KR20160117521A - 멀티-포컬 디스플레이 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가상 현실 및 증강 현실 경험을 사용자들에게 제시하기 위한 구성들이 개시된다. 시스템은 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 제공하기 위한 이미지 생성 프로세서, 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들과 연관되는 광을 전달하기 위한 광 변조기, 이미지의 하나 또는 그 초과의 프레임들과 연관되는 유효 개구수를 변동시키도록 개구수들의 범위를 갖는 복수의 스위칭 가능 스크린들 및 복수의 스위칭 가능 스크린들 중의 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에서 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들의 포커스를 변동시키기 위한 VFE(variable focus element)를 포함할 수 있다.

Description

멀티-포컬 디스플레이 시스템 및 방법{MULTI-FOCAL DISPLAY SYSTEM AND METHOD}
[0001] 현대의 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은, 사용자가 현실인 것처럼 느끼거나 현실로서 지각될 수 있는 방식으로, 디지털 방식으로 재생되는 이미지들 또는 그의 부분들이 사용자에게 제시되는 이른바 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 가능케 하였다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투시 없이, 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위의 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다.
[0002] AR 시스템의 사용자에게 3D 가상 콘텐츠를 제시하게 될 때 다수의 난제들이 존재한다. 3D 콘텐츠를 사용자에게 제시하는 중심 전제는 다수의 깊이들의 지각을 생성하는 것을 수반한다. 일부 가상 콘텐츠가 사용자에게 더 근접하게 나타나는 동안, 다른 가상 콘텐츠는 더 멀리 있는 것으로 나타날 수 있다. 따라서, 3D 지각을 달성하기 위해, AR 시스템은 사용자에 대해 상이한 초점면들에서 가상 콘텐츠를 전달하도록 구성된다.
[0003] 위에서 나열된 US 가특허 출원들은 AR 시스템들의 맥락에서 다양한 초점면들을 생성하기 위한 시스템들 및 기술들을 제시한다. 이들 가상 현실 및/또는 증강 현실 시스템들의 설계는 가상 콘텐츠를 전달하는데 있어 시스템의 속도, 가상 콘텐츠의 품질, 사용자의 눈동자 거리(eye relief), 시스템의 크기 및 휴대성 및 다른 시스템 및 광학 난제를 비롯해서 다수의 난제들이 존재한다.
[0004] 본원에서 설명되는 시스템들 및 기술들은 이들 과제들을 다루기 위해 통상적인 인간의 시각적 구성과 작용하도록 구성된다.
[0005] 본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 초과의 사용자들에 대한 가상 현실 및/또는 증강 현실 상호작용을 용이하게 하기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 일 양상에서, 가상 콘텐츠를 디스플레이하기 위한 시스템이 개시된다.
[0006] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 증강 현실 디스플레이 시스템은 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 스캐닝하기 위한 스캐닝 디바이스 ― 스캐닝 디바이스는 이미지 데이터를 수신하기 위해 이미지 소스에 통신 가능하게 커플링됨 ― 중간 이미지 플래인 상에 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 포커싱하기 위해 스캐닝 디바이스에 동작 가능하게 커플링되는 VFE(variable focus element) ― , 중간 이미지 플래인은 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나에 대해 정렬되고, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 특정 시청 거리까지 중간 이미지 플래인과 연관되는 광을 스프레딩함 ― , 및 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 중계하도록 복수의 스위칭 가능 스크린들에 동작 가능하게 커플링되는 시청 광학계들을 포함한다.
[0007] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 스위칭 가능 PDLC(polymer dispersed liquid crystal) 디퓨저들(diffusers)을 포함한다. 스캐닝 디바이스는 하나 또는 그 초과의 실시예들에서 FSD(fiber scanned device)이다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 디퓨징 상태(diffusive state)와 투명 상태 간에 스위칭한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나의 스크린은 확산 상태로 스위칭되고, 잔여 수의 스크린들은 투명 상태로 스위칭된다.
[0008] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 프레임별 단위로 디퓨징 및 투명 상태 간에 스위칭될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 스캐닝 디바이스는 스캐닝 패턴으로 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 스캔한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 작은 어퍼처와 연관된다.
[0009] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 구동 신호는 광 변조기의 스캐닝 패턴의 함수로서 변동된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들의 필드 만곡을 평탄화한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 광학 전력은 스캐닝 디바이스의 스캔 필드(scan field) 내의 스캐닝된 스팟의 포지션의 함수로서 변동된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지의 제 1 부분은 이미지의 주변부와 상이하게 포커싱된다.
[0010] 다른 양상에서, 증강 현실을 디스플레이하는 방법은 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 제공하는 단계, 스캐닝 패턴으로 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들과 연관되는 광(light)을 스캐닝하는 단계, 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들이 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에 포커싱되게 하도록 VFE(variable focus element)를 통해 스캐닝된 광의 포커스를 변동시키는 단계, 및 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나를 통해 포커싱된 광을 스프레딩(spreading)하는 단계를 포함하고, 스위칭 가능 스크린들은 상이한 시청 거리들에 대응한다.
