KR20220131720A

KR20220131720A - 비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20220131720A
Application number: KR1020210036755A
Authority: KR
Inventors: 이창건; 한우준; 김재순; 문석일; 성기영; 임승아
Original assignee: 삼성전자주식회사; 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-09-29
Also published as: EP4063937A1; JP2022146930A; US20220299776A1; CN115113396A

Abstract

비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 디스플레이 장치는, 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 및 상기 가상 영상과 외부 풍경을 담은 광을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 가상 영상의 크기를 제1 방향으로 제1 배율, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시키는 곡면을 포함할 수 있다.

Description

비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치 {Display apparatus including combiner having asymmetric magnification}

개시된 실시예들은 비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 이용하여 가상 영상의 종횡비를 증가시킬 수 있는 디스플레이 장치에 관한 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 증가시킬 수 있다.

비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 이용하여 가상 영상의 종횡비를 증가시킬 수 있는 디스플레이 장치를 제공한다.

시네마스코프 규격의 큰 종횡비를 갖는 가상 영상을 제공하는 증강 현실 디스플레이 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 디스플레이장치는, 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 및 상기 가상 영상과 외부 풍경을 담은 광을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 가상 영상의 크기를 제1 방향으로 제1 배율, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시키는 곡면을 포함할 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 가상 영상을 전달하는 투명 도파로를 포함하며, 상기 투명 도파로의 표면에 상기 곡면이 형성될 수 있다.

상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며, 상기 곡면은 상기 제1 표면에 형성된 제1 곡면 및 상기 제2 표면에 형성된 제2 곡면을 포함하고, 상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치될 수 있다.

상기 제1 곡면과 제2 곡면은, 광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고, 광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 가질 수 있다.

상기 제1 곡면과 제2 곡면은 상기 제2 방향으로 상기 컴바이너의 전체 폭보다 작은 폭을 가질 수 있다.

상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 투과한 가상 영상이 상기 투명 도파로의 내부를 진행하도록 배치될 수 있다.

상기 영상 형성 장치는 상기 제3 표면의 일부 영역에 마주하여 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제3 표면을 투과한 가상 영상을 반사하도록 배치될 수 있다.

상기 영상 형성 장치는 상기 제4 표면의 일부 영역에 마주하여 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제4 표면을 투과한 가상 영상을 반사하도록 배치될 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 제2 표면에 접하며 상기 제2 표면에 형성된 제2 곡면과 상보적인 형상을 갖는 표면 및 상기 제3 표면과 제4 표면으로부터 연장되는 표면들을 갖는 광투과판을 더 포함할 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 제2 표면에 배치된 반투과 코팅을 더 포함할 수 있다.

상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며, 상기 제1 표면은 평평한 경사면이고, 상기 제2 표면에 상기 곡면이 형성되며, 상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치될 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 곡면에 접하며 상기 곡면과 상보적인 형상을 갖는 표면 및 상기 제3 표면과 제4 표면으로부터 연장되는 표면들을 갖는 광투과판을 더 포함할 수 있다.

상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되며, 상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 투과한 가상 영상이 상기 투명 도파로의 내부를 진행하도록 배치될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 상기 영상 형성 장치와 상기 제3 표면 사이에 배치된 투사 광학계를 더 포함할 수 있다.

상기 곡면과 상기 투사 광학계는, 광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고, 광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 가질 수 있다.

상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며, 상기 제1 표면에 상기 곡면이 형성되어 있고, 상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치되며, 상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치될 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 제4 표면의 일부 영역에 배치되어 상기 가상 영상을 상기 제3 표면을 향해 반사하는 회절 패턴을 더 포함할 수 있다.

상기 회절 패턴은 경사지게 입사하는 광을 법선 방향으로 반사하는 제1 표면 및 수직하게 입사하는 광을 투과시키는 제2 표면을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 회절 패턴은 홀로그램 광학 소자, 회절 광학 소자, 또는 메타 표면일 수 있다.

상기 영상 형성 장치는 상기 곡면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되며, 상기 디스플레이 장치는 상기 영상 형성 장치와 상기 곡면 사이에 배치된 투사 광학계를 더 포함할 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 곡면에 배치된 반투과 코팅을 더 포함할 수 있다.

상기 컴바이너는 상기 반투과 코팅을 지지 및 고정하는 광투과판을 더 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 및 상기 가상 영상과 외부 풍경을 담은 광을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너;를 포함하며, 상기 컴바이너는: 경사지게 입사하는 광을 법선 방향으로 반사하는 제1 표면 및 수직하게 입사하는 광을 투과시키는 제2 표면을 구비하는 회절 패턴; 및 상기 영상 형성 장치와 상기 회절 패턴 사이에 배치된 투사 광학계;를 포함하고, 상기 회절 패턴과 상기 투사 광학계는 상기 가상 영상의 크기를 제1 방향으로 제1 배율, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시킬 수 있다.

상기 회절 패턴과 상기 투사 광학계는, 광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고, 광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 가질 수 있다.

