KR20250025407A - 새로운 근안 디스플레이 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

근안 디스플레이 광학 시스템은 배열 축을 따라 연장되고 (a) 입력 평면과 (b) 배열 축을 따라 대체로 연장되는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는 렌즈를 포함하며, 렌즈는 입력 평면을 통해 시준된 이미지에 대응하는 광을 수신하도록 구성되고;렌즈는 배열 축에 대해 각도로 배열 축을 따라 배치된 부분 반사 내부 표면 세트를 포함하고, 세트 중 제1 부분 반사 내부 표면은 부분 반사율을 가져, 시준된 광의 적어도 일부가 제1 주 표면 또는 제2 주 표면에서 반사된 적 없이 제1 부분 반사 내부 표면에 의해 렌즈 밖으로 반사된다.

Description

새로운 근안 디스플레이 광학 시스템

본 개시는 헤드 마운트 디스플레이(head-mounted display)와 같은 근안(near eye) 디스플레이 광학 시스템의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 잠재적으로 도파관이 없는 근안 디스플레이 광학 시스템에 관한 것이다.

향상된 인간-컴퓨터 계면에 대한 소비자 요구는 고품질 이미지 헤드 마운트 디스플레이(head-mounted display; HMD) 또는 근안 디스플레이(일반적으로 스마트 안경으로 알려짐)에 대한 관심을 증가시켰다. 이러한 디바이스는 가상 현실(virtual reality; VR)이나 증강 현실(augmented reality; AR) 경험을 제공하여, 사용자가 디지털 콘텐트 및 그 주변 환경과 상호 작용하는 방식을 향상시킬 수 있다.

소비자들은 HMD를 사용할 때 더 나은 이미지 품질, 몰입감 넘치는 경험, 및 더 큰 편안함을 추구하고 있다. 이들은 현실적이고 즐거운 시청 경험을 위해 고해상도, 선명한 색상 및 최소한의 왜곡을 갖춘 디스플레이를 기대한다. 추가로, 사용자는 종종 이러한 디바이스를 장시간 착용하므로 편안함이 중요한 요소이다. 소비자들은 다양한 시나리오에서 덜 거슬리고 착용하기에 더욱 편리한 가볍고 세련된 디자인을 원한다. 디바이스가 작아질수록 또한 휴대성도 향상되어, 다양한 시나리오에서 휴대하고 사용하는 것이 더 용이해지도록 한다. 이와 같이, 더 높은 성능을 가지면서도 더 작고 더 컴팩트한 HMD에 대한 수요가 증가하고 있다.

종래의 근안 디스플레이 시스템에서 중요한 요소는 도파관이다. 이는 시스템 이미지 프로젝터로부터 사용자의 눈으로 광을 유도하는 디바이스이다. 도파관은 광을 전파하기 위해 디바이스 내부의 주 표면을 따른 내부 전반사에 의존한다. 최적의 도파관 성능을 달성하려면, 사용자의 시각적 경험을 저하시킬 수 있는 결함을 방지하기 위한 정밀한 설계와 제조가 필요하다. 도파관을 설계하고 제작하는 이러한 과정은 시간과 비용이 많이 들기 때문에 근안 디스플레이 시스템의 보급과 채택을 저해하는 요인이 된다. 또한, 도파관의 소형화에는 고유한 한계가 있으며, 이로 인해 헤드 마운트 디스플레이(HMD)의 소형화가 제한된다.

본 개시는 주요 구성요소 중 하나인 렌즈에 대한 요구를 최소화하면서, 간단하고 편리하게 제작할 수 있는 향상된 근안 디스플레이 광학 시스템을 제시한다. 이러한 혁신적인 근안 디스플레이 광학 시스템은 설정의 일부로 도파관을 포함할 필요 없이 기존 시스템과 비슷하거나 심지어 더 뛰어난 성능을 제공할 수 있는 기능을 갖추고 있다.

본 개시는 일련의 평행한 부분 반사 표면을 활용하는 신규 근안 디스플레이 광학 시스템을 소개한다. 이러한 접근 방식은 미국 특허 번호 7,643,214 및 미국 특허 번호 7,724,442에 설명된 광 가이드 광학 요소(Light-Guide Optical Element; LOE)와 유사하다. LOE에는 2개의 평행한 주 표면이 있는 광 투과 기판 역할을 하는 렌즈가 포함되어 있다. 광은 이러한 표면 사이에서 내부 전반사를 달성하는 광학 요소 또는 광을 가두는 유전체 코팅의 도움을 받아 유도된다. 또한, LOE에는 주 표면과 평행하지 않은 다수의 부분 반사 표면이 포함되어 있어 광이 사용자의 눈으로 커플링(coupling)되도록 돕는다.

