KR20140036351A - 컴팩트한 시스루 디스플레이 시스템 - Google Patents

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아드리안 웡
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Abstract

광학 시스템은 디스플레이 패널, 이미지 형성기, 보기 창, 근위 빔 분리기 및 원위 빔 분리기를 포함한다. 디스플레이 패널은 광 패턴을 생성하도록 구성된다. 이미지 형성기는 디스플레이 패널에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된다. 보기 창은 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된다. 외부 광 및 가상 이미지는 근위 빔 분리기를 통해 연장하는 보기 축을 따라 보일 수 있다. 원위 빔 분리기는 디스플레이 패널 및 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합되며, 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 갖는다. 또한, 카메라는 보기 축을 따라 보일 수 있는 외부 광의 일부를 수신할 수 있도록, 원위 빔 분리기에 광학적으로 결합될 수 있다.

Description

컴팩트한 시스루 디스플레이 시스템{COMPACT SEE-THROUGH DISPLAY SYSTEM}
본 출원은 2011년 7월 20일에 출원된 미국 특허 출원 제13/187,283호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 완전하게 제시된 것처럼 여기에 참조로서 포함된다.
웨어러블 시스템(wearable systems)은 소형화된 컴퓨터, 입력 디바이스, 센서, 검출기, 이미지 디스플레이, 무선 통신 디바이스와, 이미지 및 오디오 프로세서와 같은 다양한 구성요소를 사용자가 착용할 수 있는 디바이스 내에 통합할 수 있다. 그러한 디바이스들은 통신, 컴퓨팅 및 주변 환경과의 상호작용을 위한 경량의 모바일 솔루션을 제공한다. 웨어러블 시스템 및 소형화된 광학 요소들에 연관된 기술의 진보로 인해, 실세계의 사용자의 경험을 증강하는 컴팩트한 웨어러블 광학 디스플레이를 고려하는 것이 가능해졌다.
이미지 디스플레이 요소를 사용자의 눈(또는 양쪽 눈)에 가깝게 위치시킴으로써, 실세계의 사용자 보기(view)를 덮는 인공적인 이미지가 만들어질 수 있다. 그러한 이미지 디스플레이 요소들은 "니어-아이 디스플레이(near-eye displays)", "헤드-마운트 디스플레이(HMD: head-mounted display)" 또는 "헤드-업 디스플레이(HUD: heads-up display)"라고도 지칭되는 시스템 내에 통합된다. 디스플레이 요소의 크기 및 사용자의 눈까지의 거리에 따라, 인공적인 이미지가 사용자의 시야를 채우거나 거의 채울 수 있다.
제1 양태에서, 광학 시스템이 제공된다. 광학 시스템은 디스플레이 패널, 이미지 형성기(image former), 보기 창(viewing window), 근위 빔 분리기(proximal beam splitter) 및 원위 빔 분리기(distal beam splitter)를 포함한다. 디스플레이 패널은 광 패턴(light pattern)을 생성하도록 구성되고, 이미지 형성기는 디스플레이 패널에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된다. 보기 창은 광학 시스템의 외부로부터 외부 광(outside light)이 들어오는 것을 허용하도록 구성된다. 외부 광 및 가상 이미지는 근위 빔 분리기를 통해 보기 축을 따라 보일 수 있다. 원위 빔 분리기는 디스플레이 패널 및 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된다. 추가로, 원위 빔 분리기는 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 갖는다.
제2 양태에서, 헤드-마운트 디스플레이(head-mounted display)가 제공된다. 헤드-마운트 디스플레이는 헤드-마운트 지지부(head-mounted support), 및 헤드-마운트 지지부에 부착된 광학 시스템을 포함한다. 광학 시스템은: (a) 광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널; (b) 디스플레이 패널에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 형성기; (c) 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된 보기 창; (d) 근위 빔 분리기 - 외부 광 및 가상 이미지는 근위 빔 분리기를 통해 보기 축을 따라 보일 수 있음 - ; 및 (e) 디스플레이 패널 및 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 원위 빔 분리기를 포함한다. 원위 빔 분리기는 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 갖는다.
제3 양태에서, 웨어러블 컴퓨팅 디바이스(wearable computing device)가 제공된다. 웨어러블 컴퓨팅 디바이스는 헤드-마운트 지지부, 헤드-마운트 지지부에 부착된 광학 시스템, 및 컴퓨터를 포함한다. 광학 시스템은: (a) 광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널; (b) 디스플레이 패널에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 형성기; (c) 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된 보기 창; (d) 근위 빔 분리기 - 외부 광 및 가상 이미지는 근위 빔 분리기를 통해 보기 축을 따라 보일 수 있음 - ; 및 (e) 디스플레이 패널 및 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 원위 빔 분리기를 포함한다. 원위 빔 분리기는 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 갖는다. 컴퓨터는 광학 시스템 내의 디스플레이 패널을 제어하도록 구성된다.
도 1은 예시적인 제1 실시예에 따른 광학 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 예시적인 제2 실시예에 따른 광학 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따른 헤드-마운트 디스플레이의 정면도이다.
도 3b는 예시적인 실시예에 따른 도 3a에 도시된 헤드-마운트 디스플레이의 상면도이다.
도 3c는 예시적인 실시예에 따른 도 3a 및 도 3b에 도시된 헤드-마운트 디스플레이의 측면도이다.
