KR102485102B1 - 안구-추적기와 헤드-탑재 디스플레이 통합 시스템 - Google Patents

Abstract

두 개의 주면 및 에지를 가지는 광-투과 기판, 광파를 전반사에 의하여 기판(20) 내로 커플링하기 위한 광학 수단; 기판(20)에 의하여 운반되는 부분 반사면(22a, 22b)으로서, 부분 반사면(22a, 22b)은 기판(20)의 주면에 평행하지 않는, 부분 반사면(22a, 22b), 제 1 광학 스펙트럼 내에 위치된 광파를 투영하는 광원(78), 및 제 2 광학 스펙트럼 내에 위치된 광파를 투영하는 표시원(92)을 포함하고, 광원으로부터의 광파 및 표시원(92)으로부터의 광파는 전반사에 의하여 기판(20) 내로 커플링되는, 광학계가 제공된다.

Description

안구-추적기와 헤드-탑재 디스플레이 통합 시스템{HEAD-MOUNTED DISPLAY WITH AN EYEBALL-TRACKER INTEGRATED SYSTEM}

본 발명은 통합된 헤드-탑재 디스플레이(head-mounted display; HMD) 시스템에 관련되고, 특히, 두 개의 결합형 유닛인 헤드-탑재 유닛 및 안구 추적 유닛을 포함하는 시스템에 관련된다.

본 발명은 많은 수의 이미징 애플리케이션, 예컨대 휴대용 DVD, 셀룰러 폰, 모바일 TV 수신기, 비디오 게임, 휴대용 미디어 플레이어 또는 다른 모바일 디스플레이 디바이스에 장점을 가지도록 구현될 수 있다.

콤팩트 광학 소자에 대한 하나의 중요한 애플리케이션은, 광학 모듈이 이미징 렌즈 및 결합기 모두로서 역할을 하는 HMD인데, 여기에서 2-차원의 이미지 소스가 무한대로 이미징되고 관찰자의 눈 속으로 반사된다. 표시원은 예를 들어, 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM), 예컨대 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드 어레이(OLED), 스캐닝 소스, 또는 간접적으로, 릴레이 렌즈, 또는 광학 섬유 번들로부터 획득될 수 있다. 표시원은 시준 렌즈에 의하여 무한대로 이미징되고 각각 비투과성 및 투과성 애플리케이션들을 위한 결합기로서의 역할을 하는 반사 또는 부분 반사면에 의하여 시청자의 눈으로 투과되는 화소(픽셀)들의 어레이를 포함한다. 통상적으로, 종래의 자유 공간 광학 모듈이 이러한 목적을 위하여 사용된다. 그러나, HMD 시스템의 원하는 시계(FOV)가 증가함에 따라, 이러한 종래의 광학 모듈은 더 커지고, 더 무거워지며 더 공간을 많이 차지하게 되고, 따라서 적당한-성능의 디바이스에 대해서도 비실용적이 된다. 이것은 모든 종류의 디스플레이에 대하여 특히 시스템이 가능한 한 가볍고 콤팩트해야만 하는 헤드-탑재 애플리케이션에서는 큰 단점이다.

콤팩트하게 만들기 위한 노력의 결과로서 여러 상이한 복합 광학 솔루션들이 소개되었는데, 이들 모두는 일면으로는 여전히 거의 모든 실용적 애플리케이션들에 대해서 충분히 콤팩트하지 않고 다른 면으로는 제조가능성의 관점에서 커다란 단점이 있다. 더욱이, 이러한 디자인으로부터 초래되는 광학 시야각의 안구-운동-박스(eye-motion-box; EMB)는 보통 매우 작고 통상적으로는 8 mm보다 더 작다. 그러므로, 이러한 광학계의 성능은 시청자의 눈에 대한 광학계의 매우 작은 운동에 대해서도 매우 민감하고, 이러한 디스플레이로부터 텍스트를 쾌적하게 읽게 하기 위한 충분한 동공 모션을 허용하지 않는다.

모두 본 출원의 출원인 명의인 공개 번호 제 WO01/95027 호, 제 WO03/081320 호, 제 WO2005/024485 호, 제 WO2005/024491 호, 제 WO2005/024969 호, 제 WO2005/124427 호, 제 WO2006/013565 호, 제 WO2006/085309 호, 제 WO2006/085310 호, 제 WO2006/087709 호, 제 WO2007/054928 호, 제 WO2007/093983 호, 제 WO2008/023367 호, 제 WO2008/129539 호 및 제 WO2008/149339 호에 포함된 교시 내용들은 원용에 의하여 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 다른 애플리케이션들 중에서 특히 HMD 용인 매우 콤팩트한 도광 광학 소자(light-guide optical elements; LOE)의 활용을 가능하게 한다. 본 발명은 상대적으로 큰 EMB 값과 함께 상대적으로 넓은 FOV를 허용한다. 결과적인 광학계는 큰 고품질 이미지를 제공하는데, 이것은 또한 눈의 큰 운동을 수용한다. 본 발명에 의하여 제공되는 광학계는 특히, 이것이 최신식 구현형태들보다 실질적으로 더욱 콤팩트하고, 더 나아가 용이하게 전문화된 구성을 가지는 광학계에도 용이하게 통합될 수 있기 때문에 특히 유리하다.