[0011] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 포커스는 프레임별 단위로 변동될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들은 시간-순차적 방식으로 제시된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 스위칭 가능 PDLC(polymer dispersed liquid crystal) 디퓨저들(diffusers)을 포함한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 디퓨징 상태(diffusive state)와 투명 상태 간에 스위칭한다.
[0012] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 복수의 스위칭 가능 스크린들은 프레임별 단위로 디퓨징 및 투명 상태 간에 스위칭될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 작은 어퍼처와 연관된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 방법은 스캐닝된 광의 스캔 필드(scan field) 내의 스캐닝된 스팟의 포지션의 함수로서 VFE의 광학 전력을 변동시키는 단계를 더 포함한다.
[0013] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 방법은 스캐닝된 광의 스캔 패턴에 매칭하도록 VFE의 신호를 구동하는 단계를 더 포함한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지의 제 1 부분은 이미지의 주변부와 상이하게 포커싱된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 방법은 광 변조기의 스캔 패턴에 매칭하고 그리하여 평면 이미지 필드를 생성하도록 VFE의 구동 신호를 조정하는 단계를 더 포함한다.
[0014] 또 다른 양상에서, 증강 현실 디스플레이 시스템은, 스캐닝 패턴으로 이미지를 스캐닝하기 위해 이미지 소스에 동작 가능하게 커플링되는 스캐닝 디바이스, 이미지를 가변 가능하게 포커싱하도록 스캐닝 광 디스플레이에 동작 가능하게 커플링되는 VFE(variable focus element), 및 이미지의 필드 만곡을 정정하여 실질적으로 평면 이미지 필드를 생성하도록 디스플레이의 스캐닝 패턴의 함수로서 VFE의 구동 신호를 변동하도록 VFE에 커플링되는 프로세서를 포함한다.
[0015] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 이미지의 주변부와 상이하게 이미지의 중심의 포커스를 변동시킨다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 증강 현실 디스플레이 시스템은 이미지와 연관된 광을 스프레딩하기 위해 개구수의 범위를 갖는 복수의 스위칭 가능 스크린들을 포함하며, VFE는 복수의 스위칭 가능 스크린들중의 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에 스캐닝된 광을 포커싱한다.
[0016] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들은 시간-순차적 방식으로 제공된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 프레임별 단위로 스캐닝된 광의 포커스를 변동시킨다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 프로세서는 스캐닝 디바이스의 스캔 패턴에 대응하도록 VFE의 구동 신호를 조정한다.
[0017] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지 데이터의 제 1 프레임은 제 1 포커스 레인지를 통해 스윕(sweep)되고, 이미지 데이터의 제 2 프레임은 제 2 포커스 레인지를 통해 스윕되고, 제 1 포커스 레인지는 제 2 포커스 레인지와 상이하다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 구동 신호는 사인파이다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 구동 신호는 삼각파이다.
[0018] 또 다른 양상에서, 증강 현실을 디스플레이하는 방법은 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 제공하는 단계, 스캐닝 패턴으로 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들과 연관되는 광을 스캐닝하는 단계; 및 실질적으로 평면 이미지 필드를 생성하도록 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들의 필드 만곡을 정정하기 위해 스캐닝 패턴에 따라 VFE(variable focus element)의 구동 신호를 조정하는 단계를 포함한다.
[0019] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 구동 신호는, 이미지의 제 1 부분이 이미지의 제 2 부분과 상이하게 포커싱되도록 조정된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE는 프레임별 단위로 포커스를 스위칭한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 방법은 포커스의 레인지를 통해 이미지 데이터의 프레임을 구동하는 단계를 더 포함한다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 이미지 데이터의 제 1 프레임은 제 1 포커스 레인지를 통해 스윕되고, 이미지 데이터의 제 2 프레임은 제 2 포커스 레인지를 통해 스윕되고, 제 1 포커스 레인지는 제 2 포커스 레인지와 상이하다.
[0020] 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 구동 신호는 사인파에 따라 조정된다. 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, VFE의 구동 신호는 삼각파에 따라 조정된다.
[0021] 본 발명의 부가적인 그리고 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 상세한 설명, 도면, 및 청구항들에서 설명된다.
[0022] 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들의 설계 및 활용을 예시한다. 도면들은 제 축척대로 그려지지 않으며, 유사한 구조들 또는 기능들의 엘리먼트들은 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조 번호들로 표현된다는 것이 주의되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들의 상술된 그리고 다른 이점들 및 목적을 달성하기 위한 방법을 더 잘 인지하기 위해, 위에서 간략히 설명된 본 발명들의 보다 상세한 설명이 첨부 도면들에서 예시되는 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 제공될 것이다. 이 도면들이 본 발명의 통상적인 실시예들을 단지 도시하며, 그에 따라 본 발명의 범위의 제한으로 고려되지 않는다는 이해 하에, 본 발명은 첨부 도면들의 이용을 통해 부가적인 특수성 및 세부사항들로 설명되고 기술될 것이다.
