KR20030028479A - 기판 유도형 광 빔 확장기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 전송 기판, 내부 전반사에 의해 광을 상기 기판에 결합하는 광학 수단, 및 상기 기판에 의해 전달되는 복수의 부분 반사면을 포함하며, 상기 부분 반사면은 서로 평행하고 상기 기판의 어떤 에지와도 평행하지 않는 광학 장치를 제공한다.

Description

기판 유도형 광 빔 확장기 {SUBSTRATE-GUIDED OPTICAL BEAM EXPANDER}

콤팩트형 광학 소자의 중요한 애플리케이션 중의 하나는 광학 모듈이 이미징 렌즈(imaging lens)와 결합기(combiner) 모두로서 작용하는 헤드마운티드 디스플레이이며, 이 2차원 디스플레이는 무한하고 관찰자(viewer)의 눈에 반사되는 이미지를 만든다.

이 디스플레이는 음극선관(CRT) 또는 액정 디스플레이(LCD)로부터 직접적으로 얻을 수 있으며, 또는 릴레이 렌즈(relay lens)나 광섬유 다발(optical fiber bundle)을 이용하여 간접적으로 얻을 수 있다. 일반적으로, 디스플레이는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)로 무한대의 이미지를 만들고 결합기로 작용하는 부분반사면으로 관찰자의 눈에 전달하는 점들의 어레이(array)로 구성된다. 대개, 종래의 자유공간 광학 모듈은 이러한 목적으로 사용되었다. 그러나 불행하게도, 요구되는 시스템의 시야(field of view, FOV)가 증가함에 따라 광학 모듈은 점점 더 무겁고, 부피가 커서 사용이 매우 복잡하게 되었다. 이것은 시스템이 가능한 한 가볍고 콤팩트해야 하는 헤드마운티드 애플리케이션에서는 큰 단점이다.

이렇게 설계되는 현존하는 설계의 다른 단점은 전체 광학 시스템이 보통 매우 복잡하고 제조하기 어렵다는 것이다. 이러한 설계에 기인한 광 시야각(optical viewing angle)의 눈 움직임 상자(eye-motion-box)는 보통 매우 작으며, 일반적으로 8mm보다 작다. 그러므로, 광학 시스템의 성능은 관찰자의 눈에 비례하여 바이저(visor)의 작은 움직임에 대해서조차 매우 민감하다.

본 발명은 기판 유도형 광학 장치(substrate-guided optical device, SGOD)에 관한 것이며, 특히 공통 광 전송 기판(common light-transmissive substrate)에 의해 지탱되는 복수의 반사면을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.

본 발명은 예를 들어 헤드마운티드 디스플레이(head-mounted display, HUD) 및 헤드업 디스플레이(head-up display, HUD), 콤팩트형 디스플레이, 콤팩트형 빔 확장기, 그리고 평면 패널 일루미네이터(flat-panel illuminator)와 같은 다양한 애플리케이션에서 구현될 수 있다.

도 1은 종래의 기판 유도형 광학 장치의 가장 단순한 형태를 나타낸 측면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 기판 유도형 광학 장치의 측면도이다.

도 3은 다양한 입사각에 대한 바람직한 반사 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 2색 코팅에 대한 반사 곡선을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 반사면의 개략적인 측면도이다.

도 6a 및 도 6b는 부분 반사면 어레이를 세부적으로 나타낸 측면도이다.

도 7은 입사광의 편광을 회전시키는 반파장 판을 사용하는 본 발명에 따른 장치의 측면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 헤드마운티드 디스플레이의 측면도이다.

도 9는 세 개의 서로 다른 시야각에 대하여 부분 반사면 어레이로부터의 반사를 상세하게 나타내낸 측면도이다.

도 10은 외부 광경과 함께 투사된 디스플레이의 밝기를 계산하는 시뮬레이션결과를 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 유도형 광학 장치의 측면도이다.

도 12는 FOV의 함수인 반사광의 효율을 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 반사면들로 이루어지는 세 개의 어레이를 구비하는 기판 유도형 광학 구성을 나타내는 도면이다.

도 14는 본 발명에 따른 기판 유도형 광학 장치 전체를 3차원으로 나타낸 도면이다.

도 15는 본 발명에 따른 반사면들로 이루어지는 세 개의 어레이를 구비하는 기판 유도형 광학 장치의 다른 도면이다.

도 16은 본 발명에 따른 콤팩트한 기판 유도형 헤드마운티드 디스플레이의 3차원 도면이다.

도 17은 본 발명에 따른 광을 확장하는 다른 구성을 나타낸 측면도이다.

도 18은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 나타내는 측면도이다.

도 19 및 도 20은 도 17의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 21은 본 발명의 추가적인 실시예를 나타내는 도면이다.

도 22 및 도 23은 안경에 사용된 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 24는 이동 셀룰러폰과 함께 본 장치를 사용하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 25는 본 발명에 따른 HUD 시스템을 나타내는 도면이다.

도 26은 본 발명에 따른 넓은 전체 FOV를 가지는 HUD 시스템의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 27은 본 발명에 따른 이중 초점 길이를 가지는 렌즈를 구현하기 위한 실시예를 나타낸다.

도 28은 본 발명에 따른 장치를 사용하여 관찰자의 눈에 외부 광경의 두 면을 결합하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 29는 본 발명에 따른 조사 목적의 콤팩트한 SGOD 빔 확장기를 나타내는 도면이다.

도 30은 ξ축을 따라 기판 내부의 전파 거리의 함수로써 출력파의 세기를 나타내는 곡선을 도시한 도면이다.

도 31a 및 도 31b는 본 발명에 따른 조명 목적의 콤팩트형 SGOD 빔 확장기 구성을 나타내는 도면이다.

도 32는 본 발명에 따른 부분 반사면들로 이루어지는 어레이를 제조하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 33은 본 발명에 따른 부분 반사면들로 이루어지는 어레이를 제조하는 다른 방법을 나타내는 도면이다.

도 34는 본 발명에 따른 부분 반사면들로 이루어지는 어레이를 제조하는 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.

도 35는 본 발명에 따른 부분 반사면들로 이루어지는 어레이를 제조하는 또다른 방법을 나타내는 도면이다.

도 36은 본 발명에 따른 반사면 상에 비균일 코팅을 실현하는 방법을 나타내는 도면이다.

본 발명은 비교적 넓은 FOV를 가지는 시스템에 대해서도 광학 모듈이 매우 콤팩트하고 사용하기 쉬운 바이저 디스플레이용 기판 유도형 광학 소자의 설계 및 제조에 사용될 수 있다. 또한, 광학 시스템의 눈 움직임 상자는 비교적 크고, 따라서 바이저의 큰 움직임을 수용할 수 있다. 본 발명의 시스템은 매우 콤팩트하고 특수화된 구성을 가지는 광학 시스템에도 용이하게 통합할 수 있기 때문에 특히 유리하다.

본 발명은 또한 개량된 헤드업 디스플레이(HUD)를 구성할 수 있도록 한다. 이 디스플레이는 삼십 년 이상 전에 시작되었기 때문에 이 분야는 상당한 진전이 있어왔다. 실제, HUD는 대중적으로 매우 인기가 있어 이제는 모든 현대적인 전투기뿐 아니라 민간 항공기에서도 중요한 역할을 하는데, HUD 시스템은 착륙 작업 동안에 중요한 역할을 한다. 게다가, 최근에는 운전과 운항 임무를 보조하기 위하여 자동차에 HUD를 설치하기 위한 수많은 제안과 설계가 있었다.

그럼에도 불구하고 현재의 HUD 형태는 몇 가지 심각한 단점을 가지고 있다. HUD는 전체 표면에 조사하기 위하여 결합기로부터 일정 거리 떨어져 위치하여야 하는 디스플레이 소스를 사용할 필요가 있는데, 이는 HUD를 부피가 크고 때로는 사용에 불편하며 불안전하게 한다.

본 발명의 다른 중요한 애플리케이션은 상기한 단점들을 극복한 콤팩트형 HUD를 제공하는 것이다. 결합기는 기판에 부착된 콤팩트형 디스플레이 소스로 조사된다. 따라서, 전체 시스템은 매우 콤팩트하여 설치가 용이하고 다양한 장소 및 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한 디스플레이의 색 분산(chromatic dispersion)이 상당히 작고, 종래의 백색 광원 등에서도 광원은 폭이 넓은 스펙트럼을 가질 수 있다. 게다가 디스플레이 영역은 광원에 의해 실제 조사되는 영역보다 훨씬 더 넓다.

본 발명의 추가적인 애플리케이션은 콤팩트형 빔 확장기를 제공하는 것이다. 좁은 시준 빔(collimated beam)을 직경이 큰 빔으로 확대하는 빔 확장기는 일반적으로 공통 초점을 가지며, 공통축을 따라 두 개의 렌즈로 이루어지는 망원경 어셈블리를 포함한다. 본 발명은 단색광 및 다색광 모두에 사용될 수 있는 빔 확장기를 제공한다.

따라서 본 발명의 광범위한 목적은 알려져 있는 장치의 단점을 개선하여 특정한 필요조건에 따르는 향상된 성능을 지닌 광학 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 따라서 광 전송 평면 기판, 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 상기 기판으로 광을 결합시키는 광학 수단, 및 상기 기판에 의해 전달되는 복수의 부분 반사면을 포함하며, 상기 부분 반사면들은 서로 평행하고, 상기 기판의 평면과 수직 또는 평행하지 않는 광학 장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 더욱 충분한 이해를 위하여 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 특정 바람직한 실시예에 관하여 설명한다.

