KR20200121862A - 협각 백라이트를 갖는 헤드 장착형 디스플레이 - Google Patents

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KR20200121862A
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조슈아 마크 후드만
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밸브 코포레이션
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Abstract

일반적으로 정보 디스플레이들에 관한 방법들 및 시스템들로서, 특히, 광의 협각 원뿔을 방출하는 정보 디스플레이들에 대한 백라이트 어셈블리들을 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. 광의 협각 원뿔을 방출하는 백라이트 어셈블리는, 예컨대, 가상 현실 또는 증강 현실 시스템들의 일부로서의 이용을 위한, 헤드 장착형 디스플레이 구성에서 특히 유익할 수 있고, 여기서 헤드 장착형 디스플레이는 정보 디스플레이로부터 사용자의 눈들로 광을 지향시키는 렌즈 어셈블리를 포함한다. 그러한 백라이트 어셈블리 구성은 플러드 조명, 고스트 이미지들, 글레어, 및 산란과 같은 바람직하지 않은 시각적 효과들을 감소시키는 것을 도울 수 있다.

Description

협각 백라이트를 갖는 헤드 장착형 디스플레이
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 출원은 2018년 2월 21일자로 출원된, 미국 특허 가출원 제62/633,510호에 대한 우선권을 주장하는, 2019년 2월 11일자로 출원된, "Head-Mounted Display with Narrow Angle Backlight"라는 명칭의, 공동으로 양도되어 계류중인 미국 특허 출원 제16/273,054호의 우선권을 주장한다. 출원들 제16/273,054호 및 제62/633,510호는 모두 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 정보 디스플레이들을 위한 백라이트들에 관한 것으로서, 특히, 클로즈-아이 또는 헤드 장착형 디스플레이들(close-eye or head-mounted displays)에서 이용하기 위한 광의 협각 원뿔(angularly narrow cone of light)을 방출하는 백라이트들을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
액정 디스플레이("LCD")와 같은 백라이트 정보 디스플레이는 여러 개의 컴포넌트들을 포함한다. 이들 컴포넌트들 중 2개는, 디스플레이된 이미지를 생성하기 위해 고도로 입상의 서브 픽셀 기반(highly granular sub-pixel basis)으로 광을 차단하는 디스플레이 매트릭스, 및 광원 또는 백라이트를 포함한다. 광원은 전형적으로 디스플레이 매트릭스 뒤에 위치되어, 디스플레이된 이미지를 조명한다. 컬러 디스플레이의 경우, 백라이트는 전형적으로 넓은 스펙트럼 광, 즉, 백색 광을 방출한다.
전형적으로, 백라이트 디스플레이들에서 이용된 광원은 보통 하나 이상의 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp)("CCFL")들이었다. 물리적으로, CCFL들은 상업적인 사무실 건물들에서 이용되는 형광등 튜브들(fluorescent light tubes)의 소형화된 버전들과 다소 유사하게 나타난다. 그러나, CCFL들은 그러한 상업적인 형광등들과는 상이한 방식으로 광을 생성한다. 보다 최근에, CCFL들의 이용은 정보 디스플레이들에서의 광원으로서 하나 이상의 발광 다이오드("LED")의 이용을 제공하였다. LED 기술은 현재 LCD 디스플레이들을 위한 가장 일반적인 백라이트 타입이다. 미래의 백라이트 디스플레이들에서, 새로운 광 생성 기술들이 언젠가는 LED들을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
클로즈-아이 디스플레이 기술은 가상 현실("VR") 또는 증강 현실("AR") 시스템의 일부로서 정보 및 이미지들을 사용자에게 제시하는데 이용될 수 있다. 그러한 클로즈-아이 디스플레이는 헤드 장착형 디스플레이("HMD") 디바이스 또는 헤드셋 내에 통합될 수 있다. HMD들은 헬멧들(helmets), 바이저들(visors), 고글들(goggles), 마스크들(masks), 안경, 및 다른 헤드 또는 아이 웨어(head or eye wear)를 포함하는 많은 형태들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가상 현실 및 증강 현실 시스템들은, 가상 현실 또는 증강 현실 환경을 구동하기 위해 이미지 정보를 생성하는 제어기 또는 컴퓨터를 포함하는 추가적인 컴포넌트들을 포함한다. 그러한 환경들은 단일의 사용자 또는 다수의 사용자들에 대한 것일 수 있다. 가상 현실 시스템들 및 증강 현실 시스템들에서의 HMD들은 단일의 정보 디스플레이를 이용하거나 다수의 정보 디스플레이들을 이용하여 이미지들을 사용자에게 제시할 수 있다. 이러한 클로즈-아이 정보 디스플레이들은 직접 뷰(direct-view)로서 배향될 수 있지만, 종종 정보 디스플레이들은 HMD에서의 하나 이상의 렌즈와 결합된다. 그러한 렌즈들은 가상 현실 또는 증강 현실 경험을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 가상 현실 및 증강 현실 HMD들은 보통 하나 이상의 렌즈를 이용하여, 하나 이상의 정보 디스플레이 상에 디스플레이된 이미지들과 연관된 광을 사용자의 눈(들)으로 지향시킨다. 다른 것들 중에서, 렌즈들은 정보 디스플레이가 실제보다 더 멀리 떨어져 있는 것으로 사용자에게 나타나도록 하기 위해 정보 디스플레이(들)로부터의 광을 구부리는데 이용된다. 이것은 사용자에게 가상 환경에서 더 큰 피사계 심도(depth of field)를 제공하고, 사용자가 디스플레이된 이미지 상에 더 쉽게 포커싱하게 한다. 렌즈들은 또한 사용자를 위한 정보 디스플레이의 시야(field of view)를 증가시키기 위해 가상 현실 및 증강 현실 헤드셋들에서 이용될 수 있다. 보다 큰 시야는 가상 현실 또는 증강 현실 시스템의 몰입 효과(immersive effect)를 증가시킬 수 있다. 렌즈들은 단일의 디스플레이로부터의 광을 성형하기 위해 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋들에서 추가로 이용될 수 있고, 따라서 사용자에 의해 수신된 광은 사용자의 좌측 눈(left eye) 및 우측 눈(right eye)에 대해 개별적으로 맞춰진다. 각각의 눈에 대해 개별적으로 맞추어진 이미지들의 이용은 사용자가 입체(stereoscopic) 또는 3차원 이미지를 인지하게 할 수 있다.
종래의 구면 렌즈들(spherical lens)이 가상 현실 및 증강 현실 HMD들에서 이용될 수 있지만, 종종 프레넬 피처들(Fresnel features)을 갖는 하나 이상의 렌즈가 이용된다. 이것은 종래의 렌즈들에 비해 프레넬 렌즈들이 주어진 물리적 렌즈 크기에 대해 더 큰 렌즈 굴절력(lens power)을 제공할 수 있기 때문이다. 상기의 식별된 목적들의 일부 또는 전부를 달성하기 위해 높은 렌즈 굴절력이 가상 현실 및 증강 현실 헤드셋들에서 종종 요망된다.
