KR20210030189A - 디스플레이 장치 및 이를 포함한 시스템 - Google Patents

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KR20210030189A
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Abstract

디스플레이 장치가 개시된다.
개시된 디스플레이 장치는, 적어도 하나의 가상 객체 이미지 소스, 가상 객체 이미지를 디스플레이 하기 위한 적어도 하나의 디스플레이 장치, 적어도 하나의 가변 렌즈를 포함하고, 적어도 하나의 가변 렌즈는 적어도 두 개의 가변 광학 셀을 포함한다.

Description

디스플레이 장치 및 이를 포함한 시스템{DISPLAY APPARATUS AND SYSTEM HAVING THE SAME}
예시적인 실시예는 증강 현실 또는 가상 현실 (AR,VR) 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가상 이미지 위치, 시력 및 객체의 위치에 따라 증강 현실 또는 가상 현실(AR,VR) 시스템의 디스플레이 장치에서 이미지 포커스를 조절하는 가변 렌즈를 포함한 디스플레이 장치 및 이를 포함한 시스템에 관한 것이다.
증강 현실 또는 가상 현실(AR, VR) 시스템에서, 사용자를 위한 가상 이미지, 특히 현실 세계의 이미지 상에 중첩된 증강 현실 이미지를 디스플레이 하는 장치를 개발하는 것이 중요하다. 사용자의 관점에서 AR, VR 시스템의 이미지 디스플레이에는, 가상 현실 이미지의 사실적인 깊이 감, 높은 시력(특히 굴절 편차가 있는 사용자), 디스플레이 장치의 최소 크기로 비교적 높은 성능을 제공하는 것 등이 요구 된다. 한편, AR, VR 시스템 개발자의 관점에서는, 디스플레이 장치에는 광범위한 광학 파워 조절(최소 -4 디옵터 내지 + 4 디옵터), 적은 디옵터 조절 단계(예를 들어, 0.25 디옵터), 시스템, 예를 들어, 헤드 셋 또는 헤드 마운트 장치, 스마트 안경 등에 적용하기 위한 소형 폼 팩터 등이 요구된다. 기존에 문제점들 중 하나는 사용자 눈의 피로를 초래하는 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)이다. 대부분의 AR, VR 헤드셋은 초점 거리가 고정되어 있으며, 이 초점 거리에서 가상 이미지를 변환 할 수 없다. 그 결과, 눈의 수렴(vergence)과, 조절 중에 사용자의 눈이 초점을 맞추는 거리가 하나의 평면에 있지 않다. 이로 인해 사용자의 눈이 피로 해지고 두통과 구역질이 생길 수 있다. 고정 된 초점 거리의 가상 객체뿐만 아니라 다른 거리에 위치한 실제 객체가 AR 장치를 통해 동시에 관찰 될 때, 소위 수렴 조절 불일치(VAC)가 발생한다. 이 경우, 눈이 해당 객체에 포커싱 될 때, 가상 객체 또는 실제 외부 세계의 관찰 가능한 객체 중 어느 하나에 초점을 맞출 수 있지만, 동시에 두 객체 모두에 초점을 맞출 수는 없다. VR의 경우, 초점 면(디스플레이에서 눈의 조절)이 객체의 상대적 크기(객체에서 눈의 수렴 축)와 일치하지 않을 때, VAC 충돌이 발생한다.
예시적인 실시예는 초점 거리를 가변할 수 있는 디스플레이 장치 및 이를 포함한 시스템을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 적어도 하나의 가상 객체 이미지 소스; 및 적어도 하나의 가변 렌즈;를 포함하고,상기 적어도 하나의 가변 렌즈는 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀 각각은 상기 적어도 하나의 가변 렌즈의 초점 거리를 조절하는 전극 패턴을 포함하고, 상기 전극 패턴은 상기 적어도 하나의 가변 렌즈의 광학 파워가 등거리 디옵트릭 단계 로 변하도록 구성될 수 있다.
상기 등거리 디옵트릭 단계 Δ가 0.25 디옵터일 수 있다.
상기 적어도 두 개의 가변 광학 셀은 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 액정층을 가지는 제1 가변 광학 셀과, 제3 전극, 제4 전극 및 상기 제3 전극과 제4 전극 사이의 제2 액정층을 가지는 제2 가변 광학 셀을 포함할 수 있다.
상기 가상 객체 이미지 소스로부터 나온 광을 전달하는 도광판을 더 포함하고, 상기 도광판은 상기 제1 가변 렌즈와 제2 가변 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 가변 렌즈가 사용자의 눈 앞에 위치하도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 장치가, 상기 가상 객체 이미지 소스로부터 나온 광을 전달하는 도광판을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 상기 가상 객체 이미지 센서와 상기 도광판 사이에 배치된 제1 가변 렌즈와, 상기 도광판에 대해 바깥 쪽에 배치된 제2 가변 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 전극 패턴은 동심의 링 전극들과, 상기 동심의 링 전극들의 중심에 배치된 원형 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극 패턴은 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열 된 평행 스트립 전극들을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 전극은 제1 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제1 광학 파워와 크기는 같고 부호가 반대인 제2 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈는 제1 광학 파워와, 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 제2 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제1 광학 파워와 크기는 같고 부호가 반대인 제3 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 가변 렌즈는 제1 광학 파워와, 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 제2 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제2 광학 파워와 같은 제3 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함할 수 있다.
상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀이 편광-의존적 전극 패턴을 포함할 수 있다.
상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀이 편광 독립적인 전극 패턴을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 원형일 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 직사각형 형상 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 광학 파워를 가지도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 0의 광학 파워를 가지도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 (-4) 내지 (+4) 디옵터 범위의 총 광학 파워를 가지도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 장치가 증강 현실 (AR) 시스템에 적용될 수 있다.
상기 디스플레이 장치가 가상 현실 (VR) 시스템에 적용될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 적어도 하나의 가변 렌즈에 의해 등거리 디옵트릭 단계로 광학 파워를 조절할 수 있다. 그럼으로써, 넓은 범위의 총 광학 파워를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 포함한 시스템은 AR 시스템 또는 VR 시스템에 적용할 수 있으며, 사용자의 눈의 피로도를 줄일 수 있다.
도면은 본 발명의 본질의 이해를 돕기 위해 본원에 제공된다. 도면은 개략적이며 축척대로 도시되지 않았다. 도면은 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하도록 의도 된 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 디스플레이 장치의 가변 렌즈의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 링 전극 패턴을 도시한 것이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 가변 렌즈의 예들을 도시한 것이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 가변 렌즈의 예를 도시한 것이다.
도 6은 도 1에 도시된 디스플레이 장치의 변형 예를 도시한 것이다.
도 7은 도 1에 도시된 디스플레이 장치의 변형 예를 도시한 것이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 도 8에 도시된 디스플레이 장치의 변형 예를 도시한 것이다.
도 10은 도 8에 도시된 디스플레이 장치의 변형 예를 도시한 것이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 등거리 디옵트릭 단계를 나타낸 것이다.
도 12는 다른 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 등거리 디옵트릭 단계를 나타낸 것이다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 스트립 전극 패턴을 가진 가변 광학 셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 스트립 전극 패턴을 가진 가변 광학 셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 동심 링 전극 패턴을 가진 가변 광학 셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 동심 링 전극 패턴을 가진 가변 광학 셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 스트립 전극 패턴을 가지는 4 개의 가변 광학 셀이 구비된 예를 도시한 것이다.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 동심 링 전극 패턴을 가진 2 개의 가변 광학 셀이 구비된 예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 디스플레이 장치 및 이를 포함한 시스템에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 디스플레이 장치(100)는 사용자의 눈(E) 각각에 대해 적어도 2 개의 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(100)는 사용자의 눈(E) 각각에 대해 제 1 가변 렌즈(LC1) 및 제 2 가변 렌즈(LC2)를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(100)는 가상 객체 이미지 소스(110)와, 가상 객체 이미지 소스(110)로부터 나온 광을 전송하는 도광판(120)을 포함할 수 있다. 가상 객체 이미지 소스(110)는 예를 들어, 액정 디스플레이, OLED 디스플레이, LED 디스플레이 등을 포함할 수 있다.
가상 객체 이미지 소스(110)는 도광판(120)의 한 쪽 단 부에 위치할 수 있다. 도광판(120)의 다른 쪽 단부에는 제 1 및 제 2 가변 렌즈(LC1)(LC2)가 위치할 수 있다. 가상 객체 이미지를 형성하는 광학 방사선(optical radiation)은 도광판(120)을 따라 가상 객체 이미지 소스(110)로부터 제 1 가변 렌즈(LC1)로 전송될 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 도광판(120)으로부터 출력된 광은 제 1 가변 렌즈(LC1)를 통해 사용자의 눈(E)으로 전송될 수 있다. 제 1 가변 렌즈(LC1)는 가상 객체 이미지를 광 축을 따라 이동시키고 눈의 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 제거할 수 있다.
