KR102549397B1 - 인간 눈 해상도에 조정된 이미징 광학 기기 - Google Patents

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Abstract

디스플레이 장치는, 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이와, 하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 렌즈릿이 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템을 포함한다. 서브 이미지는 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합된다. 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소한다.

Description

인간 눈 해상도에 조정된 이미징 광학 기기
[관련 출원의 교차 참조]
본 출원은 모두 "Immersive Compact Display Glasses"에 대한 2015년 1월 21일 출원된 제62/105,905호와 2015년 8월 21일 출원된 제62/208,235호인 통상적으로 발명되고 양도된 미국 임시 특허 출원의 이익을 주장한다. 이 출원들은 모두 전문이 본 명세서에 참조로서 편입된다.
[기술 분야]
본 출원은 시각적 디스플레이에 관한 것으로, 특히 헤드 마운트 디스플레이 기술에 관한 것이다.
1. 인용된 참조 문헌
아래에서 "PCT1"이라 하는 "Immersive compact display glasses"에 대한 WO 2015/077718 (PCT/US 2014/067149).
Ismael 등에 의한 미국 특허 출원 제US2010/0277575 A1호
Mizukawa에 의한 미국 등록 특허 제5,390,047호
"Dual-lens by Sensics" http:/ /www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/ 및 http:/ /sensics.com/sample-quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase/
F. Huang, K. Chen, G. Wetzstein. "The Light Field Stereoscope: Immersive Computer Graphics via Factored Near-Eye Light Field Displays with Focus Cues", ACM SIGGRAPH (Transactions on Graphics 33, 5), 2015. ("Huang 2015")
2. 정의
클러스터(cluster): 주어진 렌즈릿(lenslet)을 통해 동공 범위(pupil range)를 조명하는 o 픽셀(opixel)의 집합. 동일한 클러스터에 속하는 o 픽셀은 서로 인접한다; 클러스터는 위상학적으로(topologically) 연결된 집합이다. 클러스터의 개수는 렌즈릿의 개수와 일치한다.
디스플레이: 이미지를 형성하도록 광을 공간적으로 변조하는 컴포넌트. 현재 이용 가능한 디스플레이는 대부분 전자적으로 동작하고, 개별 픽셀의 어레이를 생성하는 "디지털" 디스플레이이다. 디스플레이는 OLED 디스플레이와 같이 자체 발광하거나, 또는 LCD, DMD 또는 LCOS와 같은 프론트 라이트 시스템 또는 백라이트 시스템에 의해 외부적으로 조명될 수 있다. 디스플레이는 적층된 (투과형) LCD에 의해 구현된 광 필드 디스플레이(Light Field Display)(Huang 2015)이라 하는 종류일 수 있다. 사이에 분리기(separator)를 갖는 단지 2개의 적층된 LCD의 경우가 이의 두께 때문에 특히 흥미롭다. 광 필드 디스플레이는 장치의 나머지와 함께, 타당한 비용과 부피로 폭주(vergence)-원근 조절(accommodation) 충돌을 해결하는데 도움을 주는 초점 큐(focus cue)를 지원한다.
왜곡(distortion): 직선수차보정 투사(rectilinear projection)로부터의 매핑에 있어서의 편차(deviation). 왜곡은, 디지털 디스플레이 상에 중심을 둔 정사각형이 렌즈를 통해 시각화될 때 바깥을 향해 오목한 측을 갖는 형상으로서 나타나는 경우에 "바늘꽂이(pincushion)" 형이라 하고, 유사한 정사각형이 바깥을 향해 볼록한 측을 갖는 형상으로서 나타날 경우에 "배럴(barrel)" 형이라 한다.
눈 동공(eye pupil): 눈 외부로부터 보이는 눈 각막을 통한 내부 홍채 에지의 이미지. 시각적 광학 기기에서, 눈의 광학계의 입력 동공(input pupil)으로 참조된다. 이의 경계는 통상적으로 조명 레벨에 따라 3 내지 7 mm 지름의 원이다.
안구(eye sphere): 눈 회전의 대략적인 중심에 중심을 두는 구이며, 그 중심까지의 눈 동공의 평균 거리를 반지름을 갖는다(일반적으로 13 mm).
시야(field of view): 양안이 정면을 향하여 바라보며 쉬고 있을 때 눈 동공 중심으로부터 가상 스크린이 대하는 수평 및 수직의 전체 각도.
고시점(fixation point): 중심와(fovea)의 중심에서 눈에 의해 이미징되는 장면의 포인트.
중심와(fovea): 통상적으로 1.5 mm의 지름을 갖는, 망막의 가장 높은 해상도 영역. 눈에 의해 중심와 상으로 투사되는 광선의 원추의 각도 반지름은 통상적으로 2.5°이다.
응시 벡터(gaze vector): 눈 동공의 중심과 고시점을 연결하는 방향의 단위 벡터.
가상 스크린의 응시 영역(gazed region of virtual screen): 동공 범위의 합집합 내에서의 눈 동공의 모든 위치에 대한 고시점을 포함하는 가상 스크린의 영역. 이는 응시될 수 있는 모든 i 픽셀(ipixel)을 포함한다.
인간 각도 해상도(human angular resolution): 평균적인 완벽한 시력을 갖는 인간의 눈에 의해 구별 가능한 2개의 점원(point source)이 대하는 최소 각도. 각도 해상도는 주변 각도(peripheral angle)와 조명 레벨의 함수이다. 구형 각도 좌표계가 응시 벡터에서 극(pole)으로 고려되는 경우에(따라서 주변 각도는 편각(polar angle)과 일치한다), 각도 해상도는 방위각에 종속하지 않는다. 더욱이, 인간 시각 해상도는 거의 등방성(isotropic)이고, 이는 2개의 점원을 구별하는 능력이 2개의 점원을 연결하는 선의 방향에 종속하지 않는다는 것을 의미한다.
i 픽셀(ipixel): 동일한 웹(web)에 속하는 o 픽셀의 가상 이미지. 바람직하게는, 이 가상 이미지는 눈으로부터 소정의 거리(2m에서 무한대까지)에 형성된다. 또한, 이는 눈이 보는 가상 스크린의 픽셀로서 고려될 수 있다. 광 필드 디스플레이를 디스플레이로서 이용할 때, i 픽셀은 일반적으로 눈으로부터 고정된 거리에 있지 않을 것이며, 그 거리는 변동할 수 있다.
렌즈릿(lenslet): 디지털 디스플레이로부터 광을 수집하고 이를 안구로 투사하는 광학 기기 어레이의 개별 광학 장치의 각각. 렌즈릿은 o 픽셀의 연속하는 이미지를 i 픽셀로 형성하도록 설계된다. 각각의 렌즈릿은 굴절성이거나 반사성인 하나 이상의 광학 표면에 의해 형성될 수 있다. 클러스터 당 하나의 렌즈릿이 있다.
o 픽셀(opixel): 디지털 디스플레이의 물리적 픽셀. 디스플레이된 이미지에 기여하도록 조명된 활성 o 픽셀과, 절대로 조명되지 않는 비활성 o 픽셀이 있다. 활성 o 픽셀이 조명될 때, 이의 조명된 광선(ray)의 실질적인 부분이 이의 클러스터의 렌즈릿의 동공 범위 내부에서 안구에 부딪힌다. 비활성 o 픽셀이 조명되면, 이의 광선은 아마도 동공 범위 외부의 안구에 부딪힐 것이다. 비활성 o 픽셀은, 예를 들어, 디스플레이가 그 o 픽셀 위치에서 이를 기능적이게 하는 적어도 하나의 필수 하드웨어 요소(OLED 재료, 전기적 연결)가 없기 때문에 또는 이것이 소프트웨어에 의해 어드레싱될 수 없기 때문에, 물리적으로 실제로 존재하지 않을 수 있다. 비활성 o 픽셀의 사용은 전력 소비 및 관리되는 정보의 양을 줄인다.
모든 활성 o 픽셀은 단일 클러스터 및 단일 웹에 속한다.
가상 스크린의 외부 영역(outer region of virtual screen): 가상 스크린의 응시 영역에 속하지 않는 i 픽셀에 의해 형성되는 가상 스크린의 영역. 즉, 이는 0보다 더 큰 주변 각도에서만 보일 수 있는 i 픽셀에 의해 형성된다.
