KR101890328B1

KR101890328B1 - 인체공학적 머리 장착식 디스플레이 장치 및 광학 시스템

Info

Publication number: KR101890328B1
Application number: KR1020137019558A
Authority: KR
Inventors: 춘우 가오; 홍 후아; 우시앙 린
Original assignee: 매직 립, 인코포레이티드
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2018-08-21
Also published as: KR20140032986A; KR101997845B1; EP2656135A1; EP4036630A1; CN103688208A; JP2020184080A; US20170336639A1; US20160154245A1; CA2822978A1; CA2822978C; JP6185844B2; JP7377773B2; EP2656135A4; WO2012088478A1; CN107179607A; JP6952738B2; AU2015242991A1; KR20180095942A; AU2011348122A1; US20120162549A1

Abstract

본 발명은 안경 외관을 갖는 인체공학적 광학 투시 머리 장착식 디스플레이 장치에 관한 것이다. 투시 머리 장착식 디스플레이 장치는, 표시된 가상 영상을 관찰하기 위한 투명한 프리폼 도파관 프리즘, 프리즘과 함께 결합 시 실세계 장면의 적합한 관찰이 가능하게 하는 투시 보상 렌즈, 및 표시 내용을 제공하기 위한 소형 영상 디스플레이 유닛으로 구성된다. 다수의 프리폼 굴절 및 반사 표면을 포함하는 프리폼 도파관 프리즘은 소형 디스플레이 유닛으로부터 기원한 광을 사용자의 동공을 향해 안내하고, 사용자가 표시 내용의 확대 영상을 관찰할 수 있도록 한다. 다수의 프리폼 굴절면을 포함하는 투시 보상 렌즈는 결합된 도파관 및 렌즈를 통해, 주위 환경의 적합한 관찰을 가능하게 한다. 도파관 프리즘 및 투시 보상 렌즈는 사람 머리에 인체공학적으로 정합하도록 적절하게 설계되어, 경량의 소형 투시 디스플레이 시스템의 랩어라운드 설계가 가능하도록 한다.

Description

인체공학적 머리 장착식 디스플레이 장치 및 광학 시스템 {AN ERGONOMIC HEAD MOUNTED DISPLAY DEVICE AND OPTICAL SYSTEM}

본 출원은 2010년 12월 24일자로 출원된 미국 가출원 제61/427,162호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원의 명세서는 전체로서 본 명세서에 참고로 포함된다.

본 발명은 일반적으로, 광학적 투시 머리 장착식 디스플레이(OST-HMD) 장치, 보다 구체적으로는 넓은 투시 시야(FOV) 및 안경형 외관을 갖는 광학적 투시 HMD의 광학적 관찰 장치로서 사용하기 위해 인체공학적으로 설계된 프리폼 광학 시스템에 관한 것이다.

머리-장착식 디스플레이(HMD)는, 과학적 시각화, 의학 및 군사 훈련, 엔지니어링 설계 및 프로토타이핑, 원격 조작 및 원격 현실, 그리고 개인용 엔터테인먼트 시스템의 분야에 걸친 많은 응용예에 매우 유용하다는 것이 오랫동안 입증되어 왔다. 합성 및 증강 현실 시스템에서, 광학 투시 HMD는 컴퓨터 생성 가상 장면을 실세계 장면의 뷰(view)와 결합하는 기본적인 접근법 중 하나이다. 전형적으로, 광학적 결합체를 통해, OST-HMD는 최소로 열화되는 실세계의 직시를 유지하면서, 컴퓨터 생성 영상을 실세계 뷰 상에 광학적으로 중첩시킨다. OST-HMD는 스마트폰 및 PDA와 같은 다른 대중적인 모바일 플랫폼보다 훨씬 더 매력적인 화질 및 화면 크기를 제공하는 모바일 디스플레이 솔루션을 생성할 높은 가능성을 갖는다.

한편, HMD 설계에 있어 지난 수십 년에 걸친 상당한 발전에도 불구하고, 상기 기술이 많이 요구되는 응용예 및 일상적인 용도에서 광범위하게 수용되는 것을 차단하는 많은 기술적 및 사용상의 장벽이 존재한다. HMD에 있어 주요한 장벽 중 하나는 많이 요구되고 부상하고 있는 응용예에 대한 상기 기술의 수용을 차단하는 번거로운 헬멧식 형태 인자이다. 적용된 기존의 광학적 설계 방법 중 거의 대부분은, 비해체식이고 안경형의 근안 디스플레이로서 간주될 수 있는 진정한 휴대용의 컴팩트하고 경량인 HMD 설계를 생성할 수 없다. 무거운 무게는 피로와 불편함을 야기하고, HMD-기반의 응용예를 거리끼는 주요 원인으로 간주된다. 부수적으로, 최소한으로 차단 또는 열화되는 광범위한 투시 FOV를 제공하는 능력이 일상적인 일을 행함에 있어 필수적이다. 최근에, 시스템 무게를 줄이고 경량의 HMD를 생성하는 것을 목적으로, 프리폼 표면이 HMD 시스템 설계에 도입되었다[미국 특허 제5,699,194호, 제5,701,202호, 제5,706,136호(디.쳉(D. Cheng) 등), "프리폼 프리즘을 사용하여 넓은 시야 및 낮은 f-수를 갖는 광학적 투시 머리 장착식 디스플레이의 설계(Design of an optical see-through head-mounted display with a low f-number and large field of view using a freeform prism)", 어플라이드 옵틱스(Applied Optics), 48(14), 2009]. 그러나, 인체공학적 필요와 성능상의 필요 모두를 만족하는 이용 가능한 어떠한 솔루션도 현재까지는 찾아볼 수 없다. 우수한 성능을 유지하면서, 안경 형태 인자 및 광범위한 투시 FOV를 갖는 솔루션을 발전시키는 것이 우리 작업의 목적이다.

본 발명은 안경형 외관을 갖는 인체공학적 광학 투시 머리 장착식 디스플레이(OST-HMD) 장치 및 이러한 디스플레이 장치에서 광학 관찰 장치로서 사용하기 위한 프리폼 광학 시스템에 관한 것이다. OST-HMD 내 광학 관찰 장치는 전형적으로, 표시된 가상 영상을 관찰하기 위한 광학 경로 및 실세계 장면을 직접 관찰하기 위한 투시 경로로 구성된다. 본 발명에 있어서, 가상 영상 경로는 표시 내용을 제공하기 위한 소형 영상 디스플레이 유닛 및 사용자가 표시된 내용의 확대 영상을 보게 되는 인체공학적 형상의 디스플레이 관찰 광학기기를 포함한다. 디스플레이 관찰 광학기기는 다수의 프리폼 굴절 및 반사 표면을 포함하는 도광 장치(이하, 프리폼 도파관 프리즘이라 함)를 포함한다. 디스플레이 관찰 광학기기는 또한, 영상 디스플레이 장치로부터 도파관 프리즘 내로 광을 적절히 주사하기 위해, 추가적인 커플링 광학기기를 포함할 수 있다. 커플링 광학기기 및 프리폼 표면의 위치 및 형상은 관찰자가 표시된 내용의 깨끗하고 확대된 영상을 볼 수 있도록 설계된다. 머리 장착식 디스플레이 장치의 투시 경로는 프리즘의 외부면에 부착되는 프리폼 투시 보상 렌즈 및 도파관 프리즘으로 구성된다. 다수의 프리폼 굴절면을 포함하는 투시 보상 렌즈는 매우 광범위한 투시 시야에 걸친 주위 환경에 대한 적절한 관찰을 가능하게 한다. 도파관 프리즘 및 투시 보상 렌즈는, 안경형 외관, 광범위한 투시 시야, 및 우수한 광학적 성능을 갖는 소형 경량의 투시 디스플레이 시스템의 랩-어라운드(wrap-around) 설계가 가능한 사람 머리에 대한 인체공학적 인자와 인체공학적으로 정합하도록 적합하게 설계된다.

본 발명의 하나의 태양에서, 본 발명은 인체공학적 머리 장착식 디스플레이 장치에서 광학 관찰 장치로서의 사용을 위한 프리폼 광학 시스템의 다양한 실시예를 제공한다. 본 발명의 프리폼 광학 시스템은 사람 머리의 인체공학적 요소와 정합하여 이들 요소가 선행 기술 상의 HMD 설계에서의 헬멧형 외관이 아닌 안경형 외관을 나타내고 사람 안면에 둘러질 수 있도록 하는 인체공학적 형상의 관찰 광학기기를 제공하기 위해 최적화된다. 본 발명은 또한, 투시 능력을 제공하여, 사용자가 영상 디스플레이 장치 상에 표시된 내용뿐만 아니라, 관찰 광학기기를 통해 주위 환경을 관찰할 수 있도록 한다. 본 발명은 가상 뷰의 FOV보다 훨씬 클 수 있는 투시 FOV를 제공한다.

본 발명에 있어서, OST-HMD 장치의 가상 영상 경로는, 표시 내용을 제공하기 위한 소형 영상 디스플레이 유닛 및 사용자가 표시된 내용의 확대 영상을 관찰하게 되는 인체공학적 형상의 디스플레이 관찰 광학기기를 포함한다. 디스플레이 관찰 광학기기는 다수의 프리폼 굴절 및 반사 표면을 포함하는 프리폼 도파관 프리즘을 포함하고, 또한 추가적인 커플링 광학기기를 포함할 수 있다. 도파관 프리즘은 소형 영상 디스플레이 장치 상에서 영상을 확대하는 근안 관찰 광학기기로서의 역할을 한다. 영상 디스플레이 유닛에서 방출된 광선은 프리즘의 제 1 굴절면을 통해 도파관 프리즘으로 주사된다. 이러한 광선은 디스플레이 장치로부터 직접 또는 일군의 커플링 렌즈를 통해 프리즘으로 주사될 수 있다. 주사된 광선은 다수의 반사(전형적으로는, 3회 또는 그 초과)를 통해 도파관 프리즘을 통해 전파된 후, 프리즘의 제 2 굴절면을 통해 프리즘 외부에서 결합된다. 외향(outgoing) 광선은 계속 전파되어 사용자가 가상 내용을 관찰하기 위해 사용자의 눈을 위치시키는 시스템의 사출 동공에 도달한다. 광이 도파관 프리즘을 통해 전파될 때, 굴절면 상의 내부 전반사(TIR) 상태가 만족되면, 반사를 통한 광 손실이 최소화된다. 따라서, 모든 반사가 TIR 상태를 만족하게 되는데, 이는 반드시 요구되는 것은 아니나, 바람직하다. 그러나, 반사면의 일부에서의 TIR 상태를 포기함으로써, 도파관 프리즘의 얇은 설계를 얻는 것이 더 바람직하다. TIR 상태를 만족하지 않는 장치의 지정된 투시 FOV 내부에 위치되는 반사면에 대해, 광학 투시 능력을 용이하게 보유하면서, 소형 디스플레이 유닛으로부터 충분한 광이 사출 동공에 도달하여 밝은 영상을 생성하는 것을 보장하기 위해, 이들 표면 상에 반-투명 코팅이 도포된다. 장치의 투시 FOV 외부의 반사면에 대해, TIR 상태가 만족되지 않으면, 광 손실을 최소화하기 위해, 표면 상에 고-반사 미러 코팅이 도포될 수 있다. 본 발명에 있어서, 소형 영상 디스플레이 유닛은, 실리콘 액정(LCoS) 디스플레이 장치, 액정 디스플레이(LCD) 패널, 유기 발광 디스플레이(OLED), 실리콘 강유전성 액정(FLCoS) 장치, 디지털 미러 장치(DMD), 또는 전술한 장치들 상에 설치된 마이크로-프로젝터 혹은 다른 유형의 마이크로-디스플레이 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 영상 소스로서의 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 자체-방출식 또는 조명식 화소 배열일 수 있다.

