KR102650507B1 - 별개의 위상 및 진폭 변조기들을 갖는 근안 3d 디스플레이 - Google Patents

별개의 위상 및 진폭 변조기들을 갖는 근안 3d 디스플레이 Download PDF

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Abstract

증강 현실 안경은, 공간 위상 변조기들 또는 활성 존 플레이트 변조기들에 광학적으로 커플링되고 눈 커플링 광학기들에 광학적으로 커플링된 이미지별 진폭 변조된 광의 소스들을 포함하는 근안 디스플레이들을 포함한다. 이미지별 진폭 변조된 광의 소스들은 이미지별 진폭 변조기들에 커플링된 광 소스들 또는 발광 2D 디스플레이 패널들을 포함할 수 있다. 눈 커플링 광학기들은 볼륨 홀로그래픽 회절 격자들을 포함할 수 있다.

Description

별개의 위상 및 진폭 변조기들을 갖는 근안 3D 디스플레이
[0001] 본 발명은 근안 디스플레이들(near eye displays)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 근안 3D(three-dimensional) 디스플레이들에 관한 것이다.
[0002] 스마트폰이 등장한 이래로, 범용 컴퓨팅 및 멀티미디어 통신이 가능한 다목적이며 항상 이용 가능한 디바이스를 갖추는 것의 큰 유용성은 대체로 공공에 의해 실현되었다. 그럼에도 불구하고, 스마트폰들의 확연한 단점은 비교적 작은 스크린 크기이다. 스마트폰 디스플레이 스크린들은 심지어 작은 랩톱 컴퓨터 스크린들의 크기의 작은 부분이다.
[0003] 이제 스마트폰들이 궁극적으로 증강 현실 안경으로 대체되거나 필요 불가결하게 보완될 것으로 예상되며, 증강 현실 안경은, 다른 것들 중에서도, 비즈니스 목적이든지 또는 엔터테인먼트 목적이든지 간에, 사용자가 자유자재로 액세스할 수 있는 비교적 넓은 시야 3D 이미저리 출력 시스템을 사용자에게 효과적으로 제공할 것이다.
[0004] 단지 랩톱에 의해 제공되는 스크린 크기를 초과하는 것을 넘어 그리고 랩톱을 가지고 다닐 부담 없이, 증강 현실 안경은, 실세계 및 가상 콘텐츠를 끊김 없이 통합하는 새로운 혼합 현실 애플리케이션들을 제공할 것이다. 이것은 사용자가 실세계에 참여하는 것을 보존하여 스마트폰들을 과도하게 사용하는 것과 때때로 연관된 실세계 상호작용에서 탈퇴하는 사회적 현상을 억제할 뿐만 아니라, 물리적 세계의 새로운 타입들의 증강, 이를테면, 예컨대, 자동으로 인식된 실세계 객체들 위에 중첩된 자동으로 생성된 맥락적으로 관련된 정보; 다른 상대방에게 디스플레이되는 각각의 당사자의 3D 아바타들을 통한, 원격에 위치된 사람들 사이의 통신; 예컨대, 현실적으로 거동하는, 예컨대, 실세계에서 물리적 객체들의 경계들을 준수하는 가상 콘텐츠를 포함하는 혼합 현실 게임들을 가능하게 한다.
[0005] 증강 현실 안경의 하나의 양상은, 가상 콘텐츠가 투명 접안렌즈들을 통해 디스플레이된다는 것이다. 하나의 타입의 투명 접안렌즈는, 가상 이미저리를 전달하는 광의 전파를 제어하기 위한 시-스루 회절 광학 엘리먼트들을 포함하는 도파관들에 기반한다. 이러한 도파관 접안렌즈들에서의 하나의 이슈는, 도파관 접안렌즈들이 가상 이미저리를 전달하는 광을 사용자의 눈들에 전달할 수 있는 효율이 낮다는 것이다. 낮은 효율은 더 높은 전력 소비, 및 따라서 더 짧은 배터리 수명 및 연관된 열 관리 요건들로 이어진다.
[0006] 추가적으로, 가상 콘텐츠의 현실성을 향상시키기 위해, 콘텐츠를 상이한 깊이들로 디스플레이하는 것이 바람직하다. 사용자로부터 특정 거리에 콘텐츠를 적절히 디스플레이하는 것은 콘텐츠의 가상 이미지들을 생성하는 데 사용되는 광의 파면을 구부릴 것을 요구한다. 곡률은 가상 이미지 거리와 반비례한다. 도파관-기반 접안렌즈들을 사용할 때, 다수의 가상 이미지 거리들을 달성하기 위해, 각각 상이한 아웃-커플링 광학기들을 갖는 도파관들의 스택이 사용된다. 후자의 접근법은 사실상, 제공될 수 있는 가상 거리들을 작은 유한 수, 예컨대, 2개의 선택된 거리들로 제한한다.
[0007] 본원에 설명된 실시예들은 광학 트레인을 통해 그리고 사용자의 눈(들)에 3D 이미저리를 커플링하는 효율성을 향상시키고, 또한 가상 이미지들의 깊이를 제어할 수 있다는 점에서 더 다목적이다.
[0008] 본 발명의 실시예들은, 이미지별 세기 변조된 광의 소스로부터 수신된 광의 빔에 걸쳐 공간적으로 변동된 위상 변조를 부여할 수 있는 공간 위상 변조기에 커플링된 이미지별 세기 변조된 광의 소스를 포함하는 근안 디스플레이들(near eye displays)을 포함하는 증강 현실 안경을 제공한다. 공간 위상 변조기는 눈 커플링 광학기에 추가로 커플링된다. 이미지별 진폭 변조된 광의 소스는, 예컨대, LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 변조기 또는 DMD(Digital Micromirror Device) 변조기와 같은 2D 픽셀화된 진폭 변조기, 또는 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디스플레이 패널과 같은 발광 2D 디스플레이 패널에 커플링된 광 소스의 형태를 취할 수 있다. 공간 위상 변조기는 물론 LCoS 변조기의 형태를 취할 수 있다. 눈 커플링 광학기는, 사용자의 눈을 향해 광을 방향전환시키는 각도와 비교하여, 비교적 높은 입사각으로 광을 수신하고, 이로써 근안 디스플레이의 부분들이 사용자 눈의 측면에 위치될 수 있게 하는 축외 볼륨 홀로그래픽 회절 격자(off-axis volume holographic diffraction grating)의 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 소스와 눈 커플링 광학기 사이의 광의 경로는, 공간 위상 변조기에 도달하기 전에 진폭 변조기에 도달할 수 있다. 근안 디스플레이는 진폭 변조기와 공간 위상 변조기 사이에 배치된 빔 분할기를 더 포함할 수 있다.
[0009] 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들의 설계 및 유용성을 예시하며, 도면들에서 유사한 엘리먼트들은 공통 참조 번호들에 의해 지칭된다. 본 발명들의 위에서 언급된 그리고 다른 이점들 및 목적들이 어떻게 달성되는지를 더 잘 인지하기 위해, 위에서 간략하게 설명한 본 발명들의 보다 구체적 설명이 첨부 도면들에서 예시되는 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 제공될 것이다.
[0010] 이들 도면들이 단지 본 발명의 통상적인 실시예들을 도시할 뿐이며, 이에 따라 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하면서, 본 발명은 첨부된 도면들의 사용을 통해 부가적인 특이성 및 세부사항에 관해 설명되고 기술될 것이다.
[0011] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이의 블록도이다.
[0012] 도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이의 블록도이다.
[0013] 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 하나의 증강 현실 안경을 도시한다.
