KR102489882B1 - 머리-착용 디스플레이 시스템에 대한 광학 시스템 - Google Patents

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Abstract

머리 착용 디스플레이(HMD) 시스템들과 함께 사용되는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이 시스템들(예를 들어, OLED 마이크로 디스플레이들)과 같은 디스플레이 시스템들과 함께 사용하기 위한 만곡된 표면들 상의 이중 프레넬 렌즈들을 사용하는 광학 시스템들을 제공하기 위한 시스템들 및 방법들. 본원에서 개시되는 광학 시스템들은, 다수의 상이한 프레넬 패턴들 도는 함수들에 의해 획정되는 프레넬 표면의 구역들 또는 필드들(예를 들어, 작은 FOV 각도들, 큰 FOV 각도들) 사이에서 수차들을 감소시키며 매끄러운 프로파일 전환을 제공하기 위한 멀티플렉싱 또는 블렌딩을 구현할 수 있다. 성형성 및 수차 제어를 위한 양호한 형상 계수를 유지하면서 초점 거리를 단축하기 위하여 만곡된 표면들 상의 이중 프레넬 렌즈들을 사용하는, 마이크로 디스플레이에 대한 광학 시스템이 제공된다.

Description

머리-착용 디스플레이 시스템에 대한 광학 시스템
본 개시는 전반적으로 머리-착용 디스플레이 시스템들의 마이크로 디스플레이와 같은 디스플레이들에 대한 광학 시스템들에 관한 것이다.
가상 현실(virtual reality; VR) 경험들의 하나의 현행 생성은, 고정식 컴퓨터(예컨대, 개인용 컴퓨터(PC), 랩탑, 또는 게임 콘솔)에 테더링되거나, 스마트 폰 및/또는 그것의 연관된 디스플레이와 결합되거나 및/또는 통합될 수 있거나, 또는 자급식일 수 있는 머리-착용 디스플레이(head-mounted display; HMD)들을 사용하여 생성된다. 일반적으로, HMD들은, 하나의(단안 HMD) 또는 각각의 눈(쌍안 HMD)의 전방에 소형 디스플레이 디바이스를 갖는, 사용자의 머리에 착용되는 디스플레이 디바이스들이다. 디스플레이 유닛들은 전형적으로 소형화되며, 예를 들어, CRT, LCD, 실리콘 액정 표시장치(Liquid crystal on silicon; LCos), 또는 OLED 기술품들을 포함할 수 있다. 쌍안 HMD는 각각의 눈에 상이한 이미지를 디스플레이할 가능성을 갖는다. 이러한 성능은 입체 이미지들을 디스플레이하기 위하여 사용된다.
스마트폰들 및 고-화질 텔레비전들뿐만 아니라 다른 전자 디바이스들의 성장을 포함하여 향상된 성능을 갖는 디스플레이들에 대한 수요가 증가하고 있다. 가상 현실 및 증강 현실 시스템들, 특히 이러한 머리 착용 디바이스들을 사용하는 가상 현실 및 증강 현실 시스템들의 성장하고 있는 인기가 이러한 수요를 추가로 증가시키고 있다. 가상 현실 시스템들은 전형적으로 착용자의 눈들을 완전히 감싸고 착용자의 전방에서 실제 뷰(view)(또는 실제 현실)를 "가상" 현실로 치환하며, 반면 증강 현실 시스템들은 전형적으로, 실제 뷰가 추가적인 정보로 증강되도록 착용자의 눈들의 전방에 하나 이상의 스크린들의 반-투명 또는 투명 오버레이(overlay)를 제공한다.
그러나, 시청자의 눈과 디스플레이 사이에 감소된 거리를 가지며 보통 완전히 가려진 시야를 갖는 이러한 머리 착용 디스플레이들은, 전통적인 디스플레이들이 비용-효율적 레벨들에서 그렇게 하는 것은 고사하고라도, 충족시킬 수 없는 방식들로 디스플레이들의 성능 요건들을 증가시킨다. OLED 마이크로 디스플레이들과 같은 마이크로 디스플레이들은 전통적인 디스플레이들보다 훨씬 더 작으며, 추가적인 도전들을 수반한다. 예를 들어, 마이크로 디스플레이들은 매우 짧은 초점 거리의 렌즈들을 필요로 한다. 추가로, 사용자의 눈의 동공이 고정되기 때문에, 마이크로 디스플레이를 사용하는 HMD의 렌즈의 F/#이 감소되며, 이는 특정 렌즈 시스템의 수차를 증가시키는 경향이 있다. 또한, 마이크로 디스플레이들은 작은 픽셀들을 갖는다. 이는 HMD 광학부의 공간 해상도를 증가시키며, 이러한 HMD에 대한 렌즈를 설계하고 제조하기 위한 난제를 추가적으로 증가시킨다.
마이크로 디스플레이와 함께 사용하기 위한 광학 시스템은, 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 제 1 렌즈 엘리먼트로서, 제 1 렌즈 엘리먼트는 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 제 1 표면은 오목한 표면을 포함하며 제 2 표면은 오목한 표면을 포함하고, 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 제 1 렌즈 엘리먼트; 및 마이크로 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 배치되는 제 2 렌즈 엘리먼트로서, 제 2 렌즈 엘리먼트는 마이크로 디스플레이를 향한 제 3 표면 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 4 표면을 포함하고, 제 3 표면은 볼록한 표면을 포함하며 제 4 표면은 오목한 표면을 포함하고, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 제 2 렌즈 엘리먼트를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 적어도 제 1 표면 및 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 2 표면 및 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 1 표면 및 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 2 표면 및 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 3개가 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 단일 프레넬 패턴에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함할 수 있다.
