KR102576133B1 - 회절 광학 엘리먼트들을 이용한 눈-이미징 장치 - Google Patents
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Abstract
회절 광학 엘리먼트들을 사용하는 눈-이미징 장치의 예들이 제공된다. 예컨대, 광학 디바이스는, 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판, 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치된 제1 커플링 광학 엘리먼트, 및 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치되고 제1 커플링 광학 엘리먼트와 오프셋되는 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함한다. 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR(total internal reflection)시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성될 수 있고, 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 편향시키도록 구성될 수 있다. 눈-이미징 장치는 증강 또는 가상 현실 디스플레이와 같은 머리-장착 디스플레이에서 사용될 수 있다.
Description
[0001] 본 출원은, 2017년 3월 21에 출원되고 발명의 명칭이 "EYE-IMAGING APPARATUS USING DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS"인 미국 가특허 출원 번호 제62/474,419호를 우선권으로 주장하며, 이로써, 이 출원의 내용들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 본 개시내용은 가상 현실 및 증강 현실 이미징 및 시각화 시스템들에 관한 것으로서, 특히, 카메라 조립체에 광을 지향시키기 위해 커플링 광학 엘리먼트들을 사용하여 눈의 이미지들을 획득하기 위한 콤팩트한 이미징 시스템들에 관한 것이다.
[0003] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 용이하게 했으며, 여기서 디지털방식으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실, 또는 "MR" 시나리오는 AR 시나리오의 타입이고 통상적으로 자연 세계에 통합되고 이에 응답하는 가상 객체들을 수반한다. 예컨대, MR 시나리오에서, AR 이미지 콘텐츠는 실세계의 객체들에 의해 차단되거나, 그렇지 않으면, 실세계의 객체들과 상호작용하는 것으로 지각될 수 있다.
[0004] 도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(scene)(10)이 도시되며, 여기서 AR 기술의 사용자는 배경에 있는 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 콘크리트 플랫폼(30)을 특징으로 하는 실세계 공원-형 세팅(20)을 본다. 이들 아이템들에 더하여, AR 기술의 사용자는 또한, 그가 "가상 콘텐츠", 이를테면, 실세계 플랫폼(30) 상에 서 있는 로봇 동상(40), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화-형 아바타 캐릭터(50)를 "보는 것"을 지각하지만, 이들 엘리먼트들(40, 50)은 실세계에 존재하지 않는다. 인간 시각 지각 시스템은 복잡하기 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고, 자연스럽고, 풍부한 프리젠테이션을 용이하게 하는 AR 기술을 생성하는 것은 난제이다.
[0005] 본원에서 개시된 시스템들 및 방법들은 AR 및 VR 기술에 관련된 다양한 난제들을 해결한다.
[0006] 첨부된 청구항들의 범위 내의 방법들 및 장치의 다양한 구현들 각각은 수개의 양상들을 가지며, 그 양상들 중 어떠한 단일 양상도 본 명세서에 설명된 바람직한 속성들을 단독으로 담당하지 않는다. 첨부된 청구항들의 범위를 제한하지 않으면서, 몇몇 주요 특성들이 본 명세서에 설명된다.
[0007] 본 개시내용의 일 양상은 객체를 직시(directly view)하지 않는 카메라 조립체로 객체를 이미징하는 것을 제공한다. 따라서, 본원에서 설명된 실시예들에 따른 광학 디바이스들은, 객체를 직시 포지션에 있는 것처럼 객체의 이미지를 캡처하도록 객체로부터 축외 카메라 조립체(off-axis camera assembly)로 광을 지향시키도록 구성된다.
[0008] 일부 실시예들에서, 축외 카메라 조립체를 사용하여 객체의 이미지를 획득하기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들이 개시된다. 일 구현에서, 광학 디바이스가 개시되며, 이 광학 디바이스는, 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판, 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치된 제1 커플링 광학 엘리먼트, 및 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치되고 제1 커플링 광학 엘리먼트와 오프셋되는 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR(total internal reflection)시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성될 수 있다. 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트 중 적어도 하나는 복수의 회절 피처들을 포함한다.
[0009] 일부 실시예들에서, 축외 카메라 조립체를 사용하여 객체의 이미지를 획득하기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들이 개시된다. 일 구현에서, 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 HMD(head mounted display)가 개시되며, 이 HMD는, 프레임; 한 쌍의 광학 엘리먼트들의 각각의 광학 엘리먼트가 사용자의 눈 전방에 배치될 수 있도록 프레임에 의해 지지되는 한 쌍의 광학 엘리먼트들; 및 이미징 시스템을 포함할 수 있다. 이미징 시스템은, 프레임에 장착된 카메라 조립체; 및 카메라 조립체로 광을 지향시키기 위한 광학 디바이스를 포함할 수 있다. 광학 디바이스는, 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판, 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치된 제1 커플링 광학 엘리먼트, 및 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치되고 제1 커플링 광학 엘리먼트와 오프셋되는 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성될 수 있다. 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성될 수 있다.
[0010] 일부 실시예들에서, 축외 카메라 조립체를 사용하여 객체의 이미지를 획득하기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들이 개시된다. 일 구현에서, 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판을 포함할 수 있는 이미징 시스템이 개시된다. 기판은, 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치된 제1 회절 광학 엘리먼트, 및 기판의 근위 및 원위 표면들 중 하나 상에 배치되고 제1 커플링 광학 엘리먼트로부터 오프셋되는 제2 회절 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 제1 회절 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성될 수 있다. 제2 회절 광학 엘리먼트는 거기에 입사되는 광을 기판 밖으로 비스듬히 편향시키도록 구성될 수 있다. 이미징 시스템은 또한 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 이미징하기 위한 카메라 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 회절 광학 엘리먼트 및 제2 회절 광학 엘리먼트는, 축외 DOE(diffractive optical element), 축외 회절 격자, 축외 DOE(diffractive optical element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element), 또는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating), 핫 미러(hot mirror), 프리즘, 또는 장식 렌즈의 표면 중 적어도 하나를 포함한다.
[0011] 일부 실시예들에서, 축외 카메라 조립체를 사용하여 객체의 이미지를 획득하기 위한 시스템들, 디바이스들 및 방법들이 개시된다. 방법은 이미징될 객체 전방에 이미징 시스템을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이미징 시스템은 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 각각 배치되고 서로 오프셋된 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함할 수 있는 기판을 포함할 수 있다. 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성될 수 있다. 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 방법은 또한, 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 수신하도록 배향된 카메라 조립체로 광을 캡처하는 단계, 및 캡처된 광에 기초하여 객체의 축외 이미지를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
[0012] 실시예들 중 임의의 것에서, 기판의 근위 표면 및 원위 표면은 서로 평행할 수 있다(그러나 반드시 그럴 필요는 없음). 예컨대, 기판은 웨지(wedge)를 포함할 수 있다.
[0013] 본 명세서에서 설명되는 청구 대상의 하나 이상의 구현들의 세부사항들은, 아래의 첨부 도면들 및 설명에서 기술된다. 다른 특징들, 양상들, 및 이점들은 설명, 도면들, 및 청구항들로부터 명백해질 것이다. 이 개요 또는 다음의 상세한 설명 어느 것도, 본 발명의 청구 대상의 범위를 한정하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[0014] 도 1은 AR(augmented reality) 디바이스를 통한 AR의 사용자의 뷰를 예시한다.
[0015] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0016] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0017] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0018] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0019] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0020] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0021] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다.
[0022] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0023] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0024] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0025] 도 10a 및 도 10b는 커플링 광학 엘리먼트 및 눈을 추적하기 위한 카메라 조립체를 포함하는 예시적인 이미징 시스템들을 개략적으로 예시한다.
[0026] 도 11은 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0027] 도 12a는 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0028] 도 12b는 도 12a의 이미징 시스템을 사용하는 객체의 예시적인 이미지이다.
[0029] 도 13a 및 도 13b는 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0030] 도 14a 내지 도 18은 객체를 이미징하기 위한 이미징 시스템들의 몇몇 예시적인 어레인지먼트들을 개략적으로 예시한다.
[0031] 도 19는 축외 카메라를 사용하여 객체를 이미징하기 위한 방법의 예의 프로세스 흐름도이다.
[0032] 도면들 전체에 걸쳐, 참조 번호들은 참조된 엘리먼트들 사이의 대응성(correspondence)을 표시하는 데 재사용될 수 있다. 도면들은 본원에서 설명된 예시적인 실시예들을 예시하기 위해 제공되며 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
[0015] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0016] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0017] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0018] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0019] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0020] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0021] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다.
[0022] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0023] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0024] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0025] 도 10a 및 도 10b는 커플링 광학 엘리먼트 및 눈을 추적하기 위한 카메라 조립체를 포함하는 예시적인 이미징 시스템들을 개략적으로 예시한다.
[0026] 도 11은 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0027] 도 12a는 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0028] 도 12b는 도 12a의 이미징 시스템을 사용하는 객체의 예시적인 이미지이다.
[0029] 도 13a 및 도 13b는 카메라 조립체에서 객체를 이미징하기 위해 기판을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0030] 도 14a 내지 도 18은 객체를 이미징하기 위한 이미징 시스템들의 몇몇 예시적인 어레인지먼트들을 개략적으로 예시한다.
[0031] 도 19는 축외 카메라를 사용하여 객체를 이미징하기 위한 방법의 예의 프로세스 흐름도이다.
[0032] 도면들 전체에 걸쳐, 참조 번호들은 참조된 엘리먼트들 사이의 대응성(correspondence)을 표시하는 데 재사용될 수 있다. 도면들은 본원에서 설명된 예시적인 실시예들을 예시하기 위해 제공되며 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
개요
[0033] HMD(head mounted display)는 다양한 목적으로 착용자의 눈들의 상태에 대한 정보를 사용할 수 있다. 예컨대, 이 정보는 착용자의 시선 방향 추정, 바이오메트릭 식별, 비전 연구, 착용자의 생리적 상태 평가 등을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 눈을 이미징하는 것은 난제일 수 있다. HMD와 착용자의 눈들 사이의 거리는 짧다. 또한, 시선 추적은 넓은 FOV(field of view)를 필요로 하는 반면, 바이오메트릭 식별은 홍채 상의 타겟 상에 비교적 많은 수의 픽셀들을 필요로 한다. 이러한 목표들 둘 모두를 달성하고자 하는 이미징 시스템들의 경우, 이러한 요건들이 대부분 상충된다. 또한, 두 문제들은 눈꺼풀들 및 속눈썹들에 의한 차폐에 의해 더욱 복잡해질 수 있다. 눈 움직임을 추적하기 위한 현재의 일부 구현은 HMD 상에 장착되고 직접 눈을 가리키는 카메라들을 사용하여 눈의 직접 이미지들을 캡처한다. 그러나, 원하는 FOV 및 픽셀 수를 달성하기 위해, 카메라들은 착용자의 FOV 안에 장착되고, 이에 따라 주변 세계를 보는 착용자의 능력을 방해하고 간섭하는 경향이 있다. 다른 구현들은 눈을 직접 이미징하는 동안 착용자의 뷰를 방해하는 상태로부터 벗어나게 카메라를 이동시키며, 이는 높은 각도로부터 눈을 이미징하게 하여 이미지의 왜곡을 야기하고 눈을 이미징하는 데 이용 가능한 시야를 감소시킨다.
[0034] 본원에서 설명된 이미징 시스템들의 실시예들은 이들 문제들 중 일부 또는 전부를 해결한다. 본원에서 설명된 다양한 실시예들은, 착용자가 주변 세계를 뷰잉할 수 있게 하면서 눈을 이미징할 수 있는 장치 및 시스템들을 제공한다. 예컨대, 이미징 시스템은 눈과 카메라 조립체 사이에 시선을 따라 배치된 기판을 포함할 수 있다. 기판은 눈으로부터의 기판으로 광을 지향시키도록 구성된 하나 이상의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함한다. 기판은 광을 카메라 조립체를 향해 지향시키기 위한 도광판(light-guide)(때로는 도파관으로서 지칭됨)로서 작용할 수 있다. 그 후, 광은 기판을 빠져나가고 하나 이상의 커플링 광학 엘리먼트들을 통해 카메라 조립체로 지향될 수 있다. 카메라 조립체는 광을 수신하고, 이에 따라 원위 포지션(distant position)(때로는, "축외(off-axis)"로서 본원에서 지칭됨)로부터, 직시 포지션에 있는 것처럼 눈의 이미지(이하 때로는, "직시 이미지(direct view image)"로서 지칭됨)를 캡처할 수 있다.
[0035] 본원에서 설명된 이미징 시스템들의 일부 실시예들은 서로 측방향으로 오프셋된 제1 및 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 기판을 제공한다. 기판은 눈에 가장 가까운 표면(때때로, 본원에서 근위 표면으로서 지칭됨) 및 눈으로부터 가장 멀리 떨어진 표면(때로는, 원위 표면으로서 지칭됨)을 포함한다. 본원에서 설명된 제1 및 제2 커플링 광학 엘리먼트들은 근위 표면 상에 또는 이에 인접하게, 원위 표면 상에 또는 이에 인접하게, 또는 기판 내에 배치될 수 있다. 제1 커플링 광학 엘리먼트(때로는, 인-커플링 광학 엘리먼트로서 본원에서 지칭됨)는, 광이 TIR(total internal reflection)에 의해 기판을 통해 전파되도록 눈으로부터 기판으로 광을 편향시키게 구성될 수 있다. 광은 광을 추출하여 이를 카메라 조립체를 향해 편향시키도록 구성된 제2 커플링 광학 엘리먼트 상에 입사될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 편향은, 어떤 것, 예컨대, 광을 편향시키는 광학 컴포넌트와 상호작용한 후의 광의 방향의 변화를 지칭할 수 있고, 반사, 회절, 굴절, 광학 컴포넌트를 통해 투과되는 동안 방향의 변화 등을 지칭할 수 있다.
[0036] 일부 실시예들에서, 본원에서 설명된 이미징 시스템들은 HMD의 디스플레이 광학기의 일부(또는 안경의 렌즈)일 수 있다. 하나 이상의 커플링 광학 엘리먼트들은, 제1 범위 파장을 편향시키면서, 기판을 통한 제2 범위의 파장들(예컨대, 제1 범위와 상이한 범위의 파장들)의 방해받지 않은 전파를 허용하도록 선택될 수 있다. 제1 범위의 파장들은 적외선(IR)에 있을 수 있고, 제2 범위의 파장들은 가시적인 상태에 있을 수 있다. 예컨대, 기판은 가시광을 투과시키면서 IR 광을 반사시키는 반사성 커플링 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 사실상, 이미징 시스템은 착용자의 눈을 향해 역으로 지향시키는 가상 카메라 조립체가 존재했던 것처럼 작용한다. 따라서, 가상 카메라 조립체는 기판을 통해 착용자의 눈으로부터 전파된 가상 IR 광을 이미징할 수 있는 반면, 외부 세계로부터의 가시광은 기판을 통해 투과될 수 있고 착용자에 의해 지각될 수 있다.
[0037] 카메라 조립체는 예컨대, 눈의 이미지들을 캡처하기 위해 착용자의 눈을 뷰잉하도록 구성될 수 있다. 카메라 조립체는, 카메라 조립체가 착용자의 주변 세계의 뷰를 방해하거나 HMD의 동작을 훼방놓지 않도록 착용자의 눈에 근접하여 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체는 웨어러블 디스플레이 시스템의 프레임, 예컨대, 이어 스템(ear stem) 상에 포지셔닝되거나 HMD의 접안렌즈에 매립되거나 눈 아래 및 뺨 위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 카메라 조립체는, 각각의 눈이 별개로 이미징될 수 있도록 착용자의 다른 눈에 대해 사용될 수 있다. 카메라 조립체는 IR 방사에 민감한 IR 디지털 카메라를 포함할 수 있다.
[0038] 카메라 조립체는 그것이 전방을 향하도록(착용자의 비전의 방향으로) 또는 그것이 후방을 향하고 눈을 향해 지향되도록 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 착용자의 귀에 더 가까이 카메라 조립체를 배치함으로써, 카메라 조립체의 무게가 또한 귀에 더 가까이 있을 수 있고, HMD는 카메라 조립체가 HDM의 전방에 더 가까이 또는 직시 어레인지먼트로 배치되는 HMD에 비해 착용하기가 더 쉬울 수 있다. 부가적으로, 착용자의 관자놀이 근처에 카메라 조립체를 배치함으로써, 착용자의 눈으로부터 카메라 조립체까지의 거리는, HMD의 전방 근처에 배치된 카메라 조립체에 비해 대략 2 배만큼 크다. 이미지의 피사계 심도는 대략 이 거리에 비례하기 때문에, 카메라 조립체에 대한 피사계 심도는 직시 카메라 조립체에 비해 대략 2 배만큼 크다. 카메라 조립체에 대한 더 큰 피사계 심도는 크거나 돌출된 코들, 눈썹 리지(brow ridge) 등을 갖는 착용자의 눈 구역을 이미징하는데 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체의 포지션은 HMD의 패키징 또는 설계 고려사항들에 기초할 수 있다. 예컨대, 일부 구성들에서 카메라 조립체를 전향 또는 후향으로 배치하는 것이 유리할 수 있다.
