KR20180009767A

KR20180009767A - 조명기

Info

Publication number: KR20180009767A
Application number: KR1020177036450A
Authority: KR
Inventors: 아드리안 캘러
Original assignee: 매직 립, 인코포레이티드
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2018-01-29
Also published as: CA2986149A1; KR102539075B1; CN108139651A; IL295390B1; IL295390B2; JP6972061B2; JP7079362B2; IL255710A; EP3298444A1; EP3770659A1; WO2016187464A1; JP2021114478A; JP2018524762A; EP3298444B1; HK1252589A1; JP6877363B2; IL295390A; EP3770659B1; AU2016264601A1; IL255710B

Abstract

실제 광 소스와 상이한 위치로부터 나오는 것으로 보이는 조명을 생성하기 위한 광학 디바이스가 개시된다. 디바이스는 대향하는 제1 및 제2 평면 면들을 가지는 도파관을 포함한다. 광 소스는 광을 도파관으로 지향시키도록 포지셔닝된다. DOE(diffractive optical element)는 도파관을 가로질러 형성된다. DOE는 도파관에 진입하는 광을 내부 전반사를 통해 분배하고 광을 상기 제1 면의 표면으로부터 커플링 아웃(coupling out)한다.

Description

조명기

[0001] 본 출원은 2015년 5월 19일 출원되고 발명의 명칭이 "ILLUMINATOR"인 미국 가 특허 출원 번호 62/163,724호에 대해 우선권을 주장하고, 이로써 위의 가 특허 출원은 그 전체가 인용에 의해 통합된다.

[0002] 본 발명은 실제 광 소스와 상이한 위치로부터 나오는 것으로 보이는 조명을 생성하기 위한 광학 디바이스에 관한 것이다. 그런 광학 디바이스는, 필요한 곳에 실제 물리적 광 소스를 배치하는 것이 비현실적이거나 불가능한 다양한 포토그래픽(photographic) 또는 비디오 캡처 상황들에 유용하다.

[0003] 대부분의 포토그래픽 또는 비디오 캡처 상황들은 일부 형태의 조명을 요구한다. 원하는 조명은 예컨대 카메라에 연결된 플래시에 의해 공급될 수 있다. 그러나, 많은 상황들에서, 필요한 조명을 제공하는 것은 난제일 수 있다.

[0004] 하나의 그런 상황은 사용자를 위한 증강 현실의 생성을 위해 본원의 양수인에 의해 개발된 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 그런 시스템에서, 사용자에게는 외부 세계를 보기 위한 윈도우를 포함하는 머리 장착 디바이스가 제공될 것이다. 윈도우는 이미지 정보를 생성하고 그 이미지 정보를 사용자의 눈들로 투사하기 위한 능력을 가질 것이다. 그런 시스템에서, 시뮬레이팅된 객체들의 이미지들이 생성되어 실세계 장면에 부가될 수 있다. 이런 타입의 윈도우의 더 상세한 설명은 아래에 제공된다.

[0005] 그런 머리 장착 디스플레이들에 소정의 기능성을 부가하는데 관심이 존재한다. 예컨대, 사용자의 시선 방향을 모니터링하기 위한 카메라를 포함시키는 것에 관심이 존재한다. 사용자가 어느 순간에 어디를 보는지를 아는 것은 많은 이익들을 가진다. 예컨대, 사람의 시선에 대한 인식은 디스플레이 시스템을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 시선 방향의 인식은 마우스 포인터, 또는 그것의 아날로그(analog)를 제어하기 위한 선택 툴로서 사용될 수 있다. 시선 방향의 인식은 시야에 있는 객체들을 선택하기 위하여 사용될 수 있다. 카메라로 시선 정보를 캡처하는 것은 눈을 조명하기 위한 소스를 제공함으로써 개선될 수 있다.

[0006] 머리 장착 디스플레이들에서 관심 있는 다른 특징은 생체 인증 측정들, 이를테면 홍채 인식을 통하여 사용자를 식별하는 가능성이다. 홍채 인식 시스템은 홍채 이미지를 캡처하기 위한 카메라를 포함할 것이다. 홍채 정보를 캡처하는 프로세스는, 조명 소스가 제공되면 개선될 수 있다.

