KR20220160537A - 2차원 확장을 갖는 도광 광학 요소들을 포함하는 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

광학 시스템은 적어도 두 개의 반사기들이 있는 이미지 재지향 배열을 포함하여 이미지 프로젝터로부터 시준된 이미지를 지향시켜 제1 및 제2 방향으로 도광 광학 소자(LOE) 내에서 전파하도록 하고, 커플링 아웃 광학 배열을 향해 부분 반사 내부 표면들의 대응하는 제1 및 제2 세트에 의해 후속적으로 반사되도록 한다. 제1 방향으로 전파되는 시준된 이미지의 우측에 인접한 시야(FOV)의 일부는 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 사용자의 눈에 닿지 않는 시야 영역에서 시준된 이미지의 일부가 자체 중첩을 형성한다.

Description

2차원 확장을 갖는 도광 광학 요소들을 포함하는 광학 시스템

본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 광학 조리개 확장을 달성하기 위한 도광 광학 요소(LOE)를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다.

많은 근안 디스플레이 시스템은 사용자의 눈 앞에 배치된 투명 도광 광학 요소(LOE) 또는 "도파관"을 포함하며, 이는 내부 반사에 의해 LOE 내의 이미지를 전달한 다음 사용자의 눈을 향해 적절한 출력 커플링 메커니즘에 의해 이미지를 커플링한다. 출력 커플링 메커니즘은 내장된 부분 반사기들 또는 "패싯(facet)들"을 기반으로 하거나 회절 요소(diffractive element)를 사용할 수 있다. 아래의 설명은 주로 패싯 기반 커플링 아웃 배열을 참조한다.

이미지 프로젝터의 광학 조리개의 2차원 확장을 달성하기 위한 다양한 도광 광학 요소 구성들이 미국 특허 제10,551,544호 및 PCT 특허 출원 공개 WO 2020/049542 A1에 개시되어 있으며, 둘 모두 본 출원과 함께 공동 할당된다. 이러한 예들에서, 부분 반사 패싯들의 제1 세트는 도광 광학 요소에 주입된 이미지를 점진적으로 반사하여 조리개 확장의 제1 차원을 달성하면서 이를 제1 방향에서 제2 방향으로 재지향하고, 부분 반사 패싯들의 제2세트는 조리개 확장의 제2 차원을 달성하면서 재지향된 이미지를 점진적으로 커플링 아웃한다.

이러한 구성들을 넓은 시야(field of view)로 구현할 때, 사용될 수 있는 각도의 범위는 LOE 내에서 전파되는 이미지의 모든 광선들이 임계각보다 큰 입사각에서 LOE의 주요 표면들에 영향을 주어야 한다는 요구 사항에 따라 한쪽 말단(extremity)에서 제한된다. 다른 쪽 말단에서 LOE 내 이미지의 각도 필드가 LOE의 중심 평면을 가로지르면, 이미지의 특정 광선들이 공액상(conjugate image)의 광선들로 중첩되어(즉, 같은 방향에 있음) 이미지의 해당 부분이 손상된다. LOE 내에서 부분 반사 표면들("패싯들")의 평면들에 의해 추가 제한들이 부과되며, 이는 패싯들의 평면을 가로지르는 이미지 필드의 임의의 부분이 이미지의 인접 영역에 반사되어 손상되기 때문이다. 이러한 고려 사항들은 2차원 조리개 확장을 위한 LOE의 설계를 복잡하게 만들고 표시될 수 있는 이미지들의 각도 필드에 제한들을 부과한다.

