KR20220085620A - 도파관형 디스플레이 장치 - Google Patents

도파관형 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20220085620A
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light
leakage
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이창건
문석일
성기영
신봉수
이홍석
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삼성전자주식회사
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Abstract

도파관형 디스플레이 장치를 제공한다. 본 도파관형 디스플레이 장치는 영상이 진행하는 도파관 및 영상 중 도파관에서 내부 전반사되지 않고 누설된 누설 영상을 체적 격자에 의해 외부로 방출되는 것을 감소시키는 누설 영상 감소기를 포함한다.

Description

도파관형 디스플레이 장치{waveguide type display apparatus}
본 개시는 도파관형 디스플레이 장치에 관한 것으로, 영상이 외부로 출력되는 것을 줄일 수 있는 도파관형 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 재생한다. 이러한 근안 디스플레이에서, 디스플레이 해상도 및 프로세싱은 중요하다.
근안 디스플레이 장치는 광원의 영상 정보를 매우 얇은 도파관과 광의 방향을 임의로 전향시켜주는 회절 광학 소자를 활용하기 때문에 작은 부피로 구현할 수 있다. 상기한 회절 광학 소자는 매우 얇게 구현이 가능하다는 특성 외에 특정 각도 및 파장으로 입사된 광에만 반응하는 광 선택성이 존재한다. 이러한 특성들을 활용하여 실제 물체의 광은 그대로 투과하며, 도파관 내로 진행한 광에만 반응하도록 설계하여 증강현실 디스플레이에 활용할 수 있다.
한편, 도파관 및 회절 광학 소자를 이용한 디스플레이 장치는 회절 광학 소자에 의해 고차항으로 회절된 광은 도파관의 표면을 통해 외부로 출력되어 발노이즈가 될 수 있다. 이러한 노이즈는 디자인적으로 저해 요소가 되며, 바깥쪽에 위치한 관찰자가 디스플레이 장치를 착용한 사용자의 영상을 볼 수 있기 때문에 사생활 침해의 요소로 작용할 수도 있다.
해결하고자 하는 과제는 도파관에서 외부로 누설되는 누설 영상, 즉 노이즈를 감소시키는 도파관형 디스플레이 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르는 도파관형 디스플레이 장치는, 제1 도파관; 상기 제1 도파관상에 배치되며, 영상을 상기 제1 도파관의 내부로 진행시키는 제1 커플러; 상기 제1 도파관상에 배치되며, 상기 제1 도파관을 진행하는 영상을 외부로 출력시키는 제2 커플러; 및 체적 격자를 포함하며, 상기 영상 중 상기 제1 도파관에서 내부 전반사되지 않고 누설된 누설 영상을 상기 체적 격자에 의해 상기 외부로 방출되는 것을 감소시키는 누설 영상 감소기;를 포함한다.
그리고, 상기 누설 영상 감소기는, 현실 환경으로부터 입사된 광을 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 제1 도파관 중 상기 제1 및 제2 커플러가 배치되지 않는 영역상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 누설 영상은, 상기 영상 중 상기 제1 및 제2 커플러 중 적어도 하나에 의해 회절됨으로써 생성된 2차 이상의 회절 차수를 갖는 광일 수 있다.
또한, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 누설 영상이 입사되면 상기 체적 격자 중 적어도 일부에 의해 상기 누설 영상의 입사각보다 큰 출사각으로 광을 방출하는 편향 소자;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 제1 도판관과 나란하게 배열된 제2 도파관;을 더 포함하고, 상기 편향 소자에서 출사된 광은 상기 제2 도파관에서 내부 전반사되어 진행할 수 있다.
또한, 상기 편향 소자는, 상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 편향 소자의 굴절률은 상기 제1 도파관의 굴절률 및 상기 제2 도파관의 굴절률보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제1 도파관, 제2 도파관 및 상기 편향 소자는 순차적으로 배열될 수 있다.
그리고, 상기 편향 소자는, 상기 제2 도파관을 사이에 두고 이격 배치되는 제1 및 제2 편향 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 제2 도파관상에 배치되는 광 흡수체;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광 흡수체의 흡광도는 80%이상일 수 있다.
또한, 상기 광 흡수체는, 상기 제2 도파관의 양단 중 적어도 하나의 단부에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 편향 소자에서 출사된 광은, 상기 제1 도파관에서 내부 전반사되어 진행할 수 있다.
