KR102348588B1 - 멀티빔 회절 격자-기반 니어-아이 디스플레이 - Google Patents

멀티빔 회절 격자-기반 니어-아이 디스플레이 Download PDF

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Abstract

니어-아이 디스플레이 및 양안 니어-아이 디스플레이 시스템은 사용자에게 초점 깊이 큐를 전달하기 위해 아이 박스 내의 상이한 위치에 이미지의 복수의 상이한 뷰를 제공한다. 니어-아이 디스플레이는 상이한 뷰를 제공하도록 구성된 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 및 아이 박스 내의 상이한 위치에 상이한 뷰를 릴레이하도록 구성된 광학 시스템을 포함한다. 양안 니어-아이 디스플레이 시스템은 한쌍의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 및 3차원(3D) 장면을 나타내는 스테레오스코픽 이미지 쌍을 측방으로 변위된 대응하는 아이 박스 쌍에 제공하고 릴레이하도록 구성된 양안 광학 시스템을 포함한다.

Description

멀티빔 회절 격자-기반 니어-아이 디스플레이
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 전체를 본원에 참조로 포함하는 2015년 10월 16일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/242,980의 우선권을 주장한다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
N/A
전자 디스플레이는 다양한 디바이스 및 제품의 사용자에게 정보를 통신하기 위한 거의 유비쿼터스적인 매체이다. 가장 일반적으로 채용되는 전자 디스플레이는 음극선관(CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 액정 디스플레이(LCD), 전계발광 디스플레이(EL), 유기 발광 다이오드(OLED) 및 능동 매트릭스 OLED(AMOLED) 디스플레이, 전기 영동 디스플레이(EP), 및 전기기계적 또는 전기유체 광 변조(예를 들면, 디지털 마이크로미러 디바이스, 일렉트로웨팅 디스플레이, 등)를 채용하는 다양한 디스플레이를 포함한다. 일반적으로, 전자 디스플레이는 능동 디스플레이(즉, 광을 방출하는 디스플레이) 또는 수동 디스플레이(즉, 다른 소스에 의해 제공된 광을 변조하는 디스플레이)로서 유별될 수 있다. 능동 디스플레이의 가장 자명한 예 중에는 CRT, PDP, 및 OLED/AMOLED가 있다. 방출되는 광을 고려할 때 전형적으로 수동으로서 분류되는 디스플레이는 LCD 및 EP 디스플레이이다. 수동 디스플레이는 본질적으로 저전력 소모를 포함하지만 이에 국한되지 않는 유익한 성능 특징을 종종 나타내지만, 광을 방출하는 능력이 없기 때문에 많은 실제 응용에서 다소 제한된 사용을 발견할 수 있다.
능동 또는 수동으로서 분류되는 것 외에도, 전자 디스플레이는 전자 디스플레이의 의도된 뷰 거리에 따라 특징지워질 수 있다. 예를 들어, 대다수의 전자 디스플레이는 사람 눈의 정상적인 또는 '자연적인' 어코모데이트 범위 내에 있는 거리에 위치하도록 되어있다. 이와 같이, 전자 디스플레이는 추가의 광학계 없이도 직접적으로 그리고 자연스럽게 보여질 수 있다. 반면에 일부 디스플레이는 정상적인 어코모데이트 범위보다 사용자의 눈에 더 가까이 위치하도록 특별히 설계되어 있다. 이들 전자 디스플레이는 종종 '니어-아이(near-eye)' 디스플레이라고 불리며, 일반적으로 시청을 용이하게 하는 일부 형태의 광학계를 포함한다. 예를 들어, 광학계는 물리적 전자 디스플레이 자체가 직접 볼 수 없더라도 편안한 시청을 가능하게 하기 위해 정상 어코모데이트 범위 내에 있는 물리적 전자 디스플레이의 가상 이미지를 제공할 수 있다. 니어-아이 디스플레이를 채용하는 응용의 예는 일부 헤드-업 디스플레이뿐만 아니라 헤드 장착 디스플레이(HMD) 및 유사한 착용식 디스플레이를 포함하는데, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 이는 니어-아이 디스플레이가 이러한 응용에서 통상의 디스플레이보다 더 몰입감있는 경험을 제공할 수 있기 때문에, 증강 현실 시스템뿐만 아니라 다양한 가상 현실 시스템은 종종 니어-아이 디스플레이를 포함한다.
본원에 설명된 원리에 따른 예 및 실시예의 다양한 특징들은 동일한 도면 부호가 동일한 구조적 요소를 나타내는 첨부된 도면에 도시된 예와 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 본원에 기술된 원리의 예에 따라, 특정 주 각도 방향을 갖는 광빔의 각도 성분 {θ, φ}의 그래픽 도이다.
도 2는 본원에 기술된 원리의 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이의 블록도를 도시한다.
도 3는 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이의 광학계의 개략도이다.
도 4는 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 프리폼 프리즘을 포함하는 광학 시스템을 갖는 니어-아이 디스플레이의 단면도이다.
도 5a는 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이의 단면도이다.
도 5b는 본원에 기술된 원리에 일관된 또 다른 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이의 단면도이다.
도 5c는 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자의 사시도이다.
도 6은 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 양안 디스플레이 시스템의 블록도이다.
도 7은 본원에 기술된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이 동작 방법의 흐름도이다.
어떤 예 및 실시예는 위에 언급된 도면에 도시된 특징에 추가되거나 대신에 포함되는 다른 특징들을 가질 수 있다. 이들 및 다른 특징은 상술한 도면을 참조하여 이하에서 설명된다.
본원에 설명된 원리에 따른 실시예 및 예는 어코모데이트 지원을 제공하는 니어-아이(near-eye) 이미지 디스플레이를 제공한다. 특히, 본원에 설명된 원리의 다양한 실시예에 따라, 니어-아이 디스플레이는 이미지의 복수의 상이한 뷰를 생성하기 위해 멀티뷰 디스플레이를 채용한다. 복수의 상이한 뷰는 니어-아이 디스플레이된 이미지가 보여질 아이 박스 내의 상이한 위치들에 투영되거나 매핑된다. 상이한 위치에서의 상이한 뷰는 다양한 실시예들에 따라, 디스플레이된 이미지에 대한 어코모데이트를 지원할 수 있다(즉, 대상에 눈의 초점을 맞추는 것을 지원한다).
다양한 실시예에 따라, 멀티뷰 디스플레이는 멀티빔 회절 격자 기반 백라이트를 포함한다. 멀티빔 회절 격자 기반 백라이트는 복수의 상이한 뷰에 대응하는 광빔을 생성하기 위해 멀티빔 회절 격자를 사용하여 광 가이드로부터의 광의 멀티빔 회절적 결합을 채용한다. 일부 실시예에서, 상이한 뷰는, 일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자 기반 백라이트에 기초한 3차원(3D) 전자 디스플레이(예를 들어, 오토스테레오스코픽 또는 '무안경' 3D 전자 디스플레이)에 의해 생성된 상이한 뷰와 실질적으로 유사할 수 있다. 이에 따라, 멀티뷰 디스플레이는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이라 지칭될 수 있다.
다양한 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이는 멀티빔 회절 격자 어레이를 갖는다. 멀티빔 회절 격자는, 광 가이드로부터의 광을 결합하고 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이의 픽셀에 대응하는 커플링-아웃된 광빔 또는 동등하게 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰의 픽셀을 제공하기 위해 사용된다. 특히, 다양한 실시예에 따라, 커플링-아웃된 광빔은 서로 상이한 주 각도 방향을 갖는다. 또한, 일부 실시예에서, 멀티빔 회절 격자에 의해 생성된 이들 상이하게 지향된 광빔은 변조되어, 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰에 대응하는 픽셀로서 작용할 수 있다.
본원에서, '광 가이드'는 전반사를 이용하여 구조 내에서 광을 안내하는 구조로서 정의된다. 특히, 광 가이드는 광 가이드의 동작 파장에서 실질적으로 투명한 코어를 포함할 수 있다. 용어 '광 가이드'는 일반적으로 광 가이드의 유전체 재료와 이 광 가이드를 둘러싸는 재료 또는 매질 사이의 계면에서 광을 안내하기 위해 전반사를 채용하는 유전체 광학 도파로를 지칭한다. 정의에 의해, 전반사에 대한 조건은 광 가이드의 굴절률이 광 가이드 재료의 표면에 인접한 주변 매질의 굴절률보다 크다는 것이다. 일부 실시예에서, 광 가이드는 전반사를 더욱 용이하게 하기 위해 전술한 굴절률 차이에 추가적으로 또는 대신에 코팅을 포함할 수 있다. 코팅은 예를 들어 반사 코팅일 수 있다. 광 가이드는 플레이트 또는 슬랩 가이드 및 스트립 가이드 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 몇몇의 광 가이드 중 임의의 것일 수 있다.
또한 본원에서, '플레이트 광 가이드'에서와 같이 광 가이드에 적용될 때 '플레이트'라는 용어는 종종 '슬랩' 가이드라고 불리는 조각식 또는 차등적인 평면층 또는 시트로서 정의된다. 특히, 플레이트 광 가이드는 광 가이드의 상면 및 하면(즉, 대향면)에 의해 경계된 2개의 실질적으로 직교하는 방향으로 광을 안내하도록 구성된 광 가이드로서 정의된다. 또한, 본원의 정의에 의해, 상면 및 하면은 모두 서로 분리되어 있고, 적어도 차등 감각으로 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 즉, 플레이트 광 가이드의 임의의 차등적으로 작은 섹션 내에서, 상면 및 하면은 실질적으로 평행 또는 공면이다.
일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드는 실질적으로 편평할 수 있고(즉, 평면에 국한된다), 따라서 플레이트 광 가이드는 평면 광 가이드이다. 다른 실시예에서, 플레이트 광 가이드는 1차원 또는 직교하는 2차원에서 만곡될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 광 가이드는 단일 차원에서 만곡되어 원통 형상 플레이트 광 가이드를 형성할 수 있다. 그러나, 임의의 곡률은 전반사가 광을 안내하기 위해 플레이트 광 가이드 내에 유지되는 것을 보장하기에 충분히 큰 곡률 반경을 갖는다.
본원에서, '회절 격자'는 일반적으로 회절 격자에 입사하는 광의 회절을 제공하도록 배열된 복수의 피처(즉, 회절 피처)로서 정의된다. 일부 예에서, 복수의 피처는 주기적 또는 준-주기적 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 피처(예를 들어, 재료 표면의 복수의 홈)는 1차원(1-D) 어레이로 배열될 수 있다. 다른 예에서, 회절 격자는 피처의 2차원(2-D) 어레이일 수 있다. 회절 격자는 예를 들어, 재료 표면 상의 범프 또는 홀의 2-D 어레이일 수 있다.