주변 각도(peripheral angle): 소정의 방향 및 응시 벡터에 의해 형성되는 각도.
동공 범위(pupil range): 대응하는 렌즈릿을 통해 단일 클러스터에 의해 조명되는 안구의 영역. 눈 동공이 주어진 렌즈릿의 동공 범위와 교차할 때, 이의 대응하는 클러스터에 대응하는 이미지는 망막에 투사된다. 실용적인 몰입형 설계를 위하여, 안구에서 15도의 전체 각도의 원을 포함하는 동공 범위는 충분하다. 어레이의 모든 렌즈릿에 대응하는 모든 동공 범위의 합집합은 양호하게 근사하는 구형 쉘(shell)이다. 평균적인 인간에 대한 모든 액세스 가능한 눈 동공 위치의 합집합의 경계는 대략적으로 전방 방향에 대하여 각진 60°의 수평 반축과 45°의 수직 반축을 갖는 타원이다.
직선수차보정 투사(rectilinear projection): 구형의 가상 스크린 상의 큰 원이 디스플레이 상의 직선 상에 매핑되도록 하는 o 픽셀과 i 픽셀 사이의 매핑. 직선적인 특징이 곡선이 되는 것과 반대로 직선이 되기 때문에, 이는 사진에 적용되는 전통적인 매핑이다. 디지털 디스플레이 상에서 표현되는 정사각형은 렌즈를 통해 시각화될 때 평탄한 표면 상에 정사각형으로 나타날 것이다. 또한, 이는 그노몬(gnomonic) 맵 투사 또는 핀 홀 투사로서 알려져 있다.
서브 이미지(sub-image): 가상 스크린 상에 보여질 이미지는 서브 이미지라 하는 여러 부분으로 분할된다.
웹(web): 동일한 i 픽셀의 정보를 디스플레이하는 활성 o 픽셀의 집합. 개방 렌즈릿을 통해 보이는 웹과 i 픽셀 사이에는 일대일 대응 관계가 있다. 렌즈릿 설계는 각각의 웹의 모든 o 픽셀을 그 웹의 대응하는 i 픽셀로 이미징하는 것을 목적으로 한다.
임의의 2개의 웹의 교집합은 공집합이고, 모든 웹과 비활성 영역의 합집합은 전체 디지털 디스플레이이다. 이것은 모든 활성 o 픽셀이 단일 i 픽셀 상으로 이미지화될 것이라는 것을 의미한다.
3. 종래 기술
헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display (HMD)) 기술은 빠르게 발전하는 영역이다. 헤드 마운트 디스플레이 기술의 일 양태는 완전한 몰입형 시각적 환경(가상 현실로서 설명될 수 있다)을 제공하여, 사용자는 하나 이상의 디스플레이에 의해 제공된 이미지만을 관찰할 수 있고, 외부 환경은 시각적으로 차단된다. 이러한 장치는 엔터테인먼트, 게임, 군사, 의료 및 산업과 같은 영역에서 적용예를 갖는다.
헤드 마운트 디스플레이는 통상적으로 하나 또는 2개의 디스플레이와, 디스플레이를 사용자의 눈에 의해 시각화되는 가상 스크린으로 이미징하는 이의 대응하는 광학 시스템과, 외부 환경을 시각적으로 차단하고 언급된 컴포넌트에 대한 구조적 지지를 제공하는 헬멧에 특징이 있다. 또한, 디스플레이는 디스플레이에 의해 제공된 이미지가 사용자의 움직임에 따라 변화하도록 동공 추적기(pupil tracker) 및/또는 머리 추적기(head tracker)를 가진다.
이상적인 헤드 마운트 디스플레이는 고해상도, 큰 시야, 가볍고 잘 분산된 중량 및 작은 치수의 구조를 결합한다. 일부 기술이 이러한 원하는 특징을 개별적으로 성공적으로 성취하지만, 지금까지 이 모두를 결합할 수 있었던 알려진 기술은 없었다. 이는 사용자에 대하여 불완전하거나 심지어 불편한 경험을 초래한다. 문제점은, 낮은 정도의 현실성과 눈의 스트레스(낮은 해상도 또는 광학적 이미징 품질), 몰입형 환경 형성의 실패(작은 시야), 또는 사용자의 머리에 대한 과도한 압력(과도한 중량)을 포함할 수 있다.
몰입형 가상 현실을 위한 대부분의 종래 HMD는 하나의 큰 16:9 디지털 디스플레이의 절반(다른 절반은 다른 눈을 위하여 사용된다)에 의해 방출된 광을 눈 상으로 투사하기 위하여 회전 대칭 표면을 갖는 하나의 양의 렌즈를 눈마다 사용한다. US2010/0277575 A1에, 하나의 이러한 장치에 대한 설명이 있다. HMD의 기본적인 광학적 기능은 미국 등록 특허 제5,390,047호에 설명된 것과 같은 스테레오 뷰어(stereoviewer)의 광학적 기능이다. 16:9 디지털 디스플레이의 전형적인 치수는 4 내지 6 인치(100 내지 150 mm)의 대각 길이 범위를 가지며, 따라서 각각의 눈을 위하여 사용된 절반의 디스플레이는 8:9의 다소의 정사각형 종횡비를 가진다. 회전 대칭 렌즈의 광축은 디스플레이 절반에 수직으로 설정되고, 디스플레이 절반의 기하학적 중심을 대략 통과한다. 가상 이미지의 중심(통상적으로 렌즈 광축 상에 위치된다)에서의 초점 길이는 35 mm 내지 45 mm 범위를 가진다. 렌즈는 통상적으로 색수차 및 기하학적 수차 때문에 축상(on-axis) 필드로부터 점점 멀어지는 필드에 대하여 이미지 품질의 점진적인 열화를 보인다. 왜곡에 관하여, 단일 렌즈 설계는 통상적으로 보통의 바늘꽂이 왜곡을 보인다(디지털 디스플레이로부터 가상 스크린으로 분석될 때). 또한, 이 왜곡은 가상 스크린 상의 주변부에서의 i 픽셀이 정사각형이 아니고 반경 방향으로 약간 확대된 것으로 보이는 효과를 가진다. 왜곡은 전통적으로, 배럴 왜곡을 보정하는 것으로 디지털 디스플레이의 o 픽셀 상에 이미지를 보여주어 이에 따라 가상 스크린 상의 이미지가 왜곡되지 않게 보이도록, 소프트웨어에서 이미지를 전처리하는 것을 필요로 한다.
"센식스에 의한 듀얼 렌즈(Dual-lens by Sensics)"라 불리는 종래 기술의 장치는 색수차 및 기하학적 수차를 보정하기 위하여 하나 대신에 눈 당 2개의 렌즈릿을 사용한다. 그 듀얼 렌즈 시스템은 여전히 바늘꽂이 왜곡을 보이지만, 단일 렌즈 설계에 비하여, 90도의 시야와 35 mm의 가상 스크린의 중심에서의 초점 길이를 위하여 직선수차보정 투사로부터 단지 13%의 편차로 감소되는 것이 주장된다. 이것은 전처리될 때 이미지의 더 작은 변형을 필요로 하며, 가상 스크린의 주변부에서의 i 픽셀은 반경 방향으로 단지 13% 확대되어 나타날 것이다. 또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예는 색수차와 기하학적 수차를 보정하는 2개의 렌즈를 사용하지만, 종래 기술에 비교하여, 주변 시각에서의 인간의 눈 해상도로 i 픽셀 크기를 조정하기 위하여, 바늘꽂이 왜곡은 매우 강하다(그리고 이에 따라 전처리에서 필요한 변형이다). 이것은 우리의 광학 시스템이 "Dual-lens by Sensics"에서보다 1.5배 이상인 가상 스크린의 중심에서의 초점 길이를 성취할 수 있게 하며, 이는 동일한 비율로 가상 스크린의 중심에서의 i 픽셀의 각도 크기를 감소시켜, 가상 스크린의 픽셀화(pixelation)를 상당히 감소시킨다.