제2 가변 렌즈(LC2)는 제1 조절 렌즈(LC1)에 의해 유도된 광학 파워를 보상하도록 구성되어, 사용자가 헤드 ™V 없이 외부 세계를 바로 보는 것처럼 간섭과 왜곡 없이 외부(실제) 세계의 객체를 관찰 할 수 있도록 한다. 이를 통해, 사용자가 AR 시스템이 없이 맨 눈(naked eye)으로 외부 세계를 보는 것과 같이 느낄 수 있다. 적어도 하나의 가변 렌즈는 도광판(120)을 통해 가상 객체 이미지 소스와 결합 될 수 있다. 도광판(120)의 한 단부는 가상 객체 이미지 소스(110)와 결합 될 수 있으며, 적어도 하나의 가변 렌즈를 통해 D0 = 0 (평행 빔)의 광학 파워를 갖는 가상 객체 이미지를 생성할 수 있다.
도광판(120)의 다른 단부는 제 1 및 제 2 가변 렌즈(LC1)(LC2) 사이에 위치 될 수 있다. 도광판(120)에 의해 전송 된 가상 객체 이미지를 형성하는 광학 방사선이 내부 전반사에 의해 도광판(120)의 내부 표면으로부터 반사되어 제1 가변 렌즈(LC1)를 통해 사용자의 눈(E)에 들어간다.
적어도 하나의 가변 렌즈는 각각 적어도 두 개의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 가변 렌즈는 적어도 두 개의 가변 광학 셀이 적층된 스택 구조를 가질 수 있다. 도 2는 가변 광학 셀의 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 적어도 두 개의 가변 광학 셀(130)은 예를 들어, 제1 가변 광학 셀(131)과 제2 가변 광학 셀(141)을 포함할 수 있다. 제1 가변 광학 셀(131)은 제1 전극(133), 제2 전극(135) 및 제1 전극(133)과 제2 전극(135) 사이의 제1 액정층(134)을 포함할 수 있다. 제1 전극(133)은 제1 기판(132)에 구비될 수 있다. 제2 전극(135)은 제2 기판(136)에 구비될 수 있다. 제1 기판(132)과 제2 기판(135)은 예를 들어, 투명 기판일 수 있다. 제 1 전극(133)은 서로 이격된 픽셀 전극으로 구비되고, 제2 전극(135)은 공통 전극으로 구비될 수 있다. 제1 전극(133)을 통해 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 즉, 제1 전극(133)은 어드레싱 가능한 전극일 수 있다. 제1 전극(133)과 제2 전극(135)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.
제2 가변 광학 셀(141)은 제3 전극(137)과, 제4 전극(139), 제3 전극(137)과 제4 전극(139) 사이의 제2 액정층(138)을 포함할 수 있다. 제3 전극(137)은 제2 기판(135)에 구비되고, 제4 전극(139)은 제3 기판(140)에 구비될 수 있다. 제2 기판(136)은 제2 전극(135)과 제3 전극(137)에 대해 공통으로 사용될 수 있다. 즉, 기판(136)의 일 면에 제2 전극(135)이 구비되고, 기판(136)의 다른 면에 제3 전극(137)이 구비될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 제2 전극(135)과 제3 전극(137)에 대해 기판이 각각 구비되는 것도 가능하다.
제3 전극(137)은 공통 전극으로 구비되고, 제4 전극(139)은 서로 이격된 픽셀 전극으로 구비될 수 있다. 제4 전극(139)을 통해 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 즉, 제4 전극(139)은 어드레싱 가능한 전극일 수 있다. 제3 전극(137)과 제4 전극(139)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 제2 기판(136)은 절연 물질을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 전극(133)과 제4 전극(139)은 각각 서로 이격되어 배열된 전극 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(133)과 제4 전극(139)은 동심원 링 전극 패턴을 가질 수 있다. 하지만, 전극 패턴의 구조는 여기에 한정되는 것은 아니고, 평행 스트립 전극 패턴 등 다양하게 변경될 수 있다. 이에 대해 서는 후술하기로 한다.
제1 전극(133)과 제4 전극(139)은 예를 들어 복수 개의 프레넬 영역(150)을 포함할 수 있다. 복수 개의 프레넬 영역(150)은 각각 적어도 하나의 전극(151)을 포함할 수 있다. 복수 개의 프레넬 영역(150)에는 각각 다른 개수의 전극(151)이 구비될 수 있다. 또한, 제1 전극(133)과 제4 전극(139)에는 각각 다른 개수의 프레넬 영역이 구비될 수 있다. 프레넬 영역의 개수, 전극의 개수, 전극 패턴 등을 조절하여 가변 렌즈의 초점 거리를 조절할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 가변 렌즈(LC1)(LC2)는 도 4에 도시된 바와 같이, 사각형 단면 형상(도 4a), 원형 단면 형상(도 4b), 오각형 단면 형상(도 4c) 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 가변 렌즈(LC1)(LC2)는 여기에 한정되지 않고 다각형, 곡선 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2에서는 가변 렌즈가 2 개의 가변 광학 셀을 포함한 예를 도시하였으나, 도 5에 도시된 바와 같이 가변 렌즈는 제1 내지 제n 가변 광학 셀(1,2,..n)을 포함하고, 제1 내지 제n 가변 광학 셀(1,2,..n)이 적층될 수 있다. 가변 광학 셀의 개수가 많으면 광학 파워의 범위가 커질 수 있으나, 전체 시스템의 부피는 커질 수 있으므로, 가변 광학 셀의 개수를 필요에 따라 조절할 수 있다.
렌즈 개구(aperture) 및 광학 파워 범위는 증강 현실(AR), 가상 현실(VR) 시스템에서 디스플레이 장치의 주요 파라미터 중 하나이다. 증강 현실(AR), 가상 현실(VR) 시스템에는 가상 객체 이미지의 피사계 심도에 대한 현실적인 인식을 제공하기 위해 큰 개구가 필요하다. 하지만, 개구가 큰 가변 렌즈의 경우, 렌즈의 반경()이 커지고, 렌즈의 반경(r)이 클수록 달성 가능한 광학 파워(power)가 작기 때문에 광학 파워(D)의 범위가 제한될 수 있다.
가변 렌즈의 광학 파워(D)에 대해 전극의 최대 개수(Nmax)는 다음과 같다.
Figure pat00001
<식 1>
여기서, Nmax는 광학 파워(D), 렌즈 반경(r), 파장(λ)을 갖는 가변 렌즈에 대한 프레넬 영역 당 최대 어드레싱 가능 전극의 수를 나타낸다. 가변 광학 셀에서, 어드레싱 가능 전극이 배열되고, 전극의 크기와, 전극 사이의 거리를 포함하는 주기에 대해, (△R)은 기술적으로 가능한 전극의 최소 폭과, 기술적으로 가능한 전극 사이의 최소 거리의 합과 동일한 기술적 제한을 나타낸다. 여기서, 마지막 전극의 폭과, 마지막 전극으로부터 이전(previous) 전극까지의 거리의 합은 기술적 제한 (△R) 이상의 값을 가진다.
예시적인 실시예에 따르면, 증강 현실 또는 가상 현실(AR, VR) 시스템을 위한 디스플레이 장치는 적어도 하나의 가변 렌즈를 포함하고, 적어도 하나의 가변 렌즈는 각각 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 적어도 2 개의 가변 광학 셀은 가변 렌즈의 초점 거리를 조절하도록 구성된 전극 패턴을 포함하여, 가변 렌즈의 광학 파워가 등거리(equidistant) 디옵트릭 단계(△)로 변하도록 조절할 수 있다.
예시적인 실시예는 넓은 범위의 광학 파워, 예를 들어, (-4) 디옵터 내지 (+4) 디옵터 범위와, 렌즈의 큰 개구, 예를 들어, 적어도 20 mm를 제공할 수 있다. 이는 여러 개의 가변 광학 셀과, 이들 각각의 상호 관련된 전극 패턴과 전극의 개수의 조합에 의해 구현될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 광학 파워 범위가 (-Dmax) 내지 (Dmax)로 선택되고, 이는 렌즈 반경(r)과, 전극 배열 주기(period)의 기술적 제한(△R)을 가지는 렌즈를 사용하여, 등거리 디옵트릭 단계(△)를 갖는 디스플레이 장치에 제공될 수 있다.
한편, 최소 회절 효율(
Figure pat00002
)은 광학 시스템의 실제 요구 사항에 따라 선택될 수 있다. 선택된 회절 효율에 기초하여, 가변 렌즈에 대한 하나의 프레넬 영역 당 위상 레벨의 개수(L)는 다음 식에 의해 계산된다.
Figure pat00003
<식 2>
예시적인 실시예에 따르면, 등거리 디옵트릭 단계(△)는 다음과 같이 제공될 수 있다. 최소 광학 파워를 갖는 제 1 가변 광학 셀(131)이 선택되고, 시스템 부등식
Figure pat00004
이 해결되며, 이에 따라 값(k1)을 얻을 수 있다. N1은 전극의 최소 개수를 나타낸다. 값(k1)에 의해 제 1 가변 광학 셀(131)의 최대 광학 파워가 계산되며, 여기서, k1은 광학 파워의 변수이다. k1은 주어진 렌즈에 대해 최대 광학 파워가 최소 광학 파워보다 몇 배나 큰지를 나타낸다. L은 주어진 렌즈에 대한 하나의 프레넬 영역 당 위상 레벨의 개수이다. A는 다음 공식으로 계산 된 상수이다.
Figure pat00005
<식 3>
얻어진 값(k1)을 사용하여, 전극의 최소 개수(N1)가 제 1 가변 광학 셀(131)에 대해 얻어질 수 있다. 따라서, 제 1 가변 광학 셀(131)에 대한 최소 및 최대 광학 파워의 제시된 계산 및 이들 광학 파워를 제공하는데 필요한 최소 전극 개수에 따라, 제 1 가변 광학 셀(131)의 전극 구조가 결정될 수 있다.
