KR102664388B1 - 영상 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자기기에 관해 개시되어 있다. 개시된 디스플레이 장치는 제1 영상 및 제2 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 광학계를 포함할 수 있고, 상기 광학계는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈를 구비할 수 있다. 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 각각은 입사광의 편광 상태에 따라 다른 초점거리를 가질 수 있다. 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 상기 제1 영상 및 상기 제2 영상에 대해 광학적으로 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 파장판 및/또는 적어도 하나의 편광자를 더 포함할 수 있다.

Description

영상 디스플레이 장치{Image display apparatus}
개시된 실시예들은 디스플레이 장치, 보다 상세하게는 다중영상 디스플레이 장치 및 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 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 제공한다.
우수한 성능을 갖는 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 제공한다.
넓은 시야각(angle of view)을 확보하는데 유리한 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 제공한다.
색분산/색수차 문제를 억제 또는 방지할 수 있는 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 제공한다.
컴팩트한 구성을 갖는 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 제공한다.
상기 디스플레이 장치를 포함하는 전자기기를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자; 및 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 서로 다른 경로를 통해 사용자의 시각 기관에 전달하는 다중영상 전송광학계;를 포함하고, 상기 다중영상 전송광학계는 입사광의 편광 상태에 따라 초점거리가 달라지는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈를 구비하고, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 상기 제1 영상 및 상기 제2 영상에 대해 광학적으로 서로 다른 특성을 갖는 다중영상 디스플레이 장치(multi-image display apparatus)가 제공된다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈의 조합은 상기 제1 영상에 대해 굴절력을 강화하도록 구성될 수 있고, 상기 제2 영상에 대해 굴절력을 상쇄하도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈의 조합은 상기 제1 영상에 대해 양(+)의 초점거리를 갖도록 구성될 수 있고, 상기 제2 영상에 대해 무한대 또는 실질적으로 무한대의 초점거리를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제1 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 각각 통과할 수 있고, 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 각각은 상기 제1 영상의 광에 대해서 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제1 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 하나(이하, 해당 렌즈)를 두 번 통과할 수 있고, 상기 해당 렌즈는 상기 제1 영상의 광에 대해서 상기 두 번 통과시 모두 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제2 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 각각 통과할 수 있고, 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 하나는 상기 제2 영상의 광에 대해서 양(+)의 초점거리를 가질 수 있고, 다른 하나는 상기 제2 영상의 광에 대해서 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 각각은 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)일 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 씨스루형(see-through type) 광학계일 수 있다.
상기 제2 영상은 상기 다중영상 전송광학계를 통해서 상기 사용자가 마주하는 외부의 영상일 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 다중경로 광학부재(multipath optical member); 상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈; 및 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자(polarizer) 및/또는 적어도 하나의 파장판(wave plate);을 포함할 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 상기 다중경로 광학부재와 상기 시각 기관 사이에 제1 편광의존형 렌즈; 상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 제2 편광의존형 렌즈; 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 제1 선편광자(linear polarizer); 및 상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제1 선편광자 사이에 제1 QWP(quarter-wave plate);를 포함할 수 있다.
상기 다중경로 광학부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함할 수 있고, 상기 다중영상 전송광학계는 상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 구비된 제2 QWP를 더 포함할 수 있다.
상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함할 수 있고, 상기 다중영상 전송광학계는 상기 다중경로 광학부재의 입사면 측에 순차로 구비된 제2 QWP 및 제2 선편광자를 더 포함할 수 있다.
상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함할 수 있고, 상기 다중영상 전송광학계는 상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 구비된 제2 QWP; 상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 구비된 제2 선편광자; 및 상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 구비된 제3 선편광자;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제2 편광의존형 렌즈는 광학적으로 서로 동일한 방향성을 가질 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 상기 시각 기관에 마주하도록 순차로 구비된 제1 및 제2 편광의존형 렌즈; 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 하프미러(half mirror); 및 상기 하프미러와 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함할 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 하프미러 사이에 제1 QWP; 상기 하프미러와 상기 제2 편광의존형 렌즈 사이에 제2 QWP; 상기 제2 편광의존형 렌즈 외측으로 이와 이격된 제1 선편광자; 및 상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 제1 선편광자 사이에 제3 QWP;를 더 포함할 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 상기 사용자의 시각 기관과 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film);을 더 포함할 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 상기 사용자의 시각 기관과 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS); 및 상기 편광 빔스플리터와 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 제4 QWP;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제2 편광의존형 렌즈는 광학적으로 서로 반대의 방향성을 가질 수 있다.
상기 영상형성소자는 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 포함할 수 있다.
상기 영상형성소자의 앞 또는 뒤에 배치된 적어도 하나의 추가 렌즈가 더 구비될 수 있다.
상기 적어도 하나의 추가 렌즈는 상기 다중영상 전송광학계에서 상기 제1 영상에 대한 색분산을 완화시키도록 구성될 수 있다.
상기 영상형성소자에 연결된 영상신호처리부가 더 구비될 수 있고, 상기 영상신호처리부는 상기 다중영상 전송광학계에서 상기 제1 영상에 대한 색분산을 완화시키도록 구성될 수 있다.
상기 다중영상 디스플레이 장치는 약 15°이상의 시야각(angle of view)을 가질 수 있다. 상기 다중영상 디스플레이 장치는 약 40°이상의 시야각을 가질 수 있다. 상기 다중영상 디스플레이 장치는 약 60°이상 또는 약 100°이상의 시야각을 가질 수 있다.
상기 다중영상 디스플레이 장치는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하도록 구성될 수 있다.
상기 다중영상 디스플레이 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다.
상기 다중영상 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)일 수 있다.
상기 다중영상 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이 또는 고글형 디스플레이일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자; 및 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 씨스루형(see-through type) 광학계;를 포함하고, 상기 씨스루형 광학계는 입사광의 편광 방향에 따라 초점거리가 달라지는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 구비하고, 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 각각이 상기 제1 영상에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖거나 상기 제1 영상에 해당하는 광이 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 양(+)의 초점거리를 갖는 하나의 렌즈를 두 번 통과하고, 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 어느 하나는 상기 제2 영상에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖고 다른 하나는 상기 제2 영상에 대해서 음(-)의 초점거리를 갖는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)가 제공된다.
상기 씨스루형 광학계는 다중경로 광학부재(multipath optical member); 상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈; 및 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함할 수 있다.
상기 씨스루형 광학계는 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 반투과 부재(transflective member); 및 상기 반투과 부재와 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함할 수 있다.
상기 투시형 디스플레이 장치는 약 15°이상의 시야각(angle of view)을 가질 수 있다. 상기 투시형 디스플레이 장치는 약 40°이상의 시야각을 가질 수 있다. 상기 투시형 디스플레이 장치는 약 60°이상 또는 약 100°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.
증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용될 수 있는 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 투시형 디스플레이 장치)를 구현할 수 있다. 우수한 성능을 갖는 다중영상/투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 넓은 시야각(angle of view)을 확보하는데 유리한 다중영상/투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 색분산/색수차 문제를 억제 또는 방지할 수 있는 다중영상/투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 컴팩트한 구성을 갖는 다중영상/투시형 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 상기 디스플레이 장치를 포함하는 다양한 전자기기/광학기기를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 디스플레이 장치의 원리 및 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 실시예의 디스플레이 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 렌즈계에 적용될 수 있는 편광의존형 렌즈의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 복수의 편광의존형 렌즈의 조합에 의한 렌즈계의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 편광의존형 렌즈의 구성을 예시적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 복수의 편광의존형 렌즈의 방향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 복수의 편광의존형 렌즈의 방향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 18은 비교예에 따른 렌즈부의 색분산 문제를 보여주는 실험 결과이다.
도 19는 실시예에 따른 렌즈계의 색분산 억제 효과를 보이는 실험 결과이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 23은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 24는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 25는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 26은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 27은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 28 내지 도 30은 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여주는 도면이다.
이하, 예시적인 실시예들에 따른 디스플레이 장치(다중영상 디스플레이 장치 및 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 디스플레이 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 디스플레이 장치는 다중영상 디스플레이 장치(multi-image display apparatus) 또는 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)일 수 있다.
도 1을 참조하면, 디스플레이 장치는 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자(image forming device)(D10)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 사용자의 시각 기관(ocular organ)(10)에 전달하기 위한 다중영상 전송광학계(multi-image transmitting optical system)(ST10)를 포함할 수 있다. 다중영상 전송광학계(ST10)는 일종의 씨스루형 광학계(see-through type optical system)일 수 있다. 상기 시각 기관(10)은 사용자의 눈(eye)(10)일 수 있고, 참조번호 5는 동공(pupil)을 나타낸다. 다중영상 전송광학계(ST10)는 복수의 영상, 즉, 상기 제1 영상 및 제2 영상을 서로 다른 경로를 통해 사용자의 시각 기관(10)에 전달할 수 있다. 예컨대, 다중영상 전송광학계(ST10)는 상기 제1 영상을 제1 경로의 광(L10)을 통해, 상기 제2 영상을 제2 경로의 광(L20)을 통해 사용자의 시각 기관(10)으로 전달/가이드할 수 있다. 제1 경로의 광(L10)은 영상형성소자(D10)에서 발생된(또는 전달된) 것일 수 있고, 상기 제1 영상에 대응하는 광일 수 있다. 제2 경로의 광(L20)은 다중영상 전송광학계(ST10)의 외측으로부터 다중영상 전송광학계(ST10)를 투과한 광일 수 있고, 상기 제2 영상에 대응될 수 있다.
