KR20240000484A - 근안 디스플레이의 시야 확대 - Google Patents

Abstract

근안 디스플레이에서 이미지를 생성하는 방법은 이미지를 제1 서브이미지와 제2 서브이미지로 분할하는 단계, 제1 서브이미지와 제2 서브이미지를 채널을 통해 순차적으로 투과시키는 단계, 제1 편광의 제1 서브이미지에 대응하는 광 및 제2 편광의 제2 서브이미지에 대응하는 광을 추출하는 단계, 제1 편광의 1차 광을 제1 방향으로 편향시키는 단계 및 제2 편광의 반대 차수의 광을 제1 방향과 다른 반대 방향으로 편향시키는 단계를 포함한다. 결과 이미지 폭은 더 넓은 시야에 대응한다.

Description

근안 디스플레이의 시야 확대

근안 디스플레이들(NED)은 이제 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 애플리케이션들의 주요 요소(staple)이다. 예를 들어, 증강 현실 디스플레이들은 일반적으로 사용자가 주변 환경을 볼 수 있는 동시에 주변 환경의 일부로 나타나거나 그 위에 겹쳐지는 가상 객체들(예를 들어, 텍스트, 그래픽들, 비디오 등)도 볼 수 있는 근안 투명 또는 반투명 디스플레이를 포함한다.

NED 디바이스들은 사용자가 증강 현실 환경에서 볼 수 있는 표시된 가상 이미지들을 재현(reproduce)하기 위해 종종 광학 도파관(optical waveguide)들을 활용한다. 도파관들은 종종 그러한 디바이스들의 성능 및/또는 폼 팩터(form factor)에 제한들을 제시한다. 특히, 예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이들(HMD)과 같은 광 도파관들을 활용하는 NED 디바이스들에서 광은 내부 각도들의 제한된 범위에 걸쳐 광학 도파관을 통해 전파(propagate)된다. 도파관의 내부 표면들에 대한 입사각(angle of incidence)으로 전파되는 광은 표면 법선(surface normal)에 대한 입사각이 광학 도파관을 만드는 재료와 연관된 일부 임계각(critical angle)보다 큰 한 도파관 내에서 이동하여 표면들 사이에서 앞뒤로 튕겨 나온다. 다른 입사각들로 전파되는 광은 도파관을 벗어날 것이다. 따라서 도파관을 사용하는 NED 디바이스들에서 광의 각도 폭은 본질적으로 도파관들에 의해 제한된다. 도파관들에 내재된 이 요인들 및 다른 요인들은 광학 도파관 기반 디스플레이들이 지원할 수 있는 시야(FOV)를 제한하는 경향이 있다.

도파관 기반 디스플레이들의 FOV를 증가시키려는 시도는 일반적으로 크기 측면에서 타협들을 가져왔다. FOV를 개선하기 위해 설계자들은 NED 디바이스들을 부피가 크고 번거롭게(bulky and cumbersome) 만들어야 했는데, 이는 소비자들에게 바람직하지 않은 특성(attribute)이다. 따라서, 부피가 크지 않고 번거롭지 않은 개선된 FOV를 갖는 NED에 대한 기술이 필요하다.

본 개시는 상대적으로 넓은 FOV를 갖는 NED에 사용하기 위한 광학 시스템에 관한 것이다. 실시예에 따르면, 광학 시스템은 광-투과성 기판을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)를 포함한다. 광-투과성 기판은 서로 평행한 제1 및 제2 주 표면들, 입사광을 광-투과성 기판에 커플링하여 내부 전반사에 의해 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 광을 가두도록 구성된 하나 이상의 광 입력 커플링 요소 및 기판 외부로 광을 커플링하도록 구성된 하나 이상의 광 출력 커플링 요소를 포함한다. 이 실시예에서, 광학 시스템은 한 쌍의 상보적 편광 격자들을 더 포함한다. 쌍으로부터의 제1 편광 격자는 제1 주 표면에 대응하는 광-투과성 기판의 제1 측에 배치되고, 쌍으로부터의 제2 편광 격자는 제2 주 표면에 대응하는 광-투과성 기판의 제2 측에 배치된다. 이 실시예에서, 광학 시스템은 제2 편광 격자가 제1 편광의 광을 제1 방향으로 편향시키고, 제2 편광의 광을 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향시키도록 제1 편광과 제1 편광과 다른 제2 편광 사이에서 광의 편광을 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위칭 편광 요소를 더 포함한다.

편광 격자들은 시분할 다중화 방식에 따라 이미지의 편광을 두 개의 서로 다른 방향으로 편향시킨다. 처음에, 제1 편광으로 편광된 제1 서브이미지 광이 제1 방향으로 편향되고, 두 번째 후속 시간에, 제2 편광으로 편광된 제2 서브이미지 광이 제2 방향으로 편향된다. 시분할 다중화에 의해 제1 방향으로 편향된 광과 제2 방향으로 편향된 광의 효과적인 조합은 이미지의 FOV를 크게 확장한다.

이 기술은 소형 도파관, 프로젝터 등의 사용을 허용한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명은 NED의 크기를 크게 증가시키지 않고도 NED의 향상된 FOV를 허용한다.

일 실시예에서, 광학 시스템은 제1 및 제2 주 표면들에 수직인 중심 방향으로 편광을 방출하도록 구성된 프로젝터를 포함한다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 입사광이 광-투과성 기판에 커플링되기 전에 제1 편광과 제2 편광 사이에서 스위칭되도록 프로젝터와 제1 주 표면 사이에 배치된다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제1 및 제2 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 제1 스위칭 편광 요소는 LOE와 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 제2 스위칭 편광 요소는 LOE와 제2 편광 격자 사이에 배치되어, 입사광이 광-투과성 기판에 커플링될 때 제1 편광에서 편광을 유지하도록 한다.

일 실시예에서, 광학 시스템은 상보적 편광 격자들의 제2 쌍을 포함하고, 이는 제1 주 표면에 대응하는 광-투과성 기판의 제1 측에 배치된 제2 쌍으로부터의 제3 편광 격자, 및 제2 주 표면에 대응하는 광-투과성 기판의 제2 측에 배치된 제2 쌍으로부터의 제4 편광 격자를 포함한다. 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제3 및 제4 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 제3 스위칭 편광 요소는 제1 편광 격자와 제3 편광 격자 사이에 배치되고, 제4 스위칭 편광 요소는 제2 편광 격자와 제4 편광 격자 사이에 배치된다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제1, 제2 및 제3 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 제1 스위칭 편광 요소는 LOE와 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 제2 스위칭 편광 요소는 LOE와 제2 편광 격자 사이에 배치되고, 제3 스위칭 편광 요소는 프로젝터와 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 제1 스위칭 편광 요소는 제2 및 제3 스위칭 편광 요소와 반대로 스위칭하도록 구성된다.

일 실시예에서, 광학 시스템은 프로젝터 및 적어도 하나의 스위칭 편광 요소에 동작 가능하게 연결되고 이미지 프레임에 대해 적어도 한 번 제1 편광과 제2 편광 사이의 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

일 실시예에서, 프로젝터는 적어도 2개의 서브프레임들로 분할된 이미지 프레임을 투사하도록 구성되고 광학 시스템은 프로젝터와 적어도 하나의 스위칭 편광 요소에 동작 가능하게 연결되고 적어도 3개의 서브프레임들로부터 각각 제1 서브프레임과 제2 서브프레임의 투사에 동기화된 제1 편광과 제2 편광 사이의 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

일 실시예에서, 프로젝터는 제1 색상의 광이 제1 색상과 다른 제2 색상의 광과 다른 시야로 투사되는 다색 이미지를 투사하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제1 편광 격자는 입사된 비편광 광을 직교 편광으로 분할하고, 직교 편광은 제1 주 표면에 입사하고 기판을 통해 전파되며, 직교 편광을 제1 편광 격자에 입사된 광과 동일한 각도 방향을 갖는 광으로 편향시키는 제2 편광 격자에 입사한다.

