KR20220003503A - 장면 및 근안 디스플레이를 관찰시키기 위한 투명 광 가이드 - Google Patents

장면 및 근안 디스플레이를 관찰시키기 위한 투명 광 가이드 Download PDF

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KR20220003503A
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Abstract

광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 투영된 이미지와 실제 장면을 동시에 관찰시키기 위한 LOE는,
투영된 이미지를 전달하는 광이 내부 반사에 의해 전파되는 투명한 블록, 및
광의 일부를 방출(couple-out)시키도록 경사지게 배향되고 구성되는 복수의 내부 부분 반사면들을 포함하고,
부분 반사면들 각각의 반사도는 방출되는 광의 총 출력이 LOE 내에 도입되는 광의 총 출력의 1/3 미만으로 되게 한다.
일부 실시예들에서, 투영된 이미지의 광은 편광되고, 직교 방향으로 편광된 광에 대한 부분 반사면들의 반사도는 실질적으로 감소된다.
일부 실시예들에서, 관찰자에 도달하지 않는 광에 대한 부분 반사면들의 반사도는 실질적으로 감소된다.

Description

장면 및 근안 디스플레이를 관찰시키기 위한 투명 광 가이드
본 발명은 일반적으로 헤드마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히, 그러한 장치의 일부인 광 가이드 광학 요소에 관한 것이다.
디스플레이 장치로부터의 투영된 이미지와 실제 장면을 동시에 관찰시키기 위해 관찰자에 의해 착용되는 장치는 널리 공지되어 있으며, 일반적으로 "헤드마운트 디스플레이"(head-mounted display, HMD) 또는 "근안 디스플레이"(near-eye display, NED)로 지칭된다. 이러한 장치는 일반적으로 관찰자의 머리 위에 착용되는 고글 또는 안경(안경)이나 헬멧 또는 바이저(visor)로서 구성되며, 투영된 이미지를 관찰자의 눈으로 전달하기 위한 하나 또는 두 개의 이미지 프로젝터(각각 전기 광학 디스플레이 요소를 포함함) 및 광학 요소를 포함한다. 당업계에 공지된 HMD의 일부 구성들에서, 이러한 광학 요소 중 하나는 광 가이드이며, 이는 관찰자의 눈 각각의 전방에 위치된다.
이러한 광 가이드(또한 "도파관" 또는 "기판"으로서 상호교환적으로 지칭됨)는 시야(즉, 디스플레이 요소의 스크린의 각도 크기) 및 뷰잉 윈도우(즉, 전체 디스플레이 스크린을 보도록 관찰자의 눈이 위치될 수 있는 윈도우, "시선 이동 상자"로도 알려져 있음)를 확장시키는 역할을 한다. 일반적으로, 그러한 광 가이드는 2개의 평행한 주 표면들을 갖는 투명 재료의 블록(또는 슬래브)이며, 이를 따라 디스플레이 요소로부터 투영되는 시준된 이미지를 전달하는 광이 내부 전반사에 의해 전파된다. 상기 블록은 해당 광의 일부가 관찰자의 대응하는 눈을 향하여 주 표면들 중 하나를 통해 방출되도록 기능하는, 구조적 방출(coupling-out) 배열을 포함한다.
회절 광 가이드라고도 알려진 광 가이드의 일부 구성들에서, 방출 배열은 주 표면들 중 하나 또는 둘 모두에서의 회절 구조를 포함한다. 반사 광 가이드, 특히 "광 가이드 광학 요소"(lightguide optical element, LOE)라고 알려진 다른 구성들에서, 상기 방출 배열은 상기 블록 내부에 있는, 패싯(facet)들이라고도 상호교환 가능하게 알려져 있는, 경사진 각도를 갖는 상호 평행한 부분 반사면들의 세트를 포함한다.
일부 경우에, 예를 들어, HMD가 안경의 형태인 경우, 방출 배열은 외부 관찰자들에게 덜 가시적이거나 심지어 보이지 않는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 헤드마운트 디스플레이(head-mounted display, HMD)를 착용하는 관찰자의 얼굴을 외부 관찰자가 광 가이드를 통해 관찰할 때 경험되는 바람직하지 않은 가시성 효과를 감소시키도록, HMD에 사용되는 광 가이드에 대한 개선을 제공하기 위한 것이다. 그러한 효과는 광 가이드 내에 입사되는 관찰자의 눈 및 얼굴로부터 반사되는 광의 일부에 의해 야기될 수 있고, 그에 따라 외부 관찰자에게 도달하는 광을 감쇠시켜, 외부 관찰자의 시야에서 광 가이드의 명백한 암화(darkening) 및, 관찰자의 얼굴과 눈의 마스킹(masking)을 초래할 수 있다. 종래 기술의 광 가이드에서의 또 다른 바람직하지 않은 가시성 효과는, 말단 면으로부터 반사되어 후방으로 전파되는, 광 가이드 내의 광에 의해 야기될 수 있으며, 이에 의해 광은 이를 눈부심으로 인식하는 외부 관찰자를 향해 방출될 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예들은 관찰자의 얼굴과 외부 관찰자 사이의 광 가이드를 통한 광 투과를 증가시키고 광 가이드로부터 외부 관찰자를 향해 투영되는 다른 광의 양을 감소시키기 위한 다양한 기술을 제공한다.
