KR20190016869A

KR20190016869A - 광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20190016869A
Application number: KR1020170101346A
Authority: KR
Inventors: 이창건; 성기영; 서원택; 이홍석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-19
Also published as: CN109387941B; US10877273B2; EP3451041B1; US20190049732A1; EP3451041A2; EP3451041A3; KR102485447B1; CN109387941A

Abstract

광학 윈도우 시스템은 제1방향을 향하는 제1영상의 광의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고 상기 제2방향으로 입사되는 광에 대해서는 반투명한 경로 전환 부재; 상기 경로 전환 부재에 의해 경로가 변환된 상기 제1영상의 광을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재;를 포함한다. 상기 경로 전환 부재가 점유하는 공간의 상기 제1방향의 길이(W)과 상기 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ(tan^-1(t/W))는 45°보다 작은 값을 가지며, 이에 따라 시스템 두께를 줄이며 넓은 시야각을 가질 수 있다.

Description

광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치{Optical window system and see-through type display apparatus including the same}

본 개시는 광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치

가상 현실 (Virtual reality, VR)을 제공하는 헤드 마운트 디스플레이는 현재 상용화 단계에 이르러 엔터테인먼트 산업에 널리 적용되고 있는 추세이다. 이와 더불어 의료, 교육, 산업 분야에서 응용이 가능한 형태로 발전하고 있다.

가상 현실 디스플레이의 발전된 형태인 증강 현실(Augmented reality, AR) 디스플레이는 현실 세계와 가상 현실을 결합해주는 영상 장치로 현실과 가상 사이의 상호 작용을 이끌어 낼 수 있는 특징을 가진다. 현실과 가상 현실의 상호 작용은 현실 상황에 대하여 실시간으로 정보를 제공하는 기능을 기반으로 하며, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킨다. 따라서, 산업에서의 기능 보조, 현실감 넘치는 엔터테인먼트 시스템, 교육 및 의료 보조 도구 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 응용을 위해서는 장치의 신뢰성과 장시간 착용성을 확보하는 것이 중요한 요소가 된다.

본 개시는 광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치를 제공한다.

일 유형에 따르면, 제1방향을 향하는 제1영상의 광의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고 상기 제2방향으로 입사되는 광에 대해서는 반투명한 경로 전환 부재; 상기 경로 전환 부재에 의해 경로가 변환된 상기 제1영상의 광을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재;를 포함하며, 상기 경로 전환 부재가 점유하는 공간의 상기 제1방향의 길이(W)과 상기 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족하는 광학 윈도우 시스템이 제공된다.

θ = tan^-1(t/W) < 45°

상기 각도 θ는 다음 조건을 만족할 수 있다.

5°≤ θ ≤ 30°

상기 포커싱 부재는 반투명 오목 거울일 수 있고, 상기 경로 변환 부재가 상기 반투명 오목 거울과 관찰자 사이에 배치될 수 있다.

상기 경로 전환 부재는 상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 제1 홀로그램 광학 소자일 수 있다.

광학 윈도우 시스템은 상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되고, 상기 제2방향으로 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 제2 홀로그램 광학 소자;를 더 포함할 수 있다.

상기 경로 전환 부재는 상기 제1방향과 상기 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 상기 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함하는 쐐기형 프리즘일 수 있다.

상기 포커싱 부재는 제1편광의 광에 대해서는 렌즈로 작용하고 상기 제1편광과 수직인 제2편광의 광에 대해서는 실질적으로 굴절력이 없는 편광 선택 렌즈일 수 있고, 상기 편광 선택 렌즈는 상기 경로 변환 부재와 관찰자 사이에 배치될 수 있다.

상기 경로 전환 부재는 상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 홀로그램 광학 소자일 수 있다.

광학 윈도우 시스템은 상기 홀로그램 광학 소자가 상기 편광 선택 렌즈와 마주하는 면의 이면 쪽에 배치되고 편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자를 더 포함할 수 있다.

광학 윈도우 시스템은 상기 쐐기형 프리즘이 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면과 마주하는 다른 면 쪽에 배치되고 편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 유형에 따르면, 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부; 상기 제1영상의 광의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고 상기 제2방향을 향하는 실사(real environment) 영상에 대해서는 반투명한, 경로 전환 부재; 상기 경로 전환 부재에 의해 경로가 변환된 상기 제1영상의 광을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재;를 포함하며, 상기 경로 전환 부재가 점유하는 공간의 상기 제1방향의 길이(W)와 상기 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족하는, 투시형 디스플레이 장치가 제공된다.

θ = tan^-1(t/W) < 45°

상기 각도 θ는 다음 조건을 만족할 수 있다.

5°≤ θ ≤ 30°

상기 포커싱 부재는 반투명 오목 거울일 수 있고, 상기 경로 변환 부재는 상기 반투명 오목 거울과 관찰자 사이에 배치될 수 있다.

상기 경로 전환 부재는 상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향을 따라 상기 반투명 오목 거울 쪽으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 제1 홀로그램 광학 소자일 수 있다.

상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되어, 상기 경로 전환 부재로부터 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 제2 홀로그램 광학 소자;를 더 포함할 수 있다.

상기 쐐기형 프리즘은 상기 복수의 쐐기면을 가지며, 상기 복수의 쐐기면은 미러 코팅된, 제1 프리즘; 및 상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면을 공유하는 제2프리즘;을 포함할 수 있다.

상기 쐐기형 프리즘은 상기 복수의 쐐기면을 가지는 제1프리즘; 상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면과 나란한 복수의 전반사면을 가지며, 상기 제1프리즘과 소정의 에어갭(air gap)을 두고 이격된 제2프리즘;을 포함할 수 있다.

상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되고, 상기 경로 전환 부재로부터 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 홀로그램 광학 소자;를 더 포함할 수 있다.

상기 편광 선택 렌즈는 상기 제1편광의 광에 대한 굴절률과 상기 제2편광의 광에 대한 굴절률이 서로 다른 광학적 이방성 물질부; 상기 이방성 물질부의 상기 제2편광의 광에 대한 굴절률과 같은 굴절률을 가지는 광학적 등방성 물질부;를 포함할 수 있고, 상기 광학적 이방성 물질부와 상기 광학적 등방성 물질부의 경계면이 렌즈면이 될 수 있다.

