KR20200043768A - 투시형 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

투시형 디스플레이 장치는 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자로부터의 제1영상 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상을 결합한 결합 영상을 출사하는 광결합기; 및 상기 디스플레이 소자와 상기 광결합기 사이에 배치되어, 상기 제1영상의 광 중, 소정 각도 범위의 유효광을 상기 광결합기에 입사되는 방향으로 경로 변환하고, 나머지 각도 범위의 노이즈 광은 상기 광결합기에 입사되지 않는 방향으로 경로 변환하는 노이즈 저감 프리즘;을 포함한다.

Description

투시형 디스플레이 장치{See-through type display apparatus}
본 개시는 투시형 디스플레이 장치에 대한 것이다.
가상 현실 (Virtual reality, VR)을 제공하는 헤드 마운트 디스플레이는 현재 상용화 단계에 이르러 엔터테인먼트 산업에 널리 적용되고 있는 추세이다. 이와 더불어 의료, 교육, 산업 분야에서 응용이 가능한 형태로 발전하고 있다.
가상 현실 디스플레이의 발전된 형태인 증강 현실(Augmented reality, AR) 디스플레이는 현실 세계와 가상 현실을 결합해주는 영상 장치로 현실과 가상 사이의 상호 작용을 이끌어 낼 수 있는 특징을 가진다. 현실과 가상 현실의 상호 작용은 현실 상황에 대하여 실시간으로 정보를 제공하는 기능을 기반으로 하며, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킨다.
이러한 디스플레이에서 영상 노이즈 및 외부 전경의 노이즈가 사용자의 시야에 도달할 수 있으며 이에 의해 시인성이 저하된다.
본 개시는 노이즈가 저감된 투시형 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자로부터의 제1영상 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상을 결합한 결합 영상을 출사하는 것으로, 상기 제1영상이 입사하는 제1면, 상기 제2영상이 입사하는 제2면, 상기 결합 영상이 출사되는 출사면을 구비하는 광결합기; 및 상기 디스플레이 소자와 상기 광결합기 사이에 배치되어, 상기 제1영상의 광 중, 소정 각도 범위의 유효광을 상기 광결합기에 입사되는 방향으로 경로 변환하고, 나머지 각도 범위의 노이즈 광은 상기 광결합기에 입사되지 않는 방향으로 경로 변환하는 복수의 경사면들을 구비하는 노이즈 저감 프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 노이즈 저감 프리즘은 상기 제1영상이 입사하는 입사면; 상기 입사면에 대해 기울어진 제1경사면; 및 상기 제1경사면에 대해 기울어지고, 상기 광결합기의 제1면과 마주하는 제2경사면;을 포함할 수 있다.
상기 광결합기의 제1면과 상기 노이즈 저감 프리즘의 제2경사면은 서로 나란할 수 있다.
상기 노이즈 저감 프리즘의 제2경사면과 상기 광결합기의 제1면 사이에는 상기 제2경사면이 전반사면으로 작용하도록 에어갭(air gap)이 마련될 수 있다.
상기 유효광은 상기 제1경사면에서 전반사되어 상기 제2경사면을 향하고, 상기 노이즈 광 중 적어도 일부는 상기 제1경사면을 투과하여 외부를 향하도록, 상기 입사면에 대한 상기 제1경사면의 경사 각도가 정해질 수 있다.
상기 유효광이 상기 제2경사면을 투과하여 상기 광결합기의 제1면에 입사하도록, 상기 제1경사면에 대한 상기 제2경사면의 경사각도가 정해질 수 있다.
상기 노이즈 광 중, 상기 제1경사면에서 전반사된 광은 상기 제2경사면에서 전반사되어 외부를 향하도록, 상기 제1경사면에 대한 상기 제2경사면의 경사각도가 정해질 수 있다.
상기 제2경사면과 상기 입사면은 서로 연결될 수 있다.
상기 제2경사면과 상기 입사면 사이의 각은 직각이며, 상기 제1경사면과 상기 입사면 사이의 각과, 상기 제1경사면과 상기 제2경사면 사이의 각은 서로 다를 수 있다.
상기 노이즈 저감 프리즘은 상기 제2경사면과 상기 입사면을 연결하는 제3 경사면;을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 경사면은 상기 제1경사면과 나란할 수 있다.
상기 노이즈 저감 프리즘은 상기 제1경사면과 상기 제2경사면을 연결하는 제3 경사면;을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 경사면은 상기 입사면과 나란할 수 있다.
상기 광결합기의 제1면과 제2면 사이의 각은 둔각일 수 있다.
상기 노이즈 저감 프리즘의 입사면과 상기 광결합기의 출사면은 같은 평면 상에 놓이도록 상기 노이즈 저감 프리즘이 배치될 수 있다.