이러한 개선은 비-배타적인 예로서, 부분적으로 반사성인 표면들을 포함하는 광 가이드의 구성의 실시예들의 관점에서 설명될 것이다. 종래 기술의 그러한 반사 광 가이드, 또는 광 가이드 광학 요소(LOE)는 예를 들어, 미국 특허 제6,829,095호(Substrate-guided optical beam expander)에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참고로 포함된다. 그러나, 본 발명에 따른 개선들은 전체적으로 또는 부분적으로, HMD들을 위한 광 가이드의 다른 실시예들 및 구성들에도 적용될 수 있다.
구체적으로, 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE가 개시되며, 상기 LOE는,
제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에 전파되도록 하는, 투명 재료의 블록, 및
상기 블록 내에 있고 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된 복수의 상호 평행한 부분 반사면들 - 상기 부분 반사면들은 상기 제2 주 표면을 통과하는 상기 광의 일부를 방출시키도록 구성됨 -을 포함하고,
상기 부분 반사면들 각각의 반사도는, 상기 방출되는 광의 총 출력이 상기 LOE 내에 도입되는 상기 투영된 이미지를 전달하는 광의 총 출력의 1/3 미만으로 되게 한다.
일부 실시예들에서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는, 상기 방출되는 광의 총 출력이 상기 LOE 내에 도입되는 상기 투영된 이미지를 전달하는 광의 총 출력의 1/5 미만으로 되게 하고, 일부 실시예들에서는 광의 총 출력의 1/10 미만으로 되게 한다.
일부 실시예들에서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는 13% 미만이고, 일부 실시예들에서는 5% 미만이다.
또한, 제1 방향으로 편광되어 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 광에 의해 전달되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE가 개시되며, 상기 LOE는,
제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에 전파되도록 하는, 투명 재료의 블록, 및
상기 블록 내에 있고 상기 관찰자의 눈을 향하여 상기 광의 일부를 방출하도록 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된 복수의 상호 평행한 부분 반사면들을 포함하고,
상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 편광된 광에 대한 상기 부분 반사면들 각각의 상기 주 표면들에 수직한 방향에서의 반사도는 상기 제1 방향으로 편광된 광에 대한 상기 방향에서의 반사도의 1/3 미만이다.
상기 제1 편광된 방향은 상기 부분 반사면들에 대해 S-편광되는 것일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 부분 반사면들은 상기 제1 주 표면에 수직인 방향을 포함하는 적어도 약 30도의 각도 범위에 대해서 P-편광에 대해 실질적으로 투명하다.
또한, 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE가 개시되며, 상기 LOE는,
제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 제1 방향으로 상기 LOE를 따라 전파되도록 하며, 주어진 크기의 시선 이동 상자가 상기 제1 주 표면에 대해 평행하고 외부에 있는 평면에 정의되는, 투명 재료의 블록, 및
상기 블록 내에 있고 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 배열되며 상기 시선 이동 상자를 향하여 상기 광의 일부를 방출하도록 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된, 복수의 상호 평행한 부분 반사면들을 포함하고,
상기 시선 이동 상자 내의 임의의 지점을 향해 방출되는 상기 광의 일부에 대한 상기 부분 반사면들의 시퀀스 중 마지막 하나의 반사도는 상기 제1 및 제2 주 표면들에 수직인 방향으로 전파되는 광에 대한 반사도의 적어도 2배이다.
일부 실시예들에서, 상기 시선 이동 상자 내의 임의의 지점을 향해 방출되는 상기 광의 일부에 대한 상기 부분 반사면들의 시퀀스 중 상기 마지막 하나의 반사도는 상기 제1 및 제2 주 표면들에 수직인 방향으로 전파되는 광에 대한 반사도보다 적어도 4배 이상이다.
일부 실시예들에서, 상기 블록은 상기 부분 반사면들을 통과하는 상기 LOE 내에 전파되는 광이 입사하는 말단 면을 갖고,
상기 말단 면은 상기 LOE 내에 도입되고 방출되지 않은 광을 흡수하도록 구성되는 광 흡수층으로 코팅된다. 상기 광 흡수층은 거친 말단 면에 적용되는 검정색 페인트로서 구현될 수 있다.
또한, 근안 이미지 프로젝터 상의 이미지와 자연적인 장면을 관찰자에 의해 동시에 관찰시키기 위한 광학 시스템이 개시되며, 상기 광학 시스템은,
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 LOE, 및
상기 관찰자의 적어도 하나의 눈을 향하도록 상기 관찰자의 상기 머리 위에서 상기 LOE를 지지하기 위해 배치되는 지지 구조물을 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본원에서 설명된다.
도 1a는 헤드마운트 디스플레이(HMD)에서 사용되는 바와 같은 예시적인 광 가이드 광학 요소(LOE)의 단면 평면도이다.
도 1b는 외부 관찰자에 의해 인식된 바와 같은 도 1a의 LOE의 개략적인 정면도이다.
도 2는 종래 기술의 LOE에 있는 것과 비교하여, 본 발명에 따른 LOE를 따른 부분 반사면들의 전형적인 반사도 값들을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 종래 기술의 LOE 에서 부분 반사면들의 2개의 상이한 직교 편광 방향들에 대한 전형적인 반사도 값들을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 LOE에서 부분 반사면들의 2개의 상이한 직교 편광 방향에 대한 전형적인 반사도 값들을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 특정한 광선 트레이스들을 도시하는 도 1a의 LOE의 단면 평면도이고,
도 4b는 도 4a의 LOE의 세부적인 확대도이다.
도 4c는 도 1b의 LOE의 3개의 부분 반사면들에서 방향의 함수인 반사도의 그래프이다.
도 5a 및 5b는 각각, 광 흡수층을 갖지 않는 말단 면 및 광 흡수층을 갖는 말단 면을 나타내는, 도 4a의 LOE의 단면 평면도이다.
