KR20170084682A - 컴파운드 렌즈 및 이를 포함한 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20170084682A
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드미트리 예브게니예비치 피스쿠노브
류재열
니콜라이 빅토르비크 무라브예브
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삼성전자주식회사
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Abstract

컴파운드 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다.
개시된 컴파운드 렌즈는 중앙 이미지에서 더 높은 해상도를 제공하고, 주변 이미지 영역에서 더 낮은 해상도를 제공하여 이미지 품질을 개선할 수 있다. 컴파운드 렌즈는 중앙 렌즈부와 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 중앙 렌즈부를 둘러싸고, 중앙 렌즈부가 제1 초점 거리를 가지며, 적어도 하느이 주변 렌즈부가 제2 초점 거리를 가지며, 제1 초점 거리가 제2 초점 거리보다 길다.

Description

컴파운드 렌즈 및 이를 포함한 디스플레이 장치{Compound lens and display device having the same}
예시적인 실시예들은 디스플레이 기술에 관한 것으로, 특히 다른 해상도(다른 픽셀 밀도)를 가지는 영상을 형성하는데 사용되는 컴파운드 렌즈를 포함하고, 그럼으로써 시청자에 의해 감지되는 3D 효과를 강화하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
가상 현실 장치는 보통 헬멧 또는 안경으로 구성되고 이러한 장치를 착용한 사용자의 각 눈 앞에 광학 장치를 가진다. 또한 내장된 마이크로 디스플레이를 가지는 것으로, 사용자의 한쪽 눈에만 광학 장치를 가지는 단안용(monocular) 장치가 있다. 대부분의 경우에, 종래 가상 현실 헬멧 또는 안경이 디스플레이와 사람의 각 눈 앞에 있는 하나의 렌즈로 구성된다. 렌즈는 사람 눈의 망막 상에 디스플레이에 의해 형성된 이미지를 투사하는 접안 렌즈로서 역할을 한다.
잘 알려진 장치는 사용자의 머리에 착용되고 각 눈 앞에 있는 광학 장치, 디스플레이, 광학 장치와 디스플레이의 탑재와 이동을 위한 기계 부품을 가지는 프레임을 가진다. 광학 장치는 사용자의 각 눈 앞에 있는 접안렌즈를 나타낸다. 적어도 하나의 렌즈로 구성된 좌안 접안 렌즈가 사용자의 좌안에 디스플레이의 반절에 의해 형성된 이미지를 투영한다. 우안 접안 렌즈가 사용자의 우안에 대해 동일한 방식으로 동작한다.
하지만, 상술된 렌즈들이 중앙 이미지 영역과 주변 이미지 영역에 대략적으로 같은 해상도를 제공하도록 설계된다. 특히, 주변 이미지 영역의 해상도가 사람 눈의 해상도보다 더 높은데 비해, 중앙 이미지 영역의 해상도가 사람 눈의 해상도보다 상당히 낮다. 그러므로, 이러한 렌즈들이 주변 이미지 영역에서 과도한 해상도를 만들고 중앙 이미지 영역에서 불충분한 해상도를 만든다. 그럼으로써 디스플레이된 이미지들의 샤프니스(sharpness)를 감소시키고, 시청자에게 3D 장면의 느낌을 떨어뜨린다.
예시적인 실시예들은 중앙 이미지 영역에서 더 높은 해상도를, 주변 이미지 영역에서 더 낮은 해상도를 제공하여 화질을 개선하는 컴파운드 렌즈를 제공한다.
예시적인 실시예들은 중앙 이미지 영역에서 더 높은 해상도를, 주변 이미지 영역에서 더 낮은 해상도를 제공하여 화질을 개선하는 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는, 제1초점 거리를 가지는 중앙 렌즈부, 및 제2초점 거리를 가지고, 상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 제1초점거리가 제2초점거리보다 길 수 있다.
상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심 초점면을 가질 수 있다.
상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 PMMA, 글라스, 또는 광학 플라스틱으로 구성될 수 있다.
상기 중앙 렌즈부가 원형 형상을 가지고 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 환형 형상을 가질 수 있다.
상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심원적으로 배열될 수 있다.
상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 함께 프레넬 렌즈를 형성할 수 있다.
상기 중앙 렌즈부가 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈, 정의 메니스커스 렌즈, 부의 메니스커스 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 광학 회절 소자 또는 광학 홀로그래픽 소자로 구성될 수 있다.
상기 중앙 렌즈부 및 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부 중 적어도 하나가 렌즈 투명도를 증가시키도록 구성된 전반사 필름으로 코팅될 수 있다.
상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 복수 개의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 복수 개의 주변 렌즈가 초점 거리 fi(여기서, i는 주변 렌즈부의 개수, i=1,2,3,...,n)를 가지고, f0>f1>f2>f3>...>fn(여기서, f0가 상기 중앙 렌즈부의 제1초점 거리)를 만족하며, 상기 중앙 렌즈부와 복수 개의 주변 렌즈부가 일치하는 초점 면을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 프레임; 상기 프레임에 탑재되고, 시청자에게 표시될 이미지를 선택하도록 구성된 프로세서; 상기 프레임에 부착되고 상기 프로세서에 의해 선택된 이미지를 표시하도록 구성된 디스플레이; 및 두 개의 컴파운드 렌즈들:을 포함하고,
상기 두 개의 컴파운드 렌즈들 각각이 제1초점 거리를 가지는 중앙 렌즈부, 및 제2초점 거리를 가지고, 상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 제1초점거리가 제2초점거리보다 길다.
상기 각 컴파운드 렌즈가 시청자 눈의 각 눈에 마주보는 프레임의 위치에 설치되고, 시청자 눈의 각 눈에 표시된 이미지의 반을 투영하도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 장치가 상기 컴파운드 렌즈의 광축에 대해 수직하게 컴파운드 렌즈를 움직임으로써 시청자를 위해 양안 사이의 거리를 조절하도록 구성된 제1 조정 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치가, 상기 컴파운드 렌즈의 광축을 따라 컴파운드 렌즈를 움직임으로써 시청자의 눈의 굴절 에러를 보상하도록 디스플레이와 컴파운드 렌즈 사이의 거리를 변경하는 제2 조정 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서가 디스플레이에 의해 표시된 이미지를 예비적으로 왜곡하여 컴파운드 렌즈에 의해 제공된 이미지 왜곡을 보상하도록 구성될 수 있다.
도 1은 시야각의 기능으로서 사람의 눈, 종래 렌즈와 컴파운드 렌즈의 해상도를 보인 것이다.