[0039] 특정 과학 이론에 동의함 없이, 본원에서 설명된 실시예들은 여러 비-제한적인 이점들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들은 카메라 조립체와 눈 사이의 물리적 거리를 증가시킬 수 있으며, 이는 착용자의 시야 밖에 카메라 조립체를 포지셔닝하고, 이에 따라 착용자의 뷰를 방해하지 않는 것을 가능하게 하면서, 눈의 직시 이미지의 캡처를 허용할 수 있다. 본원에서 설명된 실시예들 중 일부는 또한 종래의 시스템들보다 더 큰 시야를 사용한 눈 추적을 허용하고 이에 따라 광범위한 포지션들에 걸친 눈 추적을 허용하도록 구성될 수 있다. IR 이미징의 사용은 기판을 통해 보고 환경을 뷰잉하는 착용자의 능력을 간섭하는 눈의 이미징을 가능하게 할 수 있다.
[0040] 이제 유사한 참조 번호들이 전반에 걸쳐 유사한 부분들을 지칭하는 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
예시적인
HMD
디바이스
[0041] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(60)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(60)은 디스플레이(70), 및 그 디스플레이(70)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계 및 전자 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(70)는, 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(90)에 의해 착용 가능하고 사용자(90)의 눈들의 전방에 디스플레이(70)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(80)에 커플링될 수 있다. 디스플레이(70)는 일부 실시예들에서, 안경류(eyewear)로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(100)는 프레임(80)에 커플링되고 사용자(90)의 외이도에 인접하게 포지셔닝되도록 구성된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝되어 스테레오/형상화가능(shapeable) 사운드 제어를 제공함). 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한 하나 이상의 마이크로폰들(110) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰은 사용자가 시스템(60)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성 메뉴 커맨드들의 선택, 자연어 질문 등)을 제공할 수 있도록 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰은 또한, 오디오 데이터(예컨대, 사용자 및/또는 환경으로부터의 사운드들)를 수집하기 위한 주변 센서로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한, 프레임(80)과 별개이고 사용자(90)의 신체(예컨대, 사용자(90)의 머리, 몸통, 손발(extremity) 등)에 부착될 수 있는 주변 센서(120a)를 포함할 수 있다. 주변 센서(120a)는 일부 실시예들에서, 사용자(90)의 생리적인 상태를 특징화하는 데이터를 취득하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 센서(120a)는 전극일 수 있다.
[0042] 도 2를 계속 참조하면, 디스플레이(70)는, 다양한 구성들로 장착될 수 있는, 예컨대, 프레임(80)에 고정적으로 부착되거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착되거나, 헤드폰들에 매립되거나, 그렇지 않으면 사용자(90)에게 제거 가능하게 부착되는(예컨대, 백팩(backpack)-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)에 통신 링크(130)에 의해, 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해, 동작 가능하게 커플링된다. 유사하게, 센서(120a)는 통신 링크(120b), 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해 로컬 프로세서 및 데이터 모듈(140)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 하드웨어 프로세서뿐 아니라, 디지털 메모리 예컨대, 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱(caching) 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) 센서들(예컨대 프레임(80)에 동작 가능하게 커플링되거나 그렇지 않으면 사용자(90)에게 부착될 수 있음), 예컨대, (예컨대, 카메라들과 같은) 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본원에서 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(150) 및/또는 원격 데이터 리포지토리(repository)(160)(가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함함)를 사용하여 취득 및/또는 프로세싱되는 (어쩌면, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후 디스플레이(70)에 전달하기 위한) 데이터를 포함할 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 통신 링크들(170, 180)에 의해, 예컨대, 유선 또는 무선 통신 링크들을 통하여, 원격 프로세싱 모듈(150) 및 원격 데이터 리포지토리(160)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어서, 이들 원격 모듈들(150, 160)은 서로 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)에 대한 자원들로서 이용 가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이들 센서들 중 하나 이상은 프레임(80)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140)과 통신하는 자립형 구조들일 수 있다.
[0043] 도 2를 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, 원격 프로세싱 모듈(150)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(160)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통하여 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(160)는 정보, 예컨대, 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(150)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 컴퓨테이션들은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0044] "3-차원" 또는 "3-D"인 것으로서 이미지의 지각은 뷰어의 각각의 눈에 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 2개의 별개의 이미지들(190 및 200)(각각의 눈(210 및 220)에 대해 하나씩)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(190, 200)은 뷰어의 시선과 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(230) 만큼 눈들(210, 220)로부터 이격된다. 이미지들(190, 200)은 평평하고, 눈들(210, 220)은 단일 원근조절된 상태를 취함으로써 이미지들에 포커싱될 수 있다. 그러한 3-D 디스플레이 시스템들은 조합된 이미지에 대한 스케일 및/또는 깊이의 지각을 제공하기 위하여 이미지들(190, 200)을 결합하는데 인간 시각 시스템에 의존한다.
[0045] 그러나, 인간 시각 시스템은 더 복잡하고 현실적인 깊이의 지각을 제공하는 것이 더 어렵다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 종래의 3-D 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 그런 시스템들이 불편하다는 것을 발견하거나, 깊이감을 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 객체의 뷰어들은 이접운동 및 원근조절의 결합으로 인해 객체를 3-차원인 것으로 지각할 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 두 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(예컨대, 동공들이 객체를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 움직이도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 동공들 및 렌즈들의 포커싱(또는 "원근조절")과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들하에서, 하나의 객체로부터 상이한 거리에 있는 다른 객체로 포커스를 변화시키기 위하여, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변화시키거나, 또는 눈들을 원근조절하는 것은 "원근조절-이접운동 반사(accommodation-vergence reflex)"로서 알려진 관계하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동에서의 매칭하는 변화는 물론 동공 팽창 및 수축을 자동으로 유발할 것이다. 마찬가지로, 이접운동에서의 변경은 정상 조건들하에서, 렌즈 형상 및 동공 사이즈의, 원근조절에서의 매칭하는 변경을 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 다수의 입체 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들은, 3-차원 관점이 이 인간 시각 시스템에 의해 지각되도록 각각의 눈에 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 따라서, 약간 상이한 이미지들)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 그러한 시스템들은 많은 뷰어들에게 불편한데, 그 이유는 다른 것들 중에서, 그러한 시스템들이 단순히 장면의 상이한 프리젠테이션을 제공하지만, 눈들이 단일 원근조절된 상태에서 모든 이미지 정보를 보고, 그리고 "원근조절-이접운동 반사"에 반하여 작동하기 때문이다. 원근조절과 이접운동 사이의 더 양호한 매칭을 제공하는 디스플레이 시스템들은, 증가된 착용 지속기간 및 결국, 진단 및 치료 프로토콜들에 대한 준수에 기여하는, 3-차원 이미저리의 더 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0046] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, z-축 상에서 눈들(210, 220)로부터 다양한 거리들에 있는 객체들은, 이들 객체들이 포커싱이 맞도록(in focus) 눈들(210 및 220)에 의해 원근조절된다. 눈들(210, 220)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 객체들에 포커싱을 맞추게 하는 특정 원근조절된 상태들을 가정한다. 결과적으로, 특정 원근조절된 상태는 연관된 초점 거리를 갖는, 깊이 평면들(240) 중 특정한 하나의 깊이 평면과 연관되는 것으로 말해질 수 있어서, 특정 깊이 평면의 객체들 또는 객체들의 부분들은, 눈이 해당 깊이 평면에 대해 원근조절된 상태에 있을 때 포커싱이 맞게 된다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는 눈들(210, 220) 각각에 대해 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써, 그리고 또한 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 별개인 것으로 도시되지만, 눈들(210, 220)의 시야들은 예컨대, z-축을 따른 거리가 증가함에 따라 겹쳐질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 게다가, 예시의 용이함을 위해 평평한 것으로 도시되지만, 깊이 평면의 윤곽들은 물리적 공간에서 만곡될 수 있어서, 깊이 평면의 모든 피처들은 특정 원근조절된 상태에서 눈과 포커싱이 맞게 된다는 것이 인지될 것이다.
[0047] 객체와 눈(210 또는 220) 간의 거리는 또한, 그 눈으로 볼 때, 그 객체로부터 광의 발산(divergence)의 양을 변화시킬 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 광선들의 거리와 발산 간의 관계들을 예시한다. 객체와 눈(210) 간의 거리는, 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 광선들은, 객체에 대한 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더욱 시준된다. 다른 말로 하면, 포인트(객체 또는 객체의 부분)에 의해 생성된 광 필드가 구체 파면 곡률을 가지는 것으로 말해질 수 있고, 구체 파면 곡률은, 포인트가 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 객체와 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도는 또한 상이하고, 발산 정도는, 깊이 평면들과 뷰어의 눈(210) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 단지 하나의 눈(210)이 도 5a 내지 도 5c 및 본원의 다른 도면들에서 예시의 명확성을 위해 예시되지만, 눈(210)에 대한 논의들이 뷰어의 양쪽 눈들(210 및 220)에 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0048] 이론에 의해 제한됨이 없이, 인간 눈이 통상적으로 깊이 지각을 제공하기 위하여 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있다고 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 그럴듯한 시뮬레이션은, 눈에, 이들 제한된 수의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 뷰어의 눈들에 의해 별개로 포커싱될 수 있고, 그리하여, 상이한 깊이 평면 상에 로케이팅되는 장면에 대한 상이한 이미지 피처들에 포커스를 맞추도록 요구되는 눈의 원근조절에 기초하여 그리고/또는 상이한 깊이 평면들 상의 상이한 이미지 피처들이 아웃 포커스(out of focus)되는 것을 관찰하는 것에 기초하여 깊이 단서들을 사용자에게 제공하는 것을 돕는다.
도파관 스택 조립체의 예
[0049] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(250)은 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 사용하여 3-차원 지각을 눈/뇌에 제공하기 위하여 활용될 수 있는 도파관들의 스택, 또는 스택된 도파관 조립체(260)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 도 2의 시스템(60)이고, 도 6은 그 시스템(60)의 일부 부분들을 더 상세히 개략적으로 보여준다. 예컨대, 도파관 조립체(260)는 도 2의 디스플레이(70)의 부분일 수 있다. 디스플레이 시스템(250)은 일부 실시예들에서 광 필드(light field) 디스플레이로서 간주될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0050] 도 6을 계속 참조하면, 도파관 조립체(260)는 또한 도파관들 사이에 복수의 피처들(320, 330, 340, 350)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 및/또는 복수의 렌즈들(320, 330, 340, 350)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 도파관들에 대한 광의 소스로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 주입하기 위하여 활용될 수 있으며, 도파관들 각각은, 본원에 설명된 바와 같이, 눈(210)을 향하여 출력하기 위해 각각의 개별 도파관에 걸쳐 인입 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)의 출력 표면(410, 420, 430, 440, 450)을 나가고 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 대응하는 입력 표면(460, 470, 480, 490, 500)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(460, 470, 480, 490, 500) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면의 일부일 수 있다(즉, 도파관 표면들 중 하나는 직접적으로 세계(510) 또는 뷰어의 눈(210)을 향함). 일부 실시예들에서, 단일 광 빔(예컨대, 시준된 빔)은 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산의 양들)로 눈(210)을 향하여 지향되는 시준된 클론 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력하기 위하여 각각의 도파관으로 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 단 하나의 이미지 주입 디바이스가 복수(예컨대, 3개)의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)과 연관되고 그에 광을 주입할 수 있다.
[0051] 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 각각 대응하는 도파관(270, 280, 290, 300, 310)에 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 다른 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 예컨대, 이미지 정보를 하나 이상의 광학 도관들(예컨대, 광섬유 케이블들)을 통하여 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일 멀티플렉싱된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0052] 일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 이미터를 포함할 수 있는 광 모듈(530)을 포함하는 광 프로젝터 시스템(520)에 의해 제공된다. 광 모듈(530)로부터의 광은 빔 분할기(550)를 통해 광 변조기(540), 예컨대, 공간 광 변조기에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(540)는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 주입되는 광의 지각된 세기를 변화시키도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기들의 예들은, LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들을 포함한다.
[0053] 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(250)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선형 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴 등)로 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 그리고 궁극적으로 뷰어의 눈(210)으로 프로젝팅하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 하나 또는 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 내로 광을 주입하도록 구성된 단일 스캐닝 섬유 또는 스캐닝 섬유들의 번들(bundle)을 개략적으로 표현할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)은 복수의 스캐닝 섬유들 또는 스캐닝 섬유들의 복수의 번들들을 개략적으로 표현할 수 있으며, 이들 각각은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 연관된 하나 내로 광을 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(530)로부터 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300 및 310)로 광을 송신하도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 스캐닝 섬유를 빠져나가는 광을 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)로 재지향시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 사이에 하나 이상의 개재된 광학 구조들이 제공될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0054] 제어기(560)는 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400), 광원(530) 및 광 변조기(540)의 동작을 포함한, 스택된 도파관 조립체(260)의 하나 이상의 도파관들의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(560)는 로컬 데이터 프로세싱 모듈(140)의 부분이다. 제어기(560)는 예컨대, 본원에 개시된 다양한 방식들 중 임의의 방식에 따라 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기는 단일 통합 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산 시스템일 수 있다. 제어기(560)는 일부 실시예들에서, 프로세싱 모듈들(140 또는 150)(도 2)의 부분일 수 있다.
[0055] 도 6을 계속 참조하면, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 TIR에 의해 각각의 개별 도파관 내에서 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 각각 평면형이거나 다른 형상(예컨대, 곡선)을 가질 수 있으며, 주 최상부 및 최하부 표면들 및 이들 주 최상부와 최하부 표면들 사이에서 연장되는 에지들을 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 이미지 정보를 눈(210)에 출력하기 위해 각각의 개별 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성된 아웃커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 각각 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃-커플링된 광으로서 또한 지칭될 수 있고, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로서 지칭될 수 있다. 추출된 광빔은, 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치들에서 도파관에 의해 출력될 수 있다. 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절성 광학 피처들을 포함하는 격자들일 수 있다. 설명의 용이함 및 도면 명확성을 위하여 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 볼륨에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착된 재료 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 재료의 모놀리식 피스(piece)일 수 있고 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 재료의 해당 피스의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.
[0056] 도 6을 계속 참조하면, 본원에 논의된 바와 같이, 각각의 도파관(270, 280, 290, 300, 310)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(270)은, (그러한 도파관(270)에 주입된) 시준된 광을 눈(210)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위의 다음 도파관(280)은, 시준된 광이 눈(210)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(350)(예를 들어, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 그러한 제1 렌즈(350)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 위의 다음 도파관(280)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(210)을 향하여 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위의 제3 도파관(290)은 자신의 출력 광을 눈(210)에 도달하기 전에 제1 (350) 및 제2 (340) 렌즈들 둘 모두를 통과시키고; 제1 (350) 및 제2 (340) 렌즈들의 결합된 광학 파워(optical power)는 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 제3 도파관(290)으로부터 오는 광을, 위의 다음 도파관(280)으로부터의 광보다는 광학적 무한대로부터 사람을 향하여 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.
[0057] 다른 도파관 층들(300, 310) 및 렌즈들(330, 320)은 유사하게 구성되는데, 스택에서 가장 높은 도파관(310)은 자신의 출력을, 사람과 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 어그리게이트 초점 전력에 대해 자신과 눈 사이의 렌즈들 모두를 통하여 전송한다. 스택된 도파관 조립체(260)의 다른 측 상에서 세계(510)로부터 오는 광을 보거나/해석할 때 렌즈들(320, 330, 340, 350)의 스택을 보상하기 위하여, 보상 렌즈 층(620)은 아래의 렌즈 스택(320, 330, 340, 350)의 어그리게이트 전력을 보상하기 위하여 스택의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 이용 가능한 도파관/렌즈 쌍들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들 및 렌즈들의 포커싱 양상들 둘 모두는 정적(즉, 동적이거나 전자-활성이지 않음)일 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 모두는 전자-활성 피처들을 사용하여 동적일 수 있다.
[0058] 일부 실시예들에서, 도파관들(270, 280, 290, 300, 310) 중 둘 또는 그 초과는 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 다수의 서브세트들은 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 이미지가 세팅됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 이점들을 제공할 수 있다.
[0059] 도 6을 계속 참조하면, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 자신의 개별 도파관들 밖으로 광을 재지향시키고 그리고 또한 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과로서, 상이한 연관된 깊이 평면들을 가진 도파관들은 상이한 구성들의 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)을 가질 수 있고, 이러한 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 연관된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 특정 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭(volumetric) 또는 표면 피처들일 수 있다. 예컨대, 광 추출 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들, 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340, 350)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 공기 갭들을 형성하기 위한 클래딩(cladding) 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.
[0060] 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(570, 580, 590, 600, 610)은 회절 패턴을 형성하는 회절 피처들 또는 "회절 광학 엘리먼트"(또한 본원에서 "DOE"로서 지칭됨)이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율성을 가져서, 빔의 광의 일부만이 DOE의 각각의 교차로 인해 눈(210)을 향하여 편향되지만, 나머지는 TIR을 통하여 도파관을 통해 계속 이동한다. 따라서, 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관을 나가는 다수의 관련된 출사 빔들로 분할되고 그 결과는 이런 특정 시준된 빔이 도파관 내에서 이리저리 바운싱되기 때문에 눈(210)을 향하는 상당히 균일한 출사 방출 패턴이다.