다중영상 전송광학계(ST10)는 광학적인 다중경로를 제공하는 다중경로 광학부재(multipath optical member)(M10)를 포함할 수 있다. 제1 경로의 광(L10)은, 예컨대, 다중경로 광학부재(M10)에서 반사되어 진행될 수 있고, 제2 경로의 광(L20)은, 예컨대, 다중경로 광학부재(M10)를 투과하여 진행될 수 있다. 이 경우, 다중경로 광학부재(M10)는 반투과(transflective) 부재일 수 있다. 구체적인 예로, 다중경로 광학부재(M10)는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS), 빔스플리터(beam splitter)(BS), 반투과막(transflective film) 등일 수 있다.
다중영상 전송광학계(ST10)는 입사광의 편광 상태에 따라 초점거리가 달라지는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)를 포함할 수 있다. 여기서는, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20), 즉, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)가 구비된 경우가 도시된다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)는 사용자의 시각 기관(10) 앞에, 즉, 시각 기관(10)과 다중경로 광학부재(M10) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 각각은 그에 입사되는 광(즉, 상기 입사광)의 편광 상태(ex, 편광 방향)에 따라 다른 초점거리를 가질 수 있다. 이런 점에서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 각각은 '편광의존형 포커싱 렌즈(polarization-dependent focusing lens)'라고 할 수 있다.
두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 제1 경로의 광(L10) 및 제2 경로의 광(L20)에 대해 광학적으로 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다. 다시 말해, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 상기 제1 영상 및 상기 제2 영상에 대해 광학적으로 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 상기 제1 영상(즉, 제1 경로의 광(L10))에 대해 굴절력(refractive power)을 강화하도록 구성될 수 있고, 상기 제2 영상(즉, 제2 경로의 광(L20))에 대해 굴절력을 상쇄하도록 구성될 수 있다. 또한, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 상기 제1 영상(즉, 제1 경로의 광(L10))에 대해 양(+)의 초점거리를 갖도록 구성될 수 있고, 상기 제2 영상(즉, 제2 경로의 광(L20))에 대해 무한대(∞) 또는 실질적으로 무한대(∞)의 초점거리를 갖도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서 제1 경로의 광(L10)에 대해서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 각각은 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 경로의 광(L10)에 대해, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 강한(또는 비교적 강한) 정(+)의 굴절력을 갖는 '볼록 렌즈'와 같이 작용할 수 있다. 한편, 제2 경로의 광(L20)에 대해서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 중 하나는 양(+)의 초점거리를 갖고 다른 하나는 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다. 여기서는, 제2 경로의 광(L20)에 대해, 제1 편광의존형 렌즈(LN10)가 양(+)의 초점거리를 갖고 제2 편광의존형 렌즈(LN20)가 음(-)의 초점거리를 갖는 경우가 도시되어 있지만, 이는 서로 뒤바뀔 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 제2 경로의 광(L20)에 대해 0 또는 실질적으로 0의 굴절력을 가질 수 있다(굴절력 상쇄). 다시 말해, 무한대(∞) 또는 실질적으로 무한대(∞)의 초점거리를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 제2 경로의 광(L20)에 대해 '평판(flat plate)'(투명 매질)과 같이 작용할 수 있다. 상기 평판은 렌즈와 대비되는 개념으로, 입사광을 실질적으로 수렴 또는 발산시키지 않는 플레이트(투광성 플레이트)일 수 있다.
제1 경로의 광(L10)에 의해 전달되는 상기 제1 영상은 디스플레이 장치 내에서 영상형성소자(D10)에 의해 형성 및 제공된 영상일 수 있다. 상기 제1 영상은 '디스플레이 영상'으로 가상의 현실 또는 가상의 정보를 포함할 수 있다. 제2 경로의 광(L20)에 의해 전달되는 상기 제2 영상은 상기 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 디스플레이 장치(다중영상/투시형 디스플레이 장치)는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 디스플레이 장치는 근안(near-eye) AR 디스플레이 장치일 수 있다.
한편, 영상형성소자(D10)는, 예컨대, 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 포함할 수 있다. 상기 공간 광변조기(SLM)는 투과형 광변조기 또는 반사형 광변조기이거나, 반투과형 광변조기일 수도 있다. 구체적인 예로, 공간 광변조기(SLM)는 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 1은 영상형성소자(D10)가 투과형 광변조기를 포함하는 경우를 가정하여 도시된 것이다. 도시하지는 않았지만, 영상형성소자(D10)에 광을 조사하기 위한 광원부가 더 구비될 수 있다. 영상형성소자(D10)는 상기 광원부와 다중영상 전송광학계(ST10) 사이에 배치될 수 있다. 경우에 따라, 영상형성소자(D10)는 LED(light emitting diode) 디스플레이 소자나 OLED(organic LED) 디스플레이 소자를 포함할 수 있다. 영상형성소자(D10)를 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. 영상형성소자(D10)는 일종의 디스플레이(display) 소자 또는 마이크로-디스플레이(micro-display) 소자라고 할 수 있고, 그 구성은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
이하에서는, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 제1 경로의 광(L10) 및 제2 경로의 광(L20)에 대해 복수의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합이 어떻게 다르게 작용하는지에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 2a 및 도 2b에서는 복수의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합을 하나의 렌즈계(lens system)(LT10)로 표시한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 경로의 광(L10)은 제2 편광의존형 렌즈(LN20) 및 제1 편광의존형 렌즈(LN10)를 순차로 통과하여 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 각각은 제1 경로의 광(L10)에 대해서 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)의 조합은 제1 경로의 광(L10)에 대해 정(+)의 굴절력을 갖는 렌즈(즉, 일종의 볼록 렌즈)로 작용할 수 있다. 제1 경로의 광(L10)에 대응하는 상기 제1 영상에 대한 굴절력은 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)에 의해 강화된다고 할 수 있다. 이러한 복수의 렌즈(LN10, LN20)의 조합, 즉, 렌즈계(LT10)를 통해서 사용자의 시각 기관(10)은 제1 경로의 광(L10)에 의한 디스플레이 영상(즉, 상기 제1 영상)을 볼 수 있다. 렌즈계(LT10)는 시각 기관(10)에 가깝게 배치되어 있기 때문에, 렌즈계(LT10)의 직경 대비 렌즈계(LT10)의 초점거리가 짧을 수 있다. 제1 편광의존형 렌즈(LN10)의 초점거리가 +f 이고, 제2 편광의존형 렌즈(LN20)의 초점거리가 +f 인 경우, 렌즈계(LT10)의 초점거리는 +f/2 일 수 있다. 이와 같이, 렌즈계(LT10)가 시각 기관(10)에 가깝게 배치되고, 렌즈계(LT10)의 직경 대비 렌즈계(LT10)의 초점거리가 짧기 때문에, 넓은 시야각(angle of view 또는 field of view)이 용이하게 확보될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 경로의 광(L20)은 제2 편광의존형 렌즈(LN20) 및 제1 편광의존형 렌즈(LN10)를 순차로 통과하여 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 중 하나는 양(+)의 초점거리를 갖고 다른 하나는 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 복수의 렌즈(LN10, LN20)의 조합, 즉, 렌즈계(LT10)는 제2 경로의 광(L20)에 대해 무한대(∞) 또는 실질적으로 무한대(∞)의 초점거리를 가질 수 있다. 다시 말해, 0 또는 실질적으로 0의 굴절력을 가질 수 있다. 이러한 렌즈계(LT10)는 제2 경로의 광(L20)에 대해 평판(flat plate)과 같이 작용할 수 있다. 제2 경로의 광(L20)에 의한 제2 영상을 볼 때에는, 렌즈계(LT10)가 평판과 같이 작용할 수 있으므로, 렌즈계(LT10)에 의해 상기 제2 영상이 왜곡되는 문제가 유발하지 않을 수 있다. 따라서, 사용자는 왜곡 없이 상기 제2 영상을 볼 수 있다.
또한, 도 2b에서 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)를 사용하기 때문에, 제2 경로의 광(L20)에 의한 색분산/색수차 문제가 억제 또는 방지될 수 있다. 제1 편광의존형 렌즈(LN10)에 의한 색분산/색수차와 제2 편광의존형 렌즈(LN20)에 의한 색분산/색수차가 상호 상쇄(또는 보상)되기 때문에, 렌즈계(LT10) 전체적으로는 색분산/색수차 문제가 방지(또는 억제)될 수 있다. 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 사이의 거리가 짧을수록, 색분산/색수차의 상쇄가 잘 이루어질 수 있다. 따라서, 색분산 방지 효과를 향상시키기 위해서는, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20) 사이의 거리를 약 10 mm 이내 또는 약 5 mm 이내로 만들 수 있다.
상기 제1 영상이 가상의 디스플레이 영상이고, 상기 제2 영상이 현실 세계의 영상(외부 영상)인 경우, 상기 디스플레이 영상에 대해서 렌즈계(LT10)는 렌즈(정의 굴절력을 갖는 렌즈)와 같이 작용하여 시야각을 넓히는 역할을 할 수 있고, 상기 외부 영상에 대해서 렌즈계(LT10)는 평판과 같이 작용하여 영상 왜곡 문제를 방지할 수 있다. 또한, 색분산/색수차 문제를 방지 또는 억제할 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 15° 또는 약 20° 정도로 상당히 좁을 수 있다.
그러나, 본원의 실시예에 따르면, 사용자의 시각 기관(10)과 다중경로 광학부재(M10) 사이에 렌즈계(LT10)를 배치함으로써, 디스플레이 영상에 대해서는 렌즈계(LT10)가 렌즈(ex, 볼록 렌즈)와 같이 작용하게 하고, 외부 영상에 대해서는 렌즈계(LT10)가 평판(투명 매질)과 같이 작용하게 만들 수 있다. 따라서, 사용자의 시각 기관(10)과 렌즈계(LT10) 사이의 광 경로를 단축함으로써, 넓은 시야각을 용이하게 확보할 수 있고, 아울러, 렌즈계(LT10)의 평판과 같은 작용에 의해 왜곡 없이 외부 영상을 볼 수 있다. 이러한 디스플레이 장치는 약 40°이상 또는 약 60°이상의 시야각을 가질 수 있다. 상기 시야각은 약 100°정도이거나 그 이상일 수도 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 디스플레이 장치는 다중영상 디스플레이 장치 또는 투시형 디스플레이 장치일 수 있다.
