KR20210081211A - 부피 격자 기반의 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

부피 격자 기반의 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 디스플레이 장치는 영상 제공 장치 및 컴바이너;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성된 복수의 부피 격자(volume grating)를 포함하고, 각각의 부피 격자는 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 가지며, 각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 빛을 회절시키고 제 2 표면에 입사하는 빛을 회절 없이 투과시키도록 구성될 수 있다.

Description

부피 격자 기반의 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치 {Display appartus including volume grating based combiner}

개시된 실시예들은 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부피 격자 기반의 컴바이너(volume grating based combiner)를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.

3차원 영상 표시 기술은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근, 가상 현실 (Virtual reality, VR) 디스플레이, 증강 현실(Augmented reality, AR) 디스플레이와 관련된 영상 장치에도 적용되고 있다.

가상 현실 (Virtual reality, VR)을 제공하는 헤드 마운트 디스플레이는 현재 상용화 단계에 이르러 엔터테인먼트 산업에 널리 적용되고 있는 추세이다. 이와 더불어 의료, 교육, 산업 분야에서 응용이 가능한 형태로 발전하고 있다.

가상 현실 디스플레이의 발전된 형태인 증강 현실(Augmented reality, AR) 디스플레이는 현실 세계와 가상 현실을 결합해주는 영상 장치로 현실과 가상 사이의 상호 작용을 이끌어 낼 수 있는 특징을 가진다. 현실과 가상 현실의 상호 작용은 현실 상황에 대하여 실시간으로 정보를 제공하는 기능을 기반으로 하며, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 증강 현실 디스플레이는 외부의 실제 전경에 가상의 영상을 결합하여 관찰자에게 제공하기 위한 컴바이너를 포함한다.

부피 격자 기반의 컴바이너를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 영상을 제공하는 영상 제공 장치; 및 상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛과 외부의 풍경을 담은 빛을 결합하도록 구성된 컴바이너;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성된 복수의 부피 격자(volume grating)를 포함하고, 각각의 부피 격자는 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 가지며, 각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 빛을 회절시키고 제 2 표면에 입사하는 빛을 회절 없이 투과시키도록 구성될 수 있다.

각각의 부피 격자는 제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 빛을 미리 정해진 특정한 방향으로 회절시키도록 구성될 수 있다.

일 예에서, 상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자에 제공되는 영상을 담은 빛은 콜리메이팅된 평행광일 수 있다.

이 경우에, 각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 빛에 대해 굴절력이 없는 광학적 특성을 갖도록 구성될 수 있다.

다른 예에서, 상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자에 제공되는 영상을 담은 빛은 발산광일 수 있다.

이 경우에, 각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 발산광을 회절시키면서 평형광으로 콜리메이팅하도록 구성될 수 있다.

상기 컴바이너는 투명 기판을 더 포함하며, 상기 복수의 부피 격자는 상기 투명 기판 상에 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다.

상기 영상 제공 장치는 각각의 부피 격자의 제 1 표면을 향해 영상을 담은 빛을 각각 제공하도록 구성되며, 상기 복수의 부피 격자에서 각각 회절된 빛이 하나의 동일한 영역을 향해 진행하도록 상기 복수의 부피 격자는 상기 영상을 담은 빛을 서로 다른 각도로 회절시키도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 각각의 부피 격자의 제 1 표면은 원형, 타원형, 사각형, 또는 육각형의 형태를 가질 수 있다.

서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격은 각각의 부피 격자의 폭과 같거나 또는 그보다 더 클 수 있다.

예를 들어, 각각의 부피 격자의 폭은 0.5 mm 내지 1.5 mm 일 수 있다.

상기 컴바이너의 중심으로부터 멀어질수록 서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격이 증가하거나 감소할 수 있다.

상기 컴바이너의 중심으로부터 멀어질수록 각각의 부피 격자의 폭이 증가하거나 감소할 수 있다.

상기 복수의 부피 격자의 일부가 제 1 행을 따라 일렬로 배열되어 있고, 상기 복수의 부피 격자의 다른 일부가 제 1 행에 인접한 제 2 행을 따라 일렬로 배열되어 있으며, 제 1 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자와 제 2 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자가 서로에 대해 엇갈리게 배치될 수 있다.

상기 복수의 부피 격자의 일부가 제 1 행을 따라 일렬로 배열되어 있고, 상기 복수의 부피 격자의 다른 일부가 제 1 행에 인접한 제 2 행을 따라 일렬로 배열되어 있으며, 제 1 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자와 제 2 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자가 각각 서로 마주하도록 배치될 수 있다.

상기 컴바이너는, 전반사를 통해 빛을 진행시키는 투명 도광판; 및 상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛을 상기 투명 도광판의 내부로 안내하는 입력 커플러;를 더 포함하며, 상기 투명 도광판은 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 갖고, 상기 복수의 부피 격자는 상기 투명 도광판의 제 2 표면에 배치되어 상기 투명 도광판의 제 1 표면을 향해 상기 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성될 수 있다.

상기 복수의 부피 격자는 각각의 부피 격자의 제 1 표면이 상기 투명 도광판의 내부에 매립되도록 배치될 수 있다.

상기 복수의 부피 격자는 각각의 부피 격자의 제 1 표면이 상기 투명 도광판의 제 2 표면과 접하도록 배치될 수 있다.

상기 복수의 부피 격자는, 제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역의 빛을 제 1 각도로 회절시키록 구성된 복수의 제 1 부피 격자; 제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역과 다른 제 2 파장 대역의 빛을 제 1 각도와 상이한 제 2 각도로 회절시키도록 구성된 복수의 제 2 부피 격자; 및 제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역 및 제 2 파장 대역과 다른 제 3 파장 대역의 빛을 제 1 각도 및 제 2 각도와 상이한 제 3 각도로 회절시키도록 구성된 복수의 제 3 부피 격자;를 포함할 수 있다.

상기 복수의 제 1 부피 격자, 복수의 제 2 부피 격자, 및 복수의 제 3 부피 격자가 각각 하나씩 번갈아 배열될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 관찰자의 동공 위치를 추적하고 관찰자의 동공 크기를 측정하는 시선 추적기를 더 포함할 수 있다.

