KR20230096149A - 2차원 확장이 가능한 도광 광학 소자를 포함하는 광학 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상이한 배향을 갖는 제 1 및 제 2 세트(204, 206)의 서로 평행한 부분 반사면을 구비한 도광 광학 소자(LOE)를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 상기 두 세트의 부분 반사면들은 평행한 주요 외부면들 사이에 위치한다. 결합 영역에 배치되는 제 3 세트의 적어도 일부 반사면(202)은 제 1 폭을 갖는 광학 개구를 구비한 프로젝터(2)로부터 주사된 이미지 조명을 수용하는 한편 제 3 세트의 적어도 일부 반사성 패싯에서 이미지 조명의 적어도 일부 반사를 통해 유효 광학 개구를 구비한 제 1 세트의 일부 반사성 패싯쪽으로 이미지 조명을 지향시키고, 이때 유효 광학 개구는 제 1 폭보다 큰 제 2 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 광학 개구의 확장이 가능한 도광 광학 소자(LOE)를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다.
많은 근안용 디스플레이 시스템은 사용자의 눈 앞쪽에 배치되는 투명 도광 광학 소자(LOE) 또는 "도파관(waveguide)"을 포함하는데, 이들은 내부 반사에 의해 LOE 내에서 이미지를 전달한 다음 적절한 출력 결합 메커니즘(output coupling mechanism)에 의해 사용자의 눈쪽으로 이미지를 결합시킨다. 출력 결합 메커니즘은 내장식 부분 반사기(partial reflector)나 "패싯(facet)"에 기반할 수도 있고, 또는 회절 패턴(diffractive pattern)을 채용할 수도 있다. 이하의 설명은 주로 패싯 기반의 출력 결합 장치를 참조할 것이나, 본 발명의 다양한 특징들은 회절식 장치에도 또한 적용 가능하다는 것이 인식되어야 한다.
내부 직교식 패싯을 채용하는 도파관 내의 2차원(2D) 개구 확장에 대한 내용이 미국 특허 공고번호 US 6829095 B2의 도 13에 개시되어 있으며, 본원에서는 도 1a에 재개시된다. 상기 종래 기술의 도면과 관련된 참조 번호가 본원에서는 괄호 안에 제시된다. 프로젝터(20)로부터 나온 광은 도파관 내에서 전파되고 제 1 패싯(22a 내지 22c)에 의해 제 2 패싯(23) 쪽으로 반사됨으로써 광을 관찰자쪽으로 결합시킨다.
국제특허(PCT) 공보 WO 2019/142177 A1에서는 유사한 개념이지만 비-직교식 패싯을 사용하는 경우를 개시하고 있다. 국제특허(PCT) 공보의 도 2 및 도 29가 본원에서는 도 1b 및 도 1c로 각각 재개시된다. 여기서 참조번호 '32'로 표시된 제 1 세트의 패싯은 직교하지 않기 때문에, 단 하나의 전파 모드 만이 반사된다. 도시된 2개의 구성은 두 세트의 패싯을 포함하는 영역이 중첩되는지(도 1b) 또는 중첩되지 않는지(도 1c)의 여부에서 차이가 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 광학 시스템, 특히 광학 개구의 확장이 가능하도록 구성된 도광 광학 소자(LOE)를 포함하는 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예의 교시에 따라, 주사된 이미지 조명을 결합 영역(coupling-in region)에서 사용자쪽으로 지향시켜 조망하기 위한 광학 시스템이 제공되며, 이러한 광학 시스템은 투명 재료로부터 형성된 도광 광학 소자(LOE)를 포함하고, 상기 LOE는 (a) 제 1 배향을 갖는 제 1 세트의 평평하고 상호 평행한 일부 반사면을 포함하는 제 1 영역; (b) 제 1 배향과 평행하지 않은 제 2 배향을 갖는 제 2 세트의 평평하고 상호 평행한 일부 반사면을 포함하는 제 2 영역; (c) 한 세트의 상호 평행한 주요 외부면;을 포함하며, 이때 주요 외부면은 제 1 영역 및 제 2 영역에 걸쳐 연장됨으로써 제 1 세트의 일부 반사면 및 제 2 세트의 일부 반사면 모두가 주요 외부면들 사이에 위치하도록 구성되고, 제 2 세트의 일부 반사면은 주요 외부면에 대해 비스듬한 각도를 가짐으로써 주요 외부면에서 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되는 이미지 조명의 일부가 LOE의 외부에서 나와 사용자쪽으로 결합되며, 제 1 세트의 일부 반사면은 주요 외부면에서 결합 영역으로부터의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되는 이미지 조명의 일부가 제 2 영역쪽으로 편향되도록 배향되고, 상기 광학 시스템은 결합 영역에 배치되는 제 3 세트의 평평하고 상호 평행한 적어도 일부 반사면을 포함하며, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면은 주요 외부면과 평행하게 측정된 제 1 폭을 갖는 광학 개구를 구비한 프로젝터로부터 주사된 이미지 조명을 수용하는 한편, 제 3 세트의 적어도 일부 반사성 패싯에서 이미지 조명의 적어도 일부를 반사시켜 유효 광학 개구를 구비한 제 1 세트의 일부 반사성 패싯쪽으로 이미지 조명을 지향시키며, 이때 유효 광학 개구는 주요 외부면에 대해 평행하게 측정된 제 2 폭을 갖는데, 제 2 폭은 제 1 폭보다 크도록 구성된다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면은 이미지 조명이 이들에 도달하는 순서대로 연속적으로 증가하는 제 1 시퀀스의 반사율을 갖고, 제 1 세트의 일부 반사면은 이미지 조명이 이들에 도달하는 순서대로 연속적으로 증가하는 제 2 시퀀스의 반사율을 가지며, 제 2 시퀀스는 제 1 시퀀스의 최종 반사율보다 작은 반사율에서 시작한다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 연속적으로 증가하는 제 1 시퀀스의 반사율의 최종 반사율은 90 %보다 크다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 1 세트의 일부 반사면 쪽으로 지향되는 이미지 조명의 대부분은 제 3 세트의 적어도 일부 반사면으로부터 정확히 1회 반사된다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 1 세트의 일부 반사면 쪽으로 지향되는 이미지 조명의 대부분은 제 3 세트의 적어도 일부 반사면으로부터 2회 반사된다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면은 LOE의 일부로서 통합되는 한편 주요 외부면들 사이에 배치된다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면은 제 1 세트의 일부 반사면과 평행하다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면은 제 1 세트의 일부 반사면과 평행하지 않다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면의 표면 간 간격은 제 1 세트의 일부 반사면의 표면 간 간격보다 작다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 3 세트의 적어도 일부 반사면의 각각의 일부 반사면의 표면적은 제 1 세트의 일부 반사면의 각각의 일부 반사면의 표면적보다 작다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 제 1 영역과 제 2 영역은 중첩되지 않도록 구성된다.
