KR20230155006A - 광학 디바이스, 망막 투영 디스플레이, 및 헤드 마운트 디스플레이 - Google Patents

광학 디바이스, 망막 투영 디스플레이, 및 헤드 마운트 디스플레이 Download PDF

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KR20230155006A
KR20230155006A KR1020237035163A KR20237035163A KR20230155006A KR 20230155006 A KR20230155006 A KR 20230155006A KR 1020237035163 A KR1020237035163 A KR 1020237035163A KR 20237035163 A KR20237035163 A KR 20237035163A KR 20230155006 A KR20230155006 A KR 20230155006A
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아키토시 모치다
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가부시키가이샤 리코
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Abstract

광학 디바이스는 광을 방출하는 광원; 광원으로부터 방출된 광을 편향시켜 광 편향기를 통한 광으로 이미지 형성 대상물을 스캔하는 광 스캐너; 광 스캐너로부터 방출된 광을 이미지 형성 대상물에 편향시키는 광 편향기; 광 스캐너와 이미지 형성 대상물 사이의 반사기; 및 광 스캐너로부터 방출된 광을 편향 방향으로 편향시키도록 광 편향기를 제어하고, 광원으로부터 방출된 광을 광 편향기의 편향 방향과는 상이한 편향 방향으로 편향시키도록 광 스캐너를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

광학 디바이스, 망막 투영 디스플레이, 및 헤드 마운트 디스플레이
본 개시내용은 광학 디바이스, 망막 투영 디스플레이, 및 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.
광원과, 광원으로부터 방출된 광을 편향시키고 편향된 광을 이미지 형성 대상물에 조사하는 광 스캐너(주사 수단)를 포함하는 광학 디바이스가 알려져 있다. 예를 들어, 일본 특허 제6769974호에는 착용 가능한 헤드업 디스플레이가 개시되어 있다. 웨어러블 헤드업 디스플레이는 사용시 사용자의 머리에 장착되는 지지 구조물; 지지 구조물에 의해 고정되는 레이저 스캐닝 프로젝터; 지지 구조물에 의해 지지되며, 지지 구조물이 사용자의 머리에 장착되었을 때 사용자의 한쪽 눈의 시야에 위치하는 홀로그램 결합기; 및 지지 구조물에 의해 유지되고 레이저 스캐닝 프로젝터와 홀로그램 결합기 사이의 광학 경로에 위치하는 사출 동공 선택기를 포함한다.
일본 특허 제6769974호
본 발명의 목적은 뷰잉 존(viewing zone)의 확장과 이미지 형성 대상물 상에 형성된 이미지의 고해상도를 모두 달성하는 것이다.
광학 디바이스는 광을 방출하는 광원; 광원으로부터 방출된 광을 편향시켜 광 편향기를 통한 광으로 이미지 형성 대상물을 스캔하는 광 스캐너; 광 스캐너로부터 방출된 광을 이미지 형성 대상물에 편향시키는 광 편향기; 광 스캐너와 이미지 형성 대상물 사이의 반사기; 및 광 스캐너로부터 방출된 광을 편향 방향으로 편향시키도록 광 편향기를 제어하고, 광원으로부터 방출된 광을 광 편향기의 편향 방향과는 상이한 편향 방향으로 편향시키도록 광 스캐너를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
망막 투영 디스플레이는 광학 디바이스를 포함한다.
헤드 마운트 디바이스는 광학 디바이스를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 광학 디바이스, 망막 투영 디스플레이, 및 헤드 마운트 디스플레이에서 뷰잉 존의 확대와 이미지 형성 대상물 상에 형성된 이미지의 해상도 증가를 실현할 수 있다.
첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시하기 위한 것이며 그 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 첨부 도면은 명시적으로 언급되지 않는 한 축척에 따라 작도된 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 동일하거나 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 광 편향 미러의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 컨트롤러의 하드웨어 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 컨트롤러의 기능적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6a는 도 1의 제1 실시형태에 따른 투영 광학 요소의 평면도이다.
도 6b는 도 1의 제1 실시형태에 따른 투영 광학 요소의 투시도이다.
도 7a는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 구동 파형의 제1 예의 타이밍 차트이다.
도 7b는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 스캐닝 광의 제1 예를 도시하는 도면이다.
도 8a는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 구동 파형의 제2 예의 타이밍 차트이다.
도 8b는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 스캐닝 광의 제2 예를 도시하는 도면이다.
도 9a는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 구동 파형의 제3 예의 타이밍 차트이다.
도 9b는 제1 실시형태에 따른 광 스캐닝 미러의 스캐닝 광의 제3 예를 도시하는 도면이다.
도 10a는 제1 실시형태에 따라 광을 편향시켜 스캐닝 대상 표면의 중심에 투영시키는 편향 미러를 도시하는 도면이다.
도 10b는 제1 실시형태에 따라 광을 편향시켜 표면의 좌측부에 투영시키는 편향 미러를 도시하는 도면이다.
도 10c는 제1 실시형태에 따라 광을 편향시켜 표면의 우측부에 투영시키는 편향 미러를 도시하는 도면이다.
도 11은 제1 실시형태에 따른 Y 방향의 뷰잉 존의 전환 동작을 도시하는 도면이다.
도 12는 제1 실시형태에 따른 X 방향의 뷰잉 존의 전환 동작을 도시하는 도면이다.
도 13은 제1 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이의 유리한 효과를 도시하는 도면이다.
도 14a는 비교예로서 제2 실시형태를 적용하지 않은 편향 미러의 시간, 전압, 및 편향각의 타이밍 차트이다.
도 14b는 제2 실시형태를 적용한 편향 미러의 시간, 전압, 및 편향각의 타이밍 차트이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본원에서 사용하는 단수형 표현은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함하는 것으로 의도된다.
도면에 예시한 실시형태들을 설명할 때에 명확성을 위해 특정 전문용어가 채택된다. 다만, 본원의 개시내용이 특정 전문용어에 의해 한정되는 것은 아니며, 각각의 특정 요소가, 유사한 기능을 갖고, 유사한 방식으로 동작하며, 유사한 결과를 이루는 모든 기술적 등가물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면을 참조하여 본 개시내용의 실시형태들을 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 중복되는 설명은 적절하게 생략한다.
이하에서 설명하는 실시형태들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 광학 디바이스의 예이며, 본 발명이 이하에서 설명하는 실시형태들에 한정되는 것은 아니다. 이하에서 설명하는 구성요소의 형상, 상대적인 배열, 파라미터의 값 등은 달리 명시하지 않는 한 본 발명의 범위를 이에 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 실시형태를 예시하기 위한 것이다. 도면에 도시된 요소들의 상대적인 위치는 명확한 설명을 위해 과장될 수도 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "연결된/결합된"은 직접 연결 및 하나 이상의 중간 연결 요소가 있는 연결을 모두 포함한다.
일 실시형태에 따른 광학 디바이스는 광원과, 광원으로부터 방출된 광을 편향시키는 스캐닝 미러(즉, 광 스캐너, 주사 수단)를 포함하고, 스캐너에 의해 편향된 광으로 이미지 형성 대상물을 조사한다. 이러한 광학 디바이스의 예는 망막 투영 디스플레이를 포함한다. 망막 투영 디스플레이는 눈 앞이나 머리에 망막 투영 디스플레이를 착용한 사용자의 안구를 통해 망막에 이미지를 투영시켜 이미지를 표시한다. 여기서, 이미지는 정지 이미지, 영화, 또는 비디오를 포함한다.
광학 디바이스는 망막 투영 디스플레이에 한정되지 않으며, 프로젝터, 헤드업 디스플레이, 헤드 마운트 디스플레이 등의 디스플레이 디바이스일 수도 있고, 디스플레이 이외의 광학 디바이스일 수도 있다.
이미지 형성 대상물이란 광학 디바이스가 이미지를 형성하는 대상물을 말한다. 예를 들어, 망막 투영 디스플레이에서는 이미지 형상 대상물이 인간의 망막이다. 망막 투영 디스플레이는 망막에 이미지를 형성함으로써 망막 상에 이미지를 표시한다.
이러한 광학 디바이스에서는 스캐닝 광에 의해 형성된 이미지를 사용자가 시각적으로 인식할 수 있는 범위가 제한될 수 있다. 예를 들어, 망막 투영 디스플레이에서는 사용자가 이미지를 시각적으로 인식할 수 있는 범위가 뷰잉 존(viewing zone)에 의해 제한된다. 여기서, 뷰잉 존은 망막 투영 디스플레이를 착용한 사용자가 이미지의 손실 없이 시선을 이동할 수 있는 안구 주변의 공간적 영역을 의미한다. 뷰잉 존은 아이박스(eyebox)라고도 한다.
사용자가 좁은 범위의 이미지를 시각적으로 인식할 수 있는 경우 뷰잉 존은 좁은 뷰잉 존으로서 규정되고, 사용자가 넓은 범위의 이미지를 시각적으로 인식할 수 있는 경우 뷰잉 존은 넓은 뷰잉 존으로서 규정된다. 뷰잉 존이 좁은 상황에서는 시선의 미세한 변화로 인해 사용자가 이미지의 일부를 시각적으로 인식할 수 없다.
실시형태에 따른 광학 디바이스는 광 스캐너에 의해 편향된 광을 편향시켜 결상 대상물에 광을 조사하는 광 편향 미러(즉, 광 편향기, 광 편향 수단)과, 스캐너와 이미지 형성 대상물 사이에 배치된 반사기(반사 수단)를 포함한다. 광학 디바이스는 광 스캐너(광 주사 수단)와 광 편향기를 제어하는 컨트롤러를 더 포함한다. 광 스캐너는 광 편향기의 편향 방향과는 상이한 방향으로 광을 편향시키고, 컨트롤러는 광 편향기의 편향 방향과 광 스캐너의 편향 방향을 제어한다.
이하, "스캔", "스캔하다", "스캐닝하는", "스캐닝된" 등의 용어는 광(즉, 스캐닝 광)의 조사 방향을 일정한 시간 간격으로 연속적으로 변화(즉, 연속적으로 편향)시키는 것을 나타낸다. 예를 들어, 스캐닝 광에 의해 이미지 형성 대상물 상에 이미지가 형성된다. 이하에서, "편향", "편향하다", "편향시키다", "편향시킨" 및 "편향된"이라는 용어는 광의 조사 방향을 불규칙한 시간 간격으로 이산적으로 변화시키는 것을 나타낸다. 예를 들어, 광 편향기는 스캐닝 광에 의해 형성된 이미지를 편향시킴으로 이미지 형성 대상물 상에 형성된 이미지의 위치를 변화시킨다.
실시형태에서는, 광 편향기의 편향 방향과 광 스캐너의 편향 방향이 컨트롤러에 의해 제어되고, 스캐닝 광에 의해 형성되는 이미지의 위치가 변화함에 따라, 뷰잉 존의 확대 및 이미지 형성 대상물 상에 형성된 이미지의 해상도 증가를 모두 달성한다.
이하에서는 광학 디바이스의 일례인 망막 투영 디스플레이를 사용하여 실시형태를 상세히 설명한다.
이하, 도면에서는 방향을 X축, Y축, Z축으로 표시할 수 있으며, 방향에 있어서 X축을 따른 X 방향은 수평 방향을 나타내고, Y축을 따른 Y 방향은 수직 방향을 나타내고, Z축을 따른 Z 방향은 사용자가 망막 투영 디스플레이를 착용한 상태에서 X축과 Y축 모두에 직교하는 방향을 나타낸다.
또한, X 방향에 있어서 화살표가 가리키는 방향을 +X 방향이라 하고, +X 방향과 반대 방향을 -X 방향이라 하며, Y 방향에 있어서 화살표가 가리키는 방향을 +Y 방향이라 하고, +Y 방향과 반대 방향을 -Y 방향이라 하며, Z 방향에 있어서 화살표가 가리키는 방향을 +Z 방향이라 하고, +Z 방향과 반대 방향을 -Y 방향이라 한다. 그러나 ±X 방향, ±Y 방향, ±Z 방향이 망막 투영 디스플레이의 방향을 제한하지 않으며, 망막 투영 디스플레이는 어떤 방향으로도 배향될 수 있다.
제1 실시형태
망막 투영 디스플레이(100)의 전체 구성
제1 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이(100)의 전체 구성을 도 1을 참조하여 설명한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이는 웨어러블 단말(즉, 웨어러블 디바이스)이며, 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)에 따라 레이저 스캐닝을 통해 사용자의 망막 상에 직접 이미지를 형성하거나 그리는 헤드 마운트 디바이스(HMD, Head Mounted Display)이다.
