KR20230009757A - Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치 - Google Patents

Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230009757A
KR20230009757A KR1020210090546A KR20210090546A KR20230009757A KR 20230009757 A KR20230009757 A KR 20230009757A KR 1020210090546 A KR1020210090546 A KR 1020210090546A KR 20210090546 A KR20210090546 A KR 20210090546A KR 20230009757 A KR20230009757 A KR 20230009757A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
epe
virtual image
optical element
area
input unit
Prior art date
Application number
KR1020210090546A
Other languages
English (en)
Inventor
하상우
테츠오 아리요시
김희진
박수문
원종필
Original Assignee
삼성전자주식회사
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 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020210090546A priority Critical patent/KR20230009757A/ko
Priority to US17/587,245 priority patent/US20230008461A1/en
Priority to DE102022115571.4A priority patent/DE102022115571A1/de
Priority to CN202210793921.2A priority patent/CN115598843A/zh
Publication of KR20230009757A publication Critical patent/KR20230009757A/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • 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
    • 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
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • 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
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • 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
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division
    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

본 발명의 기술적 사상은, 아이 박스의 확대를 구현하면서도, FOV와 휘도 균일도를 개선할 수 있는 EPE용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치를 제공한다. 그 EPE용 광학 소자는 가상 영상(virtual image)이 입력되는 입력부; 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D 사출동 확장(Exit Pupil Expansion: EPE)과 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부(EPE unit);를 포함하고, 상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상이 출력되되, 외부의 실제 영상(real image)이 결합하여 출력된다.

Description

EPE용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치{Optical device for EPE(Exit Pupil Expansion), and display apparatus comprising the combiner}
본 발명의 기술적 사상은 사출동 또는 아이 박스를 확장시키는 광학 소자, 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
증강 현실(Augmented Reality: AR) 장치, 또는 광학 장치의 렌즈와 같은 시각적 광학 소자가 활발히 개선되고 있다. 시각적 광학 소자의 가장 중요한 특성 파라미터는 시야(Field Of View: FOV)의 크기, 및 아이 박스(eye box)의 크기이다. 요구되는 이미지의 품질, 해상도, 휘도 등을 유지하면서, 넓은 FOV와 큰 아이 박스를 동시에 갖는 시각적 광학 소자를 구현하는 것은 쉽지 않다. 한편, 아이 박스의 확대를 위하여, 회절 요소를 이용한 사출동 확장(Exit Pupil Expansion: EPE) 기술, 또는 반투명 미러를 이용한 광 확장(optical beam expansion) 기술 등이 이용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 아이 박스의 확대를 구현하면서도, FOV와 휘도 균일도를 개선할 수 있는 EPE용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은, 가상 영상(virtual image)이 입력되는 입력부; 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D 사출동 확장(Exit Pupil Expansion: EPE)과 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부(EPE unit);를 포함하고, 상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상이 출력되되, 외부의 실제 영상(real image)이 결합하여 출력되는, EPE용 광학 소자를 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 가상 영상을 생성하는 영상 생성기; 및 상기 가상 영상이 입력되어 EPE가 이루어지고, 외부의 실제 영상이 결합하여 출력되는 EPE용 광학 소자;를 포함하고, 상기 EPE용 광학 소자는, 상기 가상 영상이 입력되는 입력부, 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부를 포함하며, 상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상과 실제 영상이 결합하여 출력되는, 디스플레이 장치를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 가상 영상을 생성하는 영상 생성기; 상기 가상 영상이 입력되어 EPE가 이루어지고, 외부의 실제 영상이 결합하여 출력되는 EPE용 광학 소자; 및 상기 영상 생성기와 EPE용 광학 소자가 장착된 바디;를 포함하고, 상기 EPE용 광학 소자는, 상기 가상 영상이 입력되는 입력부, 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부를 포함하며, 상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상과 실제 영상이 결합하여 출력되는, 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 EPE용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치는, 사출동 확장부가 1D EPE 영역과 2D EPE 영역을 포함함으로써, 사출동 확장부에서 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 EPE용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치는, 1D EPE와 2D EPE에 기초하여 FOV를 확대시키고, 출력 영상 전체의 휘도 균일도를 향상시키며, 또한, 아이 박스 내에서 눈의 위치별 휘도 변화 및 FOV 균일도를 개선시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 EPE용 광학 소자에 대한 평면도, 및 확대 평면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1b의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1c의 Ⅱ-Ⅱ' 부분과 Ⅲ-Ⅲ' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1a의 EPE용 광학 소자의 2D EPE 영역에 대한 확대 평면도들이다.
도 5는 도 1a의 EPE용 광학 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 수직 입사 광의 진행 방향을 보여주는 개념도, 및 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 수직 입사 광에 대한 출사 광의 휘도 균일도를 비교하여 보여주는 시뮬레이션 사진들이다.
도 7a 내지 도 7c는 2D 입력 영상들, 및 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 2D 입력 영상의 화각을 보여주는 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 2D 입력 영상에 대한 출력 영상의 휘도 균일도를 비교하여 보여주는 시뮬레이션 사진들이다.
도 9a 내지 도 11c는 아이 박스 내의 눈의 위치들에 대한 개념도들, 및 각각의 눈의 위치에 대응하여 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 휘도 변화와 FOV 균일도를 비교하여 보여주는 사진들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 EPE용 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치에 대한 개념도들이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치가 장착된 AR 글래스에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치가 장착된 차량용 AG 장치에 대한 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 EPE용 광학 소자에 대한 평면도, 및 확대 평면도들로서, 도 1b 및 도 1c는 각각 도 1a의 EPE용 광학 소자의 1D EPE 영역과 2D EPE 영역에 대한 확대 평면도이고, 도 1d는 2D EPE 영역의 마름모 격자 부분에 대한 확대 평면도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 본 실시예의 EPE(Exit Pupil Expansion)용 광학 소자(100)는 입력부(110), 및 사출동 확장부(150, EPE unit)를 포함할 수 있다. EPE용 광학 소자(100)는, 예컨대, 도파관(waveguide) 타입의 결합기(combiner)일 수 있다. 그에 따라, 입력부(110)와 사출동 확장부(150)는 도파관(도 2a의 101 참조)에 형성된 회절 격자(diffraction grating)를 통해 구현될 수 있다.
도파관(101)은 광을 전달하는 광도파로서, 가시광선에 대해 투명한 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 도파관(101)은 유리, PMMA(Poly methyl methacrylate), 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등과 같은 재료로 형성될 수 있다. 그러나 도파관(101)의 재료가 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도파관(101)은 전체적으로 납작하고 평평한 평판 형태를 가질 수 있다. 도파관(101)은 제1 표면(도 5의 101a 참조)과 제1 표면(101a)에 마주하는 제2 표면(도 5의 101b 참조)을 포함할 수 있다. 도파관(101)의 제1 표면(101a)에 회절 격자가 형성될 수 있다. 그러나 회절 격자가 형성되는 표면이 제1 표면(101a)에 한정되는 것은 아니다. 도파관(101)의 제1 표면 및 제2 표면(101a, 101b)에서는 전반사가 발생할 수 있다. 한편, 회절 격자 부분에서 광의 입력 또는 출력이 이루어질 수 있다. 즉, 회절 격자 부분에서 광의 인-커플링(in-coupling) 또한 아웃-커플링(out-coupling)을 통해 광이 입력되거나 출력될 수 있다. 또한, 회절 격자 부분에서 광이 회절되어 EPE가 이루어질 수 있다.
입력부(110)는 외부의 광이 입력되는 부분일 수 있다. 즉, 광은 입력부(110)의 회절 격자에 의한 인-커플링을 통해 도파관(101) 내부로 입력될 수 있다. 예컨대, 입력부(110)는, 도파관(101)의 제1 표면(101a) 상에 형성된 라인 형태의 회절 격자, 즉, 라인 격자(115)를 통해 구현될 수 있다. 구체적으로, 입력부(110)에는, 도파관(101)의 제1 표면(101a)에 수직한 방향으로 입사된 광이 제1 표면(101a)에 평행한 방향으로 도파관(101)의 내부로 진행되도록 하는 라인 격자(115)가 형성될 수 있다.
