KR20190085829A - 이미지 표시 장치 - Google Patents

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KR20190085829A
KR20190085829A KR1020180108237A KR20180108237A KR20190085829A KR 20190085829 A KR20190085829 A KR 20190085829A KR 1020180108237 A KR1020180108237 A KR 1020180108237A KR 20180108237 A KR20180108237 A KR 20180108237A KR 20190085829 A KR20190085829 A KR 20190085829A
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KR1020180108237A
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카츠토시 사사키
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삼성전자주식회사
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Abstract

레이저 광을 주사하는 주사광학부, 상기 주사광학부에 의해 주사된 레이저 광이 대략 수직으로 입사하는 빔 쉐이퍼, 자유곡면을 가지는 2개의 반사 광학소자 및 1개의 아나모픽 렌즈를 포함하며, 상기 빔 쉐이퍼로부터 방출된 레이저 광을 디스플레이 패널로 조명하는 조명광학부, 상기 조명광학부로부터 조명된 레이저 광을 이용하여 이미지를 표시하는 상기 디스플레이 패널, 자유곡면을 가지는 3개의 반사 광학소자를 포함하고, 상기 디스플레이 패널로부터 방출된 이미지 광을 관찰자의 눈에 집광시키는 접안광학부를 포함하는 이미지 표시 장치가 제공된다.

Description

이미지 표시 장치{IMAGE DISPLAY DEVICE}
이하, 이미지 표시 장치에 관한 기술이 제공된다.
헤드업 디스플레이 장치는, 차량의 전방의 실제 장면(real scene)에 겹치게(superimpose) 가상 이미지(virtual image)를 표시함으로써, 실제 장면에 정보 등이 부가된 증강현실(AR, Augmented Reality)을 생성할 수 있다. 헤드업 디스플레이 장치는, 차량을 운행하는 관찰자의 시선이동을 최대한 억제하면서, 원하는 정보를 정확하게 관찰자에 대해 제공함으로써, 안전하고 쾌적한 차량운행에 기여할 수 있다.
일본 특허 공개 공보 특개2016-014861호 공보
일 실시예에 따른 이미지 표시 장치는 레이저 광(laser light)을 주사(scan)하는 주사광학부; 상기 주사광학부로부터 주사된 레이저 광이 수직으로 입사(incident)되는 빔 쉐이퍼; 자유곡면(free-form curve)을 가지는 2개의 반사 광학소자 및 하나의 아나모픽 렌즈를 포함하고, 상기 빔 쉐이퍼로부터 방출(emit)된 레이저 광을 디스플레이 패널에 조명(illuminate)하는 조명광학부; 상기 조명광학부로부터 조명된 레이저 광을 이용하여 이미지를 표시하는 상기 디스플레이 패널; 및 자유곡면을 가지는 3개의 반사 광학소자를 포함하고, 상기 디스플레이 패널로부터 방출된 이미지 광(image light)을 관찰자의 눈에 집광시키는 접안광학부를 포함할 수 있다.
이미지 표시 장치는 상기 눈의 위치정보에 기초하여, 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어하는 제1 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 주사광학부는, 레이저 주사부를 포함하고, 상기 제1 제어부는, 상기 레이저 주사부를 제어함으로써 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어할 수 있다.
상기 제1 제어부는, 상기 눈의 광축(optical axis)에 대해 수직인 방향의 위치 변화에 대응하여 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어함으로써, 상기 이미지 광을 집광시킬 수 있다.
이미지 표시 장치는 상기 눈의 위치정보에 기초하여, 상기 빔 쉐이퍼의 위치를 제어하는 제2 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 제어부는, 상기 빔 쉐이퍼의 위치를 광축에 대해 전후로 제어할 수 있다.
상기 제2 제어부는, 상기 눈이 광축에 대해 전후로 움직이는 경우에 응답하여 상기 빔 쉐이퍼의 위치를 제어함으로써, 상기 이미지 광을 집광시킬 수 있다.
상기 빔 쉐이퍼는, 회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optics Element), 홀로그래픽 광학 소자(HOE, Holographic Optical Element), 또는 확산판(diffuser plate)일 수 있다.
이미지 표시 장치는 상기 눈의 위치 정보에 기초하여, 상기 이미지의 컨텐츠를 제어 하는 제3 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 제어부는, 양안에 대해 서로 구별되는 우안 이미지 및 좌안 이미지를 제공할 수 있다.
상기 주사광학부는, 상기 레이저 광을 방출(emit) 하는 광원부; 상기 광원부로부터 방출된 레이저 광을 주사(scanning)하는 레이저 주사부(laser scanning unit); 및 상기 레이저 주사부에 의해 주사된 레이저 광을 반사시킴으로써, 상기 레이저 광을 상기 빔 쉐이퍼로 입사시키는 거울을 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 주사부는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너로 구현되고, 상기 거울은, 포물면 거울(parabolic mirror)로 구현될 수 있다.
상기 광원부는, 상기 레이저 광을 확산판에 집광(concentrate)시키는 집광 렌즈(condensing lens); 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저 광을 산란시키는 상기 확산판; 상기 확산판에 의해 산란된 레이저 광을 평행하게 함(collimating)으로써 생성된 평행광을 상기 레이저 주사부로 방출하는 시준 렌즈(collimating lens) ; 및 상기 확산판을 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
상기 접안광학부는, 상기 디스플레이 패널로부터 방출된 이미지 광을 반사하는 전단(front end)의 자유곡면 거울; 상기 전단의 자유곡면 거울에 의해 반사된 이미지 광을 추가로(additionally) 반사시키는 후단(back end)의 자유곡면 거울; 및 상기 후단의 자유곡면 거울에 의해 반사된 이미지 광을 추가로 반사시킴으로써 이미지 광을 상기 눈에 집광시키는 결합기(combiner)를 포함할 수 있다.
상기 전단의 자유곡면 거울 및 상기 후단의 자유곡면 거울은, 상기 전단의 자유곡면 거울로부터 상기 후단의 자유곡면 거울까지의 광로 사이에서 적어도 두 이미지 광 들이 서로 교차(cross)하도록 배치될 수 있다.
상기 후단의 자유곡면 거울 및 상기 결합기는, 상기 후단의 자유곡면 거울로부터 상기 결합기까지의 광로 사이에서 이미지 광의 광선들 중 적어도 두 광선 이 교차하도록 배치될 수 있다.
상기 이미지 표시 장치는, 헤드업디스플레이(HUD, head-up display) 장치일 수 있다.
상기 디스플레이 패널은, 홀로그램 표시 디바이스로 구현될 수 있다.
상기 광원부는, 적색광, 녹색광, 및 청색광의 레이저 광을 결합(combine)으로써, 백색광을 생성할 수 있다.
상기 광원부는, 어레이 형상으로 배치된 반도체 레이저 광원들을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성 및 윈드 쉴드 글래스 및 가상 이미지와의 위치관계를 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성에 관해 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치에 포함되는 각 제어부를 설명하는 도면이다.
도 5은 일 실시예에 따른 주사광학부 및 빔 쉐이퍼의 구성에 관해 설명하는 도면이다.
도 6는 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 조명광학부의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 접안광학부의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 접안광학부에 있어서 광선이 교차하는 측면(aspect)을 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11은 일 실시에에 따른 이미지 표시 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 12은 다른 일 실시예에 따른 주사광학부 및 빔 쉐이퍼의 구성을 설명하는 도면이다.
