KR20010060284A - Compact illumination system providing improved field of view for virtual display applications - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 1999년 4월 12일에 R. Budd 및 D.Dove의 이름으로 출원된 "Compact Optical Designs for Virtual Display Applications and Head Mounted Displays"라는 명칭의, 미국 특허 출원 번호 60/128,899와 관련되고, 상기 출원은 본 명세서에서 참조로 인용되며, 또한 R. Budd 및 D.Dove의 이름으로 출원된 "Compact Optical System for Use in Virtual Display Application"이라는 명칭의, 본 발명과 동시 출원 상태인, 대리인 문서 번호 YO999-188에 의해서 식별된 미국 특허 출원에 관련되어 있으며, 상기 출원은 본 명세서에서 참조로 인용된다.This application is related to US Patent Application No. 60 / 128,899, entitled "Compact Optical Designs for Virtual Display Applications and Head Mounted Displays," filed April 12, 1999, under the names R. Budd and D.Dove, This application is incorporated herein by reference and is also a representative document number, filed concurrently with the present invention, entitled "Compact Optical System for Use in Virtual Display Application," filed under the names R. Budd and D. Dove. It is related to the US patent application identified by YO999-188, which is incorporated herein by reference.
본 발명은 전체적으로 컴팩트한 광학 시스템에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 컴팩트한 광학 시스템내에서의 디스플레이 장치에서 이용되는 조사 시스템, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터 시스템(wearable personal cimputer system), 헤드에 탑재된 디스플레이(head mounted display), 휴대용 전화(portable telephone)등과 같은 개인 장치에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to compact optical systems, and more particularly to irradiation systems used in display devices in compact optical systems, such as wearable personal cimputer systems, heads. Personal devices such as head mounted displays, portable telephones, and the like.
가상 영상 디스플레이는 확대 광학 장치를 작은 영상 패널(panel)에 결합하여 관찰자에게 많은 양의 정보를 디스플레이할 수 있는 가상 영상을 제공한다. 이러한 디스플레이는 소위 헤드에 탑재된 디스플레이에서의 응용이 가능하며, 다양한 응용에서 컴퓨터 기반 장치와 결합하여 이용된다. 공지된 바와 같이, 컴퓨터 기반 장치는 광학 장치 및 영상 판넬을 경유하여 디스플레이될 영상 신호를 생성하는 처리 및 디스플레이 드라이버 회로를 포함한다.The virtual image display combines a magnification optical device with a small image panel to provide a viewer with a virtual image capable of displaying a large amount of information. Such displays are applicable in so-called head mounted displays and are used in combination with computer-based devices in a variety of applications. As is known, computer-based devices include processing and display driver circuitry for generating an image signal to be displayed via an optical device and an image panel.
그러나, 이러한 통상적인 가상 영상 디스플레이는 많은 단점을 가진 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 이러한 디스플레이는 편리하게 이용하기에는 너무 무거울뿐만 아니라, 너무 커서 돌출되며(obtrusive), 산만하며(distracting), 시야를 혼란시킨다(disorienting). 무엇보다도, 이러한 결점들은 상대적으로 큰 광학 시스템의 탑재 구조(mounting structure)내로의 합체뿐만 아니라 크기, 형태, 무게등과 같은 중요한 휴먼 인자(human factor)를 적절하게 고려하지 못한 물리적 설계에 기인한다.However, such conventional virtual image displays are known to have a number of disadvantages. For example, such displays are not only too heavy for convenience, but too large to be obtrusive, distracting, and disorienting. First of all, these drawbacks are due to the incorporation into the mounting structure of a relatively large optical system, as well as physical design that does not properly account for important human factors such as size, shape, weight, and the like.
몇몇 통상적인 헤드에 탑재된 가상 디스플레이의 예가 도 1 및 도 2에 도시되어있다. 도 1은 사용자의 머리 및 얼굴에 안경과 비슷한 방식으로 놓여있는 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛(10)을 도시한다. 사용자는 디스플레이(12)를 통하여 가상 영상을 본다. 콧날(nose bridge)(14) 및 측면 지지대(side support)(16)는 사용자의 머리 및 얼굴에 있는동안 디스플레이를 지지하는 데에 이용된다. 유닛(10)은 연결자(18)를 경유하여 컴퓨터에 연결될 수 있다. 이러한 유닛은 거추장스러우며, 착용자로 하여금 디스플레이 스크린을 제외한 다른 것을 보는 것을 가능케하지 않는다. 이것은 사용자가 그의 순간적인 환경을 보는 것을 불가능하게 한다. 이러한 헤드에 탑재된 가상 디스플레이는 WO 95/11473로 식별되는 국제 특허출원에 공지되어 있는데, 본 명세서에서 참조로 인용된다.Examples of virtual displays mounted on some conventional heads are shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows a virtual display unit 10 mounted on a head which is placed in a manner similar to glasses on a user's head and face. The user views the virtual image through the display 12. A nose bridge 14 and side support 16 are used to support the display while in the user's head and face. The unit 10 may be connected to the computer via the connector 18. These units are cumbersome and do not allow the wearer to see anything but the display screen. This makes it impossible for the user to see his instant environment. Virtual displays mounted on such heads are known from the international patent application identified as WO 95/11473, which is incorporated herein by reference.
도 2는 헤드에 탑재된 단안(monocular) 가상 디스플레이 유닛(20)을 도시한다. 지지 구조(12)는 사용자의 머리상에 위치하며, 디스플레이(14)는 사용자의 시계(field of view)로 내려온다. 이러한 설계는 또한 거추장스러우며 사용자의 주위 시야를 방해하는 것으로 알려져 있다. 이러한 헤드에 탑재된 단안 가상 디스플레이 또한 WO95/11473으로 식별되는 국제 특허 출원에 공지되어 있다.2 shows a monocular virtual display unit 20 mounted on the head. The support structure 12 is located on the user's head and the display 14 descends into the user's field of view. This design is also cumbersome and is known to obstruct the user's surrounding vision. Monocular virtual displays mounted on such heads are also known in the international patent application identified as WO95 / 11473.
통상적인 컴팩트 디스플레이 시스템 및 헤드에 탑재된 디스플레이의 다른 예는 Kintz등의 미국 특허 번호 5,771,124, Williams등의 미국 특허 번호 5,757,339 및 Ronzani등의 미국 특허 번호 5,844,656에 공지되어 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용된다.Other examples of conventional compact display systems and head mounted displays are known from Kintz et al. US Pat. No. 5,771,124, Williams et al. US Pat. No. 5,757,339, and Ronzani et al. US Pat. No. 5,844,656, which is incorporated herein by reference. .
통상적인 컴팩트 디스플레이 시스템 및 헤드에 탑재된 디스플레이의 다른 예는 Kintz등의 미국 특허 번호 5,771,124, William등의 미국 특허 번호 5,757,339 및 Ronzani등의 미국 특허 번호 5,844,656에 공지되어 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용된다. 소니 코포레이션(Sony Corporation)이 "Glasstron"이라고 알려진 헤드에 탑재된 가상 디스플레이를 제조하였음 또한 공지되어 있다.Other examples of conventional compact display systems and head mounted displays are known from US Pat. No. 5,771,124 to Kintz et al., US Pat. No. 5,757,339 to William et al. And US Pat. No. 5,844,656 to Ronzani et al., Which are incorporated herein by reference. . It is also known that Sony Corporation manufactured a virtual display mounted on a head known as "Glasstron".
그러나, 주어진 모든 예는 하나 혹은 그 이상의 상기 언급된 설계 부족으로 인하여 나쁜 영향을 받는다. 그 결과, 이러한 결함은 이러한 장치의 일반적인 수용을 심하게 방해한다.However, all examples given are adversely affected by the lack of one or more of the aforementioned design. As a result, these defects severely hinder the general acceptance of such devices.
따라서, 디스플레이 장치에서 이용될 컴팩트한 광학 시스템, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터, 헤드에 탑재된 디스플레이, 휴대용 전화 등과 같은 개인용 장치를 필요로 하는데, 이것은 이러한 결함을 실질적으로 감소시키거나 제거한다.Thus, there is a need for a compact optical system to be used in a display device, for example a personal device such as a wearable personal computer, a head mounted display, a portable telephone, etc., which substantially reduces or eliminates these defects.
