KR20190012068A - 전방 표시 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

전방 표시 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

전방 표시 장치 및 그 동작 방법을 제공한다. 본 전방 표시 장치는, 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하고, 광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성하며, 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시킵니다.

Description

전방 표시 장치 및 그 동작 방법{HEAD UP DISPLAY AND METHOD OF OPERATING OF THE APPARATUS}
개시된 실시예들은 디스플레이 장치, 보다 상세하게는 전방 표시 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
자동차 전장 사업이 시작되면서 사용자에게 보다 효율적으로 다양한 정보를 전달하는 전방 표시 장치(Head Up Display)에 대한 관심이 나날이 증대하고 있다. 이미 다수의 업체에서 제품화하여 시장을 개척하고 있으며 자동차 업체에서도 고급 라인업을 바탕으로 자체 전방 표시 장치를 내장하여 출시하고 있다.
전방 표시 장치는 크게 결합기(Combiner)를 사용하는 방식과 윈드 쉴드(Windshield)를 직접 사용하는 방식으로 구분될 수 있으며, 표시하는 영상은 객체 영상 또는 3차원 영상일 수 있다. 현재까지의 기술 수준으로는 2D 패널의 영상을 단순히 거울을 사용하거나 직접 투사하여 대시보드(dashboard) 위쪽에 2D 영상을 띄우는(Floating)하는 방식이 가장 널리 적용되고 있다.
시간이 지날수록 기술이 발전하고 점차 사용자의 눈이 높아지면서 보다 크고 실제 전방의 물체들과 정합되는 영상을 선호함에 따라 3D 영상을 전방에 띄우고자 하는 연구들이 진행되고 있다.
깊이 정보가 순차적으로 변하는 복수 개의 객체 영상을 제공하는 전방 표시 장치 및 그 동작 방법을 제공한다.
실제 환경에서의 객체와 객체 영상들을 정합시킴으로써 사용자에게 보다 편안한 영상을 제공할 수 있다.
일 측면(aspect)에 따르는 전방 표시 장치(Head Up Display)는, 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하는 공간 광변조기; 광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부의 객체 영상이 시야각의 수직 방향으로 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재; 및 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 상기 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시키는 영상 수렴 부재;를 포함한다.
그리고, 상기 깊이 생성 부재는, 상기 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 상기 깊이 정보가 커지도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 깊이 생성 부재는 상기 시야각의 수평 방향으로 제공될 객체 영상들은 동일한 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 깊이 생성 부재는, 상기 깊이 정보가 객체 영상 단위로 변하도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 광특성은, 굴절, 회절, 반사 및 산란 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 깊이 생성 부재는, 상기 깊이 생성 부재의 영역에 따라 상기 광특성이 연속적으로 변할 수 있다.
또한, 상기 광특성이 변하는 방향은 상기 시야각의 수직 방향에 대응할 수 있다.
그리고, 상기 깊이 생성 부재는 상기 제1 광특성을 이용하여 제1 깊이 정보를 생성하는 제1 영역; 및 상기 제1 광특성과 다른 제2 광특성을 이용하여 상기 제1 깊이 정보와 다른 제2 깊이 정보를 생성하는 제2 영역;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 영역의 배열 방향은 상기 시야각의 수직 방향에 대응될 수 있다.
그리고, 상기 제1 광특성과 상기 제2 광특성은 동일한 종류의 광특성이면서 광특성의 정도가 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 깊이 생성 부재는 비구면 렌즈, 비구면 미러, 렌티큘러 렌즈, 원기둥 렌즈, 나노 패턴, 메타 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 깊이 생성 부재는, 상기 깊이 정보에 따라 상기 복수 개의 객체 영상의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 복수 개의 객체 영상의 크기는 상기 깊이 정보와 반비례할 수 있다.
