KR20160132972A - 근안 디스플레이를 위한 저프로파일 이미지 조합기 - Google Patents

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앤드류 제이 오더커크
에린 에이 맥도웰
티모시 엘 웡
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

근안 디스플레이 시스템 등의, 조합기 광학계로도 지칭되는 이미지 조합기는 사용자가 "월드 뷰" 내에서 원격 물체들을 볼 수 있을 정도로 충분한 광을 투과시키면서, 또한 사용자가 "투영된" (증강된) 뷰 내에서 투영된 이미지를 동시에 볼 수 있을 정도로 충분한 광을 반사시킨다. 개시된 이미지 조합기들은 쐐기형 반사 공동을 형성하도록 구성된 2개의 부분 반사기들을 사용한다. 디스플레이 시스템에서, 이미징 디바이스로부터의 광은 사용자의 눈으로의 경로를 따르는데, 경로는 쐐기형 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함한다. 쐐기형 공동의 이러한 능력을 이용함으로써, 조합기 광학계는, 단 하나의 부분 반사기 및 광학 경로 내에서의 단 하나의 반사를 이용하는 조합기 광학계보다, 더 낮은 프로파일 및 상당히 감소된 두께를 가질 수 있다.

Description

근안 디스플레이를 위한 저프로파일 이미지 조합기{LOW PROFILE IMAGE COMBINER FOR NEAR-EYE DISPLAYS}
본 발명은 대체적으로 렌즈 및 관련된 광학 구성요소에 관한 것으로서, 관련된 광학 구성요소는 원격 물체 및 투영된 이미지의 동시 관찰을 가능하게 하는 부분 반사 요소를 포함하는 광학 구성요소에 대한 특정 응용을 갖는다. 본 발명은 또한 관련 물품, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광학 빔스플리터는 공지되어 있다. 일부 빔스플리터는 사이에 반사 필름을 두고 2개의 프리즘을 함께 접합시킴으로써 제조된다. 예컨대, 미국 특허 제7,329,006호(아스투엔(Aastuen) 외)를 참조하라. 렌즈도 또한 공지되어 있다. 공지된 렌즈에는 2개 이상의 단순 렌즈들이 함께 접합된 복합 렌즈가 포함된다. 미국 특허 제5,654,827호(라이헤르트(Reichert))에는 렌즈가 빔스플리터에 의해 2개의 부분으로 나뉘어져 있는 렌즈들이 논의되고 있다.
헤드 업 디스플레이(Head-Up Display) 또는 헤드 마운트 디스플레이(Head-Mounted Display)(본 명세서에서는 집합적으로 HUD로 지칭됨)는 사용자의 시야의 전부 또는 일부를 채우는 이미지를 투영할 수 있다. 일부 HUD는 투영된 이미지를 외부 환경의 일상적인 이미지와 통합하는 조합기 광학계(combiner optic)를 사용한다. 일부 경우에, HUD는 안경의 폼 팩터(form factor)와 유사한 폼 팩터를 가질 수 있는 근안 디스플레이(NED)이다. 예컨대, 미국 특허 제6,353,503호(스핏저(Spitzer) 외)를 참조하라.
근안 디스플레이들 등에서, 디스플레이 시스템은 월드 뷰(world view)를 증강된(투영된) 뷰와 서로 겹침으로써 광학적으로 조합하는 적어도 하나의 조합기 광학계, 예컨대 조합기 렌즈를 사용한다. 월드 뷰에서, 사용자는 조합기 광학계를 통하여 먼 곳에 있는 물체들을 본다. 증강된 뷰에서, 사용자는 소형 프로젝터에 의해 생성되어 조합기 광학계에 의해 사용자의 눈 내로 반사되는 이미지를 본다. 시스템은 바람직하게는, 고 품질 광학 성능으로 그리고 강인한 패키지 내에서 2개의 뷰들을 조합한다. 또한, 안경은 경량이고 미적으로 만족스러운 것이 바람직하다. 조합기 광학계는 광학 성능에서뿐만 아니라 디스플레이 시스템의 중량 및 심미성에서도 중요한 역할을 할 수 있다.
본 출원인은 축방향 치수(두께)가 매우 작게 제조될 수 있는 구성요소 크기에서 2개의 겹쳐진 뷰들을 제공할 수 있는 새로운 부류의 조합기 광학계들, 예컨대 조합기 렌즈들을 개발하였다. 감소된 두께는, 조합기 광학계의 부피를 감소시키고 이에 따라 그의 중량을 감소시킬 뿐만 아니라, 얇고 현대적인 "저프로파일" 설계를 제공함으로써 시스템 심미성을 향상시키기 위해 이용될 수 있다. 감소된 두께 능력은 조합기 광학계의 소정의 광학 설계 특징들에 의해 가능하게 된다. 간략하게, 조합기 광학계는 쐐기형 반사 공동(wedged reflective cavity)을 형성하는 2개의 부분 반사기들을 사용한다. 투영된(증강된) 뷰를 생성하는 이미징 광은 이미징 디바이스로부터 사용자의 눈으로의 경로를 따르고, 부분 반사기들은 이러한 광 경로가 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함하도록 구성된다. 반사 공동 내에서의 다중 반사들을 채용함으로써, 부분 반사기들은 단일-반사 빔스플리터에 필요로 되는 경사각과 비교하여 더 작은 경사각으로, 즉 조합기 광학계의 종축 또는 광학 축에 대해 보다 수직에 가깝게 배향될 수 있는데, 이는 더 얇은 제품 구성을 가능하게 한다. 개시된 조합기 광학계들의 덜 기울어진 설계 특징은 또한 월드 뷰 및 투영된 뷰 둘 모두에 대한 광각 관찰을 위해 이롭다.
따라서, 본 출원인은 본 명세서에서, 특히, 원격 물체들 및 투영된 이미지의 동시 관찰을 가능하게 하는 디스플레이 시스템들을 기술하는데, 본 시스템들은 조합기 광학계 및 이미징 디바이스를 포함한다. 조합기 광학계는 근위 단부 및 원위 단부를 갖는데, 근위 단부는 사용자의 눈 근처에 배치하기에 적합하다. 이미징 디바이스는 이미징 광을 조합기 광학계의 근위 단부를 향하여 지향시키도록 배치된다. 조합기 광학계는 쐐기형 반사 공동을 형성하는 제1 및 제2 부분 반사기들을 포함하고, 이미징 광은 사용자의 눈으로의 광 경로를 따르는데, 광 경로는 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함한다.
제1 부분 반사기는 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 반사 편광기는 조합기 광학계의 근위 단부에 또는 그 근처에 배치되어, 광 경로를 따라 전파하는 이미징 광이 제2 부분 반사기와 만나기 전에 반사 편광기와 만나게 할 수 있다. 반사 편광기는 원형 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 반사 편광기는 선형 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있고, 조합 광학계는 제1 부분 반사기와 제2 부분 반사기 사이에 배치된 지연기 층(retarder layer)을 추가로 포함할 수 있다. 지연기 층은 실질적으로 λ/4의 지연을 가질 수 있다. 반사 공동 내에서의 3회의 반사들은 반사 편광기에서의 제1 반사 및 제2 부분 반사기에서의 제1 반사 및 제2 반사를 포함할 수 있다. 지연기 층는 진상 축(fast axis)을 가질 수 있고, 반사 편광기는 통과 축을 가질 수 있고, 진상 축은 통과 축에 대해 배향되어, 반사 편광기에서의 제1 반사가 반사 편광기를 통한 이미징 광의 투과가 거의 또는 전혀 없는 상태에서 일어나도록 할 수 있다.
조합기 광학계는 별개의 제1 및 제2 렌즈들을 포함할 수 있고, 제1 렌즈는 제2 부분 반사기를 통하여 제2 렌즈에 부착될 수 있다. 제1 렌즈는 제1 만곡된 표면을 가질 수 있고, 제2 렌즈는 제1 만곡된 표면과 정합하도록 형상화된 제2 만곡된 표면을 가질 수 있다.
제2 부분 반사기는 노치(notch)형 반사기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 400 내지 700 nm의 파장 범위에 걸쳐, 노치형 반사기는 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이 100 나노미터 미만인 적어도 하나의 별개의 반사 대역을 포함할 수 있다. 제2 부분 반사기는 편광 상태에 실질적으로 무의존성(insensitive)인 수직 입사에서의 반사율을 가질 수 있다. 400 내지 700 nm의 파장 범위에 걸쳐, 제2 부분 반사기는 반치전폭(FWHM)이 100 나노미터 미만인 별개의 반사 대역을 갖지 않을 수 있다. 제1 부분 반사기는 이미징 광에 대한 평균 반사율이 25% 내지 75% 범위에 있을 수 있고, 제2 부분 반사기는 이미징 광에 대한 평균 반사율이 25% 내지 75% 범위에 있을 수 있다.
반사 편광기는 편광의 통과 상태 및 차단 상태를 정의할 수 있고, 반사 편광기의 차단 상태는 노치형 반사 스펙트럼을 제공할 수 있고, 이미징 광은 노치형 반사 스펙트럼에 대응하는 하나 이상의 별개의 스펙트럼 출력 피크들을 포함할 수 있다. 또한, 제2 부분 반사기는 반사 편광기의 차단 상태의 노치형 반사 스펙트럼에 대응하는 제2 노치형 반사 스펙트럼을 갖는 노치형 반사기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
본 출원인은 또한 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 조합기 광학계들을 기술하는데, 그러한 조합기 광학계들은 근위 단부에 또는 그 근처에 있는 제1 렌즈 및 원위 단부에 또는 그 근처에 있는 제2 렌즈를 포함한다. 제1 및 제2 부분 반사기들이 제1 렌즈의 서로 반대편인 단부들 상에 배치될 수 있는데, 제1 부분 반사기는 제1 렌즈의 제1 표면에 부착되고, 제2 부분 반사기는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 개재되어 있다. 제1 및 제2 부분 반사기들은 조합기 광학계를 통하여 원격 물체들의 관찰을 가능하게 하기에 충분한 광 투과율을 가질 수 있고, 제1 및 제2 부분 반사기들은 쐐기형 반사 공동을 형성할 수 있다.
제1 부분 반사기는 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 제1 부분 반사기는 선형 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있고, 조합기 광학계는 또한 제1 부분 반사기와 제2 부분 반사기 사이에 배치된 지연기 층을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 부분 반사기들은, 근위 단부에서 지향된 이미징 광이 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함하는 광 경로를 통해 근위 단부 근처에 배치된 눈에 관찰가능한 이미지를 제공하도록 조정된 반사율들을 가질 수 있다.
본 출원인은 또한 공급원(source)으로부터 검출기로 광을 방향전환시키는 광학계들(광학 요소들)을 개시한다. 광학계는 쐐기형 반사 공동을 형성하도록 배열된 반사 편광기 및 반사기를 포함한다. 광학계도 또한 반사 편광기와 반사기 사이에 지연기 층을 포함한다. 지연기 층은 반사 편광기에 대해 배향되어, 반사 편광기를 통하여 쐐기형 반사 공동에 들어가는 광이 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들 후에 반사 편광기를 통하여 쐐기형 반사 공동에서 나오게 한다.