상기 편광 선택 렌즈는 서브 파장 형상 치수를 가지는 나노 구조물들을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다.

상기 편광 선택 렌즈는 기하 위상 렌즈일 수 있다.

상기 경로 전환 부재는 상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향을 따라 상기 편광 선택 렌즈 쪽을 향하게 홀로그램 패턴이 형성된 홀로그램 광학 소자일 수 있다.

상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 홀로그램 광학 소자가 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면의 이면 쪽에 배치되고 편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자를 더 포함할 수 있다.

또는, 상기 쐐기형 프리즘은 상기 복수의 쐐기면을 가지는 제1프리즘; 상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면과 나란한 복수의 전반사면을 가지며, 상기 제1프리즘과 소정의 에어갭(air gap)을 두고 이격된 제2프리즘;을 포함할 수 있다.

상기 투시형 디스플레이 장치는 상기 쐐기형 프리즘이 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면의 이면 쪽에 배치되고 편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자를 더 포함할 수 있다.

상기 투시형 디스플레이 장치는 헤드 마운트 디스플레이(head mount display)일 수 있다.

상술한 광학 윈도우 시스템은 가능한 얇은 두께로 가능한 넓은 시야각을 제공할 수 있다.

상술한 광학 윈도우 시스템은 일부 경로의 영상에 대해서는 경로를 변환시키고 다른 경로의 영상은 그대로 통과시킬 수 있어, 다양한 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.

상술한 광학 윈도우 시스템을 채용한 투시형 디스플레이 장치는 얇은 두께를 가지며 넓은 시야각을 제공할 수 있다. 따라서, 착용성이 좋은 웨어러블 기기로 적용될 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 광학 윈도우 시스템의 구성을 개략적으로 설명하는 개념도이다.
도 2a는 도 1의 광학 윈도우 시스템에 채용되는 경로 전환 부재가 차지하는 공간 크기 및 시야각에 대해 설명하는 개념도이다.
도 2b는 비교예에 따른 경로 전환 부재가 차지하는 공간 크기 및 시야각을 보인다.
도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 4는 도 3의 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 제1 홀로그램 광학 소자를 형성하는 방법을 설명하는 개념도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 6은 도 5의 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 제2 홀로그램 광학 소자를 형성하는 방법을 설명하는 개념도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 8은 도 7의 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 쐐기형 프리즘의 상세한 형상을 보이는 부분 확대도이다.
도 9는 도 7의 투시형 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 다른 예의 쐐기형 프리즘의 상세한 형상을 보이는 부분 확대도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 12는 도 11의 투시형 디스플레이 장치에 채용되는 편광 선택 렌즈의 상세한 구성을 보이는 도면이다.
도 13은 도 11의 투시형 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 다른 예의 편광 선택 렌즈를 보인다.
도 14a 및 도 14b는 투시형 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 다른 예의 편광 선택 렌즈에 대한 단면도 및 평면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 실시예에 따른 광학 윈도우 시스템의 구성을 개략적으로 설명하는 개념도이다. 도 2a는 도 1의 광학 윈도우 시스템에 채용되는 경로 전환 부재가 차지하는 공간 크기 및 시야각에 대해 설명하는 개념도이고, 도 2b는 비교예에 따른 경로 전환 부재가 차지하는 공간 크기 및 시야각을 보인다.

도 1을 참조하면, 광학 윈도우 시스템(OW)은 제1영상을 경로를 바꾸어 관찰자에게 전달하고, 또한, 관찰자 전방의 환경, 예를 들어, 실사(real environment) 또는 다른 영상을 볼 수 있도록 구성된다. 이하에서는 관찰자 전방의 환경을 통칭하여 실사(real environment)(RE)로 표시하기로 한다. 이를 위하여, 광학 윈도우 시스템(OW)은 제1방향을 향하는 제1영상의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고, 제2방향으로 입사되는 광에 대해서는 반투명한 경로 전환 부재(PE)와, 경로 전환 부재(PE)에 의해 경로가 변환된 제1영상을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재(FE)를 포함한다. 이에 따라, 관찰자 위치에 제1영상의 광(L₁)과 관찰자의 전방으로부터 입사되는 광(L₂), 즉, 실사(RE)로부터의 광(L₂)이 모두 도달할 수 있다. 제1방향은 예를 들어, X 방향일 수 있다. 포커싱 부재(FE)의 위치는 관찰자와 경로 전환 부재(PE) 사이에 배치된 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 경로 전환 부재(PE)가 관찰자와 포커싱 부재(FE) 사이에 배치될 수도 있다. 즉, 제2방향은 Y축과 나란한 방향으로, +Y 방향 또는 -Y 방향이 될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 경로 전환 부재(PE)가 점유하는 공간(SP)의 제1방향의 길이(W)과 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족한다.

θ = tan^-1(t/W) < 45° (1)

이러한 조건은 시야각을 가능한 크게 하면서도, 두께를 가능한 줄이기 위해 제시된다.

도 2a에서 경로 전환 부재(PE)의 배치에 필요한 공간(SP)만을 도시하고 있으며, 경로 전환 부재(PE)는 도시되지 않는다. 상기 공간(SP)에 다양한 형상의 경로 전환 부재(PE)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 경로 전환 부재(PE)는 상기 공간(SP)과 동일한 직사각형 단면 형상을 가지거나, 또는 대각선 방향으로 분할된 삼각형 단면 형상을 가지거나, 또는 대각선 방향으로 연장된 사각형 단면 형상을 가질 수 있다. 경로 전환 부재(PE)는 제1영상을 X 방향으로 확대(expand)하는 역할을 하며, 즉, 공간(SP)의 제1방향의 길이(W)가 커질수록 관찰자 위치에서의 시야각은 커진다. 또한, 이에 따라 제2방향의 길이(t)는 작아지게 된다. 제2방향의 길이(t)는 광학 윈도우 시스템(OW)의 두께와 밀접하게 관련된다. 광학 윈도우 시스템(OW)은 관찰자의 눈에 인접하게 위치하며, 예를 들어, 안경 형태로 착용된다고 할 때, 이의 두께가 두꺼울수록 착용 편의성은 낮아진다.