도 1은 통상적인 안경 형태의 헤드에 탑재된 가상 디스플레이,1 is a virtual display mounted on a head in the form of a conventional glasses,
도 2는 통상적인 단안 형태의 헤드에 탑재된 가상 디스플레이,2 is a virtual display mounted on a conventional monocular type head,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛 및 컴퓨터 기반 장치,3A is a virtual display unit and a computer-based device mounted on a head according to an embodiment of the present invention;
도 3b는 본 발명에 따라 사용자에게 착용될 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛의 미술적인 묘사,3b is an artistic depiction of a virtual display unit mounted on a head to be worn by a user in accordance with the present invention;
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,4 is a virtual display optical system according to a first embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,5 is a virtual display optical system according to a second embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,6 is a virtual display optical system according to a third embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,7 is a virtual display optical system according to a fourth embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,8 is a virtual display optical system according to a fifth embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,9 is a virtual display optical system according to a sixth embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,10 is a virtual display optical system according to a seventh embodiment of the present invention,
도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템,11 is a virtual display optical system according to an eighth embodiment of the present invention;
도 12는 편광 빔 분할기(splitter)를 이용하는 반사형 마이크로디스플레이의 조사(illumination)에 대한 공지된 방법의 예,12 is an example of a known method for illumination of a reflective microdisplay using a polarizing beam splitter,
도 13은 DBEF로 알려진 반사 및 편광 물질의 박막을 이용하는 반사 마이크로디스플레이의 조사의 공지된 방법의 예,13 is an example of a known method of irradiation of a reflective microdisplay using a thin film of reflective and polarizing material known as DBEF,
도 14는 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 컴팩트 프리즘을 이용한 본 발명의 한 실시예에 따른 가상 디스플레이에 대한 향상된 광학 장치를 제공하는 조사 방법.FIG. 14 is an illumination method providing an enhanced optical device for a virtual display according to an embodiment of the present invention using a compact prism having a folded light path.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
50 : 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛50: virtual display unit mounted on the head
52 : 디스플레이 54 : 조절가능한 붐(boom)52: display 54: adjustable boom
56 : 헤드지지부 60 : 헤드 밴드56: head support 60: head band
62 : 귀싸개 63 : 내장된 마이크로폰62: Earmuffs 63: Built-in Microphone
64 : 케이블 70 : 컴퓨터 기반 장치64: cable 70: computer-based device
100 : 광원 200 : 마이크로디스플레이100: light source 200: micro display
420 : 렌즈 장치 500 : 렌즈 장치420: lens unit 500: lens unit
650 : 필드 렌즈 750 : 조사 시스템650: field lens 750: irradiation system
1400 : 조사 시스템 1500 : 제 1 프리즘1400: Irradiation System 1500: First Prism
1600 : 광 파이프 1700 : 거울1600: light pipe 1700: mirror
2000 : 광원 2100 : 편광 빔 분할기2000: light source 2100: polarized beam splitter
2200 : 확산기 2400 : 촬상 광학부2200 diffuser 2400 imaging optical unit
2500 : 사용자의 눈 2600 : 플레이트(plate)2500: user's eyes 2600: plate
본 발명은 예를 들면, 통상적인 설계에서 나타난 결점-매우 큰 크기와 무게, 방해된 시계등-을 없애는 헤드에 탑재된 가상 영상 디스플레이와 같은 디스플레이 장치에서 이용되는 다양한 광학 시스템 설계를 제공한다. 광학 시스템은 매우 컴팩트하며 무게가 가벼워서 헤드에 탑재된 지지 구조와 결합하여 눈에 근접한 디스플레이를 유지하는데, 단지 1 내지 2 오운스(ounce)의 무게가 나간다. 이러한 디스플레이는 탁월한 광학 특성을 가진다. 본 발명의 특히 바람직한 한 가지 특징은 광학 시스템과 결합한 상대적으로 작은 두께로 주어지는 시계가 얻어져서, 경량이며 부피가 작다. 경량의 컴퓨터 기반 장치와 결합하여, 이 디스플레이 장치는 독특한 이동가능하며 및 편리한 착용가능한 컴퓨팅 시스템을 가능케 한다.The present invention provides a variety of optical system designs for use in display devices, such as, for example, virtual image displays mounted on the head that eliminate the shortcomings seen in conventional designs—very large size and weight, obstructed vision, and the like. The optical system is very compact and light in weight, combined with a support structure mounted on the head to keep the display close to the eye, weighing only 1 to 2 ounces. Such displays have excellent optical properties. One particularly preferred feature of the present invention is that a field of view given in a relatively small thickness in combination with an optical system is obtained, which is lightweight and small in volume. In combination with a lightweight computer-based device, this display device allows for a unique mobile and convenient wearable computing system.
본 발명의 일 측면에서, 마이크로디스플레이(microdisplay)에 의하여 생성된 영상 신호를 사용자가 볼 수 있도록 보내는 컴팩트 광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하는데, 제 1 프리즘, 1/4 파장판, 반사 렌즈 및 제 2 프리즘은, 영상신호가 제 1 프리즘에 입사하며, 제 1 프리즘 및 1/4 파장판 사이의 공간에서 반사하며, 제 1 프리즘 및 제 2 프리즘 사이의 경계에서 반사하며, 1/4 파장판은 먼저 투과하며, 반사 렌즈에서 반사하며, 1/4 파장판을 두 번째 투과하며, 제 1 프리즘 및 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며, 제 2 프리즘을 빠져나와 사용자가 볼 수 있도록 배열된다.In one aspect of the invention, a compact optical system for sending a video signal generated by a microdisplay for the user to view is a (i) first prism positioned in proximity to the microdisplay, and (ii) in proximity to the first prism. And a second prism positioned proximate to the first prism, wherein the first prism, the quarter wave plate, The reflective lens and the second prism have an image signal incident on the first prism, reflect in the space between the first prism and the quarter wave plate, and reflect at the boundary between the first prism and the second prism, The four wave plate transmits first, reflects off the reflective lens, the second wave plate passes through the second wave, passes through the boundary between the first prism and the second prism, and exits the second prism for the user to see. Are arranged.
바람직하게, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 경계는 마이크로디스플레이에 의해서 생성된 영상 신호와 관련된 편광된 광을 반사하도록 구성된다. 예를 들면, 경계는 다증층의 반사 피복물 또는 DBEF 박막을 포함할 수 있다. 부가하여, 반사 렌즈는 1/4 파장판과 면하는 볼록한 형태의 표면을 바람직하게 포함한다. 반사 렌즈는, 예를 들면 완전 반사 금속 피복물, 완전 반사 다중층 유전체 피복물, 부분 반사 피복물 또는 홀로그래픽(holographic) 피복물과 같은 반사 피복물을 포함할 수 있다. 부가하여, 반사 피복물은 바람직하게 영상 신호의 실질적인 반사 및 하나 또는 그 이상의 다른 영상-예를 들면, 반사 렌즈의 반대측상의 영상, 즉 사용자가 면하는 측의 반대측의 영상-의 실질적인 전송을 가능케하는 관련 예정 파장을 가진다. 이러한 방식으로, 사용자는 영상 신호를 볼 수 있으나, 실질적으로 광학 시스템을 통하여 주위 환경을 본다.Preferably, the boundary between the first prism and the second prism is configured to reflect polarized light associated with the image signal generated by the microdisplay. For example, the boundary may comprise a multi-layer reflective coating or a DBEF thin film. In addition, the reflective lens preferably comprises a convex shaped surface facing the quarter wave plate. The reflective lens can include, for example, a reflective coating such as a fully reflective metal coating, a fully reflective multilayer dielectric coating, a partially reflective coating or a holographic coating. In addition, the reflective coating is preferably associated to enable substantial reflection of the video signal and substantial transmission of one or more other images, for example, images on the opposite side of the reflective lens, ie images on the opposite side of the side facing the user. Has a predetermined wavelength. In this way, the user can see the image signal, but substantially sees the surrounding environment through the optical system.
투과형, 방사형 및/또는 반사형 마이크로디스플레이에 따라 이용되는 본 발명의 다양한 다른 실시예가 제공된다.Various other embodiments of the present invention are provided for use with transmissive, radial and / or reflective microdisplays.
본 발명의 다른 측면에서, 헤드에 탑재된 가상 영상 디스플레이 유닛은 (a) 마이크로디스플레이, (b) 마이크로디스플레이에 따라 생성된 영상 신호를 사용자가 볼 수 있도록 전송하는 광학 시스템-광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하는데, 제 1 프리즘, 1/4 파장판, 반사 렌즈 및 제 2 프리즘은 영상 신호가 제 1 프리즘에 입사하며, 제 1 프리즘 및 1/4 파장판 사이의 공간에서 반사하며, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 경계에서 반사하며, 1/4 파장판을 먼저 투과하며, 반사 렌즈에서 반사하며, 1/4 파장판을 두 번째로 투과하며, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며, 제 2 프리즘을 빠져나와 사용자가 볼 수 있도록 배열된다.- (c) 사용자 눈의 시계내에서 광학 시스템을 지지하는 광학 시스템 탑재 구조를 포함한다. 바람직하게, 탑재 구조는 광학 시스템이 선택적으로 사용자의 눈의 시계로 이동하거나 벗어나는 것을 가능케하도록 구성된다.In another aspect of the invention, a virtual image display unit mounted on a head includes (a) a microdisplay, and (b) an optical system for transmitting a video signal generated according to the microdisplay for the user to view. A first prism positioned proximate the microdisplay, (ii) a quarter wave plate positioned proximate the first prism, (i) a reflective lens positioned proximate a quarter wave plate and (iii) proximate the first prism A first prism, a quarter wave plate, a reflective lens, and a second prism, wherein the image signal is incident on the first prism and reflects in the space between the first prism and the quarter wave plate. Reflects at the boundary between the first prism and the second prism, transmits the quarter wave plate first, reflects off the reflective lens, passes the quarter wave plate second, and the first prism and the second prism The boundaries between And transmits and exits the second prism and is arranged for viewing by the user. Preferably, the mounting structure is configured to enable the optical system to selectively move or leave the field of view of the user's eye.