또한, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 제1 도파관상에 배치되는 광 흡수체;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 편향 소자는 기준 광과 신호 광의 간섭에 의해 상기 체적 격자가 형성되며, 상기 편향 소자에 기록된 신호 광 중 상기 누설 영상과 반응한 신호 광이 출사되는 홀로그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 편향 소자는, 누설 영상의 파장보다 작은 치수를 갖는 나노 구조 어레이로 상기 체적 격자가 형성되며, 입사된 누설 영상의 진행 방향을 변경시키는 메타 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 누설 영상 감소기는, 상기 누설 영상 중 제1 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제1 누설 영상 감소기; 상기 누설 영상 중 제2 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제2 누설 영상 감소기; 및 상기 누설 영상 중 제3 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제3 누설 영상 감소기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 광 특성은 파장이 서로 다를 수 있다.
그리고, 상기 제1 내지 제3 광 특성을 갖는 광 각각은 적색광, 녹색광 및 청색광일 수 있다.
또한, 상기 누설 영상 감소기상에 배치되며, 상기 누설 영상을 상기 제1 도파관으로 재입사시키는 제3 커플러;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 커플러에 영상을 제공하는 영상 모듈;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도파관형 디스플레이 장치는 근안 디스플레이 장치일 수 있다.
본 개시에 따르면, 도파관으로부터 누설된 영상이 외부로 출력되는 것을 줄일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 도파관형 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자의 k-다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자에 기준광과 신호광을 기록하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 누설 영상의 입사에 따라 홀로그래픽 광학 소자에서 출력되는 신호광을 설명하는 참조도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 복수 개의 편향 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 광 결합기와 누설 영상 감소기가 도파관을 공유하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 복수 개의 누설 영상 감소기를 포함하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 누설 영상을 재사용하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 메타 물질의 일부를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치의 타입을 보여주는 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 다른 디스플레이 장치를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 기술적 내용을 구체화하기 위한 것일 뿐 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 해당 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 도파관형 디스플레이 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도파관형 디스플레이 장치(100)는 근안 디스플레이 장치가 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 디스플레이 장치(100)는 영상에 대응하는 광(이하 ‘영상’이라고 한다)을 제공하는 영상 모듈(110) 및 영상 모듈(110)에서 제공되는 영상과 현실 환경에서 발생된 광을 결합하여 제공하는 광 결합기(120)를 포함할 수 있다.
영상 모듈(110)은 영상을 제공할 수 있다. 영상 모듈(110)은 전기적 신호에 따라 영상을 출력할 수 있다. 영상 모듈(110)은, 예를 들어, LCD, LCoS(Liquid Crystal on Silicon), OLED 디스플레이, 또는 LED 디스플레이 등을 포함할 수 있다.
광 결합기(120)는 내부 전반사를 통해 영상을 진행시키고 외부 환경에 대한광을 투과시키는 제1 도파관(122), 영상 모듈(110)로부터의 영상을 제1 도파관(122)의 내부로 진행시키는 입력 커플러(124), 제1 도파관(122)을 진행하는 영상을 제1 도파관(122)의 외부로 출력시키는 출력 커플러(126)를 포함할 수 있다.
제1 도파관(122)은 전반사를 통해 영상을 진행시킬 수 있다. 제1 도파관(122)은 투명 부재, 예를 들어, 글래스나 투명 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.
입력 커플러(124)에 입사된 영상은 입력 커플러(124)에 의해 회절되어 제1 도파관(122)의 길이 방향, 예를 들어, y 방향을 따라 제1 도파관(122)의 내부를 진행하게 된다. 영상은 입력 커플러(124)에 수직 또는 경사지게 입사될 수 있다. 입력 커플러(124)는 입사된 영상을 회절시키는 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다.
제1 도파관(122)에서 진행한 영상이 출력 커플러(126)에 입사되면, 상기한 영상은 제1 도파관(122)의 외부에 있는 사용자의 눈으로 출력되게 된다. 출력 커플러(126)는, 입력 커플러(124)와 마찬가지로, 입사된 영상을 회절시키는 회절 광학 소자 또는 편향 소자(132)일 수 있다.
한편, 입력 커플러(124)에서 회절되어 제1 도파관(122) 내로 입사된 영상 중 일부는 제1 도파관(122)에서 내부 전반사되지 않고 제1 도파관(122)의 표면을 통해 외부로 출력될 수 있다. 마찬가지로 출력 커플러(126)에 입사된 광은 회절되어 사용자의 눈으로 입사될 수 있지만, 일부 광은 회절되어 사용자의 눈과 반대 방향으로 진행한 후 제1 도파관(122)의 표면을 통해 외부로 출력될 수 있다. 사용자의 눈과 반대 방향으로 진행하는 광은 고차항, 예를 들어 2차 이상의 회절 광일 수 있다.
