KR20160005681A - 구조 프레임을 통해 유지되는 정렬을 갖는 헤드마운트 디스플레이 - Google Patents

Abstract

헤드마운트 디스플레이 장치는 제3 축을 따라 볼 경우에 일반적으로 제1 및 제2 축들을 따라 배치되는 구조 프레임을 포함하며, 상기 제1, 제2 및 제3 축들은 서로 직교한다. 상기 구조 프레임은 이들 사이에 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 한정하는 대향하는 상부 및 하부 림들을 가진다. 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들은 상기 구조 프레임에 연결되고, 사용자로부터 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 향해 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 영상 컨텐츠를 투사하도록 구성된다. 왼쪽 및 오른쪽 광학 요소들은 상기 구조 프레임에 연결되고, 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들 상부에 위치하며, 각기 상기 제3 축을 따라 실질적으로 후방 방향으로 마주하는 적어도 부분적으로 반사 표면을 구비한다. 상기 구조 프레임은 광선 다발을 상기 마이크로 디스플레이들로부터 사용자의 눈들까지 반사적으로 안내하기 위한 광학적 광 경로를 한정하는 정렬 내에 상기 광학 요소들을 유지한다.

Description

구조 프레임을 통해 유지되는 정렬을 갖는 헤드마운트 디스플레이{HEAD MOUNTED DISPLAY HAVING ALIGNMENT MAINTAINED VIA STRUCTURAL FRAME}

본 발명은 구조 프레임을 통해 유지되는 정렬을 갖는 헤드마운트 디스플레이에 관한 것이다.

헤드마운트 디스플레이(HMD) 장치들은 영상 디스플레이 소스로부터 영상 컨텐츠를 디스플레이하고 보이게 하기 위해 채용된다. HMD 장치는 사용자의 머리 상에 착용되도록 구성된다. HMD 장치는 통상적으로 단일의 사용자에게 폭넓은 영상 디스플레이 컨텐츠를 보이게 하기 위해, (1) 상기 사용자의 눈들의 전방에 위치하는 단일의 소형 디스플레이 광학체(단안용 HMD) 또는 (2) 각 하나가 각각의 상기 사용자의 두 눈들의 전방에 위치하는 두 개의 소형 디스플레이 광학체들(양안용 HMD)을 가진다. 양안용 HMD는 상기 사용자가 3차원으로 영상 컨텐츠를 볼 수 있게 하는 가능성을 부여한다. 오늘날의 군용, 상업용 및 소비자 시장들에서 현재 찾아볼 수 있는 상기 HMD 장치들은 한 쌍의 고글들 또는 안경들이 착용되는 방식으로 착용되는 주로 고글들/안경들 형태의 장치들이거나, 상기 사용자의 머리 상에 착용되는 헬멧에 부착되는 헬멧 장착 장치들이다. 또한, 오늘날의 시장에서 현재 찾아볼 수 있는 상기 HMD 장치들은 주로 세 가지의 다른 기술들에 의존하며, 이에 따라 통상적으로 세 가지 다른 카테고리들인 굴절형, 회절형 및 레이저 라이터(laser writer)형으로 구분된다.

현재 시장에서 찾아볼 수 있는 HMD 장치들의 첫 번째 카테고리는 상기 굴절형 HMD이다. 굴절형 HMD는 영상 컨텐츠의 투사를 영상 디스플레이 소스로부터 사용자의 눈으로 전송하기 위해 굴절의 광학 물리적 원리들을 이용한다. 영상 컨텐츠의 투사를 디스플레이 소스로부터 광 전송 매체, 통상적으로 아크릴과 같은 투명한 플라스틱을 통해 전송함에 의한 굴절형 HMD의 동작은 상기 사용자의 눈에 대해 최종적인 간섭성(coherent) 및 종종 확대된 이미지를 생성한다. 상기 광 전송 매체는 본질적으로 확대경의 동작과 유사하게 확대된 간섭성 이미지를 형성하기 위하여 광파들이 상기 전송 매체로 들어가고 나오는 경우에 상기 영상 소스로부터 광파들을 구부러지게 하고 확대하는 렌즈 또는 일련의 렌즈들이다. 이는 오늘날의 시장에서 대부분의 HMD들에 채용되는 지배적인 방법론이다.

상기 굴절형 HMD가 상기 HMD 시장에서 이용되는 지배적인 방법론이 될 수 있지만, 이는 몇 가지 결점들을 가진다. 이와 같은 굴절형 HMD들의 문제는 상기 HMD의 광 경로(optical path) 내에 통상적으로 무거운 플라스틱의 큰 블록들인 전송 매체를 구비하여, 이러한 유형의 HMD는 사용자가 사용자의 머리나 얼굴상에 착용하기에 매우 무겁고, 부피가 크며, 다루기 힘들다는 점이다. 이는 상기 사용자가 이와 같은 HMD를 착용하기에 전반으로 편안함을 제한한다. 또한, 상기 사용자에 대해 이와 같이 부피가 큰 착용은 이러한 장치에 적용될 수 있는 스타일링을 크게 제한한다. 더욱이, 상기 굴절형 HMD들의 굴절 렌즈들이 흔히 상기 사용자의 직접적인 시계 내에 위치하기 때문에, 사용자에게 적절한 "시스루 시각(see-through vision)" 또는 동시에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 보고 같은 시간에 상기 투사된 콘텐츠를 통해 실세계 외부 주변 환경인 "혼합 현실(mixed-reality)" 시야를 선명하게 보는 능력을 부여하는 굴절형 HMD를 형성하는 것이 매우 복잡하게 된다. 굴절형 HMD들의 다른 결점은 이들이 흔히 사용자가 상기 투사된 영상 컨텐츠 이외의 다른 것을 보는 것을 차단할 수 있거나, 결국은 사용자가 밀실 공포증을 느끼게 되게 사용자의 주변 시각을 심하게 제한할 수 있는 점이다. 굴절형 HMD들의 또 다른 결점은, 상기 소비자 또는 상업 시장들에서 공통적으로 발견되는 경우들로서, 이들이 약 25도인 통상적인 시야(FOV) 및 약 40도의 고품질의 FOV를 가져 매우 제한된 시야(FOV) 각도를 가지는 점이다. 상기 소비자 및 상업 시장들에서 공통적으로 발견되는 굴절형 HMD들의 FOV를 상기 25도의 통상적인 FOV 이상으로 증가시키려는 시도를 할 때, 상기 장치의 비용과 무게가 급격히 증가되며, 이는 이미 두 경쟁하고 있는 시장들에서 금지적인 요소가 될 수 있다. 이러한 상황은 40도 내지 120도의 FOV들을 갖는 굴절형 HMD들이 훨씬 보다 통상적인 군용 시장에서 뚜렷하지만, 앞서 기술한 바와 같이 이들이 극히 무겁고 매우 비싸다.

현재 시장에서 발견되는 HMD 장치들의 두 번째 카테고리는 상기 회절형 HMD 또는 보다 정확하게는 혼성 굴절/회절형 HMD이다. 굴절형 HMD들은 영상 디스플레이 소스로부터 사용자의 눈까지 상기 영상 컨텐츠의 투사를 전송하기 위하여 회절 및 회절격자들뿐만 아니라 굴절의 광학 물리적 원리들을 이용한다. 이러한 유형의 HMD로써, 상기 영상 컨텐츠의 투사는 최종적인 간섭성이고 흔히 확대된 이미지를 상기 사용자의 눈에 생성하도록 상기 굴절형 전송 매체 요소들의 하나 내에 포함되는 전송 매체 및 회절격자 모두를 통과한다. 상기 전송 매체를 통과하는 상기 투사된 영상 컨텐츠로부터의 광파들은 궁극적으로 상기 회절격자를 통과하거나 이로부터 반사되며, 이는 상기 사용자에게 단일의 간섭성 이미지를 제시하는 기능을 수행한다. 이와 같은 혼성 HMD 시스템들에 대한 다양한 결점들은 큰 부피, 고출력의 광원 요구 사항들 및 제한된 시계를 포함한다. 이들은 모두 군사용 및 산업용 응용들을 위한 이들의 활용성뿐만 아니라 소비자 응용들을 위한 이들의 매력을 제한한다.

현재 시장에서 발견되는 HMD 장치들의 세 번째 카테고리는 상기 레이저-라이터 HMD이다. 상기 레이저 라이터 HMD는 흔히 적색, 녹색 및 청색 레이저들의 트라이어드(triad)와 입력 시각 디스플레이 신호에 따라 레이저 광들을 간섭성의 시각적 이미지 내로 굴절시키고 비추는 레이저 라이터들의 세트를 포함하는 원격 레이저광 엔진을 이용한다. 상기 레이저들 및 레이저 라이터는 상기 이미지들을 상기 헤드마운트 유닛으로 전송하기 위해 간섭성(coherent) 광섬유 케이블에 의해 헤드마운트 디스플레이 유닛에 연결된다. 상기 이미지들은 이후에 상기 간섭성 광섬유 케이블로부터 최종 시야 스크린, 상기 사용자가 볼 경우에 통상적으로 상기 HMD 유닛 내의 투명 렌즈로 투사된다. 이러한 유형의 HMD와 연관된 한 가지 결점은 이와 같은 시스템을 위해 채용되는 상기 간섭성 광섬유 케이블이 매우 비싸다는 것이다. 이러한 HMD 시스템들에 관한 다른 불리한 점은 상기 이미지가 상기 광섬유 케이블로부터 나오기 때문에 상기 이미지를 확대하기 위해 상기 헤드 유닛이 여전히 굴절 광학체를 필요로 하는 것이다. 이는 결국 제한된 FOV 및 상기 헤드 유닛의 증가된 무게로 이해된다. 또한, 레이저 라이터 HMD에 관련된 다른 불리한 점은 3차원으로 영상 컨텐츠를 보기 위해 이와 같은 시스템을 사용할 때에 분명해진다. 이와 같이 하기 위하여, 상기 HMD 시스템은 통상적으로 단일의 광섬유 케이블 상에서 동시에 두 구분되는 이미지들을 상기 헤드 유닛에 비출 수 있으며, 이에 따라 상기 헤드 유닛이 각각의 눈에 대해 상기 두 이미지들을 분리시키도록 빔 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있거나, 상기 HMD 시스템이 3차원 영상 컨텐츠를 전달하도록 채용되는 제2의 이미지를 생성하기 위하여 상기 제1 레이저 시스템과 동시에 동작하는 제2의 레이저 시스템을 채용할 수 있다. 양 경우들에 있어서, 이는 극히 비싸게 될 수 있다. 상기 레이저 라이터 HMD 장치에 관한 추가적인 단점은 이와 같은 장치에 소요되는 전력 소모가 극히 높다는 것이다. 마지막으로, 이미지를 광섬유 케이블들을 통해 상기 헤드마운트 유닛에 전송하는 것은 상기 광섬유 케이블의 최소 굴곡 반경을 관찰하는 데 주의를 기울이지 않을 경우에 잠재적으로 문제가 될 수 있다. 상기 케이블이 너무 팽팽한 반경으로 구부러질 경우, 이는 상당한 신호 손실들을 가져올 것이다.

현재 사용 가능한 HMD 시스템들의 전술한 세 가지 카테고리들의 어느 것도 모두 함께 비싸지 않고, 경량이며, 편안하고, 눈 근접(near-to-eye) HMD 장치로 여겨질 수 있는 단일의 장치로부터 사용자가 볼 경우에 확대된 간섭성 영상 컨텐츠를 제공할 수 없다. 이에 따라, 현재 이용 가능한 상기 세 가지 유형들의 시스템들과 관련된 단점들과 문제점들로 인하여, 산업계에서 상당히 값싸고, 가벼우며, 콤팩트하고, 편안하며 눈 근접 장치인 새로운 유형의 HMD 장치에 대한 필요성이 존재한다.

광 경로

앞서 논의된 바와 같이, 오늘날 사용 가능한 HMD 장치들에 있어서, 상기 광 경로는 통상적으로 비효과적이고, 무겁거나 및/또는 부피가 큰 굴절 광학체를 수반한다. 증강 현실(augmented reality) 시스템들에 있어서, 광학적 시스루(see-though) 헤드마운트 디스플레이들("OST-HMD들")은 컴퓨터로 생성된 가상의 장면을 실세계 장면의 시야들과 결합하기 위한 기본적인 수단들의 하나였다. 통상적으로, 광 합성기(optical combiner)의 사용을 통해, OST-HMD는 물리적 세계의 직접적인 시야를 유지하고, 컴퓨터 생성 이미지들을 상기 실제 장면 상으로 광학적으로 중첩시킨다. 상기 실세계 시야들이 카메라들에 의해 포착되는 비디오 시스루 접근과 비교하여, 상기 OST-HMD는 상기 실세계 장면에 대한 최소한의 열화를 초래하거나 보다 정확한 시야를 제공하는 이점을 가진다. 이에 따라, OST-HMD는 통상적으로 차단되지 않은 실세계 시계가 중요한 응용들에 대해 바람직하다.

넓은 FOV과 낮은 F값(광학 분야에서 초점 비율로도 언급되며, 입사 동공의 직경에 대한 초점 길이의 비율이다)을 가지고, 콤팩트하며, 비방해적인 OST-HMD를 설계하는 것은 큰 도전이었다. 이와 같은 OST-HMD의 설계는 비동공 형성(non-pupil forming) 시스템으로 구현하기가 특히 어려웠으며, 여기서 눈으로 들어가는 상기 이미지로부터의 광선들이 본질적으로 평행하므로, 눈이 상기 광선들에 의해 형성되는 상기 이미지를 보기 위해 특정 위치에 위치할 필요가 없다. 이와 같은 비동공 형성 시스템은 상기 광선들이 공간 내의 분명한 점으로 집중되고, 눈이 이러한 점의 전방이나 후방에 위치하는 경우에 상기 이미지가 보이지 않을 수 있는 동공 형성(pupil-forming) 시스템들과 대조적이다. 오늘날 사용 가능한 HMD들의 통상적인 접안렌즈 구조는 낮은 F값, 큰 사출동 거리(eye relief) 및 넓은 FOV를 구현하기 위해 이들의 능력이 제한되는 회전 대칭인 구성 요소들을 이용한다. 전술한 고도의 원하는 특성들을 수행하는 HMD 광학 시스템을 구현하기 위해 많은 방법들이 탐구되었다. 이들 방법들은, 반사 굴절(catadioptric) 기술들(굴절 및 반사 광학체들 모두를 수반하는 기술들)을 적용하는 과정; 구형의 표면들, 홀로그래프 광학 부품(optical component)들 및 회절형 광학 부품들과 같은 새로운 요소들을 도입하는 과정; 종래의 HMD 설계에서 접안렌즈 또는 현미경 형태의 렌즈 시스템을 대체하도록 투사 광학체들을 이용하는 것과 같은 새로운 설계 원리들을 탐구하는 과정; 그리고 경사지거나, 분산되거나, 평탄한 자유 형상의 표면들(free-form surfaces: FFS)을 도입하는 과정을 포함한다(예를 들면, H. Hoshi 등의 "Off-axial HMD optical system consisting of a spherical surfaces without rotational symmetry"(SPIE Vol. 2653, 234 (1996); 및 S. Yamazaki 등의 "Thin wide-field-of-view HMD with free-form-surface prism and applications"(Proc. SPIE, Vol. 3639, 453(1999) 참조).

앞서 언급한 다른 방법들 중에서, 자유 형상의 표면들은 콤팩트한 HMD 시스템들을 설계하는 데 매우 유망하다. 그러나, 넓은 FOV, 낮은 F값 및 충분한 눈의 부담의 경감을 제공하는 자유 형상의 프리즘 기반의 OST-HMD를 설계하는 것은 도전이다. 많은 시도들이 특히 쐐기 형상의 프리즘에 기초하는 설계들에서 FFS들을 이용하여 HMD들을 설계하기 위해 이루어졌다(미국 특허 제5,699,194호; 미국 특허 제5,701,202호; 미국 특허 제5,706,136호; 그리고 D. Cheng 등의 "Design of a lightweight and wide field-of-view HMD system with free form surface prism"(Infrared and Laser Engineering, Vol. 36, 3(2007)) 참조). 예를 들면, Hoshi 등은 34°의 FOV 및 15㎜의 두께를 제공하는 FFS 프리즘을 제시하였다. Yamazaki 등은 FFS 프리즘 및 상기 FFS 프리즘에 부착되는 보조 렌즈로 구성된 51°의 OST-HMD 설계를 기술하였다. 보다 최근에, Cakmakci 등은 유리 방사형 기저 함수(rational rational radial basis function) 및 회절 렌즈에 기초하였던 하나의 자유 형상의 반사 표면을 갖는 20°의 HMD 시스템을 설계하였다.("Optimal local shape description for rotationally non-symmetric optical surface design and analysis"(Opt. Express 16, 1583-1589(2008))). 또한, FFS 프리즘 개념을 기초로 하는 몇몇 상업적으로 유용한 HMD 제품들이 존재한다. 예를 들면, 올림푸스(Olympus)는 그들의 자유 형상의 프리즘들에 기초하는 HMD들의 Eye-Trek 시리즈들을 발표하였다. 이매진(Emagin)은 광학 모듈 WFO5를 갖는 Z800을 보도하였다. 대양(Daeyang)은 i-Visor FX 시리즈(GEOMC 모듈, A3 프리즘) 제품들을 제시하였다. 록웰 콜린스(Rockwell Collins)는 OEM 디스플레이 광학의 프리즘 기술을 이용하는 ProView SL40을 발표하였다.

