KR20210107408A - 광학 장치 및 이를 포함한 근안 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20210107408A
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문석일
이병호
성기영
이홍석
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삼성전자주식회사
서울대학교산학협력단
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Abstract

광학 장치 및 이를 포함한 근안 디스플레이 장치가 개시된다.
개시된 광학 장치는, 하나의 디스플레이 패널로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 편광 회전자와, 편광 회전자로부터 나온 광의 편광을 변환하는 1/4 파장 판과, 광의 편광 상태에 따라 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹을 포함한다.

Description

광학 장치 및 이를 포함한 근안 디스플레이 장치{Optical apparatus and near eye display apparatus}
예시적인 실시예는 하나의 디스플레이 패널을 이용하여 좁은 시야각의 고해상도 영상과 넓은 시야각의 저해상도 영상을 제공하는 광학 장치 및 이를 포함한 근안 디스플레이 장치에 관한 것이다.
가상 현실은 컴퓨터로 만든 가상의 세계에서 사람이 실제와 같은 체험을 할 수 있도록 하는 기술이다. 증강 현실은 가상의 이미지가 현실 세계의 물리적 환경 또는 공간과 혼합될 수 있게 하는 기술이다. 가상 현실 디스플레이 또는 증강 현실 디스플레이가 구현되는 근안 디스플레이(near-eye displays)는 광학 및 입체영상의 조합을 이용하여 공간 내에 가상 이미지를 포커싱한다. 이러한 근안 디스플레이에서, 디스플레이 해상도 및 프로세싱은 중요하다.
근안 디스플레이 장치를 통해 사용자에게 디스플레이 되는 영상은 매우 상세한 그래픽을 포함하는 가상 이미지 또는 현실 이미지를 포함할 수 있다. 근안 디스플레이 장치는 소프트웨어 방식을 이용하여 영상을 처리하는데 있어서 영상 처리 계산량이 많아 영상 처리가 지연되는 경우가 있다. 계산량을 줄이기 위해, 사람의 시야 중심의 포비아 영역(fovea area)에는 고해상도 영상을 제공하고, 나머지 주변 영역(peripheral area)에는 저해상도 영상을 제공하는 포비티드 디스플레이(foveated display)가 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 하나의 디스플레이 패널을 이용하여 좁은 시야각의 고해상도 영상과 넓은 시야각의 저해상도 영상을 제공하는 광학 장치를 제공한다.
예시적인 실시예는 하나의 디스플레이 패널을 이용하여 좁은 시야각의 고해상도 영상과 넓은 시야각의 저해상도 영상을 표시하는 근안 디스플레이 장치를 제공한다.
예시적인 광장 장치는, 영상을 형성하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 제1 편광 회전자; 상기 제1 편광 회전자로부터 나온 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판; 및 상기 제1 1/4 파장 판으로부터의 광의 편광 상태에 따라 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹;을 포함한다.
상기 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 상기 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함할 수 있다.
상기 광학 소자 그룹은 광의 편광 상태에 따라 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈로동작하도록 구성된 적어도 하나의 기하학적 위상 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광학 소자 그룹은 광을 투과시키거나 발산하도록 구성된 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와, 광을 투과시키거나 집속하도록 구성된 제2 기하학적 위상 렌즈 세트를 포함할 수 있다.
상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트는 제1 기하학적 위상 렌즈와, 제2 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제1 기하학적 위상 렌즈와 제2 기하학적 위상 렌즈 사이의 제1 원 편광자를 포함할 수 있다.
상기 제2 기하학적 위상 렌즈 세트는 제3 기하학적 위상 렌즈와, 제4 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제3 기하학적 위상 렌즈와 제4 기하학적 위상 렌즈 사이의 제2 원 편광자를 포함할 수 있다.
상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트 사이에 제2 1/4 파장 판, 제2 편광 회전자, 제3 1/4 파장 판이 구비될 수 있다.
상기 광학 소자 그룹으로부터 나온 광을 결상하는 렌즈가 적어도 하나 더 구비될 수 있다.
상기 광학 장치가 상기 제1 영상과 제2 영상이 순차적으로 표시되고 합성되어 하나의 영상이 표시되도록 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광학 장치가, 영상을 형성하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널로부터 나온 광을 제1 선형 편광 및 제2 선형 편광 중 적어도 하나를 가지도록 변환하는 편광기; 상기 제1 선형 편광을 가지는 제1 광을 투과시키고, 상기 제2 선형 편광을 가지는 제2 광을 반사시키는 편광 빔스플리터; 및 상기 편광 빔스플리터를 투과한 제1 광을 상기 제2 광과 다른 경로로 진행시키도록 구성된 광학 소자 그룹;을 포함하고, 상기 제1 광이 제1 시야각을 가지는 제1 영상을 표시하고, 상기 제2 광이 상기 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 상기 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함할 수 있다.
상기 편광기는 편광 회전자 또는 패터닝된 리타더를 포함할 수 있다.
상기 광학 소자 그룹은 상기 편광 빔스플리터를 통과한 제1 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판과, 상기 제1 1/4 파장 판을 통과한 제1 광을 상기 제1 1/4 파장 판으로 다시 반사시키는 제1 미러, 상기 제1 1/4 파장 판을 통과하여 상기 편광 빔스플리터에서 반사된 제1 광의 편광을 변환시키는 제2 1/4 파장판과, 상기 제2 1/4 파장판을 통과한 제1 광을 상기 제2 1/4 파장판으로 다시 반사시키는 제2 미러를 포함할 수 있다.
