KR102217788B1

KR102217788B1 - 도파관 리플렉터 어레이 프로젝터를 이용한 다중 깊이면 3차원 디스플레이

Info

Publication number: KR102217788B1
Application number: KR1020207010092A
Authority: KR
Inventors: 존 그래험 맥나마라
Original assignee: 매직 립, 인코포레이티드
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2021-02-18
Also published as: AU2018264080B2; US9310559B2; CN104737061A; JP2017223998A; JP6238974B2; IL236176A0; IL261484A; AU2020205208B2; WO2013188464A1; EP2859403A4; EP2859403A1; AU2013274359A1; KR20200039829A; CN107817556B; AU2020205208A1; EP4130820A1; IL257945B; US20140003762A1; NZ702897A; AU2013274359B2

Abstract

선형 도파관들의 2-차원적 어레이는 시뮬레이트된 4D 라이트 필드에 대해 각각의 깊이면을 각각 생성하는 복수의 2D 평면 도파관 어셈블리들, 컬럼들, 세트들 또는 층들을 포함한다. 선형 도파관들은 장방형 원통형을 가질 수 있고, 로우들과 컬럼들로 적층될 수 있다. 각각의 선형 도파관은 적어도 부분적으로 내부 반사성이고, 예를 들어, 적어도 부분적으로 반사 평면 측벽들의 적어도 하나의 대향하는 쌍을 경유하여, 도파관의 길이를 따라 광을 전파한다. 곡선형 마이크로-리플렉터들은 일부 모드들의 광을 반사시키면서 다른 모드들은 통과시킬 수 있다. 측벽들 또는 면은 일부 모드들의 광을 반사시키면서 다른 모드들은 통과시킬 수 있다. 임의의 주어진 도파관 각각의 곡선형 마이크로-리플렉터들은 정의된 방사상 거리에서 구면 파면에 기여하고, 다양한 층들은 각각의 방사상 거리들에서 이미지 평면들을 생성한다.

Description

도파관 리플렉터 어레이 프로젝터를 이용한 다중 깊이면 3차원 디스플레이{MULTIPLE DEPTH PLANE THREE-DIMENSIONAL DISPLAY USING A WAVE GUIDE REFLECTOR ARRAY PROJECTOR}

라이트 필드는 모든 방향으로 이동하는 공간 내 모든 포인트에서의 광선들 모두를 포함한다. 라이트 필드들은, 3차원 공간의 모든 각각의 포인트가 또한 4 차원인 방향과 연관되기 때문에 4차원인 것으로 간주된다.

착용가능한 3차원 디스플레이는 도광관 광학 엘리먼트(LOE; light-guide optical element) 시스템으로도 알려진 기판 가이드 광학 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스들은 예를 들어, 루머스(Lumus)사에 의해 제조된다. 도 1a-1, 1b-2 및 1b-3에 도시된 바와 같이, LOE 시스템(10)은 2개의 평행한 평면 표면들(14a, 14b)로 이루어진 단층 도파관(12)을 이용한다. 광(16)은 미니-프로젝터(미도시)와 리플렉터 스트립(18)을 이용하여 LOE 도파관(12)에 결합된다. 도 1b-1, 1b-2 및 1b-3은 LOE 시스템(10)의 도파관(12)을 도시하며, 광(16)이 각각 3가지의 각도로 입사되는 것을 보여주며, LOE 시스템(10)은 하나의 각도 방향을 따라서만 배향되고 서로 평행하게 위치되는 평면 마이크로-리플렉터들(20a-20n)(명확한 도면을 위해서 2개만 불러내었음)을 이용한다. 그러나, LOE 시스템(10)은, 무한히 많게 초점이 맞추어진, 0의 구면 파면 곡률을 가진 단일 깊이면을 투영할 뿐이다.

일 실시예에 따르면, 장치는, 커플링 튜브 ―상기 커플링 튜브는 제 1 방향으로 배향되고 일련의 빔 스플리터들을 구비하고, 상기 커플링 튜브는 입력 광을 수광하도록 구성되고, 그리고 추가적으로 상기 빔 스플리터들 각각은 상기 빔 스플리터 상에 입사하는 광의 일 부분을 도파관으로 반사시키고 광의 제 2 부분을 투과시킴―; 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 배향되는 다수의 도파관들; 및 곡선형 마이크로-리플렉터들의 다수의 세트들 ―곡선형 마이크로-리플렉터들의 세트가 상기 다수의 도파관들 각각에 매립됨―을 포함한다. 상기 마이크로-리플렉터들의 각각의 세트는 광을 3차원적(3D) 패턴으로 반사시킨다.

다른 실시예에 따르면, 시스템은 반사기들의 어레이를 구비한다. 상기 어레이는 입력 광 빔을, 디스플레이 상에 3-차원적 볼륨을 재현하는 가상 깊이면들의 2차원적 투영들의 스택으로 전환한다.

또 다른 실시예에 따르면, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법은, 다수의 입력 광 빔들을 수광하는 단계 ―각각의 입력 광 빔은 상기 3-차원적 볼륨의 상이한 층의 시야의 일 부분의 세기 패턴에 해당함―; 상기 다수의 입력 광 빔들 각각으로부터 다수의 중간 광 빔들의 세트를 생성하는 단계; 및 다수의 중간 광 빔들의 각각의 세트의 적어도 일 부분을 가상 깊이면 안으로 투영하는 단계를 포함한다. 상기 가상 깊이면들은 다함께 상기 3-차원적 볼륨을 재현한다.

또 다른 실시예에 따르면, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법은, 시간-멀티플렉싱된 입력 광을 하나의 단일-모드 광섬유를 경유하여 수광하는 단계 ―수광된 입력 광 빔은 상기 3-차원적 볼륨의 복수의 깊이면들에 대한 시야의 일 부분의 세기 패턴에 해당함―; 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광을 z-축 광학 커플러로 전달하는 단계; 상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 부분들을 상기 z-축 광학 커플러에 의해 y-축 분배 광학 커플러들의 세트의 각각의 커플러들에 전달하는 단계; 상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 부분들을 상기 y-축 광학 커플러들에 의해 도파관들의 각각의 세트들로 전달하는 단계; 및 상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 적어도 일 부분을 상기 도파관들의 세트들 중 적어도 일부의 각각의 도파관들을 통해 투영하는 단계를 포함한다. 도파관의 각각의 세트는 각각의 가상 깊이면을 투영하고, 누적 가상 깊이면들은 시청을 위해 상기 3-차원적 볼륨을 형성한다.