실시형태에서는 사용자의 오른쪽 눈의 안구에 대한 망막 투영 디스플레이를 예로 들어 설명하지만, 왼쪽 눈의 안구에도 동일하게 적용된다. 일부 실시형태에서는, 오른쪽 눈 및 왼쪽 눈의 안구에 각각 2개의 망막 투영 디스플레이가 제공될 수도 있다. 실시형태에서 "레이저 광" 및 "레이저 빔"이라는 용어는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다.
도 1은 망막 투영 디스플레이(100)의 전체 구성을 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 망막 투영 디스플레이(100)는 이미지 레이저 광원(1)(즉, 광원), 렌즈(2), 렌즈(3), 스캐닝 미러(4)(광 스캐너), 편향 미러(5)(광 편향기), 투영 광학 요소(6)(즉, 반사기 또는 홀로그램), 검출 레이저 광원(7)(즉, 검출기의 일부), 광 검출 요소(8)(즉, 검출기의 또 다른 부분), 및 반사 요소(9)를 포함한다. 망막 투영 디스플레이(100)는 안경 프레임(10)과 컨트롤러(11)를 포함한다.
안경 프레임(10)은 템플(temple)(101)과 림(rim)(102), 그리고 림(102)에 의해 유지되는 안경 렌즈(103)를 포함한다. 이미지 레이저 광원(1), 렌즈(2), 렌즈(3), 스캐닝 미러(4), 편향 미러(5), 및 컨트롤러(11)는 템플(101) 내부에 제공된다. 투영 광학 요소(6)는 림(102)에 의해 유지되는 안경 렌즈(103)의 표면 상에 제공된다. 사용자는 안경 프레임(10)을 귀에 두고서 망막 투영 디스플레이(100)를 머리에 착용한다.
이미지 레이저 광원(1)은 단일 파장 또는 다중 파장을 갖는 이미지 레이저 빔(Li)을 방출하는 반도체 레이저이다. 이미지 레이저 광원(1)은 광원의 일례이다. 단색 이미지를 표시하는 경우에는 단일 파장의 이미지 레이저 빔(Li)을 방출하는 레이저 광원이 이미지 레이저 광원(1)으로서 사용된다. 컬러 이미지를 표시하는 경우에는 적색 반도체 레이저, 녹색 반도체 레이저, 청색 반도체 레이저와 같은 다중 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하는 다중 레이저 광원이 이미지 레이저 광원(1)으로서 사용된다. 이미지 레이저 광원(1)은 컨트롤러(11)로부터의 형성 구동 신호(SL1)에 응답하여 이미지 레이저 빔(Li)을 방출한다.
이미지 레이저 광원(1)으로부터 방출되는 이미지 레이저 빔(Li)의 광 강도는 사용자의 눈의 안전을 저해하지 않는 범위 내의 광 강도로 제한된다. 상황에 따라, 레이저 빔의 광 강도를 감소시키는 광학 요소(예를 들어 감쇠기 또는 중성 밀도 필터)가 이미지 레이저 광원(1)에 통합될 수도 있다.
또한, 이미지 레이저 광원(1)에는 적어도 하나의 포토다이오드가 배치될 수 있고, 방출된 이미지 레이저 빔(Li)의 광 강도는 광 강도가 사용자의 눈의 안전을 저해하지 않는 범위 내의 적절한 광 강도를 초과하지 않도록 모니터링될 수 있다.
사용자의 눈의 안전을 저해하지 않는 범위 내의 적절한 광 강도란 레이저 제품의 안전과 관련된 국제 표준인 국제전기기술위원회(IEC) 60825-1에서 규정한 Class 1 이하의 광 강도를 의미한다. 이미지 레이저 광원(1)은 반도체 레이저에 한정되지 않는다. 이미지 레이저 광원(1)으로서 고체 레이저나 가스 레이저를 사용할 수도 있다.
스캐닝 미러(4)는 실질적으로 서로 직교하는 2개의 축을 중심으로 진동 또는 회전하는 거울이며, 이미지 레이저 광원(1)으로부터 방출된 이미지 레이저 빔(Li)을 연속적으로 편향시키는 스캐너의 일례이다. 스캐닝 미러(4)는 반사 미러(92a)의 각도를 규칙적으로 변화시킴으로써(즉, 진동) 스캐닝 미러(4)(즉, 도 2의 반사 미러(92a))에 입사한 이미지 레이저 빔(Li)을 연속적으로 편향시키고 안구(30)의 망막(32) 상에서 하나의 시야에 표시되는 이미지를 형성한다. 망막(32)은 이미지 형성 대상물의 일례이다.
실시형태에서, 스캐닝 미러(4)는 입사 이미지 레이저 빔(Li)을 X 방향 및 Y 방향으로 스캐닝한다. 도 1의 X 방향은 시간적으로 연속적으로 픽셀을 그려 일련의 픽셀 그룹을 형성하는 메인 스캐닝 방향에 해당한다. 도 1의 Y 방향은 메인 스캐닝 방향과 직교하며, 일련의 픽셀 그룹이 형성되는 서브스캐닝 방향에 해당한다. 메인 스캐닝 방향의 스캐닝 속도는 서브스캐닝 방향의 스캐닝 속도보다 높게 설정된다. 이미지는 스캐닝 이미지 레이저 빔(Li)에 의해 형성된다.
스캐닝 미러(4)는 스캐닝 구동 신호(SS) 및 망막(32) 상에 형성된 이미지의 위치의 제어에 의해 Y 방향을 따라 이미지 광의 편향 방향을 n단계로 이산적으로 전환할 수 있으며, 여기서 n은 1 이상의 정수이다. 본 실시형태에서는, 이미지 광의 편향 방향을 3단계(즉, n=3)로 전환하는 예를 설명하고 있지만, n은 3에 한정되지 않으며, n은 적절히 선택될 수 있다. 여기서, 이미지 광은 이미지를 형성하는 광이다.
스캐닝 미러(4)로서 2축 마이크로전자기계시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical System) 미러가 사용될 수 있다. 스캐닝 미러(4)의 구성은 도 2를 참조하여 자세히 설명하고, 스캐닝 미러(4)의 동작은 도 7a 내지 도 9b를 참조하여 자세히 설명한다.
편향 미러(5)는 스캐닝 미러(4)와 투영 광학 요소(6) 사이에 배치된다. 편향 미러(5)는 편향 미러(5)의 반사 미러(42a)(도 3)를 기울임으로써 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시킨다. 편향 미러(5)는 스캐닝 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시켜 망막(32)을 조사하는 광 편향 수단의 일례이다. 편향 미러(5)는 편향 방향을 이산적이고 선택적으로 전환한다. 편향 미러(5)는 Y 방향을 따라 축을 중심으로 진동하며, 편향 구동 신호(ST)에 의해 m단계의 기울기 중 어느 하나에서 정지 및 고정되고, 여기서 m은 1 이상의 정수이다.
편향된 이미지 광은 투영 광학 요소(6)를 향해 방출된다. 편향 미러(5)는 스캐닝 미러(4)에 의해 편향된 이미지 광의 편향 방향을 X 방향을 따라 m단계로 전환한다. 여기서, m은 1 이상의 정수이다. 본 실시형태에서는, 이미지 광의 편향 방향을 3단계(즉, m=3)로 전환하는 예를 설명하고 있지만, m은 3에 한정되지 않으며, m은 적절히 선택된다.
예를 들어, 편향 미러(5)로서 단축 MEMS 미러를 사용할 수 있다. 편향 미러(5)의 구성은 도 3을 참조하여 자세히 설명하고, 편향 미러(5)의 동작은 도 10을 참조하여 자세히 설명한다.
투영 광학 요소(6)는 편향 미러(5)와 망막(32) 사이에 배치된 반사경(즉, 광 반사기)의 일례이다. 투영 광학 요소(6)는 편향 미러(5)로부터 방출된 이미지 레이저 빔(Li)을 반사하여 사용자의 안구(30) 상에 포커싱하는 홀로그램 광학 요소를 포함한다. 홀로그램 광학 요소는 광 반사-집광 요소의 일례이고 홀로그램의 일례이다. 홀로그램 광학 요소는 적어도 하나의 홀로그램 필름을 포함한다.
투영 광학 요소(6)는 서로 다른 포커싱 특성을 갖는 x개의 홀로그램 영역을 포함하며, 여기서 x는 n에 m을 곱하여 얻은 2 이상의 정수이다(즉, x = m × n). x개의 홀로그램 영역은 광학적으로 기록된다. 여기서, n과 m은 1 이상의 정수이다. 따라서, 예를 들어, n이 1이면 m은 2이고, m이 1이면 n은 2이다. 본 실시형태에서는, x가 9인 홀로그램 영역의 구성을 예시적으로 설명한다. 그러나, x는 9로 한정되지 않으며, x는 적절하게 선택될 수 있다.
각 홀로그램 영역은 안구(30)의 동공(31) 부근의 서로 다른 9개의 뷰잉 존 상에 이미지 레이저 빔(Li)을 포커싱한다. 9개의 뷰잉 존은 사용자가 9개의 시선을 따라 볼 때 이미지 레이저 빔(Li)이 사용자 눈의 동공(31)에 포함되도록 배치된다.
홀로그램 필름의 재료는 Bayer MaterialScience Ag로부터 입수 가능한 Bayfol® HX 또는 포토폴리머 필름일 수 있다. 투영 광학 요소(6)의 구성 및 기능은 도 6을 참조하여 자세히 설명한다.
검출 레이저 광원(7)과 광 검출 요소(8)(예컨대, 포토센서)를 구비한 구성은 망막 투영 디스플레이(100)를 착용한 사용자의 시선 방향을 검출하는 시선 방향 검출 유닛의 일례이다. 검출 레이저 광원(7)은 안구(30)에 검출 레이저 빔(LS)을 방출한다. 광 검출 요소(8)는 검출 레이저 광원(7)으로부터 방출되어 안구(30)에서 반사된 검출 레이저 빔(LS)인 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 대응하는 검출 신호(SD)를 컨트롤러(11)에 출력한다. 즉, 검출 레이저 광원(7)과 광 검출 요소(8)는 안구의 기울기를 검출한다.
컨트롤러(11)는 검출 신호(SD)에 기초하여 사용자의 시선 방향을 추정하고, 시선 방향을 나타내는 정보(즉, 시선 정보)를 취득한다. 또한, 컨트롤러(11)는 시선에 관한 정보에 따라 망막(32) 상에 이미지를 투영시키는 위치를 제어한다.
검출 신호(SD)는 컨트롤러(11)에 투영 위치를 제공하기 위한 투영 위치 정보 또는 이미지 형성 대상물의 위치 정보의 일례이다. 광 검출 요소(8)는 투영 위치 정보 또는 이미지 형성 대상물의 위치 정보를 컨트롤러(11)에 출력하기 위한 투영 위치 출력 수단의 일례이다. 그러나, 시선 방향 검출 유닛의 구성은 검출 레이저 광원(7)과 광 검출 요소(8)를 포함하는 구성으로 한정되지 않는다. 시선 방향 검출 유닛에는 임의의 시선 추적 기술을 적용할 수 있다.
검출 레이저 광원(7)은 안구(30)의 각막을 향해 검출 레이저 빔(LS)을 방출하는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 또는 레이저 다이오드 어레이(LDA)와 같은 광원 어레이이다. 검출 레이저 광원(7)은 9개의 뷰잉 존에 대한 9개의 시야에 대응하는 9개의 발광 부재를 포함한다. 검출 레이저 광원(7)으로부터 방출되는 검출 레이저 빔(LS)의 파장은, 사용자의 시선이 검출되는 사용자의 시각적 인식이 방해받지 않도록, 비가시광선인 근적외선의 파장을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 검출 레이저 빔(LS)의 파장은 근적외선의 파장에 한정되는 것은 아니며, 가시광선을 사용할 수도 있다.
광 검출 요소(8)는, 검출 레이저 광원(7)의 x(여기서 x는 1 이상의 정수임)개의 발광 부재로부터 방출되고, 반사 요소(9)를 통해 안구(30)에 입사하고 안구(30)에 의해 반사되는 검출 레이저 빔(LS)을 수광하는 적어도 하나의 광 다이오드를 포함한다.