개시된 실시예에 따르면, 디스플레이 장치의 컴바이너는 가로 방향의 배율이 세로 방향의 배율보다 더 큰 비대칭적인 배율을 가질 수 있다. 이러한 컴바이너는 가상 영상의 가로 방향 크기를 세로 방향 크기보다 더 증가시킬 수 있다. 따라서 시네마스코프 규격의 큰 종횡비를 갖는 넓은 시야각의 가상 영상을 제공할 수 있다. 또한 자유형상(freefrom)을 갖는 곡면 또는 자유형상 곡면에 등가적인 회절 패턴을 이용하여 가상 영상의 종횡비를 변화시킬 수 있기 때문에 컴바이너를 실제 안경과 같이 얇은 두께로 제작할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 컴바이너의 개략적인 형태를 예시적으로 보이는 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 컴바이너의 곡면들에 광학적으로 등가적인 광학계의 주평면과 초점면을 예시적으로 보인다.
도 4는 도 2에 도시된 컴바이너에 의한 가상 영상의 종횡비 증가를 예시적으로 보인다.
도 5는 실시예에 따른 디스플레이 장치를 채용한 전자기기를 예시적으로 도시한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 컴바이너의 개략적인 형태를 예시적으로 보이는 정면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 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, 다수의 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 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.

모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치(110), 및 가상 영상과 외부 풍경을 담은 빛을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너(120)를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(100)는 영상 형성 장치(110) 및 도시되지 않은 구동 회로, 전원, 추가적인 광학계 등을 포장하는 케이스(130)를 더 포함할 수 있다. 케이스(130)는 영상 형성 장치(110)를 컴바이너(120)에 고정시키는 역할도 할 수 있다.

영상 형성 장치(110)는 관찰자에게 제공할 가상 영상에 대한 영상 정보에 따라 광을 변조하여 가상 영상을 형성한다. 영상 형성 장치(110)에서 형성되는 가상 영상은, 예컨대, 관찰자의 좌안과 우안에 각각 제공되는 스테레오(stereo) 영상일 수도 있고, 또는 홀로그래픽 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있으며, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수도 있다. 또한, 영상 형성 장치(110)에서 형성되는 가상 영상은 이에 한정되지 않으며 일반적인 2차원 영상일 수도 있다.

영상 형성 장치(110)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 수도 있다. 영상 형성 장치(110)가 OLED 디스플레이 소자, Micro LED 등과 같이 자체 발광형 디스플레이 소자인 경우, 영상 형성 장치(110)는 단지 하나의 디스플레이 패널만을 포함할 수 있다. 그러나, 영상 형성 장치(110)가 LCoS 소자, LCD 소자 등과 같이 비발광형인 경우, 영상 형성 장치(110)는 조명광을 제공하는 광원 및 조명광의 경로를 조절하기 위한 광학계 등을 더 포함할 수 있다.

컴바이너(120)는 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L0)을 관찰자의 눈에 전달할 뿐 아니라, 이와 함께 관찰자 전방(front)의 외부의 풍경을 담은 광(L1)도 관찰자의 눈에 전달할 수 있다. 예를 들어, 컴바이너(120)는 가상 영상을 담은 광(L0)을 관찰자의 눈의 향해 반사하고 외부의 풍경을 담은 광(L1)을 관찰자의 눈의 향해 투과시킬 수 있다.

외부의 광(L1)은 별도의 디스플레이 패널에 의해 표시되는 인공적인 영상이 아니라, 관찰자의 정면에 존재하는 실제 전경을 담고 있다. 따라서, 관찰자는 영상 형성 장치(110)에서 인공적으로 생성된 가상 영상과 실제 전경을 함께 동시에 인지할 수 있다. 이에 따라 디스플레이 장치(100)는 투시형(see-through type) 디스플레이로 기능할 수 있게 된다. 또한 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality, MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 안경형, 고글형, 또는 헤드마운트형 근안(near-eye) AR 디스플레이 장치일 수 있다.

또한, 컴바이너(120)는 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상의 제1 방향(즉, x 방향) 크기를 제1 방향에 수직한 제2 방향(즉, z 방향) 크기보다 더 증가시킴으로써 시네마스코프 규격의 넓은 시야각으로 가상 영상을 제공할 수 있으며, 외부의 풍경을 담은 광(L1)을 실질적으로 왜곡 없이 투과시킬 수 있다. 이를 위해, 컴바이너(120)는 가상 영상을 담은 광(L0)의 광 경로 상에 배치된 비대칭적인 배율을 갖는 광학 요소, 및 외부의 풍경을 담은 광(L1)의 경로 상에 배치된 투명한 평판을 포함할 수 있다.

일 예에 따르면, 컴바이너(120)는 가상 영상을 전달하는 투명 도파로(121)를 포함할 수 있다. 투명 도파로(121)는 복수의 표면들을 포함하며, 복수의 표면들 중 적어도 하나의 표면에 자유형상(freefrom)을 갖는 곡면이 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 도파로(121)는 제2 방향(z 방향)을 따라 서로 마주하여 배치된 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2), 및 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2) 사이에서 제1 방향(x 방향) 및 제2 방향에 수직한 제3 방향(y 방향)을 따라 서로 마주하여 배치된 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)을 포함할 수 있다. 곡면은 제1 표면(S1)에 형성된 제1 곡면 및 제2 표면(S2)에 형성된 제2 곡면을 포함할 수 있다. 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치될 수 있다. 실시예에 따르면, 제1 표면(S1)에 형성된 제1 곡면과 제2 표면(S2)에 형성된 제2 곡면에 의해 가상 영상을 담은 광(L0)은 관찰자의 눈에 포커싱될 수 있다. 따라서, 관찰자는 넓은 시야각을 갖는 가상 영상을 감상할 수 있다.