현존하는 FFS 기반의 설계들은 통상적으로 약 40도 또는 그 이하의 FOV를 구비하는 통상적으로 4㎜ 내지 8㎜의 범위 내의 사출 동공(exit pupil) 직경을 가진다. 보다 최근의 설계들에 있어서, 40도의 FOV를 구현하기 위해 약 21㎜의 초점 길이를 채용하는 통상적으로 약 0.6"인 보다 작은 마이크로 디스플레이들이 적용되었다. 상기 감소된 초점 길이는 큰 사출 동공이나 광학 시스템 내에 가상 개구(virtual aperture)를 갖는 시스템을 설계하는 것을 매우 어렵게 한다. 그 결과, 대부분의 설계들은 상기 사출 동공 직경을 절충시킨다. 이에 따라, 상업적으로 유용한 제품들은 4 이상의 F값을 유지하기 위해 평균적으로 상기 사출 동공 직경을 약 3㎜ 내지 약 5㎜의 범위 내로 감소시킨다. 추가적인 자유형의 요소들 또는 굴절형 광학 요소들을 도입함에 의해 보다 큰 사출 동공을 구현하는 몇몇의 설계들이 있다. 예를 들면, Droessler 및 Fritz는 두 개의 여분의 분산 렌즈들을 이용하고 하나의 회절 표면을 적용하여 1.7만큼 낮은 F값을 갖는 높은 휘도의 OST-HMD 시스템의 설계에 대해 기재하였다(미국 특허 제6,147,807호). 현재 사용되는 동작 광학 및 HMD들의 분야는 낮은 F값(고배율을 나타내는) 및 넓은 FOV 모두를 갖는 HMD를 설계하는 것이 극히 어렵다는 점을 보여준다.

이에 따라, 광학 시스루 헤드마운트(see-through head-mounted) 디스플레이들의 분야에서 콤팩트하고, 경량이고, 비구속 폼 팩터(form factor)를 제공하면서도 넓은 FOV 및 낮은 F값을 가지는 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이 진전될 수 있다.

광학 부품들의 구조적 지지

HMD를 위한 광 경로는 정밀 정렬 내에 유지되는 다양한 광학 요소들에 의해 정의된다. 문제는 어떻게 과도한 중량과 큰 부피가 없이 상기 광 경로의 정밀 정렬을 유지하는 가이다. 일부 광학 시스템들은 상기 광학 표면들 모두를 단일의 모놀리식 요소(monolithic element) 내로 통합하여 광학 정렬을 구현하는 시도를 하였으며, 이는 단일의 광학 요소 내에 상기 시스템을 위한 상기 굴절 및 반사 광학체 모두를 결합한다. 이는 통상적으로 낮은 내부 반사 손실들을 갖는 프리즘 광학체와 결합되는 렌즈 표면들을 이용하여 수행된다. 이들 시스템들은 무겁고 부피가 크며, 추가적인 제조 및 조립 문제들을 가진다. 다른 광학적인 접근들은 방사형으로 및 세로로 모두 정확하게 정렬되어야 하는 개개의 광학 요소들을 활용한다. 또 다른 접근은 정렬 오차들을 제어하려고 시도하도록, 예를 들면 광섬유 또는 사각형의 도파관(waveguide)들과 같은 광 도파관을 이용하며, 이러한 방법은 궁극적으로 매우 작은 FOV들을 제공한다.

실제 HMD는 한 쌍의 안경들로서 사용자의 편안함을 위해 작고 가벼울 필요가 있다. 대부분의 안경 프레임들은 유연하며, HMD를 위해 적합한 정밀 정렬을 제공하지 않는다. 요구되는 점은 광 경로에 대해 정밀 정렬을 제공할 수 있고, 상기 지지체나 상기 광학 요소들의 정렬에 영향을 미치지 않고 다양한 산업용 설계들을 수용할 수 있는 가벼운 안경 구성이다.

마이크로 디스플레이 메커니즘

HMD는 디스플레이와 사용자의 눈 사이에 광 경로를 포함한다. 중요한 사용자의 눈의 편안함과 사용의 편의성은 모든 HMD들과 관련된다. 상기 광 경로 및 이의 다양한 설계 변수들은 눈의 편안함을 구현하는 것의 일 측면이다. 그러나, 상기 광학 요소들 자체들을 넘어 눈의 편안함에 영향을 미치는 많은 인자들이 있다. 사람 인자들은 적절한 HMD 설계에서 큰 관심 사항이다. 사람들의 눈들은 한 사람으로부터 다음으로 및 심지어는 같은 사람에서 눈에서 눈까지 크게 변화한다. 최대한의 눈의 편안함을 가능하게 하도록 상기 HMD에 대해 추가적인 조정들이 구성될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 두 가지 관심 사항들은 다른 사용자들의 변화하는 초점들 또는 눈의 초점 및 변화되는 동공 사이의 거리들 또는 사용자의 두 눈들의 동공들의 중심 사이의 거리를 위한 적용이다. 따라서, 개별적인 초점 길이들 및 동공 사이의 거리들 내에 사용자들 사이의 차이들을 처리하기 위해 전방에서 후방 및 측방 모두로 광학적 조정들을 수행하는 능력이 HMD 시스템들 내에 존재할 필요성이 있다. 통상적인 현재의 조정들은 상당히 부피가 큰 경향이 있다. 필요한 것은 경량의 HMD 내로 정합되는 매우 콤팩트하고 가벼운 초점 조정 메커니즘이다.

HMD 구조 및 조립 프로세스

다른 기능들 중에서, HMD는 마이크로 디스플레이와 사용자의 눈들 사이에 광 경로(optical path)를 정의한다. 광학 부품들은 상기 사용자에게 받아들일 수 있는 이미지를 제공하기 위해 서로에 대하여 높은 정확도로 되어야 한다. 동시에, 결과적인 HMD는 사용자에게 받아들여지도록 콤팩트하고 가벼워야 한다. 이러한 설계는 또한 상기 광학 부품들의 정렬에 불리한 영향을 미치지 않고 물리적인 충격을 견딜 수 있어야 한다.

도 1은 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 양안용 실시예를 착용하는 사용자의 사시도이다.
도 2는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 실시예의 측면도이다.
도 3은 다섯 개의 반사 광학 표면들을 이용하는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 양안용 실시예의 단면 절개 사시도이다.
도 3a는 다섯 개의 리플렉터 시스템 내에서 발광 영상 소스로부터 사용자의 눈까지의 반사 경로의 실시예를 예시하는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 양안용 실시예의 단면 절개 사시도이다.
도 4는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 실시예의 후면 사시도이다.
도 5는 세 개의 반사 광학 표면들을 이용하는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 선택적인 양안용 실시예의 사시도이다.
도 6은 세 개의 리플렉터 시스템 내에서 발광 영상 소스로부터 사용자의 눈까지의 광 반사 경로의 실시예를 예시하는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 양안용 실시예의 단면 절개 사시도이다.
도 7은 발광 영상 소스로부터 사용자의 눈까지의 광 반사 경로의 실시예를 예시하는 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치의 반사 광학 표면들의 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 8은 발광 영상 소스로부터 사용자의 눈까지의 광 반사 경로의 실시예를 예시하는 세 개의 리플렉터의 헤드마운트 디스플레이 장치의 반사 광학 표면들의 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 9a-도 9c는 조절 전송 손실층의 실시예와 통신하는 최후의 반사 광학 표면의 실시예의 진전의 분해 사시도들이며, 상기 조절 전송 손실층은 각각의 도 9a 내지 도 9c의 증가되는 어두움 또는 불투명도 레벨들을 가진다.
도 10은 일 실시예에 따른 예시적인 헤드마운트 디스플레이의 등각 정면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 예시적인 헤드마운트 디스플레이의 배면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 예시적인 헤드마운트 디스플레이의 평면 또는 상면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 예시적인 헤드마운트 디스플레이의 측면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이 내의 예시적인 광선 추출 도면을 개략적으로 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이 내에 활용되는 예시적인 광 경로를 개략적으로 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이 내에 사용되는 구조 프레임의 등각 배면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이 내에 사용되는 두 개의 예시적인 복합 렌즈 요소들의 등각 후면도이다.
도 18a는 일 실시예에 따른 캐리지에 조립되는 마이크로 디스플레이 홀더의 등각 분해도이다.
도 18b는 일 실시예에 따른 마이크로 디스플레이 메커니즘의 어셈블리의 등각 분해도이다.
도 18c는 일 실시예에 따른 마이크로 디스플레이 이동 메커니즘의 등각도이다.
도 18d는 일 실시예에 따른 마이크로 디스플레이 홀더 상의 X-기어의 동작을 도시하는 마이크로 디스플레이 메커니즘의 후면도이다.
도 18e는 일 실시예에 따른 내부의 기계적인 제한을 도시하는 마이크로 디스플레이 메커니즘의 등각도이다.
도 18f는 일 실시예에 따른 마이크로 디스플레이홀더 상의 Z-기어의 동작을 도시하는 마이크로 디스플레이의 측면도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이를 조립하기 위한 예시적인 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이를 위한 외측 프레임을 조립하기 위한 예시적인 프로세스의 등각 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이를 위한 광학 부품들을 구조 프레임에 결합하기 위한 예시적인 프로세스의 등각 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이를 조립하기 위한 예시적인 프로세스의 등각 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따른 구조 프레임의 노치 데이텀 위치결정 마운트들 내에 위치하는 광학 요소들로부터의 탭들을 도시하는 구조 프레임의 제1 배면도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 구조 프레임의 노치 데이텀 위치결정 마운트들 내에 위치하는 광학 요소들로부터의 탭들을 도시하는 구조 프레임의 제2 배면도이다.

본 발명은 첨부된 도면들에 도시되고 다음에 설명되는 다양한 형태들의 실시예들로 구현될 수 있지만, 하나 또는 그 이상의 실시예들은 본 명세서의 개시 사항이 본 발명의 예시로서 간주되고 여기에 예시되는 특정 실시예들에 본 발명이 제한되지 않는 것으로 의도되는 것으로 이해된다. 표제들은 편의만을 위해 제공되는 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 예시된 실시예들과 임의의 표제는 임의의 다른 표제 하에서 예시되는 실시예들과 결합될 수 있다.

이하, 다양한 실시예들을 그 일부를 형성하며, 특정 실시예들을 예시에 의해 나타내는 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지는 않아야 한다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지도록 제공되는 것이며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범주를 전체적으로 전달하기 위한 것이다. 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 해석되지는 않는다.

본 명세서와 특허청구범위 전제에 걸쳐, 다음 용어들은 본 문에서 분명하게 다르게 기재되지 않는 한 여기서는 명확하게 관련된 의미를 가진다. "일 실시예에 있어서"라는 표현은 비록 가능할지라도 필연적으로 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 또한, "다른 실시예에 있어서"라는 표현은 비록 가능할지라도 필연적으로 다른 실시예를 언급하는 것은 아니다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 다양한 실시예들이 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어나지 않고 용이하게 결합될 수 있을 것이다.

또한, 여기에 사용되는 바에 있어서, "또는"이라는 용어는 포괄적인 "또는" 연산자이며, 본 문에서 명확하게 다르게 기술하지 않는 한 "및/또는"이라는 용어와 동등하다. "기초하는"이라는 용어는 배타적인 것이 아니며, 본 문에서 명확하게 다르게 기재되지 않는 한 설명하지 않은 추가적인 인자들에 기초하는 것도 가능하다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐, "하나", "일" 및 "상기"의 의미는 복수의 참조들을 포함한다. "내에"의 의미는 "내에" 및 "상에"를 포함한다.

여기서는 영상 디스플레이 소스로부터 영상 컨텐츠를 디스플레이하고 보이게 하기 위한 기본적인 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치를 설명한다.

본 발명에 따르면, 상기 반사형 헤드마운트 디스플레이 장치는 프레임(frame) 및 상기 프레임에 연결되는 적어도 하나의 눈 근접(near-to-eye) 광학 하우징을 포함한다. 상기 광학 하우징 및 프레임은 상기 광학 하우징이 사용자의 눈 전면에 적어도 부분적으로 위치할 수 있도록 구성된다. 상기 광학 하우징은 영상 컨텐츠를 투영하기 위해 상기 광학 하우징 내에 위치하는 발광 영상 소스(light-emitting visual source)를 포함한다. 상기 광학 하우징은 또한 상기 영상 소스로부터 상기 사용자의 눈까지 상기 영상 컨텐츠의 투영을 반사하도록 구성되는 상기 광학 하우징 내의 복수의 반사 광학 표면들(optical surfaces)을 포함한다.

이에 따라, 본 발명은 주로 굴절, 회절 또는 레이저 라이터 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치에 대향되는 것으로서 기본적으로 그리고 실질적으로 굴절 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치이다. 이러한 방식에 있어서, 본 발명은 선택적으로는 완전히 리플렉터(refractor)가 없는 헤드마운트 디스플레이 장치일 수 있다. 상기 영상 컨텐츠를 사용자의 눈에 전송하기 위해 복수의 반사 광학 표면들을 기본적으로 이용함에 의해, 상기 장치는 무거운 투명한 플라스틱에 대향되는 것으로서 반사들이 통과하는 전송 매체로서 공기를 이용할 수 있다. 본 발명의 이러한 측면은 어떠한 다른 사용 가능한 장치보다 상기 장치를 상당히 가볍게 만드는 이점을 가진다. 또한, 이와 같은 반사 기반의 장치를 개발하기 위한 종래의 산업상의 노력들이 성공하지 못하였기 때문에, 심지어 첫 번째로 동작 가능한 눈 근접인 기본적으로 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이 장치를 개발하는 이점과 차별을 가진다. 본 발명의 다른 이점은 상기 장치가 기본적으로 반사 기반이기 때문에, 상기 리플렉터들이 크기가 조절될 수 있고 영상 컨텐츠를 영상 디스플레이 소스로부터 사용자의 눈에 투사하기 위해 채용되는 상기 리플렉터들 모두가 눈 근접을 유지하는 상대적으로 작은 광학 하우징 내에 포함될 수 있는 점이다. 이와 같은 콤팩트한 장치는 레이저 라이터 기반의 장치들을 위해 필수적인 경우와 같은 실질적으로 비싼 원격 시스템들에 대한 필요성을 제거한다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 상기 프레임은 착용 가능하고 머리에 장착되는 프레임이고, 상기 광학 표면들은 상기 영상 컨텐츠의 투사를 협력적으로 확대하도록 구성되므로, 상기 영상 컨텐츠가 그로부터 투영되는 상기 영상 소스의 실제 크기보다 크게 나타난다. 또한, 상기 장치는 사용자의 첫 번째 눈의 전방에 위치하도록 구성되는 상기 프레임에 연결되는 제1 눈 근접 광학 하우징뿐만 아니라 상기 사용자의 두 번째 눈의 전방에 위치하도록 구성되는 상기 프레임에 연결되는 제2 눈 근접 광학 하우징을 포함할 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 양안용(bi-ocular) 헤드마운트 디스플레이가 구현된다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 상기 광학 하우징은 또한 실질적으로 투명한 이차 시각(vision) 하우징에 연결되는 실질적으로 불투명한 일차 전송(transmission) 하우징을 포함한다. 상기 이차 시각 하우징은 상기 사용자의 눈의 전방에 위치하고, 사용자가 이를 통해 볼 수 있도록 설계된다. 이는 모두 투명한 전방 더스트 커버(dust cover) 및 외부 더스트 커버를 포함한다. 상기 이차 시각 하우징은 상기 외부 더스트 커버와 연통되는 가변 조절 전송 손실층(transmission-loss layer)을 가진다. 이러한 전송 손실층은 이를 통과하는 임의의 광의 전송 손실의 양의 선택적인 조절을 가능하게 한다. 이에 따라, 사용자는 상기 층을 통과하는 모든 광을 보이게 하기 위해 상기 층이 완전히 투명해지거나, 상기 층을 통과하는 광이 보이는 것을 차단하기 위해 완전히 어둡거나 불투명해지거나, 상기 층을 통과하는 광이 부분적으로 보이게 하기 위해 어두움의 변화되는 레벨들을 가지도록 상기 층을 조절할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 상기 복수의 반사 광학 표면들은 제1의 반사 광학 표면, 적어도 하나의 중간 광학 표면 그리고 최후의 반사 광학 표면을 구비하는 일련의 반사 광학 표면들을 포함한다. 상기 최후의 반사 광학 표면은 상기 외부 더스트 커버의 내부 표면일 수 있다. 상기 영상 컨텐츠는 상기 영상 소스로부터 상기 제1의 반사 광학 표면으로 투사된다. 상기 영상 컨텐츠는 이후에 적어도 하나의 중간 광학 표면으로 반사되고, 다음에 상기 외부 더스트 커버의 내부 표면인 상기 최후의 반사 광학 표면으로 반사되며, 마지막으로 상기 사용자의 눈 속으로 반사된다. 상기 사용자는 상기 최후 반사 광학 표면 뒤에 위치하는 상기 조절 전송 손실층을 완전히 어둡게 하고, 이에 따라 상기 이차 시각 하우징의 상기 외부 더스트 커버를 통한 상기 외부 주변들의 그의 시야를 차단하여 상기 영상 컨텐츠만이 보이도록 선택적으로 선택할 수 있다. 선택적으로는, 상기 사용자는 상기 조절 전송 손실층이 부분적으로 어두움 또는 불투명도만을 가지도록 설정하여 "시스루 시각(see-through vision)"을 가지며, 동시에 상기 영상 컨텐츠 및 상기 실시간 외부 주변 환경 모두인 "혼합 현실" 시야를 보도록 선택적으로 선택할 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 그러면 상기 사용자는 외부의 주위 환경의 이들의 실세계 시야 상으로 겹쳐지는 영상 컨텐츠의 반사를 볼 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 상기 헤드마운트 디스플레이는 매우 가볍고 콤팩트한 반사형 시스템으로 큰 시계(field of view: FOV)를 구현할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 시계(FOV)는 풀 오버랩 모드(full overlap mode)(왼쪽 및 오른쪽 이미지들이 동일한 시계를 가진다)로 40도 이상, 또는 제로 오버랩 모드(zero overlap mode)(왼쪽 및 오른쪽 시계들이 왼쪽 및 오른쪽 눈들에 각기 특유하다)로 80도 이상이 될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 시계는 풀 오버랩 모드로 50도 이상 또는 제로 오버랩 모드로 100도 이상이 될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 시계는 풀 오버랩 모드로 60도까지 또는 제로 오버랩 모드로 120도까지가 될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 시계는 풀 오버랩 모드로 60도 이상 또는 제로 오버랩 모드로 120도 이상이 될 수 있다. 큰 FOV 값이 가볍고 콤팩트한 프레임으로 구현될 수 있는 정도는 본 발명에 특유한 것이다.

