의 위치를 목록 작성, 및 반사 표면에 있는 디스플레이 표면의 모든 픽셀의 디스플레이에 대한 위치를 결정. 반사 표면의 곡률이 빛을 사용자 눈으로 반사하게 하면서, 상기 디스플레이 표면 및 픽셀 렌즈는 눈 위에 위치할 수 있고 반사 표면을 향해 기울어져 있을 수 있다. 다른 예에서, 디스플레이 표면으로부터 빛을 적절하게 반사하기 위해 선택된 반사 위치 및 곡률과 함께, 상기 디스플레이 표면 및 픽셀 렌즈는 눈의 측면이나 눈 아래와 같은 다른 위치에 위치할 수 있고, 또는 다른 각도로 기울어져 있을 수 있다.

특정 구체예에서, 상기에서 설명된 바와 같이, 반사면이 삼차원 실체화(three-dimensional instantiation) 되거나 또는 수학적으로 표시될 수 있고, 이때 반사 표면의 각각의 지역은 그 지역의 중심으로부터 사용자 눈의 중심까지의 벡터 및 그 지역의 중심으로부터 디스플레이 표면에 있는 픽셀의 중심(픽셀에 관련된 픽셀의 존재로 인한 픽셀의 명확한 위치의 중심)까지의 벡터를 양분하는 법선을 갖는 국소지역이 된다. 또한 상기에서 설명한 바와 같이, 픽셀 반사 주위 지역의 곡률 반경은 픽셀 렌즈의 콜리메이팅 효과와 결합하여, 콜리메이트(또는 실질적 콜리메이트) 된 이미지는 시야를 통해 사용자에게 도달하기 위해 조절될 수 있다. 컴퓨터를 이용하는 반복(computer-based iterations)을 통해서, 변할 수 있는 파라미터(예를 들어, 반사 표면 및 픽셀 렌즈의 위치, 파워, 구조의 국소 법선, 국소 곡률, 및 국소 공간적 위치)와 제조 가능한 심미적인 설계가 시야를 통해 원하는 광성능 레벨을 제공하는 파라미터의 조합이 확인될 때까지 조절될 수 있다.

사용 중에, 픽셀 렌즈와 결합한 비-대칭적인 FS/UWA/RO 표면(특정 구체예에서, 초점의 다중 국소 지역의 스플라인 표면으로 구성된 FS/UWA/RO 표면)이 넓은 시야에 걸쳐 있는 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면의 가상의 이미지를 형성한다. FS/UWA/RO 표면은 혁신적인 거울 또는 혁신적인 굽은 빔 분리기 또는 자유-형태 거울(free-form) 또는 반사면으로 간주된다. 눈이 시야를 통해 스캔할 때, 수평으로 수직으로 둘 다, 굽은 FS/UWA/RO 표면은 이미지 디스플레이 시스템의 최소한 하나의 발광 표면의 다른 부분을 사용자의 눈으로 비춘다. 다양한 구체예에서, 전체 광학 시스템은 전형적인 인간의 시각적 해상도에 상응하는 이미지 품질을 유지하면서 저렴한 비용으로 대량 제조할 수 있다.

Ⅳ. 굽어 있지 않은 반사광 표면을 사용하는 HMD 장치( HMDs That Employ a Non-Curved Reflective Optical Surface )

제19도는 대체 머리-장착 디스플레이 장치(600)의 측면도이다. 상기 머리-장착 디스플레이 장치(600)는 확대 실재 두 눈의 관찰자 한 쌍이 될 수 있다. 머리-장착 디스플레이 장치(600)는 사용자(605)가 착용했을 때 사용자의 얼굴로부터 투사 또는 방출하기에 적절한 챙 부재(visor member)(610)를 포함한다. 챙 부재(610)는 사용자(605)의 눈 위에 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)를 지지하기 위해 구성된다. 예를 들어, 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)는 수평적으로 배치되거나 수평에 대하여 약간의 각도를 갖게 배치될 수 있다. 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)는 어셈블리에 포함된 발광 픽셀 당 하나의 픽셀 렌즈를 갖는다. 머리-장착 디스플레이 장치(600)는 콜리메이트 또는 실질적 콜리메이트 된 빛을 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)에서 사용자(605)의 눈으로 반사시키기 위해 수직면에 대해 약간의 각도를 갖게 배향되는 평평한 빔 분리기 렌즈 시스템(620)을 추가로 포함한다. 머리-장착 디스플레이 장치(600)는 근경(near viewing) 및 넓은 시야 범위를 제공한다. 이 구체예에서 빔 분리기(620)에 광 곡률이 없기 때문에, 이 구체예에서 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)는 넓은 시야 범위를 제공하기 위해 다른 구체예에서보다 큰 크기를 가질 수 있다.