명세서에 포함되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 양태의 다양한 예시적인 실시예를 예시하는 다양한 예시적인 시스템, 방법 등을 예시한다. 도면에 예시된 요소 경계(예를 들어, 상자, 상자 그룹, 또는 다른 형상)는 경계의 일례를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 당업자는 하나의 요소가 다수의 요소로 설계될 수 있거나 다수의 요소가 하나의 요소로 설계될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 컴포넌트의 내부 컴포넌트로 표시된 컴포넌트는 외부 컴포넌트로 구현될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한 요소는 일정 비율로 그려지지 않을 수도 있다.

도 1은 근안 디스플레이(NED)를 위한 예시적인 광학 시스템의 개략도를 예시한다.
도 2a 및 2b는 편광 격자 쌍 작동(polarizing grating pairs action)을 예시적으로 보여주는 개략도를 예시한다.
도 3은 NED를 위한 또 다른 예시적인 광학 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 NED를 위한 또 다른 예시적인 광학 시스템의 개략도를 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 NED에 대한 예시적인 FOV를 보여주는 개략도를 예시한다.
도 6은 NED를 위한 또 다른 예시적인 광학 시스템의 개략도를 예시한다.
도 7은 NED를 위한 또 다른 예시적인 광학 시스템의 개략도를 예시한다.
도 8은 NED에서 확장된 FOV 이미지를 생성하기 위한 예시적인 방법에 대한 흐름도를 예시한다.
도 9는 NED에서 확장된 FOV를 위한 예시적인 시스템의 블록도를 도시한다.

도 1은 근안 디스플레이(NED)를 위한 예시적인 광학 시스템(100)의 개략도를 예시한다.

광학 시스템(100)은 도광 광학 요소(light-guide optical element)(LOE)(50)를 포함한다. LOE(50)의 예들은 예를 들어 Amitai의 미국 특허 제7,643,214 및 7,724,442호에 매우 상세하게 설명되어 있다. LOE(50)는 서로 평행한 제1 및 제2 주 표면들(52a, 52b)과 에지들(52c, 52d)을 갖는 광-투과성 기판(light-transmitting substrate)(52)을 포함한다. 제1 주 표면(52a)은 또한 본 명세서에서 전면 주 표면 또는 전면 표면으로 설명되고 주 표면(52a)에 관련된 요소들 또한 전면에 관련한 것으로 설명된다. 유사하게, 제2 주 표면(52b)은 때때로 본 명세서에서 후면 주 표면 또는 후면 표면으로 설명되고 주 표면(52b)에 관련된 요소들도 후면에 관련한 것으로 설명된다. 이는 NED 애플리케이션들에서 전면 주 표면(52a) 및 관련 요소들이 사용자의 눈에서 멀리 떨어진 NED 렌즈의 전면에 배치되는 반면 후면 주 표면(52b) 및 관련 요소들은 사용자 눈 근처의 NED 렌즈의 후면에 배치되기 때문이다. LOE(50)는 또한 제1 및 제2 주 표면들(52a, 52b)에 평행하지 않은 평면 표면(54)을 포함한다. 표면(54)은 그 위에 입사광(광선(31)으로 표시됨)을 광-투과성 기판(52)에 커플링한다. 표면(54)은 반사성(reflective) 또는 회절성(diffractive)일 수 있고, 따라서 광(31)(광선(32)으로 표시되는 반사)을 반사하거나 회절시킬 수 있으며, 이에 의해 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 제1 및 제2 주 표면들(52a, 52b) 사이에 광을 가둔다. 예시된 실시예에서는 표면(54)이 광 입력 커플링 요소로서 사용되지만, 다른 실시예들에서는 표면(54)과 같은 반사 또는 회절 표면들 이외의 또는 그에 추가하여 광 입력 커플링 요소들을 사용하여 광이 LOE(50)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 에지들(52c, 52d)은 광 입력 커플링 요소들로서 사용될 수 있고, 따라서 광은 에지들(52c, 52d) 중 하나 이상에서 LOE(50)에 직접 주입(inject)될 수 있다. 또 다른 예에서, 광은 굴절(refractive) 기술들을 사용하여 LOE(50)에 커플링 될 수 있고, 따라서 광 입력 커플링 요소들은 굴절 요소들을 포함할 수 있다.

LOE(50)는 또한 하나 이상의 광 출력 요소들을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, LOE(50)는 광 출력 요소들로서 제1 및 제2 주 표면들(52a, 52b)에 평행하지 않은 다수의 부분 반사 표면들(56)을 포함한다. 표면들(56)은 기판(52) 외부의 광(32)(광선(33)으로 표시되는 출력 광)을 커플링한다.

광학 시스템(100)은 또한 한 쌍의 상보적 편광 격자(complementary polarization grating)들(3, 5)을 포함한다. 제1 편광 격자(3)는 제1 주 표면(52a)에 대응하는 광-투과성 기판(52)의 전면 측 상에 배치되고 제2 편광 격자(5)는 제2 주 표면(52b)에 대응하는 광-투과성 기판(52)의 후면 측 상에 배치된다. 편광 격자들은 광의 편광에 따라 광을 편향시키는 데 사용되는 광학 디바이스들이다. 편광 감지(sensitive) 격자의 예들로는 Pancharatnam-Berry 위상(기하학적 위상)을 기반으로 하는 격자들이 포함된다. 한 가지 구체적인 예로는 광의 원형 편광에 따라 광을 편향시킬 수 있는 액정 분자(liquid crystal molecule)들로 만들어진 격자들이 있다. 이러한 격자들은 우측 원형 편광(right hand circularly polarization)(RHCP)및 좌측 원형 편광(left hand circularly polarization)(LHCP)를 사용하여 광에 대해 반대 편향 각도를 생성할 수 있으며, 대부분 편향된 광의 편광은 스위칭(회전)된다. 즉, 이러한 격자들의 경우 오른쪽 편광(RHCP)의 광은 제1 방향으로 편향된 왼쪽 원형 편광(LHCP)의 광을 생성시키는 반면 왼쪽 원형 편광(LHCP)의 광은 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향된 오른쪽 편광(RHCP)의 광을 생성한다. 본 명세서에서는 광 편향을 달성하기 위해 원형 편광 격자들이 사용되었지만, 선형(linear) 편광 격자들과 같은 다른 편광 격자들은 2개의 직교(orthogonal) 편광들에 대해 서로 다른 편향들을 가질 수 있으며 본 명세서에 개시된 시스템들에서도 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 편광 격자들은 능동 또는 수동 액정 요소들, 폴리머(polymer)들, 공간적으로 변하는 서브파장의 격자 또는 공간적으로 변하는 편광자(polarizer)들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 방법들로 실현될 수 있다.

설명의 수단들로서, 도 2a는 단일 원형 편광 격자(3)의 개략도를 예시한다. RHCP의 광선(1)과 LHCP의 광선(2)이 편광 격자(3)에 입사된다. 편광 격자(3)는 편광 상태에 따라 광선들(1, 2)을 편향시키고 편광 상태를 스위칭하여 RHCP의 광선(1)은 LHCP를 갖는 광선(11)으로 한 방향으로 편향되고, LHCP를 갖는 광선(2)는 반대 방향에 RHCP를 갖는 광선(12)으로 편향된다. 광선들(11 및 12)은 편광 격자(3)의 일부 회절 차수(order) m과 -m으로 편향된다. 입사된 비편광 광의 경우 편광 격자는 편광된 빔 분할기(polarized beam splitter) 역할을 하며 입사 강도의 절반은 RHCP를 갖는 한 방향으로 편향되고 다른 절반은 LHCP를 갖는 반대 방향으로 편향된다.