[0023] 도 1은 일 예시적인 실시예에 따라 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 다른 광학계와 함께 VFE(variable focus element)를 포함하는 광학 시스템 구성의 평면도를 예시한다.
[0024] 도 2는 일 예시적인 실시예에 따라 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 다른 광학계와 함께 VFE 및 복수의 스위칭 가능 스크린들을 포함하는 다른 광학 시스템 구성의 평면도를 예시한다.
[0025] 도 3은 일 예시적인 실시예에 따라, 가상 이미지를 사용자에게 디스플레이할 때 만곡의 필드(field of curvature)의 평면도를 예시한다.
[0026] 도 4는 스캔 필드 내의 스캐닝된 스팟의 포지션과 협력하여 VFE의 광학 전력(디옵터)이 어떻게 변동될 수 있는지에 관한 예시적인 실시예를 예시한다.
[0027] 도 5는 일 예시적인 실시예에 따라 FSD(fiber scanning device)의 패턴에 대한 VFE 구동 신호의 그래프를 예시한다.
[0028] 도 6은 일 예시적인 실시예에 따라 4개의 깊이 플래인들에 대해 FSD(fiber scanning device)의 패턴에 대한 VFE 구동 신호의 그래프를 예시한다.
[0029] 도 7은 일 예시적인 실시예에 따라 FSD(fiber scanning device)의 다른 패턴에 대한 삼각 VFE 구동 신호의 다른 그래프를 예시한다.
[0030] 본 발명의 다양한 실시예들은, 단일 실시예에서 또는 일부 실시예들에서, 전자 회로 설계의 다중-시나리오 물리적-인식 설계를 구현하기 위한 방법들, 시스템들 및 제조 물품들에 관한 것이다. 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 상세한 설명, 도면, 및 청구항들에서 설명된다.
[0031] 당업자들이 본 발명을 실시하는 것을 가능케 하도록 본 발명의 예시적인 예들로서 제공되는 다양한 실시예들은 도면들을 참조하여 이제 상세히 설명될 것이다. 명백히, 도면들 및 아래의 예들은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 엘리먼트들은 부분적으로 또는 전체적으로, 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)을 이용하여 구현될 수 있는 경우, 본 발명의 이해를 위해 필수적인 이러한 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)의 단지 그 부분들만이 설명될 것이고, 이러한 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)의 다른 부분들의 상세한 설명들은 본 발명을 모호하게 하지 않도록 생략될 것이다. 또한, 다양한 실시예들은 본원에서 예로서 참조되는 컴포넌트들에 대한 현재 그리고 미래의 알려지는 등가물들을 포함한다.
[0032] 미국 가출원 일련 번호 제61/909,774호(지금 미국 특허 출원 일련 번호 제14/555,585호); 미국 특허 제6,046,720호; 제7,555,333호; 제784,697호; 및 미국 특허 출원 일련 번호 제11/573,118호 및제12/468,832호(이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함됨)에서 논의된 바와 같이, 가변 포커스 엘리먼트(이하, "VFE")는 동적 방식으로 이미지의 파면(wavefront)(예를 들어, 포커스)를 조정하는데 이용될 수 있고 멀티-포컬 3D 이미저리(multi-focal 3D imagery)를 생성하는데 이용될 수 있다. VFE는 아날로그 포커스 변조를 가능케 할 수 있거나, 또는 이산 포커스 상태들 간에 스위칭할 수 있다.
[0033] 본 개시는, 예컨대, 시청 광학계의 출사동 또는 아이박스(eyebox)의 크기를 증가시키고 및/또는 이미지의 유효 개구수를 증가시키기 위해, 스프레딩된 입사광에 대한 스위칭 가능한 폴리머 분산형 액정(이하 "PDLC") 디퓨저들(diffusers)과 같은 복수의 스위칭 가능 스크린들의 이용을 설명한다. 예를 들어, PDLC 스크린은 실질적으로 투명한 상태와 실질적으로 디퓨징 상태 간에 스위칭될 수 있다.
[0034] 복수의 스위칭 가능 스크린들은, 바람직한 실시예들에서, 스위칭 가능 스크린 상에 입사되는 광의 파면을 조정할 수 있는 하나 또는 그 초과의 VFE들에 동작 가능하게 커플링된다. 간략함을 위해, 이 논의의 잔여부는 단일 VFE를 참조하지만, 복수의 VFE들이 실시예들 각각에서 단일 VFE 대신 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일 실시예에서, VFE는, 동작 가능하게 커플링되는 디스플레이 엘리먼트(예컨대, 스캐닝된 광 디스플레이, 스캐닝된 레이저 디스플레이, DLP, LCD, LCoS, OLED, 전기변색 디스플레이, 전기 습윤 디스플레이, LED 어레이, 또는 당 분야에 알려진 임의의 다른 디스플레이 기술)로부터의 이미지가 주어진 시간 단계에서 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에 실질적으로 포커싱되게 하도록 광의 파면을 변조한다. 일 실시예에서, 스위칭 가능 스크린은 시청자에 의해 직접 시청된다. 일 실시예에서, 스위칭 가능 스크린은, 이미지 엘리먼트들이 광학 시청 거리에 있는 것으로 지각하도록 스위칭 가능 스크린으로부터 시청자에게 광을 중계하는 시청 광학 시스템에 동작 가능하게 커플링된다.
