KR20210014135A - 광장 균일성 향상을 위한 광학 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
관찰자가 볼 수 있는 이미지을 생성하는 디스플레이 장치(10)는 광학 시스템(14) 및 제어 유닛(20)을 포함한다. 광학 시스템은 이미지를 나타내는 입력 광을 광 전파 채널(14A)에 수신하고 출구 동공(14B)에서 관찰자(18)에게 제시될 이미지에 대응하는 시야(FOV)를 갖는 출력 광을 생성한다. 광 전파 채널은 출구 동공의 측면 치수 x 및 FOV의 각도 스팬 φ에 걸친 광학 시스템의 강도 전이 함수 맵 I1(x, φ)을 가진다. 제어부(20)는 광학 시스템의 강도 전이 함수 맵 I1(x, φ) 내의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하는 보정 강도 맵에 기반하여 강도 변조를 이미지 데이터에 적용함으로써 광학 시스템에 입력될 이미지 데이터를 변조한다.
Description
본 발명은 일반적으로 광학 시스템의 시야 내에서 광장(light field) 균일성을 개선하기 위한 광학 기술 분야에 관한 것이다. 본 발명은 도광 커플러에 기초하여 가상 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이에 특히 유용하다.
근안 디스플레이(NED:near eye displays)에 사용되는 도광 커플러 동작의 주된 물리적 원리는 가상 이미지를 나타내는 광파(light waves)가 기판의 주 표면(major surfaces)에서 내부 전반사에 의해 기판 내부에 갇혀 지고, 하나 이상의 적어도 부분적으로 반사하거나 회절하는(내부) 표면에 의해 관찰자의 눈에 커플링아웃(coupled out)된다. NED의 성능을 정의하는 중요한 요소 중 하나는 도광 커플러에서 출력되는 광에 의해 형성된 조명의 균일성에 대한 요건과 관련이 있다. 비 균일성 또는 불규칙성은 물리적인 커플링-아웃과 관계없이 도광 기반 NED에 고유하다. 불규칙성은 이미지에서 더 낮은/높은 강도의 밴드(band) 또는 가장자리(fringes)처럼 보일 수 있으며, 각도 주파수(angular frequencies)는 시야(FOV)의 1/4과 FOV/100 사이의 범위에 대략적으로 있다. 색상을 독립적으로 처리하는 도광 아키텍처에서 이들은 장면(scene)에 걸쳐 색변동(color variations)으로 나타난다.
조명의 균일성을 개선하기 위해 다양한 기술이 개발되었으며, 예를 들어 US6829095, US7724442, US8004765, US9551874 및 WO16132347에 설명되어 있으며, 모두 본 발명의 출원인에게 양도되었다.
본 발명은 광장 균일성 향상을 위한 광학 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 바와 같이, 시스템 출력의 시야에 걸친 조명/밝기의 균일성은 시스템 성능, 특히 가상 이미징 시스템을 포함하는 디스플레이 장치의 중요한 요건이다. 전술한 이전 기술은 이미지의 어둡고 밝은 영역의 밝기를 평균화하는 광 전파 경로를 따라 다양한 표면에 코팅을 사용하여이 문제를 해결하였다.
본 출원 발명자에 의해 개발된 또 다른 기술은 최근에 출원된 국제 특허 출원 PCT/IL2018/050010에 설명되어있다. 이 기술에 따르면, 광학 유닛의 출력에 광학적으로 결합된 마스킹 광학 요소가 사용되어 광학 유닛의 시야에 걸쳐 불균일한 강도 프로파일의 빛을 생성한다. 마스킹 요소는 불균일한 강도 프로파일에 따라 요소를 가로질러 공간적으로 변화하는 투과 프로파일로 구성되어 마스킹 요소와의 광 상호 작용(통과)은 강도 프로파일 내의 상대적으로 높은 광 강도의 영역에 영향을 주고 마스킹 광학 요소를 통과하는 광에 강도 변조를 주어 광 강도 균일성을 향상시킨다.
본 발명은 관찰자에 의해 관찰된 바와 같이 시스템에 의해 생성된 이미지의 강도/밝기 균일성을 개선하기 위한 새로운 접근법을 제공한다. 본 발명은 그를 통한 광 전파를 안내하기 위해 도광 광학 요소(LOE)를 이용하는 종류의 광학 시스템에 특히 유용하다. 이러한 LOE는 가상 이미지를 투사하기 위한 근안 디스플레이 장치에 사용된다. LOE는 그 주 표면으로부터의 내부 전반사에 의해 LOE를 통한 가상 이미지 광 전파를 안내하도록 구성되며, 가상 이미지 광을 하나 이상의 출력 방향으로 지향시키기 위해 그 내부에 내장된 하나 이상의 광 지향 표면(예 : 적어도 부분 반사 표면)을 포함 할 수 있다.
본 발명에 따르면 광학 시스템의 입구 동공(entry pupil)을 통해 광학 시스템으로 입력되는 이미지-운반 광장(light field)에 강도 변조를 적용하여 관찰자에 의해 관찰되는 이미지의 조명 균일성 프로파일(즉, 관찰자의 눈동자에서의 이미지)을 개선한다. 입력 필드 강도 변조는 전자적으로(예: 공간 광 변조기의 작동을 통해) 적용되며, 이는 광학 시스템에 입력될 이미지 데이터의 생성과 동시에 수행될 수 있거나 광학 시스템에 입력에 입력될 이전 생성된 이미지 데이터에 적용된다.