상기 노이즈 저감 프리즘의 입사면과 상기 광결합기의 제2면은 같은 평면 상에 놓이도록 상기 노이즈 저감 프리즘이 배치될 수 있다.
상기 광결합기는 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 출사면 및 상기 제1면과 마주하는 제3면을 구비하는 광도파로; 상기 광도파로 내부에 상기 출사면에 대해 비스듬하게 배치된 빔 스플리터; 및 상기 광도파로의 제3면에 인접 배치된 오목 미러;를 포함할 수 있다.
상기 빔 스플리터는 하프 미러(half mirror)일 수 있다
상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 제2영상의 광 중 상기 제2면에 비스듬하게 입사하는 광이 상기 광결합기로부터 출사되지 않도록 하는 복수의 편광자를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 편광자는 상기 제2면 상에 배치된 제1편광자; 및 상기 제1면 상에 배치되고, 상기 제1편광자와 편광축이 수직인 제2편광자;를 포함할 수 있다.
상기 제3면과 상기 오목 미러 사이에 배치된 1/4 파장판; 및 상기 출사면 상에 배치되고, 상기 제1편광자와 편광축이 나란한 제3편광자;를 더 포함할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 빔 스플리터의 일면에 배치된 타원 편광판;을 더 포함할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 웨어러블 디바이스(wearable device)일 수 있다.
상술한 투시형 디스플레이 장치는 디스플레이 장치에서 형성된 영상 중 노이즈 성분이 저감된 결합 영상을 제공할 수 있다.
상술한 투시형 디스플레이 장치는 추가적으로, 실사 영상 광의 노이즈 성분을 저감한 결합 영상을 제공할 수 있고, 및/또는 디스플레이 장치에서 형성한 영상이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 상술한 투시형 디스플레이 장치는 양호한 품질의 증강 현실 디스플레이를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 비교예에 따른 투시형 디스플레이 장치에서 노이즈 광이 시야에 도달하는 광경로를 개략적으로 보인다.
도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 4는 도 3의 투시형 디스프레이 장치에 구비되는 노이즈 저감 프리즘에 입사한 광의 예시적인 광경로를 입사각에 따라 상세히 보인 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 노이즘 저감 프리즘의 형태를 다양한 입사각에 따른 광경로와 함께 보인 도면이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 노이즘 저감 프리즘의 형태를 보인 도면이다.
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.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 서로 다른 경로로부터의 제1영상과 제2영상을 결합하여 관찰자에게 제공할 수 있는 디스플레이 장치이다. 제1영상은 예를 들어, 디스플레이 소자에서 형성된 영상일 수 있고, 제2영상은 외부 전경, 즉, 실사 영상일 수 있다.
디스플레이 소자에서 형성되는 제1영상은 유효광과 노이즈 광을 포함할 수 있다. 제1영상의 광은 광결합기를 거쳐 관찰자의 시야에 도달하기까지의 광경로에서 반사, 굴절, 포커싱 등의 작용을 겪게 된다. 이 때, 제1영상 광의 출사각에 따라 일부 광은 의도된 위치에서 반사, 굴절, 포커싱되며 관찰자의 시야에 도달하며, 이러한 광을 유효광으로 지칭할 것이다. 한편, 일부 광은 다수의 의도하지 않은 위치에서 반사, 굴절, 포커싱 등의 작용을 겪은 후 관찰자에 시야에 도달하게 되며, 이는 영상 화질을 저하시키는 노이즈가 된다. 이러한 광을 노이즈 광으로 지칭할 것이다.
실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 이러한 노이즈를 최소화하기 위해, 노이즈 제거기를 광결합기의 입사 측에 구비하고 있다. 노이즈 제거기는 제2영상의 광 중, 유효광만이 광결합기에 입사하게 하고 노이즈 광은 광결합기에 입사하지 않는 방향, 즉, 투시형 디스플레이 장치의 외부로 경로 변환시킨다.
이에 따라, 관찰자의 시야에는 제1영상의 광과, 노이즈 광은 포함하지 않는 제2영상의 광이 결합된 결합 영상이 제공될 수 있다.
제1영상은 실사의 제2영상에 대한 추가적인 정보 등을 포함하도록 디스플레이 소자에서 형성한 가상 현실 영상일 수 있으며, 실시예의 투시형 디스플레이 장치는 증강 현실 디스플레이 장치로 적용될 수 있다.
도 2는 비교예에 따른 투시형 디스플레이 장치에서 노이즈 광이 시야에 도달하는 광경로를 개략적으로 보인다.
비교예에 따른 투시형 디스플레이 장치(10)는 디스플레이 소자(11), 광도파로(12), 빔 스플리터(13), 오목 미러(14)를 포함한다.