도 13는 다른 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 14은 또 다른 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
이미지 표시 장치(100)은 주사광학부(scanning optical unit)(110), 빔 쉐이퍼(beam shaper)(120), 조명광학부(illuminating optical unit)(130), 디스플레이 패널(display panel)(140), 및 접안광학부(eyepiece optical unit)(150)를 포함할 수 있다.
주사광학부(110)는 레이저 광을 주사할 수 있다.
빔 쉐이퍼(120)에는 주사광학부(110)로부터 주사된 레이저 광을 수신할 수 있다. 예를 들어, 주사광학부(110)로부터 주사된 레이저 광이, 빔 쉐이퍼(120)에 대략 수직으로 입사될 수 있다. 주사광학부(110)로부터 주사된 레이저 광은, 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 수직인 각도 또는 수직과 유사한 각도로 입사될 수 있다. 수직과 유사한 각도는 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 수직인 각도에 대한 각도 차이(angle difference)가 미리 정한 임계 각도 미만인 각도를 나타낼 수 있다.
조명광학부(130)는 빔 쉐이퍼(120)으로부터 방출(emit)된 레이저 광을 디스플레이 패널(140)에 조명할 수 있다.
디스플레이 패널(140)은 조명광학부(130)에 의해 조명된 레이저 광을 이용하여 이미지를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(140)은 조명광학부(130)에 의해 조명된 레이저 광을 통과시킴으로써 이미지에 대응하는 이미지 광을 생성할 수 있다. 이미지 광은, 레이저 광이 디스플레이 패널(140)의 임의의 지점을 통과한 후의 광(light)을 나타낼 수 있다. 이미지 광은, 디스플레이 패널(140)의 임의의 지점으로부터 방출된 광선 다발(bundle of rays)을 포함할 수 있다.
접안광학부(150)는 디스플레이 패널(140)으로부터 방출된 이미지 광을 관찰자의 눈에 집광(concentrate))시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 표시 장치(100)는, 예를 들어, 차량에 구비된 헤드업 디스플레이 장치이고, 자기 차량 전방의 실제 장면(real scene)에 가상 이미지를 겹치게 표시할 수 있다. 이미지 표시 장치(100)는 실제 장면에 정보 등을 부가한 증강현실을 생성할 수 있다. 다만, 이미지 표시 장치(100)가 헤드업 디스플레이 장치에 적용되는 것은 단순 예시로서, 다른 장치에 적용될 수도 있다.
일 실시예에 따른 이미지 표시 장치(100)는, 헤드업 디스플레이 장치로부터 방출된 이미지 광을 관찰자의 눈에 효율적으로 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 이미지 표시 장치(100)는, 아이 박스(eye box) 전체에 이미지를 표시하기 위해, 이미지 광을 관찰자의 눈에 집광시킬 수 있다. 이미지 표시 장치(100)는 이미지 광을 관찰자의 눈에 집광시킴으로써, 양안(both eyes)의 각각에 서로 다른 이미지 광을 집광시킬 수 있다. 따라서, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 좌안에 좌안 이미지를 제공하고, 관찰자의 우안에 우안 이미지를 제공함으로써, 관찰자에게 입체적인 이미지를 제공할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성 및 윈드 쉴드 글래스 및 가상 이미지와의 위치관계를 설명하는 도면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치의 구성에 관해 설명하는 도면이다.
우선, 주사광학부(110)는 빔 쉐이퍼(120)로 레이저 광을 주사할 수 있다. 그리고 빔 쉐이퍼(120)는 조명광학부(130)로 레이저 광을 방출할 수 있다. 주사광학부(110)에 의한 레이저 광의 주사 및 빔 쉐이퍼(120)는 하기 도 5 및 도 6에서 설명한다.
빔 쉐이퍼(120)로부터 방출된 레이저 광은, 조명광학부(130)에 입사(incident)할 수 있다. 레이저 광은 조명광학부(130)에 구비되는 아나모픽 렌즈(131), 제1 자유곡면 거울(132), 및 제2 자유곡면 거울(133)의 순서로 전달될 수 있다.
그리고 해당 레이저 광은 제2 자유곡면 거울(133)로부터 디스플레이 패널(140)에 입사할 수 있다. 디스플레이 패널(140)은 해당 레이저 광을 이용하여 이미지를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(140)은, 투과형 패널로서, 뒷면을 통해 레이저 광을 수신하고, 수신된 레이저 광에 기초하여 이미지 광을 방출할 수 있다. 그리고 디스플레이 패널(140)으로부터 방출된 이미지 광은, 접안광학부(150)에 입사할 수 있다.
이어서, 이미지 광은 접안광학부(150)에 구비된 제3 자유곡면 거울(151), 제4 자유곡면 거울(152), 결합기(153)의 순서대로 전파될 수 있다. 결합기(153)에 의해 반사된 이미지 광은, 관찰자의 눈에 집광된다. 따라서, 관찰자는 도 2에 도시된 바와 같이, 윈드 실드 글래스(10)를 통해, 전방의 실제 장면(real scene)에 중첩되어 프로젝션 평면(11)에 표시된 가상 이미지를 인식할 수 있다.
일 실시예에 따른, 이미지 표시 장치(100)는 미리 정한 광학 소자를 제어함으로써, 관찰자의 눈에 이미지 광을 계속 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 눈의 위치가 변화하는 경우, 이미지 표시 장치(100)는 눈의 위치 정보에 기초하여, 미리 정한 광학 소자의 움직임 또는 위치를 제어할 수 있다. 이미지 표시 장치(100)는 눈의 위치 변화에 대응하여 광학 소자의 위치 등을 제어함으로써, 관찰자의 눈에 이미지 광을 계속하여 집광시킬 수 있다. 여기서, 눈의 위치 정보는 미리 정한 센싱 데이터의 분석 등에 의해 생성되는 관찰자의 눈의 위치를 나타내는 정보로서, 생성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 눈의 위치 정보의 생성은, 외부 장치에 의해 실현될 수도 있고, 이미지 표시 장치(100)에 의해 실현될 수도 있다. 아울러, 이미지 광이 관찰자의 양안에 집광되는 것으로 설명하였으나, 한쪽 눈에만 집광될 수도 있다.
이미지 표시 장치(100)는 양안의 각각에 대해 서로 다른 이미지 광을 집광시킬 수 있다. 이미지 표시 장치(100)는 양안의 각각에 서로 다른 이미지 광을 제공함으로써, 관찰자에게 3차원 이미지를 인식시킬 수 있다. 예를 들어, 이미지 표시 장치(100)는 서로 시차(disparity)를 가지는, 좌안 이미지의 이미지 광 및 우안 이미지의 이미지 광을 각각의 눈에 집광시킬 수 있다.
아래에서는 이미지 표시 장치(100)의 각 구성을 상세히 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치에 포함되는 각 제어부를 설명하는 도면이다. 도 5는 일 실시예에 따른 주사광학부 및 빔 쉐이퍼의 구성에 관해 설명하는 도면이다.
