KR20210002032U - 반사체를 갖는 광 가이드 디스플레이 - Google Patents

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로넨 크리키
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Abstract

디스플레이는 광 가이드 광학 요소(LOE, light-guide optical element)(20) 및 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하도록 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체(10a)를 포함한다. 이미지는 본 명세서에서 내부 부분 반사 표면들(22b)로서 예시된 커플링 아웃 배열체에 의해 LOE로부터 커플링 아웃된다. 이미지는 LOE로부터 관찰자(24b)의 눈에서 멀어지는 방향으로 커플링 아웃되고, 반사체(30)는 커플링 아웃된 이미지를 다시 LOE(32)를 통해 관찰자(26)의 눈을 향해 반사한다. 반사체(30)는 바람직하게는 선택적 부분적 반사체이고, 목적하는 겉보기 이미지 거리를 제공하도록 볼록할 수 있다.

Description

반사체를 갖는 광 가이드 디스플레이
본 고안은 디스플레이들에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 반사체가 광 가이드 광학 요소의 커플링 아웃된 이미지를 관찰자의 눈을 향해 지향시키기 위해 채용되는 디스플레이들을 개시한다.
눈에 가까운 디스플레이 시스템과 같이 이미지가 디스플레이로부터 눈을 향해 투사되는 특정 적용 예에서, 이미지는 광선들이 가까운 객체로부터 비롯되는 것처럼 보이도록 포커싱되어야 한다. 그러나, 도파관들에 의존적인 눈에 가까운 디스플레이 시스템들은 통상적으로 무한대에서 비롯되는 시준된 이미지들을 고유하게 생성한다. 요구되는 겉보기 깊이(apparent depth)를 구현하기 위해 굴절 렌즈들이 도입될 수 있다.
도 1a는 도파관 기반 디스플레이의 기본 아키텍처를 도시한다. 프로젝터(10a)는 무한대로 시준된 이미지 광을 도파관 내의 전반사(TIR, total internal reflection)에 의해 전파하도록 광 가이드 광학 요소(light-guide optical element) 또는 "LOE"(상호 교환 가능하게는 "도파관(waveguide)"으로서 지칭됨)(20)내로 주입한다. 커플링-아웃(coupling-out) 배열체는 본 명세서에서 광(24a)을 관찰자의 눈(26)을 향해 반사시키기 위해 도파관의 주 평행 표면에 대해 비스듬한 각도로 배향된 도파관 내의 내부 표면들(상호 교환 가능하게는 "파셋들(facets)"로서 지칭됨)(22a)을 부분적으로 비추는 것으로 예시된다. 파셋 반사율은 통상적으로 편광에 민감하고 이에 따라 광(24a)은 대부분 편광된다. 주변 광(28)은 최소의 왜곡으로 도파관 및 파셋들을 통과한다.
도 1b는 유한 거리에서 나타나는 도파관으로부터의 가상 이미지를 생성하는 종래 기술의 접근법을 도시한다. 도파관(20)은 무한대로 시준된 이미지를 투사하는 한편, 렌즈(21)는 이미지를 유한 거리에서의 가상 이미지로 변환한다. 렌즈(23)는 21에 관해 반대의 광출력을 가지며, 따라서 배경으로부터의 광은 시스템을 통해 관찰자(26) 상으로 통과할 때 수렴하지 않는다(즉, 원래의 겉보기 깊이를 유지한다). 렌즈들(21 및 23)은 각자의 표면에 걸쳐 가변 광출력을 가질 수 있으며(즉, 누진 또는 "가변 초점" 렌즈들) 이에 의해 가상 이미지의 가변 겉보기 거리(apparent distance)를 생성한다. 이러한 예에서, 25는 근처의 가상 이미지이고, 27은 더 먼 가상 이미지이다. 이러한 원리들에 기초한 다양한 구성들은 WO 2018/138714 A1로서 공개된 공동 양도된 특허 출원에 개시되어 있으며, 이는 이에 의해 바람직하게는 본 명세서에서 후술되는 원리들을 사용하여 구현될 수 있는 피처들 및 구성들을 개시할 목적으로 이 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.
도파관(20)과 관찰자의 눈(26) 사이의 렌즈(21)의 배치는 통상적으로 도파관이 다른 경우에 요구되는 것보다 눈으로부터 더 멀리 위치될 것을 요구하고, 결과적으로 소정의 시야에 대한 도파관 및 프로젝터의 치수들에 대한 요구를 증가시킨다.
도파관의 광 커플링 아웃은 파셋들(도 1a에 설명된 바와 같은)에 의해 또는 회절 격자들에 의해 수행될 수 있다. 이하의 설명은 단지 비-제한적인 예로서 이미지의 커플링-아웃을 위해 파셋들을 채용하는 구현 예들을 언급하지만, 본 고안은 당업자에게 명백할 바와 같이, 이미지의 커플링 인 및/또는 커플링 아웃을 위해 회절 광학 요소을 사용하여 동일하게 구현될 수도 있다.
본 고안의 목적은 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 반사체를 갖는 광 가이드 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 고안의 일 실시예의 교시에 따르면, 관찰자의 눈에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는: (a) 평행한 주 면들(major faces)의 쌍을 갖는 광 가이드 광학 요소(LOE, light-guide optical element); (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체; (c) 상기 LOE로부터 상기 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 상기 이미지를 커플링 아웃(coupling out)하기 위한 커플링 아웃 배열체; 및 (d) 상기 커플링 아웃된 이미지를 다시 상기 LOE를 통해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사하도록 배치된 반사체를 포함한다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체는 부분적으로 투명한 부분적 반사체인 것으로서, 상기 관찰자가 상기 광 가이드 및 상기 부분적 반사체를 통해 실제 장면을 볼 수 있게 한다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체는 편광 선택적 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 프로젝터 배열체는 적어도 하나의 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 상기 이미지를 투사하며, 상기 레이저는 특유의 파장을 가지고, 상기 반사체는 상기 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사시키도록 구성된 색채 선택적 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 프로젝터 배열체는 적어도 제1 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 상기 이미지 및 적어도 제2 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 제2 이미지를 투사하며, 상기 제1 레이저는 제1 특유의 파장을 갖고, 상기 제2 레이저는 상기 제1 특유의 파장과 상이한 제2 특유의 파장을 가지며, 상기 제1 특유의 파장과 상기 제2 특유의 파장은 동일한 지각색(perceived color)에 대응하고, 상기 반사체는 상기 제1 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사시키는 한편 상기 제2 특유의 파장을 실질적으로 통과시키도록 구성된 색채 선택적 반사체이며, 상기 디스플레이는 제2 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위 파장들을 반사시키도록 구성된 제2 색채 선택적 반사체를 더 포함하고, 제1 및 제2 상기 반사체들은 상기 이미지와 상기 제2 이미지가 상이한 겉보기 초점 거리들로 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상이한 곡률들로 형성된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체는 볼록 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체는 구형 반사체(spherical reflector)이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 볼록 반사체는 적어도 하나의 방향으로 조정 가능한 곡률을 갖는 조정 가능한 곡률 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 볼록 반사체는 다초점 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체는 굴절 렌즈와 통합된 표면이며, 상기 굴절 렌즈는 상기 굴절 렌즈 너머의 장면을 보는 상기 관찰자에게 굴절 시력 교정을 제공하도록 구성된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 굴절 렌즈와 통합된 상기 반사체는 상기 관찰자의 귀와 맞물리기 위한 측부들 및 상기 관찰자의 코와 맞물리기 위한 브릿지부를 갖는 시력 교정 안경의 일부이고, 상기 LOE, 상기 프로젝터 배열체 및 상기 커플링 아웃 배열체는 상기 시력 교정 안경과 탈착 가능하게 맞물리도록 구성된 분리 가능한 유닛으로서 구현된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 또한: (a) 평행한 주 면들의 쌍을 갖는 제2 LOE로서, 보는 방향을 따라 볼 때 상기 LOE와 중첩하는 관계로 배치되는, 상기 제2 LOE; (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 