KR20220022838A - 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치 - Google Patents

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KR20220022838A
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스베틀라나 블라디미로브나 다니로바
드미트리 에브게니비치 피스쿠노프
니콜레이 빅토르비치 무라베프
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삼성전자주식회사
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Abstract

가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치가 개시된다. 개시된 가변 광학 렌즈는 조절 가능한 초점 거리를 갖는 렌즈로서, 전기 활성 물질층과; 다수의 전극 요소들을 구비한 제어 전극;을 포함하며, 제어 전극은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 적어도 2 개의 전극 패턴을 포함하고, 적어도 2 개의 전극 패턴은, 전압이 제어 전극에 인가되면, 투과되는 광에 대해 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.

Description

가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치{Tunable optical lens and electronic apparatus employing the same}
본 개시는 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치에 관한 것이다.
증강 현실 또는 가상 현실(AR/VR) 시스템에서, 가상 이미지나, 가상 이미지가 현실 세계 물체(이미지)에 중첩된 증강 현실 이미지를 사용자에게 표시하기 위한 광학적 수단(즉, 디스플레이 장치)의 설계는 매우 중요하다. 예를 들어, 사용자의 관점에서 볼 때, 현재 AR/VR 시스템 내의 화상 형성 광학 시스템에는 가상 물체 이미지의 사실적인 깊이감 제공, 중앙 시야 영역에서의 높은 이미지 품질, 굴절 이상이 있는 사용자에게도 선명한 이미지, 상대적으로 짧은 응답 시간, 디스플레이 장치의 소형화 등이 요구되고 있다.
현재 AR/VR 시스템에 사용되는 광학 시스템의 설계자들은 몇 가지 도전에 직면하고 있다. 소형 헤드셋, 고글 등에 AR/VR 광학 시스템을 통합하기 위해, 비교적 큰 개구를 갖는 렌즈를 제공해야 한다는 것, 회절 효율을 예를 들어 80% 이상으로 높여야 한다는 것, 광학 시스템의 크기, 특히 두께를 최소화해야 한다는 것, 등을 예로 들 수 있다.
또한, 경량 소형의 부품을 사용하여 기설정된 시력 교정 스텝(dioptric step)에서 초점 거리의 빠른 조정 방법에 대한 요구가 있다.
한편, AR/VR 시스템에서 가상 물체 이미지에 큰 심도(depth of field)의 느낌을 주기 위하여 다중 위상 레벨을 가진 회절 액정 (LC) 렌즈가 연구되고 있다.
큰 개구 직경은, 큰 치수의 렌즈를 사용하거나 능동 전극 어레이(active electrode array)를 형성하는 많은 수의 어드레서블 전극들(addressable electrodes)을 가진 렌즈를 사용하여 구현될 수 있다. 그러나 이러한 종래 기술들은 비용이 많이 들고 부피가 지나치게 크다는 문제가 있다. 가령, 종래의 렌즈는 개구 직경을 크게 하기 위해 다수의 전극이 사용되는데, 이러한 다수의 전극은 작은 치수(특히 작은 폭)로 말미암아 제조가 어렵다.
또한, 종래 기술의 문제점 중 하나는 사용자의 눈의 피로를 유발하는 수렴-조절 불일치(Vergence accommodation conflict; VAC)이다. 대부분의 기존 AR/VR 헤드셋은 초점 거리가 고정되어 있으며 가상 이미지를 이 초점 거리 너머로 옮기지 못한다. 이러한 이유로 종래 기술에서 조절(accommodation) 과정에서 사용자의 눈이 초점을 맺는 거리와 눈 수렴(eye vergence)이 하나의 평면상에 놓이지 않는다. 이는 사용자의 눈의 피로를 유발하고 또한 두통과 메스꺼움을 유발할 수 있다. 따라서, 종래의 AR 장치를 통해 서로 다른 거리에 위치하는 현실 세계 물체들과 고정 초점 거리에 있는 가상 물체(이미지)를 동시에 볼 때 이른바 VAC가 발생한다. 즉, 종래의 AR 장치에서 가상 물체 또는 현실 세계 물체 중 어느 하나만이 초점에 맞게 볼 수 있으며, 가상 물체 및 현실 세계 물체를 동시에 초점에 맞게 보는 것은 곤란하다. 종래의 VR 장치의 경우, 초점 평면(디스플레이를 향한 눈들의 조절)이 물체의 상대적인 크기(물체로의 안구 축 수렴(eye axes vergence))에 대응되지 않을 때에 VAC가 발생한다.
대부분의 기존 AR/VR 장치에서는 초점 거리가 고정되어 있어 노안, 원시 및 근시로 인해 발생할 수 있는 사용자 눈의 굴절 이상을 교정할 수 없다. 이러한 사용자는 기존 AR/VR 장치를 정상적으로 사용하려면 콘택트 렌즈 또는 안경과 같은 추가 시력 교정 수단이 필요하다. 이는 AR/VR 장치의 전체 크기에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 왜냐하면 종래 기술들은 눈 굴절 이상이 있는 사용자에게 AR/VR 장치와 매칭되는 렌즈를 사용하거나 AR/VR 장치와 함께 일반 안경을 사용하도록 하기 때문이다.
AR/VR 시스템은 가상 물체 이미지에 대한 사실적인 심도 인식을 제공하기 위해 큰 렌즈 개구를 필요로 한다. 최근의 종래 기술에서, 최대 개구 직경은 다중 위상 레벨을 갖는 회절 액정 (LC) 렌즈를 사용함으로써 달성되었다. LC 렌즈의 개구는 여러 프레넬 존들(Fresnel zones)로 나뉘며, 각 프네넬 존은 여러 개의 제어 전극 요소들을 포함한다. 렌즈 개구 직경이 클수록 렌즈 개구를 분할하는 프레넬 존들의 개수가 커진다. 따라서 프레넬 존들의 개수가 많을수록 각 프레넬 존의 크기는 작아진다. 각 프레넬 존의 크기가 작을수록 각 프레넬 존에 마련되는 제어 전극 요소들의 폭이 작아진다. 예를 들어, 광 파워가 최대 3 디옵터(D)인 기존 LC 렌즈에서 30mm보다 큰 렌즈 개구 직경을 얻으려면 1μm보다 작은 치수(특히, 폭)을 갖는 제어 전극 요소를 필요로 하는데, 이러한 전극 치수는 현재의 기술적 한계보다 작다.
특허문헌 1은 복수의 홈(groove)에 의해 형성된 복수의 회절 영역을 갖는 슈퍼 존 미러(superzone mirror)를 개시한다. 회절 광 파워(diffractive optical power)은 복수의 회절 영역에 의해 생성된다. 여기서 각 홈의 깊이는 표준적인 깊이의 정수 배수이고 홈들은 회절에 의한 광 파워가 생성될 만큼 충분한 폭으로 형성된다. 이러한 종래 기술의 단점은 미러가 전기 활성 물질이 아닌 반사 물질로 만들어지고 초점 거리 조정 및/또는 광 파워 조정을 제공하지 못한다는 것이다.
특허문헌 2는 동일한 폭의 전극으로 구성된 전극 패턴이 사용되는 전체 렌즈 개구에 걸쳐 시선 추적을 사용하여 활성 영역(active area)을 이동하는 시스템을 개시한다. 광 출력의 지속적인 변화가 이루어진다. 이 시스템은 많은 수의 어드레서블 전극 (플랫 플렉서블 케이블 (FFC)에서 최소 100-400 개의 전극)을 사용해야 하고, 작은 활성 영역 크기와 시스템을 매우 복잡하게 만드는 시선 추적이 필요한 단점이 있다.
특허문헌 3은 초점 거리를 이산적으로 또는 연속적으로 조정하도록 구성된 전기 활성 물질 (액정 렌즈)로 만들어진 조정 가능한 초점 거리를 가진 회절 렌즈를 개시한다. 종래 기술의 시스템에서 초점 거리의 변경은 인접한 프레넬 존들에 있는 대응되는 제어 전극들을 분로(shunt)시킴으로써 달성된다. 이러한 종래 기술의 해결책은 외부 전극의 폭이 매우 작기 때문에 렌즈의 복잡한 제조로 이루어진 단점을 가지고 있다.
특허문헌 4는 프레넬 존 플레이트로 동작하는 제1 전극 어레이와 제2 전극 어레이를 포함하는 회절 렌즈를 사용한 영상 표시 장치를 개시한다. 이 종래 기술 솔루션의 단점 중 하나는 제어 전극의 폭이 렌즈의 외측 가장자리에 가까워질수록 작아져, 외측 전극의 폭이 매우 작아지게 되고, 결과적으로 종래 기술 장치의 제조가 매우 복잡하게 된다는 것이다.
특허문헌 5는 높은 초점 성능을 제공하는 액정 프레넬 렌즈를 개시한다. 종래 기술의 액정 프레넬 렌즈는 분할된 동심 링 전극들의 그룹, 링 전극들의 그룹에 대향되어 위치한 공통 전극, 링 전극들과 공통 전극 사이에 배열된 액정 층, 제1 렌즈 세그먼트 영역, 및 제2 렌즈 세그먼트 영역을 포함하며, 제1 렌즈 세그먼트 영역은 링 전극 그룹 중 제1 복수의 링 전극을 포함하고 제1 복수의 링 전극을 사용하여 제1 위상 지연 분포를 생성하며, 제2 렌즈 세그먼트 영역은 제1 렌즈 세그먼트 영역에 대해 렌즈의 외측에 배치되고 링 전극 그룹 중 제2 복수의 링 전극을 포함하며 제2 복수의 링 전극을 사용하여 제2 위상 지연 분포를 생성한다. 여기서 제1 및 제2 렌즈 세그먼트 영역을 따라 프레넬 렌즈의 위상 지연 분포와 유사한 위상 지연 분포가 생성되며, 제2 복수의 링 전극에 있는 링 전극의 개수는 제1 복수의 링 전극 내의 링 전극의 개수보다 작다. 그러나, 이러한 종래 기술의 해결책에서 링 전극에 의해 생성된 위상 지연들 사이의 차이는 임의의 2개의 인접한 링 전극 사이에서 동일하다. 제1 렌즈 세그먼트 영역의 최대 지연 값은 제2 렌즈 세그먼트 영역의 최대 지연 값과 동일하다. 제1 복수의 링 전극 중 특정 링 전극에 주어진 제어 전압을 인가하는 것은 특정 위상 지연 값을 생성하고, 동일한 특정 제어 전압을 제2 복수의 링 전극 중 각각의 링 전극에 인가하는 것은 전술한 특정 위상 지연 값과 동일한 위상 지연 값을 생성한다. 이러한 종래 기술의 단점 중 하나로 액정만을 전기 활성 물질로 사용하고, 각 세그먼트의 인접한 전극 사이에 동일한 위상 지연 차이를 갖는 동심원 고리 모양만을 갖는 전극을 사용하고 각각에 대해 동일한 최대 위상을 생성하는 것을 언급할 수 있다.