θ가 작을수록 시야각은 커지고, 두께는 얇아지지만, 경로 전환 부재(PE)가 제1영상의 경로를 변환하는 역할을 해야 하는 점에서, θ를 0으로 하는 것은 실질적으로 가능하지 않다.

실시예들에서는 θ를 가능한 작게 하여 시야각을 넓히고 시스템 두께를 작게 할 수 있도록 식 (1)의 조건을 제시하고 있으며, θ는 다음과 같은 조건을 만족할 수 있다.

5°≤ θ ≤ 30° (2)

도 2b를 참조하면, 제1영상의 경로를 제2방향으로 바꾸고 제2방향의 광에 대해서는 반투명한 부재로서, 제1방향에 대해 45°로 기울어지게 배치된 반거울(half mirror)을 예시적으로 보인다.

이와 같이 배치된 반거울(HM)이 점유하는 공간(SP)은 제1방향의 길이, W와 제2방향의 길이 t가 동일하며, 실시예의 경우보다 작은 시야각을 제공하고 또한 시스템의 두께도 실시예의 경우보다 크게 된다.

이하, 이와 같이 넓은 시야각을 가지며 시스템 두께를 줄일 수 있는 다양한 형태의 광학 윈도우 시스템들을 살펴보기로 한다. 실시예에 따른 광학 윈도우 시스템들은 투시형 디스플레이 장치(see-through type display apparatus)에 채용될 수 있으므로, 이하에서는 이의 구성요소로서 설명할 것이나, 광학 윈도우 시스템이 이러한 적용에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(1000)의 광학적 배치를 보이는 도면이고, 도 4는 도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)에 채용되는 제1 홀로그램 광학 소자(120)를 형성하는 방법을 설명하는 개념도이다.

디스플레이 장치(1000)는 제1방향을 향하는 제1영상의 광(L₁)을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)을 경로를 바꾸어 관찰자에게 전달하는 광학 윈도우 시스템(101)을 포함한다. 광학 윈도우 시스템(101)은 또한, 관찰자 전방으로부터 입사되는 광에 대해 반투명하여, 관찰자 전방의 실사(real environment)(RE)가 제1영상과 함께 관찰자의 시야에 전달되게 한다.

영상 형성부(DS)에서 형성하는 제1영상은 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있고, 3차원 영상은 홀로그램(hologram) 영상, 스테레오(stereo) 영상, 라이트 필드(light field) 영상, IP(integral photography) 영상 등일 수 있고 또한, 멀티 뷰(multi-view) 혹은 슈퍼 멀티뷰(super multi-view) 방식의 영상을 포함할 수 있다.

영상 형성부(DS)의 예시적인 구성을 살펴보기로 한다. 이하에서 설명되는 영상 형성부(DS)의 구성은 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다.

영상 형성부(DS)는 광원(10)과, 광원(10)에서의 광을 영상 정보에 따라 변조하여 영상을 형성하는 디스플레이 소자(20)와 영상을 확대 또는 축소하여 소정 위치로 전달하는 광학계를 포함한다.

디스플레이 소자(20)는 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자, OLED(organic light emitting diode) 디스플레이 소자, DMD(digital micromirror device)를 포함할 수 있고, 또한, Micro LED, QD(quantum dot) LED 등의 차세대 디스플레이 소자를 포함할 수 있다.

광원(10)과 디스플레이 소자(20) 사이에는 빔 스플리터(30)가 마련될 수 있다. 빔 스플리터(30)는 광원(10)에서의 광이 경로를 바꾸도록 반사시켜 디스플레이 소자(20)에 입사되게 하고, 디스플레이 소자(20)에서 변조된 광을 투과시킬 수 있다.

빔 스플리터(30)를 투과한 광은 릴레이 광학계로 전달될 수 있다. 릴레이 광학계는 한 쌍의 릴레이 렌즈(40)와 공간 필터(spatial filter)(50)를 포함할 수 있다.

릴레이 렌즈(40)를 두 렌즈(42)(44)를 포함하며, 두 렌즈(42)(44)의 초점 거리는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 두 초점 거리의 비율에 따라, 디스플레이 소자(20)에서 형성된 영상이 확대 또는 축소될 수 있다.

공간 필터(50)는 릴레이 렌즈(40)를 구성하는 두 렌즈의 초점면(focal plane) 또는 그 근방에 위치할 수 있다. 공간 필터(50)는 핀홀(pinhole)과 같은 소정의 개구(aperture)를 가질 수 있다. 공간 필터(50)는 렌즈(42)를 통과한 광 중 노이즈(noise)를 제거하는 역할을 할 수 있다.

릴레이 광학계를 지난 광은 제1 실린더 렌즈(62), 제2 실린더 렌즈(64)를 지나며 Y 방향, Z방향으로 확대된다. 제1 실린더 렌즈(62)와 제2 실린더 렌즈(64) 사이에 미러 부재(70)가 배치된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며 미러 부재(70)의 위치와 제1 실린더 렌즈(62)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.

광학 윈도우 시스템(101)은 영상 형성부(DS)에서 형성된 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 제2방향(Y축과 나란한 방향)을 향하게 하고 제2방향(Y축과 나란한 방향)을 따라 진행하는 실사(real environment)(RE)에 대한 광(L₂)에 대해서는 반투명한, 제1 홀로그램 광학 소자(120)와, 제1 홀로그램 광학 소자(120)에 의해 경로가 변환된 제1영상을 관찰자 위치에 포커싱하는 반투명 오목 거울(140)을 포함한다. 영상 형성부(DS)에서 형성된 영상은 제1 홀로그램 광학 소자(120)에서 반투명 오목 거울(140)를 향한 후 반투명 오목 거울(140)에서 반사되며 관찰자 위치에 포커싱될 수 있다.

제1 홀로그램 광학 소자(120)가 점유하는 공간의 제1방향의 길이(W)와 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족한다.

θ = tan^-1(t/W) < 45°

각도 θ는 다음 조건을 만족할 수 있다.

