KR20210152054A

KR20210152054A - 디스플레이용 광학 배열체

Info

Publication number: KR20210152054A
Application number: KR1020217036298A
Authority: KR
Inventors: 로리 토마스 알렉산더 밀스; 이안 토마스 매켄
Original assignee: 배 시스템즈 피엘시
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-12-14
Also published as: GB2584537B; GB2584537A; EP3942349A1; WO2020212682A1; AU2020259217A1; US20220187605A1; GB202003841D0; CA3136784A1

Abstract

디스플레이 내에서 사용되기 위한 폴딩된 광학 배열체로서, 상기 디스플레이는 이미지를 이미지 평면으로부터 사용자의 눈에 송신하기 위한 것이고, 상기 배열체는 폴딩된 광학 투과 경로를 제공하며, 상기 배열체는, 제 1 복수 개의 옵티컬 파워 표면(optically powered surface)을 포함하는 제 1 광학 요소 및 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 제 2 광학 요소를 가지는 시준 요소를 포함하고, 상기 시준 요소는 상기 이미지를 형성하는 광을 이미지 소스로부터 수신하고, 상기 광을 시준하고 출력하도록 구성되며, 상기 제 1 복수 개의 옵티컬 파워 표면 및 상기 제 2 광학 요소의 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면은 폴딩된 광로를 따라서 복수 개의 계면을 규정하도록 배열되고, 각각의 계면에서의 굴절률 변화는 상기 계면 또는 각각의 계면을 통과하는 광의 방향을 제어하도록 미리 결정되며, 상기 제 1 광학 요소의 하나의 표면 및 상기 제 2 광학 요소의 하나의 표면은 서로 인접하고, 인접한 표면들은 상이한 형상을 가지며, 각각, 인접한 표면들의 서로 반대측의 단부들에서 관련 광학 요소의 개개의 다른 표면과 각도를 규정하고, 서로 반대측의 각도들은 동일하지 않은, 폴딩된 광학 배열체.

Description

디스플레이용 광학 배열체

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이; 머리 착용 디스플레이; 및/또는 헤드업 디스플레이와 같은 디스플레이내에서 사용되기 위한 광학기를 개선하는 것 또는 이러한 광학기에 관한 것이다.

헤드 마운트 디스플레이(HMD); 머리 착용 디스플레이(HWD) 또는 헤드업 디스플레이(HUD)와 같은 일부 디스플레이는 가능한 한 작고 경량인 것을 목표로 한다. 예시적인 HMD(100)가 도 1에 도시된다.

HMD(100)와 같은 HMD는 적절한 지지대(102)를 이용하여 사용자가 착용할 수 있다. 지지대는 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈으로 볼 수 있는 하나 이상의 광학 요소(104)를 포함한다. 비록 자세하게 도시되지 않지만, 광학 요소(104)는 실질적으로 투명한 디스플레이 매질을 포함한다. 사용자는 광학 요소(104)를 통해서 외부 환경을 볼 수 있다. 또한, 사용자는 사용 중인 사용자의 눈에 HMD를 통해서 전달되는 이미지를 볼 수 있다.

종래의 시스템에서, 이미지는 사용 중인 사용자의 눈으로 렌즈열 또는 폴딩된 광학 디자인을 사용하여 전달된다. 렌즈열 또는 폴딩된 광학 디자인은 HMD(100) 내에 통합된다. 종래에는, 렌즈열 또는 폴딩된 광학 디자인은 HMD(100)의 지지대(102) 내에 통상적으로.

통상적인 광학 렌즈열은 간결성을 위하여 선형이고 폴딩되지 않는다. 보통, 요구되는 성능을 달성하기 위해서 다수의 요소들이 사용된다. 이러한 이유로, 이들은 콤팩트하고 경량이며 인체계측 데이터에 대해 최적화되도록 요구되는 현대의 HMD에 대해서는 특히 적합하지 않다.

통상적인 폴딩된 광학 디자인은 더 콤팩트할 수 있지만, 광 손실 메커니즘을 함께 도입할 수 있고, 시스템 효율을 떨어뜨린다. 가장 간단한 폴딩된 광학 디자인 중 하나는 도 2에 도시된 바와 같은 광학 배열체(200)로 이루어진다.

광학 배열체(200)는 빔 스플리터(202) 및 구형 결합기(204)를 포함한다. 사용 시에, 이미지는 디스플레이 소스(206) 또는 릴레이 렌즈로부터 빔 스플리터(202) 상으로 지향된다. 빔 스플리터(202)는 이미지를 구형 결합기(204)의 오목면 상으로 부분적으로 반사한다. 구형 결합기(204)는 시준된 출사 퓨필을 빔 스플리터(202)를 통해 사용자의 눈(208)을 향해 반사한다.

그러나, HMD 내에서 사용된다면, 광학 배열체(200)는 사용자가 외부 환경(210)을 볼 수 있게 하도록 적응되어야 한다. 이를 수행하기 위하여, 빔 스플리터(202) 및 구형 결합기(204)는 적어도 반-투명이어야 한다. 결과적으로, 일부 이미지 소스 광은 각각의 요소와의 상호작용 시에 손실되는데, 그 이유는 부분적인 반사만이 발생할 경우 광이 손실되기 때문이다. 그러므로, 눈에 제공되는 이미지는 소망되는 것보다 흐리다. 또한, 광은 빔 스플리터(202)를 두 번 통과해야 하고, 이것도 손실을 증가시키고 고스트 이미지가 생기게 할 수 있다.

광학 배열체(200)의 추가적인 단점은 이들이 충분히 경량이고 콤팩트하지 않은 경우가 흔하다는 점이다. 빔 스플리터(202) 및 구형 결합기(204)의 기하학적 구조는 출사 퓨필 요구 사항에 매칭되어야 하고, 따라서 요구된 인체계측 범위에 맞추기 위해서 충분히 커야 하며, 이를 통하여 광학기의 기하학적 구조의 크기가 증가된다.

광학 배열체(200)에 대한 개선은 만료된 특허 US 5093567 및 US 4969724에 제공된다. 이러한 특허들은 멀티-파트 폴딩된 아이피스 및 릴레이 렌즈 어셈블리를 가지는 폴딩된 광학 배열체를 보여준다.

이러한 특허들에서 발견되는 공지된 폴딩된 광학 배열체(300)의 일 예가 도 3에 도시된다. 광학 배열체(300)는 오프-축 솔리드 배열체 내에 콤팩트 아이피스를 가진다. 배열체(300)는 웨지(302), 프리즘(304), 및 접합된 메이크업 피스(306)를 포함한다. 프리즘(304)은 이미지를 릴레이 렌즈(308) 또는 디스플레이 소스로부터 수신한다. 웨지(302) 및 프리즘(304)은 사용자의 눈(310)에 의하여 시청될 시준된 이미지를 함께 형성한다. 메이크업 피스(306)는 프리즘(304) 및 웨지(302)의 효과들을 상쇄하도록 광을 광학적으로 조작하여, 사용자가 외부 환경(312)을 정확하게 볼 수 있게 한다. 메이크업 피스(306)는 통상적으로 광접착제를 이용하여 프리즘(304)에 결합된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 프리즘은 투과면 및 종래의 만곡형 결합기 표면을 사용한다. 이와 유사하게, 웨지는 두 개의 투과면을 가진다. 메이크업 피스도 프리즘의 결합기 표면과 매칭되는 표면을 가진다.

