KR20170104604A

KR20170104604A - 내부 전반사를 갖는 디스플레이

Info

Publication number: KR20170104604A
Application number: KR1020177023130A
Authority: KR
Inventors: 파블로 베니테즈; 후안 카를로스 미나노; 데얀 그래보윅킥; 마리나 불랸; 파블로 자모라
Original assignee: 테세랜드 엘엘씨
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-09-15
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: US20180004000A1; US10436951B2; JP6670840B2; US20180003978A1; WO2016118643A1; KR20170104603A; US10459126B2; EP3248049A4; EP3248052A4; KR102627249B1; WO2016118647A1; US20180003862A1; KR102549397B1; WO2016160099A3; CN107407817A; WO2016160099A2; EP3248053A1; US10782453B2; CN107430285A; US20180003963A1

Abstract

디스플레이 장치는 실제 이미지를 생성하기 위한 디스플레이를 포함한다. 광학 시스템은 렌즈릿(lenslet)을 가지며, 각각은, 각각의 렌즈릿이 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성한다. 서브 이미지는 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합된다. 렌즈릿의 적어도 하나는 "RXIR" 렌즈릿이며, 디스플레이로부터의 눈 위치로의 광선은 굴절(R), 반사(X), 내부 전반사 또는 금속 반사(I) 및 굴절(R)에 의해 적어도 4번 그 순서대로 순차적으로 편향된다.

Description

내부 전반사를 갖는 디스플레이

[관련 출원의 교차 참조]

본 출원은 통상적으로 발명되고 양도된 "Immersive Compact Display Glasses"에 대한 2015년 1월 21일자 출원의 미국 임시 특허 출원 제62/105,905호와 "Optical apparatus"에 대한 2015년 8월 21일자 출원의 미국 임시 특허 출원 제62/208,235호의 이익을 주장한다. 이 출원들은 모두 전문이 본 명세서에 참조로서 편입된다. 본 출원은, 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되고, 본 명세서에서 "PCT1"이라 하는, 통상적으로 양도된 동일 발명자의 "Immersive Compact Display Glasses"에 대한 WO 2015/077718 A1호와 관련된다.

[기술 분야]

본 출원은 시각적 디스플레이에 관한 것으로, 특히 헤드 마운트 디스플레이 기술에 관한 것이다.

1. 인용된 참조 문헌

Benitez 등의 WO 2015/077718("PCT1")

Nelson에 허여된 미국 등록 특허 제4,924,215호

Mizukawa에 허여된 미국 등록 특허 5,390,047호

Takahashi에 허여된 미국 등록 특허 제5,699,194호

Takahashi에 허여된 미국 등록 특허 제5,701,202호

Okuyama 및 Takahash에 허여된 미국 등록 특허 제5,706,136호

Ho Sik You 등에 허여된 미국 등록 특허 제7,689,116호

Prest 등에 허여된 미국 등록 특허 제8,605,008호

Ismael 등의 미국 특허 출원 2010/0277575 A1

Cheng 등의 미국 특허 출원 2012/0081800

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http://www.xbitlabs.com/news/monitors/display/20100519223434_ Toshiba_Develops_High_Speed_High_Contrast_Active_Shutter_3D_Glasses.html ("Shilov 2010")

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H. Morishima, T. Akiyama, N. Nanba, and T. Tanaka, "The design of off-axial optical system consisting of aspherical mirrors without rotational symmetry", in 20th Optical Symposium, Extended Abstracts (1995), Vol. 21, pp. 53-56.

2. 정의

클러스터(cluster): 주어진 렌즈릿(lenslet)을 통해 동공 범위(pupil range)를 조명하는 활성 o 픽셀(opixel)의 집합. 클러스터의 개수는 렌즈릿의 개수와 동일하다.

디스플레이: 이미지를 형성하도록 광을 공간적으로 변조하는 컴포넌트. 현재 이용 가능한 디스플레이는 대부분 전자적으로 동작하고, 개별 픽셀의 어레이를 생성하는 "디지털" 디스플레이이다. 디스플레이는 OLED 디스플레이와 같이 자체 발광하거나, 또는 LCD나 LCOS와 같은 프론트 라이트 시스템 또는 백라이트 시스템에 의해 외부적으로 조명될 수 있다. 디스플레이는 적층된 (투과형) LCD에 의해 구현된 광 필드 디스플레이(Light Field Display)(Huang 2015)이라 하는 종류일 수 있다. 사이에 분리기(separator)를 갖는 단지 2개의 적층된 LCD의 경우가 이의 두께 때문에 특히 흥미롭다. 광 필드 디스플레이는 장치의 나머지와 함께, 타당한 비용과 부피로 폭주(vergence)-원근 조절(accommodation) 충돌을 해결하는데 도움을 주는 초점 큐(focus cue)를 지원한다.

눈 동공(eye pupil): 눈 외부로부터 보이는 눈 각막을 통한 내부 홍채 에지의 이미지. 시각적 광학 기기에서, 눈의 광학계의 입력 동공(input pupil)으로 참조된다. 이의 경계는 통상적으로 조명 레벨에 따라 3 내지 7 mm 지름의 원이다.

안구(eye sphere): 눈 회전의 대략적인 중심에 중심을 두는 구이며, 그 중심까지의 눈 동공의 평균 거리와 동일한 반지름을 갖는다(일반적으로 13 mm).

시야(field of view): 양안이 정면을 향하여 바라보며 쉬고 있을 때 눈 동공 중심으로부터 가상 스크린이 대하는 수평 및 수직의 전체 각도에 의해 정의되는 영역.

고시점(fixation point): 망막의 가장 높은 해상도 영역이며 1.5 mm의 지름을 가지는 중심와(fovea)의 중심에서 눈에 의해 이미징되는 장면의 포인트.

응시 벡터(gaze vector): 눈 동공의 중심과 고시점을 연결하는 방향의 단위 벡터.

가상 스크린의 응시 영역(gazed region of virtual screen): 동공 범위의 합집합 내에서의 눈 동공의 모든 위치에 대한 고시점을 포함하는 가상 스크린의 영역. 이는 응시될 수 있는 모든 i 픽셀(ipixel)을 포함한다.

가드(guard): 활성 o 픽셀을 포함하지 않는 디지털 디스플레이의 인접한 클러스터 사이의 복도(corridor). 가드는 광학 기기의 위치 설정을 위한 소정의 허용 오차를 보증하면서 광학 크로스토크(optical crosstalk)를 방지한다.

인간 각도 해상도(human angular resolution): 평균적인 완벽한 시력을 갖는 인간의 눈에 의해 구별 가능한 2개의 점원(point source)이 대하는 최소 각도. 각도 해상도는 주변 각도(peripheral angle)와 조명 레벨의 함수이다.

비활성 영역(inactive area): o 픽셀이 비활성인 디지털 디스플레이의 영역.

i 픽셀(ipixel): 동일한 웹(web)에 속하는 o 픽셀의 가상 이미지. 바람직하게는, 이 가상 이미지는 눈으로부터 소정의 거리(2m에서 무한대까지)에 형성된다. 또한, 이는 눈이 보는 가상 스크린의 픽셀로서 고려될 수 있다.

렌즈릿(lenslet): 디지털 디스플레이로부터 광을 수집하고 이를 안구로 투사하는 광학 기기 어레이의 개별 광학 장치의 각각. 렌즈릿은 o 픽셀의 연속하는 이미지를 i 픽셀로 형성하도록 설계된다. 각각의 렌즈릿은 굴절성이거나 반사성인 하나 이상의 광학 표면에 의해 형성될 수 있다. 클러스터 당 하나의 렌즈릿이 있으며, 시간 다중화(time multiplexing)에서, 렌즈릿 당 하나의 셔터(또는 균등물)가 있다.

개방 클러스터(open cluster): 시간 다중화에 있어서, 렌즈릿이 개방된 셔터를 갖는 클러스터. 시간 다중화가 없을 때, 임의의 클러스터는 개방 클러스터이다.

개방 렌즈릿(open lenslet): 시간 다중화에 있어서, 셔터가 개방된 렌즈릿. 시간 다중화가 없을 때, 임의의 렌즈릿은 개방 렌즈릿이다.

o 픽셀(opixel): 디지털 디스플레이의 물리적 픽셀. 디스플레이된 이미지에 기여하도록 조명되는 활성 o 픽셀과, 절대로 조명되지 않는 비활성 o 픽셀이 있다. 비활성 o 픽셀은, 예를 들어, 디스플레이가 그 o 픽셀 위치에서 이를 기능적이게 하는 적어도 하나의 필수 하드웨어 요소(OLED 재료, 전기적 연결)가 없기 때문에 또는 이것이 소프트웨어에 의해 어드레싱될 수 없기 때문에, 물리적으로 실제로 존재하지 않을 수 있다. 비활성 o 픽셀의 사용은 전력 소비 및 관리되는 정보의 양을 줄인다.

광학 크로스토크(optical cross-talk): 하나의 o 픽셀이 2 이상의 i 픽셀 내로 이미징되는 바람직하지 않은 상황.

가상 스크린의 외부 영역(outer region of virtual screen): 가상 스크린의 응시 영역에 속하지 않는 i 픽셀에 의해 형성되는 가상 스크린의 영역. 즉, 이는 0보다 더 큰 주변 각도에서만 보일 수 있는 i 픽셀에 의해 형성된다.

주변 각도(peripheral angle): 소정의 방향 및 응시 벡터에 의해 형성되는 각도.

동공 범위(pupil range): 1. 대응하는 렌즈릿을 통해 단일 클러스터에 의해 조명되는 안구의 영역. 눈 동공이 주어진 렌즈릿의 동공 범위와 교차할 때, 이의 대응하는 클러스터에 대응하는 이미지는 망막에 투사된다. 실용적인 몰입형 설계를 위하여, 안구에서 15도의 전체 각도의 원을 포함하는 동공 범위는 충분하다. 2. 어레이의 모든 렌즈릿에 대응하는 모든 동공 범위의 합집합. 이는 양호하게 근사하여 구형 쉘(shell)이다. 평균적인 인간에 대한 모든 액세스 가능한 눈 동공 위치가 고려되면, 눈 동공 범위의 합집합의 경계는 대략적으로 전방 방향에 대하여 각진 60도의 수평 반축과 45도의 수직 반축을 갖는 타원이다.

서브 프레임 슬롯(sub-frame slot): 프레임 기간이 분할되는 시간 슬롯. 서브 프레임 슬롯은 기수로, 즉 제1, 서브 프레임 슬롯 제2 서브 프레임 슬롯 등으로 칭해진다.

가상 스크린(virtual screen): i 픽셀을 포함하는 평면으로, 바람직하게는 눈과 동심인 구의 표면의 영역이며, 2m에서 무한대까지의 범위 내의 반지름을 갖는다.

웹(web): 서브 프레임 슬롯 동안 동일한 i 픽셀의 정보를 디스플레이하는 활성 o 픽셀의 집합.

RXIR 렌즈릿: 광선이 다음의 시퀀스로 적어도 4번의 편향(deflection)을 겪는(디지털 디스플레이로부터 눈을 향하여 진행할 때) 광학 장치의 부분: 굴절, 반사, 내부 전반사(total internal reflection(TIR)) 및 굴절. 제1 굴절과 내부 전반사는 동일한 표면 상에서 수행될 수 있다. 제3 편향은 부분적으로는 TIR 반사기이고 부분적으로는 불투명한(즉, 금속화된) 거울인 표면에 존재할 수 있다.

3. 종래 기술

헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display (HMD)) 기술은 빠르게 발전하는 영역이다. 헤드 마운트 디스플레이 기술의 일 양태는 완전한 몰입형 시각적 환경(가상 현실로서 설명될 수 있다)을 제공하여, 사용자는 하나 이상의 디스플레이에 의해 제공된 이미지만을 관찰할 수 있고, 외부 환경은 시각적으로 차단된다. 이러한 장치는 엔터테인먼트, 게임, 군사, 의료 및 산업과 같은 영역에서 적용예를 갖는다. 미국 특허 출원 공보 제2010/0277575 A1호에서, 이러한 장치들 중 하나에 대한 설명이 있다. HMD의 기본적인 광학적 기능은 미국 등록 특허 제5,390,047호에서 설명된 것과 같은 스테레오 뷰어(stereoviewer)의 광학적 기능이다.

헤드 마운트 디스플레이는 통상적으로 하나 또는 2개의 디스플레이와, 디스플레이를 사용자의 눈에 의해 시각화되는 가상 스크린으로 이미징하는 이의 대응하는 광학 시스템과, 외부 환경을 시각적으로 차단하고 언급된 컴포넌트에 대한 구조적 지지를 제공하는 헬멧으로 이루어진다. 또한, 디스플레이는 디스플레이에 의해 제공된 이미지가 사용자의 움직임에 의해 변화하도록 동공 추적기(pupil tracker) 및/또는 머리 추적기(head tracker)를 가질 수 있다.

이상적인 헤드 마운트 디스플레이는 고해상도, 큰 시야, 가볍고 잘 분산된 중량 및 작은 치수의 구조를 결합한다. 일부 기술이 이러한 원하는 특징을 개별적으로 성공적으로 성취하지만, 지금까지 대부분의 기술들은 이 모두를 결합할 수 없었다. 이는 사용자에 대하여 불완전하거나 심지어 불편한 경험을 초래한다. 문제점은, 낮은 정도의 현실성과 눈의 스트레스(낮은 해상도 또는 열악한 광학적 이미징 품질 때문에), 몰입형 환경 형성의 실패(작은 시야), 또는 사용자의 머리에 대한 과도한 압력(과도한 중량)을 포함할 수 있다.

첫째, PCT1은 클러스터, o 픽셀 및 i 픽셀로서 본 출원에 관련된 개념을 개시한다. PCT1에서 도 3이었던 본 출원의 도 1은 디지털 디스플레이(107)에서 o 픽셀에 의해 생성된 복합 이미지를 형성하는 단지 4개의 클러스터(104t, 104b, 105t, 105b)를 갖는 간단한 예를 도시한다. PCT1에서, o 픽셀은 (간결함을 위하여 여기에서는 직사각형 윤곽을 갖는 평면으로 그려진) 가상 스크린(108) 상에서 i 픽셀의 이미지를 형성하기 위한 렌즈릿 어레이 광학 기기에 의해 투사된다. 따라서, 매 o 픽셀은 단일 클러스터에 속하고, 임의의 2개의 클러스터의 교집합은 공집합이며, 모든 클러스터의 합집합은 전체 디지털 디스플레이이다.

각각의 클러스터는 가상 스크린 상에서 이미지의 일부를 디스플레이한다. 인접한 클러스터는 이웃하는 영역에서 일치하는 소정의 시프트를 갖는 이미지의 부분을 디스플레이한다. 이것이 왜 필요한지 설명하기 위하여, 2차원의 개략도가 도 1의 상부에 추가되었다. 이것은 o 픽셀과 i 픽셀 사이의 매핑의 에지를 정의하기 위한 관련 광선을 도시한다. 이 도면에서, i 픽셀을 갖는 가상 스크린이 무한대에 위치되고, 따라서 광선(100a, 101a, 102a 및 103a)의 방향은 가상 스크린 상의 i 픽셀의 위치를 나타낸다. 도면은 간결함을 위하여 2차원적이지만, 도 1에서 하부 왼쪽에 이미지를 투사하는 실제 장치는 3차원적이며, 도 1의 상부에서의 개략도에서는 104 및 105로 표시된 2개뿐만이 아닌, 위에 2개와 아래에 2개씩 4개의 렌즈릿을 포함한다. 2차원 스킴은 o 픽셀과 i 픽셀 사이의 매핑의 수평 좌표를 설명하는데 사용되며, 유사한 추론이 수직 좌표에 적용된다.

가상 스크린의 수평의 규모는 100a로부터 103a로 연장한다. 왼쪽 클러스터(104t, 104b)에 나타난 이미지 부분은 가상 스크린(108) 상에서 수직선(100a, 102a)을 정의하는 동공 범위(106)의 에지에 도달하는 에지 광선(100a, 102a)에 의해 제공된다. 유사하게, 오른쪽 클러스터(105t, 105b)에 나타난 이미지 부분은 가상 스크린(308) 상에서 2개의 수직선을 정의하는 에지 광선(101a, 103a)에 의해 제공된다. 따라서, 101a와 102a 사이의 가상 스크린(108)의 부분은 왼쪽 클러스터와 오른쪽 클러스터 모두에 디스플레이될 것이다. 구체적으로는, 렌즈릿(104)은 가상 스크린의 에지 광선(100a, 102a)을 디지털 디스플레이(107) 상의 100b 및 102b 상으로 매핑한다. 유사하게, 렌즈릿(105)은 에지 광선(101a, 103a)을 디지털 디스플레이(107) 상의 101b 및 103b 상으로 매핑한다. 광학 설계는 클러스터가 중첩하지 않는 것을 보증하는 것을 목적으로 하며, 이는 101b와 102b가 일치할 때 디지털 디스플레이의 최대 사용으로 성취된다. 하부 클러스터(104b, 105b)와의 상부 클러스터(104t, 105t)의 유사한 정렬이 도 1으로부터 명백하다.

