KR20200096716A

KR20200096716A - 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20200096716A
Application number: KR1020190113016A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 빅토리비치 모로조브; 엘레나 겐나디에브나 말리노브스카야; 세르게이 이브게니에비치 두비닌; 블라디스라브 블라디미로비치 드루진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-08-13
Also published as: RU2700373C1; EP3722863A1

Abstract

관찰자의 시선을 빠르고 정확하게 추적할 수 있으며 소형화가 가능한 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 시선 추적 장치는, 조명광을 방출하는 광원; 빛을 감지하는 광검출기 어레이; 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 관찰자의 눈에 전달하고, 관찰자의 눈의 망막에서 반사된 조명광을 상기 광검출기 어레이로 전달하는 도광판; 및 상기 광검출기 어레이의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호 처리기;를 포함하며, 상기 신호 처리기는 상기 광검출기 어레이에서 감지되는 빛의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선을 결정하도록 구성된다.

Description

시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 {Eye tracking device and display apparatus including the same}

개시된 실시예들은 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관찰자의 시선을 빠르고 정확하게 추적할 수 있으며 소형화가 가능한 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

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 기술도 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.

한편, 이러한 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 또는 혼합 현실 장치(MR)는 디스플레이 되는 영상의 시점을 관찰자의 시선과 일치시키기 위하여 관찰자의 시선을 감지하는 시선 추적 장치를 포함한다.

관찰자의 시선을 빠르고 정확하게 추적할 수 있으며 소형화가 가능한 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

일 실시예에 따르면, 조명광을 방출하는 광원; 빛을 감지하는 광검출기 어레이; 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 관찰자의 눈에 전달하고, 관찰자의 눈의 망막에서 반사된 조명광을 상기 광원으로부터 방출된 조명광의 진행 방향과 반대 방향으로 전달하는 도광판; 및 상기 광검출기 어레이의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호 처리기;를 포함하는 시선 추적 장치가 제공된다. 여기서, 상기 신호 처리기는 상기 광검출기 어레이에서 감지되는 빛의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선을 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 도광판은 입사광을 상기 도광판의 내부로 안내하고 상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 빛을 상기 도광판의 외부로 출력하는 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러를 포함할 수 있다.

상기 시선 추적 장치는, 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 상기 제 1 입출력 커플러에 전달하고, 상기 제 1 입출력 커플러로부터 오는 빛을 상기 광검출기 어레이에 전달하도록 구성된 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.

상기 광원은 상기 빔스플리터의 제 1 표면에 마주하여 배치되고 상기 광검출기 어레이는 상기 빔스플리터의 제 2 표면에 마주하여 배치될 수 있다.

상기 빔스플리터는 입사광의 절반을 반사하고 나머지 절반을 투과시키는 반투과 거울일 수 있다.

상기 빔스플리터는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선편광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키는 편광 빔스플리터일 수 있다.

상기 시선 추적 장치는 상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다.

상기 시선 추적 장치는 상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 가변 초점 렌즈를 더 포함하며, 상기 가변 초점 렌즈는 상기 제 2 입출력 커플러와 관찰자의 눈 사이의 거리에 따라 초점길이를 변화시키도록 구성될 수 있다.

일 예에서, 상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며, 상기 광원과 상기 광검출기 어레이는 상기 도광판의 제 1 표면에 마주하여 배치되고, 상기 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면 상에 배치될 수 있다.

다른 예에서, 상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며, 상기 광원과 상기 광검출기 어레이는 상기 도광판의 제 1 표면에 마주하여 배치되고, 상기 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 1 표면 상에 배치될 수 있다.

상기 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판으로부터 출력되어 관찰자의 눈의 동공을 통과한 조명광이 관찰자의 눈의 중심에 포커싱되도록 양의 굴절력을 갖는 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다.

상기 광원은 적외선 광을 방출하는 적외선 광원일 수 있다.

상기 광검출기 어레이는 2차원 배열된 다수의 적외선 검출기를 포함할 수 있다.

상기 도광판은 만곡된 형태를 가질 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 관찰자의 시선을 추적하는 시선 추적 장치; 및 상기 시선 추적 장치로부터 제공된 관찰자의 시선에 따라 상기 영상을 이동시키는 영상 시프터;를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다. 여기서, 상기 시선 추적 장치는, 적외선 조명광을 방출하는 적외선 광원; 2차원 배열된 다수의 적외선 검출기를 구비하는 광검출기 어레이; 상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광을 관찰자의 눈에 전달하고, 관찰자의 눈의 망막에서 반사된 적외선 조명광을 상기 광검출기 어레이로 전달하는 도광판; 및 상기 광검출기 어레이의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호 처리기;를 포함하고, 상기 신호 처리기는 상기 광검출기 어레이에서 감지되는 적외선 광의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선을 결정하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 영상 형성 장치는, 가시광을 방출하는 가시광원; 및 상기 가시광원으로부터 방출된 빛을 변조하여 영상을 생성하는 공간 광변조기;를 포함할 수 있다.

상기 도광판은, 입사하는 적외선 조명광을 상기 도광판의 내부로 안내하고 상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 적외선 조명광을 상기 도광판의 외부로 출력하는 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러; 입사하는 가시광을 상기 도광판의 내부로 안내하는 입력 커플러; 및 상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 가시광을 상기 도광판의 외부로 출력하는 출력 커플러;를 포함할 수 있다.

상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며, 상기 입력 커플러와 출력 커플러는 상기 도광판의 제 1 표면에 배치되고, 상기 제 1 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면에 상기 입력 커플러와 마주하여 배치되고 상기 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면에 상기 출력 커플러와 마주하여 배치될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는, 상기 입력 커플러 및 상기 제 1 입출력 커플러에 마주하여 배치된 것으로, 상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광과 상기 영상 형성 장치에서 형성된 영상을 결합하여 동일한 광 경로를 따라 진행시키는 파장 선택성 거울을 더 포함할 수 있다.

상기 디스플레이 장치는, 상기 파장 선택성 거울과 상기 도광판 사이에 배치되는 것으로, 상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광을 상기 제 1 입출력 커플러에 전달하고, 상기 제 1 입출력 커플러로부터 오는 적외선 광을 상기 광검출기 어레이에 전달하도록 구성된 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.

상기 적외선 광원은 상기 빔스플리터의 제 1 표면에 마주하여 배치되고 상기 광검출기 어레이는 상기 빔스플리터의 제 2 표면에 마주하여 배치될 수 있다.

상기 빔스플리터는 입사하는 적외선 광의 절반을 반사하고 적외선 광의 나머지 절반을 투과시키며 가시광을 투과시키도록 구성될 수 있다.

상기 빔스플리터는 제 1 선편광 성분을 갖는 적외선 광을 반사하고 제 1 선편광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 적외선 광을 투과시키며 가시광을 투과시키도록 구성될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 가변 초점 렌즈를 더 포함하며, 상기 가변 초점 렌즈는 상기 제 2 입출력 커플러와 관찰자의 눈 사이의 거리에 따라 초점길이를 변화시키도록 구성될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형일 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.

