KR20210111069A - 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치 - Google Patents

비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210111069A
KR20210111069A KR1020200026124A KR20200026124A KR20210111069A KR 20210111069 A KR20210111069 A KR 20210111069A KR 1020200026124 A KR1020200026124 A KR 1020200026124A KR 20200026124 A KR20200026124 A KR 20200026124A KR 20210111069 A KR20210111069 A KR 20210111069A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
image
display device
light
lenses
lens
Prior art date
Application number
KR1020200026124A
Other languages
English (en)
Inventor
신봉수
한우준
김재순
김선일
이홍석
Original Assignee
삼성전자주식회사
명지대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 명지대학교 산학협력단 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020200026124A priority Critical patent/KR20210111069A/ko
Priority to US17/038,592 priority patent/US11703688B2/en
Publication of KR20210111069A publication Critical patent/KR20210111069A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C7/00—Optical parts
    • G02C7/02—Lenses; Lens systems ; Methods of designing lenses
    • G02C7/08—Auxiliary lenses; Arrangements for varying focal length
    • G02C7/086—Auxiliary lenses located directly on a main spectacle lens or in the immediate vicinity of main spectacles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C7/00—Optical parts
    • G02C7/02—Lenses; Lens systems ; Methods of designing lenses
    • G02C7/08—Auxiliary lenses; Arrangements for varying focal length
    • G02C7/081—Ophthalmic lenses with variable focal length
    • G02C7/083—Electrooptic lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Abstract

비정형 광학계 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다.
비정형 광학계는, 비점수차를 포함하는 조명계와, 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 조명계에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈를 포함한다. 제1 및 제2보정렌즈는, 제1보정렌즈로부터 제1보정렌즈에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 제2보정렌즈로부터 제2보정렌즈에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 제1 및 제2보정렌즈 사이의 간격에 해당하고, 제1 및 제2보정렌즈 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련된다.

Description

비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치{Anamorphic optical system and display apparatus including the same}
비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근, 가상 현실(VR; virtual reality)을 구현할 수 있는 디스플레이 장치가 개발되면서, 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 가상 현실의 다음 단계로 증강 현실(AR; augmented reality) 및 혼합 현실(MR; mixed reality)을 실현할 수 있는 기술도 연구되고 있다.
증강 현실은, 완전 가상 세계를 전제로 하는 가상 현실과는 달리, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 기술이다. 가상 현실이 게임이나 가상 체험과 같은 분야에만 한정적으로 적용이 가능했다면, 증강 현실은 다양한 현실 환경에 응용이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 이러한 증강 현실은 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(IoT; internet of things) 환경에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 증강 현실은 현실 세계와 부가적인 정보(즉, 가상 세계)를 혼합하여 보여준다는 점에서 혼합 현실의 일례라고 할 수 있다.
한편, 가상 현실(VR) 시스템, 증강 현실(AR) 시스템, 또는 혼합 현실(MR) 시스템에서 관찰자에게 가상의 영상 제공은, 안경형이나 헤드 마운트형 등으로 구현되는데, 영상의 전달이 비축상으로 이루어지는 경우, 비점수차 극복 방안이 필요하다.
비점수차 극복이 가능한 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 비정형 광학계는, 비점수차를 포함하는 조명계와; 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 상기 조명계에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈;를 포함하며, 상기 제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈로부터 상기 제1보정렌즈에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 상기 제2보정렌즈로부터 상기 제2보정렌즈에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 상기 제1 및 제2보정렌즈 사이의 간격에 해당하고, 상기 제1 및 제2보정렌즈 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련된다.
제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈에 의한 탄젠셜 이미지의 발산각과, 상기 제2보정렌즈에 의한 새지털 이미지의 발산각이 동일한 조건을 만족하도록 마련될 수 있다.
상기 제1 및 제2보정렌즈는 서로 직교하는 실린더리컬 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 조명계는, 비축상 광을 포함할 수 있다.ㄹ
일 유형에 따른 디스플레이 장치는, 이미지 광을 전달하며 비점수차를 포함하는 조명계와, 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 상기 조명계에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈를 포함하는 비정형 광학계와; 상기 비정형 광학계로부터 이미지 광이 전달되는 비축상 광 결합기;를 포함하며, 상기 비정형 광학계의 제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈로부터 상기 제1보정렌즈에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 상기 제2보정렌즈로부터 상기 제2보정렌즈에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 상기 제1 및 제2보정렌즈 사이의 간격에 해당하고, 상기 제1 및 제2보정렌즈 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련되어, 상기 제1 및 제2보정렌즈에 의해, 상기 조명계에 포함된 비점수차가 보정된다.
상기 제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈에 의한 탄젠셜 이미지의 발산각과, 상기 제2보정렌즈에 의한 새지털 이미지의 발산각이 동일한 조건을 만족하도록 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2보정렌즈는 서로 직교하는 실린더리컬 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 조명계는, 상기 이미지 광을 비축 상으로 전달하도록 마련될 수 있다.
상기 조명계는, 광을 방출하는 광원; 상기 광을 이용하여 이미지를 생성하는 공간 광변조기; 상기 공간 광변조기에 의해 생성된 이미지를 포커싱하는 렌즈; 상기 디스플레이 패널에 의해 생성된 이미지에 대한 0차 회절의 이미지 광을 차단하고 소정 회절 차수의 이미지 광을 통과시키도록 배치되어 비축 상의 이미지 광을 전달하는 필터링 부재;를 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기는 광을 반사하여 이미지를 생성하는 반사형 공간 광 변조기를 포함할 수 있다.
상기 공간 광변조기는 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다.
상기 제1 및 제2보정렌즈는 상기 공간 광변조기와 상기 필터링 부재 사이에 배치될 수 있다.
