KR20220084159A - 향상된 균일도를 갖고/갖거나 눈 보호를 향상시키는 레이저 조명 디스플레이 - Google Patents

향상된 균일도를 갖고/갖거나 눈 보호를 향상시키는 레이저 조명 디스플레이 Download PDF

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요차이 단지거
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루머스 리미티드
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Abstract

관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이는 적어도 제1 컬러의 조명을 생성하는 조명 서브시스템을 갖는 이미지 생성기를 포함하고, 이미지 생성기는 조명을 이용하여 이미지를 생성한다. 투사 광학계는 관찰자에게 디스플레이하기 위해 이미지의 조명을 투사한다. 조명 서브시스템은 제1 편광을 갖는 제1 컬러의 제1 레이저 빔을 생성하는 제1 레이저, 및 제2 편광을 갖는 제1 컬러의 제2 레이저 빔을 생성하는 제2 레이저를 포함한다. 제1 편광 및 제2 편광은 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 직교하고, 이에 의해 준(quasi)-탈편광된 이미지가 투사된다.

Description

향상된 균일도를 갖고/갖거나 눈 보호를 향상시키는 레이저 조명 디스플레이
본 발명은 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이, 특히 레이저 광원에 의해 조명되는 디스플레이에 관한 것이다.
근안 디스플레이 및 헤드업 디스플레이와 같은 특정 디스플레이들은 낮 시간의 실외 사용과 같은 밝은 조건에서 사용될 때 적절하게 보일 수 있도록 높은 밝기를 가질 필요가 있다. 이는 시각적 요소들이 밝은 야외 풍경에 놓이면서 디스플레이되는 증강 현실 디스플레이의 경우에 특히 그렇다.
레이저 기반의 조명 시스템은, 공간 광 변조기(SLM: spatial light modulator)를 조명하기 위해 사용될 때, 또는 투사된 필드를 가로질러 매우 밝은 지점을 스캐닝함으로써 단독으로 사용될 때, 이러한 평균적인 높은 밝기를 달성할 수 있다. 스캐닝은 하나의 미러 또는 2개의 개별 미러를 이동시키는 2개의 수직 작동기에 의해 수행된다. 컬러 디스플레이의 경우, 3개의 개별적인 레이저(적색, 녹색 및 청색)에 의해 밝은 스폿이 생성된다.
레이저를 사용하는 것은 밝기 및 에너지 효율의 이점을 제공하지만, 이는 또한 이미지 불균일성의 문제를 야기할 수 있고, 일부 경우에는 눈 안전에 관한 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 디스플레이이다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이가 제공되며, 디스플레이는 (a) 적어도 제1 컬러의 조명을 생성하는 조명 서브시스템을 갖는 이미지 생성기와, 상기 조명을 이용하여 이미지를 생성하는 이미지 생성기, (b) 관찰자에게 디스플레이하기 위해 이미지의 조명을 투사하기 위한 투사 광학계를 포함하며, 조명 서브시스템은 제1 편광을 갖는 제1 컬러의 제1 레이저 빔을 발생시키는 제1 레이저, 및 제2 편광을 갖는 제1 컬러의 제2 레이저 빔을 발생시키는 제2 레이저를 포함하며, 제1 편광 및 제2 편광은 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 직교한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 제1 레이저 및 제2 레이저는 조명 서브시스템의 적어도 3개의 레이저들의 세트 중 2개이고, 적어도 3개의 레이저들은 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 상호 직교하는 편광을 갖는다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔은 상호 직교하는 편광을 갖는 나란한 빔들을 생성하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 내부 반사에 의해 광 가이드 광학 요소 내에서 시준된 이미지를 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주 외부 표면들을 갖는 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 광 가이드 광학 요소는 시준된 이미지의 적어도 일부를 관찰자를 향해 재지향하기 위한 방출 구성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔은 2개의 직교 편광을 포함하는 하나의 빔을 형성하도록 조명 서브시스템의 편광 빔 결합기에 의해 하나의 빔으로 결합된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 내부 반사에 의해 광 가이드 광학 요소 내에서 시준된 이미지를 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주 외부 표면들을 갖는 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 광 가이드 광학 요소는 시준된 이미지의 적어도 일부를 관찰자를 향해 재지향하기 위한 방출 구성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔은 각각 제1 파장 및 제2 파장을 가지며, 제1 파장 및 제2 파장은 5% 미만만큼 상이하고, 투사 광학계는 제1 편광 및 제2 편광을 평행한 상태로부터 실질적으로 직교 상태로 차별적으로 회전시키도록 구성된 특정 길이의 복굴절 재료를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지 생성기는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔에 의해 조명되는 편광-변경 공간 광 변조기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지 생성기는 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열을 더 포함하고, 스캐닝 배열은 공간 광 변조기의 상이한 영역들을 순차적으로 조명하기 위해 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 스캐닝 모션을 적어도 하나의 방향으로 생성하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 시준된 이미지를 관찰자에게 전달하기 위한 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 복굴절 재료는 시준 광학계로부터 광 가이드 광학 요소까지의 광 경로에 배치된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 시준 광학계는 적어도 하나의 편광 빔 스플리터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 복굴절 재료는 석영 결정의 블록이다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지 생성기는 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열을 더 포함하고, 스캐닝 배열은 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 스캐닝 모션을 적어도 하나의 방향으로 생성하기 위해 배치된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 조명 서브시스템은 이미지에서 직교 편광을 갖는 제2 컬러의 레이저 빔들을 생성하는 제3 레이저 및 제4 레이저와, 이미지에서 직교 편광을 갖는 제3 컬러의 레이저 빔들을 생성하는 제5 레이저 및 제6 레이저를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이가 제공되며, 디스플레이는, (a) 적색 광 빔을 생성하는 적색 소스, 녹색 광 빔을 생성하는 녹색 소스, 및 청색 광 빔을 생성하는 청색 소스를 포함하는 레이저 광원들의 세트(적색, 녹색 및 청색 광 빔들은 나란함), (b) 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열(스캐닝 배열은 적색 광 빔, 녹색 광 빔 및 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성하기 위해 배치됨), (c) 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러(디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원의 세트 및 스캐닝 배열과 연관되고, 디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원들 각각의 강도를 스캐닝 모션과 동기적으로 변조하여 이미지 평면에 이미지를 생성하도록 구성됨), 및 (d) 관찰자에게 디스플레이하기 위해 이미지 평면에 이미지의 광을 시준하기 위한 시준 광학 배열을 포함하며, 디스플레이 컨트롤러는, (i) 이미지의 현재 관심 영역을 결정하고, (ii) 현재 관심 영역 외부의 이미지의 적어도 일부에서의 컬러 포화도를 감소시키도록 레이저 광원들의 변조를 위해 픽셀 컬러 데이터를 변경하도록 더 구성된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 사용자의 눈의 현재 시선을 추적하도록 배치된 시선 추적 배열을 더 포함하고, 디스플레이 컨트롤러는 시선 추적 배열로부터 수신된 입력에 기초하여 현재 관심 영역을 결정한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지는 비디오 이미지이고, 디스플레이 컨트롤러는 비디오 이미지의 콘텐츠를 처리하여 현재 관심 영역을 도출한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지는 비디오 이미지이고, 디스플레이 컨트롤러는 비디오 이미지와 연관된 현재 관심 영역을 나타내는 데이터 스트림을 수신한다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 적색 소스, 녹색 소스 및 청색 소스의 배열과, 2차원 스캐닝 패턴은, 적색 광 빔, 녹색 광 빔 및 청색 광 빔이 이어지는 경로들이 대부분 비-중첩하도록 한다.
본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이가 제공되며, 디스플레이는, (a) 적색 광 빔을 생성하는 적색 소스, 녹색 광 빔을 생성하는 녹색 소스, 및 청색 광 빔을 생성하는 청색 소스를 포함하는 레이저 광원들의 세트, (b) 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열(스캐닝 배열은 적색 광 빔, 녹색 광 빔 및 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성하기 위해 배치됨), (c) 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러(디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원의 세트 및 스캐닝 배열과 연관되고, 디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원들 각각의 강도를 스캐닝 모션과 동기적으로 변조하여 이미지 평면에 이미지를 생성하도록 구성됨), 및 (d) 관찰자에게 디스플레이하기 위해 이미지 평면에 이미지의 광을 시준하기 위한 시준 광학 배열을 포함하고, 청색 소스 및/또는 스캐닝 광학 배열은 이미지 평면에서의 청색 광 빔의 점상 강도 분포 함수가 녹색 광 빔의 점상 강도 분포 함수의 적어도 2배의 폭을 갖도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 이미지 평면에서의 청색 광 빔의 점상 강도 분포 함수는 녹색 광 빔의 점상 강도 분포 함수의 적어도 3배의 폭을 갖는다.
본 발명의 일 실시예의 다른 특징에 따르면, 디스플레이 컨트롤러는 제1 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 녹색 소스의 강도를 변조하고, 디스플레이 컨트롤러는 제2 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 청색 소스의 강도를 변조하며, 제2 해상도는 제1 해상도보다 더 낮다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 본원에서 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 각각, 반사 및 회절 방출 구성을 이용하는, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이의 개략적인 측면도이다.
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 디스플레이에 사용하기 위한 레이저 조명 이미지 프로젝터를 개략적으로 도시한다.
도 2b 내지 도 2d는 각각, 정상적인 스캐닝 동작의 경우, 수직 스캐닝 미러가 고장난 경우, 및 수평 스캐닝 미러가 고장난 경우의 레이저 스캐닝 패턴을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2a의 이미지 프로젝터를 사용하여 구현하기 위한 스캐닝 패턴의 전방 스캔, 후방 스캔, 및 이중 스캔을 위한 스캐닝 패턴들의 개략도이다.
도 3d 및 도 3e는 2개의 레이저를 이용하는 도 2a의 이미지 프로젝터를 사용하여 구현하기 위한 스캐닝 패턴의, 전방 스캔 및 이중 스캔을 위한 스캐닝 패턴들의 개략도이다.
