WO2015174563A1 - 단일 방향성의 빔을 이용한 영상 표시 장치 및 방법 - Google Patents

단일 방향성의 빔을 이용한 영상 표시 장치 및 방법 Download PDF

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WO2015174563A1
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optical
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lens
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안호영
김정우
김태호
최병룡
황성우
김상원
정대영
구지연
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삼성전자 주식회사
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Definitions

  • the present disclosure relates to an image display apparatus using a unidirectional beam.
  • Video display devices are widely used in a wide variety of fields such as advertising, games, medicine, and culture.
  • the pixel size of an image display device is gradually reduced to realize a high resolution, and the structure of the image display device is being diversified in the form of providing a 3D image and an Augmented Reality (AR) image.
  • AR Augmented Reality
  • the amount of data to be processed becomes larger than that of a general 2D image, and in addition, as the resolution is increased, a large number of pixels having a small size must be formed. In addition, driving difficulty increases, and power consumption during use also increases.
  • the present disclosure provides an image display apparatus having a structure capable of reducing the number of pixels for image display using human visual recognition characteristics.
  • An image display device includes a lens worn on an eye of a user; Embedded in the lens or disposed on the surface of the lens, a plurality of optical elements are arrayed to form an image to be projected onto the retina of the user, and the resolution of the image formed by the plurality of optical elements is the periphery of the retina.
  • a display panel unit configured to have the plurality of optical elements higher;
  • an image signal processor configured to generate an image signal according to the image information to be displayed on the display panel and to control on / off of each of the plurality of optical elements according to the image signal.
  • the plurality of optical devices may be arranged such that the distribution density at the center portion is higher than the distribution density at the peripheral portion.
  • the plurality of optical devices may be configured such that the directing angles of the optical devices positioned in the center and the directing angles of the optical devices located in the peripheral portion thereof are different from each other.
  • the plurality of optical devices may be disposed such that an angle formed between the light emitting surface of the optical device and the lens surface at a position facing the light emitting surface is larger than the optical device disposed at the peripheral portion.
  • a direction control device for adjusting the direction of the light emitted from the optical device may be further provided.
  • the plurality of optical devices may be configured such that a pixel size formed by an optical device located at a peripheral portion of the plurality of optical devices is larger than a pixel size formed by an optical device located at a central portion.
  • Microlenses may be further provided to reduce the divergence angle of the light emitted from the optical device.
  • the microlens may be configured such that a divergence angle of light emitted from the optical device is 1/60 ° or more and 1/5 ° or less.
  • the microlens may have an open form only in the paraxial range.
  • the optical device may include a light emitting structure layer for generating light and a reflector disposed above and below the light emitting structure layer to form a mode in which light generated in the light emitting structure layer is emitted in only one direction.
  • the optical device may include a laser or a resonant cavity light emitting diode (RCLED).
  • RCLED resonant cavity light emitting diode
  • the image display device may further include a pressure sensor for detecting eye movement.
  • the image signal processor may recognize the gaze direction from the signal sensed by the pressure sensor, and generate an image signal such that an image corresponding to the center of the gaze direction becomes high resolution and the peripheral portion is low resolution.
  • the image signal processor may be implemented as a separate device separate from the lens, and the signal from the image signal processor may be wirelessly transmitted to the display panel.
  • the image display method includes the step of forming an image to be projected on the viewer's retina by using a plurality of optical elements for generating and emitting unidirectional light, the resolution of the image is the center of the retina It can be higher than the periphery.
  • the plurality of optical elements may be arranged such that the distribution density at the center portion is higher than the distribution density at the peripheral portion.
  • the plurality of optical devices may be configured such that the direction angles of the optical devices positioned at the center and the optical angles of the optical devices positioned at the peripheral portion thereof are different from each other.
  • the plurality of optical devices may be configured such that a pixel size formed by an optical device located at a peripheral portion of the plurality of optical devices is larger than a pixel size formed by an optical device located at a central portion.
  • the image display method may include detecting eye movement by detecting eye movements; The method may further include generating an image signal such that the image corresponding to the center of the gaze direction becomes high resolution and the peripheral portion is low resolution.
  • the image display apparatus described above may make an image using a single directional beam without spreading and directly irradiate the image onto the user's retina. Therefore, even if the user is located very close to the user's eyes, the user can recognize the image from the image display device can implement the display device in the form of a contact lens.
  • the method since the method is used to directly irradiate the retina with an image made using a unidirectional beam with no spread, it does not involve control of the lens to recognize it. That is, since image recognition other than the image from the image display apparatus described above is not disturbed, it is easy to implement augmented reality by using the image display apparatus as the additional information image apparatus.
  • the pixel arrangement such that the central portion of the retina is densely formed and the peripheral portion is relatively low density, the number of pixels required for displaying an image can be reduced. Thus, productivity in manufacturing can be increased, and power consumption in use can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a video display device according to an embodiment.
  • FIG. 2 exemplarily shows a resolution distribution on a retina of an image to be formed by a display panel unit of an image display device according to an exemplary embodiment.
  • FIG 3 illustrates a pixel arrangement of a display panel unit employed in the video display device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a conceptual view illustrating that an image display apparatus according to the embodiment may form an image recognized by a human eye at a very close distance to the human eye.
  • FIG. 5 shows a schematic structure of an optical element that is employed in a display panel portion of an image display device to form a beam without spreading.
  • FIG. 6 is a view illustrating a microlens for reducing the divergence angle of a beam emitted from an optical device by being used in the display panel of FIG. 5.
