KR102380713B1 - 스마트 디스플레이 - Google Patents

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KR102380713B1
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Abstract

개시되는 발명은 스마트 디스플레이에 관한 것으로서, 광축 방향으로 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈가 중첩 배치된 렌즈 광학계; 및 상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 사이에 배치된 투명 디스플레이 패널;을 포함하고, 상기 렌즈 광학계를 모두 통과하는 외부광은 평행광 또는 초점광을 이루는 한편, 상기 투명 디스플레이 패널에서 발생한 내부광은 상기 수렴형 렌즈을 거치면서 상기 외부광에 대응하는 평행광 또는 초점광을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 디스플레이{Smart Display}
본 발명은 증강현실 안경, 혼합현실 안경, 가상현실 안경 등의 웨어러블 타입 디스플레이에 적합한 스마트 디스플레이에 관한 것이다.
외부의 정보를 인식하는 방법 중, 시각을 통한 정보 취득이 중요한데, 대상(사물, 배경)에서 생성되거나 반사된 다양한 파장의 광원이 안구를 통과하여 시신경을 거쳐 뇌에 전달됨으로써, 사람은 외부의 정보를 시각적으로 인식하게 된다.
광원을 직접 만들어내는 대상 중에서 정보를 전달하는 기능에 있어서는 다양한 디스플레이 장치(스마트폰, TV, 빔 프로젝터 등)가 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. TV, 모니터, 스마트폰과 같이, 이제까지는 디스플레이 장치와 안구 사이의 거리가 비교적 멀리 이격된 상태에서 시각정보가 전달되는 것이 일반적이었지만, 근래에 소개되는 웨어러블 타입의 디스플레이, 예를 들어 스마트 안경은 디스플레이와 안구가 비교적 근거리에 위치한다는 특징이 있다. 이러한 새로운 종류의 디스플레이를 근안 디스플레이(Near to Eye Display, NED)라고 부르고 있다. 본 발명에서는 스마트 디스플레이로 명칭을 부여하기로 한다.
스마트 안경은 개인이 항상 필요할 때 착용하는 소형의 웨어러블 디스플레이이기에, 그 활용성은 무궁무진할 것으로 기대된다. 현재 스마트 안경에 가장 기대되는 응용분야로는, 증강현실과 혼합현실, 가상현실에 관한 기술이다. 증강현실(增强現實)은 실제로 존재하는 환경이나 대상에 대해 가상의 사물이나 정보를 합성하여 마치 실제로 존재하는 사물처럼 보이게 하거나 실제 대상에 대한 정보 가독성을 높히는 기술이고, 가상현실(假想現實)은 실제 환경에 대한 정보 또는 실제와 유사하지만 실제가 아닌 어떤 특정한 환경이나 상황을 컴퓨터 등을 통해 만들어낸 감각정보(주로 시각, 청각 정보)를 현실감 있게 느끼도록 제공하는 기술을 의미한다. 그리고, 혼합현실(混合現實)은 현실을 기반으로 가상정보를 부가하는 증강현실과 가상 환경에 현실정보를 부가하는 증강가상이 혼합된 개념이다.
스마트 안경은 안경을 통해 현실정보를 보는 가운데 증강정보(증강현실, 증강가상)를 겹칠 수 있기에 증강현실이나 혼합현실에 적합하고, 헤드 마운트 디스플레이(HMD)는 현실정보를 차단한 가운데 가상정보만을 제공할 수 있기에 가상현실에 적합하다. 다만, 현재 소개되는 스마트 안경이나 헤드 마운트 디스플레이는 많은 문제점을 노출하고 있다. 이는 디스플레이와 안구 사이의 거리가 너무 가깝다는 구조적 태생에서 비롯된다.
