KR20240051132A - 독립적인 공액 이미지 생성 - Google Patents

Abstract

광학 시스템은 (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, LOE는 사용자의 눈을 향해 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, LOE는 커플링 인 배열을 가짐-; 및 (b) 이미지를 생성하는 이미지 생성기 및 공액 이미지를 생성하는 이미지 공액 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터를 포함하고, 이미지 생성기 및 공액 이미지 생성기는 LOE 바로 앞이 아닌 방향으로부터 각각 이미지와 공액 이미지를 투사하도록 배치된다.

Description

독립적인 공액 이미지 생성

본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 광학 시스템에 관한 것이다.

다양한 유형의 디스플레이, 특히 근안 디스플레이(NED)는 일반적으로 이미지가 이미지 프로젝터로부터 주입되어 내부 전반사(TIR)에 의해 도파관 내에서 전파되고 이후 하나 이상의 커플링 아웃 요소(예를 들어, 부분 반사 내부 표면("패싯"), 회절 격자 등)를 통해 관찰자의 눈을 향해 커플링 아웃되는 하나 이상의 도파관을 사용한다. 이러한 도파관은 그 사이에서 이미지와 그 공액(conjugate)이 반사되는 도파관의 길이를 따라 연장되는 한 쌍의 평행한 주요 외부 표면을 갖는 투명 기판으로 이루어진다. 이미지는 바람직하게는 시준된 이미지이고, 도파관은 바람직하게는 평면이다. 최상의 성능을 위해서는, 이미지의 각 픽셀과 공액 이미지의 각 픽셀에 대응하는 조명이 도파관 두께 내의 모든 포인트(사용자의 눈에 도달할 수 있는 출력 이미지에 기여하는 도파관 영역)에 존재하도록 이미지와 그 공액이 모두 도파관을 완전히 채워야 한다.

도파관을 채우는 것은 주입된 이미지의 주 광선에 대략 수직으로 배향된 커플링 인 표면을 갖는 커플링 인 프리즘을 제공함으로써 달성될 수 있어서, 공액 이미지를 생성하기 위해 이미지가 도파관의 한 표면의 확장된 영역에 떨어지도록 허용한다. 그러나 특히 주요 외부 표면에 대해 상대적으로 얕은 각도(즉, 표면의 법선에 대해 90도에 가까운)로 주입된 이미지를 사용한 구현예의 경우, 공액 이미지로 도파관을 채우는 데 필요한 커플링 인 영역의 길이는 도파관의 크기에 상당히 추가된다. 이는 도파관(10)에 대한 일반적인 커플링 인을 예시하는 도 2a에 예시되어 있다. 도파관 기판으로부터 절단되거나 그에 부착된 커플링 인 프리즘(14)은 광선(40, 41)을 얕은 각도로 도파관으로 향하게 하는 데 사용된다. 광선(40, 41)이 도파관 내에서 전파됨에 따라, 광선(41)은 도파관의 상부 표면에서 반사되어 광선(40)의 공액이 된다. 도 2a에서 알 수 있듯이 커플링 인 프리즘을 사용하더라도 도파관 내에서 얕은 광선의 공액을 생성하려면 상대적으로 큰 입력 구멍(결과적으로 더 큰 프로젝터)이 필요하다.

도 2b에 도시된 도파관을 채우기 위한 대안적인 접근법은 주요 외부 표면 사이의 도파관(10)의 두께를 세분하는 중간포인트 부근에서 외부 표면에 평행한 도파관의 길이를 따라 길의 적어도 일부를 연장하는 도파관(10) 내부에 50% 빔 스플리터(또는 "믹서")(13)를 사용한다. 빔 스플리터(13)는 광선을 부분적으로 반사하여 도파관(10) 내에서 그 공액(예를 들어, 광선(41))을 생성하는 데 효과적이며 더 작은 입력 구멍 및 웨지 프리즘(14)을 허용한다(도 2a와 비교).

믹서(13)의 존재로 인해 더 작은 프로젝터 구멍 및 커플링 프리즘의 사용이 허용되지만, 믹서 자체는 도파관의 크기를 상당히 증가시킨다. 믹서(13)에 필요한 최소 길이는 방정식 으로 표현될 수 있으며, 여기서 는 도파관의 폭이고 는 필드 각도의 전파(LOE 주요 표면의 법선에 대한)이다. 따라서, 믹서의 최소 길이에 대한 위의 제약은 믹서를 수용할 수 있도록 도파관을 더 길게 만들어야 한다. 추가적으로, 도파관 내부에 믹서를 통합하려면 도파관 표면과의 필수 평행성으로 인해 도파관 생산 시 더 큰 정확성이 필요하다.

본 발명의 실시예의 교시에 따르면 광학 시스템이 제공되며, 이는 (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, LOE는 사용자의 눈을 향해 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, LOE는 커플링 인 배열을 가짐-; 및 (b) 이미지를 생성하는 이미지 생성기 및 공액 이미지를 생성하는 이미지 공액 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터를 포함하고, 이미지 생성기 및 공액 이미지 생성기는 LOE(10) 바로 앞이 아닌 방향으로부터 각각 이미지와 공액 이미지를 투사하도록 배치된다.

본 발명의 다른 실시예의 교시에 따르면, 관찰을 위해 사용자를 향해 이미지를 지향시키는 광학 시스템이 제공되며, 광학 시스템은 (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, 상기 LOE는 상기 사용자의 눈을 향해 상기 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, 상기 LOE는 커플링 인 배열을 가짐-; (b) 순차적으로 이미지 및 상기 이미지의 공액 이미지를 생성하도록 구성된 이미지 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터를 포함하고 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 및 상기 공액 이미지가 상기 적어도 제1 및 제2 주요 외부 표면 중 하나에 충돌하기 전에 상기 커플링 인 구멍에 상기 이미지와 그 공액 이미지를 도입하기 위해 상기 커플링 인 구멍에 커플링되고, 상기 이미지 생성기는 상기 LOE 바로 앞이 아닌 방향으로부터 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 투사하도록 배치된다.

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 1a 및 도 1b는 하향식 및 측면 주입 구성을 각각 예시하는, 도광 광학 요소(LOE)를 사용하여 구현된, 본 발명의 교시에 따라 구성되고 동작하는 광학 시스템의 개략적인 등축도이다;
전술한 도 2a는 커플링 프리즘을 통해 이미지를 LOE로 커플링 인하는 것을 예시하는 개략적인 측면도이다;
전술한 도 2b는 통합된 빔 증배기(beam multiplier)를 갖는 LOE로의 이미지의 종래의 커플링 인을 예시하는 개략적인 측면도이다;
도 3은 이미지-공액 이미지 쌍의 LOE에 대한 커플링 인을 예시하는 도 1a 및 1b의 광학 시스템의 일부의 개략적인 측면도이다;
도 4a 및 4b는 단지 2개의 반사 표면만을 갖는 1차원 LOE를 예시한다;
도 5a 및 5b는 4개의 반사 표면을 갖는 2차원 LOE를 예시한다;
도 6은 하이브리드 배열로 4개의 반사 표면을 갖는 2차원 LOE를 예시한다;
도 7은 커플링 인 배열로서 역할을 하기 위한 LOE의 부분을 형성하는 반사성 표면을 포함하는 예시적인 광학 시스템을 예시한다;
도 8은 커플링 인 배열로서 역할을 하기 위해 LOE에 인접하게 배치된 반사성 표면을 포함하는 예시적인 광학 시스템을 예시한다;
도 9는 커플링 인된 이미지를 순차적으로 변경하는 커플링 인 배열의 역할을 하기 위한 피벗(pivot) 상의 반사성 표면을 포함하는 예시적인 광학 시스템을 예시한다;
도 10은 2개의 편광 빔 스플리터를 통합한 실시예를 예시한다;
도 11은 초해상도(super resolution) 또는 교정 해상도(remedial resolution)를 위한 기술의 개략도를 예시한다.
도 12a 내지 c는 이미지 생성기가 동일한 매트릭스의 일부가 아닌 대신에 매트릭스가 매트릭스들로 분할된 실시예를 예시한다.
도 13a 내지 c는 단일 매트릭스(114)가 시간에 따라 다중화되어 이미지와 공액 이미지를 순차적으로 생성하는 실시예를 예시한다.
도 14a 내지 c는 도 13a 내지 c와 동일하지만 PBS가 2개로 분할된 실시예를 예시한다.
도 15는 LCOS 매트릭스 위에 스캐닝 레이저를 이용하는 실시예를 예시한다.
도 16a 내지 c는 이미지와 그 공액이 각도에 따라 서로 분리되고 개구 앞에 배치된 각도 선택성 거울을 포함하는 실시예를 예시한다.

