KR102172612B1 - 도파관 기반 영상 제공 장치의 상하 화각 확대 가능한 아이박스 형성 방법 - Google Patents

Abstract

2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이 상하 방향으로의 효과적 아이박스 형성 및 상하 방향 화각 확대가 가능한 도파관 기반의 영상 제공 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 영상 제공 장치는 영상원에서 출력되는 영상을 도파관으로 유입시키며, 좌우방향 출사동이 형성되어 있는 인커플러; 인커플러를 통해 유입된 영상이 전달되는 경로를 제공하는 도파관: 도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 모아주는 광학 장치; 및 도파관을 통해 전달되는 영상을 출사시키는 아웃커플러 어레이;를 포함한다.
이에 의해, 전체 시스템의 광효율이 증대되어, 2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이도 효과적으로 상하 방향 아이박스 형성이 가능하고 화각을 증대시킬 수 있다.

Description

도파관 기반 영상 제공 장치의 상하 화각 확대 가능한 아이박스 형성 방법{Method for Generating Eye-Boxes with Wide Vertical Field of View in Lightguide based Image Providing Apparatus}

본 발명은 영상 제공을 위한 도파관형 광학 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상하 방향의 효과적 아이박스 형성 및 시야각 확대를 위한 광학 장치에 관한 것이다.

영상 제공을 위한 도파관형 광학 장치에서, 사용자가 영상을 관측할 수 있는 시역인 아이박스(Eye-box)와 관측 영상의 크기인 화각(Field of View)은 클수록 좋은 설계 파라미터이다.

하지만 통상의 광학 구조는 아이박스의 크기와 화각 간의 Trade-off 관계가 있어 상호 간의 적절한 최적 설계점을 찾아야 한다.

이를 해결하기 위하여 도파관을 통해 전달되는 영상을, 아웃커플러(Outcoupler) 어레이를 통한 반복적인 출광을 통하여 아이박스를 확장하는 출사동 확장(Exit Pupil Expanding) 기술이 활발히 개발되고 있다.

출사동 확장 기술에 있어, 도 1에 도시된 바와 같이 한쪽 축 방향(통상적으로 좌우 방향)으로 출사동을 확장하는 1차원 출사동 확장 기술과 도 2에 도시된 바와 같이 양축 방향(상하좌우)으로 출사동을 확장하는 2차원 출사동 확장 기술의 도입이 가능하다.

사용자마다 다른 양안 간격을 커버하기 위하여, 좌우 방향의 출사동 확장은 매우 유용한 기술이나, 2차원 출사동 확장 기술을 사용할 경우, 관측 영상의 밝기가 매우 저하되어 시인성에 문제를 야기한다.

따라서 1차원 출사동 확장 기술로 양안 간격의 편차를 대응하되, 효과적으로 상하 방향으로의 아이박스를 확보하고 화각을 증대시키는 기술 개발이 필요하다.

통상적으로 도파관 디스플레이의 아이박스 및 화각은 도파관의 인커플러(Incoupler) 앞단에 위치한 시준 광학계의 초점거리에 의하여 결정되며, 영상원은 시준 광학계의 초점거리 근처에 위치하여 광학적으로 무한대(Optical Infinity)에 결상된다. 이때 시준 광학계의 초점거리가 작을수록 큰 화각을 확보할 수 있다.

1차원 출사동 확장 기술에서, 상하 방향 아이박스는 별도의 광학 장치 없이는 영상원과 사용자 동공까지의 거리가 매우 멀어져 긴 초점거리의 시준 광학계 사용이 강제되어 충분한 시야각 확보에 어려움이 있다.

예를 들어, 영상원과 시준 광학계에 의해 형성되는 광학 시스템의 좌우방향 출사동을 도파관의 인커플러에, 상하방향 출사동을 사용자의 눈이 위치하는 도파관 시스템 전체의 아이박스 형성 평면에 위치시키는 것이다.

이 경우, 시준 광학계로부터 상하방향 출사동까지의 거리는 도파거리에 비례하여 늘어나게 되어, 좌우 방향 대비 상하 방향의 화각을 확보하는 데에 어려움이 따른다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이 상하 방향으로의 효과적 아이박스 형성 및 상하 방향 화각 확대가 가능한 도파관 기반의 영상 제공 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 영상 제공 장치는 영상원에서 출력되는 영상을 도파관으로 유입시키며, 좌우방향 출사동이 형성되는 인커플러; 인커플러를 통해 유입된 영상이 전달되는 경로를 제공하는 도파관: 도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 모아주는 광학 장치; 및 도파관을 통해 전달되는 영상을 출사시키는 아웃커플러 혹은 아웃커플러 어레이;를 포함한다.

광학 장치는, 도파관에 광학적으로 결합되거나 매립되어 있을 수 있다.

광학 장치는, Cylindrical 거울일 수 있다.

광학 장치는, 재귀반사(Retroreflective) 광학구조일 수 있다.

광학 장치는, 회절광학소자일 수 있다.