폴딩된 광학 배열체(300)가 광학 배열체(200)에서 인식된 문제점들 중 일부를 해결하지만, 새로운 이슈들이 생길 수 있다. 예를 들어, 도 3의 광학 배열체(300)는 간단한 표면 형태인 오프-축 컴포넌트, 예를 들어 구형 및 원통형 표면을 포함하는데, 이것은 시청된 이미지 내에 비점수차 및 왜곡과 같은 잔여 수차(residual aberration)를 초래한다.

추가적으로, 도 3의 광학 배열체(300)는 이상적으로 제어된 개구수(NA)의 이미지 소스와 함께 사용되기에 적합하다. 이러한 배열체에서, 내부 하드-스톱이 있는 릴레이 렌즈가 원치 않는 광/광선을 비네팅하여(vignette) 결과적으로 얻어지는 시스템 출사 퓨필의 크기를 제어하기 위해서 사용된다.

그러나, 이러한 광학 배열체가 제어되지 않는 NA를 가지는 평판 디스플레이, 방사형 디스플레이 또는 직접적 이미지 소스와 쌍을 이룬다면(릴레이 렌즈를 사용하는 것을 제외함), 출사 퓨필 크기는 제어되지 않을 수 있고, 원치 않는 광이 광학 시스템을 통해 전파될 수 있어서, 결과적으로 수차를 제거하기 위해서 완전히 정정될 수 없을 수 있는 큰 출사 퓨필이 얻어진다. 도 3에서 원치 않는 광은 참조 번호 314로 표시된다. 이러한 시나리오에서, 사용자의 퓨필이 출사 퓨필의 중심과 축방향으로 정렬된다면 디스플레이는 양호하게 정정된 것으로 보인다. 불리하게도 눈 또는 광학 배열체가 이동하면 출사 퓨필의 사용자 시청 구역에 주로 정정되지 않은 광이 존재하는 결과가 된다. 이러한 구역 내에서는, 이미지가 흐릿하거나, 왜곡되거나 부정확하게 보일 수 있고, 이것은 고성능 등각 디스플레이(conformal display)에서는 명백한 단점이다.

도 4에 도시된 바와 같이 외부 하드-스톱(402)을 포함하는 것과 같은 솔루션들이 출사 퓨필의 미정정 구역을 차단하기 위해서 구현될 수 있다. 그러나, 이것은 사용자의 전체 시야에 영향을 주는 단점을 가진다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 HMD 내에서 사용되기 위한 현존하는 폴딩된 광학 배열체의 문제점을 극복하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 디스플레이 내에서 사용되기 위한 폴딩된 광학 배열체로서, 상기 디스플레이는 이미지를 이미지 평면으로부터 사용자의 눈에 송신하기 위한 것이고, 상기 배열체는 폴딩된 광학 투과 경로를 제공하며, 상기 배열체는, 제 1 복수 개의 옵티컬 파워 표면(optically powered surface)을 포함하는 제 1 광학 요소 및 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 제 2 광학 요소를 가지는 시준 요소를 포함하고, 상기 시준 요소는 상기 이미지를 형성하는 광을 이미지 소스로부터 수신하고, 상기 광을 시준하고 출력하도록 구성되며, 상기 제 1 및 제 2 복수 개의 옵티컬 파워 표면은 폴딩된 광로를 따라서 복수 개의 계면을 규정하도록 배열되고, 각각의 계면에서의 굴절률 변화는 상기 계면 또는 각각의 계면을 통과하는 광의 방향을 제어하도록 미리 결정되며, 상기 제 1 광학 요소의 하나의 표면 및 상기 제 2 광학 요소의 하나의 표면은 서로 인접하고, 인접한 표면들은 각각, 인접한 표면들의 서로 반대측의 단부들에서 관련 광학 요소의 개개의 다른 표면과 각도를 규정하되, 서로 반대측의 각도들은 동일하지 않은, 폴딩된 광학 배열체가 제공된다.

바람직하게는, 상기 폴딩된 광학 배열체는, 도파로를 가지는 퓨필 확장 요소, 상기 시준 요소로부터 출력되는 광을 상기 도파로 내로 커플링하도록 구성되는 커플링 요소, 및 사용자의 눈으로 출력하기 위하여 광을 상기 도파로로부터 디커플링하도록 구성되는 디커플링 요소를 더 포함한다.

바람직하게는, 디커플링된 광은 커플링된 광보다 큰 출사 퓨필을 가진다.

바람직하게는, 상기 제 2 광학 요소 상에 규정된 각도는 상기 제 1 광학 요소 상에 규정된 각도보다 작다.

바람직하게는, 상기 폴딩된 광학 배열체는, 상기 이미지 평면과 상기 제 1 광학 요소 사이에 위치되는 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 제 3 광학 요소를 더 포함한다.

바람직하게는, 제 3 광학 요소는 필드 렌즈이다.

바람직하게는, 제 1 광학 요소는 적어도 세 개의 옵티컬 파워 표면을 포함한다.

바람직하게는, 제 1 광학 요소는 삼면 프리즘이다.

바람직하게는, 제 1 광학 요소는 기다란 실질적 삼각 단면을 가지는 단일편(single-piece) 삼면 요소를 포함한다.

바람직하게는, 제 2 광학 요소는 적어도 두 개의 옵티컬 파워 표면을 가진다.

바람직하게는, 제 2 광학 요소는 광학 웨지이다.

바람직하게는, 제 2 광학 요소는 사변형 단면을 가지는 기다란 요소를 포함한다.

바람직하게는, 각각의 광학 요소의 인접한 표면들은 갭에 의해 분리된다.

바람직하게는, 갭은 공극이다.

바람직하게는, 광이 디커플링되는 면적은 광이 커플링되는 면적보다 크다.

바람직하게는, 인커플링 영역은 회절 격자를 포함하고, 아웃커플링 영역은 회절 격자를 포함한다.

바람직하게는, 사용자는 사용 시에 퓨필 확장 요소를 통하여 외부 환경을 볼 수 있다.

바람직하게는, 도파로 및 아웃커플링 영역은 실질적으로 투명하다.

바람직하게는, 제 1 광학 요소는 사용 시에 인입하는 광이 입사하는 실질적 오목면을 포함한다.

바람직하게는, 실질적 오목면은 실질적으로 반사형이 되도록 광학적으로 코팅된다.

바람직하게는, 상기 제 1 광학 요소 상의 옵티컬 파워 표면 중 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면은 다차 다항식에 의하여 기술된다.

바람직하게는, 각도 중 하나는 30°보다 작다.

바람직하게는, 제 1 및 제 2 광학 요소는 상이한 재료이다.

바람직하게는, 커플링 요소는 회절 격자, 홀로그램 및 반사 요소 중 하나를 포함한다.

