KR20230156259A - 헤드-업 디스플레이 - Google Patents

Abstract

디스플레이 시스템은 디스플레이 시스템에 의해 형성된 이미지 콘텐츠가 보일 수 있는 아이-박스 (eye-box) 또는 뷰잉 윈도우 (viewing window) 를 갖는다. 디스플레이 시스템은 이미지 프로젝터 및 시선-추적 (eye-tracking) 시스템과 같은 사용자-추적 시스템을 포함한다. 이미지 프로젝터는 아이-박스로부터 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 이미지 프로젝터는 제 1 가상 이미지 거리에서 제 1 가상 이미지를 투사하고 제 1 가상 이미지 거리와 상이한 제 2 가상 이미지 거리에서 제 2 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 사용자-추적 시스템은 아이-박스 내에서 사용자의 아이-박스 포지션을 결정하도록 구성된다. 사용자-추적 시스템은 결정과 연관된 대응하는 신뢰도 값 또는 레벨을 결정하도록 더 구성된다. 이미지 프로젝터는 신뢰도 값이 문턱 값 이상이면 유한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 이미지 프로젝터는 신뢰도 값이 문턱 값 미만 (below) 이면 무한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 더 구성된다.

Description

헤드-업 디스플레이{HEAD-UP DISPLAY}

본 개시는 디스플레이 시스템, 디스플레이 방법 및 홀로그래픽 프로젝터에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 도파관 퓨필 확장기 (waveguide pupil expander) 또는 복제기 (replicator) 를 포함하는 디스플레이 시스템, 퓨필 확장 또는 퓨필 복제를 위해 도파관을 사용하는 디스플레이 방법 및 홀로그램이 디스플레이 시스템의 광학 컴포넌트의 형상을 보상하는 홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector) 에 관한 것이다. 일부 실시 예들은 픽처 생성 유닛 및 헤드-업 디스플레이, 예를 들어, 자동차 (automotive) 헤드-업 디스플레이 (HUD) 에 관한 것이다.

객체 (object) 에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 모두 포함한다. 이 진폭 및 위상 정보는 예를 들어, 간섭 무늬 (interference fringes) 를 포함하는 홀로그래픽 기록 (recording), 또는 "홀로그램 (hologram)"을 형성하기 위해 공지의 간섭 기법들 (techniques) 에 의해 감광 플레이트 상에 캡처될 수 있다. 홀로그램은 원래 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성, 또는 리플레이 (replay) 이미지를 형성하도록 적합한 광을 사용한 조사 (illumination) 에 의해 재구성될 수도 있다.

컴퓨터-생성된 홀로그래피는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이팅할 수도 있다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 프레넬 변환 (Fresnel transform) 또는 푸리에 변환 (Fourier transform) 과 같은 수학적 변환에 기초한 기법에 의해 계산될 수도 있다. 이들 타입들의 홀로그램들은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램들 또는 단순히 프레넬/푸리에 홀로그램들로 지칭될 수도 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 객체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수도 있다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 또한 예를 들어 코히어런트 광선 추적 (coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 (point cloud) 기법에 의해 계산될 수도 있다.

컴퓨터-생성된 홀로그램은 입사된 광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간적 광 변조기 상에서 인코딩될 수도 있다. 광 변조는 예를 들어, 전기적으로 어드레스 가능한 액정들, 광학적으로 어드레스 가능한 액정들 또는 마이크로 미러들을 사용하여 달성될 수도 있다.

공간 광 변조기는 통상적으로 셀들 또는 엘리먼트들로 또한 지칭될 수도 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 포함한다. 광 변조 스킴 (scheme) 은 이진, 멀티 레벨 또는 연속적일 수도 있다. 대안적으로, 디바이스는 연속적일 수도 있고 (즉, 픽셀들로 구성되지 않음) 따라서 광 변조는 디바이스에 걸쳐 연속적일 수도 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 반사되어 출력된다는 것을 의미하는 반사성일 수도 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 투과시 출력된다는 것을 의미하는 투과성일 수도 있다.

홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector) 는 본 명세서에 기술된 시스템을 사용하여 제공될 수도 있다. 이러한 프로젝터들은 헤드-업 디스플레이들 (head-up displays), "HUD"에 적용된다.

본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 규정된다.

제 1 양태에서, 디스플레이 시스템이 본 명세서에 개시된다. 디스플레이 시스템은 디스플레이 시스템에 의해 형성된 이미지 콘텐츠가 보일 수 있는 아이-박스 (eye-box) 또는 뷰잉 윈도우 (viewing window) 를 갖는다. 투사 기술의 당업자는 아이-박스를 갖는 헤드-업 디스플레이 (head-up display) 의 아이디어에 익숙할 것이다. 이미지들은 가상 이미지들이고 따라서 아이-박스는 디스플레이 시스템에 의해 형성된 가상 이미지들이 보이는 영역 또는 볼륨이다. 디스플레이 시스템은 이미지 프로젝터 및 시선-추적 (eye-tracking) 시스템과 같은 사용자-추적 시스템을 포함한다. 이미지 프로젝터는 아이-박스로부터 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 도면들에 도시된 일부 실시 예들에서, 이미지 프로젝터는 제 1 가상 이미지 거리에서 제 1 가상 이미지를 투사하고 제 1 가상 이미지 거리와 상이한 제 2 가상 이미지 거리에서 제 2 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 사용자-추적 시스템은 아이-박스 내에서 사용자의 아이-박스 포지션을 결정하도록 구성된다. 사용자-추적 시스템은 결정과 연관된 대응하는 신뢰도 값 또는 레벨 (결정된 아이-박스 포지션과 연관된 신뢰도 레벨) 을 결정하도록 더 구성된다. 일부 실시 예들에서, 이미지 프로젝터는 신뢰도 값이 문턱 값 이상 (above) 이면 유한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 이미지 프로젝터는 신뢰도 값이 문턱 값 미만 (below) 이면 무한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 더 구성된다. 일부 실시 예들에서, 이미지 프로젝터는 신뢰도 값들이 문턱 값 이상이라면 복수의 가상 이미지 거리들에 가상 이미지를 투사하도록 구성된다. 즉, 신뢰도 값이 문턱 값 이상일 때, 이미지 프로젝터는 복수의 리플레이 평면들 상에/복수의 가상 이미지 깊이들에 콘텐츠를 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 이미지 프로젝터는 신뢰도 값이 문턱 값 미만이면 단일 리플레이 평면 상에/단일 가상 이미지 깊이에 (예를 들어, 무한대로) 가상 이미지를 투사하도록 더 구성될 수도 있다.

본 개시에 따른 홀로그래픽 헤드-업 디스플레이는 운전자의 눈들의 포지션들을 측정하기 위해 시선-추적을 사용하고 이 눈 포지션 데이터는 홀로그램의 계산을 위해 사용된다. 시선-추적 소프트웨어는 보고하는 결과들에 대해 가변하는 정도의 신뢰도를 갖는다 (예를 들어, 측정된 시선이 없다면 0 ％; 보고된 결과에서 최대 신뢰도인 경우 100 ％). 시선-추적은 때때로, 예를 들어, 운전하는 동안 사각 지대를 체크하기 위해 어깨 너머로 본 후와 같이 머리가 아이-박스 내로 이동된 (bring into) 직후에 신뢰할 수 없을 수 있다.

일부 실시 예들에서, 아이-포지션은 정확한 광이 퓨필 확장기를 통해 전달되는 것을 보장하고 (예를 들어, 복제본 (replica) 각각으로부터의 정확한 광) 그리고/또는 미리 결정된 (given) 눈 포지션에 대해 광을 반사하는 정확한 윈드 실드 (windshield) 보상이 윈드 실드의 패치에 기초하여 적용된다는 것을 보장하기 위해 사용된다.

본 발명자는 유한 가상 이미지 깊이들 (virtual image depths; VIDs) 을 갖는 복수의 평면 또는 3D 콘텐츠를 디스플레이할 때 눈 포지션들이 가장 중요하다는 것을 발견하였다. 이 경우, 헤드-업 디스플레이는 완전한 3D 지각을 위해 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 맞춤된 광을 (퓨필 확장기를 통해) 전달하는 맞춤된 홀로그램들을 계산하도록 눈 포지션들을 사용하도록 구성될 수도 있다. 이는 눈 포지션 측정시 우수한 정밀도를 필요로 한다.

눈 포지션은 무한 VID를 갖는 콘텐츠를 디스플레이하는데 중요하지 않다는 것이 발견되었다. 이 경우에 헤드-업 디스플레이는 눈 추적 데이터 없이 동작할 수 있다. 실제 차량 (vehicle) 윈드 실드에 대해, 눈 포지션에 대한 일부 데이터는 이미지의 왜곡을 보정하기 위해 필요하지만 눈 포지션에 대한 허용 오차는 3D 홀로그램에 대한 것보다 훨씬 더 완화된다. 예를 들어 사이클롭스 (cyclops) 눈 측정 값 (눈들 사이의 중간 지점) 이 용인될 수도 있다.

일부 경우에, 자동차의 눈 추적 시스템은 (예를 들어, 어깨 너머로 본 후) 눈들 중 하나 또는 모두의 포지션에 대해 완전한 신뢰를 갖지 않을 것으로 예상된다. 눈 추적 소프트웨어는 신뢰도 값, 예를 들어 눈 각각에 대한 하나의 신뢰도 값을 보고할 수도 있다.

본 개시에 따라, 눈 추적 측정 값의 신뢰도가 문턱 값 미만일 때, 디스플레이 시스템은 보통 디스플레이되는 전체 복수의 평면 (multi-plane) 또는 3D 이미지보다는 무한 가상 이미지 깊이를 갖는 홀로그램을 계산하고 디스플레이한다. 이는 시선 추적 신뢰도가 손실될 때에도 운전자에 대한 경험의 연속성을 보장한다.

이미지 프로젝터는 홀로그래픽 프로젝터일 수도 있다. 홀로그램 프로젝터는 가상 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함할 수도 있다. 가상 이미지 거리는 홀로그램으로 인코딩될 수도 있다.

홀로그램은 디스플레이 시스템의 홀로그램 엔진에 의해 계산된 컴퓨터-생성 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은 결정된 아이-박스 포지션에 기초할 수도 있다. 따라서, 결정된 사용자 포지션의 정확도는 홀로그램의 정확도 및 따라서 홀로그램 재구성의 이미지 품질에 영향을 준다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램 계산은 이미지 프로젝터가 가상 이미지를 무한 이미지 거리에 투사하도록 배치될 때 (뿐만 아니라 이미지 프로젝터가 가상 이미지를 유한 이미지 거리에 투사하도록 배치될 때) 에도 결정된 아이-박스 포지션에 기초한다. 상기 설명된 바와 같이, 연관된 (예를 들어 문턱 값 이상) 고 신뢰도 값을 갖는 아이-박스 포지션은 유한 VID들을 갖는 복수의 평면 또는 3D 콘텐츠를 디스플레이하는데 중요할 수도 있지만, 연관된 (예를 들어 문턱 값 미만) 저 신뢰도 값을 갖는 결정된 아이-박스 포지션은 홀로그램의 계산에 여전히 유용할 수도 있다. 예를 들어, 이하에 더 상세히 설명된 바와 같이, 결정된 아이-박스 포지션은 광학 결합기에 의해 유발된 왜곡을 보정하거나 디스플레이 시스템의 어퍼처를 결정하는데 유용할 수도 있다. 이는 연관된 신뢰도가 문턱 값 미만이더라도 결정된 아이-박스 포지션에 기초하여 홀로그램 계산을 하는 것이 유리할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램 계산의 기초가 되는 결정된 아이-박스 포지션은 문턱 값 아래, 선택 가능하게 (optionally) 0보다 큰 연관된 신뢰도 값을 갖는다.

