KR20230000508U

KR20230000508U - 근안 디스플레이에서 사용을 위한 fov 확장 디바이스

Info

Publication number: KR20230000508U
Application number: KR2020237000001U
Authority: KR
Inventors: 에이탄 로넨; 나마 레빈
Original assignee: 루머스 리미티드
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2021-07-11
Publication date: 2023-03-09
Also published as: CN219676370U; TWM651362U; DE212021000324U1; TW202206893A; US20230251488A1; WO2022009213A1; JP3242480U

Abstract

근안 디스플레이에서 사용하기 위한 시야(FOV) 확장 디바이스는 근안 디스플레이의 출발 프로젝터로부터 입사 조명을 수신하는 제1 표면을 포함한다. 다수의 입사 조명 필드로 구성될 수 있는 입사 조명은 입사 각도 개구(incident angular aperture)를 특징으로 한다. 확장 디바이스는 관찰자에게 출력 광을 투사하는 비순차(NS) 광학 요소에 인접한다. 디바이스의 굴절률은 NS 광학 요소의 굴절률보다 크다. 출력 광의 투사된 각도 개구와 입사 조명의 입사 각도 개구 사이의 비율과 동일한 FOV 확장 비율은 미리 결정된 임계 값 보다 크거나 동일하다. FOV 확장 디바이스의 제1 표면은 일 실시예에서 투명하고 다른 실시예에서 반사적이다.

Description

근안 디스플레이에서 사용을 위한 FOV 확장 디바이스

관련 출원에 대한 상호 참조

이 출원은 "FOV EXPANSION BETWEEN POD AND LOE"라는 제목으로 2020년 7월 10일에 출원된 공동 소유의 미국 가특허 출원 US 63/050232와 관련되어 있으며 그 우선권을 주장한다. 상기 가출원의 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 고안은 근안 디스플레이(Near-Eye Display, NED) 안경에 관한 것으로, 특히 근안 디스플레이의 시야(Field Of View, FOV) 확장을 위한 도파관 기반의 디바이스에 관한 것이다.

근안 디스플레이들을 사용하는 컴팩트 시스템들은 전형적으로 디스플레이 프로젝터(Projector of Display, POD)로부터 아이 모션 박스(Eye Motion Box, EMB)로 광을 투사(project)한다. 투사된 광은 디스플레이의 개구들(apertures)을 확장하는 도광 광학 요소(LOE)와 같은 비순차(NS) 광학 요소를 통과하여 EMB로 들어간다. 뷰어(viewer)의 사용자 경험은 투사된 이미지의 FOV의 각도 크기로 향상된다.

컴팩트 NED 시스템들에서, FOV 크기에 대한 하나의 제약은 POD의 크기이며, 이는 NED 시스템의 폼 팩터 상에 배치된 요건들을 준수할 수 있을 만큼 충분히 작아야 한다. 투사된 이미지에서 허용될 수 있는 최대 왜곡 및 색수차에 추가적인 제약들이 있다.

본 고안은 POD로부터의 광을 NS 광학 요소로 커플링하고, 투사된 이미지의 각도 FOV를 상당히 확장하는 광학 FOV 확장(FE) 디바이스를 제공한다.

본 개시된 주제의 일 양태에 따르면, 근안 디스플레이에 사용하기 위한 광학 시야(FOV) 확장 디바이스가 제공된다. 디바이스는 근안 디스플레이의 디스플레이 프로젝터(POD)로부터 입사 조명을 수용하는 제1 표면을 포함하고, 입사 조명은 입사 각도 개구를 갖는다. 디바이스는 또한 제1 표면과 꼭지점 각을 형성하는 제2 표면을 포함한다. 제2 표면은 비순차(NS) 광학 요소의 표면에 근접하고 실질적으로 평행하며, 이는 투사된 각도 개구를 갖는 광을 투사한다. 디바이스의 굴절률은 NS 광학 요소의 굴절률보다 크다. 또한, 투사된 각도 개구와 입사 각도 개구 사이의 비율로 정의되는, 디바이스의 FOV 확장 비율은 미리 결정된 임계 값 보다 크거나 동일하다.

