근안용 디스플레이(Near Eye Display)를 위한 DLPⓇ기술

5.4μm으로 픽셀 간격은 줄고 경사각은 17도로 늘어난 Tl의 DLP TRP 칩셋은 훨씬 높은 해상도에 전력 소모량은 줄고, 이미지 처리 능력은 개선하는 동시에 DLP 기술의 최상급 광학 효과는 그대로 유지하고 있다. Tl의 TRP 칩셋은 해상도 및 밝기는 강화하면서 적은 전력 소모량과 작은 크기가 요구되는 디스플레이 시스템에 적합하다.

근안용 디스플레이는 기존의 디스플레이 보다 여러 장점이 있다 :
크기가 작고 가벼우며 휴대할 수 있다
출력량이 매우 적다
공중 투영이 가능하다

DLP 기술의 NED 시스템 설계 시 광학적으로 고려해야 할 사항
DLP 기술은 각종 근안용 디스플레이 광학 시스템과 호환된다(그림 4). 일반적으로 DLP 기술을 이용하는 광학 시스템에는 다음과 같은 부분이 들어가야 한다:

광원(보통 RGB LED)과 빛을 DMD로 보내는 광선 광학 시스템으로 구성된 조명 시스템
유입 광선을 지능적으로 반사하여 이미지를 만드는 DMD
DMD에서 반사한 빛을 모아 눈으로 보내 주는 광학 시스템

근안용 디스플레이 광학 시스템에 대한 오해 가운데 가장 대표적인 것이 소형 프로젝터 모듈이 반투명한 표면(예를 들어, 안경 렌즈)에 이미지를 비추어 화면을 만든다는 설이다. 우리 눈은 가까운 물체에는 초점을 맞출 수 없기 때문에 이는 현실적으로 불가능하다. 실제로 근안용 디스플레이 광학 시스템은 일반적인 영사기와는 꽤 차이가 있어서 표면에 실제 상을 만드는 것이 아니라 의사(擬似) ‘동공’(광학 연쇄의 마지막 단계로 ‘동공’에서 들어온 빛을 변환하여 망막에 맺히는 상을 만드는)과 의사 ‘사람의 눈’과 같은 환경을 만든다.
도파관 기반 설계(그림 5)는 투명한 디스플레이와 동공 확장력 때문에 특히 흥미로운 부분이다. 도파관은 들어오는 빛을 모아 눈으로 보내는 중간 연결자 역할을 한다. 이런 중간 매체가 있기 때문에 미세 디스플레이와 광학 시스템 및 조명을 예를 들어, 상대적으로 적은 공간을 차지하면서 가볍고 작은 도파관 광학 요소를 조그마한 시각장치로 만들어 머리에 착용할 수 있는 것이다.

시야를 조절하는 주된 요소로는 3가지가 있다 :
DMD 크기
광학 시스템의 F 수
도파관 광선이 들어오는 동공 크기

(그림 6)은 의사 동공 직경 5mm인 경우 DMD 크기에 따른 F 수와 대각 시야 간 관계를 나타낸 것이다. 핵심 매개변수는 아래와 같다:
DMD 크기 - 시야와 해상도 요건이 필요한 DMD 직각 크기를 좌우한다. 시야가 클수록 DMD도 커야 하고, 결과적으로 광학장치가 커지므로 크기도 커진다. DLP 광학 모듈의 크기는 시스템 요건에 따라 결정되긴 하지만, LED, DMD 및 조명장치, 유사 동공 형성 광학부를 포함하고도 수 입방 센티미터 정도로 작게 만들 수 있다.

광학 설계의 F 수 - 광학 시스템의 F 수는 입사동(entrance pupil)의 직경에 대한 렌즈의 초점 거리 비율로 나타낸다. 일반적으로 F 수가 작을수록 시스템의 시야와 에탕듀(etendue)는 증가한다. 반면에 광학장치 크기는 커진다는 단점이 있으며, F 수가 감소하면 대비도가 줄어든다. 한편 F 수가 증가할수록 시스템의 대비도는 증가하고 광학 설계의 복잡성은 감소하며 크기도 줄어드는데, 시야와 에탕듀/밝기는 희생을 감수해야 한다.

도파관 동공 크기 - 일반적으로 도파관으로 동공을 확장하고 아이 박스를 확대한다면 의사 동공 직경은 5mm 정도면 충분하다. DMD 대각 크기가 같을 때에는 의사 동공의 크기가 증가할수록 시야가 줄어든다(그림 7).