반사 편광기는 가시 파장 스펙트럼의 대부분 또는 전부에 걸쳐 동작하는 광대역 편광기일 수 있거나, 또는 반사 편광기는 대신에 노치형 반사기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 어느 경우든, 반사 편광기는 편광의 차단 상태에서 적어도 일부 광에 대한 반사율이 50% 초과, 또는 70% 초과, 또는 90% 초과, 또는 99% 초과일 수 있다. 지연기 층은 실질적으로 λ/4의 지연을 가질 수 있다. 반사기는 쐐기형 반사 공동을 통하여 그리고 광학계를 통하여 원격 물체들의 광학 검출을 가능하게 하기에 충분한 광 투과율을 갖는 부분 반사기이어서, 광학계가 조합기 광학계이도록 할 수 있다. 대안적으로, 광학계는 쐐기형 반사 공동을 통하여 또는 광학계를 통하여 원격 물체들의 광학 검출을 가능하게 하기에 불충분한 광 투과율을 가져서, 광학계가 조합기 광학계가 아니도록 할 수 있다. 그러한 광학계들을 포함하는 시스템들이 또한 개시된다. 시스템들은 이미징 광을 광학계의 반사 편광기를 향하여 지향시키는 이미징 디바이스를 포함할 수 있다. 시스템들은 또한 또는 대안적으로 반사 편광기를 통하여 쐐기형 반사 공동에서 나오는 광을 수신하도록 배치된 검출기를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 검출기는 사람의 눈일 수 있거나, 또는 그것은 대신에 전자 검출기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 첨부된 청구범위 및 다음의 상세한 설명에서 발견될 수 있다.
관련된 방법, 시스템, 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 및 다른 태양이 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 상기의 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 그 요지는 절차의 진행 동안에 보정될 수 있는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.
도 1은 본 명세서에 기술된 바와 같은 좌우 조합기 광학계를 포함하는, 안경류의 형태의, 근안 디스플레이 시스템의 개략 평면도이고, 도 1a 및 도 1b는 이러한 안경류가 어떻게 사용자가 월드 뷰 및 투영된 뷰를 각각 볼 수 있게 하는지를 도시하는 개략도들이다.
도 2a는 조합기 광학계가 단 하나의 부분 반사기를 사용하는 디스플레이 시스템의 개략 측면도 또는 단면도이고, 도 2b는 이러한 시스템에 대해 이미징 디바이스로부터 눈으로의 광 경로가 조합기에서의 단 하나의 반사를 갖는 것을 도시한다.
도 3a는 조합기 광학계가 쐐기형 반사 공동으로서 구성된 2개의 부분 반사기들을 사용하는 디스플레이 시스템의 개략 측면도 또는 단면도이고, 도 3b는 이러한 시스템에 대해 이미징 디바이스로부터 눈으로의 광 경로가 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 갖는 것을 도시한다.
도 4는 쐐기형 공동으로서 구성된 2개의 부분 반사기들을 갖는 조합기 광학계의 확대된 개략도인데, 이때 광선들은 이미징 디바이스로부터 눈으로의 광 경로의 일부분 뿐만 아니라 미광(stray light) 빔들을 생성하는 이미징 광의 반사들 및 굴절들을 나타내도록 그려져 있다.
도 5 및 도 6은 쐐기형 공동으로서 구성된 2개의 부분 반사기들을 갖는 추가적인 조합기 광학계들의 확대된 개략도들로서, 이러한 조합기 광학계들은 또한 미광 빔들을 감소시키기 위한 추가적인 요소들을 포함한다.
도 7은 제조되고 시험된 조합기 광학계를 제조하기 위해 다른 부분 반사기와 조합된 부분 반사기의 측정된 스펙트럼 반사율의 그래프이다.
도 8은 제조되고 시험된 조합기 광학계의 사진으로서, 조합기 광학계는 투과되고 반사된 이미지들이 보여질 수 있도록 인쇄 표면 상에 배치되어 있다.
도 9는 편광된 이미징 광으로 조명되고 있고 이미징 광을 표면 상으로 반사시키는 조합기 광학계의 사진이다.
도면에 있어서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 출원인은, 축방향 치수 또는 두께가, 원하는 경우, 쐐기형 반사 공동을 형성하기 위해 서로에 대해 기울어진 2개의 부분 반사기들의 포함으로 인해 종래의 조합기 광학계의 축방향 치수 또는 두께보다 더 작게 제조될 수 있는 조합기 광학계들을 개발하였다. 투영된 뷰를 형성할 시에, 디스플레이 시스템에서의 이미징 디바이스로부터의 광은 사용자의 눈으로의 경로를 따르는데, 경로는 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함한다.
도 1로 돌아가면, 본 출원인은 사용자가 월드 뷰 및 투영된 뷰를 동시에 인지할 수 있게 하는 디스플레이 시스템(110)의 개략도를 볼 수 있다. 시스템(110)은 설명의 용이함을 위해 x-y-z 직교 좌표계의 맥락에서 도시되어 있다. 월드 뷰는 원격 물체(104)와 같은 실제 물체들과 연관될 수 있다. 투영된 뷰는 좌측 이미징 디바이스(130) 및 우측 이미징 디바이스(150) 중 하나 또는 둘 모두에 의해 생성되고, 월드 뷰 상에 겹쳐질 수 있다. 투영된 뷰는 투영된 광에 의해 형성되는 가상 물체(105)에 의해 도면에 나타나 있다. 일부 경우에, 2개 이상의 상이한 관련 가상 물체들을 갖는 2개의 상이한 투영된 뷰들, 예컨대, 좌측 이미징 디바이스(130)에 의해 제공되는 좌측 투영된 뷰 및 우측 이미징 디바이스(150)에 의해 제공되는 우측 투영된 뷰가 제공될 수 있다. 별개의 좌측 및 우측 투영된 뷰들이 제공되는 경우, 그들은 하나 이상의 가상 물체들의 좌측 및 우측 입체 뷰들이어서, 따라서 그러한 물체(들)의 3차원 외관 또는 착시(illusion)를 사용자에게 제공할 수 있다. 대안적으로, 좌측 및 우측 투영된 뷰들은 대신에 상이한 관련 없는 가상 물체들의 뷰들일 수 있다. 또 다른 경우에, 이미징 디바이스들(130, 150) 중 하나가 생략되어서, 디스플레이 시스템(110)이 단 하나의 이미징 디바이스를 포함하고 단 하나의 투영된 뷰를 제공하도록 할 수 있다.
개시된 디스플레이 시스템들은, 적어도 하나의 조합기 광학계 및 그의 관련 이미징 디바이스가 제위치에 유지되거나 또는 달리 사용자의 눈 근처에 위치되거나 걸리는 한, 임의의 적합한 스타일 또는 포맷으로, 예컨대 안경류(예컨대, 안경) 또는 모자류(예컨대, 모자, 헬멧, 또는 챙(visor))로 제조될 수 있다. 도 1의 디스플레이 시스템(110)은 안경류로서 예시되어 있고, 그런 의미에서 그것은 사용자의 귀 및 코에 의해 지지될 수 있는 적합한 프레임(112)을 포함한다. 프레임(112)은 좌측 조합기 광학계(120) 및 우측 조합기 광학계(140)를 각각 사용자의 좌측 눈(102) 및 우측 눈(103)의 옆에서 제위치에 유지시킨다. 프레임은 또한 좌측 이미징 디바이스(130) 및 우측 이미징 디바이스(150)를 그들 각각의 조합기 광학계들(120, 140)에 대해 적절한 배향각으로 그리고 그 근처에서 유지시킨다.
조합기 광학계(120)는 서로 반대편인 제1 및 제2 광학 표면들(120a, 120b)을 갖는데, 이들은 전형적으로 공기에 노출되는 최외각 표면들이다. 제1 광학 표면(120a)은 사용자의 눈(102) 근처에 배치하기에 적합한 광학계(120)의 근위 단부에 있다. 제2 광학 표면(120b)은 사용자로부터 멀어지게 그리고 존재할 수 있는 임의의 원격 물체(들)를 향하여 외향으로 대면하는 광학계(120)의 원위 단부에 있다. 원주 측 표면(120c)은 제1 광학 표면(120a)과 제2 광학 표면(120b)을 연결한다. 조합기 광학계는 전형적으로 렌즈들 또는 프리즘들과 같은 2개 이상의 별개의 광학 몸체들을 포함하는데, 광학 몸체들은 서로 일치하고, 그리고 접합되거나 또는 달리 함께 부착되거나 붙어 있어서 조합기 광학계가 단일 광학 모듈 또는 패키지의 형태로 있도록 한다. 조합기 광학계(120)는 광학계의 근위 단부에 있는 하나의 광학 몸체(122) 및 광학계의 원위 단부에 있는 다른 광학 몸체(124)로 이루어지는 것으로 도시되어 있다. 이러한 광학 몸체들의 광학 표면들은 평면, 비평면(예컨대, 만곡됨), 또는 평면과 비평면의 조합들일 수 있는데, 예컨대, 몸체들(122, 124)의 경우에, 이들 각각은 하나의 평면 광학 표면 및 하나의 만곡된 광학 표면을 갖는다.
광학 몸체(122), 광학 몸체(124), 및 본 명세서에 개시된 다른 광학 몸체들은 그의 광학 표면들 중 적어도 하나가, 평탄하거나 평면이기보다는 오히려, 만곡되어, 예컨대 볼록 또는 오목한 경우, 렌즈인 것으로 간주될 수 있다. 곡률은 구면일 수 있거나, 즉, 이는 실질적으로 전체 광학 표면에 걸쳐 일정한 곡률 반경을 가질 수 있거나, 또는 이는, 통상 점진적이고 연속적인 방식으로 광학 표면에 걸쳐 곡률 반경이 변하는, 비구면일 수 있다. 렌즈가 제로(zero) 광학 굴절력을 가질 수 있고 수렴도 발산도 아닐 수 있는 경우인 광학 표면들 둘 모두가 동일한 곡률을 갖지 않는다면, 곡률은 광학 몸체에 제로가 아닌 광학 굴절력, 예컨대 수렴 렌즈의 경우에 양(positive)의 광학 굴절력 또는 발산 렌즈의 경우에 음(negative)의 광학 굴절력을 제공한다. 또한, 몸체의 광학 표면의 곡률은 2개의 직교 단면 평면들, 예컨대 도 1의 x-z 평면 및 y-z 평면에 존재할 수 있거나, 또는 이는 2개의 직교 단면 평면들 중 하나의 평면에만 존재할 수 있는데, 예컨대, 이는 x-z 평면에는 존재하지만 y-z 평면에는 존재하지 않을 수 있다.
서로 반대편인 광학 표면들이 둘 모두 평면이지만 서로에 대해 기울어지거나 비스듬한 광학 몸체는 본 명세서에서 렌즈보다는 오히려 프리즘으로 지칭될 수 있다. 예컨대, 도 3을 참조하라.
