KR20110050929A - 착용형 디스플레이장치 - Google Patents

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KR20110050929A
KR20110050929A KR1020090107520A KR20090107520A KR20110050929A KR 20110050929 A KR20110050929 A KR 20110050929A KR 1020090107520 A KR1020090107520 A KR 1020090107520A KR 20090107520 A KR20090107520 A KR 20090107520A KR 20110050929 A KR20110050929 A KR 20110050929A
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문용권
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

회절광학계를 적용한 착용형 디스플레이장치를 개시한다. 개시된 착용형 디스플레이장치는, 파장대역이 서로 겹치지 않는 복수의 색광을 출사하는 광원유니트 와, 이 광원유니트로부터 내부로 입사된 광을 반사에 의해 진행시키는 도광부와 이 도광부의 일면에 다수 돌출되게 형성되어 정반사에 의해 광을 외부로 출광시키는 출광부를 구비하여 광원유니트로부터 입사되는 광이 면균일화되도록 하는 도광판을 포함한다. 도광판으로부터 패널형 광변조소자에 조사되는 광은 입력된 화상신호에 따라 변조된다. 패널형 광변조소자로부터 출사되는 광은 제1회절소자에 의해 회절되어 도파로로 커플링되어 전파된다. 도파로를 통해 전달된 광은 결상소자에 의해 결상시켜 확대된 영상으로 형성된다.

Description

착용형 디스플레이장치{Wearable display apparatus}
착용형 디스플레이장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안경이나 고글 형태의 확대 광학 장치를 통해 영상신호를 확대하여 볼 수 있도록 된 착용형 디스플레이장치에 관한 것이다.
눈에 직접 투사하는 방식의 디스플레이는 1965년 Sutherland가 “ultimate display”라고 명명하며 선보인 이래 계속 연구되어 왔다. 이 방식은 영상을 사람에게 보여준다는 목적을 달성하는 수단으로서 그 효율성이나 효과 면에서 Sutherland가 이름 붙였듯이 궁극의 방식이라고 할 만한 장점을 가지고 있다.
그러나 90년대까지도 시스템의 무게나 부피가 일상적으로 착용하기에는 무겁고 커서 군사용 또는 특수 산업용으로 개발되고 이용되어 왔을 뿐 그 용도가 일반화하지 못하였다. 그 후 90년대 들어서면서 평판 디스플레이의 발달로 시스템의 크기가 비약적으로 감소할 가능성이 열리면서 민수용 응용(application)으로 개발이 진행되었다. 이 때 주로 이동 중 또는 야외에서 대형 화면을 볼 수 있는 영상표시 장치로 용도를 설정하였으나 일부 소비층을 제외하고는 큰 반향을 일으키지는 못하였는데 아직 시스템이 충분히 작고 가볍지 않았고 무엇보다 이동 중 영상을 감 상한다는 용도가 매우 제한적인 응용(application) 이었을 뿐 사람들의 생활을 바꿀만한 영향력은 갖지 못했던 것이 큰 이유였다.
하지만 오늘날, 이러한 착용형 디스플레이의 전개와 별개로 평판 디스플레이 분야의 기술이 더욱 발전하여 소형화는 물론 고선명(HD)급 해상도와 빠른 응답특성 등 현저한 성능 향상이 이루어졌다. 또한 모바일 기기의 발달로 모바일 환경에서 다양한 영상정보를 활용하는 것이 일상화되었고 정보를 주고받기 위한 무선 솔루션의 발달과 배터리를 포함한 휴대 전원 기술도 급격하게 발전하고 있다. 즉 일상생활에서 착용형 디스플레이의 요구가 이전과 비교할 수 없을 만큼 증대되었고 또 이를 가능하게 할 기반 기술도 갖춰져 가고 있는 상황이다.
모바일 기기의 중요 이슈 중 하나는 대화면화이다. 이는 표시할 영상정보의 양과 종류가 많아져서 이를 수용하기 위해서는 큰 화면이 필요하기 때문이다. 그러나 휴대 편의상 기기 자체의 크기는 커질 수 없는 제약이 있다. 이 문제에 대한 해결책으로 접거나 구부릴 수 있는 디스플레이를 제시되고 있으나 이를 실현하는데도 많은 기술적 제약이 있을 뿐더러 접거나 만다고 해도 휴대성을 유지하려면 가능한 화면의 크기도 7인치 정도라는 한계가 있다.
착용형 디스플레이는 확대된 허상을 시야에 띄우는 방식으로서 작은 시스템 크기와 큰 화면이라는 모순을 양립할 수 있게 해주는 방법이 될 수 있다. 그러나 모바일 기기의 표시장치로서 늘 착용하고 다니는데 불편함이 없게 하려면 작고 가벼워야 한다. 대략 안경 정도의 무게와 크기 정도면 실용성이 있을 것으로 생각할 수 있다. 실용성을 확보하는 수준으로 30g 미만의 무게를 목표로 할 수 있는데 렌 즈, 프리즘 등 굴절 광학계는 원리상 무게와 부피를 줄이는데 한계가 있다. 따라서 DOE, HOE 등 회절광학계를 이용하려는 시도가 많이 이루어지고 있으며, LCD, LCoS, OLED 등 기존 패널형 표시소자에 회절광학계를 결합한 형태가 많이 연구되고 있다.