예를 들어, 안경 렌즈에 글씨를 써놓고 안경을 쓰면, 이 글씨는 제대로 보이지 않는다. 눈의 촛점거리가 맞지 않기 때문이다. 이로 인해, 스마트 안경이나 헤드 마운트 디스플레이는 빔 프로젝터를 디스플레이 장치로 사용한다. 빔 프로젝터를 안경(또는 고글)의 프레임 상에 설치하고, 이를 렌즈에 투사하는 간접적인 방식을 취해야 디스플레이로서의 기능이 구현되었다. 그렇지만, 빔 프로젝터로 인해 스마트 안경에는 많은 문제점이 발생한다. 일단 증강정보의 해상도와 밝기는 부족한 반면, 무겁고 전력소비는 높다. 전력소비가 높은만큼 열 발생은 높고 연속착용 시간은 줄어든다. 또한, 빔 프로젝터가 외관상 두드러져 상품성을 훼손한다는 지적도 많은데, 더욱 심각한 문제는 렌즈에 비친 개인정보가 무분별하게 타인에게 노출된다는 것이다.
이렇기에 현재의 스마트 디스플레이에 대한 근본적이고 획기적인 대안이 필요하다.
한국공개특허 제10-2019-0010345호 (2019.01.30. 공개)
본 발명은 현존하는 스마트 디스플레이의 여러 문제점을 해결함으로써 스마트 안경과 같은 웨어러블 타입의 디스플레이를 개선하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 스마트 디스플레이는, 광축 방향으로 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈가 중첩 배치된 렌즈 광학계; 및 상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 사이에 배치된 투명 디스플레이 패널;을 포함하고, 상기 렌즈 광학계를 모두 통과하는 외부광은 평행광 또는 초점광을 이루는 한편, 상기 투명 디스플레이 패널에서 발생한 내부광은 상기 수렴형 렌즈을 거치면서 상기 외부광에 대응하는 평행광 또는 초점광을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발산형 렌즈는 오목 렌즈이고, 상기 수렴형 렌즈는 볼록 렌즈일 수 있다.
또는, 상기 발산형 렌즈는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 소(疏)에서 밀(密)로 점차로 변화하는 발산형 평판렌즈이고, 상기 수렴형 렌즈는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 밀(密)에서 소(疏)로 점차로 변화하는 수렴형 평판렌즈일 수 있다.
또는, 상기 수렴형 렌즈는 위상 프레넬 소자와 볼록 렌즈가 결합한 위상 프레넬 렌즈일 수 있다.
한편, 상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈에 대해 상기 투명 디스플레이 패널이 밀착 배치될 수 있다.
그리고, 상기 투명 디스플레이 패널은 곡면 디스플레이 패널이거나 또는 곡면화될 수 있는 플렉시블 디스플레이 패널일 수 있다.
그리고, 상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈가 이격되어 그 사이에 공간을 형성하고, 상기 공간 안에 상기 투명 디스플레이 패널이 배치될 수 있으며, 여기서 상기 공간은 진공을 형성하거나, 또는 상기 렌즈 광학계의 밀도와는 다른 균일한 밀도를 가진 광학 매질이 충진될 수 있다.
그리고, 상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 중의 적어도 어느 하나는 서로 다른 밀도를 갖는 2개 이상의 렌즈층이 밀착하여 형성됨으로써 색수차나 초점거리를 보정하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 외부광, 또는 상기 외부광 및 내부광의 경로를 변경하는 배율조정 광학계가, 상기 렌즈 광학계에 부가될 수 있다.
한편, 상기 발산형 렌즈의 외면, 또는 상기 발산형 렌즈와 투명 디스플레이 패널 사이에 전자식 차폐요소가 배치되고, 상기 전자식 차폐요소는 입력되는 전기신호에 의해 광 투과도가 조절될 수 있다.
상기 전자식 차폐요소는 액정 디스플레이 패널, 또는 투명 OLED 디스플레이 패널일 수 있다.
그리고, 상기 투명 디스플레이 패널 및 전자식 차폐요소의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 투명 디스플레이 패널의 구동을 일정 주기로 온-오프 제어하되, 상기 투명 디스플레이 패널이 내부광을 발생하는 동안에는 상기 전자식 차폐요소의 광 투과도를 감소시키는 제어를 수행할 수 있다.
나아가 상기 제어부는, 상기 전자식 차폐요소의 광 투과도 감소 제어 동안에 상기 투명 디스플레이 패널의 광량을 감소 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 수렴형 렌즈는, 상기 투명 디스플레이 패널에서 발생한 내부광 전체의 광 경로를 조절하는 단일 렌즈일 수 있다.