본 명세서에서의 실시예들의 일부는 디지털 디스플레이로부터 눈으로 광을 투사하기 위하여 여러 렌즈릿 유닛에 의해 구성된 광학 기기를 사용한다. PCT1은 클러스터, o 픽셀 및 i 픽셀로서 이러한 실시예들에 관련된 개념을 개시한다. 도 1(이것은 PCT1의 도 3이다)은 디지털 디스플레이(107)에서 o 픽셀에 의해 생성된 복합 이미지를 형성하는 단지 4개의 클러스터(104t, 104b, 105t, 105b)를 갖는 간단한 예를 도시한다. o 픽셀은 (간결함을 위하여 여기에서는 직사각형 윤곽을 갖는 평면으로 그려진) 스크린(108) 상에서 i 픽셀의 이미지를 형성하기 위한 마이크로 렌즈 어레이 광학 기기에 의해 투사된다. 모든 o 픽셀은 단일 클러스터에 속한다(임의의 2개의 클러스터의 교집합은 공집합이며, 모든 클러스터의 합집합은 전체 디지털 디스플레이이다).
각각의 클러스터는 가상 스크린 상에 이미지의 일부를 디스플레이한다. 인접한 클러스터는 소정의 시프트를 갖는 이미지의 부분을 디스플레이한다. 이미지의 일부 부분들이 2 이상의 클러스터에 나타난다. 이것이 왜 필요한지 설명하기 위하여, 2차원의 개략도가 도 1의 상부에 추가되었다. 이것은 o 픽셀과 i 픽셀 사이의 매핑의 에지를 정의하기 위한 관련 광선을 도시한다. 이 도면에서, i 픽셀을 갖는 가상 스크린이 무한대에 위치되고, 따라서 광선(100a, 101a, 102a 및 103a)의 방향은 가상 스크린 상의 i 픽셀의 위치를 나타낸다. 도면은 간결함을 위하여 2차원적이지만, 도 1의 하부 왼쪽에서 이미지를 투사하는 실제 장치는 3차원적이며, 도 1의 상부에서의 개략도에서는 104 및 105로 표시된 2개뿐만이 아닌, 위에 2개와 아래에 2개씩 4개의 렌즈릿을 포함한다. 2차원 스킴은 o 픽셀과 i 픽셀 사이의 매핑의 수평 좌표를 설명하는데 사용되며, 유사한 추론이 수직 좌표에 적용된다.
가상 스크린의 수평의 규모는 100a로부터 103a로 연장한다. 왼쪽 클러스터(104b)에 나타난 이미지 부분은 가상 스크린(108) 상에서 수직선(100a, 102a)을 정의하는 동공 범위(106)의 에지에 도달하는 에지 광선(100a, 102a)에 의해 제공된다. 유사하게, 오른쪽 클러스터(105t, 105b)에 나타난 이미지 부분은 가상 스크린(108) 상에서 2개의 수직선을 정의하는 에지 광선(101a, 103a)에 의해 제공된다. 따라서, 101a와 102a 사이의 가상 스크린(108)의 부분은 왼쪽 클러스터와 오른쪽 클러스터 모두에 디스플레이될 것이다. 구체적으로는, 렌즈릿(104)은 가상 스크린의 에지 광선(100a, 102a)을 디지털 디스플레이(107) 상의 100b 및 102b 상으로 매핑한다. 유사하게, 렌즈릿(105)은 에지 광선(101a, 103a)을 디지털 디스플레이(107) 상의 101b 및 103b 상으로 매핑한다. 광학 설계는 클러스터가 중첩하지 않는 것을 보증하여야 하며, 이는 101b와 102b가 일치할 때 디지털 디스플레이의 최대 사용으로 성취된다. 하부 클러스터(104b, 105b)와의 상부 클러스터(104t, 105t)의 유사한 정렬이 도 1으로부터 명백하다.
클러스터에 대한 정보의 부분적인 일치 때문에, i 픽셀(ip1)이 4개의 o 픽셀(op11, op12, op13, op14)의 투사에 의해 형성된다. o 픽셀의 이 집합은 i 픽셀(ip1)의 "웹(web)"이라 한다. ip1과 같은 가상 스크린의 중심에 위치된 i 픽셀의 웹은 4개의 o 픽셀 각각을 포함한다. 그러나, 가상 스크린의 경계에 가까운 i 픽셀의 웹은 더 적은 o 픽셀을 가질 수 있다. 예를 들어, i 픽셀(ip2)의 웹은 단지 2개의 o 픽셀(op21, op22)만을 포함하며, ip3의 웹은 op31만을 포함한다.
본 개시 내용의 일 양태는, 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이와, 하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 렌즈릿이 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 서브 이미지는 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합된다. 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소한다.
다른 양태는, 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이와, 하나 이상의 렌즈릿을 포함하며, 각각의 렌즈릿이 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 서브 이미지는 눈 위치로부터 가시적인 가상 이미지를 형성하도록 결합된다. 디스플레이 장치는, 동공이 동공 범위 내에 있는 눈 위치에 눈이 있을 때, 눈의 1.5 mm 중심와(fovea) 상으로 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 적어도 하나가 포함하는 부분 가상 이미지를 생성하도록 마련되고, 가상 서브 이미지의 중심와 부분은 가상 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는다.
광학 시스템은, 자유형 렌즈릿의 활성 영역에 걸쳐 변동하는 초점 길이를 갖는 자유형 렌즈릿을 포함함으로써 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된다.
광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 큰 반경 방향 각도를 갖는 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소할 수 있다.
광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소할 수 있다.
광학 시스템의 시상(sagittal) 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소할 수 있다.
광학 시스템의 시상 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소할 수 있다.
광학 시스템은, 각각의 광선이 안구를 만나는 점에서, 안구의 반경 방향에 대하여 2.5° 미만의 주변 각도로 눈 위치에서 안구의 동공 범위의 임의의 부분을 광선이 만나는 것으로 형성되는 중심와 부분을 갖는 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련될 수 있고, 서브 이미지의 중심와 부분은 서브 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는다.
디스플레이 장치는, 동공이 동공 범위 내에 있는 눈 위치에 눈이 있을 때, 눈의 1.5 mm 중심와 상으로의 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 적어도 하나가 포함하는 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련될 수 있고, 각각의 가상 서브 이미지의 중심와 부분은 가상 서브 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는다.
디스플레이 장치는, 동공이 동공 범위 내에 있는 눈 위치에 눈이 있을 때, 눈의 망막의 1.5 mm 중심와 상으로의 눈에 의해 투사되는 중심와 가상 서브 이미지를 적어도 하나의 렌즈릿으로부터 생성하고, 중심와 밖의 망막의 부분 상으로 눈에 의해 투사된 주변 가상 서브 이미지를 적어도 하나의 다른 렌즈릿으로부터 생성하도록 마련될 수 있고, 중심와 부분 가상 이미지는 주변 부분 가상 이미지보다 더 높은 해상도를 갖는다.
디스플레이 장치는, 동공이 동공 범위 내에 있는 눈 위치에 눈이 있을 때, 눈의 1.5 mm 중심와 상으로 눈에 의해 투사되는 부분을 적어도 하나가 포함하는 부분 가상 이미지를 생성하도록 마련될 수 있고, 각각의 가상 이미지의 부분은 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는다.
적어도 하나의 렌즈릿은, 동공이 동공 범위 내에 있는 눈 위치에 눈이 있을 때, 눈의 망막의 1.5 mm 중심와 상으로 눈에 의해 투사된 중심와 부분 가상 이미지를 생성하도록 마련된 중심와 렌즈릿과, 중심와 밖의 망막의 부분 상으로 눈에 의해 투사된 주변 부분 가상 이미지를 생성하도록 마련된 주변 렌즈릿을 포함할 수 있고, 중심와 부분 가상 이미지는 주변 부분 가상 이미지보다 더 높은 해상도를 갖는다.
광학 시스템은 광학적으로 별개인 제1 서브 요소들의 제1 링을 갖는 제1 광학 요소와, 광학적으로 별개인 제2 및 제3 서브 요소들의 제2 및 제3 링을 갖는 제2 광학 요소를 포함할 수 있다. 제1 링에서의 교대하는 서브 요소들은 제2 링에서의 연속하는 서브 요소들과 각각의 렌즈릿을 형성할 수 있고, 제1 링에서의 나머지 서브 요소들은 제3 링에서의 연속하는 서브 요소들과 각각의 렌즈릿을 형성할 수 있다.