본 발명의 다른 실시예에서, 휴대용 컴퓨터 시스템은 (1) 헤드에 탑재된 가상 영상 디스플레이 유닛-상기 유닛은 (a) 마이크로디스플레이, (b) 마이크로디스플레이에 따라 생성된 영상 신호를 전송하여 사용자가 볼 수 있는 광학 시스템-상기 광학 시스템은 (ⅰ) 마이크로디스플레이에 근접하여 위치한 제 1 프리즘, (ⅱ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 1/4 파장판, (ⅲ) 1/4 파장판에 근접하여 위치한 반사 렌즈 및 (ⅳ) 제 1 프리즘에 근접하여 위치한 제 2 프리즘을 포함하며, 제 1 프리즘, 1/4 파장판, 반사 렌즈 및 제 2 프리즘은 영상 신호가 제 1 프리즘으로 입사하며, 제 1 프리즘과 1/4 파장판 사이의 공간에서 반사하며, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 경계에서 반사하며, 1/4 파장판을 먼저 투과하며, 반사 렌즈에서 반사하며, 1/4 파장판을 투과하며, 두 번째로 1/4 파장판을 투과하며, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 경계를 투과하며, 제 2 프리즘을 투과하여 사용자가 볼 수 있도록 배열된다.- 및 (c) 사용자의 눈의 시계내에서 광학 시스템 및 마이크로디스플레이를 지지하는 광학 시스템 탑재 구조를 포함한다.- 및 (2) 헤드에 탑재된 가상 영상 디스플레이 유닛에 결합되어 전기적 신호를 생성하여, 마이크로디스플레이에 제공하여, 사용자가 볼 수 있는 영상 신호를 생성하는 데에 이용하는 컴퓨터 기반 장치를 포함한다.In another embodiment of the present invention, a portable computer system includes (1) a virtual image display unit mounted on a head, the unit transmitting image signals generated according to (a) microdisplays and (b) microdisplays for viewing by a user. An optical system capable of: (i) a first prism positioned proximate to the microdisplay, (ii) a quarter wave plate positioned proximate to the first prism, and (i) a quarter wave plate positioned proximate And a second prism positioned proximate to the reflective lens and (i) the first prism, wherein the first prism, the quarter wave plate, the reflective lens, and the second prism have an image signal incident on the first prism, and the first prism Reflects in the space between and the quarter wave plate, reflects at the boundary between the first prism and the second prism, passes through the quarter wave plate first, reflects off the reflective lens, and passes through the quarter wave plate Second Transmits a quarter wave plate, passes through the boundary between the first prism and the second prism, and is arranged to be visible to the user through the second prism-and (c) optical in the field of view of the user's eye And (2) an optical signal coupled to the virtual image display unit mounted on the head to generate an electrical signal and provide it to the microdisplay for viewing by the user. Computer-based devices that are used to generate the data.
본 발명의 부가되는 측면에서, 반사 액정 마이크로디스플레이(reflective liquide crystal microdisplay)를 이용하는 가상 영상 디스플레이에 대한 개선된 조사 시스템이 제공된다. 특히, 조사 시스템의 기능은 (ⅰ) 광원의 집속과 분산 및 반사 마이크로디스플레이에 입사하는 광 빔의 편광의 제공, (ⅱ) 마이크로디스플레이로부터 반사된 광이 광학 장치를 형성하는 영상으로 입사하는 경로의 제공, (ⅲ) 이용가능한 광량의 효과적인 이용의 유지를 포함한다. 본 발명의 조사 방법은 효율 및 편광의 질을 유지하면서 짧은 영상 경로를 제공하는 특징을 가진다. 이것은 특히 컴팩트한 가상 영상 디스플레이에 있어서 바람직하다.In an additional aspect of the present invention, an improved illumination system for a virtual visual display using a reflective liquid crystal crystal microdisplay is provided. In particular, the function of the irradiation system is to (i) focus and disperse the light source and provide polarization of the light beam incident on the reflective microdisplay, (ii) the path of the light reflected from the microdisplay into the image forming the optical device. Providing, (i) maintaining the effective use of the amount of available light. The irradiation method of the present invention is characterized by providing a short image path while maintaining efficiency and quality of polarization. This is particularly desirable for compact virtual image displays.
본 발명의 많은 특징과 장점들이, 수반하는 도면과 연관하여 읽혀질 예증적인 실시예의 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.Many features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description of illustrative embodiments to be read in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명의 다양한 광학 시스템 설계가 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛및 착용가능한 컴퓨터와 관련해 후술될 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 또는 어떠한 다른 특정 디스플레이 애플리케이션에 한정되지 않을 것임이 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 컴팩트한 광학 시스템을 이용하여 영상을 디스플레이하는 것이 바람직한 어떠한 적절한 디스플레이 애플리케이션에서도 보다 일반적으로 응용될 수 있으며, 애플리케이션에서 이용되는 장치에 합체될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들면 착용가능한 퍼스널 컴퓨터, 헤드에 탑재된 디스플레이, 휴대용 전화 등과 같은 개인용 장치일 수 있다.Various optical system designs of the present invention will be described below in connection with a virtual display unit mounted on a head and a wearable computer. However, it should be understood that the invention is not limited to this or any other particular display application. Rather, the present invention may be more commonly applied to any suitable display application where it is desirable to display an image using a compact optical system, and may be incorporated into the device used in the application. Such devices may be, for example, personal devices such as wearable personal computers, head mounted displays, portable telephones, and the like.
먼저, 도 3a와 관련하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛(50) 및 컴퓨터 기반 장치(70)가 도시되어 있다. 컴퓨터 기반 장치(70)는 바람직하게 작은 형태 요소(form factor)-즉, 주머니에 들어갈만한 크기 및 경량-를 가져야 함이 이해되어야 한다. 또한 바람직하게 사용자의 벨트 또는 주머니에 부착할 수 있는 클립(clip)을 가져야 할 것이다. 이러한 컴퓨터 기반 장치는 "착용가능한 컴퓨터"라고 불리운다. 착용가능한 컴퓨터는 퍼스널 컴퓨터, 랩탑(laptop) 컴퓨터, 퍼스널 디지털 어시스턴트(personal digital assistant)등에서의 모든 혹은 대부분의 통상적인 구성 요소-예를 들면, 프로세서(예를 들면, CPU), 고정 메모리, 제거가능한 메모리, 디스플레이 드라이버 회로, 외부 네트워크(예를 들면, 인터넷) 연결 장치, 응용 소프트웨어 등-를 포함할 수 있다.First, with reference to FIG. 3A, a virtual display unit 50 and a computer-based device 70 mounted in a head according to an embodiment of the present invention are shown. It should be understood that computer-based device 70 should preferably have a small form factor—ie, size and light weight to fit in a pocket. It would also be desirable to have a clip attachable to the user's belt or pocket. Such computer-based devices are called "wearable computers." The wearable computer may be any or most common component in a personal computer, laptop computer, personal digital assistant, etc., for example, a processor (eg, CPU), fixed memory, removable Memory, display driver circuitry, external network (eg, Internet) connection devices, application software, and the like.
헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛(50)은 디스플레이(52), 조절가능한 붐(boom)(54), 착용자의 머리의 우측부 및 좌측부 각각에 대한 헤드 지지부(56,58), 착용자의 머리의 뒷부분을 둘러싸는 헤드 밴드(60), 귀싸개(62) 및컴퓨터 기반 장치(70)를 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛(50)에 전기적으로 연결하는 케이블(64)을 포함한다. 유닛(50)은 또한 내장된 마이크로폰(built-in microphone)을 포함할 수 있다. 유닛(50)의 디스플레이(52)에는 설명되는 바와 같이 본 발명의 컴팩트한 광학 시스템이 포함된다. 디스플레이(52)는 붐(54) 및 헤드 지지부(56)을 경유하여 회전할 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 디스플레이(52)를 시계(the field of view)-본 경우에는 사용자의 우측 눈-의 안으로 혹은 밖으로 움직일 수 있다. 물론, 유닛(50)은 디스플레이(52)가 착용자의 좌측 눈으로 보여지도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 유닛(50)은 좌측 눈에 의해 사용되도록 방향이 바뀌어질 수 있다. 또한 유닛(50)은 2개의 분리된 디스플레이를 포함하도록, 즉 하나는 우측 눈에, 하나는 좌측 눈에 맞추어 구성될 수 있다. 당업자는 다른 구성을 구현할 수 있을 것이다.The virtual display unit 50 mounted on the head includes a display 52, an adjustable boom 54, head supports 56 and 58 for the right and left portions of the wearer's head, respectively, and a rear portion of the wearer's head. And a cable 64 that electrically connects the head band 60, the ear wrap 62, and the computer-based device 70 to the virtual display unit 50 mounted on the head. Unit 50 may also include a built-in microphone. The display 52 of the unit 50 includes the compact optical system of the present invention as described. The display 52 can rotate via the boom 54 and the head support 56. In this way, the user can move the display 52 in or out of the field of view, in this case the right eye of the user. Of course, unit 50 may be configured such that display 52 is visible to the wearer's left eye. In this case, the unit 50 can be redirected for use by the left eye. The unit 50 can also be configured to include two separate displays, one for the right eye and one for the left eye. Those skilled in the art will be able to implement other configurations.
