KR20210100134A - 광학 과초점 반사 시스템들 및 방법들과, 이를 포함하는 증강 현실 및/또는 가상 현실 디스플레이들 - Google Patents
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Abstract
광학 과초점 반사 시스템들 및 방법들이 제공된다. 하나의 이러한 광학 과초점 반사 시스템은 광학 기판(101, 101F, 101G1 101G2, 101G3), 시준된 디스플레이 이미지를 광학 기판에 입력 결합하도록 구성된 광학 입력 결합부(150, 150G1); 및 상기 광학 기판(101, 101F, 101G1 101G2, 101G3)과 통합된 광학 과초점 출력 결합부를 포함한다. 광학 출력 결합부는 광학 기판과 통합된 개별 광학 과초점 반사기 스폿(103, 103A1, 103A2, 103B, 103M1, 103M2, 103C1 내지 103C6, 103V, 103H.......)으로부터 형성된 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트(102, 102H, 102V, 102G1, 102G2....)를 포함한다. 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템(400)에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 타겟 영역에서의 직경을 갖는 반사된 개별 광학 스폿 빔(105, 105A1, 105A2, 105B, 105C .....)을 형성하도록 크기 조정된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은 2018년 12월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제16/214,142호로부터 우선권을 주장하고 그에 대한 연속 출원이며, 그 전체 내용들은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 광학 시스템들 및 방법들에 관한 것이며, 특히, 배타적이지 않고, 증강 현실 시스템들 및/또는 가상 현실 광학 디스플레이들을 위한 광학 시스템들에 관한 것이다. 본 발명은 증강 현실 이미징 시스템들 및/또는 가상 현실 이미징 시스템들에서 가상 디스플레이 이미지 뷰들을 인간의 눈(human eye)에 전달하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 발명은 전술한 광학 시스템들 및 이와 연관된 방법들을 포함하는 증강 및/또는 가상 현실 디스플레이들에 관한 것이다.
헤드 마운트 디스플레이들 및 헤드 업 디스플레이들에 사용되는 가상 현실 및 증강 현실 디스플레이 시스템들은 가상 이미지를 인간의 눈에 디스플레이하도록 구성된다. 증강 현실 디스플레이 시스템들에서, 이 시스템들은 인간의 눈으로 관찰되는 현실 세계를 오버레이하는 가상 이미지를 전달한다.
이러한 가상 현실 및 증강 현실 시스템들의 일부 사용자들은 눈의 긴장과 피로감을 겪게 되어 불편한 시청 경험을 야기한다.
적어도 눈의 긴장과 피로 문제들을 완화하기 위해 가상 현실 및/또는 증강 현실 디스플레이들에서 사용될 수 있는 시스템들을 제공할 필요가 있다.
일 양태에 따르면, 광학 과초점 반사 시스템이 제공된다. 광학 과초점 반사 시스템은 적어도 하나의 광학 기판; 시준된 디스플레이 이미지를 광학 기판에 입력 결합하도록 구성된 광학 입력 결합부; 및 광학 기판과 통합된 광학 과초점 출력 결합부를 포함할 수 있고; 광학 출력 결합부는 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트를 포함하고; 과초점 반사 뷰 포트는 광학 기판과 통합된 적어도 하나의 개별 광학 과초점 반사기 스폿(discrete optical hyperfocal reflector spot)을 포함하고; 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 적어도 부분적으로 반사되고, 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 개별 가상 디스플레이 이미지 부분을 형성하는 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 상기 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 반사적으로 투영하도록 구성되고, 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에서 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 타겟 영역에서의 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정된다.
일부 실시예들에서, 광학 과초점 출력 결합부는 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고, 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 과초점 결합부를 따라 연장하는 패턴으로 서로 이격되어 분산되고 디스플레이 이미지 또는 그 일부에 집합적으로 실질적으로 대응하는 복수의 가상 디스플레이 이미지 부분 과초점화된 뷰들을 형성한다.
타겟 영역은 인간의 눈에 대한 타겟 영역일 수 있고, 타겟 영역에 위치할 수 있는 인간의 눈으로 관찰 가능한 가상 디스플레이 부분의 과초점화된 뷰(hyperfocused view)는 과초점화된다(hyperfocused).
광학 기판은 눈 타겟 영역(eye target area)으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지(real world image)의 광학 광선에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판에 임베딩될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판의 면 상에 배치될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 각각은 약 100 미크론 내지 1000 미크론의 애퍼처 직경(aperture diameter)을 가질 수 있다.
개별 스폿 빔들의 각각은 타겟 영역에서 100 미크론 내지 1000 미크론의 직경을 가질 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록(tessellate) 선택될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들일 수 있다.
복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있고, 복수의 적색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고, 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고, 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성된다.
광학 기판은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 각각의 각 반사기 스폿은 과초점 반사기 스폿에 의해 반사되지 않는 다른 파장들의 광을 가진 현실 세계 이미지의 광학 광선들을 실질적으로 통과시키고, 이들이, 과초점 반사기 스폿에 의해 선택적으로 반사되는 특정 또는 대역의 파장들을 가진 디스플레이 이미지 광선들에 중첩되는 눈 타겟 영역에 도달하도록 허용하도록 구성될 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 적색광 과초점 반사기 스폿들, 청색광 과초점 반사기 스폿들 및 녹색광 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 편광 선택형 반사기 스폿을 포함할 수 있다.
복수의 과초점 반사기 스폿들의 각각은 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있고, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태와 상이하다.
제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 제 1 편광 상태 반사기 스폿들 및 제 2 편광 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
광학 기판은 광학 도파관을 포함할 수 있다.
광학 기판은 비-도파관 광학 기판을 포함할 수 있고, 광학 입력 결합은 자유 공간을 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템이 제공된다. 시스템은 적어도 하나의 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템; 및 적어도 하나의 광학 과초점 반사 시스템을 광학적으로 포함하고, 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템은 광학 과초점 반사 시스템에 광학적으로 결합되고; 광학 과초점 반사 시스템은 적어도 하나의 광학 기판; 광학 기판과 통합된 및/또는 분리된 광학 입력부; 및 광학 과초점 출력 결합부를 포함하고; 광학 입력부는 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템을 광학 과초점 출력 결합부에 광학적으로 결합하고; 광학 출력 결합부는 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트를 포함하고; 과초점 반사 뷰 포트는 광학 기판과 통합된 적어도 하나의 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 적어도 부분적으로 반사되고, 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작업 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 반사적으로 투영하도록 구성되며, 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 상기 타겟 영역에서의 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정된다.
일부 실시예들에서, 광학 과초점 출력 결합부는 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있고, 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 과초점 결합부를 따라 연장하는 패턴으로 서로 이격되어 분산된다.
렌즈-검출기는 인간의 눈일 수 있고, 디스플레이 시스템은 광학 과초점 반사 시스템들 중 제 1 시스템이 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 1 시스템에 광학적으로 결합된 양안 시스템(binocular system)일 수 있고; 제 1 광학 과초점 반사 시스템은 양안 디스플레이 시스템의 좌안 타겟 영역에 대해 구성되고; 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 2 시스템에 광학적으로 결합된 광학 과초점 반사 시스템들 중 제 2 시스템을 더 포함하고; 제 2 광학 과초점 반사 시스템은 양안 시스템의 우안 타겟 영역에 대해 구성된다.
제 1 광학 과초점 반사 시스템 및 제 2 광학 과초점 반사 시스템은 양안 시스템의 수렴 평면(vergence plane)이 무한대에서 좌안 렌즈 및 우안 렌즈의 과초점 거리까지의 광학 범위에 위치되도록 좌안 타겟 영역 및 우안 타겟 영역으로부터 이격될 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 파장 선택형 반사기 스폿들일 수 있다.
복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있고, 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되며, 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되며, 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성된다.
과초점 뷰 포트들의 패턴은 교호하는 적색광 과초점 뷰 포트들, 청색광 과초점 뷰 포트들 및 녹색광 과초점 뷰 포트들을 포함할 수 있다.
광학 기판은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 각각의 각 과초점 반사기 스폿은 과초점 반사기 스폿에 의해 반사되지 않는 다른 파장들의 광을 가진 현실 세계 이미지의 광학 광선들을 실질적으로 통과시키고 이들을, 과초점 반사기 스폿에 의해 선택적으로 반사되는 특정 또는 대역의 파장들을 가진 디스플레이 이미지 광선들에 중첩되는 눈 타겟 영역에 도달하도록 허용하도록 구성될 수 있다.
과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
광학 기판은 광학 도파관을 포함할 수 있다.
광학 기판은 비-도파관 광학 기판을 포함할 수 있고, 광학 입력 결합은 자유 공간을 포함한다.
광학 기판은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
증강 또는 가상 현실 디스플레이 시스템은 헤드 마운트 디스플레이일 수 있다.
증강 또는 가상 현실 디스플레이 시스템은 헤드 업 디스플레이일 수 있다.
증강 또는 가상 현실 디스플레이 시스템은 근안 디스플레이일 수 있다.
다른 양태에 따르면, 광학 출사 동공 연장기 과초점 시스템(optical exit pupil expander hyperfocal system)이 제공된다. 시스템은: 적어도 하나의 광학 기판; 시준된 디스플레이 이미지를 광학 기판에 입력 결합하도록 구성된 광학 입력 결합부로서; 광학 기판과 통합된 및/또는 분리되는 상기 광학 입력 결합부; 및 광학 기판과 통합된 광학 과초점 출력 결합부로서; 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하는 상기 광학 과초점 출력 결합부를 포함하고; 과초점 반사 뷰 포트들의 각각은 광학 기판과 통합된 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되고, 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 타겟 영역에서의 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정되고; 복수의 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 패턴으로 서로 이격되어 분산되고, 출사 동공 연장기로부터 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성된다.
광학 기판은 광학 도파관을 포함할 수 있다.
광학 기판은 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 도파관의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들은 출사 연장 방향에 대해 경사질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 경사각들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따른 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라질 수 있다.
기판은 비-도파관 기판일 수 있고, 과초점 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 기판을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 수평 평면 및/또는 수직 평면에 대해 점진적으로 경사져서 타겟 영역에서 볼 수 있는 과초점화된 가상 디스플레이 이미지의 시야를 유지한다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 위치에 따라 달라질 수 있다.
광학 도파관의 단위 부피 또는 면적당 과초점 반사기 스폿들의 집중들(concentrations)은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 위치에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들은 광학 도파관의 공통 영역들 또는 공통 부피 세그먼트들의 패턴들로 분산될 수 있으며, 공통 영역들 또는 공통 부피 세그먼트들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따라 이격된다.
각각의 공통 영역 또는 공통 부피 세그먼트들에서 과초점 반사기 스폿들의 패턴은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 영역들 또는 부피 세그먼트들의 위치에 따라 달라질 수 있다.
광학 도파관의 공통 영역 또는 공통 부피 세그먼트의 패턴들의 각각에서 과초점 반사기 스폿들의 집중은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 공통 영역 또는 부피 세그먼트의 위치에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 반사율은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 각도 선택형 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들의 각도 응답들은 광학 도파관을 따르는 출사 동공 연장 방향으로 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들은 각도 노치 필터 과초점 반사기 스폿들(angular notch filter hyperfocal reflector spots)을 포함할 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들일 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 파장 선택들은 광학 도파관을 따르는 출사 동공 연장 방향으로 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿들일 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 각각은 파장 및 각도 선택형 과초점 반사기 스폿일 수 있다.
각도 및 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 각도 응답들은 광학 도파관을 따르는 출사 동공 연장 방향으로 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
파장 및 각도 및 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들은 각도 노치 필터 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들일 수 있다.
각도 및 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
각도 과초점 선택형 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들일 수 있고, 출사 동공 연장 방향으로 이격되고 출사 동공 연장 방향과 상이한 방향으로 이격 배치되어 출사 동공 연장 방향으로 전파하는 광학 입력 시준된 디스플레이 이미지 광선들의 일부를 상이한 방향으로 이격된 일부 완전 반사 스폿들 사이의 광학 도파관을 통과하도록 허용하고 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따라 더 멀리 이격된 완전 반사 스폿들에 의해 점진적으로 반사된다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판에 임베딩될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판의 면 상에 배치된다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 각각은 약 100 미크론 내지 1000 미크론의 애퍼처 직경을 가질 수 있다.
스폿 빔 각각은 타겟 영역에서 100 미크론 내지 1000 미크론의 직경을 가질 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있으며, 반사기-간 스폿 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있으며, 복수의 적색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고, 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되며, 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성된다.
광학 기판은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 각각의 반사기 스폿은 과초점 반사기 스폿에 의해 반사되지 않는 다른 파장들의 광을 가진 현실 세계 이미지의 광학 광선들을 실질적으로 통과시키고, 이들이, 과초점 반사기 스폿에 의해 선택적으로 반사되는 특정 또는 대역의 파장들을 가진 디스플레이 이미지 광선들에 중첩되는 눈 타겟 영역에 도달하도록 허용하도록 구성될 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 적색광 과초점 반사기 스폿들, 청색광 과초점 반사기 스폿들 및 녹색광 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
회절 광학 요소 과초점 반사기 스폿들의 회절 각도들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라질 수 있다.
회절 광학 요소 과초점 반사기 스폿들의 회절 각도들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 수평 평면 및/또는 수직 평면에 대해 점진적으로 경사져서, 눈 타겟 영역에서 볼 수 있는 과초점화된 가상 디스플레이 이미지의 시야를 유지할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
편광 상태 선택형 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 이격된 위치들에 따라 편광 상태 선택형일 수 있다.
복수의 과초점 반사기 스폿들은 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있으며, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태와 상이하다.
제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 제 1 편광 상태 반사기 스폿들 및 제 2 편광 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 광학 도파관의 공통 영역들 및/또는 공통 부피 세그먼트들의 패턴들로 분산될 수 있으며, 공통 영역들 및/또는 공통 부피 세그먼트들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따라 이격된다.
공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 패턴들의 각각에서 편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 위치에 따라 편광 상태 선택형일 수 있다.
편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 제 1 편광 상태 과초점 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있으며, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도이다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 각 패턴에서 편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들의 집중은 제 1 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 위치에 따라 달라질 수 있다.
다른 양태에 따르면, 근안 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템이 제공된다. 시스템은: 적어도 하나의 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템; 및 적어도 하나의 광학 과초점 출사 동공 연장기를 포함할 수 있고, 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템은 출사 동공 연장기에 광학적으로 결합되고; 광학 과초점 출사 동공 연장기는: 광학 입력 결합부 및 출력 결합부를 갖는 광학 기판을 포함하고; 광학 입력 결합부는 출사 동공으로부터 광학 기판으로 시준된 디스플레이 이미지를 입력 결합하도록 구성되고; 광학 출력 결합부는 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고; 과초점 반사 뷰 포트들의 각각은 광학 기판과 통합된 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작업 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되며, 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 타겟 영역에서의 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정되고, 복수의 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 패턴으로 서로 이격되어 분산되고, 출사 동공 연장기로부터 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성된다.
렌즈-검출기 시스템은 인간의 눈일 수 있고, 디스플레이 시스템은 출사 동공 연장기들 중 제 1 연장기가 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 1 시스템에 광학적으로 결합된 양안 시스템이고; 출사 동공 연장기는 양안 디스플레이 시스템의 좌안 타겟 영역에 대해 구성되고; 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 2 시스템에 광학적으로 결합된 출사 동공 연장기들 중 제 2 연장기를 더 포함하고; 제 2 출사 동공 연장기는 양안 시스템의 우안 타겟 영역에 대해 구성된다.
제 1 출사 동공 연장기 및 제 2 출사 동공 연장기는 양안 시스템의 수렴 평면이 무한대에서 좌안 렌즈 및 우안 렌즈의 과초점 거리까지의 광학 범위에 위치되도록 좌안 타겟 영역 및 우안 타겟 영역으로부터 이격될 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
광학 기판은 광학 도파관을 포함할 수 있다.
광학 도파관은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 도파관의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들은 출사 연장 방향에 대해 경사질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿들일 수 있다.
기판은 비-도파관 기판일 수 있고, 과초점 반사기 스폿들의 경사각들은 출사 동공 연장 방향으로 기판을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라진다.
과초점 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 수평 평면 및/또는 수직 평면에 대해 점진적으로 경사져서, 눈 타겟 영역에서 볼 수 있는 과초점화된 가상 디스플레이 이미지의 시야를 유지할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 위치에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 반사율들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 각도 선택형 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들의 각도 응답들은 광학 도파관을 따라 출사 동공 연장 방향으로 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
각도 선택형 과초점 반사기 스폿들은 각도 노치 필터 과초점 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들일 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 파장 선택들은 광학 도파관을 따르는 출사 동공 연장 방향으로 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 각각은 파장 및 각도 선택형 과초점 반사기 스폿일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사형 반사기 스폿들일 수 있고, 출사 동공 연장 방향으로 이격되고 출사 동공 연장 방향과 상이한 방향으로 이격 배치되어 출사 동공 연장 방향으로 전파하는 광학 입력 시준된 디스플레이 이미지 광선들의 일부를 상이한 방향으로 이격된 일부 완전 반사 스폿들 사이의 광학 도파관을 통과하도록 허용하고 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따라 더 멀리 이격된 완전 반사 스폿들에 의해 점진적으로 반사된다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판에 임베딩될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판의 면 상에 배치될 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 각각은 100 미크론 내지 1000 미크론의 애퍼처 직경을 가질 수 있다.
스폿 빔들의 각각은 타겟 영역에서 100 미크론 내지 1000 미크론의 직경을 가질 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있으며, 복수의 적색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고, 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되며, 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성된다.
과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함한다.
편광 상태 선택형 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 이격된 위치들에 따라 편광 상태 선택형일 수 있다.
디스플레이 이미지 생성 시스템은 편광 상태 동적 스위치를 포함할 수 있으며, 편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 편광 상태에 따라 상이한 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 전환하도록 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 구성된다.
편광 상태 동적 스위치는 액정 재료 구조를 포함할 수 있다.
복수의 과초점 반사기 스폿들은 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있고, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태와 상이하다.
제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
디스플레이 이미지 생성 시스템은 편광 상태 동적 스위치를 포함할 수 있으며, 편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 편광 상태에 따라 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들과 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 동적으로 전환하도록 제 1 편광 상태와 제 2 편광 상태 사이의 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 구성된다.
편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 원형 편광 상태에 따라, 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들, 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들과 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들의 조합, 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 동적으로 전환되도록 제 1 편광 상태와 제 2 편광 상태 사이의 원형으로 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 추가로 구성될 수 있다.
편광 상태 동적 스위치는 액정 재료 구조를 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 제 1 편광 상태 반사기 스폿들 및 제 2 편광 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 광학 도파관의 공통 영역들 및/또는 공통 부피 세그먼트들의 패턴들로 분산될 수 있고, 공통 영역들 및/또는 공통 부피 세그먼트들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따라 이격된다.
공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 패턴들의 각각에서 편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 위치에 따라 편광 상태 선택적일 수 있다.
공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 각 패턴에서 편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들의 집중은 제 1 출사 동공 연장 방향으로 광학 도파관을 따르는 공통 영역 및/또는 공통 부피 세그먼트의 위치에 따라 달라질 수 있다. 다른 양태에 따르면, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템이 제공된다. 시스템은: 적어도 하나의 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템; 및 적어도 하나의 광학 과초점 자유공간 반사기를 포함하고, 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템은 광학 과초점 자유공간 반사기에 광학적으로 결합되고; 광학 과초점 자유 공간 반사기는: 디스플레이 이미지 수용면을 갖는 광학 기판; 및 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하며, 과초점 반사 뷰 포트들의 각각은 광학 기판과 통합된 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 가상 이미지 디스플레이 부분을 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되고, 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 타겟 영역에서의 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정되고; 복수의 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 기판의 디스플레이 이미지 수용면 위로 연장되는 패턴으로 서로 이격되어 분산되고, 반사된 개별 광학 스폿 빔들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 디스플레이 이미지를 함께 형성하도록 집합적으로 구성된다.
광학 기판은 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명할 수 있다.
광학 기판은 편평하거나 만곡된 광학 결합기 기판을 포함할 수 있다.
광학 결합기 기판은 이미지 디스플레이 생성 시스템의 축에 대해 축을 벗어날 수 있다.
디스플레이 시스템은 광학 과초점 자유 공간 반사기들 중 제 1 반사기가 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 1 시스템에 광학적으로 결합되는 양안 시스템일 수 있고; 제 1 광학 과초점 자유 공간 반사기는 양안 디스플레이 시스템의 좌안 타겟 영역에 대해 구성되고; 시준된 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 제 2 시스템에 광학적으로 결합된 광학 과초점 자유 공간 반사기들의 제 2 반사기를 더 포함하고; 제 2 광학 과초점 자유 공간 반사기는 양안 시스템의 우안 타겟 영역을 위해 구성된다.
렌즈-검출기는 인간의 눈일 수 있으며, 제 1 광학 과초점 자유 공간 반사기 및 제 2 광학 과초점 자유 공간 반사기는 양안 시스템의 수렴 평면이 무한대에서 좌안 렌즈 및 우안 렌즈의 과초점 거리까지의 광학 범위에 위치되도록 좌안 타겟 영역 및 우안 타겟 영역으로부터 이격된다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 부분 반사 스폿들일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 완전 반사 스폿일 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 반사율들은 광학 기판의 수용면 상의 과초점 반사기 스폿 위치들에 따라 달라질 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들일 수 있다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 파장 선택들은 광학 기판의 수용면 상의 이격된 위치들에 따라 달라질 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들은 100 미크론 내지 1000 미크론의 애퍼처 직경을 가질 수 있다.
스폿 빔들의 각각은 타겟 영역에서 100 미크론 내지 1000 미크론의 직경을 가질 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격될 수 있고, 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성되는 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록 선택될 수 있다.
복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있으며, 복수의 적색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고, 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되며, 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성된다.
과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
편광 상태 선택형 과초점 반사기 스폿들은 광학 기판의 수용면 위로 이격된 위치들에 따라 편광 상태 선택적일 수 있다.
디스플레이 이미지 생성 시스템은 편광 상태 동적 스위치를 포함할 수 있으며, 편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 편광 상태에 따라 상이한 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 전환하도록 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 구성된다.
편광 상태 동적 스위치는 액정 재료 구조를 포함할 수 있다.
복수의 과초점 반사기 스폿들은 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함할 수 있고, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태와 상이하다.
제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
디스플레이 이미지 생성 시스템은 편광 상태 동적 스위치를 포함할 수 있으며, 편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 편광 상태에 따라 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들과 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 동적으로 전환하도록 제 1 편광 상태와 제 2 편광 상태 사이의 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 구성된다.
편광 상태 동적 스위치는 광학 입력 디스플레이 광선들을 반사시키는 과초점 스폿들이 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 원형 편광 상태에 따라, 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들, 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들과 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들의 조합, 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 사이에서 동적으로 전환되도록 제 1 편광 상태와 제 2 편광 상태 사이의 원형으로 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 추가로 구성될 수 있다.
편광 상태 동적 스위치는 액정 재료 구조를 포함할 수 있다.
과초점 반사기 스폿들의 패턴은 교호하는 제 1 편광 상태 반사기 스폿들 및 제 2 편광 반사기 스폿들을 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 광학 및 전자 디스플레이 시스템이 제공된다. 시스템은 이전 또는 이후에 언급되는 광학 과초점 반사 시스템들 중 임의의 시스템; 적어도 하나의 프로세서; 및 프로세서에 작동 가능하게 결합된 적어도 하나의 눈 추적 카메라를 포함할 수 있고, 눈 추적 카메라(들)는 눈 타겟 영역에서 눈을 모니터링하도록 구성되고; 프로세서는 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 디스플레이 이미지 생성 시스템에 작동 가능하게 결합되고; 광학 과초점 반사 시스템은 눈의 모니터링에 따라 디스플레이 이미지의 가상 디스플레이 이미지의 과초점 인간의 눈의 뷰를 형성하도록 구성된다.
눈 추적 카메라(들)는 눈 타겟 영역에서 눈의 시선 방향을 모니터링하도록 구성될 수 있으며; 프로세서는 눈 추적 카메라에 의해 모니터링되는 시선 방향에 대응하는 눈 추적 값에 따라 디스플레이 이미지를 수정하도록 구성될 수 있고; 광학 과초점 반사 시스템은 수정된 디스플레이 이미지의 가상 디스플레이 이미지의 과초점 인간의 눈의 뷰를 형성하도록 구성될 수 있다.
프로세서는 눈 추적 출력에 따라 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하도록 구성될 수 있다.
프로세서는 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈이 현실 세계 장면의 현실 세계 물체를 보고 있는 장소와 현실 세계 물체가 위치되는 평면의 위치를 결정하도록 구성될 수 있고; 프로세서는 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 대해 과초점 가상 디스플레이 이미지에서 물체들의 의도된 위치들을 결정하도록 구성되고, 디스플레이 이미지 생성 시스템은 현실 세계 물체가 위치되는 평면에서 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 의도된 위치를 가진 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하도록 구성된다.
눈 추적 카메라는 눈의 동공 크기를 모니터링하도록 구성될 수 있으며, 눈에 도달하는 외부 세계 밝기의 양을 제어하도록 구성된 밝기 제어 시스템을 더 포함할 수 있다.
휘도 제어 시스템은 눈 타겟 영역과 외부 세계 사이에 위치되는 전기 차광 필터(electro darkening filter) 또는 패널을 포함할 수 있고, 프로세서는 동공 크기 모니터링에 따라 눈에 도달하는 외부 세계 밝기의 양을 제어하기 위해 전기 차광 필터에 작동 가능하게 연결되어 전기 차광 필터 또는 패널에 피드백 제어를 제공하도록 구성된다.
눈 추적 카메라는 간접 뷰 구성으로 배열될 수 있다.
눈 추적 카메라는 직접 뷰 구성으로 배열될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템을 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 눈 추적 정보에 기초하여 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈의 시선 방향을 결정하는 단계; 결정된 시선 방향에 따라 디스플레이 이미지를 수정하는 단계; 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템을 사용하여, 수정된 이미지의 가상 디스플레이 이미지의 과초점화된 인간의 눈의 뷰를 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 적어도 하나의 눈 추적 카메라를 사용하여 눈을 추적하는 단계와 눈 추적 카메라로부터 눈 추적 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
눈 추적에 따라 디스플레이 이미지를 수정하는 것은 눈 추적에 따라 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 눈 추적으로부터, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈이 현실 세계 장면의 현실 세계 물체를 보고 있는 장소, 현실 세계 물체가 위치되는 평면의 위치, 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 대해 디스플레이 이미지에서의 물체들의 의도된 위치들을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법은 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 의도된 위치를 갖는 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템을 위한 방법이 제공된다. 이 방법은: 눈 추적 정보에 기초하여 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈의 시선 방향을 결정하는 단계; 결정된 시선 방향에 따라 디스플레이 이미지를 수정하는 단계; 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템을 사용하여, 수정된 이미지의 가상 디스플레이 이미지의 과초점화된 인간의 눈의 뷰를 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 적어도 하나의 눈 추적 카메라를 사용하여 눈을 추적하고 눈 추적 카메라로부터 눈 추적 정보를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
눈 추적에 따라 디스플레이 이미지를 수정하는 것은 눈 추적에 따라 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 눈 추적으로부터, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈이 현실 세계 장면의 현실 세계 물체를 보고 있는 장소, 현실 세계 물체가 위치되는 평면의 위치, 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 대해 디스플레이 이미지에서의 물체들의 의도된 위치들을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법은 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 의도된 위치를 갖는 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 장치가 제공된다. 장치는: 명령들을 저장하는 메모리; 및 하나 이상의 프로세서들을 포함하고, 명령들은, 하나 이상의 프로세서들에 의해 처리될 때, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이를 관찰하는 눈의 시선 방향을 눈 추적 카메라로 눈 추적하고; 눈 추적에 따라 디스플레이 이미지를 수정하고; 수정된 디스플레이 이미지의 가상 디스플레이 이미지의 과초점화된 인간의 눈의 뷰를 생성하도록 한다.
눈 추적에 따라 디스플레이 이미지를 수정하는 것은 눈 추적에 따라 디스플레이 이미지에서 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하는 것을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는: 눈 추적으로부터, 증강 또는 가상 현실 전자 디스플레이 시스템의 눈 타겟 영역에서 눈이 현실 세계 장면의 현실 세계 물체를 보고 있는 장소; 현실 세계 물체가 위치되는 평면의 위치를 결정하고; 현실 세계 물체가 위치되는 평면에 대해 디스플레이 이미지에서의 물체들의 의도된 위치들을 결정; 현실 세계 물체가 위치되는 평면에서 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 의도된 위치를 가진 디스플레이 이미지에서의 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용하도록 추가로 구성될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 컴퓨터-판독 가능 매체가 제공된다. 컴퓨터-판독 가능 매체는, 눈 추적 카메라로부터, 디스플레이 이미지의 과초점화된 가상 이미지의 관찰자의 눈의 시선 방향을 결정하는 단계; 과초점화된 가상 이미지의 하나 이상의 물체들이 초점을 벗어나게 나타나도록 시선 방향에 따라 디스플레이 이미지에서의 하나 이상의 물체들에 블러링을 적용함으로써 디스플레이 이미지를 편집하는 단계를 포함하는 방법을 수행함으로써, 프로세서가 디스플레이될 이미지를 편집하게 하도록 구성된 콘텐츠를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 광학 과초점 반사 시스템이 제공된다. 이 시스템은: 적어도 하나의 광학 기판; 광학 기판과 통합된 광학 과초점 출력 결합부를 포함할 수 있고; 광학 출력 결합부는 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트를 포함하고; 과초점 반사 뷰 포트는 적어도 하나의 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고, 광학 과초점 반사기 스폿은 부분적으로 반사되고 광학 기판과 통합되고 시스템의 눈의 뷰잉 위치를 향해 배향되고; 개별 광학 과초점 반사기 스폿의 애퍼처는 직경이 약 100 미크론 및 1000 미크론이다.
