KR102044628B1 - 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명하고 부피가 작고 시야각이 넓은 안경형 디스플레이에 대한 것으로 편광축의 회전 정도에 대응하는 수렴 굴절율을 가지는 이방성 볼록렌즈를 사용하여 오목 거울에 반사되어 맺히는 영상과 눈 사이 거리를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이{TRANSPARENT HEAD MOUND DISPLEY USING MIRROR}

본 발명은 시야각이 넓은 투명한 안경형 디스플레이에 관한 것이다.

본 발명은 가상 현실 또는 증강현실 영상을 출력할 수 있는 투명한 안경형 디스플레이에 관한 기술이다.

현재 오큘러스 리프트와 같은 가상현실용 안경형 디스플레이가 출시되고 있다.

이러한 안경형 디스플레이는 시야각은 넓은 대신 장치의 부피가 크고 불투명하다는 단점이 있다. 이와 달리 마이크로 소프트사에서 홀로렌즈라는 투명한 안경형 디스플레이를 출시했지만 시야각이 좁다는 문제가 있다.

상기한 기술의 좁은 시야각 문제를 해결하기위한 기술로 미국 특허 출원 번호 US 14/749,568(Head Mounted Augmented Reality Display) 가 있다. 상기 미국 특허 출원 기술은 도1과 같이 준투명(semi trasnparent) 디스플레이(DS)에서 방사된 빛이 오목한 반거울(half mirror) (CM)에서 반사된 것을 눈으로 볼 수 있는 디스플레이 기술이다. 준투명 디스플레이(DS)는 눈쪽으로는 빛을 방출하지 않고 오목한 반거울쪽(시선 방향쪽)으로만 빛을 방출하는 투명 디스플레이이다.

이러한 기술은 오목한 반거울의 곡률 반경이 고정되어있어서 오목한 반거울에 반사되어 맺히는 영상의 상과 눈 사이 거리가 고정된다. 이처럼 영상과 눈 사이 거리가 고정되면 두 눈의 수렴 각도와 눈의 초점 거리가 불일치하여 (이를 vergence-accommodation conflict라고 한다.) 눈에 피로를 유발하는 문제(이를 본 발명에서는 문제1이라 한다)가 있다.

본 발명은 상기 미국 특허 기술의 오목한 거울에 반사되어 맺힌 영상과 눈 사이 거리를 조절할 수 있는 안경형 디스플레이를 제공하여 문제1을 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 미국 특허는 눈쪽으로 빛을 직접 방사하지 않도록 하기 위하여 디스플레이에 원편광 광원을 사용하거나 불투명한 디스플레이의 픽셀간 거리를 넓히고 그 사이에 눈으로 오목 거울을 볼 수 있는 미세한 다수의 구멍을 형성하고 있다. 그러나 원편광 광원이 디스플레이는 구하기 어렵고 미세한 구멍을 형성하면 픽셀의 밀도가 낮아져서 영상이 해상도가 낮아지는 문제가 있다. (이를 본 발명에서는 문제2라 한다)

본 발명은 상기 미국 특허 기술의 준투명 디스플레이의 해상도를 높이는 기술을 제공하여 문제2를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 문제1를 해결하기 위하여 오목한 반거울 의 오목한 면(눈쪽)에 볼록 렌즈를 추가하고 오목한 반거울의 볼록한 면(시선 방향)에 오목렌즈를 추가하되 상기 볼록렌즈와 오목렌즈를 겹쳐서 보면 마치 투명한 유리를 통해 보듯이 렌즈 효과가 사라지도록 두 렌즈의 초점 거리는 같고 부호가 반대이고 두 렌즈는 편광의 종류에 따라 굴절율이 다른 이방성 렌즈인 것을 특징으로 한다.

그리고 준 투명 디스플레이와 상기 볼록렌즈 사이에는 편광 필름과 편광축을 회전 시킬 수 있는 편광축 회전 수단이 추가되어 준 투명 디스플레이에서 오목한 거울 쪽으로 방출된 빛 중에서 특정 편광만 상기 편광 필름을 통과한 후 상기 편광축 회전 수단을 통과하면서 편광축이 회전하여 볼록렌즈를 통과한다. 이때 통과하는 빛의 편광축의 회전 정도에 볼록렌즈의 수렴 굴절율이 다르므로 편광축을 회전시키는 정도를 전기적으로 조절하면 볼록렌즈의 수렴 정도를 조절 할 수 있어서 볼록 렌즈와 오목 거울을 통과해 맺히는 영상과 눈 사이 거리를 조절 할 수 있다.

