KR20220024410A

KR20220024410A - 도광 광학 소자를 통한 눈 이미징에 기초한 시선 추적 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220024410A
Application number: KR1020227000155A
Authority: KR
Inventors: 에이탄 로넨
Original assignee: 루머스 리미티드
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2022-03-03
Also published as: EP3990967A4; EP3990967B1; EP4528436A3; MX2021015750A; CA3137994A1; CN118534643A; US12147054B2; BR112021022229A2; IL289411A; EP3990967A1; JP7634277B2; JP2022538957A; WO2020261279A1; EP4528436A2; US11914161B2; CN114072717A; US20220334399A1; IL289411B2; AU2020301646A1; AU2020301646B2

Abstract

투광 기판은 눈과 직면하는 평행면 중 제1 표면이 배치된 평행면을 갖는다. 광학 소자는 제1 표면과 연관되고 입사광을 시준하기 위해 제1 유형의 입사광에 광출력을 인가하고, 제2 유형의 입사광에 실질적으로 광출력을 인가하지 않는다. 광학 결합 구성체는 기판과 연관되며, 기판 내에서 전파되도록 제1 표면에 입사하는 제1 유형의 시준 광의 일부를 내부 결합하고 기판 내에서 전파되는 제2 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성된다. 기판과 연관된 광학체는 제1 유형의 시준 광을 광학 센서에 의해 감지되는 광의 수렴 빔으로 변환시킨다. 프로세서는 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 눈의 현재 시선 방향을 도출한다.

Description

도광 광학 소자를 통한 눈 이미징에 기초한 시선 추적 장치 및 방법

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 2019년 6월 27일자에 출원된 미국 가특허 출원 제62/867,249호 및 2019년 7월 2일자에 출원된 미국 가특허 출원 제62/869,582호로부터 우선권을 주장하며, 이들의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로서 원용된다.

기술분야

본 발명은 시선 추적에 관한 것이다.

니어 아이 디스플레이(NED: Near Eye Display), 헤드 마운티드 디스플레이(HMD: Head Mounted Display), 및 헤드업 디스플레이(HUD: Head Up Display)를 위한 광학 배열체는 (일반적으로 눈 동작 박스 또는 EMB로 지칭되는) 관찰자의 눈이 위치되는 영역을 커버하기 위해 큰 개구를 필요로 한다. 소형의 장치를 구현하기 위해, 관찰자의 눈에 투영될 이미지는 큰 개구를 생성하도록 증배되는 작은 개구를 가진 작은 광학 이미지 생성기(프로젝터)에 의해 생성된다.

1차원에서 개구 증배에 대한 접근법은 내부 반사에 의해 이미지가 전파되는 투명 재료의 평행면 슬래브에 기초하여 개발되었다. 이미지 파면의 일부는 경사지게 각진 부분 반사기를 사용하거나 슬래브의 일 표면에 회절 광학 소자를 사용하여 슬래브 외부에 결합된다. 이러한 슬래브는 본원에서 도광 광학 소자(LOE), 투광 기판, 또는 도파관으로 지칭된다. 이러한 개구 증배의 원리는, 내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행면(26, 26A)을 갖는 도광 광학 소자(20)를 나타낸, 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 빔을 확장하는 샘플 광선(18A 및 18B)을 포함하는 조명 빔(18)으로 여기에서 개략적으로 나타낸 바와 같은 투영 이미지(18)는 본원에서 제1 반사면(16)으로 개략적으로 도시된 바와 같은 도광 광학 소자(20) 내에 결합되어, 기판 내에서 내부 반사에 의해 트랩되는 반사 광선(28)을 생성하고 광선(30)도 생성한다. 이미지는 반복된 내부 반사에 의해 기판을 따라 전파되어, 평행면(26, 26A)에 대해 경사각(α _sur )으로 일련의 부분 반사면(22)에 충돌하고, 이 경우 이미지 강도의 일부가 반사되어 관찰자의 눈(24)을 향하는 광선(32A, 32B)으로서 기판 외부에 결합된다. 고스트 이미지를 초래할 수 있는 원치 않는 반사를 최소화하기 위해, 부분 반사면(22)은 제1 입사각 범위에 대해 낮은 반사율을 가지면서 제2 입사각 범위에 대해 원하는 부분 반사율을 갖도록 코팅되는 것이 바람직하고, 이 경우 (여기에서 각도 β _ref 로 나타낸) 부분 반사면(22)에 대한 법선에 대한 작은 경사를 갖는 광선은 외부 결합을 위한 반사 광선을 생성하기 위해 분할되는 반면, (법선에 대한) 높은 경사 광선은 무시할 정도의 반사로 투과된다.

투영 이미지(18)는 시준 이미지이고, 즉 이 경우 각 픽셀은 관찰자로부터 먼 장면으로부터의 광과 동일한 대응 각도에서 평행 광선 빔으로 표현된다(시준 이미지는 "무한대로 시준된 것"으로 지칭됨). 이미지는 여기에서 이미지의 단일 지점에, 통상적으로 이미지의 중심에, 대응하는 광선으로 간단하게 표현되지만, 실제로는 대응하는 각도 범위로 기판 내에 결합되고 대응하는 각도로 유사하게 결합되는, 이러한 중앙 빔의 각 측면에 대한 각도 범위를 포함하여, 관찰자의 눈(24)에 서로 다른 방향으로 도달하는 이미지의 부분에 대응하는 시야를 생성한다.

NED, HMD 또는 HUD 설계에 유용할 수 있는 광학 기능은 시선 추적, 또는 머리 방향(일반적으로 시선 방향으로 지칭됨)에 대해 관찰자의 눈이 보고 있는 방향을 감지하는 것이다. 과거의 시선 추적 접근법은 EMB를 향한 측면에서 바라보는 하나 이상의 축외 카메라를 통해 EMB를 이미징하는 데 의존했다. 사용자의 불편함을 줄이기 위해서는, 카메라의 크기가 상대적으로 작아야 하는 데, 이는 EMB 이미징 성능을 제한할 수 있다. 높은 축외 각도로 샘플링된 EMB 이미지로부터 시선 방향을 도출하는 일반적인 어려움과 함께 작은 카메라 크기로 인해, 이러한 시선 추적 접근법의 성능이 상대적으로 낮다.

본 발명의 양태는 도광 광학 소자를 통한 눈 이미징에 기초하여 사람 눈의 시선 방향을 추적하기 위한 시선 추적기 및 대응 방법을 제공하고, 특히 NED, HMD 또는 HUD의 일부로서 통합하기에 적합하다.

본 발명의 일 실시예의 교시에 따르면, 내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 평행한 주요 표면을 갖는 투광 기판으로서, 주요 표면 중 제1 표면은 눈과 직면하게 배치되는, 투광 기판; 주요 표면 중 제1 표면과 연관된 광학 소자로서, 광학 소자는 입사광의 적어도 하나의 특성에 따라 입사광에 광출력을 인가하도록 구성되어 광학 소자는 제1 유형의 입사광에 광출력을 인가하여 제1 유형의 입사광을 시준하고 광학 소자는 제2 유형의 입사광에 광출력을 실질적으로 인가하지 않는, 광학 소자; 기판과 연관된 광학 결합 구성체로서, 광학 결합 구성체는 기판 내에서 전파되도록 광학 소자에 의해 시준되고 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 제1 유형의 광의 일부를 내부 결합하도록 구성되고, 기판 내에서 전파되는 제2 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되는, 광학 결합 구성체; 기판과 연관되고 제1 유형의 시준 광을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 구성된 광학체; 포착 광을 감지하기 위해 배치된 광학 센서; 및 광학 센서와 전기적으로 연관되고 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 장치가 제공된다.

선택적으로, 입사광의 적어도 하나의 특성은 입사광의 편광 방향을 포함한다.

선택적으로, 입사광의 적어도 하나의 특성은 입사광에 의해 점유된 전자기 스펙트럼의 영역을 포함한다.

선택적으로, 입사광의 적어도 하나의 특성은 입사광의 편광 방향 및 입사광에 의해 점유된 전자기 스펙트럼의 영역을 포함한다.

선택적으로, 제1 유형의 광은 제1 편광 방향으로 편광되는 광의 성분을 포함하고, 제2 유형의 광은 제2 편광 방향으로 편광된다.

선택적으로, 제1 유형의 광은 제1 광학 스펙트럼 내에 있고, 제2 유형의 광은 제2 광학 스펙트럼 내에 있다.

선택적으로, 제1 유형의 광은 제1 편광 방향으로 편광되는 광의 성분을 포함하며 제1 광학 스펙트럼 내에 있고, 제2 유형의 광은 제2 편광 방향으로 편광되며 제2 광학 스펙트럼 내에 있다.

선택적으로, 장치는 기판의 주요 표면 중 제2 표면과 연관된 편광자를 더 포함한다.

선택적으로, 기판에는 눈으로부터 눈동자 거리에 있는 주요 표면 중 제1 표면이 배치되고, 광학 소자는 눈동자 거리와 대략 동일한 초점 길이를 갖는다.

선택적으로, 장치는 광학체와 연관된 제2 광학 결합 구성체를 더 포함하고, 제2 광학 결합 구성체는 기판 내에서 전파되는 제1 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되어 외부 결합 광은 광학체에 의해 수신되고, 내부 반사에 의해 기판 내에서 전파되기 위해 디스플레이 공급원으로부터 제2 유형의 광의 일부를 내부 결합하도록 구성된다.

선택적으로, 장치는 제1 유형의 광으로 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체를 더 포함한다.

선택적으로, 장치는 이미지에 대응하는 제2 유형의 시준 광을 기판에 유입시키기 위해 기판에 결합되는 이미지 프로젝터를 더 포함하여, 제2 유형의 내부 결합된 시준 광은 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되고 광학 결합 구성체에 의해 눈을 향해 기판 외부에 결합된다.

선택적으로, 이미지 프로젝터는 편광 광원으로부터의 조명에 응답하여 편광 광을 생성하는 반사 디스플레이 장치를 포함하고, 반사 디스플레이 장치에 의해 생성된 편광 광은 광학체에 의해 시준된다.

선택적으로, 광학 결합 구성체는 기판의 주요 표면에 대해 경사진 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면을 포함한다.

선택적으로, 제1 유형의 광은 제1 전파 방향으로 기판 내에서 전파되고, 제2 유형의 광은 제1 전파 방향과 반대인 제2 전파 방향으로 기판 내에서 전파된다.

또한, 본 발명의 교시의 일 실시예에 따르면, 내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주요 표면을 갖는 투광 기판으로서, 주요 표면 중 제1 표면은 뷰어의 눈과 직면하게 배치되는, 투광 기판; 주요 표면 중 제1 표면과 연관된 렌즈로서, 렌즈는 제1 유형의 입사광에 광출력을 인가하여 제1 유형의 입사광을 시준하도록 구성되고, 제1 유형의 입사광은 제1 광학 스펙트럼 내에 있고 제1 편광 방향으로 편광을 갖는 광의 성분을 포함하고, 제2 유형의 입사광에 광출력을 실질적으로 인가하지 않도록 구성되고, 제2 유형의 입사광은 제2 광학 스펙트럼 내에 있고 제2 편광 방향으로 편광을 갖는, 렌즈; 제1 유형의 광의 일부가 눈에 의해 렌즈를 향해 다시 반사되어 렌즈에 의해 시준되도록 제1 유형의 광으로 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체; 광원으로부터의 조명에 응답하여 이미지에 대응하는 제2 유형의 광을 생성하는 반사 디스플레이 장치, 반사 디스플레이 장치에 의해 생성된 광을 시준하여 제2 유형의 시준 광을 생성하도록 구성된 광학체, 및 광학 센서를 포함하는 광학 모듈; 제2 유형의 시준 광을 기판에 결합하여 기판 내에서 제1 전파 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 구성된 광학 결합 구성체; 기판의 주요 표면에 대해 경사진 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면으로서, 복수의 부분 반사면은 기판 내에서 제1 전파 방향으로 전파되는 제2 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되고, 기판 내에서 제2 전파 방향으로 전파되도록 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 제1 유형의 시준 광의 일부를 내부 결합하도록 구성되고, 광학 결합 구성체는 제1 유형의 전파 광을 외부 결합하도록 더 구성되는, 복수의 부분 반사면; 및 광학 센서에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 장치가 제공되고, 광학 모듈의 광학체는 광학 결합 구성체에 의해 외부 결합 광을 수신하고 외부 결합 광을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 더 구성되고, 광학 센서는 포착 광을 감지하도록 구성되고, 적어도 하나의 프로세서는 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 교시의 일 실시예에 따르면, 내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 실질적으로 평행한 주요 표면을 갖는 제1 투광 기판으로서, 주요 표면 중 제1 표면은 뷰어의 눈과 직면하게 배치되는, 제1 투광 기판; 주요 표면에 대해 경사진 제1 기판 내에 배치된 적어도 부분 반사면으로서, 적어도 부분 반사면은 내부 결합 영역 내에서 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 입사 광선을 결합하여 제1 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되도록 구성되고, 입사 광선은 제1 광학 스펙트럼에 있고 눈의 조명에 응답하여 눈으로부터 발산되고, 입사 광선은 적어도 제1 광선 세트 및 제2 광선 세트를 포함하고, 제1 광선 세트는 제1 차원에서 내부 결합 영역의 적어도 일부를 확장하는 각도 분포를 갖고, 제2 광선 세트는 제2 차원에서 내부 결합 영역의 적어도 일부를 확장하는, 적어도 부분 반사면; 제1 기판 내에서 전파되는 광선을 외부 결합하도록 구성된 외부 결합 배열체; 렌즈의 제1 차원에서 제1 초점 길이 및 렌즈의 제2 차원에서 제2 초점 길이를 갖고, 제1 광선 세트에 대응하는 외부 결합 광선을 제1 광선 세트의 각도 분포를 나타내는 각도 분포를 갖는 포착 광의 비수렴 빔으로 변환시키도록 구성되고, 제2 광선 세트에 대응하는 외부 결합 광선을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 구성되는, 적어도 하나의 렌즈, 및 렌즈로부터 제1 초점 거리와 실질적으로 동일한 거리에 위치되고 포착 광을 감지하도록 구성된 광학 센서를 포함하는, 광학 모듈; 및 광학 센서에 전기적으로 결합되고 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 장치가 제공된다.

선택적으로, 장치는 제1 광학 스펙트럼의 광으로 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체를 더 포함한다.

선택적으로, 장치는 내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 상호 평행한 제1 및 제2 주요 표면을 포함하는 복수의 표면을 갖는 제2 투광 기판으로서, 제2 기판의 제1 주요 표면은 눈에 직면하게 배치되고, 제2 기판의 제2 주요 표면은 제1 기판의 주요 표면 중 제1 표면에 직면하게 배치되는, 제2 투광 기판; 및 제2 기판과 연관된 외부 결합 구성체를 더 포함하고, 외부 결합 구성체는 제1 광학 스펙트럼과 상이하고 제2 기판 내에서 전파되는 제2 광학 스펙트럼의 광의 일부를 눈을 향해 제2 기판 외부에 결합하도록 구성된다.

선택적으로, 장치는 제2 기판에 결합되고 이미지에 대응하는 제2 광학 스펙트럼의 시준 광을 생성하도록 구성되는 이미지 프로젝터를 더 포함하여, 시준 광은 제2 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되고 외부 결합 구성체에 의해 눈을 향해 제2 기판 외부에 결합된다.