도 1a는 예시로서, 헤드마운트 디스플레이(head-mounted display, HMD)를 착용할 때 관찰자의 눈(20)의 전방에 위치되는, 부분적으로 반사성인 표면들을 갖는 광 가이드 광학 요소(lightguide optical element, LOE)(10)가 포함된, 관찰자에 의해 착용되는 안경으로서 본 예에서 형성된 HMD를 개략적으로 도시한다. 추가적으로 이는,
- 공급되는 신호들에 따라 이미지들을 생성하도록 동작하는 이미지 프로젝터(22)(이어서, LCOS 장치와 같은 전기 광학 디스플레이 장치 또는 공간 광 변조기를 포함함), 및 이미지의 시준된 버전에 대응하는 광을 투영하도록 구성되는 시준 광 어셈블리(모두 도시되지 않음) 및
- 투영된 이미지를 LOE(10)에 방출시키기 위한 방출 광학계(24)를 포함한다.
HMD의 일부 구성들에서 하나의 눈과 연관된 하나의 이미지 프로젝터가 있을 수 있으며, 다른 구성들에서는 각각이 관찰자의 눈들 중 대응하는 하나와 연관되는 2개의 이미지 프로젝터들이 있을 수 있고, 또 다른 구성들에서는 단일 이미지 프로젝터가 있을 수 있으며, 이는 이미지를 대응하는 눈들과 연관된 2개의 LOE들 내로, 또는 두 눈 전방에서 연장되는 하나의 긴 LOE 내로 투영하도록 배열되는, 하나의 이미지 프로젝터가 있을 수 있다.
도 1a에서 광 가이드 광학 요소(LOE)(10)는 LOE 내에서 그리고 관찰자를 향해 외부로 전파됨에 따라, 시준된 이미지의 선택된 광선들의 궤적을 갖는 것으로 수평 단면도에 도시되어 있다. LOE(10)는 기본적으로, 투명 재료로 구성되고 2개의 상호 평행한 주 표면들, 즉, 전방 표면(12) 및 후방 표면(14)을 갖는, 긴 블록(11)이다. 블록(11)의 한쪽 말단 근처에는 시준된 이미지가 LOE 내에 도입되는, 입구 윈도우와 연관된 입사(coupling-in) 배열이 있다. 본 예에서, 이는 입구 윈도우(19)가 후방 표면(14) 상에 인접하여 정의되어 있는, 경사진 반사면(18)이다. 다른 LOE들에서, 예를 들어, 입구 윈도우는 주 표면들 중 하나에 부착된 각진 프리즘 상에 있을 수 있거나, 또는 입구 윈도우는 블록의 말단 면에 있을 수 있다. 블록(11)에는 "패싯(facet)"으로 지칭되는, 모두 상호 평행한 일련의 경사진 부분 반사면들(16)이 내장된다. 시선이 이동되게 하고 HMD의 배치에서 눈(20)에 대해 약간의 여유를 제공하면서, 전체 이미지를 볼 수 있도록 관찰자의 눈이 위치될 수 있는 영역을 나타내는 관찰 영역(17)(시선 이동 상자로도 지칭됨)이 부분 반사면들(16)의 전체 그룹에 인접하여, 후방 표면(14)으로부터의 특정 거리에 그리고 그에 대해 평행하게 정의된다.
도시된 예에서는 입구 윈도우가 후방 표면 상에 있지만, HMD의 다른 구성들에서는, 대응하는 LOE가 전방 표면 상의 입구 윈도우 또는 블록(11)의 말단 면 상에 구성될 수 있음에 유의해야 한다. 본 발명은 또한 이러한 구성들을 커버한다.
선택된 광선들에 의해 예시되는 바와 같이, 방출 광학계(24)로부터의 이미지 전달 광은 입구 윈도우(19)를 통해 블록(11)으로 들어가고, 본 예에서, 주 표면들(12 및 14)로부터 내부 전반사되는 동안 블록(11)을 따라 전파되도록 경사진 반사면(18)에 의해 편향된다. 입구 윈도우가 말단 면 위에 있는 구성에서는, 입사되는 광이 블록을 따라서 전파되도록 직접(즉, 편향 없이) 진행될 수 있다. 이러한 전파 동안에, 광은 부분 반사면들(패싯)(16)과 만나고, 그 일부는 편향되거나 뷰잉 윈도우(시선 이동 상자)(17)로 방출된다.
임의의 근안 디스플레이 장치(예를 들어, 증강 현실 장치뿐만 아니라 가상 현실 장치)를 위한 LOE의 설계에서 중요한 과제 중 하나는, 에너지 소비를 감소시켜 배터리 수명이 길어지도록, 광원으로부터 관찰자의 눈으로의 광 쓰루풋(optical throughput)을 최대화하는 것이다. 따라서, 당업계에서는 일반적으로, 관찰자의 눈에 도달하는 이미지 강도를 최대화하도록 반사 LOE 설계에서 패싯들의 총 반사도를 최대화한다. 동시에, 관찰자에 의해 인식되는 바와 같이 시야에 걸쳐 그리고 뷰잉 윈도우에 걸쳐 균일한 강도 이미지를 달성하기 위해, 대개 패싯들 사이의 반사도가 다르다. 보다 구체적으로, 광이 블록(11)을 따라 전파되고 그 일부가 제1 패싯에 의해 방출되기 때문에, 나머지 광의 강도는 감소되고, 방출되는 광의 강도가 일정하게 유지되도록 하기 위해 후속하는 패싯들은 비교적 더 높을 필요가 있으며, 따라서 광이 만나는 최종 패싯은 가장 높은 반사도를 가져야 한다.