입력부(110)의 라인 격자(115)에 대해 좀더 상세히 설명하면, 도파관(101)의 제1 표면(101a)에 수직한 방향을 제3 방향(z 방향)이라고 할 때, 입력부(110)에는 제2 방향(y 방향)으로 연장하고 제1 방향(x 방향)으로 소정 피치를 갖는 라인 형태의 회절 격자, 즉, 라인 격자(115)가 형성될 수 있다. 한편, 외부의 광은 제3 방향(z 방향)으로 입력부(110)로 입력되고 라인 격자(115)를 통해 꺾여 제1 방향(x 방향)으로 도파관(101) 내부로 진행할 수 있다. 한편, 입력부(110)의 라인 격자(115)는 사출동 확장부(150)의 1D EPE 영역(120)의 라인 격자(125)와 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 입력부(110)의 라인 격자(115)의 단면의 형태는 도 2a 내지 도 2c의 1D EPE 영역(120-1, 120-2)의 라인 격자(125)의 단면 형태를 통해 이해될 수 있다.
한편, 입력부(110)는 라인 격자에 한하지 않고 다른 광학 소자를 통해 구현될 수도 있다. 예컨대, 입력부(110)는 미러, 또는 프리즘 등으로 구현될 수도 있다.
사출동 확장부(150)는 1D EPE 영역(120)과 2D EPE 영역(130)을 포함할 수 있다. 1D EPE 영역(120)은 1D EPE가 이루어지는 영역일 수 있다. 1D EPE란 광이 일 방향을 따라 도파관(101)을 진행하되, 회절 격자의 아웃-커플링을 통해 광의 일부가 출력되고 일부는 진행하며, 다시 일부가 출력되고 일부는 진행하는 식으로 출력됨으로써, 사출동을 1차원적으로 확장하는 것을 의미할 수 있다. 1D EPE는 이미 알려진 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 1D EPE 영역(120)에서의 1D EPE에 의한 출력은 도파관(101) 외부로의 출력이 아닌 2D EPE 영역(130)으로의 출력을 의미할 수 있다. 덧붙여, 1D EPE는 회절 격자에 한하지 않고, 반투명 미러 또는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element; HOE) 등에 의한 아웃-커플링을 통해 이루어질 수도 있다.
1D EPE 영역(120)은, 제1 방향(x 방향)으로 입력부(110)의 양쪽에 배치될 수 있다. 예컨대, 1D EPE 영역(120)은 제1 방향(x 방향)으로 입력부(110)의 오른쪽의 제1 1D EPE 영역(120-1)과, 입력부(110)의 왼쪽의 제2 1D EPE 영역(120-2)을 포함할 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 1D EPE 영역(120)은 제1 방향(x 방향)으로 입력부(110)의 어느 한쪽에만 배치될 수 있다.
1D EPE 영역(120)에는 입력부(110)와 유사하게 라인 형태의 회절 격자, 즉, 라인 격자(125)가 형성될 수 있다. 라인 격자(125)는 라인 형태의 돌출부(122)와 라인 형태의 스페이스(124)를 포함할 수 있다. 1D EPE 영역(120)에서 라인 격자(125)는 제1 방향(x 방향)에 대하여 45°의 경사를 갖는 경사 방향(SD)으로 확장하며, 경사 방향(SD)에 수직인 수직 경사 방향(SDp)을 따라 소정 피치를 가질 수 있다. 여기서, 경사 방향(SD)과 수직 경사 방향(SDp)은 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)에 의한 평면, 즉, x-y 평면 상에서 정의될 수 있고, 따라서, 경사 방향(SD)과 수직 경사 방향(SDp)은 제3 방향(z 방향)에 수직할 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 라인 격자(125)는 제1 방향(x 방향)에 대하여 45°보다 크거나 또는 작은 경사를 가지고 확장할 수 있다. 라인 격자(125)의 단면 형태에 대해서는 도 2a 내지 도 2c의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
도 1a의 화살표로 표시된 바와 같이, 외부로부터의 광은 입력부(110)를 통해 도파관(101)으로 입력되되, 입력부(110)에서 라인 격자(115)에 의해 꺾여 제1 방향(x 방향) 양쪽으로 진행하여, 1D EPE 영역(120)으로 진입할 수 있다. 또한, 광은 1D EPE 영역(120)에서 1D EPE가 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 출력되어 2D EPE 영역(130)으로 진입하게 된다.
2D EPE 영역(130)은 2D EPE가 이루어지는 영역일 수 있다. 2D EPE란 광이 2차원 방향으로 퍼지면서 도파관(101)을 진행하되, 회절 격자의 아웃-커플링을 통해 광의 일부가 출력되고 일부는 진행하며, 다시 일부가 출력되고 일부는 진행하는 식으로 출력됨으로써, 사출동을 2차원적으로 확장하는 것을 의미할 수 있다. 2D EPE 역시 어느 정도 알려진 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 2D EPE 역시 회절 격자에 한하지 않고, 반투명 미러 또는 홀로그래픽 광학 소자 등에 의한 아웃-커플링을 통해 이루어질 수도 있다.
2D EPE 영역(130)은, 제2 방향(y 방향)으로 입력부(110)와 1D EPE 영역(120)에 인접하여 배치될 수 있다. 예컨대, 2D EPE 영역(130)은, 1D EPE 영역(120)에서 광이 출력되는 방향인 제2 방향(y 방향)으로 1D EPE 영역(120)에 인접하여 위치하고, 또한, 그 배치 구조상 제2 방향(y 방향)으로 입력부(110)에도 인접하여 위치할 수 있다. 따라서, 1D EPE 영역(120)에서 1D EPE가 이루어지면서 출력된 광은 2D EPE 영역(130)으로 입사될 수 있다. 한편, 1D EPE 영역(120)과 2D EPE 영역(130) 사이와, 입력부(110)와 2D EPE 영역(130) 사이에는 갭 영역(GA)이 배치될 수 있다. 갭 영역(GA)에는 도파관(101)만이 존재하고 회절 격자는 형성되지 않을 수 있다.
2D EPE 영역(130)에는 마름모 격자(135)가 배치될 수 있다. 마름모 격자(135)는 마름모 형태의 돌출부들(132)과 돌출부들(132) 사이의 스페이스(134)를 포함할 수 있다. 또한, 마름모 격자(135)는, 마름모 형태의 돌출부들(132)이 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)을 따라 2차원 어레이 형태로 배치되고, 스페이스(134)를 통해 서로 이격된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)은 x-y 평면 상에서 정의될 수 있고, 따라서, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)은 제3 방향(z 방향)에 수직할 수 있다. 또한, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)은 돌출부(132)의 마름모의 변이 확장하는 방향들에 해당할 수 있다. 예컨대, 도 1d에서 볼 수 있듯이, 제1 경사 방향(SD1)은 제2 방향(y 방향)에 대하여 시계 방향으로 제1 각도(θ1)를 가지며, 제2 경사 방향(SD2)은 제2 방향(y 방향)에 대하여 반시계 방향으로 제1 각도(θ1)를 가질 수 있다. 한편, 제1 각도(θ1)는 45°미만일 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 제1 각도(θ1)는 45°를 초과할 수도 있다. 제1 각도(θ1)가 45°를 초과한 경우, 마름모는 제1 방향(x 방향)으로 길쭉한 형태가 될 수 있다. 마름모 격자(135)의 단면 형태에 대해서는 도 3a 및 도 3b의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
도 1d의 화살표로 표시된 바와 같이, 2D EPE 영역(130)에서 광(Ly)은 제2 방향(y 방향)을 따라 진행하고, 또한, 광(Ls)은 제2 방향(y 방향)에 대해 소정 각도, 예컨대, 제2 각도(θ2)를 가지고 퍼지면서 진행할 수 있다. 예컨대, 제2 각도(θ2)는 마름모 격자(135)의 제1 각도(θ1)보다 클 수 있다. 제2 각도(θ2)는 마름모 격자(135)의 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 한편, 광은 2D EPE 영역(130)에서 2D EPE가 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 제3 방향(z 방향)으로 출력될 수 있다. 여기서, 제3 방향(z 방향)은 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)에 동시에 수직하는 방향, 즉 지면에 수직하는 방향일 수 있다. 또한, 2D EPE 영역(130)에서 출력되는 광의 방향은, 입력부(110)로 입력되는 광의 방향과 반대일 수 있다. 다만, 실시예에 따라, 입력부(110)의 라인 격자(115)와 2D EPE 영역(130)의 마름모 격자(135)가 도파관(101)의 서로 반대 표면에 형성될 수 있고, 그에 따라, 2D EPE 영역(130)에서 출력되는 광의 방향과 입력부(110)로 입력되는 광의 방향이 동일한 방향이 되도록 할 수도 있다.