제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 1 구역과 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함할 수 있으며, 제 3 구역은 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공할 수 있는 제 3 프레넬 패턴에 의해 획정된다. 제 3 프레넬 패턴은, 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱(multiplex)되거나 또는 제 2 함수에 의해 곱해진 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의될 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 각각은 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함할 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 각각은 제 1 구역과 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함할 수 있으며, 제 3 구역은 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공할 수 있는 제 3 프레넬 패턴에 의해 획정된다. 제 3 프레넬 패턴을 나타내는 제 3 함수는, 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 제 2 함수에 의해 곱해진 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의될 수 있다. 제 1 구역은 중심 구역을 포함할 수 있으며, 제 2 구역은 제 1 구역을 둘러싸는 주변 구역을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 렌즈 엘리먼트들은 25 mm보다 더 작을 수 있는 결합된 초점 거리를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 렌즈 엘리먼트들은 적어도 85 도일 수 있는 시야를 제공할 수 있다.
제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 1 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있으며, 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 2 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있고, 제 1 피치 값은 제 2 피치 값과는 상이하다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 프레넬 특징부들은 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 다른 1개의 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 정렬될 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 프레넬 특징부들은 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 다른 1개의 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 오프셋될 수 있다. 제 1 렌즈 엘리먼트 및 제 2 렌즈 엘리먼트는 공기 간극에 의해 분리될 수 있으며, 공기 간극은 제 1 렌즈 엘리먼트의 굴절률보다 더 작을 수 있고 그리고 제 2 렌즈 엘리먼트의 굴절률보다 더 작을 수 있는 굴절률을 갖는다.
머리 착용 디스플레이 시스템은 각기 사용자의 하나의 눈에 대한 디스플레이를 제공하는 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들을 포함하며, 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들의 각각은, 마이크로 디스플레이; 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 제 1 렌즈 엘리먼트로서, 제 1 렌즈 엘리먼트는 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 제 1 표면은 오목한 표면을 포함하며 제 2 표면은 오목한 표면을 포함하고, 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 제 1 렌즈 엘리먼트; 및 마이크로 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 배치되는 제 2 렌즈 엘리먼트로서, 제 2 렌즈 엘리먼트는 마이크로 디스플레이를 향한 제 3 표면 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 4 표면을 포함하고, 제 3 표면은 볼록한 표면을 포함하며 제 4 표면은 오목한 표면을 포함하고, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 제 2 렌즈 엘리먼트를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 적어도 제 1 표면 및 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 2 표면 및 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 1 표면 및 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 적어도 제 2 표면 및 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 3개가 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 마이크로 디스플레이는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 마이크로 디스플레이는, 각기 35 mm 이하인 폭 치수 및 길이 치수를 가지리 수 있다. 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 마이크로 디스플레이는 20 μm 이하인 픽셀 크기를 가질 수 있다.
머리 착용 디스플레이 시스템은 각기 사용자의 하나의 눈에 대한 디스플레이를 제공하는 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들을 포함하며, 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들의 각각은, 마이크로 디스플레이; 및 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 렌즈 엘리먼트로서, 렌즈 엘리먼트는 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 제 1 및 제 2 표면들은 각기 프레넬 특징부들을 갖는 오목한 표면을 포함하는, 렌즈 엘리먼트를 포함하는 것으로서 요약될 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 단일 프레넬 패턴에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함할 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 제 1 구역과 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함할 수 있으며, 제 3 구역은 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공할 수 있는 제 3 함수에 의해 정의된다. 제 3 함수는, 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 제 2 함수에 의해 곱해진 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의될 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면의 각각은 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함할 수 있다. 제 1 표면 및 제 2 표면의 각각은 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함할 수 있으며, 제 3 구역은 제 1 구역과 제 2 구역 사이의 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공할 수 있는 제 3 함수에 의해 정의된다.
제 3 함수는, 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 제 2 함수에 의해 곱해진 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의될 수 있다. 제 1 구역은 중심 구역을 포함할 수 있으며, 제 2 구역은 제 1 구역을 둘러싸는 주변 구역을 포함할 수 있다. 마이크로 디스플레이는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이를 포함할 수 있다. 렌즈 엘리먼트는 25 mm보다 더 작을 수 있는 초점 거리를 가질 수 있다. 렌즈 엘리먼트는 적어도 85 도일 수 있는 시야를 제공할 수 있다. 제 1 표면은 제 1 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있으며, 제 2 표면은 제 2 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함할 수 있고, 제 1 피치 값은 제 2 피치 값과는 상이하다. 제 1 표면의 프레넬 특징부들은 제 2 표면의 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 정렬될 수 있다. 제 1 표면의 프레넬 특징부들은 제 2 표면의 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 오프셋될 수 있다.
도면들에서, 동일한 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들 또는 작용들을 식별한다. 도면들 내에서 엘리먼트들의 크기들 및 상대적인 위치들은 반드시 축적이 맞추어져야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 형상들 및 각도들이 반드시 축적이 맞추어져야 할 필요는 없으며, 이러한 엘리먼트들 중 일부는 도면 가독성을 개선하기 위하여 임의적으로 확장되고 위치될 수 있다. 추가로, 도시되는 엘리먼트들의 특정 형상들은 반드시 특정 엘리먼트들의 정확한 형상에 관한 임의의 정보를 전달하도록 의도되는 것은 아니며, 단지 도면들 내에서의 인식의 용이성을 위하여 선택될 수 있다.
도 1은 하나의 예시된 구현예에 따른 프레넬 렌즈의 예시이다.
도 2는 하나의 예시된 구현예에 따른 쌍안 머리 착용 디스플레이(HMD) 시스템의 상단 평면도이다.
도 3은 하나의 예시된 구현예에 따른 이중 프레넬 2 엘리먼트 설계를 포함하는 도 2의 HMD 시스템의 광학 시스템의 좌측 섹션 입면도이다.
도 4는 하나의 예시된 구현예에 따른 이중 프레넬 단일 엘리먼트 설계를 포함하는 도 2의 HMD 시스템의 광학 시스템의 좌측 섹션 입면도이다.
도 5는 하나의 예시된 구현예에 따른 도 2의 HMD 시스템의 광학 시스템의 단일 엘리먼트의 상단 평면도이다.