[0014] 도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 투과 이미지별 진폭 변조기 및 투과 위상 변조기를 갖는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0015] 도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 반사 진폭 변조기 및 반사 위상 변조기를 갖는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0016] 도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 투과 진폭 변조기 및 반사 위상 변조기를 갖는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0017] 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 반사 진폭 변조기 및 투과 위상 변조기를 갖는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0018] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, LCoS 진폭 변조기와 LCoS 위상 변조기 사이의 빔 분할기를 포함하는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0019] 도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, DMD 광 변조기와 LCoS 위상 변조기 사이에 한 쌍의 프리즘들을 포함하는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0020] 도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 이미지별 진폭 변조된 광의 OLED 소스와 위상 변조기 사이에 빔 분할기를 포함하는 근안 디스플레이의 개략적인 표현이다.
[0021] 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이 시스템의 블록도이다.
[0022] 도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 공간 위상 변조기들 상에 형성될 수 있는 프레넬 렌즈의 도시이다.
[0023] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 광을 경로를 따라 사용자의 눈으로 편향시키기 위해 중심으로부터 횡방향으로 시프팅되고 공간 위상 변조기들 상에 형성될 수 있는 프레넬 렌즈의 도시이다.
[0024] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 디스플레이에 포함된 활성 존 플레이트 변조기 상에 형성될 수 있는 존 플레이트 렌즈의 도시이다.
[0025] 도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 디스플레이에 포함된 활성 존 플레이트 변조기 상에 형성될 수 있는 존 플레이트 패턴들의 그리드의 도시이다.
[0026] 도 16은 본 발명의 일부 실시예들의 동작의 개략적인 도시이다.
[0027] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이(100)의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 근안 디스플레이(100)는 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102)는 코히어런트 광 소스(104)(예컨대, 하나 이상의 LD(laser diode)들) 및 이미지별 진폭 변조기(106)를 포함한다. 이미지별 진폭 변조기(106)는, 예컨대, LCoS 변조기, DMD 변조기 또는 투과 액정 변조기를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 것에 대해 대안적으로, 이미지별 진폭 변조된 광의 소스는, OLED 디스플레이 패널 또는 마이크로 LED 디스플레이 패널과 같은 픽셀화된 발광 디스플레이 패널의 형태를 취할 수 있다.
[0028] 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102)는 공간 위상 변조기(108)에 광학적으로 커플링된다. 본 명세서에서, "광학적으로 커플링된"이라는 용어는 자유 공간 및/또는 하나 이상의 광학 엘리먼트들, 이를테면, 렌즈(들), 미러(들), 및 광 파이프(들)를 포함할 수 있는 광학 경로를 따른 전파를 포함할 수 있다. 공간 위상 변조기(108)는, 예컨대, ZTECBLC(Zero-Twist Electrically Controlled Birefringence Liquid Crystal) 변조기를 포함할 수 있다. 공간 위상 변조기(108)는 단일 프레넬(Fresnel) 렌즈 구성, 프레넬 렌즈들의 그리드를 포함하는 구성, 또는 비-그리드 구성의 다수의 프레넬 렌즈들의 중첩으로 구성될 수 있다. 단일 프레넬 렌즈 구성은 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102)로부터 수신된 모든 광에 공통 파면 곡률(common wavefront curvature)을 부여하는 데 사용될 수 있다. 프레넬 렌즈들의 그리드 및 비-그리드 다중 프레넬 렌즈 구성들은 이미지별 진폭 변조된 광의 소스로부터 수신된 광의 상이한 구역들에 상이한 파면 곡률들을 부여하는 데 사용될 수 있다. 각각의 경우에, 파면 곡률은 가상 이미지 거리의 역이다. 파면 곡률을 가상 이미지 거리의 역으로 설정하는 것은, 이미지별 진폭 변조기(106)에 의해 출력되는 가상 이미저리가 사용자의 포지션에 대한 가상 이미지 거리에 있다는 더 현실적인 인상을 생성하는 것을 돕는다.
[0029] 공간 위상 변조기(108)는 눈 커플링 광학기들에 광학적으로 커플링된다. 눈 커플링 광학기들은, 예컨대, 홀로그래픽 볼륨 회절 격자, 또는 굴절 및/또는 반사 표면들을 포함하는 스페큘러 접안렌즈(specular eyepiece)의 형태를 취할 수 있다. 이미지별 진폭 변조된 광 및 공간 위상 변조된 광은, 예컨대, 컴퓨터 생성 홀로그램과 같은 홀로그램의 진폭 및 위상 변조된 컴포넌트들에 대응할 수 있다.
[0030] 도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이(200)의 블록도이다. 디스플레이 시스템은, 이미지별 진폭 변조기(206)에 광학적으로 커플링된 광 소스(204)를 포함하는 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(202)를 포함한다. 광 소스(204)는, 예컨대, LED(Light Emitting Diode)들 또는 LD들을 포함할 수 있다. 임의의 다른 적절한 광 소스가 사용될 수 있다.
[0031] 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(202)는 활성 존 플레이트 변조기(active zone plate modulator)(208)에 광학적으로 커플링된다. 활성 존 플레이트 변조기(208)는, 교번하는 밝은 링 및 어두운 링을 포함하는 존 플레이트 패턴들을 제공함으로써 가변 초점 거리들의 존 플레이트들을 재구성 가능하게 형성할 수 있다. 활성 존 플레이트 변조기(208)는 반사 광 변조기 또는 투과 광 변조기일 수 있다. 활성 존 플레이트 변조기는, 예컨대, DMD 변조기, LCoS 변조기 또는 투과 LC(liquid crystal) 변조기를 사용하여 구현될 수 있다. 활성 존 플레이트 변조기(208)는 단일 존 플레이트 패턴, 다수의 존 플레이트 패턴들의 그리드, 또는 존 플레이트 패턴들의 비-그리드 중첩을 제공하는 데 사용될 수 있다. 단일 존 플레이트 패턴은, 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(202)로부터 수신된 이미지별 변조된 광에 파면 곡률을 부여하는 데 사용될 수 있다. 반면에, 다수의 존 플레이트 패턴들은, 이미지별 변조된 광의 소스(202)로부터 수신된 이미지별 변조된 광의 상이한 부분들에 상이한 파면 곡률들을 부여하는 데 사용될 수 있다. 각각의 경우에, 파면 곡률은 근안 디스플레이(200)에 의해 제공된 역 가상 이미지 거리 이미저리에 대응한다. 근안 디스플레이 시스템에 의해 제공된 이미저리의 깊이 인식은, 제공된 이미지들의 가상 콘텐츠(예컨대, 생물 및 무생물 객체들)에 대한 의도된 거리에 기반하여 이미지들을 제공하는 데 사용되는 광의 파면을 구부림으로써 향상된다. 다수의 존 플레이트 패턴들이 구현되는 경우에, 제1 가상 객체(예컨대, 책)의 이미지를 전달하는 이미지별 변조된 광의 제1 부분은 제1 가상 객체에 대한 의도된 제1 거리의 역에 대응하는 제1 곡률을 갖기 위해 제1 존 플레이트 패턴에 의해 발산(diverge)될 수 있고, 제2 가상 객체(예컨대, 아바타)의 이미지를 전달하는 이미지별 변조된 광의 제2 부분은 제2 가상 객체에 대한 제2 의도된 거리의 역에 대응하는 제2 곡률을 갖기 위해 제2 존 플레이트 패턴에 의해 발산될 수 있다. 활성 존 플레이트 변조기(208)는 눈 커플링 광학기들(210)에 커플링된다.