상기 영상 제공 장치는 상기 시선 추적기로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보를 기초로 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 조절하도록 구성될 수 있다.

상기 디스플레이 장치는 상기 시선 추적기로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보를 기초로 상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 조절하도록 구성된 빔경 조절 장치를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 빔경 조절 장치는 가변 개구를 갖는 조리개, 가변의 초점길이를 갖는 렌즈, 가변의 확산각을 갖는 확산판, 전기적으로 반사 영역을 조절하도록 구성된 MEMS 거울 어레이, 및 상기 컴바이너와 상기 영상 제공 장치 사이의 거리를 조절하도록 상기 영상 제공 장치를 이동시키는 액추에이터 중에서 하나를 포함할 수 있다.

상기 빔경 조절 장치는, 상기 컴바이너와 관찰자 사이의 거리가 가까워지거나 상기 관찰자의 동공의 크기가 커지면 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 감소시키고, 상기 컴바이너와 관찰자 사이의 거리가 멀어지거나 상기 관찰자의 동공의 크기가 작아지면 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 증가시키도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형으로 제작된 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.

개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치에서 사용되는 컴바이너는 홀로그래픽 프린터에 의해 용이하게 제작될 수 있다. 특히, 홀로그래픽 프린터를 이용하면 홀로그래픽 프린터의 공간 광변조기에 인가되는 CGH(computer generated hologram) 신호에 따라 컴바이너에 형성되는 부피 격자의 위치, 모양, 및 광학적 특성 등을 용이하게 결정할 수 있다. 따라서, 컴바이너의 광학적 효율을 최적화할 수 있으며, 투과도가 높고 노이즈가 적은 컴바이너의 구현이 가능하다.

또한, 개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치에 따르면, 관찰자의 동공의 위치 변화 및 관찰자의 동공의 크기 변화에 대해 능동적인 대응이 가능하다.

도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치의 컴바이너의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 컴바이너에 배열된 복수의 부피 격자의 다양한 배열을 예시적으로 도시하는 평면도이다.
도 4a 및 도 4c는 홀로그래픽 프린터를 이용하여 도 2에 도시된 컴바이너를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 일반적인 홀로그램 기록 방식을 이용하여 도 2에 도시된 컴바이너를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 일반적인 홀로그램 기록 방식을 이용하여 도 6에 도시된 컴바이너를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 11은 다른 실시예에 따른 컴바이너에 배열된 복수의 부피 격자의 배열을 예시적으로 도시한다.
도 12 내지 도 17은 영상을 담은 빛의 빔경을 능동적으로 조절할 수 있는 또 다른 실시예들에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 18은 도 12 내지 도 17에 도시된 실시예에서 관찰자의 동공 정보를 기초로 개구의 유효 반응 면적을 조절한 예를 보인다.
도 19 내지 도 21은 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 부피 격자 기반의 컴바이너를 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.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수의 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.

"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.

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.

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.

모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 영상을 제공하는 영상 제공 장치(20), 및 영상 제공 장치(20)로부터 방출된 영상을 담은 빛(L0)과 외부의 풍경을 담은 빛(L1)을 결합하도록 구성된 컴바이너(combiner)(10)를 포함할 수 있다.

영상 제공 장치(20)는 가상의 현실 또는 가상의 정보를 담은 영상을 형성하는 공간 광변조기 또는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 디스플레이 패널은, 예를 들어, 액정 디스플레이 패널, 유기 발광 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 또한, 영상 제공 장치(20)는 영상을 담은 빛(L0)을 컴바이너(10)에 투사하는 프로젝터를 포함할 수 있다. 따라서, 영상 제공 장치(20)는 공간 광변조기 또는 디스플레이 패널에서 형성된 영상을 담은 빛(L0)을 컴바이너(10)에 투사할 수 있다. 특히, 영상 제공 장치(20)는 영상을 담은 빛(L0)을 콜리메이팅하여 평형광으로 만들어 컴바이너(10)에 투사할 수 있다.

컴바이너(10)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 영상을 담은 빛(L0)과 외부의 풍경을 담은 빛(L1)을 결합하여 관찰자에게 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 컴바이너(10)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 영상을 담은 빛(L0)을 회절시켜 영상을 담은 빛(L0)의 진행 방향을 특정한 방향으로 바꾸고, 외부의 풍경을 담은 빛(L1)을 회절 없이 그대로 투과시키도록 구성될 수 있다. 외부의 빛(L1)은 별도의 공간 광변조기에 의해 변조되어 생성되거나 또는 별도의 디스플레이 패널에 의해 표시되는 인공적인 영상이 아니라, 관찰자의 정면에 존재하는 실제 전경을 담고 있다. 따라서, 관찰자는 인공적으로 생성된 가상의 영상과 실제 전경을 함께 동시에 인지할 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 근안(near-eye) AR 디스플레이 장치일 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(100)의 사용시에 컴바이너(10)는 관찰자의 눈 앞에 배치되도록 구성될 수 있다.

영상 제공 장치(20)로부터 투사된 영상을 담은 빛(L0)을 회절시켜 관찰자의 눈으로 진행시키기 위하여 컴바이너(10)는 복수의 부피 격자(volume grating)(VG1, VG2, VG3)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 부피 격자는 참조광과 신호광 사이의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴을 포함하고 있다. 간섭 패턴은 참조광의 파장, 참조광의 입사각, 신호광의 진행 방향, 및 신호광의 형태에 따라 달라질 수 있다. 이러한 부피 격자에 참조광과 동일한 파장의 빛을 참조광과 동일한 입사각으로 입사시키면 부피 격자의 간섭 패턴에 의해 참조광이 회절되어 신호광과 동일한 빛이 재생된다. 따라서, 부피 격자의 간섭 패턴에 따라서 다양한 형태의 신호광을 만들어낼 수 있다.

본 실시예에 따르면, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 각각 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 빛을 미리 정해진 특정한 방향으로 회절시키도록 구성된다. 예를 들어, 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 영상을 담은 빛(L0)이 참조광의 역할을 하며, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 영상을 담은 빛(L0)을 회절시켜 관찰자의 눈을 향해 진행하는 영상을 담은 신호광을 재생하도록 구성될 수 있다.

