KR20230065769A - 확장된 시야창을 제공하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 확장된 시야창을 제공하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는 복수 개의 서로 다른 영상을 형성하는 복수 개의 서브 영역을 포함하는 영상 형상 장치, 및 복수 개의 서브 영역과 일대일 대응되며 복수 개의 서브 영역 각각에서 방출된 영상을 서로 다른 출사각을 가지는 평행광으로 시준하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다.

Description

확장된 시야창을 제공하는 디스플레이 장치{DISPLAY APPARATUS PROVIDING EXPANDED EYE BOX}
본 개시는 확장된 시야창을 제공하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근, 가상 현실(virtual reality)(VR)을 구현할 수 있는 전자기기 및 디스플레이 장치가 개발되면서, 이에 대한 관심이 높아지고 있다. 가상 현실의 다음 단계로 증강 현실(augmented reality)(AR) 및 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 실현할 수 있는 기술도 연구되고 있다.
증강 현실은, 완전 가상 세계를 전제로 하는 가상 현실과는 달리, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 중첩하여 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 기술이다. 가상 현실이 게임이나 가상 체험과 같은 분야에만 한정적으로 적용이 가능했다면, 증강 현실은 다양한 현실 환경에 응용이 가능하다는 장점이 있다. 예를 들어, 증강 현실은 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 또한, 증강 현실은 현실 세계와 부가적인 가상 정보를 혼합하여 보여준다는 점에서 혼합 현실의 일례라고 할 수 있다.
이러한 증강 현실을 구현할 수 있는 디스플레이 장치를, 예를 들어, 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 등의 형태로 제작하기 위하여, 현실 세계와 가상 영상을 결합시키는 광학계를 소형화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한, 일반적인 증강 현실 디스플레이 장치에서는, 매우 작은 초점 크기에 눈을 위치시켜야 정확한 영상을 볼 수 있으며 눈의 위치가 초점 위치에서 조금만 벗어나도 영상을 제대로 감상할 수 없다. 따라서, 영상을 관찰할 수 있는 시야창을 증대시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
본 개시의 디스플레이 장치는 확장된 시야창을 제공해줄 수 있다.
일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 광을 이용하여 복수 개의 영상을 각각 형성하는 복수 개의 서브 영역을 포함하는 영상 형성 장치; 및 상기 복수 개의 서브 영역과 일대일 대응되며, 상기 복수 개의 서브 영역 각각에서 방출된 영상을 서로 다른 출사 방향을 가지는 평행광으로 시준하며, 사용자의 동공 상에 상기 각 평행광이 중첩되어 시야창(eye box)를 형성하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자;를 포함한다.
그리고, 상기 복수 개의 영상 각각은, 서로 다른 시선 방향(gaze direction)에 대한 영상 정보를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 영상 각각은, 상기 대응되는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 각각에 의해 시준되는 평행광의 출사 방향에 따른 영상 정보를 가질 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 영상 각각이 가진 영상 정보의 시선 방향과 평행광으로 시준된 영상의 출사 방향은 대응될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 영상 중 적어도 둘은 서로 다른 시차를 가질 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 서브 영역은 제1 및 제2 좌안용 서브 영역과 제1 및 제2 우안용 서브 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 제1 및 제2 좌안용 홀로그래픽 광학 소자와 제1 및 제2 우안용 홀로그래픽 광학 소자를 포함하고, 상기 제1 좌안용 서브 영역에서 형성된 제1 좌안 영상과 상기 제1 우안용 서브 영역에서 형성된 제1 우안 영상은 양안 시차를 가지며, 각각 제1 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 영상이며, 상기 제2 좌안용 서브 영역에서 형성된 제2 좌안 영상과 상기 제2 우안용 서브 영역에서 형성된 제2 우안 영상은 상기 양안 시차를 가지며, 각각 상기 제1 시선 방향과 다른 제2 시선 방향에 대한 영상 정보를 가질 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 일 방향으로 평행하게 배치되며, 상기 시야창은 상기 일 방향과 평행하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 서로 접할 수 있다.
또한, 상기 시야창의 장축 길이는 동공 크기 이상일 수 있다.
그리고, 상기 시야창의 장축 길이는 5mm 내지 20mm일 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 서브 영역은 상기 복수 개의 영상을 동시에 출력하며, 상기 시야창 전체에 걸쳐 상기 각 평행광이 동시에 투과될 수 있다.
그리고, 상기 사용자의 망막에 상기 복수 개의 영상의 상이 맺힐 수 있다.
또한, 상기 영상 형성 장치와 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 사이에, 상기 복수 개의 서브 영역에서 발생한 영상을 투사하는 투사 광학계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 투사 광학계는, 상기 복수 개의 서브 영역에서 방출된 영상을 시준시키는 시준기(collimator)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 투사 광학계는, 상기 복수 개의 서브 영역과 일대일 대응되고, 상기 영상 형성 장치와 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 사이에 배치된 복수 개의 서브 투사 광학계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 서브 투사 광학계 중 제1 서브 투사 광학계는 상기 복수 개의 서브 영역 중 제1 서브 영역에서 방출된 영상을 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 중 제1 홀로그래픽 광학 소자에 투사하고, 상기 복수 개의 서브 투사 광학계 중 제2 서브 투사 광학계는 상기 복수 개의 서브 영역 중 제2 서브 영역에서 방출된 영상을 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 중 제2 홀로그래픽 광학 소자에 투사할 수 있다.
또한, 상기 디스플레이 장치는, 헤드 마운트(head-mounted)형으로 제작된 가상 현실(Virtual Reality, VR) 또는 증강 현실(Augmented Reality, AR) 디스플레이 장치일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자를 포함하고, 각 홀로그래픽 광학 소자와 상호작용한 광은 서로 다른 출사각의 평행광으로 시준될(collimated) 수 있다. 각 홀로그래픽 광학 소자에서 출사된 평행광은 사용자의 눈을 향해 진행하여 소정 크기의 시야창(eye box)을 형성할 수 있고, 이에 따라 광이 초점으로 수렴하는 형태의 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view) 광학계보다 확장된 영상 관찰 영역(또는, 시야창)을 제공해줄 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 복수 개의 서브 영역의 각 영상을 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 1의 디스플레이 장치의 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자에서 회절되는 평행광을 확대한 도면이다. 도 3b는 사용자 눈의 수평선과 수직선을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 광원에서 방출된 광이 홀로그래픽 광학 소자에 입사되어 평행광으로 출사되는 것을 나타낸 도면이다.
