KR102673819B1 - 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 증강 현실 장치 - Google Patents

투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 증강 현실 장치 Download PDF

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Abstract

투시형 디스플레이 장치는 이미지 광을 방출하는 이미지 생성부, 이미지 광에 비축(off-axis) 수차를 발생시키는 광 결합부, 및 이미지 광에 비축 수차에 반대되는 보정 수차를 발생시키는 보정 수차 발생부를 포함하되, 보정 수차 발생부는 이미지 생성부와 광 결합부 사이의 이미지 광의 광 경로 상에 배치되고, 광 결합부는 이미지 광의 비축(off-axis) 상에 배치된다.

Description

투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 증강 현실 장치{SEE-THROUGH TYPE DISPLAY DEVICE AND AUGMENTED REALITY APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 증강 현실 장치에 관한 것이다.
최근, 가상 현실(virtual reality)(VR)을 구현할 수 있는 전자기기 및 디스플레이 장치가 개발되면서, 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 가상 현실(VR)의 다음 단계로 증강 현실(augmented reality)(AR) 및 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 실현할 수 있는 기술(방안)도 연구되고 있다.
증강 현실(AR)은, 완전 가상 세계를 전제로 하는 가상 현실(VR)과는 달리, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐(결합하여) 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 기술이다. 가상 현실(VR)이 게임이나 가상 체험과 같은 분야에만 한정적으로 적용이 가능했다면, 증강 현실(AR)은 다양한 현실 환경에 응용이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 증강 현실(AR)은 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 이러한 증강 현실(AR)은 현실 세계와 부가적인 정보(가상 세계)를 혼합하여 보여준다는 점에서 혼합 현실(MR)의 일례라고 할 수 있다.
해결하고자 하는 과제는 광학적 특성이 개선된 투시형 디스플레이 장치를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 소형화된 디스플레이 장치를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 광학 특성이 개선된 증강 현실 장치를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 소형화된 증강 현실 장치를 제공하는 것에 있다.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 이미지 광을 방출하는 이미지 생성부; 상기 이미지 광에 비축(off-axis) 수차를 발생시키는 광 결합부; 및 상기 이미지 광에 상기 비축 수차에 반대되는 보정 수차를 발생시키는 보정 수차 발생부;를 포함하되, 상기 보정 수차 발생부는 상기 이미지 생성부와 상기 광 결합부 사이의 상기 이미지 광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 광 결합부는 상기 이미지 광의 비축(off-axis) 상에 배치되는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 보정 수차 발생부는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 광 결합부는 홀로그래픽 광학 요소(Holographic Optical Element)를 포함하고, 상기 광 결합부는 상기 이미지 광을 집광하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 비축 수차와 상기 보정 수차는 서로 상쇄되는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 이미지 광의 중간상은 상기 광 결합부로부터 상기 광 결합부의 초점 거리 내에 배치되는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
집광부;를 더 포함하되, 상기 집광부는 상기 이미지 광을 집광하여 상기 광 결합부에 제공하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 집광부는 상기 이미지 생성부와 상기 보정 수차 발생부 사이에 배치되는 제1 집광 렌즈를 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 집광부는 상기 보정 수차 발생부와 상기 광 결합부 사이에 배치되는 제2 집광 렌즈를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 광 결합부는 상기 보정 수차 발생부 및 상기 집광부를 포함하는 광학계의 초점보다 상기 제2 집광 렌즈로부터 멀리 이격되는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 이미지 생성부는 공간 광 변조기를 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 이미지 생성부는: 상기 공간 광 변조기와 상기 광원부 사이에 배치된 제1 편광판; 및 상기 공간 광 변조기와 상기 보정 수차 발생부 상이에 배치된 제2 편광판;을 더 포함하고, 상기 제1 편광판의 편광 방향 및 상기 제2 편광판의 편광 방향은 서로 동일한 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 이미지 생성부는: 상기 공간 광 변조기와 상기 제2 편광판 사이에 배치된 반사 거울을 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 이미지 생성부에 내부 광을 조사하는 광원; 및 상기 광원과 상기 이미지 생성부 사이에 배치되는 콜리메이팅부;를 더 포함하되, 상기 이미지 생성부는 상기 내부 광을 이용하여 상기 이미지 광을 생성하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 광원부는 상기 광원과 상기 콜리메이팅부 사이에 배치되는 광 섬유;를 더 포함하되, 상기 광섬유는 광원으로부터 상기 내부 광을 수용하여, 상기 내부 광을 상기 콜리메이팅부에 제공하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 보정 수차를 갖는 상기 이미지 광을 반사하여 상기 광 결합부에 제공하는 반사부;를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