본 발명의 특정 실시예는 가상 현실 디스플레이, 또는 더 바람직하게는 증강 현실 디스플레이일 수 있는 헤드업 디스플레이, 가장 바람직하게는 근안 디스플레이의 목적으로 광학 구멍 확장을 달성하기 위한 도광 광학 요소(LOE)를 포함하는 광학 시스템을 제공한다.

일반적으로 100으로 지정되고 LOE(10)를 사용하는 본 발명의 실시예의 교시에 따른 근안 디스플레이 형태의 디바이스의 예시적인 구현예가 도 1a 및 1b에 개략적으로 예시되어 있다. 근안 디스플레이(100)는 이미지를 그 안에서 이미지 광이 상호 평행한 평면 외부 표면의 세트에서 내부 반사에 의해 1차원으로 트랩되는 LOE("도파관", "기판" 또는 "슬래브"라고도 함)(10)에 주입하기 위해 광학적으로 커플링된 콤팩트 이미지 프로젝터(또는 "POD")(114)를 사용한다.

광학 구멍 확장은 이미지 조명을 점진적으로 재지향시키기 위한, 일반적으로 서로 평행하고 이미지 광의 전파 방향에 대해 비스듬하게 기울어진 부분 반사 표면("패싯"이라고도 함)의 세트를 사용하는 하나 이상의 배열에 의해 LOE(10) 내에서 달성되며, 각각의 연속적인 패싯은 이미지 광의 일부를 편향된 방향으로 편향시킨다. 1차원 구멍 확장을 위해, 패싯은 이미지 광을 사용자의 눈을 향해 커플링 아웃한다. 일부 경우에, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 2차원 구멍 확장은 내부 반사에 의해 또한 트랩/안내되는 LOE 내에서 이미지 조명을 점진적으로 재지향시키기 위해 영역(116)의 제1 패싯 세트를 사용함으로써 달성된다. 편향된 이미지 조명은 인접한 개별 기판 또는 단일 기판의 연속으로 구현될 수 있는 제2 기판 영역(118)으로 전달되고, 여기서 커플링 아웃 배열(예를 들어, 부분 반사성 패싯의 추가 세트)은 아이 모션 박스(EMB)로 정의된 영역 내에 위치한 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 비율을 점진적으로 커플링 아웃하여, 이로써 광학 구멍의 2차원 확장이 달성된다. 영역(116 및 118) 중 하나 또는 둘 모두 내에서 이미지 조명을 재지향 및/또는 커플링 아웃하기 위해 회절 광학 요소(DOE)를 사용하여 유사한 기능을 얻을 수 있다.

전체 디바이스는 각 눈에 대해 개별적으로 구현될 수 있으며 바람직하게는 각 LOE(10)가 사용자의 대응하는 눈을 향하도록 하여 사용자의 머리에 대해 지지된다. 본 명세서에 예시된 특히 바람직한 옵션 중 하나에서, 지지 배열은 사용자의 귀에 대해 디바이스를 지지하기 위한 측(120)을 갖는 안경테(glasses frame)로서 구현된다. 머리 밴드, 바이저 또는 헬멧에 매달린 디바이스를 포함하되 이에 제한되지 않는 다른 형태의 지지 디바이스가 또한 사용될 수 있다.

LOE의 제1 영역의 일반적인 연장 방향으로 수평(도 1a) 또는 수직(도 1b)으로 연장되는 X 축 및 이에 수직으로, 즉 도 1a에서는 수직으로, 도 1b에서는 수평으로 연장되는 Y 축에 대한 도면과 청구범위가 참조되어 있다. 매우 대략적인 용어로, 제1 LOE 또는 LOE(10)의 제1 영역(116)은 X 방향으로 구멍 확장을 달성하는 반면, 제2 LOE 또는 LOE(10)의 제2 영역(118)은 Y 방향으로 구멍 확장을 달성하는 것으로 간주될 수 있다. 시야의 다양한 부분이 전파되는 각도 방향의 확산에 대한 세부 사항은 아래에서 더 정확하게 설명된다. 도 1a에 예시된 배향은 LOE의 메인(제2 영역)으로 들어가는 이미지 조명이 상단 에지로부터 들어가는 "하향식" 구현예로 간주될 수 있는 반면 도 1b에 예시된 배향은 Y축이라고 하는 축이 수평으로 배치되는"측 주입" 구현예로 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 나머지 도면에서는, 본 발명의 특정 실시예의 다양한 피쳐가 도 1a와 유사하게 "하향식" 배향의 맥락에서 예시될 것이다. 그러나 이러한 모든 피쳐는 측 주입 구현예에도 동일하게 적용 가능하며 이 역시 본 발명의 범위에 속한다는 점을 이해해야 한다. 일부 경우에는, 다른 중간 배향도 적용 가능하며 명시적으로 제외되는 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 본 명세서에 예시된 2차원 확장 실시예는 단지 예시일 뿐이지만, 본 발명은 LOE에 의해 단일 차원의 구멍 확장만이 수행되는 실시예에도 적용 가능하다.

근안 디스플레이(100)는 일반적으로 소형 온보드 배터리(미도시) 또는 일부 다른 적합한 전원으로부터 전력을 사용하는 이미지 프로젝터(114)를 작동하기 위한 제어기(122)를 포함하는 다양한 추가 컴포넌트를 포함한다는 것이 이해될 것이다. 제어기(122)는 이미지 프로젝터를 구동하기 위해 적어도 하나의 프로세서 또는 처리 회로부와 같은 필요한 모든 전자 컴포넌트를 포함한다는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 양태는 이미지 프로젝터가 시준된 이미지와 그 공액 이미지 모두를 LOE(10)에 주입하도록 배열된 이미지 공액 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터(114)의 구현예에 관한 것이다. 이미지 공액 생성기의 다양한 비제한적인 예가 도 3 내지 16을 참조하여 아래에 설명될 것이다. 따라서, 도 3을 참조하면, 관찰을 위해 이미지를 사용자를 향해 지향시키기 위한 도 1의 광학 시스템의 확대된 개략적인 부분도가 도시된다. 광학 시스템은 투명 재료로 형성되고 표면에서의 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위해 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면(11a 및 11b)을 갖는 LOE(10)를 포함한다. LOE(10)는 또한 사용자의 눈을 향해 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열(여기서는 도시되지 않고 위에서 설명된 바와 같이 도 1의 영역(118)의) 및 이 경우 LOE(10)의 측 에지로 도시되는 커플링-인 구멍(15)을 갖는다.