선택적으로, 장치는 이미지 프로젝터 및 이미지 프로젝터에 의해 생성된 시준 광을 제2 기판에 결합하도록 구성된 제2 기판과 연관된 내부 결합 배열체를 더 포함한다.

선택적으로, 외부 결합 구성체는 제2 기판의 주요 표면에 대해 경사진 제2 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면을 포함한다.

선택적으로, 외부 결합 구성체는 제2 기판의 주요 표면 중 하나와 연관된 회절 광학 소자를 포함한다.

본원에서 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본원에서 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료는 본 발명의 실시예의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료를 후술한다. 상충하는 경우, 정의를 포함하는 특허 명세서를 우선시할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 예는 단지 예시일 뿐이며, 반드시 제한하려고 의도되지 않는다.

본 발명의 일부 실시예는 본원에서, 단지 예로서, 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 구체적으로 도면을 상세히 참조하면, 도시된 세부 사항은 예로서 본 발명의 실시예에 대한 예시적인 논의를 위한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 취한 설명은 본 발명의 실시예가 실시될 수 있는 방법을 당업자에게 명백하게 한다.
이제 유사한 참조 부호 또는 문자가 대응하는 또는 유사한 구성요소를 나타내는 도면에 주목한다. 도면에서:
도 1은 니어 아이 디스플레이에서 사용하기 위해, 부분 반사면을 이용하는 종래 기술의 도광 광학 소자의 전술한 개략적인 측면도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되고 작동되는, 이미지를 표시하고 사람 눈의 시선 방향을 추적하기 위한, 장치의 개략적인 측면도로서, 투광 기판을 통해 눈으로부터 이미지 프로젝터로 광의 전파를 도시하고 있고;
도 3은 투광 기판과 이미지 프로젝터 사이에 광을 결합하기 위한 광학 결합 구성체가 반사면으로서 구현되는 도 2의 장치의 대안적인 구성의 개략적인 측면도이고;
도 4는 이미지 프로젝터로부터 이미지 광의 전파 및 눈으로 외부 장면의 광의 전파를 도시한, 도 2의 장치의 개략적인 측면도이고;
도 5는 이미지 프로젝터의 출력부로 이미지 광의 전파를 도시한, 도 2 내지 4의 이미지 프로젝터의 개략적인 분해 평면도이고;
도 6은 광학 센서로 시선 추적 광의 전파를 도시한, 도 5의 이미지 프로젝터의 개략적인 분해 평면도이고;
도 7은 지연판의 추가에 의해 수정되고 광학 센서로 시선 추적 광의 전파를 도시한, 도 5 및 6의 이미지 프로젝터의 개략적인 분해 평면도이고;
도 8은 안경 폼 팩터로 구현되는, 도 1의 장치의 개략적인 부분 사시도이고;
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성되고 작동되는, 시선 추적을 위한 제1 투광 기판 및 이미지 투영을 위한 제2 투광 기판을 갖는, 이미지를 표시하고 사람 눈의 시선 방향을 추적하기 위한, 장치의 개략적인 측면도로서, 제2 투광 기판을 통해 눈으로부터 이미지 프로젝터로 광의 전파를 도시하고 있고;
도 10은 제1 투광 기판 내에 눈으로부터의 광 빔의 결합을 도시한, 도 9의 장치의 제1 투광 기판의 개략적인 부분 측면도이고;
도 11은 제1 차원에서 눈으로부터의 광 빔을 확장하는 다수의 광선을 도시한, 도 10과 유사한 개략적인 부분 측면도이고;
도 12는 도 11의 광선에 대응하는 광선이 렌즈에 의해 광학 센서로 향하는 것을 도시한, 도 9의 장치의 광학 모듈의 개략적인 측면도이고;
도 13은 제2 차원에서 눈으로부터의 광 빔을 확장하는 다수의 광선을 도시한, 도 9 및 10의 장치의 제1 투광 기판의 등측도이고;
도 14는 도 13의 광선에 대응하는 광선이 렌즈에 의해 광학 센서에 집속되는 것을 도시한, 도 9의 장치의 광학 모듈의 개략적인 측면도이고;
도 15는 이미지 프로젝터의 출력부로 이미지 광 및 시선 추적 광의 전파를 도시한, 도 9의 이미지 프로젝터의 개략적인 분해 평면도이다.

본 발명의 실시예는 눈을 이미징하고 및/또는 도광 광학 소자를 통해 눈에 의해 반사된 광의 각도 분포를 식별하는 것에 기초하여 사람 눈의 시선 방향을 추적하기 위한 다양한 장치 및 대응 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 다양한 시선 추적 장치의 원리 및 작동은 설명을 수반하는 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용에 있어서 구성의 세부사항 및 다음 설명에 제시되고 및/또는 도면 및/또는 예시에 도시된 구성요소 및/또는 방법의 구성 및 배열의 세부사항에 반드시 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예에 적용 가능하거나 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다.

서론으로, 여러 적용분야에서, 특히 헤드업 또는 니어 아이 디스플레이의 맥락에서, 사용자의 시선 방향을 결정하기 위한 시선 추적 배열체를 제공하는 것이 유용하다. 시선 추적을 수행하기 위한 한 가지 일반적인 접근법은 통상적으로 이미지 내의 동공 위치를 결정하여 눈의 방향을 도출할 목적으로 눈의 이미지를 샘플링하는 것이다. 시선 추적의 이미지를 샘플링하기 위하여 도 1의 원리와 유사한 원리로 작동하는 도광 광학 소자를 이용하는 것이 특히 유리할 것이다.

이러한 원리 또는 이러한 유사한 원리에 따라 작동하는 도광 광학 소자를 이용하는 시선 추적 해결책을 본원에서 설명한다. 본 발명의 특정 양태에 따른 한 세트의 해결책에서, 눈은 눈으로부터 반사된 광(제1 유형의 광으로 지칭됨)을 도광 광학 소자 내에 다시 결합함으로써 이미징되고, 이에 의해 광은 이미지 프로젝터로부터의 이미지 광(제2 유형의 광으로 지칭됨)의 역 전파 방향으로 도광 광학 소자를 통해 역방향 경로를 따라 전파되고, 이미지 프로젝터에 배치된 광학 센서에 집속되고, 이 경우 광의 감지에 응답하여 광학 센서에 의해 생성된 신호는 시선 방향을 도출하기 위해 처리 시스템에 의해 처리된다. 눈은 도광 광학 소자로부터 무한대에 위치되지 않기 때문에(오히려 통상적으로 약 20mm 정도의 눈동자 거리에 위치됨), 눈으로부터 반사된 광은, 광학 센서에 집속된 광으로부터 시선 방향을 정확하게 도출하기 위해 도광 광학 소자에 결합되기 전에, 광학 소자에 의해, 바람직하게는 편광 및/또는 제1 및 제2 유형의 광을 구별하는 스펙트럼 선택 렌즈에 의해, 시준된다.

본 발명의 양태에 따른 다른 세트의 해결책에서, 시선 방향은, 바람직하게는 눈으로부터 반사된 시준되지 않은 광을 도광 광학 소자 내에 결합하는 투영 이미지가 전파되는 LOE와 분리된 전용 도광 광학 소자에서, 특수 부분 반사면을 통해 결정되며, 이에 의해 내부 결합된 광은 도광 광학 소자를 통해 역방향 경로를 따라 전파되고 외부 결합된 광을 광학 센서로 안내하는 각각의 직교 차원에서 2개의 초점 길이를 갖는 렌즈를 포함하는 광학 모듈에 결합된다.

이제 도면을 참조하면, 도 2 내지 8은 눈(110)과 도광 광학 소자(LOE)(102) 사이에 배치된 시준 광학 소자(112)(이하, 렌즈(112)로 지칭됨)를 통해 이미지를 표시하고 사람 눈(110)의 시선 방향을 도출하기 위한, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성되고 작동되는, 일반적으로 100으로 나타낸, 장치의 구조 및 작동의 다양한 양태를 도시하고 있다. LOE(102)는 투명 재료로 형성되고 내부 반사(바람직하게는 내부 전반사)에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행면(평면의 주요 표면)(104, 106)을 갖는다. LOE(102)에는 눈(110)과 직면하는 평행면(104) 중 하나가 배치되며, 이 경우 눈(110)은 EMB(109)에서 해당 면(104)으로부터 눈동자 거리(ER)(111)에 위치된다. 부분 반사면(108) 세트로 구현되는 광학 결합 구성체는 LOE(102)와 연관되고 LOE(102) 내에서 내부 반사(전반사)에 의해 전파되도록 내부 결합 영역 내의 면(104)에 입사되는 광의 일부를 내부 결합하도록 구성된다. 특히, 부분 반사면(108)은 평행면(104, 106)에 대해 경사진 LOE(102) 내에(즉, 면(104, 106) 사이에) 배치된다. "활성 영역" 또는 "활성 구역"으로도 지칭되는 LOE(102)의 내부 결합 영역은 일반적으로 면(104)의 평면에서 부분 반사면(108)의 투영에 의해 확장된 영역으로 정의된다.

렌즈(112)는 (LOE(102)에 대한 광학 부착을 통해) 면(104)과 연관되어 렌즈(112)는 LOE(102)와 눈(110) 사이에 위치된다. 렌즈(112)는 ER(111)과 대략 동일한 초점 길이를 갖는 것이 바람직하다. (조명 배열체(138)에 의한 눈(110)의 조명에 응답하여) 눈(110)으로부터 반사된 광은 렌즈(112)에 의해 시준되고, 그 결과 시준 광은 면(104)에 입사되고 내부 반사에 의해 LOE(102) 내에서 전파되도록 부분 반사면(108)에 의해 LOE(102) 내에 결합된다. 광학 소자(140)(이하, 렌즈(140)로 지칭됨)는 LOE(102) 내에서 전파되는 포착 광을 수신하고 LOE(102) 내에서 전파되는 시준 광(평행 광선 세트)을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키기 위해 LOE(102)와 연관된다. 바람직하게는, 렌즈(140)는 포착 광을 감지하도록 구성된 광학 센서(128)와 함께 광학 모듈(126)에 통합되고, 렌즈(140)는 LOE(102) 내에서 LOE(102) 외부로 전파되는 포착 광을 광학 모듈(126)에 결합하는 광학 결합 구성체(124)를 통해 LOE(102)와 연관된다. 저장 매체(134)(예를 들어, 컴퓨터 메모리 등)에 결합된 적어도 하나의 컴퓨터형 프로세서(132)를 포함하는 처리 시스템(130)은 광학 센서(128)와 전기적으로 연관되고, 광학 센서(128)로부터의 신호를 처리하여 눈(110)의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성된다.

광학 결합 구성체(124)는 입사광을 LOE(102) 외부로 그리고 광학 모듈(126) 내로 편향시키는 임의의 결합 배열체일 수 있다. 적합한 광학 결합 구성체는 반사면(도 2에 개략적으로 도시됨) 및 프리즘(도 3에 개략적으로 도시됨)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

일반적으로 말하면, 눈(110)은 조명 배열체(138)에 의해 광으로 조명된다. 논의될 바와 같이, 조명 배열체(138)는 전자기 스펙트럼의 광순응 영역 외의 파장을 갖는 광으로 눈(110)을 조명하도록 구성된다. 다시 말해서, 조명 배열체(138)는 사람의 눈에 보이지 않는 광으로 눈(110)을 조명하도록 구성된다. 사람의 눈으로부터의 반사는, 특히 눈의 망막으로부터의 반사는, 가시 파장에서보다 근적외선에서 훨씬 더 높다. 따라서, 조명 배열체(138)는 전자기 스펙트럼의 근적외선(NIR) 영역의 파장을 갖는 광으로 눈(110)을 조명하도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 개시내용의 후속 섹션에서 상세히 논의될 바와 같이, 조명 배열체(138)는 또한 조명 배열체(138)로부터의 조명에 응답하여 눈(110)에 의해 반사된 광이 렌즈(112)의 표면에 대해 특정 편광 방향을 갖는(통상적으로 p-편광) 광의 최소 성분을 포함하도록 눈(110)을 조명하게 구성되는 것이 바람직하다.

이제 구체적으로 도 2 및 3을 참조하면, 이는 눈(110)으로부터 LOE(102)를 통해 광학 센서(128)로 광선의 횡단을 도시하고 있다. 일반적으로, LOE(102) 내에서 눈(110)으로부터 광학 센서(128)로 전파되는 광은 LOE(102) 내에서 역 전파 방향(제1/제2 전파 방향, 제1/제2 방향, 또는 역방향으로 상호교환적으로 지칭됨)으로 전파되는 것으로 지칭되는 반면, LOE(102) 내에서 이미지 프로젝터로부터 눈(110)으로 전파되는 이미지 광은 LOE(102) 내에서 역 전파 방향의 반대인 정 전파 방향(제2/제1 전파 방향, 제2/제1 방향, 또는 정방향으로 상호교환적으로 지칭됨)으로 전파하는 것으로 지칭된다. 눈(110)에 입사되는 조명 배열체(138)로부터 광 강도의 일부는 눈(110)에 의해 반사된다. 눈(110)으로부터 발산되는 반사광은 샘플 광선(114A-114F)으로서 도 2 및 도 3에 개략적으로 표현되어 있다. 눈(110)으로부터 발산되는 광은 렌즈(112)에 의해 시준되며, 이 경우 시준 광은 광선(116A-116F)으로 개략적으로 표현된다(각각의 광선(114A-114F) 각각은 대응하는 시준 광선(116A-116F)을 가짐). 시준 광선(116A-116F)은 일반적으로 면(104)에 수직인 LOE(102)의 면(104)에 입사되고, 부분 반사면(108)에 의해 LOE(102) 내에 결합되어 LOE(102) 내에서 내부 반사에 의해 트랩되는 반사 광선(118)(하향 광선)을 생성하고, (상향) 광선(120)도 생성한다. 눈(110)으로부터 반사된 광은, 그 광이 LOE(102) 외부의 광(광선(118 및 120))을 광선(122A, 122B, 및 122C)으로서 광학 모듈(126)에 결합하는 광학 결합 구성체(124)(도 2에서 반사면으로 및 도 3에서 프리즘으로 개략적으로 도시됨)에 도달할 때까지, 기판을 따라 전파된다. 렌즈(140)는 시준된 외부 결합 광(광선(122A, 122B, 및 122C))을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시켜 외부 결합 광(광선(122A, 122B, 및 122C))을 광학 센서(128)에 집속시킨다.

광학 모듈(126)은, 내부에 통합된 렌즈(140) 및 광학 센서(128)를 갖는 것 외에, 바람직하게는 이미지를 생성하고 눈(110)으로 보기 위해 LOE(102)에 투영하기 위한 구성요소를 포함하여(도 1의 투영 이미지(18)와 유사함), 광학 모듈(126)은 이미지 투영 및 광 집속과 감지의 이중 기능을 수행한다. 논의될 바와 같이, 렌즈(140)는 또한 광학 모듈(126)의 디스플레이 장치에 의해 생성된 광선을 시준하는 기능을 한다.

