KR20240134388A - 머리-장착 디스플레이 시스템들에 대한 콤팩트한 광학부 - Google Patents

Abstract

예를 들어, 라미네이션 또는 적절한 광학적으로 투명한 접착제를 통해 디스플레이에 결합된 회절 광학 요소를 포함하는 머리-장착 디스플레이(head-mounted display; HMD) 시스템의 광학 시스템. 광학 시스템은, 회절 광학 요소와 함께, 디스플레이 시스템으로부터의 광을 머리 장착 디스플레이 시스템의 사용자의 눈으로 포커싱하는 반사굴절 또는 "팬케이크" 구성을 형성하는 반사 편광기 및 1/4-파장 플레이트를 포함할 수 있다.

Description

머리-장착 디스플레이 시스템들에 대한 콤팩트한 광학부

본 개시는 전반적으로 광학 시스템들에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 머리-장착 디스플레이 시스템들과 함께 사용하기 위한 광학 시스템들에 관한 것이다.

근안(Near-eye) 디스플레이 기술은 가상 현실(virtual reality; "VR"), 증강 현실(augmented reality; "AR"), 또는 혼합 현실(mixed reality; "MR") 시스템의 부분으로서 사용자에게 정보 및 이미지들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 근안 디스플레이는 머리-장착 디스플레이(head-mounted display; "HMD") 디바이스 또는 헤드셋에 통합될 수 있다. 이러한 근안 정보 디스플레이들이 직시형(direct-view)으로서 배향될 수 있지만, 흔히 정보 디스플레이들은 HMD 내의 하나 이상의 렌즈들과 결합된다. 렌즈 시스템들은 렌즈들, 다양한 광학 요소들, 개구 정지부(aperture stop)들, 및 다양한 구성요소들을 서로 광학적으로 정렬된 상태로 포함하기 위한 렌즈 하우징을 포함할 수 있다. 이러한 렌즈들은 VR 또는 AR 경험을 향상시킬 수 있지만, 렌즈 시스템들의 성능은, 부분적으로, 요소들 사이의 광학적 상호작용을 설명하는 시스템의 전체 설계뿐만 아니라 시스템의 요소들 각각의 설계에 의존한다.

도면들에서, 동일한 참조 번호들은 유사한 요소들 또는 행동들을 식별한다. 도면들 내에서 요소들의 크기들 및 상대적인 위치들은 반드시 축적이 맞춰져야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소들의 형상들 및 각도들이 반드시 축적이 맞춰져야 할 필요는 없으며, 이러한 요소들 중 일부는 도면 가독성을 개선하기 위하여 임의적으로 확장되고 위치될 수 있다. 추가로, 도시되는 요소들의 특정 형상들은 반드시 특정 요소들의 정확한 형상에 관한 임의의 정보를 전달하도록 의도되는 것은 아니며, 단지 도면들 내에서의 인식의 용이성을 위하여 선택될 수 있다.
도 1은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 머리-장착 디스플레이 시스템의 예시이다.
도 2는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 사용자의 눈에 대해 위치된 예시적인 HMD 시스템의 일 부분의 개략적인 단면도이다.
도 3은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 광학 시스템은 디스플레이 시스템의 표면에 결합된 회절 광학 요소를 포함한다.
도 4는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 광학 시스템은 디스플레이 시스템의 표면에 결합된 회절 광학 요소를 포함한다.
도 5는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 광학 시스템은 디스플레이 시스템의 표면에 결합된 회절 광학 요소를 포함하고, 반사 편광기, 1/4-파장 플레이트, 1/4-파장 플레이트와 회절 광학 요소 사이에 위치된 광학적으로 투명한 구성요소를 더 포함한다.
도 6은, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 예시적인 회절 광학 요소의 위상 프로파일을 도시하는 표면 위상 맵이다.
도 7은, 하나의 비-제한적인 구현예에 따른 수평("X") 축을 따른 도 6의 회절 광학 요소의 위상의 단면을 도시하는 플롯이다.

다음의 설명에서, 어떤 특정 세부사항들이 개시된 다양한 구현예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 기술되었다. 그러나, 당업자는 구현예들이 이러한 특정 세부사항들 중 하나 이상이 없는 상태로 또는 다른 방법들, 구성 요소들, 재료들 등과 함께 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 컴퓨터 시스템들, 서버 컴퓨터들, 및/또는 통신 네트워크들과 연관된 잘 알려진 구조들은 구현예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않는다.

문맥이 달리 요구하지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "구성되는"은 "포함하는"과 동의어이며, 포괄적이고 개방적이다(즉, 추가적인, 언급되지 않은 요소들 또는 방법 행동들을 배제하지 않는다).

본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예"에 대한 이러한 설명의 언급은 구현예와 함께 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서의 문구들 "하나의 구현예에서" 또는 "일 구현예에서"의 출현이 반드시 모두 동일한 구현예를 지칭하는 것이 아니다. 추가적으로, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 구현예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "일", 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 기재하지 않는 한 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로, 문맥이 명백히 달리 기술하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다는 것을 또한 유의해야 한다.

