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KR102771619B1 - 영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치 - Google Patents

영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치 Download PDF

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KR102771619B1
KR102771619B1 KR1020190027630A KR20190027630A KR102771619B1 KR 102771619 B1 KR102771619 B1 KR 102771619B1 KR 1020190027630 A KR1020190027630 A KR 1020190027630A KR 20190027630 A KR20190027630 A KR 20190027630A KR 102771619 B1 KR102771619 B1 KR 102771619B1
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optical
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김선일
성기영
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삼성전자주식회사
명지대학교 산학협력단
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Abstract

관찰자의 동공 위치에 따라 영상을 이동시킴으로써 시야창을 실질적으로 확장할 수 있는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 영상 형성 광학계, 영상 이동 광학계, 및 접안 광학계를 포함하며, 영상 이동 광학계는 제 1 초점 거리를 갖는 제 1 광학부재 및 제 2 초점 거리를 갖는 제 2 광학부재를 포함하고, 광축 상에서 상기 제 1 광학부재와 제 2 광학부재 사이의 거리는 제 1 초점 거리와 제 2 초점 거리와의 합과 같다.

Description

영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치 {Display apparatus capable of laterally shifting image}
개시된 실시예들은 영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 관찰자의 동공 위치에 따라 영상을 이동시킴으로써 시야창을 실질적으로 확장할 수 있는 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 현실(VR)의 다음 단계로 증강 현실(augmented reality)(AR) 및 혼합 현실(mixed reality)(MR)을 실현할 수 있는 기술도 연구되고 있다.
증강 현실(AR)은, 완전 가상 세계를 전제로 하는 가상 현실(VR)과는 달리, 현실 세계의 환경 위에 가상의 대상이나 정보를 겹쳐(결합하여) 보여줌으로써 현실의 효과를 더욱 증가시키는 디스플레이 기술이다. 가상 현실(VR)이 게임이나 가상 체험과 같은 분야에만 한정적으로 적용이 가능했다면, 증강 현실(AR)은 다양한 현실 환경에 응용이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 증강 현실(AR)은 유비쿼터스(ubiquitous) 환경이나 사물 인터넷(internet of things)(IoT) 환경에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 이러한 증강 현실(AR)은 현실 세계와 부가적인 정보(가상 세계)를 혼합하여 보여준다는 점에서 혼합 현실(MR)의 일례라고 할 수 있다.
이러한 가상 현실, 증강 현실 또는 혼합 현실 디스플레이 장치에서, 시야창을 확장하기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 예를 들어, 관찰자의 동공 위치에 따라 영상 생성 알고리즘을 통해 포비티드 렌더링(foveated rendering)을 구현하거나 영상의 깊이를 조절할 수 있다. 또는, 디스플레이 되는 영상의 위치를 회전 거울 또는 이동 거울을 통해 조절할 수 있다.
관찰자의 동공 위치에 따라 영상을 이동시킴으로써 시야창을 실질적으로 확장할 수 있는 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 작은 폼팩터(form factor)로도 시야창을 실질적으로 확장시킬 수 있는 헤드 마운트형 또는 안경형 증강 현실 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 디스플레이 될 영상을 형성하도록 구성된 영상 형성 광학계; 관찰자의 동공에 영상을 제공하도록 구성된 접안 광학계; 및 상기 영상 형성 광학계와 상기 접안 광학계 사이의 광 경로 사이에 배치되며, 광축에 수직한 방향으로 영상을 이동시키도록 구성된 영상 이동 광학계;를 포함하며, 상기 영상 이동 광학계는 제 1 초점 거리를 갖는 제 1 광학부재 및 제 2 초점 거리를 갖는 제 2 광학부재를 포함하고, 광축 상에서 상기 제 1 광학부재와 제 2 광학부재 사이의 거리는 제 1 초점 거리와 제 2 초점 거리와의 합과 같을 수 있다.
상기 제 1 광학부재는 상기 영상 형성 광학계와 상기 제 1 광학부재 사이에서 영상이 포커싱되는 제 1 동공으로부터 광축을 따라 상측으로 제 1 초점 거리만큼 떨어져 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 광학부재는 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 영상이 포커싱되는 제 2 동공으로부터 광축을 따라 물체측으로 제 2 초점 거리만큼 떨어져 배치될 수 있다.
상기 디스플레이 장치는, 관찰자의 동공 위치를 추적하도록 구성된 시선 추적기; 및 상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 변화에 응답하여 상기 영상 이동 광학계의 위치를 제어하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 디스플레이 장치는, 상기 제어기의 제어에 따라 상기 영상 이동 광학계를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 영상 이동 광학계가 광축에 수직한 방향으로 Δ만큼 이동하는 경우에, 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 광축에 수직한 방향으로 상이 이동하는 거리 δ는 δ= -Δ(1/MA -1)이고, MA는 상기 영상 이동 광학계의 배율이다.
또한, 예를 들어, 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 광축에 수직한 방향으로 상이 δ만큼 이동하는 경우에, 사출동공(exit pupil)의 이동량 δP는 δP = MP×δ이고, MP는 상기 접안 광학계의 배율이다.
예를 들어, 상기 제 1 광학부재의 제 1 초점 거리와 상기 제 2 광학부재의 제 2 초점 거리가 동일할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 영상 형성 광학계는, 조명광을 제공하는 조명 장치; 조명광을 반사 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기; 및 상기 조명광을 상기 공간 광변조기에 전달하고 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 이동 광학계에 전달하도록 구성된 빔스플리터;를 포함할 수 있다.
상기 영상 형성 광학계는 상기 조명 장치로부터 상기 공간 광변조기로 전달되는 조명광을 콜리메이팅하고, 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 형성 광학계와 상기 영상 이동 광학계 사이의 제 1 동공에 포커싱하는 대물렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 영상 형성 광학계는 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 영상 이외의 빛을 제거하는 공간 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 영상 형성 광학계는 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 영상을 반사하여 상기 영상의 진행 경로를 절곡시키는 절곡 거울을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 영상 형성 광학계는, 조명광을 제공하는 조명 장치; 조명광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈; 조명광을 투과 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기; 및 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 형성 광학계와 상기 제 1 광학부재 사이의 제 1 동공에 포커싱하는 대물렌즈;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 접안 광학계는 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이의 제 2 동공에 포커싱된 영상을 사출동공에 포커싱하도록 구성된 적어도 2개의 렌즈 요소를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 접안 광학계는, 제 1 표면으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 표면으로부터 오는 빛을 투과시키는 제 1 빔스플리터; 상기 빔스플리터의 제 2 표면 상에 배치되어 빛을 반사하는 제 1 거울; 관찰자의 동공에 영상을 포커싱하는 제 2 거울; 및 상기 제 1 거울로부터 오는 빛을 상기 제 2 거울로 반사하고 상기 제 2 거울로부터 오는 빛을 투과시키는 제 2 빔스플리터;를 포함할 수 있다.