이와 같이, 본원에 정의에 의해, '회절 격자'는 회절 격자에 입사하는 광의 회절을 제공하는 구조이다. 광이 광 가이드로부터 회절 격자에 입사한다면, 제공된 회절 또는 회절 산란은 회절 격자가 회절에 의해 광 가이드로부터 광을 커플링-아웃할 수 있는 점에서 '회절 결합'을 초래할 수 있으며, 따라서 그와 같이 지칭될 수 있다. 또한, 회절 격자는 회절에 의해(즉, 회절 각에서) 광의 각도를 재지향시키거나 변화시킨다. 특히, 회절 결과로서, 회절 격자를 떠나는 광(즉, 회절될 광)은 일반적으로 회절 격자에 입사하는 광(즉, 입사광)의 전파 방향과는 다른 전파 방향을 갖는다. 회절에 의한 광의 전파 방향의 변화를 본원에서 '회절 재지향'이라 한다. 따라서, 회절 격자는 회절 격자에 입사하는 광을 회절적으로 재지향시키는 회절 피처를 포함하는 구조인 것으로 이해될 수 있으며, 광이 광 가이드로부터 입사한다면, 회절 격자는 또한 광 가이드로부터의 광을 회절적으로 커플링-아웃할 수 있다.
또한, 본원의 정의에 의해, 회절 격자의 피처는 '회절 피처'라 지칭되며, 표면(즉, '표면'은 2개의 재료 사이의 경계을 지칭한다)에, 내, 위에 중 하나 이상일 수 있다. 표면은 플레이트 광 가이드의 표면일 수 있다. 회절 피처는 홈, 리지, 홀 및 범프 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 광을 회절시키는 다양한 구조 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 이들 구조는 표면에, 내 및 위에 중 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 회절 격자는 재료 표면 내 복수의 평행한 홈을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 회절 격자는 재료 표면으로부터 상승하는 복수의 평행한 리지를 포함할 수 있다. 회절 피처(홈, 리지, 홀, 범프, 등이든 간에)는 정현파 프로파일, 직사각형 프로파일(예를 들면, 바이너리 회절 격자), 삼각형 프로파일, 및 톱니 프로파일(예를 들면, 블레이즈 격자) 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 회절을 제공하는 임의의 다양한 단면 형상 또는 프로파일을 가질 수 있다.
본원에 정의에 의해, '멀티빔 회절 격자'는 복수의 광빔을 포함하는 커플링-아웃된 광을 생성하는 회절 격자이다. 또한, 멀티빔 회절 격자에 의해 생성된 복수의 광빔은 본원에 정의에 의해 서로 다른 주 각도 방향을 갖는다. 특히, 정의에 의해, 복수의 광빔은 멀티빔 회절 격자에 의한 회절성 결합 및 입사광의 회절성 재지향의 결과로서 복수의 광빔의 다른 광빔과는 상이한 소정의 주 각도 방향을 갖는다. 복수의 광빔은 광 필드를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 복수의 광빔은 8개의 상이한 주 각도 방향을 갖는 8개의 광빔을 포함할 수 있다. 조합된 8개의 광빔(즉, 복수의 광빔)은 예를 들어 광 필드를 나타낼 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 다양한 광빔의 상이한 주 각도 방향은 격자 피치 또는 간격과 멀티빔 회절 격자에 입사하는 광의 전파 방향에 대한 각각의 각각의 광빔의 원점에서의 멀티빔 회절 격자의 회절 피처의 방위 또는 회전과의 조합에 의해 결정된다.
특히, 멀티빔 회절 격자에 의해 생성된 광빔은 본원에 정의에 의해 각도 성분{θ, φ}에 의해 주어진 주 각도 방향을 갖는다. 각도 성분(θ)은 본원에서 광빔의 '고도 성분' 또는 '앙각'으로서 지칭된다. 각도 성분(φ)는 광빔의 '어지무스 성분' 또는 '어지무스 각'이라 지칭된다. 정의에 의해, 고도 각(θ)은 수직면(예를 들어, 멀티빔 회절 격자 평면에 수직인)에서의 각도이고, 어지무스 각(φ)은 수평면에서의 각이다(예를 들어, 멀티빔 회절 격자 평면에 평행한). 도 1은 본원에서 설명된 원리의 예에 따라, 특정 주 각도 방향을 갖는 광빔(10)의 각도 성분(θ, φ)의 그래픽 표현을 도시한다. 또한, 광빔(10)은 본원에 정의에 의해 특정 지점으로부터 방출되거나 나온다. 즉, 정의에 의해, 광빔(10)은 멀티빔 회절 격자 내의 특정 원점과 연관된 중앙 광선을 갖는다. 도 1은 또한 광빔의 원점(O)을 도시한다. 원점(O)을 향해 지향된 굵은 화살표(12)를 사용하여 입사광의 예시적 전파 방향이 도 1에 도시되었다.
다양한 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자의 특성 및 이의 특징(예, 회절 특징)은, 광빔의 각도 지향성 및 하나 이상의 광빔에 대한 멀티빔 회절 격자의 파장 또는 색 선택도 중, 하나 또는 모두를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 각도 지향성 및 파장 선택도를 제어하기 위해 사용될 수 있는 특성은 격자 길이, 격자 피치(피처 간격), 피처의 형상, 피처의 크기(예를 들어, 홈 폭 또는 릿지 폭), 및 격자의 방위를 포함하는데, 그러나 이것으로 제한되지 않는다. 일부 예에서, 제어에 사용되는 다양한 특성은 광빔의 원점 부근에 국부적인 특성일 수 있다.
또한, 본원에 기재된 다양한 실시예에 따라, 회절 격자(예를 들어, 멀티빔 회절 격자)에 의해 광 가이드로부터 커플링-아웃된 광은 전자 디스플레이의 픽셀을 나타낸다. 특히, 상이한 주 각도 방향을 갖는 복수의 광빔을 생성하기 위한 멀티빔 회절 격자를 갖는 광 가이드는, 멀티뷰 디스플레이, '무안경' 3차원(3D) 전자 디스플레이와 같은('홀로그래픽' 전자 디스플레이 또는 오토스테레오스코픽 디스플레이라고도 하는), 그러나 이것으로 제한되지 않는, 전자 디스플레이의 백라이트의 일부일 수 있고 또는 전자 디스플레이와 함께 사용될 수 있다. 이와 같이, 멀티빔 회절 격자를 사용하여 광 가이드로부터 안내 광을 커플링-아웃함으로써 생성된 상이하게 지향된 광빔은 디스플레이되는 이미지(예를 들면, 3D 이미지)의 상이한 뷰이거나 표현할 수 있다. 또한, 상이하게 지향된 광빔은 상이한 이미지 뷰의 상이한 뷰 각도에 대응하는 방향을 갖는다.
본원에서, '콜리메이터'는 광을 콜리메이트하도록 구성된 임의의 광학 디바이스 또는 장치로서 정의된다. 예를 들어, 콜리메이터는 콜리메이트 미러 또는 반사기, 콜리메이트 렌즈 및 이들의 다양한 조합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 콜리메이트 반사기를 포함하는 콜리메이터는 포물선 곡선 또는 형상에 의해 특징지워지는 반사면을 가질 수 있다. 다른 예에서, 콜리메이트 반사기는 형상 포물선 반사기를 포함할 수 있다. '형상 포물선'은 소정의 반사 특징(예를 들어, 콜리메이트 정도)을 달성하기 위해 결정된 방식으로 형상 포물선 반사기의 곡면 반사면이 '실제' 포물선 곡선으로부터 벗어난 것을 의미한다. 유사하게, 콜리메이트 렌즈는 구면 형상 표면(예를 들어, 양면볼록 구면 렌즈)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 콜리메이터는 연속적인 반사기 또는 연속적인 렌즈(즉, 실질적으로 매끄러운 연속적인 표면을 갖는 반사기 또는 렌즈)일 수 있다. 다른 실시예에서, 콜리메이트 반사기 또는 콜리메이트 렌즈는 광 콜리메이트를 제공하는 프레넬 반사기 또는 프레넬 렌즈와 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는, 실질적으로 불연속 표면을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 콜리메이터에 의해 제공되는 콜리메이트 량은 실시예마다 소정의 정도 또는 양으로 다를 수 있다. 또한, 콜리메이터는 2개의 직교 방향(예를 들어, 수직 방향 및 수평 방향) 중 하나 또는 둘 다에서 콜리메이트를 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 콜리메이터는 일부 실시예에 따라 광 콜리메이트를 제공하는 2개의 직교 방향 중 하나 또는 둘 모두에서 형상을 포함할 수 있다.
본원에서, '광원'은 광원(예를 들어, 광을 방출하는 장치 또는 디바이스)으로서 정의된다. 예를 들어, 광원은 활성화될 때 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 광원은 실질적으로 임의의 광원일 수 있거나, 발광 다이오드(LED), 레이저, 유기 발광 다이오드(OLED), 폴리머 발광 다이오드, 플라스마 기반의 광학 이미터, 형광 램프, 백열 램프, 사실상 임의의 다른 광원 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 광학 이미터일 수 있다. 광원에 의해 생성된 광은 색을 가질 수 있고, 혹은 특정 파장의 광을 포함할 수 있다. 이와 같이, '상이한 색의 복수의 광원'은 복수의 광원 중 적어도 하나의 다른 광원에 의해 생성된 광의 색 또는 파장과는 상이한 색 또는 등가적으로 파장을 갖는 광을 광원 중 적어도 하나가 생성하는, 광원 세트 또는 그룹으로서 본원에서 명시적으로 정의된다. 또한, '상이한 색의 복수의 광원'은 복수의 광원 중 적어도 2개의 광원이 상이한 색의 광원(즉, 적어도 2개의 광원들이 상이한 광의 색을 생성하는)인 한, 동일하거나 실질적으로 유사한 색의 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 따라서, 본원에 정의에 의해, 상이한 색의 복수의 광원은 제1 색의 광을 생성하는 제1 광원 및 제1 색과는 상이한 제2 색을 생성하는 제2 광원을 포함할 수 있다.
