KR102664722B1 - 동적 초점 조절 헤드 장착 디스플레이 - Google Patents

Abstract

종래의 헤드-장착 디스플레이(HMD들)는 고정 초점(예로서, 무한 초점)에서 가상 이미지를 디스플레이할 수 있다. 사용자가 가상 이미지보다 가깝게 보이는 오브젝트를 본다면, 사용자의 눈들에 의한 조절 작용은 가상 이미지가 흐릿하게 보이게 할 것이다. 여기에서 개시된 HMD들은 사용자에 의한 조절 작용을 감안하기 위해 가상 이미지의 초점을 변경하는 동적 전기-활성 초점 조절 요소를 포함한다. 이러한 동적 전기-활성 초점 조절 요소는 빔 스플리터 또는 다른 광학 요소 상에서의 볼록한 표면 및 정적 오목 미러 사이에 배치된, 네마틱 또는 쌍-안정(예로서, 콜레스테릭) 액정과 같은, 전기-활성 물질의 곡선 층을 포함할 수 있다. 전기-활성 물질의 굴절률을 변경하는 것은 동적 전기-활성 초점 조절 요소의 초점을 야기하여, 사용자의 눈들이 초점을 변경함에 따라 가상 이미지의 초점을 시프트하는 것을 가능하게 한다.

Description

동적 초점 조절 헤드 장착 디스플레이

관련 출원(들)에 대한 상호-참조

본 출원은 2015년 12월 22일에 출원된, 미국 출원 번호 제62/270,896호의 우선권 이득을 주장하며, 여기에서 전체적으로 참조로서 통합된다.

헤드 장착 디스플레이들(HMD들)은 정보를 보기 위해 사용자에 대해 머리에 또는 그 주위에 착용된 디바이스들이다. 보여진 정보는 실세계에서 관찰되는 이미지(때때로 증강 현실로서 불리우는), 실세계의 이미지들을 제외하고 보여지는 정보(때때로 가상 현실로서 불리우는), 또는 이것들의 조합들(때때로 가상/증강, 또는 혼합 현실로서 불리우는) 상에 오버레이될 수 있다.

통상적으로, 오늘날의 HMD들에 보여지는 정보-베어링 이미지들은 단일 초점 포인트로 설정된다. 가장 일반적인 초점 포인트는 무한대, 또는 "원거리"이다. 이것은 사용자로 하여금 증강 현실 애플리케이션들의 경우에 먼 실세계 오브젝트들과 동시에 또렷하게 정보 이미지들을 보며 가상 현실의 경우에 원거리에서 단지 정보만을 보도록 허용한다.

정보-베어링 이미지들이 무한 초점에서 HMD에서의 사용자에게 제공될 때, 여러 문제점들이 발생한다. 정보-베어링 이미지들(또한 가상 이미지들로서 불리우는)이 증강 현실을 사용할 때 원거리 초점으로 설정된다면, 사용자는 보다 가까운 오브젝트, 예를 들면 핸드-헬드 아이템으로 그들의 시선을 시프트하길 바랄 수 있으며, 이것은 그 후 가상 이미지들이 초점을 벗어나 보이게 한다. 이것은 사용자가 보통의 판독 거리에서 핸드-헬드 태블릿을 보는 경우 발생할 수 있다. 사용자의 눈들이 조절할 수 있다면, 그들은 태블릿을 초점에 맞추기 위해 초점을 변경할 것이지만, 가상 이미지들은 원거리 초점으로 설정되므로 태블릿 이미지가 초점에 맞는 동안 가상 이미지는 초점을 벗어나 보일 것이다. 이 경우에, 가상 이미지들 및 태블릿이 동시에 초점에 맞도록 가상 이미지들이 태블릿과 동일한 거리로 다시 초점이 맞춰질 수 있다면 바람직할 것이다.

유사한 문제점들이 가상 현실을 보기 위해 HMD를 갖고 정보-베어링 이미지를 디스플레이할 때 발생한다. 사실적인 3-차원 가상 이미지를 생성하기 위해, 가상 이미지의 초점 포인트는 인간 눈이 그것의 초점을 동적으로 변경하도록 변화되어야 하며, 그에 의해 이미지가 더 가깝거나 또는 더 멀리 있다고 인간 두뇌를 납득시킨다. 정보-베어링 이미지가 단지 원거리 초점에 남아있으며, 변화하는 거리를 시뮬레이션하는 다른 수단들이 초점 거리를 변경하지 않고 사용된다면, 효과는 초점 거리가 또한 변경된 경우만큼 사실적이지 않다. 그것은 가상 이미지들이 가상 현실 경험을 강화하기 위해 동적으로 변화하는 거리들로 초점을 다시 맞춰질 수 있다면 바람직할 것이다.

종래의 렌즈들은 정보-베어링 이미지들의 초점을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 종래의 렌즈들은 비교적 무거운, 유리 및 플라스틱으로부터 구성된다. 또한, 종래의 렌즈들은 일반적으로 초점을 변경하기 위해, 전기 모터들과 같은, 전기-기계 작동기들을 갖고 이동되어야 한다. 작동기들은 보다 많은 중량, 부피, 및 복잡도를 부가한다. 그것들은 또한 비교적 많은 양의 전기 전력을 소비할 수 있으며, 이것은 전원의 중량, 부피, 및 비용을 증가시킬 수 있다.

눈 및 관찰될 이미지 사이에 배치된, 액정 렌즈와 같은, 전기-활성 렌즈는 또한 눈의 초점을 변경하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 눈은 시선이 변함에 따라 위아래로 이동하기 때문에, 전기-활성 렌즈는 눈의 동공보다 훨씬 더 커야 한다. 예를 들면, 6mm 동공은 통상적으로 통상적인 시선 각 변화들이 발생하도록 허용하기 위해 눈 앞에 충분한 커버리지를 제공하기 위해 폭이 대략 40mm인 광학을 요구한다. 전기-활성 렌즈를 갖고 달성될 수 있는 광로차(optical path difference; OPD) 변화들의 제한들 때문에, 전기-활성 렌즈는 통상적으로, 원하는 광학 크기들에서 요구된 광 파워(optical power)를 달성하기 위해, 층 적층 및 상 래핑과 같은, 광 침해들의 영향을 받는다. 이들 광 침해들은 보통 전력 소비를 증가시키며 보다 높은 속도 스위칭을 요구하고, 양쪽 모두는 보다 높은 크기, 중량, 및 비용이 된다.

본 기술의 실시예들은 가상 이미지들의 초점을 변경하기 위해 HMD와 동시에 작동할 수 있는 소형의, 효율적인 광학 시스템을 포함한다. 몇몇 구현들에서, 이러한 광학 시스템은 경량이고, 광범위한 집단(예로서, 약 1 디옵터(Diopter) 내지 약 15 디옵터)에 걸친 조절 범위를 보상하기 위해 충분한 광 파워를 제공하며, 매우 적은 전력을 소비한다. 그것은 또한 임의의 이동하는 부분들 없이 구현될 수 있다.

예를 들면, 본 기술은 디스플레이, 상기 디스플레이와 광 통신하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터와 광 통신하는 오목한 반사 표면, 및 상기 빔 스플리터 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된 튜너블(tunable) 렌즈를 포함하는 HMD 장치로서 구현될 수 있다. 상기 오목한 반사 표면은 또한, 등급화된 굴절률(GRIN) 렌즈 또는 프레넬 구조와 같은, 또 다른 초점 조절 구성요소를 갖고 증강되거나 또는 그것에 의해 대체될 수 있다. 동작 시, 상기 빔 스플리터는 디스플레이에 의해 방출된 광을 투과시킨다. (상기 빔 스플리터는 HMD 장치의 착용자로 주변 광을 투과시킬 수 있다). 상기 오목한 반사 표면은 디스플레이에 의해 방출되고 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 수용하며 디스플레이의 이미지를 상기 빔 스플리터를 통해 착용자로 반사시킨다. 튜너블 렌즈는 상기 착용자로 반사된 디스플레이의 이미지의 초점을 변경한다.

몇몇 경우들에서, 상기 디스플레이는, 네마틱 또는 쌍-안정 액정을 포함할 수 있는, 전기-활성 물질의 광학 축에 평행한 축을 따라 편광된 광을 방출한다. 상기 디스플레이가 편광된 광을 방출하기 때문에, 상기 전기-활성 물질은 종래의 디바이스들에 의해 요구된 두 개의 네마틱 액정 층들 대신에 단지 네마틱 액정 층의 단일 층으로서 구현될 수 있다. 이것은 디바이스의 크기, 중량, 전력 소비, 비용, 및 복잡도를 감소시킨다.