본 발명의 일실시예의 다른 특징에 따르면, 광학 축선에 대한 시야각 영역(angular field of view)을 갖는 시준된 이미지를 투사하기 위한 이미지 프로젝터가 또한 제공되며, 이러한 이미지 프로젝터는 LOE에 광학적으로 연결됨으로써 결합 영역에서 제 3 세트의 적어도 일부 반사면을 통해 시준된 이미지를 주요 외부면에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되는 전파 이미지로서 LOE에 도입하고, 전파 이미지는 제 1 세트의 일부 반사면에 의해 부분적으로 반사됨으로써 주요 외부면에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파되는 편향된 전파 이미지를 생성하며, 편향된 전파 이미지는 제 2 세트의 일부 반사면에 의해 부분적으로 반사됨으로써 주요 외부면들 중 하나로부터 외부의 사용자쪽으로 지향되는 결합 해제 이미지(coupled-out image)를 생성하도록 구성된다.
본 발명에 따라 종래 기술의 문제점을 해결하도록 구성된 광학 시스템, 특히 광학 개구의 확장이 가능하도록 구성된 도광 광학 소자(LOE)를 포함하는 광학 시스템이 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다.
도 1a는 상술된 바와 같이 미국 특허 공고번호 US 6829095 B2의 도 13에 해당하는 도면이다.
도 1b 및 1c는 상술된 바와 같이 국제특허(PCT) 공보 WO 2019/142177 A1의 도 2 및 도 29에 해당하는 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 교시에 따라 구성 및 작동되는 도광 광학 소자(LOE)를 사용하여 구현된 광학 시스템의 개략적인 사시도로서, 탑-다운(top-down) 및 측면 주사식(side-injection) 구성을 각각 도시한다.
도 3a 및 3b는 기판 내 제 1 방향으로부터 제 2 방향으로 소정의 광학 개구 폭을 갖는 프로젝터로부터 이미지 조명을 전향(redirection)하는 경우 일부 반사성 내부면의 상이한 간격에 대한 효과를 도시하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예의 교시에 따른 도광 광학 소자(LOE)의 개략적인 정면도로서, 광학 개구가 프로젝터로부터 뷰어를 향해 결합된 조명으로 3단계 확장되는 구성을 도시한다.
도 4b 및 4c는 도 4a의 LOE의 2가지 구현예에 대한 개략적인 사시도로서, 첫 두 단계의 개구 확장에 대해 각각 직교 및 비스듬히 배치된 일부 반사성 내부면을 사용하는 예를 보여준다.
도 5a 및 5b는 도 4a의 LOE의 변형 구현예에 대한 정면도 및 사시도로서, 두 단계의 광학 개구 확장을 수행하기 위해 일부 반사성 내부면이 적어도 부분적으로 중첩되는 영역에 배치되는 예를 보여준다.
도 6은 도 4c의 LOE를 통한 다양한 전파 단계를 거쳐 이미지 조명의 상대적 방향에 대한 각도 공간(극좌표)을 도시하는 개략도이다
도 7a 및 7b는 도 4a의 LOE의 변형 2가지 추가 구현예에 대한 정면도로서, 이미지 조명의 측면 주사를 위한 옵션을 도시한다.
도 8a는 도 4a의 LOE에 대한 생산 시퀀스의 개략도이다.
도 8b는 도 5a의 LOE에 대한 생산 시퀀스의 개략도이다.
도 9는 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 개략적인 정면도로서, LOE 영역의 기하학적 형태가 수정된 예를 도시한다.
도 10a 및 10b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 개략적인 정면도 및 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 직사각형 도파관 섹션을 채용한 예를 도시한다.
도 11a 및 11b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 조립 전후의 개략적인 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 TIR에 의한 광 유도 없이 내부의 적어도 일부 반사성 패싯을 갖는 슬래브(slab)를 채용한 예를 도시한다.
도 12a 및 12b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 조립 전후의 개략적인 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 LOE의 주요면과 평행하지 않은 표면에 의해 광 유도되는 내부의 적어도 일부 반사성 패싯을 갖는 슬래브를 채용한 예를 도시한다.
도 1a는 상술된 바와 같이 미국 특허 공고번호 US 6829095 B2의 도 13에 해당하는 도면이다.
도 1b 및 1c는 상술된 바와 같이 국제특허(PCT) 공보 WO 2019/142177 A1의 도 2 및 도 29에 해당하는 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 교시에 따라 구성 및 작동되는 도광 광학 소자(LOE)를 사용하여 구현된 광학 시스템의 개략적인 사시도로서, 탑-다운(top-down) 및 측면 주사식(side-injection) 구성을 각각 도시한다.
도 3a 및 3b는 기판 내 제 1 방향으로부터 제 2 방향으로 소정의 광학 개구 폭을 갖는 프로젝터로부터 이미지 조명을 전향(redirection)하는 경우 일부 반사성 내부면의 상이한 간격에 대한 효과를 도시하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예의 교시에 따른 도광 광학 소자(LOE)의 개략적인 정면도로서, 광학 개구가 프로젝터로부터 뷰어를 향해 결합된 조명으로 3단계 확장되는 구성을 도시한다.
도 4b 및 4c는 도 4a의 LOE의 2가지 구현예에 대한 개략적인 사시도로서, 첫 두 단계의 개구 확장에 대해 각각 직교 및 비스듬히 배치된 일부 반사성 내부면을 사용하는 예를 보여준다.
도 5a 및 5b는 도 4a의 LOE의 변형 구현예에 대한 정면도 및 사시도로서, 두 단계의 광학 개구 확장을 수행하기 위해 일부 반사성 내부면이 적어도 부분적으로 중첩되는 영역에 배치되는 예를 보여준다.
도 6은 도 4c의 LOE를 통한 다양한 전파 단계를 거쳐 이미지 조명의 상대적 방향에 대한 각도 공간(극좌표)을 도시하는 개략도이다
도 7a 및 7b는 도 4a의 LOE의 변형 2가지 추가 구현예에 대한 정면도로서, 이미지 조명의 측면 주사를 위한 옵션을 도시한다.
