KR20210072782A - 조절 가능한 전기 활성 빔 분할기를 갖는 증강 현실 장치 - Google Patents

조절 가능한 전기 활성 빔 분할기를 갖는 증강 현실 장치 Download PDF

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KR20210072782A
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휴겐 안토니 반
아니타 트라이코브스카-브로쉬
해리 밀턴
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이-비전 스마트 옵틱스, 아이엔씨.
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Abstract

밝은 주변 광은 종래의 증강 현실 장치에서 가상 이미지를 지울 수 있다. 다행스럽게도, 이러한 문제는, 주변 레벨에 기초한 듀티 사이클로 반사/투과율이 신속하게 변화되거나 켜지고 꺼질 수 있는, 가변 전기 활성 빔 분할기로 방지될 수 있다. 주변 광이 더 밝게 됨에 따라, 빔 분할기가 디스플레이로부터 더 많은 광을 반사하고 사용자의 눈에 더 적은 주변 광을 투과하도록, 빔 분할기의 투과/반사 비율이 전환될 수 있다. 빔 분할기는 또한, 투과된 주변 광을 모으는 것보다 반사된 디스플레이 광을 모으는 데 눈이 더 많은 시간을 소비하도록 선택된 듀티 사이클로, 고 반사 상태와 고 투과 상태 사이에서 스위칭 될 수 있다. 분할비 및/또는 듀티 사이클은 주변 광 레벨이 변화함에 따라 조절되어 사용자에게 최적의 경험을 제공할 수 있다.

Description

조절 가능한 전기 활성 빔 분할기를 갖는 증강 현실 장치
관련 출원(들)에 대한 상호 참조
본 출원은, 35 U.S.C. 119(e) 하에, 2018년 10월 8일에 출원된 미국 특허 출원 제62/742,800호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다.
증강 현실 장치는 사용자가 현실 세계의 뷰에 중첩된 가상 이미지로 현실 세계를 볼 수 있게 한다. 전형적인 증강 현실 장치에서, 빔 분할기 또는 빔 조합기는 현실 세계로부터의 광과 디스플레이로부터의 광을 함께 모은다. 디스플레이로부터의 광이 가상 이미지로서 나타난다.
빔 분할기 및 빔 조합기는 광의 부분 반사기일 뿐이다. 즉, 이들은 입사 광을 투과하고 반사한다. 빔 분할기가, 두 개의 입력 포트-현실 세계로부터의 광에 대한 포트와 디스플레이로부터의 광에 대한 포트-및 두 개의 출력 포트르 갖는 경우에, 각 출력 포트를 통해 각 입력 포트의 일부 광을 내보낸다. 이러한 속성은, 현실 세계와 디스플레이로부터의 광을 빔-분할비(예, 50/50)에 의해 설정된 비율로 조합시킬 수 있다.
불행하게도, 이러한 속성은 주변 광 레벨이 요동치는 경우에 문제를 야기한다. 현실 세계로부터의 주변 광이 디스플레이로부터의 광보다 훨씬 더 밝은 경우, 가상 이미지를 보는 것이 어려울 수 있다. 이러한 문제에 대한 하나의 해결책은, 디스플레이(가상 이미지 소스)의 밝기를 증가시키는 것이다. 불행하게도, 디스플레이 밝기를 증가시키면 증강 현실 장치의 크기, 중량, 전력 소비, 및/또는 비용의 원하지 않는 증가를 초래한다.
본 기술은, 증강 현실 장치에서 가상 이미지를 지우는 밝은 주변 광의 문제에 대한 해결책을 제공한다. 신속한 반사/투과율의 변화와 스위치 온 오프를 갖는 전기 활성 빔 분할기를 사용함으로써, 가상 이미지 광원으로부터의 더 많은 광이 눈쪽으로 반사될 수 있는 반면에 현실 세계로부터 들어오는 광의 양은 감소될 수 있어서, 현실 세계 이미지 광에 대한 가상 이미지 광의 비율을 증가시켜, 밝은 주변 광 조건에서 가상 이미지를 더 밝게 보이게 한다. 예를 들어, 가변 빔 분할기 조합기의 분할비는, 주변 광 레벨에 기초하여 실제 세계 및 가상 이미지 광원으로부터의 광의 균형을 맞추기 위해 연속적으로 조절될 수 있다. 현실 세계의 광이 가상 이미지 광의 2배만큼 밝은 경우에, 빔 분할기는 현실 세계의 광의 33%를 투과하고 가상 이미지 광의 67%를 반사하도록 조절되어, 가시성 균형을 복원할 수 있다.
가변 빔 분할기/조합기는, 사용자가 스위칭을 인지할 수 있는 것보다 더 빠르게 (즉, 깜박임 융합 임계값보다 더 빠르게) 현실 세계 광의 완전한 투과에서 가상 이미지 광의 완전한 반사로 스위칭 할 수 있다. 빔 분할기가 이 임계값 이상으로 스위칭되는 동안에, 사용자는 현실 세계 및 가상 세계로부터의 이미지를 하나로 관찰한다. 이 모드에서, 광 세기의 균형은, 듀티 사이클 또는 반사 모드 대 투과 모드 시간의 비율에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 10 밀리초의 투과 모드 및 20 밀리초의 반사 모드는, 가상 이미지보다 2배 밝은 현실 세계 장면을 가상 이미지와 똑같이 밝게 보이게 한다.