개시된 시선 추적 장치는 넓은 각도 범위에 걸쳐 관찰자의 눈의 회전 각도를 탐지할 수 있다. 또한, 개시된 시선 추적 장치는 관찰자의 시선을 빠르고 정확하게 추적할 수 있다. 또한, 개시된 시선 추적 장치는 얇은 두께와 작은 중량을 갖도록 소형화가 가능하며, 시선 추적 장치를 채용하는 디스플레이 장치 내에 용이하게 결합될 수 있다. 따라서, 시선 추적 장치를 채용한 디스플레이 장치의 소형화가 가능하다. 또한, 고출력 광원을 사용하지 않기 때문에 소비전력이 낮고 관찰자의 눈을 손상시킬 위험도 낮다.

도 1은 일 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2a는 시선 추적 장치의 입출력 커플러가 광학적 굴절력을 갖지 않은 경우에 관찰자의 눈에서 빔의 경로를 예시적으로 보인다.
도 2b는 시선 추적 장치의 입출력 커플러가 광학적 굴절력을 갖는 경우에 관찰자의 눈에서 빔의 경로를 예시적으로 보인다.
도 3은 광검출기 어레이가 2×2 배열의 적외선 검출기를 포함하는 경우에 관찰자의 눈의 회전에 따른 광검출기 어레이의 출력 변화를 예시적으로 보인다.
도 4는 광검출기 어레이가 2×10 배열의 적외선 검출기를 포함하는 경우에 관찰자의 눈의 회전에 따른 광검출기 어레이의 출력 변화를 예시적으로 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 시선 추적 장치를 포함하는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 시선 추적 장치를 포함하는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 시선 추적 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 시선 추적 장치(100)는 조명광을 방출하는 광원(10), 빛을 감지하는 광검출기 어레이(14), 광원(10)으로부터 방출된 조명광을 관찰자의 눈(E)에 전달하고 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사된 조명광을 광원(10)으로부터 방출된 조명광의 진행 방향과 반대 방향으로 전달하는 도광판(8), 및 광검출기 어레이(14)의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호처리기(15)를 포함할 수 있다.

광원(10)은 적외선을 방출하는 적외선 광원일 수 있다. 예를 들어, 광원(10)은 약 750 nm 내지 3 ㎛의 파장을 갖는 근적외선을 방출하는 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 또는 레이저 다이오드(LD; laser diode)일 수 있다. 또한, 광원(10)은 사람의 눈에 대해 안전 기준(safety standard)을 만족하는 낮은 출력을 갖는 광원이 선택될 수 있다.

광검출기 어레이(14)는 적외선을 감지할 수 있는 다수의 적외선 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광검출기 어레이(14)는 근적외선 대역의 빛을 감지할 수 있는 2차원 배열된 다수의 적외선 검출기의 어레이를 포함할 수 있다. 특히, 광검출기 어레이(14)의 다수의 적외선 검출기는 광원(10)으로부터 방출된 조명광의 파장 대역에 대해 높은 감도를 갖는 포토다이오드일 수 있다.

도광판(8)은 조명광을 전달하는 광도파로의 역할을 할 수 있도록 적외선에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(8)은 유리, PMMA(Poly methyl methacrylate), 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 도광판(8)은 납작하고 평평한 평판 형태를 가질 수 있다. 도광판(8)은 제 1 표면(8a) 및 제 1 표면(8a)에 마주하는 제 2 표면(8b)을 포함할 수 있다. 광원(10)과 광검출기 어레이(14)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a) 쪽에 배치될 수 있으며, 도광판(8)의 제 2 표면(8b)에는 입사광을 도광판(8)의 내부로 경사지게 유도하고 도광판(8)의 내부에서 경사지게 진행하는 빛을 도광판(8)의 외부로 출력하도록 구성된 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 입출력 커플러(12)는 도광판(8)의 제 2 표면(8b)의 한쪽 가장자리에 배치될 수 있으며 제 2 입출력 커플러(13)는 도광판(8)의 제 2 표면(8b)의 다른 쪽 가장자리에 배치될 수 있다.

제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 도광판(8)의 외부로부터 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)에 대략적으로 수직한 방향으로 입사하는 빛을 도광판(8)의 내부로 경사지게 안내하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 그의 표면에 수직한 방향을 중심으로 소정의 입사각 범위 내에서 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)에 입사하는 빛을 도광판(8)의 내부로 안내하도록 구성될 수 있다. 도광판(8)의 내부로 안내된 빛은 도광판(8)의 제 1 표면(8a)과 제 2 표면(8b)에서 반복적으로 전반사되면서 도광판(8)의 내부를 따라 진행하게 된다.

또한, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 도광판(8)의 내부로부터 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)에 경사지게 입사하는 빛을 도광판(8)의 외부로 대략적으로 수직한 방향으로 출력하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 소정의 입사각 범위 내에서 그의 표면에 경사지게 입사하는 빛에만 작용하고, 그의 표면에 수직하게 입사하는 빛에는 작용하지 않도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 그의 표면에 수직하게 입사하는 빛에 대해서는 단순히 투명한 평판의 역할을 할 수 있다.

이러한 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는, 예를 들어, 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element; HOE)로 이루어질 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 다수의 주기적인 미세한 격자 패턴을 포함한다. 회절 광학 소자(DOE)의 다수의 격자 패턴은 회절 격자의 역할을 하여 입사광을 회절시킨다. 특히, 격자 패턴들의 크기, 높이, 주기 등에 따라서, 특정한 각도 범위로 입사하는 빛을 회절시켜 소멸 간섭과 보강 간섭을 일으킴으로써 빛의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학소자(HOE)는 격자 패턴 대신에 굴절률이 상이한 재료들의 주기적인 미세한 패턴들을 포함한다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 회절 광학 소자(DOE)와 단지 구성의 차이만이 있을 뿐이며 동작 원리는 회절 광학 소자(DOE)와 동일할 수 있다.

제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)를 구성하는 회절 광학 소자(DOE) 또는 홀로그래픽 광학소자(HOE)는 파장 의존성을 갖도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 광원(10)으로부터 방출된 조명광의 파장 대역에 대해서만 입출력 커플러의 역할을 하고, 다른 파장 대역의 빛에 대해서는 투명하도록 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 적외선 대역의 빛만이 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)에 의해 커플링되고, 가시광과 같은 나머지 파장 대역의 빛은 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)를 투과할 수 있다.

이러한 도광판(8)의 구성에서, 제 1 입출력 커플러(12)에 입사한 빛은 전반사를 통해 도광판(8)의 내부를 따라 진행하다가 제 2 입출력 커플러(13)를 통해 도광판(8)의 외부로 나오게 되며, 제 2 입출력 커플러(13)에 입사한 빛은 전반사를 통해 도광판(8)의 내부를 진행하다가 제 1 입출력 커플러(12)를 통해 도광판(8)의 외부로 나오게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 입출력 커플러(12)에 마주하여 광원(10)이 배치되고 제 2 입출력 커플러(13)에 마주하여 관찰자의 눈(E)이 위치하는 경우, 광원(10)으로부터 방출된 조명광은 먼저 도광판(8)의 제 1 표면(8a)을 지나 제 1 입출력 커플러(12)에 입사한다. 그런 후, 조명광은 도광판(8)의 내부를 따라 제 1 방향(즉, 도면에서 우측 방향)으로 진행하게 된다. 그리고, 조명광은 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 회절되면서 도광판(8)의 제 1 표면(8a)을 지나 관찰자의 눈(E)에 도달한다. 한편, 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광은 도광판(8)의 제 1 표면(8a)을 지나 제 2 입출력 커플러(13)에 입사한 후, 도광판(8)의 내부를 따라 제 1 방향에 반대 방향인 제 2 방향(즉, 도면에서 좌측 방향)으로 진행한다. 그리고, 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광은 제 1 입출력 커플러(12)에 의해 회절되면서 도광판(8)의 제 1 표면(8a)을 지나 광검출기 어레이(14)에 도달한다.