상기 광 결합기는 홀로그래픽 광학 소자 또는 반투과 미러일 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 안경형, 헤드 마운트형, 고글형, 헤드업형일 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.
실시예에 따른 비정형 광학계 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 따르면, 이미지 광에 포함된 비점수차를 보정할 수 있으며, 탄젠셜 스톱의 위치와 새지털 스톱의 위치를 동일하게 할 수 있어 개구 조리개를 제어할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 비정형 광학계를 개략적으로 보여준다.
도 2는 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용한 디스플레이 장치의 일 예를 개략적으로 보여준다.
도 3은 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용한 디스플레이 장치의 다른 예를 개략적으로 보여준다.
도 4는 A점과 B점이 공액 관계에 있는 point-to-point 형태의 볼륨 홀로그램이 기록되는 예를 보여준다.
도 5는 도 4의 볼륨 홀로그램이 비축상 기록된 비축상 HOE를 광 결합기로 사용하기 위하여 크기를 가지는 광선을 입사시킬 때, 중간 이미지(intermediate image)가 형성되는 것을 보여준다.
도 6은 도 4의 볼륨 홀로그램이 비축상 기록된 비축상 HOE를 광 결합기로 사용하기 위하여 크기를 가지는 광선을 입사시킬 때, 형성되는 중간 이미지(intermediate image)의 새로운 광축(Optical axis)에서 나타나는 0° field 비점 수차를 보여준다.
도 7는 안경형 디스플레이 장치용 HOE 광 결합기의 모식도를 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 개구 조리개(Aperture stop)의 foot-print diagram 및 0° field 비점수차를 보여준다.
도 9는 비점수차와 비대칭 스톱을 갖는 물체의 보정에 관한 모식도를 보여준다.
도 10은 안경형 디스플레이 장치용 비축상 HOE 광 결합기(HOE1)에 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용하여, 축상의 비점 수차를 제거하고 원형 대칭적인 stop을 형성한 예를 보여준다.
도 11a는 축상의 비점수차가 제거되도록 보정된 시스템의 STOP2에서의 foot-print diagram을 보여준다.
도 11b는 축상의 비점수차가 제거되도록 보정된 시스템에서의 제거된 0° field 비점수차를 보여준다.
도 12a는 광 파워(optical power)를 가지는 비축상 HOE(HOE3)의 비점 수차 및 스톱 보정에 관한 모식도를 보여준다.
도 12b는 도 12a의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
도 13a는 비축상 미러의 비점수차 및 스톱 보정에 관한 모식도를 보여준다.
도 13b는 도 13a의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
도 14은 반도체 레이저를 사각으로 어레이로 배열했을 때의 콜이메이션 모식도를 보여준다.
도 15a는 반도체 레이저 콜리메이팅 조명의 모식도를 보여준다.
도 15b는 반도체 레이저 콜리메이팅 조명의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
도 16 내지 도 18은 실시예에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다. 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. “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
실시예에 따른 비정형 광학계는 상이 비축상(off-axis)으로 전달되는 디스플레이 장치에서 비점수차를 극복하도록 적용될 수 있으며, 광원 자체에서 비점수차가 발생하는 경우에도 비점수차를 보상할 수 있도록 광학 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 비정형 광학계를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 비정형 광학계는 비점수차가 포함되는 조명계(1)와, 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 조명계(1)에 포함되는 비점수차를 보정하도록 마련된 제1 및 제2보정렌즈(3)(5)를 포함한다. 도 1에서 IM은 결상면을 나타낸다. 조명계(1)의 일부 구성은 제2보정렌즈(5)와 결상면 사이에 배치될 수도 있다. 이하에서는 제1보정렌즈(3)가 탄젠셜 파워를 가지며, 제1보정렌즈(3)와 결상면(IM) 사이에 위치하는 제2보정렌즈(5)가 새지털 파워를 가지는 경우를 예를 들어 설명한다. 제1보정렌즈(3)가 새지털 파워를 가지고 제2보정렌즈(5)가 탄젠셜 파워를 가지도록 구성될 수도 있다.
조명계(1)는 비축 상 광학 소자에 광을 전달하도록 마련되거나, 반도체 레이저 광원에서 출사되는 광을 콜리메이션하여 전달하도록 마련되어, 비점수차를 포함할 수 있다. 조명계(1)에 포함되는 비점수차는 제1 및 제2보정렌즈(3)(5)를 배치함에 의해 보정되어, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지가 동일 결상면(IM)에 형성될 수 있다. 이에 의해, 조명계(1)에 포함된 비점수차가 보정될 수 있다.
이러한 비점수차를 보정할 수 있도록, 제1 및 제2보정렌즈(3)(5)는, 제1보정렌즈(3)로부터 제1보정렌즈(3)에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 제2보정렌즈(5)로부터 제2보정렌즈(5)에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 제1 및 제2보정렌즈(3)(5) 사이의 간격에 해당하고, 제1 및 제2보정렌즈(3)(5) 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일결상면(IM)에 결상시키도록 마련될 수 있다.
즉, 도 1에서 SA는 제1보정렌즈(3)에서 결상면(IM)까지의 거리, SB는 제2보정렌즈(5)에서 결상면(IM)까지의 거리이며, d는 제1보정렌즈(3)와 제2보정렌즈(5) 사이의 간격에 해당할 때, 예를 들어, SA는 제1보정렌즈(3)로부터 이 제1보정렌즈(3)에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리에 해당하고, SB는 제2보정렌즈(5)로부터 이 제2보정렌즈(5)에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리에 해당할 수 있으며, SB = SA - d를 만족할 수 있다. 또한, 제1보정렌즈(3)에 의한 탄젠셜 스톱의 위치와 제2보정렌즈(5)에 의한 새지털 스톱의 위치가 같아질 수 있다. 이에 의해, 제1 및 제2보정렌즈(3)(5)는, 탄젠셜 이미지 및 새지털 이미지를 동일 결상면(IM)에 결상시킬 수 있으므로, 조명계(1)에 포함되는 비점수차를 보정할 수 있으며, 탄젠셜 스톱의 위치와 새지털 스톱의 위치가 동일하므로, 개구 조리개(Aperture stop)에서의 광손실을 줄일 수 있어, 광효율을 높일 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용한 디스플레이 장치를 개략적으로 보여준다. 도 2에서는 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용한 디스플레이 장치의 광학적 구성의 일 예를 보인 것으로, 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용한 디스플레이 장치의 광학적 구성은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형이 가능하다.