한편, 2D EPE 영역(130)에는 외부의 광이 직접 입력될 수 있다. 그에 따라, 2D EPE 영역(130)에서, 외부에서 직접 입력된 광과 도파관을 통해 입력된 광이 결합하여 출력될 수 있다. 참고로, 입력부(110)를 통해 입력된 광 또는 영상은 가상 광(virtual light) 또는 가상 영상(virtual image)에 해당하고, 2D EPE 영역(130)에서 직접 입력된 광 또는 영상은 실제 광(real light) 또는 실제 영상(real image)에 해당할 수 있다. 가상 영상과 실제 영상의 결합에 대해서는, 도 5의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다. 2D EPE 영역(130)에서의 이러한 광의 결합 기능에 기초하여, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)는 EPE 구조의 결합기에 해당할 수 있다. 또한, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)는, 사출동 확장부(1500)에서 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어진다는 점에서, 이중 EPE 구조의 결합기로 명명될 수 있다.
본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 사출동 확장부(150)는 1D EPE 영역(120)과 2D EPE 영역(130)을 포함하고, 사출동 확장부(150)에서 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)는 1D EPE와 2D EPE에 기초하여 FOV를 확대시키고, 출력 영상 전체의 휘도 균일도를 향상시키며, 또한, 아이 박스 내에서 눈의 위치별 휘도 변화와 FOV 균일도를 개선시킬 수 있다. 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, FOV 확대, 휘도 균일도 향상, 및 눈의 위치별 휘도 변화와 FOV 균일도 개선에 대해서는 도 6a 내지 도 11c의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1b의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이고, 도 3a 및 도 3b는 각각 도 1c의 Ⅱ-Ⅱ' 부분과 Ⅲ-Ⅲ' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다. 도 1a 내지 도 1d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 사출동 확장부(150)의 1D EPE 영역(120)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 라인 격자(125)를 통해 구현될 수 있다. 라인 격자(125)는 라인 형태의 돌출부들(122)과 돌출부들(122) 사이의 스페이스(124)를 포함할 수 있다. 스페이스(124)는 돌출부(122)와 마찬가지로 라인 형태를 가질 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이, 라인 격자(125)는 제1 방향(x 방향)에 대하여 45°의 경사를 갖는 경사 방향(SD)으로 확장하며, 도 2a의 1D EPE 영역(120)은 경사 방향(SD)에 수직하는 단면에 해당할 수 있다. 한편, 수직 경사 방향(SDp)는 경사 방향(SD)에 수직하는 방향을 의미할 수 있다. 경사 방향(SD)과 수직 경사 방향(SDp)은 x-y 평면 상에서 정의되고, 제3 방향(z 방향)에 수직할 수 있다.
라인 격자(125)의 격자 패턴은 회절 격자의 역할을 하여 입사광을 회절시킬 수 있다. 특히, 라인 격자(125)는 돌출부(122)의 폭과 높이, 격자 패턴의 피치 등에 따라서, 특정한 각도 범위로 입사하는 광을 회절시켜 소멸 간섭과 보강 간섭을 발생시킴으로써 광의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 돌출부(122)의 단면은 직사각형 형태를 가지며, 돌출부(122)는 수직 경사 방향(SDp)으로 제1 폭(W1), 및 제3 방향(z 방향)으로 제1 높이(H1)를 가질 수 있다. 또한, 수직 경사 방향(SDp)을 따라, 라인 격자(125)의 격자 패턴은 제1 피치(P1)를 가질 수 있다. 라인 격자(125)에서, 돌출부(122)의 제1 폭(W1)과 제1 높이(H1), 그리고 격자 패턴의 제1 피치(P1)는 광의 파장이나 세기 등에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100a)에서, 사출동 확장부(150)의 1D EPE 영역(120a)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 라인 격자(125a)를 통해 구현될 수 있다. 한편, 라인 격자(125a)는 도 2a의 라인 격자(125)와 유사하게 라인 형태의 돌출부들(122a)과 돌출부들(122a) 사이의 스페이스(124a)를 포함할 수 있다. 또한, 라인 격자(125a)는 경사 방향(SD)으로 확장할 수 있다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100a)에서, 라인 격자(125a)는 도 2a의 라인 격자(125)와 달리 돌출부(122a)의 단면이 평행사변형 형태를 가질 수 있다. 돌출부(122a)는 수직 경사 방향(SDp)으로 제2 폭(W2), 및 제3 방향(z 방향)으로 제2 높이(H2)를 가질 수 있다. 또한, 수직 경사 방향(SDp)을 따라, 라인 격자(125a)의 격자 패턴은 제2 피치(P2)를 가질 수 있다. 라인 격자(125a)에서도, 돌출부(122a)의 제2 폭(W2)과 제2 높이(H2), 그리고 격자 패턴의 제2 피치(P2)는 광의 파장이나 세기 등에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100b)에서, 사출동 확장부(150)의 1D EPE 영역(120b)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 라인 격자(125b)를 통해 구현될 수 있다. 한편, 라인 격자(125b)는 도 2a의 라인 격자(125)와 유사하게 라인 형태의 돌출부들(122b)과 돌출부들(122b) 사이의 스페이스(124b)를 포함할 수 있다. 또한, 라인 격자(125b)는 경사 방향(SD)으로 확장할 수 있다.
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100b)에서, 라인 격자(125b)는 도 2a의 라인 격자(125)와 달리 돌출부(122b)의 단면이 톱니 형태를 가질 수 있다. 돌출부(122b)는 제3 방향(z 방향)으로 제3 높이(H3)를 가질 수 있다. 또한, 수직 경사 방향(SDp)을 따라, 라인 격자(125b)의 격자 패턴은 제3 피치(P3)를 가질 수 있다. 한편, 돌출부(122b)가 톱니 형태를 가짐에 따라, 돌출부(122b)는 폭 대신에 각도(α)가 정의될 수 있다. 라인 격자(125b)에서도, 돌출부(122b)의 각도(α)와 제3 높이(H3), 그리고 격자 패턴의 제3 피치(P3)는 광의 파장이나 세기 등에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 사출동 확장부(150)의 2D EPE 영역(130)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 마름모 격자(135)를 통해 구현될 수 있다. 마름모 격자(135)는 마름모 형태의 돌출부들(132)과 돌출부들(132) 사이의 스페이스(134)를 포함할 수 있다. 돌출부들(132)은 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)을 따라 배치되고, 스페이스(134)를 통해 서로 이격될 수 있다.
도 3a의 2D EPE 영역(130)은 제1 수직 경사 방향(SD1p)에 수직하는 단면에 해당할 수 있다. 제1 수직 경사 방향(SD1p)은 x-y 평면 상에 정의되고, 제1 경사 방향(SD1)에 수직하며, 또한, 제3 방향(z 방향)에 수직할 수 있다. 마름모 격자(135)에서, 돌출부(132)는 제1 경사 방향(SD1)으로 제4 폭(W4) 및 제3 방향(z 방향)으로 제4 높이(H4)를 가질 수 있다. 또한, 제1 경사 방향(SD1)을 따라, 마름모 격자(135)의 격자 패턴은 제4 피치(P4)를 가질 수 있다.
도 3b의 2D EPE 영역(130)은 제2 수직 경사 방향(SD2p)에 수직하는 단면에 해당할 수 있다. 제2 수직 경사 방향(SD2p) 역시 x-y 평면 상에 정의되고, 제2 경사 방향(SD2)에 수직하며, 또한, 제3 방향(z 방향)에 수직할 수 있다. 마름모 격자(135)에서, 돌출부(132)는 제2 경사 방향(SD2)으로 제4 폭(W4) 및 제3 방향(z 방향)으로 제4 높이(H4)를 가질 수 있다. 또한, 제2 경사 방향(SD2)을 따라, 마름모 격자(135)의 격자 패턴은 제4 피치(P4)를 가질 수 있다. 돌출부(132)가 마름모 형태를 가지므로, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)으로 돌출부(132)의 폭은 제4 폭(W4)으로 동일하고, 또한, 격자 패턴의 피치도 제4 피치(P4)로서 동일할 수 있다. 마름모 격자(135)에서, 돌출부(132)의 제4 폭(W4)과 제4 높이(H4), 그리고 격자 패턴의 제4 피치(P4)는 광의 파장이나 세기 등에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다.
