KR101928764B1 - 하나 이상의 반사 광학 표면이 수반된 헤드 장착 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

프레임 (107), 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(110), 및 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 반사 표면, 즉, 자유 공간, 초광각, 반사 광학 표면 (FS/UWA/RO 표면) (120)을 포함하는 헤드 장착 디스플레이(100)이 개시되어 있다. 구체예에서, 상기 반사 표면 (120)은 적어도 100도, 150도 또는 200도의 각도로 공간적으로 분리된 가상의 이미지를 만든다. 헤드 장착 디스플레이 (100)에 사용하기 위하여 FS/UWA/RO 표면을 포함하는 반사 광학 표면을 설계하기 위한 방법 및 장치 역시 개시되어 있다.

Description

하나 이상의 반사 광학 표면이 수반된 헤드 장착 디스플레이 장치 {HEAD-MOUNTED DISPLAY APPARATUS EMPLOYING ONE OR MORE REFLECTIVE OPTICAL SURFACES}

본 발명은 하나 이상의 반사 광학 표면을 포함하는 헤드-장착 디스플레이 장치에 관한 것으로, 예를 들면, 하나 이상의 자유 공간(free space), 초광각(ultra-wide angle), 반사 광학표면(reflective optical surface)(이하에서는” FS/UWA/RO 표면”으로 축약하여 사용)을 포함한다. 구체적으로, 본 발명은 사용자의 눈에 인접하여 장착된 발광 디스플레이 시스템으로부터 형상을 보여주기 위해서 자유 공간(FS), 초광각(UWA), 반사 광학(RO) 표면과 같은 반사 광학 표면이 적용된 헤드-장착 디스플레이에 관한 것이다.

관련출원에 대한 상호 참조

본 출원은 미국특허출원 제 13/211,372호(2011년 8월 17일 출원), 미국특허 가출원 제 61/405,440호(2010년 10월 21일 출원, “헤드 장착 디스플레이”), 미국특허 가출원 제 61/417,325호(2010년 10월 26일 출원, “커브 스택 프레넬 구조”), 미국특허 가출원 제 61/417,326호(2010년 11월 26일 출원, “커브 빔 스플리터 구조”), 미국특허 가출원 제61/417,32호(2010년 11월 26일 출원, “프레넬 렌즈와 플랫 빔 스플리터의 결합 구조), 미국특허 가출원 제 61/417,328호(2010년 11월 26일 출원, “프레넬 렌즈와 커브 빔 스플리터의 결합 구조”), 및 미국특허 가출원 제 61/427,530호(2010년 12월 28일 출원, “헤드 장착 디스플레이를 위한 빔 스플리터”)에 바탕을 둔 우선권을 주장하며 이들은 본 특허 출원에 전문이 참고 인용된다.

배경기술

헬멧 장착 디스플레이 또는 안경장착 디스플레이헤드 장착(이하 약어 “HMD”로 표기)와 같은 헤드 장착 디스플레이는 개인의 머리에 장착하는 디스플레이 장치로 사용자의 한쪽 눈 가까이 또는 보다 일반적으로 양쪽 눈 가까이에 위치한 하나 또는 그 이상의 작은 디스플레이 장치를 가진다. 도 1은 하나의 디스플레이 (11), 하나의 반사 광학 표면(13) 및 회전중심(17)을 포함하는 하나의 눈(15)을 포함하는 HMD의 하나의 유형의 기본 요소를 나타낸 것이다. 이 도면에서 보는 바와 같이, 디스플레이(11)로부터의 빛(19)는 표면(13)에 의해 반사되고 사용자의 눈(15)에 들어간다.

어떤 HMD디스플레이는 실제 이미지가 아닌 컴퓨터에 의해 생성된 시뮬레이션이 된 이미지만 표시하고 “가상 현실(virtual reality)” 또는 몰입형 HMD(immersive HMD)로 지칭되기도 한다. 어떤 HMD들은 시뮬레이션이 된 이미지를 시뮬레이션이 된 것이 아닌 실제 이미지 위에 중첩(결합)시킨다. 이 시뮬레이션 이미지와 비 시뮬레이션 이미지의 결합의 HMD 사용자로 하여금 예를 들어 수행되어야 할 과업에 관련이 있는 추가적 데이터가 사용자의 전방 시야(Forward field of view, FOV)에 중첩되는 바이저(visor) 또는 아이피스(eyepiece)를 통하여 볼 수 있게 한다. 이 중첩은 때로는 증강 현실(augmented reality) 또는 혼합 현실(mixed reality)로 불린다.

비 시뮬레이션의 실제의 뷰(view)를 시뮬레이션 이미지와 결합하는 것은 부분반사/부분투과 광학 표면(빔 스플리터(beam splitter))을 사용하여 할 수 있는데, 여기서 표면의 반사력이 시뮬레이션 이미지를 가상 이미지(광학적 의미에서)로 표시하는데 사용되고, 표면의 투과성은 사용자로 하여금 현실 세계를 직접적으로 볼 수 있게 해 준다(광학적 시-쓰루(see-through) 시스템이라고 함). 실제의 뷰를 시뮬레이션 이미지와 결합하는 것은 또는 실제 뷰의 이미지를 카메라로부터 받아 그것을 결합기(combiner)를 사용하여 전자적으로 시뮬레이션이 된 이미지와 혼합함으로써 전자적으로 가능하다 (비디오 시-쓰루 시스템이라고 함). 이 결합된 이미지는 다음에 반사 광학 표면의 의해 가상 이미지(광학적 의미에서)로서 사용자에게 보여지고 이 경우 그것은 투과성을 가질 필요가 없다.

이상으로부터 반사광학표면들은 다음과 같은 것들을 사용자에게 제공하는 HMD에서 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, (i) 시뮬레이션 이미지와 비-시뮬레이션의 실제 이미지의 결합, (ii) 시뮬레이션 이미지와 실제 세계의 비디오 이미지의 결합, 또는 (iii) 순수한 시뮬레이션 이미지들 등이 그것이다. (마지막 경우는 “몰입형” 시스템이라고도 한다.) 이들 각각의 경우에서 반사 광학 표면은(광학적 의미에서) 사용자에게 보여지는 가상이미지를 만든다. 역사적으로, 그러한 반사광학표면들은 그 출구 동공들이 사용자에게 가용한 동적인 시야뿐 아니라 정적인 시야도 상당히 제한하는 광학시스템의 부분이었다. 구체적으로 그 광학시스템에 의해 만들어진 이미지를 보기 위해 사용자는 자신의 눈을 그 광학시스템의 출구 동공에 정렬하고 그렇게 정렬된 상태를 유지할 필요가 있었으며, 그러한 때에도 사용자에게 보여지는 이미지는 그 사용자의 정적 시야 전체에 걸친 것은 되지 못했다. 즉, HMD들에 사용된 반사 광학 표면을 채용한 이전의 광학시스템들은 동공 형성 시스템의 부분이었고 그래서 출구동공 제한적이었다.

그 시스템들의 그렇게 제한적이었던 이유는 사람의 시야가 놀랍도록 넓다는 기본적 사실에 있다. 그래서 눈의 중심와(foveal)와 주변 시야를 포함한 사람의 정적인 시야는 수평방향으로 150° 수준까지이고 수직 방향으로 130° 수준까지이다. (본 발명의 개시 목적으로 보통 삶의 눈의 직진(straight ahead) 정적 시야는 150°가 사용될 것이다.) 그렇게 큰 정적 시야를 수용할 수 있는 출구 동공을 가진 잘 교정된 광학시스템은 드물고 있다고 해도 비싸고 부피가 크다.

더구나 사람의 눈의 작동 시야(동적 시야)는 더욱 크다. 눈이 그 회전의 중심에 대하여 회전할 수 있으므로, 즉 사람의 뇌가 사람의 눈의 중심와 + 주변 시야를 눈의 응시방향을 변화시킴으로써 서로 다른 방향으로 맞출 수 있기 때문이다.

보통의 눈(nominal eye)에 대하여 운동의 수직적 범위는 상향 40° 수준까지, 하향 60° 수준까지 이고 운동의 수평적 범위는 직진 전방으로부터 ±~50° 수준까지 이다. 이전에 HMD에 사용된 유형의 광학 시스템에 의해 만들어진 크기의 출구 동공에 대해서 눈의 작은 회전이라고 눈의 정적 시야와 출구 동공 사이에 겹치는 부분을 상당히 축소시킬 것이고, 커다란 회전은 그 이미지가 완전히 사라지게 만들 것이다. 비록 이론적으로는 가능하지만 사용자의 눈과 공시성(synchrony)을 가지고 움직이는 출구 동공은 비실용적이며 가용하지 못할 정도로 고가일 것이다.

이러한 사람 눈의 성질들로 보아 사용자가 자연적 세계를 보는 것과 같은 방법으로 이미지 디스플레이 시스템에 의해 생성된 이미지를 볼 수 있도록 하는 광학 시스템을 제공하는 것과 관련성이 있는 3개의 시야가 있다.

이 3개의 시야 중 가장 작은 것은 사용자가 자신의 눈을 회전할 수 있는 능력에 의해 정의된다. 최대의 회전은 직진 전방에서 ±50° 수준까지 이며 그래서 이 시야(중심와 동적 시야)는 약 100°이다. 이 3개의 시야 중 중간은 전방 직진 정적 시야이고 사용자의 중심와 및 주변시야를 포함한다. 위에서 언급한 것과 같이 이 시야(중심와 + 주변 정적시야)는 150° 수준이다. 이 3개 시야 중 가장 큰 것은 사용자가 자신의 눈을 회전시켜 중심와 + 주변시야를 외부세계에 대해 스캔할 수 있는 사용자의 능력에 의해 정의된다. 최대 회전이 ±50° 수준이고 중심와 + 주변 정적시야가 150°이라는 것을 바탕으로 하면 이 가장 큰 시야는(중심와 + 주변 동적 시야)는 200° 수준이다. 최소한 100도에서 최소한 150도로, 그리고 최소한 200도로 증가하는 시야의 이 스케일은 이미지 디스플레이 시스템에 의해 생성된 이미지들을 직관적이고 자연스러운 방식으로 볼 수 있는 능력이라는 면에서 사용자에게 대응되는 편익을 제공한다.

그러므로 시야의 호환성, 인간 눈의 정적 및 동적 모두를 개선시킨 헤드 장착 디스플레이가 필요한 것이다. 본 발명은 시야의 초광각을 제공하는 반사 광학 표면을 적용하여 헤드-장착 디스플레이의 필요 및 제공하기 위한 것이다.

정의

이후의 공개 및 특허청구범위에서 “가상 이미지”는 그 광학적 의미에서 사용된다. 즉, 가상 이미지는 실제로는 어떤 장소에서 나오는 빛이 아니지만 그 특정 장소로부터 나오는 것처럼 인식되는 이미지이다. 이 공개의 전문에 걸쳐서 다음의 구절 또는 용어들은 다음의 의미 또는 범위를 가진다.

여기서부터, FS/UWA/RO 표면은 자유 공간(free space)” 표면이라고 한다. 왜냐하면 이의 국지적인 공간 위치, 국소 표면 곡률, 및 국소 표면 배향(local surface orientation)은 x-y 평면과 같은 특정 기판에 연결되지 않기 때문이다. 오히려, 표면의 디자인 중 3차원 공간에서 적용되는 기본적 광학 원리(예를 들면, 페르마 및 헤로의 최소시간 원리)를 사용하여 결정된다.

FS/UWA/RO 표면은 “초광각(ultra-wide angle)” 표면이라고 한다. 왜냐하면, 최소한도로 사용하는 동안 정상 사용자의 눈의 동적 중심 시야(dynamic foveal field of view)를 한정하지 않기 때문이다.