도 2는 종래 싱글 렌즈의 레이아웃을 보인 것이다.
도 3은 다른 초점 거리를 가진 중앙 렌즈부와 주변 렌즈부를 가진 싱글 렌즈를 보인 것이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈를 나타낸 것이다.
도 5는 주평면(principle plane)을 가진 메니스커스 렌즈를 보인 것이다.
도 6은 주평면을 가진 양볼록 렌즈를 보인 것이다.
도 7a-7x는 다양한 실시예에 따른 컴파운드 렌즈를 보인 것이다.
도 8은 제로 왜곡을 가진 컴파운드 렌즈용 왜곡 그리드를 보인 것이다.
도 9는 풀필 조건의 이미지 더블링이 없는 컴파운드 렌즈용 왜곡 그리드를 보인 것이다.
도 10은 이미지 더블링을 가진 컴파운드 렌즈용 왜곡 그리드를 보인 것이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에서의 광선 경로를 보인 것이다.
도 12는 윗부분이 잘린 콘 형상의 이미지 더불링 방지 후드를 가진 컴파운드 렌즈를 도시한 것이다.
도 13a-13b는 디스플레이에 표시된 예비 왜곡 이미지와 사람 눈에 의해 감지된 이미지를 보인 것이다.
도 14a-14b는 종래의 싱글 렌즈와 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 이미지의 비교 결과를 보인 것이다.
도 15는 변형 이미지를 형성하기 위한 예비 왜곡 알고리즘을 위한 프로우차트를 보인 것이다.
도 16은 렌즈를 통해 이상적인 광선과 실제 광선의 광선 추적을 보인 것이다.
도 17은 이상적인 광선과 현실 광선 사이의 관계를 보인 것이다.
도 18은 변형 이미지와 오리지널 이미지 사이의 관계를 보인 것이다.
도 19는 예비 왜곡 알고리즘의 결과를 보인 것이다.
도 20은 다름 초점 거리를 가지는 세 개의 환형 렌즈부를 가지는 컴파운드 렌즈의 정면도를 나타낸 것이다.
도 21은 비대칭 렌즈부를 가지는 컴파운드 렌즈의 정면도를 보인 것이다.
도 22는 두 개의 환형 회절 소자로 구성된 컴파운드 렌즈를 보인 것이다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 보인 것이다.
도 24는 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈의 광학계를 보인 것이다.
도 25는 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈의 수치를 도시한 것이다.
도 26은 화각에서의 각도 분해능의 의존성을 보인 것이다.
도 27은 주파수에서의 MTF의 의존성을 보인 것이다.
도 28은 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 왜곡 그리드를 보인 것이다.
이하, 예시적인 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그라나, 본 발명의 실시예들은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고 다음의 설명에서 설명된 어떠한 구조나 기능에 한정되지 않는다. 반대로, 이러한 실시예들은 본 발명의 설명을 상세하고 완전하게 만드는데 제공된다. 본 설명에 따르면, 이 실시예가 독립적으로 구현되거나 본 발명의 다른 실시예와 협조하여 구현되는지 상관없이, 본 발명의 범위가 여기에 기술된 본 발명의 실시예를 커버하는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 여기에 기술된 장치가 다양한 실시예들을 이용하여 실질적으로 구현될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 어떤 실시예가 첨부된 청구 범위에 있는 하나 이상의 구성 요소를 사용하여 구현될 수 있다.
"예시적인"라는 용어가 여기서 "예 또는 예시로서 사용되는"의 의미로 사용된다. 여기서 "예시적인"으로 설명된 어떠한 실시예가 "바람직한 또는 다른 실시예 이상의 이점을 가지는"으로 해석되어서는 안 된다.
더욱이, "중앙(central)" "주변(peripheral)"과 같은 방향성의 단어는 설명될 도면의 방향을 참조하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성요소가 다른 방향들에 위치되기 때문에 방향성 용어가 도면의 목적을 위해 사용되고 어떠한 한정을 주지 않는다. 다른 실시예가 사용될 수 있고, 구조적 또는 논리적 변화가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 화각에 따른 해상도 변화를 사람 눈, 기존 렌즈, 본 발명의 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에 대해 각각 나타낸 것이다.
사람 눈은 화각의 중앙 영역에서 상대적으로 높은 해상도를 가지고, 화각의주변 영역에서 상대적으로 낮은 해상도를 가진다. 기존 렌즈는 주변 영역, 중앙 영역의 해상도가 거의 같게 설계된다. 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는 화각의 중앙 영역에서 상대적으로 높은 해상도를 가지고, 화각의 주변 영역에서 상대적으로 낮은 해상도를 가지도록 구성될 수 있다. 그럼으로써, 사람 눈의 해상도와 메칭될 수 있다.
가상 현실 장치가 120도 이상의 화각을 가지지만 디스플레이 픽셀의 개수가 전체 화각을 통해 고해상도를 만족하기에 충분하지 않을 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 사람 눈은 주변 이미지 영역보다 중앙 이미지 영역에서의 해상도가 더 크다. 기존의 싱글(single) 렌즈는 중앙 및 주변 이미지 영역에서 근사적으로 같은 해상도(대략 15픽셀/°)를 가지므로, 주변 이미지 영역의 해상도가 사람 눈의 해상도보다 더 높을 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 중앙 이미지 영역의 해상도가 사람 눈의 해상보다 상당히 낮다. 그리하여, 싱글 렌즈는 주변 이미지 영역에서는 과잉 해상도를, 중앙 이미지 영역에서는 불충분한 해상도를 제공한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 예시적인 실시예에서는 중앙 이미지 영역에서의 픽셀 개수가 주변 이미지 영역에서보다 더 많도록 픽셀을 재분배할 수 있다.
이를 이해하기 위해, 가상 현실 장치용 싱글 렌즈의 특징들을 고려한다. 도 2를 참조하면, 사용자에게 중요한 것은 화각 2α과, 각도 해상도 φ이다. FOV는 출사동으로부터 보여진 디스플레이의 최대 각도 사이즈를 나타낸 것이다. 각도 해상도는 1도(degree) 당 사람 눈에 의해 보여진 픽셀 수를 나타낸다. 근축 광학계로부터, 다음 식이 알려져 있다.
Figure pat00001
, (1)
여기서, DO는 상면(image plane) 또는 디스플레이 평면에서 근축 주광선(paraxial chief ray)의 높이이고, f'는 초점 거리이고, h는 화각(FOV)의 에지에 대해 주평면에서 주광선의 높이이고, 동공 위치 p에 의해 정의된다.
