KR20220107753A - 시력 보정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
시력 보정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 디스플레이 장치는, 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 관찰자의 시력을 보정하는 시력 보정 렌즈; 상기 가상 영상 및 상기 시력 보정 렌즈를 통과한 외부 풍경을 담은 빛을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너; 및 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추는 가상 영상 위치 설정기;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 시력 보정 렌즈와 관찰자의 눈 사이에 배치될 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 시력 보정 렌즈를 포함하며 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞출 수 있는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
가상 현실 (Virtual reality, VR)을 제공하는 헤드 마운트 디스플레이는 현재 상용화 단계에 이르러 엔터테인먼트 산업에 널리 적용되고 있는 추세이다. 이와 더불어 의료, 교육, 산업 분야에서 응용이 가능한 형태로 발전하고 있다.
가상 현실 디스플레이의 발전된 형태인 증강 현실(Augmented reality, AR) 디스플레이는 현실 세계와 가상 현실을 결합해주는 영상 장치로 현실과 가상 사이의 상호 작용을 이끌어 낼 수 있는 특징을 가진다. 현실과 가상 현실의 상호 작용은 현실 상황에 대하여 실시간으로 정보를 제공하는 기능을 기반으로 하며, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.
시력 보정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 조절하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치; 관찰자의 시력을 보정하는 시력 보정 렌즈; 상기 가상 영상 및 상기 시력 보정 렌즈를 통과한 외부 풍경을 담은 빛을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너; 및 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추는 가상 영상 위치 설정기;를 포함하며, 상기 컴바이너는 상기 시력 보정 렌즈와 관찰자의 눈 사이에 배치될 수 있다.
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 시력 보정 렌즈에 의해 보정된 외부 풍경 내의 물체의 깊이와 상기 가상 영상 평면의 깊이를 일치시킬 수 있다.
상기 가상 영상 위치 설정기는, 관찰자의 눈이 근시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리에 상기 가상 영상 평면을 위치시키고, 관찰자의 눈이 정상시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리보다 먼 제2 거리에 상기 가상 영상 평면을 위치시키고, 관찰자의 눈이 원시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제2 거리보다 먼 제3 거리에 가상 영상 평면을 위치시킬 수 있다.
상기 시력 보정 렌즈는 음(-)의 굴절력을 갖는 렌즈, 0의 굴절력을 갖는 평판, 또는 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈일 수 있다.
상기 가상 영상 위치 설정기는: 상기 영상 형성 장치와 상기 컴바이너 사이에 배치된 포커싱 광학계; 상기 영상 형성 장치와 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 조절하는 구동 장치; 및 상기 구동 장치를 제어하는 프로세서;를 포함하며, 상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절하고, 상기 가상 영상 평면의 깊이는 상기 영상 형성 장치와 상기 포커싱 광학계 사이에서 상기 영상 형성 장치의 위치에 의해 결정될 수 있다.
상기 영상 형성 장치는 상기 포커싱 광학계의 물체측 초점과 상기 포커싱 광학계 사이에서 상기 포커싱 광학계의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치될 수 있다.
상기 구동 장치는 전기적 제어에 의해 동작하는 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 구동 장치는 상기 액추에이터를 고정하는 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 지지대는 상기 액추에이터의 위치를 조절하도록 이동 가능하게 배치될 수 있다.
상기 프로세서는 미리 결정된 불연속적인 복수의 위치에 관한 정보를 저장하며, 관찰자의 눈의 상태에 따라 상기 복수의 위치 중 하나의 위치에 상기 영상 형성 장치가 배치되도록 상기 구동 장치를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 관찰자의 눈의 상태에 따라 상기 영상 형성 장치의 위치를 연속적으로 변화시키도록 상기 구동 장치를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 결정된 가상 영상 평면의 깊이를 기준으로 상기 가상 영상의 깊이 정보에 따라 상기 영상 형성 장치의 위치를 추가적으로 조절하도록 상기 구동 장치를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 가상 영상에 관한 정보를 담은 광변조 신호를 상기 영상 형성 장치에 제공할 수 있다.
상기 영상 형성 장치는, 가간섭성 조명광을 방출하는 광원; 및 상기 조명광을 회절 및 변조시켜 홀로그래픽 영상을 생성하는 공간 광변조기;를 포함할 수 있다.
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상의 영상 정보 및 상기 가상 영상의 깊이 정보를 담은 CGH(computer generated hologram) 신호를 생성하여 상기 영상 형성 장치에 제공하는 프로세서를 포함하며, 상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절할 수 있다.
상기 프로세서는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 상기 가상 영상 평면의 깊이를 결정하고, 결정된 가상 영상 평면의 깊이에 따라 CGH 신호를 변경할 수 있다.
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 영상 형성 장치와 상기 컴바이너 사이에 배치되어 관찰자의 눈의 상태와 관계 없이 모든 깊이에서 초점이 맞도록(in focus) 가상 영상을 전달하는 포커싱 광학계를 포함할 수 있다.
상기 영상 형성 장치는 상기 포커싱 광학계의 물체측 초점에 위치할 수 있다.
일 예에서, 상기 컴바이너는 상기 영상 형성 장치에서 형성된 가상 영상을 관찰자의 눈을 향해 반사하고 상기 시력 보정 렌즈를 통과한 외부 풍경을 담은 빛을 관찰자의 눈을 향해 투과시키는 빔스플리터일 수 있다.
다른 예에서, 상기 컴바이너는 입력 커플러 및 출력 커플러를 구비하는 도광판일 수 있다.