도 6은 하나의 예시된 구현예에 따른, 대향되는 제 2 표면의 프레넬 특징부들로부터 오프셋된 프레넬 특징부들을 갖는 제 1 표면을 포함하는 이중 프레넬 렌즈 엘리먼트의 좌측 섹션 입면도이다.
도 7은 하나의 예시된 구현예에 따른, 대향되는 제 2 표면의 프레넬 특징부의 제 2 피치 값과는 상이한 제 1 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 갖는 제 1 표면을 포함하는 이중 프레넬 렌즈 엘리먼트의 좌측 섹션 입면도이다.
다음의 설명에 있어, 어떤 특정 세부사항들이 개시된 다양한 구현예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 기술되었다. 그러나, 당업자는 구현예들이 이러한 특정 세부사항들 중 하나 이상이 없는 상태로 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에 있어, 컴퓨터 시스템들, 서버 컴퓨터들, 및/또는 통신 네트워크들과 연관된 잘 알려진 구조들은 구현예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위하여 상세하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않는다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "구성되는"은 "포함하는"과 동의어이며, 포괄적이고 개방적이다(즉, 추가적인, 언급되지 않은 엘리먼트들 또는 방법 행동들을 배제하지 않는다).
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예"에 대한 이러한 설명의 언급은 구현예와 함께 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 문구들 "하나의 구현예에 있어서" 또는 "일 구현예에 있어서"의 출현이 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것이 아니다. 추가적으로, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "일", 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로, 문맥이 명백히 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.
본원에서 제공되는 본 개시의 표제 및 요약은 오로지 편의를 위한 것이며, 구현예들의 의미 또는 범위를 해석하지 않는다.
본 개시의 하나 이상의 구현예들은, HMD 시스템들과 함께 사용되는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이 시스템들(예를 들어, OLED 마이크로 디스플레이들)과 같은 디스플레이 시스템들과 함께 사용하기 위한 적층된 또는 이중 프레넬 렌즈들을 사용하는 광학 시스템들에 관한 것이다. 본원에서 사용되는 "마이크로 디스플레이 시스템들" 또는 "마이크로 디스플레이들"은, 각기 35 mm보다 더 작은 폭 및 길이 치수들을 가지며(예를 들어, 12x12 mm, 20x20 mm, 30x30 mm, 18x30, 12x35 mm), 대략 20 μm보다 더 작은 픽셀 크기(예를 들어, 5 μm, 8 μm, 10 μm, 15 μm, 20 μm)를 갖는 디스플레이들을 지칭한다.
본원에서 논의되는 하나 이상의 구현예들은 또한, 다수의 상이한 프레넬 패턴들(예를 들어, 2개의 상이한 프레넬 패턴들)에 의해 획정(define)되는 프레넬 표면의 구역들 또는 필드들(예를 들어, 작은 FOV 각도들, 큰 FOV 각도들) 사이에서 수차들을 감소시키며 매끄러운 프로파일 전환을 제공하기 위한 멀티플렉싱(multiplexing) 또는 블렌딩(blending)을 구현하는 광학 시스템들을 제공한다. 적어도 일부 구현예들에 있어서, 성형성(moldability) 및 수차 제어를 위한 양호한 형상 계수를 유지하면서 초점 거리를 단축하기 위하여 만곡된 표면들 상의 이중 프레넬 렌즈들을 사용하는 마이크로 디스플레이에 대한 광학 시스템이 제공된다. 이러한 설계는, 큰 아이박스(eyebox) 및 낮은 동공 스윔(pupil swim)을 제공하면서 양호한 수차 제어를 가능하게 한다.
일반적으로, 프레넬 렌즈들은, 그렇지 않았다면 통상적인 설계의 렌즈에 의해 요구되었을 질량 및 체적의 재료를 요구하지 않으면서 큰 개구 및 짧은 초점 거리를 제공하는 유형의 렌즈이다. 도 1은 HMD에 대한 광학 시스템으로서 통상적으로 사용될 수 있는 프레넬 렌즈(100)를 도시한다. 프레넬 렌즈(100)는 동심 프리즘들의 주기적인 반사 구조를 포함할 수 있다. 이러한 프리즘들의 각각의 표면들은 대응하는 통상적인 렌즈(104)의 비구면 표면(102)을 거의 평면으로 찌부러트림으로써 광을 굴절시키도록 설계된다. 따라서, 벌크 렌즈 두께의 감소는, 프리즘들의 표면에 의해 획정된 새로운 렌즈 표면 및 원래의 비구면 표면(102)에 의해 구획된 체적과 실질적으로 동일한 것으로 간주될 수 있다. 이상에서 언급된 바와 같이, 이러한 크기 감소는 프레넬 렌즈들이 그들의 통상적인 상대방들보다 상당히 더 얇고 가벼워지는 것을 가능하게 하며, 이는 감소된 크기 및 중량이 중요한 HMD 시스템들에 대하여 유익하다.
프레넬 표면을 이루는 프리즘들의 굴절 표면들(106)은 홈(groove)들(108) 및 드래프트(draft)들(110)로서 지칭될 수 있다. 홈들(108) 및 드래프트들(110)은 집합적으로 본원에서 "프레넬 특징부들", "프레넬 컷들" 또는 "마이크로특징부들"로서 지칭될 수 있으며, 홈들 및 드래프트들의 전체 형상 및 치수들은 프레넬 패턴으로서 지칭될 수 있다. 홈들(108)은 통상적인 렌즈(104)의 비구면 표면(102)의 연속적인 곡률(continuous curvature)을 근사화하기 위하여 사용되는 실제 표면이며, 반면 드래프트들(110)은, 렌즈의 곡률을 다시 평면(또는 만곡된 표면, 이하에서 논의됨)으로 복원시키기 위하여 요구되는 홈들 사이의 불연속부들이다. 인접한 홈들의 피크들 사이의 측방 거리가 피치(112)로서 지칭된다. 일 예로서, 프레넬 렌즈는 500 μm의 피치일 수 있다. 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 프레넬 표면에 대한 피치는 프레넬 렌즈의 측방 표면에 걸쳐 일정할 수 있거나 또는 가변적일 수 있다. 추가로, 도 1에서 프레넬 렌즈가 설명적인 목적들을 위하여 평면 표면 상에 있는 것으로 도시되지만, 본원에서 논의되는 구현예들 중 적어도 일부에서, 프레넬 표면들은 만곡된 표면들(예를 들어, 오목한 표면들, 볼록한 표면들) 상에 제공되며, 이는, 이하에서 논의되는 바와 같이, 고유하고 유익한 수차 제어를 가능하게 한다.