HMD 디자인에 대해 유용한 것으로 증명될 수 있는 다른 광학 기능은 머리의 방향에 대해 안구 추적, 또는 안구가 바라보는 방향을 감지하는 것이다. 통상적 눈 추적기는 소형 CCD 카메라 및 동공을 조명하기 위한 적외선 LED를 통합할 것이다. 동공의 형상 및 포지션에서의 변화를 측정함으로써, 시청자의 눈이 바라보는 방향을 한번 교정되기만 하면 매우 타당한 정확도로써 감지하는 것이 가능하다. 헤드 포지션 및 눈 포지션의 측정들을 결합시키면, 현존 HMD 기술에 내재되는 문제를 해결할 수 있을 것인데, 이것은 투영된 심볼 및 조준(boresight)이 시청자가 바라보는 방향에 종속할 수 있으며, 따라서 현존하는 인간 추적 거동을 유지할 것이기 때문이다. HMD 및 안구 추적기를 동일한 광학 모듈 내에 통합시키는 것은 유용할 것이다.

그러므로 본 발명의 큰 목적은 선행 기술의 콤팩트 광학 디스플레이 디바이스의 단점을 완화시키는 것 그리고 특정한 요구 사항에 따라 개선된 성능을 가지는 다른 광학 컴포넌트 및 시스템을 제공하는 것이다.

그러므로 본 발명에 따르면, 적어도 두 개의 주면 및 에지를 가지는 광-투과 기판, 전반사에 의하여 광파를 상기 기판 내로 커플링하기 위한 적어도 하나의 광학 수단, 상기 기판에 의하여 운반되는 적어도 두 개의 부분 반사면으로서, 상기 부분 반사면들은 상기 기판의 주면에 평행하지 않는, 부분 반사면, 제 1 광학 스펙트럼 내에 위치된 광파를 투영하는 적어도 하나의 광원; 및 제 2 광학 스펙트럼 내에 위치된 광파를 투영하는 적어도 하나의 표시원을 포함하는 광학계가 제공되는데 이 광학계는 상기 광원으로부터의 광파 및 상기 표시원으로부터의 광파가 전반사에 의하여 상기 기판 내로 커플링되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 후속하는 것들을 참조하여 특정한 바람직한 실시예와 연계하여 설명되어, 더욱 완전하게 이해될 수도 있게 한다.
자세하게 도면들을 특별히 참조함으로써, 도시된 특이사항들은 오직 예시로써 그리고 본 발명의 바람직한 실시예의 예시적인 논의의 목적을 위하여 도시되는 것일 뿐이고, 본 발명의 이론적 및 개념적 양태들의 가장 유용하며 용이하게 이해되는 설명인 것으로 여겨지는 것을 제공하려는 이유로서 제공된다. 이러한 관점에서, 본 발명의 기본적인 이해를 위하여 필요한 것보다 더 자세하게 본 발명의 구조적 세부사항을 도시하려는 시도가 이루어지지 않는다. 설명은 도면과 함께 이해될 때 어떻게 본 발명의 여러 형태들이 실제로 구현될 수도 있는지에 대하여 당업자들에게 방향타로서의 역할을 한다.
도면에서:
도 1 은 예시적인 선행 기술 LOE의 측면도이다;
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에서 사용되는 선택적 반사면들의 원하는 반사율 및 투과율을 입사각의 두 범위에 대하여 도시한다;
도 3 은 반사율 곡선을 예시적인 유전체 코팅에 대한 입사각의 함수로서 도시한다;
도 4 는 선택적 반사면의 예시적인 어레이의 개략도이다;
도 5 는 선행 기술의 안경 HMD 디바이스를 예시한다;
도 6 은 눈으로부터 산란되고 LOE로 다시 커플링되는 광파를 보여주는 LOE의 측면도를 도시한다;
도 7 은 반사율 곡선을 특정 부분 반사면에 대한 파장의 함수로서 도시한다;
도 8 은 반사율 곡선을 다른 부분 반사면에 대한 파장의 함수로서 도시한다;
도 9 는 반사율 곡선을 두 개의 상이한 부분 반사면에 대한 입사각의 함수로서 도시한다;
도 10 은 하나의 출구 개구부를 통해 밖으로 커플링되고, 눈으로부터 산란되어 LOE로 다시 커플링되는 광파를 보여주는, LOE의 측면도를 도시한다;
도 11 은 눈으로부터 산란되고 LOE로 다시 커플링되는 광파를 보여주는 LOE의 측면도를 도시하는데, 여기에서 광선 중 오직 일부만이 출구 개구부를 통하여 밖으로 커플링된다;
도 12 는 두 개의 상이한 입사각에서의 반사 필터에 대한 파장의 함수로서 반사율 곡선을 도시한다;
도 13 은 두 개의 상이한 입사각에서의 투과 필터에 대한 파장의 함수로서 반사율 곡선을 도시한다;
도 14 는 표시원 및 광원으로부터의 광파들을 결합시키는 광학계를 도시한다;
도 15 는 편광 빔 분할기에 대한 파장의 함수로서의 반사율 곡선을 도시한다, 그리고
도 16 은 광파를 시청자의 눈 안으로 커플링하기 위한 두 개의 인접한 부분 반사면을 가지는 LOE의 또다른 실시예의 측면도를 도시한다.