일 측면에 있어서, 한 쌍의 다리들; 상기 한 쌍의 다리들 사이에 제공되는 한 쌍의 이미지 생성 장치들; 상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들을 연결하는 브릿지(bridge)부; 및 상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들 아래에 각각 배치되는 한 쌍의 광 결합부들;을 포함하되, 상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들의 각각은: 이미지 광을 방출하는 이미지 생성부; 및 상기 이미지 광에 보정 수차를 발생시키는 보정 수차 발생부;를 포함하고, 상기 한 쌍의 광 결합부들은 상기 이미지 광에 상기 보정 수차에 반대되는 비축(off-axis) 수차를 발생시키는 증강 현실 장치가 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들은 상기 한 쌍의 광 결합부과 각각 마주하는 한 쌍의 반사부들을 각각 포함하는 증강 현실 장치가 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 다리들은 제1 방향으로 연장하고, 상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하고, 상기 한 쌍의 광 결합부들은 상기 반사부들로부터 상기 제1 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향으로 이격된 증강 현실 장치가 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들의 각각은 상기 이미지 생성부를 제어하여, 상기 이미지 광의 이미지 정보를 결정하는 제어부를 더 포함하는 증강 현실 장치가 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들과 상기 브릿지부 사이에 각각 배치되는 한 쌍의 광원부들을 더 포함하는 증강 현실 장치가 제공될 수 있다.
본 개시는 광학 특성이 개선된 투시형 디스플레이 장치 및 증강 현실 장치를 제공할 수 있다.
본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치 및 증강 현실 장치를 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 3a는 공간 광 변조기의 출력 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3b는 보정 수차 발생부를 포함하지 않는 투시형 디스플레이 장치의 출력 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3c는 보정 수차 발생부를 포함하는 투시형 디스플레이 장치의 출력 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 증강 현실 장치의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 생성부(1), 보정 수차 발생부(2), 및 광 결합부(3)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(10)가 제공될 수 있다. 이미지 생성부(1)는 이미지 광을 보정 수차 발생부(2)에 제공할 수 있다. 이미지 광은 이미지 정보를 포함할 수 있다. 이미지 생성부(1)는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 생성부(1)는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)를 포함할 수 있다. 이미지 생성부(1)는 픽셀들을 포함할 수 있다. 이미지 광은 픽셀들에서 방출되는 광들의 결합일 수 있다. 픽셀들로부터 방출되는 광들은 서로 다른 위상들을 가질 수 있다. 이에 따라, 이미지 광은 이미지 정보를 포함할 수 있다.
보정 수차 발생부(2)는 이미지 광에 보정 수차를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 보정 수차는 비점 수차(Astigmatism) 및 색 수차(chromatic aberration)를 포함할 수 있다. 보정 수차는 광 결합부(3)에 의해 발생되는 비축(off-axis) 수차에 반대될 수 있다. 비축 수차는 광 결합부(3)가 이미지 광에 대해 비축(off-axis) 관계에 배치됨으로써 발생되는 수차일 수 있다. 예를 들어, 비축 수차는 비점 수차 및 색 수차를 포함할 수 있다. 보정 수차 발생부(2)가 제공되지 않을 경우, 이미지 광은 비축 수차를 가질 수 있다. 보정 수차 발생부(2)는 이미지 광에 상기 비축 수차에 반대되는 보정 수차를 발생시켜, 이미지 광의 총 수차를 낮출 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 보정 수차 발생부(2)는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보정 수차 발생부(2)는 오목한 원통형 렌즈를 포함할 수 있다. 보정 수차 발생부(2)는 보정 수차를 갖는 이미지 광을 광 결합부(3)에 제공할 수 있다.
광 결합부(3)는 이미지 광을 반사할 수 있다. 예를 들어, 광 결합부(3)는 홀로그래픽 광학 요소(Holographic Optical Element, HOE)를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 광학 요소는 홀로그램 이미지를 생성하는 광학 소자를 포함할 수 있다. 광 결합부(3)는 이미지 광에 대해 오목 거울 기능을 수행할 수 있다. 광 결합부(3)는 이미지 광을 집광할 수 있다. 광 결합부(3)는 이미지 광을 외부 광과 결합할 수 있다. 외부 광은 투시형 디스플레이 장치(1) 외부에서 광 결합부(3)에 입사하는 광일 수 있다. 광 결합부(3)는 이미지 광의 비축(off-axis) 상에 배치될 수 있다. 광 결합부(3)에 의해 발생되는 수차는 보정 수차에 의해 완화될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 집광부(400), 및 광 결합부(500)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(11)가 제공될 수 있다. 광원부(100)는 광원(110), 광 전달부(120), 및 콜리메이팅부(130)를 포함할 수 있다. 광원(110)은 광 전달부(120)를 향해 내부 광(L1)을 방출할 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 발광 소자, 유기 발광 소자, 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 일 예에서, 내부 광(L1)의 파장은 후술되는 광 결합부(500) 내의 홀로그램의 기록(recording) 파장과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 예에서, 내부 광(L1)의 파장은 상기 홀로그램의 기록 파장과 다를 수 있다.
