KR20220060528A

KR20220060528A - 헤드 마운트 디스플레이용 컴팩트 프로젝터

Info

Publication number: KR20220060528A
Application number: KR1020227005399A
Authority: KR
Inventors: 요차이 단지거; 네타넬 골드스타인
Original assignee: 루머스 리미티드
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-05-11
Also published as: WO2021053661A1; US20220342216A1; EP4031931A4; EP4031931A1; JP2022546940A; IL290759A; CN114424108A; CN114424108B; TW202125038A

Abstract

헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터는 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)로 구성된다. 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 스캐너, 및 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈를 포함한다. NAE는 조명 섹션으로부터 광을 수신하고, 광의 평균 개구수를 확장하고, 광을 릴레이 섹션에 전달한다. 릴레이 섹션은 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함한다. 프로젝터에는 또한, 미광이 사출 동공을 통과하는 것을 방지하는 가로축 조리개 및/또는 세로축 조리개가 장착될 수 있다.

Description

헤드 마운트 디스플레이용 컴팩트 프로젝터

본 발명은 디스플레이에 관한 것으로서, 특히 헤드 마운트 디스플레이 및 증강 현실 시스템에서 사용을 위한 컴팩트 프로젝터에 관한 것이다.

근안(near-eye) 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이에서, 레이저 프로젝터의 기능은 스캔된 레이저 빔을 도파관에 결합하는 것이며, 이 도파관은 조명을 관찰자의 눈 안으로 투과시킨다. 일반적으로, 레이저 빔은 스캔 미러에 의해서 이미지 필드에 걸쳐 스캔되고, 동공 이미징은 도파관 안으로의 빔 결합을 유지하기 위해서 사용된다.

이미지를 근안 헤드 마운트 디스플레이 안으로 투사하기 위해서, 도파관의 입사 동공은:

a) 균일한 이미지를 생성하도록 완전히 조명되어야 하고,

b) 투사된 필드(projected field)를 스캐닝하는 동안에도 도파관에 완전히 결합되어야 한다.

레이저 프로젝터의 경우, 레이저 빔은 일반적으로 개구수 확장기(이하 NAE: Numerical Aperture Expander)라고 지칭될 광학 요소의 한 지점에 집속된 후, 광이 시준되어 사출 동공으로 안내된다. NAE는, 예를 들어, 산광기(diffuser) 또는 마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro-lens array)에 의해 구현될 수 있다. NAE 후, 광은 시준되고, 사출 동공으로 안내된다. 하나 이상의 스캐닝 미러를 갖는 스캐너는 투사된 필드에 걸쳐 레이저 빔을 조향하기 위해서 사용된다. 스캐너는 일반적으로 레이저 프로젝터의 한정된 광학 애퍼처를 형성한다.

컬러 레이저 프로젝터에서, 적색, 녹색 및 청색 레이저로부터의 광 조명은 일반적으로 스캐너에 의해 스캔되고 NAE에 의해 확장되는 단일 시준 빔으로 결합된다. 프로젝터의 광학 시스템 및 이의 연관된 기계적 지지체는 종종 부피가 커서 헤드 마운트 디스플레이에서 구현되기가 어렵다. 종래 기술의 레이저 프로젝터의 이미징 성능은 주로 구면, 색수차 및/또는 상면 만곡 광학 수차에 의해 제한된다. 레이저 포커싱 렌즈는 큰 개구수에 대해 광선을 집속시켜야 하기 때문에, 큰 투사 시야(FOV: projected field of view)를 형성할 때 구면 수차가 발생된다. 색수차는 적색, 녹색 및 청색 레이저 조명의 광선 경로를 다르게 함으로써 도입된다. 상면 만곡 수차는, 굴절 광학 요소의 경우와 같이, 양수이거나, 광학 요소를 반사하는 경우에서와 같이, 음수일 수 있다. 위의 수차는 선행 기술 레이저 프로젝터의 달성 가능한 이미지 해상도를 심각하게 제한한다.

본 발명은 광학 수차의 주요 원인을 적어도 부분적으로 보정함으로써 높은 이미지 해상도를 제공하는 혁신적인 컴팩트 프로젝터이다. 프로젝터는 조명 섹션, NAE, 릴레이 섹션으로 구성된다. 일부 실시형태는 또한, 릴레이 섹션의 사출 동공에 매우 근접하게 배치된 광학 조리개를 포함한다.

본원에서, "레이저"라는 용어는, 명사 또는 형용사로 사용될 때, 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED), 마이크로 LED, 및 실리콘 액정(LCOS: Liquid Crystal on Silicon) 조명 디바이스와 같은, 헤드 마운트 디스플레이에 사용되는 다양한 조명 공급원을 포함하도록 의도된다. 또한, 이미지 평면, 공액(conjugate) 평면 및 주 평면(principal plane)과 같은 광학 용어에서 "평면"이라는 용어의 사용은 엄격한 수학적 의미의 평면일 수도 있고 아닐 수도 있는 표면을 지칭하는 것으로서 이해된다.

현재 개시된 주제물의 일 양태에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터가 제공되며, 이 프로젝터는 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하며, 상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈, 및 상기 포커싱 렌즈와 상기 이미지 평면 사이에 배치된 스캐너를 구비하고, 상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고, 상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성된다.

일부 양태에 따르면, 스캐너는 수렴 빔에 의해 조명된다.