본원에서 채용되는 '어코모데이트'라는 용어는 눈의 광학적 파워를 변화시킴으로써 대상 또는 이미지 요소에 초점을 맞추는 프로세스를 말한다. 즉, 어코모데이트는 눈이 초점을 맞출 수 있는 능력이다. 본원에서, '어코모데이트 범위' 또는 동등하게 '어코모데이트 거리'는 초점이 달성될 수 있는 눈으로부터의 거리의 범위로서 정의된다. 어코모데이트 범위는 개인마다 다를 수 있지만, 본원에서 예를 들어 단순함을 위해 약 25cm의 최소 '정상' 어코모데이트 거리가 가정된다. 이와 같이, 대상이 소위 '정상적인 어코모데이트 범위' 내에 있을 때, 대상은 일반적으로 눈으로부터 약 25cm 이상에 위치된 것으로 이해된다. 또한, 본원의 정의에 의해, 니어-아이 디스플레이는 니어-아이 디스플레이의 사용자의 눈으로부터 25cm보다 가깝게 위치된 디스플레이의 적어도 부분을 갖는 디스플레이이다.
본원에서, '아이 박스'는 디스플레이 또는 다른 광학 시스템(예를 들어, 렌즈 시스템)에 의해 형성된 이미지가 보여질 수 있는 공간의 영역 또는 볼륨으로서 정의된다. 즉, 아이 박스는 디스플레이 시스템에 의해 생성된 이미지를 보기 위해 사용자의 눈이 위치될 수 있는 공간 내 위치를 정의한다. 일부 실시예에서, 아이 박스는 공간의 2차원 영역(예를 들어, 길이 및 폭은 있지만 실질적인 깊이가 없는 영역)을 나타낼 수 있는 반면, 다른 실시예에서 아이 박스는 3차원 공간 영역(예를 들어, 길이, 폭 및 깊이가 있는 영역)을 포함할 수 있다. 또한, '박스'라 지칭되지만, 아이 박스는 사각형 형태의 박스로 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 아이 박스는 일부 실시예에서 공간의 원통형 영역을 포함할 수 있다.
또한, 본원에서 사용된 바와 같이, 관사 'a'는 특허 분야에서 보통의 의미, 즉 '하나 이상'을 갖는 것으로 의도된다. 예를 들어, '격자'는 하나 이상의 격자를 의미하며, 따라서 '격자'는 본원에서 '격자(들)'를 의미한다. 또한, 본원에서 '상부', '하부', '상측', '하측', '위', '아래', '앞', '뒤', '제1', '제2', '좌측' 또는 '우측'이라는 언급은 본원에서 제한하려는 것이 아니다. 본원에서, 값에 적용될 때 '약'이라는 용어는 일반적으로 달리 명시적으로 특정되지 않는한, 값을 생성하기 위해 사용된 장비의 허용오차 범위 내를 의미하거나, 플러스 또는 마이너스 10%, 또는 플러스 또는 마이너스 5%, 또는 플러스 또는 마이너스 1%를 의미할 수 있다. 또한, 본원에서 사용된 용어 '실질적으로'는 대부분, 또는 거의 전부 또는 전부 또는 약 51% 내지 약 100%의 범위 내의 양을 의미한다. 또한, 본원의 예는 단지 예시적인 것으로 의도되며, 논의 목적을 위해 제시된 것이지 제한하기 위한 것은 아니다.
본원에 설명된 원리의 일부 실시예에 따라, 니어-아이 디스플레이가 제공된다. 도 2는 본원에 설명된 원리의 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이(100)의 블록도를 도시한다. 니어-아이 디스플레이(100)는 니어-아이 디스플레이(100)의 아이 박스(102)에 이미지(즉, 디스플레이된 이미지)를 제공하도록 구성된다. 특히, 니어-아이 디스플레이(100)는 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)를 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 상이한 뷰(104)는 아이 박스(102) 내의 다른 위치에 제공될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 아이 박스(102) 내의 상이한 위치에 제공되는 상이한 뷰(104)는, 다양한 실시예에 따라, 니어-아이 디스플레이(100)의 사용자에게 초점 깊이 큐를 전달하도록 구성된다. 초점 깊이 큐는, 예를 들어, 초점 깊이 큐에 기초하여 디스플레이된 이미지 내 깊이 또는 거리를 사용자가 인식할 수 있게 한다. 니어-아이 디스플레이(100)에 의해 사용자에게 전달된 초점 깊이 큐는 어코모데이트 및 망막 블러링을 포함하는데, 그러나 이에 한정되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 니어-아이 디스플레이(100)는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)를 포함한다. 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)를 제공하도록 구성된다. 다양한 실시예에 따라, 실질적으로 임의의 수의 상이한 뷰가 복수의 상이한 뷰(104)로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 더 많은 상이한 뷰를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)는 16, 32, 64, 128, 혹은 256개의 상이한 뷰까지 및 이를 포함하는, 그러나 이에 한정되지 않는, 비교적 많은 수의 상이한 뷰를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 상이한 뷰(104)는 적어도 4개의 상이한 뷰를 포함한다.
일부 실시예에서, 니어-아이 디스플레이(100)에 의해 제공되거나 디스플레이되는 이미지는 3차원(3D) 이미지 또는 이의 일부를 포함한다. 예를 들어, 디스플레이된 이미지는 완전한 3D 또는 '멀티뷰' 이미지일 수 있다. 다른 예에서, 디스플레이된 이미지는 2D 이미지 부분과 함께 3D 이미지 부분을 포함할 수 있다. 디스플레이된 이미지가 3D 이미지를 포함할 때, 복수의 상이한 뷰(104)는 3D 이미지의 상이한 퍼스펙티브 뷰(즉, '3D 뷰')를 나타낼 수 있다. 본원에 설명된 원리에 따라, 상이한 뷰(예를 들어, 3D 뷰)는, 예를 들어, 망막 블러링 및 어코모데이트 중 하나 또는 둘 다를 통해, 디스플레이된 이미지 내의 깊이에 대한 사용자의 인식을 향상시킬 수 있다. 일부 예에서(예를 들어, 이하 기술되는 니어-아이 양안 디스플레이 시스템에서), 어코모데이트는 3D 이미저리 및 3D 디스플레이에서 종종 마주치는, 소위 어코모데이트-수렴 불일치의 영향을 완화시킬 수 있다.
도 2에 도시된 니어-아이 디스플레이(100)는 광학 시스템(120)을 더 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 광학 시스템(120)은 디스플레이된 이미지를 니어-아이 디스플레이(100)의 아이 박스(102)에 릴레이하도록 구성된다. 특히, 다양한 실시예에 따라, 광학 시스템(120)은 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)를 아이 박스(102) 내의 대응하는 복수의 상이한 위치에 릴레이하도록 구성된다. 아이 박스(102) 내의 상이한 위치로 상이한 뷰(104)의 릴레이는 다양한 실시예에 따라, 니어-아이 디스플레이(100)의 사용자에게 초점 깊이 큐를 전달하도록 구성된다. 예를 들어, 디스플레이된 이미지의 제1 뷰는 광학 시스템(120)에 의해 제1 위치로 릴레이될 수 있고, 제2 뷰는 광학 시스템(120)에 의해 제1 위치로부터 분리된 아이 박스(102) 내의 제2 위치로 릴레이될 수 있다. 제1 및 제2 위치는, 예를 들어, 서로로부터 측방으로 분리될 수 있다. 대응하는 제1 및 제2 위치에서의 제1 및 제2 뷰의 분리는 사용자가, 예를 들어, 2개의 뷰와 관련하여, 디스플레이된 이미지 내에서 상이하게 어코모데이트할 수 있게 한다.
일부 실시예에 따라, 광학 시스템(120)의 입력 애퍼처에 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 제공된 복수의 상이한 뷰(104)의 전체 각도 범위는 입력 애퍼처의 크기에 대응하도록 구성된다. 특히, 복수의 상이한 뷰(104)의 조합에 의해 경계를 이루는 각도는 상이한 뷰(104) 중 임의의 것의 어떠한 실질적인 부분도 입력 애퍼처 밖으로 또는 넘어서 놓이지 않도록 구성된다. 즉, 상이한 실시예들에 따라, 상이한 뷰(104)와 관련된 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)의 실질적으로 모든 출력 광빔은 광학 시스템(120)의 입력 애퍼처 내에 수신되도록 구성된다. 일부 예에서, 복수의 상이한 뷰(104)의 총 각도 범위(즉, 경계를 이루는 각도)는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 광학 시스템 입력 애퍼처 사이에 소정 거리 및 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 제공된 상이한 뷰(104)의 소정의 각도 확산(spread) 중 하나 혹은 둘 다 만큼의 입력 애퍼처 크기에 실질적으로 대응하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 광학 시스템(120)은 매그니파이어를 포함한다. 일부 실시예에서, 매그니파이어는 단순 매그니파이어를 포함한다. 단순 매그니파이어는 사용자의 눈의 정상적인 어코모데이트 범위에 대응하는 아이 박스(102)로부터 거리에 위치된 디스플레이된 이미지의 가상 이미지를 제공하도록 구성된다. 또한, 단순 매그니파이어에 의해 제공되는 가상 이미지는, 다양한 실시예에 따라, 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)를 포함한다. 다른 실시예에서, 매그니파이어는 복합 매그니파이어(예를 들어, 배율을 제공하도록 구성된 다중 렌즈)일 수 있다.
본원에서 채용되는 바와 같이, '단순 매그니파이어'는 작은 대상 또는 이미지의 확대된 또는 크게 된 가상 이미지를 형성하는 렌즈 또는 이와 유사한 광학 장치로서 정의된다(즉, 단순 매그니파이어는 각도 배율을 제공한다). 단순 매그니파이어에 의해 형성된 가상 이미지는 단순 매그니파이어의 출력에 또는 등가적으로 단순 매그니파이어의 출력 애퍼처 또는 홍채에(예를 들어, 아이 박스(102)에) 형성될 수 있다. 또한, 본원에 정의에 의해, 단순 매그니파이어는 대상의 실제 거리보다 큰 겉보기 또는 가상 거리에 크게 된 가상 이미지를 형성할 수 있다. 이와 같이, 단순 매그니파이어는 사용자 또는 '뷰어'가 사용자의 눈으로부터 정상적인 어코모데이트 범위 또는 거리 미만에 위치된 대상에 초점을 맞추는 능력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본원에서, '정상적인 어코모데이트'는 일반적으로 일부 실시예에 따라, 사용자의 눈으로부터 약 25cm보다 큰 거리에서 달성가능하며, 따라서 이로서 정의된다. 결과적으로, 광학 시스템(120)의 단순 매그니파이어는, 디스플레이된 이미지를 제공하는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)가 사용자의 눈으로부터(즉, 니어-아이 디스플레이(100)의 아이 박스(102)) 정상적인 어코모데이트 거리보다 가까울지라도(즉, 약 25 센티미터보다 더 가까운), 디스플레이된 이미지(즉, '대상')의 복수의 상이한 뷰(104)가 사용자에 의해 초점이 맞추어 편안하게 보여질 수 있게 할 수 있다.
