KR20190133781A

KR20190133781A - 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함한 소형 근안 광학 시스템

Info

Publication number: KR20190133781A
Application number: KR1020197033203A
Authority: KR
Inventors: 이 진; 세르게 바이르후진; 신다 후; 제롬 캐롤로
Original assignee: 구글 엘엘씨
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-12-03
Also published as: EP3593199A1; US20190018255A1; CN110603478A; WO2019013864A1; JP2020526780A

Abstract

제1 필터 스택(110, 315, 415)은 광을 제1 원 편광으로 변환하고, 제2 필터 스택(125, 320, 420)은 제1 원 편광을 갖는 광을 반사하고 제2 원 편광을 갖는 광을 투과시킨다. 필터 스택들 사이에 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115, 210, 310, 410)가 배치된다. 제1 필터 스택은 광을 제1 선형 편광으로 변환하기 위한 제1 선형 편광기(112) 및 광을 제1 선형 편광으로부터 제1 원 편광으로 변환하기 위한 제1 1/4 파장판(114)을 포함한다. 상기 제2 필터 스택은 상기 제1 원 편광으로부터 상기 제1 선형 편광에 횡 방향인 제2 선형 편광으로 광을 변환하는 제2 1/4 파장판 (127); 상기 제1 편광을 통과하고 상기 제2 편광을 반사하는 편광-의존 빔 스플리터 (128); 및 상기 제2 편광을 통과시키는 선형 편광기(129)를 포함한다.

Description

굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함한 소형 근안 광학 시스템

본 명세서는 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함한 소형 근안(near-eye) 광학 시스템에 관한 것이다.

몰입형 가상현실(VR) 및 증강 현실(AR) 시스템은 일반적으로 입체 이미지를 사용자에게 제공하여 입체(3D) 장면에서 존재감을 제공하는 HMD(Head Mounted Display) 장치를 사용한다. 종래의 HMD 장치는 2개의 독립적인 디스플레이 영역(좌안용 및 우안용)으로 분리된 단일 평면 디스플레이 또는 사용자의 각 눈마다 하나씩 독립된 평면 디스플레이 중 하나를 구현한다. 기존 HMD에는 디스플레이의 전체 이미지를 사용자의 눈에 집중시키는 광학 시스템도 포함되어 있다. 광학 시스템은 초점 거리가 약 35mm 이상인 비구면 렌즈 또는 프레넬 렌즈와 같은 단(단일)(Singlet) 렌즈를 포함한다. 두 가지 렌즈 유형 모두 고품질 VR 또는 AR 경험에 필요한 수준의 광학 성능을 제공하지 않는다. 단일 비구면 렌즈는 비교적 많은 양의 색수차, 필드 곡률 및 비점 수차를 생성한다. 프레넬 렌즈는 비교적 많은 양의 색수차를 생성하며, 프레넬 패싯의 제조 오류로 인한 프레넬 패싯 및 고스트 이미지의 전체 내부 반사로 인한 미광(stray light)과 같은 프레넬 아티팩트(artifacts)를 생성한다.

또한, 비구면 렌즈 및 프레넬 렌즈와 같은 단 렌즈는 백 포커스(back focal) 거리가 비교적 길어 렌즈와 디스플레이 사이의 거리를 증가시킨다. 백 포커스(초점) 거리가 길면 부피가 크고 전면이 무거운 HMD가 발생하여 관성 모멘트가 높다. 단 렌즈는 더 짧은 렌즈 초점 거리로 구성될 수 있다. 그러나 렌즈 배율은 렌즈 초점 거리에 반비례한다. 따라서 렌즈 초점 거리가 감소함에 따라 렌즈 배율이 증가한다. 디스플레이의 픽셀 해상도에 따라 렌즈 확대를 늘리면 뷰어가 디스플레이의 확대된 이미지에서 픽셀화를 인식할 수 있다. 또한, 짧은 초점 거리 매그니파이어(magnifier)는 설계하기가 더 어렵고, 증가하는 수차를 관리하기 위해 더 많은 광학 요소를 필요로 하며, 광학/기계적 공차 및 눈 위치에 민감하다.

본 명세서는 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함한 소형(컴팩트한) 근안 광학 시스템에 관한 것이다.