일부 양태에 따르면, 조명 섹션은 또한, 이미지 평면에 근접하게, 그리고 스캐너와 이미지 평면 사이에 배치된 시야 렌즈를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 스캐너로부터 시야 렌즈로 전파되는 광의 빔 직경은 적어도 2배만큼 감소된다.

일부 양태에 따르면, 스캐너는 2개의 실질적으로 직교하는 축을 중심으로 회전되는 단일 미러, 또는 각각이 단일 축을 중심으로 회전되는 2개의 미러를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 조명 공급원은, 레이저 다이오드, 사이드 바이 사이드(side-by-side) 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED: light-emitting diode), 마이크로 LED, 및 실리콘 액정(LCOS: liquid crystal on silicon) 조명 디바이스로 구성된 그룹으로부터 선택된 조명 공급원을 포함한다.

일부 양태에 따르면, 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원에 의해 방출된 조명 파워를 모니터링하기 위한 하나 이상의 광검출기(photo-detector)를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 하나 이상의 광검출기는 스펙트럼 필터를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 조명 섹션은 반사 렌즈를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 프로젝터는 사이드 바이 사이드(side-by-side) 구성으로 배열된 적어도 2개의 조명 공급원을 포함하며, 여기서 조명 공급원 각각에 의해 방출된 광의 제1 부분은 스캐너 및 포커싱 렌즈를 투과한다.

일부 양태에 따르면, 조명 공급원 각각에 의해 방출된 광의 제2 부분은 광검출기 어레이를 향해 반사된다.

일부 양태에 따르면, 광의 제2 부분은 조명 공급원의 패스트(fast) 축을 따라 방출되며, 이 패스트 축은 넓은 빔 발산(beam divergence)을 갖는다.

일부 양태에 따르면, 사이드 바이 사이드 구성의 최외측 빔들 사이의 간격은 적어도 0.1 밀리미터에 걸쳐 있다.

일부 양태에 따르면, NAE의 표면은 릴레이 섹션 및/또는 조명 섹션으로부터 기인되는 상면 만곡 수차를 적어도 부분적으로 보정하기 위해 만곡된다.

일부 양태에 따르면, NAE는 구성요소 간 갭 없이 광학 구성요소들 사이에 내장된다.

일부 양태에 따르면, NAE는, 적어도 부분적으로 투과시키거나 부분적으로 반사하는 마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro-lens array) 또는 광 산광기로서 구현된다.

일부 양태에 따르면, NAE는, 비교적 높은 광 파워의 MLA의 표면 상에 중첩된 비교적 낮은 광 파워의 산광기를 포함하는 발산된 MLA로서 구현된다.

일부 양태에 따르면, NAE 평균 확장 비율의 값은 2 내지 5의 범위 내에 있다.

일부 양태에 따르면, 릴레이 섹션은 굴절 시준 렌즈 또는 반사 시준 렌즈를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 릴레이 섹션은 하나 이상의 편광 광학 요소를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 릴레이 섹션은 편광 빔 스플리터 및 반사 시준기 렌즈를 포함한다.

일부 양태에 따르면, 포커싱 렌즈 및 릴레이 섹션은, 스캐너의 스캐닝 평면이 사출 동공의 이미지 공액이 되도록 구성된다.

현재 개시된 주제물의 다른 양태에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터가 제공되며, 이 프로젝터는 도파관과 광 통신하는 릴레이 섹션을 포함하고, 릴레이 섹션은 사출 동공을 갖고, 도파관은 입사 동공을 갖는다.

일부 양태에 따르면, 가로축 조리개 및/또는 세로축 조리개는 사출 동공 및/또는 입사 동공에 또는 이에 근접하게 위치된다.

일부 양태에 따르면, 릴레이 섹션은 사출 동공을 입사 동공에 광학적으로 연결하는 결합 프리즘을 포함한다.

일부 양태에 따르면, 결합 프리즘의 하나 이상의 표면은 가로축 조리개 및/또는 세로축 조리개를 포함한다.

현재 개시된 주제물의 다른 양태에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터가 제공되며, 이 프로젝터는 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하며, 상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 및 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈를 포함하고, 상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고, 상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성되고, 상기 NAE는 만곡된 표면을 포함하며, 상기 만곡된 표면의 곡률은 상기 릴레이 섹션 및/또는 상기 조명 섹션으로부터 기인되는 상면 만곡 수차를 적어도 부분적으로 보정하도록 구성된다.

현재 개시된 주제물의 다른 양태에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터가 제공되며, 이 프로젝터는 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하며, 상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈, 및 상기 포커싱 렌즈와 상기 이미지 평면 사이에 배치된 스캐너를 구비하고, 상기 스캐너는 수렴 빔에 의해 조명되고, 상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고, 상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성된다.