  • FIG. 7 illustrates an optical path in which a display panel unit of an image display apparatus according to an embodiment forms an image on a viewer's retina.
  • 8A and 8B illustrate a pixel arrangement of a display panel unit of a video display device according to another exemplary embodiment, respectively, and are a plan view and a cross-sectional view, respectively.
  • FIG. 9 exemplarily illustrates an optical path in which the display panel of FIGS. 8A and 8B form an image on a viewer's retina.
  • the image display method uses a method of forming an image to be projected onto the viewer's retina by using a plurality of optical elements that generate and emit unidirectional light.
  • the central retina is higher than the periphery.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an image display apparatus 1000 according to an exemplary embodiment in which the above-described method is performed.
  • FIG. 2 is a view illustrating a display panel 110 of the image display apparatus 1000 according to an exemplary embodiment. The resolution distribution of the image I to be formed on the retina is shown by way of example.
  • the image display apparatus 1000 is a display device in the form of a contact lens worn on a user's eyes, and the display panel 110 disposed on the lens L may display an image formed by using a non-spread beam of the user's retina. It has a structure that can project onto it. The structure of an optical device capable of forming a beam without spreading will be described later.
  • the display panel 110 has a structure capable of reducing the number of pixels necessary for forming an image. For this purpose, the display panel 110 utilizes human visual recognition characteristics. Looking at human visual cognitive characteristics, the color-sensitive cone cells are concentrated in the visual center of the retina, and the density decreases toward the periphery.
  • a small area in the central retina is mapped to a large portion of the primary visual cortex of the cerebral occipital lobe to which the retinal optic nerve is connected. This is called cortical magnification. Therefore, when the image is formed on the retina, the resolution of a small area where the optic nerve is densified is increased and the resolution of the peripheral area is lower than this, so that the structure of the pixel can be reduced and the required number of pixels can be reduced.
  • the resolution of the image formed by the display panel 110 on the retina of the user's eye is determined so that the center of the retina is higher than the peripheral portion.
  • the distribution density of the pixel image PI formed on the retina may be higher than the distribution density of the periphery.
  • a specific configuration of the display panel 110 for forming the central portion of the image I formed on the retina higher than the peripheral portion will be described later.
  • the image display apparatus 1000 generates an image signal according to the display panel unit 110 and the image information to be displayed on the display panel unit 110 of the above-described feature, and displays the display panel unit 110 according to the generated image signal.
  • An image signal processor 200 for forming a control signal for controlling the on / off of each of the plurality of optical elements constituting the.
  • the image display apparatus 1000 may include an antenna 180 for wirelessly receiving an image signal from the image signal processor 200, and a controller configured to control the display panel 110 according to control information received from the antenna 180 ( 120 may further include an energy storage unit 130 in which energy to be supplied to generate light to each of the plurality of optical elements of the display panel unit 110 is stored.
  • the energy storage unit 130 may include an energy harvesting unit, generate energy therefrom, and provide electrical energy to the display panel 110.
  • the image display apparatus 1000 may further include a pressure sensor 140 for detecting eye movement.
  • the pressure sensor 140 may be provided in plural in each direction along the periphery of the lens L, and may detect the amount of eyeball rotation from the pressure difference applied to the skin around the eye as the eyeball rotates.
  • the eyeball direction can be determined from the amount of eyeball rotation sensed by the pressure sensor 140, and the image signal processor 200 receives this information, and the center part has high resolution and the peripheral part has low resolution based on the position of the image corresponding to the eyeball direction.
  • the image signal is processed to be such that the image is displayed on the display panel 110.
  • the configuration of the display panel 110, the antenna 180, the controller 120, the energy storage unit 130, and the pressure sensor 140 is disposed on the lens L, and the image signal processor 200 includes the lens ( It may be implemented in the form of a separate device spaced apart from L), for example, a portable mobile device.
  • FIG 3 illustrates a pixel arrangement of the display panel 110 employed in the video display device according to the embodiment.
  • the display panel 110 includes a plurality of optical elements P arranged in an array.
  • the optical device P is a device that generates and emits a beam without spreading, and the unit area illuminated by the light will be referred to as a pixel.
  • the plurality of optical elements P are arranged so that the distribution density of the central portion P is higher than the distribution density of the peripheral portion, that is, more densely in the central portion. This arrangement is intended to increase the resolution at the central portion of the retina where the optic nerve is dense.
  • the distribution density that changes from the center to the periphery is exemplary.
  • the plurality of optical devices (P) is shown as being arranged in a concentric circle, this is exemplary and may be arranged in a polygonal form.
  • the density of the optical element P distribution at the peripheral portion is lowered, and the optical elements P disposed at the peripheral portion are formed by the pixels formed by the optical elements P disposed at the center portion. It may be configured to form larger pixels.
  • FIG. 4 is a conceptual view illustrating that an image display apparatus according to the embodiment may form an image recognized by a human eye at a very close distance to the human eye.
  • the eye which can be described as an optical system, can accurately image an object from an infinite distance at a near point to an object at a distance of about 10 cm. Objects closer than this cannot be imaged, so use an assistive tool. However, even using an optical instrument such as a lens, the near point cannot be made within 1 cm and the image becomes inaccurate due to diffraction and aberration. That is, with a general optical system for collecting a bundle of rays, an image formed at a very close distance to the eyes is hardly recognized by the user's eyes.
  • the display panel 110 employed in the image display apparatus 1000 according to the present embodiment forms a single directional light having almost no spread, forms an image using the same, and directly irradiates the image to the retina of the user's eye.
  • the image drawn on the retina is recognized.