광 전달부(120)는 광원(110) 및 콜리메이팅부(130) 사이에 배치되어, 내부 광(L1)을 콜리메이팅부(130)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 광 전달부(120)는 광 섬유를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 내부 광(L1)의 파장이 후술되는 광 결합부(500) 내의 홀로그램의 기록 파장과 다른 경우, 광 전달부(120)와 광원(110) 사이 또는 광 전달부(120)와 콜리메이팅부(130) 사이에 필터(미도시)(예를 들어, 협대역 통과 필터(narrow band pass filter))가 제공될 수 있다. 상기 필터를 통과한 내부 광(L1)은 상기 홀로그램의 기록 파장과 실질적으로 동일한 파장을 가질 수 있다.
콜리메이팅부(130)는 광 전달부(120)로부터 받은 내부 광(L1)을 콜리메이팅(collimating)할 수 있다. 콜리메이팅된 내부 광(L1)은 평행광일 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅부(130)는 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 콜리메이팅부(130)는 내부 광(L1)을 이미지 생성부(200)에 제공할 수 있다.
이미지 생성부(200)는 내부 광(L1)을 이용하여 이미지 광(L2)을 생성할 수 있다. 이미지 광은 이미지 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 생성부(200)는 내부 광(L1)을 변조할 수 있다. 이미지 생성부(200)는 제1 편광판(210), 공간 광 변조기(220), 및 제2 편광판(230)을 포함할 수 있다. 제1 편광판(210)과 제2 편광판(230)은 서로 동일한 편광 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 편광판들(210, 230)을 통과한 광들은 동일한 방향으로 편광될 수 있다. 제1 편광판(210)을 통과한 내부 광(L1)은 공간 광 변조기(220)에 도달할 수 있다.
공간 광 변조기(220)는 제1 편광판(210)에 의해 편광된 내부 광(L1)을 이미지 광(L2)으로 변조할 수 있다. 공간 광 변조기(220)는 픽셀들을 포함할 수 있다. 이미지 광(L2)은 픽셀들에서 방출되는 광들의 결합일 수 있다. 픽셀들로부터 방출되는 광들은 서로 다른 위상들을 가질 수 있다. 이에 따라, 이미지 광(L2)은 이미지 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공간 광 변조기(220)는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon)를 포함할 수 있다. 이미지 광(L2)은 제2 편광판(230)에 의해 편광될 수 있다. 편광된 이미지 광(L2)은 집광부(400)에 제공될 수 있다.
집광부(400)는 제1 집광 렌즈(410) 및 제2 집광 렌즈(420)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 집광 렌즈들(410, 420)는 보정 수차 발생부(300)를 사이에 두고 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 집광 렌즈들(410)은 이미지 광(L2)을 집광할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 집광 렌즈들(410, 420)은 볼록 렌즈들일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 집광 렌즈(410)에 입사하는 이미지 광(L2)은 평행광일 수 있다. 이미지 광(L2)이 집광됨으로써 투시형 디스플레이 장치(11)가 소형화될 수 있다. 본 개시는 작은 폼 팩터(form factor)를 갖는 투시형 디스플레이 장치(11)를 제공할 수 있다. 제1 집광 렌즈(410)는 이미지 광(L2)을 보정 수차 발생부(300)에 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 및 제2 집광 렌즈들(410, 420)은 이미지 광(L2)의 총 색 수차를 낮출 수 있다.