제1 및 제2 광학 요소는 두꺼운 렌즈의 대향하는 표면들일 수 있다.
또한, 임의의 전술한 양태에 따른 디스플레이 장치를 포함하고, 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 눈과 일치하도록 인간의 머리 상에 디스플레이 장치를 위치 설정하기 위한 마운트를 갖는 헤드기어가 제공된다.
헤드기어는, 제2 디스플레이 장치를 더 포함할 수 있고, 제2 디스플레이 장치는, 제2 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 제2 눈과 일치하도록 장착된다.
헤드기어의 제1 디스플레이 장치와 제2 디스플레이는 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 이들은 본질적으로 동일할 수 있거나, 또는 서로에 대하여 거울 상일 수 있다.
제1 및 제2 디스플레이 장치는 단일의 물리적인 디스플레이의 부분들일 수 있다.
전술한 양태, 특징 및 이점 및 다른 양태, 특징 및 이점은 다음의 도면과 함께 제공되는 소정의 실시예에 대한 이어지는 더 많은 특정 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 도면에서:
도 1은 i 픽셀 대 o 픽셀 매핑의 개략도이다(종래 기술).
도 2는 전형적인 인간의 눈의 각도 해상도를 주변 각도(peripheral angle)의 함수로서 도시한다.
도 3은 3개의 상이한 실시예의 매핑 함수이다. 선형, 직선수차보정형(rectilinear) 및 조정형(adapted) 매핑이 도시된다.
도 4는 도 3에서와 동일한 3개의 실시예에 대한 반경 방향 초점 길이이다.
도 5는 도 3 및 도 4에서 제공된 조정형 매핑 및 반경 방향 초점 거리를 제공하는 2 렌즈 설계의 등각 투상도이다.
도 6a는 도 5에 도시된 2 렌즈 조정형 설계의 2D 단면이다. 상이한 i 픽셀을 위한 역방향 광선이 도시되고, 눈의 중심으로 배치된 가공의 눈 동공으로부터 디스플레이를 향하여 진행한다.
도 6b는 동일한 2D 단면을 도시하지만, 도시된 광선은 눈이 전방을 향하여 응시하고 있을 때 눈 동공에 의해 캡처된 것에 대응한다.
도 7a는 우리가 안구와 o 픽셀 - i 픽셀 스퀴즈형(squeezed) 매핑을 수행하는 2개의 광학 장치를 볼 수 있는 일 실시예의 개략적인 등각 투상도이다.
도 7b는 도 7a로부터의 2개의 광학 장치의 개략적인 전면도이다.
도 8은 도 7a 및 7b로부터의 하나의 가능한 실시예의 단면이다.
도 9는 회전 및 자유형인 조정형 실시예들과 비교된 선형 매핑의 매핑 함수이다.
인간 시각 해상도는 (지름이 대략 1.5 mm인) 중심와(fovea)에서 이미징된 장면의 부분에서 피크를 가지며, 그 부분으로부터 멀리 이동함에 따라 감소한다. 도 2는 주변 각도의 함수로서 전형적인 인간의 눈의 각도 해상도를 도시한다(J.J. Kerr의 "Visual resolution in the periphery", Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971에 따름). 구형 각도 좌표계가 응시 벡터에서 극(pole)로 고려되는 경우에(따라서 주변 각도는 극 각도와 일치한다), 각도 해상도는 방위각에 종속하지 않는다. 더욱이, 인간 시각 해상도는 거의 등방성(isotropic)이고, 이는 2개의 점원(point source)을 구별하는 능력이 2개의 점원을 연결하는 선의 방향에 종속하지 않는다는 것을 의미한다.
인간의 눈 해상도가 응시 방향에 가까운 곳보다 주변 시야에서 훨씬 더 정밀하지 않기 때문에, 우리는 가상 스크린의 i 픽셀이 절대적으로 필요한 것보다 더 정밀하지 않도록(눈이 이를 인식하지 않기 때문이다) 광학 기기를 매칭하기 위하여 본 명세서에서의 임의의 실시예의 설계 조건(가상 스크린에 걸친 초점 길이 및 이미지 품질)을 조정할 수 있다.
o 픽셀로부터 i 픽셀로의 배율을 정하는 가상 스크린에 걸친 초점 길이를 조정함으로써, 우리는 i 픽셀의 크기를 가상 스크린의 응시 영역에서 더 작게 하고 가상 스크린의 다른 영역에서 더 크게 할 것이다. 이것은 가상 스크린의 응시 영역의 i 픽셀이 일정한 픽셀 크기를 갖는 시스템에서보다 더 작게 할 수 있어, 이에 따라 가상 스크린의 그 영역에서의 해상도를 나머지 부분을 실질적으로 열화시키지 않으면서 개선할 수 있으며, 이는 인간의 뇌가 주변 영역에서의 더 낮은 해상도를 자각하지 않을 것이기 때문이다. 최적 설계를 위하여, i 픽셀 크기의 제어는 인간의 해상도가 등방성이기 때문에 2차원에서 수행되어야 한다.
이미지 품질을 가상 스크린에 걸쳐 조정함으로써, 우리는 i 픽셀이 광학 기기에 의해 대략 동일하게 해상되는 구성을 성취할 수 있다. 임의의 주어진 i 픽셀에 대하여 원하는 이미지 품질은 동공 범위 내의 눈 동공의 위치에 의존할 것이고, 따라서 조정은 눈 동공 위치에 대하여 그 i 픽셀에 대한 주변 각도가 최소인 최악의 경우에 대하여 수행되어야 한다는 점에 주목하라. 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function(MTF))의 측면에서, 이 조정은 최악의 눈 동공 위치에 대한 i 픽셀의 나이퀴스트(Nyquist) 주파수에서의 MTF의 값이 이상적으로는 가상 스크린에 걸쳐 대략 동일하여야 한다는 것을 의미한다. 이 대신에, 스폿(spot)의 기하학적 크기의 측면에서, 최악의 동공 위치에서의 i 픽셀 크기에 대한 가상 스크린에서의 스폿의 각도 rms 지름의 비는 이상적으로는 가상 스크린에 걸쳐 대략 동일하여야 한다. 광학 기기가 역방향으로(디스플레이에 도달할 때까지, 눈으로부터 가상 스크린 상의 점을 향하여) 광선 추적되면, 광학 품질의 이러한 조정은 최악의 눈 동공 위치에서의 o 픽셀 크기에 대한 디스플레이에서의 스폿의 rms 지름의 비가 이상적으로는 디스플레이에 걸쳐 대략 동일하여야 한다는 것을 의미한다(초점 길이가 변동하더라도).
PCT1에서(65페이지 단락 [0309] 참조)에서, 이미지 품질이 인간 시각의 이미지 품질에 조정되는 광학 디자인의 아이디어가 소개되었지만, 초점 길이의 조정은 1차원에 그리고 극단의 주변 각도에 대하여만 한정되었다. 여기에서, 우리는 이미지 품질뿐만 아니라 가상 스크린의 전체 외부 영역에 대한 초점 길이의 조정을 1차원 및 2차원으로 매칭하기 위한 조정을 더 개발한다.
섹션 5는 반경 방향으로의 i 픽셀 크기만을 제어할 수 있는 회전 대칭 광학 기기를 이용하는 실시예를 설명할 것이고, 섹션 6은 2차원으로 i 픽셀 크기를 제어할 자유형 광학 기기(즉, 회전 대칭성이 없음)를 이용하는 실시예를 설명할 것이다.
4. 매핑 함수 및 초점 길이
본 명세서에 개시된 실시예들의 설명을 명확하게 하기 위하여, 매핑 함수와 초점 길이의 공식적인 정의가 다음에 설명된다. (ρ, φ)가 디지털 디스플레이의 점(r)에서의 극좌표라 하고, θ,
Figure 112017079996877-pct00001
가 각각 가상 스크린의 구좌표의 편각과 방위각이라 하자.
Figure 112017079996877-pct00002
= 0 및
Figure 112017079996877-pct00003
= π는 수평선을 정의한다; θ = 0는 전방 방향이라 한다. 함수
Figure 112017079996877-pct00004
는 매핑 함수라 한다. 역매핑 함수는
Figure 112017079996877-pct00005
에 의해 주어진다.