그러나 회절광학소자의 파장 선택성 때문에 파장폭이 넓은 일반적인 광원을 사용하는 경우, 회절 패턴의 반응영역에서 서로 다른 광원의 파장대역이 일부 겹쳐 칼라 크로스 토크(color cross talk) 및 고스트 이미지(Ghost image) 등이 발생하게 된다.
회절 패턴의 반응영역이 겹치지 않도록 광원유니트를 준비하여, 회절광학계의 특성을 충분히 활용한 착용형 디스플레이장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치는, 파장대역이 서로 겹치지 않는 복수의 색광을 출사하는 광원유니트와; 상기 광원유니트로부터 내부로 입사된 광을 반사에 의해 진행시키는 도광부와, 상기 도광부의 일면에 다수 돌출되게 형성되어 정반사에 의해 광을 외부로 출광시키는 출광부를 구비하여, 상기 광원유니트로부터 입사되는 광이 면균일화되도록 하는 도광판과; 입력된 화상신호에 따라 상기 도광판으로부터 조사되는 광을 변조하여 화상을 표시하는 패널형 광변조소자와; 상기 패널형 광변조소자로부터 입사되는 광을 회절시켜 광경로를 꺾어주는 제1회절소자와; 상기 제1회절소자에 의해 회절되어 입사된 광이 전파되는 도파로와; 상기 도파로를 통해 전달된 광을 결상시켜 확대된 영상을 형성하는 결상소자;를 포함한다.
상기 도광판은 제1방향으로 선편광된 광의 편광을 유지하도록 마련되며, 상기 출광부는 상기 제1방향과 나란한 출광면을 구비할 수 있다.
이때, 상기 출광부는, 역사다리꼴 라인 형태나 평행사변형 라인 형태로 형성될 수 있다.
상기 광원유니트는, 레이저광을 출사하는 적어도 하나의 레이저소자를 포함 할 수 있다.
상기 광원유니트는, 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 레이저광을 출사하는 적색, 녹색, 청색 레이저소자를 구비할 수 있다.
상기 광원유니트는, 적색 및 청색 파장 대역의 레이저광을 출사하는 적색 및 청색 레이저소자와; 녹색 파장 대역의 광을 출사하는 녹색 발광소자를 포함할 수 있다.
상기 광원유니트는, 적색광 및 청색광을 출사하는 적색 및 청색 발광소자와, 녹색광을 출사하는 녹색 레이저소자를 포함할 수 있다.
상기 광원유니트와 상기 도광판 사이에 일 선형 편광 성분의 광만이 상기 도광판으로 진행하도록 하는 편광소자;를 더 구비할 수 있다.
상기 패널형 광변조소자는, 투과형 액정표시소자이며, 상기 도광판과 상기 제1회절소자 사이에 위치할 수 있다.
상기 도광판은 제1방향으로 선편광된 광의 편광을 유지하도록 마련되고, 상기 출광부는 상기 제1방향과 나란한 출광면을 구비하며, 상기 광원유니트쪽에서 상기 도광판으로 입사되는 광은 상기 제1방향으로 선편광된 광이고, 상기 투과형 액정표시소자는, 두 개의 투명 기판; 상기 두 개의 투명 기판 사이에 마련된 액정층; 및 상기 두 개의 투명 기판 중 상기 제1회절소자쪽 투명 기판에 마련된 편광판;을 포함할 수 있다.
상기 투과형 액정표시소자는 모노 투과형이고, 상기 광원유니트는 색광별로 순차 구동될 수 있다.
상기 투과형 액정표시소자는 칼라 화상을 표시하기 위한 칼라 필터;를 더 구비하며, 상기 광원유니트 및 투과형 액정표시소자는 색광별로 순차 구동되거나, 복수 색광이 동시 구동될 수 있다.
상기 패널형 광변조소자는, 반사형 디스플레이 패널이고, 상기 도광판은, 그 출광부가 상기 패널형 광변조소자를 향하도록, 상기 패널형 광변조소자와 상기 제1회절소자 사이에 위치할 수 있다.
상기 패널형 광변조소자는 미러구동에 의해 화상을 표시하는 패널이거나 앨코스 패널일 수 있다.
상기 패널형 광변조소자는 모노 반사형이고, 상기 광원유니트는 색광별로 순차 구동될 수 있다.
