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WO2024063396A1 - Optical device and virtual image formation method using same - Google Patents

Optical device and virtual image formation method using same Download PDF

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Publication number
WO2024063396A1
WO2024063396A1 PCT/KR2023/013301 KR2023013301W WO2024063396A1 WO 2024063396 A1 WO2024063396 A1 WO 2024063396A1 KR 2023013301 W KR2023013301 W KR 2023013301W WO 2024063396 A1 WO2024063396 A1 WO 2024063396A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
virtual image
optical
optical device
display
mode
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/013301
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
김선희
이유신
Original Assignee
주식회사 엘지유플러스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지유플러스 filed Critical 주식회사 엘지유플러스
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Definitions

  • This document relates to an optical device that changes the path of light emitted from a display and forms one or more virtual images in the space where the changed light travels, and a method of forming a virtual image using the same.
  • Figure 1 is a diagram for explaining a general mechanism by which a user recognizes an object.
  • the points 120 constituting the object 110 emit light.
  • the observer's eyes 130 focus on the points 120 from which light is emitted, and the observer recognizes that an object 110 exists at that location.
  • 3-Dimension Hologram Simulation or the optical technology of holographic devices uses a technology to create a virtual image by levitating a real image using an optical element, which is then used as an up-floating display. Also referred to as Display).
  • a half mirror (beam splitter) is used as an optical element to boost a real image, reflecting half of the incident light and transmitting the other half.
  • Figure 2 is a conceptual diagram showing a general virtual image generating device.
  • the light emitted from the pixel 110 of the display 10 is reflected by the half mirror 20, and is focused on the space opposite to the space through which the reflected light travels based on the half mirror 20. (31) is formed to generate a virtual image (30).
  • the quality of the image e.g., contrast, sharpness
  • the path of light emitted from the display is changed, and one or more virtual images are formed in the space where the changed light travels (i.e., in front of the light path),
  • the goal is to provide an optical device that prevents image quality from deteriorating.
  • an embodiment of the present invention seeks to provide an optical device that improves mass productivity by implementing an up-floating image using an optical element with a predetermined refractive index rather than a reflection method using glass lamination.
  • an optical surface that can be driven in two or more polarization modes for example, a metasurface, is implemented on the contact surface between the above-described optical element and a predetermined plate, thereby implementing two or more virtual image planes,
  • the aim is to provide an optical device with adjustable stereoscopic effect/resolution and a method of forming a virtual image using the same.
  • an optical device that changes the path of light emitted from a display and forms one or more virtual images in the space where the changed light travels, the first refractive index ( an optical element having n 1 ); A plate having a second refractive index (n 2 ) different from the first refractive index (n 1 ); and an optical surface formed on a contact surface between the optical element and the plate and driven in a first polarization mode and a second polarization mode, wherein the light emitted from the display is divided into the first polarization mode and the second polarization mode of the optical surface.
  • An optical device is proposed that forms a first virtual image plane and a second virtual image plane respectively according to polarization mode driving.
  • the optical element may include a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in one or more of the horizontal and vertical directions on the plane formed by the plate.
  • the plurality of transparent elements may be made of HOE (Hologram Optic Element) or DOE (Diffractive Optical Element) material.
  • the plurality of transparent elements may be formed to have an inclination of a predetermined angle with respect to a direction perpendicular to the plane formed by the plate.
  • the arrangement period of the plurality of transparent elements may have one or more periods.
  • the plate may include a first plate located above and a second plate located below the optical element.
  • the optical surface when the first refractive index is greater than the second refractive index, the optical surface is formed at the interface between the second plate and the optical element, and when the first refractive index is smaller than the second refractive index, the optical surface may be formed at the interface between the first plate and the optical element.
  • the optical element includes a plurality of first transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a first direction, either vertical or horizontal, on a plane formed by the first plate; And a plurality of second transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a second direction that is different from the first direction among the vertical or horizontal directions on the plane formed by the second plate. can do.
  • the optical element may be formed of one layer including a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in vertical and horizontal directions on the plane formed by the plate.
  • the three-dimensional effect can be controlled according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  • resolution can be controlled by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  • the optical surface may be driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
  • the optical device may operate as a component of a head-up display (HUD) of a vehicle and may control the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane according to the display mode of the HUD.
  • HUD head-up display
  • the display mode of the HUD includes a first display mode that forms a virtual image protruding in the direction of the driver with respect to the windshield of the vehicle, and It may include a second display mode that forms a virtual image protruding outward with respect to the shield.
  • the first plane formed by the optical device is preferably disposed at an angle to the second plane formed by the display.
  • the optical surface may include a metasurface, and in this case, the first polarization mode and the second polarization mode may be a transverse magnetic (TM) mode and a transverse electric (TE) mode, respectively.
  • TM transverse magnetic
  • TE transverse electric
  • the optical device does not include a mirror element and may change the path of light emitted from the display through one or more of refraction or total reflection.
  • light emitted from a display is received by an optical device that does not include a mirror element; Forming one or more virtual images by refracting or totally reflecting the emitted light through an optical element of the optical device, a plate, and an optical surface formed on a contact surface of the optical element and the plate, wherein the optical surface is a first polarized light.
  • driving mode and a second polarization mode wherein the one or more virtual images are formed in a first virtual image plane and a second virtual image plane, respectively, depending on the driving of the optical plane in the first polarization mode or the second polarization mode.
  • a virtual image formation method is proposed.
  • the three-dimensional effect can be controlled according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  • resolution can be controlled by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  • the optical surface may be driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
  • the optical device can operate as a component of a head-up display (HUD) of a vehicle, and further includes controlling the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane depending on the display mode of the HUD. can do.
  • HUD head-up display
  • the optical surface may include a metasurface, and the first polarization mode and the second polarization mode may be a transverse magnetic (TM) mode and a transverse electric (TE) mode, respectively.
  • TM transverse magnetic
  • TE transverse electric
  • the path of light emitted from the display is changed using refraction or total reflection, and one or more virtual images are displayed in the space where the changed light travels (i.e., in front of the light path).
  • the quality of the image can be improved by forming .
  • the mass productivity of the optical device can be improved.
  • an optical surface that can be driven in two or more polarization modes for example, a metasurface
  • two or more virtual image planes can be implemented, and three-dimensional effect/resolution can be adjusted through this.
  • Figure 1 is a diagram for explaining a general mechanism by which a user recognizes an object.
  • Figure 2 is a conceptual diagram showing a general virtual image generating device.
  • Figure 3 is a conceptual diagram showing a virtual image generating device to which an embodiment of the present invention will be applied.
  • Figure 4 is a diagram for explaining the operation of an optical device using an array of mirror elements as a comparative example of the present invention.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the operation of an optical device using total reflection of light according to preferred embodiments of the present invention.
  • FIGS. 7 to 9 are diagrams showing a three-dimensional view, a side view, and a top view of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG 10 and 11 are diagrams for explaining the configuration of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of an optical device that increases three-dimensionality/realism using a metasurface according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 shows a metasurface unit structure using a single nanorod, which is one of the simplest metasurface unit structures used in the embodiment of FIG. 12, and the light transmission phase retardation phenomenon that appears depending on the array angle of the nanorod. This is a schematic diagram showing .
  • Figures 14 and 15 are diagrams to explain polarization modes for implementing two virtual image planes.
  • Figure 16 is a diagram for explaining a method of controlling two or more virtual image planes according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a diagram showing the configuration of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for specifically explaining the structure of an optical element in the optical device according to the embodiment of FIG. 17.
  • Figure 19 is a diagram for explaining a structure for preventing the moire effect according to an embodiment of the present invention.
  • 20 and 21 are diagrams for explaining optical devices according to other embodiments of the present invention.
  • Figure 22 is a diagram for explaining a method of forming a virtual image according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 23 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 24 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to another embodiment of the present invention.