도 8a는 도 4a의 LOE에 대한 생산 시퀀스의 개략도이다.
도 8b는 도 5a의 LOE에 대한 생산 시퀀스의 개략도이다.
도 9는 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 개략적인 정면도로서, LOE 영역의 기하학적 형태가 수정된 예를 도시한다.
도 10a 및 10b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 개략적인 정면도 및 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 직사각형 도파관 섹션을 채용한 예를 도시한다.
도 11a 및 11b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 조립 전후의 개략적인 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 TIR에 의한 광 유도 없이 내부의 적어도 일부 반사성 패싯을 갖는 슬래브(slab)를 채용한 예를 도시한다.
도 12a 및 12b는 각각 도 4a의 LOE의 또 다른 변형 구현예에 대한 조립 전후의 개략적인 사시도로서, 예비 단계의 광학 개구 확장을 위해 LOE의 주요면과 평행하지 않은 표면에 의해 광 유도되는 내부의 적어도 일부 반사성 패싯을 갖는 슬래브를 채용한 예를 도시한다.
본 발명의 특정 실시예에서는 가상 현실 디스플레이 또는 보다 바람직하게는 증강 현실 디스플레이 등의 근안용 디스플레이와 같은 헤드업 디스플레이(head-up display)를 목적으로 광학 개구 확장을 구현하기 위한 도광 광학 소자(LOE)를 포함하는 광학 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예의 교시에 따라 LOE(12)를 사용하는, 일반적으로 도면부호 10으로 표시되는 근안용 디스플레이 형태의 장치에 대한 예시적인 구현예가 도 2a 및 2b에 개략적으로 도시되어 있다. 근안용 디스플레이(10)는 이미지를 LOE(또는 "도파관[waveguide]", "기판[substrate]" 또는 "슬래브[slab]"라고도 불림)(12) 내로 주사하도록 광학적으로 결합된 소형 이미지 프로젝터(또는 "POD")(14)를 사용하며, 이때 이미지 광은 LOE 내 한 세트의 평평하고 상호 평행한 외부면에서 내부 반사에 의해 1차원적으로 포획된다. 광은, 서로 평행한 한편 이미지 광의 전파 방향에 대해 비스듬히 경사진 한 세트의 일부 반사면(또는 "패싯[facet]"으로도 지칭됨)과 충돌을 일으키며, 이때 각각의 연속적인 패싯은 기판 내 내부 반사에 의해 포획/유도되는 이미지 광의 일부를 편향된(deflected) 방향으로 전향시키도록 구성된다. 이러한 제 1 세트의 패싯은 도 2a 및 2b에 개별적으로 도시되지 있지 않으나, 도면부호 16으로 지정된 LOE의 제 1 영역에 배치되어 있다. 연속적인 패싯들에서의 이러한 부분 반사에 의해 제 1 차원의 광학 개구 확장이 달성된다.
본 발명에 따른 바람직한 비제한적 제 1 실시예에서, 전술한 세트의 패싯은 기판의 주요 외부면에 직교한다. 이러한 경우, 이들이 영역(16) 내에서 전파됨에 따라 주사된 이미지와 더불어 내부 반사를 거친 이들의 결합체는 모두 편향된 후 편향된 방향으로 전파되는 결합체 이미지가 된다. 대안적인 바람직한 비제한적 실시예에서, 제 1 세트의 일부 반사면은 LOE의 주요 외부면에 대해 비스듬히 경사지도록 구성된다. 후자의 경우, 주사된 이미지 또는 이들의 결합체가 LOE 내에서 전파되는 필요한 편향 이미지를 형성하는 반면, 예컨대 반사가 필요하지 않은 이미지에 의해 제공되는 입사각의 범위에 대해서는, 상대적으로 투명하게 만드는 각도 선택 코팅을 패싯 상에 채용함으로써 기타 반사를 최소화할 수 있도록 구성된다.
제 1 세트의 일부 반사면은, 기판 내 전체 내부 반사(TIR)에 의해 포획된 제 1 전파 방향으로부터 기판 내 TIR에 의해 포획된 제 2 전파 방향으로 이미지 조명을 편향시키도록 구성된다.
그런 다음, 이러한 편향된 이미지 조명은 제 2 기판 영역(18)으로 통과하는데, 이러한 기판은 인접한 하나의 개별 기판 또는 단일 기판이 연속적으로 이어진 형태로 구현될 수 있으며, 결합 해제 장치(추가 세트의 일부 반사성 패싯 또는 회절 광학 소자 중 하나)에 의해 안구 운동 상자(EMB)로 정의된 영역 내에 위치한 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 일부를 점진적으로 결합시킴으로써 제 2 차원의 광학 개구 확장을 달성하도록 구성된다. 전체 장치는 각각의 눈에 대해 개별적으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 각 LOE(12)가 사용자의 대응 안구를 향하도록 함으로써 사용자의 헤드에 대해 지지되도록 구성된다. 본원에 도시된 바와 같이 특히 바람직한 하나의 옵션에서, 지지 장치는 사용자의 귀에 대해 장치를 지지하기 위한 측면(20)을 갖는 안경 프레임으로서 구현된다. 또한, 헤드 밴드, 바이저 또는 헬멧에 매달린 장치들을 포함하는 다른 형태의 지지 장치들(이들로만 제한되지 않음)도 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예의 특히 바람직한 특징에서, 광학 시스템은 결합 영역에 배치된 제 3 세트의 평평하고 상호 평행한 적어도 일부 반사면("패싯")을 추가로 포함한다. 제 3 세트의 패싯은 도 2a 및 2b에 개별적으로 도시되어 있지 않으나, 영역 15에 의해 지정된다. 제 3 세트의 패싯은 LOE(12)의 주요 외부면에 대해 평행하게 측정된 제 1 폭을 갖는 광학 개구를 구비한 프로젝터(14)로부터 주사된 이미지 조명을 수용하는 한편, 영역(15) 내 패싯에 의해 이미지 조명의 적어도 일부를 반사시켜 유효 광학 개구를 구비한 영역(16) 내 제 1 세트의 일부 반사성 패싯쪽으로 이미지 조명을 지향시키도록 구성되며, 이때 유효 광학 개구는 LOE의 주요 외부면에 대해 평행하게 측정된 제 2 폭을 갖는데, 제 2 폭은 제 1 폭보다 크도록 구성된다. 이러한 개구 팽창에 대한 중요성은 이하의 설명에서 추가로 논의될 것이다.