이제 도 4를 참조하면, 이는 LOE(102) 내에서 정방향으로 광의 전파를 도시하고 있다. 도 1에서와 유사하게, 빔을 확장하는 샘플 광선(142A, 142B, 및 142C)을 포함하는 조명 빔(142)으로 여기에서 개략적으로 표현되는 투영 이미지(142)는 광학 모듈(126)에 의해 생성되고 (본원에서 반사면으로 개략적으로 도시된 바와 같은) 광학 결합 구성체(124)를 통해 LOE(102) 내에 결합되어, LOE(102) 내에서 내부 반사에 의해 트랩되는 반사 광선(144)(상향 광선)을 생성하고, 광선(146)(하향 광선)도 생성한다. 이미지(142)는 면(104, 106) 사이의 반복된 내부 반사에 의해 LOE(102)를 따라 전파되어, 부분 반사면(108)에 충돌하고, 이 경우 이미지 강도의 일부는 반사되어 눈(110)을 향하는 광선(148A, 148B, 및 148C)으로 LOE(102) 외부에 결합된다. 그러나, 눈(110)에 도달하기 전에, 광선(148A-148C)은 반드시 렌즈(112)를 통과한다.

렌즈(112)가 (광학 센서(128)에 의해) 포착된 광의 정확한 감지 및 광학 센서(128)로부터 신호의 (처리 시스템(130)에 의한) 처리를 가능하게 하여 눈(110)의 현재 시선 방향을 도출하기 위해 광선(114A-114F)을 시준하도록 렌즈(112)가 눈(110)으로부터 발산되는 광에 광출력을 인가하는 것이 중요하지만, 광선(148A, 148B, 및 148C)에 광출력을 인가하면 눈(110)으로 볼 때 투영 이미지(142)가 왜곡될 것이기 때문에 렌즈(112)가 LOE(102)를 통해 광학 모듈(126)로부터 눈(110)으로 전파되는 이미지 광에 광출력을 인가하지 않는 것도 마찬가지로 중요하다. 그러므로, 렌즈가 두 유형의 광(제1 유형의 광으로 지칭되는, LOE(102)를 통해 광학 모듈(126)의 집속 및 감지 구성요소로 전파되는 광선(114A-114F)으로 표현되는, 눈으로부터 반사된 광, 및 제2 유형의 광으로 지칭되는, 광선(142A-142C)으로 표현되는, 이미지 투영 구성요소로부터의 이미지 광)으로 표시되는 광학 모듈(126)을 구별하고 해당 유형의 광 중 하나(즉, 제1 유형의 광, 즉 반사된 눈의 광)에만 광출력을 인가할 수 있도록 렌즈(112)를 설계하는 것이 본 실시예의 특정 특징이다. 이 문서의 맥락 내에서, "제1 유형의 광", "제1 유형의 광파", "광의 제1 유형", "광파의 제1 유형"이란 용어 및 이들의 변이형은 상호교환적으로 사용된다. 또한, 이 문서의 맥락 내에서, "제2 유형의 광", "제2 유형의 광파", "광의 제2 유형", "광파의 제2 유형"이란 용어 및 이들의 변이형은 상호교환적으로 사용된다.

특정 바람직한 실시예에 따르면, 렌즈(112)에 입사되는 광의 적어도 하나의 특성에 기초하여 구별을 수행한다. 다시 말해서, 렌즈(112)가 입사광의 적어도 하나의 특성(특징)에 따라 입사광에 광출력을 선택적으로 인가하도록 렌즈(112)가 설계된다. 특정 실시예에서, 하나의 특성-예를 들어, 입사광의 파장(즉, 광학 스펙트럼)-은 제1 유형과 제2 유형의 광을 구별하는 기준으로 사용되고, 다른 실시예에서 다른 특성-예를 들어, 편광 방향 또는 입사광 성분의 편광 방향-은 제1 유형과 제2 유형의 광을 구별하는 기준으로 사용되고, 또 다른 바람직한 실시예에서 광학 스펙트럼(파장)과 입사광의 편광 방향 둘 모두는 제1 유형과 제2 유형의 광을 구별하는 기준으로 사용된다.

일반적으로, 눈(110)을 조명하는 광과 대조적으로, 이미지 광(142)(제2 유형의 광)은 전자기 스펙트럼의 광순응 영역(즉, 380 나노미터(nm) 내지 약 700 nm)의 파장을 갖는 점을 유의한다. 그러므로, 렌즈(112)는 광출력이 전자기 스펙트럼의 광순응 영역 외의 파장을 갖는 광에만 인가되는 방식으로 설계될 수 있다. 또한, 여러 적용분야에서, 광학 모듈(126)에 의해 투영된 이미지 광은 특정 편광 방향으로 선형 편광(바람직하게는, s-편광)되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 렌즈(112)가 광학 모듈(126)에 의해 투영된 외부 결합 이미지 광의 편광 방향에 대해 회전된 편광 방향을 갖는 편광된 광에 광출력을 인가하도록 렌즈(112)가 설계될 수 있다. 따라서, 렌즈(112)는 제1 유형의 입사 광파에 광출력이 인가되어 제1 유형의 입사 광파를 시준하도록, 그리고 렌즈(112)가 제2 유형의 입사 광파에 광출력을 인가하지 않도록 편광되고 스펙트럼적으로 선택되게 설계되는 것이 바람직하고, 여기서 제1 유형의 입사 광파는 제1 편광 방향의(예를 들어, p-편광) 성분을 갖고 제1 광학 스펙트럼(예를 들어, 전자기 스펙트럼의 NIR 영역)의 파장을 갖고, 제2 유형의 입사 광파는 제1 편광 방향에 대해 회전된(예를 들어, s-편광) 제2 편광 방향을 갖고 제2 광학 스펙트럼(예를 들어, 전자기 스펙트럼의 광순응(또는 가시광) 영역)의 파장을 갖는다. 이를 위해, 제1 유형의 입사 광파에 대해, 렌즈(112)는 ER(111)과 대략 동일한 초점 거리를 갖는다.

렌즈(112)의 전술한 예시적인 구성에서, 광선(114A-114F)(제1 유형의 광)은 눈(110)으로부터 발산되는 광의 (렌즈(112)의 표면에 대해) p-편광된 성분을 나타내고 전자기 스펙트럼의 NIR 영역의 파장을 갖는 반면, LOE(102)로부터 외부 결합된 광선(148A-148C)(제2 유형의 광)은 (렌즈(112)의 표면에 대해) s-편광되고 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 파장을 갖는다. 렌즈(112)에 의해 수행된 편광 및 파장 의존 광출력 구별의 결과로서, 렌즈(112)는 광선(116A-116F)(제1 유형의 광)을 시준하도록 p-편광된 NIR 광파에 광출력을 인가하고, (부분 반사면(108)에 의해) LOE(102) 외부에 결합된 광선(148A-148C)(제2 유형의 광)이 렌즈(112)에 의해 왜곡되지 않고 렌즈(112)를 통과하도록 LOE(102) 외부에 결합된 s-편광된 가시 이미지 광파에 광출력을 인가하지 않는다. 더 나아가, 렌즈(112)는 눈(110)으로부터 반사된 NIR 광의 어떠한 s-편광된 성분에도 광출력을 인가하지 않는다.

복굴절(편광) 및/또는 스펙트럼 특성을 발휘하는 하나의 특정 등급의 재료는 액정으로서, 이는 상이한 편광 및 특정 예에서 상이한 파장의 광에 대해 상이한 효과를 갖는다. 예를 들어, 네마틱 페이즈 액정 분자는 2개의 상이한 선형 편광(s-편광 및 p-편광)의 입사광에 다르게 반응한다. 예시적이지만 비제한적인 구현예에서, 렌즈(112)는 액정 재료의 층으로 구성된 네마틱 페이즈 액정 렌즈로서 구현된다. 액정 재료의 층은 조율식 초점 길이를 제공하는 상태를 가정하고, 이에 의해 렌즈(112)는 일 편광 방향의(예를 들어, p-편광) 편광 광에 대해 규정된 초점 길이를 가져 해당 광에 대한 시준기로 작용하고, 렌즈(112)는 직교 편광의(예를 들어, s-편광) 광에 광출력을 인가하지 않는다. 네마틱 페이즈 액정의 각 액정 분자는 각 선형 편광에 대한 감응성이 다르기 때문에, 액정 분자의 다른 굴절률을 유도할 수 있다. 이와 같이, 일 편광 방향의 입사광은 굴절률의 변화가 없는 것으로 "보는" 반면, 다른 편광 방향의 입사광은 굴절률의 변화를 "보고" 이에 의해 해당 편광의 광에 대한 렌즈 효과를 유도한다.

뒤틀린 네마틱 액정에서, 각 액정 분자는 각 원형 편광(예를 들어, 우측 원형 편광(또는 RHP) 및 좌측 원형 편광(또는 LHP))에 대해 다른 감응성을 갖는다. 통상적으로, 뒤틀린 네마틱 액정에 대한 감응성은 RHP의 경우 양성 파워 렌즈 효과가 유도되는 반면, LHP의 경우 음성 파워 렌즈 효과가 유도된다. 액정 렌즈(112)에 의해 유도된 동일한 초점 거리를 갖는 다른 등방성 렌즈를 도입하면 하나의 편광에 대해 광출력을 두 배로 할 수 있고 다른 편광에 대해 광출력을 산출하지 않을 수 있다. RHP 및 LHP 광에 광출력이 다르게 인가되므로, 눈(110)으로부터의 반사 광의 원편광 방향을 적절하게 회전시키기 위해 1/4 파장판(150)을 눈(110)과 렌즈(112) 사이에 배치하는 것이 바람직함을 유의한다.

액정 재료로 구성된 렌즈는 일반적으로 입사광의 회절 분산을 생성하는 얇은 회절 격자형 구조(프레넬 렌즈에서와 유사함)로 구성된다. 각 격자는 해당 격자의 특정 회절 차수에 대해 더 큰 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 해당 특정 회절 차수에 대한 높은 강도는 유채색이다(즉, 파장 의존). 그러므로, 격자는 NIR 영역의 파장에 대해 1차 이상의 회절 노드의 상대 강도가 0차 회절 노드의 강도보다 높도록 설계될 수 있다. 광순응 영역에서, 높은 노드는 강도가 작거나 강도가 전혀 없어야 한다. 격자 방향은 NIR 및 광순응 영역의 광에 대한 전술한 조건이 충족되도록 공간적으로 변경되어, 렌즈(112)가 광을 효과적으로 시준하도록 렌즈 효과를 생성하고, 제2 광학 스펙트럼(예를 들어, 전자기 스펙트럼의 광순응(또는 가시광) 영역)의 파장을 갖는 입사광은 본질적으로 렌즈(112)의 영향을 받지 않는다. 여기에서 액정 분자의 격자 방향은 액정 재료의 복굴절 특성을 이용하지 않고 액정 분자의 굴절률을 공간적으로 변경하도록 변경되는 점을 유의한다.

일반적으로, 렌즈(112)는 파장과 편광의 조합에 기초하여 구별하도록 설계될 수 있다. 그러나, 제1 광학 스펙트럼과 제2 광학 스펙트럼 사이의 스펙트럼 분리가 이미지 프로젝터로부터의 광에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 충분히 크면, 파장에만 기초하여 제1 유형과 제2 유형의 광을 구별하는 것으로 충분할 수 있다. 일반적으로 말하면, 이미지 프로젝터로부터의 광에 대한 렌즈(112)의 효과는, 예를 들어 MTF, 헤이즈, 체커보드 콘트라스트 등을 포함하는, 하나 이상의 이미지 품질 메트릭에 기초하여 평가될 수 있다.

본 개시내용의 장치(100)가 증강 현실(AR) 시스템에 사용될 때 특히 적용 가능하고, 이 경우 광학 모듈(126)에 의해 투영된 이미지가 면(104, 106) 및 부분 반사면(108)을 통해 관찰자가 볼 수 있는 실세계 장면에 오버레이되는 점을 유의한다. 따라서, LOE(102)의 면(104, 106)을 통과하는 실세계 장면으로부터의 광파가 눈(110)에 도달하기 전에 렌즈(112)에 의해 왜곡되지 않는 것이 또한 바람직하다. 실세계 장면으로부터의 광파가 렌즈(112)에 의해 왜곡되는 것을 방지하기 위해, 입사광의 성분만을 제2 편광 방향(예를 들어, s-편광)으로 투과시키는 편광자(136)는 면(106)과 연관된다. 편광자(136) 및 LOE(102)는 공통 연신 방향(본원에서는 x축에 대응하는 것으로 임의로 도시됨)을 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 편광자(136)는 면(106)의 전체(또는 전체에 가깝게)에 걸쳐 연장되도록 배치되어, 전체 실세계 시야로부터의 광(입사 광선의 넓은 각도 분포에 대응함)은 면(106)에 충돌하기 전에 편광자(136)에 의해 적절하게 편광된다.

실세계 장면에 대한 편광자(136)의 효과는 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 빔을 확장하는 샘플 광선(152A 및 152B)을 포함하는 조명 빔(152)으로 여기에서 개략적으로 표현된 바와 같은 실세계 장면 이미지(152)는 광선(152A 및 152B)의 s-편광된 광 성분만을 투과시키는 편광자(136)에 충돌한다. 광선(152A 및 152B)이 s-편광되고 광순응 영역의 파장을 가지므로, s-편광된 광선(152A 및 152B)은, 광선(148A-148C)과 유사하게, 렌즈(112)를 통과하고 렌즈(112)에 의해 왜곡되지 않고(즉, 렌즈(112)는 광선(152A 및 152B)에 어떠한 광출력도 인가하지 않음) 눈(110)에 도달한다.

배경 섹션에서 논의된 바와 같이, 고스트 이미지를 초래할 수 있는 원치 않는 반사를 최소화하기 위해, 부분 반사면은 제1 입사각 범위에 대해 낮은 반사율을 가지면서 제2 입사각 범위에 대해 원하는 부분 반사율을 갖도록 코팅되는 것이 바람직하다. 도 1의 종래 기술 구성에서, 이러한 코팅은 통상적으로 투영 이미지의 파장 범위 및 편광에 대해 특정적이다. 예를 들어, 투영 이미지가 전자기 스펙트럼의 광순응 영역의 파장을 갖는 s-편광 광으로 구성되는 경우, 부분 반사면은 제1 입사각 범위에서 광순응 영역의 s-편광 광에 대해 낮은 반사율을 가지도록 코팅되고, 제2 입사각 범위에서 광순응 영역의 s-편광 광에 대해 원하는 부분 반사율을 갖도록 코팅된다. 이러한 코팅 계획은 광이 정방향으로만 전파되고 부분 반사면(22)이 LOE(20) 외부에 광을 결합하는 데만 사용되기 때문에 도 1의 구성에 이상적이다. 그러나, 제1 유형의 광(눈(110)으로부터 반사된 NIR 광의 p-편광 성분)이 역방향으로 전파되고 제2 유형의 광(이미지 프로젝터로부터의 s-편광 광순응 광)이 정방향으로 전파되고 부분 반사면(108)이 제1 유형의 광을 LOE(102) 내에 결합하고 제2 유형의 광을 LOE(102) 외부에 결합하도록 구성되는 도 2 내지 4의 구성에서, 제1 유형의 광에 대한 적절한 원하는 반사율을 확보하기 위해 수정된 코팅 계획을 따라야 한다. 구체적으로, 부분 반사면(108)은 도 1의 구성에서와 같이 코팅되는 것이 바람직하고, 소정의 입사각 범위에서 NIR 영역의 p-편광 광에 대해 원하는 반사율을 갖도록 추가로 코팅된다.