본 발명에 있어서, 머리 장착식 디스플레이 장치의 투시 경로는 프리폼 도파관 프리즘 및 프리폼 투시 보상 렌즈로 구성된다. 프리즘에 의해 유발되는 광선 시프트 및 왜곡에 대응하고, 실세계 장면의 깨끗한 투시 뷰를 유지하기 위해, 보상 렌즈는 도파관 프리즘의 물리적 외부면에 부착된다. 다수(전형적으로는, 2개 또는 그 초과)의 프리폼 굴절면을 포함하는 보상 렌즈는 매우 광범위한 시야에 걸쳐 주위 환경의 적절한 관찰을 가능하게 한다. 보상 렌즈의 표면은, 렌즈가 프리즘과 결합된 때, 실세계 장면으로부터의 광선에 도입되는 시프트 및 왜곡을 최소화하는데 최적화된다. 도파관 프리즘의 부착 표면 상의 반사가 가상 영상 디스플레이 경로에서의 TIR 상태를 만족한다면, 도파관 프리즘과 보상 렌즈 사이에 작은 공극을 유지할 필요가 있다.

본 발명에 있어서, 다수의 반사는, 도파관 프리즘의 폭이 평균적인 사람 머리의 폭과 매우 근사하게 정합하도록, 광학 경로 길이를 연장하는데 사용된다. 긴 광학 경로는 큰 투시 FOV를 유지할 뿐만 아니라, 도파관 프리즘을 인체공학적 형상으로 설계하는 것을 용이하게 할 수 있다. 프리즘의 긴 광학 경로는 또한, HMD 시스템의 전방 중량을 감소시키고 시스템의 인체공학적 정합을 개선하는 디스플레이 프레임의 측면으로 영상 디스플레이 유닛을 이동시킬 수 있게 한다. 또한, 도파관 프리즘(및 전체로서 광학 관찰 장치)의 형상은 최적의 인체공학적 정합을 위해 사람 머리의 자연적인 굴곡에 근사화하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 우리의 실시예들 중 일부에서, 프리즘 형상은 한 쌍의 8-베이스 곡선의 안경의 곡률에 근사화되도록 굴곡되며, 일부 다른 실시예의 프리즘 형상은 대략적으로 한 쌍의 4-베이스 곡선의 안경의 형태 인자를 따른다. 또한, 도파관 프리즘 및 보상 렌즈의 전체 두께는 얇은 광학기기 프로파일(전형적으로는, 30 mm 미만)을 달성하기 위해 의도적으로 제어된다. 전체적으로, 의도적으로 제어된 프리즘 형상, 긴 광학 경로, 및 광학기기 두께는 사람 머리에 대한 인체공학적 정합 및 매력적인 안경형 외관을 제공하는 광학 투시 HMD의 랩어라운드 설계를 가능하게 한다.

본 발명의 다른 주요 태양은 매우 큰 투시 시야, 전형적으로는 가상 디스플레이의 FOV보다 훨씬 큰 투시 시야를 제공하는 능력이다. 본 발명에서, 이러한 능력은 몇몇 메커니즘, 예를 들어, 도파관 프리즘의 깨끗한 광학 개구를 연장하기 위해 영상 디스플레이 장치를 머리 측으로 이동시키고, 광선의 시프트 및 왜곡을 보정하기 위해 보상 렌즈 및 도파관 프리즘 상의 프리폼 표면을 의도적으로 제어하며, 큰 FOV에 걸쳐 높은 투시 성능을 보장함으로써 가능하다. 본 발명의 일부 실시예에서, 투시 FOV는 수평 방향으로 120도 및 수직 방향으로 80도 크기로 연장한다. 본 발명의 투시 FOV는 사람 눈의 시야와 정합하도록 연장될 수 있다.

큰 투시 FOV 달성뿐만 아니라, 사람 머리의 곡률 또는 폭과 정합하기 위한 긴 광학 경로 요구로 인해, 영상 디스플레이 장치 상의 동일 지점으로부터의 광선은 도파관 프리즘 내부에서 한번 이상 횡단할 것이며, 이는 비록 광선 교차점이 양호하게 형성될 수 없을지라도, 가상 디스플레이의 중간 영상이 도파관 내부에 형성된다는 것을 가리킨다.

도 1은 본 발명의 전형적인 실시예의 개념도.
도 2a는 YZ 평면에서의 단면도로, 본 발명의 설계에 대한 일련의 주요 구조적 제약을 예시하는 도면.
도 2b는 XZ 평면에서의 단면도로, 본 발명의 설계에 대한 추가적인 구조적 제약을 예시하는 도면.
도 3은 3D 뷰의 기준 표면(230)을 예시하는 도면.
도 4는 내부면이 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사된 본 발명의 도파관 프리즘의 5-반사 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 내부면이 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사된 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 관자놀이 측 상에 평탄 내부 굴곡을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 앞선 도 6의 실시예와 유사한 형태를 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 내부면이 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사된 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예로서, 반사형 마이크로-디스플레이에 기초한 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 앞선 도 8의 실시예와 유사하지만 내부면이 4-베이스 굴곡에 근사된, 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 내부면이 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사된 본 발명의 도파관 프리즘의 3-반사 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 도 8에 도시된 실시예 5에 대한 표기 및 요소 정의를 도시하는 도면.
도 12는 실시예 5에 대한 적색(625 nm), 녹색(525 nm), 및 청색(465 nm) 파장에 대해 선택된 필드의 MTF 플롯을 도시하는 도면.
도 13은 도 9에 도시된 실시예 6에 대한 표기 및 요소 정의를 도시하는 도면.
도 14는 실시예 6에 대한 적색(625 nm), 녹색(525 nm), 및 청색(465 nm) 파장에 대해 선택된 필드의 MTF 플롯을 도시하는 도면.
도 15는 실시예 6에 대한 투시 경로의 광선 자취 예를 도시하는 도면.
도 16은 본 발명의 실시예 6에 따른 4-베이스 굴곡 외관을 갖는 예시적인 OST-HMD 설계를 도시하는 도면.
도 17은 도 10에 도시된 실시예 7에 대한 표기 및 요소 정의를 도시하는 도면.
도 18은 실시예 7에 대한 적색(625 nm), 녹색(525 nm), 및 청색(465 nm) 파장에 대해 선택된 필드의 MTF 플롯을 도시하는 도면.
도 19는 도 10에 도시된 실시예 7에 대한 보상 렌즈의 표기 및 요소 정의를 도시하는 도면.
도 20은 도 10에 도시된 실시예 7에 대한 투시 경로의 광선 자취 예를 도시하는 도면.
도 21은 도 10에 도시된 실시예 7에 대한 투시 경로에 대해 선택된 필드의 다색의 MTF 플롯을 도시하는 도면.
도 22는 본 발명의 실시예 7의 언트리밍(untrimmed) 3D 모델을 도시하는 도면.
도 23은 본 발명의 실시예 7에 따른 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관을 갖는 예시적인 OST-HMD 설계를 도시하는 도면.
도 24는 프리폼 표면의 형상을 규정하는 수학 방정식을 도시하는 도면.
도 25는 도 8 및 도 11에 도시된 도파관의 실시예 5에 대한 표면의 파라미터를 도시하는 도면.
도 26은 도 8 및 도 11에 도시된 실시예 5의 커플링 렌즈 및 필드 렌즈에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 27은 도 8 및 도 11에 도시된 실시예 5의 광학적 표면의 위치 및 배향 파라미터를 도시하는 도면.
도 28은 도 9 및 도 13에 도시된 실시예 6의 도파관 프리즘에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 29는 도 9 및 도 13에 도시된 실시예 6의 커플링 렌즈 및 필드 렌즈에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 30은 도 9 및 도 13에 도시된 실시예 6의 광학적 표면의 위치 및 배향 파라미터를 도시하는 도면.
도 31은 도 10에 도시된 실시예 7의 도파관 프리즘에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 32는 도 10 및 도 17에 도시된 실시예 7의 커플링 렌즈 및 필드 렌즈에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 33은 도 10 및 도 17에 도시된 실시예 7의 광학적 표면의 위치 및 배향 파라미터를 도시하는 도면.
도 34는 도 10 및 도 19에 도시된 실시예 7의 보상 렌즈에 대한 표면 파라미터를 도시하는 도면.
도 35는 도 10 및 도 19에 도시된 실시예 7의 보상 렌즈의 위치 및 배향 파라미터를 도시하는 도면.

본 발명에 따른 실시예들이 첨부 도면에 대해 충분히 설명될 것이다. 이러한 설명은 본 발명의 이해를 제공하기 위해 개시된다. 그러나, 본 발명은 이들 상세 없이 실현될 수 있음은 명백할 것이다. 또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현될 수 있다. 그러나, 이하에 설명된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 개시된 실시예에 한정되는 것으로 여겨져서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예, 도면 및 예들은 예시적인 것이며, 본 발명의 모호함을 방지하고자 한다.

본 발명은 안경형 외관 및 광범위한 투시 시야(FOV)를 갖는 광학 투시 HMD의 광학 관찰 장치로서 사용하기 위한 인체공학적으로 설계된 프리폼 광학 시스템에 관한 것이다. 도 1에 도시된 본 발명의 전형적인 실시예는 프리폼 도파관 프리즘을 통해 사용자의 동공(eye pupil)으로 표시된 가상 영상을 투영하여, 실세계 장면(real world scene)에 중첩되는 표시 내용을 사용자가 볼 수 있도록 하는 영상 디스플레이 시스템으로서,

a. 영상 소스로서의 역할을 하고, 광을 도파관 내로 투영하는 소형 영상 디스플레이 유닛(105);

b. 디스플레이 유닛으로부터 프리폼 도파관 프리즘(100)으로 광을 안내하고, 광학적 수차를 바로잡는 하나 또는 그 초과의 렌즈로 구성되는 광학적 커플링 렌즈군(110);

c. 디스플레이 유닛(105)으로부터 광을 수용하여, 영상이 사용자의 동공으로 투영될 때까지, 광을 전파하는 전술한 것과 같은 투명한 프리폼 광학적 도파관 프리즘(100)으로서, 도파관은 실세계 장면으로부터의 광이 사용자의 동공을 통과하여 동공에 진입할 수 있도록 하고; 도파관은 물리적 내부면(115), 물리적 에지면(120) 및 물리적 외부면(125), 제 1 굴절면(130), 및 제 2 굴절면(135), 및 복수의 반사면을 갖는, 투명한 프리폼 광학적 도파관 프리즘;

d. 도파관의 물리적 외부면(125)에 고정되고, 도파관 프리즘을 통해 세계를 관찰함으로써 야기되는 광학적 왜곡을 바로잡는 프리폼 보상 렌즈(160)로서, 보상 렌즈(160)의 물리적 내부면(165)이 도파관 프리즘(100)의 물리적 외부면(125)의 형상에 근사하고, 도파관의 물리적 외부면(125)에 대해 TIR 기준이 만족되는 표면들 상에서, 도파관(100)과 보상 렌즈(160) 사이에 작은 간극(195)이 유지되며, 보상 렌즈(160)는 사용자가 깨끗한 투시 시야(190)를 유지하도록, 도파관(100)에 의해 야기되는 광선 시프트 및 왜곡의 효과를 보상하도록 설계되는, 프리폼 보상 렌즈;

