KR20230074208A - 광가이드 기반 홀로그램 디스플레이 - Google Patents

광가이드 기반 홀로그램 디스플레이 Download PDF

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KR20230074208A
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창원 장
기승 방
병호 이
강 리
앤드류 메이몬
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

동공-복제 광가이드에 커플링된 공간 광 변조기를 갖는 홀로그램 디스플레이가 개시된다. 공간 광 변조기는 진폭 및/또는 위상이 공간적으로 변조된 광 빔을 제공한다. 광 빔은 동공-복제 광가이드에 의해 복수의 부분으로 복제된다. 이 부분은 출사 동공에서 간섭하여 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 제공한다. 사용자 동공의 위치를 결정하기 위해 시선 추적 시스템이 제공될 수 있고, 이에 따라 광 빔의 공간 변조가 조정되어, 눈 동공에서 빔 부분의 광학적 간섭이 필요한 이미지를 제공하게 할 수 있다.

Description

광가이드 기반 홀로그램 디스플레이
본 개시내용은 광학 디바이스, 특히 디스플레이 시스템 및 모듈에 관한 것이다.
가상 현실(virtual reality; VR) 콘텐츠, 증강 현실(Augmented Reality; AR) 콘텐츠, 합성 현실(Mixed Reality; MR) 콘텐츠 등을 표시하기 위해 HMD(Head Mounted Display), 헬멧 장착형 디스플레이(Helmet Mounted Display), NED(Near-Eye Display) 등이 사용되고 있다. 이러한 디스플레이는, 단지 몇가지 예를 들자면, 엔터테인먼트, 교육, 훈련 및 과학을 포함한 다양한 분야에서 애플리케이션을 찾고 있다. 디스플레이되는 VR/AR/MR 콘텐츠는, 3차원(3D)이 되어 경험을 향상시키고 가상 객체를 사용자에 의해 관찰되는 실제 객체와 매칭시킬 수 있다.
더 나은 광학 성능을 제공하기 위해, 디스플레이 시스템 및 모듈은 렌즈, 도파관, 디스플레이 패널, 격자 등과 같은 복수의 구성 요소를 포함할 수 있다. HMD나 NED의 디스플레이는 일반적으로 사용자의 머리에 착용하기 때문에, 크고, 부피가 크며, 불균형하고, 및/또는 무거운 디스플레이 디바이스는 번거롭고 사용자가 착용하기 불편할 수 있다. 소형, 경량 및 효율적인 머리 장착형 디스플레이 디스플레 및 모듈이 바람직하다.
본 개시내용의 제1 양태에 따르면, 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는, 조명 광 빔을 제공하기 위한 조명기; 공간적으로 변하는 파면(wavefront)을 갖는 이미지 광 빔을 제공하도록 상기 조명 광 빔의 적어도 위상을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 상기 조명기에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM); 및 상기 디스플레이의 아이박스(eyebox)에서 상기 이미지 광 빔을 수신하고 상기 이미지 광 빔의 복수의 측방 오프셋 부분을 제공하기 위해 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링된 제1 복제 광가이드(replicating lightguide)를 포함하고, 상기 이미지 광 빔의 공간적으로 변하는 파면은, 상기 이미지 광 빔의 부분들이 상기 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되어 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하게 하는 형상을 갖는다.
일부 실시예에서, 조명기는, 상기 SLM에 커플링하기 위한 상기 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 시준된(collimated) 광 빔을 제공하기 위한 광원, 및 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 부분을 제공하도록 구성된 제2 복제 광가이드를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, SLM은 공간적으로 변화된(variant) 위상 지연을 갖는 상기 조명 광 빔을 반사함으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있고, 반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 제2 복제 광가이드를 통해 다시 제1 복제 광가이드를 향해 전파될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 복제 광가이드는 상기 제1 복제 광가이드로부터 상기 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러를 포함할 수 있고, 상기 격자 아웃-커플러는 상기 이미지 광 빔의 부분들 중 적어도 일부의 광 출력의 1%까지 확산 산란시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 복제 광가이드는, 상기 제1 복제 광가이드로부터 상기 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러; 및 상기 이미지 광 빔의 부분들의 광 출력의 적어도 일부를 산란시키기 위한, 상기 격자 아웃-커플러의 하류에 있는 확산 산란기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 SLM에 동작 가능하게 커플링된 제어기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어기는, 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여 상기 이미지 광 빔의 부분들이 상기 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되도록 공간적으로 변하는 파면의 형상을 계산하고, 상기 이미지 광 빔을 제공하도록 상기 조명 광 빔을 공간적으로 변조하기 위해 상기 SLM에 제어 신호를 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링될 수 있고, 상기 제어기는 상기 시선 추적 시스템에 의해 결정된 상기 눈 동공의 위치에 기초하여 상기 디스플레이의 상기 출사 동공의 위치를 설정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는, 상기 디스플레이의 출사 동공에서 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위한 상기 제1 복제 광가이드의 하류의 포커싱 요소; 및 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함할 수 있고, 여기서 조명기는, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원; 상기 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환(redirect)하기 위해 상기 광원에 동작 가능하게 커플링된 틸트 가능 반사기(tiltable reflector); 및 상기 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 부분을 제공하기 위해 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된 제2 복제 광가이드를 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 틸트 가능 반사기 및 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링될 수 있고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공을 향해 시프트시키 위해 상기 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 제2 양태에 따르면, 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원; 상기 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환하기 위해 상기 광원에 동작 가능하게 커플링된 틸트 가능 반사기; 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된 복제 광가이드; 진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 상기 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하여 이미지 광 빔을 형성하기 위해 상기 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(SLM); 및 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여, 상기 디스플레이의 출사 동공에 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링된 포커싱 요소를 포함한다.
일부 실시예에서, SLM은 상기 시준된 광 빔을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사시킴으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있고, 반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 복제 광가이드를 통해 다시 상기 포커싱 요소를 향해 전파될 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템; 및 상기 시선 추적 시스템 및 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공으로 시프트시키기 위해 상기 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 상기 틸트 가능 반사기를 동작시키도록 구성되는 제어기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 포커싱 요소는 전환 가능 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 전환 가능 렌즈에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공으로 시프트시키기 위해 상기 전환 가능 렌즈를 전환하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 제3 양태에 따르면, 디스플레이가 제공되며, 상기 디스플레이는, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 조명기; 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 상기 조명기에 동작 가능하게 커플링된 복제 광가이드; 진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 상기 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 상기 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(SLM); 이미지 광 빔을 가변적으로 방향 전환하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 방향 전환 요소; 및 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하도록 상기 디스플레이의 출사 동공에 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 포커싱 요소를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 SLM은 상기 시준된 광 빔의 부분들을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있고, 반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 복제 광가이드를 통해 다시 상기 방향 전환 요소를 향해 전파될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방향 전환 요소는 상기 이미지 광 빔을 전환가능하게 방향 전환하도록 구성된 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자의 스택을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 포커싱 요소는 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 PBP 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 상기 SLM의 광 경로 하류에 배치되고 상기 시준된 광 빔의 부분들의 공간 변조로 인한 더 높은 회절 차수를 차단하도록 구성되는 각도 필터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는, 상기 SLM, 상기 방향 전환 요소, 및 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링된 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 시선 추적 시스템으로부터 상기 눈 동공의 위치를 획득하고, 상기 방향 전환 요소로 하여금 상기 이미지 광 빔을 상기 눈 동공의 위치를 향해 방향 전환하게 하고, 상기 SLM으로 하여금 상기 시준된 광 빔의 부분들을 공간적으로 변조하게 하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 포커싱 요소는 상기 제어기에 동작 가능하게 커플링된 가변 초점 요소를 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 눈 동공의 위치로 시프트시키기 위해 상기 가변 초점 요소의 초점 거리를 조정하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 하나 이상의 양태 또는 실시예에 통합하기에 적합한 것으로서 본 명세서에 설명된 임의의 특징은, 본 개시내용의 임의의 및 모든 양태 및 실시예에 걸쳐 일반화될 수 있는 것으로 의도됨을 이해할 것이다. 본 개시내용의 다른 양태는 본 개시내용의 설명, 청구범위 및 도면을 고려하여 당업자에 의해 이해될 수 있다. 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며, 청구범위를 제한하지 않는다.
