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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023068660
(43)【公開日】2023-05-17
(54)【発明の名称】拡張された視野窓を提供するディスプレイ装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20230510BHJP
G03H 1/02 20060101ALI20230510BHJP
G02B 5/32 20060101ALI20230510BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20230510BHJP
H04N 5/66 20060101ALI20230510BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G03H1/02
G02B5/32
H04N5/64 511A
H04N5/66 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022175650
(22)【出願日】2022-11-01
(31)【優先権主張番号】10-2021-0148479
(32)【優先日】2021-11-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100154922
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 允辰
(72)【発明者】
【氏名】徐 元澤
(72)【発明者】
【氏名】楊 大鎬
(72)【発明者】
【氏名】金 善一
(72)【発明者】
【氏名】申 俸受
(72)【発明者】
【氏名】成 基榮
【テーマコード（参考）】
2H199
2H249
2K008
5C058
【Ｆターム（参考）】
2H199CA12
2H199CA24
2H199CA27
2H199CA29
2H199CA30
2H199CA45
2H199CA68
2H199CA85
2H199CA96
2H249CA01
2H249CA05
2H249CA15
2H249CA22
2K008AA14
2K008EE01
2K008EE04
2K008FF17
2K008HH01
2K008HH06
2K008HH18
2K008HH19
2K008HH26
5C058AA06
5C058AA18
5C058BA31
5C058BA35
(57)【要約】
【課題】拡張された視野窓を提供するディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】ディスプレイ装置に係り、該ディスプレイ装置は、光を利用して映像を生成する映像生成器、参照光として、１つの映像が入射されれば、信号光として、１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子、及び映像生成器から受信された映像をホログラフィック光学素子に所定方向に入射させる映像偏向器を含む。
【選択図】図１
【解決手段】ディスプレイ装置に係り、該ディスプレイ装置は、光を利用して映像を生成する映像生成器、参照光として、１つの映像が入射されれば、信号光として、１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子、及び映像生成器から受信された映像をホログラフィック光学素子に所定方向に入射させる映像偏向器を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を利用して映像を生成する映像生成器と、
参照光として、１つの映像が入射されれば、信号光として、前記１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子と、
前記映像生成器から受信された前記映像を、前記ホログラフィック光学素子に所定方向に入射させる映像偏向器と、
を含む、ディスプレイ装置。
参照光として、１つの映像が入射されれば、信号光として、前記１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子と、
前記映像生成器から受信された前記映像を、前記ホログラフィック光学素子に所定方向に入射させる映像偏向器と、
を含む、ディスプレイ装置。
【請求項2】
前記複数個の映像は、同一平面上にフォーカシングされる、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項3】
前記複数個の映像は、同一焦点面上にフォーカシングされる、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項4】
フォーカシングされた前記複数個の映像間の間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項5】
フォーカシングされた前記複数個の映像間の間隔は、２ｍｍ～１０ｍｍである、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項6】
前記１つの映像と、前記複数個の映像は、実質的に同一光特性を有する、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項7】
前記１つの映像が、前記ホログラフィック光学素子に第１方向に入射されれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記複数個の映像の中心が第１位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせ、
前記１つの映像が、前記ホログラフィック光学素子に、前記第１方向と異なる第２方向に入射されれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記複数個の映像の中心が第１位置と異なる第２位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせる、請求項１に記載のディスプレイ装置。
前記１つの映像が、前記ホログラフィック光学素子に、前記第１方向と異なる第２方向に入射されれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記複数個の映像の中心が第１位置と異なる第２位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせる、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項8】
前記第１位置と前記第２位置は、同一焦点面上に位置する、請求項７に記載のディスプレイ装置。
【請求項9】