도 4a는 3개의 나란한 레이저를 이용하여 도 2a의 이미지 프로젝터의 레이저 조명 섹션을 변형한 구현예의 개략도이다.
도 4b는 스캐닝 축에 대한 레이저 빔의 상대적 배치를 위한 제1 옵션의 개략도이다.
도 4c 내지 도 4e는 각각, 도 4b의 레이저의 배치로 구현될 때, 정상적인 스캐닝 동작의 경우, 수직 스캐닝 미러가 고장난 경우, 및 수평 스캐닝 미러가 고장난 경우의 레이저 스캐닝 패턴을 도시한다.
도 5a는 스캐닝 축에 대해 엇갈려 있는(staggered) 레이저 빔의 상대적 배치를 위한 제2 옵션의 개략도이다.
도 5b 내지 도 5d는 각각, 도 5a의 레이저의 배치로 구현될 때, 정상적인 스캐닝 동작의 경우, 수직 스캐닝 미러가 고장난 경우, 및 수평 스캐닝 미러가 고장난 경우의 레이저 스캐닝 패턴을 도시한다.
도 6a는 스캐닝 축들에 대해 엇갈려 있는 6개의 레이저 빔들의 상대적인 배치의 개략도이다.
도 6b는 6개의 나란한 레이저를 이용하여 도 2a의 이미지 프로젝터의 레이저 조명 섹션을 변형한 구현예의 개략도이다.
도 6c 및 도 6d는 각각, 도 6a의 레이저의 배치로 구현될 때, 수평 스캐닝 미러가 고장난 경우 및 수직 스캐닝 미러가 고장난 경우의 레이저 스캐닝 패턴을 도시한다.
도 7a는 도 5a와 유사한 구성의 스캐닝 동안에 각각의 컬러가 뒤따르는 트레이스들의 개략도이다.
도 7b 및 도 7c는 본 발명의 일 양태에 따른 오목한(foveated) 컬러 포화도 감소의 전 및 후에 도 7a의 라인(207)을 따른 위치의 함수로서의 이미지 강도의 플롯이다.
도 7d는 도 6a와 유사한 구성의 스캐닝 동안에 각각의 컬러가 뒤따르는 트레이스들의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 픽셀 간격만큼 이격된 스캐닝 트레이스들을 갖는 2개의 레이저들을 이용하여 도 2a의 이미지 프로젝터를 사용하는 구현을 위한 스캐닝 패턴의 전방 스캔 및 이중 스캔을 위한 스캐닝 패턴들의 개략도이다.
도 9는 도 6a와 유사하지만 유사한 컬러들의 레이저 스캐닝 트레이스들 사이의 간격이 증가된 구성의 스캐닝 동안에 각각의 컬러가 뒤따르는 트레이스들의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 양태들을 구현하기 위한 디스플레이 컨트롤러의 블록도이다.
도 11a는 이미지 프로젝터로부터 관찰자의 눈으로 이미지를 전달하기 위한 도파관 기반의 광학 개구 확장기의 개략도이다.
도 11b는 제1 편광, 제2 편광, 및 2개의 패턴의 합에 따라 광학 개구 확장기를 통과하여 전파되는 편광된 광에 의해 생성된 2개의 강도 패턴을 도시한다.
도 12는 투사된 이미지의 탈편광을 용이하게 하기 위해 각각의 컬러에 대해 복수의 나란한 레이저를 이용하는 디스플레이의 개략도이다.
도 13a는 공통의 광 경로를 따라 도입된 각각의 컬러에 대해 복수의 직교 편광된 레이저 빔을 이용하고, 자유공간 광학계를 사용하는 디스플레이의 대안적인 구현예의 개략도이다.
도 13b는 도 13a의 디스플레이에 사용하기 위한 레이저의 대안적인 구성을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 양태에 따른 디스플레이의 다른 구성을 개략적으로 도시한다.
도 15a는 본 발명의 일 양태에 따른 디스플레이에 사용하기 위한 도파관과 통합된 탈편광기(depolarizer)의 개략도이다.
도 15b는 도 15a의 탈편광기에 사용되는 복굴절 재료의 1차 축의 배향의 개략도이다.
본 발명은 레이저 조명을 사용하는 디스플레이이다.
본 발명에 따른 디스플레이의 원리 및 동작은 도면들 및 첨부된 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도입으로서, 본 발명은, 각각이 레이저 조명을 이용하여 디스플레이의 구현과 관련된 문제를 해결하는, 그리고, 상당한 이점을 제공하기 위해 개별적으로 또는 시너지로 조합되어 이용될 수 있는, 다수의 별개의 양태들을 포함한다.
보다 구체적으로, 도면을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 양태들이 구현되는 전형적인 디스플레이의 개략적인 개요를 제공하며, 도 2a 내지 도 10은 신속 변조된 레이저 빔의 스캐닝 모션에 기초한 디스플레이에 특이적인 본 발명의 양태들에 관한 것이며, 도 11a 내지 도 15b는 레이저 조명의 편광 특성으로부터 발생하는 문제를 해결하는 본 발명의 양태들에 관한 것이다.
장치 개요
이제 도면들을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 시스템의 주요 광학 구성요소들의 개략적인 개요를 도시한다.
일반적으로, 본 발명은 사용자의 눈(502)에 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이(500)를 참조하여 본원에서 예시되고, 눈은 안구 움직임 상자(504) 내에 위치된다. 특정한 비제한적인 구현예들에서, 디스플레이는 서로에 대해 평행한 한 쌍의 주 외부 표면들(508, 510)을 갖는, 본원에서 "기판" 또는 "도파관"으로 상호 교환가능하게 지칭되는, 광 가이드 광학 요소(LOE: light-guide optical element)(506)를 포함한다. 시준된 이미지의 이미지 조명을 투사하는 이미지 프로젝터(512)는 주 외부 표면들(508, 510)에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하도록 이미지 조명을 LOE내로 도입하기 위해, LOE(506)에 광학적으로 연결된다. 이미지 프로젝터(512)는 "POD"로서 상호교환가능하게 지칭된다.
LOE(506)의 적어도 방출 영역과 관련된 방출 구성은, 사용자의 눈(502)에 의해 보이기 위해, LOE 내에서 전파되는 이미지 조명의 적어도 일부를 안구 움직임 상자(504)를 향해 재지향(redirect)시키도록 구성된다. 방출 구성의 전형적인 구현예들은, 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, LOE(506) 내의 주 외부 표면들(508, 510)에 비스듬하게, 복수의 상호 평행한 부분 반사 표면들(514)로서 구현되는 반사 방출 배열을 포함한다. 대안적인 방출 배열은, 도 1b에 도시된 바와 같이, LOE(506)와 연관되고 이미지 조명의 일 부분을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 회절 광학 요소(516)를 이용한다. 안내된 광 디스플레이를 위한 반사성 및 회절성 방출 배열 모두의 구현예들의 세부사항은 본 기술분야에 공지되어 있고, 간결함을 위해, 본원에서 상세히 설명되지는 않을 것이다.
스캐닝 시스템에 관련된 고려사항
도 2a는 디스플레이(500)에 사용하기에 적합한 이미지 프로젝터(512)의 광학 배열을 개략적으로 도시한다. 이미지 프로젝터(512)는 한 세트의 레이저들(19A)을 사용한다. R, G 및 B(각각 적색, 녹색 및 청색을 나타냄) 레이저들은 이색성 결합기(dichroic combiner)(20)(미니 렌즈가 도시되지 않음)에 의해 하나의 편광을 갖는 하나의 빔으로 결합될 수 있다. 결합된 발산 빔은 미러(22)에 의해 반사되고, 렌즈(23)에 의해 스캐닝 미러(24 및 25) 상으로 굴절된다. 각각의 이러한 미러는 직교 축을 중심으로 스캔한다. 렌즈(26)는 스캐닝된 빔을 도파관 동공(pupil)(34)으로 방출하는데 필요한 동공 이미지를 생성한다. 빔을 확장시키기 위해 이미지 평면(29)에는 바람직하게는, 마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro-lens array) 또는 확산기가 배치된다. 본 구현예에서는 여기에서, 편광 빔 스플리터 프리즘에 기초하여, 빔이 LOE(도시되지 않음)로 들어가는 경우, 동공(34)을 빠져나가도록 빔을 시준하는 렌즈(32)에 대해 편광 빔 스플리터(PBS: polarizing beam splitter)(31)가 빔을 방향 전환시키는 것으로 도시되어 있다.
도 2b는 스캐닝된 이미지 필드를 덮는 전형적인 2차원 스캐닝 패턴을 도시한다. 이미지 필드(46)를 생성하기 위해 이미지 데이터에 따라 그 강도가 변조되는 동안에, (모든 레이저들의) 결합된 스폿(42)은 궤적(44)을 따라 스캐닝된다.
본 발명의 특정 양태들의 이해를 향상시키기 위해, 다음의 이론적 분석의 정확성에 무관하게 확립된 본 발명의 유용성을 어떤 식으로도 제한하지 않고, 하기와 같이 특정한 눈 안전 문제를 평가하는 것이 도움이 된다. 이하에서는, 근사적으로 눈에 충돌하는 강도만을 추정하기 위해 숫자들을 반올림하는 것으로 가정할 것이다.
60 Hz로 완전히 리프레시되는 이미지 내의 800 x 600 픽셀들을 가정하면, 측방향(공진) 미러는 60 x 600/2 = 18 KHz로 진동해야 한다(스캐닝 오버헤드를 무시하고, 움직임의 모든 방향들로 조명하는 것을 가정함). 따라서, 라인당 시간은 (1/18,000)/2 = 27 마이크로초이다.
픽셀당 시간은 27e-6/800 = 35 나노초이다.
프레임당 시간은 1/60 = 16 밀리초이다.
다음의 계산에서는, 조명이 전체 이미지에 걸쳐 백색 필드의 실외 주간 5000 NIT들에 대해 최적화된 것으로 가정한다.