LOE 내에서 전파하도록 상기 제2 LOE 내로 제2 이미지를 주입하기 위한 제2 프로젝터 배열체; 및 (c) 상기 제2 LOE로부터 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하기 위한 제2 커플링 아웃 배열체가 제공된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 제2 커플링 아웃 배열체는 상기 제2 LOE로부터 상기 관찰자의 눈을 향하는 방향으로 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하도록 구성된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 제2 커플링 아웃 배열체는 상기 제2 LOE로부터 상기 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하도록 구성되며, 상기 디스플레이는 상기 커플링 아웃된 제2 이미지를 다시 상기 제2 LOE를 통해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사시키도록 배치된 반사체를 더 포함하고, 상기 제2 반사체는 상기 이미지 및 상기 제2 이미지가 상이한 겉보기 초점 거리들로 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상기 반사체와 상이한 곡률을 갖는다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 반사체 및 상기 제2 반사체는 둘 다 편광 선택적 반사체들이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 제2 반사체는 상기 반사체의 편광 반사 축에 수직인 편광 반사 축을 가진다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 제2 반사체는 상기 반사체의 편광 반사 축에 평행한 편광 반사 축을 갖고, 상기 제2 반사체와 상기 LOE 사이에 반파장판(halfwave plate)이 개재된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 커플링 아웃 배열체는 상기 평행한 주 면들의 쌍에 대해 비스듬한 각도로 상기 LOE 내에 배치되는 복수의 부분적 반사 표면들을 포함한다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 또한 상기 이미지의 전파 방향과 상이한 전파 방향으로 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 제2 이미지를 주입하는 제2 프로젝터 배열체가 제공되며, 상기 제2 이미지는 상기 관찰자의 눈을 향하는 방향으로 상기 부분적 반사 표면들에 의해 상기 LOE에서 커플링 아웃된다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 또한 차량의 앞 유리의 표면 상에 추가 반사체가 제공되며, 상기 추가 반사체는 상기 LOE와 상기 관찰자의 눈 사이의 광학 경로에 배치되되, 상기 추가 반사체는 비구면 곡률을 갖고, 상기 반사체는 상기 추가 반사체의 상기 비구면 곡률을 광학적으로 보상하도록 구성된 비구면 곡률로 구현된다.
본 고안의 일 실시예의 교시에 따르면, 또한 관찰자의 눈에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는: (a) 차량의 앞 유리의 표면 상의 부분적 반사체; 및 (b) 상기 관찰자의 눈에 의해 이미지로서 보여지도록 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상기 반사체를 향해 이미지 조명을 투사하도록 배치된 이미지 프로젝터 어셈블리를 포함하며, 상기 부분적 반사체는 상기 부분적 반사체에 의해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되는 상기 이미지 조명의 비율이 상기 부분적 반사체에 의해 상기 앞 유리를 통과하는 것에서 제외되는 외부 장면으로부터의 광의 비율보다 크도록 하는 선택적 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리에 의해 투사되는 상기 이미지 조명은 적어도 부분적으로 편광되고, 상기 부분적 반사체는 편광 선택적 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리에 의해 투사되는 상기 이미지 조명은 특유의 파장을 갖는 적어도 하나의 레이저에 의해 생성되고, 상기 부분적 반사체는 상기 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사하도록 구성된 색채 선택적 반사체이다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리는: (a) 평행한 주 면들의 쌍을 갖는 광 가이드 광학 요소(LOE); (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체; (c) 상기 LOE로부터 상기 부분적 반사체로부터 멀어지는 방향으로 상기 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열체; 및 (d) 상기 커플링 아웃된 이미지를 다시 상기 LOE를 통해 상기 부분적 반사체를 향해 반사하도록 배치된 프로젝터 반사체를 포함한다.
본 고안의 일 실시예의 추가 특징에 따르면, 상기 부분적 반사체는 비구면 곡률을 갖고, 상기 프로젝터 반사체는 상기 부분적 반사체의 상기 비구면 곡률을 광학적으로 보상하도록 구성된 비구면 곡률로 구현된다.
본 고안에 따라 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 반사체를 갖는 광 가이드 디스플레이가 제공된다.
본 고안은 본 명세서에서 단지 예로서, 첨부 도면들을 참조하여 설명되며, 여기서:
도 1a는 광 가이드 광학 요소(LOE)를 채용하는 종래의 증강 현실(AR, augmented reality) 디스플레이의 위에서 설명된 개략적인 측면도이다;
도 1b는 특허 공보 제WO 2018/138714 A1호에 개시된 바와 같은, 명백한 등급화된 피사계 심도(depth of field)를 갖는 증강 현실 디스플레이의 위에서 설명된 개략적인 측면도이다;
도 2는 LOE로부터 관찰자에서 멀어지는 방향으로 커플링 아웃되는 이미지가 반사체에 의해 다시 LOE를 통해 관찰자의 눈을 향해 반사되는, 본 고안의 일 실시예의 교시에 따라 구성되고 동작하는 디스플레이의 개략적인 측면도이다;
도 3은 편광 선택적 반사체를 사용하는 도 2의 디스플레이의 구현을 도시하는 도 2와 유사한 도면의 개략적인 측면도이다;
도 4a는 이미지들에 대해 상이한 겉보기 거리들을 갖는 두 개의 이미지들을 디스플레이하기 위해 두 개의 프로젝터들을 채용하는 도 2의 디스플레이의 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 4b는 본 고안의 변형 구현에 따른 두 개의 색채 선택적 반사체들에 대한 반사율 스펙트럼을 도시하는 그래프이다;
도 4c는 이미지들에 대해 상이한 겉보기 거리들을 갖는 두 개의 이미지들을 디스플레이하기 위해 두 개의 색채 선택적 반사체들을 채용하는 도 2의 디스플레이의 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 5는 각 이미지가 별개의 LOE를 통해 전달되는 도 4a의 디스플레이의 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 6은 도 1b의 디바이스와 기능적으로 동등한 디스플레이를 제공하는 데 가변 곡률 반사체를 채용하는 도 2의 디스플레이의 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 7a 및 도 7b는 각각 굴절 렌즈들의 전면 및 후면과 반사체의 통합을 도시하는 도 2의 디스플레이의 두 추가 변형 구현들의 개략적인 측면도들이다;
도 7c 및 도 7d는 각각 제거 및 설치된 증강 현실 유닛들과 함께 도시된, 분리 가능한 증강 현실 유닛들과 함께 사용하기 위한 AR-준비 안경의 개략적인 등각도들이다;
도 8은 조정 가능한 가변 곡률을 갖는 반사체를 채용하는 도 2의 디스플레이의 추가 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 9a는 액정 조정 가능한 광학 요소를 통합하는 도 2의 디스플레이의 추가 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 9b는 복수의 추가 굴절 렌즈들을 통합하기 위한 선택 사항의 위치들을 도시하는 도 2의 디스플레이의 추가 변형 구의 개략적인 측면도이다;
도 10은 비대칭적으로 조정 가능한 가변 곡률을 갖는 반사체를 채용하는 도 2의 디스플레이의 추가 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 11a는 이미지들에 대해 네 개의 뚜렷한 겉보기 거리들을 갖는 네 개의 이미지들의 투사를 달성하기 위해 이중 구조를 채용하는 도 2의 디스플레이의 추가 변형 구현의 개략적인 측면도이다;
도 11b는 도 11a의 디스플레이와 유사하지만, 하프-람다 파장판에 대한 필요성을 피하기 위해 하나의 서브 시스템이 다른 서브 시스템에 관해 회전된 디스플레이의 개략적인 등각도이다;
도 12a는 헤드 장착 구성의 도 2와 유사한 두 개의 디스플레이들을 사용하여 구현되고, 관찰자의 눈을 향해 반사될 수 있는 외부 조명의 가능한 경로를 도시하는 눈에 가까운 디스플레이의 평면도이다;
도 12b는 도 12a의 문제가 있는 반사를 제거하기 위해 디스플레이의 양측의 횡측 영역에 적용된 편광 필터가 어떻게 사용될 수 있는지를 나타내는 도 12a와 유사한 도면이다; 그리고
도 13은 차량용과 같은 헤드업 디스플레이(HUD, head-up display)와 관련하여 본 고안의 양태의 구현을 도시하는 개략적인 측면도이다.