제1 도파관(122) 중 사용자의 눈과 반대 방향으로 출력된 광은 영상 정보를 담고 있기 때문에 누설 영상이라고 칭할 수 있다. 사용자가 아닌 다른 관찰자가 상기한 누설 영상을 관찰할 수도 있다. 누설 영상은 다양한 편광 상태, 파장 및 방향 성분을 가지기 때문에 외부로 출력되는 것을 차단시키는데 어려움이 있다.
일 실시예에 따른 도파관형 디스플레이 장치(100)는 제1 도파관(122)의 표면을 통해 투과됨으로써 누설된 누설 영상이 외부로 출력되는 것을 감소시키는 누설 영상 감소기(130)를 더 포함할 수 있다. 누설 영상 감소기(130)는 누설 영상이 외부로 출력되는 것을 방지하는 반면 외부, 즉 현실 환경으로부터 입사된 광은 투과시킬 수 있다. 상기한 누설 영상 감소기(130)는 제1 도파관(122) 중 입력 커플러(124) 및 출력 커플러(126)가 배치되지 않는 영역상에 배치될 수 있다.
누설 영상 감소기(130)는 누설 영상의 입사각보다 큰 출력각으로 광을 출력시키는 편향 소자(132), 편향 소자(132)에서 출력된 광을 내부 전반사시켜 진행시키는 제2 도파관(134) 및 제2 도파관(134)에서 진행한 광을 흡수하는 광 흡수체(136)를 포함할 수 있다.
편향 소자(132)는 제1 도파관(122)과 제2 도파관(134) 사이에 배치될 수 있다. 편향 소자(132)는 제1 및 제2 도파관(134)의 굴절률보다 작을 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 도파관(134)에서 광은 내부 전반사되어 진행할 수 있다.
편향 소자(132)는 누설 영상이 입사되면 누설 영상의 입사각보다 큰 출력각으로 광을 출력할 수 있다. 편향 소자(132)는 홀로그래픽 광학 소자, 메타 물질, 편광판 등을 포함할 수 있다. 편향 소자(132)에서 출력된 광은 누설 영상 자체일 수 있고, 편향 소자(132)에 기록된 신호광 중 누설 영상과 반응한 신호광일 수도 있다. 편향 소자(132)는 입사각보다 큰 출력 각으로 광을 출력하는 바, 이하에서는 편향 소자(132)에서 출력된 광을 편향된 광이라고 칭할 수 있다.
제2 도파관(134)은 제1 도파관(122)과 나란하게 배열될 수 있다. 제1 도파관(122)의 표면이 사용자의 눈과 마주하는 내측 표면 및 외부와 마주하는 외측 표면으로 구분될 때, 제2 도파관(134)은 제1 도파관(122)이 외측 표면상에 배치될 수 있다. 제2 도판관도 제1 도파관(122)과 마찬가지로 투명 부재, 예를 들어, 글래스나 투명 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 편향 소자(132)에서 출력된 광은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사하여 제2 도파관(134)의 끝단으로 이동할 수 있다.
한편, 제2 도파관(134)의 양단 중 적어도 하나의 단부에는 광 흡수체(136)가 배치될 수 있다. 제2 도파관(134)을 진행한 광은 상기 광 흡수체(136)에 흡수되어 소멸됨으로써 누설 영상이 외부로 출력되는 것을 방지될 수 있다. 광 흡수체(136)의 흡광도는 80%이상일 수 있다. 광 흡수체(136)는 블랙 매트릭스 물질, 레진 폴리머 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
편향 소자(132)는 기준광과 신호광이 체적 격자로 형성되어 있는 홀로그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자에 기록된 신호광 중 누설 영상과 반응한 신호광이 출력될 수 있다. 신호광은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사될 수 있도록 누설 영상의 입사각보다 큰 출력각으로 홀로그래픽 광학 소자에서 출력될 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자는 물질의 두께 및 굴절률 등에 따라 파장 선택성 및 각도 선택성이 조절될 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자는 비휘발성(non-volatile) 물질일 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 광학 소자는 포토 폴리머(photo-polymer) 및 무기 결정(inorganic crystal) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자의 두께는 약 1mm 내지 약 10mm일 수 있다. 예를 들어, 두께가 약 3mm인 포토 폴리머에는 약 0.1nm의 대역폭을 갖는 기준광으로 약 500개 정도의 신호광이 기록될 수 있고, 두께가 약 5mm인 포토 폴리머에는 약 0.05nm의 대역폭을 갖는 기준광으로 약 500개 정도의 신호광이 기록될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자의 k-다이어그램을 나타내는 도면이다. 홀로그래픽 광학 소자에는 도 2에 도시된 바와 같은 격자 조건을 만족하도록 기준광과 신호광이 기록될 수 있다. 도 2에서 K ref 는 기준광의 진행 방향이고, K sig 는 신호광의 진행 방향을 나타낼 수 있다, 기준광과 신호광이 함께 홀로그래픽 광학 소자에 기록되면 홀로그래픽 광학 소자내에는 K gra 방향으로 체적 격자(Volume grating)가 형성될 수 있다.