1. US 5285314 (Minnesota Mining and Manufacturing Company, 1994.02. 08) 2. WO2017216716 (Optica Amuka (A.A.) LTD, 2017. 12. 21) 3. US 8885139 (Johnson & Johnson Vision Care, 2014. 11. 11) 4. US 8988649 (삼성 디스플레이, 2015. 03. 24) 5. JP 5289327 (Citizen Holdings Co., Ltd., 2013. 09. 11)
해결하고자 하는 과제는 큰 개구를 가지면서 제조가 용이한 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치를 제공하는데 있다.
해결하고자 하는 과제는 높은 회절 효율을 가지는 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치를 제공하는데 있다.
해결하고자 하는 과제는 가상 물체 이미지의 사실적인 깊이감을 제공하는 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 따르는 가변 광학 렌즈는 조절 가능한 초점 거리를 갖는 렌즈로서, 전기 활성 물질층과; 다수의 전극 요소들을 구비한 제어 전극;을 포함하며, 제어 전극은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 적어도 2 개의 전극 패턴을 포함하고, 적어도 2 개의 전극 패턴은, 전압이 제어 전극에 인가되면, 투과되는 광에 대해 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴의 각 전극 패턴은 적어도 하나의 전극 그룹으로 이루어지며, 적어도 하나의 전극 그룹 각각은 적어도 하나의 위상 프로파일을 생성하도록 구성되는 회절 존일 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 어느 한 전극 패턴 내의 어느 한 전극 그룹 내의 각 전극 요소는 어느 한 전극 그룹 내의 다른 전극 그룹 내의 대응되는 전극 요소와 버스로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 적어도 하나의 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수는 동일하고 K이고; 적어도 두 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 적어도 하나의 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수는 동일하며 K/bp-1이며, 여기서 b는 정수일 수 있다.
일 실시예에서, 첫번째 전극 패턴은 렌즈 구경의 중앙쪽에 위치하며, p번째 전극 패턴은 가변 광학 렌즈의 개구 중앙쪽에서 외곽쪽으로 순차적으로 넘버링된 것일 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 각 전극 그룹의 전극 요소들을 연결하는 버스들의 수는, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 전극 패턴의 전극 요소들을 연결하는 버스들의 수와 비교하여 bp-1 배 작으며, 여기서 b는 정수일 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일은 각기 복수의 양자화 레벨들에 의해 특징지워지며, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 각 전극 그룹에 의해 생성된 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 수는 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 각 전극 그룹에 의해 생성된 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 수보다 bp-1 배 작으며, 여기서 b는 정수일 수 있다.
일 실시예에서, 동일 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 높이는 모두 같을 수 있다.
일 실시예에서, 동일 위상 프로파일 내의 적어도 일부 양자화 레벨의 높이는 다른 양자화 레벨의 높이와 다를 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 전극 요소 중 적어도 일부와 버스 사이에는 회로 컴포넌트가 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 회로 컴포넌트는 저항, 커패시터, 인덕터, 또는 다이오드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 가변 광학 렌즈는 전극 요소들을 연결하는 K 개의 버스들을 더 포함하고, K 개의 버스들은 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 각 회절 존에서 K개의 전극 요소들과 각각 연결되고, K개의 버스들 중 1/b*K개의 버스들만이 적어도 두 개의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴에 이웃하는 두번째 전극 패턴의 각 회절 존에서의 전극과 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상은 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제2 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상과 같을 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상은 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제2 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상과 다를 수 있다.
일 실시예에서, 가변 광학 렌즈는 원형 구경을 가지며, 다수의 전극 요소들은 동심 링 형상의 전극 요소들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴은 렌즈 구경의 중앙부터 순차적으로 배열되는 P개의 전극 패턴으로 이루어지며, 렌즈 구경의 중앙에 가장 가까운 첫번째 전극 패턴의 각 회절 존의 전극 요소들의 개수는 K이며, p번째 전극 패턴의 m번째 회절 존 내에 있는 k번째 전극 요소의 반경 rpmk은 하기의 수학식으로 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Ap는 p번째 전극 패턴에서 최소 가능 최대 위상차(minimal possible maximal phase difference)를 나타내는 정수이고, mp는 p번째 전극 패턴의 회절 존의 번호, λ는 입사 광의 파장, h는 2π 라디안의 배수인 위상 프로파일의 높이이며, D는 가변 광학 렌즈의 최소 광 파워이다.
일 실시예에서, 적어도 2 개의 전극 패턴 중 렌즈 구경의 중앙에 가까운 전극 패턴의 전극 요소의 폭보다 렌즈 구경의 중앙으로부터 먼 쪽의 전극 패턴의 전극 요소의 폭이 더 넓을 수 있다.
일 실시예에서, 가변 광학 렌즈는 다각형 구경을 가지며, 다수의 전극 요소들은 수직 스트라이프 형상 및 수평 스트라이프 형상 중 적어도 어느 한 형상의 전극 요소들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 가변 광학 렌즈는 공통 전극; 및 적어도 하나의 기판;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르는 전자 장치는 하나 또는 복수의 가변 광학 렌즈를 포함하며, 가변 광학 렌즈는 조절 가능한 초점 거리를 갖는 렌즈로서, 전기 활성 물질층과; 다수의 전극 요소들을 구비한 제어 전극;을 포함하며, 제어 전극은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 적어도 2 개의 전극 패턴을 포함하고, 적어도 2 개의 전극 패턴은, 전압이 제어 전극에 인가되면, 투과되는 광에 대해 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 전자 장치는 증강현실 시스템 또는 가상현실 시스템일 수 있다.
일 실시예에서, 전자 장치는 가상 물체 이미지의 광을 출사하는 가상 물체 이미지 소스; 및 하나 또는 복수의 가변 광학 렌즈 및 가상 물체 이미지 소스에 광학적으로 연결된 광 웨이브가이드;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 광 웨이브가이드의 실제 세계와 마주보는 면쪽에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 광 웨이브 가이드와 사용자의 눈 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 가상 물체 이미지 소스와 광 웨이브가이드 사이에 배치될 수 있다.
본 개시에 따른 가변 광학 렌즈는 큰 개구를 가질 수 있다.
본 개시에 따른 가변 광학 렌즈는 높은 회절 효율을 가질 수 있다.
본 개시에 따른 가변 광학 렌즈는 AR/VR 시스템의 디스플레이 장치에서 가상 물체 이미지 위치 및/또는 현실 세계 물체 위치뿐만 아니라 눈의 방향에 따라 초점을 조정할 수 있게 한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈의 개략적인 구성을 도시하는 측단면도이다.
도 1b는 도 1a의 가변 광학 렌즈의 제어 전극을 도시한다.
도 1c는 도 1a의 가변 광학 렌즈의 위상 프로파일을 도시한다.
도 2a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈의 개략적인 구성을 도시하는 측단면도이다.
도 2b는 도 2a의 가변 광학 렌즈의 제어 전극을 도시한다.
도 2c는 도 2a의 가변 광학 렌즈의 위상 프로파일을 도시한다.
도 3a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈의 제어 전극의 전극 요소들과 버스들의 연결을 개략적으로 도시한다.
도 3b은 도 3a에서 A 영역을 확대한 도면으로, 제1 및 제2 전극 패턴의 인접한 부위를 도시한다.
도 3c은 도 3b에서 전극 요소들을 버스들과 연결하는 방식을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈에서 상이한 광 파워에 대응하는 2개의 위상 프로파일을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 4 개의 전극 패턴들을 구비한 제어 전극을 갖는 경우에 있어서, 제어 전극의 전극 요소들과 버스들의 연결, 전극 요소들의 치수 및 4 개의 전극 패턴 각각에 대한 양자화 레벨의 도표를 보여준다.
도 6은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴들을 구비한 제어 전극을 갖는 경우에 있어서, 제어 전극의 전극 요소들과 버스들의 연결, 전극 요소들의 치수 및 3 개의 전극 패턴 각각에 대한 양자화 레벨의 도표를 보여준다.
도 7은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 2 개의 인접한 위상 프로파일에 대해 상이한 최대 위상 값을 갖는 경우를 설명하는 도표이다.
도 8은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴들을 구비한 제어 전극을 갖는 경우에 있어서, 양자화 레벨들의 높이가 동일하지 않은 경우를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴을 구비한 제어 전극을 갖는 경우에 있어서, 회로 컴포넌트들이 전극 요소들과 버스들 사이에 추가적으로 연결된 경우를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈에 있어서, 가변 광학 렌즈의 전기 활성 물질층이 서로 다른 회절 존들에서 서로 다른 두께를 갖는 경우를 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 전자 장치가 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치가 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 사용자 눈의 굴절 이상을 교정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자 장치에서 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형상으로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 개시에서 ‘가변 광학 렌즈(tunable optical lens)’는 조정 가능한 초점 거리를 갖는 광학 렌즈를 의미한다. 실시예들에서 가변 광학 렌즈는 ‘가변 렌즈(tunable lens)’ 또는 ‘가변 초점 렌즈(focus tunable lens)’라고 지칭할 수도 있다. 실시예들에서 가변 광학 렌즈는 적어도 두 개의 다른 회절 존들을 형성하도록 구성되므로, ‘다중 존(multiple zone)’ 가변 렌즈로 지칭될 수도 있다.
본 개시에서 전극 패턴은 제어 전극의 전극 요소들로 이루어지는 패턴을 나타내지만, 경우에 따라서는 해당 전극 패턴을 이루는 전극 요소들 자체를 의미하거나 제어 전극을 통칭하는 의미로도 사용될 수 있으며, 당업자라면 해당 의미는 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시에서, ‘전극 그룹’은 제어 전극을 이루는 전극 요소들의 그룹으로서, ‘회절 존(diffraction zone)’을 형성한다. 실시예들에서 ‘회절 존’은 회절 존 내의 전극 요소들 또는 이들 전극 요소들의 그룹을 의미할 수도 있다.
본 개시에서 위상 프로파일은 가변 광학 렌즈의 표면상의 좌표에 대해 이를 통해 통과하는 광파에서의 위상 지연의 의존 관계(dependency)를 나타낸다. 본 개시에서 서로 다른 좌표에서의 위상 지연 간의 차이는 위상차로 지칭된다.
위상 프로파일은 가변 광학 렌즈의 표면상의 좌표에 따라 회절 존들로 나뉜다. 주어진 회절 존에서 관찰 지점(observation point)으로 전파되는 광파의 위상차가 π(라디안)를 초과하지 않는 경우 이러한 존을 프레넬 존이라고 한다. 본 개시에서 각각의 회절 존은 적어도 하나의 프레넬 존, 특히 복수의 프레넬 존을 구성할 수 있거나, 프레넬 존의 일부를 구성할 수 있다.
본 개시에서, 최대 위상은 주어진 회절 존 내에서 발생되는 최대 위상 지연을 의미한다. 위상 지연의 범위(range)는 한정된 수의 레벨로 분할될 수 있으며, 이는 이하에서 양자화 레벨로 지칭된다.