전자 패키지(625)가 디스플레이 된 이미지를 조절할 수 있다. 전자 패키지(625)는 하나의 구체예에서 가속도계(accelerometers) 및 자이로스코프(gyroscopes)를 포함할 수 있다. 머리-장착 디스플레이 장치(600)로부터 오고 가는 파워 및 비디오가 전달 케이블(630) 또는 무선 매체를 통해 제공될 수 있다. 그리고 상기 전달 케이블(630) 또는 무선 매체에서 전자 패키지(625)는 트랜스시버(transceiver) 또는 무선 인터페이스를 제공한다.

카메라(640)의 하나의 세트는 확대 실재 장면의 컴퓨터 생성을 조절하기 위해, 예를 들어, 전자 패키지(625)에서 실행하는 소프트웨어 및 펌웨어 모듈과 같이, 기능에 입력을 제공하도록 HMD 장치의 각각의 측면에 위치한다. 구성 요소(650, 655, 656, 657)는 눈에 상대되는 원하는 위치에서 장치(600)를 홀드 하기 위한, 조절 가능한 밴드 또는 코드와 같은, 다양한 지지 형태를 보여준다.

제19도의 시스템의 작동은 광선(660, 665, 670)에 의해 도시된다. 보여지는 바와 같이, 광선(670)이 평평한 빔 분리기 렌즈 시스템(620)의 외부 표면을 통해 환경으로부터 들어간다. 그리고 사용자가 포인트(680)의 방향으로 볼 때 사용자의 눈으로 들어가는 결합된 광선(665)을 생성하기 위해, 광선(670)은 평평한 빔 분리기 렌즈 시스템(620)의 내부 표면과 부딪히는 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)로부터의 빛과 결합된다. 빔 분기기 렌즈 시스템(620)의 표면을 통해, 사용자의 주변 시력 능력은 또한 사용자가 포인트(680) 주위로부터 좌우로 위아래로 먼 빛을 보게 한다. 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(615)는 눈의 광학 시스템 및 빔 분리기 시스템(620)에 의해 픽셀 정보에 더 잘 접근하기 위해서 곡선의, 원통형의 방법으로 구부러뜨릴 수 있다.

Ⅴ. 직시형 HMD 장치( Direct View HMDs )

상기 적용과 더불어, 픽셀 렌즈는 또한 반사광 표면 간섭 없이 이미지 디스플레이 시스템의 직시형으로 사용될 수 있다. 이러한 구성은 실감형이고, 그러나 하나 이상의 비디오 카메라의 사용을 통해 외부 세계 정보를 포함할 수 있다. 픽셀 렌즈를 사용함으로써, 작은 공간에서 디스플레이의 이미지는 넓은 시야로 투사될 수 있다.

픽셀 렌즈의 사용을 통해, 사용자는 마치 멀리서 온 것 같이 생성된 이미지를 볼 수 있고, 사용자의 눈이 쉽게 그 이미지에 초점을 맞출 수 있게 한다. 또한, 최대 무변형 시야(a maximum undistorted field of view)는 상기의 접근법으로 얻을 수 있다. 빔의 콜리메이션은 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리에서 스스로 수행된다, 그래서 추가 콜리메이션은 필요하지 않다. 사용자는 최소한 하나의 스크린에 근접하여 직접적으로 스크린을 볼 수 있고, 그리고 최소한 하나의 이미지 디스플레이 시스템은 예상 시야를 위해 필요 되는 만큼 크게 만들어질 수 있다. 픽셀 렌즈는 눈에 가까이 위치할 때도 디스플레이 시스템을 보게 한다. 최적화는 디스플레이 시스템 곡률, 픽셀 사이즈, 픽셀 렌즈 성질, 및 사용자 눈으로부터의 거리를 조정함으로써 가장 유용한 패키지를 얻기 위해 수행된다.