영상 형성 장치(110)는 가상 영상을 담은 광(L0)을 투명 도파로(121)의 제1 표면(S1)에 제공하도록 배치될 수 있다. 또한, 케이스(130)는 투명 도파로(121)의 제1 표면(S1)을 덮도록 배치될 수 있다. 영상 형성 장치(110)는 케이스(130) 내에서 투명 도파로(121)의 제1 표면(S1)에 마주하도록 고정될 수 있다. 제1 표면(S1)은 제1 표면(S1)을 투과한 가상 영상을 담은 광(L0)이 투명 도파로(121)의 내부를 향해 경사지게 진행하도록 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 표면(S1)의 중심축이 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)에 대해 경사지도록 배치될 수 있다. 그러면, 도 1에 도시된 바와 같이, 가상 영상을 담은 광(L0)은 투명 도파로(121)의 내부에서 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)에 경사지게 입사할 수 있다.

가상 영상을 담은 광(L0)은 제1 표면(S1)을 통해 투명 도파로(121)의 내부로 들어간 후, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)에서 전반사되면서 -z 방향을 따라 투명 도파로(121)의 내부를 진행하게 된다. 그런 후, 가상 영상을 담은 광(L0)은 제2 표면(S2)에서 -y 방향으로 반사되어 제3 표면(S3)을 지나 관찰자의 눈에 입사한다. 제2 표면(S2)은 제2 표면(S2)에서 반사된 광이 제3 표면(S3)에 거의 수직하게 입사하도록 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 표면(S2)의 중심축이 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)에 대해 경사지도록 배치될 수 있다.

한편, 컴바이너(120)는 투명 도파로(121)의 제2 표면(S2)에 접하며 제2 표면(S2)에 형성된 제2 곡면과 상보적인 형상을 갖는 표면 및 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)으로부터 각각 연속적으로 연장되는 표면들을 갖는 광투과판(122)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 광투과판(122)은 투명 도파로(121)의 제2 표면(S2), 제3 표면(S3), 및 제4 표면(S4)을 함께 공유할 수 있다. 외부의 풍경을 담은 광(L1)은 -y 방향을 따라 제4 표면(S4)에 입사한 후, 제2 표면(S2)과 제3 표면(S3)을 순차적으로 통과하여 관찰자의 눈에 입사할 수 있다.

가상 영상을 담은 광(L0)을 반사하고 외부의 풍경을 담은 광(L1)을 투과시키기 위하여 제2 표면(S2)에는 반투과 코팅이 배치될 수 있다. 반투과 코팅은 단순히 입사광의 일부를 반사하고 나머지 일부를 통과시킬 수 있다. 그러면, 가상 영상을 담은 광(L0)의 일부가 제2 표면(S2)에서 반투과 코팅에 의해 반사되어 관찰자의 눈을 향해 진행하고, 외부의 풍경을 담은 광(L1)의 일부가 제2 표면(S2)에서 반투과 코팅을 투과하여 관찰자의 눈을 향해 진행할 수 있다. 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L0)이 편광 특성을 갖는다면, 반투과 코팅은 특정 편광 성분을 갖는 광을 반사하고 다른 편광 성분을 갖는 광을 투과시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 가상 영상을 담은 광(L0)이 제1 편광 성분을 갖는다면, 반투과 코팅은 제1 편광 성분을 갖는 광을 반사하고 제1 편광 성분에 수직한 제2 편광 성분을 갖는 광을 투과시킬 수도 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 컴바이너(120)의 개략적인 형태를 예시적으로 보이는 정면도이다. 도 2를 참조하면, 투명 도파로(121)와 광투과판(122)이 서로 접합되어 컴바이너(120)는 전체적으로 안경과 같은 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 표면(S1) 중 가상 영상을 담은 광(L0)에 대해 광학적으로 유효한 일부 영역에만 제1 곡면(C1)이 형성되고, 제2 표면(S2) 중 가상 영상을 담은 광(L0)에 대해 광학적으로 유효한 일부 영역에만 제2 곡면(C2)이 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)은 가상 영상을 담은 광(L0)이 지나가는 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2)의 일부 영역에만 형성될 수 있다. 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2)은 x 방향을 따라 연장될 수 있으며, x 방향으로 제1 표면(S1)의 일부 영역에 제1 곡면(C1)이 형성될 수 있고, x 방향으로 제2 표면(S2)의 일부 영역에 제2 곡면(C2)이 형성될 수 있다. 따라서, 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)의 x 방향 폭(W)은 컴바이너(120)의 x 방향 전체 폭보다 작을 수 있다.

영상 형성 장치(110)를 떠난 가상 영상을 담은 광(L0)은 제1 표면(S1) 중 제1 곡면(C1)이 형성된 영역에만 입사할 수 있다. 또한, 가상 영상을 담은 광(L0)은 제2 표면(S2) 중 제2 곡면(C2)이 형성된 영역에만 입사할 수 있다. 따라서, 가상 영상을 담은 광(L0)을 관찰자에게 반사하는 반투과 코팅(123)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 표면(S2) 전체에 형성되지 않고 제2 곡면(C2)에만 형성될 수도 있다.

