KR102419389B1 - 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치 - Google Patents

광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 공개한다. 이 장치는 안경 형상을 채용하고, 마이크로 디스플레이기로부터 2차원 영상 빔을 집광 및 축소시켜 2차원 영상을 생성하는 영상 생성부; 및 생성된 2차원 영상을 광 섬유를 매개로 하여 인가받아 확대하여 안경의 렌즈에 위치하는 영상 빔 투사체에 주사하는 영상 표시부; 를 포함하고, 영상 생성부는 외부로부터 영상 소스데이터를 수신하여, 제1 해상도를 가진 2차원 영상 빔을 생성하는 마이크로 디스플레이기; 및 2차원 영상 빔을 인가받아 집광하고, 일정한 축소비율로 축소시키는 제1 프레넬 렌즈; 를 포함하며, 영상 표시부는 마이크로 디스플레이기의 이미지 프레임이 변할 때마다 연동되어 구동되는 확산 프레넬 렌즈 액추에이터; 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 구동에 따라 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직이면서 일정한 확대 비율로 확대시켜 확대된 2차원 영상 빔을 제1 해상도보다 현저하게 높은 제2 해상도로 생성하는 제2 프레넬 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치{2D IMAGE DISPLAY DEVICE USING OPTICAL FIBER}
본 발명은 2차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 AR 안경에 적용할 경우, 영상 표시부 내 확산 프레넬 렌즈의 다양한 방향으로의 움직임을 유도하여 원본 영상 대비 해상도를 현저하게 증가시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로, AR 글래스는 증강 현실 안경(Augmented Reality glasses)으로서, OLED, 마이크로 LED, LCOS(Liquid Crystal On Display) 등의 2차원 영상 표시 장치가 광학 렌즈와 결합된 구조를 가진다.
광학 렌즈는 전반사와 굴절 및 핀 미러 효과 등을 이용하여 렌즈 위나 옆에서 영상 표시 장치에서 발생된 영상을 빔으로 투영시키는 원리로 구성되어 있다.
증강 현실 안경의 핵심 기술은 마이크로 디스플레이기 등을 이용하여 2차원 이미지를 생성하는 이미지 생성부와, 이미지 생성부에서 생성된 이미지를 안경의 렌즈로 광을 전달하기 위한 표준광학 시스템으로 구성된 광 표시부로 나뉘어진다.
광 표시부는 크게 반사 거울을 사용하는 방식과 도광(Light Guide) 또는 도파로(Waveguide) 같은 회절 광학 소자를 사용한 방식으로 분류된다.
증강 현실 안경에 사용되는 도파로 방식은 회절, 홀로그래픽, 편광, 반사 방식으로 세분된다.
도 1은 종래의 표준 광학계를 사용한 광 도파관 방식의 투사 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 증강 현실 안경에 적용된 종래의 반 반사 거울 광 표시 방식의 투사 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에서, 광 도파관 방식에서 사용되는 영상 생성 장치는 OLED(Organic Light Emitting Display), 마이크로 LED, LCOS(Liquid Crystal On Display) 등의 마이크로 디스플레이기로 구성된다.
또한, 영상 생성 장치에서 생성된 2차원의 영상 광은, 회절되어 잘게 쪼개진 반 거울이 촘촘히 위치해 있는 광 도파관으로 구성된 투사부로 전송되어, 반 거울 반사와 동일한 효과를 내면서도 부피와 무게를 줄일 수 있게 된다.
광 도파관은 입력 회절 격자(영상 표시 장치의 광 출력부)와 출력 회절 격자(투사 영역)로 나뉘어 진다.
출력 회절 격자는 인체의 동공으로 주사하기 위한 것으로, 회절 격자 영역 전체를 아이 박스(eye box)라고 하는데, 아이 박스는 왜곡 영역까지도 포함하는 영역이 된다.
또한, 종래의 반 반사 거울 광 표시 방식은 도 2에서 보는 바와 같이, 입사하는 빛의 반은 투과하고 반은 반사시키는 거울을 사용하여 현실과 가상 영상을 합성하는 방식이다.
이 방식은 단순히 거울을 사용하여 마이크로 디스플레이기 같은 2차원 영상 생성부에서 생성된 2차원 영상을 반사시켜 표시하므로, 휘도 신호 이외에는 영상 품질에 대한 저하가 거의 없으며 현실 시각 정보의 왜곡도 작은 장점이 있다.
그러나, 넓은 시야각을 제공하기 위해서는 거울의 크기도 커져야 하며, 이에 맞춰 표준 광학계를 갖는 2차원 영상 생성부의 부피와 무게도 증가하는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 곡면 반사 거울 방식으로 렌즈 기능을 일부 구현하여, 부피를 줄이고 영상 품질을 개선시키는 방법들이 적용되고 있지만, 여전히 넓은 화각(Field Of View, FOV)을 구현하는 데에는 한계가 있었다.
그리고, 이러한 영상 표시 장치들은 필연적으로 광학 기반의 회절, 굴절 및 반사 등을 이용한 다양한 표준 광학 렌즈나 도파관 또는 거울을 사용해야 한다.
이로 인해, 광의 손실이 증대되거나 광의 전달 및 전송을 위한 기계적인 구조가 복잡한 일체형 구조로 설계되어야 하기 때문에, 부피 및 무게가 불가피하게 증가하여 인체에 착용해야 하는 증강 현실 안경 등의 웨어러블 기기에서 핵심적인 소형화 및 경량화에 많은 한계가 있었다.
또한, 집광용 프레넬 렌즈와 영상 확대용 프레넬 렌즈 만으로 구성된 2차원 영상 디스플레이 장치의 경우, 마이크로 디스플레이기의 해상도와 영상 빔이 투사되는 안경 렌즈에서의 해상도가 동일하므로, 2차원 영상 빔을 고해상도로 재현하는 것이 어렵다는 한계가 있었다.