대조적으로, 본 개시의 근안 디스플레이를 위한 새로운 광학 시스템은 평행한 부분 반사 표면 세트를 사용하지만 주 표면의 내부 반사를 통한 도파관에 의존하지 않는다. 결과적으로, 여기에 소개된 근안 디스플레이 광학 시스템은 앞서 언급한 LOE에 비해 구성이 훨씬 간단하다. 또한 렌즈의 주 표면에 대한 엄격한 요구 사항이 덜 적용된다.

명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 양태의 다양한 예시적인 실시예를 설명하는 다양한 예시적인 시스템, 방법 등을 설명한다. 도면에서 설명된 요소 경계(예를 들어, 박스, 박스 그룹 또는 기타 모양)는 경계의 일 예를 나타낸다는 것이 인식될 것이다. 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 하나의 요소가 다수의 요소로 설계될 수도 있고, 다수의 요소가 하나의 요소로 설계될 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 또 다른 요소의 내부 컴포넌트로 도시된 요소는 외부 컴포넌트로 구현될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 더욱이, 요소는 축척으로 그려지지 않을 수 있다.

도 1a는 근안 디스플레이 디바이스의 예시적인 구현을 도시한다.
도 1b 및 도 1c는 근안 디스플레이 광학 시스템의 한쪽 눈 부분의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b의 광학 시스템에 대한 광의 광학 경로를 도시한다.
도 3a는 개시된 렌즈 내부에 원하지 않는 반사(고스트 이미지)가 발생하는 경우를 도시한다.
도 3b는 고스트 효과를 개선하는 개선된 시스템을 도시한다.
도 3c는 시스템의 생산성 및 밝기를 향상시키는 추가 실시예를 도시한다.
도 4a는 내부 주 표면에서 구형으로 만곡된 메인 렌즈를 갖는 선택적인 근안 디스플레이 광학 시스템을 도시한다.
도 4b는 메인 렌즈가 내부 주 표면과 외부 주 표면에서 원통형으로 만곡된 대안적인 컴팩트한 근안 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 2차원 확장 광학 시스템의 정면도 및 측면도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 렌즈 자체를 따른 전파 없이 외부 광원으로부터 EMB로 광을 편향시키는 광학 시스템의 개략적인 확대도를 도시한다.

본 발명의 특정 실시예는 예를 들어 흔히 스마트 안경으로 알려진 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 또는 가상 현실 또는 증강 현실 디스플레이일 수 있는 근안 디스플레이를 위해 광학 개구(optical aperture) 확장을 달성하기 위한 광 투사 시스템 및 광학 시스템을 제공한다. 더 좋고 더욱 편안한 인간 컴퓨터 계면에 대한 소비자의 요구는 더 나은 이미지 품질과 더 작은 디바이스에 대한 수요를 자극했다.

도 1a는 근안 디스플레이 디바이스(10)의 예시적인 구현을 도시한다. 근안 디스플레이 디바이스(10)는 단지 예로서 여기에서 개시되고, 여기에 개시된 본 발명의 기술은 이러한 디바이스에 제한되지 않는다.

도 1a의 도시된 실시예에서, 근안 디스플레이(10)는 광학 요소(102)에 이미지를 주입하도록 광학적으로 커플링된 컴팩트한 이미지 프로젝터 또는 프로젝션 유닛(104)을 사용한다. 프로젝션 유닛(104)으로부터의 광의 광학 개구 확장은 부분 반사 표면("패싯(facet)"이라고도 함)의 세트를 사용하여 이미지 조명을 점진적으로 방향 전환하기 위한 하나 이상의 배열에 의해 광학 요소(102) 내에서 달성될 수 있으며, 이러한 표면은 서로 평행하고 이미지 광의 전파 방향에 대해 비스듬하게 기울어지며, 각각의 연속적인 패싯은 이미지 광의 일부를 편향된 방향으로 편향시킨다. 부분 반사 패싯은 눈 모션 박스(Eye-Motion Box; EMB)로 정의된 영역 내에 위치한 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 일부를 점진적으로 커플링 아웃(coupling out)하는 커플링 아웃 배열(coupling-out arrangement)로 작동할 수도 있다.

전체 디바이스(10)는 바람직하게는 사용자의 머리에 대해 지지되며, 각 프로젝션 유닛(104) 및 광학 요소(102)는 해당 사용자의 눈에 서비스를 제공한다. 여기에 예시된 특히 바람직한 옵션 중 하나에서, 지지 배열은 프로젝션 유닛(104) 및 광학 요소(102)가 광학적으로 연결된 렌즈(108)가 구비된 안면 장착형 렌즈 세트(예: Rx 렌즈, 선글라스 등, 본원에서 구어체로 "안경"이라고 함) 및 디바이스를 사용자의 귀에 대해 지지하기 위한 측면(101)이 구비된 프레임으로 구현된다. 헤드 밴드, 바이저 또는 헬멧에 매달린 디바이스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 형태의 지지 배열도 사용될 수 있다.