선택적 광학 부품의 광학 특성에 따라서 “초광각(ultra-wide angle)” 표면과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 프레넬 렌즈 시스템, HMD의 전체 광학 시스템은 비-동공 형태일 수 있다. 즉, 사용자의 시야를 제한하는 동공이 존재하는 기존의 광학 시스템과 달리, 여기에 개시된 광학 시스템의 다양한 구체예를 위한 조작된 동공은 외부 광학 시스템과 관련된 것과 반대로 사용자의 눈에 입사 동공(entrance pupil)이 될 것이다.

부수적으로, 이러한 구체예에서, 사용자에게 제공된 시야는 기존의 광학 시스템보다 훨씬 더 넓을 것이다. 기존의 광학 시스템은 외부 광학 시스템의 동공이 존재하는 사용자의 눈의 작은 오정렬(misalignment)로 인해서 사용자가 이용할 수 있는 정보 내용을 줄일 수 있고, 그리고 많은 오정렬은 전체 이미지를 사라지게 할 수 있다.

(1) “반사 광학 표면”(또는 “반사 표면”)은 단지 반사적인 표면뿐 아니라 반사적이면서 투과적인 표면들을 포함한다. 어느 경우에도 반사성은 단지 부분적일 수 있다. 즉, 입사광은 부분적으로 그 표면을 통과하여 투과될 수 있다. 마찬가지로, 그 표면이 반사적이면서 투과적일 때, 그 반사성 또는 투과성은 부분적일 수 있다. 아래에 언급한 것과 같이 하나의 반사 광학 표면은 양쪽 눈에 대하여 사용될 수도 있고 또는 각각의 눈이 그 자체의 개별적인 반사 광학 표면을 가질 수도 있다. 다른 변형들은 양쪽 눈에 대한 또는 개별적인 각각의 눈에 대한 다중 반사 광학 표면들의 사용을 포함한다. 예를 들어 단일한 반사 광학 표면은 한 쪽 눈에 사용되고, 다중의 반사 광학 표면들은 다른 쪽 눈에 사용되는 것과 같은 조합도 사용될 수 있다. 또 다른 대안으로 하나 또는 다중의 반사 광학 표면들은 사용자의 눈 중 한 쪽 눈만을 위해 제공될 수도 있다. 아래의 특허청구범위들은 이들과 그리고 여기에 개시된 반사 광학 표면들의 적용에 걸친 범위를 포괄하도록 의도되었다. 특히 반사 광학 표면을 요구하는 각 특허청구범위는 상세히 설명된 하나 또는 그 이상의 반사 광학 표면들을 포함하는 헤드 장착 디스플레이 장치를 다루도록 의도되었다.

(2) “최소한 하나의 발광 표면을 가진 이미지 디스플레이 시스템”은 표면을 통과하는 빛의 투과에 의해서든, 표면에서의 빛의 생성(예: LED 배열)이든, 다른 원천 등으로부터의 빛을 그 표면에서 반사한 것이든, 일반적으로 빛을 내는 표면을 가진 어떤 디스플레이 시스템도 포함하는 용어로 사용된다. 이미지 디스플레이 시스템은 예를 들어 단일 또는 다중의 LED 및/또는LCD 배열과 같은 하나 또는 그 이상의 이미지 디스플레이 장치를 채용할 수 있다. 반사 광학 표면들에서와 같이 주어진 헤드 장착 디스플레이 장치는 하나 또는 그 이상의 이미지 디스플레이 시스템을 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈을 위해 통합할 수 있다. 또한 이미지 디스플레이 시스템을 요구하는 아래의 각 특허청구범위는 상세히 설명된 유형의 하나 또는 그 이상의 이미지 디스플레이 시스템을 포함하는 헤드 장착 디스플레이 장치를 포괄하도록 의도되었다.

(3) “양안 뷰어(binocular viewer)”는 각 눈을 위한 적어도 하나의 별도의 광학적 요소(예를 들어 하나의 디스플레이 요소 및/또는 하나의 반사 광학 표면)를 포함하는 장치를 뜻한다.

(4) “시야(field of view)”와 그 약어 FOV는 대상(즉, 디스플레이) 공간에서의 실제 시야와 대비되는 이미지(눈) 공간의 눈에 보이는 시야를 가리킨다.

발명의 요약

제1 측면을 따르면,

(I) 사용자의 머리(105)에 장착하기에 적합한 프레임(107);

(II) 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(110) (즉, 상기 프레임은 헤드 장착 디스플레이를 사용하는 동안 사용자의 시야 밖에 고정된 위치에서 상기 이미지 디스플레이 시스템을 지지한다); 및

(III) 상기 프레임(107)에 의해 지지되고, 3차원 데카르트 좌표계의 어느 좌표축에도 회전대칭되지 않는 연속표면인 반사 광학 표면(120)(즉, 상기 반사 광학 표면은 3차원 데카르트 좌표계에 대하여 회전대칭되지 않는(회전면이 아님) 자유 공간, 초광각, 반사 광학 표면(120)이 될 수 있다);

을 포함하고,

(a) 상기 이미지 디스플레이 시스템(110)은 적어도 하나의 발광 표면(81)을 포함하고;

(b) 사용하는 동안, 상기 반사 광학 표면(120)은 적어도 하나의 발광표면(81)의 공간적으로 분리된 부분의 공간적으로 분리된 가상의 이미지를 만들고, 상기 적어도 하나의 공간적으로 분리된 가상의 이미지는 또 다른 상기 적어도 하나의 공간적으로 분리된 가상의 이미지로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도는 사용자의 눈(15) 회전의 중심(17)으로부터 측정되고; 그리고

(c) 사용하는 동안, 상기 반사 광학 표면(120)의 적어도 하나의 지점은 상기 반사 광학 표면(120)의 또 다른 적어도 하나의 지점으로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도는 사용자의 눈(15) 회전의 중심(17)으로부터 측정되는;

헤드 장착 디스플레이 장치(100)를 개시한다.

제2 측면을 따르면,

(I) 사용자의 머리(105)에 장착하기에 적합한 프레임(107);

(II) 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(110)(즉, 상기 프레임은 헤드 장착 디스플레이를 사용하는 동안 사용자의 시야 밖에 고정된 위치에서 상기 이미지 디스플레이 시스템을 지지한다); 및

(III) 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 자유 공간, 초광각, 반사 광학 표면(120);

을 포함하고,

(a) 상기 이미지 디스플레이 시스템(110)은 적어도 하나의 발광 표면(81)을 포함하고; 그리고

(b) 사용하는 동안, 상기 자유 공간, 초광각, 반사 광학 표면(120)은 상기 적어도 하나의 발광 표면(81)의 공간적으로 분리된 부분의 공간적으로 분리된 가상의 이미지를 만들고, 상기 적어도 하나의 공간적으로 분리된 가상의 이미지는 또 다른 상기 적어도 하나의 공간적으로 분리된 가상의 이미지로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도는 사용자의 눈(15) 회전의 중심(17)으로부터 측정되는;

헤드 장착 디스플레이 장치(100)를 개시한다.

제3 측면을 따르면,

(I) 사용자의 머리(105)에 장착하기에 적합한 프레임(107);

(II) 상기 프레임(107)에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(110); 및

(III) 상기 프레임(107)에 의해 지지되고, 적어도 200°의 사용자의 시야를 제공하는 반사 표면(120);

을 포함하고,

(a) 상기 이미지 디스플레이 시스템(110)은 각각 제1 정보 내용 및 제2 정보 내용을 갖고, 공간적으로 분리된 제1 발광 영역(82) 및 제2 발광 영역(83)을 적어도 하나 이상 포함하는 적어도 하나의 발광 표면(81)을 포함하고;

(b) 상기 반사 표면(120)은 서로 다른 방향을 향하는 각각 제1 면 법선(85) 및 제2면 법선(87)을 갖고, 공간적으로 분리된 제1 반사 영역(84) 및 제2 반사 영역(86)을 적어도 하나 이상 포함하고; 그리고

(c) 상기 프레임(107)은 사용자가 상기 장치를 사용하는 동안 상기 이미지 디스플레이 시스템(110) 및 상기 반사 표면(120)을 지지하고;

(i) 사용자 눈(71)의 적어도 하나의 응시 방향(도 8에서 88을 향하여)에 대하여, 상기 제1 발광 영역(82)으로부터의 빛은 상기 제1 반사 영역(84)에 반사되고, 상기 제1 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지(88)를 형성하기 위하여 상기 눈(71)에 들어가고(즉, 사용자가 제1 정보 내용 (및 선택적으로 제2 정보 내용)을 볼 수 있는 하나의 응시 방향이 있다);

(ii) 상기 눈(71)의 적어도 하나의 응시 방향(도 8에서 89를 향하여)에 대하여, 상기 제2 발광 영역(83)으로부터의 빛은 상기 제2 반사 영역(86)에 반사되고, 상기 제2 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지(89)를 형성하기 위하여 상기 눈 (71)에 들어가고(즉, 사용자가 제2 정보 내용 (및 선택적으로 제1 정보 내용)을 볼 수 있는 하나의 응시 방향이 있다); 그리고

(iii) 상기 눈(71)의 적어도 하나의 응시 방향(도 8에서 88의 오른쪽에 대한 응시 방향)에 대하여, 상기 제1 발광 영역(82)으로부터의 빛은 상기 제1 반사 영역(84)에 반사되고, 상기 제1 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지(88)를 형성하기 위하여 상기 눈(71)에 들어가고, 상기 제2 발광 영역(83)으로부터의 빛은 상기 제2 반사 영역(86)을 반사하고, 상기 눈(71)에 들어가지 않고, 상기 제2 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지를 형성하지 않는(즉, 상기 사용자가 사용자의 중심시야 또는 주변시야 중 어느 하나와 함께 상기 제1 정보 내용을 볼 수 있지만, 상기 제2 정보 내용은 볼 수 없는 하나의 응시 방향이 있다);

헤드 장착 디스플레이 장치(100)를 개시한다.

제4 측면을 따르면,

(a) 반사 광학 표면(120)을 각각의 면 법선(85, 87)을 갖는 복수의 국소 반사 영역 (84, 86)으로 분리하고(즉, 상기 국소 반사 영역의 중심에서의 면 법선);

(b) 상기 반사 표면(120)의 각각의 국소 반사 영역 (84, 86)을 상기 이미지 디스플레이 시스템(110)의 하나의 정보 영역(82, 83)과 결합시키고, 각각의 정보 영역(82, 83)은 국소 반사 영역(84, 86)의 적어도 하나와 결합시키고; 그리고

(c) 상기 반사 광학 표면(120)의 배열을 조절하여(즉, 상기 부분 공간 위치 및/또는 상기 표면의 상기 국소 곡률), 각각의 상기 면 법선(85, 86)이 하기 두 개의 벡터를 2등분하는:

(1) 상기 국소 반사 영역(84, 86)으로부터(즉, 상기 국소 반사 영역의 중심으로부터) 국소 반사 영역과 결합된 정보 영역(82, 83)으로의(즉, 국소 반사 영역과 결합된 정보 영역의 중심으로의) 벡터(77, 78); 및

(2) 상기 국소 반사 영역(84, 86)으로부터(즉, 상기 국소 반사 영역의 중심으로부터) 상기 헤드 장착 디스플레이(100)를 사용하는 동안 사용자 눈(71)의 회전 중심(72)으로의 벡터(79, 80);

단계를 수행하기 위하여 하나 이상의 컴퓨터를 사용하고, 헤드 장착 디스플레이(100)를 사용하는 동안 복수의 정보 영역(82, 83)을 갖는 이미지 디스플레이 시스템(110)을 포함하는 헤드 장착 디스플레이(100)에 사용하기 위하여 FS/UWA/RO 표면이거나 또는 FS/UWA/RO 표면이 아닌 반사 광학 표면(120)을 설계하기 위한 컴퓨터 기반 방법을 개시한다.