이하의 상세한 설명에서, 그러한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면들이 참조된다. 도면들에서, 문맥상 다르게 기술되지 않는 한, 일반적으로 유사한 기호들은 유사한 컴포넌트들을 식별한다. 상세한 설명, 도면 및 청구항에 기술된 예시적인 실시예들은 제한으로 의도된 것이 아니다. 여기에 제시된 발명의 주제의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고서도, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 여기에서 개괄적으로 설명되고 도면들에 도시되어 있는 대로의 본 명세서의 양태들은 광범위하게 다양한 상이한 구성들로 배열, 치환, 결합, 분리 및 설계될 수 있으며, 이들 모두가 여기에서 명시적으로 고려된다는 점이 쉽게 이해될 것이다.
본 명세서는 일반적으로 웨어러블 컴퓨터 시스템에서 이용될 수 있는 컴팩트한 시스루(see-through) 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 웨어러블 컴퓨팅 시스템은 컴퓨터-생성 이미지가 사용자의 실세계 시야의 일부를 덮는 증강 현실 경험을 제공할 수 있다. 컴퓨터 생성 이미지는 예를 들어 사용자의 환경에 관련된 데이터, 경고 또는 표시, 및/또는 사용자가 다양한 방식으로 선택 또는 네비게이트할 수 있는 메뉴 옵션들을 포함할 수 있다.
1. 수평 탑재된 디스플레이 패널을 갖는 광학 시스템
도 1은 제1 광학 시스템(100)의 개략적인 사시도를 보여준다. 설명을 목적으로, 광학 시스템(100)은 근위 부분(102) 및 원위 부분(104)에 관련하여 설명된다. 전형적인 동작에서, 근위 부분(102)은 관측자(106)에 가깝게 위치되는 반면에, 원위 부분(104)은 관측자(106)로부터 소정 거리 떨어져서 위치된다. 도 1에 도시된 예에서, 광학 시스템(100)은 관측자(106)의 시점에서 원위 부분(104)이 근위 부분(102)의 오른쪽에 있도록 (예를 들어, 도 1에 나타난 x축을 따라) 수평 연장된다. 그러나, 다른 구성들도 가능하다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 원위 부분(104)이 근위 부분(102)의 왼쪽에 있을 수 있거나, 광학 시스템(100)이 수직으로 연장되어, 원위 부분(104)이 근위 부분(102)의 위 또는 아래에 위치될 수 있다. 다른 구성들도 가능하다.
광학 시스템(100)은 예를 들어 관측자(106)에 의해 근위 부분(102)을 통해 연장하는 보기 축(108)을 따라 볼 수 있는 가상 이미지를 생성할 수 있다. 관측자(106)는 또한 보기 축(108)을 따라 관측자의 실세계 환경을 볼 수 있다. 예시적인 실시예에서, 실세계 환경 및 가상 이미지는 동시에 보일 수 있다. 예를 들어, 가상 이미지는 실세계 환경의 관측자의 뷰의 일부를 덮을 수 있다. 가상 이미지는 관측자(106)에게 무한거리(infinity)에, 또는 무한거리에 가깝게 위치되어 있는 것으로 보일 수 있다. 대안적으로, 가상 이미지는 관측자(106)의 인접 환경 내에 위치되어 있는 것으로 보일 수 있다. 예를 들어, 가상 이미지의 시거리(apparent distance)는 약 0.5 내지 4 미터의 범위 내에 있을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 보기 축(106)은 z축에 대응하며, xy, xz 및 yz 평면에 평행한 면들을 갖는 근위 빔 분리기(110)를 통과하여 지나간다. 관측자(106)는 근위 빔 분리기(110)의 한 쪽에 위치될 수 있으며, 근위 빔 분리기(110)의 다른 쪽에는 광이 광학 시스템(100)의 외부로부터 근위 빔 분리기(110)에 들어오는 것을 허용하는 보기 창(112)이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 관측자(106)는 보기 축(108)을 따라, 보기 창(112) 및 근위 빔 분리기(110)를 통해 실세계를 볼 수 있다.
근위 빔 분리기(110)는 보기 창(112)을 통해 근위 빔 분리기(110)에 들어오는 광을 광학 시스템(100)에 의해 생성된 가상 이미지로부터의 광과 결합하여, 실세계 환경과 가상 이미지 둘 다가 보기 축(108)을 따라 보일 수 있게 하도록 구성되는 근위 빔 분리 인터페이스(114)를 포함한다. 예를 들어, 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 45도 각도와 같은 각도에서 보기 축(108)과 교차하는 평면 내에 있을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 보기 창(112)을 통해 들어오는 광을 투과시켜 그것이 보기 축(108)을 따라 보일 수 있게 하고, 가상 이미지에 대응하는 광을 반사하여 그것 역시 보기 축(108)을 따라 보일 수 있게 하도록 구성된다. 이와 관련하여, 근위 빔 분리기(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 근위 부분(102)에 위치될 수 있는 이미지 형성기(116)에 광학적으로 결합될 수 있다. 이미지 형성기(116)는 가상 이미지에 대응하는 광을 x축의 방향으로 지향시킬 수 있다. 따라서, 보기 창(112)을 통해 들어오는 외부로부터의 광은 빔 분리 인터페이스(114)를 통해 관측자(106)를 향해 투과되도록 z-방향으로 전파될 수 있고, 가상 이미지에 대응하는 광은 빔 분리 인터페이스(114)에 의해 관측자(106)를 향해 반사될 때까지 x-방향으로 전파될 수 있다.