근안 디스플레이(10)는 일반적으로 소형 온보드 배터리(미도시) 또는 일부 다른 적합한 전원으로부터 전력을 사용하는 프로젝션 유닛(104)을 작동하기 위한 제어기(121)를 일반적으로 포함하는 다양한 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 제어기(121)는 이미지 프로젝터(104)를 구동하기 위해 적어도 하나의 프로세서 또는 처리 회로와 같은 필요한 모든 전자 구성요소를 포함할 수 있다.

도 1b 및 도 1c는 근안 디스플레이 광학 시스템(100)의 한쪽 눈 부분의 개략도이다. 시스템(100)은 도 1a의 시스템(10)과 유사하며, 주요 차이점은 근안 디스플레이 광학 시스템(100)에서 프로젝션 유닛(104)이 도 1a에 도시된 바와 같이 광학 요소(102)의 측면이 아닌 광학 요소(102)(이하 렌즈(102)라고도 함) 위에 배치된다는 것이다. 도 1b는 근안 디스플레이 광학 시스템(100)의 (YZ 평면을 따른)측면도이고, 도 1c는 (XY 평면을 따른)정면도이다.

렌즈(102)는 사용자의 눈 모션 박스(Eye Motion Box; EMB)(112) 앞에 위치하여 프로젝션 유닛(104)에서 투사된 광을 EMB(112)로 향하게 한다. 프로젝션 유닛(104)은 도시된 바와 같이 렌즈(102) 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 도파관과 달리, 렌즈(102)는 광학 소자의 주 표면에서 내부 전반사에 의존하지 않고 광을 프로젝션 유닛(104)에서 EMB(112)로 유도한다.

렌즈(102)는 2개의 영역을 가질 수 있다: 제1 영역(114)은 광을 유도하거나 반사하지 않고, 제2 영역(116)은 다수의 부분 반사 내부 표면(118)이 있어 접힌 빔 분배기(Folded Beam Splitter; FBS)를 형성하여 이미지 개구를 확장한다. 프로젝션 유닛(104)은 렌즈(102)의 제2 영역(116)에 광(마이크로 디스플레이 이미지)을 투사하고, 이는 내부 표면(118) 세트를 통해 광을 EMB(112)의 중심 쪽으로 반사한다. 투사된 광은 렌즈(102)의 배열 축 α를 따라 시준되거나 거의 시준된다. 배열 축 α는 여기에서 내부 표면(118)이 배치되거나 배열되는 축으로 정의된다.

시스템(100)은 또한 2개의 외부 렌즈(제1 외부 렌즈(106) 및 제2 외부 렌즈(108))와 셔터(110)를 포함할 수 있다. 제1 외부 렌즈(106) 및 제2 외부 렌즈(108)는 셔터(110)와 함께 메인 렌즈(102)에 부착될 수 있다. 이들은 투사된 광과 풍경광 모두에 대한 초점 평면을 변경하는 데 도움이 될 수 있다. 제1 외부 렌즈(106)의 내부 표면은 투사된 이미지와 풍경 이미지의 초점 평면을 변경하는 반면, 제2 외부 렌즈(108)의 내부 표면은 풍경 이미지의 초점을 변경한다. 메인 렌즈(102)와 제2 외부 렌즈(108) 사이에 위치하는 셔터(110)는 풍경 이미지의 밝기를 조절할 수 있다. 매끄러운 외관을 보장하기 위해, 공간적으로 점진적으로 변하는 코팅이 제1 영역(114)과 제2 영역(116) 사이의 렌즈(102)에 적용될 수 있다.

광학 셔터(110)는 풍경으로부터의 P-편광된 광만이 사용자의 눈을 향해 렌즈(102) 및 부분 반사 표면(118)을 통과하도록 허용하는 편광기를 포함할 수 있다. 부분 반사 표면(118) 상의 코팅은 P 편광에 대해서는 낮은 반사율을 갖고 S 편광에 대해서는 더 높은 반사율을 가질 수 있다. 제1 외부 렌즈(106)는 메인 렌즈(102)의 주 표면(140)에 직접 부착될 수 있다. 독립적으로 제어 가능한 다수의 픽셀로 분할될 수 있는 광학 셔터(110)는 편광판 및 제어 가능한 액정 셀(liquid crystal cell; LCC)과 같은 기술을 사용하여 풍경 이미지의 밝기를 제어하도록 설계되었다. 셔터링은 전체 렌즈(102)를 덮을 수 있거나 제2 영역(116)만 겹치도록 제한될 수 있어, 도 1b에 도시된 바와 같이 투사된 시야(Field of View; FOV)와 겹치는 필드의 밝기에 영향을 미칠 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 시스템(100)에 대한 광의 광학 경로를 도시한다.