도면들에서, 동일한 도면 부호들은 동일한 엘리먼트들 또는 동작들을 식별한다. 도면들에서의 엘리먼트들의 사이즈와 상대적인 위치는 반드시 실척대로 도시되지 않았다. 예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 형상들과 각도들은 실척대로 도시되지 않았고, 이러한 엘리먼트들 중 일부는 도면 가독성을 향상시키기 위해서 임의로 확대되고 위치된다. 또한, 도시된 바와 같은 엘리먼트들의 특정 형상들이 특정 엘리먼트들의 실제 형상에 관한 어떤 정보를 전달하도록 의도되지 않으며, 오로지 도면에서의 인식의 용이성을 위해 선정되었다.
도파관 리플렉터 어레이 프로젝터(WRAP; wave guide reflector array projector) 시스템의 예가 도면에 도시된다. 실시예들 및 도면들은 예시적인 것이며 제한적인 것은 아니다.
도 1a는 무한히 많게 초점이 맞춰진 광을 특정 반경 거리로 다시 초점을 맞추는 예시적인 볼록 구면 미러를 도시한다.
도 1b-1, 1b-2 및 1b-3은, 입사 광이 각각 3가지의 각도로 입사하는, 단일 깊이면을 투영하는 광 가이드 광학 엘리먼트(LOE) 기술을 이용하는 종래 시스템을 도시한다.
도 2a는 가상 점광원으로부터 방사하는 것으로 나타나는 구면 파면을 생성하는 데에 사용되는 예시적인 곡선형 마이크로-리플렉터들의 예시이다.
도 2b는 도파관의 마이크로-리플렉터들의 예시적인 상대 배향 각도를 도시한다.
도 3a는 도파관 리플렉터 어레이 프로젝터에서의 예시적인 층을 도시한다.
도 3b는 도파관에서의 마이크로-리플렉터들의 예시적인 배향 각들을 도시한다.
도 3c는 예시적인 곡선형 마이크로-리플렉터를 도시한다.
도 4는 예시적인 평면 및 구면 파면들을 도시한다.
도 5a는 예시적인 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템 또는 도파관 리플렉터 어레이 프로젝터(WRAP) 장치 형태의 광학 장치의 등각투영도이다.
도 5b는, 일 예시적 실시형태에 따른, 4D 라이트 필드를 시뮬레이트하기 위해 다수의 가상 점광원들을 나타내는 각각의 방사상 거리들에서 각각의 가상 깊이면들을 생성하기 위해 광을 투영하는 다수의 도파관 층들을 도시하는 도 5a의 광학 장치의 일부분의 개략도이다.
도 5c는, 일 예시적 실시형태에 따른, 4D 라이트 필드를 시뮬레이트하기 위해 각각의 방사상 거리들에서 구면 파면들을 갖는 각각의 가상 깊이면들을 생성하기 위해 광을 투영하는 다수의 도파관 층들을 도시하는 도 5a의 광학 장치의 일부분의 개략도이다.
도 6은 WRAP 시스템에 대한 예시적인 투영 및 전파 광 원뿔들을 도시한다.
도 7은 곡선형 마이크로-리플렉터들로부터 비롯된 감소된 투영 원뿔의 예를 도시한다.
도 8은 z-축 결합 튜브에 광학 게이트들이 장착되어 있는 다중층 멀티플렉싱 시스템의 예를 도시한다.
도 9는 WRAP 시스템을 통한 광 전파의 예시적인 도면을 도시한다.
도 10은 예시적인 파면을 생성하기 위한 변형가능한 반사 표면들의 사용을 도시한다.
도 11은 특정 방향들에서 광을 투영하는 픽셀들이 있는 투명 디스플레이 스크린을 이용하는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 12는 3차원 볼륨이 2차원 투영들의 스택으로부터 생성되는 방법의 예시적인 도시이다.
도 13은 가상 물점들에 대한 좌표 시스템을 도시한다.
도 14는 디스플레이 표면 상의 4D 라이트 필드에 대한 좌표 시스템을 도시한다.
도 15는 2-차원의 마이크로-리플렉터 배향들에 대한 좌표 시스템을 도시한다.
도 16은 2-차원의 라이트 필드의 깊이 인덱싱의 예를 도시한다.
도 17은 마이크로-리플렉터들로 사용된 변형가능한 마이크로-유체들의 예를 도시한다.
도 18은 측면 주입식 프레넬 미러와 유사하게 기능하는 마이크로-리플렉터들의 어레이의 예를 도시한다.
도 19는 단일의, 협소한 광 빔으로부터 광 빔들의 넓은 2차원적 어레이를 생성하는 예시적인 도파관 튜브를 도시한다.
도 20은 광 빔 어레이의 갭들을 최소화하기 위해 충분하게 반드시 넓어야하는 광 빔의 예를 도시한다.
도 21은 다중 층 도파관을 동시에 구동함으로써 디스플레이 상에 3-차원의 볼륨을 재현하는 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 다양한 양상들 및 실시예들이 이제 설명될 것이다. 다음 설명은 이러한 실시예들의 완전한 이해와 설명을 가능하게 하기 위해 구체적인 상세들을 제공한다. 그러나, 당업자는, 본 발명이 많은 이러한 상세들없이도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가적으로, 몇몇 주지의 구조들 또는 기능들은, 관련 설명을 불필요하게 모호하지 않게 위해서 상세하게 나타내어지거나 설명되지 않을 수 있다.

아래에 제시된 설명에서 사용된 용어는, 그 기술의 특정한 구체적인 예들의 상세한 설명과 관련하여 사용되더라도, 그 용어의 가장 넓은 합리적인 방식으로 해석되도록 의도된다. 특정 용어들은 심지어 아래에서 강조될 수 있다; 그러나, 어떤 제한된 방식으로 해석되도록 의도되는 임의의 용어는 이 상세한 설명 섹션에서와 같이 명백하고 구체적으로 정의될 것이다.

장면에서 필드의 깊이를 인식하는 인간의 능력은 제한되어 있는데, 즉, 인간은 상이한 방사상 거리들에서의 시각적인 해상도가 제한된다. 결과적으로, 오브젝트 또는 장면을 재현하여 사용자가 완전한 3D 효과를 경험하기 위해서, 3D 볼륨에서 모든 각각의 가능한 초점면이 재현될 필요는 없다. 3D 볼륨은 특정 3D 볼륨의 슬라이스들의 제한된 수를 단순히 재생함으로써 인간이 인지하도록 재현될 수 있다. 재현될 필요가 있는 슬라이스들의 수에 관한 이론들은 16개 미만부터 36개 또는 그 초과까지이며, 여기서 슬라이스들의 폭은 눈에 더 가까운 거리의 경우 가장 얇고 거리에 따라 증가한다. 인간의 시각 시스템(즉, 눈, 망막 신경, 뇌)은, 사람이 3D 볼륨을 인지하는 데 있어서 제시된 정보의 추가 슬라이스가 필요하지 않도록, 이러한 면들 각각을 국소적으로 축소한다. 필요한 실제 슬라이스들의 수와 관계없이, 기본적인 가정은, 3D 볼륨의 슬라이스들의 유한한 개수만이 사람이 완전한 3D 효과를 지각하는 데 있어서 재생될 필요가 있다는 것이다.

예를 들어, 실제 3-차원의 오브젝트 또는 장면으로부터 반사하는 광에 의해 생성될 4 차원(4D)의 라이트 필드를 시뮬레이트하는 광을 생성하거나 투영하기 위해 광학 장치 또는 시스템이 활용될 수 있다. 예를 들어, 도파관 리플렉터 어레이 프로젝터(WRAP) 장치 또는 다중 깊이면 3차원 (3D) 디스플레이 시스템과 같은 광학 장치는 4D 라이트 필드를 시뮬레이트하기 위해 각각의 방사상 초점 거리들에서 다수의 가상 깊이면들을 생성하거나 투영할 수 있다. WRAP 장치 또는 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템의 형태의 광학 장치는, 예를 들어, 사용자의 각각의 눈에 직접적으로 또는 간접적으로 이미지들을 투영할 수 있다. 가상 깊이면들의 수와 방사상의 배치가 방사상 거리의 함수로서 인간 시야 시스템의 깊이 해상도와 비슷한 경우, 투영된 깊이면들의 개별 세트는 실제의, 연속적인, 3차원의 오브젝트 또는 장면에 의해 생성되는 심리-물리적 효과를 모방한다.

도 5a에 최선으로 도시된 바와 같이, WRAP 장치 또는 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템(500)의 형태의 광학 장치가 복수의 도파관(504a-504n)(일괄적으로 504, 명확한 도면을 위해서 2개만 불러내었음)의 2D 어레이(502)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 도파관들(504) 각각은 그의 길이방향 또는 세로 축(본원에서 x 축으로 표시된 길이방향 축)에 걸쳐 취해진 직사각형 단면도를 가질 수 있다. 도파관들(504)은 복수의 컬럼들(506)(예를 들어, xy 평면들, 도 5a의 관점에서 수직으로 연장됨, 명확한 도면을 위해 1개만 불러내었음)과 로우들(508)(예를 들어, xz 평면들, 도 5a의 관점에서 수평으로 연장됨, 명확한 도면을 위해 1개만 불러내었음)에 배열될 수 있다. 이 컬럼들(506)은 2-차원(2D) 도파관들 또는 도파관들의 세트들(각각 도면 부호 506으로 식별됨)로서 특징지워질 수 있다. 2D 도파관(506)은, 예를 들어, z 축으로 본원에 표시된 제 1 가로 축을 따르는 층들로서 적층될 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 각각의 2D 평면 도파관, 도파관들의 세트, 층, 또는 컬럼(506)은 4D 라이트 필드를 생성하기 위해 각각의 거리에서 각각의 가상 깊이면을 생성시키거나 발생시킨다.

WRAP 장치 또는 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템(500)은, 하나 또는 그 초과의 광학 경로들을 도파관들(504)로 제공하거나 또는 하나 또는 그 초과의 광학 경로들을 도파관들(504)로부터 제공하는 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 세트의 분배 도파관들(510a-510n)(총괄하여 510, 도면의 명확성을 위해서 2개만 불러내었음). 이 분배 도파관들은 각각의 컬럼들 또는 층들(506)에서 광학 경로를 도파관들(504)에 제공할 수 있다. 또한 예를 들어, 비-다중화 구현들에서, WRAP 장치 또는 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템(500)은 분배 도파관들(510)의 각각의 도파관들(즉, 각각의 개별 컬럼(508))에 광학 경로를 제공하는 화살표(512)(총괄적인 부호)로 도시된 복수의 광학 커플러들(예를 들어, 광섬유들)을 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, 다중화 구현에서, WRAP 장치 또는 다중 깊이면 3D 디스플레이 시스템(500)은 광학 경로를 분배 도파관들(510) 중 2개, 3개 이상, 또는 전부로 제공하는 화살표(514)로 도시된 하나의 광학 커플러(예를 들어, 광섬유들)를 포함할 수 있다. 분배 도파관들(510) 및/또는 광학 커플러들(512, 514)은, 예를 들어, 적색/녹색/청색(RGB) 광(도 5a에 도시되지 않음)의 광원으로부터 픽셀 패턴으로서, 예를 들어 2D 어레이(502)의 도파관들(504)로 입력을 제공할 수 있다.