그리고, 상기 영상 수렴 부재는, 빔스플리터(beam splitter) 및 반투과막(transflective film) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 영상 수렴 부재는, 제1 영역 및 상기 제1 영역과 접하는 경계면이 곡선인 제2 영역을 포함하고, 상기 경계면에 반사 물질이 코팅될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 전방 표시 장치(Head Up Display)의 동작 방법은, 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하는 단계; 광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성하는 단계; 및 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 상기 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시키는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 깊이 정보를 생성하는 단계는, 상기 시야각의 수직 방향으로 상기 깊이 정보가 변하도록 상기 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 깊이 정보를 생성하는 단계는, 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 상기 깊이 정보가 커지도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 광특성은, 굴절, 회절, 반사 및 산란 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
광특성을 이용하여 공간 광변조기에서 동시에 출력되는 복수 개의 객체 영상에 서로 다른 깊이 정보를 생성할 수 있다.
실제 환경에서의 객체와 객체 영상들을 정합시킴으로써 사용자에게 보다 편안한 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전방 표시 장치(Head Up Display apparatus)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 전방 표시 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 자동차에 적용되는 전방 표시 장치의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 공간 광변조기에서 출력되는 객체 영상을 설명하는 참조도면이다.
도 5는 전방 표시 장치가 도 4의 객체 영상을 제공되는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 6은 반사에 의해 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재의 예를 도시한 참조도면이다.
도 7은 반사에 의해 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재의 다른 예를 도시한 참조도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 회절에 의한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 굴절에 의한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 확대 부재를 포함하는 전방 표시 장치를 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 시야각이 큰 영상 수렴 부재를 설명하는 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 전방 표시 장치 및 그 동작 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전방 표시 장치(Head Up Display apparatus)(100)를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 전방 표시 장치(100)의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전방 표시 장치(100)는 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하는 공간 광변조기(110), 광특성을 이용하여 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부의 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120) 및 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시키는 영상 수렴 부재(130)를 포함할 수 있다.
전방 표시 장치(100)의 공간 광변조기(110)는 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하고(S11), 깊이 생성 부재(120)는 광특성을 이용하여 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부의 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성하며(S12), 영상 수렴 부재(130)는 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시킬 수 있다(S13).
공간 광변조기(110)는 프레임 단위로 영상을 출력할 수 있다. 여기서 영상은 2차원 영상일 수도 있고, 3차원 영상일 수도 있다. 3차원 영상은 홀로그램(hologram) 영상, 스테레오(stereo) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있다. 상기한 영상은 객체를 나타내는 복수 개의 부분 영상(이하 '객체 영상'이라고 한다)을 포함할 수 있다. 상기한 객체 영상은 광간 광변조기의 서로 다른 영역에 출력될 수 있다. 그리하여, 공간 광변조기(110)가 프레임 단위로 영상을 출력할 때, 복수 개의 객체 영상은 서로 다른 영역에 동시에 출력하게 된다. 객체 영상의 종류는 영상의 종류에 따라 2차원 부분 영상일 수도 있고, 3차원 부분 영상일 수도 있다.
공간 광변조기(110)는 진폭변조 공간 광변조기 또는 위상변조 공간 광변조기이거나, 진폭과 위상을 모두 변조시키는 복소 공간 광변조기일 수 있다. 또한, 공간 광변조기(110)는 투과형 광변조기 또는 반사형 광변조기이거나, 반투과형 광변조기일 수 있다. 구체적인 예로, 공간 광변조기(110)는 LCoS(liquid crystal on silicon) 패널, LCD(liquid crystal display) 패널, DLP(digital light projection) 패널, OLED(organic light emitting diode) 패널, M-OLED(micro- organic light emitting diode), 등을 포함할 수 있다. 여기서, DLP 패널은 DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있다.
깊이 생성 부재(120)는 광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다. 여기서 광특성은 광의 반사, 산란, 굴절, 회절 중 적어도 하나일 수 있으며, 깊이 생성 부재(120)는 서로 다른 광특성을 갖는 영역 또는 서브 부재를 이용하여 객체 영상에 깊이 정보를 생성할 수 있다.