도면에 상세하게 나타낸 특정한 참조와 함께, 실시예는 오직 예로서 그리고 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 특별히 나타내었음을 강조해두며, 본 발명의 원리와 개념적인 측면에 대한 설명을 용이하게 이해할 수 있고 가장 유용한 것이라고 믿는 것을 제공하기 위한 것이다. 이점에 있어, 본 발명의 기본적인 이해에 필요한 것보다 더 자세하게 본 발명의 구조적인 세부 사항을 보여주기 위한 시도는 하지 않았다. 도면을 사용한 설명은 이 기술분야의 당업자에게 본 발명의 여러 형태가 실제로 구현될 수 있는지에 대한 방향을 제시한다.

도 1은 기판(2)이 디스플레이 소스(4)에 의해 조사되는 SGOD의 가장 단순한 형태를 나타낸 것이다. 이 디스플레이는 콜리메이팅 렌즈(6)에 의해 시준된다. 디스플레이 소스(4)로부터의 광은 주 광선(10)이 기판 평면에 평행하는 방식으로 제1 반사면(8)에 의해 기판(2)에 결합된다. 제2 반사면(12)은 광을 기판 밖의 관찰자(14)의 눈에 결합시킨다. 이 구성의 콤팩트함에도 불구하고, 이것은 몇 가지 심각한 단점을 가지며, 그 주요 단점은 실현될 수 있는 FOV가 매우 제한적이라는 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기판 내부에서 최대 허용 축이탈각(off-axicangle)은 다음과 같다:

여기서, T는 기판 두께, d_eye는 요구 출사 동공 직경, 그리고 l은 반사면(8)과 반사면(10) 사이의 거리이다.

α_max보다 각도가 큰 광선은 반사면(10)에 도달하기 전에 기판 표면에서 반사될 것이다. 따라서 반사면(10)은 원하지 않는 방향에서 조사될 것이고 허상(ghost image)이 생성될 것이다.

그러므로, 이 구성으로 실현 가능한 최대 FOV는 다음과 같다:

여기서, v는 반사면(8)의 굴절률(refractive index)이며, 보통 1.5 ∼ 1.6 범위의 값을 가진다.

일반적으로, 눈의 동공의 직경은 2∼6mm이다. 그러나, 디스플레이의 움직임을 수용하기 위하여 출사 동공의 직경은 더 커야 한다. 그러므로 허용 가능한 최소값은 대략 8mm 이다. 평균적인 두부(head)의 경우, l은 40mm와 60mm 사이이다. 따라서, 8°의 작은 FOV의 경우에도 요구되는 기판 두께는 대략 12mm가 될 것이다.

최근에 상기한 문제를 극복하기 위하여 기판 내부에 확대 망원경(magnifying telescope)을 사용하거나 결합 방향을 평행하지 않게 하는 등 몇 가지 방법이 제안되었다. 그러나, 이러한 해법으로도 눈에 반사시키는 단일 표면만을 사용함으로써유사한 제한을 초래한다. FOV는 기판 평면 상의 반사면(12)의 투영(projection) 직경에 의해 제한된다. 이 제한에 기인한 실현 가능한 최대 FOV는 용이하게 알 수 있다. 즉,

여기서, α_sur는 반사면과 기판 평면의 법선 사이의 각이고, R_eye는 관찰자의 눈과 기판 사이의 거리(보통 약 30∼40mm)이다.

보통, tanα_sur는 2 보다 클 수 없으므로, 상기한 바와 동일하게 FOV를 8°로 가정하는 경우, 요구되는 기판 두께는 약 7mm로 더욱 적당한 제한이다. 그러나, 요구 FOV가 증가하는 경우, 기판 두께는 급속히 두꺼워진다. 예를 들어 원하는 FOV가 15°및 30°인 경우 기판 두께는 각각 9mm 및 14mm가 된다.

상기한 제한을 극복하기 위하여, 본 발명은 부분 반사면 어레이를 사용한다. 도 2는 본 발명에 따른 기판 유도형 광학 장치의 측면도를 도시한다. 제1 반사면(16)은 이 장치의 뒤에 위치한 소스(도시 않음)로부터 방사되는 시준된 디스플레이(18)에 의해 조사된다. 반사면(16)은 내부 전반사에 의해 소스로부터의 입사광이 평면 기판(20) 내부에 포획되도록 입사광을 반사시킨다. 기판 내부에서 몇 번의 반사를 거친 후에, 포획된 파(trapped wave)는 평행한 부분 반사면(22)의 어레이에 도달하며, 이것은 광을 기판 밖의 관찰자(24)의 눈에 결합시킨다. 소스의 중심 파(central wave)가 기판 표면(26)에 수직 방향으로 기판(20) 밖에서 결합되고, 기판(20) 내부의 회절파의 축이탈각이 α_in이라고 하면, 반사면들과 기판 평면의 법선 사이의 각 α_sur2는 다음과 같다:

도 2에서 알 수 있듯이, 포획된 광선은 두 개의 다른 방향(28, 30)으로부터 반사면에 도달한다. 이 특정 실시예에서, 포획된 광선은 기판 표면(26)으로부터 짝수 번 반사된 후에 방향(28) 중 어느 한쪽으로부터 반사면에 도달하며, 포획된 광선과 반사면의 법선 사이의 입사각 β_ref는 다음과 같다:

포획된 광선은 기판 표면(26)으로부터 홀수 번 반사된 후에 제2 방향(30)으로부터 반사면에 도달하며, 축이탈각 α'_in= 180°- α_in이고, 포획된 광선과 반사면의 법선 사이의 입사각은 다음과 같다:

원하지 않는 반사와 허상을 방지하기 위해서는 이 두 방향 중 어느 한 방향에 대한 반사율(reflectance)을 무시할 수 있는 것이 중요하다. 다행히, 두 입사 방향 사이의 바람직한 판별은 하나의 각이 다른 하나의 각보다 충분히 작으면 실현될 수 있다. 이 필요조건에 대한 해법 중 하나는 β_ref∼0°인 경우이다. 이 값을식 (5)에 대입하여 α_in∼ 180°을 얻는다. 명백하게, 이 해법은 실제로는 불가능하다. 두 번째 해법은 β'_ref∼0°인 경우이고, 다음의 값을 얻는다:

도 3은 부분 반사면의 바람직한 반사 작용을 도시한 것이다. 축이탈 각이 β_ref∼60°인 광선(32)은 부분적으로 반사되어 기판(34) 밖에서 결합되고, 반사면에 수직으로 도달한 광선(36)은 아무런 두드러진 반사 없이 반사면(34)을 통해 전송된다.

도 4는 4개의 서로 다른 입사각, 0°, 52°, 60° 및 68°에 대하여 원하는 목적을 달성하기 위하여 고안된 2색 코팅(dichroic coating)의 반사율 곡선(relectance curve)을 도시한다. 전체 상관 스펙트럼(relevant spectrum)에 걸쳐 수직 광선의 반사율을 무시할 수 있는 한, 60°의 축이탈각에서 광선은 동일 스펙트럼을 통하여 20%라는 거의 일정한 반사율을 얻는다. 명백히, 입사 광선의 경사각과 함께 증가한다.

제1 반사면의 반사율은 될 수 있는 대로 많은 광을 디스플레이 소스로부터 기판 상에 결합시키기 위하여 가능한 한 높아야 한다는 것은 분명하다. 소스의 중심파가 기판 상에 수직으로 입사, 즉 α₀= 180°라고 가정하면, 제1 반사면과 기판평면에 대한 법선 사이의 각 α_sur1은 다음과 같다:

이 경우에 α_sur1과 α'_sur1의 해는 각각 120°와 150°이다.

도 5는 디스플레이 소스(도시 않음)로부터의 광(38)을 결합하고 내부 전반사에 의해 기판(20) 내부에 광(38)을 포획하는 반사면(36)의 측면도를 나타낸다.

도시한 바와 같이, 기판 표면(40) 상의 반사면의 투영 S₁은 다음과 같다:

여기서, T는 기판 두께이다.

분명히, 기판 표면 상의 결합 영역이 다른 해의 그것보다 3배 이상 넓기 때문에 α= α_sur1인 해는 바람직한 것이다.

결합된 파가 반사면의 전 영역에 조사된다고 가정하면, 반사면(36)에서 반사된 후에 기판 표면 상의 2S₁= 2Ttan(α) 영역을 조사한다. 한편, 기판 평면상의 반사면(36)의 투영 S₂= Ttan(α_sur2)이다.

반사면들 사이의 중첩이나 갭을 피하기 위하여, 각 표면의 투영은 그 이웃과 인접한다. 따라서 한 사이클 동안(즉 기판의 동일 표면에서의 두 번의 반사 사이)에 각각의 결합된 광선이 통과하는 반사면(35)의 수 N은 다음과 같다:

이 예에서,α_sur2= 30°이고 α_sur1= 120°이며, 해는 N = 6 이다, 즉 각 광선은 한 사이클동안에 6개의 서로 다른 표면을 통과한다.

도 5에 관하여 전술한 실시예는 입력파를 기판에 결합하는 방법의 일례임을 아는 것은 중요하다. 그러나 입력파는 또한 폴딩 프리즘(folding prism), 광섬유 다발, 회절 격자 등을 포함한 다른 광학 수단에 의해 기판에 결합될 수 도 있지만, 상기한 광학 수단으로 제한되지는 않는다.

또한 도 2에 도시한 예에서 입력파와 이미지파는 기판의 동일 면에 위치된다. 다른 구성도 가능하지만, 입력파와 이미지파는 기판의 반대면에 위치할 수 있다. 입력파는 기판의 횡방향 에지(lateral edge) 중 하나를 통하여 기판에 결합될 수 있는 애플리케이션도 있을 수 있다.