이제 예시적인 실시예가 도면과 함께 설명될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 복제 광가이드 기반 디스플레이의 개략도이다.
도 2는 조명 복제 도파관을 사용하는 디스플레이 실시예의 분해 단면도이다.
도 3은 본 개시내용의 전체 조리개 광가이드 조명기 디스플레이의 분해 단면도이다.
도 4는 전체 조리개 광 스티어링 스택에 기초한 본 개시내용의 디스플레이의 분해 단면도이다.
도 5는 안경의 폼 팩터를 갖는 본 개시내용의 증강 현실(AR) 디스플레이의 도면이다.
도 6은 본 개시내용의 머리 장착형 가상 현실(VR) 디스플레이의 등축도이다.
본 교시가 다양한 실시예 및 예와 관련하여 설명되지만, 본 교시가 그러한 실시예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 교시는 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 다양한 대안 및 등가물을 포함한다. 본 개시내용의 원리, 양태 및 실시예를 인용하는 모든 진술 및 그의 구체적인 예는, 그의 구조적 및 기능적 등가물 모두를 포함하도록 의도된다. 또한, 그러한 등가물은 현재 알려진 등가물뿐만 아니라 미래에 개발될 등가물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발될 임의의 요소를 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "제1", "제2" 등의 용어는, 순차적인 순서를 의미하는 것이 아니라, 명시적으로 언급되지 않는 한, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위한 것이다. 이와 유사하게, 방법 단계의 순차적 순서는 명시적으로 언급하지 않는 한, 순차적 실행 순서를 의미하지 않는다. 도 1 내지 도 5에서, 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
홀로그램 디스플레이는 디스플레이의 출사동에서 이미지의 광 필드의 파면을 재현하는 광학적 구성의 공간 광 변조기(SLM)을 포함한다. 이러한 이미지는 사용자의 눈이 출사 동공에 배치될 때 사용자에 의해 직접 관찰될 수 있다. 홀로그램 디스플레이 구성의 장점 중 하나는 피사계 심도(depth of field)가 자연스럽게 재현된다는 것이다. 홀로그램 디스플레이의 문제는 이미지를 관찰하기 위해 눈이 출사 동공에 남아 있어야 한다는 것이다.
이 개시내용은 이미지 광의 평행 시프트된 부분을 아웃커플링시키면서 외부 표면으로부터 일련의 내부 전반사(total internal reflection; TIR)에 의해 이미지 광을 안내하는 복제 광가이드를 활용하여, 디스플레이의 아이박스에 걸쳐 광 커버리지를 제공하고, 이미지가 눈의 복수의 위치에서 관찰되게 한다. 일부 실시예에서, 복제 광가이드는 SLM을 위한 지향성 백라이트로서 동작하는 조명 광 빔을 복제하는 데 사용된다. 본 명세서에 개시된 디스플레이에서, 그러한 복제 광가이드는 홀로그램 디스플레이 구성에 사용되어, 사람으로 하여금 홀로그래픽 디스플레이 구성에 의해 제공되는 피사계 심도의 이점과, 눈의 복수의 위치에서 동공 복제에 의해 제공되는 디스플레이된 풍경을 관찰하는 능력을 결합할 수 있게 한다.
공간 광 변조기(SLM)에 의해 공간적으로 변조된 광 빔은, 복제 광가이드에 의해 복수의 부분으로 복제된다. 대안적으로, 조명 빔 부분은 후속 공간 변조를 위해 복제되고 SLM으로 지향될 수 있다. 변조된 부분은 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 제공하도록 출사 동공에서 간섭된다. 사용자 동공의 위치를 결정하기 위해 시선 추적 시스템이 제공될 수 있고, 이에 따라 광빔의 공간 변조가 조정되어 출사 동공에서 빔 부분의 광학적 간섭이 요청된 이미지를 제공하도록 할 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 조명 광 빔을 제공하기 위한 조명기를 포함하는 디스플레이가 제공된다. 공간적으로 변하는 파면을 갖는 이미지 광 빔을 제공하기 위해 조명 광 빔의 적어도 위상을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 공간 광 변조기(SLM)가 조명기에 동작 가능하게 커플링된다. 제1 복제 광가이드는, 이미지 광빔을 수신하고 디스플레이의 아이박스에서 이미지 광 빔의 복수의 측방 오프셋 부분을 제공하기 위해 SLM에 동작 가능하게 커플링된다. 이미지 광 빔의 공간적으로 변하는 파면은, 이미지 광 빔의 부분이 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되어 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하게 하는 형상을 갖는다.
조명기는, SLM에 커플링하기 위한 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원, 및 시준된 광 빔을 수신하고 시준된 광 빔의 복수의 부분을 제공하도록 구성된 제2 복제 광가이드를 포함할 수 있다. SLM은 예를 들어 반사 시, 이미지 광 빔이 제2 복제 광가이드를 통해 다시 제1 복제 광가이드를 향해 전파되도록, 공간적으로 변화된 위상 지연으로 조명 광 빔을 반사함으로써 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 복제 광가이드는 제1 복제 광가이드로부터의 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러를 포함한다. 격자 아웃-커플러는 이미지 광 빔의 부분들 중 적어도 일부의 광학 출력의 최대 1%까지 확산 산란하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 복제 광가이드는 제1 복제 광가이드로부터의 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러, 및 이미지 광 빔의 부분들의 광학 출력의 적어도 일부를 산란시키기 위한, 격자 아웃-커플러의 하류에 있는 확산 산란기를 포함할 수 있다.