도 5a는 홀로그래픽 광학 소자 제작을 위해 감광체에 참조광(reference beam)과 물체광(objective beam)을 조사하는 기록(recording)을 보여주는 개략도이고, 도 5b는 도 5a에 따라 제작된 홀로그래픽 광학 소자 및 참조광의 광경로의 개략도를 나타낸 것이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 투사 광학계가 복수 개의 서브 투사 광학계를 포함한 것을 개략적으로 도시한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 양안에 적용되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 9은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 양안에 적용되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 적용된 안경 타입의 웨어러블 장치의 사용을 개략적으로 도시한다.
도 11 내지 도 13는 상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 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.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 마찬가지로, “하부” 나 “아래”라고 기재된 것은 접촉하여 바로 밑에 있는 것뿐 만 아니라 비접촉으로 아래에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
크기, 높이, 깊이, 두께 등의 길이 단위가 실질적으로 같거나 동일하다는 것은 당업자에게 인정되는 오차 범위 내의 차이가 있는 것도 포함할 수 있다.
평행광은 초점이 무한대인 평행광에 한정되지 않고, 초점이 충분히 먼 준평행(quasi-parallel)광을 포함할 수 있다.
두 직선이 서로 평행하다는 것은 두 직선이 연장되어도 서로 만나지 않는 것을 의미하는 것에 한정되지 않고, 당업자에게 인정되는 오차 범위 내의 차이가 있는 것도 포함할 수 있으며, 이는 두 직선 사이의 사이각이 충분히 작아 일 영역에서 실질적으로 평행한 두 직선을 포함할 수 있다.
복수 개의 서브 영역 중 한 영역에서 형성된 영상은 상기 한 영역에서 방출된 광에 대응될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 2a 내지 도 2c는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 복수 개의 서브 영역의 각 영상을 나타낸 도면이다. 도 3a는 도 1의 디스플레이 장치의 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자에서 회절되는 평행광을 확대한 도면이다. 도 3b는 사용자 눈의 수평선과 수직선을 나타낸 도면이다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 광을 이용하여 복수 개의 영상을 각각 형성하는 복수 개의 서브 영역(100s)을 포함하는 영상 형성 장치(100), 및 복수 개의 서브 영역(100s)과 일대일 대응되며, 상기 복수 개의 서브 영역(100s) 각각에서 방출된 영상을 서로 다른 출사 방향을 가지는 평행광(L01)(L02)(L03)으로 시준하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 사용자의 동공 상에 상기 각 평행광(L01)(L02)(L03)이 중첩되어 시야창(eye box)(EB)를 형성하도록 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 구성될 수 있다. 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)에서 회절된 광은 일 점에 수렴되지 않고, 평행광(L01)(L02)(L03)으로 사용자의 눈 방향으로 입사될 수 있어 넓은 시야창(EB)을 제공할 수 있다. 또한, 복수 개의 영상은 서로 다른 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 서로 다른 영상일 수 있고, 이에 따라 사용자의 동공이 시야창(EB) 내에서 바라보는 시선 방향에 따라 다른 영상을 제공해줄 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 영상 형성 장치(100)를 포함할 수 있다. 영상 형성 장치(100)는 가상의 현실 또는 가상의 정보를 담은 디스플레이 영상을 형성하도록 구성될 수 있다. 영상을 형성하기 위해서, 영상 형성 장치(100)는 광원(101)과 공간 광변조기(spatial light moudulator, SLM)(102)를 포함할 수 있다. 또한, 영상 형성 장치(100)는 디지털 영상 데이터 신호를 공간 광변조기(102)에 제공하는 영상처리기를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 광원(101)은 시준된(collimated) 백색광을 조명광으로 할 수 있고, 또는 발광 다이오드(light emitting diode, LED)와 콜리메이팅(collimating) 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들면, 공간 광변조기(102)는 2차원 배열된 다수의 화소들의 어레이를 가지는 액정(liquid crystal) 변조기를 포함할 수 있다. 이러한 영상 형성 장치(100)로부터 제공되는 영상은 일반적인 2차원 영상일 수 있다.
다른 예에 따르면, 광원(101)은 가간섭성 빛을 방출하는 가간섭성 광원일 수 있다. 예컨대, 광원(101)은 레이저 다이오드(laser diode, LD) 광원을 포함할 수 있다. 공간 광변조기(102)는 영상 처리기로부터 제공되는 홀로그램 데이터 신호, 예를 들어, CGH(computer generated hologram) 신호에 따라 홀로그램 패턴을 표시하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공간 광변조기(102)는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기일 수 있다. 이 경우에, 영상 형성 장치(100)로부터 제공되는 영상은 3차원 정보를 갖는 홀로그래픽 영상일 수 있다.
도 1에는 공간 광변조기(102)가 투과형으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(102)는 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 반사형인 경우, 공간 광변조기는, 예컨대 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 또는 반도체 변조기를 사용할 수 있다.
영상 형상 장치는 복수 개의 영상을 각각 형성하는 복수 개의 서브 영역(100s)을 포함할 수 있다. 복수 개의 서브 영역(100s) 각각은 광원(101) 및 공간 광변조기(102)를 포함할 수 있다. 복수 개의 서브 영역(100s)과 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)는 일대일 대응될 수 있다. 예를 들면, 일 서브 영역(100s1)(100s2)(100s3)에서 형성된 영상은, 다시 말하면, 일 서브 영역(100s1)(100s2)(100s3)에서 방출된 영상은 일 서브 영역(100s1)(100s2)(100s3)과 대응되는 홀로그래픽 광학 소자(301)(302)(303)에만 입사될 수 있다. 이를 위해, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 영상 형성 장치(100)와 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300) 사이에 투사 광학계(200)가 배치될 수 있고, 각각의 홀로그래픽 광학 소자(301)(302)(303)에 입사하는 영상이 서로 다른 영역에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
영상 형상 장치에서 복수 개의 서브 영역(100s) 각각이 차지하는 면적은 서로 같거나, 또는 서로 다를 수도 있다. 복수 개의 서브 영역(100s)의 면적이 서로 다르더라도, 복수 개의 서브 영역(100s)에서 방출되는 광이 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300) 각각에 대응되도록 투사 광학계(200)에 의해 투사될 수 있다.