도 6a는 기판 내부에 포획된 광을 관찰자의 눈에 결합시키는 부분 반사면의 어레이의 상세 측면도이다. 도면에서 알 수 있듯이, 매 사이클마다 결합된 광선은 α'_sur2= 120°의 방향을 갖는 4개의 반사면(42)을 통과하며, 그것에 의해 광선은 표면에 수직으로 입사하며, 이 표면들로부터의 반사는 무시할 수 있다. 또, 광선은 α_sur2= 60°의 방향을 갖는 2개의 반사면(44)을 통과하고, 입사각은 60°이고 광선의 에너지 중 일부는 기판 밖에서 결합된다. 6개의 부분 반사면(22)으로 이루어지는 어레이 가운데 오직 하나만이 광을 관찰자의 눈에 결합하는 데 사용된다고 가정하면, 최대 FOV는 다음과 같다:

그러므로, 앞에서 한 것과 동일하게 가정한 경우에, 8°의 FOV에 대한 바람직한 기판 두께는 대략 4mm이고, 원하는 FOV가 15°와 30°인 경우에 각각 5.3mm와 8.2mm의 기판 두께를 얻을 수 있다.

당연히, 이것들은 전술한 다른 구성에서 얻은 것보다 더 적절한 값이다. 게다가, 하나 이상의 부분 반사면 어레이가 사용될 수 있다. 12개의 부분 반사면을 포함하는 두 개의 반사면(22) 어레이를 사용함으로써 FOV가 15°와 30°인 경우의 바람직한 기판 두께는 각각 대략 2.6mm와 4.1mm이다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 부분 반사면 각각은 상이한 에너지를 갖는 광선에 의해 조사된다. 각 표면(46)의 상반부(upper half)(48)는 광선이 기판(20)의 상부면(upper surface)(48)에서 반사된 후에 바로 조사되고, 각 표면의 하반부(lower half)(50)는 이미 하나의 부분 반사면(46)을 통과한 광선에 의해 조사되므로 에너지는 낮다. 따라서, 표면(50)의 하부에서 반사된 광의 밝기는 표면의 상부(46)에서 반사된 광의 밝기보다 약하다. 명백히, 이 문제는 균일한 밝기를 갖는 디스플레이를 구현하기 위해서 해결되어야 한다. 실제로, 불균일한 조명(non-even illumination)을 보상하기 위하여 2개의 서로 다른 코팅으로 반사면을 코팅함으로써 상부(46)의 반사율은 하부(50)의 반사율보다 낮아 질 것이다. 예로서, 바람직한 명목 반사율(nominal reflectance)이 20%이면, 상부는 이 반사율을 가지는 한편 하부는 25%의 반사율을 갖게 될 것이다. 그러나, 대부분의 경우에 이 문제를 완전히 무시할 수는 없다. 만약에 기판이 지나치게 두껍지 않다면, 각각의 시야각에 대해 눈에 반사되는 광은 몇 개의 반사면으로부터 온다. 예를 들어, 동공 직경 d_eye= 4mm이고, T = 4mm인 경우에, 눈은 시야각 각각에 대해 대략 두 개의 반사면에 의해 조사된다. 눈은 단일 시야각에서 나타나는 모든 광을 통합하고 망막 상의 한 점에 초점을 형성하기 때문에, 그리고 눈의 응답 곡선이 대수적이기 때문에, 만약 있다고 해도 디스플레이 밝기의 작은 변동은 눈에 띄지 않을 것이라고 예상된다.

고려하여야 할 다른 문제는 광의 편광이며, 비편광(non-polarized)용 또는 P 편광용보다 S 편광용 반사면의 설계와 제조가 더 간단하다는 것은 잘 알려진 사실이다. 다행히, 몇몇 콤팩트한 디스플레이 소스(예를 들어 네마틱 액정 디스플레이)는 선형적으로 편광된다. 그러나 디스플레이 소스가 입사광이 반사면에 대하여 P 편광되도록 방향이 정해진 경우가 있다. 이 문제는 반파장 판을 사용하여 쉽게 해결할 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 디스플레이 소스(4)로부터 나오는 광은 선형적으로 P 편광된다. 반파장 판(52)을 사용함으로써, 결합 반사면(22)에 대해 광이 S 편광하도록 편광을 회전시킬 수 있다

더욱 중요한 문제는 FOV의 함수인 밝기의 균일성이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 각 반사면의 반사율은 시야각과 함께 증가된다. 다행히, 눈의 동공이 상대적으로 작기 때문에 이 문제는 해결될 수 있다. 도 8은 제안된 구성에 기초한 헤드마운티드 디스플레이 시스템의 측면도를 나타낸다. 특정 시야각(56)을 나타내는 단일 평면파(54)는 부분 반사면(22)의 전체 어레이 중 일부만을 조사한다. 따라서, 각 부분 반사면에 대하여 명목 시야각이 규정되고 반사율이 이 각에 따라 설계된다.

정확한 여러 부분 반사면의 코팅에 대한 상세한 설계는 다음과 같이 수행된다. 즉, 각 특정 표면에 대하여 (스넬의 법칙에 기인한 굴절을 고려하여) 표면의 중심에서 지정된 눈 동공(58)의 중심까지 광선을 그린다. 계산된 방향을 명목 입사 방향으로 설정하고, 특수 코팅을 그 방향을 따라 설계한다. 따라서 각 시야각에 대하여 상관 표면에서의 평균 반사율은 원하는 반사율에 매우 근접할 것이다.

도 9는 가장 오른쪽 60, 중앙 62 및 가장 왼쪽 64인 3개의 서로 다른 시야각에 대한 부분 반사면의 한 어레이에서의 반사율에 대한 상세한 측면도를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 각 표면의 투영은 반사면들 사이의 중첩이나 갭을 피하기 위하여 이웃 투영에 인접한다. 하지만 이는 오직 중앙 시야각에 대해서만 진실이다. 가장 오른쪽 시야각의 경우 반사들 사이에 갭(66)이 존재하고, 반면 가장 왼쪽 시야각의 반사들 사이에는 중첩(68)이 존재한다. 각 인접한 반사면(22) 쌍간의 거리를 다르게 설정함으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 즉, 오른쪽 부분(60)에 대한 거리는 더 작아질 것이고, 왼쪽 부분(64)에 대한 거리는 더 커질 것이다. 그러나, 대부분의 애플리이션에서 이 해법은 대부분의 바람직한 FOV 경우에 갭과 중첩이 상당히 작고(도 8의 시야각은 이 문제를 설명하기 위하여 매우 과장되었다),반사 강도의 매우 작은 증가(왼쪽에서) 또는 감소(오른쪽에서)를 나타내기 때문에 불필요하다. 또, 전술한 바와 같이 오른쪽 표면(60)에 대해 높은 반사에 대해 반대 성향이 있다. 그러므로 이러한 두 가지 현상은 적어도 부분적으로나마 상호 보상할 수 있다.

상당히 넓은 FOV를 갖는 디스플레이 시스템에 고려하여야 할 다른 문제는 적어 두 개의 부분 반사면(22) 어레이가 사용되어야 한다는 것이다. 이 경우에, 제2 어레이에서 반사되는 파는 이미 제1 어레이의 반사면을 통과하였고 에너지 중 적어도 일부는 기판 밖에서 결합되었다. 이 문제는 두 가지 상이한 용도에 대해 고려하여야 한다.

파일럿용 헤드마운티드 디스플레이와 같은 투명 시스템(see-through system)에서, 관찰자는 외부 광경을 보아야 하고 표면 반사율은 매우 높지는 않아야 하며, 제2 어레이의 코팅 설계는 제1 어레이에서의 에너지 손실을 고려하여야 한다. 즉, 제2 어레이의 반사율은 전 FOV에 걸쳐 균일한 밝기를 얻기 위하여 높아야 한다. 반사 계수가 더 이상 정수가 아니기 때문에 이 해법의 바람직하지 못한 결과는 기판을 통해 보이는 광경의 비균일 영상으로 나타날 수 있다. 다행히, 이 비균일성은 상당히 작다. 도 4에서 알 수 있듯이, 각 반사면의 반사율은 시야각과 함께 증가한다. 그러므로, 두 어레이에서의 시야각들 사이의 입사각 편차는 적어도 10°는 될 것으로 예상되기 때문에, 손실은 상당히 작을 것이다. 예를 들어, 입사각 70°인 경우에 반사율이 22%이면, 입사각이 60°인 광선의 반사율은 대략 6∼7%이어야 하고, 전체 손실은 15%보다 작을 것이다. 필요 보정(necessary correction)으로 인한 기판의 투과율(transmittance) 변화는 실제로 무시할 수 있다. 예를 들어, 22%에서 25%로의 반사율 변화는 투과율을 78%에서 75%로 변화시킨다. 어떤 경우에, 외부 광경의 균일성이 결정적인 시스템의 경우, 기판의 비균일성을 보상하고 전체 FOV에 걸쳐 균일한 밝기의 광경(view)을 얻기 위하여 특수 비균일 코팅이 기판의 외표면에 부가될 수 있다.

가상 현실 디스플레이와 같은 불투명 시스템(non-see-through system)에서 기판은 불투명하고 시스템의 투과율은 중요하지 않다. 그러나 이 경우에 반사율은 이전의 경우에 비해 상당히 높을 것이고, 전 FOV에 걸쳐 동일한 밝기를 지닌 디스플레이를 실현시키기 위하여 충분한 에너지가 제1 어레이를 통과하는 것을 보증하기 위한 배려가 있어야 한다.