상기 빔 스플리터는 볼록한 표면을 정의할 수 있으며, 이 경우에 상기 전기-활성 물질은 상기 볼록한 표면 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된다. 상기 오목한 반사 표면은 상기 전기-활성 물질과 전기 통신하는 접지 평면의 적어도 일 부분을 형성할 수 있다. 상기 HMD 장치는 또한, 상기 전기-활성 물질의 가변 굴절률을 변경하도록 상기 전기-활성 물질에 전압 구배를 인가하기 위해, 상기 전기-활성 물질 및 상기 볼록한 표면 사이에 배치된, 복수의 전극들을 포함할 수 있다.

다른 경우들에서, 상기 튜너블 렌즈는 상기 빔 스플리터와 광 통신하여 배치된 변형 가능한 구부러진 막을 가진 액체 렌즈를 포함한다. 이들 경우들에서, 가요성 막은 상기 오목한 반사 표면에 의해 적어도 부분적으로 정의된 공동으로 및 그 밖으로 유체가 펌핑됨에 따라 형태를 변경하는 오목한 반사 표면을 정의할 수 있다.

상기 헤드-장착 디스플레이 장치는, 착용자로부터의 입력에 응답하여 튜너블 렌즈를 작동시키기 위해, 상기 튜너블 렌즈에 동작 가능하게 결합된, 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어기는 디스플레이상에서의 이미지에 응답하여 상기 튜너블 렌즈를 작동시킬 수 있다.

본 기술은 또한 HMD 상에 정보를 디스플레이하는 방법으로서 구현될 수 있다. 일 예에서, 상기 HMD는 착용자의 조절 작용에 매칭시키기 위해 선택된 초점에서 HMD의 착용자에게 정보-베어링 이미지를 디스플레이한다. 상기 HMD는 디스플레이에서 상기 정보-베어링 이미지를 생성하고, 빔 스플리터 및 오목한 반사 표면 사이에 배치된 전기-활성 물질를 통해 상기 정보-베어링 이미지를 송신하며, 상기 오목한 반사 표면 및 상기 빔 스플리터를 통해 상기 정보-베어링 이미지를 상기 착용자로 반사시킬 수 있다. 상기 HMD는 상기 정보-베어링 이미지의 초점을 변경하도록 상기 전기-활성 물질을 작동시킬 수 있다. 몇몇 경우들에서, 상기 HMD는 상기 착용자로부터의 명령에 응답하여 및/또는 상기 정보-베어링 이미지에서의 정보에 응답하여 상기 전기-활성 물질을 작동시킨다. 상기 HMD는 또한, 눈들의 시선의 수렴 포인트를 결정하기 위해 동공-간 거리를 측정하고, 입사 광의 파면을 감지하고, 동공 직경 및 광 레벨을 측정하는 등을 할 수 있는, 조절 센서로부터의 신호에 응답하여 상기 전기-활성 물질을 작동시킬 수 있다.

본 기술의 다른 실시예들은 디스플레이, 상기 디스플레이와 광 통신하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터와 광 통신하는 오목한 반사 표면, 및 볼록한 표면 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된 액정 층을 포함한 헤드-장착 디스플레이 장치를 포함한다. 동작 시, 상기 디스플레이는 편광된 광을 방출한다. 상기 빔 스플리터는 상기 디스플레이에 의해 방출된 편광된 광의 일 부분을 투과시킨다. 상기 오목한 반사 표면은 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 상기 편광된 광의 부분을 수용하며 상기 디스플레이의 이미지를 상기 빔 스플리터를 통해 상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 착용자로 반사시킨다. 상기 액정 층은 상기 착용자로 반사된 상기 디스플레이의 이미지의 초점을 변경한다.

본 기술의 또 다른 실시예는 디스플레이, 상기 디스플레이와 광 통신하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터와 광 통신하는 액체 렌즈, 및 상기 액체 렌즈 및 상기 빔 스플리터와 광 통신하는 미러를 포함한 헤드-장착 디스플레이 장치를 포함한다. 동작 시, 상기 빔 스플리터는 상기 디스플레이에 의해 방출된 광을 투과시킨다. 상기 액체 렌즈는 가변 광 파워를 제공한다. 상기 미러는 상기 디스플레이에 의해 방출되며 상기 액체 렌즈를 통해 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 광을 수용하고 상기 디스플레이의 이미지를 상기 액체 렌즈를 통해 상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 착용자로 반사시킨다.

앞서 말한 개념들 및 이하에서 보다 상세하게 논의되는 부가적인 개념들(이러한 개념들이 서로 불일치하지 않는다면)의 모든 조합들은 여기에서 개시된 발명의 주제의 부분인 것으로 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 개시의 끝에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합들은 여기에 개시된 발명의 주제의 부분인 것으로 고려된다. 또한 참조로서 통합된 임의의 개시에서 나타날 수 있는 여기에서 명확하게 이용된 전문 용어는 여기에 개시된 특정한 개념들과 가장 일치하는 의미에 부합되어야 한다는 것이 또한 이해되어야 한다.

숙련공은 도면들이 주로 예시적인 목적들을 위한 것이며 여기에서 설명된 발명의 주제의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 도면들은 반드시 일정한 비율인 것은 아니며; 몇몇 인스턴스들에서, 여기에 개시된 발명의 주제의 다양한 양상들은 상이한 특징들의 이해를 용이하게 하기 위해 도면들에서 과장되거나 또는 확대되어 도시될 수 있다. 도면들에서, 유사한 참조 문자들은 일반적으로 유사한 특징들(예로서, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소들)을 나타낸다.
도 1은 헤드-장착 디스플레이(HMD)를 위한 종래의 버드배쓰 광학의 프로파일 뷰이다.
도 2는 HMD에 대한 종래의 버드배쓰 광학의 프로파일 뷰이다.
도 3a는 구부러진 전기-활성 초점 조절 요소를 가진 가변-초점 버드배쓰 광학의 확대도이다.
도 3b는 한 쌍의 교차된 전기-활성, 원주 렌즈들을 가진 가변-초점 버드배쓰 광학의 단면도이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 가변-초점 버드배쓰 광학을 가진 HMD의 투시도이다.
도 4는 도 3a에 도시된 구부러진 전기-활성 초점 조절 요소를 작동시키기 위한 동심 링-형 전극들을 형성하도록 패터닝된 전도성 및 절연 물질의 층을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 전도성 및 절연 물질의 층의 또 다른 뷰를 도시한다.
도 6은 도 3a에 도시된 구부러진 전기-활성 초점 조절 요소에서 패드들 및 전극들 사이에서의 전기적 연결들을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 막-기반 동적 초점 조절 버드배쓰 광학을 도시한다.
도 8a는 무한 초점으로 설정된 가상 이미지 및 먼 오브젝트 상에서의 착용자의 초점을 가진 가변-초점 버드배쓰 광학을 가진 HMD를 통과한 뷰를 도시한다.
도 8b는 무한 초점으로 설정된 가상 이미지 및 가까운 오브젝트 상에서의 착용자의 초점을 가진 가변-초점 버드배쓰 광학을 가진 HMD를 통과한 뷰를 도시한다.
도 8c는 사용자의 조절 작용에 매칭된 가상 이미지의 초점 및 가까운 오브젝트 상에서 착용자의 초점을 가진 가변-초점 버드배쓰 광학을 가진 HMD를 통과한 뷰를 도시한다.

전기-활성 렌즈 오목 미러와 같은, 동적 초점 조절 요소를 가진 버드배쓰(birdbath)은 조절 작용을 보상하거나 또는 깊이의 환영을 강화하기 위해 가상 이미지의 초점의 동적 변화를 허용한다. 그것은 또한 사용자의 굴절 오차들을 보상하기 위한 능력을 위해 제공하여, HMD를 사용할 때 HMD 디바이스 및 눈 사이에서, 안경과 같은, 교정 렌즈들을 착용하기 위한 사용자에 대한 요구를 제거한다. 이러한 버드배쓰 시스템은 저 전력 소비를 갖고 이동하는 (기계적) 부분들 없이 HMD에 의해 디스플레이된 가상 이미지의 초점의 동적 변화를 허용한다.

