KR102591584B1 - 공중 이미지 디스플레이 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
공중 이미지 디스플레이 장치 및 그 동작 방법이 개시된다.
개시된 공중 이미지 디스플레이 장치는 투영 시스템, 적어도 하나의 정 렌즈, 적어도 하나의 광 증식 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은, 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 적어도 하나의 도파관, 및 반사 격자를 포함한다.
개시된 공중 이미지 디스플레이 장치는 투영 시스템, 적어도 하나의 정 렌즈, 적어도 하나의 광 증식 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은, 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 적어도 하나의 도파관, 및 반사 격자를 포함한다.
Description
예시적인 실시 예는 통합 광학 장치에 관한 것으로, 자유 공간에서 공중 이미지를 표시하는 공중 이미지 디스플레이 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
모바일 기술 분야에서는 높은 정보 콘텐츠와 편안함을 갖춘 독창적인 솔루션이 점점 더 많이 필요하다. 기술적 구현이 필요한 한 것 중 하나가 소형 공중 이미지 디스플레이이다. 소형 공중 이미지 디스플레이는 추가적인 산란 매체 없이 이미지를 디스플레이 할 수 있는 것이 필요하다. 이러한 디스플레이에는 고품질 확대 이미지가 표시되고, 안전하고 비접촉식 사용자 인터페이스가 필요하다.
또한, 모바일 기기에 배치 할 수 있는 작은 크기, 넓은 시야, 고화질 영상을 가진 공중 이미지 디스플레이 장치가 필요 하며, 공중 이미지 디스플레이 장치는 확산 스크린이 필요 없고 움직이는 부품이 없어야 한다.
예시적인 실시 예에는 고품질의 확대 이미지를 표시하는 소형의 공중 이미지 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 실시 예는 고품질의 확대 이미지를 표시할 수 있는 공중 이미지 디스플레이 장치의 동작 방법을 제공한다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는,
투영 시스템;
적어도 하나의 정 렌즈;
적어도 하나의 광 증식 모듈을 포함하고,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은, 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 적어도 하나의 도파관, 및 반사 격자를 포함하고,
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각을 덮도록 배치된.
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 정 렌즈 위에 위치하고, 상기 정 렌즈는 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 도파관 위에 위치하고, 상기 도파관 하부에 상기 제1전송 격자, 상기 반사 격자, 상기 제2전송 격자가 순서대로 배치될 수 있다.
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 정 렌즈 아래 위치하고, 상기 적어도 하나의 정 렌즈는 상기 도파관 아래 위치하고, 상기 도파관 위에 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 반사 격자가 순서대로 배치될 수 있다.
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 제 1 전송 격자 위에 위치한 적어도 하나의 정 렌즈 위에 위치하며, 상기 제1 전송 격자 아래 도파관이 위치하고, 상기 도파관 아래 제2 전송 격자와 반사 격자가 배치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈는 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 아래에 위치하며, 상기 반사 격자 위에 상기 제1 전송 격자, 제2 전송 격자 및 도파관이 위치하고, 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은 투영 시스템 아래에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 위에 위치하고, 상기 반사 격자 아래 상기 제2 전송 격자, 제1 전송 격자 및 도파관이 순서대로 배치되고, 상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 아래에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 아래 위치하고, 상기 반사 격자 위에 제2 전송 격자, 도파관, 제1 전송 격자가 순서대로 위치하며, 상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 위에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 도파관 각각이 내부 전반사 기반의 광 전송 회절 다 방향 반경 도파관의 섹터로 구성될 수 있다.
상기 광 증식 모듈이 광 인-커플링을 위한 프리즘을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 반사 격자가 필름에 기록되고, 상기 도파관의 표면에 증착된 볼륨 홀로그래픽 격자이거나 또는 도파관의 표면에 형성된 릴리프 회절 소자일 수 있다.
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각은 하나의 디스크 섹터의 형상을 가지고, 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈이 모여 전체적으로 디스크 형상을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나 정 렌즈 각각은 하나의 디스크 섹터의 형상을 가지며, 상기 디스크 섹터의 반경이, 상응하는 광 증식 모듈의 반경과 일치하고, 광 증식 모듈이, 상응하는 정 렌즈에 의해 덮여질 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈들이 모여 원형 렌즈 어레이를 형성할 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은 상응하는 광 증식 모듈을 갭을 가지고 덮도록 구성될 수 있다.
상기 갭은 광학 물질 층으로 충전될 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은, 상응하는 광 증식 모듈의 형상에 메칭하는 형상을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈는 절단 원형 섹터 형상, 다각 형상, 원 형상 중 하나를 가질 수 있다.
상기 도파관이 가시 광 영역의 스펙트럼에 대해 투명한 물질로 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈이 상기 투영 시스템의 디커플링 어퍼처의 반경 방향 증식을 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 도파관의 표면에 안티-반사 코팅, 세미 반사 코팅, 다이크로익 필터, 중립 필터(neutral filter), 회절 광학 소자 중 하나가 구비될 수 있다.
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각은 특정의 적어도 하나의 색상의 광을 증식하도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 도파관은 구(sphere), 토루스(torus), 직육면체 (rectangular parallelepiped), 디스크, 스타 중 하나의 형상을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 프레넬 렌즈 또는 다이나믹 렌즈(dynamic lens) 중 하나일 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 작동 방법은,
상기 투영 시스템으로부터의 이미지를 형성하는 빔이 제1전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서, 상기 빔들이 1차 회절 빔들(a)과 0차 회절 빔들로 분할되는 단계;
상기 0차 회절 빔들이 제2 전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들이 1차 회절 빔(b)과 0차 회절 빔으로 분할되는 단계;
상기 1차 회절 빔(a), 상기 1차 회절 빔(b), 상기 0차 회절 빔이 도파관에 전송되는 단계;
내부 전반사 각도 범위에 대응하는 각도로 상기 도파관으로 전송된 상기 1차 회절빔(a), 상기1차 회절 빔(b)이 공기/제1전송 격자 사이 그리고 도파관/반사 격자 사이의 미디어 경계에서 재 반사되고, 도파관을 따라 전파되고, 상기 1차 회절 빔(a)의 회절의 결과로서 제2전송 격자로부터 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 상기 1차 회절 빔(b)이 제1전송 격자로부터 1차 회절 빔(d)을 형성하는 단계;
상기 1차 회절 빔(c)과 1차 회절빔(d)이 반사 격자에 의해 회절되고 상기 도파관, 제2 전송 격자 및 제1전송 격자를 통해 상기 정 렌즈에 아웃 커플링되는 단계; 및
상기 정 렌즈가 아웃 커플링된 빔을 굴절시키고 공중 이미지를 초점 면에 포커싱하는 단계;를 포함한다.
상기 0차 회절 빔이 상기 반사 격자 위의 도파관을 통과하고, 상기 빔들이 1차 회절 빔(e)과 0차 회절 빔으로 분할되고, 그런 다음 상기 0차 회절 빔은 고려되지 않을 수 있다.
상기 1차 회절 빔(e)은 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통과하고, 상기 제1전송 격자의 표면으로부터 내부 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관으로 다시 반사되는 단계를 포함하고, 상기 1차 회절 빔(e)은 제1전송 격자로 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들은 상기 1차 회절 빔(a)과 0차 회절 빔(b)으로 분할될 수 있다.
상기 광 증식 모듈이 공중 이미지가 상기 디스플레이 장치에 대해 수직한 범위 내에서만 보이도록 구성될 수 있다.
상기 광 증식 모듈이 상기 공중 이미지 디스플레이 장치가 상기 공중 이미지 디스플레이 장치에 대해 수직한 범위와, 수직에서 벗어난 범위 양쪽에서 보이도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는,
반사 격자;
상기 반사 격자 아래 위치한 제1 정 렌즈;
상기 반사 격자 위에 구비된 도파관;
상기 도파관 위에 구비된 제2 전송 격자;
상기 제2전송 격자 위에 구비된 제1 전송 격자;
상기 제1 전송 격자 위에 구비된 제2 정 렌즈; 및
상기 제2 정 렌즈 위에 구비된 투영 시스템;를 포함한다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 동작 방법은,
A) 투영 시스템으로부터의 이미지를 형성하는 빔이 제1전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서, 상기 빔들이 1차 회절 빔들(a)과 0차 회절 빔들로 분할되는 단계;
B) 상기 0차 회절 빔들이 제2전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들이 1차 회절 빔(b)과 0차 회절 빔으로 분할되는 단계;
C) 상기 1차 회절 빔(a), 상기 1차 회절 빔(b), 상기 0차 회절 빔이 도파관에 전송되는 단계;
D) 내부 전반사 각도 범위에 대응하는 각도로 상기 도파관으로 전송된 상기 1차 회절빔(a), 상기1차 회절 빔(b)이 공기/제1전송 격자 사이와 도파관/반사 격자 사이의 미디어 경계에서 재 반사되고, 도파관을 따라 전파되고, 1차 회절 빔(a)의 회절의 결과로서 제2전송 격자로부터 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 1차 회절 빔(b)이 제1전송 격자로부터 1차 회절 빔(d)을 형성하는 단계;
E) 상기 1차 회절 빔(c)과 1차 회절빔(d)이 반사 격자에서 회절되고 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통해 제2 정 렌즈에 아웃 커플링되는 단계;
F) 상기 제1 정 렌즈가 제1 공중 이미지를 형성함으로써 그 초점 면에 아웃 커플링된 빔을 포커싱하고, 상기 제2 정 렌즈가 제2 공중 이미지를 형성함으로써 그 초점 면에 아웃 커플링된 빔을 포커싱하는 단계;를 포함한다.