  • the lens can be recognized by the human eye even if it is formed at a close distance d, for example, a distance of about 5 cm or less, which cannot be recognized by the user's eye. . Therefore, the image display device may be implemented in the form of a lens that may be worn on the human eye.
  • FIG 5 illustrates a detailed configuration of an optical device P constituting the display panel unit 110 of the video display device according to the embodiment.
  • the display panel unit 110 includes optical devices P1, P2, and P3 for generating light having different wavelengths.
  • Each of the optical devices P1, P2, and P3 defines subpixels of different colors.
  • the plurality of sub-pixels form a unit pixel, and an image may be formed by a combination of light formed in each of the plurality of unit pixels. In the drawing, only one unit pixel is shown for convenience.
  • the optical elements P1, P2, and P3 generate and emit unidirectional beams.
  • expressions such as a beam without spreading, a straight beam, and a unidirectional beam are mixed. All have similar meanings.
  • the degree of 'no spread', 'straight' and 'unidirectional' is not limited to 100% perfect, but is not recognized by the user's retina without undergoing focusing of the lens. It means the degree that can be clearly recognized.
  • the display panel 110 may be embedded in the lens L or disposed on the surface of the lens 110.
  • a plurality of optical elements P1, P2, and P3 constituting the display panel unit 110 are shown embedded in the lens 110.
  • the present invention is not limited thereto and disposed on the surface of the lens 110. It may also be implemented in the form.
  • the optical devices P1, P2, and P3 have light emitting structure layers 21, 22 and 23 for generating light, and light generated in the light emitting structure layers 21, 22 and 23 in one direction only.
  • the reflector 20 is disposed above and below the light emitting structure layers 21, 22, 23 to form an emission mode.
  • the light emitting structure layers 21, 22, and 23 may be formed of a semiconductor layer that generates light through a combination of electrons and holes, and may include a plurality of layers.
  • the semiconductor device may include an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer for electron injection and hole injection, an active layer in which injected electrons and holes are combined.
  • the emission wavelength band may be adjusted according to the materials forming the light emitting structure layers 21, 22, and 23.
  • the light emitting structure layers 21, 22, and 23 may have red (R) and green ( G), the material may be determined so that light of blue (B) is formed.
  • the reflector 20 may be configured as a distributed Bragg reflector (DBR) in which a plurality of dielectric material layers having different dielectric constants are alternately stacked to a predetermined thickness.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the number of layers constituting the reflector 20 is not limited to the illustrated form, and may be appropriately determined in consideration of reflection efficiency.
  • a laser or a resonant cavity light emitting diode may be employed as the optical devices P1, P2, and P3.
  • FIG. 6 illustrates a microlens ML that may be employed in the display panel unit 110 of FIG. 5.
  • the emitted beam may have a slight divergence angle, and a microlens ML may be employed to compensate for this.
  • the microlens ML may function to collimate the beam emitted from the optical device P1.
  • the microlens ML since spherical aberration may occur in a region relatively far from the optical axis, the microlens ML may be used in a form in which only the paraxial region is opened and other regions are shielded.
  • the beam collimated by the microlenses ML may be parallel or have a very small divergence angle.
  • the divergence angle ⁇ of the beam collected from the microlens ML does not need to be smaller than 1/60 °.
  • the microlens ML may be provided to reduce the divergence angle ⁇ of the beam emitted from the optical device P1 within about 1/5 °.
  • the drawing shows a microlens ML for reducing the beam in the optical element P1, the microlens ML may be applied to the optical elements P2 and P3.
  • FIG. 7 exemplarily illustrates an optical path in which the display panel 110 of an image display apparatus forms an image on a viewer's retina.
  • an image formed on the retina R may have a higher resolution at the center portion than a resolution at the peripheral portion, that is, as shown in FIG. 2. do.
  • 8A and 8B illustrate a pixel arrangement of the display panel unit 111 of the video display device according to another exemplary embodiment, respectively, which are a plan view and a B-B 'cross-sectional view, respectively.
  • the optical devices P constituting the display panel 111 may be disposed without difference in the distribution density of the central portion and the peripheral portion.
  • the orientation angles of the optical device P disposed in the peripheral part and the optical device P disposed in the central part may be different from each other. have.
  • the optical element P disposed at the periphery thereof has the light emitting surface ES and the lens surface LS facing the same, while being arranged in parallel with each other, while the optical element (P) is disposed toward the center.
  • the optical elements P may be arranged in such a manner that an angle formed between the light emitting surface ES of P) and the lens surface LS facing the same increases. Since the lens surface LS is a curved surface, the lens surface LS facing the light emitting surface ES means a position where light emitted from the light emitting surface ES meets the lens surface LS.
  • FIG. 8B illustrates an arrangement in which angles formed between the light output surface ES and the lens surface LS of the individual optical devices P are changed in order to change the orientation angles of the optical devices P disposed in the central part and the peripheral part.
  • this is exemplary and can be implemented in other ways.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view illustrating a modification of FIG. 8B.
  • the direction angle adjusting element D may be provided in each optical element P.
  • the directivity angle adjustment element D is for adjusting the directivity angle of the light generated and emitted from the optical element P, and may have a lens shape, and is emitted from the optical element P by adjusting the detailed shape of the curved surface. You can change the direction of light.
  • all the shapes of the angle-of-directivity adjusting elements D provided in the individual optical elements P are shown to be the same, but this is an example for convenience.
  • the detailed configuration may be determined such that the degree of adjusting the orientation angle varies depending on the position where the optical element P is disposed, that is, the central portion or the peripheral portion.