영상 디스플레이 유닛(105)은 실리콘 액정(LCoS) 디스플레이 장치, 액정 디스플레이(LCD) 패널, 유기 발광 디스플레이(OLED), 실리콘 강유전성 액정(LCoS) 장치, 디지털 미러 장치(DMD), 또는 전술한 장치들 상에 설치된 마이크로-프로젝터 혹은 다른 유형의 마이크로-디스플레이 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 영상 소스로서의 역할을 할 수 있는 임의의 유형의 자체-방출식 또는 조명식 화소 배열일 수 있으며,

영상 디스플레이 유닛(105)은 도파관(100)이 후속하는 선택적인 커플링 렌즈(110) 내로 또는 제 1 굴절면(130)을 통해 직접 도파관으로 광(140)을 전달하며,

광(140)은 제 1 굴절면(130)으로부터 제 2 굴절면(135)까지 복수의 반사를 포함하는 도파관을 따라 경로(145)를 추종하며,

도파관을 따라 경로(145)를 추종하는 광(140)의 광선은 도파관(100) 내측에서 가로질러, 중간 영상(155)을 형성하며,

광(140)은 제 2 굴절면(135)을 통과하고, 사용자는 영상을 관찰하기 위해 사용자의 동공(150)을 제 2 굴절면을 지나 위치시키며,

실세계 장면(198)으로부터의 광은 동공(150)에 도달하기 전에, 도파관(100) 및 보상 렌즈(160)를 통과하는 영상 디스플레이 시스템이다.

본 발명의 일 태양은, 영상이 프리즘의 하나의 굴절 입력면으로 투영될 수 있어서, 영상이 사용자의 눈에 도달할 때까지 반사 및 굴절되는 인체공학적 형상의 프리폼 도파관 프리즘이다. 도파관 프리즘의 형상, 광학 경로 길이, 및 두께는 의도적으로 최적화되어, 사람 머리에 대한 인체공학적 정합 및 매력적인 안경형 외관을 제공하는 광학적 투시 HMD의 랩-어라운드 설계를 가능하게 한다.

전형적인 실시예에서, 본 발명의 프리폼 도파관 프리즘은, 각각이 물리적 표면 상에 배치되는 복수의 반사 및 굴절 광학 표면을 포함하는 3개 이상의 물리적 표면을 포함하고, 물리적 표면들의 내부 공간은 굴절률(n)이 1보다 큰 굴절 매체로 충전되며, 물리적 및 광학적 표면은,

a. 사용자의 안구(eyeball)를 향해 배치되고, 사용자의 안구에 영상을 전파시키기에 적합한 복수의 반사 및 굴절 표면을 포함하며, 사람 머리의 인체공학적 요소에 정합하게 되는 물리적 내부면(115);

b. 외부 장면을 향해 배치되고, 사용자의 안구에 영상을 반사시키는데 적합한 복수의 반사면을 포함하고, 모든 지점에서 전형적으로는 내부면의 30 mm 내에 존재하며, 외부 장면으로부터의 광이 도파관을 통과하여 사용자의 안구에 도달할 수 있도록 하는 하나 이상의 굴절면을 포함하는 물리적 외부면(125);

c. 영상 디스플레이 유닛으로부터의 광이 도파관으로 진입하기 위한 굴절면을 잠재적으로 포함하는 물리적 에지면(120);

d. 물리적 표면들 중 하나 상에 배치되고, 영상 디스플레이 유닛으로부터의 광이 도파관으로 진입할 수 있도록 하는 굴절 입력면(130);

e. 사용자의 동공 근처에서 상기 물리적 내부면 상에 배치되고, 광이 도파관을 빠져나갈 수 있도록 하며, 반-투명 코팅에 의해 덮여 있을 수도 그렇지 않을 수도 있는 굴절 출력면(135);

f. 상기 물리적 내부면 및 외부면 상에 배치되는 복수의 반사면으로서, 각각의 반사는 내부 전반사 조건을 만족하거나, 도파관의 표면에 반-투명 부분 반사 코팅을 도포함으로써 형성되는, 복수의 반사면

을 포함하며,

영상 디스플레이 유닛(105)으로부터의 광(140)은 제 1 굴절면(130)을 통해 도파관으로 진입하고,

광(140)은, 제 1 굴절면(130)으로부터 제 2 굴절면(135)까지 복수의 반사면 상에서의 복수의 반사를 포함하고, 각각의 반사가 내부 전반사 조건을 만족하거나, 표면에 반-투명 코팅을 도포함으로써 이루어지는 도파관을 따라 경로(145)를 추종하며,

광(140)은 제 2 굴절면(135)을 통과하게 되는데, 영상을 관찰하기 위해 사용자는 상기 제 2 굴절면을 지나 사용자의 동공(150)을 위치시키고,

보상 렌즈(160)에 의해 굴절된 후에, 실세계 장면으로부터의 광(198)은 동공(150)에 도달하기 전에, 도파관(100)의 물리적 외부면(125) 및 도파관의 물리적 내부면(115)을 통해 굴절된다.

전형적인 실시예에서, 도파관의 내부면(115) 및 외부면(125)은 영상의 왜곡 없이, 사용자의 동공을 향해 광을 안내하는 복수의 반사를 생성하도록 적절하게 설계된다. 복수의 반사는 도파관 프리즘의 폭이 평균적인 사람 머리의 폭에 가깝게 정합하도록 광학 경로 길이를 연장시킨다. 긴 광학 경로 길이는 도파관 프리즘의 설계를 인체공학적 형상으로 할 수 있다. 프리즘의 긴 광학 경로는 또한, 영상 디스플레이 유닛(105)을 HMD 시스템의 전방 중량을 감소시키고 시스템의 인체공학적 정합을 개선하는 디스플레이 프레임의 측면으로 이동시킬 수 있다.

전형적인 실시예에서, 내부면(115)은 원하는 안경 형태 인자에 대해 미리 지정된 굴곡면에 근사하게 된다. 외부면(125)은 또한, 내부면과 외부면 사이에 전형적으로는 30 mm 이하의 두께를 갖는 얇은 프로파일을 얻게 된다. 본 기술의 하나의 실시에 있어서, 내부면과 외부면 사이의 전체 두께를 12 mm 이하로 제한한다. 따라서, 도파관의 내부면과 외부면의 파라미터는 투영되는 영상이 도파관의 출구 지점에서 최소의 왜곡을 보이도록 최적화된다.

전형적인 실시예에서, 도파관(100)의 내부면(115)은 각각이 일련의 특정 파라미터에 의해 형성되는 다수의 표면 세그먼트를 포함할 수 있다.

전형적인 실시예에서, 도파관(100)의 외부면(125)은 각각이 일련의 특정 파라미터에 의해 형성되는 다수의 표면 세그먼트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 도파관(100)의 제 1 굴절면(130)과 소형 영상 디스플레이 유닛(105) 사이에 커플링 렌즈(110)가 추가될 수 있으며, 이로써 디스플레이 유닛(105)으로부터 도파관으로의 광의 전달이 용이하게 된다. 커플링 렌즈는 도파관의 광학적 수차를 바로잡는데 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 태양은 도파관 프리즘(100)에 물리적으로 부착되는 프리폼 투시 보상 렌즈(160)이다. 보상 렌즈(160)는 도파관 프리즘(100)에 의해 야기되는 광선 시프트 및 왜곡에 대응하도록 설계되고, 광범위한 시야에 걸쳐 실세계 장면의 깨끗한 투시 뷰를 가능하게 한다.

전형적인 실시예에서, 본 발명의 프리폼 보상 렌즈(160)는 다수(전형적으로는, 2 또는 그 초과)의 프리폼 굴절면을 포함하며, 굴절면의 내부 공간은 굴절률(n)이 1보다 큰 굴절 매체에 의해 충전되고, 광학적 표면들은,

a. 외부 장면을 향해 배치되고, 외부 장면으로부터의 광(198)이 보상 렌즈로 진입할 수 있게 하고, 전형적으로는 연속적인 단일의 굴절면이며, 모든 지점에서 도파관 프리즘(100)의 물리적 내부면(115)의 전형적으로는 30 mm 내에 존재하는 굴절 외부면(170);

b. 도파관 프리즘(100)의 외부면(125)을 향해 배치되고, 광이 보상 렌즈를 빠져 나가 도파관 프리즘(100) 내로 진입할 수 있도록 하며, 복수의 굴절면을 포함하고, 전형적으로는, 도파관 프리즘(100)의 외부면(125)의 형상에 근사하거나 정합하게 되는 굴절 내부면(165)을 포함하고,

실세계 장면(198)으로부터의 광은 동공(150)에 도달하기 전에, 보상 렌즈(160)의 굴절 외부면(170) 및 굴절 내부면(165), 도파관(100)의 물리적 외부면(125) 및 물리적 내부면(115)을 통해 굴절된다.

전형적인 실시예에서, 보상 렌즈(160) 및 도파관 프리즘(100)은 광범위한 시야(190)에 걸쳐 주위 환경의 적합한 관찰이 가능하도록 함께 의도적으로 최적화된다. 보상 렌즈(160)의 내부면(165) 및 외부면(170)은 보상 렌즈(160)가 도파관 프리즘(100)과 결합될 때, 실세계 장면으로부터의 광선에 도입되는 시프트 및 왜곡을 최소화하도록 최적화된다. 보상 렌즈(160)의 내부면(165)은 z 축선을 따라 소량의 오프셋을 두고 도파관 프리즘(100)의 외부면(125)의 정확한 복제본일 수 있다. 만일, 도파관 프리즘(100)의 부착된 외부면(125) 상의 반사가 가상 영상 디스플레이 경로에서 TIR 조건을 만족한다면, 도파관 프리즘(100)과 보상 렌즈(160) 사이에 작은 공극(air gap)(195)을 유지할 필요가 있다. 만약, 도파관 프리즘(100)의 외부면(125) 상에 TIR 요구가 존재하지 않는다면, 보상 렌즈(160)를 도파관 프리즘(100)과 접합시키기 위해, 공극(195)에 굴절률 정합 글루(matching glue)가 충전될 수 있다. 보상 렌즈(160)의 내부면(165)은 또한, 보다 우수한 투시 성능을 위해 보상 렌즈(160)의 외부면(170)과 함께 재설계될 수 있다. 본 경우에 대해서, 도파관 프리즘(100)과 보상 렌즈(160) 사이의 간극(195)은 표면들을 따라 임의의 지점에서 6 mm 미만으로 제한될 수 있다. 외부면(170)은 추가로, 도파관 프리즘(100)과 보상 렌즈(160)의 전체 두께를 전형적으로는 30 mm 이하로 제한하게 된다. 당해 기술의 일 실시에 있어서, 프리즘 및 렌즈의 전체 두께는 15 mm 이하로 제한된다. 보상 렌즈(160)의 외부면(170) 및 내부면(165) 양자는 지정된 투시 FOV(190)에 대해 충분히 커야 한다. 보상 렌즈의 형상 및 두께는 의도적으로 최적화되고, 인간 머리에 대한 인체공학적 정합 및 매력적인 안경형 외관을 제공하는 광학적 투시 HMD의 랩-어라운드 설계를 가능하게 한다.