[0032] 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 증강 현실 안경(300)을 도시한다. 증강 현실 안경(300)은 전방 프레임 부분(306)에 연결된 좌측 템플(temple)(302) 및 우측 템플(304)을 포함한다. 좌측 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(308) 및 우측 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(310)는 전방 프레임 부분(306)에 장착된다. 좌측 3D 이미지 생성기(312)는 좌측 템플(302)에 장착되고, 우측 3D 이미지 생성기(314)는 우측 템플(304)에 장착된다. 좌측 3D 이미지 생성기(312)는 좌측 보호 광학 윈도우(left protective optical window)(316)를 포함하고, 우측 3D 이미지 생성기(314)는 우측 보호 광학 윈도우(318)를 포함한다. 사용자의 좌측 눈 포지션(320) 및 우측 눈 포지션(322)이 개략적으로 예시된다. 좌측 접안렌즈(308)는 좌측 3D 이미지 생성기(312)로부터의 광을 좌측 눈 포지션(320)을 향해 반사(또는 그렇지 않다면 방향전환)시키도록 구성되고, 우측 접안렌즈(310)는 우측 3D 이미지 생성기(314)로부터의 광을 우측 눈 포지션으로 반사(또는 그렇지 않다면 방향전환)시키도록 구성된다. 좌측 및 우측 3D 이미지 생성기들(312, 314) 각각은, 공간 위상 변조기(108)와 결합하여 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102)를 구현할 수 있거나, 활성 존 플레이트 변조기(208)와 결합하여 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(202)를 구현할 수 있다. 좌측 및 우측 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈들(308, 310) 각각은 눈 커플링 광학기들(110) 및 눈 커플링 광학기들(210)의 가능한 실시예들이다. 좌측 눈 추적 카메라(324) 및 우측 눈 추적 카메라(326)는 전방 프레임 부분(306)에 장착된다.
[0033] 좌측 및 우측 이미지 생성기들(312, 314)을 사용하여 디스플레이된 가상 콘텐츠는 상이한 깊이들의 하나 이상의 가상 객체들을 포함할 수 있다. 눈 추적 카메라들(324, 326)은, 사용자가 어떤 특정 가상 객체를 보고 있는지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 사용자가 보고 있는 특정 가상 객체의 의도된 깊이에 기반하여, 공간 위상 변조기(108) 또는 활성 존 플레이트 변조기(208)는 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(102 또는 202)로부터 수신된 광에 발산(사용자를 향해 볼록한) 파면 곡률을 부여하는 네거티브 파워 렌즈를 형성하는 데 사용될 수 있다. 광의 곡률의 반경은, 눈 추적 카메라들(324, 326)에 의해 결정된 바와 같이, 사용자가 보고 있는 특정 가상 객체의 깊이와 동일하게 적절하게 설정된다. 각각의 특정 가상 객체의 깊이는 하나 이상의 프로그램들, 예컨대, 가상 객체들을 생성하는 증강 현실 프로그램들에 의해 결정될 수 있다. 또한, 공간 위상 변조기(108) 또는 활성 존 플레이트 변조기(208)에 의해 형성된 네거티브 렌즈 패턴은, 접안렌즈들(308, 310)에 의해 방향전환된 후에, 광이 사용자의 동공에 입사되도록 광을 편향시키기 위해 횡방향으로 시프팅될 수 있다.
[0034] 도 12를 참조하면, 디스플레이(100)의 공간 위상 변조기(108)에 의해 형성될 수 있는 회절 프레넬 렌즈 패턴(1200)이 도시된다. 회절 프레넬 렌즈 패턴(1200)은 초점 거리로 설명된다. 회절 프레넬 렌즈 패턴은, 사용자가 초점 거리와 동일한 깊이(사용자로부터의 거리)에 위치된 가상 콘텐츠를 보고 있는 눈 추적 카메라들(324, 326)을 사용하여, 검출에 대한 응답으로 생성될 수 있다. 초점 거리는 사용자와 사용자가 보고 있는 가상 콘텐츠 사이의 거리에 의존하여 필요에 따라 변경될 수 있다. 회절 프레넬 렌즈 패턴의 초점 길이는, 결과적인 파면 곡률이 사용자가 현재 보고 있는 가상 콘텐츠와 연관된 거리에 대응하도록, 사용자가 자신들의 시선의 방향을 변경함에 따라 조정될 수 있다.
[0035] 도 13을 참조하면, 제2 프레넬 렌즈 패턴(1300)이 도시된다. 제2 렌즈 패턴(1300)은 중심에 있는 제1 프레넬 렌즈 패턴에 대해 횡방향으로 시프팅된다. 제2 프레넬 렌즈 패턴은, 사용자에 의한 적절한 뷰잉을 위해 광학 경로(접안렌즈들(308, 310)에 의한 방향전환을 포함함)를 따라 광을 편향시키기 위해, 눈 추적 카메라들(324, 326)에 의해 결정된 바와 같이, 사용자의 눈(들)의 포지션의 시프트에 기반하여 횡방향으로 시프팅된다. 프레넬 렌즈 패턴(1300)은, 사용자의 시선을 추적하고 동공(들)을 통해 사용자의 눈들에 커플링하기 위해 임의의 방향으로 시프팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 프레넬 렌즈 패턴들의 위치의 시프트는, 눈 추적 카메라들(324, 326)에 의해 결정된 바와 같이, 사용자의 시선 방향의 시프트에 대응할 수 있다.
[0036] 도 14를 참조하면, 네거티브 존 플레이트 패턴(1400)이 도시된다. 네거티브 존 플레이트 패턴(1400)은 활성 존 플레이트 변조기(208) 상에 형성될 수 있고, 이미지별 진폭 변조된 광의 소스(202)로부터 수신된 광의 파면에 곡률을 부여하기 위해 네거티브 회절 프레넬 패턴(1200) 대신에 사용될 수 있고, 곡률은, 눈 추적 카메라들(324, 326)에 의해 결정된 바와 같이, 사용자가 보고 있는 가상 객체에 대한 거리에 기반한(예컨대, 거리와 동일한) 곡률의 반경을 갖는다. 네거티브 존 플레이트 패턴(1400)은 또한, 눈 추적 카메라들(324, 326)로부터 획득된 사용자의 동공의 위치에 관한 정보에 기반하여, 사용자의 동공으로 광을 편향시키도록 횡방향으로 시프팅될 수 있다.
[0037] 본 개시내용이 특정 실시예들에서 사용자의 동공을 추적하는 것을 나타내지만, 눈 이미징 또는 그렇지 않다면 다른 해부학적 구조의 포지셔닝이 사용될 수 있음을 당업자는 인지할 것이다. 예컨대, 망막 이미지는 망막 맵을 제공하기 위해 시간이 지남에 따라 획득 및 어그리게이팅될 수 있으며, 여기서 정해진 시간에 눈 추적 카메라들(324, 326)에 의해 획득된 임의의 단일 망막 이미지는 눈의 시선 방향에 대응한다. 즉, 동공이 시선 방향을 변경함에 따라, 이는 가변적으로 위치되는 애퍼처를 제공할 것이고, 눈 추적 카메라들(324, 326)은 애퍼처를 통해 망막에 대한 이미지 데이터를 수신할 것이고, 가변 포지션은 새로운 시선 방향에 대응한다.
[0038] 도 15를 참조하면, 상부 좌측 존 플레이트 패턴(1502), 상부 우측 존 플레이트 패턴(1504), 하부 좌측 존 플레이트 패턴(1506) 및 하부 우측 존 플레이트 패턴(1508)을 포함하는 4개의 존 플레이트 패턴들(1500)의 그리드가 도시된다. 이 예시적인 구성에서, 상부 좌측 존 플레이트 패턴(1502) 및 하부 좌측 존(1506)은 동일하고, 상부 우측 존 플레이트 패턴(1504) 및 하부 우측 존 플레이트 패턴(1508)은 상이하다. 4개의 존 플레이트 패턴들(1502, 1504, 1506, 1508)의 각각의 특정 존 플레이트 패턴은 특정 존 플레이트 패턴들(예컨대, 1502, 1504, 1506, 1508)에 입사하는 이미지별 변조된 광의 소스(102, 202)로부터 나오는 세기/진폭 변조된 광으로 제공된 가상 장면의 부분 또는 특정 가상 객체에 대한 거리에 관련된(예컨대, 거리와 동일한) 네거티브 초점 길이를 갖는다. 따라서, 예컨대, 가상 벌의 이미지는 그리드(1500)의 존 플레이트 패턴들(1502, 1504, 1506, 1508) 중 하나를 통해 커플링될 수 있고, 가상 나비의 이미지는 그리드(1500)의 존 플레이트 패턴들(1502, 1504, 1506, 1508) 중 다른 것을 통해 커플링될 수 있다. 도 15에 도시되지 않지만, 존 플레이트 패턴들(1502, 1504, 1506, 1508) 각각은 또한, 광을 사용자의 동공으로 지향시키고 대응하는 가상 객체 및 존 플레이트 패턴이 정렬된다는 것을 보장하기 위해, 사용자의 동공의 움직임에 기반하여 프레넬 렌즈(1300)의 경우에서와 같이 시프팅될 수 있다.