  • FIG. 9 exemplarily illustrates an optical path in which the display panel 111 of FIGS. 8A, 8B, or 8C forms an image on the viewer's retina (R).
  • the optical element P is disposed at a central and peripheral portion with a constant distribution density, and the direction of the optical element P disposed at the central and peripheral portions is different from each other, so that the resolution of the central portion on the retina R is higher than the peripheral portion.
  • an image I having a resolution distribution of the shape shown in FIG. 2 may be formed.

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Abstract

영상 표시 장치는 사용자의 눈에 착용되는 렌즈(eye wearable lens); 상기 렌즈 내부에 임베드(embed) 되거나 또는 렌즈 표면에 배치되는 것으로, 사용자의 망막에 투사할 영상을 형성하기 위한 복수의 광소자가 어레이되며, 상기 복수의 광소자가 형성하는 영상의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 상기 복수의 광소자가 구성되는 표시 패널부; 상기 표시 패널부에 표시할 영상 정보에 따라 영상 신호를 생성하고, 상기 영상 신호에 따라 상기 복수의 광소자 각각의 온/오프를 제어하는 영상 신호 처리부;를 포함한다.

Description

단일 방향성의 빔을 이용한 영상 표시 장치 및 방법
본 개시는 단일 방향성의 빔을 이용한 영상 표시 장치에 대한 것이다.
영상 표시 장치는 광고, 게임, 의료, 문화 등의 매우 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.
최근에는 고해상도를 구현하기 위해 영상 표시 장치의 화소 크기는 점차적으로 작아지고 있으며, 3차원 영상, 증강현실(AR; Augmented Reality) 영상을 제공할 수 있는 형태로 영상 표시 장치의 구조가 다변화되고 있다.
3차원 영상 또는 증강현실 영상을 구현할 때, 일반적인 2차원 영상을 구현하는 것에 비해 처리해야 되는 데이터 양이 많아지게 되며, 또한, 고해상도화가 진행됨에 따라 작은 크기의 화소 개수를 많이 형성해야 하므로, 제조 난이성, 구동 난이성이 높아지고, 사용시의 전력 소모도 높아지게 된다.
본 개시는 인간의 시각 인지 특성을 이용하여 영상 표시를 위한 화소수를 줄일 수 있는 구조의 영상 표시 장치를 제공한다.
일 유형에 따르는 영상 표시 장치는 사용자의 눈에 착용되는 렌즈(eye wearable lens); 상기 렌즈 내부에 임베드(embed) 되거나 또는 렌즈 표면에 배치되는 것으로, 사용자의 망막에 투사할 영상을 형성하기 위한 복수의 광소자가 어레이되며, 상기 복수의 광소자가 형성하는 영상의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 상기 복수의 광소자가 구성되는 표시 패널부; 상기 표시 패널부에 표시할 영상 정보에 따라 영상 신호를 생성하고, 상기 영상 신호에 따라 상기 복수의 광소자 각각의 온/오프를 제어하는 영상 신호 처리부;를 포함한다.
상기 복수의 광소자는 중심부에서의 분포 밀도가 주변부에서의 분포 밀도보다 높도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 광소자는 중심부에 위치한 광소자들의 지향각과 주변부에 위치한 광소자의 지향각이 서로 다르도록 구성될 수 있다.
상기 광소자의 출광면과 상기 출광면과 마주하는 위치의 렌즈면이 이루는 각은 주변부에 배치된 광소자보다 중심부에 배치된 광소자가 더 크도록 상기 복수의 광소자가 배치될 수 있다.
또는, 상기 광소자로부터 출광된 광의 방향성을 조절하는 방향조절소자가 더 구비될 수 있다.
상기 복수의 광소자 중 주변부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기가 중심부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기보다 크도록 상기 복수의 광소자가 구성될 수 있다.
상기 광소자에서 방출된 광의 발산각을 줄이는 마이크로렌즈가 더 구비될 수 있다.
상기 마이크로렌즈는 상기 광소자에서 방출된 광의 발산각이 1/60˚ 이상 1/5˚ 이하가 되도록 구성될 수 있다.
상기 마이크로렌즈는 근축 범위만 오픈된 형태를 가질 수 있다.
상기 광소자는 광을 생성하는 발광구조층과, 상기 발광구조층에서 생성된 광이 일방향으로만 방출되는 모드를 형성하도록, 상기 발광구조층의 상, 하에 각각 배치된 리플렉터;를 포함할 수 있다.
상기 광소자는 레이저(laser) 또는 RCLED(resonant cavity light emitting diode)를 포함할 수 있다.
상기 영상 표시 장치는 안구의 움직임을 감지하기 위한 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 영상 신호 처리부는 상기 압력 센서로부터 감지된 신호로부터 시선 방향을 인지하고, 시선 방향의 중심에 해당하는 영상이 고해상도가 되고 주변부는 저해상도가 되도록 영상 신호를 생성할 수 있다.
상기 영상 신호 처리부는 상기 렌즈와 분리된 별도의 기기로 구현되며, 상기 영상 신호 처리부에서의 신호는 상기 표시 패널부에 무선 송신될 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 영상 표시 방법은 단일 방향성의 광을 생성하여 방출하는 복수의 광소자를 이용하여 시청자의 망막 상에 투사할 이미지를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 이미지의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 할 수 있다.
중심부에서의 분포 밀도가 주변부에서의 분포 밀도보다 높도록 상기 복수의 광소자를 배치할 수 있다.
중심부에 위치한 광소자들의 지향각과 주변부에 위치한 광소자의 지향각이 서로 다르도록 상기 복수의 광소자를 구성할 수 있다.