또한 본 발명은 상기한 문제2를 해결하기 위하여 투명 디스플레이의 눈을 향하는 쪽 면에는 그 면에서 눈쪽을 향해 방사되는 빛을 오목 거울 쪽으로 반사시킬 수 있는 이색성 칼라 필터 ,액정 셔터 또는 멤스(mems) 셔터를 포함하는 준 투명 디스플레이를 제공하는 것을 특징으로한다. 이색성 칼라 필터는 특정 색을 반사하고 그외의 색은 통과시키는 필터를 의미한다.

본 발명에의한 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이는 투명하므로 증강 현실 영상을 출력하면 주변 환경과 증강현실 영상을 겹쳐서 볼 수 있다. 또한 오목한 반투명 거울 바깥쪽에 액정 셔터를 추가하여 셔터를 닫으면 주변을 볼 수 없어서 기존의 가상 현실용 안경형 디스플레이로도 사용 할 수 있다.

또한 오목한 거울 안쪽 오목한 면에 볼록렌즈를 추가함으로써 투명 디스플레이와 오목 거울 사이 거리를 줄이고 오목 거울의 곡률 반경을 줄여서 장치의 부피를 줄일 수 있다.

도1은 종래의 기술의 구성도
도2는 본 발명의 구성도
도3은 기존의 투명한 안경형 디스플레이 구성도
도4는 이방성 렌즈의 편광에 대한 굴절 성질을 나타낸 것
도5는 셔터 배열의 평면도
도6은 편광필름과 편광축 회전 수단의 상세도
도7은 편광필름과 편광축 회전 수단의 상세도
도8은 가변 초점 렌즈를 포함하는 가상현실용 머리 착용 디스플레이 구성도
도9는 도8의 장치에 인덱스 매칭 오목렌즈를 추가한 구성도

실시예 1

본 실시예는 미국 특허 출원 번호 US 14/749,568(Head Mounted Augmented Reality Display) 의 오목 거울의 곡률 반경이 고정되어있어서 두 눈의 수렴 각도와 눈의 초점 거리가 불일치하여 (이를 vergence-accommodation conflict라고 한다.) 눈에 피로를 유발하는 문제(이를 본 발명에서는 문제1이라 한다)를 해?하는 것을 목적으로 한다. 상기 미국 특허 출원 기술은 도1과 같이 준투명(semi trasnparent) 디스플레이(DS)에서 방사된 빛이 오목한 반거울(half mirror)(CM) 에서 반사된 것을 눈으로 볼 수 있는 디스플레이 기술이다. 준투명 디스플레이는 눈쪽으로는 빛을 방출하지 않고 오목한 반거울쪽으로만 빛을 방출하는 디스플레이이다.

상기한 미국 특허 기술은 오목한 반거울(half mirror)의 곡률 반경이 고정되어있어서 오목한 반거울에 반사되어 맺히는 영상의 상과 눈 사이 거리가 고정되어 두 눈의 수렴 각도와 눈의 초점 거리가 불일치하여 (이를 vergence-accommodation conflict라고 한다.) 눈에 피로를 유발하는 문제가 있다. 반거울은 빛의 일부는 반사시키고 일부는 통과시키는 거울을 의미한다.

본 발명은 상기 미국 특허 기술의 오목한 거울에 반사되어 맺힌 영상과 눈 사이 거리를 조절할 수 있는 안경형 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 도2와 같이 오목한 반거울(MR) 또는 거울의 오목한 면(눈쪽)에 볼록 렌즈(CX)를 추가하고 오목한 반거울의 볼록한 면(시선 방향)에 오목렌즈(CC)를 추가하되 상기 볼록렌즈와 오목렌즈를 겹쳐서 보면 마치 투명한 유리를 통해 보듯이 렌즈 효과가 사라지도록 두 렌즈의 초점 거리는 같고 부호가 반대이고 두 렌즈는 편광의 종류에 따라 굴절율이 다른 이방성 렌즈인 것을 특징으로 한다. 또는 볼록 렌즈만 이방성 렌즈이고 오목 렌즈는 일반 렌즈라도 무방하다. 그리고 오목한 거울 대신 편평한 거울을 사용해도 무방하다.