본 명세서는 더 잘 이해될 수 있고, 이의 수많은 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조함으로써 당업자에게 명백하다. 상이한 도면에서 동일한 참조 부호의 사용은 유사하거나 동일한 항목을 나타낸다.
도 1은 일부 실시 예에 따라 디스플레이로부터 수신된 광을 시준(collimate)하여 실질적으로 평행한 광선을 사용자의 눈에 제공하는 광학 시스템의 제1 예의 도면이다.
도 2는 일부 실시 예에 따라 디스플레이로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템의 제2 예의 도면이다.
도 3은 일부 실시 예에 따라 디스플레이로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템의 제3 예의 도면이다.
도 4는 일부 실시 예에 따라 디스플레이로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템의 제4 예의 도면이다.
도 5는 일부 실시 예에 따른 디스플레이를 통해 가상 현실, 증강 현실 또는 혼합 현실 기능을 제공하도록 구성된 전자 장치를 포함하는 디스플레이 시스템을 도시한다.

편광-의존(polarization-dependent) 빔 스플리터는 광 경로를 폴드(fold)하고 HMD에서 구현되는 근안 광학 시스템의 크기(dimension)를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 인라인 또는 "팬케이크" 뷰어는 디스플레이로부터 광을 수신하는 선형 편광기, 광을 우원 편광(right circular polarization)으로 변환하는 1/4 파장판, 구면(spherical) 반사 빔 스플리터(예를 들어, HS(half-silvered) 표면을 갖는 포커싱 오목 거울로서 구현됨), 우원 편광을 수직 선형 편광으로 변환하는 1/4 파장판, 수직 편광을 반사하고 수평 편광을 통과시키는 편광-의존 빔 스플리터; 및 수평 편광을 통과시키는 선형 편광기를 포함한다. 인라인 뷰어는 구면 반사 빔 스플리터에서 광 출력을 집중시켜 코마, 비점 수차 및 색수차를 포함한 광 수차의 관리를 개선한다. 그러나, 인라인 뷰어는 마이크로 디스플레이(예를 들어, 약 1인치의 대각선을 갖는 디스플레이)에 최적화되어 있고, 디자인을 더 큰 디스플레이(예: 채널당 약 1.5-3 인치의 대각선을 갖는 디스플레이)로 직접 확장하는 것은 어렵다. 문제는 구면 반사 빔 스플리터에 의해 생성된 강한 필드 곡률 및 대형 디스플레이에 의해 생성된 이미지의 수차를 보정하기 위해 필요한 더 큰 크기의 구면 반사 빔 스플리터에 대해 보정하는 것을 포함한다.

도 1-5는 인라인 팬케이크 뷰어에 비해 개선된 광학 성능, 고스팅(ghosting) 감소 및 더 큰 시야를 갖는 소형(컴팩트) 근안 광학 시스템의 실시 예를 도시한다. 광학 시스템 또는 장치(이하, 광학 시스템이라 칭함)는 광을 제1 원 편광으로 변환하도록 구성된 제1 필터 스택; 제1 원 편광을 갖는 광을 반사하고 그리고 제2 원 편광을 갖는 광을 투과시키도록 구성된 제2 필터 스택; 제1 필터 스택과 제2 필터 스택 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함한다. 제1 필터 스택은 디스플레이로부터의 광을 제1 선형 편광으로 변환하기 위한 제1 선형 편광기, 및 그 선형 편광된 광을 제1 원 편광으로 변환하기 위한 제1 1/4 파장판을 포함할 수 있다. 상기 제2 필터 스택은 상기 제1 원 편광을 제2 선형 편광(제1 선형 편광에 횡 방향으로)으로 변환하는 제2 1/4 파장판; 상기 제1 편광을 투과시키고 상기 제2 편광을 반사하는 편광-의존 빔 스플리터; 및 상기 제2 편광을 투과시키는 선형 편광기를 포함할 수 있다. 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 하나의 평면 표면 및 대향 볼록 표면을 갖는 평면 볼록 렌즈 또는 2개의 대향 볼록 표면을 갖는 이중 볼록(bi-convex) 렌즈로서 구현될 수 있다.