[0039] 도 16은 본 발명의 특정 실시예들의 동작의 개략적인 도시이다. 광 진폭 변조기(1602)는 광을 이미지별 변조하여 3개의 가상 객체들을 제공한다. 진폭 변조된 광의 제1 부분(1604)은 제1 가상 객체를 제공하는 데 사용되고, 진폭 변조된 광의 제2 부분(1606)은 제2 가상 객체를 제공하는 데 사용되고, 진폭 변조된 광의 제3 부분(1608)은 제3 가상 객체를 제공하는 데 사용된다. 진폭 변조된 광의 3개의 부분들(1604, 1606, 1608) 각각은 제한된 발산 각도를 갖는다. 제한된 발산 각도는, 광 진폭 변조기를 조명하는 광(예컨대, 레이저 광)의 높은 시준 정도 및 광 진폭 변조기(1602)가 광의 발산을 증가시키는 제한된 정도에 기인할 수 있다. 광 진폭 변조기(1602)는 출사 원뿔(outgoing cone)의 광을 생성하는 픽셀들을 포함할 수 있으며, 광의 발산은 입사 조명의 발산, 회절에 의해 그리고/또는 반사 또는 투과 확산 광학 재료들의 포함에 의해 부여되는 상한 및/또는 하한을 가질 수 있다. 진폭 변조된 광의 제1, 제2 및 제3 부분들(1604, 1606, 1608)은, 위상 변조기(1616) 상에 동적으로 형성될 수 있는 제1 프레넬 렌즈 패턴(1610), 제2 프레넬 렌즈 패턴(1612) 및 제3 프레넬 렌즈 패턴(1614)에 각각 입사된다. 동적으로 형성된 프레넬 렌즈 패턴들(1610, 1612, 1614) 각각은 진폭 변조된 광의 제1, 제2 및 제3 부분들(1604, 1606, 1608)에 특정 광 필드 곡률을 부여하도록 선택된 초점 길이를 갖는다. 위상 변조기(1616)에 도달하는 진폭 변조된 광의 부분들(1604, 1606, 1608)의 발산에 의존하여, 동적으로 형성된 프레넬 렌즈 패턴들(1610, 1612, 1614)은 포지티브 초점 거리 또는 네거티브 초점 거리 중 어느 하나를 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 위상 변조기(1616)와 상호작용한 후에, 광은 가상 객체 거리들에 관련된 곡률 반경에 따라 (수렴과 반대로) 발산할 것이다. 일부 실시예들에서, 접안렌즈들(308, 310)은 광학 파워를 가질 수 있으며, 이 경우에, 사용자의 눈 포지션들(320, 322)에 도달하는 광의 파면 곡률은 접안렌즈들(308, 310)의 광학 파워 및 동적으로 형성된 프레넬 렌즈 패턴들(1610, 1612, 1614)의 광학 파워 둘 모두의 함수라는 것이 유의된다. 후자의 경우에, 위상 변조기(1616)에서 출사되는 광이 수렴될 것이라는 것이 가능하다. 도 16의 우측에 도시된 바와 같이, 파면 곡률 제어된 광의 제1 부분(1618)은 제1 동적으로 형성된 프레넬 렌즈 패턴(1610)의 작용에 의해 진폭 변조된 광의 제1 부분(1604)으로부터 형성된다. 유사하게, 파면 곡률 제어된 광의 제2 부분(1620)은, 제2 동적으로 형성된 프레넬 렌즈(1612)의 작용에 의해 진폭 변조된 광의 제2 부분(1606)으로부터 형성된다. 파면 곡률 제어 광의 제3 부분(1622)은, 제3 동적으로 형성된 프레넬 렌즈(1614)의 작용에 의해 진폭 변조된 광의 제3 부분(1608)으로부터 형성된다. 도 3에 도시된 실시예의 경우에, 파면 곡률 제어된 광의 3개의 부분들(1618, 1620, 1622)은 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈들을 통해 사용자의 눈 포지션들(320, 322)에 광학적으로 커플링된다. 대안적으로, 다른 타입들의 접안렌즈들은 파면 곡률 제어된 광의 3개의 부분들(1618, 1620, 1622)을 사용자 눈 포지션들에 커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 16이 3개의 가상 깊이들로 디스플레이된 3개의 가상 객체들을 도시하지만, 다른 실시예들이 가능하다. 예컨대, 하나 이상의 가상 객체들은, 하나 이상의 동적으로 형성된 프레넬 렌즈들의 작용에 의해 형성된 진폭 변조된 광의 하나 이상의 부분들을 활용하여 하나 이상의 깊이들로 디스플레이될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 프레넬 렌즈는 하나의 가상 객체 또는 가상 콘텐츠의 하나의 구역의 깊이를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 프레넬 렌즈는 가상 콘텐츠의 하나 초과의 구역 또는 하나 초과의 가상 객체의 깊이를 결정하는 데 사용될 수 있다.
[0040] 도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 투과 이미지별 진폭 변조기(402) 및 투과 위상 변조기(404)를 갖는 근안 디스플레이(400)의 개략적인 표현이다. 디스플레이(400)를 통한 광학 경로(401)가 도면에 표시된다. 광 소스(406)는 투과 이미지별 진폭 변조기(402)에 광학적으로 커플링된다. 투과 이미지별 진폭 변조기(402)는 투과 위상 변조기(404)에 광학적으로 커플링된다. 투과 위상 변조기(404)는 광학 경로 폴딩 미러(408) 또는 다른 적절한 광 방향전환기(light redirector)를 통해, 사용자 눈 포지션(412) 앞에 위치된 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(410)에 광학적으로 커플링될 수 있다. 일 실시예에 따라, 광 소스(406), 투과 이미지별 진폭 변조기(402) 및 투과 위상 변조기(404)는 좌측 또는 우측 3D 이미지 생성기들(312, 314)로서 사용된다. 도 4에 도시된 특정 레이아웃이 우측 이미지 생성기로서 사용하기에 적합할 것이라는 것이 유의된다. 대안적인 실시예에 따라, 하나 이상의 존 플레이트 패턴들을 형성하는 데 사용될 수 있는 제2 투과 진폭 변조기가 투과 위상 변조기(404)를 대신하여 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광을 눈 포지션으로 지향시키기 위해, 시준 미러들 또는 렌즈, 프리즘들 또는 빔 분할기들과 같은 추가적인 광 방향전환기 컴포넌트들이 추가될 수 있다.
[0041] 도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 반사 진폭 변조기(502) 및 반사 위상 변조기(504)를 갖는 근안 디스플레이(500)의 개략적인 표현이다. 디스플레이(500)를 통한 광학 경로(501)가 표시된다. 광 소스(506)는 반사 진폭 변조기(502)에 광학적으로 커플링된다. 반사 진폭 변조기(502)에 의해 반사된 진폭 변조된 광은 반사 위상 변조기(504)에 입사된다. 반사 위상 변조기(504)에 의해 방향전환된 진폭 및 위상 변조된 광은 광학 경로 폴딩 미러(508) 또는 다른 적절한 광 방향전환기를 통해 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(510)로 지향되고, 이는 광학 경로 폴딩 미러(508)로부터 수신된 광을 사용자의 눈 포지션(512)으로 방향전환시킨다. 일부 실시예들에서, 시준 미러들 또는 렌즈 또는 프리즘들 또는 빔 분할기들 또는 편광 선택 필터들 또는 파장판들과 같은 추가적인 광 방향전환기 컴포넌트들은, 광이 눈 포지션으로 지향될 때 광학 경로(501)를 따라 배치될 수 있다.