본 개시에서, ‘광 파워(optical power)는 렌즈의 곡면 또는 회절 패턴에 의해 광선 또는 광 경로의 방향을 바꾸는 힘을 의미하며, 통상의 굴절 렌즈에서 굴절력(refractive power)에 상응하는 용어로 이해될 수 있다. 광 파워의 단위는 m-1 또는 디옵터(Diopter)(D)이고, 디옵터 값은 초점 거리의 역수로 나타낸다. 또한, 디옵터를 해당 광 파워를 가진 렌즈의 도수라고 부르기도 한다. 광 파워의 부호는 볼록 렌즈(convex lens)에서와 같이 광선이 수렴하는 경우 정(positive, +)이고, 오목 렌즈(concave lens)와 같이 광선이 발산하는 경우 부(negative, -)이다.
본 개시에서, ‘증강현실(Augmented Reality; AR)’은 실제 세계의 물리적 환경 공간이나 실제 세계 물체 상에 가상 이미지를 오버레이(overlay)하여 함께 보여주는 것을 의미한다.
본 개시에서, ‘실제 장면(real scene)’이란 관찰자 또는 사용자가 증강현실 장치를 통해서 보는 실제 세계의 장면으로서, 실제 세계 물체(real world object)(들)를(을) 포함할 수 있다.
‘가상 이미지(virtual image)’는 광학 엔진을 통해 생성되는 이미지이다. 가상 이미지는 정적 이미지와 동적 이미지를 모두 포함할 수 있다. 이러한 가상 이미지는 실제 장면과 함께 볼 수 있으며, 실제 장면 속의 실제 물체에 대한 정보나 증강현실 장치의 동작에 대한 정보나 제어 메뉴 등을 보여주는 이미지일 수 있다. ‘가상 물체(virtual object)’는 가상 이미지의 일부 또는 전체 영역일 수 있다. 증강현실 장치에서 가상 물체는 실제 물체와 관련된 정보를 나타낼 수 있다. 가상 물체는 예를 들어, 문자, 숫자, 기호, 아이콘, 이미지, 및 애니메이션 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 개시에서, ‘증강현실 장치(Augmented Reality Device)’라 함은 증강현실을 표현할 수 있는 장치로서, 사용자가 안면부(顔面部)에 착용하는 안경 형상의 증강현실 안경 장치(Augmented Reality Glasses)뿐만 아니라, 두부(頭部)에 착용하는 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display; HMD)나 증강현실 헬멧(Augmented Reality Helmet) 등을 포괄한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(100)의 개략적인 구성을 도시하는 측단면도이며, 도 1b는 도 1a의 가변 광학 렌즈(100)의 제어 전극(120)을 도시하며, 도 1c는 도 1a의 가변 광학 렌즈(100)의 위상 프로파일을 도시한다.
도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(100)는 전기 활성 물질층(150)과 전기 활성 물질층(150)의 일 면에 마련되는 제어 전극(120)을 포함한다.
전기 활성 물질층(150)의 전기 활성 물질은 제어 전극(120)에 인가되는 전압에 따라 굴절률이 변경되도록 구성된다. 전기 활성 물질은 일 예로 액정일 수 있다. 가령, 전기 활성 물질은 네마틱(Nematic) 액정, 스멕틱(Smectic) 액정, 또는 콜레스테릭(Cholesteric) 액정일 수 있다. 다른 예로서, 폴리머 겔(polymer gel), 전기 활성 폴리머(electro-active polymer, EAP), 액정 폴리머(liquid crystal polymer), 폴리머 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal; PDLC), 폴리머 안정화 액정(polymer stabilized liquid crystal; PSLC), 자기 조립된 비선형 초분자 구조(self-assembled nonlinear supramolecular structure)가 전기 활성 물질로 사용될 수 있다. 응답 시간, 구동 전압의 크기, 액정 배향 제어 방법과 같은 가변 광학 렌즈에 요구 사항을 고려하여 전기 활성 물질이 적절히 선택될 수 있다.
일 실시예에서 전기 활성 물질층(150)의 제어 전극(120)이 마련되는 면과 다른 면에 공통 전극(180)이 마련될 수 있다. 전기 활성 물질층(150)의 배향 방식이나 전계 인가 방식에 따라서는 제어 전극(120)과 공통 전극(180)가 전기 활성 물질층(150)의 동일 면에 마련될 수도 있다.
전기 활성 물질층(150)을 사이에 두고 제1 기판(110)과 제2 기판(190)이 서로 대향되게 배치될 수 있다. 제1 및 제2 기판(110, 190)은 유리, 플라스틱, 석영과 같이 가시 범위에서 투명한 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 제2 기판(110, 190) 각각의 두께는 예시적으로 3 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위에 있을 수 있다. 제1 및 제2 기판(110, 190)의 두께는 기판 물질에 기초하여 선택될 수 있다.
제어 전극(120)은 다수의 전극 요소들(121)을 포함한다. 도 1a에 도시된 전극 요소들(121)의 개수나 크기는 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것으로서, 도 1b의 제어 전극(120)의 패턴이나 도 1c의 위상 프로파일의 형상에 직접적으로 일대일 대응되는 것은 아니다. 제어 전극(120)은 제1 기판(110)의 상기 제2 기판(190)에 대향되는 면상에 마련될 수 있다. 일 실시예에서 제어 전극(120)은 제1 기판(110)의 일 면에 단층으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 제어 전극(120)은 제1 기판(110)의 일 면에 2층 이상의 다층으로 형성될 수도 있다. 공통 전극(180)은 제2 기판(190)의 상기 제1 기판(110)에 대향되는 면상에 마련될 수 있다. 전기 활성 물질층(150)의 배향 방식이나 전계 인가 방식에 따라서는 제어 전극(120)과 공통 전극(180)가 제1 기판(110)과 제2 기판(190) 중 어느 한 쪽 기판에만 마련될 수도 있다. 제어 전극(120)과 전기 활성 물질층(150) 사이에는 배향막(미도시)이나 절연막(미도시)가 마련될 수 있다. 마찬가지로, 공통 전극(180)과 전기 활성 물질층(150) 사이에는 배향막(미도시)이나 절연막(미도시)가 마련될 수 있다. 제어 전극(120)의 전극 요소들(121)이나 공통 전극(130)은 예를 들어 인듐-아연 산화물 (IZO) 또는 인듐-주석 산화물 (ITO)과 같은 투명한 전도성 물질으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제어 전극(120)과 공통 전극(130)의 두께는 예시적으로 30 nm ~ 200 nm 범위에 있을 수 있다. 제어 전극(120)과 공통 전극(130)의 두께는 이들의 재료에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 제어 전극(120)과 공통 전극(130)의 두께는 전극 재료(예를 들어, 인듐-주석 산화물 (ITO), 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐-아연 산화물 (IZO), 아연 산화물, 등)의 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다.
일 실시예에서 가변 광학 렌즈(100)의 구경(aperture)는 원형일 수 있다. 일 실시예에서 전극 요소들(121)은 동심 링 형상을 가질 수 있다. 즉, 제어 전극(120)의 전극 요소들(121)은 링 전극이고 동심원으로 배열될 수 있다. 동심원으로 배열된 링의 형상은 전극 요소(121)의 형상의 예 중 하나일 뿐이며, 이하에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이 다른 전극 요소의 형상이 가능하다는 것을 이해해야 한다.
제어 전극(120)의 전극 요소들(121)은 적어도 두 개의 서로 다른 회절 존을 형성하도록 구성된다. 일 실시예에서 제어 전극(120)은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 2개 이상의 전극 패턴을 가질 수 있다. 각 전극 패턴의 전극 요소들(121)은 회절 존(프네렐 존)에 해당하는 그룹들로 나뉜다.
일 실시예에서 제어 전극(120)은 도 1b에 도시되듯이 제1 전극 패턴(P1) 및 제2 전극 패턴(P2)을 포함할 수 있다. 제1 전극 패턴(P1)은 원형 구경의 내측(즉, 중심부쪽)에 위치하며, 제2 전극 패턴(P2)은 제1 전극 패턴(P1)을 둘러싸는 외측에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2) 각각은 하나 이상의 전극 그룹을 포함할 수 있다. 제어 전극(120)의 각 전극 그룹은 다수의 전극 요소들(도 1a의 121)을 포함한다. 제어 전극(120)의 전극 요소들(121)은 후술하는 바와 같은 소정 방식에 따라 버스(buses)에 의해 상호 및 외부와 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서 제1 전극 패턴(P1) 내의 각 전극 그룹(들)은 K개의 전극 요소를 포함하며, 제2 전극 패턴(P2) 내의 각 전극 그룹(들)은 K/b개의 전극 요소들을 포함할 수 있다. 여기서, b는 배수를 나타내는 정수로서, 상기 배수 b만큼 양자화 레벨의 수가 제1 전극 패턴(P1)에 비하여 제2 전극 패턴(P2)에서 감소한다. 예시적으로, b가 2인 경우, 제2 전극 패턴(P2) 내의 각 전극 그룹(들)은 K/2개의 전극 요소들을 포함할 수 있다.
제1 전극 패턴(P1)의 회절 존에서 생성되는 위상 프로파일과 제2 전극 패턴(P2)의 회절 존에서 생성되는 위상 프로파일은 서로 다를 수 있다. 본 실시예에서처럼 제어 전극(120)이 2개의 전극 패턴을 갖는 경우, 가변 광학 렌즈(100)는 영역을 달리하여 적어도 2개의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 도 1c은 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)에서 제공되는 각 회절 존에서 형성되는 위상 프로파일의 예시로 이해될 수 있다. 각각의 회절 존은 하나 혹은 복수의 프레넬 존(들)을 구성하거나, 프레넬 존의 일부를 구성할 수 있다.
가변 광학 렌즈(100)의 초점 조절(튜닝)은 전극 요소들(121)을 연결하는 버스들을 통해 전압을 인가함으로써 달성된다. 전압을 전극 요소들(121)에 인가하면 가변 광학 렌즈(100)의 전기 활성 물질층(150)에 적절하게 영향을 미친다. 예를 들어, 액정을 전기 활성 물질로 사용하는 경우(즉, 액정 가변 렌즈)에서 각 전극 요소(121)에 인가되는 전압은 액정의 방향을 변화시켜 굴절률 값을 변화시킨다. 본 개시에 따르면, 가변 광학 렌즈(100)의 전체 표면(즉, 개구)에 제어 전극(120)이 실질적으로 배치되고, 제어 전극(120)의 각 전극 요소(121)에 특정 위상 프로파일에 상응하는 전압 프로파일이 인가된다. 광학 활성 물질의 특성인 위상 전압 의존성에 의하여, 각 전극 요소(121)에 인가된 전압 프로파일은 광학적인 위상 프로파일로 변환된다. 일 실시예에서, 제어 전극(120)에 전압을 인가하면 적어도 2 개의 전극 패턴은 적어도 2개의 위상 프로파일들을 생성하게 된다.