도 2b는 차례로 배치된 두 개의 상보적 편광 격자들(3, 5)의 구성을 예시한다. LHCP를 갖는 수직 입사 광선(normally incident ray)(2)과 경사 입사 광선(obliquely incident ray)(2')은 둘 모두 편광 격자(3)에 의해 RHCP를 갖는 광선들(12 및 12')로 편향된다. 광선들(12 및 12')은 편광 격자(5)에 충돌하고 이를 통해 RHCP를 갖는 편향된 광선들(22 및 22')으로 전파된다. 광선(22 및 22')은 편광 격자(5)의 0번째 회절 차수로 편향되므로 이 광선들의 각도 배향들은 들어오는(incoming) 광선들(2 및 2')의 각도 배향과 동일하다. 회절 격자의 편향 각도는 파장에 따라 다르지만 광선들(22 및 22')의 방향이 광선들(2 및 2')의 방향과 동일하므로 투과된 이미지에 대해 유채색 파손(chromatic color breakage)이 예상되지 않는다.

광선들(11 및 12)이 각각 들어오는 광선들(1 및 2)과 동일한 편광을 갖도록 좀 더 이색적(exotic)이거나 색다른 편광 격자들이 설계될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 광선들(11 및 12)의 편광을 회전시키기 위해 각각의 편광 격자 뒤에 추가 파장판(waveplate)이 포함되는 경우 이 요소들 또한 우리의 방법에 사용될 수도 있다. 대안적으로, 이 요소들은 광을 서로 반대 방향으로 편향시키도록 설계된 경우, 즉 격자(3)가 RHCP 광선들을 어떤 회절 차수 m으로 편향시키고, 격자(5)가 RHCP를 반대 방향의 반대 회절 차수 -m으로 편향시키는 경우 사용될 수 있다. 물리적으로 이러한 격자들은 도 2a의 요소들처럼 편광을 회전시키는 기존 편광 격자들로 제작(fabricate)될 수 있지만 원래 들어오는 편광으로 편광을 회전시키는 또 다른 반 파장 판 또한 갖는다. 우리는 본 발명이 기존의 편광 격자들에 제한되지 않는다는 것을 도시하기 위해 좀 더 이색적/색다른 편광 격자들에 관한 이 설명을 제의(offer)한다.

도 1로 돌아가서, 시스템(100)에서, 편광 감지 격자들(3 및 5)은 LOE(50)의 각각의 측(전면 및 후면)에 배치될 수 있다.

예시적인 시스템(100)은 또한 액정 디스플레이(liquid crystal display)(LCD), 실리콘 상의 액정(liquid crystal on silicon)(LCOS) 변조기(modulator), 또는 디지털 광 처리(DLP) 시스템의 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device), OLED 어레이(array)와 또는 무기(inorganic) LED 어레이 같은 공간 광 변조기(SLM)를 포함할 수 있는 투사 광학 디바이스(projecting optical device)(POD)(60)를 포함한다. 대안적으로, 이는 레이저 빔 스캐닝 시스템(LBS)을 포함할 수도 있다. POD(60)는 시준된 이미지를 생성할 수 있으며, 즉, 각각의 이미지 픽셀(image pixel)의 광은 이미지 내의 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준된 평행 빔이다. 따라서, 이미지 조명(illumination)은 2차원의 각도 시야에 대응하는 각도들의 범위에 걸쳐 있으며, 이들 모두는 내부 반사에 의해 LOE(50) 내에 가둬진 다음 커플링될 수 있다. POD(60)는 LCOS 칩과 같이 SLM을 조명하기 위해 배치될 수 있는 적어도 하나의 광원(light source), 일반적으로 LED 또는 레이저들을 포함한다. SLM은 이미지의 각각의 픽셀의 투사된 강도를 변조하여 이미지를 생성한다. 시스템(100)에서, POD(60)는 제1 편광의 광의 편광파(polarized wave)를 생성할 수 있다.

예시적인 시스템(100)은 또한 입사광의 편광을 제1 편광으로부터 제1 편광과 다른 제2 편광으로 제어 가능하게/동적으로 스위칭하거나 회전시키도록 구성된 디바이스인 스위칭 편광 요소(SPE)(61)를 포함한다.

예를 들어, SPE(61)는 적용되는 전압에 따라 출력 광의 편광 방향이 제어될 수 있는 디바이스일 수 있다. 이러한 경우 SPE(61)는 전압 제어 파장판으로 간주될 수 있다. 이러한 SPE(61)의 예로는 기계적 움직임 없이 선형 편광 입력 빔의 편광 상태를 회전시킬 수 있는 디바이스인 액정(LC) 편광 회전기(rotator)가 있다. 이러한 LC 편광 회전기는 액정 가변 지연판(liquid crystal variable retarder)과 석영(quartz) 0차 사분(quarter)-파장판으로 구성될 수 있다. 선형으로 편광된 광이 액정 셀 측에서 편광 회전기에 입사되면, 액정 지연(liquid crystal retardation)을 조정하여 출력 편광의 회전을 달성할 수 있다. 그러면 액정 지연은 적용된 전압의 함수로서 제어될 수 있다.

다른 예들에서, SPE(61)는 출력 광의 편광 방향이 다른 변수들(예를 들어 전류, 소리 등)의 함수로서 제어될 수 있는 디바이스일 수 있다. 따라서, SPE(61)는 전기광학(electro-optic), 음향광학(acousto-optic) 등의 디바이스일 수도 있고, 입사광의 편광을 동적으로 스위칭하거나 회전시키는 변조기 역할을 하는 기계적으로 움직이는 요소일 수도 있다.

시스템(100)은 시스템(100)이 설치된 NED에 대한 사용자의 눈의 위치에 대응하는 눈 모션 상자(EMB)(70) 앞에 표시될 수 있다.

동작 시, POD(60)는 제1 편광으로 편광된 광(광선(30)으로 표시됨)을 투사한다. POD(60)는 여러 방향들(시야들)로 빔들을 비출 것이지만, 설명의 단순화를 위해 단일 광선(30)이 도시되어 있다. 광(30)은 광(30)의 편광을 동적으로 변경할 수 있는 SPE(61)를 통해 전파한다. 예시된 실시예에서, SPE(61)의 출력은 LOE(50)에 주입되고 표면(54)에 의해 LOE(50)에 커플링되어 광선(32)이 되는 광(31)이다. 광선(32)은 패싯(facet)들(56)에 의해 LOE(50)로부터 외부로 커플링되어 광선(33)이 된다. 마지막으로, 광선(33)은 격자(5)를 통해 전파되고, 그 편광에 따라 각각 광선들(34 또는 35)로 표시되는 제1 방향 또는 제2 방향을 향해 편향된다. SPE(61)가 POD(60)의 이미지 투사에 동기(synchronicity)하여 광(30)의 편광을 순차적으로 변경하도록 동작되면(프레임당 적어도 하나의 편광 스위치), 광(33)은 각각 제1 방향(34)과 제2 방향(35)으로 순차적으로 편향된다. 따라서, SPE(61)에서 편광을 스위칭함으로써 EMB(70)에 도달하는 FOV의 방향이 바뀔 수 있다.

동시에, 풍경 뷰(landscape view)(사용자의 주변)에서 LOE(50)에 입사광(1)은 격자(3)에 의해 광선들(10 및 11)로 분할되지만 궁극적으로 격자(5)로 인한 상보적 효과 때문에 광선들(12 및 13)로 들어오는 광선(1)과 평행하게 나온다. 결과적으로 풍경 FOV 은 궁극적으로 시스템(100)에 의해 변경되지 않는다.