상기 제1 미러와 제2 미러 중 적어도 하나는 오목 미러를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치는, 사용자의 동공을 추적하는 동공 추적기; 상기 동공 추적기에 의해 검출된 동공의 위치에 대응되는, 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 장치; 상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 사용자의 눈으로 향하도록 하는 광학 소자;를 포함하고, 상기 광학 장치가, 영상을 형성하는 디스플레이 패널, 상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 제1 편광 회전자, 상기 제1 편광 회전자로부터 나온 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판, 및 상기 제1 1/4 파장 판으로부터의 광의 편광 상태에 따라 상기 제1 영상과, 상기 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹을 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 도광판 또는 홀로그램 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 근안 디스플레이 장치는 안경형 가상 현실 장치, 안경형 증강 현실 장치, 또는 헤드 업 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광학 장치는 하나의 디스플레이 패널을 이용하여 좁은 시야각의 고해상도 영상과 넓은 시야각의 저해상도 영상을 제공할 수 있다.
하나의 디스플레이 패널을 이용하므로 두 영상 사이에 색 재현, 균일성 등의 차이를 줄일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광학 장치를 포함한 근안 디스플레이 장치는 하나의 디스플레이 패널을 이용하면서도 영상 처리를 위한 계산량을 줄일 수 있어 영상 표시 속도를 높일 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 광학 장치에 의해 고해상도 영상이 표시되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 광학 장치에 포함된 제1 기하학적 위상 렌즈세트의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 광학 장치에 포함된 제2 기하학적 위상 렌즈세트의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 광학 장치에 의해 저해상도 영상이 표시되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 포비티드 디스플레이 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 광학 장치 및 이를 포함한 근안 디스플레이 장치에 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 광학 장치(100)를 도시한 것이다.
광학 장치(100)는 영상을 형성하는 디스플레이 패널(110)과, 디스플레이 패널(110)로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 제1 편광 회전자(120), 제1 1/4 파장 판(130) 및, 제1 1/4 파장 판(130)으로부터의 광의 편광 상태에 따라 시야각이 다른 제1 영상과 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹(OG)을 포함할 수 있다.
디스플레이 패널(110)은 예를 들어, LCD, LCoS(Liquid Crystal on Silicon), OLED 디스플레이, 또는 LED 디스플레이를 포함할 수 있다. 제1 편광 회전자(120)는 입사 광의 편광 상태를 전기적으로 제어할 수 있다. 제1 편광 회전자(120)는 입사 광을 선택적으로 선형 편광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 회전자(120)는 입사 광을 선택적으로, 제1 선형 편광, 예를 들어, S 편광 또는 제2 선형 편광, 예를 들어, P 편광으로 변환할 수 있다.
제1 1/4 파장 판(130)은 제1 편광 회전자(120)로부터 나온 광의 편광을 변환할 수 있다. 제1 1/4 파장 판(130)은 선형 편광을 원 편광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 제1 1/4 파장 판(130)은 S 편광은 우원 편광으로 변환하고, P 편광은 좌원 편광으로 변환할 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 제1 1/4 파장 판(130)으로부터의 광의 편광 상태에 따라 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성될 수 있다. 제2 시야각은 제1 시야각보다 클 수 있다. 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함할 수 있다.
포비아 영상은 사람의 시야 중심의 포비아(fovea) 영역에 대응되는 영상을 나타내고, 주변 영상은 포비아 영역 주변의 영역에 대응되는 영상을 나타낼 수 있다. 포비아 영상은 상대적으로 고해상도로 제공하고, 주변 영상은 포비아 영상에 비해 상대적으로 저해상도로 제공할 수 있다. 그럼으로써, 전체 영상을 고해상도로 처리하는 것에 비해 영상처리 계산량을 줄여 영상 처리 속도를 증가시키고, 프레임 레이트를 증가시킬 수 있다. 이러한 디스플레이 시스템을 포비티드 디스플레이 시스템(foveated display system)이라고 한다. 포비티드 디스플레이 시스템은 근안 디스플레이 장치와 같이 넓은 시야각을 가지는 디스플레이에서 전체 영역을 고해상도 영상으로 처리하기 어려운 경우에 적용될 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 광의 편광 상태에 따라 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈로 동작하도록 구성될 수 있다. 광학 소자 그룹(OG)은 적어도 하나의 기하학적 위상 렌즈(geometric phase lens)를 포함할 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)를 포함할 수 있다. 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)는 제1 기하학적 위상 렌즈(141)와, 제2 기하학적 위상 렌즈(143)와, 제1 기하학적 위상 렌즈(141)와 제2 기하학적 위상 렌즈(143) 사이의 제1 원 편광자(142)를 포함할 수 있다.
제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)는 제3 기하학적 위상 렌즈(181)와, 제4 기하학적 위상 렌즈(183)와, 제3 기하학적 위상 렌즈(181)와 제4 기하학적 위상 렌즈(183) 사이의 제2 원 편광자(182)를 포함할 수 있다. 제1 원 편광자(142)와 제2 원 편광자(182)는 서로 다른 원 편광을 만들 수 있다.
제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180) 사이에 제2 1/4 파장 판(150), 제2 편광 회전자(160), 제3 1/4 파장 판(170)이 구비될 수 있다. 제2 편광 회전자(160)는 제1 편광 회전자(150)와 반대의 선형 편광 상태를 만들 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)으로부터 나온 광을 결상하는 적어도 하나 이상의 렌즈가 더 구비될 수 있다. 도 1에서는 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 다음에 렌즈(190)가 구비될 수 있다. 렌즈(190)는 광을 결상할 수 있으며, 접안 렌즈일 수 있다.
광학 장치(100)의 동작에 대해 설명한다.
도 2는 광학 장치(100)가 좁은 시야각을 가지는 고해상도 영상을 표시하는 경우를 도시한 것이다.
