KR20230016691A - 근안 디스플레이를 위한 가상 이미지 전달 시스템 - Google Patents

Abstract

이미지 전달 시스템(image delivery system, IDS)으로서, 디스플레이 엔진에 의해 제공되는 입력 가상 이미지를 수신하기 위한 입력 애퍼처, 및 수신된 입력 가상 이미지로부터의 광을 제1 도파관으로부터 반사시키도록 위치되는 제1 복수의 제1 패싯들을 포함하는 제1 도파관; 제1 도파관으로부터 반사된 광을 수신하도록 구성되고, 수신된 광을 제2 도파관으로부터 반사시키도록 위치된 제2 복수의 제2 패싯들을 포함하여, 입력에 응답하여 출력 가상 이미지를 아이 모션 박스(eye motion box, EMB) 내로 투영하는 제2 도파관; 및 제1 복수의 제1 패싯들과 제2 복수의 제2 패싯들의 수의 합과 동일한 패싯들의 총 수보다 적은 수의 상이한 부분 반사 코팅들로부터 선택되는 각 패싯 상에 형성된 부분 반사 코팅을 포함하며, 출력 가상 이미지는 80% 이상의 충실도를 나타낸다.

Description

근안 디스플레이를 위한 가상 이미지 전달 시스템

관련 출원들

본 출원은 35 USC. 119(e) 하에서, 2020년 6월 1일에 출원된 미국 가출원 63/032,767호의 이익을 주장하며, 이의 개시 내용은 본원에 원용된다.

기술분야

본 개시의 실시예들은 근안 디스플레이(near eye display, NED) 이미지들을 제공하는 것에 관한 것이다.

사용자에게 다양한 여하의 새로운 현실감 - 가상 현실(virtual reality, VR), 증강 현실(augmented reality, AR), 혼합 현실(mixed reality, MR) - 을 제공하기 위해 사용되는 급증하는 머리 장착형 디스플레이(head mounted display, HMD) 및 스마트 아이웨어는 사용자의 눈에 컴퓨터로 생성된 "가상 이미지들"을 전달한다. VR의 경우, 이미지들은 몰입형이고, 사용자의 실제 환경의 이미지들을 차단한다. AR 및 MR의 경우, 이미지들은 사용자가 자신의 시야(field of view, FOV)에서 보는 사용자의 실제 환경에서의 장면들의 "실제 이미지들" 상에 중첩된다. 가상 이미지들은 예로서 사용자에게 실제 이미지들, 사용자에 의해 수행되는 작업, 및/또는 명시적 또는 암시적 사용자 요청과 관련된 엔터테인먼트 및/또는 정보 자료를 제공할 수 있다.

통상적으로 근안 디스플레이(near eye display, NED)로 지칭되는 디스플레이 시스템은 사용자에게 가상 이미지들을 제공한다. NED는 가상 이미지들을 생성하는 LCOS(liquid crystal on silicon), OLED(organic light emitting diode), 또는 LBS(laser beam scanning) 마이크로디스플레이와 같은 컴퓨터 제어 디스플레이 엔진, 및 생성된 가상 이미지들을 사용자가 보도록 눈에 전달하는 이미지 전달 시스템을 포함한다. 이미지 전달 시스템은, 약 5 mm 이하의 특성 치수를 갖는 비교적 작은 입력 애퍼처에서 가상 이미지들을 수신하고, 이미지들을 눈에 가까운 출력 애퍼처 - 이를 통해 가상 이미지들이 사용자가 보도록 아이 모션 박스(eye motion box, EMB) 내로 지향됨 - 로 전파하는 적어도 하나의 도광 광학 요소(light guiding optical element, LOE)를 포함한다. 사용자의 눈이 EMB 내에 위치될 때, 가상 이미지들은 사용자의 동공을 통해 사용자의 망막 상으로 전달된다. 사용자가 눈을 NED와 정렬시키기 위해 과도하게 애를 쓰지 않고 가상 이미지들을 편안하게 볼 수 있도록 EMB를 채우기 위해, NED의 적어도 하나의 LOE는 일반적으로 상대적으로 크고 확대된 출력 애퍼처 - 이를 통해 NED가 가상 이미지들을 EMB 내로 송신함 - 를 갖도록 구성된다.

실제 NED는 일반적으로 인체공학적, 기술적, 및 재정적 제약들의 복잡한 조합을 만족시킬 필요가 있고, 바람직하게는 편안하게 큰 EMB를 갖도록, 작고, 경량이며, 에너지 효율적이도록, 그리고 과도하게 눈에 띄지 않는 광학 아티팩트들이 없는 선명하고, 비교적 높은 충실도의 가상 이미지들을 제공하도록 구성된다.