이러한 유형의 가변 빔 분할기의 예시는 디스플레이, 제어기, 및 제어기에 작동 가능하게 결합된 광검출기를 또한 포함하는 증강 현실 장치에 사용될 수 있다. 작동 시, 광검출기는 주변 광 레벨을 감지한다. 제어기에 작동 가능하게 결합되고 디스플레이와 광학적으로 연통하는 가변 빔 분할기는, 디스플레이로부터의 광을 반사시키고 주변 광 레벨에 기초하여 제어기에 의해 결정된 비율로 사용자의 눈에 주변 광을 투과시킨다.
가변 빔 분할기는, 한 쌍의 기판 사이에 끼워진 적어도 하나의 액정 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 빔 분할기는 적어도 2개의 액정 층을 포함할 수 있다: 제1 키랄성을 갖는 제1 콜레스테릭 액정 층; 및 상기 제1 키랄성에 대향하는 제2 키랄성을 갖고 상기 제1 콜레스테릭 액정 층과 평행하고 이와 광학적으로 연통하는 제2 콜레스테릭 액정 층을 포함할 수 있다. 이는 또한, 액정 층(들)과 광학적으로 연통하는 편광기 구조를 포함할 수 있다. 이러한 편광기 구조는, 인접하는 편광과 비편광 섹션을 가지며, 이들 각각은 마이크론 정도의 크기인 폭과 높이를 갖는다.
제어기는, 사용자의 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도, 및 주변 광 레벨에 기초하여 프로세서에 의해 결정된 비율을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로, 제1 분할비와 제2 분할비 사이에서, 가변 빔 분할기를 스위칭 할 수 있다. 제어기는, 광검출기에 의해 감지된 주변 광 레벨의 변화에 기초하여, 듀티 사이클을 변경할 수 있다.
대안적인 증강 현실 장치는 디스플레이, 제어기, 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되는 주변 광 센서, 및 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되고 디스플레이와 광학적으로 연통하는 가변 투과-반사성(반투과성) 장치를 포함한다. 주변 광 센서는 재차 주변 광 레벨을 검출한다. 그리고, 가변 반투과성 장치는 디스플레이로부터의 광을 반사시키고 주변 광 레벨에 기초하여 제어기에 의해 결정된 비율로 사용자의 눈에 주변 광을 투과시킨다.
반투과성 장치는 투과성 및 반사성 섹션을 포함할 수 있다. 투과성 섹션은, 디스플레이로부터의 광의 일부를 반사하고 주변 광 레벨에 기초하여 프로세서에 의해 결정된 비율로 사용자의 눈에 주변 광의 일부를 투과시킨다. 투과성 섹션 옆에 있는 반사성 섹션은, 디스플레이로부터의 광의 일부를 사용자의 눈에 반사시키고 일부 주변 광을 차단한다. 투과성 섹션은 액정 층 또는 전기변색 층을 포함할 수 있다.
제어기는, 가변 반투과성 장치를 사용자의 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도, 및 주변 광 레벨에 기초하여 프로세서에 의해 결정된 비율을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로 제1 분할비와 제2 분할비 사이에서 스위칭 할 수 있다. 제어기는, 주변 광 센서에 의해 감지된 주변 광 레벨의 변화에 기초하여, 듀티 사이클을 또한 변경할 수 있다.
아래에서 더욱 상세히 논의되는 전술한 개념 및 추가 개념의 모든 조합이 (이들 개념이 상호 불일치하지 않는다면) 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부이다. 특히, 본 개시의 끝에서 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은, 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부이다. 참조로서 통합된 임의의 개시에서 나타날 수도 있는 용어로서, 본원에서 사용된 용어에는 본원에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미가 부여되어야 한다.
당업자는, 도면들이 주로 예시적인 목적을 위한 것이며 본원에 기술된 본 발명의 주제의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율은 아니며; 일부 경우에, 본원에 개시된 본 발명의 주제의 다양한 측면들은 도면에서 과장되거나 확대되어 상이한 특징의 이해를 용이하게 할 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징(예: 기능적으로 유사한 요소 및/또는 구조적으로 유사한 요소)을 지칭한다.
도 1은, 주변 밝기를 감소시키기 위해 가변 액정 감쇠기를 갖는 증강 현실 장치를 나타낸다.
도 2는, 도 1의 증강 현실 장치의 고정(정지) 빔 분할기를 나타낸다.
도 3은, 도 1의 증강 현실 장치의 고정 빔 분할기 및 가변 액정 감쇠기를 대체할 수 있는 가변 빔 분할기를 나타낸다.
도 4는, 도 1의 증강 현실 장치의 고정 빔 분할기 및 가변 액정 감쇠기를 대체할 수 있는, 가변 콜레스테릭 액정 셔터를 갖는 빔 분할기를 나타낸다.
도 5는 액정 장치를 나타낸다.
도 6은, 증강 현실 시스템에서 주변 광에 대한 셔터 또는 가변 감쇠기로서 사용된 액정 장치에 사용하기 위한, 체커판 편광기 구조를 나타낸다.
도 7은, 액정 장치 내의 염료 및 액정 분자의 정렬을 나타낸다.
도 8은 투과성 전기변색 장치를 나타낸다.
도 9는 투과성 액정 및 전기변색 조합 장치를 나타낸다.