도 1에 도시된 예에서, 근위 빔 분리기(110)는 45도 빔 분리기이다. 따라서, 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 xy-평면 및 yz-평면 내에 있는 빔 분리기(110)의 면들과 45도 각도를 형성하며 xz-평면 내의 면들에 수직인 평면 내에 있다. 결과적으로, 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 (z축에 대응하는) 보기 축(106)과 45도로 교차한다. 그러나, 다른 각도들도 가능하다는 점을 이해해야 한다.
예시적인 실시예에서, 근위 빔 분리기(110)는 편광 빔 분리기이며, 여기에서 빔 분리 인터페이스(114)는 p-편광된 광을 우선적으로 투과시키고, s-편광된 광을 우선적으로 반사한다. 이러한 구성을 이용하면, 보기 축(108)을 따라 보일 수 있는 외부로부터의 광은 p-편광되고, 가상 이미지로서 보기 축(108)을 따라 보일 수 있는 광은 s-편광된다. 광학 시스템(100) 내의 미광(stray light)을 방지하기 위해, 보기 창(112)은 p-편광된 광을 선택적으로 투과시키는 선형 편광기를 포함할 수 있다. 또한, 아래에 설명되는 바와 같이, 가상 이미지에 대응하는 광은 빔 분리 인터페이스(114)에 입사할 때 s-편광될 수 있다.
광학 시스템(100)은 광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널(118)을 포함하며, 그 광 패턴으로부터 가상 이미지가 형성된다. 디스플레이 패널(118)은 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이와 같은 방출형 디스플레이(emissive display)일 수 있다. 대안적으로, 디스플레이 패널(118)은 LCOS(Liquid-Crystal on Silicon), 또는 광원(120)으로부터의 광을 공간 변조함으로써 광 패턴을 생성하는 DLP(Digital Light Projector)와 같은 마이크로미러 디스플레이일 수 있다. 광원(120)은 예를 들어 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 및/또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 디스플레이 패널(118)에 의해 생성되는 광 패턴은 단색(monochromatic)일 수 있거나, 가상 이미지를 위한 색 공간(color gamut)을 제공하기 위해 복수의 컬러(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널(118) 및 광원(120)은 원위 부분(104)에 위치될 수 있고, 원위 빔 분리기(122)에 광학적으로 결합될 수 있다. 다음으로, 원위 빔 분리기(122)는 예를 들어 광 파이프(124)를 통해 근위 빔 분리기(110)에 광학적으로 결합된다. 예시적인 실시예에서, 원위 빔 분리기(122)는 xy, xz 및 yz 평면에 평행한 면들을 가지며, 원위 빔 분리 인터페이스(126)를 포함한다.
도 1에 도시된 예에서, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 근위 빔 분리 인터페이스(114)와는 다른 평면 내에 있다. 특히, 근위 빔 분리 인터페이스(114)가 보기 축(108)과 소정 각도(예를 들어, 45도 각도)로 교차하는 반면에, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 보기 축(108)에 평행한 평면 내에 있다. 따라서, 도시된 실시예에서, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 원위 빔 분리기(122)의 xy 면들에 수직인 평면 내에 있고, 원위 빔 분리기(122)의 xz 및 yz 면들과 소정 각도(예를 들어, 45도 각도)를 형성한다. 원위 빔 분리 인터페이스(122)에 의해 형성되는 45도 각도는 예시일 뿐이라는 점을 이해해야 한다. 다른 각도들도 이용될 수 있다.
그러나, 도 1에 도시되고 설명된 원위 빔 분리 인터페이스(126)의 배향은 일례에 지나지 않음을 이해해야 한다. 예를 들어, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 근위 빔 분리 인터페이스(114)에 평행하거나 수직인 평면 내에 있을 수 있다.
도 1에 도시된 구성에서, 디스플레이 패널(118)은 원위 빔 분리기(122) 아래에 수평 탑재된다. 디스플레이 패널(118)은 예를 들어 디스플레이 패널(118)을 구동하기 위한 전자 기기들 및 디스플레이 패널(118)을 다른 컴포넌트들에 접속하기 위한 커넥터들을 포함할 수 있는 회로 보드(도시되지 않음) 상에 탑재된다. 회로 보드는 광학 시스템(100) 아래에서 수평으로(즉, 원위 부분(104)으로부터 근위 부분(102)을 향해) 연장될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성은 이롭게도 광학 시스템(100)을 위한 컴팩트한 설계를 제공할 수 있다. 디스플레이 패널(118)을 원위 빔 분리기(122) 위에 위치시켜 그것의 회로 보드가 광학 시스템(100) 위에서 수평으로 연장되도록 하는 것에 의해, 마찬가지로 컴팩트한 설계가 달성될 수 있다.
디스플레이 패널(118)이 원위 빔 분리기(122) 아래에 위치되면, 광원(120)은 원위 빔 분리기(122)의 한 쪽에 위치될 수 있고, 반사기(128)는 원위 빔 분리기(122) 위에 위치될 수 있다. 이러한 구성을 이용하면, 광원(120)으로부터의 광은 반사기(128)를 통해 디스플레이 패널(118)에 도달한다. 특히, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 광원(120)으로부터의 광의 적어도 일부를 반사기(128)를 향해 반사한다. 반사기(128)는 광원(120)으로부터의 광을 반사하여, 그것이 원위 빔 분리 인터페이스(126)를 향해 전파되게 한다. 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 반사기(128)로부터 반사된 광의 적어도 일부를 투과시켜, 그것이 디스플레이 패널(118)에 도달하게 한다. 디스플레이 패널(118)은 입사 광을 공간 변조하고, 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 디스플레이 패널(118)로부터의 공간 변조된 광의 적어도 일부를 근위 빔 분리기(110)를 향해 반사한다. 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 공간 변조 광의 적어도 일부를 투과시켜, 그것이 이미지 형성기(116)에 도달하게 한다. 그러면, 이미지 형성기(116)는 공간 변조 광으로부터 가상 이미지를 형성하고, 근위 빔 분리 인터페이스는 이미지 형성기(116)로부터의 광을 반사하여, 가상 이미지가 보기 축(108)을 따라 보일 수 있게 한다.