한편, 도 3a에서, 점선 부분은, 제1 수직 경사 방향(SD1p)에서 2D EPE 영역(130)의 단면을 바라볼 때, 보이는 돌출부(132)의 측면에 해당할 수 있다. 또한, 도 3b의 점선 부분 역시, 제2 수직 경사 방향(SD2p)에서 2D EPE 영역(130)의 단면을 바라볼 때, 보이는 돌출부(132)의 측면에 해당할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 도 1a의 EPE용 광학 소자의 2D EPE 영역에 대한 확대 평면도들로서, 도 1c에 대응할 수 있다. 도 1a 내지 도 3b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100c)에서, 사출동 확장부(150)의 2D EPE 영역(130a)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 변형 마름모 격자(135a)를 통해 구현될 수 있다. 변형 마름모 격자(135a)는, 도 1c의 마름모 격자(135)와 유사하게 돌출부들(132a)과 돌출부들(132a) 사이의 스페이스(134a)를 포함할 수 있다. 한편, 변형 마름모 격자(135a)에서, 돌출부(132a)는 제1 방향(x 방향)으로 마름모의 양 꼭지점 부분에 노치(N)가 형성된 변형된 마름모 형태를 가질 수 있다. 도 4a에서, 노치(N) 부분이 직선 형태로 나타나고 있지만, 노치(N) 부분은 그에 한하지 않고, 반원, V 형태 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 실시예에 따라, 변형 마름모 격자(135a)에서, 돌출부(132a)는 제2 방향(y 방향)으로 마름모의 양 꼭지점 부분에 노치(N)가 형성된 변형된 마름모 형태를 가질 수도 있다. 또한, 돌출부(132a)는 마름모의 4 꼭지점 부분에 모두 노치(N)가 형성된 변형된 마름모 형태를 가질 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100d)에서, 사출동 확장부(150)의 2D EPE 영역(130b)은 도파관(101) 표면 상에 형성된 원형 격자(135b)를 통해 구현될 수 있다. 원형 격자(135b)는, 원 형태의 돌출부들(132b)과 돌출부들(132b) 사이의 스페이스(134b)를 포함할 수 있다. 또한, 원형 격자(135b)는, 원 형태의 돌출부들(132b)이 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)을 따라 2차원 어레이 형태로 배치되고, 스페이스(134b)를 통해 서로 이격된 구조를 가질 수 있다.
좀더 구체적으로 설명하면, 돌출부들(132b)은 제1 경사 방향(SD1)을 따라 배치되고, 스페이스(134b)를 통해 서로 이격될 수 있다. 또한, 돌출부들(132b)은 제2경사 방향(SD2)을 따라 배치되고, 스페이스(134b)를 통해 서로 이격될 수 있다. 여기서, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)은 돌출부들(132b)이 일렬로 배치되는 방향으로 정의될 수 있다. 한편, 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)은 도 1c의 마름모 격자(135)에서의 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2)와 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 도 1c의 마름모 격자(135)의 돌출부들(132) 역시 제1 경사 방향(SD1)과 제2 경사 방향(SD2) 각각을 따라 배치되고, 스페이스(134)를 통해 서로 이격될 수 있다.
지금까지, 2D EPE 영역의 회절 격자의 형태들을 몇 가지 예시하였지만, 2D EPE 영역에 형성되는 회절 격자의 형태가 전술한 형태들에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서, 2D EPE 영역에 다양한 형태의 회절 격자가 형성될 수 있고, 광은 도파관(101) 내에서 2차원적으로 퍼져 나가고 회절 격자를 통해 2D EPE가 이루어지면서 외부로 출력될 수 있다. 또한, 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서, 2D EPE 영역의 회절 격자의 돌출부의 폭, 높이, 및 격자 패턴의 피치 등도, 광의 파장이나 세기 등에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다.
도 5는 도 1a의 EPE용 광학 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1a 내지 도 4b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 영상 생성기(도 6의 200 참조)로부터의 가상 영상(IMG1)은 제3 방향(z 방향)에서 입력부(110)로 입사될 수 있다. 가상 영상(IMG1)은 입력부(110)의 라인 형태의 회절 격자, 즉 라인 격자(115)에 의한 인-커플링을 통해 제1 방향(x 방향)으로 꺾여 1D EPE 영역(120)으로 진입할 수 있다. 1D EPE 영역(120)은 제2 방향(y 방향)으로 입력부(110) 양쪽에 배치될 수 있다. 참고로, 도 5가 단면 형태로 나타남에 따라, 1D EPE 영역(120)은 입력부(110)와 구별하여 도시 되지 않고, 참조 번호 '110/120'로만 표시되고 있다. 또한, 라인 격자(115/125)는 단순화하여 개념적으로 표현되고 있고, 도시된 라인 격자(115/125)의 형태 및 확장 방향은 실제 라인 격자(115/125)의 형태 및 확장 방향과 다를 수 있다.
1D EPE 영역(120)에 진입된 가상 영상(IMG1)은, 미세 화살표로 도시된 바와 같이, 1D EPE 영역(120)의 라인 격자(125)에 의해 1D EPE가 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 제2 방향(y 방향)으로 출력되어 2D EPE 영역(130)으로 진입할 수 있다. 2D EPE 영역(130)은 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)으로 확장된 평판 형태를 가질 수 있다. 2D EPE 영역(130)에는 마름모 격자(135)가 형성될 수 있다. 도 5가 단면 형태로 나타남에 따라, 2D EPE 영역(130)은 제2 방향(y 방향)으로만 확장된 형태로 도시 되고 있다. 또한, 마름모 격자(135)는 단순화하여 개념적으로 표현되고 있고, 도시된 마름모 격자(135)의 형태 및 확장 방향 등은 실제 마름모 격자(135)의 형태 및 확장 방향 등과 다를 수 있다.
2D EPE 영역(130)에 진입된 가상 영상(IMG1)은, 미세 화살표로 도시된 바와 같이, 2D EPE 영역(130)의 마름모 격자(135)에 의해 2D EPE가 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 제3 방향(z 방향)으로 출력될 수 있다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제3 방향(z 방향)의 하부에 관찰자의 눈(E)이 위치할 때, 가상 영상(IMG1)은 2D EPE 영역(130)에서 출력되어 관찰자의 눈(E)으로 제공될 수 있다. 또한, 가상 영상(IMG1)은 2D EPE 영역(130)에서 2D EPE가 이루어지면서 출력될 수 있다. 그에 따라, 관찰자의 눈(E)이 2D EPE의 폭 내에 위치하기만 하면, 관찰자는 가상 영상(IMG1) 전체를 볼 수 있다. 도 5의 단면 형태에 기인하여, 제2 방향(y 방향)의 EPE의 폭(EPEy)만이 표시되고 있다.
한편, 2D EPE 영역(130)의 마름모 격자(135)는, 표면에 경사지게 입사하는 빛에 대해서만 회절 격자로서 작용하고 수직하게 입사하는 광은 그대로 투과시킬 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제3 방향(z 방향)의 상부에서 2D EPE 영역(130)으로 입사된 실제 영상(IMG2)은 마름모 격자(135)를 그대로 투과되어 관찰자의 눈(E)으로 제공될 수 있다. 결과적으로, 관찰자의 눈(E)으로는 가상 영상(IMG1)과 실제 영상(IMG2)이 결합된 영상이 제공되고, 관찰자는 결합된 영상을 볼 수 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)는, 도파관 타입의 EPE 구조의 결합기에 해당하며, 증강 현실(Augmented Reality: AR) 또는 혼합 현실(Mixed Reality: MR) 장치에 유용하게 이용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 수직 입사 광의 진행 방향을 보여주는 개념도, 및 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 수직 입사 광에 대한 출사 광의 휘도 균일도를 비교하여 보여주는 시뮬레이션 사진들로서, 도 6b는 기존 EPE용 광학 소자에 대한 것이고, 도 6c는 본 실시예의 EPE용 광학 소자에 대한 것이다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 수직 입사 광(Lo)은 입력부(110)로 입사되고, 사출동 확장부(150)의 1D EPE 영역(120)과 2D EPE 영역(130)을 거치면서 EPE 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 외부로 출력될 수 있다. 한편, 1D EPE 영역(120)에서는 1D EPE가 이루어지고, 2D EPE 영역(130)에서는 2D EPE가 이루어짐으로써, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)는 사출동 확장부(150)에서 중복 EPE가 이루어질 수 있다.
