KR20230051050A - 증강현실 디바이스 - Google Patents

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KR20230051050A
KR20230051050A KR1020220072353A KR20220072353A KR20230051050A KR 20230051050 A KR20230051050 A KR 20230051050A KR 1020220072353 A KR1020220072353 A KR 1020220072353A KR 20220072353 A KR20220072353 A KR 20220072353A KR 20230051050 A KR20230051050 A KR 20230051050A
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polarization
waveguide
augmented reality
coupler
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윤정근
류재열
최종철
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삼성전자주식회사
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Abstract

증강현실 디바이스가 개시된다. 개시된 증강현실 디바이스는, 제1 편광의 광을 출력하는 디스플레이부; 디스플레이부의 출사측과 대향되게 배치되며, 제1 편광의 광을 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광으로 변환하여 반사하는 편광변환반사부; 평판 형상을 가지며, 평판 형상의 평판면 법선이 디스플레이부에서 출력되는 광의 광축에 대해 경사지며, 일측이 디스플레이부와 편광변환반사부 사이에 배치되는 웨이브가이드; 제2 편광의 광을 웨이브가이드 내로 전파시키는 입력-커플러; 및 웨이브가이드에서 전파되는 광을 출력시키는 출력-커플러;를 포함할 수 있다.

Description

증강현실 디바이스{Augmented reality device}
본 개시는 증강현실 디바이스에 관하고, 구체적으로 웨이브가이드를 갖는 증강현실 디바이스에 관한 것이다.
증강현실 디바이스는 증강현실(Augmented Reality, AR)을 제공하는 장치로서, 예를 들어 증강현실 안경(AR Glass)이 있다. 증강현실 디바이스의 이미지 광학 시스템은 영상을 출력하는 디스플레이 엔진(프로젝터 등)과, 출력된 영상을 눈으로 보내주기 위한 웨이브가이드(waveguide)를 포함한다. 디스플레이 엔진에서 출사된 이미지는 웨이브가이드를 통해 눈으로 전달되며, 이로서 사람은 영상을 볼 수 있게 된다.
한편, 착용형 디스플레이 장치(wearable display device)는 사람이 착용한 상태에서 디스플레이된 화면을 볼 수 있는 장치이다. 이러한 착용형 디스플레이 장치에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 다양한 형태의 착용형 장치들이 출시되거나 출시가 예고 되고 있다. 예를 들어, 안경형 디스플레이 장치(wearable glasses)나 헤드마운트 디스플레이 장치(Head Mounted Display)가 현재 출시되거나 출시가 예고되고 있는 착용형 디스플레이 장치이다. 증강현실 디바이스가 착용형 디스플레이 장치로 사용되기 위해서는 일반 사용자에게 위화감 없는 외형을 가질 것이 요구된다.
해결하고자 하는 과제는 경사진 웨이브가이드를 갖는 증강현실 디바이스를 제공하는데 있다.
해결하고자 하는 과제는 기구적 배치를 향상시켜 외관 형상의 제한을 완화시킨 안경형 디스플레이 장치를 제공하는데 있다.
해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 측면에 따르는 증강현실 디바이스는, 제1 편광의 광을 출력하는 디스플레이부; 디스플레이부의 출사측과 대향되게 배치되며, 제1 편광의 광을 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광으로 변환하여 반사하는 편광변환반사부; 평판 형상을 가지며, 평판 형상의 평판면 법선이 디스플레이부에서 출력되는 광의 광축에 대해 경사지며, 일측이 디스플레이부와 편광변환반사부 사이에 배치되는 웨이브가이드; 제2 편광의 광을 웨이브가이드 내로 전파시키는 입력-커플러; 및 웨이브가이드에서 전파되는 광을 출력시키는 출력-커플러;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 디스플레이부는 웨이브가이드를 기준으로 웨이브가이드에서 광이 출력되는 방향과 같은 쪽에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 디스플레이부는 이미지 광을 출력하는 디스플레이 엔진과, 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 제1 편광의 광으로 변환시키는 편광변환기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기는 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 원형편광의 광으로 편광변환시키는 원형편광자이며, 편광변환반사부는 반사미러일 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기는 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 진행경로를 따라 배치되는 선형편광자와 1/4파장판을 포함하며, 편광변환반사부는 반사미러일 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기는 선형편광자와 1/4파장판의 사이에 배치되는 1/2파장판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 디스플레이 엔진은 선형 편광의 이미지 광을 출력하며, 편광변환기는 1/4파장판을 포함하며, 편광변환반사부는 반사미러일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 편광은 우원편광이며, 입력-커플러는 좌원편광의 광을 회절시키는 좌원편광 회절격자일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 편광은 좌원편광이며, 입력-커플러는 우원편광의 광을 회절시키는 우원편광 회절격자일 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기는 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 선편광의 광으로 편광변환시키는 선형편광자이며, 편광변환반사부는 반사미러와, 웨이브가이드과 반사미러 사이에 배치되는 1/4파장판을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 1/4파장판은 반사미러의 반사면에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기는 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 진행경로를 따라 배치되는 선형편광자와 1/2파장판을 포함하며, 편광변환반사부는 반사미러와, 웨이브가이드과 반사미러 사이에 배치되는 1/4파장판을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 편광은 x축 선편광이며, 입력-커플러는 y축 선편광의 광을 회절시키는 y축 선편광 회절격자일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 편광은 y축 선편광이며, 입력-커플러는 x축 선편광의 광을 회절시키는 x축 선편광 회절격자일 수 있다.
