KR20230046942A

KR20230046942A - See-through type display apparatus and electronic device including the same

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Publication number: KR20230046942A
Application number: KR1020220073056A
Authority: KR
Inventors: 한승훈; 아미르 아바비; 박현성
Original assignee: 삼성전자주식회사; 유니버시티 오브 매사추세츠
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-04-06

Abstract

A disclosed transparent display device includes: an image projector configured to output image light; a waveguide configured to receive the image light output from the image projector and transmit the image light to a user's view; and a first lens having a negative refractive power and a second lens having a positive refractive power, which are arranged on both surfaces of the waveguide. Each of the first lens and the second lens includes one or more meta lenses and is configured to operate as a lens with almost no chromatic aberration, thereby implementing a thin optical system having good image quality.

Description

See-through type display apparatus and electronic device including the same

개시된 실시예들은 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다. The disclosed embodiments relate to a see-through display device and an electronic device including the same.

최근, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치 등을 구현하는 착용형 디스플레이 장치(wearable display device)로 적용될 수 있는 초소형 디스플레이 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. Recently, interest in a subminiature display device that can be applied as a wearable display device that implements a virtual reality device, an augmented reality device, and the like is increasing.

사용자의 눈에 전달되는 영상 품질을 유지하면서, 초소형 디스플레이 장치를 경량화, 박형화하는 방안이 지속적으로 모색되고 있으며, 이를 위한 예로서, 광 도파로(light waveguide) 기반의 광학계가 활용되고 있다. While maintaining image quality delivered to the user's eyes, a plan to reduce the weight and thickness of the micro-display device is continuously being sought, and as an example for this, an optical system based on a light waveguide is being used.

박형화되고 착용에 편리한 구조를 가지는 투시형 디스플레이 장치가 제공된다. A see-through display device having a structure that is thin and comfortable to wear is provided.

실시예에 따르면, 영상광을 출력하는 영상 프로젝터; 상기 영상 프로젝터에서 출력된 영상광을 사용자의 시야에 전달하는 것으로, 상기 영상광이 출력되는 제1면과, 상기 제1면과 마주하는 제2면을 구비하는 도파관; 상기 제1면 상에 배치되고, 음의 굴절력을 가지며, 하나 이상의 메타 렌즈를 포함하는 제1렌즈; 및 상기 제2면 상에 배치되고, 양의 굴절력을 가지는 제2렌즈;를 포함하는, 투시형 디스플레이 장치가 제공된다. According to an embodiment, an image projector outputting image light; a waveguide for transmitting the image light output from the image projector to a user's field of view and having a first surface through which the image light is output and a second surface facing the first surface; a first lens disposed on the first surface, having a negative refractive power, and including one or more meta lenses; and a second lens disposed on the second surface and having a positive refractive power.

상기 제1렌즈는 상기 제1면 상에 배치되고 음의 굴절력을 가지는 제1 메타 렌즈; 상기 제1 메타 렌즈와 제1거리로 이격되게 배치되고 양의 굴절력을 가지는 제2 메타 렌즈; 및 상기 제2 메타 렌즈와 제2거리로 이격되게 배치되고 음의 굴절력을 가지는 제3 메타 렌즈;를 포함할 수 있다. The first lens may include a first meta lens disposed on the first surface and having a negative refractive power; a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a positive refractive power; and a third meta lens disposed apart from the second meta lens by a second distance and having a negative refractive power.

상기 제1렌즈는 상기 제1 메타 렌즈와 상기 제2 메타 렌즈 사이에 배치되고, 제1 상기 제1거리에 상응하는 두께를 가지는 제1 스페이서; 및 상기 제2 메타 렌즈와 상기 제3 메타렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2거리에 상응하는 두께를 가지는 제2 스페이서;를 더 포함할 수 있다. The first lens may include a first spacer disposed between the first meta-lens and the second meta-lens and having a thickness corresponding to the first distance; and a second spacer disposed between the second meta-lens and the third meta-lens and having a thickness corresponding to the second distance.

상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 같은 굴절률, 같은 두께를 가질 수 있다. The first spacer and the second spacer may have the same refractive index and the same thickness.

상기 제1렌즈는 상기 제1면 상에 배치되고 양의 굴절력을 가지는 제1 메타 렌즈; 상기 제1 메타 렌즈와 제1거리로 이격되게 배치되고 음의 굴절력을 가지는 제2 메타 렌즈; 및 상기 제2 메타 렌즈와 제2거리로 이격되게 배치되고 양의 굴절력을 가지는 제3 메타 렌즈;를 포함할 수 있다. The first lens may include a first meta lens disposed on the first surface and having a positive refractive power; a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a negative refractive power; and a third meta lens disposed apart from the second meta lens by a second distance and having a positive refractive power.

상기 제2렌즈는 일면이 볼록한 곡면인 굴절 렌즈일 수 있다. The second lens may be a refractive lens having a convex curved surface.

상기 제2렌즈는 하나 이상의 메타 렌즈를 포함할 수 있다. The second lens may include one or more meta lenses.

상기 제2렌즈는 양의 굴절력을 가지는 제1 메타 렌즈; 상기 제1 메타 렌즈와 제1거리로 이격되게 배치되고 음의 굴절력을 가지는 제2 메타 렌즈; 및 상기 제2 메타 렌즈와 제2거리로 이격되게 배치되고 양의 굴절력을 가지는 제3 메타 렌즈;를 포함할 수 있다. The second lens may include a first meta lens having a positive refractive power; a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a negative refractive power; and a third meta lens disposed apart from the second meta lens by a second distance and having a positive refractive power.

상기 제2렌즈는 상기 제1 메타 렌즈와 상기 제2 메타 렌즈 사이에 배치되고, 제1 상기 제1거리에 상응하는 두께를 가지는 제1 스페이서; 및 상기 제2 메타 렌즈와 상기 제3 메타렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2거리에 상응하는 두께를 가지는 제2 스페이서;를 더 포함할 수 있다. The second lens may include a first spacer disposed between the first meta-lens and the second meta-lens and having a thickness corresponding to the first distance; and a second spacer disposed between the second meta-lens and the third meta-lens and having a thickness corresponding to the second distance.

상기 제1거리와 상기 제2거리는 d_min 이상일 있고, d_min은 다음과 같으며, f는 상기 제2렌즈의 초점 거리, D는 상기 제2렌즈의 유효경, n_g는 상기 제1 스페이서, 제2 스페이서의 굴절률, θ_max는 입사광의 상기 제1 메타 렌즈에 의한 최대 편향각이다.The first distance and the second distance may be d _min or more, d _min is as follows, f is the focal length of the second lens, D is the effective diameter of the second lens, n _g is the first spacer, 2 The refractive index of the spacer, θ _max , is the maximum deflection angle of the incident light by the first meta lens.

상기 제2렌즈는 상기 제2렌즈로 입사한 광이 상기 제2 메타 렌즈의 중심을 지나는 것을 차단하는 차단 부재를 더 포함할 수 있다. The second lens may further include a blocking member blocking light incident to the second lens from passing through the center of the second meta-lens.

상기 차단 부재는 상기 제1 메타 렌즈의 중심부에 배치될 수 있다. The blocking member may be disposed in the center of the first meta-lens.

상기 차단 부재는 상기 제2 메타 렌즈의 중심부에 배치될 수 있다. The blocking member may be disposed at a central portion of the second meta-lens.

상기 차단 부재는 직경이 D_0min이상일 수 있고, D_0min은 다음과 같으며, f는 상기 제2렌즈의 초점 거리, D는 제2렌즈의 유효경, n_g는 상기 제1 스페이서, 상기 제2 스페이서의 굴절률, θ_max는 입사광의 상기 제1 메타 렌즈에 의한 최대 편향각이다. The blocking member may have a diameter equal to or greater than D _{0 min} , D _{0 min} is as follows, f is the focal length of the second lens, D is the effective diameter of the second lens, n _g is the first spacer and the second spacer The refractive index of , θ _max is the maximum deflection angle of the incident light by the first meta lens.

상기 제1렌즈가 나타내는 음의 굴절력의 절대값은 상기 제2렌즈가 나타내는 양의 굴절력의 절대값과 다를 수 있다. An absolute value of negative refractive power represented by the first lens may be different from an absolute value of positive refractive power represented by the second lens.

상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 제1렌즈에 인접 배치되고, 착탈 가능한, 시력 교정용 렌즈를 더 포함할 수 있다. The see-through display device may further include a lens for vision correction that is disposed adjacent to the first lens and is detachable.

상기 시력 교정용 렌즈는 메타 렌즈일 수 있다. The vision correction lens may be a meta lens.

실시예에 따르면, 상술한 어느 하나의 투시형 디스플레이 장치; 및 사용자가 주시하는 환경에 알맞는 부가 영상을 출력하도록 상기 투시형 디스플레이 장치를 제어하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.According to an embodiment, any one of the above-described see-through display device; and a processor controlling the see-through display device to output an additional image suitable for an environment viewed by a user.

상기 투시형 디스플레이 장치는 아이-웨어러블(eye-wearable) 장치일 수 있다. The see-through display device may be an eye-wearable device.

상술한 투시형 디스플레이 장치는 도파관과 메타 렌즈 기반으로 하여, 색수차가 거의 없고 얇은 광학계를 구현할 수 있다. The above-described see-through display device is based on a waveguide and a meta lens, and can implement a thin optical system with little chromatic aberration.

상술한 투시형 디스플레이 장치는 웨어러블 장치에 적용하기에 편리한 구조를 가지며, 증강 현실 장치 등 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.The above-described see-through display device has a structure convenient for application to a wearable device and can be applied to various electronic devices such as an augmented reality device.

도 1은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 개념도이다.
도 2는 비교예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 개념도이다.
도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 제1렌즈의 개략적인 구조 및 색수차가 없는 음의 굴절력을 나타내는 광경로를 보이는 개념도이다.
도 4는 도 3의 제1렌즈를 이루는 3매의 메타 렌즈의 위상 프로파일을 예시적으로 보인 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 다른 예의 제1렌즈의 개략적인 구조 및 색수차가 없는 음의 굴절력을 나타내는 광경로를 보이는 개념도이다.
도 6은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 제2렌즈의 개략적인 구조를 보인다.
도 7은 도 6의 제2렌즈를 이루는 3매의 메타 렌즈에 의한 위상 프로파일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8은 도 6의 제2렌즈에서 제1 메타렌즈에 의한 다양한 최대 편향각에 대해, 스페이서의 두께와 초점 거리 간의 관계를 보인 그래프이다.
도 9는 도 6의 제2렌즈에서 제1 메타렌즈에 의한 다양한 최대 편향각에 대해, 차단 부재의 직경과 초점 거리 간의 관계를 보인 그래프이다.
도 10은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 다른 예의 제2렌즈의 개략적인 구조를 보인다.
도 11은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.
도 12 및 도 13은 도 11의 메타 렌즈의 예시적인 단면 구조를 보이는 단면도들이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 16은 실시예에 따른 증강 현실 장치의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.
도 17 및 도 18은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 채용한 다양한 전자 장치의 외형을 보인다.
도 19는 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록도이다.1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a see-through display device according to an exemplary embodiment.
2 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a see-through display device according to a comparative example.
3 is a conceptual diagram showing a schematic structure of a first lens provided in a see-through display device according to an embodiment and an optical path showing negative refractive power without chromatic aberration.
FIG. 4 is a graph showing phase profiles of three meta-lenses constituting the first lens of FIG. 3 as an example.
5 is a conceptual view showing a schematic structure of a first lens of another example provided in a see-through display device according to an embodiment and an optical path showing negative refractive power without chromatic aberration.
6 shows a schematic structure of a second lens included in a see-through display device according to an embodiment.
FIG. 7 is a graph showing a phase profile of three meta-lenses constituting the second lens of FIG. 6 as an example.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a thickness of a spacer and a focal length for various maximum deflection angles by a first meta-lens in the second lens of FIG. 6 .
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a diameter of a blocking member and a focal length for various maximum deflection angles by a first meta-lens in the second lens of FIG. 6 .
10 shows a schematic structure of a second lens of another example included in a see-through display device according to an embodiment.
11 is a plan view showing a schematic structure of a meta lens included in a see-through display device according to an embodiment.
12 and 13 are cross-sectional views showing an exemplary cross-sectional structure of the meta lens of FIG. 11 .
14 shows a schematic structure of a see-through display device according to another embodiment.
15 shows a schematic structure of a see-through display device according to another embodiment.
16 is a conceptual diagram showing a schematic structure of an augmented reality device according to an embodiment.
17 and 18 show external appearances of various electronic devices employing a see-through display device according to an embodiment.
19 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely illustrative, and various modifications are possible from these embodiments. In the following drawings, the same reference numerals denote the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, what is described as "above" or "above" may include not only what is directly on top of contact but also what is on top of non-contact.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but are used only for the purpose of distinguishing one component from another. These terms are not intended to limit the difference in material or structure of the components.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

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.In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. .