도 10은, 주변 조명의 밝기를 제어하기 위한 투과-반사성(반투과성)를 갖는 증강 현실 장치를 나타낸다.
도 11은, 도 10의 증강 현실 장치에 사용하기 적합한 반투과성 전기변색 장치를 나타낸다.
도 12는, 도 10의 증강 현실 장치에 사용하기 적합한 반투과성 액정 장치를 나타낸다.
도 1은, 가상 이미지 소스(101), 예컨대 소형 액정 디스플레이(LCD)로부터 유래된 광(101a)과 현실 세계(실제 객체)(102)로부터의 주변 광(102a)을 조합하는, 빔 분할기/조합기(103)를 갖는 증강 현실(AR) 장치(100)를 나타낸다. 빔 분할기(103)는 통상적으로 주변 광(102a)의 약 50%를 투과하고, 도 2에 나타낸 바와 같이 사용자의 눈(105)을 향해 디스플레이 광(101a)의 약 50%를 반사한다. 사용자에게, 이렇게 조합된 광(103a)은 실제 객체(102) 상에 중첩된 가상 이미지로서 나타난다. 나머지 주변 광(102a) 및 디스플레이 광(101a)은 빔 분할기(103)의 다른 포트(미도시)를 통해 전파된다.
AR 장치(100)는, 빔 분할기(103)와 현실 세계 객체(102) 사이에 가변 전기 활성 감쇠기(104)를 또한 포함한다. 이러한 감쇠기(104)는 프로세서 또는 제어기(110)에 결합되고, 이는 또한 디스플레이(101)와 광검출기(112)에 결합된다. 작동 시, 광검출기(112)는 주변 광(102a)을 감지한다. 광검출기(112)는, 입사 주변 광(102a)의 세기 또는 조도를 나타내는 광전류와 같은, 전기 신호를 생성한다. 제어기(110)는 이러한 전기 신호를 수신하고, 이를 사용하여 디스플레이(101)의 밝기 및/또는 감쇠기(104)의 투과율을 변화시킨다.
예를 들어, 사용자가 밝은 햇빛에서 AR 장치(100)를 착용하고 있는 경우에, 광검출기(112)는 밝은 주변 광(102a)을 감지할 수 있고, 제어기(101)는 디스플레이(101)의 밝기를 증가시키고/증가시키거나 감쇠기(104)의 투과율을 감소시킬 수 있다. 감쇠기(104)가 0% 투과(환경만이 보일 수 있음)와 100% 투과(가상 이미지만이 보일 수 있음) 사이에서 가변(예, 연속적으로 가변 또는 단계적으로 가변)하는 투과율을 갖는 경우에, 제어기(110)는 투과율을 60%와 같은 중간 값(예, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 0% 내지 100% 사이의 임의의 다른 값)으로 설정할 수 있다.
감쇠기(104)가 단지 두 개의 설정, 예를 들어 0% 또는 100% 투과를 갖는 경우에, 제어기(110)는, 이러한 설정 사이에서 가변 광(102a)의 상대 밝기를 감소시키도록 선택된 듀티 사이클로 감쇠기(104)를 스위칭 시킬 수 있다. 이러한 듀티 사이클은 0% 내지 100% 범위(예, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 임의의 다른 값 또는 0% 내지 100% 범위의 값 범위)일 수 있다. 예를 들어, 감쇠기(104)는 설정 사이에서 50%의 듀티 사이클로 스위칭 하여 주변 광(102a)의 겉보기 밝기를 약 50%만큼 감소시킬 수 있다. 듀티 사이클을 증가시키면(즉, 감쇠기(104)가 주변 광(102a)을 차단하는 기간 동안의 부분을 증가시키면) 사용자가 인식하는 주변 광(102a)의 세기를 감소시킨다. 감쇠기(104)가 두 개 초과의 설정, 예를 들어 25%, 50%, 또는 75% 투과를 갖는 경우라면, 제어기(110)는 더 복잡한 방식으로 설정 사이에서 스위칭 할 수 있다.
감쇠기(104)는, 간헐적 광 자극이 평균적인 인간에 대해 완전히 안정한 것으로 보이는 주파수인, 깜박임 융합 속도 또는 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도로 설정 사이에서 스위칭 하여, 사용자가 스위칭을 감지할 수 없게 한다. 실제로, 감쇠기(104)는 24 Hz, 25 Hz, 30 Hz, 48 Hz, 60 Hz, 72 Hz, 75 Hz, 100 Hz 또는 그 이상의 속도로 설정 사이에서 스위칭 할 수 있다.
증강 현실 장치의 밝기 제어용 가변 빔 분할기
도 3은, 도 1의 AR 장치(100)의 빔 분할기(103)와 가변 전기 활성 감쇠기(104) 대신에 사용될 수 있는, 가변 빔 분할기(303)를 나타낸다. 가변 빔 분할기(303)는, 한 쌍의 투명 기판(307a 및 307b) 사이에 끼워진 하나 이상의 콜레스테릭 액정 층(305)을 갖는다. 콜레스테릭 액정 층(들)(305) 내의 콜레스테릭 액정은 오른손 방향 또는 왼손 방향 나선 구조를 갖는 액정이다. 액정의 이러한 구조로 인해, 액정 나선의 피치가 광 파장의 차수가 되는 경우에 브래그 반사가 일어난다. 반사 대역은, 액정의 피치 길이 및 복굴절에 의해 특정된다. 반사는 액정 나선 구조와 동일한 구성으로 편광된 광(즉, 오른손 방향 또는 왼손 방향 나선의 경우에 오른손 방향 또는 왼손 방향으로 원형 편광된 광)에 대해 발생한다.