디스플레이 패널(110)에서 나온 광은 제1 편광 회전자(120)에 의해 제1 선형 편광(LP1), 예를 들어 S 편광이 될 수 있다. 제1 선형 편광(LP1)은 제1 1/4 파장 판(130)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환될 수 있다.
다음, 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 동작에 대해 설명한다.
도 3은 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 우원 편광(RCP)과 좌원 편광(LCP)에 대해 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)의 동작을 설명한다.
기하학적 위상 렌즈는 우원 편광을 좌원 편광으로 변환하고, 이 때 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 또한, 기하학적 위상 렌즈는 좌원 편광을 우원 편광으로 변환하고, 이 때 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 이와 같이 기하학적 위상 렌즈는 입사 광의 편광 상태에 따라 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로 동작할 수 있다.
우원 편광(RCP)에 대해, 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)의 동작은 다음과 같다. 우원 편광(RCP)은 제1 기하학적 위상 렌즈(141)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 제1 기하학적 위상 렌즈(141)가 볼록 렌즈와 같이 동작할 수 있다. 그리고, 제1 원 편광자(142)는 입사 광을 제1 원 편광, 예를 들어, 좌원 편광으로 변환시킬 수 있다. 제1 기하학적 위상 렌즈(141)를 통과한 좌원 편광(LCP)은 제1 원 편광자(142)를 그대로 통과하여 좌원 편광(LCP)이 된다. 좌원 편광(LCP)은 제2 기하학적 위상 렌즈(143)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 이 때 제2 기하학적 위상 렌즈(143)는 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 우원 편광(RCP)이 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 입사할 때, 제1 기하학적 위상 렌즈(141)는 볼록 렌즈로 동작하고, 제2 기하학적 위상 렌즈(143)는 오목 렌즈로 동작한다. 그러므로, 결과적으로 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 광학적 상쇄 작용에 의해, 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)가 투명 평판과 같이 동작하고, 우원 편광(RCP)은 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)를 그대로 투과할 수 있다.
좌원 편광(LCP)에 대해, 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)의 동작은 다음과 같다. 좌원 편광(LCP)은 제1 기하학적 위상 렌즈(141)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 이 때 제1 기하학적 위상 렌즈(141)가 오목 렌즈와 같이 동작할 수 있다. 제1 기하학적 위상 렌즈(141)를 통과한 우원 편광(RCP)은 제1 원 편광자(142)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다. 좌원 편광(LCP)은 제2 기하학적 위상 렌즈(143)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 이 때 제2 기하학적 위상 렌즈(143)는 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 좌원 편광(LCP)이 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 입사할 때, 제1 기하학적 위상 렌즈(141)는 오목 렌즈로 동작하고, 제2 기하학적 위상 렌즈(143)는 오목 렌즈로 동작하므로, 결과적으로 좌원 편광(LCP)은 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 의해 발산될 수 있다.
도 4는 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 우원 편광(RCP)과 좌원 편광(LCP)에 대해 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 동작을 설명한다.
우원 편광(RCP)에 대해, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 동작은 다음과 같다. 우원 편광(RCP)은 제3 기하학적 위상 렌즈(181)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 이 때 제3 기하학적 위상 렌즈(181)가 볼록 렌즈와 같이 동작할 수 있다. 제3 기하학적 위상 렌즈(181)를 통과한 좌원 편광(LCP)은 제2 원 편광자(182)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환될 수 있다. 우원 편광(RCP)은 제4 기하학적 위상 렌즈(183)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 이 때 제4 기하학적 위상 렌즈(183)는 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 우원 편광(RCP)이 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)에 입사할 때, 제3 기하학적 위상 렌즈(181)는 볼록 렌즈로 동작하고, 제2 기하학적 위상 렌즈(183)는 볼록 렌즈로 동작하므로, 결과적으로 우원 편광(RCP)은 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)에 의해 집속될 수 있다.
좌원 편광(LCP)에 대해, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)의 동작은 다음과 같다. 좌원 편광(LCP)은 제3 기하학적 위상 렌즈(181)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 이 때 제3 기하학적 위상 렌즈(181)가 오목 렌즈와 같이 동작할 수 있다. 제1 기하학적 위상 렌즈(181)를 통과한 우원 편광(RCP)은 제2 원 편광자(182)를 그대로 통과할 수 있다. 우원 편광(RCP)은 제4 기하학적 위상 렌즈(183)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 이 때 제4 기하학적 위상 렌즈(183)는 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 좌원 편광(LCP)이 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)에 입사할 때, 제3 기하학적 위상 렌즈(181)는 오목 렌즈로 동작하고, 제4 기하학적 위상 렌즈(183)는 볼록 렌즈로 동작한다. 그러므로, 결과적으로 오목 렌즈와 볼록 렌즈의 광학적 상쇄 작용에 의해, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)가 투명 평판과 같이 동작하고, 좌원 편광(LCP)은 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)에 의해 그대로 투과될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제1 1/4 파장 판(130)으로부터 나온 우원 편광(RCP)은 위에서 설명한 바와 같이 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 의해 우원 편광(RCP)으로 그대로 투과될 수 있다. 그리고, 우원 편광(RCP)은 제2 1/4 파장 판(140)에 의해 제2 선형 편광(LP2), 예를 들어 P 편광으로 변환될 수 있다. 제2 편광 회전자(160)은 입사 광의 편광 방향을 전기적으로 제어할 수 있다. 제2 편광 회전자(160)는 예를 들어, 입사 광의 편광을 제2 선형 편광(LP2)으로 변환시킬 수 있다. 따라서, 제2 선형 편광(LP2)은 제2 편광 회전자(160)를 그대로 투과할 수 있다. 제2 선형 편광(LP2)은 제3 1/4 파장 판(170)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다.