전통적인 정보 디스플레이들은, 유기 발광 디스플레이(organic light emitting display)("OLED")들과 같은 직접 방출형 디스플레이들(directly-emissive displays), 또는 액정 디스플레이들과 같은 백라이트 디스플레이들이든지 간에, 전형적으로 광각 원뿔 또는 시야에 걸쳐 광을 방출한다. 이러한 전통적인 디스플레이들의 각 발산(angular divergence)은 160도 이상 및 심지어 180도에 접근하는 범위일 수 있다. 직접적으로 볼 때, 이러한 광각 광(angularly broad light)은 일반적으로 바람직하지 않은 효과들을 야기하지 않는다. 그러나, 전통적인 정보 디스플레이들이 가상 현실 또는 증강 현실 시스템에서와 같이 HMD에서 이용될 때, 광각 방출들은 바람직하지 않은 결과들을 초래할 수 있다. 이것은 정보 디스플레이에 의해 방출된 광이 렌즈들의 이미징 능력(imaging capability)을 넘어서는 입사 각도들(incoming angles)에서 HMD의 렌즈들에 부딪치는 경우이다. 그러한 광은 사용자의 눈(들)에 적절하게 이미징되지 않는다. 대신에, HMD의 렌즈(들)의 포커싱 능력을 넘어서는 각도들에서의 광은 플러드 조명(flood illumination), 고스팅(ghosting), 글레어(glare), 산란(scatter), 및 다른 미광 효과들(stray light effects)과 같은 바람직하지 않은 시각적 효과들을 초래할 수 있다. 이러한 이미징되지 않은 미광(stray non-imaged light)은 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋의 사용자가 바람직하지 않은 시각적 아티팩트들을 경험하게 할 수 있다. 따라서, 본 기술분야의 제한들을 해결하는 것이 바람직하다.
예로써, 첨부 도면들이 이제 참조될 것이며, 그 도면들은 실제 축척으로 도시되지 않는다.
도 1은 LCD 디스플레이의 종래 기술 백라이트 어셈블리의 양태들을 도시한다.
도 2는 특정 실시예에 따른 LCD 디스플레이의 협각 백라이트 어셈블리의 양태들을 도시한다.
도 3은 특정 실시예들에 따른 협각 백라이트 어셈블리 LCD를 갖는 클로즈-아이 디스플레이의 양태들을 도시한다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 양태들을 도시한다.
도 5는 특정 실시예들에 따른 협각 백라이트 어셈블리의 예시적인 각도 제한층(angle-restricting layer)의 도면을 도시한다.
도 6은 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 측면도의 양태들을 도시한다.
도 7은 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 평면도의 양태들을 도시한다.
도 8은 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 평면도의 양태들을 도시한다.
도 9는 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 측면도의 양태들을 도시한다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 예시적인 백라이트 어셈블리에서 이용되는 예시적인 웨지 프리즘 어레이(wedge prism array)의 정면도의 양태들을 도시한다.
도 10b는 도 10a의 예시적인 웨지 프리즘 어레이의 측면도의 양태들을 도시한다.
본 기술분야의 통상의 기술자라면, 다음의 설명은 단지 예시적인 것이며 어떤 식으로든 제한하려는 것은 아님을 알 것이다. 본 개시내용의 이점을 갖는 다른 실시예들이 그러한 통상의 기술자에게 쉽게 제안될 것이다. 이제, 첨부 도면에 도시된 바와 같은 특정 구현들을 상세히 참조할 것이다. 동일한 참조 번호들이 동일하거나 유사한 부분들을 지칭하기 위해 도면들 및 다음의 상세한 설명 전반에 걸쳐 이용될 것이다.
전통적인 백라이트 디스플레이들의 설계 목적들 중 하나는 넓은 시야각이다. 예를 들어, 전형적으로 저비용의 트위스트 네마틱(twisted nematic)("TN") 기술에 비해 평면내 스위칭(in-plane switching)("IPS") 기술을 이용하는 LCD 디스플레이들의 판매 포인트들 중 하나는, 평면내 스위칭을 이용하는 디스플레이들은 더 넓은 시야각을 갖는 이미지를 생성한다는 것이다. 이러한 기술들은 일반적으로 LCD 디스플레이의 디스플레이 매트릭스 부분을 언급한다. 어느 한 가지 타입의 기술을 이용하는 디스플레이들은 이론적으로 동일한 백라이트 어셈블리를 이용할 수 있다. 더 넓은 시야각은 정보 디스플레이의 사용자가 그들이 디스플레이의 상당히 축외에 위치되는 경우에도 고급 이미지(quality image)를 보는 것을 허용한다. 넓은 시야각 디스플레이의 경우, 사용자가 축외 위치에서 보는 것은 사용자가 디스플레이 바로 앞에 위치할 때 보는 것과 유사할 것이다. 더 넓은 시야각을 용이하게 하기 위해, 전통적인 백라이트 디스플레이들은 180도까지의 광의 광각 원뿔을 방출하는 백라이트 어셈블리를 이용한다.
가상 현실 및 증강 현실 시스템들과 같은 클로즈-아이 디스플레이 시스템들은 그 이용 및 인기가 증가하고 있다. 클로즈-아이 디스플레이들은 전형적으로 헤드 장착형 디스플레이 디바이스 또는 헤드셋 내에 통합된다. 일부 실시예들에서, HMD들은 단일의 정보 디스플레이를 이용하여 이미지들을 사용자에게 제시하는 반면, 다른 실시예들은 각각의 눈에 대해 하나의 디스플레이와 같은, 다수의 정보 디스플레이들을 이용한다. 종종, HMD들에서의 정보 디스플레이들은, 예를 들어, 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리와 결합된다. 렌즈 어셈블리는 가상 현실 또는 증강 현실 경험을 향상시킬 수 있다.
전통적인 정보 디스플레이들이 렌즈 어셈블리를 포함하는 HMD에서 이용될 때, 전통적인 이용의 바람직한 목적인 디스플레이의 넓은 시야각은 유해할 수 있다. 이것은 정보 디스플레이에 의해 방출된 광의 일부가 렌즈의 이미징 능력을 넘어서는 입사 각도들로 HMD의 렌즈에 부딪치기 때문이다. 이미징 렌즈들은 렌즈가 광을 수용하고 포커싱된 이미지를 생성할 수 있는 광의 원뿔의 각도들의 범위와 관련되는 개구수(numerical aperture)("NA")를 갖는다. 이 범위를 넘어서는 각도들로 렌즈에 부딪치는 광은 이미징되지 않을 것이고, 대신에 미광 및 플러드 조명으로서 바람직하지 않게 산란하고, 고스트 이미지들을 생성하는 등의 결과가 초래된다. 따라서, HMD의 렌즈 어셈블리에 도달하는 광의 각 원뿔(angular cone)을 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
논의된 이유들로 인해, HMD의 렌즈 어셈블리에 도달하는 광의 각 원뿔을 반직관적으로(counterintuitively) 제한하는 것이 바람직할 수 있지만, 정보 디스플레이의 광의 각 원뿔을 거의 0으로 감소시키는 것, 즉, LCD 매트릭스에 완벽하게 수직인 본질적으로 가간섭성 광(coherent light)을 방출하는 디스플레이는, 바람직하지 않은 결과들을 산출한다. 이것은 그러한 가간섭성 광으로 생성된 이미지들이 전형적인 HMD 렌즈 어셈블리에 의해 포커싱될 수 있지만, 렌즈 어셈블리는 본질적으로 광을 단일 포인트에 이미징할 것이기 때문이다. 따라서, 그러한 HMD의 사용자가 포커싱된 이미지를 보는 영역은 매우 작다. 이 영역은 종종 HMD의 아이 박스(eye box)로서 알려져 있다. 사용자의 눈이 HMD의 아이 박스의 밖에 있을 때, 사용자는 만족스러운 이미지를 보지 못할 것이다. HMD의 사용자들 간의 물리적 차이들 뿐만 아니라, HMD가 사용자의 눈들에 대해 어떻게 위치되는지에 대한 가변성을 수용하기 위해, 설계자는 아이 박스가 적절한 크기인 HMD를 제공하기를 원할 수 있다. 예를 들어, (측방향으로 측정된) 10 밀리미터 아이 박스는 매우 다양한 사용자들을 적절히 수용할 수 있다. 일부 설계자들은 5 밀리미터 이하와 같은 더 작은 아이 박스를 선택할 수 있고, 일부 설계자들은 25 밀리미터까지의 더 큰 아이 박스를 선택할 수 있다.