바람직하게는, 퓨필 확장기는 복수 개의 도파로를 포함한다.

바람직하게는, 퓨필 확장기는 만곡형 도파로를 포함한다.

바람직하게는, 퓨필 확장기는 시준 요소에 비하여 틸팅된다.

바람직하게는, 이러한 배열체는 퓨필 확장기 내로 커플링되지 않는 임의의 광을 흡수하기 위하여, 퓨필 확장기의 출사 영역 뒤에 광학적 흡수 요소를 더 포함한다.

바람직하게는, 광을 퓨필 확장기로부터 사용자를 향하여 반사하기 위하여 추가적인 결합기가 사용된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 다른 양태에 따르는 폴딩된 광학 배열체를 포함하는 디스플레이가 제공된다.

바람직하게는, 이러한 디스플레이는 헤드 마운트 디스플레이, 머리 착용 디스플레이 및 헤드업 디스플레이의 형태이거나 이들 중 적어도 하나이다.

본 발명의 실시형태들이 다음의 도면을 참조하여 오직 예시에 의하여 설명될 것이다:
도 1은 헤드 마운트 디스플레이의 표현이다;
도 2는 종래의 광학 배열체의 단면도이다;
도 3은 종래의 오프-축 솔리드 광학 배열체의 단면도이다;
도 4는 외부 하드 스톱을 포함하는 종래의 오프-축 솔리드 광학 배열체의 단면도이다;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 폴딩된 광학 배열체의 단면도이다;
도 6a 내지 도 6d는 사용자에 대한 본 발명의 광학 배열체의 위치설정의 여러 상이한 배향의 표현이다:
도 6a 및 도 6b는 사용자의 머리에 있는 배열체의 가능한 전면도를 위로부터 보여준다;
도 6c 및 도 6d는 배열체의 가능한 측면도를 보여준다;
도 7은 배열체의 가능한 헤드업 디스플레이(HUD) 설비를 보여준다;
도 8은 본 발명의 일 양태에 따르는 도 5의 시준 요소의 확대된 단면도이다;
도 9는 본 발명의 일 양태에 따르는 시준 요소의 각도 배향을 보여주는 간략도이다;
도 10a 및 도 10b는 폴딩된 광학 배열체의 각각의 2D 및 3D 표현이다;

일반적으로, 본 발명은 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이; 머리 착용 디스플레이; 또는 헤드업 디스플레이(각각 HMD, HWD, HUD)와 같은 각각에 대한 개선에 관련되거나 이들에 대한 광학적인 개선에 관련된다. 특히, 본 발명은 이미지를 이미지 평면으로부터 사용자의 눈으로 송신하기 위한 디스플레이 내에서 사용되기 위한 폴딩된 광학 배열체, 및 이러한 폴딩된 광학 배열체를 포함하는 디스플레이에 관련된다. 본 발명의 다른 양태는 도파로를 포함하는 디스플레이에 관한 것이다.

예를 들어 본 발명에 따른 HMD 또는 HWD와 같은 예시적인 디스플레이는 당업계의 현존 배열체의 문제점을 극복하기 위하여 폴딩된 광학 배열체, 예컨대 도 5(후술됨)의 광학 배열체를 포함한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 폴딩된 광학 배열체(600)를 도시한다. 도 5는 광학 배열체(600)를 거쳐 이미지 평면(602)으로부터 사용자의 눈(604)으로, 그리고 외부 환경(606)으로부터 사용자의 눈(604)으로 가는 광선의 경로를 보여준다.

광학 배열체(600)는 시준 광학라고도 설명되는 시준 요소(608), 및 출사 퓨필 확장기라고도 설명되는 퓨필 확장 요소(610)를 포함한다. 이미지 평면(602)으로부터의 이미지를 형성하는 광은 시준 요소(608)를 향해 지향된다. 시준 요소(608)는 이미지를 형성하는 광을 수광한다. 광은 시준 요소(608)에 의하여 시준되고, 시준된 광이 시준 요소(608)로부터 출력된다. 시준된 광은 퓨필 확장 요소 또는 도파로 광학기(610)의 입사 영역에 입사하고, 퓨필 확장 요소(610)는 시준된 광을 사용자의 눈(604)의 위치를 향해 송신한다. 퓨필 확장 요소(610)는 광을 제 1 입사 구역에 걸쳐서 수광하고, 시준 요소(608)로부터 출력된 출사 퓨필을 효과적으로 확장시켜서, 광이 사용 시에 더 넓은 제 2 출사 구역에 걸쳐서 퓨필 확장 요소(610)를 떠나서 눈으로 향하게 한다. 결과적으로, 시준 요소(608)는 작은 출사 퓨필을 생성함으로써 그 크기가 고도로 콤팩트해지도록 작아질 수 있는 반면에, 시스템은 출사 퓨필 확장 요소를 통하여 큰 출사 퓨필을 여전히 유지하고, 이것은 이미지를 디스플레이하기 위해서 사용자의 눈(604)을 향해 지향된다. 광학적 흡수 요소(미도시)가 퓨필 확장기의 입사 영역 뒤에 배치되어 퓨필 확장기 내로 커플링되지 않은 임의의 광을 흡수할 수 있다. 더욱이, 사용자가 시준 요소(608)를 통해서 보도록 요구되지 않기 때문에(사용자가 도파로 광학기(610)를 통해서 볼 수 있기 때문에). 이러한 광학 디자인 내의 그러한 표면의 광학적 형태, 레이아웃 및 구조에 대한 제한이 적어지는 반면에, 사용자가 도 3 및 도 4에 도시되는 배열체와 같은 시준 요소를 통해서 볼 것을 요구하는 설계도 이미지 광을 정정하는 동안에 시스루(see through)가 되도록 최적화되어야 할 것이다.

도면이 목적을 달성하기 위하여, 사용자의 눈(604)이 표시된 위치에 있다는 것이 가정될 것이고, 사용자의 눈이라고 언급하는 것은 통상적인 사용 사례가 설명되고 있다는 것을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 그러나, 사용자의 눈이 본 발명을 위해서 본 명세서에 설명된 이론에 따라서 동작하도록 요구되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 이하 설명되는 광학 배열체는 사용자의 눈의 실제 위치와 무관하게, 디바이스가 사용될 때의 사용자의 눈의 가정된 위치의 방향으로 출사 퓨필을 궁극적으로 생성한다. 더욱이, 실선, 파선 및 점선은 광학 배열체의 가시 범위를 표시한다. 또한, 이러한 도면은 예시적인 것이고, 광학 배열체를 통과하는 정확한 광선 경로를 보여주지 않는다는 것이 또한 이해되어야 한다.

