KR20190002985U

KR20190002985U - 시야 곡률 효과 완화된 기재-가이드 기반 광학 시스템

Info

Publication number: KR20190002985U
Application number: KR2020190002152U
Authority: KR
Inventors: 조나단 겔베르그
Original assignee: 루머스 리미티드
Priority date: 2018-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-12-05
Also published as: TWM587757U; KR200497882Y1; JP3222489U; US20190361240A1; US10571636B2; CN210323582U

Abstract

광-투과 기재는 적어도 하나의 제1 및 제2 주요 외부 표면을 갖는다. 전자식 디스플레이 소스는 광파를 발산한다. 커플링-인 광학 장치는 광파를 전자식 디스플레이 소스로부터 광 투과 기재 안으로 결합하여 광 투과 기재의 주요 외부 표면 사이에 결합된 광파의 전체 내부 반사를 시행한다. 광학 소자는 전자식 디스플레이 소스로부터 광 투과 기재 안으로 횡단하도록 광파에 대한 광학 경로안에 배치된다. 광학 소자는 횡단하는 광파의 광선이 발산 또는 수렴하도록 하는 시야 곡률을 규정한다. 렌즈는 광학 렌즈안에 배치되고 시야 곡률을 감소시킨다. 전자식 디스플레이 소스는 감소된 시야 곡률에 부합하는 곡률을 가져서 감소된 시야 곡류에 의해 야기되는 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄한다.

Description

시야 곡률 효과 완화된 기재-가이드 기반 광학 시스템{Substrate-Guide Based Optical Systems with Field Curvature Effect Mitigation}

본 고안은 일반적인 광-투과 기재에 의해 수행되는 다수의 반사 표면을 포함하는 기재-가이드 광학 장치에 관한 것이다.

경량의 광학 소자에 대한 하나의 중요한 응용은 머리-장착 디스플레이(HMDs)안에 이뤄지는데, 광학 모듈은 광학 시준(collimating) 시스템 및 결합기 모두의 역할을 하며, 하나의 2차원 이미지 소스가 무한으로 이미지화되고 관찰자의 눈 안으로 반사된다. 디스플레이 소스는 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드 어레이(OLED), 마이크로-LED 디스플레이, 주사형 소스(scanning source) 또는 유사 장치와 같은 공간 광 변조기(Spartial Light Modulator, SLM)에 의해 직접적으로 또는 릴레이 렌즈 또는 광학 섬유 번들에 의해 간접적으로 얻어질 수 있다. 디스플레이 소스는 시준 렌즈에 의해 무한으로 이미지화되는 소자(pixcels) 어레이를 포함하고 각각 속이 비치치 않거나(non-see-through) 속이 비치는(see-through) 응용을 위해 결합기로서 작용하는 반사 또는 부분 반사 표면에 의해 관찰자의 눈 안으로 투과된다. 전형적으로, 종래의 자유-공간 광학 모듈이 이러한 목적으로 사용된다. 시스템의 원하는 시야각(field-of-view)이 증가할 수록, 이러한 종래의 광학 모듈은 더 커지고 무거워지고 부피가 커지며, 따라서, 시스템처럼 중간 성능의 장치에 대해서도 비현실적이다. 이것은 모든 종류의 디스플레이에 대해서 및 특히 머리-장착 애플리케이션에서의 주요 단점이며, 시스템은 반드시 가능한한 가볍고 소형이어야 한다. 게다가, 몇개의 시야 곡률 수차를 갖는 시준 시스템과 결합하여 사용되는 디스플레이 소스의 평탄도는 관찰자가 보는 이미지의 열화에 이바지할 수도 있다.

경랑화를 위한 노력은 몇가지 다른 복잡한 해결책으로 이어져야 하며, 이들 모두는 한편으로는, 가장 현실적인 응용을 위해 여전히 충분히 경량인 것으로 아니며, 다른 한편으로는 제조가능성 면에서 주요한 단점을 갖는다. 또한, 이 디자인으로부터 야기되는 광 관찰 각도의 눈-동작-박스(EMB)는 일반적으로 매우 작고, 전형적으로 8mm 미만이다. 이런 이유로, 관찰자의 눈에 대한 시스템의 작은 움직임에 대해서도 광학 시스템의 성능은 매우 예민하며, 이러한 디스플레이로부터 편하게 글을 읽기 위한 충분한 동공 움직임을 허용하지 않는다.

본 고안의 목적은 기재-가이드 광학 소자 및 다양한 시야 곡률 완화 부품을 갖는 광학 시스템을 제공하는 것이다.

본 고안은 기재-가이드 광학 소자 및 다양한 시야 곡률 완화 부품을 갖는 광학 시스템에 관한 것으로, 특정 실시예에서 시준 광학과 조합하여 편평한 전자식 디스플레이 장치를 사용한 결과로 시야 곡률의 효과를 완화하는 시야 렌즈 장치를 포함한다. 다른 실시예는 광학 시스템의 시야 곡률에 부합되는(또는 적어도 부분적으로 부합되는) 수차(curvature)를 갖는 굴곡형 전자 디스플레이 소스를 포함하여, 광학 시스템을 관통하는 광선의 시야 곡률로 인한 발산 또는 수렴의 효과를 상쇄(counteracting)(또는 적어도 부분적으로 상쇄)시킨다. 모든 실시예에서, 전자식 디스플레이 소스는 기재-가이드 광학 소자안에 결합되고, 이어서 기재-가이드 광학 소자 밖에 결합된(copupled out), 광파를 관찰자(즉, 시청자)의 눈 안으로 이미지로서 발산한다. 기재 가이드 광학 소자는 커플-아웃 이미지의 확대를 촉진하여 관찰자의 눈의 평면에서의 광학 곡률의 크기가 소자에 대한 입력부에서의 것보다 크다. 이러한 확대는 조리개 증배(aperture multiplication)라고도 불린다.

본 고안의 일 실시예의 교시에 따르면, 광학 시스템이 제공된다. 광학 시스템은: 적어도 하나의 제1 및 제2 주요 외부 표면을 포함하는 다수의 표면을 갖는 광-투과 기재; 광파가 발산되는 전자식 디스플레이 소스; 광-투과 기재의 주요 외부 표면들 사이에서 커플-인 광파의 전체 내부 반사가 이뤄지도록 전자식 디스플레이 소스로부터 광-투과 기재 안으로 발산하는 광파를 결합하기 위한 커플링-인 광학 장치; 전자식 디스플레이 소스로부터 광 -투과 기재안으로 횡단하도록 광파에 대한 광학 경로에 배치되고, 횡단 광파의 광선이 발산 또는 수렴되도록 하는 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자; 전자식 디스플레이 소스로부터 하향으로 및 커플링-인 광학 장치로부터 상향으로 배치되어, 부분적으로 보상하는 시야 곡률을 생성하고 광학 시스템의 시야 곡률을 부분적으로 보상하여 광학 시스템의 시야 곡률을 감소시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하고, 전자식 디스플레이 소스는 감소된 시야 곡률애 의해 야기되는 횡단 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄시키도록 광학 시스템의 감소된 시야 곡률에 부합하는 곡률을 갖는 곡선 디스플레이 소스이다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈는 정의 배수(positive powered) 렌즈이다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈는 음의 배수(negative powered) 렌즈이다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈는 오목 표면을 포함한다.