전형적인 투명 시스템의 예상 성능을 설명하기 위하여, 투사된 디스플레이와 외부 광경의 밝기 모두를 계산하는 컴퓨터 시뮬레이션이 수행하였다. 이 시스템은 다음의 파라미터를 가진다. 즉, T = 4mm, α_in= 60°, FOV = 30°, R_eye= 40mm, v = 1.5, 어레이 개수 = 2, 그리고 명목 반사율은 22%이다. 도 10은 이 계산 결과를 필요 명목 값(requested nominal value)으로 정규화하여 도시한 것이다. 두 그래프에서 약간의 변동은 있지만 이러한 변화는 눈에 띄지 않을 것으로 예상된다.

다른 설계 방법은 제2 반사각을 가지는 광선, 즉 축이탈각이 α'_in= 180°- α_in인 광선의 반사를 사용하는 것이다. 식 (7)의 파라미터를 식(4)에 대입하여 다음을 얻는다:

도 11은 이 다른 설계 방법의 측면도를 도시한다. 제1 반사면(22)은 소자 뒤에 위치하는 시준된 디스플레이(4, 6)(도 1 참조)에 의해 조사된다. 반사면은 소스로부터의 입사광을 반사하여 내부 전반사에 의해 그 광이 기판 내부에 포획되도록 한다. 몇 번의 기판 내부에서의 반사가 있은 후, 포획된 파는 기판 밖의 광을 관찰자의 눈에 결합시키는 부분 반사면(22')의 평행 어레이에 도달한다.

이 구성의 주요 단점은 내부 각이 α_in인 광선의 바람직하지 못한 반사율이다. 명백히, 기판 내부의 입사 방향 ε로 시준되는 디스플레이 소스의 지점은 기반 내부의 α_in+ ε 및 α'_in+ ε 방향으로 반사된다. 한편, α'_in+ ε 방향의 광선은 부분 반사면에 의해 출력 방향 ε로 반사되고, α_in+ ε 방향의 광선(70)은 부분 반사면(22')에 의해 바람직하지 못한 출력 방향 α_in- ε 로 반사된다. 광선(72)는 그 다음에 바람직하지 못한 -ε로 반사되어 허상을 만든다. 비록 작은 부분의 빔만이 바람직하지 못한 방향으로 반사되지만 그 효과는 FOV가 증가함에 따라 더 중요하게 된다, 즉 이것은 특히 FOV의 에지에서 관찰자를 방해한다.

비록 전술한 바람직하지 못한 반사를 피할 수는 없지만, 허상 문제는 제1 잔사면(22)의 각도를 변화시켜 해결할 수 있다. 예를 들어, 각도가 α_sur1= 63°로변화되면 시스템의 다른 파라미터들은 다음과 같이 된다:

그러므로, 시스템의 FOV가 16°이고 기판의 반사 계수가 1.5이면, 기판 내부 이미지의 최대 축이탈각은 60°, 바람지하지 못한 반사의 방향은 66°, 그리고 출사각은 18°가 될 것인데, 이것은 분명 FOV 밖이어서 적절한 설계로도 출사 동공을 조사하지 않을 것이다.

상기한 해법은 허상의 문제만을 해결한다. 에너지의 일부는 여전히 바람직하지 못한 방향으로 반사되어, 효율 및 이미지 품질이 감소할 수 있다. 그러나, 이 다른 설계 방법은 여전히 몇 가지 이점을 가지는데, 첫 번째는 각 부분 반사면(22')의 단면이 이전 실시예의 그것보다 훨씬 크다는 것이다. 따라서, 주어진 FOV는 더 적은 수의 표면을 필요로 한다. 두 번째로, 필요한 광학 코팅은 더욱 단순할 뿐 아니라 표면에서의 프레넬 반사(Fresnel reflection)로 원하는 반사를 실현할 수 있다. 즉, 표면 코팅 대신에 얇은 공기 갭을 코팅되지 않은 표면들 사이에 삽입할 수 있다. 비록 이 과정이 최선은 아니지만 훨씬 더 간단한 제조 공정으로 허용할 수 있을 정도의 결과를 얻을 수 있다.

도 12는 하나는 편광되지 않은 광이고 다른 하나는 S 평광된 광인 두 가지 유형의 소스에 대해 FOV의 함수인 광학 효율을 도시한 것이다. 두 경우에 효율은 균일하지는 않지만 이 문제는 디스플레이 소스 다음에 가변 감쇠기(variable attenuator)를 삽입하여 해결할 수 있다. 그러므로 편광되지 않은 광에 대해 10%,그리고 S 편광된 광에 대해 15%의 균일한 효율을 달성할 수 있다.

전체 FOV에 걸쳐 균일한 조사를 실현하기 위한 광학 코팅을 용이하게 설계할 수 있다. 예를 들어, 만약 세 개의 부분 반사면이 사용되면, 그 반사는 반사율이 각각 20%, 25% 및 33%가 되도록 설계할 수 있고, 이로써 전체 FOV에 걸쳐 20%의 균일한 효율을 얻을 것이다.

여태까지는 ξ축 따르는 FOV에 대해서만 논의하였다. 직교 η축을 따르는 FOV 또한 고려하여야 한다. η축을 따르는 FOV는 크기 또는 부분 반사면의 수에 좌우되지 않고 오히려 기판에 결합되는 입력파의 η축을 따르는 횡방향 치수에 좌우된다. η축을 따라 실현 가능한 최대 FOV는 다음과 같다:

여기서, Dη은 기판에 결합되는 입력파의 η축을 따르는 횡방향 치수이다.

즉, 만약 바람직한 FOV가 30°이면, 전에 사용한 것과 동일한 파라미터들을 사용함으로써 필요 횡방향 치수는 42mm인 것으로 밝혀졌다. 기판에 결합되는 입력의 η축을 따르는 횡방향 치수가 S₁= Ttan(α_in)으로 주어짐은 앞서 설명하였다. 기판 두께 T = 4mm이면 S₁= 8mm이다. 겉보기에는 두 축을 따르는 횡방향 치수들 사이에는 6보다 큰 인자(factor)가 있다. 종횡비(aspect ratio)를 비디오 디스플레이처럼 4:3으로 하고 η축에서의 FOV를 22°로 가정하더라도, 필요 횡방향 치수는 약 34mm이며, 두 축 사이에는 여전히 인자 5 가 존재한다. 이 불일치는 많은개구수(numerical aperture)를 갖는 콜리메이팅 렌즈 또는 매우 큰 디스플레이 소스 사용의 필요성을 포함한 몇 가지 문제를 초래한다. 어떤 경우에, 이러한 치수로는 원하는 콤팩트한 시스템을 실현할 수 없다.

이 문제를 해결할 다른 방법을 도 13에 도시한다. ξ축을 따라서만 반사면(22) 어레이를 사용하는 대신에 η축을 따라 반사면(22a, 22b, 22c)으로 이루어지는 다른 어레이가 배치된다. 이 반사면들은 ξ축과 η축을 이분하는 축을 따라 기판(20)의 평면에 수직하여 위치된다. 이 반사면들의 반사율은 균일한 출사파를 실현할 수 있도록 결정된다. 즉, 세 개의 반사면이 사용되면, 그 반사율은 제1 면(22a), 제2 면(22b) 및 제3 면(22c)에 대해 각각 33%, 50% 및 100%로 설정된다. 어레이 어셈블리(22, 22a, 22b, 22c)에서 나타낸 배치는 예일 뿐이라는 것에 유의하여야 한다. 광학 시스템 및 바람직한 파라미터에 따라서 두 축에서 광파의 횡방향 치수를 증가시키기 위한 다른 배치는 또한 허용 가능하다.

도 14는 기판 유도형 광학 구성 전체를 3차원으로 도시한 것이다. 회절파는 η축을 따라서 확장된 다음 ξ축을 따라서 확장된다. 기판 평면 상의 입력파의 투영은 도 2에서의 배치에 대해 90°만큼 회전되며, 기판에 결합한 후 중심파의 η축을 따르는 횡방향 치수 S_η은 S_η= 2S₁=2Ttan(α_in)으로 주어진다. 대칭 결합파(coupled wave)를 얻기 위하여, 구성을 선택하여 결합파가 ξ축에서 동일한 치수를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 결합하기 전의 입력파의 η축을 따른 횡방향 치수가 S₁= Ttan(α_in)이므로, 두 치수 사이에는 인자 2가존재할 것이다. 그러나, 이 인자는 대개 허용 가능하다. 반사면(22a ∼ 22c)에서의 반사 후, η축을 따르는 횡방향 치수는 S_η= 2NTtan(α_in)으로 주어지고, 여기서 N은 반사면의 개수이다. η축을 따라 실현 가능한 최대 FOV는 이제 다음과 같다:

반사 어레이(22a ∼ 22c)가 눈에 더 근접하여 위치될 수 있기 때문에 반사면들 사이의 거리 l은 이전보다 더 작아질 것이 예상된다. l = 30mm로 가정하고, 파라미터 T = 4mm, N = 3, α_in= 60°, R_eye= 40mm 및 v = 1.5를 선택하면 결과 FOV는 다음과 같다:

이 결과는 앞서 얻은 결과보다 더 우수하다.