가상 스크린 방향 (θ,
Figure 112017079996877-pct00006
)에서의 반경 방향 초점 길이(frad)는
Figure 112017079996877-pct00007
이고,
Figure 112017079996877-pct00008
로 기재된다. 시상(sagittal) 초점 거리는
Figure 112017079996877-pct00009
이다. 반경 방향 또는 시상 방향과 다른 방향에 대하여, 초점 거리는
Figure 112017079996877-pct00010
로 주어지며, 여기에서 α는 반경 방향에 대하여 초점 거리가 계산되는 방향에 의해 형성된 각도이다. 초점 거리는 특정 방향으로의 매핑의 팽창 또는 수축에 대하여 알려준다. 대상과 이미지 사이의 매핑이 등각(conformal)일 때,
Figure 112017079996877-pct00011
는 α에 독립적이며, 이는 매핑 팽창 또는 축소가 등방성(isotropic)이라는 것과 동일하다. 대응하는 o 픽셀이 가상 스크린 상의 광학 시스템을 통해 보일 때 방향 α를 따른 i 픽셀의 각도의 정도는 전체 길이에 대한 물리적인 o 픽셀 지름, 즉
Figure 112017079996877-pct00012
이다. 따라서, 방향 α로의 i 픽셀 크기는 초점 길이
Figure 112017079996877-pct00013
에 반비례한다(간략함을 위하여, 여기에서 원형 o 픽셀이 고려되지만, 추론은 통상적인 정사각형 o 픽셀로 확장된다). 인간의 눈 해상도가 주변 각도에 의존하지만 양호한 근사에서 등방성이기 때문에, 해상도가 평가되는 방향 α에 종속하지 않는다. 그 다음, i 픽셀의 각도 연장은 α에 독립적인 것이 바람직하다(그렇지 않으면, 해상도는 가장 큰 각도 지름에 의해 주어질 것이다). o 픽셀의 지름이 일반적으로 α에 따라 매우 일정하기 때문에, α에 독립적인
Figure 112017079996877-pct00014
이 일반적으로 바람직하다.
이제 우리가 대칭 축이 방향 θ = 0인 회전 대칭 광학 이미징 시스템을 가지며, 이 방향은 디지털 디스플레이 상에서 점 ρ = 0에 이미징된다고 가정한다. 회전 대칭이기 때문에, 매핑 함수는 ρ가 θ에만 종속하는 것, 즉 ρ = ρ(θ)인 것이다. 반경 방향 초점 길이는
Figure 112017079996877-pct00015
이고, 시상 초점 길이는
Figure 112017079996877-pct00016
이다.
이미징 광학 기기에서의 표준 광학 시스템의 매핑은 보통
Figure 112017079996877-pct00017
인 직선수차보정 투사(rectilinear projection)이고, f는 θ = 0(가상 스크린의 중심)에서 frad = fsag와 바로 동일한 상수이다. 반경 방향 초점 길이 및 시상 초점 길이는
Figure 112017079996877-pct00018
로 일치하고, θ의 증가 함수이다. 직선수차보정 매핑(rectilinear mapping)이 사용되면, 주변부에서의 더 큰 i 픽셀 대신에 i 픽셀이 시야의 주변부를 향하여 점진적으로 더 작게 할 것이다. 가상 스크린의 응시 영역의 에지에서(θ = 20°), i 픽셀은 θ = 0에서보다 6% 더 작을 것이고, 100° 시야의 에지에서(θ = 50°), i 픽셀은 θ = 0에서보다 35% 더 작을 것이다. 이전에 설명된 바와 같이, 눈이 실제로는 이러한 에지 픽셀을 결코 응시하지 않을 것이기 때문에, 이는 유용하지 않을 것이다.
단일 렌즈 HMD는 보통 직선수차보정 매핑으로부터 벗어나고, 일부 바늘꽂이 왜곡을 제공하여, 선형 매핑 ρ(θ) = fθ에 더 가깝게 된다(여기에서, f는 다시 말해서 가상 스크린의 중심인 θ = 0에서의 frad = fsag와 동일한 상수이다). 이 매핑 함수에 대하여, 모든 θ에 대하여 frad = f이고, 증가 함수인 fsag = fθ/sinθ이다. 이 매핑에서 i 픽셀이 직선수차보정 매핑에 비하여 덜 커지는 것이더라도, 여전히 θ = 45°에서는 반경 방향으로는 동일할 것이고, 시상 방향으로는 θ = 0에서의 i 픽셀보다 11% 더 작을 것이다. 따라서, 광학 기기는, 우리의 시각 시스템이 증가를 검출하지 않으면서 i 픽셀이 θ>20°에서 점진적으로 더 크게 될 수 있다는 사실을 여전히 이용하지 않고 있다.
6. 회전 대칭 광학 기기를 이용하는 실시예
여기에서, 우리는 반경 방향 초점 길이 frad가 가상 스크린의 응시 영역 밖의 θ에 대하여 대략적으로 일정한 기울기를 갖는 감소 함수인 회전 대칭 광학 시스템을 제공하며, 따라서 i 픽셀은 적어도 반경 방향으로 상당히 더 크게 되어, 인간의 눈의 해상도에 대한 초점 길이의 더 나은 조정을 보여준다. 더욱이, 광학 시스템의 이미지 품질도 눈의 해상도로 대략 조정된다.
도 3은 선택된 조정형 실시예의 매핑 함수 ρ = ρ(θ)를 이용한 그래프(301)를 직선수차보정 매핑(302) 및 선형 매핑(303)의 매핑 함수와 함께 도시한다. 이 모두는 동일한 시야(100°), 동일한 지름(5.7", 145 mm) 및 16:9 종횡비의 디지털 디스플레이와 함께 동작하도록 설계되었다. 디스플레이의 하나의 절반이 각각의 눈에 대하여 사용되고, 따라서 (렌즈의 광축이 통과하는) 디스플레이의 절반 중심으로부터의 에지의 더 가까운 점까지의 거리는 대략 32 mm이다.
도 3에서의 3개의 곡선은 가상 스크린의 중심에 대응하는 원점(θ = 0, ρ = 0)을 통과하고, 점 (θend = 50°, ρend = 32 mm)에서 끝난다. 직선수차보정 매핑(302)은 모든 각도에 대하여 선형 매핑(303) 아래에 있고, 조정형 설계(301)의 곡선은 선형 매핑(303) 위에 있다. 결과적으로, 곡선(301)은, 선형 매핑 곡선(303)에서 발생하는 것에 비하여, 비 ρend/θend보다 큰 미분 계수를 가지면서 원점에서 시작하지만 비 ρend/θend보다 작은 미분 계수를 가지면서 점ρend, θend에서 끝난다. 이러한 미분 계수들이 단지 반경 방향 초점 길이이기 때문에(횡좌표(abscisa)가 라디안 단위로 표현될 때), 이것은 반경 방향 초점 길이를 주변부에서 더 작게(즉, 반경 방향으로 i 픽셀을 더 크게) 함으로써, 301이 가상 스크린의 중심에서 302 및 303보다 훨씬 더 큰 초점 길이(즉, 더 작은 i 픽셀)를 가질 것이라는 것을 나타낸다.
도 4는 조정형 실시예에 대응하는 401과, 직선수차보정 매핑 및 선형 매핑에 각각 대응하는 402 및 403인 4개의 매핑에 대응하는 반경 방향 초점 길이에 대한 그래프를 도시한다. 도 3에서의 곡선(301, 302, 303)이 동일한 종점을 공유하고, 도 4에서의 곡선이 단지 도 3에서의 곡선의 도함수이기 때문에, 횡축과 θ = 0 및 θ = 50°와의 곡선(401, 402, 403) 중 임의의 것에 의해 둘러싸인 면적은 동일하다.
비교로서, 표 1과 표 2는 2560 x 1400 o 픽셀 디스플레이(o 픽셀 피치 = 50 미크론)를 가정하는 여러 파라미터의 가상 스크린의 중심과 에지에서의 값을 각각 나타낸다. 선택된 파라미터는, 초점 길이, i 픽셀의 각도 크기, i 픽셀 밀도(1도 당 i 픽셀의 수) 및 가상 스크린 상의 나이퀴스트 주파수(i 픽셀의 온-오프 시퀀스의 각도 주파수)이다.