본 발명은 수반된 도면들을 참조하여 단지 예로서 본원에서 설명된다. 도면에 대해 유사하거나 같은 요소를 나타내기 위해 같은 참조 번호가 사용된다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 레이저 프로젝터의 주요 광학 구성요소의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 이미지 평면에 인접한 상면 만곡의 예시이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 예시적인 레이저 프로젝터의 분해된 광학 레이아웃이다.
도 4는 스캐닝의 경우 도 3의 실시형태에 대한 광선 추적 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 예시적인 레이저 프로젝터의 분해된 광학 레이아웃이다.
도 6은 본 발명의 원리에 따른 내장형(embeded) NAE의 구성 세부사항을 도시하는 도면이다.
도 7a는 종래 기술에 따른 NAE 표면의 도면이다.
도 7b는 본 발명에 따른 내장형 NAE 표면의 도면이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 따른 다수의 레이저 빔을 갖는 레이저 프로젝터에 대한 예시적인 조명 섹션의 개략적인 광학 레이아웃이다.
도 9a는 본 발명에 따른 레이저 프로젝터 및 연관된 도파관의 부분의 측면도이다.
도 9b는 스캐닝 미러의 예시적인 회전을 도시하는 레이저 프로젝터의 부분의 사시도이다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 미광이 프로젝터의 사출 동공을 통과하는 것을 방지하도록 구성된 세로축 조리개 및 가로축 조리개의 예시적인 구현을 도시하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명에 따른 예시적인 조리개 구성을 도시하는 도면이다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른 컴팩트 프로젝터(100)의 주요 광학 구성요소의 개략도를 도시한다. 프로젝터는, 조명 섹션(100U), 하나 이상의 광학 요소를 포함하는 NAE(100M), 및 릴레이 섹션(100L)의 세 가지 주요 섹션으로 구성된다. 조명 섹션은, 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드(LED)일 수 있는 하나 이상의 조명 공급원을 포함한다.

레이저(201)로부터의 광은, 수렴 빔을 형성하는 포커싱 렌즈(223)에 의해 이미지 평면(215) 상에 집속된다. 수렴 빔은, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 스캐닝 미러(224, 225)로, 또는 2개의 회전 축을 갖는 단일 스캐닝 미러로 구성될 수 있는 스캐너(211)에 의해 2개의 직교 방향으로 조향된다. 수렴 빔에 스캐너(211)를 배치하는 것은 스캐닝 미러(225) 뒤에, 그리고 이미지 평면(215)으로부터 멀리 추가 렌즈를 배치할 필요성을 회피한다. 종래 기술의 레이저 프로젝터에서 발견되는 이러한 추가 렌즈는 상당한 중량 및 복잡성을 추가하는 단점을 갖는다.

시야 렌즈(219)를 통과하는 빔은 이미지 평면(215) 상에 집속되고, 다음으로, 시준기 렌즈(218)에 의해 평행 빔으로 형성된다. 시야 렌즈(219)는 바람직하게는, 포커싱 위치 및 빔 발산도(beam divergence)에 대한 영향이 무시할 수 있는 정도이도록, 그리고 스캐너와 동공 평면(234) 사이의 동공 이미징을 가능하도록 이미지 평면(215)에 근접하다.

이미지 평면(215)에 입사하는 광선은 214로 표시된 비교적 좁은 개구수를 갖는다. 예를 들어, 조명 섹션(100U)에서 수렴 빔의 직경은 포커싱 렌즈(223)의 주 평면에서 1.3 mm, 미러(224)에서 0.8 mm, 시야 렌즈(219)의 주 평면에서 단지 0.25 mm일 수 있다. 이미지 평면(215)에서, 레이저 스폿 직경은 일반적으로 대략 0.01 mm 또는 10미크론이다.

개구수를 확장하는 NAE(100M)가 없는 경우, 시준기 렌즈(218)에 입사하는 광은 도 1에서 파선 화살표로 도시된 바와 같이 좁은 시준 빔을 형성할 것이고, 사출 동공(234)을 채우지 않을 것이다. 결과는 광을 관찰자의 눈에 커플링하는 도파관의 입사 동공에서의 불완전한 이미지가 될 것이다. NAE(100M)의 효과는, 실선 화살표로 표시된 바와 같이, 개구수를 확장하는 것이고, 이로써 사출 동공(234)을 채우는 것이다. 임의의 잔여 산란광은 조리개(260)에 의해 흡수된다.

"R"에 의해서 표시되는 NAE 평균 확장비는 1(unity) 이상인 값을 갖는다. 일반적으로, "개구수"라는 용어는 빔 전파의 축선에 수직인 방향으로의 빔의 반각(semi-angle)을 나타낸다. 원형 단면 형상을 가진 빔의 경우, 개구수의 단일 값(도(degree))은 빔의 각도 폭을 특성화하기에 충분하다. 비원형 단면 형상을 갖는 보다 일반적인 빔의 경우, 개구수의 평균값은 빔의 입체각에 대해 평균화함으로써 계산될 수 있다. 이 경우, "NAE 평균 확장비"라는 용어는 NAE를 나가는 빔의 평균 개구수와 NAE에 들어가는 빔의 평균 개구수 사이의 도/도(degree/degree) 단위의 비율을 나타낸다.

도 1에서, 프로젝터(100)는 본질적으로 2개의 집속 메커니즘을 갖는다 - 하나는 레이저 빔을 이미지 평면(215) 상에 집속하기 위한 것이고, 다른 하나는 사출 동공(234)에 들어가는 빔을 시준하기 위한 것이다. 이러한 집속 메커니즘 각각은 상면 만곡(field curvature)에 기여한다.

도 2a 및 도 2b는 NAE에 의한 상면 만곡 보정이 없다고 가정한 이미지 평면(215)에 인접한 상면 만곡을 예시한다. 조명 섹션(100U)에 대향하는 측부 상의 상면 만곡은 점선(215A)으로 표시된다. 릴레이 섹션(100L)에 대향하는 측부 상의 상면 만곡은 도 2a 및 2b에서 각각 파선(215B1 및 215B2)으로 예시된 바와 같이 두 개의 가능성을 갖는다. 도 2a에서, 라인들(215A 및 215B1)의 곡률들은 동일한 배향을 가지며; 즉, 릴레이 섹션(200L)으로부터 볼 때 둘 다 오목하다. 라인들(215 및 215B1)의 곡률에 따라 NAE(100M)에서 만곡된 표면을 구현함으로써, 순 상면 만곡을 적어도 부분적으로 보정하고, 투사된 이미지의 해상도를 최적화하는 것이 가능하다.