제 3 세트의 패싯(15)은 프로젝터(14)와 결합 영역의 제 1 세트의 패싯(16) 사이의 광학 경로에 개재된다. 본원에서 "결합 영역(coupling region)에서"라는 어구는 제 3 세트의 패싯이 결합 영역에서 LOE에 통합되는 경우 및 제 3 세트의 패싯이 LOE 외부에 배치되는 경우를 모두 포함하는 것으로 사용되며, 이러한 두가지 옵션 모두 아래에 상세히 설명된다.
본원의 도면 및 청구 범위에서는 LOE의 제 1 영역의 일반적인 연장 방향에서 수평(도 2a) 또는 수직(도 2b)으로 연장되는 X축, 및 이에 수평으로 연장되는 즉, 수직(도 2a) 또는 수평(도 2b)으로 연장되는 Y축이 인용된다.
매우 대략적인 용어로, 제 1 LOE 또는 LOE(12)의 제 1 영역(16)은 X 방향으로 개구 확장을 달성하는 반면, 제 2 LOE 또는 LOE(12)의 제 2 영역(18)은 Y 방향으로 개구 확장을 달성하는 것으로 간주될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같은 배향은 LOE의 주요 영역(제 2 영역)으로 진입하는 이미지 조명이 상부 에지(top edge)로부터 진입하는 "탑-다운(top-down)" 구성으로 간주될 수 있는 반면, 도 2b에 도시된 바와 같은 배향은 본원에서 Y축으로 지칭되는 축이 수평으로 배치된 "측면 주사식(side-injection)" 구성으로 간주될 수 있다. 나머지 도면들에서, 본 발명의 특정 실시예들의 다양한 특징들은 도 2a와 유사한 "탑-다운" 배향의 맥락에서 설명될 것이다. 그러나, 이러한 특징들 모두는 측면 주사식 구성에도 동일하게 적용 가능하며, 이 역시 본 발명의 범주 내에 속한다는 것을 이해해야 한다. 특정한 경우에, 중도 배향과 같은 다른 형태의 배향도 또한 적용될 수 있으며, 명시적으로 배제된 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명의 장치와 함께 사용되는 POD는 바람직하게는 시준된 이미지를 형성하도록 구성되는데, 즉 각각의 이미지 픽셀의 광은 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준되는 평행 빔이다. 따라서 이미지 조명은 2차원의 시야각 영역에 대응하는 각도 범위에 걸쳐 이어지도록 구성된다.
이미지 프로젝터(14)는 LCOS 칩과 같은 공간적 광 변조기(spatial light modulator)를 조명하도록 전형적으로 배치된 적어도 하나의 광원을 포함한다. 공간적 광 변조기는 이미지의 각 픽셀의 투사 강도를 변조함으로써 이미지를 생성하도록 구성된다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 고속 스캐닝 미러(fast-scanning mirror)를 사용하여 전형적으로 구현되는 스캐닝 장치를 포함할 수 있으며, 이러한 장치에 의해 빔의 강도가 픽셀 단위의 모션과 동기화하여 변화되는 동안 프로젝터의 이미지 평면을 가로질러 레이저 광원으로부터의 조명을 스캔함으로써 각 픽셀에 대해 원하는 강도를 투사하도록 구성된다. 두가지 경우 모두, 시준 광학계가 제공됨으로써 무한대로 시준된 출사 이미지(output projected image)를 생성한다. 상기 구성 요소들 중 일부 또는 전부는 일반적으로 당 업계에 공지된 바와 같은 하나 이상의 편광 빔 스플리터(PBS, polarizing beam-splitter) 큐브 또는 기타의 프리즘 장치의 표면 상에 배치된다.
이미지 프로젝터(14)의 LOE(12)에 대한 광학적 결합은, 예컨대 비스듬한 각도의 입력 표면을 구비한 커플링 프리즘(coupling prism) 또는 반사성 결합 장치를 측면 모서리 및/또는 LOE의 주요 외부면 중 하나에 배치하는 등의 임의의 적합한 광학적 결합에 의해 달성될 수 있다. 이하의 도 11a 내지 11c를 참조하여 예시되는 바와 같이, 제 3 세트의 패싯(15)이 LOE의 외부에 있는 경우, 제 3 세트의 패싯은 바람직하게는 결합 장치(coupling-in arrangement)와 통합된다. 결합 장치의 추가적인 세부 사항은 본 발명에 있어 그다지 중요하지 않으며, 본원에서는 개략적으로만 도시된다.
근안용 디스플레이(10)는 일반적으로 이미지 프로젝터(14)를 구동시키기 위한 제어기(22)를 포함하는 한편, 소형 내장식 배터리(미도시) 또는 기타의 적절한 전원으로부터의 전력을 사용하는 다양한 추가 구성 요소들을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 제어기(22)는 당 업계에 공지된 바와 같은 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 처리 회로와 같은 모든 필요한 전자 부품을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제 1 세트의 일부 반사성 내부면을 갖는 특정 폭의 광학 개구를 구비한 프로젝터로부터 이미지 조명이 어떻게 작동하는가에 대한 기하학적 구조를 개략적으로 도시한다. 균일한 광 조명을 얻기 위해, 프로젝터의 개구 폭(100)은 한쪽 패싯으로부터 반사된 광선이 다음 패싯으로부터 반사된 광선과 인접하도록 제공됨으로써 디스플레이에서 검은 선을 피하도록 구성된다. 일부 경우에, 각각의 조망 방향이 둘 이상의 패싯, 및 가장 바람직하게는 개구를 가로지르는 일정한 수의 패싯들로부터 반사를 수용하도록 충분한 중첩이 제공됨으로써 조망 이미지의 균일성을 향상시키는 것이 바람직하다. 도 3a 및 3b는 상이한 수의 패싯(102 및 109)이 소정의 개구 폭(100)을 갖는 프로젝터(2)로부터 나온 빔에 의해 조명되는 경우를 도시한다. 반사된 광들(104, 106, 110 및 108)은 다른 패싯을 향해 전파된다(도시되지 않음). 바람직하게는 완전하고 일정한 개수의 패싯이 조명된다. 도 3a에서는 2와 3 숫자 사이에서 변동되는 반면, 도 3b의 경우에는 2개의 패싯에 의해 전체 개구에 걸쳐 일정한 출력을 갖도록 구성된다. 개구 폭(100)이 넓을수록, 더 많은 패싯이 조명될수록 전송되는 이미지가 더욱 균일해진다.
