KR20180015620A - 시스루 머리 착용가능 디스플레이를 위한 효율적인 얇은 곡선형 아이피스 - Google Patents

시스루 머리 착용가능 디스플레이를 위한 효율적인 얇은 곡선형 아이피스 Download PDF

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Abstract

머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스는 곡선형 도광 컴포넌트, 입력 커플러, 및 출력 커플러를 포함한다. 곡선형 도광 컴포넌트는 뷰잉 영역으로부터 주변에 로케이팅된 입력 영역에서 수신되는 디스플레이 광을 안내하고 그리고 뷰잉 영역에서 눈쪽 방향(eye-ward direction)을 따라 디스플레이 광을 방출한다. 곡선형 도광 컴포넌트는, 오목한 눈쪽 대면 표면(eye-ward facing surface) 및 볼록한 세계 대면 표면(world facing surface)을 포함한다. 입력 커플러는 디스플레이 광을 곡선형 도광 컴포넌트에 커플링하기 위해 입력 영역에 배치된다. 출력 커플러는 곡선형 도광 컴포넌트로부터의 출력을 위해 눈쪽 방향을 향해 디스플레이 광을 재지향시키기 위해 뷰잉 영역에 배치된다. 출력 커플러는 세계 대면 표면을 통해 입사하는 주변 광에 대해 부분적으로 투과성이다. 디스플레이 광은 내부 전반사에 의해 입력 커플러와 출력 커플러 사이에 완전히 안내된다.

Description

시스루 머리 착용가능 디스플레이를 위한 효율적인 얇은 곡선형 아이피스
[0001] 본 개시내용은 일반적으로 광학 분야에 관한 것으로, 특히 배타적이지 않게, 머리 착용가능 디스플레이들을 위한 아이피스(eyepiece)들에 관한 것이다.
[0002] "HMD"(head mounted display) 또는 머리 착용가능 디스플레이는 머리 상에 또는 머리 둘레에 착용되는 디스플레이 디바이스이다. HMD들은 일반적으로 사용자의 수 미터 정면에 위치되는 확대된 가상 이미지를 생성하기 위해 일종의 눈-근접 광학 시스템(near-to-eye optical system)을 통합한다. 단일 눈 디스플레이들은 단안 HMD들로 지칭되는 반면, 듀얼 눈 디스플레이들은 쌍안 HMD들로 지칭된다. 일부 HMD들은 "CGI"(computer generated image)만을 디스플레이하는 반면, 다른 타입들의 HMD들은 실세계 뷰(real-world view)에 걸쳐 CGI를 중첩할 수 있다. 이 후자의 타입의 HMD는 통상적으로 일부 형태의 시스루 아이피스(see-through eyepiece)를 포함하며, 증강 현실을 실현하기 위한 하드웨어 플랫폼으로서의 역할을 할 수 있다. 증강 현실을 이용 시, 뷰어의 실세계 이미지는 오버레이되는 CGI로 증강되며, 이는 또한 "HUD"(heads-up display)로 지칭된다.
[0003] HMD들은 많은 실용적인 그리고 여가활용적인 애플리케이션(practical and leisure application)들을 갖는다. 항공우주 애플리케이션들은 조종사가 비행 경로에서 자신의 눈을 떼지 않고도, 필수적인 비행 제어 정보를 볼 수 있게 한다. 공공 안전 애플리케이션들은 맵들 및 열 이미징의 전략적 디스플레이들을 포함한다. 다른 애플리케이션 분야들은 비디오 게임들, 운송, 및 원격통신들을 포함한다. 기술이 진화함에 따라 새로운 발견되는 실용적인 그리고 여가활용적인 애플리케이션들이 확실히 존재할 것이지만; 이들 애플리케이션들 중 다수는, 기존의 HMD들을 구현하는 데 사용되는 종래의 광학 시스템들의 비용, 사이즈, 중량, 시야(field of view), 및 효율성으로 인해 제한적이다.
[0004] 본 발명의 비-제한적이고 비-포괄적인 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 설명되며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은, 달리 명시되지 않는 한 다양한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 나타낸다. 도면들은 반드시 실척에 맞는 것은 아니며, 대신에 설명되는 원리들을 예시할 때 강조가 이루어진다.
[0005] 도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스를 예시한다.
[0006] 도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 아이피스의 아이박스(eyebox)를 확장시키기 위해 아이피스가, 단일 디스플레이 픽셀로부터 출력된 광선 다발(ray bundle)들을 함께 스티칭(stitch)하는 방법을 예시한다.
[0007] 도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 시스루 아이피스를 포함하는 시범적 단안 머리 착용가능 디스플레이를 예시한다.
[0008] 도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 시스루 아이피스들을 포함하는 시범적 쌍안 머리 착용가능 디스플레이를 예시한다.
[0009] 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 아이피스의 곡선형 도광 컴포넌트(curved lightguide component)에 부착하기 위한 예시적 시스루 부가 컴포넌트(see-through add-on component)를 예시한다.
[0010] 도 6a 내지 도 6d는 본 개시내용의 실시예들에 따른, 입력 커플러들 및 출력 커플러들의 다양한 예들을 예시한다.