결정된 아이-박스 포지션은 가상 이미지를 형성하도록 사용된 광학 결합기의 서브-영역을 결정하도록 사용될 수도 있다. 결정된 아이-박스 포지션은 이미지 프로젝터가 유한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 배치될 때 그리고 이미지 프로젝터가 무한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 배치될 때 모두 가상 이미지를 형성하도록 사용된 광학적 결합기의 서브-영역을 결정하도록 사용될 수도 있다. 광학 결합기는 가상 이미지를 형성하도록 사용되는, 차량의 윈드 스크린 (windscreen) 과 같은 윈도우일 수도 있다. 홀로그램 엔진은 홀로그램 계산 동안 서브-영역에서 광학 결합기의 형상을 보상하도록 구성될 수도 있다. 본 개시는 광학 결합기가 차량 윈드 스크린들에서 발견되는 바와 같이 복소 곡률 (complex curvature) 을 가질 때 특히 효과적이다. 이들 실시 예들에서, 광학 결합기의 형상을 보상하기 위해 홀로그램을 사용하여, 본 발명자는 가상 이미지 거리가 무한대에 있을 때 눈 포지션 정확도에 대한 감도가 상당히 감소된다는 것을 발견하였다. 따라서, 결정된 아이-박스 포지션은 결정된 아이-박스 포지션의 신뢰도가 낮을 때 (문턱 값 미만) 유리하게 사용될 수도 있다. 따라서 본 개시의 개선된 시스템 및 방법은 (계산된) 홀로그램이 가상 이미지(들)를 형성하도록 사용된 광학 결합기의 형상을 보상하는 실시 예들과 특히 시너지 효과 (synergistic) 가 있다.

결정된 아이-박스 포지션은 디스플레이 시스템에서 어퍼처의 포지션을 결정하도록 사용될 수도 있다. 결정된 아이-박스 포지션은 이미지 프로젝터가 유한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 배치될 때 그리고 이미지 프로젝터가 무한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 배치될 때 모두 디스플레이 시스템 내 어퍼처의 포지션을 결정하도록 사용될 수도 있다. 홀로그램 엔진은 어퍼처에 의해 차단된 광의 기여도를 홀로그램 계산으로부터 배제하도록 구성된다. 이하의 상세한 기술, 및 제 1 홀로그램 계산 방법 내지 제 3 홀로그램 계산 방법과 관련하여 참조로서 대응하는 인용 문헌들의 독자는, 어퍼처가 디스플레이 시스템의 물리적 객체가 아니라, 대신에, 또는 이미지 품질을 개선하기 위해 홀로그램 계산을 제한하거나 (limit) 방해하기 (restrict) 위해 사용된 가상 어퍼처임을 이해할 것이다. 가상 어퍼처의 포지션은 기본적으로 사용자 포지션 측정 값에 종속된다. 본 발명자는 가상 이미지 거리가 무한할 때 이들 방법들에서 사용자 포지션에 대한 감소된 감도를 발견하였다. 따라서, 결정된 아이-박스 포지션은 결정된 아이-박스 포지션의 신뢰도가 낮을 때 (문턱 값 미만) 유리하게 사용될 수도 있다. 따라서 본 개시의 개선된 시스템 및 방법은 특히 결정된 아이-박스 포지션이 홀로그램 계산 동안 디스플레이 시스템에서 가상 어퍼처의 포지션을 결정하도록 사용되는 실시 예들과 시너지 효과를 갖는다.

일부 실시 예들에서, 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성된다. 홀로그램 프로젝터는 홀로그램의 복제본들의 어레이를 형성하도록 구성된 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기를 더 포함할 수도 있다. 홀로그래픽 프로젝터는 아이-박스 포지션으로 각도 채널들의 전달을 제어하도록 구성된 제어 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 이어지는 상세한 기술 및 제어 디바이스와 관련하여 참조에 의한 대응하는 인용 문헌의 독자는 제어 디바이스의 광학적 구성 (또는 "상태") 이 기본적으로 사용자의 아이-박스 포지션에 기초한다는 것을 이해할 것이다. 본 발명자는 무한 가상 이미지 거리가 사용될 때 아이-박스 포지션에 대한 광 제어 시스템의 감도가 감소된다는 것을 발견하였다. 따라서, 결정된 아이-박스 포지션은 결정된 아이-박스 포지션의 신뢰도가 낮을 때 (문턱 값 미만) 유리하게 사용될 수도 있다. 따라서, 본 개시의 개선된 시스템 및 방법은 실시 예들에 따라 광 채널링 홀로그램으로부터 광 채널들의 전달을 제어하도록 광 제어 디바이스가 사용되는 실시 예들과 특히 시너지 효과가 있다.

사용자-추적 시스템은 가상 이미지들의 디스플레이 동안 사용자의 아이-박스 포지션을 반복적으로 또는 연속적으로 결정하도록 구성될 수도 있다. 독자는 디스플레이 시스템에 대한 이 정보의 근본적인 중요성 때문에 사용자의 아이-박스 포지션을 결정하는 프로세스가 어떻게 진행중인 (on-going) 프로세스인지를 인식할 것이다.

이미지 프로젝터는 문턱 값 이상으로 상승하는 신뢰도 레벨에 응답하여 무한 가상 이미지 거리에 투사로부터 유한 가상 이미지 거리에 투사로 전이하도록 구성될 수도 있다. 이 전이는 중간 가상 이미지 거리에서 투사하는 것을 포함할 수도 있다. 무한 이미지 모드로부터 정상 복수 평면 이미지 모드로 다시 전이할 때 (즉, 눈 추적 신뢰도가 확립된 후) 이미지 깊이들은 통상적인 값들로 매끄럽게 조정될 수도 있다. 대부분의 일반적인 구현 예는 눈 추적 신뢰도가 낮을 때 전달되는 눈 포지션 내성 모드 (즉, 무한 VID일 필요는 없음) 가 있다는 것이다.

아이-박스 포지션이 확립될 수 없다면 신뢰도 값은 0일 수도 있다. 문턱 값은 0보다 클 수도 있다. 요약하면, 본 개시의 시스템 및 방법은 운전자를 위한 연속적인 뷰잉 경험을 보장하고 항상 전달되어야 하는 필수 안전 (safety-critical) 정보를 위한 헤드-업 디스플레이의 사용을 가능하게 한다.

제 2 양태에서, 디스플레이 방법이 제공된다. 방법은 아이-박스로부터 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하는 단계를 포함한다. 방법은 아이-박스 내 사용자의 아이-박스 포지션 및 아이-박스 포지션의 결정과 연관된 신뢰도 값을 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 신뢰도 값이 문턱 값 이상이면 유한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하는 단계를 더 포함한다. 방법은 신뢰도 값이 문턱 값 미만이면 무한 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시 예들에서, 방법은 가상 이미지의 홀로그램을 계산하는 단계를 더 포함한다. 방법은 공간 광 변조기 상에 홀로그램을 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 방법은 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 가상 이미지 거리는 홀로그램으로 인코딩될 수도 있다.

일부 실시 예들에서, 홀로그램을 계산하는 단계는 아이-박스 포지션에 기초한다. 홀로그램의 계산은 이미지 프로젝터가 무한 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성될 때 결정된 아이-박스 포지션에 기초할 수도 있다. 결정된 아이-박스 포지션은 문턱 값보다 낮은, 선택 가능하게 0보다 큰 연관된 신뢰도 값을 가질 수도 있다.

일부 실시 예들에서, 홀로그램을 계산하는 단계는 결정된 아이-박스 포지션을 사용하여 가상 이미지를 형성하도록 사용된 광학 결합기의 서브-영역을 결정하는 단계; 및

홀로그램 계산 동안 서브-영역에서 광학 결합기의 형상을 보상하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 디스플레이 시스템의 어퍼처의 포지션을 결정하는 단계; 및

홀로그램 계산으로부터 가상 어퍼처에 의해 차단된 광선 경로들의 기여도를 배제하는 단계를 포함한다.

일부 실시 예들에서, 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성되고, 홀로그램 프로젝터는 홀로그램의 복제본들의 어레이 (따라서 각도 채널들의 복제본들의 어레이) 를 형성하도록 구성된 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기를 포함하고, 방법은,

제어 디바이스를 사용하여 아이-박스 포지션으로 각도 채널들의 전달을 제어하는 단계 (예를 들어, 일부 각도 채널들로 하여금 아이-박스로 전파되게 하고 다른 채널들을 차단함) 를 더 포함한다.

제 3 양태에서, 아이-박스 내 사용자의 아이-박스 포지션 및 아이-박스 포지션의 결정과 연관된 신뢰도 값을 결정하는 단계를 포함하는 디스플레이 방법이 제공된다. 방법은 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하는 단계를 더 포함한다. 신뢰도 값이 문턱 값 이상이면 가상 이미지는 유한 가상 이미지 거리에 투사된다. 신뢰도 값이 문턱 값 미만이면 가상 이미지는 무한 가상 이미지 거리에 투사된다.

일 양태와 관련하여 개시된 특징들 및 장점들은 다른 양태들에 적용될 수도 있다. 특히, 제 1 양태와 관련하여 기술된 특징들 및 이점들은 제 2 양태 및 제 3 양태에 적용 가능할 수도 있고, 그 반대도 가능하다.

본 개시에서, 용어 "복제본"은 단지 복소 광 필드가 복수의 상이한 광학적 경로들을 따라 지향되도록 공간적으로 변조된 광이 분할된다는 것을 반영하도록 사용된다. 단어 "복제본"은 퓨필 (pupil) 확장기에 의한 부분 반사-투과와 같은 복제 이벤트 후 복소 광 필드의 발생 또는 인스턴스 (instance) 각각을 지칭하도록 사용된다. 복제본 각각은 상이한 광학적 경로를 따라 이동한다. 본 개시의 일부 실시 예들은 이미지가 아닌 홀로그램으로 인코딩되는 광, 즉, 이미지 자체가 아닌 이미지의 홀로그램으로 공간적으로 변조되는 광의 전파에 관한 것이다. 따라서 홀로그램의 복수의 복제본들이 형성된다고 할 수도 있다. 홀로그래피 기술의 당업자는 홀로그램을 사용하여 인코딩된 광의 전파와 연관된 복소 광 필드가 전파 거리에 따라 변화할 것이라는 것을 인식할 것이다. 용어 "복제본"의 본 명세서에서 사용은 전파 거리와 무관하고 따라서 복제 이벤트와 연관된 2 개의 광 경로들 또는 분기들은 분기들이 상이한 길이일지라도 서로의 "복제본들"로서 여전히 지칭되고, 복소 광 필드는 경로 각각을 따라 상이하게 전개된다 (evolve). 즉, 2 개의 복소 광 필드들은 이들이 동일한 복제 이벤트 또는 일련의 복제 이벤트들로부터 발생한다면, 상이한 전파 거리들과 연관되더라도 본 개시에 따라 여전히 "복제본들"로 간주된다.

본 개시에 따른 "회절된 광 필드" 또는 "회절 광 필드"는 회절에 의해 형성된 광 필드이다. 회절된 광 필드는 대응하는 회절 패턴을 조사함으로써 형성될 수도 있다. 본 개시에 따라, 회절 패턴의 예는 홀로그램이고 회절된 광 필드의 예는 홀로그래픽 광 필드 또는 이미지의 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광 필드이다. 홀로그래픽 광 필드는 리플레이 (replay) 평면 상의 이미지의 (홀로그래픽) 재구성을 형성한다. 홀로그램으로부터 리플레이 평면으로 전파하는 홀로그래픽 광 필드는 홀로그램 도메인의 광 또는 홀로그램으로 인코딩된 광을 포함한다고 할 수도 있다. 회절된 광 필드는 회절 구조의 가장 작은 피처 사이즈 및 (회절된 광 필드의) 광의 파장에 의해 결정된 회절 각도를 특징으로 한다. 본 개시에 따라, 또한 "회절된 광 필드"는 대응하는 회절 구조로부터 공간적으로 분리된 평면 상에 재구성을 형성하는 광 필드라고 할 수도 있다. 회절 구조로부터 회절된 광 필드를 뷰어로 전파하기 위한 광학 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광 필드는 이미지를 형성할 수도 있다.

용어 "홀로그램"은 객체에 관한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 기록 (recording) 을 지칭하도록 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성 (holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사함으로써 형성된 객체의 광학적 재구성 (optical reconstruction) 을 지칭하도록 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에 "홀로그래픽 프로젝터 (holographic projector)"로서 기술된다. 용어 "리플레이 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커싱되는 2D 영역을 지칭하도록 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 디스플레이된다면, 리플레이 필드는 복수의 회절된 차수의 형태로 반복될 것이고, 회절된 차수 각각은 0 차 리플레이 필드의 복제본이다. 0 차 리플레이 필드는 가장 밝은 리플레이 필드이기 때문에 일반적으로 선호되거나 주 (primary) 리플레이 필드에 대응한다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "리플레이 필드"는 0 차 리플레이 필드를 지칭하는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "리플레이 평면"은 모든 리플레이 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하도록 사용된다. 용어들 "이미지", "리플레이 이미지" 및 "이미지 영역"은 홀로그래픽 재구성의 광에 의해 조사된 리플레이 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시 예들에서, "이미지"는 "이미지 스폿들" 또는 단지 편의상 "이미지 픽셀들"로 지칭될 수도 있는 이산적인 스폿들을 포함할 수도 있다.

