KR20230047035A - 도파관 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20230047035A
KR20230047035A KR1020220124965A KR20220124965A KR20230047035A KR 20230047035 A KR20230047035 A KR 20230047035A KR 1020220124965 A KR1020220124965 A KR 1020220124965A KR 20220124965 A KR20220124965 A KR 20220124965A KR 20230047035 A KR20230047035 A KR 20230047035A
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waveguide display
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김재진
정보라
황혜원
유연재
이준영
신부건
송민수
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 도파관 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 도파관 디스플레이 장치는 곡면 반사 왜곡을 보정하는 도파관(waveguide) 디스플레이 장치로서, 외부로부터 입력된 광을 가이드하기 위한 도파관; 상기 도파관에 배치되며, 상기 외부로부터 입력된 광을 상기 도파관의 내측으로 회절시키는 제1회절광학소자; 및 상기 도파관에 배치되며, 상기 도파관에 의해 가이드된 광을 회절시켜 외부에 위치한 곡면 반사체 방향으로 복수 개의 회절광들을 출력하는 제2회절광학소자를 포함하고, 상기 제2회절광학소자는, 상기 회절광들이 상기 곡면 반사체의 서로 다른 위치에서 서로 평행한 방향으로 반사되도록, 상기 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 회절 격자의 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

도파관 디스플레이 장치{WAVEGUIDE DISPLAY APPARATUS}
본 발명은 2021년 09월 30일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제 10-2021-0129963호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 도파관 디스플레이 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 곡면 반사 왜곡을 보정하는 도파관 디스플레이 장치에 관한 것이다.
도 1a에는 종래 도파관 디스플레이에 대한 일 예가 나타나 있다.
종래 도파관 디스플레이에서는 회절소자 1을 통해 광 도파로로 입사한 빛이 내부 반사를 통해 회절소자 2의 방향으로 진행한다. 내부 반사를 통해 진행된 빛은 회절소자 2에서 출사되어 관찰자의 눈에 인식되게 된다. 회절소자 2에서 출사되는 빛은 입사 각도와 같은 각도를 가지며, 이를 위해 회절소자 1 및 회절소자 2의 회절 격자는 서로 대칭 구조로 이루어져 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 종래 도파관 디스플레이를 헤드업 디스플레이(head-up display)에 적용하는 경우, 회절소자 2를 통해 출사된 빛(영상)이 차량용 윈드쉴드와 같은 곡면체(곡면 반사체)에 반사되고, 관찰자는 곡면 반사체에서 반사된 영상을 눈으로 인식할 수 있게 된다.
다만, 회절소자 2를 통해 출사된 영상이 곡면 반사체에 반사되면, 곡면 반사체에서의 곡면 반사 왜곡에 의해 영상의 왜곡이 발생하게 되고, 이로 인하여 관찰자가 선명한 영상을 인식할 수 없는 문제가 발생하게 된다.
예를 들어, 곡면 반사의 왜곡에 의해, 회절소자 2를 통해 출사된 영상이 회절소자 1에 입력된 영상의 각도와는 다른 각도로 관찰자의 눈에 입사되게 된다. 또한, 회절소자 2를 통해 출사된 영상이 곡면 반사체에서 반사되는 위치에 따라 서로 다른 각도로 반사되므로, 관찰자는 관찰하는 위치에 따라 서로 다른 각도로 출력된(반사된) 영상을 관찰하게 된다.