렌즈 어셈블리가 단일 렌즈를 포함하는 HMD에서, 설계자는 적절한 입사 광의 근사 각 원뿔(approximate angular cone)을 결정하기 위해 렌즈의 초점 거리와 조합된 아이 박스(또는 정의된 아이 박스 범위)의 원하는 크기를 이용할 수 있다. 전통적인 정보 디스플레이의 광각 원뿔과는 대조적으로, HMD 구성에서, 10 내지 15도의 각 원뿔이 최적일 수 있다. 그러한 각 원뿔은 광이 일반적으로 산란되는 것이 아니라 이미징되는 것을 허용하면서 적절한 크기의 아이 박스를 제공할 수 있다. 일부 설계자들은 5 또는 10도까지의 더 좁은 각 원뿔을 위해 설계할 수 있고, 일부 설계자들은 15도보다 더 큰 각 원뿔을 위해 설계할 수 있다. 그러나, 설계자가 약 45도보다 더 큰 광의 각 원뿔을 갖는 것을 추구하지는 않을 것이다.
백라이트 정보 디스플레이로부터 렌즈 어셈블리에 도달하는 광의 각 원뿔을 감소시키기 위해, 백라이트 어셈블리에 의해 방출된 광의 각 원뿔이 좁혀질 수 있다. 백라이트 LCD 디스플레이들의 경우, 디스플레이에 의해 방출된 광의 각도는 일반적으로 백라이트 어셈블리에 의해 생성된 광의 각도와 유사하다. 즉, 백라이트 어셈블리가 광의 큰 각 원뿔을 생성한다면, LCD 디스플레이는 광의 큰 각 원뿔을 방출할 것이고; 백라이트 어셈블리가 광의 작은 각 원뿔을 생성한다면, LCD 디스플레이는 광의 작은 각 원뿔을 방출할 것이다. 따라서, 낮은 발산 각도 백라이트 어셈블리는 가상 현실 및 증강 현실 시스템들과 같은 HMD 응용들에서 바람직할 수 있다.
도 1은 종래 기술 백라이트 LCD 디스플레이의 컴포넌트들의 측면도를 도시한다. 도 1은 광(120)을 방출하는 백라이트 어셈블리(100)를 도시한다. 백라이트 어셈블리에서의 광원은 하나 이상의 CCFL 또는 하나 이상의 LED와 같은 임의의 이용가능한 광원일 수 있다. 백라이트 어셈블리에서의 광원은 전통적으로 본질상 넓은 스펙트럼, 즉, 백색 광일 수 있어서, 종래 기술 LCD 디스플레이가 가시 스펙트럼에 걸쳐 컬러 이미지들을 생성할 수 있게 한다. 간략성을 위해, 도 1은 백라이트 어셈블리의 전방 면(front face) 상의 3개의 별개의 포인트들에서 방출된 광(120)을 도시하지만, 통상의 기술자는 백라이트 어셈블리(100)가 전체 전방 면에 걸쳐 일반적으로 균일하게 광을 방출한다는 것을 인식할 것이다. 원호(arc)(130)는 백라이트 어셈블리에 의해 출력된 광의 각 원뿔을 반영한다. 이 예에서, 백라이트 어셈블리는 약 160 내지 180도의 범위에 걸쳐 광을 방출할 수 있다. 종래 기술 LCD 백라이트 어셈블리들은 전형적으로 거의 180도까지의 각도들의 범위에 걸쳐 광(백라이트 어셈블리의 면에 대해 단지 어느 정도의 평행한 광)을 방출한다. 이러한 방출 각도들의 범위는 때때로 백라이트 어셈블리의 시야 또는 백라이트 어셈블리의 광의 원뿔이라고 지칭된다. 도 1은 또한 액정 디스플레이 매트릭스인 LCD(110)를 도시한다. 하나 이상의 편광층(polarizing layer), 액정층, 및 박막 트랜지스터층을 포함하는 수 개의 컴포넌트들로 그 자체가 구성된 액정 디스플레이 매트릭스는 이미지를 생성하는 디스플레이의 부분이다. 액정 디스플레이 매트릭스는 백라이트의 부분들을 고도의 입상 기반으로 모호하게 함으로써 이미지들을 생성한다. 백라이트 어셈블리(100)로부터 방출된 광(120)이 LCD(110)를 통과할 때, 이미지가 디스플레이된다. 명료성을 위해, 도 1은 백라이트 어셈블리(100)와 LCD(110) 사이의 분리를 도시한다. 그러나, 대부분의 구현들에서, 이들 2개의 컴포넌트들은, 만약 존재한다면, 그것들 사이의 매우 작은 공간과 함께 샌드위치된다.
일부 실시예들에서, 도 2는 협각 백라이트 어셈블리를 갖는 백라이트 LCD 디스플레이의 컴포넌트들의 측면도를 도시한다. 도 2는 광(220)을 방출하는 백라이트 어셈블리(200)를 도시한다. 백라이트 어셈블리에서의 광원은 하나 이상의 CCFL, 하나 이상의 LED, 하나 이상의 레이저, 양자 도트들(quantum dots), 다른 광원, 또는 이들 중 임의의 것의 임의의 조합과 같은 임의의 이용가능한 광원일 수 있다. 디스플레이가 컬러 이미지들을 생성하는 것을 허용하기 위해, 백라이트 어셈블리(200)에서의 광원(들)은 넓은 스펙트럼 또는 백색 광을 생성할 수 있고, 직접 백색 광을 생성할 수 있거나, 일반적으로 백색 광을 생성하도록 조합되는, 적색, 녹색, 및 청색과 같은 개별 컬러들의 광을 생성할 수 있다. 간략성을 위해, 도 2는 백라이트 어셈블리(200)의 전방 면 상의 3개의 별개의 포인트들에서 방출된 광(220)을 도시하지만, 통상의 기술자는 백라이트 어셈블리(200)가 바람직하게는 그 전방 면에 걸쳐 일반적으로 균일하게 광을 방출한다는 것을 인식할 것이다. 원호(230)는 백라이트 어셈블리(200)에 의해 방출된 광의 각 원뿔을 반영한다. 원호(230)가 백라이트 어셈블리 상의 하나의 포인트로부터 방출된 광을 언급하지만, 통상의 기술자는 백라이트 어셈블리(200)의 전방 면에 걸쳐 방출된 광이 일반적으로 동일한 각 원뿔을 가질 것임을 인식할 것이다. 일부 실시예들에서, 백라이트 어셈블리(200)는 약 15도의 각도 범위에 걸쳐 광(220)을 방출한다. 광(220)이 방출되는 각도 범위는 본 명세서에서 광의 원뿔의(또는 원호(230)의) 최대 각도로서 또한 지칭된다. 광의 원뿔의(또는 원호(230)의) 최대 각도 및 광의 원뿔과 연관된 주 광선들(chief rays)의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 도 2는 또한 액정 디스플레이 매트릭스인 LCD(210)를 도시하며, 이것은 도 1에서의 LCD(110)와 동일할 수 있다. 백라이트 어셈블리(200)로부터 방출된 광(220)이 LCD(210)를 통과할 때, 이미지가 디스플레이된다. 명료성을 위해, 도 2는 백라이트 어셈블리(200)와 LCD(210) 사이의 분리를 도시한다. 그러나, 대부분의 구현들에서, 이들 2개의 컴포넌트들은, 만약 존재한다면, 그것들 사이의 매우 작은 공간과 함께 샌드위치될 것이다.