예시적인 실시예에서, 원위 빔 분리기(122)는 편광 빔 분리기이며, 거기에서 원위 빔 분리 인터페이스(126)는 s-편광된 광을 우선적으로 반사하고, p-편광된 광을 우선적으로 투과시킨다. 이 경우, 광원(120)은 s-편광된 광을 선택적으로 투과시키는 선형 편광기를 포함할 수 있다. 광원(120)으로부터의 s-편광된 광은 원위 빔 분리 인터페이스(126)에 의해 반사기(128)를 향해 우선적으로 반사된다. 반사기(128)는, 광이 평면 미러(130)에 의해 반사되기 전과 반사된 후에 1/4 파장판(quarter-wave plate)(132)을 통과하도록 평면 미러(130) 및 1/4 파장판(132)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 반사기(128)와 상호작용한 후, 원위 빔 분리기(122)를 향해 다시 반사된 광은 반사기(128)에 입사하는 광의 편광에 수직인 편광을 갖는다. 따라서, 반사기(126)에 입사하는 광은 s-편광되고, 원위 빔 분리기(122)를 향해 다시 반사되는 광은 p-편광된다.
원위 빔 분리 인터페이스(126)는 반사기(128)로부터의 p-편광된 광을 투과시켜, 그것이 디스플레이 패널(118)에 입사하게 한다. 본 예에서, 디스플레이 패널(118)은 LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이 패널이다. 그러한 것으로서, 디스플레이 패널(118)은 입사하는 p-편광된 광을 공간 변조하고, 또한 그것의 편광을 변경한다. 따라서, 본 예에서, 디스플레이 패널(118)은 입사하는 p-편광된 광을 s-편광된 광의 공간 변조된 광 패턴으로 변환한다.
원위 빔 분리 인터페이스(126)는 s-편광된 공간 변조 광을 디스플레이 패널(118)로부터 근위 빔 분리기(110)를 향해 반사한다. 근위 빔 분리기(110)가 또한 편광 빔 분리기인 경우, 원위 빔 분리기(122)와 근위 빔 분리기(110) 사이의 광 경로 내에 반파장판(134)이 위치될 수 있다. 반파장판(134)은 s-편광된 광을 p-편광된 광으로 변환한다. 결과적으로, 근위 빔 분리기(110)에 입사한 공간 변조 광은 p-편광된다. 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 p-편광된 공간 변조 광을 투과시켜, 그것이 이미지 형성기(116)에 도달하게 한다.
본 예에서, 이미지 형성기(116)는 오목 미러(136) 및 1/4 파장판(138)을 포함한다. p-편광된 공간 변조 광 패턴은 1/4 파장판(136)을 통과하고, 오목 미러(136)에 의해 반사된다. 오목 미러(136)에 의한 반사 후에, 광은 근위 1/4 파장판(132)을 다시 통과한다. 광 패턴이 이러한 방식으로 이미지 형성기(116)와 상호작용한 후, 편광은 s-편광으로 변경되고, 광 패턴은 가상 이미지로서 보일 수 있다. 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 이미지 형성기(116)로부터의 광을 반사하여, 이미지 형성기(116)에 의해 형성된 가상 이미지가 보기 축(108)을 따라 보일 수 있게 한다. 오목 미러(136)에 대한 대안으로서, 프레넬 반사기가 이용될 수 있다.
위에서는 근위 빔 분리기(110) 및 원위 빔 분리기(122) 둘 다가 편광 빔 분리기인 예가 설명되었지만, 근위 빔 분리기(110) 및/또는 원위 빔 분리기(122)가 비-편광 빔 분리기일 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 근위 빔 분리기(110)는, 근위 빔 분리 인터페이스(114)가 편광에 무관하게(또는 거의 무관하게) 입사 광의 80%를 투과시키고 입사광의 20%를 반사하는, 비-편광 80-20 빔 분리기일 수 있다. 그러한 경우, (근위 빔 분리기(110)가 편광 빔 분리기인 경우에서의 단지 약 50% 대신에) 보기 창(112)을 통해 들어오는 광의 약 80%가 근위 빔 분리 인터페이스(114)를 통해 관측자(106)에 도달할 수 있다. 한편, 근위 빔 분리 인터페이스(114)는 이미지 형성기(116)로부터의 광의 약 20%만을 관측자(106)에게 반사할 수 있다. 감소된 반사율을 보상하기 위해, 광원(120)의 밝기가 증가될 수 있다. 또한, 근위 빔 분리기(110)가 비-편광 빔 분리기라면, 반파장판(134) 및 1/4 파장판(138)은 생략될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 근위 빔 분리기(110), 원위 빔 분리기(112) 및 광 파이프(124)는 유리로 만들어진다. 그러나, 광학 시스템(100)의 중량을 감소시키기 위해, 이러한 구성요소들 중 일부 또는 전부가 유리가 아닌 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 적합한 플라스틱 재료는 켄터키주 루이빌의 Zeon Chemicals L.P.로부터 입수가능한 Zeonex® E48R 시클로 올레핀 옵티컬 그레이드 폴리머(cyclo olefin optical grade polymer)이다. 다른 적절한 플라스틱 재료는 PMMA(polymethyl methacrylate)이다.