광원(10)으로부터 방출된 조명광과 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광을 분리하기 위하여 시선 추적 장치(100)는 빔스플리터(6)를 더 포함할 수 있다. 빔스플리터(6)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a) 쪽에서 제 1 입출력 커플러(12)와 마주하도록 배치될 수 있다. 빔스플리터(6)는 서로 인접하는 제 1 표면(6a)과 제 2 표면(6b)을 포함하며, 광원(10)은 제 1 표면(6a)에 마주하여 배치되고 광검출기 어레이(14)는 제 2 표면(6b)에 마주하여 배치될 수 있다. 또한, 시선 추적 장치(100)는 광원(10)과 빔스플리터(6) 사이에 배치되어 광원(10)으로부터 발산하는 빔을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(5)를 더 포함할 수 있다. 광원(10), 콜리메이팅 렌즈(5), 빔스플리터(6) 및 제 1 입출력 커플러(12)는 일직선 상에 배열되는 반면, 광검출기 어레이(14)는 빔스플리터(6)에 의해 약 90도로 절곡된 광 경로 상에 배치될 수 있다.

이러한 구성에서, 빔스플리터(6)는 광원(10)으로부터 방출된 조명광을 투과시키고 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광을 반사하도록 구성될 수 있다. 그러면, 광원(10)으로부터 방출된 조명광은 빔스플리터(6)의 제 1 표면(6a)에 입사한 후 빔스플리터(6)를 통과하여 제 1 입출력 커플러(12)에 도달할 수 있다. 그리고, 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광은 제 1 입출력 커플러(12)에 의해 출력 커플링된 후, 빔스플리터(6)에서 반사되어 빔스플리터(6)의 제 2 표면(6b)을 통해 광검출기 어레이(14)에 입사할 수 있다.

빔스플리터(6)는, 예를 들어, 단순히 입사광의 절반을 반사하고 나머지 절반을 투과시키는 반투과 거울일 수 있다. 그 대신에, 빔스플리터(6)는 편광 선택성을 갖는 편광 빔스플리터일 수도 있다. 예를 들어, 빔스플리터(6)는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선평광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 제 2 선편광 성분을 갖는 빛은 빔스플리터(6)를 투과하여 제 1 입출력 커플러(12)에 입사한다. 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 광원(10)은 제 2 선편광 성분의 빛만을 방출하는 편광 레이저와 같은 편광 광원일 수 있다. 그러면, 광원(10)으로부터 방출된 조명광이 거의 손실 없이 빔스플리터(6)를 투과하여 제 1 입출력 커플러(12)에 입사할 수 있다.

빔스플리터(6)가 편광 빔스플리터인 경우, 시선 추적 장치(100)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a)과 빔스플리터(6) 사이에 배치된 1/4 파장판(16)을 더 포함할 수 있다. 광원(10), 콜리메이팅 렌즈(5), 빔스플리터(6), 1/4 파장판(16) 및 제 1 입출력 커플러(12)는 일직선 상에 배열될 수 있다. 1/4 파장판(16)은 입사광을 입사광의 1/4 파장만큼 지연시키는 역할을 한다. 따라서, 빔스플리터(6)를 투과한 제 2 선평광 성분의 조명광은 1/4 파장판(16)을 지나면서 제 2 원편광 성분을 갖게 된다. 그런 후, 조명광은 관찰자의 눈(E)에 의해 입사 방향의 반대 방향으로 반사되면서 제 2 원편광 성분과 회전 방향이 반대인 제 1 원편광 성분을 갖게 된다. 제 1 원편광 성분을 갖는 조명광은 다시 1/4 파장판(16)을 지나면서 제 1 선편광 성분을 갖게 되어 빔스플리터(6)에 의해 반사된다. 그리고, 빔스플리터(6)에 의해 반사된 조명광은 광검출기 어레이(14)에 입사하게 된다.

또한 빔스플리터(6)는 파장 선택성을 갖도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 빔스플리터(6)는 광원(10)으로부터 방출된 조명광의 파장 대역에 대해서만 빔스플리터의 역할을 하고, 다른 파장 대역의 빛에 대해서는 투명하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(6)는 적외선 대역의 빛에 대해서만 반투과 거울 또는 편광 빔스플리터로서 작용하며, 가시광과 같은 나머지 파장 대역의 빛은 빔스플리터(6)를 투과할 수 있다.

상술한 본 실시예에 따른 시선 추적 장치(100)의 구조에서, 광원(10)으로부터 방출되어 관찰자의 눈(E)에 입사한 후 관찰자의 눈(E)에서 반사되어 광검출기 어레이(14)로 되돌아오는 조명광의 2차원 세기 분포는 관찰자의 눈(E)의 시선 방향에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 et1으로 표시된 바와 같이, 관찰자의 눈(E)이 제 2 입출력 커플러(13)를 정면으로 응시하고 있다면, 다시 말해 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축이 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 수직하다면, 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 수직한 방향으로 출력 커플링되는 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에 주로 도달한다. 그런 후, 망막에서 반사된 조명광은, 실선으로 표시된 바와 같이, 제 2 입출력 커플러(13)에 수직으로 입사한 후, 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 반대 방향으로 진행하여 광검출기 어레이(14)의 중심부에 주로 입사하게 된다. 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 경사진 방향으로 출력 커플링되는 조명광은 단지 일부만이 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사되어 광검출기 어레이(14)까지 도달할 수 있다.

한편, 도 1에서 et2로 표시된 바와 같이, 관찰자의 눈(E)이 제 2 입출력 커플러(13)를 비스듬하게 보고 있다면, 다시 말해 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축이 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 경사져 있다면, 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 경사진 방향으로 출력 커플링되는 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에 주로 도달한다. 특히, 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축과 제 2 입출력 커플러(13)가 이루는 각도와 동일한 각도로 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 출력 커플링되는 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에 주로 도달한다. 그런 후, 망막에서 반사된 조명광은, 점선으로 표시된 바와 같이, 제 2 입출력 커플러(13)에 경사지게 입사한 후, 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 반대 방향으로 진행하여 광검출기 어레이(14)의 주변부에 주로 입사하게 된다. 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축과 제 2 입출력 커플러(13)가 이루는 각도와 상이한 각도로 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 출력 커플링되는 조명광은 단지 일부만이 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사되어 광검출기 어레이(14)까지 도달할 수 있다.

따라서, 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축 방향을 따라서 관찰자의 눈(E)에 입사하는 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사되어 광검출기 어레이(14)로 되돌아갈 수 있다. 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사된 조명광이 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 반대 방향으로 진행하도록 하기 위하여, 제 2 입출력 커플러(13)는 광학적 굴절력(optical power)을 갖지 않거나 또는 광학적 굴절력을 의도적으로 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a는 시선 추적 장치(100)의 제 2 입출력 커플러(13)가 광학적 굴절력을 갖지 않은 경우에 관찰자의 눈(E)에서 빔의 경로를 예시적으로 보이며, 도 2b는 시선 추적 장치(100)의 제 2 입출력 커플러(13)가 광학적 굴절력을 갖는 경우에 관찰자의 눈(E)에서 빔의 경로를 예시적으로 보인다.