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. The use of the term “above” and similar denoting terms may correspond to both singular and plural.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.Steps comprising a method may be performed in any suitable order, unless expressly stated that they must be performed in the order described. In addition, the use of all exemplary terms (for example, etc.) is simply for explaining technical ideas in detail, and the scope of rights is not limited due to these terms unless limited by claims.

도 1은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보이는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a see-through display device according to an exemplary embodiment.

도 1을 참조하면, 투시형 디스플레이 장치(1000)는 영상광(L1)을 출력하는 영상 프로젝터(100)와, 영상광(L1)을 사용자의 시야에 전달하는 도파관(400)과, 도파관(400)의 광출사면인 제1면(400a)에 인접 배치된 음의 굴절력의 제1렌즈(600)와 제1면(400a)과 마주하는 제2면(400b)에 인접 배치된, 양의 굴절력을 가지는 제2렌즈(200)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , a see-through display device 1000 includes an image projector 100 that outputs image light L1, a waveguide 400 that transmits image light L1 to a user's field of view, and a waveguide 400. The first lens 600 with negative refractive power disposed adjacent to the first surface 400a, which is the light exit surface of ), and the positive refractive power disposed adjacent to the second surface 400b facing the first surface 400a. It includes a second lens 200 having a.

투시형 디스플레이 장치(1000)는 영상 프로젝터(100)에서 제공되는 영상광(L1)과 사용자 전방의 실사(real environment)를 담은 주변광(L2)을 결합하여 사용자에게 제공하는 장치이다. 사용자는 투시형 디스플레이 장치(1000)를 통해, 영상 프로젝터(100)가 제공한 제1영상(I1)과 실사 환경(real environment)인 제2영상(I2)를 함께 볼 수 있다.The see-through display device 1000 combines image light L1 provided from the image projector 100 with ambient light L2 containing a real environment in front of the user and provides the combined image light L2 to the user. The user can view the first image I1 provided by the image projector 100 and the second image I2 serving as a real environment through the see-through display device 1000 .

도파관(400)은 영상광(L1)과 주변광(L2)을 결합하여 사용자의 눈에 제공하는 광 결합기의 역할을 하며, 사용자의 시야를 향하는 제1방향(Z방향)과 나란하게 입사하는 주변광(L2)에 대해 투명하고, 상기 제1방향과 다른 방향에서 입사하는 영상광(L1)의 경로를 제1방향과 나란한 방향(Z방향)으로 변경하여 사용자의 시야를 향하게 한다. The waveguide 400 serves as a light combiner that combines the image light L1 and the ambient light L2 and provides them to the user's eyes, and the surroundings incident in parallel with the first direction (Z direction) toward the user's field of view. The path of the video light L1 that is transparent to the light L2 and is incident from a direction different from the first direction is changed to a direction parallel to the first direction (Z direction) to direct the user's field of view.

영상 프로젝터(100)에서 제공된 영상광(L1)은 도파관(400) 내부를 진행하며 제1면(400a)을 통해 출사되고, 제1렌즈(600)를 거쳐 사용자의 시야에 전달되는데, 이 때, 음의 굴절력을 가지는 제1렌즈(600)에 의해, 소정의 가상면, 즉, 제1렌즈(600)의 초점 거리(F) 위치에서 나오는 제1영상(I1)으로 사용자에게 인지된다. The image light L1 provided from the image projector 100 travels inside the waveguide 400, is emitted through the first surface 400a, and is transmitted to the user's field of view through the first lens 600. At this time, By the first lens 600 having negative refractive power, the first image I1 is perceived by the user as a predetermined virtual plane, that is, a first image I1 emerging from a focal distance F position of the first lens 600 .

사용자 전방의 실사인 제2영상(I2)을 담은 주변광(L2)은 굴절력의 작용없이 사용자의 시야에 전달되도록, 제2렌즈(200)는 제1렌즈(600)의 음의 굴절력을 상쇄하는 크기의 양의 굴절력을 가질 수 있다. The second lens 200 cancels the negative refractive power of the first lens 600 so that the ambient light L2 containing the second image I2, which is a real image in front of the user, is transmitted to the user's field of view without the action of refractive power. It may have a positive refractive power of magnitude.

또는, 제1렌즈(600)의 음의 굴절력의 절대값은 제2렌즈(200)의 양의 굴절력의 절대값보다 더 클 수 있고, 이에 따라, 근시인 사용자의 시력을 교정하는 렌즈의 기능을 겸할 수도 있다. Alternatively, the absolute value of the negative refractive power of the first lens 600 may be greater than the absolute value of the positive refractive power of the second lens 200, thereby improving the function of the lens for correcting the vision of a myopic user. can also be combined

또는, 제1렌즈(600)의 음의 굴절력의 절대값은 제2렌즈(200)의 양의 굴절력의 절대값보다 더 작을 수 있고, 이에 따라, 원시인 사용자의 시력을 교정하는 렌즈의 기능을 겸할 수도 있다. Alternatively, the absolute value of the negative refractive power of the first lens 600 may be smaller than the absolute value of the positive refractive power of the second lens 200, thereby serving as a lens that corrects the eyesight of a farsighted user. may be

다시 말하면, 제1렌즈(600)와 제2렌즈(200)의 합성 굴절력은 사용자의 시력에 알맞은, 원하는 음의 값, 또는 원하는 양의 값을 갖도록 설정될 수 있다. In other words, the combined refractive power of the first lens 600 and the second lens 200 may be set to have a desired negative value or a desired positive value suitable for the user's eyesight.

실시예의 투시형 디스플레이 장치(1000)에서 제1렌즈(600), 제2렌즈(200)는 각각 하나 이상의 메타 렌즈를 포함할 수 있다. 메타 렌즈는 입사광을 위치에 따라 다른 각도로 편향시킬 수 있는 위상 분포를 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물로 구현하여 굴절력 작용을 나타내는 렌즈이다. 서브 파장은 투시형 디스플레이 장치(1000)의 동작 파장, 즉, 영상 프로젝터(100)에서 나오는 영상광(L1)의 파장 대역의 중심 파장보다 작은 수치를 의미한다. 주변 물질과 굴절률 차이를 나타내는 복수의 나노 나노구조물들에 입사하는 광은 나노구조물들의 형상과 배열에 따른 굴절률 분포를 겪으며 위상이 지연된다. 위상이 지연되는 정도는 굴절률 분포를 나타내는 위치에 따라 다르게 나타나며 이에 따라 위상이 같은 점을 연결한 파면(wavefront)의 형태는 나노구조물들에 입사하기 전과 달라지며, 즉, 입사광이 편향된다. 제1렌즈(600), 제2렌즈(200)에 포함되는 메타 렌즈들은 각 렌즈가 나타내고자 하는 굴절력에 맞는 위상 분포를 구현할 수 있는 형상과 배열의 복수의 나노구조물들을 포함한다. 설명에서 사용되는 '위상'의 표현은 나노구조물들을 통과한 직후의 위치에서, 나노구조물들에 의해 형성된 굴절률 분포를 겪기 전을 기준으로 한 상대적인 위상, 즉, '위상 지연'을 의미한다. 제1렌즈(600), 제2렌즈(200)의 예시적인 세부 구조, 제1렌즈(600), 제2렌즈(200)에 포함되는 메타 렌즈들의 예시적인 상세한 구조는 후술할 것이다. In the see-through display device 1000 of the embodiment, each of the first lens 600 and the second lens 200 may include one or more meta lenses. A meta lens is a lens that exhibits refractive power by implementing a phase distribution capable of deflecting incident light at different angles according to a location with a plurality of nanostructures having shape dimensions of sub-wavelengths. The sub-wavelength means a value smaller than the operating wavelength of the see-through display device 1000, that is, the center wavelength of the wavelength band of the image light L1 emitted from the image projector 100. Light incident on a plurality of nano-nanostructures exhibiting a difference in refractive index from surrounding materials undergoes a refractive index distribution according to the shape and arrangement of the nanostructures, and the phase is delayed. The degree of delay of the phase varies depending on the location representing the refractive index distribution, and accordingly, the shape of the wavefront connecting points of the same phase is different from before it is incident on the nanostructures, that is, the incident light is deflected. The meta-lenses included in the first lens 600 and the second lens 200 include a plurality of nanostructures in a shape and arrangement capable of implementing a phase distribution suitable for the refractive power to be represented by each lens. The expression 'phase' used in the description means a relative phase, that is, 'phase retardation', based on the position immediately after passing through the nanostructures and before experiencing the refractive index distribution formed by the nanostructures. Exemplary detailed structures of the first lens 600 and the second lens 200 and exemplary detailed structures of the meta-lenses included in the first lens 600 and the second lens 200 will be described later.

이러한 메타 렌즈는 곡면 형상, 즉, 오목하거나 볼록한 정도 및 형태를 조절하여 굴절력을 형성하는 일반적인 굴절 렌즈에 비해 매우 얇은 두께를 가질 수 있고, 또한, 색수차가 거의 없는, 즉, 거의 achromatic한 렌즈로 동작하도록 세부 구성이 정해질 수 있다. This meta-lens can have a very thin thickness compared to general refractive lenses that form refractive power by adjusting the shape and degree of concave or convexity of the curved surface, and also operates as a lens with little chromatic aberration, that is, almost achromatic. A detailed configuration can be determined to do so.

예를 들어, 도 2에 도시한, 비교예의 투시형 디스플레이 장치(1)를 살펴보면, 투시형 디스플레이 장치(1)는 영상 프로젝터(100), 도파관(40), 도파관(40) 양측에 각각 배치된 볼록 렌즈(40) 및 오목 렌즈(60)를 포함한다. 오목 렌즈(60)로부터 나오는 광이 사용자를 향하는 경로에는 곡면을 가지는 시력 교정 렌즈(70)가 더 구비될 수도 있다. For example, looking at the see-through display device 1 of the comparative example shown in FIG. It includes a convex lens (40) and a concave lens (60). A vision correcting lens 70 having a curved surface may be further provided in a path of light emitted from the concave lens 60 toward the user.

이러한 투시형 디스플레이 장치(1)에 구비된, 오목 렌즈(60), 볼록 렌즈(20), 시력 교정 렌즈(70)의 두께는 곡면 형상으로 굴절력을 형성하기 때문에 굴절력이 클수록 두꺼워지게 되며, 총 두께(TH')는 수 mm 내지 수 cm 이상이 될 수 있다. 이러한 두께는 예를 들어, 투시형 디스플레이 장치(1)가 안경형 장치로 구현될 때, 착용하기에 불편한 요소가 될 수 있다. Since the thicknesses of the concave lens 60, the convex lens 20, and the vision correcting lens 70 provided in the see-through display device 1 form the refractive power in a curved shape, the larger the refractive power, the thicker the total thickness. (TH′) may be several mm to several cm or more. Such a thickness may be an inconvenient factor to wear, for example, when the see-through display device 1 is implemented as a glasses type device.

실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(1000)는 물리적인 곡면 형상이 채용되지 않은, 음의 굴절력의 제1렌즈(600), 양의 굴절력의 제2렌즈(200)를 포함하며, 또한, 제1렌즈(600)는 시력 교정 렌즈의 기능을 겸할 수도 있어, 총 두께(TH)가 얇아질 수 있다. 예를 들어, 두께 TH는 약 8mm 이하일 수 있다. A see-through display device 1000 according to an embodiment includes a first lens 600 having a negative refractive power and a second lens 200 having a positive refractive power, which do not have a physically curved shape, and also includes a first lens 600 having a negative refractive power. The lens 600 may also function as a vision correcting lens, so that the total thickness TH may be reduced. For example, the thickness TH may be about 8 mm or less.