사전 정의된 패싯 간격의 경우, 균일한 이미지를 생성하도록 개구 폭이 수정되어야 한다. 따라서 패싯 간격이 클수록 큰 개구를 사용해야 한다. 도파관을 가로지르는 패싯의 간격이 좁아질 경우 생산 복잡성의 증대와 더불어 비용이 증가한다. 한편, 개구를 크게 할 경우에는 프로젝터의 크기가 커진다. 이러한 상충되는 설계 고려 사항은 본 발명의 한 양태에 따라, 프로젝터와 제 1 세트의 패싯으로 전술된 것 사이에서 예비 단계의 광학 개구 확장을 수행함으로써 조정될 수 있다. 이는 추가적인 세트의 패싯을 사용하여 달성된다(본원에서는 "제 3 세트의 적어도 일부 반사성 내부면"으로 지칭됨).
도 4a는 본 발명의 이러한 양태에 따른 도파관의 정면도를 개략적으로 도시한다. 여기서는 프로젝터(2)의 개구가 작다. 프로젝터에서 나온 두 개의 화살표는 이러한 개구 가장자리의 광선을 나타낸다. 프로젝터로부터 나온 광은 패싯(202) (예비, 추가 및 "제 3" 세트의 패싯)을 갖는 도파관 섹션(200)에 결합된다. 이러한 섹션(200)에서 광이 전파됨에 따라, LOE 평면에서의 측면 개구 치수("폭")는 연속적인 패싯(202)으로부터 제 1 세트의 패싯으로 지칭되는 패싯(204)을 포함하는 섹션(207)쪽으로의 반사에 의해 부분적으로 전향됨에 따라 확장된다. 제 1 세트의 패싯(204)으로부터 반사된 광은 뷰어쪽으로 결합되는 제 2 세트의 패싯으로 지칭되는 패싯(206)을 포함하는 섹션(209)쪽으로 전향된다.
도 4b는 도 4a의 사시도이다. 여기서 도파관 섹션(200)은 다른쪽 섹션(207 및 209)과 동일한 폭(도파관 두께)을 가지므로, 섹션들(200, 207 및 209)은 서로 평행한 외부면 사이에 개재된 인접 LOE 내에 통합된다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 외부면으로부터의 전체 내부 반사(TIR)에 의해 섹션들 전체에 걸쳐 유도되도록 구성된다. 섹션들 사이의 광의 투과는 방해 또는 불연속이 없는 것이 바람직하며, 다양한 도면들(예컨대 도 4a, 5a, 7a, 7b 및 9의 정면도)에서 도시되는 섹션들 사이의 분리선들은 이해를 촉진시키기 위한 것이다.
제 2 세트의 패싯(206)은 조망 광(scenery light)을 투과시키도록 설계되어 뷰어로 하여금 LOE를 넘어서 외부 조망을 직접 볼 수 있게 하므로, 일반적으로 50% 미만의 비교적 낮은 반사율을 갖는다. 또한 일부 구성에서, 제 1 세트의 패싯(204)도 조망 광을 투과시키도록 설계되며, 따라서 일반적으로 50% 미만의 비교적 낮은 반사율을 역시 갖는다. 제 1 세트의 패싯(204)이 LOE의 "시야 영역"의 일부가 아닌 다른 구성에서는 더 높은 반사율이 사용될 수 있다. 제 3 세트의 패싯(202)은 바람직하게는 LOE의 시야 영역 밖에 있으므로 조망을 전송할 필요가 없다. 그러므로, 높은 광 투과 효율을 얻도록 하기 위해 바람직하게는 높은 반사율이 사용된다. 바람직하게는, 섹션(200)의 최종 패싯(211)은 90% 이상, 바람직하게는 100%의 높은 반사율을 갖는다. 섹션(200)이 조망 광을 투과시키도록 설계되지 않기 때문에, 외부 광이 이를 통과하지 못하도록 커버링(도시되지 않음)되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 이러한 도파관 섹션(200)은 은과 같은 반사성 코팅으로 코팅된다.
광학 개구에 걸쳐 비교적 균일한 이미지 조명 강도를 제공하기 위해, 하나 이상 세트의 일부 반사면, 바람직하게는 각각의 세트는 이미지 조명이 도달하는 순서대로 연속적으로 증가하는 반사율의 시퀀스를 갖는 것이 가장 바람직하다. 예컨대, 도파관 섹션(200)에 대해, 33 %, 50 % 및 100 %의 반사율을 갖는 3개 패싯의 시퀀스는 각각의 연속적인 표면으로부터 입사 조명의 약 1/3을 반사하는데 효과적이다. 4개의 패싯 시퀀스에 대해서는 유사하게, 25 %, 33 %, 50 % 및 100 %의 값이 각 표면에서 입사 조명의 약 1/4을 반사하는 데 효과적이다. 뷰어가 외부 경관을 관찰하는 시야 영역 내에 제공되는 패싯의 경우, 반사율의 값이 더 낮고 패싯 간 비례 증가가 더 작으나, 전파 이미지 조명 내에 잔류하는 더 낮은 비율의 조명 강도를 보상하기 위한 증가식 시퀀스의 기본 개념은 동일하게 유지된다. (연속적인 패싯에 대한 이상적인 반사율 값이 비교적 근접한 경우, LOE 영역의 2개 이상의 연속적인 패싯은 제조 단순화 시와 동일한 반사율 값으로 구현될 수 있으나, 이러한 시퀀스는 상기와 같은 균일성 향상 효과를 제공하도록 단조롭게 증가하기 때문에 여전히 "연속적으로 증가하는" 것으로 언급된다.) 따라서, 예컨대 제 1 세트의 패싯(204)은 이미지 조명이 이들에 도달하는 순서로 연속적으로 증가하는 제 2 시퀀스의 반사율을 가지며, 이때 제 2 시퀀스는 패싯(204)의 제 1 시퀀스의 최종 반사율보다 작은 반사율에서 시작한다.