일 실시예에서, 입력-커플러는 웨이브가이드의 디스플레이부와 마주하는 제1면, 제1 면에 대향되는 제2 면, 및 웨이브가이드의 내부 중 적어도 어느 한 쪽에 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 증강현실 디바이스는 프레임과 프레임의 양단에서 연결되는 안경다리들을 포함하는 안경 형상을 지니며, 디스플레이부는 안경다리들 중 적어도 어느 한 쪽에 실장될 수 있다.
일 실시예에서, 증강현실 디바이스는 증강현실 안경 또는 두부 장착형 디스플레이 장치일 수 있다.
다른 측면에 따르는 안경형 디스플레이 장치는 프레임과 프레임의 양단에서 연결되는 안경다리들을 포함하는 안경형 몸체; 안경다리들 중 적어도 어느 한 쪽에 실장되며, 광을 출력하는 디스플레이 엔진; 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 제1 편광의 광으로 변환시키는 편광변환기; 디스플레이 엔진의 출사측과 대향되게 배치되는 반사미러; 프레임에 장착되며, 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 광축에 직교하는 평면에 대해 경사지며, 일측이 디스플레이 엔진과 반사미러 사이에 배치되는 웨이브가이드; 제1 편광의 광은 투과시키고 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광을 웨이브가이드 내로 전파시키는 입력-커플러; 및 웨이브가이드에서 전파되는 광을 출력시키는 출력-커플러;를 포함할 수 있다.
개시된 증강현실 디바이스는 웨이브가이드를 기울여 좀 더 자연스러운 안경형 외관을 가질 수 있다.
개시된 증강현실 디바이스는 웨이브가이드가 경사지더라도 시야각이 줄어들지 않을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스를 사용자가 착용한 예를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 비교예에 따른 증강현실 디바이스의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스에서 웨이브가이드와 디스플레이 엔진이 결합한 예를 도시한다.
도 5는 도 4의 A 영역을 확대한 도면으로, 광선의 경로에 따른 편광 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 편광변환기를 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 편광변환기를 설명하는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스에서 입력-커플러가 배치된 예를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스에서 입력-커플러가 배치된 예를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스에서 웨이브가이드와 디스플레이 엔진이 결합한 예를 도시한다.
도 11은 도 10의 B 영역을 확대한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 편광변환기를 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서의 실시예들에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스를 사용자가 착용한 예를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에의 증강현실 디바이스(100)는 사용자가 착용할 수 있도록 구성된 안경형 디스플레이 장치로서, 증강현실 안경(Augmented Reality Glasses)일 수 있다.
증강현실 디바이스(100)는 프레임(110)과 안경다리(120)를 갖는 안경형 몸체를 포함할 수 있다. 프레임(110)은 예시적으로 브릿지로 연결된 2개의 테(rim) 형상을 가질 수 있다. 프레임(110)의 테와 브릿지가 구분되지 않을 수도 있다. 안경다리(120)는 프레임(110)의 양 단부에 각각 연결되고 일 방향으로 연장된다. 프레임(110)의 양단부와 안경다리(120)는 예를 들어 힌지에 의해 연결될 수 있다. 다른 예로, 프레임(110)과 안경다리(120)는 일체로 연결되어 있을 수도 있다.
안경형 몸체에는 디스플레이부(130)가 실장될 수 있다. 디스플레이부(130)는 가상 이미지를 담은 제1 편광의 광을 출력하도록 구성된다. 일 실시예에서 디스플레이부(130)는 제1 편광의 광을 출력하도록 구성된 프로젝터일 수 있다. 디스플레이부(130)는 출사단에 출력되는 광이 제1 편광의 광이 되도록 하는 편광자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로, 디스플레이부(130)가 광원 자체에서 편광된 광을 방출할 수도 있고, 광을 분기 또는 결합시킬 때 편광빔스플리터등을 사용할 수도 있다. 제1 편광은 예를 들어 좌원편광, 우원편광, 또는 선편광일 수 있다.
일 실시예에서 디스플레이부(130)는 안경다리(120)에 실장될 수 있다. 일 실시예에서 디스플레이부(130)는 디스플레이부(130)의 출력된 광의 광축 방향(OA)이 안경다리(120)의 길이방향과 같도록 안경다리(120)에 실장될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로, 디스플레이부(130)의 일부는 안경다리(120)에 고정되고, 디스플레이부(130)의 다른 일부는 프레임(110)(림 형상)에 고정될 수 있다. 프레임(110)과 안경다리(120)가 일체로 형성된 경우, 디스플레이부(130)의 실장위치가 프레임(110)과 안경다리(120)로 구분되지 않을 수도 있다. 디스플레이부(130)는 좌안 및 우안 각각에 마련되거나, 어느 한 쪽에만 마련될 수도 있다.