복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 컴바이너(10)의 표면 상에서 서로 이격되어 국소적으로 형성되어 있다. 서로 다른 위치에 배치된 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)부터 각각 회절된 빛이 하나의 동일한 영역을 향해 진행하도록, 다시 말해 관찰자의 눈, 특히 관찰자의 눈의 동공에 입사할 수 있도록, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들은 영상을 담은 빛(L0)을 서로 다른 각도로 회절시킬 수 있다. 예컨대, 관찰자의 눈보다 더 위쪽에 배치된 부피 격자(VG1)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 아래쪽 방향으로 회절시키고, 관찰자의 눈과 동일한 높이에 배치된 부피 격자(VG2)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 법선 방향으로 회절시키고, 관찰자의 눈보다 더 아래쪽에 배치된 부피 격자(VG3)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 위쪽 방향으로 회절시키도록 구성될 수 있다.

영상 제공 장치(20)는 영상을 담은 빛(L0)을 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 각각 개별적으로 투사하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 영상 제공 장치(20)는 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 각각 대응하는 복수의 평행한 광빔을 만들어 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 각각 개별적으로 투사할 수 있다. 대신에, 영상 제공 장치(20)는 영상을 담은 빛(L0)을 컴바이너(10)의 전체 영역을 향해 투사하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 컴바이너(10)의 전체 영역 중에서 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)가 형성되어 있는 영역에서만 빛(L0)이 회절된다. 어떠한 경우든, 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 영상을 담은 빛(L0)은 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 동일한 입사각으로 입사할 수 있다.

또한, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 의해 회절되어 관찰자의 눈으로 향하는 빛이 평행광이 되도록 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 입사하는 영상을 담은 빛(L0)이 평행광이고 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)로부터 관찰자의 눈으로 향하는 빛도 평행광이다. 이 경우, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 평면 거울과 같이 굴절력이 없는 광학적 특성을 가질 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치(100)의 컴바이너(10)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 2를 참조하면, 컴바이너(10)는 유리 또는 플라스틱과 같이 가시광에 대해 투명한 재질로 이루어진 투명 기판(11) 및 투명 기판(11)의 한 표면 상에 배치된 감광층(12)을 포함할 수 있다. 감광층(12) 내에는 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)가 형성되어 있다. 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는, 예컨대, 약 100 ㎛ 이하의 얇은 두께(t)를 가질 수 있다. 따라서, 컴바이너(10) 및 디스플레이 장치(100)를 충분히 얇은 두께로 제작할 수 있다.

또한, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 서로 마주하는 제 1 표면(S1)과 제 2 표면(S2)을 가질 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(100)의 사용시에 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)의 제 1 표면(S1)이 관찰자의 눈을 향해 배치되고 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 제 2 표면(S2)이 외부의 전경을 향해 배치될 수 있다. 이 경우, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 제 1 표면(S1)에 입사하는 빛을 회절시키고 제 2 표면(S2)에 입사하는 빛을 회절 없이 투과시키도록 구성될 수 있다. 영상 제공 장치(20)는 영상을 담은 빛(L0)을 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)의 제 1 표면(S1)에 투사하도록 배치될 수 있다. 그러면, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 영상을 담은 빛(L0)을 관찰자의 눈을 향해 회절시키고 외부의 빛(L1)을 회절 없이 투과시킬 수 있다.

도 2의 단면도에는 수직 방향으로 단지 3개의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)가 배치된 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 실제로는 더 많은 개수의 부피 격자가 투명 기판(11) 상에 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 컴바이너(10)에 배열된 복수의 부피 격자의 다양한 배열을 예시적으로 도시하는 평면도이다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 컴바이너(10)는 2차원 배열된 복수의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG1c, VG2a, VG2b, VG2c, VG3a, VG3b, VG3c)를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 복수의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG1c, VG2a, VG2b, VG2c, VG3a, VG3b, VG3c)는 행 방향과 열 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 행을 따라 복수의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG1c)가 일렬로 배열되고, 제 2 행을 따라 복수의 부피 격자(VG2a, VG2b, VG2c)가 일렬로 배열되고, 제 3 행을 따라 복수의 부피 격자(VG3a, VG3b, VG3c)가 일렬로 배열될 수 있다. 그리고, 서로 다른 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자들이 열 방향으로 서로 마주하도록 배열될 수 있다. 다시 말해, 제 1 열을 따라 복수의 부피 격자(VG1a, VG2a, VG3a)가 일렬로 배열되고, 제 2 열을 따라 복수의 부피 격자(VG1b, VG2b, VG3b)가 일렬로 배열되고, 제 3 열을 따라 복수의 부피 격자(VG1c, VG2c, VG3c)가 일렬로 배열될 수 있다. 도 3a에는 3개의 행과 3개의 열을 따라 복수의 부피 격자들이 배열된 것으로 도시되었으나, 이는 단순한 예일 뿐이며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 단지 2개의 행 또는 단지 2개의 열을 따라 부피 격자들이 배열될 수도 있다. 또는, 부피 격자들은 4개 이상의 행 또는 4개 이상의 열을 따라 배열될 수도 있다.

각각의 부피 격자는, 예를 들어, 사각형의 형태를 가질 수 있다. 서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격(d)은 각각의 부피 격자의 폭(w)과 같거나 또는 그보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 각각의 부피 격자의 폭(w)은 약 0.5 mm 내지 약 1.5 mm 정도일 수 있다. 각각의 부피 격자의 크기가 매우 작기 때문에 각각의 부피 격자는 핀홀(pinhole)과 같은 역할을 할 수 있다. 따라서, 핀홀과 같은 작은 개구를 통해 영상 정보가 관찰자에게 전달되므로 초점 심도(depth of focus)가 길어질 수 있다. 또한, 복수의 부피 격자를 사용함으로써 시야각이 증가할 수 있다.

복수의 부피 격자의 폭(w)들이 모두 동일할 필요는 없다. 또한, 복수의 부피 격자 사이의 간격(d)도 모두 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 관찰자의 눈과의 상대적인 위치에 따라 복수의 부피 격자의 폭(w)의 크기 및 복수의 부피 격자 사이의 간격(d)이 달라질 수 있다. 예를 들어, 컴바이너(10)의 중심으로부터 멀어질수록 각각의 부피 격자의 폭(w)이 증가하거나 감소할 수 있으며, 컴바이너(10)의 중심으로부터 멀어질수록 서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격(d)이 증가하거나 감소할 수 있다.