[0007] 본 발명의 조명 디바이스는 증강 현실을 생성하기 위하여 본원의 양수인에 의해 사용된 윈도우의 구조와 일부 유사성들을 가진다. 비록 본 발명의 실시예가 이런 맥락에서 논의될 것이지만, 본 발명이 증강 현실 시스템들로 제한되는 것이 아니라, 실제로 조명을 요구하는 임의의 상황, 특히 가상 조명 소스를 생성하는 것이 필요한 경우에 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

[0008] 본 디바이스는 증강 현실에 사용하기 위하여 제안된 것과 유사한 구조를 가지는 평면 도파관을 포함한다. 증강 현실을 생성하기 위한 디바이스의 설명은 2015년 1월 15일 공개된 미국 특허 공개 번호 2015/001677호에서 발견될 수 있고, 이 개시내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.

[0009] 2015/001677호에서 설명되고 본원의 도 1에 예시된 바와 같이, 광학 시스템(100)은 평면 도파관(1)을 포함하는 주 도파관 장치(102)를 포함할 수 있다. 평면 도파관에는 평면 도파관 내의 광의 내부 전반사를 제어하기 위하여 하나 또는 그 초과의 DOE(diffractive optical element: 회절 광학 엘리먼트)들(2)이 제공된다. 광학 시스템은 광학 커플러 시스템(104) 및 제어 시스템(106)을 더 포함한다.

[0010] 도 2에 가장 잘 예시된 바와 같이, 주 평면 도파관(1)은 제1 단부(108a) 및 제2 단부(108b)를 가지며, 제2 단부(108b)는 주 평면 도파관(1)의 길이(110)를 따라 제1 단부(108a)에 대향한다. 주 평면 도파관(1)은 제1 면(112a) 및 제2 면(112b)을 가지며, 적어도 제1 면(112a) 및 제2 면(112b)(집합적으로, 112)은 주 평면 도파관(1)의 길이(110)의 적어도 일부를 따라 내부적으로 부분 반사 광학 경로(화살표(114a) 및 파선 화살표(114b)에 의해 예시되고, 집합적으로 114)를 형성한다. 주 평면 도파관(1)은 정의된 임계 각도 미만에서 면들(112)을 때리는 광에 대해 실질적으로 내부 전반사(TIR)를 제공하는 다양한 형태들을 취할 수 있다. 평면 도파관(1)은 예컨대 판유리 또는 평면 유리, 용융 실리카, 아크릴 또는 폴리카보네이트 형태를 취할 수 있다.

[0011] DOE(2)(도 1 및 도 2에서 쇄선 이중 라인에 의해 예시됨)는 TIR 광학 경로(114)를 차단하는 다수의 다양한 형태들을 취할 수 있고, 이는 평면 도파관(1)의 길이(110)의 적어도 일부를 따라 연장되는 평면 도파관(1)의 내부(118)와 외부(120) 간에 복수의 광학 경로들(화살표들(116a) 및 파선 화살표들(116b)에 의해 예시되고, 집합적으로 116)을 제공한다. DOE(2)는 선형 회절 격자의 상 기능(phase function)들을 원형 또는 방사상 대칭 존 플레이트의 상 기능들과 유리하게 결합할 수 있고, 이는 뚜렷한 객체들 및 뚜렷한 객체들에 대한 포커스 평면의 포지셔닝을 허용한다. DOE는 도파관의 표면상에 또는 도파관의 내부에 형성될 수 있다.

[0012] 도 1을 참조하면, 광학 커플러 서브시스템(104)은 광을 도파관 장치(102)에 광학적으로 커플링한다. 대안적으로, 광은, 커플러가 사용되지 않으면 도파관(108b)의 에지에 직접 커플링될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 광학 커플러 서브시스템은 광을 주 평면 도파관(1)의 에지(122)에 광학적으로 커플링하기 위하여 광학 엘리먼트(5), 예컨대 반사 표면, 미러, 색선별(dichroic) 미러 또는 프리즘을 포함할 수 있다. 광은 또한 전면 또는 후면(112)을 통하여 도파관 장치로 커플링될 수 있다. 광학 커플러 서브시스템(104)은 부가적으로 또는 대안적으로 광을 시준하는 시준 엘리먼트(6)를 포함할 수 있다.

[0013] 제어 서브시스템(106)은 공간적으로 및/또는 시간적으로 가변하는 광의 형태로 인코딩될 수 있는 이미지 데이터를 생성하는 하나 또는 그 초과의 광 소스들 및 드라이브 전자장치를 포함한다. 위에서 주목된 바와 같이, 시준 엘리먼트(6)는 광을 시준할 수 있고, 시준된 광은 하나 또는 그 초과의 주 평면 도파관들(1)(단지 하나의 주 도파관이 도 1 및 도 2에 예시됨)로 광학적으로 커플링된다.