2. 수평 탑재된 카메라 및 수직 탑재된 디스플레이 패널을 구비하는 광학 시스템
도 2는 제2 광학 시스템(200)의 개략적인 사시도를 보여준다. 광학 시스템(200)은 광학 시스템(100)에 관하여 위에서 설명된 근위 부분(102)과 동일하거나 유사한 근위 부분(201)을 포함한다. 그러나, 제2 광학 시스템(200)은 광학 시스템(100)의 원위 부분(104)과는 다른 원위 부분(202)을 갖는다. 구체적으로, 원위 부분(202)은 보기 창(112)을 통해 들어온 외부 광을, 관측자(106)가 보기 축(108)을 따라 그것을 볼 수 있는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 이미지화하도록 구성된 카메라(204)를 포함한다. 카메라(204)는 정지 이미지 및/또는 비디오를 캡처하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 카메라(204)에 의해 캡처되는 정지 이미지 및/또는 비디오는 관측자(106)가 보기 창(112)을 통해 볼 때 보이는 외부 세계의 보기에 실질적으로 대응할 수 있다.
보기 축(108)을 따라 볼 수 있는 가상 이미지를 생성하는 능력을 유지하면서도 이러한 기능을 달성하기 위해, 원위 부분(200)은 카메라(204), 디스플레이 패널(208) 및 광원(210)에 광학적으로 결합되는 원위 빔 분리기(206)를 포함할 수 있다. 원위 빔 분리기(206)는 또한 광 파이프(124)를 통해 근위 빔 분리기(110)에 광학적으로 결합된다. 원위 빔 분리기(206)는 본 예에서는 보기 축(108)에 평행한 평면 내에 놓여 있는 원위 빔 분리 인터페이스(212)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 카메라(204)는 원위 빔 분리기(206) 아래에 수평으로 탑재되고, 디스플레이 패널(208)은 원위 빔 분리기(206)의 측면에 수직으로 탑재되고, 광원(210)은 원위 빔 분리기(206) 위에 탑재된다.
예시적인 실시예에서, 근위 빔 분리기(110) 및 원위 빔 분리기(206) 둘 다가 편광 빔 분리기이다. 그러한 경우, 보기 창(112)을 통해 들어오는 광은 편광에 기초하여 2개의 경로로 분리될 수 있다. 보기 창(112)을 통해 들어오는 광의 p-편광 성분은 보기 축(108)을 따라 보일 수 있도록 근위 빔 분리 인터페이스(114)를 통해 투과된다. 보기 창(112)을 통해 들어오는 광의 s-편광 성분은 근위 빔 분리 인터페이스(114)에 의해 원위 빔 분리기(206)를 향해 반사된다. 제1 광학 시스템(100)과 달리, 제2 광학 시스템(200)은 원위 부분과 근위 부분 사이에 반파장판을 포함하지 않는다. 따라서, 원위 빔 분리 인터페이스(212)는 근위 빔 분리 인터페이스(114)에 의해 반사된 s-편광된 광을 수신하고, 그것을 카메라(204)를 향해 반사한다. 이러한 방식으로, 관측자(106)가 광의 p-편광 성분을 보고, 카메라(204)가 s-편광 성분을 수신할 것을 조건으로 하여, 카메라(204)는 보기 창(112)을 통해, 관측자(106)가 볼 것과 동일한 뷰를 이미지화할 수 있다.
추가로, 관측자(106)는 보기 축(108)을 따라 s-편광된 광의 가상 이미지를 볼 수 있다. 이미지 형성기(116)는 디스플레이 패널(208)에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성한다. 디스플레이 패널(208)은 광원(210)으로부터의 광을 공간 변조함으로써 광 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로, 광원(210)은 원위 빔 분리 인터페이스(212)에 의해 디스플레이 패널(208)을 향해 우선적으로 반사되는 s-편광된 광을 (예를 들어, 선형 편광기를 이용하여) 제공할 수 있다. 일례에서, 디스플레이 패널(208)은 입사하는 s-편광된 광을 공간 변조하고 그것의 편광도 변경하는 LCOS 디스플레이이다. 이러한 방식으로, 디스플레이 패널(208)은 공간 변조된 p-편광된 광을 제공할 수 있고, 그 광은 결국 원위 빔 분리 인터페이스(212) 및 근위 빔 분리 인터페이스(114)를 통해 투과되어 이미지 형성기(116)에 도달한다.
제1 광학 시스템(100)에 관하여 위에서 설명된 바와 같이, 이미지 형성기(116)는 공간 변조된 p-편광된 광으로부터 가상 이미지를 형성하고 그것의 편광을 변경하도록, 오목 미러(136) 및 1/4 파장판(138)을 포함할 수 있다. 따라서, 이미지 형성기(116)는 보기 축(108)을 따라 보일 수 있도록, 근위 빔 분리 인터페이스(114)에 의해 반사된 s-편광된 광의 가상 이미지를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 구성에서, 카메라(204)는 광학 시스템(100) 하에서 근위 부분(102)을 향해 수평 연장되는 회로 보드(도시되지 않음) 상에 탑재될 수 있다. 디스플레이 패널(208)은 광학 시스템(100)의 수평 축(x축)에 수직인 평면 내에서 연장될 수 있는 별개의 회로 보드(도시되지 않음) 상에 탑재될 수 있다.