상기 복수의 광소자 중 주변부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기가 중심부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기보다 크도록 상기 복수의 광소자를 구성할 수 있다.
상기 영상 표시 방법은 안구의 움직임을 감지하여 시청자의 시선 방향을 파악하는 단계; 상기 시선 방향의 중심에 해당하는 영상이 고해상도가 되고 주변부는 저해상도가 되도록 영상 신호를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 영상 표시 장치는 퍼짐이 없는 단일 방향성 빔을 이용하여 이미지를 만들고 이를 사용자의 망막에 직접 조사할 수 있다. 따라서, 사용자의 눈과 매우 가까이에 위치되어도 사용자가 영상 표시 장치로부터의 영상을 인식할 수 있으므로 콘택트 렌즈와 같은 형태로 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.
또한, 퍼짐이 없는 단일 방향성의 빔을 이용하여 만든 이미지를 망막에 직접 조사하는 방식을 사용하므로, 이를 인식하기 위해 수정체의 조절이 수반되지 않는다. 즉, 상술한 영상 표시 장치로부터의 영상 외의 다른 영상 인식이 방해되지 않으므로, 상술한 영상 표시 장치를 부가 정보 영상 장치로 활용하여 증강 현실을 구현하기 용이하다.
또한, 망막 중심부는 고밀도로, 주변부는 상대적으로 저밀도로 상이 맺히도록 화소 배열을 조절함으로써 영상 표시를 위해 필요한 화소수를 줄일 수 있다. 따라서, 제조시 생산성이 높아질 수 있고, 사용시 전력 소비가 감소될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부가 형성하고자 하는 이미지의 망막 상에서의 해상도 분포를 예시적으로 보인다.
도 3은 실시예에 따른 영상 표시 장치에 채용되는 표시 패널부의 화소 배치를 보인다.
도 4는 실시예에 따른 영상 표시 장치가 사람의 눈과 매우 가까운 거리에서 사람의 눈에 인지되는 영상을 형성할 수 있음을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부에 채용되어 퍼짐이 없는 빔을 형성하는 광소자의 개략적인 구조를 보인다.
도 6은 도 5의 표시 패널부에 채용되어 광소자에서 출사된 빔의 발산각을 줄이기 위한 마이크로렌즈를 보인다.
도 7은 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부가 시청자의 망막 상에 이미지를 형성하는 광경로를 예시적으로 보인다.
도 8a 및 도 8b는 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부의 화소 배치를 보이는 것으로, 각각, 평면도 및 단면도이다.
도 9는 도 8a 및 도 8b의 표시 패널부가 시청자의 망막 상에 이미지를 형성하는 광경로를 예시적으로 보인다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시예에 따른 영상 표시 방법은 단일 방향성의 광을 생성하여 방출하는 복수의 광소자를 이용하여 시청자의 망막 상에 투사할 이미지를 형성하는 방법을 사용하며, 인간 시각 인지 특성을 활용하여 이미지의 해상도를 망막 중심부가 주변부보다 높게 형성하고 있다.
도 1은 상술한 방법을 수행하는 실시예에 따른 영상 표시 장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 영상 표시 장치(1000)의 표시 패널부(110)가 망막 상에 형성하고자 하는 이미지(I)의 해상도 분포를 예시적으로 보인다.
영상 표시 장치(1000)는 사용자의 눈에 착용되는 콘택트 렌즈 형태의 디스플레이 장치로서, 렌즈(L) 상에 배치된 표시 패널부(110)는 퍼짐이 없는 빔을 이용하여 형성한 이미지를 사용자의 망막 상에 투사할 수 있는 구조를 가진다. 퍼짐이 없는 빔을 형성할 수 있는 광소자의 구조에 대해서는 후술할 것이다. 표시 패널부(110)는 이미지 형성을 위해 필요한 화소수를 줄일 수 있는 구조를 가지며, 이를 위하여, 표시 패널부(110)은 인간의 시각 인지 특성을 활용하고 있다. 인간의 시각인지 특성에 대해서 살펴보면, 색을 감지하는 원추세포는 망막의 시각중심부에 밀집되어 있으며, 주변부로 갈수록 밀도가 낮아진다. 또한, 망막 중심부의 작은 영역은 망막 시신경이 연결되는 대뇌 후두엽의 시각 피질(Primary visual cortex)의 넓은 부분으로 매핑(mapping)된다. 이를 Cortical Magnification이라고 한다. 따라서, 망막 상에 이미지를 형성할 때, 시신경이 밀집되는 작은 영역의 해상도를 높게 하고 그 주변 영역의 해상도는 이보다 낮게 함으로써 효율적인 화소 배치와 함께, 필요한 화소 개수를 줄이는 구조를 도모할 수 있다. 표시 패널부(110)가 사용자 눈의 망막 상에 형성하는 이미지의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 표시 패널부(110)의 구조가 정해진다.
도 2에 예시적으로 도시한 바와 같이, 망막 상에 형성된 화소 이미지(PI)의 분포는 중심부의 분포 밀도가 주변부의 분포 밀도보다 높게 형성될 수 있다. 이와 같이, 망막 상에 형성되는 이미지(I)의 해상도를 중심부가 주변부보다 높게 형성하기 위한 표시 패널부(110)의 구체적인 구성에 대해서는 후술할 것이다.
영상 표시 장치(1000)는 상술한 특징의 표시 패널부(110)와 표시 패널부(110)에 표시할 영상 정보에 따라 영상 신호를 생성하고, 생성된 영상 신호에 따라 표시 패널부(110)를 구성하는 복수의 광소자 각각의 온/오프를 제어할 제어 신호를 형성하는 영상 신호 처리부(200)를 포함한다.