FOV 편향의 원리들이 반사 패싯들을 갖는 1D 확장 도파관인 LOE(50)와 관련하여 본 명세서에 개시되어 있지만, 시스템(100)은 예를 들어 홀로그래픽 격자들을 갖는 도파관들 또는 회절 격자들, 액정 도파관들, FOV를 1차원 이상으로 확장하는 도파관들, 빔 분할기(beam splitter)들 또는 버드배스(birdbath) 또는 NED에 사용되는 임의의 다른 방법을 갖는 자유 형태 광학장치(free form optics)와 같은 도파관이 없는 시스템들과 같은 다른 유형의 도파관들을 사용하여 구현될 수도 있다. 이 원리들은 본 명세서에서 AR과 관련하여 개시되지만, 그 원리들은 VR 애플리케이션들 및 기타 NED 애플리케이션에도 동일하게 적용(예를 들어 전면 격자들(3)과 같은 풍경 보기 요소들을 제거함으로써) 가능하다.

POD(60)의 투사 이미지의 투사와 동기화된 SPE(61)의 순차 편광과 관련하여, 투사 이미지는 일부 회절 차수 m의 방향으로 편향되는 제1 서브이미지(광선(34)) 및 회절 차수 -m의 반대 방향으로 편향되는 제2 서브이미지(광선(35)) 두 개의 서브이미지들로 효과적으로 분할될 수 있다. 예를 들어, AR 시스템은 LOE(50)에 대한 법선(주 표면들(52a, 52b)에 대한 법선) 주위에 중심을 둔 PG의 편향의 축을 따라 20도의 FOV를 갖는 이미지(30)를 표시할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, SPE(61)를 제1 편광(P1)으로 제어하면 편광 격자(5)가 약 +10도인 회절 차수 m=1의 방향으로 광(34)을 편향시키게 된다. P1 이미지는 LOE(50)에서 나오는 -10 내지 10도 대신 0 내지 20도 각도의 FOV 분포에서 눈(EMB(70)로 표시됨)에 도달할 것이다. 편광을 P1에 직교하는 제2 편광 P2 로 변경하면 광(35)이 약 -10도인 회절 차수 m=-1 방향으로 편향될 것이다. POD(60)의 제1 서브이미지와 제2 서브이미지의 투사에 맞춰 SPE(61)가 동작되어서 광(30)의 편광을 순차적으로 변경하면 사용자에 의해 인지되는 전체 이미지는 -20도 내지 20도까지 확장되며, FOV가 40도이면 원본 이미지의 FOV가 두 배가 된다. 설명을 단순화하기 위해 이 설명에서는 분산의 효과를 무시한다. 분산 효과들은 아래에서 논의된다.

도 3 내지 5는 다른 잠재적인 실시예들을 예시한다.

도 3은 NED를 위한 예시적인 광학 시스템(200)의 개략도를 예시한다. 일부 도파관들 및 다른 NED 시스템들은 두 가지 편광들로 광을 전파하거나 표시할 수 없다. 이러한 경우에, 시스템(200)은 LOE(50)를 통해 전파되는 광이 항상 하나의 편광이 되도록 사용될 수 있다. 시스템(200)에서 SPE(61)은 더 이상 POD(60)와 LOE(50) 사이에 있지 않다. 그 때문에 광선들(30, 32, 33)은 광이 LOE(50)를 통해 전파될 때 동적으로 변하지 않는 특정 편광(즉, 제1 편광)에 있다. 하나의 SPE(61) 대신에, 시스템(200)은 두 개의 SPE(62, 63)를 사용한다. SPE(62)는 입사광(33)의 편광을 동적으로 스위칭하거나 회전시켜 광(36)을 생성한다. 그러면 광(36)은 격자(5)에 입사되며, 여기서 시스템(100)과 유사하게 광선(36)은 광(36)의 편광에 따라 광선들(34 및 35)로 순차적으로 편향된다.

풍경 뷰와 관련하여, SPE(63)는 광선들(12, 13)이 광선(1)과 동일한 각도를 갖도록 SPE(62)와 동기화되어 제어된다. 광선들(10 및 11)은 일반적으로 편광에 민감한 50의 내부 구조에 의해 투과되므로 SPE(63)는 SPE(62)와 동시에 제어되어 SPE(63)이 50의 내부 구조와 함께 SPE(62)의 효과를 상쇄하도록 한다. 이러한 방식으로, 광선(1)으로서 시스템(200)으로 들어오는 광은 처음에 격자(3)와 SPE(63)에 도달하고 여기서 변화가 발생되지만 그런 다음 SPE(62)와 격자(5)에 도달하여 효과가 취소되어 광선(1)과 동일한 각도의 광선들(12, 13)이 생성된다. 결과적으로 풍경 FOV는 시스템(200)에 의해 궁극적으로 변경되지 않는다.

일부 NED 시스템들은 선형 편광들에서만 광을 표시할 수 있다. 격자들(3 및 5)이 원형 편광에 해당하는 각도를 편향하는 경우 사분 파장판(QWP)이 격자 구조의 일부로 사용되어 선형 편광으로 변환할 수 있다.

위의 예들은 편광 격자(5)에서 투사된 이미지의 오직 단일의 편향만을 갖는 실시예들을 설명하지만, 다른 실시예들에서는 필요에 따라 여러 개의 편광 격자들을 함께 적층하고 그 사이에 SPE를 삽입함으로써 다수의 연속적인 편향들이 가능하다.

도 4는 NED를 위한 예시적인 광학 시스템(300)의 개략도를 예시한다. 시스템(300)은 도 3의 시스템(200)보다 FOV를 훨씬 더 증가시킬 수 있다. 도 4에서는, 도 3의 시스템(200)의 격자들(3 및 5)과 SPE(62 및 63) 외에, 두 개의 추가 격자들(7 및 9)과 SPE(64 및 65)가 도입된다. 그러나 동작 원리는 비슷하다. 특히, 격자 쌍(3, 5)은 항상 서로 상보적 효과를 갖는다. 격자 쌍(7, 9)의 경우에도 마찬가지이며 항상 서로 상보적 효과를 갖는다. 유사하게, SPE 쌍(62, 63)은 서로에 대해 동적으로 상보적 SPE 효과를 가질 것이고, SPE 쌍(64, 65)은 또한 서로에 대해 동적으로 상보적 SPE 효과를 가질 것이다. 이로 인해 풍경 FOV는 변경되지 않지만 투사 이미지의 제어된 연속적인 편향을 달성할 수 있다. 연속적인 편향의 레벨은 SPE(62 및 64)를 제1 편광 P1 또는 제2 편광 P2으로 개별적으로 제어함으로써 제어될 수 있다.

예로서, SPE(62 및 64)는 둘 다 제1 편광 P1으로 설정되고, 격자(5)는 광(36)을 +10도만큼 편향시키고, 격자(9)는 생성된 광을 추가로 +5도만큼 편향시켜 +15도의 총 편향을 초래한다. 또 다른 예로서, SPE(62)는 제1 편광 P1으로 설정되고 SPE(64)는 제2 편광 P2으로 설정되며, 격자(5)는 광(36)을 +10도만큼 편향시키고 격자(9)는 결과 광을 -5도만큼 편향시켜 +5도의 총 편향을 초래한다. 따라서 각각의 격자에서 편광을 변경하도록 SPE를 제어함으로써 다른 편향들이 달성될 수 있다. 예시적인 시스템(300)에서, 각각의 격자에서의 편광의 함수로서의 편향은 다음과 같다:

따라서, 시스템(300)은 적어도 4가지의 다른 구성들로 설정될 수 있으며, 시스템의 기본 FOV가 10(+5 내지 -5)도인 경우, 위에서 설명된 바와 같이 시간 다중화(time multiplexing)에 의해 시스템(300)의 FOV는 +20 내지 -20도 사이의 전체 FOV를 커버하도록 제어된다. 격자들은 동일한 편향 각도들 또는 심지어 다른 편향의 방향들을 가질 수도 있으며 더 많은 수의 격자들도 예상(envisage)된다. 또한, 편향은 위에서 개별 단계들(예를 들어, 5, 10, 15, 20...)로 표현되지만 SPE의 편광을 제1 편광에서 제2 편광까지 연속적으로 변경함으로써 FOV를 단순히 개별적으로 제어하는 것이 아니라 연속적으로 제어하는 것이 가능할 수도 있다.

