KR20220151658A - 레이저 효율 및 눈 안전성이 향상된 근안 디스플레이 - Google Patents

레이저 효율 및 눈 안전성이 향상된 근안 디스플레이 Download PDF

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Abstract

관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이는 향상된 레이저 효율과 향상된 눈 안전 특징부를 제공한다. 디스플레이는 하나 이상의 레이저 스폿을 생성하는 레이저 소스와, 이미지 필드에 걸쳐서 레이저 스폿을 스캐닝하는 스캐닝 드라이버를 포함한다. 전기 에너지 소비는 0에 근접한 레벨, 임계값 근접 레벨, 레이저 동작 레벨이라는 3가지 전력 레벨로 레이저 소스를 변조하고, 변조를 스캐닝 드라이버와 동기화하는 것에 의해 최소화된다. 다른 실시형태에서, 레이저 모듈은 이미지 필드 상의 비중첩 라인을 스캐닝하는 2개 이상의 레이저 스폿을 생성한다. 스캐닝은 스캐닝 오작동의 경우에도 관찰자의 눈에서의 광도가 눈 안전 레벨을 초과하는 것을 방지하도록 구성된다.

Description

레이저 효율 및 눈 안전성이 향상된 근안 디스플레이
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 다음과 같은 공동 소유의 미국 특허 가출원들과 관련되고 이들로부터의 우선권을 주장하며, 이들 모두는 본 출원과 동일한 발명자에 의해 작성되었다: "Near-eye Display with Reduced Eye Intensity"라는 명칭으로 2020년 4월 20일자로 출원된 US 63/012,283; 및 "Laser Driver Modulation for a Laser Projector"라는 명칭으로 2020년 4월 27일자로 출원된 US 63/015726. 이들 가출원의 개시내용은 그들 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명의 분야
본 발명은 근안 디스플레이(near-eye display)에 관한 것으로, 특히 레이저 효율 및 눈 안전성이 향상된 근거리 디스플레이에 관한 것이다.
레이저 조명은 그 밝기가 야외 풍경과 비슷한 가상 이미지를 제공하기 위해 근안 디스플레이에서 자주 사용된다. 컬러 디스플레이에서, 이미지는 적색, 녹색 및 청색 레이저에 의해 생성되는 밝은 스폿(bright spot)에 의해 형성된다. 스폿은 액추에이터에 의해 제어되는 1개 또는 2개의 미러에 의해 시야(field of view: FOV)에 걸쳐서 스캐닝된다.
이러한 근안 디스플레이의 설계에서, 2개의 상충되는 밝기 요구 사항이 있다. 한편으로, 스캐닝된 스폿의 밝기는 이미지가 전체 풍경의 배경에서 보일 수 있을 정도로 충분히 높아야만 한다. 다른 한편으로, 밝기는 관찰자의 눈에 들어오는 조합된 광 강도가 눈 안전 한계 내에 있을 만큼 충분히 낮아야만 한다. 이것은 특히 인간의 눈이 특히 민감한 청색광 파장에 해당된다.
배터리 구동식 근안 디스플레이에 대한 추가 고려 사항은 충분한 레이저 조명을 제공하는데 필요한 전력을 감소시키는 것이다. 레이저 광 펄스는 레이저 공진 공동에서의 내부 전력 손실을 초과하는 레이저 작동 임계 레벨까지 공동이 여기될 때 레이저 드라이버에 의해 방출되거나 또는 펌핑된다. 레이저 광 펄스의 지속 시간은 전형적으로 펄스를 여기시키기 위해 드라이버가 필요로 하는 총 시간보다 짧아야만 한다. 이것은 달성될 수 있는 펄스 반복률을 초당 펄스 단위로 제한한다.
높은 펄스 반복률을 달성하는 한 가지 방법은 레이저 작동 임계값 바로 아래인, 연속적으로 여기된 상태로 공진 공동을 유지하는 것이다. 그러나, 이것은 레이저 드라이버의 연속적인 작동과, 많은 양의 전기 에너지의 소비를 요구한다.
본 발명은 눈 안전을 보장하고 전기 에너지를 절약하면서 밝은 가상 이미지를 제공하는 근안 디스플레이를 제공한다.
현재 개시된 요지의 한 양태에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이가 제공된다. 디스플레이는 적어도 3개의 레이저 스폿을 생성하는 레이저 모듈을 제어하는 레이저 드라이버; 및 이미지 필드(image field) 내에서 레이저 스폿을 이동시키는 스캐닝 모듈과 통신하는 스캐닝 드라이버를 포함한다. 레이저 드라이버는 기준 전력 레벨, 임계값 근접 전력 레벨, 및 레이저 작동 전력 레벨을 특징으로 하는 전력 변조를 제공한다. 전력 변조의 타이밍은 스캐닝 드라이버와 동기화되고, 레이저 스폿의 위치 불확실성을 특징화하는 하나 이상의 불확실성 타원을 갖는 이미지 패턴의 컨볼루션(convolution)에 의해 결정된다.
일부 양태에 따르면, 전력 변조의 타이밍은 근안 디스플레이의 전기 에너지 소비를 최소화하도록 구성된다.
일부 양태에 따르면, 디스플레이는 이미지 생성기를 갖는 제어기, 및 적어도 2개의 조명 제어기를 포함한다.
일부 양태에 따르면, 적어도 2개의 조명 제어기는 전력 변조의 타이밍을 스캐닝 드라이버 및 이미지 생성기와 동기화하도록 구성된다.
현재 개시된 요지의 다른 양태에 따르면, 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이가 제공된다. 디스플레이는, 겉보기 광 강도를 생성하는 적어도 3개의 비중첩 레이저 스폿을 생성하는 레이저 모듈로서, 상기 레이저 스폿의 각각은 관찰자의 눈에 영향을 미치는, 상기 레이저 모듈; 및 이미지 필드 내에서 적어도 2개의 독립적인 스캐닝 방향으로 레이저 스폿을 이동시키는 스캐닝 모듈과 통신하는 스캐닝 드라이버를 포함한다. 또한, 레이저 스폿은 스캐닝 모듈의 정상적인 기능 동안 및/또는 레이저 스폿이 스캐닝 방향 중 어느 하나 또는 모두로 이동하는데 실패하는 스캐닝 모듈의 오작동 동안 비중첩 라인들을 가로지른다.
일부 양태에 따르면, 레이저 스폿 중 적어도 2개는 상이한 광학 파장을 갖는다.
일부 양태에 따르면, 레이저 스폿은 스캐닝 방향 중 하나에 실질적으로 평행하거나 또는 상기 하나에 대해 비스듬한 각도로 있는 하나 이상의 라인에 배열된다.
일부 양태에 따르면, 레이저 스폿의 겉보기 광학 강도들의 어떠한 조합도 스캐닝 모듈의 정상적인 기능 동안 및/또는 레이저 스폿이 스캐닝 방향 중 어느 하나 또는 모두로 이동하는데 실패하는 스캐닝 모듈의 오작동 동안 사전 결정된 눈 안전 레벨을 초과하지 않는다.
일부 양태에 따르면, 스캐닝 모듈은 공진 스캐너 및 선형 스캐너를 포함한다.
일부 양태에 따르면, 디스플레이는 공진 스캐너의 위치를 측정하는 센서를 포함한다.
일부 양태에 따르면, 스캐닝 모듈은 2-축 미러 및 2-축 액추에이터를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 본 명세서에서 설명된다:
도 1: 본 발명의 실시형태에 따른 근안 디스플레이의 예시적인 광학 레이아웃.
도 2A, 도 2B 및 도 2C: 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 레이저 전력 변조를 도시하는 그래프.
도 3A, 도 3B, 도 3C 및 도 3D: 본 발명에 따른 예시적인 이미지 필드를 스캐닝할 때 레이저 전력 변조의 타이밍을 도시하는 도면.
도 4A, 도 4B, 도 4C 및 도 4D: 본 발명의 실시형태에 따른 제1 3-스폿 스캐닝 방법을 도시한 도면.
도 5A, 도 5B, 도 5C 및 도 5D: 본 발명의 실시형태에 따른 제2 3-스폿 스캐닝 방법을 도시한 도면.
도 6A, 도 6B 및 도 6C: 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 6-스폿 스캐닝 방법을 도시하는 도면.
도 7: 본 발명의 레이저 전력 변조 및 6-스폿 스캐닝 방법을 사용하는 근안 레이저 디스플레이를 위한 제어기의 예시적인 블록도.
본 발명은, 각각이 레이저 조명을 사용하는 근안 디스플레이의 구현예와 관련된 문제를 해결하고 개별적으로 이점을 얻기 위해 사용될 수 있거나 상당한 이점을 제공하기 위해 시너지 효과로 조합될 수 있는 다수의 별개의 양태를 포함한다. 본 발명에 따른 근안 레이저 디스플레이의 원리 및 작동은 도면 및 첨부된 설명을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근안 디스플레이(100)의 예시적인 광학 레이아웃을 도시한다. 조명 광학 모듈(104)은 그 강도가 레이저 드라이버(108)에 의해 제어되는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)으로 표시된 3개의 레이저 소스를 갖는 레이저 모듈(109)을 포함한다. 레이저 소스는, 상이한 경로를 따라서 전파되고 미러(121)에 의해 반사되고 렌즈(122)에 의해 굴절됨에 따라서 기하학적으로 조합되는 3개의 발산 레이저 빔을 생성한다. 조합된 빔은 스캐닝 드라이버(112)에 의해 실시간으로 제어되는 스캐닝 모듈(123)에 의해 2개의 직교 방향으로 스캐닝된다. 스캐닝 모듈(123)은 도 1에 도시된 바와 같이 공진 스캐너(124) 및 선형 스캐너(125), 또는 대안적으로 2-축 미러 및 2-축 액추에이터로 이루어질 수 있다. 공진 스캐너(124)는 일반적으로 스캐닝 동안 레이저 스폿 위치의 정확한 측정을 가능하게 하는 위치 센서를 포함한다. 이미징 렌즈(126)는 스캐닝된 빔을 도파관 동공(127)에 결합하기 위해 동공 이미징을 제공한다. 레이저 드라이버(108)와 스캐닝 드라이버(112)는 투사 광학 모듈(128)에 의해 관찰자의 눈(129)에 투사된 이미지를 생성하기 위해 제어기(도 7에 도시된)에 의해 동기화된다.
향상된 레이저 효율을 위한 레이저 전력 변조
도 2A, 도 2B 및 도 2C는 본 발명에 따른 예시적인 레이저 전력 변조를 예시하는 그래프를 도시한다. 도 2A는 (a) 레이저 작동을 생성하는 임계 전류가 0이고 (b) 레이저 드라이버의 타이밍 정확도가 완벽한, 즉, 레이저 디스플레이 이미지 필드 내부에 가시적인 이미지 패턴을 생성하는데 필요한 시간에 레이저 펄스가 정확하게 트리거되는 "이상적인" 상황을 잠시 가정할 때 수직 축에서의 레이저 전력 대 수평 축의 시간의 그래프를 도시한다. 이러한 이상적인 상황에서, 레이저 드라이버는 시간(2DS)으로부터 시간(2DE)까지만 작동할 필요가 있다.
도 2B는 타이밍 부정확성을 고려하는 시간 여유를 포함하여 넌-제로 레이저작동 임계 레벨 또는 그 바로 아래에서 레이저 전력을 유지하기 위한 예시적인 레이저 전력 변조의 그래프를 도시한다. 임계값을 유지하기 위한 레이저 전력은 시간(1TS)에서 시작하고("임계값 시작") 시간(1TL)에서 안정화된다. 시간(1TLE)은 임계값을 위한 펌핑의 종료에 대응한다. 펌핑이 없으면, 레이저 전력은 감쇠하고 시간(1TE)에서 그 시작 레벨에 도달한다. 단순화를 위해, 상승 시간(1TL-1TS)은 감쇠 시간(1TE-1TLE)과 거의 동일한 것으로 도시된다. 임계 시간 간격(1TLE-1TL)의 크기는 레이저 드라이버(108)에 의해 레이저 전력 변조 파라미터를 계산할 때 레이저 스폿의 예측된 위치의 추정의 정확도에 의존한다(공진 스캐너(124)에 장착된 위치 센서에 의해 제공되는 레이저 스폿의 정확한 위치 측정이 대체로 레이저 드라이버 변조 계산이 끝날 때까지만 이용 가능하기 때문에 예측이 필요하다). 또한, 인접한 레이저 펄스들은, 펄스들 사이에 상당한 시간 간격이 있을 때만 감쇠하는 일정한 연속 임계 드라이브를 생성한다.
도 2C는 본 발명의 원리에 따른 레이저 펄스를 생성하기 위한 예시적인 레이저 전력 변조의 그래프를 도시한다. 최적의 전력 변조(207)는 본질적으로 도 2A 및 도 2B에서의 그래프의 중첩인 실선으로 표현된다. 2B에서의 안정기는 최적의 전력 변조(207)에 영향을 미치지 않으면서 파선 프로파일(205)에 의해 표시된 바와 같이 2A의 피크에 대해 이동될 수 있다. 변조(207)는 3가지 레이저 전력 레벨을 특징으로 한다: 기준 전력 레벨(207A), 임계값 근접 전력 레벨(207B), 및 레이저 작동 전력 레벨(207C). 임계값 근접 레벨 전력 레벨(207B)은 파선으로 표시된 임계 레벨 약간 아래에 있다.
레이저 드라이버에 의해 공급된 총 전기 에너지는 음영 영역(203)을 포함하지 않는 도 2C의 실선 아래 영역에 비례한다. 종래의 레이저 전력 변조 방식에 의해 소비되는 전력은 종래의 방식이 레이저 작동 임계값 바로 아래에서 공진 공동을 연속적으로 여기된 상태로 유지하기 때문에 이러한 음영 영역을 포함한다. 본 발명의 레이저 전력 변조는 종래 기술보다 타이밍이라는 면에서 다소 복잡하지만 훨씬 더 에너지 효율적이다. 이것은 배터리로 작동되는 근안 디스플레이에서 상당히 중요하다.
도 3A, 도 3B, 도 3C 및 도 3D는 본 발명에 따른 예시적인 이미지 필드를 스캐닝할 때 레이저 전력 변조의 타이밍을 도시하는 도면을 도시한다. 도 3A에서, 이미지 필드(346)는 스캐닝 드라이버(112)에 의해 그 동작이 제어되는 레이저 스폿(342)에 의해 스캐닝된다. 스폿은 화살표(345)의 방향으로 이동하여, 전체 이미지 필드(346)를 커버하는 스캐닝 패턴을 형성한다.
도 3B는 이미지 필드(346) 내부에서 검은색 삼각형으로 표현된 예시적인 이미지 패턴(347)의 스캐닝을 도시한다. 레이저 드라이버(108)는 레이저 빔이 이미지 패턴(347)의 내부에 걸쳐서 스캐닝하는 시간 동안 레이저 작동 임계 레벨 위로 레이저 전력을 상승시킨다. 종래 기술의 레이저 전력 변조 방식에서, 레이저 드라이버(108)는 레이저 스폿이 또한 이미지 필드(346)의 흰색 영역에 걸쳐서 스캐닝하는 동안 레이저 전력의 임계 레벨을 유지하여, 전력의 낭비 및 또한 레이저 모듈의 가능한 과도한 가열을 초래한다.
도 3C는 본 발명에 따른 레이저 전력 변조의 타이밍을 결정하기 위한 불확실한 타원(300A, 300B)을 도시한다. 타원은 스폿이 이미지 필드(346)에서 라인(344)을 스캐닝함에 따라서 각각 임계 시간(1TS) 및 레이저 시작 시간(2DS)에서 레이저 스폿 위치의 불확실성을 나타낸다. 타원은 X-방향으로 늘어나며, 이는 대략 공진 스캐너(124)의 스캐닝 방향과 일치한다. 이러한 방향으로의 스캐닝 동작은 선형 스캐너(125)의 스캐닝 동작에 비해 매우 빠르다. 타원의 치수는 또한 상승 시간(1TL-1TS) 및 레이저 전력 변조의 감쇠 시간(1TE-1TLE)을 설명한다.
도 3D는 예시적인 이미지 패턴(347)을 스캐닝할 때 본 발명의 레이저 전력 변조의 타이밍을 도시한다. 라인(345)은 레이저 스폿에 의해 스캐닝된 라인을 나타낸다. 형상(302A 및 302B)은 각각 불확실성 타원(300A 및 300B)을 갖는 예시적인 이미지 패턴(347)의 컨볼루션을 나타낸다. 레이저 스폿의 위치는 대응하는 레이저 전력 변조 시간(1TS, 2DS, 2DE, 1TLE 및 1TE)에서 표시된다. 이러한 변조 시간은 근안 디스플레이에 의한 전기 에너지의 소비를 최소화하는 동시에, 레이저 모듈이 스캐닝과 협력하여 이미지 패턴(347)을 조명하는 것을 보장한다.
눈 안전성이 향상된 스캐닝 방법
근안 디스플레이에서, 레이저 생성 이미지의 휘도는 대체로 전형적으로 약 5000 NIT인 실외 주간 휘도와 거의 동일한 휘도를 가지며, 여기서 1 NIT는 제곱미터당 1 칸델라의 백색광 강도와 같다.
다음의 논의는 다음의 세 가지 경우의 각각에서 스캐닝 모듈(123)의 오작동이 눈 안전에 미치는 영향을 나타낸다:
(a) 공명 스캐너(124) 및 선형 스캐너(125)가 작동하지 않음;
(b) 선형 스캐너만 작동하지 않음; 및
(c) 공진 스캐너만 작동하지 않음.
(a)의 경우에, 레이저 스폿은 단일 이미지 픽셀 위의 위치에서 고정된 상태로 유지되고, 그 픽셀에서의 겉보기 광 강도는 5000 NIT×N으로 상승하며, 여기서 N은 이미지 픽셀의 수이다. 예를 들어, N = 800×600 = 480000의 경우, 강도는 2.4×109 NIT로 상승한다. 이것은 태양을 직접 응시할 때 망막에 영향을 미치는 휘도보다 약 1.5배 더 크다. 이러한 높은 강도는 관찰자의 눈에 명백히 위험하다. 아주 최소한으로, 관찰자는 깜박임으로 반응하고, 결국에는 근안 디스플레이를 완전히 제거하는 것으로 반응하였을 것이다.
(b)의 경우에, 선형 스캐너(125)는 작동하지 않고, 공진 스캐너(124)는 계속해서 정상적으로 작동한다. 이 경우에 겉보기 광 강도의 계산은 표 1에 주어진 예시적인 이미지 필드 스캐닝 파라미터에 대해 아래에 제시된다. 제시된 계산은 대략적인 것이며 예시 목적을 위해 단순화되었다는 것에 유의한다. 눈 안전 규정을 준수하기 위해, 대체로 더 복잡한 계산이 필요하다.
Figure pct00001
공진 스캐닝 미러의 주파수(fM)는 양방향 조명과 스캐닝 오버헤드가 없다는 가정 하에 계산된다. 공진 스캐너(124)는 27 마이크로초와 동일한 시간(TL)에 라인에 걸쳐서 스캐닝하고; 그러나, 라인 스캐너(125)가 작동하지 않기 때문에, 동일한 라인이 여러 번 연속해서 스캐닝된다. 픽셀당 겉보기 강도는 2.4×109 NIT/NP = 3×106 NIT와 같다. 이러한 겉보기 강도는 태양의 강도보다 훨씬 낮고, 눈을 손상시키지 않으며, 이는 수 마이크로초의 시간에 걸쳐서 열 에너지를 발산하더라도, 여전히 다소 높고 관찰자에게 불편하다.
(c)의 경우에, 공진 스캐너(124)는 작동하지 않고, 선형 스캐너(125)는 계속해서 정상적으로 작동한다. 이 경우에, 레이저 스폿은 한 라인에서 다음 라인으로 천천히 이동하지만, 16 밀리초인 TF와 동일한 비교적 긴 시간 동안 각각의 라인의 동일한 수평 위치에 머문다. 스폿이 너무 느리게 이동하기 때문에, 눈에 영향을 미치는 겉보기 강도는 경우 (a)와 거의 동일하며, 즉, 2.4×109 NIT이다. 그러므로, (a)와 (c)의 경우 스캐너의 오작동이 근안 디스플레이 관찰자의 눈의 안전을 위협하고, 경우 (b)에서의 스캐너의 오작동은 눈의 불편함을 유발할 수 있지만 손상시키지는 않는다.
도 4A 내지 도 4D, 도 5A 내지 도 5D, 및 도 6A 내지 도 6d는 본 발명의 스캐닝 방법의 다양한 예시적인 실시형태가 위에서 언급된 스캐너 오작동의 경우에 의해 제기된 눈 안전에 대한 위협을 극복하는 방법을 도시한다.
도 4A, 도 4B, 도 4C 및 도 4D는 본 발명의 일 실시형태에 따른 제1 3-스폿 스캐닝 방법을 도시한 도면이다. 도 4A에서, 이미지 평면(410) 상의 3개의 레이저 스폿(480A, 481A, 482A)은 3개의 상이한 레이저 소스로부터의 조명에 대응한다. 화살표로 표시된 X 및 Y-축은 각각 스캐너(124 및 125)의 스캐닝 축을 나타낸다. 도 4A에서, 레이저 스폿은 X-축에 실질적으로 평행한 라인 상에 배열된다. 도 4B는 각각 레이저 스폿(480A, 481A, 482A)의 스캐닝에 의해 형성된 이미지 필드(480B, 481B, 481C)를 도시한다. 3개의 이미지 필드는 서로에 대해 수평으로 이동된다는 것에 유의한다. 3개의 스폿에 대한 스캐닝 패턴은 도 4B에서 파선, 실선 및 점선으로 표시된다. 3개의 레이저 스폿의 장점은 종래 기술의 조합된 스폿과 비교하여 각각의 스폿이 전체 강도의 약 1/3을 가지도록 광 강도가 분산된다는 점이다. 그러므로, 위의 경우 (a)에서와 같이 스캐너(124, 125)가 모두 작동하지 않으면, 스폿당 강도는 조합된 스폿의 강도의 약 1/3, 즉, (1/3) (2.4×109) = 8×108 NIT이다.
도 4C는 위의 경우(b)에서와 같이 선형 스캐너(125)만이 작동하지 않을 때 3개의 스폿(480A, 481A, 482A)의 작동을 도시하는 도면이다. 이 경우에, 3개의 스폿이 동일한 라인(496)에 걸쳐서 연속적으로 여러 번 스캐닝한다. 스캐닝 패턴이 거의 중첩되는 한, 관찰자의 눈의 동일한 섹션이 짧은 시간 간격에 걸쳐서 조명된다. 예를 들어, 눈의 열적 통합 시간에 필적하는 수 마이크로초의 기간 동안, 3개의 스폿은 3개의 중첩 라인 세그먼트(480C, 481C 및 482C)를 스캐닝한다. 중첩 때문에, 관찰자에 대한 겉보기 광 강도는 대략 3개 스폿을 모두 합한 것, 즉, 2.4×109 NIT/NP = 3×106 NIT이다.
도 4D는 위의 경우 (c)에서와 같이, 공진 스캐너(124)만이 작동하지 않을 때 3개의 스폿(480A, 481A, 482A)의 작동을 도시하는 도면이다. 이 경우에, 3개의 스폿(480A, 481A, 482A)은 각각의 3개의 별개의(비중첩) 라인(480D, 481D, 482D)에 걸쳐서 스캐닝한다. 그러므로, 이 경우에 겉보기 광 강도는 조합된 스폿의 약 1/3, 즉, (1/3)(2.4×109) = 8×108 NIT에 불과하다.
따라서, 3가지 스캐너 오작동의 경우 모두에서, 관찰자의 눈에서의 겉보기 광 강도는 도 4A 내지 도 4D에 예시된 3-스폿 스캐닝 방법에 대해 눈 안전 한계 내에 있다.
도 5A, 도 5B, 도 5C 및 도 5D는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 제2 3-스폿 스캐닝 방법을 도시한 도면이다. 도 5A는 이미지 평면(510)에서 보일 때 3개의 상이한 레이저 소스에 대응하는 3개의 레이저 스폿(590A, 591A, 592A)의 위치를 도시한다. 화살표로 표시된 X 및 Y-축은 각각 스캐너(124, 125)의 스캐닝 축을 나타낸다. 도 5A에서, 레이저 스폿은 X-축과 비스듬한 각도를 형성하는 라인 상에 배열된다. 도 5B는 각각 레이저 스폿(590A, 591A, 592A)의 스캐닝에 의해 형성된 이미지 필드(590B, 591B, 591C)를 도시한다. 3개의 이미지 필드가 서로에 대해 수평 및 수직으로 모두 이동된다는 점에 유의한다. 3개의 스폿에 대한 스캐닝 패턴은 도 5B에서 파선, 실선 및 점선으로 표시된다. 더욱이, 스캐닝 패턴이 완전히 중첩되지 않기 때문에, 겉보기 광 강도는 종래 기술의 조합된 스폿과 비교하여 정상 작동 동안 모든 픽셀에서 약 1/3배만큼 감소된다. 또한, 스캐너(124, 125)가 위의 (a)의 경우에서와 같이 모두 작동하지 않으면, 스폿당 강도는 조합된 스폿의 강도의 약 1/3, 즉, (1/3)(2.4×109) = 8×108 NIT이다.
도 5C 및 도 5D는 2개의 스캐너 중 하나가 오작동으로 인해 작동하지 않을 때 3개의 스폿(590A, 591A, 592A)의 작동을 예시한다. 도 5C에서, 공진 스캐너(524)는 작동하고 선형 스캐너(525)는 위의 경우 (b)에서와 같이 작동하지 않는다. 이 경우에, 3개의 스폿은 별개의 (비중첩) 라인(590C, 591C 및 592C)에 걸쳐서 스캐닝하고, 관찰자에 대한 겉보기 광 강도는 도 4C에서의 조합된 스폿의 1/3, 즉, (1/3)(3×106) = 1×106 NIT에 불과하다. 도 5D에서, 스캐너(25)는 작동하고 공진 스캐너(24)는 위의 경우 (c)에서와 같이 작동하지 않는다. 이 경우에, 3개의 스폿(580A, 581A, 582A)은 3개의 별개의 (비중첩) 라인(590D, 591D, 592D)에 걸쳐서 각각 스캐닝한다. 그러므로, 이러한 경우의 겉보기 광 강도는 조합된 스폿의 약 1/3, 즉, (1/3)(2.4×109) = 8×108 NIT이다.
따라서, 오작동하는 스캐너의 3개의 모든 경우에, 관찰자의 눈에서의 겉보기 광 강도는 도 5A 내지 도 5D에 예시된 3-스폿 스캐닝 방법에 대해 눈 안전 한계 내에 있다.
도 6A, 도 6B 및 도 6C는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 6-스폿 스캐닝 방법의 도면을 도시한다. 도 6A는 이미지 평면(610) 상에 6개의 상이한 레이저 소스에 대응하는 6개의 레이저 스폿(600A 내지 605A)의 배향을 도시한다. 이전과 같이, 화살표로 표시된 X 및 Y-축은 스캐너(124 및 125)의 스캐닝 축을 각각 나타낸다. 도 6A에서, 6개의 레이저 스폿은 X-축과 비스듬한 각도를 형성하는 2개의 라인에 배열된다. 6개의 레이저 스폿에 의해 스캐닝된 이미지 필드는 서로에 대해 수평 및 수직으로 이동된다. 또한, 스캐닝 패턴이 완전히 중첩되지 않기 때문에, 겉보기 광 강도는 종래 기술의 조합된 스폿과 비교하여 정상 작동 동안 모든 픽셀에서 약 1/6배만큼 감소된다. 또한, 위의 경우 (a)에서와 같이 스캐너(124, 125)가 모두 작동하지 않으면, 스폿당 강도는 조합된 스폿의 강도의 약 1/6, 즉, (1/6)(2.4×109) = 4×108 NIT에 불과하다.
도 6B 및 도 6C는 오작동으로 인해 2개의 스캐너 중 하나가 작동하지 않을 때 6개의 스폿(600A 내지 605A)의 동작을 도시한다. 도 6B에서, 공진 스캐너(124)는 작동하고 선형 스캐너(125)는 위의 경우 (b)에서와 같이 작동하지 않는다. 이 경우에, 6개의 스폿은 별개의 (비중첩) 라인(600B 내지 605B)에 걸쳐서 스캐닝하고, 관찰자에 대한 겉보기 광 강도는 도 4C에서 조합된 스폿의 1/6, 즉, (1/6)(3×106) =×105 NIT에 불과하다. 도 6C에서, 선형 스캐너(125)는 작동하고 공진 스캐너(124)는 위의 경우 (c)에서와 같이 작동하지 않는다. 이 경우에, 6개의 스폿은 6개의 별개의 (비중첩) 라인(600C 내지 605C)에 걸쳐서 스캐닝하고, 관찰자에 대한 겉보기 광 강도는 결합된 스폿의 약 1/6, 즉, (1/6)(2.4)×109) = 4×108 NIT이다.
따라서, 스캐너가 오작동하는 세 가지 경우 모두에서, 관찰자의 눈에서의 겉보기 광 강도는 도 6A 내지 도 6C에 예시된 6-스폿 스캐닝 방법에 대해 눈 안전 한계 내에 있다.
제어기 블록도
도 7은 본 발명의 레이저 전력 변조 및 6-스폿 스캐닝 방법을 사용하는 근안 레이저 디스플레이를 위한 제어기(700)의 예시적인 블록도를 도시한다. 이미지 생성기(702)는 오버레이되어 관찰자에 투사되는 2개의 컬러 이미지를 생성하는 2개의 3-레이저 조명 제어기(203A 및 203B)에 이미지 데이터를 제공한다. 조명 제어기(203A)에 의해 제어되는 3-레이저 스폿의 위치와 조명 제어기(203B)에 의해 제어되는 3-레이저 스폿의 위치 사이에는 본질적으로 상관 관계가 없으며; 따라서 6개의 레이저 스폿의 각각은 일반적으로 스캐닝된 이미지의 상이한 픽셀을 조명한다. 때때로, 스폿은 중첩되어, 강도에서의 증가를 초래하고, 때때로 중첩되지 않아, 해상도에서의 증가를 초래한다. 통계적으로, 2개의 중첩된 이미지의 사용은 2의 제곱근과 거의 같은 인자만큼 스캐닝된 이미지의 픽셀 처리량에서의 증가로 이어진다.
2개의 조명 제어기(703A(또는 B))의 각각은 광학 왜곡 및 색상/화이트 밸런스에 대해 이미지를 보정하는 전처리 유닛(704A(또는 B)); 도 3C에 도시된 불확실성 타원을 이미지 생성기(702)로부터 수신된 이미지 패턴과 컨볼루션하는 컨볼루션 유닛(705A(또는 B)); 합산(또는 중첩) 유닛(707A)(또는 B); 스캐닝 드라이버(112)로부터 입력 신호를 수신하고 레이저 모듈(109A(또는 B))에서 3개의 레이저의 강도를 제어하는 레이저 드라이버(108A(또는 B))에 보간 및 트리거링 신호를 제공하는 조정 유닛(710A(또는 B))으로 이루어진다.
스캐닝 모듈(123)은 선형 스캐너(125)와 공진 스캐너(124)를 포함하며, 이것들은 또한 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 공진 스캐너의 순간 위치는 센서(도시되지 않음)에 의해 측정되고, 각각의 레이저 드라이버(108A, 108B)와 통신하는 조정 모듈(710A 및 710B)로 전송된다.
도 7에서 별개의 유닛의 표시는 명확성을 위한 것이며; 특정 구현예에서, 별개의 유닛의 기능을 단일 모듈로 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도 7에서의 블록도는 2개 이상의 조명 제어기(703A, 703B)를 포함하고 이미지 필드에서 6개 이상의 레이저 스폿을 생성하도록 확장될 수 있다. 이것은 관찰자의 눈에서의 겉보기 광 강도를 더욱 감소시키는 것에 의해 눈 안전에서의 추가 개선을 가능하게 하고, 픽셀 처리량의 추가 증가를 또한 가능하게 할 것이다.
위의 설명은 단지 예로서 작용하도록 의도되고, 많은 다른 실시형태가 가능하고 위에서 설명되고 첨부된 청구범위에서 한정된 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (11)

  1. 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이(near-eye display)로서,
    적어도 3개의 레이저 스폿을 생성하는 레이저 모듈을 제어하는 레이저 드라이버; 및
    이미지 필드 내에서 상기 레이저 스폿을 이동시키는 스캐닝 모듈과 통신하는 스캐닝 드라이버
    를 포함하되; 상기 레이저 드라이버는 기준 전력 레벨, 임계값 근접 전력 레벨, 및 레이저 작동 전력 레벨을 특징으로 하는 전력 변조를 제공하며;
    상기 전력 변조의 타이밍은 상기 스캐닝 드라이버와 동기화되고, 상기 레이저 스폿의 위치 불확실성을 특징화하는 하나 이상의 불확실성 타원을 갖는 이미지 패턴의 컨볼루션에 의해 결정되는, 근안 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 변조의 타이밍은 상기 근안 디스플레이의 전기 에너지 소비를 최소화하도록 구성되는, 근안 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 이미지 생성기를 갖는 제어기, 및 적어도 2개의 조명 제어기를 더 포함하는, 근안 디스플레이.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 2개의 조명 제어기는 상기 전력 변조의 타이밍을 상기 스캐닝 드라이버 및 상기 이미지 생성기와 동기화하도록 구성되는, 근안 디스플레이.
  5. 관찰자에게 이미지를 디스플레이하기 위한 근안 디스플레이로서,
    적어도 3개의 비중첩 레이저 스폿을 생성하는 레이저 모듈로서, 상기 레이저 스폿의 각각은 관찰자의 눈에 영향을 미치는 겉보기 광 강도를 생성하는, 상기 레이저 모듈; 및
    이미지 필드 내에서 적어도 2개의 독립적인 스캐닝 방향으로 상기 레이저 스폿을 이동시키는 스캐닝 모듈과 통신하는 스캐닝 드라이버
    를 포함하되; 상기 레이저 스폿은 상기 스캐닝 모듈의 정상적인 기능 동안 및/또는 상기 레이저 스폿이 상기 스캐닝 방향 중 어느 하나 또는 모두로 이동하는데 실패하는 상기 스캐닝 모듈의 오작동 동안 비중첩 라인들을 가로지르는, 근안 디스플레이.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 레이저 스폿 중 적어도 2개는 상이한 광학 파장을 갖는, 근안 디스플레이.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 레이저 스폿은 상기 스캐닝 방향 중 하나에 실질적으로 평행하거나 또는 상기 하나에 대해 비스듬한 각도로 있는 하나 이상의 라인에 배열되는, 근안 디스플레이.
  8. 제5항에 있어서, 상기 레이저 스폿의 겉보기 광학 강도들의 어떠한 조합도 상기 스캐닝 모듈의 정상적인 기능 동안 및/또는 상기 레이저 스폿이 상기 스캐닝 방향 중 어느 하나 또는 모두로 이동하는데 실패하는 상기 스캐닝 모듈의 오작동 동안 사전 결정된 눈 안전 레벨을 초과하지 않는, 근안 디스플레이.
  9. 제5항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은 공진 스캐너 및 선형 스캐너를 포함하는, 근안 디스플레이.
  10. 제5항에 있어서, 상기 공진 스캐너의 위치를 측정하는 센서를 더 포함하는, 근안 디스플레이.
  11. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은 2-축 미러 및 2-축 액추에이터를 포함하는, 근안 디스플레이.
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