각막은 안구(30)의 표면으로, 투명하고 수분을 함유하며 일반적으로 약 2 내지 4%의 반사율을 갖는다. 사용자의 안구(30)에 입사한 검출 레이저 빔(LS)은 각막(안구(30)의 표면)의 영역(P)에서 반사되어 광 검출 요소(8)(즉, 포토디텍터)에 도달한다. 검출 레이저 빔(LS)은 검출 레이저 광원(7)에 포함된 x개의 발광 부재 각각으로부터 방출된다. 검출 레이저 빔(LS)은 사용자가 해당 발광 부재에 대응하는 각 시야를 시각적으로 인식할 때 광 검출 요소(8)에 의해 수광된다.
광 검출 부재(8)는 포토다이오드에 한정되지 않는다. 광 검출 부재(8)로서, CCD 또는 CMOS와 같은 이미징 요소를 사용하여 촬상면에 입사한 광의 공간 강도 분포에 기초한 이미지 처리에 의해 검출 레이저 빔(LS)을 검출할 수 있다.
컨트롤러(11)는 형성될 이미지의 소스가 되는 이미지 데이터(Dat)를 입력으로 하여, 이미지 데이터(Dat)에 기초해 이미지 레이저 광원(1)에 의한 이미지 레이저 빔(Li)의 방출을 제어한다. 또한, 검출 구동 신호(SL2)에 기초하여 검출 레이저 광원(7)의 9개의 발광 부재(즉, x = 9)가 순차적으로 점등되어 검출 레이저 빔(Ls)의 방출을 제어한다. 또한, 검출 레이저 광원(7)의 각 발광 부재의 발광 타이밍 및 광 검출 요소(8)의 검출 신호(SD)에 기초하여, 미리 결정된 9개의 시야(즉, x = 9) 중 어느 시야에 시선이 향하는지에 대해 시선 방향이 추정된다. 또한, 스캐닝 미러(4)에 의한 이미지 레이저 빔(Li)의 스캐닝은 스캐닝 미러(4)의 스캐닝 구동 신호(SS)에 의해 제어된다. 또한, 편향 미러(5)의 기울기는 편향 미러(5)의 편향 구동 신호(ST)에 의해 제어된다.
도 1은 템플(101) 내부에 이미지 레이저 광원(1)의 구성이 제공되는 예를 도시하지만, 그 구성이 이에 한정되지는 않는다. 이미지 레이저 광원(1)은 템플(101)의 외부에 제공될 수 있으며, 이미지 레이저 광원(1)으로부터 방출되는 이미지 레이저 빔(Li)은 템플(101)의 내부로 유도될 수도 있다. 컨트롤러(11)는 컨트롤러(11)로부터의 각 구동 신호가 템플(101)에 공급되도록 템플(101) 내부 또는 템플(101) 외부에 제공될 수 있다.
도 1은 안경 렌즈(103)의 표면 상에 투영 광학 요소(6)의 구성이 제공되는 예를 도시하지만, 그 구성이 이에 한정되지는 않는다. 투영 광학 요소(6)는 안경 렌즈(103)와 통합될 수 있다.
스캐닝 미러(4)는 2축 MEMS 미러에 한정되지 않으며, 단축 MEMS 미러 구성을 적용할 수도 있다. 폴리곤 미러 또는 갈바노 미러와 같이 연속적으로 광을 편향시킬 수 있는 광학 요소를 사용할 수도 있고 이들의 조합을 사용할 수도 있다. 망막 투영 디스플레이(100)의 사이즈와 무게를 줄일 수 있기 때문에 MEMS 미러를 사용하는 것이 바람직하다. 망막 투영 디스플레이(100)의 사이즈와 무게를 줄일 수 있기 때문에 2축 MEMS 미러만을 사용하는 구성이 더욱 바람직하다. MEMS 미러의 구동 방식은 정전기 방식, 압전 방식, 전자기 방식 중 어느 하나일 수 있다.
편향 미러(5)는 MEMS 미러에 한정되지 않으며, 액추에이터와 미러의 조합과 같은 광학 요소 또는 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 사용할 수도 있다. 망막 투영 디스플레이(100)의 사이즈와 무게를 줄일 수 있기 때문에 MEMS 미러를 사용하는 것이 바람직하다.
망막 투영 디스플레이(100)에서의 이미지 레이저 빔(Li)의 거동은 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서는 이미지 레이저 광원(1)으로부터 방출된 발산광인 이미지 레이저 빔(Li)이 렌즈(2)에 의해 실질적으로 평행한 광으로 변환되고 렌즈(3)에 의해 원하는 레이저 빔 상태로 성형된다. 도 1에서는 렌즈(2)와 렌즈(3)을 포함한 구성을 예시적으로 도시하고 있지만, 원하는 레이저 빔 상태를 형성할 수 있다면 렌즈(3)는 구비하지 않을 수도 있다.
원하는 빔 상태로 성형된 이미징 레이저 빔(Li)은 스캐닝 미러(4)에 의해 2 축을 따라 연속적으로 편향되고, 편향 미러(5)에 의해 반사된 다음 투영 광학 요소(6)에 도달한다. 도 1은 편향 미러(5)가 스캐닝 미러(4)와 투영 광학 요소(6) 사이에 배치된 구성을 예시적으로 도시하지만, 그 구성이 이에 한정되지는 않는다. 대안으로, 스캐닝 미러(4)가 편향 미러(5)와 투영 광학 요소(6) 사이에 배치되고, 편향 미러(5)에 의해 반사된 이미지 레이저 빔(Li)이 스캐닝 미러(4)에 의해 2축을 따라 연속적으로 반사되어 투영 광학 요소(6)에 도달할 수도 있다.
투영 광학 요소(6)는 이미지 레이저 빔(Li)을 사용자의 안구(30)를 향해 반사시켜 이미지 레이저 빔(Li)이 안구(30)의 내부로 입사하게 한다. 안구(30) 내부로 입사한 광은 투영 광학 요소(6)의 홀로그램 영역의 집광 특성을 사용하여 동공(31)의 중심 부근에서 집광된 다음, 안구(30)의 깊은 홈에 있는 망막(32)에 투영되어 망막(32) 상에 대략적으로 이미지를 형성한다.
전술한 시각 인식 상태를 맥스웰리안 뷰(Maxwellian view)라고 한다. 맥스웰리안 뷰에서는 동공(31)의 중심 부근을 통과하는 이미지 레이저 빔(Li)이 수정체의 초점 조절과 무관하게 망막(32)에 도달하기 때문에, 사용자는 현실 공간의 어느 위치에 눈을 포커싱하더라도 망막(32) 상에 형성된 이미지를 포커싱된 상태로 선명하게 볼 수 있는 것으로 일반적으로 이해되고 있다.
실제로 안구(30)에 입사한 레이저 빔은 직경이 작고 유한하기 때문에, 수정체의 렌즈 기능의 영향은 미미하게 남는다. 이러한 이유로, 본 실시형태에서는 안구(30)에 입사하는 이미지 레이저 빔(Li)의 직경은 투영 광학 요소(6)의 포커싱 기능에 의해 350 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하가 되도록 설계되고, 빔 확산각이 양의 유한 값(즉, 발산광)이 되도록 설계된다.
그 결과, 스캐닝 미러(4)에 의해 연속적으로 편향된 이미지 레이저 빔(Li)에 의해 형성된 이미지는 수정체의 초점 조절에 영향을 받지 않고 투영 광학 요소(6)를 통해 망막(32)에 도달하므로, 사용자는 현실 공간의 어느 위치에서 눈이 포커싱되더라도 망막(32) 상에 포커싱된 이미지를 항상 선명하게 볼 수 있다. 즉, 스캐닝 미러(4)에 의해 스캔된 이미지 레이저 빔(Li)으로 형성된 이미지는 포커스 프리 상태(focus-free state)로 사용자에게 시각적으로 인식된다.
망막 투영 디스플레이(100)는 이미지 레이저 광원(1)에 인가되는 전류 또는 전압을 변경함으로써, 방출되는 이미지 레이저 빔(Li)의 광 강도를 변경할 수 있다. 따라서, 망막 투영 디스플레이(100)를 사용하는 주변 환경의 밝기에 따라 이미지의 밝기를 조절할 수 있다.
스캐닝 미러(4)의 구성예
스캐닝 미러(4)의 구성은 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2에서는 스캐닝 미러(4)의 구성을 예시적으로 도시하고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 스캐닝 미러(4)는 지지 기판(91), 가동부(92), 사행 빔부(meandering beam portion)(93), 사행 빔부(94), 및 전극 연결부(95)를 포함한다.
스캐닝 미러(4)는 전극 연결부(95)를 통해 인가되는 스캐닝 구동 신호(SS)에 대응하여 사행 빔부(93 및 94)를 구동하고, 사행 빔부(93 및 94)에 의해 지지되는 가동부(92)를 A1축을 중심으로 진동시킨다. 또한, 스캐닝 미러(4)는 가동부(92)에 포함된 토션 바(92b)를 구동하고, 토션 바(92b)에 의해 지지되는 반사 미러(92a)를 B1축을 중심으로 진동시킨다.
스캐닝 미러(4)는 가동부(92)를 A1축을 중심으로 진동시켜서 α1축을 따른 방향으로 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시키고, 반사 미러(92a)를 B1축을 중심으로 진동시켜서 β1축을 따른 방향으로 이미지 레이저 빔(Li)을 스캐닝함으로써, 반사 미러(92a)에 입사한 이미지 레이저 빔(Li)을 서로 실질적으로 직교하는 2축으로 연속적으로 편향시킨다.
사행 빔부(93)는 다수의 접힘부를 가지며 사행 방식으로 형성된다. 사행 빔부(93)의 일단부는 지지 기판(91)에 연결되고, 사행 빔부의 타단부는 가동부(92)에 연결된다. 사행 빔부(93)는 3개의 빔을 포함하는 빔부(93a)와 3개의 빔을 포함하는 빔부(93b)를 포함한다. 빔부(93a)의 빔과 빔부(93b)의 빔은 교대로 형성된다. 빔부(93a) 및 빔부(93b)에 포함된 각 빔은 개별적으로 압전 부재를 포함한다.
마찬가지로, 사행 빔부(94)는 다수의 접힘부를 갖도록 사행 방식으로 형성되며, 일단부가 지지 기판(91)에 연결되고 타단부가 가동부(92)에 연결된다. 사행 빔부(94)는 3개의 빔을 포함하는 빔부(94a)와 3개의 빔을 포함하는 빔부(94b)를 포함한다. 빔부(94a)의 빔과 빔부(94b)의 빔은 교대로 형성된다. 빔부(94a) 및 빔부(94b)에 포함된 각 빔은 개별적으로 압전 부재를 포함한다. 빔부(93a) 및 빔부(93b)의 빔 개수는 3개로 한정되지 않으며, 임의의 수의 빔이 제공될 수 있다.
빔부(93a, 93b, 94a, 및 94b)에 포함되는 압전 부재는 예를 들어, 다층 구조로 형성된 각 빔의 층의 일부에 압전 층으로 형성된다. 이하, 빔부(93a) 및 빔부(94a)에 포함된 압전 부재를 통칭하여 압전 부재(96a)라고 하고, 빔부(93b) 및 빔부(94b)에 포함된 압전 부재를 통칭하여 압전 부재(96b)라고 한다.
위상이 반대된 전압 신호들을 압전 부재(96A)와 압전 부재(96B)에 인가하여 사행 빔부(93 및 94) 각각을 휘게 하면, 인접한 빔부들이 서로 다른 방향으로 굽혀진다(즉, 굴곡됨). 이러한 굽힘이 누적되고, 도 2의 A1축을 중심으로 반사 미러(92a)를 왕복 진동시키는 구동력이 발생한다.
가동부(92)는 β1축 방향으로 사행 빔부들(93 및 94) 사이에 개재되도록 형성된다. 가동부(92)는 반사 미러(92a), 토션 바(92b), 압전 부재(92c), 및 지지부(92d)를 포함한다.
반사 미러(92a)는 예를 들어, 베이스 부재와 베이스 부재에 기상 증착에 의해 제공되는 금속 박막을 포함한다. 금속 박막은 예를 들어 알루미늄(Al), 금(Au), 또는 은(Ag)을 포함한다. 토션 바(92b)의 일단부는 반사 미러(92a)에 연결되고 ±α1축을 따라 연장되어 반사 미러(92a)를 지지해서 반사 미러(92a)가 진동하게 한다.
압전 부재(92c)에 있어서, 압전 부재(92c)의 일단부는 토션 바(92b)에 연결되고, 압전 부재(92c)의 타단부는 지지부(92d)에 연결된다. 압전 부재(92c)에 전압이 인가되면, 압전 부재(92c)가 구부러지고 변형되어 토션 바(92b)의 비틀림을 유발한다. 토션 바(92b)의 비틀림은 구동력으로서 작용하고, 반사 미러(92a)은 B 축을 중심으로 진동한다.
