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KR20140031321A - 다중 반사기를 구비하는 눈 인접 디스플레이를 위한 접안렌즈 - Google Patents

다중 반사기를 구비하는 눈 인접 디스플레이를 위한 접안렌즈 Download PDF

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KR20140031321A
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싸오유 미아오
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구글 인코포레이티드
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Abstract

HMD를 위한 접안렌즈는 조명 모듈, 종단 반사기, 관찰 영역, 및 편광 회전자를 포함한다. 조명 모듈은 전방 전파 경로를 따라 CGI(computer generated image) 광을 내보내기 위한 이미지 소스를 포함한다. 종단 반사기는 역 전파 경로를 따라 CGI를 되돌려 반사하도록 조명 모듈로부터 접안렌즈의 대향하는 종단에 배치된다. 관찰 영역이 조명 모듈과 종단 반사기 사이에 배치된다. 관찰 영역은 PBS(polarizing beam splitter) 및 PBS와 종단 반사기 사이에 배치된 비-PBS(non-polarizing beam splitter)를 포함한다. 관찰 영역은 접안렌즈의 눈 방향 측 바깥으로 역 전파 경로로부터 CGI 광을 재지향한다. 편광 회전자는 관찰 영역과 종단 반사기 사이에서 CGI 광의 전방 및 역 전파 경로에 배치된다.

Description

다중 반사기를 구비하는 눈 인접 디스플레이를 위한 접안렌즈{EYEPIECE FOR NEAR-TO-EYE DISPLAY WITH MULTI-REFLECTORS}
본 발명은 일반적으로 광학의 분야에 관한 것으로, 특히 배타적이지는 않지만, 눈 인접 광학 시스템(near-to-eye optical systems)에 관한 것이다.
"HMD(head mounted display)"는 머리에 씌워지거나 머리에 관한 디스플레이 장치이다. HMD들은 일반적으로 사람 눈의 수 센티미터 내에서 광 이미지를 방사하도록 눈 인접 광학 시스템의 몇몇 종류를 통합한다. 단일 눈 디스플레이는 단안(monocular) HMD들로 언급되는 반면, 이중 눈 디스플레이는 쌍안(binocular) HMD들로 언급된다. 몇몇 HMD는 "CGI(computer generated image)"만을 디스플레이하는 한편, 다른 형태의 HMD는 현실 세계에 걸쳐 CGI를 중첩(superimposing)시킬 수 있다. 이러한 후자의 형태의 HMD는 증강된 현실(augmented reality)을 실현하기 위한 하드웨어 플랫폼으로서 기능할 수 있다. 증강된 현실에 따르면, 세상의 관찰자의 이미지는 CGI를 중첩시킴에 따라 증강되고, 또한 "HUD"(heads-up display)로서 언급된다.
HMD는 다양한 실습 및 레저 어플리케이션을 갖는다. 항공우주 어플리케이션은 눈이 비행 경로를 벗어나는 것 없이 조종사가 생명 유지에 필요한 비행 제어 정보를 볼 수 있도록 한다. 대중 안전 어플리케이션은 열 이미징 및 지도의 빈틈없는 디스플레이를 포함한다. 다른 어플리케이션 분야는 비디오 게임, 수송, 및 원격통신을 포함한다. 기술 발전에 따라 새롭게 발견된 소정의 실습 및 레저 어플리케이션이 존재하지만; 그러나 대부분의 이들 어플리케이션은 비용, 크기, 관찰 분야, 및 구현된 현존하는 HMD들에 대해 이용된 통상적인 광학 시스템의 효율에 기인하여 제한된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 다중 반사기를 구비하는 눈 인접 디스플레이를 위한 접안렌즈를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 HMD를 위한 접안렌즈는 조명 모듈, 종단 반사기, 관찰 영역, 및 편광 회전자를 포함한다. 조명 모듈은 전방 전파 경로를 따라 CGI(computer generated image) 광을 내보내기 위한 이미지 소스를 포함한다. 종단 반사기는 역 전파 경로를 따라 CGI를 되돌려 반사하도록 조명 모듈로부터 접안렌즈의 대향하는 종단에 배치된다. 관찰 영역이 조명 모듈과 종단 반사기 사이에 배치된다. 관찰 영역은 PBS(polarizing beam splitter) 및 PBS와 종단 반사기 사이에 배치된 비-PBS(non-polarizing beam splitter)를 포함한다. 관찰 영역은 접안렌즈의 눈 방향 측 바깥으로 역 전파 경로로부터 CGI 광을 재지향한다. 편광 회전자는 관찰 영역과 종단 반사기 사이에서 CGI 광의 전방 및 역 전파 경로에 배치된다.
도 1은 각도 민감성 다이크로익 미러(angle sensitive dichroic mirrors)를 이용하는 통상적인 눈 인접 광학 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 아이박스(eyebox)를 확장하도록 관찰 영역(viewing region)에서 이중 반사 표면(dual reflective surfaces)을 포함하는 접안렌즈(eyepiece)의 상부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관찰 영역에서 이중 반사 표면을 포함하는 접안렌즈의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른사용자에게 눈 인접 이미지를 전달하도록 접안렌즈의 동작의 프로세스를 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 종단 반사기(end reflector)에 직접적으로 대향하는 이미지 소스 및 이중 반사 표면을 포함하는 접안렌즈의 상부 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관찰 영역에서 이중 반사 표면을 갖춘 접안렌즈로 구현된 쌍안 HMD의 상면도이다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 붙인다.