보정 수차 발생부(300)는 이미지 광(L2)에 보정 수차를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 보정 수차는 비점 수차(Astigmatism) 및 색 수차(chromatic aberration)를 포함할 수 있다. 보정 수차는 광 결합부(3)에 의해 발생되는 비축(off-axis) 수차에 반대될 수 있다. 비축 수차는 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)에 대해 비축(off-axis) 관계에 배치됨으로써 발생되는 수차일 수 있다. 예를 들어, 비축 수차는 비점 수차 및 색 수차를 포함할 수 있다. 보정 수차 발생부(300)가 제공되지 않을 경우, 비축 수차를 갖는 이미지 광(L2)이 투시형 디스플레이 장치(11)의 이용자에게 제공될 수 있다. 보정 수차 발생부(300)는 이미지 광(L2)에 상기 비축 수차에 반대되는 보정 수차를 발생시켜, 이미지 광(L2)의 총 수차를 낮출 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 보정 수차와 비축 수차는 서로 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 이미지 광(L2)은 수차를 갖지 않을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 보정 수차 발생부(200)는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보정 수차 발생부(200)는 오목한 원통형 렌즈를 포함할 수 있다. 오목한 원통형 렌즈의 오목한 정도 및 물질은 오목한 원통형 렌즈가 이미지 광(L2)에 이미지 광(L2)의 총 수차를 낮추는 보정 수차를 발생시키도록 결정될 수 있다. 보정 수차를 갖는 이미지 광(L2)은 제2 집광 렌즈(420)를 지나 광 결합부(500)에 제공될 수 있다.
광 결합부(500)는 광 결합부(500)에 입사하는 이미지 광(L2)에 대하여 비축(off-axis) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 이미지 광(L2)의 광축(LA)과 광 결합부(500)의 전면(500f)의 법선(미도시) 사이의 각은 0 도(°)보다 클 수 있다. 이미지 광(L2)의 광축(LA)은 광 결합부(500)의 전면(500f)에 대해 수직하지 않을 수 있다. 광 결합부(500)이 이미지 광(L2)에 대해 비축 상에 배치됨으로써, 이미지 광(L2)에 비축 수차가 발생될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 비축 수차는 보정 수차에 의해 상쇄될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 비축 수차는 집광부(400)에 의해 상쇄될 수 있다. 이미지 광(L2)의 총 수차는 감소 또는 제거될 수 있다.
광 결합부(500)는 이미지 광(L2)을 외부 광(EL)과 결합시킬 수 있다. 이미지 광(L2)은 광 결합부(500)의 전면(500f)에 입사할 수 있다. 이미지 광(L2)은 광 결합부(500)의 전면(500f)에 의해 반사될 수 있다. 외부 광(EL)은 광 결합부(500)의 후면(500r)에 입사할 수 있다. 예를 들어, 외부 광(EL)은 광 결합부(500)의 후면(500r)과 마주하는 사물들로부터 방출된 광일 수 있다. 외부 광(EL)은 광 결합부(500)를 관통할 수 있다. 이에 따라, 외부 광(EL)은 이미지 광(L2)과 결합할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 광 결합부(500)는 홀로그래픽 광학 요소를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 광학 요소는 광 결합부(500)의 전면(500f)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 광학 요소는 홀로그램 이미지를 생성하는 광학 소자를 포함할 수 있다. 광 결합부(500)가 홀로그래픽 광학 요소에 포함하여, 소형화될 수 있다. 본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치(11)를 제공할 수 있다.
광 결합부(500)는 투시형 디스플레이 장치(11)의 이용자에게 넓은 시야각(Field of View, FoV)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 광 결합부(500)의 시야각은 약 90 도(°)일 수 있다. 본 개시는 넓은 시야각을 갖는 투시형 디스플레이 장치(11)를 제공할 수 있다. 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)을 반사할 때, 이미지 광(L2)은 집광될 수 있다. 광 결합부(500)는 이미지 광(L2)에 대해 오목 거울 기능을 수행할 수 있다.
이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 집광부(400), 및 광 결합부(500)를 포함하는 광학계는 샤임플러그 조건(Scheimpflug Condition)을 만족할 수 있다. 이미지 광(L2)의 중간상(미도시)은 광 결합부(500)의 전면(500f)으로부터 광 결합부(500)의 초점 거리 내에 맺힐 수 있다. 이미지 광(L2)의 중간상은 보정 수차 발생부(300) 및 집광부(400)를 포함하는 광학계에 의해 생기는 상일 수 있다. 예를 들어, 이미지 광(L2)의 중간상은 광 결합부(500)에 인접한 위치에 형성되는 제2 집광 렌즈(420)를 통과한 이미지 광(L2)의 상일 수 있다. 이에 따라, 이용자의 눈(1000)에 선명한 이미지 광(L2)의 최종상이 제공될 수 있다.