다른 실시예들, 목적들, 특징들 및 이점들은 청구된 본 발명에 수반되고 부분적으로 그 설명으로부터 명백해지거나 이의 실시에 의해 수득될 수 있는 실시예들의 상세한 설명에서 설시될 것이다. 이들 목적들과 이점들은 여기서 기재된 설명과 특허청구범위에서 구체적으로 명시된 프로세스들과 조성물들에 의해 구현되고 얻어질 것이다. 전술한 요약은 여기에 개시되는 실시예들의 일부의 간략하고 일반적인 개요로 간주되고, 이해의 이점과 편의만을 위해 제공되며, 첨부된 특허청구범위가 합법적인 자격을 부여받는 균등물들의 범주나 범위를 어떠한 방식으로도 제한하려는 의도가 아닌 것으로 이해되도록 기재된 것이다.

HMD 장치 구성

도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 디스플레이 소스로부터 영상 컨텐츠를 디스플레이하고 조망하기 위하여 주로 반사 기반의 헤드마운트 디스플레이(HMD) 장치(5)가 개시된다. 상기 HMD 장치(5)는 프레임(frame)(10) 및 상기 프레임(10)에 연결되는 적어도 하나의 눈 근접(near-to-eye) 광학 하우징(15)을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 프레임(10)은 안경 프레임의 경우와 같이 착용할 수 있는 헤드 마운트 프레임이다. 그러나, 이러한 실시예의 개시 사항들이 상기 프레임(10)의 형상에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 이에 따라, 선택적인 실시예에서, 상기 프레임(10)은 헬멧에 장착되거나 헤드 밴드나 조절 가능한 헤드 스트랩(strap)과 같은 임의의 유사한 형태의 머리에 착용할 수 있는 장치에 장착되도록 구성되는 임의의 형태가 될 수 있다. 상기 프레임(10)은 상기 눈 근접 광학 하우징(15)에 연결되며, 상기 눈 근접 광학 하우징(15)의 무게를 지지하도록 구성된다. 상기 프레임(10)은 또한 적절하게 착용될 때에 상기 광학 하우징(15)이 적어도 부분적으로 사용자의 눈의 전방 및 상기 HMD 사용자의 가시선(line of sight)에 위치할 수 있도록 구성된다.

일 실시예에 있어서, 상기 프레임(10)은 두 개의 광학 하우징들(15)에 연결되며, 여기서 제1 광학 하우징(15)은 적어도 부분적으로 사용자의 첫 번째 눈의 전방에 위치할 수 있고, 제2 광학 하우징(15)은 적어도 부분적으로 사용자의 두 번째 눈의 전방에 위치할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광학 하우징들(15)은 물리적으로 동일한 서로의 미러 이미지들 또는 원하는 경우에 따라 크기와 형상의 다른 결합들이 될 수 있다. 이러한 실시예는 장치가 각각의 사용자의 두 눈들에 별도의 영상 컨텐츠를 제공하도록 두 별도의 채널들(즉, 두 별도의 광학 하우징들(15))을 활용하기 때문에 "양안용(bi-ocular)" HMD 장치로 여겨진다. 양안용 HMD 장치들은, 동일한 시간에 양 채널들을 통해 정확히 동일한 영상 컨텐츠를 상기 사용자의 눈들 모두에 대해 제공하거나(예를 들면, 텔레비전을 시청하는 경우와 유사하게), 사용자의 첫 번째 눈에 제1 채널들 통해 제1 영상 컨텐츠를 제공하고 사용자의 두 번째 눈에 제2 채널을 통해 완전히 다른 제2 영상 컨텐츠를 제공하거나(즉, 각 눈이 각 텔레비전이 다른 프로그램들을 상영하는 별도의 텔레비전을 시청하는 경우와 유사하게), 마지막으로 사용자의 첫 번째 눈에만 제1 채널을 통해 영상 컨텐츠를 제공하고 상기 사용자의 두 번째 눈에는 어떠한 컨텐츠도 제공하지 않음에 의해 사용자가 2차원 영상 컨텐츠를 보게 할 수 있다. 선택적으로는, 양안용 장치들은 각 눈에 동일한 영상 컨텐츠의 약간 다른 형태들을 제공함에 의해 사용자가 3차원 입체 시각(즉, 양안 시각)을 구현하게 할 수 있다. 그러나, 이러한 실시예의 개시 사항이 상기 HMD 장치(5)를 두 개의 광학 하우징들(15)을 갖는 장치들만으로 한정하는 것으로 이해되어지는 않아야 한다. 이에 따라, 선택적인 실시예(도시되지 않음)에서, 상기 프레임(10)은 단지 하나의 광학 하우징(15)에 연결될 수 있으며, 여기서 상기 프레임(10) 및 광학 하우징(15)은 상기 하나의 광학 하우징(15)이 사용자의 첫 번째 눈의 전방에 부분적으로 위치할 수 있도록 구성된다. 이러한 선택적인 실시예의 장치는 장치가 사용자의 두 눈들의 하나만을 위한 단일 채널(즉, 하나의 광학 하우징(15))을 활용하기 때문에 "단안용(monocular)" HMD 장치로 간주된다.

또 다른 선택적인 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 상기 프레임(10) 및 광학 하우징들(15)은 상기 광학 하우징들(15)이 상기 프레임(10)으로부터 선택 가능하게 부착/탈착될 수 있도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 사용자가 하나의 눈을 위한 하나의 광학 하우징(15)만을 갖는 단안용 HMD 장치 또는 각각의 상기 사용자의 눈들을 위한 두 개의 광학 하우징들(15)을 갖는 양안용 HMD 장치를 이용할 것인지를 선택하게 할 수 있다. 또 다른 선택적인 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 상기 광학 하우징들(15)은 상기 사용자의 눈들의 전방에 있는 위치로부터 상기 광학 하우징들(15)을 제거하고 상기 사용자의 가시선으로부터 이들을 제거하기 위해 상기 광학 하우징들(15)이 힌지(hinge)에 대해 선택 가능하게 회전될 수 있도록 상기 프레임(10)에 힌지 방식으로 연결될 수 있다.

상기 프레임(10)은, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 매우 가벼우면서도 매우 내구성이 있는 물리적 성질들을 갖는 임의의 다른 유사한 가벼운 물질 기반의 물질과 같은 적어도 하나의 내구성이 있고 가벼운 물질로 구성된다. 그러나, 전술한 물질들의 개시가 상기 가벼운 물질들을 금속계의 물질들에만 한정하는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 이에 따라, 예시적인 실시예에서, 상기 프레임(10)은 폴리카보네이트(polycarbonate), PVC, 폴리에틸렌(polyethylene), 나일론(nylon) 또는 매우 가벼우면서도 매우 내구성이 있는 물리적 성질들을 갖는 임의의 다른 폴리머 기반의 물질과 같은 내구성이 있는 가벼운 물질로 구성될 수 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 각각의 눈 근접 광학 하우징(15)은 영상 컨텐츠를 투사하기 위한 발광 영상 소스(light-emitting visual source)(20), 복수의 반사 광학 표면들(30), 일차 전송(transmission) 하우징(40), 그리고 이차 시각(vision) 하우징(5)을 포함한다.

상기 발광 영상 소스(20)는 관찰자에게 보일 수 있는 시각적 형태로 정보를 제시하는 전자 장치이다. 일 실시예에 있어서, 상기 발광 영상 소스(20)는 전원에 연결되는 마이크로 디스플레이(micro-display)이며, 여기서 상기 마이크로 디스플레이는 외부 소스로부터 시작적인 형태로 출력되는 입력 신호들을 받아들이기 위한 소스 입력을 포함한다. 그러나, 상술한 실시예의 개시 사항이 여기에 개시되는 과제를 실행하는 데 이용될 수 있는 유형의 발광 영상 소스(들)에 제한되는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 이에 따라, 선택적인 실시예들에서, 상기 발광 영상 소스(20)는 레이저 라이터, 마이크로 프로젝터(micro-projector) 또는 영상 컨텐츠를 표시할 수 있는 임의의 다른 장치나 시스템일 수 있다. 또한, 상기 발광 영상 소스(20)는 종래의 와이어들이나 케이블들, 광섬유들, 무선 신호 전송 혹은 신호 및 데이터 전송 분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 유사한 신호들을 전송하는 방식을 통해 외부 소스로부터 상기 입력 신호들을 수신할 수 있다.

투사되는 영상 컨텐츠는 정지 및 동영상 컨텐츠 모두와시각적으로 표시될 수 있고 보일 수 있는 추기적인 컨텐츠를 포함한다. 정지 영상 컨텐츠 디스플레이되는 동안에 시간에 따라 변화되지 않은 콘텐츠를 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니지만, 사진들, 정지 영상, 정지 텍스트 및 새로운 정보로 업데이트되지 않는 그래픽 데이터 디스플레이들을 포함한다. 동영상 컨텐츠는 디스플레이되는 동간에 시간에 따라 변화하는 콘텐츠를 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니지만, 비디오 재생, 실시간 비디오, 변화하는 영상, 동적 텍스트 및 새로운 정보가 수득되면서 업데이트되는 그래픽 데이터를 포함한다.

상기 복수의 반사 광학 표면들(30)은, 예를 들면, 미러, 연마된 금속 또는 매끄러운 유리의 경우와 같이 고도로 연마되거나 매끄러운 표면 마감을 가지는 표면들이며, 이들에 입사되는 광파들이 돌아가도록 반사의 광학적 물리 원리를 이용한다. 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)은 상기 발광 영상 소스(20)와 광학적으로 연통되며, 분명하게 초점이 잡힌 상기 영상 컨텐츠의 투사를 상기 발광 영상 소스(20) 로부터 상기 사용자의 눈 속으로 협력하여 반사하도록 구성된다.

도 3a 및 도 6을 참조하면, 일 실시예에서, 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)은 별도의 오목한 및 볼록한 표면들의 결합이며, 적어도 제1 반사 광학 표면(31) 및 최후 반사 광학 표면(36)을 포함한다. 상기 제1 반사 광학 표면(31)은 상기 영상 컨텐츠가 상기 발광 영상 소스(20)로부터 먼저 내부로 투사되는 반사 광학 표면이다. 상기 최후 반사 광학 표면(36)은 상기 영상 컨텐츠가 마지막으로 상기 사용자의 눈 속으로 반사되는 반사 광학 표면이다. 일 실시예에서, 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)은 또한 적어도 하나의 중간 반사 광학 표면(도시되지 않음)을 포함한다. 이들 오목한 및 볼록한 반사 광학 표면들(30)은 상기 투사가 각 반사 광학 표면(30)으로부터 반사될 때에 상기 영상 컨텐츠의 투사를 협력하여 확대하도록 추가적으로 구성되므로, 상기 HMD 장치의 사용자의 눈에 보일 때에 상기 투사된 영상 컨텐츠(55)(도 9a-도 9c)가 확대되고 초점이 잡히게 나타난다. 그러나, 별도의 오목한 및 볼록한 표면들의 결합을 활용하는 전술한 실시예의 개시 사항은 여기에 개시되는 HMD 장치 내에 사용될 수 있는 상기 반사 광학 표면의 형상의 범주를 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 선택적인 실시예들에 있어서, 상기 HMD 장치(5)는 여기에 개시되는 발명의 범주를 벗어나지 않고 오로지 볼록한 반사 광학 표면들, 오로지 오목한 반사 광학 표면들 또는 다른 특유한 기하학적 형상들을 활용할 수 있다. 또한, 비록 상술한 실시예들의 개시 사항이 상기 영상 소스(20)로부터 사용자의 눈으로 투사되는 상기 영상 컨텐츠를 반사시키기 위해 단지 복수의 반사 광학 표면들(30)을 활용하는 HMD들에 훨씬 관련되었지만, 선택적인 실시예들은 주로 반사 기반의 HMD에 대한 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 상기 광 경로 내에 포함되는 추가적인 광학 요소(optical element)들을 구비할 수 있다. 이에 따라, 선택적인 실시예에서, 복수의 반사 광학 표면들(30)을 포함하는 것 이외에도, 하나 또는 그 이상의 반사형 요소들(도시되지 않음)이 이를 통과할 것인 광파들을 조절하기 위하여 상기 발광 영상 소스(20)와 상기 사용자의 눈 사이의 상기 광 경로 내에 위치할 수 있다. 이러한 관점에서, 혼성 반사/굴절형 HMD가 생성된다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 각 눈 근접 광학 하우징(15)은 이에 연결되고 상기 발광 영상 소스(20)에 연통되는 디옵터 조절기(diopter adjuster)(25)를 가지거나 포함한다. 상기 디옵터 조절기(25)는 상기 발광 영상 소스(20)의 위치를 상기 발광 영상 소스(20)로부터 나오는 영상 컨텐츠 투영의 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 전방 또는 후방으로 물리적으로 이동시키도록 구성된다. 이렇게 할 경우, 상기 발광 영상 소스(20)는 상기 제1 반사 광학 표면(31)의 고정된 위치에 보다 가깝거나 더 멀어지게 이동할 것이다. 이는 상기 사용자의 눈 속의 상기 투사된 영상 컨텐츠의 최종 초점에 대한 상응하는 조절을 가져온다. 이에 따라, 상기 디옵터 조절기(25)는 주문형 초점 보정을 제공할 수 있으며, 고정된 주문 범위 상에서 상기 사용자의 눈으로 투사되는 상기 영상 컨텐츠의 초점을 조절한다.

도 1 내지 도 6을 다시 참조하면, 상기 일차 전송 하우징(40)은 상기 발광 영상 소스(20)로부터 상기 영상 컨텐츠의 투사가 개시되고, 상기 투사된 영상 컨텐츠의 대부분의 광학적 반사 및 확대가 일어나는 상기 HMD 장치(5) 내의 상기 눈 근접 광학 하우징(15)의 챔버이다. 일 실시예에 있어서, 상기 일차 전송 하우징(40)은 상기 발광 영상 소스(20) 및 그 제1 단부(41)에 배치되는 디옵터 조절기(25)를 가지는 실질적으로 불투명한 중공형 챔버이다. 상기 일차 전송 하우징(40)은 상기 최후 반사 광학 표면(36)을 제외하고 상기 일차 전송 하우징(40) 내부의 다양한 위치들에 배치되는 각각의 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)을 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)은 부분적으로 또는 직접적으로 상기 일차 전송 하우징(40)의 전방 및 후방 내벽들 상에 또는 상기 일차 전송 하우징(20)의 전방 및 후방 내벽들 상에 위치하는 지지 구조들 상에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 상기 일차 전송 하우징(40)은 상기 프레임(10)에 연결되고 이에 의해 지지된다. 그러나, 상술한 실시예의 개시 사항은 상기 일차 전송 하우징(40)의 구조가 실질적으로 불투명한 중공형 챔버로만 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 선택적인 실시예들에 있어서, 상기 일차 전송 하우징은 상기 반사 광학 표면들(30), 상기 발광 영상 소스(20) 및 디옵터 조절기(25)를 이들의 적절한 위치들에 단순히 지지하도록 기능하지만, 외부 입사광들이 상기 반사 광학 표면들(30)의 반사 경로 내로 들어가는 것을 방지하지 않는 개방된 측부의 구조 또는 개방된 골격 프레임워크(framework)가 될 수 있다.

상기 일차 전송 하우징(40)은 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 매우 경량이고도 매우 내구성이 있는 물리적 성질들을 갖는 물질 기반의 임의의 다른 유사한 가벼운 물질과 같은 적어도 하나의 내구성이 있고 가벼운 물질로 구성된다. 그러나, 전술한 물질들의 제시가 상기 가벼운 물질을 금속계의 물질들로만 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 이에 따라, 선택적인 실시예들에서, 상기 일차 전송 하우징(40)은 폴리카보네이트, PVC, 폴리에틸렌, 나일론 또는 매우 가벼우면서 매우 내구성이 있는 물리적 성질들을 갖는 임의의 다른 폴리머계의 물질과 같은 내구성이 있는 가벼운 물질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 일차 전송 하우징의 일부에 관하여, 일 실시예에서, 상기 일차 전송 하우징은 실질적으로 상기 프레임(10) 및 상기 사용자의 눈 아래 및 상기 사용자의 얼굴에 인접하여 위치하도록 구성된다. 그러나, 선택적인 실시예들에서, 상기 일차 전송 하우징(40)은 실질적으로 상기 사용자의 얼굴의 측면에 인접하여 상기 프레임(10)과 관련된 임의의 수화기의 길이를 따라 상기 사용자의 이마에 인접하여 상기 프레임(10) 상부, 상기 사용자의 눈의 상부, 또는 여기에 개시되는 HMD 장치가 여기에 개시되는 교시들에 따른 기능을 수행하도록 필요한 바와 같은 임의의 다른 위치에 위치하도록 구성될 수 있다.