눈 안전 고려사항
다음 분석은 파라미터들의 대략적인 추정치를 위해 주어지며, 눈 안전 계산을 위한 기초로서 의존해서는 안 된다.
오동작 시나리오는, 레이저들이 백색 스크린(공칭 최대 출력)에 등가인 출력으로 계속 동작하는 동안 하나 또는 두 개의 스캐너들이 동작하지 않는다고 가정할 수 있다. 두 스캐너들이 모두 진동하지 않고 스폿(42)이 정지되는 경우, 강도는 하나의 픽셀에 집중될 것이다.
5000 NIT x 600 x 800 = 2.4 x e9 NIT
이는 사람이 눈을 깜박이게 하고 궁극적으로는 근안 디스플레이를 제거하게 하는, 매우 밝은 스폿이다. 비교를 위해, 정오의 태양을 직접 보는 것은 1.6 x e9 NIT이다. 따라서, 이러한 스캐너가 정지된 상황은 사용자에게 불편하며, 눈에 해로울 수 있다.
도 2c는 스캐너(25)가 동작하지 않고 스캐너(24)(공진)만이 동작하는 상황을 도시한다. 공진 미러가 빠르게 이동하기 때문에, 스크린의 모든 출력이 라인(50)을 따라 분포되어 있다고 가정하며, 따라서 이 라인에서의 강도는 다음과 같다.
하나의 픽셀당 강도 / 라인당 픽셀 수 = 2.4 x e9 NIT / 800 = 3 x e6 NIT
이는 단일 스폿에 비해서는 덜 손상되지만, 사용자에게는 여전히 매우 높고 불편하다.
도 2d는 스캐너(24)가 작업을 중단하고 스캐너(25)만이 활성인 경우에 생성된 라인 스캔을 도시한다. 이 경우에, 픽셀당 강도는 이러한 스캐너의 이동이 느리기 때문에(즉, 눈에 대한 손상의 열적 상수가 마이크로초 단위인 반면, 라인당 밀리초의 단위임), 정지 스폿당 강도(2.4 x e9 NIT)와 동일한 것으로 근사화될 수 있다.
스캔 패턴 고려사항
도 3a는 스캐닝 레이저 스폿(42)이 패턴(44)을 뒤따르는 플롯(108)을 도시한다. 이 패턴은 고속의 측방향 스캐닝 공진 미러(24) 및 선형(제어된) 미러(25)에 의해 생성된다.
삽화(45A)는 양 방향(화살표로 표시됨)으로의 움직임 동안 생성된 픽셀들이 인접하도록, 즉 단일 픽셀 피치 간격이 되도록 수직 속도가 설정되는 필드의 중심에서의 픽셀 배치를 개략적으로 도시한다.
필드의 경계부에서는, 삽화(45B)에 도시된 바와 같이, 픽셀들의 일부가 중첩하는 반면, 다른 곳에서는 갭이 존재한다.
스캔(108)에서, 필드의 중심에서의 라인들(62) 사이의 갭은 한 픽셀(최적의 인접 픽셀들)인 반면에, 패턴의 경계부(64)에서의 갭은 두 픽셀들(중첩된 두 픽셀들 및 다음 픽셀까지 하나의 픽셀 갭)에 접근한다는 것이 명백하다. 도 3b의 후방 스캔(110)은 유사한 패턴을 도시한다. 스캐닝 라인들은 도 3c의 결합된 트레이스(112)에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 상이한 위치들에 위치된다. 필드의 양 측부에서의 트레이스들 및 갭들(70, 72)은 순차적으로 나타나고, 따라서 필드의 경계부에서 플릭커(flicker)를 야기할 수 있다.
사람의 시력은 대개, 시야의 주변 영역에서의 플릭커에 특히 민감하고, 시야의 중심에서는 훨씬 덜 민감하다는 것에 유의한다. 결과적으로, 스캐닝된 이미지의 측부에서 빠르게 변화하는 불균일성(플릭커)의 존재는 많은 관찰자들에게 매우 방해될 수 있다.
도 3d 및 도 3e는 모든 스폿이, 중첩하는 모든 컬러를 나타내는 2채널의 라인 간(interline) 스캔을 위한 다른 옵션을 도시한다. 도 3d의 트레이스(113a)는 단일 프레임을 도시하는 반면, 도 3e의 113B는 중첩된 후방 트레이스를 도시한다. 채널들 사이에 갭이 없는 경우(속이 빈 원 및 속이 찬 원으로 표시되고, 한 픽셀의 거리로서 도시됨), 필드의 경계부에서는 2개의 픽셀들의 갭(73)이 존재하고, 중심(75)에는 갭이 없을 것임(한 픽셀의 간격을 갖도록 인접함)이 분명하다. 따라서, 단일 채널에서와 같이, 갭들은 경계부들에서 플릭커(flicker)를 야기할 것이다.
컬러 고려사항
개별적인 레이저들의 출력에 관하여 몇 가지 상충되는 고려사항이 있다. 한편으로, 3개의 컬러 소스들의 상대적인 출력은 컬러들이 혼합될 때 원하는 레벨의 화이트 밸런스를 제공하도록 조절되어야 한다. 다른 한편, 절대적인 출력은 눈의 안전을 위한 임계치보다 낮아야 한다. 후자의 요건은 적색 광 및 녹색 광의 경우보다 청색 광의 경우에 더 엄격하다. 따라서, 청색 조명은 안전상의 이유로 가장 심각하게 제한되고, 다른 컬러들에 대한 레이저 출력은 화이트 밸런스를 유지하기 위해 반드시 그들의 안전 한계보다 훨씬 아래에 있다. 그 결과, 청색 레이저 출력에 대한 안전 한계로 인해 전체 이미지 밝기가 감소된다.
편광 고려사항
본 발명은 주로, 레이저에 의해 생성된 조명을 사용하는 디스플레이에 관한 것이다. 용어 "레이저"는 본원에서 광 발생 레이저의 임의의 유형에 광범위하게 사용된다. 소형 장치의 경우, 다이오드 레이저 또는 S-LED가 특히 바람직하다. 이들은 대개, 1 나노미터 미만의 스펙트럼 대역폭을 갖는 편광된 광을 생성한다. 이미지를 눈으로 중계하기 위한 도파관과 함께 사용될 때, POD에 의해 출력되는 편광된 이미지 조명은 균일하지 않은 출력 이미지를 생성한다. 이는, 출력 결합 메커니즘(회절성 또는 반사성)이 편광 감응성인 반면에, 내부 전반사(TIR: Total Internal Reflection) 동안에는 광의 편광이 변하기 때문이다. 레이저 빔의 높은 코히어런스(coherence) 및 빠른 스캔 속도는 모든 레이저를 능동적으로(예를 들어, 가변 LCD에 의해) 또는 수동적으로(석영 결정과 같은 복굴절의 좁은 윈도우) 탈편광(depolarize)하기에는 실용적이지 않게 만든다.
레이저의 사용으로부터 발생하는 이상의 제한들 중 일부를 해결하기 위해, 본 발명의 다양한 양태들에 대응하는 여러 접근법들이 이제 설명될 것이다.
강도 감소
본 발명의 일 실시예에 따른 구현예들의 하나의 패밀리는 도 4a에서 광학 배열(114)로서 도시되어 있다. 이러한 광학 배열은 장치(100)(도 2a)의 상부 섹션을 대체하는데, 여기에서는 레이저들(R, G 및 B)이, 이색성 결합기(20)를 사용하여 그들을 하나의 빔으로 결합하는 대신에, 19B로서 기하학적으로 나란히(side-by-side) 결합되는 배열인 점에서 상이하다. 그 결과, 3개의 레이저의 빔들은 중첩되지 않는다. 장치의 나머지 부분은 예를 들어, 도 2a 및 도 1a 또는 도 1b의 다른 세부사항과 유사할 수 있다.
도 4b는 이미지 평면 상에 나타나는 바와 같이(3개의 원), 3개의 레이저 스폿(80, 81 및 82)의 배향의 하나의 가능한 배치를 도시한다. 2개의 직교 축들은 미러들(24 및 25)의 스캐닝 축을 나타낸다.
레이저를 스캐닝함으로써 생성된 이미지는 도 4c에 도시되어 있다. 여기서, 3개의 이미지들은 스폿(80)에 대해 76으로, 81에 대해 77로, 82에 대해 78로, 일부 시프트되어 생성된다. 스폿의 스캐닝 패턴은 90(파선, 실선 및 점선)으로 표시되어 있다. 분명히, 수평 오프셋은 디지털 방식으로 정정될 수 있고, 사용되는 중첩 영역만이 정정될 수 있다.
3개의 스폿의 이점은 모든 스폿이 1/3의 강도(이는 근사치이다)를 갖도록 강도가 분포된다는 점이다. 따라서 두 스캐너가 모두 작동을 중지한 경우, 스폿당 강도는 다음과 같다(명확함을 위해 이 계산에서는 컬러가 고려되지 않음).
2.4 x e9 NIT / 3 = 800 x e6 NIT
이는 하나의 결합된 스폿에 비해 더 낮다. 이는 스폿들이 적어도 0.5도 이격되어 있는 경우, 눈에 대한 관측가능한 밝기를 감소시킬 것이다.
도 4b의 3개의 스폿의 스캐닝 패턴이 도 4c에 도시되어 있다. 3개의 레이저 모두의 패턴이 거의 중첩되어 있는 것이 명백하다. 결과적으로, 동일한 눈 섹션은 매우 짧은 간격으로 3개의 레이저 모두에 의해 조명된다. 조명의 이러한 측면은, 스캐너(25)가 오작동하고 움직이지 않을 때 생성되는 라인(96)을 나타내는, 도 4d에서 강조되어 있다. 이 경우에, 스폿들(80, 81, 82)은 근사적으로 중첩하는 경로를 가지며, 이에 의해 밝기 영향을 증가시킨다. 따라서, 사용자에 대한 겉보기 밝기는 도 2c와 동일한 3 x e6 NIT로 근사화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 스폿이 0.5도보다 더 많이 분리됨으로 인해, 눈에 미치는 영향은 하나의 스폿보다 더 낮다.