이러한 체적 격자가 형성된 홀로그래픽 광학 소자에 누설 영상이 입사되면 홀로그래픽 광학 소자에 사전에 기록된 신호광 중 누설 영상과 반응한 신호광이 출력될 수 있다. 여기서 누설 영상과 반응한 신호광이라 함은 누설 영상과 동일한 기준광과 함께 기록된 신호광을 의미한다.
한편, 제2 도파관(134)에서 내부 전반사 조건을 만족하는 임계각으로 진행하는 광의 진행 방향을 K-reflected라고 할 때, 전반사되는 광이 홀로그래픽 광학 소자와 반응하지 않도록 체적 격자의 방향 K gra 과 임계각으로 진행하는 광의 진행 방향 K-reflected 은 나란하게 설계되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자는 기준광과 신호광을 이용하여 체적 격자가 사전에 형성되어 있을 수 있다. 기준광은 누설 영상의 광 특성 및 입사각에 따라 다양할 수 있는 반면, 각 기준광에 대응하는 신호광은 제2 도파관(134)에서 전반사될 수 있는 출력각을 가질 수 있다. 또한, 신호광의 광 특성은 기준광의 광 특성에 따라 다양할 수도 있고, 기준광의 광 특성과 무관하게 하나의 광 특성을 가질 수도 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학 소자에 기준광과 신호광을 기록하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 도 3a를 참조하면, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에는 누설 영상과 동일한 광 특성 및 입사각을 갖는 기준광을 이용하여 신호광을 기록할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 제1 입사각(θr1)으로 제1 기준광(Lr1)을 조사한 상태에서 신호광(Ls)을 조사할 수 있다. 신호광(Ls)의 입사각(θs)은 제1 기준광(Lr1)의 제1 입사각(θr1)보다 클 수 있다. 그러면, 제1 기준광(Lr1)과 신호광(Ls)은 체적 격자 형태로 기록됨으로써 신호광(Ls)이 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 기록될 수 있다. 기준광은 적색광, 청색광 및 녹색광 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기준광의 입사각을 변경시키면서 신호광을 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 기록할 수 있다. 기준광의 입사각이 변하더라도 신호광(Ls)의 입사각(θs)은 일정할 수 있다. 도 3a에서는 다양한 입사 각에 따른 N개의 기준광으로 신호광을 기록한다고 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 3b는 일 실시예에 따른 누설 영상의 입사에 따라 홀로그래픽 광학 소자에서 출력되는 신호광을 설명하는 참조도면이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 제1 입사각(θr1)으로 누설 영상(Li)이 입사될 수 있다. 제1 입사각(θr1)으로 입사된 누설 영상(Li)은 제1 입사각(θr1)으로 입사된 제1 기준광(Lr1)과 광 특성이 동일할 수 있다. 입사된 누설 영상(Li)은 신호광 중 제1 기준광(Lr1)과 함께 기록된 신호광(Ls)과 반응하고, 홀로그래픽 광학 소자는 상기한 신호광(Ls)을 출력할 수 있다. 출력된 신호광(Ls)의 출력각(θs)은 신호광(Ls)이 기록될 때의 입사각(θs)과 같고, 출력된 신호광(Ls)의 출력 방향은 신호광(Ls)이 기록될 때의 입사 방향과 같을 수 있다.
홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 제2 입사각(θr2)으로 누설 영상(Li)이 입사될 수 있다. 제2 입사각(θr2)으로 입사된 누설 영상(Li)은 제2 입사각(θr2)으로 입사된 제2 기준광(Lr2)과 광 특성이 동일할 수 있다. 입사된 누설 영상(Li)은 신호광 중 제2 기준광(Lr2)과 함께 기록된 신호광(Ls)과 반응하고, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 신호광(Ls)을 출력할 수 있다.
누설 영상의 입사 방향과 상관 없이 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에서 출력되는 신호광(Ls)의 출력각(θs)은 동일할 수 있다. 신호광(Ls)의 출력각(θs)은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사될 수 있는 각도일 수 있다. 그리하여, 신호광(Ls)은 누설 영상의 입사각과 상관없이 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되는 바, 외부로 출력되는 것이 감소될 수 있다.