도 2a는 3가지의 다른 광선의 광선 경로를 도시한다. 도 2a에는 도 1b 내지 도 1c의 렌즈(102)가 도시되어 있다. 프로젝션 유닛(104)은 도시되지 않았지만, 렌즈(102)와 프로젝션 유닛(104) 사이의 커플링 표면(142)이 도시되어 있다. 도면에는 3가지 광선, 즉 제1 광선(202), 제2 광선(204), 제3 광선(206)이 렌즈(102)에 커플링되어 사용자의 고정 중심(208)을 향해 반사되는 것으로 보인다. 사용자의 고정 중심(208)은 예를 들어, 인간의 눈(112) 뒤 약 11mm와 같이 인간의 눈으로부터 소정의 거리에 위치한다.

도면에서, 제1 광선(202A)은 다수의 표면(118)을 통해 전파되어 반사되는 표면(118b)에 도달하고 이로부터, 예를 들어 광선(202B)은 사용자의 눈을 향해 반사된다. 도면에서 볼 수 있듯이, 광선(202A)은 반사되기 전에 전파되는 경로가 가장 길고, 예를 들어 광선(202B)은 사용자의 고정 중심(208)을 향해 전파된다. 제2 광선(204A)은 도달하고 반사되기 전에 4개의 표면(118)을 통해 전파되고, 예를 들어 광선(204B)은 표면(118g)에 의해 사용자의 고정 중심(208)을 향해 반사된다. 가장 가까운 광선인 제3 광선(206A)은 반사되기 전에 단일 표면, 즉 표면(118n)을 통해 전파되고, 예를 들어 광선(206B)은 표면(118i)에 의해 사용자의 고정 중심(208)을 향해 반사된다.

모든 반사 광선(202B, 204B, 206B)에서 동일한 강도를 갖기 위해, 표면이 프로젝션 유닛(104)에 비해 더 멀리 위치할수록 반사율이 증가한다. 예를 들어, 표면(118n)은 표면(118a, 118b)보다 반사율이 낮다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 반사 표면(118)들 사이의 간격은 다양하다. 이 공간은 EMB(112)에서 모든 필드의 균일한 강도 분포를 유도하도록 설정된다.

도 2b는 3가지의 다른 빔의 빔 경로를 도시한다. 도면에서 보이는 것은 3가지 빔, 즉 도 2a에 도시된 3가지 광선, 광선(202A와 202B, 204A와 204B, 206A와 206B)을 포함하는 제1 빔(210), 제2 빔(212) 및 제3 빔(214)이다. 제1 빔(210), 제2 빔(212) 및 제3 빔(214)은 각각 거의 연속적이며 특정 빔 필드의 개구를 광선이 채우지 않는 영역이 없거나 거의 없다. 또한 도면에 렌즈(102)와 프로젝션 유닛(104) 사이의 커플링 표면(142)이 도시된다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 렌즈(102)에 대한 커플링 표면(142)의 각도는 고굴절률 재료를 통해 전파되면서 발생하는 색수차 및 기타 키스톤 효과를 감소시키도록 설정되며, 커플링 인(coupling in) 각도와 커플링 아웃(coupling out) 각도가 동일하지 않다(쐐기 효과). FBS 렌즈(102)의 표면이 렌즈(102)의 주 표면에 대한 법선에 대해 각도 θ로 설정되면, 표면(142)은 주 표면에 대해 회전되어야 한다. 예를 들어, θ =45°이면 표면(142)은 렌즈(102)의 주 표면에 대해 90°만큼 회전될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따라, 렌즈를 가능한 한 컴팩트하게 만들기 위해, 렌즈 폭을 줄이기 위해 가장 바깥쪽의 광선은 렌즈(102) 주 표면에 상대적으로 평행하게(주 표면에 대한 법선에 대해 약 90°로) 렌즈(102) 내부로 전파된다. 다른 모든 필드는 90°보다 큰 각도로 전파될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 표면(142)은 이의 폭을 최소화하기 위해 도 2b에서 볼 수 있듯이 외부 표면(138)에 최대한 가깝게 위치되어야 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 프로젝션 유닛(104)에서 렌즈(102)로 투사된 광은 양쪽 주 표면, 즉 외부 렌즈(106)의 표면(140)과 외부 렌즈(108)의 표면(138)으로부터 반사될 수 있다. 그러나, 광이 90° 이상의 각도로 전파되는 특정 경우에, 표면(142)을 통해 주입된 광은 외부 렌즈(108)의 외부 표면(138)에 닿지 않을 수 있다.

원하지 않는 반사(고스트 이미지)가 표면(140)을 통해 생성될 수 있다. 따라서, 원하지 않는 반사를 제거하기 위해 렌즈(102)와 외부 렌즈(106) 사이에 사용되는 접착제는 동일한 RI(굴절률)를 가질 수 있으며 외부 렌즈(106)의 표면(140)에는 코팅이 적용되지 않아야 한다. 이러한 요구 사항을 충족할 수 없는 경우, 원하지 않는 반사(도 3a 참조)가 발생할 수 있다.