확장된 아이박스(expanded eyebox)를 갖춘 "HMD(head mounted display)"를 위한 시스템, 장치, 및 동작 방법의 실시예가 여기에 개시된다. 이하의 설명에 있어서, 다양한 특정 상세내용이 실시예의 이해를 통해 제공되도록 설명된다. 그러나, 관련된 당업자는 여기에 개시된 기술이 하나 이상의 특정 상세내용 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 재료 등에 따라 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 예에 있어서, 잘 알려진 구조, 재료, 또는 동작은 소정 측면을 불분명하게 하는 것을 회피하기 위해 도시 또는 개시되지 않는다.
"하나의 실시예" 또는 "실시예"에 대해 본 명세서 전체를 통한 참조는 실시예와 관련하여 개시된 특정 특성, 구조, 또는 특징이 적어도 하나의 개시된 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 상황은 반드시 동일한 실시예에 대해 모두 언급되지는 않는다. 더욱이, 개시된 특정 특성, 구조, 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 소정의 적절한 방법으로 결합될 수 있다.
도 1은 각도 민감성 다이크로익 미러(angle sensitive dichroic mirrors)를 이용하는 통상적인 눈 인접 광학 시스템(100)을 나타낸다. 광학 시스템(100)은 도파관(115) 내에 배치된 인-커풀링 미러(in-coupling mirror; 105) 및 아웃-커플링 다이크로익 미러(out-coupling dichroic mirrors; 110)를 포함한다. 이러한 시스템은 무한 공간에 배치된 가상 이미지로부터의 시준된 입력 광(collimated input light)을 이용하고, 아웃-커플링 다이크로익 미러(110)를 향해 도파관(115) 아래쪽으로 입력 광을 안내하도록 전반사(total internal reflection("TIR"))를 이용한다. 눈(120)에서 유용한 이미지를 생성하기 위해, 입력 광의 각각의 입사 각은 방사된 광의 단일 출력 각에 대응해야 한다. 광이 아래로 향하는 궤적(광선 세그먼트(ray segments; 125)) 또는 위로 향하는 궤적(광선 세그먼트(130))의 어느 쪽 상에서 아웃-커플링 다이크로익 미러(110)를 벗어나서 잠정적으로 반사될 수 있으므로, 각 입력 각도는 다중 출력 각도(multiple output angles)를 잠정적으로 초래할 수 있고, 따라서 출력 이미지를 파괴한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 광학 시스템(100)은 수직선(normal)에 대해 충분하게 가까운 입사에 따라 광을 통과시키는 한편 충분하게 기울어진 입사를 갖춘 광을 반사하는 각도 민감성 다이크로익 미러(110)를 이용한다. 그러나, 몇몇 입사 각도를 통과하는 한편 다른 것을 반사하는 다이크로익 미러(110)의 속성은 광학 시스템(100)의 시야를 제한하고 시스템의 광학 효율성을 감소시킨다. 더욱이, 이들 다이크로익 미러 코팅은 예각 임계(sharp angular cutoffs)를 제공하지 않고, 잔상 효과(ghosting effects)를 초래한다. 마지막으로, 각도 민감성 다이크로익 미러 코팅은, 비용 효율적이지 않은, 복잡하고 주문화된 코팅 설계를 요구한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 접안렌즈(eyepiece)와 관련된 아이박스(eyebox; 205)를 확장하기 위해 관찰 영역에서 이중 반사 표면(dual reflective surfaces)을 포함하는 접안렌즈(200)를 나타낸다. 도 2는 접안렌즈(200)의 상부 단면도인 반면 도 3은 그 측면도이다. 접안렌즈(200)의 도시된 실시예는 조명 모듈(illumination module; 210), 광 파이프(light pipe; 215), 관찰 영역(viewing region; 220), 편광 회전자(polarization rotator; 225), 및 종단 반사기(end reflector; 230)를 포함한다. 조명 모듈(210)의 도시된 실시예는 램프(lamp; 235), 집광 렌즈(condenser lens; 240), "PBS"(polarizing beam splitter; 245), 및 "LCOS"(liquid crystal on silicon) 패널(250)을 포함한다. 관찰 영역(220)의 도시된 실시예는 PBS(255) 및 "비-PBS"(non-polarizing beam splitter; 260) (간단히 BS(260)로 언급됨)를 포함한다.
