KR102252759B1 - 사용자의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치 - Google Patents

사용자의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용자를 위한 안경 및 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 안경의 광학 유닛에 의해 전달되는 광선을 생성하는 적어도 하나의 투영 디바이스를 갖는 디스플레이 장치의 사용자의 시야에 가상 이미지를 중첩시키는 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 광학 유닛이 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이 및 홀로그래픽 광학 이미징 유닛을 포함하며, 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이 및 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 투영 디바이스에 의해 생성된 광선이 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이를 통해 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 의해 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치된다.

Description

사용자의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치
본 발명은 독립항 1 및 2의 전문에 따라 디스플레이 장치(display apparatus)의 사용자의 시야(field of vision)에 가상 이미지(virtual image)를 중첩(superimposing)시키기 위한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적인 디스플레이 장치는 사용자를 위한 안경(spectacles), 및 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로(beam path)로 안경의 광학 유닛(optical unit)에 의해 전달(transferred)되는 광선(light rays)을 생성하기 위한 적어도 하나의 투영 디바이스(projection device)를 포함한다.
이러한 종류의 디스플레이 장치는 종래 기술로 공지되어 있다. 구글(Google)에 의해 개발되고 구글 글라스(Google Glass)라는 상표로 배포된 디바이스는 독립 청구항 1의 전제에 따라 디스플레이 장치를 구성한다. 상기 디바이스는 기본적으로 한쪽면이 비교적 넓은 템플(temple)을 포함하는 전통적 안경으로 구성되며, 중급 스마트폰(mid-range smartphone)의 컴퓨팅 성능(computing power)을 구비한 컴퓨터가 통합되어 있다. 이미지 출력은 템플에 통합된 소형 프로젝터를 통해 이루어지며, 그 이미지는 프리즘에 의해 사용자의 오른쪽 눈에 반영된다. 프리즘(prism)은 안경의 오른쪽 렌즈 앞에 배치(arranged)되고, 시야의 작은 영역만 덮는다. 그러므로, 프로젝터에 의해 중첩된 가상 이미지는 시야의 작은 영역에서만 디스플레이될 수 있다. 또한, 안경의 오른쪽 렌즈 앞의 비교적 두꺼운 프리즘은 심미성(aesthetics)을 방해하고 또한 사용자에 의해 방해되는 것으로 인식될 수 있다. 프리즘은 실제로 주변의 광(light)을 통과시켜 사용자가 여전히 프리즘 영역에서 현실의 이미지를 볼 수 있도록 한다. 그러나, 프리즘은 수차(aberrations)를 발생시킨다.
또한, 소위 가상 현실 안경(virtual reality spectacles)은 주변의 이미지를 카메라로 캡쳐(capture)하고, 이를 가상 이미지와 결합하고, 투영 디바이스에 의해 사용자에게 결합된 이미지를 제공하는 최신 기술로부터 공지되어 있다. 그러나, 사용자는 그의 눈 앞에 투명 글라스가 없고, 투영 디바이스가 켜질 때 주변의 이미지만 볼 수 있기 때문에, 이러한 디바이스는 실제 인지(actual sense)에서의 안경이 아니다. 예를 들어 정전으로 인해 투영 디바이스가 고장날 수 있기 때문에, 이러한 시스템은 사용자가 항상 안전상의 이유로 그의 주변을 인식할 수 있어야 하는 어플리케이션(applications)에는 적합하지 않다.
또한, 사용자에게 안경을 필요로 하지 않는 가상 이미지의 중첩을 위한 디스플레이 장치가 종래 기술로부터 공지되어 있다. 자동차 분야에서, 예를 들어, 이러한 디스플레이 장치는 운전자가 도로로부터 시선을 돌리지 않고, 운전자의 시야에 직접적으로, 차량의 현재 속도와 같은 추가 정보를 운전자에게 제공하는 헤드-업 디스플레이(head-up displays)로서 사용된다. 이러한 디스플레이 장치는 예를 들어 DE 2304175 A, DE 4445555C2, DE 102005012011 A1, DE 102008024060 A1, 및 DE 102011075205 A1에 설명되어 있다. 공지된 헤드-업 디스플레이는 무엇보다도, 가상 이미지가 사용자에게 디스플레이될 수 있는 영역이 시야의 작은 부분만을 차지한다는 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 가상 이미지가 시야의 넓은 영역에 디스플레이 될 수 있고, 사용자에게 방해되는 시각적 임프레션(visual impressions)이 없는 일반적인 유형의 디스플레이 장치를 추가로 개발하는 것이다.
