KR20220000645U - 도광 광학 소자에 커플링되는 영상 프로젝터 - Google Patents

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시몬 그라바르닉
요차이 단지거
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루머스 리미티드
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Abstract

광학 시스템은 영상 광을 내부 반사에 의해 유도하기 위한 평행한 주 외부 표면 쌍, 및 횡측 커플링 인(coupling-in) 표면을 갖는 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)를 포함한다. 영상 프로젝터는 조명 배열체와 연관되는 제1 표면, 반사 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)와 연관되는 제2 표면, 1/4 파장판(quarter-wave plate) 및 반사 콜리메이팅 렌즈(reflective collimating lens)를 갖는 제3 표면, 및 LOE의 커플링 인 표면에 광학적으로 커플링되는 제4 표면을 갖는 프리즘을 포함한다. 프리즘 내에는 조명 배열체로부터 SLM 및 콜리메이팅 렌즈를 통해 LOE의 커플링 인 표면으로 광 경로를 형성하도록 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS)가 배열된다. 프리즘의 제5 표면은 LOE의 주 외부 표면들 중 하나의 연속을 형성한다.

Description

도광 광학 소자에 커플링되는 영상 프로젝터{IMAGE PROJECTOR COUPLED TO A LIGHT GUIDE OPTICAL ELEMENT}
본 고안은 광학 시스템들에 관한 것이고, 구체적으로는, 디스플레이 시스템의 일부로서 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)에 커플링되는 영상 프로젝터에 관한 것이다.
많은 근안 디스플레이 시스템들은 사용자의 눈 앞에 배치되는 투명한 도광 광학 소자(LOE) 또는 "도파관(waveguide)"을 포함하며, 이는 LOE 내에서 내부 반사에 의해 영상을 전달한 다음 1차원 또는 2차원에서 광학 애퍼처 확대를 달성하고 사용자의 눈을 향해 적합한 출력 커플링 메커니즘에 의해 영상을 커플링 아웃한다. 애퍼처 확대 및 출력 커플링 메커니즘들은 내장된 부분 반사체들 또는 "패싯들(facets)"에 기초할 수 있거나, 회절 광학 소자들을 채용할 수 있다.
본 고안은 광학 시스템이다.
본 고안의 실시예의 교시에 따르면, 광학 시스템이 제공되며, 광학 시스템은: (a) 영상 광을 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 유도하기 위한 평행한 주 외부 표면 쌍을 갖는 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)로서, 횡측 커플링 인(coupling-in) 표면을 갖는, 상기 LOE; 및 (b) 프리즘을 포함하는 영상 프로젝터를 포함하고, 프리즘은: (i) 조명 배열체와 연관되는 제1 표면; (ii) 반사 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)와 연관되는 제2 표면; (iii) 1/4 파장판(quarter-wave plate) 및 반사 콜리메이팅 렌즈(reflective collimating lens)를 갖는 제3 표면; (iv) LOE의 커플링 인 표면에 광학적으로 커플링되는 제4 표면; (v) 조명 배열체로부터의 조명이 SLM을 조명하도록, SLM으로부터의 반사된 영상 조명이 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이팅되고 커플링 인 표면을 향해 지향되도록 광 경로를 형성하기 위해 프리즘 내에 배열되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS); 및 (vi) 제1 표면, 제2 표면, 제3 표면 및 제4 표면 모두에 평행하지 않은 제5 표면을 가지며, 제5 표면은 LOE의 주 외부 표면들 중 하나와 동일 평면 상에 있고 광학적으로 연속적이되, 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이팅된 영상 조명의 일부가 커플링 인 표면에 도달하기 전에 제5 표면에서 내부 반사된다.
본 고안의 실시예의 추가 특징에 따르면, PBS는 조명 배열체로부터 조명을 SLM을 향해 반사시키고, SLM으로부터 반사된 반사 영상 조명을 콜리메이팅 렌즈를 향해 투과(transmit)시키며, 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 커플링 인 표면을 향해 반사시키도록 배치된다.