램프(235)는, PBS(245)의 반사 벗어남(reflection off)을 매개로 LCOS 패널(250)을 조명하는, "LED"(light emitting diode) 소스를 이용해서 구현될 수 있다. PBS(245)는 램프(235), 집광 렌즈(240), 및 LCOS 패널(250)이 본딩되는 이산 PBS 블록(discrete PBS block)으로서 구현될 수 있다. PBS(245)는 제1 선형 편광(first linear polarization)의 광을 실질적으로 통과시키고(예컨대, P 편광의 90% 이상을 통과시킴), 반면 제2 편광(second polarization)의 광을 실질적으로 반사하도록(예컨대, S 편광의 99% 이상을 반사시킴) 동작한다. 2개의 선형 편광은 전형적으로 직교 선형 편광(orthogonal linear polarizations)이다. LCOS 패널(250)은 이미지 픽셀의 어레이에 의한 선택 반사를 매개로 "CGI"(computer generated image) 광을 출력하도록 램프(235)에 의해 조명 광 출력으로 이미지 데이터를 전한다. LCOS 패널(250)에 의한 반사는 90도 만큼 입사 램프 광(incident lamp light)의 편광을 회전시킨다.
LCOS 패널(250)은 대향하는 구성에서 종단 반사기(230)로부터 접안렌즈(200)의 대향하는 측에 배치되어 이는 직접적으로 종단 반사기(230)와 면하게 된다. 입사 램프 광의 반사에 따라, CGI 광이 전파 경로(propagation path; 265)를 따라 접안렌즈(200) 아래쪽으로 전파된다. 하나의 실시예에 있어서, CGI 광은 전반사(total internal reflection ("TIR"))의 필요 없이 전방 전파 경로(forward propagation path; 265)를 따라 접안렌즈(200) 아래로 향한다. 즉, CGI 광에 의해 형성된 광 원뿔(light cone)의 발산(divergence) 및 단면 형상이 제한되어 광선은 접안렌즈(200)의 측면을 TIR 벗어남(TIR off) 없이 종단 반사기(230)에 도달한다. 하나의 실시예에 있어서, 광 원뿔 발산각(light cone divergence angle)(예컨대, 15도)이 집광 렌즈(240)에 의해 제어된다. 하나의 실시예에 있어서, 광 원뿔 단면 형상은 또한 집광 렌즈(240) 상으로 패터닝된 블랙아웃 필름(blackout film; 270)에 의해 제어된다. 다른 실시예에 있어서, 블랙아웃 필름(270)은, PBS(245)와 LCOS 패널(250)의 정육면체 구조 사이의 경계에, PBS(245)와 광 파이프(215)의 박스 체적 구조 사이에, 또는 기울어진 PBS(245) 그 자체 상에, 또는 그 이외와 같은, 어디에라도 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3은 이미지 소스를 구현하도록 램프(235) 및 LCOS 패널(250)을 이용해서 구현된 조명 모듈(210)을 나타내지만; 다양한 다른 이미지 소스 기술이 이용될 수 있다. 도 5는 이하에서 논의되는 다른 이미지 소스 구현 예를 나타낸다.
광 파이프(215)가 조명 모듈(210)과 관찰 영역(220) 사이에 배치된다. 광 파이프(215)는 CGI 광이 전방 전파 경로(265)를 통해 통과할 수 있도록 하기 위해 투명 구조(transparent structure)를 갖는다. 광 파이프(215)는 고체 투명 재료(예컨대, 유리, 석영(quartz), 아크릴(acrylic), 투명 플라스틱(clear plastic), PMMA, ZEONEX-E48R 등)로 제조될 수 있거나 CGI 광이 통과하는 내부 공기 갭(inner air gap)을 갖춘 고체 하우징(solid housing)으로서 구현될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 광 파이프(215)는 종단 반사기(230)의 초평면(focal plane)이 실질적으로 LCOS 패널(250)의 방사 개구(emission aperture)와 일치하도록 선택된 (전방 전파 경로(265)에 대해 평행하게 측정됨에 따른) 길이를 갖는다. LCOS 패널(250)의 방사 개구와 초평면 정렬을 달성하기 위해, 광 파이프(215)의 길이와 종단 반사기(230)의 곡률 반경(radius of curvature) 양쪽은 서로 관련되어 선택될 수 있다.
관찰 영역(220)의 도시된 실시예는, PBS(255) 및 비-PBS(260)를 포함하는, 이중 반사기(dual reflectors)를 포함한다. 하나의 실시예에 있어서, 이중 반사기는 실질적으로 평행하는 부분적으로 반사성인 경사지게 위치된 평면(partially reflective obliquely situated planes)이다. 하나의 실시예에 있어서, 관찰 영역은 부분적으로 투명하고, 이는 외부 장면 광(external scene light; 275)이 눈(120)에 도달하도록 접안렌즈(200)의 외부 장면 측(external scene side; 201)과 눈 방향 측(eye-ward side; 202)을 통해 통과할 수 있도록 한다. 부분적으로 투명한 실시예는, CGI 광이 사용자 눈(120)에 대해 외부 장면 광(275)에 걸쳐 중첩되는 곳에서, "AR(augmented reality)"을 용이하게 한다. 다른 실시예에 있어서, 관찰 영역(220)은 실질적으로 불투명(또는 비록 선택적으로 불투명)하고, 이는 CGI 광에 의해 디스플레이된 가상 환경에서 사용자를 몰입시키는 "VR(virtual reality)"을 용이하게 한다.