상기 문제점은 독립항 1의 특징에 의해 해결된다. 따라서, 일반적인 유형의 디스플레이 장치의 경우, 본 발명에 따른 문제점에 대한 해결책은 존재하며, 광학 유닛이 그라운드-글라스 스크린(ground-glass screen) 및 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(holographic optical imaging unit)을 포함하는 경우, 상기 그라운드-글라스 스크린 및 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 상기 투영 디바이스에 의해 생성된 상기 광선이 상기 그라운드-글라스 스크린을 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그램 광학 이미징 유닛에 의해 상기 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로에 전달되는 방식으로 배치된다. 대안적으로, 문제점은 독립항 2의 특징에 의해 해결된다. 따라서, 일반적인 유형의 디스플레이 장치에서, 본 발명에 따른 문제점에 대한 해결책은 존재하며, 바람직하게는 상기 광학 유닛이 마이크로렌즈(microlenses)의 렌즈 어레이(lens array) 및 홀로그래픽 광학 이미징 유닛을 포함하는 경우, 상기 렌즈 어레이 및 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 상기 투영 디바이스에 의해 생성된 상기 광선이 상기 렌즈 어레이를 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 의해 상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 상기 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치된다. 본 발명에 따른 이러한 해결책에서, 상기 투영 디바이스는 렌즈 어레이에 직접 이미지를 생성한다. 상기 렌즈 어레이는 발산 렌즈 어레이(diverging lens array) 또는 수렴 렌즈 어레이(converging lens array)일 수 있다.
그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이 및 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 안경에 완전히 눈에 띄지 않는 방식(completely inconspicuous manner)으로 부착될 수 있다. 그러므로, 사용자에 대한 가상 이미지를 생성하는 광학 유닛은 눈에 띄지 않으며, 사용자 자신 또는 제3 자에 의해 방해되는 것으로 인식되지 않는다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 코팅(coating)으로 렌즈에 적용될 수 있다. 렌즈 당 하나의 홀로그램 광학 이미징 유닛 및 눈(eye) 당 하나의 글라스-스크린 또는 렌즈 어레이가 제공되면, 가상 스테레오 이미지(virtual stereo image)가 사용자의 시야에 중첩될 수 있다. 사용자의 눈에 가까운 홀로그램 광학 이미징 유닛의 배치로 인해, 가상 이미지의 시야는 사용자에게 특히 커지게 된다. 카메라로 캡쳐되고 가상 이미지와 결합된 주변이 투영 디바이스가 켜질 때만 사용자에게 보여지는 기존의 시스템과는 대조적으로, 주변은 본 발명에 따른 디스플레이 장치로 보여지도록 항상 유지된다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 영차(zero order)에서 비활성이고 투명하다. 그러므로, 사용자는 방해받지 않고 직접적으로 주변을 인식할 수 있다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 바람직하게는 얇은 평평한 요소(thin flat element)이며 또한 바람직하게는 단지 수 마이크로미터 두께이고, 코팅 또는 필름으로서 안경의 렌즈에 적용된다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 몇 개의 홀로그래픽 레이어(holographic layers)를 포함할 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛 또는 그 레이어는 각각 특정 파장에 대해 최적화될 수 있다. 글라스로서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛을 위한 임의의 적합한 투명 캐리어(transparent carrier)가 고려될 수 있다. 특히, 글라스는 반드시 미네랄 글라스(mineral glass)일 필요는 없으며, 예를 들어 플라스틱 글라스(plastic glass)일 수도 있다. 또한 바람직하게는 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이는 얇은 평평한 요소로서 설계된다. 또한, 그라운드-글라스 스크린 및 렌즈 어레이는 결합될 수 있다. 또한, 렌즈 어레이는 홀로그램(hologram)으로 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항의 주제이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이는 똑바로 세운 상기 사용자의 머리와 수평으로 본질적으로 정렬된다. 이 실시예의 주된 이점은 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이가 사용자의 시야를 방해하지 않는다는 것이다. 또 다른 이점은 그라운드-글라스 스크린이 위로부터(from above) 쉽게 조명(illuminated)될 수 있다는 것이다. 렌즈 어레이를 사용하는 경우에도, 투영 디바이스는 렌즈 어레이에 이미지를 생성하기 위해 사용자 위에 위치(positioned)될 수 있다. 바람직하게는, 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이는 사용자에게 거의 보이지 않거나 보이지 않도록 시각 축(visual axis)과 본질적으로 평행하게 정렬된다. 이 맥락에서, 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이가 안경의 상부(upper part)에 위치하는 경우 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이가 사용자의 시야의 상단(upper end)에 위치되는 것이 바람직하다 .