Figure pat00002
(2)
식 (1)의 두 번째 식에서 첫 번째 식의 tgα1'를 사용하여, 부호를 가진 화각을 구할 수 있다.
Figure pat00003
(3)
근축 렌즈(paraxial lens)와 실제 렌즈(real lens)에서의 주광선 높이가 다음 식으로 정의된 왜곡(Δ)으로 인해 서로 다를 수 있다.
Figure pat00004
, (4)
여기서, D는 상면(image plane)의 주광선 높이이다. 이 경우에, D는 디스플레이(31)의 대각선의 반과 같다.
또한, 식 4로부터 D0를 구할 수 있다.
Figure pat00005
(5)
식 3에 식 5를 대입하여 다음을 구할 수 있다.
Figure pat00006
(6)
식 (6)에서 우리가 조절할 수 있는 파라미터가 있다. 그것은 초점 거리 f'이다. 렌즈에서의 왜곡 Δ는 주로 화각(FOV)과 개구 조리개 위치에 의존한다. 현대적인 가상 현실 장치에 있어서 FOV는 약 90도이다. 이러한 경우에, 개구 조리개가 동공과 일치할 수 있다. 인체측정학적 데이터에 의해 동공 위치(p)가 렌즈로부터 대략 10-20mm 떨어져 있는 것으로 정의될 수 있다. 이것은 -25%에서 -45% 범위의 베럴 왜곡으로 이어질 수 있다. D는 광각에서 변할 수 없다. D 값이 작은 경우, 높은 파워 렌즈의 수차를 보정하기 위해 몇 개의 콤포넌트로 구성된 광학계를 요구할 수 있다. D가 큰 경우에는 큰 전체 디멘젼으로 이어질 수 있다.
전체 FOV를 통해 평균화된 각도 해상도는 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00007
(7)
여기서, N은 디스플레이 대각선을 가로지른 픽셀수를 나타낸다. 적당한 대각선 D를 가지는 모뎀 광고 디스플레이에 대해, 픽셀 수 N이 3000 이하이다.
FOV(α2에 의해 정의된)의 중앙 영역에 있는 각도 해상도가 디스플레이의 중앙 영역(d)에 비례할 수 있다.
Figure pat00008
(8)
상술한 바와 같이, 왜곡과 정상 렌즈의 초점 거리가 φ=Φo가 되도록 선택될 수 있다.
α2와 디스플레이 영역 사이의 의존성은 식 (9)와 같다.
Figure pat00009
(9)
여기서,
Figure pat00010
는 중앙 이미지 영역의 왜곡이다.
식 (6)-(9)가 우리가 FOV를 증가시키기를 원하는지 여부를 보여준다. 우리는 각도 해상도를 감소시키거나 그 반대로 해야 한다. 가상 현실 장치의 사용자가 광각 FOV와 높은 각도 해상도 모드를 동시에 가지는 것이 중요하다. FOV와 높은 레벨의 각도 해상도 모두를 가지기 위해, 식(6)과 식 (9)를 참고할 필요가 있다. 즉, 중앙 이미지 영역과 주변 이미지 영역에서 서로 다른 f'를 가지는 것이 필요하다. 이러한 경우에, 이미지 영역들 중 하나가 포커스를 벗어나고 눈에 의해 감지되는 이미지가 블러드될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 중앙 이미지 영역이 포커스 fo'에 위치되고, 주변 이미지 영역이 포커스 f'로 벗어날 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈(66)를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에서는 중앙 이미지 영역과 주변 이미지 영역에 광을 포커싱하기 위해, 서로 다른 위치에 위치하는 렌즈 부분들이 서로 다른 초점 거리를 가질 수 있다. 또한, 서로 다른 위치에 위치하는 렌즈 부분들이 다른 주평면(HH'와 HOHO')을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈(66)는 중앙 렌즈부(64)와 주변 렌즈부(65)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중앙 렌즈부(64)가 제1 초점 거리를 가지고, 주변 렌즈부(65)가 제2 초점 거리를 가질 수 있다. 부재 번호 41은 출사동을 나타낸다. 컴파운드 렌즈(66)는 식 (6)에 따른 f'를 유지하고, 식 (9)에서 증가된 f'를 대입하여, 싱글 렌즈에서와 같은 FOV를 얻는 한편 중앙 이미지 영역에서는 개선된 각도 해상도에 관한 식 (8)을 얻을 수 있다.
주평면 HOHO'의 위치가 중앙 렌즈부로서 메니스커스 렌즈(도 5 참조)에 의해 결정되고, 주평면 HH'의 위치가 주변 렌즈부로서 양볼록 렌즈(도 6 참조)에 의해 결정될 수 있다. 이들의 결합에 의해 컴파운드 렌즈(66)가 구성될 수 있다. 하지만, 이는 일 예일 뿐이며 렌즈들의 다른 조합에 의해 중앙 이미지 영역 및 주변 이미지 영역에서 인포커스 위치를 적용할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에서, 중앙 렌즈부와 적어도 하나의 주변 렌즈부가 몰딩 또는 가공 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7x는 컴파운드 렌즈들의 예들을 나타낸 것이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64a)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65a)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64a)와 주변 렌즈부(64b)의 어느 일 면이 연속적인 볼록 형상을 가질 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64b)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65b)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64b)와 주변 렌즈부(65b)의 볼록 면이 연속적인 볼록 형상을 가질 수 있다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64c)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65c)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64c)와 주변 렌즈부(65c)의 양쪽 면이 각각 불연속적인 볼록 면을 가질 수 있다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64d)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65d)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64d)와 주변 렌즈부(65d)의 양쪽 면이 각각 불연속적인 면을 가질 수 있다. 도 7e에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64e)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65e)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7d와 비교할 때, 중앙 렌즈부(64d)(64e)의 두께가 다를 수 있다. 도 7f에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64f)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65f)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64f)의 최대 두께가 주변 렌즈부(65f)의 최대 두께보다 클 수 있다.
도 7g에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64g)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65g)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64g)와 주변 렌즈부(64g)의 오목 면이 연속적으로 형성될 수 있다. 도 7h에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64h)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65h)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64h)와 주변 렌즈부(65h)의 오목 면이 연속적으로 형성될 수 있다. 도 7i에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64i)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65i)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7j에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64j)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65j)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7k에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64k)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65k)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7j와 비교할 때, 중앙 렌즈부(64j)(64k)의 두께가 다를 수 있다. 도 7l에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64l)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65l)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64l)의 양쪽 면이 각각 주변 렌즈부(65l)와의 경계 부분보다 바깥쪽을 향해 볼록할 수 있다.