[0014] 도 2에 예시된 바와 같이, 광은 주 평면 도파관을 따라 전파되고, 이때 적어도 일부 반사들 또는 "바운스(bounce)들"이 TIR 전파로부터 발생한다. 일부 구현들이 내부 광학 경로에 하나 또는 그 초과의 반사기들, 예컨대 반사를 가능하게 할 수 있는 박막들, 유전체 코팅들, 금속화된 코팅들 등을 이용할 수 있다는 것이 주목된다. 도파관(1)의 길이(110)를 따라 전파되는 광은 길이(110)를 따라 다양한 포지션들에서 DOE(2)와 교차한다. DOE(2)는 주 평면 도파관(1) 내에 또는 주 평면 도파관(1)의 면들(112) 중 하나 또는 그 초과의 면들에 가깝거나 인접하게 통합될 수 있다. DOE(2)는 적어도 2개의 기능들을 달성한다. DOE(2)는 광의 각도를 시프트하고, 이는 광의 일부가 TIR을 벗어나게 하고, 그리고 주 평면 도파관(1)의 하나 또는 그 초과의 면들(112)을 통하여 내부(118)로부터 외부(120)로 나오게 한다. DOE(2)는 또한 객체의 가상 위치를 원하는 뚜렷한 뷰잉 거리(apparent viewing distance)로 제어하기 위해 아웃-커플링된(out-coupled) 광선들을 지향하도록 구성될 수 있다. 따라서, 주 평면 도파관(1)의 면(112a)을 통해 보는 누군가는, 가상 광 소스를 특정 뷰잉 거리로부터의 것처럼 볼 수 있다.

[0015] 아래에 논의될 바와 같이, 본 조명기는 위에서 논의된 DOE 및 도파관 기술을 사용하여 구성될 수 있다.

[0016] 실제 광 소스와 상이한 위치로부터 나오는 것으로 보이는 조명을 생성하기 위한 광학 디바이스가 개시된다. 디바이스는 대향하는 제1 및 제2 평면 면들을 가지는 도파관을 포함한다. 광 소스는 광을 도파관으로 지향시키도록 포지셔닝된다. DOE(diffractive optical element)는 도파관을 가로질러 형성된다. DOE는 도파관에 진입하는 광을 내부 전반사를 통해 분배하고 광을 상기 제1 면의 표면으로부터 커플링 아웃(coupling out)한다.

[0017] 일 실시예에서, DOE는 도파관으로부터 무한 거리에 포지셔닝된 소스의 광 필드를 모방하기 위하여 떠나는 광을 시준하도록 구성된다. 다른 실시예에서, DOE는 도파관으로부터 미리결정된 거리에 있는 소스의 광 필드를 모방하기 위하여 떠나는 광을 발산하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 광 소스는 적외선 스펙트럼 지역의 방사선의 협대역폭을 생성한다.

[0018] 예컨대, DOE는, 광선들이 제1 면에 수직으로 상기 제1 면을 빠져나가거나 또는 광선들이 제2 면에 대향하는 공간에 가상 소스를 생성하는 방식으로 상기 제1 면을 빠져나가거나; 또는 광선들이 제2 면에 대향하는 공간에 적어도 2개의 가상 소스들을 생성하는 방식으로 상기 제1 면을 빠져나가도록 구성될 수 있다.

[0019] 부가적으로, 광 소스는 적외선 방사선을 생성할 수 있다. 제2 면에는 적외선 방사선에 대해 반사성인 코팅이 제공될 수 있다.

[0020] 광 소스로부터의 광은 도파관의 제1 면 및/또는 도파관의 제2 면을 통하여 도파관으로 지향될 수 있다. 다른 실시예에서, 광 소스로부터의 광은 도파관의 에지를 통하여 도파관으로 지향될 수 있다. 그런 실시예에서, 조명기는 제1 도파관의 에지를 따라 연장되는 제2 도파관을 포함할 수 있다. 제2 도파관은 광 소스로부터의 방사선을 수용하고 에지에 평행한 제1 도파관의 축을 따라 광을 분배할 수 있다.