종래의 구면 반사 빔 스플리터를 굴절 빔 분할(스플리팅) 볼록 렌즈로 교체하면 광학 시스템에 많은 개선이 제공된다. 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 포함하는 광학 시스템의 실시 예는 전형적으로 더 낮은 광학 수차를 생성하여, 사용자가 더 작은 디스플레이 픽셀을 해결하고 더 큰 아이 박스를 지원할 수 있게 한다. 광학 시스템은 또한 더 낮은 레벨의 구면 및 색수차, 비점수차 및 코마를 생성한다. 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈의 굴절 부분은 반사 부분의 필드 곡률의 균형을 맞추고, 이에 의해 광학 시스템에 의해 생성된 전체 필드 곡률을 감소시킨다. 또한, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈의 추가 굴절력은 광학 시스템의 광학 성능을 향상, 최적화 또는 조정하기 위해 변경될 수 있다. 일부 실시 예에서, 상기 제2 1/4 파장판은 굴절 빔 분할 볼록 렌즈를 구현하는 데 사용되는 평면-볼록 렌즈의 평면 표면에 접합(bonded)되거나 적층(laminated)되어, 내부 반사로 인한 고스트 이미지를 생성할 수 있는 에어 갭의 수를 감소시킨다.

도 1은 일부 실시 예에 따라 디스플레이(105)로부터 수신된 광을 시준하여 실질적으로 평행한 광선을 사용자의 눈(111)에 제공하는 광학 시스템(100)의 제1 예의 도면이다. 광학 시스템(100)은 디스플레이(105)로부터 광을 수신하는 제1 필터 스택(110)을 포함한다. 필터 스택(110)의 일부 실시 예는 수신된 광을 제1 선형 편광으로 변환하는 선형 편광기(112)를 포함한다. 예를 들어, 선형 편광기(112)는 비편광된(또는 부분적으로 편광된) 광을 도면의 평면에 있는 방향으로 편광된 광으로 변환할 수 있으며, 이는 본 명세서에서 y- 방향으로 지칭된다. 필터 스택(110)은 또한 선형 편광(선형으로 편광된 광)을 제1 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판 (114)을 포함한다. 예를 들어, 1/4 파장판(114)은 y 방향으로 편광된 광을 우원 편광으로 변환할 수 있다. 필터 스택(110)의 일부 실시 예는 디스플레이(105)와 통합된다. 예를 들어, 선형 편광기(112)는 디스플레이(105)의 표면에 적층될 수 있다. 그러나, 다른 실시 예에서, 제1 필터 스택(110)은 에어 갭에 의해 디스플레이(105)로부터 분리된다.

광학 시스템(100)은 또한 제1 굴절률을 갖는 재료 및 빔 분할 코팅으로 형성된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)를 포함한다. 예를 들어, 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)의 볼록 표면(118)은 HS(half-silvered) 표면일 수 있다. 일부 실시 예의 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)는 150mm 내지 300mm 범위의 초점 길이를 갖는다. 예를 들어, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)의 초점 길이는 180mm 내지 280mm의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시 예의 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)는 에어 갭에 의해 필터 스택(110)으로부터 분리된다. 일부 실시 예에서, 광학 시스템(100)은 또한 볼록면(118)의 곡률과 일치하고 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률을 갖는 오목면을 포함하는 다른 굴절 요소(120)를 포함한다. 추가 굴절 요소(120)를 통합하면 광학 시스템(100)의 광학 성능을 향상시키기 위해 튜닝될 수 있는 추가 광학 파라미터가 제공된다.

광학 시스템(100)은 제1 편광을 갖는 광을 투과시키고 제1 편광과 직교하는 제2 편광을 갖는 광을 반사시키는 제2 필터 스택(125)을 포함한다. 예를 들어, 제2 필터 스택(125)은 좌원(left circular) 편광을 갖는 광을 투과시키고 우원 편광을 갖는 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 제2 필터 스택(125)의 일부 실시 예는 원 편광을 선형 편광으로 변환하는 1/4 파장판(127)을 포함한다. 예를 들어, 1/4 파장판(127)은 우원 편광을 y 방향으로 편광된 광으로 변환할 수 있고 그리고 1/4 파장판(127)은 좌원 편광을 도면의 평면에 수직인 방향으로 편광된 광으로 변환할 수 있으며, 이는 본 명세서에서 x- 방향으로 지칭되고 이는 y- 방향에 직교하거나 횡 방향이다. 제2 필터 스택(125)은 또한 제1 방향으로 편광된 광을 투과시키고 제1 방향에 직교하거나 횡방향인 제2 방향으로 편광된 광을 반사시키는 편광-의존 빔 스플리터(128)를 포함한다. 예를 들어, 편광 의존 빔 스플리터(128)는 y 방향으로 편광된 광을 반사하고 x 방향으로 편광된 광을 투과시킬 수 있다. 제2 필터 스택(125)의 일부 실시 예는 또한 선형 편광된 광을 투과시키는 선형 편광기(129)를 포함한다. 예를 들어, 선형 편광판(129)은 x 방향으로 편광된 광을 투과시킬 수 있다.