본 고안은 반사체를 갖는 광 가이드 디스플레이이다.
본 고안에 따른 디스플레이들의 원리들 및 동작은 도면들 및 첨부된 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
본 고안의 제1 양태에 대한 일반적인 도입으로서, 도 2에 의해 예시된 바와 같은 본 고안의 특정 실시 예들은 관찰자의 눈에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이를 제공하며, 여기서 디스플레이는 평행한 주 면들의 쌍을 갖는 광 가이드 광학 요소(LOE, light-guide optical element)(20) 및 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하도록 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체(10a)를 포함한다. 이미지는 본 명세서에서 내부 부분 반사 표면들(또는 파셋들(facets))(22b)로서 예시된 커플링 아웃 배열체에 의해 LOE로부터 커플링 아웃된다. 본 고안의 이러한 제1 양태에 따르면, 커플링 아웃 배열체는 반사 파셋들에 기초하든 또는 회절 요소들에 기초하든, 특히 LOE로부터 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 이미지를 커플링 아웃하도록 구성되고(광선들(24b)), 반사체(30)가 커플링 아웃된 이미지를 다시 LOE를 통해 광선들(32)로서 관찰자(26)의 눈을 향해 반사하도록 배치된다.
이미지를 다시 관찰자에게 반사시키기 위해 LOE(20)의 먼 측 상에 반사체(30)를 사용하는 것은 다수의 중요한 이점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 첫째로, 눈과 반사체 사이의 LOE의 위치 설정은 통상적으로 눈동자 거리(eye relief)가 감소된 구현들을 가능하게 하며, 이는 차례로 LOE 및 프로젝터의 크기 감소를 가능하게 한다. 또한, 반사체의 위치 설정은 다른 기존의 시력 교정 안경과 디바이스의 통합을 위해, 겉보기 깊이 또는 조정 가능한 겉보기 이미지 깊이의 하나 이상의 레벨로 이미지들을 렌더링할 수 있는 새로운 가능성을 열고, 아래에서 더 설명될 바와 같은 다양한 다른 추가적인 특징들을 가능하게 한다.
본 고안의 제2 양태는 상술된 디스플레이 아키텍처와 시너지로 사용되는 것이 가장 바람직하지만, 또한 헤드업 디스플레이(HUD) 구성과 같이, 반사체가 이미지 프로젝터와 관찰자 사이의 광학 경로에 개재되는 다양한 다른 디스플레이 아키텍처들에도 적용 가능하다. 이러한 제2 양태에 따르면, 실제 세계가 보여지는 이미지 조합 반사체(예를 들어, 도 2의 반사체(30) 또는 도 13의 반사체(1002))는, 부분적 반사체에 의해 관찰자를 향해 반사되는 이미지 조명의 비율이 부분적 반사체에 의해 반사체를 통과하는 것으로부터 제외되는 외부 장면으로부터의 광의 비율보다 크도록 구현된 선택적 부분적 반사체이다. 이러한 개념의 구현들은 모두 아래에서 더 상세히 설명될, 편광 선택적 반사체 또는 색채 선택적 반사체 중 어느 하나의 사용에 기초하여 아래에서 설명된다.
도 2에서 그리고 본 명세서 전체에 걸쳐, 이미지 프로젝터(10a)는 직사각형으로서 개략적으로만 표현된다. 이미지 프로젝터는 바람직하게는 시준된 이미지, 즉 각 이미지 픽셀의 광이 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준된 평행 빔인 시준된 이미지를 생성하도록 구성된다. 이에 따라, 이미지 조명은 2차원의 시야각에 대응하는 각도들의 범위에 걸쳐 있으며, 이들 모두는 LOE 내에 내부 반사에 의해 트랩된 다음 커플링 아웃되어야 한다.
이미지 프로젝터(14a)는 LCOS 칩과 같은 공간 광 변조기를 조명하도록 배치될 수 있는 적어도 하나의 광원, 통상적으로는 LED 또는 레이저를 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각 픽셀의 투사 강도를 변조하며, 이에 의해 이미지를 생성한다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 통상적으로 고속 스캐닝 미러를 사용하여 구현되는 스캐닝 배열체를 포함할 수 있으며, 이는 빔의 강도가 픽셀 단위로 모션과 동기화하여 달라짐으로써, 각 픽셀마다 목적하는 강도를 투사하면서 프로젝터의 이미지 평면에 걸쳐 레이저 광원으로부터의 조명을 스캔한다. 두 경우 모두, 무한대로 시준되는 출력 투사 이미지를 생성하기 위해 시준 광학계들이 제공된다. 상기한 구성요소들 중 일부 또는 전부는 통상적으로 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 하나 이상의 편광 빔 스플리터(PBS, polarizing beam-splitter) 큐브 또는 다른 프리즘 배열체의 표면들 상에 배열된다.
LOE(20)에 대한 이미지 프로젝터(14a)의 광학 커플링은 본 명세서에서 구성요소들의 맞댐으로 간략하게 표현되지만, 통상적으로 실제로는 예를 들어 LOE의 측 가장자리 및/또는 주 외부 표면 중 하나를 통해, 비스듬히 경사진 입력 표면을 갖는 커플링 프리즘을 통해, 또는 반사 커플링 배열체를 통해서와 같은, 적절한 광학 커플링을 사용하여 구현된다. 커플링 인 구성의 세부 사항들은 본 고안에 중요하지 않고, 따라서 제시의 간결성을 위해 본 명세서에서 생략된다.
디스플레이는 또한 통상적으로 이미지 프로젝터를 작동시키기 위한 제어기, 소형 온보드 배터리와 같은 전원 또는 몇몇 다른 적절한 전원을 포함하여, 다양한 추가 구성요소들을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 제어기는 모두 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 프로세싱 회로부와 같은 모든 필요한 전자 구성요소들을 포함한다. 여기서도 역시, 구성요소들은 그 자체로 본 고안의 일부가 아니고, 따라서 상세히 논의되지 않는다. 보통 PODS로서 지칭되는 적절한 이미지 프로젝터들은 다양한 공급원들로부터 구매 가능하다.
다시 도 2를 참조하면, 도파관(20)에서의 파셋들(22b)(또는 회절 아키텍처의 경우 회절 패턴)은 이 경우 "외측을 향해" 구현된다, 즉 관찰자(26)에서 멀어져 외측으로 이미지를 반사하도록 배향된다. 결과적으로, 광(24b)은 도파관으로부터 반사체 표면(30) 상으로 커플링 아웃된다. 반사체 면은 볼록하게 만곡되어, 볼록 반사 렌즈로서 기능하며; 결과적으로 면(30)으로부터 반사하는 아웃 커플링된 광(24b)이 광(32)으로서 발산한다. 발산 광(32)은 목적하는 범위(무한이 아닌)에 있는 것으로 보이는 가상 이미지(52)를 생성한다. 반사체(30)의 곡률은 반사 렌즈들의 정상적인 원리들에 따라 이러한 가상 이미지의 거리를 결정한다. 반사체(30)는 부분적 반사체이므로, 주변광(28)은 (일부 강도 감소로) 통과할 수 있고 배경이 관찰자(26)에게 보여질 수 있다. 반사 코팅은 부분적 반사체 또는 편광 반사체일 수 있다(더 후술됨).