이미지-공액 쌍을 생성하기 위해 LOE(10)와 통합된 구조에 의존하는 대신, 본 발명의 이러한 양태에 따른 이미지 프로젝터(114)는 시준된 이미지 또는 공액 이미지가 LOE(10)의 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 하나에 충돌하기 전에 이미지-공액 쌍을 생성하기 위한 이미지 공액 생성기를 포함한다.

따라서, 도 3의 예에서, 이미지 프로젝터(114)는 이미지를 생성하기 위한 이미지 생성기(32), 이미지를 시준하기 위한 시준 광학장치(31), 및 공액 이미지를 생성하는 제2 이미지 생성기(33)로 구현된 이미지 공액 생성기를 포함한다. 본 명세서에 설명된 예에서, 이미지 생성기(32 및 33)는 공통 시준 광학장치(31)를 공유한다. 이미지 프로젝터(114)는 시준된 이미지 또는 그 공액 이미지가 LOE(10)의 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 시준된 이미지 및 그 공액 이미지를 LOE(10)에 직접 도입하기 위해 커플링-인 구멍(15)에 커플링된다.

이 솔루션은 공역 이미지가 주요 외부 표면(또는 이러한 표면의 연속이고 이 목적을 위해 LOE의 주요 외부 표면의 일부로 정의된 커플링 프리즘의 표면)으로부터의 반사에 의해 LOE 자체 내에서 생성되는 도 2a 및 2b의 커플링 인 배열과 명확하게 대조된다는 점이 이해될 것이다.

두 개의 이미지 생성기(32 및 33)는 하나가 반전된 동일한 이미지를 생성하도록 구동되며, 각 필드는 두 필드로부터 동일하게 도시된다. 디바이스를 조립하는 동안, LOE 내에서 상보적인 공액 이미지로 정렬되도록 이미지 생성기의 두 이미지를 이동시키기 위해 기계적 조정이나 더 바람직하게는 이미지 표시 위치의 디지털 교정을 통해 능동 정렬을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 LOE는 이러한 채우기를 달성하기 위해 LOE를 확장할 필요 없이 LOE 전체에 걸쳐 커플링-인 구멍으로부터 기본 이미지와 그 공액으로 "채워진다".

이전 개시 내용은 공액 이미지를 생성하기 위해 주요 외부 표면과 불연속적인 적어도 하나의 반사성 표면으로서 "이미지 공액 생성기"를 구현하였다. 대신, 본 발명의 맥락에서 이미지 생성기라는 용어는 당업계에 공지된 임의의 유형의 마이크로 디스플레이 이미지 생성기를 의미한다. 적합한 예는 LCD 디스플레이와 같은 투과성 SLM 및 LCOS 디스플레이와 같은 반사성 SLM, 그리고 OLED 디스플레이와 같은 능동형 광 생성 디스플레이를 포함하는 공간 광 변조기(SLM)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 빠른 스캐닝 레이저 빔이 그 스캐닝 동작과 동기적으로 변조되는 스캐닝 이미지 생성기가 또한 본 발명에 따른 이미지 생성기로 사용될 수 있다. 이러한 시스템에서, 도 3에 도시된 광학 배열은 단일 스캐닝 거울이 평면(15)에 광학적으로 이미징되는 평면에 위치하도록 배열된다. 이미지 평면은 또한 빔 확장을 위한 마이크로 렌즈 어레이 및/또는 추가적인 이미지 해상도 향상을 위한 이미지 변조기(LCOS)를 포함할 수도 있다. 본 개시는 이미지 공액 생성기를 포함하는 공액 이미지를 생성하기 위해 하나의 이미지 생성기에 의해 투사된 이미지를 반사하는 적어도 하나의 반사성 표면과 함께 단 하나의 이미지 생성기를 포함하는 실시예를 고려하지 않는다. 대신, 본 개시는 (1) 적어도 2개의 이미지 생성기, (2) 동일한 생성기에 의해 순차적으로 생성된 2개의 이미지, 또는 (3) 2개의 이미지를 동시에 생성하는 단일 매트릭스를 포함하는 다양한 실시예를 개시한다.

예를 들어, 도 4a 및 도 4b는 단지 2개의 반사 표면(11a 및 11b)을 갖는 1차원(즉, 1축 확장) LOE(10)를 예시한다. 도 4a의 실시예는 반사성 표면(29)(예를 들어, 프리즘(14)의 하부 표면)을 사용하여 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기는 사실상 2개의 평행 빔으로 분할되는 광 빔을 생성한다. 제1 빔은 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다. 제2 광 빔은 반사 표면(29)에 의해 반사되어 개구(15)를 통해 제1 광 빔과 함께 LOE(10)에 들어가는 공액 광 빔을 생성한다. 실제로, 반사성 표면(29)은 제1 빔과 공액 빔이 각각 LOE(10)에 들어갈 수 있는 두 개의 공액 구멍(15a, 15b)을 생성한다. 그러면 제1 빔과 공액 빔은 패싯이 빔을 사용자의 눈으로 반사할 때까지 표면(11a 및 11b)에 의해 반사되는 동안 정확히 반대 각도로 전파될 수 있다. 반면, 도 4b의 실시예는 공액 이미지를 생성하기 위한 제2 이미지 생성기(33)를 포함한다. 이미지 프로젝터(114)는 광 빔을 생성하는 이미지 생성기(32)와 공액 광 빔을 생성하는 제2 이미지 생성기(33)를 포함한다. 이미지 생성기(32)로부터의 제1 빔은 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다. 공액 생성기(33)로부터의 제2 공액 광 빔은 구멍(15)을 통해 제1 광 빔과 함께 LOE(10)로 들어간다. 그러면 제1 빔과 공액 빔은 패싯이 빔을 사용자의 눈으로 반사할 때까지 표면(11a, 11b)에 의해 반사되는 동안 정확히 반대 각도로 전파될 수 있다. 이러한 방식으로 반사기(29)가 필요하지 않으며 잠재적으로 광학장치의 크기와 복잡성을 줄일 수 있다. 또한, 32와 33이 이 하나의 매트릭스 내에서 나란히 생성된 이미지인 단일 이미지 생성 매트릭스(114)를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 이미지는 서로의 거울 이미지로 생성된다(굵은 화살표로 개략적으로 설명됨).

또 다른 예에서, 도 5a 및 도 5b는 4개의 반사 표면(11a 내지 11d)을 갖는, 미국 특허 번호 10,564,417로 공개된, 미국 특허 출원 번호 16/172,897에 개시된 바와 같은 2차원 LOE(10)(와류 도광 광학 요소(VLOE))를 예시한다. VLOE는 다차원(즉, 다중 축 확장) 도광 광학 요소이다.

도 5a의 실시예는 2개의 반사성 표면(27, 29)(예를 들어 프리즘의 2개의 반사성 표면)을 사용하여 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기는 사실상 4개의 빔으로 나누어진 광 빔을 생성한다. 제1 빔은 구멍(15)을 통해 VLOE(10)로 들어간다. 제2 광 빔은 반사성 표면(27)에 의해 반사되어 개구(15)를 통해 제1 광 빔과 함께 VLOE(10)에 들어가는 공액 광 빔을 생성한다. 제3 광 빔은 반사성 표면(29)에 의해 반사되어 구멍(15)을 통해 제1 및 제2 광 빔과 함께 VLOE(10)에 들어가는 공액 광 빔을 생성한다. 제4 광 빔은 반사 표면(27, 29) 모두에 의해 반사되어 개구(15)를 통해 제1, 제2, 제3 광 빔과 함께 VLOE(10)에 들어가는 공액 광 빔을 생성한다. 실제로, 반사성 표면(27, 29)은 제1 빔과 공액 빔이 VLOE(10)에 들어갈 수 있는 4개의 공액 구멍(15a 내지 15d)을 생성한다. 그러면 4개의 빔은 패싯이 VLOE(10) 밖으로 빔을 반사할 때까지 표면(11a 내지 11d)에 의해 반사되는 동안 정확하게 반대 각도로 전파될 수 있다. 여기서 또한, 114는 이 매트릭스 내에 32개 및 33 이미지를 갖는 단일 매트릭스가 될 수 있다.