프레임(110)에는 웨이브가이드(waveguide)(140)가 장착될 수 있다. 웨이브가이드(140)는 디스플레이부(130)에서 생성된 가상 이미지의 광과 외부 장면의 광을 사용자의 동공으로 전달하도록 구성된다. 웨이브가이드(140)는 평판 형상을 지닐 수 있다. 웨이브가이드(140)는 광이 내부에서 반사되면서 전파될 수 있는 투명 재질의 단층 혹은 다층 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 투명 재질이라 함은, 가시광선 대역의 광이 통과될 수 있는 재질이라는 의미이며, 투명도가 100%가 아닐 수 있으며, 소정의 색상을 지닐 수도 있다. 웨이브가이드(140)가 투명 재질로 형성됨에 따라, 사용자는 증강현실 디바이스(100)를 통해 가상 이미지를 볼 수 있을 뿐만 아니라, 현실 장면을 볼 수 있으므로, 증강현실 디바이스(100)는 증강 현실을 구현할 수 있다. 웨이브가이드(140)는 디스플레이부(130)에 대응하여 좌안 및 우안 각각에 마련되거나, 어느 한 쪽에만 마련될 수도 있다.
웨이브가이드(140)는 디스플레이부(130)에 대해 경사진(tilt) 상태로 프레임(110)에 장착될 수 있다. 달리 말하면, 웨이브가이드(140)의 평판면은 디스플레이부(130)의 출력된 광의 광축 방향(OA)에 대해 직교하지 않을 수 있다. 달리 말하면, 웨이브가이드(140)의 평판면의 법선(N)은 디스플레이부(130)의 출력된 광의 광축 방향(OA)에 대해 경사져 있을 수 있다. 도 1은 웨이브가이드(140)의 경사진 방향이 수직방향(x축)에 대해 회전하는 방향인 경우를 도시하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로서, 웨이브가이드(140)는 수평방향(예를 들어 y축)에 대해 회전하는 방향으로 경사지거나, 수직방향 및 수평방향으로 모두 경사져 있을 수 있다. 이와 같은 웨이브가이드(140)의 경사짐은, 사용자(O)가 증강현실 디바이스(100)를 착용한 상태에서 볼 때 웨이브가이드(140)가 사용자(O)의 안면부에 대해 경사진 상태로 있게 하므로, 통상의 시력교정 안경이나 선글라스와 유사한 외관을 제공할 수 있게 한다.
일 실시예에서 안경알(미도시)이 프레임(110)에 위치할 수 있으며, 이 경우 웨이브가이드(140)는 안경알에 부착되어 배치되거나, 안경알과 별개로 프레임(110)에 고정될 수도 있다. 안경알이 생략될 수 있음은 물론이다.
편광변환반사부(150)가 디스플레이부(130)의 출사측과 대향되게 배치된다. 웨이브가이드(140)의 일측이 디스플레이부(130)와 편광변환반사부(150) 사이에 위치한다. 편광변환반사부(150)는 프레임(110)에 고정되거나 웨이브가이드(140)에 부착될 수 있다. 편광변환반사부(150)는 디스플레이부(130)에서 출력된 제1 편광의 광을 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광으로 편광변환하여 반사한다.
편광변환반사부(150)는 반사면의 법선이 디스플레이부(130)의 출력된 광의 광축 방향(OA)과 같도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 편광변환반사부(150)의 반사면 방향을 조정함으로써, 웨이브가이드(130)를 통해 출력되는 광의 방향을 조정할 수 있다.
일 실시예에서 제1 편광은 좌원편광 또는 우원편광이며, 편광변환반사부(150)는 반사미러일 수 있다. 반사미러는 좌원편광의 광을 우원편광의 광으로 반사하며, 우원편광의 광을 좌원편광의 광으로 반사한다.
일 실시예에서 제1 편광은 x축 선편광 또는 y축 선편광과 같은 선편광이며, 편광변환반사부(150)는 반사미러와 1/4파장판으로 구성될 수 있다. 1/4파장판은 반사미러의 반사면에 필름 형태로 부착되거나, 반사미러의 반사면으로부터 이격되게 배치될 수 있다. 반사미러와 1/4파장판의 조합은 x축 선편광의 광을 y축 선편광의 광으로 반사하며, y축 선편광의 광을 x축 선편광의 광으로 반사한다. 여기서, x축과 y축은 서로 직교하는 임의의 2개 축을 가리킬 수 있다.
디스플레이부(130)와 편광변환반사부(150) 사이에 위치하는 웨이브가이드(140)의 일측에는 입력-커플러(160)가 위치할 수 있다. 입력-커플러(160)는 웨이브가이드(140)의 디스플레이부(130)에 마주하는 제1 면이나 제1 면에 대향되는 제2 면, 또는 웨이브가이드(140)의 내부(다층 웨이브가이드인 경우, 그 사이)에 위치하여 디스플레이부(130)에서 출력되는 광을 웨이브가이드(140)로 입력시킨다.
입력-커플러(160)는 제1 편광의 광을 투과시키고 편광변환반사부(150)에서 편광변환하며 반사된 제2 편광의 광을 웨이브가이드(140) 내부로 전파시키는 편광 회절격자일 수 있다.