[0021] 도 1은 예시된 일 실시예에 따라, 도파관 장치, 도파관 장치로 또는 도파관 장치로부터 광을 커플링하기 위한 서브시스템, 및 제어 서브시스템을 포함하는 광학 시스템을 도시하는 개략 다이어그램이다.
[0022] 도 2는 예시된 일 실시예에 따라, 내부적으로 전반사 광학 경로들 및 평면 도파관의 외부와 내부 간의 광학 경로들을 포함하는 다수의 광학 경로들을 예시하는, 평면 도파관 및 평면 도파관 내에 포지셔닝된 적어도 하나의 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 도파관 장치를 도시하는 정면도이다.
[0023] 도 3은 가상 광 소스가 무한대에 있는 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 조명기를 도시하는 개략 다이어그램이다.
[0024] 도 4는 가상 광 소스가 도파관으로부터 공간적으로 몇몇 유한 거리의 지점인 본 발명의 제2 실시예에 따라 형성된 조명기를 도시하는 개략 다이어그램이다.
[0025] 도 5는 분배 도파관을 포함하는 본 발명의 제3 실시예에 따라 형성된 조명기를 도시하는 개략 다이어그램이다.

[0026] 도 3은 본 발명에 따라 만들어진 조명 디바이스(10)의 제1 실시예를 예시한다. 디바이스는 조명을 요구하는 매우 다양한 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 디바이스는 피처(feature)들, 이를테면 시선 추적 또는 홍채 식별을 구현하기 위한 머리 장착 디스플레이들에 특히 유용할 수 있다.

[0027] 디바이스(10)는 평면 도파관(20)을 포함한다. 하나 또는 그 초과의 DOE(diffractive optical element)들(22)은 도파관 내에 형성된다. DOE는 도파관의 표면 상에 형성되거나 도파관 내에 내장될 수 있다.

[0028] 광 소스(24)는 조명을 위한 광학 방사선을 생성하기 위해 제공된다. 매우 다양한 광 소스들이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광 소스는 단일 파장 또는 협대역의 파장들을 생성한다. 일 예에서, 광 소스(24)는 LED(light emitting diode)이다. LED의 광 출력은 도파관으로 지향된다. 광은 도파관의 양측으로 또는 도파관의 에지를 따라 지향될 수 있다. 그 다음으로, 광은 내부 전반사들에 의해 도파관 전체에 거쳐 전파된다.

[0029] DOE는 도파관의 표면을 따라 다양한 지점들에서 광을 아웃 커플링하도록 배열된다. 도 3의 실시예에서, 커플링 아웃된 광선들은 실질적으로 도파관의 표면에 수직이다. 이런 접근법은, 광 소스가 도파관으로부터 무한대 거리에 위치될 것이고 광이 실질적으로 시준되는 상황을 모방한다.

[0030] 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 디바이스(10b)를 예시한다. 도 4의 실시예에서, 도파관(20a)의 DOE(22a)는 도파관의 대향 측으로부터 특정 거리에 위치된 포인트 소스(30)의 효과를 모방하기 위한 발산하는 광을 생성하도록 배열된다. 가상 광 소스의 특정 위치는 DOE를 구성함으로써 제어된다.

[0031] DOE는 도파관에 매우 가까운 것으로부터 매우 멀리 떨어진 임의의 위치에 가상 광 소스를 배치하도록 배열될 수 있다. 선정은 특정 애플리케이션에 가장 우수한 조명을 제공하는 것에 따를 것이다. 예컨대, 눈의 조명이 홍채의 이미지들을 캡처하기 위하여 사용되면, 더 균일한 조명을 생성하기 위하여 도파관으로부터 더 멀리 떨어지게 가상 소스를 이동시키는 것이 더 좋을 수 있다.

[0032] 증강 현실 애플리케이션들에 대해, 방사선이 사용자에게 보여지지 않도록 광 소스가 적외선 스펙트럼의 조명을 방사하는 것이 바람직하다. 이런 방식에서, 조명기는 사용자에게 도달하는 실세계 또는 컴퓨터 생성 이미지들을 간섭하지 않을 것이다. 적외선 조명을 사용하는 것은, 홍채의 훨씬 더 높은 레벨의 세부사항이 이런 파장 범위에서 이용가능하기 때문에, 홍채 인식에 특히 유용하다.