본 발명에 따르면, 광학 시스템에 의해 정의된 광 전파 채널의 공지된 구성에 기초하여 측정되거나 시뮬레이션된 광학 시스템에 대한 데이터가 제공된다. 그러한 광학 시스템에 관한 데이터는 광학 시스템의 측면 치수 x와 FOV의 각도 스팬 φ 에 걸친 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 포함한다. 즉, 광학 시스템은 각도 공간 스페이스에서 특성 강도 프로파일을 갖느다. 이 데이터가 분석되어 광학 시스템에 입력되는 이미지 데이터에 적절하게 영향을 주게 되어 표시되는 이미지는 향상된 강도 균일성으로 관찰자에 의해 관찰된다.
따라서 본 발명의 넓은 양태에 따르면, 관찰자에 의해 관찰되는 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 장치가 제공된다. 이 디스플레이 장치는 광학 시스템 및 제어 유닛을 포함한다. 광학 시스템은 출구 동공을 갖는 광 전파 채널을 포함하고, 광학 시스템은 디스플레이될 이미지를 나타내는 입력 이미지 운반 광(image-carrying light)을 수신하고 관찰자에게 제공될 이미지에 대응하는 FOV를 가진 출력 광을 출구 동공(exit pupil)에서 생성하도록 동작가능하게 구성되고, 광 전파 채널의 구성은 출구 동공의 측면 치수 x와 FOV의 각도 스팬 φ에 걸쳐 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 정의한다. 제어 유닛은 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)에서의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된 보정 강도 맵에 기반하여 강도 변조를 이미지 데이터에 적용하여 이미지 데이터에 영향을 주도록 동작가능하게 구성되고, 입력 이미지 운반 광은 디스플레이될 이미지를 나타내는 강도 변조된 이미지 데이터에 대응하고, 이미지를 나타내는 광학 시스템의 출구 동공에서의 출력 광은 관찰자에 의해 관찰되는 향상된 강도 균일성을 가진 변조된 강도 맵을 구비한다.
일부 실시예에서, 제어 유닛은 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ) 및 미리 결정된 눈동자 관련 데이터를 분석하고, 출구 동공으로부터 눈동자까지 각도 강도 전이를 나타내는 대응하는 강도 전이 함수 맵을 결정하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성되는 강도 맵 생성기 모듈를 포함한다. 보정 강도 맵은 강도 맵 변조기 유틸리티에 의해 분석되고, 강도 맵 변조기 유틸리티는 보정 강도 맵을 이용하여 대응하는 강도 변조를 생성하고 강도 변조를 광학 시스템에 입력되는 이미지 데이터에 적용하도록 구성된다. 이미지에 적용되는 강도 변조는 보정 강도 맵의 적어도 일부분을 나타내는 데이터의 반전으로서 적용된다.
미리 결정된 눈동자 관련 데이터는 눈동자 치수 x'를 나타내는 데이터(주어지거나 특정 관찰자에 대해 측정됨), 및/또는 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z를 나타내는 데이터(특정 헤드 장착 근안 디스플레이 장치에 대해 고정될 수 있음) 또는 출구 동공과 눈동자 사이의 측면 오프셋(x'-x)를 나타내는 데이터를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 강도 맵 생성기 모듈은 미리 결정된 눈동자 치수 x' 및 출구 동공과 눈동자 사이의 미리결정된 측면 오프셋 (x'-x) 상에서 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 컨볼브(convolve)하고, 출구 동공으로부터 미리결정된 눈동자 치수 x'까지의 각도 강도 전이를 나타내는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적분기 모듈을 포함한다.
전술한 바와 같이, 제어 유닛은 눈동자 치수 x'를 나타내는 주어진 데이터를 이용할 수도 있다.
일부 실시예에서, 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터는 상이한 동공 크기(extents) x'에 대응하는 복수의 컨볼브된 강도 전이 함수 맵을 포함한다.
강도 맵 생성기 모듈은 선택기 모듈을 포함하고, 선택기 모듈은 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z, 및 출구 동공과 눈동자 사이의 측방 오프셋(x'-x)을 나타내는 데이터를 이용하고, 상기 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ) 내에서 거리 z와 오프셋 (x'-x)에 대응하는 영역을 식별하기 위해 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 분석하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성된다.
강도 맵 변조기 유틸리티는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)의 선택된 영역의 반전으로서 강도 변조를 생성하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 이미지 디스플레이 세션 동안 관찰자의 눈동자의 하나 이상의 파라미터가 측정될 수 있다. 이를 위해 시스템은 눈 위치 제어기를 포함하고, 눈 위치 제어기는 관찰자의 눈동자의 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고 눈동자 관련 데이터를 결정하도록 동작가능하게 구성되어 제어 유닛으로 하여금 동적으로 보정 강도 맵을 조정가능하게 한다.