도 2a를 참조하면, 제 2 입출력 커플러(13)는 도광판(8)의 내부로부터 서로 동일한 각도로 제 2 입출력 커플러(13)에 입사하는 빛을 서로 동일한 각도로 출력 커플링시키도록 구성될 수 있다. 그러면, 도광판(8)의 내부로부터 서로 동일한 각도로 제 2 입출력 커플러(13)에 입사하는 빛은 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 출력 커플링되면서 평행빔을 형성하게 된다. 출력 커플링된 평행빔 중에서 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축과 평행하게 관찰자의 눈(E)의 동공에 입사하는 빛은 동공에 의해 관찰자의 눈(E)의 망막 위에 포커싱된다. 그런 후, 관찰자의 눈(E)의 망막에 의해 반사된 빛은 관찰자의 눈(E)의 동공에 의해 다시 평행빔이 되어 제 2 입출력 커플러(13)에 입사한다. 그러면, 조명광은 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 반대 방향으로 진행하여 광검출기 어레이(14)에 도달할 수 있다.

또한, 도 2b를 참조하면, 제 2 입출력 커플러(13)는 도광판(8)의 내부로부터 서로 동일한 각도로 제 2 입출력 커플러(13)에 입사하는 빛을 출력 커플링하면서 한 점에 포커싱하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 제 2 입출력 커플러(13)는 입출력 커플러의 기능과 함께 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제 2 입출력 커플러(13)는 양(+)의 굴절력을 갖도록 설계된 홀로그래픽 광학소자(HOE)로 이루어질 수 있다. 더욱 구체적으로, 제 2 입출력 커플러(13)는 관찰자의 눈(E)의 동공에 입사한 빛이 관찰자의 눈(E)의 동공에 의해 추가적으로 포커싱되면서 망막 앞에, 특히 눈(E)의 회전 중심에 포커싱 포커싱되도록 하는 정도의 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다.

그러면, 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 출력 커플링된 조명광 중에서 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축을 따라 관찰자의 눈(E)의 동공에 입사하는 빛은 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 포커싱된 후 관찰자의 눈(E)의 망막에 수직하게 입사할 수 있다. 이 경우, 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에 수직하게 입사하기 때문에, 반사된 조명광은 관찰자의 눈(E)의 망막에서부터 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 반대 방향으로 진행하게 된다. 또한, 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에서는 관찰자의 눈(E)의 동공에 수직하게, 즉 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축을 따라 동공을 지나는 빛이, 눈의 위치와 관계 없이, 항상 존재한다. 따라서, 관찰자의 눈의 위치를 추적할 수 있는 영역의 범위가 넓어지게 된다. 또한, 조명광이 관찰자의 눈(E)의 동공에 입사하는 것을 보장하기 위하여 빔경(beam diameter)이 큰 조명광을 사용할 필요가 없어서, 광 이용 효율이 향상되어 시선 추적 장치(100)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 광원(10)으로부터 방출된 조명광 중에서 일부만이 관찰자의 눈(E)의 망막에서 반사되어 광검출기 어레이(14)에 도달한다. 그리고, 광검출기 어레이(14)에 도달하는 조명광은 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축과 제 2 입출력 커플러(13)가 이루는 각도에 따라 달라진다. 특히, 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축과 제 2 입출력 커플러(13)가 이루는 각도에 따라 광검출기 어레이(14)에 입사하는 조명광의 세기의 2차원 분포가 달라질 수 있다. 이러한 입사광의 2차원 세기 분포는 광검출기 어레이(14)의 다수의 적외선 검출기를 이용하여 검출할 수 있다.

예를 들어, 도 3은 광검출기 어레이(14)가 2×2 배열의 포토다이오드를 포함하는 경우에 관찰자의 눈(E)의 회전에 따른 광검출기 어레이(14)의 출력 변화를 예시적으로 보인다. 도 3에서 X는 관찰자의 눈(E)의 좌우 방향의 회전 변위를 나타내며 Y는 관찰자의 눈(E)의 상하 방향의 회전 변위를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 관찰자의 눈(E)이 정면을 응시하는 경우에, 다시 말해, X0˚Y0˚인 경우에, 4개의 포토다이오드에는 실질적으로 동일한 세기의 빛이 입사한다. 이때 입사하는 빛의 세기는 관찰자의 눈(E)의 시선의 모든 각도 범위에서 각각의 포토다이오드에 입사하는 빛의 최소 세기와 최대 세기 사이에 있는 세기 범위 중에서 중간보다 약간 큰 정도의 세기이다.

그리고, 제 2 입출력 커플러(13)에 대해 관찰자의 눈(E)의 동공의 광축이 기울어짐에 따라 일부 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 증가하고 다른 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 감소한다. 예를 들어, 관찰자의 눈(E)이 좌우로 회전함에 따라(X5˚Y0˚, X10˚Y0˚, X15˚Y0˚), 좌측에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 증가/감소하거나 우측에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기 감소/증가한다. 그러나, 관찰자의 눈(E)의 좌우 방향 회전 각도가 시선 추적 장치(100)의 검출 한계를 벗어나면(X20˚Y0˚, X25˚Y0˚, X30˚Y0˚), 모든 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 최소가 된다. 마찬가지로, 관찰자의 눈(E)이 상하로 회전함에 따라(X0˚Y5˚, X0˚Y10˚, X0˚Y15˚), 상부에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 증가/감소하거나 하부에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기 감소/증가한다. 그리고, 관찰자의 눈(E)의 상하 방향 회전 각도가 시선 추적 장치(100)의 검출 한계를 벗어나면, 모든 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 최소가 된다. 도 3의 예에서는 좌우 방향 및 상하 방향으로 시선 추적 장치(100)의 검출 한계는 약 ±15˚이다.

또한, 도 4는 광검출기 어레이(14)가 2×10 배열의 포토다이오드를 포함하는 경우에 관찰자의 눈(E)의 회전에 따른 광검출기 어레이(14)의 출력 변화를 예시적으로 보인다. 도 4를 참조하면, 관찰자의 눈(E)이 정면을 응시하는 경우에, 중앙의 4개의 포토다이오드에 대략적으로 동일한 세기의 빛이 입사하며, 중앙으로부터 좌우로 멀어질수록 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 점차 작아진다. 그리고, 관찰자의 눈(E)이 좌우로 회전함에 따라(X5˚Y0˚, X10˚Y0˚, X15˚Y0˚, X20˚Y0˚, X25˚Y0˚, X30˚Y0˚), 좌측에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기가 증가/감소하거나 우측에 배열된 포토다이오드에 입사하는 빛의 세기 감소/증가하면서, 광검출기 어레이(14)에서 빛이 주로 입사하는 영역이 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다. 도 4의 예에서는 좌우 방향으로 시선 추적 장치(100)의 검출 한계는 약 ±35˚이고 상하 방향으로 시선 추적 장치(100)의 검출 한계는 약 ±15˚이다.