5°≤ θ ≤ 30°

제1 홀로그램 광학 소자(120)는 관찰자와 반투명 오목 거울(140) 사이에 배치될 수 있다. 제1 홀로그램 광학 소자(120)는 제1방향으로 입사된 광이 제2방향을 따라 반투명 오목 거울(140) 쪽으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴을 구비한다. 홀로그램 패턴은 간섭성이 있는 두 빔, 예를 들어, 신호빔과 참조빔의 간섭(interference)에 의해 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 홀로그램 매질(120')을 제1방향, 즉, X축과 θ의 각도로 배치하고, 참조빔(L_R)으로 제1방향, 즉, X축 방향의 광, 신호빔(L_S)으로 제2방향, 즉, Y축 방향의 광을 조사한다. 홀로그램 매질(120')은 빛에 예민한 감광성 매질로서 포토리지스트(photoresist), 포토폴리머(photopolymer)와 같은 재료로 형성될 수 있다. 참조빔(L_R), 신호빔(L_S)으로는 간섭성이 좋은 레이저 빔이 사용될 수 있다. 홀로그램 매질(120')에 도시된 방향으로 입사된 신호빔(L_S)과 참조빔(L_R)의 광학적 간섭 무늬가 홀로그램 매질(120')에 형성되어, 도 3의 제1 홀로그램 광학 소자(120)가 형성될 수 있다.

제1 홀로그램 소자(120)에 제1방향을 향하는 제1영상의 광이 입사하면, 상술한 간섭 패턴에 의해, 제1영상의 광은 반투명 오목 거울(140)을 향하게 된다. 반투명 오목 거울(140)은 입사된 광을 관찰자의 위치에 포커싱한다. 제1 홀로그램 광학 소자(120)는 제1방향의 광에 대해서만 상기한 경로 변경의 작용을 하며, 나머지 방향의 광에 대해서는 실질적으로 반투명하여, 즉, 관찰자 전방의 실사(RE)에 대한 광은 경로 변경없이 진행된다. 따라서, 제1영상과 관찰자 전방의 실사(RE)가 관찰자에게 함께 인지될 수 있다.

도 5는 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(2000)의 광학적 배치를 보이는 도면이고, 도 6은 도 5의 투시형 디스플레이 장치(2000)에 채용되는 제2 홀로그램 광학 소자를 형성하는 방법을 설명하는 개념도이다.

투시형 디스플레이 장치(2000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(102)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(2000)의 광학 윈도우 시스템(102)은 제2 홀로그램 광학 소자(130)를 더 포함하는 점에서, 도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있다.

투시형 디스플레이 장치(2000)의 광학 윈도우 시스템(102)에는 제1 홀로그램 광학 소자(120)와 반투명 오목 거울(140) 사이에 제2 홀로그램 광학 소자(130)가 더 구비되어 있다.

제2 홀로그램 광학 소자(130)는 제1 홀로그램 광학 소자(120)에 의해 경로가 변경되어 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 반투명 오목 거울(140)을 향하게 하는 홀로그램 패턴을 구비한다. 홀로그램 패턴은 간섭성이 있는 두 빔, 예를 들어, 신호빔과 참조빔의 간섭(interference)에 의해 형성될 수 있다.

도 6을 참조하면, 홀로그램 매질(130')을 제1방향과 나란하게 배치하고, 참조빔(L_R)으로 제2방향의 광, 신호빔(L_S)으로 제2방향에 대해 소정 각도로 산란되는 방향의 광을 조사한다. 제2방향에 대해 소정 각도로 산란되는 방향의 광을 형성하기 위해, 산란판(SP)을 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 렌즈 어레이가 사용될 수도 있다. 홀로그램 매질(130')은 빛에 예민한 감광성 매질로서 포토리지스트(photoresist), 포토폴리머(photopolymer)와 같은 재료로 형성될 수 있다. 참조빔(L_R), 신호빔(L_S)으로는 간섭성이 좋은 레이저 빔이 사용될 수 있다. 홀로그램 매질(130')에 도시된 방향으로 입사된 신호빔(L_S)과 참조빔(L_R)의 광학적 간섭 무늬가 홀로그램 매질(130')에 형성되어, 도 5의 제2 홀로그램 광학 소자(130)가 형성될 수 있다.

제2 홀로그램 소자(130)에 제2방향을 향하는 제1영상의 광이 입사하면, 상술한 간섭 패턴에 의해, 제2영상의 광이 소정 각도로 확산되며 반투명 오목 거울(140)을 향하게 된다. 반투명 오목 거울은 입사된 광을 관찰자의 위치에 포커싱한다. 이 때 포커싱되는 위치는 도면에 표시한 바와 같이 소정 크기의 영역이 된다. 즉, 광학 윈도우 시스템(102)의 크기는 유지하면서, 영상이 관찰 가능한 영역(eyebox)이 넓어지는 효과가 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(3000)의 광학적 배치를 보이는 도면이고, 도 8은 도 7의 투시형 디스플레이 장치(3000)에 채용되는 쐐기형 프리즘(170)의 상세한 형상을 보이는 부분 확대도이다.

투시형 디스플레이 장치(3000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(103)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(3000)의 광학 윈도우 시스템(103)은 경로 변환 부재로 쐐기형 프리즘(170)을 채용하는 점에서 도 3의 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있다.

도 8을 참조하면, 쐐기형 프리즘(170)은 제1방향과 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함한다. 각각의 쐐기면(WF)은 제1방향에 대해 45°로 기울어져 있어 입사광의 방향을 입사 방향과 90°의 방향으로 바꿀 수 있으면서도, 복수의 쐐기면(WF)은 제1방향을 따라서 볼 때 일부가 중첩되는 배치가 되기 때문에, 시스템의 두께를 가능한 줄일 수 있다. 즉, 쐐기형 프리즘(170)이 점유하는 공간의 제1방향의 폭과 제2방향의 길이는 원하는 θ를 구현하도록 정할 수 있다.