본 발명은 이미지 조명을 사용자의 눈으로 보기 위한 아이 모션 박스로 지향시키는 광학 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 실시예의 교시에 따르면, 사용자의 눈으로 볼 수 있도록 이미지를 아이 모션 박스(eye-motion box)로 지향시키는 광학 시스템이 제공되며, 상기 광학 시스템은: (a) 좌측에서 우측으로 그리고 위에서 아래로의 각도 시야와 전파 방향을 나타내는 상기 시야의 중심인 주광선(chief ray)을 갖는 시준된 이미지(collimated image)에 해당하는 조명을 투사하는 이미지 프로젝터(image projector); (b) 투명 재료로 형성되고 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면들을 갖는 도광 광학 요소(LOE); (c) 상기 시준된 이미지가 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 상기 LOE 내의 상기 제1 방향으로 상기 조명의 일부를 재지향시키기 위해 배치된 적어도 제1 반사기 및 상기 시준된 이미지가 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 상기 LOE 내의 상기 제2 방향으로 상기 조명의 일부를 재지향시키기 위해 배치된 적어도 제2 반사기를 포함하는 이미지 재지향 배열(image redirecting arrangement); (d) 상기 LOE와 연관되고 상기 LOE 내에서 전파하는 조명을 상기 아미 모션 박스를 향해 외부로 편향시키도록 구성된 커플링 아웃(coupling-out) 광학 배열; 및 (e) 상기 LOE 내의 부분 반사 내부 표면들의 복수의 세트들을 포함하고, 상기 복수의 세트들은 상기 커플링 아웃 광학 배열을 향해 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 조명을 재지향하기 위해 배치된 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 커플링 아웃 광학 배열을 향해 상기 제2 방향으로 전파하는 상기 조명을 재지향하기 위해 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 비평행하게 배치된 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트를 포함하고, 상기 제1 방향으로 재지향되고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 의해 재지향된 상기 조명의 상기 일부는 상기 시야의 적어도 좌측을 상기 아이 모션 박스에 제공하고, 상기 제1 방향으로 전파되는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 상기 아이 모션 박스에 도달하지 않는 상기 시야의 영역에서 상기 시준된 이미지의 일부의 자체 중첩을 형성한다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 방향으로 재지향되고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트에 의해 재지향된 상기 조명의 상기 일부는 상기 시야의 적어도 우측을 상기 아이 모션 박스에 제공하고, 상기 제2 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 좌측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 상기 아이 모션 박스에 도달하지 않는 상기 시야 영역에서 상기 시준된 이미지의 일부의 자체 중첩을 형성한다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이미지 재지향 배열은 상기 제1 반사기 및 상기 제2 반사기를 제공하는 상기 LOE 외부의 반사 프리즘(reflective prism)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 반사기는 상기 LOE 내부의 그리고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 평행한 반사 표면이고 상기 제2 반사기는 상기 LOE 내부의 그리고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트에 평행한 반사 표면이다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트는 상기 LOE의 적어도 하나의 영역에서 중첩 관계에 있다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트는 각각 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 각도이다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트의 평면과 교차한다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 상기 평면과 교차한다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 커플링 아웃 광학 배열은 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 모두에 평행하지 않은 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제3 세트를 포함하고, 상기 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제3 세트는 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 각도이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명되며, 여기서:
도 1a 및 도 1b는, 하향식 및 측면 주입 구성을 각각 도시하는, 본 발명의 제1 양태의 교시에 따라 구성되고 동작하는 도광 광학 요소(LOE)를 사용하여 구현된 광학 시스템의 개략적인 등각 투영도이고;
도 2a는 사용자의 눈에 의해 관찰된 바와 같은 이미지의 시야(FOV)를 예시하는 개략적인 등각 투영도이고;
도 2b는 FOV의 좌측 및 우측 말단이 아이 모션 박스(EMB)에 제공되는 LOE의 영역을 예시하는 개략적인 평면도이고;
도 2c는 EMB에 도달하지 않고 따라서 본 발명의 양태에 따라 손상될 수 있는 LOE의 영역으로부터 투사된 시야의 말단을 추가로 예시하는 도 2b와 유사한 도면이고;
도 3a는 시야의 우측(도면의 상부) 및 좌측(도면의 하부)을 제공하는 대안적인 광학 경로에 대한 반사 시퀀스를 예시하는 각도 공간의 개략적 표현들의 시퀀스이고;
도 3b(1) 및 3b(2)는 각각 LOE의 우측 및 좌측에서 투사된 이미지의 고품질 부분 및 손상된 부분의 개략적인 평면도이고, 여기서 투사된 이미지의 고품질 부분만 EMB에 도달하고;
도 3c 및 3d는 각각 물리적 공간에서 도 3a의 광학 경로를 도시하는 일련의 개략적인 정면도 및 측면도이고;
도 3e 및 3f는 도 3a에 도시된 반사 시퀀스의 3차원 각도 표현이며, 여기서 도 3e는 반사 시퀀스를 나타내는 화살표를 포함하고 도 3f는 손상을 겪는 각 이미지의 영역을 지정하고;
도 4a 및 4b는 본 발명의 대안적인 구현을 위한 도 3e 및 3f와 유사한 3차원 각도 표현이고;
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 대안적인 구현을 위한 도 3e 및 3f와 유사한 3차원 각도 표현이고;
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예의 교시에 따른 LOE의 3가지 대안적인 구현들을 위한 개별 구성요소 및 전체 조립된 구조의 개략도이고;
도 9는 본 발명의 구현을 위한 부분 반사 내부 표면(패싯)에 대한 반사도의 각도 의존성을 나타내는 그래프로서, LOE 내에서 전파되는 다양한 이미지의 각도 범위도 도시하고;
도 10은 커플링 인 이미지의 중앙 하향 주입을 예시하는 도 1a 내지 도 8의 LOE의 구현예의 개략적인 정면도이고;
도 11a는 커플링 인 이미지의 수직 주입을 통한 구현을 예시하는 도 10과 유사한 도면이고;
도 11b 및 11c는 도 11a의 라인 XI-XI를 따라 취한 개략적인 단면도로서, 두 방향으로 투사된 이미지들을 커플링 인 하기 위한 이미지 재지향 배열의 제1 및 제2 구현예를 도시하고;
도 12a는 커플링 인 이미지의 상향 주입을 통한 구현을 예시하는 도 10과 유사한 도면이고;
도 12b 및 12c는 도 12a의 라인 XII-XII을 따라 취한 개략적인 단면도로서, 위쪽 방향으로 투사된 이미지의 커플링 인을 위한 제1 및 제2 구현예를 도시하고;
도 13a는 LOE의 주요 외부 표면에 수직인 부분 반사 내부 표면들의 제1 및 제2 세트를 사용하는 본 발명의 추가 구현예의 개략적인 각도 표현이고; 및
도 13b는 도 13a의 실시예에 대응하는 LOE의 개략적인 정면도이다.

본 발명은 이미지 조명을 사용자의 눈으로 보기 위한 아이 모션 박스(eye-motion box)로 지향시키는 광학 시스템이다.

본 발명에 따른 광학 시스템의 원리들 및 동작은 도면들 및 첨부된 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.

도입의 방식으로, 본 발명의 특정 양태들은 사용자의 눈으로 보기 위한 아이 모션 박스(EMB)로 도광 광학 요소(LOE)를 통해 이미지 조명을 지향시키는 광학 시스템에 관한 것이다. 광학 시스템은 헤드업 디스플레이(head-up display), 가장 바람직하게는 가상 현실 디스플레이(virtual reality display), 또는 더 바람직하게는 증강 현실 디스플레이(augmented reality display)일 수 있는 근안 디스플레이(near-eye display)를 위한 광학 조리개 확장을 제공한다. 광학 시스템은 바람직하게는 입력 광학 조리개의 2단계 확장을 제공하며, 제1 확장이 서로 평행한 부분 반사 표면들("패싯들")의 두 개의 별도의 세트들을 사용하여 달성되며, 각 세트는 눈에 표시되는 전체 시야(FOV)의 다른 부분(동일하지 않지만 바람직하게는 겹침)을 처리한다.

전형적이지만 비제한적인 실시예(도 1a 및 도 1b)에서, 광학 시스템은 LOE에 통합된 패싯들의 두 세트들에 이미지 조명을 제공하는 단일 이미지 프로젝터("POD")를 사용한다. 일반적인 용어로, 도 1a 및 도 1b는 적어도 하나의 커플링-인 영역에 주입된 이미지 조명을 사용자의 눈에 의해 보기 위한 아이 모션 박스로 지향시키는 광학 시스템을 도시한다. 광학 시스템은 투명 재료로 형성되고 제1 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들("패싯")의 제1 세트 및 제1 배향에 평행하지 않은 제2 배향을 갖는 평면의 상호 평행한 부분 반사 표면들("패싯들")의 제2 세트를 포함하는 제1 영역(116)을 포함하는 도광 광학 요소(LOE)(112)를 포함한다. (패싯들은 도 1a 및 1b에서 보이지 않지만, 아래 도면에서 개략적으로 도시될 것이다.) LOE는 또한 평면의 서로 평행한 부분 반사 표면들(또는 "패싯들", "아웃 커플링 표면(out-coupling surfaces)"이라고도 함)의 제3 세트를 포함하는 제2 영역(118)을 포함하며, 제1 배향 및 제2 배향 각각에 평행하지 않은 제3 배향을 갖는다. LOE는 부분 반사 표면들의 세트들의 제1, 제2 및 제3가 모두 주요 외부 표면들 사이에 위치하도록 제1 및 제2 영역들을 가로질러 연장되는 서로 평행한 주요 외부 표면들의 세트에 의해 경계가 지정된다.

