KR20240039963A - 광학 장치 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법 - Google Patents

광학 장치 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 문서는 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 광학 장치, 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법에 대한 것이다.
이에 따른 광학 장치는, 제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자; 상기 제 1 굴절율(n1)과 다른 제 2 굴절율(n2)을 가지는 플레이트; 및 상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되며, 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되는 광학 면을 포함하되, 상기 디스플레이의 출사광은 상기 광학 면의 상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드 구동에 따라 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면을 각각 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

광학 장치 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법 {Optical Device and Virtual Image Display Method Using the Same}
본 문서는 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 광학 장치, 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법에 대한 것이다.
도 1은 일반적으로 사용자가 물체를 인식하는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
공간 상에 어떤 물체(110)가 존재할 때, 그 물체(110)를 구성하는 점들(120)은 빛을 방출한다. 관찰자의 눈(130)은 빛이 발산되는 점들(120)에 초점을 맞추며, 관찰자는 그 위치에 물체(110)가 존재한다고 인식한다.
한편, 3차원 홀로그램 시뮬레이션(3-Dimension Hologram Simulation) 또는 홀로그램 장치의 광학 기술에는 실상 이미지를 광학 소자를 이용하여 부양시킴으로써, 가상 이미지를 생성하는 기술이 사용되며, 이를 업-플로팅 디스플레이(Up-floating Display)로 지칭되기도 한다.
일반적으로 실상 이미지를 부양시키기 위한 광학 소자로, 입사광의 반은 반사 시키고 나머지 반은 투과시키는 하프 미러(half mirror, 빔스플리터)가 이용된다.
도 2는 일반적인 가상 이미지 생성 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 디스플레이(10)의 픽셀(110)에서 출사된 광은 하프 미러(20)에 의해 반사되고, 하프 미러(20)를 기준으로 반사된 광이 진행하는 공간의 반대편 공간에 초점(31)이 형성되어 가상 이미지(30)가 생성된다.
즉, 가상 이미지(30)가 하프 미러(20)의 후방에 위치하고 전방의 사용자는 하프 미러(20)를 통해 가상 이미지(30)를 인식하기 때문에, 이미지의 품질(예를 들어, 콘트라스트, 선명도)이 저하되는 문제가 있다.
한편, 종래의 가상 이미지 생성 장치는 광의 경로 변경을 위해 유리를 사용하며, 구체적으로 수백-수천의 유리 적층/절단을 통해 구현되는 빛의 반사를 사용하여 3차원 공간을 형성하는 것이 일반적이다. 이와 같이 양산성이 떨어지는 입체영상 구현 방식의 문제를 해결하기 위해 IEC (International Electronical Committee) TC 100 WG6 및 WG12에서는 대체 가능한 기술에 대한 표준화가 논의되고 있다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면에서는 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간(즉, 광 진행 경로 상 전방)에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하여, 이미지의 품질 저하를 방지하는 광학 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 유리 적층에 의한 반사 방식이 아니라, 소정 굴절율을 가지는 광학 소자를 이용하여 업-플로팅 이미지를 구현함으로써, 양산성을 향상시키는 광학 장치를 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에서는 상술한 광학 소자와 소정 플레이트의 접촉면에 2 이상의 편광 모드로 구동 가능한 광학 면, 예를 들어 메타표면(Metasurface)를 구현하여, 2 이상의 가상 이미지 평면을 구현하고, 이를 통해 입체감/해상도를 조절 가능한 광학 장치를 제공하고, 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 광학 장치에 있어서, 제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자; 상기 제 1 굴절율(n1)과 다른 제 2 굴절율(n2)을 가지는 플레이트; 및 상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되며, 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되는 광학 면을 포함하되, 상기 디스플레이의 출사광은 상기 광학 면의 상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드 구동에 따라 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면을 각각 형성하는, 광학 장치를 제안한다.
상기 광학 소자는, 상기 플레이트가 형성하는 평면 상의 수평 방향 또는 수직 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 투명 소자들을 포함할 수 있다.
상기 복수의 투명 소자들은 HOE (Hologram Optic Element) 또는 DOE (Diffractive Optical Element) 소재로 구성될 수 있다.
상기 복수의 투명 소자들은 상기 플레이트가 형성하는 평면에 수직하는 방향에 대해 소정 각도의 기울기를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 투명 소자들의 배치 주기는 하나 이상의 주기를 가질 수 있다.