제2 필터 스택(125)의 일부 실시 예는 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)의 평면 표면(130)에 접합(본딩)된다. 예를 들어, 1/4 파장판(127)은 평면 표면(130)에 적층될 수 있다. 제2 필터 스택(125)을 굴절 빔 분할(splitting) 볼록 렌즈(115)에 본딩하는 것은 광학 시스템(100)의 크기 감소, 더 큰 시야, 광학 시스템(100) 내의 광학 표면 등에 생성된 감소된 수의 프레넬 반사(또는 고스트 이미지)를 포함하는 다수의 장점을 갖는다. 다른 실시 예에서, 제2 필터 스택(125)은 에어 갭에 의해 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)로부터 분리된다.

광학 시스템(100)에서의 광 경로의 폴딩은 디스플레이(105)에 의해 생성된 광선(135)의 전파에 따라 도시된다. 초기에, 디스플레이(105)로부터 나오는 광선(135)은 편광되지 않거나 부분적으로 편광된다. 선형 편광기(112)는 광선(135)을 선형 편광 광선(136)으로 변환한다. 예를 들어, 광선(136)은 y 방향으로 편광될 수 있다. 1/4 파장판(114)은 선형 편광 광선(136)을 제1 원 편광을 갖는 광선(137)으로 변환한다. 예를 들어, 1/4 파장판(114)은 광선(136)을 y 방향의 선형 편광으로부터 우원 편광(right circularly polarized) 광선(137)으로 변환할 수 있다. 볼록면(118)은 원 편광(circularly polarized) 광선(137)의 일부를 투과한 다음, 1/4 파장판(127)에 제공되기 전에 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115) 내에서 굴절된다. 원 편광 광선(137)은 1/4 파장판(127)에 의해 선형 편광(linearly polarized) 광선(138)으로 변환된다. 예를 들어, 1/4 파장판(127)은 우원 편광 광선(137)을 y 방향으로 선형 편광된 광선(138)으로 변환할 수 있다. 광선(138)은 편광 의존 빔 스플리터(128)에 의해 반사되고 그리고 1/4 파장판(127)에 의해 원 편광 광선(139)으로 변환된다. 예를 들어, 광선(139)은 우원(우회전)으로 편광될 수 있다. 광선(139)은 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)에 의해 굴절되고 광선(139)의 일부는 볼록면(118)으로부터 반사된다. 반사는 광선(139)의 원 편광을 반전시키며, 예를 들어, 반사는 광선(139)을 좌원 편광 광선(140)으로 변환한다. 1/4 파장판(127)은 원 편광 광선(140)을 선형 편광 광선(141)으로 변환한다. 예를 들어, 광선(140)의 좌원 편광은 x 방향으로 광선(141)의 선형 편광으로 변환된다. 편광 의존 빔 스플리터(128) 및 선형 편광기(129)는 선형 편광 광선(141)을 투과시킨다.

굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)를 포함하는 광학 시스템(100)은 종래의 광학 시스템보다 많은 장점을 갖는다. 광학 시스템(100)은 볼록면(118)이 광선이 디스플레이(105)로부터 사용자의 눈(111)으로 전파될 때 반사 광 출력(optical power) 및 굴절력(refraction power)을 제공하고, 이는 사용자가 더 작은 디스플레이 픽셀을 해석(resolve)할 수 있게 하기 때문에 광학 수차를 적게 발생시킨다. 광학 시스템(100)은 또한 "pupil swimming"을 감소시키는 더 큰 아이 박스를 제공한다. 구면 수차, 색수차, 비점 수차 및 코마는 모두 반사 빔 스플리터를 포함하는 광학 시스템에 비해 감소된다. 또한, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)에서의 양의 굴절력은 볼록면(118)의 필드 곡률과 균형을 이룬다. 일부 실시 예에서, 광학 시스템은 단일 광학 요소, 예를 들어 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115)를 구현하여 광학 시스템(100)의 제조를 단순화시킨다.