선택적으로, 광학 시스템은: 전자식 디스플레이 소스가 광파를 발산하도록 자극하기 위해 조명장치로부터 전자식 디스플레이 소스로 광을 유도하고, 전자식 디스플레이 소스로부터 커플링-인 광학 장치를 향해 발산하는 광파를 유도하기 위한 조명 프리즘 어셈블리를 추가로 포함한다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 조명 프리즘 어셈블리의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착된다.

선택적으로, 조명 프리즘 어셈블리는 적어도 하나의 프리즘 및 편광 감응성 빔 스플리터(beam splitter)를 포함하고, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 적어도 하나의 프리즘의 일 표면의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착된다.

선택적으로, 광학 시스템은 조명 프리즘 어셈블리를 거쳐 전자식 디스플레이 소스부터 발산하는 광파를 수용하고, 수용된 광파를 시준하고, 시준된 광파를 커플링-아웃 광학 장치로 유도하기 위한 광학식 모듈을 추가로 포함한다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 광학 모듈의 적어도 이부분에 광학적으로 부착된다.

선택적으로, 광학 모듈은 한 쌍의 프리즘 및 하나의 편광 감응성 빔스플리터를 포함하고, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 적어도 하나의 프리즘의 일 표면의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착된다.

광학적으로, 적어도 하나의 렌즈는 조명 프리즘 어셈블리로부터 하향으로 및 광학 모듈로부터 상향으로 광학 경로안에 배치된다.

선택적으로, 적어도 하나의 광학 모듈은 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.

선택적으로, 광학 시스템은 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파를 시준하고 시준된 광파를 커플링-인 광학 장치로 유도하기 위한 광학 모듈을 추가로 포함한다.

선택적으로, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 광학 모듈의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착된다.

선택적으로, 광학 모듈은 적어도 하나의 시준 렌즈를 추가로 포함한다.

선택적으로, 광학 모듈은 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.

선택적으로, 전자식 디스플레이 소스는 마이크로-디스플레이이다.

선택적으로, 전자식 디스플레이 소스는 유기 발광 다이오드 디스플레이이다.

본 고안의 교시의 일 실시예에 따라 광학 시스템이 제공된다. 광학 시스템은 적어도 하나의 제1 및 제2 주요 외부 표면을 포함하는 다수의 표면을 갖는 광-투과 기재; 광파가 발산되는 전자식 디스플레이 소스; 광-투과 기재의 주요 외부 표면들 사이에서 커플-인 광파의 전체 내부 반사가 이뤄지도록 전자식 디스플레이 소스로부터 광-투과 기재 안으로 발산하는 광파를 결합하기 위한 커플링-인 광학 장치; 전자식 디스플레이 소스로부터 광 -투과 기재안으로 횡단하도록 광파에 대한 광학 경로에 배치되고, 횡단 광파의 광선이 발산 또는 수렴되도록 하는 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하고, 전자식 디스플레이 소스는 시야 곡률에 의해 야기되는 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄시키도록 광학 시스템의 시야 곡률에 부합하는 곡률을 갖는 곡선 디스플레이 소스이다.

본 고안의 광학 시스템은 시준 광학계, 다양한 프리짐 어셈블리(예를 들어, 조명 및 이미지화 어셈블리), 및 전술된 기재-가이드 광학 소자 및 필드 렌즈(field lens) 장치를 포함하는 다양한 광학 부품의 조합에 의존한다. 개별적인 부품의 특정 디자인 파라미터가 상호의존적이며, 하나의 부품 또는 하위부품의 디자인 사양이 광학 시스템의 하나 이상의 다른 부품 또는 하위부품의 고유 특성에 따라 결정되기 때문에, 이러한 부품의 조합은 간단한 조합이 아니다. 이처럼, 본 고안의 광학 시스템의 부품 또는 하위부품의 조합에 의해 시너지가 발생하여, 관찰자가 보는 이미지의 품질 향상을 부여한다.

여기에서 달리 규정하지 않으면, 여기에서 사용되는 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 고안이 속하는 기술 분야의 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에 기재된 것과 유하하거나 동등한 방법 및 재료가 본 고안의 실시예의 실행 또는 테스트하는데 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및 및/또는 재료가 이하 설명된다. 충돌이 있는 경우, 정의를 포함한 고안 명세서가 우선한다. 또한, 재료, 방법, 및 예들은 단지 예시적인 것이며 반드시 제한히기 위한 것이 아니다.

본 고안의 광학 시스템의 부품 또는 하위부품의 조합에 의해 시너지가 발생하여, 관찰자가 보는 이미지의 품질 향상을 부여한다.

본 고안의 일부 실시예는 첨부된 도면을 참고로 하여 단지 예로서 설명된다. 도면을 상세히 구체적으로 참조하여, 도시된 세부 사항은 예로서 및 본 고안의 실시예의 예시적인 설명을 목적으로 한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 이뤄지는 설명은 본 고안의 실시예가 어떻게 실행되는지를 당업자에게 명확하게 한다.
도면을 대해, 동일한 참조 번호 또는 문자는 대응하거나 동일한 부품을 나타낸다.
도1은 본 고안의 일 실시예에 따르는 예시적인 광-가이드 광학 소자(LOE)의 측면도이다.
도2는 본 고안의 일 실시예에 따르는, 조명 프리즘 어셈블리 및 거기에 부착된 필드 렌즈를 갖는 시준 광학 모듈의 개략도이다.
도3은 본 고안의 일 실시예에 따르는, 조명 프리즘 어셈블리에 부착된 필드 렌즈를 갖는 조명 프리즘 어셈블리의 개략도이다.
도4는 본 고안의 일 실시예에 따르는 시준 광학 모듈의 개략도이다.
도5는 대칭 구조를 갖는 LOE의 구조의의 측면도이다.
도6은 본 고안의 일 실시예에 따르는, 시준 광학을 곡선(curved) 전자식 디스플레이로부터의 광선의 횡단의 개략도이다.

본 고안은 평탄한 전자식 디스플레이와 조합하여 시준 광학의 사용으로부터 발생하는 기재-가이드 광학 소자 및 시야 곡률 효과 완화 부품을 갖는 광학 시스템에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 시야 곡률 완화는 광학 시스템의 시야 곡률에 대해 보상하는 필드 렌즈에 의해 달성된다. 이러한 실시예에서, 커플링-인(cpupling-in) 광학 장치에 의해 기재-가이드 광학 소자안에 결합된 광파를 발산하고, 이어서 커플드-인 광파는 하나 이상의 부분 반사 표면에 의해 관찰자(즉, 시청자)의 눈 안으로 이미지로서 기재-가이드 광학 소자 외부에 결합된다. 필드 렌즈는 전자식 디스플레이 소스의 하향 및 커플링-인 광학 장치로부터 상향인 광학 시스템의 광학 경로안에 일반적으로 배치된다. 특정 비-제한 구현시, 필드 렌즈는 조명 프리즘 어셈블리로부터 하향 및 시준 광학 모듈로부터 상향 광학 경로에 배치된다.