이전에 논의된 바와 같이, 광학 모듈(126)은 이미지 투영 및 광 집속 및 감지의 이중 역할을 수행한다. 다음 단락은 이미지(142)를 투영하기 위한 이미지 프로젝터 및 눈(110)으로부터 반사된 광을 광학 센서(128)에 집속하기 위한 집속 및 감지 장치 둘 모두의 역할에서 광학 모듈(126)의 구조 및 작동을 설명한다.

먼저 도 5를 참조하면, 광학 모듈(126)(이미지 프로젝터(126)로도 지칭됨)은 각각 광파 투과 재료로 형성된 조명 프리즘(160) 및 시준 집속 프리즘(180)을 포함한다. 조명 프리즘(160)은 광파 입사면(168), 이미지 디스플레이면(170), 광파 입출사면(172), 및 광파 출사면(174)을 포함하는 다수의 외면을 갖는다. 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(166)는 광파 입사면(168)에 대해 경사진 평면 상의 프리즘(160) 내에 배치된다. 프리즘(160)은 2개의 구성 프리즘을, 즉 제1 구성 프리즘(162) 및 제2 구성 프리즘(164)을, 기반으로 하며, 이 경우 프리즘(162, 164) 중 적어도 하나는 빗변측에 제공되고, 편광 빔 스플리터(예를 들어, 와이어 그리드 빔 스플리터)는 s-편광된 광을 반사하고 p-편광된 광(빔 스플리터의 표면에 입사)을 투과시키는 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(166)의 적어도 일부를 형성한다. 프리즘(162, 164)의 두 빗변측은 서로 접합되어, 접합된 단일 조명 프리즘 조립체를 형성한다. 이러한 단일 접합 프리즘은 (이미지 투영을 위한) 반사 디스플레이 장치를 조명하고 또한 눈(110)으로부터 반사된 입사광을 광파 출사면(174)과 연관된 광학 센서(128)로 안내하는 데 사용된다. 편광 빔 스플리터는 빗변측 중 하나에 직접 편광 선택적 코팅을 통해 제공될 수 있거나, 또는 그 위에 편광 선택적 코팅이 증착된, 예를 들어 시트, 포일, 또는 유리판과 같은, 얇은 재료 조각을 통해 제공될 수 있고, 이에 의해 빗변측 중 하나에 얇은 재료 조각이 부착된다.

특정 바람직한 구현예에서, 표면(170 및 172)은 서로 평행하고, 표면(168 및 174)은 서로 평행하다. 특정의 특히 바람직한 구현예에서, 프리즘(160)은 직육면체 프리즘이고, 즉 이는 서로 직교하는 직사각형 면을 가지며, 본원에 도시된 특정의 특히 바람직한 예에서 정육면체 프리즘이고, 이 경우 각 구성 프리즘(162 및 164)은 45도 직각 단면 형상을 갖는다.

시준 집속 프리즘(180)은 또한 제1 광파 입출사면(190)(광파 입출사면(172)과 정렬되고 평행함), 제2 광파 입출사면(194), 시준-집속면(192), 및 제4 표면(188)을 포함하는 다수의 외면을 갖는다. 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)는 표면(188)에 대해 경사진 평면 상의 프리즘(180) 내에 배치된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 빔 스플리터 구성체(166 및 186)는 평행한 평면에 있다. 프리즘(180)은 2개의 구성 프리즘을, 즉 제1 구성 프리즘(182) 및 제2 구성 프리즘(184)을, 기반으로 하며, 이 경우 프리즘(182, 184) 중 적어도 하나는 빗변측에 제공되고, 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터는 p-편광 광을 반사하고 제1 광학 스펙트럼(예를 들어, NIR 영역)의 파장을 갖는 s-편광 광을 투과시키고 s-편광 광을 반사하고 제2 광학 스펙트럼(예를 들어, 광순응(또는 가시광) 영역)의 파장을 갖는 p-편광 광을 투과시키는 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)의 적어도 일부를 형성한다. 프리즘(182, 184)의 두 빗변측은 서로 접합되어, 접합된 단일 시준 집속 프리즘 조립체를 형성한다. 이러한 단일 접합 프리즘은 반사 디스플레이 장치로부터의 광을 광학 소자(시준 집속 구성요소인 렌즈(140))를 향해 안내하여 디스플레이광을 시준하는 데 사용되고, 또한 눈(110)으로부터 반사된 입사광을 광학 소자를 향해 안내하여 조명 프리즘(160)을 통해 광학 센서(128)에 광을 집속시키는 데 사용된다. 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터는 빗변측 중 하나에 직접 유전체 코팅의 형태로 편광 및 스펙트럼 선택적 코팅을 통해 제공될 수 있다.

특정 바람직한 구현예에서, 표면(190 및 192)은 서로 평행하고, 표면(188 및 194)은 서로 평행하다. 특정의 특히 바람직한 구현예에서, 프리즘(180)은 직육면체 프리즘이고, 즉 이는 서로 직교하는 직사각형 면을 가지며, 본원에 도시된 특정의 특히 바람직한 예에서 정육면체 프리즘이고, 이 경우 각 구성 프리즘(182 및 184)은 45도 직각 단면 형상을 갖는다.

편광 광원(176)(편광자와 광원(예를 들어, LED)의 조합일 수 있음)은 광파 입사면(168)과 연관된다. 편광 광원(176)은 입사 빔(158)으로 개략적으로 표현되는 제2 광학 스펙트럼(즉, 가시 영역)의 편광 광을 방출하도록 구성된다. 이미지에 대응하는 반사광의 공간적 변조를 생성하는 반사 디스플레이 장치(178)(바람직하게는 실리콘 액정(LCoS: Liquid Crystal on Silicon) 마이크로디스플레이로 구현됨)는 이미지 디스플레이면(170)과 연관된다. 반사 디스플레이 장치(178)는 빔 스플리터 구성체(166)로부터 반사된 편광 광원(176)으로부터의 입사 빔(158)에 의해 조명된다. 반사 디스플레이 장치(178)는 원하는 이미지의 밝은 영역에 대응하는 반사광이 편광 광원에 대해 회전된 편광을 갖도록 구성된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 편광 조명(158)은 제1 편광으로, 통상적으로 빔 스플리터 구성체(166)의 표면에 대한 s-편광으로, 광파 입사면(168)을 통해 프리즘(160)에 입사하고, 반사 디스플레이 장치(178)에 충돌하는 이미지 디스플레이면(170)을 향해 반사된다. 이미지의 밝은 영역에 대응하는 픽셀은 변조된 회전 편광(통상적으로, p-편광됨)으로 반사되어 밝은 픽셀로부터의 방사선은 빔 스플리터 구성체(166)를 통해 투과되고 광파 입출사면(172)을 통한 투과를 통해 프리즘(160)에서 출사한다. 그 후, 광은 제2 편광(통상적으로, 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대해 p-편광됨)으로 광파 입출사면(190)을 통해 프리즘(180)에 입사하고, 시준 집속 표면(192)에 도달하며, 이 경우 광은 적어도 하나의 지연판(196)을, 바람직하게는 시준 집속 표면(192) 중 적어도 일부와 연관된 1/4 파장판을, 통과하고, 적어도 하나의 광파 시준 집속 구성요소에, 즉 렌즈(140)에, 입사하여 지연판(196)의 적어도 일부 위에 놓이고, 렌즈(140)의 반사면(141)에 의해 지연판(196)을 통해 다시 반사된다. 편광 축에 대해 45도에서 빠른 축과 정렬된 지연판(196)을 통한 이중 통과는 편광을 회전시켜(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 시준된 이미지 조명이 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)에서 광파 입출사면(194)을 향해 반사되고 조명 빔(142)으로서 프리즘(180)에서 출사한다. 그 후, 조명 빔(142)은 광학 결합 구성체(124)에 의해 LOE(102) 내에 결합된다.

도 6은 광학 결합 구성체(124)에 의해 LOE(102) 외부에 결합된 후 광학 모듈(126)을 통해 눈(110)으로부터 반사된 시준 광이 뒤따르는 광 경로를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2 및 3을 다시 참조하면, 역방향으로 LOE(102)를 통해 전파되는 눈(110)으로부터 반사된 시준 광(116A-116F)은 조명 빔(122)을 나타내는 광선(122A-122C)으로서 광학 결합 구성체(124)에 의해 LOE(102) 외부에 결합된다. (통상적으로, NIR 영역의) 조명(122)은 2개의 직교 편광 성분(즉, 시준되는 제1 편광 성분(예를 들어, 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대한 p-편광) 및 제2 편광 성분(예를 들어, 시준되지 않은 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대한 s-편광))을 포함할 수 있다. 조명(122)은 광파 입출사면(194)을 통해 프리즘(180)에 입사한다. 논의된 바와 같이, 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)는 p-편광 광을 반사하고 제1 광학 스펙트럼(예를 들어, NIR 영역)의 파장을 갖는 s-편광 광을 투과시킨다. 그러므로, 조명(122)의 제2 편광 성분은 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 투과되고 표면(188)을 통해 프리즘(180)에서 출사한다. (시준되는) 조명(122)의 제1 편광 성분(통상적으로 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대한 p-편광)은 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 반사되고 시준 집속 표면(192)에 도달하며, 이 경우 그 성분은 지연판(196)을 통과하고, 시준 집속 구성요소(140)에 입사하고, 렌즈(140)의 반사면(141)에 의해 지연판(196)을 통해 다시 반사된다. 시준 집속 구성요소(140)가 도 5의 시준되지 않은 조명(158)을 시준하도록 역할을 하는 반면에, 시준 집속 구성요소(140)는 도 6의 시준 조명(122)에 대해 반대 기능을 수행한다, 즉 평행 광선 세트(시준된 광선(122A, 122B 및 122C))를 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록, 즉 광학 센서(128)에 조명(122)을 집속하도록, 입사 시준된 광선에 광출력을 인가한다. 또한, 도 5를 참조하여 전술한 바와 유사하게, 편광 축에 대해 45도에서 빠른 축과 정렬된 지연판(196)을 통한 이중 통과는 조명(122)의 편광을 회전시켜(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 집속된 조명은 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)를 통해 투과되고 광파 입출사면(190)을 통한 투과를 통해 프리즘(180)에서 출사한다. 그 후, 광은 제1 편광(통상적으로, 빔 스플리터 구성체(166)의 표면에 대한 s-편광)으로 광파 입출사면(172)을 통해 프리즘(160)에 입사한다. 이전에 논의된 바와 같이, 빔 스플리터 구성체(166)는 s-편광 광을 반사하고 p-편광 광을 투과시킨다. 이러한 반사 및 투과 특성은 입사광의 편광에만 기초하므로, NIR 및 가시광 둘 모두 빔 스플리터 구성체(166)에 의해 동일한 방식으로 처리된다. 따라서, s-편광된 NIR 광은 광파 출사면(174)을 향해 빔 스플리터 구성체(166)에서 반사되고 광학 센서(128)에 충돌하는 집속된 조명 빔(198)으로서 프리즘(160)에서 출사한다.

또한, 본원에 설명된 예에서 특정 편광파 경로를 따르는 각 경우에 대해, 편광은 상호교환 가능하며, 이에 의해 예를 들어 빔 스플리터 구성체(166, 186) 및 렌즈(112)의 편광 선택 특성을 변경할 때, p-편광 광에 대한 각 언급은 s-편광 광으로 대체될 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예를 들어, 렌즈(112)는 (NIR) 광의 s-편광 성분을 시준하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 편광 광원(176)은 p-편광 입사 빔(158)을 방출하도록 구성되고, 빔 스플리터 구성체(166)는 p-편광 광을 반사하고 (광순응 및 NIR 영역 둘 모두에서) s-편광 광을 투과시키고, 빔 스플리터 구성체(186)는 s-편광을 반사하고 NIR 영역의 파장을 갖는 p-편광 광을 투과시키고 p-편광 광을 반사하고 광순응(가시광) 영역의 파장을 갖는 s-편광 광을 투과시킨다.

도 5 및 6에 도시된 편광 및 스펙트럼 선택적 빔 스플리터 구성체(186)는 특정 결점을 가질 수 있다, 특히 입사광의 적절한 스펙트럼 및 편광 선택적 투과 및 반사를 제공하는 코팅 설계의 복잡성을 가질 수 있다. 도 5 및 6에 도시된 빔 스플리터 설계에 대한 하나의 대안이 도 7에 도시되어 있다. 본원에서, 빔 스플리터 구성체(186)는 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(빔 스플리터 구성체(166)와 유사함)로 구현된다, 즉 이는 s-편광 광을 반사하고 제1 및 제2 광학 스펙트럼 둘 모두에서 p-편광 광을 투과시킨다(즉, 가시광 및 NIR 광은 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 동일하게 처리됨). 도 7에 도시된 빔 스플리터 구성체(186)는 제1 또는 제2 광학 스펙트럼의 광을 구별하지 않기 때문에, NIR 광에 대한 편광 회전을 처리하기 위해 2개의 추가 지연판이 배치된다. 구체적으로, 지연판(195)은 광파 입출사면(194)의 적어도 일부와 연관되고, 다른 지연판(197)은 광파 입출사면(172) 및 광파 입출사면(190)과 연관되어 프리즘(160 및 180) 사이에 배치된다. 지연판(195, 197)은 제1 광학 스펙트럼의 입사광(즉, NIR 광)에 대한 반파장판으로서 역할을 하여 입사 NIR 광의 편광을 회전시키고, 제2 광학 스펙트럼(즉, 광순응(가시) 광)의 입사광에 대한 전파장판으로서 역할을 하여 입사 광순응 광의 편광 상태에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 지연판(195)에 충돌하는 조명(122)의 제1 편광(통상적으로, p-편광) 성분은 지연판(195)에 의해 제2 직교 편광으로 회전된(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 편광을 갖고, 지연판(195)에 충돌하는 조명(122)의 제2 편광(통상적으로, s-편광) 성분은 지연판(195)에 의해 제1 직교 편광으로 회전된(예를 들어, s-편광을 p-편광으로 변환) 편광을 갖는다. (지연판(195)을 통과한 후) 조명(122)은 광파 입출사면(194)을 통해 프리즘(180)에 입사한다. (편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대해) p-편광된 것으로 프리즘에 입사하는 조명(122)의 성분은 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 투과되고 표면(188)을 통해 프리즘(180)에서 출사한다. (편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대해) s-편광된 것으로 프리즘에 입사하는 조명(122)의 성분은 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 반사되고 시준 집속 표면(192)에 도달하며, 이 경우 그 성분은 지연판(196)을 통과하고, 시준 집속 구성요소(즉, 렌즈)(140)에 입사하고, 편광을 회전시키도록(예를 들어, s-편광을 p-편광으로 변환) 렌즈(140)의 반사면(141)에 의해 지연판(196)을 통해 다시 반사되어, 집속된 조명은 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)를 통해 투과되고 광파 입출사면(190)을 통한 투과를 통해 프리즘(180)에서 출사한다. 그 후, 광은 제1 편광(통상적으로, p-편광)으로 지연판(197)에 충돌하고 지연판(197)에 의해 제2 직교 편광으로 회전된(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 편광을 가져 조명(122)은 빔 스플리터 구성체(166)의 표면에 대해 s-편광으로 광파 입출사면(172)을 통해 프리즘(160)에 입사한다. 이제, s-편광된 광은 광파 출사면(174)을 향해 빔 스플리터 구성체(166)에 의해 반사되고 광학 센서(128)에 충돌하는 집속된 조명 빔(198)으로서 프리즘(160)에서 출사한다.