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이는 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛의 평면(plane)에 대해 적어도 45°의 각도를 갖는다(encloses). 더 바람직하게는, 각도는 적어도 60° 내지 90°일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 반사 홀로그램(reflection hologram)을 포함하고, 광선이 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이를 통해 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 의해 반사되어, 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 전달되도록 배치된다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 확대 글라스(magnifying glass)의 광학 기능을 갖는다. 이 실시예의 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 바람직하게는 사용자의 시각 축에 대해 약 45°의 각도를 갖는 평면에 놓인다(lies). 따라서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 시각 축에 대해 약 45°의 요구되는 각도를 포함하는 안경 렌즈에 적용될 수 있다. 당연히, 정상적으로 정렬된 안경 렌즈 이외에 홀로그래픽 광학 이미징 유닛이 적용되는 추가의 렌즈 또는 투명 디스크(transparent disc)를 제공하는 것이 또한 가능하다. 이 실시예의 특히 바람직한 추가 개발에 따라, 그라운드-글라스 스크린은 선택적 발광 방향(preferential light-emitting direction)을 갖는 홀로그래픽 그라운드-글라스 스크린(holographic ground-glass screen)으로서 설계된다. 이러한 추가 개발의 바람직한 형태는 간단한 그라운드-글라스 스크린의 사용과 비교하여 효율성에서 현저한 개선을 가져온다.
본 발명의 다른 실시예에서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 투과 홀로그램(transmission hologram)을 포함하고, 상기 그라운드-글라스 스크린은 선택적 발광 방향을 갖는 홀로그래픽 그라운드-글라스 스크린이어서, 상기 그라운드-글라스 스크린으로부터의 상기 광선이 대부분(predominantly) 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛 상으로 지향(directed)되도록 한다. 이 실시예에서, 사용자의 시각 축에 대해 45° 각도로 추가의 글라스 또는 투명 디스크(transparent disc)를 제공할 필요는 없다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 일반적으로 정렬된 안경 렌즈에 특히 눈에 띄지 않는 방식으로 적용될 수 있다. 투과 홀로그램은 바람직하게는 적어도 하나의 모노크롬 투과 홀로그램(monochrome transmission hologram)을 갖는다. 특히 바람직하게는, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 상이한 파장의 광에 대한 적어도 3 개의 모노크롬 투과 홀로그램을 포함하고, 상기 적어도 3 개의 모노크롬 투과 홀로그램은 하나 뒤에 다른 하나(one behind the other)가 배치되거나 하나 안에 다른 하나(one inside the other)가 배치된다. 예를 들어, 상이한 투과 홀로그램은 적색, 녹색 및 청색, 필요하다면 다른 색 중 하나를 위해 각각 구성될 수 있다. 투영 디바이스는 대응하는 파장의 광을 생성하도록 설계되어야 한다. 투과 홀로그램 또는 홀로그램들이 레이저 투과 홀로그램(laser transmission holograms)으로 설계되는 경우, 효율성의 추가 향상 및 이에 따른 가상 이미지의 특히 명확한 표현이 달성된다. 또한, 통상의 레이저 광 투과 홀로그램을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 특히 바람직한 실시예에서, 투영 디바이스는 안경과 독립적인 외부 비머(external beamer)로서 설계된다. 이 실시예는 안경이 매우 가볍고 사용자에게 편안하다는 이점을 제공한다. 이미지 정보를 계산하기 위한 전자장치(electronics)는 완전히 외부에 있을 수도 있다. 스테레오 이미지를 생성하기 위해, 2개의 빔머가 제공될 수 있거나 1개의 비머가 사용되어 2개의 이미지를 나란히 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 제1 이미지는 안경의 왼쪽에 있는 그라운드-글라스 스크린을 조명하고, 제2 이미지는 안경의 오른쪽에 있는 그라운드-글라스 스크린을 조명한다. 렌즈 어레이가 사용되는 경우, 비머는 비머의 이미지가 어레이에 생성되도록 설정된다. 비머는 바람직하게는 레이저 비머(laser beamer)로 구성된다. 