또는, 상기 수렴형 렌즈는, 상기 투명 디스플레이 패널의 각 픽셀마다 구비되는 마이크로 렌즈 어레이일 수 있다.
또는, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 픽셀을 구성하는 서브 픽셀마다 구비될 수 있다.
그리고, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 단위 렌즈가 구비된 픽셀 또는 서브 픽셀 사이에 차폐 격벽이 형성될 수도 있다.
한편, 상기 투명 디스플레이 패널은, 복수의 단위 투명 디스플레이 패널이 적층된 다층 투명 디스플레이 패널일 수 있다.
상기 다층 투명 디스플레이 패널의 각 단위 투명 디스플레이 패널의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 단위 투명 디스플레이 패널에 대해 어느 픽셀을 구동하는지를 제어함으로써 상기 내부광에 의해 맺히는 상의 위치, 심도, 간격을 조절할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 상기 다층 투명 디스플레이 패널의 복수의 구동 픽셀이 곡면을 이루도록 제어할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 스마트 디스플레이는 외부광은 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈를 통과하고, 내부광은 수렴형 렌즈는 통과하도록 함으로써 양자 모두 망막에 선명한 상이 맺히도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 스마트 디스플레이는 웨어러블 디스플레이로 적용되어 증강현실과 혼합현실, 가상현실을 구현하는데 매우 적합하다.
또한, 본 발명의 스마트 디스플레이는 곡면 디스플레이 패널이나 평판형의 다층 투명 디스플레이 패널로 구성함으로써, 망막에 더욱 선명한 상이 맺히도록 설계하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 스마트 디스플레이는 배율조정 광학계나 전자식 차폐요소를 부가함으로써 그 기능적 활용성을 쉽게 확장할 수도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 디스플레이의 구조를 원리적 측면에서 설명하는 도면.
도 2는 수렴형 렌즈로 적용할 수 있는 위상 프레넬 렌즈의 일례를 도시한 도면.
도 3은 렌즈 광학계를 평판렌즈로 구성하는 일 실시형태를 도시한 도면.
도 4는 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈를 각각 평면-오목 렌즈와 평면-볼록 렌즈로 구성하는 실시형태를 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 사이의 공간 안에 투명 디스플레이 패널이 배치되는 실시형태에 관한 도면.
도 7은 렌즈 광학계의 발산형 렌즈 바깥에 배율조정 광학계를 부가하는 일례를 도시한 도면.
도 8은 전자식 차폐요소를 구비하는 스마트 디스플레이의 일 실시형태를 보여주는 도면.
도 9 및 도 10은 투명 디스플레이 패널의 각 픽셀, 또는 서브 픽셀마다 구비되는 마이크로 렌즈 어레이를 수렴형 렌즈로 구성하는 일례를 도시한 도면.
도 11은 평행광을 발생하는 투명 디스플레이 패널을 곡면 디스플레이 패널로 구성했을 때 망막에 또렷한 상이 맺히는 결과를 보여주는 도면.
도 12는 평판형의 다층 투명 디스플레이 패널로서 도 11과 동등한 결과를 구현하는 일례를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 디스플레이(10)의 구조를 원리적 측면에서 이해하기 쉽도록 도시한 것이다.
본 발명에 따른 스마트 디스플레이(10)는, 광축 방향으로 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)가 중첩 배치된 렌즈 광학계(100)와, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120) 사이에 배치된 투명 디스플레이 패널(200)을 포함한다. 여기서 수렴형 렌즈(120)는 투명 디스플레이 패널(200)과 사용자의 눈 사이에 위치한다.