또한, 영상 표시 장치(1000)는 영상 신호 처리부(200)로부터 영상 신호를 무선 수신하기 위한 안테나(180), 안테나(180)로부터 수신된 제어 정보에 따라 표시 패널부(110)를 제어하는 제어부(120), 표시 패널부(110)를 구성하는 복수의 광소자 각각에 광을 생성하기 위해 공급할 에너지가 저장된 에너지 저장부(130)를 더 포함할 수 있다. 에너지 저장부(130)는 에너지 수확부를 함께 구비할 수 있으며, 이로부터 에너지를 생성하고, 표시 패널부(110)에 전기에너지를 제공할 수 있다.
또한, 영상 표시 장치(1000)는 안구의 움직임을 감지하기 위한 압력 센서(140)를 더 포함할 수 있다. 압력 센서(140)는 렌즈(L) 주변부를 따라 각 방향에 배치된 복수개로 구비될 수 있으며 안구의 회전에 따라 눈주위 피부에 가해지는 압력 차이로부터 안구 회전량을 감지할 수 있다. 압력 센서(140)로부터 감지된 안구 회전량으로부터 시선 방향을 알아낼 수 있고, 영상 신호 처리부(200)는 이러한 정보를 수신하여 시선 방향에 해당하는 영상의 위치를 기준으로 하여 중심부는 고해상도, 주변부는 저해상도가 되도록 영상 신호를 처리하고, 이러한 영상이 표시 패널부(110)에 표시되도록 한다.
표시 패널부(110), 안테나(180), 제어부(120), 에너지저장부(130), 압력 센서(140)의 구성은 렌즈(L) 상에 배치되고, 영상 신호 처리부(200)는 렌즈(L)와 이격된 별도의 장비, 예를 들어, 휴대 가능한 모바일 기기의 형태로 구현될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 영상 표시 장치에 채용되는 표시 패널부(110)의 화소 배치를 보인다.
표시 패널부(110)는 다수의 광소자(P)가 어레이되어 이루어진다. 광소자(P)는 퍼짐이 없는 빔을 생성하여 방출하는 소자로서, 이에 의해 조명되는 단위 영역을 화소(pixel)라고 칭할 것이다. 복수의 광소자(P)는 중심부(P)의 분포 밀도가 주변부의 분포 밀도보다 높도록, 즉, 중심부에서 보다 밀집되도록 배치되어 있다. 이러한 배치는 시신경이 밀집된 망막 중심부에서의 해상도를 높게 하기 위한 것이다. 중심부에서 주변부로 갈수록 변하는 분포 밀도는 예시적인 것이다. 또한, 다수의 광소자(P)는 동심원 형태로 배열된 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고, 다각형 형태로 배열될 수도 있다.
또한, 주변부의 해상도를 낮게 하기 위해, 주변부에서의 광소자(P) 분포 밀도를 보다 낮게 하는 것과 함께, 주변부에 배치되는 광소자(P)들은 중심부에 배치되는 광소자(P)들이 형성하는 화소보다 큰 화소를 형성하도록 구성될 수도 있다.
도 4는 실시예에 따른 영상 표시 장치가 사람의 눈과 매우 가까운 거리에서 사람의 눈에 인지되는 영상을 형성할 수 있음을 설명하기 위한 개념도이다.
광학계로 설명될 수 있는 눈은 무한대의 먼 거리에 있는 물체부터 근거리(near point), 약 10 cm 정도의 거리에 있는 물체까지를 정확하게 결상시켜 볼 수 있다. 이보다 가까운 거리의 물체는 결상시킬 수 없기 때문에 보조 도구를 사용하게 된다. 그러나, 렌즈와 같은 광학 기구를 사용하여도 근거리(near point)를 1 cm 이내로 만들 수 없고 회절과 수차에 의해 상이 부정확해진다. 즉, 광선다발을 모으는 일반적인 광학계로는 눈에 매우 가까운 거리에서 형성되는 영상이 사용자의 눈에 인식되기 어렵다.
본 실시예의 영상 표시 장치(1000)에 채용되는 표시 패널부(110)는 퍼짐이 거의 없는 단일 방향성의 빛을 만들어 이를 이용하여 영상을 형성하고 이 영상을 사용자의 눈의 망막에 직접 조사하는 방식을 사용하며, 망막에 그려진 영상이 인식되게 된다.
퍼짐이 있는 빛으로 형성된 영상이라면, 수정체의 조절로는 사용자의 눈에 인식될 수 없는 정도의 가까운 거리(d), 예를 들어, 약 5cm 이하의 거리에 형성되어도 사람의 눈에 인식될 수 있다. 따라서, 사람의 눈에 착용될 수 있는 렌즈 형태로 영상 표시 장치를 구현할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부(110)를 구성하는 광소자(P)의 상세한 구성을 보인다.
표시 패널부(110)는 서로 다른 파장의 광을 생성하는 광소자(P1)(P2)(P3)를 포함한다. 광소자(P1)(P2)(P3)는 각각 서로 다른 컬러의 서브 화소를 정의하게 된다. 이들 복수의 서브 화소가 단위 화소를 이 루며, 이러한 단위 화소 복수개에서 각각 형성하는 광의 조합으로 영상이 형성될 수 있다. 도면에서는 편의상 하나의 단위 화소만을 보이고 있다.