주사광학부(110)는 광원부(111), 레이저 주사부(예를 들어, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너(112)), 및 포물면 거울(113)을 포함할 수 있다. 또한, 주사광학부(110)는 조명광학부(130), 접안광학부(150)가 배치된 경우에 발생하는 데드 스페이스에 배치될 수도 있다. 데드 스페이스는, 이미지 표시 장치(100)의 하우징에 의해 정의되는 공간 내에서, 조명광학부(130) 및 접안광학부(150)가 차지하는 공간 이외에 남는 공간을 나타낼 수 있다. 따라서, 이미지 표시 장치(100)가 소형화될 수 있다.
광원부(111)는 레이저 광을 생성하는 광학 소자로서, 예를 들어, 백생광을 생성할 수 있다. 광원부(111)의 구체적인 구성은 하기 도 6에서 설명한다.
MEMS 스캐너(112)는, 광원부(111)으로부터 입사된 레이저 광을 주사하는 광학소자이다. 예를 들어, MEMS 스캐너(112)는 포물면 거울(113)의 초점위치에 배치될 수 있다. MEMS 스캐너(112)에 의해 주사된 레이저 광은, 포물면 거울(113)에 의해 반사되어, 빔 쉐이퍼(120)에 입사한다. 여기서, 포물면 거울(113)의 초점 위치로부터 방출된 레이저 광이 포물면 거울(113) 상의 각 점에서 반사하는 경우, 각 반사광의 진행 방향은 포물면 거울(113)의 광축에 대해 대략 평행하는 특징을 가진다. 서로서로 대략 평행하게 된 반사광은 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 대략 수직으로 입사한다. 본 명세서에서 광축은, 빛이 투과하는 광로를 지시하는 선을 나타낼 수 있다.
또한, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치 정보에 기초하여 레이저 광이 빔 쉐이퍼(120)에 입사하는 위치를 제어하는 제1 제어부(191)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 제어부(191)는 MEMS 스캐너(112)를 제어함으로써, 포물면 거울(113)에 반사된 레이저 광이 빔 쉐이퍼(120)에 입사하는 위치를 제어한다. 또한, 빔 쉐이퍼(120)에 있어서, 레이저 광의 입사 위치가 변경되더라도, 레이저 광의 입사 각도는 변하지 않는다. 빔 쉐이퍼(120)로 레이저 광이 입사되는 위치가 달라지더라도, 레이저 광은 여전히 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 대략 수직인 각도로 입사할 수 있다. MEMS 스캐너(112)가 제1 제어부(191)로서 동작할 수도 있다.
참고로, 일 실시예에 따른 빔 쉐이퍼(120)는 이미지 표시 장치(100)의 광학계에 있어서, 관찰자의 눈의 위치와 결합 관계에 있다. 빔 쉐이퍼(120)로 레이저 광이 입사되는 위치가 달라지면, 이미지 광이 최종적으로 집광되는 위치도 달라진다. 따라서, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치 변화에 따라, 빔 쉐이퍼(120)로 레이저 광이 입사되는 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 제어부(191)는 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼(120)에 입사하는 위치를 제어함으로써, 상기 눈의 광축(optical axis)에 대해 수직인 방향의 위치 변화에 대응하여 상기 이미지 광을 집광시킬 수 있다. 관찰자의 눈의 위치가, 광축에 대해 대략 수직인 방향으로 움직이는 상황을 가정할 수 있다. 제1 제어부(191)는 이러한 관찰자의 눈의 위치 변화에 대응하여, 빔 쉐이퍼(120) 상에서 변화된 위치에 대응하는 지점으로 레이저 광이 입사되도록, MEMS 스캐너(112)를 제어할 수 있다. 따라서, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈에 이미지 광을 계속하여 집광시킬 수 있다.
또한, MEMS 스캐너(112)는 레이저 광이 빔 쉐이퍼(120)에 입사되는 위치를 조정함으로써, 서로 다른 우안 이미지에 대응하는 우안 이미지 광 및 좌안 이미지에 대응하는 좌안 이미지 광을 생성할 수 있다. 예를 들어, MEMS 스캐너(112)는 고속으로 구동함으로써, 빔 쉐이퍼(120) 상에서 좌안에 대응하는 지점 및 우안에 대응하는 지점에 대해 교대로(alternatively) 시계열적으로(time sequentially) 레이저 광을 주사할 수 있다. 빔 쉐이퍼(120) 상에서 좌안에 대응하는 지점에 입사된 레이저 광은, 이후 디스플레이 패널(140)에 의해 좌안 이미지 광으로 변환되어 관찰자의 좌안으로 집광될 수 있다. 우안에 대응하는 지점에 입사된 레이저 광은, 이후 디스플레이 패널(140)에 의해 우안 이미지 광으로 변환되어 우안으로 집광될 수 있다. 따라서, MEMS 스캐너(112)는, 관찰자에게 서로 다른 우안 이미지 및 좌안 이미지를 고속으로 전환되면서 제공되도록, 레이저 광을 주사할 수 있다. 이미지 표시 장치는 이러한 MEMS 스캐너(112)의 고속 구동을 통해 우안 이미지 및 좌안 이미지를 관찰자에게 제공함으로써, 관찰자에게 3차원 이미지를 인식시킬 수 있다.
도 4에서는 주사광학부(110)가 MEMS 스캐너(112)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. MEMS 스캐너(112) 외에도, 주사광학부(110)는 레이저 광을 주사하는 광학 소자를 포함할 수 있다. 또한, 포물면 거울(113) 외에도, 주사광학부(110)는 레이저 광을 빔 쉐이퍼(120)에 대해 대략 수직으로 입사시키는 광학 소자를 포함할 수 있다.
빔 쉐이퍼(120)는 포물면 거울(113)에 의해 반사된 레이저 광을 조명광학부(130)에 전달하는 광학소자이다. 빔 쉐이퍼(120)는 포물면 거울(113)에 의해 반사된 레이저 광의 진행 방향을 회절현상 등을 통해 변경할 수 있다. 또한, 빔 쉐이퍼(120)는 레이저 광의 빔 형태를 변경할 수 있다. 빔 쉐이퍼(120)는 DOE (Diffractive Optics Element) 등의 회로 광학 소자, HOE(Holographic Optical Element) 등의 홀로그래픽 광학 소자 또는 확산판(diffuser plate) 등으로 구현될 수 있다.
상술한 바에 따라, 포물면 거울(113)에 의해 반사된 레이저 광이, 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 대략 수직으로 입사할 수 있다. 빔 쉐이퍼(120)는 통상적으로 입사한 레이저 광의 광속경(light beam diameter)을 임계 크기까지 넓혀서(broaden), 레이저 광의 형태(예를 들어, 본래 원형)를 직사각형 형태로 변경할 수 있다. 레이저 광이 변경되는 형태를 직사각형 형태로 한정하는 것은 아니고, 직사각형과 유사한 형태일 수도 있다. 임계 크기는 설계에 따라 결정될 수 있고, 예를 들어, 조명광학부(130)에 있어서 조명광(illumination light)의 콘 앵클(cone angle)에 대응하는 크기일 수 있다. 레이저 광의 광속경은, 레이저 광의 진행 방향에 대한 레이저 광의 직경을 나타낼 수 있다.