반사 미러(92a)에 입사한 이미지 레이저 빔(Li)은 가동부(92)의 진동에 수반되는 A1축을 중심으로 한 반사 미러(92a)의 진동에 의해 α1 축을 따라 스캔한다. 반사 미러(92a)에 입사한 이미지 레이저 빔(L)은 B1축을 중심으로 한 반사 미러(92a)의 진동에 의해 β1축을 따라 스캔한다.
지지부(92d)는 반사 미러(92a), 토션 바(92b), 및 압전 부재(92c)를 둘러싸도록 형성된다. 지지부(92d)는 압전 부재(92c)에 연결되고 압전 부재(92c)를 지지한다. 지지부(92d)는 압전 부재(92c)에 연결된 토션 바(92b)와, 반사 미러(92a)를 간접적으로 지지한다.
지지 기판(91)은 가동부(92), 사행 빔부(93), 및 사행 빔부(94)를 둘러싸도록 형성된다. 지지 기판(91)은 사행 빔부(93 및 94) 각각에 연결되어 그 각각을 지지한다. 또한, 지지 기판(91)은 사행 빔부(93) 및 사행 빔부(94)에 연결된 가동부(92)를 간접적으로 지지한다.
스캐닝 미러(4)는 예를 들어, 미세 가공(micromachining) 기술에 의해 형성된다. 예를 들어, 실리콘 또는 유리가 미세 가공에 사용된다. 미세 가공 기술을 사용하여, 기판 상에 미세 반사 미러를 고정밀도로 형성하여 사행 빔부와 같은 구동부와 일체화한다.
구체적으로는 에칭에 의해 단일 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 형성한다. 반사 미러, 사행 빔부, 압전 부재, 전극 연결부가 SOI 기판 상에 일체형으로 형성되고, 스캐닝 미러(4)는 MEMS 미러로서 형성된다. 반사 미러는 SOI 기판의 형성 후 또는 형성 중에 형성될 수 있다.
SOI 기판은, 단결정 실리콘(Si)으로 제조된 실리콘 지지층 상에 실리콘 산화물층이 제공되고, 실리콘 산화물층 상에 단결정 실리콘으로 제조된 실리콘 활성층이 추가로 제공되는 기판이다. 실리콘 활성층은 α1축과 β1축 양 축에 실질적으로 직교하는 γ1축을 따른 두께가 α1축과 β1축을 따른 두께보다 작기 때문에, 실리콘 활성층을 포함하는 부재는 탄성을 갖는 탄성부로서 기능한다.
SOI 기판은 평면으로 한정되지 않으며, 예를 들어 곡률을 가질 수도 있다. 기판은 에칭에 의해 일체형으로 제작될 수 있고 부분적으로 탄성을 부여할 수 있다면, MEMS 미러를 형성하는 데 사용되는 부재는 SOI 기판으로 한정되지 않는다.
편향 미러(5)의 구성예
편향 미러(5)의 구성은 도 3를 참조하여 설명한다. 도 3은 투영 디스플레이(5)의 전체 구성을 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 편향 미러(5)는 지지 기판(41), 가동부(92), 가동부(42), 사행 빔부(43), 및 사행 빔부(44)를 포함한다.
편향 미러(5)는 전극 연결부를 통해 인가되는 편향 구동 신호(ST)에 대응하여 사행 빔부(43 및 44)를 구동함으로써, 사행 빔부(43 및 44)에 의해 지지되는 가동부(42)를 A1축을 중심으로 기울어지게 한다. 편향 미러(5)는 A2축을 중심으로 가동부(42)를 기울임으로써 가동부(42)에 포함된 반사 미러(42a)에 입사하는 이미지 레이저 빔(Li)을 α2축을 따라 방향으로 편향시킨다.
사행 빔부(43)는 다수의 접힘 부분을 가지며 사행 방식으로 형성되고, 사행 빔부(43)의 일단부는 지지 기판(41)에 연결되고, 사행 빔부(43)의 타단부는 가동부(42)에 연결된다. 사행 빔부(43)는 3개의 빔을 포함하는 빔부(43a)와 3개의 빔을 포함하는 빔부(43b)를 포함한다. 빔부(43a)의 빔과 빔부(43b)의 빔은 교대로 형성된다. 빔부(43a) 및 빔부(43b)에 포함된 각 빔은 개별적으로 압전 부재를 포함한다.
사행 빔부(44)는 다수의 접힘부를 갖도록 사행 방식으로 형성되며, 일단부는 지지 기판(41)에 연결되고 타단부는 가동부(42)에 연결된다. 사행 빔부(44)는 3개의 빔을 포함하는 빔부(44a)와 3개의 빔을 포함하는 빔부(44b)를 포함한다. 빔부(43a)의 빔과 빔부(43b)의 빔은 교대로 형성된다. 빔부(43a) 및 빔부(43b)에 포함된 각 빔은 개별적으로 압전 부재를 포함한다.
빔부(43a) 및 빔부(43b)의 빔 개수는 3개로 한정되지 않으며, 원하는 대로 결정될 수 있다. 빔부(43a, 43b, 44a, 및 44b)에 포함되는 압전 부재는 예를 들어, 다층 구조로 형성된 각 빔의 층의 일부에 압전 층으로 형성된다. 이하, 빔부(43a 및 44a)에 포함된 압전 부재를 통칭하여 압전 부재(45a)라 하고, 빔 부분(43b 및 44b)에 포함된 압전 부재를 통칭하여 압전 부재(45b)라 한다.
위상이 반대된 전압 신호들을 압전 부재(45a)와 압전 부재(45b)에 인가하여 사행 빔부(44)를 휘게 하면, 인접한 빔부들이 서로 다른 방향으로 굽혀진다(즉, 굴곡됨). 이러한 굽힘이 누적되고, A2축을 중심으로 반사 미러(42a)를 기울이는 구동력이 발생한다.
가동부(42)는 β2축을 따라 사행 빔부들(43 및 44) 사이에 개재되도록 형성된다. 가동부(42)는 중심부에 반사 미러(42a)를 구비하고, 반사 미러(42a)는 사행 빔부(43, 44)의 구동력에 의해 A2축을 중심으로 기울어진다. 반사 미러(42a)에 입사하여 반사되는 이미지 레이저 빔(Li)은 기울기에 의해 α2축을 따라 편향된다.
지지 기판(41)은 가동부(42), 사행 빔부(43), 및 사행 빔부(44)를 둘러싸도록 형성된다. 지지 기판(41)은 사행 빔부(43) 및 사행 빔부(44)에 연결되어 사행 빔부(43) 및 사행 빔부(44)를 지지한다. 또한, 지지 기판(41)은 사행 빔부(43) 및 사행 빔부(44)에 연결된 가동부(42)를 간접적으로 지지한다.
스캐닝 미러(4)와 마찬가지로 편향 미러(5)도 예컨대 미세 가공 기술에 의해 형성된다. 예를 들어, 실리콘 또는 유리가 미세 가공에 사용된다. 이에 반복되는 설명은 생략한다.
컨트롤러(11)의 하드웨어 구성예
하드웨어인 컨트롤러(11)의 구성은 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 컨트롤러(11)의 하드웨어 구성을 예시적으로 도시하는 블록도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(11)는 중앙 처리 장치(CPU)(22), 랜덤 온리 메모리(ROM)(12), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(24), 외부 인터페이스(25)(I/F), 광원 구동 회로(26), 광 스캐너 구동 회로(27), 및 광 편향기 구동 회로(28)를 포함한다. 이들 구성요소는 시스템 버스(SB)를 통해 전기적으로 서로 연결된다.
CPU(22)는 RAM(24), ROM(23)과 같은 저장 디바이스로부터 프로그램 및 데이터를 판독하고, 프로세싱을 실행하며, 컨트롤러(11)의 전반적인 제어 및 기능을 구현하는 연산 디바이스이다. RAM(24)은 프로그램과 데이터를 일시적으로 저장하는 휘발성 저장 디바이스이다.
ROM(23)은 전원이 꺼져도 프로그램과 데이터를 유지할 수 있는 비휘발성 저장 디바이스이며, 망막 투영 디스플레이(100)의 각 기능을 제어하기 위해 CPU(22)에 의해 실행될 프로세싱 프로그램과 데이터를 저장한다.
외부 I/F(25)는 외부 디바이스 또는 네트워크와의 인터페이스이다. 외부 디바이스의 예는 개인용 컴퓨터(PC)와 같은 호스트 디바이스와, USB 메모리, SD 카드, CD, DVD, HDD, 또는 SSD와 같은 저장 디바이스를 포함한다. 네트워크의 예는 자동차의 CAN(controller area network), 근거리 통신망(LAN), 인터넷을 포함한다. 외부 I/F(25)는 외부 디바이스와의 연결 또는 통신을 가능하게 하며, 외부 I/F(25)는 각각의 외부 디바이스마다 준비될 수 있다.
광원 구동 회로(26)는 이미지 레이저 광원(1)과 검출 레이저 광원(7)에 전기적으로 연결되며 전류 또는 전압을 인가하여 이들을 구동하는 전기 회로이다. 이미지 레이저 광원(1)은 광원 구동 회로(26)로부터 출력되는 형성 구동 신호(SL1)에 따라 이미지 레이저 빔(Li)의 방출을 온/오프하거나 이미지 레이저 빔(Li)의 광 강도를 변화시킨다. 검출 레이저 광원(7)은 광원 구동 회로(26)로부터 출력되는 형성 구동 신호(SL1)에 따라 검출 레이저 빔(LS)의 방출을 온/오프하거나 검출 레이저 빔(LS)의 광 강도를 변화시킨다.
광 스캐너 구동 회로(27)는 스캐닝 미러(4)에 전기적으로 연결되며 스캐닝 미러(4)에 전압을 인가하여 스캐닝 미러(4)를 구동하는 전기 회로이다. 스캐닝 미러(4)는 광 스캐너 구동 회로(27)로부터 출력되는 스캐닝 구동 신호(SS)에 따라 구동된다.
광 편향기 구동 회로(28)는 편향 미러(5)에 전기적으로 연결되고 편향 미러(5)에 전압을 인가하여 편향 미러(5)를 구동하는 전기 회로이다. 편향 미러(5)는 광편향기 구동 회로(28)로부터 출력되는 편향 구동 신호(ST)에 따라 구동된다.
컨트롤러(11)는 외부 I/F(25)를 통해 외부 디바이스 또는 네트워크로부터 이미지 데이터(Dat)를 획득한다. 그러나, 컨트롤러(11)는 외부 디바이스 또는 네트워크로부터 이미지 데이트(Dat)를 취득하는 것에 한정되지 않고, 컨트롤러(11) 내의 ROM(23)에 미리 저장된 이미지 데이트(Dat)를 취득할 수도 있고 컨트롤러(11)에 제공된 보안 디지털(SD) 카드와 같은 저장 디바이스로부터 이미지 데이트(Dat)를 취득할 수도 있다.
컨트롤러(11)는 CPU(22)의 명령어와 도 4에 도시한 하드웨어 구성에 의해, 후술하는 기능적 구성을 실현한다.
컨트롤러(11)의 기능 구성예
컨트롤러(11)의 기능 구성은 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 컨트롤러(11)의 기능 구성을 예시적으로 도시하는 블록도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(11)는 시선 방향 추정 유닛(51), 이미지 형성 제어 유닛(52), 광원 제어 유닛(53), 광 스캐너 제어 유닛(54), 및 광 편향기 제어 유닛(55)을 포함한다. 전술한 제어 유닛의 기능은, 예를 들어, ROM에 저장된 미리 결정된 프로그램을 실행하는 도 4의 CPU(22)에 의해 그리고 광원 구동 회로(26), 광 스캐너 구동 회로(27), 광 편향기 구동 회로(28)에 의해 구현된다.
시선 방향 추정 유닛(51)은 검출 레이저 광원(7)에 포함된 각 발광 부재의 발광 타이밍과 광 검출 요소(8)에 의해 출력되는 검출 신호(SD)에 기초하여 미리 결정된 9개의 뷰잉 존(즉, x = 9) 중 어느 뷰잉 존에 시선이 존재하는지를 추정한다.