개시된 상기 측면의 구체예에 있어서, 분리된 반사표면 및/또는 분리된 이미지 디스플레이 시스템은 상기 사용자의 각각의 눈을 위해 사용된다. 다른 구체예에 있어서, 상기 반사 광학 표면 단독으로 또는 다른 광학적 구성요소(즉, 하나 이상의 프레넬 렌즈)와 함께 상기 이미지 디스플레이 시스템으로부터의 빛을(대체로) 평행하게 하고, 이러한 콜리메이션(collimation)은 곡률의 상기 표면의 국소 반경을 통해 수행된다.

다양한 구체예에 있어서, 상기 헤드 장착 디스플레이 장치는 완벽한 중심 동적 시야, 완벽한 중심+주변 정적 시야, 또는 완벽한 중심+주변 동적 시야를 갖는 상기 사용자를 제공할 것이다.

다양한 구체예에 있어서, 상기 헤드 장착 디스플레이 장치는 일반적으로 얻을 수 있는 각도의 크기를 통해 부득이하게 외부 동공을 통해 보는 것 없이 상기 눈이 롤링 센터의 이동으로부터 자유로운 양안용의 비동공 형성 시스템일 것이다. 이전의 헤드 장착 디스플레이 장치는 넓은 시야를 갖거나 제공할 수 있다고 주장하지만, 이러한 장치는 상기 눈이 반드시 통하여 보아야 하는 외부 동공에 포함된다. 상기 눈에 제공되는 많은 양의 정보가 있을지라도, 상기 눈이 움직이면, 상기 정보는 사라진다. 이것이 반사 표면, 특히 FS/UWA/RO 표면을 도입한 본 발명의 구체예에서 회피된 동공 형성 시스템의 근본적인 문제점이다.

상기 본 발명의 측면에 대한 요약에서 사용된 참조 번호(참조 번호는 대표적이고, 모든 것을 포함하지 않거나 또는 완벽하지 않다)는 단지 독자의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것으로 해석되어서는 안된다. 더욱 일반적으로, 상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 모두 단지 본 발명의 예시로 이해되고, 본 발명의 성질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 프레임 워크를 제공한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 효과는 하기 상세한 상세한 설명에 개시되고, 본 발명의 기술분야의 당업자에게 부분적으로 명백하거나 또는 여기 기재된 설명에 의한 예시로서 본 발명을 실행함으로써 인식될 것이다. 수반되는 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.

도 1은 헤드 장착 디스플레이의 기본적인 구성성분, 즉, 디스플레이, 반사 표면, 및 사용자의 눈을 보여주는 도식도이다.
도 2는 구체예에 따라 헤드 장착 디스플레이 장치는 나타내는 측면도이다.
도 3은 도 2의 헤드 장착 디스플레이 장치를 나타내는 정면도이다.
도 4는 구체예에 따라 디스플레이 및 외부 대상 모두로부터 헤드 장착 디스플레이 장치에서 빛의 경로를 도시한 음선도이다.
도 5는 곡선의 디스플레이 및 곡선의 반사장치를 수반하는 구체예를 도시한 음선도 이다.
도 6은 구체예에 따라 사용자의 두개의 눈에 대응하는 두개의 곡선의 반사 광학 표면의 사용을 도시한 헤드 장착 디스플레이 장치의 상면도이다.
도 7은 똑바른 머리 응시 방향을 위한 인간 눈의 정적 시야를 도시한 도식도이다.
도 8은 도 7의 정적 시야와 구체예에 따른 FS/UWA/RO 표면의 상호작용을 도시한 도식도이다. 도 8에서 화살표는 빛의 전파의 방향을 나타낸다.
도 9는 구체예에 따라 픽셀이 눈을 향해 반사되기 때문에 디스플레이 상의 주어진 픽셀로부터 빛의 경로를 도시한 음선도이다.
도 10은 구체예에 따라 픽셀이 눈을 향해 반사되기 때문에 디스플레이 상의 두개의 픽셀로부터 빛의 경로를 도시한 음선도이다.
도 11은 구체예에 따라 반사장치의 국소 법선의 방향을 선택하는데 사용되는 변수를 도시한 다이어그램이다.
도 12는 구체예에 따라 빛의 경로와 함께 곡선의 반사장치를 나타낸다.
도 13 및 14는 두개의 관점으로부터 구체예에 따른 FS/UWA/RO 표면을 도시한다.
도 15 및 16은 두개의 관점으로부터 구체예에 따른 다른 FS/UWA/RO 표면을 도시한다.
도 17은 구체예에 따른 반사표면에 대한 국소 법선을 계산하기 위한 기하학을 도시한 도식도이다.

도 2 및 3은 각각 사용자(105)가 가진 헤드 장착된 디스플레이 장치(100)의 측면도와 전면도이다. 헤드 장착된 디스플레이 장치는 FS/UWA/RO 표면(120)을 사용한다.

하나의 구체예로, 예를 들어 헤드 장착된 디스플레이 장치(100)는 광학의 내부 투명성, 증감현실, 쌍안용의 뷰어(viewer)일 수 있다. 광학의 내부 투명성, 증감현실, 쌍안용의 뷰어는 일반적으로 가장 복잡한 HMD 형태이기 때문에, 본 발명은 우선적으로 이러한 형태의 구체예를 논의하고 본 명세서에는 논의되는 원리는 광학의 내부 투명성, 증감혐실, 단안용 뷰어, 비디오 내부 투명성, 증감현실, 쌍안 및 단안용 뷰어, 및 쌍안용 및 단안용 “가상현실” 시스템에 동등하게 적용 가능한 것으로 이해해야 한다.

도2 및 3에서 도시한 것처럼, 헤드 장착된 디스플레이 장치(100)는 사용자가 착용하여 안경과 유사한 방법으로 사용자의 코와 눈으로 지지되는 프레임(107)을 포함한다. 도 2 내지3의 구체예뿐만 아니라 다른 구체예에서, 헤드 장착된 디스플레이 장치는 댜양한 배열을 가질 수 있고 예를 들어, 일반적인 고글, 안경, 헬멧 등과 비슷할 수 있다. 일부 구체예에서, 사용자의 눈 쪽에 HMD 프레임을 고정된 위치로 고정하기 위하여 끈을 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 용어로, HMD 패키지의 외부 표면은 HMD의 디스플레이 및 사용자의 눈과 관련하여 요구되는 배향에서 광학 시스템을 고정하는 모든 형태를 가질 수 있다.

헤드 장착된 디스플레이 장치(100)는 적어도 하나의 디스플레이 시스템(110) 및 도 2 및 3에서 도시한 것처럼 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면(120), 즉, 필요에 의해 구부려질 수 있는 FS/UWA/RO 표면(120)인 반사광학 표면을 포함하는 적어도 하나의 광학 시스템을 포함한다. 일부 구체예에서, FS/UWA/RO 표면은 전체의 광학 시스템일 수 있다. 표면(120)은 순수하게 반사되거나 또는 반사성 및 전달성을 가질 수 있으며, 이러한 경우는 "광선 분사기(beam splitter)"의 형태로서 고려될 수 있다.

FS/UWA/RO 표면(120)은 하나 또는 두 개의 눈뿐만 아니라 적어도 하나의 디스플레이 시스템(110)을 완벽하게 감쌀 수 있다. 구체적으로, 표면은 가능한 시야의 수평부분까지 확장되도록 눈의 측면부분과 표면의 측면 쪽으로 구부려질 수 있다. 하나의 구체예로, FS/UWA/RO 표면(120)은 하기의 도 6에서 가장 잘 볼 수 있듯이 180° 이상까지(예, 200°이상) 확장할 수 있다. 도 3에서 설명된 것처럼, HMD는 프레임 및/또는 콧등부분(210)에 의해 별도로 지지되는 사용자의 두 눈에 대하여 두 개의 분리된 FS/UWA/RO 표면(120R 및 120L)을 포함할 수 있다. 별도로, HMD는 하나의 구조물로 두 눈에 대하여 기능을 하는 단 하나의 FS/UWA/RO 표면, 두 눈으로 보이는 몇 가지의 부분, 및 단지 하나의 눈으로 보이는 기타 다른 부분을 적용할 수 있다.

상기와 도 3에서 설명된 것처럼, 헤드 장착된 디스플레이 장치(100)은 콧등 부분(210)을 포함할 수 있다. 콧등 부분은 사용자 눈 각각에 대하여 하나인 두 개의 FS/UWA/RO 표면 사이에 분리를 제공하는 수직의 막대 또는 벽일 수 있다. 또한, 콧등부분(210)은 사용자의 두 눈의 시각 사이에 분리를 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자의 오른쪽 눈은 제1 이미지 디스플레이 장치와 제1 FS/UWA/RO 표면을 경유하여 제1 이미지를 오른쪽 눈에 전시함으로써 3 차원의 물리적 현실의 첫 번째의 표시일 수 있는 반면, 사용자의 왼쪽 눈은 제2 이미지 디스플레이 장치 및 제2 FS/UWA/RO 표면을 경유하여 왼쪽 눈으로 제2 이미지를 전시함으로써 3 차원의 물리적 현실의 두 번째 표시일 수 있다. 따라서, 별도의 디스플레이 장치/반사 표면 조합은 사용자의 각각의 눈에 기능을 하고, 각각의 눈은 3 차원의 물리적 현실과 관련하여 위치에 대한 정확한 이미지를 본다. 사용자의 두 눈을 분리함으로써, 콧등부분(210)은 다른 눈과 상관없이 최적화되어 각각의 눈에 이미지가 적용되는 것을 가능케 한다. 하나의 구체예에서, 콧등부분의 수직벽은 각각의 면에 하나씩 있는 두 개의 반사기를 포함할 수 있고, 이는 사용자가 눈을 코 쪽으로, 또는 왼쪽 또는 오른쪽으로 돌릴 때 표상을 보는 것을 가능케 한다.

적어도 하나의 디스플레이 표시 시스템(110)은 FS/UWA/RO 표면(120) 내부에 고정될 수 있고 수평으로 배치되거나 또는 수평에 약간의 각도로 배치될 수 있다. 별도로, 적어도 하나의 디스플레이 표시 시스템은FS/UWA/RO 표면의 단지 바깥부분에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 디스플레이 표시 시스템(110) 또는 좀 더 구체적으로 적어도 하나의 발광 표면의 경사 또는 각도는 일반적으로 표면(120)으로부터 반사되는 픽셀, 이미지 및/또는 디스플레이 부분의 위치 기능일 것이다.

일부 구체예에서, 헤드 장착된 디스플레이 장치(100)는 빈 공간의 내부로 반사되는 FS/UWA/RO 표면과 함께 내부 빈 공간을 만들도록 고안되었다. 전달성을 갖는 FS/UWA/RO 표면에 대하여, 적어도 하나의 디스플레이 시스템으로부터의 이미지 또는 디스플레이 정보는 표면에서 빈 공간과 사용자의 눈으로 반사되는 반면, 동시에 빛은 반사 표면을 지나서 외부세계로부터 빈 공간과 사용자의 눈으로 들어간다.