일반적으로, 편광 격자의 편향각은 입사각에 비선형적으로 의존한다. 따라서 투사 이미지의 서로 다른 필드들이 서로 다른 각도로 편향되어 결과적으로 이미지가 왜곡된다. 따라서 편광 격자의 비선형 응답을 동시에 보상하는 왜곡 이미지를 투사하여 이 왜곡을 교정해야 할 필요가 있다.

대부분의 격자들에서 편향각은 파장에 따라 달라진다. 그러므로, 단일 협파장 광원(single narrow wavelength light source)들을 갖는 본 명세서에 개시된 기술들을 사용하는 것에는 이점들이 있을 수 있다. 단색(monochromatic) 시스템들의 경우 시스템의 FOV는 가 될 수 있고 격자의 편향은 가 될 수 있으므로 결과 FOV는 두 배가 되어 가 되도록 한다. 그러나 대부분의 NED의 경우 광원은 다색성(polychromatic)(예를 들어, RGB)이므로 다른 결과들을 달성할 수 있다.

예를 들어, NED가 적색 및 청색 파장들(630 및 450nm)의 광을 표시한다고 가정한다. 적색 파장은 특정 각도 도에서 편향되고, 청색 광은 도(선형 근사치 아래)에서만 편향된다. 이는 청색 광에 대한 FOV가 만 확장될 수 있는 반면 FOV의 최소 폭은 임을 의미한다. 따라서 결과 FOV는 가 된다. 따라서 위에서 설명된 대로 이미지를 여러 서브이미지들로 분할하면 모든 색상들 사이의 FOV를 보존하기 위해 이미지의 오직 ~85%만 표시될 수 있다. 편향이 더 작은(일반적으로 파장이 더 짧은) 색상의 경우 두 이미지가 겹쳐서 밝기 분포가 고르지 않게 발생하는 것을 방지하기 위해 최대 ~85%만 표시할 수 있다. 또한, 편향 각도들이 큰 색상들의 경우 편향 각도가 큰 색상의 FOV가 편향 각도가 작은 색상의 FOV보다 넓어지는 것을 방지하기 위해 내부 85% 영역만 표시될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 NED에 대한 예시적인 FOV를 보여주는 개략도를 예시한다. 도 5a는 적색광에 대한 FOV를 예시하고, 도 5b는 청색광에 대한 FOV를 예시한다. 도 5a와 5b 둘 모두에서 직사각형들은 왼쪽 및 오른쪽 FOV를 나타내고 조합된 직사각형의 외부 프레임은 NED가 표시할 수 있는 너비를 나타낸다. 도 5a에 도시된 것처럼 적색광의 경우 상대적으로 더 큰 편향 결과들을 초래하고 디스플레이의 내부 부분들이 표시된다. 이는 직사각형의 내부 부분들이 채워지는 것으로 도시된다. 도 5b에 도시된 것처럼 청색광의 경우 편향이 상대적으로 작아지므로 FOV의 외부 파트가 대신 사용된다. FOV의 외부 부분이 채워진다.

도 4에 도시된 것처럼 두 개 이상의 격자 쌍들을 사용하면 편향이 무색(achromatic)이 되도록 하는 데 도움이 될 수도 있다. NED가 적색과 청색 파장(630 및 450nm)의 광을 비춘다고 가정한다. 도 3과 같이 단일 격자 쌍을 사용하면 적색 파장은 특정 각도 8.5도에 있는 반면 청색광은 더 작은 각도 5.95도에서 편향된다. 그러나 도 4와 같이 두 개의 격자 쌍들을 사용하면 예를 들어 적색의 경우 1.5도, 청색의 경우 1.05도의 더 작은 편향 각도를 사용하여 제2 격자 쌍이 도입될 수 있다. 제2 격자 쌍이 조정된 경우 적색광의 경우 제1 격자 쌍의 반대 방향으로 광을 편향시키고 청색광의 경우 제1 격자 쌍과 동일한 방향으로 광을 편향시키고, 그런 다음 우리는 두 색상들 모두에 대해 를 얻는다. 편향은 두 색상들 모두에 대해 동일하다. 따라서 적색과 청색 이미지 사이에서 하나의 격자의 효과를 스위칭하면 더 적은 회절 차이들을 달성할 수 있다.

일 실시예에서, RGB 광원들은 하나의 단일 색상 서브이미지 내부의 색수차(chromatic aberration)를 감소시키기 위해 좁은 대역폭(bandwidth)을 갖는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술은 633nm 부근의 적색 이미지에 대해 1분 미만의 아크(arc) FOV 분산을 갖도록 1nm 미만의 반치폭(FWHM) 대역폭의 광원들을 사용하여 구현될 수 있다.

회절 효과를 극복하는 또 다른 방식은 도 6에 도시된 바와 같이 POD(60)로부터의 광에 2개의 격자들을 사용하는 것이다.

도 6은 NED를 위한 예시적인 광학 시스템(400)의 개략도를 예시한다. 예시된 구성은 POD(60)에서 광을 수신하여 투사 이미지의 광이 격자들(3 및 5)을 모두 통과하도록 격자(3)를 확장한 것을 제외하고는 도 3에 도시된 것과 유사하다. 도 3과의 다른 차이점들은 POD(60)의 광의 출구에 SPE(66)의 추가와 격자(3)의 확장과 LOE(50) 사이 SPE(63)의 확장이다. 도 3의 시스템(200)과 유사하게, 시스템(400)에서, POD(60)에서 나오는 광은 격자(5)를 통과하게 되고, 격자(5)는 편광에 따라 광의 방향을 편향시킨다. 그러나 여기서 광은 먼저 격자(3)를 통과하며, 격자(3)는 광의 각도 폭을 줄이기 위해 광을 편향시킨다. 결국, EMB(70)에 도달하는 광(광선들(34, 35))은 POD(60)에서 나오는 광(광선들(44, 45))과 동일한 각도 폭을 갖게 된다. 그러나 LOE(50) 내부에서는 광의 각도 분포가 더 작다(광선들(30 내지 33)).

일반적으로, LOE(50)와 같은 LOE는 단지 하나의 편광의 광을 전파한다. 또한 일반적으로 POD(60)와 같은 POD는 한쪽 편광으로만 광을 비춘다. 이를 어드레싱하기 위해 SPE(63 및 66)가 도시된 위치들에 도입되어 동기식으로 제어된다. 이는 POD(60)에서 LOE(50)로 일정한 편광을 유지하면서 광 편향에 필요한 편광 시프팅(polarization shifting)을 초래한다.

동작 시, POD(60)로부터의 편광된 광(44, 45)은 SPE(66)에 의해 제1 편광 또는 제2 편광으로 설정된다. 격자(3)는 각도 폭을 감소시키기 위해 광을 편향시킨다. SPE(63)은 SPE(66)의 반대 방향으로 동작되기 때문에 LOE(50)으로 들어오는 광은 POD(60)의 원래 편광 상태를 유지한다. 광은 LOE(50)(광선들(30, 32, 33))를 통해 이동한 후 커플링된다. SPE(62)는 LOE 출력 광의 편광을 제1 편광에서 제2 편광으로 변경하도록 동작된다. 편광 격자(5)는 편광에 따라 광을 반대 방향으로 편향시킨다.

본 개시에서, 편광 격자와 SPE의 조합은 격자/SPE 세트의 작동을 스위칭하는 데 사용된다(즉, SPE는 편광을 제어하여 편광 격자가 광을 한 방향 또는 또 다른 방향으로 편향시키는 것을 초래한다). 유사한 결과들을 성취하기 위해 다른 잠재적인 구조들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 스위칭 가능한 격자들이 사용될 수 있다. 스위칭 가능한 격자들은 광학 효과를 동적으로 켜고 끌 수 있는 격자들로, 주로 광을 동적으로 편향시킬 수 있는 시스템의 일부이다. 이러한 스위칭 가능한 격자들은 위에서 설명된 바와 같이 상보적 쌍들로 사용될 수 있으며, 그 결과 다른 격자들의 효과를 상쇄하고 또한 동적으로 켜지고 꺼질 수 있는 두 개의 격자들인 동적 상보적 격자 쌍들을 초래한다.