도 3을 참조하면, 디스플레이 장치는 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자(D15)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 사용자의 시각 기관(10)에 전달하기 위한 다중영상 전송광학계(ST15)를 포함할 수 있다. 다중영상 전송광학계(ST15)는 씨스루형 광학계일 수 있다.
다중영상 전송광학계(ST15)는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(LN15, LN25)를 포함할 수 있다. 여기서는, 두 개의 편광의존형 렌즈(LN15, LN25), 즉, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN15, LN25)가 구비된 경우가 도시된다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN15, LN25) 각각은 입사광의 편광 상태(ex, 편광 방향)에 따라 다른 초점거리를 가질 수 있다. 다중영상 전송광학계(ST15)는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN15, LN25) 사이에 구비된 다중경로 광학부재(M15)를 포함할 수 있다. 다중경로 광학부재(M15)는 반투과 부재일 수 있다. 예컨대, 다중경로 광학부재(M15)는 하프미러(half mirror) 또는 반투과막(transflective film)일 수 있다. 또는, 다중경로 광학부재(M15)는 빔스플리터(beam splitter) 또는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)일 수도 있다.
영상형성소자(D15)에서 형성된 제1 영상은 제1 경로의 광(L15)에 의해 사용자의 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 예컨대, 제1 경로의 광(L15)은 제1 편광의존형 렌즈(LN15)를 통과하여 다중경로 광학부재(M15)에서 반사된 후, 다시 제1 편광의존형 렌즈(LN15)를 통과한 다음, 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 한편, 상기 제2 영상에 해당하는 제2 경로의 광(L25)은 다중영상 전송광학계(ST15) 외부로부터 다중영상 전송광학계(ST15)를 통과하여 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 제2 경로의 광(L25)은 제2 편광의존형 렌즈(LN25), 다중경로 광학부재(M15) 및 제1 편광의존형 렌즈(LN15)를 순차로 통과하여 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다.
제1 경로의 광(L15)이 제1 편광의존형 렌즈(LN15)를 서로 다른 방향으로 두 번 통과하여 시각 기관(10)으로 전달되는 경우, 제1 편광의존형 렌즈(LN15)는 제1 경로의 광(L15)에 대해 상기 두 번 통과시 모두 양(+)의 초점거리(+f)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 경로의 광(L15)에 대한 굴절력이 두 배로 강화될 수 있다. 다시 말해, 초점거리는 절반(1/2)으로 짧아질 수 있다. 한편, 제2 경로의 광(L25)에 대해서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN15, LN25) 중 하나는 양(+)의 초점거리(+f)를 가질 수 있고, 다른 하나는 음(-)의 초점거리(-f)를 가질 수 있다. 따라서, 제2 경로의 광(L25)에 대한 굴절력은 상쇄될 수 있다. 다시 말해, 제2 경로의 광(L25)에 대한 초점거리는 무한대 또는 실질적으로 무한대가 될 수 있다. 제1 경로의 광(L15) 및 제2 경로의 광(L25)에 대한 효과는 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 제1 경로의 광(L15)에 의한 제1 영상에 대해서는 시야각이 확대될 수 있고, 제2 경로의 광(L25)에 의한 제2 영상에 대해서는 왜곡 문제가 방지될 수 있다. 또한, 색분산/색수차 문제가 억제 또는 방지될 수 있다.
이하에서는, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 편광의존형 렌즈(ex, 도 1의 LN10 or LN20)의 특징 및 복수의 편광의존형 렌즈(LN10, LN20)가 조합된 렌즈계의 특징을 구체적으로 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 편광의존형 렌즈(LN1)의 특징을, 도 5a 및 도 5b는 복수의 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)가 조합된 렌즈계의 특징을 예시적으로 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 렌즈계에 적용될 수 있는 편광의존형 렌즈(LN1)의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 편광의존형 렌즈(LN1)는 제1 편광 방향을 갖는 입사광에 대해 양(+)의 초점거리(+f)를 가질 수 있다. 초점거리(+f)는 제1 초점거리(f1)라 할 수 있다. 따라서, 편광의존형 렌즈(LN1)는 상기 제1 편광 방향을 갖는 입사광에 대해서, 정(+)의 굴절력을 갖는 렌즈(즉, 볼록 렌즈)와 같이 작용할 수 있다. 상기 제1 편광 방향은, 예컨대, 우선회 원편광(right-hand circular polarization)(RCP)일 수 있다. 우선회 원편광된(RCP)된 광은 편광의존형 렌즈(LN1)를 통과하면서 좌선회 원편광된(left-handed circularly polarized)(LCP) 광으로 변할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 편광의존형 렌즈(LN1)는 제2 편광 방향을 갖는 입사광에 대해 음(-)의 초점거리(-f)를 가질 수 있다. 초점거리(-f)는 제2 초점거리(f2)라 할 수 있다. 따라서, 편광의존형 렌즈(LN1)는 상기 제2 편광 방향을 갖는 입사광에 대해서, 부(-)의 굴절력을 갖는 렌즈(즉, 오목 렌즈)와 같이 작용할 수 있다. 상기 제2 편광 방향은 상기 제1 편광 방향에 직각(orthogonal)인 방향일 수 있다. 예컨대, 상기 제2 편광 방향은 좌선회 원편광(left-hand circular polarization)(LCP)일 수 있다. 좌선회 원편광된(LCP) 광은 편광의존형 렌즈(LN1)를 통과하면서 우선회 원편광된(RCP) 광으로 변할 수 있다. 여기서, 상기 제2 초점거리(f2)의 절대값은 상기 제1 초점거리(f1)의 절대값과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 편광의존형 렌즈(LN1)는 상기 제1 편광 방향을 갖는 입사광과 상기 제2 편광 방향을 갖는 입사광에 대해서 부호가 반대인 동일 크기의 초점거리를 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 편광의존형 렌즈(LN1)는, 예컨대, 소정의 패턴을 이루고 있는 복수의 비선형 물질요소(nonlinear material element)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 비선형 물질요소의 패턴에 의해 편광의존형 렌즈(LN1)는 도 4a 및 도 4b와 같은 특징을 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 복수의 비선형 물질요소는, 예를 들어, 액정 중합체(liquid crystal polymer) 등을 포함할 수 있다. 상기 복수의 비선형 물질요소에 대해서는 추후에 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4a 및 도 4b에서는 편광의존형 렌즈(LN1)가 RCP 입사광에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖고, LCP 입사광에 대해서 음(-)의 초점거리를 갖는 경우를 도시하고 설명하였지만, 이는 예시적인 것이고, 양(+) 또는 음(-)의 초점거리를 나타내는 편광 방향은 달라질 수 있다. 편광의존형 렌즈(LN1)를 어떻게 구성하느냐에 따라서, 양(+) 또는 음(-)의 초점거리를 나타내는 편광 방향이 달라질 수 있다. 경우에 따라서는, 편광의존형 렌즈(LN1)가 LCP 입사광에 대해서 양(+)의 초점거리를, RCP 입사광에 대해서 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다. 또는, 제1 선편광된 광에 대해서 양(+)의 초점거리를, 상기 제1 선편광과 수직한 제2 선편광된 광에 대해서 음(-)의 초점거리를 가질 수도 있다. 제1 편광 방향과 제2 편광 방향이 서로 직각(orthogonal)을 이루는 방향인 경우, 이들 중 어느 하나에 대해서는 양(+)의 초점거리를, 다른 하나에 대해서는 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 복수의 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)의 조합에 의한 렌즈계의 특징을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 복수의 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)를 포함하고, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2) 각각은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 편광의존형 렌즈(LN1)의 특징을 가질 수 있다.
도 5a를 참조하면, 소정의 제1 입사광에 대해서 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2) 각각은 양(+)의 초점거리(+f)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)가 조합된 렌즈계(복합 렌즈)는 상기 제1 입사광에 대해서 +f/2의 초점거리를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 렌즈계 전체의 초점거리(ftotal)는 +f/2 일 수 있다. 이는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2) 각각의 초점거리(+f)의 절반(1/2)에 해당할 수 있다. 굴절력 측면에서는, 굴절력이 2배로 강화된 것이라 할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)가 조합된 렌즈계는 상기 제1 입사광에 대해서 제1 렌즈(LN1) 또는 제2 렌즈(LN2)의 굴절력의 2배에 해당하는 강한 굴절력(짧은 초점거리)을 가질 수 있기 때문에, 상기 제1 입사광에 대해서 시야각 확대 효과가 매우 우수할 수 있다. 이와 관련해서, 도 1과 같은 디스플레이 장치의 시야각은 약 40°이상 또는 약 60°이상이거나, 약 100°이상일 수 있다. 부가적으로, 도 5a와 같은 렌즈계를 도 1과 같은 디스플레이 장치에 적용할 경우, 시각 기관(10)과 상기 렌즈계 사이의 간격은, 예컨대, 약 10 mm 내지 약 40 mm 정도일 수 있기 때문에, 이를 고려하면, 상기 렌즈계의 초점거리는 약 10 mm 내지 약 40 mm 정도일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 상기 렌즈계의 초점거리는 10 mm 이하이거나 40 mm 이상일 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 소정의 제2 입사광에 대해서 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2) 중 하나는 양(+)의 초점거리(+f)를 가질 수 있고, 다른 하나는 음(-)의 초점거리(-f)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)가 조합된 렌즈계(복합 렌즈)는 상기 제2 입사광에 대해서 무한대(∞) 또는 실질적으로 무한대(∞)의 초점거리를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 렌즈계 전체의 초점거리(ftotal)는 무한대(∞) 또는 대략 무한대(∞)일 수 있다. 상기 렌즈계는 0의 굴절력 또는 실질적으로 0의 굴절력을 갖는다고 할 수 있다. 따라서, 상기 렌즈계는 상기 제2 입사광에 대해서 평판(투명 매질)과 같이 작용할 수 있다. 또한, 제1 편광의존형 렌즈(LN1)에 의한 색분산 효과와 제2 편광의존형 렌즈(LN2)에 의한 색분산 효과가 서로 상쇄/보상되기 때문에, 이들이 조합된 상기 렌즈계는 색분산 문제를 효과적으로 방지 또는 억제할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치에 적용될 수 있는 편광의존형 렌즈(LN1)의 구성을 예시적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 편광의존형 렌즈(LN1)는 소정의 패턴을 이루고 있는 복수의 비선형 물질요소(nonlinear material element)(n1)를 포함할 수 있다. 복수의 비선형 물질요소(n1)는, 예컨대, 액정 중합체(liquid crystal polymer)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 비선형 물질요소(n1)의 구체적인 물질은 다양하게 변화될 수 있다. 복수의 비선형 물질요소(n1)는 평면적인(이차원적) 패턴을 형성할 수 있고, 경우에 따라서는, 편광의존형 렌즈(LN1)의 두께 방향으로도 패턴을 형성할 수도 있다. 이러한 비선형 물질요소(n1)의 패턴 어레이에 의해, 편광의존형 렌즈(LN1)는 입사광의 편광 방향에 따라 서로 다른 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 편광의존형 렌즈(LN1)는 제1 편광 방향을 갖는 입사광에 대해서 양(+)의 제1 초점거리를 가질 수 있고, 제2 편광 방향을 갖는 입사광에 대해서 음(-)의 제2 초점거리를 가질 수 있다. 이때, 상기 제1 초점거리의 절대값과 상기 제2 초점거리의 절대값은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.