도 5b 및 도 5c에 최선으로 도시된 바와 같이, 각각의 컬럼 또는 도파관 층(506a-506c)(3개만 도시하였음, 총괄하여 506)은 4D 라이트 필드(526)를 점증적으로 시뮬레이트 하기 위해서 구면 파면(524a-524c)(단지 3개만 도시하였음, 총괄하여 524)을 갖는 각각의 슬라이스 또는 가상 깊이면(522a-522c)(단지 3개만 도시하였음, 총괄하여 522)을 생성한다. 가상 깊이면들(522a-522c) 각각에 대한 각각의 가상 점광원(528a-528c)(단지 3개만 도시함, 총괄하여 528)의 위치가 또한 도시된다.

도 3a는 일 예시적인 실시형태에 따른, 단일 컬럼, 2D 평면 도파관, 도파관들의 컬럼, 층 또는 세트(506)를 그의 각각의 분배 커플러(510) 및 광학 커플러(512, 514)와 함께 도시한다. 2D 평면 도파관들 또는 층들(506) 각각은 복수의 선형 도파관들(504e, 504f)(총괄하여 504, 명확한 도면을 위해 단지 2개만 불러내었음)로 이루어진다. 2D 평면 도파관들(506)은 각각, 예를 들어, 일련의 장방형 원통형 도파관들(504)(때때로 도파관 튜브들로 지칭됨) 또는 장방형 원통형 도파관들(504)의 선형 어레이를 포함한다. 때때로 "튜브들"로 표시되지만, 당업자는, 이러한 구조들이 중공일 필요는 없고, 많은 구현들에서, 속이 꽉 차있어, 많은 점에서 광섬유들과 유사할 것이지만, 도파관(504)의 길이(530)를 따라 전자기 에너지(예를 들어, 광)를 전파하도록 적어도 부분적으로 내부적으로 반사성인 적어도 한 쌍의 대향 평탄면들을 갖는다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 적어도 한 쌍의 대향 평탄면들(532a, 532b)(총괄하여 532)이, 특정한 정의된 모드들의 광을 실질적으로 내부적으로 반사하는 동안 특정한 다른 정의된 모드들의 광이 실질적으로 도파관(504)에서 벗어나게 할 수 있다. 통상적으로, 도파관(504)은 부분적으로 내부적으로 반사성인, 예를 들어, 특정 정의 모드들의 실질적으로 내부적으로 반사성인 두 쌍의 대향 평탄면들(532a/532b, 532c/532d)(총괄하여 532)을 포함할 것이다. 본원에 사용된 바와 같이 그리고 청구항들에서, 용어 실질적으로는 50 퍼센트 초과이고, 통상적으로는 85 퍼센트 또는 95 퍼센트 초과를 의미한다. 2D 평면 도파관의 도파관(504), 층, 컬럼 또는 세트(506)는 개별적으로 형성될 수 있고 함께 조립 또는 결합될 수 있다. 대안적으로, 2D 평면 도파관의 도파관들(504), 층, 컬럼 또는 세트(506)는 하나의 단일 구조로 형성될 수 있다. 평탄면

들은 원하는 깊이면들의 생성을 용이하게 할 수 있고/있거나 3D 구조로 도파관들(504)을 팩킹하는 밀도를 증가시킬 수 있다.

각각의 선형 도파관(504) 내부에 매립된, 위치된 또는 형성된 것은 일련의 해체된 곡선형 구면 리플렉터들 또는 미러들(540a-540n)(명확한 도면을 위해 곡선형 마이크로-리플렉터들 중 2개만 불러내었음)이고, 이 리플렉터들 및 미러들은 무한히 많게 초점이 맞춰진 광을 특정한 방사상 거리들로 다시 초점을 맞추도록 설계된다. 명확한 도면을 위해서, 선형 도파관들(504) 중 단지 하나의 도파관의 단일 선형 어레이의 전체 마이크로-리플렉터들이 전체적으로 파선으로 도시되며, 다른 선형 도파관들(504)의 다른 선형 어레이들의 마이크로-리플렉터들이 단순 볼록 곡선들에 의해 개략적으로 표현된다는 것을 주목한다. 단일 선형 또는 장방형 도파관(504n)을 위한 다수의 마이크로-리플렉터들(504A-504D)이 도 5a에 도시된다.

도 1a는 볼록 구면 미러(102) 뒤에 정의된 거리에 위치되도록 나타나는 가상 점광원(106)을 나타내는 출력 구면파(104)를 생성하기 위해, 무한히 많게 초점이 맞춰진 입력 평면파(100)가 볼록 구상 미러(102)로부터 반사될 수 있는 방법의 예를 도시한다. (선형 또는 장방형) 도파관에서 일련의 마이크로-리플렉터들(540)을 연결시킴으로써, 마이크로-리플렉터들의 형상(예를 들어, 2개 축들을 중심으로 한 곡률 반경들) 및 배향은 함께, 특정 x, y, z 좌표에서 가상 점광원에 의해 생성된 구면 파면에 해당하는 3D 이미지를 투영한다. 각각의 2D 도파관들 또는 층들(506)은 다른 도파관들에 대해 독립적인 광학 경로를 제공하고, 파면을 정형하고 입사광의 초점을 맞춰 각각의 방사상 거리에 대응하는 가상 깊이면(522)(도 5c)을 투영한다. 충분한 수의 2D 도파관들을 이용하여, 투영된 가상 깊이면들을 시청하는 사용자가 3D 효과를 경험한다.

평면 도파관들(506)의 다중 층 2D 어레이(502)가 본원에 도시되며, 각각의 층은 3D 볼륨에서 상이한 가상 깊이면에 해당하는 광을 투영한다. 상술된 바와 같이, 도 5a-5c는 2D 평면 도파관들, 컬럼들 또는 도파관들의 세트(506)들이 층들로서 적층되어 있는 예시적인 다중 층 WRAP 디스플레이 장치 또는 시스템(500)의 일 부분을 도시한다. 각각의 층(506)은, 도 3a의 예에 도시된 바와 같이, 다수의 도파관들, 예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504)을 포함한다. 일 세트의 광학 분배 커플러들(510) 및/또는 다른 광학 커플러들(512, 514)은 2D 어레이(502)의 선형 또는 장방형 도파관(504)을 다른 컴포넌트들에 광학적으로 결합시킨다. 예를 들어, 광학 분배 커플러들(510) 및/또는 다른 광학 커플러들(512, 514)은 2D 어레이(502)의 선형 또는 장방형 도파관들(504)을 픽셀 패턴들(예를 들어, RGB 세기 변조된 픽셀 패턴들)을 제공하는 서브시스템에 광학적으로 결합시킬 수 있다. 몇몇 예들에서, 광학 커플러들(510)의 세트는 본원 및/또는 청구범위에서 컬럼 분배 커플러들의 선형 어레이로, 또는 제 2 측방(Y) 축 분배 광학 커플러들 또는 커플링 튜브들로 지칭된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 당업자는, 이러한 구조가 중공일 필요가 없으며, 많은 구현들에서 속이 꽉 차 있어 많은 점에서 광섬유와 유사할 것이라는 것을 용이하게 인식할 것이다.

WRAP 장치(500)의 각각의 개별 도파관(504)은 무한히 많게 초점이 맞춰진 광을 특정된 방사상 거리들로 다시 초점을 맞추도록 설계되는 일련의 해체된 곡선형 구상 리플렉터들 또는 미러들(540)을 포함한다. 프레넬 렌즈는 일련의 광학 마이크로-컴포넌트들로부터 구성된 육안 광학 엘리먼트의 예이다. WRAP 장치(500)는 측면-주입식(예를 들어, 제 1 단부로서 나타내어진 측면으로부터 주입됨) 프레넬 미러로서 효과적으로 동작하는 마이크로-리플렉터들(540)의 어레이를 포함한다. 도 18은 등가의 프레넬 미러에서 발견되는 바와 같이 선형 구성(1808)의 마이크로-리플렉터들(1806a-1806n)(총괄하여 1806, 명확한 도면을 위해 단지 2개만 불러내었음)의 어레이가 아닌 구(1804)의 일 부분의 구성으로 마이크로-리플렉터들(1802a-1802n)(총괄하여 1802, 도면의 명확성을 위해 단지 2개만 불러내었음)의 어레이의 예를 도시하며, 구상 구성(1804)의 마이크로-리플렉터들(1802)의 배향이 선형 프레넬 미러 구성(1808)의 마이크로-컴포넌트들 또는 마이크로-리플렉터들(1806)의 배향과 일치한다.