제1 전극 패턴(P1)의 링 형상의 전극 요소들(121)의 반경은 다음의 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 m은 회절 존 번호이다. 회절 존이 제1 전극 패턴(P1)에 하나만 마련된 경우, m=1이다. 제1 전극 패턴(P1)에 복수의 회절 존이 마련되는 경우, 회절 존 번호는 원형 개구의 중심부터 순차적으로 넘버링된다. 각 회절 존은 K 전극 요소들로 구성된다. 회절 존 m의 전극 요소 k는 버스 k에 연결된다. 여기서 전극 요소 k는 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존 내에서 전극 요소들(121)을 넘버링한 것이며, 버스 k 역시 가변 광학 렌즈(100)에 마련된 버스들을 넘버링한 것이다. k = 1 : K이다. 즉, k는 K 이하의 양의 정수이다. K는 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존에 있는 전극 요소들(121)의 개수이며, 이들 전극 요소들(121)과 일대일로 연결되는 버스들의 총 수이기도 하다. λ는 입사광의 파장이다. h는 위상 프로파일의 높이로서 2π 라디안(radian)의 배수일 수 있다. D는 가변 광학 렌즈의 최소 광 파워다. 일 실시예에서 파장 λ를 갖는 광은 가시 광선 범위의 광이다. 일 실시예에서 광은 또한 적외선 또는 자외선일 수 있다.
제2 전극 패턴(P2)은 반지름 방향(radial direction)을 기준으로 제1 전극 패턴(P1)에 후속하여 위치한다. 제2 전극 패턴(P2)은 제1 전극 패턴(P1)의 전극 요소들(121)의 폭이 전극 요소들(121) 사이(본 실시예에서 반지름 방향을 기준으로 링 형상의 전극 요소들 사이)의 최소 허용 간격에 대한 기술적 한계보다 작아지는 곳에서 시작된다. 전극 요소들(121)의 폭은 전극 요소들(121) 사이의 기술적 간격을 고려하여 인접한 전극 요소들(121)의 반경 차이로 정해질 수 있다.
일 실시예에서, 제2 전극 패턴(P2)에서 링 형상의 전극 요소들(121)의 반경은 다음의 수학식 2에 따라 계산될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, m은 원형 개구의 중심부터 순차적으로 넘버링된 회절 존의 번호이다. k는 제2 전극 패턴(P2)의 각 회절 존 내에서 전극 요소들(121)의 번호일 수 있다. 전술한 예에서처럼, b가 2인 경우, 제2 전극 패턴(P2) 내의 각 전극 그룹(들)은 K/2개의 전극 요소들(121)을 포함하는 바, 전극 요소들(121)은 제2 전극 패턴(P2)의 각 회절 존 내에서 짝수(또는 홀수) 번호로 넘버링될 수 있다. 이러한 경우, 각 짝수 (또는 홀수) 번호 k의 전극 요소(121)는 해당 번호 k의 버스에 연결된다. 여기서 k mod 2 = 0 (또는 k mod 2 = 1)이며, 연산 "mod"는 한 숫자를 다른 숫자로 나눌 때의 나머지를 나타낸다. 각 회절 존 m에서 전극 요소들(121)과 버스들 사이의 총 연결 수는 K/2이다.
일 실시예에서 상기 수학식 1, 2를 만족하도록 함으로써, 예를 들어 렌즈 구경 직경이 30mm이고 최대 3D의 광 파워를 달성하고 전극 요소들의 폭의 기술적 제한이 3μm 이상인 가변 광학 렌즈를 구현할 수 있게 된다.
본 실시예는 가변 광학 렌즈(100)의 구경이 원형이고 전극 요소들(121)이 링 형상을 가지고 동심원으로 배열된 경우를 중심으로 설명하고 있으나, 가변 광학 렌즈(100)의 구경 형상이나 전극 요소들(121)의 형상과 배열은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(200)에 있어서, 선형(스트라이프) 전극 요소들을 갖는 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)을 포함하는 제어 전극(220)을 도시한다. 도 2a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(200)의 개략적인 구성을 도시하는 측단면도이며, 도 2b는 도 2a의 가변 광학 렌즈(200)의 제어 전극(220)을 도시하며, 도 2c는 도 2a의 가변 광학 렌즈(200)의 위상 프로파일을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(200)은 전기 활성 물질층(250)과 전기 활성 물질층(250)의 일 면에 마련되는 제어 전극(220)을 포함한다. 전기 활성 물질층(250)을 사이에 두고 제1 기판(210)과 제2 기판(290)이 서로 대향되게 배치될 수 있다. 공통 전극(180)은 전기 활성 물질층(250)의 타 면에 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어 전극(220)은 다수의 전극 요소들(221)을 포함한다. 도 2a에 도시된 전극 요소들(221)의 개수나 크기는 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것으로서, 도 2b의 제어 전극(220)의 패턴이나 도 2c의 위상 프로파일의 형상에 직접적으로 일대일 대응되는 것은 아니다.
일 실시예에서 가변 광학 렌즈(200)는 사각형 구경을 가지며, 제어 전극(220)의 전극 요소들(221)은 일축으로 연장되는 방향의 스트라이프 형상을 지니며, 적어도 두 개의 서로 다른 회절 존을 형성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서 제어 전극(220)은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 2개 이상의 전극 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서 제1 전극 패턴(P1)은 X축을 기준으로 렌즈 구경의 중앙 쪽에 위치하고, 제2 전극 패턴(P2)은 제1 전극 패턴(P1)의 양쪽에 위치한다. 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)은 하나 이상의 전극 그룹을 포함하며, 각 전극 그룹은 Y축으로 연장되는 방향의 스트라이프 형상을 지니는 전극 요소들을 포함한다. 본 실시예의 가변 광학 렌즈(200)는 X축 방향으로 굴절력을 가지고 있으며, Y축 방향으로는 굴절력을 가지고 있지 아니하다. 따라서, 도 2c에 도시되듯이, 가변 광학 렌즈(200)의 위상 프로파일은 X축 방향에 대한 것이다.
가변 광학 렌즈의 구경 형상은 전술한 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 가변 광학 렌즈는 직사각 형상, 다각 형상 또는 곡선 형상 또는 임의의 다른 적절한 구경 형상을 가질 수도 있다. 가변 광학 렌즈(의 렌즈 구경은 광학 시스템, 크기 제한, 전극 (요소)의 필요한 형상 및 치수 등에 대한 실제 요구 사항에 의해 정의된 임의의 형상을 가질 수 있다. 전극 요소들은 링 형상, 스트라이프 형상, 다각형 형상 등 외에도, 불규칙할 모양을 지닐 수도 있다. 가령, 전극 형상의 선택은 가변 광학 렌즈의 유형과 관련될 수 있다. 예를 들어, 투과율이 입사광의 편광에 의존하지 않는 구형 가변 광학 렌즈(spherical tunable optical lens)를 형성하기 위하여 동심 링 전극 요소들이 사용될 수 있다. 또는 제조를 단순화하기 위해서던가 실린드리컬 렌즈와 같이 일축 방향으로만 집광시키기 위해, 평행하게 배열되는 스트라이프 형상의 전극 요소들이 사용될 수도 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 가변 광학 렌즈(300)의 예시적인 구현예를 설명하기로 한다. 도 3a는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(300)의 제어 전극(320)의 전극 요소들(도 3b의 321)과 버스들(340)의 연결을 개략적으로 도시하며, 도 3b은 도 3a에서 A 영역을 확대한 도면으로, 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)의 인접한 부위를 도시하며, 도 3c는 도 3b에서 전극 요소들(321)과 버스들의 연결 방식을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제어 전극(320)은 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)을 포함한다. 제1 전극 패턴(P1)과 제2 전극 패턴(P2)은 인접해 있다. 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2) 각각은 다수의 링 형상의 전극 요소들(321)을 포함한다. 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2) 각각의 전극 요소들(321)은 하나 혹은 복수의 전극 그룹으로 그루핑될 수 있다. 전극 그룹 각각은 회절 존을 형성할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2) 각각은 하나 혹은 복수의 회절 존들을 포함한다. 도 3b에서 전극 요소들(321)의 해칭은 전극 그룹(달리 말하면, 회절 존)을 구분하기 위해 표시된 것이며, 물리적인 의미를 갖는 것은 아니다. 링 형상의 전극 요소들(321)로 이루어지는 회절 존 각각은 환형이다.
전극 요소들(321)은 비아홀(330) 또는 기타 유사한 수단을 통해 버스들(340)에 연결된다.
버스들(340)은 전극 요소들(321)과 동일한 물질로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 버스들(340)은 인듐-주석 산화물(ITO), 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐-아연 산화물(IZO), 아연 산화물 등과 같이 가시 범위에서 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 버스들(340)의 재료는 투명한 재료로 제한되는 것은 아니며, 가시 범위에서 불투명한 재료를 포함하여 적절한 재료로 만들어 질 수도 있다. 예를 들어, 버스들(340)은 Ag, Mo, Ni, 등의 전도성 물질로 형성될 수도 있다.
제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)은 특정 순서로 버스들(340)과 연결된다. 버스들(340)은 가변 광학 렌즈(300)의 유효 구경 외곽으로 연장되어 구동 회로(미도시)와 전기적으로 접속되도록 구성된다.
예시적으로, 제1 전극 패턴(P1)은 m개의 회절 존들을 가질 수 있다. 도 3b에서, 참조번호 Zm는 중심부로부터 제1 전극 패턴(P1)의 m번째 회절 존을 나타낸다. 제어 전극(320)의 전체로 보아, 제2 전극 패턴(P2)의 첫번째 회절 존은 중심부로부터 m+1번째 회절 존일 수 있다. 즉, 참조번호 Zm+1은 제2 전극 패턴(P2)의 첫번째 회절 존을 나타낸다. m+1번째 회절 존 Zm+1은 m번째 회절 존 Zm의 외측에 최인접하여 위치한다.
제1 전극 패턴(321)의 각 회절 존은 K개의 전극 요소들(321)을 가지며, 제1 전극 패턴(321)에 후속하는 제2 전극 패턴(322)의 각 회절 존은 후술하는 규칙에 의해 K/2개의 전극 요소들(321)을 갖는다. 예를 들어, m번째 회절 존 Zm은 K개의 전극 요소들(321)을 포함하며, m+1번째 회절 존 Zm+1은 K/2개의 전극 요소들(321)을 갖는다. 예시적으로 도 3c는 m번째 회절 존 Zm이 48개의 전극 요소들(321)을 포함하며, m+1번째 회절 존 Zm+1이 24개의 전극 요소들(321)을 포함하는 경우를 도시한다. 도 3c는 전극 요소들(321)이 2층으로 형성된 예를 도시하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전극 요소들(321)은 단층으로 형성되거나, 3층 이상으로 형성될 수 있음은 물론이다. 도 3c에서 참조번호 E11은 제1 전극 패턴(P1)의 첫번째 전극 요소를 나타내며, E12는 제1 전극 패턴(P1)의 두번째 전극 요소를 나타내며,, E13은 제1 전극 패턴(P1)의 세번째 전극 요소를 나타낸다. 마찬가지로, 참조번호 E21은 제2 전극 패턴(P2)의 첫번째 전극 요소를 나타내며, E22는 제2 전극 패턴(P2)의 두번째 전극 요소를 나타낸다.