HMD의 일부가 되도록 특정한 LOE의 설계에서의 또 다른 과제는 관찰자가 자연적인 장면도 명확하게 볼 수 있도록 충분히 투명해야 한다는 것이다. 이러한 요건은, 높은 반사도가, 자연적인 장면으로부터 관찰자의 눈에 도달하는 광을 감소시키는 낮은 투과도와 실질적으로 동등하다는 점에서, 패싯들이 최대 반사도를 갖는 전술한 요건과 상충된다. 따라서, HMD에 대한 통상적인 LOE의 설계에서는 이들이 절충되어, 패싯의 반사도가 자연적인 장면으로부터의 광에 대한 원하는 최소값의 투과도를 달성하도록 비례적으로 감소된다.
그러나, 특정한 통상적인 LOE 설계에서는, (위의 발명의 내용 부분에서 언급된 바와 같이) 외부 관찰자에게 패싯들이 실질적으로 보이게 유지된다. 이는 그들의 투과도가 상대적으로 낮기 때문이며, 따라서 LOE의 블록(11)을 통해 그의 주 표면들(12 및 14)에 일반적으로 수직인 방향으로 관찰자의 얼굴 및 눈(20)으로부터 외부 관찰자의 눈(도시되지 않음)으로 반사되는 광이 감소된다. 이러한 효과는 외부 관찰자에게 보이는 LOE(10)의 정면도인 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 패싯들(16)은 다양한 어두운 스트립으로 나타나고, 관찰자의 얼굴을 흐리게 하며, 가장 왼쪽의 패싯은 가장 높은 반사도를 갖도록 따라서 가장 낮은 투과도를 갖도록 설계되기 때문에 가장 어두운 것으로 보인다. 이러한 설계들에서, 패싯들은 또한, 나머지 전파 광이 블록(11)의 말단 면(15)으로부터 반사되어, 패싯들(16)에 의해 전방 주 표면(12)을 통해 관측자의 눈으로 방출되기 때문에, 외부 관찰자에게 보일 수 있는 눈부심을 생성할 수 있다.
이하에서는, 외부 관찰자에 대한 패싯들의 가시성과 같은, 전술한 효과를 감소시키도록 설계된 신규한 특징을 포함하는 광 가이드 광학 요소의 예시적인 실시예들이 설명될 것이다. 이러한 특징들은 적절한 예시적인 실시예들의 관점에서 각각 설명될 것이다. 그러나, 일부 다른 실시예들은 이들 특징들 중 2개 이상을 동시에 포함할 수 있으며, 이는 통상의 기술자에 의해 용이하게 고안될 수 있다. 또한, 이들 특징들의 일부 또는 전부는 다양한 구성의 LOE의 실시예들, 특히 반사 및 회절 LOE의 실시예들에 포함될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들의 가이드 원리는, 패싯들을 투명하게 보이게 하여 외부 관찰자에게는 보이지 않게 하기 위해 LOE를 통과하는 광에 대한 그들의 총 투과도를 증가시키도록, 패싯들의 반사도를 감소시키는 것이다.
또한, 종래 기술의 전형적인 최적화된 반사 LOE 설계에 따르면, 패싯들의 반사도는 LOE를 따라 처음 만나는 패싯부터 마지막으로 만나는 패싯에 이르기까지, 관심 입사각, 편광 방향 및 스펙트럼 대역의 범위 내에서 대개 10%부터 25%까지 변한다. 입사각의 관심 범위는 LOE 및 상기 LOE가 일 부분이 되는HMD의 설계에서의 광학-기하 학적 고려사항에 의해 결정된다. 편광 방향 및 스펙트럼 대역의 관심 범위는 주로 이미지 프로젝터의 특성 또는 동작 요건에 의해 결정된다. 최적의 설계는 이러한 관심 범위 내의 패싯들의 반사도를 최적화하려는 것이지만, 이러한 범위 밖의 입사각, 편광 방향 및 스펙트럼 대역의 임의의 값에 대한 반사도 값들은 대개, 설계에 제한되지 않음을 유의해야 한다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예들의 추가적인 가이드 원리는 이러한 범위들 중 임의의 하나 이상을 벗어나는 패싯들의 반사도를 감소시키거나 가능하게는 최소화하여, LOE에 걸쳐 광에 대한 패싯들의 투과도를 증가시키는 것이다.
본 발명의 제1 예시적인 실시예에서, 또는 본 발명의 제1 양태에 따르면, 각각의 패싯의 총 반사도는, 관심 각도, 편광 상태 및 스펙트럼 대역의 범위 내에 있는 것을 포함하여, 전술한 종래 기술의 설계에 비해, 실질적으로 감소되도록 설계된다.
도 2는 LOE를 따르는 패싯들의 반사도 값(증가하는 선) 및 전파 광의 강도(감소하는 선)의 비교 그래프이다. 가로 축은 LOE를 따르는 상대 거리이고, 세로 축은 최대값에 대한 비율이다. 점선(dotted line)들은 가상 현실 장치(본 발명의 범위 밖에 있는)에서 사용하도록 설계된 LOE에 대한 최적의 값들을 나타낸다. 여기서, 최적의 설계는, 방출된 광의 세기를 균일하게 유지하면서, 디스플레이 이미지를 관찰하는데 있어서 효율을 최대화하기 위해, LOE에 진입하는 모든 광 에너지가 방출될 것을 필요로 한다. 따라서, 전파되는 광의 강도를 나타내는 선(31)은 거의 0으로 선형적으로 하강하는 반면, 연속되는 패싯들의 반사도를 나타내는 선(32)은 반사도의 대응하는 증가와 함께 거의 기하급수적으로 증가한다. 그 결과, 관찰자를 향해 방출된 광의 강도는 거의 균일하다. 선들은 최적의 설계 값들을 나타내고, 실제로는, 경사진 선들이 패싯들에 대응하는 단계들과 일부 유사할 것임에 유의해야 한다.