한편, 신호광은 신호광이 기록될 때의 기준광과 같은 광 특성을 갖는 광에만 반응하여 출력할 뿐 광 특성이 다른 광에는 반응하지 않는다. 따라서, 외부에서 입사되는 광은 홀로그래픽 광학 소자와 반응하지 않고, 홀로그래픽 광학 소자를 투과할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 편향 소자(132)로서 투과형 홀로그래픽 광학 소자를 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 반사형 홀로그래픽 광학 소자도 편향 소자(132)로 이용될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 4의 디스플레이 장치(100a)의 누설 영상 감소기(130a)도 제2 도파관(134), 편향 소자(132) 및 광 흡수체(136)를 포함할 수 있다. 제2 도파관(134)은 제1 도파관(122)과 편향 소자(132) 사이에 배치될 수 있다. 제2 도파관(134)의 굴절률은 제1 도파관(122)의 굴절률 이하일 수 있고, 편향 소자(132)는 반사형일 수 있다.
제1 도파관(122)에서 진행하는 영상 중 제1 도파관(122)에서 내부 전반사되지 않고 제1 도파관(122)의 표면을 통해 누설된 누설 영상은 제1 도파관(122)의 외부, 즉, 제2 도파관(134)으로 입사될 수 있다. 누설 영상은 제2 도파관(134)으로 입사되면서 굴절될 수 있다.
누설 영상의 일부는 제2 도파관(134)에서 내부 전반사하여 제2 도파관(134)의 끝단으로 이동할 수 있다. 그리고, 제2 도파관(134)의 끝단에 배치된 광 흡수체(136)에 의해 흡수됨으로서 누설 영상이 외부로 출력되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 누설 영상의 또 다른 일부는 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되지 않고, 제2 도파관(134)의 표면을 투과할 수 있다. 제2 도파관(134)의 외측 표면에 배치되어 있는 편향 소자(132)는 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되지 않고 입사된 누설 영상과 반응하여 제2 도파관(134)에서 내부 전반사될 수 있는 편향된 광을 출력할 수 있다. 상기한 편향된 광은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되면서 제2 도파관(134)의 길이 방향으로 진행할 수 있다. 그리고, 제2 도파관(134)의 끝단에 배치된 광 흡수체(136)에 의해 흡수됨으로서 누설 영상이 외부로 출력되는 것이 방지될 수 있다.
도 4의 제2 도파관(134)은 제1 도파관(122)과 접하게 배치되어 있는 바, 제2 도파관(134)의 굴절률은 제1 도파관(122)의 굴절률보다 작을 수 있다. 편향 소자(132)는 누설 영상 중 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되지 않는 광에 대해서만 편향된 광을 출력하도록 제작될 수 있다. 그리하여, 편향 소자(132)의 체적 격자의 양을 줄일 수 있다.
편향 소자(132)는 투과형과 반사형 모두를 포함할 수도 있다. 도 5는 일 실시예에 따른 복수 개의 편향 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 편향 소자(132a, 132b)는 제2 도파관(134)을 사이에 두고 이격 배치되는 제1 및 제2 편향 소자(132a, 132b)를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 도파관(122)에서 누설된 누설 영상은 제1 편향 소자(132a)에 의해 편향되어 제2 도파관(134)으로 입사될 수 있다. 제1 편향 소자(132a)가 홀로그래픽 광학 소자인 경우, 제1 편향 소자(132a)에 의해 편향된 광은 홀로그래픽 광학 소자에 기록된 신호광 중 누설 영상과 반응한 신호광일 수 있다. 편향된 광은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되어 진행함으로써 광 흡수체(136)에 의해 흡수될 수 있다.
또한, 편향된 광 중 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되지 않고, 제2 도과판의 표면을 투과한 광은 제2 편향 소자(132b)의 의해 재차 편향되어 제2 도파관(134)으로 재입사될 수 있다. 제2 편향 소자(132b)에서 재차 편향된 광은 제2 도파관(134)에서 내부 전반사되어 진행함으로써 광 흡수체(136)에 의해 흡수될 수 있다. 제1 및 제2 편향 소자(132a, 132b)는 누설 영상에 대한 이중 필터의 기능을 수행할 수 있다.
누설 영상 감소기는 별도의 제2 도파관(132)을 포함하지 않고, 제1 도파관(122)을 이용할 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 광 결합기와 누설 영상 감소기가 도파관을 공유하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 1과 도 6를 비교하면, 편향 소자(132)는 제1 도파관(122)의 외측 표면상에 배치될 수 있다. 편향 소자(132)는 제1 도파관(122) 중 입력 커플러(124)와 출력 커플러(126)가 배치되지 않는 영역상에 배치될 수 있다. 광 흡수체(136)는 제1 도파관(122)의 단부에 배치될 수 있다.