스마트 디스플레이(10)의 외부에서 입사되는 빛, 즉 실제 환경이나 대상으로부터 직접적으로 방사되거나 또는 간접적으로 반사되어 입사되는 광선을 외부광(EL)이라 할 때, 외부광(EL)은 렌즈 광학계(100)와 투명 디스플레이 패널(200)을 모두 통과하게 된다. 즉, 투명 디스플레이 패널(200)을 적용하는 것은 외부광(EL)이 사용자의 눈에 들어갈 수 있는 투과성을 부여하기 위한 것이다. 도 1의 (a)는 렌즈 광학계(100)와 투명 디스플레이 패널(200)을 통과하는 외부광(EL)의 경로를 보여준다. 외부광(EL)은 렌즈 광학계(100)를 통과하면서, 발산형 렌즈(110)에서 광축 바깥쪽으로 확산된 후 수렴형 렌즈(120)을 지나면서 광축 쪽으로 수렴함으로써 평행광을 이루게 된다. 여기서, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)의 각 굴절률은 외부광(EL)이 평행광을 이루도록 설정되며, 투명 디스플레이 패널(200)에서 굴절 현상은 거의 일어나지 않는다.
도 1의 (b)는 투명 디스플레이 패널(200)에서 발생한 내부광(IL)의 광 경로를 보여준다. 점 광원, 즉 픽셀(230)과 서브 픽셀(230-1)의 집합체인 투명 디스플레이 패널(200)에서 만들어진 내부광(IL)은 디스플레이 특성에 따라 정도의 차이는 있지만, 별도의 처리를 거치지 않는 이상 확산하게 된다. 그러나, 투명 디스플레이 패널(200)의 내부광(IL)은 수렴형 렌즈(120)를 거쳐 사용자의 눈에 입사하므로, 수렴형 렌즈(120)의 굴절률을 적절히 설계하면, 내부광(IL)의 광 경로를 평행광으로 만들 수 있다.
도 1의 (c)는 도 1의 (a) 및 (b)를 결합한 결과로서, 우선 수렴형 렌즈(120)의 굴절률은 투명 디스플레이 패널(200)의 확산하는 내부광(IL)을 평행광으로 굴절하도록 설계되고, 이에 대응하여 발산형 렌즈(110)의 굴절률은 렌즈 광학계(100) 전체를 통과하는 외부광(EL)이 최종적으로는 평행광으로 사용자의 눈에 도달하도록 설계된다. 결국, 외부광(EL)과 내부광(IL)은 동일한 초점거리(평행광에서는 무한초점)를 갖는 광으로서 사용자의 수정체를 지나게 되고, 수정체에서 굴절된 외부광(EL)과 내부광(IL)은 함께 망막에 상을 맺게 된다. 이것이 의미하는 것은, 원거리에서 입사하는 외부광(EL)과 눈에 근접한 내부광(IL)이 망막에 대해 동일한 초점거리를 갖는 상으로서 맺힌다는 것이며, 결국 사용자는 외부광(EL)과 내부광(IL)에 대한 동일한 거리감으로서 둘 모두를 선명하게 볼 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 스마트 디스플레이(10)가 스마트 안경에 적용되어 증강현실과 혼합현실, 가상현실을 구현하는데 매우 유용하고 적합하다.
한편, 도 1은 사용자의 눈에 들어가는 외부광(EL)과 내부광(IL)이 평행광을 이루는 것으로 설명되어 있는데, 이는 사용자의 시력이 정상임을 가정한 통상적인 경우를 예로 든 것이다. 만일, 사용자의 시력이 근시나 원시라면, 최종적인 외부광(EL)과 내부광(IL)의 경로는 근시나 원시에 맞춰 시력을 보정할 수 있는 초점광을 이룰 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 스마트 디스플레이(10)는 사용자 맞춤형으로 렌즈 광학계(100)를 설계함으로써, 별도의 시력보정용 안경이나 렌즈 없이도 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 발산형 렌즈(110)는 오목 렌즈(110-1)이고, 수렴형 렌즈(120)는 볼록 렌즈(120-1)의 단일 렌즈로 구성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 것처럼, 수렴형 렌즈(120)를 위상 프레넬 소자와 볼록 렌즈(120-1)가 결합한 위상 프레넬 렌즈(120-3)로 구성함으로써 색수차를 보정하거나 초점거리를 다중화할 수도 있다.