일부 양태들에 따르면, 디바이스의 제1 표면은 입사 조명에 대해 광학적으로 투명하다.

일부 양태들에 따르면, 디바이스의 제1 표면은 입사 조명을 광학적으로 반사한다.

일부 양태들에 따르면, 투사된 이미지 종횡비는 POD 종횡비보다 FOV 확장 비율과 동일한 팩터만큼 더 크다.

일부 양태들에 따르면, 미리 결정된 임계 값은 1.2이다.

일부 양태들에 따르면, FOV 확장 비율은 입사 조명의 입사각에 따라 증가한다.

일부 양태들에 따르면, 입사 조명의 입사각은 35도 내지 50도이다.

일부 양태들에 따르면, 디바이스의 굴절률은 1.70 내지 1.94이다.

일부 양태들에 따르면, 디바이스는 광학 플린트(flint) 유리 재료 또는 광학 아크릴 재료로 구성된다.

일부 태양들에 따르면, 꼭지점 각은 35도 내지 50도 사이의 값을 갖는다.

일부 양태들에 따르면, NS 광학 요소는 도광 광학 요소이다.

일부 양태들에 따르면, 입사 조명은 다수의 입사 조명 필드들을 포함한다.

일부 양태들에 따르면, 디바이스는 POD로부터의 입사 조명에 적용되는 보정들에 의해 보상되는 광학 수차들 및/또는 광학 왜곡들을 도입한다.

일부 양태들에 따르면, 보정들은 공간 광 변조기(spatial light modulator) 및/또는 보정 광학 요소들에 의해 적용된다.

일부 양태들에 따르면, 입사 조명은 색 수의 효과들을 제한하기 위해 하나 이상의 협대역 조명 소스들에 의해 제공된다.

일부 양태들에 따르면, NS 광학 요소는 회절 광학 요소를 통해 광을 커플링한다.

본 고안은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에 설명된다. 도면과 유사하거나 동일한 요소들을 나타내기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다.
도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른, 광을 LOE에 커플링하기 위한 예시적인 FE 디바이스의 개략적인 단면도이다.
도 2는 FE 디바이스와 LOE 사이의 인터페이스에서 입사각(θ120)과 굴절각(θ130) 사이의 높은 비선형 관계를 예시하는 예시적인 그래프이다.
도 3은 본 고안의 제2 실시예에 따른, 광을 LOE에 커플링하기 위한 예시적인 FE 디바이스의 개략적인 단면도이다.

도 1은 본 고안의 제1 실시예(100)에 따른, 광을 LOE(130)에 커플링하기 위한 예시적인 FE 디바이스(120)의 개략적인 단면도를 도시한다. POD로부터의 광은 다수의 입사 조명 필드들(110a, 110b, 및 110c)로부터 표면(120c)을 통해 디바이스(120)에 진입한다. 각각의 필드는 2개의 제한 광선들 사이에서 1차원으로 연장되는 것으로 도시된다. 광선들은 필드(110a)에 대해 일점 쇄선(dot-dashed lines)으로, 필드(110b)에 대해 실선으로, 그리고 필드(110c)에 대해 점선으로 구별된다. 입사 각도 개구(110)는 디바이스(120)에 진입하는 모든 조명 필드들로부터의 광에 의해 대면(subtended)되는 각도에 대응한다.

FE 디바이스(120)는, 예를 들어, 제1 꼭지점 각(120a), 제2 꼭지점 각(120b), 및 180^o-(120a + 120b)와 동일한 제3 꼭지점 각을 갖는 삼각형 단면을 갖는 프리즘 형상을 갖는 것으로 도시된다. 예로서, 꼭지점 각은(120a)은 35 내지 50도 일 수 있다.

조명 필드(110b)의 입사 광선들은 투명하고 꼭지점 각(120b)에 대향하는 표면(120c)에 대략 직교한다.