또한 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서 본 발명의 따른 디스플레이 장치는 가상 이미지를 디스플레이 하기 위한 근안 디스플레이 장치로 구성되거나, 실제 장면 이미지를 추가적으로 그리고 동시에 디스플레이하기 위한 쓰루-씨(through-see) 디스플레이 장치로 구성될 수 있다. 그러한 근안 디스플레이 장치의 광학 시스템은 도파관(waveguide)을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)를 포함하고, 도광 광학 요소는 도파관의 주 표면으로부터 내부 전반사에 의해 이를 통과하는 광 전파를 안내하도록 구성되고, 도파로에 매설되고 광을 도파로 외부로 지향하기 위한 출구 동공을 정의하도로 배열된 나 이상의 광 지향 표면을 포함한다.
일부 실시예에서 제어 유닛은 상기 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 상기 데이터를 수신하기 위해 저장 장치와 통신하도록 구성된다. 대아적으로 또는 추가적으로 제어 유닛은 시뮬레이터 모듈을 포함하고, 시뮬레이터 모듈은 광학 시스템의 광 전파 채널의 구성을 나타내는 데이터를 수신하고, 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 데이터를 포함하는 시뮬레이트된 데이터를 결정하도록 동작가능하게 구성된다.
본 발명의 다른 넓은 양태에 따르면 광학 시스템을 구비한 디스플레이 장치로부터 관찰자에 의해 관찰되는 이미지의 조명 균일성을 제어하기 위한 제어 시스템이 제공된다. 제어 시스템은 데이터 입력 및 출력 유틸리티, 메모리 유틸리티, 데이터 프로세서 및 분석기를 포함하는 컴퓨터 시스템으로서 구성되고, 강도 맵 생성기 모듈 및 강도 맵 생성기 모듈과 데이터 통신되는 강도 맵 변조기 유틸리티를 포함한다. 강도 맵 생성기 모듈은 광학 시스템의 출구 동공의 측면 치수 x와 광학 시스템에 의해 관찰자에게 제공될 이미지에 대응하는 FOV의 각도 스팬 φ에 걸쳐서 관찰자의 눈동자 관련 데이터 및 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)를 수신 및 분석한다. 강도 맵 생성기 모듈은 출구 동공으로부터 눈동자까지 각도 강도 전이를 나타내는 대응하는 강도 전이 함수 맵을 결정하고, 보정 강도 맵을 생성한다. 강도 맵 변조기 유틸리티는 보정 강도 맵을 이용하여 광학 시스템에 입력될 이미지를 나타내는 이미지 운반 광으로 변환되는 이미지 데이터에 적용되는 대응하는 강도 변조를 생성하도록 동작가능하게 구성되고, 관찰자에 의해 향상된 강도 균일성으로 관찰되는 변조된 강도 맵을 가진 이미지를 나타내는 광학 시스템의 출구 동공에서의 출력 광을 제공하기 위해, 강도 변조는 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵에서의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하도록 이미지 데이터에 영향을 준다.
본 발명에 따르면 광장 균일성 향상을 위한 광학 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 주제를 더 잘 이해하고 본 발명이 실제로 수행될 수 있는 방법을 예시하기 위해, 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예시적인 방식으로 본 발명의 실시예가 설명된다.
도 1은 관찰자에 의해 관찰될 이미지를 디스플레이하기 위해 본 발명에 따라 구성된 디스플레이 장치의 블록도;
도 2는 관찰자에 의해 관찰되는 바와 같이 디스플레이되는 이미지의 조명 균일성을 제어하기 위해 도 1의 시스템에서 사용하기 위한 본 발명의 제어 시스템의 구성의 블록도;
도 3a 내지 도 3d는 LOE 기반 광학 시스템을 사용하는 근안 디스플레이에 의해 디스플레이되는 이미지를 관찰할 때 조명 균일성을 개선하기 위한 본 발명의 기술을 예시하는 도면;
도 4a ~ 4c 및 도 5a ~ 도 5c는 예시된 LOE 기반 광학 시스템을 통한 광 스킴(scheme) 전파가 LOE 기반 광학 시스템의 강도 맵을 시뮬레이션하는데 사용할 수있는, LOE 출구 동공에서의 강도 맵에 어떻게 영향을 주는지를 예시적으로 나타내는 도면;
도 6은 각도-공간(angular-spatial) 스페이스(space)의 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)이 라인 CCD 스캔을 사용하여 어떻게 측정될 수 있는지를 예시적으로 나타내는 도면;
도 1은 관찰자에 의해 관찰될 이미지를 디스플레이하기 위해 본 발명에 따라 구성된 디스플레이 장치의 블록도;
도 2는 관찰자에 의해 관찰되는 바와 같이 디스플레이되는 이미지의 조명 균일성을 제어하기 위해 도 1의 시스템에서 사용하기 위한 본 발명의 제어 시스템의 구성의 블록도;
도 3a 내지 도 3d는 LOE 기반 광학 시스템을 사용하는 근안 디스플레이에 의해 디스플레이되는 이미지를 관찰할 때 조명 균일성을 개선하기 위한 본 발명의 기술을 예시하는 도면;
도 4a ~ 4c 및 도 5a ~ 도 5c는 예시된 LOE 기반 광학 시스템을 통한 광 스킴(scheme) 전파가 LOE 기반 광학 시스템의 강도 맵을 시뮬레이션하는데 사용할 수있는, LOE 출구 동공에서의 강도 맵에 어떻게 영향을 주는지를 예시적으로 나타내는 도면;
도 6은 각도-공간(angular-spatial) 스페이스(space)의 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)이 라인 CCD 스캔을 사용하여 어떻게 측정될 수 있는지를 예시적으로 나타내는 도면;
본 발명의 디스플레이 장치(10)를 블록도의 방식으로 도시한 도 1을 참조한다. 디스플레이 장치(10)는 이미지 데이터 생성기(12)와 관련된 광학 시스템(14)을 포함한다. 후자인 이미지 데이터 생성기는 이미지 데이터 제공자로부터 이미지 데이터를 수신하고 대응하는 광장(광 강도 맵을 갖는 구조화된 광)을 생성하도록 작동가능하게 구성된다. 이는 공간 광 변조기, 예를 들면 LCD-기반 변조기 또는 일반적으로 광원 매트릭스(예: OLED)를 사용하여 구현될 수 있다.