한편, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 2D EPE만이 이루어질 수 있다. 이러한 기존 EPE용 광학 소자는, 사출동 확장부에 1D EPE 영역 + 1D EPE 영역의 구조가 형성되어 제1 방향(x 방향)과 제2 방향(y 방향)으로 순차적으로 1D EPE가 이루어지거나, 또는 사출동 확장부에 2D EPE 영역의 구조가 형성되어 제1 방향과 제2 방향의 동시의 EPE, 즉 2D EPE가 이루어질 수 있다. 기존 EPE용 광학 소자에서도, 수직 입사 광이 입력부로 입사되고 사출동 확장부에서 2D EPE가 이루어지면서 아웃-커플링을 통해 외부로 출사될 수 있다.
도 6b 및 도 6c를 참조하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 출사광은 2D EPE가 이루어지면서 2차원적으로 출력되되, 출사광들 간격이 넓고 휘도는 낮을 수 있다. 또한, 중심 라인 부분의 출력광의 휘도에 비해 외곽 영역의 출력광의 휘도가 낮게 나타날 수 있다. 따라서, 기존 EPE용 광학 소자에서, 출력광 전체의 휘도 균일도가 낮음을 알 수 있다.
그에 반해, 도 6c에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 경우, 출사광은 2차원적으로 출력되고, 출사광들 간격은 좁고 촘촘하며, 휘도는 높을 수 있다. 또한, 중심 영역과 외곽 영역에서 출력광의 휘도는 둘 다 높고, 또한, 실질적으로 동일하게 나타날 수 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 출력광 전체의 휘도 균일도가 높음을 알 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 2D 입력 영상들, 및 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 2D 입력 영상의 화각을 보여주는 개념도이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)은 정사각형 형태를 가지며, 화각(angle of view)의 개념으로, 수직, 및 수평의 화각은 43.1° 정도이고, 대각의 화각은 58.3° 정도일 수 있다. 여기서, 화각은 카메라, 또는 관찰자의 눈으로 포착하는 장면의 시야를 의미할 수 있다. 도 7c에서, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 입력부(110)로 입사되는 형태를 화각의 개념으로 도시하고 있다. 도 7b의 2D 입력 영상(2Di2)은 직사각형 형태를 가지며, 화각의 개념으로, 수직의 화각은 26.6° 정도이고, 수평의 화각은 48.8° 정도이며, 대각의 화각은 56° 정도일 수 있다.
참고로, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)은 하기 도 8a 및 도 8b에서의 휘도 균일도의 비교를 위해 이용되고, 도 7b의 2D 입력 영상(2Di2)은 하기 도 9a 내지 도 11c에서의 아이 박스 내의 눈의 위치에 따른 휘도 변화와 FOV 균일도의 비교를 위해 이용될 수 있다. 한편, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)과 도 7b의 2D 입력 영상(2Di2)은 각각 가상 영상에 해당할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 2D 입력 영상에 대한 출력 영상의 휘도 균일도를 비교하여 보여주는 시뮬레이션 사진들로서, 도 8a는 기존 EPE용 광학 소자에 대한 것이고, 도 8b는 본 실시예의 EPE용 광학 소자에 대한 것이다. 한편, 기존 EPE용 광학 소자는 도 6a 내지 도 6c의 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 기존 EPE용 광학 소자에서, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)에 대한 2D 출력 영상은, 중앙 영역에서 휘도가 높고, 외곽 영역에서 휘도가 낮게 나타날 수 있다. 따라서, 기존 EPE용 광학 소자에서, 2D 출력 영상 전체의 휘도 균일도가 낮음을 알 수 있다.
그에 반해, 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 도 7a의 2D 입력 영상(2Di1)에 대한 2D 출력 영상은, 중심 영역과 외곽 영역에서 휘도가 둘 다 높게 나타날 수 있다. 또한, 2D 출력 영상은, 최외곽쪽 부분들을 제외하고, 중심 영역과 외곽 영역에서 거의 유사하게 나타날 수 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 2D 출력 영상 전체의 휘도 균일도가 높음을 알 수 있다.
앞서 도 6c에서의 수직 입사광에 대한 출력광의 높은 휘도와 휘도 균일도, 그리고 8b에서의 2D 입력 영상에 대한 2D 출력 영상의 높은 휘도와 휘도 균일도에 기초하여, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)가 기존 EPE용 광학 소자에 비해 아이 박스(eye box) 확대와 FOV 확대에 기여할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 아이 박스는 관찰자의 눈이 그 내부에 위치하면 영상 전체가 보이는 영역으로, 출사동과 실질적으로 동일한 개념이며, EPE를 통해 아이 박스가 확대될 수 있다.
도 9a 내지 도 11c는 아이 박스 내의 눈의 위치들에 대한 개념도들, 및 각각의 눈의 위치에 대응하여 기존 EPE용 광학 소자와 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 휘도 변화와 FOV 균일도를 비교하여 보여주는 사진들이다. 여기서, 도 9a, 도 10a, 도 11a는 아이 박스 내에서 서로 다른 위치의 눈들을 보여주고, 도 9b, 도 10b, 도 11b는 각각의 눈의 위치에 대응하여 기존 EPE용 광학 소자에서 휘도 변화와 FOV 균일도를 보여주며, 도 9c, 도 10c, 도 11c는 각각의 눈의 위치에 대응하여 본 실시예의 EPE용 광학 소자에서 휘도 변화와 FOV 균일도를 보여준다. 한편, 기존 EPE용 광학 소자는 도 6a 내지 도 6c의 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 도 9a에서 직사각형이 아이 박스에 해당하고, 작은 원들이 눈의 위치에 해당할 수 있다. 도 9a에서, 작은 원들 중 중앙의 작은 원이 해칭되어 있는데, 이는 눈이 아이 박스의 중앙에 위치함을 의미할 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스 중앙에 있을 때에도, 기존 EPE용 광학 소자에서, 2D 출력 영상의 아랫쪽 양쪽이 부분이 잘려 보이지 않고 있다. 다시 말해서, 기존 EPE용 광학 소자의 FOV가 작음을 알 수 있다. 또한, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 잘린 부분에 인접하여 휘도가 낮게 나타나고 있다.
그에 반해, 9c에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스 중앙에 있을 때에, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 2D 출력 영상 전체가 선명하게 나타나고 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 FOV가 크다는 것을 알 수 있다. 또한, EPE용 광학 소자(100)의 경우, 2D 출력 영상 전체의 휘도가 높게 나타나고 있다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 도 10a에서, 작은 원들 중 중앙 하부의 작은 원이 해칭됨에 따라, 눈이 아이 박스의 중앙의 하부에 위치함을 알 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스의 중앙의 하부에 있을 때, 기존 EPE용 광학 소자에서, 2D 출력 영상의 아랫쪽 양쪽이 부분이 잘려 보이지 않으므로, 기존 EPE용 광학 소자의 FOV가 작음을 알 수 있다. 또한, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 잘린 부분에 인접한 부분을 비롯하여 외곽 부분에서 휘도가 낮게 나타나고 있다.
그에 반해, 10c에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스의 중앙의 하부에 있을 때에도, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 2D 출력 영상 전체가 선명하게 나타나고 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 FOV가 크다는 것을 알 수 있다. 또한, EPE용 광학 소자(100)의 경우, 2D 출력 영상 전체의 휘도가 높게 나타나고 있다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 도 11a에서, 작은 원들 중 중앙의 오른쪽의 작은 원이 해칭됨에 따라, 눈이 아이 박스의 중앙의 오른쪽에 위치함을 알 수 있다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스 중앙 오른쪽에 있을 때, 기존 EPE용 광학 소자에서, 2D 출력 영상의 아랫쪽 양쪽이 부분이 잘려 보이지 않으므로, 기존 EPE용 광학 소자의 FOV가 작음을 알 수 있다. 또한, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 잘린 부분에 인접한 부분을 비롯하여 오른쪽 상부 외곽 부분에서 휘도가 낮게 나타나고 있다.