주어진 조합기 광학계는 렌즈들 및/또는 프리즘들인 광학 몸체들을 포함할 수 있다. 광학 몸체들의 광학 표면들이 평면인지 만곡되어 있는지에 따라, 그리고 광학 몸체들의 굴절률들과 같은 다른 인자들에 따라, 조합기 광학계(120)는 제로가 아닌 광학 굴절력을 가질 수 있거나, 예컨대, 그것은 그를 통과하는 광에 대한 순수 수렴 효과 또는 순수 발산 효과를 가질 수 있거나, 또는 그것은 제로 또는 실질적으로 제로인 광학 굴절력을 가질 수 있다. 또한, 조합기 광학계에 의해 제공되는 광학 굴절력은 월드 뷰가 투영된 뷰와 비교하여 상이할 수 있으며 그리고 전형적으로 상이한데, 이는 이러한 2개의 뷰들에 의해 사용되는 광 경로들이 상이하기 때문임에 유의해야 한다. 조합기 광학계(120)의 경우에, 광학 몸체들(122, 124)이 동일 또는 유사한 굴절률을 갖고 광학 표면들(120a, 120b)이 실질적으로 평면이면, 광학계(120)는 월드 뷰에 대해 실질적으로 제로인 광학 굴절력을 가질 수 있지만, 부분 반사기(128)가 도시된 바와 같이 만곡되어 있으면, 그것은 투영된 뷰에 대해 유의한 제로가 아닌 광학 굴절력을 가질 수 있다.
각각의 조합기 광학계는 종축 또는 광학 축을 정의할 수 있다. 이러한 축은 함께 작동하도록 설계되는 눈의 광학 축과 일치하도록 정의될 수 있다. 따라서, 도 1에서, 디스플레이 시스템(110)이 사용자의 머리 상에 또는 그 근처에 적절하게 위치될 때 조합기 광학계(120)의 종축(121)은 또한 사용자의 좌측 눈(102)의 광학 축과 일치하고, 조합기 광학계(140)의 종축(141)은 사용자의 우측 눈(103)의 광학 축과 일치한다. 많은 경우에, 주어진 조합기 광학계의 종축은 또한 광학계의 근위 및 원위 단부들에 있는 적어도 광학 표면들, 예컨대, 조합기 광학계(120)의 광학 표면들(120a, 120b)의 기하학적 중심들을 통과한다. 종축이 조합기 광학계의 하나 또는 일부 광학 표면들, 예컨대 광학계의 근위 및 원위 단부들에 있는 서로 반대편인 광학 표면들에 대한 대칭 축일 수 있지만, 그것은 다른 광학 표면들, 특히, 조합기 광학계 내에 매설되고 조합기 광학계 내의 2개의 부분 반사기들 중 하나와 연관되는 광학 표면의 대칭 축이 아닐 수 있다 - 그리고 많은 경우에 그의 대칭 축이 아니다.
이와 관련하여, 도 1의 조합기 광학계(120)는 부분 반사기(126) 및 부분 반사기(128)를 포함한다. 부분 반사기(128)는 조합기 광학계(120) 내에 매설되고, 그것이 광학계(120)의 종축(121)에 대해 대칭이 아닌 방식으로 기울어지고 만곡되어 있다. 부분 반사기들의 더 많은 태양들 및 특징들이 아래에 추가로 논의된다. 조합기 광학계 내의 2개의 부분 반사기들 중 하나 또는 둘 모두는 바람직하게는 종축에 대해 기울어져 있고, 또한 쐐기형 반사 공동을 형성하는 방식으로 만곡되어 있을 수 있다. 공동은 이미징 디바이스와 함께 작동하도록 설계되기 때문에 쐐기형인데, 이는 사용자의 눈으로부터 분리되고 사용자의 눈에서 조금 떨어져 있고, 따라서 또한 광학계의 종축으로부터 변위되어 있다. 조합기 광학계(120)의 경우에, 부분 반사기들(126, 128)은 쐐기형 반사 공동(129)을 형성한다. 부분 반사기들(126, 128) 및 공동(129)은 투영된 뷰의 이미징 광이 이미징 디바이스(130)로부터 사용자의 좌측 눈(102)으로의 경로를 따르도록 구성되는데, 이 경로는 공동(129) 내에서의 3회의 반사들을 포함한다.
좌측 조합기 광학계(120)의 다양한 부분들 및 특징들이 지금까지 논의되었다. 독자는 도 1에 도시된 바와 같이, 우측 조합기 광학계(140)가 광학계(120)에 대한 거울 이미지 대칭을 가질 수 있는 것 이외에는, 우측 조합기 광학계(140)가 좌측 광학계(120)와 동일 또는 실질적으로 유사한 설계를 가질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 우측 조합기 광학계(140)는 광학계(140)의 근위 및 원위 단부들에 있는 서로 반대편인 제1 및 제2 광학 표면들(140a, 140b), 원주 측 표면(140c), 광학계(140)의 근위 단부에 있는 광학 몸체(142) 및 원위 단부에 있는 다른 광학 몸체(144), 종축 또는 광학 축(141), 및 쐐기형 반사 공동(149)을 형성하는 부분 반사기들(146, 148)을 갖고, 이러한 요소들 전부는 우측 조합기 광학계(120)에서의 그들 각각의 대응물들과 동일 또는 유사할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 동작 중의 도 1의 디스플레이 시스템의 개략도들이다. 도 1a는 월드 뷰를 생성하는 광이 시스템에 의해 어떻게 취급되는지를 도시한다. 도 1b는 투영된 뷰를 생성하는 광이 시스템에 의해 어떻게 취급되는지를 도시한다. 이러한 도면들에서, 동일한 도면 부호들은 도 1로부터의 동일한 요소들을 지칭하고, 이들의 설명은 여기에서 반복되지 않을 것이다.
도 1a에서, 하나 이상의 원격 물체들로부터의 광(106)이 물체(들)로부터 시스템(110)의 사용자에게 전파한다. 광(106)은 전형적으로 가시 광이지만, 또한 자외선 및/또는 근적외선과 같은 비가시 파장들일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 광(106)은 또한 전형적으로 편광되지 않지만, 일부 경우에 그것은 약하게 또는 심지어 강하게 편광될 수 있다. 간단한 경우에, 광은 비편광 광대역 백색 광, 예컨대, 주변 태양광, 일광, 또는 물리적 물체에서 반사된 사무실 조명일 수 있다. 광(106)은 조합기 광학계들(120, 140)의 최외각 광학 표면들(120b, 140b)과 만나고, 그 결과, 광(106)은 굴절에 의해 각각의 조합기 광학계들에 들어간다. 그러한 최외각 광학 표면들에 반사방지 코팅이 제공되지 않는다면, 간단한 공기/유전체 계면에 대한 주지된 프레넬(Fresnel) 방정식에 따라 그러한 표면들에서 일부 반사가 또한 일어날 것이다. 이와 관련하여, 조합기 광학계들을 이루는 광학 몸체들, 예컨대 광학계(120)의 광학 몸체들(122, 124) 및 광학계(140)의 광학 몸체들(142, 144)은, 임의의 적합한 광투과성 광학 재료, 예를 들어, 광학적으로 투명한 중합체, 예컨대 폴리카르보네이트, 아크릴레이트, 예컨대 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 환형 폴리올레핀 공중합체 및/또는 환형 폴리올레핀 중합체, 또는 실리콘, 또는 광학 유리 또는 세라믹, 예컨대 소다 석회 유리, 붕규산 유리, 실리카, 또는 사파이어로 제조될 수 있다. 이러한 재료들 전부 또는 대부분은 유전체들이다. 전형적으로, 주어진 조합기 광학계의 광학 몸체들, 예컨대 조합기 광학계(120)의 몸체들(122, 124)은 동일 또는 유사한 광학 재료로 구성되고, 동일 또는 유사한 굴절률을 갖는다. 그러나, 일부 경우에, 몸체들(122, 124)은 실질적으로 상이한 광학 재료들로 구성될 수 있고, 실질적으로 상이한 굴절률들을 가질 수 있거나, 또는 일부 재료 조합으로 실질적으로 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 각각의 몸체(122, 124)의 굴절률은 전형적으로 복굴절성이기보다는 오히려 등방성이다. 간단한 공기/유전체 계면이 일부 광을 반사시키고 나머지를 투과시킨다 하더라도, 그러한 계면은 이러한 응용의 목적을 위한 "부분 반사기"인 것으로 간주되지 않는다. 그러한 계면에서 반사되는 광의 양은 또한 전형적으로 매우 작은데, 예컨대, 수직 또는 거의 수직 입사각으로 입사되는 광에 대해 8% 미만, 또는 6% 미만, 또는 5% 미만이다.
이제 편의상 좌측 조합기 광학계(120)를 참조하면, 조합기 광학계에 들어가는 광(106)은 부분 반사기(128)와 만날 때까지 광학 몸체(124)(도 1 참조)를 통하여 전파한다. 이 실시 형태에서, 부분 반사기(128)는 몸체들(122, 124)의 정합하는 만곡된 표면들 사이에 개재되어 있는 것으로 가정된다. 여기서, 광(106)의 특징들(예컨대, 파장, 편광, 입사각) 및 부분 반사기(128)의 특징들에 따라, 광(106)의 일부분이 반사될 수 있고, 나머지는 부분 반사기(128)를 통하여 광학 몸체(122)(도 1 참조) 내로 투과될 수 있다. 예를 들어 부분 반사기(128)가 (스펙트럼) 노치형 반사기이며 광(106)의 상당 부분이 노치형 반사기의 반사 대역(들)을 회피하는 파장들에 있는 경우, 또는 부분 반사기가 반사 편광기이며 광(106)의 상당 부분이 반사 편광기에 의해 반사되는 편광에 직교하는 편광을 갖는 경우, 부분 반사기(128)에서 반사되는 광(106)의 부분은 작거나 최소일 수 있는데, 예컨대 10% 미만, 또는 5% 미만일 수 있다. 대안적으로, 광(106)의 더 많은 부분, 예컨대 최대 20%, 또는 최대 30%, 또는 최대 40%가 부분 반사기(128)에서 반사될 수 있다. 많은 경우에, 부분 반사기(128)의 광학 흡수는 작거나 무시해도 될 정도여서, 부분 반사기(128)에 의해 투과되는 광(106)의 부분은, 100%에서 부분 반사기(128)에 의해 반사되는 광(106)의 양을 뺀 것과 실질적으로 또는 대략 같을 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 예컨대 부분 반사기(128)가 금속 증기 코트(metal vapor coat)이거나 그를 포함하는 경우, 흡수가 더 많아서, 반사율과 투과율의 합이 100% 미만이도록 할 수 있다.
부분 반사기(128)에 의해 투과되는 광(106)의 부분은 광학 몸체(122)(도 1 참조)를 통하여 부분 반사기(126)로 전파한다. 이 실시 형태에서, 부분 반사기(126)는 광학 몸체(122)의 외부 광학 표면 상에 형성되거나, 그에 접착되거나, 또는 달리 그에 적용되는 것으로 가정된다. 부분 반사기(126)에서, 광(106)의 특징들 및 부분 반사기(126)의 특징들(부분 반사기(128)에 관한 상기 논의 참조)에 따라, 광(106)의 일부분은 반사될 수 있고, 나머지는 부분 반사기(126)를 통하여, 조합기 광학계(120) 밖으로, 그리고 사용자의 눈(102)을 향해 투과될 수 있다.