다음으로, 최소의 광학 파워
Figure pat00006
을 갖는 제 2 가변 광학 셀(141)이 선택되고, 시스템 부등식
Figure pat00007
이 해결되고, 값(k2) 에 대한 최대 값이 얻어질 수 있다. 이 것과 함께 제 2 가변 광학 셀(141)에 대한 최대 광학 파워
Figure pat00008
이 얻어질 수 있다. 획득 된 값 k2에 대해, 제2 가변 광학 셀(141)의 하나의 프레넬 영역 당 최소 전극 수(N2)가 결정되며, 여기서 N2는 값 N1, L, Δ에 의해 결정될 수 있다.
제 2 가변 광학 셀(141)에 대한 전술한 시스템 부등식의 해를 찾을 수 없다면, 이는 더 많은 가변 광학 셀이 필요하다는 것을 의미한다. 그리고, 전술한 제1 및 제2 가변 광학 셀(131)(141)에 더하여, 최소의 광학 파워
Figure pat00009
을 갖는 제 3 가변 광학 셀이 더 구비될 수 있다. 3개 이상의 가변 광학 셀이 구비되는 예가 도 5에 도시되어 있다.
제3 가변 광학 셀에 대해, 다음과 같은 시스템 부등식의 해를 찾을 수 있다.
Figure pat00010
k2에 대한 최대 값이 획득되고, 이 것과 함께 제 2 가변 광학 셀에 대한 최대 광학 파워
Figure pat00011
가 획득되고, 그런 다음 k3에 대한 최대 값과, 제 3 가변 광학 셀에 대한 최대 광학 파워
Figure pat00012
가 획득될 수 있다. 획득 된 값 k2와 k3을 사용하여, 제 2 가변 광학 셀에 대한 하나의 프레넬 영역 당 최소 전극 수(N2) 가 획득되고, 그 다음, 제 3 가변 광학 셀에 대한 하나의 프레넬 영역 당 최소 전극 수(N3)가 획득될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 각각 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 가변 렌즈의 개수는, 증강 현실 (AR) 시스템 또는 가상 현실(VR) 시스템에서 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 특정 실시 예에 따라 선택 될 수 있다. 예를 들어, AR / VR 시스템에서의 구현을 위해 적어도 하나의 가변 렌즈가 구비될 수 있다. 디스플레이 장치 내의 가변 렌즈의 개수는 가상 이미지를 이동시키는 렌즈의 광학 파워가 사용자의 시력에 따른 굴절 에러 양에 의해 변화될 수 있기 때문에, 반드시 시력 교정의 필요성의 부재/ 존재에 의존하지 않는다.
따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 시력 교정을 위해 설계된 추가 렌즈에 대한 필요성이 제거될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 실시 예에서, 사용자의 시력을 교정하도록 설계된 가변 렌즈가 사용될 수 있지만, 본 발명의 범위는 이러한 실시 예로 제한되지 않으며, 일반적으로 그럴 필요는 없음을 이해해야 한다. 다시 말하면, 사용자의 시력 교정을 위해 별도의 가변 렌즈를 반드시 사용할 필요는 없다. AR 또는 VR 시스템에 적용되는 하나 또는 두 개의 가변 렌즈를 갖는 다음의 몇몇 실시 예들이 고려 될 것이다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 하나 이상의 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 각각의 가변 렌즈는 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 적어도 하나의 가변 렌즈 각각의 가변 광학 셀의 수 및 가변 광학 셀의 전극 수는 필요한 광학 파워 범위, 필요한 등거리 디옵트릭 단계, 필요한 회절 효율, 기술적으로 가능한 전극의 최소 주기에 의한 기술적 제한 등에 의해 결정될 수 있다.
위에서 언급 한 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 가변 렌즈의 개수는, 디스플레이 장치가 AR 시스템에서 사용되는지, VR 시스템에서 사용되는 지와, 사용자의 시력이 정상인지 또는 교정이 필요한 지 등에 의해 결정될 수 있다. VR 시스템에 적용되는 디스플레이 장치에서, 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 적어도 하나의 가변 렌즈가 구비될 수 있다. 가변 렌즈는 필요한 광학 파워 범위 및 필요한 등거리 디옵트릭 단계(즉, VAC 문제 해결을 위해 필요한)에 따라 가상 객체 이미지를 변환하도록 설계될 수 있다.
사용자의 시력 교정이 요구되는 경우 (즉, 사용자의 시력이 정상에서 벗어난 경우), AR 시스템의 디스플레이 장치에서, 각각 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 2개 이상의 가변 렌즈가 구비될 수 있다. 반면, 사용자의 시력 교정이 요구되는 경우 (즉, 사용자의 시력이 정상에서 벗어난 경우), VR 시스템의 디스플레이 장치에서, 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 적어도 하나의 가변 렌즈가 구비될 수 있다. 즉, 이 경우에는 가변 렌즈가 하나만 구비되는 것도 가능하다.
가변 렌즈는 가상 객체 이미지를 필요한 광학 파워 범위 및 필요한 등거리 디옵트릭 단계(즉, VAC 문제 해결)로 변환하는 역할을 할 수 있다. 그러나, 사용자의 정상적인 시력의 경우와 달리, 사용된 적어도 하나의 가변 렌즈의 광학 파워의 값은 사용자의 시력에 따른 굴절 에러의 값에 의해 조절될 수 있다.
도광판(120)에 의해 가상 객체 이미지 소스(110)와 결합 된 가변 렌즈의 변경 예가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 디스플레이 장치(100)는 제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)를 포함할 수 있다. 제1 가변 렌즈(LC1)는 가상 객체 이미지를 외부 세계의 실제 객체가 있는 초점 면과 동일한 면으로 변환할 수 있다(VAC 문제 해결). 제2 가변 렌즈(LC2)는 외부 세계에서 수신 한 실제 객체 이미지의 초점 거리를 조절할 수 있다. 이는, 사용자가 AR 시스템을 통해 가상 객체 이미지와 동일한 선명도 및 첨예도로 외부 세계를 관찰 할 수 있도록 한다. 이 경우, 제 2 가변 렌즈(LC2)의 광학 파워가 제 1 가변 렌즈(LC1)의 광학 파워와 크기는 동일하지만, 반대 부호를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 가변 렌즈(LC1)가 (Dvirt)의 광학 파워를 가지고, 제2 가변 렌즈(LC2)가 (-Dvirt)의 광학 파워를 가질 수 있다.
이 경우, AR 시스템에서 2 개 이상의 가변 렌즈가 각각 2개 이상의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)가 각각 2개 이상의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 따라서, 필요한 범위 내에서 그리고 주어진 제한 하에서 각각의 가변 렌즈가 자체적으로 초점 거리(광학 파워)를 조절할 수 있다.
도 6에 도시 된 실시 예에 따르면, 제1 가변 렌즈(LC1) 및 제2 가변 렌즈(LC2)는 크기가 동일하지만 부호가 반대인 광학 파워(-Dvirt + Dvirt = 0)를 가질 수 있다. 따라서, 가상 객체 이미지는 제1 가변 렌즈(LC1)의 광학 파워에 해당하는 초점 거리만큼 움직일 수 있다. 한편, 외부 세계의 이미지는 전체 광학 파워(-Dvirt + Dvirt = 0)가 0이므로, 마치 머리에 장착된 AR 장치가 없는 것처럼 사용자의 눈으로 그대로 인식될 수 있다. 이 실시 예에서는, 사용자의 눈의 굴절 에러 정정은 제공되지 않는다.
도 7에 도시된 실시예에서는 사용자의 눈의 굴절 에러의 정정, 즉 사용자가 선명하고 예리한 가상 객체 이미지 및 실제 객체를 관찰 할 수 있도록 사용자의 시력의 정정이 제공될 수 있다. 이 실시 예에서, 제1 가변 렌즈(LC1)는 제1 광학 파워(Dvirt) 및 제2 광학 파워(Derr_eye)를 가질 수 있다. 제1 광학 파워(Dvirt)는 필요한 초점 길이만큼 가상 객체 이미지를 변환할 수 있고, 제 2 광학 파워(Derr_eye)는 사용자의 눈의 굴절 에러를 정정할 수 있다.
제2 가변 렌즈(LC2)는 제1 광학 파워(Dvirt)와 크기가 동일하지만 반대 부호를 가지는 제3 광학 파워(-Dvirt)를 가질 수 있다. 결과적으로, 가상 객체 이미지는 제1 가변 렌즈(LC1)에 의해 제1 광학 파워(virt)와 제2 광학 파워(Derr+Derr_eye)를 합한 총 광학 파워(Dvirt + Derr_eye)에 대응하는 초점 길이만큼 이동하여 광학 굴절 에러 없이 가상 객제 이미지를 볼 수 있다. 또한, 실제 객체 이미지에 대해서는, 제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)에 의해, 사용자는 광학 굴절 에러를 고려하여 광학 파워가 (-Dvirt + Dvirt + Derr_eye)로 조절되기 때문에 실제 객체 이미지를 선명하게 볼 수 있다. 다시 말하면, 외부 세계로부터의 이미지의 초점 길이에 대응하는 광학 파워는 사용자의 굴절 에러를 정정하는데 필요한 광학 파워(Derr_eye)로만 구성되므로, 사용자는 외부 세계로부터의 이미지를 선명하게 볼 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 개략적으로 도시 한 것이다.