편광의존형 렌즈(LN1)는, 예컨대, 수 mm 내지 수십 mm 정도의 길이 및 폭을 가질 수 있고, 그 두께는 수 mm 이하로 얇을 수 있다. 일례로, 편광의존형 렌즈(LN1)의 두께는 약 1 mm 보다 얇을 수 있다. 또한, 편광의존형 렌즈(LN1)는 평탄한 구조를 가질 수 있고, 단일 렌즈로 동작시 구면 수차를 발생하지 않을 수 있다. 또한, 편광의존형 렌즈(LN1)는 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 편광의존형 렌즈(LN1)의 초점거리(+f)는 수 mm 내지 수백 mm 정도일 수 있다. 예컨대, 편광의존형 렌즈(LN1)의 초점거리(+f)는 약 10 mm 내지 약 100 mm 정도일 수 있다. 그러나 여기서 개시한 편광의존형 렌즈(LN1)의 크기 및 특징은 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b 및 도 6을 참조하여 설명한 편광의존형 렌즈(LN1, LN2)는 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)(GP lens)일 수 있다. 복수의 비선형 물질요소(n1)의 패턴을 이용해서, 광의 회절 조건을 제어함으로써, 렌즈의 기능을 구현할 수 있다. 이러한 기하학적 위상 렌즈(GP lens)를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 편광의존형 렌즈(LN10, LN15, LN20, LN25)에 적용할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 디스플레이 장치는 도 1의 개념을 구체화한 일례일 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 다중영상 디스플레이 장치 또는 투시형 디스플레이 장치일 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치는 근안(near-eye) 디스플레이 장치일 수 있다.
도 7을 참조하면, 디스플레이 장치는 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자(D11)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 영상형성소자(D11)에서 형성된 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 서로 다른 경로로 사용자의 시각 기관(10)에 전달하기 위한 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PT11)를 포함할 수 있다. 편광 빔스플리터(PT11)는 다중경로 광학부재의 일례일 수 있다. 상기 제1 영상은 제1 경로의 광(L11)에 의해 진행될 수 있고, 상기 제2 영상은 제2 경로의 광(L21)에 의해 진행될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 편광 빔스플리터(PT11)와 시각 기관(10) 사이에 배치된 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)가 구비될 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21) 중 적어도 하나는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 편광의존형 렌즈(LN1, LN2, LN10, LN15, LN20, LN25)에 대응될 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(LN11, LN21) 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자(polarizer) 및/또는 적어도 하나의 파장판(wave plate)을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21) 사이에 제1 선편광자(linear polarizer)(LP11)가 구비될 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)와 제1 선편광자(LP11) 사이에 제1 QWP(quarter-wave plate)(WP11)가 구비될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN21)와 편광 빔스플리터(PT11) 사이에 제2 QWP(WP21)가 구비될 수 있다.
제1 경로의 광(L11)은 편광 빔스플리터(PT11)에서 반사되면서 제1-1 방향으로 선편광될 수 있다. 상기 제1-1 방향은, 예컨대, 지면에 수직한 방향일 수 있다. 제1 경로의 광(L11)은 제2 QWP(WP21)에 의해 제2-1 방향으로 원편광(즉, right-hand circular polarized)(RCP)될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN21)에 의해 제2-2 방향으로 원편광(즉, left-hand circular polarized)(LCP)될 수 있고, 제1 선편광자(LP11)에 의해 상기 제1-1 방향으로 선편광될 수 있고, 제1 QWP(WP11)에 의해 상기 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)에 의해 상기 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있다. 이 과정에서, 제2 편광의존형 렌즈(LN21)는 제1 경로의 광(L11)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)도 제1 경로의 광(L11)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)의 조합은 제1 경로의 광(L11)에 대해서 굴절력을 강화하는 역할을 할 수 있다.
제2 경로의 광(L21)은 편광 빔스플리터(PT11)를 투과하면서 제1-2 방향, 예컨대, 상기 제1-1 방향에 직각(orthogonal)인 방향으로 선편광되어 진행할 수 있다. 제2 경로의 광(L21)은 제2 QWP(WP21)에 의해 상기 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN21)에 의해 상기 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있고, 제1 선편광자(LP11)에 의해 상기 제1-1 방향으로 선편광될 수 있고, 제1 QWP(WP11)에 의해 상기 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)에 의해 상기 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있다. 이 과정에서, 제2 편광의존형 렌즈(LN21)는 제2 경로의 광(L21)에 대해 음(-)의 초점거리를 가질 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)는 제2 경로의 광(L11)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)의 조합은 제2 경로의 광(L21)에 대해서 굴절력을 상쇄하는 역할을 할 수 있다.
제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)의 조합은 상기 제1 영상에 대해서는 시야각을 넓히는 역할을 할 수 있고, 상기 제2 영상에 대해서는 왜곡을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)의 조합은 상기 제2 영상에 대한 색분산/색수차 문제를 방지 또는 억제하는 역할을 할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예는 도 7에서 편광 빔스플리터(PT11) 대신에 자체적인 편광 기능이 없는 반투과 부재(transflective member)(T11)를 사용한 경우이다.
도 8을 참조하면, 다중경로 광학부재로 반투과 부재(T11)를 사용할 수 있다. 반투과 부재(T11)는 자체적인 편광 기능을 갖지 않을 수 있다. 반투과 부재(T11)는, 예컨대, 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)일 수 있다. 이 경우, 반투과 부재(T11)와 영상형성소자(D11) 사이에 제2 선편광자(LP21)가 더 구비될 수 있고, 반투과 부재(T11)를 사이에 두고 제2 QWP(WP21)와 마주하는 제3 선편광자(LP31)가 더 구비될 수 있다. 제2 선편광자(LP21)는 반투과 부재(T11)의 제1 입사면 측에 구비된다고 할 수 있고, 제3 선편광자(LP31)는 반투과 부재(T11)의 제2 입사면 측에 구비된다고 할 수 있다.
제1 경로의 광(L12)은 제2 선편광자(LP21)에 의해 제1-1 방향으로 선편광된 후, 반투과 부재(T11)에 의해 반사되고, 제2 QWP(WP21)로 전달될 수 있다. 제2 경로의 광(L22)은 제3 선편광자(LP31)에 의해 제1-2 방향으로 선편광된 후, 반투과 부재(T11)를 통과하여 제2 QWP(WP21)로 전달될 수 있다. 제2 QWP(WP21)에서 시각 기관(10)까지의 제1 및 제2 경로의 광(L12, L22)의 변화는 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 편광 빔스플리터(도 7의 PT11)를 사용하기 어려운 경우, 일반적인 비편광형(non-polarizing) 빔스플리터(beam splitter)를 반투과 부재(T11)로 적용할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 구성은 도 8에서 변형된 것이다.
도 9를 참조하면, 다중경로 광학부재로 반투과 부재(T11)를 사용할 수 있고, 반투과 부재(T11)의 입사면(제2 입사면) 측에 제2 QWP(WP22) 및 제2 선편광자(LP22)를 구비시킬 수 있다. 제2 QWP(WP22)는 반투과 부재(T11)와 제2 선편광자(LP22) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 반투과 부재(T11)와 제2 편광의존형 렌즈(LN21) 사이에는 파장판(ex, QWP)을 사용하지 않을 수 있다.