3. 헤드-마운트 디스플레이
위에서 설명된 제1 광학 시스템(100) 또는 제2 광학 시스템(200)과 같은 광학 시스템은, 착용자의 좌안 또는 우안이 편리하게 보기 축을 볼 수 있게 되는 위치에서 헤드-마운트 지지부(head-mounted support)에 부착될 수 있다. 이러한 방식으로, 그것을 통하여 외부 세계를 볼 수 있는 헤드-마운트 디스플레이(HMD)가 제공될 수 있다. HMD는 웨어러블 컴퓨팅 디바이스로서도 기능할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 착용자의 우안(306) 및 좌안(308)을 위한 광학 시스템들(302 및 304)이 헤드-마운트 지지부(309)에 부착된 HMD를 도시한다. 이러한 예에서, 헤드-마운트 지지부(309)는 각각 우안(306) 및 좌안(308) 위에 위치된 렌즈들(310 및 312)을 갖는 안경의 형태로 구성된다. 렌즈들(310 및 312)은 각각의 프레임들(314 및 316)에 의해 제자리에 유지된다. 헤드-마운트 지지부(309)는 또한 프레임들(314 및 316)에 접속되는 코걸이(bridge-piece)(318)를 포함하고, 사용자의 콧날에 의해 지지되도록 구성된다. 추가로, 헤드-마운트 지지부(309)는 각각 프레임들(314 및 316)에 접속된 측면부들(side-pieces)(320 및 322)을 포함하며, 이들은 착용자의 귀 뒤에 걸릴 수 있다.
우측 광학 시스템(302)은 마운트(324)에 의해 프레임(314)에 부착될 수 있고, 좌측 광학 시스템(304)은 마운트(326)에 의해 프레임(316)에 부착될 수 있다. 마운트들(324 및 326)은 광학 시스템(302 및 304)들을 그들의 각각의 보기 축이 각각 착용자의 우안(306) 및 좌안(308)에 의해 보일 수 있도록 위치시킨다. 따라서, 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 우측 광학 시스템(302)의 보기 축(328)은 렌즈(310)를 통해 착용자의 우안(306)까지 연장될 수 있고, 좌측 광학 시스템(304)의 보기 축(330)은 렌즈(312)를 통해 착용자의 좌안(308)까지 연장될 수 있다. 이러한 구성을 달성하기 위해, 마운트들(324 및 326)은 고정식 마운트일 수 있거나, 적절한 보기를 위해 광학 시스템들(302 및 304)을 위치시키기 위해 착용자에 의해 조절가능할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 렌즈들(310 및 312) 및 프레임들(314 및 316)로부터 분리된 광학 시스템들(302 및 304)을 갖는 HMD(300)를 도시하고 있지만, 다른 구성들도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 광학 시스템들(302 및 304)의 컴포넌트들 중 일부 또는 전부가 렌즈들(310 및 312) 및/또는 프레임들(314 및 316)에 통합될 수 있다. 예를 들어, 빔 분리기들 및 광 파이프들은 렌즈들에 통합될 수 있고/거나 디스플레이 패널들은 프레임들에 통합될 수 있다. 추가로, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각의 눈을 위한 광학 시스템을 갖는 HMD를 도시하고 있지만, 다른 HMD 실시예들은 착용자의 눈 중 하나만을 위한 광학 시스템을 포함할 수 있다.
헤드-마운트 지지부(309)는 안경의 형태로 구성된 것으로서 도 3a, 3b 및 3c에 도시되어 있고 위에서 설명되어 있지만, 다른 구성들도 가능하다. 예를 들어, 헤드-마운트 지지부(309)는 헬멧 또는 모자의 형태일 수 있다.
4. 웨어러블 컴퓨팅 디바이스
위에서 언급된 바와 같이, HMD(300)는 웨어러블 컴퓨팅 디바이스로서 기능할 수 있다. 이와 관련하여, HMD(300)는 헤드-마운트 지지부(309)의 일부에 부착되거나 그것의 내부에 위치될 수 있는 컴퓨터(340)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(340)는 도 3c에 도시된 바와 같이, 측면부(320)의 내부에 위치될 수 있다. 그러나, 다른 구성들이 가능하다.
컴퓨터(340)는 생성되어 착용자에게 디스플레이되는 가상 이미지들을 제어하기 위해 광학 시스템들(302 및 304) 내의 디스플레이 패널들을 제어하도록 구성될 수 있다. 광학 시스템들(302 및 304)이 카메라를 포함하는 경우, 컴퓨터(340)는 또한 카메라를 제어하고 카메라에 의해 캡처되는 이미지 또는 비디오를 수신하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터(340)는 헤드-마운트 지지부(309) 내부의 와이어들에 의해 광학 시스템들(302 및 304)에 통신 연결될 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터(340)는 외부 와이어들에 의해, 또는 무선 접속에 의해, 광학 시스템들(302 및 304)과 통신할 수 있다.