표 1에 따르면, 가상 스크린의 중심(θ = 0)에서, 조정형 실시예의 i 픽셀의 크기는 선형의 경우에 비하여 대략 1.5배 작고 직선수차보정형의 경우에 비하여 2배 이상 작은 3 arcmin이다. 불행하게도, 2560 x 1440 o 픽셀을 갖는 이러한 디지털 디스플레이에 대하여, 3 acrmin i 픽셀은 여전히 분간할 수 있지만(인간의 눈은 도 2에 표시된 바와 같이 2 arcmin을 해상하기 때문이다), 다른 2가지 매핑에 비하여 덜 분간할 수 있다.
표 2에 따르면, 가상 스크린의 에지(θend = 50°)에서, 조정형 실시예에서의 i 픽셀의 반경 방향 크기는 선형의 경우에 비하여 대략 6배 크고 직선수차보정형의 경우에 비하여 7배 큰 28 arcmin이다. 28 arcmin이 큰 값으로 보이지만, 눈이 전방을 응시할 때 주변 각도는 50°이고, 인간 시각의 해상 한계는 50 arcmin이며(도 2 참조), 따라서 해상도의 거침(coarseness)은 보이지 않을 것이다. 그러나, 선택된 설계 조건이 전방을 향하는 눈이 아니고, 눈이 θ = 20°로 회전할 때의 가상 스크린의 보통의 응시 영역의 에지이다. 그러면, 주변 각도는 50 - 20 = 30°가 되고, 도 2에 따르면, 인간 시각 해상도는 조정형 실시예의 28 arcmin에 가까운 30 arcmin이다.
[표 1] 가상 스크린의 중심(θ = 0)에서의 2560 x 1440 픽셀을 갖는 5.7"(145 mm) 디스플레이에 대한 결과에 따른 파라미터의 비교
Figure 112017079996877-pct00019
[표 2] 가상 스크린의 에지( θ end = 50°)에서의 2560 x 1440 픽셀을 갖는 5.7"(145 mm) 디스플레이에 대한 결과에 따른 파라미터의 비교
Figure 112017079996877-pct00020
시상 초점 길이
Figure 112017079996877-pct00021
(도 4에는 도시되지 않음)는 이 회전 대칭 설계에서 반경 방향 초점 길이만큼 감소되지 않는다. 특히, 가상 스크린의 에지에서,
Figure 112017079996877-pct00022
이고, 따라서 주변 영역에서의 i 픽셀은 이 조정형 설계에서 반경 방향으로 강하게 신장된다. 섹션 7에서 개시된 바와 같이, 양 초점 길이가 더 가까운 길이를 취할 수 있기 때문에, 회전 대칭을 깨는 것만이 조정형 해상도를 완전히 이용할 수 있다.
비구면의 개수가 충분하다고 가정하면(바람직하게는 4 이상), 조정형 매핑 곡선(301)은, 다수의 회전 대칭 광학 표면을 이용하는 시스템으로 실현될 수 있다. 표면의 개수가 증가될 때, 자유도가 더 커지고 조정은 더 양호하게 성취되며, 더 적은 표면을 갖는 설계는 더 제한된 광학 성능 및 이에 따른 덜 뚜렷한 매핑(301)의 기울기를 가질 수 있다.
본 명세서가 특정 광학 구성에 제한되지 않지만, 2개의 렌즈로 이루어진 특정 예가 다음에 개시될 것이다. 도 5는 도 3 및 도 4에서 주어진 조정형 매핑 및 반경 방향 초점 거리를 제공하는 2 렌즈 설계의 사시도를 도시한다. 굴절 렌즈(503, 504)에 의해 구성된 각각의 렌즈 쌍은 각각의 눈(501)과 디스플레이(502) 사이에 배치된다. 디스플레이의 각각의 절반(중심선(505)으로 분할됨)은 눈과 함께 작동한다. 이 설계에 사용되는 16:9 디스플레이의 특정 치수 때문에(5.7"(145 mm)의 대각 길이), 평균 표준 동공간 거리에 대한 각각의 눈의 중심은 디스플레이(506)의 각각의 절반의 중심과 정렬된다.
도 6a는 2 렌즈 조정형 설계의 2D 단면이며, 눈(601), 디스플레이(602) 및 양 렌즈(603, 604)의 프로파일을 도시한다. 관념적인 눈 동공(605)(기하 구조를 단순화하기 위하여 눈의 중심에 배치됨)으로부터 디스플레이를 향하여 진행하며, 상이한 i 픽셀에 대하여 상이한 o 픽셀에 부딪히는 상이한 i 픽셀에 대한 역방향 광선이 도시된다. 이 눈 동공(605)은 눈이 회전하고 있는 동안 응시될 때 i 픽셀의 성능을 시뮬레이션할 수 있게 하고, 이 응시된 i 픽셀들은 이에 따라 성능이 최상이 되어야 하는 i 픽셀이다. 도 6a에서의 경우에 대한 광선 추적 시뮬레이션 결과는 눈이 i 픽셀을 응시하고 있을 때 디스플레이에 부딪히는 역방향 광선의 다색 rms 스폿 지름이 가상 스크린의 보통의 응시 영역의 정도인 θ = 0에서 θ = 20°까지 10 내지 50 미크론 범위에 있다는 것을 나타낸다(즉, 이전의 예의 50 미크론 o 픽셀 피치보다 더 작다).
도 6b는 동일한 2D 단면이지만, 도시된 광선은 눈이 전방을 향해 응시하고 있을 때 눈 동공에 의해 캡처되는 것에 대응한다. 이 광선들의 이미지 품질은, 감소하는 인간 눈 해상도에 의해 허용되는 바와 같이, 주변 각도가 증가할 때 점차 완화될 수 있다.
도 6a 및 6b에서 알 수 있는 바와 같이, 실제 동공(양호한 조명에서 단지 대략 3 mm의 통상적인 지름을 가짐)이 광선이 안구를 만나는 점에 있는 경우에만 임의의 광선이 입사할 것이다. 광선이 동공을 만나는 점에서 광선이 안구(601) 대하여 대략 방사상이면, 광선은 중심와에 도달할 것이다. 광선이 동공을 만나는 점에서 광선이 구에 비스듬하면, 광선은 주변 망막에 도달할 것이다. 대략적으로 응시 방향이 동공 중심을 통과하는 반지름이기 때문에, 역시 대략 2.5도인 주변 각도에 대응하는 대략 2.5도의 입사 각도는 중심와 광선의 한계로서 취해질 수 있다. 도 6a에서의 "가상 동공"(605)을 참조하라. 응시가 변경되면, 동공이 이동할 것이고, 새로운 동공 위치에 떨어지는 상이한 번들(bundle)의 광선이 눈에 입사할 것이며, 동일한 고려가 상이한 번들에 적용될 수 있다. 따라서, 렌즈(603, 604)의 광학 시스템의 이미지 품질이 거의 방사상 광선에 대하여 가장 큰 것을 보장함으로써, 응시 방향의 이동을 추적하고 디스플레이(602) 상의 실제 이미지 또는 광학 기기를 능동적으로 조정하지 않으면서도, 가장 높은 이미지 선명도(definition)가 중심와 상으로 항상 투사되는 것이 보장될 수 있다.
도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 동일한 o 픽셀로부터의 상이한 광선이 렌즈(603, 604)의 상이한 점을 통과하여 눈(601)의 동공 범위의 상이한 부분에 떨어진다. 각각의 광선이 안구(601)를 만나는 입사 각도는 광선이 안구(601)를 만나는 점에 밀접하게 종속하고, 또한 광선이 렌즈(603, 604)의 광학 표면을 만나는 점에 밀접하게 관련된다. 따라서, 렌즈(603, 604)의 적합한 설계에 의해, 각각의 광선 번들에 대한 이미지 품질은 광선이 안구를 만나는 입사 각도에 매우 상관될 수 있고, 이에 따라 중심와 광선이 선명한 초점을 위하여 선발될 수 있다. 특히, 도 6b에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 대부분의 주변 광선은 렌즈(603)의 외부 부분을 통과하고, 이는 이에 따라 가장 낮은 이미지 품질을 갖도록 성형될 수 있다.