WRAP는 무엇을 하는가

WRAP 장치(500)는 2D 도파관들(506) 각각으로 이루어진 선형 또는 장방형 도파관들(504)에서 곡선형 마이크로-리플렉터들의 어레이를 포함한다. 곡선형 마이크로-리플렉터들의 어레이는 렌즈 또는 곡선형 거울과 비슷하게 작동하도록 위치설정되고 배향되어 특정된 방사상 거리들에서 가상 이미지들을 투영한다. 본원 및/또는 청구범위에서 "리플렉터들"로 나타내어지지만, 본원에 설명된 바와 같이 곡선형 마이크로-리플렉터들은 통상적으로 전자기 에너지, 예를 들어, 광의 광학 파장들(예를 들어, 근적외선, 즉 N-IR, 가시광선, 근자외선, 즉 N-UV)을 부분적으로 반사하고 부분적으로 통과시킨다. 본원에 설명된 바와 같이, 반사율은 전자기 에너지 또는 광의 각도 모드의 함수일 수 있다.

종래의 렌즈-기반 이미징 시스템들 또는 곡선형 미러-기반 이미징 시스템들은 큰 표면 곡률들을 가진 광학 엘리먼트들을 이용한다. 종래의 렌즈-기반 이미징 시스템들 또는 곡선형 미러-기반 이미징 시스템들은, 프로젝터 엘리먼트로부터 넓은 라이트 필드에 의해 통상적으로 전면 주입식 또는 후면 주입식이다. 이러한 종래의 시스템들은 상대적으로 두껍고 중량인 경향이 있고 종종 다수의 광학 엘리먼트들과 움직이는 부품들을 사용하여 그들의 초점 길이들을 변화시킨다. 대조적으로, WRAP 장치(500)의 선형 도파관들(504)의 도시된 2D 어레이(502)(도 5a)는 평탄면을 갖는다. WRAP 장치(500)의 선형 도파관들(504)의 도시된 2D 어레이(502)는, 광섬유로부터의 좁은 각도의 빔들의 원뿔(542)(도 3a)에 의해 측면 주입될 수 있고(즉, 본원과 청구범위에서 제 1 단부로서 나타내어진 측면으로 주입됨), 이 좁은 각도의 빔들은 넓은 라이트 필드로 내부적으로 크게 증대된다(internally multiplied). WRAP 장치(500)의 선형 도파관들(504)의 도시된 2D 어레이(502)는 매우 얇고 경량으로 제조될 수 있다. 예시된 2D 평면 도파관들 또는 층들(506)은, 각각의 2D 평면 도파관, 층, 컬럼, 또는 세트(506)가 다른 2D 평면 도파관들, 층들, 컬럼들 또는 세트들과 무관하게 광학 경로들을 제공하는 다중초점 디스플레이를 생성하도록 용이하게 적층될 수 있는데, 예를 들어, 각각이 3D 이미지에서 개별적인 초점 또는 깊이면을 제공할 수 있다.

상술된 LOE 시스템(10)(도 1b-1, 1b-2, 1b-3)과 대조적으로, 일 실시형태에서, WRAP 장치(500)는 다중 깊이면들(522)(도 5c)을 투영하고, 각각은 대응하는 구면 파면 곡률들(524)(도 5c)을 가진 상이한 방사상 거리들에서 초점을 맞춘다. WRAP 장치(500)는 평면 2D 도파관(506)을 생성하는 수직(xy) 컬럼들에 배열된 일련의 선형 또는 장방형 원통형 도파관들을 포함할 수 있으며, 이는 일부 예들에서 선형 또는 장방형 도파관들(503)의 2D 어셈블리로 지칭될 수 있다. WRAP 장치(500)는 다수의 2D 평면 도파관들, 컬럼들, 층들 또는 세트들(506)을 포함할 수 있고, 각각은 상이한 가상 깊이면(522)에 해당한다(도 5c). WRAP 장치(500)는 볼록한 구상의 곡선형 마이크로-리플렉터들(540)(도 3a 및 도 5a)을 이용할 수 있다. 마이크로-리플렉터들(540)은 하나 또는 그 초과의 표면 곡률들을 가질 수 있고, 이 표면 곡률들은 각각의 도파관 층(506)에서 변할 수 있다. 도 3b와 도 3c에 최선으로 도시된 바와 같이, 마이크로 리플렉터들(540) 각각은 2개의 각도 방향들(φ,θ)을 따라 배향될 수 있다. 각도 방향들(φ,θ)은 임의의 주어진 선형 도파관(504)에서 변할 수 있거나 단일층(506) 내의 선형 도파관들(504) 사이에서 또는 상이한 층들(506) 사이에서 변할 수 있다.

도 8에서 최선으로 도시된 바와 같이, 광(예를 들어, 픽셀 패턴)이, 하나 또는 그 초과의 RGB(적색, 녹색, 청색) 광원들(544)로부터 예를 들어, 광 세기 변조기(546), 광섬유 케이블들(548), 각도 모드 변조기 또는 빔 편향기(550), 예를 들어, 광학 게이트들(552)을 통해 구현된 선택적인 광학 디멀티플렉싱 스위치, 선택적인 z-축 커플링 어레이(554), 및 이전에 설명된 그리고 예시된 y-축 광학 커플러들 또는 광학 커플링 어레이(510)의 별개의 세트 중 하나 또는 그 초과의 것을 통해, WRAP 장치(500)의 2D 어레이(503)에 결합될 수 있다.

WRAP는 무엇인가

WRAP 장치(500)는, 그 자체가 선형 또는 장방형 원통형 도파관들(504)의 가로의 로우들로 이루어진 얇은, 평면형, 2D 도파관들(506)의 스택을 포함할 수 있다. 2D로 나타내어지는 동안, 2D 도파관들(506)은 물리적으로 깊이를 갖지만, 각각이 2D 어레이(502)의 2D 슬라이스 또는 부분(즉, 컬럼)을 나타내기 때문에 이와 같이 나타내어진다. 2D로 나타내어지는 동안, 도파관들의 2D 어레이는 물리적으로 길이를 갖지만, 길이는 2D 어레이(502)로 이루어질 수 있는 개개의 선형 또는 장방형 도파관들(504)의 고유 특성이기 때문에, 도파관들의 2D 어레이가 이와 같이 나타내어진다. 마찬가지로, 때때로 선형 도파관(504)으로 지칭되지만, 이러한 도파관들은 물리적으로 높이와 폭을 가지지만, 각각이 선형 광학 경로를 제공하기 때문에 이와 같이 나타내어진다.

도 3a는 WRAP 장치(500)의 2D 어레이(503)의 예시적인 단일층을 도시한다. 광의 입력 원뿔(542)은 광섬유(512, 514, 548)를 통해 분배 광학 커플러 또는 y-축 광학 커플러(510)로 지향되며, 이 광학 커플러는 때때로 본원에서 커플링 튜브(도 3a에서 수직으로 배향됨)로 지칭된다. 다수의 다중 빔 스플리터들(556a-556n)(총괄하여 556, 명확한 도면을 위해 단지 2개만 불러내었음)이 광학 커플러(510) 내의 로우에 장착된다. 각각의 빔 스플리터(556)는 빔 스플리터 위로 입사하는 광의 제 1 부분을 다중 적층된 선형 또는 장방형 도파관들(504)(도 3a에서 수평으로 배향됨) 중 하나로 반사시키고, 광의 제 2 부분을 다음 빔 스플리터(556)로 전송한다. 이와 같이, 분배 광학 커플러 또는 y-축 광학 커플러(510)로 입사하는 광은 분배 광학 커플러 또는 y-축 광학 커플러(510)의 길이의 적어도 일 부분을 따라 위치되는 다중 선형 또는 장방형 도파관들(504) 안으로 발광된다.