디스플레이 장치(200)는 증강 현실 시스템 또는 가상 현실 시스템에 적용될 수 있다. 디스플레이 장치(200)는 사용자의 눈(E) 각각에 대해 적어도 한 개의 가변 렌즈를 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(200)는 예를 들어, 제1 가변 렌즈(LC1) 및 제2 가변 렌즈(LC2)를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(200)는 가상 객체 이미지 소스(210)와, 가상 객체 이미지 소스(210)로부터 나온 광을 전달하는 도광판(220)을 포함할 수 있다.
가상 객체 이미지 소스(210)는 도광판(220)의 한 단부에 구비될 수 있다. 제1 가변 렌즈(LC1)는 도광판(220)의 한 단부와 가상 객체 이미지 소스(210)의 사이에 위치할 수 있다. 제2 가변 렌즈(LC2)는 도광판(220)의 다른 쪽 단부에 위치할 수 있다. 제2 가변 렌즈(LC2)는 도광판(220)의 바깥 쪽 단부에 위치할 수 있다. 여기서, 도광판(220)의 바깥 쪽은 사람의 눈(E)에 대해 먼 쪽을 나타낼 수 잇다.
제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)는 각각 적어도 두 개의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 적어도 두 개의 가변 광학 셀은 예를 들어, 제1 가변 광학 셀과 제2 가변 광학 셀을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 가변 광학 셀은 도 2 및 도 3에 도시된 것과 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
제 1 가변 렌즈(LC1)를 통과한 광 방사선은 도광판(220)을 통해 전달될 수 있다. 광 방사선은 도광판(220)의 내부 전반사를 통해 전달되어, 사용자의 눈(E)으로 들어간다.
도 9는 도 8에 도시된 실시예에 따른 디스플레이 장치(200)의 동작을 설명하기 위한 것이다.
제1 조절 렌즈(LC1)가 필요한 초점 거리만큼 가상 객체 이미지를 변환하는데 필요한 제1 광학 파워(Dvirt)를 가질 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 제2 가변 렌즈(LC2)는 선택적으로 구비될 수 있다. 즉, 제2 가변 렌즈(LC2)가 제거되는 것도 가능하다. 또는, 제2 가변 렌즈(LC2)의 가변 광학 셀의 전원을 턴 오프하여 광학 파워를 0으로 만들 수 있다. 따라서, 이 예시적인 실시 예에서, 사용자가 정상적인 시력을 가진 경우에, AR 시스템에 본 실시예를 적용하기 위해, 도광판(220)에 의해 제1 가변 렌즈(LC1)가 사용자의 눈(E) 쪽에 직접적으로 위치하지 않도록 할 수 있기 때문에, 하나의 가변 렌즈가 구비되는 것이 가능하다.
본 실시예에서는 제1 조절 렌즈(LC1)를 사용자 눈에 닿지 않는 곳에 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이 가상 객체 이미지 소스(210)와 도광판(220) 사이에 제1 조절 렌즈(LC1)가 위치할 수 있다. 결과적으로, 이 실시 예에서, 가상 객체 이미지는 제1 조절 렌즈(LC1)의 광학 파워에 대응하는 초점 길이만큼 이동하고, 외부 객체 이미지에 대해서는 마치, 헤드 장착 형 장치가 없는 것처럼 외부 세계로부터의 이미지를 맨 눈으로 볼 수 있다. 이는, 제2 가변 렌즈(LC2)가 없거나 제2 가변 렌즈(LC2)의 가변 광학 셀의 전원이 꺼져 있기 때문에, 즉 제2 조절 렌즈(LC2)의 광학 파워가 0이기 때문이다.
도 10은 사용자의 눈의 굴절 에러의 정정이 수행되는 경우에 대한 도 8의 실시 예의 동작을 설명하기 위해 도시한 것이다.
이 실시 예에서, 제1 가변 렌즈(LC1)는 제1 광학 파워(Dvirt)와 제2 광학 파워(Derr_eye)를 가질 수 있다. 제1 광학 파워(Dvirt)는 가상 객체 이미지를 필요한 초점 거리만큼 변환하는데 필요한 광학 파워에 대응하고, 제 2 광학 파워(Derr_eye)는 사용자의 눈의 굴절 에러를 정정하는데 필요한 광학 파워에 대응한다. 제2 가변 렌즈(LC2)는 사용자의 눈의 굴절 에러를 수정하는 데 필요한 제3 광학 파워(Derr_eye)를 가질 수 있다.
결과적으로, 가상 객체 이미지는 제1 광학 파워(Dvirt)와 제2 광학 파워(Deye)를 합한 총 광학 파워(Dvirt + Derr_eye)에 대응하는 초점 길이만큼 이동하고, 이 때, 눈의 굴절 에러를 고려하여 광학 파워가 조정되기 때문에 사용자는 가상 객체 이미지를 선명하게 볼 수 있다.
외부 세계로부터의 이미지에 대한 초점 길이에 대응하는 제3 광학 파워(Derr_eye)는 사용자의 눈의 굴절 에러를 정정하기 위해 필요한 광학 파워만으로 구성되기 때문에, 사용자는 외부 세계로부터의 이미지를 굴절 에러 없이 선명하게 볼 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 증강 현실(AR)), 가상 현실(VR) 시스템 용 디스플레이 장치는, 등거리 광학 파워 스텝(△) (또는, 등거리 디옵트릭 스텝)을 제공할 수 있다. 등거리 디옵트릭 스텝(△) 및 위상 레벨의 개수(L)는 제 1 가변 광학 셀(131)에 대한 전극의 개수(N1)를 결정할 수 있다. N1은 전극 패턴의 반경 및 폭 등을 결정할 수 있다.
제 2 가변 광학 셀(141)의 전극 패턴(그들의 반경 및 폭)은 주어진 제한 하에서 제 2 가변 광학 셀(141)의 최대 광학 파워를 보장하는데 필요한 최소 전극 수와 동일한 값 N2에 의해 결정될 수 있다. 값 N2는 제1 가변 광학 셀(131)의 값 N1으로부터 얻어질 수 있다. 이는 제 2 가변 광학 셀(141)의 전극 패턴이 광학 시스템에 대해 주어진 제한 및 요건 하에서 제 1 가변 광학 셀(131)의 전극 패턴에 의해 결정될 수 있음을 나타낸다.
예시적인 실시 예에서, 각각의 가변 광학 셀의 전극은 링 형상을 포함하고 동심으로 배열될 수 있다, 동심원 구조의 전극 패턴은 도 3을 참조한다. 동심원 전극 패턴은 제1 전극 내지 제n 전극을 포함할 수 있다. 제 1 전극은 원의 형상을 가지고, 전극 패턴의 중심에 위치될 수 있다. 그러나, 전극 패턴은 여기에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 평행 스트립 형상 또는 다각형 어레이 등 다양한 형상이 가능하다. 또한, 불규칙한 형상의 전극 패턴을 사용할 수도 있다.
적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함한 가변 렌즈는 전극 패턴의 형상에 따라 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 적절한 개구 형상을 가질 수 있다. 렌즈 개구의 형상은 원형, 직사각형, 다각형 등 다양할 수 있다(도 4 참조).
렌즈 개구는 시스템에 대한 실제 요구 사항, 크기 제한, 전극의 모양과 크기에 대한 요구 사항 등 가변 렌즈의 유형과 연결될 수 있다. 예를 들어, 투과 광이 입사 광 편광에 의존하지 않는 구면(spherical)의 가변 렌즈를 형성하기 위해, 스트립 형태의 평행 전극을 갖는 4 개의 가변 광학 셀을 구비할 수 있다. 그럼으로써, x 방향 편광과 y 방향 편광을 가진 광을 포커싱 할 수 있다. 또한, x 방향 편광 및 y 방향 편광 양쪽을 가진 광을 포커싱 하기 위해, 스트립 형태의 평행 전극을 갖는 4 개의 가변 광학 셀을 포함하는 경우와 동일한 결과를 갖도록 동심 링 전극을 갖는 2 개의 가변 광학 셀을 포함할 수도 있다.
상이한 인자에 따라, 가변 광학 셀의 하나 이상의 다른 실시 예가 본 발명의 법적 보호 범위 내에서 바람직할 수 있다. 예를 들어, 가변 광학 셀은 광학 시스템의 두께를 감소시킬 필요성(이 경우, 링 전극이 선택됨) 또는 전극 제조의 단순성(이 경우, 스트립 전극이 선택됨) 등에 의해 조절 될 수 있다.
동심 링 전극을 포함하는 전극 패턴은 비 제한적인(non-limiting) 예로서 이하에서 고려 될 것이며, 당업자는 전극 패턴이 본 명세서에 명시적으로 열거 된 다른 구성으로도 구현 될 수 있음을 이해할 것이다.