광도파로(12), 빔 스플리터(13), 오목 미러(14)는 디스플레이 소자(11)로부터의 제1영상의 광과 외부 영상인 제2영상의 광을 결합하는 광결합기의 역할을 한다.
디스프레이 소자(10)로부터의 광이 관찰자의 시야에 도달하는 광경로를 살펴보면, 실선으로 표시한 유효광(Le)의 경로 외에, 점선으로 표시한 노이즈 광(Ln)이 관찰자의 시야에 도달하고 있다.
실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 이러한 노이즈 광(Ln이 관찰자의 시야에 도달하지 않도록, 디스플레이 소자(100)로부터의 영상 광 중 유효광(Le)만이 광결합기(12)에 도달할 수 있는 구조를 채택하고 있다.
도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이고, 도 4는 도 3의 투시형 디스프레이 장치에 구비되는 노이즈 저감 프리즘에 입사한 광의 예시적인 광경로를 입사각에 따라 상세히 보인 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1000)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(700) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(700) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(700)에 입사하지 않도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(200)을 포함한다.
디스플레이 소자(100)는 제1영상 정보에 따라 광을 변조하여, 제1영상에 대한 제1광(L1)을 형성한다. 제1영상은 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있고, 3차원 영상은 홀로그램(hologram) 영상, 스테레오(stereo) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있고 또한, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수 있다.
디스플레이 소자(100)는 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수 있다.
광결합기(700)는 제1영상에 대한 제1광(L1)과 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하여 출사하는 것으로, 제1영상이 입사하는 제1면(300a), 제2영상이 입사하는 제2면(300b) 및 결합 영상이 출사되는 출사면(300c)을 구비한다.
광결합기(700)는 제1면(300a), 제2면(300b), 출사면(300c) 및 제1면(300a)과 마주하는 제3면(300d)을 구비하는 광도파로(300)와 광도파로(300) 내에 배치되고 출사면(300c)에 대해 기울어진 빔 스플리터(400), 제3면(300d)에 인접 배치된 오목 미러(500)를 포함한다.
빔 스플리터(400)는 입사광의 일부는 반사, 일부는 투과시키는 것으로 하프 미러(half mirror)일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 일편광은 반사, 다른 편광은 투과시키는 편광 빔 스플리터가 사용될 수도 있다.
오목 미러(500)는 빔 스플리터(400)를 투과한 제1광(L1)이 오목 미러(500), 빔 스플리터(400)를 경유한 후 관찰자의 시야에 포커싱되도록 오목한 반사면을 구비한다.
노이즈 저감 프리즘(200)은 제1영상에 대한 제1광(L1) 중, 소정 각도 범위의 유효광(L1_e)을 광결합기(700)에 입사되는 방향으로 경로 변환하고, 나머지 각도 범위의 노이즈 광(L1_n)은 광결합기(700)에 입사되지 않는 방향으로 경로 변환하는 복수의 경사면들을 구비한다.
도 4를 참조하면, 노이즈 저감 프리즘(200)은 제1영상이 입사하는 입사면(200a), 입사면(200a)에 대해 기울어진 제1경사면(200b) 및 제1경사면(200b)에 대해 기울어지고, 광결합기(700)의 제1면(300a)과 마주하는 제2경사면(200c)을 포함한다.
광결합기의 제1면(300a)과 노이즈 저감 프리즘(200)의 제2경사면(200c)은 서로 나란할 수 있다.
노이즈 저감 프리즘(200)의 제2경사면(200c)과 광결합기(700)의 제1면(300a) 사이에는 제2경사면(200c)이 전반사면으로 작용하도록 에어갭(air gap)(G)이 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 노이즈 저감 프리즘(200)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 물질이 이 영역에 채워질 수도 있다.
제1경사면(200b), 제2경사면(200c)의 경사각은 유효광(L1_e)이 광결합기(700)의 제1면(300a)으로 입사하고, 노이즈 광(L1_n)은 광결합기(700)의 제1면(300a)으로 입사되지 않고 투시형 디스플레이 장치(1000)의 외부로 빠져나가도록 정해질 수 있다.
유효광(L1_e)의 경로를 살펴보면, 유효광(L1_e)은 제1경사면(200b)에서 전반사되어 제2경사면(200c)을 향하고, 제2경사면(200c)에서는 전반사되지 않고 제2경사면(200c)을 투과하여 광결합기(700)의 제1면(300a)에 입사할 수 있는 경로로 진행한다.
노이즈 광(L1_n)의 경로를 살펴보면, 노이즈 광(L1_n)은 제1경사면(200b)을 투과하거나, 또는, 제1경사면(200b)에서 전반사되어 제2경사면(200c)을 향한 후, 제2경사면(200c)에서 전반사되는 경로로 진행할 수 있다.