하기에 상세히 설명되는 것처럼, 일부 구체예에서, 적어도 하나의 디스플레이 표시 시스템(110)은 사용자의 눈에 들어가기 전에 가까운 시야에 대하여 조절되는 이미지 및/또는 디스플레이 정보 일부를 제공한다. 일부 구체예에서, 광학 렌즈 또는 렌즈 시스템(115)는 조절하는데 사용할 수 있다. 본 발명에 참조로 인용된 일반 양도되고 동시 계류 중인 G. Harrison, D. Smith, 및 G. Wiese의 이름으로 동시에 출원된 미국 특허출원서 제13/211,36호(발명의 명칭: Head-Mounted Display Apparatus Employing One or More Fresnel Lenses)는 본 발명의 목적에 대한 하나 이상의 Fresnel 렌즈의 용도를 설명한다. 다른 구체예는 선택적인 렌즈 또는 렌즈 시스템을 사용하지 않는 반면 디스플레이 시스템에 의해 형성된 이미지를 초점을 맞추어 눈에 가깝게 보기 위하여 원하는 광학성을 제공하는 FS/UWA/RO 표면을 사용한다.

헤드-장착된 디스플레이 장치는 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템(110)에 의해 디스플레이되는 이미지를 제어하기 위한 전자기기 패키지(140)를 포함할 수 있다. 하나의 구체예로, 전자기기 패키지(140)는 사용자 기능을 가진 적어도 하나의 이미지 디스플레이 투사(projection) 시스템(110)으로부터 이미지를 동기화하는데 필요한 위치, 배향 및 위치정보를 제공하는 가속도계 및 자이로스코프를 포함한다. 헤드-장착된 디스플레이 장치(100)의 전력 및 비디오는 전자기기 패키지(140)에 연결된 전달 케이블(150) 및 무선 매체를 통하여 제공될 수 있다.

카메라(170) 세트는 예를 들어, "증감현실" 화면의 컴퓨터 생성을 제어하는 것을 돕는 전자지기 패키지로 입력을 제공하기 위하여 헤드-장착된 디스플레이 장치 100의 반대면 상에 장착될 수 있다. 카메라(170) 세트는 전력을 받고 신호를 제어하고 전자기기의 소프트웨어로 비디오 입력을 제공하기 위하여 전자기기 패키지(140)에 연결될 수 있다.

헤드-장착된 디스플레이 장치에서 사용되는 이미지 디스플레이 시스템은 현재 알려져 있거나 개발되는 많은 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 작은 고해상도의 액정 (LCDs) 이미지, 발광 다이오드(LED) 이미지, 및/또는 유연한 OLED 화면을 포함하는 유기성 발광 다이오드(OLED) 이미지일 수 있다. 특히, 이미지 디스플레이 시스템은 예를 들어 핸드폰 산업에서 확인될 수 있는 높은 픽셀 밀도를 가진 고-선명도의 소형인수(small-form-factor) 디스플레이 장치를 도입할 수 있다. 또한, 섬유-광학 묶음은 이미지 디스플레이 시스템에서도 사용될 수 있다. 다양한 구체예에서, 이미지 디스플레이 시스템은 텔레비전 기능을 하는 것으로 고려될 수 있다. 이미지 디스플레이 시스템이 편광된 빛(예, 이미지 디스플레이 시스템이 모든 색상이 동일한 방향에서 1차원으로 편광되는 액정 이미지를 적용하는 경우에)을 생산하고, FS/UWA/RO 표면이 이미지에 의해 방출된 빛에 직각으로 편광된다면, 빛이 FS/UWA/RO 표면 밖으로 새지 않을 것이다. 따라서, 디스플레이된 정보 및 광원 자체는 HMD 밖에서는 보이지 않을 것이다.

본 발명의 광학 시스템에 따라서 제작된 광학 시스템, 특히 “증감현실” HMD에 대한 광학 시스템의 구체예의 전체적인 기능은 도 2의 광선-투사, 구체적으로 광선(180, 185 및 190)에 의해서 설명된다. 이러한 구체예에서, FS/UWA/RO 표면(120)은 반사성 및 전달성을 가진다. 표면(120)의 전달성을 사용하면서, 광선(190)은 표면을 통하여 환경으로부터 들어가고 사용자의 눈을 향하여 나아간다. 표면(120)의 동일한 영역으로부터, 광선(180)은 표면에 의해 반사되고(표면의 반사성을 사용하여) 사용자가 지점(195)의 방향을 볼 때 즉, 사용자의 응시방향이 지점(195)의 방향에 있을 때 사용자의 눈으로 들어가는 조합된 광선(185)를 생성하기 위하여 광선(180)은 광선(190)을 결합한다. 이와 같이 보고 있을 때, 사용자의 주변시야는 사용자가 표면(120)을 통하여 지나가는 환경에 있는 다른 지점로부터의 빛을 보고 또한 표면의 전달성을 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다.

또한, 도 4는 본 명세서에서 기재된 헤드-장착된 디스플레이 장치(100)의 대표적인 구체예의 작용을 도시하는 광선- 추적 도면이다. 이러한 구체예에서, 모든 시각 시스템은 다음 세 개 부분을 포함한다: (1) 적어도 하나의이미지 디스플레이 시스템(110), (2) FS/UWA/RO 표면(120), 및 (3) 사용자의 눈(310). 눈(310)은 내부의 렌즈(330)로 나타낸다. 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템(110)의 픽셀로부터 방출된 빛은 도 2에서처럼 광선(180)에 의해 나타난다. 이러한 조명은 표면(120)에 의해 반사된 후에 사용자 눈의 망막 위의 지점에 나타날 것이고 관련된 시각은(참조, 하기의 도 7 내지 8의 내용) 광선(180)이 표면(120)에 충돌하는 지점를 포함한다. 하기에서 설명되는 것처럼 좀 더 구체적으로, FS/UWA/RO 표면 위의 지점로부터 벡터를 눈과 픽셀로 2 등분하는 표준과 관련하는 광학성으로 인하여, 픽셀은 단지 지점(195)에 나타날 것이다. 즉, 비록 빛이 더 넓은 추상체에 있는 픽셀로부터 방사하지만, FS/UWA/RO 표면은 빛이 단지 하나의 위치에서 오도록 가공된다.

도 4에서, 광선(185 및 340)에 의해 설명되는 것처럼 사용자의 응시방향은 표면(120)과 함께 광선(180)의 교차점의 지점를 향한다. 그러나, 눈이 보는 것은 참조번호(352)에 의해 나타낸 것처럼 초고감도에 있는 벡터(345 및 350)에 의해 나타나는 거리에 있는 앞쪽의 공간에 나타나는 가상의 이미지이다. 도 4에서, 의자는 FS/UWA/RO 표면(120)에 의해서 이미지 시스템으로부터 방출되는 빛의 반사 후에 가상의 이미지(360)가 되는 의자의 실체 이미지(355)을 생성하는 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템(110)을 가지고 도면을 설명하기 위한 것이다. "증감 현실" 환경에서, FS/UWA/RO 표면을 포함하는 광학 시스템은 의자의 가상의 이미지(360)가 예를 들어 사실상 물리적 환경에 있는 사람(365)처럼 동일한 위치에 있는 것으로 보이게 되는 원인이 된다. 초고감도보다 더 가까운 거리에서 멈추는 광선(345)은 이미지가 근거리와 초고감도 거리 사이의 모든 거리에서 광학적으로 나타나기 위해 만들어질 수 있는 이미지를 보여주는 도 4에 포함됨을 참조해야 한다. 예를 들어, 사람은 50 미터 떨어진 거리에 서 있을 수 있으며 이는 의자가 놓여질 수 있는 곳이다.

도 1 내지 4에서, 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템은 평평한 발광 표면(예, 도 4의 표면(111)를 가지는 것으로 도시한다. 또한 이미지 시스템은 구부러진 발광 표면을 가질 수 있다. 이러한 구체예는 구부러진 이미지화면(407)(구부러진 발광 표면)으로부터 나오는 광선(405)이 있는 도 5에 도시된다. 이러한 광선은 FS/UWA/RO 표면(120)으로부터 반사하고 사용자의 눈(310)의 눈동자(415)에 들어간다 (참조, 광선(410)). 이러한 구체예에서, 표면(120)은 외부환경으로부터 광선(345)에 의해 나타나는 빛을 수용하고, 이로 인해 형성된 이미지가 외부 이미지에 겹치는 것을 가능케 한다. 설명하기 위하여 광선(345)은 광선(410)과는 떨어져서 도시되고 외부 이미지의 순수한 겹침과 관련하여 광선(345)는 광선(410)과 겹칠 것이다.

상기에서 논의된 것처럼, 반사광학표면을 사용하는 HMD에서 사용되는 종래의 광학 시스템은 ~60 도 이하인 일반적인 시각을 형성하는 눈동자이고 따라서 제한된 시각을 가진다. 이는 종래의 헤드-장착된 디스플레이 장치의 가치와 기능을 상당히 제한한다. 다양한 구체예에서, 본 명세서에 기재된 헤드-장착된 디스플레이는 훨씬 더 넓은 시각(fields of view, FOV)을 가지고, 따라서 더 좁은 시각을 가진 HMD와 비교할 때 훨씬 더 많은 광학정보를 가능하게 한다. 넓은 시각은 100° 초과, 150° 초과, 또는 200° 초과일 수 있다. 좀 더 구체적으로, 넓은 시각은 부가적인 정보가 좀 더 자연스러운 방식으로 물리적 현실에서 더 잘 전시되는 이미지에 의하여 좀 더 에워싸는 듯한 증감현실 환경을 가능하게 하면서 사용자에 의해 처리될 수 있도록 한다.

특히, 도 6에서 설명되는 대표적인 구체예에서, 머리 쪽으로 똑바른 시선 방향에 대하여, 눈은 각각의 눈에 대하여 수평 시각의 적어도 150도에 상응하는(예, 수평의 FOV의 ~168 도) 구부러진 FS/UWA/RO 표면(201 및 202)에 의해 도 6에서 나타나는 보이는 전체부분에 있을 수 있다. 이러한 시각은 시각의 와(窩)의 부분과 시각의 주변부분으로 이루어진다. 게다가, 눈은 물리적 세계를 볼 때 눈이 자연스럽게 하는 것처럼 다른 방향의 시각에 있는 조합된 와의부분 +주변부분을 목적으로 하여 회전의 중심점 부분을 자유롭게 움직이게 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 광학 시스템은 눈이 일반세상을 볼 때 하는 것처럼 동일한 방식으로 움직임으로써 정보를 얻는 것을 가능하게 한다.

좀 더 상세히 설명하고 있는 도 6은 위쪽에서 본 사용자의 머리(200) 전방부의 단순화된 선형도이다. 도 6은 사용자의 눈(203 및 204)의 앞 쪽에 놓여진 FS/UWA/RO 표면(201 및 202)을 보여준다. 상기에서 논의한 것처럼, FS/UWA/RO 표면(201 및202)은 사용자 코(205) 위에 놓여질 수 있으며, 이것은 사용자 머리(200)의 앞쪽 중앙(214)에 함께 있을 수 있다. 하기에서 상세히 설명하는 것처럼, 표면(201 및 202)의 국소 법선 및 국소 공간 위치는 적어도 하나의 디스플레이 시스템(도 6에서 도시하지 않음)에 의해 생성되는 이미지가 각각의 눈에 대하여 수평의 FOV의 적어도 100°를 커버하고, 예를 들어 일부 구체예에서, 적어도 150°, 및 다른 구체예에서 적어도 200°를 커버하도록 조절된다. (하기에서 논의되는 것처럼, 선택적으로, 굴곡의 국소 반경 또한 프레넬 렌즈 시스템과 조합할 때, 원거리의 실질 이미지를 제공하기 위해서 조절될 수 있다.) 예를 들어, 국소 법선 및 국소 공간 위치는 시선(210,211 및 212,213)에 의해 보이는 것처럼 FS/UWA/RO 표면(201 또는 202)의 가장자리에서 가장자리로 확장하는 168 도와 함께 사용자의 완벽한 ~168 도, 똑바른 머리 앞 부분, 각각의 눈에 대하여 움직이지 않는 부분을 커버하기 위하여 조절될 수 있다. 따라서, 시각은 사용자에게 제공되는 시각의 넓은 고정된 부분(와의부분+주변부분)에 상응한다. 게다가, 사용자는 컴퓨터에 의해 생성된 이미지를 보고 있을 동안에 롤링(rolling) 센터(215 및 216) 주위의 눈을 움직이는 것이 자유롭다.