광학 과초점 출력 결합부는 광학 기판과 통합된 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함할 수 있고, 광학 과초점 반사기 스폿들은 광학 과초점 출력 결합부를 따라 연장되*따라 연장하는 패턴으로 서로 이격되어 분산된다.
광학 기판은 부분적으로 또는 실질적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다.
광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 광학 기판에 임베딩될 수 있다.
복수의 과초점 뷰 포트들의 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 약 500㎛ 내지 8㎜의 반사기-간 스폿에 의해 이격될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 증강 현실 및/또는 가상 디스플레이 시스템들을 위한 디스플레이 이미지를 반사적으로 전달하는 방법이 제공된다. 이 방법은 디스플레이 이미지를 광학 전달 디바이스의 기판 내로 또는 그 위로 무한대로 투영하는 단계; 및 뷰잉 위치에서 디스플레이 이미지의 가상 이미지의 과초점화된 뷰를 형성하는 단계를 포함할 수 있고; 디스플레이 이미지의 가상 이미지의 과초점화된 뷰를 형성하는 단계는: 광학 기판과 통합된 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트의 적어도 하나의 과초점 반사기 스폿으로부터 디스플레이 이미지의 적어도 하나의 부분을 적어도 하나의 개별 스폿 빔으로서 반사적으로 투영하는 단계를 포함하고, 광학 과초점 반사기 스폿은 뷰잉 위치에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 뷰잉 위치에서 직경을 갖는 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정된다.
또 다른 양태에 따르면, 광학 출사 동공 연장기 과초점 시스템이 제공된다. 시스템은: 제 1 광학 도파관 기판; 적어도 하나의 제 1 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 출사 동공 연장 방향으로 제 1 광학 도파관 기판에 선택적으로 입력 결합하고 적어도 제 2 파장의 적어도 일부의 시준된 이미지 광선들을 통과시키도록 구성된 제 1 광학 입력 결합부로서, 제 1 광학 도파관 기판과 통합/또는 그로부터 분리되는 상기 제 1 광학 입력 결합부; 및 제 1 광학 도파관 기판과 통합된 제 1 광학 과초점 출력 결합부를 포함할 수 있고, 제 1 광학 출력 결합부는 제 1 광학 도파관 기판과 통합된 하나 또는 복수의 제 1 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고; 제 1 과초점 반사 뷰 포트들의 각각은 제 1 광학 도파관 기판과 통합된 제 1 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고, 제 1 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 적어도 제 1 파장의 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 제 1 개별 광학 스폿 빔으로서 제 1 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작업 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되고; 제 1 개별 광학 과초점 반사기 스폿의 애퍼처는 적어도 제 1 파장의 광선들의 제 1 개별 광학 스폿 빔이 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기에 의해 볼 때 과초점화된 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰를 형성하도록 크기가 정해진다.
이 시스템은 제 2 광학 도파관 기판; 제 1 광학 입력 결합부로부터 수신되는 적어도 하나의 제 2 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 출사 동공 연장 방향으로 제 2 광학 도파관 기판에 선택적으로 입력 결합하도록 구성된 제 2 광학 입력 결합부로서, 제 2 광학 입력 결합부는 제 2 광학 도파관 기판과 통합/또는 그로부터 분리되고, 제 1 파장은 제 2 파장과 상이한, 상기 제 2 광학 입력 결합부; 및 제 2 광학 도파관 기판과 통합된 제 2 광학 과초점 출력 결합부를 포함할 수 있고, 광학 과초점 출력 결합부는 제 1 과초점 반사 스폿들로부터 적어도 부분적으로 반사된 적어도 제 1 파장의 광선들의 제 1 개별 광학 스폿 빔에 적어도 부분적으로 투명하며, 제 2 광학 출력 결합부는 제 2 광학 도파관 기판과 통합된 하나 또는 복수의 제 2 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고; 제 2 과초점 반사 뷰 포트 각각은 제 2 광학 도파관 기판과 통합된 제 2 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 제 2 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 제 2 광학 입력 결합부로부터 수신되는 적어도 제 2 파장의 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 제 2 개별 광학 스폿 빔으로서 제 2 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되고, 제 2 개별 광학 과초점 반사기 스폿의 애퍼처는 적어도 제 2 파장의 광선들의 제 2 개별 광학 스폿 빔이 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기에 의해 볼 때 과초점화된 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰를 형성하도록 크기가 정해진다.
복수의 제 1 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 1 광학 도파관 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 제 1 패턴으로 서로 이격되어 분산될 수 있고, 출사 동공 연장기로부터 적어도 제 1 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성되고; 복수의 제 2 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 2 광학 도파관 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 제 2 패턴으로 서로 이격되어 분산될 수 있고, 출사 동공 연장기로부터 적어도 제 2 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성될 수 있다.
복수의 제 1 광학 과초점 반사기 스폿들은, 제 1 개별 스폿 빔들에 의해 타겟 영역에 형성된 과초점 뷰들이 제 2 개별 스폿 빔들에 의해 타겟 영역에 형성되는 과초점화된 뷰들을 오버랩하지 않도록, 제 2 광학 도파관 기판에 분산된 복수의 제 2 광학 과초점 반사기 스폿들에 대해 제 1 광학 도파관 기판에 분산될 수 있다.
시준된 이미지는 다색일 수 있고, 적어도 제 1 파장은 제 1 색상에 대응하는 파장을 포함할 수 있고, 적어도 제 2 파장은 제 2 색상에 대응하는 파장을 포함할 수 있다.
제 1 광학 입력 결합부는 제 1 파장의 시준된 이미지 광선들과 제 2 파장의 시준된 이미지 광선들의 일부를 제 1 광학 도파관에 선택적으로 입력 결합하도록 구성될 수 있고; 제 1 광학 입력 결합부는 제 2 광학 입력 결합부에 제 2 파장의 적어도 일부의 다른 시준된 이미지 광선들을 통과시키고 제 3 파장의 시준된 광선들을 통과 시키도록 구성될 수 있다.
복수의 제 1 과초점 스폿들은 제 1 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 1 파장 및 제 2 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 1 개별 스폿 빔들로서 선택적으로 반사시키도록 구성될 수 있다.
제 2 광학 입력 결합부는 제 1 제 2 광학 결합부로부터 수신된 제 2 파장 및 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 2 광학 도파관 기판에 선택적으로 입력 결합하도록 구성될 수 있다.
복수의 제 2 과초점 스폿들은 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 2 파장 및 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 2 개별 스폿 빔들로서 선택적으로 반사시키도록 구성될 수 있다.
제 1 파장은 제 1 색상에 대응하고, 제 2 파장은 제 2 색상에 대응하고, 제 3 파장은 제 3 색상에 대응할 수 있다.
제 1 색상은 청색을 포함할 수 있고, 제 2 색상은 녹색을 포함할 수 있으며, 제 3 색상은 적색을 포함할 수 있다.
시스템은 제 3 광학 도파관 기판으로서; 제 1 광학 입력 결합부는 제 2 파장 및 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 이를 통해 통과시키도록 추가로 구성되고; 제 1, 제 2 및 제 3 파장은 서로 상이하고; 제 2 광학 입력 결합부는 적어도 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 이를 통해 통과시키도록 추가로 구성되는, 상기 제 3 광학 도파관 기판; 및 제 2 광학 입력 결합부로부터 수신된 적어도 하나의 제 3 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 출사 동공 연장 방향으로 제 2 광학 도파관 기판에 입력 결합하도록 구성된 제 3 광학 입력 결합부로서; 제 3 광학 도파관 기판과 통합/또는 이로부터 분리되는 상기 제 3 광학 입력 결합부; 제 3 광학 도파관 기판과 통합된 제 3 광학 과초점 출력 결합부를 더 포함하고; 제 3 광학 과초점 출력 결합부는 적어도 제 1 파장의 광선들의 반사된 제 1 개별 광학 스폿 빔 및 적어도 제 2 파장의 광선들의 반사된 제 2 개별 광학 스폿 빔에 적어도 부분적으로 투명하고; 제 3 광학 출력 결합부는 제 3 광학 도파관 기판과 통합된 하나 또는 복수의 제 3 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고; 제 3 과초점 반사 뷰 포트들의 각각은 제 3 광학 도파관 기판과 통합된 제 3 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함하고; 제 3 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 제 3 광학 입력 결합부로부터 수신되는 적어도 제 3 파장의 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 광선들의 제 3 개별 광학 스폿 빔으로서 제 3 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 적어도 부분적으로 반사적으로 투영하도록 구성되고, 제 3 개별 광학 과초점 반사기 스폿의 애퍼처는 적어도 제 3 파장의 광선들의 제 3 개별 광학 스폿 빔이 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기에 의해 볼 때 과초점화된 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰를 형성하도록 크기가 정해진다.
제 1 광학 입력 결합부는 제 1 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 1 광학 도파관에 선택적으로 입력 결합하도록 구성될 수 있고; 제 1 광학 입력 결합부는 제 2 파장 및 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 2 광학 입력 결합부에 통과시키도록 구성되고; 복수의 제 1 과초점 스폿들은 제 1 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 1 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 1 개별 스폿 빔들로서 선택적으로 반사시키도록 구성될 수 있고; 제 2 광학 입력 결합부는 제 1 제 2 광학 결합부로부터 수신된 제 2 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 2 광학 도파관 기판에 선택적으로 입력 결합하도록 구성될 수 있고, 제 2 광학 입력 결합부는 이를 통해 제 1 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 통과하도록 구성될 수 있고; 복수의 제 2 과초점 스폿들은 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 2 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 2 개별 스폿 빔들로서 선택적으로 반사시키도록 구성될 수 있고; 제 3 광학 입력 결합부는 제 2 광 결합부로부터 수신된 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 3 광학 도파관 기판에 선택적으로 입력 결합하도록 구성될 수 있고; 복수의 제 2 과초점 스폿들은 제 3 광학 입력 결합부로부터 수신된 제 3 파장의 시준된 이미지 광선들을 제 3 개별 스폿 빔들로서 선택적으로 반사시키도록 구성될 수 있다.
제 1 파장은 제 1 색상에 대응할 수 있고, 제 2 파장은 제 2 색상에 대응할 수 있고, 제 3 파장은 제 3 색상에 대응할 수 있다.
제 1 색상은 청색을 포함할 수 있고, 제 2 색상은 녹색을 포함할 수 있으며, 제 3 색상은 적색을 포함할 수 있다.
복수의 제 1 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 1 광학 도파관 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 제 1 패턴으로 서로 이격되어 분산될 수 있고, 출사 동공 연장기로부터의 적어도 제 1 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성되고; 복수의 제 2 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 2 광학 도파관 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 제 2 패턴으로 서로 이격되어 분산될 수 있고, 출사 동공 연장기로부터의 적어도 제 2 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성되고; 복수의 제 3 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 2 광학 도파관 기판을 따라 출사 동공 연장 방향으로 연장되는 제 3 패턴으로 서로 이격되어 분산될 수 있고, 출사 동공 연장기로부터의 적어도 제 3 파장의 시준된 디스플레이 이미지 광학 입력 광선들을 점진적으로 추출하도록 집합적으로 구성된다.
복수의 제 1 광학 과초점 반사기 스폿들, 복수의 제 2 광학 과초점 반사기 스폿들 및 복수의 제 3 광학 과초점 반사기 스폿들은 제 1 개별 스폿 빔들, 제 2 개별 스폿 빔들 및 제 3 개별 스폿 빔들에 의해 타겟 영역에 형성되는 과초점화된 뷰들이 서로 오버랩하지 않도록 서로에 대해 각각 제 1 광학 도파관 기판, 제 2 광학 도파관 기판 및 제 3 광학 도파관 기판에 분산될 수 있다.
광학 출력 결합부들 중 하나 이상은 회절 광학 출력 결합기를 포함할 수 있으며, 회절 광학 출력 결합기의 반사 스폿들의 각각은 회절 격자를 포함한다.
광학 입력 결합부들 중 하나 이상은 회절 광학 입력 결합기를 포함할 수 있다.
이 시스템은 광학 입력 결합부를 출력 결합부에 작동 가능하게 결합하는 동공 연장 영역을 더 포함할 수 있다.
동공 연장 영역은 회절 연장 격자를 포함할 수 있다.
참조에 의한 통합
본 명세서에 언급된 모든 공보들은 공보들이 인용되는 장치, 방법들 및/또는 자료들을 개시하고 설명하기 위해 본 명세서에 참조로 포함된다. 본 명세서에 언급된 모든 공보들, 특허들 및 특허 출원들은 각각의 개별 공보, 특허 또는 특허 출원이 구체적으로 및 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 나타낸 것과 동일한 정도로 전체적으로 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
본 명세서에서 논의되거나 언급된 공보들은 본 출원의 출원일 이전에 공개를 위해서만 제공된다. 본 명세서의 어떠한 것도 본 발명이 선행 발명으로 인해 그러한 공보보다 선행할 자격이 없음을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명이 보다 쉽게 이해될 수 있기 위해, 지금부터 첨부된 도면들을 참조할 것이다.
도 1a는 현실 세계 장면을 관찰하는 인간의 눈의 일치된 광학 수렴 및 조절(accommodation)을 나타내는 개략적인 광선도;
도 1b는 증강 현실 시스템들 및 가상 현실 시스템들에서 사용되는 종래의 광학 시스템들과 연관된 광학 수렴-조절 불일치를 예시하는 개략적인 광선도;
도 2는 본 기술의 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 개념도;
도 3은 광학 검출기 상의 렌즈에 의해 렌더링된 착란원을 예시하는 간단한 기하학적 광학 광선도;
도 4는 도 3에 도시된 착란원이 어떻게 조정되었는지를 예시하는 간단한 기하학적 광학 광선도;
도 5는 눈들의 동공들 입구에서 양안 구성의 과초점 애퍼처들이 어떻게 과초점 거리(H)에서 무한대까지의 조절 범위(accommodation range)를 제공하는지를 도시한 도면;
도 6은 일 실시예에 따른 양안 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 7은 일 실시예에 따른 양안 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 8은 일 실시예에 따른 근안 증강 현실 디스플레이 시스템(near-to-eye augmented reality display system)을 도시한 도면;
도 9a는 일 실시예에 따른 도 8의 디스플레이 시스템에서 사용되는 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 9b는 일 실시예에 따른 도 8의 디스플레이 시스템에서 사용하기 위한 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 10a는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 도시하는 도 9a의 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 10b는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 보여주는 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 10c는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 보여주는 도 9b의 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 11은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 12는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 13은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 14는 일 실시예에 따른 도 9b의 광학 과초점 반사 시스템에서 각도 선택형 노치 필터 광학 과초점 반사기 스폿들 시퀀스의 각각에 대한 광선 입사각에 대한 반사율 의존성을 나타내는 그래프;
도 15는 일 실시예에 따른 인간의 눈으로 본 도 15에 언급된 광학 과초점 반사기 스폿들의 시퀀스의 순 각도 응답을 나타내는 그래프;
도 16은 일 실시예에 따른 분리된 단일 과초점 반사 뷰 포트를 도시한 도면;
도 17은 뷰 포트 없이 인간의 눈으로 본 도 16에서 무한대로 투영되는 이미지를 도시한 도면;
도 18은 도 16에서 인간의 눈으로 본 과초점 반사 뷰 포트에 의해 형성되는 가상 이미지를 도시한 도면;
도 19는 일 실시예에 따른 분산된 복수의 과초점 뷰 포트들 소자들을 도시한 도면;
도 20은 일 실시예에 따른 인간의 눈으로 본 및 도 19의 과초점 뷰 포트 소자들에 의해 형성된 과초점 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 21은 일 실시예에 따른 분산된 다중 과초점 뷰 포트 소자들을 도시한 도면;
도 22는 일 실시예에 따른 도 21의 과초점 반사 뷰 포트 소자들에 의해 형성되는 과초점화된 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 23은 일 실시예에 따른 도 21의 과초점 반사 뷰 포트 소자들에 의해 형성되는 과초점화된 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 24는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 25는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 26은 이미지 소스의 통상적인 방출 스펙트럼을 도시한 도면;
도 27은 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 28은 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 29는 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 30은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 31은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 32는 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 33은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 34는 일 실시예에 따른 광학 증강 현실 디스플레이 시스템을 도시한 도면;
도 35는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 36은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 37은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 38은 일 실시예에 따른 도 37의 시스템을 포함하는 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 39는 도 38의 시스템의 평면도;
도 40은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 41은 도 40의 시스템의 평면도;
도 42는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템 및 컴퓨터 생성된 편집 디스플레이 이미지를 통해 제 1 현실 세계 물체 평면을 관찰하는 눈들의 시선 방향을 도시한 도면;
도 43은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템 및 컴퓨터 생성된 편집 디스플레이 이미지를 통해 제 2 현실 세계 물체 평면을 관찰하는 눈들의 시선 방향을 도시한 도면;
도 44는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 직시 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한 도면;
도 45는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 간접 뷰 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한 도면;
도 46은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 가상 이미지의 과초점 인간의 눈의 뷰를 최적화하기 위한 다양한 제어 시스템들의 블록도;
도 47은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템들을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 안경의 단순화된 예를 도시한 도면;
도 48은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템들을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 바이저(visor)의 단순화된 예를 도시한 도면; 및
도 49는 증강 및/또는 가상 현실 디스플레이들에서 사용하기 위한 컴퓨터 시스템 형태의 예시적인 기계의 개략도.
도 1b는 증강 현실 시스템들 및 가상 현실 시스템들에서 사용되는 종래의 광학 시스템들과 연관된 광학 수렴-조절 불일치를 예시하는 개략적인 광선도;
도 2는 본 기술의 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 개념도;
도 3은 광학 검출기 상의 렌즈에 의해 렌더링된 착란원을 예시하는 간단한 기하학적 광학 광선도;
도 4는 도 3에 도시된 착란원이 어떻게 조정되었는지를 예시하는 간단한 기하학적 광학 광선도;
도 5는 눈들의 동공들 입구에서 양안 구성의 과초점 애퍼처들이 어떻게 과초점 거리(H)에서 무한대까지의 조절 범위(accommodation range)를 제공하는지를 도시한 도면;
도 6은 일 실시예에 따른 양안 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 7은 일 실시예에 따른 양안 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 8은 일 실시예에 따른 근안 증강 현실 디스플레이 시스템(near-to-eye augmented reality display system)을 도시한 도면;
도 9a는 일 실시예에 따른 도 8의 디스플레이 시스템에서 사용되는 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 9b는 일 실시예에 따른 도 8의 디스플레이 시스템에서 사용하기 위한 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 10a는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 도시하는 도 9a의 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 10b는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 보여주는 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 10c는 일 실시예에 따른 과초점 반사기 스폿을 보여주는 도 9b의 광학 과초점 반사 시스템의 일부의 확대도;
도 11은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 12는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 13은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 14는 일 실시예에 따른 도 9b의 광학 과초점 반사 시스템에서 각도 선택형 노치 필터 광학 과초점 반사기 스폿들 시퀀스의 각각에 대한 광선 입사각에 대한 반사율 의존성을 나타내는 그래프;
도 15는 일 실시예에 따른 인간의 눈으로 본 도 15에 언급된 광학 과초점 반사기 스폿들의 시퀀스의 순 각도 응답을 나타내는 그래프;
도 16은 일 실시예에 따른 분리된 단일 과초점 반사 뷰 포트를 도시한 도면;
도 17은 뷰 포트 없이 인간의 눈으로 본 도 16에서 무한대로 투영되는 이미지를 도시한 도면;
도 18은 도 16에서 인간의 눈으로 본 과초점 반사 뷰 포트에 의해 형성되는 가상 이미지를 도시한 도면;
도 19는 일 실시예에 따른 분산된 복수의 과초점 뷰 포트들 소자들을 도시한 도면;
도 20은 일 실시예에 따른 인간의 눈으로 본 및 도 19의 과초점 뷰 포트 소자들에 의해 형성된 과초점 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 21은 일 실시예에 따른 분산된 다중 과초점 뷰 포트 소자들을 도시한 도면;
도 22는 일 실시예에 따른 도 21의 과초점 반사 뷰 포트 소자들에 의해 형성되는 과초점화된 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 23은 일 실시예에 따른 도 21의 과초점 반사 뷰 포트 소자들에 의해 형성되는 과초점화된 가상 이미지 스폿 뷰들을 도시한 도면;
도 24는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 25는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 26은 이미지 소스의 통상적인 방출 스펙트럼을 도시한 도면;
도 27은 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 28은 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 29는 일 실시예에 따른 복수의 광학 과초점 반사 뷰 포트들을 도시한 도면;
도 30은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 31은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 32는 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 33은 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램 모델에 따라 검출기에 의해 본 과초점 스폿 이미지들을 도시한 도면;
도 34는 일 실시예에 따른 광학 증강 현실 디스플레이 시스템을 도시한 도면;
도 35는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 36은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 도시한 도면;
도 37은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 38은 일 실시예에 따른 도 37의 시스템을 포함하는 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 39는 도 38의 시스템의 평면도;
도 40은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 사시도;
도 41은 도 40의 시스템의 평면도;
도 42는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템 및 컴퓨터 생성된 편집 디스플레이 이미지를 통해 제 1 현실 세계 물체 평면을 관찰하는 눈들의 시선 방향을 도시한 도면;
도 43은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템 및 컴퓨터 생성된 편집 디스플레이 이미지를 통해 제 2 현실 세계 물체 평면을 관찰하는 눈들의 시선 방향을 도시한 도면;
도 44는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 직시 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한 도면;
도 45는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 간접 뷰 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한 도면;
도 46은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 가상 이미지의 과초점 인간의 눈의 뷰를 최적화하기 위한 다양한 제어 시스템들의 블록도;
도 47은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템들을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 안경의 단순화된 예를 도시한 도면;
도 48은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템들을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 바이저(visor)의 단순화된 예를 도시한 도면; 및
도 49는 증강 및/또는 가상 현실 디스플레이들에서 사용하기 위한 컴퓨터 시스템 형태의 예시적인 기계의 개략도.
다음의 설명에서, 제한이 아닌 설명할 목적으로, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 실시예들, 절차들, 기술들 등과 같은 특정 세부 사항들이 기재된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부 사항들에서 벗어나는 다른 실시예들에서 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
출원인은 근안 디스플레이들을 포함한 헤드 마운트 디스플레이들 및 헤드 업 디스플레이들과 같이 그러나 이에 제한되지 않고, 본 명세서에서 가상 현실 및 증강 현실 디스플레이에서 사용되는 광학 이미지 전달 시스템들의 하나 이상의 중요한 결점들을 확인했다.
그러한 결점 중 하나는 소위 광학 수렴-조절 충돌(optical vergence-accommodation conflict)의 바람직하지 않은 영향이다. 수렴은 단일 양안 시력을 얻거나 유지하기 위해 양쪽 눈을 반대 방향으로 동시에 움직이는 것이다. 수렴 움직임들은 눈의 조절과 밀접한 관련이 있다. 조절은 척추 동물의 눈이 거리가 변함에 따라 선명한 이미지를 유지하거나 물체에 초점을 맞추기 위해 광학 전력을 변경하는 과정이다. 정상적인 조건들 하에서, 상이한 거리에 있는 물체를 보기 위해 눈의 초점을 변경하면 자동으로 수렴과 조절이 발생할 것이다.
소위 수렴-조절 광학 충돌 영향은 관찰자로부터 고정된 광학 거리에서 가상 이미지를 생성하는 디스플레이 화면의 결과이지만 관찰자의 눈은 가상 이미지 및/또는 현실 세계 장면에서 그들이 보고 있는 물체들에 대한 인지된 거리에 기초하여 광학 초점을 자동으로 조정한다. 증강 현실 디스플레이들에서, 충돌은 주어진 수렴 각도에 대한 현실-세계 초점 거리와 일치하지 않는 유한 초점 거리에 위치되는 가상 이미지를 동시에 보는 결과이다.
도 1a 및 도 1b는 증강 현실 시스템들 및 가상 현실 시스템들에서 사용되는 종래의 광학 시스템들과 연관된 광학 수렴-조절 불일치 문제들을 일반적으로 예시하는 개략도들이다. 현실 세계 뷰잉에서 수렴과 조절은 도 1a에서 예를 들어 도시된 바와 같이 충돌없이 함께 작동하며, 도 1a에서는 수렴 거리/평면과 초점 거리/평면이 호환 가능하며, 즉 인간의 눈이 회전하여 현실 세계 장면에 조준하거나 고정하고 현실 세계 이미지의 초점을 유지하도록 조정되었다. 증강 현실 디스플레이들에서 또한, 가상현실 디스플레이들에서, 초점 평면이 고정될 때 디스플레이는 상이한 초점 평면의 수렴 구성요소를 쉽게 에뮬레이팅(emulate)할 수 있지만 조절 구성요소는 에뮬레이팅할 수 없다. 따라서 둘 사이에는 충돌이 있다.
예를 들어 도 1b에서, 광학 디스플레이는 도 1a의 현실 세계 장면과 동일한 거리에 있는 것으로 인간의 눈으로 인지되는 물체의 3D 가상 이미지를 생성한다. 수렴 구성요소가 도 1a에 도시된 것에 비해 변하지 않은 상태로 남아 있도록 물체의 거리가 디스플레이 화면 너머에 있는 것으로 인식되는 것에 기초하여, 인간의 눈은 자동으로 회전하여 물체의 가상 이미지를 조준한다. 그러나 인간의 눈은 수렴 거리보다 훨씬 작은 디스플레이 화면 자체의 초점 평면에서 3D 가상 이미지에 초점을 유지하도록 자연스럽게 적응한다. 디스플레이가 디스플레이 화면의 실제 초점 평면보다 인간의 눈에 더 가까운 것으로 인식되는 물체의 가상 이미지를 생성할 때 유사한 충돌들이 발생한다. 수렴-조절 충돌은 복시, 시각적 명확성 감소, 시각적 불편함 및 피로로 이어질 수 있다[다음 기사들을 참조한다: Kooi, F.L. and Toet, A. "Visual comfort of binocular and 3D displays." Displays, 25, 99-108. doi:10.1016/j.displays.2G04.07.004; Lambooij et al. "Visual Discomfort and Visual Fatigue of Stereoscopic Displays: A Review, Journal of Imaging Science and Technology® 53(3): 030201-030201 -14, 2009.; and Shibata T, Kim J, Hoffman DM, Banks MS, "The zone of comfort: Predicting visual discomfort with stereo displays." Vis. 201 1 Jul 21 ; 11 (8):11. doi:10.1167/11.8.11. ; 이들 각각은 본 명세서에 참조로 포함된다.]
수렴-조절 충돌의 결과로서, 양안 증강 현실 시스템들은 물체 거리를 전달하는 좌안 및 우안에 보내지는 이미지들 사이의 각도 불일치가(수렴)가 선명한 이미지를 형성하기 위해 눈이 초점을 맞춰야 하는 심도(조절)와 일치하지 않기 때문에 확실한 3-차원 이미지를 생성하는데 어려움을 겪는다.
전술한 광학 문제들은 알려진 가상 현실 및/또는 증강 디스플레이 시스템들보다 개선된 광학 전달을 제공하는 광학 시스템들 및 방법들을 허용하는 본 기술의 양태들에 의해 완화될 수 있다. 본 기술의 양태들에 따른 광학 시스템들 및 방법들은 지금부터 일부 예시적인 증강 현실 및 가상 현실 디스플레이 시스템들에서 사용하기 위해 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나 일부 다른 양태들 및 실시예들에서, 본 기술은 향상된 뷰잉 경험을 제공하기 위해, 예에 도시된 것 이외의 증강 현실 및/또는 가상 현실 시스템들에 대해 및 심지어 이미징 애플리케이션들에서 사용되는 다른 타입들의 광학 전달 시스템들에 대해서도 구성될 수 있음을 이해할 것이다.