도 3은 본원에 설명된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이(100)의 광학계의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광학 시스템(120)은 초점 길이(f)를 갖는 단순 매그니파이어(122)를 포함한다. 도 3의 단순 매그니파이어(122)는 제한이 아닌 예로서 양면 렌즈로서 도시되었다. 단순 매그니파이어(122)는 단순 매그니파이어(122)의 초점 길이(f)에 대응하는(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이) 아이 박스(102)로부터 거리를 두고 위치될 수 있다. 또한, 단순 매그니파이어(122)는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 아이 박스(102) 사이에 위치한다. 단순 매그니파이어(122)는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터(즉, 단순 매그니파이어(122)를 통해 보았을 때 아이 박스(102)에서 보여지는 바와 같이) 복수의 상이한 뷰(예를 들어, 도 2에서 상이한 뷰(104))에 의해 형성된 디스플레이된 이미지의 가상 이미지(106)를 제공하도록 구성된다. 단순 매그니파이어(122)에 의해 제공되는 배율로 기인하여, 가상 이미지(106)는 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 생성된 실제 또는 물리적 이미지(즉, 디스플레이 이미지)의 것보다 아이 박스(102)로부터 더 멀리 떨어져 위치한다(또는 적어도 위치하는 것처럼 보인다). 특히, 가상 이미지(106)는 아이 박스(102)로부터 보았을 때 사람의 눈의 정상적인 어코모데이트 범위 또는 거리(da) 내에 위치될 수 있는 한편, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)(또는 동등하게, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 생성되거나 디스플레이된 이미지)는, 일부 실시예에 따라, 정상 어코모데이트 범위보다 아이 박스(102)에 더 근접할 수 있다. 따라서, 단순 매그니파이어(122)는, 예를 들어, 아이 박스(102)에서 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)(또는 등가적으로 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)의 출력 또는 가상 이미지(106))를 용이하게 편한하에 볼 수 있게 한다.
더욱 후술되는 바와 같이, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터 나오는 광선(108)이 도 3에서 실선 및 파선으로 더욱 도시되었다. 실선은 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 제공된 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰(104)와 관련된 실제 광선(108)을 도시하고, 점선은 가상 이미지(106)에 대응하는 광선 투영을 도시한다. 도 3에 도시된 광선(108)은, 예를 들어, 이하 기술되는 바와 같이, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 생성된 다양한 커플링-아웃된 광빔(즉, 광선)에 대응할 수 있다. 또한, 아이 박스(102) 내의 상이한 지점에 수렴하는 것으로서 도시된 광선(108)은 상이한 뷰가 아이 박스(102) 내의 상이한 위치로 릴레이된 후에 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 제공된 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰를 나타낼 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110) 및 광학 시스템(120) 둘 다는 사용자의 뷰 필드(FOV)의 일부분 내에 위치하여 실질적으로 이를 차단한다. 이들 실시예에서, 니어-아이 아이 디스플레이(100)는 가상 현실 디스플레이일 수 있다. 특히, 니어-아이 디스플레이(100)는 물리적 환경(즉, 실세계의 뷰)의 뷰를 차단된 FOV 부분 내의 니어-아이 디스플레이 이미지로 대신하거나 적어도 실질적으로 대신하도록 구성될 수 있다. 즉, 니어-아이 디스플레이 이미지는 물리적 환경 뷰를 차단된 FOV 부분으로 실질적으로 대체할 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 차단된 FOV 부분은 사용자의 FOV의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 물리적 환경 뷰를 대신함으로써, 사용에겐 물리적 환경 뷰 대신 니어-아이 디스플레이 이미지(및 연관된 복수의 상이한 뷰)에 의해 제공되는 가상 현실 뷰가 제공된다.
여기서, '물리적 환경의 뷰' 또는 '물리적 환경 뷰'는 사용자가 니어-아이 디스플레이(100)가 없을 때 갖게 될 뷰로서 정의된다. 동등하게, 물리적 환경은 사용자에게 보여질 수 있을 니어-아이 디스플레이(100)를 넘어선 임의의 것이며, 물리적 환경 '뷰'는 니어-아이 디스플레이(100)가, 본원에 정의에 의해, 사용자의 뷰 상에 가질 수 있을 임의의 효과를 제외하고는, 사용자의 시점(FOV) 내에 있게 될 임의의 것이다.
다른 실시예에서, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 사용자의 시점(FOV) 밖에 위치되고, 반면 광학 시스템(120) 또는 이의 일부는 FOV 내에 위치된다. 이들 실시예에서, 니어-아이 디스플레이(100)는 증강 현실 디스플레이일 수 있다. 특히, 니어-아이 디스플레이(100)는 니어-아이 디스플레이 이미지(및 복수의 관련된 상이한 뷰(104))로 물리적 환경의 뷰를 증강하도록 구성될 수 있다. 또한, 증강 현실 디스플레이로서, 니어-아이 디스플레이(100)는 니어-아이 디스플레이 이미지와 니어-아이 디스플레이(100)를 넘어선 물리적 환경의 뷰와의 중첩 또는 조합인 뷰를 사용자에게 제공하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 증강 현실 디스플레이로서 구성된 니어-아이 렌즈 디스플레이(100)의 광학 시스템(120)은 프리폼(freeform) 프리즘을 포함한다. 프리폼 프리즘은 사용자에 의해 보기 위해 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터 아이 박스(102)로 복수의 상이한 뷰(104)를 포함하는 디스플레이된 이미지를 릴레이하도록 구성된다. 또한, 프리폼 프리즘은 사용자의 FOV을 벗어난 또는 밖에 위치된 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터 디스플레이된 이미지를 릴레이하도록 구성된다. 프리폼 프리즘은, 다양한 실시예에 따라, 프리폼 프리즘의 2개의 표면(예를 들어, 전면 및 후면) 사이의 전반사를 사용하여, 디스플레이된 이미지를 릴레이한다. 일부 실시예에서, 프리폼 프리즘은 단순 매그니파이어(예를 들어, 단순 매그니파이어(122))이거나 이로서 기능한다.
일부 실시예에서, 증강 현실 디스플레이로서 구성된 광학 시스템(120)은 프리폼 보상 렌즈를 더 포함할 수 있다. 프리폼 보상 렌즈는 프리폼 코렉터(corrector)라고도 한다. 특히, 프리폼 보상 렌즈는 광학 시스템(120)을 넘어 아이 박스(102)로 물리적인 환경으로부터 광학 시스템(120)을 통과하는 광에 프리폼 프리즘이 미치는 영향에 대해 보상 또는 보정하도록 구성된다. 즉, 프리폼 보상 렌즈는, 다양한 실시예에 따라, 프리폼 프리즘에 의해 도입될 수 있는 실질적인 왜곡없이 사용자가 물리적 환경(즉, 사용자의 FOV 내에서)의 명확한 뷰를 가질 수 있게 한다.
도 4는 본원에 설명된 원리에 일관되는 실시예에 따라, 예에서 프리폼 프리즘(124)을 포함하는 광학 시스템(120)을 갖는 니어-아이 디스플레이(100)의 단면도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(120)의 프리폼 프리즘(124)은 니어-아이 디스플레이(100)의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 아이 박스(102)(즉, 엑시트 퓨필) 사이에 위치된다. 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 제공된 복수의 상이한 뷰(104)를 포함하는 디스플레이된 이미지를 나타내는 광은 프리폼 프리즘(124)에 의해 이의 입력 애퍼처로부터 아이 박스(102)로 릴레이된다. 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터 광은 도 4에서 광선(108)으로서 도시되었다. 프리폼 프리즘(124)의 입력으로부터 이의 출력으로 광선(108)의 릴레이는, 다양한 실시예에 따라, 프리폼 프리즘(124) 내의 전반사에 의해 제공될 수 있다.
도 4는 또한 사용자의 FOV를 도시한다. 가상 이미지(106)는, 예를 들어, 가상 이미지(106)와 FOV 내의 물리적 환경의 뷰와의 중첩을 제공하기 위해 FOV 내에 있다. 또한, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, FOV의 외부에 있다. 이와 같이, 도 4는, 예를 들어, 니어-아이 디스플레이(100)의 증강 현실 디스플레이 실시예를 도시할 수 있다.
도 4에 도시된 광학 시스템(120)은 프리폼 보상 렌즈(126)를 더 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 프리폼 보상 렌즈(126)는 물리적 환경(예를 들어, 사용자에 의해 보여질)과 아이 박스(102) 사이의 광학 경로에 제공될 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 프리폼 보상 렌즈(126)는 프리폼 프리즘(124)에 인접하여 그리고 물리적 환경과 프리폼 프리즘(124) 사이에 위치된다. 프리폼 보상 렌즈(126)는 광선(도시되지 않음)이 실질적으로 직선 경로(즉, 광선은 실질적으로 왜곡되지 않는다)에 따라 물리적 환경 내의 대상으로부터 아이 박스(102)로 통과하게, 프리폼 프리즘(124)의 영향을 보정하게 구성된다. 일부 실시예(도시된 바와 같이)에서, 부분 반사기 또는 부분적 반사 표면(128)은 프리폼 보상 렌즈(126)와 프리폼 프리즘 (124) 사이에 제공될 수 있다. 부분적 반사 표면(128)은 프리폼 프리즘(124) 내로부터 부분적 반사 표면(128)에 입사하는 광을 반사하도록 구성되고, 또한 물리적 환경으로부터의 광이 부분적 반사 표면(128)을 통과할 수 있도록 구성된다.
도 2를 다시 참조하면, 일부 실시예에서, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는 비제로 전파 각도에서 콜리메이트된 광빔을 안내하도록 구성된 플레이트 광 가이드를 포함한다. 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는, 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드의 표면에 또는 이에 인접한 멀티빔 회절 격자 어레이를 더 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 어레이의 멀티빔 회절 격자는, 안내된 콜리메이트된 광빔의 일부를, 디스플레이된 이미지의 복수의 상이한 뷰(104)의 뷰 방향에 대응하는 상이한 주 각도 방향을 갖는 복수의 커플링-아웃된 광빔으로서 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된다.
도 5a는 본원에 설명된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)의 단면도를 도시한다. 도 5b는 본원에 설명된 원리에 일관된 다른 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)의 단면도를 도시한다. 다양한 실시예에 따라, 도 5a-도 5b에 도시된 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 '지향성' 광, 즉 상이한 주 각도 방향을 갖는 광빔 또는 광선을 포함하는 광을 생성하도록 구성된다.