일 예에서, 가변 광학 셀은 예를 들어, 개구 직경이 20 mm이고, 동심의 링 전극 패턴을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 가변 광학 셀(131)은 예를 들어, 24 개의 프레넬 영역(150)을 포함할 수 있다. 각 프레넬 영역(150)의 전극은 소정의 폭 및 이웃하는 전극 사이의 갭(g로 지정된 거리)을 가질 수 있다. 제2 가변 광학 셀(141)은 예를 들어, 96 개의 프레넬 영역(150)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 제 1 가변 광학 셀(131)이 0.25 디옵터 내지 1 디옵터 범위(24 프레넬 영역을 갖는 가변 광학 셀의 경우)의 광학 파워를 제공할 수 있다. 그리고, 제 2 가변 광학 셀(141)은 1 디옵터 내지 3 디옵터(96 프레넬 영역을 갖는 가변 광학 셀의 경우)의 광학 파워를 제공할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 가변 광학 셀(131)(141)에 의한 총 광학 파워 범위는 0 내지 4 디옵터일 수 있다.
2 개의 가변 광학 셀은 그들에 의해 제공되는 총 광학 파워 범위 내에서 등거리 디옵트릭 단계(Δ)를 제공할 수 있다.
도 11은 제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)에 의해 등거리 디옵트릭 단계(Δ)를 가지고 초점 거리가 가변 되는 것을 보인 것이다. 예를 들어, 예시적인 디스플레이 장치는 0.25 D의 등거리 디옵트릭 단계를 제공할 수 있다. 따라서, 0, 0.25 D, 0.5 D,... , 4D의 광학 파워를 제공할 수 있다. 하지만, 등거리 디옵트릭 단계가 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 12는 사용자의 시력 교정을 위해 굴절 에러를 보상하는 예를 도시한 것이다. 제1 가변 렌즈(LC1)와 제2 가변 렌즈(LC2)에 의해 (-0.25)D의 등거리 디옵트릭 단계를 제공할 수 있다. 따라서, (-0.25 D), (-0.5 D), ..., (-4D)의 광학 파워를 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 제1 가변 렌즈를 사용하여 가상 객체 이미지를 AR / VR 시스템의 시야로 변환하고, 사용자의 실제 세계 관찰 능력을 유지할 수 있다. 제1 가변 렌즈(LC1)는 가상 객체 이미지를 AR/VR 시스템의 시야로 변환하면서, 동시에 외부 실제 세계를 관찰하는 사용자의 능력을 유지하도록 할 수 있다(AR 시스템의 경우). 또한, 제2 가변 렌즈(LC2)는 외부 실제 세계로부터 수신 된 이미지의 위치 보정 없이 사용될 수 있다. 결과적으로, 사용자는 사용자의 시야에서 전송되는 실제 세계와 가상 객체 이미지의 선명한 이미지를 같은 초점 내에서 볼 수 있다(도 1, 6, 7 참조).
다른 실시 예에서, 제 1 가변 렌즈(LC1)는 가상 객체 이미지 소스(210)와 도광판(220) 사이에 위치될 수 있다. 광선은 제 1 가변 렌즈(LC1)를 통해 가상 객체 이미지 소스로부터 전파되어 도광판(220)을 통해 사용자의 눈으로 전달된다. 제 2 가변 렌즈(LC2)는 사용자의 눈의 시야에서 도광판(220)의 반대쪽에 위치된다 (도 8, 9, 10 참조).
그러나, 도광판을 사용하여 광학 방사선을 전송하는 것이 모든 실시 예들에 대해 필수적인 것은 아니다. 다시 말하면, 도광판을 사용하지 않고 디스플레이 장치가 구현 될 수도 있다. 예를 들어, 빔 스플리터를 사용하여 외부 세계와 가상 이미지 소스로부터의 광선을 분리 할 수 있다.
또는, 도 13을 참조하면 다른 실시 예에서, 가상 객체 이미지 소스(270)가 적어도 하나의 가변 렌즈(280)의 바로 앞에 위치 될 수 있다. 예를 들어, 가상 객체 이미지 소스(270)는 사용자의 각 눈에 각각 구비될 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 가변 렌즈(280)가 가상 객체 이미지 소스(270)에 대응되게 각각 구비될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 가변 렌즈(280)에 의해 초점이 조절되어 가상 객체 이미지 소스(270)에서 제공되는 가상 객체 이미지가 가상의 초점 면에 제공될 수 있다. 그럼으로써, 사용자의 눈의 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 해결할 수 있다.
한편, 임의의 실시 예에서, 각각의 가변 렌즈를 구성하는 가변 광학 셀들 사이에는 에어 갭이 없을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 가변 렌즈에 사용되는 가변 광학 셀의 개수는 반드시 2 개로 제한되는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다
다른 실시 예들에서, 특정 문제들 (예를 들어, 광학 파워 범위 확장, 광학 파워 보정 단계 수 증가 등)을 해결하기 위해, 더 많은 수의 가변 광학 셀들이 구비될 수 있다. 가변 광학 셀의 스택(세트)에 의해 형성된 가변 렌즈는 도광판을 사용하여 배치될 수 있다.
또한, 가변 광학 셀은 입사광에 대해 편광-의존적이거나 편광-의존적이지 않은 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 편광-의존적 구성은 전극이 평행하게 배열된 스트립 전극 패턴을 가지는 가변 광학 셀에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이 제 1 가변 광학 셀(331)은 수직 배열의 스트립 전극(332)을 가질 수 있고, 제 2 가변 광학 셀(341)은 수평 배열의 스트립 전극(342)을 가질 수 있다. 여기서, 도 14에 도시된 바와 같이 액정층(333)이 X 축을 따라 디렉터 방향을 갖는 경우, 가변 광학 셀은 X 축을 따른 편광으로 빛을 포커싱할 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이 액정층(333)이 Y 축을 따라 디렉터 방향을 갖는 경우에는 Y 축을 따른 편광으로 빛을 포커싱시킬 수 있다.
편광 또는 비 편광을 포커싱하는 다양한 수단 및 방법은 당업자에게 명백 할 것이다. 예로서, 빛을 포커싱하기 위한 도면이 다음에 개시되어 있다. Sun Y.N. et.al의 이미징 응용을 위한 원형 전극을 가진 액정 적응형 렌즈의 개발 // 집적 광학: 장치, 재료 및 기술 VII. - 국제 광학 및 광자 학회(International Society for Optics and Photonics, 2003. - Т. 4987. - С. 209-220.).
광은 선(예를 들어, 원통형 렌즈를 통해) 또는 점(예를 들어, 구면 렌즈를 통해)으로 포커싱될 수 있다. 원통형 렌즈는 예를 들어 Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하는데 사용될 수 있다. 스트립 전극 패턴을 갖는 실시 예에서, 전극의 방향이 포커스 라인의 방향 및 디렉터의 방향에 대응하는 광을 포커싱하는 데 사용될 수 있다.
가변 광학 셀 내에서 입사 광이 편광되는 축(예를 들어, Y 축)에 평행할 수 있다. 스트립 전극 패턴을 가지고, 원통형 렌즈를 사용할 때, 비 편광 된 광의 경우, 스트립 전극을 가진 2 개의 가변 광학 셀을 사용하여 광을 포커싱하고, 제1 가변 광학 셀의 전극의 방향은 제 2 가변 광학 셀의 전극의 방향과 수직하고, 제1 가변 광학 셀의 전극 방향은 광이 포커싱되는 라인의 방향과 일치할 수 있다.
제1 가변 광학 셀의 디렉터의 방향이 X 축과 평행하고 (X 축을 따라 편광됨), 제 2 가변 광학 셀의 디렉터 방향은 Y 축과 평행할 수 있다(Y 축을 따라 편광 됨). 스트립 전극 패턴을 가지고, 구면 렌즈를 사용하여 포커싱하는 경우, 예를 들어 Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 할 때, 두 개의 가변 광학 셀을 사용하여 광을 포커싱 할 수 있다. 평행한 스트립 전극 패턴을 가지고, 제1 가변 광학 셀에서 전극의 방향은 제 2 가변 광학 셀에서 전극의 방향에 대해 수직일 수 있다. 이 경우에는 광이 점으로 포커싱될 수 있다.
전극의 방향은 입사 광이 스트립 전극으로 각각의 가변 광학 셀에 초점을 맞추는 선과 평행할 수 있다. 각각의 가변 광학 셀은 예를 들어, Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱하기 위해 Y 방향에 대응하는 디렉터 방향을 가질 수 있다.
도 16을 참조하면, 링 전극 패턴(351)을 가지는 실시 예에서, 예를 들어 구면 렌즈를 사용하여 Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하기 위해 하나의 가변 광학 셀(410)이 구비될 수 있다. 가변 광학 셀(410)의 디렉터 방향은 입사광의 편광 방향(Y 축)에 평행할 수 있다.
도 17을 참조하면, 링 전극 패턴(421)을 가지는 실시 예에서, 예를 들어 구면 렌즈를 사용하여 X 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하기 위해 하나의 가변 광학 셀(420)이 구비될 수 있다. 가변 광학 셀(420)의 디렉터 방향은 입사광의 편광 방향(X 축)에 대해 평행할 수 있다.
도 18을 참조하면, 스트립 전극 패턴을 가지는 실시 예에서, 구면 렌즈를 통해 비 편광 된 광을 포커싱 하기 위해, 제1 내지 제4 가변 광학 셀(510)(520)(530)(540)이 구비될 수 있다. 제1 내지 제4 가변 광학 셀(510)(520)(530)(540)은 각각 평행하게 배열된 제1 내지 제4 스트립 전극(511)(521)(531)(541)을 포함할 수 있다. 제1 스트립 전극(511)은 제2 스트립 전극(521)에 대해 수직한 방향으로 배열될 수 있다. 제3 스트립 전극(531)은 제4 스트립 전극(541)에 대해 수직한 방향으로 배열될 수 있다. 제1 스트립 전극(511)과 제3 스트립 전극(531)은 서로 평행하게 배열될 수 있다. 제3 스트립 전극(531)과 제4 스트립 전극(541)은 서로 평행하게 배열될 수 있다.