지연판(195, 197)이 광순응 광에 대한 전파장판으로서 역할을 하기 때문에, 편광 광원(176)으로부터 프리즘(180)의 출력부(광파 입출사면(194))로 프리즘(160, 180)을 통한 횡단 경로 및 횡단 광의 편광 방향은 지연판(195, 197)의 영향을 받지 않음을 유의한다.

또한, 도 7에 도시된 광학 모듈(126)의 구성은 렌즈(112)가 편광 분리에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 유형의 광과, 즉 시선 추적 광(눈(110)으로부터의 광)과, 제2 유형의 광을, 즉 이미지 광(반사 디스플레이 장치(178)으로부터의 광)을, 구별하는 상황에 적용 가능함을 유의한다. 렌즈(112)가 스펙트럼 분리에만 기초하여 이러한 두 유형의 광을 구별하는 구성에서, 지연판(195)은 필요하지 않다. 이는 (렌즈(112)가, 예를 들어 편광에 관계없이 NIR 영역에서, 시선 추적 광에 의해 점유된 광학 스펙트럼의 광을 시준하기 때문에) 시선 추적 광이 일반적으로 렌즈(112)에 의해 모두 시준되는 s 및 p 편광 성분을 포함하도록 눈이 조명될 수 있다는 점에 기인한다. 따라서, LOE(102)로부터 광학 모듈(126)에 외부 결합된 조명(122)은 (빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대해) s-편광 및 p-편광의 성분에 대해 시준된다. 여기서, p-편광 성분은 표면(194)을 통해 프리즘(180)에 입사할 것이고, 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 투과될 것이고, 표면(188)을 통해 프리즘(180)에서 출사할 것이다. s-편광 성분은 표면(194)을 통해 프리즘(180)에 입사하고, 빔 스플리터 구성체(186)에 의해 반사되고, 표면(192)을 통해 프리즘(180)에서 출사하고, 시준 집속 표면(192)에 도달하며, 이 경우 그 성분은 지연판(196)을 통과하고, 시준 집속 구성요소(즉, 렌즈)(140)에 입사하고, 편광을 회전시키도록(예를 들어, s-편광을 p-편광으로 변환) 렌즈(140)의 반사면(141)에 의해 지연판(196)을 통해 다시 반사되어, 집속된 조명은 빔 스플리터 구성체(186)를 통해 투과되고 광파 입출사면(190)을 통한 투과를 통해 프리즘(180)에서 출사한다.

예를 들어, 광학 모듈(126)의 빔 스플리터 구성체(166, 186) 중 하나 또는 둘 모두를 간단한 50-50 빔 스플리터로 구현하는 것을 포함하는 빔 스플리터 구성체(166, 186)의 다른 구현이 본원에서 고려되며, 이는 입사광 강도의 약 절반을 반사하고 입사광 강도의 약 절반을 투과시킨다. 대안적으로, 빔 스플리터 구성체 둘 모두는 제2 광학 스펙트럼(가시광)의 입사광에 대한 편광 선택적 빔 스플리터 구성체 및 제1 광학 스펙트럼(NIR 광)의 입사광에 대한 간단한 50-50 빔 스플리터로 구현될 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터 구성체는 s-편광 가시광을 반사하고 p-편광 가시광을 투과시킬 수 있으며, 입사 NIR 광 강도의 약 절반을 반사하고 입사 NIR 광 강도의 약 절반을 투과시킬 수 있다. 그러나, 이러한 50-50 빔 스플리터 구성체에서, 초기 입사광 강도의 약 25%만이 출력에 도달함을 유의한다.

조명 배열체(138)의 다양한 구성이 본원에서 고려된다. 모든 조명 배열체 구성에서, 조명 배열체(138)는 제1 유형의 광(즉, 제1 편광 방향으로 편광된(예를 들어, p-편광) 광의 성분을 포함하는 제1 광학 스펙트럼의 광(예를 들어, NIR 광))으로 눈(110)을 조명하도록 구성된 하나 이상의 광원을 포함한다. 이상적으로, 조명 배열체(138)의 광원(들)은 가능한 한 EMB(109)에 대한 법선에 가까운 조명 방향으로 눈(110)을 조명하도록 배치된다. 대안적인 구성에서, 광원(들)은 측면으로부터 눈(110)을 조명하도록 눈(110)의 시야의 주변에 배치된다. 또 다른 구성에서, 조명 배열체(138)는 광학 모듈(126)의 일부로서 배치되며, 이는 눈(110)으로 보기 위해 이미지(142)를 LOE(102)에 생성 및 투영하는 것 외에 정방향으로 전파되도록 조명 배열체(138)로부터 LOE(102)에 광을 주입하여 EMB(109)에 수직인 외부 결합 방향으로 부분 반사면(108)에 의해 LOE(102) 외부에 결합되도록 구성될 수 있다.

다음 단락은 특히 도 8을 참조하여 조명 배열체(138)에 대한 여러 배치 옵션을 설명한다. 도 8에 도시된 장치(100)의 비제한적인 구현예는 조명 배열체(138)에 대한 일반적인 배치 옵션에 관한 문맥을 제공하도록 의도된다. 여기에서 도시된 특정 비제한적인 구현예에서, 장치(100)는 관찰자의 귀와 치합하기 위한 측면 암(156)을 갖는 안경 프레임(154)으로서 구현되는 헤드 마운티드 기계 본체를 갖는 안경 폼 팩터로 구현된다. 헬멧 마운티드 폼 팩터, 차량 윈드실드 폼 팩터, 및 기타 헤드업 디스플레이 및 니어 아이 디스플레이 폼 팩터와 같은 다른 폼 팩터도 분명히 본 발명의 범위에 속함을 유의해야 한다. 조명 배열체(138)는 (예를 들어, 면(204)에 대한 직접 또는 간접 부착을 통해) LOE(102)의 활성 영역에 가깝게 배치된 (도 8에서 2개의 광원으로 표현되는) 적어도 하나의 광원(138A)을 포함할 수 있어 광원(138A)에 의해 방출된 광선은 EMB(109)에 대한 법선에 가까운 EMB(109)에 도달한다. 대안적으로, 또는 광원(138A)에 추가하여, 조명 배열체(138)는 관찰자의 머리의 측면 근처에 배치된 적어도 하나의 다른 광원(138B)을 포함할 수 있다(도 8에서, 이는 측면 암(156)에 부착되는 광학 결합 구성체(124)에 부착되는 것으로 도시됨). 이러한 구성에서, 편광 광원(138B)에 의해 방출된 광선은 축외 각도로 EMB(109)에 도달한다. 논의된 바와 같이, 눈(110)으로부터 반사된 광은 광의 2개의 직교 편광 성분(즉, s-편광 성분 및 p-편광 성분)을 포함할 수 있고, 렌즈(112)는 이러한 2개의 편광 방향 중 하나만을 시준하도록 구성된다. 본원에 설명된 예에서, 렌즈(112)는 (p-편광 광을 시준하기 위해) 눈(110)으로부터 반사된 광의 p-편광 성분에 광출력을 인가하고 눈(110)으로부터 반사된 광의 s-편광 성분에 광출력을 인가하지 않도록 구성되는 것이 바람직하다.

조명 배열체(138)는 NIR 광으로 눈(110)의 특정 영역 또는 전체 눈(110)을 조명하도록 구성될 수 있다. 상세하게 논의된 바와 같이, 눈(110)에 의해 반사되는 조명(즉, 광선(114A-114F)으로 표현되는 제1 유형의 광)은 (렌즈(112)에 의해) 시준되고, 부분 반사면(108)에 의해 LOE(102) 내에 결합된 후 (광학 결합 구성체(124)에 의해) LOE(102) 외에 결합되며, 이 경우 그 조명은 광학 센서(128)에 (렌즈(140)에 의해) 집속된다. 광학 센서(128)는 집속 광을 감지한 것에 응답하여 신호를 생성하고, 해당 신호는 신호를 처리하여 눈(110)의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성된 처리 시스템(130)으로 전달된다. 특정 비제한적인 구현예에서, 장치(100)는 눈(110)의 특정 영역에 존재하는 패턴을 이미징함으로써 시선 방향(눈(110)의 각도 방향, 또는 눈(110)의 가시선)을 획득한다. 이러한 패턴의 위치 및 그 동작은 눈의 현재 시선 방향 및 동작을 나타낸다. 사람의 눈은 예를 들어 망막의 혈관에 의해 생성된 패턴을 비롯하여 다양한 추적 가능한 특징을 포함한다. 이러한 추적 가능한 특징은 처리 시스템(130)에 의해 수행되는 적절한 이미지 처리 명령어에 의해 구현되는 적절한 추적 알고리즘을 사용하여 추적될 수 있다.

시선 방향을 도출하고 추적하는 비제한적인 과정에서, 초기 설정 동안 망막 패턴을 매핑하고 추적 가능한 특징을 결정한 후, 지속적인 추적 과정을 수행한다. 예를 들어, 초기화 동안 관찰자가 볼 수 있도록 이미지 마커가 관찰자에게 표시될 수 있다. 관찰자가 마커를 향하는 동안, 조명 배열체(138)는 (광학 센서(128)를 통해) 획득된 안저의 전체 이미지 및 짧은 펄스에 의해 안저(망막의 가시 부분)를 완전히 조명한다. 그 후, 이러한 이미지는 추적 가능한 특징(예를 들어, 시신경 원판 및 중심와)을 식별하기 위해 처리 시스템(130)에 의해 처리된다. 지속적인 추적 과정 동안, 눈(110)의 선택된 관심 영역(ROI)은 조명 배열체(138)에 의해 선택적으로 조명되고, ROI의 이미지(광학 센서(128)에 의해 획득됨)는 대응하는 조명 펄스 동안 (처리 시스템(130)에 의해) 샘플링 및 처리되어 현재 시선 방향(가시선)을 결정하고, 이러한 유도된 시선 방향을 사용하여 후속 조명 사이클에 대한 ROI의 위치를 업데이트하고, 업데이트된 ROI를 조명하여 지속적인 추적 과정을 반복한다. 추적 측정치의 빈도가 눈의 동작 속도에 비해 높은 것으로 가정하면, 이러한 업데이트 과정은 통상적으로 지속적인 추적을 유지하는 데 효과적이며 선택적으로 다른 눈으로부터의 추적 정보와 조합된다. 시선 방향이 변경되면, 조명 영역도 변경된다. ROI의 업데이트는 마지막 샘플링된 이미지로부터 결정된 바와 같은 "현재" 시선 방향에 따라 수행될 수 있거나, 또는 특정 경우에 이전 둘 이상의 측정치 사이의 눈 동작에 기초한 예측 외삽을 사용할 수 있다. 추적 실패의 경우, 추적 가능한 특징이 복구될 때까지 조명 영역의 크기를 일시적으로 늘릴 수 있다.

도 8을 다시 참조하면, 처리 시스템(130)은 임의의 적절한 운영 체제 하에서 작동하고 적절한 소프트웨어 또는 펌웨어 모듈을 구현하는 다양한 전용 그래픽 프로세서, 디스플레이 드라이버, 및 컴퓨터형 프로세서(집합적으로 프로세서(132)로 지정됨)의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려진 바와 같이 임의의 적합한 유형의 처리 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 저장 매체(134)는 휘발성 데이터 스토리지와 같은 하나 이상의 컴퓨터형 메모리 장치일 수 있다. 처리 시스템(130)은 정보 및 그래픽 콘텐츠의 양방향 전송을 위해 LAN 및/또는 WAN 장치와의 유선 또는 무선 통신을 가능하게 하기 위한 다양한 통신 구성요소를 더 포함할 수 있다. 장치(100)는 배터리 및/또는 제공된 외부 전원의 임의의 조합일 수 있는 적절한 전원으로부터 전력을 공급받으며, 이는 여기에서 케이블(133)을 통해 연결된 전원(131)으로 개략적으로 도시되어 있다. 배터리 전원이 사용되는 경우, 배터리는 안경 또는 헬멧 마운티드 구조의 일부로 통합될 수 있다.

렌즈(112) 및 편광자(136)와 같은 LOE(102)의 면(104, 106)과 연관된 광학 구성요소는 예를 들어 LOE(102)에 대한 기계적 부착을 포함하는 임의의 적절한 부착 기술을 사용하여 LOE(102)에 광학적으로 부착되면서 광학 구성요소와 LOE(102)의 면 사이에 에어 갭 또는 재료(예를 들어, 겔) 갭을 유지한다. 이러한 에어 갭 또는 재료 갭을 차지하는 재료는 LOE(102) 내에서 내부 전반사 조건을 보존하기에 충분히 낮은 굴절률을 갖는다. 광학 구성요소를 LOE(102)에 광학적으로 부착하기 위한 다른 적절한 대안은 LOE(102)의 면과 광학 구성요소 사이에 초미세 구조를 갖는 에어 갭 필름의 배치, 또는 저굴절률 재료의 투명 층(예를 들어, 낮은 지수 재료의 얇은 판) 배치를 포함한다. 이러한 광학 부착 방법론에 대한 추가 세부사항은 출원인의 공동 소유인 미국 특허 제10,520,731호 및 미국 특허 공개 제2018/0067315호에서 찾을 수 있다. 1/4 파장판(150)은 유사한 광학 부착 기술을 사용하여 렌즈(112)에 부착될 수 있다.

지금까지 설명된 장치(100)의 실시예는 시선 추적 광을 LOE(102) 내에 결합하고 (광학 모듈(126)로부터의) 이미지 광을 LOE(102) 외부에 결합하기 위한 부분 반사면(108)의 세트로 구현된 광학 결합 구성체와 관련됐지만, 부분 반사면(108)은 단지 하나의 비제한적 광학 결합 구성체의 예시일 뿐이며, 다른 광학 결합 구성체는 시선 추적 광을 LOE(102) 내에 결합하고 이미지 광을 LOE(102) 외부에 결합하는 데 사용될 수 있다. 광학 결합 구성체는, 렌즈(112)로부터의 시선 추적 입사 방사선의 일부를 LOE(102) 내에서 내부 반사를 통해 전파되는 각도로 편향시키고, 마찬가지로 LOE(102) 내에서 이미 전파되는 (광학 모듈(126)로부터의) 이미지 입사 방사선의 일부를 이미지 입사 방사선의 편향된 부분이 LOE(102)에서 출사하는 각도로 내부 반사에 의해 편향시키는, 임의의 광학 결합 배열체일 수 있다. 이러한 적합한 광학 결합 배열체의 다른 예는 면(104, 106) 중 어느 하나에 배치된 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

도 2 내지 8과 관련하여 설명된 바와 같은 장치의 실시예는 시선 추적 광(즉, 관찰자의 눈으로부터 반사된 광)의 특정 구성요소만을 시준하여 내부 결합 시준 광을 이미지 프로젝터(광학 모듈(126))에 통합된 광학 센서에 집속할 수 있도록 편광 및/또는 스펙트럼(파장)에 감응 시준 소자(렌즈(112))의 이용에 관한 것이다. 눈을 이미징하고 눈으로부터 광이 발산되는 각도를 결정하기 위해, 눈으로부터 시준되지 않은 광이 도광 광학 소자 내에 결합되고 2개의 직교 축에 대해 다른 곡률 반경을 갖는 바이코닉 렌즈에 의해 광학 센서로 안내되는 다른 시선 추적 해결책이 본원에서 고려된다. 이러한 해결책은 바람직하게는 투영 이미지가 전파되는 LOE와 분리된 전용 도광 광학 소자에 배치된 특수화된 적어도 부분 반사면을 이용한다.