도 4a의 구성에서, 제 1 세트의 패싯(204)으로 지향된 이미지 조명의 대부분은 제 3 세트의 패싯(202)으로부터 정확히 하나의 반사를 겪는다. 제 3 세트의 패싯(202)의 간격은 LOE 섹션(207)에 도시된 경계 화살표로 도시된 바와 같이 가까운데, 이에 의해 확대된 유효 개구를 가로 질러 제 1 세트의 패싯(204)을 향해 전향된 이미지 조명의 연속성을 보장하도록 구성된다. 또한 이에 의해 제 1 세트의 패싯(204)에 더 큰 간격을 사용할 수 있게 함으로써, 도파관의 생산 복잡성 및 비용을 대폭 감소시킨다. 예컨대, (점진적으로 증가하는 반사율을 갖는 3개의 패싯을 사용하여) 제 3 세트의 패싯(202)이 개구를 3배로 확장할 경우, 제 1 세트의 패싯(204)은 섹션(200)이 없는 경우와 비교하여 대략 3배의 간격을 가질 수 있다. 보다 일반적인 용어로, 제 1 세트의 패싯(204)의 간격은 일반적으로 제 3 세트의 패싯(202)의 간격보다 크다. 부가적으로, 제 3 세트의 패싯(202)의 표면적은 일반적으로 제 1 세트의 패싯(204)의 표면적보다 작다. 결과적으로, 상대적으로 적은 공간으로 구성된 밀접한 간격의 패싯만 생성하면 되기 때문에, 대다수의 LOE 구조에 대한 복잡성과 생산 비용이 감소된다.
도 4b는 도파관의 주요 외부면에 수직인 섹션들(200 및 207)의 패싯들을 도시한다. 도 4c는 도파관의 양쪽 섹션(200 및 207)의 패싯들이 LOE의 주요 표면들에 대해 비스듬한 각도로 배치된 대안적인 구현예를 도시하며, 본원에서는 "트위스트 패싯(twisted facet)"으로 지칭된다.
5a 및 5b는 도 4a 및 4c와 유사하나, 상술된 국제특허 공보 WO 2019/142177 A1에 개시된 대응 옵션과 유사한 방식으로. 패싯들(204 및 206)이 도파관의 적어도 일부 중첩되는 영역에서 선택적으로 구현될 수 있음을 설명한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 입력 개구 확장 섹션(200)은 바람직하게는 LOE의 대다수, 바람직하게는 전체 두께에 걸쳐 이어지도록 구현된다
도 6은 각도적 공간(angular space)에서 패싯들에 대한 이미지 반사가 어떻게 구현되는가를 도시하는 도면이다. 본 도면은 도 4c 및 도 5에서 설명된 바와 같은 트위스트 패싯에 대한 것이다. 광은 이미지들(6L 또는 6R) 중 하나에 참조부호 1930A로 도파관(200)에 결합된다. 이미지 조명이 개구 확장 섹션(200)을 따라 전파됨에 따라, 이러한 2개의 이미지는 LOE의 주요 표면으로부터의 전후방 TIR 반사를 나타낸다. 제 3 세트의 패싯(202)에 의한 반사는 참조부호 1938로 4R 및 4L에 표시된다. 이들은 섹션(207)을 따라 TIR에 의해 전파되는 이미지들이다. 이러한 바람직한 구성에서(이들로만 제한되지 않음), 제 3 세트의 패싯(202)은 제 1 세트의 패싯(204)에 평행하므로, 섹션(209)을 향한 제 1 세트의 패싯(204)에 의한 반사는 4R에서 6L까지 참조부호 1938을 따른다. 여기에서 6L 및 6R은 섹션(209)을 따라 전파되는 이미지를 나타낸다. 다시 말해서, 섹션(200 및 209)에서 전파되는 이미지는 각도적 공간에서 동일하다. 관찰자쪽으로 결합되는 섹션(209) 내의 패싯(206)에 의한 반사는 유도 이미지(6R)로부터 출력 결합 이미지(8)까지 참조부호 1934로 표현된다.
서클(39)은 도파관의 TIR 절단면을 나타내며 도파관의 평면에 평행하다. 이미지들(4L 및 4R)은 도파관의 평면에 대해 대각(diagonal)으로 배치되는데, 즉 각도 공간에서 직사각형 이미지의 측면은 기판의 주요 표면에 평행하고 수직인 반면, 이미지들(6L 및 6R)은 도파관의 표면에 평행하게 정렬된다는 것이 명백하다. 실제로는 대각선보다 평행 결합을 위한 프로젝터(2)를 구성하는 것이 더욱 편리하다. 결과적으로, 도파관 섹션(200)을 통한 결합은 프로젝터 구현의 단순성에 기여하며, 따라서 소수의 고 반사성 패싯을 통해서도 구현될 수 있는데, 여기서는 프로젝터의 유효 광학 개구를 반드시 대폭 확장할 필요가 없다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 인체 공학적 고려에 의해 도파관 측면으로부터 이미지가 주사되는 구성을 도시한다. 이러한 경우, 제 1 패싯에 의해 투과된 이미지 조명과 후속 패싯에 의해 반사된 이미지 조명 사이의 균일성을 달성하기 위해, 제 1 패싯(210)은 바람직하게는 높은 반사율로 제공된다. 예컨대, 섹션(200)에 2개의 패싯만이 제공되는 경우, 제 1 패싯은 50 % 반사율을 갖고 제 2 패싯의 경우에는 100 %의 반사율을 가질 것이다. 그러나, 4개의 패싯이 제공되는 경우, 제 1 패싯은 75 %의 반사율(25 %의 투과율), 제 2 패싯은 33 %, 제 3 패싯은 50 % 및 최종 패싯(210)은 100 %의 반사율을 가질 것이다. 대안적으로, 제 1 패싯(210)은 100 %로 제공됨으로써 후속 패싯으로부터 섹션(207)으로 일체가 전달되도록 구성될 수 있다.
도 7a에 도시된 구성은 1930B(도 6의 각도적 공간 예시를 참조)로부터 1938 내지 6L을 반사하는 패싯(210) 상으로의 결합에 기초한다. 추가의 전파는 전술한 바와 같다.
도 7b는 섹션(200)의 패싯들이 반대 방향으로 배치됨으로써 프로젝터(2)의 상이한 위치를 가능하게 하는 동등한 구성을 도시한다.
측면 주사의 경우, 제 1 패싯(210)은 주로 결합 패싯(coupling-in facet)으로서 기능하며, 패싯들의 시퀀스를 따라 연속적으로 증가하는 반사율을 가진 패싯들과는 달리, "시퀀스"가 제 2 패싯으로부터 시작한다. 이러한 경우에, 패싯(204)쪽으로 지향된 이미지 조명의 대부분은 패싯(202)으로부터 2개의 반사를 겪는다.