또는, 렌즈 광학계(100)는 평판렌즈(110-2, 120-2)로서 설계될 수도 있으며, 이는 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 실시형태에 따르면, 발산형 렌즈(110)는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 소(疏)에서 밀(密)로 점차로 변화하는 발산형 평판렌즈(110-2)이고, 수렴형 렌즈(120)는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 밀(密)에서 소(疏)로 점차로 변화하는 수렴형 평판렌즈(120-2)로 구성된다. 평판유리의 내부 밀도가 중앙을 중심으로 반경방향을 따라 점차로 변함에 따라 광 경로에 굴절이 발생한다. 이와 같이 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)는 형태 및/또는 밀도를 변화시키는 다양한 방법으로 원하는 굴절 경로를 설계할 수 있다.
그리고, 도 1 및 도 3에 도시된 것처럼, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)에 대해, 투명 디스플레이 패널(200)은 밀착 배치될 수 있다. 도 1과 같이 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)가 오목 렌즈(110-1)와 볼록 렌즈(120-1)라면, 투명 디스플레이 패널(200)은 곡면 디스플레이 패널(210)이거나 또는 곡면화될 수 있는 플렉시블 디스플레이 패널(이하, "곡면 디스플레이 패널"로 통칭함)이 적합하다. 그리고, 도 3과 같이, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)가 발산형 평판렌즈(110-2)와 수렴형 평판렌즈(120-2)인 경우에는, 평판형의 투명 디스플레이 패널(200)이 적합하다. 따라서, 보편적인 평판형의 투명 디스플레이 패널(200)을 적용하려면, 평판렌즈(110-2, 120-2) 형태로 렌즈 광학계(100)로 설계하는 것이 유리한 점이 있다. 그렇지만, 도 4와 같이, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)를 각각 평면-오목 렌즈(110-1)와 평면-볼록 렌즈(120-1)로 구성한다면, 역시 평판형의 투명 디스플레이 패널(200)을 적용하는 것도 가능하다.
또는, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)가 이격되어 그 사이에 공간을 형성하고, 이 공간 안에 투명 디스플레이 패널(200)이 배치될 수 있다. 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120) 사이에 공간이 형성된만큼 투명 디스플레이 패널(200)의 형태에 대한 제약이 사라지며, 또한 발산형 렌즈(110)에서 확산된 외부광(EL)이 수렴형 렌즈(120)에 도달하기까지의 경로가 길어짐에 따라 배율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120) 사이의 공간은 진공을 형성하거나, 또는 렌즈 광학계(100)의 밀도와는 다른 균일한 밀도를 가진 광학 매질(250)(예를 들어, 공기나 유리 등)이 충진될 수 있다. 충진되는 물질(250)이 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120)와 밀도가 달라야하는 것은 계면이 불명확해짐에 따라 원하는 만큼의 굴절 작용이 일어나지 않을 수 있기 때문이며, 이는 특히 곡면 형태를 포함하는 오목 렌즈(110-1)와 볼록 렌즈(120-1)의 경우에 그러할 수 있다.
그리고, 실시형태에 따라서는, 발산형 렌즈(110)와 수렴형 렌즈(120) 중의 적어도 어느 하나는 서로 다른 밀도를 갖는 2개 이상의 렌즈층이 밀착하여 형성됨으로써 색수차나 초점을 보정하는 것일 수 있으며, 전술한 위상 프레넬 렌즈(120-3)도 이러한 실시형태에 포함된다. 또한, 색수차나 초점을 보정할 수 있도록 렌즈 광학계(100)를 비구면 렌즈로 설계하는 것도 가능할 것이다.
그리고, 외부광(EL), 또는 외부광(EL) 및 내부광(IL)의 경로를 변경하는 배율조정 광학계(300)가, 렌즈 광학계(100)에 부가될 수 있다. 도 7은 렌즈 광학계(100)의 발산형 렌즈(110) 바깥에 배율조정 광학계(300)를 부가하는 예를 보여준다. 발산형 렌즈(110) 바깥에 배율조정 광학계(300)를 부가함으로써 외부광(EL)의 경로가 변경되고, 배율조정 광학계(300)가 광 경로를 변경하는 정도에 따라 배율이 조정된다. 도 7에서는 배율을 줄여 선예도를 높인 경우를 보여준다. 도시되지는 않았지만, 수렴형 렌즈(120) 쪽에 배율조정 광학계(300)를 부가하여 외부광(EL) 및 내부광(IL)의 경로를 모두 변경할 수도 있다.
