KR20170102543A - 머리 착용가능 디스플레이를 위한 하이브리드 렌즈 시스템 - Google Patents

머리 착용가능 디스플레이를 위한 하이브리드 렌즈 시스템 Download PDF

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Abstract

머리 착용가능 디스플레이를 위한 하이브리드 광학 시스템은 중심 시야 렌즈(central vision lens)와 주변 시야 렌즈(peripheral vision lens)를 포함한다. 중심 시야 렌즈는 사용자가 정면을 볼 때 사용자의 중심 시야로의 렌징을 제공하기 위해 대략 사용자의 각막에 맞춰 정렬된다. 중심 시야 렌즈와는 상이한, 주변 시야 렌즈는 사용자가 정면을 볼 때 중심 시야 렌즈에 의해 렌징된 중심 시야를 넘는 각도로 확장하는 확장된 시야로의 렌징을 제공한다. 주변 시야 렌즈는 중심 시야 렌즈 주위에 배치된다. 주변 시야 렌즈는 중심 시야 렌즈와 광학적 중심이 일치하지만, 중심 시야 렌즈는 주변 시야 렌즈의 물리적 중심으로부터 오프셋된다.

Description

머리 착용가능 디스플레이를 위한 하이브리드 렌즈 시스템
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2015년 1월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/102,491와, 2015년 6월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 14/744,641을 우선권으로 주장하며, 이러한 특허 출원들의 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 광학 시스템에 관한 것으로, 배타적인 것은 아니지만, 특히, 머리 착용가능 디스플레이를 위한 광학 시스템에 관한 것이다.
머리 장착형 디스플레이(head mounted display, "HMD") 또는 머리 착용가능 디스플레이(head wearable display)는 머리 위에 또는 머리 주위에(on or about the head) 착용된 디스플레이 디바이스다. HMD는 보통 사용자의 앞에 1미터 정도(가까운)와 광학적 무한대(먼) 사이에 놓인 확대된 가상 이미지를 생성하기 위해 일종의 눈에 가까운 광학 시스템(near-to-eye optical system)을 포함한다. 단일 눈 디스플레이들(single eye displays)은 단안용 HMD로 지칭되는 한편 이중 눈 디스플레이들(dual eye displays)은 양안용 HMD로 지칭된다. 일부 HMD들은 사용자가 디스플레이 이미지(예를 들어, 컴퓨터로 생성된 이미지, 정지 이미지, 비디오 이미지 등)를 보는 것만 허용하는 반면 다른 유형의 HMD들은 현실 세계 뷰 위에 디스플레이 이미지를 겹칠 수 있다. 디스플레이 이미지와 결합된 현실 세계 뷰를 보여주는 HMD 유형은 전형적으로 일종의 투시 접안렌즈(see-through eyepiece)를 포함하고 증강 현실을 실현하기 위한 하드웨어 플랫폼 역할을 할 수 있다. 증강 현실의 경우에, 세계에 대한 시청자의 지각에는 오버레이 디스플레이 이미지가 추가된다. 이러한 유형의 시스템은 가끔 헤드-업 디스플레이(head-up display, "HUD")로 지칭된다. 완전 몰입형 디스플레이들(즉, 투시되지 않음)은 종종 가상 현실(virtual reality, "VR") 디스플레이로 지칭된다. 몰입형 HMD는 또한 다른 전자적 이미지 또는 정보와 융합된, 사용자 앞의 세상을 보여주는 카메라 또는 다른 센서들로부터의 이미지들을 전자적으로 결합함으로써 증강 현실을 제공할 수 있다.
HMD들은 수많은 실용적 애플리케이션 및 여가 애플리케이션을 갖는다. 항공우주 애플리케이션들은 조종사들이 비행 경로에서 눈을 떼지 않고 필수적인 비행 제어 정보를 보는 것을 허용한다. 공공 안전 애플리케이션들은 맵들 및 열적 이미징(thermal imaging)의 전략적 디스플레이를 포함한다. 다른 애플리케이션 분야는 비디오 게임, 교통(transportation), 통신(telecommunications)을 포함한다. 기술이 발달함에 따라 실용적 애플리케이션 및 여가 애플리케이션이 새로 발견될 것임이 확실하지만; 많은 이러한 애플리케이션들은 기존의 HMD들을 구현하는데 사용된 종래의 광학 시스템들의 비용, 크기, 무게, 시야, 및 효율로 인해 제한된다.
본 발명의 비-제한적이고 비-배타적인 실시예들은 다음 도면들을 참조하여 설명되며, 달리 명시되지 않는 한, 다양한 도면들 전체에 걸쳐 같은 참조 번호는 같은 부분을 지칭한다. 도면들은 반드시 축척에 맞는 것은 아니고, 대신에 설명되는 원리를 예시하는데 중점을 둔다.
도 1은 동공 사이 거리(inter-pupillary distance, IPD)의 개념을 예시한다.
도 2은 시상 면(sagittal plane)의 개념을 예시한다.
도 3은 시상 면 상에서 크기가 없는 물체의 양안 뷰의 예시이다.
도 4는 렌즈의 에지가 어떻게 사용자의 뷰를 비네팅 또는 제한하는지 예시한다.
도 5는 눈동자 거리가 어떻게 렌즈에 의한 비네팅의 정도에 영향을 줄 수 있는지를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시내용의 제1 실시예에 따른, 하이브리드 렌즈 시스템을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 제2 실시예에 따른, 하이브리드 렌즈 시스템을 예시한다.
도 8은 본 개시내용의 제3 실시예에 따른, 하이브리드 렌즈 시스템을 예시한다.
도 9a는 본 개시내용의 제4 실시예에 따른, 하이브리드 렌즈 시스템을 예시한다.
도 9b는 본 개시내용의 제5 실시예에 따른, 하이브리드 렌즈 시스템들 및 만곡된 디스플레이(curved display)들을 포함하는 양안의 머리 착용가능 디스플레이를 예시한다.
도 9c는 본 개시내용의 제6 실시예에 따른, 가장 먼(extreme) 주변 시야를 위해 하이브리드 렌즈 시스템을 넘어 확장하는 곡면 섹션을 갖는 디스플레이를 포함하는 머리 착용가능 디스플레이를 예시한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른, 픽셀 평면과 렌즈 사이의 광 경로 길이에 있어서의 감소의 함수로서 가상 이미지를 거리를 예시하는 차트이다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른, 렌즈로부터 43.9mm에 놓인 디스플레이에 대한 초점 거리의 함수로서 이미지 거리를 예시하는 차트이다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 광 출력이 코 방향으로 방사상으로 달라지는 하이브리드 렌즈 시스템을 예시한다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른, 가변 초점 거리를 각각 갖는 왼쪽 및 오른쪽 하이브리드 렌즈를 포함하는 양안 하이브리드 광학 시스템을 예시한다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 수렴 거리(vergence distance)와 조절 거리(accommodation distance) 사이의 충돌을 제거하기 위해 코를 향해 안쪽으로 만곡된 유연한 디스플레이를 포함하는 양안의 머리 착용가능 디스플레이를 예시한다.