또한, 도 3b를 참조하면, 복수의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG2a, VG2b, VG2c, VG3a, VG3b)가 서로 엇갈리게 2차원 배열될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 행을 따라 복수의 부피 격자(VG1a, VG1b)가 일렬로 배열되고, 제 2 행을 따라 복수의 부피 격자(VG2a, VG2b, VG2c)가 일렬로 배열되고, 제 3 행을 따라 복수의 부피 격자(VG3a, VG3b)가 일렬로 배열되며, 제 1 행의 부피 격자(VG1a, VG1b)와 제 3 행의 부피 격자(VG3a, VG3b)는 제 2 행의 부피 격자(VG2a, VG2b, VG2c)에 대해 엇갈리게 배치될 수 있다. 다시 말해, 제 1 행의 부피 격자(VG1a, VG1b)와 제 3 행의 부피 격자(VG3a, VG3b)들은 가로 방향으로 제 2 행의 부피 격자(VG2a, VG2b, VG2c)들 사이에 위치할 수 있다.

도 3a 및 도 3b에서는 각각의 부피 격자가 사각형의 형태를 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며 각각의 부피 격자의 형태가 반드시 사각형에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 각각의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG2a, VG2b, VG2c, VG3a, VG3b)는 원형 또는 타원형의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 도 3d에 도시된 바와 같이, 각각의 부피 격자(VG1a, VG1b, VG2a, VG2b, VG2c, VG3a, VG3b)는 육각형의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 도 3a 내지 도 3d에서는 한 컴바이너(10) 내의 복수의 부피 격자가 모두 동일한 형태를 갖는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 영상 제공 장치(20)로부터 투사되는 영상을 담은 빛(L0)의 빔 단면 형태, 복수의 부피 격자들의 위치에 따라 복수의 부피 격자들이 상이한 형태를 가질 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 부피 격자는 참조광과 신호광 사이의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴을 포함한다. 상술한 광학적 특성을 갖는 부피 격자의 간섭 패턴을 형성하는 방법은 일반적인 홀로그램 기록 방식과 홀로그래픽 프린터를 이용하는 방식이 있다.

예를 들어, 도 4a 및 도 4c는 홀로그래픽 프린터를 이용하여 도 2에 도시된 컴바이너(10)를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다. 먼저, 도 4a를 참조하면, 투명 기판(11) 위의 감광층(12)의 동일 위치에 참조광(R)과 신호광(S)을 동시에 조사하여 참조광(R)과 신호광(S)을 간섭시킨다. 참조광(R)의 빔경과 신호광(S)의 빔경은 하나의 부피 격자(VG1)의 크기보다 작다. 이러한 참조광(R)과 신호광(S)에 의해 형성된 간섭 패턴은 부피 격자(VG1)를 구성하는 단위인 호겔(hogel)이 된다. 하나의 부피 격자(VG1)는 2차원 배열된 복수의 호겔에 의해 구성될 수 있다. 호겔의 간섭 패턴은 신호광(S)의 빔 프로파일에 의해 결정된다. 신호광(S)의 빔 프로파일은 공간 광변조기(SLM)를 통해 원하는 형태로 변조될 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 프린터의 공간 광변조기(SLM)에 인가되는 CGH(computer generated hologram) 신호에 따라 신호광(S)의 빔 프로파일이 달라질 수 있다.

따라서, 홀로그래픽 프린터의 공간 광변조기(SLM)에 인가되는 CGH 신호에 따라 컴바이너(10)에 형성되는 부피 격자(VG1)의 광학적 특성을 용이하게 결정할 수 있다. 또한, 복수의 호겔이 형성되는 위치 및 복수의 호겔의 배열 형태에 따라 컴바이너(10)에 형성되는 부피 격자(VG1)의 위치와 형태를 용이하게 결정할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 부피 격자(VG1)의 광학적 특성을 고려하여 복수의 호겔의 간섭 패턴과 위치를 결정할 수 있다. 그리고, 결정된 호겔의 간섭 패턴을 형성하기 위한 CGH 신호를 계산한 후, 계산된 CGH 신호를 공간 광변조기(SLM)에 인가하면서 감광층(12) 내에 복수의 호겔을 순차적으로 형성시켜 하나의 부피 격자(VG1)를 형성할 수 있다.

이러한 방식으로 하나의 부피 격자(VG1)를 완성한 후에는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 호겔이 형성되는 위치를 이동하여 다음의 부피 격자(VG2)를 형성할 수 있다. 형성될 부피 격자(VG2)의 광학적 특성을 고려하여 복수의 호겔의 간섭 패턴과 위치를 미리 결정하고, 이를 기초로 계산된 CGH 신호를 공간 광변조기(SLM)에 인가하면서 감광층(12) 내에 복수의 호겔을 순차적으로 형성시켜 부피 격자(VG2)를 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 2차원 배열된 복수의 부피 격자들을 홀로그래픽 프린터로 형성함으로써 컴바이너(10)를 제작할 수 있다.

복수의 부피 격자를 모두 완성한 후에는, 부피 격자들이 형성되지 않은 감광층(12)의 나머지 부분을 그대로 남겨둘 수도 있고 또는 제거할 수 있다. 예를 들어, 도 4c를 참조하면, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들이 형성되지 않은 감광층(12)의 나머지 부분을 제거한 후에, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들을 덮는 투명 보호층(13)을 투명 기판(11) 위에 형성할 수도 있다.