따라서, 디스플레이 유닛(50)과 컴퓨터 기반 장치(70)의 결합은 사용자가 장치(70)-예를 들면, 응용 소프트웨어, 웹 브라우저 등으로부터-에 따라 생성된 영상 데이터를 보는 것을 가능케한다. 영상 정보는 케이블(64)을 경유하여 디스플레이에 제공된다. 귀싸개(62)는 사용자가 장치(70)에 따라 생성된 음성 데이터를 청취하는 것을 가능케한다. 마이크로폰(63)은 사용자가 컴퓨터에 음성 명령을 입력하는 것을 가능케한다.Thus, the combination of display unit 50 and computer-based device 70 enables a user to view image data generated according to device 70-for example from application software, a web browser, or the like. The image information is provided to the display via the cable 64. Earplugs 62 allow a user to listen to voice data generated in accordance with device 70. The microphone 63 allows a user to input voice commands to the computer.
따라서, 도 3a는 포켓 크기의 착용가능한 컴퓨터와 결합하여 사용되는 컴팩트한 광학 시스템을 포함하는 경량의 헤드에 탑재된 디스플레이 유닛을 포함하는 경량의 착용가능한 컴퓨터 기반 시스템을 설명한다. 도시된 바와 같이, 광학 시스템이 경량의 붐(boom) 또는 밴드 구조에 의하여 사용자의 머리에 부착되었기 때문에, 이것은 전체 헤드에 탑재된 디스플레이의 무게가 대략 2 오운스 이하로 되는 것을 가능케한다. 이러한 설계는 융통성이 있으며, 원한다면 안경상에도 착용될 수 있다. 도 3b는 사용자에게 착용될 수 있는, 본 발명에 따른 헤드에 탑재된 가상 디스플레이 유닛의 미술적인 묘사를 도시한다. 도시된 바와 같이, 디스플레이(52)는 바람직하게 사용자의 우측 눈 또는 좌측 눈의 시계로 이동할 수 있다.Thus, FIG. 3A illustrates a lightweight wearable computer based system comprising a display unit mounted on a lightweight head that includes a compact optical system used in combination with a pocket size wearable computer. As shown, since the optical system is attached to the user's head by means of a lightweight boom or band structure, this enables the weight of the display mounted on the entire head to be less than approximately 2 ounces. This design is flexible and can also be worn on spectacles if desired. 3b shows an artistic depiction of a virtual display unit mounted on a head according to the invention, which can be worn by a user. As shown, the display 52 may preferably move to the user's right eye or left eye's field of view.
디스플레이는 작아서 돌출되지 않으며, 광학 시스템을 통해서 바깥을 왜곡되지않게 보는 것을 가능케한다. 디스플레이에 전원이 켜지면, 충분한 광이 존재하여, 주위 환경에 대하여 디스플레이가 명확하게 보일수 있다. 매우 밝은 조건에서, 외부 광에 대한 셔터(shutter)가 합체될 수 있다.The display is small and does not protrude, making it possible to see the outside without distortion through the optical system. When the display is powered on, there is sufficient light so that the display can be clearly seen with respect to the surrounding environment. In very bright conditions, shutters for external light can be incorporated.
디스플레이(52)에서 이용될 본 발명에 따른 다양한 광학 시스템이 이제 기술될 것이다. 그러나, 이러한 발명의 광학 시스템 설계는 도 3a에 설명된 착용가능한 컴퓨터 시스템이외의 장치에 따라서 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 컴팩트한 형태의 요소 및 고질의 광학 영상을 디스플레이하는 능력이 주어진 경우에, 본 발명의 다양한 광학 시스템은 적절한 많은 응용이 가능하다. 당업자는 이러한 광학 시스템이 사용될 수 있는 다양한 다른 실시예 및 응용을 구현할 수 있을 것이다.Various optical systems according to the present invention to be used in the display 52 will now be described. However, it should be understood that the optical system design of this invention may be used in accordance with devices other than the wearable computer system described in FIG. 3A. Given the compact form of the element and the ability to display high quality optical images, the various optical systems of the present invention have many suitable applications. Those skilled in the art will be able to implement various other embodiments and applications in which such optical systems may be used.
더우기, 다양한 실시예와 연관하여 상술되는 바와 같이, 본 발명의 광학 시스템은 "자유로운 형태(free form)" 광학 장치이라기 보다는 "축상(on-axis)" 광학 장치인, 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 광학 장치을 제공한다. 이러한 방식으로, 광학 시스템은 여기에 기술된 장점 및 특징을 제공할 수 있을뿐만 아니라 당업자는본 발명의 기술을 구현할 수 있을 것이다. "축상(on-axis)" 및 "자유로운 형태(free form)"의 용어의 의미는 다음 설명으로부터 이해될 수 있다. 특정한 구형 렌즈를 통과하는, 렌즈에 직교하며 그 중심을 통과하는 광선은 광학 축을 규정한다. 광선의 묶음은 이 축근처에서 렌즈 클러스터(cluster)를 통과하며 렌즈에 의해서 상이 잘 맺힐 것이다. 카메라, 현미경, 쌍안경을 상기 시스템의 예로 들수 있다. 보다 복잡한 시스템에서, 광선의 묶음은 렌즈에 대하여 경사진 선 근처에 무리를 지을 수 있으며, 이것은 "축밖의(off-axis)"를 의미한다. 통상적인 구형 렌즈는 광학 축상에 대하여 대칭적임을 주시하여야 한다. 그러나, 다른 시스템은 방사상으로 대칭이 아니며, 위에서 규정한 것과 같은 명확한 광학 축을 가지지 않지만, 촬상 기능을 여전히 수행한다. 이것을 통상적으로 "자유로운 형태(free-form)"라고 부른다.Moreover, as described above in connection with various embodiments, the optical system of the present invention is a folded optical path, which is an "on-axis" optical device rather than a "free form" optical device. It provides an optical device with. In this way, the optical system may not only provide the advantages and features described herein, but those skilled in the art will be able to implement the techniques of the present invention. The meanings of the terms "on-axis" and "free form" can be understood from the following description. Light rays orthogonal to and through the center of the lens, passing through a particular spherical lens, define the optical axis. The bundle of rays passes through the lens cluster near this axis and will be well imaged by the lens. Cameras, microscopes, and binoculars are examples of such systems. In more complex systems, bundles of rays can cluster near inclined lines with respect to the lens, meaning "off-axis". Note that conventional spherical lenses are symmetric about the optical axis. However, other systems are not radially symmetric and do not have a clear optical axis as defined above, but still perform the imaging function. This is commonly referred to as "free-form."
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템이 도시된다. 통상적으로 적색, 녹색 및 청색 광 발산 다이오드(LED)의 클러스터인 광원(100)으로부터의 광은 마이크로디스플레이(200)를 비춘다. 이러한 실시예에서, 마이크로디스플레이는 투과적인(transmissive) 형태의 마이크로디스플레이이다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 투과적인 마이크로디스플레이는,예를 들면 메인주(MA) 타톤(Taunton)의 코핀(Kopin)으로부터 얻을수 있다. 투과적인 마이크로디스플레이는 광원이 마이크로디스플레이에 내장되어 있는 방사적인 마이크로디스플레이로 대체될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명에 따라 사용될 방사적인 마이크로디스플레이는, 예를 들면 오레곤주(OR) 비버톤(Beaverton)의 플레너(Planar)로부터 얻을 수 있다. 또한, 후술되는 바과 같이, 마이크로디스플레이는 반사 형태의 마이크로디스플레이일 수 있다. 공지된 바와 같이, 어떠한 경우라도 마이크로디스플레이는 디스플레이에 인가된 전기적 신호에 반응하여 영상을 생성한다. 전기적 신호는, 예를 들면 컴퓨터 기반 장치(70)(도 3a)로부터 마이크로디스플레이에 제공될 수 있다. 이러한 영상은 제 1 프리즘(300), 반사 렌즈(500) 및 제 2 프리즘(600)에 의해서 사용자에게 보여진다.Referring now to FIG. 4, shown is a virtual display optical system in accordance with a first embodiment of the present invention. Light from light source 100, which is typically a cluster of red, green and blue light emitting diodes (LEDs), illuminates microdisplay 200. In this embodiment, the microdisplay is a transmissive form of microdisplay. Transmissive microdisplays that can be used according to the invention can be obtained, for example, from Kopin of Taunton, MA. It is to be understood that the transmissive microdisplay can be replaced with a radial microdisplay in which the light source is embedded in the microdisplay. Radial microdisplays to be used according to the invention can be obtained, for example, from Planar, Oregon Beaverton. In addition, as described below, the microdisplay may be a reflective microdisplay. As is known, in any case the microdisplay produces an image in response to an electrical signal applied to the display. Electrical signals can be provided to the microdisplays, for example, from computer-based device 70 (FIG. 3A). Such an image is shown to the user by the first prism 300, the reflective lens 500, and the second prism 600.