광소자(P1)(P2)(P3)는 단일 방향성의 빔을 생성하여 방출하는 소자이다. 본 명세서에서, 표시 패널부(110) 또는 광소자(P1)(P2)(P3)로부터 출사되는 광을 표현함에 있어, 퍼짐이 없는 빔, 직진성 빔, 단일 방향성의 빔과 같은 표현이 혼용되며, 모두 유사한 의미를 갖는다. 이 때, '퍼짐이 없는', '직진', '단일 방향성' 과 같은 기술에서 그 정도는 100% 완벽한 것을 의미하는 것으로 한정되지는 않으며, 사용자의 망막에 인식됨에 있어 수정체의 초점 조절을 거치지 않고 선명하게 인지될 수 있는 정도를 의미한다.
표시 패널부(110)는 렌즈(L) 내부에 임베드(embed) 되거나 또는 렌즈(110) 표면 상에 배치될 수 있다. 도면에서는 표시 패널부(110)를 구성하는 복수의 광소자 (P1)(P2)(P3)들이 렌즈(110) 내부에 임베드 되는 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 렌즈(110) 표면에 배치되는 형태로 구현될 수도 있다.
광소자(P1)(P2)(P3)는 광을 생성하는 발광구조층(21)(22)(23)과, 발광구조층(21)(22)(23)에서 생성된 광이 일방향으로만 방출되는 모드를 형성하도록, 발광구조층(21)(22)(23)의 상, 하에 각각 배치된 리플렉터(20)를 포함한다.
발광구조층(21)(22)(23)은 전자, 정공의 결합으로 광을 생성하는 반도체층으로 형성될 수 있으며, 복수층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자 주입 및 정공 주입을 위한 n형 반도체층 및 p형 반도체층, 주입된 전자, 정공이 결합되는 활성층을 포함할 수 있다. 발광구조층(21)(22)(23)을 이루는 재질에 따라 발광 파장 대역을 조절할 수 있으며, 예를 들어, 발광구조층(21)(22)(23)은 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 광이 형성되도록 그 재질이 정해질 수 있다.
리플렉터(20)는 유전율이 다른 복수의 유전물질층이 소정 두께로 교번 적층된 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR)로 구성될 수 있다. 리플렉터(20)를 구성하는 층수는 도시된 형태로 한정되지 않으며, 반사 효율을 고려하여 적절히 정해질 수 있다.
광소자(P1)(P2)(P3)로는 예를 들어, 레이저(laser) 또는 RCLED(resonant cavity light emitting diode)가 채용될 수 있다.
도 6은 도 5의 표시 패널부(110)에 채용될 수 있는 마이크로렌즈(ML)를 보인다.
도 5에서 설명한 바와 같은 구조로 광소자(P1)를 구성하여도, 방출되는 빔은 약간의 발산각을 가질 수 있고, 이를 보완하기 위한 마이크로렌즈(ML)를 채용할 수 있다. 마이크로렌즈(ML)는 광소자(P1)에서 방출된 빔을 콜리메이팅 하는 기능을 할 수 있다. 이 때, 광축에서 상대적으로 먼 영역에서는 구면수차가 발생할 수 있기 때문에, 마이크로렌즈(ML)는 근축 영역만을 오픈하고 다른 영역은 차폐한 형태로 사용될 수 있다. 마이크로렌즈(ML)에 의해 콜리메이팅된 빔은 평행하거나 또는 매우 작은 발산각을 가질 수 있다. 예를 들어, 망막 중심부에 시신경이 가장 밀집된 영역을 기준으로 할 때, 안구 표면으로부터 시야각 약 2˚의 범위에 120개의 시신경이 밀집된다. 따라서, 마이크로렌즈(ML)로부터 수습된 빔의 발산각(θ)이 1/60˚보다 작을 필요는 없을 것이다. 마이크로렌즈(ML)는 광소자(P1)로부터 방출된 빔의 발산각(θ)을 약 1/5˚이내로 줄일 수 있도록 마련될 수 있다. 도면에서는 광소자(P1)에서의 빔을 줄이는 마이크로렌즈(ML)로 도시하였으나, 광소자(P2)(P3)에 이러한 마이크로렌즈(ML)가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7은 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부(110)가 시청자의 망막 상에 이미지를 형성하는 광경로를 예시적으로 보인다.
도 3과 같은 분포 밀도의 형태로 화소가 배치된 표시 패널부(110)에 의해, 망막(R)상에 형성된 이미지는 중심부의 해상도가 주변부의 해상도보다 높은 형태, 즉, 도 2와 같은 형태가 된다.
도 8a 및 도 8b는 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치의 표시 패널부(111)의 화소 배치를 보이는 것으로, 각각, 평면도 및 B-B'단면도이다.
표시 패널부(111)를 구성하는 광소자(P)들은 중심부, 주변부의 분포 밀도 차이 없이 배치될 수 있다. 이 경우, 망막상에 형성되는 이미지의 해상도가 중심부가 주변부보다 높게 형성되도록 하기 위해서, 주변부에 배치되는 광소자(P)와 중심부에 배치되는 광소자(P)의 지향각이 서로 다르게 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 바와 같이, 주변부에 배치된 광소자(P)는 출광면(ES)과 이에 마주하는 렌즈면(LS)이 서로 나란하게 배치된 반면, 중심부로 갈수록 광소자(P)의 출광면(ES)과 이에 마주하는 렌즈면(LS)이 이루는 각이 커지는 형태로 광소자(P)들이 배치될 수 있다. 렌즈면(LS)은 곡면이므로, 여기서, 출광면(ES)과 마주하는 렌즈면(LS)은 출광면(ES)에서 출사된 광이 렌즈면(LS)과 만나는 위치를 의미한다.