도 1 은 본 발명에서 사용될 수 있는, 선행 기술 기판(20) 및 연관된 컴포넌트(이하, 또한 "LOE"의 단면도를 도시한다. 광학 수단은 예를 들어, LOE 후면에 위치된 광원(미도시)으로부터 발광된 시준된 디스플레이(18)에 의하여 조명되는 반사면(16)을 의미한다. 반사면(16)은 소스로부터의 입사 광을 반사하여, 이 광이 전반사에 의하여 LOE의 평면형 기판(20) 내에 포획되도록 한다. 기판(20)의 하부 및 상부 주면(26, 27) 으로부터의 수 차례의 반사 이후에, 포획된 파는 선택적 반사면(22)의 어레이에 도달하는데, 이것은 광을 기판 밖으로, 동공(25)을 가지는 시청자의 눈(24) 안으로 커플링한다. 본 명세서에서, LOE의 입력면은 입력 파가 LOE에 진입하는 데에 통과하는 면으로서 간주될 것이고, LOE의 출력면은 포획된 파가 LOE를 탈출하는 데에 통과하는 면으로서 간주될 것이다. 도 1 에서 예시된 LOE의 경우, 입력 및 출력면 모두가 하부면(26)에 있다. 그러나, 입력 및 이미지 파가 기판(20)의 반대면에 위치될 수 있는 다른 구성들이 예상된다. 소스의 중앙 파가 기판(20) 밖에서 기판면(26)에 수직인 방향으로 커플링되고, 반사면(22)이 평평하며, 및 기판(20) 내의 커플링된 파의 오프-축 각도가 α _in 이라고 가정하면, 반사면 및 기판 평면의 법선 사이의 각도 α_sur2는:

이다.

도 1 및 도 2a 에서 볼 수 있는 바와 같이, 포획된 광선들은 두 개의 별개의 방향(28, 30)으로부터 반사면에 도달한다. 이러한 특정 실시예에서, 포획된 광선들은 기판면(26 및 27)으로부터의 우수개의 반사 이후에 이러한 방향(28) 중 하나로부터 반사면에 도달하는데, 여기에서 포획된 광선 및 반사면에 대한 법선 사이의 입사각 β_ref(도 2a 를 참조한다)는:

이다.

포획된 광선들은 기판면(26 및 27)으로부터의 기수 개의 반사 이후에 제 2 방향(30)으로부터 반사면에 도달하는데, 여기에서 오프-축 각도는 α' _in =180°-α _in 이고 포획된 광선 및 반사면에 대한 법선 사이의 입사각은 도 2b 에 표시된 바와 같이:

이다.

도 1 에서 더 도시되는 바와 같이, 각각의 반사면에 대하여, 각각의 광선은 우선 방향(30)으로부터 표면에 도달하는데, 여기에서 광선들 중 몇몇은 다시 방향(28)로부터 표면에 충돌한다. 원치않는 반사 및 다중 이미지를 방지하기 위하여, 제 2 방향(28)을 가지고 표면에 충돌하는 광선들에 대하여 반사율이 무시될만한 것이 중요하다.

박막 코팅의 각도 민감도를 활용하는 이러한 요구 사항에 대한 광선들은 위에 참조된 간행물들에 이미 제안되었다. 두 개의 입사 방향들 사이의 원하는 구별은 하나의 각도가 다른 하나 보다 현저하게 더 작다면 획득될 수 있다. 높은 입사각에서는 매우 낮은 반사율을 그리고 낮은 입사각에 대해서는 높은 반사율을 가지는 코팅을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 성질이 두 개의 방향들 중 하나에서의 반사율을 제거함으로써 원치않는 반사 및 다중 이미지를 방지하기 위해 활용될 수 있다. 예를 들어 β _ref ~ 25°를 선택하면, 다음이 계산될 수 있다:

만일 β' _ref 가 반사되지 않지만 β _ref 은 반사되는 반사면이 이제 결정된다면, 원하는 조건이 획득된다.

이제 구체적으로 도 2a 및 도 2b 를 참조하면, 이러한 도면들은 선택적 반사면의 원하는 반사율 거동을 예시한다. β _ref ~ 25°인 오프-축 각도를 가지는 광선(32)(도 2a)이 부분적으로 반사되고 기판(34) 밖으로 커플링되는 반면에, β' _ref ~ 75°의 오프-축 각도에서(이것은 β' _ref ~ 105°와 등가임) 반사면에 도달하는 광선(36)(도 2b)은 임의의 큰 반사없이 반사면(34)을 따라 투과된다. LOE는 보통 단일 파에 대해서만 활용되지 않고 넓은 FOV를 가지는 광학계에 대하여 활용된다. 30°의 FOV를 가지는 시스템 및 1.517 의 굴절률을 가지는 LOE를 가정하면, 기판 내의 FOV는 ~20°이다. 결과적으로, 이러한 특정한 LOE에 대하여 정의되는 두 개의 각도 지역들인: β' _ref 가 위치되는 75°± 10°의 제 1 영역 및 β _ref 가 위치되는 25°± 10°의 제 2 지역이 존재한다.

도 3 은 이러한 특정한 LOE의 통상적 부분 반사면의 반사율 곡선을 파장 λ=550 nm를 가지는 S-편광된 광에 대한 입사각의 함수로서 예시한다. 풀-컬러 디스플레이에 대하여, 유사한 반사율 곡선이 명소 영역 내의 모든 다른 파장에 대하여 획득되어야 한다. 이러한 그래프에는 두 개의 유의미한 지역들이: 반사율이 매우 낮은 65° 및 85° 사이, 및 반사율이 입사각이 증가함에 따라 단조 증가하는 10° 및 40°가 존재한다. 그러므로, 주어진 FOV에 대하여 그리고 주어진 스펙트럴 영역에 대하여, 매우 낮은 반사가 소망되는 β' _ref 의 전체 각도 스펙트럼이 제 1 영역 내에 위치될 것인 반면에, 더 높은 반사가 소망되는 β _ref 의 전체 각도 스펙트럼이 제 2 영역 내에 위치될 것이 보장될 수 있는 한, 오직 하나의 기판만을 가지는 실시예의 시청자의 눈 속으로 반사되는 것이 보장될 수 있으며, 따라서 다중 이미지가 없어지도록 보장한다.