특정 실시예들에서, 도 3은 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋에서와 같은 헤드 장착형 디스플레이 구성에서 협각 백라이트 어셈블리를 갖는 백라이트 LCD 디스플레이를 도시할 수 있다. 도 3은 광의 원뿔의 최대 각도를 나타낼 수 있는 약 20도까지의 협각 원뿔을 갖는 광(330)을 방출하는 백라이트 어셈블리(300)를 도시한다. 이러한 광의 원뿔의 최대 각도(예를 들어, 약 20도일 수 있음) 및 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 백라이트 어셈블리(300)에 의해 방출된 광은 LCD(310)를 통과하여 가시 이미지를 디스플레이한다. LCD(310)에서 나오는 광(340)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(320)를 통과한다. 특정 실시예들에서, 렌즈 어셈블리(320)에서의 렌즈(들)는 종래의 구면(spherical), 비구면(aspherical), 프레넬, 또는 임의의 다른 타입의 이미징 렌즈일 수 있다. 렌즈 어셈블리(320)는 단일 타입의 렌즈 면들을 가질 수 있거나, 이러한 렌즈 타입들 중 임의의 것 또는 전부의 조합들일 수 있다. 일부 구현들에서, 렌즈 어셈블리(320)는 편광 기반 반사 또는 굴절 광학 시스템을 포함할 수 있는 팬케이크 구성(pancake configuration)을 가질 수 있다. 이 경우에, 렌즈 어셈블리(320)는 광의 편광에 적어도 부분적으로 기초한 축상 광학적 폴딩(on-axis optical folding)을 이용하여 LCD(310)로부터의 광을 사용자의 눈(360)을 향해 지향시키도록 구성된 광학 요소들의 어셈블리를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(320)는 렌즈 이외의 다양한 광학 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어셈블리(320)는 적어도 하나의 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter) 및 트위스트 액정 요소들을 포함하는 기판을 포함할 수 있다. 트위스트 액정 요소들은 렌즈 어셈블리 내의 광의 위상을 수정하도록 구성될 수 있다. 광(350)은 렌즈 어셈블리에서 나와 사용자의 눈(360)을 향해 지향된다. 일부 실시예들에서, 광(350)은 대략 10 밀리미터의 아이 박스를 생성한다. 통상의 기술자라면, 도 3은 HMD 시스템의 물리적 설계 또는 레이아웃을 도시하는 것을 의미하지 않으며, 오히려 일부 실시예들에서 도시된 컴포넌트들 사이의 광의 일반적인 흐름을 도시한다는 것을 알 것이다.
특정 실시예들에서, 헤드 장착형 디스플레이는 사용자의 좌측 눈 및 우측 눈 둘다에 의해 보여지도록 설계된다. 이것은 별도의 좌측 및 우측 LCD 디스플레이들을 이용하여 달성될 수 있거나, 단일의 LCD 디스플레이를 이용하여 달성될 수 있다. 유사하게, 가상 현실 또는 증강 현실 헤드셋은 단일 렌즈 어셈블리를 포함할 수 있거나, 개별적인 좌측 및 우측 렌즈 어셈블리들을 이용할 수 있다.
특정 실시예들에서, 전통적인 백라이트 디스플레이로부터의 광각 백라이트는 방출된 광의 각 원뿔을 좁히도록 수정될 수 있다. 도 4는 헤드 장착형 디스플레이에서의 백라이트 디스플레이에 이용하기 위한, 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 측면도를 도시한다. 도 4에서, 백라이트(400)는 약 160 내지 180도까지 큰 각 원뿔을 갖는 광(440)을 방출하는 전통적인 백라이트이다. 백라이트(400)에 의해 방출된 광(440)은 각도 제한층(410)과 상호작용한다. 이 구성에서, 백라이트 어셈블리는 각도 제한층(410)과 조합하여 백라이트(400)로서 보여질 수 있다. 즉, 각도 제한층(410)은 백라이트 어셈블리의 컴포넌트일 수 있다. 각도 제한층(410)은 각도 제한층(410)을 통해 연장되고, 원하는 각도 범위보다 더 큰 각도들에서의 광은 감쇠시키면서, 원하는 각도 범위 내의 광이 광(450)으로서 통과하는 것을 허용하는 연장된 홀들(holes) 또는 튜브들(420)을 갖는다. 홀들 또는 튜브들(420)의 어레이는 백라이트(400)에 의해 방출된 광(440)의 원뿔을 감쇠시키도록 개별적으로 구성되는 광 전도체들(light conductors)의 어레이의 예이다. 이러한 감쇠는 광(400)이 각도 제한층(410)의 광 전도체들에 부딪치는 각도들에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 예를 들어, 각도 제한층(410)의 광 전도체들(예를 들어, 홀들 또는 튜브들(420))은 광 전도체들(예를 들어, 홀들 또는 튜브들(420)) 각각을 통과하기에는 너무 큰 각도들로 각도 제한층(410)에 부딪치는 광을 차단함으로써 백라이트(400)에 의해 방출된 광(440)의 원뿔을 감소시킬 수 있다. 각도 제한층(410)에서의 연장된 홀들 또는 튜브들(420)의 치수들은 층을 통과할 광의 각도들의 범위를 정할 것이다. 구체적으로, 각도 제한층(410)의 깊이 또는 홀들 또는 튜브들(420)의 길이와 조합된 홀들 또는 튜브들(420)의 직경은 각도 제한층(410)을 통과할 광의 각도들의 범위를 정할 것이다. 일부 실시예들에서, 광 전도체들(예를 들어, 홀들 또는 튜브들(420)) 각각은 광 전도체의 출구에서 광(450)의 원뿔의 회절을 실질적으로 회피하기에 충분히 작은 광 전도체의 폭(예를 들어, 직경)에 대한 광 전도체의 길이의 비율을 갖는다. 일부 실시예들에서, 개별 광 전도체의 폭(예를 들어, 직경)은 광 전도체의 출구에서 광(450)의 원뿔의 회절을 회피하기 위해 약 10 마이크로미터보다 크다. 설계된 범위보다 더 큰 각도들에서의 광은 각도 제한층(410)에 의해 감쇠될 것이다. 협각 원뿔을 갖는 광(450)은 이어서 LCD(430)를 통과하여 이미지를 디스플레이한다. 이러한 광(450)의 원뿔의 최대 각도 및 광(450)의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. LCD(430)는 이미지를 생성하도록 구성된 픽셀화된(pixelated) 디스플레이 패널의 예이다. 다른 타입들의 픽셀화된 디스플레이 패널들이 도 4의 LCD(430) 대신에 이용될 수 있다는 점을 알아야 한다. 일부 구현들에서, 각도 제한층(410)의 연장된 홀들 또는 튜브들(420)은 그 표면에 부딪치는 광을 감쇠시키는 내부 표면을 포함한다. 이러한 피처가 없다면, 일부 상황들에서, 연장된 홀들 또는 튜브들(420)은 광섬유와 유사하게 작용할 수 있으며, 이는 원뿔 각도를 감소시킬 필요가 없다. 각도 제한층(410)의 홀들 또는 튜브들(420)의 내부 표면은, 예를 들어, 흑색(black) 및/또는 반투명(frosted) 표면과 같은 실질적으로 비반사성(non-reflective)(또는 반사 방지(anti-reflective)) 표면일 수 있다. 일부 구현들에서, 그러한 반투명 또는 거친(rough) 표면은 광의 파장(들)에 대해 큰 랜덤하게 배치된 및/또는 크기의 표면 릴리프 피처들(surface relief features)을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 각도 제한층(410)의 연장된 홀들 또는 튜브들(420)은 원통 형상 대신에 원뿔형 또는 테이퍼형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 그러한 원뿔 형상의 각도는 광(450)의 원뿔 각도를 수정하는 것을 제공할 수 있다. 이 경우, 연장된 홀들 또는 튜브들(420)은 그 표면에 부딪치는 광을 실질적으로 감쇠시키지 않는 내부 표면을 포함할 것이다(예를 들어, 반사 표면이 바람직함).