영상 형성 장치(110)를 떠나 관찰자의 눈에 입사하는 가상 영상의 크기와 종횡비는 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)의 기하학적인 형태에 따라 결정될 수 있다. 수평 방향, 즉 x 방향의 시야각을 증가시켜 시네마스코프 규격의 넓은 시야각으로 가상 영상을 제공하기 위하여 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)은 비대칭적인 배율을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)은 가상 영상의 크기를 수평 방향인 x 방향으로 제1 배율, 수직 방향인 z 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시키는 비대칭적인 곡면 형태를 가질 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 컴바이너(120)의 곡면들에 광학적으로 등가적인 광학계의 주평면과 초점면을 예시적으로 보인다. 도 1 및 도 2에 도시된 컴바이너(120)에서는 가상 영상을 담은 광(L0)과 외부의 풍경을 담은 광(L1)을 결합시키기 위하여 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)이 경사지게 배치되고, 제1 곡면(C1)의 광축과 제2 곡면(C2)의 광축이 서로 일치하지 않는다. 그러나, 가상 영상을 담은 광(L0)에 대해 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)에 광학적으로 등가적인 역할을 하면서 공통 광축 상에서 서로 마주하여 배열된 곡면들을 갖는 광학계를 설정하는 것이 가능하다. 이하에서는, 설명의 편의상 등가적인 광학계의 곡면들을 컴바이너(120)의 제1 및 제2 곡면(C1, C2)과 동일하게 기재한다.

도 3을 참조하면, 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)은 x 방향과 z 방향으로 상이한 곡면 형태를 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 곡면(C1)의 x 방향 곡면 성분(C1x)은 z 방향 곡면 성분(C1z)과 상이한 형태를 가질 수 있고, 제2 곡면(C2)의 x 방향 곡면 성분(C2x)은 z 방향 곡면 성분(C2z)과 상이한 형태를 가질 수 있다. 여기서, x 방향 곡면 성분(C1x, C2x)은 광축(OX)을 포함하는 평면 중에서 x 방향에 평행하고 z 방향에 수직한 평면을 따른 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)의 단면으로서, 입사광을 x 방향으로 굴절시킨다. 또한, z 방향 곡면 성분(C1z, C2z)은 광축(OX)을 포함하는 평면 중에서 z 방향에 평행하고 x 방향에 수직한 평면을 따른 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)의 단면으로서, 입사광을 z 방향으로 굴절시킨다.

따라서, x 방향을 따른 제1 배율은 제1 곡면(C1)의 x 방향 곡면 성분(C1x)의 형태와 제2 곡면(C2)의 x 방향 곡면 성분(C2x)의 형태에 의해 결정될 수 있고, z 방향을 따른 제2 배율은 제1 곡면(C1)의 z 방향 곡면 성분(C1z)의 형태와 제2 곡면(C2)의 z 방향 곡면 성분(C2z)의 형태에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, 광학계의 배율은 광학계의 유효 초점 거리(effective focal length)에 의해 결정될 수 있다. 그런데, x 방향과 z 방향으로 광학계의 초점면(focal plane)의 위치가 달라지면 관찰자가 가상 영상을 선명하게 볼 수 있는 위치가 x 방향과 z 방향으로 달라지게 된다.

실시예에 따르면 x 방향과 z 방향으로 주평면(principal plane)의 위치가 달라지도록 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)을 구성할 수 있다. 주평면은 렌즈에 입사되는 평행 광선이 굴절되기 시작하는 것처럼 보이는 가상의 굴절면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광축(OX) 상에서 x 방향을 따른 주평면(Px)의 위치와 z 방향을 따른 주평면(Pz)의 위치가 다를 수 있다. 그러나, 광축(OX) 상에서 x 방향을 따른 초점면(P)의 위치와 z 방향을 따른 초점면(P)의 위치는 동일할 수 있다. 이 경우, x 방향과 z 방향으로 유효 초점 거리, 다시 말해 배율이 다르면서, x 방향과 z 방향을 따른 가상 영상의 상면(image plnae)이 일치할 수 있다. x 방향을 따른 주평면(Px)의 위치와 초점면(P)의 위치는 x 방향 곡면 성분(C1x, C2x)의 형태에 의해 결정될 수 있으며, z 방향을 따른 주평면(Pz)의 위치와 초점면(P)의 위치는 z 방향 곡면 성분(C1z, C2z)의 형태에 의해 결정될 수 될 수 있다.

상술한 바와 같이, x 방향과 z 방향을 따른 주평면의 위치가 상이하고 초점면의 위치가 일치하도록 x 방향과 z 방향으로 상이한 단면 형태들을 갖는 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)을 이용함으로써, 컴바이너(120)는 가상 영상의 종횡비를 증가시키고 x 방향의 시야각을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 2에 도시된 컴바이너(120)에 의한 가상 영상의 종횡비 증가를 예시적으로 보인다. 도 4를 참조하면, 영상 형성 장치(110)가, 예컨대 16:9의 종횡비를 갖는 가상 영상을 형성하는 경우, 컴바이너(120)를 통해 관찰자에게 보이는 가상 영상은 시네마스코프 규격인 21:9의 종횡비를 가질 수 있다. 영상 형성 장치(110)는 x 방향으로 가상 영상이 확대되는 정도를 고려하여, x 방향으로 압축된 가상 영상을 형성할 수 있다. 그러면 관찰자에게는 가상 영상이 정상적인 비율로 보이게 된다. 도 4에는 컴바이너(120)가 가상 영상의 종횡비를 16:9에서 21:9로 바꾸는 것으로 도시되었으나, 이는 단지 예시적인 것이고 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 영상 형성 장치(110)가 형성하는 가상 영상의 종횡비 및 컴바이너(120)를 통해 관찰자에게 보이는 가상 영상의 종횡비는 디스플레이 장치(100)의 설계에 따라 다르게 선택될 수 있다.