제1 및 제2 가변 광학 셀(551)(552)은 Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하기 위해 Y 방향에 대응하는 디렉터의 방향을 가질 수 있다. 제3 및 제4 가변 광학 셀(553)(554)은 X 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하기 위해 X 방향에 대응하는 디렉터의 방향을 가질 수 있다.
도 19를 참조하면, 링 전극 패턴(611)을 갖는 실시 예에서, 구면 렌즈를 통해 비 편광 된 광을 포커싱 하기 위해, 제1 및 제2 가변 광학 셀(610)(620)이 구비될 수 있다. 제1 가변 광학 셀(610)은 Y 축을 따라 편광 된 광을 포커싱 하기 위해 Y 축에 평행한 디렉터 방향을 가질 수 있다. 제2 가변 광학 셀(620)은 X 축을 따라 편광된 광을 포커싱 하기 위해 X 축에 평행한 디렉터 방향을 가질 수 있다.
위에서 설명한 것은, 스트립 전극 패턴 및 링 전극 패턴을 갖는 가변 광학 셀을 사용하여 포커싱을 하기 위한 몇몇 실시 예일뿐이고, 전극 구조가 여기에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예는 전극 패턴을 다른 가능한 구성으로 하는 것도 당업자에게 명백 할 것이다. 본 명세서에 개시된 정보로부터 명백하게 설명되고 명백한 모든 실시 예는, 본 발명의 법적 보호 범위에 포함될 수 있다.
가변 광학 셀의 전극 패턴에서 전극이 액정의 배향(분극)에 미치는 효과 및 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 가변 렌즈의 광학 파워에 대한 영향은 다음과 같다. 전극에 인가되는 전압은 액정의 배향을 변화 시키며, 그 결과 액정의 굴절률 값이 변한다. 전극이 가변 광학 셀의 전체 표면을 따라 배열되고, 특정 전압이 각 전극에 인가되기 때문에, 이러한 방식으로 전압 프로파일이 형성되며, 이는 필요한 광학 파워를 갖는 렌즈의 위상 프로파일을 형성할 수 있다.
전압 프로파일에서 위상 프로파일로의 전이는 전압에 대한 위상의 의존성에 의해 수행되며, 그 의존성은 액정과 같은 광학 활성 물질의 특성에 의해 결정될 수 있다. (자세한 내용은 Chen RH 액정 디스플레이 : 기본 물리학 및 기술 - John Wiley & Sons (2011) 또는 Den Boer W. 능동 매트릭스 액정 디스플레이 : 기초 및 응용 - Elsevier, 2011 참조).
예시적인 실시예에 따르면, 증강 현실 또는 가상 현실 (AR / VR) 시스템을 위한 디스플레이 장치가 제공되며, 이는 사용자의 눈 각각에 대해 적어도 하나의 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 가변 렌즈는 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함할 수 있다. 가변 광학 셀의 수가 2 보다 많은 경우, 가변 광학 셀의 스택(세트)이 사용될 수 있다. 적어도 두 개의 가변 광학 셀 사이에는 에어 갭이 없을 수 있다.
예를 들어, 가변 광학 셀의 수는 6이며, 이는 렌즈 두께가 1.5 mm 인 AR 증강 현실 시스템에서 사용될 때 가변 광학 셀의 최대 수이다. 하지만, 이 것은 일 예일 뿐이며 여기에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시 예에서, 가변 렌즈는 얇고, 가변 광학 셀의 수는 또한 전극 패턴에 사용된 기판의 두께에 의존한다.
이러한 가변 렌즈에 의해 제공된 광학 파워는 가변 광학 셀의 수에 직접 비례하지만, 사용되는 가변 광학 셀의 수의 증가는 제안된 장치의 다른 파라미터에 부정적인 영향을 미쳐서 그 무게, 사이즈, 비용 등을 증가시킬 수 있다. 따라서, 광학 파워와 가변 광학 셀의 수가 적절히 조절될 수 있다.
동심의 이격 된 링 전극 패턴을 가지는 적어도 2 개의 가변 광학 셀 각각에 대해 설명 될 것이다. 예시적인 실시 예에서, 적어도 2 개의 가변 광학 셀에 의해 형성된 가변 초점을 갖는 렌즈의 직경은 예를 들어, 20 mm일 수 있다. 하지만, 이는 일 예일 뿐이며 여기에 한정되지 않는다.
적어도 2 개의 가변 광 학 셀을 포함하는 가변 렌즈는 Δ = 0.25 디옵터의 스텝을 가지고, =4 디옵터의 최대 광학 파워를 제공할 수 있다. 최대 광학 파워는 본 발명의 범위를 제한하거나 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
예시적인 실시 예에서, 렌즈의 회절 효율 η(L) = 81.1 %가 프레넬 영역 당 위상 레벨의 수 L=4를 가지고 구현될 수 있다. 가변 렌즈의 반경은 r= 10 mm일 수 있다. 가변 광학 셀의 적어도 2 개의 스택(세트) 각각의 전극 패턴의 전극 배열 주기에 대해, 전극의 크기와 같은 주기(△R)와 전극 사이의 거리(수학 식에서 기호 g로 표시됨)의 합이 4 μm이고, 전극들 사이의 거리는 1 μm인 경우 기술적인 제한(technological restriction)이 확립될 수 있다.
그리고, 상기 렌즈 파라미터에 대해, 위에서 언급된 렌즈의 회절 효율 η(L)을 고려하면,
Figure pat00013
이다(수학 식 3 참조).
본 실시 예에서, 2 개의 가변 광학 셀 각각에 대해, 가변 광학 셀의 전극 패턴에서 전극의 수는 다음과 같이 얻어질 수 있다. 제 1 가변 광학 셀에 대해, 하나의 프레넬 영역 당 전극 수(N1) 및 광학 파워(k1)의 차이는 다음의 시스템 부등식으로부터 얻을 수 있다:
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
<식 4>
여기서, L, Δ의 알려진 값이 시스템 부등식에 대입되고, 상수 A의 값이 계산되며, 시스템은 가능한 최대 값(k1)을 찾음으로써 해결될 수 있다. 최적의 가변 광학 셀을 제조하기 위해, 이러한 제한에 하에서 광학 파워의 최대 가능 변수를 보장하는 것이 필요하다. 이 값(k1)에 대해, 최소값(N1)이 발견될 수 있다. 최적의 가변 광학 셀을 제조하기 위해, 소정의 광학 파워에서 이러한 변수를 제공할 최소 전극 수를 찾는 것이 필요하다.
또한, 값(k1)은 제 2 가변 광학 셀의 파라미터 k2 및 N2를 찾는 데 필요하고, 값(N1)은 제 1 가변 광학 셀의 링 전극의 반경 및 폭을 계산하는 데 필요하다.
제 2 가변 광학 셀에 대해, 전극 패턴의 전극 개수(N2)는 다음의 시스템 부등식으로부터 얻을 수 있다.
Figure pat00017
<식 5>
값(k1) 및 주어진 값 (Dmax)은 제 2 가변 광학 셀의 시스템 부등식에 대입되고, 이 시스템은 가능한 최대 값(k2) (제 2 가변 광학 셀에 대해 주어진 제한에 따른 최대 값)을 찾아서 해결될 수 있다. 값(k2)에 대해, 최소값(N2)이 발견된다. 값(N2)은 광학 파워 변수를 제공하는데 필요한 최소 전극 수와 동일하다. 값(N2)은 제 2 가변 광학 셀의 링 전극의 반경 및 폭을 계산하기 위해 필요하다.
또한, 본 실시 예에서 링 전극의 반경은 제 1 및 제 2 가변 광학 셀에 대해 다음과 같이 계산될 수 있다. 동심의 링 전극의 반경을 계산하기 위한 일반적인 접근법은 예를 들어 Li G. et al.의 안과 적용을 위한 고효율의 전환 가능한 전기-광학 회절 렌즈 // National Academy of Sciences의 Proceedings. - 2006. - Т. 103. - №. 16. - С. 6100-6104에 개시되어 있다.
숫자(mi,nj)를 가진 각 전극에 대해 다음이 계산될 수 있다. 제1 가변 광학 셀에서 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00018
,
Figure pat00019
<식 6>
Figure pat00020
Figure pat00021
<식 7>
여기서, rint는 숫자 (mi,nj)를 가진 전극의 내측 반경이고, rext는 외측 반경이며, mi는 프레넬 영역(도 3의 150)의 숫자이고, nj는 하나의 프레넬 영역의 전극 수이다. 프레넬 영역(150)에는 각각 고유한 전극 번호가 있다. 즉, 제1 프레넬 영역에는 전극(1, 2, 3, ...,)이 있고, 제2 프레넬 영역에는 전극(1, 2, 3 ... 등)이 있다.
Figure pat00022
은 반경(r)을 갖는 제1 가변 광학 셀에 대한 프레넬 영역의 최대 수이며, 방사선 파장(λ)에서 디옵트릭 단계Δ(dioptric step)를 제공하고, N1은 제 1 가변 광학 셀(도 2의 131)에 대한 하나의 프레넬 영역 당 전극의 수이고, λ는 입사 방사선의 파장이고, g는 전극 사이의 거리이다.