클러스터에 대한 정보의 부분적인 일치 때문에, i 픽셀(ip1)이 4개의 o 픽셀(op11, op12, op13, op14)의 투사에 의해 형성된다. o 픽셀의 이 집합은 i 픽셀(ip1)의 "웹(web)"이라 한다. ip1과 같은 가상 스크린의 중심에 위치된 i 픽셀의 웹은 4개의 o 픽셀 각각을 포함한다. 그러나, 가상 스크린의 경계에 가까운 i 픽셀의 웹은 더 적은 o 픽셀을 가질 수 있다. 예를 들어, i 픽셀(ip2)의 웹은 단지 2개의 o 픽셀(op21, op22)만을 포함하며, ip3의 웹은 op31만을 포함한다.

본 명세서에 개시된 장치는 PCT1에 개시된 실시예와 같은 굴절 렌즈릿뿐만 아니라, 작은 치수를 갖는 HMD를 유지하면서 꽤 긴 초점 길이(10 mm 내지 80 mm)를 허용하는 내부 전반사를 갖는 웨지형(wedge-shaped) 프리즘 광학 기기를 이용한다.

HMD를 위하여 웨지형 프리즘 광학 기기를 이용하는 종래 기술이 과거에 제안되었으며, 다수의 특허가 이를 반영하지만, 이들의 전부는 동일한 원리를 공유한다. 선구적인 연구가 1995년 Morishima 등에 의해 먼저 제공되었기 때문에, 우리는 이 모두를 Morishima의 웨지형 프리즘 광학 기기라 할 것이다. 제조 및 평가 방법은 Inoguchi에 의해 탐구되었다. 이러한 선구적인 노력에 이어, 자유형(free-form) 표면, 특히 웨지형 프리즘에 기초한 설계를 이용하여 HMD를 설계하려는 많은 시도가 이루어졌다(미국 등록 특허 제5,699,194호, 제5,701,202호 및 제5,706,136호와, Cheng 등의 "Design of a lightweight and wide field-of-view HMD system with free form surface prism," Infrared and Laser Engineering, Vol. 36, 3 (2007)). 예를 들어, Hoshi 등은 34°의 시야와 15 mm의 두께를 제공하는 자유형 프리즘을 제공하였고; 그리고, Yamazaki 등은 웨지형 프리즘과, 웨지형 프리즘에 부착된 보조 렌즈로 이루어지는 광학적 투명(optical-see through) 성능을 갖는 51° HMD 설계를 설명하였다. 더 최근에, Prest 등에 허여된 미국 등록 특허 제8,605,008호는 유사한 웨지형 프리즘 광학 기기를 포함한다. 또한, 웨지형 프리즘 광학 기기 개념에 기초한 상업적으로 입수 가능한 여러 HMD 제품이 있다. 예를 들어, Olympus는 자유형 프리즘에 기초하여 Eye-Trek 시리즈의 HMD를 출시하였다. Emagin은 광학 모듈 WFO5를 갖는 Z800을 갖추었고, Daeyang은 i-Visor FX 시리즈(GEOMC 모듈, A3 프리즘)를 갖추었다; Rockwell Collins는 OEM 디스플레이 광학 기기의 프리즘 기술을 이용하는 ProView SL40를 발표하였다. 또한, D. Cheng 등에 의한 "Optical see-through free-form head-mounted display"에 대한 US 2012/0081800 A는 HMD 애플리케이션을 위한 새로운 광학 설계를 제안하고, 특히 자유형 표면과 낮은 F-수(F-number)를 갖는 웨지형 프리즘 렌즈를 포함하는 투명(see-through) 자유형 헤드 마운트 디스플레이가 제공된다.

Morishima의 웨지형 프리즘 광학 기기의 작동 원리가 도 3(Prest 등에 허여된 미국 등록 특허 제8,605,008호로부터 취해짐)에 도시되고, 301은 눈을 나타내고, 302는 디지털 디스플레이이고, 303은 렌즈이다. 디지털 디스플레이에 의해 방출된 광선(304)은 먼저 표면(305)에 의해 굴절되고, 그 다음 표면(306)에서 내부 전반사에 의해 반사되며, 이어 경면 처리된 표면(307)에 의해 반사되고, 마지막으로 눈을 향하여 표면(306)에 의해 굴절된다.

그러나, 편향의 순서가 동일하지 않기 때문에, Pest의 렌즈는 우리의 실시예와는 완전히 다르다. 예를 들어, 디지털 디스플레이(608)에 의해 방출된 광선이 표면(601)에서의 반사, 그 다음 경면 처리된 표면(602)에서의 반사, 표면(601)에서의 내부 전반사(또는 경면 처리된 표면 영역(607)에서의 반사) 및 최종적으로 눈(610)으로 전송되기 위한 표면(603)에서의 굴절을 겪는 도 6에 도시된 경우를 고려하라. 이러한 상이한 입사 시퀀스는 도 8의 디지털 디스플레이가 도 6에서의 약간의 수직인 위치로 배치될 수 있게 하는 반면, Morishima의 웨지형 프리즘은 디스플레이가 약간 수평으로(도 3에 도시된 바와 같이) 할당될 필요가 있다.

본 명세서에 개시된 실시예들과 이전에 언급된 종래 기술의 다른 중요한 차이는 우리 것이 심지어 눈 당 단일의 디스플레이로도 매우 넓은 시야(>60도)를 제공하는 반면, 종래 기술은 단일 디스플레이에 대하여 훨씬 더 좁은 시야(<50도)를 성취한다는 것이다. 시야를 증가시키기 위하여 종래 기술에 사용된 하나의 접근 방식은 타일링(tiling), 즉, 동일한 평면이 아니라 모자이크 패턴으로 배열된 여러 스크린을 눈마다 이용하는 것이다. 이 접근 방식은 D. Cheng 등의 "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling," Opt. Lett. 36, 2098-2100 (2011)에 제공되며, 이는 도 4에 도시된다(Cheng의 도 4c에 도시된 바와 같이, 단지 2D 수직 단면이 제공되지만, 실제 설계에서 눈 주위로 배치된 전체 6개까지의 디지털 디스플레이가 있다). 다수의 비공면형(non-coplanar) 디스플레이를 눈마다 이용하는 종래 시스템에 대조적으로, 개시된 본 장치에서, 우리는 양안을 위한 단일 디스플레이를 이용하거나 눈마다의 단일 디스플레이를 이용하거나, 또는 눈마다 여러 디스플레이를 이용하지만, 이들 모두는 공통 PCB에서의 더 용이한 장착을 위하여 동일한 평면에 놓일 수 있다.

다른 관련된 종래 기술은 2 렌즈릿 광학 기기로 구성된 광학 설계에 특징이 있는 You 등에 허여된 미국 등록 특허 제7,689,116호에 개시된다. 모바일 카메라에 적용 가능한 이 특허는 2개의 분리되고 대칭인 축을 벗어난(off-axis) 굴절-반사 시스템을 이용하여 시야를 2개로 분할하여, 더 얇은 모바일 카메라 광학 렌즈 시스템을 성취하는 광학 렌즈 시스템을 제공한다.

도 5는 미국 등록 특허 제7,689,116호의 기초를 설명한다. 도 5에서, 객체(예를 들어, 꽃(501))에 의해 방출된 광은 광학 시스템을 통해 전송되어, 광 센서(502)가 배치되는 이미지 평면에 부딪힌다. 시야의 상부 절반에 대응하는 광은 굴절 표면(503)을 통해 시스템에 들어가고, 시야의 하부 절반은 굴절 표면(504)을 통해 시스템에 들어간다. 광학 시스템의 양 절반은, 도 5에 도시된 바와 같이, 대칭이다. 상부 절반에 속하는 광선들은 4개의 상이한 표면에 위해 연속적으로 편향된다: 먼저 표면(503)에서 굴절되고, 그 다음 표면(507)에서 반사되고, 표면(508)에서 다시 반사되고, 그 다음 표면(509)에 의해 굴절되어, 최종적으로 이미지 평면(502)의 상부 절반에 부딪힌다. 이 장치에서 사용된 특별한 광학 아키텍처 때문에, 이미지 평면에서 획득된 이미지의 각각의 절반은 반전된다(505). 이 상황은, 센서(506)에서 원하는 이미지를 최종적으로 획득하기 위하여, 전자적으로 보정된다.

You의 설계가 도 12에 도시된 것으로서 본 명세서에 개시된 실시예와 관련되지만, 아래의 상세한 설명에서의 개시 내용에 의해 명확하게 될 여러 가지 중요한 차이가 있다. 첫째, 본 실시예는 상이한 목적, 즉 헤드 마운트 디스플레이를 위한 것인 반면, 도 5에 도시된 You의 발명은 모바일 카메라 광학 렌즈를 위한 것이다. 그것은 매우 상이한 구조를 필요로 한다. 둘째, You의 실제 객체(사진을 찍을 장면)는 렌즈로부터 멀리 위치되는 반면, 우리의 균등한 요소(o 픽셀을 갖는 디지털 디스플레이)는 렌즈로부터 매우 짧은 거리에 있고, 심지어 이를 터치한다. 셋째, You의 이미지(카메라 센서 상으로 투사됨)는 실제이고, 렌즈에 매우 가까이 위치되는 반면, 우리의 균등한 요소(i 픽셀을 갖는 가상 스크린)는 가상적이며 렌즈로부터 멀리 위치된다. 넷째, 도 12에 도시된 우리의 경우에서의 출력 동공은 실제이고, 렌즈의 출구측에 위치되어 눈 움직임을 허용하는 동공 범위로서 정의되는 반면, You에서 (출구 동공인) 균등한 동공은 가상적이고, 렌즈의 입구 측에 위치된다. 다섯째, 도 5에서의 2개의 표면(503, 508)의 투명한 어퍼처가 분리되는(그 사이에 교집합이 없음) 반면, 우리의 경우에서, 이들은 중첩되어, 실제로는 경면 처리된 영역과, 내부 전반사 및 굴절에 의해 작동하는 영역인 2개의 영역을 갖는 도 12에서의 동일한 평면(1201)이다. 여섯째, You의 시스템에서(본 실시예와는 다르게), i 픽셀 대 o 픽셀 매핑은, PCT1의 종래 기술(PCT1의 도 1 및 도 2)에서 나타나는 다중 어퍼처 카메라에 일반적인, 일의어적이다(univocal). 즉, 웹이 없다. 일곱째, You의 시스템에서, 객체의 하나의 픽셀에 의해 생성된 모든 광선은 단일 렌즈릿을 통해 이미지의 대응하는 하나의 픽셀로 진행하는 반면, 우리의 경우에, 2 이상의 렌즈릿을 통과하는 광선으로부터 광이 유래하는 많은 i 픽셀이 있다.

일 양태에서, 광학 설계에 기초한 몰입형 가상 현실 애플리케이션을 위한 장치는 디스플레이 광을 눈에 투사하기 위한 하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함한다. 광선이 디스플레이로부터 눈을 향하는 전파 방향으로 다음의 순서로 자유형 표면에서 적어도 4번의 편향을 겪도록 하는 적어도 하나의 렌즈릿이 있다: 굴절, 반사, 내부 전반사 또는 금속 반사 및 굴절. 제1 굴절과 내부 전반사는 동일한 표면에 의해 수행된다. 이 렌즈릿은 본 명세서에서 RXIR 종류라 한다. 다수의 렌즈릿이 사용될 때, 임의의 하나의 렌즈릿을 통해 가상 이미지의 이미지 픽셀(i 픽셀(ipixel)) 상으로 이미징되는 디지털 디스플레이의 객체 픽셀(o 픽셀(opixel)) 세트는 그 렌즈의 클러스터(cluster)라 한다. 일반적으로, 상이한 클러스터에 속하는 여러 o 픽셀이 가상 이미지의 동일한 i 픽셀에 매핑될 수 있기 때문에, o 픽셀 - i 픽셀 할당은 전단사(bijective)가 아니다.

렌즈릿의 개수와 종류에 따라 이러한 실시예들의 여러 가능한 구성이 있다. 바람직한 실시예는 단독으로 있을 수 있거나 또는 굴절 렌즈릿과 결합될 수 있는 1개, 2개 또는 4개의 RXIR 렌즈릿을 가진다. 이러한 실시예들은 양안을 위한 단일 디지털 디스플레이, 눈마다 하나의 디스플레이 또는 눈마다 2개의 디스플레이와 함께 사용될 수 있으며, 디지털 디스플레이는 평면이거나 만곡될 수 있다. 2개의 RXIR 렌즈릿 실시예가 소형 카메라를 이용하는 눈 추적 시스템을 용이하게 수용할 수 있다.

일 실시예에서, 광학 설계는, 바람직하게는 직교 기반을 이용하여, 다항식 전개식의 계수의 다중 파라미터 최적화에 의해 2 이상의 자유형 표면을 이용하여 수행된다. 설계 요건은 사용 가능한 자유도의 최상의 활용을 위하여 인간의 눈 해상도에 맞추어진다(adapted). 이 조정(adaptation)은, i 픽셀이 중심와에서 눈에 의해 이미징될 것이기 때문에 눈이 o 픽셀 또는 그 근처를 응시하고 있을 때 모든 i 픽셀의 이미지 품질이 최대가 되어야 하고(따라서, 주변 각도가 작다), 주변 각도를 증가시킬 때 이미지 품질이 점차 완화되어 눈 해상력이 감소한다는 것을 암시한다.

시간 다중화 기술의 추가는 프레임 기간 내에 여러 연속하는 부분으로 이미지를 표현하고 임의의 이러한 이미지 부분에 대하여 모든 사용 가능한 o 픽셀을 이용함으로써 i 픽셀의 개수를 증가시키는 것을 가능하게 한다.

일 실시예에서, 이러한 실시예들의 대조(contrast)는 여러 선택된 위치에서 흡수기(absorber)를 포함함으로써 또는 편광된 광이 사용될 때(LCD 디지털 디스플레이의 경우에서와 같이) 반파판(half-wave plate)의 도움으로 개선된다.

다른 양태에서, 디스플레이 장치는 실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이를 포함한다. 하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하는 광학 시스템은, 각각의 렌즈릿이 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된다. 서브 이미지는 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합된다. 렌즈릿의 적어도 하나는, 디스플레이로부터의 눈 위치로의 광선이 굴절(R), 반사(X), 내부 전반사 또는 금속 반사(I) 및 굴절(R)에 의해 적어도 4번 그 순서대로 순차적으로 편향되도록 하는 것(RXIR 렌즈릿)이다.

디스플레이 장치는, 입력 이미지를 수신하고, 결과에 따른 가상 서브 이미지가 가시적인 가상 이미지로서 입력 이미지의 가상 이미지를 형성하기 위하여 정렬하도록, 각각의 상기 부분 실제 이미지를 생성하도록 동작하는, 디스플레이 드라이버를 더 포함할 수 있다.

첫 번째 반사(R) 및 내부 전반사 또는 금속 반사(I)는 일치하지 않는 중첩하는 투명 어퍼처를 갖는 동일한 표면에 의해 수행될 수 있다. 그러면, 중첩 영역은 보통 굴절 및 내부 전반사 모두의 영역이다. 첫 번째 굴절의 영역 밖에 있는 동일한 표면의 영역은 금속화될 수 있다.

하나 이상의 렌즈릿은 합동일(superposable) 수 있거나 상이할 수 있는 적어도 2개의 상기 RXIR 렌즈릿을 포함할 수 있다.

하나 이상의 렌즈릿은 적어도 하나의 RXIR 렌즈릿 및 RXIR 렌즈릿이 아닌 적어도 하나의 렌즈릿을 포함할 수 있다.

적어도 하나의 RXIR 렌즈릿은, 그 다음, 가시적인 가상 이미지의 중심부에서 이의 가상 서브 이미지를 생성할 수 있고, RXIR 렌즈릿이 아닌 적어도 하나의 렌즈릿은 가시적인 가상 이미지의 주변부에 더 가까운 가상 이미지의 부분에 이의 가상 서브 이미지를 생성할 수 있다. 통상적으로 더 나은 이미징 품질을 제공하는 RXIR 렌즈릿(들)이 중심와(fovea)로 볼 가능성이 가장 큰 가상 이미지의 부분에 대하여 사용된다.

적어도 2개의 렌즈릿은 합동이 아닐(non-superposable) 수 있다.