객체 영상이 2차원 영상인 경우, 깊이 생성 부재(120)는 2차원 영상에 새로운 깊이 정보를 생성시킬 수 있다. 객체 영상이 3차원 영상인 경우, 깊이 생성 부재(120)는 기존 깊이 정보에 새로운 깊이 정보를 추가함으로써 기존 깊이 정보를 변경시킬 수도 있다.
깊이 생성 부재(120)는 시야각의 수직 방향으로 깊이 정보가 순차적으로 변하도록 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다. 도 1에서 Y축 방향이 시야각의 수직 방향이라고 할 때, 깊이 정보는 시각 기관으로부터 시각 기관이 인식하는 객체 영상까지의 거리일 수 있다. 객체 영상이 3차원 영상인 경우, 깊이 정보는 시각 기관으로부터 시각 기관이 인식하는 객체 영상까지의 평균 거리일 수 있다.
영상 수렴 부재(130)는 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로(L1)와 현실 환경의 광 경로(L2) 중 적어도 하나를 변경시켜 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 현실 환경을 하나의 영역에 수렴시킬 수 있다. 여기서 하나의 영역은 사용자의 시각 기관(ocular organ), 즉 눈(eye)일 수 있다. 영상 수렴 부재(130)는 복수의 광경로(L1, L2)에 따른 복수의 광을 사용자의 동공으로 전달할 수 있다. 예컨대, 영상 수렴 부재(130)는 제1 광 경로(L1)의 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상(10)에 대응하는 광과 제2 광경로(L2)의 현실 환경에 대응하는 외부 광을 사용자의 시각 기관으로 전달/가이드할 수 있다.
제1 광경로(L1)의 광은 영상 수렴 부재(130)에 의해 반사된 광일 수 있고, 제2 광경로(L2)의 광은 영상 수렴 부재(130)를 투과한 광일 수 있다. 영상 수렴 부재(130)는 광투과 및 광반사 특성을 모두 갖는 반투과(transflective) 부재일 수 있다. 구체적인 예로, 영상 수렴 부재(130)는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함할 수 있다. 도 1에는 영상 수렴 부재(130)가 빔스플리터(beam splitter)인 경우가 도시되어 있지만, 그 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
제1 광경로(L1)의 광에 의해 전달되는 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상(10)은 전방 표시 장치(100) 내에서 형성 및 제공된 객체 영상일 수 있다. 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상(10)은 '디스플레이 영상'으로 가상의 현실 또는 가상의 정보를 포함할 수 있다. 제2 광경로(L2)의 광에 의해 전달되는 현실 환경은 전방 표시 장치(100)를 통해서 사용자가 마주하는 환경일 수 있다. 현실 환경은 사용자가 마주하는 전경을 포함할 수 있고, 소정의 배경 피사체(background subject)를 포함할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 전방 표시 장치(100)는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 특히 전방 표시 장치가 자동차에 적용될 때, 현실 환경은 도로 등을 포함할 수 있다. 사용자가 자동차에 탑승한 상태에서 현실 환경을 보면, 시선에 따라 현실 환경까지의 거리는 변할 수 있다.
도 3은 자동차에 적용되는 전방 표시 장치의 예를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 자동차의 일 영역에 공간 광변조기(110) 및 깊이 생성 부재(120)이 배치되고, 영상 수렴 부재(130a)로서 하나 이상의 미러(131, 132) 및 빔 스플리터(133)를 이용하면 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상 및 외부 객체 영상을 사용자의 시각 기관에 전달할 수 있다. 하나 이상의 미러(131, 132)는 폴드 미러 및 이방성 미러 등을 포함할 수 있다.