전형적인 실시예에서, 보상 렌즈(160) 상의 내부면과 외부면, 및 도파관 프리즘(100)은 사람의 눈의 시야만큼이나 광범위한 투시 시야(190), 예를 들어 시야의 중심에 대해, 수평 방향으로 관자놀이 방향으로 최대 90°, 코 방향으로 60°, 그리고 수직 방향으로 상하로 최대 60°가 가능하도록 충분히 크다. 도파관 프리즘(100) 및 보상 렌즈(160) 상의 프리폼 표면은 큰 FOV에 걸쳐 높은 투시 성능이 가능하도록 광선 시프트 및 왜곡을 바로 잡도록 최적화된다.

전술한 모든 표면들은 구면, 비구면, 아나모픽(anamorphic) 비구면, XYP 다항식 또는 도 1에 도시된 바와 같은 전체 좌표계의 YZ 평면에서 비대칭인 임의의 다른 유형의 수학적 기술을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 프리폼 표면이며, 상기 좌표계의 원점은 사출 동공(150)의 중심에 위치되고, Z 축선(175)은 외부 장면을 지향하고, Y 축선(180)은 관자놀이 측을 지향하며, X 축선(185)은 머리를 따라 수직으로 지향된다. 본 명세서의 전반에 걸쳐, 특별한 언급이 없으면, 모든 도면 및 설명에 대해 동일한 좌표계가 사용된다.

본 발명의 주요 목적은 광학적 투시 HMD에서 광학적 관찰 장치로서 사용하기 위한 프리폼 광학 시스템을 설계하여 광범위한 투시 시야(FOV) 및 안경형 외관을 얻는 것이다. 이와 같이, 도파관 프리즘을 설계하는 것은 적합한 광학적 오차 기능, 예를 들어 파면(wavefront) 오차 또는 시스템 변조 이동 기능(MTF)을 최소화하기 위해 각각의 개별 표면의 파라미터를 최적화하는 것이 필요하다. 도 1에 제시된 도파관 프리즘은 전통적인 회전 대칭 광학 표면의 설계 자유도보다 높은 설계 자유도를 제공하는 다수의 프리폼 표면을 포함한다. 따라서, 프리폼 설계 접근법은 전통적인 회전 대칭 광학 표면을 사용하는 유사한 사양의 광학 관찰 장치와 비교하여 보다 적은 표면을 사용하면서도, 인체공학적 정합 및 보다 우수한 광학적 성능을 갖는 광학 관찰 장치를 설계할 수 있는 능력을 제공한다. 그러나, 원하는 형태 인자를 유지하고, 큰 투시 FOV를 제공하고자 하는 주요 목적을 달성하도록 도파관 프리즘의 유용한 설계를 얻기 위해, 표면 전체에 대해 적합한 제약이 적용되어야 한다.

도 2 및 도 3은 설계 공정 동안 적용되는 구조적 제약을 예시한다. 이들 제어 방법은 구조적 특징을 설계에 부여한다.

도 2는 도파관 프리즘 설계에 대한 일련의 주요 구조적 제약을 예시한다. 도 2a 및 도 2b는 각각 YZ 평면 및 XZ 평면에서의 단면도를 예시한다. 도면에서, 도파관(200)의 사출 동공(250)은 사람 눈의 동공과 정렬되고, 점선(230)은 소형 영상 디스플레이 유닛(205)의 위치뿐만 아니라, 도파관(200)의 내부면(215)의 형상을 제약하기 위해 사용되는 기준면이다. 기준면(230)은 안면(face)의 코 측에서 귀 측까지 사람 머리의 자연적인 곡률에 근사하는 3D 공간(도 3에 도시된 바와 같음)에 있는 원통형 표면이다. 수평 방향의 YZ 평면에서의 기준면(230)의 반경은 목표로 하는 사용자 개체군의 머리 크기에 따라 40 mm에서 100 mm정도의 크기까지 다양할 수 있다. 수직 방향의 XZ 평면에서의 기준면(230)의 반경은 프리즘의 내부면이 사용자의 안면에 간섭되지 않는 한, 직선이거나 곡선일 수 있다. 당해 기술의 일 실시에서, 8-베이스 곡선 안경의 반경과 유사한 수평 방향으로 65 mm의 반경을 선택한다. 기준 곡선(232)의 중심은 Y_ref1(234), Z_ref1(236) 및 Y_HIPD(238)에 의해 정의되며, 치수 Y_HIPD(238)는 사용자의 동공 사이의 거리(IPD)의 절반이며, IPD는 개체군의 95%에 대해 40 mm 내지 80 mm의 전형적인 범위를 갖는다. 기준 치수(234, 236 및 238)는 특정 설계 목적에 따라 선택된다. 당해 기술의 일 실시에서, 치수(234, 236 및 238)는 8-베이스 곡선 및 IPD가 64 mm인 예에 대해, 각각 10 mm, 50 mm 및 32 mm이도록 선택된다. 치수 Z_ref2(242)에 의해 규정된 점선(240)은 내부면(215)의 형상을 제약하기 위한 다른 기준면이다. 원하는 형상의 평면 또는 굴곡면일 수 있는 기준면(240)은 매우 보기 안 좋은 외관을 갖는 광학적 설계를 야기할 수 있는, 보상 렌즈(260)가 사용자의 안면으로부터 너무 멀리 돌출하지 않음을 보장한다. 점선(290a 및 290b)은 관자놀이에서 코까지 수평 치수에서 지정된 투시 FOV(290)의 경계를 나타내는 한편, 점선(290c 및 290d)은 수직 치수에서 지정된 투시 FOV(290)의 경계를 나타낸다.

인체공학적 설계 목표 및 원하는 투시 FOV를 만족시키기 위해, 이하의 제약들이 도파관(200)의 내부면(215)에 적용된다.

a. 전체 내부면(215)은 프리즘이 사용자의 머리와 간섭하지 않음을 보장하기 위해, 기준면(230)의 외부에 놓이게 된다;

b. 내부면(215)은 기준면(230)으로부터 멀리 벗어날 수 있지만, 기준면(240)을 지나지 않게 된다.

c. 내부면(215)을 단일 표면 성상으로부터 다수의 표면 세그먼트로 분리할 필요가 있는 경우, 세그먼트의 각각은 설계 자유도를 증가시키기 위해 자체적인 수학 공식을 가지며, 분리점은 투시 FOV(290)의 상부 경계(290a) 외부에 놓여야 하거나, 분리된 세그먼트는 일차(first order) 연속성을 유지함으로써 중간 세그먼트에 의해 인접되어야 한다. 다시 말해, 투시 FOV(290)의 내측에서 내부면(215)의 표면 세그먼트(215a)는 연속적인 평활한 광학 표면이어야 한다. 표면 세그먼트(215a)의 국부적 곡률 반경은 허용 가능한 수준으로 투시 왜곡을 유지하기 위해 20 mm 이상이어야 한다.

d. 표면 세그먼트(215a)는 설계된 곡률에 근사하게 되어야 된다. 내부 표면 세그먼트(215a)의 형상은 보상 렌즈(260)의 외부면(270)이 내부 표면 세그먼트(215a)와 유사한 형상을 가질 것이기 때문에, 도파관 프리즘의 외관을 결정한다. 당해 기술의 일 실시에서, 표면 세그먼트(215a)는 8-베이스 랩어라운드 설계를 달성하기 위해 기준 표면(230) 외부 10 mm에 위치된 베이스-8 굴곡을 따르도록 설계된다.

도파관 프리즘(200)의 외부면(225)은 내부면(215)보다 훨씬 많은 자유도를 갖는다. 외부면은 필요한 경우 다수의 표면 세그먼트로 분리될 수 있다. 분리점은 투시 FOV(290) 내측 또는 외측에 놓일 수 있다. 분리점이 투시 FOV(290) 내측에 있는 경우, 2개의 세그먼트들 사이에 평활한 전이부를 보장하기 위해 인접한 2개의 표면 세그먼트의 교차선 주위에 적어도 1 mm 무광선 간극이 존재할 필요가 있다. 외부면(225)은 지정된 투시 FOV(290)에 대해 X- 및 Y 양 방향을 따라 충분히 넓어야 한다. 외부면(225)과 내부면(215) 사이의 최대 거리는 도파관 프리즘이 너무 두껍지 않음을 보장하기 위해, 전형적으로는 30 mm 미만으로 제한된다. 당해 기술의 몇몇 실시에 있어서, 최대 거리는 15 mm 미만으로 제한된다. 낮은 광 손실을 위해서는 요구되겠지만, 외부면(225) 상의 반사에 대한 TIR 조건은 요구되지 않는다. TIR 조건이 만족되지 않는다면, 투시 FOV(290) 내측의 표면 세그먼트에 대해 하프-미러 코팅이 요구된다. 투시 FOV(290) 외측의 표면 세그먼트에 대해, TIR 조건이 만족되지 않는다면, 높은-반사 미러 코팅이 추천된다.

도파관 프리즘의 내부면 및 외부면 상에 적용되는 제약에 더해, 동공(250)으로부터 관자놀이 측으로 Y 방향으로 측정된 도파관 프리즘(200)의 폭(244)은 도파관 프리즘이 관자놀이 측에 원하는 투시 FOV(290)를 제공하기에 충분한 폭을 갖도록, 하부 경계로 제한된다. 추가적으로, 폭(244)은 결과적인 도파관 프리즘이 인체공학적 정합 및 매력적인 외관을 목적으로 사람 머리의 관자놀이 측에 너무 돌출하지 않음을 보장하기 위해 상부 경계로 제한된다. 당해 기술의 일 실시에서, 폭(244)은 사출 동공(250)으로부터 Y 방향으로 50 mm의 상부 경계로 설정된다.

동공(250)으로부터 코 측으로 Y 방향으로 측정된 도파관 프리즘의 폭(246)은 도파관 프리즘(200)이 코 측에 원하는 투시 FOV(290)를 제공하기에 충분한 폭을 갖도록, 하부 경계로 제한된다. 추가적으로, 폭(246)은 결과적인 도파관 프리즘이 사람 머리의 콧등(nose bridge)과 간섭되지 않음을 보장하기 위해 상부 경계로 제한된다. 당해 기술의 일 실시에서, 폭(246)은 사출 동공(250)으로부터 Y 방향으로 30 mm의 상부 경계로 설정된다.

동공(250)으로부터 이마와 볼까지 X 방향으로 측정된 도파관 프리즘의 높이(252 및 254)는 각각, 도파관 프리즘(200)이 수직 치수 위아래로 원하는 투시 FOV(290)를 제공하기에 충분한 높이를 갖도록 하부 경계로 제한된다.

소형 영상 디스플레이 유닛(205)에는 2개의 위치 제약이 적용된다: (1) 디스플레이 유닛의 임의의 부분은 기준 표면(230)의 외측에 놓여야 함; (2) 디스플레이 유닛은 Y 방향으로 사출 동공(250)으로부터 너무 멀리 돌출하지 말아야 함.