다른 실시예에서, 시야 곡률 완화는 전자식 디스플레이 소스를 광학 시스템의 시야 곡률에 부합되는(또는 적어도 부분적으로 부합되는) 곡률을 갖는 곡선 디스플레이 소스로서 구현함으로써 달성되며, 그로 인해 광학 시스템을 가로지르는 광선의 시야 곡률 야기 발산 또는 수렴의 효과를 상쇄(또는 적어도 부분적으로 상쇄)시킨다.

본 고안에 따르는 광학 시스템의 원리 및 동작은 설명을 수반하는 도면을 참고로 하여 더욱 잘 이해될 것이다.

본 고안의 적어도 하나의 일 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 고안은 그 응용시 이하의 설명에 기재 및/또는 도면 및/또는 예에 예시된 부품 및/또는 방법의 구성 및 장치의 세부사상에 반드시 한정되지는 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 고안은 다른 실시예가 가능하거나 다양한 방법으로 실행 또는 수행될 수 있다. 초기에, 이 문헌 전체에 걸쳐, 기준은 예를 들어 상부 및 하부, 상단 및 하단 등과 같은 방향으로 이뤄진다. 이 방향 기준은 본 고안 및 그 실시예을 단지 예시하기 위한 예이다.

이제 도면을 참조하면, 도1은 본 고안의 실시예에 따르는 광학 시스템의 부품의 단면도를 도시한다. 광학 시스템은 평면의 광-투과 기재(10) 및 관련 부품(이라 광-가이드 광학 소자 또는 "LOE"라고 불림)을 포함한다. LOE는 입력 광학 표면으로부터 출력 광학 표면까지 광파를 인도하는 광 도파관으로서 작용한다. 평면 기재(10)는 서로 평행한 주요 하부 표면(16) 및 주요 상부 표면(18)을 포함한다. 커플링-인 광학 장치는 전자식 디스플레이 소스(도1에 도시되지 않음)로부터 시준되는 광파(광선(32)으로 표시됨)에 의해 조명된다. 특정 실시예에 따르면, 커플링-인 광학 장치(20)는 기재(10) 및 프리즘(24)의 경사 에지(22)를 포함한다. 에지(22)는 기재(10)의 주요 하부 및 상부 표면(16, 18)에 대해 비스듬한 각도로 배향되며, α 에지는 에지(22)와 기재의 주요 하부 및 상부 표면(16, 18)에 대한 법선(normal) 사이의 각도이다. 프리즘(24)은 3개의 주요 표면(26, 28, 30)을 포함하며, 표면(26)은 기재(10)의 에지(22) 옆에 위치하고, 표면(28 및 30)은 연마된(polished) 표면이다. 특정 실시예에서, 프리즘(24)의 굴절률은 기재(10)의 굴절률과 유사하지만, 다른 실시예에서는 프리즘(24) 및 기재(10)는 상이한 굴절률을 갖는다. 광선(32)은 표면(28)을 통해 프리즘(24)에 진입한다. 표면(28)은 바람직하게는 입사 광선(즉, 광선(32))의 중심 광파에 대해 수직으로 배향된다. 다음으로 광선(32)은 표면(26)을 통과하여 에지(22)를 통해 기재(10)에 진입하고, 그로 인해 광선(32)은 전체 내부 반사에 의해 LOE의 평면 기재 내부에 갇힌다(trapped). 기재(10)의 주요 하부 및 상부 표면(16, 18)의 여러번의 반사 이후, 갇혀있는 파들은 기재(10) 밖의 광파를 관찰자의 눈(14)의 동공(15) 안으로 결합하고 시청자가 보는 이미지를 형성하는 커플링-아웃 광학 장치(12)에 도달한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 커플링-아웃 광학 장치는 선택적인 부분 반사 표면의 어레이로서 구현된다.

여기에서, LOE의 입력 표면은 입력 광파가 LOE에 진입하는 표면으로 간주될 것이며, LOE의 출력 표면은 갇혀진 파가 LOE를 빠져나가는 표면으로 간주될 것이다. 도1에 도시된 LOE의 경우, 입력 표면은 경사 에지(22)상에 존재하고 출력 표면은 하부 표면(16)상에 존재한다. 그러나, 입력 및 이미지 파가 기재(10)의 동일한 면상에 위치할 수 있는 다른 구성이 고려된다. 이러한 구성에서, 커플링-인 광학 장치(20)는 기재(10)의 주요 하부 및 상부 표면(16, 18)에 대해 경사 각도로 배향된 반사 표면에 의해 실현되어, LOE의 입력 표면이 주요 하부 표면(16)상에 존재하고 커플링-인 반사 표면은 광이 전체 내부 반사에 의해 기재(10)의 내부에 갇히도록 입사 광파를 반사한다. 입력 표면이 상부 표면(18)상에 존재하고 출력 표면이 하부 표면(16)상에 존재하는 또 다른 구성이 고려된다.

초점이 맞취진 이미지를 감소된 수차를 갖는 시청자에게 제공하기 위해, 커플링-인 광학 장치(20)를 조명하는 광파는 평면 광파이어야 하고, 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파의 상이한 필드로부터의 광선은 가능한한 서로 평행으로 인접해야 한다. 시준 광학의 사용은 LOE에 진입하는 상이란 필드로부터의 광선이 실질적으로 서로 평행하다는 것을 적어도 부분적으로 보장하는 것을 돕는다. 그러나, 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파는 이미지화될 물체가 일반적으로 광학 시스템의 광학 축에 법선인 편평한 물체일 경우 발생할 수 있는 시야 곡률의 영향을 받을 수 있고, 전자식 디스플레이 소스가 편평한 디스플레이 소스(예를 들어, 실리콘 액정(LCOS) 마이크로디스플레이)로서 구현되는 경우처럼, 일부 시야 곡률 수차를 갖는 시준 광학을 통해 이미지화된다. 시야 곡률의 효과는 특히 전자식 디스플레이 소스의 중심에서 벗어난 픽셀에 대응하는 광파에 대해 느껴진다. 시야 곡률은 커플링-인 광학 장치(20)에 의해 LOE 안에 결합되는 광학 시스템을 가로지르는 광파의 일부가 발산 또는 수렴 광선(즉, 비-평행 광선)을 구비한 비-평면 광파가 되도록 한다. 시야 곡률에 의해 야기되는 비-평면 광파의 영향은 이미지의 불연속적 급변(jump)뿐만 아니라 입력 조리개의 관측 시야의 중심으로부터 LOE까지 초점이 흐려진 이미지로서 시청자가 보는 이미지에서 나타난다.

시야 곡률의 영향을 완화하기 위해, 필드 렌즈가 전자식 디스플레이 소스 및 LOE 사이의 광학 경로에 배치된다. 다음 단락은 이러한 필드 렌즈의 배치, 특히 전자식 디스플레이 소스에 대한 광학 경로에서의 필드 렌즈 및 광학 시스템의 다른 부품의 위치에 대해 설명한다. 이상적으로는, 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파의 더욱 넓은 시야 범위에 영향을 미치도록, 필드 렌즈는 가능한 한 전자식 디스플레이 소스에 가까이(예를 들어, 가능한 한 물체 평면에 가까이) 위치해야 한다. 더욱 명확해질 것처럼, 조명 어셈블리 및 광학 시스템의 시준 광학의 광학 디자인은 전자식 디스플레이 소스에 대한 필드 렌즈의 근접성을 제한할 수도 있다.