복수 개의 서브 영역(100s)에서 제공되는 복수 개의 영상은 서로 다른 영상일 수 있으며, 각각 서로 다른 시선 방향(gaze direction)에 대한 영상 정보를 가진 영상일 수 있다. 또는, 복수 개의 영상은 서로 다른 시선 방향에서 바라본 영상일 수 있다. 예를 들어, 제1 영상은 정면의 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 영상일 수 있으며, 다시 말하면, 일 가상 객체를 정면 방향에서 바라본 영상일 수 있다. 예를 들어, 제2 영상은 법선에서 눈의 수평선(LH) 방향으로 약 10도 기울어진 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 영상일 수 있으며, 다시 말하면, 일 가상 객체를 법선에서 눈의 수평선(LH) 방향으로 약 10도 기울어진 시선 방향으로 바라본 영상일 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에 따르면, 각 영상은 동일한 가상 객체에 대한 정보를 포함할 수 있지만, 서로 다른 시선 방향에 대한 영상 정보일 수 있으며, 다시 말하면, 시선 방향이 변함에 따라 달라지는 이미지를 제공할 수 있다.
또는, 복수 개의 서브 영역(100s)에서 제공되는 복수 개의 영상 각각은 이와 일대일 대응되는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300) 각각에 의해 시준되는 평행광(L01)(L02)(L03)의 출사 방향에 따른 영상 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 영역(100s1)에서 제공된 영상은 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)에 입사되고, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)의 수직 방향을 법선으로 하여 제1 출사각의 제1 평행광(L01)으로 출사될 수 있다. 이 때, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)가 중심으로부터 눈의 수평선(LH) 방향으로 배치되어 있다면, 제1 서브 영역(100s1)에서 제공된 영상은 상기 법선을 기준으로 눈의 수평선(LH) 방향으로 제1 출사각 방향(또는, 제1 출사 방향)으로 바라본 제1 가상 영상 정보일 수 있다.
복수 개의 영상 각각이 가지는 영상 정보의 시선 방향과 평행광(L01)(L02)(L03)으로 시준된 영상의 출사 방향은 서로 대응될 수 있다. 도 3a 및 도 3b을 참고하면, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)를 통해 시야창(EB)에 제1 출사 방향(DL01)으로 입사되는 제1 서브 영역(100s1)에서 제공된 영상은 제1 출사 방향(DL01)에 따른 영상 정보를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제1 서브 영역(100s1)에서 제공된 영상은 가상 객체를 법선(Dn)에서 눈의 수평선(LH) 방향으로 제1 출사각(θ1)(또는, 제1 출사 방향(DL01))으로 바라본 제1 가상 영상 정보를 포함할 수 있다. 제2 홀로그래픽 광학 소자(302)를 통해 시야창(EB)에 제2 출사 방향(DL02)으로 입사되는 제2 서브 영역(100s2)에서 제공된 영상은 제2 출사 방향(DL02)에 따른 영상 정보를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제2 서브 영역(100s2)에서 제공된 영상은 가상 객체를 법선(Dn)에서 눈의 수평선(LH) 방향으로 제2 출사각(θ2)(또는, 제2 출사 방향(DL02))으로 바라본 제2 가상 영상 정보를 포함할 수 있다. 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)를 통해 시야창(EB)에 제3 출사 방향(DL03)으로 입사되는 제3 서브 영역(100s3)에서 제공된 영상은 제3 출사 방향(DL03)에 따른 영상 정보를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제3 서브 영역(100s3)에서 제공된 영상은 가상 객체를 법선(Dn)에서 눈의 수평선(LH) 방향으로 제3 출사각(θ3)(또는, 제3 출사 방향(DL03))으로 바라본 제3 가상 영상 정보를 포함할 수 있다.
상기 예에서, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 눈의 수평선(LH) 방향으로 배치되어, 복수 개의 영상이 눈의 수평선(LH)을 기준으로 다른 시선 방향에 대한 영상 정보를 포함하지만, 이에 한정되지 않고 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 눈의 수직선(LV) 방향으로 배치되면, 복수 개의 영상은 눈의 수직선(LV)을 기준으로 다른 시선 방향에 대한 영상 정보를 포함할 수도 있다. 도 2a 내지 도 2c에 따르면, 복수 개의 영상은 눈의 수직선(LV)을 기준으로 다른 시선 방향에 대한 영상일 수 있다. 또한, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 수평 및 수직 방향으로 배치되면, 복수 개의 영상은 사용자의 눈을 기준으로 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 위치한 방향으로 기울어진 시선 방향에 대한 영상 정보를 포함할 수 있다.
복수 개의 서브 영역(100s)은 복수 개의 영상을 동시에 출력할 수 있다. 따라서, 복수 개의 영상이 모두 시야창(EB)에 도달할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 복수 개의 영상 중 일부만을 출력하도록 구성될 수도 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 투사 광학계(200)를 포함할 수 있다. 투사 광학계(200)는 영상 형성 장치(100)에서 형성된 영상(즉, 영상 형성 장치(100)에서 방출된 광)을 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)에 투사하도록 구성될 수 있다. 도 1에서 편의상 투사 광학계(200)가 하나의 렌즈 요소로 표시되었지만, 실제로 투사 광학계(200)는 수차 및 왜곡 등을 보상하기 위하여 복수의 렌즈 요소들을 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)와 관찰자의 눈 사이의 광 경로를 가리지 않도록, 투사 광학계(200)는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 나란히 배치된 방향에 대해 경사지게 배치될 수 있다. 이 때, 투사 광학계(200)에 의해 투사되는 광은 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)에 경사지게 입사할 수 있다.