파선(dashed line)들은 헤드마운트 디스플레이(HMD)에 사용하도록 설계된 종래 기술의 LOE에 대한 전형적인 값을 나타내며, 여기서 반사도는 자연적인 장면의 비교적 선명한 뷰를 제공하도록 선택되었다. 이러한 선들은 점선들과 유사하지만, 감소된 기울기를 갖는 것으로 보인다. 따라서, 다시 (LOE로 진입하는 광의 총 강도를 나타내는) 100에서 시작하는 선형적으로 감소하는 선(34)은 말단에서 단지 약 50%에 도달하며, 이는 전파되는 광 에너지의 단지 약 50% 만이 (뷰잉 윈도우를 향해) 방출되었음을 나타낸다. 비슷하게, 증가하는 선(35)은 단지 약 42에 도달하며, 이는 최종 패싯의 반사도가 단지 약 42%에 불과하다는 것을 나타낸다. 이는 관련 입사각에서 투과도가 약 58%가 되게 하며, 자연적인 장면이 만족스럽게 선명하게 보이기에 충분히 높게 관찰되고 있는 LOE를 따르는 방향으로 비교적 높은 것으로 간주될 수는 있다.
전술한 바와 같이, 후자의 투과도는 HMD의 사용자의 얼굴과 눈이 흐려 보이게 하는 것을 피하면서, 외부 관찰자에게 패싯이 보이지 않게 하기에 충분히 높지는 않다. 이를 정정하기 위해, 본 발명의 제1 양태에 대응하는, 본 발명의 예시적인 실시예들에서 패싯들의 반사도는 도 2의 실선(solid plot line)들에 의해 나타낸 바와 같이 실질적으로 더 감소된다. 여기서, 증가하는 실선(38)은 단지 13에만 도달하며, 이는 마지막 패싯의 총 반사도(즉, 최고 반사도)가 바람직하게는 약 13% 이하(및 일부 특히 바람직한 실시예들에서는 약 5% 이하)임을 나타내고, 직선 실선(39)은 단지 약 63으로 감소하며, 이는 전파되는 광 에너지의 단지 약 37% 만이 방출됨을 나타낸다. 그 결과, 최종 패싯의 투과도는 근사적으로 87%로 증가하는데, 이는 사용자의 얼굴을 관찰하는 외부인에 대한 패싯의 가시성을 상당히 감소시키고, 다른 패싯들의 투과도는 훨씬 더 크다. 또한, 결과적으로, 이러한 바람직한 예에서, LOE 내에 방출된 이미지 강도의 적어도 63%가 최종 패싯을 넘어 LOE를 따라 계속 전파된다. 다른 특히 바람직한 예들에서, 최종 패싯을 넘어 전파되는 내부로 방출된 광의 비율은 3분의 2를 초과하고, 특히 바람직한 경우에는, 80%보다 크거나, 심지어 90%보다 크다. 따라서, 이러한 실시예에서, LOE의 광학 효율이 외부 관찰자에 의해 관찰되는 바와 같은 패싯들의 가시성을 실질적으로 감소시키거나, 보이지 않도록 상당히 감소되는, 직관에 반하는 설계 절충이 이루어진다.
예시적인 실시예들에서, 종래 설계에서의 값에 비해, 최종 패싯의 반사도는 13%/42% = 0.31배 감소됨에 유의해야 한다. 보다 일반적으로 본 발명의 이러한 제1 양태에 따른 실시예들에서, 패싯들의 반사도는 통상적인 최적의 설계에 비해, 0.5배 내지 0.1배, 바람직하게는 0.4배 내지 0.25배 범위만큼 감소된다.
본 발명의 제2 양태에 대응하는, 본 발명의 제2 예시적인 실시예에서, LOE에 진입하는(또는 내부로 방출되는) 이미지 전달 광은 패싯들에 대해 S-편광되는 것으로 전제된다. 이는 일부 HMD에서, 이미지 프로젝터 자체가 본질적으로 편광된 광(예를 들어, 액정 디스플레이)을 방출하거나, 또는 이미지 프로젝터(또는 시준 어셈블리)와 LOE 사이의 경로에 편광 필터가 개재되기 때문일 수 있다. 이러한 제2 양태의 새로운 특징에 따르면, P-편광된 광에 대한 패싯들의 반사도는 S-편광된 광에 대한 그들의 반사도에 비해 최소화되거나 실질적으로 감소된다. 일부 실시예들에서, 패싯들은 제1 주 표면에 수직인 입사 광 방향을 포함하는, 적어도 약 30도의 각도 범위에 걸쳐서 P-편광에 대해 실질적으로 투명하다. 이는 P-편광된 광에 대한 패싯들의 투과도를 최대화하여, 관찰자의 얼굴로부터 기인하는 광의 더 많은 부분이 외부 관찰자에 도달하게 하여, 패싯들이 외부 관찰자에게 더 투명하고 덜 가시적으로 되게 한다. 이러한 특징은 통상적인 접근법에 따른 것 또는 본 발명의 제1 양태에 따른 것일 수 있는, S-편광된 광에 대한 반사도 최적화에 더하여 적용됨을 유의해야 한다. 용어 "실질적으로 투명"함은 그의 일반적인 의미로 사용된다. 정량적으로, 이는 대개, 95%를 초과하는 투과도, 및 가장 바람직하게는 98%를 초과하는 투과도를 지칭한다.