도 6뿐만 아니라 도 4, 5 및 12에서, FS/UWA/RO 표면은 도시를 쉽게 하고자 구의 부분으로 도시하였다. 구체적으로, 표면은 구가 아니고 좀 더 복잡한 배열이며, 표면의 국소 법선 및 국소 공간 위치는(및 선택적으로, 굴곡의 국소 반경) 원하는 정적인 시각 및 동적인 시각(및 선택적으로, 실질 이미지에 대한 원하는 거리)을 포함할 것이다. 또한, 도 6에서, 헤드-장착된 디스플레이 장치의 오른쪽 면은 왼쪽면과 동일하게 작동하고, 원할 경우에는 두 개의 면이 다르게 작동할 수 있음을 이해해야 한다.

도 7 및 8은 본 명세서에 기재된 FS/UWA/RO 표면에 의해 제공되는 정적인 시각 및 동적인 시각을 도시한다. 도 7은 똑 바른 머리응시방향(73)을 갖는 사용자의 명목상의 오른쪽 눈(71)을 보여준다. 이 눈의 와의 시각부분+주변 시각부분은 호(75)에 의해 보여지고, 168°이상의 각도범위를 가진다. 도 6 내지 8에서, 시각은 사용자 눈동자의 중심 및 끝부분과 반대되는 것으로써 사용자 눈의 회전 중심부분과 관련하여 도시하였다. 실제로, 사람의 눈에 의해 보이는 넓은 시각은(예, ~168°) 크게 기울어진 광선이 사용자의 눈동자에 들어가고 망막에 다다를 수 있도록 하는 망막의 넓은 각도범위의 결과이다.

도 8 은 (a) 제1 발광영역(82)(정사각형으로 도시됨) 및 제2 발광영역(83) (삼각형으로 도시됨)을 갖는 이미지 디스플레이 시스템의 적어도 하나의 발광 표면(81) 및 (b) 제1 국소 법선(85) 및 제2 국소 법선(87)을 갖는 제2 반사영역(86)을 갖는 제1 반사영역(84)을 갖는 FS/UWA/RO 표면을 갖는 HMD와 도 7의 시각의 상호작용을 보여준다.

상기에서 설명된 것처럼, FS/UWA/RO 표면은 "자유공간" 표면 및 "초광각" 표면이다. 게다가, 상기에서 설명되고 하기에서 논의되는 것처럼, 표면은 사용자의 눈에 들어가는 빛의 콜리메이션(또는 부분적인 콜리메이션)에 참여할 수 있다(또는 콜리메이션의 독점적인 출처일 수 있다). 이러한 콜리메이션은 FS/UWA/RO 표면에 의해 생성된 가상의 이미지가 사용자로부터 멀리 떨어져 위치하는(예, 30 미터 이상) 것으로 나타나는 원인이 되며, 이는 사용자가 편안한 눈으로 가상의 이미지에 쉽게 초점을 맞추도록 한다.

“자유공간” 및 “초광각”부분은 FS/UWA/RO 표면의 미리 결정된 위치 (표면 위의 미리 결정된 위치)로부터 올 때 사용자의 눈이 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템의 발광영역을 볼 수 있도록 표면의 국소 법선을 조절함으로써 이루어질 수 있다.

예를 들면, 도 8에서, HMD의 설계자는 사용자의 응시방향이 직진일 때, 정사각형의 가상의 이미지(88)가 사용자의 망막 중심부에 의해 보여지는 것이 유리하다고 결정할 수 있다. 그리고, 사용자의 응시방향이, 예를 들면, 직진 왼쪽에서 50° 인 경우, 삼각형의 가상의 이미지(89)가 사용자의 망막의 중심부에 의해 보여지는 것이 유리하다고 결정할 수 있다. 설계자는 그런 다음 적어도 하나의 이미지 디스플레이 시스템(image display system), FS/UWA/RO 표면, 및 시스템의 다른 광학 부품들(예를 들면, 이미지 디스플레이 시스템 및 FS/UWA/RO 표면 사이의 하나이상의 프레넬 렌즈)을 구성할 수 있다. 그럼으로써, HMD를 사용하는 동안에, 정사각형의 가상의 이미지는 똑바로 될 것이고 삼각형의 가상의 이미지는 직진 왼쪽에서 50°가 될 것이다.

이 방법으로, 사용자의 응시방향(시선)이 똑바로 FS/UWA/RO 표면을 교차할 때, 정사각형의 가상의 이미지는 원하는 대로 사용자의 눈의 중심에서 보일 것이다. 그리고 사용자의 응시방향(시선)이 직진의 왼쪽 50°로 FS/UWA/RO 표면을 교차할 때, 삼각형의 가상의 이미지는 원하는 대로 사용자의 눈의 중심에서 보일 것이다. 도 7 및 8에서 도시되지는 않았지만, 같은 방법이 수직 시야에서 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 비-축선 시야에서도 사용될 수 있다. 더 일반적으로, HMD의 설계 및 이의 광학 부품의 각각에서 설계자는 반사표면에 적어도 하나의 디스플레이 발광 표면을 “만든다(maps)”. 그럼으로써, 사용자의 응시가 특정 방향인 경우, 디스플레이의 원하는 부분은 사용자의 눈에 보일 수 있다. 따라서, 눈은 수평 및 수직의 모두 시야를 통해서 스캔되기 때문에, FS/UWA/RO 표면은 사용자의 눈에 이미지 디스플레이 시스템의 적어도 하나의 발광 표면의 다른 부분이 빛난다. 비록 앞에서는 정상 사용자의 망막의 중심에 관해서 언급하였지만, 설계 과정에서, 원한다면, 물론, 정상 사용자의 중심과 다른 위치를 사용할 수 있다.

도 8에서, 사용자의 오른쪽 눈의 회전은 삼각형의 가상의 이미지(89)가 더 이상 사용자에게 보이지 않게 한다. 이리하여 도 8에서, 직진의 응시 방향 또는 직진의 왼쪽의 응시방향은 정사각형 및 삼각형 모두의 가상의 이미지를 사용자에게 제공한다. 반면에 직진의 오른쪽의 응시방향은 오로지 정사각형의 가상의 이미지를 제공한다. 가상의 이미지의 정확성(acuity)은 물론, 사용자의 중심시야 또는 사용자의 주변 시야에 의해 인지된 가상의 이미지에 따라 결정될 것이다.

만약 HMD의 설계자가 도 8에서처럼 오른쪽에서 멀리 정사각형(square)의 가상의 이미지를 배치하고, 반면에 왼쪽에서 멀리 삼각형의 가상의 이미지를 놓는다면, 오로지 정사각형의 가상의 이미지가 보이는 곳이 응시방향일 것이고, 삼각형의 가상의 이미지가 보이는 곳이 다른 응시방향일 것이다. 마찬가지로, 지금까지 설명한 원칙을 기반으로, 설계자는 정사각형의 가상의 이미지 및 삼각형의 가상의 이미지를 배열할 수 있다. 그럼으로써, 정사각형의 가상의 이미지는 응시 방향에 가시적이면서, 삼각형의 가상의 이미지는 항상 가시적일 수 있다. 그러나 다른 응시 방향에서는 아니다. 다른 변형으로서, HMD의 설계자는 하나 이상의 응시 방향의 위치에 정사각형 및 삼각형의 가상의 이미지를 놓을 수 있으며, 어떠한 이미지도 사용자에게 가시적이지 않을 수 있다. 예를 들면, 설계자는 직진의 응시 방향을 위해서 고정된(static) 시야 밖에 가상의 이미지를 놓을 수 있다. 본 발명에 의해 HMD 설계자에게 제공된 적응성(flexibility)은 이리하여 확실하다고 할 것이다.

하나의 구체예에서, "자유 공간" 및 반사표면의 "최광각" 의 측면은 빛이 최단(최소 시 간) 광 경로를 따라 이동한다는 Fermat 및 Hero의 원리를 사용하여 달성될 수 있다. G. 해리슨, D. 스미스, 및 G. 비제에 의해 여기 동시에 출원되고,일반적으로 할당된, 그리고 공동-출원된 미국 특허 출원 제13/211,389 호인 “자유 공간 반사 광학 표면을 만들기 위한 방법 및 시스템”, 그리고 변호사 사건 번호 IS 00354에 의해 알려진 것 의 내용이 참고로 여기에 포함된다. 구체예에서 설명하는 Fermat 및 Hero 원리는 HMD의 사용에 적합한 FS/UWA/RO 표면을 설계하기 위해 사용된다.

페르맷 및 헤로의 최소 시간의 원리의 수단으로, 이미지 디스플레이 시스템(image display system)(예를 들면, 이미지 디스플레이 시스템의 픽셀)의 적어도 하나의 발광 표면의 “원하는 부분(desired portion)”은 FS/UWA/RO 표면에 원하는 반사 지점을 가지게 할 수 있고, FS/UWA/RO 표면에서 반사 지점에 적어도 하나의 발광 표면의 원하는 부분으로부터 광경로가 제공되게 할 수 있다. 그리고, 사용자 눈의 회전중심이 극값에 있게 할 수 있다. 광 경로에서 극값은 빛의 경로 길이의 1차 도함수가 광 경로 길이에서 최대 또는 최소를 의미하는 제로(0) 값에 도달하는 것을 의미한다. 극값은 정상 양분된(normal bisect) 반사 광학 표면의 국소 영역을 만듬으로서 시야의 어떠한 지점에도 삽입될 수 있다. 반사 광학 표면은 (a) 국소 역영으로부터 사용자의 눈까지의 하나의 벡터(예를 들면, 국소 영역의 중심부터 사용자 눈의 중심까지의 하나의 벡터) 그리고 (b) 국소 영역으로부터 발광 표면의 “원하는 지점”까지의 하나의 벡터 (예를 들면, 국소 영역의 중심부터 발광 표면의 “원하는 지점”의 중심까지의 하나의 벡터). 도 9 및 10은 이미지 디스플레이 시스템의 발광 표면의 적어도 하나의“원하는 지점”이 하나의 픽셀인 경우 공정을 설명하는 것이다.

특히, 도 9는 광빔(light beam)(515)의 방향으로 헤드-장착 디스플레이 장치의 앞쪽에서 빛이 나오는 일반적인 사각형의 픽셀 배열로 구성된 이미지 디스플레이 시스템의 발광 표면(510)을 도시한 것이다. 광빔(515)은 반사 광학 표면(520)에 대하여 반사된다. 보다 용이하게 보이기 위해서 도 8에서 평평하게 도시하였다. 반사시 광빔(515)은 사용자의 눈(530)에 들어가는 광빔(525)이 된다.