디스플레이로부터의 광은 편광되어 제 1 프리즘에 입사하며 프리즘(300)과 1/4 파장판(400)사이의 공간(340)에서 반사된다. 반사광은 제 1 프리즘(300)과 제 2 프리즘(600)사이의 경계(360)에서 두 번째로 반사된다. 이러한 경계는 바람직하게 마이크로디스플레이에서 발생하여 1/4 파장판을 거쳐 반사 렌즈(500)으로 입사하는 소위 s 편광 광을 반사하는 다중층 반사 피복물을 수반한다. 도시된 바와 같이, 유리 조각 또는 렌즈(420)는 1/4 파장판(400)과 반사 렌즈(500)를 분리한다. 다증층 반사 피복물(360)은, 예를 들면 미네소타주(MN) 세인트 폴(St. Paul)의 3M사에 의해서 제조된 DBEF 박막일 수 있다. DBEF는 이중 밝기 향상 박막(Dual Brightness Enhancement Film)을 나타낸다. 또한, 얇은 박막 유전층 스택이 다중층 반사 피복물(360)로 이용될 수 있다.Light from the display is polarized and incident on the first prism and reflected in the space 340 between the prism 300 and the quarter wave plate 400. The reflected light is second reflected at the boundary 360 between the first prism 300 and the second prism 600. This boundary preferably involves a multilayer reflective coating that occurs in the microdisplay and reflects the so-called s-polarized light entering the reflective lens 500 through the quarter wave plate. As shown, the glass piece or lens 420 separates the quarter wave plate 400 and the reflective lens 500. Multilayer reflective coating 360 may be, for example, a DBEF thin film manufactured by 3M Company of St. Paul, Minnesota. DBEF stands for Dual Brightness Enhancement Film. In addition, a thin thin film dielectric layer stack may be used as the multilayer reflective coating 360.
반사 렌즈(500)는, 예를 들면, 후술될 바와 같이, 특정한 파장에서 높은 반사도를 가진 반사기, 홀로그래픽 반사기, 거울 또는 부분 거울일 수 있다. 어떠한 경우라도, 반사 렌즈(500)은 곡선의 표면에서 광을 1/4 파장판을 거쳐 프리즘(300)으로 되반사하는 반사 피복물(550)을 가진다. 1/4 파장판을 거친 2 개의 경로의 작용은 편광 방향을 s에서 p로 변환하는 것인데, 이 경우에 광선은 피복물(360)을 지나서 관찰자의 눈(700)으로 입사한다. 광학 시스템의 조밀함은 광 경로에 합체된 다수의 폴딩(folding)에 의해서 바람직하게 성취될 수 있음이 이해되어야 한다.Reflective lens 500 may be, for example, a reflector, holographic reflector, mirror or partial mirror with high reflectivity at a particular wavelength, as described below. In any case, the reflective lens 500 has a reflective coating 550 that reflects light back through the quarter wave plate to the prism 300 at the curved surface. The action of the two paths through the quarter wave plate is to convert the polarization direction from s to p, in which case the light rays enter the observer's eye 700 past the coating 360. It should be understood that the compactness of the optical system can be advantageously achieved by multiple folding incorporated into the optical path.
반사 렌즈 피복물(550)은 완전 반사 금속 또는 다중층 유전체 피복물 또는 관찰자가 유닛을 통해서 보는 것 또한 가능케하는 부분 반사 피복물을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 반사층은 또한 특정한 파장 선택도를 가져서 투명 또는 투과 능력을 향상시키며, 동시에 원하는 파장 또는 파장군의 광을 눈의 방향으로 반사할 수 있는 형태일 수 있다. 이것은 광원이 상대적으로 협소한 밴드의 적색, 녹색 및 청색 파장으로 구성되는 경우에, 예를 들면 LED의 경우에 바람직하다. 예를 들면, 공지된 파장은 적색, 녹색 및 청색 광 각각에 대하여 625, 525 및 460 ㎚이다. 이것은 적색, 녹색 및 청색 영상을 광학 시스템을 통해서 밀접하게 연속으로 전송함으로써(컬러 순차적 방법(color sequential method)이라고 언급된다.) 눈에서 컬러 영상이 획득되는, 관찰자에 의해서 인지되는 평균 효과가 정상적인 컬러 영상중 하나인 바람직한 실시예에서의 경우이다. 이것은 공지된 바와 같이 적색, 녹색 및 청색 광원에 연속하여, 교대로 마이크로디스플레이에 인가되는 적색, 녹색 및 청색 영상 구성 성분으로 구성되는 영상과 동위상으로 펄싱(pulsing)함으로써 얻어진다. 거울 렌즈(500)는 원하는 반사도를 획득하는 홀로프래픽(holographic) 또는 다른 피복물을 가지는 것은 이해되어야 한다.It should be understood that the reflective lens coating 550 may comprise a fully reflective metal or multilayer dielectric coating or a partial reflective coating that also enables the viewer to see through the unit. The reflective layer may also have a specific wavelength selectivity to enhance transparency or transmission capability, and at the same time, may be a shape capable of reflecting light of a desired wavelength or group of wavelengths in the direction of the eye. This is preferred when the light source consists of relatively narrow bands of red, green and blue wavelengths, for example in the case of LEDs. For example, known wavelengths are 625, 525 and 460 nm for red, green and blue light, respectively. This is achieved by closely transmitting red, green, and blue images through an optical system (called the color sequential method). The average effect perceived by the observer, in which a color image is obtained in the eye, is normal color. This is the case in the preferred embodiment, which is one of the images. This is achieved by pulsing in phase with an image consisting of red, green and blue image components which are applied to the microdisplay in turn, successively to the red, green and blue light sources as is known. It should be understood that the mirror lens 500 has a holographic or other coating that achieves the desired reflectivity.
바람직하게, 광학 시스템을 통하여 바깥을 볼 때에, 눈은 왜곡된 영상을 보지 않는다는 것은 이러한 본 발명의 광학 시스템 설계의 특징이다. 이것은 상술된설계에 따라 제 2 프리즘(600)의 전체 표면 및 거울 반사 렌즈(500)뒤의 출구 표면을 형성시킴으로써 바람직하게 얻어진다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 표면은 모두 평탄하여 광학을 통하여 선명하게 볼 수 있도록 한다. 이러한 특징은 바람직하게도 여기에 제공된 모든 설계 실시예에서 보존된다.Preferably, it is a feature of this optical system design of the present invention that the eye does not see the distorted image when looking out through the optical system. This is preferably obtained by forming the entire surface of the second prism 600 and the exit surface behind the mirror reflecting lens 500 according to the design described above. For example, as shown in Figure 4, the outer surfaces are all flat so that they can be clearly seen through optics. This feature is preferably preserved in all design embodiments provided herein.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가상 디스플레이 공학 시스템을 도시한다. 특히, 도 5의 설계는 향상된 광학 성능을 위하여 필드 렌즈(field lens)(650)가 합체된 사실을 제외하고는 도 4의 설계와 유사하다. 공지된 바와 같이, 필드 렌즈(650)는 바람직하게는 필드 편평화 렌즈(field flattening lens)이다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 작은 렌즈 또는 다른 구성 성분을 첨가하여, 예를 들면 필드의 평탄도 또는 컬러 수렴도와 같은 전체 광학 성능 특징을 향상시키는 것은 본 발명의 범주내의 변형으로 이해되어야 할 것이다.5 shows a virtual display engineering system according to a second embodiment of the present invention. In particular, the design of FIG. 5 is similar to the design of FIG. 4 except for the fact that a field lens 650 is incorporated for improved optical performance. As is known, the field lens 650 is preferably a field flattening lens. However, adding one or more small lenses or other components to improve overall optical performance characteristics such as, for example, flatness or color convergence of the field, should be understood as variations within the scope of the present invention.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 6은 광학 시스템의 외부 표면이 광학 장치을 통한 왜곡되지 않은 영상을 보존하는, 그러나 외관상의 변형을 허여하는 보상적인 방식으로 곡선으로 이루어졌다는 사실을 제외하고는 도 4와 유사하다. 도시된 바와 같이, 외부 표면(A)은 오목한 모양을 띠도록 형성되는 반면, 외부 표면(B)은 볼록한 모양을 띠도록 형성된다. 부가하여, 이러한 설계는 도 4의 설계보다 적은 소자를 가진다는 장점을 가지며, 따라서 제조상 더욱 경제적이다. 이것은, 도 6의 설계에서, 반사 피복물(550)이 렌즈(420)의 외부 표면에 도포되어 거울 렌즈를 초래한다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 별도의 반사 렌즈(500)는 필요하지 않는다. 원하는 경우에 필드 렌즈또한 합체될 수 있다는 사실은 명백하다.6 shows a virtual display optical system according to a third embodiment of the present invention. In particular, FIG. 6 is similar to FIG. 4 except that the outer surface of the optical system is curved in a compensatory manner that preserves an undistorted image through the optics, but permits cosmetic deformation. As shown, the outer surface A is formed to have a concave shape, while the outer surface B is formed to have a convex shape. In addition, such a design has the advantage of having fewer elements than the design of FIG. 4 and is therefore more economical to manufacture. This means that in the design of FIG. 6, a reflective coating 550 is applied to the outer surface of the lens 420 resulting in a mirror lens. In this way, a separate reflective lens 500 is not necessary. It is clear that field lenses can also be incorporated if desired.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 7은, 예를 들면 반사 액정 디스플레이와 같은 반사 마이크로디스플레이가 사용된 도 4의 설계의 변형을 도시한다. 본 발명에 따라 사용될 반사 마이크로디스플레이는, 예를 들면 콜로라도주(CO)의 볼더(Boulder)의 콜로라도 마이크로디스플레이사로부터 얻을 수 있다. 반사 마이크로디스플레이가 이용되는 경우에, 조사 시스템(750)내부의 광원으로부터의 광을 마이크로디스플레이에 보내어 도 4에서와 같이 반사된 광이 광학 시스템내에 입사되는 것을 가능케하는 조사 방법이 이용된다. 조사 방법은 조사 시스템(750)에 의해서 구현된다. 