제20도는 사용자(1105)에 의해 착용된 머리-장착 디스플레이 장치(1100)를 도시한다. 상기 머리-장착 디스플레이 장치(1100)는 실감 두 눈의 관찰자(1110)의 쌍이 될 수 있다. 상기 관찰자(1110)는 어셈블리에서 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(1115)를 각각의 발광 픽셀당 하나의 픽셀과 함께 지지하는 안경 및 고글과 유사한 형태를 착용한다. 최소한 하나의 상기 디스플레이 어셈블리(1115)는 사용자의 시야에 직접 위하고, 근경에 대해 픽셀 렌즈와 함께 조절된다. 최소한 하나의 상기 디스플레이 어셈블리(1115)는 사용자의 눈 사용 바로 앞에서, 예를 들어, 지지대(1120)와 같이, 고글 또는 안경의 표면에 장착되고, 그리고 실감 가상 세계 경험에 대한 사용자 눈의 방향으로 픽셀이 빛을 발산하도록 필히 수직으로 배향된다. 하나의 구체예에서 디스플레이 되는 이미지를 조절하도록 프레임에 의해 지지되는 처리 회로, 가속도계 및 자이로스코프를 포함하는 전자 패키지(1125)가 제공된다. 두 눈의 관찰자(1110)로부터 오고 가는 파워 및 비디오는 전달 케이블(1130) 및 무선 매체를 통해 제공될 수 있다. 카메라(1170)의 하나의 세트는 실감 실재 장면(immersive reality scenes)의 컴퓨터 생성을 조절하기 위해, HMD 장치의 각각의 측면에 위치하고, 예를 들어 전자 패키지(1125)의 부분인, 소프트웨어 패키지에 입력을 제공하는 프레임에 의해 지지된다.

제21도에 도시된 바와 같이, 여기서 부재 번호는 제20도와 같고, 이 구체예의 비전 시스템은 다음과 같은 두 개의 부분으로 구성된다: (a) 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(1115) 및 (b) 하나의 내부 렌즈(820)를 갖는 눈(810). 픽셀의 관련 픽셀을 지나는 디스플레이 어셈블리(1115)의 픽셀로부터 발산된 빛은 (565)로 표시된다. 눈의 렌즈(820)를 지난 후에, 빛은 사용자의 망막 위의 포인트에서 나타난다. 그러나, 벡터(840, 850)로 표현되는 거리에서, 눈이 보는 것은 눈 앞의 공간에서 나타나는 가상의 이미지이다. 무한의 거리(860)에서의 가상의 이미지에 대해, 선 거리는 벡터(840, 850)의 합이다. 최소한 하나의 디스플레이 어셈블리(1115)는 이 도면에서 평평하게 표현되지만, 그러나 굽어있거나 평평할 수 있다.

제22도는 머리-장착 디스플레이 장치로부터 눈(930)으로 들어가는 빛을 도시한 다이어그램이다. 빛은 굽은 배열을 갖는 디스플레이 어셈블리(1115)에서 발산한다. 특히, 빛은 디스플레이 어셈블리(1115)의 바깥 표면(1120)의 세 부분으로부터 발산한다. (1220)와 같이 세 부분에서 발산하는 빛의 모든 광속은 망막(1015) 위의 포인트(1010)에서 볼 때처럼 콜리메이트 되고 눈에 의해 보여질 수 있고 초점을 맞출 수 있다.

Ⅵ. 일반적 고려사항

HMD 장치의 전체적인 구조의 측면에서, 본 발명에 따라 구성된 HMD 디스플레이가 전형적으로 충족하는 파라미터의 대표적이고, 비제한적인 예를 표1이 제시한다. 게다가, 본 발명의 HMD 디스플레이는 설득력 있는 이미지(cogent image)가 사용자의 시야 평면에 설정되는 것을 확인하기에 충분히 작은 픽셀 간의 거리(inter-pixel distance)를 전형적으로 가질 것이다.

본 발명의 머리-장착 디스플레이에 포함될 수 있는 다양한 특징은 제한 없이 다음에 말하는 것을 포함하고 그 중 일부는 위에서 언급되었다.