前記第１位置と前記第２位置との間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上である、請求項７に記載のディスプレイ装置。
【請求項10】
前記映像生成器と前記映像偏向器との間に配され、前記映像生成器から出力された映像に含まれた光全体を、前記映像偏向器に入射させる光学系をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項11】
前記ホログラフィック光学素子は、
前記１つの映像が入射され、前記複数個の映像が出力される第１面と、
前記第１面と対向しながら、外部環境に対応する外部光が入射される第２面と、
を含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
前記１つの映像が入射され、前記複数個の映像が出力される第１面と、
前記第１面と対向しながら、外部環境に対応する外部光が入射される第２面と、
を含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項12】
前記映像生成器及び前記映像偏向器は、一体化された、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項13】
前記所定方向が調節されるように、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御するプロセッサをさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項14】
前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つは、２軸駆動し、前記所定方向を調節する、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
【請求項15】
前記プロセッサは、前記映像生成器に印加される映像情報に、前記２軸駆動による映像の形態歪曲を補償する歪曲補償アルゴリズムを適用する、請求項１４に記載のディスプレイ装置。
【請求項16】
前記歪曲補償アルゴリズムは、前記映像情報に含まれたピクセルの位置情報と、フォーカシングされた映像に含まれたピクセルの位置情報と、をマッピングさせるマッピングアルゴリズムの逆変換されたアルゴリズムである、請求項１５に記載のディスプレイ装置。
【請求項17】
ユーザの目を追跡するアイトラッキングセンサをさらに含み、
前記プロセッサは、前記アイトラッキングセンサから受信された結果に基づき、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御する、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
前記プロセッサは、前記アイトラッキングセンサから受信された結果に基づき、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御する、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
【請求項18】
前記プロセッサは、前記所定方向が経時的に周期的に変わるように、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御する、請求項１３に記載のディスプレイ装置。
【請求項19】
前記映像生成器は、
それぞれが光を放出する複数個の光源と、
前記複数個の光源のうちいずれか１つの光源から放出された光を利用し、前記映像を生成する空間光変調器と、
を含み、
前記所定方向は、前記複数個の光源のうち、光を放出する光源によって決定される、請求項１に記載のディスプレイ装置。
それぞれが光を放出する複数個の光源と、
前記複数個の光源のうちいずれか１つの光源から放出された光を利用し、前記映像を生成する空間光変調器と、
を含み、
前記所定方向は、前記複数個の光源のうち、光を放出する光源によって決定される、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項20】
前記ディスプレイ装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である、請求項１に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、拡張された視野窓を提供するディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：head mount display）は、めがねのように、眼前に着用して映像を見るディスプレイであり、現在商用化段階に至り、エンターテイメント産業に広く適用されている趨勢である。それと共に、医療分野、教育分野、産業分野において、応用が可能な形態に発展している。
【0003】
該ヘッドマウントディスプレイは、仮想現実（ＶＲ：virtual reality）、拡張現実（ＡＲ：augmented reality）として提供する多様なアプリケーション（application）にも適用される。
【0004】
なお、該ヘッドマウントディスプレイにおいて、ユーザが映像を観察することができる領域（視野窓（eye box））を広げることができる方策が持続的に模索されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、拡張された視野窓を提供するディスプレイ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
一実施形態によるディスプレイ装置は、光を利用して映像を生成する映像生成器と、参照光として１つの映像が入射されれば、信号光として、前記１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子と、前記映像生成器から受信された前記映像を、前記ホログラフィック光学素子に所定方向に入射させる映像偏向器と、を含む。
【0007】
そして、前記複数個の映像は、同一平面上にもフォーカシングされる。
【0008】
また、前記複数個の映像は、同一焦点面上にもフォーカシングされる。
そして、フォーカシングされた前記複数個の映像間の間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。
そして、フォーカシングされた前記複数個の映像間の間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。
【0009】
また、フォーカシングされた前記複数個の映像間の間隔は、２ｍｍ～１０ｍｍであるディスプレイ装置である。
【0010】
そして、前記１つの映像と、前記複数個の映像は、実質的に同一光特性を有する。
【0011】