상기 0차 회절 빔이 상기 반사 격자 위의 도파관을 통과하고, 그 빔들이 1차 회절 빔(e)과 0차 회절 빔으로 분할되고, 그런 다음 상기 0차 회절 빔은 고려되지 않을 수 있다.
상기 1차 회절 빔(e)은 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통과하고, 상기 제1전송 격자의 외부 표면으로부터 내부 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관으로 다시 반사되며, 상기 1차 회절 빔(e)은 제1전송 격자로 전송되고, 회절의 결과로서 그 빔들은 1차 회절 빔(a)과 0차 회절 빔(b)으로 분할되고, 그런 다음 단계 상기 (B)-(I) 단계가 반복될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 고품질의 확대 이미지를 표시할 수 있다. 공중 이미지 디스플레이 장치는 복수 개의 회절 격자를 구비하여 소형으로 구성될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 다양한 배열 구조를 도시한 것이다.
도 5a는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 두 개의 정 렌즈를 포함하는 예를 도시한 것이다.
도 5b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 두 개의 정 렌즈를 포함하는 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 투영 시스템과 정 렌즈 사이에 구비된 광 증식 모듈의 다양한 배열 구조를 도시한 것이다.
도 7a는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치에서 하나의 공중 이미지가 형성되는 것을 보인 것이다.
도 7b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치에서 복수 개의 공중 이미지가 형성되는 것을 보인 것이다.
도 8은 2 세트의 광 증식 모듈이 구비된 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 9a는 프리즘을 포함한 공중 이미지 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 9b는 동심원 구조의 광 증식 모듈을 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 11a는 복수 개의 섹터로 분할된 정 렌즈 어레이의 예를 도시한 것이다.
도 11b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 모바일 장치에 적용되어 360도 시야 각을 갖는 이미지를 표시하는 것을 보인 것이다.
도 12a 내지 도 12j는 광 증식 모듈을 덮는 정 렌즈의 다양한 예들을 도시한 것이다.
도 13a는 시뮬레이션 모델의 일 예를 도시한 것이다.
도 13b는 시뮬레이션 모델을 통해 얻은 공중 이미지를 보인 것이다.
도 14는 예시적인 실시 예에 따른 회절 격자들의 벡터 다이어그램을 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 다양한 배열 구조를 도시한 것이다.
도 5a는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 두 개의 정 렌즈를 포함하는 예를 도시한 것이다.
도 5b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 두 개의 정 렌즈를 포함하는 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 투영 시스템과 정 렌즈 사이에 구비된 광 증식 모듈의 다양한 배열 구조를 도시한 것이다.
도 7a는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치에서 하나의 공중 이미지가 형성되는 것을 보인 것이다.
도 7b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치에서 복수 개의 공중 이미지가 형성되는 것을 보인 것이다.
도 8은 2 세트의 광 증식 모듈이 구비된 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 9a는 프리즘을 포함한 공중 이미지 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 9b는 동심원 구조의 광 증식 모듈을 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 11a는 복수 개의 섹터로 분할된 정 렌즈 어레이의 예를 도시한 것이다.
도 11b는 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치가 모바일 장치에 적용되어 360도 시야 각을 갖는 이미지를 표시하는 것을 보인 것이다.
도 12a 내지 도 12j는 광 증식 모듈을 덮는 정 렌즈의 다양한 예들을 도시한 것이다.
도 13a는 시뮬레이션 모델의 일 예를 도시한 것이다.
도 13b는 시뮬레이션 모델을 통해 얻은 공중 이미지를 보인 것이다.
도 14는 예시적인 실시 예에 따른 회절 격자들의 벡터 다이어그램을 도시한 것이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 전자 장치는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 전자 장치는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치(예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서의 다양한 실시예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 비일시적’은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들(예: 스마트 폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다. 본 문서에서, 사용자라는 용어는 전자 장치를 사용하는 사람 또는 전자 장치를 사용하는 장치(예: 인공지능 전자 장치)를 지칭할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 디스플레이 장치(10)는 적어도 하나의 광 증식 모듈(2), 적어도 하나의 정 렌즈(3) 및 이미지를 형성하는 투영 시스템(4)을 포함한다. 정 렌즈(3)는 정의 굴절력을 가지는 렌즈를 나타낼 수 있다.
적어도 하나의 광 증식 모듈(2)은 제1 전송 격자(A) 제2 전송 격자(B), 적어도 하나의 도파관(D), 및 반사 격자(C)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 정 렌즈(3) 각각은 적어도 하나의 광 증식 모듈(2) 각각을 덮도록 배치될 수 있다. 이하에서, 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)가 적어도 하나의 회절 격자로 지칭될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치(10)는 자유 공간에 공중 이미지를 표시하여 공중 이미지로부터 어느 정도 떨어진 위치에서 특정 화각(FoV)에서 육안으로 시청할 수 있도록 할 수 있다. 예시적인 실시 예는, 도파관, 회절 광학 소자(DOE), 모노센트릭(monocentric) 투영 광학계 및 초점 렌즈 배열의 조합을 통해 구현될 수 있다. 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치(10)는 콤팩트한 크기로, 투영 시스템에서 제공되는 이미지에 비해 확대된 이미지를 표시하고, 표시된 이미지는 공간에 위치하며 공중 이미지의 확대된 시야를 제공할 수 있다. 이미지는 이미지를 형성하는 초점 렌즈의 초점 거리에 대한 투영 시스템의 렌즈의 초점 거리의 비율과 같거나 여러 배로 확대될 수 있다. 디스플레이 장치(10)는 고화질을 가지고, 포지티브 이미지 오프셋(offset)을 가지는 반면, 움직이는 구조 요소가 없고, 디스플레이를 위한 부가적인 산란 매체를 제공할 필요가 없다.
본 명세서에서 용어 " 공중 이미지"는 이미지가 공중 이미지 장치로부터 어느정도 거리에 떨어져 있는 것을 의미할 수 있다. 다시 말하면, 이미지가 디스플레이 어퍼처와 관찰자 사이에 위치할 수 있고, 관찰자가 공중에서 이러한 이미지를 볼 수 있다. 산란 매체, 예를 들면 확산 필름이 이미지 면(image plane)에 위치하면, 재생된 공중 이미지는 그 확산 필름 상에 선명하게 보일 것이다.
이미지의 "포지티브 오프셋"이라는 용어는 공중 이미지가 공중 이미지 디스플레이 장치의 형성 디커플링 어퍼처와 관찰자 사이에 위치하는 것을 의미할 수 있다.
공중 이미지의 확대 화각은 공중 이미지가 넓은 시야각 내에서 보여질 수 있는 것을 의미한다. 즉, 이미지는 공중 이미지 디스플레이 장치의 어퍼처 내에서만 볼 수 있기 때문에, 디스플레이 어퍼처가 클수록 공중 이미지의 시야각이 더 커질 것이다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치는, 자유 공간에서 이미지를 보이기 위해 추가적인 산란 매체가 필요 없다. 또한, 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치는 스마트 폰, 스마트 워치와 같은 디스플레이가 있는 다양한 종류의 소형 장치에서 사용할 수 있으며, 예를 들어 가상 도우미(virtual assistants)와 함께 동작할 때 TV 프레젠테이션에 있는 비-소형(non-compact) 디스플레이 장치에서도 사용할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치에서, 회절 멀티-지향성 방사 도파관(D)이 사용될 수 있고, 광이 도파관(D_의 중심에서 도파관 내부로 인-커플링될 수 있다. 투영 시스템(4)의 작은 어퍼처가 모든 방향으로 증대되어, 방사 도파관(D)의 전체 어퍼처를 채울 수 있다. 회절 멀티-지향성 방사 도파관(D)이 회절 격자를 포함하여, 공중 이미지 디스플레이 장치가 소형 사이즈를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 정 렌즈(3)가 예를 들어, 복수 개의 섹터(3a)로 분할되고, 복수 개의 섹터(3a)가 원형 어레이 형태로 배열될 수 있다. 회절 멀티-지향성 방사 도파관(D)이 원형 어레이의 정 렌즈(3)와 함께 집적되고, 각 정 렌즈 섹터(3a)가 각각의 화각을 가지며, 각각의 정 렌즈 섹터(3a)의 화각이 이웃하는 정 렌즈 섹터(3a)의 화각에 연결될 수 있다. 따라서, 사용자는 최대 360 도의 방위각 내에서 공중 이미지를 볼 수 있다.
디스플레이 장치(10)는 적어도 하나의 광 증식 모듈(2)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 광 증식 모듈(2) 각각은 적어도 세 개의 회절 격자와 도파관(D)을 포함할 수 있다. 적어도 세 개의 회절 격자는 스택을 형성하도록 적층되며, 광의 인-커플링, 아웃-커플링 기능을 할 수 있다. 적어도 세 개의 회절 격자는 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)를 포함할 수 있다. 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)는 회절 격자의 스택을 형성할 수 있다. 도파관(D)은 내부 전반사에 기반한 광 전송 소자로, 예를 들면, 회절 멀티-지향성 방사 도파관일 수 있다. 도파관(D)이 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C) 중 하나와 접촉하도록 배치될 수 있다.
적어도 하나의 정 렌즈(3) 각각이 광 증식 모듈(2)을 덮도록 배치될 수 있다. 정 렌즈(3)와 그에 대응하는 광 증식 모듈(2)이 이미지 형성 모듈(1)을 구성할 수 있다.