일 실시예에서 입력-커플러(160)는 우원편광의 광은 투과시키고 좌원편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(140) 내부로 전파시키는 좌원편광 회절소자일 수 있다.
일 실시예에서 입력-커플러(160)는 좌원편광의 광은 투과시키고 우원편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(140) 내부로 전파시키는 우원편광 회절소자일 수 있다.
일 실시예에서 입력-커플러(160)는 y축 선편광의 광은 투과시키고 x축 선편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(140) 내부로 전파시키는 x축 선편광 회절소자일 수 있다.
일 실시예에서 입력-커플러(160)는 x축 선편광의 광은 투과시키고 y축 선편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(140) 내부로 전파시키는 y축 선편광 회절소자일 수 있다.
상기와 같은 편광 회절소자는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE), 홀로그래픽 광학소자(Holographic optical element, HOE), 고분자분산 액정(Polymer dispered liquid crystal, PDLC), 메타표면(metasurface), 등으로 구현될 수 있다.
웨이브가이드(140)의 타측에는 출력-커플러(도 2의 170 참조)가 위치할 수 있다. 웨이브가이드(140)의 내부에서 전파되는 가상 이미지의 광은 출력-커플러(170)를 통해 타겟 영역으로 출력된다. 타겟 영역은 사용자의 아이모션박스(eye motion box; EMB)일 수 있다.
디스플레이부(130)를 위한 정보 처리 및 이미지 형성은, 증강현실 디바이스(100) 자체의 컴퓨터에서 직접 이루어지거나, 증강현실 디바이스(100)가 스마트 폰, 태블릿, 컴퓨터, 노트북, 기타 모든 지능형(스마트) 디바이스 등과 같은 외부 전자 디바이스에 연결되어 외부 전자 디바이스에서 이루어질 수 있다. 증강현실 디바이스(100)와 외부 전자 디바이스 간의 신호 전송은 유선 통신 및/또는 무선 통신을 통해 수행될 수 있다. 증강현실 디바이스(100)는 내장된 전원(충전식 배터리)과 외부 디바이스 및 외부 전원 중 적어도 어느 하나에서 전원을 공급받을 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예의 증강현실 디바이스(100)의 동작을 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(100)의 동작을 설명하는 도면이며, 도 3은 비교예에 따른 증강현실 디바이스의 동작을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 디스플레이부(130)는 가상이미지를 담은 제1 편광의 광(L)을 출력한다. 디스플레이부(130)에서 출력된 광(L)은 웨이브가이드(140)의 일측을 관통하여 편광변환반사부(150)를 향한다. 광(L)의 진행경로상에 입력-커플러(160)가 있더라도, 입력-커플러(160)는 제2 편광의 광만을 회절하며, 제2 편광에 직교하는 제1 편광의 광은 회절하지 않으므로, 제1 편광의 광(L)은 웨이브가이드(140)에 결합하지 않고, 웨이브가이드(140)를 통과하게 된다.
편광변환반사부(150)는 디스플레이부(130)에서 출력된 광(L)을 반사시키되, 제1 편광을 제2 편광으로 변환시킨다. 예를 들어, 제1 편광이 우원편광이면, 편광변환반사부(150)는 디스플레이부(130)에서 출력된 광(L)을 좌원편광의 광으로 변환시킨다. 편광변환반사부(150)에서 반사된 광(L)의 방향은 디스플레이부(130)에서 출력된 광(L)의 방향과 반대일 수 있다.
편광변환반사부(150)에서 반사된 광(L)은 입력-커플러(160)에서 회절되어 웨이브가이드(140)의 내부에 진입한다. 웨이브가이드(140)가 경사짐에 따라, 광(L)은 웨이브가이드(140)의 경사진 각도와 같은 입사각으로 입력-커플러(160)에 입사하게 된다.