용어들 "인코딩", "라이팅 (writing)" 또는 "어드레싱 (addressing)"은 픽셀 각각의 변조 레벨을 각각 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에 제공하는 프로세스를 기술하도록 사용된다. SLM의 픽셀들은 복수의 제어 값들을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성된다고 할 수도 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 할 수도 있고 홀로그램은 광 변조 값들 또는 레벨들의 어레이로 간주될 수도 있다.

용인할 수 있는 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래 객체의 푸리에 변환과 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-온리 (phase-only) 홀로그램으로 지칭될 수도 있다. 실시 예들은 위상-온리 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-온리 홀로그래피에 동일하게 적용 가능하다.

본 개시는 또한 원래 객체의 푸리에 변환과 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 이는 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보 모두를 포함하는 소위 완전 복소 홀로그램을 사용한 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 픽셀 각각에 할당된 값 (그레이 레벨) 이 진폭 및 위상 컴포넌트를 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 지칭될 수도 있다. 픽셀 각각에 할당된 값 (그레이 레벨) 은 진폭 컴포넌트 및 위상 컴포넌트 모두를 갖는 복소수로서 표현될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 완전-복소 컴퓨터-생성된 홀로그램이 계산된다.

위상 값, 위상 컴포넌트, 위상 정보, 또는 단순히 "위상-지연"의 약칭으로서 컴퓨터-생성된 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상에 대한 참조가 이루어질 수도 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 실제로 해당 픽셀에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자 (예를 들어, 0 내지 2π의 범위) 이다. 예를 들어, π/2의 위상 값을 갖는 것으로 기술된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킬 것이다. 일부 실시 예들에서, 공간 광 변조기의 픽셀 각각은 복수의 가능한 변조 값들 (예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 동작 가능하다. 용어 "그레이 레벨"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-온리 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하도록 편의를 위해 사용될 수도 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 복수의 이용 가능한 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수도 있다.

따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이-즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이-를 포함한다. 홀로그램은 또한 공간 광 변조기 상에 디스플레이될 때 회절을 유발하고 일반적으로 공간 광 변조기의 픽셀 피치보다 더 작은 파장을 갖는 광으로 조사되는 패턴이기 때문에 회절 패턴으로 간주된다. 렌즈 또는 격자로서 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 홀로그램을 결합하는 것에 대한 참조가 본 명세서에서 이루어진다. 예를 들어, 격자로서 기능하는 회절 패턴은 리플레이 평면 상의 리플레이 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합될 수도 있고 또는 렌즈로서 기능하는 회절 패턴은 필드 근방 리플레이 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커싱하도록 홀로그램과 결합될 수도 있다.

상이한 실시 예들 및 실시 예들의 그룹들이 이하의 상세한 기술에서 개별적으로 개시될 수도 있지만, 임의의 실시 예 또는 실시 예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시 예 또는 실시 예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수도 있다. 즉, 본 개시에 개시된 피처들의 모든 가능한 조합들 및 치환들이 구상된다.

특정한 실시 예들은 다음의 도면들을 참조하여 단지 예로서 기술된다.
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사성 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들, V1 내지 V8, 및 대응하는 홀로그램 채널들, H1 내지 H8의 단면들을 포함하는 투사할 이미지를 도시한다.
도 3은 복수의 이산적인 영역들로 광을 지향시키는 LCOS 상에 디스플레이된 홀로그램을 도시한다.
도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 계산된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 5는 2 개의 복제기들 (replicators) 을 포함하는 제 1 예시적인 2 차원 퓨필 확장기의 사시도를 도시한다.
도 6은 실시 예들의 주 동작 모드를 나타낸다.
도 7은 실시 예들의 보조 동작 모드를 나타낸다.
동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부품을 지칭하기 위해 도면들 전반에 걸쳐 사용될 것이다.

본 발명은 이하에 기술된 실시 예들로 제한되지 않고 첨부된 청구항들의 전체 범위로 확장된다. 즉, 본 발명은 상이한 형태들로 구현될 수도 있고 예시의 목적으로 제시된 기술된 실시 예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.

단수형의 용어들은 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수도 있다.

다른 구조체의 상/아래 또는 또 다른 구조체의 상부 부분/하부 부분에 형성되는 것으로 기술된 구조체는 구조체들이 서로 콘택트하는 경우 및 또한 제 3 구조체가 그 사이에 배치되는 (dispose) 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시간 관계를 기술할 때-예를 들어, 이벤트들의 시간적 순서가 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때- 본 개시는 달리 명시되지 않는 한 연속적이고 비 연속적인 이벤트들을 포함하도록 취해진다. 예를 들어, 기술은 "단지 (just)", "즉시 (immediate)" 또는 "바로 (direct)"와 같은 표현이 사용되지 않는 한 연속적이지 않은 경우를 포함하도록 취해진다.

용어들 "제 1", "제 2", 등이 본 명세서에서 다양한 엘리먼트들 (elements) 을 기술하도록 사용될 수도 있지만, 이들 엘리먼트들은 이들 용어들에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 하나의 엘리먼트를 또 다른 엘리먼트와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제 1 엘리먼트는 제 2 엘리먼트로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제 2 엘리먼트는 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 제 1 엘리먼트로 지칭될 수 있다.

상이한 실시 예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 커플링되거나 결합될 수도 있고, 서로 다양하게 상호 동작할 수도 있다. 일부 실시 예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 공존하는 관계로 함께 수행될 수도 있다.

홀로그램 투사를 위한 종래의 광학 구성

도 1은 컴퓨터-생성된 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에서 인코딩되는 실시 예를 도시한다. 컴퓨터-생성된 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환 (Fourier transform) 이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수도 있다. 이 실시 예에서, 공간 광 변조기는 반사성 실리콘 액정 (liquid crystal on silicon), "LCOS", 디바이스이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩되고 홀로그래픽 재구성은 리플레이 필드, 예를 들어 스크린 또는 확산기와 같은 수광 표면에서 형성된다.

광원 (110), 예를 들어 레이저 또는 레이저 다이오드가 시준 렌즈 (collimating lens) (111) 를 통해 SLM (140) 을 조사하도록 (illuminate) 배치된다. 시준 렌즈는 일반적으로 광의 평면형 파면으로 하여금 SLM 상에 입사하게 한다. 도 1에서, 파면 (wavefront) 의 방향은 수직을 벗어난다 (예를 들어, 투명 층의 평면에 대해 정확하게 직교하는 것으로부터 2 ° 또는 3 °). 그러나, 다른 실시 예들에서, 일반적으로 평면형 파면이 수직 입사로 제공되고 빔 스플리터 배열이 입력 광학 경로 및 출력 광학 경로를 분리하도록 사용된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 이 배열은 광원으로부터의 광이 SLM의 미러된 후면 표면으로부터 반사되고 출사 (exit) 파면 (112) 을 형성하도록 광-변조 층과 상호 작용하는 것이다. 출사 파면 (112) 은 스크린 (125) 에 포커스를 갖는, 푸리에 변환 렌즈 (120) 를 포함하는 광학계에 적용된다. 더 구체적으로, 푸리에 변환 렌즈 (120) 는 SLM (140) 으로부터 변조된 광의 빔을 수신하고 스크린 (125) 에서 홀로그래픽 재구성을 생성하도록 주파수-공간 변환을 수행한다.

특히, 이러한 타입의 홀로그래피에서, 홀로그램의 픽셀 각각은 전체 재구성에 기여한다. 리플레이 필드 상의 특정한 지점들 (또는 이미지 픽셀들) 과 특정한 광-변조 엘리먼트들 (또는 홀로그램 픽셀들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 즉, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 리플레이 필드에 걸쳐 분포된다.

이들 실시 예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 포지션은 푸리에 변환 렌즈의 굴절 (dioptric) (포커싱) 배율에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이고, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 모든 렌즈는 푸리에 변환 렌즈로서 작용할 수 있지만 렌즈의 성능은 수행하는 푸리에 변환의 정확도를 제한할 것이다. 당업자는 광학 푸리에 변환을 수행하기 위해 렌즈를 사용하는 방법을 이해한다.

홀로그램 계산 (Hologram calculation)

일부 실시 예들에서, 컴퓨터-생성된 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성들을 활용함으로써 원거리 필드에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 리플레이 평면에서 목표된 광 필드를 렌즈 평면으로 다시 푸리에 변환함으로써 계산된다. 컴퓨터-생성된 푸리에 홀로그램들은 푸리에 변환들을 사용하여 계산될 수도 있다. 실시 예들은 단지 예로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법에 의해 계산될 수도 있는 프레넬 (Fresnel) 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 위상 또는 위상-온리 홀로그램이다. 그러나, 본 개시는 또한 포인트 클라우드 방법들에 기초한 것들과 같은 다른 기법들에 의해 계산된 홀로그램들에 적용 가능하다.

요약에서 설명된 바와 같이, 본 개시의 새로운 교시들은 (이미지 대신 홀로그램이 뷰어에게 직접 전달되는) 소위 직접 뷰 홀로그래피 (direct view holography) 에 효과적이며, 특히 성능을 개선하기 위해 사용자의 아이-박스 포지션에 기초하여 광학 시스템 내 가상 어퍼처의 사이즈 및 위치를 결정하는 홀로그램 계산 방법들과 시너지 효과가 있다. 3 개의 예들이 참조로서 인용되어 이하의 상세한 기술에 제공된다. 이들 방법들은 알고리즘들의 상세들이 본 명세서에 개시된 개념에 필수적이지 않고 단지 본 개시의 교시들로부터 상당히 이익을 얻는 접근방법들의 예시이기 때문에 본 명세서에서 완전히 반복되지 않는다.

일부 실시 예들에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램들을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시 예들에서, 이미지 데이터는 이미지 프레임들의 시퀀스를 포함하는 비디오이다. 다른 실시 예들에서, 홀로그램들은 미리 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되고, SLM 상의 디스플레이를 위해 필요에 따라 리콜된다 (recall). 즉, 일부 실시 예들에서, 미리 결정된 홀로그램들의 저장소가 제공된다.

광 변조

디스플레이 시스템은 디스플레이 시스템의 출사 퓨필을 규정하는 디스플레이 디바이스를 포함한다. 디스플레이 디바이스는 공간 광 변조기이다. 공간 광 변조는 위상 변조기일 수도 있다. 디스플레이 디바이스는 실리콘 상의 액정 (liquid crystal on silicon), "LCOS", 공간 광 변조기일 수도 있다.

소형 디스플레이 디바이스를 사용한 디스플레이 시스템

일반적으로, 본 개시는 이미지 투사에 관한 것이다. 본 발명은 이미지 투사 방법 및 디스플레이 디바이스를 포함하는 이미지 프로젝터 (projector) 에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것이고, 여기서 이미지 프로젝터는 디스플레이 디바이스로부터 뷰잉 시스템으로 광을 투사하거나 중계한다 (relay). 본 개시는 단안 뷰잉 시스템 및 양안 뷰잉 시스템에 동일하게 적용 가능하다. 뷰잉 시스템은 뷰어의 눈 또는 눈들을 포함할 수도 있다. 뷰잉 시스템은 광학 배율 (optical power) 을 갖는 광학 엘리먼트 (예를 들어, 인간 눈의 렌즈/렌즈들) 및 뷰잉 평면 (예를 들어, 인간 눈/눈들의 망막들) 을 포함한다. 프로젝터는 '광 엔진'으로 지칭될 수도 있다. 디스플레이 디바이스 및 디스플레이 디바이스를 사용하여 형성된 (또는 지각된) 이미지는 서로 공간적으로 분리된다. 이미지는 디스플레이 평면 상에서 형성되거나, 뷰어에 의해 지각된다. 일부 실시 예들에서, 이미지는 가상 이미지이고 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 이미지는 홀로그래픽 재구성에 의해 형성된 실제 이미지이고 이미지는 뷰잉 평면으로 투사되거나 중계된다. 이미지는 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이된 회절 패턴 (예를 들어, 홀로그램) 을 조사함으로써 형성된다.

디스플레이 디바이스는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이의 픽셀들은 광을 회절시키는 회절 패턴 또는 구조체를 디스플레이할 수도 있다. 회절된 광은 디스플레이 디바이스로부터 공간적으로 분리된 평면에서 이미지를 형성할 수도 있다. 잘 이해된 광학들에 따라, 최대 회절 각도의 크기는 픽셀들의 사이즈 및 광의 파장과 같은 다른 인자들에 의해 결정된다.