이미지 형성 제어 유닛(52)은 시선 방향 추정 유닛(51)에 의해 추정된 사용자가 시각적으로 인식한 시야를 나타내는 정보 및 이미지 데이터에 기초하여, 형성 구동 신호(SL1), 스캔 구동 신호(SS), 및 편향 구동 신호(ST)를 생성한다. 이미지 형성 제어 유닛(52)은 이미지 레이저 광원(1)에 형성 구동 신호(SL1)를 출력하도록 광원 제어 유닛(53)을, 스캐닝 미러(4)에 스캐닝 구동 신호(SS)를 출력하도록 광 스캐너 제어 유닛(54)을, 그리고 편향 미러(5)에 편향 구동 신호(ST)를 출력하도록 광 편향기 제어 유닛(55)을 제어한다.
예를 들어, 사용자가 시각적으로 인식하는 이미지에 왜곡이 있는 경우, 제어부(11)는 왜곡을 보정할 수 있다. 이미지 형성 제어 유닛(52)은 광원 제어 유닛(53)를 통해 이미지 레이저 광원(1)에 투영 정보를 출력하기 위해 광원에 투영 정보를 출력하는 투영 정보 출력 수단의 일례이다.
투영 광학 요소(6)의 구성
투영 광학 요소(6)의 구성은 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한다. 도 6a 및 도 6b는 투영 광학 요소(6)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 6a는 평면도이고, 도 6b는 투시도다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 투영 광학 요소(6)는 9개의 분할된 홀로그램 영역(H1 내지 H9)를 갖는다(즉, x = 9). 즉, 9개의 분할된 홀로그램 영역은 여러 개의 분할된 투영 영역이다. 각각의 홀로그램 영역(H1 내지 H9)은 미리 결정된 입사 조건 하에서 입사광을 미리 결정된 위치로 반사시켜 그 미리 결정된 위치에서 반사광을 수집하는 투영 가능 영역의 일례이다. 미리 결정된 입사 조건은 홀로그램 영역(H1 내지 H9) 각각마다 정의된 입사광의 위치 및 방향을 포함한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 홀로그램 영역(H1 내지 H9) 각각은 홀로그램 영역(H1 내지 H9)에 대응하는 방출 영역(L1 내지 L9)으로부터 각각 방출된 광을 반사하여 동공(31) 부근의 상이한 9개 위치(즉, x = 9)에 집광시키고, 9개 위치(뷰잉 존(E1 내지 E9))는 각각 홀로그램 영역(및 방출 영역(L1 내지 L9))에 대응한다. 그 결과, 9개의 뷰잉 존(즉, x = 9)(E1 내지 E9)이 제공된다.
방출 영역(L1 내지 L9)은 예를 들어, 스캐닝 미러(4)의 수평면 상에서 서로 다른 위치에 있는 9개의 영역이다. 뷰잉 존(E1 내지 E9)은 예를 들어, 안구(30)의 동공(31) 상의 상이한 위치에 있는 9개의 영역이다. 방출 영역(L1 내지 L9)은 서로 구별할 필요가 없을 경우에는 통칭하여 방출 영역(L)이라 하고, 뷰잉 존(E1 내지 E9)은 서로 구별할 필요가 없을 경우에는 뷰잉 존(E)이라고 통칭한다.
도 6b는 3행 및 3열의 매트릭스로 배열된 방출 영역(L)의 중간 단계의 좌측에 배치된 방출 영역(L4)으로부터 방출된 광이 투영 광학 요소(6)의 홀로그램 영역(H4)에서 반사되어 뷰잉 존(E4)에 수집된다.
투영 광학 요소(6)는 가시광선의 파장 대역보다 훨씬 좁은 파장 대역을 갖는 광은 반사하고 다른 파장 대역을 갖는 광은 투과시킨다. 현실 공간에서 사용자의 안구(30)로 전파되는 광의 대부분은 투영 광학 요소(6)를 통과하여 안구(30)에 입사한다.
투영 광학 요소(6)가 다중 파장을 광을 반사하여 수집하는 경우, 투영 광학 요소(6)는 파장 다중화 홀로그램 필름의 단일 층으로 형성될 수 있다. 또는, 투영 광학 요소(6)는 반사 및 수집될 다중 파장 대역을 포함하는 다중 홀로그램 필름 층을 적층하여 형성될 수 있다.
투영 광학 요소(6)는 9개의 서로 다른 위치에서 이미지 레이저 빔(Li)을 수집하도록 형성된다. 예를 들어, 홀로그램 영역(H1 내지 H9)은 홀로그램 필름의 한 층에 원샷 노광에 의해 형성될 수도 있고, 홀로그램 영역(H1 내지 H9)에 대응하는 9개의 홀로그램 필름을 별개로 형성하여 유리 또는 투명 필름에 접착제로 접착하여 투영 광학 요소(6)를 제조할 수도 있다.
도 6에 도시한 홀로그램 영역(H1 내지 H9)의 패턴은 단순화된 것으로서 실제 패턴과는 차이가 있다.
스캐닝 미러(4)의 동작예
스캐닝 광학 요소(4)의 동작은 도 7a 내지 도 9b를 참조하여 설명한다.
스캐닝 미러(4)의 압전 부재(95a)에 인가되는 구동 전압(A)의 기준 전압이 압전 부재(95b)에 인가되는 구동 전압(B)의 기준 전압과 동일한 경우의 동작을 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한다. 도 7a는 구동 전압의 파형의 타이밍 차트이다. 도 7b는 도 7a의 구동 전압이 인가될 때에 스캐닝 미러(4)의 동작을 도시하는 도면이다.
스캐닝 미러(4)가 이미지 레이저 빔(Li)에 의해 메인 스캐닝 방향(즉, X 방향)으로 스캔할 경우, 컨트롤러(11)로부터의 스캐닝 구동 신호(SS)에 의해 사인파를 갖는 구동 전압이 압전 부재(92c)에 인가된다. 그 결과, 스캐닝 미러(4)는 구동 전압의 주기로 가동 부재(92)를 B축을 중심으로 왕복 진동시킨다. 예를 들어, 구동 전압의 주파수가 토션 바(92b)의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 20 kHz인 경우, 가동부(92)는 토션 바(92b)의 비틀림으로 인한 기계적 공진을 사용하여 20 kHz에서 공진 진동할 수 있다.
구동 전압의 파형은 사인파에 국한되지 않으며, 예를 들어 톱니파일 수도 있다. 톱니파는 사인파를 중첩하여 생성될 수 있다. 톱니파의 정점이 둥근 파형이나 톱니파의 직선 영역이 구부러진 파형을 사용할 수도 있다.
스캐닝 미러(4)가 이미지 레이저 빔(Li)에 의해 서브스캐닝 방향(즉, Y 방향)으로 스캔할 경우, 컨트롤러(11)로부터의 스캐닝 구동 신호(SS)로서 압전 부재(95a)에 인가되는 구동 전압(A)의 파형은, 예를 들면, 톱니파이다. 구동 전압(A)의 주파수는 예를 들어 60 Hz이다.
구동 전압(A)의 파형은 Tr:Tf = 9:1의 미리 설정된 비율을 갖고, 여기서 Tr은 전압 값이 최소값에서 최대값으로 증가하는 상승 기간의 시간 폭이고, Tf는 전압 값이 최대값에서 다음 최소값으로 감소하는 하강 기간의 시간 폭이다. 구동 전압(A)의 최소값은 기준 전압(Va)이다(Va ≥ 0).
압전 부재(95b)에 인가되는 구동 전압(B)의 파형은 구동 전압(A)과 마찬가지로 톱니파이며, 구동 전압(B)의 주파수는 예를 들어 60 Hz이다. 여기서 구동 전압(B)의 최소값은 기준 전압(Vb)으로 설정된다(Vb ≥ 0). 구동 전압(B)의 파형의 Tr 대 Tf의 비율은 미리 설정된다(예를 들어, Tf:Tr = 9:1).
도 7a에 도시한 바와 같이, 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 기준 전압이 서로 같고(즉, Va = Vb), 최대값이 서로 같을 경우, 서브스캐닝 방향으로 스캐닝하기 위한 표준 수직 구동 상태가 설정된다. 전술한 바와 같이, 이미지 형성 구동 신호(SL1)에 기초하여, 스캐닝 미러(4)에 의해 이미지 레이저 빔(Li)으로 메인 스캐닝 방향과 서브스캐닝 방향을 스캐닝하고, 이미지 레이저 빔(Li)과 동기화하여 온오프하는 것에 의해 도 7b에 도시한 바와 같이 이미지가 형성된다.
도 7b에서, 스캐닝 미러(4)는 이미지 레이저 빔(Li)으로 스캔될 표면(73)을 스캔하여 표면(73) 상에 이미지를 형성한다. 스캔된 표면(73)은 여러 개의 투영 가능 영역의 일례이다. 표면(73)은 투영 영역(74) 및 비투영 영역(75)을 포함한다. 투영 영역(74)은 이미지가 투영되는 영역이고, 비투영 영역(75)은 이미지가 투영되지 않는 영역이다. 망막 투영 디스플레이(100)에서, 표면(73)은 투영 광학 요소(6)에 포함된 표면에 대응한다.
컨트롤러(11)는 스캐닝 미러(4)의 편향 방향을 제어함으로써, 투영 가능 영역에 대응하는 표면(73) 상에 투영 영역(74) 및 비투영 영역(75)을 형성한다.
표준 수직 구동 상태의 구동 전압에 의해 이미지가 투영되는 영역이 표준 수직 구동 상태의 투영 영역(74)이라고 한다면, 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 파형을 유지하면서 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 기준 전압 간에 차이를 둠으로써(Va > Vb 또는 Vb > Va) 이미지가 투영되는 영역은 투영 영역(74)에 대해 Y 방향을 따라 수직으로 변위된다.
표준 수직 구동 상태의 구동 전압 패턴은, 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 기준 전압이 서로 같고(즉, Va = Vb) 최대값이 서로 같다면, 도 7a에 도시한 패턴으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 오프셋 전압이 Vo이고(여기서, Vo는 0보다 크고(즉, Vo > 0) Va 및 Vb와 같음(즉, Va = Vb = Vo)), 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 최대값이 서로 같은 구동 전압 패턴을 채택한 경우에도, 도 7B에 도시한 바와 같이 투영 영역(74) 상에 이미지가 투영된다.
스캐닝 미러(4)의 압전 부재(95b)에 인가되는 구동 전압(A)의 기준 전압이 압전 부재(95a)에 인가되는 구동 전압(B)보다 큰 경우(즉, Va > Vb)의 동작을 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한다. 도 8a는 구동 전압의 파형을 도시한 도면이고, 도 8b는 도 8a의 구동 전압에서의 스캐닝 미러(4)의 동작을 도시한 도면이다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 표준 수직 구동 상태에서 도 7a의 구동 전압의 파형을 유지하면서 스캐닝 미러(4)의 압전 부재(95a)에 인가되는 구동 전압(A)의 기준 전압(Va)에 오프셋 전압(Vo)이 인가되며, Va가 Vo와 같고 Vo가 Vb보다 큰 조건(즉, Va = Vo > Vb)이 설정된다. 이 경우, 도 8b에 도시한 바와 같이, 표준 수직 구동 상태의 투영 영역(74)에 대해 +Y 방향으로 변위된 투영 영역(74') 상에 이미지가 투영될 수 있다(도 7b 참조). 이 경우에서 비투영 영역(75')은 표면(73) 상에 이미지가 투영되지 않는 영역이다.
도 9a 및 도 9b는 스캐닝 미러(4)의 압전 부재(95a)에 인가되는 구동 전압(B)의 기준 전압이 압전 부재(95b)에 인가되는 구동 전압(A)보다 큰 경우(즉, Vb > Va)의 동작예를 도 9a 및 도 9b를 참조하여 도시한 도면이다. 도 9a는 구동 전압의 파형을 도시한 도면이고, 도 9b는 도 9a의 구동 전압에서의 스캐닝 미러(4)의 동작을 도시한 도면이다.
도 9a에 도시한 바와 같이, 표준 수직 구동 상태에서 도 7b의 구동 전압의 파형을 유지하면서 스캐닝 미러(4)의 압전 부재(95b)에 인가되는 구동 전압(B)의 기준 전압(Vb)에 오프셋 전압(Vo)이 인가되며, Vb가 Vo와 같고 Vo가 Va보다 큰 조건(즉, Vb = Vo > Va)이 설정된다. 이 경우, 도 9b에 도시한 바와 같이, 표준 수직 구동 상태의 투영 영역(74)에 대해 -Y 방향으로 변위된 투영 영역(74") 상에 이미지가 투영된다(도 7b 참조). 이 경우에서 비투영 영역(75")은 표면(73) 상에 이미지가 투영되지 않는 영역이다.