그에 반해, 11c에 도시된 바와 같이, 눈이 아이 박스 중앙의 오른쪽에 있을 때에도, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서, 2D 출력 영상 전체가 선명하게 나타나고 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 FOV가 크다는 것을 알 수 있다. 또한, EPE용 광학 소자(100)의 경우, 2D 출력 영상 전체의 휘도가 높게 나타나고 있다.
한편, 아이 박스 내의 눈의 위치별 휘도를 비교할 때, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 2D 출력 영상의 외곽 부분의 휘도가 아이 박스 내의 눈의 위치에 따라 변함을 알 수 있다. 그에 반해, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 경우, 아이 박스 내의 눈의 위치에 상관없이, 2D 출력 영상 전체의 휘도가 높게 나타나고 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 경우, 아이 박스 내의 눈의 위치에 따른 휘도 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
또한, 아이 박스 내의 눈의 위치별 FOV를 비교할 때, 다시 말해서, 2D 출력 영상의 잘린 부분의 크기를 비교할 때, 기존 EPE용 광학 소자에서, 눈이 아이 박스의 중앙의 오른쪽에 있을 때에, 잘린 부분의 크기가 가장 크고, 눈이 아이 박스의 중앙의 아래에 있을 때, 상대적으로 잘린 부분의 크기가 작음을 알 수 있다. 따라서, 기존 EPE용 광학 소자의 경우, 아이 박스 내의 눈의 위치에 따른 FOV 균일도가 낮다고 볼 수 있다. 그에 반해, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)에서는 아이 박스 내의 눈의 위치와 상관없이, 2D 출력 영상 전체가 모두 선명하게 나타나고 있다. 따라서, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)의 경우, 아이 박스 내의 눈의 위치에 따른 FOV 균일도가 높다고 볼 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 EPE용 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치에 대한 개념도들이다. 도 1a 내지 도 5의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 EPE용 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치(1000, 이하, 간단히 '디스플레이 장치'라 한다)는 EPE용 광학 소자(100)와 영상 생성기(200)를 포함할 수 있다. EPE용 광학 소자(100)는 도 1a의 EPE용 광학 소자(100)일 수 있다. 그러나 EPE용 광학 소자(100)가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 2b, 도 2c, 도 4a, 및 도 4b의 EPE용 광학 소자(100a, 100b, 100c, 100d)가 본 실시예의 디스플레이 장치(1000)에 채용될 수 있다.
영상 생성기(200)는 가상 영상을 생성하여, EPE용 광학 소자(100)의 입력부(110)으로 입력할 수 있다. 영상 생성기(200)는 마이크로-디스플레이(210)와 콜리메이팅 렌즈(220, collimating lens)를 포함할 수 있다. 마이크로-디스플레이(210)의 가상 영상은 2D 가상 영상일 수 있다. 마이크로-디스플레이(210)의 가상 영상은 화소별로 출력될 수 있다. 마이크로-디스플레이(210)의 화소들에서 나온 광은 콜리메이팅 렌즈(220)에서 평행광으로 변형되어 EPE용 광학 소자(100)의 입력부(110)로 입사될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 실시예의 디스플레이 장치(1000a)는, 일반적인 영상 생성기(200) 대신 홀로그래픽 영상 생성기(200a)를 포함한다는 측면에서, 도 12의 디스플레이 장치(1000)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 디스플레이 장치(1000a)는 EPE용 광학 소자(100)와 홀로그래픽 영상 생성기(200a)를 포함할 수 있다. EPE용 광학 소자(100)는 도 1a의 EPE용 광학 소자(100)일 수 있다. 그러나 EPE용 광학 소자(100)가 그에 한정되는 것은 아니다.
홀로그래픽 영상 생성기(200a)는 광원(210a), 콜리메이팅 렌즈(220a), 빔스플리터(212), 공간 광변조기(213), 렌즈(214), 편광판(215), 및 영상 처리기(230)를 포함할 수 있다.
광원(210a)은 광을 생성하여 출력할 수 있다. 광원(210a)은 공간 광변조기(213)에서 회절되어 간섭될 수 있는 코히런트(coherent) 광을 출력할 수 있다. 예컨대, 광원(210a)은, 레이저 다이오드(laser diode; LD)나 발광 다이오드(light emitting diode; LED)일 수 있다. 그러나 광원(210a)의 종류가 LD나 LED에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 공간 간섭성을 갖는 광을 출력한다면 다른 종류의 광원도 홀로그래픽 영상 생성기(200a)의 광원(210a)으로 사용할 수 있다.
광원(210a)의 광은 콜리메이팅 렌즈(220a)에서 평행광으로 변형되어 빔 스플리터(212)로 입력될 수 있다. 빔 스플리터(212)는 광원(210a)으로부터의 광을 반사하여 공간 광변조기(213)로 전달하고, 공간 광변조기(213)로부터의 광을 투과시켜 렌즈(214)로 전달할 수 있다. 빔 스플리터(212)는 단순히 입사광의 절반을 반사하고 나머지 절반을 투과시키는 반투과 미러이거나, 또는 편광 선택성을 갖는 편광 빔스플리터일 수 있다. 빔 스플리터(212)와 공간 광변조기(213) 사이에 편광판(215)이 배치될 수 있다. 편광판(215)은 예컨대 1/4 파장판일 수 있다. 실시예에 따라, 편광판(215)은 공간 광변조기(213)의 표면에 일체로 결합될 수 있다.
공간 광변조기(213)는 영상 처리기(230)로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호, 예컨대, CGH(Computer Generated Hologram) 신호에 따라 홀로그램 패턴을 표시할 수 있다. 광원(210a)으로부터 출력되어 공간 광변조기(213)에 입사된 광은 공간 광변조기(213)의 화면에 표시된 홀로그램 패턴에 의해 회절된 후, 소멸 간섭 및 보강 간섭에 의해 입체감을 갖는 홀로그래픽 영상으로 재생될 수 있다. 공간 광변조기(213)에는, 예컨대, 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 하나가 이용될 수 있다. 본 실시예의 디스플레이 장치(1000a)에서, 공간 광변조기(213)는 입사광을 반사하면서 회절 및 변조하는 반사형 공간 광변조기일 수 있다. 예컨대, 공간 광변조기(213)는, LCoS(Liquid Crystal on Silicon), DMD(Digital Micromirror Device), 또는 반도체 변조기를 이용할 수 있다.
영상 처리기(230)는 재생될 홀로그래픽 영상의 정보를 담고 있는 소스 영상 데이터를 기초로 CGH 신호를 생성하여 공간 광변조기(213)에 제공할 수 있다. 예컨대, 영상 처리기(230)는 소스 영상 데이터에 대해 푸리에 변환, 및 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform: IFT), 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT), 및 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT) 등을 수행하여, CGH 신호를 생성할 수 있다.
렌즈(214)는 홀로그래픽 영상을 포커싱하여 EPE용 광학 소자(100)의 입력부 (110)에 입사킬 수 있다. 렌즈(214)와 입력부(110) 사이의 거리는 렌즈(214)의 초점거리와 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나 렌즈(214)와 입력부(110) 사이의 거리가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 렌즈(214)와 입력부(110) 사이의 거리가 렌즈(214)의 초점거리와 동일한 경우, 공간 광변조기(213)에 의한 홀로그래픽 영상이 다양한 각도를 가지고 입력부(110)에 최대로 입사될 수 있다.