상기 플레이트는 상기 광학 소자를 중심으로 상부에 위치하는 제 1 플레이트 및 하부에 위치하는 제 2 플레이트를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 큰 경우, 상기 광학 면은 상기 제 2 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성되며, 상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 작은 경우, 상기 광학 면은 상기 제 1 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성될 수 있다.
상기 광학 소자는, 상기 제 1 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 또는 수평 방향 중 어느 하나인 제 1 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 제 1 투명 소자들; 및 상기 제 2 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 또는 수평 방향 중 상기 제 1 방향과 다른 어느 하나인 제 2 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 제 2 투명 소자들을 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는, 상기 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 및 수평 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 투명 소자들을 포함하는 하나의 층으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동될 수 있다.
상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작할 수 있으며, 상기 HUD의 디스플레이 모드에 따라 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 상대적 위지를 제어할 수 있다.
또한, 상기 광학 장치가 차량의 HUD의 구성으로서 동작하는 경우, 상기 HUD의 디스플레이 모드는 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 운전자 방향으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 1 디스플레이 모드, 및 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 외측으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 2 디스플레이 모드를 포함할 수 있다.
상기 광학 장치가 형성하는 제 1 평면은 상기 디스플레이가 형성하는 제 2 평면과 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드는 각각 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드일 수 있다.
상기 광학 장치는 거울 소자를 포함하지 않으며, 상기 디스플레이의 출사광을 굴절 또는 전반사 중 하나 이상을 통해 진행 경로를 변경할 수 있다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는, 거울 소자를 포함하지 않는 광학 장치에서 디스플레이의 출사광을 입력 받고; 상기 광학 장치의 광학 소자, 플레이트 및 상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되는 광학 면을 통해 상기 출사광을 굴절 또는 전반사 시켜 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 것을 포함하되, 상기 광학 면은 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되며, 상기 하나 이상의 가상 이미지는 상기 광학 면의 상기 제 1 편광 모드 또는 상기 제 2 편광 모드 구동에 따라 각각 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면에 형성되는, 가상 이미지 형성 방법을 제안한다.
상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어할 수 있다.
상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동될 수 있다.
상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작할 수 있으며, 상기 HUD의 디스플레이 모드에 따라 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 상대적 위지를 제어하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드는 각각 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 굴절 또는 전반사를 이용하여 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간(즉, 광 진행 경로 상 전방)에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하여 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 유리 적층에 의한 반사 방식이 아니라, 소정 굴절율을 가지는 광학 소자를 이용하여 업-플로팅 이미지를 구현함으로써, 광학 장치의 양산성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 상술한 광학 소자와 소정 플레이트의 접촉면에 2 이상의 편광 모드로 구동 가능한 광학 면, 예를 들어 메타표면을 구현하여, 2 이상의 가상 이미지 평면을 구현하고, 이를 통해 입체감/해상도를 조절할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적으로 사용자가 물체를 인식하는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 가상 이미지 생성 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예가 적용될 가상 이미지 생성 장치를 타나낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 비교 예로서, 거울 소자들의 어레이(array)을 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 광의 전반사를 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 입체도, 측면도, 평면도를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 메타표면을 이용하여 입체감/실제감을 증가시키는 광학 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 실시예에 활용되는 메타표면의 가장 간단한 메타표면 단위 구조 중 하나인 단일 나노 막대기(nanorod)를 이용한 메타표면 단위 구조와, 나노 막대기의 배열각에 따라 나타나는 광 투과 위상 지연 현상을 나타낸 모식도이다.
도 14 및 도 15는 2개의 가상 이미지 평면을 구현하기 위한 편광 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 2 이상의 가상 이미지 평면을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 18은 도 17의 실시예에 따른 광학 장치 중 광학 소자의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 무아레 효과를 방지하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 광학 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", [0026] "위(upper)"등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예가 적용될 가상 이미지 생성 장치를 타나낸 개념도이다.
본 실시예의 가상 이미지 생성 장치(200)에서는 디스플레이(220)의 출사광이 광학 장치(210)에 입력되며, 광학 장치(210)에 의해 경로 변경된 광이 가상 이미지(240)의 평면 상에서 포커싱(230)되어 진행될 수 있다. 따라서 가상 이미지(240)의 초점(230)이 광학 장치(210)의 전방에 생성되며, 사용자(250)는 선명한 가상 이미지(230)를 시청할 수 있다.