도 7은 NED에 대한 예시적인 광학 시스템(500)의 개략도를 예시한다. 시스템(500)은 능동형 투명 액정 요소들(SLM들 및 LCOS들과 같은)(103, 105)이 SPE 및 편광 격자들 대신 사용될 수 있다는 점을 제외하고는 위에서 설명된 시스템(200)과 유사하다. 요소(105)는 광선(33)에 의해 표시되는 입사 편광된 광에 제어된 선형 위상을 적용하여 들어오는 필드들을 다른 각도 배향들로 편향시켜 광선들(34, 35)에 의해 표시되는 편향 광을 초래하는 데 사용될 수 있다. 이러한 요소(105)는 두 개 이상의 각도 배향들로 입사광을 시간 동적으로 편향시키는 데 사용될 수 있다. 유사한 상보적 제2 요소(103)는 제1 요소(105)의 효과를 보상하기 위해 도파관(50) 앞에 배치될 수 있어 투과된 장면이 왜곡되지 않을 것이다.

방법들

예시적인 방법들은 도 8의 흐름도를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 설명의 단순화를 위해 예시된 방법론(methodology)들은 일련의 블록들로 도시되고 설명되지만, 일부 블록들은 도시되고 설명된 다른 블록들과는 다른 순서들로 또는 동시에 발생할 수 있으므로 방법론들은 블록의 순서에 의해 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 예시적인 방법론을 구현하기 위해 예시된 것보다 더 적은 블록들이 요구될 수 있다. 또한, 추가 방법론들, 대체 방법론들 또는 두 방법 모두 예시되지 않은 추가 블록들을 채용할 수 있다.

흐름도에서 블록들은 로직으로 구현될 수 있는 "처리 블록들"을 나타낸다. 처리 블록들은 방법 단계 또는 방법 단계를 수행하기 위한 장치 요소를 나타낼 수 있다. 흐름도는 특정 프로그래밍 언어, 방법론 또는 스타일(예를 들어, 절차적(procedural), 객체 배향(object-oriented))에 대한 구문(syntax)을 도시(depict)하지 않는다. 오히려, 흐름도는 당업자가 예시된 처리를 수행하기 위한 로직을 개발하기 위해 사용할 수 있는 기능적 정보를 예시한다. 일부 예들에서는 임시 변수(temporary variable)들, 루틴 루프(routine loop)들 등과 같은 프로그램 요소들이 도시되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 전자 및 소프트웨어 애플리케이션들은 예시된 블록들이 도시된 것과 다른 시퀀스들로 수행될 수 있거나 블록들이 다수의 컴포넌트들로 조합되거나 분리될 수 있도록 동적이고 유연한 프로세스들을 포함할 수 있다는 것이 추가로 이해될 것이다. 프로세스들은 기계 언어, 절차적, 객체 배향 또는 인공 지능 기술(artificial intelligence technique)들과 같은 다양한 프로그래밍 접근 방식들을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 8은 NED에서 이미지를 생성하기 위한 예시적인 방법(700)에 대한 흐름도를 예시한다. 710에서, 방법(700)은 NED에 의해 투사될 이미지를 제1 서브이미지와 제2 서브이미지로 분할하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 활동 사진(motion picture)들은 프레임들이라고 지칭되는 일련의 정지 이미지들로 구성된다. 프레임은 2개 이상의 서브프레임들로 효과적으로 분할될 수 있다. 즉, 동일한 프레임 이미지가 첫 번째로 제1 편광에 동기화되어 먼저 투과되고 두 번째로 제2 편광에 동기화되어 투과될 수 있다. 이 단계에는 (주어진 색상에 대해) 입사각의 함수로서 결과 색수차들 및 비선형 편향을 교정하거나 보상하기 위해 서브이미지에 적용되어야 하는 요구되는 교정 왜곡들의 계산 및 구현도 포함될 수 있다.

720에서, 방법(700)은 채널을 통해 제1 서브이미지와 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 단계를 포함한다. 채널은 예를 들어 위에서 설명된 LOE(50)와 같은 LOE일 수 있다. 방법(700)은 또한 730에서 제1 편광의 제1 서브이미지에 대응하는 광 및 제2 편광의 제2 서브이미지에 대응하는 광을 추출(extract)하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, SPE는 위에서 설명된 바와 같이 광의 편광을 동적으로 제어하는 데 사용될 수 있다.

740에서, 광이 제1 편광이면, 방법(700)은 750에서 제1 편광의 광의 제1 차수를 제1 방향으로 편향시킨다. 그러나, 광이 제2 편광이면, 760에서, 광의 제1 차수는 제2 편광에서 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향된다. 예를 들어, 편광 격자는 제1 편광의 광을 제1 방향으로 편향시키고, 제2 편광의 광을 제2 방향으로 편향시키는 데 사용될 수 있다. 예시된 실시예에서는 이미지 또는 프레임이 2개의 서브이미지들로 효과적으로 분할되지만, 다른 실시예들에서는 임의의 이미지 또는 프레임이 더 많은(예를 들어, 4개, 6개 등) 서브이미지들로 분할될 수 있다. 즉, 동일한 프레임 이미지가 첫 번째로 제1 편광에, 두 번째로 제2 편광에, 세 번째로 제1 편광(또는 일부 다른 편광)에, 네 번째로 제2 편광(또는 일부 다른 편광)에 동기화되어 투과될 수 있다. 이미지를 서브이미지들로 분할한다고 해서 이미지나 프레임의 원래 타이밍이나 길이가 반드시 변경되는 것은 아니다. 이미지를 서브이미지들로 분할한다는 것은 이미지가 원래 시간에 투과될 수 있지만 그 시간 중 일부 동안 이미지는 첫 번째로 제1 편광에 동기화되어 투과되고, 일부 시간 동안 이미지는 두 번째로 제2 편광에 동기화되어 투과된다는 의미이다.

일 실시예에서, 광을 편향시키는 것은 추출된 광을 수용하고 제1 편광의 광을 제1 방향으로 편향시키고 제2 편광의 광을 제2 방향으로 편향시키는 후면 편광 격자를 포함한다.

일 실시예에서, 광을 추출하고 편향시키는 단계와 동시에, 전면 편광 격자에 입사된 비편광 광을 전면 편광 격자, 채널 및 후면 편광 격자를 통해 투과시키는 단계를 더 포함하여, 비편광 광이 전면 편광 격자에 입사되었을 때 비편광된 광과 동일한 각도 방향을 갖는 후면 편광 격자를 빠져나가도록 한다.

일 실시예에서, 제1 편광의 제1 서브이미지에 대응하는 광과 제2 편광의 제2 서브이미지에 대응하는 광은 시분할(time-division) 다중화 방식에 따라 LOE를 순차적으로 투과한다.

일 실시예에서, 제1 서브이미지와 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 것은 이미지 프레임당 적어도 한 번 제1 편광과 제2 편광 사이의 광의 시분할 다중화 편광을 포함한다.

일 실시예에서, 각각 제1 서브이미지와 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 것은 제1 서브이미지와 제2 서브이미지의 투사에 동기화된 제1 편광과 제2 편광 사이의 광의 시분할 다중화 편광을 포함한다.

일 실시예에서, 제1 서브이미지에 대응하는 광과 제2 서브이미지에 대응하는 광은 제1 서브이미지에 대응하는 광은 LOE를 통해 공통 편광으로 투과되고 제1 편광의 제1 서브이미지에 대응하는 광의 편광 또는 제2 편광의 제2 서브이미지에 대응하는 광의 편광이 그 후에 발생한다.