버스들(340)의 개수는 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존의 전극 요소들(321)의 개수와 같다. 예시적으로, 버스들(340)은 K개로 이루어질 수 있다. 도 3c는 예시적으로 버스들(340) 중 3개를 버스라인 BL1, BL2, BL3로 표시한다. 제1 전극 패턴(P1)에 속하는 m번째 회절 존 Zm에서 첫번째 전극 요소 E11은 첫번째 버스라인 BL1과 연결되며, 두번째 전극 요소 E12은 두번째 버스라인 BL2과 연결되며, 세번째 전극 요소 E13은 세번째 버스라인 BL3과 연결된다. 한편, 제2 전극 패턴(P2)의 첫번째 회절 존인 Zm+1에서 첫번째 전극 요소 E21은 첫번째 버스라인 BL1과 연결되며, 두번째 전극 요소 E22은 세번째 버스라인 BL3과 연결된다. 결과적으로, 제2 전극 패턴(P2)의 전극 요소들(321)은 버스들(340) 중 홀수번째 버스라인들과 연결된다. 도 3b에서 k번째 버스라인 BLk 위에는 비아홀(330)이 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)의 각 회절 존마다 하나씩 위치하고, k+1번째 버스라인 BLk+1 위에는 비아홀(330)이 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존마다 하나씩 위치하나 제2 전극 패턴(P2)의 회절 존에는 없는 것을 보여준다. 이는 제1 및 제2 전극 패턴(P1, P2)의 각 회절 존에서 k번째 전극 요소들은 k번째 버스라인 BLk와 연결되며, 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존에서 k+1번째 전극 요소들은 k+1번째 버스라인 BLk+1와 연결되나, 제2 전극 패턴(P2)의 각 회절 존의 전극 요소들은 k+1번째 버스라인 BLk+1와 연결되지 않음을 의미한다.
가변 광학 렌즈(300)의 회절 효율은 위상 프로파일의 양자화 레벨 수에 따라 달라진다. 양자화 레벨의 수는 버스들(340) 수와 전극 요소들(321)의 수에 따라 다르다. 가변 광학 렌즈(300)에서 버스들과 제어 전극(320)의 전극 요소들(321)의 수가 많을수록 가변 광학 렌즈(300)의 회절 효율이 높아진다. 본 실시예에 따른 배선 방식은 가변 광학 렌즈(300)의 개구 중앙쪽에 위치한 제1 전극 패턴(P1)의 회절 존 내의 전극 요소들의 개수를 최대한 확보하여 가장 많은 수의 양자화 레벨과 가장 높은 수준의 이미지 품질을 실현함과 동시에, 가변 광학 렌즈(300)의 개구 외측에 위치한 제2 전극 패턴(P2)의 회절존 내의 전극 요소들의 개수를 줄임으로써 제조를 용이하게 할 수 있게 한다.
전술한 실시예는 제어 전극(320)이 2개 전극 패턴으로 분할된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서 제어 전극(320)은 P개의 전극 패턴들을 가질 수 있다. 이러한 경우, P개의 전극 패턴들은 가변 광학 렌즈(300)의 중심부에서 외곽의 순서대로 제1 전극 패턴(P1), 제2 전극 패턴(P2), …, P번째 전극 패턴으로 지칭될 수 있다. p번째 전극 패턴은 전극 패턴 p 또는 번호 p의 전극 패턴으로 지칭하기도 한다. 여기서, P는 2 이상의 정수이며, p는 P 이하의 양의 정수이다.
제1 전극 패턴(P1) 내의 개별 전극 그룹은 K개의 전극 요소들을 포함하며, p번째 전극 패턴 내의 개별 전극 그룹은 K/bp-1 개의 전극 요소들을 포함하며, 후속 전극 패턴(즉, p+1번째 전극 패턴)의 개별 전극 그룹은 K/bp 개의 전극 요소들을 포함할 수 있다. 이는 주어진 전극 패턴의 개별 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수를 기준으로 후속 전극 패턴의 개별 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수가 어떻게 적어지는지를 명확하게 한다. 가령, 제1 전극 패턴(P1)의 각 회절 존은 K개의 전극 요소들로 구성된다. K는 가변 광학 렌즈의 버스의 개수로 이해될 수도 있다. b=2인 경우, 제2 전극 패턴(P2)의 각 회절 존은 K/2개의 전극 요소들로 구성되며, 전극 패턴 번호 P의 회절 존은 K/2P-1개의 전극 요소들로 구성된다. 제1 전극 패턴(P1)가 복수의 전극 그룹들을 가지는 경우, 제1 전극 패턴(P1) 내에 있어서 어느 한 전극 그룹의 전극 요소들은 다른 전극 그룹의 전극 요소들과 K개의 버스들에 의해 서로 연결된다. 제1 전극 패턴(P1)의 전극 요소들을 연결하는 버스들 중 bp-1 배만큼 적은 수의 버스들이 p번째 전극 패턴 내의 각 전극 그룹에 있는 전극 요소들을 연결한다. 즉, p번째 전극 패턴 내의 각 전극 그룹은 K/bp-1 개의 전극 요소들을 포함하며, 이들 전극 요소들은 K/bp-1 개의 버스들에 의해 서로 연결된다. 버스들에 전압을 안가하고 그에 따라 제어 전극에 전압을 적용하면 해당 전극 패턴을 통해 2개 이상의 위상 프로파일이 형성된다. 위상 프로파일의 양자화 레벨의 수는 각 후속 전극 패턴에서 감소한다. 즉, p번째 전극 패턴의 회절 존(들)에 의한 위상 프로파일에 대한 양자화 레벨 수는 제1 전극 패턴의 회절 존(들)에 의한 위상 프로파일에 대한 양자화 레벨의 수보다 bp-1 배 적다.
일 실시예에서, 제어 전극의 전극 패턴 p의 전극 요소들의 반경 rpmk은 아래의 수학식 3에 따라 계산될 수 있다:
Figure pat00004
여기서, Ap는 전극 패턴 p에서 최소 가능 최대 위상차(minimal possible maximal phase difference)를 나타내는 정수이다. mp는 전극 패턴 p의 회절 존 번호를 나타낸다. 회절 존 번호 mp는 렌즈 중심부터 1, 2, 3, … 과 같이 순차적으로 넘버링된다. λ는 입사광의 파장, h는 2π 라디안의 배수로 생성된 위상 프로파일의 높이이다. D는 가변 렌즈의 최소 광 파워(단위 디옵터)이다.
전극 요소 번호 k는 버스 번호 k에 연결된다. 여기서 전극 요소 k는 전극 패턴 p의 각 회절 존 내에서 전극 요소들을 넘버링한 것이다. 이때, k는 k mod bp-1 = a을 만족하는 양의 정수이며, a는 0, 1, …, bp-1-1 중 어느 한 정수일 수 있다. 예를 들어, b=2인 경우, 제2 전극 패턴의 각 회절 존 내에서 전극 요소들(121)은 짝수 (또는 홀수)로 넘버링될 수 있다. 다른 예로, b=3인 경우, 제2 전극 패턴의 각 회절 존 내에서 전극 요소들(121)은 3의 배수로 넘버링될 수 있다.
전극 패턴 p+1은 반지름 방향을 기준으로 전극 패턴 p에 후속하여 위치한다. 전극 패턴 p에서 인접한 전극 요소들(121)의 반경 차이가 기술적 한계보다 작아지면 후속하는 회절 존과 함께 전극 패턴 p+1이 시작된다: 즉, 전극 패턴 p+1은 전극 패턴 p의 전극 요소들(121)의 폭이 전극 요소들(121) 사이의 최소 허용 간격에 대한 기술적 한계보다 작아지는 곳에서 시작된다. 한편, 전극 패턴 p에서의 Ap 및 mp와 전극 패턴 p+1에서의 Ap+1 및 mp+1의 관계는 아래의 수학식 4를 만족할 수 있다:
Figure pat00005
도 4는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈에서 상이한 광 파워에 대응하는 2개의 위상 프로파일을 도시한다.
서로 이웃하는 m번째 회절 존(Zm)과 m+1번째 회절 존(Zm=1)은 각기 서로 다른 전극 패턴에 속한다. 즉, m번째 회절 존(Zm)은 N개의 전극 요소들(421)을 가지며, m+1번째 회절 존(Zm=1)은 N/2개의 전극 요소들(422)을 가질 수 있다 (b=2인 경우). 버스들(440)을 통해 소정의 전압이 전극 요소들(421, 422)에 인가되면 가변 광학 렌즈의 전기 활성 물질층의 굴절률 값이 변화되며, 이러한 전기 활성 물질층의 굴절률 값 변화는 통과하는 광의 위상을 지연시키게 된다. 따라서, 전극 요소(421, 422)들에 인가되는 전압 프로파일에 상응하여 위상 프로파일이 생성된다. N개의 전극 요소들(421)은 가변 광학 렌즈에서의 최대 위상(maximal phase) 2πh를 N개의 레벨로 양자화시킬 수 있다. 양자화 레벨의 높이는 균등할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 위상 프로파일의 양자화 레벨의 수는 각 후속 전극 패턴에서 감소한다. 즉, p번째 전극 패턴의 회절 존(들)에 의한 위상 프로파일에 대한 양자화 레벨 수는 제1 전극 패턴의 회절 존(들)에 의한 위상 프로파일에 대한 양자화 레벨의 수보다 bp-1 배 적다. 예를 들어, 도 4에 도시되듯이, m번째 회절 존(Zm)에서의 위상 프로파일은 양자화 레벨 N을 가지고, m+1번째 회절 존(Zm+1)에서의 위상 프로파일은 양자화 레벨 N/2을 가질 수 있다 (b=2인 경우). 전극 요소들(421, 422)에 인가되는 전압 프로파일에 따라서 위상 프로파일의 형상은 달라질 수 있다. 예시적으로, 도 4에서 굵은 선으로 표시되듯이, 각 회절 존에서 하나의 톱니바퀴 형상의 위상 프로파일을 형성하거나, 얇은 선으로 표시되듯이, 각 회절 존에서 2개의 톱니바퀴 형상의 위상 프로파일을 형성할 수 있다.
구경 크기가 큰 (예를 들어, 직경 20mm 이상) 가변 광학 렌즈의 설계와 관련된 기술적 문제 중 하나는 렌즈 가장자리의 전극 요소가 너무 작은 크기(특히, 너무 작은 너비)를 갖는다는 것이다. 서로 다른 양자화 레벨을 가진 적어도 두 개의 위상 프로파일이 생성될 때, 즉 중앙 존에 대한 더 많은 수의 양자화 레벨과 주변 존에 대한 더 적은 수의 양자화 레벨을 가지게 함으로서, 가변 광학 렌즈의 가장자리에 있는 전극 요소의 크기를 증가시킬 수 있다. 이러한 경우 가변 광학 렌즈의 중앙 존 (가상 물체 이미지의 사실적인 인상을 제공하는 가장 중요한 특성)의 회절 효율 η이 높을 것이다. 회절 효율은 양자화 레벨 N의 수에 비례하며 다음 공식을 사용하여 계산된다.