이로 인해, 풀 고화질(FULL HD) 등급의 해상도를 가지는 현재 상용화된 마이크로 디스플레이기를 4K 해상도로 구현하여 AR 안경에 적용되기 위해서는, 영상 패널의 크기가 4K 해상도에 비례하여 불가피하게 증가함에 따라, AR 안경과 같은 웨어러블 기기에 고해상도의 2차원 영상 디스플레이 장치의 적용이 적합하지 않은 문제점이 있었다.
공개특허공보 US 2020-0018961 A1　(2020.1.16)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로 디스플레이기를 포함하고, 2차원 영상 빔을 생성하는 영상 생성부와, 생성된 2차원 영상 빔을 안경의 렌즈로 주사시키는 영상 표시부를 광 섬유를 매개로 하여 분리하여 영상 생성부에서 발생되는 발열을 냉각하기 용이하게 하고, 마이크로 디스플레이기의 위치 및 디자인의 자유도를 향상시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용할 경우, 영상 표시부 내 확산 프레넬 렌즈에 액추에이터를 작동시켜 다양한 방향으로 움직임을 유도해 픽셀 이미지를 분산시킴으로써, 원본 영상 대비 해상도를 현저하게 증가시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치로서, 상기 2차원 영상 디스플레이 장치는 안경 형상을 채용하고, 상기 안경의 다리 끝부분에 마련되고, 마이크로 디스플레이기로부터 2차원 영상 빔을 집광 및 축소시켜 2차원 영상을 생성하는 영상 생성부; 및 상기 생성된 2차원 영상을 상기 광 섬유를 매개로 하여 인가받아 확대하여 상기 안경의 렌즈에 위치하는 영상 빔 투사체에 주사하는 영상 표시부; 를 포함하고, 상기 영상 생성부는 외부로부터 영상 소스데이터를 수신하여, 제1 해상도를 가진 2차원 영상 빔을 생성하는 상기 마이크로 디스플레이기; 및 상기 2차원 영상 빔을 인가받아 집광하고, 일정한 축소비율로 축소시키는 제1 프레넬 렌즈; 를 포함하며, 상기 영상 표시부는 상기 마이크로 디스플레이기의 이미지 프레임이 변할 때마다 연동되어 구동되는 확산 프레넬 렌즈 액추에이터; 및 상기 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 구동에 따라 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직이면서 상기 축소 비율과 역변환 관계인 확대 비율로 확대시켜 상기 확대된 2차원 영상 빔을 상기 제1 해상도보다 높은 제2 해상도로 생성하는 제2 프레넬 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 영상 생성부는 상기 마이크로 디스플레이기에서 상기 2차원 영상 빔을 생성하는 동작 및 상기 제2 프레넬 렌즈에서 상기 2차원 영상 빔을 복원하는 동작을 제어하는 디스플레이 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 디스플레이 제어기는 상기 마이크로 디스플레이기에서 상기 2차원 영상 빔을 생성하는 동작의 구동을 제어하는 디스플레이 드라이버; 및 상기 제2 프레넬 렌즈에서 상기 2차원 영상 빔의 축소되기 전의 원래 크기로 확대시켜 복원하는 동작의 구동을 제어하는 액추에이터 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 확산 프레넬 렌즈 액추에이터는 상기 제2 프레넬 렌즈의 일측에 구비되어, 상기 제2 프레넬 렌즈를 상기 X축 방향인 좌우 방향으로 이동시키는 x축 액추에이터; 및 상기 제2 프레넬 렌즈의 타측에 구비되어, 상기 제2 프레넬 렌즈를 상기 Y축 방향인 상하 방향으로 이동시키는 y축 액추에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 영상 생성부는 상기 2차원 영상 빔을 인가받아 상기 제1 프레넬 렌즈를 통하여 상기 축소 비율로 광학 축소시키고, 2차원 평행광으로 변환시키는 제1 광 커플러; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 제1 광 커플러는 상기 광학 축소된 2차원 영상 빔을 인가받아, 상기 2차원 평행광으로 변환시키는 제1 시준 렌즈; 및 상기 변환된 2차원 평행광을 인가받아 상기 광 섬유에 전달하는 제1 광 섬유 연결관; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 축소 비율은 상기 마이크로 디스플레이기의 크기와 반비례하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 영상 표시부는 상기 광 섬유를 통하여 상기 변환된 2차원 평행광을 전달받아 상기 제2 프레넬 렌즈를 통해 확대하고, 상기 마이크로 디스플레이기에서 생성된 2차원 영상 빔으로 복원하여 상기 영상 빔 투사체에 주사하는 제2 광 커플러; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 제2 광 커플러는 상기 광 섬유를 통하여 상기 변환된 2차원 평행광을 인입받는 제2 광 섬유 연결관; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치는 AR 안경에 적용 가능한 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치가 적용된 AR 안경은 상기 안경의 안경 테와 상기 안경의 다리 연결 부위에 위치하고, 상기 제2 광 커플러에 연결되어 상기 복원된 2차원 영상 빔을 입력받는 광 입력부; 및 상기 광 입력부로부터 입력된 상기 복원된 2차원 영상 빔을 인가받아 상기 영상 빔 투사체인 아이 박스로 전달하는 광 도파관; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 상기 광 섬유는 상기 마이크로 디스플레이기 크기의 1/3 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 경우, 영상 디스플레이 장치의 영상 생성부와 영상 표시부가 분리되어, 영상 생성부에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 쿨러 또는 벤트 홀의 설치가 용이하다.
또한, 마이크로 디스플레이기의 위치에 대하여 자유로운 배치가 가능하여 디자인의 자유도가 향상된다.