또한, 도 5a 내지 도 5c는 일반적인 홀로그램 기록 방식을 이용하여 도 2에 도시된 컴바이너(10)를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다. 먼저, 도 5a를 참조하면, 투명 기판(11) 위의 감광층(12)의 동일 위치에 참조광(R)과 신호광(S)을 동시에 조사하여 참조광(R)과 신호광(S)을 간섭시킨다. 참조광(R)과 신호광(S)이 조사되는 위치는 형성될 부피 격자(VG1)의 위치와 동일하다. 참조광(R)은 영상 제공 장치(20)로부터 방출된 영상을 담은 빛(L0)이 부피 격자(VG1)에 입사하는 입사각과 동일한 입사각으로 감광층(12)에 입사한다. 또한, 참조광(R)은 영상 제공 장치(20)로부터 방출된 영상을 담은 빛(L0)과 동일한 평행광이다. 신호광(S)은 영상을 담은 빛(L0)이 부피 격자(VG1)에 의해 회절되어 진행하는 방향과 동일한 방향으로 감광층(12)에 입사한다. 그리고, 참조광(R)의 빔 단면 형태와 신호광(S)의 빔 단면 형태는 형성될 부피 격자(VG1)의 형태와 동일할 수 있다. 이 경우, 한번의 참조광(R)과 신호광(S)의 간섭으로 부피 격자(VG1)가 형성될 수 있다.

마찬가지로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 부피 격자(VG2)의 위치와 동일한 광감층(12)의 위치에 참조광(R)과 신호광(S)을 조사하여 부피 격자(VG2)를 형성할 수 있다. 신호광(S)은 영상을 담은 빛(L0)이 부피 격자(VG2)에 의해 회절되어 진행하는 방향과 동일한 방향으로 감광층(12)에 입사한다. 또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 부피 격자(VG3)의 위치와 동일한 광감층(12)의 위치에 참조광(R)과 신호광(S)을 조사하여 부피 격자(VG3)를 형성할 수 있다. 신호광(S)은 영상을 담은 빛(L0)이 부피 격자(VG3)에 의해 회절되어 진행하는 방향과 동일한 방향으로 감광층(12)에 입사한다. 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들을 모두 형성한 후에는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들이 형성되지 않은 감광층(12)의 부분을 제거하고 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들을 덮는 투명 보호층(13)을 투명 기판(11) 위에 형성할 수도 있다.

상술한 홀로그래픽 프린팅 방식 또는 홀로그램 기록 방식으로 형성된 부피 격자들은 특정한 방향으로 입사하는 빛에만 반응한다. 예를 들어, 부피 격자들은 도 2의 제 1 표면(S1)에 경사지게 입사하는 영상을 담은 빛(L0)만을 회절시킨다. 부피 격자들은 영상을 담은 빛(L0)과 다른 방향이나 다른 각도로 입사하는 빛은 회절 없이 투과시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 컴바이너(10)는 영상을 담은 빛(L0)과 외부의 풍경을 담은 빛(L1)을 효율적으로 결합하여 관찰자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)에서 사용되는 컴바이너(10)는 홀로그래픽 프린터를 이용하여 용이하게 제작될 수 있다. 홀로그래픽 프린터를 이용하면 홀로그래픽 프린터의 공간 광변조기(SLM)에 인가되는 CGH 신호에 따라 컴바이너(10)에 형성되는 부피 격자들의 광학적 특성을 용이하게 결정할 수 있으며, 호겔들의 위치와 배열에 따라 컴바이너(10)에 형성되는 부피 격자들의 위치와 형태를 용이하게 결정할 수 있다. 따라서, 영상을 담은 빛(L0)에 대한 컴바이너(10)의 광학적 효율을 최적화할 수 있으며, 외부의 풍경을 담은 빛(L1)에 대해 투과도가 높고 노이즈가 적은 컴바이너(10)를 구현하는 것이 가능하다.

도 6은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치(110)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 6을 참조하면, 영상 제공 장치(20)로부터 컴바이너(10)의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들에 투사되는 영상을 담은 빛(L0)은 진행 방향을 따라 빔경이 점점 커지는 발산광일 수 있다. 이 경우, 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 그의 제 1 표면(S1, 도 2 참조)에 입사하는 발산광을 회절시키면서 평형광으로 콜리메이팅하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 관찰자의 눈보다 더 위쪽에 배치된 부피 격자(VG1)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 아래쪽 방향으로 회절시키면서 평행광으로 바꾸도록 구성된다. 관찰자의 눈과 동일한 높이에 배치된 부피 격자(VG2)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 제 1 표면(S1)의 법선 방향으로 회절시키면서 평행광으로 바꾸도록 구성된다. 관찰자의 눈보다 더 아래쪽에 배치된 부피 격자(VG3)는 영상 제공 장치(20)로부터 투사된 빛(L0)을 위쪽 방향으로 회절시키면서 평행광으로 바꾸도록 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 도 6에 도시된 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 오목 거울과 같이 양(+)의 굴절력을 갖는 광학적 특성을 가질 수 있다.

도 6에 도시된 부피 격자(VG1, VG2, VG3)도 역시 홀로그래픽 프린팅 방식 또는 일반적인 홀로그램 기록 방식으로 형성될 수 있다. 홀로그래픽 프린팅 방식의 경우, 영상 제공 장치(20)로부터 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들에 투사되는 영상을 담은 빛(L0)이 발산광이라는 점을 고려하여 CGH 신호를 계산할 수 있다. 그리고, 공간 광변조기(SLM)에 인가되는 CGH 신호에 따라 복수의 호겔을 형성함으로써, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들이 도 6에 도시된 광학적 특성을 가질 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 일반적인 홀로그램 기록 방식을 이용하여 도 6에 도시된 컴바이너(10)를 제작하는 과정을 개략적으로 도시한다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 참조광(R)은 영상 제공 장치(20)로부터 방출된 영상을 담은 빛(L0)과 동일한 발산광이다. 그 외에는 도 7a 내지 도 7c에 도시된 과정은 도 5a 내지 도 5c에서 설명한 것과 동일하다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치(120)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 8을 참조하면, 디스플레이 장치(120)의 컴바이너(30)는 전반사를 통해 빛을 진행시키는 투명 도광판(31) 및 영상 제공 장치(20)로부터 방출된 영상을 담은 빛을 투명 도광판(31)의 내부로 안내하는 입력 커플러(35)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 커플러(35)는 프리즘의 형태를 가질 수 있으며, 투명 도광판(31)의 입광면과 영상 제공 장치(20) 사이에 배치될 수 있다.