도 2는 일부 실시 예에 따라 디스플레이(205)로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템(200)의 제2 예의 도면이다. 광학 시스템(200)은 2개의 필터 스택 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)를 포함한다. 제1 필터 스택은 선형 편광기(215) 및 1/4 파장판(220)을 포함한다. 제2 필터 스택은 1/4 파장판(225), 편광 종속 빔 스플리터(230) 및 선형 편광기(235)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 제1 필터 스택은 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 곡면에 근접하여 배치되고 그리고 1/4 파장판(220)의 평면 표면과 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 곡면 사이에 에어 갭이 제공된다. 제1 필터 스택은 에어 갭에 의해 디스플레이(205)로부터 분리된다. 제2 필터 스택은 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 평면 표면상에 배치된다. 예를 들어, 제2 필터 스택은 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 평면 표면에 적층될 수 있다.

디스플레이(205)상의 동일한 포인트로부터 발산되는 광선은 광학 시스템(200)에 의해 시준되어 실질적으로 서로 평행하게 나타난다. 예를 들어, 광선(245, 250)은 디스플레이(205)의 동일한 픽셀로부터 나온다. 본원에서 설명된 바와 같이, 광선(245, 250)은 제1 필터 스택 및 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 곡면에 의해 투과되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)에서 굴절되고, 제2 필터 스택에 의해 반사되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)에서 굴절되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(210)의 곡면에 의해 반사되고, 그 다음 제2 필터 스택에 의해 투과된다. 광선(245, 250)은 광학 시스템(200)으로부터 나와서 검출 평면(255)에 도달할 때 실질적으로 평행하고, 이는 일부 경우에 사용자의 눈에 대응한다.

도 3은 일부 실시 예에 따라 디스플레이(305)로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템(300)의 제3 예의 도면이다. 광학 시스템(300)은 제1 필터 스택(315)과 제2 필터 스택(320) 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)를 포함한다. 제1 및 제2 필터 스택(315, 320)의 일부 실시 예는 도 1에 도시된 제1 및 제2 필터 스택(110, 125) 및 도 2에 도시된 제1 및 제2 필터 스택과 동일한 컴포넌트를 포함한다. 광학 시스템(300)의 제3 예는 제2 필터 스택(320)이 광학 시스템(300)의 광학 축을 따라 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)의 평면 표면으로부터 변위되기 때문에 도 2에 도시된 광학 시스템(200)의 제2 예와 다르다. 일부 실시 예에서, 제2 필터 스택(320)은 에어 갭에 의해 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)의 평면 표면으로부터 분리된다.

디스플레이(305)상의 동일한 포인트부터 발산되는 광선은 광학 시스템(300)에 의해 시준되어 실질적으로 서로 평행하게 나타난다. 예를 들어, 광선(325, 330)은 디스플레이(305)의 동일한 픽셀로부터 나온다. 본원에서 설명된 바와 같이, 광선(325, 330)은 제1 필터 스택(315) 및 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)의 곡면에 의해 투과되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)에서 굴절되고, 제2 필터 스택(320)에 의해 반사되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)에서 굴절되고, 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)의 곡면에 의해 반사되고, 이어서 제2 필터 스택(320)에 의해 투과된다. 광선(325, 330)은 이들이 광학 시스템(300)으로부터 나와서 검출 평면(335)에 도달할 때 실질적으로 평행하며, 이는 일부 경우에 사용자의 눈에 대응한다.

굴절 빔 분할 볼록 렌즈(310)의 평면 표면으로부터 제2 필터 스택(320)을 분리하는 것은 상기 평면 표면상에 제2 필터 스택을 배치하는 다른 실시 예들에 비해 다수의 장점을 갖는다. 평면 표면으로부터 제2 필터 스택(320)을 스플리팅(Splitting)하는 것은 광학 시스템(300)의 더 나은 초점 조정을 가능하게 하는 텔레센트릭(telecentric) 디스플레이 공간이 생성한다. 디스플레이(305)가 여전히 넓은 시야를 제공하면서 초점 조정을 위해 축 방향으로 시프트될 때 이미지 확대 및 왜곡이 일정하게 유지된다. 또한, 광 경로가 제1 및 제2 필터 스택(315, 320) 사이에서 폴딩(folded)되기 때문에 광 경로의 전체 길이가 감소될 수 있다.