실시예에 따르면, 컴바이너(120)에 복수의 복잡한 곡면들을 형성하지 않고 단지 마주하는 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2)에만 비대칭적인 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)을 각각 형성함으로써 컴바이너(120)의 두께를 줄일 수 있다. 예를 들어, 약 3 mm 내지 약 6 mm 정도의 얇은 두께를 갖는 컴바이너(120)에도 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2)을 형성할 수 있다. 따라서, 얇은 두께의 컴바이너(120)로도 큰 종횡비를 갖는 넓은 시야각의 가상 영상을 제공할 수 있다. 또한, 컴바이너(120)를 포함하는 디스플레이 장치(100)의 크기와 무게를 저감할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상술한 디스플레이 장치(100)는 증강 현실 또는 혼합 현실을 구현하는데 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)를 채용한 전자기기를 예시적으로 도시한다. 도 5를 참조하면, 전자기기(200)는, 예컨대, 웨어러블(wearable) 장치, 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display), 안경형 디스플레이(glasses-type display), 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)일 수 있다. 전자기기(200)는 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다. 전자기기(200)는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 영상을 함께 제공할 수 있는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.

특히, 전자기기(200)가 안경형 근안 디스플레이 또는 고글형 근안 디스플레인 경우, 컴바이너(120)는 관찰자의 눈 앞에 배치되어 안경 스크린의 역할을 하게 되며, 케이스(130)는 컴바이너(120)를 지지하는 안경테의 역할을 할 수 있다. 케이스(130)는 안경의 다리부(temple)(231)로 연장될 수 있다. 다리부(231)에는 도시되지 않은 영상 처리 프로세서 등을 포함하는 제어 회로가 배치될 수 있다. 또한, 전자기기(200)는 좌안과 우안에 각각 하나씩 배치된 2개의 디스플레이 장치(100)를 포함할 수도 있으며, 또는 좌안과 우안 중 어느 하나에만 배치되는 단지 하나의 디스플레이 장치(100)를 포함할 수도 있다.

한편, 상술한 컴바이너(120)의 제1 곡면(C1)과 제2 곡면(C2) 중에서 제2 곡면(C2)은 광학적으로 제2 곡면(C2)과 동일한 역할을 할 수 있는 회절 패턴으로 대체될 수 있다. 이 경우, 광투과판(122)을 생략하고 투명 도파로(121)만으로 컴바이너를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 도 6은 다른 실시예에 따른 컴바이너의 개략적인 형태를 예시적으로 보이는 정면도이다. 도 6을 참조하면, 컴바이너(120a)는 투명 도파로(121a) 및 회절 패턴(125)을 포함할 수 있다. 투명 도파로(121a)는 서로 마주하여 배치된 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2), 및 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2) 사이에 마주하여 배치된 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)을 포함할 수 있다. 곡면은 제1 표면(S1)에만 형성될 수 있으며, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치될 수 있다.

회절 패턴(125)은 투명 도파로(121a)의 제4 표면(S4)의 일부 영역 내에 배치될 수 있다. 가상 영상을 담은 광(L0)은 제1 표면(S1)을 통해 투명 도파로(121a)의 내부에 들어온 후, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)에서 전반사를 통해 투명 도파로(121a)의 내부를 진행할 수 있다. 그런 후, 가상 영상을 담은 광(L0)은 제4 표면(S4)에 배치된 회절 패턴(125)에 입사할 수 있다.

회절 패턴(125)은 경사지게 입사하는 가상 영상을 담은 광(L0)을 제3 표면(S3)을 향해 반사하는 동시에 가상 영상을 담은 광(L0)을 포커싱하도록 구성될 수 있다. 특히, 회절 패턴(125)은 제2 곡면(C2)과 동일한 광학적 효과를 달성하도록 구성될 수 있다. 또한, 외부의 풍경을 담은 광(L1)에 대해 회절 패턴(125)은 단순히 투명한 평판의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 회절 패턴(125)은 경사지게 입사하는 광을 법선 방향으로 반사하는 제1 표면(125a) 및 제1 표면(125a)에 마주하여 배치되며 수직하게 입사하는 광을 투과시키는 제2 표면(125b)을 포함할 수 있다. 회절 패턴(125)의 제1 표면(125a)은 투명 도파로(121a)의 제4 표면(S4)과 직접 접하도록 배치될 수 있다.

이러한 회절 패턴(125)은 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE), 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element; HOE), 또는 메타 표면으로 이루어질 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 다수의 주기적인 미세한 격자 패턴을 포함할 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)의 다수의 격자 패턴은 회절 격자의 역할을 하여 입사광을 회절시킨다. 특히, 격자 패턴들의 크기, 높이, 주기 등에 따라서, 특정한 각도 범위로 입사하는 빛을 회절시켜 소멸 간섭과 보강 간섭을 발생시킴으로써 광의 진행 방향을 바꾸고 포커싱할 수 있다. 홀로그래픽 광학소자(HOE)는 격자 패턴 대신에 굴절률이 상이한 재료들의 주기적인 미세한 패턴들을 포함할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 회절 광학 소자(DOE)와 단지 구성의 차이만이 있을 뿐이며 동작 원리는 회절 광학 소자(DOE)와 동일할 수 있다. 또한, 회절 패턴(125)은 메타 표면으로 이루어질 수도 있다. 메타 표면은 주변보다 높은 굴절률을 가지며 입사광의 파장보다 작은 크기를 갖는 나노 규모의 패턴들을 포함할 수 있다. 이러한 나노 규모의 패턴들의 크기, 높이, 주기, 배열 분포, 굴절률 등에 따라 메타 표면은 특정한 광학적 효과를 달성할 수 있다.