한편, 본 발명의 스마트 디스플레이(10)는, 발산형 렌즈(110)의 외면, 또는 발산형 렌즈(110)와 투명 디스플레이 패널(200) 사이에 전자식 차폐요소(400)가 배치될 수 있다. 이러한 실시형태의 스마트 디스플레이(10)는 도 8에 도시되어 있으며, 전자식 차폐요소(400)는 입력되는 전기신호의 온-오프 및 강도에 의해 광 투과도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 전자식 차폐요소(400)는 액정 디스플레이 패널, 또는 투명 OLED 디스플레이 패널로 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(500)는 투명 디스플레이 패널(200) 및 전자식 차폐요소(400)의 구동을 통합제어할 수 있다.
전자식 차폐요소(400)는 스마트 디스플레이(10)의 활용도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전자식 차폐요소(400)의 광 투과도를 낮춰 스마트 안경을 선글라스로 사용할 수 있고, 광 투과도를 최대로 낮추면 가상현실 용도의 스마트 안경으로 활용할 수 있다.
또는, 제어부(500)가 투명 디스플레이 패널(200)의 구동을 일정 주기로 온-오프 제어함에 있어, 투명 디스플레이 패널(200)이 내부광(IL)을 발생하는 동안에는 전자식 차폐요소(400)의 광 투과도를 감소시키는 동기화된 제어를 수행할 수도 있다. 즉, 투명 디스플레이 패널(200)이 구동하는 동안에만 전자식 차폐요소(400)의 광 투과도를 낮추는 것이며, 이 온-오프 제어의 주기는 잔상 시간에 관련되어 있다. 다시 말해, 투명 디스플레이 패널(200)이 발광할 때에는 전자식 차폐요소(400)의 광 투과도가 낮기 때문에 스마트 디스플레이(10)의 사용자만 내부광(IL)의 시각정보를 볼 수 있고, 외부인은 전자식 차폐요소(400)로 차단된 시각정보를 볼 수가 없다. 그리고, 내부광(IL)의 잔상이 남아있는 동안에 투명 디스플레이 패널(200)의 구동을 멈추고 전자식 차폐요소(400)를 열어 외부광(EL)을 받아들이면, 사용자의 망막에는 내부광(IL)의 시각정보 잔상 위에 외부광(EL)이 중첩된 상이 맺힌다. 따라서, 투명 디스플레이 패널(200)과 전자식 차폐요소(400)의 통합된 온-오프 제어를 하면, 내부광(IL)의 시각정보 유출을 방지하면서도 증강현실이나 혼합현실을 구현할 수 있게 된다.
나아가 제어부(500)는, 전자식 차폐요소(400)의 광 투과도 감소 제어 동안에 투명 디스플레이 패널(200)의 광량을 감소 제어함으로써, 사용자가 섬광현상과 같은 시각적 불편함을 느끼지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 8에 도시된 본 발명의 스마트 디스플레이(10)는, 점 광원의 집합체인 투명 디스플레이 패널(200)의 확산광을 평행광(전술한 바와 같이, 근시나 원시를 보정하기 위해 평행광이 아닌 초점광으로도 구성할 수 있음은 물론이다)으로 만들기 위한 수렴형 렌즈(120)로서, 투명 디스플레이 패널(200)에서 발생한 내부광(IL) 전체의 광 경로를 조절하는 단일 렌즈(120-1)가 사용되고 있다.
이에 비해, 도 9 이하의 실시예는, 투명 디스플레이 패널(200)의 각 픽셀(230), 또는 서브 픽셀(230-1)마다 구비되는 마이크로 렌즈 어레이(120-4)를 수렴형 렌즈(120)로 구성하고 있다. 즉, 도 9 이하의 실시예는 투명 디스플레이 패널(200)과 마이크로 렌즈 어레이(120-4)가 결합하여, 투명 디스플레이 패널(200)의 각 점 광원이 평행광을 만들도록 구성되어 있다. 나아가, 도 10과 같이, 마이크로 렌즈 어레이(120-4)의 단위 렌즈가 구비된 픽셀(230) 또는 서브 픽셀(230-1) 사이에 차폐 격벽(240)을 형성함으로써 더욱 평행광에 가까운 양호한 광 경로를 만들 수도 있다. 차폐 격벽(240)은 도 10의 (a)와 같이 암형의 차폐벽(242)이거나, 또는 도 10의 (b)처럼 반사형의 차폐벽(244)일 수 있다.