  • Spatially relative terms such as “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are as shown in the drawing. Likewise, it can be used to easily describe the correlation between one component and other components. Spatially relative terms should be understood as terms that include different directions of components during use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, if a component shown in a drawing is flipped over, a component described as “below” or “beneath” another component will be placed “above” the other component. You can. Accordingly, the illustrative term “down” may include both downward and upward directions. Components can also be oriented in other directions, so spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
  • Figure 3 is a conceptual diagram showing a virtual image generating device to which an embodiment of the present invention will be applied.
  • the virtual image generating device 200 of this embodiment light emitted from the display 220 is input to the optical device 210, and the light path changed by the optical device 210 is focused 230 on the plane of the virtual image 240. ) can proceed. Accordingly, the focus 230 of the virtual image 240 is created in front of the optical device 210, and the user 250 can view the virtual image 230 clearly.
  • the observer's eyes 250 focus on the convergence/divergence point 230 , the observer recognizes that an object 240 composed of a set of converging/diverging points 230 exists at that location.
  • the optical device 210 can be used to cause light to converge and diverge at the position 230 to be expressed. At this time, it is desirable that the light converges in both vertical and horizontal directions to one point.
  • the virtual image generating device 200 shown in FIG. 3 may include a display 220 and an optical device 210.
  • the display 220 may be in the form of a panel.
  • the display 220 may be disposed at an angle to the optical device 210 .
  • the tilt angle of the display 220 and the optical device 210 may be 45 degrees.
  • at least a portion of the display 220 may face the optical device 210, but may not be arranged parallel to each other.
  • the display 220 may generate an image by converting electromagnetic signals into optical signals.
  • the screen of the display 220 is made up of countless pixels, and each pixel may be made up of RGB (Red, Green, Blue) subpixels. Real images can be reproduced using RGB light emitted from each pixel.
  • Figure 4 is a diagram for explaining the operation of an optical device using an array of mirror elements as a comparative example of the present invention.
  • each mirror element of the mirror element array 300 From the perspective of each mirror element of the mirror element array 300, light emitted from each display 310 may be reflected at a small angle of incidence and reflected at a small reflection angle, and light incident at a large incident angle may be reflected at a large reflection angle.
  • each emitted light from the display panel surface 310 can be collected at a point 320 in space by the mirror element array 300 and then diverged.
  • an image composed of multiple dots is displayed on the display panel 310, light emitted from each dot converges and diverges at each corresponding position 320 in space.
  • the viewer 350 may recognize that the image 330 exists at that location.
  • the mirror element array 300 of the embodiment shown in FIG. 4 can be implemented by inserting a metal film into a dielectric medium, and light can be reflected using 'metal reflection'.
  • metal reflection as described above, there is a problem of low mass production, and accordingly, in a preferred embodiment of the present invention, instead of a reflection structure using metal, the phenomenon of refraction and/or total reflection of light within a high refractive index material occurs. It is proposed to implement the above-described operation using .
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the operation of an optical device using total reflection of light according to preferred embodiments of the present invention.
  • the optical element according to this embodiment has a structure in which an optical element 430 having a first refractive index (n 1 ) higher than that of air is repeatedly formed in the shape of a triangular prism.
  • These optical elements 430 can be made of HOE (Hologram Optic Element) or DOE (Diffractive Optical Element) material to improve mass production.
  • the first refractive index (n 1 ) is greater than the refractive index (n air ) of air 420 or the refractive index of the corresponding low refractive index medium, total reflection of light may occur at the boundary surface 410 .
  • the incident angle is greater than a predetermined critical angle, the light is all reflected without refraction, and the path of the light can be changed without loss.
  • the optical elements 530 have a square shape rather than a triangular prism shape.
  • the first refractive index (n 1 ) of the optical element 530 is greater than the refractive index (n air ) of air or the corresponding low refractive index medium 520, total reflection of light occurs at the boundary surface 510 therebetween. can be set to occur, and through this, an optical device with high mass production can be implemented.
  • FIGS. 7 to 9 are diagrams showing a three-dimensional view, a side view, and a top view of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the optical devices 620 and 630 are used. It is desirable to perform both vertical and horizontal direction control of light on the arranged plane.
  • the optical device according to the embodiment shown in FIGS. 7 to 9 is proposed to include a first plate 620 for controlling the vertical direction of light and a second plate 630 for controlling the horizontal direction of light.
  • the optical elements 430 and 530 described above with reference to FIGS. 5 and 6 may be repeatedly arranged on the first plate 620 and the second plate 630, and the optical elements 430 and 530 may be repeatedly arranged. Patterns can be divided into horizontal and vertical directions, respectively.
  • FIG. 8 (A) and (B) of FIG. 8 show a side view of the optical device according to the embodiment of FIG. 7.
  • Figure 8 (A) shows an example in which the optical elements 620a in the first plate have a triangular prism shape protruding in the direction of light incidence
  • Figure 8 (B) shows the optical elements 620a in the first plate.
  • An example is shown where the elements 620b have a triangular prism shape protruding in the light emission direction.
  • vertical direction control is performed using total reflection of light to form virtual images 640a and 640b in the direction of the changed path, there is no need to be limited to a specific form.
  • FIG. 9 shows a top view of an optical device according to the embodiment of FIG. 7.
  • the real image plane 610 by the light emitted from the display is controlled in a vertical direction by the first plate 620 as described above in FIG. 8, and at the same time, as shown in FIG. 9, the real image plane 610 is controlled by the second plate 620 as shown in FIG. 9.
  • Horizontal path control can be achieved by the plate 630. This can also be controlled through total reflection 650 of light by repeatedly arranged optical elements.
  • FIG 10 and 11 are diagrams for explaining the configuration of an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown in FIGS. 10 and 11 has optical elements formed on each plate 910 and 920 for horizontal/vertical light path control.
  • the basic operating principle is the same, except that it has a rectangular structure and a protruding shape, rather than a triangular prism shape.
  • Figure 11 (A) shows an example in which optical elements 910a, which have a rectangular structure and are repeatedly arranged, protrude in the direction of light incidence
  • Figure 11 (B) shows an example where optical elements 910a, which have a rectangular structure and are repeatedly arranged, are shown.
  • An example is shown in which the optical elements 910b protrude in the light emission direction.
  • an up-floating virtual image is implemented using the above-described optical device, and an optical device that increases the sense of three-dimensionality/realism by implementing two or more virtual image planes is proposed.
  • an optical surface that can be operated in two or more polarization modes, and preferably, a metasurface that can be operated in TM (Transverse Magnetic) mode and TE (Transverse Electric) mode.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of an optical device that increases three-dimensionality/realism using a metasurface according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device shown in FIG. 12 has a contact surface between an optical element 1320 having a first refractive index (n 1 ) and a plate 1330 having a second refractive index (n 2 ) different from the first refractive index (n 1 ). , characterized in that it includes an optical surface 1340 driven in a first polarization mode and a second polarization mode.
  • the light emitted from the display 1310 forms a first virtual image plane 1350 and a second virtual image plane 1360 according to the driving of the first and second polarization modes of the optical surface 1340, respectively. , It is possible to implement highly realistic virtual images.
  • the optical surface 1340 described above may be formed as a metasurface.
  • the word metasurface is derived from metamaterial, and recently, metamaterials in the visible light band that require precise nano-processing technology have been gradually developed and started to be mentioned.
  • Some metamaterial researchers consider the process difficulties and cost aspects of metamaterial technology, which is created by stacking unit structures three-dimensionally, and argue that metamaterials do not necessarily exist in the natural world through a two-dimensional single thin film rather than a three-dimensional layered structure. Focusing on the fact that it was possible to implement properties such as negative refraction, the word metasurface began to be used for such structures.
  • Metasurfaces are more suitable for current processing methods based on thin film structures and have the advantage of being able to implement materials with various physical properties through thin film structures.
  • the process is easier compared to 3D metamaterial structures, so there are many cases where structural changes are made between each unit structure.
  • various unique physical properties can be obtained by adjusting the rotation angle of the unit structure or relative positional information between structures on a periodic basis.
  • FIG. 13 shows a metasurface unit structure using a single nanorod, which is one of the simplest metasurface unit structures used in the embodiment of FIG. 12, and the light transmission phase retardation phenomenon that appears depending on the array angle of the nanorod. This is a schematic diagram showing .