도 8b는 중심부, 주변부에 배치된 광소자(P)의 지향각을 달리하기 위해, 개개의 광소자(P)의 출광면(ES)과 렌즈면(LS)이 이루는 각이 변화된 배치를 제시하고 있으나, 이는 예시적인 것이고, 다른 방법으로 이를 구현할 수 있다.
도 8c는 도 8b의 변형예를 보이는 단면도이다.
도시된 바와 같이, 개개의 광소자(P)에 지향각 조절 소자(D)가 구비될 수 있다. 지향각 조절 소자(D)는 광소자(P)로부터 생성되어 방출된 광의 지향각을 조절하기 위한 것으로, 렌즈 형태를 가질 수 있고, 곡면의 세부적인 형태를 조절하여 광소자(P)로부터 출사된 광의 지향각을 바꿀 수 있다. 도면에서는 개개의 광소자(P)에 마련된 지향각 조절 소자(D)의 형상이 모두 동일하게 도시되어 있으나 이는 편의상의 예시이다. 지향각 조절 소자(D)는 광소자(P)가 배치된 위치에 따라, 즉, 중심부, 주변부 여하에 따라 지향각을 조절하는 정도가 달라지도록 그 세부적인 구성이 정해질 수 있다.
도 9는 도 8a 및 도 8b, 또는 8c의 표시 패널부(111)가 시청자의 망막(R) 상에 이미지를 형성하는 광경로를 예시적으로 보인다.
중심부, 주변부에서 일정한 분포 밀도로 광소자(P)가 배치되고, 중심부, 주변부에 배치된 광소자(P)의 지향각을 서로 다르게 함으로써, 망막(R) 상에 중심부의 해상도가 주변부보다 높은 이미지, 예를 들어, 도 2에 도시한 형태의 해상도 분포를 가지는 이미지(I)가 형성될 수 있다.
이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 사용자의 눈에 착용되는 렌즈(eye wearable lens);
    상기 렌즈 내부에 임베드(embed) 되거나 또는 렌즈 표면에 배치되는 것으로, 사용자의 망막에 투사할 영상을 형성하기 위한 복수의 광소자가 어레이되며, 상기 복수의 광소자가 형성하는 영상의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 상기 복수의 광소자가 구성되는 표시 패널부;
    상기 표시 패널부에 표시할 영상 정보에 따라 영상 신호를 생성하고, 상기 영상 신호에 따라 상기 복수의 광소자 각각의 온/오프를 제어하는 제어 신호를 생성하는 영상 신호 처리부;를 포함하는 영상 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광소자는 중심부에서의 분포 밀도가 주변부에서의 분포 밀도보다 높도록 배치된 영상 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광소자는 중심부에 위치한 광소자들의 지향각과 주변부에 위치한 광소자의 지향각이 서로 다르도록 구성된 영상 표시 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광소자의 출광면과 상기 출광면과 마주하는 위치의 렌즈면이 이루는 각은 주변부에 배치된 광소자보다 중심부에 배치된 광소자가 더 크도록 상기 복수의 광소자가 배치된 영상 표시 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광소자로부터 출광된 광의 방향성을 조절하는 방향조절소자가 더 구비된 영상 표시 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광소자 중 주변부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기가 중심부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기보다 크도록 상기 복수의 광소자가 구성된 영상 표시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광소자에서 방출된 광의 발산각을 줄이는 마이크로렌즈가 더 구비된 영상 표시 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 상기 광소자에서 방출된 광의 발산각이 1/60˚ 이상 1/5˚ 이하가 되도록 하는 영상 표시 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 근축 범위만 오픈된 형태를 가지는 영상 표시 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광소자는 광을 생성하는 발광구조층과,
    상기 발광구조층에서 생성된 광이 일방향으로만 방출되는 모드를 형성하도록, 상기 발광구조층의 상, 하에 각각 배치된 리플렉터;를 포함하는 영상 표시 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광소자는 레이저(laser) 또는 RCLED(resonant cavity light emitting diode)를 포함하는 영상 표시 장치.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    안구의 움직임을 감지하기 위한 압력 센서가 더 구비된 영상 표시 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 영상 신호 처리부는 상기 압력 센서로부터 감지된 신호로부터 시선의 방향을 인지하고, 시선 방향의 중심에 해당하는 영상이 고해상도가 되고 주변부는 저해상도가 되도록 영상 신호를 생성하는 영상 표시 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 영상 신호 처리부는 상기 렌즈와 분리된 별도의 기기로 구현되며,
    상기 영상 신호 처리부에서의 신호는 상기 표시 패널부에 무선 송신되는 영상 표시 장치.
  15. 단일 방향성의 광을 생성하여 방출하는 복수의 광소자를 이용하여 시청자의 망막 상에 투사할 이미지를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 이미지의 해상도는 망막 중심부가 주변부보다 높도록 하는 영상 표시 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    중심부에서의 분포 밀도가 주변부에서의 분포 밀도보다 높도록 상기 복수의 광소자를 배치하는 영상 표시 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    중심부에 위치한 광소자들의 지향각과 주변부에 위치한 광소자의 지향각이 서로 다르도록 상기 복수의 광소자를 배치하는 영상 표시 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 광소자 중 주변부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기가 중심부에 위치한 광소자가 형성하는 화소 크기보다 크도록 상기 복수의 광소자를 구성하는 영상 표시 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    안구의 움직임을 감지하여 시청자의 시선 방향을 파악하는 단계;
    상기 시선 방향의 중심에 해당하는 영상이 고해상도가 되고 주변부는 저해상도가 되도록 영상 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하는 영상 표시 방법.
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