[0011] 입력 커플러와 출력 커플러 사이의 내부 전반사들을 레버리징하는 머리 착용가능 디스플레이의 아이피스를 위한 시스템 및 장치의 실시예들이 본원에서 설명된다. 다음의 설명에서, 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나, 당업자는 본원에서 설명되는 기법들이 특정 세부사항들 중 하나 또는 그 초과 없이, 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등을 이용하여 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 경우들에서, 특정 양상들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 잘-알려진 구조들, 재료들, 또는 동작들은 상세하게 도시되거나 설명되지 않는다.
[0012] 본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 본 발명의 실시예와 관련하여 설명되는 특정 피처(feature), 구조, 또는 특징이, 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구들의 등장들은 모두가 반드시 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 게다가, 특정 피처들, 구조들, 또는 특징들은 하나 또는 그 초과의 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
[0013] 도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 머리 착용가능 디스플레이와 함께 사용하기 위한 아이피스(100)를 예시한다. 아이피스(100)의 예시된 실시예는 곡선형 도광 컴포넌트(105), 시스루 부가 컴포넌트(110), 입력 영역(120)에 배치된 입력 커플러(115), 및 뷰잉 영역(130)에 배치된 출력 커플러(125)를 포함한다. 곡선형 도광 컴포넌트(105)의 예시된 실시예는, 눈쪽 대면 표면(eye-ward facing surface)(135) 및 세계 대면 표면(world facing surface)(140)을 포함한다.
[0014] 아이피스(100)는 "HMD들"(head wearable display)과 함께 사용하기에 매우 적합하다. HMD와 통합되는 경우, 아이피스(100)는 뷰잉 영역(130)으로부터 주변에 로케이팅된 입력 영역(120)에서 디스플레이 소스(150)에 의해 생성된 디스플레이 광(145)을 수신하고, 사용자의 눈(155)을 향해 뷰잉 영역(130)에서 눈쪽 방향(eye-ward direction)을 따라 디스플레이 광(145)을 방출한다. 입력 커플러(115)와 출력 커플러(125) 사이에서, 디스플레이 광은 눈쪽 대면 표면(135)과 세계 대면 곡선(140) 사이의 "TIR"(total internal reflection)에 의해 완전히 안내된다.
[0015] 예시된 실시예에서, 광학 결합기(160)는 아이피스(100)를 통과하는 공통 경로를 따라 디스플레이 광(145)을 "IR"(infrared) 광(165)과 결합하기 위해 HMD와 통합될 수 있다. 예컨대, 아이피스(100)로부터 수신되는 적외선 광(165)은 광학 결합기에 의해 카메라(170)로 지향되고, 카메라(170)는 눈(155)의 운동을 모니터링하기 위해 IR 광(165)을 캡처하도록 구성될 수 있다. 대응적으로, 광학 결합기(160)는 입력 영역(120)에서 곡선형 도광 컴포넌트(105) 내로의 인-커플링(in-coupling)을 위해, 디스플레이 소스(150)로부터 수신되는 디스플레이 광(145)을 아이피스(100)를 향해 지향시킨다. 광학 결합기(160)의 예시된 실시예는 미러(175) 및 파장 선택적 반사기(180)를 포함한다. 미러(175)는 가시 스펙트럼 디스플레이 광(145)을 반사시키기 위해 종래의 100% 반사성 표면으로서 구현될 수 있는 반면, 파장 선택적 반사기(180)는 가시 스펙트럼 디스플레이 광(145)을 실질적으로 반사시키면서 IR 스펙트럼 광(165)을 실질적으로 통과시키는 "콜드 미러(cold mirror)"로서 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 파장 선택적 반사기(180)는 다층 이색성 코팅(multi-layer dichroic coating)을 사용하여 구현될 수 있다. 다른 광학 결합기 구성들은 IR 광(165) 및 디스플레이 광(145)을 멀티플렉싱하도록 구현될 수 있다. 예시되지 않았지만, IR 광(165)으로 눈(155)을 조명하기 위해 적외선 방출기가 포지셔닝될 수 있다.
[0016] 예시된 실시예에서, 디스플레이 광(150)은 입력 영역(120)에서 눈쪽 대면 표면(135)을 통해 입사되고 그리고 곡선형 도광 컴포넌트(105) 내로 진입한다. 입력 커플러(115)는 입력 영역(120)에 배치되고, 뷰잉 영역(130) 및 출력 커플러(125)를 향해 곡선형 도광 컴포넌트(105) 아래로 TIR 전파를 야기하는 곡선형 도광 컴포넌트(105) 내의 궤적을 따라 디스플레이 광(145)을 재지향시키는 기능을 한다. 일 실시예에서, 입력 커플러(115)는 자유형 표면(freeform surface)을 갖는 미러(예컨대, 실버 코팅 또는 다른 반사성 코팅)이다. 디스플레이 광(145)은 TIR을 통해 입력 커플러(115)로부터 출력 커플러(125)로 완전히 안내되고, 여기서 디스플레이 광(145)은 뷰잉 영역(130)에서 출력 커플러(125)로부터의 최종 반사를 통해 곡선형 도광 컴포넌트(105) 밖으로 재지향된다.