특정 실시예들에서, 도시된 각도 제한층(410)은 홀들(예를 들어, 공기가 중공 광 전도체들(hollow light conductors) 내의 유체 매질인 중공 광 전도체들)을 포함하지만, 각도 제한층(410)은 유리 또는 플라스틱 등과 같은 광 투과성 재료, 또는 광 투과성 특성들을 갖는 다른 재료로 이루어지는 부분들(예를 들어, 로드들(rods))을 포함할 수 있다. 따라서, 각도 제한층(410)은 광 투과성 재료로 이루어진 각도 제한층(410)의 홀들/튜브들 또는 부분들인 광 전도체들을 포함할 수 있다. 물론, 각도 제한층(410)이 (홀들과는 대조적으로) 광 투과성 재료를 포함하는 경우, 목표로 하는 각 원뿔을 달성하는데 필요한 튜브들의 치수들은 이용되는 재료의 특성들(예를 들어, 굴절률들)에 부분적으로 의존할 것이다.
일부 실시예들에서, 각도 제한층(410)을 포함하는 것의 하나의 가능한 단점은 층이 조명 균일성의 결여를 초래할 수 있다는 것이다. 이것은 홀들이 있는 영역들은 더 밝게 나타날 수 있고, 그 홀들 사이의 영역들은 더 어둡게 나타날 수 있기 때문이다. 그러한 균일성의 부재는 일반적으로 정보 디스플레이 백라이트 어셈블리에서 바람직하지 않다. 일부 실시예들에서, 균일성은 각도 제한층(410)과 픽셀화된 디스플레이 패널(예를 들어, LCD(430)) 사이에 위치된 균질화층(homogenizing layer)과 같은 균질화층을 추가함으로써 개선될 수 있다. 일부 실시예들에서, 균일성은 단순히 각도 제한층(410)과 픽셀화된 디스플레이 패널(예를 들어, LCD(430))의 배면(back) 사이의 공간을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 이러한 추가적인 공간은 홀들 또는 튜브들(420)을 통과하는 광이 확산되는 것을 허용할 것이고, 이는 밝은 영역 및 어두운 영역에 대해 균일하게 동작한다.
이미징 렌즈들은 렌즈가 광을 수용하고 포커싱된 이미지를 생성할 수 있는 광의 원뿔의 각도들의 범위에 관련되는 개구수("NA")를 갖는다. 렌즈 어셈블리(320)의 NA에 따라, 렌즈 어셈블리는 약 160도의 각도들에서의 입사 광과 같이, 상당히 큰 각도들로 광을 지향 및 포커싱할 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(320)는 렌즈 어셈블리(320)의 NA에 따라, 0 내지 약 160도의 각도들의 범위 내의 각도들에서의 광의 원뿔을 수용할 수 있다. 한편, 각도 제한층(410)에서 나와서, 이미지를 디스플레이하기 위해 픽셀화된 디스플레이 패널(예를 들어, LCD(430))을 통과하는 광(450)은, 주 광선에 대해 약 45도까지의, 주 광선에 대해 약 15도까지의, 주 광선에 대해 약 10도까지의, 또는 주 광선에 대해 약 5도까지의 광(450)의 원뿔과 같이, 비교적 협각 원뿔을 갖는다. 따라서, 도 4의 디스플레이 어셈블리(예를 들어, 백라이트 어셈블리(400), 각도 제한층(410), 픽셀화된 디스플레이 패널(예를 들어, LCD(430)) 등)와 함께 이용되는 렌즈 어셈블리(320)는 주 광선에 대한 광(450)의 원뿔의 최대 각도보다 실질적으로 더 큰 주 광선에 대한 각도로 광을 지향 및 포커싱할 수 있다. 여기서 "실질적으로 더 큰"은 적어도 50도 더 큰 것을 의미할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 맥락에서 "실질적으로 더 큰"은 렌즈 어셈블리(320)가 이미지를 포커싱하기 위해 수용할 수 있는 광의 각도가 광(450)의 원뿔의 최대 각도보다 적어도 115도 더 클 수 있음을 의미할 수 있다.
특정 실시예들에서, 도 5는 도 4의 각도 제한층(410)과 동일하거나 유사할 수 있는 각도 제한층(510)의 정면도를 도시한다. 도 5는 각도 제한층(510)에서의 튜브들 또는 홀들(520)의 정면도를 더 도시한다. 튜브들 또는 홀들(520)의 도시된 단면은 일반적으로 원형이다. 그러나, 특정 실시예들에서, 다른 홀 또는 튜브 단면 형상들이 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 알 형상(ovular), 직사각형, 육각형 등의 단면들을 갖는 홀들이 이용될 수 있다. 일반적으로, 홀들의 단면이 원형으로부터 벗어나는 것이 더 많을수록, 각도들의 설계된 범위를 넘어서는 광의 감쇠가 더 점진적이다.
이러한 실시예들 및 본 개시내용 전체에 걸친 실시예들에서, 원하는 각도 범위의 경계에서의 이진 컷오프(binary cutoff)일 필요도 없고, 그러할 가능성이 있는 것도 아님을 주목해야 한다. 즉, 원하는 각도 범위가 15도까지이면, 16도 또는 심지어 20도 또는 그 이상에서 방출된(또는 각도 제한층을 통해 투과된) 0의 광(zero light)일 필요가 없다. 대신에, 원하는 범위보다 더 큰 광의 점진적 감쇠가 존재할 가능성이 있다. 실제로, 일부 실시예들에서 감쇠는 원하는 경계, 즉, 15도의 각 원뿔에서 시작할 수 있고, 방출된 광의 양이 인지할 수 없게 작기(또는 각도 제한층을 통과하기) 전에, 이 원하는 범위를 훨씬 넘어서 연장된다. 일부 실시예들에서, 감쇠는 원하는 범위 내의 각도들에서 시작하도록 설정될 수 있지만, 방출되는 광의 양이 인지할 수 없게 작기 전에 원하는 범위를 훨씬 넘어서 여전히 연장된다. 이러한 의미에서, 광의 원뿔이 "최대" 각도를 갖는다고 말해질 때, 용어 "최대"는 광의 원뿔의 각도 범위의 절대 이진 컷오프로서 이해되지 않아야 하고, "최대" 각도보다 더 큰 각도에서 방출되는 일부 광(예를 들어, 15도의 최대 각도를 가지며, 일부 광은 16도 이상의 각도들에서 방출될 수 있음)이 존재할 수 있지만, 이 최대 각도를 넘어서는 광은 각도가 "최대" 각도를 넘어서는 넓어진 각도로서 점진적으로 감쇠한다.
각도 제한층을 이용하는 것의 하나의 잠재적으로 바람직하지 않은 영향은, 층이 백라이트의 효율성을 감소시킬 가능성이 있다는 것이다. 이것은 각도 제한층이 층의 설계된 각도 범위보다 더 큰 방출된 광의 부분을 일반적으로 감쇠시키기 때문이다. 따라서, 설계된 각도 범위를 넘어서 백라이트에 의해 방출된 광은 LCD를 조명하지 않는다. 따라서, 일부 실시예들에서, 그러한 설계의 예상 효율성은 10 내지 20% 범위 이하일 수 있고, 광의 나머지 80 내지 90%는 각도 제한층에 의해 감쇠된다. 따라서, 각도 제한층이 없는 디스플레이로서 일반적으로 동등한 디스플레이 휘도를 생성하기 위해, 광 출력의 대략 5배 내지 10배 또는 그 이상의 백라이트가 필요할 수 있다.