다시, 도 1을 참조하여, 투시형 디스플레이 장치(1000)의 세부 구성을 살펴보기로 한다. Again, referring to FIG. 1 , a detailed configuration of the see-through display device 1000 will be described.

영상 프로젝터(100)는 관찰자에게 표시할 영상 정보에 따라 광을 변조하여 영상광을 형성하는 디스플레이 소자(미도시)와, 디스플레이 소자에서 형성된 영상광을 도파관(400)을 향해 전달하는 하나 이상의 광학 소자(미도시)를 포함한다. The image projector 100 includes a display element (not shown) that modulates light according to image information to be displayed to a viewer to form image light, and one or more optical elements that transmit the image light formed in the display element toward the waveguide 400. (not shown).

영상 프로젝터(100)에 구비된 디스플레이 소자에서 형성하는 영상의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있다. 3차원 영상은 예를 들어, 스테레오(stereo) 영상, 홀로그램(hologram) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, 또는 IP(integral photography) 영상일 수 있고 또한, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수 있다. The type of image formed by the display element provided in the image projector 100 is not particularly limited, and may be, for example, a 2D image or a 3D image. The 3D image may be, for example, a stereo image, a hologram image, a light field image, or an integral photography (IP) image, and may also be a multi-view or super multi-view image. It may include images of a super multi-view method.

디스플레이 소자는 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 수 있다. 영상 프로젝터(100)에 구비되는 디스플레이 소자가 LCD와 같은 비발광형 소자인 경우, 디스플레이 소자에 영상 형성을 위한 광을 제공하는 광원을 더 포함될 수 있다. The display device may include, for example, a liquid crystal on silicon (LCoS) device, a liquid crystal display (LCD) device, an organic light emitting diode (OLED) display device, and a digital micromirror device (DMD). , a next-generation display device such as a quantum dot (QD) LED. When the display device provided in the image projector 100 is a non-emission type device such as an LCD, a light source providing light for image formation to the display device may be further included.

영상 프로젝터(100)에는 디스플레이 소자가 형성한 영상광(L1)을 도파관(400)으로 전달하는 광학 소자로서 경로 전환 부재나 렌즈 등이 구비될 수 있다. 예를 들어, 영상광(L1)의 경로를 변경하는 빔 스플리터, 영상광을 확대, 축소하는 릴레이 렌즈, 노이즈 제거를 위한 공간 필터 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 알려진 다양한 광학계가 사용될 수 있다. The image projector 100 may include a path changing member or a lens as an optical element that transmits the image light L1 formed by the display element to the waveguide 400 . For example, a beam splitter for changing the path of the image light L1, a relay lens for expanding or reducing the image light, a spatial filter for removing noise, and the like may be included, but is not limited thereto, and various known optical systems may be used. there is.

도파관(400)은 광학적으로 투명한 재질로 이루어지며, 1보다 큰 굴절률을 가지는 글래스, 투명 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 투명 재질이라 함은, 영상 프로젝터(100)에서 형성된 영상광(L1)이 통과될 수 있는 재질이라는 의미이며, 투명도가 100%가 아닐 수 있으며, 소정의 색상을 지닐 수도 있다.The waveguide 400 is made of an optically transparent material, and may be made of glass or a transparent plastic material having a refractive index greater than 1. Here, the transparent material means a material through which the image light L1 formed by the image projector 100 can pass, and the transparency may not be 100% and may have a predetermined color.

도파관(400)은 서로 마주하는 제1면(400a)과 제2면(400b)을 포함하며, 입사된 영상광(L1)은 제1면(400a), 제2면(400b)에서 전반사하며 도파관(400) 내부를 진행한다. 도파관(400)에는 영상광(L1)을 도파관(400) 내부에서 전반사하는 각도로 입력시키는 입력 커플러(미도시)와, 도파관(400) 내부에서 일어나는 전반사 조건을 깨며 영상광(L1)을 출력시키는 출력 커플러(미도시)가 구비될 수 있고, 영상광(L1)은 출력 커플러에 의해 제1면(400a)을 통해 출사될 수 있다. 입력 커플러, 출력 커플러는 도파관(400)의 제1면(400a), 제2면(400b) 상의 적절한 위치에 형성될 수 있으며, 각각 다른 면에 형성되거나, 모두 제1면(400a)에 형성되거나, 모두 제2면(400b)에 형성될 수도 있다. 도면에서 영상 프로젝터(100)에서의 영상광은 도파관(400)의 측면으로 입사되는 것으로 도시되어 있으나 이는 편의상의 도시이며 이에 한정되는 것은 아니다. The waveguide 400 includes a first surface 400a and a second surface 400b facing each other, and the incident video light L1 is totally reflected on the first surface 400a and the second surface 400b, and (400) Proceed inside. The waveguide 400 includes an input coupler (not shown) inputting the image light L1 at an angle at which the image light L1 is totally reflected inside the waveguide 400, and outputting the image light L1 while breaking the total reflection condition occurring inside the waveguide 400. An output coupler (not shown) may be provided, and the image light L1 may be emitted through the first surface 400a by the output coupler. The input coupler and the output coupler may be formed at appropriate positions on the first surface 400a and the second surface 400b of the waveguide 400, and may be formed on different surfaces, or both formed on the first surface 400a. , may all be formed on the second surface 400b. In the drawing, the image light from the image projector 100 is shown to be incident on the side of the waveguide 400, but this is for convenience and is not limited thereto.

도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 제1렌즈의 개략적인 구조 및 색수차가 없는 음의 굴절력을 나타내는 광경로를 보이는 개념도이고, 도 4는 도 3의 제1렌즈를 이루는 구비되는 3매의 메타렌즈 각각의 위상 프로파일을 예시적으로 보인 그래프이다.FIG. 3 is a conceptual view showing a schematic structure of a first lens provided in a see-through display device according to an embodiment and an optical path showing negative refractive power without chromatic aberration, and FIG. It is a graph showing the phase profile of each of the three metal lenses as an example.

도 3을 참조하면, 제1렌즈(600)는 제1 메타렌즈(610), 제2 메타렌즈(620), 제3 메타렌즈(630)를 포함한다. 제1 메타렌즈(610)와 제2 메타렌즈(620)는 거리 d1으로 이격될 수 있고, 제2 메타렌즈(620)와 제3 메타렌즈(630)는 거리 d2만큼 이격될 수 있다. 제1 메타렌즈(610)와 제2 메타렌즈(620) 사이에는 두께 d1이고 굴절률이 n1인 제1 스페이서(650)가 배치될 수 있고, 제2 메타렌즈(620)와 제3 메타렌즈(630) 사이에는 두께 d2이고 굴절률이 n2인 제2 스페이서(660)가 배치될 수 있다. d1과 d2는 서로 같을 수 있고, n1과 n2가 서로 같을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 3 , the first lens 600 includes a first metal lens 610 , a second metal lens 620 , and a third metal lens 630 . The first metalens 610 and the second metalens 620 may be spaced apart by a distance d1, and the second metalens 620 and the third metalens 630 may be spaced apart by a distance d2. A first spacer 650 having a thickness d1 and a refractive index of n1 may be disposed between the first metalens 610 and the second metalens 620, and the second metalens 620 and the third metalens 630 ), a second spacer 660 having a thickness d2 and a refractive index n2 may be disposed. d1 and d2 may be equal to each other, and n1 and n2 may be equal to each other. However, it is not limited thereto.

제1렌즈(600)은 색수차를 가지는(chromatic) 3매의 메타렌즈를 활용하여 색수차가 거의 없는(achromatic) 음의 굴절력을 구현하고 있다. 즉, 제1 메타렌즈(610), 제2 메타렌즈(620), 제3 메타렌즈(630)는 색수차를 가지며, 각각 음의 굴절력, 양의 굴절력, 음의 굴절력을 가진다. The first lens 600 implements achromatic negative refractive power by utilizing three chromatic metalenses. That is, the first metalens 610, the second metalens 620, and the third metalens 630 have chromatic aberrations, and have negative refractive power, positive refractive power, and negative refractive power, respectively.

색수차는 메타렌즈를 이루는 나노구조물들에 위한 위상 지연 분산이 0일 때, 즉, ∂φ/∂λ가 0일 때 나타난다. 제1 메타렌즈(610), 제2 메타렌즈(620), 제2 메타렌즈(630) 각각에 의한 위상 지연, φ₁, φ₂, φ₃는 도 4에 예시한 바와 같은 위치에 따른 위상 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 위상 프로파일은 파장에 관계없이 동일하거나 또는, 서로 다른 파장 간에 상수(constant)만큼 쉬프트된 형태를 가지며, 즉, 위상 지연 분산이 0이다. 색수차를 가지는 메타렌즈에 입사한 광은 파장에 따라 다른 각도로 편향되어 다른 방향으로 출사된다. 메타렌즈가 나타내는 색수차는 파장과 초점 거리가 반비례하는 음의 색수차로서, 일반적인 굴절렌즈가 나타내는, 파장에 비례하는 초점 거리를 나타내는 양의 색수차와는 반대의 경향이다.Chromatic aberration appears when the phase delay dispersion for the nanostructures constituting the metalens is zero, that is, when ∂φ/∂λ is zero. The phase delay, φ ₁ , φ ₂ , and φ ₃ by each of the first metalens 610, the second metalens 620, and the second metalens 630 are phase profiles according to positions as illustrated in FIG. can have This phase profile is the same regardless of the wavelength, or has a form shifted by a constant between different wavelengths, that is, the phase delay dispersion is zero. The light incident on the metalens having chromatic aberration is deflected at different angles according to the wavelength and emitted in different directions. The chromatic aberration of a meta lens is a negative chromatic aberration in which the wavelength and the focal length are inversely proportional, which is opposite to the positive chromatic aberration of a general refractive lens in which the focal length is proportional to the wavelength.

제1렌즈(600)에 입사한 광은 제1 메타렌즈(610)를 지나며 음의 굴절력에 의해 편향되며, 이 때, 파장에 따라 편향 정도가 다르며, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)으로 분리되어 다른 방향을 향하게 된다. 파장이 길수록 편향 각도는 크게 나타나며, 즉, 적색광(R)이 편향각이 가장 크고, 다음, 녹색광(G), 청색광(B)의 순서로 편향각이 작아진다. 이와 같이 분리된 광은 제2 메타렌즈(620)를 지나며 양의 굴절력 작용을 받고, 다시 제3 메타렌즈(630)를 지나며 음의 굴절력 작용을 받는다. 제2 메타렌즈(620)를 지날 때에도 적색광(R)의 편향각이 가장 크고, 다음, 녹색광(G), 청색광(B)의 순서로 편향각이 작아지며, 제3 메타렌즈(630)에 서로 다른 입사각으로 입사된 후, 제3 메타렌즈(630)를 지난 후에는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 같은 방향을 향하게 된다. The light incident on the first lens 600 passes through the first meta lens 610 and is deflected by negative refractive power. At this time, the degree of deflection varies depending on the wavelength, and red light (R), green light (G), and blue light separated by (B) and facing the other direction. The longer the wavelength, the larger the deflection angle, that is, the red light (R) has the largest deflection angle, followed by the green light (G) and the blue light (B). The separated light passes through the second metal lens 620 and receives positive refractive power, and passes through the third metal lens 630 to receive negative refractive power. Even when passing through the second metalens 620, the deflection angle of the red light (R) is the largest, and then the deflection angles of the green light (G) and blue light (B) become smaller in the order, and the third metalens 630 each After being incident at different incident angles and passing through the third metalens 630, red light (R), green light (G), and blue light (B) are directed in the same direction.

도 3 및 도 4에서 설명한, 색수차가 없는 음의 굴절력의 제1렌즈(600)의 구성을 이루는 세부 사항은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다. Details constituting the configuration of the negative refractive power first lens 600 without chromatic aberration described in FIGS. 3 and 4 can be expressed by the following equation.

여기서, f1, f2, f3는 각각 제1 메타렌즈(610), 제2 메타렌즈(620), 제3 메타렌즈(630)의 초점 거리이고, d1=d2=d이며, n1=n2=n_g인 경우이다. F는 제1렌즈의 초점 거리이다. Here, f1, f2, and f3 are the focal lengths of the first metal lens 610, the second metal lens 620, and the third metal lens 630, respectively, d1 = d2 = d, and n1 = n2 = n _g is the case F is the focal length of the first lens.