상기 영상 형성 장치는 상기 도광판의 입력 커플러에 대응하는 위치에 배치되며 상기 시력 보정 렌즈는 상기 도광판의 출력 커플러에 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
상기 출력 커플러는 상기 도광판의 내부에서 상기 출력 커플러에 경사지게 입사하는 빛을 상기 도광판의 외부로 출력시키고 상기 출력 커플러에 수직하게 입사하는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치에서, 시력 보정 렌즈는 디스플레이 장치의 외측에 위치하고 컴바이너는 관찰자의 눈 쪽에 위치한다. 이러한 실시예에 따르면, 관찰자는 시력 보정 렌즈를 통해 외부 풍경을 볼 수 있으며, 가상 영상은 시력 보정 렌즈에 의한 영향을 받지 않는다. 따라서, 가상 영상의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절하기가 쉽다. 또한, 컴바이너가 디스플레이 장치의 외측에 위치하고 시력 보정 렌즈가 관찰자의 눈 쪽에 위치하는 경우에 비하여, 컴바이너가 관찰자의 눈에 가까이 위치하기 때문에 넓은 시야각(FOV, field of view)을 확보할 수 있다. 또한, 컴바이너가 디스플레이 장치의 외측에 위치하는 경우에는, 디스플레이 장치의 외부에서 컴바이너가 보이지 않도록 추가적인 케이스 디자인이 필요하며 이로 인한 디스플레이 장치의 단가와 무게가 증가하지만, 실시예에 따른 디스플레이 장치에서는 컴바이너가 보이지 않도록 하기 위한 추가적인 케이스 디자인이 필요하지 않다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 2 내지 도 5는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상 평면의 깊이를 조절하는 예들을 개념적으로 보인다.
도 6a 및 도 6b는 영상 형성 장치의 위치 변화에 따른 가상 영상 평면의 깊이 변화를 예시적으로 보인다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 구동 장치의 예시적인 구성과 동작을 개략적으로 보인다.
도 8은 다른 실시예에 따른 구동 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보인다.
도 9는 가상 영상 평면의 깊이와 관찰자 눈의 수렴 거리 사이의 차이가 소정 범위 내에 있으면 관찰자가 물체를 선명하게 볼 수 있음을 보이는 그래프이다.
도 10은 도 9의 그래프를 고려하여 가상 영상 평면의 깊이를 불연속적인 복수의 대표 깊이 값으로 설정한 예를 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 14 내지 도 16은 실시예들에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 채용한 다양한 전자기기를 도시한다.
도 2 내지 도 5는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상 평면의 깊이를 조절하는 예들을 개념적으로 보인다.
도 6a 및 도 6b는 영상 형성 장치의 위치 변화에 따른 가상 영상 평면의 깊이 변화를 예시적으로 보인다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 구동 장치의 예시적인 구성과 동작을 개략적으로 보인다.
도 8은 다른 실시예에 따른 구동 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보인다.
도 9는 가상 영상 평면의 깊이와 관찰자 눈의 수렴 거리 사이의 차이가 소정 범위 내에 있으면 관찰자가 물체를 선명하게 볼 수 있음을 보이는 그래프이다.
도 10은 도 9의 그래프를 고려하여 가상 영상 평면의 깊이를 불연속적인 복수의 대표 깊이 값으로 설정한 예를 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다.
도 14 내지 도 16은 실시예들에 따른 홀로그래픽 디스플레이 장치를 채용한 다양한 전자기기를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 시력 보정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치(130), 영상 형성 장치(130)에서 형성된 가상 영상과 외부 풍경을 담은 빛을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너(combiner)(110), 영상 형성 장치(130)와 컴바이너(110) 사이의 거리를 조절하는 구동 장치(150), 표시될 가상 영상의 깊이 정보에 따라 영상 형성 장치(130)와 구동 장치(150)를 제어하는 프로세서(160), 및 관찰자의 시력을 보정하는 시력 보정 렌즈(120)를 포함할 수 있다.
영상 형성 장치(130)는 관찰자에게 제공할 가상 영상에 대한 영상 정보에 따라 광을 변조하여 가상 영상을 형성한다. 영상 형성 장치(130)에서 형성되는 가상 영상은, 예컨대, 관찰자의 좌안과 우안에 각각 제공되는 스테레오(stereo) 영상일 수도 있고, 또는 홀로그래픽 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있으며, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수도 있다. 또한, 영상 형성 장치(130)에서 형성되는 가상 영상은 이에 한정되지 않으며 일반적인 2차원 영상일 수도 있다.
영상 형성 장치(130)는, 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수도 있다. 영상 형성 장치(130)가 OLED 디스플레이 소자, Micro LED 등과 같이 자체 발광형 디스플레이 소자인 경우, 영상 형성 장치(130)는 단지 하나의 디스플레이 패널만을 포함할 수 있다. 그러나, 영상 형성 장치(130)가 LCoS 소자, LCD 소자 등과 같이 비발광형인 경우, 영상 형성 장치(130)는 조명광을 제공하는 광원 및 조명광의 경로를 조절하기 위한 빔스플리터 등을 더 포함할 수 있다.
컴바이너(110)는 영상 형성 장치(130)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L10)을 관찰자의 눈에 전달할 뿐 아니라, 이와 함께 관찰자 전방(front)의 외부의 풍경을 담은 광(L20)도 관찰자의 눈에 전달할 수 있다. 예를 들어, 컴바이너(110)는 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 빔스플리터일 수 있다. 영상 형성 장치(130)에서 형성된 가상 영상을 담은 광(L10)이 편광 특성을 갖는다면, 컴바이너(110)는 편광 방향에 따라 입사광을 투과 또는 반사하는 편광 빔스플리터일 수도 있다. 이러한 컴바이너(110)는 가상 영상을 담은 광(L10)을 관찰자의 눈의 향해 반사하고 외부의 풍경을 담은 광(L20)을 관찰자의 눈의 향해 투과시킬 수 있다.
외부의 광(L20)은 별도의 디스플레이 소자에 의해 표시되는 인공적인 영상이 아니라, 관찰자의 정면에 존재하는 실제 전경을 담고 있다. 따라서, 관찰자는 영상 형성 장치(130)에서 인공적으로 생성된 가상 영상과 실제 전경을 함께 동시에 인지할 수 있다. 이에 따라 디스플레이 장치(100)는 투시형(see-through type) 디스플레이로 기능할 수 있게 된다. 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용될 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 근안(near-eye) AR 디스플레이 장치일 수 있다.
또한, 컴바이너(110)는 도 1에 도시된 형상 및 구성에 한정되지 않는다. 영상 형성 장치(130)에서 형성된 영상을 관찰자 전방의 실사(real environment) 영상과 함께 관찰자의 동공에 전달하기 위한 추가적인 광학 소자가 더 구비될 수 있고, 다양한 형상, 구조의 광학 윈도우가 채용될 수 있다.