다양한 통상적인 조사 방법이 아래의 도 12 및 도 13의 내용에서 논의될 것이다. 조사 시스템(750)에서 구현될 본 발명에 따른 바람직한 조사 방법은 도 14의 내용에서 설명될 것이다. 어떠한 경우라도, 조사 시스템(750)으로부터의 광선은 그 후에 도 4에 도시된 설계에서 기술된 바와 같은 경로를 따른다. 이러한 방식으로, 도 4의 설계의 장점은 반사형 마이크로디스플레이와 결합하여 사용될 수 있다.7 shows a virtual display optical system according to a fourth embodiment of the present invention. In particular, FIG. 7 illustrates a variation of the design of FIG. 4 in which a reflective microdisplay such as, for example, a reflective liquid crystal display is used. Reflective microdisplays to be used in accordance with the present invention can be obtained, for example, from Colorado Microdisplay, Boulder, CO. In the case where a reflective microdisplay is used, an irradiation method is used that sends light from a light source inside the irradiation system 750 to the microdisplay to allow the reflected light to enter the optical system as shown in FIG. The survey method is implemented by survey system 750. Various conventional methods of investigation will be discussed in the context of FIGS. 12 and 13 below. A preferred survey method in accordance with the present invention to be implemented in survey system 750 will be described in the context of FIG. 14. In any case, the light rays from the irradiation system 750 then follow the path as described in the design shown in FIG. 4. In this way, the advantages of the design of FIG. 4 can be used in conjunction with reflective microdisplays.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 8은 투과형 마이크로디스플레이를 합체시키는 다른 방법을 도시한다. 광원(100)으로부터의 광은 조사 렌즈 및 확산기를 포함할 수 있는 조사 시스템(1400)을 통과한다. 그 후에 광은 투과성 마이크로디스플레이(200)를 지나서 광선의 컴팩트한 폴딩(folding)이 가능토록 설계된 제 1 프리즘(1500)으로 입사한다. 이것은 도시된 바와 같이 거울 피복물을 수반하는 제 1 표면에서의 반사에 의해서, 그리고 내부 반사에 의해서 이루어진다. 공지된 바와 같이, 내부 반사는, 내부적으로 반사될 광선은 임계각보다 큰 입사 각도로 외부 표면상에 입사하도록 하는 설계에 의해서 확실하게 된다. 그런 다음, 이러한 제 1 프리즘으로부터의 광선은 도 4에 관하여 이미 기술된 바와 같이 영상 빔 분할 프리즘(imaging beam splitting prism) 및 렌즈 장치에 전송된다.8 shows a virtual display optical system according to a fifth embodiment of the present invention. In particular, FIG. 8 illustrates another method of incorporating transmissive microdisplays. Light from light source 100 passes through irradiation system 1400, which may include an irradiation lens and a diffuser. The light then passes through the transmissive microdisplay 200 into the first prism 1500, which is designed to allow for compact folding of the light beam. This is done by reflection at the first surface accompanying the mirror coating and by internal reflection as shown. As is known, internal reflection is ensured by the design such that the light rays to be internally reflected are incident on the outer surface at an angle of incidence greater than the critical angle. The light beam from this first prism is then transmitted to an imaging beam splitting prism and lens device as already described with respect to FIG. 4.
도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 9는 도 8의 설계가 어떻게 변형되어 반사형 마이크로디스플레이와 함께 작동할수 있는지를 도시한다. 이러한 경우에, 부가되는 프리즘 장치는 합체되어 반사 디스플레이의 조사을 제공한다. LED로부터의 광은 필요한 만큼 집속 및 확산되어 적당한 조사 빔을 형성한다. 이것은 렌즈 및 확산기 장치(1400)에 의해서 수행될 수 있다. 이러한 광선은 하측 프리즘 또는 광 파이프(1600)에 입사하여 제 1 내부 반사를 겪는다. 이 하측 프리즘의 제 2 표면에서, 광선은 거울 피복물에 의해서 반사된다. 이러한 광선은 조사 및 도 8의 도시에서 제 1 프리즘(1500)으로 참조된 프리즘사이의 공간으로 입사되며, 임계각보다 작은 입사각에 의해서 이들 광선은 제 1 촬상(imaging) 프리즘(1500)으로 전송된다. 조사 빔을 구성하는 이들 광선은 반사 마이크로디스플레이(200)에 의해서 제 1 영상 프리즘(1500)으로 반사되며, 도 8의 설명에서 기술된 방식을 따라서 상이 맺힌다. 부가적으로, 프리즘(1500)의 표면(360)은 DBEF를 포함하여 마이크로디스플레이(200)로부터의 s 또는 p 편광된 광을 선택적으로 반사할 수 있다. 프리즘(1500)은 도 4의 프리즘(300)으로 참조된 프리즘을 포함하여 도 8에 도시된 하나의 유리 조각을 초래함이 이해되어야 한다.9 shows a virtual display optical system according to a sixth embodiment of the invention. In particular, FIG. 9 shows how the design of FIG. 8 can be modified to work with a reflective microdisplay. In this case, the added prism device is incorporated to provide illumination of the reflective display. Light from the LED is focused and diffused as needed to form a suitable irradiation beam. This may be done by the lens and diffuser device 1400. Such light rays enter the lower prism or light pipe 1600 and undergo a first internal reflection. At the second surface of this lower prism, the light rays are reflected by the mirror coating. These light rays are incident into the space between the irradiation and the prism referenced by the first prism 1500 in the illustration of FIG. 8, and these light rays are transmitted to the first imaging prism 1500 by an angle of incidence smaller than the critical angle. These light rays constituting the irradiation beam are reflected by the reflective microdisplay 200 to the first image prism 1500, and form images in the manner described in the description of FIG. Additionally, surface 360 of prism 1500 may selectively reflect s or p polarized light from microdisplay 200, including DBEF. It should be understood that the prism 1500 results in one piece of glass shown in FIG. 8, including the prism referred to as the prism 300 of FIG. 4.
도 10은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 10은 도 9의 광학 설계에 도시된 반사성 마이크로디스플레이에 조사을 비추는 다른 방법을 도시한다. 이 장치에서, 하측 조사 프리즘(1600)은 단순한 거울(1700)로 대체되었다. LED 조사 시스템으로부터의 광은 적당히 위치한 거울에 보내어져서 광선이 제 1 촬상 프리즘(1500)에 보내어져 마이크로디스플레이(200)에 직교하여 입사하게 한다. 반사된 광은 제 1 촬상 프리즘(1500)에 입사하여 도 4의 설명에서 상세히 기술된 바와 같이 촬상된다. 몇몇 상세한 부분에서는 상이하나 본 발명의 범주내에서 실시될 수 있는 다양한 장치가 있음은 명확하다.10 shows a virtual display optical system according to a seventh embodiment of the present invention. In particular, FIG. 10 illustrates another method of illuminating the reflective microdisplay shown in the optical design of FIG. 9. In this device, the lower irradiation prism 1600 has been replaced with a simple mirror 1700. Light from the LED illumination system is directed to a suitably positioned mirror so that light beams are directed to the first imaging prism 1500 to be incident orthogonal to the microdisplay 200. The reflected light enters the first imaging prism 1500 and is imaged as described in detail in the description of FIG. 4. It is clear that there are a variety of devices that may vary in some details but may be practiced within the scope of the invention.
도 11은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 가상 디스플레이 광학 시스템을 도시한다. 특히, 도 11은 다중 반사에 의한 광선의 폴딩이 컴팩트하며 슬림(slim)한 광학 장치 구조를 초래하는 다른 광학 시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 조사 시스템(1400)으로부터의 광은 두 번의 반사를 겪게될 조사 유도 프리즘(illumination directing prism)(1800)에 입사한다. 이러한 반사는 조사 빔이 반사 마이크로디스플레이(200)상에 수직으로 입사하도록 하는 데에 이용된다. 이러한 빔은 마이크로디스플레이(200)에 의해서 반사되어 조사 유도 프리즘(1800)에 입사하지만, 조사 유도 프리즘(1800)과 제 1 촬상 프리즘(1900)사이의 공간상의 입사각에 의해서, 빔은 조사 시스템(1800)으로 재반사되는 대신에 제 1 촬상 프리즘(1900)으로 입사한다. 도시된 바와 같이, 빔은 도 4의 설명에서 그 기능이 기술된 촬상 빔 분할 프리즘(600) 및 렌즈 장치(420,500)로 유입되기에 앞서 유리로 된 표면(1950)에서 반사된다. 프리즘(1900)은 도 4의 참조된 프리즘(300)을 포함하여 하나의 유리 조각을 초래함이 이해되어야 한다.11 shows a virtual display optical system according to an eighth embodiment of the invention. In particular, FIG. 11 illustrates another optical system in which folding of light rays by multiple reflections results in a compact and slim optical device structure. As shown, light from the irradiation system 1400 enters an illumination directing prism 1800 that will undergo two reflections. This reflection is used to cause the irradiation beam to enter vertically onto the reflective microdisplay 200. This beam is reflected by the microdisplay 200 and enters the radiation guide prism 1800, but due to the spatial angle of incidence between the radiation guide prism 1800 and the first imaging prism 1900, the beam is irradiated by the irradiation system 1800. Is incident on the first imaging prism 1900 instead of being reflected back. As shown, the beam is reflected off the glass surface 1950 prior to entering the imaging beam splitting prism 600 and lens arrangement 420, 500 whose function is described in the description of FIG. It should be understood that the prism 1900 results in one piece of glass, including the referenced prism 300 of FIG. 4.