부분 반사 표면들의 제3 세트는 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 각도이며 따라서 제1 영역으로부터 제2 영역으로 주요 외부 표면들에서의 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하는 이미지 조명의 일부가 사용자의 눈으로 보기 위한 아이 모션 박스를 향해 LOE 외부로 커플링 아웃된다. 대안적으로, 패싯들의 제3 세트 대신에, 아이 모션 박스를 향한 이미지 조명을 점진적으로 커플링 아웃하기 위해 제2 영역(118)에서 회절 광학 요소가 사용될 수 있다. 유사하게, 회절 광학 요소는 내부 반사에 의해 제1 영역(116) 내에서 전파하도록 프로젝터(114)로부터의 이미지 조명을 LOE로 커플링하기 위해 사용될 수 있다.

부분 반사 표면들의 제1 및 제2 세트들 각각은 적어도 하나의 커플링 인 영역으로부터의 주요 외부 표면들에서 내부 반사에 의해 LOE 내에서 전파하는 이미지 조명의 일부가 제2 영역을 향해 편향되도록 배향된다.

가장 바람직하게는, 패싯들의 제1 및 제2 세트들 각각은 전체 시야의 별개의 부분에 대한 조리개 확장을 설명한다. 구체적으로, 부분 반사 표면들의 제1 세트는 바람직하게는 이미지의 시야의 제1 부분을 제2 영역을 향해 편향시키고 부분 반사 표면들의 제2 세트는 이미지의 시야의 제2 부분을 제2 영역을 향해 편향시키고, 시야의 제1 및 제2 부분들은 FOV의 제1 및 제2 부분들 각각보다 더 큰 연속 결합된 시야를 제공하도록 결합된다. FOV의 두 부분들은 바람직하게는 전체 FOV의 두 측들(좌우 또는 상하, 그러나 이하 임의로 "좌" 및 "우"라고 함)에 대략 대응하지만, 중심 영역이 충분히 중첩되어 아이 모션 박스 전체에 걸쳐 중심 필드의 완전하고 지속적인 적용을 보장하기 위해, 디스플레이가 설계된 대로 관찰자의 동공 위치들의 허용 범위에 대응한다.

본 발명의 예시적인 구현예들은 LOE(112)를 채용하는, 일반적으로 110으로 지정된, 근안 디스플레이의 형태를 가정한다. 소형 이미지 프로젝터(또는 "POD")(114)는 이미지를 그 내부에서 이미지 광이 평면 주요 외부 표면들에서 내부 반사에 의해 1차원으로 갇히는 LOE(112)("도파관(waveguide)", "기판(substrate)" 또는 "슬래브(slab)"로 상호교환 가능하게 지칭됨)에 주입하도록 광학적으로 커플링된다. 광은 부분 반사 표면들의 제1 세트와 제2 세트("패싯들"로 교환 가능하게 지칭됨)에 충돌하며, 여기서 패싯들의 세트 각각은 이미지 광의 전파 방향에 대해 비스듬히 기울어져 있으며, 연속적인 패싯 각각은 이미지 광의 일부를 편향된 방향으로 편향시키고, 또한 기판 내에서 내부 반사에 의해 트랩/가이드된다. 이들 패싯들의 제1 및 제2 세트들은 도면들에 개별적으로 도시되어 있지 않다. 그러나 도 1a와 도 1b는 116으로 지정된 LOE의 제1 영역에 있다. 연속적인 패싯들에서의 이러한 부분 반사는 광학 조리개 확장의 1차원을 달성한다.

영역(116)에 위치한 부분 반사 표면들의 제1 및 제2 세트들은 기판 내의 내부 전반사(TIR)에 의해 트랩된 제1 전파 방향으로부터 또한 기판 내의 TIR에 의해 포획된 제2 전파 방향으로 이미지 조명을 편향시킨다. 연속적인 패싯들에서의 이러한 부분 반사는 광학 조리개 확장의 1차원을 달성한다.

편향된 이미지 조명은 제2 기판 영역(118)으로 통과하고, 이는 인접한 별개의 기판으로 또는 단일 기판의 연속으로 구현될 수 있으며, 여기서 커플링 아웃 광학 배열(부분 반사 패싯들 또는 회절 광학 요소의 추가 세트)이 EMB(eye-motion box)로 정의된 영역 내에 위치한 관찰자의 눈을 향해 이미지 조명의 일부를 점진적으로 커플링하여, 광학 조리개 확장의 제2 차원을 달성한다. 전체 디바이스는 각 눈에 대해 별도로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 각 LOE(112)가 사용자의 대응하는 눈을 향하도록 사용자의 머리에 대해 지지된다. 여기서 예시된 바와 같은 특히 바람직한 하나의 옵션에서, 지지 배열은 사용자의 귀에 대해 배열을 지지하기 위한 측들(120)을 갖는 안경테로서 구현된다. 다른 형태의 지지 배열도 사용될 수 있는데, 이는 헤드 밴드, 바이저 또는 헬멧에 매달린 장치를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

LOE의 제1 영역의 일반적인 확장 방향으로 수평으로(도 1a) 또는 수직으로(도 1b) 확장되는 X축 및 이에 수직으로, 즉, 도 1a에서 수직으로, 도 1b에서 수평으로 연장되는 Y축에 대한 도면 및 청구범위가 여기에서 참조된다.

매우 대략적인 용어로, LOE(112)의 제1 영역(116)은 X 방향으로 조리개 확장을 달성하는 것으로 간주될 수 있는 반면, 제2 LOE또는 LOE(112)의 제2 영역(118)은 Y 방향으로 조리개 확장을 달성한다. 시야의 다른 부분들이 전파되는 각도 방향들의 확산에 대한 세부 사항들은 아래에서 더 정확하게 설명될 것이다. 도 1a에서 예시된 것과 같은 배향은, LOE의 주요(제2 영역)으로 진입하는 이미지 조명이 상단 가장자리에서 진입하는, "하향식(top-down)" 구현으로 간주될 수 있으며, 반면에 도 1b에서 예시된 것과 같은 배향은 여기서 Y축이라고 하는 축이 수평으로 배포되는 "측 주입(side-injection)" 구현으로 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 나머지 도면들에서, 본 발명의 특정 실시예들의 다양한 특징들은 도 1a와 유사한 "하향식" 배향의 맥락에서 예시될 것이다. 그러나, 이들 특징들 모두는 또한 본 발명의 범위 내에 속하는 측 주입 구현예들에 동일하게 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 특정 경우들에, 다른 중간 배향들도 적용 가능하며, 명시적으로 제외되는 경우를 제외하고는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 프레젠테이션의 간결함과 명확성을 위해, 패싯들의 별개의 제1 및 제2 패싯들에 의해 제공되는 표시된 이미지의 두 측들은 아래에서 X 방향의 말단에 대응하는 "왼쪽" 및 "오른쪽"으로 언급되지만, 언급된 바와 같이, "왼쪽"과 "오른쪽"은 디바이스의 최종 전개 배향에서 수평 분리에 반드시 대응하는 것은 아니다.