웨이브가이드(140)에 진입한 광(L)은 웨이브가이드(140)의 내부에서 전반사되면서 전파되고 출력-커플러(170)에서 회절되어 웨이브가이드(140)의 바깥으로 출사된다. 웨이브가이드(140)에서 출사된 광(L)은 사용자의 안구(E)로 향하게 되며, 사용자는 디스플레이부(130)에서 출사한 가상이미지를 볼 수 있게 된다. 이때, 출력-커플러(170)를 통해 출사된 광(L)의 출사각은 입력-커플러(160)에 입사할 때의 광(L)의 입사각과 실질적으로 같을 수 있다. 달리 말하면, 출력-커플러(170)를 통해 출사된 광(L)의 광축(OA')은 디스플레이부(130)에서 출력된 광(L)의 광축(OA)에 평행할 수 있다. 따라서, 웨이브가이드(140)가 디스플레이부(130)의 광축(OA)에 대해 경사져 위치하더라도, 본 실시예의 증강현실 디바이스(100)가 제공하는 가상이미지(I)는 그대로 일 수 있으며, 시야각이 유지될 수 있다. 또한, 증강현실 디바이스(100)의 시야각이 웨이브가이드(140)의 경사에 의존하지 않으므로, 웨이브가이드(140)의 경사각(tilt angle)이 크더라도 이를 보상할 수 있다. 나아가 서로 다른 웨이브가이드(140)의 경사각을 갖는 증강현실 디바이스(100)에 대해 광학 설계를 다시 할 필요가 없고, 동일한 광학 시스템이 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 비교예의 디바이스는 디스플레이부(30)에서 광(L)을 출력하고, 입력-커플러(60)는 디스플레이부(30)에서 출력된 광(L)을 웨이브가이드(40)의 내부로 전파시키고, 웨이브가이드(40)에서 전파된 광(L)은 출력-커플러(70)를 통해 출력된다. 웨이브가이드(40)의 법선(N)이 디스플레이부(30)의 광축(OA)에 대해 경사각 θ1으로 경사져 있으므로, 입력-커플러(60)에 입사되는 광(L)의 입사각은 경사각 θ1과 같다. 한편, 출력-커플러(70)를 통해 출력되는 광(L)의 출사각은 입력-커플러(60)에 입사되는 광(L)의 입사각과 실질적으로 같을 수 있다. 다만, 웨이브가이드(40)가 디스플레이부(30)에 대해 경사져 있으므로, 디스플레이부(30)에서 출력된 광(L)의 광축(OA)과 출력-커플러(170)를 통해 출사된 광(L)의 광축(OA') 사이의 각도 θ2는 경사각 θ1의 2배가 된다. 따라서, 웨이브가이드(40)가 디스플레이부(30)의 광축(OA)에 대해 경사져 위치하게 되면, 비교예의 디바이스가 제공하는 가상이미지(I')는 웨이브가이드(40)가 경사하지 않은 상태에서의 가상이미지(I) 보다 좁게 되며, 시야각이 협소해짐을 알 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(200)에서 웨이브가이드와 디스플레이 엔진이 결합한 예를 도시하며, 도 5는 도 4의 A 영역을 확대한 도면이다. 본 실시예의 증강현실 디바이스(200)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 증강현실 디바이스(100)에서 제1 편광이 원형편광인 경우를 구체화한 경우로서, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 증강현실 디바이스(100)의 안경형 몸체 구조에 그대로 적용할 수 있음은 당업자라면 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 증강현실 디바이스(200)는 가상이미지의 광(L1)을 출력하는 디스플레이 엔진(210)과, 편광변환기(220)와, 웨이브가이드(230)와, 반사미러(240)를 포함한다. 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)은 무편광일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 디스플레이 엔진(210)과 편광변환기(220)는 도 1을 참조하여 설명한 증강현실 디바이스(100)에서 디스플레이부(130)에 대응된다.
편광변환기(220)는 원형편광자일 수 있다. 이러한 원형편광자는 선형편광자와 1/4파장판으로 구성될 수 있으며 하나의 원형편광자일 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 편광변환기(220)는 도면이다. 도 6을 참조하면, 편광변환기(220)는 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)의 진행방향을 따라 순차적으로 배치되는 선형편광자(221)와 1/4파장판(222)을 포함할 수 있다. 선형편광자(221)는 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)을 선형편광의 광(L12)로 편광변환시킨다. 1/4파장판(222)은 선형편광의 광(L12)을 1/4파장만큼 위상지연시킴으로써 원형편광의 광(L2)으로 편광변환시킨다. 1/4파장판(222)의 방향에 방향에 따라, 1/4파장판(222)은 선택적으로 선형편광의 광(L12)을 우원편광 또는 좌원편광의 광(L2)으로 편광변환시킬 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기(220)는 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)을 우원편광의 광(L2)으로 편광변환시켜주는 우원편광자일 수 있다. 이 경우, 입력-커플러(250)는 우원편광의 광(L2)은 회절시키지 않고, 좌원편광의 광(L3)만을 회절시키는 좌원편광 회절격자일 수 있다. 편광변환기(220)에서 편광변환된 우원편광의 광(L2)은 입력-커플러(250)에 의해 회절되지 않으며 웨이브가이드(230)를 통과한다. 웨이브가이드(230)를 통과한 우원편광의 광(L2)은 반사미러(240)에서 반사되며 좌원편광의 광(L3)이 된다. 반사미러(240)에서 반사되며 편광변환된 좌원편광의 광(L3)은 입력-커플러(250)에서 회절되면서 웨이브가이드(230) 내부로 진입한다. 웨이브가이드(230) 내부로 진입한 좌원편광의 광(L4)은 출력-커플러(270)에 의해 웨이브가이드(230)의 외부로 출사되어 사용자의 안구(E)로 향하게 된다.