이방성 렌즈는 예를 들면 유리판과 같은 편평한 방해석판을 도2의 볼록렌즈와 오목렌즈 형태로 가공하여 구성할 수 있다. 이러한 렌즈는 무게를 줄이기위해 프레넬 렌즈 형태로 구성될 수도 있다. 또한 방해석 대신 특정 방향으로 정렬된 액정 또는 이방성 물질을 렌즈 형태로 가공하여 구성할 수도 있다.

이방성 렌즈를 사용한 안경형 디스플레이에 대한 기술은 다음 논문에 개시되어있다.

참고 문헌1:

See-through optical combiner for augmented reality head-mounted display: index-matched anisotropic crystal lens

(Scientific Reports | 7: 2753 | DOI:10.1038/s41598-017-03117-w)

도3은 상기 논문에서 발췌한 것으로 눈 앞의 방해석 렌즈와 인덱스 매칭 물질로 된 광학 모듈(IMACL)에 두 종류의 서로 다른 편광이 통과하는 경우 한 편광은 수렴 굴절하지만 다른 편광은 굴절되지 않고 마치 편평한 유리판을 통과하듯 통과하는 것을 나타낸 것이다.

여기서 상기 두 종류의 서로 다른 편광은 수직 편광과 수평 편광일 수 있다. 본 발명에서는 이러한 두 종류의 선평광을 제1 편광과 제2 편광이라 한다.

방해석은 두 종류의 제1,제2 편광에 대해 서로 다른 굴절율을 가진 물질이다. 이중 한 굴절율(예를들면 제2 편광이 느끼는 굴절율)과 동일한 물질을 제2편광의 굴절율에 인덱스 매칭된 물질이라 하고 방해석 볼록 렌즈 앞뒷면에 도3과 같이 이러한 인덱스 매칭 물질을 채워서 편평한 유리판과 같은 광학 모듈(IMACL)로 가공하면 제1 편광은 이러한 광학 모듈(IMACL)을 통과하면 수렴 굴절 하지만 제2 편광은 유리판을 통과하듯 굴절되지 않고 그대로 통과한다.

액정을 이용해서 이방성 렌즈를 제작하는 기술은 다음 논문에 게시되어있다.

참고 문헌2:

Polarization-Dependent Microlens Array Using Reactive Mesogen Aligned by Top-Down Nanogrooves for Switchable Three-Dimensional Applications

(Journal of the Optical Society of Korea Vol. 19, No. 3, June 2015, pp. 265-271,

ISSN: 1226-4776(Print) / ISSN: 2093-6885(Online)

DOI: http://dx.doi.org/10.3807/JOSK.2015.19.3.265)

도4는 상기 논문에서 발췌한 것이다. 도4에는 수평 방향으로 정렬된 액정 볼록 렌즈와 인덱스 매칭 물질로된 오목 렌즈가 편평한 판 형태로 겹쳐진 광학 모듈에 서로 다른 편광이 통과하면 한 편광은 수렴하고 다른 편광은 유리판처럼 굴절됨 없이 통과하는 것을 나타낸 것이다.

도2에서 준투명 디스플레이(OL)와 상기 볼록렌즈(CX) 사이에는 제1 선편광 필름(PO)과 선편광축을 회전 시킬 수 있는 편광축 회전 제1 수단(RO)이 추가되어 준투명 디스플레이에서 오목한 거울(MR) 쪽으로 방출된 빛 중에서 특정 편광(예를들면 제1편광)만 상기 편광 필름을 통과한 후 상기 편광축 회전 수단을 통과하면서 편광축이 회전하여 볼록렌즈를 통과한다. 이때 통과하는 빛의 편광축의 회전 정도에 따라 이방성 물질로 구성된 볼록렌즈(CX)의 수렴 굴절율이 다르므로 편광축을 회전시키는 정도를 전기적으로 조절하면 볼록렌즈의 수렴 정도를 조절 할 수 있어서 볼록 렌즈와 오목 거울을 통과해 맺히는 준 투명 디스플레이의 영상과 눈 사이 거리를 조절 할 수 있다.

편광축 회전 제1수단(RO)은 액정 디스플레이에서 컬러 필터와 편광판을 제거하거나 또는 셔터 안경식 3d 디스플레이를 볼 때 착용하는 셔터 안경렌즈에서 렌즈 양쪽 면에 부착된 편광 필름을 제거하여 구성될 수 있다.