도 2-도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 이차 시각 하우징(45)은 상기 발광 영상 소스(20)가 위치하는 제1 단부(41)에 대향되는 상기 일차 전송 하우징(40)의 제2 개방 단부(42)에서 상기 일차 전송 하우징(40)에 연결된다. 상기 이차 시각 하우징(45)은 적어도 부분적으로 상기 HMD 장치의 사용자의 눈 전방에 배치되는 상기 광학 하우징(15)의 일부이다. 일 실시예에 있어서, 상기 이차 시각 하우징(45)은 또한 상기 프레임(10) 및 상기 일차 전송 하우징(40) 모두에 일체로 연결된다. 그러나, 전술한 실시예의 개시 사항은 상기 이차 시각 하우징(45)이 상기 프레임(10) 또는 상기 일차 전송 하우징(40)에 일체로 연결되는 것에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 선택적인 실시예에 있어서, 상기 이차 시각 하우징(45)은 상기 일차 전송 하우징(40)에 탈착 가능하거나 힌지 방식으로 연결될 수 있고 이에 의해 지지될 수 있다.

도 3-도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 이차 시각 하우징(45)은 상기 사용자의 눈의 전방 및 상기 사용자의 가시선에 직접 위치하도록 구성되는 투명한 전면 더스트 커버(46)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 전면 더스트 커버(46)는 전통적인 주문형 렌즈와 같이 기능하지 않는 광학적으로 중성이다. 오히려, 상기 전면 더스트 커버(46)는 사용자에게 보이는 임의의 시각적인 대상으로부터의 광파들이 어떤 주목할 만한 그 왜곡, 변화 또는 구부러짐이 없이 이를 통과하게 한다. 또한, 일 실시예에서, 상기 전면 더스트 커버(46)는 폴리카보네이트, 유리, 아크릴 또는 투명하고 내구성 모두가 있는 임의의 다른 유사한 물질과 같은 내구성이 있는 투명한 물질을 포함한다.

상기 이차 시각 하우징(45)은 또한 실질적으로 상기 전면 더스트 커버(46)에 인접하는 쉘(shell)인 외부 더스트 커버(47)를 포함한다. 상기 외부 더스트 커버(47)는 상기 전면 더스트 커버(46)의 전방에 위치하고, 상기 전면 더스트 커버(46)와 동일한 사용자의 시선에 위치하도록 구성된다. 함께, 상기 이차 시각 하우징(45)의 전면 더스트 커버(46) 및 외부 더스트 커버(47)는 상기 일차 전송 하우징(40)의 개방된 제2 단부(42)를 폐쇄하는 가능을 하며, 이에 따라 먼지나 임의의 다른 환경 오염물들이 상기 광학 하우징(15)으로 들어가고 상기 반사 광학체들을 간섭하는 것을 방지하기 위해 실질적으로 상기 광학 하우징(15)을 밀폐한다.

도 9a-도 9c를 참조하면, 상기 외부 더스트 커버(47)는 상기 복수의 반사 광학 표면들(30) 중에서 최후 반사 광학 표면들(36)이 되도록 구성되는 오목한 내부 표면(48)을 포함한다. 앞서 개시한 바와 같이, 이러한 내부 표면(48)은 그로부터 상기 투사된 영상 컨텐츠(55)가 마지막으로 상기 사용자의 눈 속으로 반사되는 상기 반사 광학 표면(36)이다. 일 실시예에 있어서, 상기 외부 더스트 커버(47)는 가변 조절 전송 손실층(transmission-loss layer)(50)에 연통되는 실질적으로 투명하고 만곡된 쉘이다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 외부 더스트 커버(47)는 폴리카보네이트, 유리, 아크릴 또는 투명하고 내구성 모두가 있는 임의의 다른 유사한 물질과 같은 내구성이 있는 투명한 물질로 구성된다. 또한, 상기 외부 더스트 커버(47)는 선택적으로 광학 장치들 내에 탄도 보호(ballistic protection)를 제공하기 위한 적어도 최소한의 요구 사항들을 구현하기에 충분한 물질 두께를 가지도록 설계될 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 실시예의 개시 사항은 상기 외부 더스트 커버(47)가 기본적으로 투명하거나 실질적으로 투명한 수동 쉘만으로 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 선택적인 실시예들(도시되지 않음)에 있어서, 상기 외부 더스트 커버(47)는 전환 가능한 미러 또는 가역적인 전기 변색 미러 혹은 상기 외부 더스트 커버(47)의 반사율의 선택적인 반영이나 조정을 가능하게 하는 임의의 다른 유사한 이러한 기술이 될 수 있다.

추가의 선택적인 실시예에 있어서, 상기 실질적으로 투명한 외부 더스트 커버(47)는 또한 부분적으로 거울 같은 내부 표면(48)을 가지는 달리 투명한 외부 더스트 커버(47)인 "부분 미러(partial mirror)" 가 될 수 있으며, 이에 따라 부분적으로 거울 같은 최후의 반사 광학 표면(36). 이러한 부분적으로 거울 같은 내부 표면(48)은 이와 함께 관련된 고정된 최소 반사율 값을 가진다. 상기 반사율 값은 상기 표면에 초기에 입사되는 방사의 전체 양에 대한 상기 표면에 의해 반사되는 광의 전체 양의 퍼센티지와 같이 나타나는 비율이다. 상기 외부 더스트 커버(47)의 내부 표면(48)으로서 부분 미러이고 이에 따라 상기 최후 반사 광학 표면(36)을 가지는 것은, HMD 설계자가 상기 반사 광학 표면의 최소 반사율 값을 다르게는 처리되지 않은 투명한 외부 더스트 커버(47)만의 사용으로 구현될 수 있는 경우 이상으로 증가시키게 한다. 이와 같은 실시예에 있어서, 부분 미러는 앞서 개시한 바와 같이 상기 내부 표면(48)의 반사율을 증가시키고 상기 최후 반사 광학 표면(36)에 대한 최소의 고정된 반사율 값을 생성하기 위하여 반사 물질(즉, 알루미늄, 은, 금 등)의 얇은 증착으로 처리되거나 코팅된 다르게는 투명한 외부 더스트 커버(47)의 내부 표면(48)을 가짐에 의해 생성될 수 있다. 상기 최후 반사 광학 표면(36) 상에 증착되는 상기 반사 물질의 적절한 유형과 두께를 선택함에 의해, 원하는 최소의 반사율 값을 갖는 부분 미러가 정확하게 구현될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 부분 미러는 약 1%-10%, 11%-20%, 21%-30%, 31%-40%, 41%-50%, 51%-60%, 61%-70%, 71%-80%, 81%-90% 또는 91%-99%의 범위의 최소 반사율을 가질 수 있다.

일 실시예의 상기 실질적으로 투명한 외부 더스트 커버(47)가 오목한 내부 표면(48)을 갖는 만곡된 쉘이기 때문에, 상기 외부 더스트 커버(47)는 이를 통해 바라 볼 때에 상기 주변 환경의 상기 사용자의 시야를 왜곡하는 굴절 렌즈들로서 기능한다. 이에 따라, 상기 외부 더스트 커버(47)외 외부 표면(49)은 이를 통과하는 상기 광파들에 일어나는 현저한 왜곡 효과들 없이 광학적으로 중성인 외부 더스트 커버(47)의 결과로 되는 이러한 왜곡에 반대 작용을 하도록 그 상부에 형성되는 별도의 보정 굴절 렌즈 형상(도시되지 않음)을 가진다.

도 9a 내지 도 9c를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 상기 외부 더스트 커버(47)에 연통되는 상기 가변 조절 전송 손실층(50)은 완전히 어둡거나 완전히 불투명한 것으로부터 완전히 투명한 범위에서 어두움 또는 불투명도의 변화하는 레벨들을 가지도록 선택적으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 조절 전송 손실층(50)은 적어도 세 개의 구별되는 층들(51, 52, 53)을 포함할 수 있으며, 여기서 유연하고 조절 가능한 액정층(52)은 두 개의 보호층들(51, 53) 사이에 라미네이트되거나 위치한다(도 9a 내지 도 9c 참조). 이러한 세 층들의 샌드위치는 상기 외부 더스트 커버(47)의 외부 표면(49)이나 내부 표면(48)에 제거될 수 있게 부착될 수 있으며, 액정층의 어두움은 이를 통과하는 광의 전송 손실의 다양한 레벨들을 허용하도록 조절될 수 있다.

그러나, 앞서 언급한 실시예의 개시 사항은 상기 조절 전송 손실층(50)이 상기 외부 더스트 커버(47)에 부착될 수 있는 별도의 제거 가능한 층에 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 선택적인 실시예들에 있어서, 상기 조절 전송 손실층(50)은 상기 외부 더스트 커버(47)와 일체로 관련될 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 상기 외부 더스트 커버(47)는 적어도 두 개의 별도의 층들을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 조절 전송 손실층(50)은 상기 외부 더스트 커버(47)의 충들의 두 개 사이에 라미네이트되거나 위치하는 유연하고 조절 가능한 액정층이다. 또 다른 선택적인 실시예에 있어서, 상기 조절 전송 손실층(50)은 상기 외부 더스트 커버(47)의 외부 표면(49) 또는 내부 표면(48)에 관련하여 일체가 될 수 있다. 또한, 앞서 언급한 실시예들의 개시 사항은 상기 조절 전송 손실층(50)이 액정 기술만을 이용하게 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 선택적인 실시예들에 있어서, 상기 조절 전송 손실층(50)은 임의의 유형의 기술을 이용할 수 있거나 전환 가능한 미러들 또는 가역적인 전기변색 미러들과 같이 전송 손실의 조절 가능한 레벨들을 얻을 수 있는 임의의 유형의 층이 될 수 있다.

또한, 일 실시예의 전면 더스트 커버(46) 및 외부 더스트 커버(47)가 실질적으로 투명하기 때문에, 상기 사용자는 상기 사용자의 실세계 주변 환경을 보고, 동시에 상기 실세계 주변 환경의 상기 사용자의 시야에 겹쳐지는 상기 투사된 영상 컨텐츠(55)를 보기 위하여 상기 전면 더스트 커버(46) 및 상기 외부 더스트 커버(47) 모두를 통해 보는 능력을 가진다. 이는 사용자에게 사용자가 상기 영상 컨텐츠(55) 및 상기 주변 환경 모두의 혼합 현실 시야를 동시에 보는 "시스루 시각(see-through vision)"을 제공한다. 사용자가 상기 투사된 영상 컨텐츠(55)의 보다 밝은 시계를 원하는 경우, 그는 더 어두움이나 불투명의 크기의 끝을 향하여 상기 조절 전송 손실층(50)과 관련된 어두움 또는 불투명도의 레벨을 증가시킬 수 있으며, 이는 결국 상기 사용자의 눈들로 상기 층을 통과하는 외부 광의 전송 손실을 증가시킬 것이고, 사용자가 볼 수 있는 상기 주변 환경의 사야를 어둡게 한다. 사용자가 상기 조절 전송 손실층(50)을 완전히 어둡게 하거나 불투명하게 만들 경우, 그는 상기 영상 컨텐츠(55)만을 볼 수 있을 것이며, 상기 외부 환경은 완전히 차단될 것이다. 그러나, 상기 사용자가 상기 조절 전송 손실층(50)을 완전히 투명하게 조절할 경우, 상기 사용자는 여전히 상기 주변 환경을 밝은 시야를 가지면서 상기 영상 컨텐츠(55)의 흐릿한 투사를 볼 수 있을 것이다. 상기 외부 더스트 커버(47)가 처리되지 않은 투명한 외부 더스트 커버이고, 상기 조절 전송 손실층(50)이 완전히 투명하게 조절되는 일 실시예에 있어서, 상기 사용자는 완전한 휘도로 상기 주변 환경을 볼 것이다. 그러나, 상기 외부 더스트 커버(47)가 부분 미러인 실시예들에서, 상기 주변 환경은 상기 주변 환경으로부터의 상기 광의 모두가 상기 사용자의 눈으로 상기 외부 더스트 커버(47)를 통과하는 것을 방지하는 상기 부분 미러로부터의 전송 손실로 인하여 실제에 있는 경우보다 약간 어둡게 나타날 것이다. 사용자에게 보이는 경우에 상기 투사된 영상 컨텐츠(55)의 휘도를 조절하는 하나의 추가적인 방식은 발광 영상 소스(20)의 출력을 밝게 하거나 흐리게 하는 것이다.

선택적인 실시예에 있어서, 상기 조절 전송 손실층(50)은 모두 함께 간단히 제거될 수 있고, 상기 외부 더스트 커버(49)의 외부 표면에 부착되는 선글라스와 유사한 전송 손실의 고정된 레벨을 갖는 어둡게 하는 필터들의 세트로 대체될 수 있다. 이들 필터들은 입사광의 정해진 퍼센티지만이 이들을 통과하게 할 수 있다. 또 다른 선택적인 실시예에 있어서, 상기 조절 전송 손실층(50)이 전혀 존재하지 않을 수 있고, 상기 외부 더스트 커버(47) 자체가 실질적으로 어둡게 하는 필터들의 투명한 세트일 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 혼합 현실 시야 내의 상기 투사된 영상 컨텐츠(55) 및 상기 주변 환경 모두의 휘도는 상기 투명한 외부 더스트 커버(47)가 만들어지는 투명한 물질의 색상 및/또는 셰이드(shade)에 의해 주로 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명한 외부 더스트 커버가 색상이 짙은 회색이었을 경우, 그러면 이는 상기 외부 더스트 커버(47)를 통과하는 외부 광의 일부 전송 손실을 가져올 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 투사된 영상 컨텐츠는 보다 밝게 나타날 수 있지만, 상기 주변 환경의 시계는 상기 외부 더스트 커버(47)가 무색의 투명한 물질이었던 경우보다 어둡게 나타날 수 있다.

또한, 상기 전면 더스트 커버(46) 및 외부 더스트 커버(47)가 모두 투명하거나, 사용자가 상기 실세계 주변 환경을 볼 수 있게 하는 앞서 언급한 실시예들의 임의의 하나에서, 상기 이차 시각 하우징(45)은 이를 통해 상기 주변 환경을 선명하게 볼 필요가 있는 경우에 사용자에게 주문형 초점 보정을 제공하기 위해 주문형 렌즈(도시되지 않음)가 이에 부착되도록 구성될 수 있다. 선택적인 실시예에 있어서, 상기 이차 시각 하우징(45)의 전면 더스트 커버(46)는 상기 사용자가 이를 통해 상기 주변 환경을 보고 있을 때에 상기 사용자의 주문형 초점 보정 필요에 특유한 영구적인 주문형 렌즈일 수 있다.

또 다른 선택적인 실시예에 있어서, 상기 외부 더스트 커버(47)는 상기 사용자가 이를 통해 상기 주위 환경을 보는 것을 방지하는 영구적이고 실질적으로 불투명한 쉘이 될 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 상기 사용자는 상기 최후 반사 광학 표면(36)이기도한 상기 외부 더스트 커버(47)의 내부 표면(48)에 의해 반사되는 상기 투사된 영상 컨텐츠의 반사만을 볼 수 있다. 또한, 이러한 선택적인 실시예에서, 상기 외부 더스트 커버(47)를 통해 보는 것이 가능하지 않기 때문에 상기 외부 더스트 커버(47)의 외부 표면(49) 내에 보정 렌즈 형상이 형성될 필요가 없다.

도 3a를 참조하면, 앞서 개시한 바와 같이, 상기 HMD 장치(5)는 제1(31) 및 최후(36) 반사 광학 표면을 포함하며, 일 실시예에서 적어도 하나의 중간 반사 광학 표면(도시되지 않음)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 HMD 장치(5)는 제2(33), 제3(34) 및 제4(35) 반사 광학 표면들을 포함하는 상기 적어도 하나의 반사 광학 표면(32)과 함께 전체적으로 다섯 개의 반사 광학 표면들을 가지는 장치이다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 제1(31) 및 제3(34) 반사 광학 표면들은 오목한 표면들이고, 상기 제2(33) 및 제4(35) 반사 광학 표면들은 볼록한 표면들이고, 각각의 상기 제1(31), 제2(33), 제3(34) 및 제4(35) 반사 광학 표면들 상기 일차 전송 하우징(40) 내에 위치하는 실질적으로 완전히 거울 같은 표면들이다. 또한, 전술한 일 실시예에서와 같이, 상기 최후 반사 광학 표면(36)은 상기 외부 더스트 커버(47)의 오목하고 투명한 내부 표면(48)이며, 이는 폴리카보네이트와 같은 투명한 물질로 구성된다. 그러나, 앞서 언급한 다섯 개의 리플렉터 HMD 장치의 개시 사항은 상기 HMD 장치들의 범주가 다섯 개의 반사 광학 표면들을 사용하는 이들 HMD 장치들에만 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 이에 따라, 다섯 개보다 적거나 보다 많은 반사 광학 표면들을 이용하는 선택적인 실시예들이 존재할 수 있으며, 이는 계속하여 본 발명의 범주 내에 속하다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 선택적인 실시예에서, 상기 HMD 장치(5)는 제2(33) 반사 광학 표면을 포함하는 상기 적어도 하나의 중간 반사 광학 표면(32)과 함께 전체적으로 세 개의 반사 광학 표면들(30)을 가지는 장치일 수 있다. 선택적인 실시예에 있어서, 상기 제1 반사 광학 표면(31)은 오목한 표면이고, 상기 제2 반사 광학 표면(33)은 볼록한 표면이며, 상기 제1(31) 및 제2(33) 반사 광학 표면들 모두는 상기 일차 전송 하우징(40) 내에 위치하는 실질적으로 완전히 거울 같은 표면들이다. 또한, 상기 최후 반사 광학 표면(36)은 상기 외부 더스트 커버(47)의 오목하고 투명한 내부 표면이며, 이는 폴리카보네이트와 같은 투명한 물질로 구성된다.