또한, 프레넬 렌즈 및 시준 렌즈를 사용함에 따라, 복수개의 표준 광학 렌즈를 사용하는 종래의 영상 디스플레이 장치보다 부피 및 두께를 대폭적으로 감소시킬 수 있고, 색 수차 에러나 밝기 저하 같은 영상 왜곡을 방지할 수 있다.
또한, 박막의 프레넬 렌즈 및 직경이 작은 광 섬유를 사용함에 따라, 웨어러블 기기의 소형화 및 경량화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명이 AR 안경에 적용될 경우, 풀 고화질 등급 해상도 구현이 가능하게 되어 영상 패널의 크기 증가 없이도 AR 안경에 적용할 수 있게 됨에 따라, 안경 전면부의 경박 단소화를 실현할 수 있게 되고, 입력되는 원본 영상 대비 해상도가 현저하게 증가한 이미지로 영상을 복원할 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 표준 광학계를 사용한 광 도파관 방식의 투사 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 증강 현실 안경에 적용된 종래의 반 반사 거울 광 표시 방식의 투사 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 영상 표시 방식을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 2차원 영상 디스플레이 장치 내 제1 광 커플러(120)의 정면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 2차원 영상 디스플레이 장치 내 제2 광 커플러(320)의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용한 경우의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 AR 안경 중 일부 구성요소를 설명하기 위한 구성도이다.
도 8은 도 6에 도시된 AR 안경의 일부 구성요소들의 세부적인 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 9는 도 8에 도시된 AR 안경에서 해상도를 증가시키는 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 10은 도 9에 도시된 제2 프레넬 렌즈 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 세부 구성에 대한 정면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 제2 프레넬 렌즈가 x축 액추에이터 및 y축 액추에이터의 동작에 따라 4방향으로 이동하는 개념도이다.
도 12는 도 11에 도시된 4방향으로 이동하는 개념도 중 제2 프레넬 렌즈가 y축 액추에이터의 동작에 따라 예시적으로 윗 방향으로 이동하는 경우와 아래 방향으로 이동하는 경우의 일부 측면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 x축 액추에이터 및 y축 액추에이터의 동작에 따라 4방향으로 이동하는 경우 4개 픽셀을 합친 예시적인 영상이다.
도 14는 13에 도시된 예시적인 영상에서 분배되는 4 단계 각각의 픽셀 이미지를 나타낸 영상이다.
도 15는 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치를 적용한 결과, 마이크로 디스플레이기에서 출력된 고양이 사진(a)과 영상 빔 투사체에서 디스플레이되는 고양이 사진(b)을 비교한 실제 영상이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치의 영상 표시 방식을 설명하기 위한 개략적인 구성도로서, 영상 생성부(100), 광 섬유(200), 영상 표시부(300) 및 안경 렌즈(400)를 포함한다.
영상 생성부(100)는 마이크로 디스플레이기(110) 및 제1 광 커플러(120)를 포함하고, 영상 표시부(300)는 제2 광 커플러(320)를 포함한다.
도 4는 도 3에 도시된 2차원 영상 디스플레이 장치 내 제1 광 커플러(120)의 정면도로서, 영상 표시 장치부(121), 제1 프레넬 렌즈(122), 제1 시준 렌즈(123) 및 제1 광 섬유 연결관(124)을 포함한다.
도 5는 도 3에 도시된 2차원 영상 디스플레이 장치 내 제2 광 커플러(320)의 정면도로서, 제2 시준 렌즈(322), 제2 프레넬 렌즈(321) 및 제2 광 섬유 연결관(323)을 포함한다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
영상 생성부(100)는 마이크로 디스플레이기(110)로부터 2차원 영상 빔을 집광 및 축소시켜 2차원 영상을 생성한다.
즉, 마이크로 디스플레이기(110)는 2차원 영상 빔을 생성하고, 제1 광 커플러(120)는 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 빔을 인가받아 집광 및 축소하고, 평행광으로 변환시켜 2차원 영상을 생성한다.
제1 광 커플러(120)는 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 빔을 집광하고, 일정한 축소 비율로 광학 축소시키는 제1 프레넬 렌즈(122)와, 광학 축소된 2차원 빔을 인가받아 2차원 평행광으로 변환시키는 제1 시준 렌즈(123) 및 제1 시준 렌즈(123)에서 변환된 2차원 평행광을 인가받아 광 섬유(200)에 전달하는 제1 광 섬유 연결관(124)을 포함한다.
영상 표시부(300)는 영상 생성부(100)에서 생성된 2차원 영상을 광 섬유(200)를 매개로 하여 인가받아 영상 생성부(100)에서의 축소 비율과 동일한 비율로 확대 및 복원하여 안경 렌즈(400)에 주사한다.
영상 표시부(300)는 광 섬유(200)를 통하여 영상 생성부(100) 내 제1 시준 렌즈(123)에서 변환된 2차원 평행광을 전달받아 확대하고, 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔으로 복원하여 안경 렌즈(400)에 주사하는 제2 광 커플러(320)를 포함한다.
즉, 제2 광 섬유 연결관(323)은 광 섬유(200)를 통하여 제1 시준 렌즈(123)에서 변환된 2차원 평행광을 인입받는다.
제2 시준 렌즈(322)는 제2 광 섬유 연결관(323)을 통해 인입된 2차원 평행광을 전달받아 광의 분산을 방지한다.
제2 프레넬 렌즈(321)는 제2 시준 렌즈(322)로부터 분산 방지된 2차원 평행광을 인가받아 일정한 확대 비율로 확대시켜 복원된 2차원 영상 빔을 생성한다.
이때, 축소 비율 및 확대 비율은 광 섬유(200)의 직경과 비례하도록 설정된다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예는 종래의 표준 광학계를 사용한 AR, VR, MR 안경의 영상 표시부(300)의 부피가 크고 무게가 무거운 한계와, 표시되는 영상의 해상도나 밝기가 저하되는 단점들을 개선하고자 새로운 형태의 영상 표시 장치를 제시한다.