디스플레이 장치(100)는 가상 영상을 포커싱하는 포커싱 광학계(140)를 더 포함할 수 있다. 도 1에는 포커싱 광학계(140)가 단순히 하나의 렌즈로만 표시되었지만, 수차 및 왜곡을 보상하기 위해 포커싱 광학계(140)는 복수의 렌즈들을 포함할 수도 있다. 포커싱 광학계(140)는 외부의 풍경을 담은 광(L20)에 영향을 주지 않는 가상 영상을 담은 광(L10)의 경로 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 포커싱 광학계(140)는 영상 형성 장치(130)와 컴바이너(110) 사이에 배치될 수 있다. 그러면 관찰자는 전방의 소정의 위치에 있는 가상 영상 평면(virtual image plane)(VP)에 형성된 허상을 인지하며, 가상 영상 평면(VP)의 위치에 따라 관찰자가 느끼는 깊이감은 차이가 있다.
본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 가상 영상 평면(VP)의 위치가 하나의 값으로 고정되는 것이 아니라 표시될 가상 영상의 깊이감을 반영하여 가상 영상 평면(VP)의 위치를 변경할 수 있다. 이를 위하여, 디스플레이 장치(100)는 영상 형성 장치(130)의 위치를 변경하기 위한 구동 장치(150)를 포함할 수 있다. 구동 장치(150)는 영상 형성 장치(130)와 포커싱 광학계(140) 사이의 거리가 가변되도록 영상 형성 장치(130)를 평행 이동시킬 수 있다. 그러면, 영상 형성 장치(130)의 위치가 A1 방향을 따라 가변될 때, 가상 영상 평면(VP)의 위치는 A2 방향을 따라 가변될 수 있다. 예를 들어, 영상 형성 장치(130)가 포커싱 광학계(130)로부터 멀어지면 관찰자가 느끼는 가상 영상의 깊이는 가상 영상 평면(VP)으로부터 가상 영상 평면(VP')로 깊어질 수 있다. 다시 말해 가상 영상 평면(VP)으로부터 가상 영상 평면(VP')로 관찰자에게서 가상 영상이 멀어질 수 있다. 반대로, 영상 형성 장치(130)가 포커싱 광학계(130)에 가까워지면 가상 영상이 관찰자에게 가까워질 수 있다.
프로세서(160)는 관찰자에게 인지되는 가상 영상과 관련된 가상 영상의 정보에 따라 영상 형성 장치(130)에 전송될 광변조 신호(SG1) 및 구동 장치(150)에 전송될 구동 신호(SG2)를 생성할 수 있다. 프로세서(160)에서 생성된 광변조 신호(SG1) 및 구동 신호(SG2)에 의해 영상 형성 장치(130) 및 구동 장치(150)가 각각 제어될 수 있다. 예를 들어, 영상 형성 장치(130)는 프로세서(160)로부터 제공된 광변조 신호(SG1)를 기초로 가상 영상을 형성한다. 그리고, 구동 장치(150)는, 영상 형성 장치(130)에서 형성되는 가상 영상의 깊이에 맞추어 가상 영상 평면(VP)이 위치하도록, 프로세서(160)로부터 제공된 구동 신호(SG2)를 기초로 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절한다. 이를 위하여, 프로세서(160)는 영상 형성 장치(130)에 전송되는 광변조 신호(SG1)에 포함된 가상 영상의 깊이 정보를 기초로 영상 형성 장치(130)와 포커싱 광학계(130) 사이의 거리를 결정하여 구동 신호(SG2)를 생성할 수 있다.
영상 정보는 관찰자에게 제공할 복수 프레임의 가상 영상 각각에 대해, 복수의 화소의 컬러값과 관련된 화소별 데이터를 포함하며, 이와 함께 각각의 가상 영상이 결상되는 가상 영상 평면(VP)의 위치와 연동되는 깊이 정보를 포함할 수 있다. 프로세서(160)는 영상 정보에 포함된 화소별 데이터를 참조하여 정해진 컬러값이 구현되는 전기 신호를 광변조 신호(SG1)로서 생성할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 깊이 정보를 참조하여 설정된 대표 깊이 값에 대응하는 위치에 가상 영상 평면(VP)이 형성되도록 영상 형성 장치(130)를 위치시키기 위한 구동 신호(SG2)를 생성할 수 있다. 이렇게 프로세서(160)에서 생성된 광변조 신호(SG1)와 구동 신호(SG2)가 영상 형성 장치(130)와 구동 장치(150)에 각각 전송되면, 가상 영상의 깊이에 대응하는 가상 영상 평면(VP)의 위치로부터 관찰자가 영상을 인지할 수 있다.
한편, 구동 장치(150)의 구동을 위한 구동 신호(SG2)는 광변조 신호(SG1)보다 소정의 시간만큼 지연되어 전송될 수 있다. 예를 들어, 소정의 지연 시간은 관찰자의 눈의 수렴-조절(accommodation-vergence) 시간 이상으로 설정될 수 있다. 이는 사람의 눈이 변경된 깊이 위치의 영상을 인지할 때 소요되는 시간을 고려한 것이다.
시력 보정 렌즈(120)는 관찰자의 시력을 보정하기 위하여 굴절력을 가질 수 있다. 예를 들어, 시력 보정 렌즈(120)는 관찰자의 눈이 근시인 경우에 음(-)의 굴절력을 갖는 오목 렌즈이고 관찰자의 눈의 원시인 경우에 양(+)의 굴절력을 갖는 볼록 렌즈일 수 있다. 또한, 관찰자의 눈이 정상시인 경우, 시력 보정 렌즈(120)는 굴절력이 없는 평판일 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시력 보정 렌즈(120)는 디스플레이 장치(100)의 외측에 위치하고 컴바이너(110)는 관찰자의 눈 쪽에 위치한다. 다시 말해, 컴바이너(110)는 시력 보정 렌즈(120)와 관찰자의 눈 사이에 배치될 수 있다. 따라서 컴바이너(110)는 시력 보정 렌즈(120)를 먼저 통과한 외부의 풍경을 담은 빛(L20)을 관찰자의 눈을 향해 투과시킨다. 반면, 가상 영상을 담은 광(L10)은 시력 보정 렌즈(120)를 지나가지 않는다.