투영 시스템(4)이 적어도 하나의 이미지 형성 모듈(1) 각각에 대해 같은 각도로 이미지를 제공하도록 배열될 수 있다. 투영 시스템(4)이 각각의 이미지 형성 모듈(1)에 대해 같은 각도로 이미지를 제공하면, 각각의 이미지 형성 모듈(1)에 의해 형성된 공중 이미지가 균일한 링 형태로 자유 공간에 라인업(line up) 될 수 있다. 서로 다른 각도로 이미지를 제공하는 경우에는, 형성된 공중 이미지들은 불규칙한 형상의 임의의 형상을 생성할 수 있다. 균일한 링의 경우에, 사용자들은 공중 이미지 형성 모듈(1)의 섹터로부터 부드럽게 전송된 공중 이미지를 볼 수 있다. 그렇지만 공중 이미지들이 서로 다른 각도로 이미지를 제공하는 경우에는, 공중 이미지들이 섹터들 사이를 이동할 때 점프하는 현상이 생길 수 있다.
하지만, 투영 시스템(4)이 이미지 형성 모듈(1)이 서로 다른 각도로 이미지를 제공하도록 요구되는 경우도 있을 수 있다. 따라서, 투영 시스템(4)은 적어도 하나의 이미지 형성 모듈(1) 각각에 이미지를 공급할 수 있다.
광 전송 도파관(D)은 1 배의 배율을 가진 소형 망원경처럼 작동할 수 있다. 즉, 도파관(D)으로 입사한 광이 도파관(D)으로 입사한 각도와 같은 각도로 도파관(D)으로부터 출사할 수 있고, 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)에서의 회절과 도파관(D)에서의 다중 반사로 인해 디스플레이 장치의 출력에서의 광 어퍼처가 디스플레이 장치의 입력에서의 광 어퍼처 보다 클 수 있다.
작은 크기의 이미지가 공중 이미지 디스플레이 장치에 입력되고, 오리지널 이미지가 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)에 의한 다중 반사를 통해 증식될 수 있다.
공중 이미지는 정 렌즈(3)의 초점 면 근처에 형성될 수 있고, 공중 이미지가 오리지널 이미지에 비해 확대될 수 있다. 이 것은 정 렌즈(3)의 초점 거리가 투영 시스템(4)의 렌즈의 초점 거리보다 몇 배 더 크기 때문이다.
도파관(D)의 전반사 동작으로 인해, 공중 이미지 디스플레이 장치가 컴팩트한 치수를 가지고 확대된 화각의 공중 이미지를 제공할 수 있다.
적어도 하나의 정 렌즈(3)가 광 아웃 커플링에 사용되므로, 정 렌즈 (3)의 이미지 평면에, 즉 정 렌즈(3)로부터 특정 거리에 공중 이미지가 형성될 수 있고, 최대 360도까지 화각이 증가할 수 있고, 화질이 개선되고, 이미지의 전체 치수가 감소할 수 있다. 여기서는 일반적인 경우와 같이 방위각은 어떤 물체에 대한 방향(이 경우에는 이미지)과 주어진 물체에 대한 방향 사이에서 측정된 각도로 이해될 수 있다. 예를 들어, 북쪽이 0도 방위각이라고 하면, 동쪽은 90도 방위각, 남쪽은 180도 방위각, 서쪽은 270도 방위각일 수 있고, 360도 방위각은 이미지를 시계 방향으로 완전히 회전하는 것을 나타낼 수 있다.
내부 전반사(TIR) 기반 도파관(D)은 방사형 도파관일 수 있다. 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)는 필름에 기록되고 도파관(D)의 표면에 증착된 볼륨 홀로그래픽(브레그) 격자이거나 도파관(D)의 표면에 형성된 릴리프 회절 소자일 수 있다.
도파관(D)은 가시 범위의 스펙트럼에서 투명한 전송 광학 재료로 제조될 수 있다. 그 물질은 가시 범위의 스펙트럼에서 투명한 유리, 폴리머, 광 결정일 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
도 2는 공중 이미지 디스플레이 장치의 단면도이다. 광 증식 모듈(2)은 방사형일 수 있다. 즉, 광 증식 모듈(2)은 투영 시스템(4)의 디커플링 어퍼처의 전방위 증식(all-round multiplication)을 구현할 수 있다. 예시적인 실시 예에서 도파관(D)이 반사 격자(D)와 두 개의 전송 격자(A)(B) 사이에 배치될 수 있다. 투영 시스템(4)은 광 증식 모듈(2)의 중심에 배치될 수 있다.
도 3은 공중 이미지 디스플레이 장치의 작동, 즉 장치 내 빔의 전파 및 공중 이미지의 형성을 보여 준다. 공중 이미지의 형상 과정을 좀 더 상세하게 설명한다. 도 3을 참조하면, 정 렌즈(3)와 제1 전송 격자(A) 사이에 투영 시스템(4)이 구비될 수 있다.
<스테이지 1>
"무한대에서"의 이미지에 대응하는 투영 시스템(4)으로부터의 빔, 즉 이미지의 각 점은 제1 전송 격자(A)에 떨어지는 평행 빔 중 하나의 빔에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 다음의 물리적 효과가 발생할 수 있다. 투영 시스템(4)으로부터의 광이 제1 전송 격자(A) 및 제2 전송 격자(B)를 통해 도파관(D)으로 전파되고, 제1 전송 격자(A)의 공기/물질 인터페이스에서 광의 굴절이 일어나고 제1 전송 격자(A)에서 회절이 일어날 수 있다. 실제로 회절 격자의 100 % 효율을 달성하는 것은 불가능하고, 빔은 1차 회절 빔(a)과 회절되지 않은 0차 회절 빔의 두 개의 빔으로 분리될 수 있다. 회절 빔의 방향은 제1 전송 격자(A)의 방향(orientation)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 전송 격자(A)의 벡터가 수평 축에 대해 +120 도라고 가정한다.
<스테이지 2>
제1 전송 격자(A)의 0 차 빔은 제1 전송 격자(A)와 제2 전송 격자(B)의 매체 사이의 인터페이스에 도달하고, 빛은 매체 사이의 인터페이스에서 굴절되고, 굴절된 빔은 제2 전송 격자(B)에서 회절될 수 있다. 이 경우, 제1 회절 빔(b)과 회절되지 않은 0차 빔의 두 개의 빔이 형성될 수 있다. 회절 빔의 방향은 제2 전송 격자(B)의 방향(orientation)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 격자 벡터를 수평 축에 대해 -120 도라고 가정한다.
제2 전송 격자(B) 이후에, 1차 회절 빔(a)(b)과 0차 회절 빔이 제2 전송 격자(B)와 도파관(D)의 매체 사이의 인터페이스에 도달하고, 이 인터페이스에서 광 굴절이 일어난다.
<스테이지 2.1>
회절이 일어나지 않는 0차 회절 빔은 도파관(D)을 통해 반사 격자(C)까지 굴절과 함께 통과할 수 있다(도 3의 스테이지 2.1). 1 차 회절 빔(a)(b)은 도파관(D)에 인-커플링되고, 임계 각 이상의 입사각을 가지는 빔은 매체의 두 경계 사이에서, 즉, 공기/제1 전송 격자(A)/도파관(D)/반사 격자(C) 사이의 경계에서 재 반사된다. 임계 각은 반사 격자(C)와 도파관(D)의 물질의 굴절률을 고려하여 결정될 수 있다. 빔들은 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B)를 통해 다중으로 통과하기 때문에 도파관(D)을 통해 전파한다. 이 빔들은 오른 쪽으로 전파하는 도파관(D)의 내측에 도시된다. 그 결과, 제1 전송 격자(A)로부터의 1 차 회절 빔(a)은 제2 전송 격자(B)로부터의 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 제2 전송 격자(B)로부터의 1차 회절 빔(b)은 제1 전송 격자(A)로부터의 1차 회절 빔(d)을 형성할 수 있다.
<스테이지 3>
제1 회절 빔(c)과 제1 회절 빔(d)은 반사 격자(C)에 의해 회절되고, 도파관(D), 제2 전송 격자(B)와 제1 전송 격자(A)를 통과하고 각 매체 경계에서 굴절에 의해 정 렌즈(3)로 아웃 커플링된다. 또한, 정 렌즈(3)는 아웃 커플링된 빔을 굴절하고, 초점 면으로 포커싱하여 공중 이미지를 형성한다. 여기까지의 과정을 사이클 1이라고 한다.
비회절 빔(0차)이 반사 격자(C)에 도달하고, 이 빔들이 1차 회절 빔(e)과 비회절 빔(0차)으로 분할되고, 투영 시스템(4)으로 다시 반사되고 전체 시스템을 굴절하면서 통과한다. 그 다음 이 빔들은 고려되지 않는다. 반사 격자(C)의 격자 벡터가 수평 축에 대해 평행하게 향한다.
1차 회절 빔(e)이 공기/제1 전송 격자(A)의 인터페이스로 되돌아가고, 도파관(D), 제2 전송 격자(B)와 제1 전송 격자(A)를 굴절과 함께 통과한다. 제1 전송 격자(A)의 외부 표면으로부터 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관(D)으로 다시 반사될 수 있다.
그 다음, 1차 회절 빔(e)은 제1 전송 격자(A)로 떨어지고, 이 과정이 다시 반복될 수 있다. 여기서, 사이클 2가 시작한다.
반사 격자(C)가 없다면, 세 개의 전파 방향만이 있다. 즉, 0, +/- 120도 전파 방향만이 있을 수 있다. 하지만, 이것으로는 360도 디스플레이를 만드는데 충분치 않다. 그래서 6개의 방향으로 광을 전파하는데 반사 격자(C)가 요구된다. 6 개의 방향은 세 개의 방향에 반대 방향이 추가되어 형성될 수 있다.
그리하여, 투영 시스템(4)으로부터의 빔이 도파관(D)을 따라 전파하고 아웃 커플링될 수 있다.