일 실시예에서, 편광변환기(220)는 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)을 좌원편광의 광으로 편광변환시켜주는 좌원편광자일 수 있다. 이 경우, 입력-커플러(250)는 좌원편광의 광(L2)은 회절시키지 않고, 우원편광의 광(L3)만을 회절시키는 우원편광 회절격자일 수 있다. 편광변환기(220)에서 편광변환된 좌원편광의 광(L2)은 입력-커플러(250)에 의해 회절되지 않으며 웨이브가이드(230)를 통과한다. 웨이브가이드(230)를 통과한 좌원편광의 광(L2)은 반사미러(240)에서 반사되며 우원편광의 광(L3)이 된다. 반사미러(240)에서 반사되며 편광변환된 우원편광의 광(L3)은 입력-커플러(250)에서 회절되면서 웨이브가이드(230) 내부로 진입한다. 웨이브가이드(230) 내부로 진입한 우원편광의 광(L4)은 출력-커플러(270)에 의해 웨이브가이드(230)의 외부로 출사되어 사용자의 안구(E)로 향하게 된다.
도 7은 일 실시예에 따른 편광변환기(220')는 도면이다. 도 7을 참조하면, 편광변환기(220')는 디스플레이 엔진(210)에서 출력된 광(L1)의 진행방향을 따라 순차적으로 배치되는 선형편광자(221), 1/2파장판(223) 및 1/4파장판(222)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 편광변환기(220')는 도 6을 참조하여 설명한 편광변환기(220)에 비해 1/2파장판(223)을 추가적으로 구비한다는 점에서 차이가 있다. 1/2파장판(223)은 선형편광자(221)와 1/4파장판(222) 사이에 배치될 수 있다. 1/2파장판(223)은 선형편광자(221)에서 선형편광된 광(L12)의 편광방향을 회전시킬 수 있다. 1/2파장판(223)은 선형편광자(221)에서 선형편광된 광(L12)의 편광방향을 1/4파장판(222)의 방향에 맞게 회전시킴으로써, 선형편광자(221)와 1/4파장판(222)의 정렬을 정밀하게 조정할 수 있게 한다. 참조번호 L12'는 1/4파장판(222)의 방향에 맞게 조정된 선형편광된 광을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(300)에서 입력-커플러(350)가 배치된 예를 도시한다. 본 실시예의 증강현실 디바이스(300)는 입력-커플러(350)의 위치를 제외하고는 전술한 실시예들의 증강현실 다비이스와 실질적으로 동일하다. 도 8을 참조하면, 입력-커플러(350)는 웨이브가이드(330)의 디스플레이 엔진(310)에 마주하는 면에 위치할 수 있다. 입력-커플러(350)는 제1 편광의 광은 회절시키지 않고 제1 편광의 광에 직교하는 제2 편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(330) 내로 전파시킨다. 디스플레이 엔진(310)에서 출력되는 광은 편광변환기(320)에서 편광변환되어 제1 편광(예시적으로 좌원편광)의 광이 되며, 입력-커플러(350)에서 회절되지 않은 상태로 웨이브가이드(330)에 입사되고 그대로 투과되어 편광변환반사부(340)에 향하게 된다. 제1 편광(예시적으로 좌원편광)의 광은 편광변환반사부(340)에서 제2 편광(예시적으로 우원편광)의 광으로 편광변환되어 반사되며, 웨이브가이드(330)를 거쳐 입력-커플러(350)에 입사된다. 입력-커플러(350)는 편광변환반사부(340)에서 편광변환된 제2 편광(예시적으로 우원편광)의 광을 웨이브가이드(330) 내로 전파시킨다.
도 9는 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(300')에서 입력-커플러(350')가 배치된 예를 도시한다. 본 실시예의 증강현실 디바이스(300')는 입력-커플러(350')의 위치를 제외하고는 전술한 실시예들의 증강현실 다비이스와 실질적으로 동일하다. 도 9를 참조하면, 입력-커플러(350')는 웨이브가이드(330)의 내부에 위치할 수 있다. 웨이브가이드(330)가 다층 구조를 갖는 경우, 입력-커플러(350')는 웨이브가이드(330)의 인접한 층 사이에 위치할 수도 있다. 입력-커플러(350')는 제1 편광의 광은 회절시키지 않고 제1 편광의 광에 직교하는 제2 편광의 광을 회절시켜 웨이브가이드(320) 내로 전파시킨다. 디스플레이 엔진(310)에서 출력되는 광은 편광변환기(320)에서 편광변환되어 제1 편광(예시적으로 좌원편광)의 광이 되며, 웨이브가이드(320)에 입사된 후 입력-커플러(350')에서 회절되지 않은 상태로 투과되어 편광변환반사부(340)에 향하게 된다. 제1 편광(예시적으로 좌원편광)의 광은 편광변환반사부(340)에서 제2 편광(예시적으로 우원편광)의 광으로 편광변환되어 반사되며, 웨이브가이드(330)를 거쳐 입력-커플러(350)에서 회절되어 웨이브가이드(330) 내로 전파된다.
도 10은 일 실시예에 따른 증강현실 디바이스(400)에서 웨이브가이드(430)와 디스플레이 엔진(410)이 결합한 예를 도시하며, 도 11은 도 10의 B 영역을 확대한 도면이다. 본 실시예의 증강현실 디바이스(400)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 증강현실 디바이스(100)에서 제1 편광이 선편광인 경우를 구체화한 경우로서, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 증강현실 디바이스(100)의 안경형 몸체 구조에 그대로 적용할 수 있음은 당업자라면 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 증강현실 디바이스(400)는 가상이미지의 광(L5)을 출력하는 디스플레이 엔진(410)과, 편광변환기(420)와, 웨이브가이드(430)와, 1/4파장판(470)과, 반사미러(440)를 포함한다. 디스플레이 엔진(410)에서 출력된 광(L5)은 무편광일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 1/4파장판(470)과 반사미러(440)는 도 1을 참조하여 설명한 실시예에서 편광변환반사부(150)로 이해될 수 있다.