셔터 안경 렌즈는 투명한 두 판 사이에 비틀린 네마틱 액정(twisted nematic liquid crystal)이 채워져 있고 두 판 안쪽 면에는 서로 수직 방향으로 배향막이 형성되어 있고 투명 전극이 코팅되어있다. 투명 전극에 전기 신호를 인가하지 않으면 이러한 셔터 안경 렌즈를 통과하는 편광의 편광 축은 비틀린 액정에의해 90도 회전하게 되고 투명 전극에 전기신호를 인가하면 통과하는 편광의 편광축은 변화가 없다.

인가하는 전압을 연속적으로 변화시키면 편광축의 회전 각도를 연속적으로 조절 할 수 있다. 이러한 셔터 안경 렌즈에 인가하는 전압을 조절하면 편광축의 회전 정도를 조절 할 수 있다.

이처럼 제1편광필름,편광축 회전 제1수단 그리고 이방성 렌즈를 사용하여 초점 거리를 변화시킬 수 있는 가변 초점 렌즈를 구성할 수 있고 이러한 가변 초점 렌즈를 준투명 디스플레이(OL)와 반투명 오목 거울(MR)사이에 설치해서 준투명 디스플레이(OL)에 출력된 사물 영상이 멀리 있는 것처럼 보이게 할 수도 있고 가까이 이는 것처럼 보이게 할 수도 있다.

또한 이방성 볼록렌즈와 동일 재질로 또는 인덱스 매칭 물질로 오목렌즈(CC)를 구성하여 오목 거울의 밖에 시선 방향 쪽에 도2와 같이 설치하면 외부 사물을 마치 투명한 유리창을 통해 보듯 볼 수 있으므로 본 발명의 장치를 사용하면 증강현실 영상을 출력할 수 있다.

이 경우 오목 렌즈 바깥쪽에는 도2와 같이 특정편광(제1 편광 또는 제2 편광)만 눈쪽으로 통과시키는 제2편광 필터(PO2)와 편광축 회전 제2 수단(RO2)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 그 이유는 외부 사물에서 반사되어 본 발명의 안경형 디스플레이 장치에 입사되는 빛(EL)에는 제1편광과 제2 편광이 섞여 있어서 이 두 편광이 동시에 이방성 볼록 렌즈(CX)를 통과하면 두 편광이 다르게 굴절되어 영상이 2중으로 분리되어 보일 수 있기 때문이다.

편광축 회전 제2 수단(RO2)이 필요한 이유는 다음과 같다. 만약 편광축 회전 제2 수단(RO2)이 없다면 외부에서 입사되는 빛(EL)중에서 제2편광 필터(PO2)를 통과한 특정 편광은 편광축 회전 제1수단(RO)을 통과하면서 편광축이 회전하게되는데 편광축 회전 제1 수단(RO)에 인가되는 전압에 따라 회전각도가 수시로 변하게 된다. 그러면 제1편광 필름(PO)을 통과하는 빛의 양이 수시로 변하게 되므로 외부 사물의 밝기가 일정하지 못하다는 문제가 발생된다. 이러한 문제는 편광축 회전 제2 수단(RO2)을 추가하고 적당한 전압을 인가하여 편광축 회전 제1수단(RO)이 회전시키는 각도의 반대 방향의 각도로 미리 편광축을 회전시키면 된다. 즉 외부에서 입사되는 빛(EL)이 제1편광 필름(PO)을 항상 최대한 통과할 수 있도록 편광축 회전 제2 수단에 적당한 전압을 인가하는 것이 바람직하다.

도6은 이러한 동작 원리를 자세히 나타낸 것이다. 도6에서 두 편광 필름(PO,PO2)는 모두 수직 편광만 통과시키는 편광 필름이고 편광축 회전 제1 수단(RO)은 투명 디스플레이로(OL)부터 제1편광필름(PO)을 통과해서 입사하는 수직 편광의 편광 축을 시계 반대 방향으로 각도(AN)만큼 회전시킨다. 외부에서 입사되는 빛(EL)중에서 제2편광필름(PO2)를 통과한 수직 편광은 편광축 회전 제2 수단(RO2)를 통과하면서 시계방향으로 상기 각도(AN)만큼 회전한다. (여기서 시계방향과 시계 반대 방향은 광원에서 빛이 전진하는 방향을 향해 보았을 때의 회전 방향이다) 그러면 이 빛은 편광축 회전 제1수단(RO) 를 통과하면 수직 편광이 되어 제1편광 필름(PO)를 통과해서 눈에 도달 할 수 있다. 즉 도6과 같은 구성의 장치라면 편광축 회전 제1 수단과 편광축 회전 제2 수단은 통과하는 수직 편광을 각도 크기는 같고 방향만 다르게 회전시키면 외부 빛(EL)이 최대한 제1편광 필름을 통과해 눈에 도달하므로 외부 사물이 최대한 밝게 보일 수 있다.