도 1b는 투영된 뷰를 사용자에게 제공할 시에 디스플레이 시스템(110)이 어떻게 동작하는지를 도시한다. 다음의 설명에서, 본 출원인은, 이미징 디바이스(150) 및 우측 조합기 광학계(140)를 포함하는 우측 절반이 실질적으로 동일 또는 유사한 방식으로 동작할 수 있다는 것을 조건으로, 시스템(110)의 좌측 절반의 동작에 집중할 것이다.
이미징 디바이스(130)는 OLED 디스플레이, 투과성 액정 디스플레이, 반사성 LC 디스플레이(예를 들어, 액정 온 실리콘(Liquid Crystal on Silicon, LCoS) 디스플레이), 또는 스캔형 레이저 디바이스일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 어느 경우에서도, 디바이스(130)는 조합기 광학계에 의한 반사 후에, 사용자에 의해 가상 이미지로서 인지될 수 있는 이미징 광(132)을 방출한다. 이미징 광(132)은 통상의 비편광 백색 광일 수 있거나, 또는 그것은 시스템 효율을 향상시키기 위해 부분 반사기들(126, 128) 중 하나 또는 둘 모두의 광학 특징들과 정합하거나 또는 실질적으로 정합하도록 조정되는 특정한 특성들, 예컨대, 스펙트럼 및/또는 편광 특성들을 가져서, 예컨대, 부분 반사기들(126, 128) 중 하나 또는 둘 모두가 이미징 광(132)에 대해 더 높은 반사율을 제공하면서, 또한 원격 물체들로부터의 광의 높은 투과율을 제공하도록 할 수 있다. 따라서, 디바이스(130)는 편광을 방출할 수 있고, 이어서 부분 반사기들(126, 128) 중 하나 또는 둘 모두는 그러한 편광 상태의 경우 더 높은 반사율을 갖고 직교 편광 상태의 광의 경우 더 낮은 반사율(및 더 높은 투과율)을 갖도록 조정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 디바이스(130)는 하나 이상의 협대역의 이미징 광을 선택적으로 방출할 수 있고 (예컨대, 이는 스펙트럼의 적색, 녹색, 또는 청색 영역과 같은 단 하나의 협대역의 광을 방출할 수 있거나, 또는 이는 실질적으로 중첩되지 않는 2가지 또는 3가지의 그러한 협대역들의 광을 방출할 수 있고), 이어서 부분 반사기(들)는 이미징 광(132)의 협대역 또는 협대역들에서만 고반사율을 갖도록 조정될 수 있다. 상기한 것은, 부분 반사기들 중 하나 또는 각각이, 디스플레이 시스템의 일부 실시 형태에서, 원격 물체들에 의해 방출되는 광을 전형적으로 특징지을 수 있는 통상의 주변 광(예컨대, 비편광 광대역 백색 광)의 경우보다 이미징 광(132)의 경우 더 높은 반사율 및 더 낮은 투과율을 갖도록 조정될 수 있다는 것에 주목함으로써 다시 언급될 수 있다.
이미징 디바이스(130)를 떠날 때, 이미징 광(132)은 조합기 광학계(120)와의 상호작용을 수반하며 사용자의 눈(102)의 망막에서 끝나는 경로를 따르는데, 광학계(120)와의 상호작용은 부분 반사기들(126, 128)에 의해 형성된 쐐기형 반사 공동(129) 내에서의 다중 반사들을 포함한다. 이미징 광(132)은 조합기 광학계(120)의 근위 단부에서 조합기 광학계(120)의 최외각 광학 표면(120a)과 만나고, 이 근위 단부에 (도 1의 실시 형태에서) 부분 반사기(126)가 위치된다. 광(132)의 일부가 여기에서 반사되고, 나머지 부분이 부분 반사기(126)에 의해 투과되어 굴절에 의해 쐐기형 반사 공동(129)에 들어간다. 이 경우의 공동(129)은 광학 몸체(122)에 실질적으로 대응한다. 이어서, 이미징 광(132)의 투과된/굴절된 부분은 반사 공동(129) 및 광학 몸체(122) 내에서 전파하는데, 여기서 그의 일부분은 부분 반사기(128)에 의해 먼저 반사되고, 이어서 부분 반사기(126)에 의해 반사되고, 다시 부분 반사기(128)에 의해 반사된다. 공동(129) 내에서의 제3 반사(부분 반사기(128)에서의 제2 반사임) 후에, 광(132)의 경로는 부분 반사기(126)로 이어지는데, 여기서 광의 일부분은 반사되고 광의 일부분은 투과된다. 현 시점에서 투과되는 광(132)은 조합기 광학계(120)에서 나오고, 종축(121)을 따라 사용자의 눈(102)을 향해 이동한다. 도면에 개략적으로 도시된 이미징 광(132)의 광선은 이미징 디바이스(130)에 의해 방출된 광선속(bundle of rays) 중 하나에 불과한데, 그 각각은 유사한 특징들을 갖고 그리고 특히 반사 공동(129) 내에서의 3회의 반사들을 갖는 경로들을 따르며, 이러한 광선들의 집속은 사용자의 월드 뷰 상에 겹쳐질 수 있는 투영된 이미지를 사용자에게 제시하기 위해 조합된다.
도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b는, 단 하나의 반사 및 단 하나의 부분 반사기를 사용하는 시스템들과 비교하여, 투영된 이미지의 광학 경로 내에서의 다중 반사들 및 쐐기형 반사 공동을 이용하는 광학 디스플레이 시스템들에 의해 제공되는 이점을 개략적으로 예시한다. 도 2a 및 도 2b는 비교 또는 참고를 위해 제공되며, 조합기 광학계가 단 하나의 부분 반사기를 갖고 단 하나의 반사를 사용하는 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 도 3a 및 도 3b는 조합기 광학계가 쐐기형 반사 공동을 형성하기 위해 배열된 2개의 부분 반사기들을 갖는 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 간략하게, 쐐기형 반사 공동(도 3a)에 의해 제공되는 다중 반사들은 부분 반사기가, 비교 시스템(도 2a) 내의 부분 반사기보다, 더 작은 경사각으로, 즉, 조합기 광학계의 종축 또는 광학 축에 대해 보다 수직에 가깝게 배향될 수 있게 한다. 부분 반사기의 더 작은 경사각은 결과적으로 도 3a의 조합기 광학계가, 도 2a의 조합기 광학계와 비교하여, 더 작은 종방향 치수를 가질 수 있게 하며, 즉, 그것은 더 얇게 제조될 수 있다.
도 2a에서, 디스플레이 시스템(210)은, 이미징 디바이스(230)와 조합하여, 투영된 이미지를 사용자의 눈(202)에 제공하는 조합기 광학계(220)를 포함한다. 유사하게, 도 3a에서, 디스플레이 시스템(310)은, 이미징 디바이스(330)와 조합하여, 투영된 이미지를 사용자의 눈(302)에 제공하는 조합기 광학계(320)를 포함한다. 이러한 도면들에서의 조합기 광학계들은, 두 경우 모두 z-축에 평행한 사용자의 눈의 광학 축과 일치하는 각각의 종축들 또는 광학 축들(도 2a의 축(221), 도 3a의 축(321))을 가질 수 있다. 각각의 경우의 이미징 디바이스는 사용자의 눈으로부터 오프셋되어 있고, 각각의 조합기 광학계의 종축에 대한 입사각(θinc)으로 특징지어지는 방향으로 배향된다. 비교의 용이함을 위해, 배향각(θinc)은 도 2a 및 도 3a에서 동일하다.
도 2a에서, 이미징 광(232)은 이미징 디바이스(230)로부터 조합기 광학계(220)를 향하여 각도(θinc)로 방출된다. 이미징 광(232)은 광학계(220)의 외부 광학 표면(220a)과 만난다. 외부 표면(220a)은 간단한 공기/유전체 계면인 것으로 가정되고, 종축(221)에 수직인 것으로 가정된다. 그런 의미에서, 광(232)의 작은 부분이 미광으로서 반사되고, 나머지는 프리즘(또는 렌즈)과 같은 광학 몸체(222) 내로 투과되어 굴절된다. 광학 몸체(222)는 도 2a의 조합기 광학계(220)의 일부이다. 투과되고 굴절된 광(232)은 광학 몸체(222)를 통하여 전파하고, 부분 반사기(228)가 제공되는 몸체(222)의 원위 광학 표면에서 반사된다. 부분 반사기(228) 및 광학 표면은 조합기 광학계의 종축(221)에 수직인 기준 축 또는 평면(205)에 대해 각도(θtilt)로 기울어져 있다. 경사각(θtilt)은 부분 반사기(228)에서 반사되는 광(232)의 부분이 종축(221)에 평행하게 사용자의 눈(202)으로 지향되도록 선택된다. 도 2b는 도 2a의 시스템에서의 이미징 광(232)이 따르는 광 경로(235)를 개략적으로 예시한다. 이미징 광(232)은 점(a)에서 이미징 디바이스(230)에서 나오고, 점(b)에서 표면(220a)에서 굴절되고, 점(c)에서 부분 반사기(228)에서 반사되고, 점(d)에서 조합기 광학계의 표면(220a)으로부터 나오고, 점(e)에서 사용자의 눈에 도달한다. 이미징 디바이스(230) 내에서 일어날 수 있는 임의의 반사 또는 굴절은 무시되며, 광 경로(235)에 관한 본 출원인의 분석에 포함되지 않는다.
도 3a에서, 이미징 광(332)은 이미징 디바이스(330)로부터 조합기 광학계(320)를 향하여 각도(θinc)로 방출된다. 각도(θinc)는 도 2a에서의 각도(θinc)와 동일하게 되도록 그려져 있다. 도 3a를 여전히 참조하면, 이미징 광(332)은 광학계(320)의 외부 광학 표면(320a)과 만난다. 외부 표면(320a)은 부분 반사기(326)와 일치하는 것으로 가정되고, 종축(321)에 수직인 것으로 가정된다. 그런 의미에서, 광(332)의 일부가 미광으로서 반사되고, 나머지는 프리즘(또는 렌즈)과 같은 광학 몸체(322) 내로 투과되어 굴절된다. 광학 몸체(322)는 도 3a의 조합기 광학계(320)의 일부이고, 그것은 도 2a의 광학 몸체(222)와 동일한 굴절률을 갖는 것으로 가정되고, 따라서 조합기 광학계의 외부 광학 표면 내로 굴절되는 광에 대해 동일한 굴절각을 생성한다. 투과되고 굴절된 광(332)은 광학 몸체(322)를 통하여 전파하고, 다른 부분 반사기(328)가 제공되는 몸체(322)의 원위 광학 표면에서 반사된다. 부분 반사기(328) 및 광학 표면은 조합기 광학계의 종축(321)에 수직인 기준 축 또는 평면(305)에 대해 각도(θtilt)로 기울어져 있다. 따라서, 부분 반사기들(328, 326)은 쐐기형 반사 공동(329)을 형성한다. 부분 반사기(328)에서 반사된 광(332)은 다른 부분 반사기(326)로 이동하는데, 여기서 그의 일부분은 부분 반사기(328)로 다시 반사되고, 그 광의 일부분은 부분 반사기(326)로 다시 이동하며, 여기서 그 광의 일부는 투과되어 조합기 광학계(320)에서 나온다. 부분 반사기(328)의 경사각(θtilt)은 공동(329) 내에서의 3회의 반사들 후에 조합기 광학계에서 나오는 광(332)의 부분이 종축(221)에 평행하게 사용자의 눈(202)으로 지향되도록 선택된다. 도면들의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 도 3a의 경사각(θtilt)은 도 2a의 경사각보다 실질적으로 더 작다. 이것은 조합기 광학계(320)의 쐐기형 반사 공동에서 경험되는 3회의 반사들 때문이다.