도 2는, 눈-근접(near-to-eye) 디스플레이 시스템들(202 및 204)의 쌍을 포함하는 HMD 시스템(200)의 간략화된 상단 평면도이다. 눈-근접 디스플레이 시스템들(202 및 204)은 각기 디스플레이들(206 및 208)(예를 들어, OLED 마이크로 디스플레이) 및 개별적인 광학 시스템들(210 및 212)을 포함한다. 디스플레이 시스템들(202 및 204)은, 전방 부분(216), 좌측 템플(temple)(218) 및 우측 템플(220)을 포함하는 프레임(214)에 장착될 수 있다. 2개의 디스플레이 시스템들(202 및 204)은, 사용자(224)의 머리(222) 상에 착용될 수 있는 안경 장치 내의 프레임(214)에 고정될 수 있다. 좌측 템플(218) 및 우측 템플(220)은 각기 사용자의 귀들(226 및 228) 위에 놓일 수 있으며, 반면 코 어셈블리(미도시)가 사용자의 코(230) 위에 놓일 수 있다. 프레임(214)은 2개의 광학 시스템들(210 및 212)의 각각을 각기 사용자의 눈들(232 및 234) 중 하나의 전방에 위치시키도록 성형되고 크기가 결정될 수 있다. 프레임(214)이 설명의 목적들을 위하여 안경과 유사하게 간략화된 방식으로 도시되지만, 실제로는 더 정교한 구조체들(예를 들어, 고글, 통합 머리밴드, 헬멧, 스트랩들)이 사용자(224)의 머리(222) 상에 디스플레이 시스템들(202 및204)을 위치시키고 지지하기 위하여 사용될 수 있다.
도 2의 HMD 시스템(200)은 사용자(224)에게 가상 현실을 제공할 수 있다. 디스플레이들(206 및 208)의 각각은, 각기 사용자(224)의 눈들(232 및 234) 상으로 개별적인 광학 시스템들(210 및 212)을 통해 전달되며 이에 의해 포커싱되는 광을 생성할 수 있다. 광은 이미지들 및/또는 비디오로서 사용자(224)에게 보여진다. 일부 구현예들에 있어서, 사용자의 눈들(232 및 234)과 광학적 시스템들(210 및 212)의 각각 사이의 거리는 비교적 짧을 수 있으며(예를 들어, 30 mm 미만, 20 mm 미만), 광학 시스템들 및 디스플레이 시스템들의 중량이 사용자의 얼굴에 상대적으로 가깝기 때문에 이는 유익하게는 HMD 시스템(200)이 사용자에게 더 가볍게 느껴지게끔 한다.
도 3은, 이중 프레넬 2 엘리먼트 설계를 포함하는 도 2의 머리 착용 디스플레이 시스템(200)의 디스플레이(302) 및 광학 시스템(300)(예를 들어, 도 2의 광학 시스템(210) 또는 광학 시스템(212))의 좌측 섹션 입면도를 도시한다. 디스플레이(302)는, 예를 들어, 실리콘-기반 마이크로 디스플레이(예를 들어, OLED 마이크로 디스플레이)일 수 있다. 이러한 구현예에 있어서, 광학 시스템(300)은, 디스플레이(302)에 상대적으로 근접하여 위치된 제 1 하이브리드 프레넬 렌즈 엘리먼트(304) 및 (제 1 렌즈 엘리먼트(304)에 비해) 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 위치되며 적어도 실질적으로 제 1 렌즈 엘리먼트에 인접하는 제 2 하이브리드 프레넬 렌즈 엘리먼트(306)를 포함한다. 광학 시스템(300) 및 디스플레이(302)의 위치들은 HMD 시스템(200)(도 2 참조)을 착용하고 있는 사용자의 눈(308)(예를 들어, 좌안 또는 우안)에 대하여 도시된다. 도시된 바와 같이, 광학 시스템(300)과 사용자의 눈(308) 사이의 거리는 비교적 짧을 수 있다(예를 들어, 25 mm 미만, 20 mm 미만). 디스플레이의 픽셀들에 의해 방출되는 광에 대한 디스플레이(302)와 사용자의 눈(308) 사이의 광 경로들(310)이 도 3에 또한 도시된다.
제 1 렌즈 엘리먼트(304)는 마이크로 디스플레이(302)를 향한 제 1 표면(312) 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면(314)을 포함한다. 적어도 일부 구현예들에 있어서, 제 1 표면(312)은, 오목하며 그 위에 프레넬 특징부들(예를 들어, 홈들, 드래프트들)을 갖는 프레넬 표면이다. 따라서, 프레넬 표면의 포지티브 파워(positive power)는 네거티브 또는 오목한 엘리먼트 상으로 "찌부러지며(collapsed)", 이는 포지티브 및 네거티브 수차들이 서로 상쇄되게끔 한다. 프레넬 특징부는 단순화를 위하여 도 3에 도시되지 않는다. 적어도 일부 구현예들에 있어서, 제 2 표면(314)은, 구면, 비구면, 원뿔 등인 프로파일을 갖는 매끈한 오목한 표면일 수 있다.
제 2 렌즈 엘리먼트(306)는 마이크로 디스플레이(302)를 향한 제 3 표면(316) 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한(즉, 사용자의 눈(308)을 향한) 제 4 표면(318)을 갖는다. 적어도 일부 구현예들에 있어서, 제 3 표면(316)은, 볼록하며 그 위에 프레넬 특징부들(예를 들어, 홈들, 드래프트들)을 갖는 프레넬 표면이다. 적어도 일부 구현예들에 있어서, 제 4 표면(318)은, 구면, 비구면, 원뿔 등인 프로파일을 갖는 매끈한 오목한 표면일 수 있다.