도 4를 참조하면, 좌원 편광(LCP)에 대해, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)는 광을 그대로 투과시킬 수 있다. 그리고, 렌즈(190)에 의해 광이 사용자의 눈에 결상될 수 있다.
따라서, 우원 편광이 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 입사하면, 디스플레이 패널(110)의 영상이 어떠한 광학적 효과를 받지 않고 그대로 결상될 수 있다. 디스플레이 패널(110)의 영상이 확대되지 않고 그대로 전달되기 때문에, 이는 포비아 영상에 적합한 크기의 고해상도 영상에 적용될 수 있다.
도 5는 광학 장치(100)가 넓은 시야각을 가지는 저해상도 영상을 표시하는 경우를 도시한 것이다.
디스플레이 패널(110)에서 나온 광은 제1 편광 회전자(120)에 의해 제2 선형 편광(LP2), 예를 들어 P 편광이 될 수 있다. 제2 선형 편광(LP2)은 제1 1/4 파장 판(130)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다.
도 3을 참조하면, 좌원 편광(LCP)은 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 제1 기하학적 위상 렌즈 세트(140)는 오목 렌즈와 같이 동작하여 광을 발산시킬 수 있다.
이어서, 우원 편광(RCP)는 제2 1/4 파장 판(150)에 의해 제2 선형 편광(LP2)으로 변환되고, 제2 선형 편광(LP2)은 제2 편광 회전자(160)에 의해 제1 선형 편광(LP1)으로 변환될 수 있다. 제1 선형 편광(LP1)은 제3 1/4 파장판(170)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되어 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)로 입사될 수 있다. 도 4를 참조하면, 우원 편광(RCP)은 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)는 볼록 렌즈와 같이 동작하여 광을 집속시킬 수 있다.
제1 및 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(140)(180)가 동일한 초점 위치를 공유할 수 있다. 이 때, 제2 기하학적 위상 렌즈 세트(180)를 통과한 광은 평행 광이 될 수 있다. 이렇게 평행 광으로 전달된 영상은 렌즈(190)를 통과하여 사용자의 눈으로 결상될 수 있다. 이 경우에는 디스플레이 패널(110)의 영상이 확대되어 전달되기 때문에, 디스플레이 패널(110)의 영상이 큰 시야각을 가지고, 상대적으로 낮은 해상도를 가질 수 있다.
디스플레이 장치를 구동 시, 도 2에 도시된 동작에 의해 표시된 제1 영상(포비아 영상)과 도 5에 도시된 동작에 의해 표시된 제2 영상(주변 영상)을 순차적으로 한 프레임씩 사용자에게 제공한다. 이 때 제1 편광 회전자(120)와 제2 편광 회전자(160)를 조절하기 위한 전기신호와 디스플레이 패널(110)의 영상 신호를 동기화 시킬 수 있다. 제1 영상을 제공하기 위한 동작을 할 때에는, 디스플레이 패널(110)에서 포비아 영역에 대응되는 제1 영상 신호를 송출하고, 제1 편광 회전자(120)는 제1 선형 편광을 만들고, 제2 편광 회전자(160)는 제2 선형 편광을 만들도록 동기화될 수 있다. 제2 영상을 제공하기 위한 동작을 할 때에는, 포비아 영역을 제외한 주변부 영역에 해당하는 제2 영상 신호를 송출하고, 제1 편광 회전자(120)는 제2 선형 편광을 만들고, 제2 편광 회전자(160)는 제1 선형 편광을 만들도록 동기화될 수 있다. 이러한 과정이 빠른 프레임 레이트로 진행됨에 따라 사용자는 자연스러운 포비티드(foveated) 영상을 볼 수 있다.
도 6은 포비티드 디스플레이 시스템(foveated display system)의 개념적인 동작 모습을 나타낸 것이다. 사람의 시선 방향을 동공 추적기(미도시)를 사용해 측정할 수 있다. 사람의 시야에는 사람의 동공에 대응되는 포비아 영역(fovea area)과 포비아 영역 주변의 주변 영역이 있을 수 있다. 예를 들어, t=t1일 때와, t=t2일 때의 포비아 영역과 주변 영역이 다를 수 있다. 포비티드 디스플레이 시스템에서는 포비아 영역에는 좁은 시야각을 가지는 상대적으로 고해상도 영상을 제공하고, 주변부 영역에는 넓은 시야각을 가지는 상대적으로 저해상도 영상을 제공할 수 있다. 일반적으로 포비티드 디스플레이 시스템에서는 소프트웨어 방식을 사용한다. 소프트웨어 방식에서는 하나의 디스플레이 패널을 사용하여 포비아 영역만을 고해상도로 렌더링하고 주변부 영역은 저해상도로 렌더링을 한다. 그럼으로써, 영상 제공에 사용되는 계산량을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에서는 하나의 디스플레이 패널을 사용하면서, 광학 장치를 이용하여 순차적으로 좁은 시야각을 가지는 고해상도의 제1영상(포비아 영상)과 넓은 시야각을 가지는 저해상도의 제2영상(주변 영상)을 제공하고, 사용자는 제1영상과 제2영상이 합성된 자연스럽고, 고해상도의 영상을 볼 수 있다. 하나의 디스플레이 패널을 사용하기 때문에 두 개의 디스플레이 패널을 사용하는 경우에 비해, 제1영상과 제2영상 사이에 칼라 재현성(color reproduction)과, 균일도가 높다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
광학 장치(200)는 영상을 형성하는 디스플레이 패널(210), 디스플레이 패널(210)로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 편광 회전자(220), 편광 회전자(220)로부터 나온 광의 편광을 변환하는 1/4 파장 판(230), 및 1/4 파장 판(230)으로부터의 광의 편광 상태에 따라 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹(240)을 포함할 수 있다.