예를 들어, 도 5a-도 5b에 도시된 바와 같이, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는 상이한 소정의 주 각도 방향(예를 들어, 광 필드로서)으로 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)로부터 박으로 멀어지게 향하는 화살표로서 도시된 복수의 광빔을 제공하거나 생성하게 구성된다. 이어, 복수의 광빔은 정보의 디스플레이, 즉 이미지의 상이한 뷰(예를 들어, 디스플레이된 이미지)를 용이하게 하기 위해, 후술되는 바와 같이, 변조될 수 있다. 일부 실시예에서, 상이한 소정의 주 각도 방향을 갖는 광빔은 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)에 의해 디스플레이되는 3D 이미지의 복수의 3D 이미지를 형성한다. 또한, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)는, 일부 실시예에 따라, 소위 '무안경' 3D 전자 디스플레이(예를 들어, 멀티뷰, '홀로그래픽' 또는 오토스테레오스코픽 디스플레이)일 수 있다. 특히, 니어-아이 디스플레이(100)와 관련하여, 상이한 소정의 주 각도 방향은 디스플레이된 이미지(예를 들어, 도 2에 도시된 상이한 뷰(104))의 복수의 상이한 뷰를 형성한다. 이와 같이, 변조된 광빔은 전술한 광선 또는 광선(108)일 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 플레이트 광 가이드(112)를 포함한다. 플레이트 광 가이드(112)는 광을 안내된 광빔(후술하는 바와 같이, 플레이트 광 가이드(112) 내에서 전파하는 연장된 화살표로서 도시된)으로서 안내하도록 구성된다. 예를 들어, 플레이트 광 가이드(112)는 광학 도파로로서 구성된 유전체 재료를 포함할 수 있다. 유전체 재료는 유전체 광학 도파로를 둘러싸는 매질의 제2 굴절률보다 큰 제1 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률의 차이는, 예를 들어, 플레이트 광 가이드(112)의 하나 이상의 안내 모드에 따라 안내 광의 전반사를 용이하게 하도록 구성된다.
다양한 실시예에 따라, 광은 플레이트 광 가이드(112)의 길이에 의해 그리고 이를 따라 안내된다. 또한, 플레이트 광 가이드(112)는 비제로 전파 각도로, 안내된 광빔으로서, 광을 안내하도록 구성된다. 안내된 광빔은, 예를 들어, 전반사를 사용하여 플레이트 광 가이드(112) 내에서 비제로 전파 각도로 안내될 수 있다. 특히, 안내된 광빔은 비제로 전파 각도에서 플레이트 광 가이드(112)의 상면과 하면 사이에서 반사 또는 "바운싱"에 의해 전파한다(예를 들어, 안내된 광빔의 광선을 나타내는 연장된 각진 화살표로 도시된다).
본원에 정의된 바와 같이, '비제로 전파 각도'는 플레이트 광 가이드(112)의 표면(예를 들어, 상면 또는 하면)에 대한 각도이다. 또한, 비제로 전파 각도는, 다양한 실시예에 따라, 0보다 크고 플레이트 광 가이드 내의 전반사의 임계각보다 작다. 예를 들어, 안내된 광빔의 비제로 전파 각도는 약 10도 내지 약 50도, 또는 일부 예에서, 약 20도 내지 약 40도, 또는 약 25도 내지 약 35도 사이일 수 있다. 예를 들어, 비제로 전파 각도는 약 30도일 수 있다. 다른 예에서, 비제로 전파 각도는 약 20도 또는 약 25도 또는 약 35도일 수 있다.
플레이트 광 가이드(112)에서 안내된 광빔으로서 안내되는 광은 비제로 전파 각도(예를 들어, 약 30-35도)로 플레이트 광 가이드(112) 내로 도입되거나 결합될 수 있다. 렌즈, 미러 또는 유사한 반사기(예를 들어, 경사진 콜리메이트 반사기) 및 프리즘(도시되지 않음) 중 하나 이상은 예를 들어, 비제로 전파 각도에서 광빔으로서 플레이트 광 가이드(112)의 입력 단부에 광을 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 일단 플레이트 광 가이드(112)에 결합되면, 안내된 광빔은 입력 단부로부터 일반적으로로 멀어지는 방향으로 플레이트 광 가이드(112)를 따라 전파한다(예를 들어, 도 5a-도 5b의 x-축을 따라 굵은 화살표로 도시됨).
또한, 플레이트 광 가이드(112)에 광을 커플링함으로써 생성된 안내된 광빔은, 다양한 실시예에 따라, 콜리메이트된 광빔일 수 있다. 특히, '콜리메이트된 광빔'은 안내된 광빔 내 광선이 안내된 광빔 내에서 서로 실질적으로 평행한 광선임을 의미한다. 안내된 광빔의 콜리메이트 광빔으로부터 발산 또는 산란된 광선은, 본원에 정의에 의해, 콜리메이트 광빔의 일부인 것으로 간주되지 않는다. 콜리메이트된 안내된 광빔을 생성하기 위한 광의 콜리메이트는 광을 플레이트 광 가이드(112) 내로 결합시키는데 사용되는 전술한 렌즈 또는 미러(예를 들어, 경사진 콜리메이트 반사기, 등)을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 콜리메이터에 의해 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(112)는 광학적으로 투명한 유전체 재료의 연장된 실질적으로 평탄한 시트를 포함하는 슬랩 또는 플레이트 광학 도파로일 수 있다. 유전체 재료의 실질적으로 평면의 시트는 전반사를 사용하여 안내 광빔을 안내하도록 구성된다. 다양한 실시예에 따라, 플레이트 광 가이드(112)의 광학적으로 투명한 재료는 다양한 유형의 유리(예를 들면, 실리카 유리, 알칼리-알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 등) 및 실질적으로 광학적으로 투명한 플라스틱 또는 중합체(예를 들어, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 또는 '아크릴 유리', 폴리카보네이트, 등) 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 임의의 다양한 유전체 재료를 포함하거나 이들로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(112)는 플레이트 광 가이드(112)(도시되지 않음)의 표면(예를 들어, 상면 및 하면 중 하나 또는 둘 모두)의 적어도 일부분 상에 클래딩 층을 더 포함할 수 있다. 클래딩 층은, 일부 예에 따라, 전반사를 더욱 용이하게 하는데 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 멀티빔 회절 격자 어레이(114)를 더 포함한다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드(112)의 표면(예를 들어, 상면 또는 전면)에 위치된다. 다른 예(도시되지 않음)에서, 멀티빔 회절 격자(114) 중 하나 이상은 플레이트 광 가이드(112) 내에 위치될 수 있다. 또 다른 예(도시되지 않음)에서, 멀티빔 회절 격자(112) 중 하나 이상은 플레이트 광 가이드(112)의 저면 또는 후면(즉, 멀티빔 회절 격자(114)와 함께 도시된 표면에 대향하는 표면) 상에 또는 위에 위치될 수 있다. 조합하여, 플레이트 광 가이드(112) 및 멀티빔 회절 격자 어레이(114)는 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)의 멀티빔 격자 기반 백라이트를 제공하거나 이로서 역할을 한다.
다양한 실시예에 따라, 어레이의 멀티빔 회절 격자(114)는, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)의 상이한 뷰에 대응하는 상이한 주 각도 방향을 갖는 복수의 광빔으로서, 안내된 광빔의 일부를 산란시키거나 또는 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된다. 예를 들어, 안내된 광빔의 일부는 플레이트 광 가이드 표면을 통해(예를 들어, 플레이트 광 가이드(112)의 상면을 통해) 멀티빔 회절 격자(114)에 의해 회절적으로 커플링-아웃될 수 있다. 또한, 멀티빔 회절 격자(114)는, 커플링-아웃된 광빔으로서 안내 광빔의 일부를 회절적으로 커플링-아웃시키고 커플링-아웃된 광빔을 플레이트 광 가이드 표면으로부터 멀어지도록 회절적으로 재지향하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 복수의 커플링-아웃된 광빔 각각은 멀티빔 회절 격자(114)의 회절 피처의 특징에 의해 결정된 상이한 소정의 주 각도 방향을 가질 수 있다.
특히, 어레이의 멀티빔 회절 격자(114)는 회절을 제공하는 복수의 회절 피처를 포함한다. 제공된 회절은 플레이트 광 가이드(112)로부터의 안내 광빔의 일부의 회절적 커플링-아웃을 하기 위한 것이다. 예를 들어, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드(112)의 표면에 홈 및 회절 피처로서 작용하는 플레이트 광 가이드 표면으로부터 돌출된 리지 중 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 홈 및 리지는 서로 평행하게 배열될 수 있고, 회절 피처를 따라 적어도 어떤 지점에서, 홈 및 리지는 멀티빔 회절 격자(114)에 의해 커플링-아웃될 안내 광빔의 전파 방향에 수직한다
일부 예에서, 홈 또는 리지는 플레이트 광 가이드 표면에 에칭, 밀링 또는 몰딩될 수 있다. 이와 같이, 멀티빔 회절 격자(114)의 재료는 플레이트 광 가이드(112)의 재료를 포함할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드(112)의 표면을 관통하는 실질적으로 평행한 홈을 포함한다. 도 5b에서, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드(112)의 표면으로부터 돌출하는 실질적으로 평행한 리지를 포함한다. 다른 예(도시되지 않음)에서, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드 표면에 도포된 또는 부착된 필름 또는 층을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자(114)는 처프된 회절 격자일 수 있거나 포함할 수 있다. 정의에 의해, '처프된' 회절 격자는, 예를 들어, 도 5a-도 5b에 도시된 바와 같이, 처프된 회절 격자의 범위 또는 길이에 걸쳐 변화하는 회절 피처들(즉, 회절 피치)의 회절 간격을 나타내는 또는 갖는 회절 격자이다. 여기에서, 가변 회절 간격이 정의되고 '처프'라고 불린다. 처프의 결과로서, 플레이트 광 가이드(112)로부터 회절적으로 커플링-아웃된 안내된 광빔의 부분은 멀티빔 회절 격자(114)의 처프된 회절 격자를 가로지르는 상이한 원점에 대응하는 상이한 회절 각도로, 커플링-아웃된 광빔으로서, 처프된 회절 격자로부터 나가거나 방출된다. 기정의된 처프에 의해, 처프된 회절 격자는 복수의 광빔의 커플링-아웃된 광빔의 소정의 상이한 주 각도 방향을 갖게 한다.