도 7m에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64m)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65m)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7n에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64n)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65n)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64n)와 주변 렌즈부(65n)의 볼록 면이 불연속적인 볼록 형상을 가질 수 있다. 도 7o에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64o)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65o)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7p에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64p)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65p)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7q에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64q)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65q)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7m과 비교할 때, 중앙 렌즈부(64m)(64q)의 두께가 다를 수 있다. 도 7r에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64r)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65r)가 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7s에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64s)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65s)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64s)의 최대 두께가 주변 렌즈부(65s)의 최소 두께보다 작을 수 있다. 도 7t에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64t)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65t)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다.
도 7u에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64u)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65u)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7v에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64v)가 양볼록 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65v)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 도 7w에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64w)가 양오목 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65w)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64w)의 중심 두께가 상대적으로 매우 작을 수 있다. 도 7x에 도시된 바와 같이, 중앙 렌즈부(64x)가 메니스커스 렌즈를 포함하고, 주변 렌즈부(65x)가 양오목 렌즈를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부(64x)가 도면 상 좌측 방향으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다.
이 밖에도 중앙 렌즈부와 주변 렌즈부는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가질 수 있다. 위에서 설명한 렌즈들의 조합들 중 몇몇이 수차 보정을 위해 복합 광학계의 일부로서 사용될 수 있다.
한편, 인포커 위치의 조건이 도 4에 도시된 기하학적 고려로부터 유도될 수 있다.
Figure pat00011
(10)
컴파운드 렌즈(66)는 빛이 들어오는 입사면(IS)과 빛이 나가는 출사면(ES)을포함할 수 있다. 출사면(ES)은 중앙 렌즈부(64)의 제1 렌즈면(61)과 주변 렌즈부(65)의 제2 렌즈면(62)을 포함할 수 있다. 식 (10)에서, S'OH '와 S'H '는 제1 렌즈 면(61)과 제2 렌즈면(62)에 대응되는 주 평면 HO'와 H'의 위치를 나타낸다. S'OH '는 제1 렌즈면(61)이 광축(63)과 만나는 지점과 제2 렌즈면(62)이 광축(63)과 만나는 지점 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 여기서, 제2 렌즈면(62)은 같은 곡률을 가지는 연속적인 가상면(VS)을 가질 수 있고, 가상면(VS)이 광축(63)과 만나는 위치를 가정한다. Δf'는 중앙 렌즈부(64)에 대해 주변 렌즈부(65)의 수용가능한 디포커싱을 나타내고(도 3 참조), 도 4에서Δf'=0이다. t는 광축(63)을 따라 제1 렌즈면(61)과 제2 렌즈면(62)의 위치 차이를 나타낸다. 제2 렌즈면(62)은 가상면(VS)이 광축(63)과 만나는 위치를 가정하여 t 를 구할 수 있다.
fo'-f'=Δf'를 식 (10)에 결합하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00012
(11)
또한, 기하 광학계로부터 다음이 알려져 있다.
Figure pat00013
(12)
여기서, no,n은 중앙 렌즈부(64)와 주변 렌즈부(65)의 굴절률을, do는 광축(63)을 따라 중앙 렌즈부(64)의 두께이다. Δd는 중앙 렌즈부(64)와 주변 렌즈부(65)의 두께 차이를 나타낸다. 주변 렌즈부(65)의 두께는 주변 렌즈부(65)가 광축(63)까지 연장된 것으로 가정할 때 광축(63)을 따른 두께를 나타낸다. ro1은 중앙 렌즈부(64)의 제1 렌즈면(61)의 반경이고, r1은 주변 렌즈부(65)의 제2 렌즈면(62)의 반경이다. 제1 렌즈면(61)은 중앙 렌즈부(64)의 출사 면을 나타내고, 제2 렌즈면(62)은 주변 렌즈부(65)의 출사 면을 나타낼 수 있다.
식 (12)를 식 (11)에 대입하면, 중앙 렌즈부(64)와 주변 렌즈부(65)의 곡률반경 사이의 관계를 얻을 수 있다.
Figure pat00014
(13)
제로 왜곡을 가지는 컴파운드 렌즈에 있어서, 이미지들이 다른 스케일로 형성되고 중앙 이미지 영역과 주변 이미지 영역 사이의 갭이 형성될 수 있다. 예를 들어, 균일한 그리드(grid)를 표시하면, 눈에 보여지는 이미지는 도 8에서처럼 보일 것이다. 긴 초점 거리(fo')를 가진 중앙 렌즈부와 짧은 초점 거리 (f')를 가진 주변 렌즈부에 있어서, 중앙 그리드 셀(102)(즉, 중앙 이미지 영역)이 주변 그리드 셀(103)(즉, 주변 이미지 영역)보다 더 작을 것이다. 또한, 중앙 그리드 셀(102)과 주변 그리드 셀(103) 사이에 갭(101)이 있을 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 식 (6)과 식 (9)로부터 왜곡Δo와 Δ를 가진 컴파운드 렌즈를 만드는 것이 필요하다.
Figure pat00015
(14)
식 (14)가 충족되면 도 8의 이미지가 도 9와 같은 형태를 표시될 수 있다.
도 10은 이미지 더블링이 나타난 것을 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같은 이미지 더블링을 방지하기 위해, 식 (14)가 동공 사이즈에 의존하는 범위 a에 대해 충족될 수 있다. 동공 사이즈가 커질수록, a의 범위가 더 커질 수 있다. 도 11은 도 10에 도시된 이미지를 형성하는 컴파운드 렌즈(66)의 레이아웃을 보여준다. 컴파운드 렌즈(66)는 중앙 렌즈부(641)와 주변 렌즈부(642)를 포함할 수 있다.
이미지 더블링을 제거하는 다른 방법은 후드 또는 쉴드(도 12 참조)를 적용하는 것이다. 도 12에 도시된 컴파운드 렌즈(66)는 중앙 렌즈부(144)와 주변 렌즈부(143)를 포함할 수 있다. 쉴드(141)가 주변 렌즈부(143)로 향하는 광선(142)이 중앙 렌즈부(144)를 통과하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 반대로, 중앙 렌즈부(144)로 향하는 광선(145)은 쉴드(141) 때문에 주변 렌즈부(133)를 통과할 수 없다. 쉴드(141)는 예를 들어, 윗부분이 잘린 콘의 형태를 가질 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 후드 또는 쉴드의 형태가 컴파운드 렌즈의 위치에 의존하여 변할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 이미지가 왜곡될 수 있다. 왜곡은 장치 및 응용에 의존하여 보상될 수 있다. 왜곡을 보상하는 방법으로 디스플레이(31)에 의해 형성된 이미지를 예비적으로 왜곡시키는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 13a는 미리 왜곡된 이미지(151)를 보인 것이고, 도 13b는 눈에 의해 지각된 이미지(152)를 보인 것이다. 도 9와 도 10에 도시된 왜곡을 보상하기 위해 도 13a에 도시된 바와 같이 반대 방향의 왜곡을 예비적으로 생성함으로써 왜곡을 상쇄시킬 수 있다. 도 13b는 왜곡이 보상된 이미지(152)를 보인 것이다.
도 14a는 기존의 싱글 렌즈에 의해 형성된 이미지(161)를 보인 것이다. 도 14b는 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 이미지(162)를 보인 것이다. 양쪽 이미지는 같은 사이즈, 즉 같은 FOV를 가진다. 이미지(161)가 중앙 이미지 영역(102)과 주변 이미지 영역(103)에 대해 거의 같은 해상도를 가진다. 이미지(162)는 주변 이미지 영역(103)에서보다 중앙 이미지 영역(102)에서 더 높은 해상도를 가진다. 도 14b에서 시각적으로 주변 이미지 영역의 해상도가 선명하지는 않지만, 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 이미지(162)가 싱글 렌즈에 의해 형성된 이미지(161)보다 더 선명하다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는 스크린 도어 효과가 없다. 미세선분리 픽셀(fine lines separating pixels)이 가상 현실 이미지에서 보일 때 스크린 도어 효과는 시각 인공물(visual artifact)이 될 수 있다. 도 14a에서 이미지 영역(163)은 싱글 렌즈에 의해 형성된 중앙 이미지 영역(102)의 확대된 부분이다. 이미지 영역(163)에서 픽셀들 사이의 갭을 볼 수 있다. 도 14b에서 이미지 영역(164)은 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 중앙 이미지 영역(102)의 확대된 부분이다. 디스플레이 픽셀 밀도가 싱글 렌즈와 컴파운드 렌즈에서 같지만, 컴파운드 렌즈에서 눈에 의해 감지된 픽셀 밀도가 증가되기 때문에 스크린 도어 효과가 일어나지 않는다.
도 15는 예비 왜곡의 알고리즘의 일 예를 도시한 것이다. 예비 왜곡의 알고리즘에서는 컴파운드 렌즈의 왜곡과 컴파운드 렌즈의 색수차(실제 광선과 이상 광선 사이의 차이)가 고려될 수 있다. 렌즈 왜곡과 색수차의 영향을 옵셋시키기 위해 오리지널 이미지가 변형될 수 있다.
도 15를 참조하면, 예비 왜곡 알고리즘은 오리지널 이미지를 입력하는 단계(제1단계), 변형된 이미지를 생성하는 단계(제2-3단계), 변형된 이미지를 출력하는 단계(제4단계)(도 15를 참조)를 포함한다. 제1단계는, x_o,y_o가 오리지널 이미지의 좌표일 때 오리지널 이미지의 메트릭스인 메트릭스 I_o(x_o;y_o)를 입력하는 것을 포함한다. 제4단계는, x,y가 변형된 이미지의 좌표일 때, 변형된 이미지의 메트릭스인 메트릭스 I_t(x;y)를 출력하는 것을 포함한다.
디스플레이 이미지의 좌표 사이클은 좌표(x;y)를 세팅한다. 오리지널 이미지의 좌표(x_o;y_o)는 높이(h2)(도 16 참조)에 대응하는 이상 빔을 세팅한다. 하지만, 이상 빔의 출력에 대응하는 실제 빔이 높이 h1에 대응하는 디스플레이 이미지의 다른 점으로부터 올 수 있다. 그러므로, 높이 h2에 대응하는 점(x;y)에서 스크린 상의 변형 이미지를 형성하기 위해, 높이 h1의 위치에 대응하는 점을 오리지널 이미지로부터 택하는 것이 필요하다.
이상 빔과 실제 빔의 파라미터 비율: φ(화각 FOV), h(디스플레이 상의 빔의 높이), φ_ideal(h)(빔 높이로부터 이상 빔 각도의 함수), h_real(φ)(각도로부터 디스플레이 상의 실제 빔 높이의 함수)은 잘 알려진 함수이다(도 17 참조).
메트릭스 I_t(x;y)를 발견하기 위해, I_o(x_o;y_o)(여기서 x_o와 y_o는 x,y의 함수)를 결정하는 것이 필요하다. 즉, I_o(x_o(x;y);y_o(x;y))를 결정하는 것이 필요하다.
알고리즘의 메인 사이클이 이미지 디스플레이 좌표(x:y)의 사이클이다. 새로운 이미지의 중앙의 좌표(x,y)를 알면, 우리는 반경(R)을 계산할 수 있다.:
Figure pat00016
(15)
도 18은 오리지널 이미지와 변환 이미지를 대비하여 나타낸 것이다. 도 18을 참조하면, 픽셀에 대한 각도 방향은 다음과 같다.
α= arctg(y/x) (16)
그런 다음, 다음을 구할 수 있다.
h2(x;y)=R(x;y) (17)
현재의 이상 빔 각도는 다음과 같다.
φ = φ_ideal(h2), (18)
φ_real = φ (19)
각도를 알면, 우리는 다음가 같이 높이를 결정할 수 있다.
h1 = h_real(φ_real). (20)
오리지널 이미지의 반경이 다음과 같이 정의될 수 있다.
R_o=h1 (21)
각도 α를 알면, 우리는 오리지널 이미지의 좌표(x_o;y_o)를 결정할 수 있다. 그리하여, 우리는 오리지널 이미지와 변환 이미지의 대응 픽셀을 얻을 수 있다. 유사하게, 우리는 세 개의 모든 칼라에 대한 비율을 결정할 수 있고 이미지가 색수차 보정을 가지고 형성될 수 있다. I_t(x,y)는 선형, 큐빅 보간법(cubic interpolation) 또는 다른 작업들(도 19 참조)에 기초하여 생성될 수 있다. 도 19를 참조하면, 오리지널 이미지와 변환 이미지를 보여준다. 컴파운드 렌즈에 의해 오리지널 이미지에 대해 변환 이미지와 반대 방향의 왜곡을 예비적으로 생성할 수 있다. 그러면, 최종적으로 왜곡이 보상된 변환 이미지를 얻을 수 있다.
어떤 실시예에서, 컴파운드 렌즈가 서로 다른 초점 거리(다른 색상도 또는 이미지 영역의 픽셀 밀도를 대응되게 제공하는)를 가지는 두 개보다 많은 렌즈부를 포함할 수 있다. 우리가 중앙 이미지 영역에서부터 주변 이미지 영역까지 해상도의 스무스한 감소를 원한다면, 렌즈 부분의 개수가 증가되어야 한다. 예를 들어, 도 20은 다른 해상도를 제공하는 세 개의 환형 렌즈부(171)(172)(173)를 가지는 다중 컴파운드 렌즈의 정면도를 보인 것이다. 해상도를 연속적으로 변화시키기 위해서는, 렌즈부의 개수가 무한대로 되어야 한다. 도 20에서, 렌즈 부가 동심원적으로 배열될 수 있다. 비대칭 해상도를 가지기 위해, 렌즈 부가 다른 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 중앙 렌즈부(102)가 도 21에 도시된 바와 같이, 컴파운드 렌즈(66)의 하부에 배치될 수 있다.
식(13)과 식 (14)를 달성하기 위해, 컴파운드 렌즈의 렌즈 면(61)(62)(도 4참조)이 다른 형태와 구조를 가질 수 있다. 중앙 렌즈부와 적어도 하나의 주변 렌즈부 중 하나 또는 양쪽 모두가 구면 또는 비구면을 가질 수 있다. 가장 많이 사용되는 표면이 다음의 식에 의해 기술되는 회전 대칭적인 다항 비구면 표면이다.
Figure pat00017
(22)
여기서, c는 곡률(반경의 역수), r은 반경, k는 코닉 상수, α1-αn -1은 비구면 계수, n은 항의 차수를 나타낸다.
k=0, α1= α2=...=αn-1=0이면, 식(15)가 구면을 나타낸다.
일반적인 경우에, 예를 들어, 좀 더 나은 수차 보정을 위해, 렌즈면 (61)(62)은 점 좌표의 어레이 만큼의 식으로 설명되는 자유 형식(free form)을 가질 수 있다.
식 (10)은 표면의 다른 형태 뿐만 아니라 굴절률의 그레디언트를 가진 매질을 적용하여 성취될 수 있다.
Figure pat00018
(23)
여기서, no는 베이스 굴절률이고, r은 반지름이고, z는 축상 좌표이고, n1r-nur은 반경 항(radial terms)이고, n1z-nvz는 축상 항이고, u,v는 반경 항과 축상 항의 대응되는 개수이다.
식 (10)을 만족하는 다른 방법은 굴절면 대신에 회절 광학 소자를 사용하는 것이다. 도 22는 제1 및 제2 환형 회절 소자(191)(192)를 포함하는 두 개의 렌즈부로 구성된 컴파운드 렌즈(66)의 동작 원리를 보인 것이다. 소자(191)의 초점 거리가 소자(192)의 초점 거리보다 클 수 있다. 제1 및 제2 환형 회절 소자(191)(192)는 프레넬 렌즈를 나타낼 수 있다. 제1 및 제2 환형 회절 소자(191)(192)의 구조가 두 개의 전자기파(두 개의 구성 빔)의 간섭에 의해 얻어질 수 있다. 그들은 홀로그래픽 소자일 수 있다. 이러한 경우에, 제1 및 제2 환형 회절 소자(191)(192)가 다음 식에 따라 광선을 편향시킬 수 있다.
Figure pat00019
(24)
여기서, n은 광선 교차점(193)에서 회절 소자의 홀로그램 표면에 수직한 단위 벡터이고, ro는 제1 구조 빔에 따른 단위 벡터이고, rr은 제2 구조 빔에 따른 단위 벡터이고, rr'는 입사 빔에 따른 단위 벡터이고, ro'는 굴절 광선에 따른 단위 벡터이고, λc는 구조 파장이고, λp는 디스플레이(31)에 의해 조사된 파장이고, m은 회절 차수이다.
도 23은 예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈가 디스플레이 장치(예를 들어, 가상 현실 장치)(201)에 적용된 예를 보인 것이다. 양안시차를 제공하기 위해, 두 개의 컴파운드 렌즈(66)가 구비될 수 있다. 디스플레이(31)가 양쪽 컴파운드 렌즈(66)에 공통으로 사용되거나 각 렌즈가 각각 디스플레이(31)를 가질 수 있다. 내장 디스플레이(31) 대신에, 스마트폰 또는 다른 모바일 장치의 디스플레이가 사용될 수 있다. 디스플레이(31)와 컴파운드 렌즈(66)가 프레임(202) 내에 탑재될 수 있다. 프레임(202)이 사용자의 헤드에 디스플레이 장치(201)를 고정하기 위해 고정 수단(203)을 가질 수 있다. 고정 수단(203)이 이어폰 형태로 구현될 수 있다. 디스플레이 장치(201)를 사용자의 양안 사이 거리로 조절하기 위해, 컴파운드 렌즈를 광축(63)에 대해 수직한 방향으로 움직일 수 있는 제1 조정 장치(204)가 구비될 수 있다. 어떤 사용자들은 근시와 원시와 같은 눈의 굴절 문제(굴절 에러)를 가질 수 있다. 이러한 눈의 굴절 에러를 보상하기 위해, 디스플레이 장치(201)가 컴파운드 렌즈(66)를 광축(63)을 따라 이동하도록 하는 추가 조정 장치를 가질 수 있다. 동일한 기능이 사용자가 디스플레이(31)를 움직이게 하는 제2 조정 장치(206)에 의해 실현될 수 있다.
디스플레이 장치(201)가 집적 프로세서(207), 무선 레디오 인터페이스(208), 광학 인터페이스(209), 음향 인터페이스(210)를 더 포함할 수 있다. 집적 프로세서(207)는 사용자에게 디스플레이용 쌍방향 컨텐츠를 처리할 수 있다. 무선 레디오 인터페이스(208)는 레디오 파를 통해 쌍방향 컨텐츠를 송수신할 수 있다. 광학 인터페이스(209)는 쌍방향 컨텐츠를 캡쳐하거나 릴레이할 수 있다. 광학 인터페이스(209)는 프레임(202)에 탑재되고 이미지를 캡쳐하고 릴레이하도록 구성될 수 있다. 프로세서(207)가 디스플레이를 통해 시청자에게 디스플레이용 광학 인터페이스에 의해 캡처된 이미지를 선택하도록 구성될 수 있다. 광학 인터페이스(209)는 카메라, 캠코더 또는 프로젝션 렌즈로 실현될 수 있다. 음향 인터페이스(210)는 음파를 통해 쌍방향 컨텐츠를 송수신할 수 있다. 음향 인터페이스(210)는 마이크로폰, 다이나믹 트랜스듀서 또는 골전도 트랜스듀서 등으로 실현될 수 있다.
예시적인 디스플레이 장치가 헬멧으로 제작될 수 있다. 디스플레이가 모바일 장치의 스크린일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈(66)를 가진 가상 현실 장치(201)에게는 이러한 응용들이 쉽다. 내장된 디스플레이가 없다면 헤드 ?V에 모바일 폰을 삽입하는 것으로 충분하다. 근시와 원시와 같은 눈의 결함을 보상하기 위해, 사용자가 소프트웨어 에플리케이션을 시작하고 가상 현실에 몰입할 수 있다. 구현 가능한 화각이 실감나는 존재를 그것이 게임이든, 영화든 트레이닝 시뮬레이터든 관계 없이 가능하게 할 수 있다. 사용자들이 현실 세계에 대해 정확하게 세밀한 것을 볼 수 있기 때문에 실현 가능한 큰 해상도와 스크린 도어 효과의 결여가 현실적인 존재를 가능하게 한다. 사용자는 고해상도를 가진 극장 사이즈 스케일의 3D로 장치(201)에서 영화를 시사회할 때, 가상 현실에 완전하게 몰입될 것이다.
제안된 렌즈가 가상 현실 장치뿐만 아니라 화각(FOV)을 통해 해상도를 재분배하는데 필요한 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 24는 비디오 카메라의 광학계에 있는 컴파운드 렌즈(66)의 응용을 보여준다. 컴파운드 렌즈(66) 이외에, 광학계가 다른 광학 소자를 더 포함할 수 있다. 두 개의 렌즈들, 예를 들어, 정 렌즈(211)와 부 렌즈(212)가 일 예에서 사용될 수 있다. 도 24에서 주변 광선(213)과 주광선(214)의 경로를 보여준다. 디스플레이(31) 대신에, 이미지 센서가 예를 들어, CCD 또는 CMOS 기술에 기초한 장치가 사용될 수 있다. 비디오 카메라가 중앙 이미지 영역에서 해상도를 증가시킬 수 있다. 이러한 장치가 보안 응용품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광각을 가진 카메라가 물체를 확인하기 위해 고해상도를 가지고, 의심스런 물체를 검출하기 위해 낮은 해상도를 가진 화각에서 두 개 이미지 영역을 가질 수 있다. 의심스런 물체가 광각에 있다면, 의심스런 물체의 위치를 가리키는 마크에 의해 마크되고, 그런 다음 카메라가 물체 둘레를 회전하고 물체의 확인이 일어나는 고해상도를 가진 중앙 이미지 영역에 물체를 둔다.
표 1에 있는 파라미터를 가진 가상 현실 장치용 컴파운드 렌즈의 설계의 일 예를 고려하자.
디스플레이 5.1" WQHD(2560x1440), 112.6 x 63.36mm
픽셀 사이즈 44 um
동공 직경 8 mm
사출동 거리(Eye Relief) 10.0mm
초점 거리(Focal length) 47 mm　
F/# (Focal number) 6　
디옵터 범위(Diopter range) -9D ~ 6D
렌즈 직경(Lens diameter) 37 mm
각 해상도(Angular resolution) 축상(On-Axial) 18 pixel/degree
화각 에지(Edge of the field of view) 8 pixel/degree
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈(66)가 도 25에 도시되어 있다. 도 25에서는 컴파운드 렌즈(66)의 구체적인 치수를 표기하고 있다. 컴파운드 렌즈(66)는 PMMA로 제작될 수 있다. 하지만 여기에 한정되는 것은 아니고, 컴파운드 렌즈는 글래스, 광학 플라스틱 등과 같은 다른 광학계가 사용될 수 있다. 컴파운드 렌즈(66)는 예를 들어, 제1, 제2 및 제3 비구면 (S1, S2, S3)을 포함하고, 제1, 제2 및 제3 비구면 (S1, S2, S3)이 좌표 y1z1, y2z2에 의해 다음 식으로 설명될 수 있다.
제1 비구면(S1)은 컴파운드 렌즈(66)의 입사면으로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00020
(25)
여기서, k는 코닉 상수를, c는 곡률을 나타낸다.
제2 비구면(S2)은 컴파운드 렌즈(66)의 중앙 렌즈부의 출사면으로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00021
(26)
제3 비구면(S3)은 컴파운드 렌즈(66)의 주변 렌즈부의 출사면으로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00022
(27)
계수 c,k,A,B,C,D,E,F,G가 표 2에 나타나 있다.
S1 S2 S3
c 0.04146 -0.00215 -1.35232E-03
k -0.43513 0.02454 0.00175
A -7.97548E-05 -3.34598E-05 -3.05666E-05
B 1.03156E-07 -5.01220E-08 -4.69571E-08
C 5.48528E-10 1.42666E-10 1.14424E-10
D -3.48613E-12 0 0
E 9.46143E-15 0 0
F -1.33E-17 0 0
G 6.85E-21 0 0
도 25에 도시된 컴파운드 렌즈(66)가 사용자의 각 눈에 배치될 수 있다. 왼쪽 눈과 오른 쪽 눈에 대응하는 양쪽 렌즈가 WGHD(2560Ⅹ1440)와 5.1" 대각선을 가진 디스플레이(31)에 적용될 수 있다. 각 렌즈가 디스플레이(31)에 의해 디스플레이된 이미지의 반을 투사할 수 있다. 디스플레이(31)가 정상 위치에서 대략 20mm 범위에서 광축(63)을 따라 움직여, -9 내지 6 디옵터 범위에서 눈의 굴절 에러 보정을 제공할 수 있다.
도 26은 화각(FOV)에 따른 각도 해상도를 보인 것이다. 도 27은 다음 식에 의해 정의된 주파수 f에 따른 MTF(modulation transfer function)를 보인 것이다.
Figure pat00023
(28)
여기서, φ는 각도 해상도(도 26 참조)이고, φeye는 사람의 눈의 해상도(도 1 참조)이다.