디스플레이 패널(210)은 예를 들어, LCD, LCoS(Liquid Crystal on Silicon), OLED 디스플레이, 또는 LED 디스플레이를 포함할 수 있다. 편광 회전자(220)는 입사 광의 편광 상태를 전기적으로 제어할 수 있다. 편광 회전자(220)는 입사 광을 선택적으로 선형 편광으로 변환할 수 있다. 편광 회전자(220)는 입사 광을 선택적으로 제1 선형 편광, 예를 들어, S 편광 또는 제2 선형 편광, 예를 들어, P 편광으로 변환할 수 있다.
제1 1/4 파장 판(130)은 제1 편광 회전자(110)로부터 나온 광의 편광을 변환할 수 있다. 제1 1/4 파장 판(130)은 선형 편광을 원 편광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 제1 1/4 파장 판(130)은 S 편광은 우원 편광으로 변환하고, P 편광은 좌원 편광으로 변환할 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 예를 들어, 기하학적 위상 렌즈(240)를 포함할 수 있다. 기하학적 위상 렌즈(240) 우원 편광을 좌원 편광으로 변환할 수 있고, 이때 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 또는, 기하학적 위상 렌즈(240) 좌원 편광을 우원 편광으로 변환할 수 있고, 이때 오목 렌즈로 동작할 수 있다.
기하학적 위상 렌즈(240)로부터 나온 광을 결상하는 적어도 하나의 렌즈(250)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 기하학적 위상 렌즈(240) 다음에 제1 렌즈(251)와 제2 렌즈(252)가 구비될 수 있다.
광학 장치(200)의 동작에 대해 설명한다.
디스플레이 패널(210)로부터 나온 광이 편광 회전자(220)에 의해 제1 선형 편광, 예를 들어, S 편광으로 변환될 수 있다. 제1 선형 편광이 1/4 파장 판(230)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환될 수 있다. 그리고, 우원 편광(RCP)이 기하학적 위상 렌즈(240)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 이 때 기하학적 위상 렌즈(240)가 볼록 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 기하학적 위상 렌즈(240)를 통과한 제1 광(L1)이 집속되고, 제1 렌즈(251)와 제2 렌즈(252)를 통해 결상될 수 있다. 이 경우에는 제1 광(L1)이 집속되므로 상대적으로 좁은 시야각을 가지는 고해상도의 제1 영상(포비아 영상)을 제공할 수 있다.
다음, 디스플레이 패널(210)로부터 나온 광이 편광 회전자(220)에 의해 제2 선형 편광, 예를 들어, P 편광으로 변환될 수 있다. 편광 회전자(220)는 편광 상태를 전기적으로 제어할 수 있다. 제2 선형 편광이 1/4 파장 판(230)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다. 그리고, 좌원 편광(LCP)이 기하학적 위상 렌즈(240)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 이 때 기하학적 위상 렌즈(240)가 오목 렌즈로 동작할 수 있다. 따라서, 기하학적 위상 렌즈(240)를 통과한 제2 광(L2)이 발산되고, 제1 렌즈(251)와 제2 렌즈(252)에 의해 결상될 수 있다. 이 경우에는, 제2 광(L2)이 발산되므로 상대적으로 넓은 시야각을 가지는 저해상도의 제2 영상(주변 영상)을 제공할 수 있다. 디스플레이 패널(210)의 영상 신호와 편광 회전자(220)의 전기적 신호를 동기화시킴으로써 제1 영상과 제2 영상을 순차적으로 제공할 수 있다.
본 실시예에서는 광학 소자 그룹의 구성이 간단하여 전체 광학 장치의 부피를 작게 할 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있다. 하지만, 제1 영상과 제2 영상의 초점에 차이가 있을 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 렌즈(250)를 이용하여 제1 영상과 제2 영상의 초점의 차이를 줄일 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
광학 장치(300)는 영상을 형성하는 디스플레이 패널(310), 디스플레이 패널(310)로부터 나온 광을 제1 선형 편광과 제2 선형 편광 중 적어도 하나를 가지도록 변환하는 편광기(315)와, 제1 선형 편광을 가지는 제1 광(L1)을 투과시키고, 제2 선형 편광을 가지는 제2 광(L2)을 반사시키는 편광 빔스플리터(320)와, 편광 빔스플리터(320)를 투과한 제1 광(L1)을 제2 광(L2)과 다른 경로로 진행시키도록 구성된 광학 소자 그룹(OG)을 포함할 수 있다. 그리고, 편광 빔스플리터(320)에서 반사된 제2 광(L2)과 광학 소자 그룹(OG)으로부터 나온 제1 광(L1)을 결상시키는 적어도 하나의 렌즈(350)가 더 구비될 수 있다.
제1 광(L1)이 제1 시야각을 가지는 제1 영상을 표시하고, 제2 광(L2)이 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시할 수 있다. 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함할 수 있다.
편광기(315)는 예를 들어, 전기적으로 편광 상태를 제어할 수 있는 편광 회전자일 수 있다. 편광기(315)는 선택적으로 입사 광을 제1 선형 편광, 예를 들어, S 편광, 또는 제2 선형 편광, 예를 들어, P 편광으로 변환시킬 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 예를 들어, 편광 빔스플리터(320)를 통과한 제1 광(L1)의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판(325)과, 제1 1/4 파장 판(325)을 통과한 제1 광(L1)을 제1 1/4 파장 판(325)으로 다시 반사시키는 제1 미러(330), 제1 1/4 파장 판(325)을 통과하여 편광 빔스플리터(320)에서 반사된 제1 광(L1)의 편광을 변환시키는 제2 1/4 파장판(335)과, 제2 1/4 파장판(335)을 통과한 제1 광(L1)을 제2 1/4 파장판(335)으로 다시 반사시키는 제2 미러(340)를 포함할 수 있다.