본 개시의 실시예의 양태는 디스플레이 엔진이 GOODIS에 제공하는 가상 이미지의 FOV의 바람직한 고충실도의 캐피인 가상 이미지의 FOV를 EMB에 투영하는 NED에 사용하기 위한, 이미지 전달 시스템 - 양호한 이미지 전달 시스템(Good Image Delivery System, GOODIS)로도 지칭됨 - 을 제공하는 것에 관한 것이다. GOODIS는 입력 애퍼처에서 디스플레이 엔진으로부터의 가상 이미지를 수신하고, 수신된 가상 이미지로부터의 광을 복수의 부분 반사성 임의적으로 유전성인 미러들 - 패싯들(facet)로도 지칭됨 - 로부터 반사하여, 가상 이미지를 확대된 출력 애퍼처로 전달하며, 이로부터 가상 이미지는 사용자가 보도록 EMB로 투영된다. 디스플레이 엔진으로부터 수신된 광의 편광 및/또는 적어도 하나의 패싯에 대한 s 및/또는 p 편광에 대한 유전체 코팅의 - 입사 각도의 함수로서의 - 반사율은 바람직한 정도의 충실도를 제공하도록 구성된다. 실시예에서, 바람직한 정도의 충실도를 제공하는 GOODIS 내의 각 패싯은 동일한 두 개의 상이한 부분 반사성 임의적으로 유전성인 코팅들 중 하나로 코팅된다.

EMB 내로 투영되는 FOV의 충실도는 투영된 FOV 내의 각도 방향들을 따라 전파되는 광의 세기가 디스플레이 엔진이 GOODIS에 제공하는 가상 이미지의 FOB 내의 동일한, 또는 패리티 역전된, 각 각도 방향들을 따라 전파하는 광의 세기에 균일하게 비례하는 정도를 지칭한다. EMB로 투영된 FOV는 1) 투영된 FOV에서 상이한 각도 방향들을 따라 투영된 광의 세기가 실질적으로 동일한 비례 상수에 의해 입력 FOV에서의 동일한, 또는 패리티 역전된, 각 각도 방향들을 따라 투영되는 광의 세기에 비례하고; 2) 비례 상수가 EMB에서의 투영된 FOV의 위치에 상대적으로 독립적인 경우, 디스플레이 엔진에 의해 제공되는 FOV - 입력 FOV로도 지칭됨 - 에 상대적으로 균일하게 비례한다.

본 개시의 실시예에 따르면, GOODIS는 제1 및 제2 LOE들, 디스플레이 엔진에 의해 생성된 가상 이미지들로부터의 광이 수신되는 제1 LOE 상에 위치된 입력 애퍼처, 및 가상 이미지들로부터의 광이 EMB로 투영되는 제2 LOE 상에 위치된 출력 애퍼처를 포함한다. LOE들 각각은 두 개의 평행한 내부 전반사(TIR) 표면들 및 서로 평행한 매립된 패싯들의 어레이를 갖는 도파관을 포함한다. 각 도파관 내의 패싯들은 도파관에 진입하는 광이 도파관에서 전파하는 도파관의 전파 방향에 대해 경사져 있다. 제1 도파관 상에 위치된 입력 애퍼처에 진입하는 광은 제1 도파관의 전파 방향을 따라 전파되고, 도파관 내의 패싯들에 의해 도파관으로부터 반사되어, 제2 도파관에 진입한다. 제1 도파관으로부터 제2 도파관에 진입한 광은 제2 도파관의 전파 방향을 따라 전파되고, 도파관으로부터 반사되며, 제2 도파관 내의 패싯들에 의해 출력 애퍼처를 통해 EMB로 투영된다. 제1 및 제2 도파관들의 전파 방향들은 임의적으로 직교하고, 제1 및 제2 도파관들은 직교 전파 방향들 각각을 따라 입력 애퍼처를 확대하도록 협력한다.

표현의 편의를 위해, 제1 도파관에 따른 광의 전파는 데카르트 좌표계의 x축을 따르는 것으로 가정하고, 제2 도파관을 따라 전파하는 광은 y축을 따라 전파하는 것으로 가정하며, 아이 박스는 z축을 따라 제2 도파관의 출력 애퍼처를 향해 위치되는 것으로 가정한다. 제1 및 제2 도파관들은 각각 x 및 y 도파관들로 지칭될 수 있고, 이들의 각 매립된 패싯들은 x 및 y 패싯들로, 그리고 제1 및 제2 LOE는 각각 x 및 y LOE들로 지칭될 수 있다. 입력 애퍼처에서 디스플레이 엔진으로부터 수신된 가상 이미지는 입력 가상 이미지로 지칭될 수 있고, GOODIS에 의해 EMB에 투영되는 이미지는 출력 가상 이미지로 지칭될 수 있다.

GOODIS 내의 도파관의 패싯 상에 입사하는 GOODIS의 도파관에서 전파하는 광은 일반적으로 s 및 p 편광 성분들 양자를 포함한다. s 편광은 광의 입사 평면에 수직한 편광을 지칭하고, p는 입사 평면에 평행한 편광을 지칭한다. 각 패싯은 입사광으로부터의 광을, 각각 x 및 y 패싯들의 경우에 대해 직접적으로 또는 간접적으로, GOODIS에 의해 EMB로 투영되는 출력 FOV 내의 각도 방향들의 일부를 따라 EMB를 향해 반사시킨다. I(α_m)이 디스플레이 엔진에 의해 생성된 주어진 가상 입력 이미지의 입력 FOV에서의 m번째 각도 방향(α_m)을 따라 전파하는 광의 세기를 나타낸다고 한다. P^o _k(p,α_m) 및 P^o _k(s,α_m)는 각각 패싯 상에 입사하는 주어진 입력 가상 이미지에서의 광으로부터 FOV의 각도 방향(α_m)으로 k번째 패싯에 의해 반사되는 p 및 s 광의 세기를 나타낸다고 하고, 다음과 같다고 한다

(1)