또한, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치 정보에 기초하여, 빔 쉐이퍼(120)의 위치를 제어하는 제2 제어부(192)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 제어부(192)는 빔 쉐이퍼(120)의 위치를 광축에 대해 전후으로 제어할 수 있다. 광축에 대해 전후 방향은, 예를 들어, 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 대략 수직인 방향일 수 있다. 대략 수직인 방향은, 빔 쉐이퍼(120)의 면에 대해 수직 방향 또는 수직과 유사한 방향일 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 빔 쉐이퍼(120)는 이미지 표시 장치(100)의 광학계에 있어서, 관찰자의 눈의 위치와 결합 관계에 있다. 관찰자의 눈의 위치가 광축에 대해 전후로 움직이는 경우에 응답하여, 제2 제어부(192)는 관찰자의 눈의 위치의 변화에 대응하는 위치로 빔 쉐이퍼(120)의 위치를 변경할 수 있다. 따라서 관찰자의 눈이 광축에 대해 전후로 움직이는 경우에도, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈에 이미지 광을 계속하여 집광시킬 수 있다. 다만, 빔 쉐이퍼(120)의 위치의 변경 방법을 이로 한정하는 것은 아니다.
또한, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치에 기초하여 이미지의 컨텐츠를 제어할 수 있다. 예를 들어, 미리 정한 시점에서의 3차원 이미지가 표시되는 상태에서 관찰자의 눈의 위치가 변화하는 경우, 이미지 표시 장치(100)는 이미지의 컨텐츠를 변화 후의 시점에서의 3차원 이미지로 변경할 수도 있다. 예를 들어, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치 정보에 기초하여, 이미지의 컨텐츠를 제어하는 제3 제어부(193)를 더 포함할 수 있다. 제3 제어부(193)는 디스플레이 패널(140)을 제어함으로써 이미지의 컨텐츠를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제1 시점(view point)에 대한 3차원 이미지가 시각화된 상태에서, 관찰자의 눈의 위치가 제2 시점으로 변화하는 상황을 가정할 수 있다. 사용자의 눈이 제1 시점으로부터 제2 시점으로 이동된 경우에 응답하여, 제3 제어부(193)는 제1 시점에 대응하는 컨텐츠로부터 제2 시점에 대응하는 컨텐츠로 변경할 수 있다. 제1 시점에 대응하는 컨텐츠는 3차원 객체를 제1 시점에서 관측한 컨텐츠를 나타낼 수 있고, 제2 시점에 대응하는 컨텐츠는 3차원 컨텐츠를 제2 시점에서 관측한 컨텐츠를 나타낼 수 있다. 따라서, 이미지 표시 장치(100)는 관찰자의 눈의 위치가 변화해도, 관찰자에게 해당 시점에 적절한 이미지를 계속해서 제공할 수 있다.
도 6는 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
광원부(111)는 적색광, 녹색광, 및 청색광의 레이저 광을 결합(combine)으로써, 백색광을 생성할 수 있다. 레이저 광의 결합은 합파(multiplexing)라고도 나타낼 수 있다. 예를 들어, 광원부(111)는 도 6에 도시된 바와 같이, R광원부(111-1a), G광원부(111-1b), B광원부(111-1c), 시준 렌즈(collimating lens)(111-2a) 내지 시준 렌즈(111-2c), 색선별 거울(dichroic mirror)(111-3a) 및 색선별 거울(111-3b)을 포함할 수 있다.
R광원부(111-1a), G광원부(111-1b), 및 B광원부(111-1c)의 각각은 개별 대역에서 피크(peak) 강도를 가지는 레이저 광을 방출할 수 있다. R광원부(111-1a)는 적색 파장 대역에서 피크 강도를 가지는 레이저 광으로서 적색광을 방출할 수 있다. G광원부(111-1b)는 녹색 파장 대역에서 피크 강도를 가지는 레이저 광으로서 녹색광을 방출할 수 있다. B광원부(111-1c)는 청색 파장 대역에서 피크 강도를 가지는 레이저 광으로서 청색광을 방출할 수 있다.
광원부(111)에 이용되는 레이저 광원은, 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저 광원으로서 반도체 레이저 광원이 이용될 수 있다. 예를 들어, R광원부(111-1a)로서, GaInP 반도체를 이용한 GaInP 양자 우물(Quantum Wells) 구조 레이저 다이오드가 이용되고, G광원부(111-1b) 및 B광원부(111-1c)로서 GaInN 반도체를 이용한 GaInN 양자 우물 구조 레이저 다이오드가 이용될 수 있다. 레이저 광원이 반도체 레이저 광원으로 구현됨으로써, 광원부(111)가 소형화될 수 있다.
R광원부(111-1a), G광원부(111-1b), 및 B광원부(111-1c)로부터 방출된 레이저 광의 각각은, 그에 대응하는 시준 렌즈(111-2a) 내지 시준 렌즈(111-2c)를 투과함으로써 대략 평행한 레이저 광이 된다. 그 후, R광원부(111-1a)로부터의 적색광이, 색선별 거울(111-3a) 및 색선별 거울(111-3b)를 투과한다. G광원부(111-1b)로부터 방출된 녹색광의 광로는 색선별 거울(111-3a)에 의해 전환된다. 색선별 거울(111-3a)은 적색광보다 긴 파장의 빛을 투과시키고 녹색광을 반사시키는 특성을 가지는 거울이다. 색선별 거울(111-3a)에 의해 광로가 전환된 녹색광은 적색광에 결합될 수 있다. 녹색광 및 적색광이 결합된 광선 다발은 색선별 거울(111-3b)을 투과한다. 색선별 거울(111-3b)은 녹색광보다 긴 파장의 빛을 투과시키고 청색광을 반사시키는 특성을 가지는 거울이다. B광원부(111-1c)로부터 방출된 청색광의 광로는 색선별 거울(111-3b)에 의해 전환될 수 있다. 색선별 거울(111-3b)에 의해 광로가 전환된 청색광은 적색광 및 녹색광과 결합될 수 있다. 따라서, 광원부(111)는 적색광, 녹색광, 및 청색광을 결합함으로써 백색광을 생성할 수 있다. 광원부(111)는 상술한 바와 같이 생성된 백색광을 MEMS 스캐너(112)로 방출한다.
또한, 광원부(111)의 구성은 상술한 바로 한정되지 않는다. 예를 들어, 광원부(111)는 R광원, G광원, 및 B광원의 전부를 포함하는 반도체 레이저 광원을 대신 사용할 수도 있다. 아울러, 광원부(111)는 적색광, 녹색광, 및 청색광 외의 파장 대역의 레이저 광을 방출할 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 조명광학부의 구성을 설명하는 블록도이다.
조명광학부(130)는 아나모픽 렌즈(anamorphic lens)(131), 제1 자유곡면 거울(132), 및 제2 자유곡면 거울(133)를 포함할 수 있다.