도1을 계속 참고하고, 도2를 참고하면, 광학 시스템의 전자식 디스플레이 소스(34), 조명 프리즘 어셈블리(36), 및 시준 광학 모듈(52)가 도시되어 있다. 시준 광학 모듈(52)은, 이하 더욱 상세하게 논의되는 것처럼, 전자식 디스플레이 소스(34)와 LOE 사이의 광학 시스템의 광학 경로안에 배치되어, 광파가 전자식 디스플레이 소스(34)로부터 LOE 안으로 광학 시스템을 가로지르도록 허용한다. 시준 광학 모듈(52)은 편평한 전자식 디스플레이 소스와 조합하여 사용될 경우 광학 시스템의 시야 곡률 효과의 드라이버인 하나 이상의 광학 부품, 예를 들어 렌즈(66, 72) 및 프리즘(62, 68)을 포함한다. 이처럼, 시준 광학 모듈(52)의 하나 이상의 광학 부품은 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 광학 소자를 구성하여, LOE로의 입력시 광선의 비-평행 빔을 발생시킨다. 전자식 디스플레이 소스(34)는 바람직하게는 마이크로디스플레이 기술 분야에서 공지된 다양한 디스플레이 중 하나의 형태를 취할 수도 있는 마이크로디스플레이로서 구현된다. 특정한 비-제한적인 구현시, 전자식 디스플레이 소스(34)는 LCOS 마이크로디스플레이로서 구현된다. 광학 시스템의 광학 부품에 대해 필드 렌즈의 배치를 더욱 잘 설명하기 위해, 본 고안의 실시예는 LCOS 마이크로디스플레이로서 구현되는 전자식 디스플레이 소스(34)의 비-제한적 맥락 안에서 계속 설명된다. 그러나, 전자식 디스플레이 소스(34)는 예를 들어 유기 발광 다이오드 어레이(OLED), 또는 다른 적절한 마이크로디스플레이 등을 포함하는, 다른 방법으로 구현될 수 있다.

도2를 계속 참고하면, 조명 프리즘 어셈블리(36)는 전자식 디스플레이 소스(34)의 이미지 영역을 조명하기 위해 편광 빔 스플리터(44)로부터 전자식 디스플레이 소스(34)를 향해 반사되는 s-편광된 입력 광파를 조명 소스(도시되지 않음)로부터 수신한다. 전자식 디스플레이 소스(34)의 이미지 영역에서 수신된 s-편광된 광파의 조명에 응답하여, 전자식 디스플레이(34)는 전자식 디스플레이 소스(34)의 활성 픽셀로부터 발산되는 s-편광된 광파(38)의 형태로 대응 픽셀 출력을 생성하도록 자극(즉, 활성화)된다. 특정 활성 픽셀로부터 발산되는 광파로부터의 광선은 특정 필드에 해당한다. p-편광된 광파(38)는 조명 프리즘 어셈블리(36)의 프리즘(42)의 광-투과 표면을 통해 조명 프리즘 어셈블리(36) 안에 결합된다. p-편광된 광파(38)는 p-편광된 광을 투과시키고 s-편광된 광을 반사시키는 편광 빔 스플리터(44)를 통과한다. 편광 빔 스플리터(44)는 프리즘(42)의 경사 에지 표면과 조명 프리즘 어셈블리(36)의 제2 프리즘(48)의 경사 에지 표면 사이에 위치한다. 관파는 제2 프리즘(48)의 광-투과 표면(46)을 통해 조명 프리즘 어셈블리(36) 밖에 결합되며, 그 다음에 광 파를 s-편광된 광으로 변환하는 1/2-파장 지연(retardation) 판(50)을 통과한다. 이제 s-편광된 광파(38)는 시준 광학 모듈(52)에 진입하기 전에, 조명 프리즘 어셈블리(36) 및 시준 광학 모듈(52) 사이의 광학 경로에 위치하는 필드 렌즈(80)를 통과한다.

필드 렌즈(80)는 광학 시스템의 시야 곡률에 대해 보상하기 위해 보상 시야 곡률을 생성한다. 필드 렌즈(80)가 구성되는 재료의 굴절률뿐만 아니라 렌즈의 표면의 광학 굴절력(optical power)을 포함하는, 필드 렌즈(80)의 광학 속성은 보상 시야 곡률의 생성을 가능하게 한다. 필드 렌즈(80)의 보상 시야 곡률은 필드 곡률 효과에 의해 야기되는 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄시키고 광학 시스템의 시야 곡률을 효과적으로 평탄화하여, 전자식 디스플레이 소스(34)의 위치에서 편평한 물체 평면을 가능하게 한다. 필드 렌즈(80)는 관측 시야(field of view)의 중심에서보다 관측 시야의 에지에서 더욱 광학적으로 활성화되어 있다(즉 전자식 디스플레이 소스(34)의 중심에서 멀어진 픽셀에 대응하는 시야에 대해 더욱 활성화됨). 이와 같이, 필드 렌즈(80)는 전자식 디스플레이 소스(34)의 중심 근처의 픽셀로부터 오는 광선에 대해서 보다 전자식 디스플레이 소스(34)의 에지의 픽셀로부터 오는 광선에 대해 더 많은 교정 굴절력(corrective power)을 적용한다. 전자식 디스플레이 소스(34)로부터 LOE로의 입력 광선의 수렴 또는 발산에 따라, 필드 렌즈(80)는 정의 굴절력(positive powered) 또는 부의 굴절력(negative powered)의 렌즈로 구현될 수 있다.

시야 곡률의 평탄화는 필드 렌즈(80)의 광학 속성(예를 들어, 필드 렌즈(80)의 불절률 및 필드 렌즈(80)의 표면의 굴절력)으로 인해 필드 렌즈(80)에 의해 동일한 시야의 광선의 굴절에 의해 달성된다. 필드 렌즈(80)에 진입하는 동일한 필드로부터의 광선은 필드 렌즈(80)의 광학 표면에 의해 굴절되어, 동일한(즉, 공통의) 필드로부터의 광선은 커플링-인 광학 장치(20)로의 입력에서(즉, 기재(10) 안에 결합되기 전에) 서로 평행하다. 필드 렌즈가 도2에서 단일 렌즈로 묘사되어 있기는 하지만, 필드 렌즈의 시야 곡률 평탄화 효과는 필드 렌즈(80)를 하나 이상의 렌즈, 예를 들어 이중(double) 렌즈로 구현함으로써 실현될 수 있다. 도2의 필드 렌즈(80)의 비-제한적 묘사에서, 필드 렌즈(80)는 오목한 표면(82 및 84)을 포함하는 오목 렌즈로서 구현된다.