한편, 렌즈(214)와 공간 광변조기(213) 사이의 거리도 렌즈(214)의 초점거리와 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나 렌즈(214)와 공간 광변조기(213) 사이의 거리가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 렌즈(214)와 공간 광변조기(213) 사이의 거리가 렌즈(214)의 초점거리와 동일한 경우, 공간 광변조기(213) 상에서 재생되는 홀로그래픽 영상이 화질의 저하 없이 관찰자의 눈(E)에 그대로 전달될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치가 장착된 AR 글래스에 대한 사시도 및 측면도이다. 도 1a 내지 도 5, 도 12, 및 도 13의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 본 실시예의 디스플레이 장치가 장착된 AR 글래스(1000b, 이하, 간단히 'AR 글래스'라 한다)는 디스플레이 장치(1000b), 컴퓨팅 시스템(300), 및 글래스 바디(400)를 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(1000b)는 도 12의 디스플레이 장치(1000)와 유사할 수 있다. 그러나 EPE용 광학 소자가 2개가 포함된다는 점에서, 도 12의 디스플레이 장치(1000)와 다를 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 AR 글래스(2000)에서, 디스플레이 장치(1000b)는 양쪽 눈에 대응하여 제1 EPE용 광학 소자(100-1)와 제2 EPE용 광학 소자(100-2)를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(1000b)는 가상 영상을 제공하는 영상 생성기(200)를 포함할 수 있다.
한편, 실시예에 따라, AR 글래스(2000)에는, 도 13의 디스플레이 장치(1000a)가 변형되어 채용될 수 있다. 예컨대, 양쪽 눈에 대응한 제1 EPE용 광학 소자(100-1)와 제2 EPE용 광학 소자(100-2), 및, 홀로그래픽 영상 생성기(200a)를 포함하는 디스플레이 장치가 AR 글래스(2000)에 포함될 수 있다.
컴퓨팅 시스템(300)은 장착 컴퓨팅 모듈(310)과 리모트 컴퓨팅 모듈(320)을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(300)은, 또한, 관성 센서(330, inertial sensor)와 환경 센서(340, environment sensor)를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(300)은 관성 센서(330)나 환경 센서(340)로부터 획득한 정보를 기초하여, 영상 생성기(200)의 가상 영상을 제어할 수 있다. 예컨대, 관성 센서(330)는 위치, 방향(orientation), 갑작스런 가속(sudden acceleration) 등을 센싱하고, 관성 센서(330)에서 센싱된 결과는 장착 컴퓨팅 모듈(310)을 통해 영상 생성기(200)의 가상 영상에 반영될 수 있다. 또한, 환경 센서(340)는 다양한 종류의 카메라일 수 있고, 환경 센서(340)에서 획득한 영상들이 장착 컴퓨팅 모듈(310)을 통해 영상 생성기(200)의 가상 영상에 반영될 수 있다.
한편, 리모트 컴퓨팅 모듈(320)은 장착 컴퓨팅 모듈(310)에 유선 또는 무선을 통해 파워를 공급할 수 있다. 또한, 리모트 컴퓨팅 모듈(320)은 디스플레이 장치(1000b)에서 요구되는 자원을 장착 컴퓨팅 모듈(310)을 통해 공급할 수 있다. 실시예에 따라, 컴퓨팅 시스템(300)은 GPS(Global Positioning System) 수신기를 포함할 수도 있다.
글래스 바디(400)는 크게 렌즈 부분과 다리 부분을 포함할 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(1000b)는 글래스 바디(400)의 렌즈 부분에 장착되고, 컴퓨팅 시스템(300)은 글래스 바디(400)의 다리 부분에 장착될 수 있다. 덧붙여, 글래스 바디(400) 상의 컴퓨팅 시스템(300)의 배치 구조는 도 14a 및 14b에 예시된 배치 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 컴퓨팅 시스템(300)은 글래스 바디(400)의 다양한 부분에 다양한 구조를 가지고 배치될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치가 장착된 차량용 AG 장치에 대한 개념도이다. 도 1a 내지 도 5, 및 도 12 내지 도 14의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 디스플레이 장치가 장착된 차량용 AG 장치(2000a, 이하, 간단히 '차량용 AG 장치'라 한다)는, 디스플레이 장치(1000)와 차량 바디(400a)를 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(1000)는 도 12의 디스플레이 장치(1000)일 수 있다. 그러나 그에 한하지 않고, 차량용 AG 장치(2000a)는 도 13의 디스플레이 장치(1000a)를 채용할 수도 있다. 한편, 도 15에서, 디스플레이 장치(1000)는, 입력부(110), 1D EPE 영역, 영상 생성기(200) 등은 생략되고, 2D EPE 영역(130)만이 도시 되고 있다.
차량 바디(400a)는 예컨대, 차량의 전방 유리창일 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(1000)는, 운전자의 시야가 미칠 수 있는 차량 바디(400a)의 부분에 장착될 수 있다. 예컨대, 도 15에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(1000)는 스티어리 휠(SW: Steering Wheel)에 인접하여 차량 바디(400a) 부분에 배치될 수 있다. 물론, 디스플레이 장치(1000)의 위치가 그에 한정되는 것은 아니다. 도 15에서, RI는 실제 영상을 의미할 수 있다.
도 14a 내지 도 15에서, 디스플레이 장치들(1000, 1000a, 1000b)이 장착된 AR 장치들(2000, 2000a)에 대해서 설명하였다. 그러나 본 실시예의 디스플레이 장치가 장착된 AR 장치의 종류가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 디스플레이 장치(1000, 1000a, 1000b)는 HDD(Head-Down Display)이나 또는 HUD(Head-Up Display) 방식으로 다양한 AR 장치에 장착되어 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은, 본 실시예의 EPE용 광학 소자(100)를 포함한 디스플레이 장치, 및 그 디스플레이 장치가 장착된 다양한 AR 장치들에 미칠 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100a ~ 100d, 100-1, 100-2: EPE용 광학 소자, 101: 도파관, 110: 입력부, 120, 120a, 120b: 1D EPE 영역, 130: 2D EPE 영역, 150: 사출동 확장부, 115, 125, 125a, 125b: 라인 격자, 135, 135a: 마름모 격자, 135b: 원형 격자. 200, 200a: 영상 생성기, 210: 마이크로-디스플레이, 210a: 광원, 212: 빔 스플리터, 213: 공간 광변조기, 214: 렌즈, 215: 편광판, 220, 220a: 콜리메이팅 렌즈, 230: 영상 처리기, 300: 컴퓨팅 시스템, 310: 장차 컴퓨팅 모듈, 320: 리모트 컴퓨팅 모듈, 330: 관성 센서, 340: 환경 센서, 400: 글래스 바디, 400a: 차량 바디, 1000, 1000a: 디스플레이 장치, 2000: AR 글래스, 2000a: 차량용 AR 장치,

Claims (20)

  1. 가상 영상(virtual image)이 입력되는 입력부; 및
    상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D 사출동 확장(Exit Pupil Expansion: EPE)과 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부(EPE unit);를 포함하고,
    상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상이 출력되되, 외부의 실제 영상(real image)이 결합하여 출력되는, EPE용 광학 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 사출동 확장부는,
    상기 1D EPE가 이루어지는 1D EPE 영역과 상기 2D EPE가 이루어지는 2D EPE 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 1D EPE 영역은 상기 입력부로부터 제1 방향으로 양 방향으로 배치되고,
    상기 2D EPE 영역은 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 상기 입력부와 상기 1D EPE 영역에 인접하여 배치된 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 1D EPE 영역은 라인 격자로 형성되고,
    상기 2D EPE 영역은 마름모 격자로 형성된 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 라인 격자는, 상기 제1 방향으로 진행하는 상기 가상 영상을 상기 제2 방향으로 진행하도록 하는 형태를 갖는 것을 특징으로 EPE용 광학 소자.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 라인 격자는 상기 제1 방향에 45°의 경사를 갖는 경사 방향으로 연장하고, 상기 경사 방향에 수직하는 방향을 따라 제1 폭과 제1 피치를 가지며,
    상기 경사 방향에 수직하는 상기 라인 격자의 단면은 톱니, 직사각형, 또는 평행사변형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 마름모 격자는, 상기 라인 격자로부터 상기 제2 방향으로 출력된 상기 가상 영상을 상기 제2 방향과 상기 제2 방향에 대해 제1 각도로 양쪽으로 진행하도록 하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 마름모 격자는, 상기 제2 방향에 대하여 시계 방향으로 제2 각도를 갖는 제1 라인 격자와, 상기 제2 방향에 대하여 반시계 방향으로 상기 제2 각도를 갖는 제2 라인 격자가 서로 엇갈린 형태를 가지며,
    상기 제2 각도는 45° 미만이고, 상기 제2 각도에 따라, 상기 제1 각도가 달라지며,
    상기 제1 라인 격자는, 상기 제1 라인 격자가 연장하는 방향에 수직하는 방향을 따라 제2 폭과 제2 피치를 가지며,
    상기 제2 라인 격자는, 상기 제2 라인 격자가 연장하는 방향에 수직하는 방향을 따라 제3 폭과 제3 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 사출동 확장부는 도파관으로 형성되되, 상기 1D EPE 영역은 라인 격자로 형성되고, 상기 2D EPE 영역은 마름모 격자로 형성되며,
    상기 1D EPE 영역과 2D EPE 영역 사이에는 격자가 없는 갭이 존재하는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 입력부는 라인 격자로 구성되고, 상기 가상 영상은 상기 제1 방향과 제2 방향에 수직하는 제3 방향에서 상기 입력부로 입력되어 상기 제1 방향으로 진행하며,
    상기 2D EPE 영역에서, 상기 가상 영상이 상기 제3 방향으로 출력되는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 방향을 따라, 상기 2D EPE 영역을 기준으로 상기 가상 영상이 출력되는 쪽을 상기 2D EPE 영역의 전방이라고 할 때, 상기 2D EPE 영역의 후방에서 상기 실제 영상이 입력되어 상기 2D EPE 영역에서 상기 홀로그래픽 영상과 결합하여 상기 전방으로 출력되는 것을 특징으로 하는 EPE용 광학 소자.