도 2를 참조하면, 디스플레이 장치는, 비정형 광학계(200)와, 비정형 광학계(200)로부터 이미지 광이 전달되는 비축상 광 결합기(70)를 포함할 수 있다. 도 2에서 'E'는 사용자의 눈을 나타낸다.
본 실시예에 있어서, 비정형 광학계(200)는 이미지 광을 전달하며 비점수차를 포함하는 조명계(100)와, 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 조명계(100)에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)를 포함한다.
조명계(100)는, 광을 제공하는 광원(10), 광원(10)으로부터 제공되는 광을 반사 및 변조하여 이미지를 형성하는 공간 광변조기(30), 공간 광변조기(30)에 의해 생성된 이미지 정보를 포함하는 광(이하, 이미지 광)을 포커싱하는 포커싱 렌즈(40), 공간 광변조기(30)에 의해 형성된 이미지에 대한 0차 회절의 이미지 광을 차단하고 소정 회절 차수의 이미지 광을 통과시키도록 배치되어 비축 상의 이미지 광을 전달하는 필터링 부재(45)를 포함할 수 있다. 조명계(100)는 광원(10)에서 방출된 광을 콜리메이팅하기 위한 콜리메이팅 렌즈(11), 콜리메이팅된 광의 진행 경로를 바꾸어주기 위한 미러부재(13) 등을 더 포함할 수 있다.
도 2에서는 포커싱 렌즈(40)로 하나의 렌즈를 구비하는 경우를 예시적으로 보여주는데, 포커싱 렌즈(40)는 복수의 렌즈 유닛으로 이루어질 수도 있다. 또한, 도 2에서는 광원(10)에서 방출된 광을 콜리메이팅하기 위해 하나의 콜리메이팅 렌즈(11)를 적용하는 경우를 예시적으로 보여주는데, 광원(10)에서 방출된 광을 콜리메이팅하기 위해 복수의 콜리메이팅 렌즈가 적용될 수도 있다. 또한, 미러부재(13)가 없는 구조를 가질 수도 있다.
공간 광변조기(30)는 도시되지 않은 신호 처리부로부터 제공되는 이미지 신호를 기초로 입사광을 변조하여 이미지를 형성할 수 있다. 공간 광변조기(30)는 반사형 공간 광변조기일 수 있다. 공간 광변조기(30)는, 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 패널, DLP(digital light projection) 패널, 또는 DMD(digital micromirror device) 패널을 포함할 수 있다. 이러한 공간 광변조기(30)는 공간 광변조기(30)의 표면 상의 위치에 따라 반사도를 변화시키는 방식으로 이미지를 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 공간 광변조기(30)는 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다. 공간 광변조기(30)에서 생성된 홀로그램 이미지는 공간 광변조기(30)의 패턴 구조 등에 의해 0차, +1차, -1차 이미지 광 등으로 회절된다. 본 실시예에 있어서, 디스플레이 장치는, 홀로그램 이미지를 디스플레이 하기 위해, DC 필터링을 수행하도록 마련된다. 즉, 필터링 부재(45)에 의해 공간 광변조기(30)에 의해 형성된 이미지에 대한 0차 회절의 이미지 광을 차단하고 소정 회절 차수의 이미지 광 예컨대, -1차 회절 차수의 이미지 광만을 통과시킴으로써 DC 필터링을 수행한다.
이를 위해, 필터링 부재(45)는 0차 회절광을 차단하여 DC 필터링이 가능하도록 광을 통과시키는 개구를 광축에서 시프트시켜 비축 상에 위치시키며, 이 필터링 부재(45)의 동공을 통해 소정 회절 차수 예컨대, -1차 회절 차수의 이미지 광이 유효광으로 사용되며, 나머지 광은 필터링 부재(45)에 의해 차단된다.
따라서, 실시예에 따른 디스플레이 장치에 있어서, 비정형 광학계(200)의 조명계(100)는, 비축 상의 이미지 광을 비축상 광 결합기(70)로 전달하며, 이에 따라 이미지 광은 비점수차를 포함하게 된다.
본 실시예에 있어서, 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)는, 이러한 비축 상의 이미지 광에 포함된 비점수차를 보정하기 위한 것으로, 예를 들어, 포커싱 렌즈(40)와 필터링 부재(45) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로서, 제1 및 제2보정렌즈(50)(55) 중 첫번째 렌즈 예컨대, 제1보정렌즈(50)는 포커싱 렌즈(40) 이전에 배치될 수도 있으며, 또한 포커싱 렌즈(40)가 복수의 렌즈로 구성되는 경우, 복수의 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈 이전에 배치될 수도 있다.
이미지 광은 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)에 의해 비점수차가 보정되어, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지가 동일 결상면에 형성될 수 있으며, 필터링 부재(45)의 동공 위치에 포커싱될 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 이러한 비점수차를 보정할 수 있도록, 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)는, 제1보정렌즈(50)로부터 제1보정렌즈(50)에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 제2보정렌즈(55)로부터 제2보정렌즈(55)에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 제1 및 제2보정렌즈(50)(55) 사이의 간격에 해당하고, 제1 및 제2보정렌즈(50)(55) 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련될 수 있다.