φ₁, φ₂, φ₃는 제1 메타렌즈(610), 제2 메타렌즈(620), 제2 메타렌즈(630) 각각에 의한 위상 지연이고, λ₀는 제1렌즈(600)의 동작 파장 대역의 중심 파장이다. φ ₁ , φ ₂ , φ ₃ are the phase delays of the first metal lens 610, the second metal lens 620, and the second metal lens 630, respectively, and λ ₀ is the operation of the first lens 600. is the center wavelength of the wavelength band.

원하는 F 값에 따라, 상기 식들로부터 f1, f2, f3가 정해질 수 있다.Depending on the desired F value, f1, f2, and f3 can be determined from the above equations.

예를 들어, F=-1m, d=1mm, n_g=1.46인 경우, f1=-36.33mm, f2=18.85mm, f3=-36.33mm, 또는, f1=37.70mm, f2=-18.17mm, f3=37.73mm이 될 수 있다.For example, when F=-1m, d=1mm, n _g =1.46, f1=-36.33mm, f2=18.85mm, f3=-36.33mm, or, f1=37.70mm, f2=-18.17mm, It can be f3=37.73mm.

이로부터, 도 3과 다른 굴절력 조합으로 색수차가 없는 음의 굴절력이 구현될 수 있음을 알 수 있다. From this, it can be seen that negative refractive power without chromatic aberration can be implemented with a refractive power combination different from that in FIG. 3 .

도 5는 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 다른 예의 제1렌즈의 개략적인 구조 및 색수차가 없는 음의 굴절력을 나타내는 광경로를 보이는 개념도이다.5 is a conceptual view showing a schematic structure of a first lens of another example provided in a see-through display device according to an embodiment and an optical path showing negative refractive power without chromatic aberration.

도 5를 참조하면, 제1렌즈(601)는 각각 색수차를 가지는, 제1 메타렌즈(611), 제2 메타렌즈(621), 제3 메타렌즈(631)를 포함하며, 제1 메타렌즈(611), 제2 메타렌즈(621), 제3 메타렌즈(631)는 각각 양의 굴절력, 음의 굴절력, 양의 굴절력을 갖는다. 제1 메타렌즈(611)와 제2 메타렌즈(621)는 거리 d1으로 이격될 수 있고, 제2 메타렌즈(621)와 제3 메타렌즈(631)는 거리 d2만큼 이격될 수 있다. 제1 메타렌즈(611)와 제2 메타렌즈(621) 사이에는 두께 d1이고 굴절률이 n1인 제1 스페이서(651)가 배치될 수 있고, 제2 메타렌즈(621)와 제3 메타렌즈(631) 사이에는 두께 d2이고 굴절률이 n2인 제2 스페이서(661)가 배치될 수 있다. d1과 d2는 서로 같을 수 있고, n1과 n2가 서로 같을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 5 , the first lens 601 includes a first metal lens 611, a second metal lens 621, and a third metal lens 631 each having chromatic aberration, and the first metal lens ( 611), the second metalens 621, and the third metalens 631 each have a positive refractive power, a negative refractive power, and a positive refractive power. The first metalens 611 and the second metalens 621 may be spaced apart by a distance d1, and the second metalens 621 and the third metalens 631 may be spaced apart by a distance d2. A first spacer 651 having a thickness d1 and a refractive index of n1 may be disposed between the first metalens 611 and the second metalens 621, and the second metalens 621 and the third metalens 631 ), a second spacer 661 having a thickness d2 and a refractive index n2 may be disposed. d1 and d2 may be equal to each other, and n1 and n2 may be equal to each other. However, it is not limited thereto.

도 5의 제1렌즈(601)는 제1 메타렌즈(611), 제2 메타렌즈(621), 제3 메타렌즈(631) 각각의 굴절력에서 도 3의 제1렌즈(600)와 차이가 있으며, 이러한 구성에 의해, 제1렌즈(601)는 도 3의 제1렌즈(600)와 유사하게, 색수차가 거의 없는 음의 굴절력을 나타낸다.The first lens 601 of FIG. 5 is different from the first lens 600 of FIG. 3 in the refractive power of each of the first meta lens 611, the second meta lens 621, and the third meta lens 631, and , With this configuration, the first lens 601 exhibits negative refractive power with almost no chromatic aberration, similar to the first lens 600 of FIG. 3 .

제1렌즈(601)에 입사한 광은 제1 메타렌즈(611)를 지나며 양의 굴절력에 의해 편향되며, 이 때, 파장에 따라 편향 정도가 달라, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)으로 분리되어 다른 방향을 향하게 된다. 파장이 길수록 편향 각도는 크게 나타나며, 즉, 적색광(R)이 편향각이 가장 크고 다음, 녹색광(G), 청색광(B)의 순서로 편향각이 작아진다. 이와 같이 분리된 광은 제2 메타렌즈(621)를 지나며 음의 굴절력 작용을 받고, 다시 제3 메타렌즈(631)를 지나며 양의 굴절력 작용을 받는다. 제2 메타렌즈(621)를 지날 때에도 편향각의 크기는 적색광(R)이 가장 크고, 녹색광(G), 청색광(B)의 순서로 편향각이 작아지며, 제3 메타렌즈(631)에 서로 다른 입사각으로 입사된 후, 제3 메타렌즈(631)를 지난 후에는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이 같은 방향을 향하게 된다. The light incident on the first lens 601 passes through the first meta lens 611 and is deflected by the positive refractive power. At this time, the degree of deflection varies according to the wavelength, so red light (R), green light (G), and blue light separated by (B) and facing the other direction. The longer the wavelength, the larger the deflection angle, that is, the red light (R) has the largest deflection angle, followed by the green light (G) and the blue light (B). The separated light passes through the second metal lens 621 to receive negative refractive power, and passes through the third metal lens 631 to receive positive refractive power. Even when passing through the second metalens 621, the size of the deflection angle is the largest in the red light (R), the smaller in the order of the green light (G) and the blue light (B), and the third metalens (631) After being incident at different incident angles and passing through the third metalens 631, red light (R), green light (G), and blue light (B) are directed in the same direction.

도 6은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 제2렌즈의 개략적인 구조를 보인다. 도 7은 도 6의 제2렌즈를 이루는 3매의 메타 렌즈에 의한 위상을 보이는 그래프이다.6 shows a schematic structure of a second lens included in a see-through display device according to an embodiment. FIG. 7 is a graph showing a phase by three meta lenses constituting the second lens of FIG. 6 .

제2렌즈(200)는 색수차가 거의 없는, 양의 굴절력을 가지는 렌즈이다. 제2렌즈(200)는 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)를 포함한다. 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)는 각각 양의 굴절력, 음의 굴절력, 양의 굴절력을 가질 수 있다. 제1 메타렌즈(210)와 제2 메타렌즈(220)는 거리 d1으로 이격될 수 있고, 제2 메타렌즈(220)와 제3 메타렌즈(230)는 거리 d2만큼 이격될 수 있다. 제1 메타렌즈(210)와 제2 메타렌즈(220) 사이에는 두께 d1이고 굴절률이 n1인 제1 스페이서(250)가 배치될 수 있고, 제2 메타렌즈(220)와 제3 메타렌즈(230) 사이에는 두께 d2이고 굴절률이 n2인 제2 스페이서(230)가 배치될 수 있다. d1과 d2는 서로 같을 수 있고, n1과 n2가 서로 같을 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. The second lens 200 has almost no chromatic aberration and has positive refractive power. The second lens 200 includes a first metal lens 210, a second metal lens 220, and a third metal lens 230. The first metalens 210, the second metalens 220, and the third metalens 230 may have positive refractive power, negative refractive power, and positive refractive power, respectively. The first meta lens 210 and the second meta lens 220 may be spaced apart by a distance d1, and the second meta lens 220 and the third meta lens 230 may be spaced apart by a distance d2. A first spacer 250 having a thickness d1 and a refractive index of n1 may be disposed between the first metalens 210 and the second metalens 220, and the second metalens 220 and the third metalens 230 ), a second spacer 230 having a thickness d2 and a refractive index of n2 may be disposed between them. d1 and d2 may be equal to each other, and n1 and n2 may be equal to each other. However, it is not limited thereto.

제2렌즈(200)에는 차단 부재(280)가 더 구비될 수 있다. 차단 부재(280)는 제2렌즈(200)에 입사한 광이 제2 메타렌즈(220)의 중심부를 지나는 것을 차단할 수 있는 한, 그 위치는 특별히 제한되지 않는다. 차단 부재(280)는 제2렌즈(200)에 입사한 광이 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)의 중심부를 지나는 것을 차단할 수 있다. 차단 부재(280)가 배치되는 이유는 도 7에 나타나는 바와 같이, 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)의 각 중심에서 굴절력의 부호와 크기가 급격히 변하는 singular point가 존재하며, 이는 연속적인 무색수차 광경로 조건을 해치며 산란광 노이즈를 만들 수 있기 때문이다. 도시된 바와 같이, 차단 부재(280)는 제1 메타렌즈(210)의 중심부에 배치될 수도 있다. A blocking member 280 may be further provided in the second lens 200 . The position of the blocking member 280 is not particularly limited as long as it can block light incident on the second lens 200 from passing through the center of the second meta lens 220 . The blocking member 280 may block light incident on the second lens 200 from passing through the central portions of the first meta lens 210 , the second meta lens 220 , and the third meta lens 230 . The reason why the blocking member 280 is disposed is that, as shown in FIG. 7 , the sign and magnitude of the refractive power at each center of the first meta lens 210, the second meta lens 220, and the third meta lens 230 are There is a singular point that changes rapidly because it can create stray light noise, degrading the condition of the continuous achromatic optical path. As shown, the blocking member 280 may be disposed in the center of the first meta lens 210 .

제2렌즈(200)가 색수차가 거의 없는 양의 굴절력을 가지도록, 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)의 위상 프로파일이 정해질 수 있다. Phase profiles of the first metalens 210, the second metalens 220, and the third metalens 230 may be determined so that the second lens 200 has positive refractive power with little chromatic aberration.

제2렌즈(200)의 색수차 여하는 제2렌즈(200)가 나타내는 위상 지연 분산, 즉, dФ/dλ와 관계되며, 색수차가 없는(achromatic) 성질을 위해서는 소정 요건의 위상 지연 분산 프로파일이 만족되어야 한다. The chromatic aberration of the second lens 200 is related to the phase delay dispersion of the second lens 200, that is, dФ/dλ, and a phase delay dispersion profile of a predetermined requirement must be satisfied for an achromatic property. do.

예를 들어, 제1 메타렌즈(210), 제3 메타렌즈(230)의 위상을 φ(r), 제2 메타렌즈(220)의 위상을 φ_m이라고 하고, 제2렌즈(200)의 위상을 Ф(r, λ)라고 할 때, 다음 식이 만족될 수 있다. For example, the phases of the first metalens 210 and the third metalens 230 are φ(r), the phases of the second metalens 220 are _φm , and the phase of the second lens 200 When is Ф(r, λ), the following equation can be satisfied.

여기서 d=d1=d2, n_g=n1=n2, k₀=2π/λ₀ 이다. λ₀는 동작 파장 대역의 중심 파장이다. where d=d1=d2, n _g =n1=n2, k ₀ =2π/λ ₀ . λ ₀ is the center wavelength of the operating wavelength band.

상기 식의 해(solution)로, 도 7에 도시한, 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230) 각각에 의한 위상 지연 프로파일, φ₁, φ₂, φ₃가 얻어질 수 있다.As a solution of the above equation, the phase delay profile, φ 1 , φ ₂ by each of the first metalens 210, the second metalens 220, and the third metalens ₂₃₀ shown in FIG. 7 , φ ₃ can be obtained.

제2렌즈(200)의 유효경이 D, 제2렌즈(200)의 초점 거리가 f이고, 최대 위상 지연 분산(Δ(dФ/dλ))을 다음과 같이 가정하면,Assuming that the effective diameter of the second lens 200 is D, the focal length of the second lens 200 is f, and the maximum phase delay dispersion (Δ(dФ/dλ)) is as follows,

제1 스페이서(250), 제2 스페이서(260)의 두께 최소값, d_min은 다음과 같다.The minimum thickness d _min of the first spacer 250 and the second spacer 260 is as follows.