도 4는 일부 실시 예에 따라 디스플레이(405)로부터 수신된 광을 시준하는 광학 시스템(400)의 제4 예의 도면이다. 광학 시스템(400)은 제1 필터 스택(415)과 제2 필터 스택(420) 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(410)를 포함한다. 제1 및 제2 필터 스택(415, 420)의 일부 실시 예는 도 1에 도시된 제1 및 제2 필터 스택(110, 125)과 도 2에 도시된 제1 및 제2 필터 스택과 동일한 컴포넌트를 포함한다. 광학 시스템(400)의 제4 예는 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(410)가 2개의 대향하는 볼록면(425, 430)을 갖는 이중 볼록 렌즈로서 구현되기 때문에 도 3의 광학 시스템(300)의 제3 예와 상이하다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 디스플레이(405)상의 동일한 포인트로부터 발산되는 광선(435, 440)은 이들이 광학 시스템(400)으로부터 나와 검출 평면(445)에 도달할 때 실질적으로 평행하며, 이는 일부 경우에 사용자의 눈에 대응한다. 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(410)를 위해 구현된 이중 볼록 렌즈는 도 3에 도시된 굴절 빔 분할 렌즈(310)와 같은 평면-볼록 렌즈를 포함하는 광학 시스템에 대한 추가적인 광학 보정, 조정 또는 동조를 제공하도록 구성될 수있는 추가 표면(예를 들어, 볼록면(430))을 제공한다.

도 5는 일부 실시 예에 따라 디스플레이를 통해 가상 현실, 증강 현실 또는 혼합 현실 기능을 제공하도록 구성된 전자 장치(505)를 포함하는 디스플레이 시스템(500)을 도시한다. 전자 장치(505)의 예시된 실시 예는 HMD와 같은 휴대용 사용자 장치, 태블릿 컴퓨터, 컴퓨팅 가능 셀룰러 폰(예를 들어, "스마트폰"), 노트북 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기 (PDA), 게임 콘솔 시스템 등을 포함할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 전자 장치(505)는 의료 이미징 장비, 보안 이미징 센서 시스템, 산업용 로봇 제어 시스템, 드론 제어 시스템 등과 같은 고정 장치를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 전자 장치(505)는 일반적으로 본 명세서에서 HMD 시스템과 관련하여 설명되며; 그러나, 전자 장치(505)는 이러한 예시적인 구현으로 제한되지 않는다.

전자 장치 또는 장치(505)(이하, 전자 장치라 칭함)가 도 5에 도시되고, 사용자의 헤드(510)에 장착된 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전자 장치(505)는 사용자에게 제시하기 위한 이미지를 생성하는 디스플레이(520)를 포함하는 하우징(515)을 포함한다. 디스플레이(520)는 도 1에 도시된 디스플레이(105), 도 2에 도시된 디스플레이(205), 도 3에 도시된 디스플레이(305), 도 4에 도시된 디스플레이(405) 중 일부 실시 예를 구현하는 데 사용될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 디스플레이(520)는 입체 이미지를 대응하는 좌안 및 우안에 디스플레이하는데 사용되는 왼쪽 디스플레이(521) 및 오른쪽 디스플레이(522)로 형성된다. 그러나, 다른 실시 예에서, 디스플레이(520)는 좌안 및 우안에 디스플레이하기 위해 별개의 입체 이미지를 생성하는 단일 모놀리식(monolithic) 디스플레이(520)이다.

전자 장치(505)는 또한 제1 입체 이미지를 나타내는 광을 좌안에 제공하기 위한 제1 부분 또는 접안렌즈(eyepiece) 광학 시스템(525) 및 제2 입체 이미지를 나타내는 광을 우안에 제공하기 위한 제2 부분 또는 접안렌즈 광학 시스템(530)을 포함하는 광학 시스템을 포함한다. 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)은 하우징(515)의 사용자 대면 표면(535)의 해당 개구 또는 다른 개구에 배치될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 선형 편광기 및 1/4 파장판을 사용하여 형성될 수 있는 제1 필터 스택(540, 545)을 포함한다. 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)은 또한 본 명세서에서 설명된 바와 같이 평면-볼록 또는 양-볼록한 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(550, 555)를 포함한다. 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)은 제2 필터 스택(560, 565)을 더 포함하고, 이는 여기에서 설명된 바와 같이 1/4 파장판, 편광 의존 빔 스플리터 및 선형 편광기를 사용하여 형성될 수 있다. 디스플레이(520)는 하우징(515) 내에서 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)의 원(distal) 위에 배치된다. 접안렌즈 광학 시스템(525)은 좌안 디스플레이(521)와 정렬되고 그리고 접안렌즈 광학 시스템(530)은 우안 디스플레이(522)와 정렬된다.