도 3a는 개시된 렌즈 내부에 원하지 않는 반사(고스트 이미지)가 발생하는 경우를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 광선(302A)은 원하지 않는 반사인 광선(302B)으로서 표면(140)에서 반사된다. 원하지 않는 반사는 광선(302C)의 FOV 외부 방향에서 오고, 이 방향으로부터 풍경광은 셔터(110)를 통해 전파되지 않고 EMB(112)에 도달할 수 있다는 점을 유의해야 한다. 따라서, 광선(302C)에 대한 광선(302B)의 상대적 밝기는 이미지의 FOV 내의 광의 밝기보다 훨씬 낮을 수 있다.

도 3b는 고스트 효과를 개선하는 개선된 시스템을 도시한다. 도면에서 보이는 것은 렌즈 구조에 대해 기울어진 활성 영역(즉, 부분 반사 표면을 포함하는 영역)을 갖는 렌즈(310)이다. 입력 평면, 예를 들어 표면(142)으로부터 더 멀리 위치된 표면(118), 예를 들어 표면(118a, 118b)의 활성 영역은 표면(138)에 더 가까운 반면, 입력 평면, 표면(142)에 더 가까운 표면, 예를 들어 표면(118i, 118n)의 활성 영역은 표면(308)에 더 가깝다. 따라서, 표면의 코팅된 활성 영역은 도 3b에 도시된 바와 같이 메인 렌즈 구조에 대해 기울어져 있을 수 있다.

따라서, FOV 필드에서 매우 멀리 떨어진 광만이 EMB(112)로 반사될 수 있다. 이는 렌즈(102)를 제작할 때 서로 다른 플레이트의 서로 다른 영역을 선택적으로 코팅하거나 표면(306)을 사이에 두고 두 부분을 함께 접착함으로써 달성될 수 있다(단, 표면(306)에 닿는 광은 표면(308)에 비해 입사각(angle of incidence; AOI)이 낮아지므로 굴절률(RI) 일치 요구 사항이 낮아질 것이다). 도 3b는 이러한 예시적인 구조를 도시하는 반면, 교정용 외부 렌즈(106, 108) 및 광학 셔터(110)는 도시되지 않는다.

또한, 표면의 활성 영역의 이동과 동일한 이유로, 표면은 또한 Y축을 따라 가장자리를 이동시킬 수 있으며, 표면의 커플링에 더 가까운 쪽에서(+Y) 사용자의 눈 쪽으로 더 가까워지고(-Z), 표면의 커플링에서 멀리 위치되면서(-Y) 표면은 안경의 풍경 쪽으로 위치된다(+Z). 따라서, 도 3c에 도시된 렌즈(312)의 구조 또한 사용될 수 있다.

도 3c는 시스템의 생산성 및 밝기를 향상시키는 추가 실시예를 도시한다. 도면에서 렌즈(312)는 Y축을 따라 가장자리가 이동된 표면을 가지고 있으며, +Z 쪽에 더 가까운 쪽에 위치하고 있다. 이러한 구조는 다음과 같은 이유로 유리하다:

- 평행한 가장자리(314, 316)를 가진 배열을 갖는 구조를 제조하는 것이 상대적으로 용이하다.

- 표면(118n)이 빔(318)의 광을 EMB(112)로부터 멀리 반사하지 않으면 시스템 효율성이 향상된다. 그러나, 표면(118a)에 도달하는 빔(318)의 광선은 빔(318)이 표면(118a)에 도달할 때까지 전파되는 표면의 수가 표면(118a)에 도달하는 광선의 Z축 위치를 따라 달라지기 때문에 강도가 다르다.

이는 코팅 반사율과 표면(118)들 사이의 간격을 설계할 때 고려되어야 한다. 예를 들어, 광선(320A)과 달리 광선(320C)은 표면(118)을 통해 전파되기 때문에 광선(320C)은 광선(320A)보다 강도가 낮을 수 있다.

또한, 광을 산란시키지 않고 산란 및 회절 효과로 이미지를 손상시키지 않도록 평면(316)을 따라 표면(118)의 가장자리에서 특별한 주의를 기울여야 하며, 예를 들어 광선(320b)은 표면(134)의 가장자리 효과로 산란될 수 있다.

FBS 렌즈(102)의 표면 배열의 특성상, 배열에 닿아 확장되는 광은 확장 축(도면에서 수직 Y 방향)을 따라 시준되어야 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 초점 평면은 사용자의 눈과 FBS 사이에 위치하는 추가 렌즈(들)(예를 들어, 도 1b의 렌즈(106))에 의해 변경될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 풍경 이미지의 초점을 교정하기 위해 추가적인 렌즈(들)가 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 구면 렌즈를 사용하는 경우, 렌즈의 구면에 셔터를 부착하는 것이 불가능할 수 있어 광학 셔터(들)를 사용하는 것이 불가능할 수 있다. 따라서, 셔터(110)는 도 1b, 도 2a, 및 도 3a에 도시된 바와 같이 렌즈(108)와 FBS 렌즈(102) 사이에 위치될 수 있다.