주어진 가상 입력 이미지에 응답하여 GOODIS에 의해 EMB로 투영된 출력 가상 이미지의 FOV는 GOODIS가 다음의 제약을 만족하는 경우, (1-δ)% 정도의 충실도로 입력 가상 이미지의 FOV의 비교적 고충실도 카피인 것으로 고려될 수 있다:

(2)

식 2에 의해 주어진 제약은 임의의 두 상이한 또는 동일한 각도 방향들을 따라 주어진 입력 가상 이미지의 입력 FOV에서 전파되는 광의 동일한 세기에 대해, 패싯들이 출력 가상 이미지의 출력 FOV에서 동일한 각 각도 방향들을 따라 EMB를 향해 광의 실질적으로 동일한 세기를 반사할 것을 요구한다. 이 제약은 GOODIS에 의해 EMB로 투영되는 투영된 출력 가상 이미지에서 δ%보다 더 양호하게 입력 가상 이미지에서의 특징부들의 상대적인 휘도를 보존하도록 작용한다. 제약은 또한, EMB에서의 출력 FOV의 위치와 독립적으로 투영된 출력 가상 이미지의 출력 FOV에서의 광의 세기의 δ%보다 양호한 균일성을 제공한다. 본 개시의 실시예에 따르면, x 도파관 및 y 도파관 중 적어도 하나 내의 패싯들 상의 코팅들은 바람직하게는 제약들을 만족시키도록 구성된다.

실시예에서, 코팅들은 코팅들의 상이한 구성들에 대한 반복적인 몬테 카를로 광선 추적, 및 코팅들의 소정의 구성이 원하는 충실도를 갖는 GOODIS를 제공하는 구성에 수렴할 때를 나타내는 비용 함수에 응답하여 결정될 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 패싯들에 대한 코팅들을 모델링 및 결정하기 위해 이용가능한 복수의 자유도들 중에는 s 편광 및/또는 p 편광에 대한 입사 각도의 함수로서의 임의적으로 유전성인 코팅의 반사율, 패싯들의 수, 패싯들 사이의 간격 및/또는 이들의 각 경사 각도들 중 적어도 하나, 또는 하나 초과의 임의의 조합이 있다. 코팅들의 구성은 원하는 충실도를 제공하고, 바람직하게는 구성이 비용 함수의 값에 응답하는 기준들을 만족시킬 때 제약들을 만족시키는 것으로 고려될 수 있다.

본 요약은 아래의 상세한 설명에서 보다 상세하게 설명되는 개념들의 선택을 단순한 형태로 소개하기 위해 제공된 것이다. 본 요약은 청구된 발명내용의 중요한 특징들 또는 필수적인 특징들을 확인시키려는 의도는 없으며, 또한 청구된 발명내용의 범위를 제한시키려는 의도도 없다.

본 개시의 실시예들의 비-제한적인 예들이 본 단락에 따라 열거된 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다. 하나 이상의 도면에서 나타나는 동일한 특징들은 그것들이 나타나는 다수의 도면들에서 동일한 라벨로 라벨링될 수 있다. 도면에서 본 개시의 실시예의 주어진 특징을 나타내는 아이콘을 라벨링하는 라벨은 주어진 특징을 참조하기 위해 사용될 수 있다. 도면에 도시된 특징부의 치수는 설명의 편의 및 명확성을 위해 선택되며, 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따라, 2차원에서 제1 LOE에 위치된 입력 애퍼처를 제2 LOE에 위치된 출력 애퍼처로 확대하도록 협력하는 제1 및 제2 LOE들을 포함하는 양호한 이미지 전달 시스템(GOODIS)의 기하구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따라, 도 1에 도시된 GOODIS의 기하구조의 함수로서 광 전파를 개략적으로 도시한다.
도 3a는 본 개시의 실시예에 따라, GOODIS를 특징짓는 바람직한 충실도를 제공하는 데 기여하는 제1 LOE에서 GOODIS의 패싯들 상에 입사하는 p 및 s 광에 대한 입사 각도의 함수로서 유전체 코팅의 반사율의 개략적인 그래프들을 도시한다.
도 3b는 본 개시의 실시예에 따라, GOODIS를 특징짓는 바람직한 충실도를 제공하는 데 기여하는 제2 LOE에서 GOODIS의 패싯들 상에 입사하는 p 및 s 광에 대한 입사 각도의 함수로서 유전체 코팅의 반사율의 개략적인 그래프들을 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따라, 도 3a 및 도 3b에 도시된 유전체 코팅으로 코팅된 패싯들을 갖는 GOODIS의 동작을 개략적으로 도시한다.

논의에서, 달리 언급되지 않는 한, 본 개시의 실시예의 특징 또는 특징들의 조건 또는 관계 특성을 수정하는 "실질적으로" 및 "약"과 같은 형용사들은 조건 또는 특성이 그것이 의도되는 적용에 대한 실시예의 동작에 대해 허용가능한 허용오차들 내로 정의된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 본 개시에서의 일반적인 용어가 예시적인 인스턴스 또는 예시적인 인스턴스들의 리스트를 참조하여 예시될 때마다, 참조된 인스턴스 또는 인스턴스들은 일반적인 용어의 비제한적인 예시적인 인스턴스들이고, 일반적인 용어는 참조된 특정한 예시적인 인스턴스들 또는 인스턴스들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 달리 지시되지 않는 한, 상세한 설명 및 청구범위에서 단어 "또는"은 배타적인 것이 아니라 포괄적인 "또는"인 것으로 간주되며, 이것이 구성하는 항목들 중 적어도 하나 또는 하나 초과의 임의의 조합을 나타낸다.