본 고안의 일 실시 예의 추가 특징에 따르면, 제2 표면 및 제3 표면은 제5 표면에 대해 비스듬하게 각을 이룬다.
본 고안의 일 실시 예의 추가 특징에 따르면, 제2 표면은 제3 표면에 평행하다.
본 고안의 일 실시 예의 추가 특징에 따르면, 제3 표면은 제5 표면과 50도와 70도 사이의 각도를 형성한다.
본 고안의 일 실시 예의 추가 특징에 따르면, SLM은 실리콘 액정(liquid-crystal on silicon, LCOS) 칩이다.
본 고안의 실시예의 추가 특징에 따르면, PBS는 조명 배열체로부터 조명을 SLM을 향해 투과시키고, SLM으로부터 반사된 영상 조명을 콜리메이팅 렌즈를 향해 반사시키며, 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 커플링 인 표면을 향해 투과시키도록 배치된다.
본 고안은 여기서 단지 예로서, 첨부 도면들을 참조하여 설명되며, 이때:
도 1a 및 도 1b는 본 고안의 교시에 따라 구성되고 동작하는 도광 광학 소자(LOE)를 사용하여 구현되는 광학 시스템의 개략적인 등각도들로서, 각각 하향식 및 측방 투입 구성을 도시한다;
도 2는 LOE에 커플링되는 영상 프로젝터의 배치를 도시하는 도 1a의 LOE의 구현의 개략적인 정면도이다;
도 3은 도 2의 영상 프로젝터의 개략적인 확대 등각도이다;
도 4는 도 3의 영상 프로젝터의 측면도이다;
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 취해진 개략적인 단면도이다;
도 6은 도 2의 영상 프로젝터의 대안적인 구현의 측면도이다; 그리고
도 7은 도 6의 VII-VII선을 따라 취해진 개략적인 단면도이다.
본 고안의 특정 실시예들은 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)에 커플링되는 영상 프로젝터를 포함하는 광학 시스템을 제공한다.
본 고안의 실시예의 교시에 따른 LOE(12)를 채용하는 근안 디스플레이(near-eye display) 형태의 디바이스(개괄적으로 10으로 표기됨)의 예시적인 구현이 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 근안 디스플레이(10)는 영상 광이 서로 평행한 외부 평면 세트에서의 내부 반사에 의해 1차원으로 포획되는 LOE(교대하여 "도파관(waveguide)", "기판(substrate)" 또는 "슬래브(slab)"라고 지칭됨)(12)로 영상을 투입하기 위해 광학적으로 커플링되는 컴팩트 영상 프로젝터(compact image projector, 또는 "POD")(14)를 채용한다.
LOE는 통상적으로 내부 부분 반사 표면들 또는 회절 광학 소자들 중 어느 하나의 사용에 기초하여, 1차원 또는 2차원으로 투입된 영상의 광학 애퍼처를 확대하고, 영상 조명을 관찰자의 눈을 향해 커플링 아웃하기 위한 배열체를 포함한다. 또한 도 2에 개략적으로 도시된 하나의 비제한적인 구현 세트에서, 영상 프로젝터(14)로부터 LOE(12)로 투입되는 광은 서로 평행하고 영상 광의 전파 방향에 대해 비스듬하게 경사진 부분 반사 표면(교대하여 "패싯(facet)"이라고 지칭됨) 세트(17)에 충돌하며, 연속적인 각 패싯은 영상 광의 일부분을 편향된 방향으로 편향시키고, 또한 기판 내의 내부 반사에 의해 포획/유도된다. 이러한 제1 패싯 세트(17)는 도 1a 및 도 1b에서는 따로 도시되지 않지만, LOE의 제1 영역(16으로 표기됨)에 위치되고 도 2에서 개략적으로 도시된다. 연속적인 패싯들에서의 이러한 부분 반사는 제1 차원의 광학 애퍼처 확대를 달성한다. 본 고안의 바람직하지만 비제한적인 예들의 제1 세트에서, 전술한 패싯 세트(17)는 기판의 주 외부 표면들에 직교한다. 이 경우, 영역(16) 내에서 전파함에 따라 내부 반사를 거치는 투입된 영상 및 이의 공액상 양자는 편향되고 편향된 방향으로 전파하는 공액상들이 된다. 바람직하지만 비제한적인 예들의 대안적인 세트에서, 제1 부분 반사 표면 세트(17)는 LOE의 주 외부 표면들에 대해 비스듬하게 각을 이룬다. 후자의 경우, 투입된 영상 및 이의 공액상 중 어느 하나는 LOE 내에서 전파되는 목적하는 편향된 영상을 형성하는 한편, 다른 반사는 예를 들어, 반사가 필요하지 않은 영상에 의해 제공되는 입사각 범위에 대해 상대적으로 투명하게 만드는 패싯들 상의 각도 선택 코팅들을 채용함으로써, 최소화될 수 있다.