실시 예들에서, 디스플레이 디바이스는 "LCOS" (liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기 (spatial light modulator; SLM) 와 같은 공간 광 변조기이다. 광은 LCOS로부터 카메라 또는 눈과 같은 뷰잉 엔티티/시스템을 향해 (예를 들어, 0으로부터 최대 회절 각도로) 회절 각도들의 범위에 걸쳐 전파된다. 일부 실시 예들에서, 확대 기법들은 LCOS의 종래의 최대 회절 각도를 넘어 이용 가능한 회절 각도들의 범위를 증가시키도록 사용될 수도 있다.

일부 예들에서, (디스플레이된 홀로그램으로부터 형성된) 이미지가 눈들로 전파된다. 예를 들어, 자유 공간 내에 또는 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이의 스크린 또는 다른 수광 표면 상에 형성된 중간 홀로그래픽 재구성/이미지의 공간적으로 변조된 광은 뷰어에게 전파될 수도 있다.

일부 다른 예들에서, 홀로그램 (의 광) 자체는 눈들로 전파된다. 예를 들어, -비공식적으로 홀로그램과 함께/에 의해 "인코딩"된다고 할 수도 있는- 홀로그램의 공간적으로 변조된 광 (아직 홀로그램 재구성, 즉 이미지로 완전히 변환되지 않음) 은 뷰어의 눈들로 직접 전파된다. 실제 이미지 또는 가상 이미지가 뷰어에 의해 지각될 수도 있다. 이들 실시 예들에서, 디스플레이 디바이스와 뷰어 사이에 형성된 중간 홀로그래픽 재구성/이미지가 없다. 때때로, 이들 실시 예들에서, 눈의 렌즈는 홀로그램 대 이미지 변환 (conversion) 또는 변환 (transform) 을 수행한다고 한다. 프로젝션 시스템, 또는 광 엔진은 뷰어가 디스플레이 디바이스를 효과적으로 직접 바라보도록 구성될 수도 있다.

본 명세서에서 "복소 광 필드 (complex light field)"인 "광 필드"가 참조된다. 용어 "광 필드"는 단지 적어도 2 개의 직교하는 공간 방향들, 예를 들어 및 에서 유한 사이즈를 갖는 광의 패턴을 나타낸다. 단어 "복소 (complex)"는 단지 광 필드의 지점 각각에서 광이 진폭 값 및 위상 값에 의해 규정될 수도 있고, 따라서 복소수 또는 값들의 쌍으로 표현될 수도 있다는 것을 나타내도록 본 명세서에서 사용된다. 홀로그램 계산의 목적을 위해, 복소 광 필드는 복소수의 2 차원 어레이일 수도 있고, 복소수들은 광 필드 내의 복수의 이산적인 (discrete) 위치들에서 광 강도 및 위상을 규정한다.

잘 이해된 광학계의 원리들에 따라, 눈 또는 다른 뷰잉 엔티티/시스템에 의해 뷰잉될 수 있는 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광의 각도들의 범위는 디스플레이 디바이스와 뷰잉 엔티티 사이의 거리에 따라 가변한다. 1 m 뷰잉 거리에서, 예를 들어, 미리 결정된 (given) 눈 포지션에 대해 망막에서 이미지를 형성하기 위해 LCOS로부터 작은 범위의 각도들만이 눈의 퓨필을 통해 전파될 수 있다. 미리 결정된 눈 포지션에 대해 망막에서 이미지를 형성하도록 눈의 퓨필을 통해 성공적으로 전파될 수 있는, 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위는 뷰어에게 '가시적인' 이미지의 부분을 결정한다 . 즉, 이미지의 모든 부분들이 뷰잉 평면 상의 임의의 일 지점 (예를 들어, 아이-모션 박스와 같은 뷰잉 윈도우 내 임의의 일 눈 포지션) 으로부터 가시적이지는 않다.

일부 실시 예들에서, 뷰어에 의해 지각된 이미지는 디스플레이 디바이스의 업스트림에 나타나는 가상 이미지이다 -즉, 뷰어는 디스플레이 디바이스보다 이미지로부터 멀어지는 것으로 이미지를 지각한다. 따라서 개념적으로, 뷰어는 상대적으로 큰 거리, 예를 들어, 1 미터에서 매우 작고, 예를 들어 1 cm 직경일 수도 있는 '디스플레이 디바이스-사이즈 윈도우'를 통해 가상 이미지를 보고 있다고 간주될 수도 있다. 그리고 사용자는 또한 매우 작을 수 있는 눈(들)의 퓨필(들)을 통해 디스플레이 디바이스-사이즈 윈도우를 볼 것이다. 따라서, 시계 (field of view) 는 작아지고, 보일 수 있는 특정한 각도 범위는 임의의 미리 결정된 시간에 눈 포지션에 크게 종속된다.

퓨필 확장기는 이미지를 형성하기 위해 눈의 퓨필을 통해 성공적으로 전파될 수 있는 디스플레이 디바이스로부터 전파되는 광선들의 각도들의 범위를 증가시키는 방법의 문제를 해결한다. 디스플레이 디바이스는 일반적으로 (상대적 측면에서) 작고, 투사 거리는 (상대적 측면에서) 크다. 일부 실시 예들에서, 투사 거리는 디스플레이 디바이스의 입사 퓨필 및/또는 어퍼처의 직경, 또는 폭 (즉, 픽셀들의 어레이의 사이즈) 보다 적어도 10 배, 예컨대 적어도 100 배 더 크다. 본 개시의 실시 예들은 이미지의 홀로그램이 이미지 자체보다는 사람의 눈으로 전파되는 구성에 관한 것이다. 즉, 뷰어에 의해 수신된 광은 이미지의 홀로그램에 따라 변조된다. 그러나, 본 개시의 다른 실시 예들은 이미지가 홀로그램 대신-예를 들어, 스크린 (또는 심지어 자유 공간) 상에 형성된 홀로그래픽 재구성 또는 "리플레이 이미지"의 광이 인간의 눈으로 전파되는, 소위 간접 뷰에 의해- 인간의 눈으로 전파되는 구성들에 관련될 수도 있다.

퓨필 확장기의 사용은 또한 뷰잉 영역 (즉, 사용자의 아이-박스) 을 측방향으로 증가시킬 수 있고, 따라서 사용자가 이미지를 볼 수 있게 하는 동안 눈들의 일부 운동이 발생하게 한다. 당업자가 인식할 바와 같이, 이미징 시스템에서, 뷰잉 영역 (사용자의 아이-박스) 은 뷰어의 눈들이 이미지를 지각할 수 있는 영역이다. 본 개시는 무한하지 않은 가상 이미지 거리들-즉, 근거리 가상 이미지들에 관한 것이다.

종래에, 2 차원 퓨필 확장기는 표면으로부터의 출력 광이 뷰잉 윈도우 예를 들어, 뷰어에 의해 보아지는 아이-박스 또는 아이 모션을 형성하는, 한 쌍의 마주 보는 반사 표면들을 사용하여 각각 형성된 하나 이상의 1 차원 광 도파관들을 포함한다. 디스플레이 디바이스로부터 수신된 광 (예를 들어, LCOS로부터 공간적으로 변조된 광) 은 적어도 일 차원에서 시계 (또는 가시 영역) 를 증가시키도록 도파관 또는 도파관 각각에 의해 복제된다. 특히, 도파관은 입사 파면의 진폭의 분할에 의한 여분의 광선들 또는 "복제본들"의 생성으로 인해 뷰잉 윈도우를 확대한다.

디스플레이 디바이스는 5 ㎝ 미만 또는 2 ㎝ 미만과 같이 10 ㎝ 미만일 수도 있는 제 1 치수를 갖는 활성 또는 디스플레이 영역을 가질 수도 있다. 디스플레이 디바이스와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는 1.5 m 초과 또는 2 m 초과와 같이 1 m 초과일 수도 있다. 도파관 내 광 전파 거리는 최대 1.5 m 또는 최대 1 m와 같이 최대 2 m일 수도 있다. 방법은 이미지를 수신할 수도 있고 15 ㎳ 미만 또는 10 ㎳ 미만과 같은 20 ㎳ 미만에서 충분한 품질의 대응하는 홀로그램을 결정할 수도 있다.

일부 실시 예들에서 -본 개시에 따른 회절된 광 필드 또는 홀로그래픽 광 필드의 예로서만 기술됨- 홀로그램은 복수의 채널들로 광을 라우팅하도록 구성되고, 채널 각각은 이미지의 상이한 부분 (즉, 서브-영역) 에 대응한다. 홀로그램은 디스플레이되는 것과 같이, 공간적 광 변조기와 같은 디스플레이 디바이스 상에 표현될 수도 있다. 적절한 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 때, 홀로그램은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 광을 공간적으로 변조할 수도 있다. 회절 구조에 의해 형성된 채널들은 단지 이미지 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된 광의 채널들을 반영하도록 본 명세서에서 "홀로그램 채널들"로 지칭된다. 채널 각각의 광은 이미지 또는 공간적 도메인이 아니라 홀로그램 도메인 내에 있다고 할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 푸리에 또는 푸리에 변환 홀로그램이고 따라서 홀로그램 도메인은 푸리에 또는 주파수 도메인이다. 홀로그램은 동일하게 프레넬 또는 프레넬 변환 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은 본 명세서에서 홀로그램으로부터 재구성될 수 있는 이미지가 유한 사이즈를 갖고 복수의 이미지 서브-영역들로 임의로 분할될 수 있다는 것을 반영하기 위해 복수의 홀로그램 채널들로 광을 단순히 라우팅하는 것으로 기술되고, 여기서 홀로그램 채널 각각은 이미지 서브-영역 각각에 대응할 것이다. 중요하게, 이 예의 홀로그램은 조사될 때 이미지 콘텐츠를 분배하는 방법을 특징으로 한다. 구체적으로, 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도로 분할한다. 즉, 이미지 상의 지점 각각은 조사될 때 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 고유한 광선 각도-적어도, 홀로그램이 2 차원이기 때문에 고유한 한 쌍의 각도들-와 연관된다. 의심의 소지를 없애기 위해, 이 홀로그램 거동은 통상적이지 않다. 이 특수한 타입의 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광은 조사될 때, 복수의 홀로그램 채널들로 임의로 분할될 수도 있고, 홀로그램 채널 각각은 광선 각도들의 범위에 의해 (2 차원들로) 규정된다. 전술한 바로부터 공간적으로 변조된 광에서 고려될 수도 있는 임의의 홀로그램 채널 (즉, 광선 각도들의 서브-범위) 이 이미지의 각각의 부분 또는 서브-영역과 연관될 것이라는 것이 이해될 것이다. 즉, 이미지의 부분 또는 서브-영역을 재구성하는데 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램으로부터 형성된 공간적으로 변조된 광의 각도들의 서브-범위 내에 포함된다. 공간적으로 변조된 광이 전체로서 관찰될 때, 복수의 이산적인 광 채널들의 어떠한 증거도 존재할 필요는 없다. 그러나, 일부 구성들에서, 복수의 공간적으로 분리된 홀로그램 채널들은 홀로그램이 계산되는 타깃 이미지의 영역들을 의도적으로 블랭크 (blank) 또는 엠티 (empty) (즉, 이미지 콘텐츠가 존재하지 않음) 남겨 두는 것에 의해 형성된다.

그럼에도 불구하고, 홀로그램은 여전히 식별될 수도 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간적으로 변조된 광의 연속적인 부분 또는 서브-영역만이 재구성된다면, 이미지의 서브-영역만이 가시적이어야 한다. 공간적으로 변조된 광의 상이한, 연속적인 부분 또는 서브-영역이 재구성된다면, 이미지의 상이한 서브-영역이 가시적이어야 한다. 이 타입의 홀로그램의 추가 식별 특징은 -적어도, 홀로그램이 계산된 올바른 평면에서- 사이즈가 상이할 수도 있지만 임의의 홀로그램 채널의 단면적의 형상이 입사 퓨필의 형상에 실질적으로 대응한다 (즉, 실질적으로 동일) 는 것이다. 광/홀로그램 채널 각각은 홀로그램으로부터 상이한 각도 또는 각도들의 범위로 전파된다. 이들은 이러한 타입의 홀로그램을 특징화하거나 식별하는 예시적인 방식들이지만, 다른 방식들이 사용될 수도 있다. 요약하면, 본 명세서에 개시된 홀로그램은 이미지 콘텐츠가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에 어떻게 분포되는지에 의해 특징화되고 식별될 수 있다. 다시, 어떠한 의심도 피하기 위해, 광을 지향시키거나 복수의 홀로그램 채널들로 이미지를 각도 분할하도록 구성된 홀로그램에 대한 본 명세서의 참조는 단지 예로서 이루어지고, 본 개시는 임의의 타입의 홀로그래픽 광 필드 또는 심지어 임의의 타입의 회절 또는 회절된 광 필드의 퓨필 확장에 동일하게 적용 가능하다.

일반적으로, 입력 광 필드에 대해 퓨필 확장을 제공하는 시스템이 본 명세서에 개시되고, 입력 광 필드는 발산하는 광선 다발들을 포함하는 회절 또는 홀로그래픽 광 필드이다. 상기 논의된 바와 같이, (또한 "이미지 복제" 또는 "복제" 또는 "퓨필 복제"로 지칭될 수도 있는) 퓨필 확장은 입력 광선 (또는 광선 다발) 의 하나 이상의 복제본들을 생성함으로써, 뷰어가 이미지를 볼 수 있는 (또는 뷰어의 눈이 이미지를 형성하는, 홀로그램의 광을 수신할 수 있는) 영역의 크기를 증가하게 한다. 퓨필 팽창은 하나 이상의 치수들로 제공될 수 있다. 예를 들어, 2 차원 퓨필 확장이 제공될 수 있고, 치수 각각은 서로 실질적으로 직교한다.

시스템은 콤팩트하고 간소화된 물리적 형태로 제공될 수 있다. 이는 시스템이 공간이 제한되고 부동산 값이 높은 애플리케이션들을 포함하는, 광범위한 실제 애플리케이션들에 적합하게 한다. 예를 들어, 차량 (vehicle) 또는 자동차 (automotive) HUD (head-up display) 와 같은 HUD로 구현될 수도 있다.

본 개시에 따라, 발산하는 광선 다발들을 포함할 수도 있는, 회절된 광 또는 회절된 광에 대해 퓨필 팽창이 제공된다. 회절 광 또는 회절된 광은 홀로그램과 같은 회절 구조를 디스플레이하도록 구성된 SLM (spatial light modulator) 과 같은 픽셀화된 (pixelate) 디스플레이 디바이스와 같은 디스플레이 디바이스에 의해 출력될 수도 있다. 회절된 광 필드는 "광 원뿔 (light cone)"에 의해 규정될 수도 있다. 따라서, (2 차원 평면 상에 규정된 바와 같이) 회절된 광 필드의 사이즈는 대응하는 회절 구조체 (즉, 디스플레이 디바이스) 로부터의 전파 거리에 따라 증가한다.

공간 광 변조기는 홀로그램을 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 회절되거나 발산하는 광은 이미지 또는 홀로그래픽 재구성의 광이 되는 것과 반대로, 홀로그램으로/에 의해 인코딩된 광을 포함할 수도 있다. 이러한 실시 예들에서, 따라서 뷰어에게 전달된 광이 이미지 자체가 아니라, 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다는 것을 전달하기 위해, 퓨필 확장기(들)는 홀로그램을 복제하거나 홀로그램의 적어도 하나의 복제본을 형성한다고 할 수 있다. 즉, 회절된 광 필드가 뷰어에게 전파된다.

일부 실시 예들에서, 2 개의 1 차원 도파관 퓨필 확장기들이 제공되고, 1 차원 도파관 퓨필 확장기 각각은 공간 광 변조기의 출사 퓨필 (또는 출사 퓨필의 광) 의 복수의 복제본들 또는 사본들을 형성함으로써 시스템의 출사 퓨필의 사이즈를 효과적으로 증가시키도록 구성된다. 출사 퓨필은 광이 시스템에 의해 출력되는 물리적인 영역으로 이해될 수도 있다. 도파관 퓨필 확장기 각각은 시스템의 유출 퓨필의 사이즈를 확장시키도록 배치된다고 또한 할 수도 있다. 도파관 퓨필 확장기 각각은 시스템에 의해 출력되는 광을 보거나/수신하기 위해, 뷰어의 눈이 위치될 수 있는 아이-박스의 사이즈를 확장/증가시키도록 구성된다고 할 수도 있다.

광 채널링 (Light channelling )

본 명세서에 개시된 광학 시스템은 임의의 회절된 광 필드를 갖는 퓨필 확장에 적용 가능하다. 일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드는 홀로그래픽 광 필드-즉, 이미지 자체가 아니라 이미지의 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 복소 광 필드-이다. 일부 실시 예들에서, 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도로 분할/채널링하는 특수한 타입의 홀로그램이다. 이 타입의 홀로그램은 본 개시와 호환 가능한 회절된 광 필드의 예로서 본 명세서에서 더 기술된다. 다른 타입들의 홀로그램이 본 명세서에 개시된 디스플레이 시스템들 및 광 엔진들과 함께 사용될 수도 있다.

홀로그램 엔진은 디스플레이 시스템의 제한 어퍼처에 의해 차단된 광의 기여도를 홀로그램 계산으로부터 배제하도록 구성된다. 2021년 2월 5일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된, 영국 특허 출원 2101666.2는 시선-추적 (eye-tracking) 및 광선 추적 (ray tracing) 이 고스트 이미지들을 제거하는 포인트 클라우드 홀로그램의 계산을 위해 디스플레이 디바이스의 서브-영역 (sub-area) 을 식별하도록 사용되는 제 1 홀로그램 계산 방법을 개시한다. 디스플레이 디바이스의 서브-영역은 본 개시의 어퍼처에 대응하고, 홀로그램 계산으로부터 광 경로들을 배제하는 데 사용된다. 2021년 8월 26일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 2112213.0은 홀로그램 계산 동안 광학 시스템의 퓨필들 (pupils) 에 따라 광 필드 크롭핑 (light field cropping) 단계들을 포함하는 수정된 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘에 기초한 제 2 방법을 개시한다. 광 필드의 크롭핑은 본 개시의 제한 어퍼처의 결정에 대응한다. 2021년 12월 23일 출원되고 또한 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 번호 제 2118911.3 호는 홀로그램 복제기 (replicator) 에 의해 형성된 소위 확장된 변조기의 영역을 결정하는 단계를 포함하는 홀로그램을 계산하는 제 3 방법을 개시한다. 확장된 변조기의 영역은 또한 본 개시에 따른 어퍼처이다.

도파관 퓨필 확장기를 포함하는 디스플레이 시스템 및 방법이 이하에 기술된다. 숙련된 독자에게 친숙할 바와 같이, 도파관은 상대적으로 작은 광 이미터-본 명세서에 기술된 구성들에서 사용된 바와 같은 상대적으로 소형 SLM 또는 다른 픽셀화된 디스플레이 디바이스-에 의해 (또는 내부에서) 방출되는 광이 광 방출기로부터 이격된 거리, 예컨대 상대적으로 먼 거리에 위치된 인간 뷰어 또는 다른 관찰 시스템에 의해 관찰될 수 있는 면적을 증가시키도록 사용될 수 있기 때문에 '퓨필 확장기'로서 구성될 수도 있다. 도파관은 광이 뷰어를 향해 출력되는 투과 지점들의 수를 증가시킴으로써 이를 달성한다. 그 결과, 광은 복수의 상이한 뷰어 위치들로부터 보일 수도 있고, 예를 들어, 뷰어는 광 이미터로부터의 광을 여전히 볼 수 있는 동안 그들의 머리, 따라서 그들의 시선을 이동할 수도 있다. 따라서, 뷰어의 '아이-박스' 또는 '아이-모션 박스'는 도파관 퓨필 확장기의 사용을 통해 확대된다고 할 수 있다. 이는 많은 유용한 애플리케이션들, 예를 들어 헤드-업 디스플레이들에 제한되지 않고, 예를 들어, 자동차 헤드-업 디스플레이들로 제한되지 않는다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 디스플레이 시스템은 적어도 일 차원으로, 예를 들어 2 차원들로 퓨필 팽창을 제공하기 위해 도파관 퓨필 확장기를 통해 회절된 광 필드와 같은 광을 가이드하도록 구성될 수도 있다. 회절된 광 필드는 LCOS SLM과 같은 공간 광 변조기 (SLM) 에 의해 출력된 광을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 회절된 광 필드는 SLM에 의해 디스플레이된 홀로그램에 의해 인코딩되는 광을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 회절된 광 필드는 SLM에 의해 디스플레이된 홀로그램에 대응하는 홀로그램으로 재구성된 이미지의 광을 포함할 수도 있다. 홀로그램은 이로 제한되지 않지만, 포인트 클라우드 홀로그램 (point-cloud hologram), 프레넬 홀로그램, 또는 푸리에 홀로그램과 같은 컴퓨터 생성 홀로그램 (computer-generated hologram; CGH) 를 포함할 수도 있다. 홀로그램은 '회절 구조' 또는 '변조 패턴'으로 지칭될 수도 있다. SLM 또는 다른 디스플레이 디바이스는 숙련된 독자에게 친숙할 방식으로, 홀로그램 및 소프트웨어 렌즈 또는 회절 격자와 같은 하나 이상의 다른 엘리먼트들을 포함하는 회절 패턴 (또는, 변조 패턴) 을 디스플레이하도록 구성될 수도 있다.

홀로그램은 회절된 광 필드의 채널링을 제공하도록 계산될 수도 있다. 이는 GB2101666.2, GB2101667.0, 및 GB2112213.0 각각에 상세히 기술되고, 이들 모두는 본 명세서에 참조로서 인용된다. 일반적으로, 홀로그램은 홀로그램으로 재구성될 이미지에 대응하도록 계산될 수도 있다. 홀로그램이 대응하는 해당 이미지는 '입력 이미지' 또는 '타겟 이미지'로 지칭될 수도 있다. 홀로그램은 SLM 상에 디스플레이되고 적절하게 조사될 때, 공간적으로 변조된 광의 콘 (cone) 을 포함하는 광 필드 (SLM에 의해 출력) 를 형성하도록 계산될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 콘은 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하는 공간적으로 변조된 광의 복수의 연속적인 광 채널들을 포함한다. 그러나, 본 개시는 이 타입의 홀로그램으로 제한되지 않는다.

본 명세서에서 '홀로그램' 또는 '컴퓨터 생성 홀로그램 (CGH)'을 지칭하지만, SLM은 연속적으로 또는 시퀀스에 따라 복수의 상이한 홀로그램들을 동적으로 디스플레이하도록 구성될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 시스템들 및 방법들은 복수의 상이한 홀로그램들의 동적 디스플레이에 적용 가능하다.

도 2 및 도 3은 본 명세서에 개시된 바와 같이 퓨필 확장기와 함께 사용될 수 있는, SLM과 같은 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있는 홀로그램 타입의 일 예를 도시한다. 그러나, 이 예는 본 개시에 대해 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

도 2는 8 개의 이미지 영역들/컴포넌트들, V1 내지 V8을 포함하는 투사할 이미지 (252) 를 도시한다. 도 2는 단지 예로서 8 개의 이미지 컴포넌트들을 도시하고 이미지 (252) 는 임의의 수의 컴포넌트들로 분할될 수도 있다. 도 2는 또한 -예를 들어 적합한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변환될 때- 이미지 (252) 를 재구성할 수 있는 인코딩된 광 패턴 (254) (즉, 홀로그램) 을 도시한다. 인코딩된 광 패턴 (254) 은 제 1 이미지 컴포넌트/영역 내지 제 8 이미지 컴포넌트/영역, V1 내지 V8에 대응하는, 제 1 서브-홀로그램 또는 컴포넌트 내지 제 8 서브-홀로그램 또는 컴포넌트, H1 내지 H8을 포함한다. 도 2는 홀로그램이 각도에 의해 이미지 콘텐츠를 분해할 수도 있는 방법을 더 도시한다. 따라서 홀로그램은 그것이 수행하는 광의 채널링을 특징으로 할 수도 있다. 이는 도 3에 예시된다. 구체적으로, 이 예에서 홀로그램은 복수의 이산적인 영역들로 광을 지향시킨다. 이산적인 영역들은 도시된 예에서 디스크이지만 다른 형상들이 구상된다. 최적의 디스크의 사이즈 및 형상은 도파관을 통한 전파 후, 뷰잉 시스템의 입사 퓨필의 사이즈 및 형상과 관련될 수도 있다.

도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 계산된 홀로그램을 디스플레이하는 디스플레이 디바이스를 포함하는 시스템 (400) 을 도시한다.

시스템 (400) 은 이 구성 (arrangement) 에서 LCOS (402) 를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함한다. LCOS (402) 는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴 (또는 '회절 패턴') 을 디스플레이하고 그리고 어퍼처 (404) 로 작용하는 퓨필, 렌즈 (409), 및 뷰잉 평면으로 작용하는 망막 (미도시) 을 포함하는 눈 (405) 을 향해 홀로그래피 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS (402) 를 조사하도록 구성된 광원 (미도시) 이 있다. 눈 (405) 의 렌즈 (409) 는 홀로그램 대 이미지 변환을 수행한다. 광원은 임의의 적합한 타입일 수도 있다. 예를 들어, 이는 레이저 광원을 포함할 수도 있다.

뷰잉 시스템 (400) 은 LCOS (402) 와 눈 (405) 사이에 포지셔닝된 도파관 (408) 을 더 포함한다. 도파관 (408) 의 존재는 LCOS (402) 로부터의 모든 각도 콘텐츠가 도시된 상대적으로 큰 투사 거리에서도 눈에 의해 수신되게 한다. 이는 공지된 방식으로 도파관 (408) 이 퓨필 확장기로서 작용하기 때문에 그리고 따라서 본 명세서에서 간략하게 기술된다.

간단히 말해서, 도 4에 도시된 도파관 (408) 은 실질적으로 연장된 (elongate) 포메이션 (formation) 을 포함한다. 이 예에서, 도파관 (408) 은 굴절 재료의 광학 슬랩 (slab) 을 포함하지만, 다른 타입들의 도파관이 또한 공지되고 사용될 수도 있다. 도파관 (408) 은 LCOS (402) 로부터 투사되는 광 원뿔 (즉, 회절된 광 필드) 과 예를 들어 비스듬한 각도로 교차하도록 위치된다. 이 예에서, 도파관 (408) 의 사이즈, 및 포지션은 광 원뿔 내의 8 개의 광선 다발들 각각으로부터의 광이 도파관 (408) 에 입사하는 것을 보장하도록 구성된다. 광 원뿔로부터의 광은 제 1 평면형 표면 (LCOS (402) 에 가장 가깝게 위치됨) 을 통해 도파관 (408) 으로 입사되고, 실질적으로 제 1 표면 반대편 (눈에 가장 가깝게 위치됨) 의 제 2 평면형 표면을 통해 방출되기 전에, 도파관 (408) 의 길이를 따라 적어도 부분적으로 가이드된다. 잘 이해될 바와 같이, 제 2 평면형 표면은 부분적으로 반사되고, 부분적으로 투과성이다. 즉, 광의 광선 각각이 제 1 평면형 표면으로부터 도파관 (408) 내에서 이동하고 제 2 평면형 표면에 부딪칠 (hit) 때, 광의 일부는 도파관 (408) 으로부터 투과되고 일부는 제 2 평면형 표면에 의해, 다시 제 1 평면형 표면을 향하여 반사될 것이다. 제 1 평면형 표면은 도파관 (408) 내로부터 그것에 부딪치는 모든 광이 제 2 평면형 표면을 향해 다시 반사되도록 반사성이다. 따라서, 광의 일부는 투과되기 전에 도파관 (408) 의 2 개의 평면형 표면들 사이에서 단순히 굴절될 수도 있는 한편, 다른 광은 반사될 수도 있고, 따라서 투과되기 전에, 도파관 (408) 의 평면형 표면들 사이에서 하나 이상의 반사, (또는 '바운스 (bounce)') 를 겪을 수도 있다.

도 4는 도파관 (408) 의 길이를 따라 총 9 개의 "바운스" 지점들, B0 내지 B8을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 이미지의 모든 지점들 (V1 내지 V8) 에 관련된 광이 도파관 (408) 의 제 2 평면형 표면으로부터 "바운스" 각각에서 도파관으로부터 투과되지만, 이미지의 각도 부분 중 하나로부터의 광 (예를 들어, V1 내지 V8 중 하나의 광) 만이 각각의 "바운스" 지점, B0 내지 B8 각각으로부터 눈 (405) 에 도달하게 하는 궤적을 갖는다. 더욱이, 이미지의 상이한 각도 부분, V1 내지 V8로부터의 광은 각각의 "바운스"지점 각각으로부터 눈 (405) 에 도달한다. 따라서, 도 4의 예에서, 인코딩된 광의 각도 채널 각각은 도파관 (408) 으로부터 단 한번 눈에 도달한다.

상기 기술된 방법들 및 구성들은 다양한 상이한 애플리케이션들 및 뷰잉 시스템들에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들은 HUD (head-up-display) 또는 AR (Augmented Reality) HMD와 같은 헤드 또는 헬멧 장착 디바이스 (helmet mounted device; HMD) 에서 구현될 수도 있다.

지각된 이미지를 형성하기 위해 눈이 수신된 변조된 광을 변환할 것을 요구하는 가상 이미지들이 일반적으로 본 명세서에서 논의되었지만, 본 명세서에 기술된 방법들 및 구성들은 실제 이미지들에 적용될 수 있다.

2 차원 퓨필 확장 - 예 1

도 4에 도시된 배열이 일 차원으로 퓨필 팽창을 제공하는 단일 도파관을 포함하지만, 퓨필 팽창은 1 초과의 차원으로, 예를 들어 2 차원으로 제공될 수 있다. 더욱이, 도 4의 예는 각각 이미지의 상이한 부분에 대응하는, 광 채널들을 생성하도록 계산된 홀로그램을 사용하지만, 본 개시 및 이하에 기술되는 시스템들은 이러한 홀로그램 타입으로 제한되지 않는다.

도 5는 광 빔 (502) 을 2 차원으로 확장하기 위해 배치된 2 개의 복제기들 (504, 506) 을 포함하는 시스템 (500) 의 사시도를 도시한다.

도 5의 시스템 (500) 에서, 제 1 복제기 (504) 는 서로 평행하게 스택되고, 도 4의 도파관 (408) 과 유사한 방식으로 복제본-또는 퓨필 확장-을 제공하도록 구성된 제 1 쌍의 표면들을 포함한다. 제 1 쌍의 표면들은 서로에 대해 유사하게 (일부 경우들에서, 동일하게) 사이징되고 성형되고 일 방향으로 실질적으로 연장된다. 시준된 광 빔 (502) 은 제 1 복제기 (504) 상의 입력부를 향해 지향된다. 숙련된 독자들에게 친숙할, 2 개의 표면들 사이의 내부 반사 프로세스, 및 표면들 중 하나 (도 5에 도시된 바와 같이 상부 표면) 상의 복수의 출력 지점들 각각으로부터의 광의 부분적인 투과로 인해, 광 빔 (502) 의 광은 제 1 복제기 (504) 의 길이를 따라, 제 1 방향으로 복제된다. 따라서, 제 1 복수의 복제 광 빔들 (508) 은 제 1 복제기 (504) 로부터 제 2 복제기 (506) 를 향해 방출된다.

제 2 복제기 (506) 는 서로 평행하게 스택되고, 제 1 복수의 광 빔들 (508) 의 시준된 광 빔들 각각을 수신하도록 배치되고 제 1 방향에 실질적으로 직교하는, 제 2 방향의 광 빔들 각각을 확장함으로써 복제본-또는, 퓨필 확장-을 제공하도록 배치된 제 2 쌍의 표면들을 포함한다. 제 1 쌍의 표면들은 유사하게 (일부 경우들에서, 동일하게) 사이징되고 서로 형상화되고 실질적으로 직사각형이다. 직사각형 형상은 제 2 복제기가 제 1 복수의 광 빔들 (508) 을 수신하기 위해, 제 1 방향을 따른 길이를 갖도록, 그리고 제 2 방향으로 복제본을 제공하기 위해, 제 2, 직교 방향을 따른 길이를 갖도록 제 2 복제기에 대해 구현된다. 2 개의 표면들 사이의 내부 반사 프로세스, 및 표면들 중 하나 (도 5에 도시된 바와 같이 상부 표면) 상의 복수의 출력 지점들 각각으로부터의 광의 부분적인 투과로 인해, 제 1 복수의 광 빔들 (508) 내 광 빔 각각의 광은 제 2 방향으로 복제된다. 따라서, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 이 제 2 복제기 (506) 로부터 방출되고, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 은 제 1 방향 및 제 2 방향 각각을 따라 입력 광 빔 (502) 의 복제본들을 포함한다. 따라서, 제 2 복수의 광 빔들 (510) 은 복제본 광 빔들의 2 차원 그리드, 또는 어레이를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다.

따라서, 도 5의 제 1 복제기 및 제 2 복제기 (504, 505) 는 2 차원 복제기 (또는 "2 차원 퓨필 확장기") 를 제공하도록 결합된다고 할 수 있다.

2 차원 퓨필 확장 - 예 2

2021년 9월 21일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된 영국 특허 출원 GB2113454.9는 본 개시에 따라 배치될 수도 있는 보다 진보된 2 차원 퓨필 확장기를 포함하는 이미지 프로젝터를 개시한다.

이미지 프로젝터는 발산 또는 회절된 광 필드를 투사하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 광 필드는 홀로그램으로 인코딩된다. 일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드는 발산하는 광선 다발들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드에 의해 형성된 이미지는 가상 이미지이다.

일부 실시 예들에서, 제 1 쌍의 평행한/상보적인 표면들은 제 1 차원을 따라 상대적으로 길고 제 2 차원을 따라 상대적으로 짧고, 예를 들어 2 개의 다른 차원들 각각을 따라 상대적으로 짧고, 차원 각각은 실질적으로 각각의 다른 차원들에 직교한다. 제 1 쌍의 평행한 표면들 사이에서/로부터의 광의 반사/투과 프로세스는 광으로 하여금 제 1 도파관 퓨필 확장기 내에서 전파하게 하도록 구성되고, 광 전파의 일반적인 방향은 제 1 도파관 퓨필 확장기가 상대적으로 긴 방향 (즉, "연장된" 방향) 이다.

회절된 광을 사용하여 이미지를 형성하고 -예를 들어, 헤드-업 디스플레이에 의한 자동차 산업계에서- 실제 적용에 적합한 아이-박스 사이즈 및 시계를 제공하는 시스템이 본 명세서에 개시된다. 회절된 광은 회절 구조로부터 이미지의 홀로그래픽 재구성-예를 들어, 푸리에 또는 프레넬 홀로그램과 같은 홀로그램-을 형성하는 광이다. 회절 및 회절 구조의 사용은 매우 작은 픽셀들 (예를 들어, 1 ㎛) 의 고밀도를 갖는 디스플레이 디바이스를 필요로 한다-이는 실제로 소형 디스플레이 디바이스 (예를 들어 1 ㎝) 를 의미한다. 본 발명자들은 회절된 광 필드, 예를 들어 발산하는 (시준되지 않은) 광선 다발들을 포함하는 회절된 광을 갖는 2D 퓨필 확장을 제공하는 방법의 문제를 해결하였다.

일부 실시 예들에서, 디스플레이 시스템은 회절되거나 발산하는 광을 제공하거나 형성하도록 구성된 디스플레이 디바이스-예컨대 픽셀화된 디스플레이 디바이스, 예를 들어 공간 광 변조기 (spatial light modulator; SLM) 또는 LCOS (Liquid Crystal on Silicon) SLM-을 포함한다. 이러한 양태들에서, SLM의 어퍼처는 시스템의 제한 어퍼처이다. 즉, 공간 광 변조기의 어퍼처-더 구체적으로, SLM 내에 포함된 광 변조 픽셀들의 어레이를 구획하는 영역의 사이즈-는 시스템을 나갈 수 있는 광선 다발의 사이즈 (예를 들어, 공간적 사이즈) 를 결정한다. 본 개시에 따라, 시스템의 출사 퓨필은 (광 회절을 위한 픽셀 사이즈를 갖는 작은 디스플레이 디바이스에 의해 제한되는) 시스템의 출사 퓨필이 적어도 하나의 퓨필 확장기의 사용에 의해 공간적으로 더 크거나 (larger) 더 크거나 (bigger) 더 크게 (greater) 확장되게 하는 것을 반영하도록 확장된다고 언급된다.

회절되거나 발산하는 광 필드는 광 필드의 전파 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 규정된 "광 필드 사이즈"를 갖는다고 할 수도 있다. 광이 회절/발산하기 때문에, 광 필드 사이즈는 전파 거리에 따라 증가한다.

일부 실시 예들에서, 회절된 광 필드는 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된다. 즉, 이러한 양태들에서, 회절 광 필드는 "홀로그래픽 광 필드"를 포함한다. 홀로그램은 픽셀화된 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이될 수도 있다. 홀로그램은 CGH (computer-generated hologram) 일 수도 있다. 이는 푸리에 홀로그램 또는 프레넬 홀로그램 또는 포인트 클라우드 홀로그램 또는 임의의 다른 적합한 타입의 홀로그램일 수도 있다. 홀로그램은, 선택 가능하게, 홀로그램 광의 채널들을 형성하도록 계산될 수도 있고, 채널 각각은 뷰어에 의해 보여지도록 의도된 (또는 가상 이미지라면, 지각되는) 이미지의 상이한 각각의 부분에 대응한다. 픽셀화된 디스플레이 디바이스는 복수의 상이한 홀로그램들을 연속적으로 또는 순차적으로 디스플레이하도록 구성될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 양태들 및 실시 예들 각각은 복수의 홀로그램들의 디스플레이에 적용될 수도 있다.

제 1 도파관 퓨필 확장기의 출력 포트는 제 2 도파관 퓨필 확장기의 입력 포트에 커플링될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 -제 1 도파관 퓨필 확장기에 의해 출력되는 광 필드의 일부, 바람직하게 대부분, 바람직하게 모든 복제본들을 포함하는- 회절된 광 필드를 입력 포트로부터 제 2 도파관 퓨필 확장기의 제 3 쌍의 평행한 표면들 사이의 내부 반사에 의한 각각의 출력 포트로 도파하도록 구성될 수도 있다.

제 1 도파관 퓨필 확장기는 제 1 방향으로 퓨필 확장, 또는 복제본을 제공하도록 구성될 수도 있고, 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 2, 상이한 방향으로 퓨필 확장, 또는 복제본을 제공하도록 구성될 수도 있다. 제 2 방향은 제 1 방향에 실질적으로 직교할 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 도파관 퓨필 확장기가 제 1 방향으로 제공하는 퓨필 확장을 보존하고 그리고 제 2, 상이한 방향으로 제 1 도파관 퓨필 확장기로부터 수신하는 복제본들의 일부, 바람직하게 대부분, 바람직하게 모두를 확장 (또는 복제) 하도록 구성될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 도파관 퓨필 확장기로부터 직접적으로 또는 간접적으로 광 필드를 수신하도록 구성될 수도 있다. 하나 이상의 다른 엘리먼트들이 제 1 도파관 퓨필 확장기와 제 2 도파관 퓨필 확장기 사이의 광 필드의 전파 경로를 따라 제공될 수도 있다.

제 1 도파관 퓨필 확장기는 실질적으로 연장될 수도 있고 제 2 도파관 퓨필 확장기는 실질적으로 평면형일 수도 있다. 제 1 도파관 퓨필 확장기의 연장된 형상은 제 1 차원을 따른 길이에 의해 규정될 수도 있다. 제 2 도파관 퓨필 확장기의 평면형, 또는 직사각형 형상은 제 1 차원을 따른 길이 및 제 1 차원에 실질적으로 직교하는 제 2 차원을 따른 폭 (width), 또는 폭 (breadth) 에 의해 규정될 수도 있다. 제 1 차원을 따른 제 1 도파관 퓨필 확장기의 사이즈 또는 길이는 제 1 차원 또는 제 2 차원을 따르는 제 2 도파관 퓨필 확장기의 길이 또는 폭에 각각 대응하게 된다. 입력 포트를 포함하는, 제 2 도파관 퓨필 확장기의 한 쌍의 평행한 표면들의 제 1 표면은 제 2 도파관 퓨필 확장기가 제 1 도파관 퓨필 확장기에 의해 출력된 복제본들 각각을 수신하게 구성되도록, 제 1 도파관 퓨필 확장기 상의 한 쌍의 평행한 표면들의 제 1 표면 상의 출력 포트에 의해 규정된 영역에 대응하도록 성형되고, 사이징되고, 그리고/또는 위치될 수도 있다.

제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기는 제 1 방향 및 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로의 퓨필 확장을 집합적으로 제공할 수도 있고, 선택 가능하게, 제 1 방향 및 제 2 방향을 포함하는 평면은 제 2 도파관 퓨필 확장기의 평면에 실질적으로 평행하다. 즉, 제 2 도파관 퓨필 확장기의 길이 및 폭을 각각 규정하는 제 1 차원 및 제 2 차원은 도파관 퓨필 확장기가 퓨필 확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 각각 (또는 제 2 방향 및 제 1 방향에 각각) 평행할 수도 있다. 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기의 조합은 일반적으로 "퓨필 확장기"로서 지칭될 수도 있다.

제 1 도파관 확장기 및 제 2 도파관 확장기에 의해 제공된 확장/복제는 2 개의 방향들 각각으로 디스플레이 시스템의 출사 퓨필을 확장시키는 효과를 갖는다고 할 수도 있다. 확장된 출사 퓨필에 의해 규정된 영역은 결국 확장된 아이-박스 영역을 규정할 수도 있고, 이 영역으로부터 뷰어는 회절되거나 발산하는 광 필드의 광을 수신할 수 있다. 아이-박스 영역은 뷰잉 평면 상에 위치되거나 뷰잉 평면을 규정한다고 할 수도 있다.

출사 퓨필이 확장되는 2 개의 방향들은 제 1 도파관 확장기 및 제 2 도파관 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향과 동일 평면 상에 있거나 평행할 수도 있다. 대안적으로, 광학 결합기, 예를 들어 차량의 윈드 스크린 (또는, 윈드 실드) 과 같은 다른 엘리먼트들을 포함하는 배열들에서, 유출 퓨필은 윈드 스크린으로부터와 같이 다른 엘리먼트로부터 유출 퓨필인 것으로 간주될 수도 있다. 이러한 구성들에서, 출사 퓨필은 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향과 동일 평면에 있지 않고 평행하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 출사 퓨필은 제 1 도파관 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 실질적으로 수직일 수도 있다.

뷰잉 평면, 및/또는 아이-박스 영역은 제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 대해 동일 평면에 있지 않거나 평행하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 뷰잉 평면은 제 1 도파관 및 제 2 도파관 퓨필 확장기가 복제/확장을 제공하는 제 1 방향 및 제 2 방향에 실질적으로 수직일 수도 있다.

제 1 도파관 퓨필 확장기 및 제 2 도파관 퓨필 확장기 내에서 내부 반사를 달성하도록 적합한 런치 조건들을 제공하기 위해, 제 1 도파관 퓨필 확장기의 연장된 차원은 제 2 도파관 퓨필 확장기의 제 1 차원 및 제 2 차원에 대해 틸팅될 수도 있다.

결합기 형상 보상

홀로그램을 아이-박스로 투사하는 것의 장점은 윈드 스크린 보상이 홀로그램에 인코딩될 수 있다는 것이다 (예를 들어, 본 명세서에 인용된 유럽 특허 2936252 참조). 본 개시는 특히 광학 결합기의 복소 곡률 (complex curvature) 을 보상하는 홀로그램들과 시너지 효과가 있다. 이 접근법의 완전한 상세들은 유럽 특허 제 2936252 호에 제공되고, 이들 시스템들 및 방법들의 상세한 특징들은 본 명세서의 본 개시의 새로운 교시에 필수적이지 않고 단지 본 개시의 교시로부터 상당히 이익을 얻는 구성들의 예시이기 때문에 여기서 반복되지 않는다.

제어 디바이스

본 개시는 또한 광 채널링 홀로그램으로부터 뷰어로의 광의 전달을 제어하기 위해 제어 디바이스 (예를 들어, 광 셔터링 디바이스) 를 포함하는 광학 구성들과 특히 시너지 효고가 있다. 홀로그래픽 프로젝터는 아이-박스 포지션으로 각도 채널들의 전달을 제어하도록 구성된 제어 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 2021년 6월 14일 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용된, 영국 특허 출원 2108456.1은 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기 및 제어 디바이스를 개시한다. 독자는 제어 디바이스의 광학적 구성이 기본적으로 사용자의 아이-박스 포지션에 기초한다는 것을 적어도 이 이전의 개시로부터 이해할 것이다. 제어 디바이스는 광 셔터링 또는 어퍼처링 디바이스라고 할 수도 있다. 광 셔터링 디바이스는 어퍼처들 또는 윈도우들의 1D 어레이를 포함할 수도 있고, 어퍼처 또는 윈도우 각각은 아이-박스로 홀로그램 광 채널들 및 이의 복제본들의 전달을 제어하기 위해 광 투과성 상태와 광 비 투과성 상태 사이에서 독립적으로 스위칭 가능하다. 어퍼처 또는 윈도우 각각은 복수의 액정 셀들 또는 픽셀들을 포함할 수도 있다.

가상 이미지 거리

주 (primary) 또는 제 1 동작 모드에서, 이미지 프로젝터는 원거리 영역 (far-field area) (602) 및 근거리 영역 (near-field area) (604) 에 이미지 콘텐츠를 디스플레이하도록 구성된다. 원거리 영역 (602) 및 근거리 영역 (604) 은 각각 일반적으로 투사 축에 수직인 평면형 영역일 수도 있다. 원거리 영역 (602) 은 근거리 영역 (604) 에 실질적으로 평행할 수도 있다. 원거리 영역 (602) 은 사용자로부터 원거리 영역 (602) 까지 수직 거리인 원거리 가상 이미지 거리 (650) 에 의해 규정될 수도 있다. 원거리 가상 이미지 거리는 예를 들어 10 미터일 수도 있고, 화살표들과 같은 내비게이션 지표들을 제시하도록 사용될 수도 있다. 근거리 필드 영역 (604) 은 사용자로부터 근거리 필드 영역 (604) 까지 수직 거리인 근거리 가상 이미지 거리 (640) 에 의해 규정될 수도 있다. 원거리 가상 이미지 거리는 예를 들어, 2 미터일 수도 있고, 속도 또는 배터리 수명과 같은 운전자 정보를 제시하도록 사용될 수도 있다. 이 동작 모드에서, 원거리 가상 이미지 거리 (650) 는 근거리 가상 이미지 거리 (640) 와 상이하다. 더 구체적으로, 예시된 예에서, 원거리 가상 이미지 거리 (650) 는 근거리 가상 이미지 거리 (640) 보다 더 크다. 주 동작 모드에서, 원거리 가상 이미지 거리 (650) 및 근거리 가상 이미지 거리는 모두 유한하다 (즉, 무한하지 않다).

홀로그래피 기술의 당업자는 가상 이미지 거리가 홀로그램으로 인코딩된다는 것을 적어도 GB 2112213.0 및 GB 2101666.2로부터 이해할 것이다.

일부 실시 예들에서, 단일 홀로그램은 원거리 가상 이미지 영역 (602) 및 근거리 가상 이미지 영역 (604) 의 이미지 콘텐츠를 재구성한다. 원거리 가상 이미지 거리 (650) 및 근거리 가상 이미지 거리 (640) 모두가 계산 방법에 의해 홀로그램으로 인코딩된다고 할 수도 있다. 예를 들어, 이 단일 홀로그램은 포인트 클라우드 홀로그램일 수도 있다. 다른 실시 예들에서, 원거리 영역 (602) 에 대응하는 제 1 (원거리) 홀로그램 및 근거리 영역 (604) 에 대응하는 제 2 (근거리) 홀로그램이 계산된다. 제 1 홀로그램 및 제 2 홀로그램은 동시에 (이하에 기술된 "공간적으로-분리된 컬러들"과 유사한 접근 방식을 사용하여) 또는 시간적으로 연속적으로 (이하에 기술된 "프레임 순차적인 컬러"와 유사한 접근 방식을 사용하여) 디스플레이될 수도 있다.

보조 (secondary) 또는 제 2 동작 모드에서, 이미지 프로젝터는 원거리 영역 (602) 의 이미지 콘텐츠 및 근거리 영역 (604) 의 이미지 콘텐츠를 무한대로 디스플레이하도록 구성된다. (이미지 콘텐츠의 두 세트들에 대해) 가상 이미지 거리 (660) 는 무한대이다. 독자는 무한 가상 이미지 거리에 기초하여 홀로그램, 또는 제 1 홀로그램 및 제 2 홀로그램을 재 계산하는 것을 수반할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

제 1 모드는 정상 동작 동안 바람직한 모드일 수도 있다. 제 2 모드는 사용자-추적 시스템 (예를 들어, 시선-추적 시스템) 이 충분한 정확도로 사용자의 포지션을 결정할 수 없다면 활용될 수도 있다.