디스플레이 장치는, 동공이 동공 범위 내에 있는 디스플레이 장치의 눈 위치에서의 가상 구(imaginary sphere)에 의해 눈이 표현될 때, 눈의 중심와를 나타내는 1.5 mm 영역 상으로의 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 각각이 포함하는 부분 가상 이미지를 생성하도록 디스플레이 장치가 마련될 수 있고, 각각의 가시적인 가상 이미지의 중심와 부분은 가시적인 가상 이미지의 주변부보다 더 높은 해상도를 갖는다.

광학 기기는 가상적인 안구로부터 5 내지 40 mm 떨어져 배치될 수 있으며, 적어도 하나의 렌즈릿은 40도 전체 각도(whole angle)를 갖는 원추(cone)를 포함하는 가상 구의 가장 가까운 점으로부터의 입체각(solid angle)에 대각하는 렌즈릿 어레이를 형성하고, 디스플레이는, 80 mm 이하의 광학 기기로부터의 거리에서, 가상 구로부터 떨어진 광학 기기의 측에 있다.

디스플레이 상의 각각의 부분 실제 이미지는, 디스플레이의 동일한 부분에서 중첩하고 상이한 기간 동안 활성화되는 적어도 2개의 부분 실제 이미지를 포함할 수 있으며, 상이한 렌즈릿은 가상 이미지의 상이한 위치에서 상이한 서브 이미지로 디스플레이의 동일한 부분을 이미징한다.

디스플레이 장치는, 가상 서브 이미지에 기여하지 않는 광을 제거하는 미광(stray-light) 제어 시스템을 더 포함할 수 있다.

미광 제어 시스템은 가상 서브 이미지에 기여하는 광선에 의해 교차되지 않는 디스플레이 장치의 일부에 광 흡수 재료를 포함할 수 있다.

미광 제어 시스템은 디스플레이를 향하여 다시 반사된 광을 흡수하도록 마련된 반파 회전기(half-wave rotator)와 편광자를 포함할 수 있다.

헤드기어의 일 실시예는 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 눈과 일치하도록 인간의 머리에 디스플레이 장치를 위치 설정하기 위한 마운트를 갖는, 상술한 양태 및/또는 실시예의 디스플레이 장치를 포함한다.

헤드기어는 제2 디스플레이 장치를 더 포함할 수 있고, 제2 디스플레이 장치는, 제2 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 제2 눈과 일치하도록 장착된다.

제1 및 제2 디스플레이 장치의 디스플레이는 단일의 물리적 디스플레이의 일부일 수 있다.

일 실시예에서, RXIR 편향은, 눈 위치를 향하고 그로부터 멀어지는 방향으로 또는 두 번째 반사(R)가 발생하는 출구 표면을 향하고 그로부터 멀어지는 방향으로, 이에 수직이거나 이를 횡단하는 방향으로보다 더 긴 고체 투명 몸체의 표면에서 발생한다. 아래의 일 실시예에서 설명되는 바와 같이, 고체 몸체는, 한 쌍의 몸체 또는 좁은 낮은 굴절률의 갭에 의해서만 분리되는 한 쌍의 몸체 중 하나일 수 있다.

전술한 양태, 특징 및 이점 및 다른 양태, 특징 및 이점은 다음의 도면과 함께 제공되는 소정의 실시예에 대한 이어지는 더 많은 특정 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 도면에서:
도 1은 i 픽셀 대 o 픽셀 매핑의 개략도이다(종래 기술).
도 2는 전형적인 인간의 눈의 각도 해상도를 주변 각도(peripheral angle)의 함수로서 도시한다.
도 3은 웨지형 프리즘 광학 기기의 단면도이다(종래 기술).
도 4는 비공면형 디스플레이를 갖는 타일형(tiled) 시스템의 단면도이다(종래 기술).
도 5는 모바일 전화기를 위한 컴팩트한 카메라 광학 기기 설계의 단면도이다(종래 기술).
도 6은 넓은 면적의 디지털 디스플레이에 대한 단일 RXIR 렌즈릿 실시예의 단면이다.
도 7은 양안을 위한 단일의 넓은 면적의 디지털 디스플레이를 갖는 단일 RXIR 렌즈릿 장치의 사시도이다.
도 8은 소형 마이크로 디스플레이를 위한 단일 렌즈릿 RXIR 실시예의 단면이다.
도 9a는 양안을 위한 단일 마이크로 디스플레이를 갖는 단일 렌즈릿 RXIR 실시예의 상면도이다.
도 9b는 넓은 면적의 커브드(curved) 디지털 디스플레이를 갖는 단일 렌즈릿 RXIR 실시예의 수평 단면도이다.
도 10은 RXIR 렌즈릿 및 RXR 렌즈릿을 갖는 일 실시예의 단면도이다.
도 11은 RXIR 렌즈릿 및 RR 렌즈릿을 갖는 일 실시예의 단면도이다.
도 12는 2개의 RXIR 렌즈릿을 갖는 2 폴드 실시예의 단면도 및 사시도이다.
도 13은 눈 추적을 위한 추가 카메라의 개략적인 도면이다.
도 14는 눈 당 2개의 RXIR 렌즈릿과 양안을 위한 단일 디지털 디스플레이를 갖는 일 실시예의 사시도이다.
도 15는 2개의 RXIR 렌즈릿이 분리된 피스들로 제조되는 일 실시예의 단면도이다.
도 16은 하나의 중심 RR 렌즈릿과 2개의 주변 RXIR 렌즈릿을 갖는 일 실시예의 단면도이다.
도 17은 렌즈가 RR 렌즈릿에 추가된 도 16의 설계의 변형을 도시한다.
도 18은 도 16의 실시예와 4 폴드 RXIR 실시예의 사시도를 도시한다.
도 19는 다른 4 폴드 실시예의 사시도이다.
도 20은 양안을 위한 단일 디지털 디스플레이에 적용된 도 19에서의 실시예를 도시한다.
도 21은 디스플레이에 가까운 추가 렌즈를 갖는 일 실시예의 단면도이다.
도 22는 유전체 피스로부터 디커플링된 평탄한 거울을 이용하는 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 23은 눈에 가까운 추가 렌즈를 갖는 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 24는 2개의 중심 RR 렌즈릿과 2개의 주변 RXIR 렌즈릿을 갖는 다른 실시예의 단면도이다.
도 25는 컴팩트함을 얻기 위하여 낮은 인덱스 갭을 이용하는 일 실시예의 단면도이다.
도 26은 RXIR의 거울을 2개의 거울로 대체하는 일 실시예의 단면도이다.
도 27은 눈마다의 타일형 평탄 디스플레이를 위한 2개의 RXIR 채널을 갖는 합동이 아닌 실시예의 단면도이다.
도 28은 커브드 디스플레이를 위한 2개의 RXIR 채널을 갖는 합동이 아닌 실시예의 상면도이다.
도 29는 양안에 대한 단일 디스플레이를 위한 2개의 4 폴드 설계의 사시도이다.
도 30은 도 29에서의 하나의 렌즈릿의 대각선을 따라 반경 방향 초점 거리 및 시상(sagittal) 초점 거리를 도시한다.
도 31a는 디지털 디스플레이 상에서의 i 픽셀 대 o 픽셀 매핑의 여러 특징적인 선을 도시한다.
도 31b는 여러 각도를 정의하기 위한 도면이다.
도 32는 상세한 설계의 표면을 나타내는데 사용되는 로컬 좌표계를 기술한다.
도 33은 일부 특징적인 광선을 보여주는 상세한 설계의 단면도이다.
도 34는 도 33에서의 동일한 설계의 다른 단면도이다.
도 35는 렌즈릿 당 하나의 평탄한 셔터를 이용하는 시간 다중화 실시예이다.
도 36은 3개의 시간 다중화 설계에서의 디지털 디스플레이 활용을 도시한다.
도 37은 공면형 셔터를 이용하는 대안적인 시간 다중화 실시예이다.
도 38은 반파 지연기(half-wave retarder)를 이용하여 미광(stray light)을 최소화하기 위한 실시예의 단면도이다.
도 39는 도 38에서와 동일한 실시예의 사시도이다.
도 40은 다른 미광 생성 메커니즘을 감소시키기 위한 흡수기(absorber)의 위치를 도시한다.
도 41은 다른 미광 생성 메커니즘을 감소시키기 위한 대안적인 흡수기(absorber)의 위치를 도시한다.

본 발명에서의 실시예들은 하나 또는 여러 디지털 디스플레이로부터 하나 이상의 광학 렌즈릿을 통해 눈의 동공 범위의 영역으로 광을 전송하는 광학 장치(눈 마다)를 포함하고, 렌즈릿 중 적어도 하나는 관심 대상의 광선이 (디지털 디스플레이로부터 눈으로 진행할 때) 굴절(R), 반사(X), 내부 전반사(I) 및 굴절(R)의 시퀀스로 적어도 4개의 편향(deflection)을 겪는다는 의미로 정의되는 RXIR 렌즈릿이고 제1 반사(R)와 내부 전반사 또는 전반사(I)는 일치하지 않는 중첩하는 투명 어퍼처를 갖는 동일한 표면에 의해 수행된다. (우리는 본 명세서에서 "표면(surface)"을 1차 연속성, 즉 기울기의 연속성 또는 더 높은 차수의 연속성을 갖는 표면이라 한다). 이러한 실시예들은 여러 자유형(freeform) 광학 표면을 사용하며, 이는 이들이 전통적인 회전 대칭성 또는 선형 대칭성을 가지지 않는 표면인 것을 의미한다. 이들의 설계는 섹션 8에서 주어진 상세한 설명에 따라 수행된다.

본 광학 설계의 실시예들은, 우리의 주변 시각에 대응하는 이미지 품질이 완화되는 반면, 이미지가 눈(인간의 각도 해상도가 훨씬 더 높은 중심와(fovea)에 초점이 맞추어질 것이다)에 의해 직접 응시될 o 픽셀을 더 양호하게 이미징하기 위하여 이들의 자유도를 최적화하도록 불균형하다(unbalanced).

4. 단일 RXIR 렌즈릿을 이용한 실시예

도 6은 RXIR 종류의 단일 렌즈릿을 갖는 장치의 2D 측부 단면도를 도시하며, 사용자의 눈(610)과 코(609)의 위치를 나타낸다. 디지털 디스플레이(608)는 경사진 위치에 배치될 수 있다. 디지털 디스플레이의 이 위치는 전체 장치의 사용자의 얼굴에 대한 더 나은 기계적 결합을 가능하게 하며, 특히 코 형상에 맞추어지게 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 디지털 디스플레이(608)에 의해 방출된 광선(604, 605, 606)은 표면(601)에서 굴절을 겪고, 그 다음 경면 처리된 표면(602)에서 반사되고, 표면(601)에서 내부 전반사에 의해 부분적으로 그리고 표면(607)에서 금속 반사에 의해 부분적으로 다시 반사되고(표면(601)과 표면(607)은 광학적으로 단일 거울을 형성한다), 마지막으로 표면(603)에 의해 반사되어 안구(611)의 중심으로 향하게 된다. 따라서, 이러한 광선들은 눈이 이의 대응하는 i 픽셀을 응시할 때 응시 벡터와 평행하게 되고, 이에 따라 설계는 이러한 i 픽셀에 대한 이미지 품질이 가장 높은 것을 보증하도록 수행된다. 디스플레이의 에지로부터 방출된 광선(612, 613)은 전방을 향하여 쉬고 있을 때 눈 동공의 중심에 도달하며, 이는 시야의 에지의 범위를 정한다. 607로 나타낸 표면(601)의 영역은, 예를 들어 도 6에서의 광선(604)과 같이, 내부 전반사 조건을 만족하지 않는 광선들의 반사를 수행하기 위하여 금속화된다. 물론 이 영역은, 비록 이것이 표면(601)의 일부이지만, 디지털 디스플레이(608)로부터 유래하는 광선의 입구로서 사용 가능하지 않다. 따라서, 굴절과 반사를 위한 표면(601)의 투명 어퍼처는 중첩하지만 일치하지는 않는다. 전통적인 회전 대칭 제약을 벗어나는 것이 광학 설계에서의 더 많은 자유도를 제공하여 전체 몰입형 시야에서 적합한 이미지 품질을 보증하기 때문에, 바람직하게는, 모든 3개의 표면(601, 602, 603)은 자유형이다.

이 설계는 양안을 위한 단일의 대형 디지털 디스플레이 또는 2개, 즉 눈마다 하나씩의 절반 크기 디지털 디스플레이를 이용하는 것을 가능하게 한다. 도 7은 양안을 위한 단일의 대형 디지털 디스플레이(703)의 특정 경우를 도시하고, 각각의 눈(701)에 하나씩의 렌즈(702)인 2개의 렌즈(702)가 있다. 디지털 디스플레이(703)는 전방을 향하여 표현되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 이는 사용자의 얼굴과의 더 나은 결합을 갖기 위하여 경사진다. 이 구성은 대각으로 대략 5 내지 6 인치(125 내지 150 mm)의 저가 백플레인 기술로 이루어진 상용 디지털 디스플레이에 대하여 특히 매력적이며, 이는 가장 긴 측의 길이가 대략 63 mm인 평균적인 인간의 내부 동공 거리의 2배에 가깝다는 것을 이 크기가 의미하기 때문이다.

1번의 내부 전반사, 2번의 굴절 및 1번의 반사가 있는 이러한 종류의 렌즈는, 또한, 양안을 위한 하나의 대형 디스플레이 대신에, 눈 당 하나의 디지털 디스플레이와 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 대안은 디지털 디스플레이 영역을 감소시키며, 결과적으로 전체 장치 비용을 감소시킨다. 우리가 디지털 디스플레이의 크기를 더 감소시킨다면, 고비용의 백플레인 기술(OLED-온-실리콘, LCOS 또는 DMD의 크리스탈라인 실리콘과 같은)이 비용 효율적으로 사용될 수 있다. 이는 도 8에 도시된다.

도 8에 도시된 설계는 눈 당 하나의 렌즈와 하나의 디지털 디스플레이를 위한 것이다. 그럼에도 불구하고, 양안에 대하여 2개의 렌즈가 있지만 단일 디지털 디스플레이가 있는 유사한 렌즈 설계가 획득될 수 있고, 일례가 위로부터 본 전체 장치와 양안의 도면인 도 9a에 도시된다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 양 렌즈는 도 8의 렌즈와 유사하지만, 원하는 방향의 입력/출력 광선을 획득하기 위하여 이들은 회전된다. 디지털 디스플레이(905)는 광선을 방출하고, 이는 표면(901)에 의해 굴절되고, 표면(902)에 의해 반사되고, 901에서 내부 전반사되고, 마지막으로 903에 의해 왼쪽 눈을 향하여 굴절된다. 광선의 동일한 거동이 오른쪽 눈에 도시된다. 선(904)은 디지털 디스플레이의 하나의 대칭 평면을 나타내고, 이를 다음의 2개의 영역으로 분할한다: 왼쪽 눈으로 광을 전송하는 왼쪽 영역; 및 오른쪽 눈으로 광을 전송하는 오른쪽 영역. 이러한 방식으로, 이 구성은 16:9 디지털 디스플레이에 대하여 설계될 수 있고, 따라서 8:9 종횡비의 하나의 영역이 각각의 눈에 대응하는 2개의 분리된 영역을 가진다. 대칭 평면(904)에서, 광선이 대칭 표면을 가로질러 잘못된 눈에 정보를 전송하는 것을 방지하기 위하여 평탄한 흡수 표면이 추가될 수 있다. LCD 디스플레이가 디지털 디스플레이로서 사용될 때, 백라이트 유닛이 방향성 있게 방출하도록 설계될 수 있어, 평탄한 흡수 실드(904)가 필요하지 않다. 유사하게, DMD(digital mirror device)가 사용될 수 있고, 이의 조명이 조정될 수 있어, 광이 원하는 방향으로 반사된다.

도 9b는 위로부터 본 2D 단면을 통한 동일한 장치(906)의 다른 변형예를 도시한다. 디지털 디스플레이(907)는 사용자의 머리 주위로 원통형 구성을 제공하도록 설계된다. 디지털 디스플레이의 측부가 얼굴에 더 가깝기 때문에, 이 대안은 인체 공학적이고 컴팩트한 장치를 가능하게 한다.