웨어러블 컴퓨팅 디바이스로서, HMD(300)는 또한 원하는 기능성을 제공하기 위해 컴퓨터(340)에 통신 연결될 수 있는 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, HMD는 도 3c에서 측면부(320) 상의 터치패드(342), 마이크로폰(344) 및 센서(346)에 의해 예시되어 있는, 하나 이상의 터치패드, 마이크로폰 및 센서를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 컴포넌트들은 HMD(300) 내의 어딘가 다른 곳에 위치될 수 있음을 이해해야 한다. 착용자는 터치패드(342)와의 적절한 터치 상호작용에 의해, HMD(300)에의 입력을 제어하거나 제공할 수 있다. 마이크로폰(344)은 착용자로부터의 음성 명령을 수신하고/거나 착용자의 환경으로부터의 오디오 데이터를 기록하기 위해 이용될 수 있다. 센서(346)는 HMD(300)의 움직임을 감지하도록 구성된 가속도계 및/또는 자이로스코프를 포함할 수 있다. 추가로, 센서(346)는 HMD(300) 주위의 다양한 시야를 관측하도록 구성될 수 있는 카메라 또는 복수의 카메라를 나타낼 수 있다. HMD(300)는 또한 컴퓨터(340)가 그를 통하여 다른 컴퓨팅 디바이스들 또는 다른 디바이스들과 데이터를 교환할 수 있는 유선 및/또는 무선 인터페이스를 포함할 수 있다. 상술한 것에 더하여, HMD(300)는 또한 다른 유형의 센서, 사용자 인터페이스 컴포넌트 및/또는 통신 인터페이스 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
컴퓨터(340)는 다양한 입력들에 응답하여, 광학 시스템들(302 및 304) 내에서 생성된 가상 이미지들의 내용을 제어할 수 있다. 그러한 입력들은 HMD(300)의 터치패드(342), 마이크로폰(344), 센서(346) 및/또는 유선 또는 무선 통신 인터페이스로부터 올 수 있다. 광학 시스템들(302 및 304)이 카메라를 포함하는 경우, 컴퓨터(340)는 또한 카메라로부터의 시각적 데이터에 기초하여 가상 이미지의 내용을 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터(340)는 가상 이미지의 내용을 제어하여, 그들이 착용자의 현재 환경 및/또는 착용자가 관여하고 있는 작업에 적합해지게 할 수 있다.
5. 결론
상술한 상세한 설명은 개시된 시스템, 디바이스 및 방법의 다양한 특징 및 기능을 첨부 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에서, 맥락상 다르게 기술되지 않은 한, 유사한 기호들은 통상적으로 유사한 컴포넌트들을 식별한다. 상세한 설명, 도면 및 청구항에 기술된 예시적인 실시예들은 제한으로 의도된 것이 아니다. 여기에 제시된 발명의 주제의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고서, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 여기에서 개괄적으로 설명되고 도면들에 도시된 대로의 본 명세서의 양태들은 광범위하게 다양한 상이한 구성들로 배열, 치환, 결합, 분리 및 설계될 수 있으며, 이들 모두가 명시적으로 여기에서 고려된다는 점이 쉽게 이해될 것이다.
다양한 양태 및 실시예가 여기에 개시되었지만, 본 기술분야의 숙련된 자들에게는 다른 양태 및 실시예들이 명백할 것이다. 여기에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 설명을 목적으로 한 것이고 제한을 의도한 것이 아니며, 진정한 범위 및 취지는 이하의 청구항들에 의해 나타내어진다.

Claims (35)

  1. 광학 시스템으로서,
    광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널에 의해 생성된 상기 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 형성기;
    상기 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된 보기 창(viewing window);
    근위 빔 분리기(proximal beam splitter) - 상기 외부 광 및 상기 가상 이미지는 상기 근위 빔 분리기를 통해 보기 축(viewing axis)을 따라 보일 수 있음 - ; 및
    상기 디스플레이 패널 및 상기 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 원위 빔 분리기(distal beam splitter) - 상기 원위 빔 분리기는 상기 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 가짐 -
    를 포함하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 광원을 더 포함하는 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드를 포함하는 광학 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 공간 변조된 광을 제공하기 위해 상기 광원으로부터의 광을 공간 변조함으로써 상기 광 패턴을 생성하도록 구성되는 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 LCOS(liquid-crystal-on-silicon) 디스플레이 패널 또는 DLP(digital light projector) 마이크로미러 디스플레이를 포함하는 광학 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 디스플레이 패널에 의해 제공되는 상기 공간 변조된 광의 적어도 일부를 상기 근위 빔 분리기를 향해 반사하도록 구성되는 광학 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 반사기를 더 포함하는 광학 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 상기 빔 분리 인터페이스는 상기 광원으로부터의 광의 적어도 일부를 상기 반사기를 향해 반사하도록 구성되고, 상기 반사기는 상기 원위 빔 분리기의 상기 빔 분리 인터페이스에 의해 반사된 상기 광원으로부터의 광의 적어도 일부를 반사하도록 구성되며, 상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 반사기에 의해 반사된 광의 적어도 일부를 투과시켜 상기 디스플레이 패널에 도달하게 하도록 더 구성되는 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 s-편광된 광을 우선적으로 반사하고 p-편광된 광을 우선적으로 투과시키도록 구성되는 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광원은 s-편광된 광을 선택적으로 투과시키도록 구성되는 선형 편광기를 포함하는 광학 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 광원으로부터의 s-편광된 광을 p-편광된 광으로서 반사하도록 구성되는 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반사기는 평면 미러 및 1/4 파장판(quarter-wave plate)을 포함하는 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 상기 반사기로부터의 p-편광된 광을 공간 변조하여 s-편광된 공간 변조된 광을 제공하도록 구성되는 광학 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기와 상기 근위 빔 분리기 사이에 반파장판(half-wave plate)을 더 포함하고, 상기 반파장판은 상기 s-편광된 공간 변조된 광을 p-편광된 공간 변조된 광으로 변환하도록 구성되는 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 근위 빔 분리기는 s-편광된 광을 우선적으로 반사하고 p-편광된 광을 우선적으로 투과시키도록 구성되는 빔 분리 인터페이스를 갖는 광학 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 근위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 반파장판으로부터의 p-편광된 공간 변조된 광의 적어도 일부를 투과시켜 상기 이미지 형성기에 도달하게 하도록 구성되는 광학 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이미지 형성기는 상기 근위 빔 분리기를 통해 투과되는 p-편광된 공간 변조된 광을 s-편광된 이미지 형성 광(image-forming light)으로서 반사하도록 구성되고, 상기 근위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 s-편광된 이미지 형성 광의 적어도 일부를 상기 가상 이미지로서 상기 보기 축을 따라 보일 수 있게 반사하도록 구성되는 광학 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 보기 축을 따라 보일 수 있는 외부 광은 p-편광되는 광학 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 이미지 형성기는 오목 미러 및 1/4 파장판을 포함하는 광학 시스템.