반사 코팅은 대안적으로 표면(31) 상에 적용될 수 있으며, 이에 의해 반사가 공기보다 상당히 더 높은 굴절률을 갖는 매체 내에서 발생하기 때문에 감소된 곡률을 갖는 동일한 광출력을 달성할 수 있게 한다.
부언하면, 첨부 도면들에 도시된 표면(30)의 곡률은 예시를 위해 매우 과장되어 있음을 유념해야 한다. 통상적인 적용 예들에 있어서, 목적하는 겉보기 이미지 깊이들을 제공하는 데 필요한 곡률 범위는 1-8 미터 곡률 반경 범위이며, 이는 눈 앞에 위치된 렌즈 크기의 부분적 반사체에 걸친 표면의 가까스로 인지 가능한 편향에 대응한다.
비반사 표면(이 예에서 31)은 바람직하게는 배경으로부터 광을 최소 왜곡으로 도입하도록 설계된다. 대부분의 경우에, 이는 대략 30과 동일한 형상을 가질 것이다. 요소 제공 표면들(30 및 31)은 얇은 유리 또는 플라스틱 시트 또는 렌즈일 수 있거나, 또는 일부 경우들에서는 부분 반사 호일 또는 필름에 대한 중공 프레임형 지지 구조체일 수 있다.
도 3은 도 2와 동일한 기본 아키텍처를 도시하지만, S 편광(여기서 파셋들(22b)에 의해 반사된 편광에 평행한 것으로서 정의됨)을 반사하고 P 편광을 투과하도록 배향된 편광 반사체 표면(30)을 가진다. 이러한 편광 반사 코팅(수직 입사 광의 편광체)은 다양한 공급원들로부터 구매 가능하고, 예를 들어 3M사(미국)로부터 얻어질 수 있다. 대안적으로, 와이어 그리드 필름이 사용될 수도 있다.
주변 광(28)은 편광되지 않은 것으로 입사하지만, S 편광은 반사체(30)에 의해 광선들(29)으로서 반사되는 한편, P 편광은 관찰자를 통과한다. 이는 주변 S 편광된 광이 파셋들에 의해 산란되고 가시성을 저하시키는 경향이 있기 때문에 이 자체로 유익하다.
표면(31) 또는 하지의 시트/렌즈는 또한 S 편광을 흡수하여 외부 장면으로부터의 S 편광된 광의 반사를 방지하고 이에 의해 안경의 "미러" 외관을 방지하는 흡수 편광체로서 구현될 수 있다.
기판(20)에서 반사체 표면(30)을 향해 커플링 아웃되는 가상 이미지 광(24b)은 S 편광되고, 이에 따라 표면(30)에 의해 조명(32)으로서 관찰자(26)를 향해 반사된다. 파셋들로부터 반사되는 이미지 조명의 편광에 따라 배향되는 편광 선택적 반사체(30)의 사용은 주변 광에 50% 손실만을 도입하면서 가상 이미지의 전력 손실을 최소화한다. 이러한 손실은 눈을 향하는 가상 이미지의 감소된 반사율을 희생시켜 반사체(30)에 편광 선택적 부분적 반사체를 채용함으로써 더 감소될 수 있으며, 결과적으로 전력 효율이 감소한다. 예를 들어, 반사체(30)가 S 편광된 광의 40 퍼센트를 반사하고 P 편광된 광을 실질적으로 통과시키면, 이는 외부 장면으로부터의 비편광 조명의 전체 강도를 약 20%만큼 감소시키면서 도파관으로부터 커플링 아웃되는 이미지 조명의 40%를 반사할 것이다. 예를 들어 와이어 두께 및 간격이 적절하게 선택된 와이어 그리드 필름과 같은, 편광 선택적 부분적 반사체들은 상술된 바와 동일한 기술들을 사용하여 구현될 수 있다.
특정한 특히 바람직한 구현들에 따르면, 도파관(20)의 외부 면들은 가상 이미지의 다수의 바람직하지 않은 반사를 억제하도록 반사 방지(AR, anti-reflective) 코팅된다.
편광 방식이 아래에서 설명되는 특정 실시 예들에서 명시적으로 논의되지 않지만, 도 3의 구현의 편광 관리가 아래에서 설명되는 변형 구현들 각각에서 바람직하게 구현될 수 있다는 것이 인해되어야 한다.
도 4a는 제2 프로젝터(10b)가 도파관의 타측(반대 가장자리) 상에 도입되는 아키텍처를 도시한다. 이러한 프로젝터로부터의 이미지 조명(점선 화살표들로 개략적으로 도시됨)은 파셋들에 의해 이미지 조명(34)으로서 관찰자(26)의 눈을 향해 직접 반사된다. 이에 따라, 10a로부터의 가상 이미지가 볼록 반사체에 의해 정의되는 유한 거리에 있는 한편, 10b로부터의 가상 이미지는 (무한대로 포커싱되어) 시준된다. 서로 상호작용은 없지만 상이한 겉보기 거리들에 위치하는 두 개의 이미지들을 동시에 디스플레이할 수 있는 능력은 관찰자에게 개선된 깊이 지각을 제공한다.
본 고안의 특정 구현들에 따르면, 레이저 광원은 공간 광 변조기의 표면을 조명하기 위한 조명원 또는 빔이 스캐닝 패턴을 따라 스캔될 때 레이저 강도의 변조에 의한 이미지의 직접 생성을 통해 프로젝터(10)에서의 이미지 조명을 위해 사용될 수 있다. 레이저는 레이저의 특유의 파장에 가깝에 대응하는 좁은 스펙트럼 폭을 가진다. 본 고안의 특정한 특히 바람직한 구현들에 따르면, 이미지를 생성하는 데 사용되는 하나 이상의 레이저의 특유의 파장(들)을 포함하는 협대역의 파장들에 대해 반사성이고, 다른 가시 파장들에 대해서는 투과성인 채색 선택적 반사체가 사용된다.이와 관련하여 "협대역(narrow band)"은 가시 스펙트럼에 걸친 광대역 백색 조명에 대한 전체 강도 투과율에 대한 이의 영향이 각 "협대역"에 대해 총 강도의 2% 미만, 바람직하게는 각 대역에 대해 1% 미만에 대응하도록 타겟 파장 주위에 국부화되는 반사율을 지칭하는 데 사용된다. 추가적으로 또는 대안적으로, "협대역"은 약 5 nm 이하, 그리고 보다 바람직하게는 약 3 nm 이하의 파장 범위(Δλ)에 걸쳐 높은 반사율을 가진다는 점에서 특징지어질 수 있다.
이러한 반사체는 레이저 광만을 투과시키지 않으면서 가시 스펙트럼의 대부분을 투과시킬 수 있고, 외부 장면의 뷰에 작은 영향만을 미친다. 이러한 반사체는 유전체 코팅 또는 브래그 홀로그램(Bragg hologram)(또는 "짙은 홀로그램(thick hologram)")에 기초할 수 있다. 도 4b의 실선은 이미지의 RGB 성분들을 조명하는 데 사용되는 세 개의 레이저들(적색, 녹색 및 청색)의 특유의 파장들에서 반사성이 되도록 효과적으로 "조정되는(tuned)", 세 개의 분리된 파장들에 대해 반사성인 이러한 코팅의 스펙트럼을 도시한다. 상이한 코팅의 스펙트럼 반사율은 파선으로 마킹되며, 상이한 파장 세트로 조정되고, 제1 파장 세트로부터 파장이 변위되지만, 바람직하게는 여전히 컬러 이미지의 성분들을 조명하기에 적합한 적색, 녹색 및 청색으로서 관찰자에 의해 지각되는 범위들 내에 있는 반사체에 대응한다. 스펙트럼의 대부분은 두 필터들 모두가 순차적으로 사용되는 경우에도 반사되지 않는다는 것이 명백하다. 이러한 필터들은 도 4c에 설명된 아키텍처에서 사용된다.