(1) 몇몇 구체예에서, 반사광 표면(사용 될 때)이 반투명일 수 있고, 빛을 외부 환경으로부터 올 수 있게 한다. 디스플레이가 생성한 내부 이미지는 외부 이미지를 덮어씌울 수 있다. 상기 두 이미지는 자이로스코프, 카메라와 같은 한정 기구(localization equipment)의 사용 및 외부 환경에서 가상의 이미지가 적절한 위치에 있게 컴퓨터가 만든 이미지를 소프트웨어 처리함으로써 정렬될 수 있다. 특히, 카메라, 가속도계, 및/또는 자이로스코프는 장치가 물리적 실재 안에 등록하는 것을 돕게 사용될 수 있고, 이미지를 외부 시야에 겹치게 하기 위해 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 상대적인 투과율 및 반사광 표면의 반사율 사이의 밸런스는 적절한 회도를 갖는 덮어씌워진 이미지를 사용자에게 제공하도록 선택될 수 있다. HMD장치의 외부 환경으로부터의 빛 및 내부적으로 생성된 빛의 교정 밸런스를 사용하는 것은 안경 외부 환경에서 나타나는 HMD의 내부 표면 위에 반사가 나타나게 한다. 또한 이 구체예에서, 현실 세계 이미지 및 컴퓨터로 생성된 이미지는 거의 같은 가현 거리에서 나타날 수 있고, 그래서 눈은 한번에 두 개의 이미지에 초점을 맞출 수 있다.

(2) 몇몇 구체예에서, 반사광 표면(사용될 때)은 표면을 통해 지나가는 외부 빛의 위치나 초점에 미치는 영향을 최소화하기 위해 가능한 한 얇게 유지된다.

(3) 몇몇 구체예에서, 머리-장착 디스플레이 장치는 각각의 눈에 최소한 100, 최소한 150°, 최소한 200°의 시야를 제공한다.

(4) 몇몇 구체예에서, 머리-장착 디스플레이 장치에 의해 각각의 눈에 제공되는 시야는 어떠한 큰 각도에 의해서도 사용자의 코에 오버랩되지 않는다.

(5) 몇몇 구체예에서, 반사광 표면(사용될 때)은 이용 가능한 디스플레이 구역에 초점을 유지하기 위해서 시야를 지나는 광학 처방(optical prescription)의 혁신적인 전이(progressive transition)를 사용할 수 있다.

(6) 몇몇 구체예에서, 광선 추척(ray tracing)은 군사 훈련, 비행 시뮬레이션, 게임 및 다른 상업적 적용과 같은 특정한 구현을 위해서 장치 파라미터를 커스터마이즈 하도록 사용될 수 있다.

(7) 몇몇 구체예에서, 반사광 표면(사용될 때) 및/또는 디스플레이의 표면뿐만 아니라 픽셀 렌즈의 특성과 위치, 디스플레이와 반사광 표면(사용될 때) 사이의 거리 및 반사광 표면(사용될 때)에서 눈 사이의 거리는 망막 및/또는 중심와에서 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function: MTF) 사양에 대해 조절될 수 있다.

(8) 몇몇 구체예에서, 본 발명의 HMD 장치는 저격수 탐지, 상업 교육, 군사 훈련 및 운영, 및 CAD 제조와 같은 적용에서 구현될 수 있지만 제한될 수는 없다.

(9) 도면에서는 평면으로 표현되었지만, 이미지 디스플레이 시스템은 굽은 발광 표면 또한 가질 수 있다.

설계 후에, 본 발명의 반사광 표면(FS/UWA/RO 표면)은 현재까지 알려지거나 개발된 다양한 기술 및 다양한 재료를 사용하여 생산될 수 있다, 예를 들어, 대량으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 표면은 반사하기에 적절하게 금속화된 플라스틱 재료로부터 만들어질 수 있다. 반사 표면 위에 반사 방지 코팅을 제외하고, 윤이 나는 플라스틱 또는 유리 재료도 또한 사용될 수 있다. “확대 실재” 적용을 위해, 반사광 표면은 다음 물질을 통해 빛을 투과시키면서 투과 물질과 입사 파면의 반사 부분인 내장형 작은 반사면으로부터 구성될 수 있다.

원형 부분에 대하여, 아크릴 플라스틱(예를 들어, 플렉시 유리(plexiglas))은 다이아몬드 절삭으로 인해 형성된 부분과 함께 사용될 수 있다. 생산 부분에 대해, 예를 들어, 아크릴 또는 폴리카보네이트가 주입 몰딩 기술에 의해 형성된 파트와 함께 사용될 수 있다. 반사광 표면은 자세한 CAD(Computer Aided Drafting) 표현 또는 넙스(non-uniform rational B-Spline: NURBS) 표면으로서 묘사될 수 있고, 그리고 CAD 표현으로 변환될 수 있다. CAD 파일을 갖는 것은 장치가 3-D 출력을 사용하여 만들어지게 하고, 기계의 가공 없이, 장치에서의 CAD 표현은 3-D 물체를 직접적으로 야기한다.