[0042] 반사 진폭 변조기(502)는, 예컨대, LCoS 변조기 또는 DMD 변조기일 수 있다. 반사 위상 변조기(504)는, 예컨대, ZTECB(Zero-Twist Electrically Controlled Birefringence) LCoS 변조기일 수 있다. 대안적인 실시예에 따라, 도 2의 맥락에서 위에 논의된 바와 같이, 하나 이상의 존 플레이트 패턴들을 형성하는 데 사용되는 제2 반사 진폭 변조기는 반사 위상 변조기(504)를 대신하여 사용된다.
[0043] 도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 투과 진폭 변조기(602) 및 반사 위상 변조기(604)를 갖는 근안 디스플레이(600)의 개략적인 표현이다. 디스플레이(600)를 통한 광학 경로(601)가 표시된다. 광 소스(606)는 투과 진폭 변조기(602)에 광학적으로 커플링된다. 투과 진폭 변조기(602)를 통해 투과되는 과정에서 진폭 변조된, 광 소스(606)로부터의 광은 반사 위상 변조기(604) 위에 놓인 커버 윈도우(608)에 입사된다. 커버 윈도우(608)의 외부 표면(610)에는 반사 방지 코팅(도 6에서 보이지 않음)이 제공될 수 있다. 공기보다 더 큰 굴절률을 갖는 커버 윈도우(608)는 반사 위상 변조기(604) 상의 입사각들을 감소시키도록 기능할 수 있다. 반사 위상 변조기(604)에 의해 커버 윈도우(608)를 통해 반사된 광은 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(612)에 입사된다. 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(612)는 눈 포지션(614)의 앞에 위치될 수 있다. 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(612)는, 투과 진폭 변조기(602)에 의해 진폭 변조되고 반사 위상 변조기(604)에 의해 위상 변조된 광을 눈 포지션(614)을 향해 반사시키도록 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 경로를 따라 광을 지향시키거나 편광을 제어하기 위해, 도 4-5와 관련하여 앞서 언급된 것들과 같은 추가적인 광 방향전환기 컴포넌트들이 추가될 수 있다. 투과 진폭 변조기(602)는, 예컨대, 액정 변조기일 수 있다. 반사 위상 변조기는, 예컨대, ZTECB LCoS 변조기일 수 있다. 대안적인 실시예에 따라, 도 2의 맥락에서 위에 논의된 바와 같이, 하나 이상의 존 플레이트 패턴들을 형성하는 데 사용되는 반사 진폭 변조기가 반사 위상 변조기(610)를 대신하여 사용될 수 있음이 유의된다.
[0044] 도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 반사 진폭 변조기(702) 및 투과 위상 변조기(704)를 갖는 근안 디스플레이(700)의 개략적인 표현이다. 디스플레이(700)를 통한 광학 경로(701)가 표시된다. 광 소스(706)는 반사 진폭 변조기(702)에 광학적으로 커플링된다. 커버 윈도우(712)는 반사 진폭 변조기(702) 위에 제공된다. 1보다 더 큰 굴절률을 갖기 때문에, 커버 윈도우(712)는 반사 진폭 변조기에 대한 입사각을 감소시키도록 기능할 수 있다. 커버 윈도우(712)의 외부 표면(714) 상에 반사 방지 코팅(도 7에서 보이지 않음)이 제공될 수 있다. 반사 진폭 변조기(702)에 의해 진폭 변조 및 반사된, 광 소스(706)로부터의 광은 투과 위상 변조기(704)를 통해 볼륨 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(708)로 지향되고, 홀로그래픽 회절 격자 접안렌즈(708)에 의해 사용자의 눈 포지션(710)을 향해 방향전환된다. 일부 실시예들에서, 광학 경로를 따라 광을 지향시키거나 편광을 제어하기 위해, 도 4-6과 관련하여 앞서 언급된 것들과 같은 추가적인 광 방향전환기 컴포넌트들이 추가될 수 있다.
[0045] 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른, LCoS 진폭 변조기(830)와 LCoS 위상 변조기(832) 사이의 빔 분할기(828)를 포함하는 근안 디스플레이(800)의 개략적인 표현이다. 광 엔진(834)은 근안 디스플레이(800)를 위한 RGB(Red-Green-Blue) 광 소스로서 역할을 하지만, 다른 적절한 광 엔진 구성들이 사용될 수 있다. 도 8을 참조하면, 일부 실시예들에서, 적색 레이저 다이오드(802)는 적색 레이저 시준 렌즈(804)를 통해 RGB(Red-Green-Blue) 이색성 결합기 큐브(dichroic combiner cube)(808)의 적색 광 입력면(806)에 광학적으로 커플링된다. 녹색 레이저 다이오드(810)는 녹색 레이저 시준 렌즈(812)를 통해 RGB 이색성 결합기 큐브(808)의 녹색 광 입력면(814)에 광학적으로 커플링된다. 유사하게, 청색 레이저 다이오드(816)는 청색 레이저 시준 렌즈(818)를 통해 RGB 이색성 결합기 큐브(808)의 청색 광 입력면(820)에 광학적으로 커플링된다. RGB 이색성 결합기 큐브(808)는 출력면(822)을 갖는다. RGB 이색성 결합기 큐브(808)는, 적색 레이저 다이오드(802)로부터의 광을 출력면(822)을 통해 반사시키기 위해 45°로 설정된 적색 반사 이색성 미러(단파장 통과 미러)(824)를 포함한다. RGB 이색성 결합기 큐브(808)는 또한, 청색 레이저 다이오드(816)로부터의 광을 출력면(822)으로 반사시키기 위해 135도(적색 반사 이색 미러(824)에 수직)로 설정된 청색 반사 이색성 미러(장파장 통과 미러)(826)를 포함한다. 녹색 레이저 다이오드(810)로부터의 광은 적색 반사 이색성 미러(824) 및 청색 반사 이색성 미러(826)를 통해 출력면(822)으로 통과한다(미러들에 의해 투과된다). 적색 반사 이색성 미러(824) 및 청색 반사 이색성 미러(826)는 박막 광학 간섭 필름들로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 광 엔진은 레이저 다이오드들(802, 810, 816)로부터의 광을 결합하기 위해 RGB 결합기 큐브(808) 대신에 광자 칩을 활용할 수 있다.
[0046] RGB 결합기 큐브의 출력면(822)에서 출사되는 광은, 시준된 광을 출력하기 위해 갈릴레이 텔레스코프 구성(Galilean telescope configuration )일 수 있는 네거티브 렌즈(838) 및 후속되는 포지티브 렌즈(840)를 포함할 수 있는 선택적인 빔 확장기(836)를 통과할 수 있다. 대안적으로, 네거티브 렌즈(838)만이 제공된다. 추가의 대안적인 실시예에 따라, 빔 확장기(836) 대신에, 레이저 빔 성형 광학기들이 제공될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 실질적으로 균일한 직사각형 단면 빔들을 생성하도록 구성된 레이저 빔 성형 광학기들이 제공될 수 있다.