사용자, 예를 들어, 운전자가 전방 표시 장치를 사용하는 경우, 사용자의 시각에서 현실 환경까지의 거리는 시야각의 높이에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 시야각의 하부 영역에서의 현실 환경은 자동차의 본네트 또는 자동차 바로 앞의 도로일 수 있으며, 시야각의 가운데 영역에서의 현실 환경은 시야각의 하부 영역에서의 현실 환경보다 거리가 먼 도로일 수 있다. 그리고. 시야각의 상부 영역에서의 현실 환경은 하늘 등을 포함한 외부 환경일 수 있다. 즉, 시야각에 따라 현실 환경까지의 거리가 달라질 수 있으며, 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 현실 환경까지의 거리는 점진적으로 커질 수 있다.
그리하여, 일 실시예에 따른 전방 표시 장치는 시야각의 영역에 따라 서로 다른 깊이 정보를 갖는 객체 영상을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전방 표시 장치는, 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 깊이 정보가 큰 객체 영상을 제공할 수 있다. 그러면 객체 영상과 현실 환경의 객체, 예를 들어, 도로, 건물 등과 어느 정도 정합됨으로써 사용자는 보다 편안하게 객체 영상을 인식할 수 있다.
도 4는 도 1의 공간 광변조기(110)에서 출력되는 객체 영상을 설명하는 참조도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 공간 광변조기(110)는 프레임 단위로 영상을 출력할 수 있다. 여기서 영상은 2차원 영상일 수도 있고, 3차원 영상일 수도 있다. 도 4에서는 2차원 영상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기한 영상은 복수 개의 객체 영상을 포함할 수 있다. 도 4에서는 4개의 객체 영상이 도시되어 있다. 예를 들어, 공간 광변조기(110)의 제1 영역(112)에는 제1 객체 영상(410)이 출력되고, 제2 영역(114)에는 제2 및 제3 객체 영상(420, 430)이 출력되며, 제3 영역(116)에는 제4 객체 영상(440)이 출력될 수 있다. 공간 광변조기(110)에서 출력된 제1 내지 제 4 객체 영상(410, 420, 430, 440)은 크기가 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다.
도 5는 전방 표시 장치가 도 4의 객체 영상을 제공되는 방법을 설명하는 참조도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전방 표시 장치는 제1 내지 제4 객체 영상(410, 420, 430, 440)을 시야각 내에 제공할 수 있다. 예를 들어, 전방 표시 장치의 깊이 생성 부재(120)는 제1 깊이 정보(d1)를 갖도록 제1 객체 영상(410)을 깊이 정보를 생성하고, 제2 깊이 정보(d2)를 갖도록 제2 및 제3 객체 영상(420, 430)의 깊이 정보를 생성할 수 있으며, 제3 깊이 정보(d3)를 갖도록 제4 객체 영상(440)의 깊이 영상을 생성할 수 있다. 도 1에서 깊이 생성 부재(120)는 깊이 정보를 생성함에 있어서, 제1 내지 제4 객체 영상(410, 420, 430, 440)의 상대적 위치를 반전시킬 수 있다. 예를 들어, 깊이 생성 부재(120)는 공간 광변조기(110)의 하부 영역인 제1 영역(112)에서 출력된 제1 객체 영상(410)을 반사시켜 시야각의 상부 영역에 제공할 수 있다. 그리고, 깊이 생성 부재(120)는 공간 광변조기(110)의 상부 영역인 제3 영역(116)에서 출력된 제4 객체 영상(440)을 반사시켜 시야각의 하부 영역에 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5에서 공간 광변조기(110)의 수직 방향과 시야각의 수직 방향은 서로 반대 방향인 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 공간 광변조기(110)와 영상 수렴 부재(130) 사이에는 다양한 광학 소자들이 배열되어 있어, 공간 광변조기(110)의 수직 방향과 시야각의 수직 방향이 동일할 수 있다. 또는 광학 소자들의 배열로 공간 광변조기(110)의 수평 방향이 시야각의 수직 방향과 동일할 수도 있다. 이하에서는 공간 광변조기(110)에서 출력되는 객체 영상의 배열 방향은 시야각에서 제공되는 객체 영상의 배열 방향에 대응하는 방향이라고 정의할 수 있다. 즉, 공간 광변조기(110)의 -y축 방향은 시야각의 +y축 방향과 대응한다고 할 수 있다.