도 4e는 스캐너(24)가 오작동하고 작업을 중지한 경우의 스캐닝 패턴을 도시한다. 이 경우에, 도 2d에 설명된 라인은 이제, 도 2d의 결합된 대안에 비해 1/3의 강도를 갖는 3개의 라인으로 분할된다.
눈에 잠재적인 손상을 감소시키기 위한 보다 최적의 배열은 도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있다. 도 5a는 레이저 배열이 두 개의 스캐닝 축에 대해 일정 각도로 엇갈려 있는(staggered) 것을 도시한다. 스캐닝된 필드는 도 5b에 도시되어 있다. 각각의 레이저(76, 77, 78)에 대해 스캐닝된 필드는 다른 스캐닝 패턴에 비해 수평으로뿐만 아니라 수직으로도 시프트된다. 여기에서 간격은 구조적 구현예에 따라, 픽셀 피치와 유사하거나 더 작은 것으로 개략적으로 도시되어 있지만, 빔들 사이의 각도 간격은 바람직하게는 적어도 0.5도이고, 다수의 픽셀 치수들에 대응할 수 있으며, 일부 경우에는 20개, 또는 심지어 50개의 픽셀 치수들에 대응할 수 있다. 스캐닝 패턴들은 가장 바람직하게는 완전히 중첩하지 않으며(크로스오버를 무시함), 따라서 정상 동작 동안 모든 픽셀에서 국소적인 강도를 실질적으로 감소시킨다. 이는 연속적으로 사용되도록 의도된 디스플레이 장치의 경우 실질적인 이점이 된다.
도 5c 및 도 5d는 각각, 스캐너(25 또는 24)가 오작동할 때 생성된 라인 스캔 패턴을 도시한다. 경사진 레이저 배향을 이용하면, 두 경우 모두 스캐닝 중첩을 회피하므로, 두 경우 모두에서 국소적 밝기가 3배만큼 감소되는 점이 명백하다.
도 6a는 6개의 레이저들의 조합을 이용하는 아키텍처의 다른 비제한적인 예를 도시한다. 이러한 아키텍처를 구현하는 장치의 부분도는 도 6b에서 배열(132)로서 도시되어 있으며, 여기서 레이저 어셈블리(19C)는 도 4a의 19B와 유사하지만, 2개의 적색 레이저(RI, R2), 2개의 녹색 레이저(G1, G2) 및 2개의 청색 레이저(B1, B2)를 갖는다. 레이저들의 배치는 단지 개략적으로 도시되어 있다. 도 6a는 이미지 평면에서 대각선 배열로 있는 레이저 스폿들의 바람직한 정렬을 개략적으로 도시한다. 도 6c 및 도 6d는 각각의 스캐닝 메커니즘의 오동작으로부터 초래되는 라인 스캔을 나타내는 패턴들(136 및 138)을 각각 도시하며, 레이저들에 의해 생성될 비-중첩된 라인 패턴들을 도시한다. 결과적으로, 밝기는 결합된 하나의 스폿 아키텍처에 비해 대략 6배만큼 감소된다.
다른 레이저 배향이 또한 가능하다. 모든 경우들에서, 특히 바람직한 구현예들은 둘 이상의 레이저가 주 스캐닝 축들 중 어느 하나에 평행한 라인을 따라 위치되는 것을 회피한다.
눈 안전을 위한 청색 레이저 블러링 및 계산 부하 감소
사람 눈에 의한 컬러에 대한 인식은 가시 스펙트럼의 청색 및 적색 파장에서보다 녹색 파장에서의 해상도에 더 민감하다. 따라서, 이미지 평면 내의 광학 점상 강도 분포 함수(PSF: point-spread-function)에 의해 측정된 이미지 선명도는 녹색 조명에 대해서보다 청색 및 적색 조명에 대해 덜 중요하다.
한편, 레이저 안전 관점에서, 허용가능한 최대 노출(MPE: maximum permissible exposure)은 청색 광에 대한 장기간(예를 들어, 수 시간)의 직접 눈 노출의 경우, 근사적으로 0.1 mW/cm2이고, 녹색 광의 경우 근사적으로 1.0 mW/cm2이다. (이들 수치는 문헌 Maini, A. K. (Ed.). (2013). Lasers and Optoelectronics: Fundamentals, Devices and Applications, 599-603. https://doi.org/10.1002/9781118688977, 부록 A, 표 A.4 및 A.6에 기초한 것이다.)
이러한 관찰 결과를 이용하면, 본 발명의 일 양태에 따라, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이는 적색 광 빔을 생성하는 적색 광원(R1, R2), 녹색 광 빔을 생성하는 녹색 광원(G1, G2), 및 청색 광 빔을 생성하는 청색 광원(B1, B2) 중 각각의 적어도 하나를 포함하는 레이저 광원들의 세트를 채용한다. 적어도 하나의 스캐닝 미러(24, 25)를 채용하는 스캐닝 광학 배열은 적색 광 빔, 녹색 광 빔 및 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성한다. 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원의 세트 및 스캐닝 배열과 연관되고, 이미지 평면에 이미지를 생성하기 위해 스캐닝 모션과 동기적으로 각각의 레이저 광원의 강도를 변조하도록 구성된다. 시준 광학 배열은 관찰자에게 디스플레이하기 위한 이미지 평면에 이미지의 광을 시준한다.
본 발명의 일 양태의 특정 실시예들의 특정한 특징은, 이미지 평면에서의 청색 광 빔의 점상 강도 분포 함수가 녹색 광 빔의 점상 강도 분포 함수의 적어도 2배의 폭, 바람직하게는 적어도 3배의 폭을 갖도록 청색 광원 및/또는 스캐닝 광학 배열이 구성되는 것이다.
점상 강도 분포 함수(PSF)의 폭은 이미지 평면 내의 레이저 스폿의 겉보기 폭에 의해 직관적으로 정의될 수 있지만, 스폿 강도와 관련해서는 반치폭(FWHM: full width at half maximum)을 사용함으로써 보다 정확하게 정의될 수 있다.
특정한 예로서, 이미지 평면 상의 청색 광 조명의 출력 밀도는 녹색 조명의, 그리고 바람직하게는 적색 조명의 PSF를 최적의 값으로 유지하면서, PSF(직경)를 약 10^0.5 = 3.2배 확대시킴으로써, 10배만큼 감소된다. 결과적으로, 청색 레이저의 출력, 및 모든 3개의 레이저들의 총 출력은, MPE에 의해 결정되는 바와 같이, 눈에 대한 손상 임계치를 초과하지 않고, 10배만큼 증가될 수 있다.
청색 PSF의 확대는 또한, 컨트롤러(228)(도 10)에 의해 제공되는 청색 해상도를 감소되게 한다. 예를 들어, 녹색 이미지가 1000 x 1000 픽셀의 어레이 및 5 x 5 마이크로미터의 픽셀 크기를 갖는 경우, 청색 이미지는 PSF의 확대 후에 333 x 333 픽셀의 어레이 및 약 15 마이크로미터의 픽셀 크기를 가질 수 있다. 청색 이미지의 감소된 해상도는 컨트롤러(228) 내의 전자 장치의 크기 및 복잡도를 감소시킬 뿐만 아니라, 청색 레이저 드라이버에서의 빠른 펄스 변조의 요구되는 대역폭을 감소시킨다. 또한, 적색 이미지의 해상도가 감소되는 경우, 컨트롤러(228) 및 적색 레이저 드라이버에도 크기, 복잡도, 및 대역폭의 유사한 감소가 또한 적용된다. 따라서, 디스플레이 컨트롤러(228)는 제1 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 녹색 광원의 강도를 변조할 것이고, 제1 해상도보다 더 낮은 제2 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 청색 광원의 강도 및 선택적으로 또한 적색 광원의 강도를 변조할 것이다.
청색 PSF를 확대하는 것은 도 1의 광학 레이아웃의 릴레이 섹션(MLA(29) 이후) 또는 레이저 섹션(MLA(29) 이전)에서 다양한 방법에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 색수차는 적색, 녹색 및 청색 조명에 대응하는 렌즈 초점 길이가 상이하도록 릴레이 섹션에 도입될 수 있다. 청색에 대해 차선인(sub-optimal)(초점이 흐려진), 그리고 녹색 및 적색에 대해 거의 최선인, 29에 대한 특정 거리에 32(또는 276)의 초점 면을 위치시킴으로써, 청색 PSF는 확대되고 청색 이미지는 이미지 디스플레이에서 더 낮은 해상도를 갖는다.
그러나, 릴레이에서의 PSF 확대에 대해 색수차를 사용하는 것은 2가지 이유로 인해, 최상의 접근법이 아닐 수 있다. 첫째로, 청색 광학계에서의 시준의 결여는 청색 이미지 강도의 공간적 비균일성, 및 가능하게는 다른 이미지 결함(artifact)을 발생시킨다. 또한, 일부 경우에, 관찰자의 눈은 청색 이미지의 초점 흐리기를 보상하거나, 또는 "수용"할 수 있고, 청색 레이저 이미지를 선명하게 하기 위해 눈의 렌즈의 초점을 다시 맞출(re-focus) 수 있다. 이러한 경우, 수용 후의 눈의 망막 상의 출력 밀도는 MPE를 초과할 수 있다.