본 기술의 상이한 양태들 및 실시예들을 참조하여 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이 시스템에서 사용되어 수렴 및 조절 광학 충돌의 감소를 허용할 수 있는 광학 과초점 반사 시스템들이 제공된다. 과초점 반사 뷰 포트들은 시스템들에 의해 사용되어 디스플레이들에서의 수렴을 조작하여 눈의 조절(eyes accommodation)이 수렴과 더욱 가깝게 일치하도록 한다. 하나 이상의 과초점 반사 뷰 포트들은 어떤 형태의 반사를 사용하여 시준된 디스플레이 이미지를 인간의 눈으로 재지향(redirect)하도록 구성된 증강 또는 가상 현실 디스플레이들을 위한 임의 타입의 광학 재지향 시스템에서 채택될 수 있다. 본 명세서에서 광학 과초점 반사 시스템으로 지칭되는 결과적인 광학 시스템은 과초점 반사 뷰 포트 구조들을 사용하여 초점 조절 범위를 소스 이미지의 범위를 넘어 연장하는 눈에 이미지를 전달한다. 시스템의 과초점 반사 뷰 포트들은, 조절 평면이 수렴 평면을 향해 이동하고 선명한 이미지를 유지하도록 허용함으로써 수렴 - 수렴 충돌들의 광학적 영향들을 감소시킨다.
광학 과초점 반사 시스템은 상이한 접근 방식들을 사용하여 구현할 수 있다. 일부 접근 방식들에서, 광학 과초점 반사 시스템은 투시형 광학 결합기(see-through optical combiner) 또는 비투시형 광학 결합기로 구현된다. 일부 실시예들에서 광학 과초점 반사 시스템은 광학 도파관 기반 시스템이다. 다른 실시예들에서 광학 과초점 반사 시스템은 자유-공간 광학 반사기/결합기 기반 시스템, 또는 가상 또는 증강 현실 디스플레이 또는 다른 광학 시스템을 위한 시준된 디스플레이 이미지를 반사적으로 중계하도록 구성된 다른 타입의 광학 모듈이다.
하나의 일반적인 접근 방식으로서, 광학 과초점 반사 시스템은 광학 기판을 구비한다. 광학 입력 결합부는 시준된 디스플레이 이미지를 광학 기판에 입력 결합하도록 구성된다. 광학 과초점 출력-결합부는 광학 기판과 통합된다. 광학 출력-결합부는 하나 또는 복수의 과초점 반사 뷰 포트들을 포함한다. 과초점 반사 뷰 포트는 광학 기판과 통합된 개별 광학 과초점 반사기 스폿을 포함한다. 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 개별 가상 디스플레이 이미지 부분을 형성하는 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 렌즈-검출기 시스템에 또는 렌즈-검출기 시스템이 배치될 타겟 영역 상으로 반사적으로 투영되도록 구성된다. 타겟 영역은 개별 가상 디스플레이 부분을 뷰잉하기 위해 렌즈-검출기 시스템의 가능한 디스플레이 뷰잉 위치들을 커버하는 영역을 의미하도록 정의된다. 렌즈-검출기 시스템, 또는 렌즈-검출기 시스템이 개별 가상 디스플레이 부분을 뷰잉하기 위해 배치될 타겟 영역은 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된다.
일부 접근 방식들에서, 렌즈-검출기 시스템은 인간의 눈이다. 다른 접근 방식들에서, 렌즈-검출기 시스템은 임의의 광학 렌즈-검출기 디바이스를 포함한다. 광학 렌즈-검출기 디바이스의 일부 실시예들에서, 광학 렌즈-검출기 디바이스는 디지털 또는 아날로그 센서와 같은 센서 디바이스에 결합된 광학 렌즈 또는 렌즈 어셈블리이다. 일부 실시예들에서, 광학 렌즈-검출기 디바이스는 카메라 시스템이다. 또한, 본 명세서에 설명된 일부 실시예들에서 인간의 눈 및 그 구성요소들을 참조하지만, 렌즈-검출기 시스템은 예를 들어 임의의 전술한 광학-렌즈 검출기 디바이스들과 같은 다른 타입의 시스템이 대신될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 일부 실시예들에서 광학 렌즈-검출기 디바이스를 참조하지만, 렌즈-검출기 디바이스는 다른 실시예들에서 인간의 눈 시스템이 대신될 수 있음을 이해할 것이다.
개별 광학 과초점 반사기 스폿의 애퍼처는 개별 광학 스폿 빔이 개별 광학 스폿 빔이 과초점화된 가상 디스플레이 이미지 부분의 렌즈-검출기 시스템으로 보는 뷰를 형성하도록 애퍼처 직경 D를 갖는 가상 이미지 과초점 스폿을 눈 또는 다른 렌즈-검출기 시스템에 대한 타겟 영역에 형성하도록 크기 조정된다. 타겟 영역에서 가상 이미지 과초점 스폿의 크기는 렌즈-검출기 시스템이 타겟 영역에 배치될 때 렌즈-검출기 시스템에서 본 가상 디스플레이 부분의 과초점 뷰를 유발하는 렌즈-검출기 시스템의 유효(실제 아님) 애퍼처 크기이다. 렌즈-검출기 시스템에 대해, 유효 애퍼처는 따라서 렌즈로 통과하는 가상 이미지 형성 광선들의 개별 스폿 빔 부분의 단면에 대응하여 착란원으로 알려진 실제 이미지 광학 스폿을 렌즈-검출기 시스템의 검출기 상에 렌더링한다. 특정 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 과초점 반사 뷰 포트는 렌즈 검출기 시스템으로부터 과초점 뷰 포트의 작동 거리를 고려하여, 렌즈-검출기 시스템과 유사한 크기의 착란원을 제공하기 위해 광선들을 차단하도록 렌즈-검출기 시스템의 렌즈보다 훨씬 작다.
광학 과초점 뷰 포트를 더욱 상세히 설명하기 위해, 지금부터 도 2를 참조할 것이며, 도 2는 본 기술의 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 개념도이다. 예시 및 설명의 용이함을 위해, 도 2에 및 본 명세서의 다른 첨부된 도면들에 도시된 요소들은 일정한 비율로 그려진 것이 아니다.
도 2에서, 광학 과초점 반사 시스템(100)은 증강 현실 광학 결합기로 구현되어, 사용시 시스템은 디스플레이 시스템의 관찰자의 인간의 눈으로 관찰되는 현실 세계를 오버레이하는 가상 이미지를 반사적으로 전달한다. 시스템(100)은 도광 공간 광학 결합기(light guided space optical combiner)로서 구현된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 광학 과초점 반사 시스템은 자유-공간 광학 결합기, 비투시형 광학 결합기(도파 공간 또는 자유 공간), 또는 가상 또는 증강 현실 디스플레이 또는 기타 광학 시스템을 위한 시준된 디스플레이 이미지를 반사적으로 중계하도록 구성된 임의 타입의 광학 모듈로 구현될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 인간의 눈 이외에 다른 타입들의 광학 렌즈-검출기 시스템이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광학 과초점 반사 시스템(100)은 과초점 반사 뷰 포트(102) 및 도광 광학 기판(101)을 포함한다. 도광 광학 기판(101)은 적어도 부분적으로 투시되고, 통상적으로, 기판(101)을 통해 렌즈-검출기 시스템에 의해 관찰되는 현실 세계 장면으로부터 가시 광선들(131)에 실질적으로 투시된다. 렌즈-검출기 시스템은 인간의 눈(201)이다. 일부 다른 실시예들에서, 렌즈-검출기 시스템은 광학 렌즈-검출기 디바이스이다. 기판(101)은 현실 세계 장면으로부터의 광선들(131)이 현실 세계 장면과 동일한 측면에서 기판(101)의 전면(113)으로 들어가서, 기판 (101)을 통과하고 관찰자의 인간의 눈(201)과 동일한 측면 상의 기판의 후면(114)으로부터 빠져나가 도록 구성된다.
과초점 반사 뷰 포트(102)는 도광 광학 기판(101)과 통합되며, 이는 기판 내에 및/또는 기판(101)의 표면 상에 배치됨을 의미한다. 과초점 반사 뷰 포트(102)는 개별 물리적 뷰 포트 애퍼처(112)를 가진다. 예시 및 설명의 용이함을 위해, 애퍼처(112)가 1차원 뷰 포트 애퍼처로 도 2에 도시된다. 과초점 뷰 포트 애퍼처(112)는 생성된 디스플레이 이미지 입력(106)의 광학 입력 광선들(107)이 뷰 포트(102)에서 반사되어 인간의 눈(201)을 향해 기판(101)을 출력하는 개구부를 의미한다. 뷰 포트에서 반사되는 광학 광선 다발들(105)은 시준된 광선들로 반사되기 때문에 가상 이미지를 형성하고, 이러한 광선들의 원뿔은 디스플레이의 시야에 기여하는 과초점 뷰 포트 양단의 각도 범위에 의해 형성된다. 개별 스폿 빔(105) 형태의 가상 이미지 형성 광선들은 뷰잉 렌즈 애퍼처(115)를 통해 눈 렌즈(205) 내로 통과하여 눈 망막 상에 착란원(circle of confusion)으로 알려진 실제 이미지 광학 스폿(105C)을 렌더링한다.
광학에서, 착란원은 포인트 소스를 이미징할 때 완벽한 초점이 나오지 않는 렌즈로부터의 광선 원뿔로 인해 발생된 광학 스폿이다. 착란원반, 불명료한 원, 블러링 원 또는 블러링 스폿으로도 알려져 있다. 인간의 눈의 착란원은 눈의 망막에 완벽한 초점이 나오지 않는 눈 렌즈로부터의 광선 원뿔로 인해 발생하는 광학 스폿이다. 인간의 눈에 대한 착란원에 대한 추가 설명은 예를 들어 [Ray, Sidney F. 2000., including page 52, in The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, 9th ed. Ed. Ralph E. Jacobson, Sidney F. Ray, Geoffrey G. Atteridge, and Norman R. Axford. Oxford: Focal Press. ISBN 0-240-51574-9]를 참조하며, 그 전체 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 2는 무한대로 투영되고 상이한 각도들을 한정하는(subtending) 두개의 상이한 문자들 "A"와 "B"가 어떻게 망막의 뒤쪽에 초점이 맞추어지는지에 대한 예를 도시한다. 각각의 경우 개별적인 착란원(CoC: Circle of Confusion)이 형성된다. CoC는 이미징 시스템의 포인트 스프레드 기능의 기초를 형성하며 이미지의 각 부분과 컨볼빙된다(convolved). CoC는 장면과 컨볼빙되는 블러링 스폿으로, 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 과초점 거리 범위 내에서 초점 차이를 불분명하게 나타나게 만든다.
반사 뷰 포트(102)는 개별 스폿 빔 단면 직경이 충분히 작아서 눈 렌즈 또는 다른 렌즈-검출기 시스템이 과초점화되도록, 즉 눈 렌즈(205)가 이미지 평면 위치를 변경하지 않고 허용 가능한 선명한 이미지를 유지하면서 원하는 거리(H)에서 무한대로 초점을 맞출 수 있도록 크기 조정된다.
과초점 반사 뷰 포트(102)가 어떻게 과초점을 제공하도록 구성되는지를 설명하기 위해, 렌즈-검출기 시스템(400)의 검출기 디바이스(402) 상에 렌더링된 착란원이 어떻게 조정될 수 있는지를 예시하는 간단한 기하학적 광학 광선도들인 도 3 및 도 4를 참조한다. 렌즈-검출기 시스템(400)은 광학 센서 검출기(402)에 광학적으로 결합된 뷰잉 렌즈(401)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 단일 렌즈(401) 대신에 광학 뷰잉 렌즈 어셈블리가 사용될 수 있다. 광학 센서 검출기(402)는 예를 들어 CCD 또는 CMOS 이미지 센서이다. 이러한 센서들은 일부 실시예들에서 롤링 셔터 또는 글로벌 셔터를 사용할 수 있다. 도 3에서, 광학 광선들(305)은 무한대의 포인트 소스로부터 나오고 광학 광선들(306)은 임의의 거리 H로부터 나온다. 무한대 광선들(305)은 렌즈(401)의 초점 길이 f에 초점을 맞춘다. H로부터의 광선들(306)은 포인트 f'에 초점을 맞춘다. 포인트 f'에서 무한대로부터의 광선들(305)은 이상적인 초점을 지나 연장되었고 착란원(CoC)으로 알려진 영역을 한정할 것이다. 검출기(402) 상의 가장 작은 분해 가능한 포인트가 CoC보다 크면, 검출기는 무한대에서 발생하는 광선들과 H에서 발생하는 광선들을 구별할 수 없을 것이다. 두 이미지들은 모두 허용 가능하게 선명하게 보일 것이다.
도 3과 도 4를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, CoC 직경은 유효 애퍼처 D를 원하는 크기로 감소시킴으로써 조정될 수 있다. 도 4에서, 무한대에서 발생하는 광선들(307)은 도 3에 도시된 유효 애퍼처에 비해 감소된 직경 D를 갖는 유효 렌즈 애퍼처를 통과한다. 유사하게, 동일한 원리를 사용하여, 눈 렌즈 과초점 애퍼처에 대응하는 직경 D의 개별 스폿 빔(105)을 눈 렌즈(205) 상에 투영함으로써, 인간의 눈의 유효 렌즈 애퍼처가 도 2의 인간의 눈이 과초점 반사 뷰 포트로부터 반사된 광학 광선들(105)과 과초점 거리인 H에서 발생하는 광선들을 구별할 수 없다. 이것이 과초점 반사 뷰 포트(102)의 기본 정의이다.
도 4에 도시된 렌즈-검출기 시스템에 대해, 수정된 뷰잉 렌즈 애퍼처 D는 따라서 뷰잉 렌즈(401)를 통과하는 이미지 형성 광선들(307)의 개별 스폿 빔 부분의 단면 직경 D에 대응하여 실제 이미지 광학 스폿, 착란원(CoC)을 렌즈-검출기 시스템의 검출기에 렌더링한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 뷰 포트 애퍼처(112)는 눈의 동공 입구에서 대응하는 수정된 뷰잉 렌즈 애퍼처를 제공한다. 수정된 뷰잉 렌즈 애퍼처는 뷰잉 렌즈 유효 애퍼처이며, 이는 뷰잉 렌즈 실제 애퍼처보다 작고 가상 이미지 형성 광선들(105)의 렌더링하기 위해 눈 렌즈(205)로 통과하는 가상 이미지 형성 광선들(105)의 반사된 개별 스폿 빔 부분의 단면에 대응하여 실제 이미지 광학 스폿(105C), 착란원을 눈 망막에 렌더링한다. 과초점 반사 뷰 포트(102)는 눈 렌즈로부터 과초점 뷰 포트의 작동 거리를 고려하여, 눈 렌즈(205)와 유사한 크기의 착란원을 제공하기 위해 가상 이미지 형성 광선들을 효과적으로 차단하도록 눈 렌즈(205)보다 훨씬 작다.
따라서 렌즈-검출기 시스템에 대한 타겟 영역에서 수정된 뷰잉 렌즈 애퍼처의 크기는, 뷰잉 렌즈의 실제 애퍼처 직경보다 작고 렌즈-검출기 시스템이 타겟 영역에 배치될 때 렌즈-검출기 시스템에서 본 가상 디스플레이 부분의 과초점 뷰를 유발하는 렌즈-검출기 시스템의 유효(실제 아님) 애퍼처 크기이다.
과초점 거리는 당업자에게 상이한 정의들을 갖는다. 과초점 거리에 대한 이러한 정의들 중 하나는 물체들을 무한대로 허용 가능하게 선명하게 유지하면서 렌즈가 초점을 맞출 수 있는 최단 거리이다. 렌즈가 이 거리에 초점을 맞추면, 과초점 거리의 절반에서 무한대까지의 거리에 있는 모든 물체들은 허용 가능하게 선명할 것이다. 다른 정의는 과초점 거리가 무한대에 초점을 맞춘 렌즈에 대해 모든 물체들이 허용 가능한 선명도를 넘어서는 거리라는 것이다. 두 정의 모두 적절하다. 과초점은 이미지 평면 위치를 변경하지 않고도 허용 가능한 선명한 이미지를 유지하면서 렌즈가 원하는 거리(H)에서 무한대까지 초점을 맞추도록 허용한다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본 출원은 원하는 거리 H를 의미하는 본 기술과 관련하여 과초점 거리를 지칭하며, 즉 과초점은 가상 이미지 평면 위치를 변경하지 않고 허용 가능한 선명한 이미지를 유지하면서 뷰잉 렌즈[인간의 눈 렌즈와 같이만 이에 제한되지 않음]가 과초점 거리(H)에서 무한대까지 초점을 맞추도록 허용한다.
"허용 가능한 선명한 이미지(acceptably sharp image)"의 정의는 시스템의 광학 사양에 따라 미리 결정된다. 일부 실시예들에서, 허용 가능하게 선명한 이미지는 평균 인간의 눈 성능의 표준 값에 따라 미리 결정된 선명도 레벨을 갖는 이미지를 의미한다. 일부 실시예들에서, 허용 가능하게 선명한 이미지는 개인의 인간의 눈 성능에 따라 미리 결정되는 선명도 레벨을 갖는 이미지를 의미한다. 일부 실시예들에서, 허용 가능하게 선명한 이미지는 광학 검출기 디바이스(인간이 아닌)의 분해능에 따라 미리 결정되는 선명도 레벨을 갖는 이미지를 의미한다. 또 다른 일부 실시예들에서, 허용 가능하게 선명한 이미지는 나이퀴스트 기준 - 착란원은 디스플레이에서 가장 작은 분해 가능한 부분(resolvable feature)의 크기의 절반이어야 한다 - 에 따른 선명도 레벨을 가진 이미지를 의미한다. 이것은 렌즈-검출기 시스템의 가장 작은 분해 가능한 부분에 따라 결정된다. 인간의 눈 시스템인 렌즈-검출기 시스템에 대해, 디스플레이가 인간의 눈의 가장 작은 분해 가능한 부분보다 낮은 이미지 부분을 보여줄 수 있다면, 눈의 분해능이 허용 가능한 선명도의 한계인 것은 분명하다. 명확성을 위해 이후 언급되는 허용 가능한 선명도는 나이퀴스트 기준 - 착란원은 디스플레이에서 가장 작은 분해 가능한 부분의 크기의 절반이어야 한다 - 에 따르는 적어도 선명도 레벨을 가진 이미지를 의미한다. 그러나 허용 가능한 선명도는 허용 가능한 선명도의 다른 전술한 정의들 중 어느 하나에 따라 정의될 수 있다.
과초점 거리를 설명하는 수학식은 다음에 의해 주어진다:
H는 과초점 거리, 애퍼처 직경 D는 초점 거리 f 대 F-수 N의 비이고; c는 착란원의 지름이다.
(유도를 위해서는 예를 들어, Photography for students of physics and chemistry by Derr, Louis, 1868-1923, including Pages 78 & 79, and appendix, Publication date 1906, Publisher New York, The Macmillan Company; London, Macmillan & Co., ltd.를 참조하며, 그 전체 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.)
F-수가 주어지면,
따라서 과초점 거리가 f와 D 둘다 정비례함을 알 수 있다:
인간의 눈에 대한 착란원의 값들과 경험적 데이터를 기반으로 한 과초점 거리와의 관계에 대한 예들이 제공되었다(예를 들어, Ray, Sidney F. 2000., including page 52, in The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, 9th ed. Ed. Ralph E. Jacobson, Sidney F. Ray, Geoffrey G. Atteridge, and Norman R. Axford. Oxford: Focal Press. ISBN 0-240-51574-9를 참조하며, 그 전체 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.) 다음 예는 전술한 Ray Sidney 참조에 의해 주어진다.
"정상적인 시력은 초점을 맞추기 위해 눈의 굴절 상태를 변화시키기 위한 근육의
작용을 필요로 한다
. 이러한 내부 초점을 맞추는 것을 수용이라고 하며, 생리학적 한계들은 약 250mm의 뚜렷한 시력(
Dv
)의 편안한 근거리를
설정한다... 예를
들어, 이상적인 조건들에서 폭 0.075mm의
고대비
선은 약
1 분의
호 각도로 한정하며 눈의 망막에 폭이 약
5 마이크로미터인
이미지를 나타내는
Dv에서
인지될 수 있다... 제한 성능은 거의 달성되지 않으며
Dv에서
선폭
0.1mm의
낮은 값이
일반적으로 채택된다. 분해능으로 환산하면 0.1mm의 시력은 0.2mm의 공간 사이클에 대응하는 것으로,
선폭에
막대형 분해능 테스트
타겟에
사용되는 것과 같은 인접한 동일 공간을 더한 값이며, 평균 눈에는 mm당 5 사이클의 값이 주어진다."
애퍼처 직경 D는 위의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 사용하여 결정된다. [수학식 3] 내지 [수학식 4]를 재배열하면, 미리 결정된 과초점 거리 H와 착란원 c에 대한 눈 렌즈의 유효 애퍼처의 직경(및 이에 따라 도 2에 도시된 눈 렌즈에서 개별 스폿 빔(105)의 직경) D를 결정하기 위한 [수학식 5]가 하기에 제공된다.
일부 실시예들에서, 시스템에 대한 미리 결정된 과초점 거리 H는 인간의 눈의 뚜렷한 시력의 편안한 근거리 거리이다. 이러한 경우, 애퍼처 직경 D(뷰잉 렌즈에서 반사된 개별 스폿 빔의 직경임)는 [수학식 3] 및 [수학식 4]로부터 결정되며, 과초점 거리 H는 뚜렷한 시야의 편안한 근거리 거리 및 그 과초점 거리 H에 대한 알려진 착란원 c와 같다. 일부 실시예들에서, 대안적으로 또는 추가적으로, 과초점 거리 H는 필요한 디스플레이 효율성을 제공하기 위해 광학 이미지 입력 광선들의 순 반사율을 유지하기 위한 관점에서 설정된다.
비제한적인 예를 들어, 무한대에서 초점을 맞출 때 눈 렌즈의 초점 길이는 약 16mm이다. 0.25m의 과초점 거리에서 초점을 맞출 때 눈의 초점 길이 f는 약 15.04mm이다. 전술한 Ray, Sidney F. 2000의 참고 문헌에 기재된 경험적 처리에 따른 착란원은 0.2mm 공간 사이클에 대해 약 13.3 미크론이다. 망막 분해능을 제공하기 위해 눈 앞의 애퍼처 직경으로부터 0.25m에서 무한대까지의 제한된 초점은 다음과 같다:
따라서 전술한 예에서 애퍼처 직경 D는 무한대에서 0.25m까지의 과초점에 대한 이상적인 동공 직경에 대응하며 눈 렌즈에 210 미크론이다. 과초점 뷰 포트 애퍼처(112)는 동일하거나 실질적으로 동일한 애퍼처 직경으로 구성된다. 광선들(105)이 실질적으로 평행하기 때문에, 뷰 포트 애퍼처(112)는 반사 광선의 실질적으로 유사한 크기의 개별 스폿을 눈 렌즈에 투영한다. 광학 기판이 광학 도파관 기판인 시스템들에 대해, 광선들(105)은 평행하거나 실질적으로 평행하다. 광학 기판이 광학 자유 공간 결합기 기판이거나 다른 비-도파관 기판인 시스템들에 대해, 광선들(105)은 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있지만, 일부 다른 실시예들에서, 이들은 평행하기보다는 과초점 반사 뷰 포트에서 발산할 수 있고, 이 경우 뷰잉 렌즈의 개별 스폿 직경 D는 뷰 포트 애퍼처(112)보다 클 수 있지만 단순한 기하학에 의해 결정될 수 있다.
전술한 예는 주어진 과초점 거리에 대한 과초점 반사 뷰 포트의 애퍼처 직경을 결정하는 방법을 예시한다. 눈 렌즈의 과초점을 위한 동공 직경은 다른 경험적 데이터를 사용하여 계산될 수 있으며 전술한 Ray, Sidney F의 참고 문헌에 기재된 특정 값들에 제한되지 않음을 알 수 있다.
일부 실시예들에서, 헤드 마운트 디스플레이 또는 근안 디스플레이, 또는 나이퀴스트 기준과 조합된 광학 과초점 반사 시스템을 포함하는 다른 디스플레이 시스템의 각도 분해능은 착란원의 치수를 결정하는데 사용된다. 착란원은 디스플레이 시스템의 출사 동공에서 디스플레이된 이미지에서 가장 작은 분해 가능한 부분의 크기의 절반으로 미리 결정된다. 일부 실시예들에서, 착란원은 가장 작은 분해 가능한 부분의 크기의 절반 미만으로 미리 결정된다.
지금부터 일부 실시예들에 따른 근안 도파관 디스플레이들 및 다른 타입들의 증강 현실 디스플레이 시스템들에 대해 더욱 상세히 살펴보면, 이러한 디스플레이들의 설계에 관련된 광학장치는 다른 세부 사항들 중에서 시야(FOV: Field of View), 분해능 및 이미지 위치(x, y 및 z)를 결정한다. 현실 세계에서 우리의 심도 인식은 두 가지 주요 요인들에 의해 좌우된다. 수렴(Vergence); 눈들은 물체에 고정을 유지하기 위해 회전한다. 조절(Accommodation); 눈 렌즈는 망막에 선명한 "정초점(in-focus)" 이미지를 유지하도록 적응된다. 상술한 바와 같이, 초점 평면과 수렴 평면이 정렬되지 않을 때 수렴-조절 광학 충돌이 발생한다. 도파관 디스플레이에서, 이미지는 초점 평면이 무한대로 가이드를 통해 전파된다. 이러한 AR 디스플레이들은 수렴 평면이 조절 평면(디스플레이 이미지가 초점이 맞춰지는)의 CoC 내에 있지 않을 때 더욱 심각한 수렴 조절 충돌을 나타낸다. Robert Konrad et al,은 수렴이 조절을 좌우할 수 있음을 보여준다("Accommodation-invariant Near-eye Displays", SIGGRAPH July 2017, Robert Konrad, Nitish Padmanaban, Keenan Molner, Emily A. Cooper, Gordon Wetzstein를참조하며, 이 전체 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다). 이러한 수렴 및 조절 불일치는 종종 방향 감각 상실과 메스꺼움으로 이어진다.
도파관 기반 디스플레이들에서, 선택된 초기 초점 평면은 분해능을 잃지 않도록 무한대에 있다. 이는 도파관이 위치 정보가 아닌 각도 정보를 유지하기 때문이다. 각도 정보만 있는 이미지를 가지는 유일한 방법은 이를 무한대로 보정하는 것이다. 눈들이 훨씬 가까운 거리들에서 수렴되게 하도록 디스플레이들을 조작하는 것이 가능하지만 눈들의 조절은 무한대로 유지되어 VAC가 발생할 것이다. 푸시-풀 렌즈들(Push-pull lenses)이 사용되여 초점 평면을 더 가깝게 가져올 수 있지만 이로 인해 추가 구성요소들이 발생하여, 전체 폼 팩터를 증가시키고 궁극적으로 단일 초점 평면을 제공한다. 도파관 기반 디스플레이들은 작동의 특성상 초점 평면이 무한대인 이미지를 전달해야 하는데, 이로부터 벗어나면 분해능이 떨어진다. 하기에 더욱 상세히 설명하겠지만, 과초점 반사 뷰 포트(들)를 사용하여 이미지가 도파관을 가로지른 후 눈에 전달하면, 무한대 초점 이미지는 무한대 이외의 초점 평면들에서 사용자에 의해 뷰잉되고 조절될 수 있어서, 수렴 불일치를 제거한다.
수렴 불일치를 제거하기 위해 과초점 반사 뷰 포트(들)가 사용될 수 있는 방법을 더욱 적절하게 설명하기 위해, 지금부터 첨부 도면들의 도 5 및 도 6을 참조할 것이다. 도 5는 눈들(201)의 동공 입구에서 양안 구성의 직경(D)의 과초점 애퍼처들(115)이 과초점 거리(H)에서 무한대까지의 조절 범위를 제공하는 방법을 예시한다. 수렴 평면(140), 즉 양쪽 눈들의 시선이나 시각 축이 모여 단일 양안 시력을 유지하는 평면은, H에서 무한대까지의 수렴 범위(141)에서 선택될 수 있고, 허용 가능하게 선명한 가상 이미지를 유지하도록 조절하는 것이 가장 편안한 면을 결정하는데 사용될 수 있다. 광학 광선들(307)이 무한대로부터 시작되기 때문에, 각각의 과초점 애퍼처(115)는 과초점 성능을 변경하지 않고 시선을 따라 눈으로부터 더 멀리 이동할 수 있다. 유사한 방식으로, 도파관에 임베딩된 과초점 반사 뷰 포트(102)는 투영된 디스플레이 이미지에 대한 과초점 애퍼처로서 작용한다.
예를 들어, 도 6은 일 실시예에 따른 각 눈(201)에 대한 광학 과초점 반사 시스템(100)을 갖는 양안 광학 과초점 반사 시스템을 예시한다. 과초점 반사 뷰 포트들(102)은 각 눈(201)에 대해 하나씩, 각각의 광학 도파관 기판(101)에 제공된다. 광학 과초점 반사 시스템들(100)의 각각에서, 과초점 뷰 포트의 애퍼처(112)는 도파관 기판(101)에 임베딩된 정해진(titled) 개별 반사기 스폿(103)에 의해 규정된 2차원 애퍼처이다. 기판(101)은 기하학적 광학 도파관 기판이다.