광 결합부(500)는 보정 수차 발생부(300) 및 집광부(400)를 포함하는 광학계의 초점(미도시)보다 제2 집광 렌즈(420)로부터 멀리 이격될 수 있다. 제2 집광 렌즈(420)를 통과한 이미지 광(L2)은 보정 수차 발생부(300) 및 집광부(400)를 포함하는 광학계의 초점을 지나 광 결합부(500)에 도달할 수 있다. 이미지 광(L2)의 폭은 제2 집광 렌즈(420)로부터 상기 초점에 인접할수록 작아질 수 있다. 이미지 광(L2)의 폭은 상기 초점으로부터 상기 광 결합부(500)에 인접할수록 커질 수 있다.
광 결합부(500)는 이미지 광(L2)과 외부 광(EL)의 결합 광을 투시형 디스플레이 장치(11)의 이용자의 눈(1000)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 이용자는 실제 사물에 의한 이미지(즉, 외부 광(EL)에 포함된 이미지)와 가상으로 형성된 이미지(즉, 이미지 광(L2)에 포함된 이미지)가 혼합된 영상을 볼 수 있다.
광 결합부(500)는 홀로그래픽 광학 요소를 포함할 수 있다. 광 결합부(500)는 소형화될 수 있다. 본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치(11)를 제공할 수 있다.
보정 수차 발생부(300)는 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)에 대해 비축 상에 배치되어 발생되는 비축 수차를 상쇄할 수 있다. 본 개시는 낮은 수차를 갖거나, 수차를 갖지 않는 이미지 광(L2)을 이용자에게 제공하는 투시형 디스플레이 장치(11)를 제공할 수 있다.
도 3a는 공간 광 변조기의 출력 이미지를 나타내는 도면이다. 도 3b는 보정 수차 발생부를 포함하지 않는 투시형 디스플레이 장치의 출력 이미지를 나타내는 도면이다. 도 3c는 보정 수차 발생부를 포함하는 투시형 디스플레이 장치의 출력 이미지를 나타내는 도면이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 3a를 참조하면, 공간 광 변조기(220)는 정사각형 10 x 10 격자를 갖는 입력 이미지(IG)를 출력하였다. 공간 광 변조기(220)는 도 2를 참조하여 설명된 공간 광 변조기(도 2의 220)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 보정 수차 발생부(도 2의 300)를 포함하지 않는 투시형 디스플레이 장치는 사다리꼴 10 x 10 격자를 갖는 제1 출력 이미지(OG1)를 출력하였다. 제1 출력 이미지(OG1)는 상기 입력 이미지(IG)에 대응한다. 예를 들어, 입력 이미지(IG)가 10 x 10 격자 이미지이므로, 제1 출력 이미지(OG1)도 10 x 10 격자 이미지이다. 제1 출력 이미지(OG1)는 광 결합부(500)에 형성되었다. 제1 출력 이미지(OG1)는 최하부가 누락되었다. 비축 수차에 의해 위에서 10번째 행의 격자들의 상부들만 출력되었다. 위에서 10번째 격자들의 하부들은 광 결합부(500)에 출력되지 못 하였다.
도 3c를 참조하면, 보정 수차 발생부(도 2의 220)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(즉, 도 2의 투시형 디스플레이 장치(11))는 사다리꼴 10 x 10 격자를 갖는 제2 출력 이미지(OG2)를 출력하였다. 제2 출력 이미지(OG2)는 상기 입력 이미지(IG)에 대응한다. 예를 들어, 입력 이미지(IG)가 10 x 10 격자 이미지이므로, 제2 출력 이미지(OG2)도 10 x 10 격자 이미지이다. 제2 출력 이미지(OG2)는 누락된 부분없이 10 x 10 격자를 전부 포함하였다. 보정 수차 발생부(도 2의 220)에 의해 이미지 광의 수차가 개선되었음이 확인되었다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 4를 참조하면, 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 집광부(400), 광 결합부(500), 및 반사부(600)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(12)가 제공될 수 있다. 광원부(100), 보정 수차 발생부(300), 집광부(400), 및 광 결합부(500)는 도 2를 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 이미지 생성부(200)는 반사 거울(240)을 더 포함할 수 있다. 반사 거울(240)은 공간 광 변조기(220)와 제2 편광판(230) 사이의 광 경로 상에 배치될 수 있다. 반사 거울(240)은 공간 광 변조기(220)로부터 방출된 이미지 광(L2)을 제2 편광판(230)으로 반사할 수 있다. 예를 들어, 반사 거울(240)은 이미지 광(L2)의 광축(LA)에 대해 45 도(°) 기울어진 평면 거울일 수 있다. 반사 거울(240)은 광학계 구성의 자유도를 높일 수 있다. 이에 따라, 투시형 디스플레이 장치(12)가 소형화될 수 있다.