필드 렌즈(80)는 조명 프리즘 어셈블리(36) 및 시준 광학 모듈(52) 사이의 광학 경로의 다양한 위치에 배치될 수 있고 다양한 구현에서 조명 프리즘 어셈블리(36) 또는 시준 광학 모듈(52)의 부분에 광학적으로 부착될 수 있다. 예를 들어, 도2에 도시된 비-제한적 구현에서, 표면(82)의 부분은, 예를 들어 광학 시멘트를 통해, 시준 광학 모듈(52)의 프리즘(62)의 광-투과 표면(54)에 광학적으로 부착된다. 표면(54)은 시준 광학 모듈(52)의 입력 표면으로서 작용한다. 다른 비-제한적 구현에서, 필드 렌즈(80)의 표면(84)의 부분은, 예를 들어 광학 시멘트를 통해, 조명 프리즘 어셈블리(36) 및 지연 판(50) 사이의 제2 프리즘(48)의 표면 또는 지연 판(50)에 광학적으로 부착된다. 또 다른 비-제한적 구현에서, 필드 렌즈(80)는 조명 프리즘 어셈블리(36) 및 지연 판(50) 사이의 광학 경로 안에 위치하여, 표면(82 및 84) 중 어느 것도 조명 프리즘 어셈블리(36), 지연 판(50), 또는 시준 광학 모듈(52)에 광학적으로 부착되지 않는다. 기계적인 배치는 광학 시스템의 주요 부품을 운반하는 기계적 보디에 부착될 수 있는 필드 렌즈(80)의 에지 표면에 부착된 기계적 아암(mechanical arm)을 통해 달성될 수 있다.

필드 렌즈(80)는 또한 평면-오목(plano-concave) 렌즈로 구현될 수 있는데, 표면(82)은 오목한 표면이 아니라, 광학적으로 편평한 표면(즉, 평면)이라는 것에 주목하자.

계속해서 도2를 참고로 하면, 필드 렌즈(80)를 빠져나오는 s-편광 광파(38)는 표면(54)을 통해 시준 광학 모듈(52)에 진입한다. 프리즘(62)의 경사 에지 표면 및 시준 광학 모듈(52)의 제2 프리즘(68)의 경사 에지 표면 사이에 위치하는 편광 빔 스플리터의 반사 후, 광파는 시준 광학 모듈(52)의 상부 표면(56)을 통해 시준 광학 모듈(52) 밖에 결합된다. 그 다음에 1/4 파장 지연-판(64)을 통과하는 광파는 부품, 예를 들어 렌즈의 반사 표면(67)에 의해 반사되어 지연 판(64)을 다시 통과하도록 돌아오고, 표면(56)을 통해 시준 광학 모듈(52)에 재-진입한다. 이제 s-편광된 광파는 편광 빔스플리터(74)를 통과하고 시준 광학 모듈(52)의 하부 표면(58)을 통해 시준 광학 모듈(52) 밖에 결합된다. 그 다음에 제1 1/4 파장 지연-판(70)을 통과하는 광파는 제2 부품(72), 예를 들어 렌즈의 반사 표면에 의해 반사되어, 다시 지연 판(70)을 통과하도록 돌아오고, 표면(58)을 통해 시준 광학 모듈(52)에 재-진입한다. 이제 s-편광된 광파는 편광 빔스플리터(74)로부터 반사되며 측 표면(60)을 통해 시준 광학 모듈(52)을 빠져나간다. 광파에 부품(66 및 72)을 결합한 효과는 측표면(60)을 통해 시준 광학 모듈(52)을 빠져나오는 광파가 시준된다는 것이다. 반사 표면(67 및 73)은 금속 또는 유전체 코팅 중 어느 하나에 의해 구체화될 수 있다. 시준 광학 모듈을 빠져나오는 s-편광된 광파는 필드 렌즈(80)에 의해 시준되고 영향을 받아서, 각각의 이산 필드로부터의 광선이 서로 평행하도록 한다. 시준 광학 모듈(52) 밖에서 결합된 평행 광선은 커플링-인 광학 장치(20)를 통해 LOE 안에 결합된다(도1의 광선(32)으로 표시된 것처럼).

도1 및 2를 참고로 설명된 광학 시스템의 실시예에서, 필드 렌즈(80)는 전자식 디스플레이 소스(34)에 상대적으로 가까이 위치한다. 그러나, 광학 시스템의 특정 광학 디자인으로 인해, 조명 프리즘 어셈블리(36)에 대한 전자식 디스플레이 소스(34)의 근접성은 필드 렌즈(80)가 전자식 디스플레이 소스(34)에 더 가까이 위치하는 것을 방지한다. 광학 시스템의 대안 실시예에서, 조명 프리즘 어셈블리 및 시준 광학 모듈은 상이한 축을 따라 배향되도록 디자인될 수 있다. 이러한 실시예에서, 필드 렌즈는 전자식 디스플레이 소스에 더욱 가까이 위치할 수 있어서, 필드 렌즈는 전자식 디스플레이 소스에 가장 가까운 광학 부품이다.

도1 및 2를 계속 참조하면서, 본 고안의 일 실시예에 따르는 광학 시스템의 다양한 부품을 도3-5에 대해 참조한다. 이 실시예에서, 필드 렌즈(80)는 전자식 디스플레이 소스(34)에 가장 가까운 광학 부품이다. 또한, 도1 및 2를 참조로 설명된 광학 시스템이 한 차원으로 조리개 확대를 위한 기능성을 제공하는 반면에, 도3-5에 도시된 광학 시스템은 두 차원, 즉 제1차원(즉, 측방향 조리개 확대) 및 이어서 제1차원에 직교하는 제2차원(즉, 수직 조리개 확대)으로 조리개 확대를 위한 기능성을 제공한다. 두 차원 조리개 확대 광학 시스템의 광학 부품은 본 고안의 다음 부분에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도3을 참조하면, 광학 시스템은 전자식 디스플레이 소스(34) 및 조명 프리즘 어셈블리(90)를 포함한다. 도1 및 2를 참조로 설명한 것과 유사하게, 조명 프리즘 어셈블리(90)는 전자식 디스플레이 소스(34)를 조명하기 위해 전자식 디스플레이 소스(34)를 향해 편광 빔스플리터(100)로부터 멀리 반사된 s-편광된 광파를 조명 소스(도시되지 않음)로부터 수신한다. 전자식 디스플레이 소스(34)를 조명하는 광파는 s-편광되고, 전자식 디스플레이 모듈(34)의 조명된 픽셀은 전자식 디스플레이 소스(34)의 활성 픽셀로부터 발산되는 s-편광된 광파(38)의 형태로 대응하는 픽셀 출력을 발생시키도록 활성화된다. s-편광된 광파는 그 다음에 필드 렌즈(80)를 통과한다.

필드 렌즈(80)는 전자식 디스플레이 소스(34)와 조명 프리즘 어셈블리(90) 사이의 광학 경로의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 특히, 필드 렌즈(80)는 조명 프리즘 어셈블리(90)의 입력/출력 표면과 전자식 디스플레이 소스(34) 사이에 위치한다. 입력/출력 표면은 전자식 디스플레이 소스(34)에 조명 프리즘 어셈블리(90)의 출력을 결합하기 위한 조명 소스로부터의 광파에 대한 출력표면뿐만 아니라 조명 프리즘 어셈블리(90) 안에 결합하기 위해 전자식 디스플레이 소스(34)로부터의 광파에 대한 입력 표면 둘 다의 역할을 하는 조명 프리즘 어셈블리(90)의 프리 광 투과 표면(92)이다.