  • nanorod structures have unique resonance conditions depending on their length, thickness, and materials that make up the nanorods. If the wavelength of the incident light matches the resonance condition, the component parallel to the nanorod among the polarization components of the incident light is strongly scattered by the nanorod structure, and the phase of the transmission component of the scattered light is delayed.
  • Figures 14 and 15 are diagrams to explain polarization modes for implementing two virtual image planes.
  • the optical surface 1340 for implementing two virtual image planes 1350 and 1360 for example, TM mode and TE mode can be used as the polarization modes of the metasurface described above. there is.
  • TM mode refers to a polarization mode without an electric field in the direction of light travel
  • TE mode refers to a polarization mode without a magnetic field in the direction of light travel.
  • Figure 14 shows the optical propagation of TM mode and TE mode on VMMA (Virtual Moving Metalens Array). As shown in FIG. 14, the emitted light in the TE mode of the (i, j)-th element lens on the VMMA may proceed differently from the emitted light in the TM mode, and specifically, as shown in FIG. 15, the TM mode/TE The phase profile and far-field intensity distribution in each mode are shown.
  • a three-dimensional effect can be expressed by forming the first virtual image plane 1350 and the second virtual image plane 1360 as described above using the TM mode/TE mode of the metasurface 1340.
  • Figure 16 is a diagram for explaining a method of controlling two or more virtual image planes according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 16 (A) and 16 (B) illustrate the concept of controlling the distance between two virtual image planes formed as described above to be closer or farther.
  • TM mode/TE mode is set to a certain frequency (e.g., 60 Hz or higher)
  • humans can recognize the two virtual image planes as if they were a video in that humans recognize the image as a video if the frequency is 24 Hz or higher.
  • the three-dimensional effect can be controlled by adjusting the spacing between the two image planes.
  • Figure 16 (C) shows an example of overlapping two virtual image planes. If the brightness/resolution of the image is more important than the three-dimensional effect, such as in a car's HUD (head-up display), two virtual image planes can be expressed by overlapping, which changes the content and display mode of the image displayed even in the same HUD example. It may be set differently depending on.
  • two virtual image planes are used as an example, but the present invention is not limited thereto, and proposes controlling three-dimensional effect/resolution, etc. by forming two or more virtual image planes.
  • Figure 17 is a diagram showing the configuration of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • one optical element array 1410 is used. It is proposed to use a structure in which two plates (1430, 1440) surround the optical illumination array (1410) at the center.
  • the plate located above the optical element 1410 will be referred to as the first plate 1440, and the plate located below will be referred to as the second plate 1430. It is assumed that both the first plate 1440 and the second plate 1430 have a first refractive index (n 1 ).
  • the optical surface 1420a when the first refractive index (n 1 ) of the plates 1430 and 1440 is greater than the second refractive index (n 2 ), which is the refractive index of the optical element 1410, the optical surface 1420a has a second plate ( It is assumed that it is formed at the interface between 1430) and the optical element 1410. Conversely, when the first refractive index (n 1 ) is smaller than the second refractive index (n 2 ), it is assumed that the optical surface 1420b is formed at the interface between the first plate 1440 and the optical element 1410.
  • FIG. 18 is a diagram for specifically explaining the structure of an optical element in the optical device according to the embodiment of FIG. 17.
  • the optical element array 1420 of this embodiment preferably has a structure in which horizontal and vertical patterns are stacked as shown in FIG. 18 in order to perform both vertical and horizontal direction control of light, and these are each formed on the first plate. It may be formed in (1440) and the second plate (1430).
  • Figure 19 is a diagram for explaining a structure for preventing the moire effect according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 shows an example of preventing the moiré effect by changing the tilt of the shooting-shaped structure in the protruding structure of the transparent structure constituting the optical element array.
  • Figures 19 (A) and (B) show an example of adding a slope change in which the gap between transparent structures is 8 um at the lower end and 12 um at the upper end.
  • 19 (A) and (B) show an example of setting the interval (period) between transparent structures in a vertical pattern/horizontal pattern differently. However, even within the same vertical or horizontal pattern, the period is set to one or more. It can reduce the moiré effect.
  • 20 and 21 are diagrams for explaining optical devices according to other embodiments of the present invention.
  • FIG. 18 an optical element array is described as an example in which a horizontal array and a vertical array are formed and stacked, but FIG. 20 shows, unlike this, a structure in which vertical light control is performed in a checkerboard-shaped optical element array.
  • An example of implementing horizontal/vertical light path control through one array plane is shown by forming a side 1810 and a side 1820 that performs horizontal light control.
  • the optical element array layer with one layer like this, only a structure in which the optical elements protrude from the lower side of the plate can be used, as shown in (A) of FIG. 21, or the optical elements protrude from the upper side of the plate. You can use only the structure that is available, or you can use both. Of course, it is not necessary to use two plates.
  • one optical element layer is formed between two plates as shown in (B) of FIG. 21, through which the thickness of the optical device can be reduced.
  • Figure 22 is a diagram for explaining a method of forming a virtual image according to an embodiment of the present invention.
  • the virtual image forming method assumes the use of an optical device that does not include a mirror element, as described above.
  • the optical device may receive light emitted from the display (S2010) and change the optical path through refraction or total reflection by the optical device (S2020).
  • the optical device may form one or more virtual images by refracting or total reflection of the emitted light through the optical element, the plate, and the optical surface formed on the contact surface of the optical element and the plate (S2030).
  • a first virtual image plane and a second virtual image plane can be formed (S2030).
  • the quality of the image perceived by the user can be controlled by controlling the frequencies of the two polarization modes (S2030-3).
  • Figure 23 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to an embodiment of the present invention.
  • a more realistic image can be implemented using an up-floating display, unlike existing HUDs.
  • a first display mode 2310 that implements an image in which a virtual image protrudes in the direction of the driver based on the windshield of the vehicle and a A second display mode 2320 that can display the virtual image to an external user by projecting the virtual image outwards can be additionally implemented.
  • the first display mode 2310 and the second display mode 2320 may be displayed selectively or both may be displayed simultaneously.
  • the light of the real image from the lower display/image source providing device is tilted to the inclined optical device part to implement the first display mode 2310 and the inclined optical device to implement the second display mode 2320.
  • It may include a photographic optical device unit.
  • Figure 24 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to another embodiment of the present invention.
  • a display/image source is used to implement display modes (the first display mode and the second display mode) that form a virtual image on the inside and outside of the windshield of the vehicle while using a single optical device unit 2410.
  • display modes the first display mode and the second display mode
  • the first and second display modes are displayed according to the two polarization modes of the metasurface 2420a or 2420b. It can be implemented.
  • the same can be applied to form two virtual image planes inside or outside the windshield depending on the polarization mode (eg, TM/TE mode) of the metasurface 2420a or 2420b.
  • polarization mode eg, TM/TE mode
  • optical device and virtual image forming method according to the present invention as described above can be applied to various technical fields such as HUD where an up-floating display can be used.

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Abstract

The present document relates to: an optical device configured to change the path in which light emitted from a display progresses, and form at least one virtual image in a space where the path-changed light progresses; and a virtual image formation method using same. The optical device includes: an optical element having a first refractive index (n1); a plate having a second refractive index (n2) different from the first refractive index (n1); and an optical surface formed on a contact surface of the optical element and the plate and driven in a first polarizing mode and a second polarizing mode, wherein the light emitted from the display forms a first virtual image plane and a second virtual image plane, respectively, according to the driving of the optical surface in the first polarizing mode and the second polarizing mode.

Description

광학 장치 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법Optical device and method of forming virtual image using 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.This document relates to an optical device that changes the path of light emitted from a display and forms one or more virtual images in the space where the changed light travels, and a method of forming a virtual image using the same.
도 1은 일반적으로 사용자가 물체를 인식하는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining a general mechanism by which a user recognizes an object.