[0035] 시청 광학 시스템이 필드 만곡(field curvature)을 거의 또는 전혀 생성하지 않는 경우, 스위칭 가능 엘리먼트 상의 이미지는 광학 시청 거리에서 시청자에 대해 실질적으로 평면 이미지를 형성하도록 중계될 것이다. 시청 광학 시스템이 일부 검출 가능한 필드 만곡을 생성하는 경우, 스위칭 가능 엘리먼트 상의 이미지는 광학 시청 거리들의 범위의 경계에 있는 시청자에 대해 곡선 이미지를 형성하도록 중계될 것이다. 예를 들어, 이미지의 중심은 1미터의 광학 시청 거리에 포지셔닝될 수 있는 반면에, 이미지의 주변부는 1.1 미터의 광학 시청 거리에 포지셔닝될 수 있다.
[0036] 시청자에게 이러한 곡선 이미지 플래인을 생성하는 디스플레이 시스템에 동작 가능하게 커플링되는 랜더링 시스템은 이미지 내의 그의 레터럴 포지션(lateral position)의 함수로서 디스플레이되는 이미지 엘리먼트들의 랜더링 특성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 랜더링 시스템은 이미지의 중앙에서 1미터에 있도록 의도된 객체들을 랜더링하고 이미지의 주변부에서 1.1미터에 있도록 의도된 이미지들을 랜더링할 수 있다. 랜더링 시스템은 이미지 내의 레터럴 포지션의 함수로서 이미지 엘리먼트들에 대한 시뮬레이트된 포커스 및 필드 깊이를 또한 랜더링할 수 있다. 예를 들어, 가상 카메라를 포함하는 3D 랜더링 시스템에서, 3D 볼륨의 프로젝션을 캡처하는데 이용되는 가상 카메라의 포커스는 이미지의 중앙의 이미지 엘리먼트들에 대해 1미터에 그리고 이미지의 에지 근처의 이미지 엘리먼트들에 대해 1.1미터에 배치될 수 있다.
[0037] 복수의 스위칭 가능 스크린들이 (광학 시스템을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 스크린들을 시청하는) 시청자로부터 상이한 시청 거리를 점유하도록 이들이 스택되는 경우, 복수의 이미지 엘리먼트들은 복수의 스위칭 가능 스크린들 상에 프로젝팅될 수 있어서, 상이한 이미지 엘리먼트들을 포함하는 광은 상이한 광학 시청 거리들로부터 시청자에 도달하게 된다. 복수의 스위칭 가능 스크린들로부터의 광 필드를 바라보는 시청자는 상이한 포커스 레벨 및 시청 거리들에서 상이한 객체들을 갖는 3D 체적 이미지(volumetric image)를 지각할 수 있다. 예를 들어, 복수의 스위칭 가능 스크린들이 PDLC 스위칭 가능 디퓨저들의 10개의 층들을 포함하는 경우, 랜더링되는(및/또는 캡처되는) 3D 장면은 10개의 이미지 슬라이스들로 슬라이싱될 수 있으며, 각각의 이미지 슬라이스는 상이한 PDLC 스크린으로 프로젝팅된다.
[0038] 상이한 이미지 슬라이스들은 프레임-순차적 방식으로 PDLC 스크린의 스택으로 동작 가능하게 커플링되는 디스플레이 시스템에 의해 프로젝팅될 수 있으며, 각각의 시간 단계에서 하나의 PDLC 층이 디퓨징 상태(diffusive state)로 스위칭되고, 다른 PDLC 층들은 투명 상태로 스위칭되어서, 단지 하나의 층만이 주어진 시간 단계에서 디퓨징 스크린(diffusing screen)으로서 작용하게 된다. 동작 가능하게 커플링된 VFE, 예컨대 가변 가능 포커스 렌즈가 동기식 프레임-순차적 방식으로 동작 가능하게 커플링되는 디스플레이 엘리먼트로부터의 광의 파면을 변조할 수 있어서, 랜더링된 이미지의 각각의 슬라이스는 디퓨징 상태로 스위칭되는 PDLC 층 상에 포커싱되게 된다.
[0039] 스위칭 가능 스크린들은 레어(rear) 프로젝션 구성 및/또는 프론트(front) 프로젝션 구성에서 이용될 수 있다. 큰 유효 어퍼처, 큰 포커스 레인지, 낮은 전력 소비 및 고속 포커스 변조를 동시에 달성하는 VFE를 생성하는 것이 난제일 수 있다. 본원에서 설명되는 시스템은 비교적 작은 VFE가 디스플레이 소스에 동작 가능하게 커플링되는 것을 가능케 하는데, 그 이유는 스위칭 가능 스크린들의 동작 가능하게 커플링된 스택은, VFE의 작은 어퍼처에도 불구하고 큰 아이박스를 지원하기 위해 중계된 이미지들의 유효 NA를 증가시키기 때문이다.