즉, 마이크로 디스플레이기(110)와 커플링되는 제1 광 커플러(120)와 영상 생성부(100)에서 생성된 2차원 영상 빔을 안경의 렌즈로 주사시키는 제2 광 커플러(320)로 나누어지고, 영상 생성부(100)와 영상 표시부(300)는 광 섬유(200)로 연결된다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 영상 생성부(100)에서 생성된 2차원 영상 빔은 제1 광 커플러(120)를 통해 일정한 크기로 축소될 수 있다.
마이크로 디스플레이기(110) 크기를 m (단위: 밀리미터(mm))이라고 가정하면, 축소 비율 R은 다음과 같은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
R = k/m (k: 변환계수, 단위: 밀리미터(mm))
또한, 축소된 영상을 m'로 정의한다면, 축소된 영상은 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
m' = R x m
예를 들어, 제1 광 커플러(120)는 2차원 영상 빔을 R배만큼 광학 축소시킬 수 있다.
즉, 제1 광 커플러(120)의 축소 비율(R)은 마이크로 디스플레이기(110)의 크기(m)와 반비례하도록 설정된다.
또한, 제1 광 커플러(120)에서 축소된 2차원 영상 빔은 광 섬유(200)를 통하여 영상 표시부(300)에 커플링되는 제2 광 커플러(320)에서 축소 비율과 역변환 관계인 확대 비율로 확대될 수 있다.
즉, 제2 광 커플러(320)는 제1 광 커플러(120)에서 축소된 2차원 영상 빔을 광 섬유(200)를 통해 수신하여, 일정한 확대 비율만큼 확대시킬 수 있다.
확대되는 비율을 n(n은 상수)이라 가정하면, 확대 영상 E는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
E= nR-1 = n x (m/k)
예를 들어, 제1 광 커플러(120)에서 축소된 2차원 영상 빔은 n 배만큼 확대되어 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 원래의 2차원 영상 크기로 복원하여 안경 렌즈(400)에 주사된다.
이와 같이, 제1 광 커플러(120)의 축소 비율(R)과 제2 광 커플러(320)의 확대 비율(n)은 상호 역 변환 관계이다.
영상 생성부(100)에서 생성된 2차원 영상을 싱글 모드 광 섬유(200)의 직경 크기로 축소하여 영상 표시부(300)로 전송시키면, 이를 다시 원래의 크기로 확대해 영상 표시부(300)와 연결해 주는 기능을 갖는 광 커플러는 도 3에서 보는 바와 같이, 제1 광 커플러(120)와 제2 광 커플러(320)로 구성된다.
도 3에서, 제1 광 커플러(120)는 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔을 집광하기 위해 매질이나 파장에 따른 굴절률의 저하가 없는 평판 형상의 집광용 제1 프레넬 렌즈(122)를 사용하여 일정 비율로 집광시킨다.
또한, 집광된 2차원 영상 빔을 싱글 모드 광 섬유(200)의 직경에 맞추기 위해 일정한 평행광으로 변환시켜 주는 제1 시준 렌즈(123)를 사용하여 2차원 시준광(평행광)으로 변환해서 제1 광 섬유 연결관(124)을 통해 싱글 모드 광 섬유(200)에 축소된 2차원 시준광을 안경 렌즈(400)에 주사하게 된다.
도 5에서, 제2 광 커플러(320) 내 제2 시준 렌즈(322)의 직경(m')은 제1 광 커플러(120) 내 영상 표시 장치부(121)의 직경(m)과 동일하거나, 후술하는 AR 안경 내 광 입력부의 크기와 동일하도록 설정될 수 있다.
싱글 모드 광 섬유(200)를 통해서 도 5의 제2 광 커플러(320)로 전송된 축소된 2차원 영상 시준광은 제2 광 섬유 연결관(323)을 통해 영상 표시부(300)로 인입되고, 인입된 2차원 영상 시준광은 광의 분산을 방지하기 위한 제2 시준 렌즈(322)를 거쳐 확대용 제2 프레넬 렌즈(321)에 의해 영상 생성부(100)에서 일정 비율로 축소된 역변환 비율로 확대되어 안경 렌즈(400)로 전달된다.
본 발명은 마이크로 디스플레이기(110)에 연결된 제1 광 커플러(120)와 안경 렌즈(400)로 입력 광을 주사하는 제2 광 커플러(320)가 따로 분리되어 있어, 표준 광학계를 사용하는 종래의 일체형 구조보다 배치가 자유로운 장점이 있다.
또한, 양 커플러를 5 mm 미만의 가느다란 싱글 모드 광 섬유(200)로 연결되는 구조이므로 부피와 무게를 대폭적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용된 제1 및 제2 프레넬 렌즈(122, 321)는 표준 렌즈의 곡면을 일련의 동심 홈(Concentric Groove)으로 대체한 렌즈로서, 개별 동심원은 개별 표준 렌즈의 굴절면처럼 작용하여 평행 광선을 일반적인 초점 거리를 가지게 하는 역할을 하기 때문에, 복수개의 표준 광학 렌즈를 사용하여 동등한 굴절율을 구현하는 종래의 방식보다 부피를 대폭적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1 및 제2 프레넬 렌즈(122, 321)는 산란되지 않은 빛의 전파 방향이 매질 내에서는 변화가 없고 매질의 표면에서 이탈이 발생되기 때문에, 렌즈의 두께를 획기적으로 줄일 수 있다는 장점도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용한 경우의 사시도로서, 영상 생성부(100), 광 섬유(200), 영상 표시부(300) 및 AR 안경 본체(500)를 포함한다.