도 1은 본 개시의 실시예에 따라, 도파관(31)과 도파관 내에 매립된 패싯들(40)을 갖는 x-LOE(30) 및 도파관(51)과 도파관 내에 매립된 패싯들(60)을 갖는 y-LOE(50)를 포함하는 GOODIS(20)를 개략적으로 도시한다. 표현의 편의를 위해, GOODIS(20)의 특징들 및 기하구조는 공간적으로 좌표계(21)를 기준으로 한다.

도파관(31) - x 도파관(31)으로도 지칭됨 - 은 임의적으로 좌표계(21)의 xy 평면에 평행한 비교적 큰 평행 정면들(32 및 33), 및 xz 평면에 평행한 비교적 좁은 평행 상부 및 하부 에지면들(34 및 35)을 갖는 직사각형 프리즘이다. 도 1에 도시된 디스플레이 엔진(70)과 같은 디스플레이 엔진에 의해 생성된 이미지들로부터의 광은 임의적으로 프리즘 입력 커플러(71)에 의해, x 도파관의 종단면(37) 상에 위치된 입력 애퍼처(36)를 통해 도파관(31) 내로 커플링된다. 입력 애퍼처(36)를 통해 x 도파관(31)에 진입하는 광은 정면들(32 및 33) - TIR 표면들(32 및 33)로도 지칭됨 - 로부터 반복적으로 내부 전반사(TIR)되어, TIR 표면들 사이에서 앞뒤로 바운스되고, x 도파관에서 양의 x 방향을 따라 전파되어 패싯들(40) 상에 도달하고 입사한다.

예로서, x 도파관(31) 내로 입력되어, xz 평면에 평행한 x 도파관의 중간 평면(38)에서 전파하고 TIR 표면들(32 및 33)로부터 내부 전반사되어, TIR 표면 사이에서 앞뒤로 바운스되는 광선이 화살표(23)로 개략적으로 표현된다. 임의적으로, x 도파관(31) 내로의 진입 시에, 블록 화살표(25)에 의해 개략적으로 표시된 광선(23)에서의 광의 편광은 중간 평면(38)에 평행하고, 중간면은 TIR 표면들(32 및 33)을 갖는 광선의 입사 평면이기 때문에, 광선은 입사 평면에 대해 p 편광된다.

패싯들(40)은 임의적으로 서로 평행하고, TIR 표면들(32 및 33)에 수직하며, 하부 에지면(35) 및 x축에 대해 경사각(β_x)만큼 경사진다. 각 패싯(40)에 대한 법선(41)은 y축에 대해 경사각(β_x)만큼 회전된다. 각 패싯(40)은 후술하는 바와 같이 x 도파관(31)에서 전파하는 광의 일부를 반사시키며, 이는 하부 에지면(35)을 통해 패싯 상에 그리고 도파관(51) 내로 입사한다. 예를 들어, 광선(23)이 패싯(40) 상에 입사할 때, 패싯은 광선에서의 광의 일부를 y 도파관(51) 내로 반사시킨다. 광선(23)은 TIR 표면들(32 및 33)에 대해 p 편광되는 반면, 패싯들(40)에 대해서는, 패싯들의 법선들(41)이 중간 평면에 놓이지 않기 때문에, 광선은 p 편광 및 s 편광 양자를 포함한다는 점에 유의한다.

도파관(51) - y 도파관(51)으로도 지칭됨 - 은 또한 임의적으로 직사각형 프리즘이다. 이 도파관은 xy 평면에 평행한 비교적 큰 평행 TIR 페이스 표면들(52 및 53), 및 각각 yz 평면에 평행한 비교적 좁은 평행 좌측 및 우측 에지면들(54 및 55)을 갖는다. x 도파관(31) 내의 패싯들(40)에 의해 y 도파관(51) 내로 반사된 광은 정면들(52 및 53)로부터 반복적으로 TIR 반사되어, TIR 표면들 사이에서 앞뒤로 바운스하고 y 도파관(51)에서 y축을 따라 전파되어 y 도파관의 패싯들(60) 상에 도달하고 입사한다. 패싯들(60)은 임의적으로 서로 평행하고, 측면들(54 및 55)에 수직하다. 패싯은 TIR 표면(52) 및 y축에 대해 경사각(β_y)만큼 경사진다. 패싯들 각각(60)에 대한 법선(61)은 z축에 대해 경사각(β_y)만큼 회전된다. 각 패싯(60)은 후술되는 바와 같이 y 도파관(51)에서 y축을 따라 전파하는 광의 일부 - 이는 TIR 정면(53) 상의 출력 애퍼처(57)를 통해 패싯 상에 입사함 - 사용자가 보기 위한(도시되지 않음) EMB(80)로 반사시킨다.