반사 광학 표면들의 기하학적 형상의 결정

일 실시예에 있어서, 각각의 상기 반사 광학 표면들의 기하학적 형상들은 HMD 시스템 개발자에 의해 선택되고 그에 의해 설정되는 입력 값들을 갖는 독립 설계 입력 변수들의 대규모 리스트에 기초하여 상기 반사 광학 표면들의 형상들을 한정하기 위하여 옵티칼 리서치 어소시에이츠(Optical Research Associates)에 의해 제작된 CODE-V, 제맥스 디벨롭먼트 코포레이션(ZEMAX Development Corporation)에 의해 제작된 ZEMAX, 또는 싱클레어 옵틱스사(Sinclair Optics, Inc.)에 의해 제작된 OSLO와 같은 고품질의 광학 설계 소프트웨어에 의해 결정된다. 각각의 이들 전술한 예시적인 고품질의 광학 설계 소프트웨어 패키지들은 광학 시스템 설계 분야의 숙련자에게 익숙해야 한다. 각 미러의 형상 및 각 미러의 형상을 한정하는 관련 알고리즘들은 상기 소프트웨어에 의해 출력되고, 시스템 개발자에 의해 선택되고 그에 의해 설정되는 이들의 값들을 가지는 입력 변수들의 상당한 숫자에 기초하여 결정된다. 이들 변수들은 원하는 전체 시스템 또는 특별한 설계 요구 사항들에 기초하여 선택되는 특정 설계 매개 변수들이다. 일 실시예에 있어서, 상기 소프트웨어의 오퍼레이터는 상기 설계 입력 변수들 및 이들의 관련 값들을 독립적으로 선택하며, 상기 기하학적 형상들 및 이들 형상들을 한정하는 관련 알고리즘들을 출력할 것인 컴퓨터 분석을 수행하기 이전에 이들을 상기 광학 설계 소프트웨어 내로 입력한다. 그 값들이 결정되고 상기 소프트웨어 내로 입력되는 설계 변수들의 긴 리스트 중에서, 임의의 컴퓨터 분석을 수행하기 이전에 다음이 수행된다. 전체적인 기본적으로 반사 기반의 시스템 내의 원하는 숫자의 별도의 반사 광학 표면들 및/또는 굴절 요소들; 각 반사 광학 표면이 오목하거나, 볼록하거나, 평탄하거나, 일부 특유한 선택적인 기하학적 형상이거나, 이들의 결합인지; 상기 최후 반사 광학 표면에 대한 원하는 범위의 사출동 거리(eye-relief); 상기 아이박스(eyebox)의 원하는 치수들; 상기 전체 반사형 시스템을 위한 원하는 FOV 각도; 핀쿠션(pincushion)이나 통형 일그러짐(barrel distortion)과 같은 상기 HMD 장치 사용자에 의해 관찰될 수 있는 허용 가능하거나 원하는 영상 컨텐츠 왜곡의 양; 상기 전체적인 시스템 패키지의 원하는 치수들(즉, 상기 패키지 엔벨로프); 시각의 원하는 출사 각도; 혼합 현실 시야가 요구되는 지; 상기 투사된 광파들이 상기 영상 소스(20)로부터 시스템으로 들어가게 되는 방식 및 이들이 상기 최후의 광학 표면(36)으로부터 시스템을 떠나아 하는 원하는 방식; 그리고 사용자가 상기 전체 시스템이 눈의 위, 눈의 이래 또는 상기 아이 시스템의 측면에 있는 것을 원하는 지. 이러한 리스트는 결코 변수들의 철저한 리스트가 아니며, 가능한 시스템 설계 선택 입력 변수들의 예시화로서 제공되었다. 다른 설계 변수들은 상기 소프트웨어 분석의 출력 및 각 반사 광학 표면의 형상을 정의하는 임의의 결과적인 수학적 알고리즘들에 영향을 미치게 존재한다. 상기 소프트웨어로 입력되는 상기 변수들은 상기 HMD 장치의 원하는 전체 시스템 또는 특정한 설계 요구 사항들에 의존한다.

다음의 설명들은 위에서 참조한 전술한 설계 변수들을 보다 명확하게 하고 정의하기 위해 제공된다. 상기 사출동 거리는 상기 사용자의 눈의 동공으로부터 상기 최후 반사 광학 표면의 중심점까지의 거리이다. 상기 아이박스는 이를 통해 상기 최후 반사 광학 표면으로부터 비롯되는 거의 평행한 광 다발이 상기 사용자의 눈으로 들어갈 수 있는 가상 영역이다. 상기 아이박스는 흔히 상기 사용자의 눈의 동공 보다 상당히 크지 않을 경우에 적어도 그만큼의 직경에 의해 한정되는 원형의 영역이다. 예를 들면, 평균적인 조명 상태에서 통상적인 사용자가 2밀리미터 직경의 동공을 가질 경우, 직경이 10밀리미터인 아이박스 치수를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 상기 사용자가 상기 아이박스 내의 그의 눈의 동공을 상방, 하방, 좌측 또는 우측 방향으로 이동하게 할 수 있고, 상기 최후 반사 광학 표면에 의해 반사되고 보다 큰 10㎜의 아이박스를 통과하는 상기 영상 컨텐츠의 시야를 잃어버리지 않게 할 수 있다. 상기 FOV는 앞서 논의한 바와 같이 사용자가 상기 최후 반사 광학 표면들로부터 반사되는 콘텐츠를 관찰할 수 있는 스윕 각도 범위(swept angular extent)(흔히 사선 각도)를 언급한다. 전체 시스템 패키지의 치수 또는 상기 "패키지 엔벨로프(package envelope)"는 모든 광학 하우징들을 포함하여 상기 전체 HMD 장치의 외부 치수들을 언급한다. 마지막으로, 사각의 출사 각도는 혼합 현실 시야에서 상기 사용자가 상기 HMD 장치를 착용하면서 상기 HMD 장치를 통해 상기 외부 세계를 볼 수 있는 시각의 전체적인 허용 가능한 각도를 언급한다.

상기 시스템 설계자에 의해 상기 변수들이 선택되고 이들의 원하는 값들이 결정되었으면, 상기 설계자는 이후에 각 반사 광학 표면의 전체 기하학적 형상 및 서로에 대해서와 상기 사용자의 눈에 대한 이들의 관련된 위치들을 결정하기 위하여 컴퓨터 설계 분석을 수행하도록 상기 광학 설계 소프트웨어의 분석 부분을 개시한다. 상기 분석이 완료될 때, 상기 소프트웨어는 각 기하학적 표면의 형상을 정의하는 복잡한 알고리즘을 출력한다. 심지어 입력 변수들의 상당한 숫자의 단지 하나가 변화되거나 약간이라도 변경될 경우, 각 반사 광학 표면의 기하학적 형상, 이들의 상대적인 위치들 그리고 상기 기하학적 표면들을 정의하는 경과적인 수학적 알고리즘들이 완전히 변화될 것이다. 이에 따라, 각 표면의 기하학적 형상을 정의하는 데 이용되는 하나의 특정한 일반식만이 존재하며, 이는 입력 변수들의 선택된 세트의 특정 값들에 기초한다. 그러므로, 입력 변수들 및 이들 변수들의 대응되는 값들의 이러한 많은 옵션들로써, 모두 선택된 독립 입력 변수들 및 이들의 선택된 값들의 특정 결합에 기초하는 이들 기하학적 형상들을 정의하기 위한 말 그대로 무한한 숫자의 가능한 반사 광학 표면의 기하학적 형상들 및 관련 알고리즘들이 존재한다.

HMD 장치의 동작

도 1을 참조하면, 동작 시에, 상기 다섯 개의 리플렉터(reflector) HMD 장치(5)의 일 실시예는 다음과 같이 작동한다. HMD 장치 사용자가 상기 HMD 장치(5)의 프레임(10)과 부착된 광학 하우징들(15)을 한 쌍의 안경들을 착용할 수 있는 것과 같이 그의 머리 위에 놓는다. 상기 광학 하우징들(15)은 상기 사용자의 직접적인 가시선 내에 위치하는 상기 전면 더스트 커버(46) 및 상기 외부 더스트 커버(47)를 갖는 상기 사용자의 눈들의 전방에 위치하도록 배치된다. 상기 사용자는 그의 주위 환경을 보기 위해 먼저 상기 투명한 전면 더스트 커버(46)를 통해 바라보고, 이후에 상기 투명한 외부 더스트 커버(47)를 통해 바라본다. 상기 사용자가 자연적으로 적어도 20/20 시각을 가지지 않고, 일반적으로 20/20 시각을 구현하도록 일부 유형의 주문형 렌즈 보정을 이용하는 경우, 주문형 렌즈는 상기 사용자의 눈과 상기 전면 더스트 커버(46) 사이에서 상기 이차 시각 하우징(45)의 전면 더스트 커버(46)에 부착될 수 있다.

전력이 상기 발광 영상 소스(20)뿐만 아니라 상기 외부 더스트 커버(47)에 연통되는 상기 가변 반투과층(50) 모두에 인가된다. 시각 입력 신호가 상기 발광 영상 소소(20)의 소스 입력으로 전송된다. 상기 발광 영상 소소(20)는 상기 시각 입력 신호를 받아들이고, 이를 투사되는 영상 컨텐츠로 변환한다. 상기 다섯 개의 리플렉터 HMD 장치에 대해 도 3a 및 도 7을 참조하면(세 개의 리플렉터 HMD 장치에 대해서는 도 6 및 도 8을 참조), 상기 발광 영상 소스(20) 상에 디스플레이되는 상기 영상 컨텐츠는 상기 오목한 제1 반사 광학 표면(31)으로부터 이에 투사된다. 상기 오목한 제1 반사 광학 표면(31)은 이후에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 상기 볼록한 제2 반사 광학 표면(33)으로 반사한다. 상기 오목한 제2 반사 광학 표면(33)은 이후에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 상기 오목한 제3 반사 광학 표면(34)으로 반사한다. 상기 오목한 제3 반사 광학 표면(34)은 이후에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 상기 볼록한 제4 반사 광학 표면(35)으로 반사한다. 각각의 상기 제1(31), 제2(33), 제3(34) 및 제3 반사 광학 표면들(35)은 실질적으로 완전히 거울 같은 표면들이다. 상기 볼록한 제4 반사 광학 표면(35)은 이후에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 상기 오목한 최후의 반사 광학 표면(36)으로 반사하며, 이는, 일 실시예에서, 상기 투명한 외부 더스트 커버(47)의 내부 표면(48)이기도 하다. 상기 투명한 외부 더스트 커버(47)의 내부 표면(48)과 이에 따른 상기 최후 반사 광학 표면(36)은 전술한 바와 같이 부분 미러일 수 있다. 상기 오목한 반사 광학 표면(36)은 이후에 상기 투사된 영상 컨텐츠를 상기 전면 더스트 커버(46)를 통해서 뿐만 아니라 이에 부착되는 임의의 주문형 렌즈를 통해서 사용자의 눈 또는 보다 상세하게는, 가상의 아이박스 내로 반사하며, 여기서 상기 영상 컨텐츠는 초점이 맞게 확대되어 나타난다.

그러나, 이러한 실시예의 동작에 대한 설명은 상기 투사된 영상 컨텐츠가 각각의 상기 복수의 반사 광학 표면들(30)로부터 반사되는 순서에 한정되는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 달리 말하면, 상기 영상 컨텐츠가 상기 반사 표면들로부터 반사되는 순서가 상기 영상 컨텐츠의 하나의 반사를 위해 이용되는 각 반사 표면을 갖는 연속적으로 번호가 매겨진 순서로 일어나는 반사들만으로 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 특정한 원하는 배율과 FOV 각도를 구현하도록 달리 일곱 개의 반사 광학 표면들을 이용할 수 있는 시스템(즉, 상기 영상 컨텐츠의 반사의 연속적인 순서가 리플렉터(Reflector) #1, 리플렉터 #2, 리플렉터 #3, 리플렉터 #4, 리플렉터 #5, 리플렉터 #6, 리플렉터 #7이다)에 있어서, 동일한 배율과 FOV가 달리 세 개의 별도의 반사 광학 표면들로 구현될 수 있는 경의 반사들을 수행하도록 상기 다섯 개의 반사 광학 표면의 하나를 이용하여 구현되게 할 수 있다(즉, 상기 투사된 영상 컨텐츠의 반사의 순서가 리플렉터 #1, 리플렉터 #2, 리플렉터 #3, 리플렉터 #1, 리플렉터 #4, 리플렉터 #5, 리플렉터 #1이 될 수 있다).

일 실시예의 동작에 대한 설명을 계속하면, 상기 사용자의 눈으로 투사된 상기 영상 컨텐츠가 상기 사용자가 즉시 초점이 맞는 충분한 밝기와 분명하게 볼 수 없는 경우, 상기 사용자의 시스루 시각을 개선하거나 최적화하고 보다 균형 잡힌 혼합 현실 시야를 구현하도록 상기 사용자가 상기 HMD 장치(5)에 대해 수행할 수 있는 몇 가지 조정들이 존재한다. 먼저, 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 상기 투사된 영상 컨텐츠의 휘도에 관하여, 상기 사용자가 상기 영상 컨텐츠를 충분히 밝지 않은 것으로 느낄 경우, 상기 사용자는 상기 가변 조절 전송 손실층(50)이 보다 어둡게 되고 보다 불투명해지도록 에 대한 조정을 수행할 수 있으며, 결국 상기 영상 컨텐츠의 투영이 보다 밝게 나타나도록 이를 통과하는 외부 광의 상기 전송 손실을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이와 같이 수행하는 것은 또한 상기 주변 환경으로부터 상기 사용자의 눈으로 들어가는 광의 양을 감소시키며, 이에 따라 상기 혼합 현실 시야 내의 투사된 영상 컨텐츠를 통해 보이는 상기 실세계 주변 환경의 상기 사용자의의 시야를 어둡게 한다. 반대로, 상기 주변 환경의 사용자의 시야가 보기에 너무 어두울 경우 또는 이가 단순히 상기 사용자의 원하는 휘도 레벨에 있지 않을 경우, 그러면 상기 사용자는 상기 층(50)이 보다 밝고 보다 투명하게 나타나도록 상기 조절 전송 손실층(50)을 조절할 수 있다. 이는 그를 통과하는 외부의 광의 전송 손실을 감소시킬 것이며, 보다 많은 광이 상기 주변 환경으로부터 상기 층(50)을 통과하여 상기 사용자의 눈에 도달하도록 할 수 있다. 그러나, 이는 상기 투사된 영상 컨텐츠가 상기 혼합 현실 시야 내에서 상기 사용자에게 더 밝거나 덜 생생하게 나타나게 하는 효과를 가진다.

두 번째로, 도 4를 참조하면, 상기 사용자에게 보이는 상기 투사된 영상 컨텐츠의 선명도에 관하여, 상기 투사된 영상 컨텐츠가 초점이 분명하게 맞지 않을 경우, 상기 사용자는 상기 일차 전송 하우징(40) 내부에 위치하는 상기 제1의 반사 광학 표면(31)에 상기 발광 영상 소스(20)를 보다 가깝게 이동시키거나 더 멀어지게 하도록 상기 디옵터 조절기(25)에 대해 수동 조정들을 수행할 수 있다. 이는 상기 사용자의 눈 또는 상기 아이박스 내의 상기 투사된 영상 컨텐츠의 최종 초점의 위치에 대해 상응하는 조정의 결과가 되며, 이에 따라 상기 사용자가 상기 영상 컨텐츠에 선명하게 초점을 맞추게 한다.

여기에 현재 개시되는 바와 같이 기본적인 반사 기반의 HMD 장치(5)와 관련된 주요 이점들의 하나는, 상기 투사된 영상 컨텐츠의 배율과 초점을 구현하기 위해 상기 장치 내에 어떠한 무거운 유리 또는 아크릴 굴절 렌즈들 및 장착되는 하드웨어에 대한 필요성이 없기 때문에, 임의의 다른 이용 가능한 HMD 장치에 비하여 상기 HMD 장치(5)가 현저하게 상기 사용자가 착용하기에 극히 가볍고 편하다는 점이다. 또한, 상기 반사 광학체들이 별도의 값비싼 굴절 렌즈들을 필요로 하지 않기 때문에, 여기에 개시되는 HMD 장치와 관련된 제조 비용이 소비자, 상업적 또는 군용 시장들에서 현재 입수할 수 있는 다른 HMD 장치들보다 상당히 적다. 이는 또한 상기 최종적인 HMD 장치(5)에 대한 상당히 낮은 구입 가격으로 이해된다. 또한, 여기에 기재되는 바와 같은 기본적으로 반사 기반의 HMD 장치(5)는 상기 HMD 장치(5)에 대한 상당한 비용이나 무게의 증가 없이 큰 텍스트를 판독할 수 있는 FOV 각도들을 구현할 수 있고, 상기 FOV 각도를 상기 장치의 하나의 실시예로부터 상기 장치의 다른 하나의 실시예까지 증가시킬 수 있다. 마지막으로, 여기에 개시되는 HMD 장치와 관련된 또 다른 이점은 상기 기본적인 반사 기반의 HMD 장치(5)의 광학 하우징(15)이 극히 콤팩트하기 때문에, 상기 HMD 장치(5)가 눈 근접 장치라는 점이다.

HMD의 실시예의 일반적인 물리적 설명

일 실시예에 따른 HMD는 사용자에 의해 착용되는 용품이고, 전자적으로 생성된 이미지의 입체 시야를 제공한다. 상기 이미지는 일반적으로 프로세서에 의해 생성되거나 컴퓨터에 의해 생성되며, 정지 이미지 또는 애니메이션 이미지일 수 있다. 상기 이미지는 사진, 그래픽, 텍스트 또는 다른 형태들의 시각적인 주제를 포함할 수 있다. 일부 사용 경우들에 있어서, 상기 사용자가 볼 수 있는 이미지는 상기 사용자에게 완전히 에워싸이는 경험을 제공하기 위해 외부 광으로부터 차단될 수 있다. 일부 사용 경우들에 있어서, 상기 사용자가 볼 수 있는 이미지는 현실의 "증강된(augmented)" 시야를 제공할 수 있다. 즉, 상기 이미지는 상기 사용자 주위의 실세계의 외부 시야와 중첩될 수 있다.