투사 광학계(200)는 영상 형상 장치에서 형성된 영상을 시준할 수 있는 시준기(collimator)를 포함할 수 있다. 복수 개의 서브 영역(100s)에서 방출된 영상은 시준기를 통과하면서 같은 방향으로 시준될 수 있다. 또한, 광이 각각의 홀로그래픽 광학 소자(301)(302)(303)에 입사될 수 있도록 광경로를 변경하는 렌즈 등의 광학 소자를 더 포함할 수도 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 일 서브 영역(100s1)(100s2)(100s3)의 광이 이와 대응되는 일 홀로그래픽 광학 소자(301)(302)(303)에만 투사될 수 있도록 하는 투사 광학계(200)가 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 복수 개의 서브 영역(100s) 각각에서 방출된 영상을 서로 다른 출사각을 가지는 평행광(L01)(L02)(L03)으로 시준하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)를 포함할 수 있다. 도 3a에 따르면, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)는 입사된 광을 제1 출사각(θ1)(또는, 제1 출사 방향(DL01))의 제1 평행광(L01)으로 시준할 수 있고, 제2 홀로그래픽 광학 소자(302)는 입사된 광을 제2 출사각(θ2)(또는, 제2 출사 방향(DL02))의 제2 평행광(L02)으로 시준할 수 있으며, 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)는 입사된 광을 제3 출사각(θ3)(또는, 제3 출사 방향(DL03))의 제3 평행광(L03)으로 시준할 수 있다. 제1 평행광, 제2 평행광, 및 제3 평행광 각각의 일 단면은 중첩될 수 있고, 상기 중첩된 영역에 시야창(EB)이 형성될 수 있다. 시야창(EB) 전체에 걸쳐 제1 평행광(L01), 제2 평행광(L02), 및 제3 평행광(L03)이 모두 투과될 수 있다.
동공 내의 한 점에 영상 정보를 모은 후 망막에 주사되게 하는 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view) 광학계는 공간적으로 분리된 초점에 의해 불연속적인 매우 좁은 시야창을 형성하고, 상기 시야창을 조금만 벗어나도 영상을 볼 수 없다. 이와 반면에, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)에 의해 형성된 시야창(EB)은 시야창(EB) 전체에 걸쳐 평행광(L01)(L02)(L03)이 투과하는 확장된 시야창(EB)으로, 시야창(EB) 전체 영역에서 복수 개의 영상이 사용자 망막 상에 맺히는 연속적인(continuous) 시야창일 수 있다. 즉, 맥스웰리안 뷰 광학계를 포함하는 디스플레이 장치(10)의 경우 복수 개의 초점을 포함하는 시야창이 형성되었더라도, 상기 불연속적인 시야창 안에서 사용자의 동공이 일 초점에서 벗어나면 영상을 볼 수 없는 반면, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 평행광(L01)(L02)(L03)이 투과되는 연속적인 시야창(EB)을 형성하여 상기 시야창(EB) 내에서 사용자의 동공이 이동하더라도 연속적으로 영상을 볼 수 있다.
이를 위해, 복수 개의 서브 영역(100s)에서 동시에 출력된 복수 개의 영상은 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)에 의해 평행광(L01)(L02)(L03)으로 시준되며, 시야창(EB) 전체에 걸쳐 각 평행광(L01)(L02)(L03)이 동시에 투과될 수 있다. 여기서, 평행광(L01)(L02)(L03)이 동시에 투과된다는 것은, 광 경로가 다르더라도 빛의 속도가 충분히 빠르므로, 실질적으로 동시에 투과된다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 사용자의 망막에 복수 개의 영상의 상이 맺힐 수 있다. 복수 개의 영상의 상이 맺히는 위치는 사용자의 망막의 서로 다른 위치일 수 있다.
제1 출사각(θ1), 제2 출사각(θ2) 및 제3 출사각(θ3)은 단조 증가 또는 단조 감소하는 형태의 값들일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 일정하지 않은 간격으로 증가 또는 감소하는 값들일 수도 있다.
제1 홀로그래픽 광학 소자(301)는 입사광을 회절시켜 소정의 출사각(또는, 출사 방향)으로 시준할 수 있도록 굴절률이 상이한 재료들의 미세한 2차원 또는 3차원 패턴들을 포함할 수 있다. 그러면, 입사광이 평행하지 않게 입사되더라도 패턴들의 크기, 높이, 주기 등에 따라서, 소정 출사각(또는, 출사 방향)으로 빛을 회절시켜 제1 평행광(L01)을 출사할 수 있다.
도 4는 일 광원에서 방출된 광이 홀로그래픽 광학 소자에 입사되어 평행광으로 출사되는 것을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 광원(LS)에서 방출된 광은 시준되지 않고 발산하는 광일 수 있다. 광원(LS)에서 방출된 광이 홀로그래픽 광학 소자(HOE)에 입사되면 각 입사각의 위치에 따라 형성된 패턴에 의해 광은 시준될 수 있고, 평행광으로 출사될 수 있다. 도 4에서는, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)가 일 광원(LS)에서 방출된 광을 시준시키는 패턴을 가지는 것을 나타내지만, 이에 한정되지 않고 서브 영역에서 방출되는 광을 시준시키는 패턴을 가지는 홀로그래픽 광학 소자가 제조될 수 있다.
도 5a는 홀로그래픽 광학 소자 제작을 위해 감광체에 참조광(reference beam)과 물체광(objective beam)을 조사하는 기록(recording)을 보여주는 개략도이고, 도 5b는 도 5a에 따라 제작된 홀로그래픽 광학 소자 및 참조광의 광경로의 개략도를 나타낸 것이다.
제1 서브 영역에서 방출되는 광이 제1 평행광으로 시준되기 위한 제1 홀로그래픽 광학 소자 패턴을 제작하기 위해서, 제1 서브 영역에서 방출된 후 투사 광학계(200)를 통해 투사된 광과 동일한 발산각을 갖는 참조광(RB)을 평판 형태의 감광체(M)의 제1 표면에 조사할 수 있다. 이 때, 참조광(RB)이 감광체(M)에 입사하는 입사각은 제1 홀로그래픽 광학 소자에 광이 입사하는 각도와 동일하게 설정될 수 있다. 그와 동시에, 시준기(collimator)(CLM) 등을 이용하여, 감광체(M)의 제1 표면과 대향되는 제2 표면으로부터 감광체(M)의 제1 표면으로 감광체(M)를 통과하여 감광체(M)의 수직면에 대하여 제1 출사각(또는, 제1 출사 방향)으로 시준되는 물체광(OB)을 감광체(M)에 조사할 수 있다. 이 때, 참조광(RB)과 물체광(OB)의 간섭 패턴이 감광체(M)에 형성되며, 간섭 패턴에 의해 노광된 감광체(M)를 현상함으로써 제1 홀로그래픽 광학 소자를 제작할 수 있다.
위와 같이 형성된 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)의 제1 표면에 참조광(RB)과 동일한 발산각을 갖는 광이 참조광(RB)과 동일한 입사각으로 입사하면, 제1 홀로그래픽 광학 소자의 제1 표면에서 회절된 광이 물체광(OB)과 동일한 방향으로 진행하면서 제1 출사각으로 시준되어 제1 평행광을 이룰 수 있다.