상기 제 2 거울은 오목한 제 1 표면 및 상기 제 1 표면의 맞은 편에 배치된 볼록한 제 2 표면을 포함하며, 제 1 표면으로 입사하는 빛을 반사하고 제 2 표면으로 입사하는 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치일 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 접안 광학계는, 제 1 표면으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 표면으로부터 오는 빛을 투과시키는 제 1 빔스플리터; 상기 빔스플리터의 제 2 표면 상에 배치되어 빛을 반사하는 제 1 거울; 관찰자의 동공에 영상을 포커싱하는 제 2 거울; 및 상기 제 1 거울로부터 오는 빛을 상기 제 2 거울로 투과시키고 상기 제 2 거울로부터 오는 빛을 반사하는 제 2 빔스플리터;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 광학부재와 상기 제 2 광학부재가 모두 볼록 렌즈일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 광학부재는 볼록 렌즈이고 상기 제 2 광학부재는 오목 거울일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 영상 이동 광학계는 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 반사하는 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 영상 이동 광학계는 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키는 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 광학부재는 오목 거울이고 상기 제 2 광학부재는 볼록 렌즈일 수 있다.
상기 영상 이동 광학계는 상기 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 상기 제 2 광학부재를 향해 투과시키는 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 광학부재와 상기 제 2 광학부재가 모두 오목 거울일 수 있다.
상기 영상 이동 광학계는, 상기 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 상기 제 2 광학부재를 향해 투과시키는 제 1 빔스플리터; 및 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 반사하는 제 2 빔스플리터;를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 광축에 수직한 방향으로 영상 이동 광학계를 이동시킴으로써 영상을 광축에 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다. 이러한 영상 이동 광학계는 단지 2개의 광학부재만을 포함하기 때문에 디스플레이 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 영상이 광축에 수직한 방향으로만 이동하고 광축에 평행한 방향으로는 이동하지 않기 때문에 관찰자의 동공에 정확하게 영상을 제공할 수 있다. 또한, 영상이 이동하더라도 영상이 기울어지지 않기 때문에 관찰자에게 왜곡되지 않은 정확한 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보인다.
도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치의 영상 이동 광학계의 광학적 구성을 보다 상세히 보인다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 영상 이동 광학계의 동작을 예시적으로 보인다.
도 5는 도 1에 도시된 디스플레이 장치에서 영상 이동 광학계의 이동에 따른 접안 광학계의 사출동공의 이동을 예시적으로 보인다.
도 6은 관찰자의 눈의 동공의 위치 변화에 따른 영상의 이동을 확대하여 보인다.
도 7 내지 도 9는 도 1에 도시된 디스플레이 장치를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다.
도 10은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 사시도다.
도 11은 도 10에 도시된 디스플레이 장치의 부품들 중에서 동일한 층에 배열된 부품들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도다.
도 12는 접안 광학계에 입사하는 빛의 진행 경로를 예시적으로 보이는 수직 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 접안 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 수직 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 접안 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 17 내지 도 20은 다양한 실시예들에 따른 영상 이동 광학계의 구성을 예시적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보인다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(100)는 디스플레이 될 영상을 형성하도록 구성된 영상 형성 광학계(110), 광축(OX)에 수직한 방향으로 영상을 이동시키도록 구성된 영상 이동 광학계(120), 및 관찰자의 동공에 영상을 제공하도록 구성된 접안 광학계(130)를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(100)는 관찰자의 동공 위치를 추적하도록 구성된 시선 추적기(150) 및 시선 추적기(150)로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 변화에 응답하여 영상 이동 광학계(120)의 위치를 제어하는 제어기(140)를 더 포함할 수 있다. 시선 추적기(150)는 카메라 등을 통해 관찰자의 영상을 얻고, 영상 내에서 관찰자의 동공을 검출하여 그 위치를 분석할 수 있다. 시선 추적기(150)는 관찰자의 동공 위치 변화를 실시간으로 추적하여 그 결과를 제어기(140)에 제공할 수 있다.
영상 형성 광학계(110)는 조명광을 제공하는 조명 장치(111), 조명광을 반사 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기(114), 조명광을 공간 광변조기(114)에 전달하고 공간 광변조기(114)에 의해 형성된 영상을 영상 이동 광학계(120)에 전달하도록 구성된 빔스플리터(112), 및 공간 광변조기(114)와 빔스플리터(112) 사이에 배치된 대물렌즈(113)를 포함할 수 있다. 도 1에는 대물렌즈(113)가 편의상 단순히 하나의 렌즈 요소로 표시되었지만, 수차 및 왜곡의 보정을 위하여 대물렌즈(113)는 다수의 렌즈 요소들을 포함할 수도 있다.
조명 장치(111)는, 예를 들어, 적색광, 녹색광, 및 청색광을 방출하는 다수의 발광 다이오드(LED)의 어레이를 포함할 수 있다. 조명 장치(111)에서 방출된 조명광은 빔스플리터(112)에 의해 반사된 후, 대물렌즈(113)에 의해 평행광이 되어 공간 광변조기(114)에 입사한다. 따라서, 대물렌즈(113)는 조명 장치(111)로부터 공간 광변조기(114)로 전달되는 조명광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈의 역할도 할 수 있다.
공간 광변조기(114)는 도시되지 않은 신호 처리부로부터 제공되는 영상 신호를 기초로 입사광을 변조하여 영상을 형성할 수 있다. 공간 광변조기(114), 예를 들어, LCoS(liquid crystal on silicon) 패널, DLP(digital light projection) 패널, 또는 DMD(digital micromirror device) 패널을 포함할 수 있다. 이러한 공간 광변조기(114)는 공간 광변조기(114)의 표면 상의 위치에 따라 반사도를 변화시키는 방식으로 영상을 형성할 수 있다.