<스테이지 4>
정 렌즈(3)는 아웃 커플링된 빔을 굴절하고 초점 면으로 그 빔들을 포커싱하여 정 렌즈(3)와 관찰자 사이에 공중 이미지를 형성할 수 있다. 이 경우에, 정 렌즈(3)가 공중 이미지 뿐만 아니라 공중 이미지의 화각(FoV)을 형성할 수 있다. 화각은 후초점 거리와 정 렌즈(3)의 어퍼처에 의존한다.
공중 이미지 디스플레이 장치는 다양한 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 구, 토러스(torus), 직육면체, 디스크, 별의 형상 등을 가질 수 있다.
또한, 광학 코팅이 도파관(D)의 표면에 적용될 수 있다. 예를 들어, 광학 코팅은 콘트라스트/화질을 개선하기 위한 안티-반사 코팅, 도파관(D)의 양쪽 면에 이미지를 형성하기 위해 세미-반사 코팅, 작은 범위의 광 파장의 선택적 전송을 위한 다이크로익 필터, 중립 필터(neutral filter), 도파관(D)으로부터 아웃커플링된 광의 파면을 변화시키기 위한 추가 회절 광학 소자 등을 포함할 수 있다. 추가 회절 광학 소자는 도파관(D)으로부터 아웃 커플링된 광을 어떠한 방향으로든 편향시키는 렌즈와 같이 동작할 수 있다. 이러한 코팅은 회절 광학 소자가 없는 도파관(D)의 측부에 적용될 수 있다.
도 4a, 도 4b, 도 4c는 공중 이미지 디스플레이 장치의 구성 요소들의 배열의 변형을 도시한 것이다.
도 4a, 4b, 4c에 도시된 장치 변형에서의 광 전파는 도 3에 표시된 장치의 실시 예에서의 광 전파와 유사하다. 차이점은 도파관(D)에 대한 세 개의 회절 격자(A,B,C)의 위치가 다르다. 세 개의 회절 격자(A,B,C)의 위치는 공중 이미지 디스플레이 장치의 가능한 사용처에 의해 정해질 수 있으며, 예를 들어 도 4b에 도시된 장치는 공중 이미지를 천정으로부터 아래 방향으로 투영할 수 있다.
도 4a에 도시된 공중 이미지 디스플레이 장치에서는, 투영 시스템 (4)이 정 렌즈(3)의 위에 위치하고, 정 렌즈(3)의 아래에 도파관(D), 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)가 순서대로 위치할 수 있다.
도 4b에 도시된 공중 이미지 디스플레이 장치에서는, 투영 시스템(4)이 정 렌즈(3)의 아래에 위치하고, 정 렌즈(3)의 위에 도파관(D), 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)가 순서대로 위치할 수 있다.
도 4c에 도시된 공중 이미지 디스플레이 장치에서는, 투영 시스템(4)이 정 렌즈(3)의 위에 위치하고, 정 렌즈(3)의 아래에 제1 전송 격자(A), 도파관(D), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)가 순서대로 위치할 수 있다. 본 실시 예는 도파관(D)의 모든 표면이 제1 전송 격자(A)와 제2 전송 격자(B)에 연결되기 때문에 도파관(D)에 추가 코팅이 적용될 수 없다.
도 5a를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 제1 정 렌즈(31), 제1 정 렌즈(31) 위에 위치한 반사 격자(C), 반사 격자(C) 위에 위치한 도파관(D), 도파관(D) 위에 위치한 제2 전송 격자(B), 제2 전송 격자(B) 위에 위치한 제1 전송 격자(A), 제1 전송 격자(A) 위에 위치한 제2 정 렌즈(32), 제2 정 렌즈(32) 위에 위치한 투영 시스템(4)을 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는 이미지(I)가 디스플레이 장치의 한 쪽과 그 반대 쪽의 양쪽에서 표시될 수 있다. 제1 전송 격자(A)의 측면과 디스플레이 장치의 반대쪽, 즉 반사 격자(C)의 측면에서 이미지가 보여질 수 있다. 이 경우, 반사 격자(C)가 광의 일부 투과 특성을 가질 수 있다. 즉, 반사 격자(C)가 광의 일부는 투과하고 일부는 반사할 수 있다. 광은 반사 격자(C)에 의한 광의 일부 투과로 인해 공중 이미지 디스플레이 장치의 양쪽으로부터 광이 아웃-커플링될 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시 된 공중 이미지 디스플레이 장치의 각 요소들의 배열에 의한 빔의 경로를 도시한다.
<스테이지 1>
"무한대"(즉, 이미지의 각 지점이 평행빔에 의해 획득됨)에 대응하는 투영 시스템(4)으로부터의 빔은 제1 전송 격자(A)로 전파된다. 여기서, 다음의 물리적 효과가 일어난다. 광이 투영 시스템(4)으로부터 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B)를 통과해 도파관(D)까지 전파될 수 있다. 공기/제1 전송 격자(A)의 매체 사이의 인터페이스에서 광이 굴절되고, 제1 전송 격자(A)에서 광의 회절이 일어날 수 있다. 빔은 1차 빔(a)과 비-회절 0차 빔으로 분할될 수 있다. 회절 빔의 방향은 제1 전송 격자(A)의 방향(orientation)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 전송 격자(A)의 벡터가 수평 축에 대해 +120 도라고 가정한다.
<스테이지 2>
제1 전송 격자(A)에서 나오는 0차 빔은 A/B 매체 인터페이스로 전파되고, 광은 매체 인터페이스에서 굴절되고 제2 전송 격자(B)에 의해 회절될 수 있다. 이 경우 회절 빔(b)과 비-회절 0차 빔의 두 개의 빔이 형성될 수 있다. 회절된 빔의 방향은 제2 전송 격자(B)의 방향에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 전송 격자(B)의 벡터를 수평 축에 대해 -120도라고 가정한다.
제2 전송 격자(B)를 통과한 후, 1차 회절 빔(a)(b)과 0차 회절 빔은 광 굴절이 일어나는 제2 전송 격자(B)와 도파관(D)의 인터페이스에 도달한다.
<스테이지 2.1>
비-회절 0차 빔은 도파관(D)을 통해 반사 격자(C)(굴절 있음)로 들어간다. 1차 회절 빔(a)(b)은 도파관(D) 안으로 인-커플링되는 반면, 임계 각보다 큰 모든 입사 각도에 대해 빔은 두 매체의 경계 사이에서 재 반사된다(내부 전반사 현상). 임계 각은 반사 격자(C)와 도파관(D)의 물질의 굴절률을 고려하여 정해질 수 있다. 재 반사는 공기/제1 전송 격자(A), 도파관(D)/반사 격자(C) 뿐만 아니라 제1 전송 격자(A)와 제2 전송 격자(B)를 통과한 다중 경로로 인한 도파관(D)을 따라 전파되는 것에서도 일어날 수 있다. 그 결과, 제1 전송 격자(A)로부터의 1차 회절 빔(a)이 제2 전송 격자(B)로부터의 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 제2 전송 격자(B)로부터의 1차 회절 빔(b)이 제1 전송 격자(A)로부터의 1차 회절 빔(d)을 형성할 수 있다.
<스테이지 3>
1차 회절 빔(c)(d)은 반사 격자(C)에 의해 회절되고, 도파관(D), 제2 전송 격자(B), 및 제1 전송 격자(A)를 통해 제2 정 렌즈(3b)로 아웃 커플링될 수 있다. 이 과정에서 각 매체의 경계에서 굴절이 일어날 수 있다. 또한, 제1 정 렌즈(3a)를 향한 반사 격자(C)의 다른 쪽에서도 1차 회절 빔(c)(d)이 회절되어 제1 정 렌즈(3a)로 아웃 커플링될 수 있다. 제1 정 렌즈(3a)와 제2 정 렌즈(3b)가 아웃 커플링된 빔을 굴절하고 대응하는 렌즈의 초점 면에 포커싱한다. 그럼으로써 공중 이미지 디스플레이 장치의 양 쪽에서 두 개의 공중 이미지를 형성할 수 있다. 여기까지의 과정을 3스테이지라고 한다. 이로써, 사이클 1이 종료된다.
비-회절 0차 빔이 반사 격자(C)로 전파되고, 이 빔이 1차 회절 빔(e)과 0차 회절 빔으로 분할될 수 있다. 2개의 분할된 빔은 투영 시스템(4)으로 재 반사되고 전체 장치를 굴절과 함께 통과할 수 있다. 그런 다음, 이 빔들은 고려되지 않는다. 반사 격자(C)의 벡터를 수평 축에 대해 평행하게 향하도록 한다.
1차 회절 빔(e)은 다시 공기/제1 전송 격자(A)의 인터페이스로 되돌아가는 한편, 이 빔들은 도파관(D), 제2 전송 격자(B), 제1 전송 격자(A)를 굴절을 하면서 통과한다. 제1 전송 격자(A)의 외부 표면으로부터의 내부 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관(D) 내부로 다시 반사될 수 있다.
그 후, 1차 회절 빔(e)이 제1 전송 격자(A)로 전파되고, 이 과정이 다시 반복될 수 있다. 이로써 사이클 2가 시작된다.
반사 격자(C)가 없는 경우, 전파 방향은 3개(0, 및 +/- 120도)뿐일 수 있다. 이 것은 360도 디스플레이를 만드는데 충분하지 않을 수 있다. 그러므로, 반사 격자(C)는 여섯 개 방향으로 빛을 전파하는 데 사용될 수 있다. 즉, 반사 격자(C)는 반대 방향의 세 방향을 추가할 수 있다.