도 8에 도시된 것과 같이, 쐐기형 프리즘(170)은 복수의 쐐기면(WF)을 가지며 복수의 쐐기면(WF)상에 형성된 미러 코팅막(MC)을 포함하는 제1프리즘(175), 제1프리즘(175)과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 미러 코팅막(MC)을 포함하는 복수의 쐐기면(WF)을 공유하는 제2프리즘(178)을 포함한다. 제1프리즘(175), 제2프리즘(178)은 같은 굴절률의 물질로 형성되므로, 미러 코팅막(MC)이 형성되지 않은 부분은 실질적으로 광학적 경계가 없어 쐐기형 프리즘(170)은 반투명한 성질을 가질 수 있다.

도 8의 쐐기형 프리즘(170)은 제2프리즘(178)과 같은 구조물을 채용하는 대신, 제1프리즘(175)과 같은 굴절률을 가지는 굴절률 정합 오일이 담긴 구조물 안에 제1프리즘(175)을 배치시키는 형태로 변형되어 구현될 수도 있다.

도 9는 도 7의 투시형 디스플레이 장치(3000)에 채용될 수 있는 다른 예의 쐐기형 프리즘(171)의 상세한 형상을 보이는 부분 확대도이다.

도 9를 참조하면, 쐐기형 프리즘(171)은 복수의 쐐기면(WF)을 가지는 제1프리즘(175), 제1프리즘(175)과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 복수의 쐐기면(WF)과 나란한 복수의 전반사(TR)면을 가지며, 제1프리즘(175)과 소정의 에어갭(air gap)(G)을 두고 이격된 제2프리즘(179)을 포함한다.

제1프리즘(175)과 제2프리즘(179)의 이격 배치에 의해, 제1방향을 향하는 제1영상의 광(L₁)은 전반사면(TR)에서 전반사되어 제2방향을 향할 수 있다. 또한, 제1프리즘(175)과 제2프리즘(179)은 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 제1프리즘(175)의 쐐기면(WF)과 제2프리즘(179)의 전반사면(TR)이 서로 나란하기 때문에, 에어갭(G)를 충분히 작게 함으로써, 쐐기형 프리즘(171)이 반투명한 성질을 가질 수 있다.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(4000)의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

투시형 디스플레이 장치(4000)의 광학 윈도우 시스템(104)은 홀로그램 광학 소자(131)를 더 포함하는 점에서 도 7의 투시형 디스플레이 장치(3000)와 차이가 있다.

투시형 디스플레이 장치(4000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(104)을 포함한다.

광학 윈도우 시스템(104)은 쐐기형 프리즘(170)과 반투명 오목 거울(140)과 홀로그램 광학 소자(131)를 포함한다. 홀로그램 광학 소자(131)는 쐐기형 프리즘(170)과 반투명 오목 거울(140) 사이에 배치된다. 홀로그램 광학 소자(131)는 쐐기형 프리즘(170)으로부터 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 반투명 오목 거울(140)을 향하게 하는 홀로그램 패턴을 구비한다.

홀로그램 광학 소자(131)는 도 5에서 설명한 바와 같은, 제2 홀로그램 광학 소자(130)와 실질적으로 동일하다.

쐐기형 프리즘(170)에 의해 경로 변환되어, 제2방향을 향하는 제1영상의 광(L₁)이 홀로그램 소자(131)에 입사하면, 홀로그램 소자(131)에 형성된 간섭 패턴에 의해, 제1영상의 광이 소정 각도로 확산되며 반투명 오목 거울(140)을 향하게 된다. 반투명 오목 거울은 입사된 광을 관찰자의 위치에 포커싱한다. 이 때 포커싱되는 위치는 도면에 표시한 바와 같이 소정 크기의 영역이 된다. 즉, 광학 윈도우 시스템(104)의 크기는 유지하면서, 영상이 관찰 가능한 영역(eyebox)이 넓어지는 효과가 있다.

도 11은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(5000)의 광학적 배치를 보이는 도면이고, 도 12는 도 11의 투시형 디스플레이 장치(5000)에 채용되는 편광 선택 렌즈(500)의 상세한 구성을 보이는 도면이다.

투시형 디스플레이 장치(5000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(105)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(5000)의 광학 윈도우 시스템(105)은 포커싱 부재로 편광 선택 렌즈(500)를 채용하는 점에서, 전술한 투시형 디스플레이 장치(1000)와 차이가 있다.

편광 선택 렌즈(500)는 제1 홀로그램 광학 소자(120)와 관찰자 사이에 배치될 수 있다. 편광 선택 렌즈(500)는 제1편광의 광에 대해서는 렌즈로 작용하고 제1편광과 수직인 제2편광의 광에 대해서는 실질적으로 굴절력이 없다. 따라서, 입사된 광 중 제1편광의 광은 굴절되고, 제2편광의 광은 굴절되지 않으며 편광 선택 렌즈(500)를 투과한다. 편광 선택 렌즈(500)는 다른 방향으로 입사된 서로 다른 편광의 광을 같은 경로로 진행시킬 수 있는 점에서, optical combiner로 동작할 수도 있다.

도 12를 참조하면, 편광 선택 렌즈(500)는 제1편광의 광에 대한 굴절률과 상기 제2편광의 광에 대한 굴절률이 서로 다른 광학적 이방성(optically anisotropic) 물질부(530)와, 광학적 이방성(optically isotropic) 물질부(530)의 제2편광의 광에 대한 굴절률과 같은 굴절률을 가지는 광학적 등방성 물질부(510)를 포함한다. 광학적 이방성 물질부(530)는 예를 들어, 제1편광의 광에 대해서는 굴절률 n_e, 제2편광의 광에 대해서는 굴절률 n_o를 가질 수 있다. 제1편광은 예를 들어, 기호 ⊙로 표시한 S편광일 수 있고, 제2편광은 기호 ↔로 표시한 P편광일 수 있다. 광학적 등방성 물질부(510)는 제1편광의 광, 제2편광의 광에 대해 같은 굴절률을 나타내며 그 굴절률은 n_o일 수 있다.

광학적 이방성 물질부(530)와 광학적 등방성 물질부(510)의 경계면(BS)이 렌즈면이 된다. 렌즈면의 형상은 예를 들어, 도시된 바와 같이, 입사광을 관찰자 쪽으로 포커싱하는 볼록 렌즈 형상일 수 있다.