높은 복굴절성 액정 물질은, 가시광 스펙트럼을 덮는 파장 밴드에 걸쳐 광을 반사시킬 수 있다. 대안적으로, 상이한 피치 길이를 갖는 콜레스테릭 액정의 여러 층은 전체 가시광 파장 밴드에 걸쳐 광을 반사할 수 있으며, 각각의 층은 가시광 스펙트럼에서 특정 파장 서브 밴드를 반사시킨다. 각각의 층 내의 반사 대역이 가시광 스펙트럼을 커버하도록 보장함으로써, 층은 전체 가시광 스펙트럼에 걸쳐 광을 반사시킨다.
표준 콜레스테릭 액정 층은 약 50%를 반사하고, 콜레스테릭 액정 물질의 편광 감응성 성질로 인해, 입사 비편광된 광의 약 50%를 반사한다. 반대되는 키랄성을 갖는 2개의 콜레스테릭 액정 층(예, 오른손 방향 나선을 갖는 층과 왼손 방향 나선을 갖는 층)은, 입사 비편광된 광을 100% 반사할 수 있다. 나선이 풀리는 경우에, 액정이 수직 정렬되면서 100% 투과율이 된다. 나선 구조를 감고 풀면, 반사율을 변조한다.
도 3의 가변 빔 분할기(303)에서 반대의 키랄성을 갖는 콜레스테릭 액정 층(305)을 한 쌍 이상 사용하면, 가변 빔 분할기의 분할비를 변화시키는 것이 가능하다. (층(305)은 원하는 파장 범위에 따라, 단일 쌍의 광대역 층 또는 하나 이상의 쌍의 협대역 층일 수 있다.) 콜레스테릭 액정 층(305)의 쌍(들)이 반사 및 투과 상태에서 보낸 시간의 양을 변화시킴으로써, 환경과 가상 이미지로부터 광의 비율을 제어할 수 있다. 예를 들어, 층(305)이 상기 시간의 75%를 반사 상태이고 상기 시간의 25%를 투과 상태인 경우에, 사용자의 눈(105)은 가변 빔 분할기(303)에 의해 투과된 주변 광을 감지하는 기간의 3배 동안 가변 빔 분할기(303)에 의해 반사된 디스플레이 광을 감지할 것이다. 이러한 비율을 조절하면, 가상 이미지의 밝기에 대한 주변 광의 겉보기 밝기의 가중치를 만든다.
간략하게 전술한 바와 같이, 키랄 네마틱 액정으로도 불리는 콜레스테릭 액정은, 액정 디렉터가 키랄 꼬인 구조 또는 나선 구조를 형성하는 네마틱 액정 구성이다. 일부 구성에서, 액정 시스템은 브래그 반사기로서 작용할 수 있고, 액정은 키랄 피치와 동일한 구성으로 편광된 광을 반사한다. 편광된 반사 광에 대한 브래그 조건을 만족시키기 위해, 액정의 피치는 파장의 차수(예, 가시광의 경우 약 450 nm 내지 약 750 nm)에 있어야 한다. λ0의 파장에서 브래그 반사의 피크는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00001
,
여기서, P는 액정 구조의 피치이고, nav는 액정의 평균 굴절률이다. 1.5인 정상 굴절률과 1.8인 비정상 굴절률을 갖는 액정의 경우, 액정 피치는 550 nm(인간 시각의 최대 반응)의 반사를 위해, 333 nm이어야 한다. 본 발명의 범주는, 다양한 복굴절성 및 피치 길이를 갖는 액정을 포함할 수 있으며, 이에 의해 가시광 스펙트럼 내의 광의 모든 파장이 구성에 따라 반사된다.
반사 파장의 범위(Δλ)는 액정의 복굴절성(Δn) 및 피치에 의해 결정되고, 다음 식에 의한다:
Figure pct00002
.
1.5인 정상 굴절률과 1.8인 비정상 굴절률, 333 nm의 액정 피치를 갖는 액정의 경우, 반사된 광 파장의 범위는 100 nm이다. 가시광 스펙트럼(예, 약 380 nm 내지 약 740 nm)에서의 광대역 반사율의 경우, 파장 범위는 360 nm이어야 한다.
액정의 복굴절성 또는 피치를 증가시키면 반사율 파장 범위가 증가한다. 유사하게, 광대역 반사율은 상이한 피크 반사율 파장 및 더 짧은 파장 범위를 갖는, 여러 개의 액정 층을 함께 적층함으로써 달성될 수 있다.
피크 파장에서 높은 반사율을 위한 액정 장치의 피치 수는, 액정의 복굴절성에 따라 달라진다. 높은 복굴절성 액정(예, Δn = 0.35)의 경우에, 90% 이상의 반사율은 4개의 피치로 달성될 수 있다. 주어진 반사율에 대한 피치의 수를 감소시키면, 더 얇은 액정 장치를 사용할 수 있다.