광학 장치는, 홀로그래픽 광학소자일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 영상 제공 장치는 영상을 출력하며, 상하로 이동하는 영상원; 시준광학계; 영상원에서 출력되어 시준광학계를 통과한 영상을 도파관으로 유입시키며, 좌우방향 출사동이 형성되어 있는 인커플러; 인커플러를 통해 유입된 영상이 전달되는 경로를 제공하는 도파관: 도파관을 통해 전달되는 영상을 출사시키는 아웃커플러 혹은 아웃커플러 어레이;를 포함한다.

영상원의 이동 변위에 따른 화각은 다음의 식으로 표현한다.

여기서, F는 시준 광학계의 초점거리, S는 영상원의 상하 크기, ΔS는 영상원의 이동 변위인 것이다.

본 발명에 따른 영상 제공 장치의 상하 이동 가능한 영상원을 구현함에 있어, 영상원과 시준광학계의 사이에 마련되는 전기 습윤(Electrowetting) 방식 등의 가변 프리즘;을 포함하여 구성될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 전체 시스템의 광효율이 증대되어, 2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이도 효과적으로 상하 방향 아이박스 형성이 가능하고 화각을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 영상원의 과도한 전력 소모를 줄일 수 있고, 2차원 출사동 확장 기술 구현을 위한 부가적인 공정 제작 비용을 줄일 수 있으며, 광화각의 영상을 제공함으로써 사용자로 하여금 콘텐츠에 대한 몰입감과 만족감을 높일 수 있다.

도 1은 도파관 디스플레이의 아이박스 형성 모식도: 좌우방향,
도 2는 도파관 디스플레이의 아이박스 형성 모식도: 상하방향,
도 3은 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성: 실제 광 전달 경로
도 4는 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성: 장초점거리 시준 광학계 사용 시의 광전달경로 분석,
도 5는 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성: 단초점거리 시준 광학계 사용 시의 광전달 경로 분석,
도 6 내지 도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 기반의 영상 제공 장치를 나타낸 도면,
도 9 및 도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 기반의 영상 제공 장치를 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는, 상하 방향의 효과적 아이박스 형성 및 시야각 확대를 위한 도파관 기반 영상 제공 장치를 제시한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 도파관 기반 영상 제공 장치는, 상하 방향 아이박스 형성 및 화각 증대를 위해, 도파관 중간에 결합되거나 매립된 광학 장치를 통하여 상하 방향으로 퍼지는 광경로를 도파관의 중간에서 변경(반사, 재귀반사, 회절 등)하여 모아줌으로써 상하 방향으로의 아이박스를 효과적으로 확보하고 시야각을 증대시키는 구조를 제시한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 도파관 기반 영상 제공 장치는, 시준 광학계와 영상원(디스플레이) 사이의 위치 관계를 빠르게 가변함으로써 긴 초점거리를 가지는 시준 광학계에 대해서도 효과적으로 상하 방향 시야각을 증대시키는 방안을 제시한다.

상하 방향의 아이박스 형성 과정을 모사하기 위하여, 도파관에 의한 광전달과정을 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 생각할 수 있다. 도 3 내지 도 5에서, 전반사에 의한 도파관 내에서의 광전달을 복수의 기판이 적층된 구조로 대체하여 광학 특성을 살펴본다.

도 3은 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성시 실제 광 전달 경로를 나타내었고, 도 4는 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성시 장초점거리 시준 광학계 사용 시의 광전달경로 분석을 위한 도면이며, 도 5는 도파관에 의한 상하방향 아이박스 형성시 단초점거리 시준 광학계 사용 시의 광전달 경로 분석을 위한 도면이다.

도 3 내지 도 5에서 볼 수 있듯이, 화각 확보를 위하여 단초점 거리의 시준 광학계를 사용한다면, 시준 광학계의 출사동이 도파관 내부에 형성되어 최종 관측자가 전체 화면을 올바르게 관측하기가 불가능하며, 일부 화면이 잘려 관측되게 된다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 1차원 출사동 확장 기술의 성능 개선을 위하여, 효과적으로 상하 아이박스를 형성하여 화각을 확대할 수 있는 하기의 두 가지 방안을 제시한다.

하나는, 도파관 중간에 결합되거나 매립된 별도의 광학 장치를 통하여 상하 방향으로 퍼지는 광경로를 도파관의 중간에서 변경할 수 있는 추가 Optical Layer를 도입하는 것이다.

광경로 변환에는 상하 방향으로 퍼지는 빛을 반대 방향으로 꺾어주어 모아주는 광학적 기능이 필요하며, 이를 위하여 도파관의 중간에 Cylindrical 거울, 재귀반사(Retroreflective) 광학구조, 회절광학소자, 홀로그래픽광학소자 등을 사용할 수 있다.

도 6 내지 도 8에 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 기반의 영상 제공 장치를 나타내었다.

구체적으로, 도 6에는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 기반의 영상 제공 장치의 개념도를, 도 7에는 Optical Layer로 Cylindrical 거울을 사용한 예를, 도 8에는 Optical Layer로 재귀반사 광학구조를 사용한 예를, 각각 나타내었다.

도 7/도 8에 도시된 바와 같이, 도파관 기반의 영상 제공 장치는, 인커플러(110), 도파관(120), Cylindrical 거울(131)/재귀반사 광학구조(132) 및 아웃커플러 어레이(140)를 포함한다.