본 발명의 바람직하지만 비제한적인 제1 세트의 예들에서, 전술한 패싯들의 제1 및 제2 세트들은 기판의 주요 외부 표면들에 직교한다. 이 경우, 주입된 이미지와 영역(116) 내에서 전파될 때 내부 반사를 겪는 그 공액상은 편향되고 편향된 방향으로 전파하는 공액상들이 된다. 바람직하지만 비제한적인 예들의 대안적인 세트에서, 부분 반사 표면들의 제1 및 제2 세트들은 LOE의 주요 외부 표면들에 대해 비스듬히 각을 이룬다. 후자의 경우, 주입된 이미지 또는 그 공액상이 LOE 내에서 전파되는 원하는 편향된 이미지를 형성하며, 그 동안 다른 반사는 예를 들어 패싯들에 각도 선택 코팅들을 사용하여 최소화할 수 있는데 이는 반사가 필요하지 않은 이미지가 나타내는 입사각 범위에 대해 상대적으로 투명하게 만든다.

본 발명의 디바이스들과 함께 사용되는 POD는 바람직하게는 시준된 이미지를 생성하도록 구성되며, 즉, 각 이미지 픽셀의 광은 픽셀 위치에 대응하는 각도 방향으로 무한대로 시준된 평행 빔이다. 따라서 이미지 조명은 2차원들의 각도 시야에 대응하는 각도 범위에 걸쳐 있다. 이 각도 필드는 도 2a에 개략적으로 표시되는데, 여기서 사용자의 눈이, 이 경우 왼쪽 "L"에서 오른쪽 "R"로, 상단 가장자리 "T"에서 하단 가장자리 "B"로 연장되는 직사각형의 시야를 관찰한다. 대표적인 전파방향은 주광선(chief ray) "C"에 대응하는 중심방향으로 한다.

이미지 프로젝터(114)는 일반적으로 LCOS 칩과 같은 공간 광 변조기를 조명하도록 전개된 적어도 하나의 광원을 포함한다. 공간 광 변조기는 이미지의 각 픽셀의 투사 강도를 변조하여 이미지를 생성한다. 대안적으로, 이미지 프로젝터는 스캐닝 배열을 포함할 수 있고, 이는 일반적으로 하나 이상의 고속 스캐닝 미러를 사용하여 구현되며, 이는 빔의 강도가 픽셀 단위로 모션과 동기적으로 변경되는 동안 프로젝터의 이미지 평면을 가로질러 레이저 광원으로부터의 조명을 스캔하여, 각 픽셀에 대해 원하는 강도를 투영한다. 두 경우들 모두, 시준 광학 장치가 제공되어 무한대로 시준되는 출력 투사 이미지를 생성한다. 상기 컴포넌트들 중 일부 또는 전부는 일반적으로 당 업계에 알려진 바와 같이 하나 이상의 편광 빔 스플리터(polarizing beam-splitter)(PBS) 큐브 또는 다른 프리즘 배열의 표면들에 배열된다.

LOE(112)에 대한 이미지 프로젝터(114)의 광학적 커플링은 임의의 적절한 광학적 커플링, 예를 들어 비스듬한 입력 표면이 있는 커플링 프리즘을 통해, 또는 반사 결합 배열을 통해, 측 가장자리 및/또는 LOE의 주요 외부 표면들 중 하나를 통해 달성될 수 있다. 대안적으로, 회절 광학 요소(DOE)는 이미지를 기판에 커플링하기 위해 사용될 수 있다. 커플링 인 구성의 세부사항들은, 아래의 특정 예들에 명시된 것 외에는, 일반적으로 본 발명에 중요하지 않으며, 그렇지 않으면 여기서는 단지 개략적으로만 도시된다.

근안 디스플레이(110)는 일반적으로 소형 온보드 배터리(도시되지 않음) 또는 일부 다른 적절한 전원으로부터 전력을 사용하는 이미지 프로젝터(114)를 작동시키기 위한 제어기(122)를 포함하는, 다양한 추가 컴포넌트들을 포함한다는 것을 이해할 것이다. 제어기(122)는 이미지 프로젝터를 구동하기 위한 적어도 하나의 프로세서 또는 처리 회로와 같은 모든 필요한 전자 컴포넌트들을 포함하며, 모두 당 업계에 알려져 있음을 이해할 것이다.

이제 도 2b의 평면도를 참조하면, EMB(4)에 도달하는 투사된 이미지의 오른쪽 말단은 "A"로 표시된 LOE(2) 영역에서 시작되는 반면, EMB(4)에 도달하는 투사된 이미지의 왼쪽 말단은 LOE의 "B" 영역에서 시작된다. EMB는 광학 시스템이 이미지의 전체 FOV를 제공하는 데 필요한 눈 위치의 범위를 지정한다. 본 발명의 양태는 도 2c에서 6으로 표시된 영역과 같은 영역에서 투사된 이미지의 부분적 손상을 허용하기 위해 이러한 관찰을 이용하는데, 이는 EMB (4)에 도달하지 않으므로 사용자가 관찰하는 이미지의 품질에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 본 발명의 일 양태에 따르면, 프로젝터(114)로부터의 이미지가 부분 반사 표면들의 제1 및/또는 제2 세트를 향해 재지향되는 방식에 특히 중요하다. 구체적으로, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 광학 시스템은 시준된 이미지가 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트를 향해 제1 방향으로 LOE 내에서 내부 반사에 의해 전파되도록 하는 LOE 내의 제1 방향으로 이미지 조명의 일부를 재지향하도록 배치된 적어도 제1 반사기 및 시준된 이미지가 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트를 향해 제2 방향으로 LOE 내에서 내부 반사에 의해 전파되도록 하는 LOE 내에서 조명의 일부를 제2 방향으로 재지향시키기 위해 배치된 적어도 제2 반사기를 포함하는 이미지 재지향 배열을 더 포함한다. 제1 방향으로 전파되는 시준된 이미지의 우측에 인접한 시야의 일부는 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하며, 이에 의해 시준된 이미지의 일부의 자체 겹침(self-overlap)을 형성한다. 그러나 부분 반사 표면들의 제1 세트는 이미지의 좌측을 아이 모션 박스에 제공하기 때문에, 이 자체 겹침은 아이 모션 박스에 도달하지 않는 시야 영역의 이미지를 손상시킨다.