이는 높은 효율성을 달성하고, 가상 이미지는 특히 높은 색 깊이(high color depth)를 달성한다. 비머를 갖는 실시예는 사용자가 이동의 자유가 제한된 애플리케이션에 적합하다. 예를 들어,이 설계는 자동차 분야에서 사용될 수 있다. 비머는 예를 들어 자동차의 천장에 통합될 수 있다. 단일 비머 또는 스테레오 비머 쌍(single beamer or stereo beamer pair)이 사용되는 경우, 수직축 주위의 머리 회전(head rotation)에 대해 약 180°의 자유도가 있다. 안경의 위치 및 방향에 따라 사용되는 여러 개의 비머를 사용함으로써, 보다 큰 이동의 자유도가 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 디스플레이 장치는 안경의 위치 및 방향을 검출하기 위한 추적기(tracker)를 포함하고, 디스플레이 장치는 안경의 위치 및 방향에 따라 비머에 의해 생성된 이미지가 변경되도록 배치된다. 안경의 위치 및 방향의 수동 추적(Passive tracking)이 가능하다. 이것은 안경을 특히 가볍게 만든다. 대안적으로, 이동 센서는 당연히 안경에 수용되어 안경의 위치 및 방향을 검출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 실시예에 따르면, 디스플레이 장치는 바람직하게는 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이에 한정된 비머의 이미지 섹션(image section)이 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이와 함께 이동하도록 설정된다. 이는 사용자 자신 또는 다른 사람에 의해 방해되는 것으로 인식되는 표면 또는 영역을 비머가 조명하는 것을 방지한다. 특히, 원하지 않는 섬광 효과를 피할 수 있다. 글라스들의 위치 및 방향이 추적되지 않는 경우, 사용자가 위치를 약간 변경할 때 그라운드-글라스 스크린 또는 렌즈 어레이가 항상 조명 영역에 있도록 비머가 더 넓은 영역을 덮어야 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 추적기는 카메라를 포함하고, 상기 안경은 카메라에 의해 캡쳐될 수 있는 기준점(reference points)이 제공된다. 기준점은 발광 다이오드(light-emitting diodes)에 의해 형성되어 어두운 곳에서도 안경의 위치 및 방향을 기록할 수 있다. 이 경우, 적어도 발광 다이오드에 전류 소스(current source)가 제공되어야 하므로, 안경의 완전히 수동 설계가 불가능하다. 대안적으로, 기준점은 또한 인광 재료(phosphorescent material)로 코팅될 수 있다.
그라운드-글라스 스크린을 사용할 때, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 투영 디바이스는 바람직하게는 그라운드-글라스 스크린 바로 위에 위치되고 안경에 고정되는 LCD 디스플레이(LCD display)를 포함할 수 있다. 스테레오트로픽 가상 이미지(stereotropic virtual images)의 생성을 위해, 눈 또는 그라운드-글라스 스크린 당 하나의 LCD 디스플레이가 물론 제공될 수 있다. 이 구성은 이동의 자유에 대한 제한이 없다는 이점을 제공한다. 이 실시예에서는 360° 파노라마 뷰(panoramic view) 및 시야각의 상하 변화가 가능하다. 이 설계로 눈 추적은 필요하지 않다. 안경의 위치와 정렬 만 기록되어야 한다. 이미 상술한 바와 같이, 카메라는 안경에서의 기준점을 기록하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 안경 자체에 수용된 적절한 센서에 의해 안경의 위치 및 방향을 검출하는 것이 가능하다.
LCD 디스플레이는 다양한 방법으로 백라이팅(backlighted) 될 수 있다. 바람직하게는, 협대역 LED(narrow-band LEDs) 또는 레이저 광원(laser light sources)이 이러한 목적을 위해 사용된다. 두 경우 모두, 이미지 정보는 기본 색상인 적색, 녹색, 청색 및 필요한 경우 다른 색상으로 구성될 수 있다. 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 언급된 색상의 대응하는 파장으로 구성된다. 무엇보다도 레이저 광원보다 다소 저렴한 LED는 특정 비용 이점을 제공한다. 레이저 광원을 사용하면 더 나은 색 농도(better color depth)를 달성될 수 있다. LCD 디스플레이의 백라이팅을 위한 또 다른 옵션은 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diodes)의 사용이다. 안경이 특히 가벼운 것이라면, 안경과 독립적으로 LCD 디스플레이를 위한 외부 조명(external illumination)을 제공하는 것도 고려할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 목적으로 레이저가 사용된다. 상술된 비머를 갖는 실시예와 유사하게, 외부 조명은 그라운드-글라스 스크린 또는 LCD 디스플레이를 갖는 조명된 영역이 함께 이동하도록 조정될 수 있다. 