본원에서 제공되는 본 개시내용의 표제 및 요약은 오로지 편의를 위한 것이며, 구현예들의 의미 또는 범위를 해석하지 않는다.

본 명세서에서 설명되는 다양한 예들에서, 기술들 및 아키텍처들은 HMD 디바이스의 사용자의 눈(한쪽 눈 또는 양쪽 눈)에 포커싱된 이미지를 생성하기 위해 사용될 수 있다. HMD 디바이스의 예들은 머리-장착 디스플레이(head-mounted display; "HMD") 디바이스 또는 헤드셋과 같이 사용자의 머리에 착용되거나 또는 헬멧의 부분으로서 디스플레이 디바이스를 포함할 수 있으며, HMD 디바이스의 관성 위치 또는 배향을 측정하기 위한 위치 또는 모션 센서들을 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스는 하나의 눈, 각각의 눈, 또는 양쪽 눈들 전방에 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스들은, 단지 몇가지 예를 들면, 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)들, 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode; OLED), 실리콘 위 액정(liquid crystal on silicon; LCoS) 또는 음극선관(cathode ray tube; CRT)들을 포함할 수 있다. HMD 디바이스는 가상 이미지로 지칭되논 컴퓨터-생성 이미지를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, HMD 디바이스의 프로세서는, 시청자(HMD 디바이스의 착용자)가 이하에서 설명되는 바와 같이 장면(scene)을 현실(또는 증강 현실)로서 인식할 수 있도록 합성 (가상) 장면을 렌더링하고 디스플레이할 수 있다.

일부 예들에서, LCD 디스플레이 디바이스는 몇몇 구성요소들을 포함한다. 이러한 구성요소들 중 2개는, 이미지를 생성하기 위해 입자(granular) 또는 픽셀화된 방식으로 광을 차단하는 디스플레이 매트릭스, 및 광원 또는 백라이트이다. 광원은 전형적으로 디스플레이 매트릭스 뒤에 위치되며, 이미지를 조명한다. 컬러 디스플레이에 대해, 백라이트는 전형적으로, 예를 들어, 백색 광과 같은 넓은 스펙트럼의 광을 방출한다.

근안 기술은, 이상에서 소개된 것과 같은, HMD 디바이스의 형태일 수 있는 가상 현실(virtual reality; "VR") 또는 증강 현실(augmented reality; "AR") 시스템의 부분으로서 사용자에게 정보 및 이미지들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. VR 또는 AR HMD들은, 사용자의 눈(들)으로 하나 이상의 정보 디스플레이들(예를 들어, 픽셀화된 LCD 디스플레이 디바이스) 상에 디스플레이되는 이미지들과 연관된 광을 보내기 위해 하나 이상의 렌즈들을 사용할 수 있다. 그 중에서도 특히, 렌즈들은, 정보 디스플레이가 실제로 있는 위치보다 더 멀리에 있는 것처럼 보이게 하기 위해 정보 디스플레이(들)로부터의 광을 구부리기(bend) 위해 사용된다. 이는 사용자에게 가상 환경에서 더 큰 피사계 심도(depth of field)를 제공하며, 사용자가 디스플레이되는 이미지에 더 쉽게 포커싱하는 것을 가능하게 한다. 렌즈들은 또한 사용자에 대한 정보 디스플레이의 시야를 증가시키기 위해 VR 또는 AR 헤드셋들에서 사용될 수 있다. 더 큰 시야는 VR 또는 AR 시스템의 몰입 효과를 증가시킬 수 있다. 렌즈들은 추가로, 사용자에 의해 수신되는 광이 사용자의 좌측 눈 및 우측 눈에 대해 별도로 조정되도록 단일 디스플레이로부터의 광을 성형(shape)하기 위해 VR 또는 AR 헤드셋들에서 사용될 수 있다. 각각의 눈에 대해 별도로 조정된 이미지들의 사용은 사용자가, 예를 들어, 입체적 또는 3차원 이미지를 인식하게 할 수 있다. 렌즈들은 추가로, 사용자의 눈이 정보 디스플레이에 상대적으로 가까이에 있다는 제약을 갖는 근안 환경에서 설계된다.

본 개시내용의 적어도 일부 구현예들에서, 통상적인 HMD 렌즈는 디스플레이 시스템에 결합되거나 또는 이에 인접하여 위치된 하나 이상의 회절 광학 요소들로 대체될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 회절 광학 요소들은, 광이 반사되고 굴절되는 "팬케이크(pancake)" 광학 시스템 또는 "폴딩형(folded)" 광학 시스템으로도 지칭되는 반사굴절(catadioptric) 광학 시스템의 부분이다. 본 개시내용의 예시적인 반사굴절 광학 시스템은 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이 편광에 기초한다.