도 7은 도 6에 도시된 AR 안경 중 일부 구성요소를 설명하기 위한 구성도로서, 광 섬유(200), 제2 광 커플러(320), 광 입력부(410), 광 도파관(420) 및 아이 박스(430)를 포함한다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용한 경우에 대하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치는 예시적으로 AR 안경에 적용할 수 있다.
본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치는 영상 생성부(100)가 안경 다리 끝부분에 위치하고, 영상 빔 투사체(430)가 안경 렌즈(400)에 위치하는 AR 안경에 적용한다.
즉, AR 안경은 안경 테와 안경 다리 연결 부위에 위치하고, 제2 광 커플러(320)에 연결되어 복원된 2차원 영상 빔을 입력받는 광 입력부(410)와, 광 입력부(410)로부터 입력된 복원된 2차원 영상 빔을 인가받아 영상 빔 투사체인 아이 박스(430)로 전달하는 광 도파관(420)을 포함한다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용한 경우에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 마이크로 디스플레이기(110)로부터 생성된 2차원 영상 광원은 제1 광 커플러(120)에서 마이크로 디스플레이기(110)의 물리적인 크기 대비 영상 표시부(300)와 연결되는 광 섬유(200)의 직경 크기로 축소되므로 마이크로 디스플레이기(110)의 크기는 0.7 인치(1.778 cm) 이하여야 한다.
이때, 마이크로 디스플레이기(110)는 주로 LCOS, OLED, DLP나 마이크로 LED 등을 사용하는데, 이러한 장치가 포함된 영상 생성부(100)는 필연적으로 고온의 열 발생이 많아 장 시간 사용시 광학 렌즈에 그을음이나 변형이 발생하기 쉽고 웨어러블 기기 특성상 착용시 저온 화상이나 착용감이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 이를 극복하기 위하여 영상 생성부(100)와 영상 표시부(300)를 분리시킴으로써, 영상 생성부(100)에서 발생되는 열을 냉각해 주기 위한 쿨러 또는 벤트 홀의 설치가 용이한 장점이 있다.
마이크로 디스플레이기(110)의 위치는 영상 생성부(100)와 영상 표시부(300) 자체가 광 섬유(200)로 분리되어 있으므로 자유롭게 배치가 가능하여 디자인의 자유도가 높으나, 본 실시예에서는 도 6에서 보는 바와 같이, AR 안경의 템플 팁(안경 다리 끝부분)에 위치시킨 경우를 예시한다.
마이크로 디스플레이기(110)를 포함한 영상 생성부(100)는 AR 안경의 템플 팁에 위치하기 때문에, 광 도파관(420)이 있는 영상 표시부(300)까지 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔이 전달되어야 한다.
본 발명에서는 이러한 기능을 광 섬유(200)가 담당하고 있으며, 통상 안경 템플(안경 다리)에 내장이 되어야 하기 때문에, 마이크로 디스플레이기(110) 크기의 1/3 이하가 바람직하다.
제1 광 커플러(120)는 AR 안경 템플 팁에 위치한 마이크로 디스플레이기(110) 바로 앞단에 위치한다.
또한, 도 3에서 보는 바와 같이, 영상 표시부(300)와 광 섬유(200)로 연결되어 있기 때문에 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔을 축소시키기 위해서 색 수차 에러가 없고 밝기 저하가 없는 평판형 제1 프레넬 렌즈(122)를 사용하여 2차원 영상 빔을 축소시켜 집광한다.
집광된 2차원 영상 빔을 광 섬유(200)와 연결해 주기 위해서 광의 발산을 억제시키고, 집광된 광 컨덴싱을 위해 제1 시준 렌즈(123)로 2차원 영상 빔을 시준시켜 광 섬유(200)로 주사시킨다.
광 섬유(200)로 주사된 2차원 영상 빔은 도 6처럼 광 섬유(200)가 AR 안경 템플을 따라 내장되어 AR 안경의 렌즈 림(안경 테두리)과 템플 힌지(안경 테와 안경 다리 연결 부위)에서 제2 광 커플러(320)와 연결된다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 제2 광 커플러(320)는 광 섬유(200)를 통해 축소되어 주사된 2차원 영상 빔을 광의 발산과 컨덴싱을 위해 제2 시준 렌즈(322)로 시준시켜 안정화시킨다.
그 후에, 원래의 2차원 영상 크기로 복원하기 위해 집광시와(축소) 동일한 굴절 비율로 굴절 방향만 반대인 확산(확대)용 제2 프레넬 렌즈(321)에 의해 영상 생성부(100)에서 생성된 원래의 2차원 영상 크기로 복원된다.
원래 크기로 복원된 2차원 영상 빔은 도 7에서 보는 바와 같이, 광 도파관(420)의 광 입력부(410)로 인가된다.
광 입력부(410)로 인가된 2차원 영상 빔은 회절된 광 도파관(420)을 통과하여 영상 빔 투사체인 아이 박스(Eye Box, 430)에 디스플레이 되어 최종적으로 인체의 안구에 상이 맺히게 된다.
이와 같이, 본 발명은 평판형 제1 및 제2 프레넬 렌즈(122, 321)와 마이크로 제1 및 제2 시준 렌즈(123, 322)를 사용하므로, 종래의 표준 광학계를 사용한 시스템보다 부피와 무게를 1/3 이하로 줄일 수 있다.
또한, 평판형 제1 및 제2 프레넬 렌즈(122, 321)로 2차원 영상 빔을 집광, 축소 및 확대시키므로 색 수차 에러나 밝기 저하 같은 영상 왜곡이 발생하지 않는다.
따라서, 본 발명은 초소형 프로젝터의 일종인 피코 프로젝터(Pico Projector), 의학용 내시경 및 모니터링, 개인용 웨어러블 기기 등에 적용이 가능하다.