이러한 본 실시예에 따르면, 컴바이너가 디스플레이 장치의 외측에 위치하고 시력 보정 렌즈가 관찰자의 눈 쪽에 위치하는 경우에 비하여, 컴바이너(110)가 관찰자의 눈에 가까이 위치하기 때문에 넓은 시야각(FOV, field of view)을 확보할 수 있다. 또한, 컴바이너가 디스플레이 장치의 외측에 위치하는 경우에는, 디스플레이 장치의 외부에서 컴바이너가 보이지 않도록 추가적인 케이스 디자인이 필요하며 이로 인한 디스플레이 장치의 단가와 무게가 증가한다. 반면, 본 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)에서는 시력 보정 렌즈(120)에 의해 컴바이너(110)가 가려지기 때문에 컴바이너(110)가 보이지 않도록 하기 위한 추가적인 케이스 디자인이 필요하지 않다.
또한, 관찰자는 시력 보정 렌즈(120)를 통해 외부 풍경을 선명하게 볼 수 있다. 한편, 관찰자는 시력 보정 렌즈(120)를 통하지 않고 맨눈으로 가상 영상을 보게 된다. 가상 영상이 시력 보정 렌즈(120)에 의한 영향을 받지 않기 때문에, 가상 영상 평면(VP)의 위치를 결정하기가 쉽다. 더욱이, 근시, 원시, 노안과 같은 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상 평면의 깊이를 조절하기가 쉽다. 반면, 컴바이너가 디스플레이 장치의 외측에 위치하면, 노안인 관찰자의 눈 가까이에 가상 영상을 표현할 경우에 초점을 제대로 맞추기 어렵다.
예를 들어, 도 2 내지 도 5는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상 평면의 깊이를 조절하는 예들을 개념적으로 보인다.
먼저, 근시 또는 근시형 노안인 관찰자는 멀리 있는 물체를 보기 위해서는 근시 안경을 착용하고 가까이에 있는 물체를 볼 경우에는 안경을 벗어야 한다. 따라서 관찰자가 근시 또는 근시형 노안인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 프로세서(160)와 구동 장치(150)는 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절하여 가상 영상 평면(VP)을 눈 가까이에 위치시킬 수 있다. 그러면 관찰자는 가상 영상은 맨눈을 통해, 외부 풍경은 시력 보정 렌즈(120)를 통해 선명하게 볼 수 있다.
이러한 방식으로 가상 영상의 깊이를 조절하면 시각 피로가 생기지 않을 수 있다. 도 3을 참조하면, 시력 보정 렌즈(120)로서 오목 렌즈를 사용하면, 오목 렌즈에 의해 원거리에 있는 실제 외부 풍경 속 물체는 눈 가까이 있게 된다. 프로세서(160)와 구동 장치(150)는 시력 보정 렌즈(120)에 의해 보정된 외부 풍경 속 물체의 깊이와 거의 동일한 깊이에 가상 영상 평면(VP)을 위치시킬 수 있다. 따라서, 가상 영상의 깊이와 외부 풍경 속 물체의 깊이가 거의 동일하기 때문에 가상 영상과 외부 풍경 속 물체에 대한 눈의 수렴-조절(accommodation-vergence) 불일치가 없어서 시각 피로가 발생하지 않는다.
또한, 정시형 노안인 관찰자는 평상시에는 안경을 착용하지 않고 가까이에 있는 물체를 볼 때 돋보기 안경을 착용한다. 이 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 프로세서(160)와 구동 장치(150)는 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절하여 관찰자의 눈으로부터 대략 1 m 거리에 가상 영상 평면(VP)을 위치시킬 수 있다. 관찰자는 외부 풍경을 굴절력이 없는 평판형 시력 보정 렌즈(120)를 통해서 보고, 대략 1 m 거리에 형성된 가상 영상을 맨눈으로 볼 수 있다.
또한, 원시 및 원시형 노안인 관찰자는 양의 굴절력을 갖는 볼록 렌즈를 착용한다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 정시형 노안인 경우보다 관찰자의 눈으로부터 더 멀리 가상 영상 평면(VP)을 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)와 구동 장치(150)는 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절하여 관찰자의 눈으로부터 대략 2~3 m 거리에 가상 영상 평면(VP)을 위치시킬 수 있다.
이와 같이, 관찰자가 시력 보정 렌즈(120)를 통해 실제 풍경 속 물체를 보는 동안, 프로세서(160)와 구동 장치(150)는 관찰자의 눈의 상태에 따라 관찰자가 맨눈으로 시청 가능한 범위 내에서 가상 영상 평면(VP)의 위치를 가변할 수 있다. 이러한 점에서, 프로세서(160), 구동 장치(150), 및 포커싱 렌즈(140)는 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추는 가상 영상 위치 설정기의 역할을 할 수 있다. 가상 영상 위치 설정기는 시력 보정 렌즈(120)에 의해 보정된 외부 풍경 내의 물체의 깊이와 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 일치시킬 수 있다. 예를 들어, 가상 영상 위치 설정기는 관찰자의 눈이 근시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리에 가상 영상 평면(VP)을 위치시키고, 관찰자의 눈이 정상시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리보다 먼 제2 거리에 가상 영상 평면(VP)을 위치시키고, 관찰자의 눈이 원시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제2 거리보다 먼 제3 거리에 가상 영상 평면(VP)을 위치시킬 수 있다.