도 10은 이전에 설명된 실시예의 다른 변형예의 2D 수직 단면을 도시한다. 이것은 2개의 렌즈릿에 의해 형성되며, 이들 중 하나는 표면들 중 2개(1004 및 1006의 도면 부호를 가짐)의 기울기 연속성에 의해 도 10에서 인식될 수 있는 도 RXIR 종류이다. 각각의 렌즈릿은 객체의 소정 부분을 이미징한다. 이것과 같은 다중 렌즈릿 구성으로, 우리는, 일반적으로 일부 이미지 픽셀(i 픽셀)이 2 이상의 렌즈릿에서 보이기 때문에 약간 더 작은 해상도를 희생하면서, 더 컴팩트한 장치를 획득할 수 있다. 종종 이러한 이미지 부분들은 중첩한다. 주어진 렌즈릿을 위한 객체 픽셀(o 픽셀) 대 이미지 픽셀(i 픽셀) 매핑은 연속적이지만, 상이한 렌즈릿들의 매핑들 사이에는 일반적으로 이러한 연속성이 없다. 망막에서 완전한 연속 이미지를 얻기 위하여, 디지털 디스플레이는 상이한 렌즈릿들에 의해 이미징될 때 망막에서 연속 화면을 형성하는 불연속 화면을 보여야 한다. 도 10에서, 디지털 디스플레이에 의해 방출된 1007과 1008로 도면 부호가 붙여진 광선은 표면(1002)에서의 굴절과, 그 다음 금속화 표면(1003)에서의 반사를 겪고, 이어서 이러한 광선들은 표면(1002)에서 한 번 더 편향하여 내부 전반사를 겪고, 마지막으로 이들은 표면(1006)의 상부 렌즈릿에서 굴절되어 눈(1012)으로 향하게 된다. 따라서, 이 렌즈릿을 통해 전체 4번의 편향이 있으며, 이는 이전에 언급된 RXIR 종류이다. 다른 렌즈릿에 속하는 광선들은 1009와 1010의 도면 부호가 붙여진 광선으로 도 10에 도시된다. 이 광선들은 표면(1002)에서 굴절되고, 그 다음 광선(1009)은 표면(1004)에서 내부 전반사를 겪고 광선(1010)은 1005로 도면 부호가 붙여진 표면(1004)의 금속화된 부분에서 반사되고, 그 후 양 광선은 하부 렌즈릿 표면(1013) 상에서 굴절되어 눈(1012)으로 향하게 되어, 전체적으로 3번의 편향이 있으며, 이는 RXR로서 표시될 수 있다. 따라서, 이 2개의 렌즈릿은 동일한 광학 구성을 가지지 않는다. 모든 표면들(1002, 1003, 1004, 1005, 1006)은 바람직하게는 자유형이다.

이 대신에, 도 10에서의 장치는 눈의 중심을 통과하고 전방을 향하는 축에 대하여 90도 회전될 수 있어, 이에 따라 양안의 디스플레이들은 머리의 각 측에 하나씩 대체로 수직으로 위치 설정될 것이다.

도 11은 다른 2 렌즈릿 구성의 수평 단면의 상면도를 도시한다. 사용자의 코(1117)와 눈(1118)은 방향 설정 목적으로 도시된다. 내부 렌즈릿(1111)은 RXIR 종류이고, 1008과 1107로 각각 도면 부호가 붙여진 전방과 후방의 금속화된 부분을 가진다. 외부 렌즈릿(1112)은 1120과 1110으로 도면 부호가 붙여진 2개의 굴절 표면(따라서, 동일한 명명법으로 RR이라 할 수 있다)으로 구성된 렌즈이다. 이 구성은 더 나은 인체 공학을 제공하기 위하여 경사진 디스플레이(1101)와 함께 작동하고, 그 다음 이는 눈 당 하나씩 2개의 상호 의존적인 디지털 디스플레이를 이용한다(예를 들어, 대각 길이가 2,2"(55 mm)보다 작은 디지털 디스플레이). 내부 렌즈릿(1111)은 도 6에 설명된 것과 유사하고, 외부 렌즈릿(1112)은 PCT1의 섹션 6.6에 설명된 렌즈릿 설계와 유사하게 설계된다. 외부 렌즈릿(1112)과 함께 작동하는 디지털 디스플레이 영역은 내부 렌즈릿과 함께 작동하는 내부 디지털 디스플레이 영역에 비교하여 더 작다. 이것은 내부 렌즈릿(1111)이 더 넓은 부분의 수평 FoV 및 더 높은 초점 길이에 대하여 설계되기 때문에 사실이다.

도 11에 도시된 디지털 디스플레이(1101)의 내부 부분을 빠져나오는 광선(1113, 1114)은 입사 표면(1106)에서 굴절되고, 후방 거울 표면(1107)에서 반사되고, 입사 표면(1106)에서 내부 전반사되고(또는 표면(1106)의 금속화 부분(1108) 상에서 반사되고), 표면(1109)에서 굴절되고, 눈(1118)을 향하게 된다. 렌즈릿들 사이의 광학 크로스토크는 방지될 필요가 있다. 따라서, 광선(1114)은 내부 클러스터와 외부 클러스터 사이의 에지(1119)에서 내부 클러스터 내의 이의 경로를 시작하고, 렌즈릿(1111)을 통해 전파하고, 동공 범위(1104)의 내부 에지 상에서 이의 경로를 끝낸다. 광선(1113)은 수평 단안(monocular) 시야의 내부 경계를 결정하고, 이는 출구 표면(1109)의 내부 경계 근처에서 편향하고, 후방으로 트레이스될 때 이는 디지털 디스플레이(1101)의 내부 경계 근처에서 끝난다. 광선(1116)은 단안 수평 시야의 외부 에지를 결정한다. 이는 출구 표면(1120)의 외부 에지 근처에서 편향하고, 후방으로 트레이스될 때 이는 디지털 디스플레이(1101)의 외부 경계 근처에서 끝난다. 외부 클러스터를 빠져나오는 광선(1115, 1116)은 단지 2번의 편향을 겪는다 - 이들은 표면(1110)에서 굴절되고, 눈에 도달하기 전에 표면(1120)에서 굴절된다.

간략함을 위하여, 2 렌즈릿 구성이 도 10 및 11에 도시되도록 선택되었지만, 렌즈릿의 개수는 실질적으로 더 클 수 있다. 2개의 상부 렌즈릿이 RXIR 종류이고, 2개의 하부 렌즈릿이 도 10 및 11에 대하여 각각 RXR 및 RR이 되는 2x2 구성이 특히 흥미롭다. 이러한 옵션들은 2 이상의 RXIR 렌즈릿을 포함할 수 있으며, 따라서, 다음 섹션에 속하는 실시예들을 고려할 수 있다.

5. 다수의 합동(superposable) RXIR 렌즈릿을 이용한 실시예

도 12에 도시된 다른 바람직한 실시예는 하나 대신에 2개의 합동 RXIR 렌즈릿을 갖는 도 6에 도시된 설계의 변형예이다. "합동(superposable)"은 여기에서 렌즈릿의 강체 운동(rigid motion)(회전, 반사 및/또는 병진 운동)이 다른 렌즈릿의 활성 영역과 동일하게 만들 수 있다는 것을 의미한다. 여기에서 개시된 원리는, 다음 섹션에서 개시되는 바와 같은 대칭성을 필요로 하지 않지만, 대칭 또는 합동(superposability)은 설계, 제조, 마운팅 및 시험을 단순화한다.

도 12는 코(1209)의 위치를 나타내는 사용자의 머리 및 장치의 상면도를 이용하여 2 폴드 설계의 단면을 도시한다. 이 2 폴드 구성에서, 긴 측의 디지털 디스플레이(1208)가, 도 6에서의 디지털 디스플레이의 경사진 위치와 다르게, 약간 수직 위치로 배치된다. 설계는 디지털 디스플레이(1208)가, 도 12에서 상부 렌즈릿 및 하부 렌즈릿의 각각에 하나씩, 2개의 클러스터로 분할되는 것을 일반적으로 필요로 한다. 그 다음, 물리적 디스플레이(1208)는, 바람직하지만 반드시 같은 평면에 있을 필요가 없는, 클러스터 당 하나씩 2개의 분리된 디스플레이로 분할되어, 설계에 자유도를 더한다. 광선(1204, 1205, 1206)은 표면(1201)에서의 굴절과, 그 다음 경면 처리된 표면(1202)에서의 반사와, 표면(1201)에서의 반사와, 마지막으로 표면(1203)에서의 굴절을 겪고, 눈으로 향하게 된다. 제2 반사가 광선(1204)의 경우에 내부 전반사에 의해 수행되는 반면, 광선(1205, 1206)의 경우에는 이는 표면(1207)의 경면 처리된 부분에 의해 수행된다. 역시, 이 표면들은 자유형이다.

광학 크로스토크는 동공 범위의 정의에 의해 방지될 필요가 있고(PCT1에서 수행된 바와 같이), 따라서, 표면(1201)의 에지에 부딪히는 동공 범위의 에지 광선(1210)은 클러스터 에지로 1206으로서 전송된다. 동공 범위가 각각의 부분 가상 이미지의 에지 영역에 포함될 필요성은 가상 이미지들이 약간 중첩되는 것을 필요로 한다. 따라서, 중첩 영역은 디지털 디스플레이 상의 양 클러스터에서 중복되어야 한다. 따라서, 전체적인 디스플레이 해상도는 단일 클러스터로서 전체 디지털 디스플레이를 이용하는 단일 렌즈릿으로 이론적으로 사용 가능한 것에 비하여 약간 감소된다. 이 2 폴드 대칭 설계(아래의 섹션 8의 "2 폴드의 합동 광학 기기의 상세한 예"에서 설명되는 바와 같은)의 자유형 프로파일의 최적화는 도 12에 도시된 평면에 수직인 방향으로 볼록한 굴절 표면(1203)으로 이어지는 경향이 있다.

도 13은 눈 동공 위치를 추적하기 위한 시스템이 어떻게 추가될 수 있는지 도시한다. 눈 동공 추적 시스템은 눈 동공 위치를 검출할 수 있어, 디지털 디스플레이가 디지털 디스플레이 상에 디스플레이되는 정보를 동적으로 수정할 수 있게 하여 사용자가 응시하고 있는 시야의 부분에 관련된 정보를 사용자에게 보여준다. 또한, 클러스터는, 상이한 부분 이미지들 사이에서 필요한 중첩을 감소시키면서, 상이한 렌즈릿 사이에서 광학 크로스토크를 방지하기 위하여 실시간으로 조정 가능하다. 카메라(1306)는, 바람직하게는 소형 CMOS센서에 기초하여, 표면(1302)의 에지에 가까운 2개의 렌즈릿의 교차 지점에 배치된 작은 핀홀(pin-hole)(1313)을 통해 적어도 동공 범위의 이미지를 얻는다. 핀홀(1313)은 사용자의 눈에 띄지 않게 하도록 충분히 작다(대략 1 mm 지름). 이 설계에서 임의의 광선에 의해 교차되지 않는 부피를 이용하여, 카메라 와이어(그리고 필요하다면 홀더)가 도 13의 평면에 수직으로 위치될 수 있다. 도 13의 왼쪽에서, 응시 벡터 방향은 전방으로 향하고 있어, 디지털 디스플레이(1301), 표면(1302)에서의 제1 굴절, 그 다음 경면 처리된 표면(1303)에서의 반사, 그 다음 표면(1302)에서의 반사 및 마지막으로 표면(1304)에서의 굴절을 보여준다. 도 13은 눈 동공(1306)의 에지로부터 나오는 극단의 역방향 광선을 도시한다. 도 13의 오른쪽에서, 우리는 동공 범위의 극단에서의 눈 동공(1308)을 도시하며, 역방향 광선(1309, 1310)은 눈 동공의 에지 광선이다. 양 상황에서(전방을 보는 눈과 최대로 회전된 눈), 어떠한 광선도 표면(1302)의 금속화된 영역 뒤에 숨겨진 카메라(1306)에 의해 차단되지 않으며, 동공이 한 상황에서 다른 상황으로 이동할 때, 클러스터들 사이의 분리는 1311에서 1312로 변화한다.

도 14는 도 12에서의 장치와 유사하지만, 전방을 향하고 각각의 안구의 중심을 통과하는 축에 관하여 90° 회전된 장치를 도시한다. 렌즈릿의 이 배향은, 도 14에 도시된 바와 같이, 양 렌즈가 단일의 표준 5.7"(145 mm) 대각 길이 디스플레이와 함께 작동하는 구성을 가능하게 한다. 디지털 디스플레이(1402)로부터 방출된 광은 렌즈의 표면들(1403, 1404, 1405)에 의해 편향되고, 마지막으로 눈(1401)에 도착한다.

도 15는 출구 표면(1504) 상에 첨점부(cusp)(1512)를 갖는 2 폴드 렌즈 설계에 특징이 있는 다른 가능한 구성을 도시한다(따라서, 각 렌즈릿에 대하여 하나씩 2개의 출구 표면을 가진다). 이 구성은 2개의 렌즈릿을 독립적으로 제조하고 이들이 광학 크로스토크 없이 동작하게 하는데 흥미롭다. 이 설계 원리는 k 폴드 렌즈 구성에 적용될 수 있고, 여기에서 k > 1이다. 도 15는 장치의 수평 단면 및 사용자의 머리의 상면도이고, 사용자의 코(1509)와 눈(1517)의 위치를 나타낸다. 도 15에 도시된 프로파일은 도 12에 도시된 2D 프로파일과 유사하고, 도 15 실시예가 면(1518)을 따라 만나는 2 피스로 이루어진다는 차이점이 있다. 디지털 디스플레이(1501)는 도 12에서와 동일한 위치에 이 2 폴드 구성을 위하여 배치된다. 광선(1506, 1507)은 표면(1502)에서의 굴절과, 그 다음 경면 처리된 표면(1503)에서의 반사와, 표면(1502)의 금속화된 부분(1515)에서의 광선(1506)의 경우의 내부 전반사 및 광선(1507)의 경우의 반사와, 마지막으로 표면(1504)에서의 굴절을 겪고, 눈(1517)으로 향하게 된다(광선(1508)에 대하여도 유사하다). 표면들(1502, 1503, 1504)은 자유형이다. 도 12에서의 첨점부가 없는 설계와의 차이는, 광학 크로스토크가 방지될 필요가 있기 때문에, 동공 범위를 정의하는 극단의 광선(1507)의 궤적의 점에서 출구 표면 상에 나타난다. 광선(1507)은 클러스터 에지로부터 나오고, 표면(1502)의 굴절 부분의 내부 경계에서의 굴절 후에 그리고 표면(1503, 1505)의 에지에서의 반사 후에, 이는 광축(1511)에 평행하게 굴절되고, 출구 표면(1504)의 첨점부 에지에서 굴절되고, 1510으로 도면 부호가 붙여진 동공 범위 에지로 향하게 된다. 이것은 동공 범위의 극단의 광선이다.

도 16은 5 렌즈릿 장치의 2D 단면을 도시하며, 단면은 파선에 의해 분리된 단지 3개의 렌즈릿만을 도시한다(도 16은 또한 3 폴드 구성에 대하여도 유효하다). 극단의 렌즈릿은 도 12에 도시된 것과 유사하며, 이러한 방식으로, 광선(1604)은 광선(1204)과 유사한 방식으로 행동한다. 한편, 중심 렌즈릿을 통해 진행하는 광선, 예를 들어 광선(1603)은 표면(1601)에서의 굴절과, 표면(1602)에서의 다른 굴절을 겪으며, 중심 렌즈릿의 프로파일은 회전 대칭일 수 있다. 도 16에 도시된 실시예에서, 외부 렌즈렛은 중심 축 둘레로의 회전에 의해 합동이 될 수 있지만, 더 일반적인 경우에는 필요하지 않다. 이전의 2 렌즈릿 경우에서와 같이, PCT1에 개시된 바와 같은 동공 범위의 정의에 의해 광학 크로스토크가 방지될 필요가 있다.

도 17은 중심 렌즈릿을 통해 전송된 광선을 편향시키기 위하여 추가 굴절 렌즈(1703)가 도입되는 도 16에 도시된 설계의 변형예를 도시한다. 이 추가 렌즈는 중심 렌즈릿(1704)의 출력 표면이 평탄하게 될 수 있게 하여, 이에 따라 눈에 가장 가까운 표면이 3개의 렌즈릿을 따라 연속이고 미분 가능하게(첨점부가 없음) 한다. 우리는 이제 중심 렌즈릿에 대하여 3개의 설계 표면을 가지며, 따라서 양호한 이미지 형성을 가질 수 있고 광학 설계의 초점 길이를 제어할 수 있다(동시에, 눈 근처의 표면 상에 첨점부를 가지지 않는다).