입체 디스플레이 모드에서, 이미지는 좌안 디스플레이(521)에 의해 디스플레이되고 접안렌즈 광학 시스템(525)을 통해 사용자의 좌안에 의해 보여진다. 이미지는 우안 디스플레이(522)에 의해 동시에 디스플레이되고 접안렌즈 광학 시스템(530)을 통해 사용자의 우안에 의해 보여진다. 좌안 및 우안으로 보여지는 이미지는 사용자를 위한 입체 뷰를 생성하도록 구성된다. 디스플레이(520, 521, 522)의 일부 실시 예는 디스플레이(520, 521, 522)의 하나 이상의 외부 에지를 포함하는 베젤(도 5에 도시되지 않음)을 포함하도록 제조된다. 이 경우, 접안렌즈 광학 시스템(525, 530) 또는 다른 광학 장치는 디스플레이(520, 521, 522)에 의해 생성된 이미지를 결합하기 위해 사용되어 디스플레이(520, 521, 522) 주위의 베젤이 사용자에게 보이지 않게 한다. 대신에, 접안렌즈 광학 시스템(525, 530)은 디스플레이(520, 521, 522) 사이의 경계를 가로 질러 연속적으로 나타나도록 이미지들을 병합한다.

일반적인 설명에서 상술된 모든 액티비티 또는 구성요소들이 요구되는 것은 아니며, 특정 액티비티 또는 장치의 일부가 요구되지 않을 수 있으며, 하나 이상의 추가 액티비티가 수행될 수 있거나, 또는 구성요소들이 추가될 수 있다. 또한, 액티비티가 나열된 순서가 반드시 수행되는 순서는 아니다. 또한, 개념들은 특정 실시 예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자는 이하의 청구 범위에 기재된 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 인식한다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 하고, 그러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

특정 실시 예들과 관련하여 이익들, 다른 장점들 및 문제들에 대한 해결책들이 위에서 설명되었다. 그러나, 이익, 장점, 문제에 대한 솔루션 및 이익, 장점 또는 솔루션이 발생하거나 더 두드러지게 할 수 있는 특징(들)은 임의의 또는 모든 청구항의 중요하거나 요구되거나 필수적인 특징으로 해석되어서는 안된다. 또한, 개시된 요지는 본 명세서의 교시의 이점을 갖는 당업자에게 명백한 상이하지만 상이한 방식으로 수정 및 실시될 수 있기 때문에 상기 개시된 특정 실시 예는 단지 예시일 뿐이다. 이하의 청구 범위에 기재된 것 이외의 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 세부 사항에 대한 제한은 없다. 따라서, 상기 개시된 특정 실시 예는 변형되거나 수정될 수 있으며, 이러한 모든 변형은 개시된 요지의 범위 내에서 고려된다는 것이 명백하다. 따라서, 본 명세서에서 요구되는 보호는 아래의 청구 범위에 기술된 바와 같다.