도 3 및 도 4를 참고하여 설명한 시선 추적 장치(100)의 검출 한계는 단지 이해를 돕기 위한 예에 불과하며, 시선 추적 장치(100)의 검출 한계는 광검출기 어레이(14)에 2차원 배열된 포토다이오드의 개수, 또는 도광판(8)과 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)의 광학적 특성에 따라 결정될 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 3 및 도 4에 예시된 광검출기 어레이(14)의 출력 변화를 기초로 관찰자의 눈(E)의 시선 위치를 정확하게 추적할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리기(15)는 광검출기 어레이(14)에서 감지되는 빛의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선 위치를 결정할 수 있다. 이를 위해, 신호 처리기(15)는 광검출기 어레이(14)에서 감지되는 빛의 2차원 세기 분포와 관찰자의 눈(E)의 시선 위치 사이의 관계에 관한 미리 측정된 정보를 포함할 수 있다.

이러한 방식으로, 본 실시예에 따른 시선 추적 장치(100)는 넓은 각도 범위에 걸쳐 관찰자의 눈(E)의 회전 각도를 정확하게 탐지할 수 있다. 또한, 시선 추적 장치(100)는, CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서를 사용하여 얻은 눈의 영상을 이미지 처리 알고리즘을 통해 소프트웨어적으로 분석하는 기존의 시선 추적 장치에 비하여, 복잡한 연산이 필요 없기 때문에 관찰자의 시선을 비교적 빠르게 추적할 수 있다. 또한, 단지 포토다이오드만을 사용하기 때문에 시선 추적 장치(100)는 비교적 저렴하게 제작될 수 있다. 또한, 개시된 시선 추적 장치(100)는 얇은 도광판(8)을 이용하기 때문에 얇은 두께와 작은 중량을 갖도록 소형화가 가능하다. 또한, 개시된 시선 추적 장치(100)는 고출력의 광원을 사용하지 않아도 되기 때문에 소비전력이 비교적 낮고 관찰자의 눈을 손상시킬 위험도 비교적 낮다.

도 5는 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치(100')의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 시선 추적 장치(100)와 비교할 때, 도 5에 도시된 시선 추적 장치(100')에서 광원(10)과 광검출기 어레이(14)의 위치가 서로 바뀌었다. 예를 들어, 광검출기 어레이(14)는 빔스플리터(6)의 제 1 표면(6a)에 마주하여 배치되고 광원(10)은 빔스플리터(6)의 제 2 표면(6b)에 마주하여 배치될 수 있다. 빔스플리터(6)가 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선평광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성되는 경우, 광원(10)은 제 1 선편광 성분의 빛만을 방출하는 편광 레이저를 포함할 수 있다. 대신에, 광원(10)은 제 2 선편광 성분의 빛만을 방출하는 편광 레이저를 포함이며, 빔스플리터(6)는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치(110)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 시선 추적 장치(100)와 비교할 때, 도 6에 도시된 시선 추적 장치(110)에서 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 도광판(8)의 제 1 표면(8a)에 배치된다는 점에서 차이가 있다. 예를 들어, 제 1 입출력 커플러(12)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a)의 한쪽 가장자리에 배치되며 제 2 입출력 커플러(13)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a)의 다른 쪽 가장자리에 배치될 수 있다. 이 경우, 제 1 입출력 커플러(12)는 제 1 입출력 커플러(12)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a) 상에서 빔스플리터(6)와 마주하도록 배치된다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치(120)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 시선 추적 장치(120)는 도광판(8)과 빔스플리터(6) 사이에 배치된 가변 초점 렌즈(17)를 더 포함할 수 있다. 도 7에서 가변 초점 렌즈(17)는 1/4 파장판(16)과 도광판(8) 사이에 배치된 것으로 도시되었으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(17)는 도광판(8)과 빔스플리터(6) 사이의 광 경로 어느 곳에도 제한 없이 배치될 수 있다. 또는, 가변 초점 렌즈(17)는 도광판(8)과 관찰자의 눈(E) 사이의 광 경로 어느 곳에도 제한 없이 배치될 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 입출력 커플러(13)가 양(+)의 굴절력을 갖는 경우, 관찰자의 눈(E)과 제 2 입출력 커플러(13) 사이의 거리가 미리 정해진 소정의 범위 내에 있을 때, 제 2 입출력 커플러(13)로부터 출력 커플링된 조명광이 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 정확하게 포커싱된다. 만약, 관찰자의 눈(E)이 제 2 입출력 커플러(13)에 너무 가깝게 접근하거나 제 2 입출력 커플러(13)로부터 너무 멀어지면 조명광이 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 포커싱되지 않는다. 또한, 눈(E)의 동공의 초점길이가 관찰자에 따라 다를 수 있기 때문에, 관찰자의 눈(E)의 동공의 초점길이에 따라서 조명광이 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 포커싱되지 않을 수도 있다. 조명광이 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 정확하게 포커싱되지 않으면, 망막에서 반사된 조명광은 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 진행하지 않게 되어 시선 측정의 정확도가 저하될 수 있다.

또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 2 입출력 커플러(13)가 광학적 굴절력을 갖지 않는 경우에, 관찰자의 눈(E)의 동공의 초점길이에 따라서 조명광이 관찰자의 눈(E)의 망막에 정확하게 포커싱되지 않을 수도 있다. 이 경우에도, 망막에서 반사된 조명광은 앞서 진행한 광 경로와 동일한 광 경로를 따라 진행하지 않게 되어 시선 측정의 정확도가 저하될 수 있다.

가변 초점 렌즈(17)는 제 2 입출력 커플러(13)로부터 출력 커플링된 조명광이 관찰자의 눈(E)의 회전 중심에 정확하게 포커싱되거나 또는 관찰자의 눈(E)의 망막에 정확하게 포커싱되도록 초점 길이를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(17)는 제 2 입출력 커플러(13)와 관찰자의 눈(E) 사이의 거리에 따라 초점길이를 변화시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 가변 초점 렌즈(17)를 사용함으로써 시선 측정의 정확도가 향상될 수 있다. 예를 들어, 이러한 가변 초점 렌즈(17)는 액정 렌즈 또는 전기 습윤 렌즈를 포함할 수 있다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 시선 추적 장치(130)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 시선 추적 장치(100)와 비교할 때, 도 8에 도시된 시선 추적 장치(130)는 만곡된 곡선형 도광판(8)을 포함한다는 점에서 차이가 있다. 예를 들어, 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display) 등과 같이 사람의 얼굴에 착용하는 디스플레이 장치에 시선 추적 장치(130)가 적용되는 경우, 곡선형 도광판(8)을 사용하는 것이 유용할 수 있다.

상술한 시선 추적 장치(100, 100', 110, 120, 130)는 관찰자의 시점에 맞추어 영상을 제공하는 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 특히, 상술한 시선 추적 장치(100, 100', 110, 120, 130)는 도광판을 이용하여 영상을 제공하는 디스플레이 장치에 일체로 용이하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 시선 추적 장치를 포함하는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 디스플레이 장치(200)는 도 1에 도시된 시선 추적 장치(100)와 일체로 결합된 구조를 갖는다. 예를 들어, 디스플레이 장치(200)는 영상을 형성하는 영상 형성 장치(20), 관찰자의 시선을 추적하는 시선 추적 장치, 및 시선 추적 장치로부터 제공된 관찰자의 시선에 따라 영상을 이동시키는 영상 시프터(27)를 포함할 수 있다. 도 9에는 시선 추적 장치가 도 1에 도시된 시선 추적 장치(100)와 동일한 구성을 갖는 것으로 도시되었지만, 디스플레이 장치(200)는 도 5 내지 도 8에 도시된 시선 추적 장치(100', 110, 120, 130)를 포함할 수도 있다.