제2 경로의 광(L23)은 제2 선편광자(LP22)에 의해 제1-2 방향으로 선편광될 수 있고, 제2 QWP(WP22)에 의해 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있고, 반투과 부재(T11)를 통과하여 제2 편광의존형 렌즈(LN21)로 전달될 수 있다. 제2 편광의존형 렌즈(LN21)에서 시각 기관(10)까지의 광(L23)의 변화는 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
한편, 제1 경로의 광(L13)은 제2-2 방향으로 원편광(LCP)된 상태로 반투과 부재(T11)에 입사되어 반사될 수 있고, 반투과 부재(T11)에서 반사되면서 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있다. 원편광은 반사될 때, 반대 방향의 원편광으로 바뀔 수 있다. 따라서, 제1 경로의 광(L13)은 제2-1 방향으로 원편광(RCP)된 상태로 제2 편광의존형 렌즈(LN21)로 전달될 수 있다. 제2 편광의존형 렌즈(LN21)에서 시각 기관(10)까지의 광(L13)의 변화는 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 반투과 부재(T11)와 영상형성소자(D11) 사이에 적어도 하나의 파장판 및/또는 적어도 하나의 편광자를 더 구비시킬 수 있다. 이러한 파장판 및 편광자를 사용해서 제2-2 방향의 원편광(LCP)을 유도할 수 있다. 경우에 따라서는, 영상형성소자(D11)에서 방출되는 광(즉, L13) 자체가 상기 제2-2 방향의 원편광(LCP)을 갖도록 만들 수도 있다.
도 7 내지 도 9의 실시예에서 제1 편광의존형 렌즈(LN11)와 제2 편광의존형 렌즈(LN21)는 광학적으로 서로 동일한 방향성을 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)와 제2 편광의존형 렌즈(LN21)는 광학적으로 서로 동일한 방향성을 가질 수 있다. 제1 편광의존형 렌즈(LN11)와 제2 편광의존형 렌즈(LN21)는 광학적으로 서로 등가한 렌즈일 수 있다. 또한, 제1 편광의존형 렌즈(LN11)의 제1면(A) 및 제2면(B)의 위치는 제2 편광의존형 렌즈(LN21)의 제1면(A) 및 제2면(B)의 위치와 동일할 수 있다. 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)의 경우, 렌즈(LN11, LN21)의 배치 방향에 의해서도, 다시 말해, 광의 입사 방향에 의해서도, 특성(즉, +f or -f 특성)이 달라질 수 있다. 도 10과 같이, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)가 서로 동일한 방향성을 가질 때, 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같은 특성이 나타날 수 있다. 그러나, 도 7 내지 도 9에서도 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN11, LN21)가 서로 반대의 방향성을 갖도록 만들 수 있다. 이 경우, 파장판 및/또는 편광자의 구성, 위치, 개수 등이 달라질 수 있다.
도 7 내지 도 9의 실시예에서 사용자의 시각 기관(10)과 다중경로 광학부재(즉, PT11, T11) 사이에 배치되는 요소들(LN11, WP11, LP11, LN21, WP21)을, 편의상, 서로 상당히 이격된 것으로 도시하였지만, 실제 이들은 서로 근접하게 배치되거나, 서로 접촉되어 있을 수 있다. 그 일례가 도 11에 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 제1 편광의존형 렌즈(LN11), 제1 QWP(WP11), 제1 선편광자(LP11), 제2 편광의존형 렌즈(LN21) 및 제2 QWP(WP21)는 서로 근접하게 배치되거나, 이들 중 적어도 일부가 상호 접촉되어 있을 수 있다. 이 요소들(LN11, WP11, LP11, LN21, WP21)이 하나의 광학계(S11)를 구성한다고 할 수 있다. 편광의존형 렌즈(LN11, LN21) 각각은 수 mm 이하의 두께, 예컨대, 약 1 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 제1 QWP(WP11), 제1 선편광자(LP11) 및 제2 QWP(WP21)는 필름 형태를 가질 수 있고, 얇은 두께를 가질 수 있다. 광학계(S11)는 수 mm 이하의 두께, 예컨대, 약 5 mm 이하 또는 약 3 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 컴팩트한 구성이 가능할 수 있다. 그러나 경우에 따라, 광학계(S11)는 약 10 mm 이상의 두께를 가질 수도 있다.
부가적으로, 도 7 내지 도 9의 실시예에서 사용하는 파장판(WP11, WP21, WP22)의 구체적인 구성에 따라서, 그에 의한 편광 특성/방향의 변화가 달라질 수 있다. 또한, 편광자(LP11, LP21, LP22, LP31)의 구체적인 구성에 따라서, 그에 의한 편광 특성/방향의 변화가 달라질 수 있다. 일례로, 소정의 편광자를 이용해서 제1-1 방향의 선편광 또는 제1-2 방향의 선편광을 유도할 수 있고, 소정의 파장판을 이용해서 제2-1 방향의 원편광 또는 제2-2 방향의 원편광을 유도할 수 있다. 따라서, 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 광들의 편광 특성/방향의 변화는 예시적인 것이고, 달라질 수 있다. 이는 아래에서 설명할 도 12 내지 도 15의 실시예에서도 마찬가지이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 디스플레이 장치는 도 3의 개념을 구체화한 일례일 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 다중영상 디스플레이 장치 또는 투시형 디스플레이 장치일 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치는 근안(near-eye) 디스플레이 장치일 수 있다.
도 12를 참조하면, 디스플레이 장치는 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자(D16)를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 장치는 영상형성소자(D16)에서 형성된 상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 서로 다른 경로로 사용자의 시각 기관(10)에 전달하기 위한 다중영상 전송광학계를 포함할 수 있다. 상기 다중영상 전송광학계는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)를 포함할 수 있고, 이들 사이에 배치된 하프미러(half mirror)(HF16)를 포함할 수 있다. 시각 기관(10) 측으로부터 제1 편광의존형 렌즈(LN16), 하프미러(HF16) 및 제2 편광의존형 렌즈(LN26)가 순차로 배치될 수 있다. 하프미러(HF16)는 반투과 부재의 일례일 수 있다.
상기 다중영상 전송광학계는 하프미러(HF16)와 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26) 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 파장판 및/또는 적어도 하나의 편광자를 더 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)와 하프미러(HF16) 사이에 제1 QWP(WP16)가 구비될 수 있고, 하프미러(HF16)와 제2 편광의존형 렌즈(LN26) 사이에 제2 QWP(WP26)가 구비될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN26)의 외측에 제1 선편광자(LP16)가 구비될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN26)와 제1 선편광자(LP16) 사이에 제3 QWP(WP36)가 구비될 수 있다.
제1 경로의 광(L16)은 제2-1 방향으로 원편광(RCP)된 상태로 제1 편광의존형 렌즈(LN16)를 통과(첫번째 통과)할 수 있고, 이때, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)에 의해 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있다. 제1 경로의 광(L16)은 하프미러(HF16)에서 반사되어 다시 제1 편광의존형 렌즈(LN16)를 통과(두번째 통과)할 수 있다. 하프미러(HF16)에서 반사되는 것에 의한 효과(즉, 반대 원편광으로 변하는 효과)와 제1 QWP(WP16)를 두 번 통과함으로써 발생하는 효과가 서로 상쇄되면서, 제1 경로의 광(L16)은 제2-2 방향으로 원편광(LCP)된 상태로 제1 편광의존형 렌즈(LN16)를 통과(두번째 통과)할 수 있다. 이때, 제1 경로의 광(L16)은 제1 편광의존형 렌즈(LN16)에 의해 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있다. 상기 '첫번째 통과'시에 제1 편광의존형 렌즈(LN16)는 제1 경로의 광(L16)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있고, 상기 '두번째 통과'시에도 제1 편광의존형 렌즈(LN16)는 제1 경로의 광(L16)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)는 제1 경로의 광(L16)에 대해서 굴절력을 강화하는 역할을 할 수 있다.
제2 경로의 광(L26)은 제1 선편광자(LP16)에 의해 제1-1 방향으로 선편광될 수 있고, 제3 QWP(WP36)에 의해 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있고, 제2 편광의존형 렌즈(LN26)에 의해 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있고, 제2 QWP(WP26)에 의해 다시 제1-1 방향으로 선편광될 수 있고, 하프미러(HM16)를 통과한 후, 제1 QWP(WP16)에 의해 제2-1 방향으로 원편광(RCP)될 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)에 의해 제2-2 방향으로 원편광(LCP)될 수 있다. 이 과정에서, 제2 편광의존형 렌즈(LN26)는 제2 경로의 광(L26)에 대해 양(+)의 초점거리를 가질 수 있고, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)는 제2 경로의 광(L26)에 대해 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)의 조합은 제2 경로의 광(L26)에 대해서 굴절력을 상쇄하는 역할을 할 수 있다.
제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)의 조합은 제1 경로의 광(L16)에 대응하는 상기 제1 영상에 대해서는 시야각을 넓히는 역할을 할 수 있고, 제2 경로의 광(L26)에 대응하는 상기 제2 영상에 대해서는 왜곡을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)의 조합은 상기 제2 영상에 대한 색분산/색수차 문제를 방지 또는 억제하는 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 12의 구성에서 시각 기관(10)과 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 소정의 다중경로 광학부재(반투과 부재)를 더 구비시킬 수 있다. 그 예들이 도 13 내지 도 15에 도시되어 있다. 도 13 내지 도 15는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13을 참조하면, 편광 빔스플리터(PT16)를 시각 기관(10)과 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 구비시킬 수 있다. 이 경우, 편광 빔스플리터(PT16)와 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 제4 QWP(WP46)를 더 구비시킬 수 있다.
제1 경로의 광(L17)은 편광 빔스플리터(PT16)에 의해 제1-1 방향으로 선편광되고, 제4 QWP(WP46)에 의해 제2-1 방향으로 원편광(RCP)되어, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)로 전달될 수 있다. 다음, 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 및 제1 QWP(WP16)를 통과하여 하프미러(HM16)에서 반사된 후, 제1 QWP(WP16)와 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 및 제4 QWP(WP46)를 차례로 통과한 다음, 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 이 과정에서 광(L17)의 변화는 도 12를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 한편, 제2 경로의 광(L27)은 제1 선편광자(LP16)로부터 제4 QWP(WP46)까지 통과한 후, 시각 기관(10)으로 전달될 수 있다. 이 과정에서 광(L27)의 변화는 도 12를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 14는 도 12의 구성에서 시각 기관(10)과 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 자체적인 편광 기능이 없는 반투과 부재(T16)를 적용한 경우이다. 반투과 부재(T16)는, 예컨대, 빔스플리터 또는 반투과막일 수 있다. 반투과 부재(T16)는 편광 기능을 갖지 않기 때문에, 반투과 부재(T16) 이외에 다른 구성은 도 12와 동일할 수 있다. 다만, 반투과 부재(T16)에 의해 광(L18, L28)의 이동 경로가 일부 변화될 수 있다.