도 18은 3 렌즈릿(왼쪽) 및 4 렌즈릿(오른쪽) 설계를 3D로 도시한다. 도 18의 양측에서, 각각 1801 및 1802로서, 하나의 눈이 배경에 도시된다. 한편, 디지털 디스플레이는 파선으로 전방에 도시되었고, 각각 1803 및 1804로 표시된다. 3 렌즈릿 설계가 예를 들어 16:9 비율인 직사각형 디지털 디스플레이에 더 적합하고, 4 렌즈릿 설계가 예를 들어 정사각형 디지털 디스플레이에 더 적합하다는 점에 주목하라. 3 렌즈릿 설계는 광학 설계 관점에서 다음의 2개의 상이한 렌즈릿을 제공한다: 중심 렌즈릿(1805)에 대한 하나의 설계 및 2개의 외부 렌즈릿(1806)에 대한 하나의 설계. 한편, 4 렌즈릿 설계의 한 종류의 렌즈릿(1807)만을 제공한다.

도 19는, 도 12에서의 2 렌즈릿 장치의 4 렌즈릿 변형예인 하나의 눈에 대한 장치(1910)의 사시도를 도시한다. 우리는 자유형 표면 최적화에 기인할 수 있는 표면(2005)의 볼록한 만곡부(curving)에 의해 발생되는 주어진 시야에 대한 과도한 색수차를 방지하기 위하여 이 구성을 사용한다. 이 4 렌즈릿 구성은 또한 도 15를 참조하여 이전에 설명된 첨점부를 갖는 2개의 렌즈릿에 기초할 수 있다. 장치(1910)의 4개의 렌즈릿이 도시되며, 1905, 1906, 1907 및 1908로 도면 부호가 붙여진다. 렌즈(1910)와 함께 작동하는 디지털 디스플레이(1901)의 절반이 도시된다. 도 19는 쇄선(1903, 1904)을 도시하며, 이를 따라 각각 눈과 디스플레이에 가장 가까운 표면의 1차 도함수(기울기)가 불연속이다(이 선들은 상이한 렌즈릿들에 속하는 표면들을 분리한다). 각 2개의 인접한 렌즈릿들 사이의 광학 크로스토크는 도 19에 도시된 양 단면에서 방지된다.

도 20은 2001로 도면 부호가 붙여진 단일 표준 디지털 디스플레이(바람직하게는 16:9)와 함께 작동하는 2개의 4 렌즈릿 장치(눈마다 하나씩, 금속화된 부분은 도면의 명료함을 위하여 생략되었다)와 함께 도 19와 동일한 구성의 3D 예시를 도시한다. 우리는 2개의 눈(2002)의 각각의 앞에 배치된 장치가 4 렌즈릿을 가지고, 각각의 렌즈릿이 디지털 디스플레이(2001)에 가장 가까운 굴절 표면(2003), 반사 표면(2004) 및 눈(2002)에 가장 가까운 굴절 표면(2005)으로 구성된다는 것을 도 20으로부터 명확하게 이해할 수 있다. 디지털 디스플레이(2001)는 광을 전송하며, 이는 표면(2003)에 의해 굴절되고, 표면(2004)에 의해 반사되고, 표면(2003)에서 다시 내부 전반사되고, 표면(2005)에서 굴절되고, 마지막으로 눈(2002)에 도달한다. 각각의 렌즈릿은 개별적으로 대칭이 아니지만, 렌즈릿들은 디지털 디스플레이(1901)가 평탄할 때 렌즈릿을 분리하는 평면에서의 반사에 관하여 서로 대칭이다. 원통형 디스플레이가 사용될 때, 도 20에서 디스플레이(2001)의 더 짧은 측이 만곡되고, 이러한 대칭성은 여전히 보존될 것이다.

도 21은 장치의 수평 단면을 도시하는 합동인 렌즈릿을 갖는 다른 실시예를 도시한다. 또한, 사용자의 눈과 코는 각각 2111 및 2117로 도면 부호가 붙여져 도시된다. 이 장치는 공극(air gap)에 의해 분리되거나 이 대신에, 예를 들어, FEP(fluorinated ethylene propylene)와 같은 불소 중합체인 낮은 인덱스의 재료로 채워지는 2개의 분리된 유전체 피스(2102, 2108)로 구성된다. 디지털 디스플레이(2101)의 앞쪽에 배치된 이러한 새로운 렌즈(2102)는 하나 더의 광학 표면을 설계에 제공하고, 따라서 추가 자유도를 제공한다. 디지털 디스플레이(2101)에 의해 방출된 예시적인 광선(2112)은 입사 표면(2103)과, 이것이 낮은 인덱스의 갭(2115)에 들어가는 표면(2104)에서 굴절된다. 광선(2112)은 낮은 인덱스의 갭을 떠나는 표면(2105)에서 굴절되어 다른 렌즈 피스(2108)로 들어간다. 광선(2112)은 금속화된 표면(2106)에서 반사되고, 두 번째로 사용되는 표면(2105)에서 내부 전반사(또는 금속 반사)에 의해 편향되고, 출사 표면(2107)에서 굴절되고, 마지막으로 눈(2111)에 도달한다. 광선(2113, 2114)은 유사한 궤적을 가진다. 광선(2112)은 이의 경로를 클러스터 에지(2116)에서 시작하고, 이의 경로를 동공 범위(2110)의 경계에서 마친다. 광선(2113)은 광축(2109)과 작은 출사 각도(exit angle)를 형성하고, 안구 중심에서 마친다. 광선(2114)은 디스플레이의 경계 근처에서 디지털 디스플레이(2101)를 빠져나오고, 렌즈(2102, 2108)를 통과한 후에 안구 중심을 향하게 되어, 동공 범위의 경계를 통과한다. 이 구성에서, 표면(2105)과 이의 대칭하는 상대방은 2번 사용된다(굴절에 의해 그리고 내부 전반사에 의해).

또한, 양안을 위한 단일의 대형 디지털 디스플레이 또는 2개의, 즉 눈 당 하나씩의, 분리된 디지털 디스플레이의 사용이 도 21의 실시예에서 가능하다.

다른 장치 구성의 수직 단면이 도 22에 도시되고, 여기에서 인간의 눈은 2210이고 코는 2211이다. 이 설계에서, 뒷쪽의 경면 처리된 렌즈 표면 대신에, 우리는 뒷쪽의 렌즈 표면(2204) 뒤에 각각의 렌즈릿을 위한 분리된 거울(2205)을 사용한다. 이러한 방식으로, 우리는 뒷쪽 표면 금속화를 방지할 수 있으며, 개별의 평면 거울 또는 자유형 거울을 이용할 수 있다. 디지털 디스플레이(2201)에 의해 방출된 광선(2208, 2209)은 입구 표면(2203)에서 굴절되고, 그 다음 이들은 뒷쪽 표면(2204)에서의 굴절 후에 유전체 피스(2202)를 빠져나가고, 공극을 통과하며, 평면 거울(2205)에서 반사된다. 그 다음, 광선들은 동일한 뒷쪽 표면(2204)에서의 굴절에 의해 렌즈(2202)에 다시 들어가고, 이들은 금속화된 부분(2206)에서 반사되거나 표면(2205)에서 내부 전반사에 의해 반사되고, 출구 표면(2207)에서 굴절되고, 마지막으로 눈(2210)에 도달한다. 표면(2204)은 프레넬(Fresnel) 반사에 의해 야기되는 이중 상(double image)을 방지하기 위하여 반사 방지(anti-reflection(AR)) 코팅될 수 있다. 예시적인 광선(2208)은 이의 경로를 디지털 디스플레이(2201) 클러스터 에지에서 시작하고, 동공 범위의 경계에서 이의 경로를 마친다. 예시적인 광선(2209)은 경계 근처에서 디지털 디스플레이(2201)를 빠져나오고, 안구 중심을 향하는 방향으로 동공 범위의 경계를 통과한 후에 출구 표면(2207)의 경계 근처에서 렌즈를 빠져나온다. 도 22는 2 렌즈릿 구성의 일례를 도시하지만, k > 2인 k 렌즈릿을 이용한 설계에 추론될 수 있다. 이 구성의 다른 변형예는 파선 축(2212) 주위의 90도° 회전이다.

또한, 도 23에서의 다음 구성은 2개의 분리된 광학 기기 피스를 포함하며, 얇은 프레넬 렌즈와 같은 얇은 렌즈(2303)가 도 12에서와 유사한 장치(2302)와 사용자의 눈 사이에 배치된다. 도 12의 평면에 수직인 방향으로의 도 12의 표면(1203)의 과도하게 볼록한 만곡부의 문제를 해결하기 위하여, 도 23은 광학 장치(2302)와 인간의 눈(2306) 사이의 방향으로 양의 굴절력(optical power)을 갖는 렌즈(2303)를 포함한다. 도 23에서, 이 렌즈(2303)는 프레넬 렌즈이며, 이는 얇은 렌즈이고, 따라서 전체 시스템 두께를 상당히 증가시키지 않을 것이다. 도 23의 오른쪽은 이 구성의 수평 단면의 상면도를 도시하고, 도 23의 왼쪽은 동일한 구성의 수직 단면의 측면도를 도시한다. 도 23은 방향 설정 목적으로 사용자의 눈(2306)과 코(2307)를 도시한다. 디지털 디스플레이(2301)는 수직 위치로 배치된다. 양안을 위한 단일의 대형 디지털 디스플레이 또는 2개의, 즉 눈 당 하나씩의, 분리된 디지털 디스플레이의 사용이 이 설계에서 허용된다.

다른 렌즈(2303)가 설계에서 가상 스크린을 대응하여 변경함으로써 사용자의 시각적 결함(예를 들어, 근시, 원시 또는 난시)을 보정하기 위하여 주어진 장치(2302)에 대하여 설계될 수 있다. 따라서, 렌즈(2303)만이 상이한 사용자에 맞추도록 재조립될 필요가 있다.

이 구성에서의 광선은 렌즈(2302)만으로 이루어진 시스템과 비교하여 2개의 추가 굴절을 겪는다. 렌즈(2302)를 빠져나온 광선은 프레넬 렌즈(2303)의 자른 면이 있는 표면(2304)에서의 한 번의 굴절과 평면 출구 표면(2305)에서의 다른 굴절을 겪는다. 도 23에 도시된 바와 같이, 표면(2304)은 한 방향(도 23의 왼쪽 측)으로만 잘린 면을 가진다(도 23에서의 왼쪽 참조). 즉, 그루브가 수직 방향을 따라 원통 대칭성을 가지며, 이는 더 용이한 제조를 위한 것이다. 이것은 도 23의 오른쪽에서 보이지 않는 이유이다. 렌즈(2302)의 출구에 배치된 프레넬 렌즈(2303)는 광선(2308, 2309)가 안구 중심(2310)을 향하여 빠져나올 때 이를 집중시킨다.

전술한 바와 같이, 프레넬 렌즈(2303)는, 선형 대칭이거나, 회전 대칭이거나 자유형인 다른 렌즈로 대체될 수 있다.

도 24는 다른 장치의 수평 단면의 상면도를 도시한다. 사용자의 코(2413)와 눈(2414)이 방향 설정 목적으로 도시된다. 이 설계는 4개의 렌즈릿을 가진다: 이들 중 2개는 RXIR 종류이고 다른 2개는 RR 종류이며, 도 12에서의 실시예보다 눈에 대한 디스플레이의 거리를 더 짧게 한다. 따라서, 이 장치는 디지털 디스플레이에서 4개의 클러스터의 o 픽셀을 가진다. 각각의 렌즈릿 쌍에서의 내부 렌즈릿은 바람직하게는 눈이 일반적으로, 예를 들어, 앞쪽 방향(2415)에 대하여 안구 중심(2416)에서 측정된 0° 내지 20°의 수평 각도 범위를 응시하고, 이에 따라 우리가 더 높은 이미지 품질을 필요로 하는 영역인 동공 범위를 커버한다. 내부 렌즈릿에 속하는 광선은 4번의 편향을 겪는다. 외부 렌즈릿은 광선이 단지 2번의 편향만을 겪는 2개의 굴절 표면(2406, 2407)으로 구성된다. 이 렌즈릿은, 예를 들어, 앞쪽 방향(2415)에 대하여 안구 중심(2416)에서 측정된 20° 내지 30°의 더 좁은 각도 범위를 커버한다; 그리고 이 범위는 눈에 의해 드물게 응시된다. 우리는 도 24에서 이 실시예의 작동 원리를 예시한다. 이 장치는 수직 디스플레이(2401)와 함께 작동될 수 있으며, 따라서, 우리는 양안에 대하여 하나의 대형 디지털 디스플레이 또는 2개의 더 작은 디지털 디스플레이(즉, 대략 2.5"(60 mm)보다 작은 대각 길이의 디지털 디스플레이)를 가질 수 있다.

도 24는 상이한 표면들을 도시한다. 굴절 입구 표면(2402)(및 이의 경면 처리된 부분(2403)), 경면 처리된 표면(2404) 및 굴절 출구 표면(2405)은 내부 렌즈릿에 속한다. 굴절 표면(2406, 2407)은 외부 렌즈릿에 속한다. 동일한 측의 출구 표면(2406, 2405)은 일반적으로 작은 기울기 불연속에 의해 분리된다. 초점 거리는 바람직하게는 축(2415)을 따라 전방 방향으로 최대를 갖도록 분포되고, 그 다음, 다음의 섹션 7에서 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 가상 스크린의 중심으로부터 멀리 이동할 때 점차 감소한다. 외부 RR 렌즈릿과 함께 작동하는 (점(2417b)으로부터 디스플레이 외부 에지로 연장하는) 디지털 디스플레이의 외부 클러스터는, 내부 클러스터가 더 넓은 각도 범위를 커버하고 더 큰 초점 길이를 갖기 때문에, 내부 RXIR 렌즈릿과 함께 동작하는 (점(2417a)로부터 2417b로 연장하는) 클러스터보다 더 작다.

디지털 디스플레이를 빠져나오는 광선(2408)은 표면(2402)에서 굴절되고, 거울 표면(2404)에서 반사되고, 입구 표면(2402)에서 내부 전반사되고(또는 표면(2402)의 경면 처리된 부분(2403)에서 반사되고), 표면(2405)에서 굴절되고, 눈(2414)을 향하게 되어, 전체 4번의 편향을 겪는다. 광선(2409, 2010)은 동일한 편향을 겪는다. 광선(2409)은 점(2417a)으로부터 2417b로 연장하는 클러스터의 내부 에지(2417a)에서 이의 경로를 시작하고, 동공 범위의 외부 에지(2412a)에서 마친다. 광선(2411)은 외부 RR 렌즈릿과 함께 작동되고, 이는 외부 클러스터 내부로 디지털 디스플레이를 빠져나와, 한 번은 표면(2407)에서의 굴절이고 다른 한 번은 표면(2406)에서의 굴절인 2번의 편향을 겪으며, 그 후에, 응시 벡터 방향으로(즉, 대략 안구 중심(2416)으로) 눈으로 향하게 된다. 광선(2410)은 2417a로부터 2417b로 클러스터의 외부 에지를 빠져나오고, 4번의 편향을 겪으며, 렌즈의 외부 RR 렌즈릿과의 도함수 불연속점 근처에서 외부 RXIR 렌즈릿을 빠져나와 동공 범위의 경계(2412b)로 향하게 된다. 외부 렌즈릿의 설계는 PCT1의 섹션 6.6에서 설명된 렌즈릿 설계와 유사하다.

다른 구성의 수평 단면의 상면도가 수직 디지털 디스플레이(2501)와 함께 도 25에 도시되며, 사용자의 코(2520)와 눈(2521)은 방향 설정 목적으로 도시된다. 이 구성은 작동 원리가 상이한 4개의 렌즈릿으로 구성된다. 이는 어떠한 거울 코팅을 필요로 하지 않으며, 도 12에서의 장치보다 더 짧은 디스플레이와 눈 사이의 거리를 가능하게 한다. 도 25의 장치는 디지털 디스플레이(2501)에서 눈마다 전체 4개의 o 픽셀 클러스터를 가진다. 하나의 렌즈릿이 피스(2503, 2504)에 의해 형성되고, 사용자가 응시하는, 즉 우리가 더 높은 이미지 품질을 필요로 하는 영역인 안구 중심으로부터 측정된 대략 0° 내지 20°의 원추 각도 범위인 동공 범위를 커버한다. 광학 시스템의 이 렌즈릿에 속하는 광선은 2개의 분리된 렌즈 피스에서 6번의 편향을 겪는다. 이 대신에, 2개의 피스(2504, 2503) 사이의(표면(2508, 2509) 사이의) 공극은 FEP와 유사한 불소 중합체와 같은 낮은 굴절률의 재료로 채워진다. 동일한 피스(2503) 및 분리된 얇은 렌즈(2502)는 제1 원추 범위가 끝나는 곳에서 시작하고 안구 중심으로부터 측정된, 눈에 의해 드물게 응시되는, 대략 10°의 더 좁은 각도 범위(대략 20° 내지 30°)를 가상 이미지가 커버하는 다른 렌즈릿을 형성한다. 이 렌즈릿에서, 광선은 2개의 분리된 렌즈 피스에서 5번의 편향을 겪는다. 중심 피스(2503)는 양 종류의 렌즈릿에서 사용되지만, 광선 경로는 상이한 렌즈릿에 대하여 상이하다. 우리는 도 25에서의 이 실시예에서 작동 원리를 예시한다.