구체적으로, 가상 이미지 생성 장치(200)는 실제 물체를 대신하여 그 공간 상에 빛을 수렴 시켰다가 발산하게 하는 상황을 가정할 경우, 관찰자의 눈(250)은 수렴/발산 점(230)에 초점을 맞추며, 관찰자는 그 수렴/발산하는 점들(230)의 집합으로 구성되는 어떤 물체(240)가 그 위치에 존재한다고 인식한다.
즉, 어떤 공간 상에 가상 이미지를 만들려면, 광학 장치(210)를 이용하여, 표현하고자 하는 위치(230)에서 빛이 수렴하였다가 발산하게 하면 된다. 이 때, 빛은 수직/수평 방향이 모두 한 점으로 수렴하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 가상 이미지 생성 장치(200)는 디스플레이(220) 및 광학 장치(210)를 포함할 수 있다. 디스플레이(220)는 패널(panel)형태일 수 있다. 디스플레이(220)는 광학 장치(210)와 경사지게 배치될 수 있다. 일 예로, 디스플레이(220)와 광학 장치(210)의 경사 각도는 45도일 수 있다. 이 경우, 디스플레이(220)의 적어도 일부는 광학 장치(210)와 대면할 수 있지만, 상호 평행하게 배치되지 않을 수 있다.
디스플레이(220)는 전자기적 신호를 광 신호로 변환하여 이미지를 생성할 수 있다. 디스플레이(220)의 화면은 무수히 많은 픽셀로 이루어져 있으며, 각각의 픽셀은 RGB(Red, Green, Blue) 서브 픽셀로 이루어질 수 있다. 각각의 픽셀에서 출사되는 RGB광에 의해 실상 이미지가 재생될 수 있다.
도 4는 본 발명의 비교 예로서, 거울 소자들의 어레이(array)을 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (A)에 도시된 실시예에서는 공간 상에 서로 평행한 거울 소자들의 어레이(300)가 위치하며, 그 하단에 디스플레이 패널(310)이 위치한다고 가정하자. 디스플레이 패널(310)의 어떤 한 점에서 방출된 빛들은 각각의 해당 방향에 위치한 거울 소자에 의해 반사될 수 있다.
각각의 디스플레이(310) 출사광들은 거울 소자 어레이(300)의 각 거울 소자의 관점에서 작은 입사각으로 입사한 광은 작은 반사각으로 반사되며, 큰 입사각으로 입사된 광은 큰 반사각으로 반사될 수 있다.
이러한 가정 하에 도 4의 (B)를 참조하면, 디스플레이 패널 표면(310)에서 방출된 각각의 출사광은 거울 소자 어레이(300) 에 의해 공간 상의 한 점(320)에서 모였다가 발산할 수 있다. 디스플레이 패널(310)에 여러 점들로 구성된 어떤 이미지가 표시되어 있을 경우, 각각의 점들에서 방출된 빛은 공간상에서 각각의 대응 위치(320)에서 수렴하였다가 발산한다. 이때, 시청자(350)는 공간상에서 수렴/발산하는 빛을 볼 경우, 시청자(350)는 그 위치에 영상(330)이 존재한다고 인식할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같은 실시예의 거울 소자 어레이(300)는 유전체(Dielectric) 매질 내에 금속막을 삽입함으로써 구현 할 수 있으며, 빛은 ‘금속반사’를 이용하여 반사될 수 있다. 다만, 상술한 바와 같은 금속 반사를 이용하는 경우 양산성이 떨어지는 문제점이 있으며, 이에 따라 본 발명의 바람직한 실시예에서는 금속을 이용한 반사구조 대신에, 고 굴절률 물질 내에서의 빛의 굴절 및/또는 전반사 현상을 이용하여 상술한 바와 같은 동작을 구현하는 것을 제안한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 광의 전반사를 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학 소자는 공기보다 굴절율이 높은 제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자(430)가 삼각 프리즘 형태를 가지고 반복 형성되는 구조를 가지는 것을 가정한다. 이러한 광학 소자들(430)은 HOE (Hologram Optic Element) 또는 DOE (Diffractive Optical Element) 소재로 구성되어 양산성을 향상시킬 수 있다.
제 1 굴절율(n1)은 공기(420)의 굴절율(nair) 또는 이에 대응하는 저굴절율 매질의 굴절율보다 크기 때문에, 경계면(410)에서 광의 전반사가 이루어질 수 있다. 즉, 소정 임계각 이상의 입사각을 가지게 되면, 광은 굴절 없이 모두 반사되어 유실 없이 광의 경로를 변경할 수 있다.