차단 부재(280)의 최소 직경, D_0min은 다음과 같다.The minimum diameter of the blocking member 280, D _{0 min} , is as follows.

D_0min은 다음과 같이 표현될 수도 있다. D _0min may be expressed as:

여기서 D는 제2렌즈(200)의 유효경이고, f는 제2렌즈(200)의 초점 거리이고, θ_max는 입사광의 제1 메타렌즈(210)에 의한 최대 편향각이다. Here, D is the effective diameter of the second lens 200, f is the focal length of the second lens 200, and θ _max is the maximum deflection angle of the incident light by the first meta lens 210.

θ_max를 45도로 가정하면, D_0min은 다음과 같다Assuming θ _max to be 45 degrees, D _0min is

예를 들어, D=1cm, f=5cm, n_g=1.45인 경우, D_0min은 0.4mm, d_min=1.2mm가 된다.For example, when D = 1 cm, f = 5 cm, and n _g = 1.45, D _{0 min} becomes 0.4 mm and d _min = 1.2 mm.

도 8은 도 6의 제2렌즈에서 제1 메타렌즈에 의한 다양한 최대 편향각에 대해, 스페이서의 두께와 초점 거리 간의 관계를 보인 그래프이다. FIG. 8 is a graph showing a relationship between a thickness of a spacer and a focal length for various maximum deflection angles by a first meta-lens in the second lens of FIG. 6 .

그래프들은 d1=d2=d로 가정한 경우로서, 1˚ 부터 15˚까지의 θ_max값에 대해d와 초점 거리(focal length)의 관계를 보이고 있다. 주어진 θ_max따라 구현 가능한 최대 초점거리는 한정되므로, 그래프로부터, 의미있는 d의 최소값이 설정될 수 있다. The graphs are assuming d1=d2=d, for θ _max values from 1˚ to 15˚The relationship between d and focal length is shown. Since the maximum focal length that can be realized according to a given θ _max is limited, a meaningful minimum value of d can be set from the graph.

도 9는 도 6의 제2렌즈에서 제1 메타렌즈에 의한 다양한 최대 편향각에 대해, 차단 부재의 직경과 초점 거리 간의 관계를 보인 그래프이다. FIG. 9 is a graph showing a relationship between a diameter of a blocking member and a focal length for various maximum deflection angles by a first meta-lens in the second lens of FIG. 6 .

그래프들은 d1=d2=d로 가정한 경우로서, 1˚ 부터 15˚까지의 θ_max값에 대해차단 부재의 직경 D₀와 초점 거리(focal length)의 관계를 보이고 있다. 주어진 θ_max따라 구현 가능한 최대 초점거리는 한정되므로, 그래프로부터, 의미있는 D₀의 최소값이 설정될 수 있다.The graphs are assuming d1=d2=d, for θ _max values from 1˚ to 15˚The relationship between the diameter D ₀ of the blocking member and the focal length is shown. Since the maximum focal length that can be realized according to a given θ _max is limited, a meaningful minimum value of D ₀ can be set from the graph.

도 10은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 다른 예의 제2렌즈의 개략적인 구조를 보인다. 10 shows a schematic structure of a second lens of another example included in a see-through display device according to an embodiment.

본 실시예에서, 제2렌즈(201)는 차단 부재(280)의 위치에서만 도 6의 제2렌즈(200)와 차이가 있고, 나머지는 실질적으로 동일하다. 도시된 바와 같이, 차단 부재(280)는 제2 메타렌즈(220)의 중심부에 배치될 수 있다.In this embodiment, the second lens 201 is different from the second lens 200 of FIG. 6 only in the position of the blocking member 280, and the rest is substantially the same. As shown, the blocking member 280 may be disposed at the center of the second meta lens 220 .

제1 스페이서(250), 제2 스페이서(260)의 최소 두께, d_min, 차단 부재(280)의 최소 직경, D_0min은 전술한 식을 만족할 수 있다.The minimum thickness, d _min , of the first spacer 250 and the second spacer 260 , and the minimum diameter, D _{0 min} , of the blocking member 280 may satisfy the above equation.

전술한 바와 같이, 투시형 디스플레이 장치(1000)에 구비될 수 있는 제1렌즈(600)(601), 제2렌즈(200)(201)를 이루는 메타렌즈들, 즉, 제1렌즈(600)(601)의 제1 메타렌즈(610)(611), 제2 메타렌즈(620)(621), 제3 메타렌즈(630)(631), 제2렌즈(200)의 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)는 각각 각각 소정의 위상 프로파일을 구현하는 구조를 가지며, 이의 예시적인 구조를 살펴보기로 한다. As described above, the meta lenses constituting the first lenses 600 and 601 and the second lenses 200 and 201 that may be provided in the see-through display device 1000, that is, the first lens 600 The first metal lens 610 and 611 of 601, the second metal lens 620 and 621, the third metal lens 630 and 631, and the first metal lens 210 of the second lens 200 ), the second metalens 220, and the third metalens 230 each have a structure implementing a predetermined phase profile, and an exemplary structure thereof will be reviewed.

도 11은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치에 구비되는 메타 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 평면도이다.11 is a plan view showing a schematic structure of a meta lens included in a see-through display device according to an embodiment.

메타 렌즈(ML)는 입사광에 대해 소정의 위상 지연 프로파일을 나타낼 수 있도록 복수의 나노구조물(NS)을 포함한다. 나노구조물(NS)들은 지지층(SP) 상에 배치될 수 있다. 지지층(SP)은 도 3, 5, 6, 10에 도시한 스페이서층들 중 어느 하나일 수 있다. 나노구조물(NS)은 동작 파장 대역의 중심 파장(λ₀)보다 작은 형상 치수를 가질 수 있다. 나노구조물(NS)은 동작 파장 대역의 최소 파장(λ_m)보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 동작 파장 대역은 가시광 대역일 수 있다. 나노구조물(NS)은 지지층(SP), 이 외 주변 물질의 굴절률과 다른 굴절률을 가진다. 메타 렌즈(ML)는 나노구조물(NS)의 배열 형태에 따라 입사광에 대해 다양한 위상 프로파일을 구현할 수 있으며, 전술한 바와 같은, 제1렌즈(600)(601)의 제1 메타렌즈(610)(611), 제2 메타렌즈(620)(621), 제3 메타렌즈(630)(631), 제2렌즈(200)의 제1 메타렌즈(210), 제2 메타렌즈(220), 제3 메타렌즈(230)로 적용될 수 있다. The meta lens ML includes a plurality of nanostructures NS to exhibit a predetermined phase delay profile with respect to incident light. The nanostructures NS may be disposed on the support layer SP. The support layer SP may be any one of the spacer layers shown in FIGS. 3, 5, 6, and 10 . The nanostructure NS may have a shape dimension smaller than the central wavelength λ ₀ of the operating wavelength band. The nanostructure NS may have a shape dimension of a sub-wavelength smaller than a minimum wavelength λ _m of an operating wavelength band. The operating wavelength band may be a visible light band. The nanostructure NS has a refractive index different from that of the supporting layer SP and other surrounding materials. The meta lens ML may implement various phase profiles for incident light according to the arrangement of the nanostructures NS, and as described above, the first meta lens 610 of the first lenses 600 and 601 ( 611), the second metal lens 620, 621, the third metal lens 630, 631, the first metal lens 210, the second metal lens 220, and the third metal lens 200 of the second lens 200. It can be applied to the metalens 230.

메타 렌즈(ML)는 설정된 규칙에 따라 형상, 크기, 배열이 정해진 복수의 나노구조물(NS)을 포함하는 복수의 위상 변조 영역(R_k)을 포함한다. 도 11에는 편의상, 단지 몇 개의 나노구조물(NS)만을 예시적으로 표시하고 있으나, 복수의 위상 변조 영역(R_k) 마다 복수의 나노구조물(NS)들이 배치된다. The meta lens ML includes a plurality of phase modulation regions R _k including a plurality of nanostructures NS whose shape, size, and arrangement are determined according to set rules. Although FIG. 11 shows only a few nanostructures NS for convenience, a plurality of nanostructures NS are disposed in each of a plurality of phase modulation regions R _k .

복수의 위상 변조 영역은 위상 프로파일을 정의하는 소정의 방향을 따라 배열될 수 있고, 이 방향은 도시된 바와 같이, 메타 렌즈(ML)의 중심(C)으로부터 멀어지는 반경 방향(r)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. The plurality of phase modulation regions may be arranged along a predetermined direction defining a phase profile, and this direction may be a radial direction r away from the center C of the meta lens ML, as shown. However, it is not limited thereto.

메타 렌즈(ML)의 각 영역에 설정되는 규칙은 나노구조물(NS)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 메타 렌즈(ML)가 전체적으로 구현하고자 하는 위상 프로파일, 예를 들어, 도 4나 도 7에 예시된 위상 프로파일에 따라 설정될 수 있다. The rules set in each area of the meta lens (ML) are applied to parameters such as shape, size (width, height), spacing, and arrangement of the nanostructure (NS), It may be set according to a phase profile, for example, the phase profile illustrated in FIG. 4 or FIG. 7 .

메타 렌즈(ML)에 Z 방향을 따라 광이 입사하여 메타 렌즈(ML)를 지날 때, 광은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지는 복수의 나노구조물(NS) 배열에 따른 굴절률 분포를 만나게 된다. 광의 진행 경로에서 위상이 같은 점들을 연결한 파면(wavefront)의 위치는 나노구조물(NS) 배열에 따른 굴절률 분포를 겪기 전과 후에 서로 다르며, 이는 위상 지연(phase delay)으로 표현된다. 위상 지연의 정도는 광이 메타 렌즈(ML)의 나노구조물(NS)들을 통과한 직후의 위치에서 광의 진행 방향(Z 방향)과 수직인 면 상의 위치(x, y좌표)에 따라 다르며, 메타 렌즈(ML)의 투과 위상 프로파일을 형성한다. 투과 위상 프로파일이 메타 렌즈(ML)의 중심(C)을 지나는 Z축을 기준으로 극대칭(polar symmetry)이거나 또는 소정 각도의 회전 대칭성을 갖는 경우, 중심(C)으로부터의 거리 r의 함수로 위상 프로파일이 표현될 수 있다. 이러한 원하는 위상 프로파일에 따라 각 위치별로 나노구조물(NS)의 세부 형상, 크기, 배열 등이 정해질 수 있다. When light is incident on the meta lens ML along the Z direction and passes through the meta lens ML, the light encounters a refractive index distribution according to the arrangement of a plurality of nanostructures NS having a refractive index different from that of surrounding materials. The position of the wavefront connecting the points of the same phase in the propagation path of light is different before and after undergoing the refractive index distribution according to the nanostructure (NS) array, which is expressed as a phase delay. The degree of phase retardation depends on the position (x, y coordinates) on the plane perpendicular to the light propagation direction (Z direction) at the position immediately after the light passes through the nanostructures (NS) of the meta lens (ML), and the meta lens form the transmission phase profile of (ML). When the transmission phase profile is polar symmetry or has a rotational symmetry of a predetermined angle with respect to the Z axis passing through the center C of the meta lens ML, the phase profile as a function of the distance r from the center C this can be expressed. Depending on the desired phase profile, the detailed shape, size, arrangement, etc. of the nanostructures NS may be determined for each location.