도 8은 도 6에 도시된 AR 안경의 일부 구성요소들의 세부적인 동작을 설명하기 위한 구성도로서, 영상 생성부(100), 광 섬유(200), 영상 표시부(300) 및 영상 빔 투사체(430)를 포함한다.
영상 생성부(100)는 마이크로 디스플레이기(110), 디스플레이 제어기(115) 및 제1 프레넬 렌즈(122)를 포함한다.
영상 표시부(300)는 제2 프레넬 렌즈(321) 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터를 포함하고, 확산 프레넬 렌즈 액추에이터는 x축 액추에이터(331) 및 y축 액추에이터(332)를 포함한다.
도 9는 도 8에 도시된 AR 안경에서 해상도를 증가시키는 동작을 설명하기 위한 구성도로서, 마이크로 디스플레이기(110), 디스플레이 드라이버(115-1), 제1 프레넬 렌즈(122), 광 섬유(200), 고해상도 영상 출력부(500) 및 영상 빔 투사체(430)를 포함한다.
고해상도 영상 출력부(500)는 액추에이터 드라이버(115-2), 제2 프레넬 렌즈(321), x축 액추에이터(331) 및 y축 액추에이터(332)를 포함한다.
도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용하여 해상도를 증가시킨 경우에 대하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
마이크로 디스플레이기(110)는 외부의 카메라 또는 휴대용 단말기로부터 케이블 또는 무선통신을 통해서 영상 소스데이터를 수신하여, 제1 해상도를 가진 부분 영상에 대한 2차원 영상 빔을 생성한다.
디스플레이 제어기(115)는 디스플레이 드라이버(115-1) 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터 드라이버(115-2)를 구비하고, 마이크로 디스플레이기(110) 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 동작을 제어한다.
즉, 디스플레이 제어기(115)는 디스플레이 드라이버(115-1)를 통해 마이크로 디스플레이기(110)에서 2차원 영상 빔을 생성하는 동작의 구동을 제어하고, 액추에이터 드라이버(115-2)를 통해 확산 프레넬 렌즈인 제2 프레넬 렌즈(321)에서 2차원 영상 빔을 축소되기 전의 원래 크기로 복원하는 동작의 구동을 제어한다.
여기에서, 마이크로 디스플레이기(110)는 마이크로 LED, LCoS, Pico 프로젝터 중 어느 하나로 구현 가능하다.
집광 프레넬 렌즈인 제1 프레넬 렌즈(122)는 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔을 인가받아 집광 및 축소시킨다.
확산 프레넬 렌즈인 제2 프레넬 렌즈(321)는 축소된 2차원 영상 빔을 광섬유(200)를 통해 전달받아, 소정의 확대 비율로 확대시켜 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔 원래의 영상 크기로 복원시키되, 마이크로 디스플레이기(110)에서의 제1 해상도보다 현저하게 높은 제2 해상도로 해상도를 증가시켜 복원시킨다.
이때, 마이크로 디스플레이기(110)의 이미지 프레임이 변할 때마다 이와 연동되는 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 구동에 따라 제2 프레넬 렌즈(321)가 X축의 2방향과 Y축의 2방향, 총 4방향으로 움직이면서 광 도파관(420)인 안경의 렌즈에 전달함으로써, 마이크로 디스플레이기(110)에서 생성된 2차원 영상 빔보다 해상도를 증가시킨 고해상도의 영상을 구현한다.
도 10은 도 9에 도시된 제2 프레넬 렌즈 및 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 세부 구성에 대한 정면도로서, 제2 프레넬 렌즈(321), x축 액추에이터(331) 및 y축 액추에이터(332)를 포함한다.
도 11은 도 10에 도시된 제2 프레넬 렌즈가 x축 액추에이터 및 y축 액추에이터의 동작에 따라 4방향으로 이동하는 개념도이다.
도 12는 도 11에 도시된 4방향으로 이동하는 개념도 중 제2 프레넬 렌즈가 y축 액추에이터의 동작에 따라 예시적으로 윗 방향으로 이동하는 경우와 아래 방향으로 이동하는 경우의 일부 측면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 x축 액추에이터 및 y축 액추에이터의 동작에 따라 4방향으로 이동하는 경우 4개 픽셀을 합친 예시적인 영상이다.
도 14는 13에 도시된 예시적인 영상에서 분배되는 4 단계 각각의 픽셀 이미지를 나타낸 영상이다.
도 15는 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치를 적용한 결과, 마이크로 디스플레이기에서 출력된 고양이 사진(a)과 영상 빔 투사체에서 디스플레이되는 고양이 사진(b)을 비교한 실제 영상이다.
도 3 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용하여 해상도를 증가시킨 경우에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 집광 역할을 하는 제1 프레넬 렌즈(122), 영상 전송을 위한 광섬유(200) 및 영상의 확대 역할을 하는 제2 프레넬 렌즈(321) 만으로 구성된 2차원 영상 디스플레이 장치의 경우, 마이크로 디스플레이기(110)의 해상도와 영상 빔 투사체(430)의 해상도의 비율이 1:1 인 관계로, 2차원 영상 빔을 고해상도로 재현하는 것이 어렵다는 한계가 있다.
즉, 현재 상용화된 마이크로 디스플레이기의 해상도는 풀 고화질(FULL HD) 등급으로 알려져 있고, 풀 고화질 등급 해상도의 4배인 4K 해상도를 구현할 수 있는 마이크로 디스플레이기가 AR 안경에 아직까지는 적용되지 않고 있다.
왜냐하면, 4K 해상도를 가진 마이크로 디스플레이기의 경우, 영상 패널의 크기가 해상도에 비례하여 증가함에 따라 AR 안경과 같은 웨어러블 기기에 적합하지 않은 단점이 있기 때문이다.
이러한 한계 및 단점을 극복하기 위하여 본 발명에서는 4K 해상도를 가진 이미지로 영상을 다음과 같은 원리로 복원한다.
도 9에서 보는 바와 같이, 수신된 영상을 확산시키는 제2 프레넬 렌즈(321)의 x축의 움직임 및 y축의 움직임을 제어하는 확산 프레넬 렌즈 액추에이터가 구비된다.
이때, 확산 프레넬 렌즈 액추에이터는 마이크로 디스플레이기(110)에서 영상 재생을 제어하는 디스플레이 제어기(115)와 연동된다.
도 10 및 도 12에서 보는 바와 같이, 제2 프레넬 렌즈(321)는 일측에 구비된 x축 액추에이터(331)의 동작에 따라 좌우 방향으로 움직이고, 타측에 구비된 y축 액추에이터(332)의 동작에 따라 상하 방향으로 움직인다.
이와 같이 좌우 2방향과 상하 2방향, 총 4방향으로 움직이는 제2 프레넬 렌즈(321)의 이동으로 인하여 발생한 4개의 픽셀은, 도 13에 도시된 예시적인 영상과 같이 순차적으로 병합됨으로써, 마이크로 디스플레이기(110)에서 저해상도로 출력된 영상이 해상도가 향상되어 영상 빔 투사체(430)에 디스플레이된다.
예를 들어, 마이크로 디스플레이기(110)에서 240 Hz로 부분 영상이 재생되고, x축 액추에이터(331) 및 y축 액추에이터(332)가 240 Hz 속도로 동작된다고 가정했을 때. 도 14에 보는 바와 같이, 4 단계(Phase 1~ Phase 4)에서 총 4개의 픽셀 이미지를 순차적으로 분배한다.
즉, 마이크로 디스플레이기(110)에서의 이미지 프레임이 제1 단계(Phase 1)에서 1/240 Hz로 도 14의 (a) 이미지로 재생되고, 제2 단계(Phase 2)에서 2/240 Hz로 도 14의 (b) 이미지로 재생되며, 제3 단계(Phase 3)에서 3/240 Hz로 도 14의 (c) 이미지로 재생되고, 제4 단계(Phase 4)에서 4/240 Hz로 도 14의 (d) 이미지로 재생된다.
이렇게 재생된 도 14 (a) ~ 도 14 (d) 이미지가 병합되어 최종적으로 영상 빔 투사체(430)에 디스플레이되면, 사람이 육안으로 인식하는 이미지는 연속적인(continuous) 영상으로서 4/240 Hz, 즉 1/60 Hz로 도 13에 도시된 바와 같이 보여지게 된다.
이상과 같이 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치를 240 Hz의 저해상도를 가진 마이크로 디스플레이기(110)에 적용할 경우, 해상도가 4배인 1/60 Hz로 향상된 4K 해상도를 가진 이미지로 영상을 복원할 수 있게 된다.
도 15에 보는 바와 같이, 마이크로 디스플레이기(110)에서 출력된 고양이 사진(a)에 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치를 실제로 적용한 결과, AR 안경 내 영상 빔 투사체(430)에서 디스플레이되는 고양이 사진(b)을 자세히 살펴보면, 귀속 털과 수염 등이 더 선명하게 보이는 것을 알 수 있다.
따라서, 종래에 마이크로 디스플레이기(110)의 해상도와 영상 빔 투사체(430)의 해상도의 비율이 1:1 에서 1:4로 증가함에 따라, 풀 고화질 등급 해상도의 4K 해상도 구현이 가능하게 되어, 영상 패널의 크기 증가 없이도 AR 안경과 같은 웨어러블 기기에 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치를 적용할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 2차원 영상 디스플레이 장치는 AR 안경에 적용될 경우, 안경 전면부의 경박 단소화를 구현할 수 있게 되고, AR 안경에 입력되는 원본 영상 대비 해상도가 현저하게 증가한 이미지로 영상을 복원할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 마이크로 디스플레이기를 포함하고 2차원 영상 빔을 생성하는 영상 생성부와 생성된 2차원 영상 빔을 안경의 렌즈로 주사시키는 영상 표시부를 광 섬유를 매개로 하여 분리하여 영상 생성부에서의 발열을 냉각하기 용이하고, 마이크로 디스플레이기의 위치 및 디자인의 자유도를 향상시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 영상 디스플레이 장치를 AR 안경에 적용할 경우, 영상 표시부 내 확산 프레넬 렌즈에 액추에이터를 작동시켜 다양한 방향으로 움직임을 유도해 픽셀 이미지를 분산시킴으로써, 원본 영상 대비 해상도를 현저하게 증가시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치를 제공한다.
이를 통하여, 영상 디스플레이 장치의 영상 생성부와 영상 표시부가 분리되어, 영상 생성부에서 발생되는 열을 냉각하기 위한 쿨러 또는 벤트 홀의 설치가 용이하다.
또한, 마이크로 디스플레이기의 위치에 대하여 자유로운 배치가 가능하여 디자인의 자유도가 향상된다.
또한, 프레넬 렌즈 및 시준 렌즈를 사용함에 따라, 복수개의 표준 광학 렌즈를 사용하는 종래의 영상 디스플레이 장치보다 부피 및 두께를 대폭적으로 감소시킬 수 있고, 색 수차 에러나 밝기 저하 같은 영상 왜곡을 방지할 수 있다.
또한, 박막의 프레넬 렌즈 및 직경이 작은 광 섬유를 사용함에 따라, 웨어러블 기기의 소형화 및 경량화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명이 AR 안경에 적용될 경우, 풀 고화질 등급 해상도 구현이 가능하게 되어 영상 패널의 크기 증가 없이도 AR 안경에 적용할 수 있게 됨에 따라, 안경 전면부의 경박 단소화를 실현할 수 있게 되고, 입력되는 원본 영상 대비 해상도가 현저하게 증가한 이미지로 영상을 복원할 수 있게 된다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 영상 생성부
110: 마이크로 디스플레이기
115: 디스플레이 제어기
120: 제1 광 커플러
122: 제1 프레넬 렌즈
200: 광 섬유
300: 영상 표시부
320: 제2 광 커플러
321: 제2 프레넬 렌즈
331: x축 액추에이터
332: y축 액추에이터
420: 광 도파관
430: 영상 빔 투사체

Claims (12)

  1. 광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치로서,
    상기 2차원 영상 디스플레이 장치는 안경 형상을 채용하고,
    상기 안경의 다리 끝부분에 마련되고, 마이크로 디스플레이로부터 2차원 영상 빔을 집광 및 축소시켜 2차원 영상을 생성하는 영상 생성부; 및
    상기 생성된 2차원 영상을 상기 광 섬유를 매개로 하여 인가받아 확대하여 상기 안경의 렌즈에 위치하는 영상 빔 투사체에 주사하는 영상 표시부; 를 포함하고,
    상기 영상 생성부는
    외부로부터 영상 소스데이터를 수신하여, 제1 해상도를 가진 2차원 영상 빔을 생성하는 상기 마이크로 디스플레이; 및
    상기 2차원 영상 빔을 인가받아 집광하고, 일정한 축소비율로 축소시키는 제1 프레넬 렌즈; 를 포함하며,
    상기 영상 표시부는
    상기 마이크로 디스플레이의 이미지 프레임이 변할 때마다 연동되어 구동되는 확산 프레넬 렌즈 액추에이터; 및
    상기 확산 프레넬 렌즈 액추에이터의 구동에 따라 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직이면서 상기 축소 비율과 역변환 관계인 확대 비율로 확대시켜 상기 확대된 2차원 영상 빔을 상기 제1 해상도보다 높은 제2 해상도로 생성하는 제2 프레넬 렌즈; 를 포함하고,
    상기 확산 프레넬 렌즈 액추에이터는,
    상기 제2 프레넬 렌즈의 일측에 구비되어, 상기 제2 프레넬 렌즈를 상기 X축 방향인 좌우 방향으로 이동시키는 x축 액추에이터; 및
    상기 제2 프레넬 렌즈의 타측에 구비되어, 상기 제2 프레넬 렌즈를 상기 Y축 방향인 상하 방향으로 이동시키는 y축 액추에이터;를 포함하며,
    상기 제2 프레넬 렌즈는,
    상기 마이크로 디스플레이의 이미지 프레임이 변할 때마다 연동되는 상기 x축 액추에이터의 구동 및 상기 y축 액추에이터의 구동에 따라, X축의 좌우 방향과 Y축의 상하 방향으로, 총 4방향으로 움직이면서 상기 안경의 렌즈에 전달하고,
    상기 총 4방향으로 움직이는 상기 제2 프레넬 렌즈의 이동으로 인하여 발생한 4개의 픽셀은,
    상기 마이크로 디스플레이에서의 이미지 프레임이 제1 단계(Phase 1)에서 1/240 Hz의 이미지로 재생되고, 제2 단계(Phase 2)에서 2/240 Hz의 이미지로 재생되며, 제3 단계(Phase 3)에서 3/240 Hz의 이미지로 재생되고, 제4 단계(Phase 4)에서 4/240 Hz의 이미지로 재생되며, 상기 이미지가 병합되어 상기 영상 빔 투사체에 디스플레이되는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 생성부는
    상기 마이크로 디스플레이에서 상기 2차원 영상 빔을 생성하는 동작 및 상기 제2 프레넬 렌즈에서 상기 2차원 영상 빔을 복원하는 동작을 제어하는 디스플레이 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디스플레이 제어기는
    상기 마이크로 디스플레이에서 상기 2차원 영상 빔을 생성하는 동작의 구동을 제어하는 디스플레이 드라이버; 및
    상기 제2 프레넬 렌즈에서 상기 2차원 영상 빔의 축소되기 전의 원래 크기로 확대시켜 복원하는 동작의 구동을 제어하는 액추에이터 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상 생성부는
    상기 2차원 영상 빔을 인가받아 상기 제1 프레넬 렌즈를 통하여 상기 축소 비율로 광학 축소시키고, 2차원 평행광으로 변환시키는 제1 광 커플러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 광 커플러는
    상기 광학 축소된 2차원 영상 빔을 인가받아, 상기 2차원 평행광으로 변환시키는 제1 시준 렌즈; 및
    상기 변환된 2차원 평행광을 인가받아 상기 광 섬유에 전달하는 제1 광 섬유 연결관;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축소 비율은
    상기 마이크로 디스플레이의 크기와 반비례하도록 설정되는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 영상 표시부는
    상기 광 섬유를 통하여 상기 변환된 2차원 평행광을 전달받아 상기 제2 프레넬 렌즈를 통해 확대하고, 상기 마이크로 디스플레이에서 생성된 2차원 영상 빔으로 복원하여 상기 영상 빔 투사체에 주사하는 제2 광 커플러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 광 커플러는
    상기 광 섬유를 통하여 상기 변환된 2차원 평행광을 인입받는 제2 광 섬유 연결관;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차원 영상 디스플레이 장치는
    AR 안경에 적용 가능한 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 AR 안경은
    상기 안경의 안경 테와 상기 안경의 다리 연결 부위에 위치하고, 상기 제2 광 커플러에 연결되어 상기 복원된 2차원 영상 빔을 입력받는 광 입력부; 및
    상기 광 입력부로부터 입력된 상기 복원된 2차원 영상 빔을 인가받아 상기 영상 빔 투사체인 아이 박스로 전달하는 광 도파관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 섬유는
    상기 마이크로 디스플레이 크기의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는,
    광 섬유를 이용한 2차원 영상 디스플레이 장치.
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