이러한 제1 또는 제2 편광은 오목렌즈,오목 거울,볼록렌즈를 마치 투명한 유리판을 통과하듯 굴절됨 없이 통과하여 눈에 도달하므로 본 장치를 착용하면 외부 사물을 볼 수 있는 동시에 투명 디스플레이의 영상도 볼 수 있다.

도 7과 같이 만약에 제2 편광 필름이 수평 편광만 통과시키는 필름이라면 편광축 회전 제2수단(RO2)은 입사되는 수평 편광의 편광축을 각도 90-AN 만큼 시계 반대 방향으로 회전시키면 된다.

또한 이방성 볼록렌즈가 아무리 두껍더라도 전기 신호를 인가하는 편광축 회전 수단(RO,RO1)은 매우 얇게 구성할 수 있으므로 저전압으로 고속으로 편광축 회전 수단을 구동 할 수 있다.

이러한 편광축 회전 수단으로 편광축을 회전시켜서 가까운 물체의 영상과 먼 물체의 영상을 번갈아 빠르게 출력할 수 있다.

실시예2

본 실시예는 상기 미국 특허 출원 번호 US 14/749,568(Head Mounted Augmented Reality Display) 디스플레이의 해상도가 낮다는 문제(문제2)를 다음과 같이 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기 실시예1의 편광 필름(PO,PO2)은 특정 편광만 통과시키는 역할을 하는데 흡수형 편광 필름을 사용할 수도 있고 반사형 편광 필름을 사용할 수도 있다. 반사형 편광 필름은 특정 편광은 통과시키고 그외의 다른 편광은 반사시키는 필름으로 미세 금속선(wire grid)을 정렬하여 만들 수 있다. 이러한 반사형 편광 필름을 도2의 제1편광 필름(PO)에 사용한다면 준투명 디스플레이는 예를 들어 투명 oled일 수 있고 그 각 픽셀의 안구를 향하는 쪽에는 그 픽셀이 방출하는 빛의 색의 빛을 반사하는 이색성 반사 코팅(RC)을 하는 것이 바람직하다. 이 경우 투명 oled의 각 픽셀은 예를 들면 삼원색 중 한 색의 빛을 방출하도록 구성한다. 이처럼 눈쪽면에 이색성 반사 코팅을 하면 투명 oled의 픽셀에서 눈쪽으로 방출된 빛이 이색성 코팅에의해 오목 거울 쪽으로 반사되므로 눈부심이 없다. (눈부심을 제거하기 위하여 투명 디스플레이의 픽셀에서 눈 쪽으로 방출하는 빛의 색을 흡수하는 흡수 칼라 코팅을 투명디스플레이의 눈쪽 면에 형성할 수도 있다.)

도2에서 투명 디스플레이(OL)에는 3종류의 광원을 포함하는 펙셀들과 이색성 칼라 반사 필터 또는 칼라 흡수 필터가 표시되어있다.

예를 들어서 PR은 빨강 광원을 포함하는 픽셀이고

PG는 녹색 광원을 포함하는 픽셀이고

PB는 파랑 광원을 포함하는 픽셀이다.

그리고

RR은 빨강을 반사 또는 흡수하는 필터이고

RG은 녹색을 반사 또는 흡수하는 필터이고

RB은 파랑을 반사 또는 흡수하는 필터이다.

이 경우

RR은 빨강이외의 빛은 통과시키는 필터이고

RG은 녹색 이외의 빛은 통과시키는 필터이고

RB은 파랑 이외의 빛은 통과시키는 필터이다.

이 경우 도2의 편광필름(PO)가 반사형 편광 필름이면 흡수형 편광 필름보다 손실되는 빛이 줄어들어서 에너지 효율이 높아지게 된다. 즉 전력 소비량이 줄어들어 안경형 디스플레이를 구동하는 배터리 사용 시간이 늘어난다.