  20. 제4항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 디스플레이 패널에 의해 제공되는 상기 공간 변조된 광의 적어도 일부를 투과시켜 상기 근위 빔 분리기에 도달하게 하도록 구성되는 광학 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 광원으로부터의 광의 적어도 일부를 상기 디스플레이 패널을 향해 반사하도록 구성되는 광학 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 카메라를 더 포함하는 광학 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 근위 빔 분리기는 상기 보기 축을 따라 보일 수 있는 상기 외부 광의 적어도 일부를 상기 원위 빔 분리기를 향해 반사하도록 구성되는 빔 분리 인터페이스를 갖는 광학 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스는 상기 근위 빔 분리기의 빔 분리 인터페이스에 의해 반사되는 상기 외부 광의 적어도 일부를 상기 카메라를 향해 반사하도록 구성되는 광학 시스템.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 방출형 디스플레이(emissive display)를 포함하는 광학 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 방출형 디스플레이 위에 선형 편광기를 더 포함하는 광학 시스템.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 방출형 디스플레이는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이인 광학 시스템.
  28. 헤드-마운트 디스플레이(head-mounted display)로서,
    헤드-마운트 지지부(head-mounted support); 및
    상기 헤드-마운트 지지부에 부착된 광학 시스템
    을 포함하고, 상기 광학 시스템은,
    (a) 광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널;
    (b) 상기 디스플레이 패널에 의해 생성된 상기 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 형성기;
    (c) 상기 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된 보기 창;
    (d) 근위 빔 분리기 - 상기 외부 광 및 상기 가상 이미지는 상기 근위 빔 분리기를 통해 보기 축을 따라 보일 수 있음 - ; 및
    (e) 상기 디스플레이 패널 및 상기 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 원위 빔 분리기 - 상기 원위 빔 분리기는 상기 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 가짐 -
    를 포함하는 헤드-마운트 디스플레이.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 외부 광 및 상기 가상 이미지를 상기 헤드-마운트 디스플레이의 착용자가 볼 수 있는 헤드-마운트 디스플레이.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 이미지 형성기, 근위 빔 분리기 및 원위 빔 분리기는 상기 보기 축에 수직인 수평 축을 따라 배치되는 헤드-마운트 디스플레이.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 회로 보드 상에 탑재되고, 상기 회로 보드는 상기 수평 축에 평행한 수평 면 내에 있는 헤드-마운트 디스플레이.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은 상기 원위 빔 분리기 아래에 있는 헤드-마운트 디스플레이.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 이미지 형성기, 상기 근위 빔 분리기, 원위 빔 분리기 및 디스플레이 패널은 상기 보기 축에 수직인 수평 축을 따라 배치되는 헤드-마운트 디스플레이.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 원위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 카메라를 더 포함하고, 상기 카메라는 회로 보드 상에 탑재되고, 상기 회로 보드는 상기 수평 축에 평행한 수평 면 내에 있는 헤드-마운트 디스플레이.
  35. 웨어러블 컴퓨팅 디바이스(wearable computing device)로서,
    헤드-마운트 지지부;
    상기 헤드-마운트 지지부에 부착된 광학 시스템; 및
    디스플레이 패널을 제어하도록 구성되는 컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 광학 시스템은,
    (a) 광 패턴을 생성하도록 구성된 디스플레이 패널;
    (b) 상기 디스플레이 패널에 의해 생성된 광 패턴으로부터 가상 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 형성기;
    (c) 상기 광학 시스템의 외부로부터 외부 광이 들어오는 것을 허용하도록 구성된 보기 창;
    (d) 근위 빔 분리기 - 상기 외부 광 및 상기 가상 이미지는 상기 근위 빔 분리기를 통해 보기 축을 따라 보일 수 있음 - ; 및
    (e) 상기 디스플레이 패널 및 상기 근위 빔 분리기에 광학적으로 결합된 원위 빔 분리기 - 상기 원위 빔 분리기는 상기 보기 축에 평행한 평면 내에서 빔 분리 인터페이스를 가짐 -
    를 포함하는 웨어러블 컴퓨팅 디바이스.
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