편향 소자(132)는 제1 도파관(122)에서 내부 전반사되지 않고 투과되는 누설 영상을 편향시킬 수 있다. 편향된 광은 제1 도파관(122)으로 재입사되고 제1 도파관(122)에서 내부 전반사하여 제1 도파관(122)의 길이 방향으로 진행한 후 광 흡수체(136)에 의해 흡수될 수 있다.
누설 영상 감소기는 복수 개로 구성될 수 있다, 예를 들어, 누설 영상 감소기는 파장별로 반응하는 복수 개의 편향 소자를 포함할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 복수 개의 누설 영상 감소기를 포함하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 누설 영상 감소기(130c)는 누설 영상 중 제1 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제1 누설 영상 감소기(130-1), 누설 영상 중 제2 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제2 누설 영상 감소기(130-2) 및 누설 영상 중 제3 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제3 누설 영상 감소기(130-3)를 포함할 수 있다. 제1 광 특성을 갖는 광은 적색광이고, 제2 광 특성을 갖는 광은 녹색광 및 제3 광 특성을 갖는 광은 청색광일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다.
제1 내지 제3 누설 영상 감소기(130-1, 130-2, 130-3) 각각은 누설 영상의 특정 광 특성을 갖는 광과 반응하여 편향된 광을 출력하는 편향 소자(132) 및 편향 소자(132)에서 출력된 광을 내부 전반사시켜 일 방향으로 진행시키는 제2 도파관(134) 및 제2 도파관(134)을 진행한 광을 흡수하는 광 흡수체(136)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 누설 영상 감소기(130-1, 130-2, 130-3) 각각은 특정 광 특성을 갖는 누설 영상만을 외부로 출력되는 방지하는 바, 제1 내지 제3 누설 영상 감소기(130-1, 130-2, 130-3) 각각에 포함된 편향 소자(132)의 효율을 높일 수 있다.
도 7에서는 복수 개의 누설 영상 감소기는 파장별로 반응한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 복수 개의 누설 영상 감소기는 누설 영상의 입사각별로 반응할 수도 있다.
지금까지 누설 영상에 대응하는 편향된 광은 광 흡수체(136)에 의해 흡수된다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 누설 영상은 다시 제1 도파관(122)으로 입사되어 사용자의 눈으로 입사되는 영상이 되도록 할 수도 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 누설 영상을 재사용하는 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 광 결합기(120a)는 영상 모듈(110)에서 제공된 영상을 제1 도파관(122)으로 입사시키는 제1 입력 커플러(124a) 및 누설 영상 감소기(130)에서 출력된 광을 제1 도파관(122)으로 입사시키는 제2 입력 커플러(124b)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 도파판(122)에서 진행하는 영상을 사용자의 눈 방향으로 출력시키는 제1 출력 커플러(126)는 제1 도파관(122)상에 배치될 수 있고, 제2 도파관(134)에서 진행한 광을 광 결합기(120a)로 출력하는 제2 출력 커플러(138)는 누설 영상 감소기(130d)상에 배치될 수 있다.
제1 입력 커플러(124a)는 영상 모듈(110)에서 출력된 영상을 제1 도파관(122)으로 입사시키고, 영상은 제1 도파관(122)에서 내부 전반사하면서 제1 출력 커플러(126)를 통해 사용자의 눈으로 입사될 수 있다.
한편, 영상 중 제1 도파관(122)에서 내부 전반사하지 않고 투과된 영상인 누설 영상은 편향 소자(132)로 입사되고, 편향 소자(132)는 누설 영상에 대응하는 편향된 광을 제2 도파관(134)으로 출력할 수 있다. 상기한 편향된 광은 제2 도파관(134)을 내부 전반사한 후 제2 출력 커플러(138) 및 제2 입력 커플러(124b)를 통해 제1 도파관(122)으로 재입사함으로써 영상과 마찬가지로 사용자의 눈으로 입사될 수 있다.
누설 영상이 재사용되어야 하는 바, 편향 소자(132)는 누설 영상과 동일한 영상 정보를 갖는 편향된 광을 출력할 수 있도록 체적 격자가 형성되어 있을 수 있다. 즉, 누설 영상과 반응하여 출력된 편향된 광은 진행 방향만 다를 뿐 동일한 영상 정보를 갖는 바, 편향된 광은 회절된 누설 영상이라고 칭할 수 있다. 이와 같이 누설 영상을 재사용하는 바, 제1 도파관(122)을 진행하면서 누설 영상으로 인한 영상의 휘도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
지금까지 편향 소자(132)로서 홀로그래픽 광학 소자를 적용하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 편향 소자(132)는 복수의 나노구조(nanostructures)를 포함하는 나노구조 어레이(nanostructure array)가 배열됨으로써 체적 격자를 형성하는 메타 물질을 포함할 수 있다. 상기 나노구조 어레이는 서브파장(subwavelength) 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브파장(subwavelength)이란 사용되는 광 즉, 누설 영상의 파장보다 작은 치수를 의미한다.