컴팩트한 폼-팩터를 갖는 NED 시스템을 제공하기 위해, FE 디바이스(120)는 바람직하게는 n120으로 표시되는 비교적 높은 굴절률(RI)을 갖는 투명 광학 유리 또는 아크릴 재료로 구성되며; 예를 들어 n120은 1.70 내지 1.94의 범위일 수 있다. 대표적인 광학 유리 재료는 친환경적인 고밀도 플린트 유리이다. 유리는 광학적 제조의 기술분야의 당업자들에게 공지된 방법들에 따라, 절단되고 연마되며, 광학적 접착제로 LOE(130)에 접합된다.

LOE(130)는 X-축에 실질적으로 평행한 2개의 주 표면들(130a 및 130b)로 구성된 것으로 단면으로 도시되어 있으며, 여기서 표면(130a)은 FE 디바이스(120)에 근접한다. LOE의 내부 표면(130c)은 전체적으로 또는 부분적으로 반사 표면이다. 보다 일반적으로, LOE(130)는 2007년 7월 19일 공개된 Y. Amitai의 “A Light Guide Optical Device” 제목의 호주 특허 출원 제AU 2007203022호에 개시된 바와 같이, 적어도 부분적으로 반사하는 2개 이상의 내부 표면들, 또는 심지어 몇몇 세트들의 부분 반사 표면들을 포함할 수 있다. LOE(130)는 예를 들어, 전형적으로 n120 미만인, n130으로 표시되는 굴절률을 갖는 투명한 광학 유리 또는 아크릴 재료로 구성된다. 예를 들어, n130은 1.5 내지 1.6의 범위에 있을 수 있다.

FE 디바이스(120) 및 LOE(130)는 낮은 굴절률 n160을 갖는 주변 재료(160)에 의해 둘러싸이거나 그 안에 인케이싱된다(encased). n160의 값은 예를 들어 1.0 내지 1.36일 수 있다.

필드들(110a, 110b, 및 110c)의 광선들은 표면(120c) 상의 주변-FE 인터페이스 및 표면(130a) 상의 FE-LOE 인터페이스에서 연속적으로 굴절되는 것으로 도 1에 도시된다. FE-LOE 인터페이스에서의 입사각 및 굴절각은 각각 θ120 및 θ130으로 표시된다. 예를 들어, θ120의 값은 35도 내지 50도의 범위에 있을 수 있다. 굴절각 θ130의 값은 Snell의 법칙, 즉 다음을 충족한다:

FE-LOE 인터페이스에서 굴절 후에, 광은 LOE의 X-축 방향으로 진행하고, 경사 표면(130c)에서 반사된다. 반사된 광은 LOE의 표면(130b) 상의 LOE-주변 인터페이스에서 전형적으로 소량으로 굴절을 겪고, 그런 다음 LOE로부터 관찰자의 눈으로 통과한다.

투사된 각도 개구(150)는 LOE를 떠나는 모든 광에 의해 대면되는 각도에 대응한다. FE 디바이스의 무차원 확장 비율은 투사된 각도 개구(150)를 입사 각도 개구(110)로 나눈 것으로 정의된다. 확장 비율의 예시적인 값들은 1과 1.60 사이이다.

다음의 표는 도 1의 광학적 구성의 광학 광선-추적 시뮬레이션에 의해 생성된 예시적인 수치 결과들을 도시한다.

FE 디바이스의 실제 유용성을 이해하기 위해, 예를 들어, 3:4의 FOV 종횡비를 갖는 POD를 고려한다. 사례 1에서와 같이, 1.25의 확장 비율이 FOV의 더 큰 측에 적용되면, 투사된 이미지는 3:(4x1.25) = 3:5의 종횡비, 또는 대략 10:16의 기다란 직사각형 FOV의 투사된 이미지 포맷을 가질 것이다. FE 디바이스의 유용성은 사례 2에서 훨씬 더 크다. 이 사례에서 확장 비율은 1.60이다. 따라서, 약 1:1의 종횡비를 갖는 정사각형 형상의 POD가 10:16 투사된 이미지 포맷을 제공하는데 사용될 수 있으며, 여기서 확장은 바람직하게는 더 작은 FOV 축에 적용된다.