한편, 표시될 가상 영상의 깊이 정보에 따른 깊이 표현은, 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 결정된 가상 영상 평면(VP)의 위치를 기준으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 눈이 근시인 경우에, 관찰자의 눈으로부터 제1 거리를 중심으로 가상 영상의 깊이를 표현할 수 있다. 다시 말해, 깊이가 깊은 가상 영상은 제1 거리보다 멀리 형성하고 깊이가 얕은 가상 영상은 제1 거리보다 가까이 형성할 수 있다. 마찬가지로, 관찰자의 눈이 정상시인 경우에는 제2 거리를 중심으로 가상 영상의 깊이를 표현하고, 원시인 경우에는 제3 거리를 중심으로 가상 영상의 깊이를 표현할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)는 결정된 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 기준으로 가상 영상의 깊이 정보에 따라 영상 형성 장치(130)의 위치를 추가적으로 조절하도록 구동 장치(150)를 제어할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 영상 형성 장치(130)의 위치 변화에 따른 가상 영상 평면(VP)의 깊이 변화를 예시적으로 보인다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 영상 형성 장치(130)는 포커싱 광학계(140)의 물체측 초점(f0)과 포커싱 광학계(140) 사이에서 포커싱 광학계(140)의 광축(OX) 방향을 따라 이동 가능하게 배치될 수 있다. 영상 형성 장치(130)가 포커싱 광학계(140)의 물체측 초점(f0)과 포커싱 광학계(140) 사이에 배치되면 포커싱 광학계(140)의 물체측에 정립 허상이 형성된다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 영상 형성 장치(130)가 포커싱 광학계(140)의 물체측 초점(f0)에 가까워질수록 정립 허상이 형성되는 가상 영상 평면(VP)의 위치가 포커싱 광학계(140)로부터 멀어지고, 영상 형성 장치(130)가 포커싱 광학계(140)에 가까워질수록 가상 영상 평면(VP)의 위치가 포커싱 광학계(140)에 가까워진다. 이와 같이, 가상 영상 평면(VP)의 깊이는 영상 형성 장치(130)와 포커싱 광학계(140) 사이에서 영상 형성 장치(130)의 위치에 의해 결정될 수 있다.
이러한 현상은 1/a + 1/b = 1/f로 표현되는 렌즈의 초점 공식에 의해 설명될 수 있다. 여기서, a는 물체와 렌즈 사이의 거리, b는 상과 렌즈 사이의 거리, f는 렌즈의 초점 거리이다. a가 f보다 작으면 b는 음수가 되며, b가 음수이면 렌즈에 대해 물체측에 정립 허상이 형성된다. 또한, a와 f가 매우 가까우면, a의 값이 조금만 변하더라도 b의 값이 크게 변화한다. 따라거, 포커싱 광학계(140)의 물체측 초점(f0) 근처에서 영상 형성 장치(130)의 변위가 작더라도, 가상 영상 평면(VP)의 위치는 크게 변화할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에는 편의상 가상 영상 평면(VP)이 포커싱 광학계(140)의 광축(OX)을 따라 이동하는 것으로 표시하였다. 그러나, 가상 영상이 컴바이너(110)에 의해 90도 반사되어 관찰자의 눈에 입사하기 때문에, 관찰자의 눈에는 포커싱 광학계(140)의 광축(OX) 방향에 수직한 정면 방향으로 가상 영상의 깊이가 변화하는 것으로 보이게 된다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 구동 장치(150)의 예시적인 구성과 동작을 개략적으로 보인다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 구동 장치(150)는 전기적 제어에 의해 동작하는 액추에이터(151) 및 액추에이터(151)를 고정하여 지지하는 지지대(152)를 포함할 수 있다. 액추에이터(151)의 일측에 영상 형성 장치(130)가 배치되어 있으며 액추에이터(151)의 움직임에 따라 영상 형성 장치(130)의 위치가 변할 수 있다.
예를 들어, 액추에이터(151)는 서로 반대 방향으로 볼록하게 만곡된 곡면을 갖는 2개의 탄성 브릿지 및 2개의 탄성 브릿지의 양단 사이에 고정된 가변 길이 소자를 포함할 수 있다. 가변 길이 소자는 전기적 제어에 의해 가변하는 길이를 갖는다. 예를 들어, 가변 길이 소자는 형상기억합금(SMA; shape memory alloy) 또는 전기 활성 폴리머(electro active polymer)와 같이 특정 구동 신호에서 형상이 미리 정해진 형상으로 변화될 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 이 경우, 도 7a에 도시된 바와 같이, 가변 길이 소자의 길이가 줄어들면 2개의 탄성 브릿지가 상대적으로 크게 휘어져 영상 형성 장치(130)와 포커싱 광학계(140)의 거리가 가까워진다. 또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 가변 길이 소자의 길이가 증가하면 2개의 탄성 브릿지가 상대적으로 작게 휘어져 영상 형성 장치(130)와 포커싱 광학계(140)의 거리가 멀어진다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 액추에이터(151)는 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 구동 장치(150)의 구조는 도 7a 및 도 7b에 도시된 액추에이터(151)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 구동 장치(150)는 리니어 모터 등과 같이 전기적 제어에 의해 위치를 변화시킬 수 있는 다양한 전기 장치들을 포함할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 구동 장치(150)의 예시적인 구성을 개략적으로 보인다. 도 8을 참조하면, 지지대(152)는 액추에이터(151)의 위치를 조절하도록 고정 프레임(153)에 대해 이동 가능하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)는 모터(154)를 이용하여 관찰자의 눈에 맞추어 지지대(152)를 이동시킴으로써 액추에이터(151)와 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절할 수 있다. 또는 관찰자가 직접 수동으로 지지대(152)를 이동시킬 수도 있다. 이 경우, 지지대(152)의 위치를 조절하여 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞출 수 있으며, 구동 장치(150)는 위와 같이 결정된 가상 영상 평면(VP)을 기준으로 가상 영상의 깊이 정보에 따른 깊이 표현을 수행하도록 영상 형성 장치(130)의 위치를 조절할 수 있다.