도 2b에서, 라인들(215A, 215B2)의 곡률들은 반대 배향의 것이다. 이 경우 NAE(100M)에서 만곡된 표면은 주로 라인(215B2)의 곡률 배향에 따라 구현되어야 한다. 이것은 릴레이 섹션에 대한 특정 광학 레이아웃과 관련하여 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 예시적인 레이저 프로젝터(200)의 광학 레이아웃을 도시한다. 프로젝터(200)는 조명 섹션(200U), NAE(200M), 릴레이 섹션(200L)의 세 개의 섹션으로 구성된다. 레이저(201)로부터의 광은 포커스 액추에이터(345)의 제어 하에, Corning Inc.에 의해 제조된 Corning® Varioptic® 가변 포커스 액체 렌즈와 같은, 동적 포커싱 디바이스(340)를 통과한다. 다음으로, 광은 폴딩 미러(folding mirror)(222)에 의해 반사되고, 포커싱 렌즈(223)를 통과한다. 렌즈(223)는 바람직하게는 복 렌즈(doublet lens) 또는 비구면 렌즈이다. 스캐닝 미러(224 및 225)는 시야 렌즈(219)로 빔을 안내하며, 이는 스캐닝 미러(224 또는 225)의 공액 평면(conjugate plane)과 사출 동공(234) 사이에 동공 이미징을 생성하기 위해 빔을 틸팅한다. 선택적으로, 미러(222)는 부분적으로 투과성일 수 있고, 광검출기(235)는 미러(222)를 통해 투과된 광을 수신하기 위해 도면에 도시된 바와 같이 배치될 수 있다. 광검출기(235)는 방출된 조명 파워 레벨과 같은 레이저(201)의 다양한 방출 파라미터를 모니터링하기 위해서 사용될 수 있다.

레이저 포커스 스페이서(227)는 조명 섹션(200U)의 정렬 동안 이미지 평면(215) 상의 레이저 스폿을 최적으로 포커싱하기 위해서 사용된다. NAE(200M)는 NAE 캐리어(228) 및 이미지 평면(215)에 매우 근접한 NAE 기판(229)을 포함한다. NAE(200M)에 들어오고 나가는 빔의 개구수는 각각 화살표(220U 및 220L)로 표시된다. 시준기 포커스 스페이서(230)는 릴레이 섹션(200L)의 정렬 동안 사출 동공(234) 안으로의 광의 시준을 최적화하기 위해 사용된다. 도 3의 분해된 광학 레이아웃에서 NAE 기판(229)과 스페이서(230) 사이에 나타나는 공간은 설명을 명확하게 하기 위한 것이며, 구성요소 간 갭으로 의도되지 않는다. 사실, NAE 기판(229)과 스페이서(230)는 바람직하게는 접촉되어 있으며, 그 이유는 구성요소 간 갭이 프로젝터의 기계적 구성 및 조립을 복잡하게 만드는 경향이 있고, 습기 및 입자 오염에 대한 구조적 무결성 및 밀봉을 손상시킬 수 있기 때문이다.

시준기 포커스 스페이서(230)를 통과한 광은 편광 빔 스플리터(PBS: polarization beam splitter)(231)에 의해 반사 시준기 렌즈(232)로 반사된다. 시준된 반사 빔은 PBS(231) 및 편광 조작기(233)를 통해 사출 동공(234)으로 나아간다. 편광 조작기(233)는 액정 액추에이터와 같은 편광 액추에이터(335)에 의해 제어되는 능동 포커스 디바이스 또는 편광 스크램블러이다. 편광 조작기(233)의 사용은, 레이저(201)가 잘 정의된 편광을 갖는 경우에만, 가능하다.

도 3의 실시형태의 경우, 이미지 평면(215)에서의 상면 만곡은 도 2a에 도시된 것과 유사하며, 여기서 라인(215A 및 215B1)의 곡률은 동일한 배향을 갖는다. 조명 섹션(200U)에서 라인(215A)의 곡률은 주로 수렴 광에 의해 조명되는 포커싱 렌즈(223) 및 스캐닝 미러(224 및 225)에 의해 생성된다. 릴레이 섹션(200L)에서 라인(215B1)의 곡률은 주로 반사 시준기 렌즈(232)에 의해 생성된다. 릴레이 섹션에서 상대적으로 큰 개구수 때문에, 릴레이 섹션은 조명 섹션보다 필드 곡률 디포커싱을 더 많이 유발하므로, 이미지 품질 저하를 방지하기 위해 더 엄격하게 보상되어야 한다. 투사된 이미지 필드에서 레이저 스폿 사이즈를 최소화하기 위해서, 그리고 이미지 해상도를 최대화하기 위해서, NAE 기판(229)의 물리적 곡률은 라인(215B1)의 곡률과 실질적으로 동일하도록 구성되어야 한다.