[0047] 빔 확장기(836)에서 출사되는 광, 또는 그의 부재 경우에, 광 엔진(834)에서 출사되는 광은 빔 분할기(844)의 입력면(842)에 진입하고, 일부 실시예들에서 45도로 배향된, 빔 분할기(844) 내에 임베딩된 부분 반사기(846)로 전파된다. 부분 반사기(846)는, 예컨대, 중립 밀도(neutral density) 50% 반사기일 수 있다. 광은 부분 반사기(846)에 의해 LCoS 진폭 변조기(830)로 반사된다. 광학 경로(850)가 도 8에 표시된다. 광학 경로(850)의 반사된 부분(852)은 광 엔진(834)으로부터 LCoS 진폭 변조기(830)로 연장된다. 광학 경로(850)의 반사된 부분(852)은 부분 반사기(846)에서 반사된다. 광은 LCoS 진폭 변조기(830)에 의해 선택적으로 반사되고, 이로써 효과적으로 진폭 변조된다. LCoS 진폭 변조기(830)에 의해 반사된 광은, 부분 반사기(846)를 가로지르는 광학 경로(850)의 투과된 부분(854)을 횡단하여, LCoS 위상 변조기(832)에 도달하고, LCoS 위상 변조기(832)는 광을 부분 반사기(846)를 향해 다시 반사시키는 과정에서 광을 위상 변조한다. 위상 변조기(832)는 프레넬 렌즈의 반사 아날로그, 프레넬 렌즈들의 그리드 어레이의 반사 아날로그, 또는 다수의 프레넬 렌즈들의 비-그리드 중첩의 반사 아날로그로서 구성될 수 있다. 위상 변조기(832)는, LCoS 진폭 변조기(830)로부터 수신된 이미지별 변조된 광에 글로벌 파면 곡률 또는 공간적으로 변동하는 로컬 파면 곡률들을 부여하는 역할을 한다. 파면 곡률 또는 곡률들은 근안 디스플레이(800)에 의해 출력되는 이미저리에 대한 하나 이상의 유효 가상 이미지 거리들을 설정할 수 있다. 대안적으로, 위상 변조기에 의해 형성된 프레넬 렌즈 패턴들의 광학 파워는, 사용자의 눈 포지션(866)에 도달하는 광이 근안 디스플레이(800)에 의해 출력되는 이미저리에 포함된 하나 이상의 가상 객체들에 대응하는 파면 곡률 또는 곡률들을 갖도록, 광학 경로(850)를 따른 다른 광학 엘리먼트들의 광학 파워를 고려하여 설정될 수 있다. 대안적으로, 위상 변조기 대신에, 존 플레이트 패턴들을 생성하는 데 사용될 수 있는 제2 진폭 변조기가 제공될 수 있다.
[0048] LCoS 위상 변조기(832)에 의해 반사된 광은 부분 반사기(846)에 의해 광학 경로 폴딩 미러(858)를 향해 반사되며, 이는 광을 보호 광학 윈도우(860)를 통해 볼륨 홀로그래픽 접안렌즈(862)를 향해 반사시킨다. 볼륨 홀로그래픽 접안렌즈(862)는, 사용자의 눈 포지션(866)을 향해 광을 회절시키기 위해 배향된 격자들 또는 다른 광 방향전환 피처들(864)을 포함한다. 근안 디스플레이(800)는 도 3에 도시된 증강 현실 안경(300)에 사용될 수 있다.
[0049] 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, DMD(Digital Micromirror Device) 광 변조기(906)와 LCoS 위상 변조기(908) 사이의 한 쌍의 프리즘들(902, 904)을 포함하는 근안 디스플레이(900)의 개략적인 표현이다. 공통 참조 번호들로 표시된 바와 같이, 근안 디스플레이(900)의 특정 엘리먼트들은 도 8에 도시된 근안 디스플레이(800)와 공유되며, 그의 세부사항들에 대해서는 상기 설명에 참조가 이루어진다. 빔 확장기(836)에서 출사되는 광, 또는 빔 확장기(836)가 사용되지 않는 경우에, RGB 결합기 큐브(808)(또는, 예컨대, 광자 칩에 기반한 것과 같은 대안적인 광 엔진)에서 출사되는 광은 한 쌍의 프리즘들(902, 904) 중 제1 프리즘(902)의 입력면(910)에 진입한다. 이어서, 광은 제1 프리즘(902)의 제2 경사면(912)에 도달하고, 경사면(912)에서 제3 표면(914)으로 TIR 반사된다. 광은 제3 표면에서 출사되고, DMD 광 변조기(906)에 도달한다. DMD 광 변조기(906)는, 입력 비디오 신호들의 제어 하에서 2개의 배향들 중 하나로 배향될 수 있는 마이크로미러들의 2차원 어레이(도 9에 도시되지 않음)를 포함한다. "오프-상태(off-state)" 배향에서, 마이크로미러들은, (제3 표면(914)에 재진입할 때 굴절 후에) 제2 경사면(912)에서의 TIR(total internal reflection)에 대한 임계 각도를 초과하는 각도로 광을 반사시킨다. 반면에, "온-상태" 배향에서, 마이크로미러들은, (제3 표면(914)에 재진입할 때 굴절 후에) 제2 경사면(912)에서의 TIR(total internal reflection)에 대한 임계 각도 미만인 각도로 광을 반사시킨다. 그레이 스케일(예컨대, 8 비트, 0-255 광 레벨들) 변조의 효과를 달성하기 위해, 각각의 마이크로미러가 온-상태인 프레임 기간의 퍼센티지가 제어된다. "온-상태"에서 마이크로미러들에 의해 반사된 광은 제3 표면(914)을 통과하고, 한 쌍의 프리즘들(902, 904) 중 제2 프리즘(904)의 제1 경사면(918)으로 갭(916)을 가로지르고, 제2 프리즘(904)에 진입한다. 이후에, 광은 제2 프리즘(904)의 제2 표면(920)에 도달하고 이로부터 출사되고, LCoS 위상 변조기(908)에 부딪친다. LCoS 위상 변조기(908)는 광을 위상 변조하여, 제2 프리즘의 제2 표면(920)을 통해 다시 반사시킨다. 광이 LCoS 위상 변조기(908)에 수직으로 입사되지 않기 때문에, 광은 또한 기울어져 반사되고, 입사 방향과 반사된 광선 방향 사이의 차이는, 광이 제2 프리즘의 제1 경사면(918)에 도달할 때, 광이 제2 프리즘(904)의 제3 출사면(922)에 대한 임계각을 초과하고, 따라서 제3 출사면(922)을 향해 반사되도록 한다. 제3 출사면(922)에서 출사되는 광은, 도 8을 참조하여 위에 설명된 바와 같이, 눈 포지션(866)으로 전파된다.
[0050] 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 이미지별 세기 변조된 광의 OLED 소스(1002)와 공간 위상 변조기(1004) 사이에 빔 분할기(828)를 포함하는 근안 디스플레이(1000)의 개략적인 표현이다. OLED 마이크로디스플레이의 형태를 취할 수 있는 이미지별 세기 변조된 광의 OLED 소스(1002)는 발광 디스플레이이고, 따라서 도 8 및 도 9에 도시된 컴포넌트들, 예컨대, 레이저 다이오드들, 시준 렌즈들, RGB 결합기 큐브는 도 10에 도시된 근안 디스플레이(1000)에서 활용되지 않는다. 이미지 세기 변조된 광의 OLED 소스(1002)로부터의 광의 일부는 빔 분할기(828)를 통해 공간 위상 변조기(1004)에 커플링된다. 공간 위상 변조기(1004)는 LCoS 위상 변조기의 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔 분할기는, 입사광의 특정 부분(예컨대, 공칭으로 1/2)을 반사시키고 입사광의 특정 부분을 투과시키는 중립 밀도 빔 분할기의 형태를 취할 수 있다. 공간 위상 변조기에 의해 반사 및 위상 변조된 광의 일부는, 빔 분할기(828)에 임베딩된 부분 반사기(846)에서 폴딩 미러(858)를 향해 반사되고, 따라서 도 8을 참조하여 위에 더 완전히 설명된 광학 경로를 통해 사용자 눈 포지션(866)으로 전파된다. 일부 실시예들에서, 도 4-7과 관련하여 앞서 언급된 것들과 같은 다른 적절한 광 방향전환 컴포넌트들이 폴딩 미러(858)에 추가하여 또는 대신에 사용될 수 있다.