투명 디스플레이 패널(200)과 마이크로 렌즈 어레이(120-4)가 하나로 결합된 실시예는, 특히 투명 디스플레이 패널(200)을 곡면 디스플레이 패널(210)로 만들었을 때 장점이 크게 나타난다. 도 11은 평행광을 발생하는 투명 디스플레이 패널(200)을 곡면 디스플레이 패널(210)로 구성했을 때의 장점을 설명하기 위한 도면으로서, 3개의 픽셀(230)을 예로 들어 이들 픽셀(230)이 곡면을 이룰 때의 광 경로를 도시하고 있다. 곡면 디스플레이 패널(210)의 각 점 광원은 곡면을 이루고 있으며, 이에 따라 수정체를 지나 망막에 맺히는 점 광원의 초점은 망막의 곡면형태에 동일 또는 근접한 프로파일을 형성한다. 따라서, 스마트 디스플레이(10)에서 생성한 내부광(IL)의 이미지는 매우 선명한 시각정보로 보이게 된다.
도 12는 평판형의 투명 디스플레이 패널(200)로도 도 11에 도시된 곡면 디스플레이 패널(210)과 동등한 효과, 즉 망막이 이루는 곡면에 적합한 곡면 이미지를 만드는 실시예를 도시하고 있다. 이를 위해, 투명 디스플레이 패널(200)은, 복수의 단위 투명 디스플레이 패널(222)이 적층된 다층 투명 디스플레이 패널(220)로 구성된다. 여기서, 단위 투명 디스플레이 패널(222)은 복수의 픽셀(230)이 동일한 층을 이루는 하나의 투명 디스플레이 패널을 의미하는 것으로서, 다층 투명 디스플레이 패널(220)은 여러 층의 단위 투명 디스플레이 패널(222)을 하나의 패널로서 일괄하여 적층 형성한 것일 수도 있고, 또는 독립된 복수의 단위 투명 디스플레이 패널(222)을 접합하여 만들 수도 있다.
이러한 다층 투명 디스플레이 패널(220)에 대해, 제어부(500)는 복수의 단위 투명 디스플레이 패널(222)이 이루는 여러 층의 픽셀(230)에 대해 복수의 구동 픽셀이 곡면을 이루도록 제어함으로써, 곡면 디스플레이 패널(210)과 동등한 효과를 구현할 수 있다.
또한, 제어부(500)는 단위 투명 디스플레이 패널(222)에 대해 어느 픽셀(230)을 구동하는지를 제어함으로써, 내부광(IL)에 의해 망막에 맺히는 상의 위치, 심도, 간격을 조절할 수 있다. 예를 들어, 안구의 운동을 추적하여 망막에 가장 상이 잘 맺히도록 구동 픽셀을 선택하거나, 여러 이미지를 각 단위 투명 디스플레이 패널(222)로 나누어 투사하면서 각 이미지의 심도, 위치 등을 다르게 하는 등의 다양한 시각효과를 구현할 수 있다. 망막에 정확한 상을 맺도록 하는 기술은 안구추적(시선추적)과 사용자 맞춤형 망막곡면의 설정, 각 픽셀의 선명도에 대한 사용자 의견에 근거한 픽셀 제어 등과 같은 관련기술이 필요한데, 이는 본 발명의 중심사상은 아니기에 상세한 설명은 생략하기로 하며, 별도의 관련출원을 통해 상세히 공개하기로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 스마트 디스플레이 100: 렌즈 광학계
110: 발산형 렌즈 110-1: 오목 렌즈
110-2: 발산형 평판렌즈 120: 수렴형 렌즈
120-1: 볼록 렌즈 120-2: 수렴형 평판렌즈
120-3: 위상 프레넬 렌즈 120-4: 마이크로 렌즈 어레이
200: 투명 디스플레이 패널 210: 곡면 디스플레이 패널
220: 다층 투명 디스플레이 패널
222: 단위 투명 디스플레이 패널
230: 픽셀 230-1: 서브 픽셀
240: 차폐 격벽 242: 암형 차폐벽
244: 반사형 차폐벽 250: 균일 광학 매질
300: 배율조정 광학계 400: 전자식 차폐요소
500: 제어부 EL: 외부광
IL: 내부광

Claims (21)

  1. 광축 방향으로 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈가 중첩 배치된 렌즈 광학계; 및
    상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 사이에 배치된 투명 디스플레이 패널;
    을 포함하고,
    상기 렌즈 광학계를 모두 통과하는 외부광은 평행광 또는 초점광을 이루는 한편, 상기 투명 디스플레이 패널에서 발생한 내부광은 상기 수렴형 렌즈을 거치면서 상기 외부광에 대응하는 평행광 또는 초점광을 이루며,
    상기 발산형 렌즈의 외면, 또는 상기 발산형 렌즈와 투명 디스플레이 패널 사이에는, 입력되는 전기신호에 의해 광 투과도가 조절되는 전자식 차폐요소가 배치되고,