각각의 픽셀에 대하여 반사면(reflector)의 면 법선(surface normal)을 결정하는 목적을 위해서, 광빔(515) 및 광빔(525)에 해당하는 벡터들의 3-차원 이등분선(bisector)를 결정하는 것만이 필요하다. 도 9에서, 이러한 이등분선 벡터는 선(535)과 같은 2-차원 형태로 표시된다. 양분된 벡터(535)는 반사 지점(540)에서 반사 광학 표면에 법선(normal)이고, 발광표면(510)의 픽셀(545)이 HMD의 사용자에게 가시적일 수 있는 표면(520) 상에 위치한다.

특히, 작동 중에, 디스플레이 표면(510)에서 픽셀(545)은 양분된 벡터 (535) 및 이의 수직 평면(550)에 해당하는 면 법선(surface normal)에 의해서 설립된 각도에서 반사 광학 표면(520)을 반사하는 광빔(515)를 방출한다. 이는 Fermat 및 Hero의 원리에 의해서 생산되고, 반사 지점(540)에서 반사된 픽셀은 광빔(525)를 따라 눈(530)에 의해 보여진다.

반사지점(540)에서 면 법선(surface normal)을 정확하게 계산하기 위해서, 빔(525)는 사용자의 눈(530)의 중심(555)를 근접하게 통과할 수 있다. 만약 사용자의 눈이 회전하더라도, 도 7 및 도 8과 관련하여 위에서 설명한 대로 주변 시력이 될때까지, 그 결과는 안정적으로 유지될 이며, 눈은 디스플레이의 영역이 사용자의 중심 시야 또는 주변 시야를 가지고 볼 수 없을 만큼 바뀐다.

면 법선의 위치를 계산하기 위하여, 4원수의 방법이 사용될 수 있다. 여기에서,

q1 = 빔(515)의 배향

q2 = 빔(525)의 배향

및

q3 = 원하는 면 법선535의 배향 = (q1 + q2) / 2

면 법선은 도 11에서 설명된 것처럼 벡터 표시법에서도 설명된다. 하기의 방정식 및 도 11에서, 지점 N은 반사 광학 표면의 원하는 영역의 중심부분에 있는 지점 M에서 떨어진 하나의 유닛이고 지점 M에 있는 반사 광학 표면의 접평면에 대하여 수직의 표준방향에 있다. 지점 M에 있는 반사 광학 표면의 접선면은 3 차원에서 지점 M에 있는 면 법선이 지점 M 원하는 픽셀의 중앙에 있는 지점 M에서 지점 P에 있는 선 및 사용자의 눈이 움직이는 부분의 중앙에 있는 지점 M에서 지점 C에 있는 선을 이등분하도록 하기 방정식에서 나타낸 관계식에 충족되게 조절된다(참조, 지점 C는 눈의 앞쪽에서 약 13 mm 뒤쪽으로 떨어져 있다).

하기 방정식은 지점 M에 있는 면 법선 상의 지점 N을 설명한다:

상기 식에서 모든 지점N, M, P, 및C는 임의의 카르테시안(Cartesian) 좌표 시스템에 있는 3 차원 공간에서의 이들의 위치를 나타내는 구성요소[x, y, z]를 가진다.

결과되는 표준 벡터 N-M은 유클리드(Euclidean) 길이를 가진다:

상기식에서, 두 개의 수직막대는 하기처럼 계산된 유클리드 길이를 나타낸다:

.

예시로 든 수치로서, 하기의 M, P, 및 C 값을 고려하면 된다:

표준 N에 따른 지점는 하기처럼 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, 9.07152(330)91]

기하학이 도 17에서 도시되고 이등분선은 두 개의 더 긴 벡터 사이에 있다.

물론 상기 식은 단지 보는 사람에게 인접한 가상의 이미지를 나타내기 위해 의도된 수차례 반사하는 자유공간(자유형태) 표면을 만드는 지점 부분에 대하여 국소 접선면의 각의 상수를 매우 짧은 시간에 결정하는데 패르맷 및 헤로의 원리를 사용하는 것을 보여준다. 보는 사람에게 근접한 가상의 이미지를 나타내기 위해 의도된 수차례 반사하는 자유공간(자유형태) 표면을 만드는 지점 영역에 대한 국소 접선면 각의 상수를 단지 실제 상수만이 사용자의 눈 및 눈의 실제시각의 중심에 있다. 모든 기타 요소들은 주어진 디스플레이 시스템 및 반사광학 표면배향에 대한 적절한 해결책이 나올때까지 지속적으로 업데이트될 것이다. 다른 방식으로 보여진 픽셀 이미지 반사위치, M1, M2, …, Mn, 및 이들의 관련된 표준 및 곡률은 FS/UWA/RO 표면이 이미지 디스플레이 시스템에 의해 형성된 컴퓨터에 의해 생성된 이미지를 처리하는 원하는 가상의 이미지 얻도록 “정상을 벗어난(warped)"(조절된) 매트릭스로서 고려될 수 있다.

페르맷 및 헤로 원리를 인용하는데 있어서, 사용자가 하나 이상의 지점에서 동일한 픽셀 반사를 보도록 표준이 조절되는 위치를 피하는 것이 바람직할 것이다. 일부 구체예에서, 반사광학 표면의 국소 영역은 매우 작을 수 있고 심지어 부드러운 표면을 만들기 위하여 다른 지점 내로 모핑하는(morphing) 지점와 함께 반사기 위의 지점에 상응할 수 있다.

사용자가 용이하게 적어도 하나의 발광 표면의 기대부분(desired portion)의 가상 기억 이미지에 초점을 맞출수 있도록 보장하기 위하여, 반사지점을 둘러싸고 있는 부분(반사 부분)의 곡률의 반경은 시준된(또는 거의 시준이 된) 이미지가 사용자에게 도달하도록 조절이 된다. 상기 시준된(또는 거의 시준이 된) 이미지는 상기 이미지가 사용자로부터 멀리 떨어져 있는 것처럼 예를 들어 수십 내지 수백미터 떨어져 있는 것처럼 더 평행한 광학선을 가진다. 상기 표면을 이룰 수 있도록, 적어도 하나의 발광 표면(기대 발광 픽셀,desired light-emitting pixel)에 상응하는 반사 광학 표면의 반사 부분의 곡률반경은 디스플레이 상에 반사부분으로부터 발광 표면(실제 픽셀)의 실제 바람직한 부분(desired portion)까지 거리의 절반에 가까운 반경이 유지될 수 있다.

따라서, 하나의 구체예에서, 인접한 픽셀에 관련한 픽셀로부터 내부 반사 픽셀 노말 벡터(inter-reflected-pixel normal vector)는 디스플레이 픽셀의 반사표면 상의 반사된 픽셀의 위치로부터 벡터의 거의 절반의 길이 곡률의 반경을 만들도록 하는 관계를 만족한다. 이러한 패러미터에 영향을 주는 조정은 적어도 하나의 표면 방출 빛의 크기를 포함하고 표면으로부터 방출되는 적어도 하나의 빛이 곡선이 되는지를 포함한다.

도 10은 이러한 구체예를 나타낸다. 사용자에게 시준된(또는 거의 시준이 된) 이미지가 도달하도록 픽셀 반사의 주위의 부분의 곡률의 반경을 조절하도록, 반사지점(540)으로 2개의 인접 픽셀 반사부분이 고려된다. 더 많은 부분이 더 좋은 균형을 위해 고려될 수 있으나, 2개면 충분하다. 도 10과 관련하여, 2개의 픽셀 반사 지점(540 및 610)은 각각 디스플레이 표면(510) 상의 2개의 픽셀(545 및 615)과 관련이 있는 것을 보여준다. 지점(540 및 610)에서의 평균 표면은 그들의 방향 사이의 각에 따라 계산이 된다. 곡률의 반경은 지점(540 및 610) 사이의 이러한 각과 거리로 계산이 된다. 분명히, 표면 배열 및 필요하다면 표면의 공간적 위치가 길이가 곡률의 반경이 광선(515 및 620)의 길이의 평균의 절반이 될 때까지 조정이 된다. 이러한 경우, 제로 또는 제로에 가까운 디옵터 빛은 사용자의 눈에 공급될 수 있다. 이것은 본질저으로 무한대 거리의 지점으로부터 오는 빛과 같고, 빛의 파면은 평평하고 빛의 파면에 정상적으로 표면에 평행하게 된다.

곡률의 국소 반경의 조절에 더하여, 일 실시예에서, 눈으로 들어가는 시준된(또는 거의 시준이 된) 이미지를 가지는 제1 오더 지점 솔루션(order point solution)에서, 상기 적어도 하나의 빛 방출 표면은 명목상 FS/UWA/RO 표면으로부터 떨어진 초점거리의 거리에 위치하고, 이 초점거리는 FS/UWA/RO 표면으로 구성된 다양한 표면 부분의 곡률 반경의 평균 값에 기초한다.

페르맷 및 헤로 규칙을 적용한 결과 부드러운 반사 표면으로 결합이 되는 반사 부분의 세트를 가진다. 이 표면은 일반적으로 구 모양이거나 대칭형태로 이루지지 않는다. 도 12는 FS/UWA/RO 표면(520)의 2 차원적 표현이다. 상기 언급한 대로, 표면(520)은 지점(710 및 720)에서 곡면의 반경이 표면에 의해 반사되는 이미지 디스플에이 시스템의 적어도 하나의 발광 표면으로부터 반사되는 이미지의 편안한 시청을 위해 제공되는 값에 설정되도록 설치 될 수 있다. 이러한 경우, 선(730)에 의해 표현되는 일정 방향으로 시준된(또는 거의 시준이 된) 가상 저장 이미지를 눈(530)에 공급하게 될 것이고 선(740)에 의해 표현된 다른 방향으로 적용될 것이다. 전시야를 통해 부드러운 시선의 이동이 가능하도록, FS/UWA/RO 표면의 부분이 부드럽게 하나의 컨트롤 지점에서 다른 지점로 이전이 될 수 있고, 키홈이 난 표면(splined surfaces)을 위해 넙스(Non-Uniform Rational B-Spline,(NURBS))기술을 사용하여 처리될 수 있다. 일부 경우에서, FS/UWA/RO 표면은 충분한 수의 부분을 포함하여, 표면은 파인 그레인 레벨(fine grain level)에서 부드럽게 된다. 일부 실시예에서, 디스플레이의 각각의 부분(각 픽셀)의 다른 확대가 점진적 경사를 사용하여 더 좋은 생산능력, 실현 및 이미지 품질을 가지도록 제공될 수 있다.

도 13 및 도 14는 상기 기술을 사용하여 두개의 서로 다른 관점으로부터 형성된 FS/UWA/RO 표면을 보여준다. 도 15 및 도 16은 도 13 및 도 14의 상기 반사 표면의 더 정제된 버전을 보여준다. 이러한 구성의 상기 FS/UWA/RO 표면은 일반적으로 할당되고 동시계류 중인 "반사 광학 표면의 자유 공간을 형성하기 위한 방법 및 시스템"의 제목으로 상기 컴퓨터 기반 기술을 사용하여 설계된다.

앞서 언급한 대로, 헤드 장착 디스플레이를 설계하는 방법은 다음을 포함할 수 있는 구체예로 개시되어 있다: 기대 시야를 결정하는 단계, 디스플레이 표면 크기(즉, 폭 및 높이 치수)를 선택하는 단계, 반사 표면과 관련된 디스플레이 표면의 방향을 선택하는 단계, 디스플레이 표면 상에 각 픽셀의 위치를 분류하는 단계, 및 반사 표면 상의 디스플레이 표면으로부터 각 픽셀의 디스플레이에 관한 위치를 선택하는 단계. 디스플레이 표면은 눈의 위로 위치하고 반사표면 방향으로 기울어지게 할 수 있고, 착용자의 눈에 빛을 비추도록 반사 표면의 곡률을 갖도록 할 수 있다. 더 구체적인 실시예로서, 디스플레이 표면은 눈의 측면이나 눈의 아래에 적당하게 디스플레이 표면으로부터 빌을 반사하도록 선택된 곡면 및 반사 위치를 갖도록 또는 다른 정도로 기울어질 수 있도록 다른 위치에 위치할 수 있다.