이에 따라, 다양한 편광을 포함하는 광이 편광 선택 렌즈(500)에 입사하면 광학적 이방성 물질부(530)와 광학적 등방성 물질부(510)의 경계면(BS)에서, 두 편광의 분리가 일어난다. 즉, 제1편광의 광에 대해서는 경계면(BS)이 굴절률이 다른 물질간의 광학적 경계면이 되기 때문에, 그 경계면(BS)이 형상에 의해 제1편광의 광이 굴절되며 경계면(BS)을 투과한다. 제2편광의 광에 대해서는 광학적 이방성 물질부(530)와 광학적 등방성 물질부(510)가 실질적으로 같은 물질이 되며, 즉, 광학적 경계면이 없는 것과 동일하다. 따라서, 제2편광의 광은 처음 입사된 경로와 같은 경로로 경계면(BS)을 통과한다.

따라서, 제1방향을 향하는 제1영상의 광(L₁)을 S편광으로 하는 경우, 편광 선택 렌즈(500)는 제1영상의 광(L₁)을 관찰자 위치에 포커싱하는 렌즈 역할을 할 수 있다.

도 13은 도 11의 투시형 디스플레이 장치(5000)에 채용될 수 있는 다른 예의 편광 선택 렌즈(501)를 보인다.

편광 선택 렌즈(501)는 서브 파장 형상 치수를 가지는 나노 구조물(NS)들을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다. 서브 파장의 형상 치수는 나노 구조물(NS)의 높이 h, 단면 길이 D 등 나노 구조물(NS)의 형상을 정의하는 치수가 입사광의 파장보다 작음을 의미한다.

메타 렌즈는 입사광의 위상을 위치에 따라 소정의 규칙으로 변화시키는 형상 치수 분포를 형성하도록 나노 구조물(NS)들을 배열함으로써 원하는 광학적 성능을 구현할 수 있다. 메타 렌즈가 볼록 렌즈의 기능을 수행하도록, 나노 구조물(NS)들의 위치별 크기를 정할 수 있다. 예를 들어, 중심에서 반경 방향으로 갈수록 D의 값이 작아지도록 나노 구조물(NS)들을 배치하여, 볼록 렌즈의 기능을 수행하게 할 수 있다. 이 때, 형상 이방성이 있는 나노 구조물(NS)을 사용하여, 특정 편광의 광에 대해서 볼록 렌즈의 기능을 수행하도록 할 수 있다.

편광 선택 렌즈(500)(501)로 광학적 이방성 물질과 광학적 등방성 물질을 사용하는 예와, 형상 이방성이 있는 나노구조물을 사용하는 메타 렌즈를 예시하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다.

이외에도, 편광 선택 렌즈로 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)가 사용될 수도 있다. 기하 위상 렌즈는 기하학적으로 위상을 변조하는 렌즈로, 액정의 배향 상태를 조절하여 다양한 광학계로 작동할 수 있다. 기하 위상 렌즈는 예를 들어, 편광에 따라 서로 다른 광학계로 작동할 수 있다.

도 14a 및 도 14b는 투시형 디스플레이 장치에 채용될 수 있는 다른 예의 편광 선택 렌즈에 대한 단면도 및 평면도이다.

도 14a 및 도 14b를 참조하면, 편광 선택 렌즈(502)는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로서, 소정의 패턴을 이루고 있는 복수의 비선형 물질요소(nonlinear material element)를 포함할 수 있다. 비선형 물질요소는 액정 분자(LC)로 구현될 수 있다. 편광 선택 렌즈(502)는 얇은 글래스 위에 액정 분자들을 배향시키는 방식으로 형성될 수 있다. 도 14b의 평면도는 액정 분자(LC)들의 방향자가 이차원적으로 다양한 방향을 향하는 패턴을 형성한 것을 예시적으로 보이고 있으며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.

액정 분자(LC)들의 배향 상태, 즉, 방향자의 배열 형태를 조절하여 원하는 광학 성능을 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 14a에 도시된 바와 같이, 제1편광(⊙) 의 광에 대해서는 렌즈로 동작하고, 제2편광(↔)의 광에 대해서는 굴절력을 나타내지 않도록 액정 분자(LC)들의 배열 패턴이 조절됨으로써 편광 선택 렌즈로 기능할 수 있다.

도 15는 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(6000)의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

투시형 디스플레이 장치(6000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(106)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(6000)의 광학 윈도우 시스템(106)은 편광자(180)를 더 구비하는 점에서, 도 11의 투시형 디스플레이 장치(5000)와 차이가 있다.

편광자(180)는 편광축이 제2편광 방향으로, 즉, 실사(RE)로부터의 광(L₂) 중 제2편광 성분만을 투과시킨다. 편광자(180)는 홀로그램 광학 소자(121)의 두 면 중, 편광 선택 렌즈(500)를 향하는 면의 이면 쪽에 배치될 수 있다. 도면에서는 홀로그램 광학소자(121)의 일면 상에 접합되게 배치된 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 홀로그램 광학 소자(121)와 실사(RE)와의 사이의 어느 위치에 배치되어도 무방하다.

편광자(180)의 구비는 편광 선택 렌즈(500)가 제1영상의 광(L₁)에 대해서만 렌즈로 작용하게 하기 위한 것이다. 따라서, 렌즈 작용이 필요하지 않은 실사(RE)에 대한 광(L₂)은 편광 선택 렌즈(500)를 그대로 통과할 수 있도록 편광자(180)에 의해 제2편광의 광으로 변환된다.

한편, 제1영상의 광(L₁)이 제1편광의 광이 되도록, 제1영상의 광(L₁)이 입사하는 광학 윈도우 시스템(106)의 입사측에 제1편광 방향의 편광축을 가지는 편광자가 더 배치될 수도 있다.

도 16은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(7000)의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

투시형 디스플레이 장치(7000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(107)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(7000)의 광학 윈도우 시스템(107)은 포커싱 부재로 편광 선택 렌즈(500)가 구비되는 점에서, 도 7의 투시형 디스플레이 장치(3000)와 차이가 있다.

영상 형성부(DS)에서 형성되어 제1방향을 향하는 제1영상의 광(L₁)은 쐐기형 프리즘(170)에서 제2방향을 향하도록 경로가 변환되고, 편광 선택 렌즈(500)에 의해 관찰자 위치에 포커싱된다.