이제 도 9 내지 15를 참조하면, 도광 광학 소자(LOE)와 연관된 내부 결합 구성체를 통해 이미지를 표시하고 사람 눈(210)의 시선 방향을 도출하기 위한, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성되고 작동되는, 일반적으로 200으로 나타낸, 장치의 구조 및 작동의 다양한 양태를 도시하고 있다. 여기에 도시된 바람직하지만 비제한적인 구현예에서, 내부 결합 구성체는 눈(210)으로부터 발산되는 광에 대해 적어도 부분적으로 반사하는 표면(208)으로서 구현된다. 표면(208)은 이하에서 적어도 부분적인 반사면(208)으로 상호교환적으로 지칭된다. 표면(208)은 (조명 배열체(242)에 의한 조명에 응답하여) 눈으로부터 반사된 광을 전파하도록 구성된 제1 LOE(202)와 연관되며, 이는 눈(210)으로 보기 위해 외부 결합될 투영 이미지를 전파하도록 구성된 제2 LOE(212)와 별개이다. LOE(202)는 투명 재료로 형성되고 내부 반사(바람직하게는 내부 전반사)에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행면(평면의 주요 표면)(204, 206)을 갖는다. 표면(208)은 LOE(202) 내에서 내부 반사(전반사)에 의해 전파되도록 내부 결합 영역(243) 내의 면(204)에 입사되는 광의 일부를 내부 결합하도록 구성된다. 특히, 표면(208)은 평행면(204, 206)에 대해 경사진 LOE(202) 내에(즉, 면(204, 206) 사이에) 배치되어 내부 결합 광은 면(204, 206)으로부터의 내부 반사에 의해 기판(202) 내에 트랩된다. "활성 영역" 또는 "활성 구역"으로도 지칭되는 LOE(202)의 내부 결합 영역(243)은 면(204)의 2차원 영역이다.

표면(208)에 의해 내부 결합된 광은 (도 9에서 프리즘으로 개략적으로 도시되지만, 예를 들어 반사면으로 구현될 수도 있는) 외부 결합 광학 구성체(207)에 도달할 때까지 LOE(202)를 통해 역방향으로 전파된다. 바람직하게는, 부분 반사면으로 구현된 혼합기(205)는 외부 결합 광학 구성체(207)로부터 상류 및 이에 인접한 면(204, 206)에 평행한 평면(바람직하게는, 면(204 및 206) 사이의 중간 평면)에서 LOE(202) 내에 배치되어 LOE(202)를 통해 전파되는 광의 불균일성을 완화한다. 광은 외부 결합 광학 구성체(207)에 의해 LOE(202) 외부에서 광학 모듈(236)에 결합된다. 광학 모듈(236)은 렌즈(240)(바이코닉 렌즈) 및 광학 센서(238)(센서(238)가 광학 모듈(236) 외부에 있을 수 있음)를 포함한다. 외부 결합 광은 눈(210)으로부터 반사된 광을 감지하도록 구성된 광학 센서(238)로 광을 안내하는 렌즈(240)를 통과한다. 저장 매체(234)(예를 들어, 컴퓨터 메모리 등)에 결합된 적어도 하나의 컴퓨터형 프로세서(232)를 포함하는 처리 시스템(230)은 광학 센서(238)와 전기적으로 연관되고, 광학 센서(238)로부터의 신호를 처리하여 눈(210)의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성된다.

눈(210)으로 보기 위해 외부 결합될 투영 이미지를 전파하도록 구성된 제2 LOE(212)는 투명 재료로 형성되고 내부 반사(바람직하게는 내부 전반사)에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행면(평면의 주요 표면)(214, 216)을 갖는다. LOE(212)에는 눈(210)과 직면하는 평행면(214) 중 하나가 배치되며, 이 경우 눈(210)은 EMB(209)에서 해당 면(214)으로부터 눈동자 거리(ER)(213)에 위치된다. 이미지 프로젝터(228)는 빔을 확장하는 샘플 광선(222A, 222B, 및 222C)을 포함하는 조명 빔(222)에 의해 여기에서 개략적으로 표현되는 바와 같이 이미지(222)(무한대로 시준됨)를 투영하도록 구성된다. 투영 이미지(222)는 반사면에 의해 여기에서 개략적으로 도시된 바와 같이 내부 결합 광학 구성체(224)에 의해 LOE(212) 내에 결합되어(그러나, 예를 들어 프리즘과 같은 다른 구성이 본원에서 고려됨), 기판 내에서 내부 반사에 의해 포착되는 광선(223)을 생성하고 광선(225)도 생성된다. 이미지는 반복된 내부 반사에 의해 기판을 따라 전파되어, 평행면(214, 216)에 대해 경사각으로 일련의 부분 반사면(218)으로 구성된, 제2 LOE(212)와 연관된 광학 외부 결합 구성체에 충돌하고, 이 경우 이미지 강도의 일부가 반사되어 관찰자의 눈(210)을 향하는 광선(226A, 226B, 및 226C)으로서 기판 외부에 결합된다. 부분 반사면(218)이 LOE(212)와 함께 사용하기에 적합한 하나의 비제한적인 광학 외부 결합 구성체의 단지 예시이고, 다른 광학 결합 구성체가 LOE(212) 외부에 이미지 광을 결합하기 위해 사용될 수 있음을 유의한다. 광학 외부 결합 구성체는 LOE(212) 내에서 전파되는 이미지의 일부를 이미지의 편향된 부분이 LOE(212)에서 출사하는 각도로 내부 반사에 의해 편향시키는 임의의 광학 결합 배열체일 수 있다. 이러한 적합한 광학 결합 배열체의 다른 예는 면(214, 216) 중 어느 하나에 배치된 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

LOE(202)에는 눈(210)과 직면하는 평행면(204) 중 하나가 배치되지만, 눈(210)과 LOE(202) 사이에 LOE(212)가 개재되고 면(204 및 216)은 서로 평행(또는 대략 평행)하고, 정렬되며, 인접하다. 눈(210)은 면(204)로부터 눈동자 거리(ER)(211)에 위치된다. 도면에 예시된 비제한적인 구성에서, LOE(202 및 212)는 LOE(202 및 212)가 공통 연신 방향(본원에서 x축에 대응하는 것으로 임의로 도시됨)을 갖고 면(204, 206, 214, 216)이 서로 평행하도록 배치된다. LOE(202 및 212)는 인터페이스 평면을 형성하도록 면(204, 216)에서 서로 광학적으로 부착된다. 기계적 배열체 및 광학 접합체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 메커니즘이 LOE(202 및 212)를 서로 광학적으로 부착하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 면(204, 206)은 면(204, 206) 중 적어도 하나의 적어도 일부에 광학 접합 층을 제공함으로써 서로 접합되어 별도의 기능을 수행하는 2개의 도광체로부터 형성된 접합된 단일 광학 구조를 형성할 수 있다.

도 2 내지 8을 참조하여 설명된 실시예에서와 같이, 본 실시예에서, 눈(210)은 제1 광학 스펙트럼(바람직하게는 NIR 영역)의 광으로 조명되어 제1 광학 스펙트럼의 광이 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합되는 것이 바람직하고, 조명(222)(즉, 투영 이미지) 은 제2 광학 스펙트럼(광순응, 즉 가시 영역)에 있다. 이전 실시예에서 논의된 바와 같이, 부분 반사면(218)은 제1 입사각 범위에 대해 낮은 반사율을 가지면서 제2 입사각 범위에 대해 원하는 부분 반사율을 갖도록 코팅되는 것이 바람직하다. 또한, 면(214, 216) 및 부분 반사면(218)은 제1 광학 스펙트럼의 광에 대한 높은 투과율을 갖도록 바람직하게 코팅되어 눈(210)에 의해 반사된 광은 LOE(202) 내에 결합되기 전에 강도 손실을 최소화하면서 LOE(212)를 통과한다.

이전에 설명된 실시예(도 2 내지 8)에서 LOE(102) 내에 결합된 눈으로부터의 입사광과 대조적으로, 본 실시예에서, LOE(202) 내에 결합된 눈(210)으로부터의 입사광은 시준되지 않아, 상이한 각각의 입사각에서 표면(208)에 충돌하는 입사광 광선의 각도 분포를 초래한다. 특히 도 10을 참조하면, EMB(209)의 제1 차원(도면에서 임의로 레이블링된 XYZ 좌표계에서 x축을 따르는 제1 차원)를 따라 EMB(209) 내에서 2개의 상이한 지점으로부터의 입사광은 표면(208)에 충돌하여 LOE(202) 내에 결합된다. 여기에서 제1 조명 빔(244) 및 제2 조명 빔(250)에 의해 개략적으로 표현되는 입사광은 조명 배열체(242)로부터의 조명에 응답하여 눈(210)에 의해 반사되는(바람직하게는 NIR 영역의) 광이다. 2개의 빔(244, 250)이 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합되는 EMB(209)로부터의 빔의 샘플을 예시할 뿐이며, EMB(209) 내에서 추가적인 각각의 지점으로부터의 추가 빔은 또한 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합됨을 유의한다. 알 수 있는 바와 같이, 빔(244, 250) 각각은 일반적으로 다른 입사각으로 표면(208)에 도달하여, 빔(244, 250)은 내부 반사에 의해 LOE(202) 내에 트랩되는 각각의 반사 빔(245, 251)을 생성하지만, 이는 면(204, 206)에 대해 다른 각도로 LOE(202) 내에서 전파된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 빔(244, 250) 각각은 빔을 확장하는 광선을 포함한다. 도시된 예에서, 빔(244)은 (x축을 따른) 제1 차원에서 내부 결합 영역(243)의 적어도 일부를 따라 빔(244)을 확장하는 샘플 광선(246A, 246B, 및 246C)을 포함하며, 이 경우 광선(246A 및 246C)는 빔(244)의 주변 광선이다. 유사하게, 빔(250)은 (x축을 따른) 제1 차원에서 내부 결합 영역(243)의 적어도 일부를 따른 샘플 광선(252A, 252B, 및 252C)을 포함하며, 이 경우 광선(252A 및 252C)는 빔(250)의 주변 광선이다. 광선(246A, 246B, 246C, 252A, 252B, 및 252C) 각각은 면(204)의 제1 차원(도면에서 x축)을 따라 면(204)의 다른 각각의 지점에서 면(204)에 입사하므로, 상이한 각각의 입사각으로 표면(208)에 입사한다. 그러므로, 광선(246A, 246B, 246C, 252A, 252B, 및 252C) 각각은 다른 입사각으로 표면(208)에 도달하여, 반사 빔(245, 251) 각각은 LOE(202) 내에서 전파되는 이격된 반사 광선(각각의 빔을 확장함)을 포함한다.

표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합되는 광(빔(244, 250)에 의해 확장되고 빔(244, 250)을 확장하는 광선에 의해 확장됨)의 각도 분포는 표면(208)의 개구 폭의 함수이다(폭은 EMB(209)에 평행한 평면에 투영됨). 개구 폭은 (면(204)에 대해 측정되는) 표면(208)의 배치 각도 β의 기울기에 반비례하여, 가파른 배치 각도의 경우 개구 폭은 효과적으로 작게 되어 각도 확장 차원(도면의 x축)에서 고분해능을 제공한다. 본 실시예에서, 표면(208)은 부분 반사면(218)보다 더 가파른 각도로 배치되고, 표면(208)의 개구 폭이 LOE(202)와 EMB(209) 사이의 거리에 비해 충분히 좁도록 충분히 가파른 각도로 배치되어 각도의 좁은 각도 분포만을 커버하는 광은 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합된다.

분해능은 면(204)에 평행한 평면에 투영된 표면(208)의 폭에 의해 대략적으로 근사화될 수 있다. 도 9에서, 폭은 w로 표시되고 h/tan(β)로 계산될 수 있으며, 이 경우 h는 LOE(202)의 두께(즉, 평면(204, 206) 사이의 최소 거리)이다. 예를 들어, h = 1mm 및 β = 65°의 경우, w

0.47 mm이다. 0.47 mm의 분해능은 사람 눈의 동공보다 작으므로, h 및 β에 대한 이러한 파라미터는 광학 센서(238)에서 고분해능 이미지를 제공할 수 있고, (배치 각도 β를 증가시키고 및/또는 두께 h를 감소시킴으로써) 폭을 줄이면 훨씬 더 높은 분해능의 이미지를 생성할 수 있다. 그러나, 폭이 감소됨에 따라 광학 센서(238)에 의해 출력되는 신호의 강도도 감소하여, 출력 신호의 전체 신호 대 잡음비를 감소시키는 점에 유의한다. 그러므로, 광학 센서(238)에서 상당한 신호 대 잡음비에 대응하는 작은 개구 폭 사이의 적절한 균형을 찾기 위해 주의를 기울여야 한다.

이제 도 12를 참조하면, 외부 결합 광선(247A, 247B, 및 247C) 및 외부 결합 광선(253A, 253B, 및 253C)이 광학 모듈(236)에서 수신되는 것으로 도시되어 있다. 광선(247A, 247B, 및 247C) 및 광선(253A, 253B, 및 253C)은 표면(208)의 제1 차원(폭)의 각도 분포를 확장하는 입사 광선에 대응한다. 특히, 외부 결합 광선(247A, 247B, 및 247C)은 입사 광선(246A, 246B, 및 246C)에 대응하고, 외부 결합 광선(253A, 253B, 및 253C)은 입사 광선(252A, 252B, 및 252C)에 대응한다. 외부 결합 광선(247A, 247B, 및 247C) 및 외부 결합 광선(253A, 253B, 및 253C)은 광선에 광출력을 인가하여 광선을 광학 센서(238)로 안내하는 렌즈(240)를 통과한다.