HMD(102)의 유리한 실시예의 조립된 도면들이 도 10-도 13에 도시된다. 도 10은 상기 HMD(102)의 대체로 등각 정면도를 나타낸다. 도 11은 상기 HMD(102) 통해 바라보는 사용자의 관점에 따른 후면도를 나타낸다. 도 12는 HMD(102)의 상면도를 나타내고, 도 13은 HMD(102)의 측면도를 나타낸다.

방향 축들 X, Y 및 Z가 도 10-도 13에 정의된다. 일반적으로 상기 X-축은 상기 HMD(102)를 착용하는 사용자에 따라 수평하게 왼쪽에서 오른쪽으로 정의된다. 상기 X-축은 대체로 상기 HMD(102)의 외측 프레임(106)의 상부(104)를 따른다. 상기 프레임(106)을 포함하는 HMD(102)의 구성은 다음에 보다 상세하게 설명된다. 상기 Y-축은 상기 HMD(102)가 사용되고 사용자가 서있거나 앉아 있을 때에 중력 기준에 대략적으로 대해 수직축으로 정의된다. 마지막으로, 상기 Z-축은 상기 사용자가 전방 방향으로 HMD(102)를 통해 전방으로 바라보고 있을 때에 상기 HMD(102)의 사용자의 "고저선(line of site)"에 대해 대략적으로 정렬되는 것으로 정의된다. X, Y 및 Z 축들은 대체로 서로 직교한다.

방향들에 관하여, 상기 X-축을 따른 왼쪽 및 오른쪽을 상기 사용자의 왼쪽 및 오른쪽 눈들에 대응되는 것으로 언급한다. 상기 Y-축에 대하여 상방 및 하방은 사용자가 똑바로 서서 HMD(102)를 착용하고 있을 때에 중력 기준계를 언급한다. 상기 Z-축에 대하여 전방은 상기 사용자의 가시선을 언급하며 상기 사용자로부터 멀어진다. 상기 Z-축에 대하여 후방은 Z-축에 대해 전방 방향에 반대되며, 상기 사용자를 향한다.

도 10-도 13에 도시된 다른 특징들은 상기 외측 프레임(106)의 상부(104)를 따라서 아래에 위치하는 두 마이크로 디스플레이 메커니즘들(108)이다. 각 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 X-위치는 각각의 상기 사용자의 눈들의 X-위치와 대략적으로 동일하다. 각 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)은 상기 X 및 Z-축들을 따라 상기 마이크로 디스플레이의 위치를 조정하기 위한 위치 결정(positioning) 메커니즘 내에 장착되는 작은 마이크로 디스플레이를 포함한다. 상기 위치결정 메커니즘은 상기 X-축을 따라 상기 마이크로 디스플레이를 이동시키기 위한 X-축 위치 조절기(position adjuster)(110) 및 상기 Z-축을 따라 상기 마이크로 디스플레이를 이동시키기 위한 Z-축 위치 조절기(112)를 포함한다. 구성 부품들, 동작 및 조립을 포함하여 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)은 다음에 보다 상세하게 설명된다.

광 경로

일 실시예에 따른 HMD(102)의 광 경로는 주로 마이크로 디스플레이 및 일련의 회전 대칭적이 아닌 자유형의 반사 광학체에 의해 정의된다. 이는 상기 광학 요소들이 상기 광선 다발의 초점을 통과하는 광학 광선 경로를 일반적으로 따르는 축에 대해 회전적으로 대칭이 아닌 것을 의미한다. 본질적으로, 상기 광학 요소들은 비구형의 요소들(비구형의 자유 형상들)이다. 상기 마이크로 디스플레이 매우 콤팩트하며, 통상적으로 0.37"(대각선으로)부터 0.97"(대각선으로)까지의 범위이다. 상기 미러들이나 리플렉터들 또는 반사 광학 표면들은 축에 대해 후방 및 전방으로 광을 반사시키도록 일반적으로 배열되며, 상기 축은 일반적으로 상기 사용자의 가시선(예를 들면, Z-축)과 유사하다. 예시적인 실시예에 있어서, 이러한 기술은 광 전송 매체로서 공기만을 이용한다. 대부분의 HMD 광학 시스템들은 이들의 광 경로를 위해 보다 높은 굴절률의 물질을 사용한다. 이는 공기를 이용하는 것보다 더한 무게와 비용을 초래한다. 각각의 상기 리플렉터들(예를 들면, 일 실시예에서 세 개의 리플렉터들)은 수평 축(예를 들면, X-축)을 따라 놓이는 장축(major axis) 및 수직 축(예를 들면, Y-축)을 따라 놓이는 단축(minor axis)을 가지고 일반적으로 연장된다. 각각의 상기 반사하는 미러들은 상기 수직 Y-축에 대해 대칭이면서 상기 수평 X-축에 대해서는 자유 형상 또는 비대칭이다. 상기 리플렉터들은 각기 오목하거나 볼록하다. 예시적인 실시예에 있어서, HMD(102)는 상기 마이크로 디스플레이로부터 반사되는 광의 각각의 순서로 M1, M2 및 M3으로 언급되는 세 개의 반사 또는 거울 같은 표면들을 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, M1은 오목하고, M2는 볼록하며, M3은 오목하다.

예시적인 실시예에 있어서, (1) 상기 마이크로 디스플레이는 일반적으로 상기 사용자의 가시선에 대하여 상기 사용자의 전방으로 또는 멀어지게 마주하며; (2) 상기 M1 미러는 상기 수평 Y-축에 대하여 상기 마이크로 디스플레이의 바로 아래에 위치하고, 일반적으로 후방으로 및 상기 사용자를 향하여 마주하는 그 반사 표면을 가지며; (3) 상기 M2 미러는 상기 수직 Y-축에 대해 상기 M1 미러 바로 아래에 위치하고, 일반적으로 전방으로 및 상기 사용자로부터 멀어지게 마주하는 그 반사 표면을 가지며; (4) 상기 M3 미러는 상기 수직 Y-축에 대하여 상기 M2 미러 바로 아래에 위치하고, 일반적으로 후방으로 및 상기 사용자를 향하여 마주하는 그 반사 표면을 가진다.

상기 광 경로는 상기 마이크로 디스플레이로부터 상기 Z-축을 따라 상기 사용자의 고저선에 대해 전후의 방식으로 및 중력 기준과 상기 Y-축에 대해 수직 하방으로 광과 이미지들을 통과시켜, 상기 사용자의 눈에 도달할 때까지 상기 광선 다발을 각 후속하는 미러로 반사시킨다. 상기 광 경로는, (1) 상기 마이크로 디스플레이로부터 M1까지, (2) M1로부터 M2까지, (3) M2로부터 M3까지, 그리고 (4) M3으로부터 상기 사용자의 눈까지이다.

확대된 이미지를 생성하는 이러한 방법은 비동공 형성 시스템을 포함하여, 상기 동공 내로 원중심성(tele-centric) 광학 경로를 제공한다. 다시 말하면, 여기에 개시되는 시스템에서 상기 사용자의 눈으로 들어가는 광선들은 사용자의 동공의 위치에 관계없이 상기 이미지가 항상 보이도록 평행하다. 8㎜의 크기로 상당히 큰 사출 동공이 형성된다. 상기 HMD(102)의 이들 측면들은 비네팅(vignetting) 없이 회대한의 눈의 편안함과 용이한 시야를 제공한다. 달리 말하면, 상기 이미지 중심과 비교하여 주변부에서 상기 이미지의 휘도 또는 포화도의 감소가 존재하지 않는다. 이러한 시계의 크기는 이와 같은 작은 형성 인자에서 이러한 광학적 해결 방안 이전에는 가능하지 않았었다.

HMD(102)의 광학 부품(optical component)들에 의해 정의되는 광 경로(114)의 예시들이 도 14 및 도 15에 도시된다. 상기 광 경로(114)는 마이크로 디스플레이(116)와 사용자의 눈(118) 사이의 완전한 반사로 도시된다. 상기 마이크로 디스플레이(116)와 상기 사용자의 눈(118) 사이에는 일련의 자유 형상의 반사 광학체들이나 미러들이 있다. 상기 미러들은 이들이 비대칭적, 즉 이들이 중심 광선 경로에 대해 대칭적이 아니기 때문에 자유 형상으로 언급된다. 이들은 도 14 및 도 15에 대해 도시된 예시적인 실시예에서는 상기 수직 Y-축에 대하여 대칭이다.

상기 광 경로(114)는 사각형의 마이크로 디스플레이(116)로 시작되며, 이는 일반적으로 이미지를 방출하는 상대적으로 작은 패널이다. 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이(116)는 0.2인지 내지 1.0인치 사이의 대각선 길이를 가진다. 예시적인 소비자 장치에 대하여, 상기 대각선 길이는 바람직하게는 0.3인치 내지 0.6인치의 범위이다. 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이 대각선 길이의 소비자 버전은 약 0.37인치이다. 군용 실시예에 대하여, 상기 대각선 길이는 약 0.97인치이다.

마이크로 디스플레이들(116)을 위한 이미지 방출 기술의 예들은 OLED(유기 발광 다이오드) 디스플레이들, LCOS(실리콘 액정) 디스플레이들 또는 LCD(액정 디스플레이)를 포함한다. 도 14를 참조하면, 상기 마이크로 디스플레이(116)로부터의 이미지는 제1 광 경로 세그먼트(segment)(120)를 따라 M1 미러(122)까지 통과한다. 상기 제2 광 경로 세그먼트(120)는 상기 마이크로 디스플레이(116)와 상기 M1 미러(122) 사이에서 대체로 발산하는 광선들을 포함한다. 상기 제1 광 경로 세그먼트(120)의 광선들은 평균적으로 상기 Z-축과 거의 평행하지만, 상기 Z-축에 대하여 예각을 정의한다. 상기 제1 광 경로 세그먼트(120)는 상기 마이크로 디스플레이(116)로부터 상기 Z-축을 따라 일반적으로 전방으로 향하며, 상기 Y-축을 따라 하방으로 향한다.

상기 제1 미러 M1(122)은 상기 X-축을 따라 배치되는 장축 및 상기 Y-축을 따라 배치되는 단축을 갖는 연장된 기하학적 형상을 가진다. 그러나, M1 미러는 평탄하지 않으며, 오히려 오목하지만, 일반적으로 작은 Z-축 성분을 갖고 상기 X 및 Y-축들을 따라 놓인다.

상기 제2 광 경로 세그먼트(124)는 M1 미러(122)와 M2 미러(126) 사이에 연장된다. 상기 제2 광 경로 세그먼트(124)는 상기 Z-축에 대하여 M1 미러(122)로부터 일반적으로 후방으로 향하며, 상기 Y-축에 대하여 하방으로 향한다. M1 미러(122)가 오목하기 때문에, 제2 광 경로 세그먼트(124)를 따른 광선들은 일반적으로 수렴한다.

M2 미러(126)는 일반적으로 볼록하고, 상기 X-축을 따라 배치되는 장축 및 상기 Y-축을 따라 배치되는 단축을 갖는 연장된 기하학적 형상을 가진다. 상기 제3 광 경로 세그먼트(128)는 미러 M2(126) 및 미러 M3(130) 사이에 연장된다. 상기 제3 광 경로 세그먼트(128)는 상기 Z-축을 따라 M2 미러(126)로부터 일반적으로 전방으로 향하고, 상기 Y-축을 따라 하방으로 향한다. 상기 M2 미러(126)가 볼록하기 때문에, 상기 제3 광 경로 세그먼트(128)를 따라 광선들이 일반적으로 발산한다.

M3 미러(130)는 오목하고, 상기 X 및 Y-축들을 따라 일반적으로 배치된다. 상기 제4 광 경로 세그먼트(132)는 상기 M3 미러(130)와 사용자의 눈(118) 사이로 연장된다. 상기 제4 광 경로 세그먼트(132)는 상기 Z-축을 따라 상기 M3 미러(130)로부터 일반적으로 후방으로 향하고, 상기 Y-축을 따라 하방으로 향한다. 상기 M3 미러(130)가 오목하기 때문에, 제4 광 경로 세그먼트(132)를 따라 광선들이 상기 사용자의 눈(118)을 향해 일반적으로 집중된다.

상기 미러들 M1(122), M2(126) 및 M3(130)은 일반적으로 상기 X 및 Y-축들을 따라 주로 배치된다. 그러나, 이들은 또한 상기 전체 광 경로(114)를 정의하기 위해 상기 X-축에 대해 일반적인 기울기(tilt)를 가질 수 있다. 그러므로, 작은 정도까지, 상기 미러들은 상기 Z-축을 따라서도 놓인다. 또한, 이들은 평탄하지 않으며, 이에 따라 이러한 설명은 근사적이다.

알 수 있는 바와 같이, 제1(120), 제2(124), 제3(128) 및 제4(132) 광 경로 세그먼트들을 포함하여 상기 전체 광 경로(114)는 상기 광선들이 상기 마이크로 디스플레이(116)로부터 상기 사용자의 눈(118)까지의 상기 경로(114)를 진행함에 따라 상기 Z-축에 대해 교호적으로 전방 및 후방 방향들로 향하면서 점진적으로 또는 단순하게 상기 Y-축에 대해 하방으로 향한다. 상기 광 경로(114)는 상기 마이크로 디스플레이(116)와 상기 사용자의 눈(118) 사이에서 교대로 발산하고 수렴한다. 이러한 광 경로의 흥미로운 하나의 측면은 중단(stop)들을 가지지 않는 점이다. 다시 말하면, 상기 광선 다발이 포인트로 집중되고 뒤집히는 포인트가 존재하지 않는다. 대부분의 광학 시스템들은 그들의 광학 경로 내에 중단들을 사용한다. 일 실시예에 따른 HMD(102)의 광 경로는 상기 시스템의 중단으로서 상기 사용자의 동공을 이용한다. 이러한 직접 경로 광학 확대경(magnifier)은 비동공 형성, 원중심성(tele-centric) 사출 동공 광선 다발을 생성한다. 이러한 유형의 광학 시스템은 자연적이고 안락한 시야 경험을 생성한다.

도 14 및 도 15에 나타낸 광 경로는 큰 시계(FOV)를 제공할 수 있다. 상기FOV는 풀 오버랩, 부분 오버랩 또는 제로 오버랩의 측면에서 설명될 수 있다. 풀 오버랩은 이들이 동일한 시계를 다루도록 상기 오른쪽 및 왼쪽 이미지들이 서로 완전히 중첩될 때이다. 제로 오버랩은 상기 오른쪽 및 왼쪽 이미지들이 다른 시계들을 커버할 때이다. 부분 오버랩은 상기 왼쪽 및 오른쪽 눈들에 고유한 부분들을 갖는 중첩되는 시계를 가지는 이미지의 중심 부분이 존재하는 때이다.

도 14 및 도 15에 관하여 설명한 광 경로는 풀 오버랩 FOV가 40도 이상, 50도 이상, 60도까지 또는 60도 이상이 되게 할 수 있다. 도 14 및 도 15에 관하여 설명한 광 경로는 제로 오버랩 FOV가 80도 이상, 100도 이상, 120도까지 또는 120도 이상이 되게 할 수 있다. 가능한 부분 FOV 값들은 상기 풀 오버랩 FOV 및 상기 제로 오버랩 FOV의 보간(interpolation)이 될 수 있다.

광학 부품들의 구조적 지지

일부 실시예들은 별도의 외측 비광학적인 지지 안경 프레임 내에 있는 별도의 광학적 지지 서브-섀시(sub-chassis)를 이용한다. 상기 광 경로를 위한 기계적인 지지는 지지하는 모든 광학 부품들을 포함하고 안경들의 경량의 세트 내로 구성될 수 있는 형성 인자(form factor)를 제공하는 다중 기능들을 제공하는 구조 프레임(structural frame)을 포함한다. 상기 구조 프레임 낮은 열팽창 계수 및 높은 탄성 계수를 갖는 물질로 구성된다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 서브-섀시는 주조되거나 주물 마그네슘 합금으로 형성된다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 상기 합금은 주로 마그네슘을 함유하지만 알루미늄, 망간, 아연 및 다른 금속들도 함유하는 마그네슘 합금 조성물인 AM60B이다. 상기 AM60B의 최고의 인장 강도는 220MPa이다. 상기 AM60B의 인장 항복 강도는 130MPa이다. 결과적인 주조 물질의 밀도는 입방 센티미터 당 1.79그램이다.

부착된 광학 부품들을 포함하는 상기 구조 프레임은 상기 광학 요소들을 수용하고 조립을 가능하게 하는 정확한 임계 데이텀들(critical datums)을 제공하는 것과 같은 방식으로 구성된다. 상기 구조 프레임은 데이텀들로 그 사이에 정의되는 두 개구들을 갖는 상기 수직 Y-축에 대한 상부 림(rim) 및 하부 림을 가진다. 상기 상부 림 내로 형성되는 것들은 추가적인 데이텀들을 포함하는 수평 X-축 내에 상기 사용자의 눈들에 대해 대략적으로 정렬되는 두 포켓들이다. 각 포켓은 마이크로 디스플레이를 지지하는 마이크로 디스플레이 메커니즘을 수용하도록 구성되며, 마이크로 디스플레이 메커니즘은 상기 구조 프레임 데이텀들 내에 있는 그 자신의 정렬 탭들(tabs)을 포함한다. 포켓 내로의 설치에 따라, 각 마이크로 디스플레이 메커니즘은 상기 상부 림으로부터 상기 하부 림을 향해 하방으로 연장된다. 예시적인 실시예에 있어서, 각 포켓은 상기 상부 림으로부터 상기 하부 림을 향하는 거리의 절반 이하로 연장된다. 예시적인 실시예에 있어서, 각 마이크로 디스플레이는 상기 사용자의 고저선에 대해, 말하자면 상기 사용자의 눈으로부터 멀어지게 전방으로 마주한다. 예시적인 실시예에 있어서, 각 마이크로 디스플레이 메커니즘은 상기 사용자가 각 마이크로 디스플레이의 초점 및 측방 위치를 조정하게 하는 메커니즘을 제공한다.