제1 부분 반사 표면 세트는 영상 조명을 기판 내의 내부 전반사(total internal reflection, TIR)에 의해 포획되는 제1 전파 방향으로부터 기판 내의 TIR에 의해 또한 포획되는 제2 전파 방향으로 편향시킨다.
이어서 편향된 영상 조명은 인접한 별개의 기판으로서 또는 단일 기판의 연속으로서 구현될 수 있는 제2 기판 영역(18)으로 통과하며, 여기서 커플링 아웃 배열체(추가의 부분 반사 패싯 세트(19) 또는 회절 광학 소자)는 눈 움직임 박스(eye-motion box, EMB)로서 정의된 영역 내에 위치한 관찰자의 눈을 향해 영상 조명의 일부분을 점진적으로 커플링 아웃함으로써, 제2 차원의 광학 애퍼처 확대를 달성한다. 전체 디바이스는 각 눈에 대해 별도로 구현될 수 있고, 바람직하게는 각 LOE(12)가 사용자의 대응하는 눈을 향하도록 사용자의 머리에 대해 지지된다. 여기에 도시된 바와 같은 특히 바람직한 한 가지 옵션으로, 지지 배열체는 디바이스를 사용자의 귀에 대해 지지하기 위한 측부들(20)을 갖는 안경테로서 구현된다. 머리띠, 바이저 또는 헬멧에 달리는 디바이스들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 형태들의 지지 배열체도 사용될 수 있다.
도면들 및 청구항들에서는 LOE의 제1 영역의 일반적인 연장 방향에서, 수평으로(도 1a) 또는 수직으로(도1b) 연장되는 X축, 및 이에 수직으로, 즉, 도 1a에서는 수직으로 그리고 도 1b에서는 수평으로 연장되는 Y축을 기준으로 한다.
매우 대략적인 용어들로, 제1 LOE, 또는 LOE(12)의 제1 영역(16)은 X 방향으로 애퍼처 확대를 달성하는 것으로 고려될 수 있는 한편, 제2 LOE 또는 LOE(12)의 제2 영역(18)은 Y 방향으로 애퍼처 확대를 달성한다. 도 1a에 도시된 바와 같은 배향은 LOE의 메인(제2 영역)에 진입하는 영상 조명이 상부 에지로부터 진입하는 "하향식(top-down)" 구현으로서 여겨질 수 있는 반면, 도 1b에 도시된 배향은 여기서 Y축이라고 지칭되는 축이 수평으로 전개되는 "측방 투입(side-injection)" 구현으로 여결질 수 있다는 점에 유념해야 한다. 나머지 도면들에서, 본 고안의 특정 실시예들의 다양한 특징들은 도 1a와 유사한 "하향식" 배향의 맥락에서 도시될 것이다. 그러나, 이들 특징들 모두는 본 고안의 범위 내에 또한 속하는 측방 투입 구현들에 균등하게 적용 가능한 것으로 이해해야 한다. 특정 경우들에서, 다른 중간 배향들이 또한 적용 가능하고, 명시적으로 배제되는 경우를 제외하고는 본 고안의 범위 내에 포함된다.