복수의 위상 변조 영역은 각각 소정 범위의 위상 변조 패턴을 나타내는 영역이다. 복수의 위상 변조 영역은 메타 렌즈(ML)의 중심(C)로부터 반경 방향(r)을 따라 순서대로 배치된, 제1영역(R₁), 제2영역(R₂), ..제N영역(R_N) 등을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1영역(R₁)은 원형, 제2영역(R₂) 내지 제N영역(R_N)은 환형 영역일 수 있다. 제1영역(R₁) 내지 제N영역(R_N)은 소정 범위의 위상 지연, 예를 들어, 2π 라디안(radian)의 위상 지연을 나타내는 영역이다. 도 4, 도 7에 도시한 위상 프로파일 그래프의 가로축에 이러한 영역 구분은 표시되어 있지 않으나, 가로축의 중심으로부터 이에 대응하는 세로축의 위상 범위가 2π 라디안(radian)이 되는 영역이 같은 위상 변조 영역에 해당하는 것으로 볼 수 있다. Each of the plurality of phase modulation areas is an area representing a phase modulation pattern within a predetermined range. The plurality of phase modulation regions are sequentially arranged along the radial direction r from the center C of the meta lens ML, a first region R ₁ , a second region R ₂ , .. th region (R _N ) and the like. As shown, the first region R ₁ may be circular, and the second region R ₂ to N th region R _N may be annular regions. The first region R ₁ to the Nth region R _N are regions representing a phase delay within a predetermined range, for example, a phase delay of 2π radians. Although such area division is not indicated on the horizontal axis of the phase profile graphs shown in FIGS. 4 and 7, the area where the phase range of the vertical axis corresponding to this range from the center of the horizontal axis is 2π radian corresponds to the same phase modulation area. can be seen as doing

위상 변조 영역의 총 개수(N), 각 영역의 폭(W₁,..W_k,.. W_N), 각 영역내의 위상 프로파일은 메타 렌즈(ML)의 성능의 주요 변수가 될 수 있다. The total number of phase modulation regions (N), the widths of each region (W ₁ , .. W _k , .. W _N ), and the phase profile in each region may be major variables in the performance of the meta lens ML.

메타 렌즈(ML)가 굴절력을 가지는 렌즈로 기능하기 위해, 각 영역(R_k)의 폭은 일정하지 않게, 예를 들어, 중심(C)에서 주변부로 갈수록 폭이 작아지거나 또는 커지도록 설정될 수 있다. 인접하는 두 영역(R_k)(R_k+1)은 같은 위상 변조 범위를 나타내는 영역이며, 반경 방향(r)의 폭이 다르므로, 반경 방향에 따른 위상 변화의 기울기가 서로 다르며, 각 영역 내에서도 그 기울기는 변화할 수 있다. 이에 따라, 입사한 빛이 메타 렌즈(ML)의 각 위치를 통과할 때 각 영역 간, 그리고 영역 내에서도 서로 다른 각도로 굴절(deflection)할 수 있다. 이와 같이, 입사광은 메타 렌즈(ML)를 지난 후 모이거나 퍼지는 굴절력 작용을 받게 된다. In order for the meta lens ML to function as a lens having refractive power, the width of each region R _k may be set to be non-constant, for example, such that the width decreases or increases from the center C to the periphery. there is. Two adjacent regions (R _k ) (R _k+1 ) are regions representing the same phase modulation range, and since the widths in the radial direction (r) are different, the slope of the phase change along the radial direction is different, and even within each region Its slope can change. Accordingly, when the incident light passes through each position of the meta lens ML, it may be refracted at different angles between each area and within the area. In this way, the incident light is subjected to the refractive power action of converging or spreading after passing through the meta lens ML.

영역(R_k)의 개수 및 폭의 분포는 메타 렌즈(ML)의 유효경 및 굴절력의 크기(절대값)와 관련되며, 각 영역(R_k) 내에서의 규칙 여하에 따라 굴절력의 부호가 정해질 수 있다. 예를 들어, 굴절력이 클수록 더 좁은 폭의 영역(R_k)이 더 많이 사용될 수 있으며, 각 영역(R_k)에서 반경 방향을 따라 나노구조물(NS)의 크기가 감소하는 규칙의 배열(위상이 감소하는 배열)에 의해 양의 굴절력(positive refractive power)이 구현될 수 있고, 반경 방향을 따라 나노구조물(NS)의 크기가 증가하는 규칙의 배열(위상이 증가하는 배열)에 의해 음의 굴절력(negative refractive power)이 구현될 수 있다. The distribution of the number and width of the regions R _k is related to the effective diameter of the meta lens ML and the magnitude (absolute value) of the refractive power, and the sign of the refractive power is determined according to a rule within each region R _k . can For example, the larger the refractive power, the narrower width area (R _k ) can be used more, and the array of rules in which the size of the nanostructure (NS) decreases along the radial direction in each area (R _k ) A positive refractive power can be implemented by a decreasing arrangement), and a negative refractive power can be implemented by a rule arrangement in which the size of the nanostructures NS increases along the radial direction (a phase increasing arrangement). negative refractive power) can be implemented.

도 12 및 도 13은 도 11의 메타 렌즈의 예시적인 단면도들을 보인다.12 and 13 show exemplary cross-sectional views of the meta lens of FIG. 11 .

메타렌즈(ML)는 지지층(SP), 지지층(SP) 상에 배치되는 복수의 나노구조물(NS)들을 포함한다. 복수의 나노구조물(NS)들 사이에는 나노구조물(NS)과 굴절률이 다른 물질로 된 주변물질층(EN)이 형성될 수 있다. 주변물질층(EN)은 도시된 것과 달리, 나노구조물(NS)보다 높은 높이로, 즉, 나노구조물(NS) 상부를 덮도록 형성될 수도 있다. 나노구조물(NS)들은 도 12와 같이 단층으로 배열되거나, 또는 도 13과 같이 두 층으로 배열될 수 있고, 또는 3층 이상의 복수층으로 배열될 수도 있다. The metalens ML includes a support layer SP and a plurality of nanostructures NS disposed on the support layer SP. A surrounding material layer EN made of a material having a different refractive index from the nanostructures NS may be formed between the plurality of nanostructures NS. Unlike the illustration, the surrounding material layer EN may be formed at a height higher than the nanostructure NS, that is, to cover the upper portion of the nanostructure NS. The nanostructures (NS) may be arranged as a single layer as shown in FIG. 12, as two layers as shown in FIG. 13, or as a plurality of layers of three or more layers.

지지층(SP)은 메타 렌즈(ML)의 동작 파장 대역의 광에 대해 투명한 성질을 가지며, 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 기타 투명 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The supporting layer (SP) has a property of being transparent to light in the operating wavelength band of the meta lens (ML), and is made of glass (fused silica, BK7, etc.), quartz, polymer (PMMA, SU-8, etc.) and other transparent plastics. Any one of them can be made.

나노구조물(NS)은 주변물질층(EN), 지지층(SP) 등의 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 주변 물질의 굴절률과의 차이가 0.2 이상인 높은 굴절률을 갖거나, 또는 주변 물질의 굴절률과의 차이가 0.2 이상인 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률 차이는 0.2 이상일 수 있고, 또는 0.5 이상일 수 있다. The nanostructure NS is made of a material having a refractive index difference from surrounding materials such as the surrounding material layer EN and the support layer SP. For example, it may have a high refractive index with a difference of 0.2 or more from the refractive index of surrounding materials, or a low refractive index with a difference of 0.2 or more from the refractive index of surrounding materials. The refractive index difference may be 0.2 or more, or may be 0.5 or more.

나노구조물(NS)이 주변 물질보다 높은 굴절률의 물질로 이루어질 때, 나노구조물(NS)은 은 c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 저굴절률의 주변 물질은 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO₂, 또는 SOG를 포함할 수 있다. When the nanostructure (NS) is made of a material with a higher refractive index than the surrounding materials, the nanostructure (NS) is silver c-Si, p-Si, a-Si III-V compound semiconductor (GaAs, GaP, GaN, GaAs, etc.) , SiC, TiO ₂ , may include at least one of SiN, and the low refractive index peripheral material may include a polymer material such as SU-8 or PMMA, SiO ₂ , or SOG.

나노구조물(NS)이 주변 물질보다 낮은 굴절률의 물질로 이루어질 때, 나노구조물(NS) SiO₂, 또는 air 를 포함할 수 있고, 고굴절률의 주변 물질은 c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. When the nanostructure (NS) is made of a material with a lower refractive index than the surrounding material, the nanostructure (NS) may include SiO ₂ , or air, and the high refractive index surrounding material is c-Si, p-Si, a-Si. It may include at least one of III-V compound semiconductors (GaAs, GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO ₂ , and SiN.

나노구조물(NS)는 투시형 디스플레이 장치(1000)의 동작 파장, 즉, 영상 프로젝터(100)에서 형성한 영상광의 최소 파장(

_m)보다 작은 형상 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 인접한 나노구조물(NS)들 간의 배치 간격은 동작 최소 파장(

_m)의 1/2이상 2/3이하일 수 있다. 나노구조물(NS)의 높이는 0.5λ_m~7

_m의 범위일 수 있다. The nanostructure NS is the operating wavelength of the see-through display device 1000, that is, the minimum wavelength of image light formed by the image projector 100 (

_m ) may have smaller shape dimensions. For example, the arrangement interval between adjacent nanostructures (NS) is the operating minimum wavelength (

_m ) may be 1/2 or more and 2/3 or less. The height of the nanostructure (NS) is 0.5λ _m ~7

can be in the range of _m .

나노구조물(NS)는 원기둥 형상을 가질 수 있고, 그 외, 다양한 다각 기둥, 타원 기둥 등의 형상을 가질 수 있다.The nanostructure (NS) may have a cylindrical shape, and may have various polygonal columnar and elliptical columnar shapes.

도 11 내지 도 13에서는 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(1000)에 구비되는 제1렌즈(600)(601), 제2렌즈(200)(201)에 포함될 수 있는 메타 렌즈들의 공통 사항을 설명한 것이며, 각 메타 렌즈가 구현할 굴절력에 알맞게 각각에 구비되는 나노구조물의 형상과 배열이 설정될 수 있다.11 to 13 describe common features of meta lenses that may be included in the first lenses 600 and 601 and the second lenses 200 and 201 provided in the see-through display device 1000 according to the embodiment. In addition, the shape and arrangement of the nanostructures provided in each meta lens can be set to suit the refractive power to be implemented.

도 14는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보인다.14 shows a schematic structure of a see-through display device according to another embodiment.

투시형 디스플레이 장치(1001)는 영상광(L1)을 출력하는 영상 프로젝터(100)와, 영상광(L1)을 사용자의 시야에 전달하는 도파관(400)과, 도파관(400)의 광출사면인 제1면(400a)에 인접 배치된 음의 굴절력의 제1렌즈(600)와 제1면(400a)과 마주하는 제2면(400b)에 인접 배치된, 양의 굴절력을 가지는 제2렌즈(300)를 포함한다. The see-through display device 1001 includes an image projector 100 that outputs image light L1, a waveguide 400 that transmits the image light L1 to a user's field of view, and a light exit surface of the waveguide 400. A first lens 600 having negative refractive power disposed adjacent to the first surface 400a and a second lens having positive refractive power disposed adjacent to the second surface 400b facing the first surface 400a ( 300).

본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1001)는 제2렌즈(300)가 일면이 볼록한 곡면인 굴절 렌즈인 점에서 도 1의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있고, 나머지는 실질적으로 동일하다.The see-through display device 1001 of this embodiment is different from the see-through display device 1000 of FIG. 1 in that the second lens 300 is a refracting lens having one side of which is a convex curve, and the rest is substantially the same.

도 15는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보인다.15 shows a schematic structure of a see-through display device according to another embodiment.

투시형 디스플레이 장치(1002)는 영상광(L1)을 출력하는 영상 프로젝터(100)와, 영상광(L1)을 사용자의 시야에 전달하는 도파관(400)과, 도파관(400)의 광출사면인 제1면(400a)에 인접 배치된 음의 굴절력의 제1렌즈(600)와 제1면(400a)과 마주하는 제2면(400b)에 인접 배치된, 양의 굴절력을 가지는 제2렌즈(200)를 포함한다.The see-through display device 1002 includes an image projector 100 that outputs image light L1, a waveguide 400 that transmits the image light L1 to a user's field of view, and a light exit surface of the waveguide 400. A first lens 600 having negative refractive power disposed adjacent to the first surface 400a and a second lens having positive refractive power disposed adjacent to the second surface 400b facing the first surface 400a ( 200) are included.

투시형 디스플레이 장치(1002)는 또한, 제1렌즈(600)에 인접 배치된 시력 교정용 렌즈(700)를 더 포함하는 점에서, 도 1의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.The see-through display device 1002 is different from the see-through display device 1000 of FIG. 1 in that it further includes a lens 700 for vision correction disposed adjacent to the first lens 600, and the other configurations are substantially the same.

시력 교정용 렌즈(700)는 투시형 디스플레이 장치(1002)에 착탈 가능하도록, 예를 들어, 제1렌즈(600)에 착탈 가능한 구성을 가질 수 있다. 시력 교정용 렌즈(700)도 전술한 바와 같은 메타 렌즈(ML)일 수 있다. The vision correcting lens 700 may have a structure that is detachable from the see-through type display device 1002 , for example, from the first lens 600 . The lens 700 for vision correction may also be a meta lens (ML) as described above.