아나모픽 렌즈(131)는 빔 쉐이퍼(120)로부터 입사된 레이저 광을 확장시키는 광학 소자로서, 아나모픽 렌즈(131)의 단축 방향 및 장축 방향 중 적어도 한 방향을 따라 레이저 광을 확장시킬 수 있다. 아나모픽 렌즈(131)는 예를 들어, 반원통형 렌즈(half cylindrical lens)(예를 들어, 렌티큘러 렌즈(lenticular lens))일 수 있다. 아나모픽 렌즈(131)가 렌티큘러 렌즈인 경우, 단축 방향은, 렌티큘러 렌즈를 구성하는 복수의 반원통형 렌즈들 중 한 반원통형 렌즈의 단면을 짧게 가로 지르는 선에 대응하는 방향을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 반원통형 렌즈에서 광축에 대해 직교하는 단면을 최단 거리로 가로지르는 선에 대응하는 방향이 단축 방향, 최장 거리로 가로지르는 선에 대응하는 방향이 장축 방향일 수 있다. 예를 들어, 아나모픽 렌즈(131)의 광학 특성(예를 들어, 초점 거리)은 광축에 직교할 수 있고, 또한 서로 직교하는 두 방향에서 다른 곡률을 가질 수 있다. 빔 쉐이퍼(120) 및 아나모픽 렌즈(131) 등에 의해 디스플레이 패널(140)의 대략 전면으로의 효율적인 조명이 가능해진다. 아나모픽 렌즈(131)의 일면은 아나모픽 면을 가질 수 있고, 아나모픽 렌즈(131)가 가지는 아나모픽 면을 정의하는 수식은 아래에서 설명한다. 아나모픽 렌즈(131)의 다른 일면은 평면일 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
제1 자유곡면 거울(132)은 아나모픽 렌즈(131)로부터 입사된 레이저 광을 반사시키는 광학 소자이다.
제2 자유곡면 거울(133)은 제1 자유곡면 거울(132)로부터 입사된 레이저 광을 반사시킴으로써 레이저 광을 디스플레이 패널(140)에 향해 방출하는 광학 소자이다.
자유곡면(free-form curve)을 가지는 상술한 광학소자들을 통해, 이미지 표시 장치는 광의 반사를 적절하게 제어할 수 있고, 이미지 표시 장치(100)가 소형화될 수 있다. 자유곡면은 비회전 대칭인 곡면을 나타낼 수 있다. 제1 자유곡면 거울(132) 및 제2 자유곡면 거울(133)가 가지는 자유곡면을 정의하는 수식은 아래에서 설명한다.
디스플레이 패널(140)은 제2 자유곡면 거울(133)로부터 입사된 레이저 광에 의해 중간 이미지(intermediate image)을 형성한다. 중간 이미지에 대응하는 이미지 광은 여러 광학 소자들을 거쳐 결합기(153)까지 전달될 수 있고, 실제 장면에 겹쳐지는 가상 이미지를 형성할 수 있다. 디스플레이 패널(140)에 결상(form)된 빛은, 디스플레이 패널(140)의 방출 측(side)으로부터 접안광학부(150)의 제3 자유곡면 거울(151)로 방출된다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널(140)은 제3 자유곡면 거울(151)로부터 제4 자유곡면 거울(152)에 이르는 광로, 제4 자유곡면 거울(152)로부터 결합기(153)에 이르는 광로의 사이에 배치된다. 이러한 구성을 통해 접안광학부(150)는 소형화되면서 높은 광학 성능을 나타낼 수 있다.
참고로, 디스플레이 패널(140)이 SLM(Spatial Light Modulator) 등의 홀로그램 표시 디바이스로 구현될 수 있다. 이미지 표시 장치(100)는 홀로그램 표시 디바이스를 이용하여, 홀로그램 이미지를 표시할 수 있다. 이 경우, 이미지 표시 장치(100)는 양안의 각각에 대해 서로 다른 홀로그램 이미지를 표시함으로써, 관찰자에게 3차원 홀로그램 이미지를 제공할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 접안광학부의 구성을 설명하는 블록도이다.
접안광학부(150)는 제3 자유곡면 거울(151), 제4 자유곡면 거울(152), 및 결합기(153)를 포함한다.
제3 자유곡면 거울(151)은 디스플레이 패널(140)으로부터 방출된 중간 이미지를 구성하는 이미지 광을 반사하는 광학소자(예를 들어, 전단의 자유곡면 거울)이다.
제4 자유곡면 거울(152)은 제3 자유곡면 거울(151)로부터 입사된 이미지 광을 반사시킴으로써, 이미지 광을 결합기(153)를 향해 방출하는 광학소자(예를 들어, 후단의 자유곡면 거울)이다.
결합기(153)는 제4 자유곡면 거울(152)로부터 이미지 광을 수신할 수 있고, 수신된 이미지 광의 일부를 관찰자의 눈으로 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제4 자유곡면 거울(152)로부터 방출된 이미지 광이 결합기(153)에 투영될 수 있다. 결합기(153)는 이미지 광이 결합기(153)에 투영된 투영광(projection light)을 관찰자의 눈에 일부 반사시킴으로써, 가상 이미지를 관찰자에게 인식시킬 수 있다. 예를 들어, 결합기(153)는, 무색의 수지성투명판(resin transparent plate)의 관찰자 측 표면(예를 들어, 반사면)에 하프 거울(half mirror)로서의 역할을 하는 증착막(evaporation film)이 형성된 소자로 구현될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 결합기(153)의 반사면은 오목한 형태인 것을 예로 들었으나, 이로 한정하지 않고, 결합기(153)의 반사면은 볼록한 형태일 수도 있다. 아울러, 결합기(153)의 대신에, 윈드 쉴드 글래스(10)가 사용될 수도 있다.
하기 도 9에서는 접안광학부(150)에서의 광로를 설명한다.
도 9는 일 실시예에 따른 접안광학부에 있어서 광선이 교차하는 측면(aspect)을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따르면, 제3 자유곡면 거울(151)로부터 제4 자유곡면 거울(152)까지의 광로 사이에서 적어도 두 이미지 광들이 교차하도록 각 광학소자가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제3의 자유곡면 거울(151)의 임의의 점에서 반사된 이미지 광은, 제3 자유곡면 거울(151)의 다른 점에서 반사된 이미지 광과 위치(20)에서 교차한 후, 제4 자유곡면 거울(152)로 입사한다.
따라서, 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치(100)의 광학계(optical system), 특히, 제3 자유곡면 거울(151) 및 제4 자유곡면 거울(152)이 소형화될 수 있다. 다만, 제3 자유곡면 거울(151)로부터 제4 자유곡면 거울(152)에 이르기까지의 광로 중에 있어서 이미지 광이 교차하는 형태는 특별히 한정되지 않는다.
또한, 제4 자유곡면 거울(152)로부터 결합기(153)까지의 광로 사이에서 각 상고(image height)의 광선이 교차하도록 각 광학소자가 배치된다. 예를 들어, 제4 자유곡면 거울(152) 및 상기 결합기(153)는, 제4 자유곡면 거울(152)로부터 상기 결합기(153)까지의 광로 사이에서 이미지 광의 광선들 중 적어도 두 광선이 교차하도록 배치될 수 있다. 이미지 광의 광선들이 교차됨으로써, 수차(aberration)가 개선될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제4 자유곡면 거울(152)로부터 방출된 각 상고의 광선은, 위치(30)에서 교차하여 결합기(153)로 입사할 수 있다. 다만, 제3 자유곡면 거울(152)로부터 결합기(153)에 이르기까지의 광로 중에서 각 상고의 광선이 교차하는 형태는 특별히 한정하지 않는다. 제3 자유곡면 거울(151) 및 제4 자유곡면 거울(152)가 가지는 자유곡면을 정의하는 수식은 아래에서 설명한다.