제 1 가변 광학 셀에 대한 링 전극의 폭은 다음 식에 따라 계산된다.
Figure pat00023
<식 8>
제 2 가변 광학 셀에 대해, 동일한 파라미터는 다음 식에 따라 계산된
Figure pat00024
,
Figure pat00025
;
Figure pat00026
<식 9>
Figure pat00027
Figure pat00028
<식 10>
Figure pat00029
Figure pat00030
<식 11>
여기서, mj는 제2 가변 광학 셀의 전극 패턴의 프레넬 영역(도 3의 150)의 숫자이고, nj는 하나의 프레넬 영역의 전극 수이다 md2는 반경(r)을 갖는 제2 가변 광학 셀에 대한 프레넬 영역의 최대 수이며, 방사선 파장(λ)에서 디옵트릭 단계Δ(dioptric step)를 제공하고, N2는 제 2 가변 광학 셀(도 2의 141)에 대한 하나의 프레넬 영역 당 전극의 수이다.
이상 설명한 바에 따라, 제1 가변 광학 셀과 제2 가변 광학 셀의 전극 패턴을 구성할 수 있다.
일 예로서, 각각의 가변 광학 셀의 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 제조 될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시 양태에서, 전극은 당업자에게 널리 공지 된 다른 투명 전도성 물질, 예를 들어, 산화 인듐, 산화 주석, 산화 인듐 아연(IZO), 산화 아연 등으로 제조 될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 가변 광학 셀에서 광학 활성 물질로서 액정(이 경우, 가변 광학 셀은 가변 액정 셀로 지칭 될 수 있음) 또는 중합체 젤이 사용될 수 있다. 광학 활성 물질의 특정 예는 본원에 제공된 정보에 기초하여 당업자에게 명백 할 것이다. 본 발명은 액정 가변 광학 셀의 예를 사용하여 설명되지만, 이의 원리는 중합체 젤 및 다른 광학 활성 물질에 기초한 광학 가변 셀에 동일하게 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 액정 가변 광학 셀에서, 초점의 조절은 각각의 가변 광학 셀에서 전극 패턴을 구성하는 전극에 의해 수행될 수 있다. 전극의 조절 메커니즘은 두 가지 원칙을 기반으로 한다.
제 1 원리에 따르면, 어드레싱 가능 전극, 즉 그들에 대응하는 전압이 공급되는 가변 광학 셀의 전극 패턴의 전극이 선택될 수 있다. 어드레싱 가능 전극의 선택은 필요한 광학 파워의 선택과 연결될 수 있다. 광학 파워는 프레넬 영역의 수에 따라 달라질 수 있다. 즉, 어드레싱 가능 전극은 활성화된 프레넬 영역의 수와 위치에 따라 선택될 수 있다.
제 2 원리에 따르면, 전극에 인가되는 전압의 값은 위상에 대한 전압의 의존성, 임의의 광학 활성 물질 즉, 빛이 통과할 때, 인가된 전압에 따라 위상 지연을 도입 할 수 있는 물질의 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 가변 광학 셀의 광학 활성 물질을 선택할 때, 전극 패턴의 전극에서의 전압에 대한 광의 위상 지연의 의존성을 알아야 한다. 그리고, 특정 광학 파워의 도입을 시뮬레이션하기 위해, 출력 광의 위상 지연 프로파일이, 동일한 광학 파워를 갖는 이상적인 얇은 렌즈와 동일하게 메칭 되도록, 전극에 전압을 인가할 필요가 있다. 전체 프로세스는 당업계에 잘 알려진 표준 알고리즘에 의해 자동화 될 수 있다. 자세한 내용은, 예를 들어, US20150277151를 참조할 수 있다.
예시적인 실시 예에서 프레넬 영역의 수는 제 1 가변 광학 셀에 대해 24 개(md1 = 24)이고, 제 2 가변 광학 셀에 대해 96 개(md2 = 96)일 수 있다. 가변 광학 셀 모두에 대한 위상 레벨의 수는 L = 4이다. 제 1 가변 광학 셀의 최대 광학 파워는 1 디옵터이고, 제 2 가변 광학 셀의 최대 광학 파워는 3 디옵터이며, 이는 4 디옵터의 총 최대 광학 파워를 제공할 수 있다.
제 1 가변 광학 셀에서, 각 프레넬 영역은 24 개의 링 전극 (Ni=24)을 포함하고, 제 2 가변 광학 셀에서, 각 프레넬 영역은 12 개의 링 전극(N2=12)을 포함할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시 예에서, 제 1 가변 광학 셀의 전극 패턴에는 576 개의 전극이 있고, 제 2 가변 광학 셀의 전극 패턴에는 1152 개의 전극이 존재한다. 이러한 파라미터는 예시적인 실시 예에 대해 얻어지고 본 발명의 범위를 제한하거나 바람직한 것으로 해석되지 않아야 한다.
또한, 도 2에 도시 된 바와 같이, 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 가변 렌즈는 제 1 가변 광학 셀(131)과 관련된 제1 기판(132)과, 제1 가변 광학 셀(131) 및 제 2 조절 가능 광학 셀(141)의 공통 기판인 제2 기판(136)과, 제2 가변 광학 셀과 관련된 제3 기판(140)을 포함할 수 있다. 제2 기판(136)의 양면에는 제 1 및 제 2 가변 광학 셀(131)(141)의 공통 전극인 제2 전극(135)과, 제3 전극(137)이 구비될 수 있다, 제2 및 제3 전극(135)(137))은 가시 광선 범위에서 투명한 도체, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 산화물, 산화 주석, 산화 인듐 아연 (IZO), 산화 아연 등으로 코팅될 수 있다.
상기 계산으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 기판(132)과 관련하여, 수 로 그 것에 인접한 각 전극에 대한 파라미터는 다음과 같이 계산된다.
프레넬 영역 번호가 mi = 1,…, d1 인 각 전극에 대해,
Figure pat00031
이고, 하나의 프레넬 영역 내의 전극의 일련 번호가 nj= 1,…, N1 인 경우, 전극의 내측 반경 및 외측 반경은 다음 공식에 따라 계산된다:
Figure pat00032
<식 12>
Figure pat00033
고려되는 실시 예에서, 제1 가변 광학 셀(131)의 제1 프레넬 영역에 있는 제 1 전극은 외측 반경
Figure pat00034
을 갖는 원의 형상을 갖는다.
제 1 가변 광학 셀(131)의 제1 기판(132)과 관련된 링 전극(1 이외의 숫자)에 대해, 다음 식이 적용된다.
Figure pat00035
<식 13>
제 2 가변 광학 셀(141)에 관련된 제3 기판(140)에 대하여, 수 (mi;nj)를 가진 제4 전극(139)에 대한 파라미터는 다음과 같이 계산된다.
숫자가 mi= 1,…, md2,
Figure pat00036
, nj= 1,…, N2 인 제4 전극(139)의 경우, N2는 식 (5)에 의해 결정되며, 내측 및 외측 반경은 다음 공식에 따라 계산된다.
Figure pat00037
Figure pat00038
Figure pat00039
<식 14>
제 2 가변 광학 셀(141)의 제3 기판(140)과 관련된 링 형상의 제4 전극(139)에 대해, 상기 제공된 수학 식 11이 적용될 수 있다. 가변 광학 셀에서의 기판 재료는 유리, 플라스틱, 석영과 같은 가시 광선에 대해 투명한 재료로부터 선택되지만, 이에 제한되지는 않는다. 예시적인 실시예에 따른 기판의 두께는 예를 들어, 3-200 μm의 범위를 가질 수 있다. 기판 상에 증착된 전극의 두께는 선택된 전극 재료, 예를 들어, 인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 아연 산화물 (IZO), 산화 아연 등에 따라 예를 들어, 30-200 nm의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 특정 실시 예에서 전극 및 기판의 재료에 기초하여 기판 및 전극의 두께를 선택하기 위한 원리는 당업계에 잘 알려져 있다.
예시적인 실시예에 따른 가변 광학 셀의 전극 패턴은 층들 (예를 들어, 2-3 층, 하지만 여기에 제한되지 않음)로 배열되어 전극들 사이의 작은 거리(예를 들어, 1 내지 3 미크론)를 제공할 수 있다. 가변 렌즈의 총 두께는 전극의 두께와 비교하여 상대적으로 기판의 두께에 많이 의존하기 때문에, 다수의 가변 광학 셀을 사용할 때에 기판의 두께가 중요하다.
도 13에 도시 된 바와 같이, AR / VR 시스템 용 디스플레이 장치는 가상 객체 이미지를 디스플레이 하기 위한 가상 객체 이미지 소스가 사용자의 눈 앞에 배치될 수 있다. 이와 같이 가상 객체 이미지 소소가 눈 앞에 배치될 때, 사용자에 대해 외부 세계를 보는 것을 방해 할 수 있다. 따라서, 증강 현실(AR) 시스템에서는 사용자에 대해 외부 세계의 관찰을 제공하기 위해 가상 객체 이미 소스가 투명할 수 있다.