도 6은 헤드 장착형 디스플레이에서 이용하기 위한 특정 실시예들에 따른 예시적인 협각 백라이트 어셈블리의 측면도를 도시한다. 도 6에서, 협각 광원(600)은 광을 각도 보존 도파관(angle-preserving waveguide)(610)으로 지향시킨다. 협각 광원(600)은 협각 원뿔을 갖는 광(605)을 방출하는 하나 이상의 광원을 포함한다. 특정 실시예들에서, 협각 광원(600)은 'z'축에서의(즉, 도 6으로부터 나오는 차원에서의) 균일성을 개선하기 위한 복수의 광원들을 포함한다. 특정 실시예들에서, 협각 광원(600)은, 예를 들어, 하나 이상의 레이저 또는 적색, 녹색, 및 청색(RGB) 레이저들의 하나 이상의 세트와 같은 비교적 가간섭성 광을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 협각 광원(600)은 하나 이상의 RGB 적외선(IR) 레이저의 세트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 협각 광원(600)은 LED들과 같은 하나 이상의 다른 타입의 발광 소스들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 협각 광원(600)은 자연스럽게 협각 광을 생성하지 않는 광원을 포함할 수 있지만, 시준 렌즈 어셈블리(collimating lens assembly)와 결합될 때, 원하는 협각 광(605)을 산출한다. 일반적으로, 시준된 광은 그 광선들이 실질적으로 평행한 광이다. 따라서, 시준된 광은 그것이 전파됨에 따라 실질적으로 발산하거나 수렴하지 않는다. 그러나, 본 명세서에 설명된 실시예들에 적용되는 바와 같이, 이렇게 명명된 "시준된 광" 또는 "시준 렌즈"는 완벽하게 시준되는(또는 시준될) 광을 지칭할 필요가 없음을 이해해야 한다. 그 대신에, 이러한 용어들은 적어도 실질적으로 시준된 광 빔인 광과 연관되고, 따라서 광의 일부 발산 또는 수렴이 존재할 수 있다.
광은 프레넬 반사들에 의해 각도 보존 도파관(610)을 통해 전파한다. 일부 실시예들에서, 광은 격자들(gratings), 마이크로-프리즘들(micro-prisms), 또는 포물선 구체들(parabolic spheres)과 같은 미세구조들 또는 회절 요소들의 이용을 통해 각도 보존 도파관(610)의 전방 면에서 나오도록 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은 빔 스플리터들 또는 코팅들(coatings) 등의 이용을 통해 각도 보존 도파관(610)의 전방 면에서 나오도록 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도 보존 도파관(610)은 각도 보존 공간 균질화기(angle preserving spatial homogenizer)이다. 광(620)은 도파관에 진입하고 협각 광원(600)에 의해 방출되는 광(605)과 일반적으로 동일한 각도 범위를 갖는 각도 보존 도파관(610)에서 나온다. 간략성을 위해, 도 6은 광(620)이 3개의 별개의 포인트들에서 도파관(610)의 전방 면으로부터 방출되는 것을 도시하지만, 통상의 기술자는 도파관(610)이 바람직하게는 그 전방 면에 걸쳐 일반적으로 균일한 방식으로 광을 방출하는 것을 인식할 것이다. 각도 보존 도파관(610)과 결합된 협각 광원(600)은 협각 백라이트 어셈블리를 구성한다. 협각 원뿔을 갖는 광(620)은 이어서 LCD(630)를 통과하여 이미지를 디스플레이한다. 이러한 광(620)의 원뿔의 최대 각도 및 광(620)의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 명료성을 위해, 도 6은 각도 보존 도파관(610)과 LCD(630) 사이의 분리를 도시한다. 그러나, 대부분의 구현예들에서, 이들 2개의 컴포넌트들은, 만약 존재한다면, 그것들 사이의 매우 작은 공간과 함께 샌드위치될 것이다. 일부 실시예들에서, LCD(630)에서 나오는 광은 HMD의 렌즈 어셈블리로 지향된다. HMD의 렌즈 어셈블리는 HMD의 아이 박스에서 LCD(630)로부터의 이미지를 포커싱한다.
일부 실시예들에서, 도 7은 도 6의 협각 광원(600) 및 각도 보존 도파관(610)의 평면도의 양태들을 반영한다. 도 7은 일부 실시예들에서 협각 광원(600)이 복수의 협각 광원들(700)을 포함하는 것을 반영한다. 특정 실시예들에서, 협각 광원들(700)은, 예를 들어, 하나 이상의 레이저 또는 적색, 녹색, 및 청색(RGB) 레이저들의 하나 이상의 세트와 같은 비교적 가간섭성 광을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 협각 광원들(700)은 하나 이상의 RGB 적외선(IR) 레이저의 세트를 개별적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 협각 광원들(700)은 LED들과 같은 하나 이상의 다른 타입의 발광 소스를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 협각 광원들(700)은 자연스럽게 협각 광을 생성하지 않는 광원들을 포함할 수 있지만, 시준 렌즈 어셈블리와 결합될 때, 원하는 협각 광(705)을 산출한다. 이러한 광(705)의 원뿔의 최대 각도 및 광(705)의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 복수의 협각 광원들(700)은 협각 광원들(700)로부터 방출되고, 각도 보존 도파관(710)에 진입하는 광(705)이 일반적으로 'z' 축 차원에서 균일하도록 배열된다.
일부 실시예들에서, 도 8은 도 6의 협각 광원(600) 및 각도 보존 도파관(610)의 평면도의 양태들을 반영한다. 도 8은 일부 실시예들에서 협각 광원(600)이 제2 각도 보존 도파관(880)에 결합된 협각 광원(800)을 포함하는 것을 반영한다. 도 8에서, 협각 광원(800)은 광을 각도 보존 도파관(880)으로 지향시킨다. 특정 실시예들에서, 협각 광원(800)은, 예를 들어, 하나 이상의 레이저 또는 적색, 녹색, 및 청색(RGB) 레이저들의 하나 이상의 세트와 같은 비교적 가간섭성 광을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 협각 광원(800)은 하나 이상의 RGB 적외선(IR) 레이저의 세트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 협각 광원(800)은 LED들과 같은 하나 이상의 다른 타입의 발광 소스들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 협각 광원은 자연스럽게 협각 광을 생성하지 않는 광원을 포함할 수 있지만, 시준 렌즈 어셈블리와 결합될 때, 원하는 협각 광(815)을 산출한다.
광은 프레넬 반사들에 의해 각도 보존 도파관(880)을 통해 전파한다. 일부 실시예들에서, 광은 격자들, 마이크로-프리즘들, 또는 포물선 구체들과 같은 미세구조들 또는 회절 요소들의 이용을 통해 각도 보존 도파관(880)에서 나오도록 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광은 빔 스플리터들 또는 코팅들 등의 이용을 통해 각도 보존 도파관(880)에서 나오도록 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도 보존 도파관(880)은 각도 보존 공간 균질화기이다. 광(805)은 도파관에 진입하고 협각 광원(800)에 의해 방출되는 광(815)과 일반적으로 동일한 각도 범위로 각도 보존 도파관(880)에서 나온다. 이러한 광(805)의 원뿔의 최대 각도 및 광(805)의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 각도 보존 도파관(810)(도 6의 각도 보존 도파관(610)의 평면도)에 진입하는 광(805)은 일반적으로 'z' 축 차원에서 균일하다.
하나 이상의 협각 광원을 이용하는 것의 이점은, 결과적인 백라이트 어셈블리가 전통적인 광각 백라이트 및 각도 제한층을 포함하는 백라이트 어셈블리를 이용하는 실시예보다 더 효율적일 것이라는 점이다. 이는 특정 실시예에서 협각 광원에 의해 방출되는 보다 많은 광이, 각도 제한층에 결합된 광각 백라이트를 이용하는 실시예에서보다 LCD 이미지에 도달하고 조명할 것이기 때문이다.