머리 착용가능 디스플레이에 적합한 넓은 시야를 제공하기 위해 중심와 지각(foveal perception)을 위한 비구면 렌즈 및 주변 시야를 위한 프레넬 렌즈 두 가지를 모두 사용하는 하이브리드 광학 시스템을 위한 장치, 시스템, 및 동작 방법에 대한 실시예들은 본 명세서에 설명된다. 이하의 설명에서, 다수의 특정 세부사항들이 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 본 명세서에서 설명된 기술들이 하나 이상의 특정 세부사항 없이 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등을 이용하여 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 경우들에서, 잘 알려진 구조들, 재료들, 또는 동작들은 특정 양태들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 도시되거나 설명되지 않는다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예(one embodiment)" 또는 "실시예(an embodiment)"라는 지칭은, 실시예와 관련되어 설명된 특정한 특징, 구조, 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 여러 곳에서 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구의 출현이 반드시 모두가 동일 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
본 개시내용은 두 개의 파트로 분리된다. 파트 1은 도 1 내지 도 5를 포함하며, 머리 착용가능 디스플레이들의 광학적 설계와 관련 있는 일반적인 개념들과 함께 다양한 용어들을 제시한다. 파트 2는, 도 6 내지 도 14를 포함하며, 고품질의 몰입형 시각적 사용자 경험을 지원하는 머리 착용가능 디스플레이에 적합한 하이브리드 광학 시스템의 다양한 실시예를 제시한다. 고품질의 시각적 몰입형 사용자 경험의 예로는, 사용자가 불신을 중단할 수준으로 존재의 실제 느낌을 생성하는 것이다. 광학 및 관련된 시각적 경험이 불신을 중단할 유일한 요구조건이 아니라는 것이 잘 알려져 있지만; 본 개시내용의 주안점은 광학 및 디스플레이에 의해 제공되는 시각적 경험에 있다. 이를 달성한 광학 시스템의 속성은 다음을 포함할 것이다: 사용자의 주 시야에서 20:20 시야이고 (예를 들어, 각각의 눈에 대해 60도의 원추), 거의 180도의 전체 수평 시야, 및 거의 100도의 수직 시야. 파트 2 아래에 개시된 실시예는 이러한 속성들의 일부 또는 전체가 어떻게 인간의 시야 요구조건들과 잘 맞는 하이브리드 광학 시스템으로 달성될 수 있는지 예시한다.
파트 1: 전문용어 & 설계 개념들
A. 동공 사이 거리 고려사항들
인간의 동공 사이 거리(inter-pupillary distance, IPD)는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 동공들의 중심들 사이의 거리로서 정의된다(도 1 참조). 양안 디스플레이의 오른쪽 렌즈 및 왼쪽 렌즈 또한 중심이 있으며, 렌즈들 중심들 사이의 거리는 광학 시스템의 IPD로서 정의된다. 디스플레이 및 광학 요구조건들에 대한 분석은 사용자의 IPD에 맞추기 위해서 시스템이 조절가능한 IPD를 가질 것인지 또는 고정된 IPD를 가질 것인지에 대한 고려사항들로 시작할 수 있다. 조절가능한 시스템 IPD는 양호한 사용자 적합성을 제공할 수 있지만, 전형적으로 더 비싸고 무겁고, 이동하는 부분들로 인해 오정렬 문제가 발생하기 더 쉽다. 고정된 IPD는 모든 사용자에게 만족스러운 시각적 경험을 제공할 수는 없지만, 전형적으로 더 편하고 가격이 더 적당하다. 시스템은 제한된 범위에 걸쳐 작동하는 상이한 고정된 IPD 값을 각각 갖는 다수의 SKU로 판매될 수 있어, 사용자는 가장 적합한 IPD를 선택할 수 있게 된다. 광학의 세부사항은 특정한 설계가 적합할 IPD의 범위를 결정한다.
인간 IPD는 성인 모집단의 대부분에 대해 52mm 내지 75mm의 범위이다. 그러므로, 가장 좁을 것으로 예상되는 성인 IPD에 맞추기 위해, 동공과 정중 시상 전두 면(mid-sagittal frontal plane) 사이에 26mm를 갖는다(도 2 참조). 이러한 범위에 걸쳐 조절가능한 시스템 IPD에 대해, 종래의 둥근 정 렌즈(round positive lens)의 반경을 최대 26mm로 설정한다. (렌즈가 얼굴에 너무 가깝다면, 렌즈는 코를 위한 컷-아웃이 필요할 수 있다.) 이러한 반경은 비네팅으로 인해 디스플레이의 수평 시야(field of view, FOV)를 제한한다는 것이 논의에 있어 나중에 명백해질 것이다. 이러한 FOV 제한을 극복하는 것이 바람직하다.
B. 시력 및 픽셀 크기
20:20의 스넬렌 시력(Snellen visual acuity)은 1분(1 minute of arc)의 각도 해상도에 대응한다. 20:40의 시력은 2분(2 minutes of arc)의 해상도에 대응한다. 보통 시야(20:20)를 가진 사람의 경우, 망막은 1분 대하는(subtending) 방출 물체와 1분 미만 대하는 방출 물체 사이의 차이를 구별할 수 없다. 그러므로, 20:20 시야를 가진 사람의 경우, 망막 상의 원추의 크기 및 간격으로 인해, 1분 미만 대하는 픽셀의 임의의 이미지(이는 방출 물체임)는 그럼에도 불구하고 1분 대하는 것으로서 지각될 것이다. 그러므로, 20:20 시야를 위한 설계를 한다면, 그의 이미지가 1분 미만 대하는 픽셀들을 이용하는 시스템들을 설계할 이유가 거의 없다.
시력과 관련된 두 번째 인자는 광학 시스템이다. 20:20 시야를 전달하는 시스템을 생성하기 위하여, 광학 시스템은 단지 1분으로 분리되는 픽셀들을 블러링(blurring)하지 않는 배율을 제공할 수 있어야 한다. 그러나, 매우 고성능의 렌즈들은 종종 직경이 매우 좁고 따라서 넓은 FOV 시스템에 아주 적합하지 않다. 넓은 FOV는 머리 착용가능 디스플레이에 바람직하다.