위의 어려움을 극복하는 또 다른 보다 바람직한 PSF 확대는, 빛이 MLA(29)에서 이미지 평면에 도달하기 전에, 레이저 섹션 내의 청색 레이저 빔의 초점을 흐리게(defocus) 하는 것이다. 이는 필요에 따라 PSF를 확대할 뿐만 아니라, 확산기 또는 MLA를 통과한 후에 이미지 평면에서 광학 위상 정보를 부분적으로 제거한다. 결과적으로, 이미지 디스플레이 상의 이미지는 관찰자의 눈에 의해 다시 초점이 맞춰질 수 없고, 눈의 망막 상의 감소된 출력 밀도가 유지된다. 또한, 입구 동공(34)에 도달하는 청색 조명은 렌즈(32)(또는 276)에 의해 잘 시준되고, 관찰자에게 제공되는 청색 이미지에는 어떠한 불균일성도 나타나지 않는다.
도 1에 도시된 청색 레이저의 위치를 광 경로를 따라, 이미지 평면에서 약간 초점이 벗어나는 위치로 이동시킴으로써, 청색 조명의 PSF 확대가 또한 달성될 수 있음에 유의해야 한다. PSF 확대를 위한 모든 방법들은 또한 적색 조명에도 적용될 수 있다.
청색 레이저 조명을 위한 전술한 PSF 확대는 나란한 레이저 배치의 경우에 또는 레이저 빔들이 공통 축을 따라 결합되는 경우에 모두 구현될 수 있다. 나란한 구성은 이미 설명된 바와 같이, 더 넓은 영역에 걸쳐 광 강도를 분산시키는 추가된 이점을 제공하며, 따라서 대개, 바람직하다.
컬러-충실도 감소에 의한 플릭커 해소
도 7a에서는 명료함을 위해, 도 5a 또는 도 6a의 상이한 컬러 스폿들이 상이한 형상을 갖는 것으로 제시된다. 컬러 레이저 스폿들(202)은 적색으로서 실선 스캔을 갖는 원을, 녹색으로서 점-파선을 갖는 정사각형을, 청색으로서 파선을 갖는 직사각형을 포함한다.
레이저들은 스캔 동안 도시된 바와 같이 트레이스(스캔 라인)가 중첩되지 않도록, 스캐닝 속도를 고려하여 특정 배향을 갖는 초점 면에 배열된다. 적색(204)의 두 스캔들 사이의 갭은 청색(206) 및 녹색(208)의 트레이스를 포함한다.
사람의 시력은 주변 필드에서의 색에 둔감하므로, 모든 컬러가 조명되는 이상(백색으로부터의 일부 편차), 관찰자는 모든 트레이스가 어떠한 차이도 갖지 않고 조명되는 것으로 인식할 것이다. 따라서, 갭(204)이 균일하게 조명되고 필드의 경계부에는 갭이 없는 것으로 인식될 것이다. 따라서, 백색 또는 균형 잡힌 그레이 레벨(컬러들의 조합을 포함함)을 갖는 이미지에 대해 주변부에서는 최소의 플릭커가 관찰될 것이다. 그러나, 투사된 이미지의 주변 영역이 높은 채도를 갖는 경우, 이는 플릭커를 야기하는 비-조명 영역들을 남겨둔 채, 하나 이상의 다른 색상들이 낮은 강도에 있을 것임을 의미한다.
이러한 관찰 결과를 이용하면, 본 발명의 일 양태에 따라, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이는 적색, 녹색 및 청색 광 빔들이 나란하게 있으면서, 적색 광 빔을 생성하는 적어도 하나의 적색 광원(R1, R2), 녹색 광 빔을 생성하는 적어도 하나의 녹색 광원(G1, G2), 및 청색 광 빔을 생성하는 적어도 하나의 청색 광원(B1, B2)을 포함하는 레이저 광원들의 세트를 채용한다. 스캐닝 광학 배열은 적색 광 빔, 녹색 광 빔 및 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성하기 위해 적어도 하나의 스캐닝 미러(24, 25)를 채용한다. 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러는 레이저 광원의 세트 및 스캐닝 배열과 연관되고, 이미지 평면에 이미지를 생성하기 위해 스캐닝 모션과 동기적으로 각각의 레이저 광원의 강도를 변조한다. 시준 광학 배열은 관찰자에게 디스플레이하기 위한 이미지 평면에 이미지의 광을 시준한다.
본 발명의 일 양태의 특정 실시예들의 특정한 특징은, 디스플레이 컨트롤러가 (i) 이미지의 현재 관심 영역을 결정하고, (ii) 현재 관심 영역 외부에서의 이미지의 적어도 일부에서 컬러 포화도를 감소시키기 위해 레이저 광원의 변조를 위한 픽셀 컬러 데이터를 변경하도록 더 구성되는 것이다. 즉, 어느 영역(들)이 현재 관심 영역이 아니라는 것을 결정한 후에, 이들 영역의 밝기를 유지하면서 이러한 영역들에서의 컬러 포화도가 감소될 수 있고, 이에 의해 3개의 컬러들의 강도를 적어도 부분적으로 같게 하며, 이에 의해, 방해되는 플릭커를 야기할 수 있던 상이한 컬러 스캔들 사이의 갭들이 채워질 수 있다.
이러한 접근법은 도 7b 및 도 7c에 도시되어 있다. 도 7b는 적색뿐인 이미지의 영역에 있는(하나의 피크(peek)(208)로 도시된 2개의 근접한 크로싱) 도 7a의 수직 라인(207)을 따른 이미지 조명 강도를 도시한다. 스캔 라인들 간의 갭은 분명하다. 도 7c는 동일한 이미지의 동일한 라인을 따르는 이미지 조명 강도를 도시하지만, 억제된 컬러 충실도(밝기는 유지되면서 감소된 컬러 포화도)를 나타낸다. 이 경우에, 적색(실선)은 계속하여 우세한 색이지만, 녹색(점-파선) 및 청색(파선)은 또한 전체 밝기 엔벨로프(210)의 불균일도가 감소되도록 조명된다. 사람의 주변 시력은 색에 대한 민감도가 낮기 때문에, 이는 균일한 조명으로 인식될 것이고, 이에 의해 플리커가 인식되는 것을 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 위의 접근법은, 시야의 중심에서 사람의 눈은 컬러에 민감하지만 플릭커에는 민감하지 않는 반면, 주변 시력에서는 그 반대라는 것, 즉, 눈이 컬러에는 둔감하지만 플릭커에는 더 민감하다는 관찰 결과에 근거한다. 이러한 눈의 특성은 인지된 컬러 충실도를 손상시키지 않으면서 플릭커의 가시성을 억제하는데 사용될 수 있다.
이미지 내의 "관심 영역"을 정의하기 위해 다양한 접근법들이 사용될 수 있다. 특정 응용예들에서, 특히 디스플레이의 상이한 부분들이 상이한 유형들의 정보를 제공하는데 사용되는 경우, 디스플레이의 특정 영역들을 컬러 충실도에 보다 민감한 것으로서, 다른 영역들을 덜 민감한 것으로서 미리 정의할 수 있다. 보다 바람직하게는, "관심 영역"은 다수의 접근법들 중 하나에 의해 동적으로 정의된다. 옵션은 다음을 포함되지만 이에 제한되지는 않는다.
1. 사용자 눈의 현재 시선을 추적하기 위해 배치된 안구 추적 배열의 사용. 이어서, 디스플레이 컨트롤러는 안구 추적 장치로부터 수신된 입력에 기초하여 현재 관심 영역을 결정한다.
2. 디스플레이될 이미지가 비디오 이미지인 경우, 디스플레이 컨트롤러는, 예를 들어, 상당한 움직임이 있는 영역들에서, 비디오 이미지의 콘텐츠를 처리하여, 현재 관심 영역을 도출한다.
3. 일부 경우에, 이미지가 비디오 이미지인 경우, 디스플레이 컨트롤러는 이미지 데이터와 함께, 비디오 이미지와 연관된 현재 관심 영역을 나타내는 연관된 데이터 스트림을 수신할 수 있다.
이들 각각의 경우에, 관찰자는 관심 영역을 보고 있는 것으로 가정되기 때문에, 그 영역 내의 컬러 충실도는 변경되지 않는다. 이 영역에 플리커링(flickering)이 존재하는 경우, 플릭커가 있는 중앙 시야의 둔감도로 인해 눈에 띄지 않을 것이다. 나머지 필드의 컬러 충실도는 이미지 처리에 의해 (관심 영역으로부터의 거리, 및 디스플레이의 해당 영역에서 발생할 수 있는 불균일성에 따라서) 감소될 수 있다. 이런 식으로, 컬러 수정이 눈에 띄지 않는 동안 플리커링이 억제될 것이다. 관심 영역이 필드를 가로질러 이동할 때에는, 설명된 바와 같이, 컬러 충실도가 유지되는 영역도 마찬가지이다.
도 7d는 도 7a와 유사하지만, 위의 도 6a에 도시된 것과 유사한 6개의 레이저 스폿들(212), 각각 RGB 색상의 2개의, 배열을 도시한다. 다른 배열도 가능하다. (배향이 엇갈리는 레이저들, 간격 및 스캐닝 속도의 선택에 의해) 중첩하지 않도록 트레이스들을 배열함으로써, 갭(214)(본 예에서, 적색 레이저들의 인접한 트레이스들 사이의 갭)은 다른 컬러들의 트레이스들로 채워질 수 있다. 수직 스캔 속도의 적절한, 기울기 및 설정은 트레이스들의 균등한 분산을 생성한다. 이런 식으로, 도 7b 및 도 7c를 참조하여 설명된 바와 같이 전술한 컬러 충실도 관리는 플리커링을 없애는 것을 달성하는데 매우 효율적으로 구현될 수 있다.