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. When an object 110 exists in space, the points 120 constituting the object 110 emit light. The observer's eyes 130 focus on the points 120 from which light is emitted, and the observer recognizes that an object 110 exists at that location.
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.Meanwhile, 3-Dimension Hologram Simulation or the optical technology of holographic devices uses a technology to create a virtual image by levitating a real image using an optical element, which is then used as an up-floating display. Also referred to as Display).
일반적으로 실상 이미지를 부양시키기 위한 광학 소자로, 입사광의 반은 반사 시키고 나머지 반은 투과시키는 하프 미러(half mirror, 빔스플리터)가 이용된다.Generally, a half mirror (beam splitter) is used as an optical element to boost a real image, reflecting half of the incident light and transmitting the other half.
도 2는 일반적인 가상 이미지 생성 장치를 나타낸 개념도이다. Figure 2 is a conceptual diagram showing a general virtual image generating device.
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.Referring to FIG. 2, the light emitted from the pixel 110 of the display 10 is reflected by the half mirror 20, and is focused on the space opposite to the space through which the reflected light travels based on the half mirror 20. (31) is formed to generate a virtual image (30).
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.That is, because the virtual image 30 is located behind the half mirror 20 and the user in front recognizes the virtual image 30 through the half mirror 20, the quality of the image (e.g., contrast, sharpness) There is a problem with this degradation.
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.Meanwhile, conventional virtual image generating devices use glass to change the path of light, and specifically, it is common to form a three-dimensional space using reflection of light realized through stacking/cutting hundreds or thousands of pieces of glass. To solve the problem of stereoscopic image implementation methods with poor mass production, standardization of alternative technologies is being discussed in IEC (International Electronic Committee) TC 100 WG6 and WG12.
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. In order to solve the problem described above, in one aspect of the present invention, the path of light emitted from the display is changed, and one or more virtual images are formed in the space where the changed light travels (i.e., in front of the light path), The goal is to provide an optical device that prevents image quality from deteriorating.
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.In addition, an embodiment of the present invention seeks to provide an optical device that improves mass productivity by implementing an up-floating image using an optical element with a predetermined refractive index rather than a reflection method using glass lamination.
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.In addition, in one embodiment of the present invention, an optical surface that can be driven in two or more polarization modes, for example, a metasurface, is implemented on the contact surface between the above-described optical element and a predetermined plate, thereby implementing two or more virtual image planes, Through this, the aim is to provide an optical device with adjustable stereoscopic effect/resolution and a method of forming a virtual image using the same.
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.The problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
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.In one aspect of the present invention for solving the problems described above, in an optical device that changes the path of light emitted from a display and forms one or more virtual images in the space where the changed light travels, the first refractive index ( an optical element having n 1 ); A plate having a second refractive index (n 2 ) different from the first refractive index (n 1 ); and an optical surface formed on a contact surface between the optical element and the plate and driven in a first polarization mode and a second polarization mode, wherein the light emitted from the display is divided into the first polarization mode and the second polarization mode of the optical surface. An optical device is proposed that forms a first virtual image plane and a second virtual image plane respectively according to polarization mode driving.
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.The optical element may include a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in one or more of the horizontal and vertical directions on the plane formed by the plate.
상기 복수의 투명 소자들은 HOE (Hologram Optic Element) 또는 DOE (Diffractive Optical Element) 소재로 구성될 수 있다.The plurality of transparent elements may be made of HOE (Hologram Optic Element) or DOE (Diffractive Optical Element) material.
상기 복수의 투명 소자들은 상기 플레이트가 형성하는 평면에 수직하는 방향에 대해 소정 각도의 기울기를 가지도록 형성될 수 있다.The plurality of transparent elements may be formed to have an inclination of a predetermined angle with respect to a direction perpendicular to the plane formed by the plate.
상기 복수의 투명 소자들의 배치 주기는 하나 이상의 주기를 가질 수 있다.The arrangement period of the plurality of transparent elements may have one or more periods.
상기 플레이트는 상기 광학 소자를 중심으로 상부에 위치하는 제 1 플레이트 및 하부에 위치하는 제 2 플레이트를 포함할 수 있다.The plate may include a first plate located above and a second plate located below the optical element.
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.In this case, when the first refractive index is greater than the second refractive index, the optical surface is formed at the interface between the second plate and the optical element, and when the first refractive index is smaller than the second refractive index, the optical surface may be formed at the interface between the first plate and the optical element.
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.The optical element includes a plurality of first transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a first direction, either vertical or horizontal, on a plane formed by the first plate; And a plurality of second transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a second direction that is different from the first direction among the vertical or horizontal directions on the plane formed by the second plate. can do.
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.The optical element may be formed of one layer including a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in vertical and horizontal directions on the plane formed by the plate.
한편, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어할 수 있다.Meanwhile, the three-dimensional effect can be controlled according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
또한, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어할 수 있다.Additionally, resolution can be controlled by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
또한, 상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동될 수 있다.Additionally, the optical surface may be driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
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.The optical device may operate as a component of a head-up display (HUD) of a vehicle and may control the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane according to the display mode of the HUD.
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.In addition, when the optical device operates as a component of a HUD of a vehicle, the display mode of the HUD includes a first display mode that forms a virtual image protruding in the direction of the driver with respect to the windshield of the vehicle, and It may include a second display mode that forms a virtual image protruding outward with respect to the shield.
상기 광학 장치가 형성하는 제 1 평면은 상기 디스플레이가 형성하는 제 2 평면과 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.The first plane formed by the optical device is preferably disposed at an angle to the second plane formed by the display.
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.The optical surface may include a metasurface, and in this case, the first polarization mode and the second polarization mode may be a transverse magnetic (TM) mode and a transverse electric (TE) mode, respectively.
상기 광학 장치는 거울 소자를 포함하지 않으며, 상기 디스플레이의 출사광을 굴절 또는 전반사 중 하나 이상을 통해 진행 경로를 변경할 수 있다.The optical device does not include a mirror element and may change the path of light emitted from the display through one or more of refraction or total reflection.
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.In another aspect of the present invention for solving the problems described above, light emitted from a display is received by an optical device that does not include a mirror element; Forming one or more virtual images by refracting or totally reflecting the emitted light through an optical element of the optical device, a plate, and an optical surface formed on a contact surface of the optical element and the plate, wherein the optical surface is a first polarized light. driving mode and a second polarization mode, wherein the one or more virtual images are formed in a first virtual image plane and a second virtual image plane, respectively, depending on the driving of the optical plane in the first polarization mode or the second polarization mode. A virtual image formation method is proposed.
상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어할 수 있다.The three-dimensional effect can be controlled according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
또한, 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어할 수 있다.Additionally, resolution can be controlled by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동될 수 있다.The optical surface may be driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
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.The optical device can operate as a component of a head-up display (HUD) of a vehicle, and further includes controlling the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane depending on the display mode of the HUD. can do.
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.The optical surface may include a metasurface, and the first polarization mode and the second polarization mode may be a transverse magnetic (TM) mode and a transverse electric (TE) mode, respectively.
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.According to the embodiments of the present invention as described above, the path of light emitted from the display is changed using refraction or total reflection, and one or more virtual images are displayed in the space where the changed light travels (i.e., in front of the light path). The quality of the image can be improved by forming .
또한, 유리 적층에 의한 반사 방식이 아니라, 소정 굴절율을 가지는 광학 소자를 이용하여 업-플로팅 이미지를 구현함으로써, 광학 장치의 양산성을 향상시킬 수 있다.Additionally, by implementing an up-floating image using an optical element with a predetermined refractive index rather than a reflection method using glass lamination, the mass productivity of the optical device can be improved.
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.In addition, by implementing an optical surface that can be driven in two or more polarization modes, for example, a metasurface, on the contact surface of the above-described optical element and a certain plate, two or more virtual image planes can be implemented, and three-dimensional effect/resolution can be adjusted through this.
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.The effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
도 1은 일반적으로 사용자가 물체를 인식하는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram for explaining a general mechanism by which a user recognizes an object.