도 2는 수학식(1)에 따라 가로축의 입사각(θ120, 각도)과 세로축의 굴절각(θ130, 각도) 사이의 비선형 관계를 도시하는 예시적인 그래프이다. 입사각(θ120)의 작은 값들에서, 그래프는 n120/n130 = 1.94/1.60 = 1.21과 같은 기울기로 대략적으로 선형이다. 원들은 표 1의 사례 1 및 2에 대응하는 점들을 나타낸다. 이들 점들에서 그래프는 상당히 비선형적이며, 기울기는 1.21보다 클 뿐만 아니라 θ120 및 θ130의 값이 증가함에 따라 급격히 증가한다.

도 3은 본 고안의 제2 실시예(300)에 따른, 광을 LOE(130)에 커플링하기 위한 예시적인 FE 디바이스(320)의 개략적인 단면도를 도시한다. FE 디바이스(320)는 FE 디바이스(120)와 유사한 프리즘 형상을 특징으로 한다. 내부 꼭지점 각들은 320a, 320b 및 180^o-(320a + 320b)이다. 320a 및 320b에 대한 예시적인 범위들은 도 1의 대응하는 꼭지점 각들(120a 및 120b)에 대한 범위와 동일하다.

이 실시예에서, FE 디바이스(320)는 미러 표면(320c)을 갖는다. 다수의 입사 조명 필드들(310a, 310b, 및 310c)에서, POD로부터의 광은 먼저 LOE(130)의 표면(130b)을 통과한 다음, 미러 표면(320c)에 의해 LOE로 다시 반사된다. 도 1에서와 같이, 3개의 입사 조명 필드들의 광선들은 필드(310a)에 대한 일점 쇄선, 필드(310b)에 대한 실선, 및 필드(310c)에 대한 점선으로 구별된다. 입사 각도 개구(310)는 LOE(130)에 진입하는 모든 조명 필드로부터의 광에 의해 대면(subtended)되는 각도에 대응한다.

각도들(θ320 및 θ330)에 의해 표시된 바와 같이 FE-LOE 인터페이스에서의 굴절 후에, 광은 LOE의 X-축의 방향으로 진행하고, 경사진 표면(130c)에서 반사된다. 반사된 광은 LOE의 표면(130b) 상의 LOE-주변 인터페이스에서 전형적으로 소량으로 굴절을 겪고, 그런 다음 LOE로부터 관찰자의 눈으로 통과한다.

투사된 각도 개구(350)는 LOE를 떠나는 모든 광에 의해 대면되는 각도에 대응한다. FE 디바이스(310)의 무차원 확장 비율은 투사된 각도 개구(350)를 입사 각도 개구(310)로 나눈 것으로 정의된다. 확장 비율의 예시적인 값들은 1과 1.60 사이이다.

도 3에서, 조명 필드(310b)의 광선들은 표면(110b)에 대한 법선으로부터 약간 벗어나는 각도(θ93)로 LOE에 진입한다. 각도(θ93)는 꼭지점 각(320a), 즉 반사 표면(320c)과 LOE 표면(130a) 사이의 각도를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.

실시예(300)에서, 예를 들어 FE 디바이스(120)의 값과 유사한 값을 갖는 굴절률 n320을 갖는 고밀도 플린트 유리를 사용할 수 있다. FE 원리는 실시예 100과 동일하다. 예를 들어 LOE(130)의 것에 더 가까운 n320의 더 낮은 값을 갖는 유리 재료의 사용은 매우 컴팩트한 NED 시스템들에 대해 바람직하지 않다. 그 이유는, 비교 가능한 FOV 확장을 달성하기 위해, n320을 감소시키는 것은 일반적으로 점선(320c') 및 더 큰 꼭지점 각(320a')에 의해 표시된 바와 같이, FE 디바이스를 확대하는 것을 필요로 할 것이기 때문이다. 후자는 LOE의 표면(130a)으로부터 FE 디바이스의 돌출을 증가시킬 것이다.