도2에 도시된 것과 유사하게, 도3에 도시된 필드 렌즈(80)는 하나 이상의 렌즈, 예를 들어, 이중(double) 렌즈로서 구현될 수 있다. 도3의 필드 렌즈(80)의 비-제한적 구현에서, 필드 렌즈(80)는 오목 렌즈이고, 표면(82)의 부분은 예를 들어 광학 시멘트를 통해 표면(92)에 광학적으로 부착된다. 다른 비-제한적 구현에서, 필드 렌즈(80)의 표면(84)의 부분은, 예를 들어 광학 시멘트를 통해, 전자식 디스플레이 소스(34)의 출력 표면에 광학적으로 부착될 수 있다. 또 다른 비-제한적 구현에서, 필드 렌즈(80)는 전자식 디스플레이 소스(34) 및 조명 프리즘 어셈블리(90) 사이의 광학 경로 안에 위치하여, 표면(82 및 84) 중 어느 것도 조명 프리즘 어셈블리(90) 또는 전자식 디스플레이 소스(34)에 광학적으로 부착되지 않는다.

필드 렌즈(80) 통과에 이어, p-편광된 광파(38)는 표면(92)을 통과하고 이어서 편광 빔스플리터(100)를 통과한다. 편광 빔스플리터(100)는 프리즘(94)의 경사 에지 표면 및 제2 프리즘(98)의 경사 에지 표면 사이에 위치한다. p-편광된 광파(38)는 그 다음에 조명 프리즘 어셈블리(90)의 제2 프리즘(98)의 광 투과 표면(96)을 통과함으로써 조명 프리즘 어셈블리(90)의 밖에 결합된다. p-편광된 광파(38)는 조명 프리즘 어셈블리(90)로부터 상이한 축을 따라 배향된 시준 광학 모듈안에 결합된다. 상이한 축 방향으로 인해, 시준 광학 모듈안에 결합된 조명 프리즘 어셈블리(90) 방향의 p-편광된 광파는 사실상 시준 광학 모듈 방향의 s-편광된 광파이다.

도3을 계속 참조하면서, 조명 프리즘 어셈블리(90)의 축 방향과 상이한 축 방향을 갖는 시준 광학 모듈(104)을 도시하는 도4를 참조한다. 시준 광학 모듈(104)은 편평한 디스플레이 소스와 조합하여 사용될 경우 광학 시스템의 시야 곡률 효과의 드라이버인 하나 이상의 광학 부품, 예를 들어 렌즈(112) 및 프리즘(116, 118)을 포함한다. 이처럼, 시준 광학 모듈(104)의 하나 이상의 광학 부품은 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 광학 소자를 구성하여, LOE로의 입력시 광선의 비-평행 빔을 발생시킨다.

시준 광학 모듈(104)의 제1 프리즘(116)의 경사 에지 표면 및 시준 광학 모듈(104)의 제2 프리즘(118)의 경사 에지 표면 사이에 위치하는 편광 빔스플리터9106)로부터의 반사에 이어, 광파는 시준 광학 모듈(104)의 광 투과 측표면(108)을 통해 시준 광학 모듈(104) 밖에 결합된다. 그 다음에 1/4-파장 지연 판(110)을 통과하는 광파는 부품(112), 예를 들어, 렌즈에 의해 그 반사 표면(113)에서 시준되어 다시 지연 판(110)으로 돌아가서 통과하고, 표면(108)을 통해 시준 광학 모듈(104)에 재-진입한다. 이제 p-편광된 광파는 편광 빔스플리터(106)를 통과하고 표면(108) 반대편의 광 투과 측표면(114)을 통해 시준 광학 모듈(104) 밖에 결합된다. 특정 실시예에서, p-편광된 광파는 광파를 s-편광된 광으로 변환하는 1/2-파장 지연 판(120)을 통과한다. 이제 s-편광된 광파(38)는 대칭 LOE에 진입하여 조리개 확대를 수행한다. 다른 실시예에서, 1/2-파장 지연 판은 생략되고, 대칭 LOE에 진입하는 광파는 p-편광된다. 또 다른 실시예에서, 대칭 LOE에 진입하는 광파의 편광은 시준 광학 모듈(104)의 축 방향에 대한 대칭 LOE의 축 방향에 의ㅙ 결정된다.

도3 및 4를 계속 참조하면서, 도4의 대칭 LOE의 비-제한적 구현을 참조한다. 비-제한적 구현에서, 대칭 LOE는 명백해질 몇 가지 중요한 차이점을 가지면서 도1을 참조로 설명된 LOE에 대해 구조면에서 일반적으로 유사한 두 개의 동일한 LOE로부터 구성된다. 대칭 LOE의 기재는 상단 LOE에 대응하는 기재의 상단 부분(10T), 및 하단 LOE에 대응하는 기재의 하단 부분(10B)으로 세분된다. 대칭 LOE를 구성하는 각각의 LOE는 주요 하부 및 상부 표면을 포함하는데, 즉 상단 LOE는 주요 하부 및 상부 표면(16T, 18T)을 포함하고, 하단 LOE는 주요 하부 및 상부 표면(16B, 18B)을 포함한다. 두 LOE는 또한 시준 광학 모듈(104)로부터의 광파를 각각의 상단 및 하단 부분(10T, 10B) 안에 결합한 각각의 커플링-인 광학 장치(20T 및 20B)를 포함한다. 도1에 도시된 LOE의 묘사와 달리, 상단 및 하단 부분(10T, 10B)의 에지는 주요 하부 및 상부 표면(16T, 18T, 16B, 18B)에 대해 수직이고, 커플링-인 광학 장치(20T, 20B)는 각각의 기재 부분(10T, 10B)에 내장된 부분 반사 표면으로서 구현된다. 내부 결합된(coupled-in) 광파는 전체 내부 반사에 의해 각각의 기재 부분(10T, 10B) 내부에 갇히고(trapped), 각각의 선택적인 부분 반사 표면(12T, 12B)에 의해 점차 결합해제된다(coupled out). 세분된 부분(10T, 10B)은 사실상 별개의 LOE로서 제작된 다음 두 개의 기재 부분(10T, 10B)의 시멘트 접착된(cemented) 표면(122)을 통해 부착될 수 있다.

대칭 LOE로부터 결합해제된 광파는 그 다음에 도1에 참고로 기재된 LOE와 유사한 추가 LOE안에 결합되어, 제2차원으로 또는 대칭 LOE에 의해 수행되는 조리개 확대 차원에 직교하게 조리개 확대를 겪는다. 본 고안의 실시예의 시야 곡률 완화 방법은 예를 들어, 본 고안에 참고로 통합되어 있고 본 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제10,133,070 및 미국 출원 번호 제15/978,139에 개시된 다른 다차원 조리개 확대 기술과 조합하여 고려된다는 것에 주목하자.