제1경사면(200a), 제2경사면(200b)의 각도는 소정 각도 범위의 유효광(L1_e) 및 나머지 범위의 노이즈 광(L1_n)에 대해 이러한 광경로가 만족되도록 정해질 수 있다.
입사면(200a)에 대한 제1경사면(200b)의 경사 각도는 유효광(L1_e)은 제1경사면(200b)에서 전반사되고, 노이즈 광(L1_n) 중 적어도 일부는 제1경사면(200b)을 투과하여 외부를 향하도록 정해질 수 있다.
제1경사면(200b)에 대한 제2경사면(200c)의 경사 각도는 유효광(L1_e)이 제2경사면(200c)을 투과하여 광결합기(700)의 제1면(300a)에 입사하고, 제1경사면(200b)에서 전반사되어 제2경사면(200c)에 입사하는 노이즈 광(L1_n)이 전반사되도록 정해질 수 있다.
이러한 각도는 유효광(L1_e)의 각도 범위 및 노이즈 저감 프리즘(200)의 굴절률에 의해 정해지는 전반사 임계각을 함께 고려하여 정해지게 된다.
도시된 바와 같이, 노이즈 저감 프리즘(200)은 제2경사면(200c)과 입사면(200a)은 서로 연결된, 삼각 프리즘 형상을 가질 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
노이즈 저감 프리즘(200)은 상기 요건들 외에, 광결합기(700), 디스플레이 소자(100)와의 배치 형태를 함께 고려하여 형상이 정해질 수 있으며, 예를 들어, 제2경사면(200c)과 입사면(200a) 사이의 각을 직각으로 하고, 제1경사면(200b)과 입사면(200a) 사이의 각과, 제1경사면(200b)과 상기 제2경사면(200c) 사이의 각을 서로 다르게 하여 상기 요건을 만족시키도록 할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 유효광(L1_e)의 각도 범위, 노이즈 저감 프리즘(200)의 굴절률에 따라, 두 각이 같은 경우에도 이러한 요건이 만족될 수도 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1001)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(700) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(700) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(700)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(700)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(200)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1001)는 디스플레이 소자(100), 노이즈 저감 프리즘(200)의 배치 형태에서만 도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)는 노이즈 저감 프리즘(200)의 입사면(200a)과 광결합기(700)의 제2면(300b)이 같은 평면 상에 놓이도록 노이즈 저감 프리즘(200)이 배치된 것과 달리, 본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1001)는 노이즈 저감 프리즘(200)의 입사면(200a)과 광결합기(700)의 출사면(300c)이 같은 평면 상에 놓이도록 노이즈 저감 프리즘(200)이 배치되고 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1002)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(700) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(700) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(700)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(700)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(202)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1002)는 디스플레이 소자(100)의 배치 위치 및 노이즈 저감 프리즘(202)의 형상에서 도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
노이즈 저감 프리즘(202)은 제1영상이 입사하는 입사면(202a), 입사면(202a)에 대해 기울어진 제1경사면(202b), 제1경사면(202b)에 대해 기울어지고 광결합기(700)의 제1면(300a)과 마주하는 제2경사면(202c) 및 입사면(202a)과 제2경사면(202c)을 연결하는 제3경사면(202d)을 포함한다.
노이즈 저감 프리즘(202)은 같은 모양의 두 삼각 프리즘이 연결되게 붙여진 형상일 수 있고, 이에 따라 제3경사면(202d)은 제1경사면(202b)은 서로 나란할 수 있다.
디스플레이 소자(100)로부터의 광 중 노이즈 광(L1_n)은 제1경사면(202b)을 투과하거나 또는 제1경사면(202b)에서 전반사된 후 다시 제2경사면(202c)에서 전반사되어 광결합기(700)를 향하지 않는 방향으로 투시형 디스플레이 장치(1002)를 빠져나갈 수 있고, 유효광(L1_e)은 제1경사면(202b), 제3경사면(202d)을 투과하여 광결합기(700) 쪽으로 진행할 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1003)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(703) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(703) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(703)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(703)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(203)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1003)는 두께, 즉, 도면에서 가로 방향 폭을 줄일 수 있도록 도 5의 투시형 디스플레이 장치(1001)에서의 노이즈 저감 프리즘(200) 및 광도파로(300)의 일부 단부를 컷팅한 형태인 점에서 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
노이즈 저감 프리즘(203)의 입사면(203a)은 도 5의 투시형 디스플레이 장치(1001)에 비해 제1광(L1)의 진행 방향 쪽으로 이동된 위치가 되고, 광결합기(703)의 출사면(303c)과 노이즈 저감 프리즘(203)의 입사면(203a) 사이 영역에 디스플레이 소자(100)가 배치된다. 즉, 디스플레이 소자(100)는 광결합기(703)의 출사면(303c)과 같은 평면에 놓이고 있어 투시형 디스플레이 장치(1003)의 가로 방향 폭이 도 5에 비해 감소하고 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1004)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(704) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(704) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)은 광결합기(704)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(704)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(204)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1004)는 노이즈 저감 프리즘(204)의 형상 및 광도파로(304) 형상에서 도 5의 투시형 디스플레이 장치(1001)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광도파로(304)는 제1광(L1)이 입사하는 제1면(304a), 제2광(L2)이 입사하는 제2면(304b), 결합영상의 광이 출사하는 출사면(304c), 제1면(304a)과 마주하는 제3면(304d)을 포함한다. 제1면(304a)과 제2면(304b)이 이루는 각은 둔각, 즉, 90도보다 큰 각으로 형성되고 있다.