이와 관련하여, 도 3b는 도 3a의 시스템에서의 이미징 광(332)이 따르는 광 경로(335)를 개략적으로 예시한다. 이미징 광(332)은 점(a)에서 이미징 디바이스(330)에서 나오고, 점(b)에서 부분 반사기(326)(및 광학 표면(320a))에서 굴절되고, 점(c)에서 부분 반사기(328)에서 반사되고, 점(d)에서 부분 반사기(326)에서 반사되고, 점(e)에서 부분 반사기(328)에서 다시 반사되고, 점(f)에서 부분 반사기(326)(및 광학 표면(320a))로부터 나오고, 점(g)에서 사용자의 눈에 도달한다. 이미징 디바이스(330) 내에서 일어날 수 있는 임의의 반사 또는 굴절은 무시되며, 광 경로(335)에 관한 본 출원인의 분석에 포함되지 않는다.
도 4, 도 5 및 도 6은 다양한 조합기 광학계 실시 형태를 더욱 상세하게 예시하는데, 그 각각은 쐐기형 반사 공동을 형성하도록 배열된 2개의 부분 반사기들을 포함한다. 이들 실시 형태의 일부에서, 부분 반사기들 및 시스템의 다른 요소들은 하나 이상의 미광 빔들을 감소 또는 제거하기 위해 조정된다.
도 4에서, 조합기 광학계(420)는 개시된 디스플레이 시스템들에 사용될 수 있는 유형의 것이다. 광학계(420)는 서로 반대편인 제1 및 제2 광학 표면들(420a, 420b)을 갖는다. 광학 표면(420a)은 사용자의 눈 근처에 배치하기에 적합한 광학계(420)의 근위 단부에 있다. 광학 표면(420b)은 광학계(420)의 원위 단부에 있다. 원주 측 표면(420c)은 제1 및 제2 광학 표면들(420a, 420b)을 연결시킨다. 조합기 광학계(420)는 별개의 광학 몸체들(렌즈들)(422, 424)을 포함하는데, 이들의 만곡된 광학 표면들은 서로 실질적으로 일치하고 이들은 접합되거나 또는 달리 함께 부착되거나 붙어 있지만, 부분 반사기가 그들 사이에 배치된 채로 있다. 조합기 광학계(420)는 종축 또는 광학 축(421)을 정의한다. 이러한 축(421)은, 조합기 광학계(420)가 일부가 되는 디스플레이 시스템이 적절하게 위치될 때 사용자의 눈의 광학 축과 일치할 수 있다. 축(421)은 또한, 평면이고 서로 평행할 수 있는 광학 표면들(420a, 420b)에 수직일 수 있다. 조합기 광학계(420)는 부분 반사기(426) 및 부분 반사기(428)를 포함한다. 부분 반사기(428)는 조합기 광학계(420) 내에 매설되고, 광학 몸체들(422, 424) 사이에 개재되고, 종축(421)에 대해 대칭이 아닌 방식으로 기울어지고 만곡되어 있다. 부분 반사기(428)는 또한 원주 측 표면(420c) 둘레를 완전히 연장하는 종단부를 가질 수 있는데, 종단부(428t1, 428t2)를 참조하라. 부분 반사기(426)는 광학계(420)의 근위 단부에 있는 몸체(422)의 광학 표면 상에 형성되거나, 그에 적용되거나, 또는 그에 부착될 수 있다. 부분 반사기(426), 및 그에 부착되는 광학 표면은, 도시된 바와 같이 평면일 수 있고 종축(421)에 직교할 수 있거나, 또는 이들은 종축에 대해 기울어져 있을 수 있고(직교가 아님), 그리고/또는 이들은 비평면일 수 있는데, 예컨대 오목 또는 볼록한 곡률을 가질 수 있다. 어느 경우에서도, 부분 반사기들(426, 428) 중 하나 또는 둘 모두가 종축에 대해 기울어져 있어서 반사 공동(429)이 쐐기형 구성을 갖도록 한다. 부분 반사기들(426, 428) 및 공동(429)은 투영된 뷰의 이미징 광이 이미징 디바이스로부터 사용자의 눈으로의 경로를 따르도록 설계되는데, 이 경로는 공동(429) 내에서의 3회의 반사들을 포함한다.
대체적으로, 개시된 디스플레이 시스템들에서의 반사 공동을 형성하는 부분 반사기들에 대해 다양한 상이한 필름들, 층들, 및 유사한 요소들이 사용될 수 있다. 크기, 공간, 및/또는 중량의 실제적인 이유로, 각각의 부분 반사기는 바람직하게는 얇은 폼 팩터를 갖는데, 예컨대, 단일 층 필름 또는 다중 층 필름 또는 필름 조합의 경우에, 그의 전체 두께는, 벌크 광학 구성요소보다는 오히려, 예컨대 1 mm 미만, 또는 0.5 mm 미만, 또는 0.1 mm 미만일 수 있다. 주어진 부분 반사기는 간단한 유전체/공기 계면의 반사율보다 더 큰 반사율을 제공하지만, 그렇게 크지는 않아서, 부분 반사기의 투과율이 (조합기 광학계의 다른 부분 반사기 및 다른 구성요소들과 조합하여) 사용자가 조합기 광학계를 통하여 원격 물체들을 더 이상 볼 수 없을 정도로 낮다. 예를 들어, 하나 또는 둘 모두의 부분 반사기들은 가시 광의 경우, 및/또는 디스플레이 시스템의 이미징 디바이스에 의해 방출되는 이미징 광의 경우 25% 내지 75% 범위의 평균 반사율을 가질 수 있다. 유사하게, 하나 또는 둘 모두의 부분 반사기들은 가시 광의 경우, 및/또는 디스플레이 시스템의 이미징 디바이스에 의해 방출되는 이미징 광의 경우 25% 내지 75% 범위의 평균 투과율을 가질 수 있다. 많은 경우에, 부분 반사기는 관심 대상인 파장 범위에 걸쳐 작은 또는 무시해도 될 정도의 흡수를 가지므로, 부분 반사기의 반사율과 투과율의 합은 임의의 주어진 파장, 편광 및 입사각에서 100%와 같다. 다른 경우에, 부분 반사기의 흡수가 더 커서, 반사율과 투과율의 합이 관심 대상인 파장 범위의 일부 또는 전부에 걸쳐 100%보다 실질적으로 더 작도록 할 수 있다.
일부 경우에, 주어진 부분 반사기의 투과율 및 반사율은 광학 파장의 함수로서 거의 또는 전혀 변화를 나타내지 않을 수 있고, 또한 (수직 및 거의 수직인 입사각들에 대해) 편광의 함수로서 거의 또는 전혀 변화를 나타내지 않을 수 있다. 예를 들어, 알루미늄, 은, 또는 다른 적합한 금속 또는 재료의 간단한 얇은 증기 코트(coat)가 투명 필름에 적용될 수 있거나, 또는 조합기 광학계에서의 렌즈, 프리즘, 또는 다른 광학 몸체의 광학 표면에 직접 적용될 수 있고, 그러한 증기 코트는 (수직 또는 거의 수직인 각도로 입사되는 광의 경우) 편광 상태에 독립적 또는 거의 독립적이며 가시 파장 범위의 일부 또는 전부에 걸쳐 일정하거나 실질적으로 일정한 투과율 및 반사율을 가질 수 있다. 다른 예로서, 일부 다층 광학 필름들, 예컨대 특허 출원 공개 US 2010/0165660호(웨버(Weber) 외)에 논의된 것들의 일부는, 중간 반사율의 넓은 반사 대역(즉, 상보적인 중간 투과율을 갖는 부분 반사)을 제공하도록 설계될 수 있는데, 이때 반사율 및 투과율은 중간 파장 범위들 및 입사각들에 걸쳐 편광의 함수로서 그리고 파장의 함수로서 실질적으로 일정하다. 다층 광학 필름은 많은 수의, 예컨대, 수십, 수백, 또는 수천 개의 공압출된 중합체 층들로 제조된 중합체 필름일 수 있거나, 또는 이는 증기 코팅 챔버 내의 캐리어 필름 또는 다른 기재 상으로 순차적으로 증발되는 고굴절률 및 저굴절률 무기 재료들(예컨대, 이산화규소, 이산화티탄, 및 다른 공지된 무기 광학 재료들)의 교호하는 층들로 제조될 수 있다.
다른 경우에, 주어진 부분 반사기의 투과율 및 반사율은 파장의 함수로서 상당한 변화를 나타낼 수 있지만, (수직 및 거의 수직인 입사각들에 대해) 편광의 함수로서 거의 또는 전혀 변화를 나타내지 않을 수 있다. 예를 들어, 중합체 또는 무기 다층 광학 필름에서의 층들의 층 두께 프로파일의 적절한 제어에 의해, 하나 이상의 별개의 반사 대역들이 생성되어서, 반사기는 그러한 반사 대역(들)에서 중간 내지 고 반사율을 그리고 다른 파장들에서 훨씬 더 낮은 반사율을, 상보적인 투과율 스펙트럼(즉, 반사 대역(들)에서 중간 내지 저 투과율, 및 다른 파장들에서 훨씬 더 높은 투과율)과 함께 제공하도록 할 수 있다. 그러한 광학 필름들은 본 명세서에서 (스펙트럼) 노치형 반사기들로 지칭되는데, 이는 이들의 반사 또는 투과 스펙트럼이 별개의 분리된 반사 대역(들)의 존재로 인해 노치형 또는 피크를 갖는 외관을 갖기 때문이다. 주어진 분리된 반사 대역은 매우 좁게 이루어질 수 있는데, 예컨대, 반치전폭(FWHM)에 의해 측정될 때, 반사 대역의 스펙트럼 폭은 100 나노미터 미만, 또는 75 나노미터 미만일 수 있다. 이것은, FWHM이 100 나노미터 미만인 별개의 반사 대역을 전혀 갖지 않을 수 있는 스펙트럼 변동성을 거의 또는 전혀 나타내지 않는 부분 반사기들과 대비될 수 있다.