광학 시스템(14)은 광 전파 채널(14A)을 통해 관찰자/관측자의 눈(18)에 제공되고 관찰되는 광학 시스템의 이미지에 대응하는 시야(FOV)를 가진 출구 동공(14B)을 향하여, 디스플레이될 이미지에 대응하는 구조화된 광을 안내하기 위한 광 전파 채널(14A)을 정의하는 하나 이상의 광학 요소(미도시)를 포함한다. 광 전파 채널(14A)의 구성은 출구 동공(14B)의 측면 치수 x와 FOV의 각도 스팬(angular span) φ에 거쳐 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)를 정의한다.
또한, 디스플레이 장치(10)에는 관찰자에 의해 관찰되는 바와 같이 이미지의 조명/강도 균일성을 제어하도록 본 발명에 따라 구성 및 작동가능한 제어 유닛(20)이 제공된다. 본 발명은 관찰자, 즉 눈동자(18)에서 관찰되는 이미지의 강도 프로파일을 개선하는 것을 목표로한다는 것을 이해해야 한다. 이는 아래에서 더 구체적으로 설명될 것이다.
제어 유닛(20)은 이미지 데이터 생성기(12)의 일부이거나 별도의 유닛일 수있다. 제어 유닛(20)은 광학 시스템에 입력되어질 광 강도 맵을 나타내는 이미지 데이터(ID)를 수신하고 강도 변조 이미지 데이터(IDmod)를 생성하기 위해 강도 변조를 이미지 데이터에 부가한다. 이 강도 변조 이미지 데이터(IDmod)는 예를 들어 공간 광 변조기(SLM)의 알려진 적절한 구성, 예를 들면 LCD 기반 변조기에 의해 대응하는 광장(구조화된 광)으로 변환되고 광학 시스템(14)을 통해 전파된다.
제어 유닛(20)에 의해 적용되는 강도 변조는 제어 유닛에 의해 결정되는 보정(correction) 강도 맵을 기반으로 하며, 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하도록 구성되어, 광학 시스템(14)의 출구 동공(14B)에서의 이미지 운반 출력 광은 향상된 강도 균일성을 가진 관찰자에 의해 관찰되는 변조된 강도 맵(Imod)를 갖는다.
도면에 예시된 바와 같이, 제어 유닛(20)은 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)를 나타내는 데이터를 포함하여 데이터 제공자(22)(예: 저장 장치)로부터 입력 데이터(예: 이러한 데이터가 저장된 저장 장치에 대한 액세스)를 수신한다. 그러나 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 데이터는 이전에 생성(예 : 시뮬레이션 또는 측정)되고 저장 장치에 저장된 맵 데이터 자체를 포함할 수 있거나 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 그러한 데이터는 소정의 광학 시스템의 광 전파 채널의 구성에 대한 데이터를 포함할 수도 있다는 점에 주의해야한다. 후자의 경우, 제어 유닛(20)은 광 전파 채널의 구성을 분석하고 광학 시스템의 시뮬레이션된 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 결정하도록 구성되고 동작가능한 시뮬레이터 모듈을 포함한다. 이에 대해서는 이하에서 더 상세하게 설명한다.
또한 도면에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(20)은 또한 강도 변조 이미지 데이터(IDmod)를 생성하기 위해 눈동자 관련 데이터를 이용할 수 있다. 이러한 눈동자 관련 데이터는 눈동자의 측면 치수 x', 출구 동공(14B)과 눈동자(18) 사이의 거리 z, 및 출구 동공(14B)와 눈동자(18) 사이의 측면 오프셋(x' - x)과 같은 하나 이상의 파라미터를 포함한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 이러한 파라미터는, 즉 전형적인 값(예를 들어, 눈동자의 측면 치수 x' 는 일반적으로 약 3mm 임)으로 주어질 수도 있고; 출구 동공(14B)과 눈동자(18) 사이의 거리 z 및 출구 동공(14B)과 눈동자(18) 사이의 측면 오프셋(x'-x)에 대한 값은 예를 들면 헤드 마운트 디스플레이 장치와 같이 관찰자에 대해 디스플레이 장치의 위치가 고정된 경우 거의 고정 될 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 이하에 더 설명되는 바와 같이, 디스플레이 장치(10)는 이미지 디스플레이 세션(session) 동안 거리 z 및/또는 측면 오프셋 (x'-x)의 변화를 관찰/측정하고 각각의 데이터를 생성하여 제어 유닛이 그에 응답하여 강도 변조 이미지 데이터(IDmod)를 동적으로 조절/업데이트하는 적당한 눈추적기(eye tracker)가 장착된 눈동자 제어기를 대안적으로 또는 추가적으로 포함할 수 있다. 눈동자 제어기는 또한 관찰자의 눈동자 크기(x')를 측정하기 위한 측정 유닛을 포함할 수도 있다.