도 4 는 기판 내에 포획된 광선들을 밖으로 그리고 시청자의 눈 속으로 커플링하는 선택적 반사면의 어레이의 개략적인 단면도이다. 나타난 바와 같이, 각각의 사이클에서, 커플링된 광선들은 α' _in = 130°의 방향을 가지고 반사면(38)을 통과하여 지나가는데, 그것에 의하여 광선들 및 반사면에 대한 법선 사이의 각도는 ~75°이고 이러한 면들로부터의 반사는 무시될 수 있다. 추가적으로, 각각의 사이클에서, 광선들(39)은 α _in = 50°의 방향에서 반사면(22)을 두 번 통과하는 데, 여기에서 입사각은 25°이고 광선의 에너지의 일부는 기판 밖으로 커플링된다.

일반적으로, 위에서 언급된 간행물들에서 고려된 LOE의 모든 가능한 구성들은 디스플레이 애플리케이션을 위한 대안적 콤팩트 광학기보다 몇 가지 중요한 장점들을 제안하는데, 이것은 다음을 포함한다:

1)입력 표시원이 기판에 매우 근접하게 위치될 수 있음으로써, 전체 광학계가 콤팩트하고 경량이 되며 견줄 것이 없이 훌륭한 폼-팩터를 제공한다;

2)다른 콤팩트 디스플레이 구성과 반대로, LOE 기술은 아이피스(eyepiece)에 상대적인 입력 표시원의 위치에 대한 유연성을 제공한다. 이러한 유연성은 확장 기판에 근접하게 표시원을 위치시킬 가능성과 결합되어 다른 디스플레이 시스템에 공통인 오프-축 광학 구성을 사용해야 하는 필요성을 완화한다. 추가적으로, LOE의 입력 개구부가 출력 개구부의 영역보다 훨씬 작기 때문에, 시준 렌즈의 개구수(numerical aperture)는 비교될만한 종래의 이미징 시스템에 대하여 요구되는 것보다 훨씬 더 작다. 결과적으로, 훨씬 더 편리한 광학계가 구현될 수 있고 오프-축 광학기 및 높은 개구수 렌즈와 연관된 많은 곤란함들, 예컨대 장(field) 또는 색(chromatic) 수차가 상대적으로 용이하게 그리고 효율적으로 보상될 수 있다;

3)본 발명에서의 선택적 반사면의 반사율 계수들은 전체의 관련된 스펙트럼 상에서 본질적으로 동일하다. 그러므로, 단색 및 다색 광원 모두가 표시원으로서 사용될 수도 있다. LOE는 무시될만한 파장-의존성을 가지고, 고해상도의 고품질 컬러 이미지를 보장한다;

4)입력 이미지로부터의 각각의 포인트는 반사 어레이의 큰 부분으로부터 시청자의 눈 안으로 반사되는 평면 광파로 변환되기 때문에, 눈의 정확한 위치에 대한 공차가 크게 이완될 수 있다. 이를 고려하여, 시청자는 전체 FOV를 볼 수 있고, EMB가 다른 콤팩트 디스플레이 구성에서보다 훨씬 더 클 수 있다, 그리고

5)표시원으로부터의 강도의 대부분이 기판 내로 커플링되기 때문에, 그리고 이러한 커플링된 에너지의 대부분이 "재활용되고" 시청자의 눈 속으로 밖으로 커플링되기 때문에, 저-전력 소비를 가지는 표시원을 가지고도 비교적으로 높은 휘도의 디스플레이가 획득될 수 있다.

도 5 는 LOE가 안경 프레임(40) 내에 임베딩된 선행 기술 실시예를 도시한다. 표시원(42) 및 광파 폴딩 소자를 가지는 시준 디바이스(44)는 LOE의 에지에 이어 안경 프레임(40)의 암부(46) 내에 조립된다. 표시원이 전자 소자, 예컨대 소형 CRT, LCD 또는 OLED인 경우에는, 표시원에 대한 구동 전자회로(48)는 암(46)의 후면과 조립될 수도 있다. 파워 서플라이, 비디오 소스 및 제어 인터페이스를 포함하는 핸드헬드 유닛(50)은 전력, 비디오 신호, 오디오 신호 및 제어 커맨드를 송신하기 위하여 사용되는 케이블(52)에 의하여 암(46)에 연결된다. 이어폰들도 역시 안경 내에 설치되어 오디오 채널의 활용을 가능하게 할 수 있다. 핸드헬드 유닛(50)은 휴대용 DVD, 셀룰러 폰, 모바일 TV 수신기, 비디오 게임 콘솔, 휴대용 미디어 플레이어, 또는 임의의 다른 모바일 디스플레이 디바이스일 수 있다. 유닛(50)은 "핸드헬드"라고 지칭되는데, 이것은 이것이 보통 사용자의 손에 의하여 조작되기 때문인데, 하지만 이것은 임의의 다른 휴대용 디바이스일 수 있고, 사용자의 벨트에 부착되거나 주머니, 파우치, 지갑 안에 위치되거나 사용자의 목에 감길 수 있다. 안경 프레임 내에 임베딩되는 컴포넌트들에 추가하여, 소형 선택적인 광학 줌 성능을 가지는 비디오 카메라(54)가 예를 들어 프레임(40)의 전면 영역에 설치될 수 있다. 카메라는 외부 장면으로부터의 이미지들을 캡쳐하고, 비디오 신호를 이미지 처리 유닛(56)으로 전달하는데, 이것은 전자회로 유닛(48) 내에 설치되고 사용자에 의하여 실시간으로 제어될 수 있다. 그러면 처리된 이미지 신호는 이미지를 LOE를 투과하여 시청자의 눈으로 투영하는 표시원(42)으로 전달된다. 프레임 상에 설치될 수 있는 다른 가능한 소자들은 GPS 수신기, 방위 센서 및 좌표 포지션 센서이고, 여기에서 이러한 센서로부터 입력을 수신하는 프로세서(56)는 안경에 표시되기 위한 시각적으로 감지가능한 출력을 제공하고 있다.