일 실시예에서 편광변환기(420)는 디스플레이 엔진(410)에서 출력된 광(L5)을 선형편광의 광(L6)으로 편광변환시키는 선형편광자를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 편광변환기(420)는 디스플레이 엔진(410)에서 출력된 광(L1)을 x축 선편광의 광(L6)으로 편광변환시켜주는 x축 선형편광자일 수 있다. 이 경우, 입력-커플러(450)는 x축 선편광의 광(L6)은 회절시키지 않고, y축 선편광의 광(L8)만을 회절시키는 y축 선편광 회절격자일 수 있다. 편광변환기(420)에서 편광변환된 x축 선편광의 광(L6)은 입력-커플러(450)에 의해 회절되지 않으며 웨이브가이드(430)를 통과한다. 웨이브가이드(430)를 통과한 x축 선편광의 광(L6)은 1/4파장판(470)에서 좌원편광(또는 우원편광)의 광(L7)이 되며, 반사미러(440)에서 반사되며 우원편광(또는 좌원편광)의 광(L8)이 된다. 우원편광(또는 좌원편광)의 광(L8)은 다시 1/4파장판(470)을 거치면서 y축 선편광의 광(L9)이 되고, y축 선편광의 광(L9)은 입력-커플러(450)에서 회절되면서 웨이브가이드(430) 내부로 진입한다. 웨이브가이드(430) 내부로 진입한 좌원편광의 광(L9)은 출력-커플러(460)에 의해 웨이브가이드(430)의 외부로 출사되어 사용자의 안구(E)로 향하게 된다.
일 실시예에서, 편광변환기(420)는 디스플레이 엔진(410)에서 출력된 광(L1)을 y축 선편광의 광(L6)으로 편광변환시켜주는 y축 선형편광자일 수 있다. 이 경우, 입력-커플러(450)는 y축 선편광의 광(L6)은 회절시키지 않고, x축 선편광의 광(L8)만을 회절시키는 x축 선편광 회절격자일 수 있다. 편광변환기(420)에서 편광변환된 y축 선편광의 광(L6)은 입력-커플러(450)에 의해 회절되지 않으며 웨이브가이드(430)를 통과한다. 웨이브가이드(430)를 통과한 y축 선편광의 광(L6)은 1/4파장판(470)에서 우원편광(또는 좌원편광)의 광(L7)이 되며, 반사미러(440)에서 반사되며 좌원편광(또는 우원편광)의 광(L8)이 된다. 좌원편광(또는 우원편광)의 광(L8)은 다시 1/4파장판(470)을 거치면서 x축 선편광의 광(L9)이 되고, x축 선편광의 광(L9)은 입력-커플러(450)에서 회절되면서 웨이브가이드(430) 내부로 진입한다. 웨이브가이드(430) 내부로 진입한 좌원편광의 광(L9)은 출력-커플러(460)에 의해 웨이브가이드(430)의 외부로 출사되어 사용자의 안구(E)로 향하게 된다.
도 12는 일 실시예에 따른 편광변환기(420')는 도면이다. 도 12를 참조하면, 편광변환기(420')는 디스플레이 엔진(410)에서 출력된 광(L1)의 진행방향을 따라 순차적으로 배치되는 선형편광자(421)와 1/2파장판(422)을 포함할 수 있다. 1/2파장판(422)은 선형편광자(421)에서 선형편광된 광(L6')의 편광방향을 회전시킬 수 있다. 1/2파장판(422)은 선형편광자(421)에서 선형편광된 광(L6')의 편광방향을 1/4파장판(470)의 방향에 맞게 회전시킴으로써, 선형편광자(421)와 1/4파장판(470)의 정렬을 정밀하게 조정할 수 있게 한다.