물론, 안경의 위치 및 방향은 기록되어야 한다. 안경의 조명된 영역에서, LCD 디스플레이의 작동을 위한 배터리가 충전될 수 있는 광전지(photovoltaic cell)가 또한 바람직하게 배치될 수 있다. 대안적으로, LCD 디스플레이는 케이블을 통해 전력이 공급될 수도 있다. 이를 위해, 안경이 전력 라인(power line)을 사용하여 외부 전력 공급기에 연결될 필요가 있다. 또한, 이미지 정보를 계산하기 위한 컴퓨팅 유닛(computing unit) 또는 무선 수신기가 안경에 제공될 필요가 없도록, 결합된 데이터 및 전력 라인이 제공될 수 있다. 이 경우, LCD 디스플레이에도 불구하고, 안경은 특히 가볍고, 그러므로 착용하기가 편하다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 실시예에서, 디스플레이 장치는 카메라 또는 적절한 대체 이미지 기록 디바이스(suitable alternative image recording device)를 포함하고, 카메라 또는 적절한 대체 이미지 기록 디바이스의 처리된 또는 처리되지 않은 형태의 이미지가 사용자의 시야 내에 가상 이미지로서 중첩될 수 있으며, 카메라는 바람직하게는 스테레오 카메라(stereo camera)로서 구성된다. 카메라는 일반적으로 외부에 있다. 스테레오 카메라의 이미지로부터, 입체 이미지(stereoscopic image)는 사용자의 시점(perspective)으로부터 계산될 수 있고, 실제 시각적 임프레션(real visual impression)에 중첩될 수 있다. 이는, 카메라 또는 적절한 대체 이미지 캡쳐 디바이스(suitable alternative image capturing device)가, 예를 들어 다른 물체에 의해 숨겨지기 때문에, 사용자가 직접 지각(perceptible)하지 못하는 현실의 세부 사항을 캡쳐하는 경우, 특히 유리할 수 있다. 이미지 기록 디바이스(image recording device)라는 용어는 이 문맥에서 광범위하게 해석되어야 한다. 예를 들어, 외과 의사가 특정 조직 부분 또는 혈관의 3 차원 표현을 자신의 직접적인 시야에서 가상 이미지로 디스플레이 할 수 있다고 생각할 수 있다. 이 경우, 알맞은 초음파 또는 X 선 디바이스가 이미지 캡쳐 디바이스로서 사용될 수 있다.
디스플레이 디바이스는 바람직하게는 운송 수단(transport means)의 사용자, 바람직하게는 자동차(motor vehicle)의 운전자를 위해 설계되며, 카메라는 예를 들어 숨어있기 때문에, 카메라가 없으면 사용자가 볼 수 없는 주변의 영역을 검출하도록 위치되고, 디스플레이 장치는 스테레오 카메라의 이미지로부터 사용자의 시점으로부터의 입체 이미지를 계산해서, 사용자를 위하여, 주변의 실제 이미지가 가상 이미지로 보완(complemented)되어 교통 상황(traffic situation)의 확대 이미지(expanded image)를 형성하도록 더 바람직하게는 설계된다. 이 실시예에서, 예를 들어, 카메라를 통해 승용차(passenger car)의 운전자가 보게되는 A-필러(A-pillar) 뒤의 주변의 영역을 캡쳐하고, 카메라로부터의 이미지를 운전자의 시야에 디스플레이 될 수 있는 가상 이미지로 변환하는 것이 가능하여서, 운전자는 A-필러를 통과해 볼(see through) 수 있다. 예를 들어, 보닛(bonnet) 또는 B-필러 또는 C-필러에도 동일하게 적용된다. 바람직하게는, 사용자가 직접 보는 영역은 가상 이미지로부터 제외되어, 이 영역에서의 직접적인 시각적 임프레션과 가상 이미지가 겹쳐지는 것(overlapping)을 방해하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 카메라는 적외선 카메라(infrared camera)일 수 있다. 이 실시예에서, 가시성(visibility)은 열악한 가시성 조건들(예컨대, 밤/안개/비)에서 상당히 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 디스플레이 장치는 주변 밝기(ambient brightness)를 측정하기 위한 광도계(photometer)를 포함한다. 이는 가상 이미지의 밝기를 주변 밝기로 조정하도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예는 도면에 기초하여여 설명될 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 안경을 사시도로 도시한다.
도 2는 개략적으로 도시된 외부 투영 디바이스를 갖는 측면도에서 도 1의 안경을 도시한다,
도 3은 제1 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치를 갖는 자동차의 측면도이다.
도 4는 백라이팅된 LCD 디스플레이를 갖는 제2 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 안경의 측면도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 안경의 측면도이다.
도 6은 제4 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 안경의 측면도이다.