일부 실시예들에서, 도 9는 도파관(902), 마이크로렌즈 어레이(MLA)(904), LCD(906), 및 렌즈 어셈블리(908)를 포함하는 광학 축(900)을 따른 광학 시스템의 일부의 평면도의 양태들을 반영한다. 렌즈 어셈블리(908)가 단일 렌즈로서 도시되지만, 렌즈 어셈블리는 렌즈들을 포함하는 하나 이상의 요소들, 또는 다른 타입들의 반사 및/또는 굴절 광학 요소들을 포함할 수 있다. 도파관(902)은, 예를 들어, 도파관(902) 내에서 운반되는 광을 도파관 외부로 그리고 MLA(904) 내로 분리하기 위해, 웨지 프리즘 어레이와 같은 표면 릴리프들 또는 피처들(910)을 포함한다. 도파관(902)과 MLA(904) 사이에 갭(912)이 존재할 수 있지만, 그렇지 않으면 이러한 요소들은 물리적으로 서로 접촉할 수 있고, 따라서 그들 사이에서 그러한 갭을 제거한다. 후자의 경우에, 도파관(902) 및 MLA(904)는, 예를 들어, 함께 샌드위치된 2개의 별개의 컴포넌트들이 아니라 단일의 모놀리식 요소일 수 있다. 도파관(902) 및 MLA(904)는, 단일의 모놀리식 요소 또는 2개의 별개의 컴포넌트들이든지 간에, 백라이트 어셈블리(905)라고 지칭될 수 있다. MLA(904)는 MLA의 영역에 걸쳐 변할 수 있는 각자의 개구수(N.A.)들을 갖는 마이크로렌즈들(914)의 어레이를 포함한다. 예를 들어, MLA(904)의 외측 에지의 비교적 근처 위치에서의 마이크로렌즈(914A)는 MLA(904)의 중심 축의 비교적 근처의 위치에서의 마이크로렌즈(914B)와 비교하여, 상이한 N.A.를 가질 수 있다. 따라서, 광 원뿔(916A)의 주 광선은 MLA(904)에서 나오는 광 원뿔(916B)과 상이한 각도로 MLA(904)에서 나올 수 있다. 이들 광 원뿔들(916A, 916B)은 LCD(906)의 각자의 픽셀들(이들 중 2개는 도면에 도시되어 있음)을 향해 지향된다. 예를 들어, 광 원뿔(916A)은 LCD 픽셀(918)을 통해 지향되고, 광 원뿔(916B)은 LCD 픽셀(920)을 통해 지향된다. 픽셀(918)에서 나오는 광의 원뿔은 주 광선(922)을 포함하고, 픽셀(920)에서 나오는 광의 원뿔은 주 광선(924)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로렌즈들(914)은 MLA(904)에서 나오는 주 광선들(예를 들어, 백라이트 어셈블리(905)에 의해 방출된 광의 주 광선들)이 렌즈 어셈블리(908)의 주 광선에 대응하거나 적어도 실질적으로 동일하도록 구성된다. 예를 들어, 광 원뿔(916A)의 주 광선은 주 광선(922)과 실질적으로 동일할 수 있다. 달리 말하면, 백라이트 어셈블리(905)에 의해 방출된 광의 주 광선들의 방향들은 LCD(906)로부터 방출된 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들과 실질적으로 매칭할 수 있다. 이와 관련하여, 렌즈 어셈블리(908)는 백라이트 어셈블리(905)에서 나오는 주 광선들의 방향들을 정할 수 있다. 보다 구체적으로, 원하는 또는 정의된 아이 박스 범위(예를 들어, 정의된 아이 박스 위치, 영역, 및/또는 크기)는 렌즈 어셈블리(908)에 의해 수신될 주 광선들의 세트(또는 입사 광의 근사 각 원뿔)를 정할 수 있고, 따라서 원하는 아이 박스 범위를 달성하기 위해 백라이트 어셈블리(905)에 의해 방출된 주 광선들의 세트(또는 광의 근사 각 원뿔)를 정할 수 있다. 즉, 백라이트 어셈블리(905)는 광이 (예를 들어, 미광의 양을 감소시키고 전체 광학 출력을 증가시킴으로써) 일반적으로 산란되는 것이 아니라 이미징될 수 있게 하면서, 원하는 또는 정의된 아이 박스 범위를 제공하는 방향들을 갖는 주 광선들의 연관된 세트를 갖는 광의 각 원뿔을 방출하도록 설계되거나 구성될 수 있다. 따라서, 백라이트 어셈블리(905)에 의해 방출된 광의 원뿔의 최대 각도 및 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 HMD 응용들에 적합한, 약 5 밀리미터, 10 밀리미터, 또는 25 밀리미터의 아이 박스 범위와 같은 정의된 아이 박스 범위에 대응할 수 있다. 여기서, 정의된 아이 박스 범위에 "대응한다"는 것은, 출력 NA 및 백라이트 어셈블리(905)의 주 광선들이 정의된 또는 원하는 아이 박스 범위에 매핑되는 것을 의미할 수 있다.
도 10a는 특정 실시예들에 따른 예시적인 백라이트 어셈블리에서 이용되는 예시적인 웨지 프리즘 어레이의 정면도의 양태를 도시하는 반면, 도 10b는 도 10a에 도시된 예시적인 웨지 프리즘 어레이의 측면도의 양태들을 도시한다. 예를 들어, 도 9의 도파관(902)은 도 10a 및 도 10b에 도시된 웨지 프리즘 어레이를 나타낼 수 있다. 웨지 프리즘 어레이는 (웨지 프리즘(1002)이라고 지칭되는) 웨지 형상인 제1 프리즘(1002) 및 웨지 형상이거나 웨지 형상이 아닐 수 있는 제2 프리즘(1004)을 포함할 수 있다. 제2 프리즘(1004)은 광원(1008)(예를 들어, 레이저 광원)으로부터 입사 광(1006)을 수신할 수 있고, 입사 광(1006)을 내부 반사들을 통해 제1 프리즘(1002)을 향해 재지향시킬 수 있다. 이 구성에서, 입사 광(1006)은 제2 프리즘(1004)의 에지에서 수신되고, 제2 프리즘(1004)의 평면 면(planar face)으로부터 재지향된 광(1010)으로서 출력된다. 다음으로, 재지향된 광(1010)은 제1 프리즘(1002)(웨지 프리즘(1002))의 에지에서 수신될 수 있고, 제1 프리즘(1002)은 광(1010)을 내부 반사들을 통해 픽셀화된 디스플레이 패널을 향해(예를 들어, 도 9의 LCD(906)를 향해) 재지향시킬 수 있다. 따라서, 방출된 광(1012)은 제1 프리즘(1002)의 평면 면으로부터 출력된다. 이 광(1012)은 그에 의해 도 9의 백라이트 어셈블리(905)와 같은 백라이트 어셈블리로부터 방출된다. 일부 실시예들에서, 광(1012)은 광이 픽셀화된 디스플레이 패널에서 수신되기 전에 백라이트 어셈블리의 추가적인 컴포넌트들을 통과할 수 있다. 도 10b에 도시된 웨지 프리즘(1002)은, 광(1012)이 방출되는 평면 면에 대향하는 웨지 프리즘(1002)의 후방(rear)/배면 면상에서와 같이, 웨지 프리즘(1002)의 평면 면 상의 프리즘(1014)과 같은 복수의 피쳐들을 포함한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 제2 프리즘(1004)은 또한, 재지향된 광(1010)이 방출되는 면 상에서와 같이, 제2 프리즘(1004)의 평면 면 상에, 복수의 프리즘들과 같은 표면 피쳐들(1016)을 가질 수 있다.