이에 의해, 이미지 광은 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)에 의해 비점수차가 보정되어, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지가 필터링 부재(45)의 개구 위치에 결상될 수 있으며, 이와 같이 탄젠셜 스톱의 위치와 새지털 스톱의 위치가 동일하므로, 스톱에서의 광손실을 줄일 수 있어, 광효율을 높일 수 있다. 필터링 부재(45)의 개구를 통과한 이미지 광은 미러부재(60)에 의해 반사되어 광 결합기(70)로 입사될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 미러부재(60)를 배치함에 의해, 이미지 광을 생성하는 비정형 광학계(200)는, 예를 들어, 사용자의 머리 옆에 배치할 수 있으며, 이미지 광을 미러부재(60)에 의해 반사시켜 사용자의 눈(E) 앞에 위치하는 광 결합기(70)로 입사시킬 수 있다. 비정형 광학계(200) 및 미러부재(60)는 디스플레이 장치의 프로젝션 부분을 구성할 수 있다.
광 결합기(70)는 입사되는 비축 상의 이미지 광을 집속 반사시켜 사용자의 눈(E)의 동공에서 센싱되도록 할 수 있다.
광 결합기(70)는, 입사하는 비축상의 이미지 광을 반사 집속시키는 비축상 광 결합기일 수 있다. 광 결합기(70)는 공간 광변조기(30)에서 생성되고, 이미지와 외부로부터의 이미지 예컨대, 실제 이미지를 결합하여 사용자의 동공에 제공할 수 있다. 즉, 광 결합기(70)는 가상 이미지 및 실제 이미지를 결합하여 사용자에게 제공할 수 있다. 광 결합기(70)는 홀로그래픽 광학소자 또는 반투과 미러일 수 있다.
광 결합기(70)는 예를 들어, 볼륨 홀로그램이 비축상으로 기록된 홀로그램 광학 소자(Holographic optical element; HOE)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 비축상 HOE 광 결합기(70)는 비축 상으로 입사되는 광에 대해 집속 반사시키도록 형성될 수 있다.
다른 예로서, 광 결합기(70)는 비축 상으로 입사되는 광에 대해 집속 반사시키며, 외부로부터 입사되는 실제 이미지의 광을 투과시켜 사용자의 동공으로 진행시키도록 반 투과거울을 구비할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 광 결합기(70)는 가상 이미지 광을 사용자에게 제공함과 동시에, 외부로부터의 실제 이미지 광을 투과시켜 사용자의 동공으로 진행하게 할 수 있다. 이와 같이, 광 결합기(70)는 가상 영상 및 실제 영상을 결합하여 사용자에게 제공할 수 있다.
이와 같이 광 결합기(70)에 의해 가상 영상 및 실제 영상을 결합하여 사용자에게 제공함으로써, 본 실시예의 디스플레이 장치는 증강 현실 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실 디스플레이 장치로 구현될 수 있으며, 안경형, 헤드 마운트형, 고글형, 헤드업형 등으로 구현될 수 있다.
다른 예로서, 광 결합기(70)를 비축 상으로 입사되는 광에 대해 집속 반사시키도록 구성함으로써 본 실시예의 디스플레이 장치는 가상 현실 디스플레이 장치로 구현될 수 있으며, 이 경우에도 안경형, 헤드 마운트형, 고글형, 헤드업형 등으로 구현될 수 있다.
도 2의 디스플레이 장치는 프로젝션 부분이 사용자의 머리 옆에 배치된 구조로서, 예를 들어 안경형으로 구현되는 경우, 템플에 프로젝션 부분이 배치되는 구조인 경우를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 실시예에 따른 디스플레이 장치는 도 3에서와 같이, 프로젝션 부분이 사용자의 이마 쪽에 배치될 수도 있다. 도 3에서 광학 시스템은(200')은 도 2의 프로젝션 부분에서 광원(10) 및 콜리메이팅 렌즈(11)를 제외한 광학적 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 디스플레이 장치는 도 2에서와 마찬가지의 광학적 구성을 가질 수 있으며, 광학 시스템(200')은 도 2에서의 미러부재(13), 공간 광변조기(30), 포커싱 렌즈(40), 제1 및 제2보정렌즈(50)(55), 필터링 부재(45), 미러부재(60) 등을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3의 디스플레이 장치에서 프로젝션 부분은 예를 들어, 비정형 광학계(200) 및 비정형 광학계(200)의 필터링 부재(45)의 동공을 통과한 비축상 이미지 광을 반사시켜 광 결합기(70)로 입사시키는 미러부재(60) 등을 포함할 수 있다.
이상에서와 같은, 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 이미지 광에 포함된 비점수차를 보정하도록 제1 및 제2보정렌즈(50)(55)를 구비함으로써, 탄젠셜 스톱의 위치와 새지털 스톱의 위치를 동일하게 할 수 있어, 스톱에서의 광손실을 줄일 수 있어, 광효율을 높일 수 있다.
이상에서는 실시예에 따른 비정형 광학계가 디스플레이 장치에 적용되는 실시예를 예를 들어 설명하였으나, 실시예에 따른 비정형 광학계가 이에 한정되는 것은 아니며, 비점수차를 포함하는 어느 광학 시스템에든 비점수차를 보정하도록 적용될 수 있다.
예를 들어, 비정형 광학계는, 조명계가 비점수차가 포함된 광을 출사하는 광학소자일 수 있으며, 제1 및 제2보정렌즈는 광학소자에서 출사되는 광의 비점수차를 보정하도록 배치될 수 있다. 이때, 광학소자는, 반도체 레이저, 발광소자, 도파로 등 다양한 광학소자일 수 있다.