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, HMD는 일반적으로 700으로 표시된 적절한 지지대를 이용하여 착용될 수 있고, 룩스루(look-through) 형식의 배열체를 제공함으로써, 사용자가 디스플레이를 통과해서 볼 수 있게 한다. 지지대는 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈(704)이 볼 수 있는 하나 이상의 광학 요소(702)를 포함할 수 있다. 광학 요소(702)는 아웃커플링 격자, 인커플링 격자 및 도파로 광학기를 포함할 수 있다. 도파로(640)는 도 6a 내지 도 6d에 도시되지 않고, 지지대(700)는 예시적인 것이며, 이것은 임의의 형상 또는 형태를 가질 수 있다. HMD는 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 도 5의 시준기 요소(608)는 머리(706)의 아크 또는 형상에 상대적으로 위치될 수 있다. 도 6a에서 지지대는 수평이고, 도 6b에서는 프레임이 미용적인 이유로 틸팅되어 있으며 상이한 머리 형상을 수용하고, 머리의 위쪽에서부터 바라본다. 틸트는 도파로 틸트를 역시 수용할 수 있다. 도 6c 및 도 6d에서는 두 개의 가능한 위치인 프레임의 전후방이 시준기 요소(608)에 대해서 표시되고 옆에서 바라본 것이다. 도시된 배열에 대해서 많은 대안들이 존재한다는 것이 이해될 것이다. 눈 응시 방향은 도 6a 및 도 6b에서 화살표 Z로 표시된다.

본 발명과 함께 사용되기 위하여 또는 본 발명 자체로서, HMD는 여러 분야에서 사용되기에 적합한 고글, 안경, 헬멧 또는 헬멧 차양을 포함하는 임의의 적절한 타입일 수 있다. 이상적으로, 디바이스는 휴대용이거나 지지대를 사용하여 휴대되도록 적응된다. 비록 자세하게 도시되지 않지만, 지지대는 광학 요소를 눈 앞에 지지하도록 적응되는 지지대를 포함할 수 있다. 지지대는: 프레임; 측면 암 및 고글 및 안경을 위한 지지대; 헬멧 또는 차양; 머리밴드; 목 또는 어깨 착용 지지대; 게이밍 헤드셋; 또는 광학 요소를 요구되는 위치에 유지하도록 착용될 수 있는 임의의 다른 지지대를 포함할 수 있다.

제어 시스템은 디스플레이의 용도에 의존하여 변경될 수 있다. 제어 유닛은 인 시츄이거나 디스플레이로부터 떨어져 있을 수 있다. 제어 디바이스는, 디스플레이 상에서 또는 그로부터 원격으로 광학 요소 및 다른 모듈과 통신하기 위한 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신은 무선 및/또는 유선일 수 있다. 제어 모듈은 상이한 기능을 수행하기 위한 상이한 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 기능은 어떠한 방식으로도 제한되지 않고, 이미징, 추적, 장면 생성, 처리, 저장, 파워 공급, 오디오 등을 포함할 수 있다.

하나 이상의 광학 요소(702)는 도파로 광학기, 입사 및/또는 출사 커플링 격자를 포함할 수 있다. 비록 자세하게 도시되지 않지만, 광학 요소는 실질적으로 투명한 디스플레이 매질이다. 사용자는 광학 요소를 통해서 외부 환경을 보고, HMD를 통해서 사용 시에 사용자의 눈에 전달되는 임의의 이미지를 볼 수 있다.

또한, 지지대는 광학 요소(702)를 포함하거나 이와 별개일 수 있는, 예를 들어 HMD의 지지대의 암들 중 하나에 있는 적어도 하나의 시준기 요소(608)를 포함한다. 이것은 디바이스의 물리적 특성 때문에 양호한 위치이다. 다른 위치 및 형상도 동등하게 적용가능하다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시형태들에서, 지지대는 광학 요소(702) 당 하나씩 도시된 바와 같은 두 개의 시준기 요소를 포함할 수 있다.

이미지를 광학 배열체를 통해서 사용자에게 디스플레이하기 위하여, 디스플레이는 광학 배열체에 대응하는 이미지 소스를 더 포함할 수 있다. 이미지 소스는 제어된 개구수 또는 제어되지 않는 개구수를 가질 수 있고, 평판 디스플레이, 방출형 디스플레이, 반사형 디스플레이, 투영 광학기, 릴레이 렌즈 또는 임의의 다른 타입의 디스플레이 소스, 이미지 또는 광 생성 유닛을 포함할 수 있다.

대안적인 예에서, 사용자는 도 7에 도시된 바와 같은 헤드업 디스플레이를 사용할 수 있다.

도 5의 시준 요소(608)의 확대도가 도 8에 도시된다. 시준 요소(608)는 제 1 옵티컬 파워 광학 요소(612)(이하, 프리즘 요소라고 불림) 및 제 2 옵티컬 파워 요소(614)(이하, 웨지 요소라고 불림)를 포함한다. 프리즘 요소(612) 및 웨지 요소(614)는, 출력될 광을 퓨필 확장 요소(610) 내로 시준하기 위한 광학 렌즈 시스템으로서 동작한다. 또한, 프리즘 요소(612) 및 웨지 요소(614)는 광학 렌즈 배열체에 의해서 통상적으로 도입되는 원치 않는 광학 수차를 최적화하거나 상쇄하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프리즘 요소(612) 및/또는 웨지 요소(614)의 표면 피쳐는 수차를 감소시키고 및/또는 임의의 다른 광학적 결함을 정정하도록 구성될 수 있다. 요소들 사이에 공기 공간을 유지하면서 두 요소들을 사용하면, 시준 요소가 색 정정을 개선하기 위한 공기로 이격된 광학적 이중렌즈(doublet)로서 동작하게 된다. 더욱이, 추가적인 광학 정정을 제공하기 위해서 프리즘 요소(612) 및 이미지 소스 사이에 도시되지 않은 제 3 광학 요소가 추가될 수 있다.

프리즘 요소(612)는, 광 파워를 가지고 웨지 요소(614)의 표면(620)에 인접한 입사면(626)을 포함한다. 표면(626 및 620)은 실질적으로 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 표면(620)은 선형일 수 있고, 표면(626)은 다차 다항식에 의해서 규정되는 형상과 같은 비선형 형상을 가질 수 있다. 표면(620 및 626)은 비-상보적 또는 비-동조적(non-sympathetic) 형상을 가질 수 있다. 비-상보적 형상 또는 비-동조적이라는 것은, 형상들이 함께 배치될 때 표면들 사이에 언제나 갭이 존재하게 되는 형상을 가리킬 수 있다.

표면의 비-상보적 형상 또는 다른 형상은 수차를 정정하기 위한 추가적인 광학 표면 형상을 허용한다.

위에서 언급된 바와 같이 다항식 또는 확장된 다항식 형상일 수 있는 표면의 형상은 렌즈의 파라미터를 결정함으로써 모델링될 수 있다. 사용되는 하나의 파라미터는 표면 새그(sag)의 결정이다. 이러한 표면 형상을 사용하는 표면에 대한 표면 새그는 (예를 들어) 다음 수학식에 의해서 기술될 수 있는데, 이것은 추가적 다항식 항을 추가함으로써 원뿔 비구면에 동요를 일으킨다.

여기에서

c = 베이스 표면 곡률,

r = 베이스 표면 반경방향 거리,

k = 베이스 표면 원뿔 상수,

N = 다항식 계수의 개수이고,

i번째 다항식 항의 계수이다.

이것은 표면을 모델링하는 것의 하나의 예일 분이라는 것이 이해될 것이다; 다른 것들도 역시 사용될 수 있다.