조명광이 공간 광변조기(114)에 의해 반사되어 형성된 영상은 대물렌즈(113)를 다시 지난다. 대물렌즈(113)는 공간 광변조기(114)에 의해 형성된 영상을 영상 형성 광학계(110)와 영상 이동 광학계(120) 사이의 제 1 동공(P1)에 포커싱할 수 있다.
영상 이동 광학계(120)는 영상 형성 광학계(110)와 접안 광학계(130) 사이의 광 경로 사이에 배치되어 영상을 접안 광학계(130)로 중계하는 동시에 광축(OX)에 수직한 방향으로 영상을 이동시킬 수 있다. 특히, 영상 이동 광학계(120)는 시선 추적기(150)로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 변화에 응답하여 관찰자의 동공에 영상을 정확히 제공할 수 있도록 제어기(140)의 제어에 따라 영상을 이동시킬 수 있다. 이를 위하여, 영상 이동 광학계(120)는 제 1 광학부재(121), 제 2 광학부재(122), 및 제어기(140)의 제어에 따라 영상 이동 광학계(120)를 광축(OX)에 수직한 방향으로 이동시키는 액추에이터(123)를 포함할 수 있다. 액추에이터(123)는 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)를 동시에 광축(OX)에 수직한 방향으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치(100)의 영상 이동 광학계(120)의 광학적 구성을 보다 상세히 보인다. 도 2를 참조하면, 영상 이동 광학계(120)는 광축(OX)을 따라 순차적으로 배열된 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)를 포함할 수 있다. 제 1 광학부재(121)는 제 1 초점 거리(fA)를 갖는 볼록 렌즈이며, 제 2 광학부재(122)는 제 2 초점 거리(fB)를 갖는 볼록 렌즈일 수 있다. 도 1에는 편의상, 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)가 각각 단지 하나의 렌즈 요소로만 표시되었으나, 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)가 각각 다수의 렌즈 요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)는 각각 적어도 2개의 렌즈 요소들로 구성되며 양의 굴절력을 갖는 렌즈군을 포함할 수도 있다.
제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)는 영상 형성 광학계(110)와 영상 이동 광학계(120) 사이의 제 1 동공(P1)에 포커싱되는 영상을 중계하여 영상 이동 광학계(120)와 접안 광학계(130) 사이의 제 2 동공(P2)에 포커싱하도록 구성된다. 이를 위해, 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)는 서로에 대해 제 1 초점 거리(fA)와 제 2 초점 거리(fB)의 합만큼 떨어질 수 있다. 다시 말해, 광축(OX) 상에서 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122) 사이의 거리는 제 1 초점 거리(fA)와 제 2 초점 거리(fB)의 합(fA + fB)과 같다. 여기서, 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122) 사이의 거리는 제 1 광학부재(121)의 중심점과 제 2 광학부재(122)의 중심점을 기준으로 측정된다.
또한, 제 1 광학부재(121)는 영상 형성 광학계(110)와 제 1 광학부재(121) 사이에서 영상이 포커싱되는 제 1 동공(P1)이 위치한 광축(OX)에 수직한 평면으로부터 광축(OX)을 따라 상측(image side)으로 제 1 초점 거리(fA)만큼 떨어져 배치된다. 그리고, 제 2 광학부재(122)는 제 2 광학 부재(122)와 접안 광학계(130) 사이에서 영상이 포커싱되는 제 2 동공(P2)이 위치한 광축(OX)에 수직한 평면으로부터 광축(OX)을 따라 물체측(object side)으로 제 2 초점 거리(fB)만큼 떨어져 배치된다. 그러면, 영상 이동 광학계(120)는 어포컬 조건(afocal condition)과 텔레센트릭 조건(telecentric condition)을 만족하게 되어 제 1 동공(P1)에 있는 영상을 제 2 동공(P2)으로 전달할 수 있다. 또한, 영상 이동 광학계(120)는 광축(OX) 상에 위치한 제 1 동공(P1)의 영상을 제 2 동공(P2)이 위치한 광축(OX)에 수직한 평면을 따라서 광축(OX)에 수직한 방향으로 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 영상 이동 광학계(120)의 동작을 예시적으로 보인다. 먼저, 도 3을 참조하면, 영상 이동 광학계(120)의 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)가 광축(OX)에 수직한 방향으로 거리 Δ만큼 위쪽으로 이동하면, 제 2 동공(P2)이 위치한 평면 상에서 영상은 광축(OX)에 수직한 방향으로 거리 δ만큼 위쪽으로 이동하게 된다. 여기서, 영상이 이동하는 거리 δ는 다음의 수학식1로 표현될 수 있다.
위의 수학식1에서 MA는 영상 이동 광학계(120)의 배율이다. 영상 이동 광학계(120)의 배율 MA는 다음의 수학식2로 표현될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 영상 이동 광학계(120)의 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)가 광축(OX)에 수직한 방향으로 거리 Δ만큼 아래쪽으로 이동하면, 제 2 동공(P2)이 위치한 평면 상에서 영상은 광축(OX)에 수직한 방향으로 거리 δ만큼 아래쪽으로 이동하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 접안 광학계(130)는 제 2 동공(P2)에 있는 영상을 관찰자의 눈(E)의 동공으로 전달하도록 구성된다. 예를 들어, 접안 광학계(130)는 제 2 동공(P2)에 포커싱되는 영상을 사출동공(exit pupil)에 포커싱하도록 구성된 적어도 2개의 렌즈 요소(131, 132)를 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 접안 광학계(130)가 단순히 2개의 렌즈 요소(131, 132)만으로 표시되었으나, 수차 및 왜곡의 보상을 위하여 접안 광학계(130)는 더 많은 렌즈 요소들을 포함할 수도 있다. 제 2 동공(P2)의 영상은 접안 광학계(130)에 의해 배율 MP만큼 확대 또는 축소된다. 최종적으로 접안 광학계(130)에 의해 관찰자의 눈(E)의 동공으로 영상이 제공되면, 관찰자는 상평면(IP)에 위치하는 확대 또는 축소된 허상을 보게 된다.