근안 디스플레이(10)는 소형 온보드 배터리(도시되지 않음)로부터의 전력 또는 몇몇 다른 적절한 전원을 통상적으로 채용하여, 영상 프로젝터(14)를 작동시키기 위한 제어기(22)를 통상적으로 포함하여, 다양한 추가 구성요소들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 제어기(22)는 모두 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 영상 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 프로세싱 회로부와 같은 모든 필요한 전자 구성요소들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 고안의 교시는 주로 영상 프로젝터(14)의 구현 및 LOE(12)에 광학적으로 커플링되는 방식에 관한 것이다. 본 고안의 특정 실시예들의 교시에 따른 영상 프로젝터(14)의 확대 상세도들이 도 3 내지 도 7에 도시되어 있다.
영상 프로젝터(14)의 구현은 도 3 내지 도 5에 도시되어 있다. 영상 프로젝터는 콜리메이팅된 영상 - 즉, 여기서 각 영상 픽셀의 광은 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 콜리메이팅되는 평행 빔이다 - 을 생성하도록 구성된다. 이에 따라, 영상 조명은 2차원에서 시야각에 대응하는 각도 범위에 걸쳐 있다.
공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM), 이를테면 실리콘 액정(liquid-crystal on silicon, LCOS) 칩에 기초하여 영상 프로젝터에 대한 광학 크기를 최소화하는 것은 다음 세 가지 기능들을 조합하는 것을 포함한다:
1. LCOS를 조명하는 기능
2. LCOS로부터 반사되는 영상을 콜리메이팅하는 기능
3. 커플링 프리즘을 도파관에 조합하는 기능
상기한 모든 기능들을 조합하는 것은 짧은 초점 길이가 영상 콜리메이션을 위해 필요한 경우에 특히 문제가 된다. 도 3 내지 도 5는 PBS 평면을 도파관 평면에 대략 수직(90도 ±20도)이 되도록 설정함으로써 더블 패스 프리즘이 상기한 기능들을 어떻게 조합할 수 있는지를 도시한다. 도 3은 이러한 광학 배열체의 등각도를 도시한다. 조명 입구는 두꺼운 화살표로 표시된다. PBS 평면은 350으로 표시된 음영 평면이고 콜리메이팅 반사 렌즈는 352이다. 프리즘(356)의 저부 평면은 TIR 반사가 일어나는 평면이고 도파관(12)의 연속이다. 도파관으로의 입구(358)는 프리즘의 측부에 있다. PBS 평면(350)은 라인(357)을 따라 거의 수직으로(90도 ±20도) TIR 평면(356)과 교차하는 것은 분명하다.
도 5의 평면도는 프리즘 내부의 빔의 전파를 도시한다. 조명은 PBS(350)에 의해 LCOS 상으로 반사된다. LCOS로부터의 반사된 영상(여기서는 단일 영상 픽셀로부터의 빔들의 화살표들로서만 도시됨)은 반사 렌즈(352)를 향해 반사되고 프리즘의 측부들로부터의 반사 없이 PBS(350)를 통과한다. LCOS로부터의 콜리메이팅된 빔은 PBS에 의해 도파관 입구 애퍼처(358) 상으로 반사된다. 이들 빔들 중 일부는 PBS 반사(360P1) 후에 TIR 반사(360T1)되는 한편, 빔들 중 다른 것은 PBS 반사 (360P2) 후에 TIR 반사(360T2)되고, 또 다른 것들(도시되지 않음)은 도파관 입구(358)에 도달하기 전에 TIR되지 않는다. 도 4의 측면도는 설명의 명확성을 위해,동일한 빔들을 도시하지만, PBS 반사와 같은 거리까지만 도시한다.