제2방향을 향하는, 실사(RE)에 대한 광은 반투명한 성질을 갖는 쐐기형 프리즘(170), 편광 선택 렌즈(500)를 그대로 통과하여 관찰자에게 인지된다.

쐐기형 프리즘(170)으로는 도 8, 도 9에서 설명한 쐐기형 프리즘(170)(171)이 사용될 수 있다.

도 17은 또 다른 실시예에 따른 투시형 디스플레이 장치(8000)의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

투시형 디스플레이 장치(8000)는 제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부(DS)와 제1영상의 광(L₁)의 경로를 바꾸어 관찰자 위치에 포커싱하며, 실사(RE)의 광(L₂)에 대해서는 반투명한 광학 윈도우 시스템(108)을 포함한다.

투시형 디스플레이 장치(8000)의 광학 윈도우 시스템(108)은 편광자(185)를 더 구비하는 점에서, 도 15의 투시형 디스플레이 장치(7000)와 차이가 있다.

편광자(185)는 편광축이 제2편광 방향으로, 즉, 실사(RE)로부터의 광(L₂) 중 제2편광 성분만을 투과시킨다. 편광자(185)는 쐐기형 프리즘(170)의 두 면 중, 편광 선택 렌즈(500)를 향하는 면의 이면 쪽에 배치될 수 있다. 도면에서는 쐐기형 프리즘(170)의 일면 상에 접합되게 배치된 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 쐐기형 프리즘(170)과 실사(RE)와의 사이의 어느 위치에 배치되어도 무방하다.

편광자(185)의 구비는 편광 선택 렌즈(500)가 제1영상의 광(L₁)에 대해서만 렌즈로 작용하게 하기 위한 것이다. 따라서, 렌즈 작용이 필요하지 않은 실사(RE)에 대한 광(L₂)은 편광 선택 렌즈(500)를 그대로 통과할 수 있도록 편광자(185)를 도입하여, 이를 제2편광의 광으로 변환하고 있다.

한편, 제1영상의 광(L₁)이 제1편광의 광이 되도록, 제1영상의 광(L₁)이 입사하는 광학 윈도우 시스템(108)의 입사측에 제1편광 방향의 편광축을 가지는 편광자가 더 배치될 수 있다.

상술한 투시형 디스플레이 장치들은 영상 형성부에서 형성된 영상과 현실 세계의 영상을 관찰자에게 함께 보여주는 점에서, 증강 현실(augmented reality)(AR)을 구현하는데 적용될 수 있다.

증강 현실(AR)은, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 결합하여 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 관찰자의 위치에서, 현실 세계가 제공하는 환경에 대한 부가적인 정보를 영상 형성부에서 형성하여 관찰자에게 제공할 수 있다. 이러한 증강 현실(AR) 디스플레이는 비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적용될 수 있다.

현실 세계의 영상은 실사(real environment)에 한정되지 않으며, 예를 들어, 다른 영상 기기에서 형성한 영상이 될 수도 있다. 따라서, 상술한 투시형 디스플레이 장치는 두 영상을 함께 보여주는 멀티 영상 디스플레이 장치로 적용될 수도 있다.

상술한 투시형 디스플레이 장치들은 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다. 투시형 디스플레이 장치들의 구성요소의 전부나 또는 일부가 웨어러블(wearable) 형태로 구성될 수 있다.

예를 들어, 투시형 디스플레이 장치들은 헤드 장착형 디스플레이(head mounted display)(HMD)의 형태로 적용될 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않으며, 안경형 디스플레이(glasses-type display) 또는 고글형 디스플레이(goggle-type display)로 적용될 수 있다.

상술한 투시형 디스플레이 장치들은 스마트폰(smart phone)등, 다른 전자 기기에 연동 또는 연결되어 동작할 수 있다. 예를 들어, 투시형 디스플레이 장치를 구동하는 제어부가 스마트폰(smart phone)에 구비될 수 있다. 뿐만 아니라, 스마트폰에 상술한 투시형 디스플레이 장치가 구비되게 하여 스마트폰 자체를 투시형 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 - 광학 윈도우 시스템
120, 121, 130 - 홀로그램 광학 소자
120', 130' - 홀로그램 매체
140 - 반투명 오목 거울
170, 171 - 웨지형 프리즘
175 - 제1프리즘
178, 179 - 제2프리즘
180, 185 - 편광자
500, 501 - 편광 선택 렌즈
510 - 광학적 등방성 물질부
530 - 광학적 이방성 물질부
DS - 영상 형성부
OW - 광학 윈도우 시스템
WF - 쐐기면
MC - 미러 코팅부
TR - 전반사면