나노구조의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예컨대, 두께, 가로, 세로, 또는 나노구조 간의 간격 중 적어도 어느 하나가 서브파장의 치수를 가질 수 있다. 메타 물질은 나노구조의 경계면에서 발생하는 광의 위상 변화를 조절하여 메타 물질을 통과하는 광의 진행 방향을 변화시킬 수 있다. 메타 물질을 구성하는 복수의 나노구조의 치수, 배열 방식 등에 따라, 메타 물질의 동작 파장 등 광학적 특성이 조절될 수 있다
메타 물질은 유전체(dielectric)로 형성될 수 있다. 금속 기반의 메타 물질의 경우, 가시광 영역인 400∼700 nm 파장 범위의 광에 대해서 손실(loss)이 큰 단점이 있다. 유전체 메타 물질은 가시광 영역에서도 큰 손실 없이 잘 작동할 수 있다. 메타 물질의 나노구조를 구성하는 유전체는, 예컨대, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 티타늄 산화물(TiOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 하프늄 산화물(HfOx) 등과 같은 유전물질일 수 있지만, 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 일 실시예에 따른 메타 물질의 일부를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 9a을 참조하면, 메타 물질은 유전체 메타 물질일 수 있고, 복수의 나노 구조(NS10)를 포함할 수 있다. 복수의 나노구조(NS10)는 이차원적으로 배열될 수 있다. 메타 물질의 제1 영역에서 제2 영역으로 가면서 나노구조(NS10)의 배열 방향이 점진적으로 변화될 수 있다. 복수의 나노구조(NS10)에서 발생하는 광의 위상 변화를 조절함으로써, 메타 물질을 통과하는 광의 진행 경로를 변화시킬 수 있다.
메타 물질을 구성하는 복수의 나노구조(NS10)의 형태 및 배열 방식은 다양하게 변화될 수 있다. 그 변형예들이 도 9b 및 도 9c에 도시되어 있다. 도 9b에서 복수의 나노구조(NS20)가 배열되고, 도 9c에서도 복수의 나노구조(NS30)가 배열된다. 메타 물질을 구성하는 복수의 나노구조의 형태, 치수, 배열 방식 등에 따라, 메타 물질의 특성이 달라질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노구조는 링(ring) 타입이나 부분 링 타입을 갖거나, H자 모양, I자 모양, U자 모양 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 메타 물질은 하나의 나노구조 어레이를 포함하거나, 적층된 복수의 나노구조 어레이를 포함할 수도 있다. 메타 물질에 누설 영상이 입사되면 누설 영상은 굴절, 회절, 투과 등을 통해 진행 방향이 변경되어 출력될 수 있다.
지금까지 기술한 도파관형 디스플레이 장치는 근안 디스플레이 장치가 될 수 있다. 일례로, 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)에 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(100)는 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)에 적용될 수 있다. 도 10은 일 실시예에 따른 근안 디스플레이 장치(100)의 타입을 보여주는 도면이다.
근안 디스플레이 장치는 스마트폰(smart phone)과 연동되어(혹은, 연결되어) 동작될 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 다른 디스플레이 장치를 나타내는 블록도이다. 도 11를 참조하면, 디스플레이 장치(100f)는 영상 모듈(110), 광 결합기(120), 누설 영상 감소기(130) 및 제1 통신부(140)를 포함하는 슬레이브(S)와 제2 통신부(150) 및 프로세서(160)를 포함하는 마스터(M)를 포함할 수 있다. 영상 모듈(110), 광 결합기(120), 누설 영상 감소기(130)는 전술하였는 바 구체적인 설명은 생략한다.
슬레이브(S)는 웨어러블 장치, 예를 들어, 헤드마운트 디스플레이 장치로 구현될 수 있고, 마스터(M)는 웨어러블 장치와 별도의 전자 장치로서, 휴대폰, 또는 컴퓨터 등일 수 있다.
제1 및 제2 통신부(140, 150)는 프로세서(160)의 제어 명령을 영상 모듈(100)에 제공할 수 있다. 제1 및 제2 통신부(140, 150)는 근거리 통신부(short-range wireless communication unit), 이동 통신부 등을 포함할 수 있다.