또한, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 영역에 따라 제1 내지 제4 객체 영상(410, 420, 430, 440)에 대한 깊이 정보를 다르게 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 및 제 4 객체 영상이 시야각의 수직 방향으로 수직하게 배열될 때, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 수직 방향으로 순차적으로 변하도록 제1 내지 제3 깊이 정보(d1, d2, d3)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제3 깊이 정보(d3)에서 제1 깊이 정보(d1)로 갈수록 깊이 정보의 크기가 작아지도록 깊이 정보를 생성할 수 있다. 즉, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 깊이 정보가 커지도록 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성할 수 있다. 그리하여, 객체 영상들은 깊이 정보에 따라 서로 다른 영역에 제공될 수 있다.
한편, 시야각의 수평 방향으로 제공될 객체 영상들에 대하여, 깊이 생성 부재(120)는 동일한 깊이 정보를 갖도록 깊이 정보를 생성할 수도 있다. 도 5에서 제2 및 제3 객체 영상(430)은 동일한 깊이 정보를 가지기 때문에 사용자는 제2 및 제3 객체 정보(420, 430)가 동일한 거리에 제공되는 것처럼 느낄 수 있다.
뿐만 아니라, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 수직 방향으로 객체 영상에 대한 크기를 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 객체 영상에 대한 크기가 작아지도록 객체 영상의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 깊이 생성 부재(120)는 시야각의 수평 방향으로 객체 영상에 대한 크기를 동일하게 할 수 있다. 그리하여, 전방 표시 장치는 깊이 정보가 큰 객체 영상은 크기가 작게 제공하고, 깊이 정보가 작은 객체 영상은 크기가 크게 제공할 수 있다. 이는 현실 환경에서 원근법에 따른 객체의 크기와 대응되기 때문에 사용자는 객체 영상을 보다 편안하게 인식할 수 있다.
상기와 같은 크기 조절은 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120)와 일체형으로 구현될 수도 있고, 별도의 구성요소로 구현될 수 있다. 상기한 크기 조절도 광특성에 의해 생성될 수 있다. 이하에서는 광특성을 이용한 깊이 생성에 대해 설명하나, 이에 한정되지 않는다. 깊이 생성 부재(120)는 광특성에 의해 크기 조절도 가능하며, 깊이 정보와 반비례하게 크기를 변화시킬 수도 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 깊이 생성 부재(120)는 광특성을 이용하여 객체 영상에 깊이 정보를 생성할 수 있다. 상기한 광특성은 광의 반사, 산란, 굴절 및 회절 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광특성에 따라 깊이 생성 부재(120)의 초점 거리가 달라짐으로써 객체 영상의 결상 위치가 달라질 수 있다. 그리하여, 깊이 생성 부재(120)는 광특성을 이용하여 깊이 정보를 생성할 수 있다.
도 6은 반사에 의해 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120a)의 예를 도시한 참조도면이다. 도 6을 참조하면, 깊이 생성 부재(120a)는 영역에 따라 곡률이 다른 비구면 렌즈일 수 있다. 시야각의 영역에 대응하여 곡률이 다를 수 있다. 구체적으로, 깊이 생성 부재(120a)의 입사면(PI)에 대한 곡률은 시야각의 수직 방향에 대응하여 점진적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 깊이 생성 부재(120a)의 입사면(PI)에 대한 곡률은 시야각의 하부 영역에서 상부 영역에 대응하는 방향으로 점진적으로 작아질 수 있다. 도 6에서 시야각의 하부 영역에서 상부 영역에 대응하는 방향은 -y축으로 도시되어 있다. 즉, 도 6에 도시된 깊이 생성 부재(120a)의 입사면(PI)에 대한 곡률은 +y축 방향을 점진적으로 커질 수 있다. 곡률은 연속적으로 변하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 곡률은 불연속적으로 변할 수도 있다.