도 1에 도시된 바와 같은 GOODIS(20)는 높이 h, 폭 w 및 깊이 d의 두께를 갖는다. x 도파관(31)은 높이 h₁을 갖고, y 도파관(51)은 높이 h₂를 갖는다. 양 도파관들은 임의적으로 GOODIS의 폭 w와 실질적으로 동일한 폭, 및 동일한 두께 또는 깊이를 갖는다. 높이 h는 (h₁ + h₂)와 같을 수 있다. 수치적인 예로서, 실시예에서, h는 약 30 mm(밀리미터) 내지 약 50 mm 사이의 값, 높이 h는 30 mm 내지 50 mm 사이의 값, 그리고 깊이는 약 1.0 mm 내지 약 3 mm 사이의 값을 가질 수 있다. 실시예에서, x 도파관(31)의 높이 h₁은 약 10 mm 내지 약 20 mm 사이일 수 있고, 높이 h₂는 약 10 mm 내지 40 mm 사이일 수 있다. x 도파관(31)은 약 25° 내지 약 65° 사이의 경사각(β_x)으로 경사진 약 20개 내지 약 30개 사이의 패싯들(40)을 가질 수 있다. y 도파관(51)은 약 20° 내지 약 70° 사이의 경사각(β_y)으로 경사진 약 8개 내지 약 12개 사이의 패싯들(60)을 가질 수 있다.

도 2는 디스플레이 엔진(70)에 의해 생성된 가상 이미지들로부터의 광선들의 - 입력 커플러(71)에 의해 GOODIS(20) 내로 커플링되어, x 도파관(31)을 따라 이동하고 패싯들(40)에 의해 y 도파관(51) 내로 그리고 그 후 y 도파관에서 패싯들(60)에 의해 EMB(80)를 향해 반사되는 - 전파를 개략적으로 도시한다.

x 도파관(31)에서, 패싯(40) 상의 지점 - 이로부터 패싯이 광선들을 y 도파관(51) 내로 반사시킴 - 으로 수렴하는 화살표들의 삼각형군은 디스플레이 엔진(70)으로부터 수신된 광선들이 패싯 상에 입사하는 각도 방향들을 포함하는 FOV의 xy 평면에서의 단면을 나타낸다. 예로서, 광선들의 각도 전파 방향들의 삼각형군들(101, 102, 및 103)로 표현되는 세 개의 FOV xy 단면들이 각각 라벨들(40-1, 40-2, 및 40-3)로 개별화된 패싯들(40)의 선택을 위해 도 2에 도시되어 있다. 실선 화살표(121)로 표현된 FOV xy 단면(101, 102, 및 103)에서의 광선은 y 도파관 내의 패싯들(60)이 광을 EMB(80) 내로 성공적으로 반사시키는 실선 화살표(131)로 표현된 각도 방향을 따라 y 도파관(51) 내로 반사된다. 그러나, 패싯들(40) 상에 입사하고 y 도파관(51) 내로 반사되는 가상 이미지의 FOV 내의 광선들로부터의 모든 광이 EMB(80) 내로 성공적으로 반사되는 것은 아니다. FOV 단면(101, 102, 또는 103)에서의 점선 화살표(122)는 패싯들(60)이 EMB(80)를 빗나가는 광을 반사시키는 파선 화살표(132)로 표현된 각도 방향을 따라 패싯(40-1, 40-2, 또는 40-3)이 각각 y 도파관(51) 내로 반사시키는 광선을 나타낸다. 광이 패싯들(60)에 의해 EMB(80) 내로 성공적으로 반사되는 광선들의 각도 방향들을 나타내는 실선 화살표들(131)은 출력 애퍼처(57)를 가리키는 것으로 도시된다. 패싯들(60)이 EMB(80)에 도달하지 못하는 광을 반사시키는 광선들의 각도 방향들을 나타내는 점선 화살표들(132)은 출력 애퍼처(57) 외부의 영역들을 가리키는 것으로 도시된다.

도 2의 음영 영역들(401, 402, 및 403)은 패싯들(60)이 광을 EMB(80) 내로 성공적으로 반사시키는 광선들을 패싯들(40-1, 40-2, 및 40-3)이 각각 반사시키는 각도 방향 범위들을 개략적으로 표시한다. 패싯들이 각각 입사 광선들을 반사시키는 범위들(401, 402, 및 403)에서의 중간 각도 방향들은 그 범위들에서 비교적 긴 실선 화살표들(131)로 표시된다. 범위들(401, 402, 및 403)에 대한 중간 각도 방향들은 각각 패싯들(40-1, 40-2, 및 40-3)의 법선들(41)에 대해, 각도들(θ₁, θ₂, 및 θ₃)을 따라 지향된다. 각도들(θ₁, θ₂, θ₃)은 그 범위들에서의 중간 각도 방향들을 따라 반사되는 광선들의 입사 및 반사 각도들이다. 출구 애퍼처(57)에 대한 패싯들(40-1, 40-2 및 40-3)의 위치들의 결과로서, 그리고 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, θ₁> θ₂ > θ₃이다. 대체로, 패싯(40)이 광선을 반사시키고, 후속해서 패싯들(60)이 EMB(80)로 광을 성공적으로 반사시키는 중간 입사 각도 방향 및 대응하는 반사 각도 방향은 입력 애퍼처(36)로부터의 패싯의 거리에 따라 감소한다.

유사하게, 패싯들(40)에 의해 y 도파관(51) 내로 반사된 광선들로부터 패싯들(60)이 EMB(80) 내로 반사시키는 광의 중간 각도 방향들은 x 도파관(31)의 하부 표면(35)으로부터의 패싯들(60)의 거리에 따라 감소한다. 패싯들(60)의 선택을 위한 중간 각도 방향들은 실선 화살표들(151)로 표현된다. 패싯들(60)의 선택을 위한 중간 각도 방향들(151)과 법선들(61) 사이의 반사 각도들은

₁,

₂, 및

₃로 라벨링되며, 여기서 더 큰 첨자는 하부 표면(35)으로부터 더 멀리 떨어진 패싯(60)과 연관된 각도를 식별한다.