현재의 HMD 기술들 중 일부는 가시선(line-of-sight)을 근사화하기 위하여 헤드 포지션 측정을 사용하는데, 이것은 적어도 ±20^o의 눈 운동의 결과로서 시청자가 시청하도록 의도되는 것과 시청자가 실제로 시청하고 있는 것 사이에 큰 불일치를 야기할 수도 있다. 그러므로, 일부 애플리케이션에서 HMD 내에 안구 추적 성능을 통합하는 것이 필요하다. 안구 추적은 응시의 지점(point of gaze) 또는 헤드에 상대적인 눈의 운동 중 하나를 측정하는 프로세스이다. 안구 추적기는 눈 포지션 및 눈 운동을 측정하기 위한 디바이스이다. 이러한 디바이스를 조작하기 위한 가장 유명한 방법은 눈 모션을 측정하기 위하여 광학적 방법을 이용하는 것에 의한 것이다. 통상적으로 적외선인 외부 소스로부터의 광은 눈으로부터 반사되고 비디오 카메라, 또는 몇몇 다른 특수하게 설계된 광 센서들에 의하여 감지된다. 그러면 정보가 분석되어 반사에서의 변화로부터 눈 회전을 추출한다. 비디오-기초 눈 추적기는 통상적으로 각막의 반사 및 동공의 중심을 시간이 지남에 따라서 추적할 피쳐들로서 사용한다. 결과적으로, HMD-안구 추적기가 통합된 시스템은 전통적인 HMD의 경우에서와 같이 입체 가상 이미지를 디스플레이할 수 있을 것이고, 또한 시청자의 응시의 방향을 추적할 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 두 개의 광학 유닛인 HMD 및 안구 추적기를 물리적으로 결합하는 것이 유리할 것이다. 더욱이, 위에서 설명된 바와 같이 표시원으로부터의 광을 시청자의 눈 속으로 투영하기 위하여 그리고 눈을 눈 추적기 소스로부터의 광으로써 조명하기 위하여 동일한 LOE를 사용하는 것, 그리고 눈으로부터 검출기 내로 반사하는 광을 수집하는 것이 유익할 것이다. 이러한 두 개의 광학 유닛들은 서로 간섭하지 않으면서 적합하게 동작하여야 한다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 결합형 광학계의 다음과 같은 두 가지 주요한 특징들이 활용된다: 광원으로부터의 광을 검사된 눈으로 그리고 역방향으로 전달하기 위한 전용인 별개의 부분 반사면 또는 면들(facets), 및 눈 추적을 위하여 이용되는 명소 영역과는 실질적으로 상이한 파장을 가지는 광.

도 6 은 어떻게 LOE의 면들 중 하나가 눈-추적 목적을 위하여 시청자의 눈(24)을 조명하기 위하여 이용될 수 있는지를 개략적으로 예시한다. 도시된 바와 같이, 명소 영역과는 실질적으로 상이하며 보통 IR 영역 내에 있고 바람직하게는 850 내지 900 nm의 범위에 있는 λ_tr의 파장을 가지는 안구 추적기(64) 로부터의 광선들은 광파 커플링면(16)을 통한 전반사에 의하여 LOE 내로 커플링된다. 이러한 실시예에서, 입력 및 이미지 파들은 LOE의 반대면에 위치결정된다. 광파들은 부분 반사면(22a)에 의하여 LOE 밖으로 커플링되고 시청자의 눈(24)을 조명하도록 디렉팅된다. 눈(24)으로부터의 반사 이후에, 광선들(60 및 62)은 동일한 부분 반사면(22a)에 의하여 다시 LOE 내로 커플링되고, 이제 다시 눈 추적기(64) 내로, 면(16)에 의하여 LOE 밖으로 커플링되는데, 여기에서 광파들은 검출기(66)에 의하여 이미징되고, 이것은 눈-동공(25)의 포지션을 추적하기 위하여 인입하는 광선들을 분석한다.

다중 이미지를 회피하기 위하여, LOE의 표면들 중 면들(facets) 중 오직 하나(도시된 도면에서 부분 반사면(22a))는 약 λ_tr의 범위 내에 있는 광파를 반사할 것이다. 그렇지 않으면, 다른면들로부터의 광파들도 역시 눈으로부터 반사되고 검출기(66)에 노이즈를 야기하여, 이미징된 안구의 품질을 심각하게 열화시킬 것이다. 추가적으로, 반사면(22a)은 하부 영역 및 상부 영역 모두에서 LOE의 관련된 각도 스펙트럼들 내의 명소 범위에 대해 투명해야 한다.

도 7 및 도 8 은 35° 및 75°의 입사각에서의 부분 반사면(22a 및 22b) 각각의 반사율 곡선을 파장의 함수로서 도시한다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 반사면(22a)은 35°의 입사각에서 20% 의 반사율을 가지는 850 nm의 파장을 가지는 광파를 반사하는 반면에, 이것은 이러한 입사각들 모두에서 전체 명소 범위에 대해 실제로 투명하다. 35°의 입사각에서, 반사면(22b)은 명소 범위 내의 광파를 부분적으로 반사하는 반면에, 이것은 명소 범위 내의 75° 의 입사각에서, 그리고 850 nm의 영역 내에서 이들 각도 모두에서 실제로 투명하다.