도 4는 스캐닝의 경우 도 3의 실시형태에 대한 광선 추적 도면이다. 스캐닝 미러(225)는 관찰자가 보는 시야(FOV)의 상이한 부분을 조명하기 위해 틸팅된다. 도 3의 실시형태에서 시야 렌즈(219)의 광 파워는 미러(224 또는 225)의 스캐닝 평면이 사출 동공(234)의 이미지 공액(image conjugate)이 되도록 결정된다. 이러한 방식으로, 시준된 광은 스캐너에 의한 탈축(off-axis) 스캐닝 중에도 사출 동공(234)을 계속 통과한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 예시적인 레이저 프로젝터(300)의 광학 레이아웃을 도시한다. 프로젝터(300)는 조명 섹션(300U), NAE(300M), 릴레이 섹션(300L)의 세 개의 섹션으로 구성된다. 도 3에서와 같이, 스캐닝 미러(224 및 225)는 시야 렌즈(219)로 빔을 안내하며, 이는 스캐닝 미러(224 또는 225)의 공액 평면(conjugate plane)과 사출 동공(234) 사이에 동공 이미징을 생성하기 위해 빔을 틸팅한다. NAE(300M)는 NAE 캐리어(328) 및 NAE 기판(329)을 포함한다. NAE(300M)에 들어오고 나가는 빔의 개구수는 화살표(320U 및 320L)로 표시된다. 릴레이 섹션(300L)은 굴절 요소(332)를 포함한다. 시준된 광은 편광 조작기(233) 및 사출 동공(234)을 통과한다.

레이저 프로젝터(300)의 이미징 필드에 걸쳐 해상도를 최적화하기 위해, NAE 기판(329)의 곡률은 도 3의 NAE 기판(229)의 곡률과 배향이 반대이다. 이의 이유는 다음과 같다. 도 5의 실시형태의 경우, 이미지 평면(215)에서의 상면 만곡은 도 2b에 도시된 것과 유사하며, 여기서 라인(215A 및 215B2)의 곡률은 반대 배향을 갖는다. 라인(215B2)의 상면 만곡은 주로 릴레이 섹션(300L)의 굴절 요소(332)에 의해 도입된다.

화살표(320L)에서 릴레이 섹션의 개구수는 화살표(320U)에서 조명 섹션의 개구수보다 더 높다. 피사계 심도(DOF: depth of field)는 개구수에 반비례하기 때문에, 릴레이 섹션의 DOF는, 일반적으로 0.5 mm 정도의 조명 섹션의 DOF에 비해 상대적으로 작고 일반적으로 0.1 mm 정도이다. 결과적으로, NAE 기판(329)의 곡률은 주로, 라인(215B2)에 의해 표시된 배향에 대응되는 배향을 갖는 릴레이 섹션의 곡률에 의해 지배된다. NAE 기판(329)의 곡률 정도는 상면 만곡으로 인한 디포커싱 정도가 NAE 기판의 양 측부에서 대략 동일하도록 결정된다. NAE 기판(329)의 최적의 표면 형상은 레이저 프로젝터(300)의 일부 구현에서는 구형이고, 다른 구현에서는 비구형일 수 있다.

도 6은 본 발명의 원리에 따른 내장형(embeded) NAE(600)의 구성 세부사항을 도시하는 도면이다. 내장형 NAE는 공기 갭을 갖는 선행 기술 NAE보다 습도 및 오염의 영향을 덜 받고, 기계적으로 더 견고하다. NAE(600)의 요소가 평평한 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 표면은 또한, 예를 들어, 도 3 및 도 5에서 각각 NAE 기판(229 및 329)의 경우와 같이 만곡될 수 있다. 요소(350 및 356)는 도 3에 도시된 스페이서(227 및 230)와 유사한, NAE(600)에 인접한 스페이서를 나타낸다.

NAE(600)에 들어오고 나가는 광의 개구수는 각각 화살표(360 및 362)로 개략적으로 표시된다. NAE 평균 팽창비 R의 값은 대략적으로 1보다 크고, 일반적으로 2 내지 5의 범위이다. NAE 캐리어(352)는 접착 표면(378)에 대한 접착제(358)의 도포에 의해서 NAE 기판(354)에 접착된다. NAE 캐리어의 굴절률을 n(352)으로 표시하고, 접착제의 굴절률을 n(358)으로 표시한다. 접착제가, 선행 기술의 NAE에서와 같이, 1과 동일한 굴절률을 갖는 구성요소 간 갭에 의해서 대체된다면, R의 값은 [n(358)-n(352)]/[n(352)-1]과 동일한 인자만큼 감소된다. 따라서, 구성요소 간 갭의 도입은 NAE 평균 팽창비 R을 감소시킬 것이다.

도 7a는 종래 기술에 따른 NAE 표면(376)의 도면이며, 여기서 표면은 산광기 또는 마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro-lens array)의 표면에 대응될 수 있다. 스캐닝 레이저로부터의 입사 광선(368)은 매끄러운 영역에서의 표면(376)에 충돌하고, 산란은 광선(370)에 의해서 표현되는 개구수를 증가시킨다. 그러나, 입사 광선(369)은 인접한 산광기 또는 마이크로 렌즈 사이의 뾰족한 영역에서 표면(376)에 충돌한다. 이 경우에, 정상적인 산란 광선(372)에 더하여, 산란은 또한, 광각으로 회절되는 광선(375)을 생성한다. 이러한 광선은 다수의 산란을 발생시키고, 투사된 이미지의 일부 픽셀에서 이미지 대비를 저하시킨다.

도 7b는 본 발명에 따른 내장형 NAE 표면(378)의 도면이다. 표면(378)은 뾰족한 영역을 갖지 않는다. 이 경우, 입사 광선(369)은 광선(372, 378)을 생성하며, 이 광선은 모두 NAE를 떠날 때 개구수의 원하는 증가에 기여한다. 도 7a의 종래 기술에서와 같이 광각으로 회절된 광선이 없다. 결과적으로, 본 발명의 내장형 NAE는 종래 기술의 산광기 또는 MLA가 보이는 이미지 대비 저하를 겪지 않는다.