도 8a는 도 4a 내지 도 4c에 설명된 바와 같은 섹션을 구비한 도파관을 집적하는 방법을 개략적으로 도시한다. 한 세트의 코팅된 플레이트(253)가 함께 접착되어 스택(254)을 형성한 다음 절단됨으로써 섹션(207)에 필요한 패싯 섹션(255a)을 생성한다. 한 세트의 코팅된 플레이트(250)가 함께 접착되어 스택(251)을 형성한 다음 대각선적으로 절단됨으로써 섹션(209)에 필요한 패싯 섹션(252a)을 생성하는 한편, 제 3 세트의 코팅된 플레이트(256)가 함께 접착되고 절단됨으로써 섹션(200)에 필요한 패싯 섹션(258a)을 형성한다. 그런 다음 3개의 섹션은 결합(260a) 및 접착(262a)된다. 접착제는 도파관과 인덱스 매치(index match)됨으로써, 섹션들 사이를 통과시 광에 최소한의 섭동이 유입되도록 구성된다. 바람직하게는 얇은 커버 글라스(264)가 도파관의 양면에 접착되고, 선택적으로 추가로 연마됨으로써 매끄러운 평행 TIR 표면을 갖는 도파관(266a)을 생성한다.
도 8b는 도 5a 및 도 5b에 기술된 구성에 적합한 제조 프로세스를 도시한다. 섹션 252b, 255b 및 258b는 도 8a에 도시된 것과 동일한 방식으로 생성되나, 258b 섹션의 경우 다른 섹션보다 두 배의 두께를 갖는다. 도시된 바와 같이(260b), 섹션 252b 및 255b가 적층된 후 측면으로부터 섹션 258b가 배치된다. 섹션들은 함께 접착되고(262b), 투명 커버 글라스(264)가 커버로 접착되며, 선택적으로 추가로 연마됨으로써 단일 도파관(266b)을 생성하도록 구성된다.
단일 층 내에 두 세트의 중첩 패싯을 포함시키는 것이 바람직한 경우, 도 1을 참조하여 상술된 국제특허 공보 WO 2019/142177 A1에 설명된 기술에 따라 수행될 수 있는데, 여기서는 두 세트의 패싯을 포함하는 최종 도파관 섹션이 커버 시트의 추가 전에 측면에 부착된 섹션(258b)(섹션[200]의 패싯에 해당)과 결합된다.
지금까지는 직사각형 도파관 섹션으로 도시되었지만, 섹션의 형상은 유도되는 광의 전파 유형에 따라 변경될 수 있음에 유의해야 한다. 하나의 비제한적인 실시예로서, 이미지 전파의 기하학적 구조에 따라 달라지나, 일부 경우에서 도파관 내 이미지 조명의 확장은 전파 경로를 따라 섹션(200 및 207)의 확대를 요구할 수 있는데, 즉 도 9에 도시된 바와 같은 도파관 형태를 초래할 수 있다
지금까지는 1차원으로 유도된 LOE의 통합 부분으로 설명되었지만, 개구 확장의 예비 단계는 선택적으로 다른 축선 상에서 유도/비유도되거나, 또는 2차원으로 유도되는 등의 다양한 추가 구성으로 구현될 수 있으며, 이들은 이제 도 10a 내지 도 12b의 비제한적인 실시예에 의해 설명될 것이다.
도 10a 및 도 10b의 비제한적인 실시예에서, 섹션(200)은 직사각형 도파관 섹션(270)으로서 구현되는데, 여기서는 확장된 개구 이미지 조명이 도파관 섹션(107)으로 주사되기 전, 예비 개구가 팽창하는 동안에 이미지 조명을 2차원(2D)으로 유도하도록 구성된다. 결합(커플링)되는 경우를 제외하고는, 바람직하게는 에어 갭(295) 또는 에어 갭과 유사한 일부 광학층이 제공됨으로써 도파관 섹션(270) 내에 내부 반사를 유지하도록 구성된다. 이러한 2D 도파관 구조의 예는 미국 특허번호 10,133,070 에서 확인할 수 있으며 여기서는 상세히 설명하지 않는다.
도 11a 및 도 11b는 TIR에 의한 이미지 조명을 유도하지 않고 결합 개구 확장 패싯(coupling-in aperture expansion facet)이 제공되는 추가 옵션을 도시한다. 이 경우, 패싯(202)은 도파관(207)의 잔여 영역보다 넓은 제 1 섹션(280)에 제공된다. 이러한 구성에서, 제 1 섹션(280)의 광은 유도되지 않고 양쪽 공간으로 팽창하면서 제 1 섹션(280)을 통해 전파된다. 이러한 구성에서, 도파관(207)으로의 결합은 바람직하게는 커플링 프리즘(285)을 통해 구현된다. 도 11a는 명확성을 위해 커플링 프리즘(285)으로부터 분리된 제 1 섹션(280)을 도시한다. 제 1 섹션(280) 및 커플링 프리즘(285)의 각도 배향에 의해 도파관(207)의 두께 방향(도시된 바와 같은 수직) 공간을 따라 균일한 조명을 촉진하도록 구성된다. 도 11b는 제 1 섹션(280)이 커플링 프리즘(285)에 부착된 후의 상태를 도시한다.
도 12a는 패싯(202)을 통한 제 1 단계의 개구 확장이 제 1 섹션(290)에 제공되나, 도파관(207)에 평행하지 않고 1차원으로 유도되는 형태의 또 다른 변형 구현예를 도시한다. 도 12b는 섹션(290) 내의 TIR 유도를 유지하기 위해, 에어 갭(295)이 제공되는 커플링 프리즘(285)의 상부에 섹션(290)이 배치되는 예를 도시한다.
본원에 명시적으로 설명된 것 이외의 모든 사항에서, 공통 도파관 내 제 1 세트의 일부 반사성 내부면(204) 및 제 2 세트의 일부 반사성 내부면(206)의 배치는 국제특허 출원번호 PCT/IB2019/157572(본 출원의 출원일 현재 미공개 상태여서 아직 종래 기술을 구성하고 있지는 않음)에 기재된 옵션에 따라 구현될 수 있다.