また、前記１つの映像が、前記ホログラフィック光学素子に第１方向に入射されれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記複数個の映像の中心が第１位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせ、前記１つの映像が、前記ホログラフィック光学素子に、前記第１方向と異なる第２方向に入射されれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記複数個の映像の中心が第１位置と異なる第２位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせることができる。
【0012】
そして、前記第１位置と前記第２位置は、同一焦点面上に位置することができる。
また、前記第１位置と前記第２位置との間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。
また、前記第１位置と前記第２位置との間隔は、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。
【0013】
そして、前記映像生成器と前記映像偏向器との間に配され、前記映像生成器から出力された映像に含まれた光全体を、前記映像偏向器に入射させる光学系をさらに含むものでもある。
【0014】
また、前記ホログラフィック光学素子は、前記１つの映像が入射され、前記複数個の映像が出力される第１面と、前記第１面と対向しながら、外部環境に対応する外部光が入射される第２面と、を含むものでもある。
【0015】
そして、前記映像生成器及び前記映像偏向器は、一体化されうる。
【0016】
また、前記所定方向が調節されるように、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御するプロセッサをさらに含むものでもある。
【0017】
そして、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つは、２軸駆動し、前記所定方向を調節することができる。
また、前記プロセッサは、前記映像生成器に印加される映像情報に２軸駆動による映像の形態歪曲を補償する歪曲補償アルゴリズムを適用しうる。
また、前記プロセッサは、前記映像生成器に印加される映像情報に２軸駆動による映像の形態歪曲を補償する歪曲補償アルゴリズムを適用しうる。
【0018】
そして、前記歪曲補償アルゴリズムは、前記映像情報に含まれたピクセルの位置情報と、フォーカシングされた映像に含まれたピクセルの位置情報とをマッピングさせるマッピングアルゴリズムの逆変換されたアルゴリズムでもある。
【0019】
また、ユーザの目を追跡するアイトラッキングセンサをさらに含み、前記プロセッサは、前記アイトラッキングセンサから受信された結果に基づき、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御しうる。
【0020】
そして、前記プロセッサは、前記所定方向が経時的に周期的に変わるように、前記映像生成器、前記映像偏向器及び前記ホログラフィック光学素子のうち少なくとも一つを制御しうる。
【0021】
また、前記映像生成器は、それぞれが光を放出する複数個の光源と、前記複数個の光源のうちいずれか１つの光源から放出された光を利用し、前記映像を生成する空間光変調器と、を含み、前記所定方向は、前記複数個の光源のうち、光を放出する光源によっても決定される。
【0022】
そして、前記ディスプレイ装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）でもある。
【発明の効果】
【0023】
開示されたディスプレイ装置は、実際の外部前景と共に、立体感がある多重映像を提供するために、さらに臨場感ある拡張現実経験を提供することができる。
また、開示されたディスプレイ装置は、観察可能領域が拡張されたディスプレイ装置を提供することができる。
また、開示されたディスプレイ装置は、観察可能領域が拡張されたディスプレイ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】一実施形態によるディスプレイ装置の概略的な構成図である。
【図2A】映像偏向器を２軸駆動する構造の一例を示す分解斜視図である。
【図3】映像偏向器の２軸駆動によるフォーカシングされた映像の位置変化を図示した図である。
【図4】他の実施形態による映像偏向器を図示した図である。
【図5】他の実施形態によるディスプレイを装置を図示した図である。
【図6】一実施形態による２軸駆動が可能なホログラフィック光学素子を含むディスプレイ装置を図示した図である。
【図7】一実施形態による自発光映像生成器を含むディスプレイ装置を図示した図である。
【図8】一実施形態による映像を偏向させることができる自発光映像生成器を含むディスプレイ装置を図示した図である。
【図9】一実施形態による複数個の光源を含むディスプレイ装置を図示した図である。
【図10A】一実施形態による映像の形態歪曲を補償するアルゴリズムについて説明する参照図である。
【図10B】一実施形態による映像の形態歪曲を補償するアルゴリズムについて説明する参照図である。
【図10C】一実施形態による映像の形態歪曲を補償するアルゴリズムについて説明する参照図である。
【図11】前述の実施形態によるディスプレイ装置を採用した多様な電子機器を図示した図である。
【図12】前述の実施形態によるディスプレイ装置を採用した多様な電子機器を図示した図である。
【図13】前述の実施形態によるディスプレイ装置を採用した多様な電子機器を図示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、添付された図面を参照し、多様な実施形態による、拡張された視野窓を提供するディスプレイ装置について詳細に説明する。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を称し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されてもいる。第１、第２のような用語は、多様な構成要素についての説明にも使用されるが、該構成要素は、用語によって限定されるものではない。該用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。
【0026】
単数の表現は、文脈上、明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むものでもあるということを意味する。
【0027】
また、図面において、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張されてもいる。また、所定の物質層が、基板上や他層上に存在すると説明されるとき、該物質層は、該基板や該他層に直接接しながら存在することもでき、その間に、他の第三層が存在しうるのである。そして、以下の実施形態において、各層をなす物質は、例示的なものであり、それら以外に他の物質が使用されるものでもある。