NAE 표면(378)이 MLA로서 구현될 때, MLA 상의 조명 스폿의 반치전폭 직경은 바람직하게는 회절 효과를 회피하기 위해 인접한 마이크로 렌즈들 사이의 피치보다 1 내지 4배 더 커야 한다.

도 7b의 NAE를 통해 투과된 광은 불균일한 세기의 조명을 생성할 수 있다. 불균일성을 보정하기 위해, NAE는, MLA의 전반적으로 만곡된 표면 상에 산광기가 중첩된 "발산된 MLA"로 구현될 수 있다. 산광기의 광 파워는 바람직하게는 MLA의 광 파워에 비해 작다. 예를 들어, 산광기에 의해 제공되는 개구수 확장은 MLA의 개구수의 단지 1/5 내지 1/3일 수 있다. 위에서 개시된 본 발명의 원리에 따라 구성된 발산된 MLA에서, MLA의 불균일성은 효과적으로 평균화되는 한편, 산광기의 불균일성은 유의하지 않다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 따른 다수의 레이저 빔을 갖는 레이저 프로젝터에 대한 예시적인 조명 섹션의 개략적인 광학 레이아웃을 도시한다. 레이저 모듈(801)은, 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 조명에 대응하는 파장을 갖는 빔들(401, 402, 403)을 방출한다. 일반적으로, 빔은 레이저 모듈(801) 내부에 사이드-바이-사이드 구성으로 배열된 3개의 인접한 레이저 공급원에 의해 방출된다. 최외측 레이저 빔들은 일반적으로 0.1 mm 이상만큼 이격된다. 레이저들은, 빔이 모두 포커싱 렌즈(223)를 통과하도록 정렬되어, 스캐닝 미러(224, 225)를 조사한다. 광검출기 어레이(412)에 의한 레이저 모듈(801)의 실시간 모니터링은 파워 스파이크를 방지하기 위해서, 그리고 조명 파워 레벨 및 각각의 방출된 빔의 안정성에 대한 엄격한 제어를 유지하기 위해서 필수적이다.

도 8a에서, 빔(401, 402, 및 403)은 부분 반사 표면(406A)에 의해 부분적으로 반사된다. 각각의 빔의 광의 일 부분은 표면(406A)을 통해 투과되고, 이후 표면(408A)에 의해 반사되고 렌즈(410)에 의해 광검출기 어레이(412) 상에 집속된다. 렌즈(410)는, 어레이(412)의 각각의 광검출기가 단일 레이저에 대응되는 광 파워를 수신하도록, 레이저 모듈(801)의 다수의 레이저의 공급원 평면을 광검출기 어레이(412) 상에 이미징한다. 광검출기들 사이의 광학 누화를 감소시키기 위해서, 광검출기 어레이의 상이한 부분들이 상이한 레이저 파장들에 민감하도록 어레이(412)에 하나 이상의 스펙트럼 필터를 적용하는 것이 바람직하다.

도 8b에서, 만곡된 반사 표면(408B)은 반사 및 집속의 2가지 기능을 단일 요소에서 결합하며, 이는 도 8a의 표면(408A) 및 렌즈(410)를 대체한다.

레이저 다이오드에 의해 방출되는 것과 같은 레이저 빔은, 일반적으로 빔 발산각(divergence angle)이 상대적으로 넓은 "패스트(fast)" 축, 및 빔 발산각이 상대적으로 좁은 "슬로우(slow)" 축을 특징으로 한다. 도 8c는 개략적인 광학 레이아웃을 도시하며, 여기서 레이저 파워를 모니터링하기 위해 사용된 광선은 스캐닝 미러(224, 225)에 충돌하지 않는 큰 각도로 패스트 축 상에서 방출되는 광선이다.

도 8c에서, 중심 구멍, 또는 개구를 갖는 반사 미러(414)는, 이미징을 위해서 사용되는 광이 중심 구멍을 통과하고 스캐닝 미러를 향해 전체(100%) 반사 미러(406C)에 의해 반사되도록 위치된다. 큰 각도로 패스트 축에서 방출된 광은 미러(414)에 의해 반사되고, 이후, 렌즈(410)에 의해 광검출기 어레이(412) 상에 집속된다. 발산하는 조명 빔의 한 측부로부터만 광을 수집하는 것을 포함하여, 다른 형상의 미러(414)가 가능하다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c에 도시된 개략적인 광학 레이아웃은 예시적이고, 많은 대안적인 구성이 가능하다. 예를 들어, 폴딩 반사기의 역할을 하는 반사 요소(406A, 406B, 406C)는 도면의 평면 내에 있는 것으로 도시된다. 그러나, 반사 요소를 도면의 평면 외부에 배치함으로써 보다 컴팩트하고 가벼운 효율적인 구성이 달성될 수 있다. 또한, 어레이(412) 및 렌즈(410)는 도 3에서 반사기(222C) 바로 뒤에 배치될 수 있어, 이에 의해 반사 미러(408)에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

도 9a는 본 발명에 따른 레이저 프로젝터 및 연관된 도파관의 부분의 측면도이다. 스캐닝 미러(224 및 225)가 종종 프로젝터 시스템에서 가장 작은 애퍼처인 한, 스캐너의 스캐닝 평면이 사출 동공(234)의 이미지 공액일 때 최적의 광 투과가 달성된다. 사출 동공은 또한, 도 9a에 도시된 바와 같이, 도파관(450)의 입사 동공으로서 기능한다. 레이저 프로젝터의 광학 구성요소의 사이즈 및 형상은, 사출 동공(234)이 도파관(450)의 입사 동공과 완전히 중첩되도록 결정된다.