[0017] 출력 커플러(125)는 자유형 표면을 갖는 부분 반사기 또는 빔 스플리터(예컨대, 얇은 실버 코팅)이다. 일 실시예에서, 출력 커플러(125)는 가시광에 대해 반사성보다는 더 투과성이다. 예컨대, 출력 커플러(125)는 15% 반사성 및 85% 투과성으로서 구현될 수 있다. 물론, 다른 반사성/투과성 비율들이 구현될 수 있다. 따라서, 뷰잉 영역(130)은 세계 대면 표면(140)을 통해 입사되는 주변 광(185)에 대해 부분적으로 투과성이어서, 뷰잉 영역(130)은 시스루이다. 주변 광(185)에 의해 만나게 되는 눈쪽 대면 표면(135)의 곡률의 광학 파워를 상쇄시키기 위해 세계 대면 표면(140)을 따라 상보적 곡률을 제공하기 위하여, 시스루 부가 컴포넌트(110)가 뷰잉 영역(130)에 걸쳐 배치된다. 일 실시예에서, 시스루 부가 컴포넌트(110) 및 곡선형 도광 컴포넌트(105)는 동일한 투명 재료들 또는 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 투명 재료들로 제조된다. 따라서, 아이피스(100)는, 눈쪽 방향을 따라 뷰잉 영역(130) 밖으로 방출된 디스플레이 광(145)과 주변 광(185)을 눈(155) 내로 결합하는 광학 결합기로서 동작한다. 이러한 방식으로, 아이피스(100)는 증강 현실을 눈(155)에 디스플레이할 수 있다.
[0018] 예시된 실시예에서, 시스루 부가 컴포넌트(110)는 시스루 부가 컴포넌트(110)와 곡선형 도광 컴포넌트(105) 사이에 배치된 출력 커플러(125)를 갖는 계면을 따라 곡선형 도광 컴포넌트(105)에 본딩된다. 위에서 언급된 바와 같이, 세계 대면 표면(140) 및 눈쪽 대면 표면(135)은 통과하는 주변 광(185)에 대해 서로의 광학 파워를 실질적으로 상쇄시키는 상보적 곡률들을 갖는다. 다시 말해, 세계 대면 표면(140)에 진입하는 주변 장면 광(ambient scene light)의 입력 각도는 눈쪽 대면 표면(135)에서 나가는 주변 장면 광의 출력 각도와 실질적으로 등가이다. 따라서, 아이피스(100)는 실질적으로 렌징(lensing) 없이 뷰잉 영역(130)을 통해 주변 광(185)의 적어도 일부를 통과시키며, 이에 의해, 사용자가 아이피스(100) 정면의 주변 환경의 실질적으로 왜곡되지 않은 뷰를 갖도록 허용한다. 다른 실시예들에서, 세계 대면 표면(140) 및 눈쪽 대면 표면(135)은 통과하는 주변 광에 대해 교정 렌징 파워(corrective lensing power)를 집합적으로 제공하는 비상보적 곡률들을 갖는 표면들이다. 게다가, 곡선형 도광 컴포넌트(105) 및 시스루 부가 컴포넌트(110)의 굴절률을 매칭시킴으로써, 통과하는 주변 광(185)에 대해 출력 커플러(125)의 곡선형 계면에서 어떠한 광학 파워도 존재하지 않는다. 그러나, 출력 커플러(125)의 곡률은 반사성 렌징 파워(reflective lensing power)를 내부 디스플레이 광(145)에 인가한다.
[0019] 아이피스(100)는 4 mm 미만의 두께를 갖는 얇은 곡선형 아이피스로서 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 곡선형 도광 컴포넌트(105)는, 1.64의 굴절률을 갖는 투명 재료(예컨대, OKP4HT-L, EP5000, 폴리카보네이트 등)로 제조되는 경우, 대략 3.5 mm의 두께를 갖는다. 굴절률이 더 높을수록 아이피스는 더 얇다. 눈쪽 대면 표면(135) 및 세계 대면 표면(140) 둘 모두의 곡률들은 구형 표면(spherical surface)들로서 구현될 수 있다. 집합적으로, 아이피스(100)의 곡률 및 슬림 특성(curvature and slim nature)은 바람직한 산업적 설계를 제공한다. 아이피스(100)는 바람직한 산업적 설계를 가질 뿐만 아니라 또한 효율적인데, 왜냐하면, 입력 영역(120)으로부터 뷰잉 영역(130)으로 이동하는 디스플레이 광(145)에 대한 유일한 손실 바운스(lossy bounce)는 출력 커플러(125)에 의한 단일 재지향(redirection)이기 때문이다. 이는, 출력 커플러(125)가 반사성보다는 실질적으로 더 투과성이도록 허용하며, 이에 의해, 뷰잉 영역(130)에서의 아이피스(100)의 시스루 특징이 개선된다.