【0028】
また、明細書に記載された「…部」、「…モジュール」のような用語は、１または複数の機能や動作を処理する単位を意味し、それらは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、あるいはハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。
【0029】
本実施形態で説明する特定実行は、例示であり、いかなる方法によっても、技術的範囲を限定するものではない。明細書の簡潔さのために、従来の電子的な構成、制御システム、ソフトウェア、システムの他の機能的な側面の記載は、省略されうる。また、図面に図示された構成要素間の線の連結または連結部材は、機能的な連結、及び／または物理的、ああるいは回路的連結を例示的に示したものであり、実際の装置においては、代替可能であったり、追加されたりする多様な機能的な連結、物理的な連結、または回路連結としても示される。
【0030】
「前記」の用語、及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数のいずれにも該当しうる。
【0031】
図１は、一実施形態によるディスプレイ装置１０の概略的な構成図である。図１を参照すれば、一実施形態によるディスプレイ装置１０は、映像を生成する映像生成器１１０、映像生成器１１０から受信された映像を、特定方向に偏向させる映像偏向器１２０、及び参照光として、１つの映像が入射されれば、信号光として、１つの映像に対応する複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子１３０を含むものでもある。ディスプレイ装置１０は、映像生成器１１０に映像信号を提供するか、あるいはホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を制御するプロセッサ１４０、及び映像生成器１１０と映像偏向器１２０との間に配され、映像生成器１１０から出力された映像に含まれた光全体を映像偏向器１２０に入射させる光学系１５０をさらに含むものでもある。前述の光学系１５０は、１以上のレンズを含むものでもある。
【0032】
映像生成器１１０は、光源１１２及び空間光変調器１１４を含むものでもある。
【0033】
光源１１２は、可干渉性光を放出する可干渉性光源でもある。高可干渉性を有する光を提供するために、例えば、レーザダイオード（ＬＤ：laser diode）を光源１１２として使用することができる。また、光源１１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）でもある。該発光ダイオードは、レーザよりは空間干渉性（spatial coherence）が低いが、光がある程度の空間干渉性しか有していないのであるならば、空間光変調器１１４によって十分に回折及び変調されうる。該発光ダイオード以外にも、空間干渉性を有する光を放出するものであるならば、他のいかなる光源でも使用が可能である。
【0034】
光源１１２は、発散される光を放出する点光源でもある。ＬＥＤまたはＬＤのような点光源が、直接空間光変調器１１４に光を照射することができ、設計の便宜上、該点光源は、他のところに配され、光ファイバを介し、空間光変調器１１４に光を照射することもできる。光源１１２は、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ提供する多数のレーザダイオードまたは発光ダイオードを含むものでもある。
【0035】
空間光変調器１１４は、プロセッサ１４０から提供される映像情報により、光を利用して映像を生成することができる。前述の映像は、二次元映像または三次元映像でもある。例えば、該映像情報は、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）信号でもあり、空間光変調器１１４は、ＣＧＨにより、ホログラムパターンを形成することができる。光源１１２から放出され、空間光変調器１１４に入射される入射光が、空間光変調器１１４で形成されたホログラムパターンによって回折された結果、立体感を有するホログラフィック映像が生成されうる。空間光変調器１３０は、位相変調だけ行うことができる位相変調器、振幅変調だけ行うことができる振幅変調器、及び位相変調と振幅変調とをいずれも行うことができる複合変調器のうちいずれかを使用することもできる。例えば、空間光変調器１１４は、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）または半導体変調器でもある。
【0036】
映像偏向器１２０は、映像生成器１１０から出力された映像を偏向させ、ホログラフィック光学素子１３０に所定方向に入射させることができる。映像偏向器１２０は、入射された映像を透過させて偏向させる透過型偏向器、入射された映像光を反射させて偏向させる反射型偏向器などを含むものでもある。映像偏向器１２０については、後述する。
【0037】
ホログラフィック光学素子１３０は、１つの映像が入射されれば、前述の１つの映像に対応した複数個の映像を空間的に互いに異なる地点にフォーカシングさせることができる。
ホログラフィック光学素子１３０は、参照光と信号光とを利用し、ホログラムパターンが事前に形成されてもいる。該信号光は、参照光により、ホログラフィック光学素子１３０にホログラム方式で記録され、該参照光と同一光特性を有する光により、ホログラフィック光学素子１３０からも出力される。例えば、互いに異なる焦点情報を有する複数個の第１信号光と、第１光特性を有する第１参照光とがホログラフィック光学素子１３０に入射されれば、複数個の第１信号光と、第１参照光との干渉パターンがホログラム方式でもってホログラフィック光学素子１３０に記録されうる。該ホログラム方式は、透過方式、反射方式及びフローティング方式などがあり、前述の方式のうち、任意の方式が適用されうる。その後、第１参照光と同一光特性を有する光が、ホログラフィック光学素子１３０に入射されれば、ホログラフィック光学素子１３０に記録された信号光のうち、複数個の第１信号光だけが出力される。
ホログラフィック光学素子１３０は、参照光と信号光とを利用し、ホログラムパターンが事前に形成されてもいる。該信号光は、参照光により、ホログラフィック光学素子１３０にホログラム方式で記録され、該参照光と同一光特性を有する光により、ホログラフィック光学素子１３０からも出力される。例えば、互いに異なる焦点情報を有する複数個の第１信号光と、第１光特性を有する第１参照光とがホログラフィック光学素子１３０に入射されれば、複数個の第１信号光と、第１参照光との干渉パターンがホログラム方式でもってホログラフィック光学素子１３０に記録されうる。該ホログラム方式は、透過方式、反射方式及びフローティング方式などがあり、前述の方式のうち、任意の方式が適用されうる。その後、第１参照光と同一光特性を有する光が、ホログラフィック光学素子１３０に入射されれば、ホログラフィック光学素子１３０に記録された信号光のうち、複数個の第１信号光だけが出力される。