본 발명의 광학 시스템 또는 그 적어도 일부(예를 들어, 도광 요소)는 매우 콤팩트한 구성일 수 있고, HUD에 장착되거나 별도의 모듈인 HUD(head-up display)에 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 가능한 애플리케이션은 미리 결정된 소프트웨어 애플리케이션과 함께 설치되는 스마트폰의 일부분 일 수 있다. 이러한 구성의 예는 예를 들면 HUD에 연결가능한 휴대용 도광 요소는 본 출원의 양수인에게 양도된 US8,004,765에 설명되어 있다.
도 2는 예시적인 제어 유닛(20)의 구성의 블록도를 나타낸다. 제어 유닛(20)은 구체적으로 도시되지 않은 데이터 입력 및 출력 유틸리티와 메모리를 포함한다. 제어 유닛(20)은 이미지 데이터 제공자(22)의 일부분이거나, 이미지 데이터 제공자(22)에 연결가능하거나 그 일부분인 이미지 데이터 제공자(12)와 데이터 통신되도록 구성된 개별 유닛/회로(20)일 수 있다.
제어 유닛(20)은 광학 시스템(예를 들어, 소정의 또는 시뮬레이션된)의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 데이터 및 전술한 바와 같은 관찰자의 눈동자 관련 데이터를 분석하고, 출구 동공으로부터 눈동자로의 각 강도 전이(angular intensity transfer)를 나타내는 대응하는 강도 전이 함수 맵을 결정하고, 대응하는 강도 맵 I2(x,φ)를 생성하도록 구성되고 작동가능한 강도 맵 생성기 모듈(24)을 포함한다.
도면에 예시된 바와 같이, 강도 맵 생성기 모듈(24)은 미리 결정된 눈동자 치수 x '및 출구 동공과 눈동자 사이의 미리 결정된 측면 오프셋(x'-x)에 걸쳐 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 컨볼브(convolve)하도록 구성된 적분기 모듈(24A)을 포함하고, 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)를 나타내는 데이터를 획득한다. 이러한 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)은 출구 동공(14B)으로부터 미리 결정된 측면 치수의 눈동자(18)까지의 각도 강도 전이 및 출구 동공에 대한 상대적인 위치를 나타낸다.
컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터가 제공되는 경우가 있으며, 상이한 동공 크기 x'에 대응하는 복수의 컨볼브된 강도 전이 함수 맵을 포함한다. 이 실시예에서 강도 맵 생성기 모듈(24)은 출구 동공(14B)과 눈동자(18) 사이의 거리 z와, 출구 동공과 눈동자 사이의 측면 오프셋(x'-x)을 나타내는 데이터를 이용하도록 구성되고 작동가능한 선택기 모듈(24B)을 더 포함하고, 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'((x'-x),φ) 내에서 거리 z 및 오프셋 (x'-x) 값에 대응하는 영역을 식별하고, 보정 강도 맵 I2(x,φ)를 생성한다.
또한 제어 유닛(20)에는 이미지 데이터 생성기(12)로부터 이미지 데이터 ID(예를 들어, 가상 이미지)를 수신하고, 강도 맵 생성기 모듈(24)로부터 보정 강도 맵 I2(x,φ)를 수신하는 강도 맵 변조기 유틸리티(26)가 제공된다. 강도 맵 변조기 유틸리티(26)는 보정 강도 맵 I2(x,φ)를 분석하고 대응하는 강도 변조를 생성하고, 이 변조를 이미지 데이터 ID에 적용하여 강도 변조된 이미지 데이터 IDmod를 생성하도록 구성되고 동작된다. 강도 변조는 예를 들어 보정 강도 맵의 반전(또는 반전의 일부 근사), 즉 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)의 선택된 영역의 반전으로서 생성되어 이미지 데이터 ID에 적용된다.
이렇게 생성된 강도 변조 이미지 데이터 IDmod는 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)에서의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하기 위해, 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 사용하여 광학 시스템(14)으로 들어가는 대응하는 광장(구조화된 광)로 변환된다. 결과적으로 원본 이미지를 나타내는 광학 시스템의 출구 동공에서의 출력 광은 변조된 강도 맵을 가지므로 향상된 강도 맵 I'2(x,φ)를 가진 대응하는 이미지가 관찰자(눈동자에서) 관찰된다.
가상 이미징 시스템에서 사용되는 디스플레이 장치를 고려할 때, 디스플레이 장치는 일반적으로 눈동자 관련 파라미터(일반적으로 거리 z 및 측면 오프셋(x'-x)) 중 하나 이상을 동적으로 조정/업데이트하는 눈동자 제어기(눈 추적기)(28)를 포함한다. 따라서, 제어 유닛(20)(그 강도 맵 생성기(24))은 보정 강도 맵 I2(x,φ)를 동적으로 조절한다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하여 근안 디스플레이에서 사용되는 LOE 기반 광학 시스템의 동작을 제어를 본 발명의 기술을 설명한다.