도 3a는 입사광 빔의 각도의 함수로서, 예를 들어 통상적인 LOE에서 2개의 편광 방향, 즉 P-편광 및 S-편광에 대한 전형적인 패싯의 반사도를 도시한다. 도 3b는 본 발명의 제2 양태에 대응하는 예시적인 실시예들에서 LOE에 대한 반사도들의 유사한 그래프이다. 본 실시예에서, 관심 입사각의 범위 내에서 S-편광된 입사광의 반사도는, 전술한 본 발명의 제1 양태에 따른, 효율적인 디스플레이 이미지 전송 및 자연적인 장면 가시성 사이의 균형, 즉 대개 10% 내지 25%의 범위, 또는 감소된 반사도를 나타내는 값으로 최적화된다. 그러나, 도 5a와 비교할 때 도 5b에 명백히 보이는 바와 같이, 주 블록 표면들에 수직한 방향에서 또는 그 근방에서의 P-편광된 입사광의 반사도는 실질적으로 감소된다. 바람직하게는, 이러한 감소는 적어도 4배, 더욱 바람직하게는 적어도 8배 만큼이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 해당 방향에서의 P-편광에 대한 반사도의 값은 S-편광에 대한 패싯의 대응하는 반사도의 값의 약 1/3 이하, 보다 바람직하게는 1/5 이하이다.
제1 및 제2 양태들 중 하나 또는 둘 모두와 조합될 수 있는 본 발명의 제3 예시적인 실시예에서, LOE를 따라 전파되는 입사 이미지 전달 광을 착용자의 눈을 향하여 또는 보다 일반적으로는 시선 이동 상자를 향하여 지향시킬 입사각의 범위와 상이한 입사각에서의 임의의 패싯의 반사도는 실질적으로 감소된다. 따라서, 반사도가 감소되는 입사각의 범위는, 특히, 예를 들어 관찰자의 얼굴 및 눈으로부터 외부 관찰자를 향하는, LOE를 가로질러 진행되는 광의 방향에 대응하는 입사각들을 포함한다. 이는 해당 방향을 따라 투과도를 증가시켜 패싯을 덜 보이게 하는 것과 동등한 것이다.
본 발명의 제3 양태는, 예를 들어, 디스플레이 신호의 광선들(즉, 이미지 전달 광)이 왼쪽 말단으로부터 가로질러 전파되고, 5개의 패싯들(16)에 의해 편향(또는 방출)되는 예시적인 전형적인 LOE(10)의 단면도를 도시하는 도 4a를 참조하여 더 설명될 것이다. 도시된 광선들은 디스플레이된 이미지를 가로지르는 선택된 3개의 지점으로부터 기원하여 나오는 중심 광선들인데, 즉, 이미지의 중심 지점으로부터 나오는 실선(42)으로 도시된 광선들, 이미지의 가장 오른쪽 지점(관찰자에 의해 보이는 경우)으로부터 나오는 긴 파선(41)들로 도시된 광선들, 이미지의 가장 왼쪽 지점(관찰자에 의해 보이는 경우)으로부터 나오는 짧은 파선(43)들로 도시된 광선들이다. 도면에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 상이한 이미지 지점들로부터의 광선들은 상이한 패싯들을 통해 눈(20)에 도달한다. 예를 들어, 가장 왼쪽 지점으로부터 눈에 도달하는 광선들(짧은 파선)은 주로 제1(가장 왼쪽) 패싯(16a)을 통해 통과하고, 중앙 지점으로부터 눈에 도달하는 광선들(실선)은 주로 제3(중간) 패싯(16b)을 통해 통과하고, 가장 오른쪽 지점으로부터 눈에 도달하는 광선들(긴 파선)은 주로 제5(가장 오른쪽) 패싯(16c)을 통해 통과한다. 각각의 이러한 광선에 대해, 대응하는 패싯에서 고유한 입사각이 존재한다. 보다 일반적으로, 각각의 패싯에 대해, 눈(20)으로 들어갈 수 있는, 시선 이동 상자(eye motion box, EMB)(17) 내의 임의의 지점을 향하는 광선들을 지향시키는 주어진 범위의 입사각(이미지의 대응하는 부분으로부터의)이 존재할 것이다.
이제, 가장 높은 반사도를 갖는 것으로 설계되고(전술한 바와 같이 예를 들어, 도 2의 그래프의 오른쪽 말단에 도시된 바와 같이), 따라서, 통상적으로 LOE를 가로질러 통과하는 광에 대해 가장 낮은 투과도를 가져서 (예를 들어, 도 1b의 가장 왼쪽 대역에 의해 입증되는 바와 같이) 외부 관찰자에게 가장 잘 보일 수 있는, 이미지 전달 광이 전파되는 일련의 패싯들 내의 마지막(맨 오른쪽) 패싯(16c)에 대해 설명될 것이고, 것이다. 이러한 패싯(16c) 및 그에 의해 반사된 광선들은 도 4b에서 확대되어 도시되어 있으며, 이는 도 4a에서 상세라고 표시된 동그란 영역을 나타낸다. 3개의 대표적인 광선들이 도면에 표시된 바와 같이 고유한 입사각으로 도달하는 것이 관찰될 것이다. 따라서, 본 예에서, 이미지 왼쪽으로부터의 광선(짧은 파선)은 약 30도의 각도로 입사하고, 이미지 중심으로부터의 광선(실선)은 약 23도로 입사하며, 이미지 오른쪽으로부터의 광선(긴 파선)은 약 16도로 입사한다. 동일한 입사각들이 또한, 다른 모든 패싯들에도 적용된다는 점에 유의해야 한다.