디스플레이는 SLM에 동작 가능하게 커플링된 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는, 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위해 이미지 광 빔의 부분들이 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되도록 공간적으로 변하는 파면의 형상을 계산하여, 그에 따라 이미지 광 빔을 제공하기 위해 조명 광 빔을 공간적으로 변조하도록 SLM에 제어 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 디스플레이는 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함할 수 있다. 제어기는 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링되고 시선 추적 시스템에 의해 결정된 눈 동공의 위치에 기초하여 디스플레이의 출사 동공 위치를 설정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 디스플레이는 디스플레이의 출사 동공에서 이미지 광 빔을 포커싱하기 위한 제1 복제 광가이드의 하류에 있는 포커싱 요소, 및 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 조명기는, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원, 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환하기 위해 광원에 동작 가능하게 커플링된 틸트 가능(tiltable) 반사기, 및 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 시준된 광 빔을 수신하고 시준된 광 빔의 복수의 부분들을 제공하기 위해 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된 제2 복제 광가이드를 포함할 수 있다. 제어기는 틸트 가능 반사기과 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링될 수 있으며, 디스플레이의 출사 동공을 사용자의 눈 동공을 향해 시프트시키기 위해 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원을 포함하는 디스플레이가 제공된다. 틸트 가능 반사기는 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환하기 위해 광원에 동작 가능하게 커플링된다. 복제 광가이드는 시준된 광 빔을 수신하고 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된다. SLM은 진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하여 이미지 광 빔을 형성하기 위해 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된다. 포커싱 요소는 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여, 디스플레이의 출사 동공에서 이미지 광 빔의 포커싱을 위해 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링된다. SLM은 예를 들어 시준된 광 빔을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있다. 반사 시에, 이미지 광 빔은 복제 광가이드를 통해 다시 포커싱 요소를 향해 전파된다.
디스플레이는 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템, 및 상기 시선 추적 시스템 및 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링되고, 디스플레이의 출사 동공을 사용자의 눈 동공으로 시프트시키기 위해 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 상기 틸트 가능 반사기를 동작시키도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다. 포커싱 요소는 전환 가능 렌즈를 포함할 수 있다. 제어기는 전환 가능 렌즈에 동작 가능하게 커플링되고, 디스플레이의 출사 동공을 사용자의 눈 동공으로 시프트시키기 위해 전환 가능 렌즈를 전환시키도록 구성될 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 시준된 광 빔을 제공하기 위한 조명기, 시준된 광 빔을 수신하고 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 조명기에 동작 가능하게 커플링된 복제 광가이드, 진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 상기 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 상기 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된 SLM, 이미지 광 빔을 가변적으로 방향 전환하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 방향 전환 요소, 및 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하도록 디스플레이의 출사 동공에 이미지 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 포커싱 요소를 포함하는 디스플레이가 추가로 제공된다. SLM은 예를 들어 시준된 광 빔의 부분들을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써, 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM일 수 있다. 반사 시에, 이미지 광 빔은 복제 광가이드을 통해 다시 방향 전환 요소를 향해 전파된다. 방향 전환 요소는 이미지 광 빔을 전환가능하게 방향 전환하도록 구성된 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자의 스택을 포함할 수 있다. 포커싱 요소는 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 PBP 렌즈 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 디스플레이는 SLM의 광 경로 하류에 배치되고 시준된 광 빔의 부분들의 공간 변조로 인해 더 높은 회절 차수를 차단하도록 구성된 각도 필터를 더 포함한다.
디스플레이의 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위해 시선 추적 시스템이 제공될 수 있다. 제어기는 SLM, 방향 전환 요소 및 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링될 수 있고, 시선 추적 시스템으로부터 눈 동공의 위치를 획득하고, 방향 전환 요소로 하여금 이미지 광 빔을 눈 동공의 위치를 향해 방향 전환하게 하고, 그리고 SLM로 하여금 시준된 광 빔의 일부를 공간적으로 변조하게 하도록 구성될 수 있다. 포커싱 요소는 제어기에 동작 가능하게 커플링된 가변 초점(varifocal) 요소를 포함할 수 있다. 제어기는 디스플레이의 출사 동공을 눈 동공의 위치로 시프트시키기 위해 가변 초점 요소의 초점 거리를 조정하도록 구성될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 디스플레이(100)는 조명 광 빔(104)을 제공하기 위한 조명기(102)를 포함한다. 공간 광 변조기(SLM)(106)는 조명 광 빔(104)의 위상, 진폭 또는 둘 모두를 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 조명기(102)에 광학적으로 커플링되어, 진폭 및/또는 위상의 공간 변조의 결과로서 복수의 리지 및 밸리를 갖는 공간적으로 변하는 파면(110)을 갖는 이미지 광 빔(108)을 제공한다. 복제 광가이드(112)는 이미지 광 빔(108)을 수신하고 이미지 광빔(108)의 복수의 측방 오프셋 부분(108') 또는 복제물을 제공하기 위해 SLM(106)에 광학적으로 커플링된다. 이미지 광 빔(108)의 부분(108')은 파면(110')을 갖는다. 부분(108')은 디스플레이(100)의 아이박스(114)로 전파되고, 아이박스(114)에 있는 디스플레이(100)의 출사 동공(116)에서 광 간섭을 겪고, 즉 국부적인 상대 광학 위상에 따라 일관되게 가산 또는 감산된다. 여기서, 아이박스라는 용어는 디스플레이(100)의 사용자가 수용할 수 있는 품질의 이미지를 관찰할 수 있는 기하학적 영역을 의미한다.
SLM(106)은, 미리 계산된 진폭 및/또는 위상 분포로 이미지 광 빔(108)을 변조하여, 디스플레이의 이미지 광 빔(108)의 부분(108')이 출사 동공(116)에서 일관되게 가산 또는 감산되어 출사 동공(116)에 위치한 사용자의 눈(126)에 의해 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성한다. 일부 실시예에서, 진폭 및 위상 분포는, 출사 동공(116)에서 파면(110')을 갖는 이미지 광 빔(108)의 부분(108')의 광 간섭을 기술하는 다음의 매트릭스 방정식을 수치적으로 해결함으로써 디스플레이될 이미지로부터 제어기(130)에 의해 계산될 수 있다.
H = M·S (1)
여기서 H는 원하는(타겟) 홀로그램이고, S는 솔루션(조명 광 빔(104)의 진폭 및 위상 변조)이고, M은 출사 동공(116)에서 부분(108')의 코히어런트 간섭을 설명하는 변환 매트릭스이다. 위상 전용 변조에 대하여, 방정식이 비선형이 될 수 있다. 비선형 방정식에서 홀로그램을 계산하기 위해 반복 또는 인코딩 기반 방법을 사용할 수 있다.
SLM(106)은 투과 또는 반사로 동작할 수 있고, 액정(liquid crystal; LC) 어레이, MEMS(microelectromechanical system) 반사기 어레이를 포함하거나, 임의의 다른 적합한 기술에 기초할 수 있다. 복제 광가이드(112)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 오프셋 위치(109)에서 이미지 광 빔(108) 및 아웃커플링 부분(108')을 인커플링하기 위한 입력 및 출력 격자 커플러를 포함하는 평면-평행 투명 플레이트일 수 있다. 격자 커플러는 예를 들어 SRG(surface relief grating) 커플러, VBG(volume Bragg grating) 커플러 등을 포함할 수 있다. 이미지 광 빔(108)은 일련의 내부 전반사(TIR)에 의해 평면-평행 플레이트에서 전파된다. 일부 실시예에서, 평면-평행 플레이트는 동공 복제의 밀도를 증가시키기 위해, 플레이트에 평행하게 연장되는 매립된 부분 반사기를 포함할 수 있다.