도 9b는 스캐닝 미러의 예시적인 회전을 도시하는 레이저 프로젝터의 부분의 사시도이다. 도 9b에서, 스캐닝 미러(225)는 입사 레이저 광 및 레이저 프로젝터의 다른 구성요소에 대해 90도 각도로 틸팅된다. 사출 동공(234)은 또한, 미러(225)의 스캐닝 평면이 계속해서 사출 동공의 이미지 공액이도록, 회전된다.

도 10a, 도 10b 및 도 10c는, 이미지 왜곡 및 대비 열화(contrast degradation)를 생성할 수 있는 미광이 프로젝터의 사출 동공을 통과하는 것을 방지하도록 구성된 세로축 조리개 및 가로축 조리개의 예시적인 구현을 도시하는 도면이다. 광학 조리개는 세로축 조리개(464)와 가로축 조리개(460)로 구성되며, 여기서 세로축은 도 9a에 도시된 바와 같이 도파관 두께 방향으로 가리키고, 가로축은 세로축에, 그리고 도파관 내부의 광의 전파 방향에 수직인 방향으로 가리킨다.

도 10a에서, 미광은, 화살표(299)로 표시된 바와 같이, NAE에서 광각 산란에 의해 생성될 수 있다. 도 10b는 결합 프리즘(462)의 표면에 부착된 가로축 조리개(460)를 도시하는 평면도이다. 도 10c는 결합 프리즘(462)의 다른 표면에 부착된 세로축 조리개(464)를 도시하는 측면도이다.

도 10a 내지 도 10c에서, 조리개(460, 464)는 사출 동공(234)의 위치로부터 약간 변위된다. 이러한 변위는, 일부 산란된 광이 사출 동공(234)을 통과하여 도파관(450)으로 들어가는 것을 허용할 수 있기 때문에, 바람직하지 않다.

도 11a 내지 도 11d는, 조리개가 사출 동공(234)에 매우 근접하게 배치되는 본 발명에 따른 예시적인 조리개 구성을 도시하는 도면이다. 다양한 조리개 구성 요소는 460A, 460B, 460C 및 460D에 의해서 표시된다.

도 11a, 도 11c 및 도 11d에서, 결합 프리즘은 도파관(450) 옆에 배치된다. 도 11c에서, 가로축 구성요소(460C)는 결합 프리즘과 도파관(450) 사이의 계면 상에 있다. 이것은 세로축 조리개(464)가 사출 동공에 매우 근접할 수 있게 하는 장점을 갖는다. 도 11b에서, 결합 프리즘은 도파관(450)의 상부에 배치된다. 이것은 가로축 조리개의 구성요소(460B)가 사출 동공에 매우 근접할 수 있게 하는 장점을 갖는다.

도 11d에서, NAE로부터 발생되지 않는 미광을 차단하기 위해 추가적인 세로축 조리개 구성요소(460D)가 도입된다. 조리개 구성요소(460D)는 일반적으로 사출 동공(234)보다 더 넓고, 조리개 구성요소(460B)와 조합하여 구현될 수 있다.

도 11a, 도 11b 및 도 11c의 구성은, 스캐닝 미러들이 실질적으로 이격되고, 프로젝터의 다른 광학 요소의 애퍼처에 비해 작은 레이저 프로젝터의 실시형태에 특히 적합하다.

상기 설명이 단지 예로서 기능하도록 의도되는 점, 및 많은 다른 실시형태가 첨부된 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 프로젝터의 조명 섹션에 있는 조명 공급원은 레이저, 발광 다이오드(LED) 마이크로 LED, 및/또는 실리콘 액정(LCOS: Liquid Crystal on Silicon) 조명 디바이스일 수 있다. 다른 실시예로서, 릴레이 섹션과 도파관 사이의 결합 프리즘은, 투과 모드 대신 반사 모드로 동작할 수 있다. 또한, NAE의 많은 다른 구성이, 본원에 개시된 원리에 기반하여, 도 6 및 도 7b에 명시적으로 도시된 것 외에 가능하며, 이는 광학 설계의 분야에서 숙련된 자에게 용이하게 명백할 것이다.