이에 따라, 여기서 도시된 영상 프로젝터(14)는 화살표(302)에 의해 개략적으로 표현되는, 조명 배열체와 연관되는 제1 표면(300), 반사 SLM(306)과 연관되는 제2 표면(304), 1/4 파장판 및 반사 콜리메이팅 렌즈(352)를 갖는 제3 표면(308), 및 LOE(12)의 커플링 인 표면(입구)(358)에 광학적으로 커플링되는 제4 표면(310)을 갖는 프리즘을 채용한다. PBS(350)는 조명 배열체(302)로부터의 조명이 SLM(306)을 조명하도록, 그리고 SLM(306)으로부터의 반사된 영상 조명이 콜리메이팅 렌즈(352)에 의해 콜리메이팅되고 커플링 인 표면(358)을 향해 지향되도록 광 경로를 형성하도록 프리즘 내에 배열된다.
영상 프로젝터(14)의 프리즘은 또한 제1, 제2, 제3 및 제4 표면들(300, 304, 308 및 310) 모두에 평행하지 않은 제5 표면(356)을 가진다. 제5 표면(356)은 LOE(12)의 주 외부 표면들 중 하나와 동일 평면에 있고, 광학적으로 연속적인 것이 본 고안의 바람직한 특정 구현들의 특정한 특징이다. 콜리메이팅 렌즈(352)에 의해 콜리메이팅된 영상 조명의 일부는 바람직하게는 커플링 인 표면(358)에 도달하기 전에 제5 표면(356)에서 내부 반사된다.
여기에 도시된 구현에서, PBS(350)는 조명 배열체로부터 조명을 SLM(306)을 향해 반사시키고, SLM으로부터 반사되는 반사 영상 조명을 콜리메이팅 렌즈(352)를 향해 투과시키며, 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 커플링 인 표면(358)을 향해 반사시키도록 배치된다.
조명원(302)은 LED들 및 레이저 다이오드들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려져 있는 임의의 적합한 조명원일 수 있다. 조명원은 컬러 영상들을 생성하기 위해 비디오의 단일 프레임 기간 내에 컬러 분리 영상들을 조명하기 위해 빠르게 전환될 수 있는 상이한 컬러들의 소스들을 포함할 수 있다. 조명원은 모두 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 조명을 지향시키고/거나 균일화하기 위한 다양한 광학 구성요소들을 포함할 수 있다. 조명원은 또한 바람직하게는 직접 도파관을 향해 입력 조명의 누설을 방지하기 위해 입력 조명이 PBS(350)에 대해 S-편광되도록 보장하는 편광기를 포함한다.
도 4에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 제2 표면(304) 및 제3 표면(308)은 바람직하게는 제5 표면(356)에 대해 비스듬하게 각을 이루고, 제2 표면(304)은 바람직하게는 제3 표면(308)에 평행하다. 콜리메이팅 렌즈(352)의 광축은 바람직하게는 제5 표면(356) 및 LOE(12)의 주 외부 표면들에 대한 투영된 영상의 주 광선(chief ray)의 경사각을 형성함으로써, 도파관으로의 영상의 투입각의 경사를 형성한다. 이 구성은 특히 비교적 얕은 투입각들에 효과적이다. 제3 표면(308)의 바람직한 예시적인 배향들은 제5 표면(356)과 50도와 70도 사이의 각도를 형성하고, 바람직하게는 도파관의 주 외부 표면들에 대한 20-40도에서의 영상의 주 광선의 경사에 대응한다.
도 6 및 도 7은 영상 프로젝터(14)의 대안적인 구성을 도시하며, 동등한 구성요소들은 유사하게 라벨링된다. PBS(350)에 대한 도 3 내지 도 5의 구현의 반사-투과-반사 광 경로와 대조적으로, 도 6 및 도 7의 구현은 PBS에 대한 투과-반사-투과 광 경로를 채용한다.