PBS(255)는 PBS(245)와 동일한 선형 편광(예컨대, P 편광)을 통과하도록 구성되고, 반면 다른 선형 편광(예컨대, S 편광)을 반사한다. 비-PBS(260)(또는 BS(260))는 양 선형 편광을 통과하지만, 각 선형 편광의 일부분만을 통과하는 한편 양 선형 편광의 일부분을 반사한다. 도시된 실시예에 있어서, 비-PBS(260)는 입사광의 50%를 반사하고 50%를 통과시키는 50/50 빔 스플리터(beam splitter)이다. 관찰 영역(220)에서의 이중 반사 엘리먼트의 이용은 오직 단일의 기울어지게 방향지워진 반사기(single obliquely orientated reflector)만을 갖춘 관찰 영역에 대하여 아이박스(205)를 확장한다. 아이박스(205)는 눈 방향 측(202) 상으로 PBS(255)와 비-PBS(260)(또는 BS(260))의 결합된 투사에 의해 정의된다. 따라서, 관찰 영역(220)에서 다중 반사 엘리먼트의 포함은 허용가능한 아이박스 크기를 유지하는 동안 원하는 폼 팩터(form factor)를 달성하기 위해 수축되는 접안렌즈(200)의 (Y 축에서의) 폭을 허용한다. 예컨대, 접안렌즈(200)의 Y 축 폭은 Z 축 높이의 반이거나, 이하일 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 접안렌즈(200)의 Y×Z 치수는 약 5mm×10mm이다. 접안렌즈(200)의 전체 길이는 전형적 사용자의 관자놀이-눈 분리 거리(temple-to-eye separation distance) 및/또는 종단 반사기(230)의 초평면 거리를 기초로 선택될 수 있다. 물론 다른 비율 및 치수가 이용될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 부가적인 비-PBS 반사기가 아이박스(205)를 더욱 확장하도록 PBS(255)와 편광 회전자(225) 사이에 배치될 수 있지만, 이들 다중-비-PBS 구성에 있어서, 각 비-PBS는 눈(120)을 향하는 CGI 광의 일정한 방사 강도를 달성하도록 변하는 반사율(예컨대, 2개의 비-PBS 반사기의 경우 67% 및 33% 반사율)을 갖는다.
도시된 실시예에 있어서, 편광 회전자(225)는 1/4 파장판 편광 회전자(quarter wave-plate polarization rotator)이다. CGI 광은 전방 전파 경로(265)를 따라 45도가 회전되고 편광 회전의 전체 90도에 대해 종단 반사기(230)에 의한 반사 후 역 전파 경로를 따라 다른 45도가 회전된다. 도시된 실시예에 있어서, 종단 반사기(230)는 CGI 광을 반사 및 시준(collimates)하여 역 전파 경로(reverse propagation path; 280)를 따라 주행하는 CGI 광은 시준되고 이미지가 무한 공간(infinity)에서 또는 근처에 가상적으로 위치한다. 앞에서 언급된 바와 같이, 종단 반사기(230)의 초평면은 조명 모듈(210)에 배치된 이미지 소스의 방사 개구와 일치되도록 구성될 수 있다. CGI 광을 시준하는 것은 눈(120)이 눈 인접 구성(예컨대, 눈(120)의 10㎝ 이내 및 전형적으로 눈(120)의 5㎝ 또는 이하에 위치된 접안렌즈(200))에서 눈 방향 측(202)으로 방사되어 나가는 CGI 광에 대해 초점지워지도록 허용한다. CGI 광은 PBS(255) 및 비-PBS(260)의 기울어진 방향(예컨대, 측면(201, 202)에 관하여 약 45도)에 기인하여 눈(120)을 향하여 지향되게 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 접안렌즈(200)는 일련의 광학적으로 정렬된 독립적 모듈로 제조될 수 있다. 예컨대, PBS(245), 광 파이프(215), PBS(255), 및 비-PBS(260)는 함께 결합되는 독립적인 물리적 엘리먼트로서 모두 제조될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, PBS(255) 및 비-PBS(260)는 이러한 단일 물리적 구성요소의 대향하는 측 상으로 코팅된 2개의 반사 표면과 함께 하나의 물리적 구성요소로 집적될 수 있다. 이들 독립적인 물리적 엘리먼트(예컨대, 볼륨 박스(volume boxes), 정육면체(cubes) 등)는 평탄한 경계 표면(planar interface surfaces)에서 버트 연결(butt connection)을 용이하게 하는 공통 단면 형상을 공유할 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 이들 독립적 물리적 엘리먼트는 단일 기판(예컨대, 상부 기판(upper substrate; 305) 또는 하부 기판(lower substrate; 310) 중 어느 하나) 상에 배치될 수 있거나, 상부 및 하부 기판(305, 310) 사이에 샌드위치될 수 있다. 기판(305, 310)의 하나 또는 양쪽은 평탄한 표면 상에서 광학적 정렬을 용이하게 한다. 더욱이, 종단 반사기(230)의 초평면과 LCOS 패널(250)의 방사 개구 사이에서 광학적 정렬의 미세 조정(fine tuning)은 기판(305, 310)의 하나 또는 양쪽 상에 물리적 구성요소의 배치 동안 달성될 수 있다. 예컨대, 종단 반사기(230)와 LCOS 패널(250) 사이에서 올바른 분리 거리를 달성하기 위해 공기 갭이 광 파이프(215) 및 PBS(245) 및/또는 PBS(255) 사이에 도입될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사용자에게 눈 인접 이미지를 전달하도록 접안렌즈(200)의 동작의 프로세스(400)를 나타내는 플로우차트이다. 프로세스 블록의 몇몇 또는 전부가 프로세스(400)에서 나타내는 순서를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려, 본 발명의 이점을 갖춘 당업자는 몇몇 프로세스 블록이 도시되지 않은 다양한 순서로, 또는 병렬로 실행될 수 있음을 이해하게 된다.