상기 광원유니트는, 적외선을 출사하는 적외선 광소자;를 더 포함하며, 상기 도광판과 제1회절소자 사이나 상기 도광판의 상기 패널형 광변조소자와 반대되는 측에 인터페이스를 위한 눈 추적용 센서 어레이를 더 구비할 수 있다.
상기 제1회절소자는 각 파장대역의 색광을 각각 회절시켜 상기 도파로로 커플링시키는 복수의 홀로그램를 포함할 수 있다.
상기 결상소자는, 상기 도파로를 통해 전달된 각 파장대역의 광을 회절시켜 사용자의 눈으로 향하도록 함과 동시에 상기 패널형 광변조소자에서 만들어진 색상별 영상을 사용자의 눈에 결상시키도록 마련된 복수의 홀로그램을 포함하는 제2회절소자를 구비할 수 있다.
개시된 착용형 디스플레이 소자는, 광원유니트에 파장대역이 서로 겹치지 않도록 적어도 하나의 레이저 소자를 사용하므로, 광을 도파로로 커플링하기 위한 회절소자나 결상소자로 사용되는 회절소자의 회절 패턴의 반응영역에서 파장대역이 겹치지 않기 때문에, 칼라 크로스토크(color cross talk)나 고스트 이미지(ghost image) 등이 발생하지 않게 된다. 또한, 레이저광의 편광 특성을 유지하면서 불규칙한 면에 산란될 때 발생하는 스펙클 패턴이 생기지 않도록 광을 정반사에 의해 출광할 수 있고 콜리메이션 기능을 갖는 도광판을 사용하므로, 레이저광의 편광 특성을 유지하면서도 정반사에 의해 패널에 고르게 분포시킬 수 있으므로, 회절소자로의 커플링 효율이 좋으며, 통상적인 렌즈 타입의 콜리메이션 광학계가 불필요하여 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여주며, 도 2는 도 1의 표시 영상 형성부분을 확대하여 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 착용형 디스플레이장치는, 광원유니트(10)와, 입력된 화상신호에 따라 광을 변조하여 화상을 표시하는 패널형 광변조소자(50)와, 광원유니트(10)로부터 입사되는 광이 면균일화되어 패널형 광변조소자(50)에 조사되도록 하는 도광판(30)과, 제1회절소자(70)와, 도파로(80)와, 결상소자(90)를 포함한다.
광원유니트(10)는, 파장대역이 서로 겹치지 않는 복수 파장대역의 광을 출사하도록 마련된다. 광원유니트(10)는, 레이저광을 출사하는 적어도 하나의 레이저소 자 즉, 반도체 레이저를 포함하여, 복수의 광소자 예컨대, 도 2에서와 같이, 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 광을 출사하도록 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)를 포함할 수 있다. 이 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)는 순차 구동되거나 동시 구동될 수 있다. 여기서는, 착용형 디스플레이장치가 적색, 녹색, 청색광을 이용하여 칼라 영상을 디스플레이하도록 된 경우를 예를 들어 설명하지만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 4 색상 이상의 칼라 영상을 디스플레이하도록 형성될 수도 있다.
보다 구체적인 예로서, 광원유니트(10)는 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로 레이저광을 출사하는 적색, 녹색, 청색 레이저소자를 포함할 수 있다. 또한, 광원유니트(10)는 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로 적색 및 청색 파장 대역의 레이저광을 출사하는 적색 및 청색 레이저 소자와, 녹색 파장대역의 광을 출사하는 녹색 발광소자(LED)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광원유니트(10)는, 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로 적색광 및 청색광을 출사하는 적색 및 청색 발광소자와, 녹색광을 출사하는 녹색 레이저소자를 구비할 수 있다.
이와 같이, 광원유니트(10)는 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 삼색광을 출사하도록 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)를 포함할 수 있으며, 이때, 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로 모두 레이저소자를 구비하거나, 적색 및 청색 광소자(11)(15)로 레이저소자를 구비하고 녹색 광소자(13)로 발광소자를 구비하거나, 적색 및 청색 광소자(11)(15)로 발광소자를 구비하고 녹색 광소자(13)로 레이저소자를 구비할 수 있다.
적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로 모두 레이저소자를 구비하는 경우, 레이저소자의 파장 선폭이 좁기 때문에, 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)로부터 출사된 색광의 파장대역이 서로 겹치지 않는다.
적색 및 청색 광소자(11)(15)로 레이저소자를 구비하고 녹색 광소자(13)로 발광소자를 구비하는 경우에도, 녹색 광소자(13)로 사용되는 발광소자의 파장 선폭은 넓지만, 적색 및 청색 광소자(11)(15)로 사용되는 레이저 소자의 파장 선폭이 작기 때문에, 마찬가지로, 색광들의 파장대역이 서로 겹치지 않는다.