도 1은 사용자의 머리에 착용할 수 있는 착용형 HMD 디바이스(100)를 도시하는 개략도이다. HMD 디바이스(100)와 연관된 컴퓨팅 디바이스는 개별적인 가상 컨텐츠 아이템들과 연관된 렌더링 데이터를 HMD 디바이스(100)에 제공하고 개별적인 가상 컨텐츠 아이템들이 도 1에서 점선들로 도시된 디스플레이들(110a 및 110b)과 같은 HMD 디바이스(100)와 연관된 디스플레이 상에 표시되게 할 수 잇다. 렌더링 데이터는 디바이스의 디스플레이를 통해 가상 컨텐츠 아이템의 그래픽 표현을 렌더링하기 위한 명령어들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌더링 데이터는 가상 컨텐츠 아이템과 연관된 기하구조, 시점, 텍스처, 광원, 음영, 등을 설명하는 명령어들을 포함할 수 있다. 예시적인 예에서, 가상 컨텐츠 아이템들은, 사용자가 HMD 디바이스(100)를 사용하여 플레이할 수 있는 게임의 부분으로서 HMD 디바이스(100)의 디스플레이 상에 표시될 수 있다.

일부 예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 인터넷과 같은 네트워크에서 HMD 디바이스(100)로부터 원격에 위치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 HMD 디바이스(100)와 함께 위치될 수 있다(예를 들어, HMD 디바이스(100)에 내장되거나, 유선 또는 무선 연결을 통해 HMD 디바이스에 결합됨). 또한, HMD 디바이스(100)는 임의의 방식으로, 예컨대 전역 또는 로컬 유선 또는 무선 연결(예를 들어, 근거리 네트워크(local area network; LAN), 인터넷, 블루투스, 등)에 의해 네트워크에 통신가능하게 결합될 수 있다. 네트워크(들)는 1명 이상의 사용자들과 연관된 HMD 디바이스(들)(100)과 컴퓨팅 디바이스(들) 사이의 통신을 가능하게 할 수 있다.

예시된 실시예에서, HMD(100)는 메인 몸체(108)에 부착된 스트랩들의 세트(102)를 포함한다. 스트랩들의 세트(102)는 시각적 컨텐츠를 보기 위해 사용자의 머리에 HMD 디바이스(100)를 선택적으로 그리고 견고하게 장착하기 위해 사용가능하다. 메인 몸체(108)는 HMD 디바이스(100)의 다양한 측면들을 제어하기 위한 제어 패널(104)을 포함할 수 있다. 제어 패널(104)의 전기적 입력 디바이스의 비-제한적인 예들은, 영숫자 입력을 제공하거나 또는 메뉴를 네비게이션하기 위한 키들의 세트를 갖는 키패드, 또는 제어기에 전기적으로 결합되는 다이얼 또는 손잡이를 포함한다. 제어 패널(104)은 HMD 디바이스 (100)에 관한 정보를 디스플레이하기 위한 디스플레이(106)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(106)는, 사용자가 HMD(100)와 상호작용할 수 있는 터치스크린 입력 디바이스일 수 있다.

도 2는 사용자의 눈(206)에 대해 위치된 예시적인 HMD 디바이스(200)의 일 부분(202)의 개략적인 단면도이다. 예를 들어, HMD 디바이스(200)는 도 1의 HMD 디바이스(100)와 동일하거나 또는 유사할 수 있다. 특정 실시예들에서, HMD 디바이스(200)는 사용자의 좌측 눈 및 우측 눈 둘 모두에 의해 보여지게 이미지를 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 이는 별개의 좌측 및 우측 LDC 디스플레이들을 사용하여 달성될 수 있거나, 또는 단일 LDC 디스플레이를 사용하여 달성될 수 있다. 유사하게, HMD 디바이스(200)(예를 들어, VR 또는 AR 헤드셋 형태)는 단일 렌즈 어셈블리 또는 광학 시스템을 포함할 수 있거나 또는 개별적인 좌측 및 우측 렌즈 어셈블리들 또는 광학 시스템들을 사용할 수 있다.

예시적인 광선들(208 및 210)은 HMD 디바이스(200)로부터 사용자의 눈(206)의 각막(212)으로의 광의 가능한 경로들을 예시한다. 각막(212)은 실질적으로 구형 형상을 갖는 것으로 취급될 수 있다. HMD 디바이스(200)는, 광선들(208 및 210)의 경로들이, 예컨대, 예를 들어 약 15 밀리미터의 아이 릴리프(eye relief)를 제공하기 위해 상대적으로 짧도록 근안 디스플레이를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, HMD 디바이스(200)의 광학부는 HMD 디바이스에 상대적으로 가까운 표면(예를 들어, 각막(212) 상으로 광을 포커싱하도록 구성된다. 이러한 구성은, 사용자의 눈(206)으로부터의 물리적인 간격(clearance)을 허용하면서 팬케이크 광학 시스템이 HMD 디바이스(200)에 피팅(fit)되는 것을 가능하게 하는 상대적으로 얇은 프로파일을 갖는 팬케이스 광학 시스템을 수반할 수 있다.