도 7a 내지 도 9b에 도시한 바와 같이, 이미지의 투영 영역의 위치는 스캐닝 미러(4)에 인가되는 구동 전압(A)과 구동 전압(B)의 조합을 변경하기 위해 구동 전압을 제어함으로써 Y 방향을 따라 3단계에 걸쳐 변경된다. 즉, 스캐닝 미러(4)는 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시킴으로써 이미지의 투영 영역의 위치를 Y 방향을 따라 3단계로 변경한다.
편향 미러(5)의 동작예
편향 미러(5)의 동작예는 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 설명한다. 도 10a는 구동 전압(C)이 구동 전압(D)과 같을 때의 구동 전압의 파형과 편향 미러(5)의 동작을 도시한 도면이다. 도 10b는 구동 전압(C)이 구동 전압(D)보다 클 때의 구동 전압의 파형과 편향 미러(5)의 동작을 도시한 도면이다. 도 10c는 구동 전압(D)이 구동 전압(C)보다 클 때의 구동 전압의 파형과 편향 미러(5)의 동작을 도시한 도면이다.
컨트롤러(11)는 압전 부재(43A)(44A)에 직류 전압인 구동 전압(C)을 인가하고, 압전 부재(43B)(44B)에 구동 전압(C)과 위상이 반대되도록 직류 전압인 구동 전압(D)을 인가한다.
도 10a에 도시한 바와 같이, 인가되는 구동 전압(C)과 구동 전압(D)이 서로 같으면, 편향 미러(5)의 가동부(42)는 X축에 대해 각도 θ(θ ≥0)의 기울기를 유지하면서 정지한다. 여기서, 인가된 구동 전압(C)과 구동 전압(D)이 서로 같은 구동 상태를 표준 수평 구동 상태라고 하고, 표준 수평 구동 상태로 입사한 이미지 레이저 빔(Li)이 반사되는 영역이자 스캔되는 표면(83) 상에서 이미지가 투영되는 영역을 투영 영역(84)이라고 한다. 비투영 영역(85)은 표면(83) 상에서 이미지가 투영되지 않는 영역이다.
여기서, 표면(83)은 여러 개의 투영 가능 영역의 일례이다. 컨트롤러(11)는 편향 미러(5)를 제어함으로써 투영 가능 영역에 대응하는 표면(83) 상에 투영 영역(84) 및 비투영 영역(85)을 형성한다.
도 10b에 도시한 바와 같이, 구동 전압(C)이 구동 전압(D)보다 클 때에 편향 미러(5)의 가동부(42)는 X축에 대해 각도 θL(θL > θ)의 기울기를 유지하면서 정지한다. 따라서, 편향 미러(5)에 입사되는 이미지 레이저 빔(Li)의 반사 방향은 투영 영역(84)에 대해 -X 방향으로 변경된다. 투영 영역(84')은 표면(83)에서 이미지가 투영되는 영역이고, 비투영 영역(85')은 스캔된 표면(83)에서 이미지가 투영되지 않는 영역이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 구동 전압(D)이 구동 전압(C)보다 클 때에 편향 미러(5)의 가동부(42)는 X축에 대해 각도 θR(θR < θ)의 기울기를 유지하면서 고정된 상태를 유지한다. 따라서, 편향 미러(5)에 입사되는 이미지 레이저 빔(Li)의 반사 방향은 투영 영역(84)에 대해 +X 방향으로 변경된다. 투영 영역(84")은 표면(83)에서 이미지가 투영되는 영역이고, 비투영 영역(85")은 스캔된 표면(83)에서 이미지가 투영되지 않는 영역이다.
이렇게 구동 전압(C)와 구동 전압(D) 사이의 크기 관계를 변화시킴으로써, 편향 미러(5)의 가동부(42)의 기울기는 스캐닝 미러(4)와 마찬가지로 3단계로 변화한다. 따라서, 편향 미러(5)에 인가되는 구동 전압을 제어함으로써 이미지의 투영 영역의 위치가 X 방향을 따라 3단계로 변경된다. 즉, 편향 미러(5)는 스캔된 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시킴으로써 이미지의 투영 영역의 위치를 X 방향을 따라 3단계로 변경한다.
망막 투영 디스플레이(100)에 의한 뷰잉 존 전환 동작예
X 방향의 전환 동작
망막 투영 디스플레이(100)에서의 Y 방향의 뷰잉 존의 전환 동작을 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 망막 투영 디스플레이(100)에 의해 수행되는 Y 방향의 뷰잉 존 전환 동작을 도시한 도면이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 이미지 레이저 빔(Li)은 스캐닝 미러(4)에 의해 연속적으로 편향되어 이미지 광(Im)을 형성한다. 이미지 광(Im)은 편향 미러(5)에 의해 편향되어 이미지 광(Im)의 편향 방향을 Y 방향으로 변경하고 이미지 광(Im1), 이미지 광(Im2), 이미지 광(Im3)을 생성한다. 이미지 광(Im1), 이미지 광(Im2), 이미지 광(Im3)은 편향 미러(5)에 의해 편향되어 투영 광학 요소(6)에 투영된다. 여기서, 이미지 광(Im1) 내지 이미지 광(Im3)을 통칭하여 이미지 광(Im)이라고 한다.
이미지 광(Im2)은 도 7에 도시된 표준 수직 구동 상태에서 스캐닝 미러(4)에 의해 형성된다. 이미지 광(Im1)은, 도 8에서 도시한 바와 같이 Va가 Vb보다 큰 조건(즉, Va > Vb)을 만족하는 구동 전압이 인가되었을 때, 스캐닝 미러(4)에 의해 형성된다. 이미지 광(Im3)은, 도 9에서 도시한 바와 같이 Vb가 Va보다 큰 조건(즉, Vb > Va)을 만족하는 구동 전압이 인가되었을 때, 스캐닝 미러(4)에 의해 형성된다.
도 11에 도시한 바와 같이, 편향 미러(5)에 의해 반사된 이미지 광(Im)은 편향 미러(5)의 표준 수평 구동 상태에서 투영 광학 요소(6)의 중심에 Y 방향으로 배치된 3개의 영역 상에 투영된다. 구체적으로, 이미지 광(Im1)은 홀로그램 영역(H2)에 투영되고, 이미지 광(Im2)은 홀로그램 영역(H5)에 투영되고, 이미지 광(Im3)은 홀로그램 영역(H8)에 투영된다.
투영 광학 요소(6)의 홀로그램 영역(H1 내지 H9)은 각 영역 상에 투영된 이미지 광(Im)을 미리 결정된 위치로 반사하여 그 미리 결정된 위치에서 이미지 광을 수집한다. 이미지 광(Im)은 각각 홀로그램 영역(H1 내지 H9)에 대한 입사 조건을 만족하도록 구성된다. 구체적으로, 이미지 광(Im1)은 홀로그램 영역(H2)의 입사 조건을 만족하고, 이미지 광(Im2)은 홀로그램 영역(H5)의 입사 조건을 만족하고, 이미지 광(Im3)은 홀로그램 영역(H8)의 입사 조건을 만족한다.
그 결과, 이미지 광(Im1)은 홀로그램 영역(H2)에서 반사되어 뷰잉 존(E2)에서 수집된다. 이미지 광(Im2)은 홀로그램 영역(H5)에서 반사되어 뷰잉 존(E5)에서 수집된다. 이미지 광(Im3)은 홀로그램 영역(H8)에서 반사되어 뷰잉 존(E8)에서 수집된다.
망막 투영 디스플레이(100)는 사용자가 망막 투영 디스플레이(100)를 착용한 상태에서 전방을 주시할 때, 사용자의 동공(31)에 뷰잉 존(E5)이 포함되도록 형성된다. 사용자는 뷰잉 존(E5)이 제공하는 유한 시야 범위 내에서 이미지를 시각적으로 인식한다.
뷰잉 존(E2)은 사용자가 볼 때 위쪽에 위치하며, 뷰잉 존(E8)은 사용자가 볼 때 아래쪽에 위치한다. 망막 투영 디스플레이(100)는, 사용자가 뷰잉 존(E5)의 유한 시야각을 넘어 시선을 위쪽으로 이동하면 사용자에게 뷰잉 존(E2)에 의한 시야가 제공되고, 사용자가 뷰잉 존(E5)의 유한 시야각을 넘어 시선을 아래쪽으로 이동하면 사용자에게 뷰잉 존(E8)에 의한 시야가 제공되도록, 형성된다.
따라서, 사용자가 뷰잉 존(E5)이 제공하는 유한 시야각을 넘어 시선을 위쪽 또는 아래쪽으로 이동하더라도 사용자는 이미지를 시각적으로 인식할 수 있다. 그 결과, 뷰잉 존이 확대된다. 망막 투영 디스플레이(100)는 스캐닝 미러(4)의 구동 전압을 제어함으로써, Y 방향을 따라 3단계로 뷰잉 존을 변경하고 Y 방향을 따라 뷰잉 존을 확대한다.
X 방향의 전환 동작
망막 투영 디스플레이(100)에서의 X 방향의 뷰잉 존을 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는 망막 투영 디스플레이(100)에서의 X 방향의 뷰잉 존 전환 동작을 도시한 도면이다.
도 12에서, 스캐닝 미러(4)는 표준 수직 구동 상태에서 이미지 레이저 빔(Li)으로 뷰잉 존을 스캐닝하여 이미지 광(Im)을 형성한다. 이미지 광(Im)은 편향 미러(5)의 기울기에 따라 X 방향으로 3단계로 편향되고, 투영 광학 요소(6)의 중심에 X 방향으로 배열된 3개의 영역 상에 투영된다.
도 10a에 도시한 바와 같이, 편향 미러(5)가 표준 수평 구동 상태로 구동될 때, 이미지 광(Im2)은 경사각(θ)으로 편향된다. 도 10b에 도시한 바와 같이, 구동 전압(D)보다 큰 구동 전압(C)이 인가되는 경우(즉, C > D)에 이미지 광(Im4)이 경사각(θL)으로 편향된다. 도 10c에 도시한 바와 같이, 이미지 광(Im5)은 구동 전압(C)보다 큰 구동 전압(D)이 인가되는 경우(즉, D > C)에 경사각(θR)으로 편향된다.
편향 미러(5)의 기울기에 따라, 이미지 광(Im4)이 홀로그램 영역(4) 상에 투영되고, 이미지 광(Im2)이 홀로그램 영역(5) 상에 투영되고, 이미지 광(Im5)이 홀로그램 영역(6) 상에 투영된다. 이미지 광(Im4)은 홀로그램 영역(H4)의 입사 조건을 만족하고, 이미지 광(Im2)은 홀로그램 영역(H5)의 입사 조건을 만족하고, 이미지 광(Im5)은 홀로그램 영역(H6)의 입사 조건을 만족한다.
그 결과, 이미지 광(Im4)은 홀로그램 영역(H4)에서 반사되고 뷰잉 존(E4)에서 수집되며, 이미지 광(Im2)은 홀로그램 영역(H5)에서 반사되고 뷰잉 존(E5)에서 수집되며, 이미지 광(Im5)은 홀로그램 영역(H6)에서 반사되고 뷰잉 존(E6)에서 수집된다.
뷰잉 존(E4)은 사용자가 볼 때 좌측에 위치하며, 뷰잉 존(E6)은 사용자가 볼 때 우측에 위치한다. 망막 투영 디스플레이(100)는, 사용자가 뷰잉 존(E5)의 유한 시야각을 넘어 시선을 좌측으로 이동하면 사용자에게 뷰잉 존(E4)에 의한 시야가 제공되고, 사용자가 뷰잉 존(E5)의 유한 시야각을 넘어 시선을 우측으로 이동하면 사용자에게 뷰잉 존(E6)에 의한 시야가 제공되도록, 형성된다.
따라서, 사용자가 뷰잉 존(E5)이 제공하는 유한 시야각을 넘어 시선을 좌측 또는 우측으로 이동하더라도 사용자는 이미지를 시각적으로 인식할 수 있다. 그 결과, 뷰잉 존이 확대된다. 망막 투영 디스플레이(100)는 편향 미러(5)의 전압을 제어하여 뷰잉 존을 3단계로 변경하고, X 방향을 따라 뷰잉 존을 확대한다.
전술한 바와 같이, 망막 투영 디스플레이(100)에서는 스캐닝 미러(4)의 구동 전압을 제어함으로써 투영 광학 요소(6)에 투영되는 이미지 광(Im)의 편향 방향을 Y 방향으로 3단계로 변경하고, 편향 미러(5)의 구동 전압을 제어함으로써 투영 광학 요소(6)에 투영되는 이미지 광(Im)의 편향 방향을 X 방향으로 3단계로 변경한다.