또한, 적색 및 청색 광소자(11)(15)로 발광소자를 구비하고 녹색 광소자(13)로 레이저소자를 구비하는 경우에도, 파장 스펙트럼에서 양측에 위치하는 적색 및 청색 광소자(11)(15)의 파장 선폭은 넓지만, 가운에 위치하는 녹색 광소자(13)의 파장 선폭이 작기 때문에, 마찬가지로, 색광들의 파장대역이 서로 겹치지 않는다.
이와 같이, 광원유니트(10)는 적어도 하나의 레이저소자를 포함하면서, 색광들의 파장대역이 서로 겹치지 않도록 구성될 수 있다. 즉, 가장 짧은 파장대역과 가장 긴 파장대역을 발광소자를 이용하면서, 가운데 파장대역은 레이저소자를 이용하도록 광원유니트(10)를 구성할 수 있다. 또한, 서로 다른 파장대역의 레이저소자 사이의 파장대역을 발광소자를 이용하도록 광원유니트(10)를 구성할 수도 있다.
색광들의 파장대역이 서로 겹치지 않도록 광원유니트(10)를 구성하면, 회절소자 예컨대, 제1회절소자(70) 및 결상소자(90)로서의 제2회절소자의 회절 패턴의 반응영역에서 파장대역이 겹치지 않기 때문에, 칼라 크로스토크(color cross talk)나 고스트 이미지(ghost image) 등이 발생하지 않게 되어, 통상적인 렌즈 없이 회 절소자만을 적용한 착용형 디스플레이를 실현할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도광판(30)의 실시예들을 보여준다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도광판(30)은 광원유니트(10)로부터 측면을 통하여 입사된 광이 각 면에서의 내부 전반사를 통하여 면균일화되어 출광되어 패널형 광변조소자(50)에 조사되도록 마련된다. 도광판(30)은 광원유니트(10)로부터 내부로 입사된 광을 반사에 의해 진행시키는 도광부(31)와, 도광부(31)의 일면에 다수 돌출되게 형성되어 도광부(31)로부터 입사된 광을 정반사(正反射, specular reflection)에 의해 외부로 출광시키는 출광부(33)를 포함한다. 정반사는 입사된 광이 일정한 방향으로 반사되어 나가는 것을 말한다. 이 도광판(30)은 출사되는 광의 휘도가 가능한 균일하도록, 출광부(33)는 광원유니트(10)에서 멀어질수록 조밀해지는 분포를 가질 수 있다. 즉, 광원유니트(10)에서 먼 위치에 형성되는 출광부(33)의 개수를 광원유니트(10)에서 가까운 위치에 형성되는 출광부(33) 개수보다 많게 형성할 수 있다. 또한, 광원유니트(10)에서 멀어질수록 출광부(33)의 크기가 더 커지는 형태가 될 수도 있다. 도광판(30)은 투명 재질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(30)은 투명하며 플렉서블한 재질인 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane)이 사용될 수 있다.
도광판(30)의 출광부(33)는 정반사(正反射, specular reflection)를 일으키도록 도광부(31)에 대해 경사진 내부 전반사면(33a)을 구비하여, 제1방향으로 선편광된 광의 편광을 유지하여, 출광면(33b)(33b)을 통해 광을 출사시키는 형태로 구성된다. 제1방향은 내부 전반사면(33a) 및 출광면(33b)(33b)에 평행한 방향으로, 출광부(33)는 이 제1방향으로 라인 형태로 형성될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 출광부(33)는 광을 출사시키는 출광면(33b)의 단면적이 도광부(31)로부터의 광이 입사하는 부분의 단면적보다 큰 형상 즉, 역사다리꼴의 라인 형태로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 도 3b에 보인 바와 같이, 출광부(33)는 광을 출사시키는 출광면(33b)의 단면적이 도광부(31)로부터의 광이 입사하는 부분의 단면적과 같은 형상 즉, 평행사변형의 라인 형태로 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2를 비롯하여 착용형 디스플레이장치의 실시예를 설명하기 위해 보인 도면들에서는, 출광부(33)가 도 3a에서와 같이, 역사다리꼴 라인 형태인 경우를 예를 들어 도시한다.
이와 같이, 도광판(30)이 역사다리꼴 또는 평행사변형 형태의 출광 구조물을 가지면, 불규칙 산란이 아닌 각 면에 의해 내부 전반사만으로 입사된 광을 출광시킬 수 있다. 따라서, 이러한 출광 구조물의 형태에 의해 도광판(30) 내부로 입사된 광은 출광면(33b)에 평행한 방향으로 선편광된 광의 편광 특성을 유지할 수 있으며, 불규칙한 면에서 산란될 때 발생하는 스펙클(speckle) 패턴이 생기지 않게 되어, 레이저소자를 디스플레이장치의 광원으로 사용하는 것을 가능하게 한다.
상기 패널형 광변조소자(50)는, 입력된 화상신호에 따른 상기 도광판(30)으로부터 조사되는 광을 변조하여 화상을 표시한다. 패널형 광변조소자(50)로, 도 도 4a 및 도 4b에서와 같이 투과형 셔터로서 투과형 액정표시소자(50')(50")를 적용할 수 있다.