반사기 스폿(103)은, 광학 입력 광선들(107)의 개별 부분을 실질적으로 평행한 광선들 또는 발산 광선들(105)의 개별 광학 스폿 빔으로서 광학 도파관 기판으로부터 및 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역(또는 다른 광학 뷰잉 렌즈-검출기 시스템)으로 반사적으로 투영하도록 구성되는 임의 타입의 광학 요소에 의해 제공될 수 있다.
사용되는 개별 반사기 스폿의 타입은 다를 수 있다. 도 6의 실시예들에서, 기울어진 반사기 스폿들 중 하나 이상은, 하나 이상의 금속층들 또는 유전체층들을 포함하는 광학층과 같이, 광학 도파관 기판의 가상 이미지 입력 파동 전파 축 또는 출사 동공 연장 방향에 대해 적어도 하나의 경사면에 배치된 광학 반사 코팅 또는 층이다. 일부 다른 실시예들에서, 개별 반사기 스폿의 타입은, 자유 공간 광학 결합기, 다른 출사 동공 연장기들, 또는 모든 종류의 반사(등방성 및 이방성), 회절, 홀로그램, 전환 가능 및 어드레싱 가능, 또는 MEMS 등의 도파관 기술과 같지만 이에 제한되지 않은 다른 도파관 기반 광학장치와 같은 가상 현실 또는 증강 현실 시스템에서 사용되는 광학장치의 타입에 따라 선택된다.
일부 실시예들에서, 반사기 스폿들 중 하나 이상은 도파관 기판의 전파 축에 대해 경사지거나 평행한 면에 배치될 수 있는 회절 광학 요소이다. 투과 모드 또는 반사 모드로 구성된 광학 회절 광학 요소들은 반사기 스폿들로 사용될 수 있다. 투과 모드의 회절 광학 요소들은, 광학 도파관들에 배치되거나 임베딩되고 도파관 반사된 광선들을 가이드 밖으로 향하게 한다는 사실에 비추어 반사기 스폿들로서 효과적으로 기능한다.
과초점 애퍼처(115)에 대응하는 스폿 크기를 갖는 개별 스폿 빔(105)은 도파관 기판(101)의 과초점 반사 뷰 포트에 의해 눈 렌즈 상에 투영된다. 과초점 뷰 포트 애퍼처(112)는 반사기 스폿 애퍼처에 대응하고 단순한 형상을 사용하여 그에 따라 선택된 단면을 가져서, 뷰 포트 애퍼처(112)를 빠져나가는 반사된 광선들(105)이 뷰잉 렌즈에서 직경 D를 가진 개별 스폿 빔(105)을 제공하기 위해 1D 뷰 포트 직경(112)을 나타내고 직경 D는 상기 예들에 따라 결정된다. 따라서 2D 애퍼처를 갖는 과초점 반사 뷰 포트(102)는 투영된 디스플레이 이미지에 대한 과초점 뷰 포트로서 구성된다. 과초점 뷰 포트(102)의 위치 및 눈들에 대한 반사기 스폿 기울기 각도들은 수렴 평면(140)이 H에서 무한대까지의 범위에 있고 허용 가능하게 선명한 이미지를 유지하도록 조절하기에 가장 편안한 평면을 결정하는데 사용되도록 선택된다. 눈들에 대한 과초점 뷰 포트들(102)의 위치는 광학 도파관 기판들(101)의 위치 및 기판 광학 도파관 기판들 내의 각각의 뷰 포트들(102)의 위치에 의해 결정된다.
과초점 뷰 포트들의 각각의 애퍼처 직경, 즉 포트의 개별 반사기 스폿 애퍼처의 직경은 인간의 눈의 뷰 또는 형성된 가상 이미지 개별 부분의 다른 광학 렌즈-검출기 뷰가 과초점화되도록 충분히 작은 크기이다. 각각의 눈은 가상 이미지 스폿의 분해능 손실 없이 개별 광학 스폿 빔(105)에 의해 형성된 가상 이미지를 무한대에서 눈 렌즈의 과초점 거리까지의 범위에서 조절할 수 있다. 이를 위해, 뷰잉 렌즈에서 개별 스폿 빔(105)의 직경 D는 위에서 언급한 D 계산 절차를 사용하여 결정된다. 차례로, 개별 반사기 스폿 애퍼처 크기는 반사기 스폿 기울기 각도(들)를 고려하여 계산된 D에 기초하여 결정된다.
반사된 스폿 빔이 엄격하게 평행하기보다는 발산하는 실시예들에서, 눈 렌즈에 대한 반사기 스폿의 각도 위치, 반사기 스폿과 눈 사이의 거리 및 발산 각도를 고려하여 D로부터 개별 반사기 스폿 애퍼처 크기를 결정하기 위해 빔의 발산도가 또한 고려된다.
일부 실시예들에서, 반사기 스폿 애퍼처 크기는 눈 렌즈에서 투영된 개별 스폿 빔이 계산된 직경 D와 동일한 직경을 갖도록 선택된다. 일부 다른 실시예들에서, 반사기 스폿 애퍼처 크기는 눈 렌즈에서 투영된 개별 스폿 빔이 직경 D보다 작은 직경을 갖도록 선택된다. 비제한적인 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들의 일부 접근 방식들에서, 과초점 반사 스폿과 인간의 눈에 대한 눈 타겟 영역 사이의 작동 거리는 통상적으로 약 10mm 내지 75mm이고 과초점 반사기 스폿 애퍼처 크기는 통상적으로 직경이 약 100 미크론 내지 1000 미크론이다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿 애퍼처 크기는 1000 미크론 미만이다. 다른 작동 거리들 및 과초점 반사기 스폿 크기들은 예상되며 사용되는 디스플레이 시스템의 타입과 과초점화된 스폿 이미지를 보기 위한 광학 렌즈-검출기 시스템의 타입에 따라 달라질 것임을 유념한다.
전술한 접근 방식을 채택하면, 복수의 과초점 반사 뷰 포트들(102)은 광학 과초점 반사 시스템에서 사용되어, 원래 투영된 이미지가 무한대임에도 불구하고, 무한대 이외의 평면들에서 수렴 및 조절 둘다 될 수 있는 투영된 이미지들을 현실 세계에 오버레이한 증강 현실 디스플레이를 생성할 수 있다. 이것은 소형 도파관 기반 AR 디스플레이 또는 다른 타입의 광학 반사 시스템 기반 AR 디스플레이가 제공될 수 있게 한다. 도 6의 광학 과초점 반사 시스템이 도파관 기반 광학 결합기이고, 과초점 반사 뷰 포트들(102)은 모든 종류의 반사(등방성 및 이방성), 회절, 홀로그램, 전환 가능 및 어드레싱 가능, 또는 MEMS 등의 도파관 기술과 같지만 이에 제한되지 않은 도파관 기술을 사용하는 다른 반사 시스템들에서, 또는 자유 공간 결합기들과 같은 또는 비-도파관 시스템들 및 그러한 시스템들을 사용하는 비결합기들에서 포함될 수 있다.
눈의 과초점 애퍼처와 비교하여 눈에서 떨어져 있는 각각의 과초점 반사 뷰 포트(102)의 한 가지 단점은 어느 한 위치에서 눈에 의해 접근될 수 있는 시야가 감소된다는 점이다.
일반적인 접근 방식으로서, 광학 과초점 반사 시스템에서 복수의 과초점 뷰 포트들의 패턴 또는 분산이 제공되어 눈(201)이 디스플레이의 전체 시야에 접근할 수 있게 한다. 복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 광학 과초점 반사 시스템에서 특정 구성으로 배열되어 광학 입력 광선들을 추출하고 그에 따라 디스플레이 이미지 생성 디바이스의 출사-동공을 연장하면서 도 2 내지 도 6을 참조하여 상술한 방식으로 가상 이미지의 과초점를 수행한다. 다른 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 과초점 뷰 포트들의 특정 패턴은 채택되는 도파관 기반 또는 자유 공간 결합기 또는 비결합기와 같은 광학 과초점 반사 시스템의 타입에 따라 다를 수 있다. 눈(201)이 과초점을 유지하기 위해서는 각 뷰 포트로부터 디스플레이 시야의 고유한 부분을 수신하는 것이 중요하다. 오버샘플링은 과초점 효과를 줄이고 언더샘플링은 균일성 문제를 일으킬 것이다. 이것은 필연적으로 사람마다 성능의 변동을 의미한다. 일부 실시예들에서, 원하는 성능 특성들을 달성하기 위해, 시스템은 특정 조건에 대한 과초점 반사 뷰 포트들의 분산과 이러한 조건이 변할 때 후속적으로 특징지워지는 광학 성능으로 구성될 수 있다.
지금부터 본 기술의 일부 실시예들에 따른 근안 도파관 디스플레이 시스템들에 대한 참조가 더욱 상세히 이루어질 것이다. 근안 도파관 기반 시스템에서, 복수의 과초점 반사 뷰 포트들은, 도파관을 따라 내부 반사에 의해 안내된 광학 광선들(107)을 점진적으로 추출하여 도 2 내지 도 6을 참조하여 상술한 방식으로 가상 이미지의 과초점을 수행하는 동안 디바이스를 형성하는 이미지의 출사-동공을 연장하기 위해 도파관의 특정 구성으로 배열된다.
도 7의 광학 과초점 반사 시스템(100)에 대해, 복수의 과초점 반사기 스폿들(103)은 인간의 눈 가상 이미지 뷰가 디스플레이 시스템의 실질적으로 전체 시야에 걸쳐 과초점화고 수렴 평면을 향하는 면에서 조절될 수 있도록 광학 과초점 반사 시스템에 배열된다. 이러한 방식으로, 근안 시스템의 각 광학 과초점 반사 시스템은 이미지 생성 디스플레이 시스템의 출사 동공을 연장하기 위한 출사 동공 과초점 연장기로 구성된다.
도 8 및 도 9a를 참조하면, 일 실시예에 따른 근안 도파관 증강 디스플레이 시스템은 양안 구성에서 각 눈(201)에 대해 하나씩, 디스플레이 이미지 생성 시스템(120) 및 광학 반사형 과초점 시스템(100)을 포함한다. 설명의 용이함을 위해, 하나의 좌안(201)에 대한 단 하나의 이미지 생성 시스템(120) 및 광학 과초점 반사 시스템(100)이 도 8 및 도 9a에 도시되지만, 디스플레이 시스템은 양안 시스템을 형성하기 위해 우안에 대해 구성된 유사한 광학 과초점 반사 시스템 및 이미지 생성 시스템을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 우안에 대한 광학 과초점 반사 시스템은 좌안에 대한 광학 과초점 반사 시스템의 거울 이미지이다. 일부 다른 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 단안 디스플레이 시스템이고 광학 과초점 반사 시스템(100) 중 하나만을 포함한다.
도 8 및 도 9a는 단지 설명의 용이함을 위해 제한된 수의 과초점 반사 뷰 포트들만 간단한 분산으로 도시된 과초점 반사 뷰 포트들의 어레이를 도시하는 개념도이다. 통상적으로, 과초점 반사 뷰 포트들(102)의 수는 도시된 것보다 많다. 그러나 일부 다른 실시예들에서, 실질적으로 전체 시야 범위의 과초점이 필요하지 않을 때, 과초점 반사 뷰 포트들의 수는 도 8에 도시된 것보다 적다. 도 8은, 눈 렌즈에 충돌하고 망막에 도달하여, 눈 렌즈 애퍼처에 대응하는 빔 직경에 대해 예상되는 직경(201Dc)의 착란원과 비교하여 직경(105Dc)의 감소된 착란원을 형성하는 개별 빔(105)의 예를 도시한다. 예시의 용이함을 위해, 하나의 빔(105)만이 눈을 통과하는 것으로 도시된다. 그러나 실제로 다수의 빔들(105)이 눈 타겟 영역을 통해 눈 렌즈 및 망막으로 통과한다.
이미지 생성 시스템(120)은 임의 타입의 적합한 근안 이미지 생성 디바이스와, 디스플레이 이미지(108)를 생성하고 무한대로 시준된 디스플레이 이미지를 광학 과초점 반사 시스템에 출력하도록 구성된 임의의 광학장치를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예들로서, 이미지 생성 디바이스는 LED, LCD 디스플레이일 수 있거나, 또는 레이저 기반 디바이스 또는 디스플레이 이미지를 생성하기 위한 다른 광원 디바이스일 수 있다. 이미지 생성 디바이스는 마이크로 디스플레이로 구현되지만 다른 실시예들에서는 다른 타입의 디스플레이일 수 있다. 이미지 생성 시스템은 시준 렌즈와 같이 디스플레이 이미지를 무한대로 시준하는데 필요한 광학장치를 포함한다.
광학 도파관 기판(101)은 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 재료들과 같지만 이에 제한되지 않는 도파관 재료들로 제조된다. 일부 실시예들에서, 기판 재료는 마그네슘 알루미네이트 스피넬, 광 결정들 및/또는 다른 광학 재료일 수 있다. 광학 도파관 기판(101) 자체는 평판 또는 평탄형 도파관 기판이다. 광학 기판(101)은 도 9a에 도시된 x 축 화살표(118)로 표시된 출사 동공 연장 방향으로 도파관 기판의 길이를 따라 연장되는 직선 수평 x 축을 갖는다. 일부 다른 실시예들에서, 광학 도파관 기판(101)은 만곡되거나 다른 형상들 및 구성들일 수 있고 구부러진 또는 만곡된 축을 가질 수 있다. 도 9a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 광학 입력 결합부(150) 및 광학 출력 결합부(160)를 갖는다.
다양한 광학 입력 결합부들 및 결합 방법들이 가능하다. 도 8에 도시된 실시예에서, 광학 입력 결합부(150)는 광학 출력 결합부(150)로부터 떨어져 위치된 도파관의 측면 또는 단부이다. 시준된 디스플레이 이미지 광선들(107)을 포함하는 광학 입력(108)은 광학 입력 결합부(150)로 직접 주입된다. 일부 다른 실시예들에서, 광학 입력 결합부(150)는 기판의 측면으로 주입된 광학 입력 광선들(107)을 안내 공간으로 반사 결합시키기 위해 도파관에 통합된 반사 거울을 포함한다. 또 다른 일부 실시예들에서, 광학 입력 결합부는 광학 입력(106)을 도파관에 결합하기 위해 광학 도파관 기판과 통합되거나 그로부터 분리된 하나 이상의 다른 광학 결합 구성요소들을 포함한다. 예를 들어, 이러한 광학 결합 구성요소들은 프리즘, 렌즈 시스템 및/또는 회절 광학 요소들일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 입력 결합부는 도파관 기판과 통합되거나 분리된 하나 이상의 회절 광학 요소들을 포함할 수 있는 회절 결합 시스템이다.
각 반사기 스폿은 본 명세서에 설명된 방법에 따라 선택되는 애퍼처 크기를 가져서 과초점 뷰 포트가 눈 렌즈 또는 다른 광학 렌즈-검출기 시스템에서 애퍼처 D를 사용하여 개별 스폿 빔을 투영함으로써 개별 가상 이미지의 과초점를 제공한다. 이러한 방식으로, 눈은 각 뷰 포트로부터 디스플레이 시야의 고유한 부분의 과초점를 수신 및 유지하고 전체 가상 이미지의 과초점를 유지한다.
광학 도파관 기판(101)을 따라 출사 동공 연장 방향으로 광학 입력 광선들(107)의 점진적 추출은 다양한 방식들로 달성된다. 도파관의 경우, 과초점 반사기 스폿들은 서로 평행한다. 도파관은 "각진 디바이스(angular device)"이므로 도파관을 따라 과초점 반사기 스폿들을 분배함으로써 각도들의 범위를 선택할 수 있다. 각각의 과초점 반사기 스폿들은 원칙적으로 전체 각도 범위에 걸쳐 반사하며, 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿은 디스플레이 시스템의 아이 릴리프(eye relief)에 의해 관리되는 적어도 최대 및 최소 각도 범위(예를 들어 40도와 같지만 이에 제한되지 않음)에 걸쳐 반사시키도록 정해진다. 도 9a의 실시예들에서, 점진적 추출은, 부분적으로 과초점 반사기 스폿들을 갖는 포트들과 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들을 갖는 포트들의 조합인 과초점 뷰 포트들의 패턴을 사용하여 달성된다. 각각의 부분적 과초점 반사기 스폿은, 입사 광학 입력 광선(107)의 일부만 눈 렌즈를 향해 반사시키고 출사 동공 연장 방향으로 도파관을 따르는 다른 부분을, 광학 입력 결합부(150)로부터 도파관 기판(101)을 따라 더 멀리 이격된 반사기 시퀀스의 다른 과초점 반사기 스폿으로 투과하는 빔 스플리터 역할을 한다. 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들은 입사 광학 입력 광선(107)을 실질적으로 완전히 반사시키고 광학 입력 광선 중 어느 것도 출사 동공 연장 방향으로 도파관을 따라 더 이상 통과하지 못하도록 한다.
예를 들어 도 9a에서, 출력 결합부(160)는 과초점 뷰 포트 반사기 포트들(102A1 내지 102A2)의 부분 반사형 과초점 반사기 스폿들(103A1 내지 103A2)을 포함한다. 제 1 부분 반사형 과초점 반사기 스폿(103A1)은 제 1 과초점 반사기 스폿(103A1)에 입사하는 광학 입력 광선들(107)의 개별 부분(107A)을, 스폿에 의해 눈 렌즈(205)를 향해 반사되는 제 1 개별 스폿 빔(105A1)으로 분할하도록 구성되고, 스폿(103A1)을 통해 또한 도파관 기판(101)을 따라 더 멀리 출사 동공 연장 방향(118)으로 반사기 시퀀스의 다음 과초점 반사기 스폿, 즉 제 2 과초점 반사기 스폿(103A2)으로 투과하는 나머지 부분으로 분할하도록 구성된다. 제 2 과초점 반사기 스폿(103A2)은 제 2 과초점 반사기 스폿(103A2)에 입사하는 개별 부분(107A)의 나머지 광선들을, 스폿에 의해 눈 렌즈(205)를 향해 반사되는 제 2 개별 스폿 빔(105A2)으로 부분적으로 분할되고, 반사기 시퀀스의 마지막 부분 반사형 과초점 반사기 스폿에 도달할 때까지 또는 완전 반사형 과초점 반사기 스폿에 도달할 때까지 도파관을 따라 임의의 다음 과초점 반사기 스폿으로 계속 전파하는 나머지 부분으로 부분적으로 분할하도록 구성된다. 개별 스폿 빔들(105A1 및 105A2)이 각각 스폿들(103A1 및 103A2)에 의해 반사되기 때문에, 이들은 직경 D(D는 본 명세서에 설명된 대로 계산됨)를 가진 각각의 개별 스폿 빔들을 눈 타겟 영역에 형성하여 가상 이미지 스폿들이 인간의 눈으로 보일 때 과초점화된다.
완전 반사형 과초점 반사기 스폿들이 사용될 때, 광학 입력 광선들의 일부가 도파관 기판을 따라 더 멀리 완전 반사형 과초점 반사기 스폿에 충돌할 때까지 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들 사이의 광학 도파관 기판 재료를 통과하도록 허용하기 위해 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들을 광학 도파관을 따라 출사 동공 연장 방향으로의 패턴 및 분산으로 구성함으로써, 디스플레이 이미지의 점진적 추출이 달성된다.
예를 들어, 도 9a에서, 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들(107B)의 개별 부분(107B)은 출력 결합부(180)로 전파되고 초기에 과초점 뷰 포트 반사기 스폿들(103) 사이의 광학 투명 재료를 통과한다. 통과하는 개별 부분(107B)은 개별 부분(107B)이 완전 반사형 과초점 뷰 포트 반사기 스폿(103B)에 도달할 때까지 과초점 반사기 스폿들(103)에 의해 중단되지 않는 내부 전반사에 의해 도파관을 따라 계속된다. 과초점 반사기 스폿(103B)이 완전히 반사되기 때문에, 반사기 스폿은 모든 개별 광선 부분(107B)을 개별 스폿 빔(105B)으로서 눈 렌즈를 향해 완전히 반사시키고 부분(107B)의 광선들(107) 중 임의의 것이 도파관의 더 아래로 투과하는 것을 차단한다.
일부 다른 실시예들에서, 모든 과초점 뷰 포트들은 완전 반사형 과초점 반사기 스폿들을 갖는다. 예를 들어, 일부 다른 실시예들에서, 도 8 내지 도 9a에 도시된 반사 시스템의 모든 반사 스폿들(103)이 완전히 반사된다. 디스플레이 이미지를 형성하는 광학 입력 광선들(107)이 도파관 기판(101)을 따라 이동할 때, 그들 중 일부는 광학 입력 결합부(150)에 최단 기판의 제 1 부피 섹션에 배치된 제 1 과초점 반사기 스폿들에 부딪히고 눈을 향해 재지향된다(re-directed). 그러나, 광선들(107)의 대부분은 제 1 부피 섹션의 작은 영역만을 차지하기 때문에 제 1 과초점 반사기 스폿들을 놓친다. 예를 들어 스폿들이 제 1 부피 섹션의 5%를 차지하면 전체 반사율도 약 5%이고 이미지 에너지의 95%는 제 1 부피 섹션을 통해 기판을 따라 더 멀리 다음 부피 섹션으로 전달된다. 과초점 반사기 스폿들은 기판으로 똑바로 전파되는 광학 광선들을 반사시키고 넓은 "바운스(bounce)"를 통해 도달하고 과초점 반사기 스폿들을 비스듬한 각도로 부딪히는 다른 광선들도 반사시킨다.
일부 다른 실시예들에서, 모든 과초점 반사기 스폿들은 부분적으로 반사된다. 예를 들어, 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 각각 약 5% 내지 100%의 반사율들을 가진다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 반사율들은 동일하다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부의 반사율들은 상이하다.
도 8 및 도 9a의 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들(103)은 출사 동공 연장 방향(118)에 있는 유도된 광학 광선들의 전파 방향에 대해 경사진 반사 코팅들이다. 일부 실시예들에서, 본 명세서의 실시예들 중 어느 하나의 과초점 반사 스폿들은 예를 들어 반사 코팅 스폿들이다. 예를 들어, 도 10a는 반사 코팅 재료로 제조되고 정반사 표면(103S; specular reflecting surface)을 갖는 과초점 반사기 스폿(103)을 도시하는 도 9a의 출력 결합부의 일부의 확대도이다. 일부 실시예들에서, 광학 과초점 반사기 스폿들(103)은 단일 반사 금속층 또는 반사 산화물들 또는 다른 재료들의 다중 층들과 같지만 이에 제한되지 않는 반사 재료로 제조된다. 일 실시예에 따른 다층 유전체 반사 코팅으로 제조된 과초점 반사기 스폿의 비-제한적인 예가 도 10c에 도시된다.
과초점 반사기 스폿 재료는 알려진 증착 기술들에 의해 증착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 오버-몰딩된 반사층들 및 광학 3D 프린팅을 사용한 사출 성형이 패턴 영역을 포함하는 광학 기판을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 9a에 도시된 실시예에서, 과초점 반사기 스폿은 실질적으로 평면이고 원형이거나 긴 원형 형상이다. 일부 다른 실시예들과 관련하여 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 전체 가상 이미지 뷰 품질과 관련하여 특정 이점들을 제공하는 다른 특정 스폿 형상들이 본 기술에서 채택될 수 있다.
일부 다른 실시예들에서, 본 명세서에 개시된 임의의 시스템들의 과초점 반사기 스폿(103) 또는 그 각각은 회절 광학 요소이다. 일부 실시예들에서 회절 광학 요소는 홀로그래픽 광학 요소일 수 있다. 이러한 광학 요소의 비-제한적인 예는 도 10b에 도시된 회절 격자이다.
과초점 반사기 스폿 각도 위치들의 분산은 과초점 뷰 포트들이 연관된 개별 스폿 빔들을 눈의 동공 입구에서 눈 타겟 영역 위에 특정 분산으로 투영하도록 선택될 수 있다. 과초점 반사기 스폿들이 광학 도파관들에 포함되는 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들은 출사 동공 연장 방향에 대해 동일하거나 실질적으로 동일한 각도로 경사진다. 과초점 반사기 스폿들은 도 10의 과초점 반사기 스폿들의 비-제한적인 예들에 도시된 바와 같이 공통 수직 경사면(117)과 동일한 각도로 경사지거나 공통 평면에 대한 축에서 벗어나 경사질 수 있다. 일부 실시예들에서, 눈 타겟 영역은, 아이 박스(eyebox) 내에서 눈의 움직임들을 고려하여 눈이 디스플레이의 실질적인 전체 시야 내에서 과초점 반사 뷰 포트들의 각각에 대한 시선 또는 시각 축을 가질 수 있는 영역에 대응한다.
일부 실시예들에서, 과초점 반사 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들(103)은 특정 광학 성능 요건들에 따라 균일하거나 불규칙한 패턴으로 눈 타겟 영역 위에 직경들 D를 갖는 대응하는 개별 스폿 빔들을 투영하도록 각을 이룬다.
일부 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들(103)은 광학 기판(101)의 부피 내에 배치될 뿐만 아니라 광학 기판의 후면 또는 전면에 배치된다. 투명 광학 기판 재료의 표면 내에 및/또는 표면 상에 분산된 과초점 반사기 스폿들(103)은 패턴 영역을 형성한다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들(103)의 분산은 규칙적인 패턴이다. 일부 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들(103)의 분산은 불규칙적인 패턴이다. 일부 다른 실시예들에서, 반사 스폿들(103)의 분산은 규칙적인 패턴 영역과 불규칙적인 패턴의 조합이다. 설명과 시각화의 용이함을 위해, 첨부 도면들에서, 과초점 반사기 스폿들은 일정한 비율이 아니라 확대되어 도시된다. 또한, 모든 과초점 반사기 스폿들이 표시되지는 않는다. 실제로 과초점 반사기 스폿들의 수는 디스플레이 설정 및 뷰잉 렌즈-검출기 크기에 따라 달라질 것이다. 근안 디스플레이 구성에 대해, 하나의 비-제한적인 예에서, 통상적으로 10mn 제곱 동공에 대한 기판에 100 내지 200개의 과초점 반사기 스폿들이 있다. 본 명세서에 설명된 실시예들의 적색, 녹색, 청색 시스템에 대해, 하나의 비-제한적인 예에서 통상적으로 300 내지 600개의 스폿들이 있을 수 있다.
제조 및 설계의 용이함을 위해, 일부 실시예들에서, 예를 들어 도 8 및 도 9a에 도시된 바와 같이, 과초점 반사기 스폿들은 기판(101)의 길이를 따라 이격된 복수의 개별 평면들 또는 평탄한 부피 세그먼트들(117)에 분산된다. 각 평면 또는 세그먼트(117)는 기판(105)의 상단 및 하단 측면들 사이에서 연장되고 도 9a에 도시된 바와 같은 전파 축(116)에 대해 경사진다. 하나 이상의 평면들(117) 내의 과초점 반사기 스폿들은 도면들에 도시된 것에 제한되지 않는 패턴으로 분산된다. 하나 이상의 평면들에 있는 패턴은 규칙적인 패턴 또는 불규칙적인 패턴일 수 있다. 더욱이, 각각의 과초점 반사기 스폿 또는 적어도 일부 반사 도트들의 형상, 크기, 기울기 및/또는 간격은 동일하거나 서로 다를 수 있다. 복수의 개별 평면들 또는 세그먼트들에 반사 스폿들을 제공하면, 시스템이 광학 기판에 과초점 반사기 스폿들을 임베딩하기 위해 과초점 반사기 스폿들이 함께 샌드위치로 배치된 광학 재료의 복수의 평탄한 기판들로부터 더욱 편리하게 제조될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들은 개별 평면들 또는 세그먼트들에 분산되지 않고 부피 전체에 분산된다.
일부 실시예들에서, 광학 입력 결합부(150)에 더 가까운 과초점 반사기 스폿들(103)은 상대적으로 낮은 반사율(작은 영역의 도트들)을 가지며, 광학 입력 결합부(105)로부터 멀어진 후속하는 스폿들은 더 큰 반사율(더 큰 영역의 도트들)을 가지며 도파관 기판(101)을 따라 더 멀리 점차적으로 반사율을 증가시킨다. 광학 투명 갭 비율에 대한 스폿 영역은 도파관을 따라 상이한 위치들에서 선택된 반사율을 얻기 위해 변경될 수 있다. 반사 스폿들 또는 다른 소자들의 두께는 다양하지만 통상적으로 0.1㎛ 내지 1 마이크로미터(㎛)이지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 홀로그래픽 필름 층들로부터 형성된 과초점 반사 스폿들은 예를 들어 약 1 마이크로미터일 수 있다.