시선 추적 장치는 적외선의 조명광을 방출하는 광원(10), 적외선을 감지하는 광검출기 어레이(14), 조명광을 전달하는 도광판(8), 광원(10)으로부터 방출된 조명광과 관찰자의 눈(E)에서 반사된 조명광을 분리하는 빔스플리터(6), 및 광검출기 어레이(14)의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호처리기(15)를 포함할 수 있다. 또한 시선 추적 장치는 광원(10)에서 방출된 적외선 조명광을 반사하여 빔스플리터(6)에 제공하는 파장 선택성 거울(11)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 파장 선택성 거울(11)은 적외선 대역의 빛을 반사하고 가시광 대역의 빛을 투과하도록 구성될 수 있다. 파장 선택성 거울(11)과 빔스플리터(6) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(5)가 더 배치될 수 있다.

또한, 영상 형성 장치(20)는 가시광을 방출하는 광원(21), 광원(21)으로부터 방출된 가시광을 변조하여 영상을 생성하는 공간 광변조기(24), 및 광원(21)으로부터 방출된 가시광을 공간 광변조기(24)에 전달하고, 공간 광변조기(24)에서 형성된 영상을 도광판(8)에 전달하는 빔스플리터(23)를 포함할 수 있다. 또한, 영상 형성 장치(20)는 광원(21)과 빔스플리터(23) 사이에 배치된 콜리메이팅 렌즈(22), 빔스플리터(23)를 투과한 광을 포커싱하는 포커싱 렌즈(25), 및 영상을 포함하는 빛만을 투과시키기 위한 조리개(26)를 더 포함할 수도 있다. 조리개(26)는 포커싱 렌즈(25)의 초점 위치에 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 시선 추적 장치의 빔스플리터(6), 콜리메이팅 렌즈(5), 및 파장 선택성 거울(11)과 영상 형성 장치(20)의 조리개(26), 포커싱 렌즈(25), 빔스플리터(23), 및 공간 광변조기(24)는 일직선을 따라 배열될 수 있다.

빔스플리터(23)는 단순히 입사광의 절반을 반사하고 나머지 절반을 투과시키는 반투과 미러일 수 있다. 대신에, 빔스플리터(23)는 편광 선택성을 갖는 편광 빔스플리터일 수도 있다. 예를 들어, 빔스플리터(23)는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선평광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 광원(21)에서 방출된 가시광 중에서 제 1 선편광 성분을 갖는 빛은 빔스플리터(23)에 의해 반사되어 공간 광변조기(24)에 입사하고, 제 2 선편광 성분을 갖는 빛은 빔스플리터(23)를 투과하여 버려진다. 또한, 광원(21)은 제 1 선편광 성분을 갖는 빛만을 방출하는 편광 레이저일 수도 있다. 그러면 광원(21)에서 방출된 빛이 모두 빔스플리터(23)에 의해 반사되어 공간 광변조기(24)에 입사할 수 있다.

도 9에 도시된 실시예에서, 공간 광변조기(24)는 입사광을 반사하면서 변조하는 반사형 공간 광변조기일 수 있다. 예컨대, 공간 광변조기(24)는, LCoS(liquid crystal on silicon), DMD(digital micromirror device), 또는 반도체 변조기를 사용할 수 있다. 빔스플리터(23)에 의해 반사된 빛은 공간 광변조기(24)에 의해 변조되어 영상 정보를 포함하게 된다. 그리고, 제 1 선편광 성분을 갖는 빛은 공간 광변조기(24)에 의해 반사되면서 제 2 선편광 성분을 갖게 된다. 따라서, 공간 광변조기(24)에 의해 변조된 빛은 빔스플리터(23)를 투과한다.

빔스플리터(23)를 투과한 가시광은 포커싱 렌즈(25)와 조리개(26)를 지나게 된다. 조리개(26)를 지나면서 가시광은 빔경이 점점 커지는 발산광이 된다. 그런 후, 가시광은 파장 선택성 거울(11)를 지나 콜리메이팅 렌즈(5)에 의해 평행광이 된다. 그런 후, 영상 정보를 담은 가시광은 시선 추적 장치의 빔스플리터(6)를 투과하여 도광판(8)에 입사한다. 앞서 설명한 바와 같이, 빔스플리터(6)는 광원(10)으로부터 방출된 조명광에 대해서만 빔스플리터의 역할을 하고, 다른 파장 대역의 빛에 대해서는 투명하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(6)는 적외선에 대해서만 빔스플리터의 역할을 하고 가시광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 광원(21)으로부터 방출된 가시광은 빔스플리터(6)를 통과하여 도광판(8)에 입사할 수 있다.

도광판(8)은 적외선 광과 가시광을 모두 전달하도록 구성된다. 이를 위해, 도광판(8)의 제 1 표면(8a)에는 외부로부터 입사하는 가시광을 도광판(8)의 내부로 경사지게 안내하는 입력 커플러(7) 및 도광판(8)의 내부를 따라 경사지게 진행하는 가시광을 도광판(8)의 외부로 출력시키는 출력 커플러(9)가 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 입출 커플러(7)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a)의 한쪽 가장자리에 배치될 수 있으며 출력 커플러(9)는 도광판(8)의 제 1 표면(8a)의 다른 쪽 가장자리에 배치될 수 있다. 이러한 입력 커플러(7)와 출력 커플러(9)는, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)와 마찬가지로, 예를 들어, 회절 광학 소자(DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(HOE)로 이루어질 수 있다. 특히, 출력 커플러(9)는 광학적 굴절력을 갖도록 구성될 수 있다. 그러면, 출력 커플러(9)는 출력 커플러(9)에 경사지게 입사하는 빛을 출력 커플링하면서 한 점에 포커싱할 수 있다.

또한, 도광판(8)의 제 2 표면(8b)에는 외부로부터 입사하는 적외선 광을 도광판(8)의 내부로 경사지게 유도하고 도광판(8)의 내부에서 경사지게 진행하는 적외선 광을 도광판(8)의 외부로 출력시키는 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 입출력 커플러(12)는 도광판(8)의 제 2 표면(8b)의 한쪽 가장자리에 배치될 수 있으며 제 2 입출력 커플러(13)는 도광판(8)의 제 2 표면(8b)의 다른 쪽 가장자리에 배치될 수 있다.

도 9에는 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 도광판(8)의 제 2 표면(8b)에 배치되고 입력 커플러(7)와 출력 커플러(9)가 도광판(8)의 제 1 표면(8a)에 배치되는 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)가 도광판(8)의 제 1 표면(8a)에 배치되고 입력 커플러(7)와 출력 커플러(9)가 도광판(8)의 제 2 표면(8b)에 배치될 수도 있다. 어떠한 경우이든, 입력 커플러(7)와 제 1 입출력 커플러(12)가 서로 마주하여 배치되고, 출력 커플러(9)와 제 2 입출력 커플러(13)가 서로 마주하여 배치된다. 또한, 입력 커플러(7)는 빔스플리터(6)와 마주하여 배치될 수 있다. 따라서, 제 1 입출력 커플러(12), 입력 커플러(7), 빔스플리터(6), 콜리메이팅 렌즈(5), 파장 선택성 거울(11), 조리개(26), 포커싱 렌즈(25), 빔스플리터(23), 공간 광변조기(24)가 일직선을 따라 순차적으로 배열되거나, 또는 입력 커플러(7), 제 1 입출력 커플러(12), 빔스플리터(6), 콜리메이팅 렌즈(5), 파장 선택성 거울(11), 조리개(26), 포커싱 렌즈(25), 빔스플리터(23), 공간 광변조기(24)가 일직선을 따라 순차적으로 배열될 수 있다.