그러나 도 5b의 실시예는 공액 이미지를 생성하기 위한 제2, 제3 및 제4 이미지 생성기(33, 34, 35)를 포함한다. 이미지 프로젝터(114)는 광 빔을 생성하는 이미지 생성기(32), 공액 광 빔을 생성하는 제2 이미지 생성기(33), 또 다른 공액 광 빔을 생성하는 제3 이미지 생성기(34) 및 또 다른 공액 광 빔을 생성하는 제4 이미지 생성기(35)를 포함한다. 이미지 생성기(32)로부터의 제1 빔은 구멍(15)을 통해 VLOE(10)에 들어간다. 공액 생성기(33, 34, 35)로부터의 공액 광 빔은 제1 광 빔과 함께 구멍(15)을 통해 VLOE(10)에 들어간다. 그러면 제1 빔과 공액 빔은 패싯이 VLOE(10) 밖으로 빔을 반사할 때까지 표면(11a 내지 11d)에 의해 반사되는 동안 정확히 반대 각도로 전파될 수 있다. 이러한 방식으로, 반사기(27, 29)가 필요하지 않으며, 잠재적으로 광학장치의 크기와 복잡성을 줄인다.

따라서, 본 발명의 맥락에서 이미지 생성기라는 용어는 당업계에 공지된 임의의 유형의 마이크로디스플레이 이미지 생성기를 의미한다. 이전 개시는 공액 이미지를 생성하기 위해 주요 외부 표면과 불연속적인 적어도 하나의 반사성 표면을 사용할 수 있었지만, 대신, 본 개시는 적어도 2개의 이미지 생성기(32, 33), 본 명세서에 정의된 바와 같이, 이미지를 생성하기 위한 제1 이미지 생성기, 및 공액 이미지를 생성하기 위한 적어도 하나의 추가 생성기를 포함하는 다양한 실시예를 개시한다. 이미지와 공액 이미지의 정확한 배치와 배율은 광학 배열을 테스트할 때 전자적으로 교정되어야 한다. 따라서 광학 배치의 고정밀도가 필요하지 않다.

일 실시예에서, 이미지 생성기(32, 33 등)는 서로 다른 편광에서 이미지와 공액 이미지(들)를 투사하여(예를 들어, 모든 매트릭스에서 서로 다른 파장플레이트를 사용하여), 이에 따라 LOE(10)에서 혼합된 편광을 생성할 수 있다. LOE(10)의 이러한 편광의 혼합은 LOE(10) 내의 광학 요소에 의해 도입될 수 있는 카운터 편광(counter polarization)으로 탈편광(depolarization)을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 탈편광은 광학 시스템에 적어도 하나의 능동 또는 수동 탈편광기를 도입함으로써 달성될 수도 있다.

적어도 2개의 이미지 생성기(32, 33)를 포함하는 이러한 실시예는 반사 표면과 더 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 공액 이미지를 생성하기 위해 반사성 표면(29)과 제2 이미지 생성기(33)를 모두 사용하는 하이브리드 실시예를 예시한다. 도 6은 4개의 반사 표면(11a 내지 11d)을 갖는 2차원 VLOE(10)를 예시한다. 프로젝터(114)는 별도의 생성기(32, 33)를 사용하여 광 빔과 그 공액 광 빔을 생성한다. 제1 빔과 그 공액(32, 33)은 구멍(15)을 통해 VLOE(10)로 들어간다. 제1 빔과 그 공액 광 빔은 반사성 표면(29)에 의해 반사되어 구멍(15)을 통해 VLOE(10)에 들어가는 공액 광 빔을 생성한다. 실제로, 반사성 표면(29)은 두 개의 구멍을 생성한다: 생성된 제1 빔과 공액 빔이 각각 VLOE(10)로 들어갈 수 있는 구멍(15a) 및 반사된 공액 빔이 VLOE(10)로 들어갈 수 있는 구멍(15b). 그러면 제1 빔과 공액 빔은 패싯이 VLOE(10) 밖으로 빔을 반사할 때까지 표면(11a 내지 11d)에 의해 반사되는 동안 정확히 반대 각도로 전파될 수 있다. 따라서 VLOE(10)로의 이미지 커플링은 도 6에 도시된 대로 광학 및 디지털 이미지 증배의 하이브리드 조합에 의해 달성될 수 있다. 적절한 접근법은 LOE(10)에서 전파되는 이미지의 각도에 따라 달라진다. 일반적으로 항상 그런 것은 아니지만 가파른 각도의 경우, 이미지 광학(즉, 반사성) 증배가 바람직할 수 있는 반면, 얕은 전파 이미지의 경우 디지털(즉, 제2 이미지 생성기) 증배가 바람직할 수 있다.

도 3으로 돌아가서, 2개의 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향으로부터의 투사 이미지를 예시한다. 즉, 2개의 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10)의 길이방향 중심 축 을 기준으로 서로 대칭으로 배치되고, 주요 외부 표면(11a, 11b)에 직교하는 평면 상에 배치된다. 그러나 이 토폴로지(LOE(10) 바로 앞 방향에서 이미지 투사)는 많은 근안 디스플레이 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있다. 대신, 본 개시는 LOE(10) 바로 앞이 아닌 방향으로부터 이미지를 투사하도록 이미지 생성기가 배치되는 실시예를 개시한다. 도 7 내지 15는 그러한 실시예의 예를 도시한다.

도 7은 기본 이미지와 그 공액 이미지를 LOE(10)에 커플링 인하기 위해 LOE(10) 내의 반사 표면(25)(즉, 측 커플링)을 활용하는 실시예를 예시한다. 소스(20)(예를 들어, 레이저 스캐너, LED 등)에서 나온 빛은 광학장치(22)(예를 들어, 렌즈, 광파이프 등)에 의해 수집되어 이미지 생성기(32)와 공액 이미지 생성기(33)(예를 들어, LCOS, DLP 등)를 조명한다. 일부 실시예에서, 이미지 생성기(32, 33)(예를 들어, LCOS, LCD 등)는 소스(20) 또는 광학장치(22) 없이 자체 조명(예를 들어, OLED, 마이크로 LED 등)을 생성할 수 있다. 생성기(32, 33)는 소스가 시준된 레이저인 경우 스캐닝 거울 및 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 대응할 수도 있다. 예시된 실시예에서, 소스 생성기(32, 33)로부터의 광은 시준 광학장치(31)에 의해 시준되고 LOE(10)에 주입된다.