광축(OX)에 수직한 방향으로, 접안 광학계(130)의 사출동공의 위치는 제 2 동공(P2)의 위치와 반대가 된다. 예를 들어, 제 2 동공(P2)이 광축(OX) 상에 형성되면 접안 광학계(130)의 사출동공은 광축(OX) 상에 위치하게 된다. 그리고, 제 2 동공(P2)이 광축(OX)의 위쪽에 형성되면 접안 광학계(130)의 사출동공은 광축(OX)의 아래쪽에 형성되며, 반대로 제 2 동공(P2)이 광축(OX)의 아래쪽에 형성되면 접안 광학계(130)의 사출동공은 광축(OX)의 위쪽에 형성된다.
도 5는 도 1에 도시된 디스플레이 장치(100)에서 영상 이동 광학계(120)의 이동에 따른 접안 광학계(130)의 사출동공의 이동을 예시적으로 보인다. 도 5를 참조하면, 영상 이동 광학계(120)가 광축(OX)의 아래쪽으로 이동하면 제 2 동공(P2)도 광축(OX)의 아래쪽으로 이동하게 된다. 그리고, 접안 광학계(130)의 사출동공은 광축(OX)의 위쪽으로 이동하게 된다. 따라서, 시선 추적기(150)에 의해 관찰자의 눈(E)의 동공이 광축(OX) 상에 있는 것으로 판단되면, 제어기(140)는 영상 이동 광학계(120)를 광축(OX) 상에 위치시킨다. 또한, 관찰자의 눈(E)의 동공이 광축(OX)의 위쪽으로 이동하면, 제어기(140)는 접안 광학계(130)의 사출동공의 위치와 관찰자의 눈(E)의 동공의 위치를 일치시키기 위하여 영상 이동 광학계(120)를 광축(OX)의 아래쪽으로 이동시킨다. 또한, 관찰자의 눈(E)의 동공이 광축(OX)의 아래쪽으로 이동하면, 제어기(140)는 접안 광학계(130)의 사출동공의 위치와 관찰자의 눈(E)의 동공의 위치를 일치시키기 위하여 영상 이동 광학계(120)를 광축(OX)의 위쪽으로 이동시킨다.
도 6은 관찰자의 눈(E)의 동공의 위치 변화에 따른 영상의 이동을 확대하여 보인다. 도 6을 참조하면, 관찰자의 눈(E)의 동공이 광축(OX)의 위쪽으로 δP만큼 이동하면, 제어기(140)는 관찰자에게 정확하게 영상이 제공되도록 하기 위하여 접안 광학계(130)의 사출동공을 광축(OX)의 위쪽으로 δP만큼 이동시킨다. 접안 광학계(130)의 사출동공의 이동량 δP과 영상 이동 광학계(120)에 의한 제 2 동공(P2)의 이동량 δ과의 관계는 다음의 수학식3과 같이 표현될 수 있다.
위의 수학식3에서 MP는 접안 광학계(130)에 의해 배율이다.
상술한 바와 같이, 광축(OX)에 수직한 방향으로 영상 이동 광학계(120)를 이동시킴으로써 영상을 광축(OX)에 수직한 방향으로 간단히 이동시킬 수 있다. 따라서, 관찰자의 동공 위치 변화에 쉽게 대응할 수 있다. 상술한 실시예에 따르면, 영상 이동 광학계(120)는 단지 2개의 광학부재(121, 122)만을 사용할 수 있기 때문에 디스플레이 장치(100)를 소형화할 수 있다. 또한, 영상이 광축(OX)에 수직한 방향으로만 이동하고 광축(OX)에 평행한 방향으로는 이동하지 않기 때문에 관찰자의 동공에 정확하게 영상을 제공할 수 있다. 또한, 영상이 이동하더라도 영상이 기울어지지 않기 때문에 관찰자에게 왜곡되지 않은 정확한 영상을 제공할 수 있다.
상술한 실시예에서, 영상 형성 광학계(110)와 접안 광학계(130) 사이의 광 경로에 영상 이동 광학계(120)가 개재됨으로써, 디스플레이 장치(100)의 전체 광학계의 길이는 2×(fA + fB)만큼 증가하게 된다. 따라서, 디스플레이 장치(100)의 전체 광학계의 길이를 작게 하기 위해, 영상 이동 광학계(120)의 제 1 광학부재(121)와 제 2 광학부재(122)의 제 1 및 제 2 초점 거리(fA, fB)가 짧은 것이 유리할 수 있다.
한편, 디스플레이 장치(100)의 전체 광학계의 유효 초점 거리(effective focal length)는 공간 광변조기(114)의 크기(h)와 시야각(θ)에 의해 다음의 수학식4와 같이 결정된다.
그리고, 영상 형성 광학계(110)의 대물렌즈(113)의 유효 초점 거리는 다음의 수학식5와 같이 결정된다.
수학식1에 따르면, 영상 이동 광학계(120)의 배율 MA가 작을수록 영상 이동 광학계(120)를 적게 움직여도 제 2 동공(P2)이 크게 이동할 수 있다. 그러나, 수학식5에 따르면, 영상 이동 광학계(120)의 배율 MA가 작아지면 대물렌즈(113)의 유효 초점 거리가 짧아지고 상대적으로 대물렌즈(113)의 직경이 커지게 된다. 이러한 점을 고려하여, 영상 이동 광학계(120)의 배율 MA는, 예를 들어, -1로 선택될 수 있다(MA = -1). 다시 말해, 제 1 광학부재(121)의 제 1 초점 거리(fA)와 제 2 광학부재(122)의 제 2 초점 거리(fB)가 동일할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정될 필요는 없으며, 디스플레이 장치(100)의 전체 광학계의 크기와 성능을 고려하여 제 1 광학부재(121)의 제 1 초점 거리(fA)와 제 2 광학부재(122)의 제 2 초점 거리(fB)를 다르게 선택할 수도 있다.
도 7 내지 도 9는 상술한 디스플레이 장치(100)를 적용할 수 있는 다양한 전자기기를 도시한다. 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(100)는 웨어러블(wearable) 장치를 구성할 수 있다. 다시 말해, 디스플레이 장치(100)는 웨어러블 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(100)는 헤드 장착형 디스플레이(HMD; head mounted display)에 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이 장치(100)는 안경형 디스플레이(glasses-type display), 고글형 디스플레이(goggle-type display) 등에 적용될 수 있다. 도 7 내지 도 9에 도시된 웨어러블 전자기기들은 스마트폰(smart phone)과 연동되어 동작될 수도 있다. 이러한 디스플레이 장치(100)는 가상의 현실을 제공하거나 또는 가상의 영상과 외부의 실제 영상을 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(100)는 스마트폰 내에 구비시킬 수 있고, 이러한 스마트폰 자체를 다중 영상 디스플레이 장치로 사용할 수도 있다. 다시 말해, 도 7 내지 도 9와 같은 웨어러블 기기가 아닌 소형 전자기기(모바일 전자기기) 내에 디스플레이 장치(100)를 적용할 수도 있다. 그 밖에도 디스플레이 장치(100)의 적용 분야는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 디스플레이 장치(100)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.