다음 설명에서 동일한 부품은 동일한 참조 부호로 식별된다. 도면이 도면의 연관된 설명에서 상세히 기술되지 않은 참조 부호를 포함하는 경우, 도면의 선행 또는 후속 설명이 참조된다. 또한, 도면은 본질적으로 도식적이며 본 발명을 설명하기 위해서만 제공된다는 점을 지적한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 안경(2)의 사시도를 도시한다. 안경(2)은 종래의 프레임(15) 및 2개의 템플(7)을 갖는다. 왼쪽 글라스(6L)와 오른쪽 글라스(6R)는 프레임(15)에 삽입된다. 두 글라스는 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5L 또는 5R)으로 각각 코팅되며, 그 기능은 아래에 설명된다. 도 1 및 도 2의 실시예에서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)은 투과 홀로그램으로서 구성된다. 프레임의 상단에는, 2개의 그라운드-글라스 스크린(16L 및 16R)이 삽입되어 글라스 당 하나의 그라운드-글라스 스크린이 제공되는 추가 프레임(additional frame)이 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 그라운드-글라스 스크린(16)은 시각 축(18)에 본질적으로 평행한 평면에 놓인다. 따라서, 프레임의 상부 부분에서, 따라서 사용자의 시야의 상단에서의 그라운드-글라스 스크린의 위치로 인해, 그라운드-글라스 스크린은 사용자에게 방해가 되는 것으로 인식되지 않는다.
또한 도 2로부터 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 또한 도시된 예시에서 외부 비머로 구성된 투영 디바이스(3)를 포함한다. 비머(3)에 의해 생성된 광선(4)은 그라운드-글라스 스크린(16)에 위로부터 입사된다. 광은 그라운드-글라스 스크린을 통해 산란(scattered)된 후 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)에 입사되고, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)로부터의 광이 사용자를 위한 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 전달된다. 본 발명의 중요한 이점은 주변이 사용자에게 직접 보일 수 있고, 가상 이미지가 단지 현실에 중첩된다는 것이다.
사용자가 머리를 이동시킬 때, 올바른 이미지 정보가 항상 사용자에게 중첩되도록 하는 것을 보장하기 위하여, 안경의 위치 및 방향은 캡쳐되어야 한다. 이 목적을 위해, 안경(2)의 프레임(15)은 도 2에 개략적으로 도시된 추적기의 카메라(19)에 의해 캡쳐될 수 있는 상부 영역에 적어도 3개의 기준점(20)을 갖는다.
도 3은 도 1 및 도 2로부터의 안경의 응용을 도시한다. 여기서, 안경(2)은 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 일부이며, 이는 자동차(9)에 통합된다. 도 3에서, 운전자(1)는 자동차(9)의 윈드스크린(windscreen)(11)을 통해 교통 상황에 대해 직면하여 본다(looks straight). 주변에 대한 순수 실제 인식(purely real perception)에서, 교통 상황의 특정 영역은 자동차(9)의 A-필러(10)에 의해 덮인다. 운전자가 이 영역을 볼 수 있게 하기 위해, 카메라(8)는 A-필러(10)에 제공되고, 그 이미지는 대응하는 컴퓨팅 유닛에 의해 운전자(1)의 시점으로부터 변환되고, 시야에서 가상 이미지로서 운전자에게 중첩된다. 투영 디바이스로서, 차량 내부의 천정(14)에 통합된 비머(3)가 사용된다. 이 지점에서, 그림들(illustrations)은 본질적으로 단지 개략적인 것으로 다시 지적된다. 카메라(8)는 운전자가 A-필러 뒤의 영역의 3 차원 이미지를 볼 수 있도록 스테레오 카메라로서 바람직하게는 설계된다. 카메라(8)가 A-필러에 위치되어야 한다는 점에 유의해야 한다.