일 실시예에서, M2 미러(126)로 언급되는 광학 요소를 위한 마운트(mount)가 상기 포켓의 하부 또는 원위측 단부(distal end)에 위치한다. 상기 M2 미러(126)는 상기 사용자의 고저선에 대해 전방으로 마주하는 볼록한 미러이다.

상기 구조 프레임 내의 각각의 상기 구 개구들은 복합 광학 요소(compound optical element)를 수용하도록 구성된다. 상기 복합 광학 요소는 광학적으로 투명하고, 낮은 비중이며 높은 내성이고 치수적으로 안정한 물질로 형성된다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 투명한 물질은 시클로올레핀(cyclo olefin) 폴리머(COP) 패밀리로부터의 폴리머이다.

상기 복합 광학 요소 및 상기 M2 미러(126)에 대해 사용되는 예시적인 물질은 ZEONEX F52R이다. 상기 물질에 대한 특징들은 극히 낮은 복굴절 및 가혹한 조건들(높은 온도 및 높은 습도) 하에서의 우수한 안정성이다. 상기 굴절률은 1.535이다. 상기 복굴절 비율은 0.5이다. 상기 유리 전이 온도는 156℃이다.

각 복합 광학 요소는 M1 반사 광학 표면 또는 미러(122) 및 M3 반사 광학 표면 또는 미러(130)를 포함하는 두 광학 요소들을 한정하며, 이들은 모두 상기 사용자의 가시선에 대해 후방으로, 말하자면 상기 사용자의 눈들을 향해 뒤로 마주하는 오목한 미러들이다. 이들 복합 광학 요소들은 자신의 정렬 탭들을 포함하고, 이들은 상기 광학적 구조 프레임 내의 상기 데이텀들에 연관되며, 조립 동안에 광학적 정렬을 가능하게 한다.

따라서, 단일 구조 프레임은 두 마이크로 디스플레이 어셈블리들(하나가 각각의 상기 사용자의 두 눈들에 대한), 두 복합 광학 요소들, 그리고 각 눈을 위한 광 경로를 총괄적으로 한정하는 두 개의 오목한 미러들을 단단하게 지지한다. 각 눈에 대한 광 경로는 마이크로 디스플레이에서 시작되며, 이후에 (1) M1 미러까지 전방으로, (2) 상기 M1 미러로부터 M2 미러까지 후방으로, (3) 상기 M2 미러로부터 M3 미러까지 전방으로, 그리고 (4) 상기 M3 미러로부터 상기 눈까지 후방으로 진행한다.

상기 구조 프레임은 이에 따라 한 쌍의 안경들의 주요한 구조적 부분이면서 동시에 정밀 배열로 일련의 광학체들을 유지하는 모두로 기능한다. 이러한 방법은 상기 광학 요소들 및 마이크로 디스플레이 홀더/메커니즘의 조립의 용이성과 매우 정확한 정렬들 제공한다. 종래의 안경 프레임들과는 달리, 이러한 구조 프레임은 매우 높은 모듈러스를 가지며, HMD의 광 경로를 위해 적합한 정밀한 광학적 정렬을 제공하도록 충분히 치수적으로 안정하다. 이들 특징들의 특유한 기하학적 배열은 상기 사용자가 초점 및 동공 사이의 거리를 위해 조정할 수 있게 하면서 매우 낮은 프로파일과 콤팩트한 광 경로를 가능하게 한다.

도 16 및 도 17은 상기 광 경로(114)를 정의하는 상기 HMD(102)의 구조적인 특징들을 도시한다. 도 16은 본질적으로 상기 광 경로(114)의 기계적인 근간인 구조 프레임(134)의 후면 사시도이다. 광학 부품들의 배향이나 정렬에서 작은 오차들이 상기 사용자에게 보이는 상기 이미지에 불리한 영향을 미칠 것이기 때문에, 실시예들은 상기 미러들(122, 126, 130) 및 상기 마이크로 디스플레이(116)의 정확하고 안정한 정렬을 유지한다. 상기 광학 구조의 측면은 상기 구조 프레임(134)이다. 상기 구조 프레임(134)은 매우 양호한 강도를 가져야 하지만, 동시에 극히 가벼워야 한다.

따라서, 하나의 속성은 상기 구조 프레임(134)의 비중이다. 일 실시예에 있어서, 상기 구조 프레임 물질의 비중은 3 이하이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 비중은 2 이하이다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 비중은 1.5 내지 2.0의 범위이다. 상기 물질의 상대적으로 낮은 비중은 안경들에서 어떠한 과도한 중량도 현저하게 불편하기 때문에 사용자 편의를 위해 적용된다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 구조 프레임(134)은 주입 성형되거나 주조 마그네슘 합금으로 형성된다. 이는 매우 효율적이고 낮은 비용의 프로세스로 형성되는 경량이고 고성능의 프레임을 가능하게 한다. 통상적인 마그네슘 합금은 Mg 이외에도, 몇몇의 다른 원소들로 호명되는 특정한 양들의 알루미늄, 망간, 실리콘, 구리, 아연, 철 및 니켈을 포함할 수 있다. 이와 같은 합금들의 예들은 몇몇의 예들로 호명되는 AM60A, AM60B, AZ71E, AZ91A, AZ91B, AZ91C, AZ91D, AND AZ91E 등의 합금 명칭들로 알려진 물질들을 포함한다.

상기 AM60A 및 AM60B 합금들은 약 220MPa(백만 파스칼) 또는 약 32KSI(평방 인치 당 천 파운드)의 인장 강도를 가진다. 항복 강도는 약 130MPa이다. 인장에서 탄성 계수는 약 45GPa(기가 파스칼) 또는 약 6.5백만PSI(평방 인치 당 파운드)이다. 이들 물질들에 대해 이해되는 것은 약 1.8의 낮은 비중(섭씨 20도에서 측정된 입장 센티미터 당 1.8그램)이다. 따라서, 이들 합금들은 상기 구조 프레임(134)을 위해 특별히 가볍고 강한 물질을 제공한다. 앞서 열거한 다른 주조 마그네슘 합금들은 유사한 성질들을 가진다.

상기 구조 프레임(134)은 그들 사이에 한정되는 개구들(140)을 갖는 상부 림(136) 및 하부 림(138)을 포함한다. 상기 상부 림(136)은 상기 Y-축에 대하여 상기 구조 프레임(134)의 상부를 한정한다. 상기 하부 림(138)은 상기 Y-축에 대하여 상기 구조 프레임(134)의 하부를 한정한다.

도 16을 참조하면, 상기 Y-축에 대해 하방으로 연장되는 두 포켓들(142)이 상부 림(136)의 일부 내에 한정된다. 각 포켓(142)은 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)으 수용하도록 구성된다. 상기 Y-축에 대하여 각 포켓(142)의 하부 또는 원위측 연장부에 M2 미러(126)를 수용하도록 구성되는 마운트(144)가 존재한다.

구조 프레임(134) 내의 개구들(140)은 각기 복합 광학 요소(146)를 수용하조 지지하도록 구성된다.

도 17에 도시된 바와 같이, 복합 광학 요소들(146)은 비록 이들이 상기 광 경로(114)에 대해 모두 오목한 기하학적 형상을 가지지만 주로 상기 X 및 Y-축들을 따라 배치된다. 각각의 복합 광학 요소들(146)은 이들이 각기 M1 미러(122) 및 M3 미러(130)를 포함하여 두 가지 다른 광학 요소들을 가지는 의미에서 "복합(compound)"이다. 예시적인 실시예에 있어서, 복합 광학 요소들(146)은 시클로올레핀 폴리머(COP) 패밀리로부터 광학적으로 투명하고, 경량이며 매우 치수적으로 안정한 폴리머로 형성된다.

상기 복합 광학 요소(146) 및 상기 M2 미러를 위해 사용되는 예시적인 물질은 ZEONEX F52R이다. 상기 물질에 대한 특징들은 극히 낮은 복굴절 및 가혹한 조건들(고온 및 고습) 하에서의 우수한 안정성이다. 상기 굴절률은 1.535이다. 상기 복굴절 비율은 0.5이다. 상기 유리 전이 온도는 섭씨 156도이다.

상기 M1 미러(122) 및 상기 미러(126)는 모두 불투명하며, 상기 광 경로(114)의 광학 효율을 최대화하기 위해 가능한 한 100%의 반사율에 가깝다. 반면에, 상기 M3 미러(130)는 부분적으로 반사하며, 복합 광학 요소(146) 외부로부터의 외부 광이 이를 통과하고 상기 사용자의 눈에 도달하게 한다. 사용자가 복합 광학 요소(146)에 도달할 수 있는 주변의 광의 양을 변화시키게 하도록 전기변색 덮개가 복합 광학 요소(146)와 함께 사용된다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 복합 광학 요소(146)의 투명한 물질은 "외부 세계(outside world)"에 대해 사용자가 자연적이고 왜곡되지 않은 전방 시야를 가지게 하도록 영(zero)의 광 출력을 가진다. 모든 거울 같은 표면들의 주파수 반응은 400㎚ 내지 800㎚의 가시 광학 대역 내에서 가능한 한 평탄하다.

선택적인 실시예에 있어서, 상기 M1 및 M3 미러들은 두 가지 다른 광학 요소들로부터 형성될 수 있다. 이는 상기 두 광학 요소들의 제조의 연결을 해제할 수 있지만, 상기 전체 어셈블리에 일부 복잡성을 추가할 수 있다. 상기 별도의 광학 요소들의 기능들과 성질들은 이들의 통합된 대향 부품들과 본질적으로 동일할 수 있다.

알 수 있는 바와 같이, 상기 구조 프레임(134)은 상기 마이크로 디스플레이들(116), 복합 광학 요소들(146) 및 상기 M2 미러들(126)을 포함하는 정렬에 광 경로(114)의 모든 광학 부품들을 지지하고 유지하는 것을 포함하는 수많은 기능들을 수행한다. 상기 구조 프레임(134) 및 상기 광학 부품들의 어셈블리는 사용자를 위해 매우 가볍고 편안하면서, 단단하고 정확하며 치수적으로 안정한 광 경로(114)를 제공한다. 도 16 및 도 17에 대하여 상술한 바와 같은 이러한 광학 어셈블리는 매우 콤팩트하고 가벼우면서도 도 14 및 도 15에 대해 설명한 상기 시야(FOV) 값들을 가능하게 한다.

마이크로 디스플레이 메커니즘

콤팩트하고 정확한 광 경로 정렬 메커니즘이 HMD(102)를 위해 제공된다. 상기 광 경로는 마이크로 디스플레이 및 이미지를 상기 마이크로 디스플레이로부터 상기 사용자의 눈으로 전송하는 적어도 하나의 광학 요소를 포함한다. 상기 정렬 메커니즘은, (1) 상기 광 경로의 초점 길이에 대응되는 대체로 상기 사용자의 고저선(line of site)을 따르는 Z-축 및 (2) 상기 사용자에 대한 동공간 거리(IPD)에 대응되는 수평하고 상기 고저선을 가로지르는 X-축의 두 축들을 따라 상기 사용자의 동공 위치를 수용하도록 구성된다. 상기 정렬 메커니즘은 상기 마이크로 디스플레이를 이들 두 축들을 따라 별도로 이동시킴에 의해 이러한 수용을 제공한다.

상기 IPD를 변화시키는 이러한 기계적인 방법은 전체 광학 어셈블리가 초점 길이 조정을 위한 전방에서 후방으로 및 IPD 조정을 위한 왼쪽에서 오른쪽으로의 이축 조정을 제공하면서 상기 안경 프레임 내에 정지되어 남게 한다. 상기 마이크로 디스플레이 홀딩 메커니즘은 상기 M1 미러에 대하여 상기 디스플레이를 측방으로(왼쪽 또는 오른쪽) 이동시킨다. 기본적으로 양면이 오목한 리플렉터인 상기 M1 미러의 기하학적 구조로 인하여, 상기 디스플레이의 중심선이 수평면 상에서 왼쪽이나 오른쪽으로 이동될 때, 상기 디스플레이로부터 광선들이 중심을 벗어난 상기 M1로 들어가면서 출력 광선 다발이 왼쪽이나 오른쪽으로 이동되어 상기 광선 다발로부터 상기 디스플레이의 중심선까지의 거리가 변화되게 한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 전체 마이크로 디스플레이 메커니즘은 상기 X 방향(왼쪽 또는 오른쪽)으로 30㎜ 이하, 상기 Z 방향(상기 사용자의 가시선을 따라)으로 15㎜ 이하 및 상기 Y 방향(X 및 Z에 직교하는)으로 20㎜ 이하의 엔벨로프(envelope) 내로 정합된다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 상기 디스플레이 메커니즘 어셈블리의 엔벨로프 크기는 X로 29㎜, Z로 13.85㎜ 및 Y로 18㎜이다.

도 18a-도 18f는 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 다양한 도면들을 나타낸다. 도 18a 및 도 18b는 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 다양한 실시예들 및 조립 프로세스를 예시하는 분해된 형태로 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)을 도시한다. 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)은 캐리지(148), 마이크로 디스플레이 홀더(150), X-기어(152) 및 Z-기어(154)를 포함한다. 캐리지(148)는 상기 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 이동을 제한하기 위한 슬롯들(155), X-기어(152)의 샤프트(166)를 수용하기 위한 개구들(157) 그리고 Z-기어(154)의 샤프트(172)를 수용하기 위한 개구들(159)을 한정한다.

마이크로 디스플레이 홀더(150)는 상부(156) 및 하부(158)를 포함한다. 하부(158)는 캐리지(148)로부터 Y축에 대해 하방으로 연장되며, 마이크로 디스플레이(116)를 지지한다. 상부(156)는 상방으로 연장되는 톱니들(160) 및 하방으로 연장되는 톱니들(162)을 포함한다. 마이크로 디스플레이 홀더(150)는 또한 캐리지(148)의 슬롯들(155) 내에 수용되는 외측으로 연장되는 탭(tab)들(161)을 포함한다.

X-기어(152)는 샤프트(166)에 부착되는 사용자 조작 부분(164)을 포함한다. 샤프트(166)는 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 상방으로 연장되는 톱니들(160)과 체결을 위해 방사형으로 연장되는 톱니들(168)을 포함한다. Z-기어(154)는 샤프트(172)에 부착되는 사용자 조작 부분(170)을 포함한다. 샤프트(172)는 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 하방으로 연장되는 톱니들(162)과 체결을 위해 방사형으로 연장되는 톱니들(174)을 포함한다.

도 18a-도 18b는 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 조립을 나타낸다. 조립의 예시된 단계에서, 마이크로 디스플레이(116)는 이미 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 하부(158)에 부착된다. 나머지 단계들은 다음을 포함한다.

(1) 상기 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 상부(156)는 캐리지(148)에 조립된다. 이러한 단계는 상기 Z-축을 따라 슬롯들(155) 내로 수용되는 탭들(161)을 포함한다. 탭들(161)이 슬롯들(155) 내로 완전히 수용되면, 캐리지(148)에 대한 마이크로 디스플레이 홀더(150)(및 따라서 마이크로 디스플레이(116))의 운동은 회전 운동이 억제되면서 상기 X-축 및 Z-축을 따라 사용자가 조작한 동작에 한정된다.

(2) 상기 Z-기어 샤프트(172)는 상기 X-축을 따라 캐리지(148)의 개구들(159) 내에 삽입된다. 이러한 삽입의 결과로, 상기 샤프트(172)의 방사형으로 연장되는 톱니들(174)이 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 하방으로 연장되는 톱니들(162)에 체결된다.

(3) 상기 X-기어 샤프트(166)는 상기 Z-축을 따라 캐리지(148)의 개구(157) 내로 삽입된다. 이러한 삽입의 결과로, 상기 샤프트(166)의 방사형으로 연장되는 톱니들(168)이 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 상방으로 연장되는 톱니들(160)에 체결된다. 이러한 체결은 X-기어(152) 및 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 상부(156) 사이에 랙과 피니언(rack and pinion) 동작을 형성한다.

도 18c는 X 및 Z 축들을 따라 완전히 조립된 형태로 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)을 나타낸다. 상기 X-기어(152)의 사용자 조작 부분(164)(도 18b)을 비트는 것은 동공간 거리(IPD)를 조정하도록 상기 디스플레이(116)를 상기 X-축을 따라 이동시킨다. 상기 Z-기어(154)의 사용자 조작 부분(170)(도 18b)을 조작하는 것은 상기 광 경로(114)의 초점을 조절하도록 상기 디스플레이(116)를 Z-축을 따라 이동시킨다.

상기 전체 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)은 X(왼쪽에서 오른쪽)로 40㎜(밀리미터) 이하, Z(상기 사용자의 가시선을 따라)로 20㎜ 이하 그리고 Y(X 및 Z에 직교하는)로 30㎜ 이하의 엔벨로프 내로 정합된다. 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 X로 35㎜ 이하, Z로 15㎜ 이하 그리고 Y로 20㎜ 이하의 엔벨로프 내로 정합된다. 다른 예시적인 실시예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘의 엔벨로프 크기는 X로 29㎜, Z로 13.9㎜ 및 Y로 18㎜이다. 상기 크기를 감소시키는 것은 부피가 큰 헤드마운트 디스플레이가 부적당한 것으로 아는 소비자들인 사용자들에 대해 특히 유익하다.