보상 렌즈(260)는 도파관 프리즘(200)에 의해 야기되는 광선 시프트 및 왜곡에 대응하도록 설계되고, 도파관 프리즘(200)에 물리적으로 부착된다. 보상 렌즈(260)의 내부면(265) 및 외부면(270)은 보상 렌즈(260)가 도파관 프리즘(200)과 결합된 때, 실세계 장면으로부터 광선으로 도입되는 시프트 및 왜곡을 최소화하도록 최적화된다. 보상 렌즈(260)의 내부면(265)은 z 축선을 따라 작은 오프셋을 두고 도파관 프리즘(200)의 외부면(225)의 정확한 복제본일 수 있다. 도파관 프리즘(200)의 부착 외부면(225) 상의 반사가 가상 영상 디스플레이 경로에서 TIR 조건을 만족하는 경우, 도파관 프리즘(200)과 보상 렌즈(260) 사이에 작은 공극(295)을 유지시킬 필요가 있다. 도파관 프리즘(200)의 외부면(225)에 대해 TIR 요구사항이 없다면, 보상 렌즈를 도파관 프리즘과 접합시키기 위해, 굴절률 정합 글루가 공극(295)에 충전될 수 있다. 보상 렌즈(260)의 내부면(265)은 또한, 보다 우수한 투시 성능을 위해 보상 렌즈(260)의 외부면(270)과 함께 재설계될 수 있다. 이러한 경우에, 도파관 프리즘(200)과 보상 렌즈(260) 사이의 간극(295)은 표면들을 따라 임의의 위치에서 6 mm 미만으로 제한될 수 있다. 외부면은 추가로, 도파관 프리즘(200)과 보상 렌즈(260)의 전체 두께가 전형적으로는 30 mm 이하가 되도록 제한되게 된다. 당행 기술의 일 실시에서, 프리즘과 렌즈의 전체 두께는 15 mm 이하로 제한된다. 보상 렌즈(260)의 외부면(270) 및 내부면(265) 양자는 지정된 투시 FOV(290)에 대해 충분히 커야 한다.

도 3은 3D 뷰의 기준 표면(230)을 예시한다. 도 2의 기준 굴곡(230)은 x-축선을 따라 원통형 표면(330)까지 지난다. 도파관 프리즘(300)의 전체 내부면(325)은 프리즘이 사용자의 안면과 물리적으로 간섭하지 않음을 보장하기 위해, 원통형 표면(330)의 외측에 놓여야 한다. 원(350)은 도파관(300)의 사출 동공 위치를 나타낸다.

이하의 도면들은 전술한 강제적인 제약 및 이에 따른 상이한 베이스 굴곡 스타일에 대한 상이한 설계 구조 중 일부 또는 전체를 갖는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다.

도 4는 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사한 내부면을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 5-반사 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예는 8-베이스 랩어라운드 안경 형태 인자를 갖는 HMD 시스템을 실시하는데 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(400)의 물리적 내부면(415) 및 물리적 외부면(425)은 각각이 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 2개의 연속적인 평활한 표면이다. 도파관 프리즘(400)의 굴절면(430)은 내부면(415)의 일부가 아니며, 다른 일련의 표면 파라미터에 의해 형성된다. 본 도면에서, 광선 다발(440a, 440b, 및 440c)은 소형 영상 디스플레이 유닛(405) 상에 3개의 상이한 화소로부터 기원한다. 디스플레이 유닛(405)과 도파관 프리즘(400) 사이에서, 광학적 수차(aberration)를 바로잡고, 영상 품질의 개선을 돕기 위해, 커플링 렌즈(410)가 사용된다. 본 실시예에서, 광선 다발(440a, 440b, 및 440c)은 굴절면(430)을 통해 도파관 프리즘(400)으로 진입하고, 외부면(425) 및 내부면(415)에 의해 연속적으로 5회(R1 내지 R5)에 반사된 후, 굴절면(435)을 통해 전달되어 사출 동공(450)에 도달한다. 5회의 반사 중에, 외부면(425) 상의 반사(R1) 및 내부면(415) 상의 반사(R2)는 TIR 조건을 만족하는 한편, 내부면(415) 상의 반사(R4) 및 외부면(425) 상의 반사(R3 및 R5)는 TIR 조건을 만족하지 못한다. 반사(R3, R4 및 R5)의 반사 효율을 증가시키기 위해, 내부면(415) 및 외부면(425) 양자 상에 반-투명 코팅을 도포할 필요가 있다. 반사(R1 및 R2)에 대해 TIR 조건을 유지하기 위해, 유전체 코팅이 바람직하다. 8-베이스 굴곡의 랩어라운드 형태 인자를 보장하기 위해, 내부면(415)은 수평 치수에서 미리 규정된 8-베이스 굴곡에 근사하게 된다. 도파관 프리즘(400) 내측에서, 광선 다발(440a, 440b 및 440c)은 각각 초점을 다시 맞추어, 중간 영상(455a, 455b 및 455c)을 형성한다.

도 5는 8-베이스 굴곡에 근사한 내부면을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(500)의 물리적 내부면(515)은, 각각이 상이한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 평활한 표면인 2개의 표면 세그먼트(515a 및 515b)로 분할된다. 도파관 프리즘(500)의 물리적 외부면(525)은 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 연속적인 평활한 표면이다. 굴절면(530) 및 반사면(515a)은 동일한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되고, 이에 따라 단일의 평활한 표면이다: 반사면(515b) 및 굴절면(535)은 동일한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되고, 단일의 평활한 표면이다. 표면 세그먼트(515a 및 515b)는 표면 세그먼트(515c)에 의해 연결된다. 표면 세그먼트(515c)는 표면들(515b 및 515c) 사이의 교점이 투시 FOV(590)의 상부 경계(590a) 내측에 있다면, 상기 교점에서 일차 연속성을 유지하도록 설계된다. 유사하게, 표면들(515a 및 515c) 사이의 교점에서의 일차 연속성 역시 이들 교점이 투시 FOV(590)의 상부 경계(590a) 내측에 있는 경우 필요할 수 있다. 5개의 반사 중에, 반사(R2, R3 및 R4)는 TIR 조건을 만족하는 한편, 반사 (R1 및 R5)는 TIR 조건을 만족하지 못한다. 반사 효율을 증가시키기 위해, 외부면(525)은 반-투명 코팅으로 도포된다. 반사(R3)에 대해 표면(525) 상의 반사(R3)에 대한 TIR 조건을 유지하기 위해, 유전체 코팅이 바람직하다. 세그먼트(525a)가 투시 FOV(590)의 상부 경계(590a) 외측에 있다면, 상부면 세그먼트(525a) 상에 미러 코팅이 도포될 수 있다. 도파관 프리즘(500)의 굴절면(530)과 영상 디스플레이 유닛(505) 사이에는, 광학적 수차를 바로잡고 영상 품질의 개선을 돕기 위해 커플링 렌즈(510)가 사용된다. 도파관 프리즘(500)의 전체 중량을 감소시키는 이점을 위해, 표면 세그먼트(515b)가 8-베이스 굴곡에 근사하게 되는 반면, 표면 세그먼트(515a)는 외부면(525)에 근접 이동하게 된다.

도 6은 관자놀이 측 상에 평탄한 내부 굴곡을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(600)의 굴절면(630)은 내부면(615)의 일부가 아니며, 상이한 일련의 표면 파라미터에 의해 형성되는 반면, 내부면(615)은 연속적인 평활한 표면이다. 굴절면(635)은 표면(615)과 동일한 일련의 표면 파라미터를 공유한다. 도파관 프리즘(600)의 물리적 외부면(625)은 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 연속적인 평활한 표면이다. 5개의 반사 중에서, 반사(R2, R3 및 R4)는 TIR 조건을 만족하는 반면, 반사(R1 및 R5)는 TIR 조건을 만족하지 못한다. 반사 효율을 증가시키기 위해, 외부면(625)은 반-투명 코팅이 도포된다. 표면(625) 상의 반사(R3)에 대해 TIR 조건을 유지하기 위해, 유전체 코팅이 바람직하다. 표면 세그먼트(625a)가 투시 FOV(690)의 상부 경계(690a) 외측에 있다면, 상부 표면 세그먼트(625a) 상에 미러 코팅이 도포될 수 있다. 내부 표면(615)은 임의의 미리 규정된 곡률로 제한되지 않지만, 표면의 위치는 프리즘이 사람 안면으로부터 너무 돌출하지 않음을 보장하도록 제한된다. 도파관 프리즘(600)의 굴절면(630)과 영상 디스플레이 유닛(605) 사이에서, 광학적 수차를 바로잡고, 영상 품질의 개선을 돕기 위해 커플링 렌즈(610)가 사용된다.

도 7은 도 6에 도시된 실시예와 유사한 본 발명의 도파관 프리즘의 다른 5-반사 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(700)의 굴절면(730)은 내부면(715)의 일부가 아니며, 상이한 일련의 표면 파라미터에 의해 형성되는 반면, 내부면(715)은 연속적인 평활한 표면이다. 굴절면(735)은 표면(715)과 동일한 일련의 표면 파라미터를 공유한다. 도파관 프리즘(700)의 물리적 외부면(725)은, 각각이 상이한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 평활한 표면인 2개의 세그먼트(725a 및 725b)로 분리된다. 표면 세그먼트(725a 및 725b)는 표면 세그먼트(725c)에 의해 연결된다. 표면 세그먼트(725c)는 표면들(725b 및 725c) 사이의 교점이 투시 FOV(790)의 상부 경계(790a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서 일차 연속성을 유지하도록 설계된다. 유사하게, 표면들(725a 및 725c) 사이의 교점이 투시 FOV(790)의 상부 경계(790a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서의 일차 연속성 역시 필요할 수 있다. 부수적으로, 본 실시예는 프리즘 자체가 광학적 수차를 바로 잡기에 충분하기 때문에, 도파관 프리즘(700)과 소형 영상 디스플레이 유닛(705) 사이에 커플링 렌즈는 필요하지 않다.