반사부(600)는 집광부(400)와 광 결합부(500) 사이의 이미지 광(L2)의 광 경로 상에 배치될 수 있다. 반사부(600)는 집광부(400)를 통과한 이미지 광(L2)을 반사하여, 광 결합부(500)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 반사부(600)는 반사부(600)에 입사하는 이미지 광(L2)의 광축(LA)에 대해 45 도(°) 기울어진 평면 거울을 포함할 수 있다. 반사 거울(240)은 광학계 구성의 자유도를 높일 수 있다. 이에 따라, 투시형 디스플레이 장치(12)가 소형화될 수 있다.
반사부(600)는 발생부(300) 및 집광부(400)를 포함하는 광학계의 초점(미도시)보다 집광부(400)로부터 멀리 이격될 수 있다. 제2 집광 렌즈(420)를 통과한 이미지 광은 상기 초점을 지나 반사부(600)에 도달할 수 있다. 이미지 광(L2)은 집광부(400)의 초점을 지나 발산할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 반사부(600)는 투시형 디스플레이 장치(12)의 이용자의 눈썹(미도시)에 인접한 위치에 배치될 수 있고, 광 결합부(500)는 이용자의 눈(1000) 앞에 배치될 수 있다. 이미지 광(L2)은 반사부(600)에 의해 눈썹에 인접한 위치에서 이용자의 눈(1000)에 인접한 위치로 이동한 후, 광 결합부(500)에 의해 반사되어, 눈(1000)에 제공될 수 있다.
광 결합부(500)는 홀로그래픽 광학 요소를 포함할 수 있다. 광 결합부(500)는 소형화될 수 있다. 본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치(12)를 제공할 수 있다.
보정 수차 발생부(300)는 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)에 대해 비축 상에 배치되어 발생되는 비축 수차를 상쇄할 수 있다. 본 개시는 낮은 수차를 갖거나, 수차를 갖지 않는 이미지 광(L2)을 이용자에게 제공하는 투시형 디스플레이 장치(12)를 제공할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 5를 참조하면, 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 집광부(400), 광 결합부(500), 및 반사부(600)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(13)가 제공될 수 있다. 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 광 결합부(500), 및 반사부(600)는 도 4를 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
집광부(400)는 집광 렌즈(430)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈(430)는 도 2를 참조하여 설명된 제1 집광 렌즈(430)와 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 도 2 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 집광부(400)는 제2 집광 렌즈(420)를 포함하지 않을 수 있다. 반사부(600)는 집광 렌즈(430)의 중심으로부터 집광 렌즈(430)의 초점 거리보다 멀리 이격될 수 있다.
광 결합부(500)는 홀로그래픽 광학 요소를 포함할 수 있다. 광 결합부(500)는 소형화될 수 있다. 본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치(13)를 제공할 수 있다.
보정 수차 발생부(300)는 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)에 대해 비축 상에 배치되어 발생되는 비축 수차를 상쇄할 수 있다. 본 개시는 낮은 수차를 갖거나, 수차를 갖지 않는 이미지 광(L2)을 이용자에게 제공하는 투시형 디스플레이 장치(13)를 제공할 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개념도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 2 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 6을 참조하면, 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 광 결합부(500), 및 반사부(600)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치(14)가 제공될 수 있다. 광원부(100), 이미지 생성부(200), 보정 수차 발생부(300), 광 결합부(500), 및 반사부(600)는 도 4를 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명된 것과 달리, 도 6을 참조하여 설명되는 투시형 디스플레이 장치(14)는 집광부(도 4의 400)를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 이미지 광(L2)은 광 결합부(500)에 도달하기 전까지 집광되지 않을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 보정 수차 발생부(300)에 제공되는 이미지 광(L2)은 평행광일 수 있다. 보정 수차 발생부(300)는 이미지 광(L2)을 발산시킬 수 있다. 반사부(600)는 발산하는 형태를 갖는 이미지 광(L2)을 광 결합부(500)로 반사시킬 수 있다. 광 결합부(500)는 이미지 광(L2)을 집광하여, 이용자의 눈(1000)에 제공할 수 있다.
광 결합부(500)는 홀로그래픽 광학 요소를 포함할 수 있다. 광 결합부(500)는 소형화될 수 있다. 본 개시는 소형화된 투시형 디스플레이 장치(14)를 제공할 수 있다.