패널형 광변조소자(50)로 투과형 액정표시소자(50')(50")를 적용하는 경우, 이 패널형 광변조소자(50)는 도 1에서와 같이, 도광판(30)과 제1회절소자(70) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 광원유니트(10) 및 도광판(30)은 백라이트 유닛(Back Light Unit:BLU)으로 역할을 한다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 착용형 디스플레이장치에 패널형 광변조소자(50)로 적용될 수 있는 투과형 액정표시소자(50')(50")의 실시예들을 보여준다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 투과형 액정표시소자(50')(50")는, 두 개의 투명 기판(53)(57), 이 두 개의 투명 기판(53)(57) 사이에 마련된 액정층(55) 및 출사측 투명 기판(57)에 마련된 편광판(59)을 포함한다. 출사측 투명 기판(57)은 제1회절소자(70)쪽을 향하는 투명 기판이다.
광원유니트(10)에 서로 다른 파장 대역의 색광을 출사하는 복수의 광소자(11)(13)(15)로 모두 레이저소자를 적용하고, 이 광원유니트(10)로부터 제1방향으로 선편광된 광이 도광판(30)으로 입사되는 경우, 도광판(30)은 광을 콜리메이팅하는 동시에 편광을 깨지 않으면서 출광 방향을 조절할 수 있으므로, 투과형 액정표시소자는 출사측에만 편광판(59)을 필요로 하며, 입사측에는 편광판(51)이 불필요하게 된다. 도 4a 및 도 4b에서는 입사측 편광판(51)이 불필요한 경우를 고려하여, 편광판(51)을 점선으로 표시하였다.
도 4a에서는, 투과형 액정표시소자(50')가 칼라 필터를 가지지 않는 모노(mono) 구조로 형성된 예를 보여준다.
예를 들어, 도 2에 보여진 광원유니트(10)를 구성하는 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)를 순차(sequential) 구동하면, 모노 투과형 액정표시소자(50')로 칼라 화상을 디스플레이할 수 있다.
도 4b에서는 투과형 액정표시소자(50")가 칼라 필터(56)를 가지는 예를 보여준다.
이 경우, 예를 들어, 도 2에 보여진 광원유니트(10)를 구성하는 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)를 동시 구동하여, 투과형 액정표시소자(50")로 칼라 화상을 디스플레이할 수 있다. 물론, 투과형 액정표시소자(50")가 칼라 필터(56)를 가지는 경우에도, 광원유니트(10)를 구성하는 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)를 순차 구동할 수 있다.
한편, 광원유니트(10)를 이루는 모든 광소자(11)(13)(15)로 레이저 소자를 구비하는 대신에, 적어도 하나의 발광소자를 포함하거나, 광소자로 사용되는 복수의 레이저소자의 출사 광의 편광 방향이 서로 다르거나, 모든 광소자(11)(13)(15)로 레이저 소자를 구비하지만, 이 레이저 소자로부터 출사되는 레이저광의 편광 방향이 제1방향에 대해 각도를 이루는 경우, 도 4a 및 도 4b에 점선으로 도시한 바와 같이 투과형 액정표시소자의 입사측 투명 기판(53)에 편광판(51)을 더 구비하거나, 도 5에서와 같이 광원유니트(10)와 도광판(30) 사이에 편광소자(20)를 더 구비할 수 있다. 편광소자(20)는 광원유니트(10)와 일체로 형성될 수도 있다.
여기서, 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 경우, 편광소자(20)로 제1방향으로 선편광된 광만을 통과시키는 선형 편광기를 구비하거나, 광원유니트(10)로부터 출사된 광을 모두 제1방향으로 선편광된 광으로 바꾸어주는 편광변환유닛을 구비할 수 있다. 또한, 광원유니트(10)가 모든 광소자(11)(13)(15)로 동일 편광이 레 이저광을 출사하는 레이저 소자를 구비하지만, 이 출사 레이저광의 편광방향이 제1방향과 각도를 이루는 경우, 레이저광의 편광 방향이 제1방향으로 되도록 편광면을 회전시키는 파장판을 구비할 수도 있다.
한편, 도 1 및 도 5에 보여진 착용형 디스플레이장치에서는, 패널형 광변조소자(50)가 투과형인 경우를 보여주는데, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치는, 도 6에서와 같이, 패널형 광변조소자(150)로 반사형 디스플레이 패널을 구비할 수도 있다. 이때, 상기 패널형 광변조소자(150)를 모노 반사형으로 준비하고, 광원유니트(10)를 색광별로 순차 구동할 수 있다. 또한, 상기 패널형 광변조소자(150)는 칼라 화상을 표시하도록 마련하고, 광원유니트(10) 및 패널형 광변조소자(150)는 색광별로 순차 구동하거나, 복수 색광을 동시 구동할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 도광판(30)은 도 6 및 도 7에 보인 바와 같이, 출광부(33)가 패널형 광변조소자(150)를 향하도록 패널형 광변조소자(150)와 제1회절소자(70) 사이에 위치할 수 있다. 도 6 및 도 7에서 도광판(30)은 도 1 및 도 5의 투과타입인 패널형 광변조소자(150)를 적용한 경우에 대해, 뒤집힌 상태의 배치를 가진다.