이 경우, 유일한 관심 광선은 EMB(17)에 홀로 도달하는, 이미지의 오른쪽으로부터의 광선(긴 파선)이다. 보다 일반적으로, 이미지의 인접 영역들로부터 광선들이 나오는, 16도 근처의 입사각들의 범위가 EMB(17)로 반사된다. 이는 설계에 따라(또는 본 발명의 제1 및/또는 제2 양태에 따라) 반사도가 높게 유지되어야만 하는 범위이다. 한편, 전술한 설계 범위와 실질적으로 상이한 각도에서의 입사 광 신호에 대한 패싯(16c)의 반사도는, 본 발명의 제3 양태에 따라, 설계 범위에서의 반사도 값에 비해 감소된다.
도 4a를 다시 참조하면, 예를 들어 외부 관찰자를 향해 관측자의 얼굴로부터 반사되는 것과 같이, 수직 화살표(45)로 표시된 방향으로 위쪽으로 LOE를 가로지르는 광은, 전술한 범위와 실질적으로 상이한 입사각으로 패싯(16c)(및 다른 모든 패싯들뿐만 아니라)을 통과한다는 것을 알 수 있다. 도 4b에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 이 각도는 약 23도이다. 따라서, 본 예에서, 가로지르는 방향(화살표(45))으로 투과도를 증가시켜, 패싯의 가시성을 감소시키기 위해 이 패싯(16c)의 반사도가 상당히 감소되어야 하는 범위는 23도 근방의 입사각의 범위이다.
보다 일반적으로는, 본 발명의 제3 양태에 따른 실시예들에서, 시선 이동 상자 내의 임의의 지점을 향해 외부로 방출되는 광의 일부에 대한 시퀀스의 마지막 패싯의 반사도는, 주 표면들에 수직인 방향으로의 전파되는 광에 대해 바람직하게는 적어도 2배의 반사도를 갖는다.
도 4c는 도 4a의 패싯(16c)에 대한 설계 목표, 즉, 직사각형(51)으로 도시된 바와 같은 (EMB에 도달하는 광선에 대해) 16도 내지 21도의 범위에서 입사각들에 대해 비교적 높은 반사도를 갖고, 수직 선들(52)에 의해 도시된 바와 같은 더 높은 입사각들, 바람직하게는 22도 내지 25도의 범위에서, 비교적 낮은 반사도를 갖는 것으로 개략적으로 도시된다. 도 4c에서는, 이들 요건을 만족시키기 위해 도 4a의 패싯(16c)에 대한 반사도 대 입사각의 그래프(53)(실선)가 또한 도시되어 있고, 이는 통상적인 패싯에 대한 유사한 그래프(54)(파선)와 비교된다.
유사한 설계 고려사항들이 LOE 내의 다른 패싯들에도 적용될 수 있으며, 이에 의해 외부 관찰자에 대한 그들의 가시성을 더 감소시킬 수 있음에 유의해야 한다.
이제, 단독으로 또는 본 발명의 전술한 양태들 중 임의의 하나 이상과 조합될 때 유용하며, 광 가이드(회절성 도파관들을 포함함)의 모든 구성들에 적용될 수 있는, 본 발명의 또 다른 양태가 도 5a 및 도 5b를 참조하여 개시될 것이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, LOE(10)를 따라 전파되고 뷰잉 윈도우를 향해 방출되지 않는 잔류하는 이미지 전달 광은 계속해서 LOE의 말단 면(15#)에 도달한다. 이러한 광의 적어도 일부는 말단 면으로부터 반사되어 LOE를 따라 역방향(25)으로 전파될 것이며, 여기서 방출 배열은 대개, 해당 광의 일부로 하여금, 사용자로부터 멀어지는 외부(27)로 방출되게 한다. 이는 LOE 로부터 방출되고 외부 관찰자가 볼 수 있는 바람직하지 않은 눈부심을 초래할 수 있다. 이러한 효과는, 주입된 이미지 강도의 비교적 큰 비율이 모든 패싯들에 의해 투과되어 말단 면(15)에 도달하기 때문에, 본 발명의 제1 양태에 따른 LOE에서 특히 현저할 수 있다.
이러한 효과를 약화시키기 위해, 본 발명의 이러한 양태에 따라 그리고 도 5b에 도시된 바와 같이, 광 흡수 코팅, 필름 또는 층(35)이 LOE(10)의 말단 표면(15)에 적용된다. 광 흡수 코팅은 유리하게, LOE의 다른 3개의 측면들 중 임의의 표면에도 적용될 수 있다. 광 흡수 코팅(35)은 통상적으로 검정색 페인트의 층으로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 거친(rough) 표면을 갖도록 구성될 수 있으며, 이는 페인트 도포 전에 LOE의 엣지를 조면화(roughening)함으로써, 또는 광학 접착제 등을 사용하여 LOE의 관련 측면에 접합되는 거친 필름 또는 층을 사용함으로써 달성될 수 있다.