도 3a는 주 표면(32, 34) 및 광 지향 요소(31, 35)(적어도 부분 반사)가 내장된 LOE(16), 광학 시스템(14)을 통해 광 전파 채널(14A)을 함께 정의하는 시준 모듈(17)을 이용하는 광학 시스템(14)을 포함하는 헤드 업 디스플레이 장치(30)를 예시한다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(30)는 이미지 데이터를 대응하는 이미지-운반 광으로 변환하기 위해 전술한 바와 같이 구성된(예를 들면 SLM 기반 프로젝터) 이미지 생성 장치(36)를 포함한다. 이미지 생성 장치는 제어 유닛(20)을 포함하거나 이에 연결될 수 있는 이미지 데이터 제공자(22)(예를 들어 전술한 바와 같이 구성됨)에 의해 작동된다. 도면에 도시된 바와 같이, 이미지 운반 광은 시준 모듈(17)을 통과하여 LOE(도파관/기판)(16)에 진입하고, 광 지향 요소(반사기)(31)로부터 반사되고 LOE의 기판/바디에 갇혀 지고, 여기서 광은 주 표면(32, 34)으로부터 내부 전반사에 의해 안내되고, 관찰자의 눈의 동공(18)을 향해 전파하기 위해 기판으로부터 광을 커플링아웃하는 적어도 부분 반사 요소(35)와 연속적으로 상호 작용한다.
이러한 LOE 기반 광학 시스템(14)의 구성 및 동작은 그 자체로 공지되어 있으며 본 출원의 양수인의 상기 언급된 이전 특허 공보에 예시되어 있다. 이러한 광학 시스템의 구성 및 작동은 본 발명의 요지를 가릴 수 있으므로 여기서 상세히 설명하지는 않는다. 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 결정/시뮬레이션하기 위해 광학 시스템의 구성을 사용하는 원리에 대해서는 아래에서보다 구체적으로 설명한다.
도 3b는 출구 동공의 측면 치수 x 및 관찰자에게 제시될 이미지에 대응하는 FOV의 각도 스팬φ에 걸쳐서, 또한 출구 동공과 관찰자의 눈동자 사이의 거리 z에 따른 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 예시적으로 나타낸다. 여기서, 라인 A 및 그 각도 배향 α는 각각 광학 시스템의 출구 동공에 대한 눈동자의 측면 치수 x' 및 눈동자 위치 z에 대응한다.
도 3c는 미리결정된 눈동자 치수 x'와 출구 동공과 눈동자 사이의 미리결정된 측면 오프셋(x'-x) 상에서 도 3b의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)를 컨볼브하여 얻어지는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타낸다. 이런 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)은 출구 동공으로부터 미리결정된 눈동자 치수 x'로의 각도 강도 전이를 나타낸다.
도 3d는 보정 강도 맵 I2(x,φ)를 나타내며, 이는 거리 z와 측면 오프셋(x'-x)을 활용하여 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ), 이러한 거리 z 및 오프셋(x'-x) 값에 해당하는 영역에서 추출하여 얻어 진다.
전술한 바와 같이, 이렇게 획득된 보정 강도 맵 I2(x,φ)는 보정 강도 맵 I2(x,φ)의 반전으로서 이미지 데이터에 강도 변조를 적용하고 이미지 생성 장치(36)(예를 들어 프로젝터)를 작동시키는데 사용된다.
도 4a - 4c 및 도 5a - 5c를 참조하면, 도 4a - 4c 및 도 5a - 5c는 예시된 LOE 기반 광학 시스템을 통한 광 스킴(scheme) 전파가 광학 시스템(즉, LOE)의 출구 동공에서 강도 맵에 어떻게 영향을 미치는지 예시하고 있으며, 이는 출사 동공의 측면 치수 x와 관찰자에게 제공될 이미지에 대응하는 FOV의 각도 스팬 φ에 걸쳐 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 시뮬레이션하는데 이용될 수 있다. 이 도면들은 특정 광학 시스템을 특성화하는 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)에서와 같이 각도-공간 스페이스에서의 다크 밴드 효과와 그 표현의 성질을 나타낸다.
도 4a는 상이한 각도로 LOE에 입사하는 광선에 대한 광 지향 요소(30)와의 광 상호 작용의 차이로 인해, FOV 상에서, 일부 광선은 다른 광선보다 더 많은 감쇠를 겪는 소위 "구조적 밴드"관련 효과를 나타낸다. 보다 구체적으로, 구조적 밴드는 각각의 내부 전반사에 의해 곱해지며, 결과적으로 더 높은 수의 광 지향 요소 /패싯(facet)(LOE를 통한 광 전파의 일반적인 방향에서 연속적으로 배열된 패싯의 순서)에서, 예를 들면 3번째 패싯, 이들이 합쳐지고 시각적으로 눈에 잘 띄는 밴드가 된다. 이는 도 5a에 도시되어 있다.
도 4b 및 도 5b는 "조명 불균일" 관련 밴드를 나타내며, 입사 동공 상의 고르지 않은 조명은 LOE에 의해 복제(replicated)되고 주기적인 밝기 변화를 형성한다.