바람직하게는, 시야의 우측에 대해 반대 배열이 사용된다. 구체적으로, 제2 방향으로 전파하는 평행 이미지의 좌측에 인접한 시야의 일부는 바람직하게 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 시준된 이미지의 일부의 자체 겹침을 형성한다. 그러나 부분 반사 표면들의 제2 세트는 이미지의 우측을 아이 모션 박스에 제공하므로, 이 자체 겹침은 아이 모션 박스에 도달하지 않는 시야 영역의 이미지를 손상시킨다. 재지향 배열의 특정 예와 아이 모션 박스에 도달하지 않는 이미지의 특정 영역에 대한 대응하는 영향은 아래에 제시된다.

이제 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 이들은 본 발명의 비제한적인 예에 따른 대형 FOV의 2차원 개구 확장을 개략적으로 도시한다. 도 3a는 각도 공간(angular space)에서의 프로세스를 예시하는 반면, 도 3b(1)-3d는 실제 공간에서의 등가 프로세스를 예시한다.

도 3a의 표현은 구형 좌표가 데카르트 좌표(Cartesian coordinate)로 표현되는 각도 공간의 2차원 직선 표현에 기초한다. 이 표현은 다양한 왜곡을 도입하고, 상이한 축들을 따른 변위들이 비가환적이다(non-commutative)(상이한 축들에 대한 회전의 특성과 마찬가지로). 그럼에도 불구하고, 이 형태의 다이어그램은 설명을 단순화하고 시스템 설계에 유용한 툴을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 원들은 도파관들의 주요 외부 면들의 임계각(전체 내부 반사-TIR의 경계)을 나타낸다. 따라서, 원 외부의 포인트는 TIR에 의해 반사될 빔의 각도 방향을 나타내고, 원 내부의 포인트는 면을 통과하여 도파관 밖으로 전달될 빔을 나타낸다. 원들(9)은 도파관의 전면 및 후면 외부 면들의 임계각을 나타낸다. 원들의 중심들 사이의 "거리"는 180도이다.

이 도면들은 연속적인 반사 후 광학 시스템을 통해 진행되는 이미지 조명의 연속적인 4개의 단계들을 도시한다. 직사각형 이미지(14)를 도파관에 주입한 후, 초기 상태가 단계(10)에 도시된다. 이미지(14)가 원들(9) 외부에 있기 때문에, 그의 광선들은 도파관의 주요 표면들에서 내부 반사에 의해 도파관을 따라 전파될 때 TIR에 의해 가이드된다(따라서 두 개의 커플링된 직사각형들(14 및 14')로 표시됨). 이미지의 이러한 전파는 도 3c, 단계(10)에 도시된 도파관(16)의 실제 공간 설명에서 화살표로 표시된다. 이 문서 전체에서, 전파의 실제 공간 방향은 기판의 주요 표면에 평행한 전파 방향의 평면 내 구성요소를 참조하여 설명된다. 화살표는 도파관의 전면과 후면에서 반사되는 내부 반사를 통한 전파를 나타내며 일반적으로 이미지의 주광선의 평면 내 컴포넌트를 나타내는 것으로 이해될 것이다.

이미지가 도파관에서 전파됨에 따라, 각도 공간에서 점선(18A, 18B)으로 각각 표현된 재지향 광학 배열의 제1 및 제2 반사기들과 마주한다. 이러한 패싯들은 이미지가 각도 공간에서 직사각형(15A 및 15B)으로 표시되는 대료 방향을 변경하도록 하고, 이들 각각은 LOE의 주요 외부 표면들에서 내부 반사에 의해 자신의 공액상(15A' 및 15B')을 생성한다. 실제 공간(도 3c, 단계(11))에서 재지향된 이미지 전파 방향은 측 방향 전파 화살표 "A" 및 "B"로 표시된다.

이 비제한적인 예에서, 제1 반사기는 LOE 내부의 반사 표면이고 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 평행하며, 제2 반사기는 LOE 내부의 반사 표면이고 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트에 평행하다. 그러한 구조가 어떻게 구현될 수 있는지에 대한 구체적인 예는 도 6 내지 8을 참조하여 아래에서 설명될 것이다.

패싯 평면(18A)이 영역(20)에서 이미지들(15A') 중 하나와 교차한다는 것이 명백하다. 결과적으로, 이미지의 이 부분이 자체적으로 반사되어 이미지의 이 세그먼트가 사용할 수 없게 된다. 이 사용할 수 없는 세그먼트는 직사각형 이미지 내에서 음영 처리된다. 유사한 프로세스가 패싯(18B)에 의해 재지향된 이미지에서 발생하며, 이미지(15B')가 패싯을 가로질러 손상된 영역(20)을 초래한다. 부분 반사 패싯들을 구현하기 위해 사용된 다층 유전체 코팅이 많은 경우에 큰 입사각에서 낮은 반사율을 갖도록 설계되었지만, 스침 입사(grazing incidence)에서 반사율은 항상 높기 때문에, 이러한 코팅은 패싯의 평면을 가로지르는 이미지의 손상을 방지하지 못한다.

편향된 이미지는 패싯들의 제1 및 제2 세트들에서 추가 반사에 의해 이미지들(14 및 14')로 재지향된다. 가이드된 모든 이미지들이 서로 커플링되기 때문에, 패싯(18A)으로 인해 사용할 수 없는 세그먼트는 4개의 이미지들(14, 14', 15A 및 15A') 모두에 대해 재생되고, 이는 패싯(18B)에 의해 생성된 사용할 수 없는 세그먼트에 대해 마찬가지이다. 그러나, LOE의 한 측으로 전파되는 이미지(15A)는 커플링 아웃 이미지들(16A 및 16B)을 생성하기 위해 커플링 아웃 패싯(22)에 의한 커플링 아웃 이미지(14')를 예시하는 스테이지(12)에서 볼 수 있는 바와 같이 이미지(15B)에 비해 반대의 사용할 수 없는 세그먼트를 갖는다. 평면도(도 3b(1) 및 3b(2))는 각각의 서브 이미지(A 및 B)가 해당 개별 이미지의 손상되지 않은 부분으로 아이 모션 박스(4)를 조명하는 방법을 보여주는 반면 이미지(6)의 사용할 수 없는 부분은 아이 모션 박스 외부에 있는 방향으로 투사되므로 사용자가 볼 수 없다.