[0020] 일 실시예에서, 입력 커플러(115) 및 출력 커플러(125)에 대한 자유형 표면들과 함께 눈쪽 대면 표면(135) 및 세계 대면 표면(140)의 구형 곡률들은, 곡선형 도광 컴포넌트(105)가 1.64의 굴절률을 갖는 투명 재료로 제조되는 경우, 15° "FOV"(field of view) 및 4.6 mm 직경의 비-비네트형 동공(unvignetted pupil)을 제공하는 아이피스(100)의 구현을 산출한다. 이 예시적 실시예에서, 눈쪽 대면 표면(135) 및 세계 대면 표면(140)은 각각 90 mm 및 93.5 mm의 구형 반경들을 갖는다. 이 예에서, 입력 커플러(115) 및 출력 커플러(125)의 자유형 표면들은 아래의 수학식들에 의해 정의된다:
Figure pct00001
Figure pct00002
일 실시예에서, 입력 커플러(115)는
Figure pct00003
,
Figure pct00004
,
Figure pct00005
,
Figure pct00006
,
Figure pct00007
의 계수 값들, 및 48.8°의 상대적 기울기(relative tilt)로 수학식(1) 및 수학식(2)에 의해 정의된 자유형 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 출력 커플러(125)는
Figure pct00008
,
Figure pct00009
의 계수 값들, 및 26°의 상대적 기울기로 수학식(1) 및 수학식(2)에 의해 정의된 자유형 형상을 갖는다. 물론, 다른 계수 항들 및/또는 값들 및 디멘션들이 구현될 수 있다.
[0021] 아이피스(100)는 다양한 다른 안경류 피처(eyewear feature)들과 조합될 수 있다. 예컨대, 세계 대면 표면(140)은 주변 광에 처방적 렌징(prescriptive lensing)을 도입하기 위해 눈쪽 대면 표면(135)에 대해 비상보적 곡률을 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 밝은 광 음영 피처(bright light shading feature)(예컨대, 선글라스)를 제공하기 위해 포토크로믹(photochromic) 및/또는 일렉트로크로믹(electrochromic) 코팅들이 세계 대면 표면(140)에 적용될 수 있다.
[0022] 도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 아이피스(100)의 아이박스를 확장시키기 위해 아이피스(100)가, 단일 디스플레이 픽셀로부터 출력된 광선 다발들을 스티칭하는 방법을 예시한다. 단일 디스플레이 픽셀(215)로부터 출력되는 광선 다발들(205 및 210)은, 눈(155)이 디스플레이 픽셀(215)을 인식할 수 있는 아이박스(220)를 확장시키기 위해 뷰잉 영역에서 함께 스티칭된다. 이러한 스티칭은 광선 다발들(205 및 210)이 뒤따르는 상이한 경로들을 레버리징함으로써 달성된다. 실제로, 광선 다발(205)은 광선 다발(210)과는 상이한 수의 TIR 반사들/바운스들을 갖는 곡선형 도광 컴포넌트(105)를 통과하는 경로를 따른다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 광선 다발(205)은 (눈쪽 및 세계 대면 표면들(135, 140)에서의 5개의 TIR 반사들을 포함하여) 7개의 전반사들을 만나는 반면, 광선 다발(210)은 (눈쪽 및 세계 대면 표면들(135, 140)에서의 7개의 TIR 반사들을 포함하여) 9개의 전반사들을 만난다.
[0023] 광선 다발(205)은 눈(155)이 디스플레이 픽셀(215)을 인식할 수 있는 서브-아이박스(220)를 제공하는 반면, 광선 다발(210)은 눈(155)이 디스플레이 픽셀(215)을 인식할 수 있는 다른 서브-아이박스(225)를 제공한다. 서브-아이박스들(220 및 225)은 이음매 없이(seamlessly) 함께 스티칭되어 확장된 아이박스(215)를 형성한다. 아이박스(220)를 확장시키기 위한 광선 다발들(205 및 210)의 이러한 스티칭은, 입력 커플러(115), 출력 커플러(125), 눈쪽 대면 표면(135), 및 세계 대면 표면(140)의 곡률들을 구성함으로써 달성된다.
[0024] 통상적으로, 아이피스의 도광 내에서 상이한 수의 반사들을 만나는 단일 디스플레이 픽셀로부터의 광선 다발들은 기본 이미지로부터 분리된 유해한 고스트 이미지(ghost image)를 초래할 것이다. 따라서, 종래의 광학 설계자들은 고스트 이미지가 눈(155)에 도달하기 전에 고스트 이미지를 방지, 차단, 또는 달리 배치하기 위해 노력했다. 그러나, 아이피스(100)의 설계는, 아이피스(100)의 출력에서 이들을 이음매 없이 함께 스티칭함으로써 이들 듀얼 경로 반사들을 레버리징하여 더 큰 확장된 아이박스(215)를 형성하고자 한다.
[0025] 도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 아이피스(301)를 사용하는 단안 머리 착용가능 디스플레이(300)를 예시한다. 도 3a는 머리 착용가능 디스플레이(300)의 사시도인 반면, 도 3b는 머리 착용가능 디스플레이(300)의 평면도이다. 아이피스(301)는 위에서 논의된 아이피스(100)의 실시예들, 또는 아래에서 설명되는 다른 아이피스 실시예들 중 임의의 실시예(또는 이들의 조합들)로 구현될 수 있다. 아이피스(301)는, 노우즈 브리지(nose bridge)(305), 좌측 이어 아암(left ear arm)(310), 및 우측 이어 아암(315)을 포함하는 프레임 어셈블리에 장착된다. 하우징들(320 및 225)은, 마이크로프로세서, 인터페이스들, 하나 또는 그 초과의 무선 트랜시버들, 배터리, 카메라, 스피커, 디스플레이 소스 등을 비롯한 다양한 전자기기를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b가 단안 실시예를 예시하지만, 머리 착용가능 디스플레이(300)는 또한, 디스플레이(300)가 착용될 때, 사용자의 각각의 눈과 각각 정렬되는 2개의 아이피스들(301)을 갖는 쌍안 디스플레이로서 구현될 수 있다.