키랄 네마틱 액정은, 액정 층 양단에 전기장을 사용하여 스위칭될 수 있다. 스위칭은 액정의 키랄 구조를 감고 풀리게 한다. 나선형 액정은, 액정 유전체 특성 및 전기장 방향에 따라 수직 배향 또는 평면 배향일 수 있다. 전기장은, 액정의 반사 특성을 꺼서, 액정 장치(예, 도 3의 가변 빔 분할기(303))로 하여금 반사 상태와 투과 상태 사이를 스위칭 시킨다. 액정의 반응 시간은 액정 층의 두께에 따라 증가하므로, 피치의 수를 감소시키고 따라서 더 얇은 액정 층을 사용하면 액정의 스위칭 속도가 증가하고 액정의 반응 시간이 감소한다.
작동 시, 도 3의 가변 빔 분할기(303)는, 가변 전기 활성 감쇠기(104)에 대하여 전술한 바와 같이, 도 1의 제어기(110)에 결합되고 이에 의해 작동될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어기(110)는, 깜박임 융합 임계값 이상의 빠른 속도로 그리고 주변 광 레벨의 광센서의 측정에 의존하는 듀티 사이클로, 투과 상태와 반사 상태 사이에서 콜레스테릭 층(305)을 스위칭 할 수 있다.
도 4는, 도 1의 AR 장치(100)의 빔 분할기(103)와 가변 전기 활성 감쇠기(104) 대신에 사용될 수 있는, 대안적인 가변 빔 분할기(403)를 나타낸다. 이는, 디스플레이 광(101a)의 세기를 변조하기 위한 하나의 입력 포트 상의 제1 콜레스테릭 액정 층(401), 및 주변 광(102a)의 세기를 변조하기 위한 다른 입력 포트 상의 제2 콜레스테릭 액정 층(402)을 포함한다. 제1 및 제2 콜레스테릭 액정 층(401, 402)은, 광검출기(112)에 의한 광 레벨 판독에 기초한 제어기(110)로부터의 명령에 따라, 환경 및 디스플레이(101)로부터 빔 분할기(403)로 진입하는 광의 양을 독립적으로 제어한다. 제어기(110)는, 콜레스테릭 액정 장치(401, 402)에 의해 제공된 감쇠비를 변화시킴으로써, 가상 이미지의 가시성을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 제어기(110)는 콜레스테릭 액정 층(401, 402)을 구동하여, 이들이 깜박임 융합 속도보다 빠른 속도로 그리고 가상 이미지에 대한 원하는 가시성을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로, 펄스 온/오프할 수 있도록 한다.
액정 및 전기 변색 장치
도 5 내지 도 9는, AR 장치(100) 및 도 4의 가변 빔 분할기(400)에서 가변 감쇠기로서 사용될 수 있는, 액정 및 전기변색 장치를 나타낸다.
도 5는 액정 장치(500)를 나타내며, 액정 층(510)이 정렬 층(508), 투명 전극(506), 직교 또는 평행 편광기(504), 및 기판(502) 사이에 끼워진다. 액정 층(510)은, 트위스트형 네마틱, 수퍼 트위스트형 네마틱, 평면 정렬, 또는 수직 정렬된 네마틱 구조의 형태를 취할 수 있다. 전극(506)을 이용해 액정 층(510) 양단에 전압을 인가하거나 평면내 스위칭을 사용함으로써, 입사 비편광된 광에 대한 광 투과율이 50% 내지 0%로 변할 수 있다.
도 6은, 도 5의 액정 장치(500)의 정상 편광기(504) 하나 또는 둘 대신에 사용될 수 있는 편광기 어레이(600)를 나타낸다. 편광기 어레이(600)는, 편광기(601)와 투명(비편광) 섹션(602)의 체커판 배열을 갖는다. (다른 배열도 가능하다.) 편광기(601)와 투명 섹션(602)은 관찰자 해상도로는 너무 작다(예, 약 15 마이크론 폭 x 15 마이크론 높이). 편광기 어레이(600)는, 얇은 편광기 시트의 섹션을 삭마하여 투명한 섹션(602)을 생성하거나, 투명한 기판 상에 편광 섹션(601)을 인쇄함으로써 형성될 수 있다.
투명 섹션(602)을 편광기(601)와 맞물리거나 교번시키면, 액정 요소에 사용되는 경우에 종래의 편광기의 투과율과 비교해서, 편광기 어레이(600)의 전체 투과율을 증가시킨다. 예를 들어, 액정 요소 면적의 절반이 편광기(601)를 포함하고 다른 절반이 투명하면(투명 섹션(602)), 액정은 오프 상태에서 75% 투과율을 가질 것이다. 편광 민감 영역에서 액정 배향을 변화시킴으로써, 액정 요소의 총 투과율은 50%까지 감소될 수 있다. 따라서, 이 시스템에서 최대 광 투과 범위와 투과 범위 사이에 타협이 존재한다.