이전에 설명된 바와 같이, 각각의 선형 또는 장방형 도파관(504)에 매립된, 위치된 또는 형성된 것은, 선형 또는 장방형 도파관(504)을 통해 안내되는 각각의 각도를 이루는 광빔이 마이크로-리플렉터들(540)에 의해 선형 또는 장방형 도파관(504)으로부터 3 차원의 곡선 패턴으로 투영되도록, 정형되고 각도를 가지고 배향되는 곡선형 마이크로-리플렉터들(540)의 선형 어레이이다. 도 3b는 도파관에서 마이크로-리플렉터들(540)의 예시적인 배향각들(φ,θ)을 도시하며, 마이크로-리플렉터들은 도시의 용이성을 위해 평면 형태로 나타내어진다. 도 3c는 곡선형 마이크로-리플렉터(540)에 대한 배향각들(φ,θ)의 예를 도시한다. 가상 점광원에 의해 생성되는 구면 파면에 대응하는 투영된 패턴이 주어진 x,y,z 좌표에 위치되며, x 및 y 좌표들은 광 빔의 2D 각도 배향에 의해 결정되고, z-좌표는 주어진 2D 평면 도파관, 컬럼, 층 또는 세트(506)에서의 2D 배향 그래디언트들 및 마이크로-리플렉터 형상들의 특정 구성에 의해 결정된다. 각각의 2D 평면 도파관, 컬럼, 층 또는 세트(506)는, 각각의 층이 상이한 z-좌표, 또는 방사상 좌표(r-좌표)에 해당하는 가상 깊이면을 투영하도록, 상이한 파면 정형과 초점조정 특성들을 갖도록 구성된다.

주어진 x,y,z 좌표에 위치되는 광의 점광원은 3차원적 공간 전체에 걸쳐 매우 구체적인 방식으로 변하는 방사형(radiating) 3차원적 광 패턴을 생성한다. 구체적으로, 점광원은, 구상 파면의 표면 곡률이 방사형 구체의 반경에 반비례하게 변하는 구상 파면을 생성한다. WRAP 장치(500)는, 주어진 x,y 좌표에 해당하는 입력 광선을 수광할 경우, 특정 z-좌표에 대해 적절한 구면 곡률과 2차원적 회전을 가진 이 구체의 섹션을 생성하도록 설계된다.

WRAP가 작동하는 방법

도 3a의 예에서 도시된 바와 같이, 각각의 WRAP 2D 평면 도파관, 컬럼, 층 또는 세트(506)로 입력된 광은, 광의 작은 원뿔(542)이 내부로 주입되었던 개별 다중-모드 광섬유(512)를 통해 제공될 수 있다. 대안으로, 각각의 2D 평면 도파관, 컬럼, 층 또는 세트(506)로 입력된 광은 디멀티플렉싱 스위치(552)의 각각의 출력 채널(514)을 경유하는 광 원뿔(542)의 형태이다(도 8). 광 원뿔(542)은 재현될 3D 볼륨의 단일 깊이면에 존재하는 2차원적 x,y 광 세기 패턴에 해당하는 광 빔들의 2차원적 각도 분포를 포함한다. 광 원뿔의 각도 분포를 입력 광섬유에 커플링하는 다수의 방법들이 존재하는데, 이를 테면, MEMS 스캐너, 스위칭가능한 액정, 또는 MEMS 회절 격자를 이용하는 것이다.

광 전파 원뿔(542)은, 예를 들어, 도 6의 예에서 도시된 바와 같은 정의된 즉 알려진 각도 패턴을 가져야 한다. 일부 실시형태들에서, 선형 또는 장방형 도파관(504) 내부에서 전파하는 광 원뿔(542)은 각도 방향들 둘 모두에서 대체로 -22.5도 내지 -67.5도의 각도 범위에 있고, 도파관으로부터 투영되는 광 원뿔(560)은 각도 방향들 둘 모두에서 대체로 -22.5도 내지 +22.5도의 각도 범위 내에 있어야 한다. 특히, 상대적으로 좁은 범위의 광선 각도가 도파관에서 전파될 것이므로, 입력된 이미지의 각도 범위는 그에 따라 제한되어야 한다. 이러한 각도 범위들을 벗어나 전파되는 광은 에일리어싱과 이중 이미지들을 생성할 것이다.

2D 어레이(502)의 2D 평면 도파관, 컬럼, 세트 또는 다중 레이어들(506)을 병렬로 또는 직렬로 구동시키기 위한 2가지 방법들이 있다. (도 5a의 예에 도시된) 병렬 방법에서, 각각의 도파관층(506)은, 특정 깊이 층 볼륨에 포함되는 시야의 그 부분에 해당하는 각도 패턴을 전파하는 상이한 멀티-모드 광섬유(512)에 의해 구동된다. 이러한 각도 패턴들은 기저 유닛에 위치되는 구동 전자장치(예를 들어, RGB 광원, 세기 변조기)에 의해 생성된 후, 다중 멀티-모드 광섬유들(512)을 통해 병렬로 2D 어레이(502)에 전송된다. 예를 들어, 2D 이미지들은 스캐닝 프로젝터 시스템(이를 테면, 스캐닝 광섬유 프로젝터)을 이용함으로써 또는 2D 마이크로-프로젝터를 핀홀 애퍼쳐에 커플링함으로써 각도를 이루어(angularly) 인코딩될 수 있다.

(도 8의 예에 도시된) 직렬 방법에서, 전체 시야에 대한 각도 패턴이 동시에 생성되고, 그 패턴을 생성하는 2D 빔 디플렉터(550)와 동기화되는 광학 게이트들(552)을 이용하여 한 번에 하나의 각도 빔으로, 상이한 도파관 층들(506) 간에 소팅된다. 이 프로세스는, 2D 어레이(502), 분배 또는 y-축 광학 커플러(510) 및/또는 z-축 광학 커플러(562)(도 9)에서 발생하고, 기저 유닛에서는 발생하지 않기 때문에, 하나의 단일-모드 광섬유(514)에 의해 구동될 수 있다. 이 시스템에서, 입력 이미지들은, 광섬유 또는 다른 도파관(514)을 통과하여 전파하는 각각의 분석가능한 각도가 하나의 물점(object point)의 세기에 대응하도록 각도를 이루어 인코딩된다. 이러한 방식으로 이미지를 인코딩하기 위해서, 디스플레이의 선형 해상도에 필적할 만한 각도 밀도를 가지고 수많은 각도 모드들을 전파할 수 있는 다중-모드 광섬유들(514) 및 광학 커플러들(514, 562)이 사용된다. 광 원뿔의 각도 범위는 광학 장치(500)의 최대 시야, 예를 들어, 45도에 대응한다.

도 9는 z-축 광학 커플러(562)를 포함하는 WRAP 장치의 일 부분을 통한 광 전파의 예시적인 도시를 도시한다. 도 9는 z-축 광학 커플러(562)의 상대적인 배향을 나타내며, 분배 또는 y-축 광학 커플러(510), 선형 또는 장방형 도파관들(x-축 도파관들로 상호교환가능하게 지칭됨)(504)을 나타낸다. 도 9의 실시형태에서, 광은 초기에 z-축 광학 커플러(562)를 통해 입사한다. z-축 광학 커플러는 많은 점에서 선형 또는 장방형 도파관들과 유사할 수 있는데, 예를 들어, z-축 광학 커플러(562)의 길이를 따라 광을 전파하거나 안내하기 위해 적어도 부분적인 내부 반사를 제공하는 적어도 한 쌍의 대향하는 평탄 면들을 갖는다. z-축 광학 커플러(562)는 입사하는 광의 각도 분배의 사본들을 크게 증가시켜 다양한 컬럼들, 세트들 또는 층들(506)의 분배 또는 y-축 광학 커플러들(510) 각각으로 주입하는, 각도를 이루는 평탄한 마이크로-리플렉터들(564a-564n)(총괄하여 564)의 선형 어레이를 포함한다. 분배 또는 y-축 광학 커플러들(510)은, 각도를 이루는 평탄한 마이크로-리플렉터들(566a-566n)(총괄하여 566)의 선형 어레이를 갖는 z-축 광학 커플러(562)와 유사한 구성일 수 있다. 분배 또는 y-축 광학 커플러들(510)은 인입하는 광의 각도 분포의 사본들을 크게 증가시켜 개별 컬럼, 세트 또는 층(506)의 x-축 도파관들(504) 각각으로 주입한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 좁은, 각을 이루는, 평면파 광 빔(566)이 선형 또는 장방형 도파관(504)에 입사하여, 평탄한 리플렉터(568)로부터 반대쪽 반사면들(532) 중 적어도 하나의 면을 향해 반사된다. 각각의 좁은, 각을 이루는 평면파 광 빔이 도파관을 통해 전파되고 곡선형 마이크로-반사기(540)에 부딪칠 경우, 평면파 광 빔이 2개의 빔들로 분할된다. 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 빔이 다음 마이크로-리플렉터(540)로 진행하고, 제 2 빔은 마이크로-리플렉터(540)(이 마이크로-리플렉터로부터 제 2 빔이 반사됨)의 표면의 곡률의 2배인 곡률을 가진 다른 패턴으로 반사된다. 즉, 좁은 입사 평면파가 입사 평면파의 배향에 대응하는 2D 배향을 가진 구면 파면의 작은 웨지-형 섹션으로 전환된다. 2D 도파관, 컬럼, 세트 또는 층(506)의 곡선형 마이크로-리플렉터들(540) 모두의 2D 배향들이 매우 정확한 방식으로 변하는 경우, 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로-리플렉터들(540)로부터 투영되는 구면 파면 웨지들 전부가, 평면파(566)의 2D 배향에 해당하는 x 및 y 좌표들 및 마이크로-리플렉터(540)의 곡률(들)과 2D 도파관, 컬럼, 세트 또는 층(506)의 2D 배향 그래디언트에 해당하는 z 좌표에 위치된 가상 점광원(570)으로부터 방사되는 것으로 나타나는 하나의 구면 파면(569)으로 정렬될 수 있다. 참고로, 도 13 내지 도 15는 가상 물점들에 대한 좌표 시스템들, 디스플레이 표면 상의 4D 라이트 필드, 및 2D 마이크로-리플렉터 배향들을 각각 도시한다.