이하에서는, 실시예에 따른 비정형 광학계가 비축상 HOE 광 결합기를 구비하는 디스플레이 장치에 적용되는 경우 제1 및 제2실린더리컬 렌즈에 의해 비점수차를 보정하는 원리를 설명한다.
비축상 HOE를 광 결합기를 사용하고, 비축 상으로 이미지를 전달하는 디스플레이 장치에서, 비축상 HOE는 도 4와 같이 볼륨 홀로그램이 기록될 수 있다.
도 4에서는 A점과 B점이 공액 관계에 있는 point-to-point 형태의 볼륨 홀로그램이 기록되는 예를 보여준다. 도 4에서와 같이 볼륨 홀로그램이 비축상 기록된 비축상 HOE를 광 결합기로 사용하기 위하여, 도 5에서와 같이 크기를 가지는 광선을 입사시키면, 중간 이미지(intermediate image)가 형성된다. 이때, 도 6에서와 같이 중간 이미지에서는 새로운 광축(Optical axis)에서의 0° field 비점 수차가 나타나게 된다.
또한, 중간 이미지의 발산 각도 UT와 US의 크기가 다르기 때문에, 이러한 비축상 HOE를 도 7에서 같이 안경형 디스플레이 장치용 광 결합기로 적용하는 경우, Aperture stop은 도 8a 및 도 8b에서와 같이 비정형으로 형성된다. 도 8a는 도 7의 Aperture stop에서의 foot-print diagram을 보여주며, 도 8b는 0° field 비점수차를 보여준다. 도 7는 안경형 디스플레이 장치용 HOE 광 결합기의 모식도를 보여준다. 안경형 디스플레이 장치임을 고려할 때, a(eye relief)는 20<a<30 mm 범위에, 안면의 구조를 고려할 때 b는 60<b<80 mm의 범위, α는 60°<α<80°의 범위일 수 있다.
보정하고자 하는 대상이 비축상 HOE와 같이 비점수차를 가지고 있는 물체 혹은 중간이미지일 경우, 탄젠셜 스톱 위치와 새지털 스톱 위치가 다르기 때문에 스톱의 위치 및 크기를 조절 함으로서 얻을 수 있는 광학 수차 제어를 할 수 없게 된다. 스톱의 위치를 같게 만들더라도 탄젠셜 스톱과 새지털 스톱의 크기 (물체의 NA, 물체 혹은 중간 이미지의 발산각도)가 다르면 결상면(image surface)에서의 NA(Numerical Aperture)의 값 또한 달라지게 되고 이는 탄젠셜과 새지털의 분해능 차이를 유발하게 된다. 따라서 축 상에서 비점수차를 가지고 있는 물체 (혹은 중간이미지)를 결상하기 위해서는 물체의 비점수차 보정, 스톱의 위치 일치, 회전 대칭적인 스톱의 조건을 만족해야 한다.
실시예에 따른 비정형 광학계에 따르면, 축상에서 비점수차를 갖는 물체 (또는 광학계의 중간 이미지)의 비점수차를 보정함과 동시에 회전 대칭적인 구경 조리개(Aperture stop)를 갖는 비정형 광학계 및 이를 적용한 디스플레이 장치를 구성할 수 있다.
수학식 1은 Lens maker's equation을 나타낸다.
Figure pat00001
Lens maker's equation에 따르면, 초점거리 f를 가지고 있는 렌즈로부터 s만큼 떨어져 있는 물체에서 나오는 광은 s'에 결상된다. 비점수차는 탄젠셜 초점 평면(tangential focal plane)과 새지털 초점 평면(sagital focal plane)이 다르게 형성되는 것을 의미한다.
탄젠셜 물체와 새지털 물체가 분리되어 있는 비점수차가 존재하고, 각 물체의 발산 각도가 다른 경우가 존재할 수 있다. 또한, 추가로 탄젠셜 스톱과 새지털 스톱의 위치 또한 다를 수 있다. 이러한 탄젠셜 물체와 새지털 물체가 다음의 수학 2의 조건 1 및 조건 2를 만족하며, 추가적으로 조건 3을 만족하도록 구성된 제1 및 제2실린더리컬 렌즈를 거치는 경우, 탄젠셜 및 새지털 이미지의 위치가 같고, 각 스톱의 위치 또한 같아질 수 있으며, 추가적으로 발산 각도도 같아질 수 있다.
Figure pat00002
도 9는 비점수차와 비대칭 스톱을 갖는 물체의 보정에 관한 모식도를 보여준다. 도 9에서 CY1은 실시예에 따른 비정형 광학계에서의 제1보정렌즈(3,50) 및 제2보정렌즈(5,55) 중 어느 하나에 대응하는 제1실린더리컬 렌즈, CY2는 제1보정렌즈(3,50) 및 제2보정렌즈(5,55) 중 나머지 하나에 대응하는 제2실린더리컬 렌즈를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 기준점에서 대상이 오른쪽에 위치할 경우 (+), 왼쪽에 위치할 경우 (-) 부호를 따르며, 광선의 발산 각도의 예각은 광 축에서 반시계 방향일 경우 (+), 시계방향일 경우 (-) 부호를 따른다.
도 9에서 fT는 CY1의 탄젠셜 초점거리, fS는 CY2의 새지털 초점거리, ST는 CY1에서 탄젠셜 물체까지의 거리, S'T는 CY1에서 탄젠셜 이미지 까지의 거리, lT는 CY1에서 탄젠셜 제1스톱 까지의 거리, l'T는 CY1에서 탄젠셜 제2스톱 까지의 거리, SS는 CY2에서 새지털 물체 까지의 거리, S'S는 CY2에서 새지털 이미지 까지의 거리, lS는 CY2에서 새지털 제1스톱 까지의 거리, l'S는 CY2에서 새지털 제2스톱 까지의 거리, UT는 탄젠셜 물체의 발산 각도, U'T는 탄젠셜 이미지의 발산 각도, US는 새지털 물체의 발산 각도, U'S는 새지털 이미지의 발산 각도,
Figure pat00003
는 탄젠셜 물체에서 새지털 물체의 거리, δ는 탄젠셜 제1스톱에서 새지털 제1스톱 까지의 거리, d는 CY1에서 CY2까자의 거리를 나타낸다.