렌즈의 축대칭 비구면의 프로파일은 다음의 표준 방정식에 잘 피팅될 수 있다:
Figure 112017079996877-pct00023
여기에서 a0는 광축을 따르는 꼭지점 위치(디스플레이로부터 측정됨)이고, k는 원추 상수(conic constant)이고, δ = 1/R이고, R은 정점(apex)에서의 반지름이고, g 2 i+4는 포브스 Q-con 다항식 Q i con 의 계수이다(Forbes, Shape specification for axially symmetric optical surfaces, Optics Express, Vol. 15, Issue 8, pp. 5218-5226 (2007)). 예를 들어, 무차원의 k와 mm-1 단위의 δ를 제외하고 모두 mm 단위인 도 6a에서의 렌즈에 대한 이 피팅 파라미터의 특정 값이 다음의 표 3에 주어지며, 표면들은 광선이 디스플레이로부터 눈으로의 전파에서 광선이 부딪히는 시퀀스로 S1 내지 S4로 순서가 매겨진다. 눈이 전방으로 응시하고 있을 때 디스플레이로부터 눈 동공까지의 거리는 64.94 mm이다. 좌표계의 z 축은 눈으로부터 디스플레이로 향하고 있으며, 원점은 z 축의 디스플레이와의 교점에 있다. 렌즈 재료는 렌즈(604)에 대하여 PMMA(polymethyl methacrylate)이고, 렌즈(603)에 대하여 PS(polystyrene)이다.
[표 3]
Figure 112017079996877-pct00024
Figure 112017079996877-pct00025
7. 자유형( freefrom ) 광학 기기를 이용하는 실시예
회전 광학 기기를 이용하는 이전 실시예에서, i 픽셀의 배율 조정은 반경 방향에 한정된다. 본 섹션에서는, 우리는 2차원으로 i 픽셀 크기를 제어할 수 있는 자유형 광학 기기를 이용하는 실시예를 개시한다.
이 문제를 극복하기 위하여, 우리는 비이미징(nonimaging) 설계에 적용되었고 Juan C. Minano 등에 의한 특허 US 8,419,232에서 대체로 설명된 에탕듀 스퀴징(etendue squeezing) 기술에 기초하는 새로운 실시예를 제안한다. 도 7a는 우리가 안구(701)와, 일반적으로 렌즈 표면, 양면 렌즈 또는 임의의 다른 광학 장치일 수 있는 광학 장치(702, 703)를 볼 수 있는 실시예의 사시도이다. 디스플레이는 도면에서 명료함을 위하여 도시되지 않았지만, 703에서 식별되는 것과 같은 섹터(sector)가 또한 클러스터로서 식별된다. 광학 장치(702, 703)는 함께 작동하는 중심 영역(714, 715)을 제공하며, 양 장치의 나머지 부분은 섹터로 분할된다. 702에 속하는 섹터들은 외부 링을 따라 분포되고, 703의 섹터들은 2개의 상이한 외부 링을 따라 분포된다. 702의 섹터들의 시상 방향으로의 각도 규모는 703의 섹터들의 시상 방향으로의 각도 규모의 절반이다. 한편, 702의 섹터들의 접선 방향으로의 각도 규모는 703의 섹터들의 접선 방향으로의 각도 규모의 2배이다. 이 방식으로, 섹터들은 편리하게 테셀레이션되고(tessellate), 클러스터도 디지털 디스플레이 상에서 편리하게 테셀레이션된다.
도 7b는 양 광학 장치(702, 703)의 전면도를 도시하며, 이들이 쌍으로 작동하도록 어떻게 배열되는지 설명하기 위하여 5개의 섹터가 강조되었다. 이러한 방식으로, 장치(702)의 섹터들(704, 705, 706, 707, 708)은 각각 장치(703)의 섹터들(709, 710, 711, 712, 713)과 함께 작동한다. 눈으로부터의 심각한 갭이 보이지 않는 것을 보장하기 위하여 섹터들(704 내지 708)이 테셀레이션되어야 하지만, 마이크로렌즈(709 내지 713)는 갭을 보일 수 있다(따라서, 도 7b에서 709 내지 713으로 나타낸 영역은 단지 섹터들이 차지할 수 있는 최대 영역이다).
도 8은 도 7a에서의 실시예의 가능한 실현예의 단면을 도시하며, 광학 장치(702, 703)의 각각은 두꺼운 렌즈의 각각의 자유형 표면으로서 이루어진다. 따라서, 표면(702)의 섹터들(704, 705, 706, 707, 708)은 각각 표면(703)의 섹터들(709, 710, 711, 712, 713)과 함께 작동하여, 렌즈릿(704 - 709, 705 - 710 등)을 형성한다. 도 8은 디스플레이(801), 눈(802) 및 이러한 두꺼운 렌즈의 3개의 렌즈릿(모든 다른 주변 렌즈릿은 도시된 3개의 렌즈릿 중 하나에 대한 회전에 의해 포개 놓일 수 있다).
중심의 제1 렌즈릿은 중심 축(813)에 대하여 회전 대칭이고, 이의 단면 프로파일(811, 812)은 도 7a 및 7b에서의 중심 영역(714, 715)에 대응한다. 제2 렌즈릿은 평면에 대하여 회전 대칭인 자유형 렌즈릿이고, 도 7a 및 7b에서의 섹터(705, 710)에 대응한다. 도 8에서의 선(809, 808)은 도 8에서의 축(813)과 도 7b에서의 선(717)을 포함하는 이의 대칭 평면에서의 단면 프로파일이다. 제3 렌즈릿도 자유형이며, 다른 평면에 대하여 대칭이고, 도 7a 및 7b에서의 섹터(708, 713)에 대응한다. 도 8에서의 선(806, 807)은 도 8에서의 축(813)과 도 7b에서의 선(716)을 포함하는 이의 대칭 평면에서의 단면 프로파일이다. 제2 및 제3 렌즈릿의 프로파일이 공면형(coplanar)이 아니고, 본 설명만을 위하여 도 8에 함께 묘사된다는 점을 주목하라. 그 외에, 광선 궤적은 본 설명에서 광이 눈으로부터 디지털 디스플레이로 이동하도록 역방향이 될 것이다.
역방향 광선(810)은 렌즈의 중심 부분(812, 811)을 통해 눈으로부터 이동하고, 디스플레이(801)의 중심 부분에 부딪힌다. 한편, 광선(803, 804)의 역방향 팬(fan)은 렌즈의 주변 부분(806-807 및 808-809)을 통해 투과되어 디스플레이(805)의 외부 영역에 부딪힌다. 광선 팬(804)(파선으로 도시됨)은 파선으로 나타낸 표면(808)에, 그리고 그 다음 파선으로 나타낸 표면(809)에 부딪히고, 디스플레이로 향하게 된다. 한편, 광선 팬(803)(실선으로 도시됨)은 표면(806)에, 그리고 그 다음 표면(807)에 부딪히고, 디스플레이로 향하게 된다. 표면(808-809) 쌍은 표면(806-807) 쌍보다 더 작은 주변 각도로 역방향 광선을 수집한다는 점을 주목하라.
여기에서 설명된 바와 같은 클러스터와 렌즈릿의 테셀레이션은 시상 초점 길이가 회전 해결 방안에 비하여 감소될 수 있게 하며, 가상 스크린의 중심에서 더 큰 반경 방향 초점 길이를 성취할 여지를 제공한다. 도 9는 이를 도시하며, 이 자유형 실시예의 매핑 함수(901)의 개략적인 곡선을 대칭 평면을 따라 도시한다. 섹션 θ = 0 - 25°는 회전 대칭 렌즈릿(714, 715)에 대응한다. θ = 25°- 37.5°로부터의 곡선(901) 부분은 도 8에 도시된 광선 팬(804)에 대응하고, 디지털 디스플레이의 에지에 도달한다(16:9, 5.7" 예에 대하여, 31.75 mm에서). θ = 37.5° - 50°로부터의 그 곡선(901)의 마지막 부분은 도 8에 도시된 광선 팬(803)에 대응하고(전술한 바와 같이, 실제로는 804와 공면형이 아니다), 역시 디지털 디스플레이의 에지에 도달한다. 비교를 위하여, 섹션 6의 선형 매핑 함수(902) 및 회전 대칭 매핑 함수(903)에 대응하는 곡선들도 도시된다. 가상 스크린의 중심(더 큰 기울기)에서의 큰 초점 길이(선택된 예에서는 70.5 mm)가, 위에서 설명된 바와 같이, 스퀴즈형 매핑 기술을 통해 시상 방향으로 i 픽셀 크기를 신장함으로써 획득된다. 매핑 스퀴징은 그 각도 범위에서의 회전 조정형 설계에서와 같이 각도 범위 θ = 25° - 50°에서 동일한 기울기를 유지할 수 있게 한다.