도 4a는 구형으로 만곡된 내부 주 표면을 갖는 메인 렌즈(402)가 구비된 선택적인 근안 디스플레이(near eye display; NED) 광학 시스템(400)을 도시한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 내부 주 표면(404)은 광학 파워를 가질 수 있는 반면, 외부 주 표면(406)은 광학 파워를 갖지 않을 수 있다. 따라서, 셔터(110)는 렌즈(402)의 외부 주 표면(406)에 부착될 수 있고 추가적인 외부 렌즈(408)가 셔터(110)에 부착될 수 있다.

도 4b는 메인 렌즈(452)가 내부 주 표면(454) 및 외부 주 표면(456)에서 원통형으로 만곡된 대안적인 컴팩트한 근안 디스플레이(near eye display; NED) 시스템(450)을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 렌즈(452)의 2개의 주 표면, 내부 주 표면(454) 및 외부 주 표면(456)은 광학 파워를 가진다. 셔터(110)는 편평하지 않은 주 표면(456)에 부착될 수 있다.

다만, 구형 표면에는 접착될 수 없고 원통형 곡면에만 접착될 수 있는 셔터(110)의 경우, 두 표면(454, 456)은 모두 원통형 곡률 반경만을 가져야 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 내부 주 표면(454)과 외부 주 표면(456) 모두 (FBS 렌즈(452)의 배열을 따라) 수직 원통형 굴절력을 가질 수 있으며, 두 표면의 굴절력은 서로를 (거의) 상쇄하도록 설정되어, 풍경 이미지의 초점은 변경되지 않지만 이미지의 수직 초점의 초점은 변경될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 프로젝션 유닛(104)을 통해 렌즈(452)에 투사된 광은 2개의 축 사이에서 서로 다른 초점 평면을 가질 수 있으므로, 곡면(454)을 통해 전파된 후 이미지는 원하는 거리에서 대칭 초점을 가질 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 FBS 렌즈(522)가 두 부분으로 이루어진, 즉 표면(118)이 이미지를 수직으로 확장하고 표면(117)이 광을 수평 방향을 따라 확장하는 2D 확장 시스템(500)을 도시한다. 단순화를 위해 프로젝션 유닛은 도면에 도시되지 않았다. 도시된 바와 같이, 광선(528)은 먼저 상부 부분에 주입되고 표면(117)에 의해 수평 방향을 따라 확장된 다음 표면(118)에 의해 수직 방향을 따라 확장된다. 동일한 시스템이 도 5b의 측면도에서 도시된다. 2D 확장 후 FBS 렌즈(522)를 나가는 광선은 532로 도시된다. 오직 단순화를 위해 도면에는 광의 단일 전파 방향만 도시된다.

도 6a 및 도 6b는 렌즈(610) 자체를 따라 전파되지 않고 외부 광원으로부터 EMB로 렌즈(610) 외부로부터의 광을 편향시키기 위해 FBS 렌즈(610)를 사용하는 광학 시스템을 도시한다. 프로젝션 유닛(104)과 이의 마이크로 디스플레이(105)는 배열 축(α)에 대해 예각으로 시준된 광의 광선(612)을 투사한다. 광(612)은 주 표면(616)을 통해 렌즈(610)에 입사한다. 일 실시예에서, 시준된 광은 배열 축(α)에 대해 5°와 45° 사이의 각도로 주 표면(616)에 입사한다. 특정 광학 특성을 갖는 얇은 필름 또는 코팅이 주 표면(616)에 도포되어 입사 광이 얕은 각도로 렌즈(610)에 들어올 수 있도록 할 수 있다.

제1 주 표면(616)을 통해 렌즈(610)에 입사되는 광(612)의 일부는 광선(612a)으로서 FBS 표면(118)에서 EMB 쪽으로 즉시 편향될 수 있다. 제1 주 표면(616)을 통해 렌즈(610)에 들어가는 광(612) 중 일부는 하나 이상의 FBS 표면(118)을 통해 투과된 후 광선(612b)으로서 EMB를 향해 다른 표면(118)에서 반사될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서는 제1 주 표면 및 제2 주 표면(614, 616)으로부터의 내부 전반사에 의해 렌즈(610) 자체를 따라(배열 축(α)을 따라) 전파되는 광이 없다.

정의

다음은 본원에 사용된 선택된 용어의 정의를 포함한다. 정의에는 용어의 범위에 속하고 구현에 사용될 수 있는 다양한 예나 형태의 컴포넌트가 포함된다. 예는 제한되도록 의도한 것이 아니다. 단수형과 복수형 용어가 모두 정의 내에 있을 수 있다.