도 3은 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템(300)의 개략적인 단면도이다. 시스템(300)은, 예를 들어, HMD 디바이스(100 또는 200)와 같은 머리-장착가능 디바이스에 통합될 수 있다. 그러나, 시스템(300)이, 비제한적으로, 카메라들, 쌍안경들, 사무 기기, 과학 기기 등을 포함하는 다른 유형들의 디바이스들에 통합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 시스템(300)은 때때로 정보 디스플레이 또는 디스플레이 시스템으로 지칭되는 픽셀화된 디스플레이 디바이스(302), 및 디스플레이 내에 통합될 수 있는(예를 들어, 그 위에 라미네이트되거나, 이에 접착 고정되거나, 또는 이에 인접하여 위치될 수 있는) 광학 서브시스템(306)을 포함할 수 있다. 사용자의 눈(308)의 개략적인 표현이 또한 예시된다. 이러한 요소들은 시스템(300)의 수평 광학 축을 따라 정렬된다.

디스플레이 시스템(302)은 픽셀화된 디스플레이(304), 및 원형으로 편광된 광(예를 들어, 오른손형(right-handed), 왼손형(left handed))을 제공하기 위해 픽셀화된 디스플레이 전방에 위치된 원형 편광기(305)를 포함할 수 있다. 다른 구현예들에서, 디스플레이(304)는 수직으로 또는 수평으로 편광된 광과 같은 상이한 편광들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 구성들에서, 디스플레이(304)는, 제1 편광 상태로 편광된 청색 광과 녹색 광 및 제2 편광 상태로 편광된 적색 광과 같이 컬러-특정 편광된 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 제1 편광 상태는 제2 편광 상태(예를 들어, 수직 편광, 수평 편광, 등)에 직교할 수 있다.

디스플레이 시스템(302)은 광을 방출하는 백라이트 어셈블리를 포함할 수 있으며, 이는 하나 이상의 발광 다이오드(light emitting diode; LED)들, 하나 이상의 OLED들, 하나 이상의 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp; CCFL)들, 하나 이상의 레이저들, 하나 이상의 양자점들, 또는 이러한 예시적인 광원들의 임의의 조합과 같은 광원을 포함할 수 있다. 백라이트 어셈블리 내의 광원은, 디스플레이 시스템(302)이 가시 스펙트럼에 걸쳐 컬러 이미지들을 생성할 수 있도록 넓은 스펙트럼에 걸쳐 광(예를 들어, 백색 광)을 방출할 수 있다. 백라이트 어셈블리는, 예를 들어, 약 160도 내지 180도의 범위에 걸쳐 그 전체 전방 면에 걸쳐 균일하게 광을 방출할 수 있다.

디스플레이 시스템(302)은, 백라이트 어셈블리와 협력하여, 최대 약 180 도의 범위에 걸쳐 광(백라이트 어셈블리의 면에 대한 평행에 약간 부족한 광)을 방출할 수 있다. 방출 각도들의 이러한 범위는 때때로 백라이트 어셈블리의 시야 또는 백라이트 어셈블리의 광 원뿔(cone of light)로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(302)의 디스플레이(304)는 하나 이상의 편광 층들, 액정 층, 및 박막 트랜지스터 층을 포함하는 LCD 매트릭스일 수 있다. LCD 매트릭스는 픽셀화된 방식으로 백라이트의 부분들을 차단함으로써 이미지들을 생성한다. 광이 백라이트 어셈블리로부터 방출되어 디스플레이(304)(예를 들어, LCD 매트릭스)를 통과하고 그리고 원형 편광기(305)(또는 존재하는 경우 다른 편광기(들))를 통과할 때 이미지가 디스플레이된다. 백라이트 어셈블리 및 디스플레이는 서로 분리될 수 있거나, 또는 이러한 2개의 구성요소들은, 존재하는 경우, 서로 사이에 약간의 공간을 두고 또는 공간이 거의 없는 상태로 함께 샌드위치될 수 있다.

광학 서브시스템(306)은 디스플레이(302)로부터 사용자의 눈(308)으로 광(320, 322)을 보내기 위해 하나 이상의 회절 광학 요소들을 포함할 수 있다. 광학 서브시스템(306)은, 예를 들어, 매우 컴팩트한 설계를 제공하기 위해 광이 반사되고 굴절되거나 또는 "폴딩"되는 반사굴절 또는 "팬케이크" 구성을 가질 수 있다. 광학 서브시스템(306)은 반사 편광기, 파장 플레이트(예를 들어, 1/4-파장 플레이트), 추가적인 회절 광학 요소들, 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 광학 서브시스템(306)은, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 광의 편광에 적어도 부분적으로 기초하는 축-상(on-axis) 광학 폴딩을 사용하여 디스플레이 시스템(302)으로부터 사용자의 눈(308)을 향해 광을 보내도록 구성된 광학 요소들의 어셈블리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템(306)은, 각각 광의 특정 편광에 대해 작용하고 상이한 편광 상태(예를 들어, 직교)의 광을 통과시키도록 튜닝된 다수의 적층된 회절 광학 요소들을 포함할 수 있다. 광학 서브시스템(306)은 디스플레이 시스템(302)의 나머지에 부착될 수 있다(예를 들어, 감압 접착제 또는 PSA와 같은 광학적으로 투명한 접착체를 사용하여 접착 본딩되거나, 라미네이트될 수 있음).