제1 미러(330)와 제2 미러(340) 중 적어도 하나는 오목 미러일 수 있다. 예를 들어, 제1 미러(330)는 평판 미러이고, 제2 미러(340)는 오목 미러일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고 다양하게 변형할 수 있다.
광학 소자(300)의 동작에 대해 설명한다.
디스플레이 패널(310)에서 나온 광을 편광기(315)에 의해 제1 선형 편광을 가지는 제1 광(L1)으로 변환할 수 있다. 제1 광(L1)은 편광 빔 스플리터(320)를 통과하고, 제1 1/4 파장 판(325)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다. 좌원 편광(LCP)은 미러(330)에서 반사되면서 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 제1 1/4 파장 판(325)에 의해 제1 선형 편광으로 변환될 수 있다. 제1 선형 편광은 편광 빔스플리터(320)에 의해 반사되어 제2 1/4 파장 판(335)으로 입사한다. 제1 선형 편광은 제2 1/4 파장 판(335)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 제2 미러(340)에 의해 반사되면서 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 제2 1/4 파장 판(335)에 의해 제2 선형 편광으로 변환될 수 있다. 제2 미러(340)가 오목 미러로 되어 있으므로, 제2 미러(340)에 의해 반사된 제1 광(L1)이 집속될 수 있다. 제2 선형 편광의 제1 광(L1)은 편광 빔스플리터(320)를 투과하여 렌즈(350)에 의해 결상될 수 있다. 그럼으로써, 제1 영상(포비아 영상)을 제공할 수 있다. 제1 영상은 제2 미러(340)에 의해 집속되어 상대적으로 작은 시야각을 가지는 고해상도의 영상으로 제공될 수 있다.
다음, 디스플레이 패널(310)에서 나온 광을 편광기(315)에 의해 제2 선형 편광을 가지는 제2 광(L2)으로 변환할 수 있다. 제2 광(L2)은 편광 빔 스플리터(320)에 의해 반사되어 렌즈(350)를 통해 결상될 수 있다. 그럼으로써, 제2 영상(주변 영상)을 제공할 수 있다. 제2 영상은 디스플레이 패널(310)에서 나온 영상이 렌즈(350)에 의해 그래도 결상되므로 제1 영상에 비해 상대적으로 넓은 시야각을 가지는 저해상도의 영상으로 제공될 수 있다.
한편, 제1 미러(330)와 제2 미러(340) 중 적어도 하나를 기계적 또는 전기적으로 2차원 또는 3차원적으로 움직일 수 있다. 그럼으로써, 제1 광(L1)의 진행 방향을 변화시킬 수 있다.
본 실시예에서는 서로 다른 편광의 광을 서로 다른 광경로로 진행하게 하고, 각 광경로에서 서로 다른 시야각을 가지도록 광 경로상의 광학 소자(미러나 렌즈 등)의 사양을 바꾸어 용이하게 고해상도의 영상과 저해상도의 영상을 제공할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 것이다.
광학 장치(400)는 영상을 형성하는 디스플레이 패널(410), 디스플레이 패널(410)로부터 나온 광을 제1 선형 편광과 제2 선형 편광을 가지도록 변환하는 편광기(415)와, 제1 선형 편광을 가지는 제1 광(L1)을 투과시키고, 제2 선형 편광을 가지는 제2 광(L2)을 반사시키는 편광 빔스플리터(420)와, 편광 빔스플리터(420)를 투과한 제1 광(L1)을 제2 광(L2)과 다른 경로로 진행시키도록 구성된 광학 소자 그룹(OG)을 포함할 수 있다. 그리고, 광학 소자 그룹(OG)으로부터 나온 제1 광(L1)과 편광 빔스플리터(420)에서 반사된 제2 광(L2)을 결상시키는 적어도 하나의 렌즈(450)가 더 구비될 수 있다.
제1 광(L1)이 제1 시야각을 가지는 제1 영상을 표시하고, 제2 광(L2)이 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시할 수 있다. 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함할 수 있다.
편광기(415)는 예를 들어, 패터닝된 리타더(patterned retarder)를 포함할 수 있다. 패터닝된 리타더는 입사 광을 제1 선형 편광, 예를 들어, S 편광으로 변환하는 제1 리타더(416)와 입사광을 제2 선형 편광, 예를 들어 P 편광으로 변환하는 제2 리타더(417)가 교대로 배열된 구조를 가질 수 있다. 제1 리타더(416)와 제2 리타더(417)가 1차원으로 배열되거나 2차원 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 제1 리타더(416)와 제2 리타더(417)는 디스플레이 패널(410)의 화소에 대응되게 배열될 수 있다. 디스플레이 패널(410)은 전체 화소의 1/2에 제1 영상을 형성하고, 나머지 1/2에 제2 영상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(410)은 홀수 화소에 제1 영상을 형성하고, 짝수 화소에 제2 영상을 형성할 수 있다. 그리고, 제1 리타더(416)는 홀수 화소에 대응되는 광의 편광을 변환하고, 제2 리타더(417)는 짝수 화소에 대응되는 광의 편광을 변환할 수 있다.
광학 소자 그룹(OG)은 예를 들어, 편광 빔스플리터(420)를 통과한 제1 광(L1)의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판(425)과, 제1 1/4 파장 판(425)을 통과한 제1 광(L1)을 제1 1/4 파장 판(425)으로 다시 반사시키는 제1 미러(430), 제1 1/4 파장 판(425)을 통과하여 편광 빔스플리터(420)에서 반사된 제1 광(L1)의 편광을 변환시키는 제2 1/4 파장판(435)과, 제2 1/4 파장판(435)을 통과한 제1 광(L1)을 제2 1/4 파장판(435)으로 다시 반사시키는 제2 미러(440)를 포함할 수 있다.