본 발명자는 일부 실시 예들-특히, 예 2의 2 차원 퓨필 확장기 및 광 채널링 홀로그램을 사용하는 실시 예들-에서, 가상 이미지 거리가 (무한하기보다) 유한할 때 디스플레이 시스템이 아이-박스 포지션에 훨씬 더 민감하다는 것을 인식하였다. 즉, 지각된 이미지들의 품질은 대응하는 홀로그램(들)을 계산하기 위해 사용된 아이-박스 포지션의 정확성 또는 충실도에 크게 종속된다. 따라서 아이-박스 포지션에 대한 신뢰도가 낮다면 무한 가상 이미지 거리로 스위칭하는 프로젝터의 방법이 본 명세서에 개시된다. 아이-박스 포지션의 신뢰도가 (문턱 값 이상으로) 상승하면, 유한 가상 이미지 거리들이 다시 사용될 수도 있다. 따라서 개시된 방법은 사용자-추적 데이터가 양호하다면 제 1 동작 모드를 사용하고 사용자-추적 데이터가 의심되거나 불량하다면 제 2 동작 모드를 사용한다. 이 방법은 사용자-추적 정보에 대한 신뢰도가 높지 않을 때 가상 이미지 거리들을 배타적으로 사용함으로써 사용자의 시각적 경험을 개선한다.

부가적인 특징들

실시 예들에서, 이미지는 컬러이다. 본 명세서에 개시된 예들에서, 3 개의 상이한 컬러 광원들 및 3 개의 대응하는 SLM들이 합성 컬러 픽처를 제공하도록 사용된다. 이들 예들은 공간적으로 분리된 컬러, "SSC (spatially-separated colour)"로 지칭될 수도 있다. 본 개시에 포함된 변형에서, 컬러들은 동일한 SLM의 상이한 영역 상에 디스플레이되고 이어서 합성 컬러 이미지를 형성하도록 결합된다. 그러나, 당업자는 본 개시의 디바이스들 및 방법들 중 적어도 일부가 합성 컬러 홀로그래픽 이미지들을 제공하는 다른 방법들에 동일하게 적용 가능하다는 것을 이해할 것이다.

이들 방법들 중 하나는 FSC (Frame Sequential Colour) 로 공지된다. 예시적인 FSC 시스템에서, 3 개의 레이저 (적색, 녹색 및 청색) 가 사용되고 레이저 각각은 비디오의 프레임 각각을 생성하도록 단일 SLM에서 연속적으로 발사된다 (fire). 컬러들은 인간 뷰어가 3 개의 레이저들에 의해 형성된 이미지들의 조합으로부터 다색 이미지 (polychromatic image) 를 볼 수 있도록 충분히 빠른 레이트로 사이클링된다 (적색, 녹색, 청색, 적색, 녹색, 청색, 등). 예를 들어, 초당 25 프레임의 비디오에서, 제 1 프레임은 1/75 초 동안 적색 레이저를 발사함으로써 생성될 것이고,이어서 녹색 레이저는 1/75 초 동안 발사될 것이고, 마지막으로 청색 레이저는 1/75 초 동안 발사될 것이다. 이어서 다음 프레임이 생성되고, 적색 레이저로 시작되어, 계속된다.

FSC 방법의 장점은 전체 SLM이 컬러 각각에 사용된다는 것이다. 이는 SLM의 모든 픽셀들이 컬러 이미지들 각각에 대해 사용되기 때문에 생성된 3 개의 컬러 이미지들의 품질이 손상되지 않을 것이라는 것을 의미한다. 그러나, FSC 방법의 단점은 레이저 각각이 1/3 시간 동안만 사용되기 때문에, 생성된 전체 이미지가 SSC 방법에 의해 생성된 대응하는 이미지만큼 약 3 배만큼 밝지 않다는 것이다. 이 결점은 잠재적으로 레이저들을 오버드라이빙함 (overdriving) 으로써 또는 더 강력한 레이저들을 사용함으로써 해결될 수 있지만, 이는 더 많은 전력이 사용될 것이고, 더 높은 비용들을 수반할 것이고 시스템을 덜 컴팩트하게 만들 것이다.

SSC 방법의 장점은 3 개의 레이저들 모두가 동시에 발사되기 때문에 이미지가 더 밝다는 것이다. 그러나, 공간 제한들로 인해 단지 하나의 SLM을 사용하는 것이 요구된다면, SLM의 표면적은 3 개의 부분들로 분할될 수 있고, 사실상 3 개의 분리된 SLM 로서 작용한다. 이의 단점은 단색 이미지 (monochromatic image) 각각에 대해 이용 가능한 SLM 표면적의 감소로 인해, 단일 컬러 이미지 각각의 품질이 감소된다는 것이다. 따라서 다색 이미지의 품질은 이에 따라 감소된다. 이용 가능한 SLM 표면적의 감소는 SLM 상에 더 적은 픽셀들이 사용될 수 있고, 따라서 이미지의 품질을 감소시킨다는 것을 의미한다. 해상도가 감소하기 때문에 이미지의 품질이 감소된다. 실시 예들은 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된 영국 특허 제 2,496,108 호에 개시된 개선된 SSC 기법을 활용한다.

예들은 가시 광선으로 SLM을 조사하는 것을 기술하지만, 당업자는 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이, 광원들 및 SLM이 적외선 또는 자외선 광을 지향시키도록 동일하게 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 당업자는 정보를 사용자에게 제공할 목적으로 적외선 및 자외선 광을 가시 광선으로 변환하는 기법들을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이 목적을 위해 형광체들 (phosphors) 및/또는 양자점 (quantum dot) 기술을 사용하는 것으로 확장된다.

본 명세서에 기술된 방법들 및 프로세스들은 컴퓨터-판독 가능 매체 상에 구현될 수도 있다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 RAM (random-access memory), ROM (read-only memory), 버퍼 메모리, 플래시 메모리, 및 캐시 메모리와 같은 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 또한 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 인스트럭션들이 머신으로 하여금 본 명세서에 기술된 방법론들 중 임의의 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하도록 머신에 의해 실행될 인스트럭션들을 저장할 수 있는 임의의 매체, 또는 복수의 매체들의 조합을 포함하는 것으로 여겨진다.

용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 또한 클라우드-기반 저장 시스템들을 포괄한다. 용어 "컴퓨터-판독 가능 매체"는 이로 제한되는 것은 아니지만, 고체-상태 메모리 칩, 광 디스크, 자기 디스크, 또는 이들의 임의의 적합한 조합의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형의 (tangible) 비 일시적 데이터 저장소들 (예를 들어, 데이터 볼륨들) 을 포함한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 실행을 위한 인스트럭션들은 반송파 매체에 의해 전달될 수도 있다. 이러한 반송파 매체의 예들은 과도 매체 (예를 들어, 인스트럭션들을 전달하는 전파 신호) 를 포함한다.

다양한 수정들 및 변형들이 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구항들 및 이들의 등가물들의 범위 내에서 모든 수정들 및 변형들을 커버한다.

Claims (16)

1. 디스플레이 시스템에 의해 형성된 가상 이미지들이 가시적인 (visible) 아이-박스 (eye-box) 를 갖는 상기 디스플레이 시스템에 있어서,
   아이-박스로부터 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터;
   상기 아이-박스 내 사용자의 아이-박스 포지션을 결정하고 그리고 상기 결정된 아이-박스 포지션과 연관된 신뢰도 값을 결정하도록 구성된 사용자-추적 시스템을 포함하고,
   상기 이미지 프로젝터는 상기 신뢰도 값이 문턱 값 이상이라면 상기 가상 이미지를 유한 가상 이미지 거리에 투사하고 그리고 상기 신뢰도 값이 상기 문턱 값 미만이라면 상기 가상 이미지를 무한 가상 이미지 거리에 투사하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 이미지 프로젝터는 상기 가상 이미지의 홀로그램을 디스플레이하고 상기 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하는 홀로그램 프로젝터 (holographic projector) 이고, 상기 가상 이미지 거리는 상기 홀로그램으로 인코딩되는, 디스플레이 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 홀로그램은 상기 디스플레이 시스템의 홀로그램 엔진에 의해 계산된 컴퓨터-생성된 홀로그램이고, 상기 홀로그램 계산은 상기 결정된 아이-박스 포지션에 기초하는, 디스플레이 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 홀로그램 계산은 상기 이미지 프로젝터가 무한 이미지 거리에 상기 가상 이미지를 투사하도록 구성될 때 상기 결정된 아이-박스 포지션에 기초하는, 디스플레이 시스템.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 결정된 아이-박스 포지션은 상기 가상 이미지를 형성하도록 사용된 광학 결합기의 서브-영역을 결정하도록 사용되고, 그리고 상기 홀로그램 엔진은 홀로그램 계산 동안 상기 서브-영역에서 상기 광학 결합기의 형상을 보상하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 결정된 아이-박스 포지션은 상기 디스플레이 시스템의 어퍼처의 포지션을 결정하도록 사용되고, 상기 홀로그램 엔진은 상기 어퍼처에 의해 차단된 광의 기여도를 상기 홀로그램 계산으로부터 배제하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 상기 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 상기 이미지의 상기 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성되고,
   상기 홀로그램 프로젝터는 상기 홀로그램의 복제본들 (replicas) 의 어레이를 형성하도록 구성된 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기; 및 상기 아이-박스 포지션으로의 상기 각도 채널들의 전달을 제어하도록 구성된 제어 디바이스를 더 포함하는, 디스플레이 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 사용자-추적 시스템은 상기 가상 이미지들의 디스플레이 동안 사용자의 상기 아이-박스 포지션을 반복적으로 또는 연속적으로 결정하도록 구성되는, 디스플레이 시스템.
9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이미지 프로젝터는 상기 문턱 값 이상으로 증가하는 상기 신뢰도 레벨에 응답하여 무한 가상 이미지 거리에 투사로부터 유한 가상 이미지 거리에 투사로 전이하도록 구성되고, 상기 전이는 중간 가상 이미지 거리에 투사하는 것을 포함하는, 디스플레이 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신뢰도 값은 아이-박스 포지션이 확립될 수 없고 상기 문턱 값이 0보다 크다면 0인, 디스플레이 시스템.
11. 디스플레이 방법에 있어서,
    아이-박스로부터 가상 이미지 거리에 가상 이미지를 투사하는 단계;
    상기 아이-박스 내 사용자의 아이-박스 포지션을 결정하고 그리고 상기 아이-박스 포지션의 결정과 연관된 신뢰도 값을 결정하는 단계;
    상기 신뢰도 값이 문턱 값 이상이면 유한 가상 이미지 거리에 상기 가상 이미지를 투사하는 단계; 및
    상기 신뢰도 값이 상기 문턱 값 미만이라면 무한 가상 이미지 거리에 상기 가상 이미지를 투사하는 단계를 포함하는, 디스플레이 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가상 이미지의 홀로그램을 계산하는 단계;
    공간 광 변조기 상에 상기 홀로그램을 디스플레이하는 단계; 및
    상기 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조하는 단계를 더 포함하고,
    상기 가상 이미지 거리는 상기 홀로그램으로 인코딩되는, 디스플레이 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 홀로그램을 계산하는 단계는 상기 아이-박스 포지션에 기초하는, 디스플레이 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 결정된 아이-박스 포지션을 사용하여 상기 가상 이미지를 형성하도록 사용된 광학 결합기의 서브-영역을 결정하는 단계; 및
    홀로그램 계산 동안 상기 서브-영역에서 상기 광학 결합기의 형상을 보상하는 단계를 더 포함하는, 디스플레이 방법.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템에서 어퍼처의 포지션을 결정하는 단계; 및
    상기 홀로그램 계산으로부터 가상 어퍼처에 의해 차단된 광선 경로들의 기여도를 배제하는 단계를 더 포함하는, 디스플레이 방법.
16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 홀로그램은 공간적으로 변조된 광의 각도 채널들이 상기 이미지의 각각의 연속적인 영역들에 대응하도록 이미지 콘텐츠의 포지션에 따라 상기 이미지의 공간적으로 변조된 광을 각도로 분배하도록 구성되고, 상기 홀로그램 프로젝터는 상기 홀로그램의 복제본들의 어레이 (따라서 각도 채널들의 복제본들의 어레이) 를 형성하도록 구성된 적어도 하나의 도파관 퓨필 확장기를 더 포함하고, 상기 방법은,
    제어 디바이스를 사용하여 상기 아이-박스 포지션으로 상기 각도 채널들의 전달을 제어하는 (일부 각도 채널들로 하여금 상기 아이-박스로 전파되게 하고 다른 채널들을 차단하는) 단계를 더 포함하는, 디스플레이 방법.

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