도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 곡선(901)은 렌즈릿들 사이에서 불연속일 수 있지만, 불연속성이 잘 설계되면, 곡선의 경사도는 곡선 자체가 그러하지 않더라도 연속일 수 있다. 광선 팬(804, 803) 사이의 경계에 대응하는 계단은, 적어도 이상적인 경우에, 이것이 불연속점이며 음의 기울기의 세그먼트가 아니라는 것을 강조하기 위하여 도 9에서 점선으로 도시된다. 이상적인 것, 예를 들어 렌즈릿들의 첨점부(cusp)의 라운딩(rounding)으로부터의 임의의 출발은 바람직하게는 최소로 유지되며, 이는 이것이 광선이 원하지 않은 방향으로 흩어지고 이미지 품질을 악화시킬 수 있는 위치를 나타내기 때문이다.
특정 예가 설명되었지만, 본 발명을 실시하는 것의 현재 고려되는 형태에 대한 이전의 설명은 한정적인 의미로 취급되어서는 안 되며, 본 발명의 소정의 일반적인 원리를 설명하는 목적으로만 이루어졌다. 설명된 특정의 실시예들로부터 변형이 가능하다. 유익하게는 전술한 교차 참조된 특허 및 특허 출원은 본 출원의 교시 내용과 결합될 수 있는 시스템과 방법을 설명한다. 특정의 실시예들이 설명되었지만, 통상의 기술자는 상이한 실시예들의 특징들이 어떻게 결합될 수 있는지 이해할 것이다.
본 발명의 완전한 범위는 청구항을 참조하여 결정되어야 하며, 임의의 2 이상의 청구항은 결합될 수 있다.

Claims (23)

  1. 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이; 및
    하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 상기 렌즈릿이 상기 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 상기 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템
    을 포함하고,
    상기 서브 이미지는 상기 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합되고,
    상기 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하고,
    상기 광학 시스템의 시상(sagittal) 초점 길이는 상기 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 시상 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    동공이 동공 범위 내에 있는 상기 눈 위치에 눈이 있을 때, 상기 눈의 1.5 mm 중심와(fovea) 상으로의 상기 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 적어도 하나가 포함하는 가상 서브 이미지를 생성하도록 상기 디스플레이 장치가 마련되고, 각각의 상기 가상 서브 이미지의 상기 중심와 부분은 상기 가상 서브 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는,
    디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    동공이 동공 범위 내에 있는 상기 눈 위치에 눈이 있을 때, 상기 눈의 망막의 1.5 mm 중심와 상으로의 상기 눈에 의해 투사되는 중심와 가상 서브 이미지를 적어도 하나의 상기 렌즈릿으로부터 생성하고, 상기 중심와 밖의 상기 망막의 부분 상으로 상기 눈에 의해 투사된 주변 가상 서브 이미지를 적어도 하나의 다른 상기 렌즈릿으로부터 생성하도록 상기 디스플레이 장치가 마련되고, 상기 중심와 가상 서브 이미지는 상기 주변 가상 서브 이미지보다 더 높은 해상도를 갖는,
    디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 광학적으로 별개인 제1 서브 요소들의 제1 링을 갖는 제1 광학 요소와, 광학적으로 별개인 제2 및 제3 서브 요소들의 제2 및 제3 링을 갖는 제2 광학 요소를 포함하고, 상기 제1 링에서의 교대하는 서브 요소들은 상기 제2 링에서의 연속하는 서브 요소들과 각각의 렌즈릿을 형성하고, 상기 제1 링에서의 나머지 서브 요소들은 상기 제3 링에서의 연속하는 서브 요소들과 각각의 렌즈릿을 형성하는,
    디스플레이 장치.
  8. 제7항 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 요소는 두꺼운 렌즈의 대향하는 표면들인,
    디스플레이 장치.
  9. 제1항의 디스플레이 장치를 포함하는 헤드기어에 있어서,
    상기 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 눈과 일치하도록 인간의 머리 상에 상기 디스플레이 장치를 위치 설정하기 위한 마운트를 갖는,
    헤드기어.
  10. 제9항에 있어서,
    제2 디스플레이 장치를 더 포함하고, 상기 제2 디스플레이 장치는, 상기 제2 디스플레이 장치의 눈 위치가 상기 인간의 제2 눈과 일치하도록 장착되는,
    헤드기어.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치와 상기 제2 디스플레이는 실질적으로 동일한,
    헤드 기어.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치의 상기 디스플레이와, 상기 제2 디스플레이 장치의 상기 디스플레이는 단일 디스플레이의 부분들인,
    헤드 기어.
  13. 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이; 및
    하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 상기 렌즈릿이 상기 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 상기 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템
    을 포함하고,
    상기 서브 이미지는 상기 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합되고,
    상기 광학 시스템은, 동공이 동공 범위 내에 있는 상기 눈 위치에 눈이 있을 때, 상기 눈의 1.5 mm 중심와(fovea) 상으로의 상기 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 적어도 하나가 포함하는 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련되고, 상기 가상 서브 이미지의 상기 중심와 부분은 상기 가상 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖고,
    상기 광학 시스템은, 각각의 광선이 안구를 만나는 점에서, 상기 안구의 반경 방향에 대하여 2.5° 미만의 주변 각도로 상기 눈 위치에서 상기 안구의 동공 범위의 임의의 부분을 광선이 만나는 것으로 형성되는 중심와 부분을 갖는 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련되고, 상기 서브 이미지의 중심와 부분은 상기 서브 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖는,
    디스플레이 장치.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광학 시스템은, 자유형 렌즈릿의 활성 영역에 걸쳐 변동하는 초점 길이를 갖는 자유형 렌즈릿을 포함함으로써 상기 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련되는,
    디스플레이 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 반경 방향 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  18. 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이; 및
    하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 상기 렌즈릿이 상기 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 상기 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템
    을 포함하고,
    상기 서브 이미지는 상기 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합되고,
    상기 광학 시스템은, 동공이 동공 범위 내에 있는 상기 눈 위치에 눈이 있을 때, 상기 눈의 1.5 mm 중심와(fovea) 상으로의 상기 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 적어도 하나가 포함하는 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련되고, 상기 가상 서브 이미지의 상기 중심와 부분은 상기 가상 이미지의 주변 부분보다 더 높은 해상도를 갖고, 상기 광학 시스템의 시상(sagittal) 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 영역에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 시상 초점 길이는, 전방을 향하는 방향으로부터 20°보다 더 큰 반경 방향 각도를 갖는 상기 가상 이미지의 실질적으로 모든 점에서 증가하는 반경 방향 각도에 따라 감소하는,
    디스플레이 장치.
  20. 제13항의 디스플레이 장치를 포함하는 헤드기어에 있어서,
    상기 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 눈과 일치하도록 인간의 머리 상에 상기 디스플레이 장치를 위치 설정하기 위한 마운트를 갖는,
    헤드기어.
  21. 제20항에 있어서,
    제2 디스플레이 장치를 더 포함하고, 상기 제2 디스플레이 장치는, 상기 제2 디스플레이 장치의 눈 위치가 상기 인간의 제2 눈과 일치하도록 장착되는,
    헤드기어.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치와 상기 제2 디스플레이는 실질적으로 동일한,
    헤드 기어.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치의 상기 디스플레이와, 상기 제2 디스플레이 장치의 상기 디스플레이는 단일 디스플레이의 부분들인,
    헤드 기어.
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