도 7은 반사에 의해 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120b)의 다른 예를 도시한 참조도면이다. 도 7을 참조하면, 깊이 생성 부재(120b)는 제1 곡률을 갖는 제1 영역(510), 제2 곡률을 갖는 제2 영역(520) 및 제3 곡률을 갖는 제3 영역(530)을 포함할 수 있다. 제1 곡률에서 제3 곡률로 갈수록 곡률의 크기는 커질 수 있다. 제1 영역(510)에서 반사된 객체 영상은 시야각의 상부 영역에 제공되고, 제2 영역(520)에서 반사된 객체 영상은 시야각의 가운데 영역에 제공되며, 제3 영역(530)에서 반사된 객체 영상은 시야각의 하부 영역에 제공될 수 있다. 곡률의 크기 때문에 제1 영역(510)에서 반사된 객체 영상은 제2 영역(520)에서 반사된 객체 영상보다 사용자로부터 더 멀리 결상되고, 제2 영역(520)에서 반사된 객체 영상은 제3 영역(530)으로 반사된 객체 영상보다 더 멀리 결상될 수 있다. 그리하여, 전방 표시 장치는 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 깊이 정보가 큰 객체 영상을 제공할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 회절에 의한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120c)를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 깊이 생성 부재(120c)는 영역별로 회절 특성이 다를 수 있다. 깊이 생성 부재(120c)는 영역별로 회절계수가 다른 렌티큘러 렌즈로 구성될 수 있다. 렌티큘러 렌즈는 반원통형의 렌즈들이 배열되어 있다. 렌즈의 물질, 렌즈의 곡률, 렌즈들간의 간격 등에 의해 회절계수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 깊이 생성 부재(120c)는 제1 회절계수를 갖는 제1 영역(610), 제2 회절 계수를 갖는 제2 영역(620) 및 제3 회절 계수를 갖는 제3 영역(630)을 포함할 수 있다. 회절 계수의 변화는 시야각의 하부 영역에서 상부 영역에 대응하는 방향일 수 있다. 그리고, 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 객체 영상의 깊이 정보가 커지도록 깊이 생성 부재(120c)의 회절 계수가 변할 수 있다. 회절에 의한 깊이 생성 부재(120c)는 렌티큘러 렌즈 이외에도 메타 물질, 나노 패턴 등으로 구현될 수 있다.
상기한 렌티큘러 렌즈, 메타 물질 등의 깊이 생성 부재(120c)는 공간 광변조기(110)와 일체화될 수도 있다. 공간 광변조기(110)가 3차원 객체 영상을 출력할 때, 영역 별로 깊이 정보가 순차적으로 변하는 객체 영상을 출력할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 굴절에 의한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재(120d)를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 깊이 생성 부재(120d)는 복수 개의 원기둥 렌즈(Cylindrical Lens)일 수 있다. 깊이 생성 부재(120d)는 굴절 특성이 다를 수 있다. 렌즈의 물질, 렌즈의 곡률 등에 의해 굴절계수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 깊이 생성 부재(120d)는 제1 굴절계수를 갖는 제1 영역(710), 제2 굴절 계수를 갖는 제2 영역(720) 및 제3 굴절 계수를 갖는 제3 영역(730)을 포함할 수 있다. 굴절 계수의 변화는 시야각의 수직 방향에 대응하는 방향일 수 있다. 그리고, 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 객체 영상의 깊이 정보가 커지도록 깊이 생성 부재(120d)의 굴절 계수가 변할 수 있다.