도 25는 파선(중심 축 또는 대칭 평면)으로 분리된 2쌍에서의 4개의 렌즈릿과, 렌즈릿 쌍마다 3개의 광학 렌즈 피스(2502, 2503, 2504)를 도시한다. 렌즈(2503)는 도 25에 도시된 바와 같이 상부 렌즈릿 및 하부 렌즈릿 사이에 공유된 단일 렌즈 피스일 수 있거나, 또는 이는 여러 분리된 피스로 제조될 수 있다. 광축을 따른 피스(2503)의 두께가 작고 도 15를 참조하여 설명된 광학 크로스토크의 영향이 무시할 만 하기 때문에, 이 두 번째 옵션은 실현 가능하다.

광선(2513, 2517)은 도 25에 도시된 바와 같이 디지털 디스플레이(2501)의 주변 클러스터 중 하나의 에지를 빠져나오고, 입사 표면(2511)에서의 굴절과, 뒷쪽 표면(2512)에서의 내부 전반사와, 렌즈 피스들(2504, 2503) 사이의 갭에서의 표면들(2509, 2508)에서의 굴절과, 앞쪽 표면(2507)에서의 내부 전반사와, 출구 표면(2510)에서의 굴절을 겪고, 각각 2514, 2519로서의 동공 범위의 에지에서 시스템을 통해 이의 경로를 마친다(6번의 편향 후에). 따라서, 광학 크로스토크가 방지된다.

광선(2515, 2516)은 중심 클러스터 중 하나의 에지를 빠져나와, 렌즈(2502)의 표면들(2505, 2506)에서 굴절되고, 렌즈(2503)의 전면(2507)에서 굴절되고, 렌즈 피스(2504)와의 갭에서 표면(2508)에서 내부 전반사되고, 표면(2510)에서 굴절되고, 그 다음, 광선(2515)은 동공 범위 에지(2514)로 향하게 되고, 광선(2516)은 눈이 전방으로 보면서 쉬고 있을 때 눈 동공 위치로 향하게 된다.

따라서, 도 25의 구성에서, 최종 이미지의 외부 부분에 대응하는 o 픽셀 클러스터는 디지털 디스플레이(2501)의 중앙에 있고, 최종 이미지의 중심 부분에 대응하는 o 픽셀은 디지털 디스플레이(2501)의 외부 에지에 있다. 그것은 각각의 클러스터에 대한 부분 실제 이미지를 생성하는데 있어서 고려된다.

도 26은 다른 2 렌즈릿 구성의 수평 단면의 상면도를 도시한다. 사용자의 눈(2610)과 코(2614)는 방향 설정 목적으로 도시된다. 렌즈(2609)의 각각의 렌즈릿은 렌즈릿의 외부 코너에서 그루브를 형성하는 2개의 금속화된 표면(2603, 2604)을 가진다. 디지털 디스플레이(2601)를 빠져나오는 광선(2606, 2607)은 입사 표면(2602)에서 굴절되고, 그 다음 각각의 그루브의 측에서 반사되고 - 뒷쪽 표면(2604)에서의 제1 반사와 측부 표면(2603)에서의 제2 반사 -, 다음으로 입구 표면(2602)에서 내부 전반사되고, 마지막으로 출구 표면(2605)에서 굴절되어 눈(2610)으로 향하게 된다. 동일한 편향이 광선(2608)에 대하여 발생한다. 디지털 디스플레이 에지 근처의 o 픽셀로부터 나오는 광선(2606)은 바람직하게는 2개의 렌즈릿의 입구 표면들(2602) 사이의 렌즈(2609)의 중심 축에서의 첨점부(2612)로부터 반사되어 동공 범위(2611)의 에지로 향하게 된다. 디지털 디스플레이의 중심(2615) 근처에서의 o 픽셀 클러스터 에지로부터 방출된 광선(2608)은 바람직하게는 동공 범위(2611)의 경계를 향하여 편향되어 출구의 에지 점(2613)을 통과한다. 광학 크로스토크는 특허 PCT1에 개시된 것과 정확하게 동일한 방식으로의 동공 범위의 적합한 정의에 의해 방지될 필요가 있다. 최대 이미지 품질은, 2개의 클러스터 중 하나의 내부에서 경로를 시작하고 안구 중심을 향하여 눈에 도달하고 이에 따라 응시 벡터 방향에 가까운 2607과 같은 광선에 대하여 설계된다.

6. 합동이 아닌 RXIR 렌즈릿을 이용한 실시예

도 12에서의 렌즈와 디스플레이가 안구 중심을 통과하는 수직 축에 대하여, 예를 들어 대략 5 내지 15°인 각도로 바깥쪽으로 회전될 수 있다는 것이 명백하다. 이것은 전체 HMD가 더 나은 인체 공학을 제공하게 하며, 각각의 렌즈 및 디스플레이의 회전 각도의 2배만큼 수평 시야를 증가시킨다. 그 결과, 시야의 두 눈으로 보는(binocular) 부분도 회전 각도의 2배만큼 감소된다. 그러나, 다음과 같이, 도 12에서의 합동 렌즈릿의 대칭성을 깨는 것에 의해 더 나은 설계가 이러한 회전된 디스플레이에 대하여 성취될 수 있다.

도 27은 다른 2 렌즈릿 구성의 수평 단면의 상면도를 도시한다. 사용자의 눈(2717)과 코(2716)는 방향 설정 목적으로 도시된다. 이 구성은 2개의 렌즈릿(그리고 이들의 o 픽셀 클러스터) 사이에서 대칭성을 상실하여, 2개의 렌즈릿이 상이한 광학적 성능과 크기를 가질 수 있게 한다. 이 구성은 더 나은 인체 공학을 제공하도록 경사진 디지털 디스플레이(2701)와 함께 작동되고, 그 다음 이는, 눈마다 하나씩, 2개의 독립적인 디지털 디스플레이, 예를 들어 2.5"(60mm) 미만의 대각 길이를 갖는 디지털 디스플레이를 사용한다.

도 27에 도시된 렌즈 실시예의 내부의 더 큰 렌즈릿(2714)은, 표면(2705)의 외부 에지에서의 첨점부가 앞을 바라보는 방향(2702를 통과하는 파선에 의해 제공됨)에 더 이상 위치되지 않고 눈(2716)의 중심(2703)에서 2702까지의 중심선과 대략 5° 내지 15°인 각도를 형성하는 파선(2718) 상에 위치되기 때문에, 외부 렌즈릿보다 더 넓은 부분의 수평 시야(field of view(FOV))를 커버하도록 설계된다. 초점 거리는 바람직하게는 눈 동공이 전방으로 보면서 쉬고 있는 0° 방향(점(2702)까지 축을 따라)으로 최대값을 가지며, 그 다음 가상 스크린의 중심으로부터 멀리 이동할 때 점차 감소하도록 분포된다(도 2에 도시된 바와 같이). 외부 렌즈릿(2713)과 함께 작동되는 디지털 디스플레이 영역은 내부 렌즈릿(2714)과 함께 작동되는 디지털 디스플레이 영역보다 작고, 점(2715)은 2개의 클러스터들 사이에의 경계에 있다. 내부 렌즈릿(2714)이 더 넓은 부분의 수평 FOV를 위하여, 그리고 또한 더 큰 초점 거리를 위하여 설계되기 때문에, 이것은 사실이다.

내부 클러스터의 에지에서 디지털 디스플레이를 빠져나오는 광선(2709, 2710)은 입구 표면(2705)에서 굴절되고, 뒷쪽 거울 표면(2706)에서 반사되고, 입구 표면(2705)에서 내부 전반사되고(또는 표면(2705)의 금속화된 부분(2707)로부터 반사되고), 출구 표면(2708)에서 굴절되고, 눈(2716)을 향하게 된다. 외부 클러스터로부터의 광선(2711)은 동일한 편향을 가진다. 광선(2710)은 내부 렌즈릿(2715)을 통한 내부 클러스터 내의 이의 경로를 에지(2715)에서 시작하고, 동공 범위(2712)의 경계에서 마친다. 광선(2711)은 에지(2715)에서 외부 클러스터 내로 방출되며, 따라서 외부 렌즈릿(2713)을 통해 전파한다. 광선(2709)은 수평 단안(monocular) 시야의 내부 경계를 결정하고, 출구 표면(2708)의 내부 경계에서 굴절되며, 대략적으로 디지털 디스플레이(2701)의 내부 경계에서 방출된다. 유사하게, 광선(2717)은 수평 단안 시야의 외부 경계를 결정하고, 출구 표면(2708)의 외부 경계에서 굴절되며, 대략적으로 디지털 디스플레이(2701)의 외부 경계에서 방출된다.

도 28은, 공동의 커브드(curved) 디지털 디스플레이(2801)를 공유하는, 각각의 눈에 하나씩의, 도 27과 유사한 2개의 유사한 2 렌즈릿 렌즈의 수평 단면을 예시한다. 이 대신에, 2개의 분리된 커브드 디스플레이가 사용될 수 있다. 원통형 디지털 디스플레이(2801)를 빠져나오는 광선은 디지털 디스플레이로부터 눈으로의 자신의 경로에서 다음의 시퀀스로 4번의 편향을 겪는다: 굴절, 반사, 내부 전반사 및 굴절. 파선(2804)은 가상 스크린으로부터 안구(2805)로의 가상 광선을 나타낸다. 바로 앞쪽을 바라보는 눈에 대한 가상 광선이 왼쪽에 도시되고, 시야의 극단 측에 대한 가상 광선이 오른쪽에 도시된다. 실선(2803)은 디지털 디스플레이(2801)로부터 안구(2805)로 이동하는 광선을 나타낸다. 일반적으로, 각각의 렌즈의 2개의 렌즈릿(2802)은 서로에 대하여 대칭이 아니지만, 각각의 렌즈는 수평 대칭 평면을 가질 수 있다. 이러한 장치가 눈의 중심을 통과하는 축 둘레로 90도 회전되어 전방을 향할 때, 다른 구성이 얻어진다. 이 후자의 경우에, 2개의 렌즈릿은 서로에 대칭일 수 있지만, 각각의 렌즈릿은 대칭 평면을 가지지 않을 수 있다.

7. 인간의 눈 해상도에 대한 설계 맞춤

도 2는 전형적인 인간의 눈의 각도 해상도를 주변 각도의 함수로서 도시한다(J.J. Kerr의 "Visual resolution in the periphery", Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971에 따름). 인간의 눈 해상도가 응시 방향에 가까운 곳보다 주변 시야에서 훨씬 더 작기 때문에, 우리는 i 픽셀의 크기가 가상 스크린의 응시된 영역에서 더 작고 가상 스크린의 외부 영역에서 더 크게 하도록 본 명세서에서의 임의의 실시예의 설계 조건을 조정할 수 있다. 이 목적으로, 우리는 광학 시스템이 합당하게 비점 수차가 보정되어 객체와 이미지 사이의 매핑을 정의할 수 있다고 가정할 것이다. (ρ, φ)가 디지털 디스플레이 상의 점(r)의 극좌표라 하고, θ,

가 각각 가상 스크린의 구좌표의 편각과 방위각이라 하자. 좌표는 θ = 0이 전방을 향하는 축이 되도록 정의되고, θ는 그 축으로부터 멀어지는 각도이며,

는 θ = 0 축 둘레로의 방위각이며, 방향

= 0 및

= π가 수평이다. 함수

는 매핑 함수라 한다. 역매핑 함수는

에 의해 주어진다.

우리는 가상 스크린 방향 (θ,

)에서의 반경 방향 초점 길이(f_rad)를

라 하고,

로 기재할 것이다. 우리는 시상(sagittal) 초점 거리를

라 한다. 반경 방향 또는 시상 방향과 다른 방향에 대하여, 초점 거리는

로 주어지며, 여기에서 α는 초점 거리가 계산되는 방향 및 반경 방향에 의해 형성된 각도이다. 초점 거리는 특정 방향으로의 매핑의 팽창 또는 수축에 대하여 알려준다. 객체와 이미지 사이의 매핑이 등각(conformal)일 때,

는 α에 독립적이며, 이는 매핑 팽창 또는 축소가 등방성(isotropic)이라는 것과 동일하다. 방향 α를 따른 i 픽셀의 각도의 정도는 대응하는 o 픽셀 지름을 초점 거리로 나눈 것, 즉

으로 계산될 수 있다(간략함을 위하여, 여기에서 원형 o 픽셀이 고려되지만, 추론은 통상적인 정사각형 o 픽셀로 확장된다). 주어진 i 픽셀에 대하여 2 이상의 o 픽셀이 있을 때, 광학 시스템이 적절하게 설계되지 않는다면 우리는 상이한 비(ratio)를 가질 수 있다. 인간의 눈 해상도는 주변 각도에 의존하지만, 양호한 근사에 대하여는 해상도가 평가되는 방향 α에 종속하지 않는다. 그 다음, i 픽셀의 각도의 정도는 α에 독립적인 것이 바람직하다(그렇지 않으면, 해상도는 가장 큰 각도 지름에 의해 주어질 것이다). o 픽셀의 지름이 일반적으로 α에 따라 매우 일정하기 때문에, α에 독립적인

이 일반적으로 바람직하다.

시야에 걸쳐 해상도가 변화하고 인간의 시각에 맞추어지는 광학 설계의 아이디어는 PCT1의 섹션 6.8에서 소개되었다. 인간 시각 해상도는 중심와(fovea)에서 이미징된 장면의 부분에서 피크를 가지며, 그 부분으로부터 멀리 이동함에 따라 감소한다. 눈이 앞쪽 방향(θ = 0)을 응시하고 있다고 가정하자. 따라서, 더 긴 반경 방향 초점 길이(더 작은 i 픽셀 각도 크기 및 이에 따른 더 높은 광학 해상도로 이어짐)가 더 높은 해상도가 요구되는 낮은 값의 θ에 대하여 사용되어야 하며, 높은 값의 θ의 경우에(주변 뷰), 눈 해상도가 이러한 각도에 대하여 더 낮기 때문에 더 짧은 초점 길이가 허용 가능하다.

도 29는 4 렌즈릿 실시예(2904)를 도시한다. 각각의 렌즈릿의 표면은 디스플레이의 절반의 대각선 방향과 일치하는 대칭 평면을 가진다. 따라서, 하나의 렌즈릿에 대한 매핑 함수

는

을 충족한다. 이 장치는 가변 초점 길이를 가진다. 특히, 반경 방향 초점 길이

는 θ가 증가함에 따라

가 일정한 선을 따라 감소한다. 횡 방향으로의 초점 길이

는 디스플레이 활성 영역의 최적 사용을 제공하기 위하여

와 본질적으로 동일하게 설계된다. 도 30, 도 31a 및 도 31b는 초점 길이 분포에 관하여 도 29의 설계에 대하여 획득된 결과를 도시한다.

도 29는 바닥에 수직인 평면에 배치되고 가장 긴 치수가 바닥에 평행한 2:1에 가까운 종횡비(예를 들어, 현재 표준인 16:9 종횡비)를 갖는 디스플레이(2901)를 도시한다. 또한, 도 29는 디지털 디스플레이의 앞쪽에 2개의 4 렌즈릿 장치(2904)(눈마다 하나씩)를 도시하고, 각각은 도 18에 개시된 렌즈(1807)와 유사하지만 디스플레이에 수직인 축 둘레로 45도 회전되어 이미징하고 있는 각각의 절반 디스플레이의 앞에 있다. 따라서, 4 폴드 장치가 배치되고, 이에 따라 렌즈릿(2902) 중 하나의 중심을 따르는 대각선(2903)은, 도 29에 도시된 바와 같이, 절반의 디지털 디스플레이의 대각선에 대체로 평행하다.

도 30은 반경 방향 초점 길이 및 시상 초점 길이를

= 45도인 선을 따라 각도 θ의 함수로서 도시한다. 이 예시는 도 29의 4 렌즈릿 장치(2904)의 하나의 렌즈릿(2902)에 대하여 수행된다. 반경 방향 초점 길이는 실선(3001)으로 표시되고, 시상 초점 길이는 파선(3002)으로 표시된다. 양 초점 길이 분포는 θ = 0°에 가까이에서 최대값을 가지며, 더 큰 각도 θ에 대하여, 특히 20도를 넘어서, 점차 감소한다. 우리는 양 초점 길이(반경 방향 및 시상)가 반경 방향 및 시상 방향 모두에서 대각선

= 45도를 따라 각도 θ의 각각의 값에서 균형이 맞추어진다는 것을 관찰할 수 있다.