즉, 스캐닝 미러(4)에 의해 형성된 이미지 광(Im)의 편향 방향은 스캐닝 미러(4)와 편향 미러(5)의 구동 전압 제어의 조합에 의해 9개 방향(즉, x = 3 × 3 = 9)으로 변경된다.
홀로그램 영역(H1 내지 H9) 각각에 투영된 이미지 광(Im)이 각 영역의 입사 조건을 만족하기 때문에, 이미지 광(Im)은 도 6에 도시한 3×3 어레이로 배열된 9개의 뷰잉 존(E1 내지 E9)(즉, x = 9) 상에 포커싱된다.
사용자는 뷰잉 존(E1 내지 E9)이 제공하는 시야에서 어디에서 보든 이미지 광(Im)을 시각적으로 인식하고, 시선 방향을 변경함으로써 뷰잉 존(E1 내지 E9) 중 어느 하나가 제공하는 시야를 선택하여 시각적으로 인식할 수 있다. 투영 광학 요소(6)에는 홀로그램 영역(H1 내지 H9)이 분할되어 제공되기 때문에, 뷰잉 존(E1 내지 E9)에 대한 홀로그램 영역의 집광 특성이 서로 실질적으로 동일하도록 최적화된다. 그 결과, 뷰잉 존(E1 내지 E9) 중 어느 하나가 제공되는 시야에서 균일한 이미지 품질이 제공된다.
망막 투영 디스플레이(100)에서 뷰잉 존(E1 내지 E9) 각각이 제공하는 뷰잉 존의 유한 시야각은 9개(즉, x = 9)의 시야각 모두 동일할 수도 있고, 각 시야마다 상이할 수도 있다. 예를 들어, 유한 시야각은 수평 시야각에 수직 시야각을 곱한 값(즉, (수평 시야각)×(수직 시야각))으로서 13°× 6.5°, 16°× 9°, 또는 20°× 12°이다.
망막 투영 디스플레이(100)의 유리한 효과
망막 투영 디스플레이(100)의 유리한 효과에 대해 설명한다.
최근 가상 현실(VR) 및 증강 현실(AR) 관련 기술 및 제품이 주목받고 있다. 특히, AR 기술은 현실 세계에 대한 시각화의 확대로서 부가가치가 높은 디지털 정보를 제시하는 수단으로 소비자 및 산업 분야에 적용될 것으로 기대되고 있다. 구현을 위해 다양한 업무 환경에서 활용 가능한 글래스형 이미지 디바이스가 제품 개발의 대상이 되고 있다.
사용자는 현실 세계와 이미지(즉, 디지털 이미지)를 동시에 시각적으로 인식하기 때문에 투과형(즉, 시스루) 디스플레이가 주류를 이루고 있다. 예컨대 부분 반사 필름이나 이미지 가이드 구조를 포함하는 접안 광학 시스템을 통해 눈 앞에 가상 이미지를 표시하는 이미지 디스플레이 단말기가 시판되고 있다.
그러나, 가상 이미지를 표시하는 이미지 디스플레이 단말기의 경우 고정된 깊이로 그려진 이미지에 사용자가 초점을 맞추기 때문에, 현실 공간의 물체와 이미지에 동시에 초점을 맞출 수 있는 초점면의 깊이가 제한되어 사용자의 자연스러운 동작이나 작업을 방해하는 문제가 있다.
이에 대해 최근에는 레이저를 사용해 사용자의 망막에 직접 이미지를 그리는 망막 드로잉 방식이 주목받고 있다. 레이저를 사용한 망막 드로잉 방식은 이미지를 동공에 포커싱하고 맥스웰리안 뷰를 사용해 망막 상에 이미지를 투영시킨다.
동공의 중심을 통과한 광이 수정체의 초점 조절에 영향을 받지 않고 망막에 도달하기 때문에 포커스프리 피처(focus-free feature)를 얻을 수 있다. 포커스프리 피처는 사용자의 시력과 무관하다. 다시 말해, 포커스를 외부 세계의 임의의 위치로 조절하더라도 이미지가 선명하게 시각적으로 인식된다.
한편, 망막 드로잉 방식은 이미지가 일단 동공에 포커싱되는 특성으로 인해 뷰잉 존(아이박스)이 상대적으로 좁아지는 단점이 있다. 뷰잉 존(즉, 아이박스)은 이미지 손실 없이 사용자가 시선을 이동할 수 있는 눈 주위의 공간적 영역이다. 뷰잉 존이 좁은 상황에서는 시선이 약간만 변해도 이미지가 사라질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 뷰잉 존 확장 기술이 제안되고 있다(예컨대, 일본 특허 제6769974호). 뷰잉 존 확장 기술에서는 광학 시스템이 사출 동공 선택기와 다중 홀로그램을 포함하고 여러 위치에서 이미지 광이 수집된다. 일본 특허 제6769974호에 개시된 뷰잉 존 확대 기술은 뷰잉 존이 확대된 웨어러블 헤드 마운트 디스플레이를 제공하기 위한 기술 후보이며, 여기서는 뷰잉 존의 복제 또는 전술한 구성을 가진 시선 추적과의 조합을 통해 눈의 움직임에 따라 뷰잉 존이 전환될 수 있다.
그러나 일본 특허 제6769974호에 기재된 뷰잉 존 확장 기술에서는 사용자의 동공과 이미지 광의 수집 위치가 항상 서로 정렬되기 때문에 모든 이미지 광이 동공에 입사하고 전체 표시 내용이 항상 시야에서 보일 수 있다.
레이저 스캐닝을 기반으로 하는 이미지 디스플레이에서는 사용자가 보고자 하는 이미지의 시야각이 커질수록 해상도가 감소한다. 사출 동공 선택기의 배열이 병진 또는 회전에 의해 변경되기 때문에 사출 동공 선택기의 압박을 줄이기가 어렵다. 그 결과, 웨어러블 헤드업 디스플레이 전체 사이즈를 줄일 수 없게 되고, 사용자가 착용하는 디바이스의 디자인이 손상된다.
또한, 뷰잉 존을 전환하여 시선 추적 디스플레이를 수행하는 경우, 병진 및 회전과 같은 배열 변경이 수반되는 특성상 지연이 발생하는 문제가 있다. 전술한 바와 같이 디스플레이 디바이스로서 시각 인식 성능을 향상시키면서 동시에 안경 유형으로서 우수한 디자인 특성을 구현하기 위해서는 여전히 많은 과제가 남아 있다.
이에 비해, 본 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이(100)(즉, 광학 디바이스)는 이미지 레이저 광원(1)(즉, 광원), 이미지 레이저 광원(1)으로부터 방출된 이미지 레이저 빔(Li)을 연속적으로 편향시키는 스캐닝 미러(4), 스캐닝된 이미지 레이저 빔(Li)을 편향시켜 망막(32)(즉, 이미지 형성 대상물)에 이미지 레이저 빔(Li)을 조사하는 편향 미러(5)를 포함한다.
망막 투영 디스플레이(100)는 또한 스캐닝 미러(4)와 망막(32) 사이에 배치되는 투영 광학 요소(6)(즉, 반사기 또는 홀로그램)를 포함한다. 또한, 스캐닝 미러(4) 및 편향 미러(5)를 제어하기 위한 컨트롤러(11)(즉, 제어 수단)가 제공된다.
스캐닝 미러(4)는 이미지 레이저 빔(Li)을 편향 미러(5)의 편향 방향과는 상이한 방향으로 연속적으로 편향시키고, 컨트롤러(11)는 편향 미러(5)의 편향 방향과 스캐닝 미러(4)의 편향 방향을 제어한다.
컨트롤러(11)는 편향 미러(5)의 편향 방향과 스캐닝 미러(4)의 편향 방향을 제어하며, 망막(32) 상에 형성되는 이미지의 뷰잉 존이 확대되고 이미지의 해상도를 높일 수 있도록, 스캐닝된 이미지 레이저 빔(Li)에 의해 형성되는 이미지의 위치를 변경한다.
도 13은 망막 투영 디스플레이(100)의 동작 및 효과를 도시한 도면이다.
도 13에서는 이미지 레이저 빔(Li)이 스캐닝 미러(4)에 의해 연속적으로 편향되어 이미지 광(Im)이 된다. 이미지 광(Im)은 편향 미러(5)에 의해 편향된 다음 투영 광학 요소(6)에 도달한다. 투영 광학 요소(6)에 의해 반사된 이미지 광(Im)은 사용자의 안구(30)의 동공(31) 중심 부근에서 일단 수집된 다음 사용자의 망막(32) 상에 투영된다.
사용자는 망막(32) 상에 투영된 이미지 광(Im)을 시각적으로 인식한다. 현실 공간의 물체(70)로부터 -Z 방향으로 전파되는 광은 가시 파장 대역을 포함한 넓은 파장 대역을 갖는 광이다. 투영 광학 요소(6)는 홀로그램이 가시광선의 파장 대역에 비해 매우 좁은 파장 대역에서 작용하기 때문에 투과율이 우수하다.
현실 공간에서 사용자의 안구(30)를 향해 전파되는 광의 대부분은 투영 광학 요소(6)를 통과한 다음 망막(32)에 도달한다. 따라서, 현실 공간에 있는 물체(70)의 이미지는 충분한 밝기로 시각적으로 인식된다.
전술한 바와 같이, 망막 투영 디스플레이(100)를 착용한 사용자는 현실 공간의 이미지와 물체(70)의 이미지를 평행하게 시각적으로 인식하고, 밝은 상태에서 이미지과 현실 공간의 이미지를 모두 시각적으로 인식한다. 또한, 본 실시형태에서는 맥스웰리안 뷰를 사용하여 사용자의 망막(21) 상에 이미지가 직접 형성되기 때문에, 현실 공간의 임의의 위치에 초점이 맞춰져 있어도 사용자는 이미지를 평행하고 선명하게 시각적으로 인식할 수 있다.
이에 비해, 맥스웰리안 뷰를 사용한 망막 드로잉 방법은 이미지광(Im)이 일단 동공(31)에 포커싱된다는 특성으로 인해 뷰잉 존이 상대적으로 좁은 단점이 있다. 뷰잉 존이 좁은 상황에서는 시선이 약간만 변해도 이미지가 사라질 수 있다.
본 실시형태에서는, 스캐닝 미러(4)의 구동 전압을 제어하여, 투영 광학 요소(6)에 대한 이미지 광(Im)의 Y 방향을 따른 편향 방향을 3단계로 변경하고, 편향 미러(5)의 구동 전압을 제어함으로써, 투영 광학 요소(6)에 대한 이미지 광(Im)의 X 방향을 따른 편향 방향을 3단계로 변경한다.
투영 광학 요소(6)를 향하는 이미지 광(Im)의 편향 방향은 스캐닝 미러(4) 및 편향 미러(5)의 구동 전압 제어의 조합에 의해 9방향으로 변경된다. 사용자는 3×3 어레이로 배열된 9개의 뷰잉 존에 해당하는 9개의 시야를 보게 된다. 사용자는 9개의 시야 중 어느 부분을 보더라도 이미지를 시각적으로 인식할 수 있다. 결과적으로, 망막 드로잉 방식에도 불구하고 이미지가 시각적으로 인식되는 뷰잉 존이 확대된다.
또한, 본 실시형태에서, 제공되는 시선 방향 추정 유닛(51)이 9개의 뷰잉 존 중에서 사용자의 시선 방향을 추정한다. 컨트롤러(11)는 추정된 시야에 이미지가 표시되도록 스캐닝 미러(4)과 편향 미러(5)의 구동 전압을 제어하고, 사용자는 9개의 시야 중 어느 영역을 보더라도 이미지를 시각적으로 인식한다.
사용자는 9개의 시야 중 시선이 향하는 하나의 시야에서 이미지를 볼 수 있다. 그 결과, 9개 시야 내에서 시선이 향하는 위치에 이미지가 표시되고, 시선을 추적하면서 시선 전방에 이미지가 투영된다.
9개의 시야 각각에 투영된 이미지들은 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 예를 들어, 뷰잉 존 전환에 관계없이 이미지가 동일하다고 하면, 이미지가 9개의 시야 내에 있는 한, 시선을 추적하여 항상 동일한 이미지가 표시될 수 있다.
본 발명의 실시형태는 정보가 시선 앞에 표시되기를 원하는 제조업 등의 현장 지원에 유용하며, 일반 소비자가 일상 생활에서 보는 물건의 정보를 확인하는 데 유용하다.