도 4c 및 도 5c는 소위 "언더랩 밴드 효과"를 나타내며, 낮은 각도에서 광선이 채울수 없는 얇은 영역이 있고 더 높은 각도에서 유사한 영역이 있고 광선이 두번 채운다.
따라서 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 사용하여 모든 동공 측면 치수 및 z 거리에 대해 시야 상에서 어두운 밴드에 대한 완전한 데이터를 결정할 수 있다. 이 데이터를 사용하여 보정 맵이 결정될 수 있고, 다크 밴드 효과가 전자적으로 보정될 수 있다(눈 위치를 알고 있는 것에 따른 정확성으로).
본 발명의 기술은 전술한 코팅 기반 해결책에 추가적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 발명자는 LOE 기반 광학 시스템의 경우 가장 문제가 되는 다크 밴드 효과가 동공 치수/FOV 맵의 중앙에 나타나며 이는 적절한 코팅 설계로 개선될 수 있고, 전술한 바와 같은 보정 맵에 의해 다른 효과가 전자적으로 보상/개선될 수 있음을 발견했다.
또한 위에서 설명한 바와 같이, 주어진 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)이 측정될 수 있다. 이러한 측정은 예를 들어 라인 CCD를 사용하여 출구 동공 출력을 스캔함으로써 구현될 수 있다. 이는 라인 CCD 맵, 즉 각도-공간 스페이스(출구 동공으로부터의 거리 z에 걸쳐, 출구 동공의 측면 치수 x 및 FOV의 각도 스팬φ에 따라)에서 측정된 강도 프로파일을 나타내는 도 6에 예시되어 있다. 라인 프로파일은 동공 x에 걸친 FOV 상에서의 강도 변동을 나타내고, 슬로프 α는 눈동자간 거리 또는 거리 z에 대응한다.
측정되거나 시뮬레이션된 이러한 맵은 눈동자간 거리(z 거리), 눈 위치(측면 오프셋) 및 눈동자 직경(측면 치수)에 대한 모든 강도 데이터를 포함한다. 따라서 각도-공간 스페이스에서 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)인이 맵을 사용하여 강도 불균일성 소스(다크 밴드 효과)를 보상(눈 트래커를 통해 동적으로 또는 정적으로) 할 수 있다.
Claims (23)
- 관찰자에 의해 관찰되는 이미지를 생성하기 위한 디스플레이 장치에 있어서,
출구 동공을 갖는 광 전파 채널을 포함하는 광학 시스템 - 광학 시스템은 디스플레이될 이미지를 나타내는 입력 이미지 운반 광(image-carrying light)을 수신하고 관찰자에게 제공될 이미지에 대응하는 FOV를 가진 출력 광을 출구 동공(exit pupil)에서 생성하도록 동작가능하게 구성되고, 광 전파 채널의 구성은 출구 동공의 측면 치수 x와 FOV의 각도 스팬 φ에 걸쳐 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 정의함 - ; 및
광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)에서의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하도록 구성된 보정 강도 맵에 기반하여 강도 변조를 이미지 데이터에 적용하여 이미지 데이터에 영향을 주도록 동작가능하게 구성된 제어 유닛을 포함하여, 입력 이미지 운반 광은 디스플레이될 이미지를 나타내는 강도 변조된 이미지 데이터 IDmod에 대응하고, 이미지를 나타내는 광학 시스템의 출구 동공에서의 출력 광은 관찰자에 의해 관찰되는 향상된 강도 균일성을 가진 변조된 강도 맵을 구비한 것을 특징으로 하는
디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ) 및 미리 결정된 눈동자 관련 데이터를 분석하고, 출구 동공으로부터 눈동자까지 각도 강도 전이를 나타내는 대응하는 강도 전이 함수 맵을 결정하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성되는 강도 맵 생성기 모듈; 및
상기 보정 강도 맵을 이용하여 대응하는 강도 변조를 생성하고 상기 강도 변조를 광학 시스템에 입력되는 이미지 데이터에 적용하도록 동작가능하게 구성된 강도 맵 변조기 유틸리티를 포함하는
디스플레이 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 미리 결정된 눈동자 관련 데이터는 눈동자 치수 x'를 나타내는 데이터를 포함하는
디스플레이 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 미리 결정된 눈동자 관련 데이터는 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z 및 출구 동공과 눈동자 사이의 측면 오프셋 x'-x를 나타내는 데이터를 포함하는
디스플레이 장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강도 맵 생성기 모듈은 미리 결정된 눈동자 치수 x' 및 출구 동공과 눈동자 사이의 미리결정된 측면 오프셋 (x'-x) 상에서 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 컨볼브(convolve)하고, 출구 동공으로부터 미리결정된 눈동자 치수 x'까지의 각도 강도 전이를 나타내는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적분기 모듈을 포함하는
디스플레이 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 제어 유닛은 눈동자 치수 x'를 나타내는 주어진 데이터를 이용하는
디스플레이 장치.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,
컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터는 상이한 동공 크기(extents) x'에 대응하는 복수의 컨볼브된 강도 전이 함수 맵을 포함하는
디스플레이 장치.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강도 맵 생성기 모듈은 선택기 모듈을 포함하고, 선택기 모듈은 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z, 및 출구 동공과 눈동자 사이의 측방 오프셋(x'-x)을 나타내는 데이터를 이용하고, 상기 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ) 내에서 거리 z와 오프셋 (x'-x)에 대응하는 영역을 식별하기 위해 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 분석하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성된
디스플레이 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 강도 맵 변조기 유틸리티는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)의 선택된 영역의 반전으로서 강도 변조를 생성하도록 구성된
디스플레이 장치.