도 2는 일반적인 가상 이미지 생성 장치를 나타낸 개념도이다. Figure 2 is a conceptual diagram showing a general virtual image generating device.
도 3은 본 발명의 일 실시예가 적용될 가상 이미지 생성 장치를 타나낸 개념도이다.Figure 3 is a conceptual diagram showing a virtual image generating device to which an embodiment of the present invention will be applied.
도 4는 본 발명의 비교 예로서, 거울 소자들의 어레이(array)을 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figure 4 is a diagram for explaining the operation of an optical device using an array of mirror elements as a comparative example of the present invention.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 광의 전반사를 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.5 and 6 are diagrams for explaining the operation of an optical device using total reflection of light according to preferred embodiments of the present invention.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 입체도, 측면도, 평면도를 도시한 도면이다.7 to 9 are diagrams showing a three-dimensional view, a side view, and a top view of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.10 and 11 are diagrams for explaining the configuration of an optical device according to another embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 메타표면을 이용하여 입체감/실제감을 증가시키는 광학 장치의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of an optical device that increases three-dimensionality/realism using a metasurface according to an embodiment of the present invention.
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. FIG. 13 shows a metasurface unit structure using a single nanorod, which is one of the simplest metasurface unit structures used in the embodiment of FIG. 12, and the light transmission phase retardation phenomenon that appears depending on the array angle of the nanorod. This is a schematic diagram showing .
도 14 및 도 15는 2개의 가상 이미지 평면을 구현하기 위한 편광 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figures 14 and 15 are diagrams to explain polarization modes for implementing two virtual image planes.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 2 이상의 가상 이미지 평면을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 16 is a diagram for explaining a method of controlling two or more virtual image planes according to an embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 도시한 도면이다.Figure 17 is a diagram showing the configuration of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 18은 도 17의 실시예에 따른 광학 장치 중 광학 소자의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.FIG. 18 is a diagram for specifically explaining the structure of an optical element in the optical device according to the embodiment of FIG. 17.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 무아레 효과를 방지하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.Figure 19 is a diagram for explaining a structure for preventing the moire effect according to an embodiment of the present invention.
도 20 및 도 21은 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 광학 장치를 설명하기 위한 도면이다.20 and 21 are diagrams for explaining optical devices according to other embodiments of the present invention.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 22 is a diagram for explaining a method of forming a virtual image according to an embodiment of the present invention.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figure 23 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to an embodiment of the present invention.
도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figure 24 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to another embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
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. Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
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.Spatially relative terms such as “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are as shown in the drawing. Likewise, it can be used to easily describe the correlation between one component and other components. Spatially relative terms should be understood as terms that include different directions of components during use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, if a component shown in a drawing is flipped over, a component described as “below” or “beneath” another component will be placed “above” the other component. You can. Accordingly, the illustrative term “down” may include both downward and upward directions. Components can also be oriented in other directions, so spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
도 3은 본 발명의 일 실시예가 적용될 가상 이미지 생성 장치를 타나낸 개념도이다.Figure 3 is a conceptual diagram showing a virtual image generating device to which an embodiment of the present invention will be applied.
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.In the virtual image generating device 200 of this embodiment, light emitted from the display 220 is input to the optical device 210, and the light path changed by the optical device 210 is focused 230 on the plane of the virtual image 240. ) can proceed. Accordingly, the focus 230 of the virtual image 240 is created in front of the optical device 210, and the user 250 can view the virtual image 230 clearly.
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.Specifically, assuming a situation where the virtual image generating device 200 converges and diverges light in the space on behalf of a real object, the observer's eyes 250 focus on the convergence/divergence point 230 , the observer recognizes that an object 240 composed of a set of converging/diverging points 230 exists at that location.
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.In other words, to create a virtual image in a certain space, the optical device 210 can be used to cause light to converge and diverge at the position 230 to be expressed. At this time, it is desirable that the light converges in both vertical and horizontal directions to one point.
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.The virtual image generating device 200 shown in FIG. 3 may include a display 220 and an optical device 210. The display 220 may be in the form of a panel. The display 220 may be disposed at an angle to the optical device 210 . For example, the tilt angle of the display 220 and the optical device 210 may be 45 degrees. In this case, at least a portion of the display 220 may face the optical device 210, but may not be arranged parallel to each other.
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.The display 220 may generate an image by converting electromagnetic signals into optical signals. The screen of the display 220 is made up of countless pixels, and each pixel may be made up of RGB (Red, Green, Blue) subpixels. Real images can be reproduced using RGB light emitted from each pixel.
도 4는 본 발명의 비교 예로서, 거울 소자들의 어레이(array)을 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figure 4 is a diagram for explaining the operation of an optical device using an array of mirror elements as a comparative example of the present invention.
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.In the embodiment shown in (A) of FIG. 4, assume that an array of mirror elements 300 are located parallel to each other in space, and that a display panel 310 is located below the array. Light emitted from a certain point of the display panel 310 may be reflected by mirror elements located in each corresponding direction.
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.From the perspective of each mirror element of the mirror element array 300, light emitted from each display 310 may be reflected at a small angle of incidence and reflected at a small reflection angle, and light incident at a large incident angle may be reflected at a large reflection angle.
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.Under this assumption, referring to (B) of FIG. 4, each emitted light from the display panel surface 310 can be collected at a point 320 in space by the mirror element array 300 and then diverged. When an image composed of multiple dots is displayed on the display panel 310, light emitted from each dot converges and diverges at each corresponding position 320 in space. At this time, when the viewer 350 sees light converging/diverging in space, the viewer 350 may recognize that the image 330 exists at that location.
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.The mirror element array 300 of the embodiment shown in FIG. 4 can be implemented by inserting a metal film into a dielectric medium, and light can be reflected using 'metal reflection'. However, when using metal reflection as described above, there is a problem of low mass production, and accordingly, in a preferred embodiment of the present invention, instead of a reflection structure using metal, the phenomenon of refraction and/or total reflection of light within a high refractive index material occurs. It is proposed to implement the above-described operation using .
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 광의 전반사를 이용한 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.5 and 6 are diagrams for explaining the operation of an optical device using total reflection of light according to preferred embodiments of the present invention.
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.Referring to FIG. 5, it is assumed that the optical element according to this embodiment has a structure in which an optical element 430 having a first refractive index (n 1 ) higher than that of air is repeatedly formed in the shape of a triangular prism. These optical elements 430 can be made of HOE (Hologram Optic Element) or DOE (Diffractive Optical Element) material to improve mass production.
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. Since the first refractive index (n 1 ) is greater than the refractive index (n air ) of air 420 or the refractive index of the corresponding low refractive index medium, total reflection of light may occur at the boundary surface 410 . In other words, when the incident angle is greater than a predetermined critical angle, the light is all reflected without refraction, and the path of the light can be changed without loss.
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.Referring to FIG. 6, an example is shown in which the optical elements 530 have a square shape rather than a triangular prism shape. In the embodiment of FIG. 6, since the first refractive index (n 1 ) of the optical element 530 is greater than the refractive index (n air ) of air or the corresponding low refractive index medium 520, total reflection of light occurs at the boundary surface 510 therebetween. can be set to occur, and through this, an optical device with high mass production can be implemented.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 입체도, 측면도, 평면도를 도시한 도면이다.7 to 9 are diagrams showing a three-dimensional view, a side view, and a top view of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
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.Specifically, in order for the light emitted from the display 610 to change its path by the optical devices 620 and 630 according to this embodiment to form a virtual image 640 on the changed path, the optical devices 620 and 630 are used. It is desirable to perform both vertical and horizontal direction control of light on the arranged plane. To this end, the optical device according to the embodiment shown in FIGS. 7 to 9 is proposed to include a first plate 620 for controlling the vertical direction of light and a second plate 630 for controlling the horizontal direction of light. The optical elements 430 and 530 described above with reference to FIGS. 5 and 6 may be repeatedly arranged on the first plate 620 and the second plate 630, and the optical elements 430 and 530 may be repeatedly arranged. Patterns can be divided into horizontal and vertical directions, respectively.