따라서, 도 7의 예는 이미지를 생성하기 위한 이미지 생성기(32), 공액 이미지를 생성하기 위한 이미지 공액 생성기(33), 및 이미지를 시준하기 위한 시준 광학장치(31)를 포함한다. 본 명세서에 설명된 예에서, 이미지 생성기(32 및 33)는 공통 시준 광학장치(31)를 공유한다. 이미지 생성기(32, 33)로부터의 광은 LOE(10)에 커플링 인되어 시준된 이미지와 그 공액 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 하나에 충돌하기 전에 시준된 이미지와 그 공액 이미지를 LOE(10)에 직접 도입한다. 그러면 제1 빔과 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 표면(11a, 11b)에 의해 반사되면서 반대 각도로 전파될 수 있다. LOE(10)는 유전체 또는 금속 코팅을 갖는 반사 표면(25)을 내부에 내장하고 있다. 이 구성에서 입사 동공(entrance pupil)은 반사 표면(25)에 의해 정의된다. 이 구성에서, 광학장치(31)와 LOE(10)의 상부 표면(11a) 사이의 간격은 LOE(10) 내의 반사성(reflectivity)을 보존하도록 설정된다. LOE(10) 내의 반사성은 내부 전반사 또는 코팅에 의해 달성될 수 있다. 도 7에서 쉽게 알 수 있듯이, 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

도 8은 도 7의 구현예와 유사하지만 기본 이미지와 그 공액 이미지를 LOE(10)에 커플링 인하기 위해 거울(44)을 활용하는 구현예를 예시한다. 소스(20)으로부터의 광은 광학장치(22)에 의해 수집되어 이미지 생성기(32) 및 공액 이미지 생성기(33)를 조명한다. 일부 실시예에서, 이미지 생성기(32, 33)는 소스(20) 또는 광학장치(22) 없이 자체 조명을 생성할 수 있다. 소스 생성기(32, 33)로부터의 광은 시준 광학장치(31)에 의해 시준되고, 거울(44)은 구멍(15)을 통해 LOE(10)에 주입될 광을 반사한다. 거울(44)은 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 기본 이미지와 공액 이미지를 LOE(10)에 도입하기 위해 적절한 각도로 설정된다. 시준된 빔과 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 표면(11a, 11b)에 의해 반사되는 동안 반대 각도로 전파될 수 있다. 도 8로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

도 9는 도 7 및 도 8과 유사하지만 피벗(45)에 경사 거울(tilting mirror)(44)을 활용하는 구현예를 도시한다. 거울(44)은 이미지 생성기(32, 33)와 협력하여 적절한 레이트(예를 들어, 초당 30회, 초당 60회, 초당 120회 등)로 두 각도 사이에서 피벗하도록 만들어질 수 있어서, 이에 의해 이미지 생성기(32, 33)로부터의 광 빔의 순차적인 커플링 인이 가능해진다. 이러한 접근법은 언제든지 이미지 또는 공액 이미지 중 하나만 투과해야 하는 광학장치(31)의 크기를 크게 줄일 수 있다.

이미지 생성기(32)는 구멍(15)을 통한 이미지 삽입을 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 이미지를 생성한다. 이미지 생성기(32)로부터의 광은 시준된 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 하나에 충돌하기 전에 시준된 이미지를 LOE(10)에 도입하기 위해 LOE(10)에 커플링 인된다. 그 후, 피벗 거울(44)은 구멍(15)를 통한 공액 이미지의 삽입을 위한 적절한 각도로 피벗된다. 이미지 생성기(33)는 구멍(15)을 통한 공액 이미지의 삽입을 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기(33)로부터의 광은 LOE(10)에 커플링 인되어 공액 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 LOE(10)에 도입된다. 시준된 이미지와 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 표면(11a, 11b)에 의해 반사되는 동안 반대 각도로 전파될 수 있다. 피벗 거울(44)이 충분히 높은 레이트로 피벗되는 경우, 관찰자는 도 7 및 도 8의 시스템에 의해 출력된 것과 유사한 패싯(56)에 의해 출력된 결과 이미지를 인지할 것이다.

대안적인 실시예에서, 예시된 개념은 LOE(10)에 주입될 4개 이상의 공액 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이미지 생성기(32)는 구멍(15)을 통한 이미지 삽입을 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 이미지를 생성할 수 있다. 이미지 생성기(32)로부터의 광은 시준된 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 하나에 충돌하기 전에 시준된 이미지를 LOE(10)에 도입하기 위해 LOE(10)에 커플링 인된다. 그 후, 피벗 거울(44)은 구멍(15)을 통한 제1 공액 이미지의 삽입을 위한 적절한 각도로 피벗된다. 이미지 생성기(33)는 구멍(15)을 통해 제1 공액 이미지를 삽입하기 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 제1 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기(33)로부터의 광은 LOE(10)에 커플링 인되어 제1 공액 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 LOE(10)에 도입된다. 그 후, 피벗 거울(44)은 구멍(15)을 통해 제2 공액 이미지의 삽입을 위한 적절한 각도로 피벗된다. 이미지 생성기(32)는 구멍(15)을 통해 제2 공액 이미지를 삽입하기 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 제2 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기(32)로부터의 광은 LOE(10)에 커플링 인되어 제2 공액 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 LOE(10)에 도입된다. 그 후, 회전 거울(44)은 구멍(15)을 통해 제3 공액 이미지를 삽입하기 위한 적절한 각도로 피벗된다. 이미지 생성기(33)는 구멍(15)을 통해 제3 공액 이미지를 삽입하기 위한 적절한 각도로 설정된 피벗 거울(44)과 협력하여 제3 공액 이미지를 생성한다. 이미지 생성기(33)로부터의 광은 LOE(10)에 커플링 인되어 제3 공액 이미지가 주요 외부 표면(11a 및 11b) 중 어느 하나에 충돌하기 전에 LOE(10)에 제3 공액 이미지를 도입한다. 시준된 이미지와 공액 이미지는 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 LOE(예를 들어, VLOE)를 따라 전파될 수 있다.

도 9에서 쉽게 알 수 있듯이, 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다. 또한 하나의 이미지 생성기(32)(33이 아님)만 사용하는 것도 가능할 수 있으며 스캐닝 거울은 두 배향 사이에서 플립되는 반면 이미지 생성기는 두 개의 거울 이미지 사이에서 플립된다.

도 10은 (미국 특허 출원 번호 12/092,818, 미국 특허 제9,551,880호로 공개됨) 편광 빔 스플리터(PBS)를 활용하는 구현예를 예시한다. 도 10의 실시예에서는 두 개의 인접한 PBS(51, 53)가 사용된다. 제1 PBS(51)는 소스(20)(예를 들어, LED 또는 스캐닝 레이저 거울), 재포커싱 반사성 렌즈(55) 및 이미지 생성 매트릭스(114) 사이에 배치된다. 제2 PBS(53)는 매트릭스(114)와 시준 반사 렌즈(57) 사이에 배치된다. 여기서, 매트릭스(114)는 도 5b의 실시예와 유사하게 다중 이미지(기본 이미지 및 하나 이상의 공액 이미지)를 생성한다. 도 10에서는 단지 2개의 이미지 생성기(32, 33)만 볼 수 있지만, 추가 이미지 생성기가 축을 따라 페이지에 배치될 수도 있다.

실제로, 소스(20)로부터의 p-편광 광은 PBS(51)를 통해 투과되어 들어오는 빔을 반사하고 변환하는 재포커싱 반사성 렌즈(55)에 충돌한다. 이제 s-편광된 반사 빔은 PBS(51)와 PBS(53)에서 반사되어 이미지 생성기 매트릭스(32)와 공액 이미지 생성기 매트릭스(33)를 조명한다. 일부 실시예에서, 이미지 생성기 매트릭스(32, 33)는 소스(20) 없이 자체 조명을 생성할 수 있다. 이제 p-편광된, 소스 생성기 매트릭스(32, 33)로부터의 광은 PBS(53)를 통해 투과되고 시준 반사 렌즈(57)에 의해 시준 및 반사된다. 마지막으로, 이제 s-편광된, 반사 빔은 PBS(53)에서 반사되어 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다. 시준된 빔과 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 LOE(10)를 따라 표면에 의해 반사되는 동안 반대 각도로 전파될 수 있다. 도 10에서 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

도 11은 본 명세서에 개시된 실시예 중 일부, 특히 2차원 LOE(10)(VLOE)를 활용하는 실시예와 함께 잠재적으로 사용될 이미지 처리 흐름의 개략적인 설명을 예시한다. 고해상도 원본 이미지(30)를 서브 이미지(32, 33, 34, 35 등)로 분할하는 매트릭스(114)와 연관된 해상도 손실을 최소화 및/또는 상쇄하기 위해, 모든 서브 이미지는 원본 고해상도 원본 이미지(30)로부터 직접 보간될 수 있다. 서브 이미지(32, 33, 34, 35 등)는 함께 이미지(30)를 나타내기 때문에 서로 약간의 중복이 있을 수 있다. 결과적으로, 패싯(56)에 의해 출력된 최종 이미지의 서브픽셀 해상도는 눈에 투사된 모든 빔을 조합할 때 관찰자가 인지하는 바와 같이 달성될 수 있다. 이는 본 출원에서 고해상도 원본 이미지(30)를 서브 이미지(32, 33, 34, 35 등)로 분할하는 것과 관련된 해상도 손실을 최소화 및/또는 상쇄하는 초해상도의 한 형태이다.