요구 빔 확장의 결과로서, 광파의 밝기는 인자 N 만큼 감소되었다. 그러나 이 효과는 전술한 것과 동일한 방법으로 최소화할 수 있다. 도 15에 도시한 바와 같이, 첫 번째 반사면(22a)에서 반사되어야 하는 FOV 하부(76)의 입사각은 주로 마지막 반사면(22c)에서 반사되어야 하는 FOV 상부(78)의 반사각보다 크다. 이 경우에, 앞에서처럼 더 큰 입사각에 대해 더 큰 반사 계수를 가지는 반사 코팅을 설계할 수 있다. FOV의 상부(78)의 에너지 손실이 훨씬 더 작을 수 있기 때문에 첫 번째 반사면(22a)에 대해 더 큰 반사 계수를 선택할 수 있고, 밝기 감소는 더 작아질 것이다. 요구된 설계에 대한 정확한 세부 사항은 각 특정 시스템의 다양한 파라미터에 좌우된다.

하나의 광투과성(light-transmissive 기판)(20)만 사용하는 것으로 제한하지 않아도 되며 추가 기판을 더 사용할 수 있다. 예를 들어, 3가지 기본색(three basic color) 중 어느 하나로 각각 코팅된 세 개의 상이한 기판은 3색 디스플레이 시스템을 생산하기 위하여 결합될 수 있다. 이 경우에, 각 기판은 다른 두 색에 대해 투명하다. 이러한 시스템은 최종 이미지를 생성하기 위하여 요구되는 3가지 상이한 단색 디스플레이 소스를 결합한 애플리케이션에 유용할 수 있다. 또한, 더욱 복잡한 시스템을 만들기 위하여 몇 개의 기판을 결합할 수 있는 다른 많은 예가 있다.

도 16은 본 발명에 따라 구성된 콤팩트한 기판 유도형 헤드마운티드 디스플레이의 구성을 도시한다. 도시된 구성은 반사면들로 이루어지는 3개의 어레이로 이루어진다. 제1 반사면(22)은 입력 디스플레이 소스(4)로부터 나오고 렌즈(6)에 의해 시준된 광을 기판(20)에 결합하며, 광 분포는 한 방향으로 확장된다. 부분 반사면(22a, 22b, 22c)으로 이루어지는 제2 어레이는 광선을 반사하고 광 분포는 그 후 다른 방향으로 확장된다. 제3 어레이(22d, 22e, 22f)는 광을 기판 밖으로 향하는 관찰자(24)의 눈에 결합한다.

도 17은 빔을 η방향으로 확장하는 다른 방법을 도시한다. 여기서, 확장은 기판(2)의 내부가 아니라 외부에서 실행된다. 빔 분할기(beam splitter)(80)는 디스플레이 소스(4)로부터의 광을 두 부분, 즉 기판(20)에 직접 전달되는 부분과 거울(82)에서 반사된 다음 기판(20)에서 다시 반사되는 부분으로 분할된다. 원래의광보다 더 넓은 빔을 구성하는 두 부분 광은 이어서 반사면(84)에 의해 기판에 결합된다. η방향으로 입사하는 빔을 확대하기 위하여 더 많은 수의 빔 분할기와 미러가 사용될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(81)는 디스플레이 소스(4)와 빔 분할기(80) 사이에 도입될 수 있다.

도 18은 도 17을 약간 변형한 것을 도시한다. 비편광된 광 또는 P 편광된 광을 위한 반사면의 설계와 제조가 더 간단하는 것은 널리 알려져 있다. 디스플레이 소스(4)로부터의 광이 실제로 S 편광된 것이라면 도면에 도시한 것처럼 광로(optical path)에 반파장 판(86)을 삽입하여 적절한 방향으로 반사시킬 수 있다.

기판(20)에 평행한 디스플레이 소스(4) 대신, 도 19 및 도 20에 도시한 것처럼 디스플레이 소스(4)는 기판(20)에 수직일 수 도 있다.

도 21은 다른 가능한 실시예이다. 디스플레이 소스(4)는 기판(20)에 수직하고, 광은 폴딩 미러 또는 반사 프리즘(83)을 사용하여 제1 커플링인 미러(coupling-in mirror)로 들어갈 수 있다. 이 폴딩 미러 또는 반사 프리즘(83)은 반사면 및/또는 반사 프리즘의 표면에 대해 광 전력(optical power)을 가질 수 있으며, 이것은 콜리메이팅 동작을 수행할 수 있게 다른 콜리메이팅 소자를 사용할 필요성을 없앤다.

이 기판 유도형 바이저 디스플레이 구성의 이점은 다음과 같다:

1) 입력 디스플레이 소스가 기판 매우 가까이에 위치하기 때문에 전체 구성이 매우 콤팩트하고 무게가 가볍다.

2) 다른 바이저 디스플레이 구성과 달리, 입력 디스플레이 소스가 최종 대안경(eyepiece)에 비례하여 위치가 정해질 수 있는 만큼 유연성(flexibility)이 크다. 따라서 보통의 축이탈 구성은 회피되고 시야 수차(field aberration)는 상당히 용이하고 효율적으로 보상될 수 있다.

3) 부분 반사면의 반사 계수는 전체 상관 스펙트럼에 걸쳐 거의 일정하다. 따라서 단색 광원뿐 아니라 다색 광원도 디스플레이 소스로서 사용할 수 있어 컬러 헤드마운티드 디스플레이를 실현할 수 있다.

4) 입력 디스플레이에서의 각 점이 반사 어레이(22d∼22f)의 상당한 부분으로부터 관찰자의 눈으로 반사되는 평면파로 변화되기 때문에, 눈의 정확한 위치에 대한 오차는 상당히 완화된다. 이로써 관찰자는 전체 시야를 볼 수 있고, 눈 움직임 상자는 다른 바이저 디스플레이 구성보다 상당히 클 수 있다.

5) SGOD에 결합되는 에너지의 많은 부분이 "재생"되고 관찰자의 눈에 결합되기 때문에, 비교적 높은 밝기의 디스플레이를 실현할 수 있다.

도 22 및 도 23은 기판(9)이 안경 프레임(spectacle frame)(92) 내부에 장착되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 디스플레이 소스(4), 콜리메이팅 렌즈(6) 및 폴딩 미러(82)는 광학 기판(90)의 에지 바로 옆, 안경의 암부(arm portion)(94) 내에 조립된다. 디스플레이 소스가 소형 CRT 또는 LCD와 같은 전자 소자인 경우, 디스플레이 소스용 구동부(driving electronics)(93)는 암(94) 후부의 내면에 조립될 수 있다. 전원 장치(96)는 리드선(97)으로 암(94)에 연결할 수 있다.

기판에 결합되는 입사파는 대개 시준된 평면파이므로, 요구되는 디스플레이소스로 사용하기 위하여 일부 신기술을 사용할 수 있다. 가능한 디스플레이 중 하나는 가상 망막 디스플레이(Virtual Retinal Display, VRD), 즉 직접 관찰자의 망막에 이미지를 생성하기 위하여 평면파가 신속하게 주사되는 시스템이다. 다른 가능한 디스플레이는 푸리에 변환 홀로그래피(Fourier-transform holography)와 유사한 아이디어에 기초할 수 있다. 이 원리를 이용하여, LCD는 이미지 그 자체라기보다는 요구된 이미지의 푸리에 변환을 생성한다. LCD가 작은 레이저 다이오드로부터 나오는 간섭성(coherent) 평면파에 의해 조사될 때, 원하는 형상의 시준된 이미지가 LCD 평면에 형성될 것이다. 이 이미지는 SGOD의 입력으로 사용될 수 있다.

상기한 실시예는 투명 시스템 및 광학 소자 앞에 불투명 층이 위치하는 불투명 시스템 모두를 만족시킬 수 있다. 다른 방법은 관찰자가 외부 장면으로부터 나오는 광의 밝기 레벨을 제어할 수 있는 방식으로 시스템 앞에 가변 필터를 사용하는 것이다. 이 가변 필터는 폴딩 필터와 같은 기계적으로 제어되는 장치 또는 전자적으로 제어되는 두 개의 회전 편광기(rotating polarizer)이거나, 필터의 투과율이 외부 배경의 밝기에 의해 결정되는 자동 장치일 수도 있다.

정확한 방법에 대한 몇 가지 다른 방법이 있는데, 이 실시예에서는 SGOD가 사용할 수 있다. 가장 단순한 옵션(option)은 하나의 눈에 대해 단일 소자를 사용하는 것이다. 이 옵션은 각각의 눈에 대하여 동일한 이미지를 가지는 것을 제외하고 하나의 소자와 하나의 디스플레이 소스를 사용하는 것이다. 이 옵션의 다른 변형은 양쪽 눈 사이에 일부 중첩을 갖는 동일 이미지의 서로 다른 두 부분을 투사하는 것이며, 이것은 보다 더 FOV를 실현할 수 있도록 한다. 가장 복잡한 가능성은입체 이미지(sterepscopic image)를 생성하기 위하여 두 개의 상이한 광경을 각각의 눈에 하나씩 투사하는 것이다. 이 대안으로 3차원 영화, 진보된 가상 현실, 훈련용 시스템(training system) 등을 포함하는 매력 있는 구현이 가능하다.

도 22 및 도 23의 실시예가 단지 본 발명의 간단한 구현을 설명하기 위한 예일 뿐이다. 본 발명의 핵심을 이루는 기판 유도형 광학 소자는 매우 콤팩트하고 경량이기 때문에 매우 다양한 배치로 설치될 수 있다. 따라서, 바이저, 폴딩 디스플레이, 외알 안경(monocle) 등을 포함하는 다른 많은 실시예 또한 가능하다.