본 발명의 HMD 디바이스들에 대한 애플리케이션들은, 이에 제한되지 않지만: 도로로부터 눈길을 돌릴 필요 없이 운전하는 동안 맵 유도, 동일한 시야 내에서 활력 징후 데이터를 제공받으면서 수술을 수행하는 것, 실제 오브젝트가 수리되거나 또는 정비될 때 오버레이된 가상 지시 다이어그램들을 가진 수리 및 서비스 매뉴얼들을 이용하는 것, 동시에 계속해서 "타겟 상에 눈들"을 유지하는 동안 그들에게 제공되는 부가적인 전략적 정보를 허용함으로써 군대 및 법 집행 요원의 상황 인식을 개선하는 것 등을 포함한다.

헤드-장착 디스플레이들(HMD들)을 위한 종래의 버드배쓰들

도 1은 헤드-장착 디스플레이(HMD)와 함께 사용하기 위한 종래의 "버드배쓰" 광학(100)을 도시한다. 그것은 미니 디스플레이 또는 다른 디스플레이 소스(5), 광학 블록(10), 빔 스플리터(25), 및 오목 미러(35)를 포함한다. 미니 디스플레이 또는 다른 디스플레이 소스(5)로부터의 정보-베어링 이미지는 광학 블록(10)(이 경우, 그것은 고체이지만 공기일 수 있다)으로 들어가며, 빔 스플리터(25)를 만난다. 빔 스플리터(25)는 광의 일 부분을 눈에서 떨어져 향하게 하며 광의 일 부분이 미러(35)로의 그것의 이동을 계속하도록 허용한다. 이 예에서 미러(35)는 입사 광선(40)을 비스듬히 반사하여, 광선(40)이 초점으로 수렴하게 하는 구부러진 오목 미러이다. 광선(40)은 다시 빔 스플리터(25)를 만나며, 이것은 수렴 광선들(45)을 눈(50)을 향해 반사한다.

미러(35)가 오목하기 때문에, 눈에 도달하는 파면이 또한 오목하거나 또는 "미리 초점이 맞춰져서", 눈의 광학(즉, 각막 및 수정체)이 디바이스에 매우 가까운 눈으로 망막 상에서의 이미지에 초점을 맞추도록 허용한다. 미러(35)가 편평하다면, 교정 광학은 이미지를 초점에 맞추도록 눈을 돕기 위해 눈 앞에서 요구될 것이지만, 미러(35)의 곡률은 교정 광학에 대한 요구를 제거한다. 그러나, 눈은 이미지가 조절 없이 뚜렷이 보이도록 디바이스로부터 미리 결정된 거리에 있어야 한다. 통상적인 미리 결정된 거리들은 11 내지 15mm이다. 이들 거리들에서, 사람들은 그들 눈들 앞에 있는 디바이스를 갖고 편안함을 느낀다.

도 2는, 그것이 도 1에 도시된 오목 미러(35)보다 짧은 곡률 반경을 가진 오목 미러(65)를 포함한다는 점을 제외하고, 도 1에서의 디바이스(100)와 유사한 버드배쓰 광학(200)을 도시한다. 미러의 보다 짧은 곡률 반경은 이미지가 조절 작용 또는 교정 광학 없이 뚜렷이 보이도록 눈(50)이 디바이스(200)에 더 가까워야 함을 야기한다. 즉, 도 2는 버드배쓰(200)에서 오목 미러(35)의 곡률을 변경하는 것은 광선들(55 및 60)의 수렴 각을 변경함으로써 버드배쓰(200)에 의해 제공된 가상 이미지들의 초점을 변경한다는 것을 보여준다.

HMD를 위한 액정 동적 초점 조절 미러 버드배쓰

동적 초점 버드배쓰는 미러와 조합되고 버드배쓰 시스템의 안쪽에 통합된, 전기-활성 렌즈 또는 액체 렌즈와 같은, 튜너블 렌즈를 포함한다. 디스플레이 및 버드배쓰에서의 오목 미러(예로서, 도 1에서의 미러(35) 또는 도 2에서의 미러(65)를 통한) 사이에서의 조정 가능한 초점 길이를 갖고 렌즈를 위치시키는 것은 이동하는 부분들 없이 가상 이미지의 초점 및 오목 미러의 전력을 변경하는 것을 가능하게 한다. 이것은 적어도 전체 시스템에 대한 다음의 개선들을 이끈다.

첫 번째로, 튜너블 렌즈와 미러를 조합함으로써, 사용자가 동적 초점 버드배쓰 광학을 통해 보는 정보-베어링 이미지의 초점은 사용자가 또한 동적 초점 버드배쓰 광학을 통해 보는 실세계 이미지의 초점에 영향을 주지 않고 조정될 수 있다. 이것은 그것들의 눈들에 남아있는 조절 작용을 가진 사람들에게 매우 도움이 될 수 있다.

두 번째로, 광이 미러로 가는 중에 렌즈를 통과하도록 튜너블 렌즈가 미러와 함께 동작하기 때문에, 그 후 다시 그것이 반사된 후, 렌즈는 광을 두 번 지연시켜서, 그것의 광 파워 범위를 효과적으로 두 배로 만든다. 이것은 전력 소비, 디바이스 복잡도, 및 광 산란을 감소시킨다.

세 번째로, 버드배쓰 광학의 안쪽에서 오목 미러와 조합되고 편광 파워를 방출하는 디스플레이 엔진과 함께 사용된 액정 광학으로서 구현될 때, 단지 네마틱 액정 또는 다른 편광 민감 물질의 단일 층이 요구되어, 복잡도, 비용, 전력 소비, 및 광 손실을 감소시킨다. 반대로, 동적 보상 액정 광학이 단일-패스 기하학적 구조에 배열된다면, 입사된 주변 광이 반드시 편광되는 것은 아니기 때문에 각각의 보상 요소는 액정의 두 개의 층들(각각의 편광 상태를 위한 것)을 요구한다. 두 개의 별개의 보상 렌즈들을 가진 디바이스는 4개까지의 액정 층들을 가지며, 각각의 보상 렌즈는 네마틱 액정의 두 개의 직교 배향된 층들을 갖는다. 각각의 보상 렌즈는 네마틱 액정이 한 번에 하나의 편광 상태를 변경할 수 있기 때문에 두 개의 직교 배향 액정 층들을 갖는다. 편광되지 않은 광에 따라 동작하기 위해, 보상 렌즈에서의 편광기들의 쌍 또는 빔 스플리터는 편광되지 않은 광을 네마틱 액정 층들에 의해 변조될 수 있는 직교 편광 상태들로 분해한다. 이것은 양쪽 편광 상태들에서의 광이 동시에 변경됨을 보장한다. 반대로, 전기-활성 오목 미러를 가진 버드배쓰 광학은 디스플레이 엔진에서 온 편광된 광의 초점을 맞추며 실세계에서 온 편광되지 않은 광의 초점을 맞추기 위해 요구되지 않는 단일 액정 층을 갖고 구현될 수 있다.

도 3a는 액정 기반, 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)를 가진 가변-초점 버드배쓰 광학(300)의 대표적인 구성을 단면에 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 버드배쓰들처럼, 도 3a에서의 버드배쓰 광학(300)은 디스플레이(5) 및 빔 스플리터(25) 및 투명한 볼록 표면(70)을 정의하는 광학 블록(10)을 포함한다. 그러나, 종래의 버드배쓰 광학과 달리, 버드배쓰 광학(300)은 투명한 볼록 표면(70) 및 오목한 반사 층(100) 사이에 끼워 넣어진 여러 층들을 포함한다. 함께, 이들 층들은 액정 기반, 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)를 형성한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 투명한 볼록 표면(70)은 40mm 두께 층의 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은, (대체로) 투명한 전기적 전도성 물질의 층(75)으로 코팅된다. 층(80)은 러빙된 폴리이미드와 같은, 배향 층이다. 층(85)은 액정 물질의 층, 예를 들면, Merck MLC-2140의 15-마이크론 두께 층이다. 층(90)은, 또한 러빙된 폴리이미드일 수 있는, 또 다른 배향 층이다.