도 8을 참조하면, 도 8의 (A) 및 (B)는 도 7의 실시예에 따른 광학 장치의 측면도를 나타낸다. Referring to FIG. 8, (A) and (B) of FIG. 8 show a side view of the optical device according to the embodiment of FIG. 7.
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. Specifically, Figure 8 (A) shows an example in which the optical elements 620a in the first plate have a triangular prism shape protruding in the direction of light incidence, and Figure 8 (B) shows the optical elements 620a in the first plate. An example is shown where the elements 620b have a triangular prism shape protruding in the light emission direction. In any case, if vertical direction control is performed using total reflection of light to form virtual images 640a and 640b in the direction of the changed path, there is no need to be limited to a specific form.
도 9를 참조하면, 도 9는 도 7의 실시예에 따른 광학 장치의 평면도를 나타낸다. Referring to FIG. 9, FIG. 9 shows a top view of an optical device according to the embodiment of FIG. 7.
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.Specifically, the real image plane 610 by the light emitted from the display is controlled in a vertical direction by the first plate 620 as described above in FIG. 8, and at the same time, as shown in FIG. 9, the real image plane 610 is controlled by the second plate 620 as shown in FIG. 9. Horizontal path control can be achieved by the plate 630. This can also be controlled through total reflection 650 of light by repeatedly arranged optical elements.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.10 and 11 are diagrams for explaining the configuration of an optical device according to another embodiment of the present invention.
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.Compared to the embodiment shown in FIGS. 7 to 9, the embodiment shown in FIGS. 10 and 11 has optical elements formed on each plate 910 and 920 for horizontal/vertical light path control. The basic operating principle is the same, except that it has a rectangular structure and a protruding shape, rather than a triangular prism shape.
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.Specifically, Figure 11 (A) shows an example in which optical elements 910a, which have a rectangular structure and are repeatedly arranged, protrude in the direction of light incidence, and Figure 11 (B) shows an example where optical elements 910a, which have a rectangular structure and are repeatedly arranged, are shown. An example is shown in which the optical elements 910b protrude in the light emission direction. In any case, there is no need to be limited to the shape and projection direction of the optical element, as long as it is possible to form a virtual image on a changed path of light.
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.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, an up-floating virtual image is implemented using the above-described optical device, and an optical device that increases the sense of three-dimensionality/realism by implementing two or more virtual image planes is proposed. For this purpose, it is proposed to use an optical surface that can be operated in two or more polarization modes, and preferably, a metasurface that can be operated in TM (Transverse Magnetic) mode and TE (Transverse Electric) mode.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 메타표면을 이용하여 입체감/실제감을 증가시키는 광학 장치의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating the structure of an optical device that increases three-dimensionality/realism using a metasurface according to an embodiment of the present invention.
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. The optical device shown in FIG. 12 has a contact surface between an optical element 1320 having a first refractive index (n 1 ) and a plate 1330 having a second refractive index (n 2 ) different from the first refractive index (n 1 ). , characterized in that it includes an optical surface 1340 driven in a first polarization mode and a second polarization mode.
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.Through this, the light emitted from the display 1310 forms a first virtual image plane 1350 and a second virtual image plane 1360 according to the driving of the first and second polarization modes of the optical surface 1340, respectively. , It is possible to implement highly realistic virtual images.
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.The optical surface 1340 described above may be formed as a metasurface. The word metasurface is derived from metamaterial, and recently, metamaterials in the visible light band that require precise nano-processing technology have been gradually developed and started to be mentioned. Some metamaterial researchers consider the process difficulties and cost aspects of metamaterial technology, which is created by stacking unit structures three-dimensionally, and argue that metamaterials do not necessarily exist in the natural world through a two-dimensional single thin film rather than a three-dimensional layered structure. Focusing on the fact that it was possible to implement properties such as negative refraction, the word metasurface began to be used for such structures.
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. Metasurfaces are more suitable for current processing methods based on thin film structures and have the advantage of being able to implement materials with various physical properties through thin film structures. In particular, the process is easier compared to 3D metamaterial structures, so there are many cases where structural changes are made between each unit structure. While maintaining the basic shape of the unit structure, various unique physical properties can be obtained by adjusting the rotation angle of the unit structure or relative positional information between structures on a periodic basis.
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. FIG. 13 shows a metasurface unit structure using a single nanorod, which is one of the simplest metasurface unit structures used in the embodiment of FIG. 12, and the light transmission phase retardation phenomenon that appears depending on the array angle of the nanorod. This is a schematic diagram showing .
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. In general, nanorod structures have unique resonance conditions depending on their length, thickness, and materials that make up the nanorods. If the wavelength of the incident light matches the resonance condition, the component parallel to the nanorod among the polarization components of the incident light is strongly scattered by the nanorod structure, and the phase of the transmission component of the scattered light is delayed.
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. When the incident light polarization state is circularly polarized, circularly polarized light has an electric field vector that rotates with each phase, so the polarization state in which phase delay occurs varies depending on the array angle of the nanorods, and this is due to the phase difference of the transmitted light itself. It appears. In other words, it is possible to design a metasurface structure in which the array angle information of the nanorods corresponds one-to-one with the phase information of the transmitted light.
도 14 및 도 15는 2개의 가상 이미지 평면을 구현하기 위한 편광 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figures 14 and 15 are diagrams to explain polarization modes for implementing two virtual image planes.
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.As described above with reference to FIG. 12, the optical surface 1340 for implementing two virtual image planes 1350 and 1360, for example, TM mode and TE mode can be used as the polarization modes of the metasurface described above. there is.
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.TM mode refers to a polarization mode without an electric field in the direction of light travel, and TE mode refers to a polarization mode without a magnetic field in the direction of light travel. Figure 14 shows the optical propagation of TM mode and TE mode on VMMA (Virtual Moving Metalens Array). As shown in FIG. 14, the emitted light in the TE mode of the (i, j)-th element lens on the VMMA may proceed differently from the emitted light in the TM mode, and specifically, as shown in FIG. 15, the TM mode/TE The phase profile and far-field intensity distribution in each mode are shown.
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.In this embodiment, a three-dimensional effect can be expressed by forming the first virtual image plane 1350 and the second virtual image plane 1360 as described above using the TM mode/TE mode of the metasurface 1340.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 2 이상의 가상 이미지 평면을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 16 is a diagram for explaining a method of controlling two or more virtual image planes according to an embodiment of the present invention.
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.Figures 16 (A) and 16 (B) illustrate the concept of controlling the distance between two virtual image planes formed as described above to be closer or farther. When switching between TM mode/TE mode is set to a certain frequency (e.g., 60 Hz or higher), humans can recognize the two virtual image planes as if they were a video in that humans recognize the image as a video if the frequency is 24 Hz or higher. The three-dimensional effect can be controlled by adjusting the spacing between the two image planes.
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. Meanwhile, Figure 16 (C) shows an example of overlapping two virtual image planes. If the brightness/resolution of the image is more important than the three-dimensional effect, such as in a car's HUD (head-up display), two virtual image planes can be expressed by overlapping, which changes the content and display mode of the image displayed even in the same HUD example. It may be set differently depending on.
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.In the above description, two virtual image planes are used as an example, but the present invention is not limited thereto, and proposes controlling three-dimensional effect/resolution, etc. by forming two or more virtual image planes.
도 17은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 도시한 도면이다.Figure 17 is a diagram showing the configuration of an optical device according to a preferred embodiment of the present invention.
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. As described above, in order to form the virtual image planes 1450 and 1460, it is desirable to control both the horizontal and vertical directions of the light emitted from the display, and for this purpose, in this embodiment, one optical element array 1410 is used. It is proposed to use a structure in which two plates (1430, 1440) surround the optical illumination array (1410) at the center.
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.In the embodiment of Figure 17, the plate located above the optical element 1410 will be referred to as the first plate 1440, and the plate located below will be referred to as the second plate 1430. It is assumed that both the first plate 1440 and the second plate 1430 have a first refractive index (n 1 ).