프레넬 표면들 및 매끈한 표면들의 다른 조합들이 구현될 수 있다. 예를 들어, 적어도 일부 구현예들에 있어서, 표면들(314 및 316)이 프레넬 표면들이며, 표면들(312 및 318)이 매끈한 표면들이다. 이러한 구현예들은 반대되는 높은-대-낮은 및 낮은-대-높은 굴절률 전환들을 갖는 2개의 프레넬 표면들을 제공함으로써 유익할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 렌즈 엘리먼트들(304 및 306) 사이의 공기 간극과 렌즈 엘리먼트(306)의 표면(316) 사이의 낮은-대-높은 굴절률 전환은, 공기 간극과 렌즈 엘리먼트(304)의 표면(316) 사이의 높은-대-낮은 굴절률 전환에 의해 도입된 수차들을 상쇄하거나 또는 감소시키도록 기능할 수 있다.
더 일반적으로, 표면들(312, 314, 316 및 318) 중 적어도 2개의 임의의 조합이 프레넬 표면들일 수 있으며, (만일 존재한다면) 비-프레넬 렌즈가 매끈한 표면들일 수 있다. 추가로, 표면들(312, 314, 316 및 318)의 임의의 조합은 오목한 표면들, 볼록한 표면들, 평면 표면들 등일 수 있다.
프레넬 표면들 중 임의의 프레넬 표면은 단일 프레넬 패턴에 의해 또는 다수의 프레넬 패턴들(예를 들어, 2개의 프레넬 패턴들, 4개의 프레넬 패턴들)에 의해 획정될 수 있다. 일 예로서, 프레넬 표면들 중 하나 이상이 상대적으로 작은 시야(fields of view; FOV) 각도들(예를 들어, 0-50 도)에 대한 제 1 연관된 초점 거리를 갖는 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정될 수 있으며 그리고 상대적으로 큰 FOV 각도들(예를 들어, 50-110 도)에 대한 제 2 연관된 초점 거리를 갖는 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정될 수 있다. 도 5를 참조하여 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 일부 구현예들에 있어서, 프레넬 표면의 제 1 및 제 2 영역들 또는 구역들과 연관된 2개의 상이한 프레넬 패턴들 또는 방정식들은, 제 1 및 제 2 구역들의 에지들에서 수차들을 감소시키는 제 1 및 제 2 구역들 사이에 배치되는 제 3 구역에서의 매끄러운 전환을 제공하기 위하여 멀티플렉싱되거나, 곱해지거나, 또는 달리 "블렌딩"될 수 있다.
유익하게는, 도 3의 광학 시스템(300)은 4개의 표면들, 즉, 표면들(312, 314, 316, 및 318)이 6개의 표면들과 유사하게 거동하는 것을 가능하게 하며, 이는, 적어도 일부 구현예들에 있어서, 표면들 중 적어도 2개의 표면들(예를 들어, 표면들(312 및 316), 표면들(314 및 316))이 프레넬 특징부들뿐만 아니라 만곡된 표면 특징부들(예를 들어, 볼록, 오목)을 제공하여 고유하고 유익한 수차 제어를 제공하기 때문이다.
도 4는, 도 2의 HMD 시스템(200)과 같은 HMD 시스템 내에서 사용될 수 있는 광학 시스템(400)의 좌측 섹션 입면도를 도시한다. 광학 시스템(400)은 이중 프레넬 단일 엘리먼트 설계를 제공한다. 이러한 구현예에 있어서, 광학 시스템(400)은, 사용자의 눈(308)과 디스플레이 사이에서 디스플레이(302) 근처에 위치되는 단일 하이브리드 프레넬 렌즈 엘리먼트(402)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 렌즈 엘리먼트(402)와 사용자의 눈(308) 사이의 거리는 비교적 짧을 수 있다(예를 들어, 25 mm 미만, 20 mm 미만). 디스플레이의 픽셀들에 의해 방출되는 광에 대한 디스플레이(302)와 사용자의 눈(308) 사이의 광 경로들(310)이 도 4에 또한 도시된다.
렌즈 엘리먼트(402)는 마이크로 디스플레이(302)를 향한 제 1 표면(404) 및 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면(406)을 포함한다. 제 1 표면(404)은, 오목하며 그 위에 프레넬 특징부들(예를 들어, 홈들, 드래프트들)을 갖는 프레넬 표면이다. 제 2 표면(406)이 또한, 오목하며 그 위에 프레넬 특징부들을 갖는 프레넬 표면이다. 프레넬 특징부는 단순성을 위하여 도시되지 않는다. 일부 구현예들에 있어서, 제 2 표면(406)은, 제 2 표면에서 내부 전반사(total internal reflection; TIR) 상태가 발생하지 않도록 제 1 표면(404)보다 더 큰 곡률 반경을 가질 수 있다. 이상에서 논의된 도 3의 프레넬 표면들(312 및 316)과 유사하게, 렌즈 엘리먼트(402)의 프레넬 표면들(404 및 406)은 각기 단일 프레넬 패턴에 의해 또는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정될 수 있다.