층(95)은 액정 물질을 작동시키기 위한 전극들을 형성하도록 패터닝된 전기적 전도성 및 절연 물질들을 포함한다. 예를 들면, 층(95)은 예로서, 도 4 내지 도 6에 대하여 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 일련의 동심 전도성 링들로 패터닝될 수 있다. 층(95)은 또한, 개별적으로 원통 광학 출력을 생성하며 조합하여 구형 출력을 생성하는 직교하여 배치되고 적층된 선형 전극들을 포함한, 상이한 형태들로 패터닝된 전극들을 포함할 수 있다. 층(95)은 또한, 그 각각이 피스톤-전용 지연을 생성하기 위해 개별적으로 동작하는, 개별적으로 어드레싱 가능한 픽셀화된 면적들(픽셀들)을 형성하도록 패터닝될 수 있다. 이들 픽셀들은 구형, 원통형, 또는 임의의 파면 형태들을 생성하기 위해 집합적으로 작동될 수 있다.

오목한 반사 층(100)은 반사 표면을 형성하며 알루미늄 또는 또 다른 적절한 반사성 물질로 만들어지거나 또는 이를 포함할 수 있다. 표면(105)은 표면들(105 및 70) 사이에서 층들(75 내지 100)을 가두는 단부 캡이다. 상기 설명된 층들의 각각의 주변에는, 액정이 빠져나오거나 또는 누출되는 것을 방지하기 위해, 놀랜드(Norland) 65 또는 또 다른 접착제와 같은, 밀봉 물질(도시되지 않음)이 있다.

투명한 볼록 표면(70) 및 오목한 반사 층(100) 사이에 끼워 넣어진 각각의 층은 균일한 두께 또는 액정 기반, 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)의 광학 축으로부터의 거리에 따라 달라지는 두께를 가질 수 있다. 다시 말해서, 투명한 볼록 표면(70) 및 오목한 반사 층(100)은 동일한 곡률 반경 또는 상이한 곡률 반경들을 가질 수 있다. 예를 들면, 양의 광 파워를 위해 구성된 단일 전극을 가진 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)에서, 액정 층(85)은 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)의 중심에서 더 두꺼우며 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)의 에지들에서 더 얇을 수 있다. 액정 층(85)은 네마틱, 콜레스테릭, 또는 다른 쌍-안정 액정 물질을 포함할 수 있다. 이 경우에, 오목한 반사 층(100)은 투명한 볼록 표면(70)보다 작은 곡률 반경을 갖는다. 음의 광 파워를 가진 렌즈에 대해, 반대의 경우일 것이며, 즉 액정 층(85)은 중심에서 더 얇으며 에지들에서 더 두껍다.

다수의 전극들을 가진 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)에서, 보다 많은 플러스 전력을 갖는 것으로 광 파워를 바이어싱하기 위해 액정 층(85)은 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)에서 더 두꺼우며 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)의 에지들에서 더 얇을 수 있다. 예를 들면, 무한 스텝들로 0에서 3 디옵터들까지 조정하는 것이 가능한 대신에, 그것은 그 후 한 번의 별개의 점프로 0에서 1 디옵터까지 조정하고, 그 후 무한 스텝들로 1에서 4 디옵터까지 조정하도록 설계될 수 있다. 이 경우에, 오목한 반사 층(100)은 투명한 볼록 표면(70)보다 작은 곡률 반경을 갖는다. 이러한 구성의 반전은, 즉 에지들보다 중심에서 더 얇은 전기-활성 요소를 갖고, 보다 많은 음의 광 파워를 갖도록 렌즈를 바이어싱할 것이다.

오목한 반사 층(100) 및 투명한 볼록 표면(70)의 곡률 반경들은 또한 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)의 원하는 초점 길이에 의존한다. 광학의 분야에서 잘 이해되는 바와 같이, 오목 미러의 초점 길이는 다음에 의해 제공된다:

여기에서 s₀은 미러로부터의 오브젝트 거리이고, s₁은 미러로부터의 이미지 거리이고, R은 미러의 곡률 반경이며, f는 미러의 초점 길이이다. 일반적으로 말해서, 오목한 반사 층(100) 및 투명한 볼록 표면(70)의 곡률 반경들은 오브젝트 거리가 2mm 내지 무한대 어딘가일 수 있으며 이미지 거리가 2mm 내지 무한대 어딘가일 수 있도록 이 공식에 따라 선택될 수 있다. 동적 액정 렌즈를 구부러진 미러에 부가할 때, 구부러진 미러의 새로운, 조정된 초점 길이는, 광선들이 미러를 향해 및 그로부터 떨어져 이동할 때 액정의 효과의 영향을 결과적인 초점 길이에 더하거나 또는 뺌으로써 산출될 수 있다. 예를 들면, 고정 미러가 10 디옵터의 광 파워(즉, 100mm의 초점 길이)를 생성하며, 액정 렌즈가 2 디옵터의 플러스 광 파워(즉, 500mm의 초점 길이)를 더한다면, 새로운 초점 길이는 12 디옵터이다(즉, 83.3mm의 초점 길이).

도 3b는 직교 축들을 따라 가변 원통형 출력을 제공하는 한 쌍의 교차된 액정 렌즈들(311a 및 311b)(총괄하여, 액정 렌즈(311))을 가진 버드배쓰 광학(301)을 도시한다. 각각의 액정 렌즈(311)는 대응하는 쌍의 배향 층들(380a/380b 및 390a/390b) 사이에 끼워 넣어진 대응하는 액정 층(385a/385b)을 포함한다. 각각의 액정 층(385a/385b)은 네마틱 액정 물질 또는 콜레스테릭 또는 다른 쌍-안정 액정 물질을 포함할 수 있다. 공통 접지 평면(395)은 배향 층들(390a/390b) 사이에 배치된다. 각각의 액정 렌즈(311)는 또한 선형 전극들(375a/375b)의 세트를 포함한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 이들 세트들의 선형 전극들(375a/375b)은 교차된다. 이 예에서, 선형 전극들(375a)은 y 축에 평행하여 어레이되며 선형 전극들(375b)은 z 축에 평행하여 어레이된다. 일반적으로, 선형 전극들은 버드배쓰 광학의 광학 축(도 3b에서 x 축)에 수직인 평면에서 임의의 쌍의 직교 방향들로 어레이될 수 있다.

함께, 교차된, 동적으로 조정 가능한 렌즈들(311)은 전극들에 적절한 파형을 적용함으로써 독립적으로 조정될 수 있는 원통형 광 파워들을 제공한다. 광 파워들은 네트 구형 광 파워를 생성하기 위해 또는 원하는 양의 비점수차(astigmatism)를 생성하기 위해, 예로서 사용자의 눈에서 또는 광학 트레인에서의 어딘가에서 비점수차를 보상하기 위해 선택될 수 있다.

이 기술분야의 숙련자들은 버드배쓰 광학(300)이 보다 많거나 또는 보다 적은 구성요소들을 포함할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 액정 기반, 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)는, 액정 및 전극들의 부가적인 층들을 포함한, 보다 많거나 또는 보다 적은 층들을 포함할 수 있다. 층들은 또한 상이한 순서들로 배열될 수 있다. 버드배쓰 광학(300)의 입구 및 출구 윈도우들은 눈부심, 반사-방지 코팅들, 및/또는 스크래치 코팅들을 감소시키기 위해 편광 필터들로 코팅될 수 있다.

이 기술분야의 숙련자들은 도 3a 및 도 3b에 도시된 전기-활성 렌즈들에 의해 제공된 가변 광 파워가 다른 유형들의 디바이스들 대신에 또는 그 외에 제공될 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다. 예를 들면, 전기-활성 렌즈는, 예로서 여기에서 전체적으로 참조로서 통합되는, 미국 특허 번호 제9,329,309호에서 개시된 바와 같이, 반사성 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 각각의 전기-활성 렌즈의 액정 부분은 등급-지수(GRIN) 액정 렌즈, 회절 액정 렌즈, 부동 전극들을 가진 액정 렌즈, 가변 액정 두께 렌즈, 다양한 배향 층 강도 액정 렌즈, 다양한 폴리머 네트워크 밀도 액정 렌즈, 또는 다양한 광배향 노출 액정 렌즈로서 구현될 수 있다. GRIN 렌즈로서 구현된다면, 전기-활성 렌즈는 액정으로부터 떨어져 변하기 쉽게 이격된 동력 공급 전극들, 고 유전율 절연 층 및 홀 패터닝된 전극들, 두꺼운 절연 층 및 홀 패터닝된 전극들, 고 저항 전도성 층, 또는 홀 및 링-기반 전극들을 가질 수 있다. 전기-활성 렌즈는 또한 청색 상 편광 둔감 렌즈, 어두운 집합체 상 편광 둔감 렌즈, 트위스티드 네마틱(TN) 액정 투과-기반 프레넬 구역 판, 또는 공간 광 변조기(SLM) 적응형 광학 시스템으로서 구현될 수 있다.