입력 원뿔 내 각도를 이루는 평면 파 광 빔들 모두가 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층(506) 전체를 통해 전파되기 때문에, 이 빔들은 하나의 깊이 평면에 의해 생성되는 중첩된 라이트 필드를 재현한다. 각각의 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층(506)에 대한 입력 신호들 모두가 2D 어레이(502) 전체에 걸쳐 전파되는 경우 이들은 다중 깊이면 볼륨들에 의해 생성되는 중첩된 광 필드를 다시 만들어 낸다. 이러한 깊이 면들이 충분히 많고 면들의 방사상 거리의 함수로서 적절한 두께들을 가지는 경우(필드 깊이 식에 의해 결정됨), 그리하여, 깊이 면들이 인간의 z-좌표 해상도(또한 x,y 좌표 해상도)의 한계치들을 만족하거나 이를 초과하는 경우, 가상 3D 볼륨으로부터 생성되는 광 필드는, 실재하는 물리적인 3차원적 공간의 가상 3D 볼륨으로부터 인간이 구분할 수 없게 될 것이다.

(본원에 설명된 바와 같은)광학 시스템(500)에서 사용되는 재료들의 고유 광학 특성들 때문에, 각각의 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층(506)은 다른 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)에 의해 상호 영향을 받지 않는다. 이러한 특징은, 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)을 하나의 층 위에 다른 층을 적층시켜, 종래의 렌즈들을 이용하여서는 가능하지 않은 것으로 여겨지는 특징인 다중 초점 광학 시스템을 생성한다.

추가적으로, 직교 광 평탄화가 사용되어 실제 외부 세계로부터의 광을 가상 디스플레이의 광으로부터 디커플링시켜 증강 현실 다중 깊이면 3D 디스플레이를 생성할 수 있다. 편광 리플렉터들(540)이 리플렉터의 편광 축과 평행하게 정렬되는 광의 그 부분을 반사할 뿐이다. 교차 편광각이 리플렉터(540)에 의해 반사되지 않고, 반투명 리플렉터(540)의 경우, 반사되지 않고 리플렉터를 통해 단순히 통과할 것이다. 이렇게 하여, 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층(506)이, 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층의(506) 광을 단순히 교차 편광시킴으로써, 외부 세계로부터 또는 다른 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)로 광에 대해 투명하도록 제조될 수 있다.

시간 순차적인 방식으로 전체 가상 3D 볼륨(1604)의 방사상 핀홀 투영들에 해당하는 2D 광 패턴(1602)이 생성되고, 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 2D 필드의 포인트들 각각이 깊이 인덱싱되는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, z-축 광학 커플러(562)(도 9)에는 빔 디플렉터(550)와 동기화되는 광학 게이트들(522)이 장착되어 멀티플렉싱된 입력 원뿔(542)로부터 가상 3D 볼륨(1604) 내 깊이면 각각에 대응하는 다수의 출력 채널 원뿔들(572)(명확한 도면을 위해 도 8에서 단지 하나만 불러내었음)로 광 빔들을 소팅할 수 있다.

상술된 2D 어레이(502)의 상이한 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)을 구동하기 위한 직렬 방법에서, 2D 어레이(502)는 하나의 단일-모드 광섬유(514, 548)에 의해 구동되고, 상이한 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)에 해당하는 광 원뿔들(572)이 디바이스 자체 내부에서 생성된다. 광 각들은 한번에 하나의 각이 동시에 생성되고 소팅되어야 한다. 광 각들이 시간 순차적인 방식으로 생성되지 않는 경우, 광 각들은 2D 도파관, 평면, 세트 또는 층들(506)의 각각으로 용이하게 소팅될 수 없다.

수학적 고찰

광학 장치(500)는 2D 라이트 필드들을 4D 라이트 필드들로 변환하는 수학 연산자로 보여질 수 있다. 도 4는 변환의 예시적인 상세들을 도시한다. 광학 장치(500)는, 입력 원뿔(402)의 광 빔들 각각으로 포지티브 곡률을 적용하고 수정된 광 원뿔의 차등 회전 사본들의 2D 어레이를 디스플레이의 표면 상으로 맵핑(406)함으로써 변환을 수행한다. 이러한 동작들은, 도 12의 예에 도시된 바와 같이, 마이크로-리플렉터들(540)의 어레이(들)에 의해 물리적으로 생성되고 좁은 평면파 광 빔들을 넓은 구면 파면들(404)로 변환하고; 광 원뿔들을 가상 깊이 평면들로 전환시키고; 그리고 2차원적 투영들의 스택으로부터 3D 볼륨을 생성하는 효과를 갖는다(비교를 위해서, 도 4와 도 12는 또한 평편한 파면(410) 안으로 생성된 입력 원뿔(408)을 도시한다). 도 13은 가상 물점들에 대한 좌표 시스템(1300)을 도시한다. 도 14는 4D 라이트 필드에 대한 좌표 시스템(1400)을 디스플레이 표면 상에 도시한다. 도 15는 2차원적 마이크로-리플렉터 배향들에 대한 좌표 시스템(1500)을 도시한다.

광학 장치(500)의 맥락에서, 선형 또는 장방형 도파관들(504)이 하나의 좁은 광 빔의 입력에 기초하여 광 빔들의 넓은 2D 어레이를 수학적으로 그리고 물리적으로 생성하는 빔 멀티플라이어들 및 와이드너들로서 기능한다. 도 19는, 광 원뿔(1902a-1902d)(총괄하여 1902)이 입사광의 일 부분을 전달하고 입사광의 일 부분을 반사하는 다수의 빔 스플리터들의 이용을 통해 크게 증대되는 방법을 도시한다.

예시적인 시스템 사양들:

마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504))은 부분적으로 투명하고 빔 스플리터뿐만 아니라 리플렉터의 기능을 수행한다. 이러한 방식으로, 좁은 각도 범위를 갖는 광의 단일 빔이 반복적으로 크게 증가되고 어레이를 통해 재분배되어 넓은 4D 라이트 필드를 생성할 수 있다.

더욱이, 도파관들(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504)) 및 마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504))의 반사면들(예를 들어, 532)의 반사율들은 각도 특정적이어야 한다. 구체적으로, 마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504))은 도파관(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관(504))의 표면(예를 들어, 532)으로부터 내부적으로 반사되는 입력 원뿔의 각도 모드들을 단지 반영하고, 모든 다른 각도 모드들에 투명해야한다. 각각의 도파관(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504))은 마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504))로부터 반사되는 각도 모드들에 대해 단지 투명해야 하고, 도파관(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504))의 내부에 대해 다른 각도 모드들 모두를 한정해야 한다. 이는 입력 원뿔로부터의 광이, 도파관(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504))의 전체 길이를 통해 분포되게 하고 2D 어레이(502)로부터 투영되기 전에 마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504)) 각각에 결합되게 한다. 이는 또한 선형 도파관들(예를 들어, 선형 또는 장방형 도파관들(504))내의 2개의 대향면들(예를 들어, 532)로부터의 광이 마이크로-리플렉터들(예를 들어, 곡선형 마이크로-리플렉터들(504))에 부딪치는 것을 방지하는데, 이는 단일 세트의 이미지들 대신 이중 세트의 이미지들을 생성할 것이기 때문이다.