도 9는 예시적인 각도 배향을 보여주기 위해서 프리즘 요소(612) 및 웨지 요소(614)의 간단한 표현을 보여준다. 도 9에서 요소의 표면들은 편의상 선형 형상을 가지는 것으로 표현되지만, 표면들은 도 5 및 도 8을 참조하여 설명된 바와 같이 만곡형 형상을 가질 수 있다는 것에 주의해야 한다. 도 9는 광이 시준기를 빠져나오는 웨지 표면(628)에 대한 법선(900)을 보여준다. 법선은 표면(628)의 중심에 위치되고, 포인트 K에서 표면(628)과 교차한다. 법선은 표면(626)과 교차하는 포인트 L; 표면(620)과 교차하는 포인트 M; 및 표면(622)과 교차하는 포인트 N까지 연장된다. 또한, 프리즘 요소에 대한 그리고 포인트 J에서의 웨지 요소에 대한 두 각도들(각각 902 및 904)이 표시된다. 각도(902)는 표면(622 및 620)에 의해서 규정되고, 각도(904)는 표면(628 및 626)에 의해서 규정된다. 각도(904)는 그 각도의 탄젠트에 기반하여 결정될 수 있다. 각도(904)의 탄젠트는:

Tan(각도(904)) = KL/JK이다.

표면(620 및 626)은 본 명세서에서 각각의 웨지 요소 및 프리즘 요소의 인접한 표면들이라고 불리는데, 그 이유는 이들이 시준기 요소의 법선 배향으로 서로에 대해서 인접하기 때문이다. 각도(902, 904) 중 하나는 인접한 표면 중 하나의 단부에서 규정되고, 다른 각도는 인접한 표면의 다른 단부에 규정된다. 다르게 말하면, 각도들은 인접한 표면의 서로 반대측의 단부들에 위치된다. 인접한 표면들 사이의 계면은 본 명세서에서 인접한 계면이라고 불린다.

두 각도들은 두 요소들의 최적 배향을 얻도록 변경될 수 있고, 이것은 이제 시준기에 대해서 최적의 광학 속성이 얻어지게 한다. 두 각도들 사이의 각도차는 미리 결정되고, 일반적으로 각도들은 같지 않으며, 각도(904)가 각도(902)보다 작다. 특정한 각도들이 필수적이지 않지만, 각도차는 각각의 소스로부터 오는 광에 대한 정확한 경로를 보장하도록 결정된다. 일 예로서, 각도(904)는 예를 들어 30°미만일 수 있다.

본 발명에서, 프리즘 요소는 명세서 전체에서 설명을 쉽게 하기 위해서 사용되고, 요소(612)의 형태와 형상을 한정하려는 의도가 아니다. 따라서, 프리즘 요소는 복수 개의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 임의의 광학 요소를 포함하도록 의도된다. 이것은 삼면 프리즘일 수 있고, 또는 두 개 이상의 표면을 가질 수 있다. 바람직한 형태는 삼면 프리즘이지만, 다른 형상 및 형태도 마찬가지로 적용가능하다. 제 1 광학 요소의 옵티컬 파워 표면 중 적어도 하나는 다차 다항식에 의해 기술될 수 있다.

이와 유사하게, 웨지 요소가 참조를 쉽게 하기 위해서 사용되지만 상이한 형상 및 형태일 수 있다. 따라서, 웨지 요소는 하나 이상의 옵티컬 파워 표면(optically powered surface)을 포함하는 임의의 광학 요소를 포함하도록 의도된다.

프리즘 요소 및 웨지 요소의 조합은 각각의 요소의 옵티컬 파워 표면들 사이에 복수 개의 계면을 규정한다. 광이 이러한 조합(시준 요소라고도 불림)을 통과할 때, 그리고 계면이 존재하는 결과로서 굴절률의 변화가 존재하고, 이것이 표면 형상과 결합되면 계면을 통과하는 광의 방향이 변하게 된다. 이것은 광 빔이 이러한 조합에 의해서 지향될 수 있게 한다. 프리즘 및 웨지의 상대적인 위치에 기인하여, 상이한 계면 및 상이한 계면 형상이 존재하게 되고, 이것이 시준기를 통과하는 "폴딩된 경로(folded path)"를 형성하는 것을 돕게 된다.

프리즘 및 웨지 요소는 직접 접촉하거나 그들의 표면들 사이에 갭을 가질 수 있다. 갭은 공극일 수 있고, 또는 접착제 등과 같은 다른 재료를 포함할 수 있다. 공극을 추가하면 추가적인 계면이 추가된다(예를 들어, 프리즘으로부터 공기로; 공기로부터 웨지로 등의 계면). 추가적인 계면은 광을 더욱 지향시키는 효과를 가진다. 전체 광 방향은 상세히 후술된다. 이러한 조합의 결과는, 다수의 계면에 기인하여 광이 매우 제어된 방식으로 그리고 헤드 마운트 광학기에 대해서 최적인 것과 같이 콤팩트하고 가벼운 컴포넌트 내에서 유도될 수 있다는 것이다. 제 1 및 제 2 옵티컬 파워 요소를 병치하면(갭이 있거나 없음), 광이 통과하여 지향될 수 있는 콤팩트한 폴디드 경로(folder path)가 규정된다.

시준 요소(608)는 작은 부피와 크기를 유지하면서도 양호하게 정정되는 시준된 출사 퓨필을 생성한다. 본 명세서에서 사용될 때, '양호하게-정정됨(well-corrected)'은, 상이한 애플리케이션에 대해서 달라질 수 있는 광학 성능의 미리 규정된 표준을 제공하기 위해서 수차, 아티팩트, 색왜곡과 같은 광의 결함이 최소화된다는 것을 의미하도록 의도된다.

그 3D 표현이 도 5 또는 도 8 에도 도시되는 프리즘(612)은 일 예로서 기다란 실질적 삼각 단면을 가지는 단일편 삼면 요소이다. 그러므로, 프리즘(612)은 두 개의 삼에지(three-edged) 베이스(그 중 하나만이 도 9에 도시됨)(616) 및 두 개의 베이스(616)의 대응하는 에지를 결합하는 세 개의 표면(618, 620, 622)을 가진다. 프리즘(612)의 임의의 개수의 표면(618, 620, 622)은 옵티컬 파워 면이고(optically powered), 표면 파워는 표면마다 다를 수 있다. 도 8의 실시형태에서, 프리즘 요소(612) 및 웨지 요소는 예를 들어 공극과 같은 갭(624)에 의해 분리된다. 갭(624), 웨지(614) 및 프리즘(612)은 임의의 조합의 재료일 수 있고, 각각이 다를 수 있기 때문에 이들 세 개 사이의 계면은 요소마다 굴절률의 차이를 제공할 수 있다. 이것이 요소들의 조합을 통과하는 광의 방향을 제어하기 위해서 본 발명에 활용될 수 있다. 갭은 다른 요소와 상이한 굴절률을 가지는 임의의 타입의 간극 재료로 형성될 수 있다. 도 8의 예에서, 프리즘(612)은 다른 요소보다 낮은 굴절률을 가지는 공기에 의해서 둘러싸인다. 재료들의 다른 많은 조합들이 사용될 수 있다.