도 9a의 시스템에서, 스폿 형상들은 규칙적인 형상들이다. 다른 실시예들에서, 스폿들은 규칙적 및/또는 무작위 형상들일 수 있다. 반사 스폿들은 동일한 분리 거리들을 가지지만 다른 실시예들에서는 상이한 분리 거리들을 가질 수 있다. 반사 스폿 두께도 또한 반사 도트들마다 다를 수 있다. 광학 결합기 성능 및 이미징은 다음을 포함하되 이에 제한되지 않는 다양한 반사기 파라미터들의 최적화를 통해 제어 및 개선될 수 있다: 과초점 반사기 스폿들의 형상(규칙적 또는 무작위 형상들), 스폿 부분(spot feature)의 최소 치수, 스폿 부분의 최대 치수, 표면에 대한 무작위화 정도, 스폿 반사 재료의 두께, 도트들 간의 최소 분리, 스폿들 간의 최대 분리 및 도트들이 차지하는 영역의 비율. 일부 실시예들에서, 적어도 일부의 반사 스폿들 또는 다른 소자들은 완전히 또는 실질적으로 반사되는 전면과 완전히 또는 실질적으로 흡수하는 후면을 갖는다. 일부 반사 스폿들 또는 소자들은 매립형 릴리프 반사기(buried relief reflector)와 포지티브 릴리프 반사기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광학 과초점 반사 시스템은 과초점 뷰 포트들(102)을 포함하는 자유 공간 광학 결합기로서 구현된다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 자유 공간 광학 결합기(비-도파관 결합기)로 구현된 광학 과초점 반사 시스템이 도 12에 도시된다. 과초점 반사기 스폿들(103)은 오목한 광학 기판(101F)의 표면 상에 패턴으로 이격되어 배치된 반사 코팅들이다. 일부 다른 실시예들에서, 광학 기판(101F)은 다른 프로파일들 또는 형상들을 가질 수 있다. 광학 기판(101F)은 부분적으로 또는 실질적으로 투명한 재료로 만들어져 현실 세계 이미지의 광학 광선들을 눈으로 볼 수 있다. 광학 기판(101F)은 과초점 반사기 스폿들(103) 사이의 기판 영역들에 입사되는 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들(107)이 광학 기판(101F)을 통과하고 및/또는 눈 타겟 영역 또는 눈에 반사되기보다는 눈 타겟 영역으로부터 반사되도록 구성된다. 가상 현실 애플리케이션들과 같은 일부 실시예들에서, 광학 기판(101F)은 불투명하고, 과초점 반사기 스폿들 사이의 기판 영역들에 입사되는 광학 입력 디스플레이 이미지 광선들(107)은 눈 타겟 영역 또는 눈으로부터 흡수 및/또는 반사된다.
광학 이미지 생성 디바이스(120)는 광학 광선 입력(106)(시준된 광학 광선들(107))을 오목한 기판의 표면에 걸쳐 광선들(107)을 분산 또는 확산시키는 릴레이 렌즈(120L)로 향하게 한다. 과초점 반사기 스폿들(103)은 광선들(107)이 도 8 및 도 9의 실시예들을 참조하여 이미 전술한 방식으로 디스플레이의 전체 시야를 캡처하는데 필요한 각도 방향으로 눈 타겟 영역 또는 눈 렌즈에 개별 스폿 빔들(105)로서 반사되도록 배향된다. 이제 하나보다 많은 과초점 반사기 스폿이 있기 때문에, 각각의 과초점 반사기 스폿은 뷰잉 렌즈에서 연관된 유효 과초점 애퍼처(115)를 제공하고 따라서 고유한 시야를 제공하는 것으로 개별적으로 고려될 수 있다. 이를 위해, 각각의 과초점 반사기 스폿(103)의 애퍼처 크기는 직경 D를 갖는 개별 디스플레이 이미지 스폿 빔을 눈에 투영하도록 선택되고 상술한 실시예들을 참조하여 본 명세서에서 설명된 바와 같이 계산된다.
자유 공간 결합기 또는 다른 비-도파관 결합기에서, 디스플레이 시스템의 시야에 대한 액세스는 그에 따라 분산 및/또는 기울어진 과초점 뷰 포트들을 사용하여 유지되므로 그렇지 않으면 손실될 시야에 대한 액세스가 만회된다. 일부 실시예들에서, 각 과초점 반사기 스폿의 각도 위치는 과초점 반사기 스폿들의 패턴으로부터 반사에 의해 추출된 전체 디스플레이 이미지가 눈 타겟 영역 또는 눈 렌즈로 향하도록 개별적으로 선택된다.
자유 공간 결합기 또는 다른 비-도파관 결합기의 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들(103)은 디스플레이의 수평 시야를 가로질러 수평으로 점진적으로 더 기울어지고 및/또는 디스플레이의 수직 시야를 가로질러 수직으로(위로 또는 아래로) 점진적으로 기울어진다. 과초점 반사기 스폿들의 기울기 각도들의 다른 분산들이 예상된다. 예를 들어 도 9a 및 도 10a에 도시된 바와 같이, 과초점 반사기 스폿(103)은 광학 기판의 공통 평면(117)에 대해 상이한 평면들에서 기울어진다. 과초점 반사기 스폿(103)은 공통 평면(117)에 대해 제 1 각도(103X)만큼 x 축에서 기울어지고 공통 평면(117)에 대해 제 2 각도(103Y)만큼 Y 축에서 기울어진다. 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 x, y, z 평면들(또는 이들의 임의의 조합)에서 다르게 또는 동일한 방식으로 기울일 수 있다.
자유 공간 결합기 또는 다른 비-도파관 결합기의 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템의 전체 시야를 실질적으로 포착하기 위해, 과초점 반사기 스폿들(103)은 디스플레이의 수평 시야 범위에 따라 수평으로(좌안 또는 우안에 있는 기판의 위치에 따라 공통 평면(117)에 대해 양 또는 음의 각도(103X)만큼) 점진적으로 더 기울어진다. 또한, 과초점 반사기 스폿들은 디스플레이의 수직 시야에 따라 수직으로(공통 평면(117)에 대해 양 또는 음의 각도(103Y)만큼 위로 또는 아래로) 점진적으로 더 기울어져서 과초점 반사 뷰 포트들은 디스플레이의 전체 시야를 실질적으로 포착한다.
이미 전술한 바와 같이, 일부 다른 실시예들에서, 과초점 반사 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들(103)은 회절 광학 요소들이 단독으로 또는 광학 기판과 조합하여 광학 입력 광선 부분들을 개별 스폿 빔(105)으로서 효과적으로 반사시키도록 특정 회절 차수로 각각 구성된 회절 광학 요소들이다. 배경에 의해, 광선이 광의 파장의 크기와 차수를 갖는 구조에 입사될 때 회절이 달성된다. 반복적이거나 주기적인 구조들은 브래그 법칙(Bragg's law)에 의해 결정되는 방향들로 회절 광선들을 생성한다. 회절 표면은 여러 개의 빔들을 생성할 수 있으며, 즉 다른 회절된 빔들의 차수들과 상대적인 강도들은 회절 구조의 특성들 따라 달라진다.
회절 광학 요소들은 소자에 의해 회절된 실질적으로 모든 광선들이 하나의 특정 차수로 향하도록 회절 구조로 구성되며, 즉 이들은 개별 가상 디스플레이의 과초점화된 뷰들을 형성하기 위해 필요한 방향과 프로파일로 개별 스폿 빔(105)을 형성한다. 예를 들어, 회절 격자들의 광학 프로파일은 블레이징(주기를 변경하지 않고 격자 홈 각도 또는 형상을 변경) 및 격자 피치, 크기, 형상 및 집중의 변경과 같은 알려진 방법들로 구성될 수 있다. 회절 광학 요소(103G)인 과초점 반사기 스폿(103)의 하나의 비-제한적인 예가 도 10b에 도시된다. 도파관이 만곡된 일부 실시예들에서, 격자 피치를 변경하는 것이 적절하다.
일부 실시예들에서, 회절 소자들은 경사지지 않고 오히려 도파관의 전파 축에 평행한 평면에서 연장되고 도파관 기판의 하나 이상의 면들을 따라 이격되어 분산되고 및/또는 도파관 기판에 임베딩된다. 예를 들어, 도 11은 일 실시예에 따른 출사 동공 연장기로 구현되는 광학 과초점 반사 시스템을 도시한다. 과초점 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들(103)은 눈을 향하는 기판의 면(111) 상에 배치된 회절 광학 요소들(103G)을 포함한다. 일부 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿 회절 광학 요소들(103G)은 기판 대향면(111)의 면 상에 배치되고 및/또는 기판 내부의 평행 평면에 배치된다.
도 11의 실시예에서, 회절 광학 요소들(103G)은 회절 핀 홀들이다. 일부 다른 실시예들에서, 회절 광학 요소들(103G)의 일부 또는 전부는 홀로그래픽 회절 격자들 또는 다른 광학 요소들 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다른 타입들의 회절 격자들 또는 회절 광학 요소들이다. 회절 광학 요소들(103G)의 애퍼처 크기는 직경 D를 갖는 가상 애퍼처 뷰 포트들을 눈에 투영하도록 선택되고, 상술된 실시예들을 참조하여 본 명세서에 설명된 바와 같이 계산된다. 일부 실시예들에서, 회절 소자들의 각각의 광학 프로파일은 광선들이 특정 차수들로 회절하여 이미 전술한 방식으로 디스플레이의 전체 시야를 포착하는데 필요한 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역에 대해 반사된 스폿 빔들(105)의 원하는 각도 방향들을 제공하기 위해 출사 동공 연장 방향으로 기판을 따르는 위치에 따라 점진적으로 조정된다.
본 기술의 일부 양태들에서, 과초점 반사 뷰 포트들(102)은 파장 의존 뷰 포트들이며, 이에 의해 파장 선택형 광학 과초점 반사 시스템들을 제공한다. 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들(103)은 반사된 개별 스폿 빔들(105)의 각각이 특정 파장 또는 특정 대역의 파장들만을 갖는 반사 광선들로 구성되도록 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들로 구성된다. 일부 실시예들에서, 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 다른 파장들의 광을 통해 투과하는 동안 동일한 특정 파장 또는 동일한 대역의 파장들을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 반사시키도록 구성된다. 일부 다른 실시예들에서, 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들 중 하나 이상은 다른 과초점 반사기 스폿들의 하나 이상에 의해 반사되는 특정 파장 또는 파장 대역의 광학 입력 광선들(107)과 상이한 특정 파장 또는 특정 대역의 파장들로 광학 입력 광선들(107)만을 반사시키도록 구성된다.
파장 선택형 과초점 반사기 스폿들은 적절한 경우 본 명세서에 설명된 임의의 상이한 광학 반사형 과초점 시스템들에서 사용될 수 있다. 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들은 상이한 방식들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿은 파장 선택형 반사 코팅들로 만들어진다. 파장-조정된 반사 코팅들은 다층 유전체층들 또는 다른 타입들의 박막 간섭 광학 코팅들 등으로, 광대역의 파장들이 아닌 지정된 대역의 파장들을 반사시키도록 설계되었다. 다층 유전체층들(103M1 및 103M2)을 갖는 파장 선택형 노치 과초점 반사기 스폿(103)은 도 10c에서 비-제한적인 예로 도시된다. 다층 유전체층들 중 2개만 도 10c에 도시되지만, 도시된 층보다 더 많은 층들이 있을 수 있다. 또한, 이미 전술한 바와 같이, 도면들은 일정한 비율로 도시된 것이 아니다. 도 10c에 도시된 층들의 두께는 예시의 목적을 위해 확대되고, 실제로는 일부 실시예들에서 두께의 파장의 일부들이다. 일부 다른 실시예들에서, 파장 선택형 반사 스폿들은 본 명세서에 설명되고 도 10b에 비-제한적인 예로 도시된 것과 같은 회절 광학 요소들이다.
일부 실시예들에서, 광학 과초점 반사 시스템은 복수의 상이한 그룹들의 파장 선택형 과초점 뷰 포트들을 포함한다. 파장 선택형 과초점 뷰 포트들의 각 그룹은 상이한 대역의 파장들에 대해 선택적으로 구성된다. 각 그룹의 과초점 뷰 포트 들의 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들(103)은 상이한 파장 또는 상이한 대역의 파장들을 반사시키도록 구성된다. 파장 의존 과초점 반사기 스폿들의 하나 이상의 상이한 그룹들은 동일한 패턴 또는 상이한 패턴을 갖는 광학 과초점 시스템의 광학 기판을 따라 분산될 수 있다. 이러한 방식으로, 개별 패턴화된 파장 대역 의존 과초점 반사기 스폿들은 투영된 광의 각 파장 대역에 대한 광선들의 각각의 각도 분산에 대해 과초점 범위를 증가시키기 위해 반사 과초점 뷰 포트들을 형성한다.
일부 실시예들에서, 파장 선택형 광학 과초점 반사 시스템들은 도파관 기반 시스템들로 구성되고, 도 13은 일 실시예에 따른 복수의 상이한 그룹들의 파장 선택형 과초점 뷰 포트들을 포함하는 광학 과초점 반사 시스템을 예시한다. 제 1 그룹의 과초점 뷰 포트들(102λ1)의 제 1 과초점 반사기 스폿들(103λ1)은 제 1 대역의 파장들 내의 광선들(107)을 개별 스폿 빔들(105λ1)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 1 과초점 반사기 스폿들(103λ1)은 도파관 기판을 따라 제 1 패턴으로 분산된다. 제 2 그룹의 과초점 뷰 포트들(102λ2)의 제 2 과초점 반사기 스폿들(103λ2)은 제 2 대역의 파장들 내의 광선들(107)을 개별 스폿 빔들(105λ2)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 2 과초점 반사기 스폿들(103λ2)은 도파관 기판을 따라 제 2 패턴으로 분산된다. 제 3 그룹의 과초점 뷰 포트들(102λ3)의 제 3 과초점 반사기 스폿들(103λ3)은 제 3 대역의 파장들 내의 광선들(107)을 개별 스폿 빔들(105λ3)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 3 과초점 반사기 스폿들(103λ3)은 도파관 기판을 따라 제 3 패턴으로 분산된다. 과초점 반사기 스폿들(103λ1 내지 103λ3)은 개별 반사 스폿 빔들(105λ1 내지 105λ3)이 도 7 내지 도 9b를 참조하여 이미 전술한 방식으로 디스플레이의 전체 시야를 포착하는데 필요한 눈 렌즈(205) 또는 눈 타겟 영역에 대한 각도 방향을 가지도록 구성된다. 과초점 반사기 스폿들의 애퍼처 크기는 전술한 방식으로 가상 이미지의 과초점을 달성하기 위해 직경 D를 갖는 개별 스폿 빔들을 눈에 투영하도록 선택된다.
도 13에 도시된 실시예에서, 제 1 대역의 파장들(λ1)은 적색광에 대응하는 제 1 협대역의 파장들이고, 제 2 대역의 파장들(λ2)은 녹색광에 대응하는 제 2 협대역의 파장들이고, 제 3 대역의 파장들(λ3)은 청색광에 대응하는 제 3 협대역의 파장들이다. 광학 이미지 생성기(102)는 RGB LED와 같지만 이에 제한되지 않는 RGB 광원이다. 일부 다른 실시예들에서, 도 13에 도시된 것보다 더 많거나 적은 상이한 그룹들의 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들이 있을 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 각 그룹의 파장 선택형 스폿들의 패턴들, 크기 및 형상은 도 13에 도시된 패턴들과 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 파장의 각 대역은 도 13에 나타낸 것과 상이할 수 있다.
일부 실시예들에서, 파장 선택형 과초점 뷰 포트들(102λ1 내지 102λ3) 또는 시스템들 실시예들에 도시된 다른 포트들은 파장 및 각도 선택형 과초점 반사 뷰 포트들 모두가 되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 포트들의 과초점 반사기 스폿들 중 하나 이상은 특정 반사기에 대해 선택된 특정 대역의 각도들에 있는 과초점 반사기 스폿에 대한 입사각을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 적어도 부분적으로 반사시키고, 반사없이 또는 반사가 감소되어 광학 입력 광선을 특정 대역의 각도들 외부로 통과 또는 투과시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들 중 하나 이상은 제 1 대역의 각도들에서 과초점 반사기 스폿에 대한 입사각들을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 반사시키도록 구성되고 다른 과초점 반사기 스폿들 중 하나 이상은 제 1 대역의 각도들과 상이한 제 2 대역의 각도들에서 과초점 반사기 스폿에 대한 입사각들을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 반사시키도록 구성된다.
파장 선택형 및 각도 선택형 과초점 반사기 스폿이 특정 각도 선택성을 달성하도록 구성되는 방식은 사용되는 과초점 반사기 스폿의 타입에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 도 10b에 도시된 것들과 같지만 이에 제한되지 않는 회절 광학 요소들인 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들에 대해, 각도 선택성은 사용된 회절 격자의 타입, 회절 격자가 투과 또는 반사 모드에서 사용되는지 여부, 및 당업계에 알려진 회절 구조에 의해 결정된다. 다층 유전체 코팅들 또는 다른 광학층들로 형성된 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들에 대해, 각도 선택성은 다층 설계에 의해 결정된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 파장 및 각도 선택형 과초점 반사기 스폿은 도 10c에 도시된 103M1 및 103M2를 포함하지만 이에 제한되지 않는 파장- 및 각도-조정된 반사 코팅들로 만들어진 과초점 반사기 스폿(103)이다.
일부 실시예들에서, 임의의 실시예들의 각각의 과초점 반사기 스폿들(103) 중 하나 이상은, 특정 과초점 반사기 스폿에 대해 선택된 특정 반투과 대역의 각도들에 있는 과초점 반사기 스폿에 대한 입사각들을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 적어도 부분적으로 반사시키고, 선택된 특정 반투과 대역 위 및 아래의 입사각들을 갖는 광학 입력 광선들을 반사없이 또는 반사가 감소되어 통과 또는 투과시키도록 구성된 각도 선택형 노치 필터 과초점 반사기 스폿이다. 특정 과초점 반사기 스폿들에 대해 선택된 특정 반투과 대역의 각도들은 각각의 과초점 반사기 스폿에 대해 동일할 수 있거나 하나 이상의 과초점 반사기 스폿들에 대해 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 그룹들의 과초점 반사 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들에 대해 선택된 특정 반투과 대역의 각도들은 상이할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 각도 선택형 노치 필터 광학 과초점 반사기 스폿의 특정 반투과 대역은 광학 도파관 기판의 반사기들의 시퀀스 내에서 반사기의 반사기 순서에 따라 선택될 수 있다. 이것은 시스템들이 출사 과초점 연장기들로서 구현되는 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들에서 특히 개선된 성능을 허용한다. 편평한 각도 응답을 갖는 반사 코팅들을 사용하는 대신, 다양한 각도 선택형 과초점 반사기 스폿들이 광학 도파관 기판 내에 포함되고 반사기들의 시퀀스 내에서 반사기 순서에 따라 최적화된다. 이 반사기들의 구성은 필요한 각도 정보가 시퀀스 내에서 올바른 반사기에 통과되도록 보장한다. 또한 각도 응답은 보조 이미지 또는 축소된 보조 이미지가 형성되어 연속 반사기들에 전달되지 않아서 원하지 않는 아티팩트들이 발생하지 않도록 보장한다.
예를 들어, 도 9b는 도 9a의 시스템과 유사하지만 과초점 뷰 포트들의 과초점 반사기 스폿들이 각도 선택형 과초점 반사기 스폿들인 또 다른 실시예들에 따른 광학 과초점 반사 시스템이다. 각도 선택형 노치 필터 광학 과초점 반사기 스폿들(103C1 내지 103C6)은 부분적으로 반사되고 하나의 비-제한적인 예에 따른 반사기 시퀀스에서 출사 동공 연장 방향으로 도파관을 따라 분산된다. 도 14는 일 실시예에 따른 도 9b의 광학 과초점 반사 시스템에서 각도 선택형 노치 필터 광학 과초점 반사기 스폿들(103C1 내지 103C6)의 각각에 대한 디스플레이 입력 광선들(107) 입사각에 대한 반사율 의존성을 나타내는 예시적인 그래프이다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 시퀀스에서 각각의 과초점 반사기 스폿(103C1 내지 103C6)의 각도 의존성은 광선들(107)의 상이한 노치 대역의 입사각들로 조정된다. 도 14의 예에서, 과초점 반사기 스폿들(103C1 내지 103C6)의 각도 노치 대역의 위치는 반사기 시퀀스에 따라 더 높은 입사각들로 점진적으로 이동된다. 도 15는 일 실시예에 따른 인간의 눈으로 볼 때 광학 반사 스폿들(103C1 내지 103C6)의 순 각도 응답을 예시하는 그래프이다.
일부 실시예들에서, 과초점 반사 스폿들은 전술한 실시예들에 기초하여 파장 선택형 과초점 반사기 스폿 및 각도 선택형 과초점 반사기 스폿 모두로서 각각 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 각각의 개별 패턴화된 과초점 반사기 스폿에 대한 파장 및 각도-조정된 반사 코팅들은 적색, 녹색 및 청색과 같은 투영된 광의 각각의 파장 대역에 대한 광선들(107)의 각각의 각도 분산에 대한 과초점 범위를 증가시키기 위해 과초점 뷰 포트들을 형성하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광학 과초점 반사 시스템들의 각각에서, 인간의 눈으로 본 가상 이미지(109)의 품질은 과초점 반사 뷰 포트들의 분산 및 과초점 반사기 스폿들의 형상과 같은 다양한 파라미터들에 따라 달라진다. 과초점 뷰 포트들의 최적 위치와 관련하여, 과초점 뷰 포트 분산과 언더샘플링 또는 오버샘플링이 균형을 이룬다. 복수의 과초점 반사기 스폿들로부터 필요한 샘플링 양은 과초점 반사기 스폿들 사이의 간격에 대한 하한을 필요로 하며, 이는 가장 작은 통상적인 동공 크기로 설정된다. 언더-샘플링 및 오버-샘플링의 조건들은 하나 이상의 과초점 뷰 포트가 각각 눈에 형성되는 재지향된 이미지 스폿에 기여할 때 발생한다. 과초점 반사기 스폿 형상도 또한 필드 오버랩을 개선하기 위한 다른 파라미터들이다.
일부 다른 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들은 무작위 형상들이지만 증가된 동공 크기(= 증가된 오버샘플링)를 해결하기 위해 여전히 기하학적으로 분산된다. 분산은 시야의 공칭 커버리지(nominal coverage)를 기하학적으로 제공한다. 무작위의 형상들은 평균적으로 시스템이 하나보다 많은 과초점 반사기 스폿에서 필드의 동일한 부분들을 동시에 보지 않도록 하여, HVP 효과를 감소시킨다.
본 명세서에 설명된 광학 반사 릴레이 시스템들에서 과초점 뷰 포트들(HVP)(102)을 최적으로 배치 및 분배하는 방법을 보다 적절하게 이해하기 위해, 첨부된 도 16 내지 도 33을 참조할 것이다. 도 16은 위치 H에 배치된 단일 과초점 반사 뷰 포트(102)를 도시하며, 눈(201)은 무한대로 투영된 이미지에 초점이 맞추어진다. 눈의 동공 직경 P는 통상적으로 광 조건들에 따라 사람의 경우 약 2㎜ 내지 8㎜이지만 이들 값들보다 높거나 낮을 수 있다. 인간의 눈으로 본 무한대로 투영된(어떠한 HVP 없이 눈으로 향하는) 동일한 이미지가 도 17에 도시된다. 임의의 초점 거리 H에서 단일 과초점 뷰 포트의 가장 간단한 경우, 이미지의 전체 FOV(Field-of View)를 커버하는 단일 이미지는 도 18에 도시된 바와 같이, H에 초점이 맞추어질 때 인간의 눈으로 본 도 17에 도시된 바와 같이 무한대로 투영된 이미지이다. 도 18에 도시된 단일 이미지는 형성된 가상 이미지(109)에 대응한다.
도 19는 동공 직경 P와 동일한 간격으로 분산되어 이미지 평면으로부터 도 17의 투영된 이미지(108)를 재지향하는 다중 과초점 뷰 포트 소자들(102)을 도시한다. 도 19의 이미지 평면은 본 명세서에 기술된 실시예들(도파관 또는 자유 공간 결합기 또는 비-결합기)의 광학 과초점 반사 시스템 중 어느 하나의 기판을 따라 수평 및 수직으로 연장되고 그 위에 포트들이 분산되는 평면에 대응한다. HVP의 거리는 위치 H에 더 이상 있지 않지만 초점 거리 H보다 눈으로부터 더 멀리 있으며, 도 19에 도시된 바와 같이 이미지 평면의 FOV에 걸쳐 있는 기하학적으로 다수의 HVP 소자들(102)이 HVP 어레이로부터 필요하다. HVP 소자들의 간격이 동공 직경 P에 대해 d이면, 이미지는 d = P인 경우 언더샘플링을 경험한다. 이것은 주어진 입사각에 대해 전체 HVP 소자(연속 HVP 소자들의 이등분으로 구성됨)가 한 개뿐이고 도 20에 도시된 바와 같이 H에 초점이 맞추어질 때 인간의 눈으로 본 형성된 이미지의 음영 영역들로 표시된 필드에 약간의 홀들이 발생한다는 것을 의미한다.
광학 과초점 반사 시스템의 일부 실시예들에서, 이미지 필드의 홀들은 HVP 반사기들에 동공의 오버샘플링을 제공하기 위해 d<P의 HVP 반사기 스폿들 사이의 간격, 즉 동공 직경 당 하나보다 많은 전체 HVP 소자를 채택함으로써 완화된다. 도 21은 동공 직경 P보다 작은 간격 d에 분산되어 이미지 평면에서 도 17의 투영된 이미지를 재지향하는 다수의 HVP 소자들을 도시한다. 도 22 및 도 23의 각각에 도시된 바와 같이, 인간의 눈으로 본 이미지는 허용 가능한 선명한 이미지의 전술한 정의에 따라 허용 가능한 이미지 품질이 제공된다. 그러나, 오버샘플링은 도 22에 표시된 바와 같이 동공 당 HVP 소자들의 수에 따라 증가하는 작은 블러(minor blur)를 도입할 수 있지만, 블러의 영향은 하기에 더욱 상세히 설명하겠지만 반사기 크기 및 동공 크기에 따른 시행착오의 문제이다. 필드에서 보강된(더 밝은) 영역들도 도 23에 표시된 바와 같이 존재한다.
도 24는 HVP 반사기 스폿들 사이의 간격이 d<P이고 눈이 거리 H≪∞에 초점이 맞추어지고 도파관에 결합된 이미지가 무한대일 때 시스템의 동작을 보여주는 광학을 채택하는 도 23의 광학 과초점 반사 시스템의 사시도이다. 예시 및 설명의 용이함을 위해, 광학 도파관의 과초점 출력 결합부의 동일한 수직 평면(101P)에 분산된 1D에서 비-제한적인 예로서 뷰 포트들이 도시되며 6개의 HVP 반사기 스폿들이 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 다른 실시예들에서, 뷰 포트들은 2D일 수 있고 도파관의 동일하거나 상이한 수직 평면들에 분산될 수 있는 더 많은 HVP들이 있을 수 있다. HVP 반사기 스폿들은 뷰 포트들과 동일한 형상을 가질 것이지만 기울어진 2D 구성들의 경우 이미 전술한 대로 1D 뷰 포트 크기를 제공하도록 조정된 크기를 가질 것이다. 필요한 HVP 반사기 스폿들의 수는 또한 특정 증강 또는 가상 현실 시스템의 사양을 충족시키기 위해 광학 과초점 반사 시스템이 수행해야 하는 이미지 생성 디바이스의 출사 동공의 연장량에 따라 달라질 것이다.
과초점 뷰 포트들(102)이 눈의 동공 크기에 최적인 방식으로 이격될 때 오버랩되는 원형 필드 영역들의 블러링을 보여주는 인간의 눈으로 본 가상 이미지(109)를 포함하는 도 24에 도시된 바와 같이, 과초점이 오버-샘플링으로 인해 저하[약간 블러링]될 수 있는 오버랩 영역들이 있다. 이는 원형 뷰 포트들이 원형 시야를 생성하기 때문이다. 인간의 눈으로 본 가상 이미지에 어두운 패치들(따라서 정보 손실)이 없는 것을 보장하려면, 인접한 과초점 뷰 포트들(102)에 의해 전달되는 시야에서 최소한의 오버랩이 있어야 한다.
일부 접근 방식들에 따르면, HVP들 및 대응하는 HVP 반사기 스폿들은 눈에 형성되는 과초점화된 가상 이미지 스폿들 사이에 간섭이 적고 인간의 눈으로 보는 전체 가상 이미지의 저하가 완화되도록 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템에 배열된다. 일부 실시예들에 따르면, 과초점 가상 이미지 스폿 뷰들에 의해 형성된 전체 가상 이미지의 저하는 각각의 뷰 포트들로부터 전달된 시야들이 테셀레이션되도록 과초점 반사기 스폿의 형상을 제어함으로써 완화된다.