Figure pat00006
여기서, sinc(x)=sin(πx)/(πx)이다.
다시 도 4를 참조하면, 도 4에 제시된 실시예에서, 동일한 버스(440)를 통해 두 위상 프로파일을 제어하려면 두 위상 프로파일이 동일한 최대 위상과 동일한 양자화 레벨을 가져야 함을 볼 수 있다.
일 실시예에서, 전극 패턴의 수는 2 개 초과, 즉, 예를 들어 p 전극 패턴 일 수 있다. 도 5는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈의 제어 전극이 4 개의 전극 패턴들을 갖는 경우(즉, p=4, b=2)에 있어서, 전극 요소들(521)과 버스들(540)의 연결, 전극 요소들(521)의 치수 및 4 개의 전극 패턴 각각에 대한 양자화 레벨의 도표(diagram)를 보여준다. 도 5를 참조하면, 첫번째 전극 패턴의 전극 요소들(521)의 수는 K, 두 번째 전극 패턴의 전극 요소들(522)의 수는 K/2, 세 번째 전극 패턴의 전극 요소들(523)의 수는 K/4, 네 번째 전극 패턴의 전극 요소들(524)의 수는 K/8임을 알 수 있다. 참조번호 530은 전극 요소들(521)과 버스들(540)을 연결하는 비아홀과 같은 배선을 의미한다. 이 실시예에서 전극 요소들(521)의 폭은 첫번째 전극 패턴 (가변 광학 렌즈 구경의 중심에 가깝게 배열됨)에서 네 번째 전극 패턴으로 증가하며, 여기서 전극 요소들(521)의 폭이 클수록 주어진 전극 요소들(521)의 수는 적어진다. 이는 가장 많은 양자화 레벨을 구현할 수 있도록 하며, 첫번째 전극 패턴에 대응하는 가변 광학 렌즈의 중앙 존에서 가장 높은 이미지 품질을 구현할 수 있게 한다. 이 예시적인 실시예에서 각각의 후속 전극 패턴에서 양자화 단계의 수는 2 배 감소한다. 상기와 같은 구성은 가변 광학 렌즈의 직경을 증가시킬 수 있게 하며, 따라서 가변 광학 렌즈는 예를 들어 큰 렌즈 구경 직경이 필요한 응용 분야(예를 들어, 차량 헤드 업 디스플레이)에서 사용될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴들을 갖는 경우(즉, p=3, b=3)에 있어서, 제어 전극들(621)과 버스들(640)의 연결, 전극 요소들(621)의 치수 및 3 개의 전극 패턴 각각에 대한 양자화 레벨의 도표를 보여준다.
도 6을 참조하면, 가변 광학 렌즈의 제어 전극은 3 개의 전극 패턴으로 구성되고, 각 후속 전극 패턴에서 양자화 레벨의 수는 1/3배로 감소된다. 즉, 첫번째 전극 패턴의 전극 요소들(621)의 수는 K, 두 번째 전극 패턴의 전극 요소들(622)의 수는 K/3, 세 번째 전극 패턴의 전극 요소들(623)의 수는 K/9임을 알 수 있다. 이에 따라 가변 광학 렌즈는 적어도 3개의 서로 다른 위상 프로파일을 가짐을 볼 수 있다. 참조번호 630은 전극 요소들(621)과 버스들(640)을 연결하는 비아홀과 같은 배선을 의미한다. 이러한 실시예는 가변 광학 렌즈 설계에서 연결 개수를 감소시켜 제조를 단순화할 수 있게 할 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 2 개의 인접한 위상 프로파일에 대해 상이한 최대 위상 값을 갖는 경우를 설명하는 도표이다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈는 제어 전극에 포함된 상이한 전극 패턴이 상이한 최대 위상을 갖는 위상 프로파일을 생성하고 있음을 도시한다. 즉, 도 7에 도시 된 바와 같이, 어느 한 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일 1의 최대 위상 1은 다른 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일 2의 최대 위상 2와 동일하지 않을 수 있다 (도 7에 도시된 예에서 위상 프로파일 2의 최대 위상은 위상 프로파일 1의 최대 위상보다 크다). 이 예시적인 실시예는 가변 광학 렌즈에 색수차의 보상을 가능하게 하는 추가적인 이점을 제공한다.
도 8은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴들을 갖는 경우(즉, p=3, b=3)에 있어서, 양자화 레벨들의 높이가 동일하지 않은 경우를 도시한다.
도 8을 참조하면, 가변 광학 렌즈의 제어 전극은 3 개의 전극 패턴으로 구성되고, 각 후속 전극 패턴에서 양자화 레벨의 수는 1/3배로 감소된다. 이때, 첫번째 전극 패턴(pattern 1)에 있어서 K개의 전극 요소들(821)에 생성된 위상 프로파일은 양자화 레벨이 K개 있을 수 있으며, 이들 양자화 레벨 중 적어도 2개의 높이 a1, b1은 서로 같지 않을 수 있다(즉, a1 ≠ b1). 마찬가지로, 두번째 전극 패턴(pattern 2)의 K/3개의 전극 요소들(822)에 생성된 위상 프로파일은 양자화 레벨이 K/3개 있을 수 있으며, 이들 양자화 레벨 중 적어도 2개의 높이 a2, b2은 서로 같지 않을 수 있으며(즉, a2 ≠ b2), 세번째 전극 패턴(pattern p)K/9개의 전극 요소들(823)에 생성된 위상 프로파일은 양자화 레벨이 K/9개 있을 수 있으며, 이들 양자화 레벨 중 적어도 2개의 높이 a3, b3은 서로 같지 않을 수 있다(즉, a3 ≠ b3). 전극 요소들(821, 822, 823)은 비아홀과 같은 배선(830)에 의해 버스들(840)과 전기적으로 연결된다. 본 실시예는 각각의 전극 패턴에 대해 동일한 치수(폭)를 갖는 전극 요소들을 사용할 가능성을 제공할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈가 3 개의 전극 패턴을 갖는 경우(즉, p=3, b=3)에 있어서, 회로 컴포넌트들(950)이 버스들(940)과 제어 전극들(921, 922, 923) 사이에 추가적으로 연결된 경우를 도시한다.
도 9를 참조하면, 가변 광학 렌즈의 제어 전극은 3 개의 전극 패턴으로 구성되며, 3 개의 전극 패턴은 상이한 최대 위상을 갖는 적어도 3 개의 위상 프로파일을 생성한다. 이때, 전극 패턴들의 전극 요소들(921, 922, 923) 중 적어도 하나는 버스들(940)과 연결되는 배선(930) 사이에 회로 컴포넌트(950)가 개재될 수 있다. 예를 들어, 회로 컴포넌트(950)로서 저항 R1, R2, …, R7 이 삽입됨으로써, 상이한 위상 프로파일에 대해 상이한 최대 위상을 주거나, 또는 위상 프로파일의 양자화 레벨의 높이에 변화를 줄 수 있게 한다. 또한 저항 외에도 회로 컴포넌트(950)로서 커패시터, 인덕터, 다이오드 등을 배치함으로써 응답 시간 또는 최적 주파수와 같은 회로의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(1000)에 있어서, 가변 광학 렌즈(1000)의 전기 활성 물질층(1030)이 서로 다른 회절 존들에서 서로 다른 두께를 갖는 경우를 도시한다.
도 10을 참조하면, 제1 영역(가령, 제1 전극 패턴의 영역)에서의 전기 활성 물질층(1030)의 두께 t1는 제2 영역(가령, 제2 전극 패턴의 영역)에서의 전기 활성 물질층(1030)의 두께 t2는 서로 다를 수 있다(즉, t1 ≠ t2). 예시적으로, 공통 전극(1040)이 마련되는 제2 기판(1050)의 전기 활성 물질층(1030)과 마주하는 면에 있어서, 제2 영역쪽이 식각되어 제1 영역쪽 제1 공통 전극(1041)과 제2 영역쪽 제2 공통 전극(1042)이 단차되도록 함으로써, 전기 활성 물질층(1030)의 두께를 다르게 할 수 있다. 물론 제어 전극(1020)이 마련되는 제1 기판(1010)쪽의 높이에 단차를 줌으로써 전기 활성 물질층(1030)의 두께를 다르게 할 수도 있을 것이다. 이와 같은 구성은 가변 광학 렌즈(1000)의 제어 전극(1020)에서 상이한 전극 패턴에 대해 상이한 최대 위상을 달성하는 것을 가능하게 한다.
상기 실시예들의 가변 광학 렌즈의 구조는 구경의 상이한 부분에 대하여 (비제한적인 예로서, 회절 효율 및 색수차 측면에서) 상이한 성능 특성에 대응하는 (예를 들어, 2π에서 12π까지의 최대 위상을 갖는) 상이한 위상 프로파일을 형성할 수 있게 한다. 달리 말하면, 가변 광학 렌즈의 구경 내에 상이한 광학 존들의 형성을 가능하게 한다. 이 덕분에, 예를 들어 최대 위상이 2π인 회절 존에서는 더 높은 최대 위상을 갖는 회절 존과 비교하여 최대 회절 효율이 제공되고, 반면에 최대 위상이 12π인 존에서는 더 낮은 최대 위상을 갖는 존과 비교하여 색수차가 감소할 수 있다.
다음으로, 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈의 구체적인 구현 예에 대해 설명하기로 한다. 이 구현예는 단지 예시를 위한 것이며 이에 제한되는 것이 아니라는 점을 이해해야 한다. 예시적인 구현예에서, 가변 광학 렌즈는 제어 전극 패턴을 갖는다. 전극 요소들이 인듐-아연 산화물 (IZO)로 만들어진 전극 패턴의 직경은 30mm이다. 제어 전극 패턴은 중앙 구역(즉, 제1 전극 패턴 영역)의 30개의 링 형상의 회절 존과, 주변 구역(즉, 제2 전극 패턴 영역)의 2*38개의 링 형상의 회절 존으로 구성된다. 중앙 구역의 회절 존들은 각각 48개의 링 전극 요소들을 포함한다. 주변 구역의 회절 존들은 각각 24개의 링 전극 요소들을 포함한다. 전극 요소의 최소 폭은 2.8μm이다. 본 구현예에 따른 제어 전극 패턴의 총 전극 수는 48 * 30 + 24 * 2* 38 = 48 * 68 = 3264개이다.
이 예시적인 구현예에 따른 가변 광학 렌즈는 표 1에 제공된 다음과 같은 광 파워 및 회절 효율 값을 가진다.