지금까지 깊이 생성 부재(120, 120a, 120c, 120d)는 시야각의 하부 영역에서 상부 영역에 대응하는 방향으로 광특성이 다르기 때문에 시야각의 높이에 따라 깊이 정보가 다른 객체 영상이 제공된다고 하였다. 한편, 깊이 생성 부재(120, 120a, 120c, 120d)는 시야각의 수평 방향에 대응하는 방향으로 광특성이 동일할 수 있다. 그리하여, 시야각의 동일한 수평 방향에는 동일한 깊이 정보를 갖는 객체 영상이 제공될 수 있다.
도 6 내지 도 9에는 설명의 편의를 도모하기 위해 하나의 깊이 생성 부재를 도시하였다. 그러나 한정되지 않는다. 깊이 생성 부재는 광특성을 갖는 복수 개의 광학 소자의 조합으로 이루어질 수도 있다. 즉, 복수 개의 광학 소자의 조합으로 순차적으로 변하는 깊이 정보를 생성할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 확대 부재를 포함하는 전방 표시 장치(100a)를 도시한 도면이다.
공간 광변조기(110)는 매우 작고, 공간 광변조기(110)에서 출력된 객체 영상 및 깊이 생성 부재(120)에서 생성된 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상도 작다. 일 실시예에 따른 전방 표시 장치(100b)는 깊이 생성 부재(120)와 영상 수렴 부재(130) 사이에 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 크기를 확대시키는 확대 부재(140)를 더 포함할 수 있다. 상기한 확대 부재는 시야각의 수직 방향에 대응하는 방향으로 개?의 크기 확대율을 다르게 할 수도 있다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 시야각이 큰 영상 수렴 부재(130b)를 설명하는 도면이다. 도 11에 도시된 영상 수렴 부재(130b)는 서로 다른 매질로 구성된 복수 개의 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 영상 수렴 부재(130b)는 제1 영역(810) 및 제1 영역(820)과 접하는 경계면(BS)이 곡면인 제2 영역(820)을 포함할 수 있다. 상기한 곡면의 곡률 중심은 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 가까운 영역에 있을 수 있다. 상기한 경계면(BS)상에는 반사 물질이 더 코팅되어 있을 수 있다. 그리하여, 사용자는 보다 넓은 외부 객체 영상을 확인할 수 있다.
또는, 도 12에 도시된 바와 같이, 영상 수렴 부재(130B)와 사용자의 시각 기관 사이에 렌즈(830)가 더 배치될 수 있다. 렌즈(830)는 시각 기관에 가깝게 배치되어 있기 때문에, 렌즈(830)의 초점 거리는 렌즈(830)의 직경에 비해 짧을 수 있다. 결과적으로, 넓은 시야각(angle of view 또는 field of view)이 용이하게 확보될 수 있다. 상기한 렌즈(560)는 이방성 렌즈일 수 있으며, 보다 구체적으로, 편광 의존형 복굴절 렌즈일 수 있다. 그리하여, 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상에 대해서는 렌즈로 작용하고, 외부 객체 영상에 대해서는 평판으로 작용할 수 있다.
지금까지 기술한 전방 표시 장치는 웨어러블 장치의 일 구성요소가 될 수 있다. 일례로, 상기 전방 표시 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)에 적용될 수 있다. 또한, 상기 전방 표시 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)에 적용될 수 있다. 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어(혹은, 연결되어) 동작될 수 있다. 도 9는 일 실시예들에 따른 전방 표시 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여주는 도면이다. 도 9의 전자기기는 HMD, 안경형 디스플레이 등의 예시이다.
이외도 본원의 다양한 실시예들에 따른 전방 표시 장치는 다양한 전자 장치 등에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차와 같은 동력 장치, 일반 시설물 등에도 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 전방 표시 장치의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 본원의 실시예에 따른 전방 표시 장치는 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용할 수 있을 뿐 아니라, 그 밖에 다른 분야에도 적용할 수 있다. 다시 말해, 증강 현실(AR)이나 혼합 현실(MR)이 아니더라도, 복수의 객체 영상을 동시에 볼 수 있는 멀티객체 영상 디스플레이에 본원의 다양한 실시예의 사상들이 적용될 수 있다.