[0026] 시스루 아이피스(301)가 안경 어레인지먼트(eye glass arrangement)에 고정되어서, 머리 착용가능 디스플레이가 사용자의 머리 상에 착용될 수 있다. 좌측 및 우측 이어 아암들(310 및 315)은 사용자의 귀 위에 놓이는 한편, 노우즈 브리지(305)는 사용자의 코 위에 놓인다. 프레임 어셈블리는 사용자의 눈 정면에 뷰잉 영역(130)을 포지셔닝하도록 형상화되고 사이즈가 정해진다. 다른 형상들을 갖는 다른 프레임 어셈블리들(예컨대, 전통적인 안경 프레임(eyeglasses frame), 단일 인접 헤드셋 부재, 헤드밴드, 고글형 안경류 등)이 사용될 수 있다.
[0027] 언급된 바와 같이, 도 3a 및 도 3b는 사용자의 시야의 단지 일부만을 커버하는 컴팩트 시스루 아이피스를 갖는 단안 실시예를 예시한다. 다른 실시예들에서, 쌍안 프레임에서 완전한 안경 렌즈(full eyeglass lens)들을 형성하기 위해 시스루 아이피스의 눈쪽 대면 및 세계 대면 표면들이 확장될 수 있다. 도 4는 프레임에 통합된 2개의 시스루 아이피스들(401)을 포함하는 쌍안 머리 착용가능 디스플레이(400)를 예시하고, 아이피스들은 사용자의 시야의 상당한 부분에 걸쳐 확장된다. 각각의 아이피스(401)의 시스루 부가 컴포넌트(예컨대, 도 1의 시스루 부가 컴포넌트(110))는, 아이피스의 중간 부분에 어떠한 이음매(seam)도 형성되지 않도록 전체 아이피스에 걸쳐 확장되도록 설계될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 디스플레이 광(145)은 주변 관자놀이 영역(peripheral temple region)들에서 아이피스들(401)로 론칭(launch)되고 그리고 TIR을 통해 출력 커플러들(125)을 향해 안내될 수 있다. 이러한 완전한 안경 렌즈들은 외부 표면들의 처방 곡률(prescription curvature)들을 이용하거나 이용하지 않고서 구현될 수 있다.
[0028] 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 아이피스의 중앙 영역에서의 표면 이음매(surface seam)들을 회피하기 위해 전체 아이피스(500)에 걸쳐 연장되는 예시적 시스루 부가 컴포넌트(501)를 예시한다. 아이피스(500)의 예시된 실시예는 곡선형 도광 컴포넌트(505), 시스루 부가 컴포넌트(501), 입력 커플러(510), 및 출력 커플러(515)를 포함한다. 곡선형 도광 컴포넌트(505)의 예시된 실시예는 두꺼운 부분(520) 및 얇은 부분(525)을 포함한다. 시스루 부가 컴포넌트(501)의 예시된 실시예는 두꺼운 부분(530) 및 얇은 부분(535)을 포함한다.
[0029] 아이피스(500)는, 시스루 부가 컴포넌트(501)의 얇은 부분(535)이 곡선형 도광 컴포넌트(505)의 두꺼운 부분(520)과 일치하게 정합(conformably mate)되고 그리고 곡선형 도광 컴포넌트(505)의 두꺼운 부분(520)의 세계 측에 걸쳐 연장되는 점을 제외하고는, 아이피스(100)와 유사하고 그리고 유사한 방식으로 동작한다. 유사하게, 곡선형 도광 컴포넌트(505)의 얇은 부분(525)은 시스루 부가 컴포넌트(501)의 두꺼운 부분(530)과 일치하게 정합되고 그리고 시스루 부가 컴포넌트(501)의 두꺼운 부분(530)의 눈쪽 측에 걸쳐 연장된다. 출력 커플러(515)는 얇은 부분과 두꺼운 부분 사이의 전이부들에 배치된다. 얇은 부분들(525 및 535)은 이음매들 없이 연속하는 외부 표면들을 제공하며, 이에 의해, 산업적 설계가 개선된다.
[0030] 일 실시예에서, 시스루 부가 컴포넌트(501)는 계면 경계에서 TIR을 보존하기 위해 (곡선형 도광 컴포넌트(505) 및 시스루 부가 컴포넌트(501)의 굴절률보다 더 낮은) 저굴절률 글루를 사용하여 곡선형 도광 컴포넌트(505)에 본딩된다. 얇은 부분들(525 및 535)은, 시스루 부가 컴포넌트(501)와 곡선형 도광 컴포넌트(505)를 함께 본딩한 후에 그 2개의 컴포넌트들의 표면들을 그라인딩 또는 샌딩하여 원하는 두께를 달성함으로써 제조될 수 있다.