도 22 및 도 23에 도시된 실시예는 디스플레이가 헤드마운티드 또는 헤드캐리드(head-carried)이어야 하는 애플리케이션을 나타낸다. 그러나 다른 장소에 디스플레이가 위치되어야 하는 애플리케이션도 있다. 그러한 애플리케이션의 일례는 셀룰러폰으로, 이것은 가까운 미래에 비디오폰, 인터넷 접속, 전자 메일에의 액세스 및 고화질 텔레비전 위성방송 전송까지도 포함하는 새로운 기능을 할 것으로 기대된다.

현존하는 기술를 사용하여, 소형 디스플레이는 전화 내부에 내장될 수 있지만, 현재 그러한 디스플레이는 저화질의 비디오 데이터만 또는 겨우 몇 라인의 인터넷 또는 e-mail 데이터를 직접 눈에 투사할 수 있을 뿐이다.

도 24는 본 발명에 기초한 고화질 이미지를 사용자의 눈에 직접 투사하는 다른 방법을 도시한다. 폴딩 SGOD(98)은 송화구(mouthpiece)가 보통 부착되는 것과 유사한 방식으로 셀룰러폰(100)의 본체에 일체적으로 부착된다.

전화기에 내장된 소형 디스플레이 소스(102)는 폴딩 미러, 소형 프리즘, 광섬유 다발 또는 기타 릴레이일 수 있는 광 릴레이(optical relay)(106)를 통해 전송되는 비디오 이미지(104)를 SGOD(98) 상에 투사한다. 이런 식으로 동작되는 동안, 사용자는 자신의 눈앞에 위치하는 SGOD(98)를 펼 수 있고 원하는 이미지를 편리하게 볼 수 있다.

도 24에 기술된 실시예는 구체화될 수 있는 헤드마운티드 디스프레이 이외의 애플리케이션을 도시하는 예일 뿐이라는 것에 유의하여야 한다. 다른 가능한 휴대형 장치는 손목시계에 내장된 디스플레이, 신용 카드 정도의 크기와 무게를 가지는 포켓형 디스플레이 등 더 많은 것을 포함한다.

전술한 실시예에 단안(monocular) 광학 시스템, 즉 이미지가 하나의 눈에 투사되는 시스템이다. 그러나, 이미지를 양쪽 눈에 투사하는 데 바람직한 헤드업 디스플레이(HUD)와 같은 애플리케이션이 있다. 최근까지, HUD 시스템은 오직 진보적인 전투 및 항공기에 주로 사용되어 왔다. 최근에, 운전 네비게이션(driving navigation)을 보조하기 위하여 또는 어두운 동안이나 기타 낮은 시계(視界) 상황에서 운전자의 눈에 열 이미지(thermal image)를 투사하기 위하여 차량 운전자의 정면에 HUD를 설치하는 수많은 제안과 설계가 있어 왔다. 현존하는 항공 시스템이 지닌 주된 문제는 매우 값비싸 시스템 1대 가격이 대략 수 십만 달러이다. 분명, 이 가격이 승용차 소비자 시장에서도 사용할 수 있기 위하여 3차수 크기 인자(factor of three orders of magnitude)만큼 감소되어야 한다. 또한 현존하는 시스템은 자동차에 설치하기에는 매우 대규모이고 무거우며 부피가 크며, 또 너무 복잡하다. 소비자 대상 HUD 후보는 매우 콤팩트하고, 값싸며 현존하는 차량 내부에 용이하게 설치할 수 있어야 한다.

도 25는 본 발명에 기초하여 HUD 시스템을 구현하는 방법을 도시한다. 디스플레이 소스(4)로부터 나온 광은 렌즈(6)에 의해 무한히 시준되어 제1 반사면(22)에 의해 기판(20)에 결합된다. 제2 반사 어레이(도시하지 않음)에서 반사된 후, 광파는 제3 반사 어레이(22')에 부딪치는데, 제3 반사 어레이(22')은 광을 관찰자의 눈(24)에 결합한다. 전체 시스템은 두께가 수 밀리미터인 큰 우편엽서 크기로 매우 콤팩트하고 경량일 수 있다. 수 세제곱 센티미터의 부피를 갖는 디스플레이 소스는 기판 한 구석에 부착될 수 있으며, 전선은 전원과 데이터를 시스템에 전송할 수 있다. 제공되는 HUD 시스템의 설치는 단순한 상업용 오디오 시스템의 설치에 비해 더 복잡하지는 않을 것으로 예측된다. 게다가, 이미지 투사를 위한 외부 디스플레이 소스가 불필요하기 때문에, 안전하지 못한 곳에 부품을 설치하여야 하는 필연성이 회피된다.

눈과 표면사이의 거리 및 출사 동공의 직경이 단안경 디스플레이의 그것보다 훨씬 크기 때문에 원하는 FOV를 얻기 위해서는 더 많은 수의 반사면(22') 및/또는 더 두꺼운 기판(20)이 필요할 것으로 예상된다. 더 큰 FOV를 갖는 HUD 시스템을 구현하는 다른 방법이 도 26에 도시한다. 관찰자의 눈의 정해진 위치에 시스템의 출사 동공을 규정하는 대신에, 기판에 더 가까운 위치에 더 작은 직경을 갖는 가상 출사 동공(108)을 규정한다. 알 수 있듯이, FOV의 오른쪽 부분(110)은 왼쪽 눈에 의해서만 보여지고, 한편 FOV의 왼쪽 부분(112)은 오른쪽 눈에 의해서만 보여진다. FOV의 중앙 부분(114)은 양쪽 눈에 의해 보여진다. 이러한 해법은 군사용 HUD 시스템에 널리 수용되었으며, 광학 시스템의 동공이 콜리메이팅 렌즈에 위치하여 그것만으로 순간 FOV(IFOV)가 전체 FOV(TFOV)보다 작다. 이러한 유형의 구성은 각 눈이 TFOV의 중앙에서 중첩되는 TFOV의 다른 부분을 본다. 양쪽 눈으로 보는 전체 FOV는 각기 한쪽 눈으로 보는 것보다 훨씬 더 크다. 도 26의 실시예와 관련하여, 가상 출사 동공의 정확한 위치와 크기는 특정 시스템 각각에 대한 요구 성능과 고유 파라미터에 따라 설정될 것이다.

전형적인 HUD 시스템의 출사 동공은 헤드마운티드 시스템의 그것보다 훨씬 더 크기 때문에, 도 26과 관련하여 기술한 구성에서도 도 14와 관련하여 전술한 바와 같은 3 어레이(three-array) 구성이 원하는 FOV를 실현하는 데 필요할 것으로 예상된다. 그러나, 작은 수직 FOV를 갖거나 디스플레이 소스로 수직 LED 어레이를 갖는 시스템을 포함하는 몇 가지 특별한 경우가 있을 수 있는데, (도 2와 관련하여 설명한 바와 같이) 2 어레이 구성이 충분할 것이다.

도 25 및 도 26에 도시한 실시예는 차량용 HUD 시스템 외에 다른 애플리케이션에서 구현될 수 있다. 이 실시예들을 이용 가능한 애플리케이션 중 하나는 컴퓨터나 텔레비전용 평면 디스플레이로서 이다. 이러한 디스플레이의 주요 독특한 특성은 이미지가 스크린 평면에 위치되지 않고, 무한대에 초점이 모이거나 그 비슷한 가까운 거리에 초점이 모인다. 현존하는 컴퓨터 디스플레이의 주된 단점 중 하나는 사용자의 눈에 매우 근접한 거리인 40cm와 60cm 사이에 초점이 맺힌다는 것이다. 하지만 건강한쪽 눈의 자연적인 초점은 무한대이다. 많은 사람들은 컴퓨터로 장시간 일한 후에 두통으로 고통받는다. 컴퓨터로 빈번하게 일하는 다른 많은 사람들은 근시를 일으키는 경향이 있다. 또 일부 근시와 원시 둘 다로 고통받는 사람은 컴퓨터로 일하는 경우 특수한 안경이 필요하다. 본 발명에 기초한 평면 디스플레이는 전술한 문제로 고통받으며 헤드마운티드 디스플레이로 일하고 싶지 않은 사람에게 적절한 해결책일 수 있다.

본 발명의 디스플레이의 다른 이점은 현존하는 평면 패널 디스플레이에 비해서도 매우 평평한 형상이다. 종래 디스플레이와는 달리 본 발명의 디스플레이는 전체 이미지가 보여질 수 있는 머리 움직임 상자(head-motion-box)가 제한된다는 것은 사실이다. 그러나 이러한 제한된 머리 움직임 상자는 단일 사용자에 의한 간편한 작업에는 충분할 수도 있다.

본 발명의 다른 가능한 실시예는 청중을 보면서 동시에 텍스트를 읽을 것이 예상되는 연설자나 TV 방송자를 위한 텍스트 프로젝터(text projector)로서 사용하는 것이다. 본 발명을 사용함으로써 연설자는 청중에게는 보이지 않으면서 자신의 눈에 필요한 텍스트를 투사하는 얼굴 가까이에 설치되어 있는 투명판을 사용할 수 있게 될 것이다.

본 실시예 또 다른 가능한 구현예는 개인용 휴대 단말기(personal digital assistance, PDA)용 스크린으로 사용하는 것이다. 현재 사용되는 현존하는 보통 스크린의 크기는 약 10cm이다. 이 디스플레이를 판독할 수 있는 최소 거리가 대략 40cm이고 얻을 수 있는 FOV는 약 15°이므로 이 디스플레이에서 투사되는 정보는 매우 제한된다. 도 25 및 도 26에 도시된 실시예로써 투사된 FOV를 상당히 개선할 수 있다. 이미지가 무한대로 시준되기 때문에, 스크린은 관찰자의 눈에 훨씬 더가까이에 위치될 수 있다. 또, 각각의 눈은 그 중앙이 중첩되는 TFOV의 서로 다른 부분을 보기 때문에 TFOV의 또 다른 증가를 실현할 수 있다. 그러므로, FOV가 40°이상인 디스플레이를 용이하게 실현할 수 있다.