한편, 디스플레이 장치(100)를 도 7 내지 도 9에 도시된 웨어러블 기기에 적용하는 경우, 웨어러블 기기의 좁은 공간을 효과적으로 활용하기 위하여 광 경로를 적절하게 선택하고, 이에 따라 광학계의 일부 구성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 10은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보이는 사시도다. 도 10을 참조하면, 디스플레이 장치(200)는 영상 형성 광학계(210), 영상 이동 광학계(220), 및 접안 광학계(230)를 포함할 수 있다. 도 10에서는 편의상, 도 1에 도시된 제어기(140)와 시선 추적기(150)를 생략하였다.
도 10에 도시된 영상 형성 광학계(210)의 구성 중에서 조명 장치(211), 제 1 빔스플리터(212), 대물렌즈(213), 및 공간 광변조기(214)는 도 1에서 설명한 것과 동일하다. 영상 형성 광학계(210)는 대물렌즈(213)에 의해 포커싱되는 영상을 반사하여 영상의 진행 경로를 절곡시키는 절곡 거울(216)을 더 포함할 수 있다. 절곡 거울(216)은, 예를 들어, 광 경로를 약 90도로 절곡시킬 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광 경로가 절곡되는 각도는 도 7 내지 도 9에 도시된 웨어러블 기기의 내부 공간의 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 영상 형성 광학계(210)는 웨어러블 기기의 귀걸이 팁 부분에 위치할 수 있으며, 절곡 거울(216)에 의해 반사된 영상은 웨어러블 기기의 다리부(temple)를 따라 안경 스크린을 향해 진행할 수 있다.
영상 이동 광학계(220)는 제 1 광학부재(221)와 제 2 광학부재(222)를 포함할 수 있다. 영상 이동 광학계(220)의 제 1 광학부재(221)와 제 2 광학부재(222)의 구성과 동작은 앞서 설명한 것과 동일할 수 있다. 제 1 광학부재(221)와 제 2 광학부재(222)는, 예를 들어, 웨어러블 기기의 다리부 내부에 배치될 수 있다.
접안 광학계(230)는 광 경로를 따라 차례로 배치된 제 2 빔스플리터(231), 제 1 거울(232), 제 3 빔스플리터(233), 및 제 2 거울(234)을 포함할 수 있다. 제 2 빔스플리터(231)는 영상 형성 광학계(210) 및 영상 이동 광학계(220)와 동일 층에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 빔스플리터(231)는 웨어러블 기기의 다리부 내부에서 안경 스크린에 접하는 위치에 배치될 수 있다. 제 1 거울(232)은 제 2 빔스플리터(231)의 위쪽에 배치될 수 있다. 제 3 빔스플리터(233)와 제 2 거울(234)은 제 2 빔스플리터(231)의 아래쪽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 3 빔스플리터(233)와 제 2 거울(234)은 웨어러블 기기의 안경 스크린에 배치될 수 있다. 제 1 거울(232)은 단순한 평면 거울일 수도 있다. 대신에, 제 1 거울(232)은 볼록 렌즈와 광학적으로 등가적인 역할을 하는 오목 거울일 수도 있다. 제 2 거울(234)은 영상을 사출동공에 포커싱하기 위한 오목 거울일 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 디스플레이 장치(200)의 부품들 중에서 동일한 층에 배열된 부품들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도다. 도 11을 참조하면, 조명 장치(211), 제 1 빔스플리터(212), 대물렌즈(213), 공간 광변조기(214), 절곡 거울(216), 제 1 광학부재(221), 제 2 광학부재(222), 및 제 2 빔스플리터(231)가 동일 층 상에 배열될 수 있다. 따라서, 영상 형성 광학계(210)에서 형성된 영상은 절곡 거울(216)에 의해 반사된 후, 제 1 광학부재(221)와 제 2 광학부재(222)를 지나 제 2 빔스플리터(231)에 입사할 때까지 대체로 수평 방향을 따라 진행하게 된다.
한편, 영상 형성 광학계(210)는 대물렌즈(213)에 의해 포커싱되는 영상 이외의 빛을 제거하는 공간 필터(215)를 더 포함할 수도 있다. 도 11에서 공간 필터(215)는 제 1 빔스플리터(212)와 절곡 거울(216) 사이에 배치된 것으로 도시되었지만, 공간 필터(215)는 제 1 빔스플리터(212)와 제 2 빔스플리터(231) 사이의 광 경로 어디에도 배치가 가능하다.
접안 광학계(230)에서 영상은 복잡한 경로를 따라서 진행한다. 예를 들어, 도 12는 접안 광학계(230)에 입사하는 빛의 진행 경로를 예시적으로 보이는 수직 단면도이다. 특히, 도 12는 도 10에서 'A'로 표시된 방향에서 본 접안 광학계(230)를 도시한다. 도 12를 참조하면, 제 2 빔스플리터(231)는 영상 이동 광학계(220)에 대향하여 배치된 제 1 표면(231a), 제 1 표면(231a)에 접하는 제 2 표면(231b), 및 제 1 표면(231a)과 제 2 표면(231b)에 대해 경사지게 배치된 경사면(231c)을 포함한다. 제 2 광학부재(222)를 지난 영상은 제 2 빔스플리터(231)의 제 1 표면(231a)으로 입사한 후, 경사면(231c)에 의해 반사되어 제 2 표면(231b)에 입사한다.