[0040] 당 분야에서, 일정량의 필드 만곡도 전달함 없이 디스플레이 소스로부터의 광을 중계하기 위한 광학 시스템을 설계 및 제조하는 것은 단순하지 않다는 것이 알려져 있다. 필드 평탄도(field flatness)에 대해서도 정정되는 광학 시스템들은 종종, 중계된 광의 필드 만곡을 완전히 정정하지 않는 광학 시스템보다 더 크고, 설계 및 제조하기 더 복잡하며 더 비싸다.
[0041] 본 개시는 또한 필드 평탄화 또는 필드 만곡의 정정을 수행하기 위해 입사 광의 파면을 물리적으로 변조하도록 VFE의 이용을 설명한다. 일 실시예에서, VFE는 실질적으로 평면 이미지 필드를 형성하기 위해 곡선 이미지 필드로부터 인입하는 광을 조정하기 위한 필드 평탄화를 수행하기 위해서, VFE 상에 입사되는 이미지 데이터를 포함하는 광의 파면을 변조하는데 이용된다. 일 실시예에서, VFE를 나가는 광은 필드 평탄화되고, 스크린(예컨대, 본원에서 설명된 바와 같은 스위칭 가능 스크린, 또는 예컨대, 이동 스크린, 또는 예컨대 정적 스크린) 상에 실질적으로 포커싱되게 된다.
[0042] 일 실시예에서, VFE는 스캐닝된 광 디스플레이(예컨대, 섬유 스캐닝 디스플레이, 스캐닝 미러 디스플레이, 스캐닝 레이저 디스플레이, 플라잉 스팟 디스플레이(flying spot display), 또는 라인 스캔 디스플레이)에 동작 가능하게 커플링되어서, VFE는 상이한 스캔 포지션들에서 광의 파면을 상이하게 변조할 수 있게 된다. 예를 들어, 섬유 스캐닝 디스플레이는, 이미저리를 프로젝팅하기 위해, 필드의 중심에서 시작하고, 시간이 지나면서 필드의 에지를 향해 바깥쪽으로 나선을 이루는 스팟과 같이 나선 패턴으로 구동되며, 동작 가능하게 커플링되는 광 소스는 스캔 패턴과 동기식으로 변조된다.
[0043] 섬유 스캐닝 디스플레이에 동작 가능하게 커플링되는 VFE는, 스캐닝된 이미지의 중심이 하나의 광학 전력으로 포커싱되고, 이미지의 에지를 향하는 스팟들은 상이한 광학 전력으로 포커싱되도록 스캐닝된 스팟의 편심율(eccentricity)의 함수로서 그의 광학 전력을 변화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 필드의 만곡은 픽셀별 또는 라인별 단위로 동적으로 조정될 수 있다. 이는 매우 간결한 시스템(예를 들어, 정적 렌즈들의 스택 대신 단일 VFE)에서 뛰어난 필드 평탄도를 갖는 광학 시스템을 가능케 한다.
[0044] 주어진 거리에서 스크린에 프로젝팅되는 이미지에 대한 필드 평탄화를 수행하는 것 외에도, VFE는 본원에서 설명되는 바와 같이 복수의 스위칭 가능 스크린들의 상이한 스크린으로 이미지의 전체 포커스를 스위칭할 수 있다. VFE는 3D 볼륨을 포함하는 실질적으로 평면 이미지들의 스택을 형성하도록 스크린 거리들 각각에서 필드 만곡을 정정할 수 있다.
[0045] VFE는 평탄화기 및 포커싱 렌즈로서 작용한다. VFE는 간결한 디스플레이 소스에 동작 가능하게 커플링될 수 있기 때문에 VFE는 작은 어퍼처 크기(예를 들어, 3mm)를 포함할 수 있다. VFE는 링잉(ringing) 또는 다른 일시적 아티팩트들을 최소화하거나 제거하면서 고주파수 포커스 변조를 가능케 하기 위해, 사인파와 같이 연속적이고 스무스하게(smoothly) 변동되는 신호로 구동될 수 있다.
[0046] 도 1에서 도시된 바와 같은 3D 디스플레이 시스템(100)은 디스플레이 유닛(102), VFE(104) 및 시청 광학계(106)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 대해, 시청자에 대한 큰 아이박스 또는 출사동을 지원하기 위해 큰 어퍼처를 갖는 VFE를 이용하는 것이 통상적으로 유리하다. 그러나 당 분야에 알려진 통상적인 큰 어퍼처 VFE들은 통상적으로 빠른 응답 시간들, 낮은 동작 전압, 간결한 크기, 적은 무게, 및 큰 어퍼처 크기들에 대한 신뢰도를 쉽게 달성할 수 없을 수 있다.