프리즘 요소(612)만의 동작 및 웨지 요소(614) 및 갭(624)과 조합된 프리즘 요소의 동작이 이제 설명될 것이다. 이미지 평면(602)으로부터의 광은 제 1 면인 수광면(618)에서 프리즘 요소(612)에 진입한다. 수광면(618)은 옵티컬 파워 표면이고, 구형, 비구면, 원통형, 토로이달 또는 다차 다항식 표면 형상에 의해서 기술될 수 있다.

광은 프리즘 요소(612)를 통과해서 이동하고 제 2 표면(620)에서 총 내부 반사(TIR)를 경험한다. TIR은 주위의 재료인 공기가 프리즘(612)의 재료보다 낮은 굴절률을 가지기 때문에, 그리고 광의 입사각이 프리즘 요소(612) 및 공기 사이의 표면(620)에 있는 계면에 대한 임계각보다 크기 때문에 생긴다. 표면(620)도 옵티컬 파워 표면이고, 구형, 비구면, 원통형, 토로이달 또는 다차 다항식 표면 형상에 의해서 기술될 수 있다. 부분적인 내부 반사 또는 반사성 코팅에 기인한 반사가 TIR 대신에 사용될 수 있지만, 이것은 효율이 떨어질 수 있다는 것에 주의해야 한다.

표면(620)은 프리즘(612)의 중심축 A에 상대적으로 틸팅된다. 수직축에 상대적인 틸팅면(620)은, 투과면이 수직축에 더 가까이 정렬되는 경우에 생길 TIR 브레이크다운을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 바람직하게는, 틸팅면(620)은 이러한 방식으로 이미지 평면이 수직축에 대해서 더 작은 각도로 배향될 수 있게 하고, 배열체가 더 콤팩트해지게 한다.

표면(620)에서 TIR을 거친 덕분에, 광은 반사면(622)을 향해 반사된다. 반사면(622)도 옵티컬 파워 표면이고, 구형, 비구면, 원통형, 토로이달 또는 다차 다항식 표면 형상에 의해서 기술될 수 있다. 반사면(622)은 광을 반사하도록 광학적으로 코팅된다. 그러므로, 프리즘(612) 내에서 반사면(622)을 향해서 반사된 광은 반사면(622)을 제 2 표면 미러로서 경험하게 된다. 반사면(622)은 오프 축 수차를 줄이기 위해서 틸팅되지 않거나 수직축 A에 대해서 최소로 틸팅될 수 있다. 반사면(622)에 도포된 코팅에 의해서 반사된 광은 표면(620)을 향해서 복귀한다.

광은 반사면(622)으로부터 반사되고, 표면(620)에서의 프리즘 요소(612) 및 공기 사이의 계면에 대한 임계각보다 작은 각도로 표면(620)에 재진입하며, 따라서 광은 표면(620)을 통과하여 투과되고 프리즘 요소(612)를 벗어난다. 광은 프리즘 요소(612)를 벗어나고 프리즘 요소(612) 및 웨지 요소(614) 사이의 갭(624) 내로 진행한다.

광은 갭(624)을 통과하여 진행하고 웨지 요소(614)에 진입한다. 갭(624) 내의 공기의 굴절률은 웨지 요소(614)의 재료의 굴절률보다 작다. 웨지 요소(614)는 예를 들어, 사변형 단면을 가지는 기다란 요소이고, 따라서 상단부 및 하단부(630, 632)에 의해 연결되는 두 개의 표면(626, 628)을 가진다. 표면(626, 628) 및 단부(630, 632)는 베이스들(도 5에는 미도시) 사이에서 연장된다. 웨지 요소(614)도 실질적 삼각 단면을 가지며, 상단부(630)가 없다.

웨지 요소(614)는 광을 갭(624)으로부터 제 1 면인 입사면(626)에서 수광한다. 광은 웨지(614)를 제 2 면인 출사면(628)에서 벗어난다.

도 5 또는 도 8의 실시형태에서, 웨지(614)의 입사면(626)도 구형, 비구면, 원통형, 토로이달 또는 다차 다항식 표면 형상에 의해서 기술될 수 있다. 광은 웨지(614)를 통해서 입사면(626)으로부터 출사면(628)으로 투과된다.

출사면(628)은 통상적으로 평면형이지만, 구형, 비구면, 원통형, 토로이달 또는 다차 다항식 표면 형상에 의해서 기술될 수 있다. 출사면(628)에서 광은 웨지 요소(614)를 벗어나는데, 그 이유는 광이 출사면(628)에 해당 표면에 대한 임계각보다 작은 각도로 입사하기 때문이다. 웨지 요소(614)를 벗어나는 광은 이제 시준되고, 양호하게 정정된 출사 퓨필을 형성한다.

도 5 또는 도 8의 실시형태에서, 프리즘 요소(612), 갭(624), 및 웨지 요소(614)는 시준되고 양호하게 정정된 출사 퓨필을 결과적으로 얻기 위해서 광을 조작하기 위하여 사용되는 여러 자유도를 제공한다. 시준된 광은 웨지 요소(614)에서 시준 요소(608)를 벗어난다. 일부 실시형태들에서, 배열체의 자유도의 숫자를 증가시키기 위해서 추가적인 컴포넌트가 포함될 수 있고, 시준된 광은 시준 요소(608)에 상이한 컴포넌트를 통해서 진입하거나 빠져나올 수 있다. 예를 들어, 제 3 광학 요소인 필드 렌즈가 시준 요소(608) 내에 포함되어 왜곡 및/또는 필드 곡률과 같은 잔여 수차를 더 감소시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 추가적인 정정 요소가 광을 색정정(chromatically correct)하기 위해서 시준 요소(608) 내에 포함될 수 있다.

더욱이, 도 5 또는 도 8의 실시형태에서, 프리즘 요소(612)의 세 개의 표면(618, 620, 622) 중 임의의 표면 및 웨지(614)의 두 개의 표면(626, 628) 중 임의의 표면은 변경된 광 파워 및 표면 형태를 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 프리즘 요소(612)의 표면(620) 및 웨지 요소(614)의 입사면(626)의 광학 속성은 특정 애플리케이션에 대해서 상보적이 되도록 매칭되거나 설계될 수 있다.

프리즘 요소(612) 및 웨지 요소(614)의 재료는 동일할 수 있고, 또는 상이한 재료가 가지는 굴절률들과 같은 광학 특성을 이용하기 위해서 다를 수도 있다. 이와 유사하게, 주위의 재료 및/또는 갭(624)의 간극 재료는 시준 요소(608)의 광학 특성을 최적화하도록 변경될 수 있다. 광학 요소에 대한 재료는 임의의 적절한 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 재료는 다음과 같은 변하는 굴절률의 광학 유리, 폴리머 및 플라스틱 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 아베 수(Abbe number)가 사용될 수 있다: N-BK7(저굴절률 유리), N-SF6(고굴절률 유리), 7980_0F(저굴절률 융합된 실리카), PMMA(저굴절률 폴리머) 및 E48R(저굴절률 폴리머). 상이한 인덱스들 및 상이한 분산 특성을 가지는 재료들을 조합하기 위해서, 양자 모두의 광학 요소가 상이한 재료로 제작되게 하는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 광학 웨지는 옵티컬 파워 표면과 상호작용하는 동안에 광의 색채 분할을 완화하기 위해서 낮은 분산의 재료로 제조될 수 있다.