수학식 2의 조건 1을 만족하는 fT와 fS에 관한 식을 수학식 1의 lens maker's equation을 이용하여 구하면, 수학식 3과 같다.
Figure pat00004
수학식 2의 조건 3을 만족하는 fT와 d에 관한 식을 수학식 1의 lens maker's equation을 이용하여 구하면, 수학식 4와 같다.
Figure pat00005
이때,
Figure pat00006
에 해당한다.
또한, 조건 2를 만족하는 fT와 fS에 관한 식은 수학식 3에서 ST -> lT, Δ-> δ로 치환함으로써 얻어질 수 있다.
따라서, 보정하고자 하는 물체의 정보(Δ, δ, UT, US)를 알고 있으면, ST에 대하여, fT, fS, d의 값을 구할 수 있다. 이를 만족하는 광학계를 거친 물체는 동일한 위치에서 탄젠셜과 새지털의 이미지를 형성하며, 위치와 크기가 같은 스톱을 형성할 수 있다. 조건 1과 조건 2만 만족하도록 형성함으로써 스톱의 위치를 고정하고, 스톱의 형태는 회전 대칭적이지 않은 형태 예컨대, 타원형으로 구성할 수도 있다.
도 10은 안경형 디스플레이 장치용 비축상 HOE 광 결합기(HOE1)에 실시예에 따른 비정형 광학계를 적용하여, 축상의 비점 수차를 제거하고 원형 대칭적인 stop을 형성한 예를 보여준다. 안경형 디스플레이 장치의 특성 상 폼-팩터(form factor)를 최소화하여야 하고, 안면 구조에 맞게 폴딩하여야 하므로, 예를 들어, 40 < ST < 70 mm, d < 10 mm로 제한될 수 있다. ST는 제1실린더리컬 렌즈(CY1)에서 탄젠셜 물체까지는 거리를 나타내며, d는 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2) 사이의 간격을 나타낸다. 여기서, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)는 서로 직교하는 원통형 렌즈로서, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)가 탄젠셜 파워를 가지는 경우 제2실린더리컬 렌즈(CY2)는 새지털 파워를 가지며, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)가 새지털 파워를 가지는 경우 제2실린더리컬 렌즈(CY1)는 탄젠셜 파워를 가진다. 도 10에서 IM1은 탄젠셜 첫번째 중간 이미지 위치(1st intermediate image position)를 나타내며, IM2는 가상의 2번째 중간 이미지 위치(2nd intermediate image position)를 나타내며, STOP1은 첫번째 스톱 위치(1st stop position)를 나타내며, STOP2는 가상의 2번째 스톱 위치(2nd stop position)를 나타낸다.
도 10에서와 같이 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)에 의해 축상의 비점수차를 제거하는 경우, STOP2에서의 Aperture stop은 도 11 a 및 도 11b에서와 같이 원형 대칭적으로 형성될 수 있다. 도 11a는 축상의 비점수차가 제거되도록 보정된 시스템의 STOP2에서의 foot-print diagram을 보여주며, 도 11b는 축상의 비점수차가 제거되도록 보정된 시스템에서의 제거된 0° field 비점수차를 보여준다.
도 12a는 광 파워(optical power)를 가지는 비축상 HOE(HOE3)의 비점 수차 및 스톱 보정에 관한 모식도를 보여주며, 도 12b는 도 12a의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
도 12a 및 도 12b에서와 같이 광 파워를 가지는 비축상 HOE(HOE3) 광 결합기를 사용하여, 두번째 스톱 위치(STOP2)는 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 비축상 HOE(HOE3) 사이에 있게 되는 경우, 새롭게 정의된 광축에서 비점수차와 필드에 따른 비정형한 스톱이 형성될 수 있다. 이 경우에도, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)에 의해 비점수차를 보정하고 대칭형의 스톱을 형성할 수 있다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 비정형 광학계가 비축상 HOE 광 결합기를 구비하는 디스플레이 장치에 적용되는 경우, 디스플레이 장치는 가상 현실, 증강 현실, 혼합 현실 시스템을 안경형, 헤드 마운트형 또는 고글형으로 구현하거나, 헤드업형으로 구현할 수 있다.
이상에서는, 실시예에 따른 비정형 광학계가 비축상 HOE 광 결합기를 구비하는 디스플레이 장치에 적용되는 경우 제1 및 제2실린더리컬 렌즈에 의해 비점수차를 보정하는 실시예를 설명하였는데, 실시예에 따른 비정형 광학계가 적용되는 디스플레이 장치는 비축상 HOE 광 결합기 대신에 곡률을 가지는 미러를 비축상으로 사용할 수도 있다.
즉, 도 13a 및 도 13b에서와 같이, 곡률을 가지는 미러를 비축상으로 사용하는 경우에도, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)에 의해 비점수차를 보정하고 대칭형의 스톱을 형성할 수 있다.