제 2 빔스플리터(231)의 제 2 표면(231b) 위에는 제 1 거울(232)이 배치되어 있다. 제 1 거울(232)은 영상을 경사면(231c)을 향해 반사한다. 제 2 표면(231b)에 입사한 영상은 제 1 거울(232)에 의해 반사된 후, 경사면(231c)을 투과하여 진행할 수 있다. 경사면(231c)은 단순한 반투과 거울일 수 있다. 예를 들어, 경사면(231c)은 입사광의 50%를 반사하고 나머지 50%를 투과시킬 수 있다. 또는, 경사면(231c)은 제 1 표면(231a)의 방향으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 표면(231b)의 방향으로부터 오는 빛을 투과시키도록 구성될 수도 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 접안 광학계(230)의 구성을 예시적으로 보이는 수직 단면도이다. 특히, 도 13은 도 10에서 'A'로 표시된 방향에 수직한 'B'로 표시된 방향에서 본 접안 광학계(230)를 도시한다. 도 13을 참조하면, 제 1 거울(232)에 의해 반사된 영상은 제 3 빔스플리터(233)에 입사한다. 제 3 빔스플리터(233)는 영상을 제 2 거울(234)로 반사한다. 제 2 거울(234)은 관찰자의 동공에 영상을 포커싱하도록 구성된 오목 거울이다. 제 1 거울(232)도 오목 거울인 경우, 제 1 거울(232)과 제 2 거울(234)이 함께 영상을 관찰자의 동공에 포커싱할 수 있다. 영상은 제 2 거울(234)에 의해 반사된 후, 제 3 빔스플리터(233)를 통과하여 관찰자의 동공에 포커싱될 수 있다. 제 3 빔스플리터(233)는 단순한 반투과 거울일 수 있다. 또는, 제 3 빔스플리터(233)는 제 1 거울(232)의 방향으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 거울(234)의 방향으로부터 오는 빛을 투과시키도록 구성될 수도 있다.
또한, 제 2 거울(234)은 외부로부터 오는 빛(L)을 투과시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 거울(234)은 오목한 제 1 표면(234a) 및 제 1 표면(234a)의 맞은 편에 배치된 볼록한 제 2 표면(234b)을 포함할 수 있다. 제 1 표면(234a)은 입사광을 반사하고 제 2 표면(234b)은 입사광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 그러면, 제 1 표면(234a)은 제 1 거울(232)로부터 오는 영상을 반사하면서 포커싱하고, 제 2 표면(234b)은 외부로부터 오는 빛(L)을 굴절 없이 투과시킬 수 있다. 그러면, 관찰자는 공간 광변조기(214)에 의해 형성된 가상의 영상과 외부의 전경을 함께 볼 수 있다.
도 10 및 도 11에서는 대물렌즈(213)가 공간 광변조기(214)와 제 1 빔스플리터(212) 사이에 배치된 것으로 설명하였으나, 영상 형성 광학계(210)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 14는 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 14를 참조하면, 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계(210')는 조명 장치(211), 조명 장치(211)에서 방출된 조명광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(217), 제 1 빔스플리터(212), 대물렌즈(213), 공간 광변조기(214), 공간 필터(215), 및 절곡 거울(216)을 포함할 수 있다.
콜리메이팅 렌즈(217)는 제 1 빔스플리터(212)의 제 1 표면(212a)에 대향하여 배치될 수 있다. 조명광은 제 1 빔스플리터(212)의 제 1 표면(212a)에 입사한 후, 제 1 빔스플리터(212)의 경사면(212d)에 의해 반사되어 제 1 빔스플리터(212)의 제 2 표면(212b)에 입사한다. 제 1 빔스플리터(212)의 제 2 표면(212b)에는 공간 광변조기(214)가 배치될 수 있다. 도 14에는 제 2 표면(212b)으로부터 공간 광변조기(214)가 떨어져 있는 것으로 도시되었지만, 공간 광변조기(214)는 제 2 표면(212b)에 간극 없이 접촉하여 배치될 수도 있다. 공간 광변조기(214)에 의해 반사된 영상은 경사면(212d)을 투과한 후, 제 1 빔스플리터(212)의 제 3 표면(212c)을 투과한다. 대물렌즈(213)는 제 1 빔스플리터(212)의 제 2 표면(212b)의 맞은 편에 있는 제 3 표면(212c)에 대향하여 배치된다. 따라서, 제 1 빔스플리터(212)의 제 3 표면(212c)을 투과한 영상은 대물렌즈(213)에 의해 포커싱된다.
또한, 지금까지 공간 광변조기(114, 214)는 반사형인 것으로 설명하였으나, 투과형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 15는 또 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 15를 참조하면, 다른 실시예에 따른 영상 형성 광학계(310)는 조명광을 제공하는 조명 장치(311), 조명 장치(311)에서 방출된 조명광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(317), 조명광을 투과 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기(314), 공간 광변조기(314)에 의해 형성된 영상을 제 1 동공(P1)에 포커싱하는 대물렌즈(313), 및 대물렌즈(313)에 의해 포커싱되는 영상 이외의 빛을 제거하는 공간 필터(315)를 포함할 수 있다. 투과형 공간 광변조기(314)는, 예를 들어, GaAs와 같은 화합물 반도체를 기반으로 한 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 접안 광학계의 구성을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 다른 실시예에 따른 접안 광학계(230')는 광 경로를 따라 차례로 배치된 제 2 빔스플리터(231), 제 1 거울(232), 제 3 빔스플리터(233), 및 제 2 거울(234)을 포함할 수 있다. 도 16에 도시된 접안 광학계(230')에서 제 2 거울(234)은 제 3 빔스플리터(233)를 사이에 두고 제 1 거울(232)과 서로 마주보도록 배치된다. 제 3 빔스플리터(233)는 제 1 거울(232)에 대향하는 제 1 표면(233a)과 제 2 거울(234)에 대향하는 제 2 표면(233b)을 가지며, 제 1 표면(233a)과 제 2 표면(233b)은 서로 맞은 편에 배치되어 있다.
제 3 빔스플리터(233)는 제 1 표면(233a)에 입사하는 빛을 투과시키고 제 2 표면(233b)에 입사하는 빛을 반사하도록 구성될 수 있다. 그러면, 제 1 거울(232)에 의해 반사된 영상은 제 3 빔스플리터(233)의 제 1 표면(233a)을 투과하여 제 2 거울(234)에 도달하게 된다. 또한, 제 2 거울(234)에 의해 반사된 영상은 제 3 빔스플리터(233)의 제 2 표면(233b)에 의해 반사되어 관찰자의 동공에 포커싱될 수 있다. 한편, 제 3 빔스플리터(233)는 제 1 표면(233a)이 외부와 대향하도록 배치될 수 있다. 그러면, 제 3 빔스플리터(233)는 외부로부터 오는 빛(L)을 굴절 없이 투과시킬 수 있다. 따라서, 관찰자는 공간 광변조기(214)에 의해 형성된 가상의 영상과 외부의 전경을 함께 볼 수 있다.