상기에 설명된 수학적 기술은 현재까지 알려지거나 개발된 다양한 프로그래밍 환경 및/또는 프로그래밍 언어로 암호화될 수 있다. 현재 선호되는 프로그래밍 환경은 이클립스 프로그래머의 인터페이스(Eclipse Programmer's interface)에서 실행되는 자바 언어(Java language)이다. 마이크로소프트 비주얼 C#(Microsoft Visual C#)과 같은 다른 프로그래밍 환경은 원하는 경우 사용될 수 있다. 계산은 또한 매스캐드 플랫폼(Mathcad platform) 및/또는 매트랩 플랫폼(Matlab platform)을 사용하여 수행될 수 있다. 결과 프로그램은 하드 드라이브, 메모리 스틱, CD, 또는 유사한 장치에 저장될 수 있다. 상기 절차는 전형적인 데스크탑 컴퓨터 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 또는, 원하는 경우에 “클라우드(cloud)” 컴퓨팅을 포함하는 더 강력한 컴퓨터 장치가 사용될 수 있다.

상기에서, 다양한 구체예에서 선글라스와 유사한 HMD 장치에서 높은 해상도 및 넓은 시야 범위(넓은 각도) 디스플레이가 제공되었다는 것을 알 수 있다. 넓은 시야는, 예를 들어, 원하는 각도 및 또는 그 이상의 디스플레이를 갖게 만들 수 있다. 디스플레이 된 이미지는 주변 환경의 보이는 물리적 실재 위에 덮어씌워질 수 있다. 픽셀 렌즈의 사용은 먼 장면에 초점을 맞출 때 사용자의 눈이 HMD 장치의 스크린에 가까이에 있을 수 있게 하고, 그리고 그 가상의 이미지는 스크린으로부터 또한 먼 것으로 보인다. HMD 장치는 이미지 디스플레이 시스템 및 픽셀 렌즈와 사용자 눈 사이의 고정된 관계를 설정하고 유지한다. 픽셀 강도는 각각 사용자 눈에서 빔 거리, 빔 분리기를 사용하는 구체예에 이미지 디스플레이 시스템의 거리, 빔 분리기에서 빔 분리기의 거리, 빔 분리기의 곡률, 및 사용자 눈에서 빔 분리기의 거리에 기초하여 조절될 수 있다.

본 발명의 다양한 변형이 당업자에 의하여 만들어질 수 있다. 다음 특허청구범위는 본 발명의 구체예와 또한 이 구체예의 변형, 변화, 및 등가물을 망라한다.