【0038】
なお、該信号光は、該信号光が記録されるときの参照光と同一光特性を有する光にだけ反応して出力されるのみ、光特性が異なる光には反応しない。従って、外部環境に対応する外部光が入射されれば、該外部光は、ホログラフィック光学素子１３０と反応せず、ホログラフィック光学素子１３０を透過してしまう。
【0039】
それにより、ユーザは、仮想の現実、または仮想の情報が込められている映像と、ユーザが実際に対面している現実世界の背景被写体（background subject）とを共に見ることができる。従って、本実施形態によるディスプレイ装置１０は、拡張現実（ＡＲ：augmented reality）または混合現実（ＭＲ：mixed reality）を具現するところにも適用される。その場合、本実施形態によるディスプレイ装置１０は、ニアアイ（near-eye）ＡＲディスプレイ装置でもある。
【0040】
一実施形態によるホログラフィック光学素子１３０は、反射型でもある。例えば、ホログラフィック光学素子１３０は、映像偏向器１２０からの映像が入射されながら、複数個の映像が出力される第１面Ｓ１、及び第１面Ｓ１と対向しながら、外部環境に対応する外部光が入射される第２面Ｓ２を含むものでもある。しかしながら、それに限定されるものではない。ホログラフィック光学素子１３０は、透過型でもある。
【0041】
ホログラフィック光学素子１３０は、物質厚及び屈折率などにより、波長選択性及び角度選択性が調節されうる。ホログラフィック光学素子１３０は、不揮発性（non-volatile）物質でもある。例えば、ホログラフィック光学素子１３０は、フォトポリマー（photo-polymer）及び無機結晶（inorganic crystal）のうち少なくとも一つを含む物質によっても形成される。ホログラフィック光学素子１３０の厚みは、約１ｍｍないし約１０ｍｍでもある。例えば、厚みが約３ｍｍであるフォトポリマーには、約０．１ｎｍの帯域幅を有する参照光でもって、約５００個の信号光が記録され、厚みが約５ｍｍであるフォトポリマーには、約０．０５ｎｍの帯域幅を有する参照光でもって、約５００個の信号光が記録されうる。
【0042】
前述のところのように、１つの参照光により、複数個の信号光が記録されたホログラフィック光学素子１３０に、参照光でもって映像が入射されれば、ホログラフィック光学素子１３０から信号光として、焦点が互いに異なる複数個の映像が出力されうる。出力される複数個の映像は、入射される映像と実質的に同一でもある。すなわち、出力される複数個の映像の光特性は、入射される映像の光特性と同一でもある。そして、出力される複数個の映像は、互いに異なる地点にもフォーカシングされる。
【0043】
前述の複数個の映像は、同一平面上、例えば、同一焦点面上にもフォーカシングされる。フォーカシングされる複数個の映像の中心も、焦点面上にも配される。
【0044】
フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４間の間隔ｄは、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。例えば、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４間の間隔ｄは、約１ｍｍないし１０ｍｍでもある。フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４間の間隔ｄが瞳孔サイズより小さければ、複数個のフォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が１つの瞳孔を透過し、ユーザは、同一の複数個映像を同時に観察する問題が生じてしまう。また、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の間隔ｄが過度に大きければ、映像観察可能領域内に、映像が存在しないブラック領域が大きくなる問題がある。従って、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４間の間隔ｄは、ユーザの瞳孔サイズ以上、瞳孔サイズの３倍以下でもある。
【0045】
前述のところのように、ホログラフィック光学素子１３０により、１つの映像が入力されれば、焦点が異なる複数個の映像が出力されるが、ユーザの目がフォーカシングされた地点のうちいずれか１つに位置することになれば、映像を観察することができる。フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が複数個であるが、映像を観察することができる地点も複数個になり、映像観察可能領域（eye box）が拡張されうる。
【0046】
また、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を調節することにより、フォーカシングされる複数個の映像の中心も、調節されうる。例えば、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向が２軸方向に調節されれば、フォーカシングされた複数個の映像の中心も、２軸方向に調節されうる。それにより、ホログラフィック光学素子１３０に係わる映像の方向を調節することにより、映像観察可能領域は、追加してさらに拡張されうる。前述の方向調節は、映像偏向器１２０によっても調節される。
【0047】
映像偏向器１２０は、映像生成器１１０から入射された光をホログラフィック光学素子１３０に反射させ、映像を偏向させることができる。映像偏向器１２０は、多様な駆動構造により、２軸駆動されうる。ユーザの目、例えば、瞳孔がＸＹ平面内で位置が移動され、映像偏向器１２０は、例えば、Ｘ方向とＹ方向とに光の進行方向を変化させるようにも駆動される。
【0048】
図２Ａは、映像偏向器１２０を２軸駆動する構造の一例を示す分解斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに図示された映像偏向器１２０を２軸駆動する構造の一例の斜視図である。図２Ａと図２Ｂとを参照すれば、映像偏向器１２０は、フレーム２１９に２軸駆動されうるように支持される。例えば、映像偏向器１２０の第１コーナー２１１は、支持部２１５によってピボットされるように支持される。支持部２１５は、例えば、フレーム２１９と、映像偏向器１２０の第１コーナー２１１との間に介在される球形体、ボールジョイント構造などによっても具現される。弾力支持部２１６は、映像偏向器１２０の第２コーナー２１２を弾力的に支持する。第２コーナー２１２は、第１コーナー２１１と、第１対角線ＤＬ１方向に対向するコーナーでもある。一例として、弾力支持部２１６は、映像偏向器１２０の第２コーナー２１２と、フレーム２１９との間に介在される圧縮スプリングによっても具現される。