다른 경우에, 주어진 부분 반사기의 투과율 및 반사율은 파장의 함수로서 거의 또는 전혀 변화를 나타내지 않을 수 있지만, (수직 및 거의 수직인 입사각들에 대해) 편광의 함수로서 상당한 변화를 나타낼 수 있다. 이의 예들에는 광대역 반사 편광기들, 예컨대, 가시 파장 스펙트럼의 대부분 또는 전부에 걸쳐 동작하도록 설계된 반사 편광기들이 포함된다. 반사 편광기들은 편광의 차단 상태에 대해 높은 또는 비교적 높은 반사율을, 그리고 편광의 통과 상태에 대해 낮은 반사율(및 높은 투과율)을 갖는다. 일부 경우에, 예컨대, 연신에 의해 배향되는 소정의 다층 광학 필름들에 대해, 차단 및 통과 상태들은 서로 물리적으로 직교하는 선형 편광 상태들이다. 다른 경우에, 예컨대, 소정의 콜레스테릭(cholesteric) 광학 필름들에 의하면, 차단 및 통과 상태들은 서로 수학적으로 직교하지만 물리적으로는 직교하지 않는 원 또는 타원 편광 상태들이다. 반사 편광 필름이 연신되는지, 콜레스테릭인지, 또는 그렇지 않은지에 관계없이, 그러한 필름들의 층 두께 프로파일은 차단 상태의 반사율이 관심 대상인 파장 범위에서의 파장의 함수로서, 넓고 비교적 일정하거나 또는 적어도 느리게 변할 수 있도록 조정될 수 있다. 원 편광 상태들에 대한 반사 편광기가 또한 선형 편광기를 적절하게 배향된 지연기 층, 예컨대, 공칭 4분의 1파장(λ/4) 지연기 층과 조합함으로써 구성될 수 있다.
또 다른 경우에, 주어진 부분 반사기의 투과율 및 반사율은 파장 및 편광 둘 모두의 함수로서 상당한 변화를 나타낼 수 있다. 이의 예들에는, 복굴절성 층들이 편광 변동성을 제공하며 층 두께 프로파일이 원하는 파장 변동성, 예컨대, 하나 이상의 분리된 반사 대역들을 제공하도록 조정되는, 배향된 다층 중합체 필름들이 포함된다. 그러한 필름은 예를 들어 편광의 차단 상태에 대해 노치형 반사 스펙트럼을 제공할 수 있고, 편광의 통과 상태에 대해 거의 또는 전혀 반사를 제공하지 않을 수 있다(따라서, 높은 투과를 제공함). 방출된 이미징 광이 파장 및 편광에 있어서 부분 반사기에 실질적으로 정합되는 이미징 디바이스를 갖는 개시된 조합기 광학계들에서 부분 반사기로서 사용될 때(예컨대, 부분 반사기는 차단 편광에 대한 노치형 반사율을 가질 수 있고, 이미징 디바이스는 노치형 반사기의 반사 대역(들)에 대응하는 스펙트럼 대역(들) 또는 피크(들)에서만 광을 방출할 수 있는데, 이미징 디바이스의 광이 또한 차단 상태에서 편광됨), 필름은 비편광 주변 백색 광에 대해 의외로 높은 평균 투과율을 가질 수 있지만 또한 이미징 디바이스에 의해 방출되는 이미징 광에 대해 높은 반사율을 가질 수 있다.
위에서 논의된 것들을 비롯한 다양한 유형의 부분 반사기들의 조합들이 개시된 디스플레이 시스템들에 사용될 수 있다. 쐐기형 반사 공동을 형성하는 2개의 부분 반사기들은 동일한 유형의 것일 수 있는데, 예컨대, 이들은 파장 또는 편광의 변동성 둘 모두를 거의 또는 전혀 나타내지 않을 수 있거나, 또는 이들은 둘 모두 노치형 반사기들 및/또는 반사 편광기들일 수 있다. 대안적으로, 2개의 부분 반사기들은 상이한 유형의 것일 수 있다. 일부 경우에, 부분 반사기들은 시스템 효율을 증가 또는 최대화하도록, 예컨대 월드 뷰의 주변 광에 대해 높은 투과율을 제공하면서 또한 투영된 뷰의 이미징 광에 대해 높은 반사율을 제공하도록 선택될 수 있다. 부분 반사기들은 또한 조합기 광학계의 근위 및/또는 원위 단부들로부터 방출될 수 있는 미광 빔들을 감소 또는 제거하도록 선택될 수 있다.
도 4로 다시 관심을 돌리면, 본 출원인은 이미징 디바이스에 의해 제공되는 이미징 광과 관련하여 그의 동작을 검토할 수 있다. 이미징 디바이스가 도 4에 도시되어 있지 않지만, 그것은 조합기 광학계에 관하여 적절히, 예컨대, 도 1 및 도 3a에 나타낸 바와 같이 위치되고 배향될 수 있다. 이미징 광의 대표적인 광선(432)이 이미징 디바이스로부터 유래하고, 반사, 굴절 및 투과에 의해 조합기 광학계(420)와 상호작용하고, 이어서 종축(421)을 따라 사용자의 눈에 들어간다. 광선(432)은 이미징 광을 이루는 큰 광선속의 일부이다. 점("a")(도 4에는 도시되지 않지만, 예컨대, 도 3b 참조)에서 이미징 디바이스에서 나오면, 광선(432)은 점(b)에서 그가 광학 표면(420a) 및 부분 반사기(426)와 만나는 경로를 따른다. 부분 반사기(426)는 간단한 설계의 것, 예컨대, 알루미늄의 단일 증기-코팅된 층일 수 있거나, 또는 그것은 위에서 논의된 바와 같은 임의의 다른 적합한 부분 반사기일 수 있다. 광(432)의 일부가 여기에서 반사되고, 나머지 부분이 부분 반사기(426)에 의해 투과되어, 굴절에 의해 쐐기형 반사 공동(429) 및 광학 몸체(422)에 들어간다. 광(432)의 투과된/굴절된 부분 - 이제 432b로 라벨링됨 - 은, 이어서 반사 공동(429) 및 광학 몸체(422) 내에서 전파하는데, 여기서 그의 일부분은 점(c)에서 부분 반사기(428)에 의해 먼저 반사되고(광선(432c1)을 생성함), 이어서 점(d)에서 부분 반사기(426)에 의해 반사되고(광선(432d1)을 생성함), 점(e)에서 부분 반사기(428)에 의해 다시 반사된다(광선(432e1)을 생성함). 점들(c, d, e)에서의 만남은 또한 대체적으로 도시된 바와 같은 투과된 광선들(432c2, 432d2, 432e2)을 생성할 수 있는데: 광선(432d2)은 부분 반사기(426)를 통한 투과 및 조합기 광학계(420) 밖으로의 굴절로부터 야기되고, 광선들(432c2, 432e2)은 각각 점들(g, h)에서 광학 몸체(424)를 통하여 광학 표면(420b)으로 전파하고, 거기에서 굴절되어 조합기 광학계(420) 밖으로 나가서 주변 공기 내로 들어가 광선들(432g, 432h)을 각각 제공한다. 광선들(432d2, 432g, 432h)은 이미징 광의 외래 빔 또는 미광 빔(stray beam)들로 간주될 수 있다. 일부 응용에서, 그러한 미광은 전적으로 허용가능할 수 있고, 디스플레이 시스템의 동작에 어떤 유의한 불리한 영향을 미치지 않을 수 있다. 다른 응용에서, 미광 빔들 중 하나 이상은 바람직하지 않거나 허용불가능할 수 있다.
이미징 디바이스에서 시작하여 사용자의 눈에서 끝나는 경로를 갖고, 투영된 이미지를 형성하거나 그의 형성을 돕는 광선으로 다시 돌아가면, 광선(432e1)은 부분 반사기(428)에서의 제2 반사 및 쐐기형 반사 공동(429) 내에서의 제3 반사의 결과이다. 광선(432e1)은 종축(421)을 따라 전파하고, 그의 일부는 점(f)에서 부분 반사기(426)에 의해 투과되어 광선(432f)을 생성한다. 이어서, 광선(432f)은 사용자의 눈(도 4에는 도시되지 않음)에 들어가서 투영된 이미지를 생성할 때까지 종축(421)을 따라 추가로 전파한다.
미광의 적어도 일부는 부분 반사기들, 이미징 광, 및 일부 경우에 디스플레이 시스템의 하나 이상의 다른 요소들의 적절한 선택을 통하여 감소 또는 제거될 수 있다. 도 5 및 도 6은 2개의 그러한 실시 형태를 개략적으로 예시한다.
도 5에서, 개시된 근안 디스플레이 시스템들에 사용하기에 적합한 조합기 광학계(520)가 도시되어 있다. 광학계(520)의 많은 구성 부분품들은 도 4의 광학계(420)의 대응하는 부분품들과 동일 또는 유사할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 조합기 광학계(520)는 서로 반대편인 제1 및 제2 광학 표면들(520a, 520b)을 갖는다. 광학 표면(520a)은 사용자의 눈 근처에 배치하기에 적합한 광학계(520)의 근위 단부에 있다. 광학 표면(520b)은 광학계(520)의 원위 단부에 있다. 원주 측 표면(520c)은 제1 및 제2 광학 표면들(520a, 520b)을 연결시킨다. 조합기 광학계(520)는 별개의 광학 몸체들(렌즈들)(522, 524)을 포함하는데, 이는 도 4의 대응하는 몸체들과 동일할 수 있다. 조합기 광학계(520)는 종축 또는 광학 축(521)을 정의하는데, 이는 도 4의 것과 동일할 수 있다. 조합기 광학계(520)는 부분 반사기(526) 및 부분 반사기(528)를 포함한다. 부분 반사기(528)는 조합기 광학계(520) 내에 매설되고, 광학 몸체들(522, 524) 사이에 개재되고, 종축(521)에 대해 대칭이 아닌 방식으로 그리고 그가 다른 부분 반사기(526)와 함께 쐐기형 반사 공동(529)을 형성하도록 기울어지고 만곡되어 있다. 부분 반사기(528)는 또한 원주 측 표면(520c) 둘레를 완전히 연장하는 종단부를 가질 수 있는데, 종단부(528t1, 528t2)를 참조하라. 광학계(520)의 근위 단부에서, 부분 반사기(526)는 지연기 층(527)과 조합하여 도시된 바와 같이 몸체(522)의 광학 표면 상에 형성되거나, 그에 적용되거나, 또는 그에 부착된다. 이 경우에, 부분 반사기(526)는 (스펙트럼 광대역이든 또는 스펙트럼 협대역(예컨대, 노치형)이든) 선형 반사 편광기이고, 지연기 층(527)은 실질적으로 4분의 1파장 지연기(λ/4)인데, 지연기의 평면내(in-plane) 진상 축이 반사 편광기의 적절한 평면내 축(예컨대, 그의 통과 축 또는 차단 축)에 대해 배향되어, 부분 반사기(526)에 의해 투과되는 선형 편광된 이미징 광이 지연기 층(527)에 의해 원 편광된 이미징 광으로 변환되도록 한다. 달리 말하자면, 지연기 층(527)은 선형 반사 편광기(부분 반사기)(526)와 조합하여 하나의 방향성(handedness)의 원 편광(예컨대, "시계 방향" 또는 CW 원 편광 상태)을 반사시키고 다른 방향성의 원 편광(예컨대, "시계 반대 방향" 또는 CCW 원 편광 상태)을 투과시킨다. 부분 반사기들(526, 528) 및 공동(529)은 투영된 뷰의 이미징 광이 이미징 디바이스로부터 사용자의 눈으로의 경로를 따르도록 설계되는데, 이 경로는 공동(529) 내에서의 3회의 반사들을 포함한다. 지연기 층(527) 및 반사 편광기(부분 반사기)(526)는 도 4의 광선(432d2)과 유사한 이미징 광의 미광 빔을 감소 또는 제거하기 위해 제공된다.