[0051] 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 근안 디스플레이 시스템(1100)의 블록도이다. 시스템(1100)은 좌측 눈 추적 카메라(324), 우측 눈 추적 카메라(326)에 연결된 프로세서(1102), GPU(Graphics Processing Unit)(1104) 및 메모리(1106)를 포함한다. 메모리(1106)는, 예컨대, 트랜지스터 회로를 포함할 수 있어서, 프로세서(1102), GPU(1104) 및 메모리(1106)의 결합이 더 큰 전자 회로를 형성한다. 메모리(1106)는, 프로세서(1102) 및 GPU(1104)에 의해 실행되는 게임 엔진(1108)을 포함할 수 있다. 게임 엔진(1108)은 3D 장면 데이터(1110)를 유지(예컨대, 저장 및 업데이트)하고, 3D 장면 데이터(1110)가 정의되는 3D 가상 환경 내에서 좌표 오프셋만큼 서로 상이한 우측 눈 가상 카메라(1112) 및 좌측 눈 가상 카메라(1114)를 구현한다. 좌표 오프셋은 인간의 눈들의 간격에 대응하며, 각각의 사용자에 대해 선택적으로 설정될 수 있다. 가상 카메라들(1112, 1114) 각각에 대해, 머리 배향 방향으로 고정된 절두체가 정의되고, 렌더링을 위해 3D 장면 데이터의 일부를 선택하는 데 사용된다. GPU(1104)는 Z-버퍼(1116), 우측 프레임 버퍼(1118) 및 좌측 프레임 버퍼(1120)를 포함한다. 우측 눈 가상 카메라(1112)는 우측 프레임 버퍼(1118)에 커플링되어, 우측 눈 장면 데이터를 우측 프레임 버퍼(1118)에 전달한다. 유사하게, 좌측 눈 가상 카메라(1114)는 좌측 프레임 버퍼(1120)에 커플링되어, 좌측 눈 장면 데이터를 좌측 프레임 버퍼(1120)에 제공한다. 게임 엔진(1108)은 또한 3D 장면 데이터(1110)의 포인트들에 대한 깊이 좌표 정보를 GPU(1104)의 Z-버퍼(1116)에 제공한다.
[0052] 프로세서(1102)는 좌측 공간 위상/존 플레이트 변조기 드라이버(1122) 및 우측 공간 위상/존 플레이트 변조기 드라이버(1124)에 추가로 커플링된다. GPU(1104)는, 우측 눈 이미저리 및 좌측 눈 이미저리가 우측 프레임 버퍼(1118) 및 좌측 프레임 버퍼(1120)로부터 좌측 공간 진폭 변조기 드라이버(1126) 및 우측 공간 진폭 변조기 드라이버(1128)로 각각 출력될 수 있도록, 좌측 공간 진폭 변조기 드라이버(1126) 및 우측 공간 진폭 변조기 드라이버(1128)에 커플링된다. 좌측 공간 위상/존 플레이트 변조기(1122)는 좌측 공간 위상 또는 존 플레이트 변조기(108L, 208L)에 커플링되고, 그리고 우측 공간 위상/존 플레이트 변조기(1124)는 우측 공간 위상 또는 존 플레이트 변조기(108R, 208R)에 커플링되어, 각각의 변조기 드라이버는 개개의 플레이트 변조기를 구동(예컨대 제어)시킨다.
[0053] 하나의 동작 모드에 따라, 프로세서(1102)는, 사용자가 보고 있는 방향을 나타내는 정보를 눈 추적 카메라들(324, 326)로부터 수신한다. 프로세서(1102)는, 사용자가 보고 있는 방향에 대응하거나 그에 가장 가까운 가상 콘텐츠의 깊이를 나타내는 정보를 Z-버퍼(1116)로부터 액세스한다. 이어서, 프로세서(1102)는, 사용자가 보고 있는 방향에 대응하거나 그에 가장 가까운 가상 콘텐츠의 깊이에 기반한 초점 거리를 갖는 프레넬 렌즈 패턴 또는 존 플레이트 패턴을 공간 위상/존 플레이트 변조기 드라이버들(1122, 1124)에 송신한다. 드라이버들(1122, 1124)에 송신되는 프레넬 렌즈 또는 존 플레이트 패턴의 초점 길이는 공간 진폭 변조기들(106L, 206L, 108R, 208R)과 사용자의 눈 포지션 사이의 경로의 임의의 다른 광학 엘리먼트들(예컨대, 접안렌즈들(308, 310))의 광학 파워를 고려하여 설정되어, 사용자의 눈에 도달하는 광의 파면의 곡률은 사용자가 보고 있는 방향과 연관된(이에 대응하거나 이에 가장 가까운), Z-버퍼로부터의 값의 역일 것이다. 또한, 공간 위상/존 플레이트 변조기 드라이버들에 송신되는 프레넬 렌즈 또는 존 플레이트 패턴은, 일부 실시예들에서, 눈 추적 카메라들(324, 326)로부터 획득된 사용자의 순시 동공 포지션으로서의 정보에 기반하여 사용자의 동공을 향해 광을 스티어링하도록 (예컨대, 도 13에 도시된 바와 같이) 시프팅된다.
[0054] 대안적인 실시예에 따라, 프로세서(1102)는 다수의 가상 객체들의 깊이를 나타내는 정보를 Z-버퍼로부터 액세스한다. 이어서, 프로세서(1102)는 프레넬 렌즈 패턴들 또는 존 플레이트 패턴들의 그리드를 생성하며, 여기서 다수의 프레넬 렌즈 패턴들 또는 존 플레이트 패턴들 각각은 사용자의 눈 포지션에 도달하는 광의 곡률을 Z-버퍼로부터 액세스된 정보에 기반한 대응하는 가상 객체의 거리와 매칭하는 값으로 설정하도록 선택된 초점 길이를 갖는다. 이전 실시예에 대한 변형에 따라, 다수의 프레넬 렌즈 패턴들 또는 존 플레이트 패턴들이 비-그리드 어레인지먼트로 위치된다.
[0055] 본원의 위에 언급된 광학 커플링은, 하나의 컴포넌트로부터 전파되는 광이 제2 컴포넌트에 의해 수신되도록 상대적으로 위치된 광학 컴포넌트들 사이의 광의 자유 공간 전파를 통한 커플링을 포함할 수 있다. 이미지별 세기 변조된 광, 이미지별 변조된 광, 진폭 변조된 광, 이미지별 진폭 변조된 광, 및 이미지별 변조된 광은, 시간이 지남에 따라 이미지가 변할 때, 진폭(즉, 정해진 파장에 대한 세기)을 변경할 수 있는 광에 인코딩된 이미지 데이터를 나타내기 위해 본 출원에서 상호교환가능하게 사용된다.

Claims (31)

  1. 광 소스,
    공간 진폭 변조기(spatial amplitude modulator),
    공간 위상 변조기(spatial phase modulator),
    상기 공간 위상 변조기에 커플링된 위상 변조기 드라이버 ― 상기 위상 변조기 드라이버는 상기 공간 위상 변조기 상에서 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성되고, 상기 위상 변조기 드라이버는 깊이 정보를 수신하고 상기 깊이 정보에 기반하여 상기 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성됨 ―, 및
    눈 커플링 광학기(eye coupling optic)를 포함하고,
    상기 광 소스는 상기 공간 진폭 변조기 및 상기 공간 위상 변조기를 통해 상기 눈 커플링 광학기에 광학적으로 커플링되는,
    근안 디스플레이 시스템(near eye display system).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광 소스로부터 상기 눈 커플링 광학기로의 광학 경로를 더 포함하고,
    상기 광학 경로는, 상기 공간 위상 변조기에 도달하기 전에 상기 공간 진폭 변조기에 먼저 도달하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광 소스는 레이저 다이오드를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 눈 커플링 광학기는 회절 격자를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 볼륨 홀로그래픽 격자(volume holographic grating)를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 공간 위상 변조기는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 변조기를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 변조기를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기는 DMD(Digital Micromirror Device)를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기와 상기 공간 위상 변조기 사이에 배치된 프리즘을 더 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기와 상기 공간 위상 변조기 사이에 위치된 빔 분할기(beam splitter)를 더 포함하고,
    상기 광 소스로부터 상기 눈 커플링 광학기로의 광학 경로가 존재하고,
    상기 빔 분할기에 의해 반사된, 상기 광학 경로의 반사된 부분은 상기 광 소스로부터 제1 컴포넌트로 연장되고,
    상기 빔 분할기를 통해 투과된, 상기 광학 경로의 투과된 부분은 상기 제1 컴포넌트로부터 제2 컴포넌트로 연장되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 컴포넌트는 상기 공간 진폭 변조기이고, 상기 제2 컴포넌트는 상기 공간 위상 변조기인,
    근안 디스플레이 시스템.