노이즈 저감 프리즘(204)은 입사면(204a), 제1경사면(204b), 제2경사면(204c)을 포함하며, 제2경사면(204c)은 광결합기(704)의 제1면(304a)과 나란하다. 이에 따라 노이즈 저감 프리즘(304)은 입사면(204a)과 제2경사면(204c) 사이의 각이 광결합기(704)의 제1면(304a)과 제2면(304b)이 이루는 각과 같은 둔각을 가지는 형상이 된다. 이 각을 둔각으로 하면서, 노이즈 광(L1_n)은 투시형 디스플레이 장치(1004) 외부로 빠져나가고 유효광(L1_e)이 광결합기(704)의 제1면(304a)으로 입사하게 하도록 나머지 두 각도를 정할 수 있다.
제1면(304a)과 제2면(304b) 사이의 각도가 둔각인 광도파로(304) 형태에 의해 제2영상에 대한 제2광(L2) 중 노이즈 광(L2_n)이 관찰자의 시야에 도달하지 않을 수 있다. 도시된 바와 같이, 광결합기(704)에 비스듬하게 입사하는 노이즈 광(L2_n)은 제1면(304a)에서 전반사되어 관찰자의 시야가 아닌, 외부로 빠져나갈 수 잇다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1005)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(700) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(700) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(700)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(700)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(200)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1005)는 제2영상에 대한 제2광(L2) 중 노이즈 광(L2_n1)(L2_n2)이 관찰자의 시야에 도달하지 않게 하는 광학 부재들이 더 구비된 점에서 도 5의 투시형 디스플레이 장치(1001)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
광도파로(300)의 제2면(300b) 상에는 제1편광자(810)가 배치되고, 광도파로(300)의 제1면(300a) 상에는 제2편광자(820)가 배치된다. 제1편광자(810), 제2편광자(820)는 서로 수직인 편광축을 가지며, 예를 들어, 제1편광자(810)는 제1편광(↔)의 광을 투과시키는 편광축, 제2편광자(820)는 제2편광(⊙)의 광을 투과시키는 편광축을 가질 수 있다.
이러한 두 편광자(810)(820)에 의해 노이즈 광(L2_n1)은 관찰자의 시야에 도달하지 못한다. 노이즈 광(L2_n1)은 제1편광자(810)를 지나며 제1편광(↔)의 광이 되고, 다시 이와 수직인 제2편광자(820)에 입사되므로 이를 투과하지 못한다.
또한, 광도파로(300)의 제3면(300d) 상에 1/4 파장판(840)이 배치되고, 광도파로(300)의 출사면(300c) 상에 제3편광자(830)가 배치될 수 있다. 제3편광자(830)는 제1편광자(810)와 동일한 편광축을 가질 수 있다. 즉, 제1편광(↔)의 광을 투과시키는 편광축을 가질 수 있다.
이러한 1/4 파장판(840), 제3편광자(830)에 의해 노이즈 광(L2_n2)은 관찰자의 시야에 도달하지 못한다. 노이즈 광(L2_n2)은 제1편광자(810)를 지나며 제1편광(↔)의 광이 되며 다음, 1/4 파장판(840)을 투과하여 원편광의 광이 되고, 오목 미러(500)에서 반사된 후 반대 방향의 원편광의 광이 된다. 다음, 다시 1/4 파장판(840)을 지난 후 제2편광(⊙)의 광이 되어 제3편광자(830)에 입사한다. 제3편광자(830)는 제1편광(↔)의 광만을 투과시키므로 입사된 제2편광(⊙)의 노이즈 광(L2_n2)은 흡수된다.