동적으로 조정 가능한 오목 미러의 제어

도 3a에 도시된 버드배쓰 광학(300)은 또한 종래의 버드배쓰 디스플레이들에 없는 다른 요소들, 즉 제어기(315) 및 광학 안테나(320)를 가진 전자 장치 어셈블리(325)를 포함한다. 이러한 전자 장치 어셈블리(325)는, 또한 디스플레이 소스(5)뿐만 아니라 전원 공급 장치 및 임의의 다른 전자 장치를 포함할 수 있는, 도 3c에서 HMD(302)의 부분으로서 도시된, 하우징(335) 안에 장착될 수 있다. 예를 들면, 하우징(335)은 또한 버드배쓰 광학(300) 및/또는 디스플레이 소스(5)를 작동시키기 위해 사용될 수 있는 주변 광 레벨들, 움직임, 범위, 또는 임의의 다른 파라미터를 검출하는 센서(340)를 유지할 수 있다.

동작 시, 제어기(315)는 전극들(도 4 내지 도 6에 대하여 이하에서 설명된)을 통해 액정 층(85)에 인가된 전압을 변경함으로써 정보-베어링 이미지(가상 이미지)의 초점을 제어한다. 변화는 이진(예로서, 가까운 또는 먼)이고, 위치들의 범위에 걸쳐 단계식이거나(예로서, 무한 초점, 2미터에서의 초점, 1미터에서의 초점, 50cm에서의 초점, 25cm에서의 초점 등), 또는 초점을 제어하기 위해 전극들, 제어기(315), 및 사용자 인터페이스에 의존하여 특정한 범위(예로서, 무한 초점 내지 25cm)에 걸쳐 연속적으로 가변적일 수 있다.

몇몇 경우들에서, 제어기(315)는 안테나(320)에 의해, 예로서 버드배쓰 광학(300)을 제어하기 위해 착용자에 의해 사용된 별개의 디바이스로부터 수신된 신호에 응답하여 정보-베어링 이미지의 초점을 변경한다. 예를 들면, 착용자는 스마트폰, 스마트 워치, 포브-형 제어기, 또는 다른 적절한 디바이스로부터 제어기(315)로 무선 제어 신호(예로서, 블루투스 또는 WiFi 신호)를 송신할 수 있다.

착용자는 또한 버드배쓰 광학(300)이 부착되는 헤드-장착 디스플레이(302)의 프레임 또는 관자놀이 상에서의 면적(345)을 문지르거나 또는 버튼을 누름으로써 정보-베어링 이미지의 초점을 조정할 수 있다. 버튼을 한 번 터치하거나 또는 제 1 방향으로 면적(345)을 문지르는 것은 초점을 더 가깝게 가져올 수 있으며, 버튼을 두 번 터치하거나 또는 제 2 방향으로 면적을 문지르는 것은 초점을 더 멀리 이동시킬 수 있다.

제어기(315)는 또한 정보-베어링 이미지 자체에 기초하여 정보-베어링 이미지의 초점을 변경할 수 있다. 이들 경우들에서, 제어기(315)는 또한 디스플레이(5)에 동작 가능하게 결합되고 이를 제어하며 및/또는 디스플레이(5)를 제어하는 프로세서(도시되지 않음)에 동작 가능하게 결합되며 그로부터 제어 신호들을 수신할 수 있다. 디스플레이(5)가, 식품점에서 선반 위에 있는 제품들에 대한 정보와 같은, 가까운 초점에서 보여지도록 의도된 정보를 도시한다면, 제어기(315)는 자동으로 정보-베어링 이미지가 가까운 초점에서 보이게 할 수 있다. 유사하게, 디스플레이(5)가 고속도로에서 다음 출구에 대한 정보와 같은, 무한 초점에서 보여지도록 의도된 정보를 도시한다면, 제어기(315)는 자동으로 정보-베어링 이미지가 무한 초점에서 보이게 할 수 있다. 착용자는 버드배쓰 광학(300)을 통해 상이한 유형들의 정보를 봄으로써 정보-베어링 이미지의 초점을 간접적으로 제어할 수 있다는 것을 주의하자.

제어기(315)는 또한 해부학적 트리거링에 응답할 수 있다. 예를 들면, 그것은 주변 광 레벨 레벨들 및/또는 동공 직경을 감지하는 광검출기들(예로서, 도 3c에서의 센서(340))로부터의 신호들에 기초하여 조절 작용을 감지할 수 있다. 그것은 또한 가속도계 및/또는 자이로스코프로부터의 신호들에 기초하여 착용자의 머리의 위치 또는 방위를 감지할 수 있다. 제어기(315)가 가속도계 및/또는 자이로스코프 신호들에 기초하여 착용자가 아래를 보고 있음을 감지한다면, 그것은 정보-베어링 이미지를 가까운 초점으로 이끌 수 있다. 제어기(315)가 가속도계 및/또는 자이로스코프 신호들에 기초하여 착용자가 위를 보고 있음을 감지한다면, 그것은 정보-베어링 이미지를 무한 초점으로 이끌 수 있다. 제어기(315)는 또한 신경 충동들 또는 뇌파들의 전기적 검출에 기초하여 정보-베어링 이미지의 초점을 변경하도록 구성될 수 있다.

동적으로 조정 가능한 오목 미러에 대한 전극들

도 4 및 도 5는 전극 층(95)을 보다 상세하게 예시한다. 도 4는 그것이, 단부 캡(105) 상에 배치되는, 반사 층(100) 상에 배치될 수 있으므로 층(95)의 엔드-온 뷰를 도시한다. 도 4에 예시된 관점은 그것의 오목한 표면으로의 단부 캡을 보는 것이다. 전극 층(95)의 부분을 포함하여, 전기적 전도성이지만 광학적으로 투명한 물질로 만든 일련의 동심 전극들(110)은 층(100)으로 패터닝된다. 전극들 및 그 사이에서의 갭들을 커버하는 전기적 절연 층(도시되지 않음)은 전극들(110)의 최상부 상에 있다. 절연 층으로 패터닝된 홀들(115)은 도 5에 도시된 바와 같이 전극들(110)의 각각의 작은 면적을 노출시킨다. 절연 층은, 통상적으로 240nm 두께인 실리콘 이산화물, 또는 전자 공학 리소그래피를 사용하여 프로세싱될 수 있는, 임의의 다른 전기적 절연, 대체로 투명한 물질일 수 있다.

도 6은 7개의 전기적 연결 패드들(125)에 7개의 홀들(115)(도 5에 라벨링됨)을 연결하는 일련의 7개의 버스 라인들(120)을 도시한다. 이러한 구성을 갖고, 전기 전력은 각각의 패드(125)에 인가될 수 있으며, 전류는 버스 라인(120)이 다른 전극들(110)의 최상부를 넘어 지나감에 따라 단락 없이 대응하는 전극(110)으로 흐른다. 버스 라인들(120) 및 패드들(125)은 니켈 또는 또 다른 적절한 전도성 물질로부터 형성되며, 예로서 약 120nm의 두께로 스퍼터링될 수 있다.

전기-활성 오목 미러의 초점을 변경하기 위해, 전압 전위는 구배 방식으로 전극들의 각각에 인가되며, 회로의 반대 측면은 접지 평면(층 75)에 연결된다. 대표적인 전압 프로파일은, 각각 중심으로부터 바깥쪽 전극으로, 0.6, 0.7, 0.8, 0.95, 1.2, 1.55 및 1.9 볼트일 수 있다. 이러한 전압 프로파일은 반사 표면에 광 파워를 부가한다. 전압들의 시퀀스를 역전시키는 것은(예를 들면, 각각, 중심으로부터 바깥쪽 전극으로, 1.9, 1.55, 1.2, 0.95, 0.8, 0.7 및 0.6 볼트) 렌즈의 총 광 파워를 감소시킨다. 이것은 사용자로 하여금 가상 이미지가 더 가깝거나(양의 광 파워를 사용하여) 또는 더 멀리(음의 광 파워를 사용하여) 보이게 하도록 허용한다.