도 15는 도 14의 구성을 변형한 경우를 보여준다. 즉, 도 15는 도 14의 구성에서 반투과 부재(T16)와 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 제4 QWP(WP46)를 부가하고, 반투과 부재(T16)의 입사면 측(도면상 위쪽)에 제2 선편광자(LP26)를 부가한 경우를 보여준다. 이러한 도 15의 구성은 도 13의 구성에서 편광 빔스플리터(PT16) 대신에 편광 기능이 없는 반투과 부재(T16) 및 제2 선편광자(LP26)를 적용한 경우라고 할 수 있다. 광들(L19, L29)의 경로와 변화는 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 13 내지 도 15의 실시예에서 시각 기관(10)과 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이에 다중경로 광학부재(즉, PT16, T16)를 적용할 수 있다. 이 경우, 시각 기관(10)과 제1 편광의존형 렌즈(LN16) 사이의 거리가 멀어지기 때문에, 제1 영상에 대한 시야각 확대 효과는 상대적으로 크지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우, 제1 영상에 대한 시야각은 약 15°이상이거나 약 20°이상일 수 있다. 그러나, 렌즈들(LN16, LN26)을 눈(10)과 마주하도록 배치할 수 있기 때문에, 설계 자유도가 높아질 수 있다. 또한, 색분산/색수차 문제를 억제 또는 방지할 수 있다. 그리고 제1 편광의존형 렌즈(LN16)에서 제1 선편광자(LP16)까지의 구성 또는 제4 QWP(WP46)에서 제1 선편광자(LP16)까지의 구성을 컴팩트하게 만들 수 있다.
도 12 내지 도 15의 실시예에서 제1 편광의존형 렌즈(LN16)와 제2 편광의존형 렌즈(LN26)는 광학적으로 서로 반대의 방향성을 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 16을 참조하여 설명한다.
도 16을 참조하면, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)와 제2 편광의존형 렌즈(LN26)는 광학적으로 서로 동일한 방향성을 가질 수 있다. 제1 편광의존형 렌즈(LN16)와 제2 편광의존형 렌즈(LN26)는 광학적으로 서로 등가한 렌즈일 수 있다. 단, 제1 편광의존형 렌즈(LN16)의 제1면(A) 및 제2면(B)의 위치는 제2 편광의존형 렌즈(LN26)의 제1면(A) 및 제2면(B)의 위치와 서로 반대일 수 있다. 도 16과 같이, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)가 서로 반대의 방향성을 가질 때, 도 12 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 같은 특성이 나타날 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 도 12 내지 도 15에서 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN16, LN26)가 서로 동일한 방향성을 갖도록 만들 수 있다. 이 경우, 파장판 및/또는 편광자의 구성, 위치, 개수 등이 달라질 수 있다.
도 12 내지 도 15의 실시예에서 사용자의 시각 기관(10) 앞에 배치되는 요소들(WP46, LN16, WP16, HM16, WP26, LN26, WP36, LP16)을, 편의상, 서로 상당히 이격된 것으로 도시하였지만, 실제 이들은 서로 근접하게 배치되거나, 서로 접촉되어 있을 수 있다. 그 일례가 도 17에 도시되어 있다.
도 17을 참조하면, 제1 편광의존형 렌즈(LN16), 제1 QWP(WP16), 하프미러(HM16), 제2 QWP(WP26), 제2 편광의존형 렌즈(LN26), 제3 QWP(WP36) 및 제1 선편광자(LP16)는 서로 근접하게 배치되거나, 이들 중 적어도 일부가 상호 접촉되어 있을 수 있다. 이 요소들(LN16, WP16, HM16, WP26, LN26, WP36, LP16)이 하나의 광학계(S16)를 구성한다고 할 수 있다. 편광의존형 렌즈(LN16, LN26) 각각은 수 mm 이하의 두께, 예컨대, 약 1 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 제1 QWP(WP16), 제2 QWP(WP26), 제3 QWP(WP36) 및 제1 선편광자(LP16)는 필름 형태를 가질 수 있고, 얇은 두께로 형성될 수 있다. 하프미러(HM16)는 필름 형태이거나 코팅막일 수 있고, 얇은 두께를 가질 수 있다. 광학계(S16)는 약 10 mm 이하의 두께, 예컨대, 약 5 mm 이하 또는 약 3 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 컴팩트한 구성이 가능할 수 있다. 특히, 도 17의 경우, 편광 빔스플리터나 빔스플리터를 사용하지 않기 때문에, 구성이 더욱 단순화되고 컴팩트화될 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치의 무게 및 부피를 줄일 수 있다. 그러나, 광학계(S16)의 두께는 위에서 제시한 바에 한정되지 않으며, 경우에 따라서는, 약 10 mm 이상의 두께를 가질 수도 있다.
도 18은 비교예에 따른 렌즈부의 색분산 문제를 보여주는 실험 결과이다. 상기 비교예에 따른 렌즈부는 하나의 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)(GP lens)와 하나의 일반적인 굴절 렌즈를 접합한 구성을 갖는다. 이러한 렌즈부를 통해 외부 영상을 볼 때, 외부 영상이 어떻게 보여지는지를 도 18의 사진을 통해 확인할 수 있다.
도 18을 참조하면, 비교예에 따른 렌즈부를 사용할 경우, 색분산이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, GP 렌즈와 일반 굴절 렌즈를 접합할 경우, 색분산이 크게 발생할 수 있다. 특히, 영상의 가장자리로 가면서 색분산 문제가 더 커질 수 있다.
도 19는 실시예에 따른 렌즈계의 색분산 억제 효과를 보여주는 실험 결과이다. 상기 실시예에 다른 렌즈계는 두 개의 편광의존형 렌즈를 포함한다. 상기 두 개의 편광의존형 렌즈는 GP 렌즈였다. 이러한 렌즈계는 도 2a 및 도 2b의 렌즈계(LT10)에 대응되거나, 도 11 또는 도 17의 광학계(S11, S16)에 대응될 수 있다.
도 19를 참조하면, 실시예에 따른 렌즈계를 사용할 경우, 색분산 문제가 크게 완화된 것을 확인할 수 있다. 이는 두 개의 편광의존형 렌즈에 의한 색분산 효과가 상호 상쇄된 결과일 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 렌즈계를 사용함으로써, 색분산 문제를 억제 또는 방지할 수 있다.
도 7 내지 도 9, 도 11, 도 12 및 도 17의 실시예에서 제1 영상(즉, 디스플레이 영상)에 대한 시야각은 약 40°이상일 수 있다. 상기 제1 영상에 대한 시야각은 약 60°이상 또는 약 100°이상일 수 있다. 도 13 내지 도 15의 실시예에서 제1 영상(즉, 디스플레이 영상)에 대한 시야각은 약 15°이상 또는 약 20°이상일 수 있다. 따라서, 실시예 전반에서 제1 영상(즉, 디스플레이 영상)에 대한 시야각은 약 15°이상일 수 있고, 경우에 따라, 약 40°이상일 수 있다.
도 1 내지 도 3, 도 7 내지 도 9, 도 11 내지 도 15 및 도 17의 실시예에서 영상형성소자(D10, D11, D16)의 앞 또는 뒤에 적어도 하나의 렌즈(추가 렌즈)를 더 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 20에 도시되어 있다.
도 20은 도 11의 구조에 렌즈(LS11)를 더 구비시킨 경우를 보여준다. 렌즈(LS11)는 영상형성소자(D11)의 뒤쪽에(도면상 아래에) 배치될 수 있다. 따라서, 렌즈(LS11)는 영상형성소자(D11)와 편광 빔스플리터(PT11) 사이에 배치될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 영상형성소자(D11) 앞쪽에(도면상 위쪽에) 광원부가 더 구비될 수 있다. 렌즈(LS11)는 추가적인 렌즈 또는 보조적인 렌즈라고 할 수 있다. 이러한 추가 렌즈(LS11)를 사용함으로써, 전체 광학계의 초점거리(focal length), 개구수(numerical aperture)(NA) 등을 조절할 수 있다. 여기서는, 영상형성소자(D11)의 뒤쪽에 렌즈(LS11)를 구비시킨 경우를 도시하였지만, 렌즈(LS11)는 영상형성소자(D11)의 앞쪽에(도면상 위쪽에) 배치될 수 있다. 즉, 영상형성소자(D11)는 렌즈(LS11)와 편광 빔스플리터(PT11) 사이에 배치될 수 있다. 영상형성소자(D11)의 앞과 뒤 각각에 하나 또는 복수의 렌즈를 구비시킬 수 있다. 도 20에 도시된 추가 렌즈(LS11)의 형상은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 렌즈(LS11)는 일반적인 렌즈(즉, bulk lens)이거나 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)(GP lens)일 수도 있다.