C. 양안 중첩
양안 디스플레이에서, 왼쪽의 디스플레이 및 렌즈, 그리고 오른쪽의 디스플레이 및 렌즈에 의해 왼쪽 눈 및 오른쪽 눈을 위한 개별 가상 이미지들이 생성된다. 왼쪽 및 오른쪽의 가상 이미지들은 광학의 FOV에 따라 완전히 혹은 부분적으로 중첩될 수 있다. 양안 중첩 영역은 기하학적으로 중첩되는 왼쪽 및 오른쪽의 가상 이미지들의 영역으로서 정의된다. 도 2는 수평 시야를 이등분하는 정중 시상 전두 면(midsagittal frontal plane)(이후 시상 면(sagittal plane)으로 간단히 지칭됨)을 예시한다. 왼쪽 눈, 왼쪽 광학, 및 왼쪽 디스플레이는 시상 면의 왼쪽에 있고, 오른쪽 눈, 오른쪽 광학, 및 오른쪽 디스플레이는 시상 면의 오른쪽에 있다. 그러나, 두 개의 가상 이미지는 광학에 의해 생성되고 일반적으로 시상 면을 가로질러 디스플레이된다. 따라서, 가상 이미지들을 볼 때, 왼쪽 또는 오른쪽 눈 시선은 시상 면을 가로지를 수 있다(그리고 종종 그렇다).
양안 중첩 영역은 시상 면을 가로질러 왼쪽을 보는 오른쪽 눈에 의해 지각된 가상 이미지의 에지에 의해 왼쪽이 제한되고, 시상 면을 가로질러 오른쪽을 보는 왼쪽 눈에 의해 지각된 가상 이미지의 에지에 의해 오른쪽이 제한된다. 도 3은 오른쪽 시야에 있는 점 A에서의 물체를 보는 두 눈의 예를 예시한다. 왼쪽 눈은 점 A를 보기 위해서 각도 θ만큼 돌아갔다. 점 A가 왼쪽 눈 디스플레이 상의 가장 오른쪽 픽셀에 의해 생성된다면, 양안 중첩 영역의 에지를 나타내는 반각(half angle)은 θ이고, 대칭으로 인해 양안 중첩 영역의 시야는 θ의 두 배이다. 다시 말해, 점 A는 왼쪽 눈 디스플레이에 의해 생성된 가상 이미지의 오른쪽 에지 상에 놓인다. -θ에 있는 대응하는 점은 오른쪽 눈 디스플레이에 의해 생성된 가상 이미지의 왼쪽 에지 상에 놓인다. 그러므로 양안 중첩은 2θ이다.
눈은 0도 내지 15도의 범위에 걸쳐 임의의 방향으로 편하게 돌아간다. 중심와 영역(foveal region)의 절반에 대한 추가 2.5도를 감안하면, θ의 더 낮은 허용가능한 값은 약 18도이다. 그러나, 18도는 만족스러운 정도의 존재를 설정하기에는 너무 좁을 수 있다. 불편하지만 유용한 범위까지 훨씬 더 멀리 눈의 움직임을 허용하기 위해서는, θ에 대해 더 바람직한 값은 30도이고, 그 위의 유용한 값은 약 45도일 것으로 예상된다(이는 사람마다 다를 수 있다).
θ의 값이 선택되면, 20:20 시력에 필요한 반각 영역(half angle region) 내의 픽셀의 수는 반각을 픽셀 대변(pixel subtense)으로 나눈 것에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 반각이 30도라면, 반각 내의 픽셀의 수는 1800이다. 양안 중첩 영역 내의 전체 60도 FOV의 경우, 3600 픽셀 열들이 디스플레이 내에 있어야 한다. 45도의 θ의 경우, 눈과 시상 면 사이에 반각 영역을 채우기 위해서 2700 픽셀 열들이 있어야 하고, 90도 양안 중첩 영역을 위해서는 5400개가 필요하다.
또 다른 설계 고려사항은 전체 양안 중첩 영역이 20:20 시력을 갖는가 하는 것이다. 이는 바람직해 보이지만, 필요하지 않을 수 있다. 따라서, 시스템은 90도 양안 중첩을 갖도록 설계될 수 있으나, 60도 중첩된 서브-영역에 걸쳐서만 20:20의 시력을 갖는다. 따라서, 양안 중첩 영역의 중심 영역에 걸쳐 높은 시력을 제공하고 이 중심 영역을 넘는 각도에서는 낮은 시력을 제공하는 광학 시스템이 바람직할 수 있다.
머리를 추적하는 HMD들은 중심 시야에 없는 물체를 보기 위해 편안한 범위를 넘어 눈을 돌릴 필요가 없게 만든다. 따라서 머리 및 눈은 중심와(fovea) 상에 관심 있는 물체의 이미지를 두도록 돌릴 수 있다. 망막은 중심와에서의 거리만큼 원추 밀도를 축소시키기 때문에, VR을 위해 의도된 HMD 시스템은 모든 시야 각에서 높은 해상도를 제공할 필요가 없다. 이러한 방식으로 인간의 시각 시스템을 고려해서, HMD 시스템은 존재의 중요한 손실 없이 간략화될 수 있다(도시되는 방식으로).
D. 초점 거리
또 다른 설계 인자는 배율을 결정하는 광학 시스템의 초점 거리이다. FOV를 제한할 수 있는 순간 비네팅을 무시하는 경우에, 이미지의 수평 FOV(H-FOV)는 대략 다음의 수학식을 만족한다:
Figure pct00001
여기서, F는 초점 거리이고, 또는
Figure pct00002
20:20 시력 및 1분의 픽셀 대변을 갖는 시스템의 경우, 이러한 수학식은 픽셀 크기와 초점 거리 사이의 관계를 정의한다.
Figure pct00003
이므로,
Figure pct00004
그러므로 10 미크론 픽셀은 10 미크론 픽셀이 1분 대하기 위해서는 34mm의 초점 거리를 필요로 한다.
E. 비네팅(Vignetting)
이미지의 FOV가 초점 거리 및 디스플레이의 크기에 의해 설정되지만, 디스플레이는 광학 시스템에 의해 비네팅될 수 있다. 도 4는 뷰가 렌즈의 에지에 의해 어떻게 제한되는지(비네팅되는지)를 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이미지는 조리개를 구성하는 렌즈를 통해서 보이고, 디스플레이가 충분히 크게 만들어졌다면, 디스플레이의 에지는 렌즈를 통해서 볼 수 없을 것이고, 이미지의 외부 부분들은 볼 수 없다. 중심와의 비네팅 부분으로써 눈 회전을 고려할 때, 눈의 반경이 고려되어야 한다(눈 회전 동안 동공이 움직이기 때문에). 비네팅 각도를 결정할 때 눈의 반경을 사용하면, 눈의 중심이 또한 눈 회전의 중심이라는 간단한 가정을 만들 수 있다. 정확히 일치하지는 않지만, 이러한 가정은 비네팅의 정확한 추정에 충분히 근사한다.
렌즈에 의한 비네팅의 정도를 결정하는 임계 거리는 눈에서 렌즈까지의 거리("눈동자 거리"로 불림)와 눈의 반경(명목상 13mm)의 합이다. 실제 눈동자 거리에 가까운 것은 약 15mm이므로, 합은 28mm이다. 도 5는 63mm의 중앙 IPD에 대한 결과를 도시한다. 눈에서 시상 면까지의 거리는 31.5mm이다. 따라서 렌즈의 최대 반경은 중앙인 경우에는 31.5mm이고, 렌즈 지지 링을 위해 1mm가 필요하다고 가정한다면, 최대 반경은 30.5mm이다. 각도는 arctan(30.5/28) 또는 47도로 주어진다. 눈동자 거리가 더 크다면(예를 들어, 시스템이 처방 안경을 검토하도록 설계된다면), 이 각도는 감소될 수 있다. 눈동자 거리가 30mm인 경우에, 각도는 35도이다. 상당한 비네팅을 겪지 않고 편안한 범위를 넘어 눈을 돌리도록 허용하는 광학 시스템이 바람직하다.