도파관 디스플레이의 원리 상, 곡면 반사의 왜곡은 관찰자의 관찰 시점과 위치에 따라 다른 형태로 발생하므로, 단순히 회절소자 1에 입력되는 영상을 보정하는 방법을 통해 위와 같은 문제를 해결할 수는 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 곡면 반사 왜곡을 보정할 수 있는 도파관 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 곡면 반사 왜곡을 보정하는 도파관(waveguide) 디스플레이 장치로서, 외부로부터 입력된 광을 가이드하기 위한 도파관; 상기 도파관에 배치되며, 상기 외부로부터 입력된 광을 상기 도파관의 내측으로 회절시키는 제1회절광학소자; 및 상기 도파관에 배치되며, 상기 도파관에 의해 가이드된 광을 회절시켜 외부에 위치한 곡면 반사체 방향으로 복수 개의 회절광들을 출력하는 제2회절광학소자를 포함하고, 상기 제2회절광학소자는, 상기 회절광들이 상기 곡면 반사체의 서로 다른 위치에서 서로 평행한 방향으로 반사되도록, 상기 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 회절 격자의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 도파관 디스플레이 장치가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 도파관 디스플레이 장치는 곡면 반사 왜곡을 보정하고, 이를 통해 더욱 선명한 영상을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 종래 도파관 디스플레이에 대한 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 종래 도파관 디스플레이가 곡면체 반사를 통해 영상을 제공하는 경우에 대한 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 회절소자들의 기록 방법에 대한 예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래 도파관 디스플레이와 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치 간의 영상의 선명도를 비교 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.
본 발명은 곡면 반사 왜곡을 보정하는 도파관 디스플레이 장치(200)이다. 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)는 윈드쉴드에서의 반사를 통해 영상을 관찰자 또는 사용자에게 인식시키는 차량용 HUD 시스템에 활용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)는 차량용 HUD 시스템뿐만 아니라 곡면체에서의 반사를 통해 영상을 인식시키는 다양한 애플리케이션에서도 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)의 구성이 도 2에 나타나 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도파관 디스플레이 장치(200)는 도파관(210), 도파관(210)에 배치된 제1회절광학소자(220) 및 도파관(210)에 배치된 제2회절광학소자(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
도파관(210)은 외부(광원)으로부터 입력된 광을 내부 반사를 통해 가이드하는 기능을 수행할 수 있다. 도파관(210)은 내부 반사를 위해 내부에 반사면이 구비될 수 있다.
실시 형태에 따라, 도파관(210)은 평판으로 형성될 수 있다. 도파관 자체가 곡률로 형성된 경우, 도파관으로부터 외부로 출력되는 광의 곡면 반사 왜곡 현상을 줄이기 위해서는 도파관으로 입력되는 광의 각도 및 파장, 도파관의 곡률의 변화 및 곡률 반사체의 곡률 등을 모두 고려해야 하는 문제가 발생한다. 반면, 본 발명에서 도파관(210)은 상하면이 평면의 판 형상으로 형성되어 도파관(210)으로부터 외부로 출력되는 광의 각도가 일정하므로 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 각도만을 고려할 수 있는 이점이 있다.
광원으로부터 입력되는 광은 특정의 영상일 수 있으며, 이 경우 광원은 LCD(liquid crystal display) 패널, DMD(digital micromirror device), OLED(organic light emitting diodes) 패널 등일 수 있다. 이하에서는, 광원으로부터 입력되는 광을 '입력 영상'이라 지칭하도록 한다.
제1회절광학소자(diffractive optical element)(220)는 광원으로부터 입력되는 광 즉, 입력 영상을 도파관(210)의 내부(내측)으로 회절시킬 수 있다. 제1회절광학소자(220)는 회절 격자 구조를 가지며, 이 회절 격자 구조에 의한 회절 현상을 통해 입력 영상을 도파관(210)의 내부로 회절시킬 수 있다.
실시 형태에 따라, 제1회절광학소자(220)는 홀로그래픽 광학소자(holographic optical element)로 구현될 수 있다. 제1회절광학소자(220)가 홀로그래픽 광학소자로 구현되면, 높은 회절 효율과 협대역 주파수 특성을 구현할 수 있게 된다.
제1회절광학소자(220)에 의해 도파관(210)의 내부로 회절된 입력 영상은 내부 반사에 의해 제2회절광학소자(230) 측으로 진행할 수 있다. 즉, 내부로 회절된 입력 영상은 내부 반사에 의해 도파관(210) 내부에서 제2회절광학소자(230) 방향으로 가이딩될 수 있다.