여기에 제시되지 않은 다른 조합들이 있을 수 있다. 따라서, 본 명세서에서의 설명들은 개시된 특정 실시예들로 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 쉽게 인식되는 것으로서, 수정들 및 실시예들이 포함되는 것으로 의도된다는 것이 이해된다.
상기의 설명은 많은 세부 사항을 포함하며, 특정의 예시적인 실시예들이 설명되고 첨부 도면에 도시되어 있지만, 전술한 바와 같이 다양한 다른 수정들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 안출될 수 있기 때문에, 그러한 실시예들은 단지 예시적인 것일 뿐, 제한적인 것은 아니며, 청구된 청구 대상은 도시되고 설명된 특정 구성들 및 배열들로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 청구된 청구 대상은 본 명세서에 개시된 상이한 종들 및/또는 실시예들로부터의 요소들의 임의의 조합 또는 하위 조합을 포함한다.

Claims (20)

  1. 헤드 장착형 디스플레이(head-mounted display)로서,
    디스플레이 어셈블리―상기 디스플레이 어셈블리는,
    픽셀화된 디스플레이 패널을 조명하는 백라이트 어셈블리; 및
    상기 백라이트 어셈블리의 전방에 위치되고 대응하는 광의 원뿔을 갖는 이미지를 생성하도록 구성된 상기 픽셀화된 디스플레이 패널을 포함함―; 및
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널로부터의 상기 광의 원뿔의 광을 상기 헤드 장착형 디스플레이의 사용자의 한쪽 또는 양쪽 눈으로 지향 및 포커싱하도록 구성된 렌즈 어셈블리―상기 렌즈 어셈블리는 상기 광의 원뿔의 최대 각도보다 실질적으로 더 큰 각도로 광을 지향 및 포커싱할 수 있고, 상기 광의 원뿔의 상기 최대 각도 및 상기 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 정의된 아이 박스 범위에 대응함―를 포함하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광의 원뿔은 광의 제1 원뿔이고, 상기 백라이트 어셈블리는,
    광의 제2 원뿔의 광을 방출하는 백라이트; 및
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널과 상기 백라이트 사이의 각도 제한층을 포함하고,
    상기 각도 제한층은 광 전도체들의 어레이를 포함하고, 상기 광 전도체들은 개별적으로,
    상기 광의 제2 원뿔의 광이 상기 광 전도체들에 부딪치는 각도들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 광의 제2 원뿔의 광을 감쇠시키고;
    상기 광의 제1 원뿔의 광을 상기 픽셀화된 디스플레이 패널로 전달하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 전도체들 각각은 상기 광의 제2 원뿔의 광에 노출되는 실질적으로 비반사성 표면을 포함하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광 전도체들 각각은 약 10 마이크로미터보다 더 큰 폭을 갖는, 헤드 장착형 디스플레이.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광 전도체들의 개별 광 전도체들은 중공(hollow)인, 헤드 장착형 디스플레이.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 광 전도체들의 개별 광 전도체들은 테이퍼링되는, 헤드 장착형 디스플레이.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광 전도체들의 개별 광 전도체들은 고체 광 투과성 재료(solid light-transmissive material)로 만들어지는, 헤드 장착형 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광의 원뿔은 광의 제1 원뿔이고, 상기 광의 제1 원뿔의 상기 최대 각도는 제1 최대 각도이고, 상기 백라이트 어셈블리는 제2 최대 각도를 갖는 광의 제2 원뿔을 방출하는 광원을 포함하고, 상기 광의 제2 원뿔의 상기 제2 최대 각도는 상기 광의 제1 원뿔의 상기 제1 최대 각도와 대략 동일한, 헤드 장착형 디스플레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원은 시준 렌즈 어셈블리를 포함하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광원은 가간섭성 광을 생성하는 적어도 하나의 레이저를 포함하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 백라이트 어셈블리에 의해 방출된 광의 주 광선들의 방향들은 상기 광의 원뿔과 연관된 상기 주 광선들의 방향들과 실질적으로 매칭하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 백라이트 어셈블리는 상기 광의 제2 원뿔의 각도들을 유지하는 각도 보존 도파관을 포함하는, 헤드 장착형 디스플레이.
  13. 광학 시스템으로서,
    픽셀화된 디스플레이 패널을 조명하는 백라이트 어셈블리;
    상기 백라이트 어셈블리의 전방에 위치되고 대응하는 광의 원뿔을 갖는 이미지를 생성하도록 구성된 상기 픽셀화된 디스플레이 패널; 및
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널로부터의 상기 광의 원뿔을 상기 광학 시스템의 사용자의 한쪽 또는 양쪽 눈으로 지향 및 포커싱하도록 구성된 광학 서브시스템―상기 광학 서브시스템은 상기 광의 원뿔의 최대 각도보다 실질적으로 더 큰 각도로 광을 지향 및 포커싱할 수 있고, 상기 광의 원뿔의 상기 최대 각도 및 상기 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 정의된 아이 박스 범위에 대응함―을 포함하는, 광학 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광의 원뿔은 광의 제1 원뿔이고, 상기 백라이트 어셈블리는,
    광의 제2 원뿔의 광을 방출하는 백라이트; 및
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널과 상기 백라이트 사이의 각도 제한층을 포함하고,
    상기 각도 제한층은 광 전도체들의 어레이를 포함하고, 상기 광 전도체들은 개별적으로,
    상기 광의 제2 원뿔의 광이 상기 광 전도체들에 부딪치는 각도들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 광의 제2 원뿔의 광을 감쇠시키고;
    상기 광의 제1 원뿔의 광을 상기 픽셀화된 디스플레이 패널로 전달하는, 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광 전도체들의 개별 광 전도체들은 상기 광의 제2 원뿔의 광에 노출되는 실질적으로 비반사성 표면을 포함하는, 광학 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 백라이트 어셈블리는 웨지 프리즘 어레이를 포함하는, 광학 시스템.
  17. 광학 시스템으로서,
    대응하는 광의 원뿔을 갖는 이미지를 생성하도록 구성된 픽셀화된 디스플레이 패널;
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널로부터의 상기 광의 원뿔을 상기 광학 시스템의 사용자의 한쪽 또는 양쪽 눈으로 지향 및 포커싱하도록 구성된 광학 서브시스템; 및
    상기 픽셀화된 디스플레이 패널 뒤에 위치되고 상기 광의 각도보다 실질적으로 작은 최대 각도를 갖는 상기 광의 원뿔을 방출함으로써 상기 픽셀화된 디스플레이 패널을 조명하도록 구성된 백라이트 어셈블리―상기 광학 서브시스템은 상기 사용자의 상기 한쪽 또는 양쪽 눈으로 지향 및 포커싱할 수 있고, 상기 광의 원뿔의 상기 최대 각도 및 상기 광의 원뿔과 연관된 주 광선들의 방향들은 정의된 아이 박스 범위에 대응함―를 포함하는, 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 백라이트 어셈블리는,
    가간섭성 광을 생성하는 레이저; 또는
    시준 렌즈 어셈블리
    중 적어도 하나를 이용하여 상기 최대 각도를 갖는 상기 광의 원뿔을 방출하는 광원을 포함하는, 광학 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 백라이트 어셈블리는,
    백라이트; 및
    상기 백라이트에 의해 방출된 광을 개별적으로 감쇠시키고, 상기 최대 각도를 갖는 상기 광의 원뿔의 광을 전달하기 위한 광 전도체들의 어레이를 포함하는 각도 제한층을 포함하는, 광학 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광 전도체들의 개별 광 전도체들은 상기 각도 제한층을 통해 연장되는 홀들을 포함하고, 상기 홀들의 내부 표면은 실질적으로 비반사성인, 광학 시스템.
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