구체적으로, 도 7에서 가장 잘 보이는 바와 같이, PBS(350)는 여기서 조명 배열체(302)로부터 조명을 SLM(306)을 향해 투과시고, SLM으로부터 반사된 영상 조명을 콜리메이팅 렌즈(352)를 향해 반사시키며, 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 커플링 인 표면(358)을 향해 투과시키도록 배치된다. 이 경우에, 조명 배열체(302)의 편광기는 PBS(350)에 대해 P-편광을 생성하도록 구현된다. PBS(350) 및 제2 면(304)의 경사각, 및/또는 제2 면 상에서의 SLM(306)의 배향은 SLM을 콜리메이팅 렌즈(352)의 광축과 정확하게 정렬시키기 위해 조정될 수 있다.
모든 다른 측면들에서, 도 6 및 도 7의 구현의 구조 및 동작은 상술된 도 3 내지 도 5의 구현과 유사한 것으로 충분히 이해될 것이다.
상기한 설명들은 단지 예들로서 기능하도록 의도된다는 것과, 많은 다른 실시예들이 본 고안의 범위 내에서 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같이 가능하다는 것이 인식될 것이다.

Claims (7)

  1. 광학 시스템으로서,
    (a) 영상 광(image light)을 주 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 유도(guide)하기 위한 평행한 주 외부 표면 쌍을 갖는 도광 광학 소자(light-guide optical element, LOE)로서, 횡측 커플링 인(coupling-in) 표면을 갖는, 상기 LOE; 및
    (b) 프리즘을 포함하는 영상 프로젝터를 포함하고, 상기 프리즘은:
    (i) 조명 배열체와 연관되는 제1 표면;
    (ii) 반사 공간 광 변조기(spatial light modulator, SLM)와 연관되는 제2 표면;
    (iii) 1/4 파장판(quarter-wave plate) 및 반사 콜리메이팅 렌즈(reflective collimating lens)를 갖는 제3 표면;
    (iv) 상기 LOE의 상기 커플링 인 표면에 광학적으로 커플링되는 제4 표면;
    (v) 상기 조명 배열체로부터의 조명이 상기 SLM을 조명하도록, 그리고 상기 SLM으로부터의 반사된 영상 조명이 상기 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이팅되고 상기 커플링 인 표면을 향해 지향되도록 광 경로를 형성하기 위해 상기 프리즘 내에 배열되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS); 및
    (vi) 상기 제1 표면, 상기 제2 표면, 상기 제3 표면 및 상기 제4 표면 모두에 평행하지 않은 제5 표면을 가지며, 상기 제5 표면은 상기 LOE의 상기 주 외부 표면들 중 하나와 동일 평면 상에 있고 광학적으로 연속적이되, 상기 콜리메이팅 렌즈에 의해 콜리메이팅된 상기 영상 조명의 일부가 상기 커플링 인 표면에 도달하기 전에 상기 제5 표면에서 내부 반사되는 것인, 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PBS는 상기 조명 배열체로부터 조명을 상기 SLM을 향해 반사시키고, 상기 SLM으로부터 반사되는 반사 영상 조명을 상기 콜리메이팅 렌즈를 향해 투과(transmit)시키며, 상기 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 상기 커플링 인 표면을 향해 반사시키도록 배치되는 것인, 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 표면 및 상기 제3 표면은 상기 제5 표면에 대해 비스듬하게 각을 이루는 것인, 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 표면은 상기 제3 표면에 평행한 것인, 광학 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제3 표면은 상기 제5 표면과 50도와 70도 사이의 각도를 형성하는 것인, 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 SLM은 실리콘 액정(liquid-crystal on silicon, LCOS) 칩인 것인, 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 PBS는 상기 조명 배열체로부터 조명을 상기 SLM을 향해 투과시키고, 상기 SLM으로부터 반사된 영상 조명을 상기 콜리메이팅 렌즈를 향해 반사시키며, 상기 콜리메이팅 렌즈로부터 콜리메이팅된 영상 조명을 상기 커플링 인 표면을 향해 투과시키도록 배치되는 것인, 광학 시스템.
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