따라서 결합기(153)로 입사하는 광선의 확산 각도(diffusion angle)가 증가될 수 있다. 결합기(153)에 의해 반사된 이미지 광이 관찰자의 눈에 효과적으로 집광될 수 있다. 따라서 이미지 표시 장치(100)의 광학성능이 향상될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 이미지 표시 장치(100)가 넓은 시야각(FOV, field of view)의 광학계에 적용되는 경우에도, 해당 광학계가 소형화될 수 있다.
이미지 표시 장치(100)의 각 구성에 대해 상술하였다. 상술한 바와 같이, 이미지 표시 장치(100)는 반사광학계이기 때문에, 파장의 차이에 의한 색 수차의 발생을 방지할 수 있다. 따라서 이미지 표시 장치(100)는 색 번짐이 없는, 고화질의 이미지를 표시할 수 있다.
도 10 및 도 11은 일 실시에에 따른 이미지 표시 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11은 상술한 이미지 표시 장치(100)의 전체 광학 소자가 배치된 구성의 예시를 설명한다. 도 11은 설명의 편의를 위하여 이미지 표시 장치(100)의 각 광학 소자를 통과하는 광선 다발(bundle of rays)에 있어서, 각 광학소자의 중심위치를 전파하는 광선만을 도시한다. 다만, 이미지 표시 장치(100)의 각 광학소자의 배치를, 도 10 및 도 11로 한정하지 않는다.
아래에서는 자유곡면을 정의하는 수식을 설명한다. 예를 들어, 조명광학부(130)가 구비하는 제1 자유곡면 거울(132) 및 제2 자유곡면 거울(133), 그리고 접안광학부(150)가 구비하는 제3 자유곡면 거울(151), 제4 자유곡면 거울(152), 및 결합기(153)의 각각이 가지는 자유곡면을 정의하는 수식을 설명한다. 각 광학소자가 가지는 자유곡면은, 그 자유곡면의 정점(vertex)을 기준으로 하는 직교 좌표계 (x, y, z)를 정의할 때, 아래의 수학식 1, 수학식2, 및 수학식 3에 의해 정의된다. 또한, 각 광학 소자에 대한 수학식 1의 각 계수는 다음 표 1에서 나타낸다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 3]
Figure pat00003
상술한 수학식 1 내지 수학식 3에서, x는 면의 x좌표, y는 면의 y좌표, z는 z축에 대략 평행한 면의 새그(sag) 량을 나타낼 수 있다. C는 정점 곡률로서, 1/곡률반경을 나타낼 수 있다. k는 코닉 상수(conic constant), Cj는 단항식 xmym의 계수로서 자유곡면 계수를 나타낼 수 있다.
접안광학부(150) 조명광학부(130)
결합기(153) 제4 자유곡면 거울(152) 제3 자유곡면 거울(151) 제2 자유곡면 거울(133) 제1 자유곡면 거울(132)
정점곡률 0 0 0 0 0
코닉 계수 0 0 0 0 0
x의 계수 0 0 0 0 0
y의 계수 0 0 0 1.43. E-01 -7.54. E-01
x2의 계수 -5.19. E-04 6.20. E-04 8.21. E-04 -1.53. E-03 -1.13. E-03
xy의 계수 0 0 0 0 0
y2의 계수 -7.43. E-04 4.90. E-03 -3.21. E-03 3.46. E-03 1.16. E-03
x3의 계수 0 0 0 0 0
x2y의 계수 3.85E-07 -6.34E-06 -1.40E-06 -5.25E-05 2.00E-05
xy2의 계수 0 0 0 0 0
y3의 계수 4.37E-07 2.16E-06 -7.30E-06 -9.95E-06 -1.32E-05
x4의 계수 -2.57E-10 3.50E-09 1.16E-08 1.99E-07 1.36E-08
x3y의 계수 0 0 0 0 0
x2y2의 계수 -1.39E-09 -8.60E-09 7.02E-09 -1.29E-07 -4.60E-07
xy3의 계수 0 0 0 0 0
y4의 계수 -7.71E-10 2.53E-07 -4.67E-09 -1.96E-07 1.14E-07
x5의 계수 0 0 0 0 0
x4y의 계수 1.73E-12 -1.73E-11 -2.28E-10 2.48E-09 -1.94E-09
x3y2의 계수 0 0 0 0 0
x2y3의 계수 2.85E-12 -7.55E-10 -2.99E-10 9.53E-10 5.39E-09
xy4의 계수 0 0 0 0 0
y5의 계수 2.30E-12 1.47E-09 3.30E-12 -1.07E-09 7.12E-09
x6의 계수 1.58E-15 5.07E-14 6.84E-13 -2.29E-12 1.57E-12
x5y의 계수 0 0 0 0 0
x4y2의 계수 1.94E-15 2.77E-13 1.68E-12 8.47E-12 3.81E-11
x3y3의 계수 0 0 0 0 0
x2y4의 계수 0 -1.44E-12 5.44E-13 4.40E-12 -5.49E-11
xy5의 계수 0 0 0 0 0
y6의 계수 0 -3.87E-11 -1.29E-12 -1.74E-12 -1.67E-10
x7의 계수 0 0 0 0 0
x6y의 계수 0 1.11E-15 0 -1.76E-14 2.51E-13
위에서는, 각 광학소자의 자유곡면의 정의식에 관해 설명하였다.계속해서, 아나모픽 렌즈(131)가 가지는 아나모픽 면을 정의하는 수학식을 설명한다. 아나모픽 면은, 해당 아나모픽 면의 정점을 원점으로 하는 직교좌표계 (x, y, z)를 정의했을 때, 하기 수학식 4에 의해 정의된다. 또한, 수학식 4의 각 계수를 하기 표 2에 나타낸다.
[수학식 4]
Figure pat00004
x: 면의 x 좌표
y: 면의 y 좌표
z: z축에 평행한 면의 새그(sag) 량
CUX: x의 곡률
CUY: y의 곡률
KX: x의 코닉(conic) 계수
KY: y의 코닉(conic) 계수
AR: 회전 대칭의 4차 계수
BR: 회전 대칭의 6차 계수
CR 회전 대칭의 8차 계수
DR: 회전 대칭의 10차 계수
AP: 비회전대칭의 4차 계수
BP: 비회전 대칭의 6차 계수
CP: 비회전 대칭의 8차 계수
DP: 비회전 대칭의 10차 계수
CUX 3.22.E-03
CUY -1.52.E-03
KY 0
AR 0
BR 0
CR 0
DR 0
KX 0
AP 0
BP 0
CP 0
DP 0
위에서는 아나모픽 렌즈(131)이 있는 아나모픽 면에 관해 설명하였다.계속해서, 이미지 표시 장치(100)의 각 광학소자의 위치 좌표의 예에 대해 설명한다. 예를 들어, 아이박스의 중심점을 원점으로 하는 직교좌표계 (x, y, z)(도 10 및 도 11을 참조)가 정의되었을 때, 각 광학소자의 위치좌표는 아래 표 3 내지 표 5에 나타난 바와 같은 예시적인 좌표로 배치될 수 있다. 아래, 표 3 내지 표 5의 각 위치좌표는, 각 광학소자의 중심위치를 나타내고 있다. 또한, 각 광학소자에 있어서 편심(eccentricity)도 함께 기재되어 있다. 편심에 있어서, α, β, 및 γ는 각각 x축, y축, z축을 회전축으로 했을 때의 경사각을 나타낼 수 있다. 경사각 α 및 경사각 β의 양(예를 들어, +)은 각각 x축, y축의 양의 방향(예를 들어, 정방향)에 대해 반시계방향으로 회전시켰을 때의 각도를 나타낼 수 있다. 경사각 γ의 양(예를 들어, +)은 z축의 양의 방향에 대해 시계방향으로 회전시켰을 때의 각도를 나타낸다.