다시 도 3a을 참조하면, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301), 제2 홀로그래픽 광학 소자(302) 및 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)는 일 방향으로 평행하게 배치될 수 있고, 제2 홀로그래픽 광학 소자(302) 및 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)는 앞서 설명한 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)와 같은 방법으로 구현될 수 있다. 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)에 의해 제1 출사각(θ1)(또는, 제1 출사 방향(DL01))으로 시준된 제1 평행광(LO1), 제2 홀로그래픽 광학 소자(302)에 의해 제2 출사각(θ2)(또는, 제2 출사 방향(DL02))으로 시준된 제2 평행광(L02) 및 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)에 의해 제3 출사각(θ3)(또는, 제3 출사 방향(DL03))으로 시준된 제3 평행광(L03)은 소정 영역에서 중첩될 수 있으며, 상기 중첩된 소정 영역은 시야창(EB)을 이룰 수 있다. 제1 평행광(LO1), 제2 평행광(L02) 및 제3 평행광(L03)은 각각 다른 시선 방향의 정보를 가지는 제1 영상 정보, 제2 영상 정보 및 제3 영상 정보를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)가 형성하는 시야창(EB) 내에 사용자 동공이 위치한 경우, 사용자가 제1 출사각(θ1)(또는, 제1 출사 방향(DL01))으로 시선 방향을 돌리면, 제1 가상 영상 정보가 사용자 망막 상에 주로 맺힐 수 있다. 사용자가 제2 출사각(θ2)(또는, 제2 출사 방향(DL02))으로 시선 방향을 돌리면, 제2 가상 영상 정보가 사용자 망막 상에 주로 맺힐 수 있다. 사용자가 제3 출사각(θ3)(또는, 제3 출사 방향(DL03))으로 시선 방향을 돌리면, 제3 가상 영상 정보가 사용자 망막 상에 주로 맺힐 수 있다.
도 3a 내지 도 5b에 따른 예에서는 3 개의 홀로그래픽 광학 소자(301)(302)(303)를 이용하여 3 개의 다른 가상 영상 정보들을 형성하였다. 그러나, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)의 개수 및 영상들의 개수는 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 디스플레이 장치(10)의 내부 공간이 허용하는 한도 내에서 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)의 개수를 4개 이상으로 선택할 수도 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)에 의해 형성된 시야창(EB)은 일반적인 맥스웰리안 뷰 광학계를 통해 제공되는 시야창에 비해 상대적으로 넓을 수 있고, 시야창(EB) 내에 광이 균일하게 입사될 수 있다.
각 평행광(L01)(L02)(L03)의 중첩에 의해 형성된 시야창(EB)의 장축의 길이는 동공 크기 이상일 수 있고, 시야창(EB)의 장축의 길이는 약 5 mm 내지 약 20 mm의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 시야창(EB)은 약 7 mm * 7 mm의 크기를 가질 수 있다.
복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)는 일 방향으로 평행하게 배치될 수 있으며, 서로 측면이 접하며 배치될 수 있다. 시야창(EB)은 상기 일 방향과 평행하게 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 시야창(EB)은 상기 일 방향과 평행하지 않게 형성될 수도 있다. 또한, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)는 일 방향으로 평행하게 배치되지 않을 수도 있으며, 서로 접하지 않고 이격되어 배치될 수도 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 6을 참조하면, LCoS(liquid crystal on silicon)을 포함하는 영상 형성 장치(100)를 통해, 각 서브 영역마다 광이 방출될 수 있다. 투사 광학계(200)는 광경로를 변경하는 렌즈, 시준기(collimator) 등을 포함할 수 있다. 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)는 상기 영상 형상 장치 및 투사 광학계(200)의 참조광(RB)을 통해 도 5a 및 도 5b의 방법을 참조하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)는 소정 각도로 입사한 광을 제1 출사각(또는, 제1 출사 방향)으로 시준될 수 있다. 제1 홀로그래픽 광학 소자(301)에 의해 시준된 제1 평행광은, 준평행광(quasi-parallel beam)일 수 있다. 제2 홀로그래픽 광학 소자(302)에 의해 시준된 제2 평행광 및 제3 홀로그래픽 광학 소자(303)에 의해 시준된 제3 평행광도 준평행광일 수 있다. 제1 평행광, 제2 평행광, 제3 평행광은 사용자의 동공 앞에서 시야창(EB)을 형성할 수 있으며, 사용자의 수정체(CL)를 통해 굴절되어 사용자 눈 안의 망막(R) 상에 입사되어 상을 맺을 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는 맥스웰리안 뷰 광학계를 이용하여 사용자의 동공에 광의 초점을 맞추는 것이 아닌, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)가 광을 시준하여 평행광(L01)(L02)(L03)을 출사하도록 구성되어 확장된 시야창(EB)을 제공할 수 있다. 또한, 맥스밀리안 뷰 광학계를 이용하면 시야창 내에서도 초점이 맞는 위치에 동공이 위치해야 사용자의 망막에 상이 맺히는 불연속적인 시야창을 제공하는 반면, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치는 복수 개의 영상이 시야창(EB) 전체에 입사될 수 있고, 이에 따라 동공이 시야창(EB) 내에 어느 위치에 위치하든 사용자의 망막에 상이 맺히는 연속적인 시야창을 제공할 수 있다. 이러한 시야창(EB)에 의해 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 별도의 눈을 추적하는 아이트래킹(eye-tracking) 센서가 없이 구동될 수도 있어, 제작이 쉽고 운용 방식이 간단해질 수 있다. 다만, 아이트래킹 센서를 더 포함할 수도 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(10)는 광도파로(waveguide)가 아닌 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)를 채용함으로써, 상대적으로 두께가 얇고, 무게가 가벼우면서, 제작이 쉬울 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치의 투사 광학계가 복수 개의 서브 투사 광학계를 포함한 것을 개략적으로 도시한다.