여기에 기재된 광학 시스템이 전자식 디스플레이 소스(즉, 전자식 디스플레이 소스(34))의 일반적인 평탄성으로부터 야기되는 시야 곡률의 효과를 완화하기 위해, 하나 이상의 렌즈로 구현되는 필드 렌즈 활용과 관계가 있지만, 시야 곡률 효과를 완화하고, 이러한 효과의 크기를 현저하게 감소시키거나, 시야 곡률 현상의 발생을 모두 방지하기 위해 다른 기술을 활용하는 다른 실시예가 가능하다. 이러한 일 실시예에서, 전자식 디스플레이 소스(34)는 예를 들어, 곡선(curved) OLED 마이크로디스플레이와 같은 곡선 디스플레이 소스로서 구현된다. 곡선 디스플레이 소스의 곡률은 광학 시스템의 시야 곡률에 부합된다. 전자식 디스플레이 소스(34)의 부합된 곡률은 전자식 디스플레이 소스(34)가 시야 곡률 효과에 의해 야기되는 횡단 광선(즉, LOE 안에 결합된 광선)의 발산 또는 수렴을 상쇄할 수 있도록 한다. 광학 시스템의 시야 곡률이 예를 들어 시뮬레이션 또는 실험을 통해 결정될 수 있기 때문에, 광학 시스템의 시야 곡률에 부합(또는 부분적으로 부합)하기 위해 필요한 곡선 디스플레이의 곡률도 또한 결정될 수 있다. 곡선 디스플레이 소스를 활용함으로써, 이미지화될 물체(즉, 물체 평면)는 더 이상의 편평하지 않으며, 따라서 시야 곡률의 효과는 광학 시스템에 의해 출력된 이미지를 볼 때 제거된다. 다시 말해서, 시준 광학, 예를 들어 시준 광학 모듈(52 또는 104)로부터의 출사광(및 등가적으로 LOE로의 입사광)은 평행 광선으로 구성된다.

도6은 본 고안의 실시예에 따르는, 이러한 곡선 전자식 디스플레이 소스(34)의 개략적인 형태를 도시한다. 곡선 전자식 디스플레이 소스(34)는 광파(즉, 광선(38))가 발산되는 곡선 이미지 투사 표면을 가지며, 곡선(즉, 편평하지 않은) 물체 평면(41)을 야기한다. 도6은 도면에 단일 렌즈로서 개략적으로 도시된 시준 광학(예를 들어, 시준 광학 모듈(52 또는 104))을 통해 곡선 전자식 디스플레이 소스(34)로부터의 광선(38)의 횡단을 추가로 도시한다. 보이는 바와 같이, 시준 광학으로부터의 출사 빔은 평행 광선으로 이뤄진다.

다른 실시예에서, 전자식 디스플레이 소스(34)는 광학 시스템의 시야 곡률에 부분적으로 부합되는 곡률을 갖는 곡선 디스플레이 소스로서 구현되어, 곡선 디스플레이 소스에만 의존하는 경우 시야 곡률의 영향은 완벽하게 제거되지 않는다. 다시 말해서, 전자식 디스플레이 소스(34)의 부분적으로 부합된 곡률은 시야 곡률 효과에 의해 야기되는 횡단 광의 발산 또는 수렴을 전자식 디스플레이 소스(34)가 부분적으로 상쇄할 수 있도록 한다. 이러한 실시예에서, 전술된 실시예의 필드 렌즈와 유사하게 배치된 필드 렌즈는 시야 곡률의 효과를 완화하기 위해 곡선 전자식 디스플레이 소스(34)와 조합하여 사용된다. 이러한 실시예는, 부분적으로 부합된 곡선 디스플레이 소스가 수렴 또는 발산되는 광선을 굴절시키기 위해 적용되도록 요구되는 필드 렌즈(80)의 교정 굴절력의 양을 감소시키기 때문에, 필드 렌즈(80)의 굴절력 요건을 감소시키는데 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 감소된 교정 굴절력을 갖는 필드 렌즈(80)는 광선의 발산 또는 수렴을 부분적으로 상쇄함으로써 광학 시스템의 시야 곡률을 부분적으로 보상하는 부분적 보상 시야 곡률을 생성한다. 부분적 보상 시야 곡률을 생성함으로써, 필드 렌즈(80)는 광학 시스템이 필드 렌즈(80)를 포함하지 않을 경우 존재할 수 있는 시야 곡률에 대해 감소된 광학 시스템의 감소된(그러나 여전히 존재하는) 시야 곡률 효과를 발생시킨다. 곡선 전자식 디스플레이 소스(34)의 곡률은 광학 시스템의 감소된 시야 곡률에 부합되어 감소된 시야 곡률에 의해 야기되는 횡단 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄하고, 그로 인해 필드 렌즈(80)에 의해 완벽하게 완화되지 않는 나머지 시야 곡률의 효과를 완화시킨다.

본 고안의 실시예에 따르는 광학 시스템은 이미지가 시청자의 단일 눈 안에 투사되는 단안(mono-ocular) 광학 시스템의 일부로서 사용된다. 대안적으로, 헤드-업 디스플레이(HUD) 애플리케이션 및 스테레오 비전 시스템과 같이, 시청자의 두 눈안으로 이미지를 투사하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 대안에서, 시청자의 상이란 눈안에 이미지를 투사하기 위해 배치되는, 하나의 필드 렌즈 및/또는 하나의 곡선 디스플레이 소스, 하나의 조명 프리즘 어셈블리, 하나의 시준 광학 모듈, 및 하나의 LOE를 각각 갖는 두개의 광학 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 광학 시스템을 사용하는 HUD는 자동차 운전자의 전방에 설치될 수 있는데, 예를 들어, 차량의 대시보드안에 통합되어, 운전 내비게이션에 도움을 주거나 시력이 낮은 운전자의 눈에 열 이미지(thermal image)를 투사하도록 한다. 이러한 실시예에서, 열 카메라는 실제 세계 장면의 열 이미지를 포착하기 위해 배치될 수 있다. 열 이미지는 그 다음에 전자식 디스플레이 소스에 제공되어 열 이미지에 대응하는 광파의 LOE 안으로의 커플링-인을 가능하게 한다.

특정한 편파 경로가 전술된 예에서 뒤따르는 각각의 경우에 대해, 편광(polarization)은 상호교환가능하다는 것에 유의해야 한다. 다시 말해서, 편광 빔스플리터의 방향을 변경할 때, p-편광된 광의 각각의 언급은 s-편광된 광으로 대체될 수 있고, 그 반대로 가능하다. 이처럼, 전술된 예에서 조명 프리즘 어셈브리(36) 및 시준 광학 모듈(52), 및 조명 프리즘 어셈블리(90) 및 시준 광학 모듈(104)의 특정 빔스플리터의 특정 용도는 제한하기 위한 것이 아니며, 본 고안의 실시예에 따르는 광학 시스템의 동작을 더 설명하기 위해 예시적인 목적으로 제공된다.

본 고안의 실시예의 광학 시스템은 LOE로서 구현된 광 도파관의 문맥 내에서 설명되었지만, 본 고안의 광학 시스템은 광파 투과 기재안에 광파를 결합 및/또는 광파 투과 기재 밖으로 광파를 결합하기 위해 회절 기술에 의존하는 도파관을 포함하는, 다른 유형의 광 도파관 기술에 적용될 수 있다. 예를 들어, 선택적인 부분 반사 표면의 어레이로서 커플링-아웃 광학 장치(12)를 구현하는 대신에, 커플링-아웃 광학 장치(12)는 기재(20)의 주요 하부 표면의 부분을 따라 연장되는 하나 이상의 회절 소자로서 구현될 수 있다. 추가적인 예로서, 프리즘(24)과 함께 경사 에지(22)로서, 또는 비스듬한 각도로 배향된 반사 표면으로서 커플링-인 광학 장치(23)를 구현하는 대신에, 커플링-인 광학 장치는 평면 기재(10)의 주요 하부 표면(16) 또는 주요 상부 표면(18) 중 어느 하나의 일 부분을 따라 연장되는 회절 소자로서 구현될 수 있다.