시력 교정용 렌즈(700)는 사용자의 시력에 알맞은 굴절력을 가질 수 있고, 사용자의 선택에 의해 제1렌즈(600)에 조립될 수 있다. 다시 말하면, 본 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1002)는 도 1의 투시형 디스플레이 장치(1000) 및 이에 조립될 수 있는 복수 종류의 시력 교정용 렌즈(700)들을 포함할 수 있고, 사용자에 따라 복수 종류의 시력 교정용 렌즈(700)들 중 하나가 선택되어 제1렌즈(600)에 조립될 수 있다.The lens 700 for correcting vision may have refractive power suitable for the user's eyesight, and may be assembled to the first lens 600 by the user's selection. In other words, the see-through display device 1002 of this embodiment may include the see-through display device 1000 of FIG. One of the types of vision correction lenses 700 may be selected and assembled to the first lens 600 .

상술한 투시형 디스플레이 장치들은 다양한 종류의 전자 장치에 적용될 수 있다. 상술한 투시형 디스플레이 장치는 예를 들어, 증강 현실 장치에 적용되거나 멀티 영상 디스플레이 장치로 적용되거나 또는 차량용 헤드업 디스플레이 장치로 적용될 수 있다.The above-described see-through display devices may be applied to various types of electronic devices. The above-described see-through display device may be applied to, for example, an augmented reality device, a multi-image display device, or a head-up display device for a vehicle.

도 16은 실시예에 따른 증강 현실 장치의 개략적인 구조를 보이는 개념도이다.16 is a conceptual diagram showing a schematic structure of an augmented reality device according to an embodiment.

증강 현실 장치(2000)는 영상광(L1)을 제공하는 투시형 디스플레이 장치(1000) 및 사용자가 주시하는 환경에 알맞는 부가 영상을 출력하도록 투시형 디스플레이 장치(1000)를 제어하는 프로세서(1510)를 포함한다. 증강 현실 장치(2000)는 또한, 프로세서(1510)에서 실행될 프로그램들의 코드, 기타 데이터 등이 저장되는 메모리(1520)를 포함할 수 있고, 또한, 사용자 환경을 인식하는 센서(1530)를 포함할 수 있다.The augmented reality device 2000 includes a see-through display device 1000 that provides image light L1 and a processor 1510 that controls the see-through display device 1000 to output an additional image suitable for an environment viewed by a user. includes The augmented reality device 2000 may also include a memory 1520 storing codes of programs to be executed by the processor 1510 and other data, and may also include a sensor 1530 that recognizes a user environment. there is.

증강 현실 장치(2000)은 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 결합하여 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 장치이다. 예를 들어, 관찰자의 위치에서, 현실 세계가 제공하는 환경에 대한 부가적인 정보를 영상 프로젝터(100)에서 형성하여 관찰자에게 제공할 수 있다. 이러한 증강 현실(AR) 디스플레이는 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적용될 수 있다. The augmented reality device 2000 is a display device that further increases the effect of reality by displaying a combination of virtual objects or information on a real world environment. For example, at the observer's position, additional information about the environment provided by the real world may be formed in the image projector 100 and provided to the observer. Such an augmented reality (AR) display may be applied to a ubiquitous environment or an internet of things (IoT) environment.

현실 세계의 영상은 실사(real environment)에 한정되지 않으며, 예를 들어, 다른 영상 기기에서 형성한 영상이 될 수도 있다. 이 경우, 증강 현실 장치(2000)는 두 영상을 함께 보여주는 멀티 영상 디스플레이 장치로 불릴 수도 있다. The image of the real world is not limited to a real environment, and may be, for example, an image formed by another imaging device. In this case, the augmented reality device 2000 may also be referred to as a multi-image display device that displays two images together.

증강 현실 장치(2000)는 단안에 제공되는 광학계 구성으로 예시되었으나, 이에 한정되지 않고, 양안에 별도로 구비되는 광학계로 구현될 수도 있다. The augmented reality device 2000 has been exemplified as an optical system provided to a single eye, but is not limited thereto and may be implemented as an optical system separately provided for both eyes.

증강 현실 장치는 영상광(L1)과 주변광(L2)을 결합하여 관찰자의 시야에 전달한다. 이 때, 영상광(L1)이 사용자 환경에 부합하는 부가 정보를 포함하도록, 투시형 디스플레이 장치(1000)는 프로세서(1510)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 센서(1530)에 의해 사용자 환경이 인식되고, 인식 결과를 고려하여 이에 알맞은 부가 정보 영상이 투시형 디스플레이 장치(1000)의 영상 프로젝터(100)에서 형성될 수 있다. The augmented reality device combines image light L1 and ambient light L2 and transmits them to the viewer's field of view. In this case, the see-through display device 1000 may be controlled by the processor 1510 so that the image light L1 includes additional information suitable for the user environment. For example, the user environment may be recognized by the sensor 1530, and an additional information image suitable for the recognition result may be formed by the image projector 100 of the see-through display device 1000.

증강 현실 장치(2000)에 구비된 투시형 디스플레이 장치(1000)는 도 1의 투시형 디스플레이 장치로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 다른 실시예의 투시형 디스플레이 장치(1001)(1002) 또는 이로부터 변형된 디스플레이 장치가 채용될 수 있다The see-through display device 1000 included in the augmented reality device 2000 is shown as the see-through display device of FIG. 1, but is not limited thereto, and is a see-through display device 1001 or 1002 of another embodiment or modified therefrom. A display device may be employed

상술한 투시형 디스플레이 장치들은 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다. 투시형 디스플레이 장치들의 구성요소의 전부나 또는 일부가 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다. The above-described see-through display devices may be configured in a wearable form. All or some of the components of the see-through display devices may be configured in a wearable form.

도 17 내지 도 18은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 채용한 다양한 전자 장치의 외형을 보인다. 17 to 18 show external appearances of various electronic devices employing a see-through display device according to an embodiment.

도 17은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치를 채용한 전자 장치, 예를 들어, 증강 현실 장치의 외형을 보인다. 도 17에 도시된 바와 같이, 투시형 디스플레이 장치는 아이 웨어러블(eye-wearable) 장치로서 안경형 디스플레이(glasses-type display)로 적용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등으로 적용될 수 있고, 안구에 직접 착용되는 콘택트 랜즈(contact lens)와 같은 형태를 가질 수 있다. 17 shows an external appearance of an electronic device employing a see-through display device according to an embodiment, for example, an augmented reality device. As shown in FIG. 17 , the see-through display device may be applied as a glasses-type display as an eye-wearable device. However, it is not limited thereto, and may be applied to a head mounted display (HMD), a goggle-type display, or the like, and may have the same shape as a contact lens worn directly on the eyeball. there is.

도 17과 같은 안경형 증강 현실 장치(2000)는 스마트폰(smart phone)과 같은 전자 장치에 연동되어 동작될 수도 있고, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 또는 혼합 현실(MR)를 제공할 수 있다. The glasses-type augmented reality device 2000 as shown in FIG. 17 may operate in conjunction with an electronic device such as a smart phone, and provide virtual reality (VR), augmented reality (AR), or mixed reality (MR). can do.

실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치는 도 18에 도시된 바와 같이, 자동차의 헤드업 디스플레이(head up display, HUD)(2100)로 적용될 수도 있다.As shown in FIG. 18 , the see-through display device according to the embodiment may be applied to a head up display (HUD) 2100 of a vehicle.

도 19는 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록도이다.19 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment.

도 19를 참조하면, 네트워크 환경(2200)에서 전자 장치(2201)는 제1 네트워크(2298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(2202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(2299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(2204) 및/또는 서버(2208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 서버(2208)를 통하여 전자 장치(2204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 프로세서(2220), 메모리(2230), 입력 장치(2250), 음향 출력 장치(2255), 표시 장치(2260), 오디오 모듈(2270), 센서 모듈(2210), 인터페이스(2277), 햅틱 모듈(2279), 카메라 모듈(2280), 전력 관리 모듈(2288), 배터리(2289), 통신 모듈(2290), 가입자 식별 모듈(2296), 및/또는 안테나 모듈(2297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(2201)에는, 이 구성요소들 중 일부가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(2210)의 지문 센서나 또는, 홍채 센서, 조도 센서 등은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.Referring to FIG. 19 , in a network environment 2200, an electronic device 2201 communicates with another electronic device 2202 through a first network 2298 (such as a short-distance wireless communication network) or through a second network 2299. It may communicate with another electronic device 2204 and/or server 2208 via (a long-distance wireless communication network, etc.). The electronic device 2201 may communicate with the electronic device 2204 through the server 2208 . The electronic device 2201 includes a processor 2220, a memory 2230, an input device 2250, an audio output device 2255, a display device 2260, an audio module 2270, a sensor module 2210, and an interface 2277. ), haptic module 2279, camera module 2280, power management module 2288, battery 2289, communication module 2290, subscriber identification module 2296, and/or antenna module 2297. can In the electronic device 2201, some of these components may be omitted or other components may be added. Some of these components can be implemented as a single integrated circuit. For example, a fingerprint sensor, an iris sensor, or an illumination sensor of the sensor module 2210 may be implemented by being embedded in the display device 2260 (display, etc.).

프로세서(2220)는, 소프트웨어(프로그램(2240) 등)를 실행하여 프로세서(2220)에 연결된 전자 장치(2201) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(2220)는 다른 구성요소(센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(2232)에 로드하고, 휘발성 메모리(2232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(2234)에 저장할 수 있다. 프로세서(2220)는 메인 프로세서(2221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(2223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(2223)는 메인 프로세서(2221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다. The processor 2220 may execute software (program 2240, etc.) to control one or a plurality of other components (hardware, software components, etc.) of the electronic device 2201 connected to the processor 2220, and , various data processing or calculations can be performed. As part of data processing or computation, processor 2220 loads commands and/or data received from other components (sensor module 2210, communication module 2290, etc.) into volatile memory 2232 and Commands and/or data stored in 2232 may be processed, and resulting data may be stored in non-volatile memory 2234. The processor 2220 includes a main processor 2221 (central processing unit, application processor, etc.) and a secondary processor 2223 (graphics processing unit, image signal processor, sensor hub processor, communication processor, etc.) can include The auxiliary processor 2223 may use less power than the main processor 2221 and perform specialized functions.

보조 프로세서(2223)는, 메인 프로세서(2221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(2221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)와 함께, 전자 장치(2201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(2260), 센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(2223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(2280), 통신 모듈(2290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다. The secondary processor 2223 may take the place of the main processor 2221 while the main processor 2221 is in an inactive state (sleep state), or the main processor 2221 while the main processor 2221 is in an active state (application execution state). Together with the processor 2221, functions and/or states related to some of the components (display device 2260, sensor module 2210, communication module 2290, etc.) of the electronic device 2201 may be controlled. can The auxiliary processor 2223 (image signal processor, communication processor, etc.) may be implemented as a part of other functionally related components (camera module 2280, communication module 2290, etc.).

메모리(2230)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220), 센서모듈(2210) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(2240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(2230)는, 휘발성 메모리(2232) 및/또는 비휘발성 메모리(2234)를 포함할 수 있다.The memory 2230 may store various data required by components (processor 2220, sensor module 2210, etc.) of the electronic device 2201. Data may include, for example, input data and/or output data for software (such as program 2240) and instructions related thereto. The memory 2230 may include a volatile memory 2232 and/or a non-volatile memory 2234 .

프로그램(2240)은 메모리(2230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(2242), 미들 웨어(2244) 및/또는 어플리케이션(2246)을 포함할 수 있다. The program 2240 may be stored as software in the memory 2230 and may include an operating system 2242 , middleware 2244 , and/or applications 2246 .

입력 장치(2250)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(2201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(2250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다. The input device 2250 may receive a command and/or data to be used by a component (such as the processor 2220) of the electronic device 2201 from the outside of the electronic device 2201 (such as a user). The input device 2250 may include a microphone, mouse, keyboard, and/or digital pen (such as a stylus pen).