이러한 반사형 또는 흡수형 칼라 필터는 외부에서 입사되는 빛(도2의 EL)의 일부를 차단하여 시야를 어둡게 하는 단점이 있다. 시야를 밝게 하려면 액정 셔터 또는 멤스(mems: mems, mcro electromechanical systems) 셔터를 투명 디스플레이의 각 픽셀의 눈을 향하는 면에 형성하여 셔터를 닫아서 투명 디스플레이의 픽셀에서 눈으로 향하는 빛을 차단할 수 도 있다.

멤스 셔터에 대한 기술은 다음 논문에 게시되어있다.

참고 문헌3:

투명 OLED 디스플레이를 위한 광대역 반사 마이크로셔터 블라인드 패널

(제18회 한국MEMS학술대회 논문집 4월7일-9일에 논문)

이 경우 각 셔터를 모두 동시에 닫으면 투명 디스플레이에서 오목 거울쪽으로 방출된 빛(DL)이 오목 거울(RM)에 반사된 후 눈으로 향할 때 모두 차단되므로 투명 디스플레이의 픽셀들을 2개 또는 다수의 그룹으로 나눠 그룹 별로 순차적으로 빛을 방출하고 빛을 방출하는 픽셀에 접하는 셔터만 닫게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어서 도5와 같이 투명 디스플레이의 짝수 번째 픽셀들을 제1 그룹(G1)으로 나눌 수 있고 홀수번째 픽셀들을 제2그룹(G2)으로 나눌 수 있다.

이 경우 제1 그룹의 픽셀들에 영상을 출력하여 빛을 방출하게 하고 그에 병행하여 제1그룹에 속하는 픽셀에 접하는(즉 제1 그룹에 속하는 픽셀과 눈 사이에 존재하는) 액정 셔터 또는 멤스 셔터를 닫고 제2 그룹에 속하는 픽셀에 접하는(즉 제2그룹에 속하는 픽셀과 눈 사이에 존재하는) 액정 셔터 또는 멤스 셔터를 연다.

다음 순간에는 그와 반대로 제2 그룹의 픽셀들에 영상을 출력하여 빛을 방출하게 하고 그에 병행하여 제2그룹에 속하는 픽셀에 접하는 액정 셔터 또는 멤스 셔터를 닫고 제1 그룹에 속하는 픽셀에 접하는 액정 셔터 또는 멤스 셔터를 연다.이러한 과정을 빠르게 반복한다. 도5는 투명 디스플레이(OL)의 제1 그룹(G1)의 셔터는 닫고 제2 그룹(G2)의 셔터는 연 것을 나타낸 것이다. 액정 셔터는 예를 들어서 셔터 안경식 3d 디스플레이를 볼 때 착용하는 셔터 안경의 렌즈와 같은 구조로 구성될 수 있다. 또한 멤스 셔터는 전기 신호에의해 열리고 닫히는 미세한 판으로 빛을 통과 또는 차단시키는 셔터를 의미한다.

이러한 액정 셔터나 멤스 셔터는 각각의 픽셀 마다 구성될 수도 있고 이웃한 다수의(예를 들면 서로 인접한 2행 2열 픽셀들)픽셀들 마다 구성될 수도 있다. 예를 들어서 2행 2열 픽셀들마다 셔터를 구성하면 그 셔터를 열고 닫으면 2행 2열을 구성하는 4개의 픽셀영역을 통과하는 빛을 동시에 차단 하거나 통과시킬 수 있다. 이와 같이 픽셀과 눈 사이에 칼라 필터,액정 셔터 또는 멤스 셔터를 설치하면 픽셀간 간격을 좁힐 수 있어서 영상의 해상도를 높일 수 있다.

실시예3

본 실시예는 상기 실시예1의 가변 초점 렌즈 기술을 오큘러스 cv1과같은 가상현실용 머리 착용 디스플레이(head mount display)에 적용한 것에 관한 것이다. 현재의 가상현실용 머리 착용 디스플레이의 눈 앞의 볼록렌즈는 초점 거리가 고정되어 있어서 두 눈의 수렴 각도와 눈의 초점 거리가 불일치하는 (이를 vergence-accommodation conflict라고 한다.)문제가 있는데 본 실시예는 이러한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 실시예는 도8과 같이 기존의 가상현실용 머리 착용 디스플레이의 볼록 렌즈를 편광 종류에 따라 굴절율이 다른 이방성 물질의 볼록렌즈(VLN)로 대체하고(또는 기존 렌즈에 이방성 물질의 볼록렌즈를 추가하여 겹쳐 설치하고) OLED 와 같은 디스플레이(VDS) 앞에는 특정 편광만 눈쪽으로 통과시키는 편광 필름(VPO)과 상기 편광 필름을 통과한 편광의 편광축을 회전시키는 편광축 회전 수단(VRO)을 포함한다. 상기 편광 필름은 빛의 손실을 최소화하기 위하여 반사형 편광 필름으로 하는 것이 바람직하다.