Claims

제1방향을 향하는 제1영상의 광의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고 상기 제2방향으로 입사되는 광에 대해서는 반투명한 경로 전환 부재;
상기 경로 전환 부재에 의해 경로가 변환된 상기 제1영상의 광을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재;를 포함하며,
상기 경로 전환 부재가 점유하는 공간의 상기 제1방향의 길이(W)과 상기 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족하는 광학 윈도우 시스템.
θ = tan^-1(t/W) < 45°
제1항에 있어서,
상기 각도 θ는 다음 조건을 만족하는, 광학 윈도우 시스템;
5°≤ θ ≤ 30°
제1항에 있어서,
상기 포커싱 부재는 반투명 오목 거울이며,
상기 경로 변환 부재가 상기 반투명 오목 거울과 관찰자 사이에 배치되는, 광학 윈도우 시스템.
제3항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 제1 홀로그램 광학 소자인, 광학 윈도우 시스템.
제4항에 있어서,
상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되고, 상기 제2방향으로 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 제2 홀로그램 광학 소자;를 더 포함하는, 광학 윈도우 시스템.
제3항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향과 상기 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 상기 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함하는 쐐기형 프리즘인, 광학 윈도우 시스템.
제1항에 있어서,
상기 포커싱 부재는 제1편광의 광에 대해서는 렌즈로 작용하고 상기 제1편광과 수직인 제2편광의 광에 대해서는 실질적으로 굴절력이 없는 편광 선택 렌즈이며,
상기 편광 선택 렌즈는 상기 경로 변환 부재와 관찰자 사이에 배치되는, 광학 윈도우 시스템.
제7항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 홀로그램 광학 소자인, 광학 윈도우 시스템.
제8항에 있어서,
편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자가, 상기 홀로그램 광학 소자가 상기 편광 선택 렌즈와 마주하는 면의 이면 쪽에 더 배치되는, 광학 윈도우 시스템.
제7항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향과 상기 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 상기 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함하는 쐐기형 프리즘인, 광학 윈도우 시스템.
제10항에 있어서,
편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자가, 상기 쐐기형 프리즘이 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면과 마주하는 다른 면 쪽에 더 배치된, 광학 윈도우 시스템.
제1방향을 향하는 제1영상을 형성하는 영상 형성부;
상기 제1영상의 광의 경로를 바꾸어 제2방향을 향하게 하고 상기 제2방향을 향하는 실사(real environment) 영상에 대해서는 반투명한, 경로 전환 부재;
상기 경로 전환 부재에 의해 경로가 변환된 상기 제1영상의 광을 관찰자 위치에 포커싱하는 포커싱 부재;를 포함하며,
상기 경로 전환 부재가 점유하는 공간의 상기 제1방향의 길이(W)와 상기 제2방향의 길이(t)에 의해 정의되는 각도 θ는 다음 조건을 만족하는, 투시형 디스플레이 장치.
θ = tan^-1(t/W) < 45°
제12항에 있어서,
상기 각도 θ는 다음 조건을 만족하는, 투시형 디스플레이 장치.
5°≤ θ ≤ 30°
제12항에 있어서,
상기 포커싱 부재는 반투명 오목 거울이고,
상기 경로 변환 부재는 상기 반투명 오목 거울과 관찰자 사이에 배치되는, 투시형 디스플레이 장치.
제14항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향을 따라 상기 반투명 오목 거울 쪽으로 출사되게 하는 홀로그램 패턴이 형성된 제1 홀로그램 광학 소자인, 투시형 디스플레이 장치.
제15항에 있어서,
상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되어, 상기 경로 전환 부재로부터 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 제2 홀로그램 광학 소자;를 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제14항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향과 상기 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 상기 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함하는 쐐기형 프리즘인, 투시형 디스플레이 장치.
제17항에 있어서,
상기 쐐기형 프리즘은
상기 복수의 쐐기면을 가지며, 상기 복수의 쐐기면은 미러 코팅된, 제1 프리즘; 및
상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면을 공유하는 제2프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제17항에 있어서,
상기 쐐기형 프리즘은
상기 복수의 쐐기면을 가지는 제1프리즘;
상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면과 나란한 복수의 전반사면을 가지며, 상기 제1프리즘과 소정의 에어갭(air gap)을 두고 이격된 제2프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제17항에 있어서,
상기 경로 전환 부재와 상기 반투명 오목 거울 사이에 배치되고, 상기 경로 전환 부재로부터 입사된 광을 소정 폭으로 산란시켜 상기 반투명 오목 거울을 향하게 하는 홀로그램 패턴이 형성된, 홀로그램 광학 소자;를 더 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제12항에 있어서,
상기 포커싱 부재는 제1편광의 광에 대해서는 렌즈로 작용하고 상기 제1편광과 수직인 제2편광의 광에 대해서는 실질적으로 굴절력이 없는 편광 선택 렌즈이고,
상기 편광 선택 렌즈는 상기 경로 변환 부재와 관찰자 사이에 배치되는, 투시형 디스플레이 장치.
제21항에 있어서,
상기 편광 선택 렌즈는
상기 제1편광의 광에 대한 굴절률과 상기 제2편광의 광에 대한 굴절률이 서로 다른 광학적 이방성 물질부;
상기 광학적 이방성 물질부의 상기 제2편광의 광에 대한 굴절률과 같은 굴절률을 가지는 광학적 등방성 물질부;를 포함하며,
상기 이방성 물질부와 상기 등방성 물질부의 경계면이 렌즈면이 되는, 투시형 디스플레이 장치.
제21항에 있어서,
상기 편광 선택 렌즈는 서브 파장 형상 치수를 가지는 나노 구조물들을 포함하는 메타 렌즈인, 투시형 디스플레이 장치.
제21항에 있어서,
상기 편광 선택 렌즈는 기하 위상 렌즈인, 투시형 디스플레이 장치.
제21항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향으로 입사된 광이 상기 제2방향을 따라 상기 편광 선택 렌즈 쪽을 향하게 홀로그램 패턴이 형성된 홀로그램 광학 소자인, 투시형 디스플레이 장치.
제25항에 있어서,
편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자가, 상기 홀로그램 광학 소자가 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면의 이면 쪽에 더 배치된, 투시형 디스플레이 장치.
제21항에 있어서,
상기 경로 전환 부재는
상기 제1방향과 상기 각도 θ를 이루는 방향을 따라 배열되고 상기 제1방향에 대해 45°로 기울어진 복수의 쐐기면(wedged facet)을 포함하는 쐐기형 프리즘인, 투시형 디스플레이 장치.
제27항에 있어서,
상기 쐐기형 프리즘은
상기 복수의 쐐기면을 가지며, 상기 복수의 쐐기면은 미러 코팅된, 제1 프리즘; 및
상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면을 공유하는 제2프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제27항에 있어서,
상기 쐐기형 프리즘은
상기 복수의 쐐기면을 가지는 제1프리즘;
상기 제1프리즘과 같은 굴절률의 물질로 이루어지고, 상기 복수의 쐐기면과 나란한 복수의 전반사면을 가지며, 상기 제1프리즘과 소정의 에어갭(air gap)을 두고 이격된 제2프리즘;을 포함하는, 투시형 디스플레이 장치.
제29항에 있어서,
편광축이 상기 제2편광 방향인 편광자가, 상기 쐐기형 프리즘이 상기 편광 선택 렌즈를 향하는 면의 이면 쪽에 더 배치된, 투시형 디스플레이 장치.
제30항에 있어서,
상기 투시형 디스플레이 장치는 헤드 마운트 디스플레이(head mount display)인, 투시형 디스플레이 장치.