이러한 구조의 투시형 디스플레이 장치(1005)는 제2광(L2)의 노이즈 광(L1_n1)(L1_n2)이 관찰자의 시야에 들어오지 않도록 제거할 뿐 아니라, 디스플레이 소자(100)로부터의 유효광(L1_e) 중 일부가 빔 스플리터(400)에서 반사될 때 외부로 유출되는 것을 방지할 수도 있다.
도시된 바와 같이, 유효광(L1_e) 중 일부는 하프 미러인 빔 스플리터(400)에서 일부 반사될 수 있다. 광결합기(700)에 입사되는 유효광(L1_e)은 제2편광자(820)를 지나며 입사되기 때문에, 제2편광(⊙)의 광으로 입사하므로, 제1편광(↔)의 광을 투과시키는 제1편광자(810)에 흡수된다. 따라서, 디스플레이 소자(100)에서 형성한 영상이 외부로 유출되어 원치 않게 타인의 시야에 인지되는 것을 막을 수 있다.
도면에서는 서로 다른 방향의 두 종류의 노이즈 광(L2_n1)(L2_n2)을 제거하기 위한 제1 내지 제3편광자(810)(820)(830) 및 1/4파장판(840)이 모두 구비된 것으로 도시하였으나 이는 예시적인 것이다. 필요에 따라 선택적으로, 제1편광자(810)와 제2편광자(820)만이 구비될 수도 있고, 또는 제1편광자(810), 1/4 파장판(840), 제3편광자(830)들 만이 구비될 수도 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 광학적 배치를 보이는 도면이다.
투시형 디스플레이 장치(1006)는 디스플레이 소자(100), 디스플레이 소자(100)에서 형성된 제1영상에 대한 제1광(L1) 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상에 대한 제2광(L2)을 결합하는 광결합기(700) 및 디스플레이 소자(100)와 광결합기(700) 사이에 배치되어 제1광(L1) 중 노이즈 광(L1_n)이 광결합기(700)에 입사하지 않고 유효광(L1_e)이 광결합기(700)에 입사하도록 경로 변경하는 노이즈 저감 프리즘(200)을 포함한다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1006)는 빔 스플리터(400)의 일면에 배치된 타원 편광판(410)을 더 포함하는 점에서 도 5의 투시형 디스플레이 장치(1001)과 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
타원 편광판(410)은 빔 스플리터(400)이 두 면 중 제1면(300a)을 향하는 면 상에 배치되어, 유효광(L1_e) 중 일부가 빔 스플리터(400)에서 반사될 때 외부로 유출되지 않도록 한다. 제1면(300a)을 통해 입사된 유효광(L1_e)은 빔 스플리터(400)에 도달하기 전에 타원 편광판(410)에 의해 타원 편광의 광이 되고 이 중 일부가 빔 스플리터(400)에서 반사되며 다시 타원 편광판(410)에 입사된다. 빔 스플리터(400)에서 반사될 때, 입사된 타원 편광과 반대 방향의 타원 편광을 가지게 되므로, 타원 편광판(410)을 투과하지 못하고 흡수된다.
이러한 구조에 의해, 디스플레이 소자(100)에서 형성한 영상이 외부로 유출되어 원치 않게 타인의 시야에 인지되는 것을 막을 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 노이즘 저감 프리즘의 형태를 다양한 입사각에 따른 광경로와 함께 보인 도면이다.
노이즈 저감 프리즘(210)은 디스플레이 소자(미도시)에서 형성한 제1영상에 대한 광들(L1_1)(L1_2)(L1_3)이 입사되는 입사면(210a), 입사면(210a)에 대해 기울어진 제1경사면(210b), 제1경사면(210b)에 대해 기울어지고, 광결합기(미도시)와 마주하는 제2경사면(210c)을 구비한다.
입사면(210a)과 제1경사면(210b) 사이의 각(α), 제1경사면(210b)과 제2경사면(210c) 사이의 각(β), 입사면(210a)과 제2경사면(210c) 사이의 각(γ)은 유효광이 제2경사면(210c)을 투과하여 광결합기에 입사하고, 노이즈 광은 다른 방향으로 경로 변경되도록 정해질 수 있다.
한편, 이러한 각도 값은 유효광의 각도 범위에 의존하게 되므로, 입사각이 각각 θ1, θ2, θ3인 제1-1광(L1_1), 제1-2광(L1_2), 제1-3광(L1_3)의 광경로를 예시하여 세 각도 값을 설정하는 방법을 살펴보기로 한다.
입사각이 θ1인 제1-1광(L1_1)이 유효광에 해당하는 각도 범위일 때, 위치①에서 제1경사면(210b)에의 입사각 α-θ1은 전반사 임계각(θc)보다 커야 한다. 이러한 제1-1광(L1_1)이 노이즈 광에 해당하는 각도 범위일 때 α-θ1은 전반사 임계각(θc) 이하의 값으로 설정될 수 있다.