[0031] 머리 착용가능 디스플레이들(300 또는 400)의 예시된 실시예는 증강 현실을 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 아이피스들(301, 401, 또는 500)은 사용자가 주변 광(185)을 통해 실세계 이미지를 보도록 허용한다. 좌측 및 우측 디스플레이 이미지들(도 4에 예시된 쌍안 실시예)은 사용자의 중심시(central vision) 외측의 주변 코너들에 장착된 디스플레이 소스들(150)에 의해 생성될 수 있다. 디스플레이 광(145)은 증강 현실로서 주변 광(185) 위에 중첩된 가상 이미지로 사용자에게 보여진다. 위에서 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 이들 아이피스들의 외측 표면들은 주변 광(185)에 대한 처방적 교정(prescriptive correction)을 부여하기 위해 상보적 곡률들을 갖지 않을 수 있다.
[0032] 도 6a 내지 도 6d는 본 개시내용의 실시예들에 따른, 위에서 설명된 아이피스 설계들(예컨대, 아이피스들(100, 301, 401, 또는 500))과 관련하여 사용될 수 있는 입력 커플러들 및 출력 커플러들의 다양한 대안적 예들을 예시한다.
[0033] 예컨대, 도 6a는 입력 커플러(610)가 곡선형 도파 컴포넌트(curved waveguide component)(615)의 일 단부 내로 몰딩된 입력 표면으로서 형성되는 아이피스(605)를 예시한다. 다시 말해, 디스플레이 광(145)은 눈쪽 대면 표면을 통해 입력되는 것이 아니라 오히려 디스플레이 소스(150)에 가까운 단부 표면을 통해 입력된다.
[0034] 도 6b는, 뷰잉 영역에서 세계 대면 표면(630)을 따라 배치된 프리즘 구조들(625)의 어레이로서 출력 커플러가 형성되는 아이피스(620)를 예시한다. 프리즘 구조들(625)은 작은 비스듬히 각을 이룬 부분 반사성 표면들의 어레이로서 구현될 수 있다. 도 6b의 예시된 실시예에서, 복수의 시스루 부가 컴포넌트들(635)이 각각의 반사성 표면 뒤의 곡선형 도파 컴포넌트(640)에 본딩된다. 예시되지 않았지만, 일부 실시예들에서, 아이피스(620)는 입력 영역에서 입력 커플러로서 프리즘 구조들의 어레이들을 더 포함할 수 있다. 입력 영역에서 프리즘 구조들을 사용하는 것은 출력 프리즘 구조들(625)에 의해 유도된 측방향 색수차들을 보상할 수 있다.
[0035] 도 6c는, 뷰잉 영역에서 세계 대면 표면(660)을 따라 배치된 홀로그램(655)으로서 출력 커플러가 형성되는 아이피스(650)를 예시한다. 이 실시예에서, 시스루 부가 컴포넌트는 생략될 수 있다. 게다가, 도 6c는 출력 홀로그램(655)에 의해 유도된 색수차들에 대한 색상 보정을 제공하기 위한 입력 커플러로서의 반사성 홀로그램(657)의 포함을 예시한다.
[0036] 도 6d는 곡선형 도파 컴포넌트(685) 내에 배치된 부분 반사성 미러 세그먼트들(675 및 680)의 쌍으로서 출력 커플러가 형성되는 아이피스(670)를 예시한다. 부분 반사성 미러 세그먼트들(675 및 680)은, 디스플레이 광(145)이 아이피스(670)로부터 뷰잉될 수 있는 아이박스를 추가로 확장시키도록 동작한다. 다시 말해, 미러 세그먼트들(675 및 680)은, 단일 픽셀이 뷰잉될 수 있는 아이박스를 확장시키기 위해 뷰잉 영역에서, 각각의 미러 세그먼트(675 및 680)에 의해 반사된 이미지들을 함께 스티칭하는 방식으로, 단일 픽셀로부터 출력된 디스플레이 광을 반사한다. 부분 반사성 미러 세그먼트(680)가 부분 반사성 미러 세그먼트(675) 뒤에 배치되어서, 디스플레이 광(145)은 부분 반사성 미러 세그먼트(680)에 도달하기 전에 부분 반사성 미러 세그먼트(675)를 먼저 통과해야 한다. 예시된 실시예에서, 부분 반사성 미러 세그먼트들(675 및 680) 둘 모두는 곡선형 자유형 표면들인 반면, 세계 대면 표면(690) 및 눈쪽 대면 표면(695)은 구형 표면들이다. 일 실시예에서, 세계 대면 표면(690)은 90 mm의 반경을 갖는 구(sphere)이고, 눈쪽 대면 표면(695)은 92.5 mm의 반경을 갖는 구이다. 일 실시예에서, 부분 반사성 미러 세그먼트(675)는
Figure pct00010
,
Figure pct00011
의 계수 값들, 23.25°의 상대적 기울기로 수학식(1) 및 수학식(2)에 의해 정의된 자유형 형상을 갖고; 부분 반사성 미러 세그먼트(680)는
Figure pct00012
,
Figure pct00013
의 계수 값들, 26°의 상대적 기울기로 수학식(1) 및 수학식(2)에 의해 정의된 자유형 형상을 갖고; 그리고 입력 커플러(697)는
Figure pct00014
,
Figure pct00015
,
Figure pct00016
,
Figure pct00017
,
Figure pct00018
,
Figure pct00019
의 계수 값들, 48.8°의 상대적 기울기로 수학식(1) 및 수학식(2)에 의해 정의된 자유형 형상을 갖는다. 물론, 다른 계수 값들 및 디멘션들이 구현될 수 있다.