  12. 광 소스를 통해 광을 생성하는 단계,
    공간 진폭 변조기를 통해 상기 광의 진폭을 수정하는 단계 ― 출력은 진폭 변조된 광임 ― ,
    깊이 정보를 수신하는 단계,
    공간 위상 변조기 상에서 회절 렌즈 패턴을 생성하는 단계 ― 상기 회절 렌즈 패턴은 상기 깊이 정보에 기반함 ―,
    상기 공간 위상 변조기를 통해 상기 진폭 변조된 광의 위상을 수정하는 단계 ― 출력은 진폭 및 위상 변조된 광임 ― , 및
    상기 진폭 및 위상 변조된 광과 눈을 커플링하는 단계를 포함하는,
    가상 콘텐츠를 생성하는 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기와 상기 공간 위상 변조기 사이에 배치된 적어도 하나의 프리즘을 통해 상기 광을 반사시키는 단계를 더 포함하는,
    가상 콘텐츠를 생성하는 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 공간 진폭 변조기와 상기 공간 위상 변조기 사이에 배치된 적어도 하나의 빔 분할기를 통해 상기 광을 분할하는 단계를 더 포함하는,
    가상 콘텐츠를 생성하는 방법.
  15. 이미지를 생성하기 위한 픽셀화된 발광 소스;
    상기 픽셀화된 발광 소스에 광학적으로 커플링된 공간 위상 변조기;
    상기 공간 위상 변조기에 커플링된 위상 변조기 드라이버 ― 상기 위상 변조기 드라이버는 상기 공간 위상 변조기 상에서 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성되고, 상기 위상 변조기 드라이버는 깊이 정보를 수신하고 상기 깊이 정보에 기반하여 상기 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성됨 ―; 및
    상기 공간 위상 변조기에 광학적으로 커플링된 눈 커플링 광학기를 포함하고,
    상기 공간 위상 변조기는 상기 픽셀화된 발광 소스와 상기 눈 커플링 광학기 사이의 광학 경로를 따라 위치되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 픽셀화된 발광 소스는 유기 발광 다이오드 패널을 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 픽셀화된 발광 소스는 마이크로 발광 다이오드 패널을 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  18. 이미지별 진폭 변조된 광의 소스;
    상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스에 광학적으로 커플링된 공간 위상 변조기;
    상기 공간 위상 변조기에 커플링된 위상 변조기 드라이버 ― 상기 위상 변조기 드라이버는 상기 공간 위상 변조기 상에서 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성되고, 상기 위상 변조기 드라이버는 깊이 정보를 수신하고 상기 깊이 정보에 기반하여 상기 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성됨 ―; 및
    상기 공간 위상 변조기에 광학적으로 커플링된 눈 커플링 광학기들을 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제18 항에 있어서,
    눈 추적 카메라;
    상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스, 상기 공간 위상 변조기, 및 상기 눈 추적 카메라에 커플링된 회로를 더 포함하고,
    상기 회로는:
    복수의 가상 객체들을 포함하는 장면을 디스플레이하기 위해 상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스를 구동시키고;
    상기 복수의 가상 객체들 중에서 사용자가 보고 있는 특정 가상 객체를 나타내는 정보를 상기 눈 추적 카메라로부터 수신하고; 그리고
    상기 복수의 가상 객체들 중에서, 상기 눈 추적 카메라로부터의 정보에 기반하여 식별되는 특정 가상 객체와 연관된 거리에 기반하여 광 파면 곡률(light wavefront curvature)을 조정하도록 상기 공간 위상 변조기를 구동시키도록 구성되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 회로는, 상기 눈 추적 카메라로부터의 정보에 기반하여 시프팅된 프레넬 패턴을 생성하기 위해 공간 위상 변조기를 구동시키도록 추가로 구성되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  23. 제18 항에 있어서,
    상기 위상 변조기 드라이버는 회절 렌즈 패턴들의 어레이를 생성하도록 구성되고, 상기 회절 렌즈 패턴은 상기 회절 렌즈 패턴들의 어레이에 포함되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  24. 제18 항에 있어서,
    상기 공간 위상 변조기에 커플링된 위상 변조기 드라이버를 더 포함하고,
    상기 위상 변조기 드라이버는 회절 렌즈 패턴들의 중첩(superposition)을 생성하도록 구성되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  25. 이미지별 진폭 변조된 광의 소스;
    상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스로부터 광을 수신하도록 배열된 활성 존 플레이트 변조기(active zone plate modulator);
    상기 활성 존 플레이트 변조기에 커플링된 존 플레이트 변조기 드라이버 ― 상기 존 플레이트 변조기 드라이버는 상기 활성 존 플레이트 변조기 상에서 존 플레이트 패턴을 생성하도록 구성되고, 상기 존 플레이트 변조기 드라이버는 깊이 정보를 수신하고 상기 깊이 정보에 기반하여 상기 존 플레이트 패턴을 생성하도록 구성됨 ―; 및
    상기 활성 존 플레이트 변조기로부터 광을 수신하도록 배열된 눈 커플링 광학기를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 활성 존 플레이트 변조기는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 광 변조기를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  27. 제25 항에 있어서,
    상기 활성 존 플레이트 변조기는 DMD(Digital Micromirror Device) 광 변조기를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  28. 제25 항에 있어서,
    상기 눈 커플링 광학기는 볼륨 홀로그래픽 회절 격자를 포함하는,
    근안 디스플레이 시스템.
  29. 제25 항에 있어서,
    눈 추적 카메라;
    상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스, 상기 활성 존 플레이트 변조기, 및 상기 눈 추적 카메라에 커플링된 회로를 더 포함하고,
    상기 회로는:
    복수의 가상 객체들을 포함하는 장면을 디스플레이하기 위해 상기 이미지별 진폭 변조된 광의 소스를 구동시키고;
    상기 복수의 가상 객체들 중에서 사용자가 보고 있는 특정 가상 객체를 나타내는 정보를 상기 눈 추적 카메라로부터 수신하고; 그리고
    상기 복수의 가상 객체들 중에서, 상기 눈 추적 카메라로부터의 정보에 기반하여 식별되는 상기 특정 가상 객체와 연관된 거리에 기반하여 광 파면 곡률을 조정하도록 상기 활성 존 플레이트 변조기를 구동시키도록 구성되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 회로는, 상기 눈 추적 카메라로부터의 정보에 기반하여 시프팅된 존 플레이트 패턴을 생성하기 위해 상기 활성 존 플레이트 변조기를 구동시키도록 추가로 구성되는,
    근안 디스플레이 시스템.
  31. 광 소스,
    디지털 마이크로미러 변조기 어레이,
    공간 위상 변조기,
    상기 공간 위상 변조기에 커플링된 위상 변조기 드라이버 ― 상기 위상 변조기 드라이버는 상기 공간 위상 변조기 상에서 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성되고, 상기 위상 변조기 드라이버는 깊이 정보를 수신하고 상기 깊이 정보에 기반하여 상기 회절 렌즈 패턴을 생성하도록 구성됨 ―, 및
    눈 커플링 광학기를 포함하고,
    상기 광 소스는 상기 디지털 마이크로미러 변조기 어레이 및 상기 공간 위상 변조기를 통해 상기 눈 커플링 광학기에 광학적으로 커플링되는,
    근안 디스플레이 시스템.
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