언급된 바와 같이, 렌즈(240)는 바이코닉이며, 이는 본 문맥에서 상이한 축에 대해 다른 곡률 반경을 갖는 것을 지칭한다. 상이한 곡률 반경은 2개의 각각의 차원(직교 차원)에서 2개의 초점 길이를, 즉 제1 차원에서 f ₁ 의 제1 초점 길이 및 제2 차원(제1 차원에 직교함)에서 f ₂ 의 제2 초점 길이를, 갖는 렌즈(240)로 이어진다. 광학 센서(238)는 렌즈(240)로부터 f ₁ 의 거리에 배치된다. 제1 초점 거리(f ₁ ) 및 제1 초점 거리(f ₁ )에서 광학 센서(238)의 포지셔닝은 렌즈(240)가 광선(247A, 247B, 및 247C)(및 광선(253A, 253B, 및 253C))을 광학 센서(238)의 상이한 각각의 영역에 도달하는 포착 광의 비수렴 빔으로 변환시키도록 이루어져 광선(247A, 247B, 및 247C)(및 광선(253A, 253B, 및 253C))의 각도 분포는 대응하는 빔(244) 및 (빔(250))의 (표면(208)의 폭 차원에서) 각도 분포를 나타낸다. 더 나아가, 광선(247A, 247B, 및 247C) 및 광선(253A, 253B, 및 253C)은 광학 센서(238)의 상이한 각각의 영역에 도달하여 광선(247A, 247B, 및 247C) 세트와 광학 센서(238)에서의 광선(253A, 253B, 및 253C) 사이의 전체 각도 분리는 빔(244 및 250) 사이의 (표면(208)의 폭 차원에서) 각도 분리를 나타낸다. 그러므로, 광학 센서(238)는 상당히 높은 각도 분해능으로 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합되는 EMB(209)로부터 발산되는 광(빔(244, 250))의 상대 각도를 측정할 수 있다. 각도 분해능은 일반적으로 표면(208)의 유효 개구 폭(이전에 설명됨) 및 눈동자 거리(ER(211))의 함수이며 sin^-1(w/ER)로 표현될 수 있다. 0.47 mm의 유효 개구 폭(w) 및 27 mm의 눈동자 거리(ER)의 경우, 광학 센서(238)에 의해 제공되는 각도 분해능은 대략 1도이다. 첨언하면, 작은 각도 분해능의 결과로, LOE(202)의 원칙 평면 사이의 평행도에 대한 요건은 눈(210)에 대한 이미지 투영에 사용되는 LOE(212)보다 훨씬 관대하고, 이 경우 약 1 arcmin 정도의 평행도가 필요할 수 있다.

렌즈(240)는 제1 초점 길이 차원과 직교하는 차원에서 제2 초점 길이(f ₂ )를 갖는다. 렌즈(240)의 바이코닉 양태는 2개의 직교 차원을 따라 내부 결합 영역(243)을 확장하는 (눈(210)으로부터 반사된) 입사광을 통해 눈(210)의 이미징을 가능하게 한다. (x축을 따라) 제1 차원을 확장하는 입사 광선에 대응하는 외부 결합 광의 (렌즈(240)에 의한) 안내를 통한 이미징이 도 10 내지 12를 참조하여 논의되었다. 다음 단락은 광학 센서(238)로 렌즈(240)에 의해 (z축을 따라) 제2 차원을 확장하는 입사 광선에 대응하는 외부 결합 광선의 집속을 통한 눈(210)의 이미징을 설명할 것이다.

이제 도 13을 참조하면, 빔(244, 250)은 또한 (z축을 따라) 제2 차원에서 내부 결합 영역(243)의 적어도 일부를 따라 각각의 빔을 확장하는 광선을 포함한다. 도시된 예에서, 빔(244)은 EMB(209)의 공통 지점에서 비롯되고 (x축을 따른) 제2 차원에서 내부 결합 영역(243)의 적어도 일부를 따라 빔(244)을 확장하는 샘플 광선(248A, 248B, 및 248C)을 포함하며, 이 경우 광선(248A 및 248C)는 빔(244)의 주변 광선이다. 유사하게, 빔(250)은 EMB(209)의 공통 지점에서 비롯되고 (x축을 따른) 제2 차원에서 내부 결합 영역(243)의 적어도 일부를 따라 빔(250)을 확장하는 샘플 광선(254A, 254B, 및 254C)을 포함하며, 이 경우 광선(254A 및 254C)는 빔(250)의 주변 광선이다. XY 평면에서 광선(246A, 246B, 및 246C)의 투영은 공통 입사각으로 표면(208)에 입사된다. 그러므로, 광선(246A, 246B, 및 246C)은 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합될 때 LOE(202)를 통해 전파되는 이격된 평행 광선 세트를 생성한다. 유사하게, XY 평면에서 광선(254A, 254B, 및 254C)의 투영은 공통 입사각으로 표면(208)에 입사된다. 그러므로, 광선(254A, 254B, 및 254C)은 표면(208)에 의해 LOE(202) 내에 결합될 때 LOE(202)를 통해 전파되는 이격된 평행 광선 세트를 생성한다.

이제 도 14를 참조하면, 외부 결합 광선(249A, 249B, 및 249C) 및 외부 결합 광선(255A, 255B, 및 255C)이 광학 모듈(236)에서 수신되는 것으로 도시되어 있다. 광선(249A, 249B, 및 249C) 및 광선(255A, 255B, 및 255C)은 표면(208)의 제1 차원(z축을 따른 높이)을 확장하는 입사 광선에 대응한다. 특히, 외부 결합 광선(249A, 249B, 및 249C)은 입사 광선(248A, 248B, 및 248C)에 대응하고, 외부 결합 광선(255A, 255B, 및 255C)은 입사 광선(254A, 254B, 및 254C)에 대응한다. 외부 결합 광선(249A, 249B, 및 249C) 및 외부 결합 광선(255A, 255B, 및 255C)은, 광선에 광출력을 인가하여 광선(249A, 249B, 및 249C)을 광학 센서(238)의 이미지 평면 상의 공통 영역(또는 스폿)에 집속하고 광선(255A, 255B, 및 255C)을 광학 센서(238)의 이미지 평면 상의 다른 공통 스폿에 집속하는, 렌즈(240)를 통과한다. 다시 말해서, 렌즈(240)는 광선(249A, 249B, 및 249C) 세트를 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키고, 마찬가지로 광선(255A, 255B, 및 255C) 세트를 포착 광의 수렴 빔으로 변환시킨다. 이러한 광선 세트를 이미지 평면에 집속하는 능력은 렌즈(240)를 LOE(202)의 출력 개구에 위치시키고 렌즈(240)를 적절한 제2 초점 거리(f ₂ )로 설계함으로써 가능하다.

일반적으로, 렌즈(240)는 제2 초점 거리(f ₂ )가 f ₂ = uf ₁/((u - f ₁))로 주어지도록 설계되는 것이 바람직하며, 이 경우 u는 광선이 제2 차원을 따라 표면(208)으로부터 렌즈(240)로 이동하는 면내 거리로서 u = ER + L ₂/cos(θ)로 주어질 수 있고, L ₂ 는 표면(208)으로부터 외부 결합 광학 구성체(207)까지의 면내 거리이고, θ는 광이 전파되는 각도(면(204)에 대해 측정됨)이다.

도 2 내지 8을 참조하여 설명된 실시예에서와 같이, 본 실시예의 광학 센서(238)는 센서에 도달하는 광선을 감지한 것에 응답하여 신호를 생성하고, 해당 신호는 신호를 처리하여 눈(110)의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성된 처리 시스템(130)으로 전달된다. 시선 방향의 도출은 도 2 내지 8을 참조하여 이전에 설명된 것과 유사한 단계를 사용해서 수행될 수 있다. 또한, 입사광(빔(244, 250))의 상대적인 각도를 측정하는 광학 센서(238)의 능력은 본 실시예에서 시선 방향의 도출을 개선하는 데 사용될 수 있다.

조명 배열체(242)의 가능한 배치 구성은 일반적으로 도 8을 참조하여 설명된 조명 배열체(138)의 구성과 유사하다. 예를 들어, 장치(200)는 관찰자의 귀와 치합하기 위한 측면 암을 갖는 안경 프레임으로서 구현되는 헤드 마운티드 기계 본체를 갖는 안경 폼 팩터로 구현될 수 있다. 헬멧 마운티드 폼 팩터, 차량 윈드실드 폼 팩터, 및 기타 헤드업 디스플레이 및 니어 아이 디스플레이 폼 팩터와 같은 다른 폼 팩터도 본원에서 고려될 수 있다. 조명 배열체(242)는 예를 들어 면(214)에 대한 직접 또는 간접 부착을 통해 LOE(202)의 활성 영역에 가깝게 배치될 수 있는 하나 이상의 NIR 광원을 포함할 수 있어 광원에 의해 방출된 광선은 EMB(209)에 대한 법선에 가까운 EMB(209)에 도달한다. 대안적으로, 또는 전술한 구성에 추가하여, 조명 배열체(242)는 관찰자의 머리의 측면 근처에 배치된, 예를 들어 이미지 프로젝터(228) 또는 내부 결합 광학 구성체(224)(안경테의 측면 암 중 하나에 부착되는 것이 바람직함)에 부착된, 적어도 하나의 다른 NIR 광원을 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, NIR 광원에 의해 방출된 광선은 축외 각도로 EMB(209)에 도달한다.

또한, LOE(212)는 EMB(209)에 수직인 방향으로 눈(210)을 조명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 구성에서, 조명 배열체(242)는 도 15에 도시된 바와 같이 이미지 프로젝터(228)의 일부로서 통합된다. 이미지 프로젝터(228)는 일반적으로, (광학 센서(238)가 이미지 프로젝터(228)로부터 광학적으로 분리된 광학 모듈(236)에 배치되기 때문에) 이미지 프로젝터(228)가 광학 센서를 포함하지 않는 점을 제외하고는, 도 5에 도시된 이미지 프로젝터(126)와 유사하다. 또한, 광학 센서(238)가 이미지 프로젝터(228)의 일부가 아니기 때문에, 스펙트럼 선택성을 위한 적절한 코팅으로 빔 스플리터 구성체(166 및 186)를 설계할 필요가 없다. 그러므로, 도 15에 도시된 이미지 프로젝터(228)의 비제한적인 예에서, 빔 스플리터 구성체(166 및 186) 둘 모두는 제1 광학 스펙트럼의 입사광 및 제2 광학 스펙트럼의 입사광(즉, 가시광 및 NIR 광은 빔 스플리터 구성체(166 및 186)에 의해 동일하게 처리됨)에 대해 제1 편광 방향으로 입사광을 반사하고(예를 들어, 빔 스플리터 구성체(166, 186)의 표면에 대해 s-편광), 제2 편광 방향으로 입사광을 투과시키는(예를 들어, 빔 스플리터 구성체(166, 186)의 표면에 대해 p-편광) 편광 선택적 빔 스플리터이다. 또한, 광은 LOE(212)를 통해 정방향으로만 전파되고 광은 LOE(212)로부터 이미지 프로젝터(228)에 입사하지 않으므로, 표면(172)은 광파 출사면(172)이고, 표면(190)은 광파 입사면(190)이고, 표면(194)은 광파 출사면(194)이다.

도 5를 참조하여 설명된 것과 유사하게, 편광 광원(176)은 입사 빔(158)으로 개략적으로 표현되는 제2 광학 스펙트럼(즉, 가시 영역)의 편광 광을 방출한다. 편광 조명(158)은 제1 편광으로, 통상적으로 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(166)의 표면에 대한 s-편광으로, 광파 입사면(168)을 통해 프리즘(160)에 입사하고, 반사 디스플레이 장치(178)에 충돌하는 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(166)에 의해 이미지 디스플레이면(170)을 향해 반사된다. 이미지의 밝은 영역에 대응하는 픽셀은 변조된 회전 편광(통상적으로, p-편광됨)으로 반사되어 밝은 픽셀로부터의 방사선은 빔 스플리터 구성체(166)를 통해 투과되고 광파 출사면(172)을 통한 투과를 통해 프리즘(160)에서 출사한다. 그 후, 광은 제2 편광(통상적으로, 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)의 표면에 대해 p-편광됨)으로 광파 입사면(190)을 통해 프리즘(180)에 입사하고 시준면(192)에 도달하며, 이 경우 광은 지연판(196)을 통과하고, 렌즈(140)에 입사하고, 렌즈(140)의 반사면(141)에 의해 지연판(196)을 통해 다시 반사된다. 편광 축에 대해 45도에서 빠른 축과 정렬된 지연판(196)을 통한 이중 통과는 편광을 회전시켜(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 시준된 이미지 조명이 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)에서 광파 출사면(194)을 향해 반사되고 조명 빔(222)으로서 프리즘(180)에서 출사한다. 그 후, 조명 빔(222)은 내부 결합 광학 구성체(224)(도 9에 도시됨)에 의해 LOE(212) 내에 결합된다.

예를 들어, 편광 NIR 광원(편광자와 NIR 광원의 조합일 수 있음)으로서 구현된 조명 배열체(242)는 이러한 구성에서 광파 입사면(188)인 표면(188)과 연관된다. 편광 NIR 광원은 입사 빔(268)으로 개략적으로 표현되는 제1 광학 스펙트럼의 편광 광(즉, 편광 NIR 광)을 방출하도록 구성된다. 편광 조명(268)은 제1 편광으로, 통상적으로 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(188)의 표면에 대한 p-편광으로, 광파 입사면(188)을 통해 프리즘(180)에 입사하고, 편광 선택적 빔 스플리터 구성체(186)를 통해 투과되고, 조명 빔(270)으로서 광파 출사면(194)을 통한 투과를 통해 프리즘(180)에서 출사한다. 그 후, p-편광 조명 빔(270)은 내부 결합 광학 구성체(224)(조명 빔(222)과 유사함)에 의해 LOE(212) 내에 결합된다. p-편광 조명(270)은 LOE(212)(조명(222)과 유사함)를 통해 전파되고, 부분 반사면(218)에 의해 LOE(212) 외부에 결합된다. 이러한 구성에서, LOE(212) 내에서 전파되는 NIR 조명이 부분 반사면(218)에 의해 외부 결합되고 (외부 결합 NIR 광에 의한 조명에 응답하여) 눈(210)으로부터 발산되는 NIR 광이 LOE 내에 다시 결합되지 않도록 주의해야 한다. 이를 위해, 부분 반사면(218)은 바람직하게는 규정된 입사각 범위에서 NIR 영역의 s-편광 광에 대해 원하는 반사율을 갖도록 코팅되어, LOE(212) 내에서 전파되는 s-편광 NIR 조명은 부분 반사면(218)에 의해 외부 결합되지만, 눈(210)으로부터 발산되는 s-편광 NIR 조명은 규정된 입사각 범위 외의 입사각으로 부분 반사면(218)에 입사하여 반사 없이 부분 반사면을 통과한다.

장치(200)의 실시예가 지금까지 공통(평행) 연신 방향을 갖는 LOE(202 및 212)의 맥락 내에서 설명되었지만, LOE가 서로 직교하는 연신 방향을 갖는 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, LOE(212)는 (도 9에 도시된 바와 같이) x축 방향으로 연신 방향을 갖도록 배치될 수 있는 반면, LOE(202)는 z축 방향으로 연신 방향을 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 장치(100 및 200)의 실시예가 LOE(102 및 212)가 "1차원 도파관" 또는 "1D 도파관"인 맥락 내에서 설명되었으며, 이는 LOE(102 및 212) 각각이 (이미지 프로젝터(126, 228)로부터) 이미지 광을 안내하여 1차원에서 개구 확장을 수행하는 "슬래브형 도파관"을 형성하는 단일 한 쌍의 평행 주요 표면(면(104, 106) 및 면(214, 216))을 갖는 것을 의미한다. 그러나, 본 실시예에 따른 시선 추적 장치는 이미지 광을 직교 차원으로 안내하여 직교 차원에서 개구 확장을 수행하는 LOE(102, 212) 각각에 추가적인 슬래브형 도파관이 결합되는 구성을 비롯한 다른 도파관 구성에도 동일하게 적용 가능하여, 전체 2차원 개구 확장 효과를 생성한다. 대안적으로, LOE(102, 212) 중 하나 또는 둘 모두는 "2차원 도파관" 또는 "2D 도파관"이며, 이는 (이미지 프로젝터(126, 228)으로부터의) 이미지 광이 LOE를 따라 전파되어 단일 도파관을 사용하여 2차원으로 개구 확장을 수행함에 따라 이미지 광을 2차원에서 안내하는 역할을 하는 2개의 상호 직교 쌍의 주요 표면을 갖는 것을 의미한다.