투명 도광판(31)은 서로 마주하는 제 1 표면(31a)과 제 2 표면(31b)을 가질 수 있다. 디스플레이 장치(120)의 사용시에 컴바이너(30)는 투명 도광판(31)의 제 1 표면(31a)이 관찰자의 눈과 마주하도록 배치될 수 있다. 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 투명 도광판(31)의 제 2 표면(31b)에 배치되어 투명 도광판(31)의 제 1 표면(31a)을 향해 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성될 수 있다. 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 의해 회절된 영상을 담은 빛은 투명 도광판(31)의 제 1 표면(31a)으로부터 방출되어 관찰자의 눈에 입사할 수 있다.

도 8에 도시된 실시예에서, 컴바이너(30)는 투명 기판 및 감광층을 포함하지 않을 수 있다. 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 투명 도광판(31)의 내부에 매립되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)의 제 1 표면(S1)은 투명 도광판(31)의 내부에서 투명 도광판(31)의 제 1 표면(31a)과 마주할 수 있다. 그리고, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)의 제 2 표면(S2)은 투명 도광판(31)의 제 2 표면(31b)과 일치할 수 있다.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치(120a)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 9를 참조하면, 디스플레이 장치(120a)의 컴바이너(30')는 도 8에 도시된 컴바이너(30)의 구성과 달리 투명 기판(11)과 감광층(12)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 그의 제 1 표면(S1)이 투명 도광판(31)의 제 2 표면(31b)과 접하도록 배치될 수 있다.

상술한 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들은 모든 파장의 빛에 대해 반응하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상술한 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들 각각은 적색 대역의 입사광, 녹색 대역의 입사광, 및 청색 대역의 입사광을 모두 동일한 방향으로 회절시키도록 구성될 수도 있다. 그러나, 이 경우 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들의 전반적인 회절 효율이 낮아질 수 있다. 따라서, 특정 파장 대역의 빛에 대해서만 반응하도록 부피 격자들을 구성하면 부피 격자들의 회절 효율이 향상될 수 있다.

예를 들어, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치(130)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 10을 참조하면, 디스플레이 장치(130)의 컴바이너(40)는 제 1 표면(S1)에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 적색 대역의 빛만을 회절시키록 구성된 복수의 제 1 부피 격자(VG1R, VG2R, VG3R), 제 1 표면(S1)에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 녹색 대역의 빛만을 회절시키록 구성된 복수의 제 2 부피 격자(VG1G, VG2G, VG3G), 및 제 1 표면(S1)에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 청색 대역의 빛만을 회절시키록 구성된 복수의 제 3 부피 격자(VG1B, VG2B, VG3B)를 포함할 수 있다. 제 1 부피 격자(VG1R, VG2R, VG3R)은 적색 대역의 빛을 미리 정해진 특정한 각도로, 예를 들어, 관찰자의 눈을 향해 회절시킬 수 있다. 또한, 제 2 부피 격자(VG1G, VG2G, VG3G)는 녹색 대역의 빛을 미리 정해진 특정한 각도로 회절시킬 수 있으며, 제 3 부피 격자(VG1B, VG2B, VG3B)는 청색 대역의 빛을 미리 정해진 특정한 각도로 회절시킬 수 있다. 그러면, 관찰자는 적색광, 녹색광, 및 청색광을 포함하는 컬러 영상을 감상할 수 있다.

도 10에는 복수의 제 1 부피 격자(VG1R, VG2R, VG3R), 복수의 제 2 부피 격자(VG1G, VG2G, VG3G), 및 복수의 제 3 부피 격자(VG1B, VG2B, VG3B)가 세로 방향으로 각각 하나씩 번갈아 배열된 것으로 도시되었다. 그러나, 이는 단지 하나의 예에 불과하며 부피 격자들의 배열이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 11은 다른 실시예에 따른 컴바이너(40)에 배열된 복수의 부피 격자의 배열을 예시적으로 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 적색 대역의 빛을 회절시키는 복수의 제 1 부피 격자(R), 녹색 대역의 빛을 회절시키는 복수의 제 2 부피 격자(G), 및 청색 대역의 빛을 회절시키는 복수의 제 3 부피 격자(B)가 가로 방향으로 각각 하나씩 번갈아 배열될 수도 있다. 또한, 도 10 및 도 11에 예시된 배열 외에도, 제 1 부피 격자(R), 복수의 제 2 부피 격자(G), 및 복수의 제 3 부피 격자(B)가, 예를 들어, 대각선 방향으로 번갈아 배치될 수도 있다.

상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치들에서, 부피 격자들의 크기가 작기 때문에 핀홀의 원리에 따라 긴 초점 심도를 달성할 수 있다. 그러나, 부피 격자들의 크기를 완전히 0으로 만들 수는 없기 때문에, 관찰자의 동공의 위치 변화 또는 동공의 크기 변화에 따라 영상의 초점이 맞지 않게 될 수도 있다. 이 경우, 영상의 초점을 맞추기 위하여, 관찰자의 동공의 위치 변화 또는 동공의 크기 변화에 응답하여 개구의 유효 반응 면적을 능동적으로 조절할 수 있다. 그러나 부피 격자들의 크기를 변화시키기는 어려우므로, 영상 제공 장치(20)로부터 투사되어 부피 격자들에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경을 능동적으로 조절할 수 있다.

예를 들어, 도 12 내지 도 17은 영상을 담은 빛의 빔경을 능동적으로 조절할 수 있는 또 다른 실시예들에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.

도 12를 참조하면, 디스플레이 장치(140)는 조리개(50), 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 조리개(50)는 영상 제공 장치(20)와 컴바이너(10) 사이에 배치되어 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경을 조절하도록 구성된 빔경 조절 장치이다. 이를 위하여, 조리개(50)는 가변적으로 변화하는 개구를 가질 수 있다. 시선 추적기(141)는 관찰자의 동공 위치 및 동공 크기를 실시간으로 측정하고 그 결과를 프로세서(145)에 제공할 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보를 기초로 조리개(50)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(145)는 관찰자의 동공 위치 변화 또는 관찰자의 동공 크기 변화에 응답하여 조리개(50)의 개구의 직경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

또한, 도 13을 참조하면, 디스플레이 장치(140a)는 조절 가능 렌즈(60), 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 조절 가능 렌즈(60)는, 예를 들어, 영상 제공 장치(20)와 컴바이너(10) 사이에 배치된 가변 초점 렌즈일 수 있다. 조절 가능 렌즈(60)의 초점길이 변화에 따라 컴바이너(10)에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경이 변화하므로, 조절 가능 렌즈(60)는 빔경 조절 장치로서 동작할 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보에 응답하여 조절 가능 렌즈(60)의 초점길이를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

또한, 도 14를 참조하면, 디스플레이 장치(140b)의 영상 제공 장치(20a)는 능동적으로 빔경을 조절할 수 있는 홀로그래픽 영상 형성 장치일 수 있다. 디스플레이 장치(140a)는 또한 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보에 응답하여 영상 제공 장치(20a)를 제어하며, 영상 제공 장치(20a)는 프로세서(145)의 제어에 따라 영상을 담은 빛의 빔경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이 경우, 영상 제공 장치(20a)가 직접 영상을 담은 빛의 빔경을 조절할 수 있으므로, 별도의 빔경 조절 장치는 사용하지 않을 수 있다.