일부 예에서, 멀티빔 회절 격자(114)의 처프된 회절 격자는 거리에 따라 선형으로 변하는 회절 간격의 처프를 가질 수 있거나 또는 나타낼 수 있다. 이와 같이, 처프된 회절 격자는 정의에 의해 '선형으로 처프된' 회절 격자이다. 도 5a 및 도 5b는 제한이 아닌 예로서, 선형적으로 처프된 회절 격자로서의 멀티빔 회절 격자(114)를 도시한다. 특히, 도시된 바와 같이, 회절 피처는 제2 단부에서보다 멀티빔 회절 격자(114)의 제1 단부에서 함께 더 가깝다. 또한, 도시된 회절 피처의 회절 간격은, 도시된 바와 같이, 제1 단부에서 제2 단부(접힌 화살표 방향)까지 선형적으로 변한다.
또 다른 예(도시되지 않음)에서, 멀티빔 회절 격자(114)의 처프된 회절 격자는 회절 간격의 비선형 처프를 나타낼 수 있다. 멀티빔 회절 격자(114)을 실현하기 위해 사용될 수 있는 다양한 비선형 처프는, 다음으로 제한된 것은 아니지만, 지수 처프, 대수 처프, 또는 또 다른 실질적으로 비균일하거나 랜덤하지만 여전히 단조로운 방식으로 변화하는 처프를 포함한다. 정현파 처프 또는 삼각형 또는 톱니 처프와 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는, 비-단조 처프가 채용될 수도 있다. 이들 유형의 처프 중 임의의 조합이 또한 채용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자(114)는 곡선 및 처프 중 하나 또는 둘 모두인 회절 피처를 포함할 수 있다. 도 5c는 본원에 설명된 원리에 일관되는 실시예에 따라, 예에서 멀티빔 회절 격자(114)의 사시도를 도시한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 멀티빔 회절 격자(114)는 플레이트 광 가이드(112)의 표면 내, 표면에, 또는 표면 상에 있다. 또한, 도시된 멀티빔 회절 격자(114)는 곡선 및 처프된 회절 피처를 포함한다(즉, 도 5c의 멀티빔 회절 격자(114)는 만곡된, 처프된 회절 격자이다).
도 5c에 도시된 바와 같이, 안내된 광빔은 멀티빔 회절 격자(114)의 제1 단부에서 굵은 화살표로 도시된 멀티빔 회절 격자(114)에 대한 입사 방향을 갖는다. 플레이트 광 가이드(112)의 표면에서 멀티빔 회절 격자(114)로부터 멀어져 향하는 화살표로 복수의 커플링-아웃된 또는 방출된 광빔이 또한 도시되었다. 광빔은 복수의 소정의 상이한 주 각도 방향으로 방출된다. 특히, 방출된 광빔의 소정의 상이한 주 각도 방향은 도시된 바와 같이, 어지무스 및 고도 모두에서 서로 다르다. 다양한 예에 따라, 회절 피처의 기정의된 처프 및 회절 피처의 곡선 모두는 방출된 광빔의 소정의 상이한 주 각도 방향이 되게 할 수 있다.
특히, 회절 피처의 곡선을 따라 상이한 지점들에서, 곡선 회절 피처와 관련된 멀티빔 회절 격자(114)의 '기저의 회절 격자'는 상이한 어지무스 방위 각을 갖는다. '기저의 회절 격자'는 중첩된 복수의 비곡선 회절 격자의 회절 격자가 멀티빔 회절 격자(114)의 곡선 회절 피처를 생성함을 의미한다. 곡선 회절 피처를 따른 주어진 지점에서, 곡선은 곡선 회절 피처를 따라 다른 지점에서 일반적으로 어지무스 방위 각과는 상이한 특정 어지무스 방위 각을 갖는다. 또한, 특정 어지무스 방위 각은 주어진 지점으로부터 방출된 광빔의 주 각도 방향의 대응하는 어지무스 성분을 갖게 한다. 일부 예에서, 회절 피처(예를 들어, 홈, 리지, 등)의 곡선은 원의 섹션을 나타낼 수 있다. 원은 광 가이드 표면과 동일 평면일 수 있다. 다른 예에서, 곡선은 예를 들어 광 가이드 표면과 동일 평면인 타원 또는 다른 곡선 형상의 섹션을 나타낼 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 광 밸브 또는 광 밸브 어레이(116)의 어레이를 더 포함한다. 광 밸브 어레이(116)는 커플링-아웃된 광빔을 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰의 픽셀에 대응하는 복수의 픽셀(즉, 변조된 픽셀)로서 선택적으로 변조하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광 밸브 어레이(116)는 플레이트 광 가이드 표면에 인접하여 도시되었다. 다양한 실시예에 따라, 광 밸브 어레이(116)는 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰에 대응하는 상이하게 지향된 광빔(즉, 멀티빔 회절 격자(114)로부터 상이한 소정의 주 각도 방향을 갖는 복수의 광빔)을 변조하도록 구성된다. 특히, 복수의 광빔의 광빔은 광 밸브 어레이(116)의 개개의 광 밸브를 통과하여 변조된다. 변조된, 상이하게 지향된 광빔(즉, 광선(108))은, 다양한 실시예에 따라, 커플링-아웃된 광빔의 상이한 방향에 따라, 디스플레이된 이미지의 상이한 뷰의 픽셀을 나타낼 수 있다. 다양한 실시예에서, 광 밸브 어레이(116)에는 액정 광 밸브, 전기영동 광 밸브, 및 일렉트로웨팅에 기초한 광 밸브 중 하나 이상을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 다양한 유형의 광 밸브가 채용될 수 있다.
일부 실시예에 따라(예를 들어, 도 5a-도 5b에 도시된 바와 같이), 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(110)는 광원(118)을 더 포함할 수 있다. 광원(118)은 콜리메이트된 광빔을 플레이트 광 가이드(112)에 제공하도록 구성된다. 특히, 광원 (118)은 플레이트 광 가이드(112)의 입구면 또는 단부(입력단)에 인접하여 위치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 광원(118)은 실질적으로, 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 또는 레이저(예를 들어, 레이저 다이오드)를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 임의의 광원(예를 들어, 광학 이미터)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광원(118)은 특정 색으로 표시된 협대역 스펙트럼을 갖는 실질적으로 단색의 광을 생성하도록 구성된 광학 이미터를 포함할 수 있다. 특히, 단색광의 색은 특정 색 공간 또는 색 모델(예를 들어, 적-녹-청(RGB) 색 모델)의 원색일 수 있다. 일부 실시 예에서, 광원(118)은 상이한 색의 광을 제공하도록 구성된 복수의 상이한 광학 이미터를 포함할 수 있다. 상이한 광학 이미터는 상이한 색의 광 각각에 대응하는 콜리메이트된 광빔의 서로 다른, 색에 특정한, 비제로 전파 각도를 갖는 광을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 광원(118)은 콜리메이터(도 5a-도 5b에서 음영 영역으로 도시됨)를 더 포함할 수 있다. 콜리메이터는 광원(118)의 하나 이상의 광학 이미터로부터 실질적으로 비-콜리메이트된 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 콜리메이터는 또한 실질적으로 비-콜리메이트된 광을 콜리메이트된 광빔으로 변환하도록 구성된다. 특히, 콜리메이터는, 일부 실시예에 따라, 2개의 실질적으로 직교하는 방향으로 콜리메이트되는 콜리메이트된 광빔을 제공할 수 있다. 또한, 상이한 색의 광학 이미터가 채용될 때, 콜리메이터는 상이한, 색에 특정한, 비제로 전파 각도를 갖는 콜리메이트된 광빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 콜리메이터는 전술한 비제로 전파 각도를 갖는 콜리메이트된, 안내된 광빔으로서 전파하하기 위해, 콜리메이트된 광빔을 플레이트 광 가이드(112)에 전달하도록 더욱 구성된다.
본원에 설명된 원리의 일부 실시예에 따라, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템이 제공된다. 도 6은 본원에 설명된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)의 블록도를 도시한다. 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)은 3차원(3D) 장면의 한쌍의 스테레오스코픽 이미지(202)을 제공하고 사용자가 보기 위해 한쌍의 스테레오스코픽 이미지(202)을 대응하는 아이 박스 쌍(204)에 릴레이하도록 구성된다. 다양한 실시예에 따라, 쌍의 아이 박스(204)는 사용자의 눈의 위치와 대응하도록 서로 측방으로 변위된다. 특히, 사용자는 한쌍의 측방으로 변위된 아이 박스(204)에서 스테레오스코픽 이미지 쌍(202)을 편안하고 자연스럽게 볼 수 있다. 또한, 한쌍의 스테레오스코픽 이미지(202)은, 일부 실시예에 따라, 종종 니어-아이 스테레오스코픽 디스플레이와 관련된 다양한 수렴-어코모데이트 문제를 해결할뿐만 아니라 3D 경험을 제공할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)은 한쌍의 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)를 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 각각의 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)는 쌍의 다른 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)에 의해 제공된 이미지(202)로부터 상이한 이미지(202)를 제공하도록 구성된다. 쌍의 상이한 이미지(202)는 3D 장면의 스테레오스코픽 이미지(202)이다. 일부 실시예에서, 쌍의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210) 중 하나 또는 둘 모두는 니어-아이 디스플레이(100)와 관련하여 상술된 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 실질적으로 유사할 수 있다.
특히, 도시된 바와 같이, 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210)는 각각 플레이트 광 가이드(212) 및 멀티빔 회절 격자 어레이(214) 또는 단순히 '멀티빔 격자(214)'(예를 들어, 도시된 바와 같은)을 포함한다. 일부 실시예에서, 플레이트 광 가이드(212)는 플레이트 광 가이드(112)와 실질적으로 유사할 수 있으며, 멀티빔 회절 격자 어레이(214)는 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이 어레이(110)의 멀티빔 회절 격자 어레이(114)와 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 멀티 빔 회절 격자(214)는 플레이트 광 가이드(212)의 표면에 또는 인접하여 위치될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 어레이의 멀티빔 회절 격자(214)는 플레이트 광 가이드 (212) 내로부터 안내된 광을 복수의 커플링-아웃된 광빔으로서 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 멀티빔 회절 격자(214)는 곡선 회절 피처를 갖는 처프된 회절 격자를 포함한다. 일부 실시예에서, 처프된 회절 격자의 처프는 선형 처프이다.
일부 실시예에 따라, 한쌍의 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)에 의해 제공된 스테레오스코픽 이미지 쌍의 제공된 이미지(202) 각각은 3D 장면의 복수의 상이한 뷰를 포함한다. 상이한 뷰는 예를 들어 3D 장면의 다른 퍼스펙티브를 나타낼 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 복수의 커플링-아웃된 광빔은 3D 장면의 복수의 상이한 뷰(즉, 3D 퍼스펙티브 뷰)의 상이한 뷰의 3D 뷰 방향에 대응하는 상이한 주 각도 방향을 가질 수 있다.