이것이 시야를 제한할 수 있다. 예를 들어, 이것이 45도의 최대 시야(FOV; field of view)(700)(도 7)로 시야를 제한할 수 있다. 도파관에서 전파할 수 있는 가능한 총 360도 각도들 중에서, 이들 각도들의 절반(180도)은 잘못된 방향으로 전파되고(도파관 안으로 전파되는 대신 밖으로 나감), 다른 45도는 마이크로-리플렉터들에 의해 투영되어 나가는 시야에 해당하고, 또 다른 45도는 광 원뿔이 마이크로-리플렉터들에 부딪치기 전에 도파관에 의해 전파되는, 각도가 이동된 광 원뿔에 해당한다. 나머지 90도는, 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 각도가 외측 도파관 표면으로부터 떨어져 2차 반사들로부터 에일리어싱 효과들을 생성할 수 있기 때문에 유용한 것으로 나타나지 않는다. 실제로, 광학 장치(500)의 시야(700)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로-리플렉터들(540)에 의해 생성되는 빔 곡률을 수용하기 위해 45도 미만일 것이다.

선형 또는 장방형 도파관들(504)에 결합되는 광 빔들은, 마이크로-리플렉터들(540)이 광 빔들에 의해 균일하게 커버되고, 갭들과 출력의 불균일성들이 최소화되도록 충분히 넓어야 한다. 도 20은 광 빔(2002)의 폭이 광 빔 어레이에서 갭들을 방지할 만큼 충분히 넓지 않은 예를 도시한다.

디스플레이가 증강 현실 디바이스로서 기능하기 위해서는, 입력 원뿔로부터의 광이 단일 축을 따라 편광되어야 하고, 도파관들(504)의 마이크로-리플렉터들(540) 및 반사 대향면들(532)은 동일한 축을 따라 편광되는 광을 단지 반사할 뿐이다. 더욱이, 디스플레이의 외부 측면은, 사용자가 실제-가상 콘트라스트, 즉 실제와 가상의 시야(visual field)들의 상대적인 광 세기들을 조정하게 하는 직교 편광 스크린(미도시), 이를 테면 액정 디스플레이를 구비해야 한다. 직교 편광 스크린은 또한 가상 디스플레이의 편광 축에 대하여 실세계로부터의 광을 직교적으로 편광시킬 수 있으므로, 광이, 선형 또는 장방형 도파관들(504)의 반사 대향 표면들(532) 또는 마이크로-리플렉터들(540)에 의해 영향을 받지 않고 디스플레이를 통과하여 지나가게 한다.

또한, 경로 길이에 있어서의 변화에 의해 발생하는 임의의 위상차들과 비간섭성, 경과 시간과 파장은 인간의 시각 체계에 의해 검출 불가능해야 한다.

착용가능하기에 충분히 얇은 디바이스가 되기 위해서는, 2D 어레이(502)의 각각의 2D 평면 도파관, 컬럼, 세트 또는 층(506)은 가능한 한 얇아야 한다. 예를 들어, 10개의 층들을 지닌 일 실시형태에서, 층당 약 1㎜의 두께는 착용가능한 디바이스에 작용할 것이다. 많은 수의 층들, 예를 들어, 25 내지 35개의 층들을 이용하여, 근접장 광과 원거리장 광이 전적으로 재현될 수 있다. 그러나, 10개 미만 또는 35개 초과의 층들이 사용될 수 있다.

일부 구현들에서, 각각의 2D 평면 도파관, 컬럼, 세트 또는 층(506)은 실시간으로 재구성될 수 있는데, 즉, 마이크로-리플렉터(들)(504)의 곡률(들) 및/또는 2D 배향 그래디언트는 고속 방식으로 동적으로 변할 수 있다. 이러한 구현을 이용하여, 각각의 가상 깊이층의 투영은, 동시에 나타내어지는 것 대신에, 시간 멀티플렉싱될 수 있다. 이렇게 하기 위해서, 단일층 N-플레인 디스플레이 시스템은 N-층 시스템의 단일 층의 리프레시 레이트의 N배의 레이트로 재구성되어야 한다. 동적으로 구성가능한 곡선형 마이크로-리플렉터들(504a)(도 10)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2차원적 액정 표면들이 사용될 수 있으며, 표면들의 형상들과 배향들이, 도 10의 예에 도시된 바와 같이, 전기장 및/또는 자기장으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 전기적으로 그리고/또는 자기적으로 변형가능한 마이크로유체들은 마이크로-반사기들(504b)로서 사용될 수 있으며, 형상들과 배향들은 도 17의 예에 도시된 바와 같이 동적으로 변경될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 예를 들어, 도 10과 도 11의 아래쪽의 예들에 도시된 바와 같이, 투명 디스플레이 스크린의 픽셀들(540b)이 특정 방향들로 광을 투영할 수 있는 투명 디스플레이 스크린이 사용되어 투영된 광의 방향을 변경시킬 수 있다.

WRAP의 운용

도 21은 다중 층의 도파관을 병렬로 구동함으로써 디스플레이 상에 3차원적 볼륨을 재현하는 예시적인 프로세스(2100)를 도시하는 흐름도이다. 블록 2105에서, 광학 장치(502)는 다중 입력 광 빔들을 수광한다. 다수의 광 빔들 각각은 다중-모드 광섬유에 의해 전달될 수 있다. 다수의 입력 광 빔들 각각은 재현될 3차원적 볼륨의 상이한 층 내 시야의 일 부분의 세기 패턴에 해당한다.

이후, 블록 2110에서, 시스템은 다수의 입력 광 빔들 각각으로부터 중간 광 빔들의 세트를 생성한다.

다음으로, 블록 2115에서, 시스템은 다수의 중간 광 빔들의 세트의 사본들을 독립적으로 회전시키고, 블록 2120에서, 가상 점광원으로부터 방사되는 것으로 보이는 파면을 투영한다. 투영된 파면들 모두는 함께, 사용자가 시청하는 3D 볼륨을 재현한다.

결론

상세한 설명과 청구범위 전체에 걸쳐 문맥에서 명확하게 달리 요구하지 않는다면, 단어 "구성한다(comprise), "구성하는(comprising)" 등은 배타적이거나 총망라적인 의미와는 반대되는 것으로 내포적인 의미(즉, "포함하는(including)"을 의미하지만, 이것으로 제한되지 않음)로 해석된다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "연결된(connected)", "커플링된(coupled)" 또는 그의 임의의 변형은 2개 또는 그보다 많은 엘리먼트들 사이에서 직접 또는 간접적으로 임의의 연결 또는 커플링을 의미한다. 엘리먼트들 간의 이러한 커플링 또는 연결은 물리적이거나, 논리적이거나, 또는 그의 조합일 수 있다. 추가적으로 단어 "본원", "상기", "아래의", 그리고 유사한 의미의 단어들은, 본원에서 사용되는 경우, 본 출원을 전체로서 지칭하며 본 출원의 임의의 특정 부분들을 지칭하는 것은 아니다. 본 맥락이 허용하면, 단수 또는 복수를 사용하는 상기 상세한 설명들의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 두 개 또는 그보다 많은 아이템들의 리스트와 관련하여 단어 "또는"은 다음 단어의 해석들; 리스트 내 아이템들 중 임의의 것, 리스트내 아이템들 모두, 그리고 리스트의 아이템들의 임의의 조합 모두를 커버한다.

본 발명의 예들의 상기 상세한 설명은 상기 개시된 바로 그 형태로 본 발명을 제한하거나 총망라하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 위한 특정 예들이 예시적인 목적들을 위해 상술되었지만, 다양한 등가의 변형들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 당업자는 인지할 것이다. 프로세스들 또는 블록들이 본원에 주어진 순서로 나타내어지지만, 대안적인 구현들이 상이한 순서로 수행되는 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나, 상이한 순서로 블록들을 갖는 시스템들을 사용할 수 있다. 대안 또는 서브조합들을 제공하기 위해서 일부 프로세스들 또는 블록들이 삭제, 이동, 추가, 세부분할, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들이 때로는 연속하여 수행되는 것으로 도시되지만, 이러한 프로세스들 또는 블록들은 대신에 동시에 수행되거나 구현될 수 있거나, 상이한 시각에 수행될 수 있다. 또한 본원에 언급된 임의의 특정 수들은 단지 예시들일뿐이다. 대안적인 구현들은 상이한 값들 또는 범위들을 사용할 수 있다는 것을 이해한다.

본원에 제공되는 다양한 예시들과 교시들이 또한 상술된 시스템 이외의 시스템들에 적용될 수 있다. 상술된 다양한 예들의 엘리먼트들과 동작들이 본 발명의 추가적인 구현들을 제공하기 위해 결합될 수 있다.