"동작 가능한 연결" 또는 엔티티가 "동작 가능하게 연결된" 연결은 신호, 물리적 통신 또는 논리적 통신이 전송되거나 수신될 수 있는 연결이다. 일반적으로, 동작 가능한 연결에는 물리적 인터페이스, 전기적 인터페이스 또는 데이터 인터페이스가 포함되어 있지만, 동작 가능한 연결에는 동작 가능한 제어를 허용하기에 충분한 이러한 또는 다른 유형의 연결의 다양한 조합이 포함될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 두 엔티티는 프로세서, 운영 체제, 로직, 소프트웨어 또는 다른 엔티티와 같은 하나 이상의 중간 엔티티를 통해 또는 직접 서로에 대해 신호를 전달할 수 있음으로써 동작 가능하게 연결될 수 있다. 논리적 또는 물리적 통신 채널을 사용하여 동작 가능한 연결을 만들 수 있다.

또한, "포함하다" 또는 "포함하는"이라는 용어가 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용되는 한, 이는 청구범위에서 전환어로 사용될 때 해당 용어가 해석됨에 따라 "포함하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 또한, "또는"이라는 용어가 상세한 설명 또는 청구항에서 사용되는 한(예를 들어, A 또는 B), 이는 "A 또는 B 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 의도된다. 출원인이 “둘 다가 아닌 A 또는 B에만”을 나타내고자 할 때, “둘 다가 아닌 A 또는 B에만”이라는 용어가 사용될 것이다. 따라서, 본원에서 용어 "또는"의 사용은 포괄적이며, 배타적인 사용은 아니다. Bryan A. Garner의 저서, A Dictionary of Modern Legal Usage 624 (2 판, 1995) 참조.

예시적 시스템, 방법 등은 예를 들어 설명함으로써 예시되었고, 예들이 상당히 자세하게 설명되어 있지만, 출원인의 의도는 이러한 세부 사항의 범위를 제한하거나 어떤 식으로든 한정하는 것이 아니다. 물론, 본원에 설명된 시스템, 방법 등을 설명하기 위해 컴포넌트 또는 방법론의 모든 가능한 조합을 설명하는 것은 불가능하다. 추가 이점 및 수정은 당업자에게 쉽게 나타날 것이다. 따라서 본 발명은 도시되고 설명된 구체적인 세부 사항, 대표적인 장치 및 예시적인 예에 제한되지 않는다. 따라서, 본 출원은 첨부된 청구 범위 내에 속하는 변경, 수정 및 변형을 포함하기 위한 것이다. 더욱이, 앞의 설명은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (17)