상기 패널형 광변조소자(150)로는 미러구동에 의해 화상을 표시하는 패널(이러한 패널을 DMD(Digital Mirror Device)나 DLP(Digital Light Processing)로 표현한다)이나 앨코스(LCoS) 패널 등의 반사형 액정표시소자를 사용할 수 있다.
이와 같이 반사 타입의 패널형 광변조소자(150)를 적용하는 경우, 광이 패널형 광변조소자(150) 윗면에서 조명되고 패널형 광변조소자(150)에서 변조되어 반사 된 광이 영상을 형성하는 방식으로 작동하므로, 광원유니트(10) 및 도광판(30)은 프론트 라이트 유닛(FLU:Front Light Unit)으로서 역할을 한다.
이때, 도광판(30)은 투명한 재질로 형성되므로, 패널형 광변조소자(150)에서 반사되어 나오는 광에 대해서는 투명체로 작용하여, 이 반사광을 방해하지 않고 그대로 통과시킬 수 있다. 패널형 광변조소자(150)로 미러구동에 의해 화상을 표시하는 패널을 적용한 경우, 도광판(30)의 출광부(33)의 내부 전반사면(33a)이 도광부(31)에 대해 기울어진 각도를 변경하여, 도광판(30)으로부터 광이 패널형 광변조소자에 비스듬히 입사되고 반사되어 면에 수직한 방향으로 진행하도록 할 수 있다. 패널형 광변조소자(150)로 앨코스 등의 반사형 액정표시소자를 적용한 경우에는, 도광판(30)은 투과 타입의 패널형 광변조소자(150)를 적용한 경우와 마찬가지로 설계될 수 있다.
한편, 도 1, 도 5 및 도 6의 착용형 디스플레이장치에 있어서, 패널형 광변조소자(50 또는 150)에 의해 변조되어 화상 정보를 나타내는 광은 제1회절소자(70)에 의해 회절되어 도파로(80)로 커플링된다.
제1회절소자(70)는 각 파장대역의 색광을 각각 회절시켜 도파로(80)로 커플링시키도록 복수의 홀로그램(71)(73)(75)을 구비할 수 있다. 도 1, 도 5 및 도 6에서는, 광원유니트(10)가 적색, 녹색 및 청색 광소자(11)(13)(15)를 구비할 때, 적색, 녹색 및 청색광을 각각 회절시켜 도파로(80)로 커플링시키도록 적색, 녹색 및 청색광용 홀로그램(71)(73)(75)을 구비한 예를 보여준다.
도파로(80)로 커플링된 광은 도파로(80) 내부를 내부 전반사에 의해 전파하 여, 결상소자(90)로 입사한다.
본 발명의 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치에서는, 결상소자(90)로 도파로(80)를 통해 전달된 각 파장대역의 광을 회절시켜 예를 들어, 사용자의 눈으로 향하도록 함과 동시에, 패널형 광변조소자(50 또는 150)에서 만들어진 색상별 영상을 눈에 결상시키도록 마련된 복수의 홀로그램(91)(93)(95)을 포함하는 제2회절소자(이하에서는 결상소자(90)를 제2회절소자(90)로 표현한다)를 구비할 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 홀로그램은 회절에 의해 입사되는 광의 경로를 변경하고, 렌즈로서 기능을 하도록 형성될 수 있다.