일 실시예에서, 제1 편광의 광의 편향과 제2 편광의 광의 편향은 전체 편향에 대응하는 다중 편향들을 갖는 단계들에서 발생한다.

일 실시예에서, 제1 서브이미지와 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 것은 제1 색상의 광이 제1 색상과 다른 제2 색상의 광과 다른 시야로 투사되는 다색 이미지들을 투사하는 것을 포함한다.

도면들은 연속적으로 발생하는 다양한 작동들을 예시하고 있지만, 도시된 다양한 작동들 실질적으로 병렬로 발생할 수 있다는 것이 이해되어야 하며, 동작이 병렬로 발생하는 것으로 도시될 수 있는 반면, 이 작동들은 실질적으로 직렬로 발생할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예시된 방법들과 관련하여 다수의 프로세스들이 설명되어 있지만, 더 많거나 더 적은 수의 프로세스들이 채용될 수 있고, 경량 프로세스(lightweight process)들, 정규 프로세스(regular process)들, 스레드(thread)들 및 기타 접근법들이 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 예시적인 방법들은 일부 경우에 실질적으로 동시에 발생하는 작동들도 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예시된 예시적인 방법들 및 다른 실시예들은 실시간으로, 소프트웨어나 하드웨어 또는 하이브리드 소프트웨어/하드웨어 구현에서는 실시간보다 빠르거나, 소프트웨어나 하드웨어 또는 하이브리드 소프트웨어/하드웨어 구현에서는 실시간보다 느리게 동작할 수 있다.

시스템

도 9는 NED에 대한 예시적인 시스템(800)의 블록도를 예시한다. 시스템(800)은 예를 들어 마이크로프로세서(microprocessor), 마이크로컨트롤러(microcontroller) 등과 같은 프로세서(80)를 포함할 수 있다. 프로세서(80)는 위에서 설명된 시스템들(100, 200, 300 및 400)에 설명된 바와 같이 POD(60) 및 SPE(61 내지 66) 중 적용 가능한 것들에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 프로세서는 POD(60)와 함께 이미지들의 투사를 제어하거나 적어도 조율(orchestrate)하고 SPE(61 내지 66)를 제1 편광 또는 제2 편광으로 제어하여 위에서 설명된 시분할 다중화 방식을 구현하도록 구성된다.

정의

다음은 본 명세서에 사용된 선택된 용어들의 정의들을 포함한다. 정의들은 용어의 범위에 속하고 구현에 사용될 수 있는 컴포넌트들의 다양한 예들이나 형태들이 포함된다. 예들은 제한하려는 의도가 아니다. 단수형과 복수형의 형태들 둘 모두 정의들 내에 있을 수 있다.

"동작 가능한 연결", 또는 개체들이 "동작 가능하게 연결된" 연결은 신호들, 물리적 통신들 또는 논리적 통신들이 발송되거나 수신될 수 있는 연결이다. 일반적으로, 동작 가능한 연결은 물리적 인터페이스, 전기 인터페이스 또는 데이터 인터페이스를 포함하지만, 동작 가능한 연결은 이들의 서로 다른 조합들 또는 동작 가능한 제어를 허용하기에 충분한 다른 유형들의 연결을 포함할 수 있다는 점을 유의해야 한다. 예를 들어, 두 개체들은 직접적으로 또는 프로세서, 운영 시스템(operating system), 로직, 소프트웨어 또는 다른 개체와 같은 하나 이상의 중간 개체들을 통해 신호를 전달할 수 있음으로써 동작 가능하게 연결될 수 있다. 논리적 또는 물리적 통신 채널을 사용하여 동작 가능한 연결을 생성할 수 있다.

"포함하다(includes)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어가 상세한 설명이나 청구범위에 사용되는 한, 이는 "포함하는(comprising)"이라는 용어가 청구범위에서 전환적 단어로 사용될 때 해석되는 것과 유사한 방식으로 포괄적이도록 의도된다. 또한, 상세한 설명이나 청구범위에서 "또는"이라는 용어가 사용되는 경우(예를 들어, A 또는 B) 이는 "A 또는 B 또는 둘 다"를 의미하도록 의도된다. 출원인이 "A 또는 B만 표시하고 둘 다는 아님"을 표시하려는 경우 "A 또는 B만 있지만 둘 다는 아님"이라는 용어를 사용한다. 따라서 본 문서에서 "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미로 사용되며 배타적으로 사용되지는 않는다. Bryan A. Garner, A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d. Ed. 1995)를 참조한다.

예시적인 시스템, 방법 등이 예시를 기술함으로써 예시되었고, 예시가 상당히 상세하게 기술되었지만, 그러한 세부 사항의 범위를 제한하거나 어떤 방식으로든 제한하는 것은 출원인의 의도가 아니다. 물론, 본 명세서에 설명된 시스템, 방법 등을 설명할 목적으로 컴포넌트나 방법론의 가능한 모든 조합을 설명하는 것은 불가능하다. 추가적인 장점과 변형은 당업자에게 쉽게 나타날 것이다. 그러므로, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부사항, 대표적인 장치 및 예시적인 예에 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원은 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 변경, 수정 및 변형을 포함하도록 의도되었다. 또한, 전술한 설명은 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (27)