프로세스 블록(405)에 있어서, 조명 모듈은 전방 전파 경로(265)를 따라 주행하는 광 파이프(215)로 P 편광을 갖춘 CGI 광을 내보낸다. 도 2에 도시된 실시예에 있어서, P 편광된 CGI 광이 다음과 같이 발생된다. 램프(235)는 P 및 S 편광 양쪽을 갖춘 비-편광된 광을 발생시킨다. 램프(235)로부터 방사된 비-편광된 광의 발산(divergence)이 감소되고 빔 단면이 집광 렌즈(240)에 의해 제한된다. 비-편광된 광은 이어 물리적 블록 또는 모듈 하우징 PBS(245)의 측으로 지향된다. PBS(245)는 P 편광 구성요소를 통과시키는 한편 S 편광 구성요소를 반사한다. PBS(245)가 램프(235)에 관하여 기울어져 위치되므로, 반사된 S 편광 구성요소는 LCOS 패널(250) 상으로 지향된다. LCOS 패널(250)은 LCOS 패널 내 이미지 픽셀을 선택적으로 활성화하는 것에 의해 입사 램프 광(incident lamp light) 상으로 이미지 데이터를 조절한다(modulates). 이미지 픽셀이 활성화될 때, 이는 램프 광의 부분을 반사한다. 이렇게 함에 있어서, 반사된 CGI 광은 P 편광에 대해 90도 만큼 회전된 그 편광을 갖는다. PBS(245)는 P 편광된 광에 대해 실질적으로 투명하므로, 반사된 CGI 광은 전방 전파 경로(265)를 따라 광 파이프(215)를 향해 실질적으로 방해받지 않은 PBS(245)를 통해 통과한다.
프로세스 블록(410)에 있어서, CGI 광은 광 파이프(215)를 통해 통과한다. 1실시예에 있어서, 광 파이프(215)는 단지 이미지 소스(예컨대, LCOS 패널(250))와 종단 반사기(230) 사이에서 분리 옵셋(separation offset)을 제공하고 광파(light wave)를 제한하거나 안내하도록 동작하지 않는다. 따라서, 이들 실시예에 있어서, CGI 광은 TIR 없이 그리고 외부 표면 반사 없이 광 파이프(215)를 통해 통과한다.
프로세스 블록(415)에 있어서, CGI 광은 전방 전파 경로(265)를 따라 관찰 영역(220)을 통해 통과한다. PBS(255)가 P 편광된 광을 실질적으로 통과하도록 구성되므로, CGI 광은 영향을 미치는 것 없이 실질적으로 PBS(255)를 통해 통과한다. 반면, 도시된 실시예에 있어서, 비-PBS(260)는 50/50 빔 스플리터이고, 따라서 CGI 광의 50%가 외부 장면 측(201)을 향해 반사되는 반면 다른 50%는 편광 회전자(225)를 향해 통과한다.
프로세스 블록(420)에 있어서, CGI 광은 이어 전방 전파 경로(265)를 따라 편광 회전자(225)를 통해 통과한다. 이렇게 함에 있어서, 편광 회전자(225)의 도시된 실시예가 1/4 파장판 회전자이므로 CGI 광의 편광은 45도 만큼 회전된다.
프로세스 블록(425)에 있어서, CGI 광은 종단 반사기(230)에 의해 역 전파 경로(280)를 따라 되돌려 반사된다. 하나의 실시예에 있어서, 종단 반사기(230)는 시준 반사기(collimating reflector)이다. 따라서, 본 실시예에 있어서, 역 전파 경로(280)를 따라 주행하는 CGI 광은 실질적으로 시준광(collimated light)이다. CGI 광을 시준하는 것은 무한 공간에서 또는 근처에서 CGI 이미지를 가상으로 대신하는 효과를 갖고, 그에 의해 CGI 이미지를 초점으로 가져오도록 사람의 눈(120)을 가능하게 한다. 중요하게, CGI 광을 시준하는 것은 평행 이중 반사기의 반사 벗어남(reflections off)에 의해 생성된 이미지 잔상(image ghosting)을 감소시키거나 제거한다.
프로세스 블록(430)에 있어서, 역 전파 경로(280)를 따라 주행하는 반사된 CGI 광은 다시 한번 편광 회전자(225)를 통해 통과하고, 전방 및 역 전파 경로로부터 전체 90도에 대해 다른 45도가 회전되도록 CGI 광을 야기시킨다. 따라서, 2번째에 대해 편광 회전자(225)를 통해 통과한 후, CGI 광은 S 편광을 갖는다.