좌표(mm) 편심(°)
X Y Z α β γ
아이박스의 중심점 0 0 0 0 0 0
결합기(153) 0 0 800 32.4 0 0
제4 자유곡면 거울(152) 0 -298.3 659.0 92.7 0 0
제3 자유곡면 거울(151) 0 -211.6 607.5 149.7 0 0
디스플레이 패널(140) 0 -212.4 643.5 178.7 0 0
제2 자유곡면 거울(133) 0 -391.6 813.7 163.1 0 0
제1 자유곡면 거울(132) 0 -277.9 767.6 -105.6 0 0
아나모픽 렌즈(131) 0 -513.5 766.9 1.2 0 0
빔 쉐이퍼(120) 0 -514.6 715.5 1.2 0 0
좌표(mm) 편심(°)
X Y Z α β γ
아이박스의 중심점 0 0 0 0 0 0
결합기(153) 0 0 750 32.4 0 0
제4 자유곡면 거울(152) 0 -298.3 609.0 92.7 0 0
제3 자유곡면 거울(151) 0 -211.6 557.5 149.7 0 0
디스플레이 패널(140) 0 -212.4 593.5 178.7 0 0
제2 자유곡면 거울(133) 0 -391.6 763.7 163.1 0 0
제1 자유곡면 거울(132) 0 -277.9 717.6 -105.6 0 0
아나모픽 렌즈(131) 0 -513.6 712.1 1.2 0 0
빔 쉐이퍼(120) 0 -514.7 660.7 1.2 0 0
좌표(mm) 편심(°)
X Y Z α β γ
아이박스의 중심점 0 0 0 0 0 0
결합기(153) 0 0 850 32.4 0 0
제4 자유곡면 거울(152) 0 -298.3 709.0 92.7 0 0
제3 자유곡면 거울(151) 0 -211.6 657.5 149.7 0 0
디스플레이 패널(140) 0 -212.4 693.5 178.7 0 0
제2 자유곡면 거울(133) 0 -391.6 863.7 163.1 0 0
제1 자유곡면 거울(132) 0 -277.9 817.6 -105.6 0 0
아나모픽 렌즈(131) 0 -513.4 821.5 1.2 0 0
빔 쉐이퍼(120) 0 -514.5 770.1 1.2 0 0
또한, 위에서 설명하였던 각 광학소자 중, 디스플레이 패널(140)보다 전단에 배치된 각 광학소자는 Off-Axis 광학계(소위, "축 분리 광학계")이고, 디스플레이 패널(140) 및 접안광학부(150)의 각 광학 소자는 On-Axis 광학계이다. 이에 따라, 상술한 정의식, 위치 좌표, 및 편심을 충족하면서, 광학 성능이 높은 광학계가 실현될 수 있다. 다만, 이는 단순한 예시로서, 각 광학 소자가 Off-Axis 광학계 또는 On-Axis 광학계인 지 관해서는, 다양한 조건(상술한 정의식, 위치 좌표, 편심, 또는 요구되는 광학 성능 등)에 따라 적절하게 변경될 수 있다.도 12은 다른 일 실시예에 따른 주사광학부 및 빔 쉐이퍼의 구성을 설명하는 도면이다. 도 13는 다른 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 12는 도 5 및 도 6에서 상술한 광원부(111)의 대신, 반도체 레이저 광원이 어레이 형상으로 배치된 광원부(114)를 설명한다. 광원부(114) 외의 나머지 구성은 도 1 내지 도 11에서 상술한 바와 동일한 구조로 구현될 수 있다.
도 13은 도 12에 설명된 광원부(114)를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 광원부(114)는 레이저 광원부(114-1a) 내지 레이저 광원부(114-1d), 시준 렌즈(114-2a) 내지 시준 렌즈(114-2d), 포물면 거울(114-3), 및 시준 렌즈(114-4)를 포함한다.
레이저 광원부(114-1a) 내지 레이저 광원부(114-1d)는 어레이 형태로 배치되어, 미리 정한 레이저 광을 방출하는 광원 소자이다. 도 13에서는 레이저 광원부(114-1a) 내지 레이저 광원부(114-1d)이라고 하는 4개의 레이저 광원부만 도시되어 있으나, 레이저 광원부의 개수는 한정되지 않고, 포물면 거울(114-3)의 크기, 또는 요구되는 광량 등에 기초하여 적절하게 변경될 수 있다. 참고로, 도 12에서는 세로 4열, 가로 4열로 배치된 총 16개의 레이저 광원부가 도시되었다. 또한, 각 레이저 광원부가 방출하는 레이저 광의 파장도 한정되지 않는다. 레이저 광들은 각 레이저 광의 파장에 관계없이 결합될 수 있다.
레이저 광원부(114-1a) 내지 레이저 광원부(114-1d)로부터 방출된 레이저 광은, 각각, 대응하는 시준 렌즈(114-2a) 내지 시준 렌즈(114-2d)를 투과함으로써 대략 평행한 레이저 광이 된다. 이러한 대략 평행한 레이저 광은, 포물면 거울(114-3)에 반사함으로써 포물면 거울(114-3)의 초점 위치에 배치된 시준 렌즈(114-4)에 집광됨으로써 결합된다.
도 14은 또 다른 일 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 14에 도시된 광원부(115)는 레이저 광에 의한 스펙클 노이즈(speckle noise)의 영향을 경감시킬 수 있다. 스펙클 노이즈는, 반사면이나 투과면에 미세한 요철이 있는 경우에, 레이저 광이 서로 간섭하여 밝은 반점(예를 들어, 휘점)이 발생하는 현상이다. 스펙클 노이즈가 발생하면, 이미지가 반짝이기 쉽게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 레이저 광은 협대역이기 때문에, 발광 파장이 일정하여 간섭이 쉽고, 스펙클 노이즈가 발생하기 쉽다.
도 14는 도 5 및 도 6에서 상술한 광원부(111) 대신, 집광 렌즈(115-4), 확산판(115-5), 모터(115-6), 및 시준 렌즈(115-7)를 포함하는 광원부(115)를 설명한다. 또한, 광원부(115) 외의 구성은 도 1 내지 도 11에서 설명한 구조와 동일하게 구현될 수 있다.
광원부(111)과 유사하게, 색선별 거울(115-3a) 및 색선별 거울(115-3b)에 의해 각 색상 광이 결합됨으로써 생성되는 백색광은, 집광 렌즈(115-4)에 입사한다. 각 색상 광은 R광원부(115-1a), G광원부(115-1b), B광원부(115-1c), 시준 렌즈(collimating lens)(115-2a) 내지 시준 렌즈(115-2c)에 의해 생성될 수 있다.