도 13a는 비축상 미러의 비점수차 및 스톱 보정에 관한 모식도를 보여주며, 도 13b는 도 13a의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
도 13a 및 도 13b에서와 같이 곡률을 가지는 미러를 비축상으로 사용하면 광축에 변화가 생기는데, 새롭게 정의된 광축에서는 미러에 의한 비점수차와 비정형 스톱이 형성될 수 있다. 이 경우에도, 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)에 의해 비점수차를 보정하고 대칭형의 스톱을 형성할 수 있다. 여기서, 도 13a에서의 비축상 미러는 예를 들어, 반사 미러 또는 반투과 미러일 수 있다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 비정형 광학계가 적용되는 디스플레이 장치가 곡률을 가지는 미러를 비축상으로 사용하는 경우, 디스플레이 장치는 가상 현실, 증강 현실, 혼합 현실 시스템을 안경형, 헤드 마운트형 또는 고글형으로 구현하거나, 헤드업형으로 구현할 수 있으며, 조명 장치로 구현될 수도 있다.
이상에서는, 실시예에 따른 비정형 광학계가 디스플레이 장치에 적용되는 경우를 예를 들어 설명하였는데, 실시예에 따른 비정형 광학계의 조명계는, 전술한 바와 같이, 비점수차가 포함된 광을 출사하는 광학소자일 수 있으며, 제1 및 제2보정렌즈 예컨대, 제1 및 제2실린더리컬 렌즈에 의해 비점수차를 보정할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 비정형 광학계는 광원 자체에서 비점수차가 발생하는 광학 장치에 비점수차를 보정할 수 있도록 적용될 수 있다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 반도체 레이저에서 출사된 광에 대해 탄젠션 초점 위치와 새지털 초점 위치가 일치하도록 콜리메이션 하고, 대칭적인 조명영역을 구성하기 위해 두개 이상의 실린더리컬 렌즈를 사용한다.
그러나, 반도체 레이저를 여러 개 사용하여 필드를 가지는 물체를 구성하는 경우, 기존의 방식으로 콜리메이션하는 경우에는 탄젠셜 스톱 위치와 새지털 스톱 위치가 도 14에서와 같이 분리된다.
도 14은 반도체 레이저를 사각으로 어레이로 배열했을 때의 콜이메이션 모식도를 보여준다.
도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 광량을 늘리기 위해 반도체 레이저를 사각형으로 배열하여 사용할 경우 각 반도체 레이저에 대한 콜리메이션은 가능하나 스톱 위치(조명영역)이 분리되는 것을 보여준다. 탄젠셜 또는 새지털 스톱 중 한 곳을 조명 영역으로 사용할 경우 광 손실이 발생할 수 있다.
하지만, 실시예에 따른 비정형 광학계의 원리를 적용하면, 도 15a 및 도 15b에서 알 수 있는 바와 같이, 두 개 이상의 반도체 레이저를 이용하여 조명을 할 경우에도 제1실린더리컬 렌즈(CY1)와 제2실린더리컬 렌즈(CY2)에 의해 비점수차를 보정하고 원형 대칭형의 조명 영역을 형성할 수 있다. 대칭형의 스톱을 형성할 수 있다. 도 15a는 반도체 레이저 콜리메이팅 조명의 모식도를 보여준다. 도 15b는 반도체 레이저 콜리메이팅 조명의 스톱 위치에서의 foot print diagram을 보여준다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 비정형 광학계가 적용되는 장치는 가상 현실, 증강 현실, 혼합 현실 시스템용 안경형, 헤드 마운트형, 고글형, 헤드업형 디스플레이 장치로 구현될 수 있으며, 조명 장치로 구현될 수도 있다.
도 16 내지 도 18은 상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다. 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display)에 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이 장치는, 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등에 적용될 수 있다. 도 16 내지 도 18에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)이나 모바일 기기 등과 연동되어 동작될 수도 있다. 이러한 디스플레이 장치는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 풍경을 함께 제공할 수 있는 헤드 마운트형, 안경형, 고글형, 헤드업형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.
또한, 디스플레이 장치는 스마트폰이나 모바일 기기내에 구비될 수 있으며, 이러한 스마트폰 또는 모바일 기기 자체를 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 다시 말해, 도 16 내지 도 18에서과 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 디스플레이 장치로 적용될 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 비정형 광학계 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예들을 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.
1,100...조명계 3,50...제1보정렌즈
5,55...제2보정렌즈 10...광원
11...콜리메이팅 렌즈 30...공간 광변조기
40...포커싱 렌즈 45...필터링 부재
70...광 결합기

Claims (16)

  1. 비점수차를 포함하는 조명계와;
    탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 상기 조명계에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈로부터 상기 제1보정렌즈에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 상기 제2보정렌즈로부터 상기 제2보정렌즈에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 상기 제1 및 제2보정렌즈 사이의 간격에 해당하고, 상기 제1 및 제2보정렌즈 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련된 비정형 광학계.
  2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2보정렌즈는,
    상기 제1보정렌즈에 의한 탄젠셜 이미지의 발산각과, 상기 제2보정렌즈에 의한 새지털 이미지의 발산각이 동일한 조건을 만족하도록 마련되는 비정형 광학계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2보정렌즈는 서로 직교하는 실린더리컬 렌즈를 포함하는 비정형 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조명계는, 비축상 광을 포함하는 비정형 광학계.