    상기 투명 디스플레이 패널 및 전자식 차폐요소의 구동을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 투명 디스플레이 패널의 구동을 일정 주기로 온-오프 제어하되, 상기 투명 디스플레이 패널이 내부광을 발생하는 동안에는 상기 전자식 차폐요소의 광 투과도를 감소시키는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 렌즈는 오목 렌즈이고, 상기 수렴형 렌즈는 볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 렌즈는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 소(疏)에서 밀(密)로 점차로 변화하는 발산형 평판렌즈이고,
    상기 수렴형 렌즈는 평판유리의 매질밀도가 중앙에서 반경방향으로 갈수록 밀(密)에서 소(疏)로 점차로 변화하는 수렴형 평판렌즈인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수렴형 렌즈는 위상 프레넬 소자와 볼록 렌즈가 결합한 위상 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈에 대해 상기 투명 디스플레이 패널이 밀착 배치되는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 디스플레이 패널은 곡면 디스플레이 패널이거나 또는 곡면화될 수 있는 플렉시블 디스플레이 패널인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈가 이격되어 그 사이에 공간을 형성하고, 상기 공간 안에 상기 투명 디스플레이 패널이 배치되는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공간은 진공을 형성하거나, 또는 상기 렌즈 광학계의 밀도와는 다른 균일한 밀도를 가진 광학 매질이 충진되는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 렌즈와 수렴형 렌즈 중의 적어도 어느 하나는 서로 다른 밀도를 갖는 2개 이상의 렌즈층이 밀착하여 형성됨으로써 색수차나 초점거리를 보정하는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부광, 또는 상기 외부광 및 내부광의 경로를 변경하는 배율조정 광학계가, 상기 렌즈 광학계에 부가되는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전자식 차폐요소는 액정 디스플레이 패널, 또는 투명 OLED 디스플레이 패널인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전자식 차폐요소의 광 투과도 감소 제어 동안에 상기 투명 디스플레이 패널의 광량을 감소 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 수렴형 렌즈는, 상기 투명 디스플레이 패널에서 발생한 내부광 전체의 광 경로를 조절하는 단일 렌즈인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 수렴형 렌즈는, 상기 투명 디스플레이 패널의 각 픽셀마다 구비되는 마이크로 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 픽셀을 구성하는 서브 픽셀마다 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 단위 렌즈가 구비된 픽셀 또는 서브 픽셀 사이에 차폐 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 투명 디스플레이 패널은, 복수의 단위 투명 디스플레이 패널이 적층된 다층 투명 디스플레이 패널인 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 다층 투명 디스플레이 패널의 각 단위 투명 디스플레이 패널의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 단위 투명 디스플레이 패널에 대해 어느 픽셀을 구동하는지를 제어함으로써 상기 내부광에 의해 맺히는 상의 위치, 심도, 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다층 투명 디스플레이 패널의 복수의 구동 픽셀이 곡면을 이루도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스마트 디스플레이.
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