도 9 는 550 nm의 파장에서 부분 반사면(22a 및 22b)의 반사율 곡선을 입사각의 함수로서 도시한다. 도시된 바와 같이, 이러한 그래프에는 LOE의 정규 동작을 위하여 요구되는 바와 같이, 두 개의 유의미한 지역들이: 반사율이 매우 낮은 65° 및 85° 사이, 및 반사율이 입사각이 증가함에 따라 단조 증가하는 10° 및 40°가 존재한다. 부분 반사면(22a)에 대하여, 반사율은 하부 및 상부 관련 각도 영역들 모두에서 무시될만하다. 도 7 내지 도 9 의 실제 해석은, 반사면(22a)이 안구 추적에 대해서만 전용이며 명소 영역에서의 LOE의 보통 동작과는 절대 간섭하지 않는다는 것이다. 추가적으로, 반사면(22b)은 850 nm 근방의 스펙트럴 영역에 대해 실질적으로 투명하고, 그러므로 안구 추적의 광학적 동작과 간섭하지 않는다. 모든 다른 부분 반사면들은 반사면(22b)의 그것과 유사한 방식으로 동작하도록 설계된다. 즉, 다른 면들도 역시 850 nm의 스펙트럴 영역에 대해 투명하고, HMD용 결합기와 같은 역할을 하는 LOE의 광학적 디자인에 의하여 요구되는 바와 같은 광학적 성능을 명소 영역에서 가진다.

다뤄져야 하는 다른 문제점은 다중 이미지가 역시 단일면에 대하여 생성될 수도 있다는 것이다. 도 10 에 도시된 바와 같이, 눈(24)내의 단일 포인트로부터의 두 개의 상이한 광선들은 LOE를 통하여 이미징된다. 그러나, 그들의 광학적 거동은 상이하다: 광선(68)이 LOE의 외부면(28 및 30)의 각각으로부터 오직 한 번 반사되는 반면에, 광선(70)은 각각의 면으로부터 두 번씩 반사된다. 결과적으로, 이러한 두 개의 광선들은 부분 반사면(22a)으로부터 반사면(16)까지 상이한 광학 경로를 가지고, 그러므로 이들은 검출기(66)에서 파장 λ_out의 이미지를 형성하기 위하여 함께 이용될 수 없다. 그러므로, 외부면(28, 30)으로부터 두 번 반사되는 광선들은 검출기(66)로부터 차단되어야 한다.

도 11 은 어떻게 반사면(16)에 위치된 공간 필터(72)가 이러한 원치않는 광선들을 차단하는지를 예시한다. 즉, 광선(74)은 더 이상 추적기(64)를 통해서 검출기(66)내로 면(16)에 의해 반사되지 않고, 오히려 기판 내에서 전파되며, 결국 LOE의 에지에서 흡수된다. LOE에 의하여 시청자의 눈 속으로 투영되는 이미지를 생성하는 표시원으로부터의 인입하는 광파에 대한 교란을 방지하기 위하여, 필터(72)가 λ_tr의 파장을 가지는 광파에 대하여 투명한 반면 명소 범위에 대해서는 여전히 반사성을 가져야 하는 것이 중요하다.

도 12 는 필터(72)의 반사율 곡선을 15° 및 35°의 입사각에서의 파장의 함수로서 도시한다. 도시된 바와 같이, 필터는 명소 범위에 대하여 높게 반사성인 반면에 850 nm 주위의 스펙트럴 범위에 대해서는 실질적으로 투명하다.

반사면(16)에 관하여 위에서 설명된 실시예들은 입력 파를 기판 내로 커플링하기 위한 방법의 예들이다. 그러나, 입력 파들은 또한 폴딩 프리즘(folding prisms), 광섬유 번들(fiber optic bundles), 회절 그레이팅(diffraction gratings), 및 다른 솔루션들을 포함하지만 이들로 한정되는 것은 아닌 다른 광학 수단에 의하여 기판 내로 커플링될 수 있다. 위에서 언급된 간행물에서 설명되었던 이러한 방법들 중 몇 가지에서, LOE의 입력면은 반사면이 아니고 오히려 투명 개구부이다. 이러한 경우들에서, 필터가 λ_tr의 파장을 가지는 광파에 대하여 반사성인 반면에 명소 범위에 대해서는 여전히 투명할 것이 요구된다.

도 13 은 필터(72)의 반사율 곡선을 15° 및 35°의 입사각에서의 파장의 함수로서 도시한다. 도시된 바와 같이, 필터(72)는 명소 범위에 대하여 실질적으로 투명한 반면에 약 850 nm의 스펙트럴 범위에 대해서는 반사성이다.