지금까지 도시된 예들에서, 2개의 채널을 채용하는 스캐닝 패턴은 채널들이 인접한 것으로 도시되었다(도 3d). 도 8a는 레이저 채널들이 그들 사이에 갭을 갖는 대안적인 구성을 도시한다. 레이저 채널들을 인접하게 배치하는 것은 필드의 중앙이 갭(도 3d의 영역(75))을 갖지 않는 이점이 있고, 따라서 필드의 중앙에는 플리커링이 존재하지 않지만, 필드의 측부에서의 갭이 2배가 된다는(도 3d의 영역(73)) 단점이 있다. 도 8의 구성에서, 2개의 이격된 채널들은, 그들 사이에 하나의 비어 있는 픽셀의 갭을 갖는 2개의 픽셀들(21b)로서 이격되어 있는, 갭을 갖는다. 도 8b는 후방 스캔을 더 포함하는 결합된 트레이스를 도시한다. 채널 배열로 인해, 필드(218)의 측부에서의 갭은 단 하나의 픽셀(도 3d의 갭(73)보다 더 작은 플릭커)이지만, 이 경우에, 중앙은 이제 도 3d의 영역(75)에서 발생하는 것보다 더 많은 플릭커를 도입하는 하나의 픽셀의 갭(도 8a에 표시된 220)을 갖는다.
도 9는 2개의 3컬러 채널들(156)의 세트에 적용되는 이러한 이격된 접근법을 도시한다. 트레이스들의 중첩되지 않은 배열은 바람직하게는 필드(222)의 측부(도 7d의 영역(214)과 유사하지만, 좁은 갭들을 갖는)에서의 갭들을 채우고, 또한 필드(224)의 중앙에서의 갭들을 채운다.
이러한 배열(156)에서, 전술한 바와 같은 감소된 컬러 충실도는 (가장자리들에서만이 아니라) 전체 필드에 걸쳐서 유리하게 적용될 수 있어서, 현재 관심 영역이 필드의 측부에 위치하는 경우, 컬러 충실도가 유리하게는 중앙을 포함하는 이미지의 나머지 부분에서 감소될 수 있다. 트레이스들 사이의 갭이 더 작기 때문에, 더 적은 컬러 충실도 감소가 필요하다.
여기서, 그리고 도면들 전체에 걸쳐서, 스캐닝 패턴들은 레이저 스폿들이 서로에 근접하는 것처럼 개략적으로 도시되지만, 한 픽셀 또는 두 픽셀들만큼 떨어져 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 이상 설명된 눈 안전의 이유로 인해, 제조의 편의를 위해, 레이저 스폿들 사이의 물리적 거리는 바람직하게는 훨씬 더 크고, 최적의 눈 안전을 위해, 바람직하게는 0.5도 이상에 대응한다. 그러나, 이러한 레이저 스폿들의 움직임의 트레이스들은 개략도들에 나타낸 바와 같이, 근접한다(예를 들어, 인접하는 픽셀들, 또는 한 픽셀만큼 이격됨). 레이저 스폿들의 이러한 더 큰 간격은 대응하여, 도 4c 및 도 5b에 설명된 프레임 위에 및/또는 측부들에 더 큰 마진들을 생성한다. 이러한 마진들은 축척에 맞지 않는 개략도들에서 명확하게 제시하기 위해, 도면들 대부분에서는 도시되지 않는다.
도 10은 특히 2채널 레이저 스캐닝 시스템의 예를 들어, 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태를 구현하기에 적합한 레이저 드라이버를 개략적으로 도시하는 블록도를 도시한다. 이미지는 CPU 프로세서(228)에 의해 수신되거나 생성된다. CPU는 시선 추적기(226)로부터 관찰자의 시선 방향을 나타내는 신호를 더 수신하여, 관심 영역을 정의할 수 있다. 대안적으로, 관심 영역은 투사될 이미지와 연관된 기록된 데이터(227)로부터 수신되거나, 또는 이미지 데이터로부터 직접 도출된다. CPU는 필요한 경우 컬러 충실도 변경을 정의하고, 이미지를 전처리기(230)(2개의 레이저 채널들에 대응하는 2개의 개별적인 전처리기들을 포함할 수 있음)로 전송한다. 전처리기(230)는 특정 채널과 연관된 이미지 수정을 수행한다. 이는 화이트 밸런스 및 연속된 컬러 충실도 수정을 포함한다. 하드웨어(232)는 스캐너 드라이버(238)로부터의 미러 위치 정보에 따라 펄스를 조정하고, 레이저 드라이버(234)는 레이저(236)에 대해 전기적 출력을 구동한다.
탈편광
도입으로서, 본 발명의 다른 양태는, 이미지의 조명이 하나 이상의 레이저로부터 유도되는 경우에, 그리고, 비스듬하게 각진 부분 반사성 내부 표면들 및 회절 방출 구성들에 기초하여 방출되는 경우와 같이 방출 구성이 LOE 내에서 전파되는 광의 편광에 민감한 경우에, 광 가이드 광학 요소(LOE 또는 기판 또는 도파관)로부터 방출된 이미지의 불균일도를 감소시키기 위한 광학 어셈블리, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 이러한 양태의 원리는, 레이저 조명이 LCOS(liquid crystal on silicon) 이미지 생성기 또는 마이크로미러 변조기와 같은 공간 광 변조기(SLM)를 조명하는데 사용되는 순차적 픽셀들 및 디스플레이들을 연속적으로 조명하기 위해, 변조된 레이저 빔의 신속한 스캐닝에 기초한 디스플레이들을 포함하는, 하나 이상의 레이저로부터의 광에 의해 조명되는 넓은 범위의 디스플레이들에 적용될 수 있다. SLM을 조명하는 경우에, 조명은 정적인 "플러드(flood)" 조명일 수 있거나, 또는 SLM의 표면을 가로질러 스캐닝되는 조명일 수 있다.
편광되지 않은 광을 도파관에 주입하는 것은 대개, 균일한 이미지를 생성한다. (특정 광학 설계의 다양한 한계로 인해, 투사된 이미지 내의 어두운 줄무늬에 대한 추가적인 원인이 있을 수 있지만, 이러한 문제는 적절한 광학 설계에 의해 회피될 수 있고, 본원에서는 다루어지지 않는다.) 본 발명의 일 양태에 따르면, 근사적으로 동일한 파장을 갖지만 직교하는 편광을 갖는 2개의 상관되지 않은 레이저들로부터 조명을 도입함으로써, 효과적으로 탈편광된 광이 생성될 수 있다. 2개의 레이저들 사이의 파장에서의 임의의 편차(이하에서 더 설명됨)는 바람직하게는 2개의 파장이 채색적으로 동일한 색상으로 인지될 정도로 충분히 작다.
도 11은 관찰자의 눈을 향해 이미지를 투사하기 위한 2차원 구경 확장을 달성하기 위해 내부 반사기들(250 및 252)의 2개의 세트를 갖는 도파관 구성(158)을 도시한다. 프로젝터로부터의 광은 프리즘(258)을 통해 도파관(254)에 주입되고, 반사기들(250)에 의해 반사될 때까지 내부 전반사(TIR)에 의해 안내된다. 재지향된 광은 계속해서 안내되고, 반사기들(252)은 광을 관찰자 눈으로 출력한다(256). 반사기들(250, 252)은 편광 선택적이다. 도파관(254)에 주입되는 레이저 광의 제1 편광 배향은 도 11b에 도시된 바와 같이 불균일한 이미지(260)를 생성할 것이다. 도파관(254)에 주입된 제2의 직교 편광된 레이저 광은 불균일하지만 상보적인 다른 이미지(262)를 생성한다. 도 11b의 이미지(264)에 도시된 바와 같이, 2개의 직교 편광된 레이저들을 동시에 주입함으로써, 균일한 이미지가 생성된다. 레이저들의 2개의 직교 편광된 쌍은 바람직하게는 각각의 컬러(R, G 및 B)에 대해 구현되어, 총 6개의 레이저들을 필요로 한다.
본원에서 주어진 예들은 컬러당 2개의 레이저들의 쌍들을 참조하지만, 본 발명은 또한 동일한 컬러의 3개 이상의 레이저들을 사용하여 구현될 수 있다. 편광 파라미터들은 수학적으로 정의된 푸앵카레 구(Poincare-sphere) 상의 벡터로서 기술하는 것이 일반적이다. 직교 편광을 갖는 2개의 레이저 빔들의 상기 정의는, 푸앵카레 구 상의 2개의 반대되는 벡터들을 참조하여 크기가 0인 조합된 푸앵카레 벡터를 갖는 것으로서 수학적으로 일반화될 수 있다. 이러한 동일한 수학적 설명은 조합된 벡터가 0의 크기를 갖는 요건을 충족시키기 위해, 동일한 컬러의 셋 이상의 빔에 대해 원하는 상대적 편광을 정의하는데 사용될 수 있다. 이러한 조합은 또한 "직교"로도 지칭된다.
따라서, 본 발명의 이러한 양태의 특정 실시예들에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이는 적어도 제1 컬러의 조명을 생성하는 조명 서브시스템을 갖는 이미지 생성기를 포함하고, 이미지 생성기는 상기 조명을 이용하여 이미지를 생성한다. 투사 광학계는 관찰자에게 디스플레이하기 위해 이미지의 조명을 투사한다. 본 발명의 이러한 양태의 특정한 실시예들의 특정한 특징은, 조명 서브시스템이 제1 편광을 갖는 제1 컬러의 제1 레이저 빔을 생성하는 제1 레이저, 및 제2 편광을 갖는 제1 컬러의 제2 레이저 빔을 생성하는 제2 레이저를 포함하고, 제1 및 제2 편광은 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 직교하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탈편광 양태의 구현예들은 이미지 생성기 및/또는 이미지 투사 광학계가 편광 요소들을 포함하는지에 따라 2개의 카테고리로 넓게 세분화될 수 있다. 따라서, 예를 들어, LCOS 변조기와 같은 편광-변형 공간 광 변조기를 채용하는 장치, 또는 이미지 프로젝터 내에 PBS-기반 광학계를 사용하는 장치는, 명확하게, 광이 이미지 생성기 및 프로젝터의 마지막 편광 요소를 지날 때까지 탈편광을 달성할 수 없다. 이러한 하나의 예가 도 12에 도시되어 있으며, 여기서 PBS(31)에 기초한 광학계는 시준 이미지 프로젝터의 일부로서 사용된다.