집광 렌즈(115-4)는, 입사된 레이저 광을, 확산판(115-5)에 집광시킨다. 그 후, 확산판(115-5)에서 산란된 레이저 광은, 시준 렌즈(115-7)을 투과함으로써 대략 평행한 레이저 광이 된다. 달리 말해, 시준 렌즈(115-7)에 의해 빔이 된다. 시준 렌즈(115-7)에 의해 빔이 됨으로써, 후단의 MEMS 스캐너(112)에 의한 주사가 수행될 수 있다.
여기서, 확산판(115-5)에 있어서, 레이저 광이 도달하는 위치에 따라, 확산판(115-5)으로부터 방출하는 레이저 광의 스펙클(speckle)의 상태가 변화한다. 더 나아가, 모터(115-6)가 확산판(115-5)을 회전시킴으로써, 확산판(115-5)로부터 방출된 레이저 광의 스펙클의 상태가 회전과 함께 변화한다.
이로 인해, 스펙클 노이즈가 평균화되어 감소된다. 보다 구체적으로, 임의의 시간의 방출광에 있어서 스펙클 노이즈가 발생하고 있으나, 모터(115-6)가 고속(예를 들어, 미리 정한 속도 이상)으로 확산판(115-5)을 회전시킴으로써, 스펙클 노이즈가 평균화되고, 육안으로 시인할 수 없는 정도까지 스펙클 노이즈를 경감시키는 것이 가능하다. 이로 인해 이미지의 반짝임이 경감된다.
또한, 상술한 구성은 단순한 예시로서, 상술한 광학 소자는 비슷한 기능을 가지는 다른 광학 소자로 적절하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 상술한 실시예에서, 헤드업 디스플레이 장치에 적용되어 있었으나, 헤드 마운트 디스플레이 장치 등에도 적용될 수 있다.
보다 나은 이미지 광을 관찰자의 눈에 집광시키는 것이 가능하다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.　　
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 이미지 표시 장치
110: 주사광학부
111, 114: 광원부
112: MEMS 스캐너
113: 포물면 거울
120: 빔 쉐이퍼
130: 조명광학부
131: 아나모픽 렌즈
132: 제1 자유곡면 거울
133: 제2 자유곡면 거울
140: 디스플레이 패널
150: 접안광학부
151: 제3 자유곡면 거울
152: 제4 자유곡면 거울

Claims (20)

  1. 이미지 표시 장치에 있어서,
    레이저 광(laser light)을 주사(scan)하는 주사광학부;
    상기 주사광학부로부터 주사된 레이저 광이 수직으로 입사(incident)되는 빔 쉐이퍼;
    자유곡면(free-form curve)을 가지는 2개의 반사 광학소자 및 하나의 아나모픽 렌즈를 포함하고, 상기 빔 쉐이퍼로부터 방출(emit)된 레이저 광을 디스플레이 패널에 조명(illuminate)하는 조명광학부;
    상기 조명광학부로부터 조명된 레이저 광을 이용하여 이미지를 표시하는 상기 디스플레이 패널; 및
    자유곡면을 가지는 3개의 반사 광학소자를 포함하고, 상기 디스플레이 패널로부터 방출된 이미지 광(image light)을 관찰자의 눈에 집광시키는 접안광학부
    를 포함하는 이미지 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 눈의 위치정보에 기초하여, 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어하는 제1 제어부
    를 더 포함하는 이미지 표시 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주사광학부는,
    레이저 주사부를 포함하고,
    상기 제1 제어부는,
    상기 레이저 주사부를 제어함으로써 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어하는,
    이미지 표시 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    상기 눈의 광축(optical axis)에 대해 수직인 방향의 위치 변화에 대응하여 상기 주사된 레이저 광이 상기 빔 쉐이퍼에 입사하는 위치를 제어함으로써, 상기 이미지 광을 집광시키는,
    이미지 표시 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 눈의 위치정보에 기초하여, 상기 빔 쉐이퍼의 위치를 제어하는 제2 제어부
    를 더 포함하는 이미지 표시 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 빔 쉐이퍼의 위치를 광축에 대해 전후로 제어하는,
    이미지 표시 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 눈이 광축에 대해 전후로 움직이는 경우에 응답하여 상기 빔 쉐이퍼의 위치를 제어함으로써, 상기 이미지 광을 집광시키는,
    이미지 표시 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔 쉐이퍼는,
    회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optics Element), 홀로그래픽 광학 소자(HOE, Holographic Optical Element), 또는 확산판(diffuser plate)인,
    이미지 표시 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 눈의 위치 정보에 기초하여, 상기 이미지의 컨텐츠를 제어하는 제3 제어부
    를 더 포함하는 이미지 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 제어부는,
    양안에 대해 서로 구별되는 우안 이미지 및 좌안 이미지를 제공하는,
    이미지 표시 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 주사광학부는,
    상기 레이저 광을 방출(emit)하는 광원부;
    상기 광원부로부터 방출된 레이저 광을 주사(scanning)하는 레이저 주사부(laser scanning unit); 및
    상기 레이저 주사부에 의해 주사된 레이저 광을 반사시킴으로써, 상기 레이저 광을 상기 빔 쉐이퍼로 입사시키는 거울
    을 더 포함하는 이미지 표시 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 주사부는,
    MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스캐너로 구현되고,
    상기 거울은,
    포물면 거울(parabolic mirror)로 구현되는,
    이미지 표시 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 레이저 광을 확산판에 집광(concentrate)시키는 집광 렌즈(condensing lens);
    상기 집광 렌즈에 의해 집광된 레이저 광을 산란시키는 상기 확산판;
    상기 확산판에 의해 산란된 레이저 광을 평행하게 함(collimating)으로써 생성된 평행광을 상기 레이저 주사부로 방출하는 시준 렌즈(collimating lens); 및
    상기 확산판을 회전시키는 모터
    를 포함하는 이미지 표시 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 접안광학부는,
    상기 디스플레이 패널로부터 방출된 이미지 광을 반사하는 전단(front end)의 자유곡면 거울;
    상기 전단의 자유곡면 거울에 의해 반사된 이미지 광을 추가로(additionally) 반사시키는 후단(back end)의 자유곡면 거울; 및
    상기 후단의 자유곡면 거울에 의해 반사된 이미지 광을 추가로 반사시킴으로써 이미지 광을 상기 눈에 집광시키는 결합기(combiner)
    를 포함하는 이미지 표시 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전단의 자유곡면 거울 및 상기 후단의 자유곡면 거울은,
    상기 전단의 자유곡면 거울로부터 상기 후단의 자유곡면 거울까지의 광로 사이에서 적어도 두 이미지 광들이 서로 교차(cross)하도록 배치되는,
    이미지 표시 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 후단의 자유곡면 거울 및 상기 결합기는,
    상기 후단의 자유곡면 거울로부터 상기 결합기까지의 광로 사이에서 이미지 광의 광선들 중 적어도 두 광선이 교차하도록 배치되는,
    이미지 표시 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 표시 장치는,
    헤드업디스플레이(HUD, head-up display) 장치인,
    이미지 표시 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널은,
    홀로그램 표시 디바이스로 구현되는,
    이미지 표시 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 광원부는,
    적색광, 녹색광, 및 청색광의 레이저 광을 결합(combine)으로써, 백색광을 생성하는,
    이미지 표시 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 광원부는,
    어레이 형상으로 배치된 반도체 레이저 광원들
    을 포함하는 이미지 표시 장치.
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