Claims

장치로서,
광을 제1 원 편광으로 변환하도록 구성된 제1 필터 스택(110, 315, 415);
상기 제1 원 편광을 갖는 광을 반사하고 그리고 제2 원 편광을 갖는 광을 투과시키도록 구성된 제2 필터스택(125, 320, 420); 그리고
상기 제1 필터 스택과 상기 제2 필터 스택 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115, 210, 310, 410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 필터 스택은,
광을 제1 선형 편광으로 변환하기 위한 제1 선형 편광기(112, 215); 그리고
상기 제1 선형 편광으로부터 제1 원 편광으로 광을 변환하는 제1 1/4 파장판(114, 220)을 포함하는 것을 특징으로 장치.
제2항에 있어서, 상기 제2 필터 스택은,
상기 제1 원 편광으로부터 상기 제1 선형 편광에 대해 횡 방향인 제2 선형 편광으로 광을 변환하는 제2 1/4 파장판(127, 225);
상기 제1 선형 편광을 통과하고 상기 제2 선형 편광을 반사하는 편광-의존 빔 스플리터(128, 230); 그리고
상기 제2 선형 편광을 통과시키는 선형 편광기(129, 235)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 평면 표면(130) 및 대향 볼록 표면(118)을 갖는 평면 볼록 렌즈(115)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 제2 필터 스택은 상기 평면 볼록 렌즈의 평면 표면상에 적층되는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 제2 필터 스택은 에어 갭에 의해 상기 평면 볼록 렌즈의 평면 표면으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 이중 볼록 렌즈(410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 이중 볼록 렌즈는 에어 갭에 의해 상기 제2 필터 스택으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 제1 굴절률을 갖는 제1 부분 및 제2 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분 및 제2 부분은 대응하는 볼록한 표면 및 오목한 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
선행하는 청구항들중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 필터 스택에 상기 광을 제공하도록 구성된 디스플레이(105, 205, 305, 405, 520)를 더 포함하며, 상기 광은 이미지를 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서, 상기 제1 필터 스택은 상기 디스플레이상에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
장치로서,
사용자의 좌안 및 우안 각각에 제시하기 위한 제1 및 제2 입체 이미지를 생성하는 적어도 하나의 디스플레이(520); 그리고
상기 제1 입체 이미지를 나타내는 광을 좌안에 제공하기 위한 제1 부분(525) 및 제2 입체 이미지를 나타내는 광을 우안에 제공하기 위한 제2 부분(530)을 포함하는 광학 시스템을 포함하며,
상기 제1 부분 및 제2 부분은,
광을 제1 원 편광으로 변환하도록 구성된 제1 필터 스택(540, 545);
상기 제 원 편광을 갖는 광을 반사하고 그리고 제2 원 편광을 갖는 광을 투과시키도록 구성된 제2 필터 스택(560, 565); 그리고
상기 제1 필터 스택과 제2 필터 스택 사이에 배치된 굴절 빔 분할 볼록 렌즈(550, 555)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서, 상기 제1 필터 스택은,
광을 제1 선형 편광으로 변환하기 위한 제1 선형 편광기(112, 215); 그리고
상기 제1 선형 편광으로부터 제1 원 편광으로 광을 변환하는 제1 1/4 파장판(114, 220)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제13항에 있어서, 상기 제2 필터 스택은,
상기 제1 원 편광으로부터 상기 제1 선형 편광에 횡 방향인 제2 선형 편광으로 광을 변환하는 제2 1/4 파장판 (127, 225);
상기 제1 선형 편광을 통과하고 상기 제2 선형 편광을 반사하는 편광-의존 빔 스플리터(128, 230); 그리고
상기 제2 선형 편광을 통과시키는 선형 편광기(129, 235)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서, 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 평면 표면(130) 및 대향 볼록 표면(118)을 갖는 평면 볼록 렌즈(115)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제15항에 있어서, 상기 제2 필터 스택은 상기 평면 표면에 적층되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항, 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 이중 볼록 렌즈(410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항, 제13항, 제14항, 제15항 또는 제17항에 있어서,
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 에어 갭에 의해 상기 제2 필터 스택으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항, 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈는 제1 굴절률을 갖는 제1 부분 및 제2 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분 및 제2 부분은 대응하는 볼록한 표면 및 오목한 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 필터 스택은 상기 적어도 하나의 디스플레이와 통합되는 것을 특징으로 하는 장치.
방법으로서,
디스플레이로부터 수신된 광을 제1 필터 스택(110, 315, 415, 540, 545)에서 제1 원 편광으로 변환하는 단계;
굴절 빔 분할 볼록 렌즈(115, 210, 310, 410, 50, 555)에서, 제1 원 편광의 광을 굴절시키고 상기 광을 제2 필터 스택(125, 320, 420, 560, 565)에 제공하는 단계;
상기 제2 필터 스택에서, 상기 제1 원 편광을 갖는 상기 광을 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈로 다시 반사시키는 단계;
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈의 볼록면(118, 425)으로부터, 상기 반사된 광이 제2 원 편광을 갖도록 상기 제1 원 편광을 갖는 상기 광을 반사시키는 단계; 그리고
상기 제2 필터 스택을 통해, 상기 제2 원 편광을 갖는 상기 반사된 광을 투과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈에서 상기 광을 굴절시키는 단계는 평면 표면(130) 및 대향 볼록 표면(118)을 갖는 평면 볼록 렌즈(115, 210, 310)에서 상기 광을 굴절시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,
상기 굴절 빔 분할 볼록 렌즈에서 상기 광을 굴절시키는 단계는 이중 볼록 렌즈(410)에서 상기 광을 굴절시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.