도 15를 참조하면, 디스플레이 장치(140c)는 확산판(70), 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 빔경 조절 장치로서 사용되는 확산판(70)은 영상 제공 장치(20)와 컴바이너(10) 사이에 배치되며 가변의 확산각을 갖는다. 예를 들어, 확산판(70)은 전기적인 제어에 따라 헤이즈(haze) 특성이 변화하면서 확산각이 변화할 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보에 응답하여 확산판(70)의 확산각을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

도 16을 참조하면, 디스플레이 장치(140d)는 MEMS(micro electro mechanical systems) 거울 어레이(80), 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 빔경 조절 장치로서 사용되는 MEMS 거울 어레이(80)는 영상 제공 장치(20)와 컴바이너(10) 사이에 배치되며 전기-기계적으로 동작하는 복수의 미세한 거울을 포함할 수 있다. MEMS 거울 어레이(80)는 복수의 거울의 기울기를 독립적으로 제어하여 복수의 거울로부터 반사되는 빛의 방향을 자유롭게 조절할 수 있다. 예를 들어, MEMS 거울 어레이(80)는 반사 영역을 전기적으로 조절할 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보에 응답하여 MEMS 거울 어레이(80)를 제어하여 컴바이너(10)에 입사하는 빛의 빔경을 조절할 수 있다.

도 17을 참조하면, 디스플레이 장치(140e)는 액추에이터(90), 시선 추적기(141), 및 프로세서(145)를 더 포함할 수 있다. 액추에이터(90)는 컴바이너(10)와 영상 제공 장치(20) 사이의 거리를 조절하도록 영상 제공 장치(20)를 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(90)는 리니어 모터일 수 있다. 컴바이너(10)와 영상 제공 장치(20) 사이의 거리에 따라 컴바이너(10)에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경이 변화하기 때문에, 액추에이터(90)는 빔경 조절 장치로서 사용될 수 있다. 프로세서(145)는 시선 추적기(141)로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보에 응답하여 액추에이터(90를 제어하여 컴바이너(10)와 영상 제공 장치(20) 사이의 거리를 조절할 수 있다.

도 18은 도 12 내지 도 17에 도시된 실시예에서 관찰자의 동공 정보를 기초로 개구의 유효 반응 면적을 조절한 예를 보인다. 이를 위해, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들의 크기(예컨대, 폭 또는 직경)를 일반적인 경우에 필요한 크기보다 조금 더 크게 형성할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 관찰자의 동공 위치에서 개구의 유효 반응 면적이 약 1 mm라면 부피 격자(VG1, VG2, VG3)의 크기를 약 1.5 mm 정도로 형성할 수 있다. 그리고, 관찰자의 위치 변화에 따라 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경을 조절할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 관찰자의 동공 위치에서 영상을 담은 빛의 빔경을 약 1 mm로 조절할 수 있다. 그리고, 관찰자와 컴바이너(10) 사이의 거리가 가까워지거나 관찰자의 동공의 크기가 커지면 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경을 감소시킨다. 반대로, 관찰자와 컴바이너(10) 사이의 거리가 멀어지거나 관찰자의 동공의 크기가 작아지면 각각의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)에 입사하는 영상을 담은 빛의 빔경을 증가시킨다.

상술한 실시예들에 따르면, 관찰자의 동공의 위치 변화 및 관찰자의 동공의 크기 변화에 대해 능동적인 대응이 가능하다. 특히, 컴바이너(10)의 복수의 부피 격자(VG1, VG2, VG3)는 특정한 각도로 입사하는 특정한 파장의 빛만에만 반응하기 때문에, 부피 격자(VG1, VG2, VG3)들의 크기를 증가시키더라도 외부의 빛에 대한 투과도가 크게 저하되지 않는다. 따라서, 외부의 빛에 대한 투과도를 희생하지 않고도 동공의 위치 변화 및 관찰자의 동공의 크기 변화에 대응할 수 있다.

도 19 내지 도 21은 상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다. 도 19 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 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 19 내지 도 21에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다. 이러한 디스플레이 장치는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 풍경을 함께 제공할 수 있는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.

또한, 디스플레이 장치는 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 다시 말해, 도 19 내지 도 21과 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 디스플레이 장치를 적용할 수도 있다. 그 밖에도 디스플레이 장치의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 장치는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용할 수 있을 뿐 아니라, 그 밖에 다른 분야에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 착용할 수 있는 소형 텔레비전이나 소형 모니터 등에도 적용할 수도 있다.

상술한 부피 격자 기반의 컴바이너를 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.