도 4c에서, 프로젝터(10a)는 도 4b의 반사 스펙트럼에 따라 상이한 파장들의 여섯 개의 레이저들을 사용하여 두 개의 이미지들을 투사한다. 레이저들 중 세 개는 실선 반사 스펙트럼의 피크 반사 파장들에 대응하는 파장들을 갖고, 다른 세 개의 레이저들은 도 4b의 점선 스펙트럼의 피크 반사 파장들에 해당하는 파장들을 가진다. 두 개의 이미지들이 프로젝터(10a)로부터 도파관 내로 주입되며, 각각 레이저 세트들 중 하나로부터의 RGB 조명에 의해 조명되고, 두 이미지는 모두 전술된 바와 같이, 도파관으로부터 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 커플링 아웃된다. 표면(130)은 도 4b의 실선의 반사율 스펙트럼을 광선들(35)로서 나타내도록 코팅되는 한편, 표면(132)은 도 4b의 점선의 반사율 스펙트럼을 광선들(37)로서 나타내도록 코팅된다. 두 개의 반사 표면emf(130 및 132)은 상이한 곡률을 갖기 때문에, 이들은 상이한 초점 거리(겉보기 깊이)를 갖는 두 개의 이미지들을 생성한다. 이러한 구성은 도 4b에 도시된 바와 같이 스펙트럼의 나머지의 높은 투과율 때문에 높은 배경 투과율을 가능하게 할 수 있다.
도 4c의 디바이스의 대안적인 구현은 설명된 바와 같이, 도 4b의 실선에 따른 반사율을 갖는 스펙트럼 선택적 반사 표면으로서의 표면(130), 및 상술된 바와 같이 S 편광을 반사하는 표면(132)을 포함할 수 있으며, 이에 의해 두 개의 스펙트럼 선택적 표면들에 대한 필요성을 회피한다.
도 5는 두 개의 필드들(즉, 상이한 거리들에 두 개의 이미지들)을 생성하기 위한 또 다른 선택적 구현을 도시한다. 제2 프로젝터(10c)는 전술된 도파관(20)에 인접한 도파관(38) 내로 이미지를 투사한다(점선 화살표로 개략적으로 표현됨). 도파관(38)에서의 커플링 아웃 파셋들은 20에서의 파셋들과 반대 배향으로 있으며, 이에 의해 이미지를 10c로부터 직접 관찰자의 눈을 향해 무한대로 시준된 가상 이미지로서 커플링 아웃한다. 이에 따라, 이러한 아키텍처는 도 4의 아키텍처와 기능이 완전히 동등하지만, 두 개의 상이한 도파관들 사이의 투사되는 이미지들의 분리가 일부 경우들에서, 각 파셋 세트에 대한 설계 파라미터들을 최적화하는 데 유용한 추가의 유연성을 제공할 수 있다.
반사 렌즈 표면의 곡률은 임의의 목적하는 곡률일 수 있거나, 또는 특정 적용 예들에서는, 편평할 수도 있다. 많은 구현들에서, 약간 볼록한 구면은 특히 간단하고 유용한 구현을 제공하여, 목적하는 겉보기 이미지 초점 깊이를 정의한다. 그러나, 다양한 유형들 및 속성들의 비구형 렌즈들이 또한, 아래의 다수의 예들에 의해 예시될 바와 같이, 바람직한 것으로 사용될 수 있다.
도 6은 만곡된 반사 표면(40)(30과 동등함)이 이의 길이에 걸쳐 가변 곡률을 갖는 아키텍처를 도시한다. 이러한 예에서, 상단 섹션은 곡률이 없거나 매우 작은 곡률을 가져서, 이 섹션에 의해 반사되는 가상 이미지(27)는 멀리 또는 무한대에 위치될 것이다. 아래 섹션은 점진적으로 증가하는 곡률을 가져서, 아래 필드에서의 가상 이미지(25)는 가까이 있는 것으로 보일 것이다. 연속적인 곡률 변화는 바람직하게는 초점 길이의 점진적인 변화에 대응하는 경사진 가상 이미지 평면(29)(또는 "초점" 렌즈)을 생성하는 데 사용된다. 눈에 가까운 디스플레이와 관련하여 (굴절) 다초점 렌즈를 사용하는 개념에 기초한 추가적인 구현들이 본 명세서에 참조로 포함된 전술한 WO 2018/138714 A1에 제시된다. 이러한 구현들 각각은 본 고안의 교시들에 따라, 반사 광학들에 기초한 가변 초점 렌즈를 사용하여 바람직하게 그리고 더 간단하게 구현될 수 있다. 최소의 왜곡들이 (30 및 31에 의하는 바와 같이) 평면(40) 및 이의 인접한 평면에 의해 배경 광에 도입되고, 실제 장면으로부터의 광의 왜곡을 보정하기 위해 추가적인 광학 구성요소가 요구되지 않는다.
도 7a는 실제 세계 장면을 보기 위한 굴절 렌즈와, 상술한 바와 같은 반사 렌즈로서 기능하는 근위 부분 반사 표면의 조합을 도시한다. 관찰자가 처방 안경(초점, 원통형 또는 누진 파라미터들을 갖는)을 필요로 하는 경우, 도파관(20)으로부터 더 멀리, 즉 눈에서 더 먼 광 가이드의 측 상에 배치된 렌즈(44a)에 처방 광학 파라미터들을 도입하는 것이 바람직하다. 눈과 도파관 사이의 짧은 거리는 도파관 크기의 감소를 가능하게 하고 조명 출력을 보존시킨다.
이러한 렌즈에서, 반사면(44a)(30에 상당)은 소정의 가상 거리 및 소정의 광학 보정을 갖는 관찰자에게 가상 이미지를 반사하도록 설계된다. 표면(46a)은 굴절 렌즈(42a)의 전체 효과가 왜곡 없이 처방된 광학 파라미터들로 배경을 투과하도록 설계된다. 표면(46a)은 투과시에 표면(44a)에 의해 도입되는 임의의 왜곡의 제거를 포함해야 한다.
도 7b에는 반사 표면이 이 경우에 외부 표면(46b)인 것을 제외하고는 도 7a에서와 동일한 아키텍처가 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 반사체의 곡률은 감소될 수 있고(공기 대신에 굴절률에서의 반사), 표면들(44b 및 46b)의 최적의 형태들을 생성하기 위해 반복적인 방법이 적용될 수 있다.
도 7c 및 도 7d는 기존의 시력 교정 안경으로서 단독으로 사용될 수 있지만, 도 7a 또는 도 7b와 관련하여 위에서 정의된 설계 고려 사항들에 따라 형성된 부분적 반사체 표면을 이미 포함하는 "AR 준비 안경"(504)의 일반적인 도면을 도시한다. 이에 따라, 반사체는 관찰자의 귀와 맞물리는 측부들 및 관찰자의 코와 맞물리는 브릿지부를 포함하는 시력 교정 안경(504)의 일부로서 굴절 렌즈들과 통합된다. LOE, 프로젝터 배열체 및 커플링 아웃 배열체는 시력 교정 안경(504)과의 탈착 가능한 맞물림을 위해 구성된 분리 가능한 유닛들(또는 대안적으로 단일 쌍안경 유닛)로서, 한쪽 또는 양쪽 눈에 대해 함께 구현된다. 도 7c는 안경(504)이 기존의 시력 교정 안경으로서 개별적으로 사용될 수 있는 분리된 상태를 도시하는 한편, 도 7d는 직접 보여지는 장면이 프로젝터 배열체(502)로부터 주입되는 LOE(500)로부터의 가상 이미지로 증강될 수 있는 증강 현실(AR) 구성을 도시한다. 여기서 LOE는 관찰자의 눈에 더 가까운 측 상에 렌즈 뒤에 장착된다.