도 12a 내지 c는 본 발명의 기술의 또 다른 구현예를 도시한다. 도 12a 내지 c는 이미지 생성기(32, 33)가 동일한 매트릭스(114)의 일부가 아니고 대신에 매트릭스(114)가 매트릭스(114a 및 114b)로 분할된 실시예를 예시한다. 이미지 생성기(32)는 제1 매트릭스(114a)의 일부를 형성하는 반면, 공액 생성기는 제2 매트릭스(114b)의 일부를 형성한다. 2개의 매트릭스(114a, 114b)는 이전 실시예에서 설명한 단일 매트릭스(114)보다 작다. 이러한 크기 감소와 제1 및 제2 매트릭스(114a, 114b)를 서로 독립적으로 배치할 수 있는 유연성은 상당한 설계 이점을 제공한다.

도 12a 내지 c에서, 제1 이미지 생성기(32)에 대응하는 광은 실선 화살표로 도시되고, 공액 이미지 생성기(33)에 대응하는 광은 점선 화살표로 도시된다. 도 12a 내지 c의 구성에서 광학 프리즘(114a 및 114b)과 LCOS 매트릭스(32, 33)는 기울어져 있고 시준 반사 렌즈(57 및 58)도 기울어져 있다. 모든 빔이 광학장치(57, 58) 및 프리즘(114a, 114b)과 거의 수직으로 상호 작용하기 때문에 이러한 기울기는 도시된 실시예가 좋은 품질을 유지하면서 작은 광학 배열에 모든 빔을 포함할 수 있게 한다. 인접한 두 개의 PBS(51, 53)가 사용된다. 제1 PBS(51)는 광 소스(20)(예를 들어, LED 또는 스캐닝 레이저 거울)과 이미지 생성 프리즘(114a, 114b) 사이에 배치된다. 제2 PBS(53)는 프리즘(114a, 114b)과 시준 반사 렌즈(57, 58) 사이에 배치된다.

도 12b는 주 이미지인 이미지 생성기(32)와 연관된 광선 차트를 예시하고, 도 12c는 공액 이미지인 공액 이미지 생성기(33)와 연관된 광선 차트를 예시한다. 실제로, 소스(20)로부터의 p-편광 광은 PBS(51)를 통해 매트릭스(114a)로 투과되어 이미지 생성기(32)를 조명한다. 이미지 생성기(32)에 의해 생성된 이미지는 s-편광되므로 PBS(51) 및 PBS(53)에서 반사되어 시준 반사 렌즈(57)에 도달한다. 이제 p-편광된, 렌즈(57)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(53)를 통해 투과되어 구멍(15)을 통해 LOE(10)(LOE(10)의 일부만 도시됨)에 들어간다. 동시에, 광원(20)으로부터의 s-편광 광은 PBS(51)에서 매트릭스(114b)로 반사되어 공액 이미지 생성기(33)를 조명한다. 공역 이미지 생성기(33)에 의해 생성된 이미지는 p-편광되어 PBS(51)와 PBS(53)를 거쳐 시준 반사성 렌즈(58)로 투과된다. 이제 s-편광된, 렌즈(58)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(53)에서 반사되어 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다.

시준된 빔과 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 LOE(10)를 따라 표면에 의해 반사되는 동안 반대 각도로 전파될 수 있다. 도 12a 내지 c에서 쉽게 알 수 있듯이, 이미지 생성기(32, 33)는 LOE(10) 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

도 13a 내지 c는 단일 매트릭스(114)가 시간에 따라 다중화되어 이미지와 공액 이미지를 순차적으로 생성하는 본 발명의 실시예를 예시한다. 인접한 두 개의 PBS(51, 53)가 사용된다. 제1 PBS(51)는 광원(20)(예를 들어, LED 또는 스캐닝 레이저 거울)과 이미지 생성 매트릭스(114) 사이, 그리고 이미지 생성 매트릭스(114)와 액정 스위치(60) 사이에 배치된다. 제2 PBS(53)는 액정 스위치(60)와 시준 반사성 렌즈(57, 58) 사이에 배치된다. 도 13a 내지 c의 구성에서 시준 반사 렌즈(57 및 58)는 기울어져 있다. 이러한 기울기는 모든 빔이 광학장치(57, 58) 및 매트릭스(114)와 거의 수직으로 상호 작용하기 때문에 예시된 실시예가 좋은 품질을 유지하면서 작은 광학 배열에 모든 빔을 포함할 수 있게 한다.

도 13b는 주 이미지를 생성할 때 이미지 생성기(32/33)와 연관된 광선 차트를 예시하는 반면, 도 13c는 공액 이미지를 생성할 때 이미지 생성기(32/33)와 연관된 광선 차트를 예시한다.

주 이미지를 투과시키기 위해서는(도 13a 및 도 13b), 소스(20)(큰 화살표)으로부터의 p-편광 광은 PBS(51)를 통해 매트릭스(114)로 투과되어 이미지 생성기(32)를 조명한다. 이미지 생성기(32)에 의해 생성된 주 이미지(실선 화살표)는 s-편광되어, 따라서 PBS(51)에서 스위치(60) 쪽으로 반사된다. 주 이미지 케이스에서, 크리스탈 스위치(60)는 편광(s-편광)을 유지하므로 광(실선 화살표)은 PBS(53)에서 시준 반사성 렌즈(57)로 반사된다. 이제 p-편광된(절단 화살표), 렌즈(57)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(53)를 통해 투과되어 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다. 그 후, 공액 이미지(도 13a 및 13c)를 투과시키기 위해 소스(20)로부터의 p-편광된 광(큰 화살표)이 PBS(51)를 통해 매트릭스(114)로 투과되어 이미지 생성기(33)를 조명한다. 이미지 생성기(33)에 의해 생성된 공액 이미지(실선 화살표)는 s-편광되어, 따라서 PBS(51)에서 스위치(60) 쪽으로 반사된다. 공액 케이스에서, 크리스탈 스위치(60)는 광의 편광(이제 p-편광)을 회전시키므로 광(절단 화살표)은 PBS(53)를 통해 시준 반사성 렌즈(58)로 투과된다. 이제 s-편광된(실선 화살표), 렌즈(58)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(53)에서 반사되어 구멍(15)을 통해 LOE(10)로 들어간다. 두 구성(스위치(60)와 매트릭스(14)의 적절한 이미지) 사이의 빠른 스위칭에 의해 LOE(10)에 대한 조명은 마치 이미지이자 공액 이미지인 것처럼 인식될 것이다.