  5. 이미지 광을 전달하며 비점수차를 포함하는 조명계와, 탄젠셜 파워 및 새지털 파워를 각각 가지도록 마련되며 상기 조명계에 포함된 비점수차를 보정하는 제1 및 제2보정렌즈를 포함하는 비정형 광학계와;
    상기 비정형 광학계로부터 이미지 광이 전달되는 비축상 광 결합기;를 포함하며,
    상기 비정형 광학계의 제1 및 제2보정렌즈는, 상기 제1보정렌즈로부터 상기 제1보정렌즈에 의해 결상되는 탄젠셜 이미지까지의 거리와, 상기 제2보정렌즈로부터 상기 제2보정렌즈에 의해 결상되는 새지털 이미지까지의 거리의 차이가 상기 제1 및 제2보정렌즈 사이의 간격에 해당하고, 상기 제1 및 제2보정렌즈 중 적어도 어느 하나는 비대칭 스톱을 가져, 탄젠셜 이미지와 새지털 이미지를 동일면에 결상시키도록 마련되어, 상기 제1 및 제2보정렌즈에 의해, 상기 조명계에 포함된 비점수차가 보정되는 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서, 제1 및 제2보정렌즈는,
    상기 제1보정렌즈에 의한 탄젠셜 이미지의 발산각과, 상기 제2보정렌즈에 의한 새지털 이미지의 발산각이 동일한 조건을 만족하도록 형성되는 디스플레이 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2보정렌즈는 서로 직교하는 실린더리컬 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 조명계는, 상기 이미지 광을 비축 상으로 전달하도록 마련되는 디스플레이 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 조명계는,
    광을 방출하는 광원;
    상기 광을 이용하여 이미지를 생성하는 공간 광변조기;
    상기 공간 광변조기에 의해 생성된 이미지를 포커싱하는 렌즈;
    상기 디스플레이 패널에 의해 생성된 이미지에 대한 0차 회절의 이미지 광을 차단하고 소정 회절 차수의 이미지 광을 통과시키도록 배치되어 비축 상의 이미지 광을 전달하는 필터링 부재;를 포함하는 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공간 광변조기는 광을 반사하여 이미지를 생성하는 반사형 공간 광 변조기를 포함하는 디스플레이 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 공간 광변조기는 홀로그램 이미지를 생성하는 디스플레이 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2보정렌즈는 상기 공간 광변조기와 상기 필터링 부재 사이에 배치되는 디스플레이 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 광 결합기는 홀로그래픽 광학 소자 또는 반투과 미러인 디스플레이 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 광 결합기는 비축상 홀로그래픽 광학 소자인 디스플레이 장치.
  15. 제5항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스플레이 장치는 안경형, 헤드 마운트형, 고글형, 헤드업형인 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 디스플레이 장치는 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.
KR1020200026124A 2020-03-02 2020-03-02 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치 KR20210111069A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200026124A KR20210111069A (ko) 2020-03-02 2020-03-02 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치
US17/038,592 US11703688B2 (en) 2020-03-02 2020-09-30 Anamorphic optical system and display apparatus including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200026124A KR20210111069A (ko) 2020-03-02 2020-03-02 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210111069A true KR20210111069A (ko) 2021-09-10

Family

ID=77464066

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200026124A KR20210111069A (ko) 2020-03-02 2020-03-02 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11703688B2 (ko)
KR (1) KR20210111069A (ko)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3940204A (en) 1975-01-23 1976-02-24 Hughes Aircraft Company Optical display systems utilizing holographic lenses
JPH10170859A (ja) 1996-12-09 1998-06-26 Canon Inc 画像表示装置
JP4929725B2 (ja) 2006-01-19 2012-05-09 株式会社島津製作所 ヘルメットマウントディスプレイ
US8068285B1 (en) * 2009-05-19 2011-11-29 Sean Thomas Flynn Infinity display with autostereoscopic capability
WO2012062681A1 (de) * 2010-11-08 2012-05-18 Seereal Technologies S.A. Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln
CN104007541B (zh) 2014-05-04 2016-08-17 南京邮电大学 一种变形投影镜头
KR102130645B1 (ko) 2017-12-28 2020-07-06 (주)유남옵틱스 라인빔 형성장치
CN110068910B (zh) * 2018-01-24 2021-08-13 信泰光学(深圳)有限公司 镜头组
CN112241068A (zh) 2019-07-18 2021-01-19 三星电子株式会社 能够多深度表达的图像显示装置
KR20210048946A (ko) 2019-10-24 2021-05-04 삼성전자주식회사 넓은 시야창을 갖는 디스플레이 장치

Also Published As

Publication number Publication date
US20210271083A1 (en) 2021-09-02
US11703688B2 (en) 2023-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11520158B2 (en) Display device
US20220236692A1 (en) Illumination device
CN107771297B (zh) 用于虚拟和增强现实近眼显示器的自由曲面型纳米结构表面
JP7071993B2 (ja) ファイバ走査プロジェクタのための方法およびシステム
CN107077001B (zh) 图像显示装置
CN106716230B (zh) 图像显示装置
TW201802536A (zh) 具有包含複數個顯示器裝置之邊緣成像鏡片之增強／虛擬實境近眼顯示器
WO2011155357A1 (ja) 映像表示装置、ヘッドマウントディスプレイおよびヘッドアップディスプレイ
JP7093729B2 (ja) シースルー表示システム
US11187901B2 (en) See-through type display device and augmented reality apparatus including the same
TWI785677B (zh) 近眼圖像投影系統及包含該近眼圖像投影系統之可穿戴裝置
KR20210048946A (ko) 넓은 시야창을 갖는 디스플레이 장치
CN217467363U (zh) 一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备
KR20230088726A (ko) 원통형 도파관을 갖는 광학 시스템
KR20220074893A (ko) 비점수차 광학계 및 수차 보상을 사용하는 디스플레이
WO2023084525A1 (en) System and method for optically combining virtual images into real world scenery
US11442277B2 (en) Multi-image display apparatus
KR20210111069A (ko) 비정형 광학계 및 이를 구비하는 디스플레이 장치
US20220244679A1 (en) Holographic optical system
JP2020502573A (ja) レーザービームスキャナーを用いたウェアラブルディスプレイの光学系
JP7053622B2 (ja) シースルーディスプレイシステム
JP2023522762A (ja) 視線追跡撮像における光コンバイナ収差補正
Choi et al. Waveguide-Based Binocular Maxwellian Near-Eye Display Employing a Single Micro-Display and Polarization Grating
US20220082832A1 (en) Image display device and augmented reality device including the same
US20230143529A1 (en) Display apparatus providing expanded eye box