표시원을 λ_tr의 파장을 가지는 광파를 이용하여 눈 추적기를 조명하기 위한 광원과 조합시키는 것이 도 14 에 도시된다. 도시된 바와 같이, 광원(78)으로부터 발산하며 명소 스펙트럼 내의 파장을 가지는 s-편광된 입력 광파(80)는 도광판(83)과 연관된 반사성 이색성면(82), 예를 들어, 빔 분할기에 의하여 반사되고, 그리고 보통 광파 투과 물질(transmitting material)로 이루어지는 결합기(85)의 도광판(84) 내로 이것의 하부면(86)을 통하여 커플링된다. 편광 빔 분할기(88) 외부로의 광파들의 반사에 후속하여, 광파들은 면(90)을 통하여 도광판(84) 밖으로 커플링된다. 실리콘 상 액정(Liquid Crystal on Silicon; LCOS)(92)의 밝은 픽셀을 조명하는 광파들은 이제 동적 사분파장 지연판(94)을 통하여 통과하고, LCOS(92)의 반사면에 의하여 반사되며, 지연판(94)을 통해 다시 지나가도록 복귀하고, 그리고 면(90)을 통해서 도광(84)에 재진입한다. 이제 p-편광된 광파는 편광 빔 분할기(88)를 통하여 지나가고 면(96)을 통하여 도광판(84) 밖으로 커플링된다. 그러면 광파는 제 2 사분파장 지연판(98)을 통과하여 지나고, 자신의 반사면(102)에서 컴포넌트(100), 예를 들어 렌즈에 의하여 시준되며, 지연판(98)을 통하여 다시 지나가도록 복귀하고, 그리고 면(96)을 통해서 도광(84)에 재진입한다. 이제 s-편광된 광-파는 편광 빔 분할기(88) 외부로 반사하고 결합기(85)의 상부면(104)을 통해서 도광판을 탈출한다. 추가적으로, 안구 추적기(108) 내에 위치되고 명소 스펙트럼과 상이하며 바람직하게는 근 IR 영역 내에 있는 광학 스펙트럼을 가지는 광 조명 소스(107)의 파장들을 가지는 s-편광된 입력 광파(106)는 이색성면(82)을 통해서 지나가고 도광판(84) 내로 커플링되며, 편광 빔 분할기(88)를 직접적으로 통과하여 지나고, 이제 상부면(104)을 통해서 도광(84) 밖으로 커플링된다. 관련된 각도 스펙트럼에 대하여, 이색성면(82)은 명소 스펙트럼에 대하여 높은 반사율을 그리고 광파(106)의 스펙트럼에 대하여 높은 투과율을 가진다.

두 개의 스펙트럼적으로 분리된 s-편광된 입력 광파(80 및 106)는 이제 전반사에 의하여 LOE의 반사면(16)을 통해서 커플링된다. 광파(80)는 부분 반사면(22a 내지 22e)에 의하여 시청자의 눈(24) 속으로 투영되는 가상 이미지를 형성하기 위하여 이용되는 반면에, 광파(106)는 눈-추적을 위하여 눈(24)을 조명하기 위해서 이용된다. λ_tr의 파장을 가지는 광파(106)는 눈(24)으로부터 반사되고 부분 반사면(22a)에 의하여 LOE 내로 다시 커플링되고, 반사면(16)을 통하여 LOE 밖으로 커플링되며, 도시되는 바와 같이, 편광 빔 분할기(88)를 통하여 그리고 이색성면(82)을 통하여 다시 지나가고, 안구 추적기(108) 내로 커플링되는데, 여기에서 이들은 검출기(110) 상에 포커싱된다.

도 15 는 도 14 의 편광 빔 분할기(88)의 반사율 패턴을 도시한다. 도시된 바와 같이, 빔 분할기(88)는 명소 범위 내에서 s- 및 p-편광 각각에 대해 높은 그리고 낮은 반사율들을 가지는 반면에 λ_tr의 파장을 가지는 s-편광된 광에 대해서는 높은 투과율을 가진다.

지금까지 설명된 모든 구성들에서, 광학 반사(16)는 명소 범위 내의 파장을 가지는 표시원으로부터의 광파들을, 그리고 λ_tr의 파장을 가지는 안구 추적기(108) 로부터의 광파들을 전반사에 의하여 LOE 내로 커플링하기 위하여 이용된다. 그러나, 상이한 커플링 소자들이 표시원으로부터의 광파 및 안구 추적기로부터의 광파를 개별적으로 커플링하기 위하여 이용되는 구성들이 존재한다. 이러한 구성은 두 개의 상이한 소자들을 포함하지만 그것들로 제한되지는 않으며, 여기에서 첫번째 것은 명소 범위에 대하여 실질적으로 투명한 반면에 λ_tr의 스펙트럴 범위 파장에 대해서는 반사성이고, 제 2 소자는 λ_tr의 스펙트럴 범위 파장에 대하여 실질적으로 투명한 반면에 명소 범위에 대해서 반사성이다.

지금까지 설명된 모든 구성들에서, 두 개의 부분 반사면(22a 및 22b)들은 좌우로 분리된다. 그러나, 콤팩트하게 하기 위하여 그리고 광학계의 EMB를 확장하기 위하여 두 개의 면들이 서로 인접할 것이 요구되는 구성들이 존재한다.

도 16 은 기판(20)의 일측을 향해 디렉팅된 면 상에 코팅된 제 1 부분 반사면(22a) 및 기판(20)의 타측을 향해 디렉팅된 면 상에 코팅된 제 2 부분 반사면(22b)을 도시한다. 두 개의 면들은 광학적으로 부착되며 시멘트층(112)에 의하여 좌우로 분리된다. 통상적으로, 시멘트층(112)의 두께는 10㎛의 정도이며, 그러므로 두 개의 면들은 광학적으로 하나의 위치 내에 배치되어 있는 것으로 간주될 수 있다. 도시된 바와 같이, 안구 추적기(108) 및 표시원(92) 각각으로부터의 두 개의 상이한 광선들(116, 118)(도 14 를 참조한다)은 커플링 반사면(16)에 의하여 기판(20) 내로 커플링되고, 이제 부분 반사면(22a 및 22b) 각각에 의하여 시청자의 눈(24)을 향해서 기판(20) 밖으로 커플링된다.

전술된 실시예들 모두에서, 안구 추적기로부터의 그리고 표시원으로부터의 광파들은 동일한 커플링-인(coupling-in) 소자에 의하여 기판 내로 커플링된다. 그러나, 단순성을 위하여 또는 기하학적 제약 때문에, 안구 추적기 및 표시원이 분리될 것이며 그러므로 두 개의 상이한 광파들이 두 개의 상이한 위치에서 기판 상에 충돌할 것이 요구되는 실시예들이 존재한다.