제2회절광학소자(230)는 가이딩된 입력 영상을 회절시켜 회절광들을 외부로 출력할 수 있다. 제2회절광학소자(230)도 회절 격자 구조를 가지며, 이 회절 격자 구조에 의한 회절 현상을 통해 회절광들을 외부로 출력할 수 있다.
실시 형태에 따라, 제2회절광학소자(230)는 홀로그래픽 광학소자로 구현될 수 있다. 제2회절광학소자(230)가 홀로그래픽 광학소자로 구현되면, 높은 회절 효율과 협대역 주파수 특성을 구현할 수 있게 된다.
제1회절광학소자(220)는 도파관(210)의 면들 중에서 광원이 위치하는 방향의 면에 배치될 수 있다. 제2회절광학소자(230)는 도파관(210)의 면들 중에서 곡면 반사체가 위치하는 방향의 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원과 곡면 반사체의 위치에 따라, 제1회절광학소자(220)와 제2회절광학소자(230)는 서로 같은 면 또는 서로 다른 면에 배치될 수 있다.
복수 개의 회절광들은 제2회절광학소자(230)의 다양한 위치로부터 외부에 위치한 곡면 반사체 방향으로 출력될 수 있다. 회절광들은 곡면 반사체의 서로 다른 위치에서 반사될 수 있다.
실시 형태에 따라, 곡면 반사체는 도파관(210)과 이격되어 외부에 위치할 수 있다. 즉, 곡면 반사체는 도파관(210), 제1회절광학소자(220) 및 제2회절광학소자(230)를 포함하는 본 발명의 도파관 디스플레이 장치와 별도로 형성되어 기존에 설치된 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 도파관 디스플레이 장치를 임의로 설치할 수 있다.
반사된 회절광들이 진행하는 방향은 회절광들이 반사되는 (곡면 반사체의) 지점 각각의 곡률에 의해 좌우될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)는 곡면 반사 왜곡을 보정하기 위한 장치이므로, 곡면 반사체의 각 지점에서 반사되는 회절광들은 서로 평행한 방향으로 진행되어야 한다.
이를 위해, 제2회절광학소자(230)는 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 회절 격자의 구조를 가질 수 있다. 여기서, 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 회절 격자의 구조란, 곡면 반사체에서 반사되는 회절광들이 서로 평행한 방향으로 진행하도록 하는 회절 격자의 피치(pitch)와 회절 격자의 경사 각도(slanted angle) 중에서 하나 이상을 의미할 수 있다. 결국, 제2회절광학소자(230)는 회절광들이 출사되는 위치 별로 서로 다른 회절 격자 구조를 가질 수 있으며, 이 서로 다른 회절 격자 구조는 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 구조일 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 통해 설명된 종래 도파관 디스플레이는 회절소자 1의 입사각이 회절소자 2의 출사각과 일치하며, 회절소자 1의 출사각이 회절소자 2의 입사각과 일치하도록 구성된다. 이와 달리, 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)는 제2회절광학소자(230)로부터 출력되는 회절광들이 곡면 반사체의 곡률을 반영하여 위치 별로 서로 다른 각도로 회절되도록 구성되며, 이 서로 다른 각도는 곡면 반사체에서 반사되는 회절광들이 서로 평행한 방향으로 진행하도록 하는 각도에 해당한다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2회절광학소자(230)의 다양한 위치로부터 출사되는 회절광들 각각은 서로 다른 출사각을 가질 수 있으며, 제2회절광학소자(230)는 회절광들 각각이 서로 다른 출사각을 가지도록 하는 회절 격자 구조를 가질 수 있다.
이러한 구조적 특징으로 인하여, 본 발명에 따른 도광판 디스플레이 장치(200)는 곡면 반사 왜곡을 보정할 수 있으며, 이를 통해 더욱 선명한 영상을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 회절소자들(220, 230)의 회절 격자 기록 방법에 대한 예들을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서는 회절소자들(220, 230)이 홀로그래픽 광학소자로 구현되는 예를 중심으로 하여 설명하도록 한다.
곡면 반사 왜곡이 보정되기 위해서는(반사되는 회절광들이 서로 평행한 방향으로 진행하기 위해서는) 제2회절광학소자(230)로부터 출력된 회절광들 각각이 곡면 반사체에서 반사되는 위치 각각의 높이가 일정해야 한다.