복제 광가이드(들)를 갖는 홀로그램 디스플레이의 몇몇 실시예가 이제 고려될 것이다. 먼저 도 2을 참조하면, 디스플레이(200)는 도 1의 디스플레이(100)의 실시예이며, 유사한 요소를 포함한다. 도 2의 디스플레이(200)의 조명기(202)는 도 2는 시준된 광 빔(203)을 방출하는 광원(218)을 포함한다. 광원(218)은 예를 들어 반사기(220)를 통해 소스 복제 광가이드(222)에 동작 가능하게 커플링된다. 소스 복제 광가이드(222)는 반사형 SLM(206)을 조명하기 위한 조명 광 빔(204)을 형성하기 위해, 시준된 광 빔(203)의 복수의 부분(224)을 제공하도록 구성된다. 소스 복제 광가이드(222)는 예를 들어 시준된 광 빔(203)을 인커플링하고 시준된 광 빔(203)의 복수의 부분(224)을 아웃커플링하기 위한 입력 및 출력 격자 커플러를 포함할 수 있다. 반사형 SLM(206)은 공간적으로 변화된 위상 지연 및/또는 공간적으로 변조된 진폭 또는 반사 계수로 조명 광 빔(204)을 반사함으로써 이미지 광 빔(208)을 형성하도록 구성된다. 이미지 광 빔(208)의 파면이 210으로 도시되어 있다. 반사 시에, 이미지 광 빔(208)은 소스 복제 광가이드(222)를 통해 다시 도 1의 디스플레이(100)의 복제 광가이드(112)와 유사한 이미지 복제 광이드(212)를 향해 전파된다. 이미지 광 빔(208)은 임의의 추가 다중 반사 없이, 즉 도 2에서의 하향 직선 없이 소스 복제 광가이드(222)를 통해 다시 전파된다. 이미지 복제 광가이드(212)는 이미지 광 빔(208)의 복수의 부분(208')을 형성한다. 부분(208')은 포커싱 요소(234) 예를 들어, 렌즈에 의해 출사 동공(216)에 포커싱되고, 출사 동공(216)에서 광학적으로 간섭되어, 출사 동공(216)에 배치된 사용자의 눈(126)에 의해 관찰될 수 있는 이미지를 형성한다(도 2 참조).
이미지 복제 광가이드(212) 및/또는 소스 복제 광가이드(222)는 조명 광 또는 이미지 광을 인커플링 및 아웃커플링하기 위한 격자 커플러를 포함할 수 있다. 격자 커플러는 예를 들어 SRG 커플러, BG 커플러 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 평면-평행 플레이트는 동공 복제의 밀도를 증가시키기 위해, 플레이트에 평행하게 연장되는 매립된 부분 반사기를 포함할 수 있다.
디스플레이(200)는 SLM(206)에 동작 가능하게 커플링된 제어기(230)를 더 포함할 수 있다. 제어기(230)는, 이미지 광 빔(208)의 부분(208')이 디스플레이(200)의 출사 동공(216)에서 일관되게 가산 또는 감산되어 사용자의 눈(126)에 의해 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하게 하도록 공간적으로 변하는 파면(210)의 형상을 계산하도록 구성(예를 들어, 프로그래밍)될 수 있다. 제어기(230)는, 조명 광 빔(204)을 공간적으로 변조하기 위해 반사형 SLM(206)에 제어 신호를 제공하여, 이미지 광 빔(208)을 출력에 제공할 수 있다. 이미지가 홀로그램으로 형성되기 때문에, 3차원 타겟 이미지를 나타내는 복잡한 광학 필드가 출사 동공(216)에 형성될 수 있다. 공간적으로 변하는 파면(210)의 형상은, 예를 들어 가까운 가상 객체(228)가, 마치 눈(126)으로부터 유한한 거리에 존재하는 것 처럼, 눈(126)에 나타나서, 눈(126)이 객체(228)에 자연스럽게 포커싱되게 하여, 수렴-조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 완화시킨다.
이미지 복제 광가이드(212)는 이미지 복제 광가이드(212)로부터 이미지 광 빔(208)의 부분(208')을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러(290)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 격자 아웃-커플러(290)는 또한 작은 부분, 예를 들어 임의의 산란 각도 내에, 예를 들어 3도 이하, 10도 이하 등에서, 이미지 광 빔(208)의 부분(208')의 적어도 일부의 강도의 0.01%까지, 0.1%까지, 또는 1%까지 작은 부분을 산란시키도록 구성될 수 있다. 산란 능력을 제공하기 위해, 격자 아웃-커플러(290)에 산란 물질이 추가될 수 있다. 일부 실시예에서, 산란은 한 쌍의 기록 빔(하나는 클린 평면파 빔 또는 구형파 빔이고, 다른 하나는 약간 산란된 빔)을 사용하여 격자 커플러를 형성함으로써 달성될 수 있다. SRG(Surface Relief Gratings)도 사용될 수 있다. 대안적으로, 이미지 광 빔(208)의 부분(208')의 광 출력의 적어도 일부를 산란시키기 위해, 별도의 확산 산란기(292)가 격자 아웃-커플러(290)의 하류에 배치될 수 있다. 격자 아웃-커플러(290)에 또는 별도의 확산 산란기(292)로서 확산 산란기를 추가하는 기능은, 이미지 광 빔(208)의 개별 부분(208') 사이의 공간적 일관성(coherence) 또는 상관성(correlation)을 감소시키는 것이며, 이는 이러한 계산의 제약을 완화함으로써, 공간적으로 변하는 파면(210)의 형상의 계산 및 최적화에 대하여 유익할 수 있다. 일부 경우에, 확산 산란체의 존재는, 예를 들어 사람으로 하여금 디스플레이(200)의 시야를 증가시키게 하여 디스플레이(200)의 에텐듀(etendue)를 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 확산 산란기는, 복제 광가이드(112)의 하류의 별도의 산란기로서 또는 복제 광가이드(112)의 산란 아웃-커플러로서, 도 1의 디스플레이(100)에도 추가될 수 있다.
디스플레이(200)는 사용자의 눈(126)을 감지하고 아이박스(214) 내의 눈 동공의 위치를 결정하도록 구성된 시선 추적 시스템(232)을 더 포함할 수 있다. 제어기(230)는 시선 추적 시스템(232)에 의해 결정된 눈(126) 동공의 위치에 기초하여 디스플레이(200)의 출사 동공(216)의 위치를 설정하기 위해 시선 추적 시스템(232)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 출사 동공(216)의 위치가 설정되면, 제어기(230)는, 출사 동공(216)의 위치에서의 이미지 광 빔(208)의 부분(208')의 광 간섭을 설명하는 방정식을 수치적으로 해결함으로써 디스플레이될 이미지로부터 이미지 광 빔(208)의 진폭 및/또는 위상 분포를 계산할 수 있다. 아이박스(214)의 다른 위치는 계산 프로세스를 가속화하기 위해 이 계산에서 무시될 수 있다.