3조명 방향이 광학장치의 배열과 크기에 미치는 영향
5.4μm 픽셀 DMD의 DLP TRP 아키텍처는 측방 조명과 하부 조명 2가지 옵션이 가능하다(그림 8). 이렇게 2가지 옵션이 가능하므로 광학 배치는 유연해질 수 있다. 예를 들어 측방 조명을 사용하면 더 길고 더 얇은 레이아웃이 가능한 반면, 하부 조명을 쓰면 더 짧고 두꺼운 레이아웃이 나온다(그림 9). 다양한 광학적 배치가 가능한데, 박스 형태를 예로 들자면 시스템 요건에 따라 얇은 형이나 L형으로 광학체를 배치할 수 있다. 한 사례로 모듈이 머리의 한쪽에 놓이는 도파관 방식 설계라면 얇고 긴 광학 모듈이 적합할 것이다. 모듈의 전반적인 부피를 줄여야 한다면 짧고 두꺼운 광학 설계가 적합할 것이다. DMD 각각은 필요한 조명 방향에 맞춰 설계할 수 있다. DMD의 조명 방향에 대해서는 (표 2)를 참조한다.

 
DLP 기술을 NED에 구현할 때 시스템과 전자적 측면에서 고려해야 할 사항
DLP Pico 칩셋은 작고 효율적인 컨트롤러와 신뢰할 수 있는 집적형 PMIC/LED가 가능한 드라이버를 사용하여 크기 및 전력 소비량이 적다. 컨트롤러는 7×7mm 정도로 작으며 PMIC는 3.4×3.2mm 크기이다(보드 레이아웃 예시는 그림 10 참조). DMD와 컨트롤러를 합친 전력 소비량은 어레이 크기와 해상도에 따라 150~300mW 정도이다. DLP 기술 솔루션을 구현한 근안용 디스플레이의 대표적인 시스템 구성도를 (그림 11)에 나타냈다.
DLP 컨트롤러는 프론트 엔드 프로세서 및 I2C로 통신하면서 병렬 인터페이스를 통해 24bit RGB 비디오 데이터를 받는다. 프론트 엔드 프로세서는 PROJ 온 신호를 이용하여 DLP 시스템 전원을 제어한다. PMIC/LED 드라이버는 컨트롤러와 DMD에 필요한 전원 공급장치에 제공하며 통합 LED 드라이버는 사용자가 구성 RGB LED 전류를 공급한다.

편광 무의존성 - DLP 기술은 LED 및 레이저, 레이저-인광체, 램프를 포함하여 어떤 광원에도 사용할 수 있다. LED 같은 무극성 광원의 경우 극성화 변환을 거치지 않고 유실 광원을 다시 포착하여 DLP 기반 솔루션의 광학 시스템 효율이 매우 높아진다.

이런 광학적 효율을 지닌 DLP 기술은 투영형의 광폭 시야 애플리케이션과 같이 시야가 밝아야 하는 근안용 디스플레이에 특히 적합하다. 밝기가 높을수록 DLP 시스템 출력 면의 이점도 커진다(그림 12).

높은 대비도 - 광학 설계에 따라서는 DLP 기술로 대비율을 2000:1 이상까지 높일 수 있어 몰입형 디스플레이의 배경을 더욱 어둡게 하거나 증강 현실 디스플레이의 배경 투명도를 더욱 높일 수 있다(사진 1).

고속 - 저 지연도 : DLP 기술은 세상에서 가장 빠른 디스플레이 기술 중 하나로, 각각의 마이크로미러가 초당 수 천 번 180도 상 전환을 할 수 있다. 따라서 근안용 디스플레이에 특히 중요한 색상 새로고침 속도가 빨라지고 지연은 감소한다.

예를 들어 대각선 길이 0.3인치인 어레이에 TI의 TRP를 접목하면 기존에는 854x480 픽셀이 들어가던 0.3인치 어레이에 1280×720 픽셀을 구현할 수 있다.

유연한 조명 방향 - TI의 TRP 기술로 측방 조명이나 하부 조명 중 어떤 방식이든 DMD를 설계할 수 있다. TRP DMD의 조명 방향은 (표 2)를 참조한다.

저전력-TI의 TRP 칩셋은 소비전력 절약을 위해 설계되었다. TI의 TRP 0.2인치 WVGA(854×480) 칩셋은 기존의 WVGA 칩셋에 비해 약 50% 정도 전력 소모량이 적으며, 0.3인치 720p 칩셋은 기존의 720p 칩셋에 비해 약 80% 정도 더 적은 전력을 소비한다.

고차원 이미지 처리 알고리즘-DLP IntelliBright™ 알고리즘은 2가지 핵심 기능을 한다:

  1) 컨텐츠 어댑티브 조명 제어(Content Adaptive Illumination Control) : 각 RGB LED를 동적으로 제어하여 프레임 내용을 기준으로 전력 최적화
  2) 로컬 영역 밝기 가속(Local Area Brightness Boost) : 주변 조명 조건에 따라 이미지의 어두운 부분을 더욱 어둡게 지능적으로 처리