따라서, 투영 시스템(4)으로부터의 빔은 도파관(D)를 따라 전파되고 아웃 커플링될 수 있다.
<스테이지 4>
제1 정 렌즈(31)와 제2 정 렌즈(32)는 아웃 커플링된 빔을 굴절시키고 해당 초점 면에 초점을 맞춰 제1 정 렌즈(31)와 관찰자 사이 그리고 제2 정 렌즈(32)와 관찰자 사이에 공중 이미지를 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 정 렌즈(31)와 제2 정 렌즈(32)는 공중 이미지뿐만 아니라 화각(FoV)을 형성할 수 있다. 화각은 제1 정 렌즈(31)와 제2 정 렌즈(32)의 어퍼처와 후초점 거리에 따라 달라질 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치에서는 투영 시스템(4)에 의해 형성된 이미지가 투영 시스템(4)의 반대 쪽에 표시될 수 있다.
도 6a, 도 6b, 도 6c는 투영 시스템(4)과 형성된 이미지가 서로 공중 이미지 디스플레이 장치의 반대 편에 위치할 때, 공중 이미지 디스플레이 장치의 구성 요소들의 배열의 변형 예들을 도시한 것이다. 이러한 실시 예들에서, 제 1 및 제 2 전송 격자(A)(B)는 교환될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 반사 격자(C)가 제2 전송 격자(B) 아래 위치하고, 반사 격자(C) 아래 정 렌즈(3)가 위치하고, 제2 전송 격자(B) 위에 제1 전송 격자(A)가 위치하고, 제1 전송 격자(A) 위에 도파관(D)이 위치하고, 도파관(D) 위에 투영 시스템(4)이 위치할 수 있다. 이 경우, 공중 이미지는 반사 격자(c)의 아래에 형성될 수 있다. 본 예에서는 도파관(D)에 안티-글레어 코팅, 안티-반사 코팅 등이 적용될 수 있다. 그러므로, 콘트라스트가 향상된 이미지를 얻을 수 있다.
도 6b를 참조하면, 투영 시스템(4)이 도파관(D) 아래 위치하고, 도파관(D) 위에 제1 전송 격자(A)가 위치하고, 제1 전송 격자(A) 위에 제2 전송 격자(B)가 위치하고, 제2 전송 격자(B) 위에 반사 격자(C)가 위치하고, 반사 격자(C) 위에 정 렌즈(3)가 위치할 수 있다. 이 경우, 공중 이미지는 반사 격자(C) 위에 형성될 수 있다. 본 예에서는 도파관(D)에 안티-글레어 코팅, 안티-반사 코팅 등이 적용될 수 있다. 그러므로, 콘트라스트가 향상된 이미지를 얻을 수 있다. 이와 같이 구성 요소들을 배열하여, 공중 이미지가 반사 격자(C) 위에 형성될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 반사 격자(C)가 제2 전송 격자(B) 아래 위치하고, 제2 전송 격자(B) 위에 도파관(D)이 위치하고, 도파관(D) 위에 제1 전송 격자(A)가 위치하고, 제1 전송 격자(A) 위에 투영 시스템(4)이 위치할 수 있다. 그리고, 반사 격자(C) 아래 정 렌즈(3)가 위치할 수 있다.
구성 요소들을 이와 같이 배열함으로써, 공중 이미지가 반사 격자(C) 아래 형성될 수 있다. 이 경우에는 도파관(D)이 제1 전송 격자(A)와 제2 전송 격자(B) 사이에 위치하므로, 도파관(D)에 추가적인 코팅을 하는 것이 어렵다.
도 6a 내지 도 6c에 도시된 실시 예들에서의 빔 경로는 도 5b를 참고하여 설명한 빔 경로와 유사하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)가 광 빔이 수직 각도로 아웃 커플링되도록 설계되면, 사용자는 도 7a에 도시된 바와 같이 공중 이미지 디스플레이에 대해 수직한 범위 내에서만 공중 이미지를 볼 수 있다.
회절 격자들(A)(B)(C)이 특정 각도에서 아웃 커플링되도록 설계될 수 있다. 이 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이, 공중 이미지가 장치에 대해 수직한 범위에서는 보여질 수 없다. 즉, 수직 평면에서의 화각이 회절 격자들(A)(B)(C)의 구성을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 이 경우, 스마트 폰이 사용자로부터 충분히 멀리 떨어져 있다면 사용자는 여전히 공중 이미지를 볼 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치는 광을 전송하는 적어도 하나의 도파관을 추가적으로 포함할 수 있다. 적어도 하나의 도파관은 예를 들어, 제1 도파관(D1) 및 제2 도파관(D2)을 포함할 수 있다. 제1 도파관(D1)과 제2 도파관(D2)은 서로 가까이 위치할 수 있다. 도파관을 복수 개 구비하는 경우, 공중 이미지의 색도(chromaticity)를 향상시킬 수 있다. 각 도파관이 각각에 대응되는 색상을 담당할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 도파관(D1)이 청색 광(BL)의 전파를 담당하고, 제2 도파관(D2)이 적색 광(R)과 녹색 광(G)의 전파를 담당할 수 있다.
도 9a를 참조하면, 도파관(D)의 중심에 프리즘(P)이 구비될 수 있다. 프리즘(P)은 광의 인-커플링을 위해 사용될 수 있다. 도파관(D)에 홀(6)이 구비되고, 홀(6)에 프리즘(P)이 구비될 수 있다. 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)들은 제한된 회절 효율을 가질 수 있고, 그러므로 인-커플링된 광 파워에 대한 원하는 차수의 회절 빔의 아웃 커플링된 광 파워의 비가 제한될 수 있다. 프리즘(P)은 회절 격자들을 통한 인-커플링 광에 비해 더 높은 효율을 제공할 수 있다.
또한, 도 9b에 도시된 바와 같이 디스플레이 장치의 광 증식 모듈(2)은 방사형 도파관과 동심 링 형태의 회절 격자들의 방사형 구조를 포함할 수 있다. 도파관(D)과 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 반사 격자(C)의 디자인을 변형하면 모든 방향으로 이미지 어퍼처를 증대할 수 있으며, 화각을 증가시킬 수 있다. 본 실시 예는 광이 중심에서 반경 방향으로 향하도록 하여 공중 이미지 디스플레이 장치의 디커플링 어퍼처 전체를 채울 수 있다.
투영 시스템(4)으로부터의 빔이 360도 범위의 화각을 형성하고, 프리즘(P)을 통과한 빔이 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)과 함께 도파관(D)으로 인-커플링될 수 있다. 이 경우, 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)가 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 도파관(D)의 표면 중 한 쪽에 위치할 수 있다. 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)과 함께 도파관(D)의 각각의 링 구조에서 회절과 도파관(D)으로부터의 광의 아웃 커플링이 일어날 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 광 증식 모듈(2)이 도파관(D), 제1 전송 격자(A), 제2 전송 격자(B), 및 반사 격자(C)를 포함하고, 광 증식 모듈(2)이 정 렌즈(3) 어레이로 덮여질 수 있다.
반경 디스크형 도파관(D)을 사용하면, 정 렌즈(3) 어레이의 각각은 절단된 부채꼴 형태의 정 렌즈일 수 있다. 광 증식 모듈(2)로부터의 광이 각각의 정 렌즈(3)에 입사하고 각 정 렌즈(3)의 초점 면 근처에 포커싱될 수 있다.
투영 시스템(4)이 무한대에 이미지를 형성하고 도파관(D)에 왜곡이 없는 경우, 이미지는 정 렌즈(3)의 초점 면에 정확하게 나타날 수 있다. 하지만, 실제로 투영 시스템(4)은 이상적이지 않고 왜곡이 있기 때문에, 이미지는 초점면 근처에 위치할 수 있다.
광 증식 모듈(2)의 각 구성 요소 및 정 렌즈(3)는, 공중 이미지를 형성하고 정 렌즈(3)의 초점 거리에 의해 결정된 공간 일부에 공중 이미지의 화각을 형성할 수 있다. 공중 이미지의 화각은 3D 입체 이미지에 대해 고정되거나 가변적 일 수 있으며 화각의 특정 부분에서 볼 수 있다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 시야 영역의 조합이 가능하고, 하나의 공중 이미지 대신 몇 개의 이미지가 형성되고, 정 렌즈(3)와 함께 광 증식 모듈(2)의 조각 개수만큼 공중 이미지가 형성될 수 있다. 각각의 공중 이미지는 각각의 시야 영역을 가지고 각 조각의 위치에 따라 보여질 수 있다. 즉, 디스플레이 장치의 둘레에서 이미지를 볼 때, 각각의 대응하는 조각으로부터의 공중 이미지가 사용자의 화각 내로 표시될 수 있다.
그리하여, 화각의 방위각을 변화시킬 수 있고, 표시된 이미지의 기울기를 변화시킬 수 있다. 머리/눈 트래킹 시스템을 사용하는 경우에, 머리나 눈의 위치에 따라 이미지를 볼 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다이나믹 렌즈를 사용하는 경우, 입체 공중 이미지 효과를 얻는 것이 가능하다.
도 11a에 도시된 바와 같이 정 렌즈(3)가 복수 개의 섹터 렌즈로 구성될 수 있다. 정 렌즈(3)가 제1 렌즈 섹터(3a), 제2 렌즈 섹터(3b), 제3 렌즈 섹터(3c)를 포함할 수 있다. 정 렌즈(3)를 복수 개의 섹터로 나눈 경우, 어퍼처의 직경에 대한 정 렌즈(3)의 초점 거리의 비를 증가시킴으로써 화질이 향상될 수 있다.