전술한 본 발명의 모든 실시예에서, SGOD에 의해 전송되는 이미지는 CRT 또는 LCD 등의 전자 디스플레이 소스에서 시작되었다. 그러나 예를 들어 근시와 원시 모두로 고통받는 사람을 위한 안경에서와 같이 전송된 이미지가 실제 광경(living scene)인 애플리케이션이 있으며, 이들의 문제는 종래의 두 초점 또는 다 초점 안경으로 항상 간편하게 해결되지는 않는다. 다른 해결책은 작은 초점 길이를 가지는 안관 렌즈(ophathalmic)를 사용하는 것이다. 이 렌즈는 관찰자의 망막에 다중 이미지를 생성한다. 그러면 뇌는 가장 뚜렷한 이미지를 수용한다.

도 27은 본 발명에 기초하여 이중 초점 길이를 가지는 렌즈를 구현하는 방법을 도시한다. 무한대로부터의 광경 이미지(114)는 반사면(22)에 의해 기판(20)에 결합된 다음 부분 반사면(22')에 의해 관찰자의 눈(24)으로 반사된다. 가까운 거리로부터의 다른 광경 이미지(116)는 렌즈(118)에 의해 무한대로 시준된 다음 기판(20)을 통과하여 눈에 도달한다. 안과 렌즈(120)는 이미지(114, 116)를 적절한 거리(convenient distance)에 초점을 모으고, 난시를 포함하는 관찰자의 눈의 다른 수차(aberration)를 보정한다. 외부 광경이 관찰자에게 근접한 경우, 광경(116)은 망막에 뚜렷한 이미지를 형성할 것이고, 한편 광경(114)은 흐릿할 것이다. 그러므로, 뇌는 자동으로 광경(116)의 뚜렷한 이미지를 수용할 것이고, 이와 반대로 외부 광경이 먼 경우, 이미지 114가 가장 뚜렷할 것이고 그러면 뇌는 이것을 수용할 것이다.

본 발명은 또한 완전히 상이한 두 광경을 결합하는 데 사용될 수 있다. 이러한 장치가 유용할 수 있는 많은 용도가 있는데, 정면 및 그 배후의 광경을 동시에 보기를 원하는 파일럿이나 운전자, 경기장의 다른 광경을 보기를 바라는 스포츠맨, 실제 풍경과 자신의 그림을 결합하고자 하는 화가, 텍스트를 칠판으로부터 베껴 쓰는 학생 등을 포함하다. 도 28은 본 발명에 따라 외부 광경의 두 상이한 부분을 관찰자의 눈에 결합하는 방법을 도시한다. 비스듬한 방향으로부터의 광경 이미지(120)는 예를 들어 프리즘이나 기타 광학 수단(122)에 의해 겹쳐지고 반사면(22)에 의해 기판(20)에 결합된 다음, 부분 반사면(22') 어레이에 의해 관찰자의 눈(24)으로 반사되는데, 이 지점에서 정상적인 광경(regular scene)(124)과 결합된다.

도 27 및 도 28에 기술한 실시예의 경우, SGOD에 결합되는 광파(114, 120)는 무한대로부터 오고 렌즈나 유사한 광학 소자로 초점을 맞추지 않아도 되기 때문에 결합된 파의 횡방향 치수는 중요하지 않는다는 것에 유의하는 것은 중요하다. 따라서, 세 개의 어레이를 갖는 도 14의 더 복잡한 실시예가 아니라 도 2에서 설명한 바와 같은 단지 두 개의 반사 어레이를 구비하는 더 간단한 SGOD를 사용할 수 있다.

도 27 및 도 28과 관련하여 설명한 실시예는 단지 본 발명의 성능 실현을 설명하기 위한 예일 뿐이다. 임의의 두 개의 서로 다른 이미지를 SGOD에 결합시킬 수 있으며, 이미지는 실제 광경(live scene), (예를 들어 비디오 카메라와 열 이미지 장치를 결합하는) 전자 파생 디스플레이(electronic-derived-display), 또는 기타 가능한 조합으로부터 비롯된다.

전술한 모든 실시예에서, SGOD는 이미징 목적으로 광파를 전송하는 데 이용된다. 그러나 본 발명은 이미징뿐 만 아니라 비이미징 애플리케이션, 주로 출력파의 광학 품질이 중요하지 않고, 세기와 균일한 밝기가 중요한 파라미터인 조명 시스템에도 적용될 수 있다. 본 발명은 예를 들어 이미지를 구성하기 위하여 가능한 한 밝고 균일한 광을 판에 조사하여야 하는 주로 LCD 시스템의 평판 디스플레이의 배후 조명에 적용될 수 있다.

평평하고 값싼 실내 조명 또는 투광 조명(floodlight) 대체용, 지문 스캐너용 일루미네이터, 그리고 3차원 디스플레이 홀로그램용 파(wave) 판독기와 같은 다른 가능한 애플리케이션을 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는다.

도 29는 본 발명에 따라 구성된 조명 목적의 콤팩트한 SGOD 빔 확장기 구성을 도시한다. 도시된 구성은 제1 반사면(126), 반사면들(128)으로 이루어지는 제2 어레이 및 제3 반사 어레이(130)로 이루어진다. 입력파(132)는 보통 기판(20)에 입사되는 평면파이며, 출력파(134)는 입력파의 직경보다 상당히 더 큰 직경을 가지는 평면파이다. 이러한 시스템은 상당히 넓은 영역을 위한 매우 얇고 컴팩트한 조명 장치로서 구현될 수 있다.

SGOD 빔 확장 구성의 동작은 전술한 본 발명의 다른 구성에 대한 것과 유사하다. 그럼에도 불구하고, 이미징 시스템과 비이미징 시스템 사이에는 몇 가지 차이가 존재한다. 첫 번째, 비이미징 시스템에서는 "허상"을 걱정할 필요가 없기 때문에, 입력파는 기판 평면에 평행하게 결합될 수 있고, 따라서 각 부분 반사 평면은 균일하게 조사될 수 있다. 둘 째, 비이미징 시스템에서 기판의 투과율은 중요하지 않으므로 오직 반사율 분포만이 고려되어야 한다.

또한, 비이미징 시스템의 설계목적은 균일한 FOV를 설계 목표로하는 대신에 출력파의 균일한 강도를 달성하는 것이다. 그렇게 하기 위해서는 각각의 반사중에 포획된 광파의 에너지 부분만이 결합되도록 부분 반사 어레이(130)의 반사율이 ξ축을 따라 점차 증가한다. 도 30은 전형적인 기판 유도형 빔 확장기의 경우에 출력파의 세기, 기판의 반사율 및 ξ축을 따라서 기판 내부의 전파 거리의 함수인 기판의 에너지 잔량(amount of energy left)을 도시한다.

조명 장치에서는 광이 기판 평면에 평행하게 결합될 수 있기 때문에, 광은 기판의 에지 중 하나를 통해 결합될 수 있다. 또 단일 광원의 사용으로 제한될 필요는 없으며, 많은 소스가 사용될 수 있다. 게다가, 이러한 장치에서는 광파가 시준될 필요가 없다. 발산하는 입력 빔은 또한 발산하는 출력파를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 도 31a 및 도 31b는 조명 목적으로 가능한 두 가지 구성을 도시한 것으로 하나는 부분 반사면으로 이루어지는 두 개의 어레이를 가지고(도 31a), 다른 하나는 하나의 어레이를 가진다(도 31b). 이들 구성에서, 광원은 소형 렌즈 어레이(lenslet array)(138)에 의해 시준된 LED 어레이(136)이며, 기판 에지 중 하나를 통해 기판에 결합되어, 어레이(140)에 의해 결합되는 균일한 광 조명을 생성한다.

도 32는 부분 반사면 어레이를 제조하는 방법을 도시한다. 먼저, 필요한 치수를 가지는 프리즘(142)군(群)을 제조한다. 이 프리즘은 종래의 분쇄(grinding) 및 연마(polishing) 기술을 이용하여 BK-7와 같은 실리케이트계 재료(silicate-based material)로부터 제조되거나, 이와 달리 사출성형(injection- molding)이나 주조(casting) 기술을 사용하는 졸겔 재료(sol-gel material) 또는 폴리머(polymer)로 제조 될 수 있다. 그런 다음 이들 프리즘의 고유한 표면은 필요한 광학 코팅(144)으로 코팅된다. 최종적으로, 이 프리즘들은 원하는 SGOD를 만들기 위하여 함께 접착된다. 광학 표면의 품질이 결정적인 애플리케이션에서, 외표면(146)을 연마하는 최종 단계가 공정에 추가될 수 있다.

도 33은 부분 반사면 어레이를 제조하는 다른 방법을 도시한다. 두 개의 유사한 톱니형 투명 물체(tooth-shaped transparent form)(148)가 사출성형이나 주조에 의해 제조된다. 필요한 코팅(150)이 물체 중 어느 하나의 적절한 표면에 적용되고, 그런 다음 원하는 SGOD(152)를 만들기 위하여 두 물체는 함께 접착된다.