도시된 실시예에서, 운전자는 운전자 머리(12)를 수직축(13)을 중심으로 약 180°만큼 회전시킬 수 있다. 비머(3)에 의해 안경의 글라스-스크린 상에 투영되는 대응하는 이미지 섹션은 이에 따라 추적될 수 있거나, 이미지는 전체 이동 공간을 덮어서 추적이 필요하지 않게 된다. 안경의 위치 및 방향은 자세하게는 나타내지 않는 추적기에 의해 기록된다. 대안적으로, 이미 설명된 바와 같이, 안경(2)에 대응하는 이동 센서(corresponding movement sensors)를 제공하는 것도 고려할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 비머 대신에, 다른 투영 디바이스가 광선을 생성하는데 사용될 수 있다. 도 4는 이의 다른 실시예를 도시한다. 이 그림은 본질적으로 도 2의 예시에 대응한다. 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 안경은 다시 여기에서 측면도로 도시된다. 도 2에 개략적으로 도시된 비머(3) 대신에, 대응하는 LED 백라이트(LED backlight)(22)를 갖는 LCD 디스플레이(21)가 여기에 제공된다. LCD 디스플레이 및 LED 백라이팅으로 구성된 투영 디바이스는 그라운드-글라스 스크린(16) 바로 위에 유닛으로서 배치되고, 안경(2)의 프레임(15)에 안전하게 연결된다. 이 실시예에서, 안경(2)은 약간 더 무겁지만, 사용자는 이동의 자유에 제한을 받지 않는다. 가상 이미지의 올바른 이미지 섹션을 사용자에게 중첩시키기 위해, 안경의 위치 및 방향은 캡처되어야 한다. 여기서도, 수동 검출은 대응하는 카메라 시스템 및 안경에서의 대응하는 기준점에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 적절한 센서가 안경에 제공될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 안경의 측면도를 도시한다. 도 2의 프레임과는 대조적으로, 제3 평면은 그라운드-글라스 스크린(16)의 전단으로부터 안경 렌즈(6)의 하단으로 대략 45°의 각도로 연장하여 제공된다. 본 실시예에서, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)은 이 평면에 놓여있다(lies). 도 2의 실시예와는 대조적으로, 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은 투과 홀로그램이 아니라 반사 홀로그램으로 구성된다. 홀로그램은 투명 디스크에 적용될 수 있다. 이 실시예에서, 원칙적으로 안경 렌즈(6)를 생략하는 것이 또한 가능하다는 점에 유의해야 한다. 이미지 생성은 여러 가지 방식으로, 특히 도 2에서 또는 도 4에서와 같이 수행될 수 있다.
도 6은 그라운드-글라스 스크린(16)이 렌즈 어레이(17)로 대체된 변형예를 도시한다. 렌즈 어레이(17)는 특히 가벼운 버전의 안경을 위해 플라스틱으로 제조된다. 이 실시예는 또한 이미지를 렌즈 어레이(17) 상으로 투영하는 비머(3)를 사용한다. 따라서, 이미지 평면(23)은 렌즈 어레이(17)에 위치된다.

Claims (18)

  1. 디스플레이 장치의 사용자(1)의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 사용자를 위한 안경(2); 및
    상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 상기 안경의 광학 유닛에 의해 전달되는 광선(4)을 생성하기 위한 적어도 하나의 투영 디바이스(3)
    를 포함하고,
    상기 광학 유닛은,
    그라운드-글라스 스크린(16) 및;
    홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)
    을 포함하고,
    상기 그라운드-글라스 스크린 및 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    상기 투영 디바이스에 의해 생성된 상기 광선이 상기 그라운드-글라스 스크린을 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛으로부터 상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 상기 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치되고,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    상기 안경(2)의 상부 영역에 배치되어, 상기 사용자의 시야의 상단에 상기 그라운드-글라스 스크린이 위치하도록 하고,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)의 평면에 대해 적어도 45도의 각도를 가지며,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    영차에서 비활성이고 투명하여 상기 사용자가 상기 사용자의 주변을 방해받지 않고 직접 인식할 수 있고, 투과 홀로그램을 포함하는
    디스플레이 장치.
  2. 디스플레이 장치의 사용자(1)의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 사용자를 위한 안경(2); 및
    상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 상기 안경의 광학 유닛에 의해 전달되는 광선(4)을 생성하기 위한 적어도 하나의 투영 디바이스(3)
    를 포함하고,
    상기 광학 유닛은,
    렌즈 어레이(17); 및
    홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)
    을 포함하고,
    상기 렌즈 어레이 및 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    상기 투영 디바이스에 의해 생성된 상기 광선이 상기 렌즈 어레이를 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 의해 상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 상기 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치되고,
    상기 렌즈 어레이(17)는,
    상기 안경(2)의 상부 영역에 배치되어, 상기 사용자의 시야의 상단에 상기 렌즈 어레이가 위치하도록 하고,
    상기 렌즈 어레이(17)는,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)의 평면에 대해 적어도 45도의 각도를 가지며,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    영차에서 비활성이고 투명하여 상기 사용자가 상기 사용자의 주변을 방해받지 않고 직접 인식할 수 있고, 안경 렌즈와 별도로 형성되는
    디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    똑바로 세운 상기 사용자의 머리와 실질적으로 수평으로 맞춰진
    디스플레이 장치.