파트 2: 넓은 FOV를 갖는 하이브리드 렌즈 시스템의 실시예들
전형적인 HMD 설계들은 직경이 대략 초점 거리와 같거나 작은, 눈 당 단일 종래의 렌즈에 기초한 것이다(이것은 전형적인 종래의 평면 볼록(plano-convex) 렌즈와 양면 볼록(double convex) 렌즈이다). 앞서 논의된 바와 같이 렌즈의 에지는 비네팅으로 인하여 이미지의 FOV를 제한한다. 렌즈에 의해 부과되는 비네팅을 제거함으로써, FOV는 증가될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 프레넬 렌즈 및 구면 또는 비구면 굴절 렌즈를 포함하는 하이브리드 렌즈 시스템을 사용한다.
도 6a 및 도 6b는 개시내용의 실시예에 따른 하이브리드 렌즈 시스템(600)을 예시한다. 도 6a는 상부 단면 예시인 한편 도 6b는 전면 예시이다. 하이브리드 렌즈 시스템(600)의 예시된 실시예는 프레넬 렌즈(610)(예를 들어, 비구면 프레넬 렌즈)의 광학적 중심에 형성된 싱글렛 렌즈(singlet lens; 605)(예를 들어, 구면 혹은 비구면 렌즈)를 포함한다. 다시 말해, 싱글렛 렌즈(605)의 광학적 중심은 프레넬 렌즈(610)의 광학적 중심과 일치한다. 예시된 실시예에서, 렌즈들의 광학적 중심은 (눈이 정면을 응시할 때) 사용자의 동공/각막의 정면에 놓인다. 예시된 실시예에서, 중심 시야 렌즈는(예를 들어, 싱글렛 렌즈(605)) 두 개의 곡면을 가진 굴절 렌즈로써 구현되지만; 단지 하나의 곡면을 가진 굴절 렌즈 또한 구현될 수 있다. 게다가, 중심 시야 렌즈는 누진 렌즈(progressive lens), 색지움 렌즈(achromatic lens), 회절 광학 소자(diffractive optical element), 홀로그램, 또는 심지어 하이브리드 굴절-회절 렌즈로서 구현될 수 있다.
왼쪽 또는 오른쪽 눈 중 어느 하나를 위해 의도된 광학 시스템은 시상 면을 가로지르지 않아야 하므로, 프레넬 렌즈(610)는 코 쪽에서 잘려지고 프레넬 렌즈(610)의 물리적 중심과 그의 광학적 중심은 같은 위치에 있지 않다(예를 들어, 도 6a 및 도 6b 참조). 다시 말해, 하이브리드 렌즈 시스템(600)은 광학적 중심으로부터 비대칭적으로 확장하는데, 코 방향보다 관자놀이 방향으로 더 확장한다. 하이브리드 렌즈 시스템(600)의 수직 범위(vertical extent)는 또한 비대칭일 수 있다. 프레넬 렌즈(610) 및 싱글렛 렌즈(605)가 같은 초점 거리를 갖는다면, 사용자는 양쪽 렌즈에서 같은 배율을 보게 될 것이다.
프레넬 렌즈(610)의 중심 영역을 싱글렛 렌즈(605)로 대체하는 한가지 이유는 다음과 같다: 아주 작은 픽셀 피치의 디스플레이들의 경우에, 편안한 응시 각도의 제한된 범위에 걸쳐 눈의 바로 정면에서 가장 중요해 지는 높은 공간 주파수의 더 나은 배율을 싱글렛 렌즈가 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 싱글렛 렌즈(605)를 사용함으로써 1분 대하는 물체들을 분해하는 능력이 눈의 응시 범위에 걸쳐 보호되고, 프레넬 렌즈(610)에 의해 허용된 해상도에서, 능력이 싱글렛 렌즈(605)보다 작을 수 있더라도, 장면의 나머지는 또한 제시된다. 이를 진술하는 또 다른 방식은, 프레넬 렌즈(610)가 싱글렛 렌즈(605)보다 덜 만족스러운 MTF(Modulation Transfer Function)를 가질 수 있는 것이지만, 프레넬 렌즈(610)는 중심와의 중심 응시 범위의 외부에서 주로 작용하므로, 감소된 MTF는 중대한 결과가 아닐 수 있다. 따라서, 사용자가 정면을 볼 때 싱글렛 렌즈(605)는 중심 시야 렌즈의 역할을 하는 한편 프레넬 렌즈(810)는 주변 시야 렌즈의 역할을 한다.
다시 도 6을 참조하면, 응시 방향 A는 싱글렛 렌즈(605)의 광학적 중심을 통해 정면을 보는 사용자의 눈을 표현한다. 응시 B는 눈의 회전 각도(단순화를 위해, 회전 후의 동공 위치는 도시되지 않음)를 도시하는데, 여기서, 응시는 싱글렛 렌즈(605)와 프레넬 렌즈(610)의 홈 표면(grooved surface) 사이의 전이 영역을 관통한다. 일부 실시예에서, 전이 영역은, 정면에 대하여 30도 내지 45도의 범위이다. 응시 방향 C는 프레넬 렌즈(610)를 관통한다. 큰 응시 각도들이 가능하다. 따라서, 이러한 접근법은 종래의 렌즈의 비네팅을 극복하는 한편 가장 중요한 응시 방향들에 대해 종래의 렌즈의 품질을 유지한다.
프레넬 렌즈(610)가 주 시야(principal field of gaze) 외부에서 사용되는 것은 주목할 만한데, 이것이 허용가능한 이유는, 사용자가 싱글렛 렌즈(605)(그의 이미지는 중심와에 있음)를 통해 볼 때, 프레넬 이미지는 중심와를 넘은 망막의 영역에 제공되고, 이로부터, 사용자는 전형적으로 높은 해상도를 지각할 수 없기 때문이다. 그에 따라, 허용가능한 넓은 FOV가 사용자에게 제시된다.
두 번째 드문 경우는, 눈을 돌려 사용자의 응시가 프레넬 렌즈(610)를 관통하는 방향 C를 따를 수 있게 할 때, 이러한 경우에, 망막에는 낮은 시력의 이미지가 제공된다. 그러나, 이것은 또한 눈을 높은 각도로 돌리는 것이 드물고, 불편함 없이 눈의 회전을 높은 각도(예를 들어, 30도 초과(> 30 degrees))로 유지하는 것은 더더욱 드물기 때문에 허용가능하다. 대신, 보통 물체를 보기 위해서 머리를 돌리므로, 눈은 편안한 응시 범위 내에 유지된다. 머리 착용가능 디스플레이(예를 들어, VR 디스플레이 또는 증강 현실 디스플레이)가 머리 추적을 포함하는 경우, 머리는 또한 높은 초기 각도에서 물체를 보기 위해 돌아갈 것이므로, 응시 방향 C는 머리의 움직임을 통해 응시 방향 A로 변환될 것이다. 이러한 이유로, 높은 눈 회전 각도에서 낮은 시력을 갖는 사용자의 불만은 드물 것으로 예상된다.