이러한 대표적인 실시예에서, 패터닝된 전극들은 층(95)에 있으며 접지 평면은 층(75)이다. 그러나, 접지 평면이 층(95)에 있도록 두 개를 역전시킴으로써, 층(95)은 반사 층(100)과 조합되며 양쪽 모두 광학적으로 반사 표면 및 전기적 접지 평면으로서 작용할 수 있어서, 복잡도 및 비용을 감소시킨다.

이러한 대표적인 실시예에서, 7개의 전극들이 있다. 설계에 의존하여, 보다 많은 전극들을 사용하는 것은 보다 높은 품질의 광학 결과를 생성할 수 있다. 예를 들면, 통상적인, 고 품질 설계는 10mm의 직경을 가진 렌즈에서 100개 이상의 전극들을 이용할 수 있다. 마찬가지로, 도 4 내지 도 6은 원형 전극들을 도시하지만, 가변 비점수차를 구형 광 파워에 제공하기 위해 서로 직교하여 위치된 두 개의 원주 렌즈들을 생성하도록 구성된 선형 전극들을 포함한, 다른 형태들이 사용될 수 있다.

도 3 내지 도 6에 예시된 동적으로 조정 가능한 오목 미러(310)는 액정 층의 굴절률에서 구배를 생성할 수 있는 다수의 전극들을 포함한다. 이러한 구배는 액정 층 상에 입사된 광의 초점을 맞춘다. 이 기술분야의 숙련자들은 다른 기술들이 오목 미러의 광 파워를 변경하기 위해 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 동적으로 조정 가능한 오목 미러는 그 굴절률이 인가된 응력, 변형률, 또는 전자기장에 응답하여 변하는 전기-광학 폴리머 또는 결정의 층을 포함할 수 있다.

HMD를 위한 액체-렌즈 동적 초점 조절 미러 버드배쓰

대안적으로, 반사 표면은, 버드배쓰의 볼록한 표면과 함께, 밀봉된 공동을 정의하는 가요성 막 상에 형성될 수 있다. 밀봉된 공동으로 지수-매칭 유체를 펌핑하는 것은 막이 툭 튀어나오게 하여, 동적으로 조정 가능한 오목 미러의 초점 길이를 변경한다. 공동으로부터 유체를 빼내는 것은 튀어나온 것을 완화시켜서, 초점 길이가 그것의 원래 값으로 돌아가게 한다. 가요성 막은 또한 정전기식으로, 압전-기계식으로, 열적으로, 또는 임의의 다른 적절한 기술을 사용하여 작동될 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 막-기반 동적 초점 조절 미러(710)를 가진 버드배쓰(700)를 예시한다. 막-기반 동적 초점 조절 미러(710)는 투명한, 단단한 벽(725) 반대편에 배치된 변형 가능한 구부러진 막(720)을 포함한다. 구부러진 막(720)은 투명한, 단단한 벽(725)을 향해 입사 광을 반사시키기 위해 반사성이거나 또는 반사성 코팅으로 코팅된다. 함께, 구부러진 막(720) 및 투명한, 단단한 벽(725)은 애퍼처(730) 및 유체 채널(709)을 통해 유체 저장소(705)와 유체 통신하는 공동(721)을 정의한다. 막-기반 동적 초점 조절 미러(710)는 또한 유체 저장소(705)에 결합되는(및 대안적으로 유체 경로의 또 다른 부분에 결합될 수 있는) 펌프(706)를 포함한다. 버드배쓰(700)는 펌프(706)를 제어하는 제어기(715)를 포함한다.

동작 시, 제어기(715)는 안테나(320), 센서(340), 스위치(예로서, 사용자-활성화 면적)(345) 등으로부터의 신호들에 응답하여 펌프(706)를 작동시킨다. 펌프(706)는 유체 저장소(705) 및 공동(721) 사이에서 투명 유체(707)를 펌핑함으로써 제어기(715)로부터의 작동 신호에 응답한다. 예를 들면, 펌프(706)는 유체(707)를 공동(721)으로 밀어넣고, 그에 의해 구부러진 막(720)이 도 7a에 도시된 바와 같이 투명하고, 단단한 벽(725)으로부터 멀리 이동하게 한다. 이것은 초점 조절 미러의 곡률 반경을 감소시키며 그것의 광 파워를 증가시킨다. 유사하게, 펌프(706)는 또한 공동(721) 밖으로 유체(707)를 밀어내며, 그에 의해 구부러진 막(720)이 도 7b에 도시된 바와 같이 투명하고, 단단한 벽(725)을 향해 이동하게 한다. 이것은 초점 조절 미러의 곡률 반경을 증가시키며 그것의 광 파워를 감소시킨다. 광 파워에서의 정확한 변화는 공동(721)에서의 유체의 양 및 압력에 의존하며 제어기(715)에 의해 연속적(아날로그) 또는 단계식(디지털) 방식으로 제어될 수 있다.

이 기술분야의 숙련자들은 조절 작용을 보상하기 위해 초점을 맞출 수 있는 버드배쓰 광학이 도 7a 및 도 7b에 도시된 펌프-기반 유체 외에 많은 유형들의 액체-기반 렌즈들을 갖고 구현될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 그것은 가변 광 파워를 제공하기 위해 오일, 식염수, 및/또는 다른 유체들을 사용하는 전기-습윤 렌즈를 갖고 구현될 수 있다. 그것은 전자적으로 제어된 형태 왜곡 캡슐 렌즈를 갖고 구현될 수 있다.

동적으로 조정 가능한 오목 미러를 통해 가상 이미지들을 보는 것

도 8a 내지 도 8c는 도 3a, 도 7a, 및 도 7b에 도시된 것들처럼 동적으로 조정 가능한 오목 미러를 포함하는 버드배쓰 광학을 가진 헤드-장착 디스플레이를 통해, 눈들이 조절하는 착용자에 의해, 보여지는 바와 같이 실제 및 가상 이미지들을 예시한다. 도 8a는 무한 초점에서 또는 그 가까이에서의 오브젝트들(805a)에서 버드배쓰 광학을 통해 볼 때 착용자가 보는 것의 뷰를 도시한다. 무한 초점에서의 오브젝트들(805a)은 초점이 맞아 선명하게 보이는 반면, 최하부 좌측에서의 와인 병(801a)과 같은, 보다 가까운 오브젝트들은 모호하거나 또는 흐릿하게 보인다. 착용자의 눈들이 먼 오브젝트들(805a)에 초점이 맞춰지기 때문에, 동적으로 조정 가능한 오목 미러는 또한 초점이 맞아 선명하게 보이는 무한 초점에서 가상 이미지들(803a)(여기에서, 오브젝트 라벨들)을 생성하기 위해 설정된다.

도 8b는 가상 이미지들의 초점에서의 변화 없이 가까운 오브젝트들에서 버드배쓰 광학을 통해 볼 때 착용자가 보는 것의 뷰를 도시한다. 이 경우에, 전경에서의 와인 병(801b) 및 다른 오브젝트들은 초점이 맞아 선명하게 보이는 반면, 배경에서의 오브젝트들(805b)은 흐릿하거나 또는 초점에서 벗어나 보이게 한다. 착용자의 눈들이 조절하기 때문에, 무한 초점에서의 임의의 정보-베어링 이미지들(803b)이 또한 흐릿하거나 또는 초점에서 벗어나 보인다. (상기 언급된 바와 같이, 종래의 버드배쓰 광학은 조절 작용을 감안할 수 없으며, 따라서 그것이 디스플레이하는 정보-베어링 이미지들은 변화들의 초점을 맞추는 착용자에게 초점에서 벗어나 보일 수 있다.)

도 8c는 가상 이미지들의 초점에서의 변화를 갖고 가까운 오브젝트들에서 버드배쓰 광학을 통해 볼 때 착용자가 보는 것의 뷰를 도시한다. 다시, 전경에서의 와인 병(801c) 및 다른 오브젝트들은 초점이 맞아 선명하게 보이며, 배경에서의 오브젝트들(805c)은 흐릿하거나 또는 초점에서 벗어나 보인다. 이 경우에, 그러나, 버드배쓰 광학 초점은 그것들이 또한 초점이 맞아 선명하게 보이도록 가까운 초점에서 정보-베어링 이미지들(803c)을 생성하기 위해 선택된다. 이러한 선택은 스마트폰, 스마트 워치, 또는 특별히 만들어진 디바이스와 같은, 버드배쓰 광학 또는 원격 제어 상에 있거나 또는 그것에 결합된 작동기를 통해 사용자에 의해 이루어질 수 있다. 버드배쓰 광학은 또한, 가능하게는, 디스플레이되는 정보에 기초하여, 디스플레이 제어기로부터의 신호에 응답하여, 또는 주변 광 레벨에서의 변화가 없는 동공 직경에서의 변화와 같은, 해부학적 신호의 검출에 응답하여 초점을 자동으로 조정할 수 있다.