가상 영상을 담은 광(L0)에 대해 회절 패턴(125)이 제2 곡면(C2)과 동일한 광학적 효과를 갖기 때문에, 제1 표면(S1)에 형성된 곡면과 회절 패턴(125)은 도 3에서 설명한 것과 동일한 기능을 수행하는 광학계를 구성할 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 컴바이너(120)의 광학적 기능에 대한 전술한 설명은 도 6에 도시된 컴바이너(120a)에도 그대로 적용될 수 있다.

도 7은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 디스플레이 장치(100a)는 영상 형성 장치(110), 컴바이너(120b), 및 케이스(130)를 포함할 수 있다. 컴바이너(120b)는 투명 도파로(121b) 및 광투과판(122)을 포함할 수 있다. 투명 도파로(121b)는 서로 마주하여 배치된 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2), 및 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2) 사이에 마주하여 배치된 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)을 포함할 수 있다. 곡면은 제2 표면(S2)에만 형성될 수 있으며, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 표면(S1)은 굴절력을 갖지 않는 평면 형태를 가질 수 있다. 또한, 제1 표면(S1)은 제1 표면(S1)을 투과한 가상 영상을 담은 광(L0)을 투명 도파로(121b) 내에 경사지게 진행시키는 평평한 경사면일 수 있다. 영상 형성 장치(110), 케이스(130), 및 광투과판(122)은 도 1에서 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

도 7에 도시된 컴바이너(120b)의 경우, 투명 도파로(121b)의 제2 표면(S2)에 형성된 하나의 곡면만으로 가상 영상을 담은 광(L0)의 종횡비를 증가시킬 수 있다. 이 경우, 곡면에 의해 관찰자의 눈에 포커싱되는 가상 영상의 x 방향 상면 위치와 z 방향 상면 위치가 상이할 수 있다. 관찰자가 x 방향 상면 위치와 z 방향 상면 위치와의 차이를 인지하지 못하도록 곡면의 x 방향 배율과 z 방향 배율의 차이가 작을 수 있다. 예를 들어, 투명 도파로(121b)의 제2 표면(S2)에 형성된 곡면의 x 방향 배율은 z 방향 배율의 약 1.05배 내지 약 1.15배일 수 있다. 도 7에 도시된 컴바이너(120b)는 제작이 용이하고 설계 비용이 저렴할 수 있다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 디스플레이 장치(100b)는 영상 형성 장치(110), 컴바이너(120c), 및 케이스(130)를 포함할 수 있다. 컴바이너(120c)는 투명 도파로(121c) 및 광투과판(122)을 포함할 수 있다. 투명 도파로(121c)는 서로 마주하여 배치된 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2), 및 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2) 사이에 마주하여 배치된 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)을 포함할 수 있다. 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2)에는 가상 영상을 담은 광(L0)을 포커싱하기 위한 곡면이 형성되어 있으며, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.

영상 형성 장치(110)는 제3 표면(S3)의 일부 영역에 마주하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 영상 형성 장치(110)는 제3 표면(S3)의 상부 영역에 마주하여 배치될 수 있다. 도 8에는 영상 형성 장치(110)와 제3 표면(S3) 사이에 간격이 있는 것으로 도시되었지만, 영상 형성 장치(110)가 제3 표면(S3)에 밀착하여 배치될 수도 있다. 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L0)은 +y 방향을 따라 제3 표면(S3)을 투과하여 제1 표면(S1)에 입사할 수 있다. 그런 후, 가상 영상을 담은 광(L0)은 제1 표면(S1)에 의해 경사지게 반사될 수 있다. 이를 위해, 제1 표면(S1)에는 반사 코팅이 형성될 수 있다. 따라서 제1 표면(S1)에 형성된 곡면은 오목한 반사면일 수 있다. 제1 표면(S1)의 반사면은 제3 표면(S3)을 향해 경사지게 배치될 수 있다.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 9에 도시된 디스플레이 장치(100c)는 도 8에 도시된 디스플레이 장치(100b)와 유사한 구성을 가지며, 단지 영상 형성 장치(110)의 위치가 상이하고, 컴바이너(120d)의 투명 도파로(121d)의 제1 표면(S1)이 도 8에 도시된 투명 도파로(121c)의 제1 표면(S1)과 좌우 반전된 형태를 갖는다. 영상 형성 장치(110)는 투명 도파로(121d)의 제4 표면(S4)의 상부 영역에 마주하여 배치될 수 있다. 그러면 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L0)은 -y 방향을 따라 제4 표면(S4)을 투과하여 제1 표면(S1)에 입사할 수 있다. 제1 표면(S1)의 반사면은 제4 표면(S4)을 향해 경사지게 배치될 수 있다.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 디스플레이 장치(100d)는 영상 형성 장치(110), 투사 광학계(140), 컴바이너(120e), 및 케이스(130)를 포함할 수 있다. 투사 광학계(140)는 영상 형성 장치(110)와 컴바이너(120e) 사이에 배치되며, 영상 형성 장치(110)와 함께 케이스(130) 내에 배치될 수 있다.