도 7은, 한 쌍의 기판(703) 사이에서 액정 물질(701)로 혼합된 아색성 염료(702)를 포함하는, 액정 요소(700)의 도면 두 개를 나타낸다. 이 경우에, 이색성 염료(702)는, 염료(702)의 긴 분자 축에 평행하거나 수직인 특정 편광의 광을 흡수한다. 액정(701)은 기판(703)에 평행(좌측)하거나 수직(우측) 정렬될 수 있고, 염료(702)는 액정(701)의 배향을 따른다. 예를 들어, 평행 정렬 상태(좌측)에서, 염료의 분자 축의 방향에 평행하게 편광된 광이 흡수되고, 액정 요소(700)를 통해 투과율은 50%이다. 액정(701)이 수직 상태(우측)로 정렬되는 경우에, 염료 분자(702)는 기판(703)에 수직 배향된다. 이 경우에, 염료(702)의 분자 축은, 더 이상 광의 편광과 정렬되지 않고, 투과율은 100%이다. 액정(701) 및 염료(702)는, 액정(701) 및 염료(702)의 이완된 배향에 따라 오프 상태에서 100% 투과율을 제공하고 온 상태에서 50% 투과율을 제공하거나, 그 반대를 제공하기 위해 평면내 전극(미도시)을 사용해 수직 상태와 평행 상태 사이에서 스위칭 될 수 있다.
도 8은, 캐소드 전기변색 층(806)과 애노드 전기변색 층(807) 사이에 끼워진 전해질 층(808)을 갖고 이어서 투명 전극(804) 사이 및 기판(802) 사이에 있는, 투과형 전기변색(EC) 장치(800)를 나타낸다. 이러한 EC 장치(800)는, AR 장치 내의 환경 또는 디스플레이 광원으로부터 광 세기를 제어하는 데 사용될 수 있다. EC 장치(800)에 전압을 인가하면, 전기변색 층(806 및 807)으로 하여금 특정 산화 환원 반응을 거치게 하고 색을 변화시킬 수 있다. EC 장치(800)의 전체 투과율(색)은, 예를 들어 투명(깨끗한) 상태로부터 짙은 색 상태로 및 그 반대로 변화한다. 이러한 효과는, AR 장치 내의 빔 분할기에 또는 빔 분할기를 통해 투과되는, 주변 광을 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 9는 EC/액정 조합 장치(900)를 나타낸다. 이는, 전기변색 장치(800)와 액정(500)을 포함하며 한 쌍의 투명 기판(902) 사이에 광학적으로 직렬이다. 이들 기판(902)은, 전기변색 장치(800) 및 액정 장치(500) 내의 외부 기판을 대체하거나 보강할 수 있다.
증강 현실용 투과-반사성(반투과성) 전기 활성 장치
도 10은, 가상 이미지 소스(101)로부터의 광에 대한 현실 세계 객체(102)로부터의 광의 비율을 제어하기 위해, 전기 활성 반사-투과성(반투과성) 장치(1004)를 갖는 AR 장치(1000)를 나타낸다. 반투과성 전기 활성 장치(1004)는 제어기(1010)에 결합되고, 반사성 섹션(1014) 옆에 가변 투과성 섹션(1016)을 갖는다. 반사성 섹션(1014)은, 가상 이미지 소스(101)로부터 사용자의 눈(105)으로 광(101a)을 반사시킨다. 반사성 섹션(1014)은, 고정식 또는 전기적으로 조절 가능한 반사율을 가질 수 있다. 고정식인 경우, 반사율은 100% 미만일 수 있어서, 가상 이미지 소스(101)로부터의 광(101a)에 의해 형성된 가상 이미지가, 현실 세계 객체(102) 또는 장면의 적어도 일부에 걸쳐 중첩된 것처럼 보일 수 있다. 가변적인 경우, 가상 이미지를 현실 세계 장면에 대해 더 희미하게 또는 더 밝게 보이게 하기 위해, 광검출기(112)에 의해 측정된 주변 광 레벨에 기초하여, 제어기(1010)에 의해 선택된 듀티 사이클에서 스위칭 되거나 일정 레벨로 조절될 수 있다.
반투과성 장치(1004)의 가변 투과성 섹션(1016)은, 사용자의 눈(105)에 도달하는, 현실 세계 객체(102)로부터의 광(102a) 세기를 제어한다. 제어기(1010)는, 광검출기(112)에 의해 측정된 주변 광 레벨에 기초하여, 가변 투과성 섹션(1016)의 투과도를 설정한다. 예를 들어, 제어기(1010)는, 가상 이미지를 현실 세계 장면에 대해 더 희미하게 또는 더 밝게 보이게 하기 위해, 가변 투과성 섹션의 투과도를 주어진 레벨(예, 0% 내지 100%의 임의의 레벨)로 설정할 수 있다. 가변 투과성 섹션의 투과도가 2개의 별개 레벨(예, "깨끗한" 상태 및 "어두운" 상태) 사이에서 스위칭되는 경우에, 제어기(1010)는, 가상 이미지를 현실 세계 장면에 대해 더 희미하게 또는 더 밝게 보이게 하기 위해 선택된 듀티 사이클로, 이들 레벨 사이에서 가변 투과성 섹션의 투과도를 스위칭 할 수 있다.