위의 논의는 GOODIS(20)의 상이한 패싯들이 디스플레이 엔진(70)으로부터의 가상 이미지의 입력 FOV의 상이한 각도 부분들을 EMB(80) 내로 반사한다는 것을 나타낸다. 그리고, 일반적으로, 고충실도 출력 이미지를 달성하기 위해, x 도파관(31) 내의 패싯(40)이 입력 애퍼처(36)로부터 멀어질수록, 패싯 상의 더 작은 입사 각도들(AOI)을 갖는 입력 FOV의 부분들로부터의 광에 대한 패싯의 반사율이 더 커져야 하며, 패싯은 이를 EMB 내의 더 큰 x 값들로 반사시킨다. . 유사하게, y 도파관(51) 내의 패싯(60)이 x 도파관(31)의 하부 에지면(35)으로부터 멀어질수록, 패싯 상의 더 작은 AOI들을 갖는 입력 FOV의 부분들로부터의 광에 대한 패싯의 반사율이 더 커져야 하며, 패싯은 이를 EMB 내의 더 큰 y 값들로 반사시킨다.

k(x)와 같은 "x" 인덱스가 x 도파관(31) 내의 패싯(40)을 표기하고, 인덱스의 값이 입력 애퍼처(36)로부터의 표기된 패싯(40)의 거리에 따라 증가한다고 한다. 유사하게, k(y)와 같은 "y" 인덱스가 y 도파관(51) 내의 패싯(60)을 표기하고, 인덱스의 값이 표면(35)로부터의 표기된 패싯(60)의 거리에 따라 증가한다고 한다. 식 (2) 및 식 (3)로 표현된 고충실도 출력 가상 이미지의 제공을 위한 제약들은 패싯들(40) - x 패싯들(40)로도 지칭될 수 있음 - 에 대한 제약들을 표현하기 위해 작성될 수 있다.

(3)

유사하게, 패싯들(60) - 임의적으로 y 패싯들(40)로 지칭됨 - 에 대한 제약들이 작성될 수 있다.

(4)

제약들 (3) 및 (4)는 각 x 패싯(40) 및 각 y 패싯(60)에 대해 상이한 전용 반사 코팅을 갖지 않고 전형적으로 충족시키기 비교적 어려운 복잡한 제약들이다. 실시예에 따르면, GOODIS는 바람직하게는, 패싯들(40 및 60) 상에 코팅들을 제공하기 위해 p 및 s 광에 대한 반사율의 차이를 사용하여, GOODIS가 EMB(80)를 제공하는 가상 이미지들에 대한 바람직한 충실도를 제공한다. 실시예에서, 도파관(31)의 x 패싯들(40)에는 p 및 s 광에 대한 반사율을, 도 3a의 그래프(540)에 의해 제시된 입사 각도(AOI)의 함수로서 제공하는 동일한 부분 반사 코팅이 제공된다. 실시예에서, 도파관(51)의 y 패싯들(60)에는 p 및 s 광에 대한 반사율을, 도 3b의 그래프(560)에 의해 제시된 입사 각도(AOI)의 함수로서 제공하는 동일한 코팅이 제공된다.

그래프들(540 및 560)에 각각 도시된 반사율들을 나타내는 AOI 의존 부분 반사 코팅들을 갖는 패싯들(40 및 60)은 임의의 다양한 물질들 및 제조 공정들을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 패싯들은 미리 형성된 프리즘들의 표면들 상에 부분 반사 코팅들을 증착하고, 프리즘들을 함께 접합함으로써 생성될 수 있다. 프리즘들은 BK-7과 같은 실리케이트 물질을 원하는 형상으로 연삭 및 연마함으로써, 또는 적합한 중합체 또는 졸-겔을 사출 성형함으로써 제조될 수 있다. 코팅들은 예로서, 이산화 하프늄(HfO₂), 불화 마그네슘(MgF₂) 및/또는 오산화 탄탈륨(Ta₂O₅)과 같은 다양한 적합한 물질들 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

실시예에서, 디스플레이 엔진(70) 및/또는 프리즘형 입력 커플러(71)는 가상 이미지들을 GOODIS(20)에 제공하도록 구성되며, 이에 대해 가상 이미지들로부터의 광은 광이 x 도파관(31) 내로 진입 시 TIR 정면들(32 및 33) 상의 광의 입사 평면들에 대해 실질적으로 p 편광된다. x 도파관(31)으로의 입력에서의 p 편광 및 도 3a에 도시된 바와 같은 패싯들(40)의 반사율에 대해, 광의 입사 각도에 대한 패싯들(40)에 의해 반사된 광의 편광의 의존성의 결과로서, 패싯들(60) 상의 입사 각도들에 대한 패싯들(40)에 의해 y 도파관(51) 내로 반사된 광의 편광의 의존성은 실질적으로 도 3c의 그래프(550)에 의해 도시된 바와 같다. sssssss

그래프(550)는 x 도파관(31) 내로 입력되고 도 3a에 도시된 반사율을 갖는 패싯들(40)에 의해 반사된 p 편광에 대해, y 도파관에 진입하는 광이 약 40도의 y 도파관 패싯들 상의 입사 각도들에서 s 성분보다 약 4배에 가까운 p 성분을 갖는다는 것을 도시한다. 그래프 3b에 의해 도시된 바와 같이, p 및 s 광에 대한 패싯들(60)의 반사율은 입사 각도들에 따라 각각 감소하고 증가한다. 그 결과, y 도파관(51)에 진입하는 p 편광의 우세 및 p 및 s 광의 반사율의 의존성은 바람직하게는 EMB(80) 내로 동일한 소정의 각도 방향으로 패싯들(60)에 의해 투영되는 광의 세기의 y축에 따른 균질성을 촉진한다.