일부 실시예에서, 반사기(220)는 제어기(230)로부터 대응하는 제어 신호를 수신할 때 원하는 방향으로 시준된 광 빔(203)을 스티어링할 수 있는 틸트 가능 반사기이다. 시준된 광 빔(203)이 반사기(220)에 의해 스티어링될 때, 소스 복제 광가이드(222) 쪽으로의 시준된 광 빔(203)의 입사각이 변경된다. 소스 복제 광가이드(222)가 시준된 광 빔(203)의 포인팅 각도를 유지하기 때문에, 그에 따라 시준된 광 빔(203)의 복수의 부분(224)이 스티어링된다. 시준된 광 빔(203)의 복수의 부분(224)은 시준된 광 빔(203)의 스티어링을 반복하는 조명 광 빔(204)을 형성한다. 조명 광 빔(204)의 각도는, 포커싱 요소(234)에 의해 조명 광 빔(204)의 초점(focal spot)의 위치로 변환된다. 이는 사람이 예를 들어 다양한 위치(209A, 209B 및 209C) 사이에서 이미지 광 빔(208)의 부분(208')을 스티어링할 수 있게 한다. 이미지 광 빔(208)의 부분(208')을 스티어링하는 것은, 사람이 이미지 광 빔(208)의 더 큰 부분을 출사 동공(216)을 향해 스티어링하게 하여, 디스플레이(200)의 출사 동공(216)의 조명을 증가시키고, 궁극적으로 디스플레이(200)에 의한 광 활용을 개선시킨다.
이제 도 3을 참조하면, 디스플레이(300)는 시준된 광 빔(303)을 방출하는 광원(318)을 포함한다. 광원(318)은 틸트 가능 반사기(320)에 동작 가능하게 커플링된 제어기(330)로부터 대응하는 명령을 수신할 때 시준된 광 빔(303)을 스티어링하거나, 가변적으로 방향 전환할 수 있는 틸트 가능 반사기(320)에 광학적으로 커플링된다. 복제 광가이드(322)는 시준된 광빔(303)을 수신하고 시준된 광빔(303)의 다수의 측방향으로 오프셋된 평행 부분(324)(짧은 상향 화살표로 도시됨)을 제공하기 위해 경사형 반사기(320)에 광학적으로 결합된다. 함께, 복수의 측방 오프셋 평행 부분(324)는 조명 광 빔(304)을 형성한다.
SLM(306)은 복제 광가이드(322)에 광학적으로 커플링된다. SLM(306)은 조명 광 빔(304)을 진폭, 위상 또는 둘 모두에서 수신하고 공간적으로 변조하여, 파면(310)을 갖는 이미지 광 빔(308)을 생성한다. SLM(306)은 이 실시예에서 반사형 SLM이다. 포커싱 요소(334)는 SLM(306)에 광학적으로 커플링된다. 포커싱 요소(334)는 디스플레이(300)의 출사 동공(316)에 이미지 광 빔(308)을 포커싱하여 사용자의 눈(126)에 의해 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성한다.
도 3에서, SLM(306)은 조명 광 빔(304)을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 이미지 광 빔(308)을 형성하도록 구성된다. 반사 시에, 이미지 광 빔(308)은 복제 광가이드(322)를 통해 다시 포커싱 요소(334)를 향해 전파된다. 보다 일반적으로, SLM(306)은 투과 또는 반사로 동작할 수 있다. SLM(306)은 LC 어레이, MEMS 반사기 어레이 등을 포함할 수 있다. 복제 광가이드(322)는 도시된 바와 같이 복수의 오프셋 위치에서 시준된 광 빔(303)을 인커플링하고 부분(324)을 아웃커플링하기 위한 입력 및 출력 격자 커플러를 포함하는 평면-평행 투명 플레이트일 수 있다. 격자 커플러는 예를 들어 SRG 커플러, VBG 커플러 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 평면-평행 플레이트는 동공 복제의 밀도를 증가시키기 위해, 플레이트에 평행하게 연장되는 매립된 부분 반사기를 포함할 수 있다.
디스플레이(300)는 사용자의 눈(125)을 감지하고 아이박스(314)에 대한 눈 동공의 위치를 결정하도록 구성된 시선 추적 시스템(332)을 더 포함할 수 있다. 제어기(330)는 시선 추적 시스템(332)에 동작 가능하게 커플링되어, 조명 광 빔(304)을 복수의 위치(309A, 309B, 309C) 사이에서 그리고 일반적으로 사용자의 눈(126)의 동공을 향해 방향 전환하기 위해 시준된 광 빔(303)을 방향 전환시키도록 틸트 가능 반사기(320)를 동작시킬 수 있다. 제어기(330)는 시선 추적 시스템(332)에 의해 결정된 눈(126)의 동공의 위치에 기초하여 디스플레이(300)의 출사 동공(316)의 위치를 설정하도록 추가로 구성될 수 있다. 일단 출사 동공(316)의 위치가 설정되면, 제어기(330)는 출사 동공(316)에 디스플레이될 이미지로부터의 이미지 광 빔(308)의 진폭 및 위상 분포를 계산할 수 있다. 계산은 사용된 광학 구성에 의존할 수 있다.
일부 실시예에서, 포커싱 요소(334)는 전환 가능한 초점 거리를 갖는 렌즈, 예를 들어, 전환 가능한 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 렌즈, 전환 가능한 PBP 렌즈의 스택, 메타렌즈 등과 같은 가변 초점 요소를 포함할 수 있다. 제어기(330)는 전환가능 렌즈(들)에 동작 가능하게 커플링될 수 있고, 예를 들어 특정 사용자의 아이 릴리프(eye relief) 거리를 더 잘 매칭시키기 위해 디스플레이(300)의 출사 동공(316)을 눈(126)의 동공으로 시프트시키도록 전환 가능 렌즈(들)를 전환하도록 구성될 수 있다. 전환 가능한 렌즈(들)는 또한, 예를 들어 수렴-조절 불일치를 완화시키기 위해, 3D 공간에서 가상 객체의 위치를 변경하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 포커싱 요소(334)는 예를 들어 전환 가능 격자와 같은 스티어링 요소를 더 포함할 수 있다. 가변 초점 및/또는 스티어링 포커싱 요소(334)는, 포커스 변조 및 시프트 변조를 분리하기 위해 틸트 가능 반사기(320)와 결합하여 사용되거나, 시프트 각도를 확장하기 위해 둘 모두가 사용될 수 있다.
도 4로 돌아가서, 디스플레이(400)는 도 3의 디스플레이(300)와 유사하고, 유사한 요소를 포함한다. 도 4의 디스플레이(400)는 시준된 광 빔(403)을 제공하기 위한 조명기(418)를 포함한다. 복제 광가이드(422)는 예를 들어 반사기(420)에 의해 조명기(418)에 광학적으로 커플링된다. 복제 광가이드(422)는 시준된 광 빔(403)을 수신하고 시준된 광 빔(403)의 복수의 측방 오프셋 평행 부분(424)을 제공한다. 부분(424)은 선택적인 각도 필터(436)를 통해 전파되고 SLM(406)에 충돌하는 조명 광 빔(404)을 형성한다. SLM(406)은 이미지 광 빔(408)의 파면(410) 상의 이미지 정보를 인코딩하도록, 조명 광 빔(404)을 진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 수신하고 공간적으로 변조한다. 도 4에 도시된 실시예에서, SLM(406)은 조명 광 빔(404)을 공간적으로 다양한 반사율 또는 공간적으로 다양한 광학 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 이미지 광 빔(408)을 형성하는 반사형 SLM이다. 복수의 측방 오프셋 평행 부분(424)은, 복제 광가이드(422) 및 SLM(406)에 수직인 것으로 도시되어 있지만, 경사 각도 w.r.t.에서 복제 광가이드(422)로 전파될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 또한, 이미지 광 빔(408)은, 복제 광가이드(422) 및 SLM(406)에 수직으로 시준된 것으로 도시되어 있지만, 발산/수렴될 수 있거나, 파면(410)의 복잡한 형상을 가질 수 있다.