일부 실시예들에 따르면, HVP 소자들은 육각형 뷰 포트들(102H)이다. 도 24에 도시된 시스템의 개략도이지만 원형 뷰 포트들이라기보다는 육각형 뷰 포트들(102H)로 형성된 HVP 소자들을 가지고, 과초점 가상 이미지 스폿 뷰들의 테셀레이션을 형성하기 위해 도파관 평면에 배열되어 있는 도 25에서 볼 수 있는 바와 같이, 육각형 뷰 포트들은 눈이 거리 H≪∞(무한대)에 초점이 맞추어지고 도파관에 결합된 이미지가 무한대일 때 가상 이미지(109)의 육각형 필드 영역들을 오버랩하는 블러들을 감소시킨다. 과초점화된 가상 이미지 스폿 뷰들의 테셀레이션 패턴을 형성하기 위해, 시스템이 원형 뷰 포트들을 사용할 때의 도 24 및 시스템이 육각형 뷰 포트들을 사용할 때의 도 25에서 인간의 눈으로 보는 것의 비교 및 이에 따른 대응하는 형상의 과초점 반사기 스폿들로부터 알 수 있는 바와 같이, 오버랩하는 시야들로 인한 블러가 도 25의 시스템에 대해 감소되고 뷰 포인트 분리가 눈의 동공 크기에 최적화된다. 비-제한적인 예를 들어, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들의 일부 접근 방식들에서, 과초점 반사 스폿과 인간의 눈에 대한 눈 타겟 영역 사이의 작동 거리는 통상적으로 약 10mm 내지 75mm이고 반사기-간 스폿 거리는 1mm 미만이다. 다른 비-제한적인 예들에서, 반사기-간 스폿 거리는 약 500㎛보다 크다. 또 다른 예들에서, 반사기-간 스폿 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜이다. 이러한 작동 거리에 대해 본 명세서에 나타낸 바와 같이, 통상적인 과초점 반사기 스폿 애퍼처 크기들은 약 100 미크론 내지 1000 미크론이지만 이 크기에 제한되지는 않는다. 다른 작동 거리들, 과초점 반사기 스폿 애퍼처 크기들 및 반사기-간 스폿 거리들이 예상되고 사용된 디스플레이 시스템의 타입과 과초점 스폿 이미지를 뷰잉하기 위한 광학 렌즈 검출기 시스템의 타입에 따라 달라질 것임을 유념한다.
일부 다른 실시예들에서, 가상 이미지의 저하를 완화하는 것을 돕기 위해 눈(eye) 또는 눈 타겟 영역(eye target area)에서 테셀레이션 패턴으로 과초점화된 가상 이미지 스폿들을 형성하는 임의의 형상의 HVP 반사 스폿들이 채택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 테셀레이션으로 과초점화된 뷰 스폿들을 제공하도록 배열된 HVP 포트들 및 이에 따른 대응하는 과초점 반사기 스폿들은 규칙적인 형상들 및/또는 무작위 형상들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 눈에 테셀레이션 패턴을 형성하는 HVP 반사기 스폿들은 증가된 동공 크기(= 증가된 오버샘플링)를 해결하기 위해 무작위 형상의 HVP 스폿들(그러나 여전히 기하학적으로 분산됨)이다. 샘플링은 광선들을 즉시 눈으로 향하게 하는 과초점 반사기 스폿들의 수를 나타낸다.
일부 접근 방식들에 따르면, 본 명세서의 실시예들에 따른 파장 반사 스폿들을 사용하는 과초점 뷰 포트들은 인간의 눈으로 본 가상 이미지의 저하를 완화하기 위해 광학 과초점 반사 시스템에서 채택된다. 일부 실시예들에서, 뷰 포트들의 파장 선택형 과초점 스폿들은 광학 과초점 반사 시스템에 배열되어 테셀레이션하는 과초점화된 가상 이미지 스폿들의 패턴을 눈에 형성하는 반면, 다른 실시예들에서는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들이 그러한 테셀레이션 패턴이 없이 배열된다.
과초점 뷰 포트들을 광대역에서 파장 의존형 반사 포트들로 변환하면 몇 가지 잠재적인 기술적 이점들이 있다. 첫 번째 이점은 광학 과초점 반사 시스템이 광학 결합기로 구현되는 경우들에 대해, 외부 세계 투과, 즉 광학 과초점 반사 시스템의 광학 기판을 통해 현실 세계 장면으로부터 광을 광학적으로 투과하는 것과 관련된다. 도 26은 OLED와 같은 이미지 소스의 통상적인 방출 스펙트럼, 광대역 자연태양광의 방출 스펙트럼 및 은 거울과 같은 통상적인 광대역 반사기의 반사율을 도시한다. 도 26에서 알 수 있는 바와 같이, 광대역 반사기들은 본질적으로 외부 세계 자연광과 AR 이미지 소스 광을 구별하지 않는다. 광대역 과초점 뷰 포트 반사기 스폿들의 경우, AR 이미지를 눈에 전달하는데 있어 뷰 포트 시스템의 가장 기본적인 효율성 측정은 광학 과초점 반사형 광학 기판(도파관 또는 바이저)의 전체 면적 대비 모든 뷰 포트들의 전체 면적 비율에 의해 결정된다. 이것은 이미지 생성 소스에서 눈을 향해 광의 10%를 반사시키기 위해 외부 세계 자연광의 10%가 광학 기판을 통해 눈으로 투과되는 것을 차단한다는 것을 의미한다. 과초점 뷰 포트들에 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 채택함으로써 외부 세계로부터의 더 많은 광이 AR 이미지 소스에서 반사된 광의 효율성을 감소시키지 않고 광학 기판을 통과할 수 있다.
뷰 포트들에 의한 외부 세계로부터의 자연광 차단의 감소는 다양한 방식들로 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이것은 AR 이미지 소스의 전체 RGB 방출 스펙트럼을 커버하는 파장 선택형 반사기 스폿을 각각의 뷰 포트 반사기 스폿으로 채택함으로써 달성된다. 일부 실시예들에서, 외부 세계로부터의 자연광의 감소는 각각의 뷰 포트를 AR 이미지 소스 방출 스펙트럼의 3개의 개별 R, G 또는 B 섹션들로 분리하고 각 R, G 및 B 과초점 반사기 스폿들에 대한 초기 분산을 복제함으로써 달성된다. 예를 들어, 도 27 내지 도 29는 일부 실시예들에 따른 과초점 반사 뷰 포트들의 상이한 구성들을 도시한다. 도 27은 광대역 과초점 반사기 스폿들(은 거울 또는 유전체 코팅을 가진 스폿들과 같은)을 갖는 뷰 포트들을 도시하고, 도 28은 전체 이미지 소스 방출 스펙트럼을 반사하지만 다른 광은 통과시키는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 갖는 뷰 포트들을 도시하고, 도 29는, 일부는 이미지 소스 방출 스펙트럼의 개별 R 섹션들만을 반사시키도록 구성되고, 일부는 이미지 소스 방출 스펙트럼의 G 섹션들만을 반사시키도록 구성되고, 일부는 이미지 소스 방출 스펙트럼의 B 섹션들만 반사시키도록 구성되지만, 다른 모든 광은 통과시키는 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 갖는 뷰 포트들을 도시한다.
도 27의 레이아웃에서 광대역 과초점 반사기 스폿들을 갖는 뷰 포트들은 외부 세계 자연광을 완전히 차단하고 반사기 스폿들과 접촉하는 모든 AR 이미지 소스 광을 반사시킨다. 도 28의 레이아웃에서 전체 이미지 소스 방출 스펙트럼에 대한 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 가진 뷰 포트들은, 과초점 반사기 스폿의 반사 파장 범위를 벗어나고 범위 내에서 광대역 반사기들과 동일하거나 유사한 비율의 AR 이미지 소스 광을 반사시키는 경우 더 많은 외부 세계 자연광이 기판을 통과하도록 허용한다.
AR 이미지 소스 방출 스펙트럼의 개별 R, G 및 B 섹션들을 선택하기 위한 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 가진 뷰 포트들이 도 29의 레이아웃에 도시된다. 이러한 구성은 파장 선택형 뷰 포트들을 RGB 성분들로 나누고 각 패턴을 오프셋한다. 특정 R, G, B 파장 선택형 과초점 반사기 스폿의 반사 파장 범위를 벗어나고 범위 내에서 광대역 반사기들과 동일하거나 유사한 비율의 AR 이미지 소스 R, G, B 광을 각각 반사시키는 경우 더 많은 외부 세계 자연광이 기판을 통과하도록 허용한다.
일부 실시예들에 따른 광학 과초점 반사 시스템들에서 AR 이미지 소스 방출 스펙트럼의 개별 R, G 및 B 섹션들에 대해 파장 선택형 반사기 스폿들을 가진 뷰 포트들을 채택하면, 눈에 의해 과초점 뷰 포트들을 언더샘플링할 때 잠재적으로 유익한 효과를 제공한다. 뷰 포트-간 거리가 눈의 동공에 비해 너무 큰 디스플레이를 볼 때 심각한 정보 손실이나 어두운 패치 효과가 있을 것이다. 이러한 효과는 컴퓨터 모델에 따라 결정된 검출기에 의해 본 이미지를 예시하는 도 31 내지 도 33에서 예로서 도시된다. Zemax, LLC의 광학 설계 프로그램이지만 이에 제한되지 않는 컴퓨터 모델은 광학 과초점 반사 시스템의 광선 전파와 검출기에서 본 뷰들을 모델링한다. 광대역 반사 과초점 뷰 포트 소자들을 가진 과초점 반사 시스템에서 언더샘플링의 예들은 각각 눈이 1m에 초점을 맞추고 눈이 무한대에 초점을 맞춘 도 31 내지 도 33에 도시된다. 어두운 패치는 위치에 따라 다르므로 두 검출기들은 상이한 뷰들을 갖는다. 도 30 및 도 32는 각각 눈이 1m에 초점을 맞추고 눈이 무한대에 초점을 맞춘 도 29의 레이아웃에서 개별 RGB 선택형 과초점 뷰 포트들을 가진 과초점 뷰 포트 디스플레이에서 언더샘플링의 예에 대한 컴퓨터 모델에 따라 인간의 눈으로 본 이미지를 예시한다.
도 30 내지 도 33에서 알 수 있는 바와 같이, 눈이 1m와 무한대 모두에 초점이 맞추어질 때 이미지들의 초점이 맞추어지며, 두 경우 모두 과초점이 있음을 나타낸다. 도 27의 레이아웃에서 광대역 과초점 반사기 스폿들을 사용할 때, 뷰 포트들을 통해 백색 이미지를 언더샘플링한 결과는 디스플레이의 일부 영역들에서 정보가 완전히 손실된다(도 31 및 도 33 참조). 도 28의 레이아웃에서 전체 이미지 소스 방출 스펙트럼에 대한 파장 선택형 반사기들을 가진 뷰 포트들에 대해서도 동일하게 적용되며, 여기서 RGB 반사들은 단일 과초점 반사기 스폿에서 나온다. 그러나, 도 29의 레이아웃에서 분리된 RGB 과초점 반사기 스폿들의 경우, 색상 균일성은 손실되지만 정보는 이미지에 유지된다(도 30 및 도 32 참조).
하기에 설명하는 바와 같이, 일부 다른 접근 방식들에서 인간의 눈으로 본 이미지의 저하를 완화하는 다른 방법은 광학 과초점 반사 시스템들의 과초점 뷰 포트들에 편광된 과초점 반사기 스폿들을 채택하여 이미지 품질을 능동적으로 제어하는 것이다.
광학 과초점 반사 시스템들의 일부 접근 방식들에서, HVP 반사기 스폿들은 편광된 반사기 스폿들이다. 편광된 과초점 반사기 스폿들은 관심있는 편광 상태를 반영하도록 배열된 와이어 그리드 또는 다른 편광 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광기 과초점 반사기 스폿들의 일부는 제 1 구성들을 갖고, 편광기 과초점 반사기 스폿들의 일부는 제 1 구성들과 상이한 제 2 구성들을 갖는다. 편광된 HVP 반사기 스폿들은 도면들에 도시된 광학 기판들과 같지만 이에 제한되지 않는 광학 도파관 기판들 또는 자유 공간 광학 기판들을 갖는 광학 과초점 반사 시스템들(광학 결합기들 또는 비-결합기들)에서 구현될 수 있다.
편광되지 않은 광학 이미지 입력 광선들은 제 1 전기장들을 갖는 제 1 편광 상태에서 제 1 편광 상태 선택형 편광기 과초점 반사기 스폿들로부터 반사되고 제 2 전기장들을 갖는 제 2 편광 상태들의 제 2 편광 상태 선택형 편광기 과초점 반사기 스폿들로부터 반사된다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태들은 제 1 전기장이 수평인 수평(H) 편광 상태들이고 제 2 편광 상태들은 제 2 전기장이 수직인 수직(V) 편광 상태들이다. 일부 실시예들에서, 편광된 과초점 반사기 스폿들은 예를 들어 교호하는 수평(H) 편광 선택형 반사기 스폿들과 수직(V) 편광 선택형 반사기 스폿들과 같지만 이에 제한되지 않는 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들의 교호 패턴으로 분산된다.
도 34를 참조하면, 기판이 자유 공간 광학 기판(자유 공간 광학 결합기 또는 비-결합기)인 실시예에 따른 증강 현실 디스플레이 시스템이 도시된다. 광학 과초점 반사 시스템의 과초점 반사 뷰 포트들은 편광 선택 뷰 포트들(102H, 102V)이다. 도시된 실시예에서, 과초점 반사 뷰 포트들(102H)은 수평 편광된 입력 광선들(107)을 반사시키고 수직 편광된 입력 광선들(107)을 통과시키도록 구성된 수평 와이어 그리드 형태의 수평 편광 선택형 반사기 스폿들(103H)을 갖는다. 과초점 반사 뷰 포트들(102V)은 수직 편광된 입력 광선들(107)을 반사시키고 수평 편광된 입력 광선들(107)을 통과시키도록 구성된 수직 와이어 그리드 형태의 수직 편광 선택형 반사기 스폿들(103V)을 갖는다. 다른 타입들의 편광기들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 설명의 용이함을 위해, 그리드들의 와이어들 및 간격은 일정한 비율로 도시되지 않는다. 일부 실시예들에서, 간격은 100nm 내지 200nm와 같지만 이에 제한되지 않는 나노 미터 범위에 있다. 편광되지 않은 광이 편광기에 입사할 때, 와이어 그리드에 평행한 전기장을 갖는 편광이 반사되고 와이어에 수직인 전기장을 갖는 편광이 투과된다. 광학 이미지 입력 광선들(107)이 편광되지 않을 때, 편광기 과초점 반사기 스폿들(103V)에서 반사된 광학 디스플레이 입력 광선들(107)은 수직 전기장으로 편광되고 과초점 반사기 스폿들(103V)은 수평 전기장을 통과하는 반면, 광학 이미지 입력 광선들(107)은 편광기 과초점 반사기 스폿들(103H)에서 반사된 광학 디스플레이 입력 광선들(107)은 수평 전기장으로 편광되고 과초점 반사기 스폿들(103H)은 수직 전기장을 통과한다.
도 34의 광학 시스템에서, 광학 이미지 입력 광선들(107)은 동적으로 편광된다. 이를 위해, 이 경우에는 프로젝터인 이미지 생성 디바이스(120)로부터의 이미지(108)는 편광 모듈(134), 여기서는 LC 모듈을 통해 편광 상태에서 변화된다. 광학 입력 이미지가 수평 H 편광 상태에 있을 때, 103H 과초점 반사기 스폿만이 H 편광 상태를 갖는 개별 스폿 빔들(105H)을 반사시키고 103V 과초점 반사기 스폿들은 H 상태의 광학 입력 광선들을 반사시키지 않는다. 이미지가 수직 V 편광 상태일 때, 103V 과초점 반사기 스폿들만 V 편광 상태의 개별 스폿 빔들(105V)을 반사시키고 103H 과초점 반사기 스폿은 V 상태의 광학 입력 광선들을 반사시키지 않는다. 광학 이미지 입력 광선들(107)은 H-상태 HVP 소자들, V-상태 HVP 소자들 또는 둘다 동시에 연속적으로 이미지가 눈으로 향하도록 H와 V 사이에서 연속적으로 선형이거나, 또는 H와 V 둘다와 함께 H 및/또는 V 사이에서, 또는 원형으로, 또는 타원 상태의 정도들을 변화시킴으로써 동적으로 편광될 수 있다. 이러한 방법은 더 많은 수의 HVP 영역들이 필요한 경우의 오버샘플링 문제들을 극복한다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수직 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있고 및/또는 제 2 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수평 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있다. 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
기판이 자유 공간 기판이 아니라 광학 도파관인 광학 과초점 반사 시스템에 대해 대응하는 설정이 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 35는 H 편광 상태의 과초점 반사기 스폿들(103H) 및 V 편광 상태의 과초점 반사기 스폿들이 서로 이격된 공통 평면들(117)에서 함께 그룹화되어 도파관을 따라 교대로 분산되는 광학 과초점 반사 시스템의 사시도를 도시한다. 광학 이미지 입력 광선들(107)은 H-상태 HVP 소자들, V-상태 HVP 소자들 또는 둘다 동시에 연속적으로 이미지가 눈으로 향하도록 H와 V 사이에서 연속적으로 원형이거나, 또는 타원 상태의 정도들을 변화시킴으로써 동적으로 편광될 수 있다. 이러한 방법은 더 많은 수의 HVP 영역들이 필요한 경우의 오버샘플링 문제들을 극복한다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수직 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있고 및/또는 제 2 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수평 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있다. 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
도 34 및 도 35의 광학 시스템의 실시예들에 의해 예를 들어 입증된 바와 같이, 일부 접근 방식들에서, 광학 디스플레이 입력 광선들(107)의 편광을 변화시킴으로써, 시스템은 상이한 동공 크기들 및 위치들을 설명하기 위해 동공에 걸쳐 활성 과초점 반사기 스폿들 및 비활성 과초점 반사기 스폿들의 분산을 동적으로 변경할 수 있다. 활성 과초점 반사기 스폿들은 효과적으로 턴 온된 스폿들이고, 즉, 광학 입력 광선들(107)이 이러한 과초점 반사기 스폿들의 편광 선택 상태에 따라 편광되기 때문에 광학 입력 광선들(107)을 반사시키는 스폿들이다. 비활성 과초점 반사기 스폿들은 효과적으로 턴 "오프(off)"된 스폿들이며, 즉 이들은 입력되는 광학 입력 광선들이 이러한 과초점 반사기 스폿들의 편광 선택 상태에 따라 편광되지 않기 때문에 광학 입력 광선들(107)을 반사시키지 않는다.
광학 과초점 반사 시스템이 출사 동공 연장기로서 구현되는 일부 실시예들에서, 광학 입력 광선들의 편광을 변경함으로써 반사 과초점 반사기 스폿들 및 비-반사 과초점 반사기 스폿들의 분산의 이러한 동적 변경은 도파관을 따른 스폿 위치들의 함수로서 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들의 집중들 및/또는 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들의 집중들을 변화시킴으로써 출사 동공 연장 방향을 따라 도파관 양단의 강도를 제어하도록 채택할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들은 수평(H) 편광 상태 선택형 반사기 스폿들이고 제 2 편광 상태 반사 스폿들은 수직(V) 편광 상태 선택형 반사기 스폿들이다.
예를 들어, 도 36을 참조하며, 도 36은 V 편광 상태를 갖는 과초점 반사기 스폿들만이 경사진 공통 반사기 평면(117V)을 차지하고, H 편광 상태를 갖는 과초점 반사기 스폿들만이 도파관을 따라 더 멀리 이격된 다음 경사진 공통 반사기 평면(117H)을 차지하고, V 편광 상태를 갖는 과초점 반사기 스폿들과 H 편광 상태를 갖는 과초점 반사기 스폿들의 조합은 도파관을 따라 훨씬 더 멀리 이격된 최종 경사진 공통 반사기 평면(117HV)을 차지하는 극단적인 경우를 예시한다. 광학 입력 이미지 편광 상태를 변경하여, H 및 V 상태의 각 반사기를 선택할 수 있으므로 광이 선행하는 HVP 소자들에 의해 안보이지 않는다(보조 광선 생성도 최소화). 특정 편광 상태에서 지속 시간을 늘리면 특정 HVP 영역에서의 밝기를 제어(최대화)할 수 있으며 - 즉, 프로젝터에서 가장 먼 영역은 일반적으로 전파 손실들(선행하는 HVP 소자들의 영향을 포함)로 인해 더 어두워지지만, 원형 편광된 광이 도파관에 발사된 경우 더 밝게 나타난다. 일부 실시예들에서, 제 1 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수직 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있고 및/또는 제 2 편광 상태로 구성된 과초점 반사기 스폿들의 일부 또는 전부는 수평 편광 상태 이외의 편광 상태로 구성될 수 있다. 제 1 편광 상태는 제 2 편광 상태에 직교하거나 중간 각도일 수 있다. 중간 각도는 광학 기판을 따르는 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택될 수 있다.
편광 의존형 과초점 뷰 포트들의 전술한 예들에서 설명했듯이, 편광 의존형 반사 뷰 포트들은 향상된 이미지 품질을 유발하는 이미지 편광에 기초하여 뷰 포트들의 분산들을 변경할 수 있게 한다.
파장 선택형 과초점 반사 뷰 포트들이 채택되는 광학 과초점 반사 시스템들의 일부 접근 방식들에서, 광학 과초점 반사 시스템들은 복수의 광학 도파관들을 갖는 디스플레이들로 구성될 수 있다. 이러한 모든 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들의 애퍼처 크기는 반사된 개별 가상 이미지 스폿 빔(105)이 전술한 방식으로 타겟 영역에 위치한 눈 또는 다른 렌즈-검출기에서 가상 이미지 스폿 빔의 과초점의 초점을 달성하기 위해 타겟 영역에서의 직경 D를 갖도록 선택된다. 각각의 출력 결합 격자는 별개의 과초점 뷰 포트들로 구성되며, 그 치수들은 단일 광학 도파관을 사용하는 시스템들의 다른 실시예들을 참조하여 본 명세서에 설명된 부분 또는 완전 반사형 뷰 포트들의 치수들과 동일할 수 있지만 제 2 도파관에 대한 제 1 도파관의 광 경로 길이 차이를 타겟으로 하는 분명한 스폿을 고려한다.
각각의 도파관은 개별 스폿 빔들(105)로서 특정 파장 또는 대역들의 파장들의 광선들(107)을 선택적으로 반사시키기 위해 회절 광학 요소들의 형태로 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들을 포함한다. 일부 다른 실시예들에서, 회절 광학 요소들 이외의 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들이 사용될 수 있다. 과초점 반사 스폿들은 부분 반사 스폿들, 완전 반사 스폿들 또는 둘의 조합일 수 있다.
각각의 도파관에서 회절 광학 요소 반사기 스폿들의 그룹들은 일반적으로 본 명세서에 설명된 다른 도파관 실시예들의 회절 과초점 반사기 스폿들과 동일한 방식으로 구성된다. 그러나 회절 도파관 디스플레이의 각도 대역폭을 최대화하면서 상이한 색상들 사이의 혼선(한 색상에 대한 광선이 다른 색상용 피치를 가진 격자에 의해 잘못 회절됨)을 최소화하기 위해, 회절 도파관 디스플레이는 광학 입력 이미지의 상이한 특정 파장들 또는 파장 대역들 또는 색상들이 상이한 광학 도파관들의 회절 광학 요소 과초점 반사기 스폿들에 의해 선택적으로 반사되는 복수의 도파관들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파관들은 함께 샌드위치되거나 샌드위치 구성으로 서로 근접하게 배치된다.
일부 실시예들에서, 복수의 도파관들의 각각의 도파관들은 각각의 특정 색상(들) 또는 대역(들)의 파장들의 광학 이미지 입력 광선들을 선택적으로 반사시키도록 구성되는 회절 광학 요소 과초점 반사기 스폿들의 각각의 그룹을 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 도파관들 중 하나의 도파관에서 한 그룹의 과초점 반사기 스폿들에 의해 선택적으로 반사된 광학 이미지 입력 광선들의 특정 파장의 컬러(들) 또는 대역(들)의 파장들은 다른 파장들의 다른 그룹의 과초점 반사기 스폿들에 의해 선택적으로 반사된 광학 이미지 입력 광선들의 특정 색상(들) 또는 대역(들)의 파장들과 상이하다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 복수의 도파관들은 복수의 상이한 그룹들의 과초점 반사기 스폿들을 포함한다. 복수의 도파관들 중 하나의 도파관에서 한 그룹의 과초점 반사기 스폿들에 의해 선택적으로 반사된 광학 이미지 입력 광선들의 특정 색상(들) 또는 대역(들)의 파장들은 동일한 도파관에서 다른 그룹의 과초점 반사기 스폿들에 의해 선택적으로 반사된 광학 이미지 입력 광선들의 특정 색상(들) 또는 대역(들)의 파장들과 상이하다.
광학 과초점 반사 시스템이 회절 광학 디스플레이로 구성되는 일부 접근 방식들에서, 시스템은 2개의 도파관들을 가진다. 광학 입력 이미지(106)는 다색 이미지이다. 이러한 실시예들에서, 다색 이미지는 3개의 상이한 색상들(제 1, 제 2 및 제 3 색상들)로 구성되고 광학 입력 이미지(106)의 색상들은 2개의 도파관들 사이에서 분할된다. 제 1 광학 도파관의 회절 입력 결합기는 제 1 및 제 2 색상들의 광학 이미지 입력 광선들의 일부를 선택적으로 회절시키고, 제 3 색상의 광학 이미지 입력 광선들을 통과시키고 제 2 색상의 광학 입력 이미지 광선들의 적어도 일부를 제 2 광학 도파관에 통과시키도록 구성된다. 제 2 광학 도파관의 회절 입력 결합기는 제 1 회절 입력 결합기를 통과한 제 3 색상 및 제 2 색상의 광학 이미지 입력 광선들 중 적어도 일부를 선택적으로 회절시키도록 구성된다.
예를 들어, 도 37 내지 도 39는 일 실시예에 따른 복수의 광학 도파관들을 갖는 회절 도파관 디스플레이로서 구성된 광학 과초점 반사 시스템을 도시한다. 제 1 도파관의 회절 입력 결합기는 파장들 λ1 및 λ2를 갖는 광선 광학 입력 광선들(107)을 회절하도록 최적화되는 반면, 제 2 도파관은 파장 λ2 및 λ3을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 회절하도록 최적화된다. 통상적으로 λ1 = 청색, λ2 = 녹색 및 λ3 = 적색이다. 다른 실시예들에서, λ1, λ2 및 λ3은 각각 상이한 색상들에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, λ1, λ2 및 λ3은 청색, 녹색 및 적색을 상이한 순서로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, λ1 = 적색, λ2 = 녹색 및 λ3 = 청색이다. 비-제한적인 예를 들어, 유기 발광 다이오드(OLED)와 같은 이미지 소스에 대해 λ1 = 450nm, λ2 = 532nm 및 λ3 = 640nm이다(예를 들어 OLED의 통상적인 방출 스펙트럼을 보여주는 도 26을 참조). 일부 실시예들에서, λ1, λ2 및 λ3의 적어도 일부는 서로 상이하고 임의의 광 파장들에 대응한다. 도파관들의 회절 격자들은 특정 파장들을 가진 광을 선택적으로 회절시키도록 구성된다. 비-제한적인 일례에서, 청색, 녹색, 적색광 중 임의의 하나 또는 그 조합을 선택적으로 회절하기 위해, 입력 회절 격자 피치가 약 300nm 내지 500nm 간격의 순서로 그에 따라 선택된다. 선택된 피치는 FOV 및 기판 재료의 타입(중요 각도 안내 조건에 대해)에 따라 다르다.
도 37 내지 도 39의 예시적인 실시예들을 더욱 상세하게 참조하면, 도 37은 분리된 광학 도파관들 중 하나, 즉 제 1 광학 도파관 기판(101G1)의 사시도이다. 각각의 광학 도파관 기판은 본 명세서에 개시된 임의의 실시예들의 광학 도파관 기판(101)과 같은 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이들에 적합한 임의의 광학 도파관 기판이다. 광학 도파관 기판(101G1)은 제 1 광학 입력 결합부(150G1) 및 제 1 출력 결합부(160G1)를 포함한다. 제 1 광학 입력 결합부(150G1)와 제 1 광학 결합부(160G1)는 출사 동공 연장 방향(118)으로 제 1 도파관 기판(101G1)을 따라 서로 이격된 부분이다. 제 1 광학 입력 결합부(150G1)는 추가적인 제 1 동공 연장 영역(155G1)을 통해 제 1 광학 출력 결합부(160G1)에 광학적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 추가적인 제 1 동공 연장 영역은 생략될 수 있다.
제 1 광학 입력 결합부(150G1)는 특정 제 1 파장 λ1의 광학 입력 광선들(107) 및 특정 제 2 파장 λ2를 가진 광학 입력 광선들(107)의 일부를 동공 연장 방향(118)으로 제 1 광학 도파관 기판을 따라 제 1 도파관(101G1)에 선택적으로 회절하여 내부적으로 반사시키도록 구성된 제 1 광학 입력 회절 격자(151G1)를 포함한다(도 39 참조). 제 1 광학 입력 회절 격자(151G1)는 제 1 도파관(101G1)으로 회절되지 않은 특정 파장 λ2를 갖는 광학 입력 광선들(107) 중 적어도 일부를 통과하고, 또한 제 3 특정 파장 λ3을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 내부적으로 반사하기보다는 제 1 광학 기판의 면 밖으로 이들을 통과시키도록 구성된다. 제 1 입력 회절 격자(151G1)는 동공 연장 방향(118)으로 광학 도파관 기판(101G1)을 따라 특정 또는 대역의 파장들 λ1, λ2를 가진 광학 입력 파동들(107)을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 투과하기 위한 격자 구성 및 피치를 갖는다.