예를 들어, 그래프들(540 및 560)에 의해 주어진 반사율들 및 본 개시의 실시예에 따른 x 도파관(31) 내로 입력된 p 편광된 가상 이미지들에 대해, GOODIS(20)는 x 방향 및 y 방향 양자를 따라 약 70%보다 큰 바람직한 충실도를 나타내는 EMB(80)에서의 가상 이미지들을 제공한다. 80% 충실도에 대해, 출력 가상 이미지들은 디스플레이 엔진(70) 및 프리즘 입력 커플러에 의해 제공되는 가상 입력 이미지의 상대 휘도를 약 30% 이내로 보존하고, 동일한 각도 방향을 따라 EMB 내로 투영되는 광의 세기의 EMB에서의 공간 균일성을 약 30% 이내로 보존한다.

도 4는 입력 가상 이미지의 균일한 음영으로 표시된 실질적으로 균일한 휘도에 의해 특징지어지는 입력 가상 이미지(75)에 대한 바람직한 충실도로 특징지어지는 EMB(80)에서의 출력 가상 이미지(85)를 제공함에 있어서 GOODIS(20) 및 패싯들(40 및 60)의 동작을 개략적으로 도시한다. 패싯들이 EMB(80)를 향해 반사시키는 입력 및 출력 가상 이미지들(75 및 85)의 부분들에 관련된 x 패싯들(40-1 및 40-3)에 대한 p 및 s 편광의 반사율에 대한 값들이 중간 AOI 각도들(θ₁, 및 θ₃)에 연결된 그래프들(540)의 사본들에 표시된다. 패싯들이 EMB(80)를 향해 반사시키는 입력 및 출력 가상 이미지들(75 및 85)의 부분들에 관련된 각각 표면(35)에 가장 가깝고 가장 먼 들(60)에 대한 p 및 s 편광의 반사율에 대한 값들이 중간 AOI 각도들(Φ₁ 및 Φ₃)에 연결된 그래프들(560)의 사본들에 표시된다. 출력 가상 이미지(85)는 완벽한 충실도를 나타내지 않을 수 있지만, 출력 가상 이미지의 음영의 균일성은 출력 가상 이미지가 약 70%의 충실도의 증거가 되고, x 방향 및 y 방향 양자를 따라 상대적인 세기 및 공간 균일성을 약 30%까지 보존함을 개략적으로 나타내는 것으로 의도된다.

위의 설명이 단지 두 개의 상이한 반사 코팅들을 채용하는 GOODIS(20)의 실시예를 언급하고 있지만, 본 개시의 실시예는 x 패싯들(40)에 대한 동일한 단일 부분 반사 코팅 및 y 패싯들(60)에 대한 상이한 동일한 단일 부분 반사 코팅에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 예를 들어, 실시예에 따른 GOODIS(20)는 패싯들(40)의 둘 이상의 그룹들 각각에 대해 상이한 부분 반사 p 및 s 코팅을 가질 수 있다. 유사하게, 실시예에 따른 GOODIS(20)는 패싯들(60)의 둘 이상의 그룹들 각각에 대해 상이한 부분 반사 p 및 s 코팅을 가질 수 있다. 일반적으로, 상이한 각 p 및 s AOI 의존도들을 갖는 부분 반사 코팅들의 수의 증가에 따라, 본 개시의 실시예에 따른 GOODIS에 의해 제공되는 가상 이미지들의 충실도는 증가한다. 또한, 도 3c 및 도 4는 x 도파관(31)에 진입하는 광이 TIR 표면들(32 및 33)(도 1)에 대해 p 편광된다고 가정하지만, 본 개시의 실시예들의 실시는 p 편광죔 입력에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. x 도파관(31)에 입력되는 p 및 s 편광의 상이한 상대적인 각도들은 본 개시의 실시예에 따라 GOODIS에 의해 제공되는 바람직한 충실도 출력 이미지들을 제공하기 위해 패싯들(40 및 60)의 상이한 반사율들과 조정될 수 있다.

본 출원의 상세한 설명 및 청구범위에서, "포함한다", "구비한다" 및 "갖는다"라는 각 동사 및 그 활용형은 동사의 목적어 또는 목적어들이 반드시 동사의 주제 또는 주제들의 구성요소, 요소 또는 부분의 완전한 목록이 아님을 나타내기 위해 사용된다.