한편, 관찰자의 눈이 근시인 경우에도 관찰자마다 근시인 정도가 다르며, 또는 원시인 경우에도 원시인 정도가 각자 다를 수 있다. 그러나, 사람의 시각 인지 특성에 따르면 다양한 눈의 상태에 정밀하게 맞추어 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 미세하게 변화시킬 필요는 없다. 예를 들어, 도 9는 가상 영상 평면(VP)의 깊이와 관찰자 눈의 수렴 거리(vergence distance) 사이의 차이가 소정 범위 내에 있으면 관찰자가 물체를 선명하게 볼 수 있음을 보이는 그래프이다. 도 9에서 점선은 가상 영상 평면(VP)의 깊이와 관찰자 눈의 수렴 거리가 정확히 일치하는 지점들을 나타낸다. 또한 도 9에서 아래쪽 실선은 동일 수렴 거리에서 영상을 선명하게 볼 수 있는 가상 영상 평면(VP)의 최소 깊이 또는 동일 가상 영상 평면 깊이에 대해 영상을 선명하게 볼 수 있는 최대 수렴 거리이고, 위쪽 실선은 동일 수렴 거리에서 영상을 선명하게 볼 수 있는 가상 영상 평면(VP)의 최대 깊이 또는 동일 가상 영상 평면 깊이에 대해 영상을 선명하게 볼 수 있는 최소 수렴 거리이다. 가상 영상 평면(VP)의 깊이와 관찰자 눈의 수렴 거리가 도 9에 표시된 2개의 실선 사이의 영역 내에 있으면 관찰자는 가상 영상을 선명하게 볼 수 있다.
따라서, 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 복수의 구간으로 분할하고, 각각의 구간을 대표하는 복수의 불연속적인 대표 깊이 값을 설정할 수 있다. 도 10은 도 9의 그래프를 고려하여 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 불연속적인 복수의 대표 깊이 값으로 설정한 예를 보인다. 예를 들어, 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 d1 내지 d2의 제1 구간, d2 내지 d3의 제2 구간, 및 d3 내지 d4의 제3 구간으로 분할할 수 있으며, 제1 구간의 대표 깊이 값을 D1, 제2 구간의 대표 깊이 값을 D2, 제3 구간의 대표 깊이 값을 D3으로 각각 설정할 수 있다. 프로세서(160)는 미리 결정된 복수의 구간 별 불연속적인 대표 깊이 값 및 각각의 대표 깊이 값에 대응하는 영상 형성 장치(130)의 미리 결정된 불연속적인 복수의 위치에 관한 정보를 저장할 수 있다.
관찰자는 디스플레이 장치(100)의 입력 패널(도시되지 않음)을 통해 근시, 정상시, 원시 등과 같은 자신의 눈 상태를 입력할 수 있다. 그러면 프로세서(160)는 관찰자가 입력한 눈의 상태에 따라 복수의 대표 깊이 값 중에서 하나를 선택하여 가상 영상 평면(VP)의 깊이 값으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 관찰자가 근시인 경우에는 D1, 정상시인 경우에는 D2, 원시인 경우에는 D3로 가상 영상 평면(VP)의 깊이 값을 결정할 수 있다. 그런 후 프로세서(160)는 결정된 가상 영상 평면(VP)의 깊이에 대응하는 위치에 구동 장치(150)를 제어하여 영상 형성 장치(130)를 배치시킬 수 있다. 도 10에서는 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 예시적으로 3개의 구간으로 나누고 3개의 대표 깊이 값을 설정하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 4개 이상의 복수의 구간으로 나누고, 4개 이상의 대표 깊이 값을 설정할 수도 있다.
또한, 프로세서(160)는 관찰자의 눈의 상태에 따라 영상 형성 장치(130)의 위치를 연속적으로 변화시키도록 구동 장치(150)를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 관찰자는 입력 패널을 통해 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 연속적으로 증감시키는 명령을 프로세서(160)에 내릴 수 있으며, 이에 응답하여 프로세서(160)는 구동 장치(150)를 제어하여 영상 형성 장치(130)를 연속적으로 이동시킬 수 있다. 관찰자가 자신의 눈에 최적이라고 판단한 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 선택하면, 프로세서(160)는 관찰자가 선택한 가상 영상 평면(VP)의 깊이 또는 이에 대응하는 영상 형성 장치(130)의 위치를 저장할 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다. 도 11을 참조하면, 디스플레이 장치(200)는 컴바이너(110), 시력 보정 렌즈(120), 영상 형성 장치(130), 포커싱 광학계(140), 및 프로세서(160)를 포함할 수 있다. 영상 형성 장치(130)는 콜리메이팅 된 가간섭성 조명광을 방출하는 광원(132) 및 조명광을 회절 및 변조시켜 홀로그래픽 영상을 생성하는 공간 광변조기(131)를 포함할 수 있다. 프로세서(160)는 가상 영상의 영상 정보 및 가상 영상의 깊이 정보를 담은 홀로그램 데이터 신호를 생성하여 영상 형성 장치(130)의 공간 광변조기(131)에 제공할 수 있다.
공간 광변조기(131)는 프로세서(160)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호, 예를 들어 CGH(computer generated hologram) 신호에 따라 홀로그램 패턴을 표시할 수 있다. 광원(132)으로부터 방출되어 공간 광변조기(131)에 입사하는 빛이 공간 광변조기(131)의 화면에 표시된 홀로그램 패턴에 의해 회절된 후, 소멸 간섭 및 보강 간섭에 의해 입체감을 갖는 홀로그래픽 영상이 재생될 수 있다. 공간 광변조기(131)는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기 중 어느 것을 사용할 수도 있다.
광원(132)은 가간섭성 빛을 방출하는 가간섭성 광원일 수 있다. 높은 가간섭성을 갖는 빛을 제공하기 위하여, 예를 들어, 레이저 다이오드(laser diode; LD)를 광원(132)으로 사용할 수 있다. 또한, 광원(132)은 발광 다이오드(light emitting diode; LED)일 수도 있다. 발광 다이오드는 레이저보다는 공간 간섭성(spatial coherence)이 낮지만, 빛이 어느 정도의 공간 간섭성만을 가지고 있다면 공간 광변조기(131)에 의해 충분히 회절 및 변조될 수 있다. 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 빛을 방출한다면 다른 어떤 광원(132)이라도 사용이 가능하다.