도 8은 8-베이스 굴곡에 근사하는 내부면을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 5-반사 바람직한 실시예를 도시하며, 본 실시예는 LCoS 또는 FLCoS형의 마이크로-디스플레이 패널과 같은 반사형 조명 화소 배열에 특화되도록 설계된다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(800)의 물리적 내부면(815)은, 각각이 상이한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 평활한 표면인 2개의 표면 세그먼트(815a 및 815b)로 분리된다. 굴절면(830) 및 반사면(815a)은 단일의 평활한 표면이며, 동일한 일련의 표면 파라미터에 의해 형성된다: 반사면(815b) 및 굴절면(835)은 단일의 평활한 표면이며, 동일한 일련의 표면 파라미터에 의해 형성된다. 표면 세그먼트(815a 및 815b)는 표면 세그먼트(815c)에 의해 연결된다. 표면 세그먼트(815c)는, 표면들(815b 및 815c) 사이의 교점이 투시 FOV(890)의 상부 경계(890a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서 일차 연속성을 유지하도록 설계된다. 유사하게, 표면들(815a 및 815c) 사이의 교점이 투시 FOV(890)의 상부 경계(890a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서의 일차 연속성 역시 필요할 수 있다. 도파관 프리즘(800)의 물리적 외부면(825)은, 각각이 상이한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 평활한 표면인 2개의 세그먼트(825a 및 825b)로 분리된다. 표면 세그먼트(825a 및 825b)는 표면 세그먼트(825c)에 의해 연결된다. 표면 세그먼트(825c)는 표면들(825b 및 825c) 사이의 교점이 투시 FOV(890)의 상부 경계(890a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서의 일차 연속성을 유지하도록 설계된다. 유사하게, 표면들(825a 및 825c) 사이의 교점이 투시 FOV(890)의 상부 경계(890a) 내측에 있는 경우, 상기 교점에서의 일차 연속성 역시 필요할 수 있다. 프리즘의 전체 중량을 감소시키는 이점을 위해, 표면 세그먼트(815b)는 8-베이스 굴곡에 근사하게 되는 반면, 표면 세그먼트(815a)는 외부면(825a)에 더욱 근접하게 된다. 5개의 반사들 중에서, 반사(R2, R3 및 R4)는 TIR 조건을 만족하는 반면, 반사(R1 및 R5)는 TIR 조건을 만족하지 못한다. 따라서, 반사 효율을 증가시키기 위해, 외부면(825)에 대해 반-투명 코팅이 요구된다. 표면(825b) 상의 반사(R3)에 대한 TIR 조건을 유지하기 위해, 유전체 코팅이 바람직하다. 표면 세그먼트(825a)가 투시 FOV(890)의 상부 경계(890a) 외측에 있는 경우, 상부 표면 세그먼트(825a) 상에 미러 코팅이 도포될 수 있다. 도파관 프리즘(800)의 굴절면(830)과 소형 영상 디스플레이 유닛(805) 사이에는, 광학적 수차를 바로잡고, 영상 품질의 개선을 돕기 위해 커플링 렌즈(810)가 사용된다. 본 실시예에서, 소형 영상 디스플레이 유닛(805)은 반사형 마이크로 디스플레이 패널(805a)(예를 들어, LCoS 디스플레이 패널), 필드 렌즈(805b) 및 편광 빔 스플리터(805c)를 포함한다. 필드 렌즈(805b)는 마이크로-디스플레이 표면에서 광의 텔레센트리시티(telecentricity)를 시행하기 위해 적용된다. 편광 빔 스플리터(805c)는 디스플레이 조명 경로(도시되지 않음)와 디스플레이 영상 경로를 합치기 위한 빔 결합기로서 작용한다. 편광 빔 스플리터(805c)는 또한, 편광기로서 작용하고, 이어서 마이크로-디스플레이 패널(805a)에 대한 유입 및 유출 광의 분석기로서 작용한다. 본 실시예에 대한 요소 정의가 도 11에 도시되며, 파라미터는 도 25 내지 도 27(표 2 내지 표 4)에 주어진다.

도 9는 도파관 프리즘(900)의 물리적 내부면(915)이 8-베이스 굴곡 대신 4-베이스 굴곡에 근사하도록 최적화되는 것을 제외하고는 도 8에 도시된 실시예와 유사한 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(900)은 도 8의 실시예의 특징과 유사한 구조적 특징을 갖는다. 그러나, 내부 표면 세그먼트(915b)는 4-베이스 굴곡에 근사하게 된다. 결과적으로, 본 실시예는 4-베이스 안경 형태 인자를 구비하여, 한 쌍의 4-베이스 굴곡 안경과 같은 평탄한 외관을 갖는 HMD 시스템을 시행하는데 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 실시예와 유사하게, 본 실시예는 LCoS 또는 FLCoS형 마이크로-디스플레이 패널과 같은 반사형 조명 화소 배열에 특화되어 설계된다. 본 실시예에 대한 요소 정의는 도 13에 도시되고, 파라미터는 도 28 내지 도 30(표 5 내지 표 7)에 주어진다.

도 10은 8-베이스 굴곡 랩어라운드 외관에 근사한 내부면을 갖는 본 발명의 도파관 프리즘의 3-반사 바람직한 실시예를 도시한다. 본 실시예는 8-베이스 굴곡 랩어라운드 형태 인자를 갖는 HMD 시스템을 실시하기 위해 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 도파관 프리즘(1000)의 물리적 내부면(1015) 및 물리적 외부면(1025)은, 각각이 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되는 2개의 연속적인 평활한 표면이다. 도파관 프리즘(1000)의 굴절면(1030)은 내부면(1015)의 일부가 아니며, 상기한 일련의 표면 파라미터에 의해 형성된다. 소형 영상 디스플레이 유닛(1005)은 마이크로-디스플레이 표면에서 광의 텔레센트리시티를 얻기 위해 사용되는 필드 렌즈(1005b) 및 마이크로-디스플레이 패널(1005a)을 포함한다. 마이크로-디스플레이 패널(1005a)은 반사형 마이크로-디스플레이(예를 들어, LCoS, FLCoS, 또는 DMD 패널) 또는 투과형 마이크로-디스플레이(예를 들어, LCD 패널) 또는 자체-방출식 마이크로-디스플레이(예를 들어, OLED 패널)일 수 있다. 반사형 마이크로-디스플레이 패널의 경우에, 빔 스플리터(도시되지 않음)는 조명 경로(도시되지 않음)를 도입하기 위해, 필드 렌즈(1005b) 뒤에 요구된다. 영상 디스플레이 유닛(1005)과 도파관 프리즘(1000) 사이에서, 광학적 수차를 바로잡고, 영상 품질의 개선에 도움이 되도록 커플링 렌즈(1010)가 사용된다. 이러한 설계 예에서, 마이크로-디스플레이(1005a) 상의 3개의 상이한 화소로부터 기인한 광선 다발(1040a, 1040b, 및 1040c)은 굴절면(1030)을 통해 도파관 프리즘(1000)으로 진입하고, 내부면(1015) 및 외부면(1025)에 의해 3회 반사된 후, 굴절면(1035)을 통해 전달되어 사출 동공(1050)에 도달한다. 본 예에서, 3개의 반사 중에, 반사(R1 및 R2)는 TIR 조건을 만족하고, 외부면(1025) 상의 반사(R3)는 TIR 조건을 만족하지 못한다. 반사(R3)에 대한 반사 효율을 증가시키기 위해, 외부면(1025) 상의 반-투명 코팅을 도포할 필요가 있다. 반사(R1)에 대해 TIR 조건을 유지하기 위해, 유전체 코팅이 바람직하다. 8-베이스 안경 형태 인자를 보장하기 위해, 내부면(1015)은 미리-정해진 8-베이스 굴곡에 근사하게 된다. 도파관 프리즘(1000) 내측에서, 광선 다발(1040a, 1040b 및 1040c)은 각각, 초점이 다시 맞추어지고, 중간 영상(1055a, 1055b 및 1055c)을 형성한다. 본 실시예에 대한 요소 정의가 도 17에 도시되며, 파라미터가 도 31 내지 도 33(표 8 내지 표 10)에 주어진다.

다양한 실시예에서, 영상 디스플레이 유닛은 렌즈의 형상, 반사의 횟수 및 원하는 안경 형태 인자에 따라, 내부면, 외부면, 또는 에지면을 향해 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 8-베이스 안경 형태 인자에 대해, 영상 디스플레이 장치는 통상적으로, 도파관의 에지면을 향해 배치될 것이지만, 4-베이스 안경 형태 인자에 대해서는, 통상적으로 내부면을 향해 배치될 것이다.

설계된 8-베이스 및 4-베이스 안경이 본 명세서에 기술되었지만, 2-베이스, 3-베이스, 4-베이스, 5-베이스, 6-베이스, 7-베이스, 8-베이스, 및 9-베이스를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 업계 표준 안경 형태 인자와 같은 임의의 다른 안경 형상에 대한 설계를 위해 본 발명의 개념을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명의 특징은 연장된 광학적 경로 길이가, 광선 다발이 프리즘을 통해 중간 지점에 다시 초점이 맞춰지도록 설계되는 표면들을 필요로 하는 것이다. 이러한 광의 재초점 설정은 프리즘을 통과하는 중간 영상부를 생성하며, 결과적으로 광선은 방출 굴절면에서 덜 분기되며, 이의 이점은 도파관의 전체 두께가 가상 영상 경로의 시야가 OST-HMD에서의 증가만큼 급속하게 증가하지 않는다는 것이다.

본 발명에 따라 7 개의 실시예들(도 4 내지 도 10)이 제시된다. 이하의 부분에서는, 실시예 5 내지 실시예 7(도 8 내지 도 10)의 수치 데이터가 제시된다. 프리폼 표면들의 3가지 유형이 실시예들에 적용되고, 각각의 표면 유형의 수학적 방정식이 도 24(표 1)에 기재된다. 도 24(표 1)에서의 방정식은 표면의 정점에 원점을 갖는 국부 좌표계에 주어진다. 표면의 위치 및 배향은 전체 좌표계에서 또는 기준 좌표계를 통해 바로 규정된다. 도 1의 상세한 설명에서 설명되는 바와 같이, 전체 좌표계는 x축이 지면 내측을 향하고, y축이 상방을 향하며, z축이 외부 장면을 향해 우측을 향하도록 하여, 사출 동공의 중심에 위치된다.

실시예 5(도 8에 도시됨)에 대한 수치 데이터

도 11은 실시예 5(도 8)에 대한 표기 및 요소 정의를 도시한다. 실시예는 Y 방향으로 26.5°및 X 방향으로 15°, 및 대각선으로 30°의 가상 FOV를 생성하는 0.37" 반사형 디스플레이(예를 들어, LCoS 또는 FLCoS)에 대해 설계된다. 시스템 F/수는 2이다. 도 25(표 2)는 도파관 프리즘(800)에 대한 표면 파라미터를 나타내고, 도 26(표 3)은 커플링 렌즈(810) 및 필드 렌즈(805b)에 대한 표면 파라미터를 나타낸다. 각각의 광학 요소에 대한 광학적 재료뿐만 아니라, 모든 광학적 표면들의 위치 및 배향이 도 27(표 4)에 기재되어 있다.

적색(625 nm), 녹색(525 nm) 및 청색(465 nm) 파장에 대한 선택된 필드의 MTF 플롯이 도 12에 도시된다. 6.25 ㎛의 등가 화소 크기에 대응하는 80 cycles/mm의 컷오프 공간 주파수에서 중심설정 3-mm 동공에 대해 MTF 성능을 평가하였다.

실시예 6(도 9에 도시됨)에 대한 수치 데이터

도 13은 실시예 6(도 9)에 대한 표기 및 요소 정의를 도시한다. 실시예는 Y 방향으로 26.5°및 X 방향으로 15°, 및 대각선으로 30°의 가상 FOV를 생성하는 0.37" 반사형 디스플레이(예를 들어, LCoS 또는 FLCoS)에 대해 설계된다. 시스템 F/수는 2이다. 도 28(표 5)은 도파관 프리즘(900)에 대한 표면 파라미터를 나타내고, 도 29(표 6)는 커플링 렌즈(910) 및 필드 렌즈(905b)에 대한 표면 파라미터를 나타낸다. 각각의 광학 요소에 대한 광학적 재료뿐만 아니라, 모든 광학적 표면들의 위치 및 배향이 도 30(표 7)에 기재되어 있다.

적색(625 nm), 녹색(525 nm) 및 청색(465 nm) 파장에 대한 선택된 필드의 MTF 플롯이 도 14에 도시된다. 6.25 ㎛의 등가 화소 크기에 대응하는 80 cycles/mm의 컷오프 공간 주파수에서 중심설정 3-mm 동공에 대해 MTF 성능을 평가하였다.

도 15는 실시예 6에 대한 투시 경로의 광선-추적 예를 도시한다. 보정된 전체 투시 FOV는 수평 방향으로 75°및 수직 방향으로 70°이다.