음향 출력 장치(2255)는 음향 신호를 전자 장치(2201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(2255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.The sound output device 2255 may output sound signals to the outside of the electronic device 2201 . The audio output device 2255 may include a speaker and/or a receiver. The speaker can be used for general purposes, such as multimedia playback or recording playback, and the receiver can be used to receive an incoming call. The receiver may be incorporated as a part of the speaker or implemented as an independent separate device.

표시 장치(2260)는 전자 장치(2201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(2260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 복수개로 구비될 수도 있다. 복수개의 표시 장치(2260)들 중 하나는 상술한 투시형 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002) 중 어느 하나 또는 이들로부터 변형된 구조의 투시형 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)의 일부로 구비된 투시형 디스플레이 장치는 전자 장치(2201)의 본체와 물리적으로 분리된 구성을 가질 수 있고, 예를 들어, 안경형 장치와 같은 형태를 가질 수도 있다. The display device 2260 can visually provide information to the outside of the electronic device 2201 . The display device 2260 may include a display, a hologram device, or a projector and a control circuit for controlling the device. The display device 2260 may include a touch circuitry set to sense a touch and/or a sensor circuit (such as a pressure sensor) set to measure the strength of a force generated by a touch. A plurality of display devices 2260 may be provided. One of the plurality of display devices 2260 may include any one of the above-described see-through display devices 1000, 1001, and 1002 or a see-through display device having a modified structure therefrom. The see-through display device provided as part of the display device 2260 may have a configuration physically separated from the main body of the electronic device 2201, and may have, for example, a glasses-type device.

오디오 모듈(2270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(2270)은, 입력 장치(2250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(2255), 및/또는 전자 장치(2201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.The audio module 2270 may convert sound into an electrical signal or vice versa. The audio module 2270 obtains sound through the input device 2250, the sound output device 2255, and/or another electronic device connected directly or wirelessly to the electronic device 2201 (such as the electronic device 2102). ) may output sound through a speaker and/or a headphone.

센서 모듈(2210)은 전자 장치(2201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(2210)은, 지문 센서, 가속도 센서, 위치 센서, 3D 센서등을 포함할 수 있고, 이 외에도 홍채 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다. The sensor module 2210 detects an operating state (power, temperature, etc.) of the electronic device 2201 or an external environmental state (user state, etc.), and generates an electrical signal and/or data value corresponding to the detected state. can do. The sensor module 2210 may include a fingerprint sensor, an acceleration sensor, a position sensor, a 3D sensor, and the like, and in addition, an iris sensor, a gyro sensor, an air pressure sensor, a magnetic sensor, a grip sensor, a proximity sensor, a color sensor, an IR ( Infrared) sensor, biological sensor, temperature sensor, humidity sensor, and/or illuminance sensor.

인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.The interface 2277 may support one or more specified protocols that may be used to directly or wirelessly connect the electronic device 2201 to another electronic device (e.g., the electronic device 2102). The interface 2277 may include a high definition multimedia interface (HDMI), a universal serial bus (USB) interface, an SD card interface, and/or an audio interface.

연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.The connection terminal 2278 may include a connector through which the electronic device 2201 may be physically connected to another electronic device (e.g., the electronic device 2102). The connection terminal 2278 may include an HDMI connector, a USB connector, an SD card connector, and/or an audio connector (such as a headphone connector).

햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.The haptic module 2279 may convert electrical signals into mechanical stimuli (vibration, movement, etc.) or electrical stimuli that the user can perceive through tactile or kinesthetic senses. The haptic module 2279 may include a motor, a piezoelectric element, and/or an electrical stimulation device.

카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. The camera module 2280 may capture still images and moving images. The camera module 2280 may include a lens assembly including one or more lenses, image sensors, image signal processors, and/or flashes.

어플리케이션(2246)은 표시 장치(2260)와 연계하여 실행되는 하나 이상의 어플리케이션을 포함할 수 있다. 이러한 어플리케이션은 사용자 환경에 알맞는 부가 정보를 표시 장치(2260)에 표시되도록 할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(2280)은 사용자 환경을 인식하는 센서로 활용될 수 있고, 인식된 결과에 따라 필요한 부가 정보가 표시 장치(2260)에 표시될 수 있다. The application 2246 may include one or more applications executed in association with the display device 2260 . Such an application may display additional information suitable for a user environment on the display device 2260 . For example, the camera module 2280 may be used as a sensor for recognizing the user environment, and necessary additional information may be displayed on the display device 2260 according to the recognized result.

전력 관리 모듈(2288)은 전자 장치(2201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(2288)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.The power management module 2288 may manage power supplied to the electronic device 2201 . The power management module 2288 may be implemented as part of a Power Management Integrated Circuit (PMIC).

배터리(2289)는 전자 장치(2201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(2289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.The battery 2289 may supply power to components of the electronic device 2201 . The battery 2289 may include a non-rechargeable primary cell, a rechargeable secondary cell, and/or a fuel cell.

통신 모듈(2290)은 전자 장치(2201)와 다른 전자 장치(전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 프로세서(2220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 무선 통신 모듈(2292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(2294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(2298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(2299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(2292)은 가입자 식별 모듈(2296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(2201)를 확인 및 인증할 수 있다. The communication module 2290 establishes a direct (wired) communication channel and/or a wireless communication channel between the electronic device 2201 and other electronic devices (electronic device 2202, electronic device 2204, server 2208, etc.), And it can support communication through the established communication channel. The communication module 2290 may include one or more communication processors that operate independently of the processor 2220 (application processor, etc.) and support direct communication and/or wireless communication. The communication module 2290 includes a wireless communication module 2292 (cellular communication module, short-range wireless communication module, GNSS (Global Navigation Satellite System, etc.) communication module) and/or wired communication module 2294 (Local Area Network (LAN) communication). module, power line communication module, etc.). Among these communication modules, the corresponding communication module is a first network 2298 (a local area communication network such as Bluetooth, WiFi Direct, or IrDA (Infrared Data Association)) or a second network 2299 (cellular network, Internet, or computer network (LAN). , WAN, etc.) to communicate with other electronic devices. These various types of communication modules may be integrated into one component (single chip, etc.) or implemented as a plurality of separate components (multiple chips). The wireless communication module 2292 uses the subscriber information (International Mobile Subscriber Identifier (IMSI), etc.) stored in the subscriber identification module 2296 within a communication network such as the first network 2298 and/or the second network 2299. The electronic device 2201 can be identified and authenticated.

안테나 모듈(2297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(2297)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(2290)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(2290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(2297)의 일부로 포함될 수 있다.The antenna module 2297 may transmit or receive signals and/or power to the outside (other electronic devices, etc.). The antenna may include a radiator made of a conductive pattern formed on a substrate (PCB, etc.). The antenna module 2297 may include one or a plurality of antennas. When a plurality of antennas are included, an antenna suitable for a communication method used in a communication network such as the first network 2298 and/or the second network 2299 is selected from among the plurality of antennas by the communication module 2290. can Signals and/or power may be transmitted or received between the communication module 2290 and other electronic devices through the selected antenna. In addition to the antenna, other parts (RFIC, etc.) may be included as part of the antenna module 2297.

구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.Some of the components are connected to each other through communication methods (bus, GPIO (General Purpose Input and Output), SPI (Serial Peripheral Interface), MIPI (Mobile Industry Processor Interface), etc.) and signal (command, data, etc.) ) are interchangeable.

명령 또는 데이터는 제2 네트워크(2299)에 연결된 서버(2208)를 통해서 전자 장치(2201)와 외부의 전자 장치(2204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(2202, 2204)은 전자 장치(2201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(2201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(2202, 2204) 서버(2208) 중 하나 이상의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(2201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 이상의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 이상의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(2201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.Commands or data may be transmitted or received between the electronic device 2201 and the external electronic device 2204 through the server 2208 connected to the second network 2299 . The other electronic devices 2202 and 2204 may be the same or different types of devices from the electronic device 2201 . All or part of the operations executed on the electronic device 2201 may be executed on one or more of the other electronic devices 2202 and 2204 and the server 2208 . For example, when the electronic device 2201 needs to perform a function or service, it requests one or more other electronic devices to perform some or all of the function or service instead of executing the function or service itself. can One or more other electronic devices receiving the request may execute an additional function or service related to the request, and deliver the result of the execution to the electronic device 2201 . To this end, cloud computing, distributed computing, and/or client-server computing technologies may be used.

상술한 투시형 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자 장치가 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.Although the above-described see-through display device and electronic device including the same have been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely an example, and various modifications and equivalent other implementations thereof may be made by those skilled in the art. It will be appreciated that examples are possible. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of rights is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within an equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights.

1000, 1001, 1002: 투시형 디스플레이 장치
100: 영상 프로젝터
200, 201: 제2렌즈
400: 도파관
600, 601: 제1렌즈
610, 620, 630, 611, 621, 631, 210, 220, 230, ML: 메타렌즈
NS: 나노구조물
EN: 주변물질층 1000, 1001, 1002: see-through display device
100: video projector
200, 201: second lens
400: waveguide
600, 601: first lens
610, 620, 630, 611, 621, 631, 210, 220, 230, ML: Meta Lens
NS: nanostructure
EN: surrounding material layer

Claims

an image projector that outputs image light;
By transferring the image light output from the image projector to the user's field of view,
a waveguide having a first surface through which the image light is output and a second surface facing the first surface;
a first lens disposed on the first surface, having a negative refractive power, and including one or more meta lenses; and
and a second lens disposed on the second surface and having a positive refractive power.

According to claim 1,
The first lens
a first meta lens disposed on the first surface and having a negative refractive power;
a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a positive refractive power; and
A see-through display device comprising a; third meta lens disposed to be spaced apart from the second meta lens by a second distance and having a negative refractive power.

According to claim 2,
The first lens
a first spacer disposed between the first meta-lens and the second meta-lens and having a thickness corresponding to the first distance; and
A second spacer disposed between the second meta lens and the third meta lens and having a thickness corresponding to the second distance;

According to claim 3,
The see-through display device, wherein the first spacer and the second spacer have the same refractive index and the same thickness.

According to claim 1,
The first lens
a first meta lens disposed on the first surface and having a positive refractive power;
a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a negative refractive power; and
A see-through display device comprising a; third meta lens disposed to be spaced apart from the second meta lens by a second distance and having a positive refractive power.

According to claim 1,
The second lens is a refractive lens having one surface convex.

According to claim 1,
The second lens includes one or more meta lenses.

According to claim 7,
The second lens
A first meta lens having positive refractive power;
a second meta lens disposed apart from the first meta lens by a first distance and having a negative refractive power; and
A see-through display device comprising a; third meta lens disposed to be spaced apart from the second meta lens by a second distance and having a positive refractive power.

According to claim 8,
The second lens
a first spacer disposed between the first meta-lens and the second meta-lens and having a thickness corresponding to the first distance; and
A second spacer disposed between the second meta lens and the third meta lens and having a thickness corresponding to the second distance;

According to claim 9,
The see-through display device, wherein the first spacer and the second spacer have the same refractive index and the same thickness.

According to claim 10,
The first distance and the second distance are equal to or greater than d _min .
d _min is as follows, f is the focal length of the second lens, D is the effective diameter of the second lens, n _g is the refractive index of the first spacer and the second spacer, and θ _max is the first meta of the incident light is the maximum angle of deflection by the lens.

According to claim 10,
The second lens
The see-through display device further comprises a blocking member blocking light incident to the second lens from passing through the center of the second meta lens.

According to claim 12,
The blocking member is disposed in the center of the first meta lens, see-through type display device.

According to claim 12,
The blocking member is disposed in the center of the second meta lens, see-through display device.

According to claim 14,
The blocking member has a diameter of Do _min or more, the see-through type display device.
Do _min is as follows, f is the focal length of the second lens, D is the effective diameter of the second lens, n _g is the refractive index of the first spacer and the second spacer, and θ _max is the first meta of the incident light. is the maximum angle of deflection by the lens.

According to claim 1,
The absolute value of the negative refractive power represented by the first lens is different from the absolute value of the positive refractive power represented by the second lens.

According to claim 1,
The see-through type display device further comprises a lens for vision correction that is disposed adjacent to the first lens and is detachable.

According to claim 17,
The vision correction lens is a meta lens, see-through display device.

a see-through display device according to any one of claims 1 to 18; and
An electronic device comprising: a processor controlling the see-through display device to output an additional image suitable for an environment viewed by a user.

According to claim 19,
The see-through display device is an eye-wearable device.