  12. 가상 영상을 생성하는 영상 생성기; 및
    상기 가상 영상이 입력되어 EPE가 이루어지고, 외부의 실제 영상이 결합하여 출력되는 EPE용 광학 소자;를 포함하고,
    상기 EPE용 광학 소자는,
    상기 가상 영상이 입력되는 입력부, 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부를 포함하며,
    상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상과 실제 영상이 결합하여 출력되는, 디스플레이 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 사출동 확장부는,
    상기 입력부로부터 제1 방향으로 양 방향으로 배치되고 라인 격자가 형성된 1D EPE 영역과,
    상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 상기 입력부와 상기 1D EPE 영역에 인접하여 배치되고, 마름모 격자가 형성된 2D EPE 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 라인 격자는, 상기 제1 방향으로 진행하는 상기 가상 영상을 상기 제2 방향으로 진행하도록 하는 형태를 갖고,
    상기 마름모 격자는, 상기 라인 격자로부터 상기 제2 방향으로 출력된 상기 가상 영상을 상기 제2 방향과 상기 제2 방향에 대해 제1 각도로 양쪽으로 진행하도록 하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 것을 디스플레이 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 입력부는 라인 격자로 구성되고, 상기 가상 영상은 상기 제1 방향과 제2 방향에 수직하는 제3 방향에서 상기 입력부로 입력되어 상기 제1 방향으로 진행하며,
    상기 2D EPE 영역에서, 상기 가상 영상이 상기 제3 방향으로 출력되며,
    상기 제3 방향을 따라, 상기 2D EPE 영역을 기준으로 상기 가상 영상이 출력되는 쪽을 상기 2D EPE 영역의 전방이라고 할 때, 상기 2D EPE 영역의 후방에서 상기 실제 영상이 입력되어 상기 2D EPE 영역에서 상기 가상 영상과 결합하여 상기 전방으로 출력되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    증강 현실(Augmented Reality: AR) 글래스, 또는 차량용 AG 장치로 구현된 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  17. 가상 영상을 생성하는 영상 생성기;
    상기 가상 영상이 입력되어 EPE가 이루어지고, 외부의 실제 영상이 결합하여 출력되는 EPE용 광학 소자; 및
    상기 영상 생성기와 EPE용 광학 소자가 장착된 바디;를 포함하고,
    상기 EPE용 광학 소자는,
    상기 가상 영상이 입력되는 입력부, 및 상기 입력부로부터의 상기 가상 영상을 전달하되, 1D EPE와 2D EPE가 중복으로 이루어지는 사출동 확장부를 포함하며,
    상기 사출동 확장부에서 상기 가상 영상과 실제 영상이 결합하여 출력되는, 디스플레이 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 사출동 확장부는,
    상기 입력부로부터 제1 방향으로 양 방향으로 배치되고, 라인 격자가 형성되며, 상기 가상 영상을 상기 제1 방향에서 제2 방향으로 바꾸는 1D EPE 영역과,
    상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 상기 입력부와 상기 1D EPE 영역에 인접하여 배치되고, 마름모 격자가 형성되며, 상기 가상 영상을 상기 제2 방향과 상기 제2 방향에 대해 제1 각도로 양쪽으로 진행하도록 하는 2D EPE 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 입력부는 라인 격자로 구성되고, 상기 가상 영상은 상기 제1 방향과 제2 방향에 수직하는 제3 방향에서 상기 입력부로 입력되어 상기 제1 방향으로 진행하며,
    상기 2D EPE 영역에서, 상기 가상 영상이 상기 제3 방향으로 출력되며,
    상기 제3 방향을 따라, 상기 2D EPE 영역을 기준으로 상기 가상 영상이 출력되는 쪽을 상기 2D EPE 영역의 전방이라고 할 때, 상기 2D EPE 영역의 후방에서 상기 실제 영상이 입력되어 상기 2D EPE 영역에서 상기 가상 영상과 결합하여 상기 전방으로 출력되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 바디는 AR 글래스, 또는 차량용 AG 장치의 바디인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
KR1020210090546A 2021-07-09 2021-07-09 Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치 KR20230009757A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210090546A KR20230009757A (ko) 2021-07-09 2021-07-09 Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치
US17/587,245 US20230008461A1 (en) 2021-07-09 2022-01-28 Optical device for exit pupil expansion (epe) and display apparatus including the optical device
DE102022115571.4A DE102022115571A1 (de) 2021-07-09 2022-06-22 Optische Vorrichtung für eine Austrittspupillenerweiterung (EPE) und Anzeigevorrichtung mit der optischen Vorrichtung
CN202210793921.2A CN115598843A (zh) 2021-07-09 2022-07-07 光学装置和包括该光学装置的显示设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210090546A KR20230009757A (ko) 2021-07-09 2021-07-09 Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230009757A true KR20230009757A (ko) 2023-01-17

Family

ID=84534300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210090546A KR20230009757A (ko) 2021-07-09 2021-07-09 Epe용 광학 소자 및 그 광학 소자를 포함한 디스플레이 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230008461A1 (ko)
KR (1) KR20230009757A (ko)
CN (1) CN115598843A (ko)
DE (1) DE102022115571A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115793119B (zh) * 2023-01-09 2023-04-18 北京驭光科技发展有限公司 衍射光波导及显示设备

Also Published As

Publication number Publication date
US20230008461A1 (en) 2023-01-12
CN115598843A (zh) 2023-01-13
DE102022115571A1 (de) 2023-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5060704B2 (ja) 平面型投影ディスプレイ
CN106896506B (zh) 一种平视显示装置、平视显示方法及车辆
CN110998413B (zh) 包括光导的显示装置
WO2019165921A1 (zh) Hud系统和多屏拼接式衍射显示系统
KR20200135843A (ko) 디스플레이 장치
JP2017167181A (ja) 表示装置および導光装置
KR20190016869A (ko) 광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치
KR20160069478A (ko) 화상 표시 장치
US11874470B2 (en) Display apparatus having wide viewing window
JP7119862B2 (ja) 虚像表示装置
KR20220159969A (ko) 얇은 도파관 파장 선택적 프로젝터
EP3528058B1 (en) Holographic display apparatus for providing expanded viewing window
CN113614616A (zh) 图像显示装置、图像显示方法和头戴式显示器
KR102509086B1 (ko) 홀로그래픽 헤드 업 표시 장치
CN113406795A (zh) 抬头显示器
US20230008461A1 (en) Optical device for exit pupil expansion (epe) and display apparatus including the optical device
US20210255471A1 (en) Dynamic incoupling gratings in imaging systems
CN113692549B (zh) 全息导波器
KR20200145622A (ko) 확장된 시야창을 제공하는 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 디스플레이 방법
WO2022181346A1 (ja) 画像投影装置
CN114026485B (zh) 具有反射棱镜输入耦合器的光学系统
EP3919947A2 (en) Display apparatus for providing expanded viewing window
JP2022129523A (ja) 画像投影装置
JP2021089325A (ja) ヘッドアップディスプレイ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination