KR102530558B1 - 투시형 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자기기에 관해 개시되어 있다. 개시된 투시형 디스플레이 장치는 복수의 경로에 따른 복수의 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 다중경로 광학부재 및 상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 이방성 광학부재를 포함할 수 있다. 상기 이방성 광학부재는 입사광의 편광 방향에 따라 다른 특성을 나타낼 수 있다. 예컨대, 상기 이방성 광학부재는 제1 경로의 광에 대해서 렌즈로 작용할 수 있고, 제2 경로의 광에 대해서 상기 렌즈와 다르게 작용할 수 있다. 상기 이방성 광학부재는 상기 제2 경로의 광에 대해서 평판으로 작용할 수 있다.

Description

투시형 디스플레이 장치{See-through type display apparatus}
개시된 실시예들은 디스플레이 장치, 보다 상세하게는 투시형 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근, 가상 현실(virtual reality)(VR)을 구현할 수 있는 전자기기 및 디스플레이 장치가 개발되면서, 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 가상 현실(VR)의 다음 단계로 증강 현실(augmented reality)(AR) 및 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 실현할 수 있는 기술(방안)도 연구되고 있다.
증강 현실(AR)은, 완전 가상 세계를 전제로 하는 가상 현실(VR)과는 달리, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐(결합하여) 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 기술이다. 가상 현실(VR)이 게임이나 가상 체험과 같은 분야에만 한정적으로 적용이 가능했다면, 증강 현실(AR)은 다양한 현실 환경에 응용이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 증강 현실(AR)은 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 이러한 증강 현실(AR)은 현실 세계와 부가적인 정보(가상 세계)를 혼합하여 보여준다는 점에서 혼합 현실(MR)의 일례라고 할 수 있다.
증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용될 수 있는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)를 제공한다.
우수한 성능을 갖는 투시형 디스플레이 장치를 제공한다.
넓은 시야각(angle of view)을 확보하는데 유리한 투시형 디스플레이 장치를 제공한다.
비교적 단순한 구성을 갖고 주요 구성부가 패시브(passive)한 방식으로 동작될 수 있는 투시형 디스플레이 장치를 제공한다.
상기 투시형 디스플레이 장치를 포함하는 전자기기를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 제1 경로의 광에 의한 제1 영상과 제2 경로의 광에 의한 제2 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 다중경로 광학부재; 및 상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 것으로, 입사광의 편광 방향에 따라 다른 특성을 갖는 이방성 광학부재;를 포함하고, 상기 이방성 광학부재는 상기 제1 경로의 광에 대해서 렌즈로 작용하고 상기 제2 경로의 광에 대해서 상기 렌즈와 다르게 작용하는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)가 제공된다.
상기 이방성 광학부재는 상기 제2 경로의 광에 대해서 평판으로 작용할 수 있다.
상기 제1 경로의 광은 제1 방향으로 편광되어 상기 이방성 광학부재로 입사될 수 있고, 상기 제2 경로의 광은 상기 제1 방향과 직각(orthogonal)인 제2 방향으로 편광되어 상기 이방성 광학부재로 입사될 수 있다.
상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함할 수 있고, 상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 상기 제1 경로의 광을 위한 제1 편광자가 구비될 수 있고, 상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 상기 제2 경로의 광을 위한 제2 편광자가 구비될 수 있다. 상기 제1 경로의 광은 상기 제1 편광자에 의해 제1 방향으로 편광될 수 있고, 상기 제2 경로의 광은 상기 제2 편광자에 의해 상기 제1 방향과 직각인 제2 방향으로 편광될 수 있다.
상기 다중경로 광학부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함할 수 있다.
상기 다중경로 광학부재가 편광 빔스플리터(PBS)를 포함하는 경우, 상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 상기 제1 경로의 광을 위해 구비된 제1 편광자; 및 상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 상기 제2 경로의 광을 위해 구비된 제2 편광자; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치 내에서 형성 및 제공된 영상일 수 있고, 상기 제2 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치를 통해서 상기 사용자가 마주하는 외부의 영상일 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 제1 영상을 구현하기 위한 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 더 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기(SLM)의 앞 또는 뒤에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 이방성 광학부재는 렌즈 형상을 갖는 내부요소 및 이를 둘러싼 외부요소를 포함할 수 있고, 상기 내부요소 및 외부요소 중 하나는 편광 방향에 따라 이방성 특성을 가질 수 있다.
상기 내부요소는 액정(liquid crystal), 이방성 폴리머 및 이방성 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 외부요소는 등방성 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 내부요소는 등방성 결정 또는 등방성 폴리머를 포함할 수 있고, 상기 외부요소는 이방성 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 내부요소는 볼록 렌즈 타입 또는 오목 렌즈 타입일 수 있다.
상기 이방성 광학부재는 상기 내부요소를 복수 개 포함할 수 있다.
상기 이방성 광학부재는 벌크 렌즈(bulk lens), 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 얇은 렌즈(thin lens) 및 메타표면 렌즈(metasurface lens) 중 적어도 하나의 구조를 포함할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 약 40°이상의 시야각(angle of view)을 가질 수 있다. 상기 투시형 디스플레이 장치는 약 60°이상 또는 약 90°이상의 시야각을 가질 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하도록 구성될 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)일 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이 또는 고글형 디스플레이일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 광투과 및 광반사 특성을 갖는 것으로, 투과된 광에 의한 외부 영상과 반사된 광에 의한 별도 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 반투과(transflective) 부재; 및 상기 반투과 부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 이방성 렌즈 구조체(anisotropic lens structure);를 포함하고, 상기 이방성 렌즈 구조체는 상기 반사된 광에 대해서 렌즈로 작용하고 상기 투과된 광에 대해서 평판으로 작용하는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)가 제공된다.
상기 반투과 부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막을 포함할 수 있다.
상기 반투과 부재의 제1 입사면 측에 제1 편광자가 구비될 수 있고, 상기 반투과 부재의 제2 입사면 측에 제2 편광자가 구비될 수 있다.
상기 제1 편광자에 의해 제1 방향으로 편광된 광이 상기 반투과 부재에 의해 반사될 수 있고, 상기 제2 편광자에 의해 상기 제1 방향과 직각(orthogonal)인 제2 방향으로 편광된 광이 상기 반투과 부재에 의해 투과될 수 있다.
상기 반투과 부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 약 40°이상의 시야각(angle of view)을 가질 수 있다. 상기 투시형 디스플레이 장치는 약 60°이상 또는 약 90°이상의 시야각을 가질 수 있다.
증강 현실(AR) 및 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용될 수 있는 투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 우수한 성능을 갖는 투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 넓은 시야각(angle of view)을 갖는 투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 비교적 단순한 구성을 갖고 주요 구성부가 패시브(passive)한 방식으로 동작될 수 있는 투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 상기 투시형 디스플레이 장치를 포함하는 다양한 전자기기/광학기기를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 투시형 디스플레이 장치의 원리 및 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 15 내지 도 18은 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 이방성 광학부재를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 보여주는 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 24 내지 도 26은 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여주는 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자기기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 투시형 디스플레이 장치는 다중경로 광학부재(multipath optical element)(M10)를 포함할 수 있다. 다중경로 광학부재(M10)는 복수의 경로에 따른 복수의 영상을 사용자의 시각 기관(ocular organ)(10), 즉, 눈(eye)(10)으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 참조번호 5는 동공(pupil)을 나타낸다. 다중경로 광학부재(M10)는 복수의 경로에 따른 복수의 영상을 사용자의 동공(5)으로 전달할 수 있다. 예컨대, 다중경로 광학부재(M10)는 제1 경로의 광(L1)에 의한 제1 영상과 제2 경로의 광(L2)에 의한 제2 영상을 사용자의 시각 기관(10)으로 전달/가이드할 수 있다. 제1 경로의 광(L1)은 다중경로 광학부재(M10)에 의해 반사된 광일 수 있고, 제2 경로의 광(L2)은 다중경로 광학부재(M10)를 투과한 광일 수 있다. 따라서, 다중경로 광학부재(M10)는 광투과 및 광반사 특성을 모두 갖는 반투과(transflective) 부재일 수 있다. 구체적인 예로, 다중경로 광학부재(M10)는 빔스플리터(beam splitter)(BS) 또는 반투과막(transflective film)을 포함할 수 있다. 도 1에는 다중경로 광학부재(M10)가 빔스플리터(beam splitter)(BS)인 경우가 도시되어 있지만, 그 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
본 실시예의 투시형 디스플레이 장치는 다중경로 광학부재(M10)와 사용자의 시각 기관(10) 사이에 배치된 이방성 광학부재(anisotropic optical element)(A10)를 포함할 수 있다. 이방성 광학부재(A10)는 이에 입사되는 광(입사광)의 편광 방향에 따라 다른 특성을 나타낼 수 있다. 이와 관련해서, 이방성 광학부재(A10)는 제1 경로의 광(L1)에 대해서는 렌즈(lens)로 작용할 수 있고, 제2 경로의 광(L2)에 대해서는 상기 렌즈와 다르게 작용할 수 있다. 제2 경로의 광(L2)에 대해, 이방성 광학부재(A10)는 평판(flat plate)(투명매질)과 같이 작용할 수 있다. 상기 평판은 렌즈와 대비되는 개념으로, 입사광을 실질적으로 수렴 또는 발산시키지 않는 플레이트(투광성 플레이트)일 수 있다. 여기서, 제1 경로의 광(L1)과 제2 경로의 광(L2)은 서로 다른 편광 방향을 가질 수 있다.
제1 경로의 광(L1)과 제2 경로의 광(L2)이 서로 다른 편광 방향을 갖도록 만드는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 일례로, 본 실시예에서와 같이, 제1 편광자(polarizer)(P10) 및 제2 편광자(P20)를 사용할 수 있다. 다중경로 광학부재(M10)의 제1 입사면 측에 제1 경로의 광(L1)을 위한 제1 편광자(P10)를 구비시킬 수 있고, 다중경로 광학부재(M20)의 제2 입사면 측에 제2 경로의 광(L2)을 위한 제2 편광자(P20)를 구비시킬 수 있다. 제1 경로의 광(L1)은 제1 편광자(P10)에 의해 제1 방향으로 편광될 수 있고, 제2 경로의 광(L2)은 제2 편광자(P20)에 의해 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 편광될 수 있다. 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 직각(orthogonal)인 방향일 수 있다. 이와 같이 서로 다른 편광 방향을 갖는 광들(L1, L2)에 대해 이방성 광학부재(A10)는, 앞서 언급한 바와 같이, 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다.
제1 경로의 광(L1)에 의해 전달되는 상기 제1 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치 내에서 형성 및 제공된 영상일 수 있다. 상기 제1 영상은 '디스플레이 영상'으로 가상의 현실 또는 가상의 정보를 포함할 수 있다. 제2 경로의 광(L2)에 의해 전달되는 상기 제2 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치를 통해서 상기 사용자가 마주하는 외부의 영상일 수 있다. 상기 제2 영상은 상기 사용자가 마주하는 전경의 이미지를 포함할 수 있고, 소정의 배경 피사체(background subject)를 포함할 수 있다. 이러한 제2 영상은 현실 세계의 영상일 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다.
이하에서는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 제1 경로의 광(L1) 및 제2 경로의 광(L2)에 대해 이방성 광학부재(A10)가 어떻게 다르게 작용하는지에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 경로의 광(L11)은 제1 편광자(P10)에 의해 제1 방향, 예컨대, 지면에 수직한 방향으로 편광되어 이방성 광학부재(A10)로 입사될 수 있다. 이러한 제1 경로의 광(L11)에 대해서 이방성 광학부재(A10)는 '렌즈'로 작용할 수 있다. 이러한 렌즈(즉, A10)를 통해서 사용자의 시각 기관(10)은 제1 경로의 광(L11)에 의한 디스플레이 영상을 볼 수 있다. 이때, 렌즈(즉, A10)는 시각 기관(10)에 가깝게 배치되어 있기 때문에, 렌즈(즉, A10)의 직경(D) 대비 렌즈(즉, A10)의 초점거리(f)가 짧을 수 있다. 결과적으로, 넓은 시야각(angle of view 또는 field of view)이 용이하게 확보될 수 있다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 경로의 광(L21)에 의한 제2 영상을 볼 때에는, 이방성 광학부재(A10)가 '렌즈'가 아닌 '평판'과 같이 작용할 수 있다. 즉, 제2 경로의 광(L21)은 제2 편광자(P20)에 의해 제2 방향, 예컨대, 상기 제1 방향에 직각(orthogonal)인 방향으로 편광되어 이방성 광학부재(A10)로 입사될 수 있다. 이러한 제2 경로의 광(L21)에 대해서 이방성 광학부재(A10)는 '평판'과 같이 작용하여, 상기 제2 영상을 왜곡시키는 문제를 유발하지 않을 수 있다. 따라서, 사용자는 왜곡 없이 상기 제2 영상을 볼 수 있다.
상기 제1 영상이 가상의 디스플레이 영상이고, 상기 제2 영상이 현실 세계의 영상(외부 영상)인 경우, 상기 디스플레이 영상에 대해서 이방성 광학부재(A10)는 렌즈와 같이 작용하여 시야각을 넓히는 역할을 할 수 있고, 상기 외부 영상에 대해서 이방성 광학부재(A10)는 평판과 같이 작용하여 영상 왜곡 문제를 유발하지 않을 수 있다. 이와 같이, 이방성 광학부재(A10)의 이방성 특성에 의해 전술한 효과들을 동시에 얻을 수 있다.
일반적인 투시형 디스플레이 장치의 경우, 씨스루(see-through)로 외부 영상을 왜곡 없이 보기 위해서는 사용자의 눈 앞에 렌즈를 사용할 수 없다. 즉, 사용자의 눈과 외부 전경 사이에 외부 영상을 왜곡시키는 렌즈를 배치할 수 없다. 따라서, 가상의 디스플레이 영상을 보기 위한 렌즈는 사용자의 눈과 외부 전경 사이의 영역을 피해서 배치(회피 배치)할 필요가 있다. 그런데, 이 경우, 사용자의 눈과 상기 렌즈 사이의 광 경로가 길어지기 때문에 시야각이 좁아지는 문제가 있다. 예컨대, 종래와 같이 렌즈를 배치하였을 때, 시야각은 약 20°정도로 상당히 좁을 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용자의 시각 기관(10)과 다중경로 광학부재(M10) 사이에 이방성 광학부재(A10)를 배치함으로써, 디스플레이 영상에 대해서는 이방성 광학부재(A10)가 렌즈와 같이 작용하게 하고, 외부 영상에 대해서는 이방성 광학부재(A10)가 평판과 같이 작용하게 만들 수 있다. 따라서, 사용자의 시각 기관(10)과 렌즈(즉, A10) 사이의 광 경로를 단축함으로써, 넓은 시야각을 용이하게 확보할 수 있고, 아울러, 이방성 광학부재(A10)의 평판과 같은 작용에 의해 왜곡 없이 외부 영상을 볼 수 있다. 이러한 투시형 디스플레이 장치는 약 40°이상 또는 약 60°이상의 시야각을 가질 수 있다. 상기 시야각은 약 90°정도이거나 그 이상일 수도 있다.
도 1에서는 제1 및 제2 편광자(P10, P20)를 사용해서 제1 및 제2 경로의 광들(L1, L2)의 편광 방향을 서로 다르게 제어하였지만, 제1 및 제2 편광자(P10, P20)를 사용하지 않고 다른 방법을 이용해서 광들(L1, L2)의 편광 방향을 다르게 조절할 수 있다. 예컨대, 다중경로 광학부재(M10) 내에 제1 및 제2 편광자(P10, P20)의 기능을 편입시킬 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 다중경로 광학부재(M10)로서 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 사용하면, 제1 및 제2 편광자(P10, P20)를 사용하지 않을 수 있다. 그 일례가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 다중경로 광학부재(M15)로 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 사용할 수 있다. 상기 편광 빔스플리터(PBS)는 제1 편광 방향을 갖는 광은 반사시키고, 제2 편광 방향을 갖는 광은 투과시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 편광 빔스플리터(PBS)를 이용하면, 별도의 편광자 없이, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 바와 같은 기능들을 실현할 수 있다. 기능적으로, 도 3a는 도 2a에 대응될 수 있고, 도 3b는 도 2b에 대응될 수 있다.
도 3a에서는 제1 경로의 광(L12)이 다중경로 광학부재(M15)에 의해 반사되어 이방성 광학부재(A10)로 입사될 수 있다. 또한, 제1 경로의 광(L12)은 다중경로 광학부재(M15)에 의해 제1 방향으로 편광될 수 있다. 도 3b에서는 제2 경로의 광(L22)이 다중경로 광학부재(M15)를 투과하여 이방성 광학부재(A10)로 입사될 수 있다. 또한, 제2 경로의 광(L22)은 다중경로 광학부재(M15)에 의해 제2 방향으로 편광될 수 있다. 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 직각(orthogonal) 관계를 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서와 같이 별도의 편광자를 사용하지 않을 경우, 투시형 디스플레이 장치의 구성이 보다 단순해질 수 있다. 그러나, 필요한 경우, 도 3a 및 도 3b의 실시예에서도 도 1의 제1 및 제2 편광자(P10, P20) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 실시예에서 적어도 하나의 별도의 편광자를 사용할 경우, 편광 효율 및 편광 성능을 향상시킬 수 있고, 예컨대, 표시 화면의 콘트라스트 비율(contrast ratio)(CR)을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 3의 실시예들에서 제1 경로의 광(L1, L11, L12)에 의해 제1 영상이 사용자의 시각 기관(10)에 전달되는데, 상기 제1 영상을 형성하기 위한 '이미지 형성장치(image forming device)'가 더 구비될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 이미지 형성장치는 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 포함할 수 있다. 도 4는 도 1의 구조에 공간 광변조기(SLM)(S10)가 부가된 예를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 경로의 광(L1)이 통과하는 영역에 공간 광변조기(이하, SLM)(S10)가 구비될 수 있다. SLM(S10)은 제1 편광자(P10)를 사이에 두고 다중경로 광학부재(M10)와 마주하는 위치에 배치될 수 있다. 그러나 여기에 도시된 SLM(S10)의 위치는 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다. SLM(S10)은 진폭변조 공간 광변조기 또는 위상변조 공간 광변조기이거나, 진폭과 위상을 모두 변조시키는 복소 공간 광변조기일 수 있다. 또한, SLM(S10)은 투과형 광변조기 또는 반사형 광변조기이거나, 반투과형 광변조기일 수 있다. 구체적인 예로, SLM(S10)은 LCoS(liquid crystal on silicon) 패널, LCD(liquid crystal display) 패널, DLP(digital light projection) 패널 등을 포함할 수 있다. 여기서, DLP 패널은 DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있다. 도 4는 SLM(S10)이 투과형인 경우를 가정하여 도시된 것이다. SLM(S10)이 반사형이거나 반투과형인 경우, SLM(S10)의 위치나 다른 요소들과의 상대적인 배치 관계가 달라질 수 있다. 한편, SLM(S10)을 이용해서 구현하는 영상은 2D(two-dimensional) 영상이거나 3D(three-dimensional) 영상일 수 있고, 여기서, 상기 3D 영상은 홀로그램(hologram) 영상, 스테레오(stereo) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있다.
도 4의 실시예와 같이 SLM(S10)을 사용하는 경우, SLM(S10)의 앞 또는 뒤에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 더 사용할 수 있다. 그 예들이 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 5에서는 SLM(S10) 앞에 렌즈(LS10)가 구비된 경우를 보여주고, 도 6에서는 SLM(S10) 뒤에 렌즈(LS10)가 구비된 경우를 보여준다. 도 5 및 도 6에서는 SLM(S10)의 일측에 하나의 렌즈(LS10)를 구비시킨 경우를 도시하였지만, 두 개 이상의 렌즈를 구비시킬 수 있고, 경우에 따라서는, SLM(S10)의 앞과 뒤 각각에 하나 또는 복수의 렌즈를 구비시킬 수 있다. 이방성 광학부재(A10)는 제1 경로의 광(L1)에 대해서는 렌즈와 같이 작용하기 때문에, 도 5 및 도 6에서 설명한 렌즈(LS10)는 추가적인 렌즈 또는 보조적인 렌즈라고 할 수 있다. 이러한 추가 렌즈(LS10)를 사용함으로써, 광학계의 초점거리(focal length), 개구수(numerical aperture)(NA) 등을 조절할 수 있다. 예를 들어, 이방성 광학부재(A10)의 렌즈로서의 굴절력이 약할 경우, 이방성 광학부재(A10)의 초점거리가 길어질 수 있는데, 추가 렌즈(LS10)를 사용하면 이러한 문제를 보완할 수 있다. 즉, 추가 렌즈(LS10)를 사용하여 이방성 광학부재(A10)의 초점거리를 단축시킬 수 있고, 이 경우, 시야각 확대에 더욱 유리할 수 있다. 그러나 추가 렌즈(LS10)의 사용 목적은 이에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6에 도시된 추가 렌즈(LS10)의 형상은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 SLM(S10) 및 렌즈(LS10)는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 실시예에도 적용될 수 있다. 그 일례가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 다중경로 광학부재(M15)로 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 사용할 수 있고, 이때, 다중경로 광학부재(M15)에 인접한 SLM(S10) 및 렌즈(LS10)를 구비시킬 수 있다. SLM(S10) 및 렌즈(LS10)의 역할은 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 여기서, SLM(S10) 및 렌즈(LS10)의 위치는 달라질 수 있고, 경우에 따라, 렌즈(LS10)는 사용하지 않을 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 투시형 디스플레이 장치는 SLM(S11)의 '가상 이미지(virtual image)(VS11)'를 형성하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 소정의 릴레이 광학계(relay optical system)(RS10)를 사용해서, SLM(S11)의 가상 이미지(VS11)를 형성할 수 있다. 이하에서는, SLM(S11)의 가상 이미지(VS11)를 '가상 SLM(VS11)'이라 한다. 가상 SLM(VS11)은 '이미지화된(imaged) SLM'이라고 할 수도 있다. 가상 SLM(VS11)은 다중경로 광학부재(M10)에 인접한 영역에 형성될 수 있다.
릴레이 광학계(RS10)는, 예컨대, 제1 릴레이 렌즈(LS1)와 제2 릴레이 렌즈(LS2) 및 이들 사이에 배치된 공간 필터(spatial filter)(SF1)를 포함할 수 있다. 제1 릴레이 렌즈(LS1)는 제1 초점거리(f1)를 가질 수 있고, 제2 릴레이 렌즈(LS2)는 제2 초점거리(f2)를 가질 수 있다. 공간 필터(SF1)는 제1 및 제2 릴레이 렌즈(LS1, LS2)의 초점면(focal plane) 또는 그 근방에 위치할 수 있다. 공간 필터(SF1)는 핀홀(pinhole)과 같은 소정의 개구부(aperture)를 가질 수 있고, 제1 릴레이 렌즈(LS1)를 통과한 광 중에서 노이즈(noise)를 제거하는 역할을 할 수 있다.
제1 릴레이 렌즈(LS1)의 제1 초점거리(f1)와 제2 릴레이 렌즈(LS2)의 제2 초점거리(f2)는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 제1 초점거리(f1)와 제2 초점거리(f2)의 상대적인 크기, 즉, 비율에 따라, 가상 SLM(VS11)의 사이즈가 달라질 수 있다. 예컨대, 제2 초점거리(f2)가 제1 초점거리(f1)보다 큰 경우, 가상 SLM(VS11)은 실제 SLM(S11)보다 클 수 있다. 제1 초점거리(f1)가 제2 초점거리(f2)보다 큰 경우, 가상 SLM(VS11)은 실제 SLM(S11)보다 작을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 초점거리(f1, f2)를 조절함으로써, 가상 SLM(VS11)의 크기를 원하는 수준으로 제어할 수 있다. 사용자는 가상 SLM(VS11)을 통해서, 이로부터 얻어진 디스플레이 영상을 볼 수 있다. 그러나, 여기에 개시된 릴레이 광학계(RS10)의 구성은 예시적인 것에 불과하고, 이는 매우 다양하게 변화될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 8의 구조에 적어도 하나의 추가 렌즈를 더 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 9에 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 릴레이 광학계(RS10)와 다중경로 광학부재(M10) 사이에 렌즈(LS11)가 더 구비될 수 있다. 가상 SLM(VS11)은 렌즈(LS11)에 형성되거나, 렌즈(LS11)와 인접한 영역에 형성될 수 있다. 도 9에는 가상 SLM(VS11)이 렌즈(LS11)에 형성된 경우를 도시하였지만, 렌즈(LS11)의 앞 또는 뒤쪽에 형성될 수도 있다. 추가적인 렌즈(LS11)를 이용함으로써, 광학계의 초점거리(focal length), 개구수(numerical aperture)(NA) 등을 조절할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 8 및 도 9에서 릴레이 구조를 다양하게 변화시킬 수 있다. 그 일례가 도 10에 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 반사부재(R10)를 사용하여 릴레이 광학계(RS10)에서 출사된 광의 경로를 바꿔줄 수 있다. 반사부재(R10)에 의해 반사된 광에 의해 가상 SLM(VS11)이 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 투시형 디스플레이 장치는 꺾인 구조를 갖는다고 할 수 있다. 여기에 도시된 반사부재(R10)의 구조는 예시적인 것이고, 다른 구조의 반사부재를 사용하거나 복수의 반사부재를 사용할 수도 있다.
도 8 내지 도 10에 도시하지는 않았지만, SLM(S11)에 광을 조사하기 위한 광원부(light source unit)가 더 구비될 수 있다. 상기 광원부는, 예컨대, 소정의 광원 및 콜리메이터 렌즈(collimator lens)를 포함할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 상기 광원부 및 SLM(S11)을 제어하기 위한 제어부가 더 구비될 수 있다. 또한, 반사형 SLM(S11)을 사용할 경우에는 SLM(S11)으로부터 반사된 광을 이용해서 가상 SLM(VS11)을 형성할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 다중경로 광학부재(M10) 뒤쪽에 가상 SLM(VS11)을 형성할 수도 있다. 예컨대, 다중경로 광학부재(M10)와 이방성 광학부재(A10) 사이 또는 이방성 광학부재(A10) 근방에 가상 SLM(VS11)을 형성할 수 있다. 그 예들이 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 도 4와 유사한 광학계 구조에서 가상 SLM(VS11)이 이방성 광학부재(A10) 쪽에 형성될 수 있다. 가상 SLM(VS11)은 실제 SLM이 아니고 사용자에게 디스플레이 영상을 제공하는 역할을 하기 때문에, 사용자가 외부 영상을 보는데 지장을 주지 않을 수 있다.
도 13 및 도 14는 도 7과 유사한 광학계 구조, 즉, 편광 빔스플리터(PBS)를 다중경로 광학부재(M15)로 적용한 광학계 구조에 도 11 및 도 12와 같은 가상 SLM(VS11)을 적용한 경우를 보여준다.
이하에서는, 도 15 내지 도 18을 참조하여, 이방성 광학부재(A10)의 원리 및 다양한 구조를 예시적으로 설명한다.
도 15는 일 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 이방성 광학부재(A11)의 일례를 보여주는 도면이다.
도 15를 참조하면, 이방성 광학부재(A11)는 렌즈 형상을 갖는 내부요소(N11) 및 이를 둘러싼 외부요소(E11)를 포함할 수 있다. 내부요소(N11) 및 외부요소(E11) 중 하나는 입사광의 편광 방향에 따라 이방성 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 내부요소(N11)가 입사광의 편광 방향에 따라 굴절률이 변화되는 이방성 특성을 가질 수 있다. 이때, 외부요소(E11)는 입사광의 편광 방향에 상관없이 동일한 특성을 가질 수 있다. 즉, 외부요소(E11)는 등방성 특성을 가질 수 있다.
내부요소(N11)가 입사광의 편광 방향에 따라 두 가지 굴절률(no_lens, ne_lens)을 갖는다고 할 때, 굴절률 no_lens는 ordinary 상태의 굴절률이라 할 수 있고, 굴절률 ne_lens는 extraordinary 상태의 굴절률이라 할 수 있다. 외부요소(E11)는 입사광의 편광 방향에 상관없이 일정한 굴절률(noutside)을 가질 수 있다. 이 경우, 다음과 같은 조건이 만족될 수 있다.
* 이방성 광학부재(A11)가 렌즈로 작용하는 경우
(no_lens or ne_lens) ≠ noutside
* 이방성 광학부재(A11)가 평판으로 작용하는 경우
noutside = no_lens ≠ ne_lens , 또는
noutside = ne_lens ≠ no_lens
입사광의 편광 방향에 따라 내부요소(N11)의 굴절률(no_lens or ne_lens)과 외부요소(E11)의 굴절률(noutside)이 서로 다를 수도 있고, 같을 수도 있는 조건이 만족될 때, 이방성 광학부재(A11)는 렌즈 또는 평판으로 작용할 수 있다. 이러한 조건을 만족한다면, 내부요소(N11)의 물질과 외부요소(E11)의 물질은 어느 조합이든 가능할 수 있다.
도 15에서는 내부요소(N11)가 볼록 렌즈 형상을 갖고, 내부요소(N11)가 이방성 특성을 갖는 경우에 대해 도시하고 설명하였지만, 내부요소(N11)는 오목 렌즈 형상을 가질 수 있고, 내부요소(N11)가 아닌 외부요소(E11)가 이방성 특성을 가질 수 있다.
도 16은 이방성 광학부재(A12)의 내부요소(N12)가 오목 렌즈 형상을 갖는 경우를 보여준다. 외부요소(E12)의 양면(입사면과 출사면)은 평면일 수 있다. 내부요소(N12)가 구조적으로 오목 렌즈 형상을 갖는다 하더라도, 내부요소(N12)의 굴절률과 외부요소(E12)의 굴절률의 대소 관계에 따라, 내부요소(N12)는 볼록 렌즈와 같이 작용할 수 있다. 내부요소(N12)와 외부요소(E12) 중 하나는 이방성 특성을 가질 수 있고, 다른 하나는 등방성 특성을 가질 수 있다.
도 15 및 도 16에서 내부요소(N11, N12)는 액정(liquid crystal), 이방성 폴리머 및 이방성 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이 경우, 외부요소(E11, E12)는 등방성 폴리머를 포함할 수 있다. 또는, 내부요소(N11, N12)는 등방성 결정 또는 등방성 폴리머를 포함할 수 있고, 외부요소(E11, E12)는 이방성 폴리머를 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 제시하지 않은 다른 물질들을 내부요소(N11, N12)나 외부요소(E11, E12)에 적용할 수도 있다.
부가적으로, 상기 액정(liquid crystal)의 경우, 액정의 배열 방향을 소정 방법으로 고정시킨 상태로 사용할 수 있다. 예컨대, 전기장(electric field)을 인가한 상태에서 자외선(ultraviolet ray)을 이용해서 액정의 배열 방향을 고정시키거나, 분산 조명(distributed illumination) 방법을 이용해서 액정의 배열 방향을 고정시킬 수도 있다. 그 밖에 다른 방법을 사용할 수도 있다. 또한, 액정의 배열 방향을 패시브(passive)한 방법이 아닌 액티브(active)한 방식으로 제어할 수도 있다.
도 15 및 도 16에서는 하나의 내부요소(N11, N12)를 사용하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 복수의 내부요소를 사용할 수 있다. 그 예들이 도 17 및 도 18에 도시되어 있다.
도 17을 참조하면, 이방성 광학부재(A20)는 복수의 내부요소(N21, N22, N23)를 포함할 수 있고, 이들을 둘러싸는 외부요소(E20)를 더 포함할 수 있다. 복수의 내부요소(N21, N22, N23)는 상호 접합될 수 있고, 전체적으로 하나의 렌즈 형상을 이룰 수 있다. 복수의 내부요소(N21, N22, N23) 중 적어도 두 개는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 복수의 내부요소(N21, N22, N23) 각각은 이방성 특성을 가질 수 있고, 외부요소(E20)는 등방성 특성을 가질 수 있다.
도 18을 참조하면, 이방성 광학부재(A30)는 상호 이격된 복수의 내부요소(N31, N32, N33)를 포함할 수 있다. 각각의 내부요소(N31, N32, N33)를 둘러싸는 외부요소들(E31, E32, E33)이 구비될 수 있다. 각각의 내부요소(N31, N32, N33)는 서로 다른 특성/구조를 가질 수 있다. 내부요소들(N31, N32, N33)의 굴절률은 서로 다르거나 같을 수 있다. 복수의 내부요소(N31, N32, N33)는 이방성 특성을 갖고 복수의 외부요소(E31, E32, E33)는 등방성 특성을 갖거나, 그 반대일 수 있다. 복수의 외부요소(E31, E32, E33)는 단일체(one body)를 이룰 수도 있다. 도 17 및 도 18에 도시된 복수의 내부요소(N21∼N23, N31∼N33)의 형상 및 개수는 예시적인 것에 불과하고, 이들은 매우 다양하게 변화될 수 있다.
도 15 내지 도 18에서는 이방성 광학부재(A11, A12, A20, A30)에 일반적인 렌즈 구조를 적용한 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 이방성 광학부재(A11, A12, A20, A30)의 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 이방성 광학부재(A11, A12, A20, A30)는 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 구조나 메타표면 렌즈(metasurface lens) 구조를 포함하도록 변형될 수 있다. 따라서, 이방성 광학부재(A11, A12, A20, A30)는 벌크 렌즈(bulk lens), 얇은 렌즈(thin lens), 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 메타표면 렌즈(metasurface lens) 등 다양한 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 얇은 렌즈(thin lens)는, 예컨대, 수 mm 이내의 두께를 갖는 렌즈일 수 있고, 벌크 렌즈(bulk lens)는 수 mm 이상 또는 수십 mm 이상의 두께를 갖는 렌즈일 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 14의 실시예에서는 다중경로 광학부재(M10, M15)로 빔스플리터(BS)나 편광 빔스플리터(PBS)를 사용하는 경우에 대해서 주로 도시하고 설명하였지만, 다중경로 광학부재(M10, M15)의 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 도 19에 도시된 바와 같이, 필름(film)이나 플레이트(plate) 형태를 갖는 다중경로 광학부재(M20)를 사용할 수 있다. 도 19의 다중경로 광학부재(M20)는 반투과(transflective) 기능을 갖는 것으로, 유리나 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 다중경로 광학부재(M20)의 경사 각도는 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
도 1 내지 도 14 및 도 19의 실시예에서 이방성 광학부재(A10)는 패시브 소자(passive element)일 수 있다. 즉, 외부에서 어떤 전기적 신호를 이방성 광학부재(A10)에 인가하지 않더라도, 입사광의 편광 방향에 따라 이방성 광학부재(A10)의 특성이 자동적으로 제어될 수 있다. 따라서, 이방성 광학부재(A10)에 전기적 신호를 인가할 필요가 없고, 그 위치나 형태를 제어하지 않아도 된다. 이 경우, 이방성 광학부재(A10)를 위한 별도의 구동부(driver)를 설치하지 않을 수 있고, 이와 관련해서, 투과형 디스플레이 장치의 전체적인 구성이 단순화되고 동작 방법도 단순화될 수 있다. 그러나 이방성 광학부재(A10)는 패시브 소자로 한정되지 않고, 경우에 따라서는, 액티브 소자(active element)일 수도 있다.
이상의 실시예에서는 다중경로 광학부재(M10, M15, M20)와 이방성 광학부재(A10)가 별도로 구비되는 경우를 도시하고 설명하였지만, 경우에 따라서는, 이방성 광학부재의 특성을 다중경로 광학부재에 편입시킬 수 있다. 다시 말해, 이방성 렌즈의 특성을 갖는 다중경로 광학부재를 사용할 수 있다. 그 일례가 도 20에 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 다중경로 광학부재(MA10)는 광 경로 분할 특성을 가지면서, 이와 동시에 이방성 렌즈의 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 빔스플리터(BS)와 같은 광학요소 내에 이방성 렌즈부(AL1)를 도입함으로써, 이방성 렌즈 특성을 갖는 다중경로 광학부재(MA10)를 구현할 수 있다. 이 경우, 별도의 이방성 광학부재를 구비시키지 않을 수 있다. 만약, 도 20의 다중경로 광학부재(MA10)가 편광 특성을 갖는 경우, 다시 말해, 다중경로 광학부재(MA10)가 편광 빔스플리터(PBS)의 특성을 갖는 경우, 제1 및 제2 편광자(P10, P20) 중 적어도 하나를 구비시키지 않을 수도 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 21을 참조하면, 씨스루형 광학계(100)가 마련될 수 있다. 씨스루형 광학계(100)에 소정의 디스플레이 영상을 제공하는 이미지 형성부(200)가 구비될 수 있다. 이미지 형성부(200)에 광을 조사하는 광원부(300)가 구비될 수 있다. 또한, 광원부(300) 및 이미지 형성부(200)에 연결된 제어부(400)가 구비될 수 있다.
씨스루형 광학계(100)는 앞서 설명한 다중경로 광학부재(M10, M15, M20)와 이방성 광학부재(A10∼A12, A20, A30) 등을 포함할 수 있다. 또는, 씨스루형 광학계(100)는 이방성 렌즈 특성을 갖는 다중경로 광학부재(도 20의 MA10)를 포함할 수 있다. 이미지 형성부(200)는 앞서 설명한 SLM(S10, S11)을 포함할 수 있고, 필요한 경우, 릴레이 광학계(RS10)를 더 포함할 수 있다. 광원부(300)는, 예컨대, 소정의 광원 및 콜리메이터 렌즈(collimator lens)를 포함할 수 있다. 제어부(400)는 이미지 형성부(200) 및 광원부(300)에 연결되어 이들을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 CPU(central processing unit)와 같은 프로세서(processor)를 더 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 도 21의 투시형 디스플레이 장치는 사용자 인터페이스(user interface)를 위한 입력부 및 출력부를 더 포함할 수 있다.
도 21의 구조는 좌우 대칭적으로 한 쌍으로 구비될 수 있다. 그 일례가 도 22에 도시되어 있다.
도 22를 참조하면, 제1 씨스루형 광학계(100A) 및 이에 대응하는 제1 이미지 형성부(200A), 제1 광원부(300A) 및 제1 제어부(400A)가 구비될 수 있다. 제1 씨스루형 광학계(100A)와 이격된 제2 씨스루형 광학계(100B)가 구비될 수 있고, 이에 대응하는 제2 이미지 형성부(200B), 제2 광원부(300B) 및 제2 제어부(400B)가 구비될 수 있다. 제1 씨스루형 광학계(100A)는 사용자의 좌안에 대응하도록 배치될 수 있고, 제2 씨스루형 광학계(100B)는 사용자의 우안에 대응하도록 배치될 수 있다. 따라서, 도 22의 구조는 양안형 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
도 22에서 제1 제어부(400A)와 제2 제어부(400B)는 별도로 구비되지 않고 하나의 제어부로 통합될 수 있다. 그 예가 도 23에 도시되어 있다. 도 23을 참조하면, 하나의 제어부(400C)에 제1 및 제2 광원부(300A, 300B)와 제1 및 제2 이미지 형성부(200A, 200B)가 연결될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 제어부(400C)는 유선이 아닌 무선 방식으로 광원부(300A, 300B) 및 이미지 형성부(200A, 200B)와 연결될 수도 있다.