조정 가능한 초점 깊이 구현이 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 반사 코팅(30a)은 가요성 호일 또는 다른 가요성 기판(50)(증강 현실 적용 예들에 대해 투명하고, 가상 현실에 대해 불투명함) 상에 배치된다. 이러한 위치(50)에서, 표면(30)은 가상 이미지(52)를 생성한다(점쇄선들의 수렴). 호일(54) 상에 힘을 가함으로써, 이는 위치(56)에 도시된 바와 같이 형상을 변화시켜 상이한 곡률을 가진다. 이러한 새로운 곡률에서, 가상 이미지는 더 가깝다(58)(이점쇄선들의 수렴). 이에 따라, 호일에 가해지는 힘(54)을 변경함으로써, 가상 이미지까지의 거리가 조정될 수 있다. 형상의 변화는 목적하는, 통상적으로 구형의 반사체 형태를 유지하기 위해 이상적으로 수행되어야 함이 유념될 것이다. 이는 바람직하게는 유체(기체 또는 액체) 압력을 사용하여 요소들의 형상을 변형시키거나 전기 커패시턴스의 사용에 의해 달성될 수 있다. 여기서 개략적으로 도시된 바와 같이, 기계적 작동이 또한 사용될 수 있다. 실제로, 요구되는 변위는 통상적으로 비교적 작고(그리고 도 8의 개략적으로 도시된 변위보다 훨씬 더 작음), 특히 일시적으로 발생할 때, 제한된 정도의 난시는 눈으로 잘 견딜 수 있기 때문에, 구형 기하학적 구조를 정확하게 보존할 필요가 없을 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 추가적인 광학 요소들에 의해 추가 광출력이 도입되는 본 고안의 다른 구현 예들을 도시한다.
도 9a에서, 액정 조정 가능한 광학 요소(LCAOE, liquid crystal adjustable optical element )(60)는 도파관과 30사이에 도입된다. 전압이 LCAOE에 인가될 때, 이는 도파관으로부터 비롯되는 투과된 s 편광의 광출력을 변화시킨다. 배경으로부터의 P 편광은 변하지 않고 유지된다. (도파관의 타측 상에 LCD를 배치하는 것에 비해) 이러한 구성의 이점은 광이 LCAOE(60)를 통해 두 번 통과하며 이에 의해 이의 동적 범위를 두 배로 만든다는 것이다. 또한, 이러한 구성에서, 도파관과 눈 사이의 거리는 최소로 유지되어 더 작은 도파관 및 더 적은 조명 출력 손실을 가능하게 한다. 표면(30)은 만곡되거나(도시된 바와 같이) 편평할 수 있다. 본 출원에 적합한 LCAOE 디바이스들은 Deep Optics Ltd.(이스라엘) 또는 Hi max Technologies, Inc(대만)로부터 구매 가능하다.
도 9b는 렌즈들이 눈과 도파관(64c) 사이에 구현되는 일반화된 아키텍처를 도시한다. 또한, 반사체의 양측에는 64b 및 64a가 있다. 일부 경우들에서, 최소 수차로 최적의 이미지 품질을 달성하기 위해 이러한 렌즈들 중 하나 이상이 요구된다. 렌즈들(64a 및 64c)은 배경 및 가상 이미지에 대해 상이한 광출력을 얻기 위해 복굴절성일 수 있다. 렌즈들 중 하나는 조정 가능한 렌즈일 수 있다. 이전과 같이, 표면(30a)은 평탄하거나 만곡될 수 있다.
특정 바람직한 구현들에서, 도파관의 면들은 공칭 이미지와 간섭할 수 있는 반사들을 감소시키기 위해 반사 방지(AR) 코팅들로 코팅되는 것이 바람직하다. 이들 반사의 가시성의 추가적인 감소는 본 구성에서 렌즈(64c)를 사용함으로써 달성될 수 있으며, 또한 본 명세서에서 설명된 다른 구성들에 대한 추가로서 선택 사항으로 제공된다. 이러한 렌즈는 도파관 표면들로부터의 반사를 디포커싱(defocusing)하며, 이에 의해 이를 덜 두드러지게 한다.
도 10은, 이 경우에, 렌즈 변형력(70)이 일측으로부터 비대칭적으로 인가되는 것을 제외하고는, 도 8과 동등하다. 결과적으로, 가상 이미지(72)는 (도 8의 위치(58)에 비해) 더 가까울 뿐만 아니라 시프트된다. 이러한 시프트는 시차(수렴)가 겉보기 이미지 범위와 일치하도록 광학적으로 보상될 필요가 있는 경우에 사용될 수 있다. 추가의 미세한 보상은 디스플레이에 전송되는 디지털 이미지 정보의 조작에 의해 전자적으로 수행될 수 있다.
도 11a는 "광 필드(light-field)"라고도 지칭되는 다초점 이미지들을 생성하는 아키텍처를 도시한다. 프로젝터들(80a 및 80b)은 도파관 내로 이미지들을 투사한다. 이러한 이미지들의 광은 도 4a에 설명된 아키텍처와 동등하게 관찰자를 향해 아웃 커플링된다. 하프-람다 파장판(82)은 투사된 광 편광을 S로부터 P 편광으로 회전시키며, 이 편광은 반사 관찰자를 향해 표면(84)(30에 상당)을 통과한다. 관련 LOE 및 반사 표면(84)과 함께 프로젝터들(10a 및 10b)은 또한 도 4a를 참조하여 상술한 바와 같이 기능한다. 이에 따라, 프로젝터들(10a, 10b, 80a 및 80b)에 의해 투사되는 네 개의 이미지들은 모두 눈(26)에 도달하지만, 각각은 상이한 광출력 및 겉보기 깊이를 가진다: 10b로부터의 이미지는 무한대에서 나타나는 시준된 이미지로서 커플링 아웃되고; 프로젝터(10a)로부터의 이미지는 표면(84)으로부터의 반사에 의해서만 변경되고; 프로젝터(80b)로부터의 이미지는 표면(84)이 하나의 표면을 형성하는 렌즈의 굴절 효과에 의해 변경되며; 프로젝터(80a)로부터의 이미지는 표면(30)으로부터의 반사 및 굴절 렌즈 양자에 의해 변경된다. 이에 따라, 굴절 렌즈 및 두 개의 반사 표면들의 형태들을 적절히 선택함으로써, 조합된 이미지의 상이한 성분들에 대해 네 개의 상이한 겉보기 이미지 깊이들을 갖는 조합된 가상 이미지를 투사하는 것이 가능하다.
변형 그러나 기능적으로 동등한 구현에서, 파장판(82)은 생략될 수 있고, 부착된 도파관을 갖는 프로젝터들(80a, 80b)은 90도 회전된다(회전 축은 관찰자 시선을 따름). 이러한 구성은 도 11b에 개략적으로 도시되어 있다.