이미지 광 빔(408)은 각도 필터(436)를 통해 전파된다. 각도 필터(436)의 목적은 SLM(406)에 의해 조명 광 빔(404)을 공간적으로 변조할 때 나타날 수 있는 더 높은 회절 차수를 차단하는 것이다. 각도 필터(436)는 예를 들어 볼륨 홀로그램을 포함할 수 있다. 그 후, 이미지 광 빔(408)은 복제 광가이드(422)를 통해 일직선으로, 즉 실질적으로 복제 광가이드(422)에 의해 포착되거나 방향 전환되지 않고 전파된다. 방향 전환 요소(438)는 복수의 위치(409A, 409B, 및 409C) 사이에서 그리고 일반적으로 사용자 눈(126)의 동공을 향하여 이미지 광 빔(408)을 가변적으로 방향 전환시키기 위해 SLM의 광학 경로 하류에 배치된다. 이를 위해, 방향 전환 요소(438)는 LC 스티어링 요소, 전환 가능한 회절 격자, 전환 가능한 PBP 격자 또는 이러한 격자의 2진 스택, 메타렌즈 등을 포함할 수 있다. 포커싱 요소(434)는, 사용자의 눈(126)에 의해 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여 디스플레이(400)의 출사 동공(416)에 이미지 광 빔(408)을 포커싱하기 위해 상기 SLM(406)의 광 경로 하류에 배치된다. 포커싱 요소는 예를 들어 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈, PBP 렌즈, 또는 이러한 렌즈의 임의의 조합 또는 스택을 포함할 수 있다. 방향 전환 요소(438) 및 포커싱 요소(434)의 순서는 반전될 수 있으며; 또한, 일부 실시예에서, 포커싱 요소(434) 및 방향 전환 요소(438)는 이미지 광 빔(408)의 가변 스티어링 및 포커싱을 가능하게 하는 단일 스택 및/또는 단일 광학 서브어셈블리로 결합될 수 있다.
시선 추적 시스템(432)이 제공될 수 있다. 시선 추적 시스템(432)은 사용자의 눈(126)을 감지하고 아이박스(414)에 대한 사용자의 눈(126)의 눈 동공의 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기(430)는 SLM(406), 방향 전환 요소(438), 및 시선 추적 시스템(432)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 제어기(430)는, 시선 추적 시스템(432)으로부터 눈 동공의 위치를 획득하고, 방향 전환 요소(438)로 하여금 이미지 광 빔(408)을 눈 동공 위치를 향해 방향 전환하게 하고, 출사 동공(416)에서 원하는 이미지를 생성하도록 SLM으로 하여금 조명 광 빔(404)을 공간적으로 변조하게 하도록 구성될 수 있다. 포커싱 요소(434)는 제어기(430)에 동작 가능하게 커플링된 가변 초점 요소를 포함할 수 있다. 제어기(430)는 디스플레이(400)의 출사 동공을 사용자 눈(126)의 눈 동공의 위치로 시프트시키기 위해 가변 초점 요소의 초점 거리를 조정하도록 구성될 수 있다.
도 5을 참조하면, AR/VR 니어-아이(near-eye) 디스플레이(500)는 안경의 폼 팩터를 갖는 프레임(501)을 포함한다. 프레임(501)은 각각의 눈에 대해, 조명기 어셈블리(572); 상기 어셈블리(572)에 커플링된 광학 스택(574); 시선 추적 카메라(576); 및 아이박스(514)에서 눈을 조명하기 위한 복수의 아이박스 조명기(578)(검은 점으로 도시됨)를 지지한다. 눈 조명기(578)는 광학 스택(574)에 의해 지지될 수 있다. AR 애플리케이션의 경우, 광학 스택(574)은 사용자로 하여금 각각의 눈에 투사되고 외부 세계관과 중첩된 이미지와 함께 외부 세계를 볼 수 있도록 투명하거나 반투명할 수 있다. 각각의 눈에 투사된 이미지는, 실세계 뷰에 몰입된 것처럼 보일 수 있도록 시뮬레이트된 시차로 배치된 객체를 포함할 수 있다.
조명기 어셈블리(572)는 본 명세서에 개시된 조명기/광원 중 임의의 것, 예를 들어 도 1의 디스플레이(100)의 조명기(102) - SLM(106) 스택, 도 2의 디스플레이(200)의 조명기(202) - SLM(206) 스택, 도 3의 디스플레이(300)의 광원(318), 및/또는 도 4의 디스플레이(400)의 조명기(418)를 포함할 수 있다. 광학 스택(574)은 본 명세서에 개시된 전체-개구 광학 요소 또는 스택 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 여기서, "전체 조리개"라는 용어는 아이박스(514)에 배치된 사용자의 눈의 시야의 대부분에 걸쳐 연장되는 것을 의미한다. 전체 조리개 요소 또는 스택의 예는, 예를 들어 도 1의 디스플레이(100)의 복제 광가이드(112), 도 2의 디스플레이(200)의 복제 광가이드(212), 도 3의 디스플레이(300)의 SLM(306), 복제 광가이드(322), 및 포커싱 요소(334)의 스택, 도 4의 디스플레이(400)의 SLM(406), 각도 필터(436), 복제 광가이드(422), 방향 전환 요소(438), 및 포커싱 요소(434)의 스택을 포함한다.
시선 추적 카메라(576)의 목적은 사용자의 양안의 위치 및/또는 방향을 결정하는 것이다. 일단 사용자의 눈의 위치 및 방향이 알려지면, 눈 동공 위치가 알려지고, AR/VR 니어-아이 디스플레이(500)의 제어기(530)는, 눈 동공의 위치에서 이미지를 형성할 뿐만 아니라 눈 동공에 충돌하는 광 에너지를 방향 전환하도록, 요구되는 SLM 위상 및/또는 진폭 프로파일을 계산할 수 있다. 시선 수렴 거리 및 방향도 결정될 수 있다. 디스플레이된 이미지는, 디스플레이된 증강 현실 풍경으로의 사용자의 몰입의 더 나은 충실도를 위해, 및/또는 증강 현실과의 특정 상호 작용 기능을 제공하기 위해, 사용자의 시선을 설명하도록 동적으로 조정될 수 있다.
동작 시, 눈 조명기(578)는 대응하는 아이박스(514)에서 눈을 조명하여 시선 추적 카메라(576)로 하여금 눈의 이미지를 획득할 수 있게 할뿐만 아니라 기준 반사, 즉 글린트(glint)를 제공할 수 있게 한다. 글린트는 캡처된 눈 이미지에서 기준점으로서 기능할 수 있으며, 글린트 이미지에 대한 눈 동공 이미지의 위치를 결정함으로써 눈 응시 방향 결정을 용이하게 할 수 있다. 조명 광으로 사용자의 주의를 산만하게 하는 것을 방지하기 위해, 후자는 사용자에게 보이지 않게 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 아이박스(514)를 조명하기 위해 적외선이 사용될 수 있다.