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.In this embodiment, when the first refractive index (n 1 ) of the plates 1430 and 1440 is greater than the second refractive index (n 2 ), which is the refractive index of the optical element 1410, the optical surface 1420a has a second plate ( It is assumed that it is formed at the interface between 1430) and the optical element 1410. Conversely, when the first refractive index (n 1 ) is smaller than the second refractive index (n 2 ), it is assumed that the optical surface 1420b is formed at the interface between the first plate 1440 and the optical element 1410.
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.It is proposed to form two or more virtual image planes 1450 and 1460 as shown in FIG. 17 through two or more polarization modes of the optical surface 1420 formed in this way.
도 17에서는 광학 소자(1410)와 플레이트(1430, 1440)의 구체적인 굴절율 예시에 따라 광의 진행 경로를 나타내고 있으나, 이는 예시적인 것이다.In Figure 17, the path of light is shown according to specific examples of refractive indices of the optical element 1410 and the plates 1430 and 1440, but this is only an example.
도 18은 도 17의 실시예에 따른 광학 장치 중 광학 소자의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.FIG. 18 is a diagram for specifically explaining the structure of an optical element in the optical device according to the embodiment of FIG. 17.
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. The optical element array 1420 of this embodiment preferably has a structure in which horizontal and vertical patterns are stacked as shown in FIG. 18 in order to perform both vertical and horizontal direction control of light, and these are each formed on the first plate. It may be formed in (1440) and the second plate (1430).
한편, 광학에 있어서 도 18에 도시된 바와 같은 반복 패턴을 무아레(Moire) 효과를 가져올 수 있다.Meanwhile, in optics, a repeating pattern as shown in FIG. 18 can result in a Moire effect.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 무아레 효과를 방지하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.Figure 19 is a diagram for explaining a structure for preventing the moire effect according to an embodiment of the present invention.
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.In this embodiment, it is proposed to prevent the moiré effect through one or more of display resolution, tilt variation, and interference pattern period variation. The example shown in FIG. 19 shows an example of preventing the moiré effect by changing the tilt of the shooting-shaped structure in the protruding structure of the transparent structure constituting the optical element array. Specifically, Figures 19 (A) and (B) show an example of adding a slope change in which the gap between transparent structures is 8 um at the lower end and 12 um at the upper end. 19 (A) and (B) show an example of setting the interval (period) between transparent structures in a vertical pattern/horizontal pattern differently. However, even within the same vertical or horizontal pattern, the period is set to one or more. It can reduce the moiré effect.
도 20 및 도 21은 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 광학 장치를 설명하기 위한 도면이다.20 and 21 are diagrams for explaining optical devices according to other embodiments of the present invention.
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.In the embodiment of FIG. 18, an optical element array is described as an example in which a horizontal array and a vertical array are formed and stacked, but FIG. 20 shows, unlike this, a structure in which vertical light control is performed in a checkerboard-shaped optical element array. An example of implementing horizontal/vertical light path control through one array plane is shown by forming a side 1810 and a side 1820 that performs horizontal light control.
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.When forming the optical element array layer with one layer like this, only a structure in which the optical elements protrude from the lower side of the plate can be used, as shown in (A) of FIG. 21, or the optical elements protrude from the upper side of the plate. You can use only the structure that is available, or you can use both. Of course, it is not necessary to use two plates.
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.In this embodiment, it is proposed that one optical element layer is formed between two plates as shown in (B) of FIG. 21, through which the thickness of the optical device can be reduced.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 22 is a diagram for explaining a method of forming a virtual image according to an embodiment of the present invention.
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).The virtual image forming method according to this embodiment assumes the use of an optical device that does not include a mirror element, as described above. First, the optical device may receive light emitted from the display (S2010) and change the optical path through refraction or total reflection by the optical device (S2020). At this time, as described above, the optical device may form one or more virtual images by refracting or total reflection of the emitted light through the optical element, the plate, and the optical surface formed on the contact surface of the optical element and the plate (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).Here, it is assumed that the optical surface is driven in the first polarization mode and the second polarization mode, and if the optical surface is a metasurface, it is driven in TM mode/TE mode. Accordingly, a first virtual image plane and a second virtual image plane can be formed (S2030).
2개의 가상 이미지 평면 사이의 간격을 조절하는 경우 사용자에게 느껴지는 입체감을 제어할 수 있다 (S2030-1).When adjusting the gap between two virtual image planes, the three-dimensional effect felt by the user can be controlled (S2030-1).
또한, 입체감보다는 해상도/밝기 등이 더 중요한 상황에서는 2개의 가상 이미지 평면을 중첩하여 이를 제어할 수도 있다 (S2030-2).Additionally, in situations where resolution/brightness, etc. are more important than three-dimensional effect, this can be controlled by overlapping two virtual image planes (S2030-2).
한편, 2개의 편광 모드의 주파수를 제어하여 사용자가 느끼는 영상의 품질을 제어할 수도 있다 (S2030-3).Meanwhile, the quality of the image perceived by the user can be controlled by controlling the frequencies of the two polarization modes (S2030-3).
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figure 23 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to an embodiment of the present invention.
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.When the optical devices according to the above-described embodiments are applied to a HUD, a more realistic image can be implemented using an up-floating display, unlike existing HUDs. In addition, as shown in FIG. 23, in one embodiment of the present invention, a first display mode 2310 that implements an image in which a virtual image protrudes in the direction of the driver based on the windshield of the vehicle and a A second display mode 2320 that can display the virtual image to an external user by projecting the virtual image outwards can be additionally implemented. The first display mode 2310 and the second display mode 2320 may be displayed selectively or both may be displayed simultaneously.
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.To this end, as shown in FIG. 23, the light of the real image from the lower display/image source providing device is tilted to the inclined optical device part to implement the first display mode 2310 and the inclined optical device to implement the second display mode 2320. It may include a photographic optical device unit.
도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 HUD의 디스플레이 모드에 대해 설명하기 위한 도면이다.Figure 24 is a diagram for explaining the display mode of a HUD according to another embodiment of the present invention.
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. In the embodiment shown in FIG. 24, unlike the example of FIG. 23, there is not a triangular structure using two inclined optical device units to implement the first and second display modes of the HUD, but a single optical device unit 2410. We suggest using the method that only uses the method.
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.In addition, a display/image source is used to implement display modes (the first display mode and the second display mode) that form a virtual image on the inside and outside of the windshield of the vehicle while using a single optical device unit 2410. By forming a metasurface on the top 2420a of the providing device or the surface 2420b in contact with the optical device unit 2410, the first and second display modes are displayed according to the two polarization modes of the metasurface 2420a or 2420b. It can be implemented.
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.Additionally, the same can be applied to form two virtual image planes inside or outside the windshield depending on the polarization mode (eg, TM/TE mode) of the metasurface 2420a or 2420b.
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.A detailed description of preferred embodiments of the invention disclosed above is provided to enable any person skilled in the art to make or practice the invention. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, a person skilled in the art may use each configuration described in the above-described embodiments by combining them with each other.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.Therefore, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
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.The optical device and virtual image forming method according to the present invention as described above can be applied to various technical fields such as HUD where an up-floating display can be used.

Claims (24)

  1. 디스플레이의 출사광의 진행 경로를 변경하여, 경로 변경된 광이 진행하는 공간에서 하나 이상의 가상 이미지를 형성하는 광학 장치에 있어서,An optical device that changes the path of light emitted from a display and forms one or more virtual images in the space where the changed light travels,
    제 1 굴절율(n1)을 가지는 광학 소자;An optical element having a first refractive index (n 1 );
    상기 제 1 굴절율(n1)과 다른 제 2 굴절율(n2)을 가지는 플레이트; 및A plate having a second refractive index (n 2 ) different from the first refractive index (n 1 ); and
    상기 광학 소자와 상기 플레이트의 접촉면에 형성되며, 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되는 광학 면을 포함하되,It is formed on a contact surface between the optical element and the plate and includes an optical surface driven in a first polarization mode and a second polarization mode,
    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.The optical device wherein the light emitted from the display forms a first virtual image plane and a second virtual image plane, respectively, according to driving of the first polarization mode and the second polarization mode of the optical surface.