지금까지는, 영상 이동 광학계(120, 220)의 제 1 광학부재(121, 221)와 제 2 광학부재(122, 222)가 모두 볼록 렌즈로 구성된 것으로 설명하였다. 그러나, 볼록 렌즈 대신에 볼록 렌즈와 광학적으로 등가인 오목 거울을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 17 내지 도 20은 다양한 실시예들에 따른 영상 이동 광학계의 구성을 예시적으로 보인다.
먼저, 도 17을 참조하면, 영상 이동 광학계(320)는 볼록 렌즈로 구성된 제 1 광학부재(321), 오목 거울로 구성된 제 2 광학부재(322), 및 제 1 광학부재(321)로부터 오는 빛을 투과시키고 제 2 광학부재(322)로부터 오는 빛을 반사하는 빔스플리터(323)를 포함할 수 있다. 제 2 광학부재(322)는 빔스플리터(323)를 사이에 두고 제 1 광학부재(321)와 마주보도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 제 1 광학부재(321)와 제 2 광학부재(322)는 빔스플리터(323)의 양쪽 표면에 각각 대향하도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 영상은 제 1 광학부재(322)를 지나 빔스플리터(323)를 투과한다. 그런 후, 영상은 제 2 광학부재(322)에 의해 반사된 후, 다시 빔스플리터(323)에 의해 반사되어 제 2 동공(P2)에 포커싱된다.
또한, 도 18을 참조하면, 영상 이동 광학계(320')는 볼록 렌즈로 구성된 제 1 광학부재(321), 오목 거울로 구성된 제 2 광학부재(322), 및 제 1 광학부재(321)로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 광학부재(322)로부터 오는 빛을 투과시키는 빔스플리터(323')를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 광학부재(321)와 제 2 광학부재(322)는 빔스플리터(323')의 서로 접하는 2개의 표면에 각각 대향하여 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 영상은 제 1 광학부재(322)를 지나 빔스플리터(323)에 의해 반사된다. 그런 후, 영상은 제 2 광학부재(322)에 의해 반사된 후, 빔스플리터(323)를 투과하여 제 2 동공(P2)에 포커싱된다.
또한, 도 19를 참조하면, 영상 이동 광학계(420)는 오목 거울로 구성된 제 1 광학부재(421), 볼록 렌즈로 구성된 제 2 광학부재(422), 및 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 제 1 광학부재(421)로부터 오는 빛을 제 2 광학부재(422)를 향해 투과시키는 빔스플리터(423)를 포함할 수 있다. 제 2 광학부재(422)는 빔스플리터(423)를 사이에 두고 제 1 광학부재(421)와 마주보도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 제 1 광학부재(421)와 제 2 광학부재(422)는 빔스플리터(423)의 양쪽 표면에 각각 대향하도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 영상 형성 광학계에 의해 제 1 동공(P1)에 포커싱된 영상은 빔스플리터(423)에 의해 반사된 후, 다시 제 1 광학부재(421)에 의해 반사된다. 그런 후, 영상은 빔스플리터(423)를 투과하여 제 2 광학부재(422)에 의해 제 2 동공(P2)에 포커싱된다.
도시하지는 않았지만, 빔스플리터(423)는 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 투과시키고 제 1 광학부재(421)로부터 오는 빛을 제 2 광학부재(422)를 향해 반사하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 제 1 광학부재(421)와 제 2 광학부재(422)는 빔스플리터(423)의 서로 접하는 2개의 표면에 각각 대향하여 배치될 수 있다.
도 17 내지 도 19에 도시된 실시예에서, 제 1 동공(P1)과 제 2 동공(P2) 사이의 영상의 진행 경로가 90도로 절곡된다. 따라서, 도 17 내지 도 19에 도시된 영상 이동 광학계(320, 320', 420)를 사용하는 경우에, 영상 형성 광학계(210)는 절곡 거울(216)을 포함하지 않을 수도 있다.
또한, 도 20을 참조하면, 영상 이동 광학계(520)의 제 1 광학부재(521)와 제 2 광학부재(522)는 모두 오목 거울일 수 있다. 영상 이동 광학계(520)는 오목 거울로 구성된 제 1 광학부재(521), 오목 거울로 구성된 제 2 광학부재(522), 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 제 1 광학부재(521)로부터 오는 빛을 제 2 광학부재(522)를 향해 투과시키는 제 1 빔스플리터(523), 및 제 1 광학부재(521)로부터 오는 빛을 투과시키고 제 2 광학부재(522)로부터 오는 빛을 반사하는 제 2 빔스플리터(524)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 영상 형성 광학계에 의해 제 1 동공(P1)에 포커싱된 영상은 제 1 빔스플리터(523)에 의해 반사되어 제 1 광학부재(521)에 입사한다. 영상은 제 1 광학부재(521)에 의해 반사된 후, 제 1 빔스플리터(523)와 제 2 빔스플리터(524)를 투과하여 제 2 광학부재(522)에 입사한다. 그런 후, 영상은 제 2 광학부재(522)에 의해 반사된 후, 제 2 빔스플리터(524)에 의해 반사되어 제 2 동공(P2)에 포커싱될 수 있다.
상술한 영상의 횡이동이 가능한 디스플레이 장치는 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.