제 1 추가 동공 연장 영역(155G1)은 제 1 광학 입력 결합부(150G1)와 제 1 광학 출력 결합부(160G1) 사이에 배치된 제 1 연장 회절 격자(156G1)이다. 다른 실시예들에서, 제 1 추가 동공 연장 영역(155G1)은 제 1 광학 입력 결합 영역(150G1)에 의해 선택적으로 내부적으로 반사된 특정 파장(들)의 광학 입력 광선들을 동공 연장 방향(118)으로 연장시키고 제 1 광학 도파관을 따라 전파시키기에 적합한 다른 타입의 동공 연장 구성요소일 수 있다. 제 1 연장 회절 격자(151G1)는 제 1 광학 도파관(101G1)을 따라 내부적으로 특정 파장(들)의 광학 입력 광선들(107)을 선택적으로 회절시켜 이미지 생성 시스템의 출사 동공을 연장 방향(118)으로 2차원으로 연장하도록 구성된다. 도 37 내지 도 39에 도시된 예에서, 제 1 연장 회절 격자(151G1)는 동공 연장 방향(118)으로 제 1 광학 도파관 기판을 따라 더 멀리 파장 λ1, λ2를 갖는 수신된 반사된 제 1 광학 입력 광선들(107)을 선택적으로 회절시키기 위한 격자 구성 및 피치를 갖는다.
제 1 광학 출력 결합부(160G1)는 제 1 광학 도파관(101G1)에 배치된 회절 광학 요소들의 형태로 제 1 과초점 뷰 포트들(102G1)의 복수의 제 1 과초점 반사기 스폿들(103G1)을 포함한다. 제 1 회절 광학 요소 반사기 스폿들(103G1)은 제 1 광학 도파관 기판의 표면에 임베딩된 회절 격자들이다. 일부 다른 실시예들에서, 회절 격자들은 기판(101G1)의 부피에 추가로 임베딩되거나 표면 상에 배치된다. 제 1 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G1)은 특정 제 1 파장 λ1 및 특정 제 2 파장 λ2를 갖는 광학 입력 광선들(102)을 제 1 및 제 2 특정 파장들(105λ1 및 λ2)의 광선들로 구성된 개별 스폿 빔들로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 이 예에서, 제 1 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G1)은 제 1 및 제 2 특정 파장들의 광선들로 구성된 개별 스폿 빔들(105λ1, λ2)로서 제 1 특정 파장 λ1 및 제 2 특정 파장 λ2를 갖는 제 1 광학 입력 파동들(107)을 눈 렌즈 또는 다른 광학 검출기 타겟을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된 격자 구성들 및 격자 피치를 갖는다. 제 1 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G1)은 제 1 도파관 기판의 제 1 출력 결합부를 따라 제 1 패턴으로 배열된다. 광학 도파관들에서 상이한 색상들을 연장하고 선택적으로 반사시키기 위한 회절 격자 피치 및 재료들의 예들은 US 9946068호에서 찾을 수 있으며, 그 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
광학 도파관 기판(101G1)과 유사한 제 2 광학 도파관 기판(101G2)은 제 1 광학 도파관(101G1)과 나란히 또는 샌드위치 구성으로 인접하게 배열된다. 제 1 광학 도파관 기판(101)의 전면은 제 2 광학 도파관 기판(101)의 후면과 마주한다. 제 1 광학 도파관(101G1)은 제 2 광학 도파관(102G2)과 평행하거나 실질적으로 평행하게 배열된다. 제 1 광학 도파관(101G1)과 제 2 광학 도파관(101G2) 사이에는 갭이 개재된다. 일부 다른 실시예들에서, 제 1 광학 도파관(101G1)은 그들 사이에 어떠한 갭도 없이 제 2 광학 도파관(101G2)과 직접 접촉할 수 있다.
제 2 광학 도파관 기판(101G2)에 포함된 소자들은 일반적으로 동일한 참조 번호로 식별되는 제 1 광학 도파관(101G1)의 소자들에 대응하지만, 참조 번호가 제 2 기판 단부의 소자들을 "G1"이 아니라 "G2"로 식별한다. 그러나, 제 2 광학 입력부(105G2), 제 2 추가 동공 연장 영역(155G2) 및 제 2 출력 결합부(105G2)의 구성들은 특정 제 2 파장 λ2 및 특정 제 3 파장 λ3의 광학 입력 광선들을 선택적으로 반사시키도록 구성된다는 점에서, 제 1 광학 입력부(105G1), 제 1 추가 동공 연장 영역(155G1) 및 제 1 출력 결합부(105G1)의 구성들과 각각 상이하다. 제 1 파장 λ1, 제 2 파장 λ2 및 특정 제 3 파장 λ3은 상이한 파장들이다. 도 37 내지 도 39의 예에서, λ1은 청색에 대응하고, λ2는 녹색에 대응하고, λ3은 적색에 대응한다. 제 2 광학 입력 격자(151G1)는 제 2 연장 회절 격자(155G2)를 향해 제 2 광학 기판을 따라 파장들 λ2 및 λ3의 광학 입력 광선들(107)을 선택적으로 반사시키기 위한 격자 구성 및 격자 피치를 갖는다. 제 2 연장 회절 격자(155G2)는 제 2 출력 결합부(160G2)를 향해 제 2 광학 기판(101G2)을 따라 더 멀리 파장들 λ2 및 λ3의 수신된 광학 입력 광선들을 선택적으로 반사시키는 격자 구성 및 피치를 갖는다. 또한, 제 2 출력 결합부(160G2)는 동공 연장 방향(118)을 따라 제 2 광학 도파관(101G2)에 분산된 회절 광학 요소들의 형태로 제 2 과초점 뷰 포트들(102G2)의 복수의 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G2)을 포함한다. 이 실시예에서 과초점 반사 회절 광학 요소 스폿들(103G2)은 제 2 및 제 3 파장들(105 λ2 및 λ3)의 광선들로 구성된 개별 스폿 빔들(105)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 제 2 및 제 3 파장들 λ2, λ3의 광학 입력 광선들을 각각 선택적으로 반사시키도록 구성된 제 2 회절 격자들이다. 이 예에서, 제 2 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G2)은 녹색광 및 적색광에 각각 대응하는 파장들 λ2 및 λ3을 선택적으로 반사시키기 위한 격자 구성 격자 피치를 갖는다.
제 2 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G2)은 제 2 도파관 기판의 제 2 출력 결합부를 따라 제 2 패턴으로 배열된다. 이 실시예에서, 제 2 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G2)의 제 2 패턴은 제 1 회절 격자 과초점 반사기 스폿들(103G2)의 제 1 패턴과 상이하다. 규칙적이거나 불규칙할 수 있는 제 1 회절 격자 과초점 반사기 스폿들 및/또는 제 2 회절 격자 과초점 반사기 스폿들의 다른 패턴들이 예상된다.
제 1 및 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G1 및 103G2)은 개별 반사된 스폿 빔들(105)이 도 7 내지 도 9b를 참조하여 이미 전술한 방식으로 디스플레이의 전체 시야를 포착하는데 필요한 눈 렌즈(205) 또는 눈 타겟 영역에 대한 각도 방향을 가지도록 출사 동공 연장 방향(118)을 따라 이격된다. 과초점 반사기 스폿들(103G1 및 103G2)의 애퍼처 크기는 전술한 방식으로 가상 이미지 스폿의 과초점 뷰를 달성하기 위해 개별 스폿 빔들이 눈 또는 다른 렌즈 검출기의 타겟 영역에서의 직경 D를 갖도록 선택된다.
제 1 광학 도파관 기판(101G1)의 제 1 출력 결합부(160G1)의 제 1 과초점 반사기 스폿들(103G1)은, 제 1 과초점 반사기 스폿들(103G1)에서 반사된 개별 스폿 빔들(105λ1 λ2)에 의해 형성된 눈 타겟 영역 또는 다른 광학 검출기 타겟 영역에서 본 과초점화된 스폿 이미지들이 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G2)에서 반사된 개별 스폿 빔들(105λ2 λ3)에 의해 형성되는 과초점화된 스폿 이미지들과 오버랩하지 않도록, 제 2 광학 도파관 기판(101G2)의 제 2 출력 결합부(160G2)에서 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G2)에 대해 엇갈리거나 출사 동공 연장 방향(118)으로 분산된다. 단일 도파관에 대한 과초점화된 스폿 이미지들과 동일한 방식으로(도 21 내지 도 33의 예 참조), 이것은 이미지 품질 및 시야와 관련하여 이점들을 제공한다. 예를 들어, 과초점화된 스폿 이미지들의 오버랩을 유발하는 배열들에 비해 전체적으로 본 이미지의 시야 및/또는 품질이 증가할 수 있다.
일부 다른 실시예들에서, 도 37 내지 도 39에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들(103G1, 103G2)이 있을 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 각각의 그룹의 파장 선택형 스폿들(103G1, 103G2)의 패턴들, 크기 및 형상은 도시된 패턴들과 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 각각의 특정 파장은 표시된 것과 상이할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제 1 과초점 반사기 스폿들(103G1) 및 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G2)은 육각형 스폿들, 또는 규칙적이거나, 불규칙적이거나 또는 둘의 조합일 수 있는 다른 형상들로 형상화되고, 조합하여 취해진 제 1 과초점 반사기 스폿들(103G1) 및 제 2 과초점 반사기 스폿들(103G2)에 의해 형성되는 과초점화된 스폿 이미지들이 단일 광학 도파관의 과초점 반사 스폿들과 유사한 방식으로 과초점화된 스폿 이미지들의 테셀레이션을 눈 타겟 영역에 형성하도록 서로에 대해 배열된다(예를 들어 도 21 내지 도 33 및 과초점화된 스폿 이미지들의 스폿들의 형상들 및 테셀레이션에 관한 대응하는 설명을 참조).
회절 광학 디스플레이로 구성된 광학 과초점 반사 시스템의 일부 접근 방식들에서, 시스템은 적어도 3개의 광학 도파관들을 갖는다. 각각의 도파관은 3개의 상이한 색상들 중 한 색상만 지원하도록 설계되었으므로, 2개의 광학 도파관들만 사용할 때보다 격자 설계가 더 간단하다. 광학 입력 이미지(106)는 다색 이미지이다. 이 실시예에서, 다색 이미지는 3개의 상이한 색상들(각각 청색, 녹색, 적색과 같은 제 1, 제 2 및 제 3 색상들)로 구성되고 광학 입력 이미지(106)의 색상들은 3개의 도파관들 사이에서 분할된다. 도파관들의 회절 격자들은 특정 파장들의 광을 선택적으로 회절하도록 구성된다. 비-제한적인 일례에서, 청색, 녹색 및 적색광 중 임의의 하나 또는 그 조합을 선택적으로 회절하기 위해, 입력 회절 격자 피치는 약 300nm 내지 500nm 간격의 순서로 그에 따라 선택된다. 선택된 피치는 FOV 및 기판 재료의 타입(중요 각도 안내 조건에 대해)에 따라 다르다.
제 1 광학 도파관 기판과 연관된 제 1 회절 입력 결합기는 제 1 색상으로 입력된 광학 이미지의 일부를 회절시키고 제 2 및 제 3 색상들의 광학 이미지를 제 2 광학 도파관으로 통과시키도록 구성된다. 제 2 광학 도파관 기판과 연관된 제 2 회절 입력 결합기는 제 2 색상으로 입력된 광학 이미지의 일부를 회절시키고 제 3 색상의 광학 이미지를 제 3 광학 도파관으로 통과시키도록 구성된다. 제 1, 제 2 및 제 3 광학 도파관 기판들의 제 1, 제 2 및 제 3 동공 연장 격자들은 각각 기판들을 따라 내부적으로 제 1, 제 2 및 제 3 색상들의 광학 이미지를 선택적으로 반사시킨다. 제 1 도파관 기판의 제 1 과초점 반사 스폿들은 제 1 파장의 광선으로 구성된 개별 스폿 빔들을 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 2 도파관 기판의 제 2 과초점 반사 스폿들은 제 2 파장의 광선으로 구성된 개별 스폿 빔들을 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 3 도파관 기판의 제 3 과초점 반사 스폿들은 제 3 파장의 광선으로 구성된 개별 스폿 빔들을 선택적으로 반사시키도록 구성된다.
3개의 광학 도파관들을 갖는 그러한 광학 과초점 반사 시스템의 예를 들어, 일 실시예에 따른 3개의 광학 도파관들을 갖는 회절 도파관 디스플레이를 예시하는 도 40 및 도 41을 참조한다. 제 1 도파관 기판(101G1)의 제 1 회절 입력 결합기(171G1)는 출사 동공 연장 방향(118)으로 내부적으로 파장들 λ1을 갖는 광학 입력 광선들(107)을 선택적으로 회절시키고, 광학 광선들(107λ2 및 λ3)을 제 2 광학 도파관(102G2)에 통과시키도록 구성된다. 제 2 도파관(1G1G2)은 제 1 회절 광학 결합기(171G1)를 통과한 광선들(107λ2, λ3)이 제 2 광학 도파관(101G2)의 제 2 회절 광학 결합기(171G2)에 의해 수신되도록 제 1 회절 광학 결합기(171G1)에 대해 위치되는 제 2 회절 입력 결합기(171G2)를 갖는다. 제 2 회절 입력 결합기(171G2)는 파장 λ2를 가진 수신된 광학 입력 광선들(107)을 회절시키고, 수신된 광학 광선들(107λ3)을 제 3 광학 도파관(103G2)으로 통과시키도록 구성된다. 제 3 도파관(101G3)은, 제 1 및 제 2 회절 광합 결합기들을 통과하는 광학 광선들(107λ3)이 제 3 광학 도파관(101G3)의 제 3 회절 광합 결합기(173G3)에 의해 수신되도록, 제 1 및 제 2 회절 광합 결합기들(173G1 및 173G2)에 대해 위치되는 제 3 회절 입력 결합기(173G2)를 갖는다. 제 1, 제 2 및 제 3 파장들을 각각 선택적으로 회절시키는 제 1, 제 2 및 제 3 회절 연장 격자들(176G1, 176G2 및 176G3)은 광학 입력 이미지 생성 시스템을 출사 동공 방향(118)으로 더 멀리 연장하기 위해 제 1, 제 2 및 제 3 광학 도파관들(101G1, 101G2, 101G3)에 각각 배치된다.
제 1, 제 2 및 제 3 과초점 반사기 스폿들(173G1, 173G2, 173G3)은 각각 제 1, 제 2 및 제 3 광학 도파관들의 제 1, 제 2 및 제 3 출력 결합부들(160G1, 160G2 및 160G3)에 분산된다. 과초점 반사 스폿들은 부분 반사 스폿들, 완전 반사 스폿들 또는 둘의 조합일 수 있다. 제 1 과초점 반사기 스폿들(173G1)은 λ1의 파장의 광선들(107)을 개별 스폿 빔들(105λ1)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 1 과초점 반사기 스폿들(173G1)은 제 1 광학 기판(101G1)의 제 1 출력 결합부(160G1)에서 제 1 패턴으로 분산된다. 제 2 과초점 반사기 스폿들(173G2)은 λ2의 파장의 광선들(107)을 별개의 스폿 빔들(105λ2)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 2 과초점 반사기 스폿들(173G2)은 제 2 광학 기판(101G2)의 제 2 출력 결합부(160G2)에서 제 2 패턴으로 분산된다. 제 3 과초점 반사기 스폿들(103G3)은 λ3의 파장의 광선들(107)을 개별 스폿 빔들(105λ3)로서 눈 렌즈 또는 눈 타겟 영역을 향해 선택적으로 반사시키도록 구성된다. 제 3 과초점 반사기 스폿들(103G3)은 제 3 광학 기판(101G3)의 제 3 출력 결합부(160G3)에서 제 3 패턴으로 분산된다.
이러한 방식으로, 3개의 광학 도파관들은 각각 상이한 파장들 λ1, λ2 및 λ3를 갖는 광학 입력 광선들(107)을 회절하도록 최적화된다. 통상적으로 λ1 = 청색, λ2 = 녹색 및 λ3 = 적색이다. 다른 실시예들에서 λ1, λ2 및 λ3은 각각 다른 색상들에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, λ1, λ2 및 λ3은 상이한 순서의 청색, 녹색 및 적색을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, λ1 = 적색, λ2 = 녹색 및 λ3 = 청색이다. 비-제한적인 예를 들어, 유기 발광 다이오드(OLED)와 같은 이미지 소스에 대해, λ1 = 450nm, λ2 = 532nm 및 λ3 = 640nm이다(예를 들어 OLED의 통상적인 방출 스펙트럼을 보여주는 도 26을 참조). 일부 실시예들에서, λ1, λ2 및 λ3의 적어도 일부는 서로 상이하고 임의의 광 파장들에 대응한다.
제 1, 제 2 및 제 3 과초점 반사기 스폿들(173G1, 173G2 및 173G3)은 개별 반사된 스폿 빔들(105)이 도 7 내지 도 9b를 참조하여 이미 전술한 방식으로 디스플레이의 전체 시야를 포착하는데 필요한 눈 렌즈(205) 또는 눈 타겟 영역에 대한 각도 방향들을 가지도록 구성된다. 과초점 반사기 스폿들의 애퍼처 크기는 전술한 방식으로 가상 이미지 스폿의 과초점 뷰를 달성하기 위해 직경 D를 갖는 개별 스폿 빔들이 눈 또는 다른 렌즈 검출기 상에 투영하도록 선택된다.
제 1 과초점 반사기 스폿들(173G1), 제 2 과초점 반사기 스폿들(173G2) 및 제 3 과초점 반사기 스폿들(173G3)은, 제 1, 제 2 및 제 3 과초점 반사기 스폿들(173G1, 173G2 및 173G3)에서 각각 반사된 개별 스폿 빔들(105λ1, 105λ2, 105λ3)에 의해 형성된 눈 타겟 영역 또는 다른 광학 검출기 타겟 영역에서 본 과초점화된 스폿 이미지들이 서로 오버랩하지 않도록, 서로 엇갈리거나 출사 동공 연장 방향(118)으로 분산된다. 단일 도파관에 대한 과초점화된 스폿 이미지들과 동일한 방식으로(도 21 내지 도 33의 예 참조), 이것은 이미지 품질 및 시야와 관련하여 이점들을 제공한다. 예를 들어, 과초점화된 스폿 이미지들의 오버랩을 유발하는 배열들에 비해 전체적으로 본 이미지의 시야 및/또는 품질이 증가할 수 있다.
일부 다른 실시예들에서, 도 40 및 도 41에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 파장 선택형 과초점 반사기 스폿들이 있을 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 각각의 그룹의 파장 선택형 스폿들의 패턴들, 크기 및 형상은 도시된 패턴들과 상이할 수 있다. 다른 실시예들에서, 각각의 특정 파장은 표시된 것과 상이할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 과초점 반사기 스폿들은 육각형 스폿들, 또는 규칙적이거나, 불규칙적이거나 또는 둘의 조합일 수 있는 다른 형상들로 형상화되고, 조합하여 취해진 제 1 과초점 반사기 스폿들(173G1), 제 2 과초점 반사기 스폿들(173G2) 및 제 3 과초점 반사기 스폿들(173G3)에 의해 형성되는 과초점화된 스폿 이미지들이 단일 광학 도파관의 과초점 반사 스폿들과 유사한 방식으로 과초점화된 스폿 이미지들의 테셀레이션을 눈 타겟 영역에 형성하도록 서로에 대해 배열된다(예를 들어 도 21 내지 도 33 및 과초점화된 스폿 이미지들의 스폿들의 형상들 및 테셀레이션에 관한 대응하는 설명을 참조).
하나보다 많은 광학 도파관 기판을 갖는 광학 과초점 반사 시스템들의 상이한 예시적인 실시예들을 참조하여 예시된 바와 같이, 상이한 도파관들로부터의 출력 결합기들의 배열은 형성되는 과초점화된 스폿 이미지들이 본 명세서에 상술한 단일 광학 도파관 기판에 대한 파장 선택형 반사 뷰 포트들과 같이 오버랩하지 않도록 배열될 수 있다.
복수의 광학 도파관들을 갖는 회절 디스플레이의 전술한 예를 통해 알 수 있듯이, 각각의 출력 결합 격자는 별개의 과초점 뷰 포트들로 구성되며, 그 치수들은 단일 광학 도파관을 사용하는 시스템들의 다른 실시예들을 참조하여 본 명세서에 설명된 부분 또는 완전 반사형 뷰 포트들의 치수들과 동일할 수 있지만 제 2 도파관에 대한 제 1 도파관의 광 경로 길이 차이를 타겟으로 하는 분명한 스폿을 고려한다.
일부 다른 접근 방식들에서, 3개보다 많은 상이한 파장들의 개별 스폿 빔들을 선택적으로 반사하기 위해 3개보다 많은 광학 도파관들을 사용하는 광학 과초점 반사 시스템들이 예상된다.
또 다른 일부 접근 방식들에서, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 복수의 광학 도파관들을 갖는 광학 과초점 반사 시스템들은 도 35 및 도 36의 실시예들의 것들과 같지만 이에 제한되지 않는 상이한 편광 반사기 스폿들로서 추가로 구성되는 과초점 반사기 스폿들을 가지고 시스템들은 단일 광학 도파관을 참조하여 본 명세서에서 이미 논의된 이점들을 달성하기 위해 원하는 대로 광학 입력 이미지의 편광을 각각의 광학 도파관들로 동적으로 전환하기 위한 LC 모듈들 또는 다른 모듈들을 포함한다.
전술한 실시예들의 광학 디스플레이 시스템들은 과초점 반사 뷰 포트들을 사용함으로써, 시스템들이 무한대에서 H(과초점 거리)까지의 범위를 허용하여 눈이 분해능 손실 없이 초기에 무한대에 있는 이미지를 편안하게 수용할 수 있음을 예시한. 또한 시스템들은 수렴을 사용하여 렌즈가 이전 정의에 따라 가장 편안한 위치에 초점을 맞추고 허용 가능한 선명한 이미지를 유지하도록 함으로써 눈 렌즈의 조절을 구동한다.
지금부터 디스플레이에서 광학 과초점 반사 시스템의 가상 이미지의 과초점화된 인간의 눈의 뷰를 최적화하기 위한 본 기술의 일부 양태들에 따른 일부 제어 시스템들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
일부 양태들에 따르면, 컴퓨터-생성 물체가 눈-추적을 통해 현실 세계에서의 어떤 시선에도 초점이 맞추어지는 것을 믿도록 뇌를 속이기 위해 수렴이 사용되어 뷰-포트의 과초점 범위가 적절한 조절을 지원하는 것을 허용하는 눈 추적 디스플레이 이미지 편집 시스템들 및 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 시스템은 투시형 현실-세계 장면과 동일한 외관으로 범위를 벗어난 물체에 선택적 블러링을 적용하도록 구성된다.
비-제한적인 예를 들어, 본 명세서에 설명된 실시예들에 따라 설명된 방식으로 광학 과초점 반사 시스템들이 광학 결합기들로서 구성되는 도 42 및 도 43을 참조한다. 인간의 눈들은 과초점화된 가상 디스플레이 이미지에 중첩된 현실 세계 장면을 관찰하고 있다. 현실 세계 장면은 관찰자의 눈들에서 이격되어 상이한 평면에 있는 현실 세계 물체들을 포함한다. 이 비-제한적인 예에서, 현실 세계 장면은 물체 평면(1) 및 현실 세계 물체 평면(2)을 포함한다. 현실 세계 물체 평면(1)은 눈 타겟 영역 평면으로부터 X1 거리에 배치되고 현실 물체 평면(2)은 평면(1)보다 먼, 즉 눈 타겟 영역 또는 눈 평면(eye plane)으로부터 X2 거리인 평면(2)에 배치된다(도 42 및 도 43 참조). 눈이 직접 중심을 맞출 때, 즉 시선 각도가 0일 때 각 눈의 널(null) 광학 축도 도 42 및 도 43에 도시된다.
도 42에서, 눈들은 평면(1)에서 현실 물체를 응시하고, 그 위에 과초점화된 가상 이미지가 중첩되며, 즉 평면(1)은 눈 타겟 영역 또는 눈들로부터의 거리 X1이다. 각 눈의 시선 방향은 눈이 현실 세계 장면 및 중첩된 가상 디스플레이 이미지에 직접 중심을 맞출 때 눈의 광학 축에 대한 시선 각도로 표현된다. 시선 각도들 θ1a 및 θ1b는 각각 평면(2)보다 가까운 평면(1)을 바라보는 좌안 및 우안의 시선 각도들에 대응한다. 시선 방향은 예를 들어 눈의 움직임, 머리 움직임 및/또는 다른 신체 움직임들에 의해 영향을 받을 수 있는 눈의 시선 또는 눈의 가시 축과 같은 다양한 방식들로 측정되고 표현될 수 있다. 본 명세서에 개시된 눈 추적 및 이미지 편집 실시예들의 방법들 및 시스템들은 시선 방향 또는 각도를 측정하거나 표현하는 임의의 특정 방식으로 제한되지 않는다. 각각의 눈의 시선 방향을 나타내는 모든 타입의 측정이 사용될 수 있다.
도 43에서, 눈들은 과초점 가상 디스플레이 이미지가 중첩되는, 즉 눈들 또는 눈 타겟 영역의 평면으로부터의 거리 X2인 현실 세계 장면 물체 평면(2)의 방향 응시하고 있다. 시선 각도들 θ2a 및 θ2b는 눈으로부터 평면(1)보다 더 멀리 떨어진 평면(2)을 각각 바라보는 좌안 및 우안의 시선 각도들에 대응한다. 눈들을 추적하고 시선 방향을 결정함으로써, 눈들이 바라보는 현실 세계 물체 평면이 결정된다. 눈이 바라보는 현실 세계 물체 평면으로부터 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 과초점화된 가상 이미지에 나타나도록 의도된 디스플레이 이미지의 물체들이 식별된다. 눈이 응시하고 있는 현실 세계 물체 평면보다 눈에 더 멀거나 더 가까이 있는 것으로 식별되는 디스플레이 이미지의 하나 이상의 물체들은 과초점화된 가상 디스플레이 이미지가 현실 세계 장면과 중첩될 때 식별된 디스플레이 물체들이 현실 세계 물체 평면에 비해 초점이 벗어난다는 인상을 주기 위해 디스플레이 이미지 물체가 블러링되거나 다르게 변경되도록 편집될 수 있다.
비-제한적인 예를 들어, 편집되지 않은 원본 디스플레이 이미지는 사각형 물체와 원형 물체를 포함한다. 현실 세계 물체 평면이 가까워서 눈에 더 큰 수렴 각도들을 유발하는 도 42의 경우, 원본 이미지는 원형의 디스플레이 상의 디스플레이 생성된 이미지가 거리 x1에 있고 정사각형에 대해서는 거리 x2에 있도록 편집된다. 두 이미지들이 초점이 맞춰진 것으로 보이기 때문에, 눈 추적은 눈들의 시선을 모니터링하는 데 사용되어, 평면 x1을 보면 사각형(일반적으로 평면 x1에 있지 않은 모든 물체에)에 디지털 블러링이 적용된다. 눈이 사각형의 위치와 일치하는 물체 평면 x2에 더 초점을 맞추면, 디지털 블러링이 원형 대신에(일반적으로 평면 x2에 있지 않은 모든 물체에) 적용된다.
눈 추적이 간접-뷰에 대한 직접-뷰에 의해 수행될 수 있다. 전자의 경우, 미니 와이드- 뷰잉 각도 카메라 모듈이 디스플레이 근처에 위치하여 눈을 직접 본다. 예를 들어, 도 44는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 직접 뷰 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한다. 간접 뷰를 사용하면 디스플레이 또는 다른 당면한 표면(another immediate surface)에 NIR 영역의 반사형 홀로그램 또는 회절 층이 통합되어 눈의 이미지가 미니 와이드-뷰잉-각도 카메라 모듈에 반사되도록 할 수 있다(3M과 같은 많은 회사들이 유사하게 개발하여 홀로그램 필름들 상에서 작동함). 예를 들어, 도 45는 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템을 통해 현실 세계 장면을 관찰하는 눈을 추적하는 간접 뷰 구성으로 구성된 눈 추적 카메라 모듈을 도시한다.
두 경우에서, 가시 또는 NIR 파장 영역들에서 디스플레이 표면에 의해 조명이 제공될 수 있다.