도 1에 도시된 디스플레이 장치(100)에서는 구동 장치(150)를 통해 영상 형성 장치(130)의 물리적인 위치를 직접 변경하여 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 조절하였다. 반면, 도 11에 디스플레이 장치(200)의 경우, 공간 광변조기(131)에 제공되는 CGH 신호만으로도 공간 광변조기(131)를 통해 형성되는 홀로그래픽 영상의 깊이가 조절될 수 있다. 프로세서(160)는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 결정하고, 결정된 가상 영상 평면(VP)의 깊이에 대응하는 깊이 정보를 갖는 CGH 신호를 생성하여 공간 광변조기(131)에 제공할 수 있다. 또는, 프로세서(160)는 관찰자가 선택한 가상 영상 평면(VP)의 깊이에 대응하는 깊이 정보를 갖는 CGH 신호를 생성하여 공간 광변조기(131)에 제공할 수 있다. 이 경우, 프로세서(160)는 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절하는 가상 영상 위치 설정기가 될 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다. 도 12를 참조하면, 디스플레이 장치(300)는 컴바이너(110), 시력 보정 렌즈(120), 영상 형성 장치(130), 포커싱 광학계(140), 및 프로세서(160)를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 11에 도시된 디스플레이 장치(100, 200)의 경우 관찰자의 눈의 상태에 따라 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 조절하였다. 반면, 도 12에 도시된 디스플레이 장치(300)는 모든 깊이에서 초점이 맞도록(in focus) 가상 영상을 제공할 수 있다. 관찰자의 눈의 상태와 관계 없이 모든 깊이에서 초점이 맞도록 가상 영상을 전달하는 경우에는 가상 영상 평면(VP)의 깊이를 관찰자에 따라 조절할 필요가 없다.
이를 위해, 도 12에 도시된 디스플레이 장치(300)의 영상 형성 장치(130)는 포커싱 광학계(140)의 물체측 초점에 위치할 수 있다. 또한, 관찰자의 눈이 포커싱 광학계(140)의 상측 초점에 위치하도록 디스플레이 장치(300)가 구성될 수 있다. 그러면 영상 형성 장치(130)로부터 제공되는 가상 영상을 담은 평행광은 관찰자의 눈의 상태와 관계 없이 항상 관찰자의 망막에 초점이 맺힐 수 있다. 이러한 점에서, 영상 형성 장치(130)와 컴바이너(110) 사이에 배치되어 관찰자의 눈의 상태와 관계 없이 모든 깊이에서 초점이 맞도록 가상 영상을 전달하는 포커싱 광학계(140)가 가상 영상 위치 설정기의 역할을 할 수 있다.
지금까지는 컴바이너(110)가 빔스플리터인 것으로 설명하였으나, 빔스플리터 이외에도 다양한 다른 광학 요소들을 이용하여 컴바이너를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성과 동작을 보이는 개념도이다. 도 13을 참조하면, 디스플레이 장치(400)의 컴바이너(110')는 도광판(111)을 포함할 수 있다.
도광판(111)은 빛을 전달하는 광도파로의 역할을 할 수 있도록 가시광선에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(111)은 유리, PMMA(Poly methyl methacrylate), 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 도광판(111)은 납작하고 평평한 평판 형태를 가질 수 있다. 도광판(111)의 표면에는 입사광을 도광판(111)의 내부로 경사지게 유도하기 위한 입력 커플러(112) 및 도광판(111)의 내부에서 경사지게 진행하는 빛을 도광판(111)의 외부로 출력하기 위한 출력 커플러(113)가 배치될 수 있다.
입력 커플러(112)는 대략적으로 수직한 방향으로 입사하는 빛을 도광판(111)의 내부로 경사지게 안내하도록 구성된다. 예를 들어, 입력 커플러(112)는 그의 표면에 수직한 방향을 중심으로 소정의 입사각 범위 내에서 입력 커플러(112)에 입사하는 광을 도광판(111)의 내부로 안내하도록 구성될 수 있다. 도광판(111)의 내부로 안내된 광은 전반사를 통해 도광판(111)의 내부를 따라 진행하게 된다. 출력 커플러(113)는 경사지게 입사하는 광을 도광판(111)의 외부로 대략적으로 수직한 방향으로 출력하도록 구성된다. 출력 커플러(113)는 소정의 입사각 범위 내에서 그의 표면에 경사지게 입사하는 광에만 작용하고, 그의 표면에 수직하게 입사하는 광에는 작용하지 않도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 출력 커플러(113)는 그의 표면에 수직하게 입사하는 광에 대해서는 단순히 투명한 평판의 역할을 할 수 있다.
이러한 입력 커플러(112)와 출력 커플러(113)는 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element; HOE)로 이루어질 수 있다. 회절 광학 소자(DOE)는 다수의 주기적인 미세한 격자 패턴을 포함한다. 회절 광학 소자(DOE)의 다수의 격자 패턴은 회절 격자의 역할을 하여 입사광을 회절시킨다. 특히, 격자 패턴들의 크기, 높이, 주기 등에 따라서, 특정한 각도 범위로 입사하는 광을 회절시켜 소멸 간섭과 보강 간섭을 발생시킴으로써 광의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학소자(HOE)는 격자 패턴 대신에 굴절률이 상이한 재료들의 주기적인 미세한 패턴들을 포함한다. 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 회절 광학 소자(DOE)와 단지 구성의 차이만이 있을 뿐이며 동작 원리는 회절 광학 소자(DOE)와 동일할 수 있다.
영상 형성 장치(130)는 도광판(111)의 입력 커플러(112)에 대응하는 위치에 배치되며, 시력 보정 렌즈(120)는 도광판(111)의 출력 커플러(113)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 시력 보정 렌즈(120)와 영상 형성 장치(130)는 도광판(111)의 서로 반대쪽 표면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 시력 보정 렌즈(120)는 관찰자의 눈에 마주하는 도광판(111)의 표면의 반대쪽 표면에 배치되고, 영상 형성 장치(130)는 관찰자의 눈에 마주하는 도광판(111)의 표면과 동일한 표면에 배치될 수 있다. 그러면, 가상 영상을 담은 광(L10)은 입력 커플러(112)와 도광판(111)의 내부를 지나 출력 커플러(113)를 통해 관찰자의 눈에 제공될 수 있다. 관찰자 전방의 외부의 풍경을 담은 광(L20)은 시력 보정 렌즈(120)와 출력 커플러(113)를 투과하여 관찰자의 눈에 제공될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따른 디스플레이 장치는 증강 현실 또는 혼합 현실을 구현하는데 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 14 내지 도 16은 상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 채용한 다양한 전자기기를 도시한다. 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치는 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display)에 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이 장치는 안경형 디스플레이(glasses-type display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등에 적용될 수 있다. 도 14 내지 도 16에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다. 이러한 디스플레이 장치는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 영상을 함께 제공할 수 있는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.