도 18d는 X-기어(152)의 동작을 예시하는 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 배면도이다. 상기 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 상부(156) 및 상기 X-기어(152)의 샤프트(166)는 랙과 피니언 동작을 형성한다. 이러한 랙과 피니언 동작은 샤프트(166)의 방사형으로 연장되는 톱니들(168)과 상부(156)의 상방으로 연장되는 톱니들(160)의 체결을 포함한다. 이러한 체결은 X로 상부(156)의 선형 운동을 유도하도록 샤프트(166)의 회전 운동이 가능하게 한다. 이러한 랙과 피니언 배치는 상기 X-방향으로 사용자의 동공과 함께 마이크로 디스플레이(116)로부터 시작되는 광선을 정렬하기 위해 마이크로 디스플레이(116)를 상기 X-축을 따라 후방 및 전방으로 옮기도록 사용자 조작 부분(164)의 비틀림을 가능하게 한다. 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이 메커니즘들 모두에 적용되는 이러한 조정은 이에 따라 상기 IPD(동공간 거리)를 조절한다.

도 18e는 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 운동을 제한하는 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 탭들(161) 및 캐리지(148)의 슬롯들(155) 사이의 채결을 나타낸다. 상기 제한은 X 및 Z를 따른 선형 운동에 대한 것이다. 상기 체결은 Z-기어(154)의 부분(170)의 조작에 반응하여 상기 Z-축에 대한 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 운동을 제한한다.

도 18f는 마이크로 디스플레이 홀더(150) 상의 Z-기어(154)의 동작을 나타낸다. 부분(170)의 조작(도 18e)은 Z-기어(154)의 샤프트(172)의 회전을 야기한다. Z-기어(54)의 방사형으로 연장되는 톱니들(174)은 마이크로 디스플레이 홀더(150)의 하방으로 연장되는 톱니들(162)에 체결되므로, 샤프트(172)의 회전이 상기 Z-축을 따라 마이크로 디스플레이 홀더(150)를 옮긴다. Z를 따른 마이크로 디스플레이 홀더의 운동은 마이크로 디스플레이(116)로부터 상기 사용자의 눈에 도달되는 광선들의 초점을 조정한다.

HMD 조립 프로세스

효율적인 설계 및 제조 프로세스는 매우 콤팩트하고, 치수적으로 정확하며, 치수적으로 안정하고 충격 저항성인 HMD를 제공한다. 상기 설계는 고정되고 광학 부품들에 대해 안정한 지지와 정렬을 제공하는 단단하고 높은 모듈러스의 구조 프레임을 포함한다. 상대적으로 낮은 모듈러스의 폴리머 외측 프레임은 상기 단단한 내측 프레임에 조립된다. 상기 외측 프레임은 상기 HMD를 사용자의 머리에 고정하기 위한 템플 암(temple arm)들과 함께 상기 구조 프레임에 장착되는 구성 요소들을 위한 더스트 커버를 제공한다. 상기 외측 프레임은 또한 상기 보다 높은 모듈러스의 내측 프레임과 결합되는 상기 상대적으로 낮은 모듈러스의 외측 프레임의 결합에 의해 충격을 견디는 복합 구조를 제공한다.

상기 광학 부품들은 상기 구조 프레임에 단단하게 고정되는 마이크로 디스플레이 및 적어도 하나의 반사형 광학 요소를 포함한다. 광 경로는 상기 마이크로 디스플레이, 상기 적어도 하나의 광학 요소 그리고 사용자의 눈 사이에 정의된다. 상기 마이크로 디스플레이 및 상기 적어도 하나의 반사형 광학 요소는 상기 구조 프레임이 상기 외측 프레임 내에 수용되고 조립되기 전에 상기 구조 프레임에 단단하게 고정된다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 광학 요소들은 (1) 상기 광 경로의 일부를 형성하는 반사 광학 요소들의 둘을 각기 제공하는 한 쌍의 복합 렌즈들 및 (2) 제2의 미러 요소를 포함한다. 이들 렌즈들은 이들의 정렬 탭들 및 상기 구조 프레임 상의 정합 데이텀(datum)들을 통해 상기 구조 프레임에 직접 고정된다. 상기 복합 렌즈 및 상기 미러 요소는 접착제를 사용하여 상기 구조 프레임에 고정될 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이는 상기 동공간 거리 및 초점의 사용자 정렬을 가능하게 하는 마이크로 디스플레이 메커니즘 내로 통합된다. 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘은 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘을 상기 구조 프레임 내로 형성되는 기계적 포켓들 내로 고정시킴에 의해 상기 구조 프레임 에 조립된다. 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘은 그 구조 내로 통합되는 정렬 탭들을 가지며, 이들은 상기 구조 프레임 상의 정합 데이텀들에 위치한다.

이러한 설계는 상기 HMD의 매우 효율적인 조립을 가능하게 한다. 상기 설계는 어떠한 종래의 설계들에서 구현되지 못하였던 가볍고, 콤팩트하며, 정밀하고, 치수적으로 안정하며, 내충격성을 갖는 HMD의 결과가 된다.

상기 HMD(102)에 대한 전체적인 조립 프로세스가 도 19에 도시된다. 176에 따라, 상기 외측 프레임(106)이 조립된다. 도 20은 상기 외측 프레임 어셈블리의 세부 사항들을 더 나타낸다. 178에 따라, 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)이 도 18a 및 도 18b에 대해 전술한 바와 같이 조립된다. 180에 따라, 상기 광학 부품들이 도 21에 보다 상세하게 나타내는 바와 같이 상기 구조 프레임에 조립된다. 182에 따라, 도 22에 도시한 바와 같은 HMD(102)의 최종 조립이 수행된다.

단계들 176 및 178이 어떤 특정한 순서로 수행될 필요는 없다. 그러나, 단계 178은 단계 180 전에 수행될 필요가 있고. 단계 180은 단계 182 전에 수행될 필요가 있다.

도 19의 단계 176은 외측 프레임(106)을 조립하기 위한 프로세스의 예시적인 실시예를 나타내는 도 20에 따른 추가적인 세부 사항들을 도시한다. 이러한 예시적인 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다.

(1) 전기 투과(electro-transmissive) 렌즈들(184)이 프레임(106)에 부착된다. 렌즈들(184)은 모두 먼저 덮개로서와 상기 HMD(102)에 들어갈 수 있는 광을 조절하는 방식으로 기능한다. 일 실시예에 있어서, 상기 렌즈들은 접착제에 의해 고정된다.

(2) 고무 팁들(185)이 템플 암들(186)에 부착된다. (3) 템플 암들(186)은 외측 프레임(106)에 부착된다.

단계 178의 예시적인 실시예는 도 18a 및 도 18b에 대하여 이미 설명하였다. 도 19의 단계 180은 광학 부품들을 구조 프레임(134)에 조립하기 위한 예시적인 프로세스인 도 21에 따라 도시된다. 예시된 프로세스는 다음 단계들을 수반한다.

(1) 왼쪽 및 오른쪽 M2 미러들(126)은 마운트들(144)에 부착된다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 미러들은 접착제로 부착된다.

(2) 왼쪽 및 오른쪽 복합 렌즈들(146)은 프레임(134)에 부착된다. 부착 후, 상기 복합 렌즈들(146)은 각기 하나의 개구(140)의 일부를 커버한다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 렌즈들(146)은 접착제를 사용하여 상기 프레임(134)에 고정된다.

(3) 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이 메커니즘들은 각기 상기 Y-축을 따라 왼쪽 및 오른쪽 포켓들(142) 내로 내려진다. 조립 후에 캐리지(148)의 상부 표면(도 18a)은 각 포켓(142) 상부에 노출되고, 각 마이크로 디스플레이 메커니즘(108)의 하부(158)(도 18b)는 포켓(142) 내로 하방으로 연장된다.

도 19의 단계 182는 HMD(102)를 위한 예시적인 최종 조립 프로세스인 도 22에 따라 도시된다. 예시된 프로세스는 다음 단계들을 가진다.

(1) 도 21에 따라 조립된 바와 같이 이제 조립된 구조 프레임(134)은 상기 외측 프레임(106) 내로 수용된다. 도 22에 따르면, 구조 프레임(134)은 상기 Z-축을 따라 외측 프레임(106) 내에 수용된다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 구조 프레임은 접착제를 사용하여 상기 외측 프레임(106)에 고정된다.

(2) 더스트 커버(188)가 상기 외측 프레임(106)의 후방측에 고정된다. 예시적인 실시예에 있어서, 상기 더스트 커버(188)는 상기 외측 프레임(106)에 접착제를 사용하여 고정된다. 복합 렌즈(146)(도 21)가 개구들(140)을 완전히 커버하지 않기 때문에, 상기 전면 및 후면 더스트 커버들(도시되지 않음)과 188은 각기 상기 광 경로(114) 구성 요소들을 먼지와 다른 오염으로부터 보호하기 위해 채용된다.

(3) 노즈 브리지(nose bridge)(190)가 외측 프레임(106)에 부착된다. (4) 노즈 인서트(nose insert)(192)는 노즈 브리지(190)에 부착된다. 노즈 브리지(190) 및 노즈 인서트(192)는 HMD(102)가 폭넓은 범위의 사용자의 코의 기하학적 형상들에 맞춰지게 할 수 있다.

도 23은 일 실시예에 따라 구조 프레임의 노치 데이텀 위치결정 마운트들 내에 위치하는 광학 요소들로부터의 탭들을 보여주는 구조 프레임의 제1 저면도이다.

도 24는 실시예에 따라 상기 구조 프레임의 노치 데이텀 위치결정 마운트들 내에 위치하는 상기 광학 요소들로부터의 탭들을 보여주는 구조 프레임의 제2 저면도이다.

해당 기술 분야의 숙련자라면 앞서의 상세한 설명과 도면들 및 특허청구범위로부터 인식할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 대한 변형들 및 변화들이 상술한 개시 사항들과 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (23)

1. 제3 축을 따라 볼 경우에 일반적으로 제1 및 제2 축들을 따라 배치되는 구조 프레임(structural frame)을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 축들은 서로 직교하며, 상기 구조 프레임은 그 사이에 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 한정하는 대향하는 상부 및 하부 림(rim)들을 가지고;
   상기 구조 프레임에 연결되고, 사용자로부터 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 향해 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 영상 컨텐츠를 투사하도록 구성되는 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이(micro-display)들을 포함하며;
   상기 구조 프레임에 연결되고, 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들 상부에 위치하며, 각기 상기 제3 축을 따라 실질적으로 후방 방향으로 마주하는 적어도 부분적으로 반사 표면을 구비하는 왼쪽 및 오른쪽 광학 요소(optical element)들을 포함하고,
   상기 구조 프레임은 광선 다발을 상기 마이크로 디스플레이들로부터 사용자의 눈들까지 반사적으로 안내하기 위한 광학적 광 경로를 한정하는 정렬 내에 상기 광학 요소들을 유지하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이(head mounted display) 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 광학 부품들은 상기 제3 축을 따라 실질적으로 후방 방향으로 마주하는 반사 광학 표면(optical surface)들을 갖는 제1 미처 및 제3 미러를 포함하고, 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 마주하는 반사 광학 표면들을 가지고 상기 구조 프레임에 연결되는 왼쪽 및 오른쪽 제2 미러들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 제1 및 제3 미러들의 반사 광학 표면은 오목한 반사 광학 표면인 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 각각의 상기 제2 미러들의 반사 광학 표면은 볼록한 반사 광학 표면인 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 광학적 광 경로는 상기 마이크로 디스플레이들로부터 상기 제1 미러들까지 전방이고, 상기 제1 미러들로부터 상기 제2 미러들까지 후방 및 하방이며, 상기 제2 미러들로부터 상기 제3 미러들까지 전방 및 하방이고, 상기 제3 미러들로부터 상기 사용자의 눈들까지 후방 및 하방인 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 축은 실질적으로 수평 축이고, 상기 제2 축은 실질적으로 수직 축이며, 상기 마이크로 디스플레이들은 상기 제1 축을 따라 이격되고, 상기 상부 림으로부터 상기 제2 축을 따라 상기 하부 림을 향해 하방으로 연장되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 구조 프레임은 상기 상부 림으로부터 상기 제2 축을 따라 상기 하부 림을 향해 하방으로 연장되고, 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들을 포함하는 왼쪽 및 오른쪽 포켓들을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 각각의 상기 왼쪽 및 오른쪽 포켓들은 상기 상부 림으로부터 상기 하부 림을 향하는 거리의 절반 이하로 하방으로 연장되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 왼쪽 및 오른쪽 제2 미러들은 각기 상기 제2 축을 따라 상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들 아래에 상기 왼쪽 및 오른쪽 포켓들 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들은 초점 및 동공간 거리(interpupillary distance)의 사용자 조정을 위한 메커니즘(mechanism)들을 포함하는 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이 메커니즘들 내에 각기 구현되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 구조 프레임은 2 이하의 비중을 갖는 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 구조 프레임은 주입 성형되거나 주조 마그네슘 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 주로 마그네슘을 함유하는 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
14. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 광학 요소들은 상기 제1 미러를 한정하는 제1 광학 요소 및 상기 제3 미러를 한정하는 제2 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
15. 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 광학 요소들은 상기 제1 및 제3 미러들을 하나의 광학 요소로 통합시킨 복합(compound) 광학 요소인 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 구조 프레임은 상기 광학 요소들을 수용하고 조립을 가능하게 하는 데이텀(datum)들을 제공하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
17. 헤드마운트 디스플레이를 위한 구조 프레임에 광학 부품들을 조립하는 방법에 있어서,
    그 사이에 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 한정하는 대향하는 상부 및 하부 림들을 구비하는 구조 프레임을 제공하는 단계;
    왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들을 상기 상부 림 내에 형성되는 각각의 왼쪽 및 오른쪽 포켓들 내로 삽입하는 단계;
    왼쪽 및 오른쪽 제2 미러들을 상기 왼쪽 및 오른쪽 포켓들 상에 각기 형성되는 각각의 왼쪽 및 오른쪽 마운트(mount)들에 부착하는 단계; 및
    왼쪽 및 오른쪽 광학 요소들을 상기 마이크로 디스플레이들의 전방측 상의 상기 구조 프레임에 부착하는 단계를 포함하며, 상기 왼쪽 및 오른쪽 광학 요소들은 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들의 적어도 일부를 커버하고,
    상기 구조 프레임은 광선 다발을 상기 마이크로 디스플레이들로부터 사용자의 눈들까지 반사적으로 안내하기 위한 광학적 광 경로를 한정하는 정렬 내에 상기 광학 요소들 및 상기 제2 미러들을 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 각각의 상기 왼쪽 및 오른쪽 광학 요소들은 제1 미러 및 제2 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 광학적 광 경로는 상기 마이크로 디스플레이들로부터 상기 제1 미러들까지 전방이고, 상기 제1 미러들로부터 상기 제2 미러들까지 후방 및 하방이며, 상기 제2 미러들로부터 상기 제3 미러들까지 전방 및 하방이고, 상기 제3 미러들로부터 상기 사용자의 눈들까지 후방 및 하방인 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 17 항에 있어서, 상기 구조 프레임은 제3 축에서 볼 경우에 일반적으로 제1 축 및 제2 축을 따라 배치되고, 상기 제1, 제2 및 제3 축은 서로 직교하며, 상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들은 상기 사용자로부터 각기 상기 왼쪽 및 오른쪽 개구들을 향해 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 영상 콘텐츠를 투사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 17 항에 있어서,
    상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들을 초점 및 동공간 거리의 사용자 조정을 위한 메커니즘들을 구비하는 각각의 왼쪽 및 오른쪽 디스플레이 메커니즘 내로 포함시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들을 상기 상부 림 내에 형성되는 각각의 왼쪽 및 오른쪽 포켓들 내로 삽입하는 단계는 내부에 포함된 상기 각각의 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이들을 갖는 상기 왼쪽 및 오른쪽 마이크로 디스플레이 메커니즘들을 상기 왼쪽 및 오른쪽 포켓들 내로 각기 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제3 축을 따라 볼 경우에 일반적으로 제1 축 및 제2 축을 따라 배치되는 구조 프레임을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 축들은 서로 직교하며, 상기 구조 프레임은 그 사이에 제1 및 제2 개구들을 한정하는 상부 및 하부 림들을 구비하며;
    상기 상부 림 내에 형성되는 각각의 제1 및 제2 포켓들 내에 유지되고, 상기 사용자로부터 각기 상기 제1 및 제2 개구들을 향해 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 영상 콘텐츠를 투사하도록 구성되는 제1 및 제2 마이크로 디스플레이 메커니즘들을 포함하며;
    상기 마이크로 디스플레이 메커니즘들의 전방측 상의 상기 구조 프레임에 연결되고, 각기 상기 제1 및 제2 개구들의 적어도 일부를 커버하는 제1 및 제2 광학 요소들을 포함하며, 각각의 제1 및 제2 광학 요소들은 상기 제3 축을 따라 실질적으로 후방 방향으로 마주하는 적어도 하나의 반사 광학 표면을 구비하고;
    상기 구조 프레임에 연결되고, 상기 제3 축을 따라 실질적으로 전방 방향으로 마주하는 반사 광학 표면들을 가지는 적어도 하나의 제2 미러를 포함하며,
    상기 구조 프레임은 광선 다발을 상기 마이크로 디스플레이 메커니즘들로부터 사용자의 눈들까지 반사적으로 안내하기 위한 광학적 광 경로를 한정하는 정렬 내에 상기 광학 요소들 및 상기 적어도 하나의 제2 미러들을 유지하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 각각의 제1 및 제2 광학 요소들은 상기 제3 축을 따라 실질적으로 후방 방향으로 마주하는 반사 광학 표면들을 갖는 제1 미러 및 제3 미러를 구비하는 복합 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이 장치.

Images