시준 이미지 프로젝터로부터 나오는 평면-편광된 레이저 조명의 탈편광을 가능하게 하기 위해, 제1 및 제2 레이저 빔은 바람직하게는 각각의 파장에서 5% 미만의 작은 차이로 구현된다. 파장에서의 이러한 차이는, 각각의 쌍의 레이저들이 동일한 컬러로서 인지되기에 충분히 작지만, 이미지 조명이 복굴절 재료의 길이를 통과하여 전파할 때 편광의 상이한 회전 속도를 제공하기에 충분하며, 이에 의해 그들의 편광 평면들이 실질적으로 직교할 때까지 2개의 레이저 성분이 차동적으로 회전될 수 있게 한다.
도 12의 구현예에서, 탈편광기는 광 경로에서 PBS 평면(31) 이후에 배치된다. 이러한 아키텍처에서, 모든 레이저는 동일한 초기 편광 배향(양방향 화살표로 도시됨)을 갖지만, 각각의 컬러의 두 레이저들의 각각의 쌍은 약간 상이한 파장(예를 들어, 550 나노미터의 파장에서 9 나노미터 차이)을 갖는다. 상대적으로 얇은 복굴절 윈도우(266)(예를 들어, 주축이 45도인 1.7 mm 석영 결정)는 두 레이저들의 상대적 편광을 90도 이격(점 및 양방향 화살표로 도시됨)되게 전환하고, 따라서 264로 인식될 상보성 이미지들(260 및 262)을 생성할 것이다. 두 조합된 이미지들의 스펙트럼(컬러) 차이는 눈에 띄지 않을 것이다.
상이한 컬러 레이저들이 동일한 윈도우를 사용하기 때문에, 모든 컬러의 모든 2개의 레이저들 사이의 스펙트럼 차이는 가장 바람직하게는, 동일한 길이에 걸쳐 근사적으로 90도의 편광 회전을 달성하도록 설정된다. 예를 들어, 1.7 mm 석영 결정 윈도우를 사용하는 경우, 최적의 비제한적인 예는 640 nm 파장의 경우 12 nm의 스펙트럼 차이, 550 nm 파장의 경우 9 nm 차이, 및 470 nm 파장의 경우 7 nm 차이를 채용할 것이다.
이를 위해 2개의(이제 직교하는) 편광들이 이러한 도파관 배향(수직 및 평행)에 따라 배향되게 할 경우, 이러한 배향을 설정하기 위해 윈도우(266)에 인접하여 파장판이 도입될 수 있는 것이 최선이다.
일부 경우에, 2개의 레이저들의 편광의 수직성은 드리프트(drift)되거나 또는 부정확할 수 있다. 선택적으로, 이러한 경우에, 복굴절 결정에 더하여 266에 활성 편광 회전기(예를 들어, LCD)가 도입될 수 있다.
그들 사이의 파장에서 미리 정의된 작은 오프셋을 갖는 레이저들의 쌍들을 생성하기 위한 다수의 옵션들이 이용될 수 있다. 이들은 다음과 같다.
1. 구조적 변형:
1.1 파장 선택성 공진기: 레이저 공진은 선택성 미러 또는 격자와 같은 공진기에 파장 선택성 광학계를 도입함으로써 상이한 파장에서 공진하도록 설정될 수 있다.
1.2 외부 피드백: 공진기 내로 다시 광을 반사하는 외부 공동(cavity) 광 반사체(미러 또는 격자)를 사용하는 것은 또한 미리 정의된 파장에서 레이저가 활성화되게 할 수 있다.
2. 활성화 파라미터의 수정:
2.1 온도: 상이한 온도에서 2개의 레이저를 안정화시키는 것은 2개의 상이한 파장에서의 투과를 가능하게 할 것이다.
2.2 상이한 작동 전류: 각각의 레이저에 대한 전류는 파장의 편이를 야기한다. 예를 들어, 하나의 레이저는 짧고 좁은 펄스들을 전송할 수 있는 반면, 다른 레이저는 더 적은 강도를 가질 수 있다.
3. 이득 매체의 변경:
3.1 반도체 레이저의 밴드갭을 변경하는 것은 레이저 파장을 변경할 것이다. 도핑을 약간 변경하는 것이 이를 달성할 수 있다.
3.2 레이저 자체의 코팅 층 구조(예로서 양자점 구성)는 레이저 출력 파장을 변경할 것이다.
사용할 복굴절 재료의 선택은 편광의 요구되는 직교화를 달성하기 위해, 파장 차이의 크기 및 사용 가능한 광 경로 길이에 의존할 것이다. 특정 구현예들에서, 석영 결정의 블록은 바람직하게 선택되는 재료이다. 다양한 복굴절 폴리머 재료가 또한 적합하다.
도 12의 배열은 광이 최종 편광 빔 스플리터(PBS: polarized beam splitter)를 떠난 후에 복굴절 재료 내의 비교적 짧은 광 경로를 사용하여 두 성분의 직교 편광을 달성하기 위해, 전술한 파장 오프셋을 필요로 한다. 프로젝터 내의 PBS-기반 광학계의 사용은 본질적으로 편광된 출력을 발생시키므로, 직교 편광은 광학 배열의 후속 스테이지에서만 생성될 수 있다. 이와 대조적으로, 도 13a는 이미지 조명을 스캐닝하고(관련된 경우), 지향시키며 시준하기 위한, 자유공간 광학계와 같은 비-편광 광학계를 채용하는 배열을 도시한다. 이 경우에, 2개의 빔들에 대해 동일한 파장이 사용될 수 있게 하면서, 단일 빔으로 결합된 직교 편광을 갖는 레이저 빔들의 쌍들로 구성된 복합 빔을 생성할 수 있다. 이 경우에, 앞서 언급된 바와 같이 축을 도파관의 주축들과 정렬하기 위한 일부 경우를 제외하고는, 대개, 도파관으로의 진입 시 빔의 편광 특성을 더 변경할 필요가 없다.
따라서, 도 13a는 시준 광학계(276)에 편광 요소들을 포함하지 않는 광학 시스템의 경우를 나타낸다. 한 세트의 RGB 레이저 광 P-편광은 파장 플레이트(268)에 의해 회전되어 S 편광되는(점으로 도시됨) 반면, 다른 세트의 레이저는 PBS(270) 상으로 P 편광(양방향 화살표로 도시됨)되어 투과된다. 광학 시스템을 가로지르는 이 지점으로부터의 광은 두 편광들을 모두 포함하며, 탈편광은 필요하지 않다.
모든 세트의 RGB 레이저들의 조합은 이색성 결합기(20)(도시된 바와 같음)를 포함할 수 있거나, 또는 PBS(270)의 모든 측면 상에서 나란히 존재할 수 있으며, 이에 의해 도 13b에 도시된 바와 같이(PBS에 결합된 레이저만 도시됨) 별개의 나란한 스폿들을 생성할 수 있다. 모든 6개의 레이저가 도 6b에 도시된 레이저 어셈블리 19C와 같이 나란히 있고 도 6a에 도시된 바와 같은 스폿들을 갖는다면, 그와 동등한 탈편광이 또한 달성될 수 있다.
두 개의 레이저를 결합함으로써 탈편광하는 본 발명은 또한, 조명을 플러딩(flood)하기 위해 레이저가 사용되는 경우, 또는 진폭 또는 위상 변조 LCOS(편광 감응성)와 같은 매트릭스나 Texas Instrument에 의한 DLP와 같은 마이크로미러 매트릭스를 생성하는 이미지를 스캔하기 위해 레이저가 사용되는 경우에 적용될 수 있다.
스캐닝 응용예들에서, 레이저들이 동일한 광학 개구(스캐너 미러)를 통해 시야를 스캔한다는 사실은, 2개의 직교 편광된 레이저들이 중첩되는 빔들을 가질 필요성을 감소시킨다. 이에 의해, 탈편광은 도 12에 도시된 바와 같이 구성(162)에 적용될 수 있다. 이 도면에서, 162는 시준 광학계 및 출력 개구(34) 사이에 배치되는 레이저들(19C) 및 추가적인 복굴절 윈도우(266)를 갖는, 도 2a의 100과 동등한 아키텍처를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예의 교시에 따른 추가적인 디스플레이 구현예를 도시한다. 이 경우에, 레이저 섹션(280)은 렌즈(282)에 의해 시준되고, 스캐너(24 및 25)에 의해 스캐닝된다(이 도면에서는, 하나의 2축 스캐너가 표시됨). 스캐너로부터의 광은 광학계(284)에 의해 LCOS(286) 상으로 집속된다. LCOS 로부터, 반사된 광은 LOE의 입구인 출구 개구(34) 상으로 시준된다(여기서는 축척이 맞지 않는 것으로 도시됨). 이 예에서, 광학 시스템은 편광 빔 스플리터에 기초하며, 따라서 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이, 동일한 인지된 컬러 및 동일한 파장의 파장-세분화된 레이저들의 쌍들을 레이저 섹션(280)에 도입함으로써 탈편광이 수행된다. 여기에서, 복굴절 윈도우(266)는 PBS 바로 뒤에 배치된다.
PBS를 사용하지 않는 동등한 시스템은 DLP 배열을 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 광학 섹션은 도 13a 또는 도 13b에 도시된 레이저와 동등할 수 있다. 선택성 편광 회전을 갖는 나란한 레이저들이 또한 구현될 수 있다.
PBS 바로 뒤의 투사 광학계의 일부로서 배치된 복굴절성 탈편광 윈도우를 사용하여 위에서 예시되었지만, 대안적으로 복굴절 요소는 도파관과 통합될 수 있다. 이러한 구현예는 도 15a에 도시되어 있다. 이러한 구현예는 심지어 하나의 레이저 빔(전술한 파장 오프셋 없이)의 효과적인 탈편광을 달성할 수 있는, 상대적으로 긴 탈편광 블록 또는 복굴절 재료가 사용되게 할 수 있다.