100, 200.....디스플레이 장치
110, 210, 210', 310.....영상 형성 광학계
111, 211, 311.....조명 장치
112, 212, 231, 233, 323, 423, 523, 524.....빔스플리터
113, 213, 313.....대물렌즈
114, 214, 314.....공간 광변조기
120, 220, 320, 320', 420, 520.....영상 이동 광학계
121, 122, 221, 222, 321, 322, 421, 422, 521, 522.....광학 부재
123.....액추에이터 130, 230, 230'.....접안 광학계
131, 132.....렌즈 요소 140.....제어기
150.....시선 추적기 215, 315.....공간 필터
216, 232, 234.....거울 317.....콜리메이팅 렌즈

Claims (26)

  1. 디스플레이 될 영상을 형성하도록 구성된 영상 형성 광학계;
    관찰자의 동공에 영상을 제공하도록 구성된 접안 광학계; 및
    상기 영상 형성 광학계와 상기 접안 광학계 사이의 광 경로 사이에 배치되며, 광축에 수직한 방향으로 영상을 이동시키도록 구성된 영상 이동 광학계;를 포함하며,
    상기 영상 이동 광학계는 제 1 초점 거리를 갖는 제 1 광학부재 및 제 2 초점 거리를 갖는 제 2 광학부재를 포함하고,
    상기 제 1 광학부재와 제 2 광학부재는 광축에 수직한 방향으로 영상을 이동시키기 위해 광축에 수직한 방향으로 이동하도록 구성되며,
    광축에 대한 상기 제 1 광학부재와 상기 제 2 광학부재의 이동 방향은 상기 영상의 이동 방향과 동일하고,
    광축 상에서 상기 제 1 광학부재와 제 2 광학부재 사이의 거리는 제 1 초점 거리와 제 2 초점 거리와의 합과 같은 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재는 상기 영상 형성 광학계와 상기 제 1 광학부재 사이에서 영상이 포커싱되는 제 1 동공으로부터 광축을 따라 상측으로 제 1 초점 거리만큼 떨어져 배치된 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 광학부재는 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 영상이 포커싱되는 제 2 동공으로부터 광축을 따라 물체측으로 제 2 초점 거리만큼 떨어져 배치된 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    관찰자의 동공 위치를 추적하도록 구성된 시선 추적기; 및
    상기 시선 추적기로부터 제공된 관찰자의 동공 위치 변화에 응답하여 상기 영상 이동 광학계의 위치를 제어하는 제어기;를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기의 제어에 따라 상기 영상 이동 광학계를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 액추에이터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계가 광축에 수직한 방향으로 Δ만큼 이동하는 경우에, 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 광축에 수직한 방향으로 상이 이동하는 거리 δ는 δ= -Δ(1/MA -1)이고, MA는 상기 영상 이동 광학계의 배율인 디스플레이 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이에서 광축에 수직한 방향으로 상이 δ만큼 이동하는 경우에, 사출동공(exit pupil)의 이동량 δP는 δP = MP×δ이고, MP는 상기 접안 광학계의 배율인 디스플레이 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재의 제 1 초점 거리와 상기 제 2 광학부재의 제 2 초점 거리가 동일한 디스플레이 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 형성 광학계는:
    조명광을 제공하는 조명 장치;
    조명광을 반사 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기; 및
    상기 조명광을 상기 공간 광변조기에 전달하고 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 이동 광학계에 전달하도록 구성된 빔스플리터;를 포함하는 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 영상 형성 광학계는 상기 조명 장치로부터 상기 공간 광변조기로 전달되는 조명광을 콜리메이팅하고, 상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 형성 광학계와 상기 영상 이동 광학계 사이의 제 1 동공에 포커싱하는 대물렌즈를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 영상 형성 광학계는 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 영상 이외의 빛을 제거하는 공간 필터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 영상 형성 광학계는 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 영상을 반사하여 상기 영상의 진행 경로를 절곡시키는 절곡 거울을 더 포함하는 디스플레이 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 형성 광학계는:
    조명광을 제공하는 조명 장치;
    조명광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;
    조명광을 투과 및 변조하여 영상을 형성하는 공간 광변조기; 및
    상기 공간 광변조기에 의해 형성된 영상을 상기 영상 형성 광학계와 상기 제 1 광학부재 사이의 제 1 동공에 포커싱하는 대물렌즈;를 포함하는 디스플레이 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 접안 광학계는 상기 영상 이동 광학계와 상기 접안 광학계 사이의 제 2 동공에 포커싱된 영상을 사출동공에 포커싱하도록 구성된 적어도 2개의 렌즈 요소를 포함하는 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 접안 광학계는:
    제 1 표면으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 표면으로부터 오는 빛을 투과시키는 제 1 빔스플리터;
    상기 빔스플리터의 제 2 표면 상에 배치되어 빛을 반사하는 제 1 거울;
    관찰자의 동공에 영상을 포커싱하는 제 2 거울; 및
    상기 제 1 거울로부터 오는 빛을 상기 제 2 거울로 반사하고 상기 제 2 거울로부터 오는 빛을 투과시키는 제 2 빔스플리터;를 포함하는 디스플레이 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 거울은 오목한 제 1 표면 및 상기 제 1 표면의 맞은 편에 배치된 볼록한 제 2 표면을 포함하며, 제 1 표면으로 입사하는 빛을 반사하고 제 2 표면으로 입사하는 빛을 투과시키도록 구성된 디스플레이 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 헤드 마운트형, 안경형 또는 고글형 가상 현실(VR) 디스플레이 장치, 증강 현실(AR) 디스플레이 장치, 또는 혼합 현실(MR) 디스플레이 장치인 디스플레이 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 접안 광학계는:
    제 1 표면으로부터 오는 빛을 반사하고 제 2 표면으로부터 오는 빛을 투과시키는 제 1 빔스플리터;
    상기 빔스플리터의 제 2 표면 상에 배치되어 빛을 반사하는 제 1 거울;
    관찰자의 동공에 영상을 포커싱하는 제 2 거울; 및
    상기 제 1 거울로부터 오는 빛을 상기 제 2 거울로 투과시키고 상기 제 2 거울로부터 오는 빛을 반사하는 제 2 빔스플리터;를 포함하는 디스플레이 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재와 상기 제 2 광학부재가 모두 볼록 렌즈인 디스플레이 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재는 볼록 렌즈이고 상기 제 2 광학부재는 오목 거울인 디스플레이 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계는 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 반사하는 빔스플리터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계는 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키는 빔스플리터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재는 오목 거울이고 상기 제 2 광학부재는 볼록 렌즈인 디스플레이 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계는 상기 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 상기 제 2 광학부재를 향해 투과시키는 빔스플리터를 더 포함하는 디스플레이 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학부재와 상기 제 2 광학부재가 모두 오목 거울인 디스플레이 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 영상 이동 광학계는:
    상기 영상 형성 광학계로부터 오는 빛을 반사하고 상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 상기 제 2 광학부재를 향해 투과시키는 제 1 빔스플리터; 및
    상기 제 1 광학부재로부터 오는 빛을 투과시키고 상기 제 2 광학부재로부터 오는 빛을 반사하는 제 2 빔스플리터;를 더 포함하는 디스플레이 장치.
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