  4. 디스플레이 장치의 사용자(1)의 시야에 가상 이미지를 중첩시키기 위한 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 사용자를 위한 안경(2); 및
    상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 빔 경로로 상기 안경의 광학 유닛에 의해 전달되는 광선(4)을 생성하기 위한 적어도 하나의 투영 디바이스(3)
    를 포함하고,
    상기 광학 유닛은,
    그라운드-글라스 스크린(16) 및;
    홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)
    을 포함하고,
    상기 그라운드-글라스 스크린 및 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    상기 투영 디바이스에 의해 생성된 상기 광선이 상기 그라운드-글라스 스크린을 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛에 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛으로부터 상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 상기 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치되고,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    상기 안경(2)의 상부 영역에 배치되어, 상기 사용자의 시야의 상단에 상기 그라운드-글라스 스크린이 위치하도록 하고,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)의 평면에 대해 적어도 45도의 각도를 가지며,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛은,
    영차에서 비활성이고 투명하여 상기 사용자가 상기 사용자의 주변을 방해받지 않고 직접 인식할 수 있고, 반사 홀로그램을 포함하고, 안경 렌즈와 별도로 형성되고,
    상기 광선(4)이 상기 그라운드-글라스 스크린(16)을 통해 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)에 각각 입사되고, 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)에 의해 반사되어, 상기 사용자를 위한 상기 가상 이미지를 생성하는 상기 빔 경로로 전달되는 방식으로 배치되는
    디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    선택적 발광 방향을 갖는 홀로그래픽 그라운드-글라스 스크린인
    디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)은,
    선택적 발광 방향을 갖는 홀로그래픽 그라운드-글라스 스크린이어서, 상기 그라운드-글라스 스크린으로부터의 상기 광선(4)이 상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛 상으로 지향되도록 하는
    디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 광학 이미징 유닛(5)은,
    상이한 파장의 광에 대한 적어도 3 개의 모노크롬 투과 홀로그램
    을 포함하고,
    상기 적어도 3 개의 모노크롬 투과 홀로그램은,
    하나 뒤에 다른 하나가 배치되거나
    하나 안에 다른 하나가 배치되는
    디스플레이 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투영 디바이스(3)는,
    상기 안경과 독립적으로 외부 비머로서 구성되는
    디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    상기 안경(2)의 위치 및 방향을 검출하기 위한 추적기
    를 포함하고,
    상기 디스플레이 장치는,
    상기 안경(2)의 위치 및 방향에 따라 상기 비머에 의해 생성된 상기 이미지가 변경되는 방식으로 구성되는
    디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16)에 한정된 이미지 섹션이 상기 그라운드-글라스 스크린과 함께 이동하는 방식으로 구성되는
    디스플레이 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 추적기는,
    카메라(19)를 포함하고,
    상기 안경은,
    상기 카메라(19)에 의해 검출될 수 있는 기준점(20)이 제공되는
    디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 투영 디바이스는,
    상기 그라운드-글라스 스크린(16) 바로 위에 배치되고, 상기 안경(2)에 안전하게 연결되는 LCD 디스플레이(21)
    를 포함하는 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 안경(2)은,
    상기 LCD 디스플레이를 백라이팅하기 위한 레이저 광원 또는 협대역 LED(22)를 갖는
    디스플레이 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 투영 디바이스(3)는,
    상기 안경과 독립적으로 제공된 상기 LCD 디스플레이(21)를 위한 외부 조명을 갖는
    디스플레이 장치.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    카메라(8) 또는 적절한 대체 이미지 캡쳐 디바이스
    를 포함하고,
    상기 카메라(8) 또는 적절한 대체 이미지 캡쳐 디바이스의 처리된 또는 처리되지 않은 형태의 이미지가 상기 사용자의 시야 내에 가상 이미지로서 중첩될 수 있고,
    상기 카메라(8)는,
    스테레오 카메라로서 구성되는
    디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    운송 수단의 사용자를 위해 설계되고,
    상기 카메라(8)는,
    상기 카메라가 없으면 상기 사용자가 볼 수 없는 주변의 영역 - 예를 들어 숨어있기 때문에 - 을 검출하도록 위치되고,
    상기 디스플레이 장치는,
    상기 스테레오 카메라(8)의 이미지로부터 상기 사용자의 시점으로부터의 입체 이미지를 계산해서, 상기 사용자를 위하여, 상기 주변의 실제 이미지가 상기 가상 이미지로 보완되어 교통 상황의 확대 이미지를 형성하도록 하고, 상기 사용자를 위하여, 상기 주변의 가상 이미지가 보완되어 상기 교통 상황의 확대 이미지를 형성하도록 하는
    디스플레이 장치.
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