결론

다양한 발명의 실시예들이 여기에서 설명되고 예시되었지만, 이 기술분야에서의 숙련자들은 기능을 수행하고 및/또는 결과들 및/또는 여기에서 설명된 이점들 중 하나 이상을 획득하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 쉽게 예상할 것이며, 이러한 변형들 및/또는 수정들의 각각은 여기에서 설명된 발명의 실시예들의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 이 기술분야의 숙련자들은 여기에서 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 물질들, 및 구성들이 대표적이도록 의도되며 실제 파라미터들, 치수들, 물질들, 및/또는 구성들은 본 발명의 교시들이 사용되는 특정 애플리케이션 또는 애플리케이션들에 의존할 것이라는 것을 쉽게 이해할 것이다. 이 기술분야의 숙련자들은 단지 보통의 실험을 사용하여, 여기에서 설명된 특정된 발명의 실시예들에 대한 많은 등가물들을 인식하거나, 또는 알아낼 수 있을 것이다. 그러므로, 앞서 말한 실시예들은 단지 예로서 제공되며 첨부된 청구항들 및 그것의 등가물들의 범위 내에서, 발명의 실시예들은 구체적으로 설명되고 주장된 것 외에 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 개시의 발명의 실시예들은 여기에서 설명된 각각의 개개의 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 둘 이상의 이러한 특징들, 시스템들, 물품들, 물질들, 키트들, 및/또는 방법들의 임의의 조합은, 이러한 특징들, 시스템들, 물품들, 물질들, 키트들, 및/또는 방법들이 상호 불일치하지 않는다면, 본 개시의 발명의 범위 내에 포함된다.

상기 설명된 실시예들은 다수의 방식들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 여기에서 개시된 기술을 설계하고 만드는 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 그것의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일 컴퓨터에 제공되는지 또는 다수의 컴퓨터들 간에 분배되는지에 관계없이, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서들의 모음 상에서 실행될 수 있다.

뿐만 아니라, 컴퓨터는 랙-장착 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터와 같은, 다수의 형태들 중 임의의 것에서 구체화될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 부가적으로, 컴퓨터는 일반적으로 컴퓨터로서 간주되지 않지만 개인용 디지털 보조기(PDA), 스마트폰 또는 임의의 다른 적절한 휴대용 또는 고정된 전자 디바이스를 포함한, 적절한 프로세싱 능력들을 가진 디바이스에 내장될 수 있다.

또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 및 출력 디바이스들을 가질 수 있다. 이들 디바이스들은, 다른 것들 중에서, 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있는 출력 디바이스들의 예들은 출력의 시각적 프리젠테이션을 위한 프린터들 또는 디스플레이 스크린들 또는 출력의 가청 프리젠테이션을 위한 스피커들 또는 다른 사운드 발생 디바이스들을 포함한다. 사용자 인터페이스를 위해 사용될 수 있는 입력 디바이스들의 예들은 키보드들, 및 마우스들, 터치 패드들, 및 디지털화 태블릿들과 같은, 포인팅 디바이스들을 포함한다. 또 다른 예로서, 컴퓨터는 스피치 인식을 통해 또는 다른 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.

이러한 컴퓨터들은 기업 네트워크와 같은 근거리 네트워크 또는 광역 네트워크, 및 지능형 네트워크(IN) 또는 인터넷을 포함한, 임의의 적절한 형태로 하나 이상의 네트워크들에 의해 상호 연결될 수 있다. 이러한 네트워크들은 임의의 적절한 기술에 기초할 수 있으며 임의의 적절한 프로토콜에 따라 동작할 수 있고 무선 네트워크들, 유선 네트워크들 또는 광섬유 네트워크들을 포함할 수 있다.

여기에서 개괄된 다양한 방법들 또는 프로세스들(예로서, 상기 개시된 기술을 설계하고 만드는)은 다양한 운영 시스템들 또는 플랫폼들 중 임의의 것을 이용하는 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 부가적으로, 이러한 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어들 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 툴들 중 임의의 것을 사용하여 기록될 수 있으며, 또한 프레임워크 또는 가상 기계 상에서 실행되는 실행 가능한 기계 언어 코드 또는 중간 코드로서 컴파일링될 수 있다.

이것과 관련하여, 다양한 발명의 개념들은 하나 이상의 컴퓨터들 또는 다른 프로세서들 상에서 실행될 때, 상기 논의된 발명의 다양한 실시예들을 구현하는 방법들을 수행하는 하나 이상의 프로그램들을 갖고 인코딩된 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(예로서, 다수의 컴퓨터 판독 가능한 저장 미디어)(예로서, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크들, 컴팩트 디스크들, 광 디스크들, 자기 테이프들, 플래시 메모리들, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이들 또는 다른 반도체 디바이스들에서의 회로 구성들, 또는 다른 비-일시적 매체 또는 유형의 컴퓨터 저장 매체)로서 구체화될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체 또는 미디어는 수송 가능할 수 있으며, 따라서 그것 상에 저장된 프로그램 또는 프로그램들은 상기 논의된 바와 같이 본 발명의 다양한 양상들을 구현하기 위해 하나 이상의 상이한 컴퓨터들 또는 다른 프로세서들로 로딩될 수 있다.

용어들("프로그램" 또는 "소프트웨어")은 여기에서 상기 논의된 바와 같이 실시예들의 다양한 양상들을 구현하도록 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그램하기 위해 이용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터-실행 가능한 지시들의 세트를 나타내기 위해 일반적인 의미에서 사용된다. 부가적으로, 일 양상에 따르면, 실행될 때 본 발명의 방법들을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들은 단일 컴퓨터 또는 프로세서상에 존재할 필요는 없으며, 본 발명의 다양한 양상들을 구현하기 위해 다수의 상이한 컴퓨터들 또는 프로세서들 간에 모듈식 방식으로 분포될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

컴퓨터-실행 가능한 지시들은, 하나 이상의 컴퓨터들 또는 다른 디바이스들에 의해 실행된, 프로그램 모듈들과 같은, 많은 형태들로 있을 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈들은 특정한 태스크들을 수행하거나 또는 특정한 추상형 데이터 유형들을 구현하는 루틴들, 프로그램들, 오브젝트들, 구성요소들, 데이터 구조들 등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈들의 기능은 다양한 실시예들에서 요구된 대로 조합되거나 또는 분산될 수 있다.

또한, 데이터 구조들은 임의의 적절한 형태로 컴퓨터-판독 가능한 미디어에 저장될 수 있다. 예시의 단순성을 위해, 데이터 구조들은 데이터 구조에서의 위치를 통해 관련되는 필드들을 갖는 것으로 도시될 수 있다. 이러한 관계들은 마찬가지로 필드들 사이에서의 관계들을 전달하는 컴퓨터-판독 가능한 매체에서의 위치들을 갖고 필드들에 대한 저장 장치를 할당함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 메커니즘은 데이터 요소들 사이에 관계를 수립하는 포인터들, 태그들 또는 다른 메커니즘들의 사용을 통해서를 포함하여, 데이터 구조의 필드들에서의 정보 사이에 관계를 수립하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 다양한 발명의 개념들은, 그 예가 제공된, 하나 이상의 방법들로서 구체화될 수 있다. 방법의 부분으로서 수행된 동작들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 동작들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있으며, 이것은, 예시적인 실시예들에서 순차적 동작들로서 도시될지라도, 동시에 몇몇 동작들을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

여기에서 정의되고 사용된 바와 같이, 모든 정의들은 사전적 정의들, 참조로서 통합된 문서들에서의 정의들, 및/또는 정의된 용어들에 대한 통상의 의미들에 대해 통제하는 것으로 이해되어야 한다.