입사각이 θ2인 제1-2광(L1_2)이 유효광에 해당하는 각도 범위일 때, 제1-2광(L1_2)이 제1경사면(210b)에서 전반사되도록, 위치②에서 제1경사면(210b)에의 입사각 α+θ2은 전반사 임계각(θc)보다 커야 한다. 이러한 제1-2광(L1_2)이 노이즈 광에 해당하는 각도 범위일 때 α+θ2는 전반사 임계각(θc) 이하의 값으로 설정될 수 있다. 제1경사면(210b)에서 전반사되어 제2경사면(210c)에 도달한 경우에도 제1-2광(L1-2)이 유효광, 노이즈 광 여하에 따라, 제2경사면(210b)에의 입사각 α+θ3-γ에 대한 조건이 설정될 수 있다.
입사각이 θ3인 제1-3광(L1_3)이 유효광에 해당하는 각도 범위일 때, 제1-3광(L1_3)이 제2경사면(210c)에서 전반사되도록, 위치④에서 제2경사면(210c)에의 입사각 90°-β+θ3은 전반사 임계각(θc)보다 커야 한다. 이러한 제1-3광(L1_3)이 노이즈 광에 해당하는 각도 범위일 때 α+θ2는 전반사 임계각(θc) 이하의 값으로 설정될 수 있다.
상술한 요건들을 고려하여, α, β, γ를 정할 수 있다. 세 각은 모든 다른 값이 될 수도 있고, 두 각이 같은 값을 가질 수도 있다. 또한, 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 다른 광학 요소들과의 배치 관계를 고려하여, 어느 한 각을 둔각 또는 직각 등으로 미리 설정하는 것도 가능하다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 노이즘 저감 프리즘의 형태를 보인 도면이다.
노이즈 저감 프리즘(210')은 도 11에서 설명한 바 같이 각도 설정된 노이즈 저감 프리즘(210)이 일단을 커팅하여, 제1경사면(210b)과 제2경사면(210c)을 연결하는 제4경사면(210d)을 구비하는 형태이다. 입사면(210a), 제1경사면(210b), 제2경사면(210c)의 상대적인 경사 각도는 도 11에서 설명한 것과 동일하므로 정해진 유효광 범위 광을 제2경사면(210b)에서 투과시키고 노이즈 광은 다른 방향으로 경로 변경할 수 있다. 또한, 노이즈 저감 프리즘(210)의 일부 영역이 커팅된 형태이므로 이를 채용하는 투시형 디스플레이 장치의 부피를 줄일 수 있다.
상술한 투시형 디스플레이 장치들은 디스플레이 소자에서 형성된 영상과 현실 세계의 영상을 관찰자에게 함께 보여줄 수 있으므로, 증강 현실(augmented reality)(AR)을 구현하는데 적용될 수 있다.
증강 현실(AR)은, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 결합하여 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 위치에서, 현실 세계가 제공하는 환경에 대한 부가적인 정보를 영상 형성부에서 형성하여 관찰자에게 제공할 수 있다. 이러한 증강 현실(AR) 디스플레이는 비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적용될 수 있다.
현실 세계의 영상은 실사(real environment)에 한정되지 않으며, 예를 들어, 다른 영상 기기에서 형성한 영상이 될 수도 있다. 따라서, 상술한 투시형 디스플레이 장치는 두 영상을 함께 보여주는 멀티 영상 디스플레이 장치로 적용될 수도 있다.
상술한 투시형 디스플레이 장치들은 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다. 투시형 디스플레이 장치들의 구성요소의 전부나 또는 일부가 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 투시형 디스플레이 장치들은 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)의 형태로 적용될 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않으며, 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)로 적용될 수 있다.