도 5로 돌아가면, 시준 요소(608)로부터의 시준된 광은 퓨필 확장 요소(610)에 진입한다. 퓨필 확장 요소(610)는 도파로(640), 인커플링 영역(642), 및 아웃커플링 영역(644)을 포함한다. 퓨필 확장 요소(610)는 시준된 광이 도파로(640)에 입사되도록 배치된다. 도파로(640)의 제 1 단부(646)는 웨지 요소(614)와 정렬되어, 시준된 광이 사용 시에 도파로(640)의 제 1 표면(648)에 입사하게 한다.

도파로(640)는 평면형 슬래브 도파로이다. 도파로(640)는 투광성 기판을 포함한다. 도파로(640)는 시준 요소(608)에 인접하게 배치된다. 시준 요소(608)를 빠져나오는 광은 제 1 표면(648)을 통해서 도파로(640) 내로 진행한다. 일부 실시형태들에서, 도파로도 하나의 차원 또는 두 차원으로 만곡될 수 있다.

도 5에서 인커플링 영역(642)은 미러, 회절 격자, 홀로그램 또는 다른 적절한 광학 커플링 디바이스를 포함할 수 있다. 인커플링 영역(642)은 도파로(640)의 제 1 단부(646)에서 도파로(640)의 제 2 표면(650)과 접경한다. 인커플링 영역(642)은 TIR에 의하여 광을 도파로(640) 내로 커플링하고, 그러면 광은 도파로(640)를 따라서 제 1 단부(646)로부터 도파로(640)의 제 2 단부(652)까지 진행할 수 있다.

인커플링 영역(642)은 도파로(640)에 입사하는 광을 커플링 구역 또는 애퍼쳐에 걸쳐서 도파로(640) 내로 커플링하도록 치수가 결정된다. 통상적으로 인커플링 영역(642)의 높이 및 폭인 치수들은 커플링 구역의 크기를 나타낸다. 시준 요소(608)로부터의 광은 도파로(640) 및 인커플링 영역(642) 양자 모두에 입사하고, 도파로(640) 내로 커플링된다. 도파로(640)에 입사하지만 인커플링 영역(642)에는 입사하지 않는 시준 요소(608)로부터의 광은 도파로(640) 내로 커플링되지 않고, 도파로(640)를 통과한다.

인커플링 영역(642)의 치수는, 광이 양호하게 정정되는 시준 요소(608)로부터 출력되는 출사 퓨필의 일부에 대응하도록 선택된다. 그러므로, 양호하게 정정된 이미지가 시준 요소(608)로부터 출력되면, 인커플링 영역(642)은 양호하게 정정된 출사 퓨필의 치수에 치수가 매칭될 수 있고, 도파로(640)를 직접 통과하고 도파로(640)에 커플링되지 않은 상태를 유지하도록 허용함으로써, 양호하게 정정되지 않은 출사 퓨필의 임의의 주위 구역을 제거할 수 있다.

광은, 광이 도파로(640)의 제 2 단부(652)를 향해서 반사되거나 회절되게 함으로써, 인커플링 영역(642)에 의해서 도파로(640)에 커플링된다. 광이 인커플링 영역(642)에 의하여 도파로(640) 내에서 반사되거나 회절되는 각도는, 외부적 환경(606), 즉 주변 공기와의 도파로(640)의 계면에 대한 임계각보다 크다. 그러므로, 커플링된 광은 아웃커플링 영역(644)에 도달할 때까지 도파로(640)를 따라서 각각의 계면에서 내부 전반사를 거친다.

도 5의 아웃커플링 영역(644)은 미러 어레이, 회절 격자, 홀로그램 또는 다른 적절한 광학 디커플링 디바이스를 포함할 수 있다. 도 5에서, 아웃커플링 영역(644)은 도파로(640)의 제 1 표면(648)에 접경하고, 사용자의 눈은 도파로(640)의 제 2 표면(650)으로부터 이격된다. 다른 실시형태들에서, 아웃커플링 영역(644)은 제 2 표면과 접경하고, 사용자는 도파로의 제 1 표면을 볼 수 있다. 아웃커플링 영역(644)은 도파로의 제 2 단부에 위치된다.

아웃커플링 영역(644)은 인커플링 영역(642)에 대한 반대 기능을 효과적으로 수행하고, 도파로(640)를 따라서 이동하는 광을 도파로(640)로부터 디커플링한다. 디커플링은 사용되는 디커플링 요소의 타입에 의존하여 반사 또는 회절에 의해서 달성된다. 그러므로, 광은 아웃커플링 영역(644)에서 도파로(640) 밖으로 투과된다.

아웃커플링 영역(644)은 디커플링 구역 또는 애퍼쳐에 걸쳐서 도파로(640)로부터 광을 디커플링하도록 치수가 결정된다. 다르게 말하면, 도파로(640)를 벗어나는 광의 출사 퓨필은 특정 구역 또는 애퍼쳐를 가지는데, 그 이유는 아웃커플링 영역(644)이 광을 도파로의 해당 구역에 걸쳐서 디커플링하기 때문이다. 도파로 밖에 생성된 출사 퓨필의 치수는 아웃커플링 영역(644)의 치수에 의해 표시된다. 확장된 출사 퓨필을 얻기 위해서, 아웃커플링 영역의 치수는 인커플링 영역의 치수보다 크다. 따라서, 도 5의 입사 및 출사 영역은 입사 영역이 출사 영역보다 더 작도록 치수가 결정된다.

광이 도파로(640)로부터 디커플링되었고 도파로(640)를 벗어나면, 이것은 사용자의 눈으로 지향된다. 디커플링된 광은 시준된 상태로 유지되고, 시준 요소(608)를 벗어나는 시준된 광 및 도파로(640)에 커플링되어 도파로(640)에 진입하는 시준된 광의 출사 퓨필의 면적보다 더 넓은 면적에 걸쳐서 빠져나온다.

사용 시에, 사용자의 눈은 도파로(640)의 제 2 표면(650)을 보도록 위치된다. 사용자의 눈은 아웃커플링 영역(644)과도 정렬된다. 아웃커플링 영역(644) 및 도파로(640)는 외부 환경으로부터의 광이 이들을 통과하여 사용자의 눈을 향해 가도록 함으로써, 사용자가 외부 환경을 볼 수 있게 한다. 아웃커플링 영역(644) 및 도파로는 사용자가 외부 환경을 보게 하기 위해서 투명 또는 반투명이다.