도 28은 눈에 의해 보여지는 컴파운드 렌즈에 의해 형성된 왜곡 그리드를 보인 것이다. 왜곡을 보상하기 위해 디스플레이 상의 이미지가 예비 왜곡될 수 있다. 이를 보상하기 위해, 위에서 설명한 알고리즘이 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 중앙 렌즈부 및 적어도 하나의 주변 렌즈부 중 적어도하나가 컴파운드 렌즈의 성능을 향상하기 위해 박막으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 박막이 렌즈 투과도를 증가시키는데 사용된 반사방지 필름일 수 있다.
예시적인 실시예예 따른 컴파운드 렌즈는 이미지 프로젝팅, 비디오 리코딩, 포토그래핑을 위해 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는 중앙 렌즈부와 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함할 수 있다. 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 다른 초점 거리를 가질 수 있다. 즉, 중앙 렌즈부의 초점 거리가 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부의 초점 거리보다 길 수 있다. 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 초점 면이 서로 일치하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 중앙 렌즈부와 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심 초점면을 가질 수 있다. 이러한 배열은 위에서 논의한 바와 같이 다른 타입의 렌즈를 결합함으로써 수행될 수 있다. 다양한 실시예에 따른 컴파운드 렌즈의 메인 아이디어는 상대적으로 더 긴 초점 거리를 가지는 중앙 렌즈부를 구비하여 스크린 상의 중앙 이미지 영역에서 더 높은 이미지 해상도(또는 더 높은 픽셀 밀도)를 제공하는 것이다. 주변 렌즈부가 상대적으로 더 짧은 초점 거리를 가짐으로써, 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 스크린 상의 주변 이미지 영역에서 더 낮은 이미지 해상도(또는 더 낮은 픽셀 밀도)를 제공할 수 있다. 그리하여, 시청자는 이미지에 표시된 장면에 있는 것과 같은 효과를 느낄 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는 중앙 렌즈부와, 중앙 렌즈부를 둘러싸는 복수 개의 주변 렌즈부를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 주변 렌즈가 초점 거리 fi(여기서, i는 주변 렌즈부의 개수, i=1,2,3,?n)를 가지고, f0>f1>f2>f3>?>fn(여기서, f0가 상기 중앙 렌즈부의 제1초점 거리)를 만족하며, 상기 중앙 렌즈부와 복수 개의 주변 렌즈부가 일치하는 초점 면을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따른 컴파운드 렌즈는 전시, 박물관, 영화, 콘서트 및 스포츠 홀, 스타디움 및 스프츠 경기장 등에 적용될 수 있다. 그리고, 광고 산업에서, 차에서, 게임에서 그리고 가상 현실에서 현실감(immersive presence) 시뮬레이션을 제공하는 것이 필요한 다른 장소에서 적용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 여기 설명되었지만, 후술되는 클레임에 의해정의되는 보호 범위에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형과 수정이 본 발명의 실시예에서 만들어질 수 있다. 첨부된 클레임에서, 단수 형태로 요소들을 언급한 것은 다른 것을 명시적으로 언급하지 않았다면 그러한 요소들이 복수로 존재하는 것을 배제하지 않는다.
31:디스플레이, 61,62:렌즈 면,
63: 광축, 64,641:중앙 렌즈부
65,651:주변 렌즈부, 66:컴파운드 렌즈
141:후드

Claims (20)

  1. 제1초점 거리를 가지는 중앙 렌즈부, 및
    제2초점 거리를 가지고, 상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함하고,
    상기 제1초점거리가 제2초점거리보다 긴 컴파운드 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심 초점면을 가지는 컴파운드 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 PMMA, 글라스, 또는 광학 플라스틱으로 구성된 컴파운드 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부가 원형 형상을 가지고 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 환형 형상을 가지는 컴파운드 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심원적으로 배열된 컴파운드 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 함께 프레넬 렌즈를 형성한 컴파운드 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부가 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈, 정의 메니스커스 렌즈, 부의 메니스커스 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 컴파운드 렌즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 컴파운드 렌즈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 광학 회절 소자 또는 광학 홀로그래픽 소자로 구성된 컴파운드 렌즈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부 및 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부 중 적어도 하나가 렌즈 투명도를 증가시키도록 구성된 전반사 필름으로 코팅된 컴파운드 렌즈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 복수 개의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 복수 개의 주변 렌즈가 초점 거리 fi(여기서, i는 주변 렌즈부의 개수, i=1,2,3,...,n)를 가지고, f0>f1>f2>f3>...>fn(여기서, f0가 상기 중앙 렌즈부의 제1초점 거리)를 만족하며, 상기 중앙 렌즈부와 복수 개의 주변 렌즈부가 일치하는 초점 면을 가지는 컴파운드 렌즈.
  12. 프레임;
    상기 프레임에 탑재되고, 시청자에게 표시될 이미지를 선택하도록 구성된 프로세서;
    상기 프레임에 부착되고 상기 프로세서에 의해 선택된 이미지를 표시하도록 구성된 디스플레이; 및
    두 개의 컴파운드 렌즈들:을 포함하고,
    상기 두 개의 컴파운드 렌즈들 각각이 제1초점 거리를 가지는 중앙 렌즈부, 및 제2초점 거리를 가지고, 상기 중앙 렌즈부를 둘러싸는 적어도 하나의 주변 렌즈부를 포함하고, 상기 제1초점거리가 제2초점거리보다 긴 디스플레이 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 각 컴파운드 렌즈가 시청자 눈의 각 눈에 마주보는 프레임의 위치에 설치되고, 시청자 눈의 각 눈에 표시된 이미지의 반을 투영하도록 구성된 디스플레이 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 동심 초점면을 가지는 디스플레이 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부와 상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 함께 프레넬 렌즈를 형성한 디스플레이 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 중앙 렌즈부가 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈, 정의 메니스커스 렌즈, 부의 메니스커스 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 디스플레이 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주변 렌즈부가 양볼록 렌즈, 양오목 렌즈 또는 랜덤하게 굴곡진 두 개의 면을 가지는 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 디스플레이 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 컴파운드 렌즈의 광축에 대해 수직하게 컴파운드 렌즈를 움직임으로써 시청자를 위해 양안 사이의 거리를 조절하도록 구성된 제1 조정 장치를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 컴파운드 렌즈의 광축을 따라 컴파운드 렌즈를 움직임으로써 시청자의 눈의 굴절 에러를 보상하도록 디스플레이와 컴파운드 렌즈 사이의 거리를 변경하는 제2 조정 장치를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서가 디스플레이에 의해 표시된 이미지를 예비적으로 왜곡하여 컴파운드 렌즈에 의해 제공된 이미지 왜곡을 보상하도록 구성된 디스플레이 장치.
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