도 11b는 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치가 모바일 폰(20)에 적용된 예를 도시한 것이다. 모바일 폰(20)의 후면에 디스크 형태의 이미지 형성 모듈(1)이 구비되고, 이미지 형성 모듈(1)에 의해 형성된 이미지가 공중에 표시될 수 잇다. 정 렌즈(3)는 복수 개의 섹터를 포함하고, 정 렌즈(3)의 각 섹터에 대응하는 화각에 공중 이미지가 각각 표시된다. 각 사용자는 해당 시야에서 해당 렌즈 섹터에 의해 생성된 공중 이미지를 볼 수 있다. 예를 들어, 정 렌즈(3)의 제1 렌즈 섹터(3a)를 통해 나온 제1 이미지(I1)가 제1 시야 영역에 표시되고, 제2 렌즈 섹터(3b)를 통해 나온 제2 이미지(I2)가 제2 시야 영역에 표시될 수 있다.
정 렌즈(3)는 예를 들어, 0.5 ~ 5mm 범위의 두께를 가지는 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다. 정 렌즈(3)는 넓은 시야를 보장하기 위해 큰 어퍼처와 짧은 초점 거리를 가질 수 있다. 어퍼처에 대한 초점 거리의 비가 작을수록, 이미지의 화질이 나빠질 수 있다. 디스플레이 어퍼처가 클수록 플로팅 이미지의 화각이 커질 수 있다. 그러므로, 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치 에서는 프레넬 렌즈 또는 회절 렌즈와 같이 어퍼처에 대한 정 렌즈 의 초점 거리 비율이 큰 렌즈들을 정 렌즈(3)로 사용할 수 있다. 정 렌즈(3)는 다이나믹 렌즈일 수 있다. 다이나믹 렌즈는 예를 들어, 액정을 기반으로 한 초점 거리가 가변적인 렌즈일 수 있다. 이 경우 공중 이미지 디스플레이 장치가 3 차원 공중 이미지를 형성할 수 있다. 다이나믹 렌즈는 매 순간 3D 이미지의 특정 깊이에 해당하는 하나의 이미지만 형성할 수 있다. 다이나믹 렌즈의 렌즈 재정렬은 눈과 빛이 통합되는 시간 보다 빠르게 발생하기 때문에 사람은 여러 개의 2D 이미지를 하나의 3D 이미지로 인식할 수 있다. 이 효과로 인해 3 차원 이미지를 얻을 수 있다.
디스플레이 장치가 눈 추적 시스템 또는 머리 추적 시스템을 가진 경우, 사용자가 움직일 때 디스플레이 장치는 체적 이미지를 조정하거나 다른 이미지를 표시할 수 있다. 사용자의 눈/머리의 위치에 따라, 그 위치에 대응하는 이미지가 표시될 수 있다. 그리하여, 광학 수차를 최소화한 고화질의 이미지가 유지될 수 있다. 체적 이미지가 생성될 때, 각각의 사용자의 눈/머리 위치가, 그 위치에 대해 분리된 초점 면(3D 이미지 깊이)에 대응하는 한 세트의 이미지로 표시될 수 있고, 고품질의 체적 이미지가 형성될 수 있다.
원형 렌즈 어레이는 도파관(D)과의 갭에 만들어질 수 있으며, 갭은 광학 재료층으로 채워질 수 있다. 이러한 디자인은 이미지 투영 시스템(4)을 숨길 수 있다. 도파관(D)과 정 렌즈(3) 사이의 광학 재료 층은 소정 범위의 파장에 대해 투명성, 편광에 대한 민감도와 같은 광학적 특성을 가질 수 있다. 광학 재료 층은 입사 광의 파면을 특정한 방법으로 변경할 수 있고, 이것은 형성된 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
적절한 기술이 투영 시스템으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 투영 시스템으로는 이에 국한되지는 않지만 정적 이미지 / 세트 / 비디오 등과 같은 디스플레이 시스템, DMD / LCoS / FLCoS / LCD / MEMS 기반 디스플레이 시스템 등, 레이저 / LED / 램프 기반 디스플레이 시스템, 컬러 / 흑백 / 임의 파장 스펙트럼 시스템, 편광 / 비 편광 / 부분 편광 시스템 등이 사용될 수 있다.
정 렌즈(3)들은 이에 한정되지 않지만, 반사 방지막(이미지 콘트라스트 강화), 편광 코팅, 뉴트럴 덴서티 필터(neutral density filters), 스펙트럼 필터, 능동/수동 필터 PDLC / PSLC 스택(광 확산/전송을 제공) 등과 같은 코팅을 포함할 수 있다.
정 렌즈(3)가 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 12a에 도시된 바와 같이, 정 렌즈(3)는 예를 들면, 단일의 고체 렌즈일 수 있다. 하나의 정 렌즈(3)가 광 증식 모듈(2)을 덮을 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 정 렌즈(3)가 복수 개의 섹터, 예를 들어 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)가 원형 렌즈 어레이를 구성할 수 있다. 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 섹터(3a)(3b)(3c)가 편심된 원형 어레이 구조를 가질 수 있다. 도 12c를 참조하면, 정 렌즈(3)가 복수 개의 렌즈 섹터, 예를 들어 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)는 중심에 홀(15)이 형성된 원형 렌즈 어레이를 구성할 수 있다. 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)는 홀(15)을 중심으로 대칭형으로 배열될 수 있다.
도 12d에 도시된 바와 같이, 정 렌즈(3)의 제1 렌즈 섹터, 제2 랜주 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)는 홀(16)을 중심으로 비대칭형으로, 편심된 형태로 배열될 수 있다. 제1 렌즈 섹터, 제2 렌즈 섹터, 제3 렌즈 섹터(3a)(3b)(3c)는 잘린 부채꼴 형상을 가질 수 있다. 도 12e를 참조하면, 정 렌즈(3)가 두 개의 반원 렌즈 섹터를 포함할 수 있다. 도 12f를 참조하면, 정 렌즈(3)가 일부 커팅된 원 형상을 가진 두 개의 렌즈 섹터를 포함하고, 두 개의 렌즈 섹터 사이에 홀(17)이 구비될 수 있다.
도 12g를 참조하면, 정 렌즈(3)가 링이 두 개의 섹터로 분리된 구조를 가질 수 있다. 도 12h를 참조하면, 정 렌즈(3)가 사다리꼴 형태의 두 개의 렌즈 섹터를 포함할 수 있다. 도 12i를 참조하면, 정 렌즈(3)가 오각형 형태의 두 개의 렌즈 섹터를 포함할 수 있다. 도 12j를 참조하면, 정 렌즈(3)가 하트 형태의 두 개의 렌즈 섹터를 포함할 수 있다. 정 렌즈(3)의 형태에 따라 광 증식 모듈의 형태도 대응되게 구성될 수 있다. 정 렌즈(3)의 섹터들이 다른 사이즈를 가질 수 있고, 투영 시스템이 공중 이미지 디스플레이 장치의 중심에 위치하지 않고 편심되게 위치할 수 있고, 광 증식 모듈(2)이 복수 개의 렌즈 섹터들을 덮을 수 있다.
예시적인 실시 예에 따르면, 오리지널 이미지가 투영 시스템을 이용하여 투영될 수 있다. 투영 시스템으로부터의 빔이 광 증식 모듈의 인-커플링 어퍼처를 향하고, 다중 반사를 통해 광 증식이 발생할 수 있다. 그 후, 확대된 또는 증식된 어퍼처가 정 렌즈에 표시될 수 있고, 정 렌즈 각각이 이미지를 각 렌즈의 초점 평면에 포커싱하고 이미지 소스에 의해 전송된 것과 동일하게 자체 이미지가 형성될 수 있다. 이 경우, 시야 방향이 쉬프트될 때, 관찰자는 해당 렌즈에 의해 형성된 이미지를 볼 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치가 모바일 장치에 적용될 때, 이미지는 모바일 장치의 디스플레이 어퍼처의 배경에서 볼 수 있다.
모바일 장치의 어퍼처는 이미지가 표시되는 모바일 장치의 전체 디스플레이 표면을 의미할 수 있다. 즉, 이미지는 이미지가 직접적으로 형성되는 모바일 장치의 디스플레이의 표면 위에만 보여질 수 있다. 이 경우, 관찰자의 눈은 모바일 장치의 디스플레이 위에 위치하여 투영 시스템으로부터 아웃 커플링된 빔이 눈의 망막에 직접 떨어지게 하여 실제 이미지를 형성할 수 있다. 따라서 사용자가 전면에서 디스플레이 표면의 적어도 일부를 보지 못하는 경우, 예를 들어 사용자가 디스플레이의 측면에 있는 경우 투영 시스템으로부터 아웃 커플링된 빔이 망막에 이미지를 형성하지 않고 사용자는 공중 이미지를 볼 수 없다.
이 경우 모바일 장치(스마트 폰)가 다이나믹 이미지를 형성하는데 사용될 수 있다. 다이나믹 이미지란 예를 들어 투영 시스템에서 사용을 위해 미리 녹화된 것이 아닌 이미지를 나타낼 수 있다. 스마트 폰을 사용하여 투영 시스템이 이미지, 비디오, 알림 등, 스마트 폰 스크린에 표시될 수 있는 모든 것을 표시할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 모바일 장치의 측면, 후면 어디에든 통합될 수 있으며, 스마트 폰 디스플레이에서 투영 시스템으로 이미지를 전송하는 것은 공지된 투영 방법을 사용하여 구현할 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 모바일 장치 없이도 사용할 수 있지만, 이 경우 정적 이미지 투영 시스템 또는 모바일 장치가 아닌 다른 장치를 이미지 소스로 사용할 수 있다.