도 5는 도 2의 HMD 시스템(200)과 같은 HMD 시스템의 광학 시스템의 렌즈 엘리먼트의 프레넬 표면(500)의 상단 평면도이다. 프레넬 표면(500)은 이상에서 논의된 프레넬 표면들 중 임의의 것을 나타낼 수 있다. 도시된 바와 같이, 프레넬 표면(500)은 제 1 프레넬 패턴 또는 방정식에 의해 정의되는 프로파일을 갖는 제 1 또는 중심 구역(502)을 갖는다. 프레넬 표면(500)은 또한 제 1 프레넬 패턴 또는 방정식과는 상이한 제 2 프레넬 패턴 또는 방정식에 의해 정의되는 프로파일을 갖는 제 2 또는 주변 구역(504)을 갖는다. 이러한 예에 있어서, 제 3 또는 전환(transition) 구역(506)이 제공될 수 있으며, 이는 중심 구역(502)과 주변 구역(504) 사이의 매끄러운 전환을 제공하는 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 구역들에 대한 2개의 프레넬 패턴들 또는 방정식들은, 불연속 없이 제 1 및 제 2 구역들을 함께 매끄럽게 결합하는 제 3 또는 전환 구역(506) 내의 프레넬 표면의 프로파일을 정의하는 전환 방정식 또는 함수를 제공하기 위하여 멀티플렉싱되거나, 곱해지거나 또는 달리 블렌딩될 수 있다. 중심 구역(502)과 주변 구역(504) 사이의 매끄러운 프로파일 전환을 생성하기 위하여 임의의 적절한 방법이 사용될 수 있다. 추가적으로, 일부 구현예들에 있어서, 프레넬 표면(500)은 3개 이상의(예를 들어, 3개의, 6개의, 9개의) 프레넬 패턴들 또는 방정식들에 의해 정의될 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 본원에서 논의되는 기술들은 프레넬 표면의 임의의 또는 모든 인접한 구역들 사이의 매끄러운 전환을 제공하기 위하여 사용될 수 있으며, 이는 유익하게는 이러한 구역들의 에지들에서 수차들을 감소시킨다.
도 6은 제 1 프레넬 표면(602) 및 제 2 프레넬 표면(604)을 포함하는 이중 프레넬 렌즈 엘리먼트(600)의 간략화된 좌측 섹션 입면도를 예시한다. 렌즈 엘리먼트(600)의 특징부들은 이상에서 논의된 렌즈들 중 임의의 것 내에 구현될 수 있다. 도 6에서, 제 1 프레넬 표면(602) 상의 인접한 홈들 사이의 경계들을 나타내기 위하여 해시(hash) 마스크들(606)이 도시되며, 제 2 프레넬 표면(604) 상의 인접한 홈들 사이의 경계들을 나타내기 위하여 해시 마스크들(608)이 도시된다. 프레넬 표면 상의 인접한 해시 마스크들 사이의 거리는 프레넬 표면에 대한 피치를 나타낸다. 화살표(610)는 렌즈 엘리먼트(600)를 향해 디스플레이(예를 들어, 도 3 및 도 4의 디스플레이(302))에 의해 방출되는 광에 대한 광학 축을 도시한다. 도시된 바와 같이, 제 1 프레넬 표면(602)의 프레넬 특징부들은 제 2 프레넬 표면(604)의 프레넬 특징부들로부터 오프셋 거리(D)만큼 오프셋된다. 오프셋 거리(D)는 임의의 적절한 값(예를 들어, 1/3 피치, 1/2 피치, 2/3 피치, 3/2 피치, 5/2 피치)일 수 있다. 즉, 표면들(602 및 604)의 파워는 동일할 수 있지만, 각각의 표면 상의 프레넬 패턴들의 개별적인 피치들은 중심 광학 축(610)에 대하여 서로에 대해 방사상으로 오프셋(예를 들어, 시프트)될 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 제 1 프레넬 표면(602)의 프레넬 특징부들은 제 2 프레넬 표면의 프레넬 특징부들로부터 오프셋되는 것이 아니라 제 2 프레넬 표면(604)의 프레넬 특징부들과 방사상으로 정렬될 수 있다.
도 7은, 제 1 프레넬 표면(702) 및 제 2 프레넬 표면(704)을 포함하는 이중 프레넬 렌즈 엘리먼트(700)의 간략화된 좌측 섹션 입면도를 도시한다. 렌즈 엘리먼트(700)의 특징부들은 이상에서 논의된 렌즈 엘리먼트들 중 임의의 것에 구현될 수 있다. 도 7에서, 제 1 프레넬 표면(702) 상의 인접한 홈들 사이의 경계들을 나타내기 위하여 해시 마스크들(706)이 도시되며, 제 2 프레넬 표면(704) 상의 인접한 홈들 사이의 경계들을 나타내기 위하여 해시 마스크들(708)이 도시된다. 프레넬 표면 상의 인접한 해시 마스크들 사이의 거리는 프레넬 표면에 대한 피치를 나타낸다. 화살표(710)는 렌즈 엘리먼트(700)를 향해 디스플레이(예를 들어, 도 3의 디스플레이(302))에 의해 방출되는 광에 대한 광학 축을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 프레넬 표면(702)의 프레넬 특징부들의 피치(712)는 제 2 프레넬 표면(704)의 프레넬 특징부들의 피치(714)와는 상이하다. 예를 들어, 제 1 프레넬 표면(702)은 500 μm의 피치 값(712)을 갖는 프레넬 특징부들을 가질 수 있으며, 제 2 프레넬 표면(704)은 200 μm, 550 μm, 800 μm, 1000 μm, 등의 피치 값(714)을 갖는 프레넬 특징부들을 가질 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 제 1 프레넬 표면(702)의 프레넬 특징부들의 피치는, 제 2 프레넬 표면의 프레넬 특징부들의 피치와 상이한 것이 아니라 제 2 프레넬 표면(704)의 프레넬 특징부들의 피치와 동일할 수 있다. 추가적으로, 이상에서 언급된 바와 같이, 프레넬 표면의 피치는 프레넬 표면의 반경에 걸쳐 일정할 수 있거나 또는 가변적일 수 있다. 프레넬 표면들(702 및 704)의 개별적인 피치들이 프레넬 표면들의 반경에 걸쳐 가변적인 일부 구현예들에 있어서, 특정 반경에서의 프레넬 표면(702)의 피치는 동일한 반경에서의 프레넬 표면(704)의 피치와는 상이할 수 있다.