본 개시는 사용자가 안면부(顔面部)에 착용하는 증강현실 안경에 적용된 예를 중심으로 설명하였으나, 고글 형상의 장치, 두부(頭部)에 착용하는 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display; HMD)나 증강 현실 헬멧(Augmented Reality Helmet), 해드업디스플레이 (Head Up Display; HUD) 등에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 나아가, 본 개시는 증강현실 디바이스를 중심으로 설명하였으나, 웨이브가이드를 채용하는 가상현실 디바이스나 혼합현실 디바이스에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명인 증강현실 디바이스는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 300', 400: 증강현실 디바이스
110: 프레임
120: 안경다리
130: 디스플레이부
140, 230, 330: 웨이브가이드
150, 240, 340: 편광변환반사부
160 250, 350, 350', 450: 입력-커플러
210, 310, 410: 디스플레이 엔진
220, 220', 320, 420, 420': 편광변환기
221: 선형편광자
222, 470: 1/4파장판
223, 422: 1/2파장판
260, 460: 출력-커플러
410: 디스플레이 패널
440: 반사미러
E: 안구
N: 법선
O: 사용자
OA: 광축

Claims (20)

  1. 제1 편광의 광을 출력하는 디스플레이부;
    상기 디스플레이부의 출사측과 대향되게 배치되며, 상기 제1 편광의 광을 상기 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광으로 변환하여 반사하는 편광변환반사부;
    평판 형상을 가지며, 상기 평판 형상의 평판면 법선이 상기 디스플레이부에서 출력되는 광의 광축에 대해 경사지며, 일측이 상기 디스플레이부와 상기 편광변환반사부 사이에 배치되는 웨이브가이드;
    상기 제2 편광의 광을 상기 웨이브가이드 내로 전파시키는 입력-커플러; 및
    상기 웨이브가이드에서 전파되는 광을 출력시키는 출력-커플러;를 포함하는, 증강현실 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 웨이브가이드를 기준으로 상기 웨이브가이드에서 광이 출력되는 방향과 같은 쪽에 위치하는, 증강현실 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 이미지 광을 출력하는 디스플레이 엔진과, 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 제1 편광의 광으로 변환시키는 편광변환기를 포함하는, 증강현실 디바이스.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 원형편광의 광으로 편광변환시키는 원형편광자이며,
    상기 편광변환반사부는 반사미러인, 증강현실 디바이스.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 진행경로를 따라 배치되는 선형편광자와 1/4파장판을 포함하며,
    상기 편광변환반사부는 반사미러인, 증강현실 디바이스.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 상기 선형편광자와 상기 1/4파장판의 사이에 배치되는 1/2파장판을 더 포함하는, 증강현실 디바이스.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 디스플레이 엔진은 선형 편광의 이미지 광을 출력하며, 상기 편광변환기는 1/4파장판을 포함하며,
    상기 편광변환반사부는 반사미러인, 증강현실 디바이스.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 편광은 우원편광이며, 상기 입력-커플러는 좌원편광의 광을 회절시키는 좌원편광 회절격자인, 증강현실 디바이스.
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 편광은 좌원편광이며, 상기 입력-커플러는 우원편광의 광을 회절시키는 우원편광 회절격자인, 증강현실 디바이스.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 선편광의 광으로 편광변환시키는 선형편광자이며,
    상기 편광변환반사부는 반사미러와, 상기 웨이브가이드과 상기 반사미러 사이에 배치되는 1/4파장판을 포함하는, 증강현실 디바이스.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 1/4파장판은 상기 반사미러의 반사면에 부착된, 증강현실 디바이스.
  12. 제3 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 진행경로를 따라 배치되는 선형편광자와 1/2파장판을 포함하며,
    상기 편광변환반사부는 반사미러와, 상기 웨이브가이드과 상기 반사미러 사이에 배치되는 1/4파장판을 포함하는, 증강현실 디바이스.
  13. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 편광은 x축 선편광이며, 상기 입력-커플러는 y축 선편광의 광을 회절시키는 y축 선편광 회절격자인, 증강현실 디바이스.
  14. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 편광은 y축 선편광이며, 상기 입력-커플러는 x축 선편광의 광을 회절시키는 x축 선편광 회절격자인, 증강현실 디바이스.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 입력-커플러는 상기 웨이브가이드의 상기 디스플레이부와 마주하는 제1 면, 상기 제1 면에 대향되는 제2 면, 및 상기 웨이브가이드의 내부 중 적어도 어느 한 쪽에 마련되는, 증강현실 디바이스.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 증강현실 디바이스는 프레임과 상기 프레임의 양단에서 연결되는 안경다리들을 포함하는 안경 형상을 지니며, 상기 디스플레이부는 상기 안경다리들 중 적어도 어느 한 쪽에 실장되는, 증강현실 디바이스.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 증강현실 디바이스는 증강현실 안경 또는 두부 장착형 디스플레이 장치인, 증강현실 디바이스.
  18. 프레임과 상기 프레임의 양단에서 연결되는 안경다리들을 포함하는 안경형 몸체;
    상기 안경다리들 중 적어도 어느 한 쪽에 실장되며, 광을 출력하는 디스플레이 엔진;
    상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광을 제1 편광의 광으로 변환시키는 편광변환기;
    상기 디스플레이 엔진의 출사측과 대향되게 배치되는 반사미러;
    상기 프레임에 장착되며, 상기 디스플레이 엔진에서 출력되는 광의 광축에 직교하는 평면에 대해 경사지며, 일측이 상기 디스플레이 엔진과 상기 반사미러 사이에 배치되는 웨이브가이드;
    상기 제1 편광의 광은 투과시키고 상기 제1 편광과 직교하는 제2 편광의 광을 상기 웨이브가이드 내로 전파시키는 입력-커플러; 및
    상기 웨이브가이드에서 전파되는 광을 출력시키는 출력-커플러;를 포함하는 안경형 디스플레이 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 원형편광자인, 안경형 디스플레이 장치.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 편광변환기는 선형편광자이며,
    상기 웨이브가이드과 상기 반사미러 사이에 1/4파장판가 배치되는, 안경형 디스플레이 장치.
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