[0047] 일 실시예가 도 2에서 도시된다. 이것은 섬유 스캐닝 디스플레이(202)(이하, "FSD") 유닛, VFE(204), 스택된 스위칭 가능 디퓨저들(206) 및 시청 광학계(208)를 포함한다. VFE(204)는 작은 어퍼처 크기가 디스플레이 광을 수신하고 중계하기에 충분하도록 FSD(202)에 근접하게 포지셔닝될 수 있다. VFE(204)는 폴리머 분산형 액정(이하 "PDLC") 디스플레이들과 같은 복수의 스택된 스위칭 가능 스크린들(206)과 정렬되는 중간 이미지 플래인들로 FSD(202)로부터의 광을 포커싱할 수 있다. 각각의 시간 단계에서, 단일 스위칭 가능 스크린은 디퓨징 상태에 있는 반면에, 다른 스크린들은 실질적으로 투명 상태에 있다. 각각의 스위칭 가능 스크린 상에 프로젝팅되는 이미지는 시청 광학계에 의해 시청자에게로 중계되는 멀티-포컬 이미지의 특정 거리에 대응한다.
[0048] 단순한 종래의 정적 렌즈 설계들에 의해 생성될 수 있는 필드 만곡 외에도, FSD(202)의 일부 실시예들은 곡선 이미지 소스를 포함한다. 도 3은 하나의 정적 포커스 상태의 VFE와 관련하여, 주어진 FSD(202) 및 VFE(204) 구성에 의해 생성되는 총 필드 만곡(306)의 단순한 광학 모델을 도시한다. 만곡의 필드가, 정정되지 않을 채로 남아있는 경우, 평면 프로젝션 스크린과 열등하게 정렬되어, 다른 픽셀들은 포커스에 있는 동안 일부 픽셀들이 스크린 상에서 포커스를 벗어나게 한다.
[0049] 도 4는 스캔 필드 내의 스캐닝된 스팟의 포지션과 협력하여 VFE의 광학 전력(디옵터)이 어떻게 변동될 수 있는지에 관한 예시적인 실시예(400)를 도시한다. 예를 들어, VFE가 나선 패턴(도 4의 좌측 하단)으로 FSD 스캐닝에 동작 가능하게 커플링되는 경우, VFE는 스캔의 중심의 광에 대해 더 높은 광학 전력 및 스캔의 주변부의 광에 대해 더 낮은 광학 전력을 생성할 수 있어서, 편심율의 함수로서 스무스하게 변동하게 되고 ― 출력에서 실질적으로 평면 이미지 필드를 산출한다.
[0050] 일 실시예에서, VFE는 매우 고속 포커스 변조를 가능케 하도록 실질적으로 사인곡선 방식으로 변조된다. 도 5는, VFE 출력에서 평면 필드를 생성하기 위해 FSD 나선 스캔 구동 신호의 스캔 진폭이 VFE의 사인곡선 오실레이션(sinusoidal oscillation)에 대해 어떻게 매칭될 수 있는지에 관한 예시적인 실시예(500)를 도시한다. 도 5의 유닛들은 도 4의 필드 포지션 데이터에 대한 예시적인 VFE 디옵터로부터 도출된다.
[0051] 일 실시예에서, VFE 구동 신호는, 링잉 또는 다른 구동 아티팩트들을 최소화하고 고속 포커스 변조를 지원하기 위해 VFE에 대해 실질적으로 스무스한 구동 신호를 유지하면서, 원하는 FSD 스캔 진폭 패턴에 매칭하도록 완벽한 사인파로부터 조정된다.
[0052] 도 6은 시간 순차적 방식으로 4개의 깊이 플래인들(즉, 고정 거리들)(602, 604, 606 및 608)을 생성하는 실시예(600t)를 예시한다. 이 실시예에서, VFE는 36.80 디옵터(1/m) 내지 49.58 디옵터의 총 포커스 레인지를 통한 사인파 스윙으로 구성된다. 사인파의 피크들 및 저점들(troughs)의 진폭은 스캐닝 광 디스플레이(예를 들어, FSD)에 의한 이미지 슬라이스들의 프로젝션과 동기식으로 시간 순차적 방식으로 정정되어서, 4개의 이미지 슬라이스들 각각의 포커스는 총 포커서 레인지의 상이한 서브세트를 통해 스윕(sweep)되게 된다. 포컬 레인지 서브세트들 간의 전체 오프셋은 시청자에게 제시되는 이미지 슬라이스들의 상이한 광학 시청 거리들에 대응한다. 각각의 이미지 슬라이스의 포커스 레인지 내의 변동은, 필드 만곡을 정정하고 각각의 깊이 플래인에 대해 실질적으로 평면 이미지 필드를 생성하도록 이미지의 중심이 주변부와 상이한 광학 전력으로 포커싱되는 것을 가능케 한다. 일 예로서, -20도 내지 20도의 FSD 스캐닝 각도들이 도시된다. 도 6의 VFE 디옵터 레인지는 도 4의 필드 포지션 데이터에 대한 예시적인 VFE 디옵터와 일치한다.