따라서, 도 15a는 도파관(250)에 통합되어, 상대적으로 긴 광 경로에 걸쳐 탈편광(또는 편광 회전)을 달성하는 복굴절 섹션(280)의 구현예를 도시한다. 주입된 광은 복굴절 재료(280)의 투명한 섹션에 부착되는 커플링 프리즘(258)에 들어간다. 이후, 광은 반사 패싯을 포함하는 섹션(250)으로 통과한다. 복굴절 섹션(280)의 주축(282)(도 15b)의 방향은 도파관 방향의 주축에 평행해야 하고, 레이저 조명은 그들의 축에 대해 대략 45도로 편광된 평면을 갖는 도파관 내로 주입되어야 한다.
광 입력 섹션(280)은 170(P 편광 및 S 편광)으로 도시된 바와 같이 모든 편광에 대해 굴절률에 따라 굴절시킬 것이다. TIR은 주축이 직교하기 때문에 편광들 사이에서 방출을 야기하지 않을 것이다. 광이 다음 섹션(250) 상으로 복굴절 섹션(280)을 빠져나감에 따라, 2개의 편광의 광 빔들은 다시 한번 평행하게 된다. 복굴절 섹션에서의 상대적으로 긴 전파는 그의 좁은 스펙트럼 폭에도 불구하고, 심지어 하나의 레이저 광 빔의 탈편광을 달성하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
이상의 설명들은 단지 예들로서 기능하기 위한 것이며, 많은 다른 실시예들이 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (22)

  1. 관찰자에게 이미지를 표시하기 위한 디스플레이로서, 상기 디스플레이는,
    (a) 적어도 제1 컬러의 조명을 생성하는 조명 서브시스템을 갖는 이미지 생성기 ― 상기 이미지 생성기는 상기 조명을 이용하여 이미지를 생성함 ―;
    (b) 상기 관찰자에게 디스플레이하기 위한 상기 이미지의 조명을 투사하기 위한 투사 광학계를 포함하고,
    상기 조명 서브시스템은 제1 편광을 갖는 상기 제1 컬러의 제1 레이저 빔을 생성하는 제1 레이저, 및 제2 편광을 갖는 상기 제1 컬러의 제2 레이저 빔을 생성하는 제2 레이저를 포함하며, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광은 상기 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 직교하는, 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저는 상기 조명 서브시스템의 적어도 3개의 레이저들의 세트 중 2개이고, 상기 적어도 3개의 레이저들은 상기 투사 광학계 내의 적어도 하나의 위치에서 상호 직교하는 편광을 갖는, 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔은 상호 직교하는 편광을 갖는 나란한 빔들을 생성하도록 배치되는, 디스플레이.
  4. 제3항에 있어서, 상기 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 내부 반사에 의해 광 가이드 광학 요소 내에서 상기 시준된 이미지를 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주 외부 표면들을 갖는 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 상기 광 가이드 광학 요소는 상기 시준된 이미지의 적어도 일부를 상기 관찰자를 향해 재지향하기 위한 방출 구성을 갖는, 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔은 2개의 직교 편광을 포함하는 하나의 빔을 형성하도록 상기 조명 서브시스템의 편광 빔 결합기에 의해 하나의 빔으로 결합되는, 디스플레이.
  6. 제5항에 있어서, 상기 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 내부 반사에 의해 광 가이드 광학 요소 내에서 상기 시준된 이미지를 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주 외부 표면들을 갖는 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 상기 광 가이드 광학 요소는 상기 시준된 이미지의 적어도 일부를 상기 관찰자를 향해 재지향하기 위한 방출 구성을 갖는, 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔은 각각 제1 파장 및 제2 파장을 가지며, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장은 5% 미만만큼 상이하고, 상기 투사 광학계는 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광을 평행한 상태로부터 실질적으로 직교 상태로 차별적으로 회전시키도록 구성된 특정 길이의 복굴절 재료를 포함하는, 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이미지 생성기는 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔에 의해 조명되는 편광-변경 공간 광 변조기를 포함하는, 디스플레이.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이미지 생성기는 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열을 더 포함하고, 상기 스캐닝 배열은 상기 공간 광 변조기의 상이한 영역들을 순차적으로 조명하기 위해 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔의 스캐닝 모션을 적어도 하나의 방향으로 생성하도록 배치되는, 디스플레이.
  10. 제7항에 있어서, 상기 투사 광학계는 시준된 이미지를 생성하기 위한 시준 광학계, 및 상기 시준된 이미지를 상기 관찰자에게 전달하기 위한 광 가이드 광학 요소를 포함하며, 상기 복굴절 재료는 상기 시준 광학계로부터 상기 광 가이드 광학 요소까지의 광 경로에 배치되는, 디스플레이.
  11. 제10항에 있어서, 상기 시준 광학계는 적어도 하나의 편광 빔 스플리터를 포함하는, 디스플레이.
  12. 제7항에 있어서, 상기 복굴절 재료는 석영 결정의 블록인, 디스플레이.
  13. 제1항에 있어서, 상기 이미지 생성기는 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열을 더 포함하고, 상기 스캐닝 배열은 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 스캐닝 모션을 적어도 하나의 방향으로 생성하기 위해 배치되는, 디스플레이.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조명 서브시스템은 상기 이미지에서 직교 편광을 갖는 제2 컬러의 레이저 빔들을 생성하는 제3 레이저 및 제4 레이저와, 상기 이미지에서 직교 편광을 갖는 제3 컬러의 레이저 빔들을 생성하는 제5 레이저 및 제6 레이저를 더 포함하는, 디스플레이.
  15. 관찰자에게 이미지를 표시하기 위한 디스플레이로서, 상기 디스플레이는,
    (a) 적색 광 빔을 생성하는 적색 소스, 녹색 광 빔을 생성하는 녹색 소스, 및 청색 광 빔을 생성하는 청색 소스를 포함하는 레이저 광원들의 세트 ― 상기 적색, 녹색 및 청색 광 빔들은 나란함 ―;
    (b) 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열 ― 상기 스캐닝 배열은 상기 적색 광 빔, 상기 녹색 광 빔 및 상기 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성하기 위해 배치됨 ―;
    (c) 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러 ― 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 레이저 광원의 세트 및 상기 스캐닝 배열과 연관되고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 레이저 광원들 각각의 강도를 상기 스캐닝 모션과 동기적으로 변조하여 이미지 평면에 이미지를 생성하도록 구성됨 ―; 및
    (d) 상기 관찰자에게 디스플레이하기 위해 상기 이미지 평면에 상기 이미지의 광을 시준하기 위한 시준 광학 배열을 포함하고,
    상기 디스플레이 컨트롤러는
    (i) 상기 이미지의 현재 관심 영역을 결정하고,
    (ii) 상기 현재 관심 영역 외부의 이미지의 적어도 일부에서의 컬러 포화도를 감소시키도록 상기 레이저 광원들의 변조를 위해 픽셀 컬러 데이터를 변경하도록 더 구성되는, 디스플레이.
  16. 제15항에 있어서, 상기 사용자의 눈의 현재 시선을 추적하도록 배치된 시선 추적 배열을 더 포함하고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 시선 추적 배열로부터 수신된 입력에 기초하여 상기 현재 관심 영역을 결정하는, 디스플레이.
  17. 제15항에 있어서, 상기 이미지는 비디오 이미지이고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 비디오 이미지의 콘텐츠를 처리하여 상기 현재 관심 영역을 도출하는, 디스플레이.
  18. 제15항에 있어서, 상기 이미지는 비디오 이미지이고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 비디오 이미지와 연관된 현재 관심 영역을 나타내는 데이터 스트림을 수신하는, 디스플레이.
  19. 제15항에 있어서, 상기 적색 소스, 상기 녹색 소스 및 상기 청색 소스의 배열과, 상기 2차원 스캐닝 패턴은, 상기 적색 광 빔, 상기 녹색 광 빔 및 상기 청색 광 빔이 이어지는 경로들이 대부분 비-중첩하도록 하는, 디스플레이.
  20. 관찰자에게 이미지를 표시하기 위한 디스플레이로서, 상기 디스플레이는,
    (a) 적색 광 빔을 생성하는 적색 소스, 녹색 광 빔을 생성하는 녹색 소스, 및 청색 광 빔을 생성하는 청색 소스를 포함하는 레이저 광원들의 세트;
    (b) 적어도 하나의 스캐닝 미러를 포함하는 스캐닝 광학 배열 ― 상기 스캐닝 배열은 상기 적색 광 빔, 상기 녹색 광 빔 및 상기 청색 광 빔의 스캐닝 모션을 2차원 스캐닝 패턴으로 생성하기 위해 배치됨 ―;
    (c) 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러 ― 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 레이저 광원의 세트 및 상기 스캐닝 배열과 연관되고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 상기 레이저 광원들 각각의 강도를 상기 스캐닝 모션과 동기적으로 변조하여 이미지 평면에 이미지를 생성하도록 구성됨 ―; 및
    (d) 상기 관찰자에게 디스플레이하기 위해 상기 이미지 평면에 상기 이미지의 광을 시준하기 위한 시준 광학 배열을 포함하고,
    상기 청색 소스 및/또는 상기 스캐닝 광학 배열은 상기 이미지 평면에서의 상기 청색 광 빔의 점상 강도 분포 함수가 상기 녹색 광 빔의 점상 강도 분포 함수의 적어도 2배의 폭을 갖도록 구성되는, 디스플레이.
  21. 제20항에 있어서, 상기 이미지 평면에서의 상기 청색 광 빔의 점상 강도 분포 함수는 상기 녹색 광 빔의 점상 강도 분포 함수의 적어도 3배의 폭을 갖는, 디스플레이.
  22. 제20항에 있어서, 상기 디스플레이 컨트롤러는 제1 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 상기 녹색 소스의 강도를 변조하고, 상기 디스플레이 컨트롤러는 제2 해상도의 이미지에 대응하는 픽셀 데이터에 따라 상기 청색 소스의 강도를 변조하며, 상기 제2 해상도는 상기 제1 해상도보다 더 낮은, 디스플레이.
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