프로세서(160)의 영상 모듈(110)을 제어하는 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장 매체(computer-readable storage media)에 저장된 명령어를 포함하는 S/W 프로그램으로 구현될 수 있다. 컴퓨터는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 개시된 실시예에 따른 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
도파관형 디스플레이 장치의 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, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f: 디스플레이 장치
110: 영상 모듈
120: 광 결합기
122: 제1 도파관
124: 입력 커플러
126: 출력 커플러
130: 누설 영상 감소기
132: 편향 소자
134: 제2 도파관
136: 광 흡수체

Claims (23)

  1. 제1 도파관;
    상기 제1 도파관상에 배치되며, 영상을 상기 제1 도파관의 내부로 진행시키는 제1 커플러;
    상기 제1 도파관상에 배치되며, 상기 제1 도파관을 진행하는 영상을 외부로 출력시키는 제2 커플러; 및
    체적 격자를 포함하며, 상기 영상 중 상기 제1 도파관에서 내부 전반사되지 않고 누설된 누설 영상을 상기 체적 격자에 의해 상기 외부로 방출되는 것을 감소시키는 누설 영상 감소기;를 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    현실 환경으로부터 입사된 광을 투과시키는 도파관형 디스플레이 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 제1 도파관 중 상기 제1 및 제2 커플러가 배치되지 않는 영역상에 배치되는 도파관형 디스플레이 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상은,
    상기 영상 중 상기 제1 및 제2 커플러 중 적어도 하나에 의해 회절됨으로써 생성된 2차 이상의 회절 차수를 갖는 광인 도파관형 디스플레이 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 누설 영상이 입사되면 상기 체적 격자 중 적어도 일부에 의해 상기 누설 영상의 입사각보다 큰 출사각으로 광을 방출하는 편향 소자;를 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 제1 도판관과 나란하게 배열된 제2 도파관;을 더 포함하고,
    상기 편향 소자에서 출사된 광은 상기 제2 도파관에서 내부 전반사되어 진행하는 도파관형 디스플레이 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 편향 소자는,
    상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관 사이에 배치되는 도파관형 디스플레이 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 편향 소자의 굴절률은
    상기 제1 도파관의 굴절률 및 상기 제2 도파관의 굴절률보다 작은 도파관형 디스플레이 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 도파관, 제2 도파관 및 상기 편향 소자는 순차적으로 배열된 도파관형 디스플레이 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 편향 소자는,
    상기 제2 도파관을 사이에 두고 이격 배치되는 제1 및 제2 편향 소자를 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 제2 도파관상에 배치되는 광 흡수체;를 더 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 광 흡수체의 흡광도는 80%이상인 도파관형 디스플레이 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 광 흡수체는,
    상기 제2 도파관의 양단 중 적어도 하나의 단부에 배치되는 도파관형 디스플레이 장치.
  14. 제 5항에 있어서,
    상기 편향 소자에서 출사된 광은,
    상기 제1 도파관에서 내부 전반사되어 진행하는 도파관형 디스플레이 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 제1 도파관상에 배치되는 광 흡수체;를 더 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  16. 제 5항에 있어서,
    상기 편향 소자는
    기준 광과 신호 광의 간섭에 의해 상기 체적 격자가 형성되며, 상기 편향 소자에 기록된 신호 광 중 상기 누설 영상과 반응한 신호 광이 출사되는 홀로그래픽 광학 소자를 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  17. 제 5항에 있어서,
    상기 편향 소자는,
    누설 영상의 파장보다 작은 치수를 갖는 나노 구조 어레이로 상기 체적 격자가 형성되며, 입사된 누설 영상의 진행 방향을 변경시키는 메타 물질을 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기는,
    상기 누설 영상 중 제1 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제1 누설 영상 감소기;
    상기 누설 영상 중 제2 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제2 누설 영상 감소기; 및
    상기 누설 영상 중 제3 광 특성을 갖는 광이 외부로 방출되는 것을 감소시키는 제3 누설 영상 감소기;를 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  19. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 광 특성은 파장이 서로 다른 도파관형 디스플레이 장치.
  20. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 광 특성을 갖는 광 각각은 적색광, 녹색광 및 청색광인 도파관형 디스플레이 장치.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 누설 영상 감소기상에 배치되며, 상기 누설 영상을 상기 제1 도파관으로 재입사시키는 제3 커플러;를 더 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  22. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 커플러에 영상을 제공하는 영상 모듈;을 더 포함하는 도파관형 디스플레이 장치.
  23. 제 13항에 있어서,
    상기 도파관형 디스플레이 장치는 근안 디스플레이 장치인 도파관형 디스플레이 장치.
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