도파로(640)를 통해서 외부 세계를 봄으로써, 사용자는 두꺼운 파워(thick and powered) 광학 요소를 통해서 볼 필요가 없다. 이것은, 굴절성 오차를 유도할 수 있는, 외부 세계로부터의 광이 두꺼운 파워 광학 요소를 통해서 투과된 이후에 외부 세계로부터의 외부 뷰가 왜곡될 때에 생기는 문제점을 완화하는 것을 도울 수 있다.

일부 실시형태들에서, 인커플링 영역 및/또는 아웃커플링 영역은, 선택적으로 유전체를 사용하여 전체적으로 또는 부분적으로 광학적으로 코팅됨으로써 각각의 광학 품질을 변경할 수 있다. 아웃커플링 영역이 외부 환경으로부터의 광을 투과시키지 않도록 완전히 코딩되면, 사용자는 도파로를 볼 때 이미지만을 볼 수 있을 것이다.

전술된 폴딩된 광학 배열체(600)는 헤드 마운트 디스플레이에서 사용되기에 특히 유리하다. 얇은 도파로 광학기를 사용하면, 사용자가 생성된 이미지 및 외부 세계를 두꺼운 광학 요소 또는 파워(powered) 광학 요소를 통해서 봐야 하는 필요성이 제거된다. 사용자가 외부 환경을 보기 위해서, 외부 환경으로부터의 광은 사용자의 눈에 도달하기 위해서 아웃커플링 영역 및 도파로만을 통과해서 진행할 필요가 있다. 또한, 시준 요소(608)는 사용자에게 디스플레이되는 이미지의 품질을 개선하도록 특히 설계될 수 있는데, 그 이유는 사용자가 외부 환경을 시준 요소(608)를 통해서 볼 필요가 없기 때문이다. 더욱이, 퓨필 확장 요소(610)에 의해서 출사 퓨필이 확장되면, 개선된 출사 퓨필 성능을 가지는 더 작고 더 콤팩트한 시준 요소(608)가 생기게 되어, 배열체에 의해 점유되는 부피와 배열체의 질량을 줄이게 된다. 종래의 아이피스 광학기와 비교할 때 큰 부피 절감이 달성될 수 있다는 것이 예상된다. 더욱이, 도파로를 사용하면 광학 요소의 뭉치를 사용자의 눈으로부터 멀어지게 이동시키기 위해서 광학 시스템을 폴딩하는 것이 가능해진다.

도 10a 및 도 10b는 프리즘 및 웨지 조합의 2D 및 3D 표현을 각각 도시한다. 도 10a는 예시적인 광선 경로가 표시된 2D 측면 표현을 도시하고, 도 10b는 프리즘 및 웨지의 조합의 3D 뷰이며 옵티컬 파워 표면이 표시된다.

본 발명이 몇 가지 실시예와 연관하여 설명된 바 있지만, 이것은 본 명세서에 설명된 특정 형태로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 또한, 어떤 피쳐가 특정 실시형태와 연계하여 설명되는 것으로 보일 수 있지만, 당업자는 설명된 실시형태의 다양한 피쳐들이 본 발명에 따라서 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 청구항에서, '포함하는'이라는 용어는 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.

더욱이, 청구항 내에서 특징들의 순서는 특징들이 수행되어야 하는 임의의 특정한 순서를 암시하지 않으며, 특히 방법 청구항에 있는 개개의 단계들의 순서는 이러한 단계들이 이러한 순서로 수행되어야 한다는 것을 암시하지 않는다. 오히려, 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 추가하여, 단수로 참조하는 것이 복수를 배제하는 것은 아니다. 따라서, '한(a)', '하나(an)', '제 1', '제 2' 등의 표현은 복수 개를 배제하지 않는다. 청구항에서, '포함하는(comprising)' 또는 "포함하는(including)"은 다른 요소의 존재를 배제하지 않는다.

Claims

디스플레이 내에서 사용되기 위한 폴딩된 광학 배열체로서,
상기 디스플레이는 이미지를 이미지 평면으로부터 사용자의 눈에 송신하기 위한 것이고,
상기 배열체는 폴딩된 광학 투과 경로를 제공하며,
상기 배열체는, 제 1 복수 개의 옵티컬 파워 표면(optically powered surface)을 포함하는 제 1 광학 요소 및 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 제 2 광학 요소를 가지는 시준 요소를 포함하고,
상기 시준 요소는 상기 이미지를 형성하는 광을 이미지 소스로부터 수신하고, 상기 광을 시준하고 출력하도록 구성되며,
상기 제 1 복수 개의 옵티컬 파워 표면 및 상기 제 2 광학 요소의 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면은 폴딩된 광로를 따라서 복수 개의 계면을 규정하도록 배열되고,
각각의 계면에서의 굴절률 변화는 상기 계면 또는 각각의 계면을 통과하는 광의 방향을 제어하도록 미리 결정되며,
상기 제 1 광학 요소의 하나의 표면 및 상기 제 2 광학 요소의 하나의 표면은 서로 인접하고,
인접한 표면들은 상이한 형상을 가지며, 인접한 표면들은 각각, 인접한 표면들의 서로 반대측의 단부들에서 관련 광학 요소의 개개의 다른 표면과 각도를 규정하되, 서로 반대측의 각도들은 동일하지 않은, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항에 있어서,
상기 폴딩된 광학 배열체는,
도파로를 가지는 퓨필 확장 요소,
상기 시준 요소로부터 출력되는 광을 상기 도파로 내로 커플링하도록 구성되는 커플링 요소, 및
사용자의 눈으로 출력하기 위하여 광을 상기 도파로로부터 디커플링하도록 구성되는 디커플링 요소를 더 포함하는, 폴딩된 광학 배열체.
제 2 항에 있어서,
디커플링된 광은 커플링된 광보다 큰 출사 퓨필을 가지는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 광학 요소 상에 규정된 각도는 상기 제 1 광학 요소 상에 규정된 각도보다 작은, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴딩된 광학 배열체는,
상기 이미지 평면과 상기 제 1 광학 요소 사이에 위치되는 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면을 포함하는 제 3 광학 요소를 더 포함하는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소는 적어도 세 개의 옵티컬 파워 표면을 포함하는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소는 기다란 실질적 삼각 단면을 가지는 단일편(single-piece) 삼면 요소인, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 광학 요소는 적어도 두 개의 옵티컬 파워 표면을 포함하는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 광학 요소는 광학 웨지(optical wedge)인, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 광학 요소의 인접한 표면들은 갭에 의해 분리되는, 폴딩된 광학 배열체.
제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서(제 2 항을 인용하는 경우),
광이 디커플링되는 면적은 광이 커플링되는 면적보다 큰, 폴딩된 광학 배열체.
제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서(제 2 항을 인용하는 경우),
인커플링 영역은 회절 격자를 포함하고,
아웃커플링 영역은 회절 격자를 포함하는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 상의 옵티컬 파워 표면 중 적어도 하나의 옵티컬 파워 표면은 다차 다항식에 의하여 기술되는, 폴딩된 광학 배열체.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 폴딩된 광학 배열체를 포함하는, 디스플레이.
제 14 항에 있어서,
헤드 마운트 디스플레이, 머리 착용 디스플레이 및 헤드업 디스플레이의 형태이거나 이들 중 적어도 하나인, 디스플레이.