도 6을 참조하면, 광학 소자들(530)의 형상이 삼각 프리즘 형태가 아니라 사각형 형태로 구성되는 예를 도시하고 있다. 도 6의 실시예 역시 광학 소자(530)의 제 1 굴절율(n1)이 공기 또는 이에 대응하는 저굴절율 매질(520)의 굴절율(nair)보다 크기 때문에, 그 사이 경계면(510)에서 광의 전반사가 일어나도록 설정할 수 있으며, 이를 통해 양산성이 높은 광학 장치를 구현할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 입체도, 측면도, 평면도를 도시한 도면이다.
구체적으로, 디스플레이(610)에서 출사되는 광이 본 실시예에 따른 광학 장치(620, 630)에 의해 경로 변경되어, 변경된 경로 상에서 가상 이미지(640)를 형성하기 위해서는 광학 장치(620, 630)가 배치되는 평면 상에서 광의 수직 방향 제어와 수평 방향 제어를 모두 수행하는 것이 바람직하다. 이를 위해 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에 따른 광학 장치는 광의 수직 방향 제어를 위한 제 1 플레이트(620) 및 광의 수평 방향 제어를 위한 제 2 플레이트(630)을 포함하는 것을 제안한다. 제 1 플레이트(620) 및 제 2 플레이트(630) 상에는 도 5 및 도 6과 관련하여 상술한 광학 소자(430, 530)가 반복 배치될 수 있으며, 광학 소자들(430, 530)이 반복 배치되는 패턴이 각각 수평/수직 방향으로 구분될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 8의 (A) 및 (B)는 도 7의 실시예에 따른 광학 장치의 측면도를 나타낸다.
구체적으로, 도 8의 (A)는 제 1 플레이트 내 광학 소자들(620a)이 광의 입사 방향으로 돌출된 삼각 프리즘 형태를 가지는 예를 도시하고 있으며, 도 8읠 (B)는 제 1 플레이트 내 광학 소자들(620b)이 광의 출사 방향으로 돌출된 삼각 프리즘 형태를 가지는 예를 도시하고 있다. 어느 경우이든 광의 전반사를 이용하여 수직 방향 제어를 수행하여 변경된 경로로 진행하는 방향에 가상 이미지(640a, 640b)를 형성할 수 있는 경우, 구체적인 형태에 제한될 필요는 없다.
도 9를 참조하면, 도 9는 도 7의 실시예에 따른 광학 장치의 평면도를 나타낸다.
구체적으로, 디스플레이에 의해 출사되는 광에 의한 실상 이미지 평면(610)은 도 8에서 상술한 바와 같이 제 1 플레이트(620)에 의해 수직 방향 경로 제어가 이루어짐과 동시에 도 9에 도시된 바와 같이 제 2 플레이트(630)에 의해 수평 방향 경로 제어가 이루어질 수 있다. 이는 역시 반복 배치된 광학 소자들에 의한 광의 전반사(650)를 통해 제어될 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11에 도시된 실시예는 상기 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예와 비교하여, 수평 방향/수직 방향 광 경로 제어를 위한 각 플레이트(910, 920) 상에 형성되는 광학 소자들이 삼각 프리즘 형태가 아니라, 사각형 구조를 가지고 돌출된 형상을 가지는 점을 제외하고, 기본적인 동작 원리는 동일하다.
구체적으로, 도 11의 (A)에서는 사각형 구조를 가지며 반복 배치된 광학 소자들(910a)이 광의 입사 방향으로 돌출되는 예를 도시하고 있으며, 도 11의 (B)에서는 사각형 구조를 가지며 반복 배치된 광학 소자들(910b)이 광의 출사 방향으로 돌출되는 예를 도시하고 있다. 어느 경우이든, 광의 변경된 경로 상에서 가상 이미지를 형성할 수 있다면, 광학 소자의 형태 및 돌출 방향에 제한될 필요는 없다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같은 광학 장치를 이용하여 업-플로팅 가상 영상을 구현하되, 2이상의 가상 이미지 평면을 구현하여 입체감/실제감을 증가시키는 광학 장치를 제안하고자 한다. 이를 위해 2 이상의 편광 모드로 구동 가능한 광학 면을 이용하는 것을 제안하며, 바람직하게는 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드로 동작 가능한 메타표면(Metasurface)를 이용하는 것을 제안한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 메타표면을 이용하여 입체감/실제감을 증가시키는 광학 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 12에 도시된 광학 장치는, 제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자(1320) 및 제 1 굴절율(n1)과 다른 제 2 굴절율(n2)을 가지는 플레이트(1330) 사이의 접촉면에, 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되는 광학 면(1340)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 디스플레이(1310)의 출사광은 상기 광학 면(1340)의 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드 구동에 따라 제 1 가상 이미지 평면(1350) 및 제 2 가상 이미지 평면(1360)을 각각 형성하여, 실제감 높은 가상 영상을 구현할 수 있다.