도 20과 같은 적어도 하나의 추가 렌즈(LS11)를 사용함으로써, 영상형성소자(D11)에서 형성된 제1 영상에 대한 색분산/색수차 문제를 억제 또는 방지할 수 있다. 광학계(S11)에서 상기 제1 영상, 즉, 제1 경로의 광(L11)에 대해 발생할 수 있는 색분산/색수차 문제를 추가 렌즈(LS11)를 사용해서 상쇄 또는 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 광학계(S11)에서 상기 제1 경로의 광(L11)에 대해 정(+)의 방향으로 색분산이 일어난다면, 추가 렌즈(LS11)를 사용해서 광(L11)에 대해 부(-)의 방향으로 색분산이 일어나도록 함으로써, 색분산 효과를 상쇄할 수 있다. 이를 위해 추가 렌즈(LS11)로서 일반적인 렌즈 또는 기하학적 위상 렌즈를 사용할 수 있다. 한편, 제2 경로의 광(L21)에 대해서는 광학계(S11) 자체에서 색분산 문제가 방지될 수 있다. 제2 경로의 광(L21)에 대해서는 일반적인 형태의 추가 렌즈(일반 렌즈)를 더 구비시키기가 용이하지 않을 수 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 21을 참조하면, 본 실시예의 디스플레이 장치는 영상형성소자(D12)의 '가상 이미지(virtual image)(VD12)'를 형성하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 소정의 릴레이 광학계(relay optical system)(RS10)를 사용해서, 영상형성소자(D12)의 가상 이미지(VD12)를 형성할 수 있다. 이하에서는, 영상형성소자(D12)의 가상 이미지(VD12)를 '가상 영상형성소자(VD12)'라 한다. 가상 영상형성소자(VD12)는 '이미지화된(imaged) SLM'일 수 있다. 가상 영상형성소자(VD12)는 편광 빔스플리터(PT11)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 영상형성소자(VD12)의 사이즈가 달라질 수 있다. 예컨대, 제2 초점거리(f2)가 제1 초점거리(f1)보다 큰 경우, 가상 영상형성소자(VD12)는 실제 영상형성소자(D12)보다 클 수 있다. 제1 초점거리(f1)가 제2 초점거리(f2)보다 큰 경우, 가상 영상형성소자(VD12)는 실제 영상형성소자(D12)보다 작을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 초점거리(f1, f2)를 조절함으로써, 가상 영상형성소자(VD12)의 크기를 원하는 수준으로 제어할 수 있다. 사용자는 가상 영상형성소자(VD12)를 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. 일례로, 소정의 반사부재(미도시)를 사용해서 릴레이 광학계(RS10)에서 출사된 광의 경로를 바꿔줄 수 있다. 상기 반사부재에 의해 반사된 광에 의해 가상 영상형성소자(VD12)가 형성될 수 있다. 이 경우, 릴레이 광학계(RS10)와 편광 빔스플리터(PT11) 사이의 배치 관계가 도 21과 달라질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 21의 구조에 적어도 하나의 추가 렌즈를 더 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 22에 도시되어 있다.
도 22를 참조하면, 릴레이 광학계(RS10)와 편광 빔스플리터(PT11) 사이에 렌즈(LS12)가 더 구비될 수 있다. 가상 영상형성소자(VD12)는 렌즈(LS12)에 형성되거나, 렌즈(LS12)와 인접한 영역에 형성될 수 있다. 도 22에는 가상 영상형성소자(VD12)가 렌즈(LS12)에 형성된 경우를 도시하였지만, 렌즈(LS12)의 앞 또는 뒤쪽에 형성될 수도 있다. 추가적인 렌즈(LS12)를 이용함으로써, 광학계의 초점거리(focal length), 개구수(numerical aperture)(NA) 등을 조절할 수 있다. 또한, 추가적인 렌즈(LS12)를 이용해서, 제1 경로의 광(L11)에 대한 색분산/색수차 문제를 방지 또는 억제할 수 있다.
도 1 내지 도 3, 도 7 내지 도 9, 도 11 내지 도 15 및 도 17의 실시예에서 영상형성소자(D10, D11, D16)에 연결된 영상신호처리부(image signal processor)가 더 구비될 수 있다. 그 일례가 도 23에 도시되어 있다.
도 23은 도 11의 구조에 영상신호처리부(P11)를 더 구비시킨 경우를 보여준다. 영상신호처리부(P11)는 영상형성소자(D11)에 연결될 수 있다. 영상신호처리부(P11)는 광학계(S11)에서 제1 영상, 즉, 제1 경로의 광(L11)에 대응하는 영상에 대한 색분산/색수차를 완화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학계(S11)에서 상기 제1 경로의 광(L11)에 대해 정방향으로 RGB(red-green-blue) 색분산이 일어난다면, 영상신호처리부(P11)에서 역방향으로 RGB를 분산시켜 영상형성소자(D11)에 영상신호를 입력함으로써, 색분산 효과를 상쇄시킬 수 있다. 이와 관련해서, 영상신호처리부(P11)를 이용해서 영상형성소자(D11)에 신호를 입력할 때, 영상을 각 색상별(RGB)로, 확대/축소(즉, rescaling)하는 방법을 사용할 수 있다. 또는, 영상신호처리부(P11)를 이용해서 영상형성소자(D11)에 신호를 입력할 때, 영상을 각 색상별(RGB)로, 상대적으로 이동(즉, shifting)시키는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 영상신호처리부(P11)는 일반적인 디스플레이 장치의 신호처리 기능을 모두 포함할 수 있다. 도 23에 도시하지는 않았지만, 영상형성소자(D11)의 앞/뒤 중 적어도 하나에 적어도 하나의 추가 렌즈를 적용할 수 있다.
도 24는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 24를 참조하면, 디스플레이 장치는 제1 영상을 형성하기 위한 투광성 영상형성소자(TD14)를 포함할 수 있다. 투광성 영상형성소자(TD14)는 영상을 형성하는 소자이면서 빛을 투과하는 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 투광성 영상형성소자(TD14)는 사용자의 시각 기관(10)과 사용자가 마주하는 외부의 전경 사이에 배치될 수 있다. 투광성 영상형성소자(TD14)는, 예컨대, LED(light emitting diode) 디스플레이 소자나 OLED(organic LED) 디스플레이 소자를 포함할 수 있다. 이러한 투광성 영상형성소자(TD14)는 자체 발광형 소자일 수 있다. 또한, 투광성 영상형성소자(TD14)는 특정 방향으로 편광된 광을 발산하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 투광성 영상형성소자(TD14)는 소정의 편광층 또는 편광요소를 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 시각 기관(10)과 투광성 영상형성소자(TD14) 사이에 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(LN14, LN24)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN14, LN24)를 구비할 수 있다. 제1 편광의존형 렌즈(LN14)와 투광성 영상형성소자(TD14) 사이에 제2 편광의존형 렌즈(LN24)가 구비될 수 있다.
투광성 영상형성소자(TD14)에 의해 발생된 광(L14)은 제1 경로의 광이라 할 수 있고, 투광성 영상형성소자(TD14)의 외측으로부터 투광성 영상형성소자(TD14)를 투과하도록 들어오는 광(L24)은 제2 경로의 광이라고 할 수 있다. 제1 경로의 광(L14)과 제2 경로의 광(L24)은 진행 방향은 유사하지만, 발생 위치 및 전체적인 경로가 다르기 때문에, 서로 다른 경로를 갖는다고 할 수 있다.
제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN14, LN24) 각각은 제1 경로의 광(L14)에 대해서 양(+)의 초점거리를 가질 수 있다. 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN14, LN24) 중 하나는 제2 경로의 광(L24)에 대해서 양(+)의 초점거리를 가질 수 있고, 다른 하나는 음(-)의 초점거리를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 편광의존형 렌즈(LN14, LN24)의 조합은 제1 경로의 광(L14)에 대해서 굴절력을 강화하는 역할을 할 수 있고, 제2 경로의 광(L24)에 대해서 굴절력을 상쇄하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 제1 경로의 광(L14)에 대응하는 제1 영상에 대해서 넓은 시야각을 확보할 수 있고, 제2 경로의 광(L24)에 대응하는 제2 영상에 대해서는 왜곡 문제를 방지할 수 있다.
부가해서, 본 실시예에서와 같이, 투광성 영상형성소자(TD14)를 사용하면, 다중영상 전송광학계(씨스루형 광학계)의 구성이 단순화되기 때문에, 디스플레이 장치를 소형화할 수 있다. 따라서, 컴팩트한 구성의 디스플레이 장치를 구현하는데 유리할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 편광의존형 렌즈(LN14)와 투광성 영상형성소자(TD14) 사이 또는 그 외측에 적어도 하나의 파장판 및/또는 적어도 하나의 편광자를 더 구비시킬 수 있다. 상기 파장판 및 편광자의 구성 및 역할 등은 도 7 내지 도 9, 도 12 내지 도 15 등을 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다.
도 25는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 전체적인 구조/시스템을 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 25를 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)는 영상형성소자 및 광원부 등을 포함할 수 있다. 또한, 이미지 형성부(200)에 연결된 제어부(300)가 구비될 수 있다. 사용자의 시각 기관(10)은 씨스루형 광학계(100)에 마주하도록 배치될 수 있다.
씨스루형 광학계(100)는 앞서 설명한 다중경로 광학부재(ex, M10, M15)와 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈(ex, LN10, LN20, LN15, LN25) 등을 포함할 수 있다. 이미지 형성부(200)는 앞서 설명한 영상형성소자(ex, D10, D15)를 포함할 수 있고, 필요한 경우, 릴레이 광학계(RS10)를 포함할 수 있다. 이미지 형성부(200)는 소정의 광원부를 더 포함할 수 있고, 상기 광원부는, 예컨대, 소정의 광원 및 콜리메이터 렌즈(collimator lens)를 포함할 수 있다. 제어부(300)는 이미지 형성부(200)에 연결되어 이들을 제어하는 역할을 할 수 있다. 제어부(300)는 CPU(central processing unit)와 같은 프로세서(processor)를 더 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 도 25의 디스플레이 장치는 사용자 인터페이스(user interface)를 위한 입력부 및 출력부를 더 포함할 수 있다.
도 25의 구조는 좌우 대칭적으로 한 쌍으로 구비될 수 있다. 그 일례가 도 26에 도시되어 있다.