조사 시스템(Illumination System)Irradiation System
도 7의 광학 시스템 설계 실시예에서, 조사 유닛(750)이 이용되어 조사 시스템(750) 내부의 광원으로부터의 광을 마이크로디스플레이로 보내며, 그 후에 반사된 광이 도 4에서와 같이 광학 시스템에 입사되도록 한다. 이러한 방식으로, 반사형 마이크로디스플레이는 광학 시스템과 결합하여 이용될 수 있다.In the optical system design embodiment of FIG. 7, the irradiation unit 750 is used to send light from the light source inside the irradiation system 750 to the microdisplay, after which the reflected light enters the optical system as in FIG. 4. Be sure to In this way, reflective microdisplays can be used in combination with optical systems.
반사형 디스플레이와 함께 사용될 다수의 통상적인 조사 시스템이 존재한다. 예를 들면, 도 12는 편광 빔 분할기를 이용한 반사형 마이크로디스플레이의 공지된 조사 방법의 예를 도시한다. 도 12에서, LED와 같은 광원(2000)으로부터의 광은 편광 빔 분할기 큐브 프리즘(2100)으로 지나간다. 이러한 빔은 렌즈 및 확산기(2200)에 의해서 원하는 형태를 띠어, 마이크로디스플레이(2300)에 균일한 조사을 제공한다. 빔 분할기 피복물에 관계된 소위 s 편광 광은 피복물로부터 반사되는 반면, 소위 p 편광 광은 편광 빔 분할기 큐브의 공지된 특성에 따라 전송된다. s 편광 광은 액정 마이크로디스플레이(2300)상에 닿는 것이 허여된다. 마이크로디스플레이의 액정층(liquid crystal layer) 양단에 전압이 인가되는 경우, 반사된 광은 편광의 방향으로 회전한다. 즉, 반사될 때에, s 편광 입사 광 빔은 완전히 또는 부분적으로 p 편광으로 변환된다. 이 경우에 반사된 빔은 p 편광되며, 편광 빔 분할기 피복물을 통하여 전송되며, 촬상 광학부(2400)에 입사된다. 그 후에 빔은 촬상광학부(2400)를 투과하여 사용자의 눈(2500)으로 보내어 진다. 향상된 광 대비(optical contrast)를 위하여 편광기(도시되지 않음)가 이용되어 s 방향으로의 광원으로부터의 광 빔을 선편광(pre-polarize)할 수 있으며, 분해기(도시되지 않음)가 반사 광 경로에 이용되어 s 편광의 잉여 광을 차단할 수 있다. 조사의 바람직한 특징은 촬상될 영역의 광 커버리지(light coverage), 영상내의 광 영역과 암 영역사이의 훌륭한 광 대비를 위한 편광의 제어, 이용가능한 광의 효율적인 사용 및 조사 및 광경로의 조사과 촬상의 분리를 제공하는 것임을 알 수 있다.There are many conventional illumination systems to be used with reflective displays. For example, FIG. 12 shows an example of a known irradiation method of a reflective microdisplay using a polarizing beam splitter. In FIG. 12, light from light source 2000, such as an LED, passes to polarizing beam splitter cube prism 2100. This beam is shaped by the lens and diffuser 2200 to provide uniform illumination to the microdisplay 2300. The so-called s-polarized light related to the beam splitter coating is reflected from the coating, while the so-called p-polarized light is transmitted according to the known properties of the polarizing beam splitter cube. s polarized light is allowed to touch on the liquid crystal microdisplay 2300. When a voltage is applied across the liquid crystal layer of the microdisplay, the reflected light rotates in the direction of polarization. That is, when reflected, the s-polarized incident light beam is fully or partially converted to p-polarized light. In this case the reflected beam is p polarized and transmitted through the polarizing beam splitter coating and is incident on the imaging optics 2400. Thereafter, the beam passes through the imaging optical unit 2400 and is sent to the eye 2500 of the user. A polarizer (not shown) can be used for improved optical contrast to pre-polarize the light beam from the light source in the s direction, and a resolver (not shown) is used for the reflected light path. Can block the excess light of the s-polarized light. Preferred features of irradiation include the light coverage of the area to be imaged, the control of polarization for good light contrast between the light and dark areas in the image, the efficient use and use of available light and the separation of irradiation and imaging of the light path. It can be seen that it provides.
투과적인 마이크로디스플레이와 비교하면, 조사 방법은 부가적인 길이를 촬상 광 경로에 유입함을 알 수 있다. 이것은 원하는 정도의 확대 및 전체 촬상 시스템의 크기의 증가를 보다 어렵게 만든다. 가상 영상의 확대는 통상적으로 시계(field of view)(FOV)라는 용어로 불린다. 도시된 마이크로디스플레이는 영상 형성 렌즈로부터 대략 렌즈 초점 거리만큼 떨어져서 위치한다. 이것은 눈이 마이크로디스플레이의 영상을 망막상에 초점이 맞추어질 수 있는 것을 확실히한다. 시계는 FOV = arctan(w/f)의 관계에 의해서 주어지는데, 여기서 w 는 마이크로디스플레이의 폭이며, f는 촬상 렌즈 초점 거리이다. 주어진 마이크로디스플레이에서, w는 고정되며, 적당한 프리즘 크기에서, 촬상 렌즈와 마이크로디스플레이사이의 거리또한 고정된다. 따라서, 획득할 수 있는 FOV에는 한계가 있다. 제 2 촬상 렌즈가 이용되어 중간 영상을 확대하는 2 단의 광학 시스템을 이용함으로써, 또는 이와는 달리, 촬상 렌즈의 복잡한 역 초점 설계(retro focus design)에 의해서 보다 큰 값을 얻는 것은 가능하다. 그러나, 이들 극단적이며, 비용이 많이드는 방법에 의존하는것을 회피하는 것이 바람직하다.Compared with the transmissive microdisplay, it can be seen that the irradiation method introduces an additional length into the imaging light path. This makes it difficult to enlarge the desired degree and increase the size of the entire imaging system. Magnification of the virtual image is commonly referred to as the field of view (FOV). The microdisplay shown is located approximately the lens focal length away from the image forming lens. This ensures that the eye can be focused on the retina of the image of the microdisplay. The field of view is given by the relationship of FOV = arctan (w / f), where w is the width of the microdisplay and f is the focal length of the imaging lens. For a given microdisplay, w is fixed, and at a suitable prism size, the distance between the imaging lens and the microdisplay is also fixed. Therefore, there is a limit to the FOV that can be obtained. By using a two-stage optical system in which a second imaging lens is used to magnify an intermediate image, or alternatively, it is possible to obtain larger values by the complex retro focus design of the imaging lens. However, it is desirable to avoid relying on these extreme and expensive methods.
도 13은 DBEF(미네소타주,세인트 폴,3M사)로 알려진 반사 및 편광 물질 박막을 이용한 공지된 반사성 마이크로디스플레이의 조사 방법의 예를 도시한다. 이러한 물질은 s 편광 광이 반사되며, p 편광 광이 전송된다는 점에서 편광 빔 분할기와 유사하게 작용한다. 따라서, 도시된 바와 같이, DBEF 박막을 수반하는 플레이트(plate)(2600)는 편광 빔 분할기(2100)를 대신하여 이용될 수 있다. 통상적으로, 이러한 방법은 무게에 있어서의 감소를 제공하지만, 광학 시스템의 촬상부에서 여전히 큰 경로 길이를 요구한다. 부가하여, 경사진 플레이트는 영상에 난시 현상(astigmatism)을 유입할 것이다. 그렇지 않다면, 이용 방법은 도 12에서 기술된 바와 같다. 기하학적인 도시를 위하여, FOV의 반각은 8도이다.FIG. 13 shows an example of a method of irradiation of a known reflective microdisplay using a thin film of reflective and polarizing material known as DBEF (St. Paul, 3M). Such materials act similarly to polarizing beam splitters in that s polarized light is reflected and p polarized light is transmitted. Thus, as shown, a plate 2600 carrying a DBEF thin film can be used in place of the polarizing beam splitter 2100. Typically, this method provides a reduction in weight, but still requires a large path length in the imaging section of the optical system. In addition, the inclined plate will introduce astigmatism into the image. Otherwise, the method of use is as described in FIG. 12. For geometric purposes, the half angle of the FOV is 8 degrees.
도 14는 폴딩된(folded) 광 경로를 가져 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따른 가상 디스플레이에 대하여 향상된 광학 장치를 제공하는 컴팩트한 프리즘을 이용한 조사 방법을 도시한다. 특히, 도 14는 조사 시스템(750)(도 4)에서 이용될 수 있는 새로운 촬상 방법을 도시하는데, 조사 광 경로는 폴딩(folding)되어서 촬상 광학부에 대하여 보다 짧은 광경로를 가지는 특별한 장점을 가진 컴팩트한 장치를 가능케한다. 이러한 경우에, 기하학적 도시를 위한 FOV 반각은 13도로 도시된다.FIG. 14 illustrates a method of irradiation with a compact prism that has a folded light path and provides an enhanced optical device for a virtual display according to one preferred embodiment of the present invention. In particular, FIG. 14 shows a novel imaging method that can be used in the irradiation system 750 (FIG. 4), with the special advantage that the irradiation light path is folded to have a shorter light path for the imaging optics. It enables a compact device. In this case, the FOV half angle for geometric illustration is shown at 13 degrees.