[0053] 도 7은 사인곡선이 아닌 VFE에 대한 구동 신호의 일 변동(700)을 도시한다. 이 경우에, 삼각파(도면에서 개방 사각형들)가 VFE 포커스 상태를 구동하는데 이용된다. 도 7은, 또한 VFE 출력에서 평면 필드를 생성하기 위해 FSD 나선 스캔 구동 신호(도 7의 흑색 원)의 스캔 진폭이 VFE의 오실레이션에 대해 어떻게 매칭될 수 있는지를 도시한다. 도 7의 유닛들은 도 4의 필드 포지션 데이터에 대한 예시적인 VFE 디옵터와 일치한다.
[0054] VFE를 이용하는 동적 필드 평탄화 방법 및 시스템 및 복수의 스위칭 가능 스크린들을 포함하는 멀티-포컬 디스플레이 시스템은 서로 별개로 이용될 수 있거나, 또는 이들은 공유 시스템에서 효과적으로 이용될 수 있다.
[0055] 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들이 본원에서 설명된다. 비-제한적인 의미로 이 예들에 대한 참조가 이루어진다. 이들은 본 발명의 보다 널리 응용 가능한 양상들을 예시하도록 제공된다. 본 발명의 진정한 사상 및 범위로부터 벗어남 없이, 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 이루어질 수 있으며, 등가물들이 대체될 수 있다. 또한, 다수의 변형들은 본 발명의 목적(들), 사상 또는 범위로 특정한 상황, 재료, 물질의 구성, 프로세스, 프로세스 동작(들) 또는 단계(들)을 적응시키도록 이루어질 수 있다. 추가로, 당업자들에 의해 인지될 바와 같이, 본원에서 설명되고 예시된 개별 변동들은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 다른 몇개의 실시예들 중 임의의 것의 특징들과 결합되거나 이로부터 쉽게 분리될 수 있는 이산 컴포넌트들 및 특징들을 갖는다. 모든 이러한 변형들은 본 개시와 연관되는 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
[0056] 본 발명은 당해 디바이스들을 이용하여 수행될 수 있는 방법들을 포함한다. 방법들은 이러한 적합한 디바이스를 제공하는 동작을 포함할 수 있다. 이러한 프로비전(provision)은 최종 사용자에 의해 수행될 수 있다. 즉, "제공하는" 동작은 단지, 당해 방법에서 필수적 디바이스를 제공하기 위해 최종 사용자 획득, 액세스, 접근, 포지션, 셋-업, 활성화, 파워-업 또는 다른 방식의 동작을 요구한다. 본원에서 인용되는 방법들은 이벤트들의 인용된 순서에 더하여, 논리적으로 가능한 인용된 이벤트들의 임의의 순서로 수행될 수 있다.
[0057] 본 발명의 예시적인 양상들은, 재료 선택 및 제조에 관한 세부사항들과 함께, 위에서 기술되었다. 본 발명의 다른 세부사항들에 대해서도 말하자면, 이들은 위에 참조된 특허들 및 공개문헌들과 관련하여 인지되는 것은 물론, 당업자들에 의해 일반적으로 알려지거나 인지될 수 있다. 공통적으로 또는 논리적으로 이용되는 부가적인 동작들의 견지에서 본 발명의 방법-기반 양상들에 관하여 동일하게 적용될 수 있다.
[0058] 또한, 본 발명이 다양한 특징들을 선택적으로 포함하는 몇개의 예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 각각의 변동들에 관하여 고려되는 것으로 설명되거나 표시된 것으로 제한되지 않는다. 본 발명의 진정한 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 , 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 이루어질 수 있고, 등가물들(본원에서 인용되었든지 또는 어느 정도의 간략함을 위해 포함되지 않았든지 간에)이 대체될 수 있다. 또한, 값들의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상위 및 하위 제한 간의 각각의 모든 개재 값 및 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 개재 값이 본 발명 내에 포함된다는 것이 이해된다.
[0059] 또한, 설명된 본 발명의 변동들의 임의의 선택적 특징들은 본원에서 설명된 특징들 중 임의의 하나 또는 그 초과와 결합하여 또는 독립적으로 기술되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 단수 아이템에 대한 참조는 복수의 동일한 아이템이 존재한다는 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 본원에서 그리고 그와 연관된 청구항에서 이용될 때, 단수 형태, "상기" 및 "그"는 특별히 달리 언급되지 않으면 복수 대상들을 포함한다. 즉, 관사의 이용은, 위의 설명은 물론 본 개시와 연관된 청구항에서 당해 아이템 중 "적어도 하나"를 허용한다. 이러한 청구항들은 임의의 선택적인 엘리먼트를 배제하도록 선별될 수 있다는 것이 추가로 주의된다. 따라서, 이러한 스테이트먼트는 "네거티브(negative)" 제한의 이용 또는 청구항 엘리먼트들의 인용과 관련하여 "단지", "유일" 등과 같은 배제적 용어의 이용에 대한 선행 근거로서 역할하도록 의도된다.