1. 근안 디스플레이(NED)용 광학 시스템(optical system)에 있어서, 상기 광학 시스템은:
   광-투과성 기판(light-transmitting substrate)을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, 상기 광-투과성 기판은:
   서로 평행한 제1 및 제2 주 표면들,
   입사광을 상기 광-투과성 기판에 커플링하여 내부 전반사에 의해 상기 제1 주 표면과 상기 제2 주 표면 사이에 광을 가두도록 구성된 하나 이상의 광 입력 커플링 요소들, 및 상기 기판 외부로 광을 커플링하도록 구성된 하나 이상의 광 출력 커플링 요소들을 가짐-;
   한 쌍의 편광 격자들-상기 제1 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 제1 측에 배치된 상기 쌍으로부터의 제1 편광 격자, 및 상기 제2 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 제2 측에 배치된 상기 쌍으로부터의 제2 편광 격자를 가짐-; 및
   상기 제2 편광 격자가 제1 편광의 광을 제1 방향으로 편향시키고, 제2 편광의 광을 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향시키도록 상기 광의 편광을 상기 제1 편광으로부터 상기 제1 편광과 다른 상기 제2 편광으로 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위칭 편광 요소를 포함하는, 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 입사광을 방출하도록 구성된 프로젝터(projector)를 포함하는, 광학 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 상기 광-투과성 기판에 커플링되기 전에 상기 입사광이 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이에서 스위칭되도록 상기 프로젝터와 상기 제1 주 표면 사이에 배치되는, 광학 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제1 및 제2 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 상기 제1 스위칭 편광 요소는 상기 LOE와 상기 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 상기 제2 스위칭 편광 요소는 상기 LOE와 상기 제2 편광 격자 사이에 배치되는, 광학 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 편광 격자들의 제2 쌍을 포함하고, 이는 상기 제1 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 상기 제1 측에 배치된 상기 제2 쌍으로부터의 제3 편광 격자, 및 상기 제2 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 상기 제2 측에 배치된 상기 제2 쌍으로부터의 제4 편광 격자를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제3 및 제4 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 상기 제3 스위칭 편광 요소는 상기 제1 편광 격자와 상기 제3 편광 격자 사이에 배치되고, 상기 제4 스위칭 편광 요소는 상기 제2 편광 격자와 상기 제4 편광 격자 사이에 배치되는, 광학 시스템.
6. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소는 제1, 제2 및 제3 스위칭 편광 요소들을 포함하고, 상기 제1 스위칭 편광 요소는 상기 LOE와 상기 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 상기 제2 스위칭 편광 요소는 상기 LOE와 상기 제2 편광 격자 사이에 배치되고, 상기 제3 스위칭 편광 요소는 상기 프로젝터와 상기 제1 편광 격자 사이에 배치되고, 상기 제1 스위칭 편광 요소는 상기 제2 및 제3 스위칭 편광 요소들에 동기하여 스위칭하도록 구성되는, 광학 시스템.
7. 제2항에 있어서,
   상기 프로젝터 및 상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소에 동작 가능하게 연결되고, 이미지 프레임당 적어도 한 번 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 광학 시스템.
8. 제2항에 있어서, 상기 프로젝터는 적어도 2개의 서브프레임들로 분할된 이미지 프레임을 투사하도록 구성되고, 상기 광학 시스템은:
   상기 프로젝터 및 상기 적어도 하나의 스위칭 편광 요소에 동작 가능하게 연결되고 적어도 2개의 서브프레임들로부터 각각 제1 서브프레임 및 제2 서브프레임의 투사에 동기화된 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 광학 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 프로젝터는 제1 색상의 광이 상기 제1 색상과 다른 제2 색상의 광과 다른 시야각으로 투사되는 다색(polychromatic) 이미지들을 투사하도록 구성되는, 광학 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 편광 격자는 입사된 비편광 광을 부분들로 분할하고, 상기 부분은 제1 주 표면에 입사하고, 상기 기판을 통해 전파하며, 상기 제1 편광 격자에 입사하는 광과 동일한 각도 방향을 갖는 광으로 상기 부분들을 편향시키는 상기 제2 편광 격자에 입사하는, 광학 시스템.
11. 근안 디스플레이에서 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    이미지를 제1 서브이미지와 제2 서브이미지로 분할하는 단계;
    상기 제1 서브이미지와 상기 제2 서브이미지를 채널을 통해 순차적으로 투과시키는 단계;
    제1 편광의 상기 제1 서브이미지에 대응하는 광 및 제2 편광의 상기 제2 서브이미지에 대응하는 광을 추출하는 단계;
    상기 제1 편광의 상기 광의 제1 차수를 제1 방향으로 편향시키는 단계; 및
    상기 제2 편광의 상기 광의 제1 차수를 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향시키는 단계를 포함하는, 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 편향 단계는 상기 추출된 광을 수신하여 상기 제1 편광의 상기 광을 상기 제1 방향으로 편향시키고, 상기 제2 편광의 상기 광을 상기 제2 방향으로 편향시키는 후면 편광 격자를 포함하는, 방법.
13. 제12항에 있어서,
    전면 편광 격자, 상기 채널, 상기 후면 편광 격자를 통해 상기 전면 편광 격자로 입사된 비편광 광을 동시에 투과시켜 상기 비편광된 광이 그것이 상기 전면 편광 격자에 입사되었을 때 상기 비편광된 광과 동일한 각도 방향을 갖는 상기 후면 편광 격자를 빠져나가도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 채널은:
    광-투과성 기판을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)-상기 광-투과성 기판은:
    서로 평행한 제1 및 제2 주 표면들,
    입사광을 상기 광-투과성 기판에 커플링하여 내부 전반사에 의해 상기 제1 주 표면과 상기 제2 주 표면 사이에 상기 광을 가두도록 구성된 적어도 하나의 광 입력 커플링 요소, 및 상기 제2 주 표면을 통해 상기 기판 외부의 상기 광을 커플링하도록 구성된 적어도 하나의 광 출력 커플링 요소를 가짐-; 및
    제1 편광과 제2 편광 사이에서 상기 광의 편광을 스위칭하도록 구성된 적어도 하나의 스위칭 편광 요소를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 편광의 상기 제1 서브이미지에 대응하는 상기 광과 상기 제2 편광의 상기 제2 서브이미지에 대응하는 상기 광이 순차적으로 상기 LOE를 통해 투과되는, 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 제1 서브이미지에 대응하는 상기 광과 상기 제2 서브이미지에 대응하는 상기 광은 공통 편광으로 상기 LOE를 통해 투과되고, 상기 제1 편광의 상기 제1 서브이미지에 대응하는 상기 광의 편광 또는 상기 제2 편광의 상기 제2 서브이미지에 대응하는 상기 광의 편광이 그 후에 발생하는, 방법.
17. 제11항에 있어서, 상기 제1 편광에서 상기 광의 편향과 상기 제2 편광에서 상기 광의 편향은 상기 편향에 대응하는 다중 편향들과 함께 단계적으로 발생하는, 방법.
18. 제11항에 있어서, 상기 제1 서브이미지와 상기 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 단계는 이미지 프레임당 적어도 한 번 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 상기 편광을 시분할 다중화하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 제11항에 있어서, 상기 제1 서브이미지와 상기 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 단계는 각각 상기 제1 서브이미지와 상기 제2 서브이미지의 투사에 동기화된 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 편광을 시분할 다중화하는 단계를 포함하는, 방법.
20. 제11항에 있어서, 상기 제1 서브이미지와 상기 제2 서브이미지를 순차적으로 투과하는 단계는 제1 색상의 광이 상기 제1 색상과 다른 제2 색상의 광과 다른 시야로 투사되는 다색 이미지들을 투사하는 단계를 포함하는, 방법.
21. 제11항에 있어서,
    상기 제1 편광의 상기 광을 상기 제1 방향으로 편향시킨 후, 상기 제1 편광의 상기 광을 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 다른 제3 방향으로 편향시키는 단계; 및
    상기 제2 편광의 상기 광을 상기 제2 방향으로 편향시킨 후, 상기 제2 편광의 광을 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 다른 제4 방향으로 편향시키는 단계를 포함하는, 방법.
22. 근안 디스플레이(NED)용 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 시스템은:
    광-투과성 기판을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)-여기서 상기 광-투과성 기판은:
    서로 평행한 제1 및 제2 주 표면들,
    입사광을 상기 광-투과성 기판에 커플링하여 내부 전반사에 의해 상기 제1 주 표면과 상기 제2 주 표면 사이에 상기 광을 가두도록 구성된 하나 이상의 광 입력 커플링 요소들 및 상기 기판 외부로 상기 광을 커플링하도록 구성된 하나 이상의 광 출력 커플링 요소들을 가짐-;
    상기 제1 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 제1 측에 배치된 제1 능동 투명 액정 요소를 포함하고, 상기 제1 능동 투명 액정 요소는 상기 광의 편광을 제1 편광으로부터 상기 제1 편광과 다른 제2 편광으로 스위칭하여 상기 제1 능동 투명 액정 요소가 상기 제1 편광의 상기 광을 제1 방향으로 편향시키고, 상기 제2 편광의 상기 광을 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편향시키도록 구성되는, 광학 시스템.
23. 제22항에 있어서,
    입사광을 방출하도록 구성된 프로젝터를 포함하는, 광학 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    상기 프로젝터 및 상기 제1 능동 투명 액정 요소에 동작 가능하게 연결되고 이미지 프레임당 적어도 한 번 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 방법.
25. 제23항에 있어서, 상기 프로젝터는 적어도 두 개의 서브프레임들로 분할된 이미지 프레임을 투사하도록 구성되고, 상기 광학 시스템은:
    상기 프로젝터 및 상기 제1 능동 투명 액정 요소에 동작 가능하게 연결되고 적어도 두 개의 서브프레임들로부터 각각 제1 서브프레임과 제2 서브프레임의 투사에 동기화된 상기 제1 편광과 상기 제2 편광 사이의 상기 광의 편광을 시분할 다중화하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 광학 시스템.
26. 제25항에 있어서, 상기 프로젝터는 제1 색상의 광이 상기 제1 색상과 다른 제2 색상의 광과 다른 시야로 투사되는 다색 이미지들을 투사하도록 구성되는, 광학 시스템.
27. 제22항에 있어서,
    상기 제2 주 표면에 대응하는 상기 광-투과성 기판의 제2 측에 배치된 제2 능동 투명 액정 요소를 포함하고, 상기 제2 능동 투명 액정 요소는 상기 제1 능동 투명 액정 요소와 동기하여 입사광의 편광을 스위칭하도록 구성되는, 광학 시스템.