도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(20)의 투사 광학계는 복수 개의 서브 투사 광학계(200s)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 서브 투사 광학계(200s)는 복수 개의 서브 영역(100s)과 일대일 대응될 수 있다. 영상 형성 장치(100)은 광원(111) 및 공간 광변조기(112)를 포함할 수 있으며, 영상 형성 장치(100)의 영역이 분할되어 제1 서브 영역(100s1), 제2 서브 영역(100s2) 및 제3 서브 영역(100s3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 서브 투사 광학계(212)는 이와 대응되는 제2 서브 영역(100s2)에서 방출된 영상이 제2 서브 영역(100s2)과 대응되는 제2 홀로그래픽 광학 소자(312)에 입사되도록 하고, 대응되지 않는 제1 및 제3 홀로그래픽 광학 소자들(311)(313)에 입사되는 비율을 줄이기 위해, 제2 서브 영역(100s2)과 제2 홀로그래픽 광학 소자(312) 사이의 광경로 상에 배치될 수 있다. 서브 투사 광학계 각각(200s1)(200s2)(200s3)은 적어도 하나 이상의 렌즈 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브 투사 광학계 각각(200s1)(200s2)(20s3)은 적어도 하나 이상의 볼록 렌즈를 포함하여, 서브 영역(100s1)(100s2)(100s3)과 홀로그래픽 광학 소자(311)(312)(313) 사이의 광경로 상에 광이 수렴하는 초점(F1)(F2)(F3)을 형성하도록 할 수 있고, 초점(F1)(F2)(F3)을 지난 후 광이 다시 발산되어 대응되는 홀로그래픽 광학 소자(311)(312)(313)에 광 대부분이 입사되게 할 수 있다. 이를 통해, 일 홀로그래픽 광학 소자에 입사되는 영상이 서로 다른 홀로그래픽 광학 소자에 영향을 미치지 않아 영상들이 상대적으로 확실하게 구분될 수 있다.
도 1에 도시된 디스플레이 장치(10)는 사용자의 한쪽 눈에만 영상을 제공할 수 있다. 그러나, 사용자의 양쪽 눈에 모두 영상을 제공하도록 디스플레이 장치를 구성하는 것도 가능하다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 양안에 적용되는 것을 나타낸 개략도이다.
복수 개의 영상은 서로 다른 시차(parallax)를 가진 영상일 수 있다. 서로 다른 시차를 가진 영상은 서로 다른 위치에서 바라본 영상일 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 위치에서 바라본 영상은 이격된 좌안과 우안의 위치에서 바라본 영상일 수 있다. 이 때, 복수 개의 영상은 양안 시차를 반영할 수 있어 3차원의 입체적 영상을 사용자에게 제공해줄 수 있다.
복수 개의 영상은 같은 시선 방향 정보를 가지지만 서로 다른 시차를 가진 영상일 수 있고, 서로 같은 시차를 가지지만 서로 다른 시선 방향 정보를 가진 영상일 수 있으며, 또는 서로 다른 시선 방향 정보 및 서로 다른 시차를 가진 영상일 수도 있다.
복수 개의 서브 영역이 제1 좌안용 서브 영역, 제2 좌안용 서브 영역, 제1 우안용 서브 영역 및 제2 우안용 서브 영역을 포함할 수 있고, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)는 위의 복수 개의 서브 영역에 각각 대응되는 제1 좌안용 홀로그래픽 광학 소자, 제2 좌안용 홀로그래픽 광학 소자, 제1 우안용 홀로그래픽 광학 소자, 및 제2 우안용 홀로그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다.
제1 좌안용 서브 영역에서 방출된 영상은 제1 좌안용 홀로그래픽 광학 소자에 의해 회절되어 제1 출사각(제1 출사 방향)의 평행광으로 시준되어 좌안에 입사될 수 있으며, 제1 우안용 서브 영역에서 방출된 영상은 제1 우안용 홀로그래픽 광학 소자에 의해 회절되어 제1 출사각(제1 출사 방향)의 평행광으로 시준되어 우안에 입사될 수 있다. 제1 좌안용 서브 영역에서 형성된 제1 좌안 영상과 제1 우안용 서브 영역에서 형성된 제1 우안 영상 각각은 좌안과 우안이 같은 시선 방향을 바라볼 때의 양안 시차를 가진 영상일 수 있다.
제2 좌안용 서브 영역에서 방출된 영상은 제2 좌안용 홀로그래픽 광학 소자에 의해 회절되어 제1 출사각(또는, 제1 출사 방향)과 다른 제2 출사각(또는, 제2 출사 방향)의 평행광으로 시준되어 좌안에 입사될 수 있으며, 제2 우안용 서브 영역에서 방출된 영상은 제2 우안용 홀로그래픽 광학 소자에 의해 회절되어 제2 출사각(또는, 제2 출사 방향)의 평행광으로 시준되어 우안에 입사될 수 있다. 제2 좌안용 서브 영역에서 형성된 제2 좌안 영상과 제2 우안용 서브 영역에서 형성된 제2 우안 영상 각각은 좌안과 우안이 같은 시선 방향을 바라볼 때의 양안 시차를 가진 영상일 수 있다.
제1 좌안 영상과 제2 좌안 영상은 모두 좌안에 입사되므로, 시차가 없을 수 있고, 서로 다른 시선 방향에서 바라본 영상일 수 있다. 제1 우안 영상과 제2 우안 영상은 모두 우안에 입사되므로, 시차가 없을 수 있고, 서로 다른 시선 방향에서 바라본 영상일 수 있다.
도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(30)는 좌안 영상 및 우안 영상을 형성하는 영상 형성 장치(100), 영상 형성 장치(100)에서 방출된 좌안 영상의 광과 우안 영상의 광을 투사하는 투사 광학계(200), 투사 광학계(200)를 투사한 광을 서로 다른 출사각을 가지는 평행광(L21)(L22)(L23)(L24)(L25)(L26)으로 시준하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)를 포함할 수 있다. 영상 형성 장치(100)은 광원(121) 및 공간 광변조기(122)을 포함할 수 있다. 이 때, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300) 중 제1 홀로그래픽 광학 소자 내지 제3 홀로그래픽 광학 소자(321)(322)(323)는 좌안용 홀로그래픽 광학 소자일 수 있고, 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300) 중 제4 홀로그래픽 광학 소자 내지 제6 홀로그래픽 광학 소자(324)(325)(326)는 우안용 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다. 이 때, 투사 광학계(200)는 좌안 영상의 광과 우안 영상의 광 모두를 투사하도록 구성될 수도 있고, 또는 좌안 영상의 광을 투사하는 좌안용 투사 광학계 및 우안 영상의 광을 투사하는 우안용 투사 광학계로 구별되어 구성될 수도 있다.