첨부된 출원서에서 나열될 수 있는 임의의 것을 포함하여, 임의의 특허들 및 출원들 그리고 상기 언급된 다른 인용문헌들은 인용에 의해 본원에 포함된다. 필요에 따라, 본 발명의 추가적인 구현들을 제공하기 위해 이러한 인용문헌들에 포함된 시스템들, 기능들 및 개념들을 사용하기 위해 본 발명의 양상들이 변경될 수 있다.

이러한 변경과 다른 변경들은 상술한 설명을 고려하여 본 발명에 대하여 이루어질 수 있다. 상기 설명이 본 발명의 특정 예들을 설명하고 예상되는 최선의 모드를 설명하는 동안, 본 명세서에서 상술된 설명이 얼마나 상세하게 나타났는지와는 상관없이, 본 발명은 많은 방법들로 실시될 수 있다. 시스템의 상세들은 그의 특정 구현에 있어서 상당히 변할 수 있으며, 여전히 본원에 개시된 발명에 포함된다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 특정한 특징들 또는 양상들을 설명하는 경우 사용되는 특정한 용어는, 그 용어가 용어와 연관되는 본 발명의 임의의 특정 특성들, 특징들, 또는 양상들로 제한되도록 본원에 재정의된다는 것을 암시하기 위해 선택되지 않아야 한다. 일반적으로, 다음 청구범위에서 사용된 용어들은 상기의 상세한 설명 부분에서 이러한 용어들을 명시적으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에 개시된 특정 예들로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 실제 범위는 개시된 예들을 포함할 뿐만 아니라, 청구범위 하에서 본 발명의 실시하거나 구현하는 모든 등가의 방법들을 포함한다.

본 발명의 특정 양상들은 특정한 청구항 형식들로 아래에 제시되지만, 출원인은 임의의 수의 청구항 형식들의 본 발명의 다양한 양상들을 고려한다. 예를 들어, 본 발명의 하나의 양상만이 35 U.S.C.§112, 6번째 단락의 수단-플러스-기능 청구항으로서 인용되지만, 다른 양상들도 마찬가지로 수단-플러스-기능 청구항으로서 구현될 수 있거나, 다른 형식들, 이를 테면, 컴퓨터-판독가능 매체에서 구현된다. (35U.S.C.§112,

6하에서 다루어지도록 의도되는 임의의 청구항들은 단어 "하기 위한 수단"으로 시작할 것이다.) 따라서. 출원인은 본 발명의 다른 양상들에 대한 이러한 추가적인 청구항 형식들을 추구하기 위해서 출원서를 제출한 후 추가 청구항들을 부가할 권리를 보유한다.

2012년 6월 11일에 출원된 미국 특허 출원 제 61/658,355호는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

Claims

시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치로서,
커플링 튜브 ―상기 커플링 튜브는 제 1 방향으로 배향되고 일련의 빔 스플리터들을 구비하고, 상기 커플링 튜브는 입력 광을 수광하도록 구성되고, 그리고 추가적으로 상기 빔 스플리터들 각각은 상기 빔 스플리터 상에 입사하는 광의 일 부분을 도파관으로 반사시키고 광의 제 2 부분을 투과시킴―;
상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 배향되는 다수의 도파관들; 및
곡선형 마이크로-리플렉터들의 다수의 세트들 ―곡선형 마이크로-리플렉터들의 세트가 상기 다수의 도파관들 각각에 매립됨―
을 포함하고,
상기 마이크로-리플렉터들의 각각의 세트는 광을 3차원적(3D) 패턴으로 반사시키는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 곡선형 마이크로-리플렉터들 각각은 부분적으로 투명한, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 광은 광의 원뿔인, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 마이크로-리플렉터들 각각의 제 1 반사율은 상기 대응하는 도파관의 내부 표면으로부터 반사되는 광의 원뿔의 각도 모드들을 반사시키고 그리고 다른 각도 모드들에 대하여 투명한, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 도파관들 각각의 제 2 반사율은 상기 대응하는 마이크로-리플렉터들로부터 반사된 각도 모드들을 반사시키지 않고 상기 도파관 내의 다른 각도 모드들을 반사시키는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 광은, 상기 3D 패턴으로 상기 마이크로-리플렉터들로부터 반사된 광 사이에 갭이 존재하지 않도록 충분한 폭을 지니는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 광을 상기 커플링 튜브 안으로 지향시키도록 구성된 다중-모드 광섬유를 더 포함하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 광은 제 1 축을 따라 편광되고, 상기 마이크로-리플렉터들 및 도파관 표면들은 상기 제 1 축을 따라 편광된 광을 단지 반사시키는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 장치를 수용하는 디스플레이의 외부는, 외부 광과 상기 3D 패턴으로 반사된 광 사이의 콘트라스트 레벨을 조정하도록 구성된 직교 편광 스크린을 갖는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 마이크로-리플렉터들의 곡률 및 형상은 동적으로 변하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 3D 패턴은 주어진 x-좌표, y-좌표, 및 z-좌표에서 가상 점광원에 의해 생성된 구면 파면에 해당하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 x-좌표 및 상기 y-좌표는 곡선형 마이크로-리플렉터들의 다수의 세트들에서 상기 곡선형 마이크로-리플렉터들 각각의 2D 각도 배향에 의해 결정되는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 z-좌표는 마이크로-리플렉터 형상들의 구성과 상기 마이크로 리플렉터들의 2-차원적 배향 그래디언트들에 의해 결정되는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향에 실질적으로 수직인, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 장치.
3-차원적 투영 시스템으로서,
제 1 항에 기재된 다수의 적층된 장치들을 포함하고,
상기 입력 광은 개별 다중-모드 광섬유에 의해 각각의 커플링 튜브 안으로 지향되는, 3-차원적 투영 시스템.
시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 시스템으로서,
입력 광 빔을 수광하여 상기 입력 광 빔의 다수의 사본들을 생성하도록 구성된 다수의 빔 스플리터들을 구비한 커플링 튜브; 및
반사기들의 어레이를 포함하고,
상기 어레이는 상기 입력 광 빔을, 디스플레이 상에 3-차원적 볼륨을 재현하는 가상 깊이면들의 2차원적 투영들의 스택으로 전환하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 시스템.
삭제
제 16 항에 있어서,
상기 어레이 내의 상기 반사기들 각각은 부분적으로 투명한, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 시스템.
시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법으로서,
다수의 입력 광 빔들을 수광하는 단계 ―상기 다수의 입력 광 빔들은 각도들의 범위를 갖는 광을 포함하고, 각각의 입력 광 빔은 상기 3-차원적 볼륨의 상이한 층의 시야의 일 부분의 세기 패턴에 해당함―;
상기 다수의 입력 광 빔들 각각으로부터 다수의 중간 광 빔들의 세트를 생성하는 단계; 및
다수의 중간 광 빔들의 각각의 세트의 적어도 일 부분을 가상 깊이면 안으로 투영하는 단계
를 포함하고,
상기 가상 깊이면들이 다함께 상기 3-차원적 볼륨을 재현하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법.
삭제
제 19 항에 있어서,
다수의 중간 광 빔들의 각각의 세트의 적어도 일 부분을 가상 깊이면 안으로 투영하는 단계는 각각의 세트에 대한 상기 다수의 중간 광 빔들의 사본들을 독립적으로 회전시키는 단계 및 각각의 세트에 대한 가상 점광원으로부터 방사되는 것으로 보이는 파면을 투영하는 단계를 포함하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법.
시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법으로서,
시간-멀티플렉싱된 입력 광을 하나의 단일-모드 광섬유를 경유하여 수광하는 단계 ―수광된 입력 광 빔은 상기 3-차원적 볼륨의 복수의 깊이면들에 대한 시야의 일 부분의 세기 패턴에 해당함―;
수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광을 z-축 광학 커플러로 전달하는 단계;
상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 부분들을 상기 z-축 광학 커플러에 의해 y-축 분배 광학 커플러들의 세트의 각각의 커플러들에 전달하는 단계;
상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 부분들을 상기 y-축 광학 커플러들에 의해 도파관들의 각각의 세트들로 전달하는 단계; 및
상기 수광된 시간-멀티플렉싱된 입력 광의 적어도 일 부분을 상기 도파관들의 세트들 중 적어도 일부의 각각의 도파관들을 통해 투영하는 단계를 포함하고,
도파관의 각각의 세트는 각각의 가상 깊이면을 투영하고, 누적 가상 깊이면들은 시청을 위해 상기 3-차원적 볼륨을 형성하는, 시청을 위해 3-차원적 볼륨을 재현하는 방법.