1. 근안 디스플레이 광학 시스템으로서,
   배열 축을 따라 연장되고 (a) 입력 평면과 (b) 상기 배열 축을 따라 대체로 연장되는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는 렌즈를 포함하며,
   상기 렌즈는 상기 입력 평면을 통해 상기 배열 축을 따라 시준된 이미지에 대응하는 광을 수신하도록 구성되고; 그리고
   상기 렌즈는 상기 배열 축에 대해 각도로 상기 배열 축을 따라 배치된 부분 반사 내부 표면 세트를 포함하고, 상기 세트 중 상기 입력 평면에 가장 가까이 배치된 제1 부분 반사 내부 표면은 상기 입력 평면에서 가장 먼 제2 부분 반사 내부 표면보다 낮은 반사율을 가져, 상기 광의 적어도 일부가 상기 제1 부분 반사 내부 표면에 의해 투과된 후, 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면에서 반사된 적 없이 상기 제2 부분 반사 내부 표면에 도달하는, 근안 디스플레이 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 부분 반사 내부 표면은 상기 근안 디스플레이의 사용자의 눈 모션 박스 쪽으로 90도 각도로 상기 렌즈 밖으로 상기 광의 상기 적어도 일부를 반사시키는, 근안 디스플레이.
3. 제1항에 있어서, 상기 배열 축을 따라 시준된 상기 이미지에 대응하는 상기 광을 상기 입력 평면을 통해 상기 렌즈에 투사하도록 구성된 프로젝션 유닛을 포함하는, 근안 디스플레이.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 주 표면에 인접하고 광학 파워를 갖는 제1 외부 렌즈; 및
   상기 제2 주 표면에 인접하고 상기 제1 외부 렌즈의 상기 광학 파워에 보완적인 광학 파워를 갖는 제2 외부 렌즈를 포함하여, 상기 제1 외부 렌즈를 통해 투과되고 상기 제1 주 표면의 상기 광학 파워에 의해 작용된 풍경광이 이후 상기 제2 주 표면의 상기 광학 파워에 의해 작용된 상기 제2 외부 렌즈를 통해 투과되어 사용자에게 상기 제1 외부 렌즈에 의해 처음 수신된 상기 풍경광과 유사하게 보이는, 근안 디스플레이.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 외부 렌즈 및 상기 제2 외부 렌즈 중 적어도 하나가 비평면이거나,
   상기 제1 외부 렌즈 및 상기 제2 외부 렌즈가 서로 평행하지 않은, 근안 디스플레이.
6. 제4항에 있어서,
   (a) 상기 제1 외부 렌즈 및 상기 제2 외부 렌즈 중 하나와 (b) 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면 중 대응하는 하나 사이에 배치되어 상기 근안 디스플레이의 광축을 따라 상기 부분 반사 표면의 적어도 일부와 겹치도록 하는 광학 셔터를 포함하며, 상기 광학 셔터는 상기 풍경광에서 상기 렌즈와 상기 부분 반사 표면을 통해 상기 사용자의 눈을 향해 P 편광광만 투과되도록 배향된 편광판을 통합하고, 여기서 상기 부분 반사 표면 코팅은 낮은 P 편광 반사율과 높은 S 편광 반사율을 갖는 편광에 따라 달라지는, 근안 디스플레이.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 주 표면에 인접하고 광학 파워를 가지며, 상기 근안 디스플레이의 사용자의 고정 중심을 향해 광을 반사하도록 구성된 외부 렌즈를 포함하고, 상기 사용자의 상기 고정 중심은 상기 사용자의 눈으로부터 미리 정의된 거리에 위치되는, 근안 디스플레이.
8. 제7항에 있어서, 상기 외부 렌즈는 곡면을 갖고, 상기 이미지는 두 축 사이에서 서로 다른 초점 평면을 가져, 상기 곡면을 통해 전파된 후에 상기 이미지가 상기 미리 정의된 거리에서 대칭 초점을 갖도록 하는, 근안 디스플레이.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 반사 내부 표면과 상기 제2 부분 반사 내부 표면은 상기 근안 디스플레이의 사용자의 고정 중심을 향해 광을 반사하도록 구성되고, 상기 사용자의 상기 고정 중심은 상기 사용자의 눈으로부터 미리 정의된 거리에 위치되는, 근안 디스플레이.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면 중 적어도 하나가 비평면이거나, 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면이 평행하지 않은, 근안 디스플레이.
11. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 내부 표면 세트는 상기 근안 디스플레이 사용자의 눈 모션 박스 쪽으로 상기 렌즈 밖으로 상기 광을 반사시키도록 구성되고, 여기서 상기 세트 내의 부분 반사 표면들 사이의 간격은 변하며, 상기 간격은 상기 눈 모션 박스에서 모든 광 필드의 균일한 강도 분포를 유도하도록 설정되는, 근안 디스플레이.
12. 제1항에 있어서, 상기 제2 부분 반사 내부 표면의 부분 반사 영역은 상기 제1 주 표면에 더 가까운 반면, 상기 제1 부분 반사 내부 표면의 부분 반사 영역은 상기 제2 주 표면에 더 가까워, 상기 제1 부분 반사 표면과 상기 제2 부분 반사 표면의 상기 부분 반사 영역 각각이 상기 배열 축에 대해 기울어져 있도록 하는, 근안 디스플레이.
13. 제1항에 따른 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 중 제1 렌즈는 상기 광을 제1 방향으로 확장시키도록 하고, 상기 복수의 렌즈 중 제2 렌즈는 상기 광을 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 확장시키도록 하는, 근안 디스플레이.
14. 근안 디스플레이 광학 시스템으로서,
    배열 축을 따라 연장되고 (a) 입력 평면과 (b) 상기 배열 축을 따라 대체로 연장되는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖는 렌즈를 포함하며,
    상기 렌즈는 이미지에 대응하는 시준된 광을 수신하도록 하고, 상기 시준된 광은 상기 입력 평면을 통해 상기 렌즈로 입사되며; 그리고
    상기 렌즈는 상기 배열 축에 대해 각도로 상기 배열 축을 따라 배치된 부분 반사 내부 표면 세트를 포함하고, 상기 세트 중 제1 부분 반사 내부 표면은 부분 반사율을 가져, 상기 시준된 광의 적어도 일부가 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면에서 반사된 적 없이 상기 제1 부분 반사 내부 표면에 의해 상기 렌즈 밖으로 반사되는, 근안 디스플레이 광학 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 입력 평면은 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면에 대응하는, 근안 디스플레이.
16. 제14항에 있어서, 상기 시준된 광은 상기 배열 축에 대해 예각으로 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면을 통해 상기 렌즈로 입사되는, 근안 디스플레이.
17. 제14항에 있어서, 상기 시준된 광 중 적어도 일부가 상기 제1 부분 반사 내부 표면에 의해 투과된 후에 상기 세트 중 제2 부분 반사 내부 표면에 의해 상기 렌즈에 도달하여 상기 렌즈 밖으로 반사되는, 근안 디스플레이.