증강 현실 시스템의 경우, 디스플레이 장치는 외부 세계와, 외부 세계의 이미지에 중첩 된 가상 객체 이미지를 동일한 선명도로 관찰할 수 있도록 한다. 또한, 사용자의 가상 객체 이미지의 위치가 외부의 대응하는 객체의 위치와 일치할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 증강 현실(AR) 시스템에 적용될 때, 가상 객체 이미지 소스는 유리, 플라스틱, 석영과 같은 가시 광선 범위에 대해 투명한 재료로 제조 될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
디스플레이 장치가 가상 현실 (VR) 시스템에 적용될 때, 가상 객체 이미지 소스는, 예를 들어, 액정 디스플레이 (LCD), 유기 LED (OLED), 무기 LED (ILED), 유기 발광 다이오드(AMOLED)를 갖는 능동 매트릭스, 투명 유기 발광 다이오드(TOLED), 양자점 디스플레이(QOLED, QLED) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 디스플레이 장치가 여기에 한정되는 것은 아니다.
AR 시스템 및 VR 시스템에 사용하기 위한 실시 예에서, 하나의 가상 객체 이미지 소스 또는 여러 개의 가상 객체 이미지 소스가 구비될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 각 눈에 대해 하나의 가상 객체 이미지 소스가 구비될 수 있다. 이 경우, 전술 한 바와 같이, 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하는 가변 렌즈를 사용하면, 사용자의 시야에 필요한 피사계 심도를 갖는 가상 객체(필요하다면 외부 세계 객체와 함께)를 디스플레이 할 수 있다. 또한, 필요한 경우 예를 들어 근시 / 원근감, 노안 등과 같은 사용자의 시력을 교정하기 위해, 적어도 2 개의 가변 광학 셀은 눈의 렌즈 및 각막의 역할과 유사한 역할을 하며, 또한 각막 유사체의 동적 조정(dynamic adjustment) 가능성이 눈의 렌즈 아날로그(조절 과정에서)의 동적 조절의 가능성에 더하여 제공될 수 있다. 각막 유사체는 사람의 눈에는 없지만, 예를 들어, 각막의 모양이 변할 수 있는 붉은 꼬리 매와 같은 일부 맹금류의 눈의 패턴에 있을 수 있다.
제 1 가변 광학 셀은 동일한 디옵터 내의 눈 조절의 "조악한 조정"을 제공하고, 제 2 가변 광 셀은 예를 들어 3 개의 디옵터 내에서 "미세 조정"을 제공할 수 있다. 이는 총 광학 파워
Figure pat00040
을 제공할 수 있다. 즉, 예시적인 실시예에 따른 가변 렌즈에 의해 제공되는 전체 광학 파워 범위를 커버할 수 있다. 이를 통해 사용자의 눈의 수렴 조절 불일치(vergence-accommodation conflict)를 제거하고 사용자가 불편함 없이 외부 세계 이미지와 함께 필요한 경우 가상 객체 이미지를 관찰 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는 예를 들어 가상 현실 헬멧 또는 증강 현실 헬멧, 스마트 안경, 헤드셋 또는 헤드 마운트 장치의 형태로 구현될 수 있는 다양한 목적을 위한 AR / VR 시스템의 일부일 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 디스플레이 장치는 사용자의 눈을 위한 하나의 가변 렌즈 또는 각 사용자의 눈마다 하나의 가변 렌즈를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 가변 렌즈의 초점 조절은 대응하는 가변 광학 셀의 전극 패턴에서 어드레서블 전극에 인가되는 전압을 조절함으로써 다양한 소프트웨어 및 / 또는 하드웨어에 의해 제어 될 수 있다.
가변 렌즈의 초점 조정의 제어는 이러한 목적을 위해 특별히 설계되거나, 디스플레이 장치가 AR / VR 시스템에 포함 된 하나 이상의 프로세서, 집적 회로 등을 포함 할 수 있다. 이러한 기능은 AR / VR 시스템 작동을 위한 다른 기능과 함께 제공될 수 있다. 하나 이상의 프로세서는 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장되고 및/ 또는 알려진 유선 및 / 또는 무선 데이터 전송 기술에 의해 분배되는 소프트웨어의 제어 하에서 가변 렌즈의 초점 조정을 제어 할 수 있다. 소프트웨어는 임의의 적합한 프로그래밍 언어 및 / 또는 실행 가능한 기계 코드 형태로 구현 될 수 있고, AR / VR 시스템의 메모리 또는 AR / VR 시스템으로부터의 원격 매체를 포함하는 외부 매체에 저장 될 수 있다. 소프트웨어는 잘 알려진 데이터 네트워크를 통해 AR / VR 시스템에 연결할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 가변 렌즈의 초점 조정을 제어하기에 적합한 하나 이상의 프로세서, 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 판독 가능 매체의 모든 공지 된 실시 예는 본 발명의 법적 보호 범위에 포함될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 가변 렌즈의 초점은 다양한 입력 데이터에 기초하여 제어 될 수 있다. 그 중에서도 가상 객체 이미지의 데이터, AR / VR 시스템의 사용자에게 표시되고 하나 이상의 프로세서, 사용자 입력 데이터, 사용자의 비전 특성과 관련된 데이터 및 AR / VR 시스템에 포함 된 하나 이상의 센서로부터의 데이터에 따라 가상 객체 이미지 소스로 표시, 및 / 또는 임의의 알려진 유선 및 / 또는 무선 데이터 네트워크를 통해 AR / VR 시스템에서 전송되는 외부 소스로부터의 데이터 등은 당업자에게 명백하다.
당업자는 예시적인 실시 예가 구현 될 수 있는 기술 및 재료 및 기술 수단의 가능한 예 중 일부만이 상기 도면에 기술되고 도시되어 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 실시 예들에 대한 상기 상세한 설명은 본 발명의 법적 보호 범위를 제한하거나 정의하려는 것이 아니다. 본 발명의 범위 내에 속하는 다른 실시 예는 첨부 도면을 참조하여 상기 설명을 주의 깊게 읽은 후 당업자에 의해 고려 될 수 있으며, 이러한 모든 명백한 수정, 변경 및 / 또는 동등한 대체는 본 발명의 범주 내에 있다. 본 명세서에 인용되고 논의 된 모든 종래 기술의 소스는 적용 가능한 한 본 명세서에 참조로 포함된다. 본 발명은 다양한 실시 예를 참조하여 설명되고 도시되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 형태 및 특정 세부 사항의 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이하에 제공된 청구 범위 및 그 등가물에 의해서만 정의된다.
LC1,LC2:가변 렌즈
110,210:가상 객체 이미지 소스
120,220:도광판
131:제1 가변 광학 셀
132,136,140:기판
133,135,137,139:전극
150:프레넬 영역

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 가상 객체 이미지 소스; 및
    적어도 하나의 가변 렌즈;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈는 적어도 2 개의 가변 광학 셀을 포함하고,
    상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀 각각은 상기 적어도 하나의 가변 렌즈의 초점 거리를 조절하는 전극 패턴을 포함하고,
    상기 전극 패턴은 상기 적어도 하나의 가변 렌즈의 광학 파워가 등거리 디옵트릭 단계 로 변하도록 구성된, 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 등거리 디옵트릭 단계 Δ가 0.25 디옵터인, 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 가변 광학 셀은 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 액정층을 가지는 제1 가변 광학 셀과, 제3 전극, 제4 전극 및 상기 제3 전극과 제4 전극 사이의 제2 액정층을 가지는 제2 가변 광학 셀을 포함하는, 디스플레이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가상 객체 이미지 소스로부터 나온 광을 전달하는 도광판을 더 포함하고, 상기 도광판은 상기 제1 가변 렌즈와 제2 가변 렌즈 사이에 배치된, 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 가변 렌즈가 사용자의 눈 앞에 위치하도록 구성된, 디스플레이 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상 객체 이미지 소스로부터 나온 광을 전달하는 도광판을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 상기 가상 객체 이미지 센서와 상기 도광판 사이에 배치된 제1 가변 렌즈와, 상기 도광판에 대해 바깥 쪽에 배치된 제2 가변 렌즈를 포함하는, 디스플레이 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 동심의 링 전극들과, 상기 동심의 링 전극들의 중심에 배치된 원형 전극을 포함하는, 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 패턴은 수평 방향 또는 수직 방향으로 배열 된 평행 스트립 전극들을 포함하는, 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 전극은 제1 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제1 광학 파워와 크기는 같고 부호가 반대인 제2 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함하는, 디스플레이 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈는 제1 광학 파워와, 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 제2 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제1 광학 파워와 크기는 같고 부호가 반대인 제3 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함하는, 디스플레이 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 가변 렌즈는 제1 광학 파워와, 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 제2 광학 파워를 가지는 제1 가변 전극과, 상기 제2 광학 파워와 같은 제3 광학 파워를 가지는 제2 가변 전극을 포함하는, 디스플레이 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀이 편광-의존적 전극 패턴을 포함하는, 디스플레이 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 가변 광학 셀이 편광 독립적인 전극 패턴을 포함하는, 디스플레이 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 원형인, 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 직사각형 형상 또는 다각형 형상을 가진, 디스플레이 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 사용자의 굴절 에러 정정을 위한 광학 파워를 가지도록 구성된, 디스플레이 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 0의 광학 파워를 가지도록 구성된, 디스플레이 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가변 렌즈가 (-4) 내지 (+4) 디옵터 범위의 총 광학 파워를 가지도록 구성된, 디스플레이 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 디스플레이 장치를 포함하는 증강 현실 (AR) 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 디스플레이 장치를 포함하는 가상 현실 (VR) 시스템.
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