[0061] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은, 그것들을 활발하게 회절시키는 "온" 상태들과 그것들을 크게 회절시키지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭 가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능 DOE는, 마이크로액적들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있고, 마이크로액적들의 굴절률은 호스트 매질의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사광을 현저하게 회절시키지 않음) 또는 마이크로액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우 패턴은 입사광을 활발하게 회절시킴).
[0062] 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(630)(예컨대, 가시광 및 IR 광 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)는 예컨대, 사용자 입력들을 검출하고, 눈으로부터 바이오메트릭 정보를 추출하고, 눈의 방향의 시선을 추정 및 추적하고, 사용자의 생리적 상태를 모니터링하는 등을 행하기 위해 눈(210), 눈(210)의 부분들, 또는 눈(210) 주위의 조직의 적어도 일부의 이미지들을 캡처하도록 제공될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(630)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈에 광(예컨대, IR 또는 근-IR 광)을 프로젝팅하기 위한 광원(632)을 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(632)은 IR 또는 근-IR을 방출하는 발광 다이오드("LED")들을 포함한다. 광원(632)이 카메라 조립체(630)에 부착된 것으로 예시되지만, 광원(632)은, 광원(예컨대, 아래에서 설명되는 광원(530))에 의해 방출된 광이 착용자의 눈으로 지향되도록 카메라 조립체에 대해 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(630)는 프레임(80)(도 2)에 부착될 수 있고, 예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 사용자의 생리적인 상태, 착용자의 시선 방향, 홍채 식별 등에 관한 다양한 결정들을 내리기 위해 카메라 조립체(630)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 프로세싱 모듈들(140 또는 150)과 전기 통신할 수 있다. 사용자의 생리적인 상태에 관한 정보는 사용자의 행동 또는 감정 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 이러한 정보의 예들은 사용자의 움직임들 또는 사용자의 얼굴 표정들을 포함한다. 사용자의 행동 또는 감정 상태는 그 후, 행동 또는 감정 상태, 생리적인 상태 및 환경적 또는 가상적 콘텐츠 데이터 간의 관계들을 결정하도록 수집된 환경적 또는 가상 콘텐츠 데이터로 삼각측량될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 조립체(630)가 각각의 눈을 별개로 모니터링하기 위해 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.
[0063] 이제 도 7을 참조하면, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예가 도시된다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 조립체(260)(도 6) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있다는 것이 인지될 것이며, 여기서 도파관 조립체(260)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(640)은 도파관(270)의 입력 표면(460)에서 도파관(270)으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(270) 내에서 전파된다. 광(640)이 DOE(570)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 일부는 출사 빔들(650)로서 도파관을 나간다. 출사 빔들(650)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에 논의된 바와 같이, 이들 출사 빔들은 또한 도파관(270)과 연관된 깊이 평면에 따라, 임의의 각도로 눈(210)으로 전파되도록 재지향될 수 있다(예컨대, 발산하는 출사 빔들을 형성함). 실질적으로 평행한 출사 빔들은, 눈(210)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것처럼 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃커플링하는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 도파관을 나타낼 수 있다. 다른 도파관들 또는 아웃커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(210)이 망막 상에 포커싱을 맞추게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학적 무한대보다 눈(210)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
[0064] 일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대, 3개 또는 그 초과의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이시킴으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 조립체의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(240a-240f)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 깊이들이 또한 고려될 수 있다. 각각의 깊이 평면은, 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 포함해서, 자신과 연관된 3개 또는 그 초과의 컴포넌트 컬러 이미지들을 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 디옵터들(dpt)에 대한 상이한 숫자들에 의해 도면에 표시된다. 단지 예들로서, 이들 문자들 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터들(1/m) 또는 뷰어로부터의 깊이 평면의 역 거리(inverse distance)를 표시하며, 도면들에서 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장들의 광의 눈의 포커싱에서의 차이를 참작하기 위해, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 변동될 수 있다. 예컨대, 주어진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들은 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있거나, 또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.
[0065] 일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 하나의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 그것과 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 문자들 G, R 또는 B를 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 3개의 도파관들이 깊이 평면 당 제공될 수 있으며, 여기서 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 깊이 평면 당 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들이 설명의 용이함을 위해 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관들은 모두 레벨 당 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어서, 예컨대, 단지 단일 도파관이 깊이 평면 당 제공될 수 있다.
[0066] 도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 마젠타 및 시안을 포함하는, 다른 광의 파장들과 연관되는 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 추가로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 피처들(320, 330, 340 및 350)은 주위 환경으로부터 시청자의 눈들로의 광을 차단하거나 선택적으로 통과시키도록 구성된 능동 또는 수동 광학 필터들일 수 있다.
[0067] 본 개시내용 전반에 걸쳐 주어진 컬러의 광에 대한 참조는 그 주어진 컬러인 것으로서 뷰어에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이란 점이 인지될 것이다. 예컨대, 적색 광은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0068] 일부 실시예들에서, 광원(530)(도 6)은 뷰어의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대, IR 또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. IR 광은 700 nm 내지 10 μm 범위의 파장들을 갖는 광을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, IR 광은 700 nm 내지 1.5 μm 범위의 파장들을 갖는 근-IR 광을 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이(250)의 도파관들의 인-커플링, 아웃-커플링 및 다른 광 재지향 구조들은 예컨대, 이미징 또는 사용자 자극 애플리케이션들을 위해 사용자의 눈(210)을 향하여 디스플레이 밖으로 이 광을 지향 및 방출하도록 구성될 수 있다.
[0069] 이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 충돌하는 광은 도파관 내로 그 광을 인-커플링하기 위해 재지향될 필요가 있을 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 재지향 및 인-커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인-커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 복수의 스택된 도파관들 또는 스택된 도파관들의 세트(660)의 예의 측 단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장들의 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 스택(660)은 스택(260)(도 6)에 대응할 수 있고, 스택(660)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400) 중 하나 이상으로부터의 광이 인-커플링을 위해 광이 재지향되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 복수의 도파관들(270, 280, 290, 300, 310)의 부분에 대응할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0070] 스택된 도파관들의 예시된 세트(660)는 도파관들(670, 680, 및 690)을 포함한다. 각각의 도파관은, (도파관 상의 광 입력 영역으로서 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인-커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되고, 인-커플링 광학 엘리먼트(710)는 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되며, 인-커플링 광학 엘리먼트(720)는 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 하나 이상은 각각의 도파관(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히, 여기서 하나 이상의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 반사성 편향 광학 엘리먼트들임). 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은, 특히 이러한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 투과성 편향 광학 엘리먼트들인 경우, 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 상위 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각의 도파관(670, 680, 690)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 광 파장들을 선택적으로 재지향시키면서 다른 광 파장들을 투과시킨다. 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 한 측 또는 코너 상에서 예시되지만, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 일부 실시예들에서, 그의 각각의 도파관(670, 680, 690)의 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0071] 예시된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트는, 광이 다른 인-커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 자신이 그 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710, 720)는 도 6에 도시된 바와 같이 상이한 이미지 주입 디바이스(360, 370, 380, 390, 및 400)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 다른 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)로부터 분리(예컨대, 측방향으로 이격)될 수 있어서, 그것은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720) 중 다른 것들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않는다.
[0072] 각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대, 광 분배 엘리먼트들(730)은 도파관(670)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(740)은 도파관(680)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(750)은 도파관(690)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 모두 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 상이한 연관된 도파관들(670, 680, 690)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 것들 상에 각각 배치될 수 있다.
[0073] 도파관들(670, 680, 690)은 예컨대, 기체, 액체 또는 고체 재료 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(760a)은 도파관들(670, 680)을 분리할 수 있고; 층(760b)은 도파관(680 및 690)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a 및 760b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(670, 680, 690) 중 바로 인접한 하나를 형성하는 재료보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상만큼 작거나 0.10 이상만큼 작다. 유리하게는, 더 낮은 굴절률 층들(760a, 760b)은 도파관들(670, 680, 690)을 통한 광의 TIR(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 및 최하부 주 표면들 사이의 TIR)을 용이하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(760a, 760b)은 공기로 형성된다. 예시되지는 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(660)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃한 클래딩 층들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0074] 바람직하게는, 제조의 용이함 및 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(670, 680, 690)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 간에 상이할 수 있거나, 또는 층들(760a, 760b)을 형성하는 재료는 여전히 위에서 언급된 다양한 굴절률 관계들을 유지하면서 상이할 수 있다.
[0075] 도 9a를 계속 참조하여, 광선들(770, 780, 790)이 도파관들의 세트(660) 상에 입사된다. 광선들(770, 780, 790)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(360, 370, 380, 390, 400)(도 6)에 의해 도파관들(670, 680, 690) 내로 주입될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0076] 일부 실시예들에서, 광선들(770, 780, 790)은 상이한 성질들, 예컨대, 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 가지며, 이는 상이한 컬러들에 대응할 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 각각, 입사광이 TIR에 의해 도파관들(670, 680, 690) 중 각각의 하나를 통해 전파되도록 광을 편향시킨다.
[0077] 예컨대, 인-커플링 광학 엘리먼트(700)는 제1 파장 또는 파장들의 범위를 갖는 광선(770)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 투과된 광선(780)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 마찬가지로, 광선(790)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(720)에 의해 편향된다.
[0078] 도 9a를 계속 참조하면, 편향된 광선들(770, 780, 790)은, 이들이 대응하는 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 해당 대응하는 도파관(670, 680, 690) 내로 광을 인-커플링하도록 해당 대응하는 도파관 내로 광을 편향시킨다. 광선들(770, 780, 790)은 광이 TIR에 의해 각각의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(770, 780, 790)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 각각의 도파관(670, 680, 690)을 통해 전파된다.
[0079] 이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 인-커플링된 광선들(770, 780, 790)은 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)에 의해 각각 편향되고, 그 후 도파관들(670, 680, 690) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그 후, 광선들(770, 780, 790)은 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)에 각각 충돌한다. 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은, 광선들(770, 780, 790)이 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810 및 820)를 향해 각각 전파되도록 이들을 편향시킨다.
[0080] 일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 OPE(orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)로 광을 편향시키거나 분배하고, 광이 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 크기를 또한 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 빔 크기가 이미 원하는 크기인 경우, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 생략될 수 있고, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(730, 740, 750)은 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(800, 810, 820)은 뷰어의 눈(210)(도 7)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다. OPE들은 적어도 하나의 축에서 아이 박스(eye box)의 치수들을 증가시키도록 구성될 수 있고, EPE들은 OPE들의 축과 교차하는, 예컨대, 직교하는 축에서 아이 박스를 증가시키는 것일 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0081] 따라서, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(660)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(670, 680, 690; 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720); 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730, 740, 750); 및 아웃-커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(800, 810, 820)을 포함한다. 도파관들(670, 680, 690)은 각각의 도파관 사이에 에어 갭/클래딩 층을 갖도록 스택될 수 있다. 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 (상이한 인-커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신함에 따라) 입사 광을 자신의 도파관으로 재지향 또는 편향시킨다. 그 후, 광은 각각의 도파관(670, 680, 690) 내에서 TIR을 초래할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(770)(예컨대, 청색 광)은 제1 인-커플링 광학 엘리먼트(700)에 의해 편향되고, 그 후 도파관을 따라 계속 바운싱(bounce)하여, 앞서 설명된 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(730) 및 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(800)와 상호작용한다. 광선들(780 및 790)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(670)을 통과할 것이고, 광선(780)은 인-커플링 광학 엘리먼트(710)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 그 후, 광선(780)은 TIR을 통해 도파관(680)을 따라 바운싱되어, 자신의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(740)로 그리고 그 후 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(810)로 진행된다. 마지막으로, 광선(790)(예컨대, 적색 광)은 도파관(690)을 통과하여 도파관(690)의 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)에 충돌한다. 광 인-커플링 광학 엘리먼트들(720)은, 광선(790)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(750)로, 그리고 그 후 TIR에 의해 아웃-커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(820)로 전파되도록 그 광선을 편향시킨다. 그 후, 아웃-커플링 광학 엘리먼트(820)는 최종적으로 광선(790)을 뷰어에 아웃-커플링하며, 이 뷰어는 또한 다른 도파관들(670, 680)로부터 아웃-커플링된 광을 수신한다.
[0082] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(730, 740, 750) 및 연관된 아웃-커플링 광학 엘리먼트(800, 810, 820)와 함께, 도파관들(670, 680, 690)은 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인-커플링 광학 엘리먼트들(700, 710, 720)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인-커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 오버랩되지 않는다(예컨대, 하향식 도면에서 보여지는 바와 같이 측방향으로 이격됨). 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이러한 오버랩하지 않는 공간적 어레인지먼트는 일대일 기반으로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관으로의 광의 주입을 용이하게 하고, 그리하여 특정 광원이 특정 도파관에 고유하게 커플링되도록 허용한다. 일부 실시예들에서, 오버랩하지 않는 공간적으로 분리된 인-커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트는 시프트된 동공 시스템으로서 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들의 인-커플링 광학 엘리먼트들은 서브-동공들에 대응할 수 있다.
축외
이미징을
위한 예시적인
이미징
시스템들
[0083] 위에서 설명된 바와 같이, HMD(예컨대, 도 2에 도시된 웨어러블 디스플레이 시스템(200))의 착용자의 눈들 및 눈들 주위의 조직은 눈으로부터 기판을 통해 그리고 카메라 조립체 내로 광을 지향시키도록 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 사용하여 이미징될 수 있다. 결과적인 이미지들은 눈 또는 눈들을 추적하고, 망막을 이미징하고, 3 차원으로 눈 형성을 재구성하고, 눈으로부터 바이오메트릭 정보를 추출(예컨대, 홍채 식별)하는 등을 행하는 데 사용될 수 있다.
[0084] 위에서 약술된 바와 같이, HMD가 착용자의 눈들의 상태에 관한 정보를 사용하는데는 다양한 이유들이 존재한다. 예컨대, 이 정보는 착용자의 시선 방향을 추정하거나 바이오메트릭 식별을 위해 사용될 수 있다. 그러나, HMD와 착용자의 눈들 사이의 짧은 거리로 인해 이 문제는 난제이다. 시선 추적은 더 넓은 시야를 필요로 하는 반면, 바이오메트릭 식별은 홍채 상의 타겟 상에 비교적 많은 수의 픽셀들 필요로 한다는 사실에 의해 더욱 복잡해진다. 이들 목적들 둘 모두 달성하려고 시도하는 이미징 시스템의 경우, 2개의 작업들의 요건들이 크게 상충된다. 마지막으로, 두 문제들은 눈꺼풀들 및 속눈썹들에 의한 차폐에 의해 더욱 복잡해진다. 본원에서 설명된 이미징 시스템들의 실시예들은 이들 문제들 중 적어도 일부를 해결할 수 있다.
[0085] 도 10a 및 도 10b는 착용자(90)의 한쪽 또는 양쪽 눈들(210, 220)을 이미징하도록 구성된 이미징 시스템(1000a)의 예를 개략적으로 예시한다. 이미징 시스템(1000a)은 기판(1070) 및 눈(220)을 뷰잉하기 위해 배열된 카메라 조립체(1030)를 포함한다. 도 10a 및 도 10b를 참조하여 본원에서 설명된 이미징 시스템(1000a)의 실시예들은 본원에서 설명된 디스플레이 디바이스들을 포함하는 HMD들(예컨대, 도 2에 도시된 웨어러블 디스플레이 시스템(200), 도 6 및 도 7에 도시된 디스플레이 시스템(250), 및 도 9a 내지 도 9c의 스택(660))과 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 일부 구현들에서, 이미징 시스템(1000a)은 도 6의 디스플레이 시스템(250)의 부분이고, 기판(1070)은 도파관들(270, 280, 290, 300 또는 310) 중 하나를 대체할 수 있고, 도파관 스택(260)과 눈(210) 사이에 배치될 수 있거나, 또는 도파관 스택(260)과 세계(510) 사이에 배치될 수 있다.
[0086] 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(1030)는 착용자의 눈에 근접하여 예컨대, 도 2의 웨어러블 디스플레이 시스템(60)의 프레임(80) 상에(예컨대, 착용자의 관자놀이 근처의 이어 스템(82) 상에); (도 10b에 도시된 바와 같이) 도 2의 디스플레이(70)의 에지들 주위에 장착될 수 있거나; 또는 도 2의 디스플레이(70)에 매립될 수 있다. 카메라 조립체(1030)는 도 6의 카메라 조립체(630)와 실질적으로 유사할 수 있다. 다른 실시예들에서, 착용자의 다른 눈(210)을 별개로 이미징하기 위해 제2 카메라 조립체가 사용될 수 있다. 카메라 조립체(1030)는 IR 방사에 민감한 IR 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 카메라 조립체(1030)는 그것이 도 10a에 예시된 바와 같이 전방(예컨대, 착용자의 비전 쪽 방향)을 향하도록 장착될 수 있거나, 또는 카메라 조립체(1030)는 후방을 향하고 눈(220)으로 지향되도록(예컨대, 도 10b) 장착될 수 있다.
[0087] 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(1030)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈(220)에 광을 프로젝팅하기 위한 광원(1032)을 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈(220)에 의해 반사되고 카메라 조립체(1030)에 의해 검출될 수 있다. 광원(1032)이 카메라 조립체(1030)에 부착된 것으로 예시되지만, 광원(1032)은, 광원에 의해 방출된 광이 착용자의 눈으로 지향되고 카메라 조립체(1030)로 반사되도록 카메라 조립체에 대해 다른 영역들에 배치될 수 있다. 예컨대, 이미징 시스템(1000a)이 디스플레이 시스템(250)(도 6)의 부분이고 기판(1070)이 도파관들(270, 280, 290, 300 또는 310) 중 하나를 대체하는 경우, 광원(1032)은 광 이미터들(360, 370, 380, 390) 또는 광원(530) 중 하나일 수 있다.