도시된 바와 같이, 조사 시스템은 공지된 바와 같이 광원(3000), 렌즈, 확산기(3100) 및 선편광기(pre-polarizer)(3200)를 포함하여 광원으로부터 빔을 형성하여 보낸다. 조사 빔은 폴딩 쉐로우 프리즘(folding shallow prism)(3300)으로 입사한다. 빔은 먼저 프리즘과 반사성 마이크로디스플레이(3600)사이의 표면에서의 공간(3400)에서 반사된다. 그런 다음, 빔은 빔 분할층(beam splitting layer)(예를 들면, DBEF)(3500)상에 입사되는데, 여기서 s 편광 광은 반사되며, p 편광 광은 투과된다. 투과된 광은 제 2 프리즘(3700)의 상부면에서 반사를 겪으며, 검은층(도시되지 않음)에 흡수되도록 보내어진다. 반사된 광은 프리즘(3300)의 하부면에 수직하게 입사되어 통과하며, 반사성 마이크로디스플레이(3600)상에 입사된다. 마이크로디스플레이(3600)로부터의 광은 촬상될 영역내에서 p 편광으로 변환되며, 그런 다음 p 편광 광 빔은 아무런 방해를 받지않고서 조사 프리즘을 투과한다. 도시된 바와 같이 후편광기(3800)가 포함될 수 있다. 그러나, 편광기(3800)는 DBEF 반사층(3500)이 원치않는 s 편광 투과 광의 적절한 차단을 제공하지 않는 경우에만 필요하며, 이 경우에 편광기(3700) 사실상 클린업(clean-up) 편광기로 사용된다는 사실이 이해되어야 한다. 반사층(3500)은 또한 효율면에서 다소의 손실을 가진 보다 간단한 빔 분할 형태일 수 있다.As shown, the irradiation system includes a light source 3000, a lens, a diffuser 3100, and a pre-polarizer 3200, as known, to form and send beams from the light source. The irradiation beam is incident on a folding shallow prism 3300. The beam is first reflected in the space 3400 at the surface between the prism and the reflective microdisplay 3600. The beam is then incident on a beam splitting layer (eg, DBEF) 3500, where the s polarized light is reflected and the p polarized light is transmitted. The transmitted light undergoes reflection at the top surface of the second prism 3700 and is sent to be absorbed by a black layer (not shown). The reflected light is incident and passed perpendicular to the bottom surface of the prism 3300 and is incident on the reflective microdisplay 3600. Light from the microdisplay 3600 is converted to p-polarized light in the area to be imaged, and then the p-polarized light beam passes through the irradiating prism without any interference. As shown, the rear polarizer 3800 may be included. However, polarizer 3800 is only needed if DBEF reflective layer 3500 does not provide adequate blocking of unwanted s polarized transmitted light, in which case the fact that polarizer 3700 is in fact used as a clean-up polarizer. It must be understood. Reflective layer 3500 may also be in the form of simpler beam splitting with some loss in efficiency.
도 14의 조사 프리즘에 의해서 유입된 경로 길이는 도 12 및 도 13에서 도시된 경우보다 상당히 작음이 이해되어야 한다. 이것은 컴팩트한 광학을 가진 보다 큰 시계의 바람직한 가상 영상 디스플레이가 구현되도록하는 주요한 특징이다.It should be understood that the path length introduced by the irradiation prism of FIG. 14 is significantly smaller than the case shown in FIGS. 12 and 13. This is a key feature that allows the desired virtual visual display of a larger field of view with compact optics to be implemented.
그런 다음, 광학 시스템(750)으로부터의 광선은 촬상 광학 장치(2400)으로부터 사용자의 눈(2500)으로의 경로를 따른다. 촬상 광학 장치은 여기에 제공된 다른 설계뿐만 아니라 도 4에 도시된 설계도 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 방식으로, 도 4의 설계의 장점이 반사 형태의 마이크로디스플레이와 결합하여 이용될 수 있다. 이러한 폴딩 프리즘 조사 시스템은 컴팩트하며, 디스플레이와 최후 편광기(3700)사이에 짧은 거리만을 요구한다는 바람직한 특성을 가진다. 원하는 경우에는 필드 렌즈또한 합체될 수 있음은 명백하다.Light rays from the optical system 750 then follow a path from the imaging optics 2400 to the user's eye 2500. It should be understood that the imaging optics can include the design shown in FIG. 4 as well as other designs provided herein. In this way, the advantages of the design of FIG. 4 can be used in conjunction with a reflective microdisplay. This folding prism illumination system is compact and has the desirable feature of requiring only a short distance between the display and the final polarizer 3700. It is clear that the field lens can also be incorporated if desired.
상술된 바와 같이, 바람직하게 본 발명은 다음과 같은 예시적인 특징 및 장점을 제공한다. (ⅰ) 우수한 경량의 편안함을 제공하는 헤드에 탑재된 디스플레이에서 이용될 수 있는 다양한 가상 디스플레이 시스템, (ⅱ) 가상 영상의 명료성과 결합하여 조절의 용이성 및 피로도의 감소를 위한 붐 형태의 헤드 탑재 구조물에 탑재된 가상 디스플레이, (ⅲ) 광학 시스템의 투명한 특징에 기인하여 사용자의 시야를 가리지 않는 향상된 헤드에 탑재된 디스플레이, (ⅳ) 안경과 결합하여 사용자에 의해 편리하게 착용될 수 있는 향상된 가상 영상 디스플레이, (ⅴ) 작은 크기에 기인하여 시야를 가리지 않으며, 시계의 상당한 부분을 막지 않고서 눈에 근접하게 위치토록하는 향상된 헤드에 탑재된 디스플레이 시스템, (ⅵ) 독특한 빔 폴딩 특성에 기인하여 경량의 명확한 투명 특성과 결합된 투과성 마이크로디스플레이를 가진 높은 광학 성능을 획득하는 특정 값을 가지는 광학 시스템, (ⅶ) 경량성 및 명확한 투명성을 결합하는 반사 광 밸브(valve)를 가진 높은 광학 성능을 획득하는 특정 값을 가진 광학 시스템, (ⅷ) 편광 반사성 박막을 이용한 마이크로디스플레이의 독특한 조사 방법을 합체하는 광학 시스템, (ⅸ) 넓은 시계, 만족할 만한 눈의 피로완화 및 넓은 사출동공을 가진 광학 시스템, (ⅹ) 반사성 형태의 마이크로디스플레이를 사용하여, 폴딩된(folded) 광 경로를 가진 컴팩트한 프리즘을 이용하여 가상 디스플레이에 대한 향상된 광학 장치를 제공하는 조사 방법.As mentioned above, the present invention preferably provides the following exemplary features and advantages. (Iii) a variety of virtual display systems that can be used in head mounted displays that provide excellent lightweight comfort; (ii) a boom-shaped head mounted structure for ease of adjustment and reduced fatigue combined with the clarity of virtual images. Virtual display mounted on the screen, (iv) an enhanced head mounted display that does not obstruct the user's field of view due to the transparent features of the optical system, or (iv) an enhanced virtual image display that can be conveniently worn by the user in combination with glasses (I) an improved head-mounted display system that obscures the view due to its small size and allows it to be positioned close to the eye without obstructing a significant part of the field of view; (i) a lightweight, clear and transparent due to its unique beam folding characteristics High optical performance with a transparent microdisplay combined with Optical systems with positive values, optical systems with specific values that achieve high optical performance with reflective light valves that combine light weight and clear transparency, and (i) microdisplays with polarized reflective thin films. Using an optical system incorporating a unique method of irradiation, (i) a wide field of view, a satisfactory eye fatigue and an optical system with a wide exit pupil, and (i) a reflective microdisplay, Irradiation method that provides an enhanced optical device for a virtual display using a compact prism having a.
본 발명이 도 3a에 도시된 경량의 착용가능한 컴퓨터 시스템(70)과 결합된경우 상기 특징 및 장점은 구현될 수 있다. 여기에 제공된 광학 설계는 컴팩트한 경량의 가상 영상 디스플레이를 요구하는 어떠한 휴대용 애플리케이션에도 바람직하게 이용될 수 있음 또한 이해되어야 한다. 예를 들면, 이동 전화, 휴대용 팩스 뷰어(viewer) 및 컴팩트한 디스플레이를 이용하는 다른 장치들이 있다.The above features and advantages can be implemented when the present invention is combined with the lightweight wearable computer system 70 shown in FIG. 3A. It should also be appreciated that the optical design provided herein can be advantageously used for any portable application that requires a compact, lightweight virtual image display. For example, there are mobile phones, portable fax viewers and other devices that use compact displays.
본 발명의 예증적인 실시예는 수반하는 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않은 다양한 많은 변화 및 변형이 당업자에 의해서 가능함이 이해되어야 한다.While illustrative embodiments of the invention have been described with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the invention is not limited to these embodiments, and that many other changes and modifications are possible to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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