제어기(530)는 시선 추적 카메라(576)에 의해 획득된 이미지를 처리하여 실시간으로 사용자의 양안 시선 방향을 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 처리 및 눈 위치/방향 결정 기능은, AR/VR 니어-아이 디스플레이(500)의 전용 제어기 또는 제어기들에 의해 수행될 수 있다.
본 개시내용의 실시예는 인공 현실 시스템을 포함하거나 그와 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은, 시각 정보, 청각, 촉각(소마토센세이션(somatosensation)) 정보, 가속도, 균형 등과 같은 감각을 통해 획득된 외부 세계에 대한 감각 정보를 사용자에게 제시하기 전에 어떤 방식으로든 조정한다. 비제한적 예로서, 인공 현실은 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 하이브리드 현실 또는 이들의 일부 조합 및/또는 파생물을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 완전히 생성된 콘텐츠 또는 캡처된(예를 들어, 실제 세계) 콘텐츠와 결합된 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이 콘텐츠 중 임의의 것은 시청자에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오와 같이 단일 채널 또는 다중 채널로 제공될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 인공 현실은 또한 예를 들어 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되는 애플리케이션, 제품, 액세서리, 서비스 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있으며 및/또는 다른 방식으로 인공 현실에 사용(예를 들어, 활동을 수행)된다. 인공 현실 콘텐츠를 제공하는 인공 현실 시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템에 연결된 HMD와 같은 웨어러블 디스플레이, 독립형 HMD, 안경의 폼 팩터를 갖는 니어-아이 디스플레이, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템을 포함하는 다양한 플랫폼, 또는 하나 이상의 뷰어에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼에서 구현될 수 있다.
도 6으로 돌아가면, HMD(600)는 AR/VR 환경으로의 몰입도를 높이기 위해 사용자의 얼굴을 감싸는 AR/VR 웨어러블 디스플레이 시스템의 일례이다. 본 명세서에서 고려되는 디스플레이 중 임의의 것이 HMD(600)에서 사용될 수 있다. HMD(600)의 기능은, 컴퓨터 생성된 이미지로 물리적 실세계 환경의 뷰를 증가시키거나 완전히 가상의 3D 이미지를 생성하는 것이다. HMD(600)는 전방 본체(602) 및 밴드(604)를 포함할 수 있다. 전방 본체(602)는 신뢰적이고 편안한 방식으로 사용자의 눈 앞에 배치되도록 구성되며, 밴드(604)는 사용자의 머리에 전방 본체(602)를 고정하기 위해 늘어날 수 있다. 디스플레이 시스템(680)은 AR/VR 이미지를 사용자에게 제시하기 위해 전방 본체(602)에 배치될 수 있다. 디스플레이 시스템(680)은 본 명세서에서 고려되는 디스플레이들 중 임의의 것, 예를 들어 도 1의 디스플레이(100), 도 2의 디스플레이(200), 도 3의 디스플레이(300), 및/또는 도 4의 디스플레이(400)를 포함할 수 있다. 전방 본체(602)의 측면(606)은 불투명하거나 투명할 수 있다.
일부 실시예에서, 전방 본체(602)는, HMD(600)의 가속도를 추적하기 위한 위치 탐지기(locator)(608) 및 관성 측정 유닛(IMU)(610), 및 HMD(600)의 위치를 추적하기 위한 위치 센서(612)를 포함한다. IMU(610)는 HMD(600)의 움직임에 응답하여 하나 이상의 측정 신호를 생성하는 위치 센서(612) 중 하나 이상의 위치 센서로부터 수신된 측정 신호에 기초하여 HMD(600)의 위치를 나타내는 데이터를 생성하는 전자 디바이스이다. 위치 센서(612)의 예는, 하나 이상의 가속도계, 하나 이상의 자이로스코프, 하나 이상의 자력계, 움직임을 검출하는 다른 적절한 유형의 센서, IMU(610)의 오류 정정에 사용되는 센서의 유형, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 위치 센서(612)는 IMU(610)의 외부, IMU(610)의 내부, 또는 이들의 일부 조합에 위치될 수 있다.
위치 탐지기(608)는 가상 현실 시스템이 전체 HMD(600)의 위치 및 방향을 추적할 수 있도록, 가상 현실 시스템의 외부 이미징 디바이스에 의해 추적된다. IMU(610) 및 위치 센서(612)에 의해 생성된 정보는, HMD(600)의 위치 및 방향의 향상된 추적 정확도를 위해, 위치 탐지기(608)를 추적함으로써 획득된 위치 및 방향과 비교될 수 있다. 사용자가 3D 공간에서 움직이고 회전할 때, 사용자에게 적절한 가상 풍경을 제공하기 위하여 정확한 위치와 방향이 중요하다.
HMD(600)는 HMD(600)의 일부 또는 전부를 둘러싸는 로컬 영역의 깊이 정보를 설명하는 데이터를 캡처하는 깊이 카메라 어셈블리(DCA)(611)를 더 포함할 수 있다. 이를 위해, DCA(611)는 레이저 레이더(LIDAR), 또는 이와 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 깊이 정보는 3D 공간에서 HMD(600)의 위치 및 방향 결정의 더 나은 정확도를 위해 IMU(610)로부터의 정보와 비교될 수 있다.
HMD(600)는 실시간으로 사용자의 눈의 방향 및 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템(614)을 더 포함할 수 있다. 획득된 눈의 위치 및 방향은 또한 HMD(600)로 하여금 사용자의 시선 방향을 결정하고 그에 따라 디스플레이 시스템(680)에 의해 생성된 이미지를 조정할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 이향(vergence), 즉 사용자 시선의 수렴 각도가 결정된다. 결정된 시선 방향 및 이향각도는 화각(angle of viwe) 및 눈 위치에 따른 시각적 아티팩트의 실시간 보상에도 사용될 수 있다. 또한, 결정된 이향 각도 및 응시 각도는 사용자와의 상호 작용, 객체 강조, 객체를 전경(foreground)으로 가져오기, 추가 객체 또는 포인터의 생성 등에 사용될 수 있다. 예를 들어 전방 몸체(602)에 내장된 소형 스피커 세트를 포함하는 오디오 시스템도 제공될 수 있다.
본 개시내용은 본 명세서에 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 실제로, 본 명세서에 설명된 것 이외에, 다른 다양한 실시예 및 수정이 전술한 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예 및 수정은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 또한, 본 명세서에서 특정 목적을 위해 특정 환경에서 특정 구현의 맥락에서 본 개시내용을 설명했지만, 당업자는, 그의 유용성이 이에 제한되지 않는 것과 본 개시내용이 임의의 수의 목적을 위한 임의의 수의 환경에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 아래에 제시된 청구범위는 본 명세서에 설명된 바와 같이 본 개시내용의 전체 범위 및 사상을 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 디스플레이에 있어서,
    조명 광 빔을 제공하기 위한 조명기;
    공간적으로 변하는 파면(wavefront)을 갖는 이미지 광 빔을 제공하도록 상기 조명 광 빔의 적어도 위상을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 상기 조명기에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM); 및
    상기 디스플레이의 아이박스에서 상기 이미지 광 빔을 수신하고 상기 이미지 광 빔의 복수의 측방 오프셋 부분을 제공하기 위해 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링된 제1 복제 광가이드(replicating lightguide)
    를 포함하고,
    상기 이미지 광 빔의 공간적으로 변하는 파면은, 상기 이미지 광 빔의 부분들이 상기 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되어 사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하게 하는 형상을 가지는 것인 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조명기는, 상기 SLM에 커플링하기 위한 상기 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 시준된(collimated) 광 빔을 제공하기 위한 광원, 및 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 부분을 제공하도록 구성된 제2 복제 광가이드를 포함하는 것인 디스플레이.