좌안 영상을 형성하는 제1 서브 영역 내지 제3 서브 영역에서 방출된 영상은 투사 광학계(200)를 투사하여 각 대응되는 제1 홀로그래픽 광학 소자 내지 제3 홀로그래픽 광학 소자(321)(322)(323)로 입사할 수 있다. 제1 서브 영역 내지 제3 서브 영역에서 각각 형성되는 제1 영상 내지 제3 영상은 좌안의 시선 방향에 따른 서로 다른 영상일 수 있다.
우안 영상을 형성하는 제4 서브 영역 내지 제6 서브 영역에서 방출된 영상은 투사 광학계(200)를 투사하여 각 대응되는 제4 홀로그래픽 광학 소자 내지 제6 홀로그래픽 광학 소자(324)(325)(326)로 입사할 수 있다. 제4 서브 영역 내지 제6 서브 영역에서 각각 형성되는 제4 영상 내지 제6 영상은 우안의 시선 방향에 따른 서로 다른 영상일 수 있다. 이 때, 우안용 홀로그래픽 광학 소자인 제4 홀로그래픽 광학 소자(324)에서 회절되는 제4 평행광(L24)은 좌안용 홀로그래픽 광학 소자인 제1 홀로그래픽 광학 소자(321)에서 회절되는 제1 평행광(L21)과 실질적으로 평행할 수 있다. 또한, 제5 홀로그래픽 광학 소자(325)에서 회절되는 제5 평행광(L25)은 제2 홀로그래픽 광학 소자(322)에서 회절되는 제2 평행광(L22)과 실질적으로 평행할 수 있다. 마찬가지로, 제6 홀로그래픽 광학 소자(326)에서 회절되는 제6 평행광(L26)은 제3 홀로그래픽 광학 소자(323)에서 회절되는 제3 평행광(L23)과 실질적으로 평행할 수 있다.
제1 영상과 제4 영상은 각각 좌안과 우안으로부터 같은 시선 방향에 위치한 영상일 수 있지만, 좌안과 우안의 시차(parallax)에 따라 다른 각도로 보이는 서로 다른 영상일 수 있다. 마찬가지로, 제2 영상과 제5 영상, 및 제3 영상과 제6 영상은 각각 좌안과 우안으로부터 같은 시선 방향에 위치한 영상일 수 있지만, 좌안과 우안의 시차에 따라 다른 각도로 보이는 서로 다른 영상일 수 있다.
제1 내지 제3 홀로그래픽 광학 소자(321)(322)(323)에서 시준된 제1 내지 제3 평행광(L21)(L22)(L23)이 중첩되는 영역에 좌안 시야창(LEB)이 형성될 수 있으며, 제4 내지 제6 홀로그래픽 광학 소자(324)(325)(326)에서 시준된 제4 내지 제6 평행광(L21)(L22)(L26)이 중첩되는 영역에 우안 시야창(REB)이 형성될 수 있다.
도 9은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 양안에 적용되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 9을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치(40)는 좌안 영상을 형성하는 좌안용 영상 형성 장치(100L), 좌안 영상을 투사하는 좌안용 투사 광학계(200L), 및 좌안용 투사 광학계(200L)를 투사한 영상을 서로 다른 출사각을 가지는 평행광(L31L)(L32L)(L33L)으로 시준하는 복수 개의 좌안용 홀로그래픽 광학 소자(300L), 우안용 영상 형성 장치(100R), 우안 영상을 투사하는 우안용 투사 광학계(200R), 및 우안용 투사 광학계(200R)를 투사한 영상을 서로 다른 출사각을 가지는 평행광(L31R)(L32R)(L33R)을 시준하는 복수 개의 우안용 홀로그래픽 광학 소자(300R)를 포함할 수 있다. 좌안용 영상 형성 장치(100L)와 우안용 영상 형성 장치(100R)은 각각 광원(131L)(131R) 및 공간 광 변조기(132L)(132R)을 포함할 수 있다.
좌안 영상을 형성하는 제1 좌안 서브 영역 내지 제3 좌안 서브 영역에서 방출된 영상은 좌안용 투사 광학계(200L)를 투사하여 각 대응되는 제1 좌안 홀로그래픽 광학 소자 내지 제3 좌안 홀로그래픽 광학 소자(331L)(332L)(333L)로 입사할 수 있다. 제1 좌안 서브 영역 내지 제3 좌안 서브 영역에서 각각 형성되는 제1 좌안 영상 내지 제3 좌안 영상은 좌안의 시선 방향에 따른 서로 다른 영상일 수 있다.
우안 영상을 형성하는 제1 우안 서브 영역 내지 제3 우안 서브 영역에서 방출된 영상은 우안용 투사 광학계(200R)를 투사하여 각 대응되는 제1 우안 홀로그래픽 광학 소자 내지 제3 우안 홀로그래픽 광학 소자(331R)(332R)(333R)로 입사할 수 있다. 제1 우안 서브 영역 내지 제3 우안 서브 영역에서 각각 형성되는 제1 우안 영상 내지 제3 우안 영상은 우안의 시선 방향에 따른 서로 다른 영상일 수 있다. 이 때, 제1 우안 홀로그래픽 광학 소자(331R)에서 회절되는 제1 우안 평행광(L31R)은 제1 좌안 홀로그래픽 광학 소자(331L)에서 회절되는 제1 좌안 평행광(L31L)과 실질적으로 평행할 수 있다. 또한, 제2 우안 홀로그래픽 광학 소자(332R)에서 회절되는 제2 우안 평행광(L32R)은 제2 좌안 홀로그래픽 광학 소자(332L)에서 회절되는 제2 좌안 평행광(L32L)과 실질적으로 평행할 수 있다. 마찬가지로, 제3 우안 홀로그래픽 광학 소자(333R)에서 회절되는 제3 우안 평행광(L33R)은 제3 좌안 홀로그래픽 광학 소자(333L)에서 회절되는 제3 좌안 평행광(L33L)과 실질적으로 평행할 수 있다.
제1 좌안 영상과 제1 우안 영상은 각각 좌안과 우안으로부터 같은 시선 방향에 위치한 영상일 수 있지만, 좌안과 우안의 시차(parallax)에 따라 다른 각도로 보이는 서로 다른 영상일 수 있다. 마찬가지로, 제2 좌안 영상과 제2 우안 영상, 및 제3 좌안 영상과 제3 우안 영상은 각각 좌안과 우안으로부터 같은 시선 방향에 위치한 영상일 수 있지만, 좌안과 우안의 시차에 따라 다른 각도로 보이는 서로 다른 영상일 수 있다.