일 구체예로서, 반사표면의 3차원 실체화 또는 수학적 표현이 상기 언급한 바와 같이, 사용자의 눈의 중앙 부분 중심으로부터 및 디스플레이 표면에서 픽셀의 중앙으로부터의 벡터를 이등분하는 평균값을 가지는 국소 부분을 가지는 각각의 반사 표면의 부분과 함께 만들 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 픽셀 반사 주변 부분의 곡률의 반경은 조절될 수 있어서, 시준된(또는 거의 시준된) 이미지가 시야전체로 사용자에게 도달 하게 된다. 컴퓨터 기초의 처리절차의 반복을 통하여, 변경가능한 파라미터(즉, 국소 법선, 국소 곡률, 국소 공간 위치)는 파라미터의 조합(세트)이 시야에 관한 광학 성능의 기대 수준을 제공하고 또한 심미적으로 받아들일 수있느 제조가능한 디자인으로 판명될 때까지 조절될 수 있다.

사용하는 동안, 비대칭 FS/UWA/RO 표면, 일 구체예로서, 초점의 다중 국소 부분의 키홈이 난 표면으로부터 구성되는 광시야각으로 늘어나는 이미지 디스플레이 시스템의 적어도 하나의 발광 표면의 가상 저장 이미지를 형성한다. 상기 FS/UWA/RO 표면은 혁신적인 거울 또는 혁신적인 곡선의 빔 스플리터(curved beam splitter) 또는 자유로운 형식의 거울 또는 반사면으로 볼 수 있다. 시야를 통해 눈이 수평 및 수직으로 훑어 보게 되면, 곡면의 FS/UWA/RO 표면은 사용자의 눈으로 이미지 디스플레이 시스템의 적어도 하나의 발광 표면의 다른 위치를 빛나게 한다. 다양한 실시예에서, 전체 광학 시스템은 전형적인 인간의 시각 해상도에 상응하는 이미지 품질을 유지하도록 낮은 비용으로 대량으로 제조가 가능하다.

HMD의 전체 구조로 보아 표1은 본 발명의 개시에 따라 구축된 HMD 디스플레이가 전형적으로 만나게 될 대표적이고 비제한적인 파라미터들의 예를 제시한다. 덧붙여 여기에 개시된 HMD 디스플레이들은 전형적으로 사용자의 가시 평면에 납득할 만한 이미지가 수립되도록 보증하기 위해 충분히 작은 픽셀간 거리를 가진다.

여기에 개시된 헤드 장착 디스플레이들에 포함될 수 있는 특성들은 제한 없이 다음과 같은 것들을 포함하고, 그 중의 일부는 위에서 인용되었다.

(1) 몇몇 구체예에 있어서, 하나 이상의 프레넬 렌즈는 디스플레이 표면으로부터 발하는 광속의 디옵터 특성을 수정하기 위하여 사용될 것이다.

(2) 몇몇 구체예에 있어서, 상기 반사 광학 표면이 반투명일 수 있고 외부 환경으로부터 빛이 들어오는 것을 허용한다. 내부의 디스플레이 생성 이미지들은 그 때 그 외부 이미지들에 오버레이 될 수 있다. 이 두 이미지들은 가상이미지들이 외부환경에서 적절한 위치에 있도록 자이로스코프, 카메라 등의 지역화 장비들의 사용을 통하여, 그리고 컴퓨터 생성 이미지들의 소프트웨어 조작을 통하여 정렬될 수 있다. 특히

특히, 카메라, 가속도계, 및 / 또는 자이로 스코프는 상기 장치가 물리적 현실에서 존재하는 것에서 등록하도록 상기 장치를 지원하고 그것의 이미지들 외부 뷰에 중첩하는 것을 위하여 사용될 수 있다. 이러한 실시 예들에서 상대적인 투과율과 반사 광학 표면의 반사율 사이의 균형은 사용자에게 적절한 밝기 특성을 가진 오버레이 된 이미지들을 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 또한 이들 구체예에서 실제 이미지와 컴퓨터 생성 이미지가 둘 다 근사적으로 동일한 외형적 거리에서 나타날 수 있고 따라서 눈은 두 개의 이미지에 동시에 초점을 ?출 수 있다.

(3) 몇몇 구체예에 있어서, 반사 광학 표면이 자세 또는 표면을 통과하여 지나가는 외부 빛의 초점에 미치는 영향을 최소화하기 위해 가능한 한 얇게 유지된다.

(4) 몇몇 구체예에 있어서, 상기 헤드 장착 디스플레이 장치는 각 눈의 적어도 100도, 적어도 150도 또는 적어도 200도의 시야를 제공한다.

(5) 몇몇 구체예에 있어서, 각 눈에 상기 헤드 장착 디스플레이에 의해 제공된 정적 시야는 사용자의 코에 조금도 더 큰 각도도 겹치지 않는다.

(6) 몇몇 구체예에 있어서, 반사 광학 표면은 사용가능한 디스플레이 영역상에서 포커스 유지하기 위한 관측 시야를 가로지르는 광학처방(optical prescription)의 점진적전이(progressive transition)를 적용할 수 있다.

(7) 몇몇 구체예에 있어서, 광전추적(ray tracing)은 군사 훈련, 전투 시뮬레이션, 게임 및 다른 상업용도와 같은 특정 용도에 대한 장치 파라미터를 주문제작하는데 사용될 수 있다.

(8) 몇몇 구체예에 있어서, 프레넬 렌즈(사용되는 경우)의 곡률뿐 아니라 상기 반사광학 표면 및/또는 디스플레이 표면, 그리고 상기 디스플레이와 반사 광학 표면(사용되는 경우)사이의 거리 및 상기 반사 광학 표면(사용되는 경우)과 상기 눈 사이의 거리는, 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)에 관하여 특정 상기 망막 및/또는 중심와에서 조작가능하다.

(8) 몇몇의 구체예에 있어서, 상기 반사 광학 표면 및/또는 상기 디스플레이의 표면뿐 아니라 상기 렌즈의 곡률(사용되는 경우) 및 상기 디스플레이와 상기 반사 광학 표면 사이의 거리 및 상기 반사 광학 표면 및 상기 눈 사이의 거리는 망막 및/또는 중심와에서 변조 전달 함수(MTF)의 사양에 대하여 조종될 수 있다.

(9) 몇몇의 구체예에 있어서, 여기에 개시된 상기 HMD는 제한없이, 저격수 탐지, 상업적 훈련, 군사적 훈련과 활동, 및 CAD 생산에 응용될 수 있다.

일단 설계되면, 상기 개시된 반사 광학 표면 (즉, FS/UWA/RO 표면)은 현재 알려지거나 또는 개발되고 있는 다양한 기술 및 다양한 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 표면은 적절하게 반사되기 위하여 금속화된 플라스틱 재료로부터 만들어질 수 있다. 또한, 연마된 플라스틱 또는 유리 재료가 사용될 수 있다. “증강 현실” 응용을 위하여, 상기 반사 광학 표면은 내장된 소형 반사장치와 함께 전송물질로부터 구성될 수 있으므로, 상기 물질을 통해 빛의 전송이 허용되는 동안 입사 파면의 일부는 반사된다.

프로토 부분을 위하여, 아크릴릭 플라스틱 (즉, 플렉시 유리)는 다이아몬드 선삭에 의해 형성된 부분과 함께 사용될 것이다. 생산 부분을 위하여, 아크릴릭 또는 폴리카보네이트 중 하나는, 예를 들면 사출 성형 기술에 의해 형성된 부분과 함께 사용될 것이다. 반사 광학 표면은 상세한 캐드 (CAD) 묘사 또는 캐드 묘사로 변환 가능한 넙스 (NURBS) 표면에 개시되어 있을 것이다. 캐드 파일은 기계 가공없이 캐드 묘사가 3차원 물체로 직접적으로 야기되는 CAD 3차원 프린팅을 사용할 수 있는 장치를 허용할 것이다.

상기에서 언급된 수학적 기술은 현재 알려지거나 또는 개발되고 있는 다양한 프로그래밍 환경 및/또는 프로그래밍 언어로 암호화될 수 있다. 현재 바람직한 프로그래밍 환경은 이클립스 프로그래머의 인터페이스에서 실행되는 자바 언어이다. 마이크로소프트 비쥬얼 C#과 같은 다른 프로그래밍 환경 또한 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 매사추세츠, 니드함의 PTC에 의해 시장에 나와 있는 매트캐드 플랫폼 및/또는 매사추세츠, 나틱의 매트 워크의 매트랩 플랫폼을 사용하여 계산이 수행될 수 있다. 결과 프로그램은 하드 드라이브, 메모리 스틱, CD 또는 유사한 장치에 저장될 수 있다. 절차는 다양한 판매회사, 즉, DELL, HP, TOSHIBA 등으로부터 사용 가능한 전형적인 데스크탑 컴퓨터 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 그렇지 않으면, 바람직하게 “클라우드” 컴퓨터를 포함하는 더욱 강력한 컴퓨터 장치가 사용될 수 있다.

본 발명으로부터 벗어나지 않은 다양한 수정 및 본 발명의 의미는 상기 개시로부터 본 발명의 기술분야의 당업자에게 분명할 것이다. 예를 들면, 사용자에게 넓은 시야, 즉, 100°, 150°, 또는 200° 이상의 시야를 제공하는 반사 광학 표면이 본 발명 설계 측면의 유리한 구체예로 이루어져 있다고 할지라도, 여기에 개시된 반사 광학 표면을 설계하기 위한 컴퓨터 기반 방법 및 시스템은 또한 더 작은 시야를 갖는 표면을 창조하는데 사용될 수 있다. 하기 청구항은 이러한 본 발명 및 다른 수정, 변경 및 상기 기재된 특정한 구체예와 동일한 범위를 모두 포함한다.