  3. 제2항에 있어서 ,
    상기 SLM은 공간적으로 변화된(variant) 위상 지연을 갖는 상기 조명 광 빔을 반사함으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM이고,
    반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 제2 복제 광가이드를 통해 다시 제1 복제 광가이드를 향해 전파되는 것인 디스플레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 복제 광가이드는 상기 제1 복제 광가이드로부터 상기 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러를 포함하고, 상기 격자 아웃-커플러는 상기 이미지 광 빔의 부분들 중 적어도 일부의 광 출력의 1%까지 확산 산란시키도록 구성되는 것인 디스플레이.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복제 광가이드는,
    상기 제1 복제 광가이드로부터 상기 이미지 광 빔의 부분들을 아웃커플링하기 위한 격자 아웃-커플러; 및
    상기 이미지 광 빔의 부분들의 광 출력의 적어도 일부를 산란시키기 위한, 상기 격자 아웃-커플러의 하류의 확산 산란기
    를 포함하는 것인 디스플레이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링되는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여 상기 이미지 광 빔의 부분이 상기 디스플레이의 출사 동공에서 일관되게 가산 또는 감산되도록 공간적으로 변하는 파면의 형상을 계산하고,
    상기 이미지 광 빔을 제공하도록 상기 조명 광 빔을 공간적으로 변조하기 위해 상기 SLM에 제어 신호를 제공하도록
    구성되는 것인 디스플레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 제어기는 상기 시선 추적 시스템에 의해 결정된 상기 눈 동공의 위치에 기초하여 상기 디스플레이의 상기 출사 동공의 위치를 설정하도록 구성되는 것인 디스플레이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 디스플레이의 출사 동공에서 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위한 상기 제1 복제 광가이드의 하류의 포커싱 요소; 및
    상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템
    을 더 포함하고,
    상기 조명기는,
    시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원;
    상기 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환(redirect)하기 위해 상기 광원에 동작 가능하게 커플링된 틸트 가능 반사기(tiltable reflector); 및
    상기 조명 광 빔을 형성하기 위하여, 상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 부분을 제공하기 위해 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된 제2 복제 광가이드
    를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 틸트 가능 반사기 및 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공을 향해 시프트시키 위해 상기 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 구성되는 것인 디스플레이.
  9. 디스플레이에 있어서,
    시준된 광 빔을 제공하기 위한 광원;
    상기 시준된 광 빔을 수신하고 가변적으로 방향 전환하기 위해 상기 광원에 동작 가능하게 커플링된 틸트 가능 반사기;
    상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링된 복제 광가이드;
    진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 상기 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하여 이미지 광 빔을 형성하기 위해 상기 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(SLM); 및
    사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하기 위하여, 상기 디스플레이의 출사 동공에 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 SLM에 동작 가능하게 커플링된 포커싱 요소
    를 포함하는 디스플레이.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 SLM은 상기 시준된 광 빔을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM이고, 반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 복제 광가이드를 통해 다시 상기 포커싱 요소를 향해 전파되는 것인 디스플레이.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템; 및
    상기 시선 추적 시스템 및 상기 틸트 가능 반사기에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공으로 시프트시키기 위해 상기 시준된 광 빔을 방향 전환하도록 상기 틸트 가능 반사기를 동작시키도록 구성되는 제어기
    를 더 포함하는 디스플레이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 포커싱 요소는 전환 가능 렌즈를 포함하고, 상기 제어기는 상기 전환 가능 렌즈에 동작 가능하게 커플링되고, 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 사용자의 상기 눈 동공으로 시프트시키기 위해 상기 전환 가능 렌즈를 전환하도록 구성되는 것인 디스플레이.
  13. 디스플레이에 있어서,
    시준된 광 빔을 제공하기 위한 조명기;
    상기 시준된 광 빔을 수신하고 상기 시준된 광 빔의 복수의 측방 오프셋 평행 부분을 제공하기 위해 상기 조명기에 동작 가능하게 커플링된 복제 광가이드;
    진폭 또는 위상 중 적어도 하나로 상기 시준된 광 빔의 부분들을 수신하고 공간적으로 변조하기 위해 상기 복제 광가이드에 동작 가능하게 커플링된 공간 광 변조기(SLM);
    이미지 광 빔을 가변적으로 방향 전환하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 방향 전환 요소; 및
    사용자가 직접 관찰할 수 있는 이미지를 형성하도록 상기 디스플레이의 출사 동공에 상기 이미지 광 빔을 포커싱하기 위해 상기 SLM의 광 경로 하류에 있는 포커싱 요소
    를 포함하는 디스플레이.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 SLM은 상기 시준된 광 빔의 부분들을 공간적으로 변화된 반사율 또는 공간적으로 변화된 위상 중 적어도 하나로 반사함으로써 상기 이미지 광 빔을 형성하도록 구성된 반사형 SLM이고, 반사 시에, 상기 이미지 광 빔은 상기 복제 광가이드를 통해 다시 상기 방향 전환 요소를 향해 전파되는 것인 디스플레이.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 방향 전환 요소는 상기 이미지 광 빔을 전환가능하게 방향 전환하도록 구성된 PBP(Pancharatnam-Berry Phase) 격자의 스택을 포함하는 것인 디스플레이.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포커싱 요소는 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 PBP 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는 것인 디스플레이.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SLM의 광 경로 하류에 배치되고 상기 시준된 광 빔의 부분들의 공간 변조로 인한 더 높은 회절 차수를 차단하도록 구성되는 각도 필터를 더 포함하는 디스플레이.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용자의 눈 동공의 위치를 결정하기 위한 시선 추적 시스템을 더 포함하는 디스플레이.
  19. 제18항에 있어서, 상기 SLM, 상기 방향 전환 요소, 및 상기 시선 추적 시스템에 동작 가능하게 커플링된 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 시선 추적 시스템으로부터 상기 눈 동공의 위치를 획득하고,
    상기 방향 전환 요소로 하여금 상기 이미지 광 빔을 상기 눈 동공의 위치를 향해 방향 전환하게 하고,
    상기 SLM으로 하여금 상기 시준된 광 빔의 부분들을 공간적으로 변조하게 하도록
    구성되는 것인 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 포커싱 요소는 상기 제어기에 동작 가능하게 커플링된 가변 초점 요소를 포함하고, 상기 제어기는 상기 디스플레이의 상기 출사 동공을 상기 눈 동공의 위치로 시프트시키기 위해 상기 가변 초점 요소의 초점 거리를 조정하도록 구성되는 것인 디스플레이.
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