도 46은 일 실시예에 따른 광학 과초점 반사 시스템의 가상 이미지의 과초점화된 인간의 눈의 뷰를 최적화하기 위한 다양한 제어 시스템들의 블록도이다. 광학 과초점 반사 시스템은 본 기술의 본 명세서에 기재된 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들 중 어느 하나이다. 도 46에 도시된 바와 같이, 제어 시스템(4000)은 디스플레이 이미지 편집 시스템(4204)에 작동 가능하게 연결된 눈 추적 시스템(4201)을 포함하는 눈 추적 디스플레이 이미지 편집 시스템을 포함한다. 디스플레이 이미지 편집 시스템 또는 제어기(4204) 또는 그 일부는 디스플레이로부터 원격에 위치될 수 있고 도 49의 예시적인 컴퓨터 기계와 같지만 이에 제한되지 않는 컴퓨터 처리 기계에 의해 구현될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 디스플레이 이미지 편집 시스템(4204)은 헤드 마운트 디스플레이 또는 다른 디스플레이에 국부적으로 위치되고 컴퓨팅 기계와 유사한 기능들을 수행하도록 구성된 통합형 또는 다른 전기 회로를 포함할 수 있다. 원격에 위치된 경우, 디스플레이 이미지 편집 시스템은 무선 또는 셀룰러 모듈(4203)을 통해 눈 추적 시스템에 작동 가능하게 연결된다.
눈 추적 시스템(4201)은 눈 추적 카메라(4202) 및 임의의 추적 프로세서 또는 제어기(4203)를 포함하는 연관된 구성요소들을 포함한다. 추적 프로세서 또는 그 일부는 디스플레이로부터 원격에 위치될 수 있고, 도 49의 예시적인 컴퓨터 기계와 같지만 이에 제한되지 않는 컴퓨터 처리 기계에 의해 구현될 수 있다. 눈 추적 카메라는 무선/셀룰러 모듈을 통해 국부적으로 또는 원격으로 눈 추적 프로세서에 작동 가능하게 연결된다. 일부 다른 실시예들에서, 눈 추적 프로세서는 헤드 마운트 디스플레이 또는 다른 디스플레이에 국부적으로 위치되며 컴퓨팅 기계와 유사한 기능들을 수행하도록 구성된 통합형 또는 다른 전기 회로를 포함할 수 있다. 원격에 위치된 경우, 추적 프로세서는 무선 또는 셀룰러 모듈(4203)을 통해 눈 추적 카메라(4202)에 작동 가능하게 연결된다. 디스플레이 이미지 프로세서는 디스플레이 이미지 생성 시스템(4205) 자체에 통합되거나 디스플레이 이미지 생성시스템에 작동 가능하게 연결된 별도의 프로세서에 통합될 수 있다. 디스플레이 이미지 생성 시스템은 광학 과초점 반사 시스템에 광학적으로 결합된다.
도 46의 제어 시스템은 또한 광학 과초점 반사 시스템의 관찰자의 눈에 도달하는 외부 세계 밝기의 양을 제어하기 위한 밝기 제어 시스템을 포함한다. 밝기 제어 시스템은 시선 방향을 모니터링하기 위한 동일한 눈 추적 시스템(4201)일 수 있거나 또 다른 별도의 눈 추적 시스템일 수 있는 눈 추적 시스템에 작동 가능하게 연결된 전기-차광 필터(4501)를 구비한다. 눈 추적 시스템은 눈의 동공 크기를 모니터링하도록 구성된다. 전기-차광 필터(4501)는 눈에 도달하는 외부 세계 밝기의 양을 제어하고 이에 따라 외부-세계 밝기에 따라 눈의 동공 크기를 제어하기 위해 눈 추적 시스템으로부터의 피드백 제어에 따라 구성될 수 있다. 따라서 전기-차광 필터(전기 변색 필터들/패널들로 알려짐)는 시스템 내 외부-세계 밝기 및 이에 따른 동공 크기를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로 동시에 눈으로 관찰되는 과초점 뷰 포트들의 수를 시스템에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기-차광 필터 시스템은 허용 가능한 선명한 이미지들을 보장하는 동시에 눈에 의해 관찰되는 과초점 뷰 포트들의 최대 수를 제어하도록 구성된다.
일부 다른 실시예들에서, 전기-차광 필터 시스템은 디스플레이 이미지 편집 시스템없이 제어 시스템에 포함된다. 일부 다른 실시예들에서, 디스플레이 이미지 편집 시스템은 전기-차광 필터 없이 제어 시스템에 포함된다.
일부 양태들에서, 본 명세서에 개시된 실시예들의 임의의 광학 과초점 반사 시스템들 중 하나 이상이 헤드 마운트 디스플레이들에 통합된다. 일부 실시예들에서, 한 쌍의 광학 과초점 반사 시스템들은 안경 또는 다른 폼 팩터 증강 현실 헤드 마운트 디스플레이들에 포함된다. 도 47은 일 실시예에 따른 한 쌍의 헤드 마운트 디스플레이 안경의 정면도를 도시한다. 고글형 헤드 마운트 디스플레이 또는 다른 타입의 안경은 좌안 광학 과초점 반사 시스템(4215) 및 우안 광학 과초점 반사 시스템(4210)을 구비한다. 디스플레이 이미지 생성 시스템은 헤드 마운트 디스플레이에 포함된다. 광학 과초점 반사 시스템은 전기-차광 필터가 있거나 없는 본 명세서에 설명된 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들 중 어느 하나일 수 있다. 광학 디스플레이 이미지 생성 시스템은 양안 뷰를 위한 컴퓨터 형성된 이미지들을 생성하는 처리 모듈(4205) 및 광학 이미지 프로젝터(4206, 4207) 및 각각의 눈에 대한 연관된 광학 결합을 포함할 수 있다. 광학 디스플레이 이미지 생성 시스템은 사용되는 광학 과초점 반사 시스템의 타입에 적절한 경우 본 명세서에 개시된 실시예들의 디스플레이 이미지 생성 시스템 중 어느 하나일 수 있다. 광학-기계 프레임(4220)은 광학 부품들을 정확한 기하학적 정렬로 안전하게 유지한다. 일부 실시예들에서, 형성된 이미지들은 단안 뷰를 위한 것이며 광학 과초점 반사 시스템 및 연관된 디스플레이 이미지 생성 시스템 중 하나만이 헤드 마운트 디스플레이에 포함된다. 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템들도 포함된다(4208 참조). 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템은 본 명세서에 설명된 실시예들의 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템 중 어느 하나 또는 다른 타입의 시스템일 수 있다. 일부 실시예들에서 눈 추적 시스템은 생략된다. 일부 실시예들에서, 전기-차광 필터 및 밝기 제어 시스템은 생략된다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 광학 결합기들이 통합되는 헤드 마운트 디스플레이는 헬멧 폼 팩터 증강 현실 헤드 마운트 디스플레이이다. 도 48은 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 헬멧의 정면도를 도시한다. 헬멧 헤드 마운트 디스플레이는 양안 뷰를 위한 컴퓨터 형성된 이미지들을 생성하는 처리 모듈(4305)을 구비한다. 좌안 광학 과초점 반사 시스템(4315) 및 디스플레이 이미지 생성 시스템(4307)과 우안 광학 과초점 반사 시스템(4320) 및 디스플레이 이미지 생성 시스템(4306)이 헤드 마운트 디스플레이에 포함된다. 각각의 시스템의 광학 과초점 반사 시스템은 전기-차광 필터가 있거나 없는 본 명세서에 설명된 실시예들의 광학 과초점 반사 시스템들 중 어느 하나일 수 있다. 디스플레이 이미지 생성 시스템은 사용되는 광학 과초점 반사 시스템의 타입에 적절한 본 명세서에 개시된 실시예들의 디스플레이 이미지 생성 시스템들 중 어느 하나일 수 있다. 광학 이미지 프로젝터 및 광학 결합은 예를 들어 디스플레이 이미지 생성 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 광학-기계 서브 프레임(4300)은 광학 부품들을 정확한 기하학적 정렬로 안전하게 유지한다. 광학-기계 서브 프레임은 헬멧의 기계적으로 견고한 쉘에 의해 지지된다. 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템도 포함된다(4308 참조). 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템은 본 명세서에 설명된 실시예들의 눈 추적 시스템 및 밝기 제어 시스템들 중 어느 하나 또는 다른 타입의 시스템일 수 있다. 일부 실시예들에서, 눈 추적 시스템은 생략된다. 일부 실시예들에서, 전기-차광 필터 및 밝기 제어 시스템은 생략된다.
다른 실시예들에서, 도 47 및 도 48에 도시된 헤드 마운트 디스플레이는 심도 센서 카메라, 색상 카메라, 마이크로폰, 스피커들, 입력/출력 포트들 및 배터리와 같지만 이에 제한되지 않는 다른 광학 및 전자 구성요소들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 형성된 이미지들은 단안 뷰를 위한 것이며 광학 과초점 반사 시스템 및 디스플레이 이미지 생성 시스템 중 하나만이 헤드 마운트 디스플레이에 포함된다.
도 49는 컴퓨터 시스템(4401) 형태의 기계의 일 실시예의 개략도로서, 그 내부의 명령들의 세트는 기계로 하여금, 디스플레이 이미지 생성, 눈 추적, 디스플레이 이미지 편집, 밝기 제어 및 다른 프로세스들 중 어느 하나 또는 그 조합을 수행하는데 사용되는 컴퓨터-구현 방법 단계들을 포함하여, 본 명세서에 논의된 방법들 중 임의의 하나 이상을 수행하도록 하고, 실행될 수 있고, 본 명세서에 개시된 광학 과초점 반사 시스템들 중 어느 하나에 통합하는 증강 또는 가상 현실 디스플레이의 컴퓨팅 시스템의 역할을 할 수 있다. 다양한 예시적인 실시예들에서, 기계는 독립형 디바이스로 작동하고, 다른 기계들에 연결(예를 들어, 네트워크로)되거나 헤드 마운트 디스플레이 또는 헤드 업 디스플레이 자체에 통합될 수 있다. 네트워크로 된 배치에서, 기계는 서버-클라이언트 네트워크 환경에서 서버 또는 클라이언트 기계의 용량으로 작동하거나 피어-투-피어(또는 분산) 네트워크 환경에서 피어 기계로 작동할 수 있다. 기계는 로봇 건설 마킹 디바이스, 기지국, 개인용 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 셋톱 박스(STB), 개인 휴대 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 셀룰러 폰, 휴대용 음악 플레이어(예를 들어, 동영상 전문가 그룹 오디오 레이어 3(MP3: Moving Picture Experts Group Audio Layer 3) 플레이어와 같은 휴대용 하드 드라이브 오디오 디바이스), 웹 어플라이언스, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브리지, 또는 그 기계에 의해 취해질 작업들을 지정하는 명령들의 세트를 실행할 수 있는 임의의 기계(순차적 또는 다르게)일 수 있다. 또한, 단일 기계만 예시되었지만, 용어 "기계(machine)"는 또한 본 명세서에 논의된 방법들 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위한 명령들의 세트(또는 다중 세트들)를 개별적으로 또는 공동으로 실행하는 임의의 기계 모음을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
컴퓨터 시스템(4401)의 실시예들은 프로세서 또는 다중 프로세서들(4405)(예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU) 또는 둘다), 및 버스(4420)를 통해 서로 통신하는 주 메모리(4410)와 정적 메모리(4415)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(4401)은 비디오 디스플레이(4435)(예를 들어, 액정 디스플레이(LCD))를 더 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(4401)은 또한 영숫자 입력 디바이스(들)(4430)(예를 들어, 키보드), 커서 제어 디바이스(예를 들어, 마우스), 음성 인식 또는 생체 인증 장치(미도시), 구동 장치(4437)(디스크 구동 장치로도 칭해짐), 신호 생성 디바이스(4440)(예를 들어, 스피커) 및 네트워크 인터페이스 디바이스(4445)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(4401)은 데이터를 암호화하기 위한 데이터 암호화 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다.
구동 장치(4437)는 본 명세서에 설명된 방법들 또는 기능들 중 임의의 하나 이상을 구현하거나 사용하는 명령들 및 데이터 구조들(예를 들어, 명령들(4455))의 하나 이상의 세트들이 저장되는 컴퓨터 또는 기계-판독 가능 매체(4450)를 포함한다. 명령들(4455)은 또한 컴퓨터 시스템(4401)에 의해 실행되는 동안 주 메모리(4410) 내에 및/또는 프로세서들(4405) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있다. 주 메모리(4410) 및 프로세서들(4405)은 또한 기계-판독 가능 매체들을 구성할 수 있다.
명령들(4455)은 또한 다수의 잘 알려진 전송 프로토콜들(예를 들어, 하이퍼 텍스트 전송 프로토콜(HTTP: Hyper Text Transfer Protocol)) 중 임의의 하나를 사용하여 네트워크 인터페이스 디바이스(4445)를 통해 네트워크를 통해 전송 또는 수신될 수 있다. 기계-판독 가능 매체(4450)가 예시적인 실시예에서 단일 매체인 것으로 도시되지만, 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체(computer-readable medium)"는 하나 이상의 명령들의 세트들을 저장하는 단일 매체 또는 다중 매체(예를 들어, 중앙 집중식 또는 분산 데이터베이스 및/또는 연관된 캐시들 및 서버들)를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 또한, 기계에 의해 실행하기 위한 명령들의 세트를 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있고 기계로 하여금 본 출원의 방법들 중 임의의 하나 이상을 수행하도록 하거나, 이러한 명령들의 세트에 의해 사용된 또는 이와 연관된 데이터 구조들을 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있는 임의의 매체를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 따라서 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 고체-상태 메모리들, 광학 및 자기 매체들, 및 반송파 신호들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 이러한 매체들은 또한 제한 없이 하드 디스크들, 플로피 디스크들, 플래시 메모리 카드들, 디지털 비디오 디스크들, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM) 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들은 컴퓨터 상에 설치된 소프트웨어를 포함하는 오퍼레이팅 환경으로, 하드웨어로, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로 구현될 수 있다.
컴퓨터 시스템(4401)의 모든 구성요소들이 필요한 것은 아니므로 입력/출력(I/O) 디바이스들(예를 들어, 입력 디바이스(들)(4430))와 같이 필요하지 않은 경우 컴퓨터 시스템(4401)의 일부가 제거될 수 있다. 당업자는 인터넷 서비스가 인터넷 서비스에 연결된 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스들에 대한 인터넷 액세스를 제공하도록 구성될 수 있고, 컴퓨팅 디바이스들이 하나 이상의 프로세서들, 버스들, 메모리 디바이스들, 디스플레이 디바이스들, 입력/출력 디바이스들 등을 포함할 수 있음을 알 것이다. 또한, 당업자는 인터넷 서비스가 본 명세서에 설명된 개시내용의 실시예들 중 어느 하나를 구현하기 위해 활용될 수 있는 하나 이상의 데이터베이스들, 저장소들(repositories), 서버들 등에 결합될 수 있음을 알 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "모듈(module)"은 또한 주문형 반도체("ASIC": application-specific integrated circuit), 전자 회로, 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어 프로그램들을 실행하는 프로세서(공유, 전용 또는 그룹), 조합 논리 회로, 및/또는 설명된 기능을 제공하는 다른 적절한 구성요소들 중 임의의 것을 지칭할 수 있다.
컴퓨팅 기계는 눈 추적 시스템 및 디스플레이 이미지 생성 시스템과 함께 국부적으로 및/또는 원격으로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨팅 시스템은 눈 추적 디스플레이 이미지 편집 시스템의 역할을 하며 원격에 위치된다. 눈 추적 시스템 및 이미지 생성 디스플레이 시스템은 컴퓨팅 시스템과 무선으로 통신하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 원격 컴퓨팅 시스템은 또한 이미지 디스플레이 생성 시스템에 의해 수행될 컴퓨터 이미지들을 생성할 목적으로 일부 기능을 제공한다. 일부 실시예들에서, 눈 추적 디스플레이 이미지 편집 시스템의 적어도 일부는 헤드 마운트 디스플레이 상의 하나 이상의 모듈들의 형태와 같이, 헤드 마운트 디스플레이 상에 국부적으로 구현되는 컴퓨팅 기계이다.
아래의 청구 범위에서 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 소자들의 대응하는 구조들, 재료들, 작동들 및 등가물들은 구체적으로 청구된 다른 청구된 소자들과 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 작동을 포함하도록 의도된다. 본 기술의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 개시된 형태의 본 기술에 대해 완전하거나 이에 제한하려는 의도는 아니다. 당업자에게는 본 기술의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 많은 수정들 및 변형들이 명백할 것이다. 본 기술의 원리들 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명하고, 당업자가 특정 용도에 적합하게 다양한 수정들이 고려되는 다양한 실시예들에 대한 본 기술을 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적인 실시예들이 선택되고 설명되었다.
본 기술의 양태들은 본 기술의 실시예들에 따른 방법들, 장치(시스템들) 및 컴퓨터 프로그램 제품들의 흐름도들 및/또는 블록도들을 참조하여 상술되었다. 흐름도들 및/또는 블록도들의 각각의 블록, 및 흐름도들 및/또는 블록도들에서 블록들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 명령들에 의해 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램 명령들은 기계를 생성하기 위해 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서를 통해 실행하는 명령들은 흐름도 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 지정된 기능들/작동들을 구현하기 위한 수단을 생성한다.
이러한 컴퓨터 프로그램 명령들은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치 또는 다른 디바이스들이 특정 방식으로 기능하도록 지시할 수 있는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있어서, 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령들은 흐름도 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 지정된 기능/작동을 구현하는 명령들을 포함하는 제조 물품을 생성한다.
컴퓨터 프로그램 명령들은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치, 또는 다른 디바이스들에 로딩되어, 일련의 동작 단계들로 하여금, 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 장치 또는 다른 디바이스들 상에서 수행되어 컴퓨터 구현 프로세스를 생성하도록 할 수 있으므로, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치 상에서 실행하는 명령들은 흐름도 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 지정된 기능들/작동들을 구현하기 위한 프로세스들을 제공한다.
도면들의 블록도들은 본 기술의 다양한 실시예들에 따른 시스템들, 방법들 및 컴퓨터 프로그램 제품들의 가능한 구현들의 아키텍처, 기능 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 블록도들은 지정된 논리적 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또한, 일부 대안적인 구현들에서, 블록에 언급된 기능들은 도면들에 언급된 순서와 다르게 발생할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 두 블록들은 실제로는 실질적으로 동시에 실행될 수 있으며, 또는 블록들은 때때로 관련된 기능에 따라 역순으로 실행될 수 있다. 또한 블록도들 및/또는 흐름도의 각각의 블록과, 블록도들 및/또는 흐름도에서의 블록들의 조합들은 지정된 기능들 또는 작동들을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템들 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령들의 조합들에 의해 구현될 수 있음을 유의한다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시예(one embodiment)" 또는 "일 실시예(an embodiment)"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 장소들에서 어구들 "하나의 실시예에서(in one embodiment)" 또는 "일 실시예에서(in an embodiment)" 또는 "일 실시예에 따른(according to one embodiment)"(또는 유사한 의미를 갖는 다른 어구들)의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의의 맥락에 따라, 단수 용어는 복수 형태를 포함할 수 있고 복수 용어는 단수 형태를 포함할 수 있다. 유사하게, 하이픈으로 연결된 용어(예를 들어, "주문형(on-demand)")는 종종 하이픈이 없는 버전(예를 들어, "주문형(on demand)")과 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 대문자 항목(예를 들어, "소프트웨어(Software)")은 비-대문자 버전(예를 들어, "소프트웨어(software)")과 상호 교환적으로 사용될 수 있고, 복수 용어는 아포스트로피(예를 들어, PE's 또는 PEs)를 포함하거나 포함하지 않고 표시될 수 있고, 기울임꼴 용어(예를 들어, "N + 1")는 비-기울임꼴 버전(예를 들어, "N + 1")과 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 이러한 간헐적인 상호 교환적 사용들은 서로 일치하지 않는 것으로 간주되어서는 안된다.
또한, 일부 실시예들은 작업 또는 작업들의 세트를 수행"하기 위한 수단(means for)"의 관점에서 설명될 수 있다. "하기 위한 수단"은 프로세서, 메모리, 카메라와 같은 I/O 디바이스 또는 이들의 조합과 같은 구조에 의해 본 명세서에 표현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 대안적으로, "하기 위한 수단"은 기능 또는 방법 단계를 설명하는 알고리즘을 포함할 수 있고, 또 다른 실시예들에서 "하기 위한 수단"은 수학 공식, 산문 또는 흐름도 또는 신호 다이어그램으로 표현된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수형들("a", "an" 및 "the")은 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수형들도 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어들 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 연산들, 소자들 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 연산들, 소자들, 구성요소들 및/또는 그 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것을 추가로 이해할 것이다.
임의의 개시내용들이 본 명세서에 참조로 포함되고 그러한 포함된 개시내용들이 본 개시내용과 부분적으로 및/또는 전체적으로 충돌하는 경우, 충돌 및/또는 보다 광범위한 개시내용 및/또는 보다 광범위한 용어 정의의 범위까지, 본 개시내용이 제어한다. 그러한 포함된 개시내용들이 부분적으로 및/또는 전체적으로 서로 충돌하는 경우, 충돌 범위까지 최신 개시내용이 제어한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 직접 또는 간접, 전체 또는 부분, 임시 또는 영구, 즉시 또는 지연된, 동기 또는 비동기, 작동 또는 비작동을 의미할 수 있다. 예를 들어, 소자가 다른 소자에 "상에(on)", "연결된(connected)" 또는 "결합된(coupled)" 것으로 언급될 때, 소자는 직접 다른 소자 상에, 연결되거나, 결합될 수 있고 및/또는 개재 소자들이 간접 및/또는 직접 변형들을 포함하여 존재할 수 있다. 대조적으로, 소자가 다른 소자에 "직접 연결된(directly connected)"되거나 "직접 결합된(directly coupled)" 것으로 언급될 때, 개재 소자들이 존재하지 않는다. 본 명세서의 설명은 예시적이며 제한적이지 않다. 본 개시내용을 검토할 때 당업자에게 기술의 많은 변형들이 명백할 것이다.
상술한 다양한 특징들 및 기능들, 또는 이들의 대안들은 헤드 업 타입 디스플레이들과 같은 많은 다른 상이한 시스템들 또는 애플리케이션들로 바람직하게 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다음의 청구 범위에 포함되도록 의도되는 본 명세서에서 다양한 현재 예견되지 않은 또는 예상되지 않은 대안들, 수정들, 변형들 또는 개선들이 당업자에 의해 후속적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이 세트들은 바이저들, 고글들 또는 헤드밴드 구조들일 수 있으며 도면들에 도시된 특정 타입들에 제한되지 않는다. 마찬가지로, 광학 결합기 기판들의 형상은 전술한 방식으로 이미지들을 안내하고 조합할 수 있는 임의의 형상일 수 있다.
본 기술의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 개시된 형태의 본 기술에 대해 완전하거나 이에 제한하려는 의도는 아니다. 당업자에게는 본 기술의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 많은 수정들 및 변형들이 명백할 것이다. 본 기술의 원리들 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명하고, 당업자가 특정 용도에 적합하게 다양한 수정들이 고려되는 다양한 실시예들에 대한 본 기술을 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적인 실시예들이 선택되고 설명되었다.
다양한 실시예들이 상술되었지만, 이들은 예시하기 위해 제시되었을 뿐 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 설명들은 기술의 범위를 본 명세서에 기재된 특정 형태들로 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 바람직한 실시예의 폭과 범위는 상술한 예시적인 실시예들에 의해 제한되지 않아야 한다. 위의 설명은 예시적이며 제한적이지 않음을 이해해야 한다. 반대로, 본 설명들은 첨부된 청구 범위에 의해 정의되고 당업자에 의해 인식되는 바와 같이 기술의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 그러한 대안들, 수정들 및 등가물들을 포함하도록 의도된다. 따라서 기술의 범위는 위의 설명을 참조하여 결정되어야 하는 것이 아니라 첨부된 청구 범위를 등가물들의 전체 범위와 함께 참조하여 결정되어야 한다.
Claims (20)
- 광학 과초점 반사 시스템에 있어서:
적어도 하나의 광학 기판;
시준된 디스플레이 이미지를 상기 광학 기판에 입력 결합하도록 구성된 광학 입력 결합부; 및
상기 광학 기판과 통합된 광학 과초점 출력 결합부를 포함하고;
상기 광학 출력 결합부는 적어도 하나의 과초점 반사 뷰 포트를 포함하고;
상기 과초점 반사 뷰 포트는 상기 광학 기판과 통합된 적어도 하나의 개별 광학 과초점 반사기 스폿(discrete optical hyperfocal reflector spot)을 포함하고;
상기 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 적어도 부분적으로 반사되고, 광학 입력 결합된 디스플레이 이미지 광선들의 개별 부분을 개별 가상 디스플레이 이미지 부분을 형성하는 광선들의 개별 광학 스폿 빔으로서 상기 과초점 반사 뷰 포트로부터 미리 결정된 작동 거리에 위치된 타겟 영역 상으로 반사적으로 투영하도록 구성되고,
상기 개별 광학 과초점 반사기 스폿은 상기 타겟 영역에 위치할 수 있는 렌즈-검출기 시스템에 의해 볼 때 상기 개별 가상 디스플레이 이미지 부분의 뷰가 과초점화되도록 상기 타겟 영역에서의 직경을 갖는 상기 개별 광학 스폿 빔을 형성하도록 크기 조정되는, 광학 과초점 반사 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 광학 과초점 출력 결합부는 상기 광학 기판과 통합된 복수의 상기 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고, 상기 광학 과초점 반사기 스폿들은 상기 광학 과초점 결합부를 따라 연장하는 패턴으로 서로 이격되어 분산되고 상기 디스플레이 이미지 또는 그 일부에 집합적으로 실질적으로 대응하는 복수의 가상 디스플레이 이미지 부분의 과초점화된 뷰들을 형성하는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 타겟 영역은 인간의 눈(human eye)에 대한 타겟 영역이고, 상기 타겟 영역에 위치할 수 있는 상기 인간의 눈에 의해 관찰 가능한 가상 디스플레이 부분의 상기 과초점화된 뷰는 과초점화되는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 기판은 상기 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 상기 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지(real world image)의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명한, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 과초점 반사기 스폿들의 적어도 일부는 상기 광학 기판에 임베딩되는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 반사기 스폿들의 적어도 일부는 상기 광학 기판의 면 상에 배치되는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각은 약 100 미크론 내지 1000 미크론의 애퍼처 직경(aperture diameter)을 가지는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 개별 스폿 빔들의 각각은 100 미크론 내지 1000 미크론의 상기 타겟 영역에서의 직경을 가지는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 과초점 뷰 포트들의 상기 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 반사기-간 거리만큼 이격되고, 상기 반사기-간 거리는 약 500㎛ 내지 8㎜인, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 과초점 반사기 스폿들의 형상 및 패턴은 상기 복수의 과초점 뷰 포트들에 의해 형성된 상기 가상 디스플레이 이미지 뷰들이 테셀레이션되도록(tessellate) 선택되는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광학 과초점 반사기 스폿들의 각각 또는 일부는 파장 선택형 반사기 스폿들인, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
상기 복수의 과초점 반사 뷰 포트들은 복수의 적색광 과초점 반사 뷰 포트들, 복수의 녹색광 과초점 반사 뷰 포트들 및 복수의 청색광 과초점 반사 뷰 포트들을 포함하고,
상기 복수의 적색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 상기 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 적색광을 가진 상기 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고,
상기 복수의 녹색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 상기 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 녹색광을 가진 상기 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되고,
상기 복수의 청색광 과초점 뷰 포트들의 각각의 상기 광학 과초점 반사기 스폿은 특정 또는 대역의 파장들의 청색광을 가진 상기 입력 결합되는 시준된 디스플레이 이미지 광선들을 선택적으로 반사시키고 다른 파장들을 가진 광을 실질적으로 통과시키도록 구성되는, 광학 과초점 반사 시스템. - 제 11 항에 있어서, 상기 광학 기판은 상기 눈 타겟 영역으로부터 멀리 향하는 상기 광학 기판의 면을 통해 수신되는 현실 세계 이미지의 광학 광선들에 부분적으로 또는 실질적으로 투명한, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 복수의 과초점 뷰 포트들의 각각의 각 반사기 스폿은 상기 반사기 스폿에 의해 반사되지 않는 다른 파장들의 광을 가진 현실 세계 이미지의 상기 광학 광선들을 실질적으로 통과시키고, 이들을, 상기 반사기 스폿에 의해 선택적으로 반사되는 상기 특정 또는 대역의 파장들을 가진 상기 디스플레이 이미지 광선들에 중첩되는 상기 눈 타겟 영역에 도달하도록 허용하도록 구성되는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 과초점 반사기 스폿들의 상기 패턴은 교호하는 적색광 과초점 반사기 스폿들, 청색광 과초점 반사기 스폿들 및 녹색광 과초점 반사기 스폿들을 포함하는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 과초점 스폿들의 각각은 적어도 하나의 반사 코팅을 포함하는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 과초점 반사기 스폿들의 각각은 회절 광학 요소를 포함하는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 과초점 반사기 스폿들의 각각은 편광 선택형 반사기 스폿을 포함하는, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 과초점 반사기 스폿들은 제 1 편광 상태 선택형 반사기 스폿들 및 제 2 편광 상태 선택형 반사기 스폿들을 포함하고, 상기 제 1 편광 상태는 상기 제 2 편광 상태와 상이한, 광학 과초점 반사 시스템.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 편광 상태는 상기 제 2 편광 상태에 직교하거나 상기 광학 기판을 따르는 상기 과초점 반사 스폿의 위치에 따라 선택되는 중간 각도인, 광학 과초점 반사 시스템.
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