명칭	표현	단위	최소값	최대값
눈으로부터 반사 표면의 거리		mm	10	400
디스플레이로부터 반사 표면의 거리		mm	10	400
디스플레이 크기	수평	mm	9	100
	수직	mm	9	100
디스플레이 해상도	수평	픽셀	640	1920+
	수직	픽셀	480	1080+
HMD 질량		g	1	1000
HMD 크기	얼굴로부터의 거리	mm	10	140
인간 동공 크기		mm	3 내지 4	5 내지 9
반사 표면의 크기	즉, 머리의 너비의 1/2보다 작음	mm	30	78
반사 표면의 숫자		유니트	1	3+
눈에 대한 조명의 최대값	즉, 맑은 날 볼 수 있을 정도로 충분히 밝음	fc, 풋캔들	5,000	10,000
배터리 수명		시간	3	4
광학적 해상도	가장 큰 각오차	분각, RMS 블러 다이아미터	1	10
	추정된 해상도 쌍의 선의 개수		1	5
이미지의 겉보기 밝기에서 최대변동		%	0	20
최대 이미지 왜곡		%	0	5
밝기의 최대 유도 추정치		%/도	0	5

Claims (27)

1. (I) 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임(frame);
   (II) 상기 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템(image display system); 및
   (III) 상기 프레임에 의해 지지되고, 3차원 데카르트 좌표계의 어느 좌표축에도 회전대칭되지 않는 연속표면인 반사 광학 표면;
   을 포함하고,
   (a) 상기 이미지 디스플레이 시스템은 적어도 하나의 발광 표면을 포함하고;
   (b) 상기 반사 광학 표면은 공간적으로-분리된 반사된 가상 이미지들의 근안(near-to-the eye) 관람(viewing)을 위한 비-동공 형성(non-pupil forming) 인-포커스(in-focus)를 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 발광 표면의 공간적으로-분리된 부분들의 공간적으로-분리된 가상 이미지들을 반사하도록 설정되고, 적어도 하나의 상기 공간적으로 분리된 가상의 이미지는 적어도 하나의 또 다른 상기 공간적으로 분리된 가상의 이미지로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도는 사용자의 눈의 회전의 중심으로부터 측정되고;
   (c) 상기 반사 광학 표면의 적어도 하나의 지점은 상기 반사 광학 표면의 적어도 하나의 또 다른 지점으로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도는 사용자의 눈의 회전의 중심으로부터 측정되고; 그리고
   (d) 상기 각도 분리는 한쪽 눈에 대한 최대 시야각(widest field of view)까지인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이(head-mounted display) 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 상기 공간적으로-분리된 가상 이미지는 상기 적어도 하나의 다른 상기 공간적으로-분리된 가상 이미지로부터 적어도 150도의 각도로 분리되고; 그리고
   상기 반사 광학 표면의 상기 적어도 하나의 지점은 상기 반사 광학 표면의 적어도 하나의 다른 지점으로부터 적어도 150도의 각도로 분리되는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 반사 광학 표면은,
   상기 적어도 하나의 다른 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지로부터 적어도 200도의 각도로 분리되는 상기 적어도 하나의 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지; 및
   상기 반사 광학 표면의 상기 적어도 하나의 다른 지점으로부터 적어도 200도의 각도로 분리되는 상기 반사 광학 표면의 상기 적어도 하나의 지점;
   을 반사하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 반사 광학 표면은,
   상기 반사 광학 표면의 상기 적어도 하나의 지점을 관통하는 응시방향을 따라 위치하는 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지들의 적어도 하나의 이미지; 및
   상기 반사 광학 표면의 상기 적어도 하나의 다른 지점을 관통하는 응시방향을 따라 위치하는 상기 공간적으로 분리된 가상의 이미지들의 적어도 하나의 다른 이미지;
   를 반사하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 반사 광학 표면은 반투명인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 헤드-장착 디스플레이 장치는 단 하나의 유일한 반사 광학 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 헤드-장착 디스플레이 장치는 상기 사용자의 각각의 눈에 하나씩 단지 두 개의 반사 광학 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
8. (I) 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;
   (II) 상기 프레임에 의해 지지되고 적어도 하나의 발광 표면을 포함하는 이미지 디스플레이 시스템; 및
   (III) 상기 프레임에 의해 지지되는 연속 표면이고, 공간적으로-분리된 반사된 가상 이미지들의 근안(near-to-the eye) 관람(viewing)을 위한 비-동공 형성(non-pupil forming) 인-포커스(in-focus)를 수행하기 위해 상기 적어도 하나의 발광 표면의 공간적으로-분리된 부분들의 공간적으로-분리된 가상 이미지들을 반사하도록 설정되고,
   적어도 하나의 상기 발광표면에 공간적으로 분리된 부분의 공간적으로 분리된 가상의 이미지를 만들고, 적어도 하나의 상기 공간적으로 분리된 가상의 이미지는 적어도 하나의 또 다른 상기 공간적으로 분리된 가상의 이미지로부터 적어도 100도의 각도로 분리되고, 상기 각도 분리는 사용자의 눈의 회전의 중심으로부터 측정되는, 자유 공간, 초광각, 반사 광학 표면;
   을 포함하고,
   (IV) 상기 각도 분리는 한쪽 눈에 대한 최대 시야각까지인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이(head-mounted display) 장치.
   
9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 적어도 하나의 다른 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지로부터 적어도 150도의 각도로 분리된 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
   
10. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지는 적어도 하나의 다른 상기 공간적으로-분리된 가상의 이미지로부터 적어도 200도의 각도로 분리된 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
11. 제8항에 있어서, 상기 헤드 장착 디스플레이 장치는 제2 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면을 더 포함하고;
    상기 이미지 디스플레이 시스템은 제1 이미지 디스플레이 장치 및 제2 이미지 디스플레이 장치를 포함하고,
    상기 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면(III)은 제1 이미지 디스플레이 장치와 고정된 관계의 제1 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면이고; 그리고
    상기 제2 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면은 제2 이미지 디스플레이 장치와 고정된 관계에 있는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
12. 제8항에 있어서, 상기 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면(III)은 반투명인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
13. 제8항에 있어서, 상기 자유공간, 초광각, 반사 광학 표면(III)은 상기 적어도 하나의 발광 표면으로부터 방출되는 빛을 적어도 부분적으로라도 콜리메이트(collimate)하도록 설정된 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
14. (I) 사용자의 머리에 장착하기에 적합한 프레임;
    (II) 상기 프레임에 의해 지지되는 이미지 디스플레이 시스템; 및
    (III) 상기 프레임에 의해 지지되고, 명목상의 사용자에 대한 적어도 200°의 시야를 통해 공간적으로-분리된 반사된 가상 이미지들의 근안(near-to-the eye) 관람(viewing)을 위한 비-동공 형성(non-pupil forming) 인-포커스(in-focus)를 제공하는 반사 광학 표면;
    을 포함하고,
    (a) 상기 이미지 디스플레이 시스템은 각각 제1 정보 내용 및 제2 정보 내용을 갖는, 공간적으로-분리된 적어도 제1 발광 영역 및 제2 발광 영역을 포함하는 적어도 하나의 발광 표면을 포함하고;
    (b) 상기 반사 광학 표면은 서로 다른 방향을 향하는 각각 제1 면 법선(surface normal) 및 제2 면 법선을 갖는, 공간적으로-분리된 적어도 제1 반사 영역 및 제2 반사 영역을 포함하고;
    (c) 사용자의 눈의 적어도 하나의 응시 방향에 대하여, 상기 제1 발광 영역으로부터의 빛이 상기 제1 반사 영역에 반사되고, 상기 제1 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지를 형성하기 위해 상기 사용자의 눈에 들어가고;
    (d) 상기 사용자의 눈의 적어도 하나의 응시 방향에 대하여, 상기 제2 발광 영역으로부터의 빛이 상기 제2 반사 영역에 반사되고, 상기 제2 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지를 형성하기 위해 상기 사용자의 눈에 들어가고;
    (e) 상기 사용자의 눈의 적어도 하나의 응시 방향에 대하여, 상기 제1 발광 영역으로부터의 빛이 상기 제1 반사 영역에 반사되고, 상기 제1 정보 내용의 가시적인 가상의 이미지를 형성하기 위해 상기 사용자의 눈에 들어가고, 상기 제2 발광 영역으로부터의 빛이 상기 제2 반사 영역에 반사되고, 상기 사용자의 눈에 들어가지 않고; 그리고
    (f) 상기 각도 분리는 한쪽 눈에 대한 최대 시야각까지인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
15. 제14항에 있어서, 상기 헤드 장착 디스플레이 장치는 제1 이미지 디스플레이 시스템이고, 상기 반사 광학 표면은 제1 반사 광학 표면이고; 그리고 상기 장치는 제2 이미지 디스플레이 시스템 및 제2 반사 광학 표면을 더 포함하고, 상기 제1 반사 광학 표면은 제1 이미지 디스플레이 시스템과 고정된 관계에 있고 상기 제2 반사 광학 표면은 제2 이미지 디스플레이 시스템과 고정된 관계에 있는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
16. 제14항에 있어서, 상기 반사 광학 표면은 반투명인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
17. 제14항에 있어서, 상기 반사 광학 표면은 상기 이미지 디스플레이 시스템의 적어도 하나의 발광표면으로부터 방출되는 빛을 적어도 부분적으로라도 콜리메이트하도록 설정된 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
18. (a) 하나 이상의 컴퓨터에 의해, 반사 광학 표면을 각각 면 법선을 갖는 복수의 국소 반사 영역으로 분리하고;
    (b) 상기 하나 이상의 컴퓨터에 의해, 상기 반사 광학 표면의 각각의 국소 반사 영역을 이미지 디스플레이 시스템의 단 하나의 정보 영역과 결합시키고, 각각의 정보 영역은 적어도 하나의 국소 반사 영역과 결합되고; 그리고
    (c) 상기 하나 이상의 컴퓨터에 의해, 상기 반사 광학 표면의 하나의 배열을 각각의 상기 면 법선이 하기 두 개의 벡터, (1) 상기 국소 반사 영역으로부터 국소 반사 영역과 결합된 정보 영역으로의 벡터, 및 (2) 상기 국소 반사 영역으로부터 사용자의 눈의 회전 중심의 위치로의 벡터를 2등분하도록 조절하는;
    단계를 수행하기 위하여 하나 이상의 컴퓨터를 사용하고, 복수의 정보 영역을 갖는 이미지 디스플레이 시스템을 포함하는 헤드-장착 디스플레이에 사용하기 위한 반사 광학 표면을 설계하기 위한 컴퓨터-기반 방법.
    
19. 제18항에 있어서, 상기 반사 광학 표면의 배열은 상기 이미지 디스플레이 시스템으로부터 방출되는 빛을 적어도 부분적으로라도 콜리메이트하도록 조정된 것을 특징으로 하는 컴퓨터-기반 방법.
    
20. 제18항에 있어서, 상기 반사 광학 표면을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-기반 방법.
    
21. 삭제
22. 삭제
23. (a) 프로세서; 및
    (b) 상기 프로세서에 연결된 기억 장치;
    로 이루어지고, 상기 기억 장치는 제18항의 방법을 수행하기 위한 프로그램 지시를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
24. 100도까지의 수평 시야에 대해 공간적으로-분리된 반사된 가상 이미지의 근안(near-to-the eye) 관람(viewing)을 위한 비-동공 형성(non-pupil forming) 인-포커스(in-focus)를 제공하는 복수의 국소 반사 영역을 갖는 하나의 표면을 포함하는 반사 광학 표면으로,
    상기 국소 반사 영역의 각각이 각각의 표면 법선을 갖고, 상기 각각의 표면 법선은 (1) 상기 국소 반사 영역으로부터 디스플레이 장치의 결합된 내용 영역으로의 제1 벡터와 (2) 상기 국소 반사 영역으로부터 사용자의 눈의 회전 중심의 위치로의 제2 벡터를 모두 2등분하도록 구성되고; 그리고
    상기 국소 반사 영역의 각각이 발광 표면으로부터 공간적으로-분리된 가상 이미지를 반사하도록 설정되고, 상기 공간적으로-분리된 가상 이미지들의 적어도 하나는 100도까지의 각도 분리에 의해 상기 공간적으로-분리된 가상 이미지들 중 적어도 하나의 다른 이미지로부터 각도로 분리되며, 상기 각도 분리는 상기 사용자의 눈의 회전 중심으로부터 측정되고; 그리고
    상기 각도 분리는 응시 방향에 대한 최대 시야각까지인 것을 특징으로 하는 반사 광학 표면.
    
25. 제1항에 있어서, 단 하나의 눈에 대한 최대 시야각까지의 상기 각도 분리는 최대 약 200도인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
26. 제8항에 있어서, 단 하나의 눈에 대한 최대 시야각까지의 상기 각도 분리는 최대 약 200도인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.
    
27. 제24항에 있어서, 단 하나의 눈에 대한 최대 시야각까지의 상기 각도 분리는 최대 약 200도인 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이 장치.

Images