제1 내지 제3 좌안 홀로그래픽 광학 소자(331L)(332L)(333L)에서 시준된 제1 내지 제3 좌안 평행광(L31L)(L32L)(L33L)이 중첩되는 영역에 좌안 시야창(LEB)이 형성될 수 있으며, 제1 내지 제3 우안 홀로그래픽 광학 소자(331R(332R)(333R)에서 시준된 제1 내지 제3 우안 평행광(L31R)(L32R)(L33R)이 중첩되는 영역에 우안 시야창(REB)이 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9의 실시예에 따른 디스플레이 장치(30)(40)는 양안 시차를 고려한 복수 개의 영상을 형성하여, 사용자에게 3차원 입체 영상을 제공할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치가 적용된 안경 타입의 웨어러블 장치의 사용을 개략적으로 도시한다.
웨어러블 장치는 상기 설명한 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)를 좌안 방향에 포함할 수 있다. 영상 형성 장치(100)에서 형성된 영상은 투사 광학계(200) 및 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자(300)에 의해 평행광으로 시준되어 소정 크기의 시야창(EB)을 형성할 수 있다. 사용자의 동공이 시야창(EB) 내에 위치한다면, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 사용자의 동공의 시선 방향에 따른 가상 영상 정보를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 웨어러블 장치는 가상 영상 정보와 함께 외부의 실제 풍경을 함께 제공할 수도 있다.
도 11 내지 도 13는 상술한 실시예들에 따른 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다.
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 헤드 마운트형 디스플레이(HMD; head mounted display)에 적용될 수 있다. 이 때, 헤드 마운트형 디스플레이는 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등의 디스플레이를 포함할 수 있다. 도 11 내지 도 13에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다. 이러한 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 풍경을 함께 제공할 수 있는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.
또한, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 다시 말해, 도 11 내지 도 13과 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)를 적용할 수도 있다. 그 밖에도 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 또는 혼합 현실(MR)을 구현하는데 적용할 수 있을 뿐 아니라, 그 밖에 다른 분야에도 적용할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 착용할 수 있는 소형 텔레비전이나 소형 모니터 등에도 적용할 수도 있다.
상술한 확장된 시야창을 갖는 디스플레이 장치(10)(20)(30)(40)는 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.
10,20,30,40: 디스플레이 장치
100: 영상 형성 장치 100s: 복수 개의 서브 영역
101,111,121: 광원 102,112,122: 공간 광변조기
200: 투사 광학계 200s: 서브 투사 광학계
300: 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자
EB: 시야창 LEB: 좌안 시야창
REB: 우안 시야창
LH: 수평선 LV: 수직선
RB: 참조광 OB: 물체광
M: 감광체 CLM: 시준기
CL: 수정체 R: 망막
E: 안구

Claims (17)

  1. 광을 이용하여 복수 개의 영상을 각각 형성하는 복수 개의 서브 영역을 포함하는 영상 형성 장치; 및
    상기 복수 개의 서브 영역과 일대일 대응되며, 상기 복수 개의 서브 영역 각각에서 방출된 영상을 서로 다른 출사 방향을 가지는 평행광으로 시준하며, 사용자의 동공 상에 상기 각 평행광이 중첩되어 시야창(eye box)를 형성하는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자;를 포함하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 영상 각각은,
    서로 다른 시선 방향(gaze direction)에 대한 영상 정보를 가진 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 영상 각각은,
    상기 대응되는 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 각각에 의해 시준되는 평행광의 출사 방향에 따른 영상 정보를 가진 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 영상 각각이 가진 영상 정보의 시선 방향과 평행광으로 시준된 영상의 출사 방향은 대응되는 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 영상 중 적어도 둘은 서로 다른 시차를 가진 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 서브 영역은 제1 및 제2 좌안용 서브 영역과 제1 및 제2 우안용 서브 영역을 포함하고,
    상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 제1 및 제2 좌안용 홀로그래픽 광학 소자와 제1 및 제2 우안용 홀로그래픽 광학 소자를 포함하고,
    상기 제1 좌안용 서브 영역에서 형성된 제1 좌안 영상과 상기 제1 우안용 서브 영역에서 형성된 제1 우안 영상은 양안 시차를 가지며, 각각 제1 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 영상이며,
    상기 제2 좌안용 서브 영역에서 형성된 제2 좌안 영상과 상기 제2 우안용 서브 영역에서 형성된 제2 우안 영상은 상기 양안 시차를 가지며, 각각 상기 제1 시선 방향과 다른 제2 시선 방향에 대한 영상 정보를 가진 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 일 방향으로 평행하게 배치되며,
    상기 시야창은 상기 일 방향과 평행하게 형성된 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자는 서로 접하는 디스플레이 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시야창의 장축의 길이는 동공 크기 이상인 디스플레이 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시야창의 장축의 길이는 5mm 내지 20mm인 디스플레이 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개의 서브 영역은 상기 복수 개의 영상을 동시에 출력하며,
    상기 시야창 전체에 걸쳐 상기 각 평행광이 동시에 투과되는 디스플레이 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 사용자의 망막에 상기 복수 개의 영상의 상이 맺히는 디스플레이 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 영상 형성 장치와 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 사이에,
    상기 복수 개의 서브 영역에서 발생한 영상을 투사하는 투사 광학계;를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 투사 광학계는,
    상기 복수 개의 서브 영역에서 방출된 영상을 시준시키는 시준기(collimator)를 포함하는 디스플레이 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 투사 광학계는,
    상기 복수 개의 서브 영역과 일대일 대응되고, 상기 영상 형성 장치와 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 사이에 배치된 복수 개의 서브 투사 광학계를 포함하는 디스플레이 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수 개의 서브 투사 광학계 중 제1 서브 투사 광학계는 상기 복수 개의 서브 영역 중 제1 서브 영역에서 방출된 영상을 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 중 제1 홀로그래픽 광학 소자에 투사하고,
    상기 복수 개의 서브 투사 광학계 중 제2 서브 투사 광학계는 상기 복수 개의 서브 영역 중 제2 서브 영역에서 방출된 영상을 상기 복수 개의 홀로그래픽 광학 소자 중 제2 홀로그래픽 광학 소자에 투사하는 디스플레이 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는,
    헤드 마운트(head-mounted)형으로 제작된 가상 현실(Virtual Reality, VR) 또는 증강 현실(Augmented Reality, AR) 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.
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