상술한 투시형 디스플레이 장치들은 스마트폰(smart phone)등, 다른 전자 기기에 연동 또는 연결되어 동작할 수 있다. 예를 들어, 투시형 디스플레이 장치를 구동하는 제어부가 스마트폰(smart phone)에 구비될 수 있다. 뿐만 아니라, 스마트폰에 상술한 투시형 디스플레이 장치가 구비되게 하여 스마트폰 자체를 투시형 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
1000, 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 : 투시형 디스플레이 장치
100 : 디스플레이 소자
200, 202, 203, 204, 210, 210' - 노이즈 저감 프리즘
300, 303, 304 - 광도파로
400 - 빔 스플리터
410 - 타원 편광판
500 - 오목 미러
700, 703, 704 - 광결합기
810, 820, 830 - 제1, 제2, 제3 편광자
840 - 1/4 파장판
L1, L1_1, L1_2, L1_3 - 제1광
L1_e - 제1영상 중 유효광
L1_n - 제1영상 중 노이즈 광,
L2 - 제2광
L2_n1, L2_n2 - 제2영상 중 노이즈 광

Claims (23)

  1. 디스플레이 소자;
    상기 디스플레이 소자로부터의 제1영상 및 상기 제1영상과 다른 경로로부터의 제2영상을 결합한 결합 영상을 출사하는 것으로, 상기 제1영상이 입사하는 제1면, 상기 제2영상이 입사하는 제2면, 상기 결합 영상이 출사되는 출사면을 구비하는 광결합기; 및
    상기 디스플레이 소자와 상기 광결합기 사이에 배치되어, 상기 제1영상의 광 중, 소정 각도 범위의 유효광을 상기 광결합기에 입사되는 방향으로 경로 변환하고, 나머지 각도 범위의 노이즈 광은 상기 광결합기에 입사되지 않는 방향으로 경로 변환하는 복수의 경사면들을 구비하는 노이즈 저감 프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘은
    상기 제1영상이 입사하는 입사면;
    상기 입사면에 대해 기울어진 제1경사면; 및
    상기 제1경사면에 대해 기울어지고, 상기 광결합기의 제1면과 마주하는 제2경사면;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광결합기의 제1면과 상기 노이즈 저감 프리즘의 제2경사면은 서로 나란한, 투시형 디스플레이 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘의 제2경사면과 상기 광결합기의 제1면 사이에는
    상기 제2경사면이 전반사면으로 작용하도록 에어갭(air gap)이 형성된, 투시형 디스플레이 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유효광은 상기 제1경사면에서 전반사되어 상기 제2경사면을 향하고, 상기 노이즈 광 중 적어도 일부는 상기 제1경사면을 투과하여 외부를 향하도록,
    상기 입사면에 대한 상기 제1경사면의 경사 각도가 정해진, 투시형 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유효광이 상기 제2경사면을 투과하여 상기 광결합기의 제1면에 입사하도록,
    상기 제1경사면에 대한 상기 제2경사면의 경사각도가 정해진, 투시형 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노이즈 광 중, 상기 제1경사면에서 전반사된 광은 상기 제2경사면에서 전반사되어 외부를 향하도록,
    상기 제1경사면에 대한 상기 제2경사면의 경사각도가 정해진, 투시형 디스플레이 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2경사면과 상기 입사면은 서로 연결된, 투시형 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2경사면과 상기 입사면 사이의 각은 직각이며,
    상기 제1경사면과 상기 입사면 사이의 각과, 상기 제1경사면과 상기 제2경사면 사이의 각은 서로 다른, 투시형 디스플레이 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘은
    상기 제2경사면과 상기 입사면을 연결하는 제3 경사면;을 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 경사면은 상기 제1경사면과 나란한, 투시형 디스플레이 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘은
    상기 제1경사면과 상기 제2경사면을 연결하는 제3 경사면;을 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 경사면은 상기 입사면과 나란한, 투시형 디스플레이 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 광결합기의 제1면과 제2면 사이의 각은 둔각인, 투시형 디스플레이 장치.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘의 입사면과 상기 광결합기의 출사면은 같은 평면 상에 놓이도록 상기 노이즈 저감 프리즘이 배치된, 투시형 디스플레이 장치.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 노이즈 저감 프리즘의 입사면과 상기 광결합기의 제2면은 같은 평면 상에 놓이도록 상기 노이즈 저감 프리즘이 배치된, 투시형 디스플레이 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광결합기는
    상기 제1면, 상기 제2면, 상기 출사면 및 상기 제1면과 마주하는 제3면을 구비하는 광도파로;
    상기 광도파로 내부에 상기 출사면에 대해 비스듬하게 배치된 빔 스플리터; 및
    상기 광도파로의 제3면에 인접 배치된 오목 미러;를 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 하프 미러(half mirror)인, 투시형 디스플레이 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2영상의 광 중 상기 제2면에 비스듬하게 입사하는 광이 상기 광결합기로부터 출사되지 않도록 하는 복수의 편광자를 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 편광자는
    상기 제2면 상에 배치된 제1편광자; 및
    상기 제1면 상에 배치되고, 상기 제1편광자와 편광축이 수직인 제2편광자;를 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3면과 상기 오목 미러 사이에 배치된 1/4 파장판; 및
    상기 출사면 상에 배치되고, 상기 제1편광자와 편광축이 나란한 제3편광자; 를 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 빔 스플리터의 일면에 배치된 타원 편광판;을 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 웨어러블 디바이스(wearable device)인, 투시형 디스플레이 장치.
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