편광축 회전 수단(VRO)에 인가하는 전압을 변화시키면 편광축 회전 수단(VRO)을 통과하는 편광의 편광축을 원하는 만큼 회전 시킬 수 있고 이러한 편광은 이방성 물질의 볼록렌즈(VLN를 통과하면서 그 편광축 회전 정도에 대응하는 정도로 수렴 굴절 하여 눈에 도달한다. 이러한 편광축 회전 수단(VRO)에 인가하는 전압을 편광축 회전 수단(VRO) 전체에 동일하게 인가할 수도 있고 편광축 회전 수단(VRO)을 미세한 다수의 영역(예를 들면 디스플레이의 픽셀에 대응하는 영역)으로 나눠 각 영역마다 다른 전압을 인가할 수도 있다. 예를 들어서 디스플레이에 멀리 있는 사물과 가까이 있는 사물을 동시에 출력한다면 멀리 있는 사물에 겹친 편광축 회전 수단(VRO) 영역에 인가하는 전압과 가까이 있는 사물에 겹친 편광축 회전 수단(VRO) 영역에 인가하는 전압을 다르게 함으로써 두 영역에서 방출된 빛이 렌즈(VLN)에서 서로 다른 정도로 수렴 굴절하게 하여 두 물체의 영상과 눈 사이 거리가 다르게 할 수 있다.

이러한 디스플레이(VDS)를 투명 OLED와 같은 투명 디스플레이로 하고 투명 디스플레이에 영상을 출력하지 않으면 외부의 빛이 눈에 도달할 수 있다. 그러나 외부의 빛이 이방성 물질의 볼록렌즈(VLN)에의해 수렴 굴절되어 외부 영상이 망막에 초점을 맺지 못하는 문제 가 있다.

외부 물체를 선명하기 보려면 이방성 물질의 볼록렌즈(VLN) 앞 또는 뒷면 또는 양쪽 면에 도 3과 유사하게 도9와 같이 굴절율 매칭 물질로된 오목렌즈(VCC)를 부착하면 된다. 여기서 굴절율 매칭된 물질은 이방성 볼록렌즈의 제1 편광에 대한 제1 굴절율과 제2 편광에 대한 제 2 굴절율중 어느 한 굴절율과 동일한 굴절율의 물질을 의미한다. 이처럼 굴절율 매칭 물질로된 오목렌즈(VCC)를 부착한 이방성 물질의 볼록렌즈(VLN)를 통해 제1편광이 통과하면 수렴 굴절하지만 제2 편광은 마치 투명한 유리판처럼 굴절됨 없이 통과할 수 있다. 즉 투명 디스플레이에 영상을 출력할 때는 편광축 회전 수단(VRO)에 제1 전기 신호를 인가하여 편광축을 회전시켜 제1편광이 눈에 도달하게 하면 눈은 디스플레이 영상을 볼 수 있다. 그리고 편광축 회전 수단(VRO)에 제2 전기 신호를 인가하여 편광축을 회전시켜 제2편광이 눈에 도달하게 하면 눈은 외부 사물의 영상을 볼 수 있다.

이와 같이 디스플레이에 영상을 출력하는 상태와 출력하지 않는 상태를 번갈아 빠르게 반복하면 외부 사물과 디스플레이 영상을 겹쳐 볼 수 있다. 디스플레이에 영상을 선명하게 보기 위히여 디스플레이 바깥쪽에는 셔터 수단(예를 들면 액정 셔터)(VST)를 추가하여 디스플레이에 영상을 출력하는 동안에는 셔터를 닫아 외부 의 빛이 눈에 도달하지 못하게 하는 것이 바람직하다.