이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 광학 서브시스템(306)은 다양한 다른 광학 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 서브시스템(306)은 본 명세서에서 반사 편광기로도 지칭되는 적어도 하나의 편광 빔 분할기(beam splitter)를 포함할 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 반사 편광기(338)는 (예를 들어, PSA와 같은 적절한 광학적으로 투명한 접착제를 통해) 광학적으로 투명한 기판에 접착 본딩될 수 있다. 반사 편광기는 광학 서브시스템의 출구 표면(또는 측면)과 회절 광학 요소 사이에 위치될 수 있다. 반사 편광기는 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사할 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 반사 편광기는 제1 배향(예를 들어, 수평)의 선형적으로 편광된 광만이 통과하게 하여 제1 배향으로 선형적으로 편광되지 않은 모든 다른 광을 반사하는 빔 분할기를 나타낼 수 있다. 반사 편광기는 선형 편광기 반사기, 또는 반사 선형 편광기로 간주될 수 있다. 즉, 반사 편광기는 적어도 일부 구현예들에서 선형 편광기와 빔 분할기의 기능을 단일 요소로 결합할 수 있다.

도 4는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템(400)의 개략적인 단면도이다. 시스템(400)은, 예를 들어, HMD 디바이스(100 또는 200)와 같은 머리-장착가능 디바이스에 통합될 수 있다. 그러나, 시스템(400)이, 비제한적으로, 카메라들, 쌍안경들, 사무 기기, 과학 기기 등을 포함하는 다른 유형들의 디바이스들에 통합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 시스템(400)의 구성요소들 또는 특징들 중 다수는 본 명세서에 설명되는 다른 시스템들의 구성요소들과 유사하거나 또는 동일할 수 있다. 따라서, 이러한 다른 시스템들의 설명이 또한 시스템(400)에 적용될 수 있다. 또한, 시스템(400)의 하나 이상의 특징들 또는 구성요소들은 본 명세서에서 설명되는 다른 시스템들의 하나 이상의 특징들 또는 구성요소들과 결합될 수 있거나 또는 그 반대일 수 있어서, 본 개시내용의 시스템들의 임의의 조합이 본 명세서에서 설명되는 기술들을 구현하기 위해 사용될 수 있다.

시스템(400)은 때때로 정보 디스플레이 또는 디스플레이 시스템으로 지칭되는 픽셀화된 디스플레이 디바이스(402), 및 디스플레이 시스템의 부분으로 또는 시스템(400)의 별도의 구성요소로 간주될 수 있는 광학 서브시스템(406 및 410)을 포함할 수 있다. 사용자의 눈(408)의 개략적인 표현이 또한 예시된다. 이러한 요소들은 수평 광학 축을 따라 정렬된다.

디스플레이 시스템(402)은 픽셀화된 디스플레이(404), 및 원형으로 편광된 광을 제공하기 위해 픽셀화된 디스플레이 전방에 위치된 원형 편광기(405)(예를 들어, 원형 편광기)를 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템(402)은 광을 방출하는 백라이트 어셈블리를 포함할 수 있으며, 이는 하나 이상의 발광 다이오드(light emitting diode; LED)들, 하나 이상의 OLED들, 하나 이상의 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp; CCFL)들, 하나 이상의 레이저들, 하나 이상의 양자점들, 또는 이러한 예시적인 광원들의 임의의 조합과 같은 광원을 포함할 수 있다. 백라이트 어셈블리 내의 광원은, 디스플레이 시스템(402)이 가시 스펙트럼에 걸쳐 컬러 이미지들을 생성할 수 있도록 넓은 스펙트럼에 걸쳐 광(예를 들어, 백색 광)을 방출할 수 있다. 백라이트 어셈블리는, 예를 들어, 약 160도 내지 180도의 범위에 걸쳐 그 전체 전방 면에 걸쳐 균일하게 광을 방출할 수 있다.

디스플레이 시스템(402)은, 백라이트 어셈블리와 협력하여, 최대 약 180 도의 범위에 걸쳐 광(백라이트 어셈블리의 면에 대한 평행에 약간 부족한 광)을 방출할 수 있다. 방출 각도들의 이러한 범위는 때때로 백라이트 어셈블리의 시야 또는 백라이트 어셈블리의 광 원뿔로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(402)의 디스플레이(404)는 하나 이상의 편광 층들, 액정 층, 및 박막 트랜지스터 층을 포함하는 LCD 매트릭스일 수 있다. LCD 매트릭스는 픽셀화된 방식으로 백라이트의 부분들을 차단함으로써 이미지들을 생성한다. 광이 백라이트 어셈블리로부터 방출되어 디스플레이(404)(예를 들어, LCD 매트릭스)를 통과하고 그리고 원형 편광기(405)를 통과할 때 이미지가 디스플레이된다. 백라이트 어셈블리 및 디스플레이는 서로 분리될 수 있거나, 또는 이러한 2개의 구성요소들은, 존재하는 경우, 서로 사이에 약간의 공간을 두고 또는 공간이 거의 없는 상태로 함께 샌드위치될 수 있다.