상술한 광학면(1340)은 메타표면으로 형성될 수 있다. 메타표면이라는 단어는 메타물질에서 파생된 것으로, 최근 정밀한 나노 공정 기술을 요구하는 가시광 대역의 메타물질들이 점차 개발되며 언급되기 시작하였다. 메타물질 연구자들의 일각에서는 단위 구조를 3차원적으로 쌓아 만들어지는 메타물질 기술이 가지는 공정의 어려움과 비용적 측면을 고려하고, 굳이 3차원 적층 구조가 아닌 2차원 단일 박막 면을 통해서도 자연계에 존재하지 않는 음굴절 물성 등을 구현해 낼 수 있다는 점에 착안하였고, 이러한 구조물에 메타표면이라는 단어를 사용되기 시작하였다.
메타표면은, 박막 구조를 기반으로 하는 현 공정 방식들에 보다 적합하며, 다양한 물성을 나타내는 물질을 얇은 박막 구조를 통해 구현할 수 있다는 장점을 지닌다. 특히 3차원 메타물질 구조 대비 공정이 용이하여, 각각의 단위 구조 사이에도 구조적 변화를 주는 경우가 많이 있다. 단위 구조의 기본 모양은 유지하면서도, 단위 구조의 회전각이나 구조 간 상대적 위치정보들을 주기 단위로 조절하여 다양한 특이 물성들을 얻어내기도 한다.
도 13은 도 12의 실시예에 활용되는 메타표면의 가장 간단한 메타표면 단위 구조 중 하나인 단일 나노 막대기(nanorod)를 이용한 메타표면 단위 구조와, 나노 막대기의 배열각에 따라 나타나는 광 투과 위상 지연 현상을 나타낸 모식도이다.
일반적으로 나노 막대기 구조는 그 길이나 두께, 나노 막대기를 이루는 물질 등에 따라 고유의 공진 조건을 가진다. 만약 입사광의 파장이 공진 조건과 일치하면, 입사광 편광 성분 중 나노 막대기와 평행한 성분은 나노 막대기 구조에 의해 강하게 산란되며, 산란된 빛의 투과 성분은 그 위상이 지연되게 된다.
입사광 편광 상태가 원편광인 경우, 원편광은 매 위상에 따라 회전하는 전기장 벡터를 가지기 때문에, 나노 막대기의 배열각에 따라 위상 지연이 일어나는 편광 상태가 달라지고, 이는 투과되는 빛 자체의 위상 차이로 나타나게 된다. 다시 말해, 나노 막대기의 배열각 정보가 투과되는 빛의 위상 정보로 일대일 대응되는 메타표면 구조를 설계하는 것이 가능하다.
도 14 및 도 15는 2개의 가상 이미지 평면을 구현하기 위한 편광 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 12와 관련하여 상술한 바와 같이, 2개의 가상 이미지 평면(1350, 1360)을 구현하기 위한 광학면(1340), 예를 들어 상술한 메타표면의 평광 모드로서 TM 모드 및 TE모드가 이용될 수 있다.
TM 모드는 광의 진행 방향으로 전기장 필드가 없는 편광 모드를 의미하며, TE 모드는 광의 진행 방향으로 자기장 필드가 없는 편광 모드를 의미한다. 도 14는 VMMA (Virtual Moving Metalens Array) 상의 TM 모드와 TE 모드의 광 진행을 도시하고 있다. 도 14에 도시된 바와 같이 VMMA 상의 (i, j) 번째 요소 렌즈의 TE 모드에서의 출사광은 TM 모드에서의 출사광과 다르게 진행할 수 있으며, 구체적으로 도 15에 도시된 바와 같이 TM 모드/TE 모드에서의 위상 프로파일, Far-field 강도 분포를 각각 도시하고 있다.