도 13a는 빔 추적 소프트웨어, 예를 들어 LightTools를 이용한 공중 이미지 디스플레이 장치를 보인 것이고, 도 13b는 빔 추적 모델을 통한 광 전송 시뮬레이션 결과를 보여준다.
모델에서 사용한 공중 이미지 디스프레이 장치는 도파관과 도파관 표면에 적용된 복수 개의 회절 격자들, DMD 마이크로 프로젝터를 포함하는 투영 시스템, 공중 이미지를 형성하는 정 렌즈를 포함한다. 도 13a에서 투영 시스템의 모델은 투영 렌즈와 7 개 포인트를 가지는 별을 형성하는 마이크로 디스플레이를 포함하는 이미지 소스를 포함한다. 이미지 소스는 투영 렌즈의 포커스에 위치한다. 이미지 소스의 사이즈, 투영 렌즈의 포커스는 각도 분포(이하에서 각도 필드라고 함)를 결정한다. 도파관 모델에서의 그레이 영역은 투영 시스템으로부터 아웃 커플링되고 도파관을 통과하고 그 표면에 남겨진 빔들을 나타낼 수 있다. 상기 그레이 영역은 도파관의 작동 디커플링 어퍼처의 크기를 나타낸다.
이 모델에서는 디스플레이 파라미터들을 제어하기 위해 몇 개의 광 수신기, 예를 들어, 제1 수신기(21), 제2 수신기(22) 및 제3 수신기(23)를 포함할 수 있다. 제1 수신기(21), 제2 수신기(22) 및 제3 수신기(23)로부터의 신호가 도 13b에 도시되어 있다. 이미지 소스와 마이크로 프로젝터의 투영 렌즈 사이에 있는 수신기가 이미지 소스의 시야와 사이즈를 제어할 수 있다. 투영 시스템의 수신기들이 도파관의 입력에 적용되는 각도 필드를 모니터링한다. 도파관과 정 렌즈 사이에 위치한 수신기들이 도파관으로부터 나타난 투영 시스템의 각도 필드를 제어한다.
정 렌즈의 초점에 위치한 수신기는 정 렌즈에 의해 형성된 공중 이미지의 모양과 사이즈를 제어한다. 도 13b에서 제1 수신기(21), 제2 수신기(22) 및 제3 수신기(23)로부터의 이미지가 투영 시스템으로부터의 광이 공중 이미지를 표시하기 위해 장치를 통과하는 순서로 배열된다. 따라서 소프트웨어에 의해 순차적으로 추적된 빔은 장치의 몇몇 요소 근처에 위치한 제1 수신기(21), 제2 수신기(22) 및 제3 수신기(23)를 포함한, 장치의 모든 요소들을 통과한다. 제1 수신기(21), 제2 수신기(22) 및 제3 수신기(23)는 물리적/물질적 특성이 없으며, 빛이 장치를 통과하는 단계에서 빛이 기록되는 일부 평면일 뿐이다. 각 수신기에서의 신호의 차이는 빔의 경로를 따라 흡수/산란 프로세스 동안 빔의 손실에 의해 조건지워진다.
투영 렌즈가 이미지 소스로부터 떨어져 이미지를 뒤집기 때문에 제2 수신기(22) 상의 스프로?(sprocket)은 제1 수신기(21) 상의 스프로?에 대하여 반전된다. 빔이 시스템을 더 통과하면 원래 신호가 저하되고, 후속 수신기에서는 덜 선명하고 덜 밝은 이미지를 얻는다.
도 14는 회절 격자들(제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 반사 격자)의 기능뿐만 아니라 투영 시스템의 각도 분포(이하, 각도 필드라고 함)의 증식의 방향을 설명하는 회절 격자들의 벡터 다이어그램을 보여준다. 회절 격자들의 기능은 투영 시스템의 전방향 필드 증식으로 인해 프로젝터의 각도 필드가 한 방향 또는 다른 방향으로 회절될 때 회절 격자들의 인-커플링, 증식, 아웃 커플링 등을 포함할 수 있다.
도 14에 도시된 링은 회절 격자 도파관에 부과된 제한을 나타낸다. 내륜은 내부 전반사로 인해 도파관을 따라 전파될 수 있는 투영 시스템의 각도 필드를 제한한다. 외륜은 회절 격자들의 선택성에 의해 도파관을 통과할 수 있는 투영 시스템의 각도 필드를 제한한다. 즉, 외륜은 특정 각도(선택 조건)에서 회절 격자에 입사하는 광만을 회절시키도록 제한한다.
직사각형은 도파관을 통과할 투영 시스템의 각도 필드를 나타낸다. 화살표는 회절 격자의 벡터 즉, 입사광이 회절되는 방향을 나타낸다.
내부 전반사 조건과 선택성이 충족되도록 회절 격자의 벡터의 거리를 결정하는데 있어 회절 격자에 기반한 도파관 시스템을 계산하는 문제가 감소될 수 있다. 또한, 요구된 방향에서 투영 시스템의 각도 필드의 증식을 보장하도록 회절 격자의 벡터 방향을 결정하는 데에도 계산 문제가 감소될 수 있다. 제1 전송 격자의 각도 필드와 제2 전송 격자의 각도 필드를 합성하면 다중 지향 확장 빔 어퍼처를 위해 변환되는 각도 필드를 얻을 수 있다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플에이 장치는 공중 이미지의 형성 뿐만 아니라 모바일 장치와 함께 사용되도록 충분히 소형화될 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예는 추가적인 확산 매질, 플라즈마 등과 같은 보조 효과를 사용할 필요 없이 이미지를 가시화하기 위해 큰 시야각 내에서 공중 이미지를 표시할 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예에 따른 디스플레이 장치의 모든 요소들은 고정되고 이동하는 요소가 없다.
예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 이미지 표시 뿐만 아니라 냉장고, 호브(hob), TV, 에어컨, 에어컨, 인터콤 등과 같은 가전 제품과 상호 작용할 때 홀로그램 사용자 인터페이스를 만드는 데에도 사용할 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치는 위험한 산업에서도 사용할 수 있다. 즉, 제어 요소가 공중에서 날아 다니는 것처럼 보일 수 있다. 이 경우, 추가의 카메라를 사용하여, 예를 들어, 사용자 제스처로 표현할 수 있는 명시적 상호 작용을 감지할 수 있다. 제스처는 예를 들어 엄지 위로 올리기와 같이 상징적이거나, 포인팅 제스처와 같이 지시적이거나, 특정 움직음을 재현하는 아이콘 제스처이거나, 볼 수 없는 도구를 사용하는 팬토미믹(pantomimic) 제스처일 수 있다.
또한, 추가의 카메라를 사용하여 암시적 상호 작용을 감지할 수 있다. 이 경우 proxemics는 통신 프로세스 구성의 공간과 시간이 의미론적 부하를 갖는 기호 시스템으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시 예에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치를 포함한 모바일 장치를 가진 두 명의 사용자가 이 디스플레이 장치를 사용하는 경우, 디스플레이 장치가 동영상을 투사할 수 있기 때문에, 대화자의 홀로그램이 통신의 시간과 문맥을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 이것을 홀로그램이라고 할 수 있고 사용자 신체 사이즈와 동일하지는 않을 수 있다. 동시에, 체적 이미지의 수정은 사용자의 참여(제스처, 누르기 버튼, 음성 제어, 사용자 눈의 움직임 등 사용)에 의해서도 발생할 수 있고, 사전 프로그래밍된 반응(즉, 시각적 변화 3D 이미지)을 사용하여 대화자의 메시지에 대해 사용자가 참여하지 않고도 발생할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 사용자가 사용자 신체의 위치와 리액션에 대한 부가 센서를 가진 디스플레이 장치를 사용하면, 대화자 홀로그램 사이에서의 통신이 사용자 일부에 의한 액티브 동작 없이 일어날 수 있다.
사물 인터넷과 같이 장치 간의 상호 작용이 일어날 수 있다. 여러 개의 소형 장치를 사용하여, 생성된 플로팅 이미지와 상호 작용하기 위해 콘텍스트-대응 기능을 추가할 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치 간 상호 작용은 하나의 홀로그램에서 다른 홀로그램으로 정보를 전송하는 임시 공간 역할을 할 수 있다.
일부 예시적인 실시 예가 설명되었지만, 본 발명의 본질은 이러한 특정 실시 예로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 반대로, 본 발명의 사상은 청구 범위의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다. 또한, 본 발명은 청구 범위가 고려 과정에서 수정 되더라도 청구된 발명의 모든 등가물을 유지한다.