도 11과 도 12는, 도 10의 반투과성 AR 장치(1000)에 사용하기에 적합한 반투과성 전자변색 및 액정 장치를 각각 나타낸다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 반투과성 전기변색 장치(1100)는 캐소드 전기변색 층(1106)과 애노드 전기변색 층(1107) 사이에 끼워진 전해질 층(1108)을 갖고 이어서 투명 전극(1104) 사이 및 기판(1102) 사이에 있는, 측면 하나를 갖는다. 기판(1102) 사이의 고정식 반사기(1100)는, 반투과성 전기변색 장치(1100)의 다른 측면을 차지한다. 전기변색 장치(1100)에 전압을 인가하면, 전기변색 층(1106 및 1107)으로 하여금 특정 산화 환원 반응을 거치게 하고 색을 변화시킬 수 있다. 전기변색 장치(800)의 한 측면의 전체 투과율(색)은, 예를 들어 투명(깨끗한) 상태로부터 짙은 색 상태로 및 그 반대로 변화한다. 이러한 효과는, AR 장치 내에 투과되는 주변 광을 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 반투과성 액정 장치(1200)는 정렬 층(1208), 투명 전극(1206), 직교 또는 평행 편광기(1204)(예, 도 6의 편광기 구조(600)와 유사함), 및 기판(1202) 사이에서 일측에 끼워진 액정 층(1210)을 포함한다. 반투과성 액정 장치(1200)의 다른 면 상에서, 반사기(1220)는 액정(1210), 하나의 정렬 층(1208), 및 하나의 투명 전극(1206) 중 적어도 일부분을 변위시킨다. 재차 액정 층(1110)은, 트위스트형 네마틱, 수퍼 트위스트형 네마틱, 평면 정렬, 또는 수직 정렬된 네마틱 구조의 형태를 취할 수 있다. 전극(1106)을 이용해 액정 층(1110) 양단에 전압을 인가하거나 평면내 스위칭을 사용함으로써, 입사 비편광된 광에 대한 광 투과율이 50% 내지 0%로 연속 가변할 수 있다.
결론
본 발명의 다양한 구현예가 설명되고 예시되었지만, 당업자는, 본원에서 설명된 바와 같은 기능 및/또는 그 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 수행하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 상상할 것이며, 이러한 변형 및/또는 수정의 각각은 본원에 설명된 본 발명의 구현예의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 기술된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성은 예시적인 것으로 의도되며 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 따라 달라질 것임을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 본원에서 기술된 특정한 본 발명의 구현예와 많은 등가물을 일상적인 실험을 사용하여 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 구현예는 단지 예로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 이에 등가인 범위 내에서, 본 발명의 구현예들이 구체적으로 기술되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시의 발명의 구현예는 본원에 기술된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 서로 일치하지 않는 경우, 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시의 발명의 범위 내에 포함된다.
또한, 다양한 본 발명의 개념이 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있으며, 그 중 하나가 실시예로서 제공되었다. 상기 방법의 일부로서 수행되는 작동은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 구현예는 도시된 것과 상이한 순서로 작동이 수행되도록 구성될 수 있으며, 예시적인 구현예에서 순차적인 작동으로 나타나더라도, 일부 작동을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 정의되고 사용된 모든 정의는, 사전적 정의, 참조로서 통합된 문서 내의 정의 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 통제하는 것으로 이해해야 한다.
본원에서 사용된 부정관사("일" 및 "하나")는, 달리 명백히 나타내지 않는 한 "적어도 하나"라는 의미로 이해해야 한다.
본원에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는, 본 명세서 및 청구범위에서, 접합된, 즉 어떤 경우에는 결합하여 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "둘 중 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해해야 한다. "및/또는"으로 열거된 다중 요소는 동일한 방식으로, 즉, 접합된 요소 중 "하나 이상의"로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있거나 관련이 없는 다른 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비한정적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은: 일 구현예에서 A만(선택적으로 B이외의 요소를 포함); 다른 구현예에서, B만(선택적으로 A이외의 요소를 포함); 또 다른 구현예에서는 A 및 B 둘 다(선택적으로 다른 요소를 포함); 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 있어서 본원에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에 정의된 바와 같이 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 목록에서 물품을 분리할 때 "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것, 즉, 적어도 하나를 포함하되, 하나를 초과하는 숫자 또는 요소 목록, 및, 선택적으로, 추가적인 목록에 없는 물품 또한 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 반대로, 예컨대 "단지 하나의" 또는 "정확하게 하나의", 또는 청구범위에서 사용될 때, "구성되는"과 같이, 명확하게 지시된 용어들 만이, 숫자 또는 요소 목록에서 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용되는 용어 "또는"은, 예컨대 "어느 하나의," "중 하나의," "단지 하나의," 또는 "정확히 하나의" 와 같이 배타적인 용어가 앞에 올 때, 배타적 대안(즉, "하나 또는 다른 하나이되 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용되는 경우, "본질적으로 이루어지는"은 특허법 분야에서 사용되는 바와 같이 통상적인 의미를 가질 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 있어서 본원에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 관하여 "적어도 하나의"라는 어구는, 요소 목록 내의 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하되, 요소 목록에 구체적으로 나열된 각 요소 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하고, 요소 목록 내의 요소의 임의의 조합을 배제할 필요는 없다. 이러한 정의는, 또한, 구체적으로 식별된 요소 이외에 상응 요소가 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있는지 여부와 상관없이, 문구 "적어도 하나"가 지칭하는 요소의 목록 내에 선택적으로 존재할 수 있게 한다. 따라서, 비한정적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등등하게 "A 또는 B 중 적어도 하나," 또는, 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는: 일 구현예에서, B가 없이, 적어도 하나의 A, 선택적으로는 둘 이상(및 선택적으로 B외의 요소를 포함함); 다른 구현예에서, A가 없이, 적어도 하나의 B, 선택적으로 둘 이상(및 선택적으로 A외의 요소를 포함함); 또 다른 구현예에서, 적어도 하나의 A, 선택적으로 둘 이상, 및 적어도 하나의 B, 선택적으로 둘 이상(및 선택적으로 다른 요소를 포함함); 등을 지칭할 수 있다.