Claims

헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터에 있어서, 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하되,
상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈, 및 상기 포커싱 렌즈와 상기 이미지 평면 사이에 개재된 스캐너를 포함하고,
상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고,
상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성된, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 스캐너는 수렴 빔에 의해 조명되는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 조명 섹션은, 상기 이미지 평면에 근접하게, 그리고 상기 스캐너와 상기 이미지 평면 사이에 개재된 시야 렌즈를 더 포함하는, 프로젝터.
제3항에 있어서, 상기 스캐너로부터 상기 시야 렌즈로 전파되는 광의 빔 직경은 적어도 2배만큼 감소되는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 스캐너는 2개의 실질적으로 직교하는 축을 중심으로 회전되는 단일 미러, 또는 각각이 단일 축을 중심으로 회전되는 2개의 미러를 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 조명 공급원은, 레이저 다이오드, 사이드 바이 사이드(side-by-side) 레이저 다이오드, 발광 다이오드(LED: light-emitting diode), 마이크로 LED, 및 실리콘 액정(LCOS: liquid crystal on silicon) 조명 디바이스를 포함하는 그룹으로부터 선택된 조명 공급원을 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 조명 섹션은 상기 하나 이상의 조명 공급원에 의해 방출된 조명 파워를 모니터링하기 위한 하나 이상의 광검출기(photo-detector)를 포함하는, 프로젝터.
제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 광검출기는 하나 이상의 스펙트럼 필터를 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 조명 섹션은 반사 렌즈를 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 프로젝터는 사이드 바이 사이드 구성으로 배열된 적어도 2개의 조명 공급원을 포함하되, 조명 공급원 각각에 의해 방출된 광의 제1 부분은 상기 스캐너 및 상기 포커싱 렌즈를 투과하는, 프로젝터.
제10항에 있어서, 상기 조명 공급원 각각에 의해 방출된 광의 제2 부분은 광검출기 어레이를 향해 반사되는, 프로젝터.
제11항에 있어서, 상기 광의 제2 부분은 상기 조명 공급원의 패스트(fast) 축을 따라 방출되고, 상기 패스트 축은 넓은 빔 발산을 갖는, 프로젝터.
제10항에 있어서, 상기 사이드 바이 사이드 구성의 최외측 빔들 사이의 간격은 적어도 0.1 밀리미터에 걸쳐 있는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 NAE의 표면은 상기 릴레이 섹션 및 상기 조명 섹션 중 적어도 하나로부터 기인되는 상면 만곡 수차(field curvature aberration)를 적어도 부분적으로 보정하기 위해 만곡된, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 NAE는 구성요소 간 갭 없이 광학 구성요소들 사이에 내장되는(embedded), 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 NAE는, 적어도 부분적으로 투과시키거나 부분적으로 반사하는 마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro-lens array) 또는 광 산광기(optical diffuser)로서 구현된, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 NAE는, 비교적 높은 광 파워의 MLA의 표면 상에 중첩된 비교적 낮은 광 파워의 산광기를 포함하는 발산된 MLA로서 구현되는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 NAE 평균 확장 비율의 값은 2 내지 5의 범위 내에 있는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 릴레이 섹션은 굴절 시준 렌즈 또는 반사 시준 렌즈를 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 릴레이 섹션은 하나 이상의 편광 광학 요소를 포함하는, 프로젝터.
제20항에 있어서, 상기 릴레이 섹션은 편광 빔 스플리터 및 반사 시준기 렌즈를 포함하는, 프로젝터.
제1항에 있어서, 상기 포커싱 렌즈 및 상기 릴레이 섹션은, 상기 스캐너의 스캐닝 평면이 상기 사출 동공의 이미지 공액이 되도록 구성된, 프로젝터.
헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터에 있어서, 도파관과 광학적으로 연통되는 릴레이 섹션을 포함하되, 상기 릴레이 섹션은 사출 동공을 갖고, 상기 도파관은 입사 동공을 갖는, 프로젝터.
제23항에 있어서, 가로축 조리개 및/또는 세로축 조리개는 상기 사출 동공 및/또는 상기 입사 동공에, 또는 이에 근접하게 위치된, 프로젝터.
제23항에 있어서, 상기 릴레이 섹션은 상기 사출 동공을 상기 입사 동공에 광학적으로 연결하는 결합 프리즘을 포함하는, 프로젝터.
제25항에 있어서, 상기 결합 프리즘의 하나 이상의 표면은 가로축 조리개 및/또는 세로축 조리개를 포함하는, 프로젝터.
헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터에 있어서, 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하되,
상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 및 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈를 포함하고,
상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고,
상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성되고,
상기 NAE는 만곡된 표면을 포함하며, 상기 만곡된 표면의 곡률은 상기 릴레이 섹션 및 상기 조명 섹션 중 적어도 하나로부터 기인되는 상면 만곡 수차를 적어도 부분적으로 보정하도록 구성된, 프로젝터.
제27항에 있어서, 상기 NAE 평균 확장 비율의 값은 2 내지 5의 범위 내에 있는, 프로젝터.
헤드 마운트 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 컴팩트 프로젝터에 있어서, 조명 섹션, 릴레이 섹션, 및 개구수 확장기(NAE: numerical aperture expander)를 포함하되,
상기 조명 섹션은 하나 이상의 조명 공급원, 광을 이미지 평면 상에 수렴시키는 포커싱 렌즈, 및 상기 포커싱 렌즈와 상기 이미지 평면 사이에 개재된 스캐너를 포함하고, 상기 스캐너는 수렴 빔에 의해 조명되고,
상기 릴레이 섹션은 상기 이미지 평면으로부터 사출 동공 상으로 광을 시준하는 광학 요소를 포함하고,
상기 NAE는 상기 조명 섹션으로부터, 제1 평균 개구수를 갖는 광을 수신하도록, 그리고 1(unity)보다 더 큰 NAE 평균 확장 비율만큼 상기 제1 평균 개구수보다 더 큰 제2 평균 개구수를 갖는 광을 상기 릴레이 섹션에 투과시키도록 구성된, 프로젝터.
제29항에 있어서, 상기 조명 섹션은, 상기 이미지 평면에 근접하게, 그리고 상기 스캐너와 상기 이미지 평면 사이에 개재된 시야 렌즈를 더 포함하는, 프로젝터.
제30항에 있어서, 상기 스캐너로부터 상기 시야 렌즈로 전파되는 광의 빔 직경은 적어도 2배만큼 감소되는, 프로젝터.