[0088] 도 10a에 예시된 실시예에서, 카메라 조립체(1030)는 기판(1070)의 근위 표면(1074)을 뷰잉하도록 포지셔닝된다. 기판(1070)은 예컨대, 도 2의 디스플레이(70)의 일부이거나 안경의 렌즈일 수 있다. 기판(1070)은 기판(1070) 상에 입사되는 가시 광의 적어도 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 또는 그 이상을 투과시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 기판(1070)은 (예컨대, 가상 현실 디스플레이에서) 투명할 필요는 없다. 기판(1070)은 하나 이상의 커플링 광학 엘리먼트들(1078)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 제1 범위의 파장들과 상이한 제2 범위의 파장들에 대해 실질적으로 투과성이면서, 제1 범위의 파장들을 반사하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 범위의 파장들은 IR 파장들일 수 있고, 제2 범위의 파장들은 가시 파장들일 수 있다. 기판(1070)은 폴리카보네이트 또는 원하는 광학 성질들을 갖는 다른 경량 재료들과 같은 중합체 또는 플라스틱 재료를 포함할 수 있다. 특정 과학 이론에 동의함 없이, 플라스틱 재료들은 덜 단단하고 이에 따라 사용 동안 파괴 또는 결함들에 덜 취약할 수 있다. 플라스틱 재료들은 또한 경량일 수 있고, 이에 따라, 더 얇은 기판들을 허용하는 플라스틱 재료들의 강성도와 결합될 때, 콤팩트하고 경량의 이미징 시스템들의 제조를 용이하게 할 수 있다. 기판(1070)은 폴리카보네이트 또는 원하는 광학 성질들을 갖는 다른 플라스틱과 같은 중합체를 포함하는 것으로서 설명되지만, 원하는 광학 성질들을 갖는 유리, 예컨대 용융 실리카와 같은 다른 재료들이 가능하다.
[0089] 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 제2 범위의 파장들의 광(예컨대, 가시광)을 투과시키면서, 제1 범위의 파장들의 광(예컨대, IR 광)을 반사시키거나 재지향시키도록 구성된 반사성 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 눈(220)으로부터의 IR 광(1010a, 1012a 및 1014a)은 커플링 광학 엘리먼트들(1078)로 전파되고 그리고 이로부터 반사되어, 카메라 조립체(1030)에 의해 이미징될 수 있는 반사된 IR 광(1010b, 1012b, 1014b)을 발생시킨다. 일부 실시예들에서, 카메라 조립체(1030)는 커플링 광학 엘리먼트들(1078)에 의해 반사된 제1 범위의 파장들의 적어도 서브세트(이를테면, 넌-엠티 서브세트(non-empty subset) 또는 전부보다 적은 서브세트)를 캡처할 정도로 민감하거나 이를 캡처할 수 있을 수 있다. 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)이 반사성 엘리먼트인 경우, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 700nm 내지 1.5㎛의 범위의 IR 광을 반사할 수 있고, 카메라 조립체(1030)는 700nm 내지 900nm의 파장들에서 근 IR 광을 캡처할 정도로 민감하거나 이를 캡처할 수 있다. 다른 예로서, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 700 nm 내지 1.5 ㎛의 범위의 IR 광을 반사할 수 있고, 카메라 조립체(1030)는 900 nm 내지 1.5 ㎛ 범위의 IR 광을 필터링하는 필터를 포함할 수 있어서, 카메라 조립체(1030)가 700 nm 내지 900 nm의 파장의 근 IR 광을 캡처할 수 있게 한다.
[0090] 외부 세계(예를 들면, 도 6의 세계(510))로부터의 가시 광은 기판(1070)을 통해 투과되고 착용자에 의해 지각될 수 있다. 사실상, 이미징 시스템(1000a)은 눈(220)의 직시 이미지를 캡처하도록 착용자의 눈(220)을 향해 역으로 지향시키는 가상 카메라 조립체(1030c)가 존재하는 것처럼 작용할 수 있다. 가상 카메라 조립체(1030c)는, 그것이 기판(1070)을 통해 착용자의 눈(220)으로부터 전파된 가상 IR 광(1010c, 1012c 및 1014c)(점선들로 도시됨)을 이미징할 수 있기 때문에 "c"를 참조하여 라벨링된다. 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 기판(1070)의 근위 표면(1074) 상에 배치된 것으로 예시되지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 기판(1060)의 원위 표면(1076) 상에 또는 기판(1070) 내에 배치될 수 있다. 기판(1070)이 도 6의 디스플레이 시스템(250)의 부분인 구현들에서, 커플링 광학 엘리먼트(1078)는 아웃-커플링 광학 엘리먼트(570, 580, 590, 600 또는 610)일 수 있다.
[0091] 이미징 시스템(1000a)의 예시적인 어레인지먼트가 10a에 도시되지만, 다른 어레인지먼트들이 가능하다. 예컨대, 다수의 커플링 광학 엘리먼트들이 사용되고 예컨대, 도 11 내지 도 18과 관련하여 설명될 바와 같이 TIR을 통해 기판(1070) 내로 광을 인-커플링하고 카메라 조립체(1030)로 광을 아웃-커플링하도록 구성될 수 있다. 커플링 광학 엘리먼트들(1078)이 반사성 광학 엘리먼트들로서 설명되었지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트들(1078)은 제1 및 제2 범위의 파장들을 실질적으로 투과시키는 투과성 커플링 광학 엘리먼트일 수 있다. 투과성 커플링 광학 엘리먼트는 예컨대, 제2 범위의 파장들이 실질적으로 방해받지 않고 통과하도록 허용하면서, 기판(1070) 내에서 TIR을 유도하기 위한 각도로 제1 파장을 굴절시킬 수 있다.
다수의 커플링 광학
엘리먼트들을
사용한
축외
이미징을
위한 예시적인
이미
징 시스템들
[0092] 도 11은 카메라 조립체(1030)에서 객체를 이미징하기 위해 기판(1070)을 통해 객체로부터의 광을 내부 전반사시키기 위한 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 다른 예시적인 이미징 시스템(1000b)을 개략적으로 예시한다. 도 11은 기판(1070)을 포함하는 이미징 시스템(1000b)의 실시예를 예시하며, 이 기판은 기판(1070)의 하나 이상의 표면들 상에 배치된 적어도 2개의 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a) 및 객체 평면(1120)에 포지셔닝된 객체를 뷰잉하도록 배열된 카메라 조립체(1030)를 포함한다. 특정 어레인지먼트가 도 11에 도시되지만, 이는 단지 예시 목적만을 위한 것이며 제한하려는 것이 아니다. 다른 광학 엘리먼트들(예컨대, 렌즈들, 도파관들, 편광기들, 프리즘들 등)은 특정 애플리케이션에 대해 요구되는 바와 같이 광을 포커싱하고 수차들을 정정하고, 지향시키는 등을 하기 위해 객체로부터의 광을 조작하는 데 사용될 수 있다.
[0093] 도 11의 실시예에서, 기판(1070)은 각각, 기판(1070)의 원위 및 근위 표면들(1076, 1074)에 인접하게 배치된 2개의 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)을 각각 포함한다. 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 기판(1070)의 표면에 부착되거나 고정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트(1178a, 1188a) 중 하나 이상은 기판(1070)에 매립되거나 또는 기판(1070)의 표면들 상에 에칭될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 단독으로 또는 결합하여, 기판(1070)은 기판(1070) 그 자체의 부분으로서 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)을 포함하는 지역을 갖도록 제조될 수 있다. 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)의 예시적인 어레인지먼트가 도 11에 도시되지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 (도 12a, 도 13a, 도 13b 및 도 14b에 예시된 바와 같이) 원위 표면(1076) 또는 근위 표면(1074)에 인접하여 포지셔닝될 수 있거나, 또는 (도 14a에 예시된 바와 같이) 커플링 광학 엘리먼트들(1178a)은 근위 표면(1074) 상에 포지셔닝될 수 있는 반면, 커플링 광학 엘리먼트들(1188a)은 원위 표면(1076) 상에 포지셔닝된다.
[0094] 커플링 광학 엘리먼트들(1178a 및 1188a)은 도 10a 및 도 10b의 커플링 광학 엘리먼트들(1078)과 유사할 수 있다. 예컨대, 도 11은, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a) 둘 모두가 파장 선택적인 반사성 커플링 광학 엘리먼트들이어서, 이들은 도 10a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 하나 이상의 파장들의 광을 선택적으로 재지향시키면서, 다른 파장의 광을 투과시키는 이미징 시스템(1000b)을 예시한다. 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a 및 1188a)은 제1 범위의 파장들의 광(예컨대, IR 광, 근-IR 광 등)을 편향시키면서 제2 범위의 파장들(예컨대, 가시광)을 투과시킨다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 회절 패턴(예컨대, DOE)을 형성하는 회절 피처들을 포함할 수 있다.
[0095] 도 11을 참조하면, 카메라 조립체(1030)는 원위 표면(1076)을 뷰잉하고 객체 평면(1120) 쪽으로 후방을 향해 장착된다. 다양한 실시예들에서, 카메라 조립체(1030)는 착용자의 눈에 근접하여 (예컨대, 도 2의 프레임(80) 상에) 장착될 수 있고 광원(1032)(도 11에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 카메라 조립체(1030)는 IR 방사에 민감한 IR 디지털 카메라를 포함할 수 있다. 도 11의 카메라 조립체(1030)는 후방을 향하는 것으로서 도시되는 반면, 다른 어레인지먼트들이 가능하다. 예컨대, 카메라 조립체(1030)는 그것이 전방을 향하도록 장착될 수 있다.
[0096] 일부 실시예들에서, 객체 평면(1120)의 객체(예컨대, 눈(220) 또는 그의 부분)가 광원(1032)(도 10a 및 도 10b)에 의해 조명될 수 있다. 예컨대, 동공이 이미징되는 경우, 광원(1032)은 동공으로 지향되고 눈(220)의 동공을 조명한다. 다른 실시예들에서, 제1 푸르키네(Purkinje) 이미지(이는 각막의 전방 표면으로부터 포인트 소스(point source)의 반사에 의해 형성된 가상 이미지임)가 이미징될 수 있다. 고유하게 식별될 수 있고 눈 포지션, 동공 포지션 또는 시선 방향을 표시하는 눈과 연관된 임의의 물리적 또는 광학 객체가 이미징될 수 있다. 조명 시에, 객체는 광선들(1122a-e)(이하, 집합적으로 "1122"로서 지칭됨)로서 기판(1070)을 향해 광을 반사할 수 있다. 예컨대, 광선들(1122a-e)은 동공, 홍채, 눈꺼풀, 공막, 눈 주위의 다른 조직 등으로부터 반사된 확산 광을 예시할 수 있다. 다른 예에서, 광선들(1122a-e)은 반짝임으로부터 정반사된 광을 예시할 수 있다(예컨대, 푸르키네 이미지). 과학적 이론에 동의함 없이, 눈으로부터의 반사, 눈의 일부 또는 눈을 둘러싼 조직은 조명의 배향에 따라 입사광의 편광을 회전시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1032)(도 10a 및 도 10b)은, 예컨대, 광의 세기를 50% 정도 만큼 감소시킬 수 있는 편광기가 광학 경로에 구현되지 않는 한, 특정 편광을 갖지 않는 LED 광원일 수 있다. 광선(1122)만이 도 11에 도시되지만, 이것은 단지 예시의 목적만을 위한 것이며, 임의의 수의 반사된 광선들이 가능하다. 광선들(1122) 각각은 객체와 동일하거나 상이한 각도들로 반사될 수 있다. 예컨대, 도 11은 광선(1122a)은, 광선(1122e)이 객체로부터 반사되는 각도보다 클 수 있는 제1 각도로 반사되는 것을 예시한다. 다른 구성들이 가능하다.
[0097] 위의 설명은 객체로부터 반사되는 광선들(1122)을 참조하지만, 다른 구성들이 가능하다. 일부 실시예들에서, 광선들(1122)은 소스(1032)(도 10a 및 도 10b)로부터 광을 반사하는 대신, 객체 평면(1120)에 로케이팅되는 광원에 의해 방출된다. 따라서, 광선들(1122)은 기판(1070)을 향해 지향될 수 있다. 광선들(1122)은 객체 평면(1120)으로부터 반사되거나 이에 의해 방출되는 광의 전부 또는 일부일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0098] 도 11에 예시된 바와 같이, 객체 평면(1120)으로부터 나올 시에, 광선들(1122)은 입사 지점에서 근위 표면(1074)에 수직인 허축(imaginary axis)에 대한 입사각으로 기판의 근위 표면(1074) 상에 입사된다. 그 후, 광선(1122)은 기판(1070)에 진입하고 근위 표면(1074)에서의 입사각 및 근위 표면(1074)에 바로 인접한 매체 및 기판(1070)의 굴절률들의 비에 부분적으로 기초하여 굴절된다.
[0099] 광선들(1122)은 입사 지점에서 원위 표면(1076)에 수직인 허축에 대한 입사각으로 커플링 광학 엘리먼트(1178a)로 이동하고 이에 충돌한다. 광선들(1122)은, 이 광선들이 기판(1070)을 통해 전파되도록 커플링 광학 엘리먼트(1178a)에 의해 편향되는데; 즉, 커플링 광학 엘리먼트(1178a)는 기판(1070) 내로 광을 반사하는 반사성 인-커플링 광학 엘리먼트로서 기능한다. 광선들(1122)은, 인-커플링된 광선들(1122)이 내부 전반사에 의해, 커플링 광학 엘리먼트(1188a)를 향해 측방향으로 기판을 통해 전파되도록 하는 각도로 반사된다. 특정 과학 이론에 동의함 없이, 입사 광과 수직 축 사이의 회절 각도(θ)가 기판(1070)의 임계각(θc)보다 클 때 내부 전반사 조건이 충족될 수 있다. 일부 상황들 하에서, 내부 전반사 조건은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[1]
여기서 ns는 기판(1070)의 굴절률이고, no는 표면 기판(1070)에 인접한 매체의 굴절률이다. 다양한 실시예들에 따라, ns는 약 1 내지 약 2, 약 1.4 내지 약 1.8, 약 1.5 내지 약 1.7, 또는 다른 적합한 범위일 수 있다. 예컨대, 기판(1070)은 중합체, 이를테면, 폴리카보네이트 또는 유리(예컨대, 용융 실리카 등)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(1070)은 근위 표면(1074)으로부터 원위 표면(1076)까지 1 내지 2mm 두께일 수 있다. 예컨대, 기판(1070)은 2mm 두께의 용융 실리카의 부분 또는 1mm 두께의 폴리카보네이트의 부분일 수 있다. 카메라 조립체(1030)에서 원하는 동작 및 이미지 품질을 달성하기 위한 다른 구성들이 가능하다.
[0100] 일부 실시예들에서, 기판(1070)은 높은 굴절률 재료(예컨대, 기판(1070)에 바로 인접한 매체보다 높은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성될 수 있다. 예컨대, 기판(1070)에 바로 인접한 재료의 굴절률은 0.05 이상, 또는 0.10 이상만큼 기판 굴절률보다 작을 수 있다. 특정 과학 이론에 동의함 없이, 더 낮은 굴절률 매체는 기판(1070)을 통한 광의 TIR(예컨대, 기판(1070)의 근위 및 원위 표면들(1074, 1076) 사이의 TIR)을 용이하게 하도록 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 바로 인접한 매체는 약 1의 굴절률(no)을 갖는 공기를 포함한다. 임계각들은 기판 재료 및 주변 매체에 의존하여 20 도 내지 50 도의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 단독으로 또는 결합하여, 바로 인접한 매체는 다른 구조들 및 층들을 포함할 수 있으며, 예컨대, 도 6 및 도 9a 내지 도 9c와 관련하여 설명된 층들 중 하나 이상은 기판(1070)의 근위 또는 원위 표면(1074, 1076)에 바로 인접할 수 있다.
[0101] 그 후, 광은 커플링 광학 엘리먼트(1188a)를 향해 그리고 기판(1070)의 표면들과 대체로 평행한 방향으로 기판(1070)을 통해 전파된다. 일반적으로, ~를 향한(toward)은, 광선들(1122)이 기판(1070)의 표면들 사이에서 반사되고 이에 따라 기판(1070)에 정확히 평행하진 않지만 전반적인 이동 방향이 기판의 표면들과 실질적으로 평행한 조건을 지칭할 수 있다. 광선들(1122)은 커플링 광학 엘리먼트(1188a)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 기판(1070)을 통해 전파된다. 커플링 광학 엘리먼트(1188a)에의 도달 시에, 광선들(1122)은 이들이 기판(1070) 밖으로 전파되도록 편향되는데; 즉, 커플링 광학 엘리먼트(1188a)는 기판(1070) 밖으로 광을 반사하는 반사성 아웃-커플링 광학 엘리먼트로서 기능한다. 광선들(1120)은 TIR 조건이 더 이상 만족되지 않도록 하는 각도들로 반사된다(예컨대, 회절 각도(θ)는 임계각(θC)보다 작음). 커플링 광학 엘리먼트(1188a)는 또한 카메라 조립체(1030)를 향해 비스듬히 광선들(1122)을 반사할 수 있다. 예컨대, 광선들(1122)은 기판(1070)을 빠져나가도록 하는 각도로 반사될 수 있고, 원위 표면(1076)의 계면에 의해 굴절되어 카메라 조립체(1030)로 전파된다. 카메라 조립체(1030)는 그 후, 광선들(1122)을 수신하고 이에 기초하여 객체 평면(1120)을 이미징한다.