- 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
이미지 디스플레이 세션 동안 관찰자의 눈동자의 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고 눈동자 관련 데이터를 결정하도록 동작가능하게 구성되어 제어 유닛으로 하여금 동적으로 보정 강도 맵을 조정가능하게 하는 눈 위치 제어기를 포함하는
디스플레이 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
가상 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이 장치로 구성된
디스플레이 장치.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템은 도파관(waveguide)을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)를 포함하고, 도광 광학 요소는 도파관의 주 표면으로부터 내부 전반사에 의해 이를 통과하는 광 전파를 안내하도록 구성되고, 도파로에 매설되고 광을 도파로 외부로 지향하기 위한 출구 동공을 정의하도로 배열된 나 이상의 광 지향 표면을 포함하는
디스플레이 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 상기 데이터를 수신하기 위해 저장 장치와 통신하도록 구성되는
디스플레이 장치.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 시뮬레이터 모듈을 포함하고, 시뮬레이터 모듈은 광학 시스템의 광 전파 채널의 구성을 나타내는 데이터를 수신하고, 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 나타내는 데이터를 포함하는 시뮬레이트된 데이터를 결정하도록 동작가능하게 구성된
디스플레이 장치.
- 광학 시스템을 구비한 디스플레이 장치로부터 관찰자에 의해 관찰되는 이미지의 조명 균일성을 제어하고, 데이터 입력 및 출력 유틸리티, 메모리 유틸리티, 데이터 프로세서 및 분석기를 포함하는 제어 시스템에 있어서,
광학 시스템의 출구 동공의 측면 치수 x와 광학 시스템에 의해 관찰자에게 제공될 이미지에 대응하는 FOV의 각도 스팬 φ에 걸쳐서 관찰자의 눈동자 관련 데이터 및 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)를 수신 및 분석하고, 출구 동공으로부터 눈동자까지 각도 강도 전이를 나타내는 대응하는 강도 전이 함수 맵을 결정하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성되는 강도 맵 생성기 모듈; 및
보정 강도 맵을 이용하여 광학 시스템에 입력될 이미지를 나타내는 이미지 운반 광으로 변환되는 이미지 데이터에 적용되는 대응하는 강도 변조를 생성하도록 동작가능하게 구성되는 강도 맵 변조기 유틸리티 - 관찰자에 의해 향상된 강도 균일성으로 관찰되는 변조된 강도 맵을 가진 이미지를 나타내는 광학 시스템의 출구 동공에서의 출력 광을 제공하기 위해, 강도 변조는 광학 시스템의 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)에서의 강도 불균일성을 적어도 부분적으로 보상하도록 이미지 데이터에 영향을 줌 - ;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
- 제15항에 있어서,
상기 미리 결정된 눈동자 관련 데이터는 눈동자 치수 x '를 나타내는 데이터를 포함하는
제어 시스템.
- 제15 항 또는 제16항에 있어서,
상기 미리 결정된 눈동자 관련 데이터는 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z 및 출구 동공과 눈동자 사이의 측면 오프셋 x'-x를 나타내는 데이터를 포함하는
제어 시스템. .
- 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강도 맵 생성기 모듈은 미리 결정된 눈동자 치수 x' 및 출구 동공과 눈동자 사이의 미리결정된 측면 오프셋 (x'-x) 상에서 특성 강도 전이 함수 맵 I1(x,φ)을 컨볼브(convolve)하고, 출구 동공으로부터 미리결정된 눈동자 치수 x'까지의 각도 강도 전이를 나타내는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 획득하도록 구성된 적분기 모듈을 포함하는
제어 시스템.
- 제18항에 있어서,
상기 강도 맵 생성기 모듈 데이터는 눈동자 치수 x'를 포함하는 입력 데이터를 수신하는
제어 시스템.
- 제18항 또는 제19항에 있어서,
컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터는 상이한 동공 크기(extents) x'에 대응하는 복수의 컨볼브된 강도 전이 함수 맵을 포함하는
제어 시스템.
- 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강도 맵 생성기 모듈은 선택기 모듈을 포함하고, 선택기 모듈은 출구 동공과 눈동자 사이의 거리 z, 및 출구 동공과 눈동자 사이의 측방 오프셋(x'-x)을 나타내는 데이터를 이용하고, 상기 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ) 내에서 거리 z와 오프셋 (x'-x)에 대응하는 영역을 식별하기 위해 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)을 나타내는 데이터를 분석하고, 보정 강도 맵을 생성하도록 동작가능하게 구성된
제어 시스템.
- 제21항에 있어서,
상기 강도 맵 변조기 유틸리티는 컨볼브된 강도 전이 함수 맵 I'1((x'-x),φ)의 선택된 영역의 반전으로서 강도 변조를 생성하도록 구성된
제어 시스템.
- 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
이미지 디스플레이 세션 동안 관찰자의 눈동자의 하나 이상의 파라미터를 포함하는 입력 데이터에 응답하여 보정 강도 맵을 동적으로 조정가능하도록 구성되는
제어 시스템.
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