도 11a 내지 도 11b의 구성에서, 네 개의 초점 평면들은 적은 물리적 체적을 갖는 시스템으로부터 동시에 투사된다. 이러한 구성은 가상 현실(VR)에 대부분 적용 가능하다. 배경 광은 관찰자에 대해 낮은 투과율을 가질 것이기 때문에, 증강 현실(AR)에 대한 적용은 제한될 수 있다. 가장 우측의 반사체(30) 및 프로젝터(80a)가 생략되는 경우, 세 개의 별개의 겉보기 이미지 깊이들을 갖는 AR 적용 예가 구현될 수 있다.
도 12는 눈에 가까운 디스플레이 안경(87) 및 사용자(89)의 개략적인 상면도를 도시한다. 반사 표면(30)은 상술한 실시 예들 중 어느 하나 그리고 전부에 대응하여, 안경의 전방에 있다. 배경(90)으로부터의 비편광된 광원은 반사체(30)를 조명할 수 있고, 일부 경우들에서, 30으로부터의 S 반사는 사용자의 눈을 조명하고 가시성에 악영향을 미칠 수 있다.
본 고안의 특정한 바람직한 구현들의 추가 양태에 따르면, 도 12b에 도시된 바와 같이 투과 편광체(92)가 안경의 측 상에(또한 최상단 상에) 배치된다. 이러한 편광체(92)는 반사 편광체(30)의 투과 축과 동일한 배향을 가진다. 결과적으로, 투과된 P 편광된 광(92) 또한 투과할 것이고(30) 관찰자의 눈을 향해 반사되지 않을 것이다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 관찰자의 눈 또는 눈들에 관한 본 고안의 디바이스의 배향 및/또는 위치가 참조되는 경우, 이러한 배향 및/또는 위치는 디바이스를 관찰자의 얼굴 또는 머리에 관해 지지하는 지지 배열체에 의해 정의되는 것이 바람직하다. 이는 관찰자의 코의 브릿지에서 및 귀 위에서 접촉하는 안경 프레임 폼 팩터일 수 있거나, 머리 밴드 또는 머리를 직접 파지하는 헬멧, 또는 임의의 다른 지지 구조체에 기초할 수 있다.
상기한 경우들 중 일부에서, 특히 반사 렌즈가 사용자에 대한 시력 교정을 제공하는 굴절 렌즈의 일부로서 통합되는 경우, 렌즈들은 바람직하게는 목적하는 대로 단독으로 사용될 수 있고, 사용하기 위해 추가적인 증강 현실 구성요소들과 조합될 수 있는 기존의 "AR 준비" 안경(안경)의 일부로서 구현될 수 있다. 이러한 경우들에서, 이미지 프로젝션 시스템 및 광 가이드는 안경에 부착됨으로써 직접 지지되도록 장착 가능할 수 있거나, 또는 전술한 바와 같은 추가 지지 배열체가 제공될 수 있다.
본 고안이 지금까지 눈에 가까운 디스플레이의 바람직하지만 비제한적인 예와 관련하여 예시되었지만, 본 고안의 다양한 양태들의 실시 예들이 헤드업 디스플레이들(HUD들)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 적용 예에 바람직하게 사용될 수 있음을 유념해야 한다. 특히 중요한 HUD들의 하나의 서브 세트는 이미지 조명이 부분적 반사체로부터 반사될 수 있고, 가장 바람직하게는 차량 앞 유리의 표면 상에 구현될 수 있는 차량용 HUD들이다. 이러한 적용 예의 일례가 도 13에 개략적으로 도시되며, HUD 디스플레이(1000)는 차량(도시되지 않음)의 앞 유리의 표면 상의 부분적 반사체(1002), 및 관찰자에 의해 이미지로서 보여지도록 관찰자(1006)의 눈을 향해 반사되도록 반사체를 향해 이미지 조명을 투사하도록 배치된 이미지 프로젝터 어셈블리(1004)를 포함한다. 이미지 프로젝터 어셈블리(1004)는 개략적으로만 표현되어 있지만, 예를 들어, 후측 반사체를 갖는 상술한 디스플레이 아키텍처 중 어느 하나에 따라 구현될 수 있다. 후측 반사체(도시되지 않았지만, 상술한 반사체들(30 또는 130)과 동등함)가 사용되는 경우, 프로젝터 반사체는 바람직하게는 부분적 반사체(1002)의 비구면 곡률을 광학적으로 보상하도록 구성된 비구면 곡률로 구현될 수 있다. 요구되는 광출력을 제공하기 위한 반사 구성요소들의 사용은 광학 배열체들을 과도하게 복잡하게 하지 않고 색수차의 이슈들을 회피한다.
본 고안의 추가 양태에 따르면, 상술한 바와 같은 후방 반사체를 갖는 이미지 프로젝터와 관련하여 적용 가능하든 또는 다른 방식의 기존의 이미지 프로젝터와 관련하여 적용 가능하든, 부분적 반사체에 의해 관찰자를 향해 반사되는 이미지 조명의 비율이 부분적 반사체에 의해 반사체를 통과하는 것으로부터 제외되는 외부 장면으로부터의 광의 비율보다 크도록 선택되는 선택적 반사체인 부분적 반사체(1002)를 채용한다.
이러한 선택적 반사율은 다수의 방식들로 달성될 수 있으며, 이의 예들은 이미 위에서 설명되었다. 본 고안의 이러한 양태의 하나의 구현 그룹에서, 이미지 프로젝터 어셈블리(1004)에 의해 투사되는 상기 이미지 조명은 적어도 부분적으로 편광되고, 부분적 반사체(1002)는 편광 선택적 반사체이다. 부분적 반사체의 적어도 일부가 입사 이미지 방사선에 수직이었던 이전에 설명된 구현들에서, 편광 선택성은 구조적 편광기 반사체를 사용하여서만 달성될 수 있다. 이미지가 비스듬한 각도로 부분적 반사체 상에 입사하는 경우에, 편광에 민감한 반사는 대안적으로 입사 이미지의 전체 각도 범위에 걸쳐 S 편광의 높은 반사 및 P 편광의 낮은 반사율로 편광된 빔 스플리터 효과를 생성하기 위한 유전체 다층 코팅의 적절한 설계에 의해 달성될 수 있다. 이미지 프로젝터 어셈블리의 배향이 출력 이미지에 S 편광을 제공하도록 선택된다면, 외부 장면으로부터의 편광되지 않은 광의 적어도 절반이 부분적 반사체를 통과하여 눈에 도달하는 동안 이미지 조명의 높은 부분이 반사될 수 있다. 부분 반사 빔 스플리터(예를 들어, S 편광의 40% 반사체 및 P 편광의 최소 반사)가 사용되면, 투사된 이미지 강도의 40%가 관찰자를 향해 반사될 수 있는 한편, 주변 비편광된 조명이 단지 약 20%만이 거부된 상태로 부분적 반사체를 통해 투과되면 80%가 반사될 수 있다.
또한 도 4b 및 도 4c와 관련하여 위에서 논의된 대안적인 접근법에 따르면, 이미지 프로젝터 어셈블리에 의해 투사되는 이미지 조명은 특유의 파장을 갖는 적어도 하나의 레이저에 의해 생성되고, 부분적 반사체는 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사하도록 구성된 색채 선택적 반사체이다.
상기한 설명들은 단지 예들로서 기능하도록 의도된다는 것과, 많은 다른 실시 예들이 본 고안의 범위 내에서 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같이 가능하다는 것이 인식될 것이다.