도 34는 부분 반사면 어레이를 제조하기 위한 도 33에서 설명한 방법의 또 다른 변형예를 도시한 것이다. 코팅(150)으로 물체(148)에 코팅하는 대신에, 코팅은 매우 얇고 유연성 있는 폴리머 시트(154)에 적용된다. 이 시트는 물체(148) 사이에 삽입되고, 그 후 함께 접착되어 원하는 SGOD(156)를 만든다.

도 35는 부분 반사면 어레이를 만드는 또 다른 방법을 도시한다. 복수의 투명 평판(158)으로 이루어지는 표면은 필요한 코팅(160)으로 코팅된 다음 정육면체(162)를 만들기 위하여 함께 접착된다. 그런 다음 자르기, 분쇄 및 연마에 의해 정육면체 형태를 세그먼트(164) 형태로 얇게 자른다.

출력광의 균일성이 중요하지 않은 경우들이 있다. 이러한 경우에, 반사면을 코팅하는 대신에, 반사면들 사이에 에어갭(air gap)을 두어 광이 프레넬 반사에 의해 표면에서 결합될 수 있게 한다. 그러나 이런 경우에는 출력 강도 균일성에 문제가 있을 수 있지만, 이 문제는 반대 방향에서 조사되는 두 개의 판(plate)을 사용하여 해결될 수 있다. 가능한 다른 해법은 대향 에지(opposite edge) 및 외표면을 반사 코팅으로 코팅하는 것이다.

전술한 바와 같이, 반사면 상에 비균일 코팅을 가지는 것이 중요한 애플리케이션이 있다. 도 36은 이러한 필요 조건(requirement)을 충족시키는 방법을 나타낸다. 두 개의 임의의 다른 방법에 의해 제조되며, 하부 어레이(168)에서의 반사율은 상부 원하는 요구된 SGOD(172)를 만든다.

이 기술분야의 당업자에게는 본 발명이 전술한 예시된 실시예의 상세한 설명으로 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상이나 본질적인 특성을 벗어나지 않는 다른 특정한 형태로 실시될 수 있음은 명백하다. 따라서 본 실시예는 모든 점에서 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적인 것으로 간주되어서는 안되며, 전술한 상세한 설명에 의해서가 아니라 첨부된 청구항에 의해 나타낸 본 발명의 범위, 그리고 청구항과 동등한 범위 및 의미에 부수하는 모든 변경은 따라서 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (42)

1. 광 전송 기판,

   내부 전반사에 의해 상기 기판에 광을 결합시키는 광학 수단, 및

   상기 기판에 의해 지탱되는 복수의 부분 반사면

   을 포함하며,

   상기 부분 반사면들은 서로 평행하고 상기 기판의 어느 에지와도 평행하지 않는

   광학 장치.
2. 제1항에서,

   상기 광학 수단은 상기 기판에 의해 지탱되는 파(wave) 반사면인 광학 장치.
3. 제1항에서,

   상기 복수의 부분 반사면은 내부 전반사에 의해 포획된 광을 상기 기판 밖에서 결합시키는 광학 장치.
4. 제2항에서,

   판독파(readout wave)로부터 이미지파(image wave)를 생성하는 수단을 더 포함하며,

   상기 판독파와 상기 이미지파는 상기 기판의 동일 면에 위치되는 광학 장치.
5. 제2항에서,

   판독파로부터 이미지파를 생성하는 수단을 더 포함하며,

   상기 판독파는 상기 기판의 한 면에 위치되고, 상기 이미지파는 상기 기판의 다른 한 면에 위치되는 광학 장치.
6. 제2항에서,

   판독파로부터 이미지파를 생성하는 수단을 더 포함하며,

   상기 판독파는 상기 기판의 에지 중 하나를 통해 상기 기판에 결합되는 광학 장치.
7. 제1항에서,

   상기 복수의 부분 반사면의 반사율은 균일한 밝기를 갖는 시야(field of view)를 확보하도록 결정되는 광학 장치.
8. 제1항에서,

   상기 복수의 부분 반사면의 반사율은 미리 정해진 밝기를 갖는 시야를 확보하도록 결정되는 광학 장치.
9. 제1항에서,

   상기 복수의 부분 반사면 각각의 반사율은 미리 정해진 밝기를 갖는 시야를 확보하기 위하여 국부적으로 변화하는 장치.
10. 제1항에서,

    상기 부분 반사면들 사이의 거리는 미리 정해진 밝기를 갖는 시야를 확보하도록 결정되는 광학 장치.
11. 제1항에서,

    상기 기판에 의해 지탱되는 제2 복수의 부분 반사면를 더 포함하고,

    상기 제2 복수의 부분 반사면은 서로 평행하고 상기 기판의 어느 에지와도 평행하지 않으며, 상기 제1 복수의 부분 반사면과도 평행하지 않는 광학 장치.
12. 제11항에서,

    상기 제2 복수의 부분 반사면은 내부 전반사에 의해 상기 기판에 결합되는 광의 전파 방향을 변경시키는 광학 장치.
13. 제11항에서,

    상기 제2 복수의 부분 반사면의 반사율은 균일한 밝기를 갖는 시야를 확보하도록 결정되는 광학 장치.
14. 제11항에서,

    상기 제2 복수의 부분 반사면의 반사율은 미리 정해진 밝기를 갖는 시야를 확보하도록 결정되는 광학 장치.
15. 제1항에서,

    상기 기판은 투과(see-through) 작용을 할 수 있도록 부분적으로 투명한 광학 장치.
16. 제1항에서,

    외부 광경으로부터 광이 들어오는 것을 방지하기 위하여 상기 기판의 표면에 부착된 불투명층을 더 포함하는 광학 장치.
17. 제1항에서,

    외부 광경으로부터 상기 장치를 통과하는 광의 밝기를 제어하기 위하여 상기 기판의 표면에 부착된 가변 투과율층(variable transmittance layer)을 더 포함하는 광학 장치.
18. 제17항에서,

    상기 가변 투과율층의 투과율은 외부 광경의 밝기에 따라 자동으로 결정되는광학 장치.
19. 제2항에서,

    상기 복수의 부분 반사면은 포획된 파를 관찰자의 한쪽 눈에 도달하도록 계산된 방향으로 반사시키는 광학 장치.
20. 제2항에서,

    상기 복수의 부분 반사면은 포획된 파를 관찰자의 양쪽 눈에 도달하도록 계산된 방향으로 반사시키는 광학 장치.
21. 제20항에서,

    상기 관찰자의 각 눈은 전체 시야 중 일부만을 보고, 양쪽 눈이 함께 전체 시야를 보는 광학 장치.
22. 제1항에서,

    상기 장치는 동일한 이미지에 대한 두 개의 상이한 초점을 결합시키는 광학 장치.
23. 제1항에서,

    상기 장치는 외부 광경에 대한 두 개의 상이한 종횡비(aspect)를 결합시키는광학 장치.
24. 제11항에서,

    상기 두 복수의 부분 반사면은 상기 기판으로부터 나온 광 빔의 횡방향 치수(lateral dimension)가 상기 기판에 들어가는 광 빔의 횡방향 치수보다 크도록 상기 기판에 내장되는 광학 장치.
25. 제24항에서,

    상기 두 복수의 부분 반사면의 반사율은 균일한 세기를 가지는 출력파를 얻도록 설정되는 광학 장치.
26. 제24항에서,

    상기 두 복수의 부분 반사면의 반사율은 미리 정해진 세기를 가지는 출력파를 얻도록 설정되는 광학 장치.
27. 제1항에서,

    가상 망막(virtual retinal) 디스플레이 광원을 더 포함하는 광학 장치.
28. 제1항에서,

    액정 디스플레이(LCD) 광원을 더 포함하며,

    상기 광원은 원하는 이미지의 푸리에 변환이 상기 LCD 판(plate)에 생성되도록 동작하는 광학 장치.
29. 제1항에서,

    광원을 구성하는 발광 다이오드 어레이를 더 포함하는 광학 장치.
30. 제29항에서,

    상기 광원은 상기 기판의 에지를 통해 상기 기판에 결합되는 광학 장치.
31. 제1항에서,

    상기 기판은 복수의 프리즘으로 이루어지는 광학 장치.
32. 제1항에서,

    상기 기판은 사출 성형 기술로 만들어지는 복수의 투명한 물체(transparent form)로 이루어지는 광학 장치.
33. 제1항에서,

    상기 기판은 복수의 평행 투명판으로 이루어지는 광학 장치.
34. 제1항에서,

    상기 복수의 반사면은 광학 코팅으로 코딩된 유연성 투명 시트부로 이루어지는 광학 장치.
35. 제1항에서,

    상기 부분 반사면들 사이에 에어 갭(air gap)을 더 포함하는 광학 장치.
36. 제1항에서,

    상기 기판의 표면 또는 에지의 일부는 반사면을 형성하기 위하여 광학 코팅으로 코팅되는 광학 장치.
37. 제1항에서,

    상기 장치의 광 경로에 삽입되는 적어도 하나의 반파장판(half-wavelength plate)을 더 포함하는 광학 장치.
38. 제1항에서,

    상기 복수의 부분 반사면의 반사율이 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의해 달성되는 광학 장치.
39. 제1항에서,

    상기 광 전송 기판의 외부에 위치되는 적어도 두 개의 반사면으로 이루어지는 어레이를 더 포함하는 광학 장치.
40. 제1항에서,

    광학 시스템을 형성하기 위하여 서로 결합되는 수 개의 상이한 기판을 더 포함하는 광학 장치.
41. 제1항에서,

    상기 장치는 안경 프레임(spectacle frame)에 내장되는 광학 장치.
42. 제1항에서,

    상기 장치는 셀룰러폰에 내장되는 광학 장치.