본 출원의 개시의 실시예들의 설명들은 예로서 제공되며, 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 설명된 실시예들은 상이한 특징들을 포함하며, 이들 모두가 모든 실시예들에서 요구되는 것은 아니다. 일부 실시예들은 특징들 중 일부 또는 특징들의 가능한 조합만을 이용한다. 설명된 본 발명의 실시예들의 변형들, 및 설명된 실시예들에서 언급된 특징들의 상이한 조합들을 포함하는 실시예들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 발생할 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한된다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

1. 근안 디스플레이(NED)용 이미지 전달 시스템(IDS)으로서,
   디스플레이 엔진에 의해 제공되는 입력 가상 이미지를 수신하기 위한 입력 애퍼처, 및 상기 수신된 입력 가상 이미지로부터의 광을 제1 도파관으로부터 반사시키도록 위치되는 제1 복수의 제1 패싯들을 포함하는 상기 제1 도파관;
   상기 제1 도파관으로부터 반사된 광을 수신하도록 구성되고, 상기 수신된 광을 제2 도파관으로부터 반사시키도록 위치된 제2 복수의 제2 패싯들을 포함하여, 상기 입력에 응답하여 출력 가상 이미지를 아이 모션 박스(eye motion box, EMB) 내로 투영하는 상기 제2 도파관; 및
   상기 제1 복수의 제1 패싯들과 상기 제2 복수의 제2 패싯들의 수의 합과 동일한 패싯들의 총 수보다 적은 수의 상이한 부분 반사 코팅들로부터 선택되는 각 패싯 상에 형성된 부분 반사 코팅을 포함하며,
   상기 출력 가상 이미지는 상기 입력 가상 이미지를 재생 시 80% 이상의 충실도를 나타내는 것인, IDS.
2. 제1항에 있어서, 상기 상이한 부분 반사 코팅들의 수는 약 20개 이하인 것인, IDS.
3. 제2항에 있어서, 상기 상이한 부분 반사 코팅들의 수는 상기 제1 도파관에 대해 약 15개 이하이고, 상기 제2 도파관에 대해서는 약 5개 이하인 것인, IDS.
4. 제3항에 있어서, 상기 상이한 부분 반사 코팅들의 수는 2개이고, 상이한 제1 반사 코팅과 제2 반사 코팅을 포함하는 것인, IDS.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 패싯들은 모두 제1 코팅으로 코팅되는 것인, IDS.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 패싯들은 모두 제2 코팅으로 코팅되는 것인, IDS.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, s 편광에 대한 상기 제1 코팅의 반사율은 상기 제1 패싯들 상의 입사 각도가 약 40°로부터 약 76°로 증가함에 따라 실질적으로 단조로(monotonically) 감소하는 것인, IDS.
8. 제7항에 있어서, p 편광에 대한 상기 제1 코팅의 반사율은 상기 제1 패싯들 상의 입사 각도가 약 40°로부터 약 76°로 증가함에 따라 실질적으로 단조로 증가하는 것인, IDS.
9. 제8항에 있어서, 약 40° 내지 약 76° 사이의 상기 제1 패싯들 상의 입사 각도에 대해, s 반사율이 p 반사율보다 큰 것인, IDS.
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, s 편광에 대한 상기 제2 코팅의 반사율은 상기 제2 패싯들 상의 입사 각도가 약 40° 미만으로 감소함에 따라 실질적으로 단조로 감소하는 것인, IDS.
11. 제10항에 있어서, p 편광에 대한 상기 제2 코팅의 반사율은 상기 제2 패싯들 상의 입사 각도가 약 50° 미만으로 감소함에 따라 실질적으로 단조로 증가하는 것인, IDS.
12. 제11항에 있어서, 약 50° 미만의 상기 제2 패싯들 상의 입사 각도에 대해, s 반사율이 p 반사율보다 큰 것인, IDS.
13. EMB에 가상 이미지를 제공하는 시스템으로서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 IDS; 및
    상기 IDS에 입력 가상 이미지를 제공하는 장치를 포함하는, 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 입력 가상 이미지를 제공하는 상기 장치는 상기 IDS의 제2 패싯 상에 입사하는 상기 입력 가상 이미지로부터의 광이 s 편광 성분보다 더 큰 p 편광 성분을 갖도록, 상기 입력 가상 이미지에서 광의 편광을 구성하는 것인, 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 p 편광의 세기가 상기 s 편광의 세기의 3배보다 큰 것인, 시스템.
16. 근안 디스플레이(NED)의 아이 모션 박스(EMB)에 투영되는 디스플레이 엔진에 의해 생성된 가상 이미지의 카피의 충실도를 제어하는 방법으로서,
    상기 디스플레이 엔진에 의해 제공되는 s 편광과 p 편광 사이의 비를, 상기 이미지의 FOV에서의 상기 광의 전파의 각도 방향의 함수로서 제어하는 단계; 및
    상기 s 편광과 p 편광 사이의 비에 반응하는 반사율을 갖는 복수의 패싯들로부터 상기 EMB 내로 상기 광을 반사시키는 단계를 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 비를 제어하는 단계는 p 편광의 세기가 s 편광의 세기보다 실질적으로 크도록 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
18. 제17항에 있어서, s 편광에 대한 상기 패싯들의 반사율은 상기 패싯들 상의 입사 각도가 약 40° 미만으로 감소함에 따라 실질적으로 단조로 감소하는 것인, 방법.
19. 제18항에 있어서, p 편광에 대한 상기 패싯들의 반사율은 상기 패싯들 상의 입사 각도가 약 50° 미만으로 감소함에 따라 실질적으로 단조로 증가하는 것인, 방법.
20. 제19항에 있어서, 약 50° 미만의 상기 패싯들 상의 입사 각도에 대해, s 반사율이 p 반사율보다 큰 것인, 방법.

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