【0049】
弾力支持部２１６は、例えば、Ｚ方向に第２コーナー２１２を弾力的に支持することができる。第１アクチュエータ２１７及び第２アクチュエータ２１８は、それぞれ映像偏向器１２０の第３コーナー２１３及び第４コーナー２１４を変位させる。第３コーナー２１３及び第４コーナー２１４は、第１対角線ＤＬ１と交差する第２対角線ＤＬ２方向のコーナーである。第１アクチュエータ２１７及び第２アクチュエータ２１８として、ボイスコイルモータ、形状記憶合金と、それを加熱するヒータのような多様な駆動構造が採用されうる。
【0050】
一例として、第１アクチュエータ２１７及び第２アクチュエータ２１８は、第３コーナー２１３及び第４コーナー２１４をＺ方向に変位させることができる。ここで、第１アクチュエータ２１７及び第２アクチュエータ２１８は、第３コーナー２１３及び第４コーナー２１４を映像偏向器１２０を含む平面に直交する方向に変位させることもできるということは、言うまでもない。第３コーナー２１３及び第４コーナー２１４の変位を同じものにしたり、異なるものにしたりすることにより、瞳孔の位置により、映像偏向器１２０を、Ｘ軸とＹ軸とにつき、２軸ピボットさせ、入射される映像の反射程度を調節し、ホログラフィック光学素子１３０に入射される方向を調節することができる。
【0051】
図３は、映像偏向器１２０の２軸駆動によるフォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の位置変化を図示した図面である。映像偏向器１２０が、第１方向に映像をホログラフィック光学素子１３０に入射させれば、ホログラフィック光学素子１３０は、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の中心が、第１位置になるように、焦点が互いに異なる映像を出力することができる。そして、映像偏向器１２０が、第２方向に映像をホログラフィック光学素子１３０に入射させれば、ホログラフィック光学素子１３０は、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の中心が第２位置になるように、焦点が互いに異なる映像を出力することができる。
【0052】
フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の動き変化は、参照光と信号光との記録によるホログラムパターンによっても決定される。フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同一平面上、例えば、同一焦点面上で動きうる。フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の位置変化は、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の進行方向の変化程度に比例しうる。フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が重複されて瞳孔を通過することを防止するために、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の移動距離、すなわち、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の中心の位置変化は、ユーザの瞳孔サイズ以上でもある。例えば、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の移動距離は、約１ｍｍ以上でもある。
【0053】
【0054】
図４は、他の実施形態による映像偏向器１２０ａを図示した図面である。図４に図示されているように、映像偏向器１２０ａは、互いに対向しながら離隔配置される第１電極層３１０及び第２電極層３２０、入射された光を、第１電極層３１０及び第２電極層３２０に印加された電圧によって偏向させる偏向層３３０を含むものでもある。また、光偏向器１２０ａは、第１電極層３１０及び第２電極層３２０それぞれを支持する第１基板３４０及び第２基板３５０をさらに含むものでもある。
【0055】
第１電極層３１０それぞれは、離隔配置される複数個の電極素子３１１を含むものでもある。複数個の電極素子３１１は、ブレーズド回折格子（blazed grating）パターンにも形成される。例えば、複数個の電極素子３１１は、互いに離隔配置され、ストライプ形状でもある。複数個の電極素子３１１は、第１方向（例えば、ｘ方向）に一定ピッチにも配される。該ピッチが狭く形成されることにより、映像偏向器１２０ａの光の回折角度または偏向角度が増大しうる。
【0056】
偏向層３３０は、第１電極層３１０と第２電極層３２０との間にも配される。偏向層３３０は、入力された電圧によって配向が変わる液晶分子３３１を含むものでもある。液晶分子３３１は、長径方向が一方向、例えば、ｘ方向と並行になるように初期配列されうる。
【0057】
液晶分子３３１は、ポジティブ（positive）タイプの誘電率異方性（dielectric anisotropy）を有する分子でもあるが、それに制限されるものではない。第１電極層３１０と第２電極層３２０とのそれぞれに電圧が印加されれば、第１電極層３１０と第２電極層３２０との間の偏向層３３０内に電界（Ｅ－field：electric field）が形成される。該電界の強度、すなわち、印加された電圧の電圧差により、液晶分子３３１が電界と並行な配向にも回転される。そのような現象を利用し、第１基板３４０を介して入射された光の相変調（phase modulation）を引き起こすことができる。第１電極層３１０と第２電極層３２０との間に形成された電界により、液晶分子３３１の長径の配向が回転されることにより、映像偏向器１２０ａは、電気的プリズムを形成し、光を特定方向に偏向させる。偏向要素として、液晶分子３３１について説明したが、それに限定されるものではない。印加された電気的信号により、光を偏向させることができる要素であるならば、液晶分子３３１以外の他の要素でもよい。
【0058】
前述の映像偏向器１２０は、例示的なものに過ぎず、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を調節することができる光学素子であるならば、いずれでもよい。例えば、映像偏向器１２０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ、ガルバノミラー（Galvano mirror）、線形空間光変調器（linear spatial light modulator）なども適用されうる。
【0059】
ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向は、ユーザの瞳孔に係わる追跡結果、またはユーザ命令に基づくものである。