[0102] 도 11은, 광이 내부 전반사의 2개의 인스턴스들을 통해 커플링 광학 엘리먼트(1178a)로부터 커플링 광학 엘리먼트(1188a)로 이동하는 구성을 예시하지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 광선들(1122)은, 광선들(1122)이 기판(1070)을 통해 카메라 조립체(1030)를 향해 이동하도록 임의의 횟수들(예컨대, 1번, 2번, 3번, 4번, 5번, 6번, 7번 등)만큼 내부 전반사될 수 있다. 이에 따라, 카메라 조립체(1030)는 임의의 위치에 포지셔닝되고 객체로부터의 일정 거리에서 직시 이미지를 캡처하도록 구성될 수 있다. 과학적 이론에 동의함 없이, TIR은 고효율 즉 실질적으로 무손실 반사들을 포함할 수 있고, 이에 따라 광선들(1122)이 TIR되는 횟수들은 카메라의 원하는 포지션에 기초하여 선택될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 기판(1070) 내의 각각의 반사 시에 약간의 누설, 심지어 최소의 누설이 발생할 수 있다. 따라서, 기판(1070) 내에서의 반사들의 수를 최소화하는 것은 광의 누설을 감소시키고 이미지 캡처 성능을 개선할 수 있다. 또한, 과학적 이론에 동의함 없이, 반사들의 수를 감소시키는 것은 기판(1070)의 불순물 또는 비-균일 표면들로 인한 이미지 블러링 또는 밝기 감소를 감소시킴으로써 이미지 품질을 개선할 수 있다(예컨대, 더 적은 반사들은 더 밝은 보다 강한 이미지를 생성할 수 있음). 따라서, 설명된 이미징 시스템들 및 그의 컴포넌트들의 설계는 TIR 이벤트들의 수를 최소화하고 카메라 조립체(1030)를 원하는 대로 포지셔닝하기 위해 이러한 고려사항들을 염두에 두고 최적화될 수 있다.
[0103] 기판(1070)으로의 광의 효율적인 인- 및 아웃-커플링은, 예컨대, 가상/증강/혼합 현실 디스플레이 애플리케이션들을 위한 도파관-기반 시-쓰루(see-through) 디스플레이들을 설계하는 데 있어 난제가 될 수 있다. 이들 및 다른 애플리케이션들을 위해, 구조가 회절 성질들을 포함하는 다양한 광학 성질들을 최적화하도록 구성 가능한 재료로 형성된 회절 격자들을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 회절 성질들은 다른 성질들 중에서도, 특히 편광 선택성, 스펙트럼 선택성, 각도 선택성, 높은 스펙트럼 대역폭 및 높은 회절 효율을 포함할 수 있다. 이들 및 다른 요구들을 해결하기 위해, 본원에서 개시된 다양한 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 회절 패턴들을 형성하는 회절 피처들, 이를테면, DOE들 또는 회절 격자들을 포함할 수 있다.
[0104] 일반적으로 회절 격자들은 광을 상이한 방향들로 이동하는 여러 광 빔들로 분할 및 회절시키는 주기적 구조를 갖는다. 빔들의 방향은 다른 것들 중에서도, 주기적 구조의 기간 및 광의 파장에 의존한다. 기간은 회절 피처들의 격자 공간 주파수에 부분적으로 기초할 수 있다. 소정의 광학 성질들을 최적화하기 위해, 예컨대 회절 효율들을 최적화하고 잠재적 레인보우 효과(rainbow effect)들을 감소시키기 위해, 기판(1070)으로부터의 인-커플링 및 아웃-커플링 광과 같은 특정 애플리케이션들에 대해, DOE의 다양한 재료 성질들이 주어진 파장에 대해 최적화될 수 있다. 예컨대, IR 광이 사용되는 경우, DOE들(1178a, 1188a)의 공간 주파수는 밀리미터 당 600 내지 2000 라인일 수 있다. 일 실시예에서, 공간 주파수는 밀리미터 당 약 1,013 라인들일 수 있다(예컨대, 도 12a 및 도 13a). 일 실시예에서, 도 11의 예시적인 DOE(1178a)는 밀리미터 당 1013.95 라인을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 공간 주파수는 도 15와 관련하여 설명된 바와 같이 밀리미터 당 대략 1400 라인들이다. 따라서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)의 공간 주파수는 본원에서 설명된 이미징 시스템들을 최적화할 때 적어도 하나의 고려사항일 수 있다. 예컨대, 공간 주파수는 TIR 조건을 지원하도록 선택될 수 있다. 다른 예로서, 단독으로 또는 결합하여, 공간 주파수는 이미징 시스템의 컴포넌트들의 구성 및 치수에 의존하여 최소 아티팩트들(예컨대, 도 12b에 설명되는 바와 같은 고스트 또는 복제 이미지들)로, 광 스루풋을 최대화하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 피처들은 임의의 구성들을 가질 수 있지만; 제1 커플링 광학 엘리먼트(1178a)가 사용자의 시야 내에 포지셔닝될 수 있기 때문에, 제1 커플링 광학 엘리먼트(1178a)는 시각적 아티팩트들(예컨대, 레인보우 효과들)을 최소로 갖거나 전혀 갖지 않도록 최적화될 수 있다.
[0105] 일부 구현들에서, DOE는 축외 DOE, 축외 HOE(Holographic Optical Element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element)일 수 있다. 일부 실시예들에서, OAHM은 광학 파워(optical power)를 또한 가질 수 있으며, 이 경우에, 그것은 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a) 중 하나 이상은, 다른 것들 중에서도, 편광 선택성, 대역폭, 위상 프로파일, 회절 성질들의 공간적 변동, 스펙트럼 선택성 및 높은 회절 효율들을 최적화하도록 구성될 수 있는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating)일 수 있다. 예컨대, 2017년 12월 7일자에 출원되고 발명의 명칭이 "Diffractive Devices Based On Cholesteric Liquid Crystal"인 미국 특허 출원 번호 제15/835,108호에 설명된 CLC들 또는 CLCG들 중 임의의 것이 본원에서 설명된 바와 같은 커플링 광학 엘리먼트들로서 구현될 수 있으며, 이 문헌은 이 문헌이 개시하는 모든 것에 대해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 이들이 활성으로 회절하는 "온" 상태들과 이들이 현저하게 회절하지 않는 "오프" 상태들 사이에서 스위칭될 수 있는 스위칭 가능한 DOE들일 수 있다.
[0106] 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a) 중 하나 이상은 임의의 반사성 또는 투과성 액정 격자들일 수 있다. 위에서 설명된 CLC들 또는 CLCG들은 액정 격자의 일 예일 수 있다. 다른 액정 격자들은 또한 가시광의 파장보다 작은 크기를 갖는 액정 피처들 및/또는 패턴들을 포함할 수 있고, PBPE(Pancharatnam-Berry Phase Effect) 구조들, 메타표면들 또는 메타재료들로서 지칭되는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 발명의 명칭이 "Display System With Optical Elements For In-Coupling Multiplexed Light Streams"인 미국 특허 공개 번호 제2017/0010466호; 2018년 1월 24일에 출원되고 발명의 명칭이 "Antireflection Coatings For Metasurfaces"인 미국 특허 출원 번호 제15/879,005호; 또는 2017년 12월 13일에 출원되고 발명의 명칭이 "Patterning Of Liquid Crystals Using Soft-Imprint Replication Of Surface Alignment Patterns"인 미국 특허 출원 번호 제15/841,037호에서 설명된 PBPE 구조들, 메타표면들, 또는 메타재료들 중 임의의 것이 본원에서 설명된 바와 같은 커플링 광학 엘리먼트들로서 구현될 수 있으며, 이 문헌들 각각은 이 문헌이 개시하는 모든 것에 대해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 이러한 구조들은 빔 스티어링, 파면 성형, 파장들 및/또는 편광들의 분리와 같이 광을 조작하도록 구성될 수 있고, 상이한 파장들 및/또는 편광들을 결합하는 것은 메타재료 액정 격자들로서 달리 지칭되는, 메타표면을 갖는 액정 격자들 또는 PBPE 구조들을 갖는 액정 격자들을 포함할 수 있다. PBPE 구조들을 갖는 액정 격자들은 액정 격자들의 입사각에 대한 낮은 감도 및 높은 회절 효율을 PBPE 구조들의 높은 파장 감도와 결합할 수 있다.
[0107] 일부 실시예들에서, 소정의 DOE들은 본원에서 설명된 바와 같은 커플링 광학 엘리먼트들로서 활용될 때 비-제한적인 이점들을 제공할 수 있다. 예컨대, 과학적 이론에 동의함 없이, 액정 격자들, CLC들, CLCG들, 볼륨 위상 격자들 및 메타-표면 격자들은 본원에서 그리고 위에서 설명된 레인보우 효과들과 같은 시각적 아티팩트들의 출현을 감소 또는 제거하도록 구성된 광학 성질들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 DOE들을 사용할 때, 기판(1070)으로의 광의 스루풋을 최대화하기 위해 DOE를 편광된 광(예컨대, 광선들(1122)은 원하는 편광을 포함할 수 있음)으로 조명하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 위에서 설명된 바와 같이, 눈은 배향에 의존하여 입사의 편광을 회전시킬 수 있고, 따라서 일부 실시예들에서, 광원(1030)은 편광되지 않은 광을 방출할 수 있다. 반사된 광선들(1122)은 또한 편광되지 않을 수 있고, 따라서 광의 일부는 DOE의 편광 성질들로 인한 스루풋이 아닐 수 있다(예컨대, 광선(1122)의 50%까지가 커플링 광학 엘리먼트(1178a)에서 손실될 수 있음). 일부 실시예들에서, 스루풋을 개선하기 위해, 커플링 광학 엘리먼트(1178a)로서 이중 층 DOE가 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 DOE 층은 하나의 편광 상태에서 동작하도록 구성되고 제2 DOE 층은 제2 편광 상태에서 동작하도록 구성된다.
[0108] 일부 실시예들에서, 많은 광선들(1122)이 기판(1070) 내로 인-커플링되고 카메라 조립체를 향해 아웃-커플링되도록 충분히 높은 회절 효율을 갖는 DOE들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 과학적 이론에 동의함 없이, 비교적 높은 회절 효율은 커플링 광학 엘리먼트(1178a)에서 수신된 실질적으로 모든 광을 카메라 조립체(1030)로 지향시키고 그리하여 이미지 품질 및 정확도를 개선하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회절 효율은 카메라 조립체(1030)의 감도에 부분적으로 기초할 수 있다(예컨대, 더 높은 감도는 더 낮은 회절 효율을 허용할 수 있음). 다양한 실시예들에서, DOE는 제1 범위의 파장들(예컨대, IR 광)에 대해 높은 회절 효율을 그리고 제2 범위의 파장들(예컨대, 가시광)에서 낮은 회절 효율을 갖도록 선택될 수 있다. 과학적 이론에 동의함 없이, 가시광에 대한 낮은 회절 효율은 사용자의 뷰잉 경로에서 레인보우 효과들을 감소시킬 수 있다.
[0109] 일부 애플리케이션들에서, DOE는 사용자가 회절 피처들을 통해 가시 광을 뷰잉할 때 레인보우 효과를 야기할 수 있다. 특정 과학적 이론에 동의함 없이, 레인보우 영향은 회절 피처들과 상호작용하고 그리하여 상이한 방향들에서 상이한 회절 각도들로 상이한 파장들(예컨대, 컬러들)을 편향시키는 다양한 파장들의 결과일 수 있다. 본원에서 설명된 일부 실시예들에서, 사용자에 의해 뷰잉되는 바와 같은, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188b)과 상호작용하는 세계로부터의 레인보우 효과는 이 효과를 감소시키기 위해 회절 피처들을 수정 또는 제어함으로써 감소될 수 있다. 예컨대, DOE 상의 광의 회절 각도는 격자의 기간 또는 공간 주파수에 기초하기 때문에, 회절 피처들의 형상(예컨대 삼각형 단면 또는 블레이징)은 주어진 범위의 파장들에 대해 특정 위치에 회절된 광의 대부분을 집중시키도록 선택될 수 있다.
[0110] 일부 실시예들에서, 기판(1070)은 도 6의 도파관들(270, 280, 290, 300 또는 310) 중 하나일 수 있다. 이 실시예에서, 대응하는 아웃-커플링 광학 엘리먼트(570, 580, 590, 600 또는 610)는 눈에 의해 반사된 광의 TIR을 유도하도록 구성된 인-커플링 광학 엘리먼트(1178a)로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃-커플링 광학 엘리먼트(570, 580, 590, 600 또는 610)의 일부는 인-커플링 광학 엘리먼트(1178)로 대체되어서, 대응하는 도파관(270, 280, 290, 300 또는 310)이 도 6과 관련하여 설명된 바와 같이 그리고 카메라 조립체(630)로 반사된 광을 지향시키도록 사용될 수 있다.
[0111] 일부 실시예들에서, 기판(1070)은 도 9a 내지 도 9c의 도파관들(670, 680 또는 690) 중 하나일 수 있다. 이들 실시예들에서, 대응하는 광 분배 엘리먼트들(800, 810 및 830) 또는 그 일부는 인-커플링 광학 엘리먼트(1178a)로 대체될 수 있는 반면, 인-커플링 광학 엘리먼트(700, 710 및 720) 또는 그의 일부는 아웃-커플링 광학 엘리먼트(1188a)로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, OPE들(730, 740 및 750)은 인-커플링 광학 엘리먼트(1178a)로부터 아웃-커플링 광학 엘리먼트(1188a)로 이동하는 광의 광학 경로에 남아있을 수 있다. 그러나, OPE들(730, 740 및 750)은 광을 아웃-커플링 광학 엘리먼트(1188a)로 분배하고, 그 광이 전파됨에 따라 빔 스폿 크기를 또한 감소시키도록 구성될 수 있다.
[0112] 다양한 실시예들에서, 카메라 조립체(1030)의 시야는 다양한 필드 포지션들 전반에 걸쳐 전체 객체 평면(1120)(예컨대, 도 10의 눈(220), 그의 부분, 또는 눈 주위의 조직)을 이미징하기에 충분하도록 구성된다. 예컨대, 도 11에 도시된 예에서, 이미징된 객체 평면(1120)의 크기는 30mm(가로) x 16mm(세로)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 이미징될 객체의 크기와 적어도 매칭되도록 충분히 크게 설계되는데; 즉, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)은 이미징된 객체의 전체 크기로부터 광을 수신하도록 구성된다. 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트(1178a)는 눈(220)으로부터 유래하는 광을 수신한다. 커플링 광학 엘리먼트(1188)는 기판(1070)을 통해 카메라 조립체(1030)를 향해 전파되는 실질적으로 모든 광선들(1122)을 반사하도록 크기가 정해질 수 있다.
[0113] 다양한 실시예들에서, 다른 광학 엘리먼트들은 광선들(1122)이 이동하는 경로를 따라 포지셔닝될 수 있다. 예컨대, 광선들(1122)을 원하는 각도로 기판(1070)을 향해 지향시키기 위해 개재 광학 엘리먼트가 기판(1070)과 객체 평면(1120) 사이에 포함될 수 있다. 임의의 원하는 위치에 카메라 조립체(1030)를 배치하도록 카메라 조립체(1030)를 향해 광선들(1122)을 지향시키고 포커싱하는 개재 광학 엘리먼트들이 카메라 조립체(1030)와 기판(1070) 사이에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개재 광학 엘리먼트들은 광선들(1122)을 필터링하고, 편광을 변경하거나 수차들을 정정하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 이미징 시스템의 광학 컴포넌트들에 의해 도입된 광학 수차들을 감소시키거나 제거하도록 배열 및 구성된 정정 광학 엘리먼트들이 광선들(1122)의 광학 경로를 따라 포지셔닝될 수 있거나, 또는 이미징 시스템은 도 6의 디스플레이 시스템(250)의 부분, 다른 도파관들 또는 광학 엘리먼트들이다.
다중 커플링 광학
엘리먼트들을
사용한
축외
이미징을
위한 대안적인
실시예들
[0114] 도 11은 기판(1070)을 통해 객체 평면(1120)으로부터 광을 TIR시키도록 구성된 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)을 갖는 기판(1070)을 포함하는 예시적인 이미징 시스템(1000b)을 도시하지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 도 11은 반사성 커플링 광학 엘리먼트들로서 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a) 둘 모두를 예시하지만; 커플링 광학 엘리먼트들 중 하나 또는 둘 모두는 실질적으로 기판(1070)을 통해 제2 범위의 파장들을 투과시키면서, TIR 조건들을 만족하는 각도로 제1 범위의 파장들을 굴절시키도록 구성된 투과성 커플링 광학 엘리먼트들일 수 있다. 도 12a 내지 도 18은 기판(1070)의 일부 실시예들을 예시하지만, 다른 구성들이 가능하다.