일부 경우들에서, 출력 이미지는 색수차들 및/또는 키스톤 효과들을 겪을 수 있다. 이러한 효과들은 POD 광학계에 적용되는 광학 보정들 및/또는 SLM에 적용되는 전자 보정들에 의해 완화될 수 있다. 레이저들과 같은 협대역 조명 소스들의 사용은 또한 색 수차들을 감소시키는데 유용하다.

위의 설명에서, 본 고안은 LOE의 표면에 근접하여 배치된 FE 디바이스를 갖는 것으로 예시되었다. 보다 일반적으로, LOE는 다른 유형의 NS 광학 요소 또는 회절 광학 요소를 통해 광을 커플링시키는 NS 광학 요소에 의해 대체될 수 있다.

본 고안은 3개의 입사 조명 필드들의 경우에 대해 예시되었지만, 본 고안은 하나 이상의 입사 조명 필드들에 더 일반적으로 적용가능하다는 것이 광학 설계 분야의 당업자에게 명백해야 한다.

또한, FOV 확장은 도 3에 예시되어 있다. 평면 기하학 구조를 사용하는 하나의 공간 차원에서 1 및 3은 또한 하나 이상의 공간 차원에서 적용될 수 있다. 이는 예를 들어 다수의 FE 디바이스들의 사용에 의해 달성될 수 있다.

위의 설명들은 단지 예들로서 역할을 하도록 의도되고, 많은 다른 실시예들이 위에서 설명되고 첨부된 청구범위들에 정의된 바와 같은 본 고안의 범위 내에서 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims

근안 디스플레이에서 사용하기 위한 광시야(FOV) 확장 디바이스로서, 상기 디바이스는,
상기 근안 디스플레이의 디스플레이 프로젝터(POD)로부터 입사 조명을 수신하도록 구성된 제1 표면 - 상기 입사 조명은 입사 각도 개구를 가짐 - ;
상기 제1 표면과 꼭지점 각을 형성하는 제2 표면을 포함하고; 상기 제2 표면은 비순차(NS) 광학 요소의 표면에 근접하고 실질적으로 평행하고;
상기 NS 광학 요소는 투사된 각도 개구를 갖는 광을 투사하고;
여기서,
상기 디바이스의 굴절률은 상기 NS 광학 요소의 굴절률보다 크고; 및
상기 투사된 각도 개구와 상기 입사 각도 개구 사이의 비율로 정의되는, 상기 디바이스의 FOV 확장 비율은 미리 결정된 임계 값 보다 크거나 동일한, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 제1 표면은 상기 입사 조명에 광학적으로 투명한, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 제1 표면은 상기 입사 조명을 광학적으로 반사하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 투사된 이미지 종횡비는 POD 종횡비보다 상기 FOV 확장비율과 동일한 팩터만큼 더 큰, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 임계 값은 1.2인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 FOV 확장비율은 상기 입사 조명의 입사각에 따라 증가하는, 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 입사각은 35도 내지 50도인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 디바이스의 굴절률은 1.70 내지 1.94인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 디바이스는 광학 플린트 유리 재료(optical flint glass material) 또는 광학 아크릴 재료로 구성되는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 꼭지점 각은 35도 내지 50도 사이의 값을 갖는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 NS 광학 요소는 도광 광학 요소인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 입사 조명은 다수의 입사 조명 필드(incident illumination field)를 포함하는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 POD로부터의 상기 입사 조명에 적용되는 보정들에 의해 보상되는 광학 수차들 및/또는 광학 왜곡들을 도입하는, 디바이스.
제13항에 있어서, 상기 보정들은 공간 광 변조기 및/또는 보정 광학 요소들에 의해 적용되는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 입사 조명은 색 수차의 효과를 제한하기 위해 하나 이상의 협대역 조명 소스들에 의해 제공되는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 NS 광학 요소는 회절 광학 요소를 통해 광을 커플링하는, 디바이스.