도 1, 도 5 및 도 6에서는, 광원유니트(10)가 적색, 녹색 및 청색 광소자(11)(13)(15)를 구비할 때, 적색, 녹색 및 청색광을 각각 회절시켜 적색, 녹색 및 청색 영상을 결상시키도록 제2회절소자(90)를 제1회절소자(70)와 마찬가지로, 적색, 녹색 및 청색광용 홀로그램(91)(93)(95)을 포함하도록 구성한 예를 보여준다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 착용형 디스플레이장치에 따르면, 광원유니트(10)에 파장대역이 서로 겹치지 않도록 적어도 하나의 레이소자를 사용하며, 레이저광의 편광 특성을 유지하면서 불규칙한 면에 산란될 때 발생하는 스펙클 패턴이 생기지 않도록 광을 정반사에 의해 출광할 수 있어 즉, 출광 방향을 조절할 수 있어 콜리메이션 기능을 갖는 도광판(30)을 사용한다. 이에 따라, 광을 도파로(80)로 커플링하기 위한 제1회절소자(70)나 결상소자로 사용되는 제2회절소자(90)의 회절 패턴의 반응영역에서 파장대역이 겹치지 않기 때 문에, 칼라 크로스토크(color cross talk)나 고스트 이미지(ghost image) 등이 발생하지 않게 된다. 또한, 레이저광은 단색광으로 색분산이 거의 없고, 회절 패턴에서 커플링 효율이 최대로 될 수 있으며, 색순도 또한 좋기 때문에 레이저광을 사용함으로써 디스플레이의 색표현 영역이 넓어질 수 있다. 또한, 도광판(30)에 의해 레이저광의 편광 특성을 유지하면서도 정반사에 의해 패널에 고르게 분포시킬 수 있으므로, 통상적인 렌즈 타입의 콜리메이션 광학계가 불필요하므로, 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다. 또한, 상기 도광판(30)은 투과형 패널과 반사형 패널에 모두 적용 가능하므로, 백라이트 유닛이나 프론트 라이트 유닛을 실현할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치는, 눈 추적(eye tracking)이 가능하도록 광학계를 구성할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 눈 추적이 가능한 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여주며, 도 9는 도 8의 표시 영상 형성부분을 확대하여 보여준다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 눈 추적이 가능한 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여준다. 도 8 내지 도 10에서 도 1 및 도 2와 실질적으로 동일 기능을 하는 부재는 동일 참조부호로 나타내고 그 반복적인 설명을 생략한다.
도 8 내지 도 10과 도 1 및 도 2를 비교하면, 눈 추적이 가능한 착용형 디스플레이장치는, 광원유니트(10)에 비해, 예컨대, 적색, 녹색, 청색 광소자(111)(113)(115)에 부가하여, 눈 추적에 사용되는 적외선을 출사하는 적외선 광소자(117)를 더 포함하는 광원유니트(110)를 구비하며, 도광판(30)과 제1회절소자(170) 사이나 도광판(30)의 패널형 광변조소자(50)와 반대되는 측에 인터페이스 를 위한 눈 추적용 센서 어레이(200)를 더 구비할 수 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 제1회절소자(70)에 대응하는 제1회절소자(170)는 영상 표시용 색광을 도파로(80)로 커플링시키기 위한 홀로그램(171)(173)(175)에 부가하여 눈 추적용 적외선을 도파로(80)로 커플링시키기 위한 홀로그램(177)을 더 구비하도록 마련될 수 있다. 제2회절소자(90)에 대응하는 결상소자로서의 제2회절소자(190)는 영상 표시용 색광을 결상시키기 위한 홀로그램(191)(193)(195)에 부가하여 눈 추적용 적외선을 결상시키기 위한 홀로그램(197)을 더 구비하도록 마련될 수 있다.
이때, 적색, 녹색, 청색 광소자(111)(113)(115)는 전술한 적색, 녹색, 청색 광소자(11)(13)(15)에 대응한다. 홀로그램(171)(173)(175)은 전술한 홀로그램(71)(73)(75)에 대응하며, 홀로그램(191)(193)(195)은 전술한 홀로그램(91)(93)(95)에 대응한다.
도 10에서 눈 추적용 센서 어레이(200)는 패널형 광변조소자(50)에 일체화되는 형태로 패널형 광변조소자(50)과 도광판(30) 사이에 위치하는 것으로 보여준다. 예를 들어, 이 눈 추적용 센서 어레이(200)는, 패널형 광변조소자(50) 구동을 위한 회로 예컨대, 투과형 액정표시소자의 액정층 구동을 위한 TFT가 형성된 기판 예컨대, 도 4a 및 도 4b의 투명 기판(53 또는 57)에 임베디드(embedded)될 수 있다. 물론, 눈 추적용 센서 어레이(200)는 패널형 광변조소자(50)와 별도로 형성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여준다.
도 2는 도 1의 표시 영상 형성부분을 확대하여 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 도광판의 실시예들을 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 패널형 광변조소자의 실시예들을 보여준다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여준다.
도 7은 도 6의 표시 영상 형성부분을 확대하여 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 눈 추적이 가능한 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여준다.
도 9는 도 8의 표시 영상 형성부분을 확대하여 보여준다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 눈 추적이 가능한 착용형 디스플레이장치의 개략적인 구성을 보여준다.