【0060】
図５は、他の実施形態によるディスプレイ装置１０ａを図示した図面である。図５を参照すれば、ディスプレイ装置１０ａは、アイトラッキングセンサ１６０をさらに含むものでもある。アイトラッキングセンサ１６０は、ユーザの目、すなわち、ユーザの瞳孔の動きを追跡し、瞳孔の位置情報をプロセッサ１４０に伝達することができ、プロセッサ１４０は、瞳孔の位置情報により、光が瞳孔に伝達されるように、映像偏向器１２０を制御しうる。
【0061】
または、ディスプレイ装置１０ａは、ユーザインターフェース１７０をさらに具備しうる。ユーザインターフェース１７０から入力されるユーザの入力信号により、第１アクチュエータ２１７及び第２アクチュエータ２１８を駆動し、光が瞳孔に伝達されるように、映像偏向器１２０をピボット運動させることができる。
または、プロセッサ１４０は、経時的にホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向が、経時的に周期的に変わるように、映像偏向器１２０を制御することもできる。
または、プロセッサ１４０は、経時的にホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向が、経時的に周期的に変わるように、映像偏向器１２０を制御することもできる。
【0062】
ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を調節するために、映像偏向器１２０ではなく、ホログラフィック光学素子１３０を駆動させることもできる。
図６は、一実施形態による２軸駆動が可能なホログラフィック光学素子１３０を含むディスプレイ装置１０ｂを図示した図面である。ホログラフィック光学素子１３０は、図２Ａ及び図２Ｂに図示された駆動構造により、２軸駆動されうる。ホログラフィック光学素子１３０を２軸駆動させることにより、フォーカシングされる映像の位置を変更することができる。
図６は、一実施形態による２軸駆動が可能なホログラフィック光学素子１３０を含むディスプレイ装置１０ｂを図示した図面である。ホログラフィック光学素子１３０は、図２Ａ及び図２Ｂに図示された駆動構造により、２軸駆動されうる。ホログラフィック光学素子１３０を２軸駆動させることにより、フォーカシングされる映像の位置を変更することができる。
【0063】
または、映像生成器１１０が出力される映像の方向を調節することができる。図７は、一実施形態による自発光映像生成器１１０ａを含むディスプレイ装置１０ｃを図示した図面である。自発光映像生成器１１０ａは、光源（図示せず）から放出される光量を調節することにより、映像を生成することができる。例えば、自発光映像生成器１１０ａは、マイクロ単位の光源を含むマイクロディスプレイ装置でもある。自発光映像生成器１１０ａから放出される光の発散角は、５°以下でもある。自発光映像生成器１１０ａから放出される光の直進性が強い場合、光学系１５０は、必要ではなくなる。映像偏向器１２０を２軸駆動させ、映像の進行方向を調節することができる。
【0064】
または、自発光映像生成器１１０ａと映像偏向器１２０とが一体化されうる。図８は、一実施形態による映像を偏向させることができる自発光映像生成器１１０ｂを含むディスプレイ装置１０ｄを図示した図面である。図８に図示されているように、ディスプレイ装置１０ｄは、光を放出することにより、映像を出力する自発光映像生成器１１０ｂ、及び自発光映像生成器１１０ｂから入射された映像に反応し、複数個の映像を互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子１３０を含むものでもある。
【0065】
自発光映像生成器１１０ｂは、直進性が強い光、例えば、発散角が５°以下である光を利用し、映像を生成することができる。また、自発光映像生成器１１０ｂは、２軸駆動し、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を調節することができる。２軸駆動が可能な自発光映像生成器１１０ｂを利用し、ディスプレイ装置１０ｂを簡素化させることができる。なお、自発光映像生成器１１０ｂの代わりに、ホログラフィック光学素子１３０が２軸駆動を行うことができるということは、言うまでもない。
【0066】
図９は、一実施形態による複数個の光源１１２ａを含むディスプレイ装置を図示した図面である。図９を参照すれば、それぞれが光を放出する複数個の光源１１２ａ、複数個の光源１１２ａのうちいずれか１つの光源１１２－１，１１２－２，１１２－３から放出された光を利用して映像を生成する空間光変調器１１４、及び空間光変調器１１４で生成された映像が入射されれば、前述の映像に対応する複数個の映像を互いに異なる地点にフォーカシングさせるホログラフィック光学素子１３０を含むものでもある。ディスプレイ装置１０ｅは、複数個の光源１１２ａ及び空間光変調器１１４を制御するプロセッサ１４０をさらに含むものでもある。
【0067】
プロセッサ１４０の制御下において、複数個の光源１１２ａのうちいずれか１以上が選択的に駆動されうる。複数個の光源１１２ａにおける光それぞれは、互いに異なる光進路を有するように、複数個の光源１１２ａが空間的に離隔配置されうる。言い換えれば、各光源１１２－１，１１２－２，１１２－３は、互いに異なる位置で映像を生成することができる波長帯域の光を提供することができる。図９には、各光源１１２－１，１１２－２，１１２－３が一つであるように図示されているが、それに限定されるものではない。光源１１２－１，１１２－２，１１２－３それぞれは、多数のレーザまたは発光ダイオードのアレイを含むものでもある。
【0068】
空間光変調器１１４は、映像情報により、複数個の光源１１２ａのうちいずれか１つの光源１１２－１，１１２－２，１１２－３から放出された光を変調することができる。プロセッサ１４０は、複数個の光源１１２ａのうち１以上を選択して駆動するとき、駆動光源に同期し、空間光変調器１１４に印加される変調信号を制御する。空間光変調器１１４は、空間光変調器１１４で生成された映像は、光源１１２別に互いに異なる方向に進み、ホログラフィック光学素子１３０に互いに異なる方向に入射されうる。
【0069】
ホログラフィック光学素子１３０は、参照光として、１つの映像が入射されれば、前述の映像に対応する複数個の映像を、互いに異なる地点にフォーカシングさせる。ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の進行方向により、フォーカシングされる複数個の映像の中心も、変わりうる。
【0070】
プロセッサ１４０は、ユーザの目に対する追跡結果に基づき、複数の光源１１２ａのうち、ユーザの瞳孔位置に焦点を形成する光源を駆動光源として選択することができる。
【0071】