컴바이너(120e)는 투명 도파로(121e) 및 광투과판(122)을 포함할 수 있다. 투명 도파로(121e)의 제2 표면(S2)에는 곡면이 형성되어 있으며, 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 투명 도파로(121e)의 제1 표면(S1)은 굴절력을 갖지 않는 평평한 경사면이며, 제3 표면(S3)을 향해 경사지게 배치될 수 있다.

영상 형성 장치(110)와 투사 광학계(140)는 제3 표면(S3)의 상부 영역에 마주하여 배치될 수 있다. 영상 형성 장치(110)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L0)은 +y 방향을 따라 제3 표면(S3)을 투과하여 제1 표면(S1)에 입사할 수 있다. 그런 후, 가상 영상을 담은 광(L0)은 제1 표면(S1)에 의해 경사지게 반사될 수 있다. 이를 위해, 투명 도파로(121e)의 제1 표면(S1)에는 반사 코팅이 형성될 수 있다.

투사 광학계(140)는 투명 도파로(121e)의 제2 표면(S2)에 형성된 곡면과 함께 가상 영상의 종횡비를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 투사 광학계(140)는 도 2에 도시된 제1 곡면(C1)과 동일한 역할을 할 수 있다. 따라서, 투사 광학계(140)와 투명 도파로(121e)의 제2 표면(S2)에 형성된 곡면은 도 3에서 설명한 것과 동일한 기능을 수행하는 광학계를 구성할 수 있다. 투사 광학계(140)는 영상의 왜곡 또는 수차를 보상하기 위하여 복수의 렌즈 요소들을 포함할 수 있다.

도 7 내지 도 10에 도시된 실시예들은 도 6에 도시된 실시예와 결합될 수도 있다. 예를 들어, 도 7 내지 도 10에서 투명 도파로의 제2 표면에 형성된 곡면들은 모두 도 6에 도시된 회절 패턴(125)으로 대체될 수도 있다.

지금까지는 컴바이너가 전반사 방식의 투명 도파로를 포함하는 것으로 설명하였다. 그러나, 투명 도파로를 사용하지 않고 공기 중으로 가상 영상을 직접 전달할 수도 있다. 예를 들어, 도 11은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 디스플레이 장치(100e)는 영상 형성 장치(110), 투사 광학계(150), 및 컴바이너(120f)를 포함할 수 있다. 컴바이너(120f)는 곡면을 갖는 반투과 코팅(123)을 포함할 수 있다. 컴바이너(120f)는 또한 반투과 코팅(123)을 지지 및 고정하는 광투과판(124)을 더 포함할 수 있다. 광투과판(124)은 서로 접합된 제1 부분(124a)과 제2 부분(124b)을 포함할 수 있다. 반투과 코팅(123)은 광투과판(124)의 제1 부분(124a)과 제2 부분(124b) 사이의 접합면에 배치될 수 있다. 광투과판(124)의 제1 부분(124a)과 제2 부분(124b) 사이의 접합면은 서로 상보적인 곡면을 가질 수 있다.

투사 광학계(150)는 가상 영상을 담은 광(L0)을 반투과 코팅(123)에 직접 제공하도록 배치될 수 있다. 도 11에는 편의상 영상 형성 장치(110)가 투사 광학계(150)에 직접 광을 전달하는 것으로 도시되었지만, 추가적인 중계 광학계가 영상 형성 장치(110)와 투사 광학계(150) 사이에 배치될 수도 있다. 투사 광학계(150)를 통해 공기 중에서 가상 영상을 투사시키기 때문에 영상 형성 장치(110)의 위치 자유도가 증가할 수 있다.

투사 광학계(150)와 반투과 코팅(123)의 곡면은 함께 가상 영상의 종횡비를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 투사 광학계(140)는 도 2에 도시된 제1 곡면(C1)과 동일한 역할을 하고, 반투과 코팅(123)의 곡면은 도 2에 도시된 제2 곡면(C2)과 동일한 역할을 할 수 있다. 투사 광학계(150)와 반투과 코팅(123)의 곡면은 도 3에서 설명한 것과 동일한 기능을 수행하는 광학계를 구성할 수 있다.

도 11에 도시된 반투과 코팅(123)은 회절 패턴으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 디스플레이 장치(100f)의 컴바이너(120g)는 반투과 코팅(123) 대신에 회절 패턴(125)을 포함할 수 있다. 또한, 컴바이너(120g)는 회절 패턴(125)을 지지 및 고정하는 광투과판(124)을 더 포함할 수 있다. 광투과판(124)은 제1 부분(124a)과 제2 부분(124b)을 포함하며, 회절 패턴(125)은 광투과판(124)의 제1 부분(124a)과 제2 부분(124b) 사이에 고정될 수 있다.

투사 광학계(150)는 가상 영상을 담은 광(L0)을 회절 패턴(125)에 직접 제공하도록 배치될 수 있다. 회절 패턴(125)은 투사 광학계(150)로부터 경사지게 입사하는 가상 영상을 담은 광(L0)을 관찰자의 눈을 향해 반사하고 포커싱하도록 구성될 수 있다. 또한, 회절 패턴(125)은 외부의 풍경을 담은 광(L1)에 대해 투명한 평판의 역할을 할 수 있다. 이러한 회절 패턴(125)의 구성과 동작은 도 6에서 설명한 회절 패턴(125)과 동일할 수 있다. 또한, 투사 광학계(150)와 회절 패턴(125)은 도 3에서 설명한 것과 동일한 기능을 수행하는 광학계를 구성할 수 있다.