제1 미러(430)와 제2 미러(440) 중 적어도 하나는 오목 미러일 수 있다. 예를 들어, 제1 미러(430)는 평판 미러이고, 제2 미러(440)는 오목 미러일 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고 다양하게 변형할 수 있다.
광학 소자(400)의 동작에 대해 설명한다.
디스플레이 패널(410)에서 나온 광을 편광기(415)의 패턴에 따라 제1 선형 편광을 가지는 제1 광(L1)과 제2 선형 편광을 가지는 제2 광(L2)으로 변환할 수 있다.
제1 광(L1)은 편광 빔 스플리터(420)를 통과하고, 제1 1/4 파장 판(425)에 의해 좌원 편광(LCP)으로 변환될 수 있다. 좌원 편광(LCP)은 미러(430)에서 반사되면서 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 제1 1/4 파장 판(425)에 의해 제1 선형 편광으로 변환될 수 있다. 제1 선형 편광은 편광 빔스플리터(420)에 의해 반사되어 제2 1/4 파장 판(435)으로 입사한다. 제1 선형 편광은 제2 1/4 파장 판(435)에 의해 우원 편광(RCP)으로 변환되고, 제2 미러(440)에 의해 반사되면서 좌원 편광(LCP)으로 변환되고, 제2 1/4 파장 판(435)에 의해 제2 선형 편광으로 변환될 수 있다. 제2 미러(440)가 오목 미러로 되어 있으므로, 제2 미러(440)에서 반사된 제1 광(L1)이 집속될 수 있다. 제2 선형 편광을 가진 제1 광(L1)은 편광 빔스플리터(420)를 투과하여 렌즈(450)에 의해 결상될 수 있다. 그럼으로써, 제1 영상(포비아 영상)을 제공할 수 있다. 제1 영상은 제2 미러(440)에 의해 집속되어 상대적으로 좁은 시야각을 가지는 고해상도의 영상으로 제공될 수 있다.
제2 광(L2)은 편광 빔 스플리터(320)에 의해 반사되어 렌즈(350)를 통해 결상될 수 있다. 그럼으로써, 제2 영상(주변 영상)을 제공할 수 있다. 제2 영상은 디스플레이 패널(410)에서 나온 광이 렌즈(450)에 의해 그대로 결상되므로 제1 영상에 비해 상대적으로 넓은 시야각을 가지는 저해상도의 영상으로 제공될 수 있다.
한편, 제1 미러(430)와 제2 미러(440) 중 적어도 하나를 기계적 또는 전기적으로 2차원 또는 3차원적으로 움직일 수 있다. 그럼으로써, 제1 광(L1)의 진행 방향을 변화시킬 수 있다.
본 실시예에서는 디스플레이 패널의 화소에 대응되는 구조로 구성된 편광기(415)를 사용하여, 제1 영상과 제2 영상을 동시에 표시하므로, 각 영상의 해상도가 줄어들 수 있다. 반면에, 능동 소자 없이 간단하게 포비티드 디스플레이를 구현할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(550)는 사용자의 동공을 추적하는 동공 추적기(520), 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 장치(500)와, 상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 사용자의 눈으로 향하도록 하는 광학 소자(510)를 포함할 수 있다.
제1 영상은 동공 추적기(520)에 의해 검출된 동공의 위치에 대응되는 영상을 포함할 수 있다. 제2 영상은 제1 영상의 주변 영상을 포함할 수 있다. 광학 소자(510)는 예를 들어, 도파관을 포함할 수 있다.
광학 장치(500)로는 도 1 내지 도 9에 도시된 광학 장치(100)(200)(300)(400)가 적용될 수 있다. 근안 디스플레이 장치(550)는 안경형 가상 현실 장치 또는 안경형 증강 현실 장치에 적용될 수 있다. 또는, 근안 디스플레이 장치(550)는 헤드 업 디스플레이에도 적용될 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
근안 디스플레이 장치(560)는 도 10과 비교할 때, 광학 소자(530)가 홀로그램광학 소자를 포함하는 점에서 차이가 있고, 나머지 구성 요소들은 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
근안 디스플레이 장치(550)(560)에는 포비티드 렌더링 기술이 적용될 수 있다. 포비티드 렌더링은 눈동자의 움직임을 따라가며, 실제 시야처럼 보여주는 가상 현실 또는 증강 현실 기술이다. 사람이 어떤 방향이나 사물을 보고 있을 때, 시야 중심에 들어온 부분은 선명하게 보이고, 주변 부분은 흐릿하게 보이게 하여 영상 처리 계산량을 줄이고, 영상 처리 속도를 높일 수 있다.