도면들에 도시된 바와 같은 LOE의 방향은 LOE로 들어오는 이미지 조명이 측면 엣지 부근으로 진입하여 측방향으로 전파되는 "측면 주입(side-injection)" 구현예로서 간주될 수 있음에 유의해야 한다. 도시된 모든 특징들은 이미지가 LOE의 상부로부터 주입되어 하향으로 전파되는 "하향식(top down)" 구현예에도 동일하게 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 특정한 경우에, 다른 중간 방향들이 또한 적용될 수 있으며, 명시적으로 배제된 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 포함된다.
전술한 설명에서의 수치적인 예들은 단지 예시적인 것이며, 설계 최적화 프로세스에서 변할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들에서, 그의 양태들 중 2개 이상이 최적화된 설계로 조합될 수 있음이 이해될 것이다.
전술한 설명들은 단지 예로서 기능하기 위한 것이며, 많은 다른 실시예들이 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다.
첨부된 청구항들은 단지, 다중 종속항을 허용하지 않는 국가의 형식적 요건들을 만족시키기 위해서, 다중 종속성 없이 작성되었다. 다중 종속항에 의존하는 청구항들을 실시함으로써 암시되는 모든 가능한 조합들의 특징들도 명시적으로 고려되고, 본 발명의 일부로 간주되어야 함에 유의해야 한다.

Claims (13)

  1. 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE로서,
    제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에 전파되도록 하는, 투명 재료의 블록, 및
    상기 블록 내에 있고 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된 복수의 상호 평행한 부분 반사면들 - 상기 부분 반사면들은 상기 제2 주 표면을 통과하는 상기 광의 일부를 방출시키도록 구성됨 -을 포함하고,
    상기 부분 반사면들 각각의 반사도는, 상기 방출되는 광의 총 출력이 상기 LOE 내에 도입되는 상기 투영된 이미지를 전달하는 광의 총 출력의 1/3 미만으로 되게 하는, LOE.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는, 상기 방출되는 광의 총 출력이 상기 LOE 내에 도입되는 상기 투영된 이미지를 전달하는 광의 총 출력의 1/5 미만으로 되게 하는, LOE.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는, 상기 방출되는 광의 총 출력이 상기 LOE 내에 도입되는 상기 투영된 이미지를 전달하는 광의 총 출력의 1/10 미만으로 되게 하는, LOE.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는 13% 미만인, LOE.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사면들 각각의 반사도는 5% 미만인, LOE.
  6. 제1 방향으로 편광되어 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 광에 의해 전달되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE로서,
    제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에 전파되도록 하는, 투명 재료의 블록, 및
    상기 블록 내에 있고 상기 관찰자의 눈을 향하여 상기 광의 일부를 방출하도록 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된 복수의 상호 평행한 부분 반사면들을 포함하고,
    상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 편광된 광에 대한 상기 부분 반사면들 각각의 상기 주 표면들에 수직한 방향에서의 반사도는 상기 제1 방향으로 편광된 광에 대한 상기 방향에서의 반사도의 1/3 미만인, LOE.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 편광된 방향은 상기 부분 반사면들에 대해 S-편광되는 것인, LOE.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부분 반사면들은 상기 제1 주 표면에 수직인 방향을 포함하는 적어도 약 30도의 각도 범위에 대해서 P-편광에 대해 실질적으로 투명한, LOE.
  9. 광 가이드 광학 요소(LOE) 내에 도입되는 투영된 이미지와 실제 장면을 관찰자의 눈에 의해 동시에 관찰시키기 위한 LOE로서,
    제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 평행한 제2 주 표면을 갖되, 상기 LOE 내에 도입되는 투영된 이미지를 전달하는 광이 상기 제1 및 제2 주 표면들에서의 내부 반사에 의해 제1 방향으로 상기 LOE를 따라 전파되도록 하며, 주어진 크기의 시선 이동 상자가 상기 제1 주 표면에 대해 평행하고 외부에 있는 평면에 정의되는, 투명 재료의 블록, 및
    상기 블록 내에 있고 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 배열되며 상기 시선 이동 상자를 향하여 상기 광의 일부를 방출하도록 상기 제1 주 표면에 대해 경사지게 배향된, 복수의 상호 평행한 부분 반사면들을 포함하고,
    상기 시선 이동 상자 내의 임의의 지점을 향해 방출되는 상기 광의 일부에 대한 상기 부분 반사면들의 시퀀스 중 마지막 하나의 반사도는 상기 제1 및 제2 주 표면들에 수직인 방향으로 전파되는 광에 대한 반사도의 적어도 2배인, LOE.
  10. 제9항에 있어서, 상기 시선 이동 상자 내의 임의의 지점을 향해 방출되는 상기 광의 일부에 대한 상기 부분 반사면들의 시퀀스 중 상기 마지막 하나의 반사도는 상기 제1 및 제2 주 표면들에 수직인 방향으로 전파되는 광에 대한 반사도보다 적어도 4배 이상인, LOE.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블록은 상기 부분 반사면들을 통과하는 상기 LOE 내에 전파되는 광이 입사하는 말단 면을 갖고,
    상기 말단 면은 상기 LOE 내에 도입되고 방출되지 않은 광을 흡수하도록 구성되는 광 흡수층으로 코팅되는, LOE.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광 흡수층은 거친 말단 면에 적용되는 검정색 페인트로서 구현되는, LOE.
  13. 근안 이미지 프로젝터 상의 이미지와 자연적인 장면을 관찰자에 의해 동시에 관찰시키기 위한 광학 시스템으로서,
    a. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 LOE; 및
    b. 상기 관찰자의 적어도 하나의 눈을 향하도록 상기 관찰자의 머리 위에서 상기 LOE를 지지하기 위해 배치되는 지지 구조물을 포함하는, 광학 시스템.
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