본 출원인은 이제 이미징 디바이스에 의해 제공되는 이미징 광과 관련하여 조합기 광학계(520)의 동작을 검토한다. 이미징 광의 대표적인 광선(532)이 이미징 디바이스로부터 유래하고, 조합기 광학계(520)와 상호작용하고, 이어서 종축(521)을 따라 사용자의 눈에 들어간다. 광선(532)은 이미징 광을 이루는 큰 광선속의 일부이고, 이러한 광(광선(532)을 포함함)은 편광되거나 편광되지 않을 수 있지만, 바람직하게는 그것은 반사 편광기(부분 반사기(526))의 통과 축과 정합하도록 편광된다. 이미징 디바이스에서 나온 후에, 광선(532)은 점(b)에서 그가 광학 표면(520a), 부분 반사기(526) 및 지연기 층(527)과 만나는 경로를 따른다. 부분 반사기(526)는 위에서 언급된 바와 같이 선형 반사 편광기이다. 점(b)에서, 반사 편광기의 통과 상태에 대응하는 광선(532)의 선형 편광된 성분이 반사 편광기(526)에 의해 투과되고(따라서 반사 공동(529)에 들어감), 나머지(만약 있다면)는 반사된다. (광선(532)이 반사 편광기(526)의 통과 축을 따라 선형 편광되면, 반사 편광기의 차단 상태에서 광선(532)의 성분이 거의 또는 전혀 없을 것이고, 따라서 점(b)에서 반사된 광선이 거의 또는 전혀 없을 수 있다는 것에 유의해야 한다.) 또한, 대체적으로 점(b)에서, 반사 편광기(526)에 의해 투과되는 선형 편광된 이미징 광이 반사 공동(529)에 들어감에 따라, 그것은 지연기 층(527)을 통과하는데, 이는 투과된/굴절된 광선(532b)을 원 편광된 상태, 예컨대, 도시된 바와 같이 CW로 변환한다. 이어서, 광선(532b)은 반사 공동(529)을 가로질러 전파하는데, 여기서 그의 일부분은 점(c)에서 부분 반사기(528)에 의해 먼저 반사되고(광선(532c1)을 생성함), 이어서 점(d)에서 부분 반사기(526)에 의해 반사되고(광선(532d1)을 생성함), 점(e)에서 부분 반사기(528)에 의해 다시 반사된다(광선(532e1)을 생성함). 점들(c, e)에서의 만남은 또한 대체적으로, 도시된 바와 같은 투과된 광선들(532c2, 532e2)을 생성할 수 있는데, 이 광선들은 각각 점들(g, h)에서 광학 몸체(524)를 통하여 광학 표면(520b)으로 전파하고, 거기에서 굴절되어 조합기 광학계(520) 밖으로 나가서 주변 공기 내로 들어가 미광 광선들(532g, 532h)을 각각 제공한다.
투과된 광이 점(d)에서 실질적으로 회피되어, 따라서 도 4의 광선(432d2)과 유사한 미광 광선을 회피한다. 이것은 반사 편광기, 지연기 층, 및 다른 부분 반사기의 조합된 작용들에 기인한다. 그리하여, CW 원 편광된 광선(532b)이 부분 반사기(528)에서 반사될 때, CW 편광 상태를 반사된 광선(532c1)에 대한 "직교" CCW 편광 상태로 변환하는 π 위상 편이(shift)가 전형적으로 일어난다. 이 편광 상태는 실질적으로 점(d)에서 지연기 층(527)/반사 편광기(526) 조합에 의해, 투과된 광이 거의 또는 전혀 없는 상태로, 전적으로 반사된다. 반사된 광선(532d)의 경우 CCW 편광 상태가 유지되지만, 반사된 광선(532e1)의 경우 점(e)에서 다시 CW로 반전된다. CW 편광 상태로, 종축(521)을 따라 전파하는 광선(532e1)은 지연기 층(527)/반사 편광기(526) 조합에 의해 점(f)에서 고도로 투과되어, 따라서 광선(532f)을 생성한다. 이어서, 광선(532f)은 사용자의 눈에 들어가서 투영된 이미지를 생성할 때까지 종축(521)을 따라 추가로 전파한다.
도 5에 대한 대안적인 실시 형태에서, 4분의 1파장 지연기 층(527)은 그것이 부분 반사기들(526, 528) 사이에 있고 점(d)에서 미광 이미징 광을 감소 또는 제거하는 목적을 여전히 달성한다면 조합기 광학계(520) 내의 다른 곳에 위치될 수도 있다.
도 6의 실시 형태는, 조합기 광학계의 원위 단부로부터 나오는 이미징 광의 미광 광선들 중 하나를 감소 또는 제거하기 위해 조합기 광학계의 원위 단부에 다른 요소 또는 요소들이 추가된다는 것 이외에는, 도 5의 실시 형태와 동일 또는 유사할 수 있다.
조합기 광학계(620)의 많은 구성 부분품들은 도 5의 광학계(520)의 대응하는 부분품들과 동일 또는 유사할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 조합기 광학계(620)는 서로 반대편인 제1 및 제2 광학 표면들(620a, 620b)을 갖는다. 광학 표면(620a)은 사용자의 눈 근처에 배치하기에 적합한 광학계(620)의 근위 단부에 있다. 광학 표면(620b)은 광학계(620)의 원위 단부에 있다. 원주 측 표면(620c)은 제1 및 제2 광학 표면들(620a, 620b)을 연결시킨다. 조합기 광학계(620)는 별개의 광학 몸체들(렌즈들)(622, 624)을 포함하는데, 이는 도 5의 대응하는 몸체들과 동일할 수 있다. 조합기 광학계(620)는 종축 또는 광학 축(621)을 정의하는데, 이는 도 5의 것과 동일할 수 있다. 조합기 광학계(620)는 부분 반사기(626) 및 부분 반사기(628)를 포함한다. 부분 반사기(628)는 조합기 광학계(620) 내에 매설되고, 광학 몸체들(622, 624) 사이에 개재되고, 종축(621)에 대해 대칭이 아닌 방식으로 그리고 그가 다른 부분 반사기(626)와 함께 쐐기형 반사 공동(629)을 형성하도록 기울어지고 만곡되어 있다. 부분 반사기(628)는 또한 원주 측 표면(620c) 둘레를 완전히 연장하는 종단부를 가질 수 있는데, 종단부(628t1, 628t2)를 참조하라. 광학계(620)의 근위 단부에서, 부분 반사기(626)는 지연기 층(627)과 조합하여 도시된 바와 같이 몸체(622)의 광학 표면 상에 형성되거나, 그에 적용되거나, 또는 그에 부착된다. 부분 반사기(626) 및 지연기 층(627)은 도 5에서의 대응하는 요소들과 실질적으로 동일할 수 있고; 따라서, 부분 반사기(626)는 선형(광대역 또는 협대역) 반사 편광기이고, 지연기 층(627)은 4분의 1파장(λ/4) 지연기이다. 부분 반사기들(626, 628) 및 공동(629)은 투영된 뷰의 이미징 광이 이미징 디바이스로부터 사용자의 눈으로의 경로를 따르도록 설계되는데, 이 경로는 공동(629) 내에서의 3회의 반사들을 포함한다. 지연기 층(627) 및 반사 편광기(부분 반사기)(626)는, 도 5의 설명과 유사한 방식으로, 도 4의 광선(432d2)과 유사한 이미징 광의 미광 빔을 감소 또는 제거하기 위해 제공된다.
이미징 광의 광선들(632, 632b, 632c1, 632d, 632e1, 632f) 및 이미징 광 광선들(632c2, 632e2, 632g), 그리고 점들(b, c, d, e, f, g, h)은 전부 도 5에서의 그들 각각의 대응물들에 실질적으로 대응할 수 있고, 추가 설명은 필요하지 않다. 그러나, 도 6의 조합기 광학계(620)는, 광학계의 원위 단부에 이미징 광 광선의 원 편광 상태들 중 하나를 흡수하는 필름 또는 필름들을 추가하는 것에 의해 광학계(520)와 상이하다. 그러한 필름 또는 필름들은 도 6에 흡수 층(625)으로 나타나 있다. 흡수 층(625)은, 예를 들어, 다른 4분의 1파장(λ/4) 지연기 필름에 적층된 선형 흡수 편광 필름일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 서로에 대해 적절하게 배향될 때, 이러한 필름 조합은 흡수 층(625)으로 하여금 하나의 원 편광 상태(예컨대, CCW)의 이미징 광을 흡수하도록 그리고 직교 원 편광 상태(예컨대, CW)의 이미징 광을 투과하도록 한다. 투과된 광선들(632c2, 632e2)은 반대의 원 편광 상태들의 것이고, 광선(632c2)은 광선(632b)과 같이 CW이고, 광선(632e2)은 광선(632d)과 같이 CCW이다. 그런 의미에서, 흡수 층(625)은 미광 빔들 중 하나, 예컨대 달리 점(h)에서 광선(632e2)으로부터 나오게 될 미광 빔을 감소 또는 제거하기 위해 사용될 수 있다.