본 실시예에서는 메타표면(1340)의 TM 모드/TE 모드를 이용하여 상술한 바와 같이 제 1 가상 이미지 평면(1350) 및 제 2 가상 이미지 평면(1360)을 형성하여, 입체감을 표현할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 2 이상의 가상 이미지 평면을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16의 (A)와 도 16의 (B)는 상술한 바와 같이 형성되는 2개의 가상 이미지 평면 사이의 거리를 가깝게 또는 멀게 제어하는 개념을 도시하고 있다. TM 모드/TE 모드의 전환을 소정 주파수 (예를 들어, 60 Hz 이상)으로 설정하는 경우, 사람은 24 Hz 이상이면 해당 영상을 동영상으로 인식하는 점에서 2개의 가상 이미지 평면을 동영상처럼 인식할 수 있으며, 2개 이미지 평면의 간격을 조절함으로써 입체감을 제어할 수 있다.
한편, 도 16의 (C)는 2개 가상 이미지 평면을 서로 중첩 시키는 예를 도시하고 있다. 만일, 자동차의 HUD (head-Up Display)와 같이 입체감보다는 이미지의 밝기/해상도가 더 중요한 경우, 2개 가상 이미지 평면을 중첩하여 표현할 수 있으며, 이는 동일한 HUD 예에서도 표시되는 영상의 컨텐츠 및 디스플레이 모드에 따라 다르게 설정될 수 있다.
상술한 설명에서 가상 이미지 평면을 2개로 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 가상 이미지 평면을 2 이상으로 형성하여 입체감/해상도 등을 제어하는 것을 제안한다.
도 17은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이 가상 이미지 평면(1450, 1460)을 형성하기 위해서는 디스플레이의 출사광을 수평방향/수직방향 제어를 모두 수행하는 것이 바람직하며, 이를 위해 본 실시예에서는 하나의 광학 소자 어레이(1410)를 중심으로 2개의 플레이트(1430, 1440)가 광학 조사 어레이(1410)를 둘러쌓은 구조를 이용하는 것을 제안한다.
도 17의 실시예에서, 광학 소자(1410)를 중심으로 상부에 위치하는 플레이트를 제 1 플레이트(1440), 그리고 하부에 위치하는 플레이트를 제 2 플레이트(1430)로 지칭하여 설명한다. 제 1 플레이트(1440) 및 제 2 플레이트(1430) 모두 제 1 굴절율(n1)을 가지는 것을 가정한다.
본 실시예에서, 플레이트들(1430, 1440)의 제 1 굴절율(n1)이 광학 소자(1410)의 굴절율인 제 2 굴절율(n2)보다 큰 경우, 광학 면(1420a)은 제 2 플레이트(1430)와 광학 소자(1410)의 경계면에 형성되는 것을 가정한다. 반대로, 제 1 굴절율(n1)이 제 2 굴절율(n2)보다 작은 경우, 광학 면(1420b)은 제 1 플레이트(1440)와 광학 소자(1410)의 경계면에 형성되는 것을 가정한다.
이와 같이 형성되는 광학 면(1420)의 2 이상의 편광 모드를 통해 도 17에 도시된 바와 같이 2 이상의 가상 이미지 평면(1450, 1460)을 형성하는 것을 제안한다.
도 17에서는 광학 소자(1410)와 플레이트(1430, 1440)의 구체적인 굴절율 예시에 따라 광의 진행 경로를 나타내고 있으나, 이는 예시적인 것이다.
도 18은 도 17의 실시예에 따른 광학 장치 중 광학 소자의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 광학 소자 어레이(1420)는 광의 수직 방향 제어와 수평 방향 제어를 모두 수행하기 위해 도 18에 도시된 바와 같이 가로 패턴/세로 패턴이 적층된 구조를 가지는 것이 바람직하며, 이들은 각각 제 1 플레이트(1440) 및 제 2 플레이트(1430)에 형성될 수 있다.
한편, 광학에 있어서 도 18에 도시된 바와 같은 반복 패턴을 무아레(Moire) 효과를 가져올 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 무아레 효과를 방지하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에서는 디스플레이 해상도, 기울기 변동, 간섭 패턴 주기 변동 중 하나 이상을 통해 무아레 효과를 방지하는 것을 제안한다. 도 19에 도시된 예는 광학 소자 어레이를 구성하는 투명 구조물의 돌출 구조에서 사격형 구조의 기울기를 변동하여 무아레 효과를 방지시키는 예를 도시하고 있다. 구체적으로, 도 19의 (A) 및 (B)에서 투명 구조물 사이의 간격이 하단부는 8 um, 상단부는 12 um로 구성되어 기울기 변화를 부가하는 예를 도시하고 있다. 도 19의 (A)과 (B)는 수직 패턴/수평 패턴에서의 투명 구조물 사이의 간격(주기)을 달리 설정하는 예를 도시하고 있으나, 같은 수직 패턴 또는 수평 패턴 내에서도 주기를 하나 이상으로 설정하여 무아레 효과를 감소시킬 수 있다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 광학 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 18의 실시예에서는 광학 소자 어레이가 수평 방향 어레이/수직 방향 어레이가 각각 형성되어 적층되는 구조를 예를 들어 설명하였으나, 도 20은 이와 달리 바둑판 형태의 광학 소자 어레이에서 수직 방향 광 제어를 수행하는 측면(1810)과 수평 방향 광 제어를 수행하는 측면(1820)을 형성하여, 수평/수직 방향 광 경로 제어를 하나의 어레이 평면을 통해 구현하는 예를 도시하고 있다.