시준된 빔과 공액 빔은 패싯(56)이 LOE(10) 외부로 빔을 반사할 때까지 LOE(10)를 따라 표면에 의해 반사되는 동안 반대 각도로 전파될 수 있다. 도 13a 내지 c로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이미지 생성기(32/33)는 LOE(10)의 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

도 14a 내지 c는 도 13a 내지 c와 동등한 실시예를 예시하지만 여기서 PBS(53)는 두 개(53a 및 53b)로 분할된다. 주 이미지 빔이 53a에 의해 반사되고 공액 이미지 빔이 53b에 의해 반사된다는 점을 제외하면 동작은 위에 설명된 도 13a 내지 c의 동작과 동일하다. 결과적으로, 두 대안에 대한 매트릭스(114) 상의 조명은 중첩된다. 본 실시예에 따르면, 분할 PBS(53a, 53b)를 2-매트릭스 구성(114a 및 114b)(도 12a 내지 c 참조)에 구현하여 주 이미지와 공액 이미지에 대해 동일한 조명 배향을 달성하는 것이 가능하며, 이로써 조명 커플링 효율이 향상된다.

도 14a 내지 c로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 이미지 생성기(32/33)는 LOE(10)의 바로 앞 방향이 아닌 측 방향으로부터 이미지를 투사하도록 배치된다.

위의 모든 실시예에서, 예를 들어 LCD(광 경로를 통한 직접) 또는 DLP(비-PBS 프리즘)와 같이 PBS를 필요로 하지 않는 다른 유형의 매트릭스가 사용될 수 있다.

도 15는 LCOS 매트릭스(114) 위에 스캐닝 레이저(10)를 이용하는 실시예를 예시한다. 이러한 구성은 고해상도(LCOS(114)의 큰 픽셀 수를 특징으로 함)로 높은 광 커플링 효율을 달성할 수 있다. 예시된 실시예에서는 명료함을 위해 주 이미지 광선만이 도시되어 있다. 2개의 레이저(70)에 의해 2개의 빔이 생성된다. 빔은 거울 스캐너(80)를 통해 렌즈(22)에 의해 포커싱되고 PBS(51)에 의해 매트릭스(114) 상으로 반사된다. 2개의 빔은 매트릭스(114) 상에 2개의 이미지를 생성하는 반면, 매트릭스(114)는 이미지 해상도를 더욱 향상시키기 위해 변조된다. 두 개의 빔은 PBS(51)를 통해 투과되고 반사성 렌즈(55)에 의해 재포커싱되고 PBS(51)에 의해 확산기 또는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)(44)로 반사된다. MLA(44)는 모든 빔의 발산을 증가시켜 빔이 LOE(10)의 구멍(15)을 채운다. 시준 광학장치(31)는 LOE(10)에 주입되기 전에 빔을 시준한다.

도시된 바와 같이 주 이미지와 공액 이미지를 생성하기 위해 두 개의 빔을 사용하는 것은 다음과 같은 상당한 이점을 갖는다: 1) 스캐닝 속도가 증가하여 깜박임 인식이 최소화되고, 2) 두 개의 빔을 사용하면 실제 구멍 크기가 줄어들어 넓은 발산 MLA 44의 필요성이 줄어든다. 극단적인 경우(작은 구멍(15) 또는 큰 초기 빔)에는 MLA 44가 필요하지 않을 수도 있다.

도 15의 구성은 LED로 LCOS(114)를 조명할 때 사용될 수 있다. 또한, 이 구성은 위에서 설명한 대로 순차적인 단일 이미지 생성과 함께 사용될 수 있다.

이미지와 그 공액이 각도에 따라 서로 분리되는 시스템에 대한 또 다른 솔루션이 도 16a 내지 c에 예시되어 있다. 도 16a는 주 이미지와 공액 이미지를 모두 포함하는 광선 차트를 예시한다. 도 16b 및 16c는 주 이미지와 공액 이미지를 각각 독립적으로 도시하는 광선 차트를 예시한다. 도 16a 내지 c의 시스템은 구멍(15) 앞에 배치된 각도 선택성 거울(82)을 포함한다. 거울(82)은 특정 각도(예를 들어, 얕은 각도)로 전파되는 이미지의 빔을 반사하면서 다른 각도(예를 들어, 가파른 각도)로 전파되는 빔에는 투명하도록 설계된 코팅을 가질 수 있다. 이러한 코팅은 WO2005/024491로 공개된 국제 출원 번호 PCT/IL2004/000813 및 WO2016/103251로 공개된 국제 출원 번호 PCT/IL2015/051222에 설계 및 도시되어 있다.

동작 시, 이미지 생성기(32)(예를 들어, SLM)는 주 이미지(도 16B)를 생성한다. s-편광된 이미지는 PBS(51)에서 시준 반사성 렌즈(57)로 반사된다. 이제 p-편광된, 렌즈(57)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(51)를 통해 각도 선택성 거울(82)(각도가 매우 가파르고 거의 수직이기 때문에)을 거쳐 거울(44)로 투과되며, 이는 각도 선택성 거울(82)을 향해 빛을 다시 반사한다. 이번에는, 빛이 각도 선택성 거울(82)에 얕은 각도로 도달하므로 구멍(15)을 향해 반사된다. 동시에, 이미지 생성기(33)(예를 들어, SLM)는 공액 이미지를 생성한다(도 16c). s-편광된 이미지는 PBS(51)에서 시준 반사성 렌즈(57)로 반사된다. 이제 p-편광된, 렌즈(57)로부터 반사된 시준된 광은 PBS(51)를 통해 각도 선택성 거울(82)(각도가 매우 가파르고 거의 수직이기 때문에)을 거쳐 구멍(15)으로 투과된다. 동시에, 이미지 생성기(33)는 공액 이미지(도 16c)를 생성한다. 따라서, LCOS(114)에서 두 이미지는 가까운 섹션을 차지하게 되며 LCOS(114)의 전체 영역이 줄어들 수 있다.

정의

다음은 본 명세서에 사용된 선택된 용어의 정의를 포함한다. 정의는 용어의 범위에 속하고 구현예에 사용될 수 있는 컴포넌트의 다양한 예나 형태를 포함한다. 예시는 제한하려는 의도가 아니다. 정의는 단수형과 복수형의 용어를 모두 포함할 수 있다.

"동작가능한 연결", 또는 개체가 "동작가능하게 연결된" 연결은 신호, 물리적 통신 또는 논리적 통신이 발송되거나 수신될 수 있는 것이다. 전형적으로, 동작가능한 연결은 물리적 인터페이스, 전기 인터페이스 또는 데이터 인터페이스를 포함하지만, 동작가능한 연결은 이들 또는 동작가능한 제어를 허용하기에 충분한 다른 유형의 연결의 서로 다른 조합을 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 두 개체는 직접적으로 또는 프로세서, 운영 체제, 로직, 소프트웨어 또는 기타 개체와 같은 하나 이상의 중간 개체를 통해 신호를 전달할 수 있음으로써 동작가능하게 연결될 수 있다. 논리적 또는 물리적 통신 채널을 사용하여 동작가능한 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 모두"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 설명함으로써 설명되었고 예시가 상당히 상세하게 설명되었지만, 출원인의 의도는 그러한 세부사항으로 제한하거나 어떤 방식으로든 범위를 제한하려는 것이 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 (18)