[0033] 적외선 소스를 사용하는 시스템에서, 도파관의 일측(32)(32a)(투과 측과 대향함) 상에 적외선 방사선을 반사하는 코팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 적외선 코팅은 해당 측에서 광 누설로 인한 어떤 손실들을 최소화할 것이다. 적외선 코팅은 실세계로부터 도파관을 통하여 사용자의 눈들로의 가시광의 투과를 간섭하지 않을 것이다.

[0034] 도 4의 실시예는, 어떻게 DOE가 단일 포인트 소스로부터 오는 광을 모방하도록 구성될 수 있는지를 도시한다. 2 또는 그 초과의 가상 광 소스들로부터 나오는 광을 모방하는 발산하는 광선들을 생성하도록 DOE를 구성하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 이것은 DOE의 픽셀들의 일부 부분을 하나의 가상 소스에 배정하고 DOE 픽셀들의 다른 부분을 다른 가상 소스에 배정함으로써 달성될 수 있다. 물론, 2개의 도파관들(30a)을 사용함으로써 유사한 결과를 달성할 수 있다. 2개의 도파관들은 서로 평행하게 정렬될 것이다. 각각의 도파관(30a)은 상이한 위치에 있는 포인트 광 소스를 모방하도록 구성될 것이다.

[0035] 다양한 동공 추적 시스템들은 눈으로부터의 다수의 반사들을 생성하기 위하여 다수의 광 소스들을 요구하도록 구성된다. 다수의 가상 포인트 소스를 생성할 수 있는 본 발명의 실시예가 이들 타입의 동공 추적 시스템들을 구현하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 구상된다.

[0036] 도 5는 DOE(52)를 가진 평면 도파관(50)을 포함하는 시스템(10c)의 다이어그램이다. 시스템(10c)은 도파관(50)의 에지와 정렬되는 제2 도파관(56)을 더 포함한다. 제2 도파관(56)은 DOE(58)를 포함한다. 광 소스(54)는 광을 제2 도파관으로 지향시킨다. 광은 내부 전반사를 통하여 제2 도파관(56)을 거쳐 확산된다. 광은 제2 도파관(56)을 떠나고 도파관(50)에 진입한다. 이 실시예에서, 도파관(56)은 광을 자신의 축(도 5의 수직 축)을 따라 분배하도록 작용한다. 그 다음으로, 도파관(50)은 광을 도 5의 수평 축을 따라 분배한다. 제2 도파관의 사용은 커플링 효율성을 개선할 수 있다.

[0037] 본 발명이 일부 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 다양한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상으로부터 가변함이 없이, 당업자에 의해 본 발명 내에서 이루어질 수 있다.

Claims

조명기로서,
대향하는 제1 평면 면 및 제2 평면 면을 가지는 제1 도파관;
광을 상기 도파관으로 지향시키도록 포지셔닝된 광 소스; 및
상기 도파관을 가로질러 형성된 DOE(diffractive optical element)
를 포함하고,
상기 DOE는 상기 소스로부터 상기 도파관에 진입하는 광을 상기 도파관을 가로질러 내부 전반사를 통해 확산시키고 상기 광을 상기 제1 면의 표면으로부터 커플링 아웃(coupling out)하는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 DOE는, 광선들이 상기 제1 면에 수직으로 상기 제1 면을 떠나도록 구성되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 DOE는, 광선들이 상기 제2 면에 대향하는 공간에 가상 소스를 생성하는 방식으로 상기 제1 면을 떠나도록 구성되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 DOE는, 광선들이 상기 제2 면에 대향하는 공간에 적어도 2개의 가상 소스들을 생성하는 방식으로 상기 제1 면을 떠나도록 구성되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 광 소스는 적외선 방사선을 생성하는,
조명기.
제5 항에 있어서,
상기 제2 면에는 적외선 방사선에 대해 반사성인 코팅이 제공되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 광 소스로부터의 광은 상기 도파관의 상기 제1 면을 통하여 상기 도파관으로 지향되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 광 소스로부터의 광은 상기 도파관의 상기 제2 면을 통하여 상기 도파관으로 지향되는,
조명기.
제1 항에 있어서,
상기 광 소스로부터의 광은 상기 도파관의 에지를 통하여 상기 도파관으로 지향되는,
조명기.
제9 항에 있어서,
상기 제1 도파관의 에지를 따라 연장되는 제2 도파관을 더 포함하고, 상기 제2 도파관은 상기 광 소스로부터의 방사선을 수용하고 상기 에지에 평행한 상기 제1 도파관의 축을 따라 상기 광을 분배하기 위한 것인,
조명기.