プロセッサ１４０は、駆動光源が選択されれば、選択されていない光源は、オフ（off）状態にし、選択された駆動光源だけがオン（on）状態になるようにし、駆動光源における光を使用して映像を形成するように、空間光変調器１１４を制御しうる。
【0072】
複数個の光源１１２ａのうちいずれか１つの光源を選択することにより、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の方向を調節することもできる。例えば、第１光源１１２－１がオン状態になり、残り光源１１２－２，１１２－３がオフ状態になれば、空間光変調器１１４は、第１光源１１２－１から放出された光を基に映像を生成し、生成された映像は、第１方向にホログラフィック光学素子１３０に入射される。ホログラフィック光学素子１３０は、前記複数個の映像の中心が第１位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせることができる。また、第２光源１１２－２がオン状態になり、残り光源１１２－１，１１２－３がオフ状態になれば、空間光変調器１１４は、第２光源１１２－２から放出された光を基に映像を生成し、生成された映像は、第２方向にホログラフィック光学素子１３０に入射される。ホログラフィック光学素子１３０は、前記複数個の映像の中心が第２位置になるように、前記複数個の映像をフォーカシングさせることができる
【0073】
なお、映像生成器１１０、映像偏向器１２０及びホログラフィック光学素子１３０のうち少なくとも一つが２軸ピボット運動により、ホログラフィック光学素子１３０に入射される映像の進行方向を調節する一方、２軸ピボット運動により、映像の歪曲が発生しうる。
【0074】
図１０Ａないし図１０Ｃは、一実施形態による映像の形態歪曲を補償するアルゴリズムについて説明する参照図面である。図１０Ａ及び図１０Ｃに図示されているように、プロセッサ１４０は、原映像（または、「映像情報」とも称することができる）のピクセル位置情報と、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の対応するピクセルの位置情報を一対一マッピングさせるマッピングアルゴリズムを獲得することができる。前述のマッピングアルゴリズムを獲得するために、ディスプレイ装置において、観測者の目が配される位置にイメージセンサが配され、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を獲得することができる。そして、プロセッサ１４０は、前述のマッピングアルゴリズムを逆変換させることにより、歪曲補償アルゴリズムを獲得することができる。
【0075】
そして、図１０Ｂに図示されているように、プロセッサ１４０は、映像情報のピクセル情報に基づき、原映像に該歪曲補償アルゴリズムを適用し、該歪曲補償アルゴリズムが適用された映像情報を、空間光変調器１１４に印加することができ、空間光変調器１１４は、該歪曲補償アルゴリズムが適用された映像情報を基に光を変調し、映像を生成することができる。
【0076】
図１０Ｃに図示されているように、該歪曲補償アルゴリズムが適用された映像は、映像偏向器１２０及びホログラフィック光学素子１３０を介して進みながら、映像の形態歪曲が補償され、該形態歪曲が補償された仮想映像が、観察者の目に入射されうる。
【0077】
マッピングアルゴリズムは、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と原映像（または、映像情報）とのピクセル単位の関係からも獲得されるが、それに限定されるものではない。該マッピングアルゴリズムは、フォーカシングされた映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の一部ピクセルと、原映像において対応する一部ピクセルとの関係から獲得され、歪曲補償アルゴリズムは、一部ピクセルの位置情報に基づきうる。そして、プロセッサ１４０は、原映像（または、映像情報）のうち一部ピクセルに歪曲補償アルゴリズムを適用した後、原映像における残りピクセルには、線形補間法を適用し、補償された映像情報を獲得することができる。
【0078】
図１１ないし図１３は、前述の実施形態によるディスプレイ装置を採用した多様な電子機器を図示する。図１１ないし図１３に図示されているように、該ディスプレイ装置は、ウェアラブル装置にも適用される。例えば、該ディスプレイ装置は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：head mounted display）にも適用される。また、該ディスプレイ装置は、めがね型ディスプレイ（glasses-type display）、ゴーグル型ディスプレイ（goggle-type display）などにも適用される。図１１ないし図１３に図示されたウェアラブル電子機器は、スマートフォン（smartphone）と連動されても動作される。そのようなディスプレイ装置は、仮想の現実を提供するか、あるいは仮想の映像と、外部の実際映像とを共に提供することができるヘッドマウント型、めがね型またはゴーグル型の仮想現実（ＶＲ）ディスプレイ装置、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイ装置または混合現実（ＭＲ）ディスプレイ装置でもある。
【0079】
また、該ディスプレイ装置は、スマートフォン内にも具備され、そのようなスマートフォン自体をディスプレイ装置として使用することもできる。言い換えれば、図１１ないし図１３のようなウェアラブル機器ではない小型電子機器（モバイル電子機器）内に、ディスプレイ装置を適用することもできる。それ以外にも、ディスプレイ装置の適用分野は、多様に変化されうる。例えば、該ディスプレイ装置は、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）または混合現実（ＭＲ）を具現するのに適用されるだけではなく、それ以外に、他の分野にも適用されうる。例えば、ユーザが着用することができる小型テレビや小型モニタなどにも適用されうる。
【0080】
前述のディスプレイ装置は、図面に図示された実施形態を参照して説明されたが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。権利範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、該権利範囲に含まれたものであると解釈されなければならないのである。
【符号の説明】
【0081】
１１０ 映像生成器
１１２ 光源
１１４ 空間光変調器
１２０ 映像偏向器
１３０ ホログラフィック光学素子
１４０ プロセッサ
１５０ 光学系
１１２ 光源
１１４ 空間光変調器
１２０ 映像偏向器
１３０ ホログラフィック光学素子
１４０ プロセッサ
１５０ 光学系
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12】
【図13】