도 3e 및 3f는 도 3a에 기술된 각도 프로세스를 3차원 각도 표현으로 도시한다. 여기서 패싯들(18, 22)의 평면들은 원들로 도시되어 있다. 도 3e는 도 3a에 도시된 동일한 이미지를 도시하는 반면, 도 3f는 패싯(18) 주위에서 서로 폴딩되는 20A1 및 20A2로서 사용할 수 없는 섹션의 생성을 도시하고 결합된 사용할 수 없는 섹션은 20B, 20C, 20D로 전파되고 20E로 커플링 아웃된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 구현예에 따른 상이한 각도 아키텍처(폼 팩터(비율)가 4:3이고 대각선이 70도인 이미지의 비제한적인 예)를 도시한다. 그러나 여기서 패싯 각도는 20A와 20D에서 두 번 이미지 각도 분포와 교차한다. 둘 모두 사용할 수 없는 섹션이 중첩되고, 따라서 최종 결과는 도 3a 내지 3d를 참조하여 위에서 설명한 것과 동일하다.

도 5a 및 5b는 이미지들(15 및 15')(패싯(18)으로부터 편향된 이미지 및 그 공액상)이 부분적으로 중첩되어 사용 불가능한 섹션(20)을 생성하는 상황을 예시한다. 이는 제1(또는 제2) 방향으로 전파되는 시준된 이미지의 우측(또는 좌측)에 인접한 시야의 일부가 주요 외부 표면들과 평행한 평면과 교차하는 경우에 대응한다. 그 결과 이미지의 일부가 그 자체로 폴딩된다. 이전 예에서와 같이, 이 사용할 수 없는 부분은 아이 모션 박스 외부의 영역(6)만을 조명하는 반면(도 2b), 아이 모션 박스(4)는 이미지의 교란되지 않은 영역으로 섹션들 A 및 B로부터 조명된다.

도 6, 7 및 8은 도파관의 다양한 구성 및 해당 구성요소들을 설명한다. 치수들은 표현의 명확성을 위해 도식적인 것이다. 모든 섹션의 실제 크기는 아이 모션 박스에 도달하는 데 필요한 광 경로에 의해 기하학적으로 결정된다.

도 6에서, 도파관(31)은 4개의 개별 섹션들로 형성된다: 빔 분할 섹션(30)은 서로 다른 방향으로 기울어진 패싯들을 갖는 2개의 중첩 섹션들(30A, 30B)로 이루어진다. 패싯들의 배향은 반대로 또는 대칭으로 기울어질 필요가 없으며, 상응하여, 제1 및 제2 반사기들(18A 및 18B)로부터의 재지향된 이미지 조명은 정확히 반대 방향일 필요가 없으며 출력 이미지에 대한 도파관 기울기 또는 두 이미지들의 상이한 트리밍(trimming)과 같은 다른 고려 사항이 고려될 수 있다.

개선된 이미지 균일성을 위해 도파관의 주요 외부 표면들의 평면에 평행한 중첩 섹션들 사이에 부분 반사기(PR)가 도입될 수 있다.

여기서, 제2 섹션(36)을 향한 이미지 반사를 수행하기 위해 바람직하게는 측 섹션(32)은 30A에 평행한 패싯들을 갖고 섹션(34)은 30B에 평행한 패싯들을 갖는다. 섹션(36)은 도 3a 및 3b의 단계(13)에 도시된 바와 같이 사용자의 눈을 향해 광을 커플링 아웃하기 위해 연속으로 부착된다. 이 예에서, 섹션들(30, 32 및 34)이 함께 도 1a 또는 1b의 제1 도파관 섹션(116)을 구성하고 섹션(36)이 제2 도파관 섹션(118)에 대응하는 이 예에서 모든 섹션들이 나란히 부착된다.

도 7은 도파관(50)이 부분 반사 표면들의 제1 및 제2 세트들 및 재지향 광학 배열의 빔 분할 동작을 달성하는 제1 도파관 섹션(116)을 제공하기 위해 섹션(54) 위에 중첩된 섹션(52)으로부터 조립되는 추가적인 선택적 구현예를 도시한다. 도 1a 또는 도 1b의 제2 도파관 섹션(118)에 대응하는 섹션(36)은 이미지의 커플링 아웃을 위해 연속으로서 배치된다. 여기서 또한, 부분 반사기(PR)는 중첩 섹션들(54 위의 대면 관계로 부착되는 52 아래에 표시됨) 사이의 코팅으로 구현될 수 있다. 도 6 및 도 7의 경우 모두, 구성요소들은 도파관의 고품질 평면 외부 표면들을 달성하는 것을 용이하게 하기 위해 유리의 연속적인 커버 시트들 사이에 선택적으로 끼워질 수 있다.

도 8은 도파관(60)을 조립하기 위해 모든 섹션들(62, 64 및 66)이 다른 것의 상부에 하나씩 배치되는 추가 옵션을 도시한다. 각 섹션은 도시된 바와 같이 적어도 도파관의 관련 영역에서 구현되고 선택적으로 도파관의 전체 치수에 걸쳐 확장되는 한 세트의 패싯들을 포함한다. 이미지 균일성을 향상시키기 위해 인터페이스들 중 하나 또는 모두에 부분 반사기가 구현될 수 있다.

큰 각 스펙트럼과 모든 색상에 필요한 부분 반사 속성을 제공하기 위해 유전체 코팅을 구현하는 것은 어려울 수 있다. 원칙적으로, 다층 유전체 코팅을 설계하기 위한 표준 소프트웨어 패키지는 각도의 함수로서 필요한 반사율 변화와 함께 제공될 수 있으며 대응하는 코팅 디자인을 생성할 것이다. 그러나 요구 사항이 더 구체적일수록 코팅이 더 복잡하고 비용이 많이 들며 및/또는 원하는 성능과 관련하여 더 많은 타협이 이루어져야 할 수 있다. 어쨌든 손상되거나 어쨌든 EMB에서 볼 수 있는 이미지에 기여하지 않을 이미지 영역에 대응하는 각도가 이미지의 나머지 부분에 필요한 반사도 요구 사항을 충족할 필요가 없기 때문에 본 발명은 설계의 이러한 양태를 용이하게 한다.

예를 들어, 도 9는 도 5의 구현을 위한 패싯(18)의 다층 유전체 코팅의 전형적인 구현예의 각도 반사율(18A)을 예시한다. 공칭 이미지(nominal image)(14)의 각도 스펙트럼은 여기에서 라인(14N)으로 설명되고 이미지(15)의 각도 스펙트럼은 여기서 라인(15N)으로 설명된다. 이미지(15) 자체의 접힘은 여기에서 15N에 대한 14N의 부분적 중첩으로 표현될 수 있으며 중첩 각도 범위는 20N(20을 나타냄)이다. 범위(20N)는 아이 모션 박스에 도달할 고품질 이미지를 포함하지 않기 때문에, 코팅 설계 중에 이 영역은 무시될 수 있다(즉, 부과된 제약 없이). 따라서 패싯(18A)의 코팅에 의해 요구되는 반사율 및 투과율의 실제 범위는 라인들(14F 및 15F)에 대응하여 효과적으로 더 짧다. 이것은 적절한 코팅의 설계를 크게 용이하게 한다.

단축된 동적 스펙트럼의 이 프로세스는 표시된 다른 모든 구성들에 적용 가능하므로 큰 FOV에 대한 패싯 코팅의 실현을 보다 실용적으로 만든다.

지금까지 논의된 예에서, 이미지 프로젝터(114)로부터의 이미지 조명은 이미지 재지향 배열의 제1 및 제2 반사기들에 도달하기 전에 LOE의 제1 영역(116)에 커플링되고, 이러한 반사기들은 부분 반사 내부 표면들의 제1 및 제2 세트들과 통합된다. 이 경우 커플링 인은 경사 표면을 갖는 커플링 프리즘, 커플링 인 반사기, 또는 회절 광학 요소와 같은 당업계에 공지된 임의의 통상적인 배열에 의해 달성될 수 있다. 도 10은 이 솔루션들의 패밀리에 대한 도파관을 따른 전력 분포를 개략적으로 도시한다. 이미지 조명의 전체 입력 강도는 도파관에 아래쪽으로 이미지(14)로서 주입된다(예시된 임의의 방향으로). 광의 일부는 측(15A, 15B)으로 커플링된다. 이 광은 광(70)으로서 제2 도파관 섹션에 추가로 커플링된다. 주입된 광(14) 중 일부는 광(71)과 같이 패싯들에서 반사되지 않고 계속된다. 이 광은 일반적으로 상대적으로 강도가 높기 때문에 투사된 이미지의 불균일성을 생성한다. 이러한 불균일성은 세그먼트들(30, 52, 54, 62 및 64)(도 6 내지 8)의 일부 또는 모든 패싯들에서 높은 반사율을 구현함으로써 완화될 수 있다.

도 11a는 이미지 재지향 배열의 제1 및 제2 반사기들이 이미지 프로젝터(미도시)로부터의 광을 도파관으로 커플링하기 위한 커플링 인 배열의 일부인 대체 광학 아키텍처를 소개한다. 이 경우에, 이미지 프로젝터로부터의 이미지(14)는 바람직하게는 도 11a에서 원(14)으로 나타낸 바와 같이 LOE의 주요 표면들에 수직으로 주입된다. 이미지 재지향 배열의 구현예의 2개의 비제한적인 예시들이 도 11b 및 11c에 도시되어 있다.

도 11b에서 프로젝터(114)는 반사 프리즘(78) 상의 사출 동공(exit pupil)을 갖는다. 114로부터의 광은 프리즘(78)에 의해 두 개의 빔들로 분할된다: 도파관의 한 측에 커플링된 15A 및 다른 측에 커플링된 15B. 이 구성에서는, 도 10의 빔(71)과 같은 고강도 중앙 빔이 없다.

도 11c는 패싯 플레이트들(80A 및 80B)이 도 6의 30A 및 30B와 유사하지만 도파관 외부에 부착된 대안적인 구현예를 도시한다. 이 두 섹션들의 패싯들은 위에서 설명한 대로 광을 옆으로 전파하는 이미지들(15A, 15B)로 편향시킨다. 여기서 또한, 고강도 중앙 빔이 생성되지 않는다.

두 개의 이미지들(15A 및 15B)은 프리즘(78)의 면들 또는 플레이트들(80A 및 80B)의 패싯에 의해 반사된 후 도파관으로 주입된다. 이러한 주입 동안, 이들은 바람직하게는 커플링 인 배열의 가장자리(79)에 의해 트리밍된다. 이 트리밍은 얕은(shallow) 빔에서 가장 중요하다. 그러나, 특히 도 5a 및 5b에 예시된 유형의 광학 아키텍처의 경우, 이러한 가장 얕은 빔은 일반적으로 어떤 경우에도 EMB에 도달하는 이미지 부분에 기여하지 않는 영역(20)에 대응하므로 이들은 성능 손실 없이 커플링 인 단계에서 트리밍될 수도 있다. 이것은 이미지 프로젝터(114)의 조리개와 이미지 재지향 배열의 반사기들(78, 80)의 폭이 두 방향들로 모든 이미지 필드를 전달하는데 이론적으로 요구되는 것보다 더 작아지는 것을 허용한다. 이것은 더 작은 프로젝터(114)와 더 집중된 에너지의 사용을 가능하게 한다.

추가 옵션들의 세트가 도 12a내지 도 12c에 개략적으로 예시되어 있다. 이 경우, 고강도 입력 이미지 빔(14)은 "상향", 즉, 커플링 아웃이 발생하는 LOE의 제2 영역에서 멀리 편향된다. 이것은 또한 도 10의 빔(71)을 참조하여 논의된 바와 같이 불균일성의 형성을 방지한다. 결과적인 지오메트리는 도 12a에 개략적으로 도시되어 있다. 입력 이미지를 상향으로 커플링하기 위한 두 개의 특정 비제한적인 예시적인 솔루션들이 도 12b 및 12c에 개략적으로 예시되어 있다. 도 12b의 경우, 커플링 인 프리즘은 상향 지향 이미지 커플링 인 하기 위해 적절하게 배향된 표면을 제공하는 반면, 도 12c에서, 커플링 인 프리즘은 프로젝터(미도시)로부터의 이미지의 유사한 커플링 인을 위한 반사 표면을 제공한다. 두 경우 모두, 이미지 재지향 배열의 제1 및 제2 반사기들은 여기서 도파관 내의 내부 반사기들로 구현된다.