프로세스 블록(435)에 있어서, S 편광을 갖춘 CGI 광의 반은 비-PBS(260)에 의해 반사되고 눈(120)을 향해 눈 방향 측(202)을 통해 접안렌즈(200) 바깥으로 재지향(redirected)된다. CGI 광의 나머지 반은, 실질적으로 모든 S 편광 광을 반사하도록 구성된, PBS(255)로 계속된다. 따라서, 나머지 CGI 광은 PBS(255)에 의해 반사되고 눈(120)을 향해 눈 방향 측(202)을 통해 접안렌즈(200) 바깥으로 재지향된다(프로세스 블록 440). 비-PBS(260)는 역 전파 경로(280)를 따라 주행하는 CGI 광의 50%를 재지향하고 PBS(255)는 역 전파 경로(280)를 따라 비-PBS(260)를 통해 통과하는 나머지 CGI 광의 모두를 실질적으로 재지향하므로, 관찰 영역(220)에서 접안렌즈(200)의 눈 방향 측(202)을 통해 방사되는 CGI 광은 실질적으로 일정한 강도를 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 종단 반사기(230)와 직접적으로 대향하는 이미지 소스(505) 및 이중 반사 표면을 포함하는 접안렌즈(500)의 상면도이다. 접안렌즈(500)의 도시된 실시예는 조명 모듈(210)에 관하여 조명 모듈(510)로 변경된 것을 제외하고 접안렌즈(200)와 유사하다. 조명 모듈(510)은 접안렌즈(500)의 대향하는 측에서 종단 반사기(230)와 직접적으로 면하는 이미지 소스(505)를 포함한다. 이미지 소스(505)는 "OLED(organic LED)" 패널, 양자 점 어레이(quantum dot array), 백 라이트(back lit) LCD, 또는 그 외를 포함하는 다양한 이미지 소스/디스플레이 기술로 구현될 수 있다. 이미지 소스(505)가 접안렌즈(500)의 말단(distal end)에 배치되므로, 조명 모듈(510)은 빔 스플리터 또는 PBS를 포함하지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 눈 인접 광학 시스템(601)의 쌍을 이용하는 "HMD(head mounted display)"(600)의 상면도이다. 각 눈 인접 광학 시스템(601)은 접안렌즈(200) 또는 접안렌즈(500), 또는 그 조합/변형의 어느 실시예에 따라 구현될 수 있다. 눈 인접 광학 시스템(601)은, 노즈 브릿지(nose bridge; 605), 좌측 귀 암(left ear arm; 610), 및 우측 귀 암(right ear arm; 615)을 포함하는, 프레임 어셈블리에 탑재된다. 도 6이 쌍안 실시예를 도시함에도 불구하고, HMD(600)는 또한 단안 HMD로서 구현될 수 있다.
눈 인접 광학 시스템(601)은 사용자의 머리에 씌워질 수 있는 안경 구성으로 고정된다. 좌측 및 우측 귀 암(610, 615)은 사용자의 귀에 걸쳐 놓여지는 반면 노즈 어셈블리(605)는 사용자의 코에 걸쳐 놓여진다. 프레임 어셈블리는 사용자의 대응하는 눈(120)의 전면에 관찰 영역(220)을 위치시키도록 형상 및 크기가 이루어진다. 물론, 다른 프레임 어셈블리가 이용될 수 있다(예컨대, 단일 부재, 인접 바이저(contiguous visor), 집적된 헤드밴드(integrated headband) 또는 구글형 안경류(goggles type eyewear) 등).
HMD(600)의 도시된 실시예는 사용자에게 증강된 현실을 디스플레이할 수 있다. 각 접안렌즈의 관찰 영역은 사용자가 외부 장면 광(external scene light; 275)을 매개로 현실 세계 이미지를 볼 수 있도록 한다. 좌측 및 우측 (쌍안 실시예) CGI 광(630)은 접안렌즈의 각각의 이미지 소스에 결합된 하나 또는 두 개의 CGI 엔진(도시되지 않았음)에 의해 발생될 수 있다. CGI 광(630)은 증강된 현실로서 현실 세계에 걸쳐 중첩된 가상 이미지로서 사용자에 의해 보여진다. 몇몇 실시예에 있어서, 외부 장면 광(275)은 머리 탑재 가상 현실 디스플레이를 제공하도록 차단 또는 선택적으로 차단될 수 있다.
위에서 설명된 프로세스는 컴퓨터 소프트웨어 및 하드웨어의 용어로 설명될 수 있다. 설명된 기술은, 머신에 의해 실행될 때 설명된 동작을 수행하도록 머신을 야기시키게 되는, 유형의 머신(예컨대, 컴퓨터) 판독가능 저장 매체 내에 통합된 머신-실행가능 명령을 구성할 수 있다. 부가적으로, 프로세스는 "ASIC(application specific integrated circuit)" 등과 같은 하드웨어 내에 통합될 수 있다.