광학 서브시스템(406 및 410)은 디스플레이 시스템(402)으로부터 사용자의 눈(408)을 향해 광(420, 422, 424)을 보내기 위해 디스플레이 시스템 상에(예를 들어, 편광기(405) 위에) 위치된 하나 이상의 회절 광학 요소들(406)을 포함할 수 있다. 광학 서브시스템은 이상에서 논의된 바와 같은 팬케이크 구성을 가질 수 있다. 광학 서브시스템은 1/4-파장 플레이트(412) 및 반사 편광기(414)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 광학 서브시스템은, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 광의 편광에 적어도 부분적으로 기초하는 축-상 광학 폴딩을 사용하여 디스플레이 시스템(402)으로부터 사용자의 눈(408)을 향해 광을 보내도록 구성된 광학 요소들의 어셈블리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템의 회절 광학 요소(406)는 서로 적층된 제1 회절 광학 요소 및 제2 회절 광학 요소를 포함한다. 구성요소들은 서로 부착되거나(예를 들어, 광학적으로 투명한 접착체를 사용하여 접착 본딩되거나, 라미네이트될 수 있음) 또는 서로 이격될 수 있다.

적어도 일부 구현예들에서, 반사 편광기(414)는 (예를 들어, 적절한 광학적으로 투명한 접착제를 통해) 광학적으로 투명한 기판에 접착 본딩될 수 있으며, 1/4-파장 플레이트(412)는 반사 편광기에 본딩될 수 있다. 반사 편광기(414)는 제1 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 투과시키고 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 광을 실질적으로 반사할 수 있다. 적어도 일부 구현예들에서, 반사 편광기(414)는 제1 배향(예를 들어, 수평)의 선형적으로 편광된 광만이 통과하게 하여 제1 배향으로 선형적으로 편광되지 않은 모든 다른 광을 반사하는 빔 분할기를 나타낼 수 있다. 반사 편광기(414)는 선형 편광기 반사기, 또는 반사 선형 편광기로 간주될 수 있다. 즉, 반사 편광기(414)는 적어도 일부 구현예들에서 선형 편광기와 빔 분할기의 기능을 단일 요소로 결합할 수 있다.

도 4는 하나 이상의 실시예들에 따른 광학 시스템의 폴딩된 광학 경로(420, 422, 424)를 도시한다. 일부 실시예들에서, 광학 요소들 중 하나 이상은, 이상에서 논의된 바와 같은, 반사-방지 코팅들, 콘트라스트 향상 코팅들, 반사 또는 부분 반사 코팅들과 같은 하나 이상의 코팅들 또는 층들을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에서 논의되는 바와 같이, 반사굴절 광학 시스템을 제공하기 위해 회절 광학 요소(406)와 원형 편광기(405) 사이에 부분 반사기가 있을 수 있다.

도 5는 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른, 디스플레이 시스템 및 광학 서브시스템을 포함하는 시스템(500)의 개략적인 단면도이다. 시스템(500)은, 예를 들어, HMD 디바이스(100 또는 200)와 같은 머리-장착가능 디바이스에 통합될 수 있다. 그러나, 시스템(500)이, 비제한적으로, 카메라들, 쌍안경들, 사무 기기, 과학 기기 등을 포함하는 다른 유형들의 디바이스들에 통합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 시스템(500)의 구성요소들 또는 특징들 중 다수는 본 명세서에 설명되는 다른 시스템들의 구성요소들과 유사하거나 또는 동일할 수 있다. 따라서, 이러한 다른 시스템들의 설명이 또한 시스템(500)에 적용될 수 있다. 또한, 시스템(500)의 하나 이상의 특징들 또는 구성요소들은 본 명세서에서 설명되는 다른 시스템들의 하나 이상의 특징들 또는 구성요소들과 결합될 수 있거나 또는 그 반대일 수 있어서, 본 개시내용의 시스템들의 임의의 조합이 본 명세서에서 설명되는 기술들을 구현하기 위해 사용될 수 있다.

시스템(500)은 이상에서 설명된 시스템(400)과 실질적으로 유사할 수 있지만, 회절 광학 요소(406)와 1/4-파장 플레이트(412) 사이에 결합되(예를 들어, 접착 결합된) 광학적으로 투명한 층(502)을 또한 포함할 수 있다. 광학적으로 투명한 층 또는 구성요소(502)는 유리, 플라스틱, 또는 임의의 다른 적절한 재료로 형성될 수 있다.