도 26을 참조하면, 제1 씨스루형 광학계(100A) 및 이에 대응하는 제1 이미지 형성부(200A) 및 제1 제어부(300A)가 구비될 수 있다. 제1 씨스루형 광학계(100A)와 이격된 제2 씨스루형 광학계(100B)가 구비될 수 있고, 이에 대응하는 제2 이미지 형성부(200B) 및 제2 제어부(300B)가 구비될 수 있다. 제1 씨스루형 광학계(100A)는 사용자의 제1 시각 기관(10A)에 대응하도록 배치될 수 있고, 제2 씨스루형 광학계(100B)는 사용자의 제2 시각 기관(10B)에 대응하도록 배치될 수 있다. 제1 시각 기관(10A)은 사용자의 좌안일 수 있고, 제2 시각 기관(10B)은 사용자의 우안일 수 있다. 따라서, 도 26의 구조는 양안형 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
도 26에서 제1 제어부(300A)와 제2 제어부(300B)는 별도로 구비되지 않고 하나의 제어부로 통합될 수 있다. 그 예가 도 27에 도시되어 있다. 도 27을 참조하면, 하나의 제어부(300C)에 제1 및 제2 이미지 형성부(200A, 200B)가 연결될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 제어부(300C)는 유선이 아닌 무선 방식으로 이미지 형성부(200A, 200B)와 연결될 수도 있다.
다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치(다중영상/투시형 디스플레이 장치)의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 상기 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 일례로, 상기 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)에 적용될 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)에 적용될 수 있다. 도 28 내지 도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여주는 도면이다. 도 28 내지 도 30의 전자기기는 HMD, 안경형 디스플레이 등의 예시이다. 도 28 내지 도 30과 같은 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어(혹은, 연결되어) 동작될 수 있다.
부가적으로, 본원의 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치는 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 투시형 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 즉, 도 28 내지 도 30과 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 투시형 디스플레이 장치를 적용할 수 있다. 그 밖에도 본원의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 본원의 실시예에 따른 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 17 및 도 20 내지 도 24를 참조하여 설명한 광학계(렌즈계) 및 이를 포함하는 디스플레이 장치의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 광학계(렌즈계)는 2개 이상의 편광의존형 렌즈, 예컨대, 4개 혹은 그 이상의 편광의존형 렌즈를 포함할 수 있고, 파장판으로 1/2 파장판(half-wave plate) 등을 사용할 수 있으며, 편광자의 구성도 달라질 수 있다. 또한, 파장판 및 편광자의 개수, 위치, 특성 등이 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 서로 다른 특성을 갖는 복수의 편광의존형 렌즈를 사용할 수 있고, GP 렌즈가 아닌 다른 렌즈를 편광의존형 렌즈로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 디스플레이 장치의 적용 분야도 다양하게 변화될 수 있다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
L10∼L19 : 제1 경로의 광 L20∼L29 : 제2 경로의 광
LN10, LN15 : 제1 편광의존형 렌즈 LN20, LN25 : 제2 편광의존형 렌즈
D10, D15 : 영상형성소자 M10, M15 : 다중경로 광학부재
ST10, ST15 : 다중영상 전송광학계 LP11, LP21, LP31 : 편광자
WP11, WP21 : 파장판 PT11 : 편광 빔스플리터
T11 : 반투과 부재 TD14 : 투광성 영상형성소자
LS11, LS12 : 렌즈 RS10 : 릴레이 광학계
VD12 : 가상 영상형성소자 P11 : 영상신호처리부
5 : 동공 10 : 시각 기관(눈)
100 : 씨스루형 광학계 200 : 이미지 형성부
300 : 제어부

Claims (30)

  1. 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자; 및
    상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 서로 다른 경로를 통해 사용자의 시각 기관에 전달하는 다중영상 전송광학계;를 포함하고,
    상기 다중영상 전송광학계는 입사광의 편광 상태에 따라 초점거리가 달라지는 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈를 구비하고, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 상기 제1 영상 및 상기 제2 영상에 대해 광학적으로 서로 다른 특성을 갖고,
    상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈의 조합은,
    상기 제1 영상에 대해 굴절력을 강화하도록 구성되고,
    상기 제2 영상에 대해 굴절력을 상쇄하도록 구성된, 다중영상 디스플레이 장치(multi-image display apparatus).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈의 조합은,
    상기 제1 영상에 대해 양(+)의 초점거리를 갖도록 구성되고,
    상기 제2 영상에 대해 무한대 또는 실질적으로 무한대의 초점거리를 갖도록 구성된 다중영상 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 각각 통과하고,
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 각각은 상기 제1 영상의 광에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 하나(이하, 해당 렌즈)를 두 번 통과하고,
    상기 해당 렌즈는 상기 제1 영상의 광에 대해서 상기 두 번 통과시 모두 양(+)의 초점거리를 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 포함하고,
    상기 제2 영상에 해당하는 광은 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 각각 통과하고,
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 하나는 상기 제2 영상의 광에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖고, 다른 하나는 상기 제2 영상의 광에 대해서 음(-)의 초점거리를 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 각각은 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)인 다중영상 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중영상 전송광학계는 씨스루형(see-through type) 광학계이고,
    상기 제2 영상은 상기 다중영상 전송광학계를 통해서 상기 사용자가 마주하는 외부의 영상인 다중영상 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    다중경로 광학부재(multipath optical member);
    상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈; 및
    상기 적어도 두 개의 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자(polarizer) 및/또는 적어도 하나의 파장판(wave plate);을 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    상기 다중경로 광학부재와 상기 시각 기관 사이에 제1 편광의존형 렌즈;
    상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 제2 편광의존형 렌즈;
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 제1 선편광자(linear polarizer);
    상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제1 선편광자 사이에 제1 QWP(quarter-wave plate);를 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재는 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS)를 포함하고,
    상기 다중영상 전송광학계는 상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 구비된 제2 QWP를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함하고,
    상기 다중영상 전송광학계는 상기 다중경로 광학부재의 입사면 측에 순차로 구비된 제2 QWP 및 제2 선편광자를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 다중경로 광학부재는 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film)을 포함하고,
    상기 다중영상 전송광학계는 상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 다중경로 광학부재 사이에 구비된 제2 QWP; 상기 다중경로 광학부재의 제1 입사면 측에 구비된 제2 선편광자; 및 상기 다중경로 광학부재의 제2 입사면 측에 구비된 제3 선편광자;를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제2 편광의존형 렌즈는 광학적으로 서로 동일한 방향성을 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    상기 시각 기관에 마주하도록 순차로 구비된 제1 및 제2 편광의존형 렌즈;
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 하프미러(half mirror); 및
    상기 하프미러와 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 하프미러 사이에 제1 QWP;
    상기 하프미러와 상기 제2 편광의존형 렌즈 사이에 제2 QWP;
    상기 제2 편광의존형 렌즈 외측으로 이와 이격된 제1 선편광자;
    상기 제2 편광의존형 렌즈와 상기 제1 선편광자 사이에 제3 QWP;를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    상기 사용자의 시각 기관과 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 빔스플리터(beam splitter) 또는 반투과막(transflective film);을 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 다중영상 전송광학계는,
    상기 사용자의 시각 기관과 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 편광 빔스플리터(polarization beam splitter)(PBS); 및
    상기 편광 빔스플리터와 상기 제1 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 제4 QWP;를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 편광의존형 렌즈와 상기 제2 편광의존형 렌즈는 광학적으로 서로 반대의 방향성을 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상형성소자는 공간 광변조기(spatial light modulator)(SLM)를 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상형성소자의 앞 또는 뒤에 배치된 적어도 하나의 추가 렌즈를 더 포함하는 다중영상 디스플레이 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 렌즈는 상기 다중영상 전송광학계에서 상기 제1 영상에 대한 색분산을 완화시키도록 구성된 다중영상 디스플레이 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상형성소자에 연결된 영상신호처리부를 더 포함하고,
    상기 영상신호처리부는 상기 다중영상 전송광학계에서 상기 제1 영상에 대한 색분산을 완화시키도록 구성된 다중영상 디스플레이 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중영상 디스플레이 장치는 15°이상의 시야각(angle of view)을 갖는 다중영상 디스플레이 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중영상 디스플레이 장치는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하도록 구성된 다중영상 디스플레이 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중영상 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)인 다중영상 디스플레이 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중영상 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이 또는 고글형 디스플레이인 다중영상 디스플레이 장치.
  28. 제1 영상을 형성하기 위한 영상형성소자; 및
    상기 제1 영상 및 이와 다른 제2 영상을 사용자의 시각 기관에 전달하는 씨스루형(see-through type) 광학계;를 포함하고,
    상기 씨스루형 광학계는 입사광의 편광 방향에 따라 초점거리가 달라지는 제1 및 제2 편광의존형 렌즈를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 각각이 상기 제1 영상에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖거나 상기 제1 영상에 해당하는 광이 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 양(+)의 초점거리를 갖는 하나의 렌즈를 두 번 통과하는 것으로 상기 제1 영상에 대해 굴절력을 강화하도록 구성되고,
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 중 어느 하나는 상기 제2 영상에 대해서 양(+)의 초점거리를 갖고 다른 하나는 상기 제2 영상에 대해서 음(-)의 초점거리를 갖는 것으로 상기 제2 영상에 대해 굴절력을 상쇄하도록 구성되는, 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus).
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 씨스루형 광학계는,
    다중경로 광학부재(multipath optical member);
    상기 다중경로 광학부재와 상기 사용자의 시각 기관 사이에 배치된 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈; 및
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 씨스루형 광학계는,
    상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이에 배치된 반투과 부재(transflective member); 및
    상기 반투과 부재와 상기 제1 및 제2 편광의존형 렌즈 사이 또는 그 외측에 구비된 적어도 하나의 편광자 및/또는 적어도 하나의 파장판;을 포함하는 투시형 디스플레이 장치.
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