Claims (25)

  1. 관찰자의 눈에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이로서,
    (a) 평행한 주 면들(major faces)의 쌍을 갖는 광 가이드 광학 요소(LOE, light-guide optical element);
    (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체;
    (c) 상기 LOE로부터 상기 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 상기 이미지를 커플링 아웃(coupling out)하기 위한 커플링 아웃 배열체; 및
    (d) 상기 커플링 아웃된 이미지를 다시 상기 LOE를 통해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사하도록 배치된 반사체를 포함하는, 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사체는 부분적으로 투명한 부분적 반사체인 것으로서, 상기 관찰자가 상기 광 가이드 및 상기 부분적 반사체를 통해 실제 장면을 볼 수 있게 하는 것인, 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사체는 편광 선택적 반사체인 것인, 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로젝터 배열체는 적어도 하나의 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 상기 이미지를 투사하며, 상기 레이저는 특유의 파장을 가지고, 상기 반사체는 상기 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사시키도록 구성된 색채 선택적 반사체인 것인, 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프로젝터 배열체는 적어도 제1 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 상기 이미지 및 적어도 제2 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 제2 이미지를 투사하며, 상기 제1 레이저는 제1 특유의 파장을 갖고, 상기 제2 레이저는 상기 제1 특유의 파장과 상이한 제2 특유의 파장을 가지며, 상기 제1 특유의 파장과 상기 제2 특유의 파장은 동일한 지각색(perceived color)에 대응하고, 상기 반사체는 상기 제1 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사시키는 한편 상기 제2 특유의 파장을 실질적으로 통과시키도록 구성된 색채 선택적 반사체이며, 상기 디스플레이는 상기 제2 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위 파장들을 반사시키도록 구성된 제2 색채 선택적 반사체를 더 포함하고, 제1 및 제2 상기 반사체들은 상기 이미지와 상기 제2 이미지가 상이한 겉보기 초점 거리들로 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상이한 곡률들로 형성되는 것인, 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사체는 볼록 반사체인 것인, 디스플레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 볼록 반사체는 구형 반사체(spherical reflector)인 것인, 디스플레이.
  8. 제6항에 있어서, 상기 볼록 반사체는 적어도 하나의 방향으로 조정 가능한 곡률을 갖는 조정 가능한 곡률 반사체인 것인, 디스플레이.
  9. 제6항에 있어서, 상기 볼록 반사체는 다초점 반사체인 것인, 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반사체는 굴절 렌즈와 통합된 표면이며, 상기 굴절 렌즈는 상기 굴절 렌즈 너머의 장면을 보는 상기 관찰자에게 굴절 시력 교정을 제공하도록 구성되는 것인, 디스플레이.
  11. 제10항에 있어서, 상기 굴절 렌즈와 통합된 상기 반사체는 상기 관찰자의 귀와 맞물리기 위한 측부들 및 상기 관찰자의 코와 맞물리기 위한 브릿지부를 갖는 시력 교정 안경의 일부이고, 상기 LOE, 상기 프로젝터 배열체 및 상기 커플링 아웃 배열체는 상기 시력 교정 안경과 탈착 가능하게 맞물리도록 구성된 분리 가능한 유닛으로서 구현되는 것인, 디스플레이.
  12. 제1항에 있어서,
    (a) 평행한 주 면들의 쌍을 갖는 제2 LOE로서, 보는 방향을 따라 볼 때 상기 LOE와 중첩하는 관계로 배치되는, 상기 제2 LOE;
    (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 제2 LOE 내에서 전파하도록 상기 제2 LOE 내로 제2 이미지를 주입하기 위한 제2 프로젝터 배열체; 및
    (c) 상기 제2 LOE로부터 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하기 위한 제2 커플링 아웃 배열체를 더 포함하는, 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 커플링 아웃 배열체는 상기 제2 LOE로부터 상기 관찰자의 눈을 향하는 방향으로 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하도록 구성되는 것인, 디스플레이.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 커플링 아웃 배열체는 상기 제2 LOE로부터 상기 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 상기 제2 이미지를 커플링 아웃하도록 구성되며, 상기 디스플레이는 상기 커플링 아웃된 제2 이미지를 다시 상기 제2 LOE를 통해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사시키도록 배치된 반사체를 더 포함하고, 상기 제2 반사체는 상기 이미지 및 상기 제2 이미지가 상이한 겉보기 초점 거리들로 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상기 반사체와 상이한 곡률을 갖는 것인, 디스플레이.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반사체 및 상기 제2 반사체는 둘 다 편광 선택적 반사체들인 것인, 디스플레이.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 반사체는 상기 반사체의 편광 반사 축에 수직인 편광 반사 축을 갖는 것인, 디스플레이.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제2 반사체는 상기 반사체의 편광 반사 축에 평행한 편광 반사 축을 갖고, 상기 제2 반사체와 상기 LOE 사이에 반파장판(halfwave plate)이 개재되는 것인, 디스플레이.
  18. 제1항에 있어서, 상기 커플링 아웃 배열체는 상기 평행한 주 면들의 쌍에 대해 비스듬한 각도로 상기 LOE 내에 배치되는 복수의 부분적 반사 표면들을 포함하는 것인, 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서, 상기 이미지의 전파 방향과 상이한 전파 방향으로 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 제2 이미지를 주입하는 제2 프로젝터 배열체를 더 포함하며, 상기 제2 이미지는 상기 관찰자의 눈을 향하는 방향으로 상기 부분적 반사 표면들에 의해 상기 LOE에서 커플링 아웃되는 것인, 디스플레이.
  20. 제1항에 있어서, 차량의 앞 유리의 표면 상에 추가 반사체를 더 포함하며, 상기 추가 반사체는 상기 LOE와 상기 관찰자의 눈 사이의 광학 경로에 배치되되, 상기 추가 반사체는 비구면 곡률을 갖고, 상기 반사체는 상기 추가 반사체의 상기 비구면 곡률을 광학적으로 보상하도록 구성된 비구면 곡률로 구현되는 것인, 디스플레이.
  21. 관찰자의 눈에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이로서,
    (a) 차량의 앞 유리의 표면 상의 부분적 반사체;
    (b) 상기 관찰자의 눈에 의해 이미지로서 보여지도록 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되도록 상기 반사체를 향해 이미지 조명을 투사하도록 배치된 이미지 프로젝터 어셈블리를 포함하며,
    상기 부분적 반사체는 상기 부분적 반사체에 의해 상기 관찰자의 눈을 향해 반사되는 상기 이미지 조명의 비율이 상기 부분적 반사체에 의해 상기 앞 유리를 통과하는 것에서 제외되는 외부 장면으로부터의 광의 비율보다 크도록 하는 선택적 반사체인 것인, 디스플레이.
  22. 제21항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리에 의해 투사되는 상기 이미지 조명은 적어도 부분적으로 편광되고, 상기 부분적 반사체는 편광 선택적 반사체인 것인, 디스플레이.
  23. 제21항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리에 의해 투사되는 상기 이미지 조명은 특유의 파장을 갖는 적어도 하나의 레이저에 의해 생성되고, 상기 부분적 반사체는 상기 특유의 파장을 포함하는 좁은 범위의 파장들을 반사하도록 구성된 색채 선택적 반사체인 것인, 디스플레이.
  24. 제21항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터 어셈블리는:
    (a) 평행한 주 면들의 쌍을 갖는 광 가이드 광학 요소(LOE);
    (b) 상기 주 면들의 쌍에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하도록 상기 LOE 내로 이미지를 주입하기 위한 프로젝터 배열체;
    (c) 상기 LOE로부터 상기 부분적 반사체에서 멀어지는 방향으로 상기 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열체; 및
    (d) 상기 커플링 아웃된 이미지를 다시 상기 LOE를 통해 상기 부분적 반사체를 향해 반사하도록 배치된 프로젝터 반사체를 포함하는, 디스플레이.
  25. 제24항에 있어서, 상기 부분적 반사체는 비구면 곡률을 갖고, 상기 프로젝터 반사체는 상기 부분적 반사체의 상기 비구면 곡률을 광학적으로 보상하도록 구성된 비구면 곡률로 구현되는 것인, 디스플레이.
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