다양한 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치는 엔터테인먼트, 교육, 의학 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치는, 하나의 디스플레이 패널을 사용하고,광학 장치를 이용하여 시야각과 해상도가 다른 두 개의 영상을 표시하므로 두 개의 디스플레이 패널을 사용하는 경우에 비해 구조가 간단하고 소형화될 수 있다. 그리고, 두 개의 디스플레이 패널을 사용하는 경우, 각 디스플레이 패널을 독립적으로 구동하면서 실시간으로 동기화를 시켜주어야 하며, 전체적인 시스템의 크기가 커지는 단점을 가지고 있다. 또한, 두 개의 디스플레이 패널의 특성이 서로 다르기 때문에 영상 사이의 색 특성을 일치시키기 위한 복잡한 계산 처리가 요구 된다. 이에 반해, 다양한 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치는, 하나의 디스플레이 패널을 사용하므로 두 영상 사이의 색 특성 차가 적어, 색 특성을 일치시키기 위한 계산 처리가 단순화될 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
110,210,310,410:디스플레이 패널
120,160,220,260,315:편광 회전자
130,150,170,230,315,325,415,425:1/4 파장 판
140,180:기하학적 위상 렌즈 세트
141,143,181,182:기하학적 위상 렌즈
142,182:원 편광기
190,251,252,350,450:렌즈
330,340,430,440:미러
500:광학 장치
520:동공 추적기
510,530:광학 소자

Claims (21)

  1. 영상을 형성하는 디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 제1 편광 회전자;
    상기 제1 편광 회전자로부터 나온 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판; 및
    상기 제1 1/4 파장 판으로부터의 광의 편광 상태에 따라 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹;을 포함하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 상기 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹은 광의 편광 상태에 따라 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈로동작하도록 구성된 적어도 하나의 기하학적 위상 렌즈를 포함하는 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹은 광을 투과시키거나 발산하도록 구성된 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와, 광을 투과시키거나 집속하도록 구성된 제2 기하학적 위상 렌즈 세트를 포함하는 광학 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트는 제1 기하학적 위상 렌즈와, 제2 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제1 기하학적 위상 렌즈와 제2 기하학적 위상 렌즈 사이의 제1 원 편광자를 포함하는 광학 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 기하학적 위상 렌즈 세트는 제3 기하학적 위상 렌즈와, 제4 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제3 기하학적 위상 렌즈와 제4 기하학적 위상 렌즈 사이의 제2 원 편광자를 포함하는 광학 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트 사이에 제2 1/4 파장 판, 제2 편광 회전자, 제3 1/4 파장 판이 구비된 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹으로부터 나온 광을 결상하는 렌즈를 적어도 하나 더 포함하는 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영상과 제2 영상이 순차적으로 표시되고 합성되어 하나의 영상이 표시되도록 하는 광학 소자.
  10. 영상을 형성하는 디스플레이 패널;
    상기 디스플레이 패널로부터 나온 광을 제1 선형 편광 및 제2 선형 편광 중 적어도 하나를 가지도록 변환하는 편광기;
    상기 제1 선형 편광을 가지는 제1 광을 투과시키고, 상기 제2 선형 편광을 가지는 제2 광을 반사시키는 편광 빔스플리터; 및
    상기 편광 빔스플리터를 투과한 제1 광을 상기 제2 광과 다른 경로로 진행시키도록 구성된 광학 소자 그룹;을 포함하고,
    상기 제1 광이 제1 시야각을 가지는 제1 영상을 표시하고, 상기 제2 광이 상기 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된, 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 상기 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함하는 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 편광기는 편광 회전자 또는 패터닝된 리타더를 포함하는 광학 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹은 상기 편광 빔스플리터를 통과한 제1 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판과, 상기 제1 1/4 파장 판을 통과한 제1 광을 상기 제1 1/4 파장 판으로 다시 반사시키는 제1 미러, 상기 제1 1/4 파장 판을 통과하여 상기 편광 빔스플리터에서 반사된 제1 광의 편광을 변환시키는 제2 1/4 파장판과, 상기 제2 1/4 파장판을 통과한 제1 광을 상기 제2 1/4 파장판으로 다시 반사시키는 제2 미러를 포함하는 광학 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 미러와 제2 미러 중 적어도 하나는 오목 미러를 포함하는 광학 장치.
  15. 사용자의 동공을 추적하는 동공 추적기;
    상기 동공 추적기에 의해 검출된 동공의 위치에 대응되는, 제1 시야각을 가지는 제1 영상과, 제1 시야각보다 큰 제2 시야각을 가지는 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 장치;
    상기 제1 영상과 상기 제2 영상을 사용자의 눈으로 향하도록 하는 광학 소자;를 포함하고,
    상기 광학 장치가, 영상을 형성하는 디스플레이 패널, 상기 디스플레이 패널로부터 나온 광의 편광 상태를 전기적으로 제어하는 제1 편광 회전자, 상기 제1 편광 회전자로부터 나온 광의 편광을 변환하는 제1 1/4 파장 판, 및 상기 제1 1/4 파장 판으로부터의 광의 편광 상태에 따라 상기 제1 영상과, 상기 제2 영상을 표시하도록 구성된 광학 소자 그룹을 포함하는 근안 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 영상은 고해상도의 포비아 영상을 포함하고, 상기 제2 영상은 저해상도의 주변 영상을 포함하는 근안 디스플레이 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹은 광을 투과시키거나 발산하도록 구성된 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와, 광을 투과시키거나 집속하도록 구성된 제2 기하학적 위상 렌즈 세트를 포함하고, 상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트는 제1 기하학적 위상 렌즈와, 제2 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제1 기하학적 위상 렌즈와 제2 기하학적 위상 렌즈 사이의 제1 원 편광자를 포함하고, 상기 제2 기하학적 위상 렌즈 세트는 제3 기하학적 위상 렌즈와, 제4 기하학적 위상 렌즈와, 상기 제3 기하학적 위상 렌즈와 제4 기하학적 위상 렌즈 사이의 제2 원 편광자를 포함하는 근안 디스플레이 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 기하학적 위상 렌즈 세트와 제2 기하학적 위상 렌즈 세트 사이에 제2 1/4 파장 판, 제2 편광 회전자, 제3 1/4 파장 판이 구비된 근안 디스플레이 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 광학 소자 그룹으로부터 나온 광을 결상하는 렌즈를 적어도 하나 더 포함하는 근안 디스플레이 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 광학 소자는 도광판 또는 홀로그램 광학 소자를 포함하는 근안 디스플레이 장치.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 근안 디스플레이 장치는 안경형 가상 현실 장치, 안경형 증강 현실 장치, 또는 헤드 업 디스플레이 장치를 포함하는 근안 디스플레이 장치.
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