이와 같이 하나의 층으로 광학 소자 어레이 층을 형성하는 경우, 도 21의 (A)에 도시된 바와 같이 플레이트의 하측면으로 광학 소자들이 돌출되는 구조만을 이용할 수도, 플레이트의 상측면으로 광학 소자들이 돌출되는 구조만을 이용할 수도, 양자를 모두 이용할 수도 있다. 물론, 플레이트 역시 2개의 플레이트를 반드시 사용할 필요는 없다.
본 실시예에서는 도 21의 (B)에 도시된 바와 같이 2개의 플레이트 사이에 하나의 광학 소자 층이 형성되는 것을 제안하며, 이를 통해 광학 장치의 두께를 감소시킬 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 가상 이미지 형성 방법은, 상술한 바와 같이 거울 소자를 포함하지 않는 광학 장치를 이용하는 것을 가정한다. 먼저, 광학 장치는 디스플레이의 출사광을 입력 받고(S2010), 광학 장치에 의한 굴절 또는 전반사를 통해 광 경로의 변경을 수행할 수 있다 (S2020). 이때 광학 장치는 상술한 바와 같이, 광학 소자, 플레이트 및 상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되는 광학 면을 통해 출사광을 굴절 또는 전반사 시켜 하나 이상의 가상 이미지를 형성할 수 있다 (S2030).
여기서, 광학면은 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되며, 광학면이 메타표면인 경우 TM 모드/TE 모드로 구동되는 것을 가정한다. 이에 따라, 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면이 형성될 수 있다 (S2030).
2개의 가상 이미지 평면 사이의 간격을 조절하는 경우 사용자에게 느껴지는 입체감을 제어할 수 있다 (S2030-1).
또한, 입체감보다는 해상도/밝기 등이 더 중요한 상황에서는 2개의 가상 이미지 평면을 중첩하여 이를 제어할 수도 있다 (S2030-2).
한편, 2개의 편광 모드의 주파수를 제어하여 사용자가 느끼는 영상의 품질을 제어할 수도 있다 (S2030-3).
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
상술한 실시예들에 따른 광학 장치가 HUD에 적용되는 경우, 기존 HUD와 달리 업-플로팅 디스플레이를 이용하여 보다 실감나는 영상을 구현할 수 있다. 아울러, 도 23에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 차량의 윈드쉴드를 기준으로 가상 이미지가 운전자 방향으로 돌출되는 이미지를 구현하는 제 1 디스플레이 모드(2310) 및 차량의 윈드쉴드를 기준으로 가상 이미지를 외부 방향으로 돌출하여 외부 사용자에게 가상 이미지를 표시할 수 있는 제 2 디스플레이 모드(2320)를 추가적으로 구현할 수 있다. 제 1 디스플레이 모드(2310) 및 제 2 디스플레이 모드(2320)는 선택적으로 표시될 수도, 양자를 동시에 표시할 수도 있다.
이를 위해 도 23에 도시된 바와 같이 하부 디스플레이/영상소스 제공장치로부터의 실상 이미지의 광은 제 1 디스플레이 모드(2310) 구현을 위해 경사진 광학장치부와 제 2 디스플레이 모드(2320) 구현을 위해 경사진 광학장치부를 포함할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 24에 도시된 실시예에서는 도 23의 예와 달리 HUD의 제 1 디스플레이 모드 및 제 2 디스플레이 모드를 구현하기 위해 2개의 경사진 광학 장치부를 이용하는 삼각형 구조가 아니라, 하나의 광학 장치부(2410)만 이용하는 방식을 이용하는 것을 제안한다.