광 파워, D 중앙구역에서의 회전효율, % 주변구역에서의 회절효율, % 렌즈 전체의 회절효율, %
0.5 99.9 99.4 99.6
1 99.4 97.7 97.9
1.5 98.7 95.0 96.7
2 97.7 91.2 94.1
3 95.0 81.1 87.3
가변 광학 렌즈의 중앙 구역의 직경은 약 16mm이다. 중앙 구역에서 가장 작은 회절 효율 값은 95% 인 것으로 나타난다. 주변 구역의 반경 폭은 8 ~ 15mm이다. 전체 가변 광학 렌즈에 대해 달성된 가장 작은 회절 효율 값은 가변 광학 렌즈 구경 직경이 30mm 일 때 87 %이다. 비교를 위해, 예를 들어 참조문헌 US 8885139, US 8988649에 개시된 예와 같이 하나의 전극 패턴을 가진 렌즈를 사용하는 경우, 가장 낮은 회절 효율은 렌즈 구경 직경이 20mm 일 때 81 % 였다 (전극 패턴에서 제어 전극의 크기에 대한 기술적 한계로 말미암아 프로토 타입에서 렌즈 구경 직경이 30mm에 도달하는 것은 불가능했다). 따라서, 상술한 구현예의 가변 광학 렌즈에서 높은 회절 효율이 큰 구경 직경과 함께 달성되었다.
전술한 실시예들에 따르면, 가변 광학 렌즈의 제어 전극 패턴에 포함된 적어도 2개의 전극 패턴은, 상이한 양자화 레벨을 갖는 2개 이상의 위상 프로파일을 생성하며, 보다 구체적으로, 가변 광학 렌즈의 구경의 중앙 구역에 대해 더 높은 양자화 레벨을 갖는 위상 프로파일과, 가변 광학 렌즈 구경의 외곽 가장자리에 더 가까운(즉, 렌즈 구경의 중앙으로부터 먼 쪽의) 하나 이상의 회절 존에 대해 적어도 하나의 더 낮은 양자화 레벨을 갖는 적어도 하나의 위상 프로파일을 생성한다. 이와 같은 배치 덕분에, 가변 광학 렌즈 구경의 중앙 구역에서 높은 회절 효율을 제공하며, 이는 가상 물체의 이미지에 대한 현실감을 제공하는 데에 있어서 매우 중요할 수 있다. 일 실시예에서, 가변 렌즈 구경의 중앙 부분이 아닌 구역들(가령, 가변 렌즈 구경의 가장자리에 더 가까운 구역들)에 위치한 전극 패턴에 대한 위상 프로파일이 동일한 최대 위상 및 동일한 양자화 레벨을 가질 수 있거나, 또는 상이한 최대 위상 및 상이한 양자화 레벨을 가질 수 있다.
다음으로, 전술한 실시예들의 가변 광학 렌즈가 적용되는 전자 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 11은 일 실시예에 따른 전자 장치(1100)가 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다.
일 실시예의 전자 장치(1100)는 증강현실(AR) 시스템 및/또는 가상현실 (VR) 시스템(이하, 통칭하여 AR/VR 시스템일 수 있다. 전자 장치(1100)의 디스플레이 장치는 가상 물체 이미지 소스(1110)와, 광 웨이브가이드(waveguide)(1120)와, 디스플레이 컴포넌트(미도시)와, 제1 및 제2 가변 광학 렌즈(1130, 1140)를 포함할 수 있다. 가상 물체 이미지 소스(1110)는 광학적인 가상 물체 이미지를 생성하는 장치이다. 일 실시예에서, 가상 물체 이미지 소스(1110)는 LCD(liguid crystal display), LCOS(liguid crystal on silon) 디스플레이나, DLP(digital light processing) 디스플레이, 마이크로 LED(micro-LED) 디스플레이 등과 같은 화상 패널(image panel)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가상 물체 이미지 소스(1110)는 1차원 혹은 2차원으로 광빔을 주사(scanning)하는 주사 광학 시스템(scanning optical system)을 포함할 수도 있다. 광 웨이브가이드(1120)는 가상 물체 이미지 소스(1110)와, 디스플레이 컴포넌트와, 본 개시에 따른 제1 및 제2 가변 광학 렌즈(1130, 1140)를 연결할 수 있다. 광 웨이브가이드(1120)는 투명 재질로 형성될 수 있으며, 곡면 혹은 평편한 판 형상을 가질 수도 있다. 디스플레이 컴포넌트는 가상 물체의 이미지를 이미징하기 위한 광학 부재이다. 이러한 디스플레이 컴포넌트는 예를 들어 광 웨이브가이드(1120)의 일 면, 양 면 혹은 그 내부에 마련되는 회절 격자, 미러, 마이크로 미러 어레이일 수 있다. 광 웨이브가이드(1120)는 제1 가변 광학 렌즈 (1130)와 제2 가변 광학 렌즈 (1130) 사이에 위치한다. 제1 가변 광학 렌즈 (1130)는 광 웨이브가이드(1120)와 사용자의 눈(E) 사이에 위치할 수 있다. 제2 가변 광학 렌즈(1140)는 광 웨이브가이드(1210)의 실제 세계와 마주보는 면쪽에 위치할 수 있다.
본 실시예의 제1 및 제2 가변 광학 렌즈(1130, 1140)는 정상 시력을 가진 사용자와 굴절 이상을 가진 사용자 모두에 의해 사용될 수 있다. 정상 시력을 가진 사용자의 경우 제1 가변 광학 렌즈 (1130)는 광 파워 D0=0를 가지고 가상 물체 이미지 소스(1110)에서 가상 물체 이미지를 사용자의 눈(E)쪽으로 옮기는 데만 사용된다. 제2 가변 광학 렌즈 (1140)는 외부의 실제 세계(real world)를 방해받지 않고 볼 수 있도록 제1 가변 광학 렌즈 (1130)에 의해 유도된 광 파워를 보정하는 데 사용된다.
굴절 이상(예를 들어, 노안/근시/원시)이 있는 사용자의 경우, 제1 가변 광학 렌즈(1030)가 노안/근시/원시 교정에 필요한 광 파워 값에 의해 보정된 가상 물체 이미지를 옮기는데 사용될 수 있다. 이러한 경우, 제2 가변 광학 렌즈(1040)는 사용자 눈(E)의 굴절 이상(예를 들어, 노안/근시/원시)를 교정하는 데 사용되어 실제 세계를 방해하지 않고 선명하게 볼 수 있게 한다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치(1200)가 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다.
일 실시예에 따른 전자 장치(1200)는 AR/VR 시스템일 수 있다.
전자 장치(1100)의 디스플레이 장치는 가상 물체 이미지 소스(1210)와, 광 웨이브가이드(1220)와, 가상 물체 이미지를 이미징하기 위한 디스플레이 컴포넌트(미도시)와, 제1 및 제2 가변 광학 렌즈(1230, 1240)를 포함할 수 있다.
제1 가변 광학 렌즈 (1230)는 가상 물체 이미지 소스(1210) 앞에 있을 수 있다. 즉, 제1 가변 광학 렌즈(1230)는 가상 물체 이미지 소스(1210)와 광 웨이브가이드(1220) 사이에 위치할 수 있다. 제2 가변 광학 렌즈(1240)는 광 웨이브가이드(1210)의 실제 세계와 마주보는 면쪽에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 가변 광학 렌즈(1230, 1240)는 전술한 실시예들의 가변 광학 렌즈로 구현 될 수 있으며, 사용자의 눈(E)의 굴절 이상(노안/근시/원시 등)을 교정하여 실제 세계 및 가상 물체의 이미지를 방해받지 않고 선명하게 관찰할 수 있도록 한다. 나아가, 도 11 및 12를 참조하여 설명한 실시예들은 AR/VR 시스템에서 디스플레이 장치의 일부와 함께 사용자의 시력을 교정하도록 특별히 설계된 안경 또는 렌즈를 사용할 필요성을 제거한다.
도 13은 일 실시예에 따른 가변 광학 렌즈(1300)가 사용자 눈(E)의 굴절 이상을 교정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 가변 광학 렌즈(1300)는 근시 사용자의 눈 앞에 배치될 수 있다.
가변 광학 렌즈(1300)는 다양한 광 파워를 가질 수 있다. 예시적으로, 가변 광학 렌즈(1300)는 D1 = -0.25 D 에서 D16 = -4 D까지 16 단계(steps)로 광 파워가 조절될 수 있다.
가변 광학 렌즈(1300)에 의해 제공되는 초점면은 가변 광학 렌즈(1300)의 광 파워 값에 상응하여 형성될 수 있다. 예시적으로 근시가 있는 사용자의 나안의 초점은 도 13에 도시되는 바와 같이 원거리 P1에 위치한다고 할 때, 가변 광학 렌즈(1300)의 광 파워에 의해 사용자 눈의 초점은 D16 = -4 D(디옵터)에 상응하는 초점면 P16으로 이동할 수 있다. 따라서, 본 예시에서 가변 광학 렌즈(1300)는 최대 4 디옵터의 광 파워에서 사용자의 눈의 굴절 이상을 보상할 수 있게 한다.
가변 광학 렌즈(1300)는 편광에 따라 굴절률을 달리하는 편광 의존형 가변 광학 렌즈일 수 있다.
이러한 가변 광학 렌즈(1300)는 도 11 및 12를 참조하여 설명한 실시예들에서 제2 가변 광학 렌즈로 이해될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 전자 장치(1400)에서 가변 광학 렌즈를 포함하는 구성을 도시한다
일 실시예에 따른 증강현실(AR) 시스템의 디스플레이 장치(1400)를 도시한다. 도 14를 참조하면, 일 실시예의 디스플레이 장치(1400)는 가상 물체 이미지 소스(1410)와, 광 웨이브가이드(1420)와, 가상 물체 이미지를 이미징하기 위한 디스플레이 컴포넌트와, 제1, 제2 및 제3 가변 광학 렌즈(1430, 1440, 1450)를 포함할 수 있다. 제1 가변 광학 렌즈 (1430)는 가상 물체 이미지 소스(1410) 앞에 있을 수 있다. 즉, 제1 가변 광학 렌즈(1430)는 가상 물체 이미지 소스(1410)와 광 웨이브가이드(1420) 사이에 위치할 수 있다. 제2 가변 광학 렌즈(1440)는 광 웨이브가이드(1410)의 실제 세계와 마주보는 면쪽에 위치할 수 있다. 제3 가변 광학 렌즈(1450)는 광 웨이브가이드(1410)의 사용자 눈(E)과 마주보는 면쪽에 위치할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 가변 광학 렌즈(1430, 1440, 1450)는 전술한 실시예들의 가변 광학 렌즈로 구현 될 수 있으며, 사용자의 눈(E)의 굴절 이상(노안/근시/원시 등)을 교정하여 실제 세계 및 가상 물체의 이미지를 방해받지 않고 선명하게 관찰할 수 있도록 한다.
. 본 실시예의 디스플레이 장치(1400)는 제1 내지 제3 가변 광학 렌즈(1430, 1440, 1450) 를 사용하여 이중 모드를 제공한다.
제1 모드는 정상적인 시력을 가진 사용자를 위한 작동 모드이다. 제1 모드에서 제2 가변 광학 렌즈(1440)는 디스플레이 장치를 통해 외부 세계를 선명하고 방해받지 않고 보기 위해 제3 가변 광학 렌즈(1450)에 의해 유도된 광 파워를 보상하는데 사용될 수 있다. 제3 가변 광학 렌즈(1450)는 가상 물체 이미지 소스로부터 가상 물체 이미지를 옮기는데 사용될 수 있다.