10, 30, 40.....컴바이너 11.....투명 기판
12.....감광층 13.....투명 보호층
20.....영상 제공 장치 31.....투명 도광판
35.....입력 커플러 50.....조리개
60.....렌즈 70.....확산판
80.....MEMS 거울 어레이 90.....액추에이터
100, 110, 120, 130, 140.....디스플레이 장치
141.....시선 추적기 145.....프로세서
VG.....부피 격자

Claims (26)

1. 영상을 제공하는 영상 제공 장치; 및
   상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛과 외부의 풍경을 담은 빛을 결합하도록 구성된 컴바이너;를 포함하며,
   상기 컴바이너는 상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성된 복수의 부피 격자(volume grating)를 포함하고,
   각각의 부피 격자는 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 가지며,
   각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 빛을 회절시키고 제 2 표면에 입사하는 빛을 회절 없이 투과시키도록 구성된 디스플레이 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   각각의 부피 격자는 제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 빛을 미리 정해진 특정한 방향으로 회절시키도록 구성되어 있는 디스플레이 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자에 제공되는 영상을 담은 빛은 콜리메이팅된 평행광인 디스플레이 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 빛에 대해 굴절력이 없는 광학적 특성을 갖도록 구성된 디스플레이 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자에 제공되는 영상을 담은 빛은 발산광인 디스플레이 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   각각의 부피 격자는 제 1 표면에 입사하는 발산광을 회절시키면서 평형광으로 콜리메이팅하도록 구성된 디스플레이 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 컴바이너는 투명 기판을 더 포함하며,
   상기 복수의 부피 격자는 상기 투명 기판 상에 2차원 어레이의 형태로 배열되어 있는 디스플레이 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 영상 제공 장치는 각각의 부피 격자의 제 1 표면을 향해 영상을 담은 빛을 각각 제공하도록 구성되며,
   상기 복수의 부피 격자에서 각각 회절된 빛이 하나의 동일한 영역을 향해 진행하도록 복수의 부피 격자가 상기 영상을 담은 빛을 서로 다른 각도로 회절시키도록 구성된 디스플레이 장치.
9. 제 7 항에 있어서,
   각각의 부피 격자의 제 1 표면은 원형, 타원형, 사각형, 또는 육각형의 형태를 갖는 디스플레이 장치.
10. 제 7 항에 있어서,
    서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격은 각각의 부피 격자의 폭과 같거나 또는 그보다 더 큰 디스플레이 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    각각의 부피 격자의 폭은 0.5 mm 내지 1.5 mm 인 디스플레이 장치.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 컴바이너의 중심으로부터 멀어질수록 서로 인접한 2개의 부피 격자 사이의 간격이 증가하거나 감소하는 디스플레이 장치.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 컴바이너의 중심으로부터 멀어질수록 각각의 부피 격자의 폭이 증가하거나 감소하는 디스플레이 장치.
14. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 부피 격자의 일부가 제 1 행을 따라 일렬로 배열되어 있고, 상기 복수의 부피 격자의 다른 일부가 제 1 행에 인접한 제 2 행을 따라 일렬로 배열되어 있으며, 제 1 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자와 제 2 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자가 서로에 대해 엇갈리게 배치되어 있는 디스플레이 장치.
15. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 부피 격자의 일부가 제 1 행을 따라 일렬로 배열되어 있고, 상기 복수의 부피 격자의 다른 일부가 제 1 행에 인접한 제 2 행을 따라 일렬로 배열되어 있으며, 제 1 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자와 제 2 행을 따라 배열된 복수의 부피 격자가 각각 서로 마주하도록 배치되어 있는 디스플레이 장치.
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너는:
    전반사를 통해 빛을 진행시키는 투명 도광판; 및
    상기 영상 제공 장치로부터 방출된 영상을 담은 빛을 상기 투명 도광판의 내부로 안내하는 입력 커플러;를 더 포함하며,
    상기 투명 도광판은 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 갖고,
    상기 복수의 부피 격자는 상기 투명 도광판의 제 2 표면에 배치되어 상기 투명 도광판의 제 1 표면을 향해 상기 영상을 담은 빛을 회절시키도록 구성된 디스플레이 장치.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 부피 격자는 각각의 부피 격자의 제 1 표면이 상기 투명 도광판의 내부에 매립되도록 배치되어 있는 디스플레이 장치.
18. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 부피 격자는 각각의 부피 격자의 제 1 표면이 상기 투명 도광판의 제 2 표면과 접하도록 배치되어 있는 디스플레이 장치.
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 부피 격자는:
    제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역의 빛을 제 1 각도로 회절시키록 구성된 복수의 제 1 부피 격자;
    제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역과 다른 제 2 파장 대역의 빛을 제 1 각도와 상이한 제 2 각도로 회절시키도록 구성된 복수의 제 2 부피 격자; 및
    제 1 표면에 미리 정해진 특정한 입사각으로 입사하는 제 1 파장 대역 및 제 2 파장 대역과 다른 제 3 파장 대역의 빛을 제 1 각도 및 제 2 각도와 상이한 제 3 각도로 회절시키도록 구성된 복수의 제 3 부피 격자;를 포함하는 디스플레이 장치.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 부피 격자, 복수의 제 2 부피 격자, 및 복수의 제 3 부피 격자가 각각 하나씩 번갈아 배열되어 있는 디스플레이 장치.
21. 제 1 항에 있어서,
    관찰자의 동공 위치를 추적하고 관찰자의 동공 크기를 측정하는 시선 추적기를 더 포함하는 디스플레이 장치.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 영상 제공 장치는 상기 시선 추적기로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보를 기초로 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 조절하도록 구성된 디스플레이 장치.
23. 제 21 항에 있어서,
    상기 시선 추적기로부터 제공되는 관찰자의 동공 위치에 관한 정보 또는 관찰자의 동공 크기에 관한 정보를 기초로 상기 영상 제공 장치로부터 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 조절하도록 구성된 빔경 조절 장치를 더 포함하는 디스플레이 장치.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 빔경 조절 장치는 가변 개구를 갖는 조리개, 가변의 초점길이를 갖는 렌즈, 가변의 확산각을 갖는 확산판, 전기적으로 반사 영역을 조절하도록 구성된 MEMS 거울 어레이, 및 상기 컴바이너와 상기 영상 제공 장치 사이의 거리를 조절하도록 상기 영상 제공 장치를 이동시키는 액추에이터 중에서 하나를 포함하는 디스플레이 장치.
25. 제 23 항에 있어서,
    상기 빔경 조절 장치는, 상기 컴바이너와 관찰자 사이의 거리가 가까워지거나 상기 관찰자의 동공의 크기가 커지면 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 감소시키고, 상기 컴바이너와 관찰자 사이의 거리가 멀어지거나 상기 관찰자의 동공의 크기가 작아지면 각각의 부피 격자의 제 1 표면에 입사하는 빛의 빔경을 증가시키도록 구성된 디스플레이 장치.
26. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형으로 제작된 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.

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