도 31a는 동공이 4 mm의 지름을 가지며 눈이 전방을 향하여 응시하고 있을 때 렌즈릿(2902)을 통해 눈 동공을 조명하는 디스플레이(2901)(도 29에서의)의 일부를 도시한다. 이 절반의 디스플레이는 각각이 4 렌즈릿 장치(2904)의 하나의 렌즈릿(2902)과 함께 작동하는 4개의 정사각형 클러스터로 분할된다. 방향 θ = 0이 점 ρ = 0(3102), 즉 도 31a에서의 (x, y) = (0, 0)에서 디지털 디스플레이 상에 이미징된다. 도 31b에 도시된 바와 같이, 우리는 χ를 고려 중인 픽셀의 방향(3109)의 xz 평면 상의 투영(3111)과 z 축 사이의 각도(3112)로서 정의하고, γ를 방향(3109)의 yz 평면 상의 투영(3111)과 z 축 사이의 각도(3114)로서 정의한다. 각도 θ(3110)는 θ와

의 함수로서

와

로 표현될 수 있는 χ와 γ에 관하여

로서 표현될 수 있다. 디스플레이의 정사각형 부분 내부의 도 31a에 도시된 실선은 렌즈릿(2902)(도 29)에 의해 디지털 디스플레이 상으로 매핑된 χ - γ = 상수 및 χ + γ = 상수인 곡선들을 이러한 상수들의 2.5도 증분에 대하여 나타낸다. 선(3101)은 χ - γ = 0, 즉 반경 방향 초점 길이와 시상 초점 길이가 각도 θ의 함수로서 도 30에 도시된

= 45도에 대한 곡선을 나타낸다. 2개의 수직 방향으로 쌍을 이루는 이러한 초점 길이 분포로, 원래 o 픽셀이 정사각형인 경우에, 관찰자는 대략 정사각형 i 픽셀 영역을 본다. 점(3102)의 이웃에서의 반경 방향 초점 길이 및 시상 초점 길이는 각각 23.5 mm 및 22.8 mm이다. 또한, 도 31a의 중심에서의 점(3103) 근처에서, 초점 길이들은 17.3 및 16.2 mm이고, 등곡선(isocurve)(3104)(χ + γ = 20도)를 따라 반경 방향 초점 길이 및 시상 초점 길이는 실질적으로 일정하게 유지되어, 점(3108)의 이웃에서 우리는 각각 17.6 및 18.0 mm를 가진다. 더 큰 값의 각도 θ에 대하여, 예를 들어, 점(3105)의 이웃에서, 초점 거리는 11.5 및 12.2 mm이다. 점(3105)과 동일한 등곡선(χ + γ = 상수)(3106)에 있는 점(3107)에서, 초점 길이는 12.5 및 12.9 mm이다. 이러한 예시적인 값들로부터, 우리는 2개의 수직인 방향으로 디스플레이의 중심 영역에서 가장 높게 초점 길이가 어떻게 균형이 맞추어지는지 알 수 있고, 디스플레이의 에지를 향하여 어떻게 점차 감소하는지 알 수 있다.

8. 2 폴드의 합동 광학 기기의 상세한 예

본 섹션은 이전에 설명된 구성에 대한 광학 설계를 상세하게 설명한다. 이 구성은 광선이 2번의 굴절을 겪는 하나의 얇은 자유형 렌즈와, 광선이 3개의 자유형 표면에서 4번의 편향을 겪는(하나의 광학 표면이 2번 사용된다) 다른 렌즈로 구성된다. 이 광학 설계는, 바람직하게는 직교 기반을 이용하여, 다항식 전개식의 계수의 다중 파라미터 최적화에 의해 수행된다. 여기에서 설명된 실시예에서, 표면은 다음의 수학식으로 설명된다:

여기에서 Pm(x, y)는 10차 다항식, 즉 m = 10이며, c_2ij는 아래의 표 1에 열거된 최적화된 표면 계수이고, P_2i((x-(x_max+x_min)/2)/x_max) 및 P_j((y-(y_max+y_min)/2)/y_max)는 각각 x 및 y 방향으로 x_min 및 x_max와 y_min 및 y_max로 제한된 영역 내부에서 직교하는 르장드르(Legendre) 다항식이다. 모든 표면들은 yz 평면, 즉 x = 0(도 32에 도시된 도면의 평면)에서 평면 대칭성을 가지며, 따라서 르장드르 다항식 P_2i((x-(x_max+x_min)/2)/x_max)는 단지 쌍을 이룬 차수의 단항식들을 가진다.

르장드르 다항식의 명시적인 표시는 다음을 포함한다:

여기에서, 후자는 단순 단항식들의 르장드르 다항식을 표현하고, 이항 계수의 곱셈 공식을 포함하며,

이다.

도 32는 yz 평면인 x = 0에서의 각각의 표면 다항식 표현의 로컬 좌표계를 도시한다(z 축은 왼쪽을 가리키고, y 축은 위를 가리킨다). 안구 중심은 3201로 표시되고, 우리는 전역 좌표계의 중심 (x, y, z) = (0, 0, 0)으로서 이를 이용한다. 안구는 3202로 표시된다. 디스플레이(3204)를 위하여 사용되는 로컬 좌표계 원점(3203)은 좌표 (x, y, z) = (0,　0,　44.00)를 가진다. 표면 1은 3206으로 표시되고, 이의 로컬 좌표계 원점(3205)은 (x, y, z) = (0,　0,　29.04540)에 배치된다. 표면 2는 3208로 표시되고, 이의 로컬 좌표 원점(3207)은 (x, y, z) = (0,　15.5041,　27.85875)에 배치된다. 표면 3은 3210으로 표시되고, 이의 로컬 좌표 원점(3209)은 (x, y, z) = (0,　0,　25.00)에 배치된다. 표면 4는 3212로 표시되고, 이의 로컬 좌표 원점(3211)은 (x, y, z) = (0,　0,　24.50)에 배치된다. 표면 5는 3214로 표시되고, 이의 로컬 좌표 원점(3213)은 (x, y, z) = (0,　0,　24.00)에 배치된다. 좌표들은 mm 단위로 주어진다. 모든 표면의 다항식의 계수들은 표 1에 열거된다. 처음의 4개의 행은 각각의 다항식이 직교하는 x 방향으로의 x _min 및 x _max 와, 수직인 y 방향으로의 y _min 및 y _max 사이의 직사각형 영역을 설명하는 C1: x _min , C2: x _max , C3: y _min 및 C4: y _max 이다. 표 1의 다음 행들인 C5 내지 C97은 우리가 설계한 각각의 표면에 대한 10차 르장드르 다항식 Pm(x, y)의 계수들이다. 표면 3, 4 및 5는 x = 0 평면 및 y = 0 평면 모두에서 평면 대칭성을 가진다. 표 1에 나타나지 않은 계수는 0이다.

[표 1]

도 33은 도 23에 도시된 것과 같은 2 렌즈릿 설계에 속하는 렌즈릿의 x = 0 평면을 도시한다(프레넬 렌즈 대신에 연속하는 자유형 렌즈(3311)를 이용). 디스플레이의 절반은 3301로 표시되고, 사용자의 눈은 3302이다. 완전한 설계는 축(3308)을 포함하는 y = 0 평면에 관하여 도시된 렌즈(3310, 3311)의 거울 이미지로 획득될 수 있을 것이다. 도 33에서, 우리는 설계 광선 궤적을 검사할 수 있다. 역방향 광선(3304)이 동공 범위(3303)의 경계로부터 나와서, 표면 1(도 32의 표면(3206))의 첨점부에 부딪히고, 클러스터 에지(3309)로 전송된다. 역방향 광선(3305)은 z 축에 평행하게 눈을 빠져나온다. 역방향 광선(3306)은 안구 중심으로부터 나오고, 표면 5(도 32의 표면(3214))의 경계에 부딪히고, 디스플레이 상에 부딪힌다. 역방향 광선(3307)은, 눈이 전방을 바라보며 쉬고 있을 때 이것이 눈 동공 위치로부터 표면 5의 경계에 부딪히는 경계 주변 광선이기 때문에, 시야의 일단을 정한다.

도 34는 역시 도 33에 도시된 2 렌즈릿 구성에 속하는 하나의 렌즈릿의 평면 y = 0에서의 단면이다. 이 부분은 도 33에 도시된 부분에 수직이다. 디스플레이는 3401이고, 사용자의 눈은 3402이다. 렌즈(3404, 3405)는 각각 도 3에서의 3310 및 3311에 대응한다. 역방향 광선(3403)은, 이 눈 동공이 동공 범위의 근처를 응시할 때, 눈 동공을 빠져나온다.

표 2 및 3은 4 mm의 동공 지름을 이용하여 도 33의 설계의 일부 선택된 필드에 대한 다색(polychromatic) 스폿의 제곱 평균(root-mean-square(RMS)) 지름을 나타낸다. 이 설계는 전방 방향에 대하여 대략 26 mm의 초점 길이를 가지며, 초점 길이는 눈 해상도에 맞추어지도록 시야의 에지를 향하여 점차 감소한다. 2.1"(55 mm) 대각 길이의 16:9 디스플레이에 대하여, 수평 시야는 108도이고, 수직 시야는 93도이다. 표에서의 각도 χ 및 γ은 도 31b에서와 동일한 정의를 가진다.

표 2는 눈이 상기 필드를 응시하고 있는 상황에 대응하고, 이에 따라 인간 눈 자각을 위한 주변 각도는 모든 필드에 대하여 0이고, 따라서, 광학 해상도는 이 필드에 대하여 최대이어야 한다. 표 2는 20 내지 30 미크론과 같이 작은 o 픽셀이 양호하게 해상될 수 있다는 것을 보여주지만, RMS 지름이 각도 χ(도)의 가장 높은 값에 대하여 상당히 증가한다. 이것은 색수차에 의해 발생되고, 바람직하게는 도 32의 표면(3210, 3212 또는 3214) 중 하나에서, 회절 키노폼(kinoform)을 추가함으로써 쉽게 보정될 수 있다. 더 용이한 제조 가능성을 위하여, 이러한 키노폼은 자유형이 아닌 표면에 추가되어야 한다. 키노폼 면의 정점(vertex)이 도 32의 평면에 평행한 평면에 포함되는 경우가 특별한 관심 대상이다.

표 3은 눈이 전방을 응시하고 있는 상황에 대응하고, 이에 따라 인간 눈 자각을 위한 주변 각도는 0이 아니지만, θ와 같다. 따라서, 광학 해상도는 광학 품질의 인간 자각에 영향을 미치지 않으면서 더 낮을 수 있다. 이 설계는 도 2의 인간 눈 해상도에 맞추어진다. 이러한 이유로, RMS 값은 동일한 필드에 대하여 표 2에서보다 표 3에서 더 높다.

[표 2]

[표 2]

9. 시분할 다중화를 이용한 실시예

시간 다중화(time multiplexing)의 배후에 있는 아이디어는 프레임 기간 내에 여러 연속하는 부분들로 이미지를 나타내고 이러한 임의의 이미지 부분들에 대하여 모든 사용 가능한 o 픽셀을 이용함으로써 어 i 픽셀의 개수를 증가시키는 것이다. 분명하게는, 이러한 전략의 성공은 OLED, 투과성 또는 반사성 FLC 또는 DMD 디지털 디스플레이와 같은 높은 스위칭 레이트를 갖는 디지털 디스플레이의 가용성에 의존한다. 이것은 2 렌즈릿 예를 통하여 도 35에 예시되며, 디지털 디스플레이(3501)가 도 35의 왼쪽에 도시되고 2개의 능동 셔터가 디지털 디스플레이 및 2 렌즈릿 장치 사이에 배치된다. 디지털 디스플레이는 도 35의 상부 렌즈릿에 대하여 광선(3504, 3505)을 방출한다. 이 광선들은 상부 셔터, 즉 3502가 개방될 때에만 눈에 의해 수광된다. 이 실시예는 셔터로서 동작하는 고속 강유전성 액정 표시 장치(ferroelectric liquid crystal display(FLCD))를 이용할 수 있다. 이는 광축이 인가된 필드에 의해 재배향될 수 있는 전통적인 반파장판(half-wave plate)으로서 작동한다. FLCD의 이점은 이의 높은 해상도와 매우 빠른 스위칭 시간(100 ㎲ 미만)이다. Nelson에게 허여된 US 4,924,215에서, 이러한 FLCD는 또한 셔터로서 사용된다. Shilov 2010에 따르면, 도시바의 능동 셔터 스테레오 3D 안경은 0.1 ms(개방-폐쇄/감소)와 1.8 ms(폐쇄-개방/증가) 응답 속도를 가지는 반면, 많은 경쟁하는 해결 방안들은 각각 0.3 ms 및 3.7 ms, 또는 심지어 2 ms의 "전형적인" 응답 시간을 공표한다.

도 35에 예시된 상황에서, 하부 셔터(3503)가 폐쇄되고, 따라서 눈은 상부 렌즈릿으로부터의 광만을 수광한다. 상부 셔터(3502)가 폐쇄될 때, 하부 셔터(3503)가 개방되고 눈은 렌즈의 하부 렌즈릿을 통해서만 정보를 수신한다. 도 35에 도시된 바와 같이, 각각의 렌즈릿은 전체 시야의 상이한 부분에 대응하고, 따라서 상부 렌즈릿은 전체 시야의 상부 절반을 투과시키고, 하부 렌즈릿은 전체 시야의 하부 절반을 투과시킨다. 이들은 함께 가상 스크린을 완전히 채우는 2개의 서브 이미지이다. 엄격하게 말해서, 본 명세서에 개시된 다중 렌즈릿 설계의 대부분에서와 같이, 눈이 동공 범위 내에서 이동하는 것을 허용해야 하기 때문에(그리고 또한 인간의 동공의 0이 아닌 지름 때문에), 2개의 서브 이미지는 중첩한다. 이 구성에서, 각각의 프레임 기간은 2개의 서브 프레임 슬롯으로 분할된다. 디지털 디스플레이는 제1 서브 프레임 슬롯에서 상부 서브 이미지에 대응하는 정보를 보여주고, 디지털 디스플레이는 제2 서브 프레임 슬롯에서 하부 서브 이미지에 대응하는 정보를 보여준다. 이러한 2개의 상이한 상황 사이의 전이가 충분히 빠르게 수행된다면, 눈은 양 렌즈릿으로부터 나오는 전체적으로 중첩하는 이미지를 인지할 것이다. 즉, 이는 우리가 수직 방향으로 초기에 가지는 픽셀의 수의 거의 2배로 전체 시야를 인지할 것이다. 이것은, 음극선 빔이 형광 스크린 상에서 주사될 때, 스크린의 형광 물질의 지속성과 우리의 망막의 지속성의 결합이 단일 주사점(단지 하나의 점만이 한 시점에서 묘사된다)으로부터의 정적인 이미지의 환영을 형성하는 전통적인 음극선관(Cathode Ray Tube(CRT))에서 발생하는 것과 동일한 효과를 이용한다.

각각의 눈에 대하여 16:9 디지털 디스플레이를 이용할 때, 디지털 디스플레이는 바람직하게는 수평 위치에 배치된다(즉, 이의 가장 긴 치수가 바닥에 평행하다). 이 배향에서, 도 35에 도시된 디지털 디스플레이의 프로파일은 이의 가장 짧은 측이고, 시간 다중화 장치는 대략 1:1 종횡비(즉, 유사한 수평 시야 및 수직 시야)를 생성할 것이다. 수직 시야가 어떻게 거의 2배가 되는지에 관한 설명은 이 설계를 위한 가상 스크린(3601)을 나타내는 도 36a에서 알 수 있다. 점선으로 나타낸 직사각형(3602)은 상부 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 상부 서브 이미지를 나타내며, 파선으로 나타낸 직사각형(3603)은 하부 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 하부 서브 이미지를 나타낸다. 위에서 설명된 바와 같은 2개의 서브 이미지의 추가는 더 큰 정사각형 형상의 전체 시야를 생성한다. 서브 이미지는 도 6에 도시된 바와 같이 중앙 영역에서 중첩하여, 동공 범위 내에서의 눈 이동을 허용한다.

대안적인 구성은, 위에서와 같이 눈 마다의 디지털 디스플레이 대신에, 양안에 대하여 단일 표준 16:9 디지털 디스플레이를 이용한다. 이 경우에, 렌즈는 수평 위치에서 90° 회전되어 배치되어, 셔터의 2개의 절반이 도 20에서의 설계에 유사하게 왼쪽-오른쪽으로 정렬된다. 이 대안적인 구성은 수평 방향으로 더 큰 시야를 갖는 수평으로 신장된 시야를 제공한다. 도 36b는 이 설계를 위한 가상 스크린(3604)의 생성을 도시한다. 점선으로 나타낸 정사각형(3605)은 왼쪽 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 왼쪽 부분을 나타내며, 파선으로 나타낸 정사각형(3606)은 오른쪽 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 오른쪽 부분을 나타내어, 더 큰 직사각형 형상의 전체 시야를 결과로서 제공한다.