보정 수차 발생부(300)는 광 결합부(500)가 이미지 광(L2)에 대해 비축 상에 배치되어 발생되는 비축 수차를 상쇄할 수 있다. 본 개시는 낮은 수차를 갖거나, 수차를 갖지 않는 이미지 광(L2)을 이용자에게 제공하는 투시형 디스플레이 장치(14)를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 증강 현실 장치의 사시도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 7을 참조하면, 한 쌍의 다리들(2100), 브릿지부(2200), 및 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)를 포함하는 증강 현실 장치(2000)가 제공될 수 있다. 한 쌍의 다리들(2100)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 한 쌍의 다리들(2100)은 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)을 따라 서로 이격될 수 있다. 한 쌍의 다리들(2100)은 안경의 다리들일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 한 쌍의 다리들(2100)은 브릿지부(2200)를 향해 접힐 수 있다.
브릿지부(2200)는 한 쌍의 다리들(2100) 사이에 제공될 수 있다. 브릿지부(2200)는 제2 방향(D2)을 따라 연장될 수 있다. 일 예에서, 브릿지부(2200)의 양 단부들은 한 쌍의 다리들(2100)에 각각 접할 수 있다. 다른 예에서, 브릿지부(2200)의 양 단부들은 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)에 각각 접할 수 있다. 즉, 브릿지부(2200)는 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)을 사이에 두고 한 쌍의 다리들(2100)로부터 이격될 수 있다.
한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)의 각각은 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명된 투시형 디스플레이 장치 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)의 각각은 바디부(2310), 반사부(600), 및 광 결합부(500)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)의 각각이 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 투시형 디스플레이 장치들 중 하나인 경우, 바디부(2310) 내에 광원부(도 4 또는 도 5의 100), 이미지 생성부(도 4 또는 도 5의 200), 보정 수차 발생부(도 4 또는 도 5의 300), 및 집광부(도 4 또는 도 5의 400)가 제공될 수 있다. 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)의 각각이 도 6을 참조하여 설명된 투시형 디스플레이 장치인 경우, 바디부(2310) 내에 광원부(도 6의 100), 이미지 생성부(도 6의 200), 및 보정 수차 발생부(도 6의 300)가 제공될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 광원부는 바디부(2210) 외부에 배치되어, 바디부(2210)에 내부 광을 조사할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 한 쌍의 이미지 생성 장치들(2300)의 각각은 이미지 생성부(도 4 내지 도 6의 200)를 제어하여, 이미지 광(L2)의 이미지 정보를 결정하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 바디부들(2310)은 브릿지부(2200)의 양 단부들 상에 각각 제공될 수 있다. 한 쌍의 바디부들(2310)은 브릿지부(2200)를 따라 연장할 수 있다. 한 쌍의 바디부들(2310)은 한 쌍의 다리들(2100)에 각각 접할 수 있다. 한 쌍의 바디부들(2210)은 한 쌍의 이미지 광들(L2)을 방출할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 한 쌍의 이미지 광들(L2)은 각각 제2 방향(D2) 및 제2 방향(D2)의 반대 방향으로 진행할 수 있다.
한 쌍의 반사부들(600)은 한 쌍의 이미지 광들(L2)을 한 쌍의 광 결합부들(500)로 각각 반사할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이미지 광들(L2)은 제1 및 제2 방향들(D1, D2)에 직교하는 제3 방향(D3)으로 진행할 수 있다.