도 6은 프레넬 렌즈(610)의 광학적 중심에서 일체로 형성된 싱글렛 구면 혹은 비구면 렌즈(605)를 예시한다. 대안적으로, 캐비티 또는 홀이 프레넬 렌즈(610)에 제공될 수 있고, 싱글렛 렌즈(605)는 본 기술 분야에서 알려진 광학 기술에 의해 삽입 및 붙여질 수 있다. 다른 실시예에서, 프레넬 렌즈(610)는 삽입 몰딩으로 지칭되는 기술을 사용하여 상이한 재료(예를 들면 유리와 같은)의 싱글렛 렌즈(605) 주위에 몰딩될 수 있다.
코를 향해 싱글렛 렌즈(605)를 넘는 프레넬 렌즈(610)의 확장은 싱글렛 렌즈(605) 단독에 의해 획득되는 것보다 더 많은 양안 중첩에 대한 능력을 제공한다. 예를 들어, 싱글렛 렌즈(605)는 60도 FOV에 걸친 높은 시력을 제공할 수 있고, 코에서 확장하는 프레넬 렌즈(610)의 존재는 추가적인 양의 양안 중첩을 제공할 수 있지만, 시력이 낮다. 유사하게, 양안 중첩의 수직 필드 또한 확장될 수 있다.
도 6a가 (예를 들어, 디스플레이 패널 쪽으로) 외부를 향하는 프레넬 홈 표면과 함께 눈을 향하는 평평한 표면을 갖는 프레넬 렌즈(610)를 예시하지만, 표면들은 그 반대일 수 있다. 추가적으로, 프레넬 홈 표면 반대쪽 표면은 응시 방향 C와 같은 응시 방향에 대한 광학적 성능을 향상시키기 위해 평평하지 않을 수 있고 비구면 또는 다른 교정 또는 두께의 변동을 가질 수 있다. 하이브리드 렌즈 시스템(600)의 설계는 또한 예를 들어, 프레넬 렌즈 홈들의 기울기 각도들을 응시 방향 B와 평행해 지도록 배향시킴으로써, 프레넬 렌즈(610)와 싱글렛 렌즈(605) 사이의 전이 영역으로부터의 아티팩트들을 감소 또는 제거하도록 최적화될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 프레넬 홈은 대향하는 표면들 둘 다에 존재할 수 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 하이브리드 렌즈 시스템(700)을 예시한다. 하이브리드 렌즈 시스템(700)은 색 수차(chromatic aberration), 왜곡(distortion)을 교정하거나, 그 외의 수차(aberrations)를 분해하기 위해 싱글렛 렌즈(605)에 인접하게 추가된 제2 굴절 렌즈(705) 및/또는 제3 굴절 렌즈(710)를 포함한다. 도 7은 렌즈(705 및 710)들을 메니스커스 렌즈들(meniscus lenses)로서 예시하지만, 싱글렛 렌즈(605)의 전면 또는 후면 위의 이러한 추가적인 렌징 층들은 광학적 설계의 요구조건들에 따라 볼록(positive) 렌즈 또는 오목(negative) 렌즈일 수 있다. 따라서, 완벽한 중심 시야 렌즈는 (나중에 논의되는 바와 같이) 구면, 비구면 또는 심지어 누진일 수 있는 볼록 표면 또는 오목 표면을 포함하는 싱글렛, 더블렛, 트리플렛 또는 그 외의 다른 구조일 수 있다. 예시된 주변 시야 렌즈는 프레넬 렌즈(610)이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 하이브리드 렌즈 시스템(800)을 예시한다. 하이브리드 렌즈 시스템(800)은, 글래스 싱글렛, 더블렛, 또는 트리플렛 렌즈, 또는 다른 것과 같이, 광학 인서트(805) 주위에 플라스틱 재료(폴리메틸 메타크릴레이트와 같은)가 형성되는, 인서트 몰딩 기술을 이용하여 형성된다. 따라서, 광학 인서트(805)(중심 시야 렌즈)는 프레넬 렌즈(810)(주변 시야 렌즈)와 상이한 재료로 형성된다. 프레넬 렌즈(810), 또는 키노폼과 같은 미세구조 또는 회절성 광학 소자가, 광학 인서트(805)를 캡슐화한 외부 표면들(815) 위에 형성될 수 있다는 점에 유의한다.
매우 높은 시야 시스템에서 사용하기 위해 의도된 광학 시스템 또한 하이브리드 렌즈 시스템으로 형성될 수 있다. 주변 시야를 개선하는 한가지 방식은 도 9a에 도시된 바와 같이 관자놀이 근처의 곡선을 이용하는 것이다. 프레넬 렌즈(910)를 만곡시킴으로써, 예를 들어, 디스플레이 패널(920) 상의 점 A에서의 픽셀에 의해 방출된 광선은 하이브리드 광학 시스템(900)에 의해 수집될 수 있고 눈으로 릴레이될 수 있다. 도 9a에서, 눈이 높은 각도로 돌려지지만, 디스플레이 및 렌즈가 주변에 가상 이미지를 생성하는 광선을 생성한다면, 눈의 회전 없이 주변 시야에서 망막에 의해 주변 광선이 보일 수 있다. 하나의 축 상에 곡선을 도시하지만, 프레넬 렌즈(910)는 다수의 축을 따라 만곡될 수 있다. 하나의 실시예에서, 프레넬 렌즈(910)는 하나 이상의 축에서 구부러지는 만곡된 기판 위에 형성된다. 예시된 실시예에서, 프레넬 렌즈(910)는 중심 시야 렌즈의 코 쪽에서 평면이지만 중심 시야 렌즈의 관자놀이 쪽에서 일부를 따라 만곡된다.