제2 모드는 AR/VR 시스템에 있어서 사용자 눈의 굴절 이상(예: 노안/근시/원시)을 교정하는 디스플레이 장치(1400)의 작동 모드이다. 여기서 제1 가변 광학 렌즈(1430)는 노안 및/또는 근시/원시를 보상하는데 필요한 광 파워 값에 의해 보정된 가상 물체 이미지를 옮기는데 사용되며, 제2 가변 광학 렌즈(1440)는 디스플레이 장치(1400)를 통해 실제 세계를 방해받지 않고 선명하게 볼 수 있도록 사용자 눈의 (노안 및/또는 근시/원시로 인한) 굴절 이상을 교정하는 데 사용된다.
비 제한적인 예로서, 개시된 가변 광학 렌즈는 증강현실(AR) 시스템의 디스플레이 장치에서 사용되어 실제 세계 물체의 디스플레이된 이미지 및/또는 가상 물체 이미지의 깊이를 제어하고 및/또는 사용자 눈의 굴절 이상을 교정할 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 하나 이상의 가변 광학 렌즈의 어레이가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 다수의 렌즈들이 차례로 배치될 수 있다. 이것은 응용 장치에서 필요한 광학 시스템의 달성가능한 직경과 가변 광학 렌즈 시스템의 최대 광 파워를 증가시키는 관점에서 유용할 수 있다.
편광에 의존하거나 또는 독립적인 가변 광학 렌즈의 사용은 추가적인 이점을 제공 할 수 있다. 예를 들어, 편광 의존형 가변 광학 렌즈는 가상 물체 이미지와 실제 세계 이미지를 편광에 의해 분리하여 이러한 이미지의 매개 변수를 독립적으로 제어할 수 있게 한다.
또한, 본 개시는 가변 광학 렌즈의 전기 활성 물질로서 액정(예를 들어, 네마틱 액정, 스메틱 액정, 콜레스테릭 액정)의 사용으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 폴리머 겔, 전기 활성 폴리머, 액정 폴리머, 분산 폴리머 액정, 폴리머 안정화 액정, 자기 조립 비선형 초분자 구조도 가변 광학 렌즈의 전기 활성 물질로 사용될 수 있다. 이는 응답 시간, 인가된 구동 전압의 크기, 액정 배향 제어 방법과 같은 특성의 관점에서 특정 응용 분야에 대해 가변 광학 렌즈를 적용할 수 있게 한다는 점에서 유리하다.
본 개시의 가변 광학 렌즈는 비 제한적인 예로서 AR/VR 시스템의 디스플레이 장치(이미지 생성 장치)에서 사용될 수 있다. 또한, 본 개시의 가변 광학 렌즈는 헬멧 장착형 디스플레이, 차량 헤드-업 디스플레이(HUDs), 스마트 안경, 태블릿 컴퓨터용 디스플레이 장치, 스마트 폰 및 기타 휴대용 및/또는 웨어러블 컴퓨팅 장치에 사용될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치에서 본 개시에 따른 하나 이상의 가변 광학 렌즈가 사용될 수 있다. 또한, 본 개시의 가변 광학 렌즈는 초점 거리가 조정 가능한 시력 교정용 안경에 사용될 수 있다.
가변 광학 렌즈는 가변 액정 렌즈들로 구현될 수 있지만, 본 개시는 전기 활성 물질로서 액정을 사용하는 것에 제한되지 않고 다른 전기 활성 물질이 사용될 수 있으며, 이러한 비 제한적인 예가 본 개시에 제시되어 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 명세서에서, “a, b 또는 c 중 적어도 하나를 포함한다”는 “a만 포함하거나, b만 포함하거나, c만 포함하거나, a 및 b를 포함하거나, b 및 c를 포함하거나, a 및 c를 포함하거나, a, b 및 c를 모두 포함하는 것을 의미할 수 있다.
전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
전술한 본 발명인 가변 광학 렌즈 및 이를 채용한 전자 장치는 이해를 돕기 위하여 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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 1000, 1130, 1140, 1230, 1240, 1300, 1430, 1440, 1450: 가변 광학 렌즈
110, 190, 210, 290, 1010, 1050: 기판
120, 220, 320, 1020: 제어 전극
121, 221, 321, 322, 421, 521, 522, 523, 524, 621, 622, 623, 821, 822, 823, 921: 전극 요소
150, 250, 1030: 전기 활성 물질층
180, 280, 1040: 공통 전극
330, 430, 530, 630, 830, 930: 비아홀
340, 440, 540, 640, 840, 940: 버스
950: 회로 컴포넌트
1100, 1200, 1400: 전자 장치
1110, 1210 1410: 가상 물체 이미지 소스
1120, 1220, 1420: 광 웨이브가이드
E: 사용자의 눈
P1, P2: 전극 패턴

Claims (25)

  1. 조절 가능한 초점 거리를 갖는 가변 광학 렌즈에 있어서,
    전기 활성 물질층과;
    다수의 전극 요소들을 구비한 제어 전극;을 포함하며,
    상기 제어 전극은 서로 다른 회절 존들을 생성하도록 구성된 적어도 2 개의 전극 패턴을 포함하고,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴은, 전압이 상기 제어 전극에 인가되면, 투과되는 광에 대해 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일을 생성하도록 구성되는,
    가변 광학 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴의 각 전극 패턴은 적어도 하나의 전극 그룹으로 이루어지며,
    상기 적어도 하나의 전극 그룹 각각은 적어도 하나의 위상 프로파일을 생성하도록 구성되는 회절 존인,
    가변 광학 렌즈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 어느 한 전극 패턴 내의 어느 한 전극 그룹 내의 각 전극 요소는 상기 어느 한 전극 그룹 내의 다른 전극 그룹 내의 대응되는 전극 요소와 버스로 연결되는,
    가변 광학 렌즈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 적어도 하나의 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수는 동일하고 K이고;
    상기 적어도 두 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 적어도 하나의 전극 그룹 내의 전극 요소들의 수는 동일하며 K/bp-1이며, 여기서 b는 정수인,
    가변 광학 렌즈.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 첫번째 전극 패턴은 렌즈 구경의 중앙쪽에 위치하며, 상기 p번째 전극 패턴은 상기 가변 광학 렌즈의 개구 중앙쪽에서 외곽쪽으로 순차적으로 넘버링된,
    가변 광학 렌즈.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 각 전극 그룹의 전극 요소들을 연결하는 버스들의 수는, 상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 전극 패턴의 전극 요소들을 연결하는 버스들의 수와 비교하여 bp-1 배 작으며, 여기서 b는 정수인,
    가변 광학 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 서로 다른 위상 프로파일은 각기 복수의 양자화 레벨들에 의해 특징지워지며,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 p번째 전극 패턴의 각 전극 그룹에 의해 생성된 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 수는 상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 각 전극 그룹에 의해 생성된 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 수보다 bp-1 배 작으며, 여기서 b는 정수인,
    가변 광학 렌즈.
  8. 제7 항에 있어서,
    동일 위상 프로파일 내의 양자화 레벨들의 높이는 모두 같은,
    가변 광학 렌즈.
  9. 제1 항에 있어서,
    동일 위상 프로파일 내의 적어도 일부 양자화 레벨의 높이는 다른 양자화 레벨의 높이와 다른,
    가변 광학 렌즈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 전극 요소 중 적어도 일부와 버스 사이에는 회로 컴포넌트가 마련된,
    가변 광학 렌즈.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 회로 컴포넌트는 저항, 커패시터, 인덕터, 또는 다이오드 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    가변 광학 렌즈.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 요소들을 연결하는 K 개의 버스들을 더 포함하고,
    상기 K 개의 버스들은 상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 첫번째 전극 패턴의 각 회절 존에서 K개의 전극 요소들과 각각 연결되고,
    상기 K개의 버스들 중 1/b*K개의 버스들만이 상기 적어도 두 개의 전극 패턴 중 상기 제1 전극 패턴에 이웃하는 두번째 전극 패턴의 각 회절 존에서의 전극과 각각 연결되는,
    가변 광학 렌즈.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상은 상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제2 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상과 같은,
    가변 광학 렌즈.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제1 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상은 상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 제2 전극 패턴에 의해 생성된 위상 프로파일의 최대 위상과 다른,
    가변 광학 렌즈.
  15. 제1 항에 있어서,
    원형 구경을 가지며,
    상기 다수의 전극 요소들은 동심 링 형상의 전극 요소들을 포함하는,
    가변 광학 렌즈.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴은 렌즈 구경의 중앙부터 순차적으로 배열되는 P개의 전극 패턴으로 이루어지며,
    상기 렌즈 구경의 중앙에 가장 가까운 첫번째 전극 패턴의 각 회절 존의 전극 요소들의 개수는 K이며,
    p번째 전극 패턴의 m번째 회절 존 내에 있는 k번째 전극 요소의 반경 rpmk은 하기의 수학식으로 계산되는,
    가변 광학 렌즈.
    Figure pat00007

    여기서, Ap는 p번째 전극 패턴에서 최소 가능 최대 위상차(minimal possible maximal phase difference)를 나타내는 정수이고, mp는 p번째 전극 패턴의 회절 존의 번호, λ는 입사 광의 파장, h는 2π 라디안의 배수인 위상 프로파일의 높이이며, D는 가변 광학 렌즈의 최소 광 파워이다.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 전극 패턴 중 렌즈 구경의 중앙에 가까운 전극 패턴의 전극 요소의 폭보다 상기 렌즈 구경의 중앙으로부터 먼 쪽의 전극 패턴의 전극 요소의 폭이 더 넓은,
    가변 광학 렌즈.
  18. 제1 항에 있어서,
    다각형 구경을 가지며,
    상기 다수의 전극 요소들은 수직 스트라이프 형상 및 수평 스트라이프 형상 중 적어도 어느 한 형상의 전극 요소들을 포함하는,
    가변 광학 렌즈.
  19. 제1 항에 있어서,
    공통 전극; 및 적어도 하나의 기판;을 더 포함하는,
    가변 광학 렌즈.
  20. 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 따른 하나 또는 복수의 가변 광학 렌즈를 포함하는 전자 장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 전자 장치는 증강현실 시스템 또는 가상현실 시스템인,
    전자 장치.
  22. 제20 항에 있어서,
    가상 물체 이미지의 광을 출사하는 가상 물체 이미지 소스; 및
    상기 하나 또는 복수의 가변 광학 렌즈 및 상기 가상 물체 이미지 소스에 광학적으로 연결된 광 웨이브가이드;를 더 포함하는,
    전자 장치.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 상기 광 웨이브가이드의 실제 세계와 마주보는 면쪽에 배치되는,
    전자 장치.
  24. 제22 항에 있어서,
    상기 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 상기 광 웨이브 가이드와 사용자의 눈 사이에 배치되는,
    전자 장치.
  25. 제22 항에 있어서,
    상기 복수의 가변 광학 렌즈 중 하나는 상기 가상 물체 이미지 소스와 상기 광 웨이브가이드 사이에 배치되는,
    전자 장치.
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