[0115] 도 12a는 예시적인 이미징 시스템(1000c)을 개략적으로 예시한다. 이미징 시스템(1000c)은 기판(1070)을 통해 객체 평면(1220)으로부터 광(1122)을 TIR시키기 위해 다수의 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188b)을 사용한다. 도 11과 유사하게, 도 12a는 광선(1122)을 기판(1070) 내로 인-커플링하는, 기판(1070)의 원위 표면(1076) 상에 배치된 반사성 커플링 광학 엘리먼트로서의 커플링 광학 엘리먼트(1178a)를 예시한다. 그러나, 커플링 광학 엘리먼트(1188b)는 도 11의 커플링 광학 엘리먼트(1188a)와 실질적으로 유사하지만, 도 12a는 기판(1070)의 원위 표면(1076) 상에 배치된 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)를 예시한다. 따라서, TIR을 통해 기판(1070)을 통해 전파될 때, 광선들(1122)은 근위 표면(1074) 상에서 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)를 향해 세 번째로 반사된다. 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)는 TIR 조건이 더 이상 유지되지 않고 광선들(1122)이 기판(1070)을 빠져나가도록 하는 각도로 광선들(1122)을 굴절시킨다. 예컨대, 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)가 DOE인 경우, 광은 DOE의 공간 주파수에 기초하여 굴절되고 카메라 조립체(1030)를 향해 실질적으로 편향된다.
[0116] 도 12a는 또한 카메라 조립체(1030)에 의해 캡처되는 미광 광선(stray light ray)(1222)을 예시한다. 예컨대, 미광 광선(1222)은 객체(1120)에 의해 반사되지만, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188b)을 통해 전파되는 대신, 미광 광선(1222) 중 일부 또는 전부는 카메라 조립체(1030)를 향해 직접 이동한다. 특정 이론에 동의함 없이, 미광 광선(1222)은 카메라 조립체(1030)에 의해 캡처되고, 그리하여 위에서 설명된 바와 같이 직시 이미지를 생성한다. 따라서, 카메라 조립체(1030)는 기판을 통해 TIR되는 광선들(1122)에 기초한 원하는 이미지와 함께, 광선들(1222)(예컨대, 본원에서 설명된 좁은 FOV 및 결함들을 포함함)에 기초하여 직시 이미지를 캡처할 수 있다. 카메라 조립체(1030)는 상이한 광학 경로들을 따라 이동한 광선들을 캡처하기 때문에, 최종 이미지는 다양한 결점들을 포함할 것이다. 하나의 이러한 결점이 도 12b에 예시되지만, 다른 것들이 가능하다.
[0117] 도 12b는 도 12a의 카메라 조립체(1030)를 사용하여 캡처된 객체(1120)의 예시적인 이미지(1210)를 예시한다. 예시적인 이미지(1210)에서, 카메라 조립체(1030)는 예컨대, 객체로서 사용되며 IR 광원으로 조명되는 레이저 다이오드의 전면의 이미지(1210)를 캡처하였다. 이 예에서 레이저 다이오드가 예시되지만, 다른 객체들, 예컨대 사용자의 눈(210)이 유사한 효과를 위해 사용될 수 있다. 이미지(1210)는 광선들(1222)에 의해 생성된 레이저 다이오드의 직시 이미지(1205) 및 광선들(1122)에 의해 생성된 이미지들의 세트(1240)를 포함한다. 이미지들의 세트(1240)는 원하는 축외 이미지(예시적인 목적으로, 이미지(1215)로 도시됨) 및 상이한 관점들로부터의 다수의 복제 이미지들(집합적으로 이미지들(1212)로서 예시됨)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 그러한 복제 이미지들(1212)은 원하는 경우 객체의 단일 관점 이미지를 합성하기 위해 포스트-프로세싱을 요구할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이미징 시스템은 단일 관점 이미지(1215)를 캡처하기 위해 원치않는 복제 이미지들(1212) 및 직시 이미지(1205)를 감소 또는 제거하도록 설계될 수 있다.
[0118] 예컨대, 도 13a 및 도 13b는 이미징 시스템(1000c)의 다른 뷰를 개략적으로 예시한다. 도 13a 및 도 13b는 복제 이미지들(1212)을 감소 또는 제거하기 위한 예시적인 접근법을 예시한다. 특정 과학 이론에 동의함 없이, 복제 이미지들(1212)은 기판(1070)의 두께(t), 커플링 광학 엘리먼트들(1178a)의 크기(d1), 및 광선들(1122)의 진행 거리(d2)의 변동에 기초하여 감소되거나 실질적으로 제거될 수 있다. 진행 거리(d2)는 광선이 기판 내에서 반사될 때 광선이 이동하는, 기판(1070)에 평행한 거리; 즉, 예컨대, 내부 전반사의 단일 인스턴스로 인한 기판(1070)의 원위 표면(1076) 상의 2개의 인접한 입사 지점들 사이의 거리를 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 직시 이미지(1205)는 또한, 예컨대, 객체(1220)에 근접한 근위 또는 원위 표면(1074, 1076) 상에 코팅(예컨대, 객체(1220)로부터의 IR 광을 차단 또는 감소시키도록 구성된 IR 코팅)을 포함함으로써 감소되거나 제거될 수 있다.
[0119] 예컨대, 커플링 광학 엘리먼트(1178a)의 크기(d1)를 최소 크기로 감소시키고, 진행 거리(d2)가 d1보다 크도록 이미징 시스템(1000c)의 컴포넌트들의 물리적 어레인지먼트를 변동시킴으로써 고스트 이미지들이 감소되거나 제거될 수 있다.
[0120] 일부 실시예들에서, 커플링 광학 엘리먼트(1178a)의 크기를 최소화하면서 큰 진행 거리를 달성하도록 진행 거리(d2)를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 과학 이론에 동의함 없이, 큰 진행 거리는 고스트 이미지들의 강도를 감소시키거나 미광 광선들(1030) 외부에의 카메라 조립체(1030)의 배치를 허용할 수 있다. 따라서, 일부 상황들에서, 진행 거리는 다음과 같이 표현될 수 있다:
[2]
여기서 θ는 광선(1122)의 회절 각이고 t는 기판(1070)의 두께이다. 진행 거리를 증가시키는 것은 기판의 두께(t)를 증가시키거나 회절 각(θ)을 증가시킴으로써 행해질 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 회절 각(θ)은 회절 피처들의 공간 주파수 또는 기간에 기초할 수 있다. 예컨대, 가장 낮은 광선(1122e)은 최소 회절 각(θ)을 갖고, 이에 따라 진행 거리를 증가시키기 위해서는 이 회절 각을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 기판(1070)의 두께를 증가시키는 것은 또한 진행 거리를 증가시킬 수 있다. 그러나, 경량이고 콤팩트한 이미징 시스템들을 생성하는 것에 대하여 기판(1070)의 두께를 밸런스 맞추는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 기판(1070)은 2.5 밀리미터 두께의 폴리카보네이트 조각이고(다른 재료들이 가능함) 격자 공간 주파수는 밀리미터 당 720 라인이다. 다양한 실시예들은 상이한 기판 두께들 또는 격자 공간 주파수들을 포함할 수 있다.
[0121] 도 14a 및 도 14b는 도 11의 이미징 시스템(1000a)과 상이한 어레인지먼트를 갖는 다수의 커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 이미징 시스템의 예들을 개략적으로 예시한다. 도 11에 설명된 바와 같이, 커플링 광학 엘리먼트들은 TIR을 유도하고 기판(1070)을 통해 광선들(1122)을 카메라 조립체(1030)로 지향시키기 위한 인-커플링 또는 아웃-커플링 광학 엘리먼트들로서 구성된다. 도 14a 및 도 14b는 커플링 광학 엘리먼트들의 유형 및 배치의 변동 면에서 상이하다.
[0122] 예컨대, 도 14a는 도 11의 이미징 시스템(1000b)과 실질적으로 유사한 이미징 시스템(1000d)을 도시한다. 그러나, 이미징 시스템(1000d)은 기판(1070)의 근위 표면(1074) 상에 배치된 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1178b) 및 기판(1070)의 원위 표면(1076) 상에 배치된 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)를 포함한다. 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1178b)는 투과성이지만, 원위 표면(1046)에서 TIR을 유도하기 위한 회절 각으로 도 11의 광(1122)을 회절시키는 인-커플링 광학 엘리먼트로서 구성될 수 있다. 그 후, 광(1122)은 도 12a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 아웃-커플링 광학 엘리먼트로서 구성된 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)를 향해 지향될 수 있다.
[0123] 도 14b의 실시예에서, 이미징 시스템(1000e)은 도 11의 이미징 시스템(1000b)과 실질적으로 유사다. 그러나, 이미징 시스템(1000e)은 기판(1070)의 근위 표면(1074) 상에 배치된 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1178b) 및 반사성 커플링 광학 엘리먼트(1188a)를 포함한다. 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1178b)는 투과성이지만, 원위 표면(1046)에서 TIR을 유도하기 위한 회절 각으로 도 11의 광(1122)을 회절시키는 인-커플링 광학 엘리먼트로서 구성될 수 있다. 그 후, 광(1122)은 도 11과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 아웃-커플링 광학 엘리먼트로서 구성된 반사성 커플링 광학 엘리먼트(1188a)를 향해 지향될 수 있다.
[0124] 도 15는 도 12a 내지 도 13b의 이미징 시스템(1000c)과 실질적으로 유사한 다른 예시적인 이미징 시스템(1000f)을 개략적으로 예시한다. 위의 이미징 시스템과 유사하게, 도 15는 기판(1070)의 원위 표면(1076) 상에 배치된 반사성 커플링 광학 엘리먼트(1178a) 및 투과성 커플링 광학 엘리먼트(1188b)를 포함하는 이미징 시스템(1000f)을 예시한다. 그러나, 커플링 광학 엘리먼트들(1178a 및 1188b)은 밀리미터 당 1411.765 라인의 공간 주파수 및 708.33 나노미터의 피치를 포함하고, 기판은 1 밀리미터 두께의 폴리카보네이트 조각이다. 따라서, 도 12a 내지 도 13b의 이미징 시스템(1000c)에 대하여, 광(1122)은 기판(1070) 내에서 여러 번 TIR될 수 있고 카메라 조립체는 커플링 광학 엘리먼트(1178a)로부터 더 멀어지게 시프트될 수 있다. 다른 구성들이 가능하다.
축외
이미징을
위한
이미징
시스템들의 대안적인
실시예들
[0125] 도 11은 기판(1070)을 통해 객체 평면(1120)으로부터 광을 TIR시키도록 구성된 커플링 광학 엘리먼트들(1178a, 1188a)을 갖는 기판(1070)을 포함하는 예시적인 이미징 시스템(1000b)을 도시하지만, 다른 구성들이 가능하다.
[0126] 예컨대, 도 16은 광학 컴포넌트(1650)에 인접하게 배치된 기판(1070)을 포함하는 이미징 시스템(1000g)을 예시한다. 일부 실시예들에서, 광학 컴포넌트(1650)는 도 6의 도파관 스택(260) 또는 도 9a 내지 도 9c의 도파관 스택(660)일 수 있다. 기판(1070)이 객체(1120)와 광학 컴포넌트(1650) 사이에 그리고 그에 인접한 것으로 예시되지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 광학 컴포넌트(1650)는 기판(1070)과 객체(1120) 사이에 있을 수 있거나, 또는 기판(1070)은 광학 컴포넌트(1650)의 부분일 수 있다. 기판(1070)은 다수의 반사성 엘리먼트들(1678 및 1688)을 포함할 수 있다. 도 16에 예시된 바와 같이, 광(1122)은 객체(1120)로부터 기판(1070)을 향해 이동하고 근위 표면(1074)과 상호작용할 수 있다. 광(1122)은 굴절되어 반사성 엘리먼트(1678)로 지향될 수 있으며, 이 반사성 엘리먼트는 광이 근사 표면(1074) 상에서 TIR시키도록 하는 각도로 광(1122)을 반사한다. 따라서, 광(1122)은 TIR을 통해 반사성 엘리먼트(1688)를 향해 이동한다. 광(1122)은 반사성 엘리먼트(1688)에 의해 카메라 조립체(1030)를 향해 반사될 수 있다. 따라서, 카메라 조립체(1030)는 카메라 조립체(1030)가 객체(1120)를 직시한 것처럼(예컨대, 가상 카메라 조립체(1030c)), 객체(1120)의 축외 이미지를 캡처할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사성 엘리먼트들(1678, 1688) 중 하나 이상은 "핫 미러(hot mirror)들"일 수 있거나 가시 스펙트럼에서 투과되면서 IR에서 반사되는 반사 코팅들을 포함할 수 있다.
[0127] 도 16의 일 실시예에서, 기판(1070)은 2mm 두께의 폴리카보네이트 조각이고 근위 표면(1074)은 객체 평면(1120)의 15.7mm 우측(예컨대, z- 방향)에 포지셔닝된다. 객체 평면(1120)은 수직으로 12mm이다(예컨대, y-방향). 일부 실시예들에서, 반사성 엘리먼트(1678)는 실질적으로 전체 FOV를 캡처하도록 구성되며, 여기서 중앙 광선(1122c)은 법선으로부터 25도 아래로(예컨대, 음의 y-방향) 전파된다. 카메라 조립체(1030)는 광선(1122c)의 원점으로부터 15.7 밀리미터 아래에 그리고 18.79 밀리미터 우측에 포지셔닝될 수 있다. 이 어레인지먼트에서, 이미징 시스템(1000g)은 10.56mm 아래에 그리고 22.65mm 우측에 포지셔닝된 가상 카메라(1030c)로부터 뷰잉하는 것처럼 이미지를 캡처한다.
[0128] 도 17은 광학 컴포넌트(1650)에 인접하게 배치된 기판(1770)(예컨대, 광학 커버-유리 또는 처방 유리) 및 기판(1770)에 인접하게 배치된 반사 표면(1778)을 포함하는 이미징 시스템(1000h)을 예시한다. 일부 실시예들에서, 기판(1770)은 위에서 설명된 기판(1070)과 실질적으로 유사할 수 있다. 특정 어레인지먼트가 도 17에 도시되지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 광학 컴포넌트(1650)는 기판(1650)과 객체(1120) 사이에 있을 수 있거나, 또는 기판(1770)은 광학 컴포넌트(1650)의 부분일 수 있다. 도 17에 예시된 바와 같이, 광(1122)은 객체(1120)로부터 광학 컴포넌트(1650)를 향해 이동하여 그와 상호작용할 수 있다. 그 후, 광(1122)은 그것이 기판(1770)을 향해 이동할 때 광학 컴포넌트(1650)를 통해 굴절되거나 이를 통과할 수 있다. 기판(1770)을 통과한 후(굴절되거나 통과됨), 광(1122)은 반사 표면(1778) 상에 입사된다. 반사 표면(1778)은 카메라 조립체(1030)를 향해 광(1122)을 반사 및 지향시키도록 구성된 광학 성질들을 가질 수 있다. 따라서, 카메라 조립체(1030)는 카메라 조립체(1030)가 객체(1120)를 직시한 것처럼 객체(1120)의 축외 이미지를 캡처할 수 있다. 도 17의 일 실시예에서, 이미징 시스템(1000F)은 16 밀리미터 x 24 밀리미터인 객체 평면(1120)을 캡처하도록 구성되며, 여기서 중앙 광선(1122c)은 법선(라인(1790)으로서 도시됨)으로부터 양의(positive) 17 도로 전파된다.
[0129] 일부 실시예들에서, 반사 표면(1778)은 장식용 또는 미용 렌즈 또는 광학 컴포넌트의 표면일 수 있다. 예컨대, 장식 렌즈는 햇빛을 필터링하기 위한 선글라스로서 사용하기 위한 렌즈일 수 있다. 다른 실시예에서, 장식용 렌즈는 고글에 사용하기 위한 컬러 필터링 렌즈일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 장식용 렌즈는 렌즈를 착용하지 않은 다른 사람들이 볼 수 있는 착색된 시각적 외관(예컨대, 다른 사람들에게 청색, 적색 등으로 보이는 렌즈)을 가질 수 있다. 장식용 렌즈는 또한 사용자 이외의 사람들이 볼 수 있는 컬러 층을 포함할 수 있다. 반사 표면(1778)은 장식용 렌즈의 내부 표면 상의 반사 코팅일 수 있다. 반사 코팅은 착용자가 세계를 뷰잉할 수 있도록 가시 스펙트럼에서 투과성이면서 IR에서 반사성일 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 반사 표면(1778)은 카메라 조립체(1030)를 향해 광(1122)을 지향시키도록 구성된 오목한 형상을 포함할 수 있다. 그러나 다른 구성들이 가능하다.