또 다른 선택적 특징은 도 9a에 예시되고, 프레넬 렌즈(910)의 초점 거리(예를 들어, F1, F2, F3)는 프레넬 렌즈(910)의 광학적 중심으로부터의 반경 거리에 따라 천천히 달라진다. 하나의 실시예에서, 초점 거리 변동은 주변 시야 렌즈(예를 들어 프레넬 렌즈(910))의 프레넬 홈들의 경사에서의 경미한 변동에 의해 달성된다. 프레넬 렌즈(910)의 중심 근처에서, 초점 거리는 F1이다. 반경이 증가하면, 초점 거리는 천천히 그리고 연속적으로 F2까지 그 다음에 F3까지 증가한다. 초점 거리에서의 변화가 점진적이라면, 초점 거리에 있어서의 경사도는 망막 상의 이미지에 최소한의 영향을 미칠 것이지만(이미지의 지각에서 의미 있음), 하이브리드 광학 시스템(900)과 디스플레이 패널(920) 사이의 거리에 있어서의 증가에도 불구하고, 전체적인 효과는 이미지가 초점이 맞아 유지되는 것을 가능하게 할 것이다. 그에 따라, 하나의 실시예에서, 프레넬 렌즈(910)의 초점 거리가 증가하는 것은, 하이브리드 광학 시스템(900)과 평면 디스플레이 패널(920) 사이의 이격 거리 증가를 야기하는, 관자놀이 쪽의 프레넬 렌즈(910)의 내향 곡률을 보상한다. 초점 거리가 점진적으로 변할 때 발생하는 배율에 있어서의 변화는 이미지를 전자적으로 리매핑 및 전치 왜곡함으로써 감소될 수 있어, 배율 변화는 대략 취소된다. 그러나, 광학적 중심으로부터 충분히 먼 곳에서 변화가 발생한다면, 배율에 있어서의 변화는 지각할 수 없다.
도 6, 도 7, 도 8, 및 도 9에 도시된 접근법에 대한 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 중심 시야 렌즈는 회절 광학 소자 또는 홀로그램을 포함할 수 있다. 인서트 몰딩 단계들에 대한 임의의 조합이 전체 하이브리드 렌즈 시스템을 형성하는데 사용될 수 있다. 도 9a는 하나의 축에서 구부러진 것을 도시하지만, 하이브리드 렌즈는 또한 구면, 비구면, 또는 원환체 기본 형상(toric base shape)으로 형성될 수 있다. 그러한 경우에, 프레넬 홈 구조는 그에 따라 수정된다. 예를 들어, 프레넬 홈들은 프레넬 렌즈(910)의 눈 방향으로 향하는 표면 상에 형성될 수 있다. 초점 거리에 있어서의 변동은 또한 2차원 곡면(two-dimensional curved surface) 상에 형성될 때 하이브리드 렌즈의 주변 시야 섹션에서 이용될 수 있다.
위에서 설명된 하이브리드 렌즈 시스템은 또한 만곡된 디스플레이와 함께 사용될 수 있다. 하이브리드 렌즈의 곡률은 이미지에서 - 주변에서도 - 높은 공간 충실도가 유지될 수 있도록 디스플레이의 곡률과 일치하도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 수평 및 수직 시야 또는 전체 필드의 임의의 서브세트에 걸쳐 망막과 일치하는 시력을 갖는 매우 높은 양안 FOV 시스템(수평 필드에서 180도 초과(> 180 degrees))을 만드는 것이 가능하다. 도 9b는 본 개시내용의 다른 실시예를 따른, 하이브리드 렌즈 시스템 및 만곡된 디스플레이를 포함하는 양안의 머리 착용가능 디스플레이(930)를 예시한다.
도 9c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 만곡된 섹션(947)을 갖는 하이브리드 렌즈 시스템(945) 및 만곡된 섹션(955)을 갖는 디스플레이(950)를 포함하는 머리 착용가능 디스플레이(940)를 예시한다. 예시된 디스플레이(950)는 하이브리드 렌즈 시스템(945)의 만곡된 섹션(947)을 넘어 확장되는 평평한 섹션(960) 및 만곡된 섹션(955)을 포함하여, 디스플레이(950)는 어떠한 렌즈, 또는 투명한 플라스틱(through clear plastic) 없이 직접 볼 수 있게 된다. 이러한 실시예에서, 디스플레이(950)는 눈이 단순히 빛에 대한 움직임 및 인식이 검출되는 매우 작은 주변 해상도를 갖는 FOV의 주변 영역까지 확장된다. 이러한 극단의 주변 영역에서는, 어떠한 렌징도 필요하지 않을 수 있다. 이것은 렌즈의 외부 에지를 넘어 볼 때, 처방 안경에 의해 제시된 이미지와 유사하다. 이러한 경우에, 주변 이미지는 초점 밖에 있지만, 존재의 느낌을 약화하지는 않는다.
뇌는 다수의 단서로부터 물체들의 깊이를 지각한다. 하나의 단서는 조절 거리(accommodation distance) - 눈이 초첨을 맞추는 거리 - 로 불린다. 뇌는 이러한 초점을 획득하고 눈으로 지향하는 초점이 맞는 이러한 단서들로부터의 거리의 추정치를 전개하는데 필요한 모양체 근 단서들(ciliary muscle cues)을 해석할 수 있다. 두 번째 단서는 왼쪽 및 오른쪽 눈으로 지각된 이미지들을 결합하기 위하여 양쪽 눈의 응시가 물체 상에 집중되도록 눈들을 돌리는데 필요한 외안 근(extraocular muscle) 움직임을 해석함으로써 획득된다. 이러한 두 번째 거리 단서는 망막 상에 관심 있는 물체를 두기 위해 눈이 돌아가야 하는 각도에 기초한 것이고, 이렇게 지각된 거리는 수렴 거리(vergence distance)로 불린다.
종래의 스테레오/3D VR 시스템에서 알려진 문제점 중 하나는 수렴 거리와 조절 거리 사이의 차이이다. 예를 들면, 일부 종래의 3D 시스템은 무한대에 이미지 면을 두고, 수렴에 의해 깊이 단서를 제공한다. 이는 사용자가 불편함을 느끼게 할 수 있다. 조절 수렴 충돌을 감소시키거나 제거하는 하나의 방식은 VR 시스템 렌즈의 파워를 조절함으로써, 이미지 거리를 변화시키는 것이다. 가변 디옵터 렌즈가 알려져 있다. 눈의 응시 방향이 눈 추적으로부터 알 수 있거나, VR 장면 및 관심 있는 물체에 기초하여 추정될 수 있다면, 수렴 거리가 결정되거나 추정될 수 있다. 조절 가능한 파워 렌즈는 조절 거리가 수렴 거리와 동일하게 되는 초점 거리로 설정될 수 있고, 이러한 방식으로 조절-수렴 격차를 제거할 수 있다.
물체의 거리 s1, 이미지 거리 s2, 및 초점 거리 f 사이의 관계를 명시하는 수학식은 다음과 같다:
.
Figure pct00005
여기서 논의된 유형의 확대렌즈 시스템(magnifier system)에 적합한 부호 규약(sign conventions)을 이용하면 다음과 같다:
Figure pct00006
또는
Figure pct00007
초점 거리가 고정된다면, 이미지 거리는 렌즈와 디스플레이 픽셀 면 사이의 광학 거리를 조절함으로써 대안적으로 변할 수 있다. 광학 거리(OD)는 렌즈와 픽셀 면 사이 매체(예를 들어, 유리의 층)의 굴절률 n에 대해 수정되는 물리적 거리(PD)를 의미한다.