도 6은, 하나의 비-제한적인 예시된 구현예에 따른 46 밀리미터의 높이 및 폭을 갖는 예시적인 회절 광학 요소의 위상 프로파일을 도시하는 표면 위상 맵(600)이다. 위상들은 모듈로-2π로 디스플레이된다. 도 7은, 하나의 비-제한적인 구현예에 따른 -5.0 mm 내지 +5.0 mm 사이로 연장되는 수평("X") 축을 따른 도 6의 회절 광학 요소의 위상의 단면을 도시하는 플롯(700)이다.

본 명세서에서 논의되는 회절 광학 요소들은, 비제한적으로, 다중-트위스트 지연기(multi-twist retarder)들, 파장 플레이트들(예를 들어, 1/4-파장 플레이트들, 1/2-파장 플레이트들) 표면 릴리프(surface relief)들, 메탈렌즈들, 무색 회절 렌즈(achromatic diffractive lens; ADL)들, 편광-기반 회절 광학 요소들, 등을 포함하는, 임의의 유형들의 회절 광학 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한 이상에서 논의된 바와 같이, 회절 광학 요소는 제1 회절 광학 요소 및 제2 회절 광학 요소를 포함할 수 있으며, 제1 회절 광학 요소는 제1 편광 상태의 광을 회절시키고 제2 편광 상태의 광을 통과시키도록 동작가능하고, 제2 회절 광학 요소는 제2 편광 상태의 광을 회절시키고 제1 편광 상태의 광을 통과시키도록 동작가능하다. 적어도 일부 구현예들에서, 제1 회절 광학 요소는 제1 편광 상태를 갖는 제1 컬러의 광(예를 들어, 적색 광)을 회절시키도록 최적화되며, 제2 회절 광학 요소는 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광 상태를 갖는 제2 컬러 및 제3 컬러(예를 들어, 청색 및 녹색)의 광을 회절시키도록 최적화된다. 따라서, 다수의(예를 들어, 2개의) 회절 광학 요소들은 편광에 기초하여 특정 컬러들의 최적화된 회절을 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 그 결과 광학 시스템의 전체 색 수차가 상당히 감소된다.

적어도 일부 구현예들에서, 디스플레이 시스템은 광학 시스템에 광을 제공하며, 여기서 광은, 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태 중 하나인 제1 컬러의 광, 및 제1 편광 상태 및 제2 편광 상태 중 다른 것인 제2 컬러 및 제3 컬러의 광을 포함한다.

이상에서 설명된 다양한 실시예들이 추가적인 실시예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 출원 데이터 시트에 열거되거나 및/또는 본 명세서에서 언급된 미국 특허들, 미국 특허 출원 공보들, 미국 특허 출원들, 외국 특허들, 외국 특허 출원들 및 비-특허 공개문헌들의 전부는 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다. 추가적인 실시예들을 제공하기 위하여 다양한 특허들, 출원들 및 공개문헌들의 개념들을 이용하는 것이 필요한 경우, 실시예들의 측면들이 수정될 수 있다.

이상의 상세한 설명을 고려하여 실시예들에 대하여 이러한 그리고 다른 변화들이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에 있어, 사용되는 용어들은 청구항들을 명세서 및 청구항들에 개시된 특정 실시예들로 한정하도록 해석되지 않아야만 하며, 오히려 이러한 청구항들에 대한 등가물들의 완전한 범위와 함께 가능한 모든 실시예들을 포함하는 것으로 해석되어야만 한다. 따라서, 청구항들은 본 개시에 의해 한정되지 않는다.

Claims (31)

1. 사용자의 눈에 이미지들을 표시하도록 동작가능한 머리-장착 디스플레이 시스템으로서,
   상기 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 지지 구조체;
   상기 지지 구조체에 의해 지지되는 디스플레이 시스템; 및
   반사굴절 광학 시스템을 포함하는 광학 시스템을 포함하며, 상기 광학 시스템은:
   동작 동안 상기 사용자의 눈을 향하는 표면 상에 상기 디스플레이 시스템 상에 위치된 회절 광학 요소를 포함하고, 상기 회절 광학 요소는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 광을 상기 사용자의 눈으로 포커싱하도록 구성되는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소는 표면 릴리프(surface relief) 또는 편광-기반 회절 광학 요소를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 광학 시스템은 상기 회절 광학 요소와 상기 사용자의 눈 사이에 위치된 반사 편광기를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소는 무색 회절 렌즈(achromatic diffractive lens; ADL)를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 디스플레이 시스템은 코히어런트(coherent) 광원을 포함하는 백라이트를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소는 메탈렌즈를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 광학 시스템은 상기 디스플레이 시스템에 라미네이트된 필름을 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 광학 시스템은 상기 디스플레이 시스템에 결합된 기판을 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소는 제1 회절 광학 요소 및 제2 회절 광학 요소를 포함하며, 상기 제1 회절 광학 요소는 제1 편광 상태의 광을 회절시키고 제2 편광 상태의 광을 통과시키며, 상기 제2 회절 광학 요소는 상기 제2 편광 상태의 광을 회절시키고 상기 제1 편광 상태의 광을 통과시키는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 회절 광학 요소는 제1 컬러의 광을 회절시키도록 최적화되며, 상기 제2 회절 광학 요소는 제2 컬러 및 제3 컬러의 광을 회절시키도록 최적화되는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 컬러는 적색이고, 상기 제2 컬러는 청색이며, 상기 제3 컬러는 녹색인, 머리-착용 디스플레이 시스템.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 상기 광학 시스템에 광을 제공하며, 상기 광은, 상기 제1 편광 상태 및 상기 제2 편광 상태 중 하나인 제1 컬러의 광, 및 상기 제1 편광 상태 및 상기 제2 편광 상태 중 다른 것인 제2 컬러 및 제3 컬러의 광을 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 동작 동안 상기 회절 광학 요소와 상기 사용자의 눈 사이에 위치되는 반사 편광기, 및 상기 회절 광학 요소와 상기 반사 편광기 사이에 위치되는 1/4-파장 플레이트를 더 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 머리-장착 디스플레이 시스템은 상기 회절 광학 요소와 상기 1/4-파장 플레이트 사이에 위치되는 광학적으로 투명한 기판을 더 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 광학적으로 투명한 기판은 플라스틱 또는 유리를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.
    