도 6에 도시된 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)은 양안 광학 시스템(220)을 더 포함한다. 양안 광학 시스템(220)은 한쌍의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210)에 의해 제공된 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상이한 이미지(202)를 아이 박스(204)의 대응하는 쌍에 개별적으로 릴레이하도록 구성된다. 아이 박스(204)는, 다양한 실시예들에 따라, 서로 측방으로 변위된다. 전술한 바와 같이, 아이 박스(204)의 측방 변위는, 예를 들어, 사용자가 용이하게 볼 수 있게 한다. 도 6에 도시된 아이 박스(204) 사이의 수직 점선은 측방 변위를 도시한다.
일부 실시예에서, 양안 광학 시스템(220)은 양안 뷰 구성으로 배열될지라도, 니어-아이 디스플레이(100)의 광학 시스템(120)과 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 양안 광학 시스템(220)은 다수의 상이한 뷰(예를 들어, 3D 뷰)를 아이 박스(204) 내의 대응하는 복수의 상이한 위치에 릴레이하도록 구성될 수 있다. 또한, 아이 박스(204) 내의 상이한 위치들은 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)의 사용자에게 깊이 초점 큐를 제공하도록 구성된다. 특히, 깊이 초점 큐는, 다양한 실시예에 따라, 스테레오스코픽 이미지 쌍의 제공된 이미지(202) 사이의 양안 디스패리티에 대응할 수 있다.
또한, 일부 실시예에 따라, 양안 광학 시스템(220)은 제1 프리폼 프리즘 및 제2 프리폼 프리즘(도 6에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제1 프리폼 프리즘은 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 쌍의 제1 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210)에 의해 제공된 이미지(202)를 아이 박스 쌍의 제1 아이 박스(204)에 릴레이하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 제2 프리폼 프리즘은 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 쌍의 제2 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210)에 의해 제공된 이미지(202)를 아이 박스 쌍의 제2 아이 박스(204)에 릴레이하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 양안 광학 시스템(220)은 한쌍의 매그니파이어(예를 들어, 전술한 단순 매그니파이어(122)와 실질적으로 유사한 한쌍의 단순 매그니파이어)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)은 가상 현실 디스플레이 시스템이 되게 구성된다. 특히, 스테레오스코픽 쌍의 제공되는 상이한 이미지(202)는 적어도 아이 박스(204) 내에서 물리적 환경의 양안 뷰를 대신하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 6에 도시된 니어-아이 양안 디스플레이 시스템(200)은 증강 현실 디스플레이 시스템이 되게 구성될 수 있다. 증강 현실 디스플레이 시스템으로서 구성될 때, 스테레오스코픽 쌍의 제공된 상이한 이미지(202)는, 예를 들어, 아이 박스(204) 내의 물리적 환경 뷰를 증강할 수 있지만 일반적으로 대신하지는 않는다. 즉, 증강 현실 디스플레이 시스템으로 구성된 니어-아이 양안 가시 시스템(200)은 사용자에게 스테레오스코픽 이미지 쌍과 및 물리적 환경의 뷰와의 광학적 중첩을 제공한다. 또한, 증강 현실 디스플레이 시스템으로서 구성될 때, 양안 광학 시스템(220)은 한쌍의 프리폼 보상 렌즈를 더 포함할 수 있다. 프리폼 보상 렌즈는, 다양한 실시예에 따라, 한쌍의 아이 박스(204)에 물리적 환경의 이미지를 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)는 광 밸브(216) 및 광원(218)의 어레이를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광 밸브(216) 어레이는 니어-아이 디스플레이(100)의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 관련하여 전술한 광 밸브 어레이(116)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 광 밸브(216) 어레이는 플레이트 광 가이드(212)의 표면에 인접하여 위치될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 광 밸브(216)는 스테레오스코픽 이미지 쌍의 제공된 이미지(202)의 픽셀에 대응하는 복수의 픽셀 또는 변조된 광빔으로서 멀티빔 회절 격자(214)로부터의 커플링-아웃된 광빔을 선택적으로 변조하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 어레이의 광 밸브(216)는 액정 광 밸브를 포함한다. 다른 실시예에서, 광 밸브 어레이의 광 밸브(216)는, 예를 들어, 일렉트로웨팅 광 밸브, 전기영동 광 밸브, 이들의 조합, 또는 액정 광 밸브와 다른 광 밸브 유형과의 조합을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지 않는, 또 다른 광 밸브를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 멀티빔 회절 격자 기반 디스플레이(210)는 광원(218)을 더 포함할 수 있다. 광원(218)은 플레이트 광 가이드(212)에 광을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 광원(218)은 광원(218)에 의해 제공된 광을 콜리메이트하도록 구성된 광학 콜리메이터를 포함할 수 있다. 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(210)의 플레이트 광 가이드(212)는, 다양한 실시예에 따라, 비제로 전파 각도로 콜리메이트된 광을 콜리메이트된 광빔으로서 안내하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 광원(218)은 니어-아이 디스플레이(100)와 관련하여 전술한 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)의 광원(118)과 실질적으로 유사할 수 있다.
일부 실시예에서, 광원(218)은 상이한 색의 광을 제공하도록 구성된 복수의 상이한 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다(설명의 단순화를 위해 '상이한 색의 LED'라고 함). 일부 실시예에서, 상이한 색의 LED는 플레이트 광 가이드(212) 내에 콜리메이트된 광빔의 상이한, 색에 특정한, 비제로 전파 각도를 제공하기 위해, 서로 오프셋되거나(예를 들어, 측방향으로 오프셋되거나) 또는 콜리메이터와 함께 구성될 수 있다. 또한, 상이한, 색에 특정한, 비제로 전파 각도는 광원(218)에 의해 제공된 상이한 색의 광 각각에 대응할 수 있다.
일부 실시예(도시되지 않음)에서, 상이한 색의 광은 적-녹-청(RGB) 색 모델의 적색, 녹색 및 청색을 포함할 수 있다. 또한, 플레이트 광 가이드(212)는 플레이트 광 가이드(212) 내에서 상이한, 색에 특정한, 비제로 전파 각도에서 콜리메이트된 광빔으로서 상이한 색을를 안내하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 제1 안내된 색 광빔(예를 들어, 적색 광빔)은 제1 색-의존적 비제로 전파 각도로 안내될 수 있고, 제2 안내된 색 광빔(예를 들어, 녹색 광빔)은 제2 색-의존적 비제로 전파 각도로 안내될 수 있고, 제3 안내된 색 광빔(예를 들어, 청색 광빔)은 제3 색-의존적 비제로 전파 각도로 안내될 수 있다.
본원에 기술된 원리의 다른 실시예에 따라, 니어-아이 디스플레이 동작 방법이 제공된다. 도 7은 본원에 설명된 원리에 일관된 실시예에 따라, 예에서 니어-아이 디스플레이 동작 방법(300)의 흐름도를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 니어-아이 디스플레이 동작의 방법(300)은 비제로 전파 각도에서 광 가이드 내의 콜리메이트된 광빔을 안내하는 단계(310)를 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 콜리메이트된 광빔은 니어-아이 디스플레이(100)와 관련하여 전술한 플레이트 광 가이드(112)와 실질적으로 유사한 플레이트 광 가이드에서 안내될 수 있다. 또한, 콜리메이트된 광빔은 니어-아이 디스플레이(100)와 관련하여 전술한 바와 같이 비제로 전파 각도에서 안내될 수 있다(310).
니어-아이 디스플레이 동작 방법(300)은 광 필드를 형성하기 위해 상이한 주 각도 방향으로 광 가이드로부터 멀리 지향되는 복수의 커플링-아웃된 광빔을 생성하기 위해 멀티빔 회절 격자를 사용하여 광 가이드로부터의 안내된 콜리메이트된 광빔의 일부분을 회절적으로 커플링-아웃하는 단계(320)를 더 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 광 필드는 커플링-아웃된 광빔의 상이한 주 각도 방향에 대응하는 이미지(예를 들어, 디스플레이된 이미지)의 복수의 상이한 뷰를 제공한다. 일부 실시예에서, 멀티빔 회절 격자는 니어-아이 렌즈 디스플레이(100)와 관련하여 전술한 멀티빔 회절 격자(114)와 실질적으로 유사하다. 특히, 콜리메이트된 광빔을 안내하는데(310) 사용되는 광 가이드 및 콜리메이트된 광빔 부분을 회절적으로 커플링-아웃(320)하는데 사용되는 멀티빔 회절 격자는 니어-아이 디스플레이(100)의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이(110)와 실질적으로 유사한 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이의 일부일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 니어-아이 디스플레이 동작의 방법(300)은 광학 시스템을 사용하여 이미지의 복수의 상이한 뷰를 아이 박스에 릴레이하는 단계(330)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 광학 시스템은 전술한 니어-아이 디스플레이(100)의 광학 시스템(120)과 실질적으로 유사할 수 있다. 특히, 일부 실시예에 따라, 이미지의 복수의 상이한 뷰를 릴레이하는 것(330)은 아이 박스 내의 이미지를 보는 사용자에게 깊이 초점 큐를 제공하기 위해 아이 뷰 박스 내의 상이한 위치로 상이한 뷰 각각을 릴레이한다. 깊이 초점 큐는, 예를 들어, 사용자의 눈에 의한 이미지 어코모데이트를 용이하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 릴레이된 이미지는 3차원(3D) 이미지를 포함할 수 있고, 복수의 상이한 뷰의 상이한 뷰는 3D 이미지의 상이한 퍼스펙티브 뷰를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 릴레이된 이미지는 스테레오스코픽 이미지 쌍의 이미지이다. 또한, 이미지의 복수의 상이한 뷰는, 일부 예에서, 적어도 4개의 상이한 뷰를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지의 복수의 상이한 뷰를 릴레이하는 단계(330)는 사용자의 눈의 정상적인 어코모데이트 범위에 대응하는 아이 박스로부터의 거리에 두고 위치된 가상 이미지를 제공하기 위해 이미지를 확대하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 상이한 뷰를 릴레이하는 단계(330)는 이미지의 증강 현실 디스플레이 및 가상 현실 디스플레이 중 하나 또는 둘 다를 제공한다.