[0130] 도 18은 광학 컴포넌트(1850)에 인접하게 배치된 기판(1770) 및 기판(1770)에 인접하게 배치된 프리즘(1878)을 포함하는 이미징 시스템(1000i)을 예시한다. 일부 실시예들에서, 기판(1770)은 위에서 설명된 기판(1070)과 실질적으로 유사할 수 있다. 광학 컴포넌트(1850)는 광학 컴포넌트(1650)와 실질적으로 유사할 수 있지만, 도 9a 내지 도 9c의 출사동 확장기들(800, 810, 820) 중 하나 이상을 또한 포함할 수 있다. 특정 어레인지먼트가 도 18에 도시되지만, 다른 구성들이 가능하다. 예컨대, 광학 컴포넌트(1850)는 기판(1770)과 객체(1120) 사이에 있을 수 있거나, 또는 기판(1770)은 광학 컴포넌트(1850)의 부분일 수 있다. 도 18에 예시된 바와 같이, 광(1122)은 객체(1120)로부터 광학 컴포넌트(1850)를 향해 이동하여 그와 상호작용할 수 있다. 광(1122)은 그것이 광학 컴포넌트(1850)를 향해 이동함에 따라 굴절되거나 통과될 수 있다. 광학 컴포넌트(1850)를 통과한 후(굴절되거나 통과됨), 광(1122)은 프리즘(1878)에 진입하고 표면(1878a)에 의해 카메라 조립체(1030)를 향해 반사된다. 따라서, 카메라 조립체(1030)는 카메라 조립체(1030)가 객체(1120)를 직시한 것처럼 객체(1120)의 축외 이미지를 캡처할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프리즘은 IR 프리즘, "핫 미러"일 수 있거나, 또는 표면(1878a)은 가시 스펙트럼에서 투과성이면서 IR에서 반사성인 반사 코팅들을 포함할 수 있다. 도 18의 일 실시예에서, 이미징 시스템(1000i)은 35 도의 수직 FOV 및 30.73 밀리미터의 초점 거리를 갖는 카메라 어셈블리(1030)를 포함한다. 이러한 이미징 시스템(1000i)은 16 밀리미터 x 24 밀리미터인 객체 평면(1120)을 캡처하도록 구성될 수 있으며, 여기서 중앙 광선(1122c)은 법선(라인(1790)으로서 도시됨)으로부터 음의 25 도로 전파된다.
객체를
이미징하기
위한 예시적인 루틴
[0131] 도 19는 축외 카메라(예컨대, 도 6a의 카메라 조립체(630) 또는 도 10a의 카메라 조립체(1030))를 사용하여 객체(예컨대, 사용자의 눈)를 이미징하기 위한 예시적인 루틴의 프로세스 흐름도이다. 루틴(1900)은, 카메라 조립체가 객체를 직접 가리키는 것처럼 객체를 이미징하기 위해 객체로부터의 광이 객체에 대해 축외로 또는 그에 떨어져 포지셔닝되는 카메라 조립체로 어떻게 지향될 수 있는지를 설명한다.
[0132] 블록(1910)에서, 객체로부터 광을 수신하고 광을 카메라 조립체로 지향시키도록 구성되는 이미징 시스템이 제공된다. 이미징 시스템은 도 10a 내지 도 11, 도 12a 및 도 13a 내지 도 18과 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 이미징 시스템들(1000a-i) 중 하나 이상일 수 있다. 예컨대, 이미징 시스템은 제1 커플링 광학 엘리먼트(예컨대, 제1 커플링 광학 엘리먼트(1078, 1178a 또는 1178b)) 및 제2 커플링 광학 엘리먼트(예컨대, 제2 광학 엘리먼트(1188a 또는 1188b))를 포함하는 기판(예컨대, 기판(1070))을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광학 엘리먼트들은 본 개시내용 전반에 걸쳐 그리고 위에서 설명된 바와 같이 기판의 원위 표면 또는 근위 표면 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 광학 엘리먼트들은 기판(1070)을 따라 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 본 개시내용 전반에 걸쳐 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 및 원위 표면들 사이에서 광을 TIR시키는 각도로 광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 제1 광학 엘리먼트는 대체로 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향하는 각도로 광을 편향시키도록 구성될 수 있다. 제2 커플링 광학 엘리먼트는 제1 커플링 광학 엘리먼트로부터 광을 수신하고 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성될 수 있다.
[0133] 블록(1920)에서, 광은 카메라 조립체(예컨대, 도 6의 카메라 조립체(630) 또는 도 10a 내지 도 11, 도 12a 및 도 13a 내지 도 18의 카메라 조립체(1030))로 캡처된다. 카메라 조립체는 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 배향될 수 있고 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 수신할 수 있다. 카메라 조립체는 전향 또는 후향 구성의 축외 카메라일 수 있다. 블록(1930)에서, 객체의 축외 이미지는 본 개시내용 전반에 걸쳐 그리고 본원에서 설명된 바와 같이 캡처된 광에 기초하여 생성될 수 있다.
[0134] 일부 실시예들에서, 루틴(1900)은 광원(예컨대, 도 6의 광원(632) 또는 도 10a 내지 도 11, 도 12a 및 도 13a 내지 도 18의 광원(1032))으로부터의 광으로 객체를 조명하는 선택적인 단계(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은 IR 광을 포함하는 범위의 파장들을 포함할 수 있다.
[0135] 일부 실시예들에서, 블록(1930)에서 생성된 축외 이미지는 예컨대, 이미지-프로세싱 기술들을 사용하여 프로세싱 및 분석될 수 있다. 분석된 축외 이미지는, 본 개시내용 전반에 걸쳐 그리고 위에서 설명된 바와 같이 분석된 축외 이미지에 부분적으로 기초하여, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 사용자의 생리적인 상태를 평가하는 데 사용될 수 있다.
[0136] 다양한 실시예들에서, 루틴(1900)은 메모리에 저장된 명령들을 실행하도록 구성된 하드웨어 프로세서(예컨대, 도 2의 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(140))에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 컴퓨터-실행 가능 명령들을 갖는 (디스플레이 장치와 네트워크 통신하는) 원격 컴퓨팅 디바이스는 디스플레이 장치로 하여금 루틴(1900)의 양상들을 수행하게 할 수 있다.
부가적인 양상들
1. 광학 디바이스는 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판; 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 배치된 제1 커플링 광학 엘리먼트; 및 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 배치되고 근위 표면 또는 원위 표면에 평행한 방향을 따라 제1 커플링 광학 엘리먼트로부터 측방향으로 오프셋된 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함하고, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR(total internal reflection)시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성되고, 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성된다.
2. 제1 양상의 광학 디바이스에 있어서, 기판은 가시광에 대해 투명하다.
3. 제1 양상 또는 제2 양상의 광학 디바이스에 있어서, 기판은 중합체를 포함한다.
4. 제1 양상 내지 제3 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 기판은 폴리카보네이트를 포함한다.
5. 제1 양상 내지 제4 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 적어도 하나의 외부에 있고 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 적어도 하나에 고정된다.
6. 제1 양상 내지 제5 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트 기판의 일부를 포함한다.
7. 제1 양상 내지 제6 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트 중 적어도 하나는 복수의 회절 피처들을 포함한다.
8. 제7 양상의 광학 디바이스에 있어서, 복수의 회절 피처들은 일 범위의 파장들의 모든 광을 실질적으로 회절시키도록 일 범위의 파장들에 대해 비교적 높은 회절 효율을 갖는다.
9. 제7 양상 또는 제8 양상의 광학 디바이스에 있어서, 복수의 회절 피처들은 복수의 회절 엘리먼트들의 기간에 부분적으로 기초하여 적어도 하나의 방향으로 광을 회절시키며, 적어도 하나의 방향은 근위 표면과 원위 표면 사이에서 광을 TIR시키도록 선택된다.
10. 제1 양상 내지 제7 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 또는 제2 커플링 광학 엘리먼트 중 적어도 하나는 축외 DOE(diffractive optical element), 축외 회절 격자, 축외 DOE(diffractive optical element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element), 또는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating) 중 적어도 하나를 포함한다.
11. 제1 양상 내지 제7 양상 및 제10 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트 각각은 제2 범위의 파장들의 광을 투과시키면서, 제1 범위의 파장들의 광을 편향시키도록 구성된다.
12. 제11 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 범위의 파장들은 IR(infrared) 또는 근-IR 스펙트럼 중 적어도 하나의 광을 포함하고, 제2 범위의 파장들은 가시 스펙트럼의 광을 포함한다.
13. 제1 양상, 제7 양상 및 제11 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 원위 표면 상에 배치되고 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 근위 표면 상에 배치된다.
14. 제1 양상, 제7 양상, 제10 양상 및 제11 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 근위 표면 상에 배치되고 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 원위 표면 상에 배치된다.
15. 제1 양상, 제7 양상, 제10 양상 및 제11 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 원위 표면 상에 배치된다.
16. 제1 양상, 제7 양상, 제10 양상 및 제11 양상 중 어느 한 양상의 광학 디바이스에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판의 근위 표면 상에 배치된다.
17. 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 HMD(head mounted display)는, 프레임; 한 쌍의 광학 엘리먼트들의 각각의 광학 엘리먼트가 사용자의 눈 전방에 배치될 수 있도록 프레임에 의해 지지되는 한 쌍의 광학 엘리먼트들; 및 이미징 시스템을 포함하고, 이미징 시스템은, 프레임에 장착된 카메라 조립체; 및 제1 양상 내지 제16 양상 중 어느 한 양상에 따른 광학 디바이스를 포함한다.
18. 제17 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트는 기판을 포함한다.
19. 제17 양상 또는 제18 양상의 HMD에 있어서, 기판은 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트의 표면 상에 배치된다.
20. 제17 양상 내지 제19 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 프레임은 한 쌍의 이어 스템(ear stem)들을 포함하고, 카메라 조립체는 한 쌍의 이어 스템들 중 하나 상에 장착된다.
21. 제17 양상 내지 제20 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체는 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광을 이미징하도록 구성된 전향(forward facing) 카메라 조립체이다.
22. 제17 양상 내지 제20 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체는 사용자 쪽을 향하는 방향으로 배치된 후향(backward facing) 카메라 조립체이고, 후향 카메라 조립체는 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광을 이미징하도록 구성된다.
23. 제17 양상 내지 제22 양상 중 어느 한 양상의 HMD는, 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 향해 제1 범위의 파장들의 광을 방출하는 광원을 더 포함한다.
24. 제23 양상의 HMD에 있어서, 제1 범위의 파장들의 광은 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나에 의해 제1 커플링 광학 엘리먼트를 향해 반사된다.
25. 제17 양상 내지 제23 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 가시광에 대해 투명하다.
26. 제17 양상 내지 제23 양상 및 제25 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 이미지를 사용자에게 디스플레이하도록 구성된다.
27. 제17 양상 내지 제23 양상, 제25 양상 및 제26 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체는 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광에 부분적으로 기초하여, 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 이미징하도록 구성된다.
28. 제27 양상의 HMD에 있어서, HMD는 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나의 이미지에 기초하여 사용자의 시선을 추적하도록 구성된다.
29. 제27 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체에 의해 이미징된 이미지는, 사용자의 눈 전방에 배치되고 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 직시하는 카메라에 의해 이미징된 이미지와 일치한다.
30. 제17 양상 내지 제23 양상, 제25 양상 및 제27 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 광학 디바이스는 카메라 조립체에 의해 수신된 미광을 감소시키도록 배열된다.
31. 제17 양상 내지 제23 양상, 제25 양상, 제27 양상 및 제30 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트의 크기는 기판의 원위 표면과 근위 표면 사이에서 반사된 광의 진행 거리(stride distance) 미만이고, 진행 거리는 기판의 두께, 및 제1 커플링 광학 엘리먼트가 광을 편향키는 각도에 기초한다.
32. 제31 양상의 HMD에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트의 크기는 사용자의 눈의 시야에 기초한다.
33. 제17 양상 내지 제23 양상, 제25 양상, 제27 양상, 제30 양상 및 제31 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체에 의해 이미징된 사용자의 눈의 이미지와 사용자의 눈 전방에 배치된 카메라에 의해 이미징된 사용자의 눈의 이미지는 구별할 수 없다.
34. 제17 양상 내지 제23 양상, 제25 양상, 제27 양상, 제30 양상, 제31 양상 및 제33 양상 중 어느 한 양상의 HMD은, 카메라 조립체에 의해 획득된 이미저리(imagery)를 저장하도록 구성된 비-일시적인 데이터 저장소; 및 비-일시적인 데이터 저장소와 통신하는 하드웨어 프로세서를 더 포함하고, 하드웨어 프로세서는 이미저리를 분석하고, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 사용자의 생리적인 상태를 평가하도록 실행 가능 명령들로 프로그래밍된다.
35. 이미징 시스템은 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판 ― 기판은, 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 배치된 제1 회절 광학 엘리먼트; 및 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 배치되는 제2 회절 광학 엘리먼트를 포함하고, 제2 회절 광학 엘리먼트는 근위 표면 또는 원위 표면에 평행한 방향을 따라 제1 회절 광학 엘리먼트로부터 오프셋되고, 제1 회절 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 회절 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR(total internal reflection)시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성되고, 제2 회절 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 제2 회절 광학 엘리먼트 상에 입사되는 광을 편향시키도록 구성됨 ― ; 및 제2 회절 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 이미징하기 위한 카메라 조립체를 포함한다.
36. 제35 양상의 이미징 시스템에 있어서, 제1 회절 광학 엘리먼트 및 제2 회절 광학 엘리먼트는, 축외 DOE(diffractive optical element), 축외 회절 격자, 축외 DOE(diffractive optical element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element), 또는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating), 핫 미러(hot mirror), 프리즘, 또는 장식 렌즈의 표면 중 적어도 하나를 포함한다.
37. 가상 카메라를 이용하여 객체를 이미징하기 위한 방법은, 이미징될 객체 전방에 이미징 시스템을 제공하는 단계 ― 이미징 시스템은, 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 하나 상에 각각 배치되고 서로 오프셋된 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 기판을 포함하고, 제1 커플링 광학 엘리먼트는 근위 표면과 원위 표면 사이에서 그리고 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 광을 TIR(total internal reflection)시키기 위한 각도로 광을 편향시키게 구성되고, 제2 커플링 광학 엘리먼트는 기판 밖으로 비스듬히 광을 편향시키도록 구성됨 ― ; 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 수신하도록 배향된 카메라 조립체로 광을 캡처하는 단계; 및 캡처된 광에 기초하여 객체의 축외 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.
38. 제37 양상의 방법에 있어서, 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트 각각은 제2 범위의 파장들의 광을 투과시키면서, 제1 범위의 파장들의 광을 편향시킨다.
39. 제37 양상 또는 제38 양상의 방법은, 광원에 의해 방출된 제1 범위의 파장들로 객체를 조명하는 단계를 더 포함한다.
40. 제37 양상 내지 제39 양상 중 어느 한 양상의 방법은, 축외 이미지를 분석하는 단계, 및 분석된 축외 이미지에 부분적으로 기초하여, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 사용자의 생리적인 상태를 평가하는 단계를 더 포함한다.
41. 이미징 시스템은, 근위 표면 및 원위 표면을 갖는 기판; 원위 표면에 인접한 반사성 광학 엘리먼트 ― 반사성 광학 엘리먼트는 원위 표면에서 기판 밖으로 전달된 광을 비스듬히 반사시키도록 구성됨 ― ; 및 반사성 광학 엘리먼트에 의해 반사된 광을 이미징하기 위한 카메라 조립체를 포함한다.
42. 제41 양상의 이미징 시스템에 있어서, 반사성 광학 엘리먼트는 장식용 렌즈의 표면을 포함한다.
43. 제41 양상 또는 제42 양상의 이미징 시스템에 있어서, 반사성 광학 엘리먼트는 장식용 렌즈의 표면 상의 반사 코팅을 포함한다.
44. 제41 양상 내지 제43 양상 중 어느 한 양상의 이미징 시스템에 있어서, 반사성 광학 엘리먼트는 반사 프리즘을 포함한다.
45. 제41 양상 내지 제44 양상 중 어느 한 양상의 이미징 시스템에 있어서, 반사성 광학 엘리먼트는 적외선에 반사성이고 가시광에 투과성이다.
46. 제41 양상 내지 제45 양상 중 어느 한 양상의 이미징 시스템은, 근위 표면에 인접한 회절 광학 엘리먼트를 더 포함한다.
47. 제41 양상 내지 제46 양상 중 어느 한 양상의 이미징 시스템에 있어서, 카메라 조립체는 반사성 광학 엘리먼트로부터 수신된 광을 이미징하도록 구성된 전향(forward facing) 카메라 조립체이다.
48. 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 HMD(head mounted display)는, 프레임; 한 쌍의 광학 엘리먼트들의 각각의 광학 엘리먼트가 사용자의 눈 전방에 배치될 수 있도록 프레임에 의해 지지되는 한 쌍의 광학 엘리먼트들; 및 제41 항 내지 제47 항 중 어느 한 항에 따른 이미징 시스템을 포함한다.
49. 제48 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트는 기판을 포함한다.
50. 제48 양상 또는 제49 양상의 HMD에 있어서, 기판은 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트의 표면 상에 배치된다.
51. 제48 양상 내지 제50 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 프레임은 한 쌍의 이어 스템(ear stem)들을 포함하고, 카메라 조립체는 한 쌍의 이어 스템들 중 하나 상에 장착된다.
52. 제48 양상 내지 제51 양상 중 어느 한 양상의 HMD는, 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 향해 제1 범위의 파장들의 광을 방출하는 광원을 더 포함한다.
53. 제48 양상 내지 제52 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 가시광에 대해 투명하다.
54. 제48 양상 내지 제53 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 이미지를 사용자에게 디스플레이하도록 구성된다.
55. 제48 양상 내지 제54 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체는 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광에 부분적으로 기초하여, 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 이미징하도록 구성된다.