이로써, 본 출원이 우선권을 주장하는 2016년 09월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/395,513호는 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다. 일부 실시예들에 있어서 이상에서 논의된 기능이 대안적인 방식들로 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 일부 실시예들에 있어서, 예를 들어 다른 예시된 구성들이 각기 그 대신에 이러한 기능을 결여하거나 또는 포함할 때 또는 제공되는 기능의 양이 변경될 때, 예시된 구성들은 설명된 것보다 더 적거나 또는 더 많은 기능을 제공할 수 있다. 이에 더하여, 다양한 동작들이 특정 방식 및/또는 특정 순서로 수행되는 것으로서 예시되었지만, 당업자들은 다른 실시예들에서 이러한 동작들이 다른 순서들로 그리고 다른 방식들로 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이상의 내용으로부터, 특정 실시예들이 본원에서 예시의 목적들을 위하여 설명되었지만, 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이에 더하여, 본 개시의 특정 측면들이 때때로 특정 청구항 형식들로 제공되거나 또는 어떤 경우들에 임의의 청구항들에 구현되지 않을 수도 있지만, 본 발명자들은 임의의 이용이 가능한 청구항 형식으로 본 발명의 다양한 측면들을 고려한다.

Claims (46)

  1. 마이크로 디스플레이로부터의 광을 사용자의 눈 상에 포커싱하기 위한 상기 마이크로 디스플레이와 함께 사용하기 위한 광학 시스템으로서,
    상기 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 제 1 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 상기 사용자의 눈을 향해 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 표면은 네거티브 파워(negative power)를 제공하는 오목한 형상을 포함하며 상기 제 2 표면은 네거티브 파워를 제공하는 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 포지티브 파워를 제공하는 렌즈의 연속적인 곡률(continuous curvature)을 근사화하는 홈들을 포함하는 프레넬 특징부들을 가지며, 프레넬 특징부들을 포함하는 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면의 각각에 대하여, 상기 표면 상의 상기 프레넬 특징부들 및 상기 표면의 오목한 형상은 포지티브 수차들 및 네거티브 수차들이 서로 상쇄되게끔 하는, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트; 및
    상기 마이크로 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 배치되는 제 2 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 3 표면 및 상기 사용자의 눈을 향해 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 4 표면을 포함하고, 상기 제 3 표면은 볼록한 형상을 포함하며 상기 제 4 표면은 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 3 표면 및 상기 제 4 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트를 포함하며,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 다른 것에 의해 제공되는 초점 거리와는 상이한 초점 거리를 제공하는, 광학 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 제 1 표면 및 상기 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 광학 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 제 2 표면 및 상기 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 광학 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 제 1 표면 및 상기 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 광학 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    적어도 상기 제 2 표면 및 상기 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 광학 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 3개가 프레넬 특징부들을 갖는, 광학 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 단일 프레넬 패턴에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하는, 광학 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 1 초점 거리를 제공하는 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 초점 거리를 제공하는 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함하며, 상기 제 1 초점 거리는 상기 제 2 초점 거리와는 상이한, 광학 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 상기 적어도 1개는 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함하며, 상기 제 3 구역은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이의 상기 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공하는 제 3 프레넬 패턴에 의해 획정되는, 광학 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 3 프레넬 패턴은, 상기 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱(multiplex)되거나 또는 상기 제 2 함수에 의해 곱해진 상기 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의되는, 광학 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 각각은 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함하는, 광학 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 상기 적어도 1개의 각각은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함하며, 상기 제 3 구역은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이의 상기 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공하는 제 3 프레넬 패턴에 의해 획정되는, 광학 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 3 프레넬 패턴을 나타내는 제 3 함수는, 상기 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 상기 제 2 함수에 의해 곱해진 상기 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의되는, 광학 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 구역은 중심 구역을 포함하며, 상기 제 2 구역은 상기 제 1 구역을 둘러싸는 주변 구역을 포함하는, 광학 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 렌즈 엘리먼트들은 25 mm보다 더 작은 결합된 초점 거리를 갖는, 광학 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 렌즈 엘리먼트들은 적어도 85 도인 시야를 제공하는, 광학 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 1 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함하고, 상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 제 2 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 제 1 피치 값은 상기 제 2 피치 값과는 상이한, 광학 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개의 상기 프레넬 특징부들은 상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 다른 1개의 상기 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 정렬되는, 광학 시스템.
  20. 마이크로 디스플레이와 함께 사용하기 위한 광학 시스템으로서,
    상기 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 제 1 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 표면은 오목한 형상을 포함하며 상기 제 2 표면은 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트; 및
    상기 마이크로 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 배치되는 제 2 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 3 표면 및 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 4 표면을 포함하고, 상기 제 3 표면은 볼록한 형상을 포함하며 상기 제 4 표면은 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 3 표면 및 상기 제 4 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트를 포함하며,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 하나의 프레넬 특징부들은 상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 다른 하나의 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 오프셋되고,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 다른 것에 의해 제공되는 초점 거리와는 상이한 초점 거리를 제공하는, 광학 시스템.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 엘리먼트 및 상기 제 2 렌즈 엘리먼트는 공기 간극에 의해 분리되며, 상기 공기 간극은 상기 제 1 렌즈 엘리먼트의 굴절률보다 더 작고 그리고 상기 제 2 렌즈 엘리먼트의 굴절률보다 더 작은 굴절률을 갖는, 광학 시스템.