도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 디스플레이 장치(100g)의 컴바이너(120h)는 회절 패턴(125) 및 회절 패턴(125)을 지지 및 고정하는 광투과판(124)을 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 실시예에 달리, 도 13에 도시된 광투과판(124)은 일체로 구성된 하나의 평판이며, 회절 패턴(125)은 하나의 광투과판(124)의 표면에 부착될 수 있다. 그 외의 디스플레이 장치(100g)의 구성과 동작은 도 12에 도시된 디스플레이 장치(100f)와 동일할 수 있다.

상술한 비대칭적인 배율을 갖는 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100.....디스플레이 장치 110.....영상 형성 장치
120.....컴바이너 121.....투명 도파로
122, 124.....광투과판 123.....반투과 코팅
125.....회절 패턴 130.....케이스
140, 150.....투사 광학계 200.....전자 장치
231.....다리부

Claims

가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 및
상기 가상 영상과 외부 풍경을 담은 광을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너;를 포함하며,
상기 컴바이너는 상기 가상 영상의 크기를 제1 방향으로 제1 배율, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시키는 곡면을 포함하는, 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 가상 영상을 전달하는 투명 도파로를 포함하며, 상기 투명 도파로의 표면에 상기 곡면이 형성되어 있는, 디스플레이 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며,
상기 곡면은 상기 제1 표면에 형성된 제1 곡면 및 상기 제2 표면에 형성된 제2 곡면을 포함하고,
상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치되는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 곡면과 제2 곡면은,
광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고,
광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 갖는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 곡면과 제2 곡면은 상기 제2 방향으로 상기 컴바이너의 전체 폭보다 작은 폭을 갖는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되어 있으며,
상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 투과한 가상 영상이 상기 투명 도파로의 내부를 진행하도록 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 제3 표면의 일부 영역에 마주하여 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제3 표면을 투과한 가상 영상을 반사하도록 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 제4 표면의 일부 영역에 마주하여 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제4 표면을 투과한 가상 영상을 반사하도록 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 제2 표면에 접하며 상기 제2 표면에 형성된 제2 곡면과 상보적인 형상을 갖는 표면 및 상기 제3 표면과 제4 표면으로부터 연장되는 표면들을 갖는 광투과판을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 제2 표면에 배치된 반투과 코팅을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며,
상기 제1 표면은 평평한 경사면이고,
상기 제2 표면에 상기 곡면이 형성되며,
상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치되는, 디스플레이 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 곡면에 접하며 상기 곡면과 상보적인 형상을 갖는 표면 및 상기 제3 표면과 제4 표면으로부터 연장되는 표면들을 갖는 광투과판을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되며,
상기 제1 표면은 상기 제1 표면을 투과한 가상 영상이 상기 투명 도파로의 내부를 진행하도록 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 제3 표면의 일부 영역에 마주하여 배치되어 있으며, 상기 제1 표면은 상기 제3 표면을 투과한 가상 영상을 반사하도록 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치와 상기 제3 표면 사이에 배치된 투사 광학계를 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 곡면과 상기 투사 광학계는,
광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고,
광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 갖는, 디스플레이 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 투명 도파로는 서로 마주하여 배치된 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면 사이에 마주하여 배치된 제3 표면과 제4 표면을 포함하며,
상기 제1 표면에 상기 곡면이 형성되어 있고,
상기 제3 표면과 제4 표면은 굴절력을 갖지 않도록 서로 평행하게 배치되며,
상기 영상 형성 장치는 상기 제1 표면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되는, 디스플레이 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 제4 표면의 일부 영역에 배치되어 상기 가상 영상을 상기 제3 표면을 향해 반사하는 회절 패턴을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 회절 패턴은 경사지게 입사하는 광을 법선 방향으로 반사하는 제1 표면 및 수직하게 입사하는 광을 투과시키는 제2 표면을 포함하는, 디스플레이 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 회절 패턴은 홀로그램 광학 소자, 회절 광학 소자, 또는 메타 표면인, 디스플레이 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 곡면을 향해 상기 가상 영상을 제공하도록 배치되며,
상기 디스플레이 장치는 상기 영상 형성 장치와 상기 곡면 사이에 배치된 투사 광학계를 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 곡면에 배치된 반투과 코팅을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 반투과 코팅을 지지 및 고정하는 광투과판을 더 포함하는, 디스플레이 장치.
가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 및
상기 가상 영상과 외부 풍경을 담은 광을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너;를 포함하며,
상기 컴바이너는:
경사지게 입사하는 광을 법선 방향으로 반사하는 제1 표면 및 수직하게 입사하는 광을 투과시키는 제2 표면을 구비하는 회절 패턴; 및
상기 영상 형성 장치와 상기 회절 패턴 사이에 배치된 투사 광학계;를 포함하고,
상기 회절 패턴과 상기 투사 광학계는 상기 가상 영상의 크기를 제1 방향으로 제1 배율, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제1 배율보다 작은 제2 배율만큼 변화시키는, 디스플레이 장치.
제 24 항에 있어서,
상기 회절 패턴과 상기 투사 광학계는,
광축 상의 제1 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제1 방향을 따른 단면을 갖고,
광축 상의 제1 위치와 상이한 제3 위치에 주평면을 형성시키고 광축 상의 제2 위치에 초점면을 형성시키는 상기 제2 방향을 따른 단면을 갖는, 디스플레이 장치.
제 24 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 회절 패턴을 지지 및 고정하는 광투과판을 더 포함하는, 디스플레이 장치.