상술한 시력 보정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400.....디스플레이 장치
110, 110'.....컴바이너 111.....입력 커플러
112.....출력 커플러 120.....시력 보정 렌즈
130.....영상 형성 장치 131.....광원
132.....공간 광변조기 140.....포커싱 광학계
150.....구동 장치 151.....액추에이터
152.....지지대 153.....프레임
154.....모터 160.....프로세서
110, 110'.....컴바이너 111.....입력 커플러
112.....출력 커플러 120.....시력 보정 렌즈
130.....영상 형성 장치 131.....광원
132.....공간 광변조기 140.....포커싱 광학계
150.....구동 장치 151.....액추에이터
152.....지지대 153.....프레임
154.....모터 160.....프로세서
Claims (22)
- 가상 영상을 형성하는 영상 형성 장치;
관찰자의 시력을 보정하는 시력 보정 렌즈;
상기 가상 영상 및 상기 시력 보정 렌즈를 통과한 외부 풍경을 담은 빛을 혼합하여 관찰자에게 제공하는 컴바이너; 및
상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추는 가상 영상 위치 설정기;를 포함하며,
상기 컴바이너는 상기 시력 보정 렌즈와 관찰자의 눈 사이에 배치되는 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 시력 보정 렌즈에 의해 보정된 외부 풍경 내의 물체의 깊이와 상기 가상 영상 평면의 깊이를 일치시키는, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가상 영상 위치 설정기는:
관찰자의 눈이 근시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리에 상기 가상 영상 평면을 위치시키고,
관찰자의 눈이 정상시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제1 거리보다 먼 제2 거리에 상기 가상 영상 평면을 위치시키고,
관찰자의 눈이 원시인 경우에 관찰자의 눈으로부터 제2 거리보다 먼 제3 거리에 가상 영상 평면을 위치시키는, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 시력 보정 렌즈는 음(-)의 굴절력을 갖는 렌즈, 0의 굴절력을 갖는 평판, 또는 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈인, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가상 영상 위치 설정기는:
상기 영상 형성 장치와 상기 컴바이너 사이에 배치된 포커싱 광학계;
상기 영상 형성 장치와 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 조절하는 구동 장치; 및
상기 구동 장치를 제어하는 프로세서;를 포함하며,
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절하고,
상기 가상 영상 평면의 깊이는 상기 영상 형성 장치와 상기 포커싱 광학계 사이에서 상기 영상 형성 장치의 위치에 의해 결정되는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 포커싱 광학계의 물체측 초점과 상기 포커싱 광학계 사이에서 상기 포커싱 광학계의 광축 방향을 따라 이동 가능하게 배치되어 있는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 구동 장치는 전기적 제어에 의해 동작하는 액추에이터를 포함하는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 구동 장치는 상기 액추에이터를 고정하는 지지대를 더 포함하는, 디스플레이 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 지지대는 상기 액추에이터의 위치를 조절하도록 이동 가능하게 배치되어 있는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 미리 결정된 불연속적인 복수의 위치에 관한 정보를 저장하며, 관찰자의 눈의 상태에 따라 상기 복수의 위치 중 하나의 위치에 상기 영상 형성 장치가 배치되도록 상기 구동 장치를 제어하는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 관찰자의 눈의 상태에 따라 상기 영상 형성 장치의 위치를 연속적으로 변화시키도록 상기 구동 장치를 제어하는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 결정된 가상 영상 평면의 깊이를 기준으로 상기 가상 영상의 깊이 정보에 따라 상기 영상 형성 장치의 위치를 추가적으로 조절하도록 상기 구동 장치를 제어하는, 디스플레이 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 가상 영상에 관한 정보를 담은 광변조 신호를 상기 영상 형성 장치에 제공하는, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는:
가간섭성 조명광을 방출하는 광원; 및
상기 조명광을 회절 및 변조시켜 홀로그래픽 영상을 생성하는 공간 광변조기;를 포함하는, 디스플레이 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상의 영상 정보 및 상기 가상 영상의 깊이 정보를 담은 CGH(computer generated hologram) 신호를 생성하여 상기 영상 형성 장치에 제공하는 프로세서를 포함하며,
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 가상 영상이 보이는 가상 영상 평면의 깊이를 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 조절하는, 디스플레이 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 프로세서는 관찰자의 눈의 상태에 맞추어 상기 가상 영상 평면의 깊이를 결정하고, 결정된 가상 영상 평면의 깊이에 따라 CGH 신호를 변경하는, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가상 영상 위치 설정기는 상기 영상 형성 장치와 상기 컴바이너 사이에 배치되어 관찰자의 눈의 상태와 관계 없이 모든 깊이에서 초점이 맞도록(in focus) 가상 영상을 전달하는 포커싱 광학계를 포함하는, 디스플레이 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 포커싱 광학계의 물체측 초점에 위치하는, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 컴바이너는 상기 영상 형성 장치에서 형성된 가상 영상을 관찰자의 눈을 향해 반사하고 상기 시력 보정 렌즈를 통과한 외부 풍경을 담은 빛을 관찰자의 눈을 향해 투과시키는 빔스플리터인, 디스플레이 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 컴바이너는 입력 커플러 및 출력 커플러를 구비하는 도광판인, 디스플레이 장치. - 제 20 항에 있어서,
상기 영상 형성 장치는 상기 도광판의 입력 커플러에 대응하는 위치에 배치되며 상기 시력 보정 렌즈는 상기 도광판의 출력 커플러에 대응하는 위치에 배치되는, 디스플레이 장치. - 제 21 항에 있어서,
상기 출력 커플러는 상기 도광판의 내부에서 상기 출력 커플러에 경사지게 입사하는 빛을 상기 도광판의 외부로 출력시키고 상기 출력 커플러에 수직하게 입사하는 빛을 투과시키도록 구성된, 디스플레이 장치.
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