도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, '반사되는 위치 각각의 높이가 일정함'은 도파관 디스플레이 장치(200)를 기준으로 하여 반사되는 위치 각각의 상대적인 높이를 의미할 수 있다. 회절광들 각각이 곡면 반사체에서 반사되는 위치 각각의 높이를 일정하게 하기 위해, 도파관 디스플레이 장치(200)를 곡면 반사체와 수평하게 회전시키는 과정이 수행될 수 있다.
도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1회절광학소자(220)에 기록빔을 조사하여 입력 영상을 도파관(210)의 내부로 회절시킬 수 있는 회절 격자 구조를 제1회절광학소자(220)에 형성하는 과정이 수행될 수 있다.
또한, 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이, 제2회절광학소자(230)에 기록빔을 조사하여 도파관(210)에 의해 가이딩된 회절광들을 외부(곡면 반사체 방향)로 회절시킬 수 있는 회절 격자 구조를 제2회절광학소자(230)에 형성하는 과정이 수행될 수 있다.
제2회절광학소자(230)는 곡면 반사체에서 반사되는 회절광들이 서로 평행한 방향으로 진행하도록 하는 회절 격자 구조를 가져야 하므로, 제2회절광학소자(230)의 회절 격자 구조 생성을 위한 기록빔은 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 발산 각도로 조사될 수 있다.
도 4는 종래 도파관 디스플레이와 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200) 간의 영상의 선명도를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 종래 도파관 디스플레이로부터 출력되는 회절광을 곡면 반사체에 반사시켜 촬영된 영상을 나타낸다. 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 종래 도파관 디스플레이는 곡면 반사 왜곡이 보정되지 않으므로, 영상의 왜곡, 양안 관찰 시의 이중상 발생 등의 문제가 나타난다.
도 4의 (b)는 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)로부터 출력되는 회절광을 곡면 반사체에 반사시켜 촬영된 영상을 나타낸다. 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관 디스플레이 장치(200)는 곡면 반사 왜곡이 보정되므로, 영상의 왜곡이나 이중상의 문제가 발생하지 않으며, 결과적으로 종래 도파관 디스플레이에 비해 더욱 선명한 영상을 제공할 수 있다.
이상에서는, 여러가지 실시예들을 들어 본 발명을 상세하게 설명하였다. 다만, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다. 즉, 본 명세서의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
200: 도파관 디스플레이 장치
210: 도파관 220: 제1회절광학소자
230: 제2회절광학소자

Claims (5)

  1. 곡면 반사 왜곡을 보정하는 도파관(waveguide) 디스플레이 장치로서,
    외부로부터 입력된 광을 가이드하기 위한 도파관;
    상기 도파관에 배치되며, 상기 외부로부터 입력된 광을 상기 도파관의 내측으로 회절시키는 제1회절광학소자; 및
    상기 도파관에 배치되며, 상기 도파관에 의해 가이드된 광을 회절시켜 외부에 위치한 곡면 반사체 방향으로 복수 개의 회절광들을 출력하는 제2회절광학소자를 포함하고,
    상기 제2회절광학소자는,
    상기 회절광들이 상기 곡면 반사체의 서로 다른 위치에서 서로 평행한 방향으로 반사되도록, 상기 곡면 반사체의 곡률에 대응되는 회절 격자의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 도파관 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자의 구조는,
    상기 회절 격자의 피치(pitch) 및 상기 회절 격자의 경사 각도(slanted angle) 중에서, 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1회절광학소자 및 상기 제2회절광학소자는,
    홀로그래픽 광학소자(holographic optical element)인 것을 특징으로 하는 도파관 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    평판으로 형성된 것을 특징으로 하는 도파관 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 곡면 반사체는 상기 도파관과 이격되어 외부에 위치하는, 도파관 디스플레이 장치.
KR1020220124965A 2021-09-30 2022-09-30 도파관 디스플레이 장치 KR20230047035A (ko)

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