마지막으로, 도 13a 및 13b를 참조하면, 본 발명의 원리는 기판의 주요 외부 표면들에 수직인 패싯의 경우에도 적용될 수 있다. 도 13a는 명료함을 위해 투영이 출력 이미지(16) 전파 방향을 따라 바라볼 때 극성인 수직 패싯들(90A)(경사 패싯들(18)과 동일함)의 예를 각도 공간에서 도시한다. 주입된 이미지(15)는 수직 패싯(90A)에 의해 이미지(14)로 폴딩된다. 이미지들(14와 15)의 중첩은 고스트 이미지 섹션(20)을 생성한다. 도 13b는 실제 공간에서 동일한 빔의 전파를 예시한다. 여기서 90B는 패싯들(90A)에 대해 동일하지만 반대 경사를 갖는 수직 패싯들이다.

위의 모든 원칙은 이미지가 보기 영역 외부에 측 방향으로 위치한 POD로부터 주입되고 사용자의 눈에 커플링하기 위해 수직으로 패싯들의 제1 세트에 의해 확산된 다음 수평으로 패싯들의 제2 세트에 의해 확산되는 "측(sideway)" 구성에도 적용될 수 있다. 전술한 구성 및 변형 모두는 측 주입 구성에도 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다.

상기 설명 전반에 걸쳐 도시된 바와 같이 X축 및 Y축을 참조하였으며, 여기서 X축은 수평 또는 수직이며 광학 조리개 확장의 제1 차원에 대응하며, Y 축은 확장의 제2 차원에 대응하는 다른 주요 축이다. 이러한 맥락에서, X 및 Y는 도 1a 및 1b의 전술한 안경 프레임과 같은 지지 배열에 의해 일반적으로 정의되는 방향으로 사용자의 머리에 장착될 때 디바이스의 방향에 대해 정의될 수 있다. 일반적으로 X축의 정의와 일치하는 다른 용어는 다음을 포함한다: (a) X축에 평행한 방향을 정의하는 데 사용할 수 있는 아이 모션 박스를 구분하는 적어도 하나의 직선; (b) 직사각형 투사 이미지의 가장자리는 일반적으로 X축 및 Y축에 평행하고; 및 (c) 제1 영역(16)과 제2 영역(18) 사이의 경계는 일반적으로 X축에 평행하게 연장된다.

상기 설명은 단지 예로서 제공되는 것으로 의도되고, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 많은 다른 실시예가 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (9)

1. 사용자의 눈으로 볼 수 있도록 이미지를 아이 모션 박스(eye-motion box)로 지향시키는 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은:
   (a) 좌측에서 우측으로 그리고 위에서 아래로의 각도 시야와 전파 방향을 나타내는 상기 시야의 중심인 주광선(chief ray)을 갖는 시준된 이미지(collimated image)에 해당하는 조명을 투사하는 이미지 프로젝터(image projector);
   (b) 투명 재료로 형성되고 제1 및 제2 상호 평행한 주요 외부 표면들을 갖는 도광 광학 요소(LOE);
   (c) 상기 시준된 이미지가 상기 LOE 내에서 제1 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 상기 LOE 내의 상기 제1 방향으로 상기 조명의 일부를 재지향시키기 위해 배치된 적어도 제1 반사기 및 상기 시준된 이미지가 상기 LOE 내에서 제2 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 상기 LOE 내의 상기 제2 방향으로 상기 조명의 일부를 재지향시키기 위해 배치된 적어도 제2 반사기를 포함하는 이미지 재지향 배열(image redirecting arrangement);
   (d) 상기 LOE와 연관되고 상기 LOE 내에서 전파하는 조명을 상기 아미 모션 박스를 향해 외부로 편향시키도록 구성된 커플링 아웃(coupling-out) 광학 배열; 및
   (e) 상기 LOE 내의 부분 반사 내부 표면들의 복수의 세트들을 포함하고, 상기 복수의 세트들은 상기 커플링 아웃 광학 배열을 향해 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 조명을 재지향하기 위해 배치된 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 커플링 아웃 광학 배열을 향해 상기 제2 방향으로 전파하는 상기 조명을 재지향하기 위해 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 비평행하게 배치된 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트를 포함하고,
   상기 제1 방향으로 재지향되고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 의해 재지향된 상기 조명의 상기 일부는 상기 시야의 적어도 좌측을 상기 아이 모션 박스에 제공하고, 상기 제1 방향으로 전파되는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 상기 아이 모션 박스에 도달하지 않는 상기 시야의 영역에서 상기 시준된 이미지의 일부의 자체 중첩(self-overlap)을 형성하는, 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 방향으로 재지향되고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트에 의해 재지향된 상기 조명의 상기 일부는 상기 시야의 적어도 우측을 상기 아이 모션 박스에 제공하고, 상기 제2 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 좌측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 세트들 중 하나의 평면 또는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 평면과 교차하여, 상기 아이 모션 박스에 도달하지 않는 상기 시야 영역에서 상기 시준된 이미지의 일부의 자체 중첩을 형성하는, 광학 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 이미지 재지향 배열은 상기 제1 반사기 및 상기 제2 반사기를 제공하는 상기 LOE 외부의 반사 프리즘(reflective prism)을 포함하는, 광학 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 반사기는 상기 LOE 내부의 그리고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트에 평행한 반사 표면이고 상기 제2 반사기는 상기 LOE 내부의 그리고 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트에 평행한 반사 표면인, 광학 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트는 상기 LOE의 적어도 하나의 영역에서 중첩 관계에 있는, 광학 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 부분 반사 내부 표면들의 제1 세트 및 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트는 각각 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 각도인, 광학 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 부분 반사 내부 표면들의 제2 세트의 평면과 교차하는, 광학 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 방향으로 전파하는 상기 시준된 이미지의 상기 우측에 인접한 상기 시야의 일부는 상기 주요 외부 표면들에 평행한 상기 평면과 교차하는, 광학 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 커플링 아웃 광학 배열은 상기 제1 세트 및 상기 제2 세트 모두에 평행하지 않은 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제3 세트를 포함하고, 상기 상호 평행한 부분 반사 내부 표면들의 제3 세트는 상기 LOE의 상기 주요 외부 표면들에 대해 비스듬한 각도인, 광학 시스템.

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