다양한 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 상기 투시형 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 투시형 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)에 적용될 수 있다. 또한, 상기 투시형 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)에 적용될 수 있다. 도 24 내지 도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여주는 도면이다. 도 24 내지 도 26의 전자기기는 HMD, 안경형 디스플레이 등의 예시이다. 도 24 내지 도 26과 같은 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어(혹은, 연결되어) 동작될 수 있다.
부가적으로, 본원의 다양한 실시예들에 따른 투시형 디스플레이 장치는 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 투시형 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 즉, 도 24 내지 도 26과 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 투시형 디스플레이 장치를 적용할 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 본원의 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용할 수 있을 뿐 아니라, 그 밖에 다른 분야에도 적용할 수 있다. 다시 말해, 증강 현실(AR)이나 혼합 현실(MR)이 아니더라도, 복수의 영상을 동시에 볼 수 있는 멀티영상 디스플레이에 본원의 다양한 실시예의 사상들이 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 26을 참조하여 설명한 투시형 디스플레이 장치의 구성/시스템은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 상기 투시형 디스플레이 장치의 적용 분야도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
L1 : 제1 경로의 광 L2 : 제2 경로의 광
M10, M15 : 다중경로 광학부재 A10 : 이방성 광학부재
P10, P20 : 편광자 S10, S11 : 공간 광변조기
LS10 : 렌즈 RS10 : 릴레이 광학계
VS11 : 가상 SLM R10 : 반사부재
5 : 동공 10 : 시각 기관(눈)
100 : 씨스루형 광학계 200 : 이미지 형성부
300 : 광원부 400 : 제어부

Claims (24)

  1. 제1 경로의 광에 의한 제1 영상과 제2 경로의 광에 의한 제2 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 다중경로 광학부재; 및
    상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 것으로, 입사광의 편광 방향에 따라 다른 특성을 갖는 이방성 광학부재;를 포함하고,
    상기 이방성 광학부재는 상기 제1 경로의 광에 대해서 렌즈로 작용하고 상기 제2 경로의 광에 대해서 상기 렌즈와 다르게 작용하는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 광학부재는 상기 제2 경로의 광에 대해서 평판으로 작용하는 투시형 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 경로의 광은 제1 방향으로 편광되어 상기 이방성 광학부재로 입사되고, 상기 제2 경로의 광은 상기 제1 방향과 직각(orthogonal)인 제2 방향으로 편광되어 상기 이방성 광학부재로 입사되도록 구성된 투시형 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함하고,
    상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 상기 제1 경로의 광을 위한 제1 편광자가 구비되고, 상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 상기 제2 경로의 광을 위한 제2 편광자가 구비되며,
    상기 제1 경로의 광은 상기 제1 편광자에 의해 제1 방향으로 편광되고, 상기 제2 경로의 광은 상기 제2 편광자에 의해 상기 제1 방향과 직각인 제2 방향으로 편광되는 투시형 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 상기 제1 경로의 광을 위해 구비된 제1 편광자; 및
    상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 상기 제2 경로의 광을 위해 구비된 제2 편광자; 중 적어도 하나를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치 내에서 형성 및 제공된 영상이고,
    상기 제2 영상은 상기 투시형 디스플레이 장치를 통해서 상기 사용자가 마주하는 외부의 영상인 투시형 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 제1 영상을 구현하기 위한 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공간 광변조기(SLM)의 앞 또는 뒤에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 더 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 광학부재는 렌즈 형상을 갖는 내부요소 및 이를 둘러싼 외부요소를 포함하고,
    상기 내부요소 및 외부요소 중 하나는 편광 방향에 따라 이방성 특성을 갖는 투시형 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부요소는 액정(liquid crystal), 이방성 폴리머 및 이방성 결정 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 외부요소는 등방성 폴리머를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부요소는 등방성 결정 또는 등방성 폴리머를 포함하고,
    상기 외부요소는 이방성 폴리머를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부요소는 볼록 렌즈 타입 또는 오목 렌즈 타입인 투시형 디스플레이 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 이방성 광학부재는 상기 내부요소를 복수 개 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 이방성 광학부재는 벌크 렌즈(bulk lens), 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 얇은 렌즈(thin lens) 및 메타표면 렌즈(metasurface lens) 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 40°이상의 시야각(angle of view)을 갖는 투시형 디스플레이 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하도록 구성된 투시형 디스플레이 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성하는 투시형 디스플레이 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)인 투시형 디스플레이 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이 또는 고글형 디스플레이인 투시형 디스플레이 장치.
  21. 광투과 및 광반사 특성을 갖는 것으로, 투과된 광에 의한 외부 영상과 반사된 광에 의한 별도 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 반투과(transflective) 부재; 및
    상기 반투과 부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 이방성 렌즈 구조체(anisotropic lens structure);를 포함하고,
    상기 이방성 렌즈 구조체는 상기 반사된 광에 대해서 렌즈로 작용하고 상기 투과된 광에 대해서 평판으로 작용하는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus).
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 반투과 부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막을 포함하고,
    상기 반투과 부재의 제1 입사면 측에 제1 편광자가 구비되고,
    상기 반투과 부재의 제2 입사면 측에 제2 편광자가 구비되며,
    상기 제1 편광자에 의해 제1 방향으로 편광된 광이 상기 반투과 부재에 의해 반사되고, 상기 제2 편광자에 의해 상기 제1 방향과 직각(orthogonal)인 제2 방향으로 편광된 광이 상기 반투과 부재에 의해 투과되는 투시형 디스플레이 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 반투과 부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 투시형 디스플레이 장치는 40°이상의 시야각(angle of view)을 갖는 투시형 디스플레이 장치.
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