EB : 안구
DS,OL : 준투명 디스플레이
PO,PO2 : 편광필름
RO,RO2 : 편광축 회전 수단
CX : 이방성 볼록렌즈
CM,MR : 오목 반거울(HALF MIRROR)
CC : 이방성 오목렌즈
RC : 칼라 코팅
EL : 외부에서 입사되는 빛
DL : 투명 디스플레이에서 방출되는 빛
VLN : 이방성 볼록렌즈
VRO : 편광축 회전 수단
VPO : 편광 필터
VDS : 디스플레이
VCC :오목렌즈
VST :셔터 수단

Claims (16)

1. 안경형 디스플레이에 있어서
   눈 앞에 위치하고 시선 방향으로만 빛을 방출하는 준투명 디스플레이;
   상기 준투명 디스플레이에서 방출된 빛 중에서 제1 편광만 시선 방향으로 통과시키는 제1편광 필터;
   상기 제1편광 필터를 통과한 제1 편광의 편광축을 회전시키는 편광축 회전 제1수단;
   상기 편광축 회전 제1수단에의해 편광축이 회전된 편광을 편광축의 회전 정도에 대응하는 굴절율로 수렴 굴절시키는 이방성 볼록렌즈;
   상기 이방성 볼록렌즈를 통과한 빛을 다시 상기 이방성 볼록렌즈 쪽으로 반사시키는 반사수단;
   을 포함하되
   상기 준투명 디스플레이의 각 픽셀은 삼원색중 한 색의 빛을 방출하고 상기 픽셀의 눈쪽 면에는 상기 삼원색 중 한 색의 빛을 반사수단 쪽으로 반사하는 이색성 반사 코팅 또는 상기 삼원색 중 한 색의 빛을 흡수하는 칼라 흡수 코팅 또는 각 픽셀 마다 또는 다수의 인접한 픽셀들 마다 빛을 통과 또는 차단시킬 수 있는 셔터 수단을
   포함하는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
2. 제1항에 있어서
   상기 디스플레이의 반사수단은 눈을 향하는 쪽이 오목한 반거울 또는 편평한 반거울인 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
3. 제2항에 있어서
   상기 안경형 디스플레이는 상기 오목한 반거울 또는 편평한 반거울의 시선 방향 쪽에 오목 렌즈를 포함하는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
4. 제3항에 있어서 상기 안경형 디스플레이는
   상기 오목 렌즈의 시선 방향 쪽에 제1 또는 제2편광만 눈쪽으로 통과시키는 제2편광 필터와
   상기 제2 편광 필터를 통과한 편광의 편광 축을 회전시키는 편광축 회전 제2 수단을 포함하는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
5. 제1항에 있어서
   상기 셔터 수단은 액정 셔터 또는 멤스(mems) 셔터인 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
6. 안경형 디스플레이에 있어서
   눈 앞에 위치하고 시선 방향으로만 빛을 방출하는 준투명 디스플레이;
   상기 준투명 디스플레이에서 시선 방향으로 방출된 빛을 눈쪽으로 반사시키는 광학 모듈을 포함하되
   상기 준투명 디스플레이의 각 픽셀은 삼원색중 한 색의 빛을 방출하고 상기 픽셀의 눈쪽 면에는 상기 삼원색 중 한 색의 빛을 광학 모듈 쪽으로 반사하는 이색성 반사 코팅 또는 상기 삼원색 중 한 색의 빛을 흡수하는 칼라 흡수 코팅을 포함하는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
7. 제6항에 있어서 상기 광학 모듈은 반거울을 포함하고
   반거울의 눈을 향하는 쪽에는 볼록렌즈가 포함되고
   반거울의 시선 방향 쪽에는 오목 렌즈가 포함되는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
   
8. 안경형 디스플레이에 있어서
   눈 앞에 위치하고 시선 방향으로만 빛을 방출하는 준투명 디스플레이;
   상기 준투명 디스플레이에서 시선 방향으로 방출된 빛을 눈쪽으로 반사시키는 광학 모듈을 포함하되
   상기 준투명 디스플레이의 각 픽셀의 눈쪽 면에는 각 픽셀 마다 또는 다수의 인접한 픽셀들 마다 빛을 통과 또는 차단시킬 수 있는 셔터 수단을 포함하는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
9. 제8항에 있어서 상기 광학 모듈은 반거울을 포함하고
   반거울의 눈을 향하는 쪽에는 볼록렌즈가 포함되고
   반거울의 시선 방향에는 오목 렌즈가 포함되는 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
10. 제8항에 있어서
    상기 셔터 수단은 액정 셔터 또는 멤스 셔터인 것을 특징으로하는 거울을 이용한 투명한 안경형 디스플레이
    
    
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