1. 관찰을 위해 사용자를 향해 이미지를 지향시키는 광학 시스템(optical system)에 있어서, 상기 광학 시스템은:
   (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, 상기 LOE는 상기 사용자의 눈을 향해 상기 이미지를 커플링 아웃(coupling out)하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, 상기 LOE는 커플링 인 배열을 가짐-;
   (b) 이미지를 생성하는 이미지 생성기 및 상기 이미지의 공액 이미지(conjugate image)를 생성하는 이미지 공액 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터(image projector)를 포함하고, 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 및 상기 공액 이미지가 상기 적어도 제1 및 제2 주요 외부 표면 중 하나에 충돌하기 전에 상기 커플링 인 구멍에 상기 이미지와 그 공액 이미지를 도입하기 위해 상기 커플링 인 구멍에 커플링되고, 상기 이미지 생성기 및 상기 이미지 공액 생성기는 상기 LOE(10) 바로 앞이 아닌 방향으로부터 각각 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 투사하도록 배치되는, 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 LOE는 상기 이미지 프로젝터로부터의 광이 상기 제1 주요 외부 표면의 측 또는 상기 제2 주요 외부 표면의 측으로부터 상기 LOE에 커플링되도록 상기 제1 및 제2 주요 외부 표면에 비스듬하게 배치된 커플링-인 반사기를 더 포함하는, 광학 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 시스템은:
   상기 제1 및 제2 주요 외부 표면에 비스듬하게 배치된 커플링-인 반사기; 및
   상기 커플링-인 반사기에 동작가능하게 연결되고, 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 생성하는 상기 이미지 생성기 및 상기 이미지 공액 생성기와 협력하여 상기 커플링-인 반사기를 순차적으로 피벗시키도록 구성된 피벗(pivot)을 포함하는, 광학 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   2개 이상의 인접한 편광 빔 스플리터(PBS), 제1 PBS 및 제2 PBS;
   상기 빔 스플리터에 동작가능하게 연결된 2개 이상의 재포커싱 반사성 렌즈(refocusing reflective lens);
   상기 제1 PBS의 제1 측에 배치되고, 방출된 편광된 광 빔이 제1 PBS를 통해 투과되어 상기 재포커싱 반사성 렌즈에 충돌하도록 제1 편광의 편광된 광 빔을 방출하도록 구성된 광 소스를 포함하고, 반사된 빔이 상기 제1 PBS에서 반사되어 상기 제2 PBS를 향하도록 상기 재포커싱 반사성 렌즈는 들어오는 빔의 편광을 반사하고 회전시키고, 상기 반사된 빔은 상기 제2 PBS에서 상기 이미지 프로젝터로 반사되어 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기를 조명하며, 상기 투사된 이미지와 상기 공액 이미지는 상기 제2 PBS를 통해 투과되어 상기 제2 재포커싱 반사성 렌즈에 충돌하고, 상기 재포커싱 반사성 렌즈는 들어오는 광선의 편광을 반사하고 회전시켜 상기 반사된 광 빔이 상기 제2 PBS에서 LOE로 반사되도록 하는, 광학 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 생성기와 적어도 3개의 공액 이미지 생성기를 포함하는, 광학 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 시스템은 고해상도 원본 이미지를 저해상도 서브 이미지로 보간하여 상기 이미지 및 상기 공액 이미지로 생성하는, 광학 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 이미지 생성기, 공액 이미지 생성기, 및 하나 이상의 추가적인 공액 이미지를 생성하기 위해 상기 주요 외부 표면과 불연속적인 적어도 하나의 반사성 표면을 포함하는, 광학 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기는 하나의 단일 매트릭스의 일부가 아니라 대신에 서로 다른 위치나 배향에 배치되어 서로 다른 방향으로 광을 투사하는, 광학 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   커플링 인 배열 앞에 배치되고 특정 각도로 전파되는 이미지의 빔을 반사하면서 다른 각도로 전파되는 빔을 투명하도록 구성된 각도 선택성 거울(angularly selective mirror)을 포함하고,
   상기 이미지 생성기는 PBS에서 시준 반사 렌즈로 반사되고 상기 각도 선택 거울을 통해 상기 이미지를 각도 선택성 거울로 다시 반사하여 상기 커플링 인 배열을 향해 반사되도록 하는 거울로 반사되도록 제1 편광으로 편광된 이미지를 생성하는, 광학 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기는 매트릭스와 조합된 제1 레이저 및 제2 레이저에 대응하는, 광학 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기는 매트릭스와 조합된 제1 레이저 및 제2 레이저에 대응하고; 상기 제1 레이저는 상기 이미지를 조명하고 상기 제2 레이저는 상기 공액 이미지를 조명하고 이미지 빔은 렌즈에 의해 포커싱된 후 거울 스캐너를 통해 PBS에 의해 매트릭스에 반사되고, 상기 매트릭스에서 다시 상기 PBS를 거쳐 반사성 렌즈에 의해 재포커싱되고 상기 PBS에 의해 확산기 또는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 반사되는, 광학 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기는 기울어지거나 서로에 대해 각도를 이루는, 광학 시스템.
13. 제12항에 있어서, 하나 이상의 시준 반사 렌즈를 포함하고, 상기 이미지 생성기와 상기 공액 이미지 생성기는 서로에 대해 그리고 상기 시준 반사 렌즈에 대해 기울어지거나 각도를 이루는, 광학 시스템.
14. 관찰을 위해 사용자를 향해 이미지를 지향시키는 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 시스템은:
    (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, 상기 LOE는 상기 사용자의 눈을 향해 상기 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, 상기 LOE는 커플링 인 배열을 가짐-;
    (b) 순차적으로 이미지 및 상기 이미지의 공액 이미지를 생성하도록 구성된 이미지 생성기를 포함하는 이미지 프로젝터를 포함하고 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 및 상기 공액 이미지가 상기 적어도 제1 및 제2 주요 외부 표면 중 하나에 충돌하기 전에 상기 커플링 인 구멍에 상기 이미지와 그 공액 이미지를 도입하기 위해 상기 커플링 인 구멍에 커플링되고, 상기 이미지 생성기는 상기 LOE 바로 앞이 아닌 방향으로부터 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 투사하도록 배치되는, 광학 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 이미지가 생성될 때 스위치가 편광을 회전시키지 않고 상기 공액 이미지가 생성될 때 편광을 회전시키거나 그 반대가 되도록 상기 이미지 프로젝터와 협력하여 작동하도록 구성된 액정 편광 스위치를 포함하는, 광학 시스템.
16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 주요 외부 표면에 비스듬하게 배치된 커플링-인 반사기; 및
    상기 커플링 인 반사기에 동작가능하게 연결되고, 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 생성하는 상기 이미지 생성기 및 상기 이미지 공액 생성기와 협력하여 상기 커플링-인 반사기를 순차적으로 피벗시키도록 구성된 피벗을 포함하는, 광학 시스템.
17. 관찰을 위해 사용자를 향해 이미지를 지향시키는 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 시스템은:
    (a) 투명 재료로 형성되고, 제1 및 제2 주요 외부 표면에서 내부 반사에 의한 이미지의 전파를 지원하기 위한 적어도 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면을 갖는 도광 광학 요소(LOE)-여기서, 상기 LOE는 상기 사용자의 눈을 향해 상기 이미지를 커플링 아웃하기 위한 커플링 아웃 배열을 가지며, 상기 LOE는 커플링 인 배열을 가짐-;
    (b) 이미지 및 상기 이미지의 공액 이미지를 생성하기 위한 이미지 프로젝터를 포함하고, 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지 및 상기 공액 이미지가 상기 적어도 제1 및 제2 주요 외부 표면 중 하나에 충돌하기 전에 상기 커플링 인 구멍에 상기 이미지와 그 공액 이미지를 도입하기 위해 상기 커플링 인 구멍에 커플링되고, 상기 이미지 프로젝터는 상기 LOE(10) 바로 앞이 아닌 방향으로부터 각각 상기 이미지 및 상기 공액 이미지를 투사하도록 배치되는, 광학 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 2개의 거울 이미지를 나란히 생성하는 단일 LCOS(liquid crystal on silicon) 매트릭스인, 광학 시스템.