또한, 하나의 광학 장치부(2410)를 이용하면서도, 차량의 윈드쉴드 내측과 외측에 가상 이미지를 형성하는 디스플레이 모드들(상기 제 1 디스플레이 모드 및 제 2 디스플레이 모드)을 구현하기 위해 디스플레이/영상소스제공 장치의 상단(2420a) 또는 광학 장치부(2410)에 접촉하는 면(2420b)에 메타표면을 형성하여, 메타표면(2420a 또는 2420b)의 2가지 편광 모드에 따라 제 1/제 2 디스플레이 모드를 구현할 수 있다.
또한, 메타표면(2420a 또는 2420b)의 편광 모드(예를 들어, TM /TE 모드)에 따라 윈드쉴드의 내측 또는 외측에서 2개의 가상 이미지 평면을 형성할 수 있는 점도 동일하게 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 광학 장치 및 가상 이미지 형성 방식은 업-플로팅 방식의 디스플레이가 이용될 수 있는 HUD 등 다양한 기술분야에 적용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 광학 장치에 있어서,
    제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자;
    상기 제 1 굴절율(n1)과 다른 제 2 굴절율(n2)을 가지는 플레이트; 및
    상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되며, 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되는 광학 면을 포함하되,
    상기 디스플레이의 출사광은 상기 광학 면의 상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드 구동에 따라 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면을 각각 형성하는, 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    상기 플레이트가 형성하는 평면 상의 수평 방향 또는 수직 방향 중 어느 하나 이상의 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 투명 소자들을 포함하는, 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 소자들은 HOE (Hologram Optic Element) 또는 DOE (Diffractive Optical Element) 소재로 구성되는, 광학 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 소자들은 상기 플레이트가 형성하는 평면에 수직하는 방향에 대해 소정 각도의 기울기를 가지도록 형성되는, 광학 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 투명 소자들의 배치 주기는 하나 이상의 주기를 가지는, 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 광학 소자를 중심으로 상부에 위치하는 제 1 플레이트 및 하부에 위치하는 제 2 플레이트를 포함하는, 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 큰 경우, 상기 광학 면은 상기 제 2 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성되며,
    상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 작은 경우, 상기 광학 면은 상기 제 1 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성되는, 광학 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    상기 제 1 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 또는 수평 방향 중 어느 하나인 제 1 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 제 1 투명 소자들; 및
    상기 제 2 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 또는 수평 방향 중 상기 제 1 방향과 다른 어느 하나인 제 2 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 제 2 투명 소자들을 포함하는, 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는,
    상기 플레이트가 형성하는 평면 상의 수직 방향 및 수평 방향으로 반복 배치된 상기 제 1 굴절율(n1)을 가지는 복수의 투명 소자들을 포함하는 하나의 층으로 형성되는, 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어하는, 광학 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어하는, 광학 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동되는, 광학 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,
    상기 HUD의 디스플레이 모드에 따라 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 상대적 위지를 제어하는, 광학 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,
    상기 HUD의 디스플레이 모드는 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 운전자 방향으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 1 디스플레이 모드, 및 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 외측으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 2 디스플레이 모드를 포함하는, 광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치가 형성하는 제 1 평면은 상기 디스플레이가 형성하는 제 2 평면과 경사지게 배치되는, 광학 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함하며,
    상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드는 각각 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드인, 광학 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 거울 소자를 포함하지 않으며, 상기 디스플레이의 출사광을 굴절 또는 전반사 중 하나 이상을 통해 진행 경로를 변경하는, 광학 장치.
  18. 거울 소자를 포함하지 않는 광학 장치에서 디스플레이의 출사광을 입력 받고;
    상기 광학 장치의 광학 소자, 플레이트 및 상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되는 광학 면을 통해 상기 출사광을 굴절 또는 전반사 시켜 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 광학 면은 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되며,
    상기 하나 이상의 가상 이미지는 상기 광학 면의 상기 제 1 편광 모드 또는 상기 제 2 편광 모드 구동에 따라 각각 제 1 가상 이미지 평면 및 제 2 가상 이미지 평면에 형성되는, 가상 이미지 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어하는, 가상 이미지 형성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어하는, 가상 이미지 형성 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동되는, 가상 이미지 형성 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,
    상기 HUD의 디스플레이 모드에 따라 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 상대적 위지를 제어하는 것을 추가적으로 포함하는, 가상 이미지 형성 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,
    상기 HUD의 디스플레이 모드는 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 운전자 방향으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 1 디스플레이 모드, 및 상기 차량의 윈드쉴드를 기준으로 외측으로 돌출된 가상 이미지를 형성하는 제 2 디스플레이 모드를 포함하는, 가상 이미지 형성 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함하며,
    상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드는 각각 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드인, 가상 이미지 형성 방법.
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