  2. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 소자는, The optical element is,
    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.An optical device comprising a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in one or more of the horizontal and vertical directions on the plane formed by the plate.
  3. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 복수의 투명 소자들은 HOE (Hologram Optic Element) 또는 DOE (Diffractive Optical Element) 소재로 구성되는, 광학 장치.An optical device, wherein the plurality of transparent elements are made of HOE (Hologram Optic Element) or DOE (Diffractive Optical Element) material.
  4. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 복수의 투명 소자들은 상기 플레이트가 형성하는 평면에 수직하는 방향에 대해 소정 각도의 기울기를 가지도록 형성되는, 광학 장치.An optical device wherein the plurality of transparent elements are formed to have an inclination of a predetermined angle with respect to a direction perpendicular to a plane formed by the plate.
  5. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 복수의 투명 소자들의 배치 주기는 하나 이상의 주기를 가지는, 광학 장치.An optical device, wherein the arrangement period of the plurality of transparent elements has one or more periods.
  6. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 플레이트는 상기 광학 소자를 중심으로 상부에 위치하는 제 1 플레이트 및 하부에 위치하는 제 2 플레이트를 포함하는, 광학 장치.The plate includes a first plate located above and a second plate located below the optical element.
  7. 제 6 항에 있어서,According to claim 6,
    상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 큰 경우, 상기 광학 면은 상기 제 2 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성되며,When the first refractive index is greater than the second refractive index, the optical surface is formed at an interface between the second plate and the optical element,
    상기 제 1 굴절율이 상기 제 2 굴절율보다 작은 경우, 상기 광학 면은 상기 제 1 플레이트와 상기 광학 소자의 경계면에 형성되는, 광학 장치.When the first refractive index is smaller than the second refractive index, the optical surface is formed at an interface between the first plate and the optical element.
  8. 제 7 항에 있어서,According to claim 7,
    상기 광학 소자는, The optical element is,
    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; 및a plurality of first transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a first direction, either vertical or horizontal, on a plane formed by the first plate; and
    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.Comprising a plurality of second transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in a second direction that is different from the first direction among the vertical or horizontal directions on the plane formed by the second plate. , optical devices.
  9. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 소자는, The optical element is,
    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.An optical device formed of one layer including a plurality of transparent elements having the first refractive index (n 1 ) repeatedly arranged in the vertical and horizontal directions on the plane formed by the plate.
  10. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어하는, 광학 장치.An optical device that controls a three-dimensional effect according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  11. 제 10 항에 있어서,According to claim 10,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어하는, 광학 장치.An optical device that controls resolution by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  12. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동되는, 광학 장치.The optical device is driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
  13. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,The optical device operates as a component of the vehicle's HUD (Head-Up Display),
    상기 HUD의 디스플레이 모드에 따라 상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 상대적 위지를 제어하는, 광학 장치.The optical device controls the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane according to the display mode of the HUD.
  14. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,The optical device operates as a component of the vehicle's HUD (Head-Up Display),
    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.The display mode of the HUD includes a first display mode that forms a virtual image that protrudes toward the driver based on the windshield of the vehicle, and a second display that forms a virtual image that protrudes outward with respect to the windshield of the vehicle. An optical device comprising a mode.
  15. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 장치가 형성하는 제 1 평면은 상기 디스플레이가 형성하는 제 2 평면과 경사지게 배치되는, 광학 장치.An optical device, wherein a first plane formed by the optical device is disposed to be inclined with a second plane formed by the display.
  16. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함하며,The optical surface includes a metasurface,
    상기 제 1 편광 모드 및 상기 제 2 편광 모드는 각각 TM(Transverse Magnetic) 모드 및 TE(Transverse Electric) 모드인, 광학 장치.The first polarization mode and the second polarization mode are TM (Transverse Magnetic) mode and TE (Transverse Electric) mode, respectively.
  17. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 광학 장치는 거울 소자를 포함하지 않으며, 상기 디스플레이의 출사광을 굴절 또는 전반사 중 하나 이상을 통해 진행 경로를 변경하는, 광학 장치.The optical device does not include a mirror element and changes the path of light exiting the display through one or more of refraction or total reflection.
  18. 거울 소자를 포함하지 않는 광학 장치에서 디스플레이의 출사광을 입력 받고;Receiving light emitted from the display as input by an optical device that does not include a mirror element;
    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,Refraction or total reflection of the emitted light through an optical element of the optical device, a plate, and an optical surface formed on a contact surface of the optical element and the plate to form one or more virtual images,
    상기 광학 면은 제 1 편광 모드 및 제 2 편광 모드로 구동되며,the optical plane is driven in a first polarization mode and a second polarization mode,
    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.The method of forming a virtual image, wherein the one or more virtual images are formed in a first virtual image plane and a second virtual image plane, respectively, according to driving of the optical surface in the first polarization mode or the second polarization mode.
  19. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면의 위치 관계에 따라 입체감을 제어하는, 가상 이미지 형성 방법.A method of forming a virtual image, controlling a three-dimensional effect according to the positional relationship between the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  20. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 제 1 가상 이미지 평면 및 상기 제 2 가상 이미지 평면을 중첩시켜, 해상도를 제어하는, 가상 이미지 형성 방법.A method of forming a virtual image, wherein resolution is controlled by overlapping the first virtual image plane and the second virtual image plane.
  21. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 광학 면은 상기 제 1 편광 모드와 상기 제 2 편광 모드를 소정 주파수 이상으로 반복하여 구동되는, 가상 이미지 형성 방법.The method of forming a virtual image, wherein the optical surface is driven by repeating the first polarization mode and the second polarization mode at a predetermined frequency or more.
  22. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,The optical device operates as a component of the vehicle's HUD (Head-Up Display),
    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.The method of forming a virtual image further comprising controlling the relative positions of the first virtual image plane and the second virtual image plane according to the display mode of the HUD.
  23. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 광학 장치는 차량의 HUD (Head-Up Display)의 구성으로서 동작하며,The optical device operates as a component of the vehicle's HUD (Head-Up Display),
    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.The display mode of the HUD includes a first display mode that forms a virtual image that protrudes toward the driver based on the windshield of the vehicle, and a second display that forms a virtual image that protrudes outward with respect to the windshield of the vehicle. A method of forming a virtual image, comprising a mode.
  24. 제 18 항에 있어서,According to claim 18,
    상기 광학 면은 메타표면(Metasurface)를 포함하며,The optical surface includes a metasurface,
    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.The first polarization mode and the second polarization mode are TM (Transverse Magnetic) mode and TE (Transverse Electric) mode, respectively.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070110312A (en) * 2005-02-11 2007-11-16 롬 앤드 하스 덴마크 파이낸스 에이에스 Optical films of differing refractive indices
WO2008041616A1 (en) * 2006-10-02 2008-04-10 National Institute Of Information And Communications Technology Two-point image formation optical device
KR20190123888A (en) * 2018-04-25 2019-11-04 주식회사 엘지화학 Optical film and liquid crystal display
KR20200141443A (en) * 2018-03-13 2020-12-18 인터디지털 씨이 페이튼트 홀딩스 Diffraction grating containing a dual material structure
KR20210027833A (en) * 2019-09-03 2021-03-11 김선희 Optocal element and image generator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070110312A (en) * 2005-02-11 2007-11-16 롬 앤드 하스 덴마크 파이낸스 에이에스 Optical films of differing refractive indices
WO2008041616A1 (en) * 2006-10-02 2008-04-10 National Institute Of Information And Communications Technology Two-point image formation optical device
KR20200141443A (en) * 2018-03-13 2020-12-18 인터디지털 씨이 페이튼트 홀딩스 Diffraction grating containing a dual material structure
KR20190123888A (en) * 2018-04-25 2019-11-04 주식회사 엘지화학 Optical film and liquid crystal display
KR20210027833A (en) * 2019-09-03 2021-03-11 김선희 Optocal element and image generator

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