또한, 시 분할 다중화(time division multiplexing(TDM)) 아이디어는, 장치의 대각 2D 단면을 도시하고 또한 디지털 디스플레이(3701)의 대각 프로파일을 도시하는 도 37에 제시된 바와 같이, 4 렌즈릿 구성에 적용될 수 있다. 광선이 셔터에 의해 어떻게 교대로 차단되는지에 대한 설명은 유사하다. 분명하게는, 이 상황에서, 우리는 2개 대신에 4개의 셔터(채널 당 하나)를 가질 것이다. 도 37은 2개의 셔터(3702, 3703)의 대각 단면과, 상부 렌즈릿의 극단의 광선(3704, 3705)을 도 37에 도시한다. 여기에서 도시된 셔터는 모두 공면형이며(coplanar), 이는 도 35에 도시된 것에 비하여 구현하기 더 쉽다. 도 35에서의 2 렌즈릿 장치는 공면형 셔터를 역시 가능하게 하도록 약간 수정될 수 있다. 또한, 도 37에 도시된 4 렌즈릿 설계는 양안에 대한 단일의 16:9 디지털 디스플레이와 함께 작동하는 것에 대하여 양립 가능하지만, 이는 단일 디스플레이에 한정되지 않는다. 따라서, 렌즈의 상부 왼쪽 렌즈릿은 가상 스크린의 상부 왼쪽 부분을 생성하고, 상부 오른쪽 렌즈릿은 가상 스크린의 상부 오른쪽 부분을 생성하고, 기타 등등이다. 이것은 2개의 점선으로 나타낸 정사각형이 상부 왼쪽 및 하부 오른쪽 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 부분을 나타내며, 파선으로 나타낸 정사각형(3608, 3609)이 상부 오른쪽 및 하부 왼쪽 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 부분을 나타내며, 파선으로 나타낸 정사각형(3610, 3611)이 상부 오른쪽 및 하부 왼쪽 렌즈릿에 의해 생성된 가상 스크린의 부분을 나타내는 도 36c에 표현되어, 대략 1:1의 종횡비를 갖는, 즉 유사한 수평 시야와 수직 시야를 갖는 더 큰 전체 시야를 결과로서 제공한다.

LCD 디지털 디스플레이(투과형 또는 반사형)의 경우에, 조정 가능한 시준형(collimated) 백라이트가 에너지 효율적인 대안으로서 사용될 수 있거나(Fattal 2013), 이러한 백라이트와 셔터의 조합이 사용될 수 있다. DMD 디지털 디스플레이가 사용되는 경우, 조명을 위한 렌즈릿의 선택은 셔터를 이용하는 대신에 DMD 조명기의 적절한 설계로 수행될 수 있다. DMD 옵션에서, 렌즈 섹션마다 조명 세트가 있다. 이 조명 세트는 DMD가 렌즈 섹션에 대응하는 이미지의 부분을 보여주고 있을 때에만 ON이 된다. 조명 세트는 LED 및 DMD를 균일하게 그리고 이의 안정된 상태 중 하나에서 DMD 마이크로 거울에 의해 반사될 때에만 광이 대응하는 렌즈릿에 도달하는 방향으로 조명하는 광학 시스템으로 실현될 수 있다.

10. 미광(stray-light)의 제어

미광은 표면의 광학 설계에서 고려된 것과 상이한 경로를 통해 동공 범위에 도달하는 디지털 디스플레이에 의해 방출된 광으로서 정의된다. 이 광은 방지되어야 한다. 디지털 디스플레이에 의해 방출된 이 미광의 일부는 다시 디스플레이를 향하여 장치에 의해 편향될 수 있고, 반사되면 설계 경로를 통해 동공 범위에 도달할 수 있어, 고스트 이미지를 형성한다.

미광을 차단하거나 동공 범위 밖으로 이를 편향시키기 위한 상이한 전략들을 이용하는 여러 상이한 구성들이 있다.

도 38은 2 렌즈릿 광학 요소(3804)의 예에서 예시된 미광 제어 구성 중 하나의 수평 단면(상면도)을 도시한다. 사용자의 코(3811)와 눈(3812)은 방향 설정 목적으로 도 38에 도시된다. 도 38은 특정 미광 제어의 작동 원리를 도시한다: 광선(3803) 궤적을 따라, 우리는 디지털 디스플레이(3801)에 의해 방출된 광이 선형 편광자(polarizer)(3802)를 통과하고 그 후에 고속 축(fast axis)이 입력 편광 평면과 22.5°의 각도를 형성하는 반파 지연자(half-wave retarder)(3803)를 통과하는 것을 알 수 있다. 반파 지연자(2803)는 선형으로 편광된 입력광을 지연자 고속 축과 입력 편광 평면 사이의 각도의 2배만큼 회전시킨다. 그 후에, 광선은 렌즈의 표면(3805)에서 굴절되고, 경면 처리된 표면(3806)에서 반사되고, 경면 처리된 표면(3809)에서 한 번 더 반사되고, 디스플레이를 향하여 표면(3810)에서 굴절된다. 그 다음, 광선은 반파 지연자를 2 번째 통과한다. 이제, 지연자의 고속 축과 입력 편광 평면 사이의 각도는 -112.5°(-90° - 22.5°)이다. (우리는 "양"의 방향으로서 반파 지연자의 고속 축으로부터 이의 저속 축(slow axis)를 향하는 회전 방향을 채용한다) 광은 지연자의 고속 축 둘레로 225° 회전되고, 이의 편광 방향은 전체 90° 변경된다. 그 결과, 광선은 편광자(3802)에 의해 흡수된다. 이 광학 분리 전략의 더욱 상세한 예시든 도 39에 도시된다.

도 39는 흡수 선형 편광자(3902), 반파 지연자(3903) 및 2 렌즈릿 렌즈(3914)를 포함하는 이전에 언급된 구성의 3D 도면을 나타낸다. 디지털 디스플레이는 도면의 명료성의 이유로 도시되지 않는다. 반파 지연자의 고속 축은 3906으로 표시되고, 이의 저속 축은 3907로 표시된다. 디지털 디스플레이로부터 방출된 광선(3901)은 수평 정렬된 편광자(3902)를 통과한다. 편광자(3902)를 빠져나오는 광의 수평 광 편광은 3909로 표시된 두꺼운 화살표로 도시된다. 수평 편광된 광은 고속 축(3906)과 입력 편광 방향(3910)이 22.5°의 각도를 형성하는 반파판(3903)에 떨어진다. 입력 광 편광 방향에 대하여 반파판을 회전시키는 것은 입력 광 편광이 반파판의 고속 축의 편광 평면과의 각도의 2배로 회전하게 한다(호(3908)로 도시된 2 x 22.5° = 45°). 우리는 반파판의 출구에서 3911로 표시된 고속 축에 대하여 -22.5°의 선형 편광을 획득한다. 렌즈(3914)의 뒷쪽 거울(3904, 3905)에서의 2번의 중요하지 않은 반사 후에, 광 편광은 초기 방향에 대하여 대략 90° 변화할 것이고(양 반사기에서의 반사가 45도의 입사각을 가진다고 가정한다), 따라서 우리는 굵은 화살표(3912)로 예시된 편광을 가질 것이다. 이제 광은 반파 지연자(3903)에 2번째로 부딪힌다. 지연자의 고속 축과 입력 편광 평면 사이의 각도는 -112.5°(-90° - 22.5°)이다. 광 편광은 호(3915)로 예시된 바와 같이 지연자의 고속 축 둘레로 반파판의 고속 축의 편광 평면과의 각도의 2배, 즉 225°로 회전된다. 그 결과 편광 방향(3913)은 초기 방향(3909)에 대하여 전체 90° 변화된다. 결과에 따른 광 편광 방향과 반파 지연자의 고속 축 사이의 각도는 112.5°이다. 우리는 초기 편광 방향(3909)에 수직이고 편광자(3902)에 의해 흡수되는 3913으로 도시된 광 편광을 획득하였다. 옵션으로, 편광자(3902)는 더 많은 원하지 않는 광 반사를 감소시키기 위하여 AR 코팅될 수 있다.

이 대신에, 2개의 렌즈릿이 함께 결합되는 표면(1518)에 검은 흡수기(absorber)를 배치하고 지연자가 필요 없는 도 15에서의 2 부분 구성이 사용될 수 있다. 이러한 검은색 흡수기는 또한, 흡수기가 표면(1518)을 가로지르려고 시도하는 광이 동공 범위에 도달하는 것을 방지할 것이기 때문에, 기울기 불연속(1512) 없이(즉, 이의 출구 표면(1504)은 도 12에서의 설계의 출구 표면(1203)과 일치한다) 도 15에서의 2 부분 설계를 할 수 있게 한다.

도 40은 미광 제어를 위한 다른 가능한 구성을 도시한다. 검은 흡수 고체 피스가 디지털 디스플레이에 도달하는 바람직하지 않은 광을 차폐하기 위하여 시스템의 중심부에 추가될 수 있다. 도 40은 2 렌즈릿 예에서의 이러한 제안의 작동 원리를 도시한다. 디지털 디스플레이(4001)에 의해 방출된 광선(4006)은 반사를 감소시키기 위하여 우리가 선택적으로 추가할 수 있는 디지털 디스플레이 상의 무광층(matt layer) 또는 확산기(4002)를 통과하고, 렌즈릿(4008)의 표면(4003)에서 굴절되고, 겨울 표면(4004)에서 반사되고, 표면(4003)에서 다시 한 번 굴절된다. 우리는 광선(4006)을 디지털 디스플레이를 향하는 이의 경로에서 흡수하는 검은 피스(4005)를 추가한다. 검은 피스(4005)는 렌즈 지지부 또는 렌즈 홀더 역할을 할 수 있다. 대부분의 실시예에서, 렌즈 표면(4003)의 중심부는, 내부 전반사 조건이 일반적으로 이 영역에서 충족되지 않기 때문에, 금속화되며, 따라서 추가의 광 쉐도우잉(shadowing)이 이 불투명 피스에 도입되지 않는다.

미광 제어를 위한 다른 제안이 도 41에 도시된다. 디지털 디스플레이로부터 나오는 원하지 않는 미광을 흡수하기 위하여 2 렌즈릿 광학 요소(4107)의 중심 외부 부분(4104)이 검게 칠해진다. 광선(4105)으로 예시된 광 경로를 따라, 우리는 이것이 어떻게 작동하는지 알 수 있다. 광선(4105)이 디지털 디스플레이(4101)로부터 방출되고, 그 다음 디지털 디스플레이를 향하여 반사되는 대신에, 파선으로 도시된 경로(4106)를 따라가며, 렌즈(4104)의 검게 칠해진 부분에 의해 흡수된다. 렌즈 표면(4104)의 이의 내부 부분이 보통 금속화되기 때문에, 이를 검게 칠함으로써, 우리는 또한 금속화를 보호하고 다른 방향으로부터 오는 광을 차단한다.

특정 예가 설명되었지만, 본 발명을 실시하는 것의 현재 고려되는 형태에 대한 이전의 설명은 한정적인 의미로 취급되어서는 안 되며, 본 발명의 소정의 일반적인 원리를 설명하는 목적으로만 이루어졌다. 설명된 특정의 실시예들로부터 변형이 가능하다. 유익하게는 전술한 교차 참조된 특허 및 특허 출원은 본 출원의 교시 내용과 결합될 수 있는 시스템과 방법을 설명한다. 특정의 실시예들이 설명되었지만, 통상의 기술자는 상이한 실시예들의 특징들이 어떻게 결합될 수 있는지 이해할 것이다.

본 발명의 완전한 범위는 청구항을 참조하여 결정되어야 하며, 임의의 2 이상의 청구항은 결합될 수 있다.

Claims

실제 이미지를 생성하도록 동작 가능한 디스플레이; 및
하나 이상의 렌즈릿(lenslet)을 포함하며, 각각의 상기 렌즈릿이 상기 디스플레이로부터 눈 위치로 광을 투사함으로써, 상기 디스플레이 상에 각각의 부분 실제 이미지로부터 가상 서브 이미지를 생성하도록 마련된 광학 시스템
을 포함하고,
상기 서브 이미지는 상기 눈 위치로부터 가시적인(viewable) 가상 이미지를 형성하도록 결합되고,
상기 렌즈릿의 적어도 하나는, 상기 디스플레이로부터의 상기 눈 위치로의 광선이 굴절(R), 반사(X), 내부 전반사 또는 금속 반사(I) 및 굴절(R)에 의해 적어도 4번 그 순서대로 순차적으로 편향되도록 하는 것(RXIR 렌즈릿)인,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
입력 이미지를 수신하고, 결과에 따른 상기 가상 서브 이미지가 상기 가시적인 가상 이미지로서 상기 입력 이미지의 가상 이미지를 형성하기 위하여 정렬하도록, 각각의 상기 부분 실제 이미지를 생성하도록 동작하는 디스플레이 드라이버를 더 포함하는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
첫 번째 반사(R) 및 내부 전반사 또는 금속 반사(I)는 일치하지 않는 중첩하는 투명 어퍼처를 갖는 동일한 표면에 의해 수행되는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 렌즈릿은 적어도 2개의 상기 RXIR 렌즈릿을 포함하는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 렌즈릿은 적어도 하나의 상기 RXIR 렌즈릿 및 RXIR 렌즈릿이 아닌 적어도 하나의 렌즈릿을 포함하는,
디스플레이 장치.
제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 RXIR 렌즈릿은 상기 가시적인 가상 이미지의 중심부에서 이의 가상 서브 이미지를 생성하고, 상기 RXIR 렌즈릿이 아닌 적어도 하나의 렌즈릿은 상기 가시적인 가상 이미지의 주변부에 더 가까운 상기 가상 이미지의 부분에 이의 가상 서브 이미지를 생성하는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
적어도 2개의 렌즈릿은 합동이 아닌(non-superposable),
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
동공이 동공 범위 내에 있는 상기 눈 위치에서의 가상 구(imaginary sphere)의 위치에 눈이 있을 때, 상기 눈의 1.5 mm 중심와(fovea) 상으로의 상기 눈에 의해 투사되는 중심와 부분을 포함하는 부분 가상 이미지를 생성하도록 상기 디스플레이 장치가 마련되고, 상기 중심와 부분은 상기 가시적인 가상 이미지의 주변부보다 더 높은 해상도를 갖는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
광학 기기가 상기 눈 위치에서의 안구로부터 5 내지 40 mm 떨어져 배치되고, 상기 적어도 하나의 렌즈릿은 40도 전체 각도(whole angle)를 갖는 원추(cone)를 포함하는 상기 안구의 가장 가까운 점으로부터의 입체각(solid angle)에 대각하는 어레이를 형성하고, 상기 디스플레이는, 80 mm 이하의 상기 광학 기기로부터의 거리에서, 상기 안구로부터 떨어진 상기 광학 기기의 측에 있는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 디스플레이 상의 각각의 상기 부분 실제 이미지는, 상기 디스플레이의 동일한 부분에서 중첩하고 상이한 기간 동안 활성화되는 적어도 2개의 부분 실제 이미지를 포함하고, 상이한 렌즈릿은 상기 가상 이미지의 상이한 위치에서 상이한 서브 이미지로 상기 디스플레이의 상기 동일한 부분을 이미징하는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 가상 서브 이미지에 기여하지 않는 광을 제거하는 미광(stray-light) 제어 시스템을 더 포함하는,
디스플레이 장치.
제11항에 있어서,
상기 미광 제어 시스템은 상기 가상 서브 이미지에 기여하는 광선에 의해 교차되지 않는 상기 디스플레이 장치의 일부에 광 흡수 재료를 포함하는,
디스플레이 장치.
제11항에 있어서,
상기 미광 제어 시스템은 상기 디스플레이를 향하여 다시 반사된 광을 흡수하도록 마련된 반파 회전기(half-wave rotator)와 편광자를 포함하는,
디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
카메라를 이용하는 눈 추적 시스템을 더 포함하는,
디스플레이 장치.
제1항의 디스플레이 장치를 포함하는 헤드기어에 있어서,
상기 디스플레이 장치의 눈 위치가 인간의 눈과 일치하도록 인간의 머리 상에 상기 디스플레이 장치를 위치 설정하기 위한 마운트를 갖는,
헤드기어.
제15항에 있어서,
제1항에 따른 제2 디스플레이 장치를 더 포함하고, 상기 제2 디스플레이 장치는, 상기 제2 디스플레이 장치의 눈 위치가 상기 인간의 제2 눈과 일치하도록 장착되는,
헤드기어.