Claims (20)

  1. 파장대역이 서로 겹치지 않는 복수의 색광을 출사하는 광원유니트와;
    상기 광원유니트로부터 내부로 입사된 광을 반사에 의해 진행시키는 도광부와, 상기 도광부의 일면에 다수 돌출되게 형성되어 정반사에 의해 광을 외부로 출광시키는 출광부를 구비하여, 상기 광원유니트로부터 입사되는 광이 면균일화되도록 하는 도광판과;
    입력된 화상신호에 따라 상기 도광판으로부터 조사되는 광을 변조하여 화상을 표시하는 패널형 광변조소자와;
    상기 패널형 광변조소자로부터 입사되는 광을 회절시켜 광경로를 꺾어주는 제1회절소자와;
    상기 제1회절소자에 의해 회절되어 입사된 광이 전파되는 도파로와;
    상기 도파로를 통해 전달된 광을 결상시켜 확대된 화상을 형성하는 결상소자;를 포함하는 착용형 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도광판은 제1방향으로 선편광된 광의 편광을 유지하도록 마련되며,
    상기 출광부는 상기 제1방향과 나란한 출광면을 구비하는 착용형 디스플레이장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 출광부는, 역사다리꼴 라인 형태나 평행사변형 라인 형태로 형성된 착용형 디스플레이장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광원유니트는, 레이저광을 출사하는 적어도 하나의 레이저소자를 포함하는 착용형 디스플레이장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광원유니트는, 적색, 녹색, 청색 파장 대역의 레이저광을 출사하는 적색, 녹색, 청색 레이저소자를 구비하는 착용형 디스플레이장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 광원유니트는,
    적색 및 청색 파장 대역의 레이저광을 출사하는 적색 및 청색 레이저소자와;
    녹색 파장 대역의 광을 출사하는 녹색 발광소자를 포함하는 착용형 디스플레이장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광원유니트와 상기 도광판 사이에 일 선형 편광 성분의 광만이 상기 도광판으로 진행하도록 하는 편광소자;를 더 구비하는 착용형 디스플레이장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 광원유니트는, 적색광 및 청색광을 출사하는 적색 및 청색 발광소자와, 녹색광을 출사하는 녹색 레이저소자를 포함하는 착용형 디스플레 이장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광원유니트와 상기 도광판 사이에 일 선형 편광 성분의 광만이 상기 도광판으로 진행하도록 하는 편광소자;를 더 구비하는 착용형 디스플레이장치.
  10. 제1항 내지 제5항, 제7항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패널형 광변조소자는, 투과형 액정표시소자이며, 상기 도광판과 상기 제1회절소자 사이에 위치하는 착용형 디스플레이장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 도광판은 제1방향으로 선편광된 광의 편광을 유지하도록 마련되고, 상기 출광부는 상기 제1방향과 나란한 출광면을 구비하며,
    상기 광원유니트쪽에서 상기 도광판으로 입사되는 광은 상기 제1방향으로 선편광된 광이고,
    상기 투과형 액정표시소자는,
    두 개의 투명 기판;
    상기 두 개의 투명 기판 사이에 마련된 액정층; 및
    상기 두 개의 투명 기판 중 상기 제1회절소자쪽 투명 기판에 마련된 편광판;을 포함하는 착용형 디스플레이장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 투과형 액정표시소자는 모노 투과형이고,
    상기 광원유니트는 색광별로 순차 구동되는 착용형 디스플레이장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 투과형 액정표시소자는 칼라 화상을 표시하기 위한 칼라 필터;를 더 구비하며,
    상기 광원유니트 및 투과형 액정표시소자는 색광별로 순차 구동되거나, 복수 색광이 동시 구동되는 착용형 디스플레이장치.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패널형 광변조소자는, 반사형 디스플레이 패널이고,
    상기 도광판은, 그 출광부가 상기 패널형 광변조소자를 향하도록, 상기 패널형 광변조소자와 상기 제1회절소자 사이에 위치하는 착용형 디스플레이장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 패널형 광변조소자는 미러구동에 의해 화상을 표시하는 패널이거나 앨코스 패널인 착용형 디스플레이장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 패널형 광변조소자는 모노 반사형이고,
    상기 광원유니트는 색광별로 순차 구동되는 착용형 디스플레이장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 패널형 광변조소자는 칼라 화상을 표시하도록 마련되 고,
    상기 광원유니트 및 패널형 광변조소자는 색광별로 순차 구동되거나, 복수 색광이 동시 구동되는 착용형 디스플레이장치.
  18. 제10항에 있어서, 상기 광원유니트는, 적외선을 출사하는 적외선 광소자;를 더 포함하며,
    상기 도광판과 제1회절소자 사이나 상기 도광판의 상기 패널형 광변조소자와 반대되는 측에 인터페이스를 위한 눈 추적용 센서 어레이를 더 구비하는 착용형 디스플레이장치.
  19. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1회절소자는 각 파장대역의 색광을 각각 회절시켜 상기 도파로로 커플링시키는 복수의 홀로그램를 포함하는 착용형 디스플레이장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 결상소자는, 상기 도파로를 통해 전달된 각 파장대역의 광을 회절시켜 사용자의 눈으로 향하도록 함과 동시에 상기 패널형 광변조소자에서 만들어진 색상별 영상을 사용자의 눈에 결상시키도록 마련된 복수의 홀로그램을 포함하는 제2회절소자를 구비하는 착용형 디스플레이장치.
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