  22. 머리 착용 디스플레이 시스템으로서,
    각기 사용자의 하나의 눈에 대한 디스플레이를 제공하는 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들의 각각은,
    마이크로 디스플레이; 및
    상기 마이크로 디스플레이로부터의 광을 사용자의 눈 상에 포커싱하기 위한 광학 시스템을 포함하며, 상기 광학 시스템은,
    상기 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 제 1 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 상기 사용자의 눈을 향해 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 표면은 네거티브 파워를 제공하는 오목한 형상을 포함하며 상기 제 2 표면은 네거티브 파워를 제공하는 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 하나는 포지티브 파워를 제공하는 렌즈의 연속적인 곡률을 근사화하는 홈들을 포함하는 프레넬 특징부들을 가지며, 프레넬 특징부들을 포함하는 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면의 각각에 대하여, 상기 표면 상의 상기 프레넬 특징부들 및 상기 표면의 오목한 형상은 포지티브 수차들 및 네거티브 수차들이 서로 상쇄되게끔 하는, 상기 제 1 렌즈 엘리먼트; 및
    상기 마이크로 디스플레이에 대해 상대적으로 원위에 배치되는 제 2 렌즈 엘리먼트로서, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 3 표면 및 상기 사용자의 눈을 향해 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 4 표면을 포함하고, 상기 제 3 표면은 볼록한 형상을 포함하며 상기 제 4 표면은 오목한 형상을 포함하고, 상기 제 3 표면 및 상기 제 4 표면 중 적어도 하나는 프레넬 특징부들을 갖는, 상기 제 2 렌즈 엘리먼트를 포함하며,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 다른 것에 의해 제공되는 초점 거리와는 상이한 초점 거리를 제공하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  23. 청구항 22에 있어서,
    적어도 상기 제 1 표면 및 상기 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  24. 청구항 22에 있어서,
    적어도 상기 제 2 표면 및 상기 제 3 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  25. 청구항 22에 있어서,
    적어도 상기 제 1 표면 및 상기 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  26. 청구항 22에 있어서,
    적어도 상기 제 2 표면 및 상기 제 4 표면이 프레넬 특징부들을 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  27. 청구항 22에 있어서,
    상기 제 1 표면, 제 2 표면, 제 3 표면 및 제 4 표면 중 적어도 3개가 프레넬 특징부들을 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  28. 청구항 22에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 상기 마이크로 디스플레이는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이를 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  29. 청구항 22에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 상기 마이크로 디스플레이는, 각기 35 mm 이하인 폭 치수 및 길이 치수를 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브 시스템들의 각각의 상기 마이크로 디스플레이는 20 μm 이하인 픽셀 크기를 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  31. 머리 착용 디스플레이 시스템으로서,
    각기 사용자의 하나의 눈에 대한 디스플레이를 제공하는 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들의 각각은,
    마이크로 디스플레이; 및
    상기 마이크로 디스플레이로부터의 광을 상기 사용자의 눈 상에 포커싱하기 위해 상기 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 렌즈 엘리먼트로서, 상기 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 상기 사용자의 눈을 향해 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 표면들은 각기 포지티브 파워를 제공하는 렌즈의 연속적인 곡률을 근사화하는 홈들을 포함하는 프레넬 특징부들을 갖는 오목한 형상을 가지며, 프레넬 특징부들을 포함하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면의 각각에 대하여, 상기 표면 상의 상기 프레넬 특징부들 및 상기 표면의 오목한 형상은 포지티브 수차들 및 네거티브 수차들이 서로 상쇄되게끔 하는, 상기 렌즈 엘리먼트를 포함하며,
    상기 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 다른 것에 의해 제공되는 초점 거리와는 상이한 초점 거리를 제공하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  33. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 1개는 단일 프레넬 패턴에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  34. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 1개는 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면 중 적어도 1개는 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함하며, 상기 제 3 구역은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이의 상기 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공하는 제 3 함수에 의해 정의되는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 제 3 함수는, 상기 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 상기 제 2 함수에 의해 곱해진 상기 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의되는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  37. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면의 각각은 제 1 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 1 구역 및 제 2 프레넬 패턴에 의해 획정되는 제 2 구역을 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  38. 청구항 37에 있어서,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면의 각각은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이에 배치되는 제 3 구역을 포함하며, 상기 제 3 구역은 상기 제 1 구역과 상기 제 2 구역 사이의 상기 제 3 구역에서 매끄러운 전환을 제공하는 제 3 함수에 의해 정의되는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  39. 청구항 38에 있어서,
    상기 제 3 함수는, 상기 제 2 프레넬 패턴을 나타내는 제 2 함수와 멀티플렉싱되거나 또는 상기 제 2 함수에 의해 곱해진 상기 제 1 프레넬 패턴을 나타내는 제 1 함수에 의해 정의되는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  40. 청구항 37에 있어서,
    상기 제 1 구역은 중심 구역을 포함하며, 제 2 구역은 상기 제 1 구역을 둘러싸는 주변 구역을 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  41. 청구항 31에 있어서,
    상기 마이크로 디스플레이는 실리콘-기반 마이크로 디스플레이를 포함하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  42. 청구항 31에 있어서,
    상기 렌즈 엘리먼트는 25 mm보다 더 작은 초점 거리를 갖는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  43. 청구항 31에 있어서,
    상기 렌즈 엘리먼트는 적어도 85 도인 시야를 제공하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  44. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면은 제 1 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 제 2 표면은 제 2 피치 값을 갖는 프레넬 특징부들을 포함하고, 상기 제 1 피치 값은 상기 제 2 피치 값과는 상이한, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  45. 청구항 31에 있어서,
    상기 제 1 표면의 상기 프레넬 특징부들은 상기 제 2 표면의 상기 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 정렬되는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
  46. 머리 착용 디스플레이 시스템으로서,
    각기 사용자의 하나의 눈에 대한 디스플레이를 제공하는 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 디스플레이 서브시스템들의 각각은,
    마이크로 디스플레이; 및
    상기 마이크로 디스플레이에 상대적으로 근접하여 배치되는 렌즈 엘리먼트로서, 상기 렌즈 엘리먼트는 상기 마이크로 디스플레이를 향한 제 1 표면 및 상기 마이크로 디스플레이로부터 멀어지도록 향한 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 표면들은 각기 프레넬 특징부들을 갖는 오목한 형상을 포함하며, 상기 제 1 표면의 상기 프레넬 특징부들은 상기 제 2 표면의 상기 프레넬 특징부들과 중심 광학 축을 따라 방사상으로 오프셋되는, 상기 렌즈 엘리먼트를 포함하며,
    상기 제 1 표면 및 제 2 표면 중 적어도 1개는 다수의 프레넬 패턴들에 의해 획정되는 프레넬 특징부들을 포함하며, 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 적어도 하나는 상기 다수의 프레넬 패턴들 중 다른 것에 의해 제공되는 초점 거리와는 상이한 초점 거리를 제공하는, 머리 착용 디스플레이 시스템.
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