이제까지 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 실시예에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형상으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100a: 전방 표시 장치
110: 공간 광변조기
120, 120a, 120b, 120c, 120d: 깊이 생성 부재
130: 영상 수렴 부재
140: 확대 부재

Claims (20)

  1. 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하는 공간 광변조기;
    광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부의 객체 영상이 시야각의 수직 방향으로 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 깊이 생성 부재; 및
    상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 상기 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시키는 영상 수렴 부재;를 포함하는 전방 표시 장치(Head Up Display).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는,
    상기 시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 상기 깊이 정보가 커지도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 전방 표시 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는
    상기 시야각의 수평 방향으로 제공될 객체 영상들은 동일한 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 전방 표시 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는,
    상기 깊이 정보가 객체 영상 단위로 변하도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 전방 표시 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광특성은,
    굴절, 회절, 반사 및 산란 중 적어도 하나를 포함하는 전방 표시 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는,
    상기 깊이 생성 부재의 영역에 따라 상기 광특성이 연속적으로 변하는 전방 표시 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광특성이 변하는 방향은 상기 시야각의 수직 방향에 대응하는 전방 표시 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는
    상기 제1 광특성을 이용하여 제1 깊이 정보를 생성하는 제1 영역; 및
    상기 제1 광특성과 다른 제2 광특성을 이용하여 상기 제1 깊이 정보와 다른 제2 깊이 정보를 생성하는 제2 영역;를 포함하는 전방 표시 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 영역의 배열 방향은 상기 시야각의 수직 방향에 대응되는 전방 표시 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 광특성과 상기 제2 광특성은 동일한 종류의 광특성이면서 광특성의 정도가 서로 다른 전방 표시 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는
    비구면 렌즈, 비구면 미러, 렌티큘러 렌즈, 원기둥 렌즈, 나노 패턴, 메타 물질 중 적어도 하나를 포함하는 전방 표시 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 깊이 생성 부재는,
    상기 깊이 정보에 따라 상기 복수 개의 객체 영상의 크기를 조절하는 전방 표시 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    복수 개의 객체 영상의 크기는 상기 깊이 정보와 반비례하는 전방 표시 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 영상 수렴 부재는,
    빔스플리터(beam splitter) 및 반투과막(transflective film) 중 적어도 하나를 포함하는 전방 표시 장치
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 영상 수렴 부재는,
    제1 영역 및 상기 제1 영역과 접하는 경계면이 곡선인 제2 영역을 포함하고,
    상기 경계면에 반사 물질이 코팅된 전방 표시 장치
  16. 복수 개의 객체 영상을 서로 다른 영역에 동시에 출력하는 단계;
    광특성을 이용하여 상기 복수 개의 객체 영상 중 적어도 일부 객체 영상이 순차적으로 변하는 깊이 정보를 갖도록 상기 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상의 광 경로와 현실 환경(reality environment)의 광 경로 중 적어도 하나를 변경시켜 상기 깊이 정보를 갖는 복수 개의 객체 영상과 상기 현실 환경을 하나의 영역으로 수렴시키는 단계;를 포함하는 전방 표시 장치(Head Up Display)의 동작 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 깊이 정보를 생성하는 단계는,
    상기 시야각의 수직 방향으로 상기 깊이 정보가 변하도록 상기 복수 개의 객체 영상에 깊이 정보를 생성하는 전방 표시 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 깊이 정보를 생성하는 단계는,
    시야각의 하부 영역에서 상부 영역으로 갈수록 상기 깊이 정보가 커지도록 상기 복수 개의 객체 영상에 대한 깊이 정보를 생성하는 전방 표시 장치의 동작 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 깊이 정보는 객체 영상 단위로 변하는 전방 표시 장치의 동작 방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 광특성은,
    굴절, 회절, 반사 및 산란 중 적어도 하나를 포함하는 전방 표시 장치의 동작 방법.
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