또한, 시야별로 서로 다른 이미지가 표시되는 경우, 예를 들어 시선 앞에 표시될 정보나 데이터를 미리 결정하여 설정함으로써, 설정된 시야에서 시선을 향하게 하여 언제든지 정보를 확인할 수 있다.
즉, 사용자가 비디오를 보고 싶을 때, 사용자의 시청 의도에 따라 달라지는 비디오 경험을 제공할 수 있다. 그러나, 종래 개시된 기술에서 흔히 볼 수 있는 뷰잉 존 복제 기술로는 비디오 경험을 실현할 수 없다. 이에 따라, 사용자가 제조업 종사자이거나 기반 시설 점검 종사자인 경우, 현실 공간에서의 작업에 방해가 되지 않는 설명한 시야를 확보하고, 적절한 타이밍에 시선 이동만으로 작업 지시와 같은 디지털 콘텐츠를 양호하게 시각적으로 인식할 수 있으며, 포커스프리로 시각적 스트레스 없이 작업을 수행할 수 있다. 따라서 작업의 효율성은 그 어느 때보다 높아질 것으로 기대된다.
또한, 본 실시형태에서는 스캐닝 미러(4)에 의해 형성된 이미지의 시야각이 하나의 시야 내에 유지된다. 시야각은 사용자의 시선이 9개의 뷰잉 존 중에 향해 있는 시야 내에서 스캐닝 미러(4)과 편향 미러(5)의 구동 전압을 제어함으로써 전환된다. 해상도는 시야에 따라 변하지 않으며, 하나의 시야 내에서의 스캐닝 해상도가 모든 시야에서 유지된다.
일반적으로 레이저 스캐닝을 기반으로 하는 이미지 디스플레이에서는 사용자에게 표시되기를 원하는 이미지의 시야각이 커질수록 해상도가 감소한다. 그러나, 망막 투영 디스플레이(100)에서는, 디스플레이를 볼 수 있는 영역과 뷰잉 존이 확대되고, 이미지가 투영될 수 있는 뷰잉 존이 해상도의 저하 없이 확대된다.
또한, 본 실시형태에서는, 사이즈가 미세한 MEMS 미러인 스캐닝 미러(4)와 편향 미러(5)의 구동 전압을 제어함으로써 뷰잉 존이 전환되기 때문에, 물리적 조작을 사용한 메커니즘이나 디바이스가 적용되지 않는다. 그 결과 광학 시스템이 단순화되고 망막 투영 디스플레이가 현저하게 소형화된다.
제2 실시형태
제2 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이(100a)를 설명한다. DC 전압을 포함한 구동 전압(C 및 D)이 편향 미러(5)에 차동 신호(즉, 반대 위상 신호)로 병렬로 인가되면, 편향 미러(5)는 편향 미러(5)의 고유 주파수에 따라 진동하고, 망막 투영 디스플레이(100) 상에 표시되는 이미지는 진동이 정지할 때까지 진동할 수 있다. 본 실시형태에서는 이러한 편향 미러(5)의 진동을, 구동 전압을 제어함으로써 감소시킨다.
도 14a는 비교예로서 제2 실시형태를 적용하지 않은 편향 미러(5)의 시간, 전압, 및 편향각의 타이밍 차트이다. 도 14b는 제2 실시형태를 적용한 편향 미러의 시간, 전압, 및 편향각의 타이밍 차트이다.
도 14a에서, 비교예에 따른 구동 전압(C', D')의 인가에 응답하여 가동부(42)의 기울기가 각도(θR)에서 각도(θL)로 변화할 때 감쇠 진동(111)이 발생한다. 감쇠 진동(111)은 시간(t) 후에 수렴되고, 가동부(42)의 편향각는 안정화된다. 시간(t) 동안, 망막 투영 디스플레이(100) 상에 표시되는 이미지는 진동한다.
본 실시형태에서는, 도 14b에 도시한 바와 같이, 제1 구동 전압인 구동 전압(C)의 전압값이 변화하는 타이밍과 제2 구동 전압인 구동 전압(D)의 전압값이 변화하는 타이밍 사이에 미리 결정된 시간차(Δt)가 부여된다. 그 결과, 구동 전압(C)의 변화에 따른 진동과 구동 전압(D)의 변화에 따른 진동이 상쇄된다. 따라서, 가동부(42)의 감쇠 진동이 감소한다. 예를 들어, 편향 미러(5)의 고유 주기의 약 절반에 해당하는 시간이 시간차(Δt)로 주어지면, 바람직하게 진동이 감소한다.
도 14b의 예에서는 구동 전압(C)이 변한 후에 구동 전압(D)이 변하지만, 구동 전압(D)이 변한 후에 구동 전압(C)이 변할 수도 있다. 도 14b에서는 구동 전압의 상승 타이밍에 시간차(Δt)가 부여된다. 하강 타이밍에 시간차(Δt)를 부여하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.
구동 전압(C 및 D)의 파형도 특별히 제한되지 않으며, 도 14b에 도시한 바와 같은 램프 형태 외에 순간적으로 스위칭되거나 지수적으로 변화하는 파형에도 시간차(Δt)를 적용함으로써 유사한 효과를 얻을 수 있다.
그 밖의 기능 및 효과는 제1 실시예에서 설명한 것과 동일하다.
이상, 실시형태에 따른 망막 투영 디스플레이에 대해 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 개량이 가능하다.
전술한 실시형태에서는 광학 디바이스의 일례로서 망막 투영 디스플레이를 설명하였지만, 광학 디바이스는, "사용자"의 머리에 직접 장착되거나 고정부와 같은 부재를 통해 "사용자"의 머리에 간접적으로 장착되는, 헤드 마운트 디스플레이일 수도 있다.
전술한 실시형태들은 설명을 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 따라서 전술한 교시를 고려한 수많은 추가 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 상이한 예시적인 실시형태들의 요소 및/또는 특징은 본 발명의 범위 내에서 서로 결합 및/또는 서로 대체될 수 있다.
전술한 동작들 중 어느 하나는, 예를 들어, 전술한 것과는 상이한 순서로, 다양한 다른 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명은 예를 들어 전용 하드웨어를 사용하거나 전용 하드웨어와 소프트웨어를 혼합하여 임의의 편리한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명은 하나 이상의 네트워크화된 프로세싱 장치에 의해 구현되는 컴퓨터 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 프로세싱 장치에는 범용 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기, WAP(Wireless Application Protocol) 또는 3세대(3G) 호환 이동 전화 등과 같은 임의의 적절하게 프로그래밍된 장치를 포함한다. 본 발명은 소프트웨어로서 구현될 수 있으므로, 본 발명의 모든 측면은 프로그래밍 가능한 디바이스에서 구현 가능한 컴퓨터 소프트웨어를 포함한다. 컴퓨터 소프트웨어는 임의의 기존 캐리어 매체(캐리어 수단)를 사용하여 프로그래밍 가능 디바이스에 제공될 수 있다. 캐리어 매체는 컴퓨터 코드를 운반하는 전기, 광학, 마이크로파, 음향 또는 무선 주파수 신호와 같은 일시적 캐리어 매체를 포함한다. 이러한 일시적 매체의 예로는 인터넷과 같은 IP 네트워크를 통해 컴퓨터 코드를 전달하는 TCP/IP(전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜) 신호가 있다. 캐리어 매체는 또한 플로피 디스크, 하드 디스크, 컴팩트 디스크 리드 온리 메모리(CD-ROM), 자기 테이프 디바이스, 또는 솔리드 스테이트 메모리 디바이스와 같은 프로세서 판독 가능 코드를 저장하기 위한 저장 매체를 포함한다.
설명한 실시형태들의 기능 각각은 하나 이상의 프로세싱 회로 또는 회로부에 의해 구현될 수 있다. 프로세서가 회로부를 포함하는 것처럼 프로세싱 회로부는 프로그래밍된 프로세서를 포함한다. 프로세싱 회로는 또한 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(디지털 신호 프로세서), FPGA(field programmable gate array) 및 언급한 기능을 수행하도록 배열된 기존의 회로 구성요소와 같은 디바이스를 포함한다.
본 특허출원은 일본 특허청에 각각 2021년 3월 22일에 출원한 일본 특허 출원 제2021-0477685호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 전문은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
1 이미지 레이저 광원
2, 3 렌즈
4 스캐닝 미러(광 스캐너)
5 편향 미러(광 편향기)
6 투영 광학 요소(반사기)
7 검출 레이저 광원
8 광 검출 요소
9 편향 요소
10 안경 프레임
101 템플
102 림
103 안경 렌즈
11 컨트롤러
30 안구
31 동공
32 망막(이미지 형성 대상물)
51 시선 검출 추정 유닛
52 이미지 형성 제어 유닛
53 광원 제어 유닛
54 광 스캐너 제어 유닛
55 광 편향기 제어 유닛
73, 83 표면(다중 투영 가능 영역)
74, 84 투영 영역
75, 85 비투영 영역
A, B 구동 전압
SL1 형성 구동 신호
SL2 검출 구동 신호
Dat 이미지 데이터
Li 이미지 레이저 빔
LS 검출 레이저 빔
SS 스캐닝 구동 신호
ST 편향 구동 신호
SD 편향 신호(투영 위치 정보 또는 투영 형성 대상물 위치 정보)
H1 내지 H9 홀로그램 영역
L1 내지 L9 방출 영역
E1 내지 E9 뷰잉 존

Claims (13)

  1. 광학 디바이스에 있어서,
    광을 방출하도록 구성된 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 편향시켜 광 편향기를 통한 상기 광으로 이미지 형성 대상물을 스캔하도록 구성된 광 스캐너;
    상기 광 스캐너로부터 방출된 광을 상기 이미지 형성 대상물에 편향시키도록 구성된 상기 광 편향기;
    상기 광 스캐너와 상기 이미지 형성 대상물 사이의 반사기; 및
    상기 광 스캐너로부터 방출된 광을 편향 방향으로 편향시키도록 상기 광 편향기를 제어하고, 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 광 편향기의 편향 방향과는 상이한 편향 방향으로 편향시키도록 상기 광 스캐너를 제어하도록 구성된 컨트롤러
    를 포함하는, 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는 다중 분할 투영 영역들을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 다중 분할 투영 영역들 중 하나 이상에 광을 방출하기 위하여 상기 광 스캐너의 편향 방향과 상기 광 편향기의 편향 방향을 제어하는, 광학 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반사기는 다중 분할 투영 영역들을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 다중 분할 투영 영역들 상에 투영 영역과 비투영 영역을 형성하기 위하여 상기 광 스캐너의 편향 방향과 상기 광 편향기의 편향 방향을 제어하는, 광학 디바이스.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 다중 분할 투영 영역들 각각에 광 반사-집광 요소를 포함하고, 상기 광 반사-집광 요소는 광을 반사하고 집광하도록 구성되는, 광학 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 반사-집광 요소는 홀로그램인, 광학 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 스캐너는 상기 이미지 형성 대상물 상에 상이한 이미지들을 형성하기 위하여 상기 이미지 형성 대상물을 광으로 스캔하는, 광학 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 투영 위치 정보 및 상기 이미지 형성 대상물의 위치 정보 중 적어도 하나를 상기 컨트롤러에 출력하도록 구성된 투영 위치 출력 수단을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 투영 위치 정보 및 상기 이미지 형성 대상물의 위치 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 광 스캐너의 편향 방향과 상기 광 편향기의 편향 방향을 제어하는, 광학 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원에 투영 정보를 출력하도록 구성된 투영 정보 출력 수단을 더 포함하는, 광학 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 안구의 기울기를 검출하도록 구성된 검출기를 더 포함하고,
    상기 이미지 형성 대상물은 상기 안구의 망막과 동공 중 적어도 하나이며,
    상기 광 스캐너와 상기 광 편향기 중 적어도 하나는 상기 안구의 기울기에 기초하여 광을 편향시키는, 광학 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 광 스캐너와 상기 광 편향기 중 적어도 하나의 편향 방향을 제어하기 위하여 상기 광 스캐너와 상기 광 편향기 중 적어도 하나의 구동 전압을 조정하는, 광학 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 편향기에 제1 구동 전압과 제2 구동 전압이 차동 신호로서 인가되고, 상기 제1 구동 전압의 전압 값이 변하는 타이밍과 상기 제2 구동 신호의 전압 값이 변하는 타이밍 사이에 미리 결정된 시간차가 제공되는, 광학 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 디바이스를 포함하는 망막 투영 디스플레이.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 디바이스를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이.
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