[0037] 요약에서 설명된 것을 비롯하여 본 발명의 예시된 실시예들의 위의 설명은 본 발명을 총망라하거나 본 발명을 개시된 그 정확한 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 본 발명에 대한 예들은 예시적인 목적들을 위해 본원에서 설명되었지만, 당업자가 인식함에 따라, 다양한 수정들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
[0038] 이러한 수정들은 위의 상세한 설명을 고려하여 본 발명에 대해 이루어질 수 있다. 다음의 청구항들에서 사용되는 용어들은 본 발명을 본 명세서에서 개시된 특정 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 범위는, 다음의 청구항들에 의해 완전히 결정될 것이고, 그 청구항들은 청구항 해석의 확립된 원칙들에 따라 해석될 것이다.

Claims (24)

  1. 머리 착용가능 디스플레이(head wearable display)를 위한 아이피스(eyepiece)로서,
    뷰잉 영역으로부터 주변에 로케이팅된 입력 영역에서 수신되는 디스플레이 광을 안내하고 그리고 상기 뷰잉 영역에서 눈쪽 방향(eye-ward direction)을 따라 상기 디스플레이 광을 방출하기 위한 곡선형 도광 컴포넌트(curved lightguide component) ― 상기 곡선형 도광 컴포넌트는,
    오목한, 눈쪽 대면 표면(eye-ward facing surface), 및
    볼록하고 그리고 상기 눈쪽 대면 표면 반대편의 세계 대면 표면(world facing surface)을 포함함 ―;
    상기 디스플레이 광을 상기 곡선형 도광 컴포넌트에 커플링하기 위해 상기 입력 영역에 배치된 입력 커플러; 및
    상기 곡선형 도광 컴포넌트로부터의 출력을 위해 상기 디스플레이 광을 상기 눈쪽 방향을 향해 재지향시키기 위해 상기 뷰잉 영역에 배치된 출력 커플러를 포함하고,
    상기 출력 커플러는 상기 세계 대면 표면을 통해 입사되는 주변 광에 대해 부분적으로 투과성이어서, 상기 뷰잉 영역은 시스루(see-through)이고,
    상기 디스플레이 광은 내부 전반사에 의해 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 완전히 안내되는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 입력 커플러 및 상기 출력 커플러는, 디스플레이 소스의 단일 픽셀로부터 수신되는 상기 디스플레이 광의 광선들을 2개의 상이한 경로들 중 하나를 따라 상기 곡선형 도광 컴포넌트를 통해 재지향시키도록 구성되어서, 상기 광선들의 제1 그룹이 상기 광선들의 제2 그룹과 상이한 수의 내부 전반사들을 만나는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광선들의 제1 그룹 및 상기 광선들의 제2 그룹은 상기 단일 픽셀이 뷰잉될 수 있는 아이박스(eyebox)를 확장시키기 위해 상기 뷰잉 영역에서 함께 스티칭(stitch)되는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 입력 커플러는 제1 자유형 표면(freeform surface)을 갖는 미러를 포함하고, 그리고 상기 디스플레이 광은 상기 눈쪽 대면 표면을 통해 상기 곡선형 도광 컴포넌트에 진입하는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 제2 자유형 표면을 갖는 빔 스플리터를 포함하고, 상기 빔 스플리터는 가시광에 대해 반사성보다는 더 투과성인,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 뷰잉 영역에 걸쳐 배치된 시스루 부가 컴포넌트(see-through add-on component)를 더 포함하고,
    상기 출력 커플러는 상기 시스루 부가 컴포넌트와 상기 곡선형 도광 컴포넌트 사이의 계면을 따라 배치되고, 상기 시스루 부가 컴포넌트 및 상기 곡선형 도광 컴포넌트는 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 시스루 부가 컴포넌트는 얇은 부분 및 두꺼운 부분을 갖고, 그리고 상기 곡선형 도광 컴포넌트는 얇은 부분 및 두꺼운 부분을 갖고, 상기 시스루 부가 컴포넌트의 얇은 부분은 곡선형 도파 컴포넌트(curved waveguide component)의 두꺼운 부분과 일치하게 정합(conformably mate)되고 그리고 상기 곡선형 도파 컴포넌트의 얇은 부분은 상기 시스루 부가 컴포넌트의 두꺼운 부분과 일치하게 정합되고, 상기 출력 커플러는 상기 시스루 부가 컴포넌트 및 상기 곡선형 도파 컴포넌트의 두꺼운 부분들로부터 얇은 부분들로의 전이부(transition)에 배치되는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 입력 커플러는, 상기 눈쪽 대면 표면이 아닌, 곡선형 도파 컴포넌트의 단부 표면에 몰딩된 입력 표면을 포함하는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 세계 대면 표면을 따라 배치된 프리즘 구조들의 어레이를 포함하는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 세계 대면 표면을 따라 배치된 홀로그램을 포함하는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 디스플레이 광의 아이박스를 확장시키기 위해 곡선형 도파 컴포넌트 내에 배치된 제1 및 제2 부분 반사성 미러 세그먼트들을 포함하고, 상기 제2 부분 반사성 미러 세그먼트는 상기 제1 부분 반사성 미러 세그먼트 뒤에 배치되어서, 상기 디스플레이 광은 상기 제2 부분 반사성 미러 세그먼트에 도달하기 전에 상기 제1 부분 반사성 미러 세그먼트를 통과해야 하는,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 부분 반사성 미러 세그먼트들은 곡선형 자유형 표면(curved freeform surface)들인,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 곡선형 도광 컴포넌트의 상기 눈쪽 대면 표면 및 상기 세계 대면 표면 둘 모두는 구형 표면(spherical surface)들인,
    머리 착용가능 디스플레이를 위한 아이피스.