Figure pct00008
이 거리는 광 경로 길이로도 알려져 있다. 이 거리는 적어도 다음 세 가지 선택사항에 따라 달라질 수 있다: (1) 디스플레이의 이동, (2) 가변 굴절률을 갖는 광학 재료(액정과 같은)를 개재, 또는 (3) 가변 물리적 두께를 갖는 광학 재료를 개재.
눈 추적은 각도들 및 IPD로부터 컨버전스 각도(convergence angle)를 결정하고 컨버전스 거리를 결정하는데 사용될 수 있다. 컨버전스 거리를 알게 되면, 조절 거리가 일치되도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 시스템의 초점 거리가 44mm로 고정되고, 픽셀 면과 렌즈 사이의 초기 광학 거리가 43.95mm라면, 이미지 거리는 38.7m일 것이다. 도 10은 픽셀 면과 렌즈 사이의 광 경로 길이에 있어서의 감소의 함수로서 가상 이미지 거리를 예시하는 차트를 포함한다. 광 경로 길이가 2mm 감소된다면, 이미지는 38.7m에서 1m로 이동된다. 4mm의 감소는 이미지의 거리를 40cm로 감소시킨다. 이러한 시스템은 이미지를 38.8m에서 10cm로 이동시키기 위해 디스플레이 변환을 약 10mm 사용할 수 있다. 디스플레이의 일부만 이동되도록 허용하는 유연한 디스플레이들이 개발되었다. 따라서, 이미지 거리는 코에 가장 가까운 디스플레이의 에지를 수 밀리미터 이동시킴으로써 조절될 수 있다.
조절-수렴 충돌을 감소시키는 또 다른 방법은 렌즈의 초점 거리를 조절하는 것에 기초한 것이다. 이러한 조절가능한 렌즈들은 알려져 있으며 위에서 설명된 하이브리드 렌즈 시스템과 결합되어 조절가능한 파워를 가진 렌즈를 형성할 수 있다. 수렴 거리는 눈 추적으로부터 결정되고, 렌즈의 초점 거리는 적절한 조절 거리를 획득하기 위해 조절된다. 도 11은 렌즈로부터 43.9mm에 놓인 디스플레이에 대한 초점 거리의 함수로서 이미지 거리를 예시하는 차트를 포함한다. 초점 거리가 44mm에서 50mm로 증가함에 따라, 이미지는 19m에서 0.36m로 이동된다. 이는 조절가능한 렌즈의 곡률 반경에 있어서의 증가에 의해 획득된다.
조절-수렴 격차(accommodation-vergence disparity)를 감소시키는 수동적 방법은 노안의 교정을 위해 안과에서 사용된 누진 렌즈의 수정을 사용함으로써 획득된다. 안과의 누진 렌즈는 눈이 렌즈의 중심에서 렌즈의 맨 아래를 향해, 그리고 코를 향해 회전함에 따라 달라지는 초점 길이를 갖는다. 컨버전스가 증가됨에 따라 광 파워를 추가함으로써, 더 가까이 있는 물체가 초점 안으로 들어 간다. 이러한 원리는 조절-수렴 충돌을 감소시키기 위해 수정될 수 있다.
도 12는 하이브리드 렌즈 시스템(1200)을 예시하는데, 주변 시야 렌즈의 광 파워는 D로 표시된 코 방향으로 방사상으로 달라진다. 가상 이미지의 위치가 다음과 같이 주어짐을 상기한다:
Figure pct00009
여기서, s1은 디스플레이에서 렌즈까지의 거리이고, s2는 이미지에서 렌즈까지의 거리이다. s1가 고정된다고 가정하면, f가 중심보다 작은 렌즈의 섹션을 통해 물체를 본다면, s2는 더 작아지며, 이미지가 더 가까이에 있게 되는 것을 의미한다. 도 12를 다시 참조하면, 하이브리드 렌즈 시스템(1200)의 중심으로부터 코를 향하는 거리 D에 따라 초점 거리가 감소한다면, 사용자가 코의 방향으로 더 많이 보게 됨에 따라 이미지는 더 가까이 오게 된다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른, 왼쪽 및 오른쪽 하이브리드 렌즈들(1301 및 1302)을 각각 포함하는 양안 하이브리드 광학 시스템(1300)을 예시한다. 사용자가 먼 물체 A를 볼 때, 두 눈의 응시 각도는 평행하고 중심 시야 렌즈를 통해 지향된다. 중심 시야 렌즈들의 광학적 중심의 초점 거리가 대략 디스플레이까지의 거리라면, 사용자는 0의 컨버전스 각도와 일치하는 광학적 무한대의 조절 거리에 있는 이미지를 본다. 사용자가 점 C에 있는 물체를 볼 때, 사용자의 시선은 반드시 점 1에 있는 중심 시야 렌즈들을 관통한다. 점 1에서의 초점 거리가 중심에서 보다 크다면, 디스플레이 위치가 변하지 않더라도 조절 거리는 무한대에서 점 C로 이동된다. 물체의 조절 거리가 점 B로 이동되도록 점 2를 통해 보는 것이 더 높은 초점 거리를 갖는 렌즈가 설계된다. 이러한 방식으로, 수렴 거리 및 조절 거리는 일치하게 된다.
하나의 눈을 관자놀이를 향해 돌림으로써 보이는 물체의 경우, 격차가 여전히 존재할 것이다: 코를 향해 눈을 돌리는 것은 관자놀이를 향해 눈을 돌리는 것보다 더 가까운 조절 거리를 가질 것이다. 그러나, 시상 면 상에 이미지의 중심을 두도록 머리를 이어서 돌린다면(이는 물체를 보는 자연스러운 방식임), 격차는 없을 것이다. 그러므로, 양안 필드 내에서 관심 있는 물체를 중심에 두는 것은 이미지를 보는 자연스러운 방식이므로, 이 기술은 가까운 물체들을 보는 가장 자연스러운 방식에 대한 격차를 치유한다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 유연한 디스플레이들(1401 및 1402)을 포함하는 양안의 머리 착용가능 디스플레이(1400)를 예시한다. 고정된 누진 초점 길이를 사용하는 하이브리드 렌즈 시스템의 대안은 도 14에 예시된 바와 같이, 유연한 디스플레이들(1401 및 1402)을 사용하고 디스플레이들(1401 및 1402)을 코를 향해 약간 만곡시키는 것이다. 이격 D2는 이격 D1보다 작으므로, 응시의 방향이 코를 향해 이동됨에 따라 결과 이미지 거리는 감소한다. 디스플레이들(1401 및 1402)의 곡률은 수렴 거리와 조절 거리 사이의 충돌을 제거하기 위해 일치될 수 있다.
요약서에 설명된 것을 포함하여, 본 발명의 예시된 실시예들에 대한 위의 설명은, 완전한 것으로 또는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 예들은 예시의 목적을 위해 본 명세서에서 설명되는 한편, 관련 기술분야의 통상의 기술자들이 인지하는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정들이 가능하다.