Claims

명목상의 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;
발광 픽셀 어레이를 포함하는 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템 및 픽셀 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 프레임에 의해 지지되는 디스플레이 어셈블리; 및
상기 프레임에 의해 지지되는 반사광 표면;
을 포함하는 머리-장착 디스플레이 장치로서,
상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 반사광 표면과 접하고 상기 발광 픽셀 어레이의 각각의 발광 픽셀에 대한 하나의 다른 픽셀 렌즈를 갖고, 상기 하나의 다른 픽셀 렌즈는 관련 발광 픽셀에 정렬되어 그 관련 발광 픽셀로부터 빛을 수신하고, 상기 픽셀 렌즈 어레이가 단독으로 또는 반사광 표면과 함께 발광 픽셀 어레이로부터 발사되는 광을 콜리메이트(collimate) 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하도록 구성되고, 상기 디스플레이 어셈블리는 상기 반사광 표면을 향하여 볼록한 곡면을 이루고 상기 반사광 표면에서 상기 명목상의 사용자의 눈까지의 광 경로의 바깥쪽 위치에서 상기 프레임에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사광 표면은 평평하고, 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 사용 중에 상기 픽셀 렌즈 어레이가 단독으로 상기 발광 픽셀 어레이로부터 발사되는 광을 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사광 표면은 곡면을 이루고, 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 사용 중에 상기 픽셀 렌즈 어레이와 상기 반사광 표면의 조합은 발광 픽셀 어레이로부터의 발사되는 광을 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사광 표면은 삼차원 데카르트 좌표계의 어떠한 좌표축에 대해서 회전 대칭형이 아닌 연속적인 표면임을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 사용 중에:
(i) 상기 반사광 표면 및 상기 픽셀 렌즈 어레이는 발광 표면의 공간적으로-분리된 부분의 공간적으로-분리된 가상의 이미지를 생성하고, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 공간적으로-분리된 최소한 다른 하나의 다른 가상의 이미지로부터 적어도 100° 이상의 각도로 분리되며, 상기 각도 분리는 사용자 눈의 회전 중심으로부터 측정되고; 그리고
(ii) 상기 반사광 표면의 최소한 한 포인트는 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 다른 포인트로부터 적어도 100° 이상의 각도로 분리되고, 상기 각도 분리는 사용자의 눈의 회전 중심으로부터 측정되는;
것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이장치.
제6항에 있어서, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 적어도 150° 이상의 각도로 최소한 하나의 다른 공간적으로-분리된 가상의 이미지로부터 각도 분리되고; 그리고
상기 반사광 표면의 최소한 한 포인트는 적어도 150°의 각도로 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 다른 포인트로 각도 분리되는;
것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제6항에 있어서, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 최소한 하나의 다른 공간적으로-분리된 가상의 이미지로부터 적어도 200° 이상의 각도로 각도 분리되고; 그리고
상기 반사광 표면의 최소한 한 포인트는 상기 반사광 표면의 최소한 하나의 다른 포인트로부터 적어도 200°의 각도로 각도 분리되는;
것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사광 표면은 반투명인 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;
발광 픽셀 어레이를 포함하는 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템으로서, 상기 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템;
상기 프레임에 의해 지지되는 자유공간, 초광각, 반사광 표면; 및
상기 발광 픽셀 어레이와 상기 자유공간, 초광각, 반사광 표면 사이에 위치한 픽셀 렌즈 어레이;
를 포함하는 머리-장착 디스플레이 장치로서,
상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 발광 픽셀 어레이에 대한 하나의 다른 픽셀 렌즈를 포함하고, 상기 하나의 다른 픽셀 렌즈는 관련 발광 픽셀에 정렬되어 그 관련 발광 픽셀로부터 빛을 수신하고; 그리고
상기 자유공간, 초광각, 반사광 표면 및 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 발광 표면의 부분적으로 분리된 부분의 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지를 생성하고, 최소한 하나의 상기 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지는 최소한 다른 하나의 상기 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지로부터 적어도 100° 이상의 각도로 각도 분리되며, 상기 각도 분리는 사용자 눈의 회전 중심으로 측정되는;
것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 상기 자유공간, 초광각, 반사광 표면과 함께 조합한 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 사용 중에 상기 발광 픽셀 어레이로부터 발산하는 광을 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 상기 픽셀 렌즈 어레이는 상기 머리-장착 디스플레이 장치의 사용 중에 상기 발광 픽셀 어레이로부터 발산하는 광을 단독으로 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지는 최소한 다른 하나의 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지로부터 적어도 150° 이상의 각도로 각도 분리되는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 최소한 하나의 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지는 최소한 다른 하나의 공간적으로-분리된 다른 가상의 이미지로부터 적어도 200° 이상의 각도로 각도 분리되는 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 상기 자유공간, 초광각, 상기 반사광 표면은 반투명인 것을 특징으로 하는 머리-장착 디스플레이 장치.
삭제
삭제
삭제
발광 픽셀 어레이를 포함하는 발광 표면을 갖는 이미지 디스플레이 시스템, 및 각각의 발광 픽셀에 대한 각각의 다른 하나의 픽셀 렌즈를 갖는 픽셀 렌즈 어레이를 포함하는 디스플레이 어셈블리로부터 이미지를 생성하고, 상기 디스플레이 어셈블리는 반사광 표면을 향하여 볼록한 곡면을 이루고 반사광 표면에서 명목상의 사용자의 눈까지의 광 경로의 바깥쪽 위치에서 프레임에 의해 지지되고;
상기 발광 픽셀 어레이에 정렬된 상기 픽셀 렌즈 어레이의 각각 하나의 픽셀 렌즈에 의하여 상기 발광 픽셀 어레이의 각각 하나의 발광 픽셀로부터의 빛을 독립적으로 콜리메이트 하거나 또는 실질적으로 콜리메이트 하고;
상기 픽셀 렌즈 어레이로부터 콜리메이트 되거나 또는 실질적으로 콜리메이트 된 빛을 사용자의 눈을 기준으로 배치된 반사광 표면에 제공하고; 그리고
사용자의 눈에 반사광 표면으로부터의 콜리메이트 되거나 또는 실질적으로 콜리메이트 된 빛을 반사하는;
단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 반사광 표면은 빔 분리기(beam splitter)를 포함하고, 상기 방법은 사용자의 눈에 상기 반사광 표면의 외부의 환경의 시야를 제공하기 위해 반사면을 통해 외부광을 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제