16. 근안(near-eye) 디스플레이 시스템으로서,
    픽셀들의 어레이를 포함하는 디스플레이 서브시스템; 및
    동작 동안 사용자의 눈을 향하는 표면 상에 상기 디스플레이 시스템 상에 위치된 회절 광학 요소를 포함하는 반사굴절 광학 시스템을 포함하는 광학 시스템을 포함하며, 상기 회절 광학 요소는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 광을 상기 사용자의 눈으로 포커싱하도록 구성되는, 근안 디스플레이 시스템.
    
17. 제16항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 표면 릴리프 또는 편광-기반 회절 광학 요소를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
18. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 회절 광학 요소와 상기 사용자의 눈 사이에 위치된 반사 편광기를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
19. 제16항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 무색 회절 렌즈(achromatic diffractive lens; ADL)를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
20. 제16항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 코히어런트 광원을 포함하는 백라이트를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
21. 제16항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 메탈렌즈를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
22. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 디스플레이 시스템에 라미네이트된 필름을 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
23. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 디스플레이 시스템에 결합된 기판을 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
24. 제16항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 제1 회절 광학 요소 및 제2 회절 광학 요소를 포함하며, 상기 제1 회절 광학 요소는 제1 편광 상태의 광을 회절시키고 제2 편광 상태의 광을 통과시키며, 상기 제2 회절 광학 요소는 상기 제2 편광 상태의 광을 회절시키고 상기 제1 편광 상태의 광을 통과시키는, 근안 디스플레이 시스템.
    
25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 회절 광학 요소는 제1 컬러의 광을 회절시키도록 최적화되며, 상기 제2 회절 광학 요소는 제2 컬러 및 제3 컬러의 광을 회절시키도록 최적화되는, 근안 디스플레이 시스템.
    
26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 컬러는 적색이고, 상기 제2 컬러는 청색이며, 상기 제3 컬러는 녹색인, 근안 디스플레이 시스템.
    
27. 제24항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은 상기 광학 시스템에 광을 제공하며, 상기 광은, 상기 제1 편광 상태 및 상기 제2 편광 상태 중 하나인 제1 컬러의 광, 및 상기 제1 편광 상태 및 상기 제2 편광 상태 중 다른 것인 제2 컬러 및 제3 컬러의 광을 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
28. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 동작 동안 상기 회절 광학 요소와 상기 사용자의 눈 사이에 위치되는 반사 편광기, 및 상기 회절 광학 요소와 상기 반사 편광기 사이에 위치되는 1/4-파장 플레이트를 더 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
29. 제28항에 있어서,
    상기 근안 디스플레이 시스템은 상기 회절 광학 요소와 상기 1/4-파장 플레이트 사이에 위치되는 광학적으로 투명한 기판을 더 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
30. 제29항에 있어서,
    상기 광학적으로 투명한 기판은 플라스틱 또는 유리를 포함하는, 근안 디스플레이 시스템.
    
31. 사용자의 눈에 이미지들을 표시하도록 동작가능한 머리-장착 디스플레이 시스템으로서,
    상기 사용자의 머리에 착용되도록 구성된 지지 구조체;
    상기 지지 구조체에 의해 지지되는 디스플레이 시스템; 및
    반사굴절 광학 시스템을 포함하는 광학 시스템을 포함하며, 상기 광학 시스템은:
    동작 동안 상기 사용자의 눈을 향하는 표면 상에 상기 디스플레이 시스템 상에 위치된 회절 광학 요소 - 상기 회절 광학 요소는 상기 디스플레이 시스템으로부터의 광을 상기 사용자의 눈으로 포커싱하도록 구성됨 -;
    상기 회절 광학 요소와 상기 사용자의 눈 사이에 위치된 반사 편광기; 및
    상기 회절 광학 요소와 상기 반사 편광기 사이에 위치되는 1/4-파장 플레이트를 포함하는, 머리-장착 디스플레이 시스템.

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