인커플러(110)는 영상원에서 출력되는 영상을 도파관(120)으로 유입시킨다. 인커플러(110)에는 시준광학계의 좌우방향 출사동이 형성되어 있다. 도파관(120)은 인커플러(110)를 통해 유입된 영상이 전달되는 경로를 제공한다.

Cylindrical 거울(131)/재귀반사 광학구조(132)는 도파관(120)에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 모아주는 광학 장치이다. Cylindrical 거울(131)/재귀반사 광학구조(132)는 도파관(120)에 광학적으로 결합되거나 매립되어 있다. 아웃커플러 어레이(140)는 도파관(120)을 통해 전달되는 영상을 출사시킨다.

이하에서는, 1차원 출사동 확장 기술의 성능 개선을 위하여, 효과적으로 상하 아이박스를 형성하여 화각을 확대할 수 있는 다른 방안에 대해 설명한다.

이 방안은 도파관의 추가 광학 소자 매립 없이, 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 영상원(210)과 시준광학계(220) 사이의 위치 관계를 빠르게 가변하는 시분할 구동을 통하여 상하방향 시야각을 확장하는 것이다.

영상원(210)의 이동 변위에 따른 화각은 다음의 식으로 표현할 수 있다.

여기서, F는 시준 광학계의 초점거리, S는 영상원의 상하 크기, ΔS는 영상원(210)의 이동 변위이다. 예를 들어, 도 9 및 도 10과 같이 홀수와 짝수 프레임에 대하여 각각 영상원(210) 크기의 절반만큼을 상하로 이동시킬 경우, 관측 가능한 화각은 기존의 경우 대비 약 2배 가까이로 늘어날 수 있다.

이때, 영상원(210)은 기구적으로 움직일 수도 있으며, 영상원(210)과 시준 광학계(220) 사이에 전기 습윤(Electrowetting) 방식 등의 가변 프리즘을 넣어 전기 광학적으로 영상원의 이동 효과를 유발할 수도 있다.

지금까지, 상하 아이박스 화각 확대가 가능한 도파관 기반 영상 제공 장치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에서는, 2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이 상하 방향으로의 효과적 아이박스 형성 및 상하 방향 화각 확대가 가능한 도파관 기반의 영상 제공 장치를 제시하였다.

이에 의해, 전체 시스템의 광효율이 증대되는 효과를 가져와, 2차원 출사동 확장 기술에 따른 밝기 저하 없이도 효과적으로 상하 방향 아이박스 형성이 가능하고 화각을 증대시킬 수 있어, 영상원의 과도한 전력 소모를 줄일 수 있고, 2차원 출사동 확장 기술 구현을 위한 부가적인 공정 제작 비용을 줄일 수 있으며, 광화각의 영상을 제공함으로써 사용자로 하여금 콘텐츠에 대한 몰입감과 만족감을 높일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 도파관 기반의 영상 제공 장치는, 전방 시현기(Head-up Display), 머리 착용형 디스플레이(Head-mounted Display), 평면 패널 백라이트(Flat-panel Backlight) 등의 다양한 응용처에서 구현될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 인커플러
120 : 도파관
131 : Cylindrical 거울
132 : 재귀반사 광학구조
140 : 아웃커플러 어레이
210 : 영상원
220 : 시준광학계

Claims (9)

1. 영상원에서 출력되는 영상을 도파관으로 유입시키며, 좌우방향 출사동이 형성되어 있는 인커플러;
   인커플러를 통해 유입된 영상이 전달되는 경로를 제공하는 도파관:
   도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 모아주는 광학 장치;
   도파관을 통해 전달되는 영상을 출사시키는 아웃커플러 어레이;를 포함하고,
   광학 장치는,
   도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 한 곳의 접점에서 모이는 방향으로 꺾어 모아주며,
   영상원과 인커플러 사이에 위치하는 시준 광학계의 출사동은,
   도파관 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 영상 제공 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   광학 장치는,
   도파관에 광학적으로 결합되거나 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 영상 제공 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   광학 장치는,
   Cylindrical 거울인 것을 특징으로 하는 영상 제공 장치.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   광학 장치는,
   재귀반사(Retroreflective) 광학구조인 것을 특징으로 하는 영상 제공 장치.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   광학 장치는,
   회절광학소자 또는 홀로그래픽 광학소자인 것을 특징으로 하는 영상 제공 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 좌우방향 출사동이 형성되어 있는 인커플러가, 영상원에서 출력되는 영상을 도파관으로 유입시키는 단계;
   도파관이, 인커플러를 통해 유입된 영상을 전달하는 단계;
   광학 장치가, 도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 모아주는 단계;
   아웃커플러 어레이가, 도파관을 통해 전달되는 영상을 출사시키는 단계;를 포함하고,
   모아주는 단계는,
   도파관에서 상하 방향으로 퍼지는 영상을 한 곳의 접점에서 모이는 방향으로 꺾어 모아주며,
   영상원과 인커플러 사이에 위치하는 시준 광학계의 출사동은,
   도파관 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 영상 제공 방법.
   

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