본원에 도시된 모든 정면도에서, 본 발명의 개구 확장은 시준된 이미지의 광학 축선 상의 중심 픽셀에 대응하는 소정의 광선 방향에 대한 광학 개구의 폭(span)을 나타내는 평행 화살표로 개략적으로 표현된다. 광학 축선은 실제로는 X-Y 평면 내에 있지 않으며, 시야각(FOV)의 깊이 방향 공간에 대한 전체 각도 범위가 주요 기판 표면에서 전체 내부 반사를 겪도록 선택된 페이지에 Z-성분을 갖는다. 설명의 간략화를 위해, 본원의 그래픽 표현 및 그 설명은 본원에서 "평면 구성 요소" 또는 "LOE의 주요 외부면에 평행한 구성 요소"로 지칭되는 광선 전파 방향의 평면(X-Y) 구성 요소에만 관련된다.
도 3b의 맥락에서 전술한 바와 같이. 상기 모든 원칙을 "측면(sideway)" 구성에도 적용할 수 있는데, 즉 가시 영역의 바깥쪽 측면에 위치한 POD로부터 이미지가 주사되고 제 1 세트의 패싯에 의해 수직으로 확산된 다음 제 2 세트의 패싯에 의해 수평으로 확산됨으로써 사용자의 눈과 결합하도록 구성된다. 전술한 모든 구성 및 변형 예들은 또한, 측면 주사식 구성에도 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다.
상기 설명 전반에 걸쳐, 도시된 바와 같은 X축 및 Y축이 인용되었으며, 여기서 X축은 수평 또는 수직이고 제 1 차원의 광학 조리개 확장에 해당하는 반면, Y축은 제 2 차원의 확장에 대응하는 다른 주축이다. 이와 관련하여, X 및 Y는 전술한 도 3a 및 도 3b의 안경 프레임과 같은 지지 장치에 의해 일반적으로 정의되는 배향으로 사용자의 헤드에 장착될 때 장치의 배향에 대해 정의될 수 있다.
본 발명은 지금까지 근안용 디스플레이의 바람직하지만 비제한적인 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 다양한 양태의 실시예들이 헤드업 디스플레이(HUD)를 포함하는(이로만 제한되지 않음) 다른 적용예에서도 바람직하게 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 특히, 주요 대상이 되는 HUD 중 하나는 차량용 HUD이다.
상기 설명은 단지 예시적인 것으로 간주되며, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 많은 또 다른 실시예들이 가능하다는 것이 이해될 것이다.
Claims (8)
- 이미지 프로젝터로부터의 이미지 조명을 사용자쪽으로 지향시켜 조망하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
(a) 광학 축선에 대한 시야각 영역(angular field of view)을 갖는 시준된 이미지를 투사하기 위한 이미지 프로젝터 - 상기 시준된 이미지는 프로젝터 광학 개구를 가짐 -;
(b) 투명 재료로 형성된 도광 광학 소자(LOE)를 포함하고, 상기 LOE는,
(i) 제1 배향을 갖는 제1 세트의 평평하고, 상호 평행한 일부 반사면을 포함하는 제1 영역;
(ii) 상기 제1 배향과 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 제2 세트의 평평하고 상호 평행한 일부 반사면을 포함하는 제2 영역;
(iii) 한 세트의 상호 평행한 주요 외부면들 - 상기 주요 외부면들은 상기 제1 세트의 일부 반사면 및 상기 제2 세트의 일부 반사면 모두가 상기 주요 외부면들 사이들에 위치하도록 상기 제1 영역 및 제2 영역에 걸쳐 연장됨 - ; 및
(iv) 결합(coupling-in) 광학 개구를 갖는 결합 표면 - 상기 결합 표면은, 상기 결합 표면을 통해 도입되는 시준된 이미지가 상기 주요 외부면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하고, 상기 주요 외부면들에서의 내부 반사에 의해 상기 LOE 내에서 전파하는 편향된 전파 이미지를 생성하기 위해 상기 제1 세트의 일부 반사면에 의해 부분적으로 반사되고, 상기 주요 외부면들 중 하나로부터 외부의 사용자쪽으로 지향되는 결합 해제(coupled-out) 이미지를 생성하기 위해 상기 제2 세트의 일부 반사면에 의해 부분적으로 반사되도록 위치됨 - 을 포함하고,
상기 결합 광학 개구는 상기 프로젝터 광학 개구의 대응하는 치수보다 큰 적어도 하나의 치수를 갖고, 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 프로젝터와 상기 결합 표면 사이에 배치된 제3 세트의 평평하고 상호 평행한 적어도 일부 반사면을 포함하는 개구 확장 장치를 통해 상기 결합 표면과 연관되고, 상기 개구 확장 장치는 상기 결합 광학 개구를 채우기 위해 상기 제3 세트의 일부 반사면의 연속적인 표면들에서의 정반사(specular reflection)에 의해 상기 이미지 프로젝터의 유효 광학 개구를 확장하는 것인, 광학 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 결합 표면은 상기 주요 외부면에 대해 비스듬하게 경사진, 광학 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 개구 확장 장치는 한 쌍의 상호 평행한 외부면들을 더 포함하고, 상기 제3 세트의 일부 반사면은 상기 외부면들 사이에 위치되고, 상기 외부면들 중 하나는 상기 결합 표면에 대해 대면 관계로 배치되고, 상기 외부면과 상기 결합 표면 사이에 에어 갭이 있는, 광학 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제3 세트의 적어도 일부 반사면은 상기 이미지 조명이 이들에 도달하는 순서대로 연속적으로 증가하는 제1 시퀀스의 반사율을 갖고, 상기 제1 세트의 일부 반사면은 상기 이미지 조명이 이들에 도달하는 순서대로 연속적으로 증가하는 제2 시퀀스의 반사율을 갖고, 상기 제2 시퀀스는 상기 제1 시퀀스의 최종 반사율보다 작은 반사율에서 시작하는, 광학 시스템.
- 제4항에 있어서, 연속적으로 증가하는 상기 제1 시퀀스의 반사율의 최종 반사율은 90%보다 큰, 광학 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 일부 반사면에 도달하는 상기 이미지 조명의 대부분은 상기 제3 세트의 적어도 일부 반사면으로부터 정확히 1회 반사되는, 광학 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 세트의 일부 반사면에 도달하는 상기 이미지 조명의 대부분은 상기 제3 세트의 적어도 일부 반사면으로부터 2회 반사되는, 광학 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 중첩되지 않는, 광학 시스템.
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