상기 명세서에서와 청구범위에서 "포함하는", "포함한", "갖는", "가지는", "함유하는", "수반하는", "보유하는", "구성되는" 등과 같은 모든 전환구는, 개방형으로서, 즉, 포함하되 이에 한정되지 않음을 의미한다는 것을 이해해야 한다. "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는"의 전환구 만이, 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼 2111.03에 기술된 바와 같이, 폐쇄형 또는 반 폐쇄형 전환구에 상응한다.

Claims (18)

  1. 디스플레이;
    제어기;
    주변 광 레벨을 감지하기 위해 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되는 광검출기; 및
    상기 디스플레이로부터의 광을 반사시키고 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 제어기에 의해 결정된 비율로 사용자의 눈에 주변 광을 투과시키기 위해, 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되고 상기 디스플레이와 광학적으로 연통하는 가변 빔 분할기를 포함하는, 증강 현실 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 빔 분할기는 한 쌍의 기판 사이에 끼워진 적어도 하나의 액정 층을 포함하는, 증강 현실 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액정 층은,
    제1 키랄성을 갖는 제1 콜레스테릭 액정 층; 및
    상기 제1 키랄성에 대향하는 제2 키랄성을 갖고, 상기 제1 콜레스테릭 액정 층과 평행하게 그리고 이와 광학적으로 연통하는 제2 콜레스테릭 액정 층을 포함하는, 증강 현실 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액정 층과 광학적으로 연통하는 편광기 구조를 추가로 포함하되, 상기 편광기 구조는 인접한 편광 섹션과 비편광 섹션을 갖는, 증강 현실 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 사용자의 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도, 및 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 프로세서에 의해 결정된 비율을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로, 제1 분할비와 제2 분할비 사이에서, 상기 가변 빔 분할기를 스위칭 하도록 구성되는, 증강 현실 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 광검출기에 의해 감지된 상기 주변 광 레벨의 변화에 기초하여, 상기 듀티 사이클을 변경하도록 구성되는, 증강 현실 장치.
  7. 디스플레이, 제어기, 광검출기, 및 가변 빔 분할기를 포함한 증강 현실 장치를 작동시키는 방법으로서,
    상기 디스플레이로 이미지를 디스플레이 하는 단계;
    상기 광검출기로 주변 광 레벨을 감지하는 단계; 및
    상기 디스플레이로부터의 이미지를 반사시키고, 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 제어기에 의해 결정된 비율로 상기 가변 빔 분할기를 통해 사용자의 눈에 주변 광을 투과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이미지를 반사시키고 상기 주변 광을 투과시키는 단계는, 상기 가변 빔 분할기 내의 적어도 하나의 액정 층을 통해 상기 주변 광을 투과시키고 상기 이미지를 반사시키는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액정 층과 광학적으로 연통하는 편광기 구조를 통해 상기 주변 광을 투과시키는 단계를 포함하되, 상기 편광기 구조는 인접한 편광 섹션과 비편광 섹션을 갖는, 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 주변 광 레벨의 변화를 감지하는 단계; 및
    상기 주변 광 레벨의 변화에 기초하여 상기 적어도 하나의 액정 층의 투과도를 변화시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 이미지를 반사하고 상기 주변 광을 투과시키는 동안에,
    상기 사용자의 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도, 및 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 프로세서에 의해 결정된 비율을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로, 제1 분할비와 제2 분할비 사이에서, 상기 가변 빔 분할기를 스위칭 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광검출기에 의해 감지된 상기 주변 광 레벨의 변화에 응답하여 상기 듀티 사이클을 변경하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  13. 디스플레이;
    제어기;
    주변 광 레벨을 감지하기 위해 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되는 주변 광 센서; 및
    상기 디스플레이로부터의 광을 반사시키고 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 제어기에 의해 결정된 비율로 사용자의 눈에 주변 광을 투과시키기 위해, 상기 제어기에 작동 가능하게 결합되고 상기 디스플레이와 광학적으로 연통하는 가변 투과-반사성(반투과성) 장치를 포함하는, 증강 현실 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반투과성 장치는,
    상기 디스플레이로부터의 광의 일부를 반사하고 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 프로세서에 의해 결정된 비율로 상기 사용자의 눈에 상기 주변 광의 일부를 투과시키는 투과성 섹션; 및
    상기 투과성 섹션 옆에, 상기 디스플레이로부터 상기 사용자의 눈으로 상기 광의 일부를 반사시키고 상기 주변 광의 일부를 차단하기 위한 반사성 섹션을 포함하는, 증강 현실 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 투과성 섹션은 적어도 하나의 액정 층을 포함하는, 증강 현실 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 투과성 섹션은 전기변색 층을 포함하는, 증강 현실 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 사용자의 깜박임 융합 임계값보다 빠른 속도, 및 상기 주변 광 레벨에 기초하여 상기 프로세서에 의해 결정된 비율을 제공하도록 선택된 듀티 사이클로, 제1 분할비와 제2 분할비 사이에서, 가변 반투과성 장치를 스위칭 하도록 구성되는, 증강 현실 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 주변 광 센서에 의해 감지된 상기 주변 광 레벨의 변화에 기초하여, 상기 듀티 사이클을 변경하도록 구성되는, 증강 현실 장치.
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