본 고안의 다양한 실시예의 설명은 예시를 위한 목적으로 제시되었지만, 완전하거나 개시된 실시예에 제한되게 하기 위한 것은 아니다. 기개된 실시예의 범주 및 사상을 벗어나지 않으면서 많은 변경 및 변화가 당업자에세 명백할 것이다. 여기에 사용된 용어들은 실시예들의 원리, 시장에서 발견된 기술에 대한 실용적인 적용 또는 기술적 개선을 가장 잘 설명하거나, 여기에 개시된 실시예들을 이해할 수 있도록 선택되었다.

사용된 것처럼, 단수 형태 "하나의(a)", "하나의(an)", 및 "상기(the)"는 문맥에서 명확하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 참조번호를 포함한다.

단어 "예시적인"은 여기에서 "예(example), 경우(instance) 또는 예시(illustration)로서의 역할을 하는" 것을 의미한다. "예시적(examplary)"으로 기재된 임의의 실시예는 다른 실시예 보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석 및/또는 다른 실시예로부터의 특징의 조합을 배제하는 것으로 반드시 해석될 필요는 없다.

별도의 실시예의 문맥에서 명확성을 위해 기재된 본 고안의 특정 특징은 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다. 반대로, 간략화를 위해 단일 실시예의 문액에 기재된 본 고안의 다양한 특징은 별도로 또는 임의의 적절한 하부 조합 또는 본 고안의 임의의 다른 기재된 실시예의 적절한 것으로 제공될 수 있다. 다양한 실시예의 문맥에 기재된 특정 특징은 실시예가 이들 소자 없이 작동하지 않는한, 이 실시예들의 필수적인 특징으로 간주되어서는 않는다.

본 고안이 특정 실시예와 관련하여 기재되었지만, 많은 다른 대안, 수정 및 변형이 당업자에게 명백할 것이 확실하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 넓은 범주 내에 있는 대안, 수정 및 변형을 포함하고자 한다.

20 : 커플링-인 광학 장치
22 : 경사 에지
34 : 전자식 디스플레이 소스
36 : 조명 프리즘 어셈블리
42 : 프리즘
46 : 광-투과 표면
48 : 제2 프리즘
50 : 1/2-파장 지연 판
52 : 시준 광학 모듈
80 : 필드 렌즈

Claims

적어도 하나의 제1 및 제2 주요 외부 표면을 포함하는 다수의 표면을 갖는 광-투과 기재;
광파를 발산하는 전자식 디스플레이 소스;
광-투과 기재의 주요 외부 표면 사이에서 결합된 광파의 전체 내부 반사를 시행하기 위해 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파를 광-투과 기재 안으로 결합시키는 커플링-인 광학 장치;
전자식 디스플레이 소스로부터 광-투과 기재 안으로 횡단하도록 광파에 대한 광학 경로에 배치되는 적어도 하나의 광학 소자로서, 횡단하는 광파의 광선이 발산 또는 수렴하도록 하는 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자;
전자식 디스플레이 소스로부터 하향이고 및 커플링-인 광학 장치로부터 상향인 광학 경로에 배치되는 적어도 하나의 렌즈를 포함하고,
적어도 하나의 렌즈는 부분적으로 보상하는 시야 곡률을 생성하고 광학 시스템의 시야 곡률을 부분적으로 보상하여 광학 시스템의 시야 곡률을 감소시키며,
전자식 디스플레이 소스는 광학 시스템의 감소된 시야 곡률에 부합하는 곡률을 갖는 곡선(curved) 디스플레이 소스이어서 감소된 시야 곡률에 의해 야기된 횡단 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈는 양의 굴절력의 렌즈인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈는 음의 굴절력의 렌즈인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈는 오목 표면을 포함하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
광파를 발산하도록 전자식 디스플레이 소스를 자극하기 위해 조명기로부터 전자식 디스플레이 소스로 유도하고, 전자식 디스플레이 소스로부터 커플링-인 광학 장치까지 발산되는 광파를 유도하기 위한 조명 프리즘 어셈블리를 추가로 포함하는
광학 시스템.
제5항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 조명 프리즘 어셈블리의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제5항에 있어서,
조명 프리즘 어셈블리는 적어도 하나의 프리즘 및 하나의 감응성 빔스플리터를 포함하고, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 적어도 하나의 프리즘의 일 표면의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제5항에 있어서,
조명 프리즘 어셈블리를 거쳐 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파를 수신하고, 수신된 광파를 시준하고 시준된 광파를 커플링-아웃 광학 장치로 유도하기 위한 광학 모듈을 추가로 포함하는
광학 시스템.
제8항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 광학 모듈의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제8항에 있어서,
광학 모듈은 한 쌍의 프리즘 및 하나의 편광 감응성 빔스플리터를 포함하고, 적어도 하나의 적어도 일 부분은 프리즘 중 적어도 하나의 일 표면의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제8항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈는 조명 프리즘 어셈블리로부터 하향이고 광학 모듈로부터 상향인 광학 경로에 배치되는
광학 시스템.
제8항에 있어서,
적어도 하나의 광학 모듈은 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파를 시준하고 시준된 광파를 커플링-인 광학 장치로 유도하기 위한 광학 모듈을 추가로 포함하는
광학 시스템.
제13항에 있어서,
적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 광학 모듈의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제13항에 있어서,
광학 모듈은 한 쌍의 프리즘 및 편광 감응성 빔스플리터를 포함하고, 적어도 하나의 렌즈의 적어도 일 부분은 프리즘 중 적어도 하나의 일 표면의 적어도 일 부분에 광학적으로 부착되는
광학 시스템.
제13항에 있어서,
광학 모듈은 적어도 하나의 시준 렌즈를 추가로 포함하는
광학 시스템.
제13항에 있어서,
광학 모듈은 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
전자식 디스플레이 소스는 마이크로-디스플레이인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
전자식 디스플레이 소스는 유기 발광 다이오드 디스플레이인
광학 시스템.
적어도 하나의 제1 및 제2 주요 외부 표면을 포함하는 다수의 표면을 갖는 광-투과 기재;
광파가 발산되는 전자식 디스플레이 소스;
광-투과 기재의 주요 외부 표면 사이에서 결합된 광파의 전체 내부 반사를 시행하기 위해 전자식 디스플레이 소스로부터 발산되는 광파를 광-투과 기재 안으로 결합시키는 커플링-인 광학 장치; 및
전자식 디스플레이 소스로부터 광-투과 기재 안으로 횡단하도록 광파에 대한 광학 경로에 배치되는 적어도 하나의 광학 소자로서, 횡단하는 광파의 광선이 발산 또는 수렴하도록 하는 광학 시스템의 시야 곡률을 규정하는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하고,
전자식 디스플레이 소스는 광학 시스템의 시야 곡률에 부합하는 곡률을 갖는 곡선(curved) 디스플레이 소스이어서 시야 곡률에 의해 야기된 광선의 발산 또는 수렴을 상쇄하는
광학 시스템.
제20항에 있어서,
전자식 디스플레이 소스는 마이크로-디스플레이인
광학 시스템.
제20항에 있어서,
전자식 디스플레이 소스는 유기 발광 다이오드 디스플레이인
광학 시스템.