입력 커플러(7)와 출력 커플러(9)는 가시광에 대해서만 커플러로 작용하도록 구성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)는 적외선에 대해서만 커플러로 작용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 빔스플리터(6)를 투과한 적외선 광은 입력 커플러(7)를 투과하여 제 1 입출력 커플러(12)에 의해 입력 커플링된다. 또한, 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 출력 커플링된 적외선 광은 출력 커플러(9)를 투과하여 관찰자의 눈(E)에 입사하며, 관찰자의 눈(E)에서 반사된 적외선 광은 출력 커플러(9)를 투과하여 제 2 입출력 커플러(13)에 의해 입력 커플링된다. 그리고, 제 1 입출력 커플러(12)에 의해 출력 커플링된 적외선 광은 입력 커플러(7)를 투과하여 빔스플리터(6)에 의해 반사될 수 있다. 따라서, 영상 정보를 담은 가시광은 입력 커플러(7)와 출력 커플러(9)를 통해 관찰자의 눈(E)에 제공될 수 있다. 또한, 시선 추적을 위한 적외선 광은 제 1 및 제 2 입출력 커플러(12, 13)를 통해 관찰자의 눈(E)에 조사된 다음, 관찰자의 눈(E)에서 반사되어 광검출기 어레이(14)에 입사할 수 있다.

시선 추적 장치의 신호 처리기(15)는 광검출기 어레이(14)의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하고, 결정된 시선 정보를 기초로 영상 시프터(27)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리기(15)는 영상 시프터(27)를 제어하여 영상의 위치를 관찰자의 시선을 따라 광축에 수직한 방향으로 이동시킴으로써, 영상을 관찰자의 눈(E)에 정확하게 제공할 수 있다. 따라서, 관찰자의 눈(E)의 위치 변화와 관계 없이 관찰자의 눈(E)에 항상 영상이 제공될 수 있다. 이러한 영상 시프터(27)는, 예를 들어, 조리개(26)의 출광면에 인접하여 배치될 수 있다. 영상 시프터(27)는, 조리개(26)를 통과하는 영상의 진행 각도를 변경하지 않으면서, 신호 처리기(15)의 제어에 따라 영상의 경로를 광축에 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다. 그 대신에, 영상 시프터(27)는 영상 형성 장치(20) 자체를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 액추에이터일 수도 있다.

상술한 바와 같이, 도 9에 도시된 구조를 갖는 디스플레이 장치(200)는 시선 추적 장치와 용이하게 결합이 가능한다. 예를 들어, 하나의 도광판(8)을 이용하여 시선 추적을 위한 적외선 광의 광 경로와 영상 제공을 위한 가시광의 광 경로를 형성할 수 있으며, 시선 추적을 위한 적외선 광과 영상 제공을 위한 가시광이 하나의 광 경로를 따라 서로 방해 없이 진행할 수 있다. 따라서, 시선 추적 장치를 채용한 디스플레이 장치(200)의 소형화가 가능하다. 또한, 영상 정보를 담은 가시광이 넓은 면적을 갖는 출력 커플러(9)에 의해 포커싱되어 관찰자의 눈(E)에 입사하기 때문에, 디스플레이 장치(200)는 비교적 넓은 시야각(field of view; FoV)을 제공할 수 있다.

한편, 제 2 입출력 커플러(13)는 적외선 광에 대해서만 커플러로서 작용하도록 구성되고, 출력 커플러(9)는 경사지게 입사하는 가시광에 대해서만 커플러로서 작용하도록 구성된다. 그러면, 도광판(8)의 제 2 표면(8b)을 향해 외부로부터 입사하는 가시광은 제 2 입출력 커플러(13)와 출력 커플러(9)를 통과하여 관찰자의 눈(E)에 입사할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(200)는 증강 현실(augmented reality)(AR) 또는 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 이 경우, 본 실시예에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치(200)는 근안(near-eye) AR 디스플레이 장치일 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 눈(E)에는 공간 광변조기(24)에 의해 재생된 영상(IMG1)과 출력 커플러(9)를 수직으로 투과한 외부의 전경(IMG2)을 담은 외부의 빛이 함께 보일 수 있다. 외부의 빛은 별도의 공간 광변조기에 의해 변조되어 생성되거나 또는 별도의 디스플레이 패널에 의해 표시되는 인공적인 영상이 아니라, 관찰자의 정면에 존재하는 실제 전경(IMG2)을 담고 있다. 따라서, 관찰자는 인공적으로 생성된 가상의 영상(IMG1)과 실제 전경(IMG2)을 함께 동시에 인지할 수 있다.

도 9에서는 공간 광변조기(24)가 반사형인 것으로 설명하였으나, 투과하는 빛을 변조하는 투과형 공간 광변조기를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 도 10은 시선 추적 장치를 포함하는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 디스플레이 장치(200')의 영상 형상 장치(20')는 빛의 진행 방향을 따라 차례로 배치된 광원(21), 콜리메이팅 렌즈(22), 공간 광변조기(24'), 포커싱 렌즈(25), 및 조리개(26)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 입출력 커플러(12), 입력 커플러(7), 빔스플리터(6), 콜리메이팅 렌즈(5), 파장 선택성 거울(11), 조리개(26), 포커싱 렌즈(25), 공간 광변조기(24'), 콜리메이팅 렌즈(22), 및 광원(21)이 일직선을 따라 배열될 수 있다.

공간 광변조기(24')는 투과하는 빛을 변조하는 투과형 공간 광변조기이다. 예를 들어, 공간 광변조기(24')는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 투과형 공간 광변조기(24')를 사용하면, 빔스플리터(23)가 생략될 수 있기 때문에 광학계의 구성이 보다 간단해질 수 있다. 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200')의 나머지 구성은 도 9에 도시된 디스플레이 장치(200)와 동일하다.

앞서 설명한 바와 같이, 디스플레이 장치(200, 200')는 증강 현실 또는 혼합 현실을 구현하는데 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 11 내지 도 13은 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다. 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치의 적어도 일부는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display)에 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등에 적용될 수 있다. 도 11 내지 도 13에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다.

부가적으로, 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치들은 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 다중 영상 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 다시 말해, 도 11 내지 도 13와 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 디스플레이 장치를 적용할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치들의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 장치들은 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 디스플레이에 상술한 다양한 실시예들의 사상들이 적용될 수 있다.