유형의 머신-판독가능 저장 매체는 머신(예컨대, 컴퓨터, 네트워크 장치, PDA(personal digital assistant), 제조 도구, 하나 이상의 프로세서의 세트를 구비하는 소정의 장치 등)에 의해 접근가능한 형태로 정보를 제공(예컨대, 저장)하는 소정의 메카니즘을 포함할 수 있다. 예컨대, 머신-판독가능 저장 매체는 기록가능/비-기록가능 매체(예컨대, ROM(read only memory), RAM(random access memory), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등)를 포함한다.
본 발명의 도시된 실시예의 상기 설명은, 요약에서 설명된 것을 포함하는, 개시된 엄밀한 형태로 본 발명을 한정하거나 제한하도록 의도되지는 않는다. 예컨대 발명의 특정 실시예가 여기서 설명의 목적을 위해 개시되는 반면, 다양한 등가 변형이, 관련된 당업자가 인식하게 되는 바와 같이, 발명의 범위 내에서 가능하다.
이들 변형은 상기 상세한 설명을 고려하여 본 발명에 대해 이루어질 수 있다. 이어지는 청구항에서 이용된 용어는 명세서 및 청구항에 개시된 특정 실시예에 대해 본 발명을 제한하도록 설명되지 않아야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 청구항 해석의 확립된 원칙에 따라 설명되도록 이어지는 청구항들에 의해 전적으로 결정되게 된다.

Claims (24)

  1. HMD(head mounted display)용 접안렌즈로서, 접안렌즈가:
    접안렌즈 내 전방 전파 경로를 따라 CGI(computer generated image) 광을 내보내기 위한 이미지 소스를 포함하는 조명 모듈과;
    역 전파 경로를 따라 CGI를 되돌려 반사하도록 조명 모듈로부터 접안렌즈의 대향하는 종단에 배치된 종단 반사기;
    사용자의 눈과 함께 정렬되는 관찰 영역으로, 조명 모듈과 종단 반사기 사이에 배치되고 PBS(polarizing beam splitter) 및 PBS와 종단 반사기 사이에 배치된 비-PBS(non-polarizing beam splitter)를 포함하고, 접안렌즈의 눈 방향 측 바깥으로 역 전파 경로로부터 CGI 광을 재지향하도록 하는, 관찰 영역; 및
    관찰 영역 및 종단 반사기 사이에서 CGI 광의 전방 및 역 전파 경로에 배치된 편광 회전자;를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    비-PBS가 50/50 빔 스플리터를 구비하여 구성되되, PBS가 제1 편광을 갖춘 CGI 광의 약 100%를 반사하고 제2 편광을 갖춘 CGI 광의 약 100%를 전송해서 CGI 광의 제1 부분이 비-PBS에 의해 접안렌즈의 바깥으로 재지향되고 CGI 광의 제2 부분이 실질적으로 동일한 강도로 PBS에 의해 접안렌즈의 바깥으로 재지향되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    PBS 및 비-PBS가 서로로부터 옵셋되고 서로에 대해 실질적으로 평행하게 방향지워져서 접안렌즈와 관련된 아이박스가 횡방향 치수에 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    접안렌즈의 단면이, 접안렌즈의 세로 높이(vertical height)의 약 반 또는 이하인, 접안렌즈의 외부 장면 측으로부터 눈 방향 측까지 연장되는, 가로 두께(horizontal thickness)를 갖는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    관찰 영역이:
    비-PBS와 편광 회전자 사이에 배치된 다른 비-PBS를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    조명 모듈과 관찰 영역 사이에 배치된 광 파이프를 더 구비하여 구성되되, CGI 광이 광 파이프의 전반사 벗어남 측벽의 필요 없이 광 파이프를 통해 지향되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  7. 제6항에 있어서,
    종단 반사기가, 역 전파 경로를 따라 실질적으로 시준된 경로로 전방 전파 경로를 따라 원뿔 형상 경로를 갖춘 CGI 광을 변경시키도록 시준 오목 거울을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  8. 제6항에 있어서,
    광 파이프의 길이가 종단 반사기의 곡률반경과 관련하여 선택되어 종단 반사기의 초평면이 실질적으로 조명 모듈 내의 이미지 소스의 출구 개구(exit aperture)와 일치하는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  9. 제6항에 있어서,
    광 파이프가, 평탄한 경계 표면에서 PBS 및 비-PBS에 결합된, PBS 및 비-PBS로부터 분리 독립 물리적 모듈을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  10. 제1항에 있어서,
    조명 모듈이:
    입력 PBS와;
    입력 PBS 상으로 조명 광을 지향하게 하도록 입력 PBS에 인접하여 배치된 램프; 및
    사이에 입력 PBS를 구비하는 종단 반사기와 대향하게 배치된 LCOS(liquid crystal on silicon) 패널로서, 입력 PBS가 램프로부터 LCOS 패널 상으로 조명 광을 재지향하고 LCOS 패널이 입력 PBS를 통해 전방 전파 경로를 따라 CGI 광으로서 조명 광을 반사하는, LCOS 패널;을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  11. 제10항에 있어서,
    조명 모듈이:
    램프로부터 방사된 조명 광의 발산을 감소시키도록 램프와 입력 PBS 사이에 배치된 집광 렌즈를 더 구비하여 구성되고, 집광 렌즈가 선택된 단면에 대해 조명 광을 제한하도록 그 위에 배치된 광 차단 패턴을 갖춘 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  12. 제1항에 있어서,
    이미지 소스가 OLED(organic light emitting diode) 패널, 양자 점 어레이, 또는 LCD(liquid crystal display) 중 하나를 구비하여 구성되고, 접안렌즈의 대향하는 종단에서 종단 반사기와 직접적으로 면하여 탑재되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  13. 제1항에 있어서,
    사용자의 눈과 함께 정렬되어지는 관찰 영역이 외부 장면 광을 통과시키도록 광학적으로 전송하여 CGI 광이 증강된 현실을 제공하도록 외부 장면 광에 중첩되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  14. 제1항에 있어서,
    편광 회전자가 1/4 파장판 편광 회전자를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 접안렌즈.