이러한 수정들은 위의 상세한 설명을 고려하여 본 발명에 대해 실시될 수 있다. 이하의 청구항들에서 사용되는 용어들은 본 발명을 본 명세서에 개시된 특정한 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들에 의해 전체적으로 결정되어야 하고, 성립된 청구항 해석의 원칙에 따라 해석되어야 한다.

Claims (24)

  1. 머리 착용가능 디스플레이(head wearable display)를 위한 하이브리드 광학 시스템으로서,
    대략 사용자의 각막(cornea)에 맞춰 정렬하고 사용자가 정면을 볼 때 상기 사용자의 중심 시야로의 렌징(lensing)을 제공하는 중심 시야 렌즈(central vision lens); 및
    상기 사용자가 정면을 볼 때 상기 중심 시야 렌즈에 의해 렌징된 상기 중심 시야를 넘는 각도로 확장하는 확장된 시야(FOV)로의 렌징을 제공하는, 상기 중심 시야 렌즈와는 상이한 주변 시야 렌즈(peripheral vision lens)
    를 포함하고,
    상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈 주위에 배치되고,
    상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈와 광학적 중심이 일치하지만, 상기 중심 시야 렌즈는 상기 주변 시야 렌즈의 물리적 중심으로부터 오프셋되는 하이브리드 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 프레넬 렌즈를 포함하는 하이브리드 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 적어도 하나의 면(side)이 곡면(curved surface)을 갖는 굴절 렌즈를 포함하는 하이브리드 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 싱글렛 렌즈(singlet lens)를 포함하는 하이브리드 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 상기 싱글렛 렌즈의 전면 또는 후면 위에 배치된 적어도 하나의 추가적인 렌징 층(lensing layer)을 추가로 포함하는 하이브리드 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈 및 상기 주변 시야 렌즈는 단일 플라스틱 피스(single piece of plastic) 내에 몰딩되는 하이브리드 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 상기 주변 시야 렌즈의 부분 내에 배치된 광학 인서트(optical insert)를 포함하고, 상기 광학 인서트는 상기 주변 시야 렌즈와 상이한 재료로 제조되는 하이브리드 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 구면 렌즈, 비구면 렌즈, 누진 렌즈, 색지움 렌즈, 회절 광학 소자, 또는 홀로그램 중 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 광학 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 코 쪽(nasal side) 및 관자놀이 쪽(temple side)을 포함하고, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 관자놀이 쪽을 따라 안쪽으로 만곡되는 하이브리드 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 관자놀이 쪽을 향하는 상기 중심 시야 렌즈로부터의 오프셋 거리에 따라 증가하는 초점 거리를 갖는 하이브리드 광학 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈의 상기 코 쪽 위에서 평면인 하이브리드 광학 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 코 쪽을 따라 안쪽으로 만곡되는 하이브리드 광학 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 코 쪽을 향하는 상기 중심 시야 렌즈의 광학적 중심으로부터의 방사상 거리(radial distance)에 따라 감소하는 초점 거리를 갖는 하이브리드 광학 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 광학 시스템은 상기 주변 시야 렌즈의 관자놀이 쪽보다 상기 주변 시야 렌즈의 코 쪽에 더 가까운 상기 중심 시야 렌즈의 위치와 비대칭적인 하이브리드 광학 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈는 상기 주변 시야 렌즈보다 더 높은 시력(optical acuity)을 제공하는 하이브리드 광학 시스템.
  16. 머리 착용가능 디스플레이로서,
    디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널의 눈을 향하는 쪽(eye-ward side)을 따라 배치된 하이브리드 광학 렌즈 시스템
    을 포함하고, 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템은,
    대략 사용자의 각막에 맞춰 정렬하고 사용자가 정면을 볼 때 상기 사용자의 중심 시야로의 렌징을 제공하는 중심 시야 렌즈; 및
    상기 사용자가 정면을 볼 때 상기 중심 시야 렌즈에 의해 렌징된 상기 중심 시야를 넘는 각도로 확장하는 확장된 시야(FOV)로의 렌징을 제공하는, 상기 중심 시야 렌즈와는 상이한 주변 시야 렌즈를 포함하며,
    상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈 주위에 배치되고,
    상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈와 광학적 중심이 일치하지만, 상기 중심 시야 렌즈는 상기 주변 시야 렌즈의 물리적 중심으로부터 오프셋되는 머리 착용가능 디스플레이.
  17. 제16항에 있어서, 상기 디스플레이 패널은 만곡된 디스플레이 패널을 포함하고, 상기 주변 시야 렌즈는 만곡된 기판을 따라 배치되는 머리 착용가능 디스플레이.
  18. 제17항에 있어서, 상기 만곡된 디스플레이 패널은 관자놀이 쪽을 따라 상기 주변 시야 렌즈의 제2 만곡 부분을 넘어 확장하는 제1 만곡 부분을 가져, 상기 머리 착용가능 디스플레이의 착용자가 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템을 통해 보지 않고 상기 만곡된 디스플레이 패널의 상기 제1 만곡 부분을 직접 볼 수 있게 하는 머리 착용가능 디스플레이.
  19. 제17항에 있어서, 상기 디스플레이 패널은 상기 중심 시야 렌즈의 앞에 배치된 평면 부분 및 상기 중심 시야 렌즈의 관자놀이 쪽에 있는 상기 주변 시야 렌즈의 앞에 배치된 만곡된 부분을 포함하는 머리 착용가능 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈에 인접한 제1 부분 및 상기 중심 시야 렌즈의 상기 관자놀이 쪽에서 만곡되는 제2 부분을 갖는 기판을 따라 배치되는 머리 착용가능 디스플레이.
  21. 제16항에 있어서, 상기 디스플레이 패널은 평면이고, 상기 주변 시야 렌즈는 상기 중심 시야 렌즈의 관자놀이 쪽에 배치된 만곡된 부분을 갖는 머리 착용가능 디스플레이.
  22. 제21항에 있어서, 상기 주변 시야 렌즈의 상기 만곡된 부분은 상기 중심 시야 렌즈의 중심으로부터의 방사상 거리에 따라 증가하는 초점 거리를 갖는 머리 착용가능 디스플레이.
  23. 제16항에 있어서, 상기 머리 착용가능 디스플레이는 한 쌍의 디스플레이 패널 및 한 쌍의 하이브리드 광학 렌즈 시스템을 포함하는 양안의 머리 착용가능 디스플레이(binocular head wearable display)를 포함하는 머리 착용가능 디스플레이.
  24. 제16항에 있어서, 상기 중심 시야 렌즈의 광학적 중심을 관통하는 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템의 제1 초점 거리는 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템과 상기 디스플레이 패널 사이의 이격 거리에 대응하는 한편, 상기 광학적 중심과 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템의 코 쪽 사이에서 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템의 영역을 관통하는 상기 하이브리드 광학 렌즈 시스템의 제2 초점 거리는 조절(accommodation)과 수렴(vergence) 사이의 격차를 보상하기 위해 상기 제1 초점 거리보다 더 긴 제2 초점 거리를 갖는 머리 착용가능 디스플레이.
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