이와 같이, 이미지의 복수의 상이한 뷰를 제공하기 위해 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이를 채용하는, 니어-아이 디스플레이 시스템, 양안 니어-아이 디스플레이 시스템 및 니어-아이 디스플레이 동작 방법의 예 및 실시예가 설명되었다. 전술한 예는 단지 본원에 설명된 원리를 나타내는 많은 특정 예들 중 일부를 설명하기 위한 것임을 이해해야 한다. 명백하게, 당업자는 다음의 청구범위에 의해 정의된 범위를 벗어나지 않고 다수의 다른 배열을 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (25)

  1. 니어-아이(near-eye) 디스플레이에 있어서,
    이미지의 복수의 상이한 뷰들을 제공하도록 구성된 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이; 및
    상기 니어-아이 디스플레이의 출력에서 아이 박스(eye box) 내의 상응하는 복수의 상이한 위치들로 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들을 릴레이하도록 구성된 광학 시스템으로서, 상기 아이 박스 내의 상기 상응하는 복수의 상이한 위치들은 상기 니어-아이 디스플레이의 사용자에게 초점 깊이 큐를 전달하게 구성된, 상기 광학 시스템을 포함하되,
    상기 광학 시스템은 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이의 서로 분리된 복수의 멀티빔 회절 격자들 중 하나로부터 제공되는 상이한 뷰들의 광빔들을 수신하도록 구성되는,
    니어-아이 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이미지는 3차원(3D) 이미지를 포함하고, 상기 복수의 상이한 뷰들은 상기 3D 이미지의 상이한 퍼스펙티브 뷰들을 나타내는, 니어-아이 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들은 적어도 4개의 상이한 뷰들을 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 상이한 뷰들은 전체 각도 범위를 가지며, 상기 광학 시스템은 입력 애퍼처를 가지며, 상기 전체 각도 범위는 상기 입력 애퍼처의 크기에 실질적으로 대응하도록 구성되는, 니어-아이 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 사용자의 눈의 정상 어코모데이트 범위에 대응하는 상기 아이 박스로부터 거리에 상기 이미지의 가상 이미지를 제공하도록 구성된 단순 매그니파이어를 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 및 상기 광학 시스템 모두는 사용자의 뷰 필드(FOV) 내에 위치되어 상기 FOV의 일부를 실질적으로 차단하고, 상기 니어-아이 디스플레이는 상기 차단된 FOV 부분 내의 상기 이미지로 물리적 환경의 뷰를 대신하도록 구성된 가상 현실 디스플레이인, 니어-아이 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이는 사용자의 뷰 필드(FOV) 밖에 위치되고, 상기 광학 시스템은 상기 FOV 내에 위치되고, 상기 니어-아이 디스플레이는 상기 이미지로 상기 FOV 내의 물리적 환경의 뷰를 증강하도록 구성된 증강 현실 디스플레이인, 니어-아이 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 프리폼(freeform) 프리즘을 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광학 시스템은 프리폼 보상 렌즈를 더 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이는,
    콜리메이트된 광빔을 비제로 전파 각도로 안내하도록 구성된 플레이트 광 가이드; 및
    상기 플레이트 광 가이드의 표면의 상기 멀티빔 회절 격자들의 어레이로서, 상기 어레이의 멀티빔 회절 격자는 상기 안내된 콜리메이트된 광빔의 일부를 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들의 뷰 방향들에 대응하는 상이한 정해진 주 각도 방향들을 갖는 복수의 광빔들로서 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성된, 상기 멀티빔 회절 격자들의 어레이를 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  11. 제10항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자는 선형으로 처프된 회절 격자인, 니어-아이 디스플레이.
  12. 제10항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이는,
    상기 콜리메이트된 광빔을 상기 플레이트 광 가이드에 제공하도록 구성된 광원; 및
    상기 플레이트 광 가이드의 표면에 인접한 광 밸브 어레이로서, 상기 광 밸브 어레이는 상기 커플링-아웃된 광빔들을 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들에 대응하는 복수의 픽셀들로서 선택적으로 변조하도록 구성되는, 상기 광 밸브 어레이를 더 포함하는, 니어-아이 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광원은 상이한 색들의 광을 제공하도록 구성된 복수의 상이한 광원들을 포함하고, 상기 상이한 광원들은 상기 상이한 색들의 광 각각에 대응하는 콜리메이트된 안내된 광빔들의 상이한, 색에 특정한, 비제로 전파 각도들을 제공하도록 구성되는, 니어-아이 디스플레이.
  14. 제1항의 상기 니어-아이 디스플레이를 한 쌍으로 포함하는 니어-아이 양안 디스플레이 시스템으로서,
    상기 한 쌍의 니어-아이 디스플레이들 중 제1 니어-아이 디스플레이는 제1 아이 박스에 제1 이미지의 제1 복수의 상이한 뷰들을 제공하도록 구성되고, 상기 한 쌍의 니어-아이 디스플레이들 중 제2 니어-아이 디스플레이는 제2 아이 박스에 제2 이미지의 제2 복수의 상이한 뷰들을 제공하도록 구성되고, 상기 제2 아이 박스는 상기 제1 아이 박스로부터 측방으로 오프셋되며, 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지는 한 쌍의 스테레오스코픽 이미지들을 나타내는,
    니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  15. 니어-아이 양안 디스플레이 시스템에 있어서,
    각각의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이가 3차원(3D) 장면을 나타내는 한 쌍의 스테레오스코픽 이미지들의 상이한 이미지를 제공하도록 구성되는, 한 쌍의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이들; 및
    상기 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 상이한 이미지들을 대응하는 한 쌍의 아이 박스들에 개별적으로 릴레이하도록 구성된 양안 광학 시스템으로서, 상기 아이 박스들은 서로 측방으로 변위되는, 상기 양안 광학 시스템을 포함하고,
    상기 한 쌍의 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이들 각각은 플레이트 광 가이드 및 멀티빔 회절 격자들의 어레이를 포함하며,
    상기 어레이의 멀티빔 회절 격자는 상기 플레이트 광 가이드 내로부터의 안내된 광을 복수의 커플링-아웃된 광빔들로서 회절적으로 커플링-아웃하도록 구성되고, 상기 복수의 커플링-아웃된 광빔들은 상기 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 상이한 이미지를 제공하도록 구성되고,
    상기 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 상이한 이미지들 각각은 상기 3D 장면의 복수의 상이한 뷰들을 포함하고,
    상기 양안 광학 시스템은 상기 멀티빔 회절 격자로부터 커플링-아웃된 상기 복수의 커플링-아웃된 광빔들을 수신하도록 구성된,
    니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 커플링-아웃된 광빔들은 상기 상이한 뷰들의 3D 뷰 방향들에 대응하는 상이한 주 각도 방향들을 갖는, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 양안 광학 시스템은 상기 복수의 상이한 뷰들을 상기 아이 박스들 내의 대응하는 복수의 상이한 위치들로 릴레이하도록 구성되고, 상기 아이 박스들 내의 상기 상이한 뷰들의 상기 상이한 위치들은 상기 니어-아이 양안 디스플레이 시스템의 사용자에게 깊이 초점 큐들을 제공하게 구성되고, 상기 깊이 초점 큐들은 상기 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 상이한 이미지들 간의 양안 디스패리티에 대응하는, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 양안 광학 시스템은 제1 프리폼 프리즘 및 제2 프리폼 프리즘을 포함하고, 상기 제1 프리폼 프리즘은 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 쌍의 제1 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이에 의해 제공된 이미지를 상기 아이 박스 쌍의 제1 아이 박스에 릴레이하도록 구성되며, 상기 제2 프리폼 프리즘은 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이 쌍의 제2 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이에 의해 제공된 다른 이미지를 상기 아이 박스 쌍의 제2 아이 박스에 릴레이하도록 구성된, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 양안 광학 시스템은 상기 한 쌍의 아이 박스들에 물리적 환경의 상이한 이미지들을 제공하도록 구성된 한 쌍의 프리폼 보상 렌즈들을 더 포함하고, 상기 니어-아이 양안 디스플레이 시스템은 증강 현실 디스플레이 시스템인, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제공된 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 상이한 이미지들은 상기 아이 박스들 내의 물리적 환경의 양안 뷰를 대신하게 구성되고, 상기 니어-아이 양안 디스플레이 시스템은 가상 현실 디스플레이 시스템으로서 구성되는, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 상기 멀티빔 회절 격자-기반 디스플레이는,
    광을 제공하도록 구성된 광원;
    상기 광원에 의해 제공된 상기 광을 콜리메이트하도록 구성된 광학 콜리메이터; 및
    상기 플레이트 광 가이드에 인접한 광 밸브 어레이로서, 상기 광 밸브 어레이는 상기 커플링-아웃된 광빔을 상기 스테레오스코픽 이미지 쌍의 상기 제공된 이미지의 픽셀들에 대응하는 복수의 픽셀들로서 선택적으로 변조하도록 구성된, 상기 광 밸브 어레이를 더 포함하고,
    상기 플레이트 광 가이드는 상기 콜리메이트된 광을, 비제로 전파 각도로, 콜리메이트된 광빔으로서 안내하도록 구성되는, 니어-아이 양안 디스플레이 시스템.
  22. 니어-아이 이미지 디스플레이 동작의 방법에 있어서,
    비제로 전파 각도로 광 가이드 내에서 콜리메이트된 광빔을 안내하는 단계;
    광 필드를 형성하기 위해 상이한 주 각도 방향들로 상기 광 가이드로부터 멀어지도록 지향되는 복수의 커플링-아웃된 광빔들을 생성하기 위해 상기 안내된 콜리메이트된 광빔의 일부분을 멀티빔 회절 격자를 사용하여 상기 광 가이드로부터 회절적으로 커플링-아웃하는 단계로서, 상기 광 필드는 상기 커플링-아웃된 광빔들의 상기 상이한 주 각도 방향들에 대응하는 이미지의 복수의 상이한 뷰들을 제공하는, 단계; 및
    상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들을 광학 시스템을 사용하여 아이 박스의 상이한 위치들에 릴레이하는 단계를 포함하는,
    방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 상이한 뷰들의 상기 상이한 위치들은 상기 아이 박스에서 상기 이미지를 보는 사용자에게 깊이 초점 큐들을 제공하는, 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들을 릴레이하는 단계는, 사용자의 눈의 정상적 어코모데이트 범위에 대응하는 상기 아이 박스로부터의 거리에 위치된 가상 이미지를 제공하기 위해 상기 이미지를 확대하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 이미지의 복수의 상이한 뷰들을 릴레이하는 단계는 상기 이미지의 증강 현실 디스플레이 및 가상 현실 디스플레이 중 하나 또는 둘 모두를 제공하는, 방법.
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