  14. 머리 착용가능 디스플레이로서,
    주변 위치에서 디스플레이 광을 생성하는 디스플레이 소스;
    상기 주변 위치로부터 오프셋된 뷰잉 영역으로 상기 디스플레이 광을 안내하고 그리고 상기 뷰잉 영역에서 눈쪽 방향을 따라 상기 디스플레이 광을 방출하기 위한 곡선형 도광 컴포넌트 ― 상기 곡선형 도광 컴포넌트는,
    오목한, 눈쪽 대면 표면, 및
    볼록하고 그리고 상기 눈쪽 대면 표면 반대편의 세계 대면 표면을 포함함 ―;
    상기 디스플레이 광을 상기 곡선형 도광 컴포넌트에 커플링하기 위해 입력 영역에 배치된 입력 커플러;
    상기 곡선형 도광 컴포넌트로부터의 출력을 위해 상기 디스플레이 광을 상기 눈쪽 방향을 향해 재지향시키기 위해 상기 뷰잉 영역에 배치된 출력 커플러 ― 상기 출력 커플러는 상기 세계 대면 표면을 통해 입사되는 주변 광에 대해 부분적으로 투과성이어서, 상기 뷰잉 영역은 시스루이고, 상기 디스플레이 광은 내부 전반사에 의해 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 완전히 안내됨 ―; 및
    사용자의 머리 상에 착용하기 위해 상기 곡선형 도광 컴포넌트 및 상기 디스플레이 소스를 지지하는 프레임 어셈블리를 포함하며,
    상기 뷰잉 영역은 상기 사용자의 눈 정면에 포지셔닝되는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 입력 커플러 및 상기 출력 커플러는, 디스플레이 소스의 단일 픽셀로부터 수신되는 상기 디스플레이 광의 광선들을 2개의 상이한 경로들 중 하나를 따라 상기 곡선형 도광 컴포넌트를 통해 재지향시키도록 구성되어서, 상기 광선들의 제1 그룹이 상기 광선들의 제2 그룹과 상이한 수의 내부 전반사들을 만나는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 광선들의 제1 그룹 및 상기 광선들의 제2 그룹은 상기 단일 픽셀이 뷰잉될 수 있는 아이박스를 확장시키기 위해 상기 뷰잉 영역에서 함께 스티칭되는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 입력 커플러는 제1 자유형 표면을 갖는 미러를 포함하고, 그리고 상기 디스플레이 광은 상기 눈쪽 대면 표면을 통해 상기 곡선형 도광 컴포넌트에 진입하는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 제2 자유형 표면을 갖는 빔 스플리터를 포함하고, 상기 빔 스플리터는 가시광에 대해 반사성보다는 더 투과성인,
    머리 착용가능 디스플레이.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 뷰잉 영역에 걸쳐 배치된 시스루 부가 컴포넌트를 더 포함하고,
    상기 출력 커플러는 상기 시스루 부가 컴포넌트와 상기 곡선형 도광 컴포넌트 사이의 계면을 따라 배치되고, 상기 시스루 부가 컴포넌트 및 상기 곡선형 도광 컴포넌트는 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 입력 커플러는, 상기 눈쪽 대면 표면이 아닌, 곡선형 도파 컴포넌트의 단부 표면에 몰딩된 입력 표면을 포함하는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  21. 제14 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 세계 대면 표면을 따라 배치된 프리즘 구조들의 어레이 또는 상기 세계 대면 표면을 따라 배치된 홀로그램 중 하나를 포함하는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  22. 제14 항에 있어서,
    상기 출력 커플러는 상기 디스플레이 광의 아이박스를 확장시키기 위해 곡선형 도파 컴포넌트 내에 배치된 제1 및 제2 부분 반사성 미러 세그먼트들을 포함하고, 상기 제2 부분 반사성 미러 세그먼트는 상기 제1 부분 반사성 미러 세그먼트 뒤에 배치되어서, 상기 디스플레이 광은 상기 제2 부분 반사성 미러 세그먼트에 도달하기 전에 상기 제1 부분 반사성 미러 세그먼트를 통과해야 하는,
    머리 착용가능 디스플레이.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 부분 반사성 미러 세그먼트들은 곡선형 자유형 표면들인,
    머리 착용가능 디스플레이.
  24. 제14 항에 있어서,
    적외선 광을 사용하여 눈 운동들을 모니터링하는 적외선 카메라; 및
    상기 입력 영역에 인접하여 배치된 광학 결합기를 더 포함하고,
    상기 광학 결합기는 상기 곡선형 도광 컴포넌트를 통과하는 공통 경로를 따라 전파하기 위해 상기 디스플레이 광과 상기 적외선 광을 결합하는,
    머리 착용가능 디스플레이.
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