본 개시내용의 실시예가 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역의 광으로 눈을 조명하기 위해 배치된 조명 배열체의 맥락 내에서 설명되었지만, 본 개시내용의 실시예는 전자기 스펙트럼의 임의의 특정 영역의 시선 추적 광을 방출하는 조명 배열체에 제한되어서는 안된다. 시선 추적 목적으로 NIR 광을 사용하는 것에 대한 설명은 본 개시내용의 다양한 장치의 구성 및 작동에 대한 보다 명확한 설명을 제공하기 위한 예시의 목적이다. 적외선 영역의 광, 낮은 강도와 짧은 펄스 지속 시간으로 방출되는 자외선을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 유형의 광도 시선 추적 목적으로 사용될 수 있다.

특정 비제한적인 구현예에 따르면, 본 개시내용의 다양한 시선 추적 장치는 대상체의 양안을 동시에 추적하고 양안에 이미지를 투영하기 위해 복제될 수 있다. 예를 들어, 장치(100) 및/또는 장치(200)는 양안을 위해 복제될 수 있다. 2개의 시선 추적기로부터의 데이터를 조합하여, 추적의 안정성과 지속성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 눈이 움직이는 동안, 눈의 추적 가능한 부분은 추적자가 한쪽 눈에서 볼 수 있고 다른 쪽 눈에서는 볼 수 없다. 추적 가능한 특징의 추적을 이용하는 추적 알고리즘을 사용하는 경우, 양안에 대한 동시 추적을 통해 하나의 시선 추적기만 사각 지대를 추적할 수 있는 기간 동안 추적을 계속 유지할 수 있다.

장치가 쌍안경인 경우, 각 눈에는 자체 이미지 투영 및 시선 추적 장치가 있으며 다양한 처리 및 전원 공급 장치 구성요소는 선택적으로 2개의 시선 추적 시스템 사이에서 공유될 수 있다. 쌍안 시선 추적 장치에 의해 수집된 시선 추적 정보는 위에서 언급한 바와 같이 향상된 안정성 및 추적 지속성을 제공하기 위해 융합될 수 있다.

본 개시내용의 다양한 실시예에 대한 설명이 예시를 위해 제공되었지만, 완전한 것으로 또는 개시된 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다. 많은 수정 및 변형은 설명된 실시예의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백해질 것이다. 본원에서 사용된 용어는 시장에서 발견되는 기술에 대한 실시예의 원리, 실제 적용분야 또는 기술적 개선을 최적으로 설명하도록, 또는 당업자가 본원에 개시된 실시예를 이해할 수 있도록 선택되었다.

본원에서 사용된 바와 같이, 단수형("a", "an", "the")은 문맥상 명확히 달리 지시되지 않는 한 복수 대상을 포함할 수 있다.

"예시적인"이란 단어는 "예, 사례 또는 예시로서의 역할을"을 의미하도록 본원에서 사용된다. "예시적인" 것으로서 설명된 임의의 실시예는 반드시 다른 실시예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되고 및/또는 다른 실시예로부터 특징의 통합을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.

명확성을 위해 별도의 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 특정 특징은 단일 실시예에서 조합되어 제공될 수도 있음을 이해한다. 반대로, 간결성을 위해 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징은 별도로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 또는 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시예에서 적합한 것으로 제공될 수도 있다. 다양한 실시예의 맥락에서 설명된 특정 특징은 실시예가 그런 요소 없이 작동하지 않는 한 이러한 실시예의 필수 특징으로 간주되지 않는다.

첨부된 청구범위가 다중 종속성 없이 초안이 작성되는 정도로, 이는 이러한 다중 종속성을 허용하지 않는 관할권의 방식 요건을 수용하기 위해서만 수행되었다. 다중 종속성에 의존하는 청구범위를 실시함으로써 암시되는 모든 가능한 조합의 특징도 명시적으로 고려되고, 본 발명의 일부로 간주되어는 점에 유의해야 한다.

본 발명은 그 구체적인 실시예와 관련하여 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 당업자에게 명백할 것임은 분명하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 넓은 범위 내에 속하는 모든 이러한 대안, 수정 및 변형을 포괄하도록 의도된다.

Claims

장치로서,
내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 평행한 주요 표면을 갖는 투광 기판으로서, 상기 주요 표면 중 제1 표면은 눈과 직면하게 배치되는, 투광 기판;
상기 주요 표면 중 제1 표면과 연관된 광학 소자로서, 상기 광학 소자는 입사광의 적어도 하나의 특성에 따라 상기 입사광에 광출력을 인가하도록 구성되어 상기 광학 소자는 제1 유형의 입사광에 광출력을 인가하여 상기 제1 유형의 입사광을 시준하고 상기 광학 소자는 제2 유형의 입사광에 광출력을 실질적으로 인가하지 않는, 광학 소자;
상기 기판과 연관된 광학 결합 구성체로서, 상기 광학 결합 구성체는,
상기 기판 내에서 전파되도록 상기 광학 소자에 의해 시준되고 상기 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 상기 제1 유형의 광의 일부를 내부 결합하도록 구성되고,
상기 기판 내에서 전파되는 상기 제2 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되는, 광학 결합 구성체;
상기 기판과 연관되고 상기 제1 유형의 시준 광을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 구성된 광학체;
상기 포착 광을 감지하기 위해 배치된 광학 센서; 및
상기 광학 센서와 전기적으로 연관되고 상기 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 상기 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 입사광의 적어도 하나의 특성은 상기 입사광의 편광 방향을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 입사광의 적어도 하나의 특성은 상기 입사광에 의해 점유된 전자기 스펙트럼의 영역을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 입사광의 적어도 하나의 특성은 상기 입사광의 편광 방향 및 상기 입사광에 의해 점유된 전자기 스펙트럼의 영역을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유형의 광은 제1 편광 방향으로 편광되는 광의 성분을 포함하고, 상기 제2 유형의 광은 제2 편광 방향으로 편광되는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유형의 광은 제1 광학 스펙트럼 내에 있고, 상기 제2 유형의 광은 제2 광학 스펙트럼 내에 있는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유형의 광은 제1 편광 방향으로 편광되는 광의 성분을 포함하며 제1 광학 스펙트럼 내에 있고, 상기 제2 유형의 광은 제2 편광 방향으로 편광되며 제2 광학 스펙트럼 내에 있는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 기판의 주요 표면 중 제2 표면과 연관된 편광자를 더 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판에는 상기 눈으로부터 눈동자 거리에 있는 상기 주요 표면 중 제1 표면이 배치되고, 상기 광학 소자는 상기 눈동자 거리와 대략 동일한 초점 길이를 갖는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 광학체와 연관된 제2 광학 결합 구성체를 더 포함하고, 상기 제2 광학 결합 구성체는,
상기 기판 내에서 전파되는 상기 제1 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되어 상기 외부 결합 광은 상기 광학체에 의해 수신되고,
내부 반사에 의해 상기 기판 내에서 전파되기 위해 디스플레이 공급원으로부터 상기 제2 유형의 광의 일부를 내부 결합하도록 구성되는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 유형의 광으로 상기 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체를 더 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
이미지에 대응하는 상기 제2 유형의 시준 광을 상기 기판에 유입시키기 위해 상기 기판에 결합되는 이미지 프로젝터를 더 포함하여, 상기 제2 유형의 내부 결합된 시준 광은 상기 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되고 상기 광학 결합 구성체에 의해 상기 눈을 향해 상기 기판 외부에 결합되는, 장치.
제12항에 있어서, 상기 이미지 프로젝터는 편광 광원으로부터의 조명에 응답하여 편광 광을 생성하는 반사 디스플레이 장치를 포함하고, 상기 반사 디스플레이 장치에 의해 생성된 상기 편광 광은 상기 광학체에 의해 시준되는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학 결합 구성체는 상기 기판의 주요 표면에 대해 경사진 상기 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 유형의 광은 제1 전파 방향으로 상기 기판 내에서 전파되고, 상기 제2 유형의 광은 상기 제1 전파 방향과 반대인 제2 전파 방향으로 상기 기판 내에서 전파되는, 장치.
장치로서,
내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 한 쌍의 평행한 주요 표면을 갖는 투광 기판으로서, 상기 주요 표면 중 제1 표면은 뷰어의 눈과 직면하게 배치되는, 투광 기판;
상기 주요 표면 중 제1 표면과 연관된 렌즈로서, 상기 렌즈는,
제1 유형의 입사광에 광출력을 인가하여 상기 제1 유형의 입사광을 시준하도록 구성되고, 상기 제1 유형의 입사광은 제1 광학 스펙트럼 내에 있고 제1 편광 방향으로 편광을 갖는 광의 성분을 포함하고,
제2 유형의 입사광에 광출력을 실질적으로 인가하지 않도록 구성되고, 상기 제2 유형의 입사광은 제2 광학 스펙트럼 내에 있고 제2 편광 방향으로 편광을 갖는, 렌즈;
상기 제1 유형의 광의 일부가 상기 눈에 의해 렌즈를 향해 다시 반사되어 상기 렌즈에 의해 시준되도록 상기 제1 유형의 광으로 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체;
광학 모듈로서, 상기 광학 모듈은,
광원으로부터의 조명에 응답하여 이미지에 대응하는 상기 제2 유형의 광을 생성하는 반사 디스플레이 장치,
상기 반사 디스플레이 장치에 의해 생성된 상기 광을 시준하여 상기 제2 유형의 시준 광을 생성하도록 구성된 광학체, 및
광학 센서를 포함하는, 광학 모듈;
상기 제2 유형의 시준 광을 상기 기판에 결합하여 상기 기판 내에서 제1 전파 방향으로 내부 반사에 의해 전파되도록 구성된 광학 결합 구성체;
상기 기판의 주요 표면에 대해 경사진 상기 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면으로서, 상기 복수의 부분 반사면은,
상기 기판 내에서 상기 제1 전파 방향으로 전파되는 상기 제2 유형의 광의 일부를 외부 결합하도록 구성되고,
상기 기판 내에서 제2 전파 방향으로 전파되도록 상기 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 상기 제1 유형의 시준 광의 일부를 내부 결합하도록 구성되고, 상기 광학 결합 구성체는 상기 제1 유형의 전파 광을 외부 결합하도록 더 구성되는, 복수의 부분 반사면; 및
상기 광학 센서에 전기적으로 결합된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 광학 모듈의 광학체는 상기 광학 결합 구성체에 의해 외부 결합 광을 수신하고 상기 외부 결합 광을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 더 구성되고, 상기 광학 센서는 상기 포착 광을 감지하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 상기 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성되는, 장치.
장치로서,
내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 실질적으로 평행한 주요 표면을 갖는 제1 투광 기판으로서, 상기 주요 표면 중 제1 표면은 뷰어의 눈과 직면하게 배치되는, 제1 투광 기판;
상기 주요 표면에 대해 경사진 상기 제1 기판 내에 배치된 적어도 부분 반사면으로서, 상기 적어도 부분 반사면은 내부 결합 영역 내에서 상기 주요 표면 중 제1 표면에 입사하는 입사 광선을 결합하여 상기 제1 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되도록 구성되고, 상기 입사 광선은 제1 광학 스펙트럼에 있고 상기 눈의 조명에 응답하여 상기 눈으로부터 발산되고, 상기 입사 광선은 적어도 제1 광선 세트 및 제2 광선 세트를 포함하고, 상기 제1 광선 세트는 제1 차원에서 상기 내부 결합 영역의 적어도 일부를 확장하는 각도 분포를 갖고, 상기 제2 광선 세트는 제2 차원에서 상기 내부 결합 영역의 적어도 일부를 확장하는, 적어도 부분 반사면;
상기 제1 기판 내에서 전파되는 상기 광선을 외부 결합하도록 구성된 외부 결합 배열체;
광학 모듈로서, 상기 광학 모듈은,
적어도 하나의 렌즈로서, 상기 적어도 하나의 렌즈는 상기 렌즈의 제1 차원에서 제1 초점 길이 및 상기 렌즈의 제2 차원에서 제2 초점 길이를 갖고, 상기 적어도 하나의 렌즈는,
상기 제1 광선 세트에 대응하는 상기 외부 결합 광선을 상기 제1 광선 세트의 각도 분포를 나타내는 각도 분포를 갖는 포착 광의 비수렴 빔으로 변환시키도록 구성되고,
상기 제2 광선 세트에 대응하는 상기 외부 결합 광선을 포착 광의 수렴 빔으로 변환시키도록 구성되는, 적어도 하나의 렌즈, 및
상기 렌즈로부터 상기 제1 초점 거리와 실질적으로 동일한 거리에 위치되고 상기 포착 광을 감지하도록 구성된 광학 센서를 포함하는, 광학 모듈; 및
상기 광학 센서에 전기적으로 결합되고 상기 광학 센서로부터의 신호를 처리하여 상기 눈의 현재 시선 방향을 도출하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는, 장치.
제17항에 있어서,
상기 제1 광학 스펙트럼의 광으로 상기 눈을 조명하도록 배치된 조명 배열체를 더 포함하는, 장치.
제17항에 있어서,
내부 반사에 의해 광을 안내하기 위한 상호 평행한 제1 및 제2 주요 표면을 포함하는 복수의 표면을 갖는 제2 투광 기판으로서, 상기 제2 기판의 제1 주요 표면은 상기 눈에 직면하게 배치되고, 상기 제2 기판의 제2 주요 표면은 상기 제1 기판의 주요 표면 중 제1 표면에 직면하게 배치되는, 제2 투광 기판; 및
상기 제2 기판과 연관된 외부 결합 구성체를 더 포함하고, 상기 외부 결합 구성체는 상기 제1 광학 스펙트럼과 상이하고 상기 제2 기판 내에서 전파되는 제2 광학 스펙트럼의 광의 일부를 상기 눈을 향해 상기 제2 기판 외부에 결합하도록 구성되는, 장치.
제19항에 있어서,
상기 제2 기판에 결합되고 이미지에 대응하는 상기 제2 광학 스펙트럼의 시준 광을 생성하도록 구성되는 이미지 프로젝터를 더 포함하여, 상기 시준 광은 상기 제2 기판 내에서 내부 반사에 의해 전파되고 상기 외부 결합 구성체에 의해 상기 눈을 향해 상기 제2 기판 외부에 결합되는, 장치.
제20항에 있어서,
상기 이미지 프로젝터 및 상기 이미지 프로젝터에 의해 생성된 상기 시준 광을 상기 제2 기판에 결합하도록 구성된 상기 제2 기판과 연관된 내부 결합 배열체를 더 포함하는, 장치.
제19항에 있어서, 상기 외부 결합 구성체는 상기 제2 기판의 주요 표면에 대해 경사진 상기 제2 기판 내에 배치된 복수의 부분 반사면을 포함하는, 장치.
제19항에 있어서, 상기 외부 결합 구성체는 상기 제2 기판의 주요 표면 중 하나와 연관된 회절 광학 소자를 포함하는, 장치.