1:이미지 형성 모듈
2:광 증식 모듈
3:정 렌즈
4: 투영 시스템
A:제1 전송 격자
B:제2 전송 격자
C:반사 격자
D:도파관
2:광 증식 모듈
3:정 렌즈
4: 투영 시스템
A:제1 전송 격자
B:제2 전송 격자
C:반사 격자
D:도파관
Claims (33)
- 공중 이미지 디스플레이 장치에 있어서,
투영 시스템;
적어도 하나의 정 렌즈;
적어도 하나의 광 증식 모듈을 포함하고,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은, 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 적어도 하나의 도파관, 및 반사 격자를 포함하고,
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각을 덮도록 배치된, 디스플레이 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 정 렌즈 위에 위치하고, 상기 정 렌즈는 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 도파관 위에 위치하고, 상기 도파관 하부에 상기 제1전송 격자, 상기 반사 격자, 상기 제2전송 격자가 순서대로 배치된, 디스플레이 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 정 렌즈 아래 위치하고, 상기 적어도 하나의 정 렌즈는 상기 도파관 아래 위치하고, 상기 도파관 위에 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 반사 격자가 순서대로 배치된, 디스플레이 장치 - 제1 항에 있어서,
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 제 1 전송 격자 위에 위치한 적어도 하나의 정 렌즈 위에 위치하며, 상기 제1 전송 격자 아래 도파관이 위치하고, 상기 도파관 아래 제2 전송 격자와 반사 격자가 배치된, 디스플레이 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈는 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 아래에 위치하며, 상기 반사 격자 위에 상기 제1 전송 격자, 제2 전송 격자 및 도파관이 위치하고,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈은 투영 시스템 아래에 위치한, 디스플레이 장치. - ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 위에 위치하고, 상기 반사 격자 아래 상기 제2 전송 격자, 제1 전송 격자 및 도파관이 순서대로 배치되고,
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 아래에 위치한, 디스플레이 장치. - ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈의 반사 격자 아래 위치하고, 상기 반사 격자 위에 제2 전송 격자, 도파관, 제1 전송 격자가 순서대로 위치하며,
상기 투영 시스템은 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 위에 위치한, 디스플레이 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 도파관 각각이 내부 전반사 기반의 광 전송 회절 다 방향 반경 도파관의 섹터로 구성된, 디스플레이 장치. - 제8 항에 있어서,
상기 광 증식 모듈이 광 인-커플링을 위한 프리즘을 더 포함한, 디스플레이 장치. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 전송 격자, 제2 전송 격자, 반사 격자가 필름에 기록되고, 상기 도파관의 표면에 증착된 볼륨 홀로그래픽 격자이거나 또는 도파관의 표면에 형성된 릴리프 회절 소자인, 디스플레이 장치. - ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제10항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각은 하나의 디스크 섹터의 형상을 가지고, 상기 적어도 하나의 광 증식 모듈이 모여 전체적으로 디스크 형상을 가지도록 구성된, 디스플레이 장치. - ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제11항에 있어서,
상기 적어도 하나 정 렌즈 각각은 하나의 디스크 섹터의 형상을 가지며, 상기 디스크 섹터의 반경이, 상응하는 광 증식 모듈의 반경과 일치하고, 광 증식 모듈이, 상응하는 정 렌즈에 의해 덮여진, 디스플레이 장치. - ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈들이 모여 원형 렌즈 어레이를 형성한, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은 상응하는 광 증식 모듈을 갭을 가지고 덮도록 구성된, 디스플레이 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 갭은 광학 물질 층으로 충전된, 디스플레이 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈 각각은, 상응하는 광 증식 모듈의 형상에 메칭하는 형상을 가진, 디스플레이 장치. - ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 16 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈는 절단 원형 섹터 형상, 다각 형상, 원 형상 중 하나를 가진, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 도파관이 가시 광 영역의 스펙트럼에 대해 투명한 물질로 형성된, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈이 상기 투영 시스템의 디커플링 어퍼처의 반경 방향 증식을 수행하도록 구성된, 디스플레이 장치. - ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 8 항에 있어서,
상기 도파관의 표면에 안티-반사 코팅, 세미 반사 코팅, 다이크로익 필터, 중립 필터(neutral filter), 회절 광학 소자 중 하나가 구비된, 디스플레이 장치. - ◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 증식 모듈 각각은 특정의 적어도 하나의 색상의 광을 증식하도록 구성된, 디스플레이 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 도파관은 구(sphere), 토루스(torus), 직육면체 (rectangular parallelepiped), 디스크, 스타 중 하나의 형상을 가진, 디스플레이 장치. - ◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 정 렌즈가 프레넬 렌즈 또는 동적 렌즈(dynamic) 중 하나인, 디스플레이 장치. - 제1항에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 작동 방법에 있어서,
상기 투영 시스템으로부터의 이미지를 형성하는 빔이 제1전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서, 상기 빔들이 1차 회절 빔들(a)과 0차 회절 빔들로 분할되는 단계;
상기 0차 회절 빔들이 제2 전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들이 1차 회절 빔(b)과 0차 회절 빔으로 분할되는 단계;
상기 1차 회절 빔(a), 상기 1차 회절 빔(b), 상기 0차 회절 빔이 도파관에 전송되는 단계;
내부 전반사 각도 범위에 대응하는 각도로 상기 도파관으로 전송된 상기 1차 회절빔(a), 상기1차 회절 빔(b)이 공기/제1전송 격자 사이 그리고 도파관/반사 격자 사이의 미디어 경계에서 재 반사되고, 도파관을 따라 전파되고, 상기 1차 회절 빔(a)의 회절의 결과로서 제2전송 격자로부터 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 상기 1차 회절 빔(b)이 제1전송 격자로부터 1차 회절 빔(d)을 형성하는 단계;
상기 1차 회절 빔(c)과 1차 회절빔(d)이 반사 격자에 의해 회절되고 상기 도파관, 제2 전송 격자 및 제1전송 격자를 통해 상기 정 렌즈에 아웃 커플링되는 단계; 및
상기 정 렌즈가 아웃 커플링된 빔을 굴절시키고 공중 이미지를 초점 면에 포커싱하는 단계;를 포함하는, 방법. - 제24항에 있어서,
상기 0차 회절 빔이 상기 반사 격자 위의 도파관을 통과하고, 상기 빔들이 1차 회절 빔(e)과 0차 회절 빔으로 분할되고, 그런 다음 상기 0차 회절 빔은 고려되지 않는, 방법. - 제24항에 있어서,
상기 1차 회절 빔(e)은 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통과하고, 상기 제1전송 격자의 표면으로부터 내부 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관으로 다시 반사되는 단계를 포함하고,
상기 1차 회절 빔(e)은 제1전송 격자로 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들은 상기 1차 회절 빔(a)과 0차 회절 빔(b)으로 분할되는, 방법. - ◈청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 24 항에 있어서,
상기 광 증식 모듈이 공중 이미지가 상기 디스플레이 장치에 대해 수직한 범위 내에서만 보이도록 구성된, 방법. - ◈청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 24 항에 있어서,
상기 광 증식 모듈이 상기 공중 이미지 디스플레이 장치가 상기 공중 이미지 디스플레이 장치에 대해 수직한 범위와, 수직에서 벗어난 범위 양쪽에서 보이도록 구성된, 방법. - 공중 이미지 디스플레이 장치에 있어서,
반사 격자;
상기 반사 격자 아래 위치한 제1 정 렌즈;
상기 반사 격자 위에 구비된 도파관;
상기 도파관 위에 구비된 제2 전송 격자;
상기 제2전송 격자 위에 구비된 제1 전송 격자;
상기 제1 전송 격자 위에 구비된 제2 정 렌즈; 및
상기 제2 정 렌즈 위에 구비된 투영 시스템;를 포함한, 디스플레이 장치. - 제29항에 따른 공중 이미지 디스플레이 장치의 동작 방법에 있어서,
A) 투영 시스템으로부터의 이미지를 형성하는 빔이 제1전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서, 상기 빔들이 1차 회절 빔들(a)과 0차 회절 빔들로 분할되는 단계;
B) 상기 0차 회절 빔들이 제2전송 격자에 전송되고, 회절의 결과로서 상기 빔들이 1차 회절 빔(b)과 0차 회절 빔으로 분할되는 단계;
C) 상기 1차 회절 빔(a), 상기 1차 회절 빔(b), 상기 0차 회절 빔이 도파관에 전송되는 단계;
D) 내부 전반사 각도 범위에 대응하는 각도로 상기 도파관으로 전송된 상기 1차 회절빔(a), 상기1차 회절 빔(b)이 공기/제1전송 격자 사이와 도파관/반사 격자 사이의 미디어 경계에서 재 반사되고, 도파관을 따라 전파되고, 1차 회절 빔(a)의 회절의 결과로서 제2전송 격자로부터 1차 회절 빔(c)을 형성하고, 1차 회절 빔(b)이 제1전송 격자로부터 1차 회절 빔(d)을 형성하는 단계;
E) 상기 1차 회절 빔(c)과 1차 회절빔(d)이 반사 격자에서 회절되고 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통해 제2 정 렌즈에 아웃 커플링되는 단계;
F) 상기 제1 정 렌즈가 제1 공중 이미지를 형성함으로써 그 초점 면에 아웃 커플링된 빔을 포커싱하고, 상기 제2 정 렌즈가 제2 공중 이미지를 형성함으로써 그 초점 면에 아웃 커플링된 빔을 포커싱하는 단계;를 포함하는, 방법 - ◈청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 30항에 있어서,
상기 0차 회절 빔이 상기 반사 격자 위의 도파관을 통과하고, 그 빔들이 1차 회절 빔(e)과 0차 회절 빔으로 분할되고, 그런 다음 상기 0차 회절 빔은 고려되지 않는, 방법. - ◈청구항 32은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제 30항에 있어서,
상기 1차 회절 빔(e)은 도파관, 제2전송 격자 및 제1전송 격자를 통과하고, 상기 제1전송 격자의 외부 표면으로부터 내부 전반사로 인해, 이 빔들은 도파관으로 다시 반사되며,
상기 1차 회절 빔(e)은 제1전송 격자로 전송되고, 회절의 결과로서 그 빔들은 1차 회절 빔(a)과 0차 회절 빔(b)으로 분할되고, 그런 다음 단계 상기 (B)-(I) 단계가 반복되는, 방법. - 제1항, 제29항 중 어느 한 항에 따른 디스플레이 장치를 포함하는 스마트 폰에 있어서,
상기 투영 시스템이 상기 스마트 폰의 디스플레이로부터의 정보를 투영하도록 구성된, 스마트 폰.
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| KR20220079441A (ko) | 2022-06-13 |
| RU2751405C1 (ru) | 2021-07-13 |
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