상술한 시선 추적 장치 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

5.....콜리메이팅 렌즈 6.....빔스플리터
8, 8'.....도광판 10.....광원
11.....파장 선택성 거울 12, 13.....입출력 커플러
14.....광검출기 어레이 15.....신호 처리기
16.....1/4 파장판 17.....가변 초점 렌즈
20, 20'.....영상 형성 장치 21.....광원
22.....콜리메이팅 렌즈 23.....빔스플리터
24, 24'......공간 광변조기 25.....포커싱 렌즈
26.....조리개 27.....영상 시프터
100, 100', 110, 120, 130.....시선 추적 장치
200, 200'.....디스플레이 장치

Claims

조명광을 방출하는 광원;
빛을 감지하는 광검출기 어레이;
상기 광원으로부터 방출된 조명광을 관찰자의 눈에 전달하고, 관찰자의 눈의 망막에서 반사된 조명광을 상기 광원으로부터 방출된 조명광의 진행 방향과 반대 방향으로 전달하는 도광판; 및
상기 광검출기 어레이의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호 처리기;를 포함하고,
상기 신호 처리기는 상기 광검출기 어레이에서 감지되는 빛의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선을 결정하도록 구성되는 시선 추적 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도광판은 입사광을 상기 도광판의 내부로 안내하고 상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 빛을 상기 도광판의 외부로 출력하는 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러를 포함하는 시선 추적 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 광원으로부터 방출된 조명광을 상기 제 1 입출력 커플러에 전달하고, 상기 제 1 입출력 커플러로부터 오는 빛을 상기 광검출기 어레이에 전달하도록 구성된 빔스플리터를 더 포함하는 시선 추적 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 광원은 상기 빔스플리터의 제 1 표면에 마주하여 배치되고 상기 광검출기 어레이는 상기 빔스플리터의 제 2 표면에 마주하여 배치되는 시선 추적 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 빔스플리터는 입사광의 절반을 반사하고 나머지 절반을 투과시키는 반투과 거울인 시선 추적 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 빔스플리터는 제 1 선편광 성분을 갖는 빛을 반사하고 제 1 선편광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 빛을 투과시키는 편광 빔스플리터인 시선 추적 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 1/4 파장판을 더 포함하는 시선 추적 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 가변 초점 렌즈를 더 포함하며, 상기 가변 초점 렌즈는 상기 제 2 입출력 커플러와 관찰자의 눈 사이의 거리에 따라 초점길이를 변화시키도록 구성된 시선 추적 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며,
상기 광원과 상기 광검출기 어레이는 상기 도광판의 제 1 표면에 마주하여 배치되고, 상기 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면 상에 배치되는 시선 추적 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며,
상기 광원과 상기 광검출기 어레이는 상기 도광판의 제 1 표면에 마주하여 배치되고, 상기 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 1 표면 상에 배치되는 시선 추적 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판으로부터 출력되어 관찰자의 눈의 동공을 통과한 조명광이 관찰자의 눈의 중심에 포커싱되도록 양의 굴절력을 갖는 홀로그래픽 광학 소자인 시선 추적 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광원은 적외선 광을 방출하는 적외선 광원인 시선 추적 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광검출기 어레이는 2차원 배열된 다수의 적외선 검출기를 포함하는 시선 추적 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도광판은 만곡된 형태를 갖는 시선 추적 장치.
영상을 형성하는 영상 형성 장치;
관찰자의 시선을 추적하는 시선 추적 장치; 및
상기 시선 추적 장치로부터 제공된 관찰자의 시선에 따라 상기 영상을 이동시키는 영상 시프터;를 포함하며,
상기 시선 추적 장치는:
적외선 조명광을 방출하는 적외선 광원;
2차원 배열된 다수의 적외선 검출기를 구비하는 광검출기 어레이;
상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광을 관찰자의 눈에 전달하고, 관찰자의 눈의 망막에서 반사된 적외선 조명광을 상기 광검출기 어레이로 전달하는 도광판; 및
상기 광검출기 어레이의 출력을 기초로 관찰자의 시선을 결정하는 신호 처리기;를 포함하고,
상기 신호 처리기는 상기 광검출기 어레이에서 감지되는 적외선 광의 2차원 세기 분포를 기초로 관찰자의 시선을 결정하도록 구성되는 디스플레이 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는:
가시광을 방출하는 가시광원; 및
상기 가시광원으로부터 방출된 빛을 변조하여 영상을 생성하는 공간 광변조기;를 포함하는 디스플레이 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 도광판은:
입사하는 적외선 조명광을 상기 도광판의 내부로 안내하고 상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 적외선 조명광을 상기 도광판의 외부로 출력하는 제 1 입출력 커플러와 제 2 입출력 커플러;
입사하는 가시광을 상기 도광판의 내부로 안내하는 입력 커플러; 및
상기 도광판의 내부를 따라 진행하는 가시광을 상기 도광판의 외부로 출력하는 출력 커플러;를 포함하는 디스플레이 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 도광판은 제 1 표면 및 제 1 표면에 마주하는 제 2 표면을 가지며,
상기 입력 커플러와 출력 커플러는 상기 도광판의 제 1 표면에 배치되고,
상기 제 1 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면에 상기 입력 커플러와 마주하여 배치되고 상기 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판의 제 2 표면에 상기 출력 커플러와 마주하여 배치되는 디스플레이 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 입력 커플러 및 상기 제 1 입출력 커플러에 마주하여 배치된 것으로, 상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광과 상기 영상 형성 장치에서 형성된 영상을 결합하여 동일한 광 경로를 따라 진행시키는 파장 선택성 거울을 더 포함하는 디스플레이 장치.
제 19 항에 있어서,
상기 파장 선택성 거울과 상기 도광판 사이에 배치되는 것으로, 상기 적외선 광원으로부터 방출된 적외선 조명광을 상기 제 1 입출력 커플러에 전달하고, 상기 제 1 입출력 커플러로부터 오는 적외선 광을 상기 광검출기 어레이에 전달하도록 구성된 빔스플리터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
제 20 항에 있어서,
상기 적외선 광원은 상기 빔스플리터의 제 1 표면에 마주하여 배치되고 상기 광검출기 어레이는 상기 빔스플리터의 제 2 표면에 마주하여 배치되는 디스플레이 장치.
제 20 항에 있어서,
상기 빔스플리터는 입사하는 적외선 광의 절반을 반사하고 적외선 광의 나머지 절반을 투과시키며 가시광을 투과시키도록 구성되는 디스플레이 장치.
제 20 항에 있어서,
상기 빔스플리터는 제 1 선편광 성분을 갖는 적외선 광을 반사하고 제 1 선편광 성분에 직교하는 제 2 선편광 성분을 갖는 적외선 광을 투과시키며 가시광을 투과시키도록 구성되는 디스플레이 장치.
제 23 항에 있어서,
상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 1/4 파장판을 더 포함하는 디스플레이 장치.
제 20 항에 있어서,
상기 빔스플리터와 상기 도광판 사이에 배치된 가변 초점 렌즈를 더 포함하며, 상기 가변 초점 렌즈는 상기 제 2 입출력 커플러와 관찰자의 눈 사이의 거리에 따라 초점길이를 변화시키도록 구성된 디스플레이 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 제 2 입출력 커플러는 상기 도광판으로부터 출력되어 관찰자의 눈의 동공을 통과한 적외선 조명광이 관찰자의 눈의 중심에 포커싱되도록 양의 굴절력을 갖는 홀로그래픽 광학 소자인 디스플레이 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 도광판은 만곡된 형태를 갖는 디스플레이 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형인 디스플레이 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 디스플레이 장치는 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.