부정관사들("a" 및 "an")은 여기에서 명세서에서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 반대로 명확하게 나타내어지지 않는다면, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

여기에서 명세서에서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이 구절("및/또는")은 그렇게 결합된 요소들, 즉 몇몇 경우들에서 결합하여 존재하며 다른 경우들에서 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 양쪽 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"을 갖고 나열된 다수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉 그렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 다른 요소들은, 구체적으로 식별된 이들 요소들에 관련되는지 또는 관련되지 않는지에 관계없이, 선택적으로 "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들 외에 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 참조는, "포함하는"과 같은 제약을 두지 않은 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만을(선택적으로 B 외의 요소들을 포함하는); 또 다른 실시예에서, B만을(선택적으로 A가 아닌 요소들을 포함한); 또 다른 실시예에서, A 및 B 양쪽 모두(선택적으로 다른 요소들을 포함한) 등을 나타낼 수 있다.

여기에서 명세서에서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, "또는"은 상기 정의된 바와 같이 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 리스트에서 아이템들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적, 즉 다수의 요소들 또는 그것의 리스트 중, 하나 이상을 포함한, 적어도 하나, 및 선택적으로 부가적인 나열되지 않은 아이템들의 포함인 것으로 해석될 것이다. "~ 중 단지 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나", 또는 청구항들에서 사용될 때, "~로 이루어진"과 같은, 그와는 대조적으로 명확하게 표시된 용어들만이 다수의 요소들 또는 그것의 리스트 중 정확히 하나의 요소의 포함을 나타낼 것이다. 일반적으로, 여기에서 사용된 바와 같이 용어("또는")는 단지 "어느 하나", "~중 하나", "~중 단지 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은, 배타성의 용어들에 의해 선행될 때 배타적 대안들(즉, "양쪽 모두가 아닌 하나 또는 다른 하나")을 나타내는 것으로 해석될 것이다. "근본적으로 ~로 이루어진"은, 청구항들에서 사용될 때, 특허법의 분야에서 사용된 바와 같이 그것의 통상의 의미를 가질 것이다.

여기에서 명세서에서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 리스트를 참조할 때, 구절("적어도 하나")은, 반드시 요소들의 리스트 내에 구체적으로 나열된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 포함하는 것은 아니며 요소들의 리스트에서 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는, 요소들의 리스트에서 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한 구체적으로 식별된 이들 요소들에 관련되는지 또는 관련되지 않는지에 관계없이, 구절("적어도 하나")을 나타내는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별된 요소들이 아닌 요소들이 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비-제한적 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 동일하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동일하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 일 실시예에서, B를 갖지 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함한, 적어도 하나의 A를(및 선택적으로 B가 아닌 요소들을 포함한); 또 다른 실시예에서, A가 존재하지 않고, 선택적으로 하나 이상을 포함한, 적어도 하나의 B를(및 선택적으로 A가 아닌 요소들을 포함한); 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 이상을 포함한, 적어도 하나의 A, 및 선택적으로 하나 이상을 포함한, 적어도 하나의 B(및 선택적으로 다른 요소들을 포함한) 등을 나타낼 수 있다.

상기 명세서에서뿐만 아니라, 청구항들에서, "포함하는", "포함시키는", "전달하는", "갖는", "함유하는", "수반하는", "유지하는", "~로 구성된" 등과 같은 모든 접속구들은 제약을 두지 않는 것으로, 즉 이에 제한되지 않지만 포함하는을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 단지 접속구들("~로 이루어진" 및 "근본적으로 ~로 이루어진")은 섹션 2111.03, 특허 심사 절차들의 미국 특허청 매뉴얼에 제시된 바와 같이, 각각 폐쇄된 또는 반-폐쇄된 접속구들일 것이다.

Claims (21)

1. 헤드-장착 디스플레이 장치에 있어서,
   디스플레이;
   상기 디스플레이와 광 통신을 형성하고, 상기 디스플레이에 의해 방출된 광을 투과하기 위해 빔 스플리터를 형성하는 고체 광학 블록;
   상기 디스플레이에 의해 방출되고 상기 빔 스플리터에 의해 투과된 상기 광을 수용하며 상기 빔 스플리터를 통해 상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 착용자로 상기 디스플레이의 이미지를 반사시키기 위해, 상기 빔 스플리터와 광 통신하는, 오목한 반사 표면; 및
   상기 착용자로 반사된 상기 디스플레이의 이미지의 초점을 변경하기 위해, 상기 빔 스플리터 및 상기 오목한 반사 표면 사이의 상기 고체 광학 블록과 통합되고 가변 광 파워(optical power)를 갖는 튜너블 렌즈로서, 상기 고체 광학 블록의 볼록한 표면과 상기 오목한 반사 표면의 사이에 밀봉된 전기-활성 물질을 포함하는 튜너블 렌즈를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스플레이는 상기 튜너블 렌즈의 광학 축에 수직인 축을 따라 편광된 광을 방출하도록 구성되는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 튜너블 렌즈는 상기 빔 스플리터 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된 네마틱 액정 물질의 층을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 튜너블 렌즈는 상기 빔 스플리터 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된 쌍-안정 액정 물질의 층을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 빔 스플리터는 주변 광을 상기 착용자에게 투과시키도록 구성되는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 오목한 반사 표면은 상기 전기-활성 물질과 전기 통신하는 접지 평면의 적어도 일 부분을 형성하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기-활성 물질의 굴절률을 변경하도록 상기 전기-활성 물질에 전압 구배를 인가하기 위해, 상기 전기-활성 물질 및 상기 볼록한 표면 사이에 배치된, 복수의 전극들을 더 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 착용자로부터의 입력에 응답하여 상기 튜너블 렌즈를 작동시키기 위해, 상기 튜너블 렌즈에 동작 가능하게 결합된 제어기를 더 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스플레이상에서의 이미지에 응답하여 상기 튜너블 렌즈를 작동시키기 위해, 상기 튜너블 렌즈 및 상기 디스플레이에 동작 가능하게 결합된 제어기를 더 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
10. 청구항 1에 기재된 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법에 있어서,
    상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 상기 착용자의 조절 작용을 감지하는 단계;
    상기 착용자의 조절 작용에 기초하여 초점을 선택하는 단계; 및
    상기 착용자의 조절 작용에 매칭시키기 위해 선택된 상기 초점에서, 상기 헤드-장착 디스플레이 장치를 통해, 상기 착용자에게 정보-베어링 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 정보-베어링을 디스플레이하는 단계는:
    상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 상기 디스플레이에서 상기 정보-베어링 이미지를 생성하는 단계;
    상기 빔 스플리터 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치된 상기 튜너블 렌즈를 통해 상기 정보-베어링 이미지를 송신하는 단계; 및
    상기 오목한 반사 표면 및 상기 빔 스플리터를 통해 상기 착용자로 상기 정보-베어링 이미지를 반사시키는 단계를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 정보-베어링 이미지의 초점을 변경하도록 상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계는 상기 착용자로부터의 명령에 응답하여 상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계는 상기 정보-베어링 이미지에서의 정보에 응답하여 상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
15. 청구항 12에 있어서,
    상기 튜너블 렌즈를 작동시키는 단계는 액정 물질에 인가된 전압을 변경하는 단계를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치상에 정보를 디스플레이하는 방법.
16. 헤드-장착 디스플레이 장치에 있어서,
    편광된 광을 방출하기 위한 디스플레이;
    상기 디스플레이에 의해 방출된 상기 편광된 광의 일 부분을 투과시키기 위해, 상기 디스플레이와 광 통신하는 빔 스플리터로서, 상기 빔 스플리터는 볼록한 표면을 정의하는 광학 블록의 일부를 형성하는, 상기 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에 의해 투과된 상기 편광된 광의 부분을 수용하며 상기 빔 스플리터를 통해 상기 헤드-장착 디스플레이 장치의 착용자로 상기 디스플레이의 이미지를 반사시키기 위해, 상기 빔 스플리터와 광 통신하는, 오목한 반사 표면;
    상기 착용자로 반사된 상기 디스플레이의 이미지의 초점을 변경하기 위해, 상기 볼록한 표면 및 상기 오목한 반사 표면 사이에 배치되고 불균일한 두께를 가지는, 액정 층을 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜너블 렌즈는:
    제1 원통형 전기-활성 렌즈 요소; 및
    상기 제1 원통형 전기-활성 렌즈 요소와 광학 직렬 연결된 제2 원통형 전기-활성 렌즈 요소를 포함하는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼록한 표면은 곡률의 제1 반경을 가지고, 상기 오목한 반사 표면은 상기 곡률의 제1 반경과 상이한 곡률의 제2 반경을 가지는, 헤드-장착 디스플레이 장치.
19. 삭제
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21. 삭제

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