도 16은 본 발명의 실시예 6에 따른 4-베이스 굴곡 외관을 갖는 예시적인 OST-HMD 설계를 도시한다. OST-HMD 장치는 실시예 6의 한 쌍의 광학 조립체, 프레임(1602), 및 전자 유닛(1604)을 포함한다. 각각의 광학 조립체는 프리폼 도파관 프리즘(1600), 보상 렌즈(1660), 커플링 렌즈(1610), 빔 스플리터(1605c), 필드 렌즈(1605b), 및 마이크로-디스플레이 패널(1605a)을 포함한다. 프레임(1602)의 2개의 아암 내측의 전자 유닛(1604)은, 마이크로-디스플레이 유닛 및 디스플레이 조명 유닛, 영상 및 비디오 수신 및 처리 유닛, 오디오 입력 및 출력 유닛, 그래픽 처리 유닛, 위치설정 유닛, 무선 통신 유닛, 및 컴퓨팅 처리 유닛 등에 대한 회로판을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 필수 전자기기를 통합하는데 사용될 수 있다. 본 실시예의 지정된 투시 FOV(1690)는 수평 치수에서, 관자놀이 측에서 45°, 및 코 측에서 30°, 그리고 수직 치수(도시되지 않음)에서 ±35°이다.

실시예 7(도 10에 도시됨)에 대한 수치 데이터

도 17은 실시예 7(도 10)에 대한 표기 및 요소 정의를 도시한다. 실시예는 Y 방향으로 26.5°및 X 방향으로 15°, 및 대각선으로 30°의 가상 FOV를 생성하는 0.37" 반사형 디스플레이(예를 들어, LCoS 또는 FLCoS)에 대해 설계된다. 시스템 F/수는 2이다. 도 31(표 8)은 도파관 프리즘(1000)에 대한 표면 파라미터를 나타내고, 도 32(표 9)는 커플링 렌즈(1010) 및 필드 렌즈(1005b)에 대한 표면 파라미터를 나타낸다. 각각의 광학 요소에 대한 광학적 재료뿐만 아니라, 모든 광학적 표면들의 위치 및 배향이 도 33(표 10)에 기재되어 있다.

적색(625 nm), 녹색(525 nm) 및 청색(465 nm) 파장에 대한 선택된 필드의 MTF 플롯이 도 18에 도시된다. 6.25 ㎛의 등가 화소 크기에 대응하는 80 cycles/mm의 컷오프 공간 주파수에서 중심설정 3-mm 동공에 대해 MTF 성능을 평가하였다.

도 19는 실시예 7(도 10)의 보상 렌즈에 대한 표기 및 요소 정의를 도시한다.

도 20은 실시예 6에 대한 투시 경로의 광선-추적 예를 도시한다. 보정된 전체 투시 FOV는 수평 방향으로 80°및 수직 방향으로 70°이다.

투시 경로에 대해 선택된 필드의 다색 MTF 플롯이 도 21에 도시된다. 60 cycles/mm의 컷오프 공간 주파수에서 중심설정 3-mm 동공에 대해 MTF 성능을 평가하였다.

도 22는 실시예 7의 언트리밍 3D 모델을 도시한다. 모델은 도파관 프리즘, 보상 렌즈, 커플링 렌즈, 및 필드 렌즈를 포함한다. 모델은 또한, 반사형 마이크로-디스플레이에 대한 조명 경로를 도입하기 위해, 빔 스플리터를 삽입하기 위한 공간을 제공하는 빔 스플리터 공간을 포함한다. 모델은 마이크로-디스플레이에 대한 커버 글라스를 더 포함한다.

도 23은 본 발명의 실시예 7에 따라 8-베이스 굴곡 외관을 갖는 예시적인 OST-HMD 설계를 도시한다. OST-HMD 장치는 실시예 7의 한 쌍의 광학 조립체, 프레임(2302), 및 전자 유닛(2304)을 포함한다. 각각의 광학 조립체는 프리폼 도파관 프리즘(2300), 보상 렌즈(2360), 커플링 렌즈(2310), 필드 렌즈(2305b), 및 마이크로-디스플레이 패널(2305a)을 포함한다. 프레임(2302)의 2개의 아암 내측의 전자 유닛(2304)은, 마이크로-디스플레이 유닛 및 디스플레이 조명 유닛, 영상 및 비디오 수신 및 처리 유닛, 오디오 입력 및 출력 유닛, 그래픽 처리 유닛, 위치설정 유닛, 무선 통신 유닛, 및 컴퓨팅 처리 유닛 등에 대한 회로판을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 필수 전자기기를 통합하는데 사용될 수 있다. 본 실시예의 지정된 투시 FOV(2390)는 수평 치수에서, 관자놀이 측에서 65°, 및 코 측에서 35°, 그리고 수직 치수(도시되지 않음)에서 ±35°이다.

본 명세서에 설명된 것에 더해, 본 발명의 다양한 변형들이 전술한 설명으로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 이러한 변형들은 또한, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되고자 한다. 본원에서 인용된 각각의 참조는 전체적으로 참고로 본 명세서에 포함된다.

비록, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허청구범위의 범주를 초과하지 않는 변형예들이 설정될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

이하의 특허청구범위에 인용된 도면부호는 단지 본 특허 출원의 설명의 편의를 위한 것으로 예시적인 것이며, 특허청구범위의 범주를, 도면에서 대응하는 도면부호를 갖는 특정 특징부로 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims

3개 이상의 물리적 표면을 포함하고, 상기 물리적 표면 각각은 상기 물리적 표면 상에 배치되는 복수의 반사 및 굴절 프리폼(freeform) 광학적 표면을 포함하고, 상기 물리적 표면의 내부 공간은 굴절률(n)이 1을 초과하는 굴절 매체에 의해 충전되며, 도파관이 안경 형상에 정합될 수 있도록, 복수의 반사면이 광학 경로 길이를 접어 연장시키며, 이는 영상 디스플레이 유닛이 머리 측에 위치될 수 있도록 하고, 직선 전방 뷰(straight ahead view)에 대해 관자놀이 방향(temple view)으로 최대 90°, 코 방향으로 60°, 그리고 직선 전방 뷰에 대해 위 아래로 최대 60°의 광범위한 투시 시야를 가능하게 하며, 내부면 및 외부면이, 안경 형태 인자 및 최대 두께에 정합하는 제약 내에서, 복수의 프리폼 반사면이 영상의 왜곡 없이 사용자의 동공을 향해 광을 안내하도록 설계되는, 프리폼 도파관 프리즘으로서,
상기 물리적 및 광학적 표면은,
a. 사용자의 동공을 향해 배치되고, 안경 형태 인자에 대해 미리 지정된 굴곡면에 근사하게 되고, 최소 왜곡량으로 사용자의 안구에 영상을 반사시키도록 최적화된 복수의 프리폼 반사면 및 하나 이상의 굴절면을 포함하는 물리적 내부면(115);
b. 외부 장면(external scene)을 향해 배치되고, 최소 왜곡량으로 사용자의 동공에 영상을 반사시키도록 최적화된 복수의 프리폼 반사면을 포함하며, 모든 지점에서 상기 내부면의 최대 거리 내에 존재하고, 외부 장면으로부터의 광이 도파관을 통과하여 사용자의 안구에 도달할 수 있도록 하는 하나 이상의 굴절면을 포함하는 물리적 외부면(125);
c. 선택적으로, 영상 디스플레이 유닛으로부터의 도파관으로 진입하는 광을 위한 굴절면을 포함하는 물리적 에지면(120);
d. 물리적 표면들 중 하나의 표면 상에 배치되고, 영상 디스플레이 유닛으로부터의 광이 도파관으로 진입할 수 있도록 하는 굴절 입력면(130);
e. 사용자의 동공 근처에서 상기 물리적 내부면 상에 배치되고, 광이 도파관을 빠져나갈 수 있도록 하는 굴절 출력면(135);
f. 상기 물리적 내부면 및 외부면 상에 배치되는 3개 또는 그 초과의 복수의 프리폼 반사면으로서, 각각의 반사는 내부 전반사 기준을 만족하거나, 도파관의 표면에 반-투명 부분 반사 코팅을 도포함으로써 생성되며, 이들 반사는 최소 왜곡량으로 프리즘의 내부를 따라 광을 안내하도록 최적화되고, 복수의 반사는, 프리즘이 광범위한 투시 시야 및 사람 머리에 정합하기에 적합한 크기를 가능하게 하도록, 광학 경로 길이를 연장시키는, 상기 복수의 프리폼 반사면;
을 포함하며,
영상 디스플레이 유닛(105)으로부터의 광(140)은 제 1 굴절면(130)을 통해 도파관으로 진입하고,
광(140)은, 제 1 굴절면(130)으로부터 제 2 굴절면(135)까지 복수의 반사면 상에서의 복수의 반사를 포함하는 도파관을 따라 경로(145)를 추종하고, 각각의 반사는 내부 전반사의 조건을 만족하거나, 표면에 반-투명 코팅을 도포함으로써 생성되며,
광(140)은 제 2 굴절면(135)을 통과하게 되는데, 영상을 관찰하기 위해 사용자는 상기 제 2 굴절면을 지나 사용자의 동공(150)을 위치시키고,
실세계 장면(real-world scene)으로부터의 광(198)은 동공(150)에 도달하기 전에, 도파관(100)의 물리적 외부면(125) 및 도파관의 물리적 내부면(115)을 통해 굴절되고, 도파관을 통과하는 투시 시야는 관자놀이 방향으로 최대 90°, 코 방향으로 최대 60°, 및 직선 전방 뷰 위아래로 최대 60°인,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
복수의 반사는 도파관이 동공으로부터 관자놀이까지 25 mm를 초과하는 폭을 갖도록, 광학 경로 길이를 연장시키는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
상기 내부면에 대한 제약은,
a. 평균적인 사람 머리의 형상에 근사한 제 1 굴곡 기준면(230) - 내부면이 제 1 기준면의 외측에 놓이게 됨 -;
b. 도파관이 사용자의 안면으로부터 외부로 돌출하는 정도를 제한하는 제 2 기준면(240) - 내부면이 제 2 기준면의 내측에 놓이게 됨 -;
c. 상기 물리적 내부면(115)과 물리적 외부면(225) 사이의 최대 거리;
d. 프리즘이 머리 측에 도달하고 상부 범위(290a)에 의해 설정되는 지정된 투시 시야를 얻기에 충분한 폭을 갖지만, 머리 측을 지나 너무 멀리 돌출하지 않도록, 수평 치수에서 동공으로부터 관자놀이까지 프리즘의 폭(244) 상의 상부 및 하부 경계;
e. 프리즘이 하부 범위(290b)에 의해 설정되는 지정된 투시 시야를 얻기에 충분한 폭을 갖지만, 콧등과 간섭하지 않도록, 수평 치수에서 동공으로부터 코까지 프리즘의 폭(246) 상의 상부 및 하부 경계;
f. 프리즘이 상부 범위(290c) 또는 하부 범위(290d)에 의해 설정되는 지정된 투시 시야를 얻기에 충분한 폭을 갖도록, 수직 치수에서 동공으로부터 프리즘의 높이 상의 하부 경계;
g. 표면 세그먼트(215a) - 내부면이 안경 형태 인자에 정합하게 되고, 표면 세그먼트의 폭은 수평 방향으로 지정된 투시 시야의 상부 범위(290a) 및 하부 범위(290b)에 의해 경계 지어지고, 표면 세그먼트의 높이는 상기 내부면에 투영되는 수직 방향으로 투시 시야의 상부 범위(290c) 및 하부 범위(290d)에 의해 경계 지어지며, 표면 세그먼트의 국부적 곡률 반경이 안경 형태 인자에 따른 범위에 의해 경계 지어짐 -
을 포함하고,
내부 및 외부 프리즘 표면의 형상은 이들 제약 내에서, 도파관의 진입 지점으로부터 도파관의 진출 지점까지 광학적 왜곡을 최소화하도록 최적화되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 3 항에 있어서,
특정 제약은:
a. 제 1 굴곡 기준면의 중심은, 기준 치수 즉, 머리의 관자놀이측에 대한 기준면의 중심과 머리의 정중선 사이의 거리인 Y_ref1, 머리의 전방에서 후방까지의 기준면의 중심과 동공 사이의 거리인 Z_ref1및 동공에서부터 머리의 정중선까지의 거리인 Y_HIPD로 정의되며, 전형적으로 Y_ref1은 0 내지 40 mm에 이르고, Z_ref1은 30 내지 90 mm에 이르며, Y_HIPD는 20 내지 40 mm에 이르고, 수평 치수로 제 1 기준면의 곡률 반경은 40 내지 100 mm에 이름;
b. 제 2 기준면의 위치는 동공에서 기준면까지의 거리인 기준 치수 Z_ref2로 정의되며, 전형적으로 Z_ref2는 40 mm 미만임;
c. 상기 물리적 내부면과 물리적 외부면 사이의 최대 거리는 40 mm 미만임;
d. 관자놀이 방향으로 프리즘의 폭 상의 상부 경계는 80 mm임;
e. 관자놀이 방향으로 프리즘의 폭 상의 하부 경계는 15 mm임;
f. 동공에서부터 코까지 프리즘의 폭 상의 상부 경계는 40 mm임;
g. 동공에서부터 코까지 프리즘의 폭 상의 하부 경계는 8 mm인,
프리폼 도파관 프리즘.
제 3 항에 있어서,
상기 내부면의 형상은 지정된 안경 형태 인자의 외관에 근사하도록 제약되며, 이 안경 형태 인자는 2-베이스, 3-베이스, 4-베이스, 5-베이스, 6-베이스, 7-베이스, 8-베이스 및 9-베이스를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 업계 표준 형태 인자 중 임의의 것인,
프리폼 도파관 프리즘.
제 3 항에 있어서,
내부 표면 세그먼트의 수평 치수 형상은 8-베이스 안경 형태 인자의 외관에 근사하도록, 50 mm 내지 100 mm의 반경을 갖는 굴곡에 근사하는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 3 항에 있어서,
내부 표면 세그먼트의 수평 치수 형상은 4-베이스 안경 형태 인자의 외관에 근사하도록, 100 mm 내지 500 mm의 반경을 갖는 굴곡에 근사하는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
도파관의 각각의 물리적 표면은 하나 또는 그 초과의 프리폼 표면 세그먼트를 포함하고, 각각의 표면 세그먼트는 일련의 특정 파라미터에 의해 형성되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 8 항에 있어서,
다수의 표면 세그먼트는 인접하는 세그먼트와 일차 연속성(first order continuity)을 유지하도록 설계되는 중간 세그먼트에 의해 연결되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 8 항에 있어서,
표면 세그먼트들 사이의 임의의 교점은 투시 시야(290)의 상부 경계(290a) 외측에 놓이게 되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 8 항에 있어서,
교점의 위치는 제 1 굴절면에서 프리즘으로 진입하는 광이 도달하지 않는 교점 주위의 최소 1 mm의 무광선(ray-free) 간극이 존재하도록 제약되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
내부 전반사의 조건을 만족하는 표면에 반-투명 코팅이 도포되고, 이들 표면이 이 조건을 계속 만족하도록 유전체 반-투명 코팅이 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
투시 시야(290)의 상부 경계(290a)의 외측에 있는 도파관의 외부면의 부분에 미러 코팅이 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
상기 표면들은 도파관 내측의 중간 지점에서 도파관으로 진입하는 광선의 초점을 다시 맞춰 중간 영상을 생성하도록 설계되며, 그 결과는 연장된 광학 경로 길이를 갖는 도파관의 증가된 광출력인,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관은 5개의 반사면을 포함하고, 도파관으로 진입하는 광은 굴절면(435)을 통해 방출되기 전에 반사면에 의해 연속하여 5회(R1- R5) 반사되며; 외부 반사면은 동일한 표면 파라미터를 갖는 단일의 평활한 외부면(425)의 일부이고, 내부면은 동일한 표면 파라미터를 갖는 다른 단일의 평활한 내부면(415)의 일부이며; 내부면은 8-베이스 안경 형태 인자에 따라 제약되며; 광선 다발(440a, 440b, 및 440c)은 프리즘의 에지를 따라 놓이는 굴절면(430)을 통해 프리즘으로 진입하며, 프리즘으로 진입한 후의 제 1(R1) 및 제 2(R2) 반사는 내부 전반사의 조건을 만족하며, 제 3(R3), 제 4(R4), 및 제 5(R5) 반사는 내부 전반사의 조건을 만족하지 못하고, 대신 반-투명 코팅이 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관의 물리적 내부면은 별도의(distinct) 파라미터를 갖는 2개의 별개 프리폼 표면으로 분할되며, 도파관은 도파관으로 진입하는 광이 굴절면(535)을 통해 빠져나가기 전에 반사면에 의해 5회(R1-R5) 반사되는 5개의 반사면을 포함하며; 외부 반사면은 동일한 표면 파라미터를 갖는 단일의 평활한 표면(525)의 일부이며; 내부는, 각각이 일련의 특정 파라미터를 갖는 단일의 평활한 표면인 2개의 표면 세그먼트(515a 및 515b)로 분리되고, 제 1 굴절면(530) 및 제 1 내부면 세그먼트(515a)는 동일한 일련의 프리폼 표면 파라미터에 의해 형성되며; 제 2 내부면 세그먼트(515b)는 8-베이스 안경 형태 인자와 정합하게 되고, 제 1 및 제 2 내부면 세그먼트는 중간 세그먼트(515c)에 의해 연결되며; 광은 제 1 굴절면(530)을 통해 프리즘으로 진입하고, 제 2 굴절면(535)을 통해 빠져나가고, 이에 따라 광은 사용자의 안구로 투영되며; 광의 경로를 따른 제 1 및 최종 반사는 내부 전반사 기준을 만족하지 못하며, 이들 표면에는 반-투명 코팅이 도포되고, 제 2, 제 3 및 제 4 반사는 내부 전반사 기준을 만족하고, 제 3 반사는 유전체 코팅이 도포되어 있는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 16 항에 있어서,
상기 중간 표면 세그먼트(515c)는 제 1 또는 제 2 내부면 세그먼트(515b, 515c)와 일차 연속성을 유지하도록 설계되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 16 항에 있어서,
제 1 반사(R1)를 용이하게 하기 위해, 미러 코팅이 투시 시야(590a)의 상부 경계 외측에서 물리적 외부면(525)에 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관은 평탄한 설계를 위해 형상화되며, 도파관은 5개의 반사면을 포함하고, 광은 제 1 굴절면(630)으로 진입하고, 광선은 반사면에 의해 5회 반사되며; 외부 반사면은 동일한 표면 파라미터를 갖는 단일의 평활한 외부면(625)의 일부이며; 내부면(615)은 동일한 표면 파라미터를 갖는 다른 단일의 평활한 표면이지만, 굴절면(630)으로부터 분리되며; 광선은 도파관으로부터 사출 동공(650)으로 굴절되고, 이에 의해 광선은 유색 영상(color image)을 포함하며; 제 1 및 최종 반사는 내부 전반사 기준을 만족하지 못하고, 반-투명 코팅이 도포되며, 제 2, 제 3, 및 제 4 표면은 내부 전반사 기준을 만족하고, 제 3 반사는 유전체 코팅이 도포되며, 투시 시야(690)의 상부 경계(690a)를 지나 도파관의 외부면(625a)에 미러 코팅이 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관의 광학적 특성은 도파관 자체가 광학적 수차를 바로잡기에 충분하기 때문에, 커플링 렌즈가 필요하지 않도록 설계되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
외부면은 2개의 세그먼트(725a, 725b)로 분리되고, 2개의 세그먼트는 제 3 세그먼트(725c)에 의해 연결되며; 내부면(715)은 4-베이스 안경 형태 인자를 만족시키게 되며; 외부면의 세그먼트는 안경 형태 인자 제약 내에서 광학적 요구사항을 용이하게 총족시키는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 21 항에 있어서,
중간 외부면 세그먼트(725c)는 제 1 또는 제 2 외부면 세그먼트(725a 및 725b)와 일차 연속성을 유지하도록 설계되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관은 5개의 반사면을 포함하고, 물리적 내부면 및 외부면 모두는 별도의 세그먼트로 분할되며; 제 1 내부면(815a)은 제 1 굴절면 및 제 2 반사면을 포함하고, 제 2 내부면 세그먼트(815b)는 제 4 반사면 및 제 2 굴절면(835)을 포함하고, 제 1 외부면 세그먼트(825a)는 제 1 반사면을 포함하고, 제 2 외부면 세그먼트(825b)는 제 3 및 제 5 반사면을 포함하며; 제 3 내부면 세그먼트(815c)는 제 1 및 제 2 내부면 세그먼트를 연결시키고, 제 3 외부면 세그먼트(825c)는 제 1 및 제 2 외부면 세그먼트를 연결시키고, 이들과 일차 연속성을 유지하도록 설계되며; 내부면 세그먼트(815b)는 8-베이스 안경 형태 인자에 근사하게 되며; 광은 도파관(830)의 제 1 굴절면으로 진입하고, 제 2 굴절면(835)에서 도파관을 빠져나가기 전에 5회(R1-R5) 반사되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 23 항에 있어서,
도파관(915)의 물리적 내부면은 8-베이스 형태 인자 대신 4-베이스 형태 인자에 근사되게 되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
도파관은 3개의 반사면을 포함하고, 광은 도파관의 제 1 굴절면(1030)으로 진입하고, 광선은 반사면에 의해 3회 반사되며; 외부 반사면은 동일한 표면 파라미터를 갖는 단일의 평활한 표면(1025)의 일부이며; 제 1 굴절면(1030)은 도파관의 내부면(1015)의 일부가 아니며, 광은 사출 동공(1050)에 도달하기 전에 굴절면(1035) 외부로 투영되며; 제 1 및 제 2 반사(R1-R2)는 내부 전반사의 조건을 만족하고, 제 3 반사면(R3)은 내부 전반사의 조건을 만족하지 못하고 외부면(1025)에 반-투명 코팅이 도포되고, 유전체 코팅이 외부면에 도포되고, 내부면은 8-베이스 형태 인자에 정합하게 되고, 표면들은 광범위한 투시 시야를 제공하기 위해 공동으로 설계되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
내부 전반사를 만족하지 못하는 표면들과 동일한 물리적 표면의 일부인, 내부 전반사 기준을 만족하는 표면들도 반-투명코팅이 도포되며; 내부 전반사 기준을 만족하는 표면들은 이들이 내부 전반사 기준을 계속하여 만족하도록, 유전체 반-투명 코팅이 도포되는,
프리폼 도파관 프리즘.
제 1 항에 있어서,
영상 디스플레이 유닛(105)의 동일한 화소로부터의 광선은 도파관(100) 내측에서 한번 이상 교차하여, 이 교차 지점에서 중간 영상을 생성하는,
프리폼 도파관 프리즘.
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