[0060] 이러한 배제적 용어의 이용 없이, 본 개시와 연관된 청구항에서 "포함하는"이란 용어는, 정해진 수의 엘리먼트들이 이러한 청구항들에서 열거되는지 또는 특징들의 부가가 이러한 청구항에서 기술된 엘리먼트의 성질을 변형하는 것으로서 고려될 수 있는지 여부에 무관하게, 임의의 부가적인 엘리먼트의 포함을 허용할 수 있다. 본원에서 구체적으로 정의된 것을 제외하면, 본원에서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 청구항 효력을 유지하면서 공통적으로 이해되는 의미를 가능한 넓게 제공하게 될 것이다.
[0061] 본 발명의 범위는 제공된 예들 및/또는 당해 규격으로 제한되지 않고, 오히려 본 개시에 연관된 청구항 언어의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (23)

  1. 증강 현실을 디스플레이하는 방법으로서,
    이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 제공하는 단계;
    스캐닝 패턴으로 상기 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들과 연관되는 광(light)을 스캐닝하는 단계;
    상기 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들이 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에 포커싱되게 하도록 VFE(variable focus element)를 통해 스캐닝된 광의 포커스를 변동시키는 단계; 및
    상기 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나를 통해 상기 포커싱된 광을 스프레딩(spreading)하는 단계
    를 포함하고,
    상기 스위칭 가능 스크린들은 상이한 시청 거리들에 대응하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커스는 프레임별 단위(frame-by-frame basis)로 변동되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들은 시간-순차적 방식으로 제시되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 가능 스크린들은 스위칭 가능 PDLC(polymer dispersed liquid crystal) 디퓨저들(diffusers)을 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 가능 스크린들은 디퓨징 상태(diffusive state)와 투명 상태 간에 스위칭하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 가능 스크린들은 프레임별 단위로 상기 디퓨징 및 투명 상태 간에 스위칭될 수 있는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 VFE는 작은 어퍼처와 연관되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐닝된 광의 스캔 필드(scan field) 내의 스캐닝된 스팟의 포지션의 함수로서 상기 VFE의 광학 전력을 변동시키는 단계
    를 더 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐닝된 광의 스캔 패턴에 매칭하도록 상기 VFE의 신호를 구동하는 단계
    를 더 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    이미지의 제 1 부분은 상기 이미지의 주변부와 상이하게 포커싱되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 변조기의 스캔 패턴에 매칭하고 그리하여 평면 이미지 필드를 생성하도록 상기 VFE의 구동 신호를 조정하는 단계
    를 더 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  12. 방법 단계들을 구현하기 위한 수단을 갖는 시스템으로서 구현되는 제 1 항 내지 제 11 항 어느 한 항에 따른 방법.
  13. 방법 단계들을 실행하기 위한 실행 가능 코드를 갖는 컴퓨터-이용 가능 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 물건으로서 구현되는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법.
  14. 증강 현실을 디스플레이하는 방법으로서,
    이미지 데이터의 하나 또는 그 초과의 프레임들을 제공하는 단계;
    스캐닝 패턴으로 상기 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들과 연관되는 광을 스캐닝하는 단계; 및
    실질적으로 평면 이미지 필드를 생성하도록 상기 이미지 데이터의 하나 또는 초과의 프레임들의 필드 만곡을 정정하기 위해 상기 스캐닝 패턴에 따라 VFE(variable focus element)의 구동 신호를 조정하는 단계
    를 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구동 신호는, 상기 이미지의 제 1 부분이 상기 이미지의 제 2 부분과 상이하게 포커싱되도록 조정되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 VFE는 프레임별 단위로 포커스를 스위칭하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    포커스 레인지(focus range)를 통해 이미지 데이터의 프레임을 구동하는 단계
    를 더 포함하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 VFE는 복수의 스위칭 가능 스크린들 중 하나 상에 스캐닝된 광을 포커싱하고, 상기 복수의 스위칭 가능 스크린들은 상이한 시청 거리들에 대응하는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    이미지 데이터의 제 1 프레임은 제 1 포커스 레인지를 통해 스윕(sweep)되고, 이미지 데이터의 제 2 프레임은 제 2 포커스 레인지를 통해 스윕되고, 상기 제 1 포커스 레인지는 상기 제 2 포커스 레인지와 상이한,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 VFE의 구동 신호는 사인파에 따라 조정되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 VFE의 구동 신호는 삼각파에 따라 조정되는,
    증강 현실을 디스플레이하는 방법.
  22. 방법 단계들을 구현하기 위한 수단을 갖는 시스템으로서 구현되는 제 14 항 내지 제 21 항 어느 한 항에 따른 방법.
  23. 방법 단계들을 실행하기 위한 실행 가능 코드를 갖는 컴퓨터-이용 가능 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 물건으로서 구현되는 제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 방법.
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