많은 변형이 본 발명의 범주 내에서 이루어질 수 있고, 하나의 실시 형태와 관련하여 기술된 특징들 및 태양들이 관련 실시 형태에 또한 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 도 5로부터의 논의와 유사하게, 도 6에 대한 대안적인 실시 형태에서, 4분의 1파장 지연기 층(627)은 그것이 부분 반사기들(626, 628) 사이에 있고 점(d)에서 미광 이미징 광을 감소 또는 제거하는 목적을 여전히 달성한다면 조합기 광학계(620) 내의 다른 곳에 위치될 수도 있다. 반사 편광기가 개시된 실시 형태 중 임의의 것에서, 예컨대, 도 5 또는 도 6과 관련하여 기술된 바와 같이, 부분 반사기로서 사용되는 경우, 반사 편광기는 편광의 차단 상태에서 백색 광의 경우 반사율이 99% 초과, 90% 초과, 70% 초과, 또는 약 50% 초과일 수 있다. 또한, 반사 편광기가 부분 반사기로서 사용되는 어느 경우에서도, 그것은 예를 들어, 선형 반사 편광기, 예컨대 복굴절성 반사 편광기, 와이어 그리드 반사 편광기, 섬유 반사 편광기 또는 분산 반사 편광기, 또는 원형 반사 편광기, 예컨대 콜레스테릭 반사 편광기를 비롯한, 임의의 적합한 반사 편광기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 또한, 개시된 조합기 광학계들은 매우 다양한 대안적인 광학 이미징 시스템들에서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 이미징 광은 가시광 및 비가시(예컨대, 적외선 또는 자외선) 광 양측 모두를 포함할 수 있지만, 다른 경우에, 이미징 광은 적외선 및/또는 자외선 광을 포함하되 가시 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않을 수 있다. 이미징 광의 검출기는 전술된 바와 같이 사람의 눈일 수 있거나 그를 포함할 수 있거나, 또는 그것은 대신에 쐐기형 반사 공동에 의해 반사되어 거기에서 나오는 이미징 광을 수신하도록 배치된, CCD 어레이 또는 다른 적합한 솔리드 스테이트 디바이스(solid state device) 또는 디바이스들의 어레이와 같은 전자 검출기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
또 다른 대안적인 실시 형태에서, 개시된 조합기 광학계들 각각은, 광학계의 일 측에 입사되는 광을 반사시키기 위해 쐐기형 반사 공동을 여전히 보유하면서, 조합기 광학계로서 더 이상 기능하지 않도록 쉽게 변형될 수 있다. 이것은 부분 반사기들 중 하나를 전 반사기(full reflector), 즉, 관심 대상인 파장(들)에서의 투과가 무시해도 될 정도이거나 제로인 반사기로 대체함으로써 행해질 수 있다. 예를 들어, 도 5에서의 부분 반사기(528)는, 더 높은 반사율을 갖고 관심 대상인 파장(들)에서 실질적으로 불투명한, 동일한 형상의 전 반사기(예컨대, 금속의 훨씬 더 두꺼운 증기 코트)로 대체될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 쐐기형 반사 공동의 일 측 상에 불투명한 또는 실질적으로 불투명한 몸체, 층, 또는 다른 요소(들)를 포함시킴으로써 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 5에서의 광학 몸체(524)는 불투명한 재료로 이루어질 수 있고, 그리고/또는 불투명한 코팅이 제2 광학 표면(520b)에 적용될 수 있다. 이들 경우 중 어느 것에서도, 변형된 바와 같은 광학계는 더 이상 광학계를 통한 원격 물체들의 검출을 가능하게 하도록 관심 대상인 파장(들)에서 충분한 광을 투과시키지 않고, 따라서, 그것은 더 이상 조합기 광학계인 것으로 간주되지 않는다. 그러나, 그러한 변형된 광학계는, 광학 경로를 따라 공급원(예컨대, 도 3a의 공급원(330))으로부터 검출기(예컨대, 도 3a의 눈(302), 또는 유사하게 위치된 전자 검출기)로 광을 방향전환시키도록 구성되는 쐐기형 반사 공동을 여전히 갖는데, 광학 경로는 전술한 바와 같이, 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함한다. 쐐기형 반사 공동은 당연하게 또한, 전술된 바와 같이 2개의 반사기들 사이에 지연기 층, 예컨대 λ/4 지연기를 포함할 수 있다.
실시예
상기한 원리들은 본 명세서에 논의되는 바와 같은 근안 디스플레이 시스템들에 사용하기에 적합한 조합기 광학계를 제조하기 위해 이용되었다.
본 실시예에서는, 구매 가능한 평볼록(plano-convex) 렌즈를 제1 광학 몸체로서 입수하였다. 제품 코드 LA1417을 갖는 렌즈를 미국 뉴저지주 뉴턴 소재의 토르랩스 인크.(Thorlabs, Inc.)로부터 입수하였다. 렌즈의 볼록하게 만곡된 광학 표면은 77 mm의 곡률 반경을 가졌다. 구매 가능한 평오목(plano-concave) 렌즈를 제2 광학 몸체로서 입수하였다. 이러한 제2 렌즈를 또한 미국 뉴저지주 뉴턴 소재의 토르랩스 인크.로부터 입수하였지만, 제품 코드 LC1611을 가졌다. 이러한 렌즈의 오목하게 만곡된 광학 표면도 또한 약 77 mm의 곡률 반경을 가졌고, 따라서 제1 광학 몸체의 볼록한 형상에 대해 일치하는 형상을 가졌다.
제1 부분 반사기를 제1 광학 몸체의 볼록한 광학 몸체 상에 형성하였다. 이러한 부분 반사기는, 렌즈의 볼록한 표면 상에 무기 광학 재료들의 교호하는 층들을 증발시켜 무기 다층 적층물을 형성함으로써 형성하였다. 다층 적층물은 전체 약 36개의 층들을 가졌고, 무기 재료들로서 TiO2 및 Al2O3을 사용하였다. 다층 적층물의 전체 두께는 5 마이크로미터 미만이었다. 그의 개별적인 층들의 두께들은 다층 적층물이 도 7의 곡선(710)으로 도시된 바와 같은 반사율을 갖는 노치형 반사기로서 기능하도록 되었다. 도 7의 반사율은 적층물에의 수직 입사에서의 비편광을 이용하여 분광 광도계 상에서 측정하였다. 다층 적층물의 수직 입사 반사율은 실질적으로 편광 무의존성이었다. 곡선(710)에서 알 수 있는 바와 같이, 다층 적층물에 의해 생성된 노치형 반사기는 3개의 별개의 반사 대역들: 450 nm에서 피크를 갖는 대역(710a)(청색 광), 547 nm에서 피크를 갖는 대역(710b)(녹색 광), 및 624 nm에서 피크를 갖는 대역(710c)(적색 광)을 가졌다.
이어서, 제1 부분 반사기(무기 다층 적층물)를, 다층 적층물의 노출된 측을 제2 광학 몸체의 오목한 광학 표면에 UV 경화성 접착제를 사용하여 접합함으로써 제1 광학 몸체와 제2 광학 몸체 사이에 개재시켰다.
이어서, 제2 부분 반사기로서 사용하기 위해 선형 반사 편광 필름를 입수하였다. 사용된 반사 편광 필름은 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수 가능한 제품 코드 APF였는데, 이는 중합체 다층 광학 필름이다. 이러한 필름을 평볼록 렌즈의 평면 광학 표면에 적용하기 전에, 그 표면에, 광학적으로 투명한 접착제, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수 가능한 제품 코드 OCA를 사용하여, 4분의 1파장 지연기 필름을 적용하고 접합하였다. 이어서, 반사 편광 필름을 지연기 필름에 동일한 광학적으로 투명한 접착제를 사용하여 적용하고 접합하여, 반사 편광기의 통과 축이 지연기 필름의 진상 축에 대해 45도 각도로 있도록 하였다. (따라서, 반사 편광기의 차단 축도 또한 지연기 필름의 진상 축에 대해 45도 각도로 있었다.) 이후에, 렌즈 조합체는 서로에 대해 거울 대칭인 2개의 조합기 광학계들을 생성하기 위해 축방향으로 절반으로 컷팅되었다.
생성된 조합기 광학계들 중 하나가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 도 8에서, 조합기 광학계는 주변 사무실 조명에 의해 비춰지는 실내에서 인쇄 표면 상에 얹혀 있는 것으로 도시되어 있다. 이러한 사진에서, 광학계의 (평면) 반사 편광기 측은 관찰자에 대면하고, 인근 텍스트의 투과된 이미지 및 반사된 이미지 둘 모두가 보여질 수 있다. 도 9는 반사된 (실제) 이미지를 생성하는 조합기 광학계를 나타내는 사진이다. 모노크로미터의 출력은 10mm x 1mm 개구를 통하여 그리고 이어서 흡수 편광기를 통하여 지향되었다. 개구는 반사 시에 렌즈 근처의 평면 상으로 이미징되는 것으로 보여질 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 양, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 출원의 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 청구범위의 범주에 균등론을 적용하는 것을 제한하려는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 숫자의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용함으로써 해석되어야 한다. 본 발명의 넓은 범주를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 임의의 수치 값들이 본 명세서에 기술된 특정 예에 기재되는 경우, 그들은 합리적으로 가능한 한 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 아마 시험 또는 측정 한계와 연관된 오차를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기재된 예시적인 실시 형태로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 독자는, 달리 지시되지 않는 한, 하나의 개시된 실시 형태의 특징이 또한 다른 모든 개시된 실시 형태에 적용될 수 있다고 생각하여야 한다. 본 명세서에 언급된 모든 미국 특허, 특허 출원 공보, 및 다른 특허 및 비특허 문헌은, 그들이 전술한 개시 내용과 모순되지 않는 한, 참고로 포함된다.

Claims (10)

  1. 원격 물체들 및 투영된 이미지의 동시 관찰을 가능하게 하는 근안 디스플레이 시스템으로서,
    근위 단부 및 원위 단부를 갖는 조합기 광학계(combiner optic) - 근위 단부는 사용자의 눈 근처에 배치하기에 적합함 -; 및
    이미징 광을 조합기 광학계의 근위 단부를 향하여 지향시키도록 배치된 이미징 디바이스를 포함하고,
    조합기 광학계는 쐐기형 반사 공동(wedged reflective cavity)을 형성하는 제1 및 제2 부분 반사기들을 포함하고, 이미징 광은 사용자의 눈으로의 광 경로를 따르는데, 광 경로는 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들을 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 부분 반사기는 반사 편광기인, 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 반사 편광기는 조합기 광학계의 근위 단부에 또는 그 근처에 배치되어, 광 경로를 따라 전파하는 이미징 광이 제2 부분 반사기와 만나기 전에 반사 편광기와 만나게 하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 조합기 광학계는 별개의 제1 및 제2 렌즈들을 포함하고, 제1 렌즈는 제2 부분 반사기를 통하여 제2 렌즈에 부착되는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제2 부분 반사기는 노치(notch)형 반사기인, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 400 내지 700 nm의 파장 범위에 걸쳐, 노치형 반사기는 반치전폭(full width at half maximum, FWHM)이 100 나노미터 미만인 적어도 하나의 별개의 반사 대역을 포함하는, 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 반사 편광기는 편광의 통과 상태 및 차단 상태를 정의하고, 반사 편광기의 차단 상태는 노치형 반사 스펙트럼을 제공하고, 이미징 광은 노치형 반사 스펙트럼에 대응하는 하나 이상의 별개의 스펙트럼 출력 피크들을 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제2 부분 반사기는 반사 편광기의 차단 상태의 노치형 반사 스펙트럼에 대응하는 제2 노치형 반사 스펙트럼을 갖는 노치형 반사기인, 시스템.
  9. 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 조합기 광학계로서,
    근위 단부에 또는 그 근처에 있는 제1 렌즈;
    원위 단부에 또는 그 근처에 있는 제2 렌즈; 및
    제1 렌즈의 서로 반대편인 단부들 상에 배치된 제1 및 제2 부분 반사기들 - 제1 부분 반사기는 제1 렌즈의 제1 표면에 부착되고, 제2 부분 반사기는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 개재되어 있음 - 을 포함하고,
    제1 및 제2 부분 반사기들은 조합기 광학계를 통하여 원격 물체들의 관찰을 가능하게 하기에 충분한 광 투과율을 갖고,
    제1 및 제2 부분 반사기들은 쐐기형 반사 공동을 형성하는, 조합기 광학계.
  10. 공급원(source)으로부터 검출기로 광을 방향전환시키는 광학계로서,
    광학계는 반사 편광기 및 반사기를 포함하고, 반사 편광기 및 반사기는 쐐기형 반사 공동을 형성하고, 광학계는 반사 편광기와 반사기 사이에 지연기 층(retarder layer)을 추가로 포함하고, 지연기 층은 반사 편광기에 대해 배향되어, 반사 편광기를 통하여 쐐기형 반사 공동에 들어가는 광이 쐐기형 반사 공동 내에서의 3회의 반사들 후에 반사 편광기를 통하여 쐐기형 반사 공동에서 나오게 하는, 광학계.
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