한 쌍의 광 결합부들(500)은 한 쌍의 반사부들(600)과 각각 서로 마주할 수 있다. 한 상의 광 결합부들(500)은 한 쌍의 반사부들(600)로부터 제3 방향(D3)을 따라 각각 이격될 수 있다. 한 쌍의 광 결합부들(500)은 이미지 광들(L2)을 이용자의 동공(미도시)으로 각각 반사할 수 있다. 한 쌍의 광 결합부들(500)의 이미지 광들(L2)에 대해 오목 거울 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 이미지 광들(L2)은 한 쌍의 광 결합부들(500)에 의해 이용자의 눈(도 4 내지 도 6의 1000)에 집광될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
10, 11, 12, 13, 14: 투시형 디스플레이 장치
1, 200: 이미지 생성부
2, 300: 보정 수차 발생부
3, 500: 광 결합부
400: 집광부
600: 반사부
2000: 증강 현실 장치
2100: 다리들
2200: 브릿지부
2300: 이미지 생성 장치들

Claims (20)

  1. 광원부;
    상기 광원부로부터의 내부 광을 변조하여 이미지 광을 생성하고, 상기 이미지 광을 방출하는 이미지 생성부;
    상기 이미지 광에 비축(off-axis) 수차를 발생시키는 광 결합부; 및
    상기 이미지 광에 상기 비축 수차에 반대되는 보정 수차를 발생시키는 보정 수차 발생부;를 포함하되,
    상기 보정 수차 발생부는 상기 이미지 생성부와 상기 광 결합부 사이의 상기 이미지 광의 광 경로 상에 배치되고,
    상기 광 결합부는 상기 이미지 광의 비축(off-axis) 상에 배치되며,
    상기 광원부는,
    상기 이미지 생성부에 상기 내부 광을 조사하는 광원;
    상기 광원과 상기 이미지 생성부 사이에 배치되는 콜리메이팅부; 및
    상기 광원과 상기 콜리메이팅부 사이에 배치되어 상기 광원으로부터 상기 내부 광을 수용하여 상기 내부 광을 상기 콜리메이팅부에 제공하는 광 섬유;를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 수차 발생부는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 결합부는 홀로그래픽 광학 요소(Holographic Optical Element)를 포함하고,
    상기 광 결합부는 상기 이미지 광을 집광하는 투시형 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비축 수차와 상기 보정 수차는 서로 상쇄되는 투시형 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 광의 중간상은 상기 광 결합부로부터 상기 광 결합부의 초점 거리 내에 배치되는 투시형 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    집광부;를 더 포함하되,
    상기 집광부는 상기 이미지 광을 집광하여 상기 광 결합부에 제공하는 투시형 디스플레이 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 집광부는 상기 이미지 생성부와 상기 보정 수차 발생부 사이에 배치되는 제1 집광 렌즈를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 집광부는 상기 보정 수차 발생부와 상기 광 결합부 사이에 배치되는 제2 집광 렌즈를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 결합부는 상기 보정 수차 발생부 및 상기 집광부를 포함하는 광학계의 초점보다 상기 제2 집광 렌즈로부터 멀리 이격되는 투시형 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 생성부는 공간 광 변조기를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 이미지 생성부는:
    상기 공간 광 변조기와 상기 광원부 사이에 배치된 제1 편광판; 및
    상기 공간 광 변조기와 상기 보정 수차 발생부 상이에 배치된 제2 편광판;을 더 포함하고,
    상기 제1 편광판의 편광 방향 및 상기 제2 편광판의 편광 방향은 서로 동일한 투시형 디스플레이 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이미지 생성부는:
    상기 공간 광 변조기와 상기 제2 편광판 사이에 배치된 반사 거울을 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정 수차를 갖는 상기 이미지 광을 반사하여 상기 광 결합부에 제공하는 반사부;를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  16. 한 쌍의 다리들;
    상기 한 쌍의 다리들 사이에 제공되는 한 쌍의 이미지 생성 장치들;
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들을 연결하는 브릿지(bridge)부; 및
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들 아래에 각각 배치되는 한 쌍의 광 결합부들;을 포함하되,
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들의 각각은:
    광원부;
    상기 광원부로부터의 내부 광을 변조하여 이미지광을 생성하고, 상기 이미지 광을 방출하는 이미지 생성부; 및
    상기 이미지 광에 보정 수차를 발생시키는 보정 수차 발생부;를 포함하고,
    상기 한 쌍의 광 결합부들은 상기 이미지 광에 상기 보정 수차에 반대되는 비축(off-axis) 수차를 발생시키며,
    상기 광원부는,
    상기 이미지 생성부에 상기 내부 광을 조사하는 광원;
    상기 광원과 상기 이미지 생성부 사이에 배치되는 콜리메이팅부; 및
    상기 광원과 상기 콜리메이팅부 사이에 배치되어 상기 광원으로부터 상기 내부 광을 수용하여 상기 내부 광을 상기 콜리메이팅부에 제공하는 광 섬유;를 포함하는 증강 현실 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들은 상기 한 쌍의 광 결합부과 각각 마주하는 한 쌍의 반사부들을 각각 포함하는 증강 현실 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 다리들은 제1 방향으로 연장하고,
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하고,
    상기 한 쌍의 광 결합부들은 상기 반사부들로부터 상기 제1 및 제2 방향들에 직교하는 제3 방향으로 이격된 증강 현실 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들의 각각은 상기 이미지 생성부를 제어하여, 상기 이미지 광의 이미지 정보를 결정하는 제어부를 더 포함하는 증강 현실 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 이미지 생성 장치들과 상기 브릿지부 사이에 각각 배치되는 한 쌍의 광원부들을 더 포함하는 증강 현실 장치.
KR1020180111022A 2018-09-17 2018-09-17 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 증강 현실 장치 KR102673819B1 (ko)

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