  15. 사용자에게 CGI(computer generated image) 광을 디스플레이하기 위한 HMD(head mounted display)로서, HMD가:
    접안렌즈 내 전방 전파 경로를 따라 CGI 광을 내보내기 위한 이미지 소스를 포함하는 조명 모듈과;
    역 전파 경로를 따라 CGI를 되돌려 반사하도록 조명 모듈로부터 접안렌즈의 대향하는 종단에 배치된 종단 반사기;
    조명 모듈과 종단 반사기 사이에 배치되고 PBS(polarizing beam splitter) 및 PBS와 종단 반사기 사이에 배치된 비-PBS(non-polarizing beam splitter)를 포함하고, 접안렌즈의 눈 방향 측 바깥으로 역 전파 경로로부터 CGI 광을 재지향하도록 하는, 관찰 영역; 및
    관찰 영역 및 종단 반사기 사이에서 CGI 광의 전방 및 역 전파 경로에 배치된 편광 회전자;를 포함하는 접안렌즈와:
    사용자의 눈의 전방에 위치된 관찰 영역과 함께 사용자의 머리에 씌워지기 위한 접안렌즈를 지지하기 위한 프레임 어셈블리:를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  16. 제15항에 있어서,
    비-PBS가 50/50 빔 스플리터를 구비하여 구성되되, PBS가 제1 편광을 갖춘 CGI 광의 약 100%를 반사하고 제2 편광을 갖춘 CGI 광의 약 100%를 전송해서 CGI 광의 제1 부분이 비-PBS에 의해 접안렌즈의 바깥으로 재지향되고 CGI 광의 제2 부분이 실질적으로 동일한 강도로 PBS에 의해 접안렌즈의 바깥으로 재지향되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  17. 제15항에 있어서,
    접안렌즈의 단면이, 접안렌즈의 세로 높이(vertical height)의 약 반 또는 이하인, 접안렌즈의 외부 장면 측으로부터 눈 방향 측까지 연장되는, 가로 두께(horizontal thickness)를 갖는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  18. 제15항에 있어서,
    접안렌즈가:
    조명 모듈과 관찰 영역 사이에 배치된 광 파이프를 더 구비하여 구성되되, CGI 광이 광 파이프의 전반사 벗어남 측벽의 필요 없이 광 파이프를 통해 지향되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  19. 제18항에 있어서,
    광 파이프의 길이가 종단 반사기의 곡률반경과 관련하여 선택되어 종단 반사기의 초평면이 실질적으로 조명 모듈 내의 이미지 소스의 출구 개구와 일치하는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  20. 제15항에 있어서,
    조명 모듈이:
    입력 PBS와;
    입력 PBS 상으로 조명 광을 지향하게 하도록 입력 PBS에 인접하여 배치된 램프; 및
    사이에 입력 PBS를 구비하는 종단 반사기와 대향하게 배치된 LCOS(liquid crystal on silicon) 패널로서, 입력 PBS가 램프로부터 LCOS 패널 상으로 조명 광을 재지향하고 LCOS 패널이 입력 PBS를 통해 전방 전파 경로를 따라 CGI 광으로서 조명 광을 반사하는, LCOS 패널;을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  21. 제20항에 있어서,
    조명 모듈이:
    램프로부터 방사된 조명 광의 발산을 감소시키도록 램프와 입력 PBS 사이에 배치된 집광 렌즈를 더 구비하여 구성되고, 집광 렌즈가 선택된 단면에 대해 조명 광을 제한하도록 그 위에 배치된 광 차단 패턴을 갖춘 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  22. 제15항에 있어서,
    이미지 소스가 OLED(organic light emitting diode) 패널, 양자 점 어레이, 또는 LCD(liquid crystal display) 중 하나를 구비하여 구성되고, 접안렌즈의 대향하는 종단에서 종단 반사기와 직접적으로 면하여 탑재되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  23. 제15항에 있어서,
    HMD가 좌측 및 우측 접안렌즈를 포함하는 쌍안 HMD를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.
  24. 제15항에 있어서,
    HMD가 단안 HMD를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 사용자에게 CGI 광을 디스플레이하기 위한 HMD.　　　
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