56. 제48 양상 내지 제55 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, HMD는 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나의 이미지에 기초하여 사용자의 시선을 추적하도록 구성된다.
57. 제48 양상 내지 제56 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체에 의해 이미징된 이미지는, 사용자의 눈 전방에 배치되고 사용자의 눈, 눈의 일부 또는 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 직시하는 카메라에 의해 이미징된 이미지와 일치한다.
58. 제48 양상 내지 제57 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 광학 디바이스는 카메라 조립체에 의해 수신된 미광을 감소시키도록 배열된다.
59. 제48 양상 내지 제58 양상 중 어느 한 양상의 HMD에 있어서, 카메라 조립체에 의해 이미징된 사용자의 눈의 이미지와 사용자의 눈 전방에 배치된 카메라에 의해 이미징된 사용자의 눈의 이미지는 구별할 수 없다.
60. 제48 양상 내지 제59 양상 중 어느 한 양상의 HMD는, 카메라 조립체에 의해 획득된 이미저리(imagery)를 저장하도록 구성된 비-일시적인 데이터 저장소; 및 비-일시적인 데이터 저장소와 통신하는 하드웨어 프로세서를 더 포함하고, 하드웨어 프로세서는 이미저리를 분석하고, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 사용자의 생리적인 상태를 평가하도록 실행 가능 명령들로 프로그래밍된다.
부가적인 고려사항들
[0137] 위에서 설명된 실시예들에서, 광학 어레인지먼트들은 눈-이미징 디스플레이 시스템들, 및, 보다 구체적으로 증강 현실 디스플레이 시스템들의 맥락에서 설명되었다. 그러나, 광학 어레인지먼트들의 원리들 및 이점들은 다른 머리-장착 디스플레이, 광학 시스템들, 장치 또는 방법들에 대해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 위에서, 실시예들 중 임의의 하나의 임의의 특징은 실시예들 중 임의의 다른 하나의 임의의 다른 특징과 결합되고 그리고/또는 대체될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0138] 맥락이 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐, "포함하다(comprise, include)", "포함하는(comprising, including)", "갖다(have)" 및 "갖는(having)" 등의 단어들은 배타적인 또는 철저한 의미와 대조적으로, 포괄적인 의미로 해석되는데; 즉 "포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는"의 의미로 해석된다. 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "커플링(coupled)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "연결(connected)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 맥락에 의존하여, "커플링된" 또는 "연결된"은 광이 하나의 광학 엘리먼트로부터 다른 광학 엘리먼트로 커플링되거나 연결되도록 하는 광학 커플링 또는 광학 연결을 지칭할 수 있다. 부가적으로, "본원에서", "위에서", "아래에서", "아래의", "위의" 단어들 및 이와 유사한 의미의 단어들은, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원의 임의의 특정 부분들이 아니라, 전체로서 본 출원을 지칭해야 한다. 맥락이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용한 위의 상세한 설명에서의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 둘 이상의 아이템들의 리스트에 관하여 "또는"이라는 단어는 (배타적 이기 보다는) 포괄적 "또는"이고, 다음의 단어 해석들, 즉 리스트 내의 아이템들 중 임의의 것, 리스트 내의 모든 아이템들, 리스트 내의 아이템들 중 하나 이상의 아이템들의 임의의 결합 모두를 커버하며, 리스트에 부가되는 다른 아이템들을 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같은 단수 표현은 달리 특정되지 않는 한 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석될 것이다.
[0139] 본원에서 사용된 바와 같이, 리스트의 아이템들 “중 적어도 하나”를 지칭하는 어구는 단일 멤버들을 포함하여 그 아이템들의 임의의 조합을 지칭한다. 예로서, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"는 A; B; C; A와 B; A와 C; B와 C; 그리고 A와 B와 C를 커버하는 것으로 의도된다. 특정하게 다르게 언급되지 않으면, 어구 "X, Y 또는 Z 중 적어도 하나"와 같은 접속어는, 아이템, 용어 등이 X, Y 또는 Z 중 적어도 하나일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 맥락으로 달리 이해된다. 따라서, 이러한 접속어는 일반적으로, 소정의 실시예들이 X 중 적어도 하나, Y 중 적어도 하나 및 Z 중 적어도 하나가 각각 존재할 것을 요구하는 것을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
[0140] 더욱이, 구체적으로 달리 언급되지 않거나 또는 사용된 맥락 내에서 달리 이해되지 않으면, 본원에서 사용된 조건어, 이를테면, 다른 것들 중에서도, "할 수 있다(can, could, might, may)", "예컨대", "예컨대", "이를테면" 등은 일반적으로, 소정의 실시예들이 소정의 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들을 포함하지만 다른 실시예들은 이들을 포함하지 않는다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 그러한 조건어는 일반적으로, 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예들을 위해 어떤 식으로든 요구된다는 것, 또는 이들 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되는지 또는 임의의 특정 실시예들에서 수행될지를 암시하는 것으로 의도되진 않는다.
[0141] 소정의 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서만 제시되며, 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 본원에서 설명된 신규한 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서 다양한 생략들, 대체들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 블록들이 주어진 어레인지먼트로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 컴포넌트들 및/또는 회로 토폴로지들로 유사한 기능성들을 수행할 수 있고, 일부 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들의 임의의 적합한 조합이 추가의 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 특징들 및 프로세스들은 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 또는 다양한 방식들로 결합될 수 있다. 엘리먼트 또는 엘리먼트들의 조합이 모든 실시예들에 대해 필수적이거나 불가결한 것은 아니다. 본 개시내용의 특징들의 모든 적합한 조합들 및 서브조합들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (40)
- 사용자에게 증강 현실을 제공하기 위한 머리-장착 디스플레이(headdmounted display; HMD)로서,
상기 머리-장착 디스플레이는:
카메라를 포함하는 카메라 조립체; 및
빛을 상기 사용자의 눈으로부터 상기 카메라 조립체를 향해 지향시키도록 구성된 광 디렉팅(directing) 조립체
를 포함하며,
상기 광 디렉팅 조립체는:
상기 사용자에 근접한 근위 표면 및 상기 사용자로부터 먼 원위 표면을 갖는 기판;
상기 근위 표면 및 상기 원위 표면 중 하나 상에 배치된 제1 커플링 광학 엘리먼트; 및
상기 근위 표면 및 상기 원위 표면 중 하나 상에 배치되고 상기 근위 표면 또는 상기 원위 표면에 평행한 방향을 따라 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트로부터 측방향으로 오프셋된 제2 커플링 광학 엘리먼트
를 포함하고,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 상기 근위 표면과 상기 원위 표면 사이에서 그리고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 상기 사용자의 눈으로부터의 광을 내부 전반사(total internal reflection; TIR)시키는 각도로 상기 광을 편향시키도록 구성되며, 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 카메라 조립체를 향해 상기 기판 밖으로 광을 편향시키도록 구성되고,
상기 카메라 조립체는, 상기 기판 내에서 내부 전반사되고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 사용하여, 상기 사용자의 눈의 이미지를 캡처하도록 구성되며,
상기 HMD는, 상이한 깊이 평면들에 대응하는 상이한 파면 발산(divergence)의 양으로 광을 출력함으로써 상기 상이한 깊이 평면들에서 상기 사용자에게 이미지들을 디스플레이하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 기판은 가시광에 대해 투명한,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 기판은 중합체를 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 기판은 폴리카보네이트를 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 적어도 하나의 외부에 있고 상기 기판의 근위 표면 및 원위 표면 중 적어도 하나에 고정되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 일부를 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트 중 적어도 하나는 복수의 회절 피처들을 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제7 항에 있어서,
상기 광은 일 범위의 파장들을 갖고, 상기 복수의 회절 피처들은 상기 일 범위의 파장에서 모든 광을 회절시키는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제7 항에 있어서,
상기 복수의 회절 피처들은 상기 복수의 회절 엘리먼트들의 기간에 부분적으로 기초하여 적어도 하나의 방향으로 광을 회절시키며, 상기 적어도 하나의 방향은 상기 근위 표면과 상기 원위 표면 사이에서 상기 광을 TIR시키도록 선택되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 또는 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트 중 적어도 하나는 축외 DOE(diffractive optical element), 축외 회절 격자, 축외 DOE(diffractive optical element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element), 또는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating) 중 적어도 하나를 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트 각각은 제2 범위의 파장들의 광을 투과시키면서, 제1 범위의 파장들의 광을 편향시키도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제11 항에 있어서,
상기 제1 범위의 파장들은 적외선(IR) 광 또는 근-IR 광 중 적어도 하나의 광을 포함하고, 상기 제2 범위의 파장들은 가시 광을 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 원위 표면 상에 배치되고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 근위 표면 상에 배치되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 근위 표면 상에 배치되고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 원위 표면 상에 배치되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 원위 표면 상에 배치되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 투과시키고, 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 일 범위의 파장들의 광을 선택적으로 반사하고, 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 근위 표면 상에 배치되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제1항에 있어서,
상기 HMD는 상기 사용자의 머리에 착용하도록 구성되며,
상기 HMD는:
프레임;
한 쌍의 광학 엘리먼트들 ― 상기 한 쌍의 광학 엘리먼트들의 각 광학 엘리먼트는 상기 사용자의 눈 전방에 배치될 수 있도록 상기 프레임에 의해 지지됨 ―; 및
이미징 시스템 ― 상기 이미징 시스템은 제1항의 상기 HMD의 상기 카메라 조립체를 포함하며, 상기 카메라 조립체는 상기 프레임에 장착됨 ―
을 더 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트는 기판을 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 기판은 상기 한 쌍의 광학 엘리먼트들 중 적어도 하나의 광학 엘리먼트의 표면 상에 배치되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 프레임은 한 쌍의 이어 스템(ear stem)들을 포함하고, 상기 카메라 조립체는 상기 한 쌍의 이어 스템들 중 하나 상에 장착되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 카메라 조립체는 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광을 이미징하도록 구성된 전향(forward facing) 카메라 조립체인,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 카메라 조립체는 상기 사용자 쪽을 향하는 방향으로 배치된 후향(backward facing) 카메라 조립체이고, 상기 후향 카메라 조립체는 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광을 이미징하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 사용자의 눈, 상기 눈의 일부 또는 상기 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 향해 제1 범위의 파장들의 광을 방출하는 광원을 더 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제23 항에 있어서,
상기 제1 범위의 파장들의 광은 상기 사용자의 눈, 상기 눈의 일부 또는 상기 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나에 의해 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트를 향해 반사되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 가시광을 투과시키는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 한 쌍의 광학 엘리먼트들 각각은 이미지를 상기 사용자에게 디스플레이하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
카메라 조립체는 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트로부터 수신된 광에 부분적으로 기초하여, 상기 사용자의 눈, 상기 눈의 일부 또는 상기 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 이미징하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제27 항에 있어서,
상기 HMD는 상기 사용자의 눈, 상기 눈의 일부 또는 상기 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나의 이미지에 기초하여 상기 사용자의 시선을 추적하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제27 항에 있어서,
상기 카메라 조립체에 의해 이미징된 이미지는, 상기 사용자의 눈 전방에 배치되고 상기 사용자의 눈, 상기 눈의 일부 또는 상기 눈 주위의 조직의 일부 중 적어도 하나를 직시하는 카메라에 의해 이미징된 이미지와 일치하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 이미징 시스템은 상기 카메라 조립체에 의해 수신된 미광을 감소시키도록 배열되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트의 크기는 상기 기판의 원위 표면과 근위 표면 사이에서 반사된 광의 진행 거리(stride distance) 미만이고, 상기 진행 거리는 상기 기판의 두께, 및 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트가 상기 광을 편향시키는 각도에 기초하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제31 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트의 크기는 상기 사용자의 눈의 시야에 기초하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 카메라 조립체에 의해 이미징된 상기 사용자의 눈의 이미지와 상기 사용자의 눈 전방에 배치된 카메라에 의해 이미징된 상기 사용자의 눈의 이미지는 구별할 수 없는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제17 항에 있어서,
상기 카메라 조립체에 의해 획득된 이미저리(imagery)를 저장하도록 구성된 비-일시적인 데이터 저장소; 및
상기 비-일시적인 데이터 저장소와 통신하는 하드웨어 프로세서를 더 포함하고,
상기 하드웨어 프로세서는, 상기 이미저리를 분석하고, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 상기 사용자의 생리적인 상태를 평가하도록 실행 가능 명령들로 프로그래밍되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 사용자에게 증강 현실을 제공하기 위한 머리-장착 디스플레이(headdmounted display; HMD)로서,
카메라를 포함하는 카메라 조립체; 및
빛을 상기 사용자의 눈으로부터 상기 카메라 조립체를 향해 지향시키도록 구성된 광 디렉팅(directing) 조립체
를 포함하며,
상기 광 디렉팅 조립체는:
상기 사용자에 근접한 근위 표면 및 상기 사용자로부터 먼 원위 표면을 갖는 기판;
상기 근위 표면 및 상기 원위 표면 중 하나 상에 배치된 제1 회절 광학 엘리먼트; 및
상기 근위 표면 및 상기 원위 표면 중 하나 상에 배치되는 제2 회절 광학 엘리먼트
를 포함하고,
상기 제2 회절 광학 엘리먼트는 상기 근위 표면 또는 상기 원위 표면에 평행한 방향을 따라 상기 제1 회절 광학 엘리먼트로부터 오프셋되고,
상기 제1 회절 광학 엘리먼트는 상기 근위 표면과 상기 원위 표면 사이에서 그리고 상기 제2 회절 광학 엘리먼트를 향해 상기 사용자의 눈으로부터의 광을 내부 전반사(TIR)시키기 위한 각도로 상기 광을 편향시키도록 구성되고, 상기 제2 회절 광학 엘리먼트는 상기 카메라 조립체를 향해 상기 기판 밖으로 상기 제2 회절 광학 엘리먼트 상에 입사되는 광을 편향시키도록 구성되며,
상기 카메라 조립체는 상기 기판 내에서 내부 전반사되고 상기 제2 회절 광학 엘리먼트에 의해 편향된 광을 사용하여 상기 사용자의 눈의 이미지를 캡처하도록 구성되고,
상기 HMD는 상이한 깊이 평면들에 대응하는 상이한 파면 발산의 양으로 광을 출력함으로써 상기 상이한 깊이 평면들에서 상기 사용자에게 이미지들을 디스플레이하도록 구성되는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 제35 항에 있어서,
상기 제1 회절 광학 엘리먼트 및 상기 제2 회절 광학 엘리먼트는, 축외 DOE(diffractive optical element), 축외 회절 격자, 축외 DOE(diffractive optical element), OAHM(off-axis holographic mirror), 또는 OAVDOE(off-axis volumetric diffractive optical element), 또는 OACLCG(off-axis cholesteric liquid crystal diffraction grating), 핫 미러(hot mirror), 프리즘, 또는 장식 렌즈의 표면 중 적어도 하나를 포함하는,
머리-장착 디스플레이(HMD). - 사용자에게 증강 현실 이미저리(imagery)를 제공하고 그리고 가상 카메라를 이용하여 상기 사용자의 눈을 이미징하는 방법으로서,
이미징될 상기 사용자의 눈의 전방에 머리-장착 디스플레이(head-mounted display; HMD)를 제공하는 단계 ― 상기 HMD는:
카메라를 포함하는 카메라 조립체; 및
제1 커플링 광학 엘리먼트 및 제2 커플링 광학 엘리먼트를 포함하는 기판을 포함하고,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 기판의 상기 사용자에 근접한 근위 표면 및 상기 사용자로부터 먼 원위 표면 중 하나 상에 각각 배치되며, 상기 제1 커플링 광학 엘리먼트는 상기 근위 표면과 상기 원위 표면 사이에서 그리고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트를 향해 상기 사용자의 눈으로부터의 광을 내부 전반사(total internal reflection; TIR)시키기 위한 각도로 상기 광을 편향시키도록 구성되고, 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트는 상기 카메라 조립체를 향해 상기 기판 밖으로 상기 광을 편향시키도록 구성되며,
상기 HMD는 상이한 깊이 평면들에 대응하는 상이한 파면 발산의 양으로 광을 출력함으로써 상기 상이한 깊이 평면들에서 상기 사용자에게 이미지들을 디스플레이하도록 구성됨 ―;
상기 기판 내에서 내부 전반사되고 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트에 의해 편향된 상기 사용자의 눈으로부터의 광을 상기 카메라 조립체로 캡처하는 단계; 및
상기 캡처된 광에 기초하여 상기 사용자의 눈의 축외 이미지를 생성하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제37 항에 있어서,
상기 제1 커플링 광학 엘리먼트 및 상기 제2 커플링 광학 엘리먼트 각각은 제2 범위의 파장들의 광을 투과시키면서, 제1 범위의 파장들의 광을 편향시키는, 방법. - 제37 항에 있어서,
광원에 의해 방출된 제1 범위의 파장들로 상기 사용자의 눈을 조명하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제37 항에 있어서,
상기 축외 이미지를 분석하는 단계, 및
상기 분석된 축외 이미지에 부분적으로 기초하여, 눈 추적; 바이오메트릭 식별; 눈의 형상의 멀티스코픽 재구성; 눈의 원근조절 상태의 추정; 또는 망막, 홍채, 눈의 다른 구별 가능한 패턴의 이미징 중 하나 이상을 수행하고 사용자의 생리적인 상태를 평가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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