도 17 은 안구 추적기(120) 및 표시원(122)으로부터의 광학 파(116 및 118)가 두 개의 상이한 커플링-인 소자(124 및 126) 각각에 의하여 기판(20) 내로 개별적으로 커플링되는 시스템을 도시한다. 커플링-인 소자(124)가 단순한 반사면인 반면에, 커플링-인 소자(126)는 이색성 빔 분할기이다. 면들(124 및 126) 및 기판(20)의 주면(26) 사이의 각도가 약 30°인 것이 가정된다.

도 18 은 도 17 의 편광 빔 분할기(126)의 반사 패턴을 도시한다. 도시된 바와 같이, 빔 분할기(126)는 30° 의 입사각에서 명소 범위 내의 s-편광에 대하여 높은 반사율을 가지는 반면에 동일한 각도에서 λ_tr의 파장을 가지는 s-편광된 광에 대해서는 높은 투과율을 가진다. 결과적으로, λ_tr의 파장을 가지는 광파(116)는 반사면(124)에 의하여 기판 내로 커플링되고 무시될만한 간섭과 함께 소자(126)를 통과하여 지나간다.

위에서 언급된 종래기술의 간행물에서 설명되었던 이러한 방법들 중 몇 가지에서, LOE의 입력면은 반사면이 아니고 오히려 투명 개구부이다. 이러한 경우들에서, 제 2 개구부가 λ_tr의 파장을 가지는 광파에 대하여 반사성인 반면에 명소 범위에 대해서는 여전히 투명할 것이 요구된다.

지금까지, 안구 추적기의 주된 목적은 눈 포지션 및 눈 운동을 측정하는 것이라는 것이 가정되었다. 그러나, 시청자의 눈의 눈꺼풀이 닫히는 경우, 눈으로부터 반사되는 광학 파들의 패턴은 크게 변화된다. 안구 추적기는 시청자의 눈꺼풀이 열리거나 닫히는지를 용이하게 검출할 수 있다. 도 5 에서 도시된 LOE-기초 안경이 투시 기능을 가지기 때문에 자동화 애플리케이션(automotive applications)에 대하여 이것을 사용하는 것이 가능한데, 이러한 애플리케이션들은 운전에서 그리고 네비게이션 태스크에서 운전을 잠재적으로 보조할 수 있거나 낮은-가시성 조건 동안에 운전자의 눈 내에 열 이미지를 투영할 수 있다. 이러한 태스크에 추가적으로, LOE-기초 안경은 안구 추적기와 결합되어 졸음 운전 경고 유닛으로서의 역할을 역시 수행할 수 있으며, 즉 안구 추적기 디바이스는 운전자의 눈깜빡임 패턴을 검출하고 눈깜빡임 사이에 운전자의 눈이 얼마나 길게 닫혀있는지를 결정할 수 있다. 그러므로, 이 시스템은 드라이버가 더 이상 깨어있지 않다고 결정하고 이러한 상황에 관련된 경고를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 차량 안전을 위한 투시형 광학 시스템(see-through optical system)에 있어서,
   적어도 2개의 주 표면(major surface) 및 에지를 갖는 투명 기판;
   적어도 제2 광학 스펙트럼의 광파(optical wave)로 구성된 이미지를 투사하도록 구성된 이미지 프로젝터로서, 상기 이미지 프로젝터는 상기 이미지를 상기 기판에 주입하도록 상기 기판에 광학적으로 결합되어 상기 이미지가 상기 2개의 주 표면에서 내부 반사에 의해 상기 기판 내에서 전파되는, 상기 이미지 프로젝터;
   상기 기판 내에 배열되어 상기 기판에 의해 지지되고 상기 주 표면에 대해 비스듬히 기울어진 부분 반사 표면 어레이로서, 상기 부분 반사 표면 어레이는 관찰자의 눈에 가시적이도록 상기 기판으로부터 상기 이미지가 커플링 아웃(coupling out) 되는 커플링 아웃 영역을 형성하는, 상기 부분 반사 표면 어레이;
   상기 제2 광학 스펙트럼과 구별되는 제1 광학 스펙트럼 내의 조명 광파를 생성하는 조명원(illumination source);
   상기 기판 내에 배열되어 상기 기판에 의해 지지되고 상기 커플링 아웃 영역의 최외측 부분 반사 표면인 색채 선택 반사기(chromatically-selective reflector)로서, 상기 관찰자의 눈으로부터 반사되는 상기 제1 광학 스펙트럼 내의 광파를 커플링 인(coupling in) 시켜서 상기 기판 내에 전파하도록 구성된, 색채 선택 반사기;
   상기 관찰자의 눈으로부터 반사된 상기 광파로부터 상기 관찰자의 눈의 적어도 일부의 이미지를 도출하도록 배치된 검출기 장치; 및
   운전자 졸음 표시를 도출하고 상기 눈의 개폐 상태를 검출하기 위해 상기 관찰자의 눈의 적어도 일부의 상기 이미지를 처리하도록 구성되고, 상기 검출기 장치와 연관된 처리 시스템을 포함하는, 투시형 광학 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 광학 스펙트럼은 적외선을 포함하는, 투시형 광학 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 시스템은 상기 관찰자의 눈의 눈 위치를 결정하도록 추가로 구성된, 투시형 광학 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 상기 관찰자의 눈에 가시적이도록 열화상 카메라(thermal imager)로부터 도출된 이미지를 투사하도록 구성된, 투시형 광학 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 운전 또는 내비게이션 작업에서 상기 관찰자를 보조하기 위해 이미지를 투사하도록 구성된, 투시형 광학 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 시스템은 상기 관찰자의 눈의 깜박임 패턴을 검출하도록 추가로 구성된, 투시형 광학 시스템.

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