KR0128267B1 - 극소형 광시계의 허상 디스플레이 광학 시스템 - Google Patents

극소형 광시계의 허상 디스플레이 광학 시스템

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KR0128267B1 KR1019930005833A KR930005833A KR0128267B1 KR 0128267 B1 KR0128267 B1 KR 0128267B1 KR 1019930005833 A KR1019930005833 A KR 1019930005833A KR 930005833 A KR930005833 A KR 930005833A KR 0128267 B1 KR0128267 B1 KR 0128267B1
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Abstract

본 발명은 통상적인 장치에 비해 매우 콤팩트하고 시야가 넓은 허상 표시(VID) 광학 장치를 제공한다. 종래 기술의 장치에 비해 상당히 좋은 화질과 더 간단한 광학 구조를 갖는 본 발명에 의해 구성되는 광학 장치는 매우 콤팩트하고 폭 넓은 시야를 제공하며, 상당히 큰 중첩분야를 갖는다. 상기 장치는 컴바이너 및 화상원과 조작자 사이의 광학 경로를 따라 배치된 전굴절성 중계 그룹을 포함한다. 특히, 본 발명의 허상 표시 광학 장치는 조작자에게 보여지는 음극선 튜브의 화상이 확대되도록 적용되었다. 전형적으로 전굴절성 중계 그룹은 오목거울 및 적어도 1개의 렌즈로 구성된다. 오목거울은 시스템에 정의 광학력을 주게 되며 그에 따라 콤펙트한 광학 장치를 제공하게 된다. 오목 거울은 컴바이너에 의해서 생긴 비대칭 수차를 상쇄할 수 있게 경사지고/ 또는 분산될 수 있다. 오목거울은 수차 상쇄를 제공할 수 있는 축방향 대칭면 형상 또는 일반화된 표면 형상을 가질 수 있다. 오목거울 및 컴바이너는 협력하여 굴절성 형상 중계 그룹에 의해 유도된 필드곡률(field curvature)을 상쇄한다. 굴절성 중계 그룹은 잔존할 수 있는 비대칭 수차를 줄이도록 경사지고/또는 분산된다.

Description

극소형 광시계의 허상 디스플레이 광학 시스템
본 발명이 허상 디스플레이 시스템(virtual image display system)에 관한 것이며, 특히 극소형 광시계의 허상 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
헤드업 디스플레이(head-up display : HUD) 및 헬멧 설치 디스플레이(helmet-mounted displays : HMD)와 같은 허상 디스플레이(VID)는 일반적으로 콤바이너(combiner) 및 렐리이 그룹(relay group)을 포함한다. 헤드업 디스플레이에 관한 종래 기술은 일반적으로 2개의 카테고리 (1) 하나의 콤바이너 및 전굴절 릴레이 그룹을 가진 디스플레이 또는 (2) 하나의 콤바이너 및 볼목면 반사 릴레이 그룹을 가진 디스플레이로 분류된다. (1)의 경우에, 콤바이너의 비대칭적 기하학형상의 효과는 굴절 릴레이에 의해 실행되지 않는다. 일반적으로, 화상의 품질은 현저하게 떨어진다. (2)의 경우에, 일반적 텔레포토 광학 형태는 유효한 시계를 제한한다. 이러한 결함은 본 발명에 의해 극복된다.
특히, 헤드업 디스플레이 및 헬멧 설치 디스플레이에 관련된 적절한 종래 기술은 이하에서 논한다. 이들 종래 기술의 단점을 이하에서 요약한다.
전형적인 종래의 헤드업 디스플레이 또는 헬멧 설치 디스플레이는 발명의 명칭이 홀로그래픽 렌즈를 이용하는 광학 디스플레이 시스템(Optical Display System Utilizing Holographic Lenses)인 위스링톤(Withrington)의 미국 특허 제3,940,204호에 기술되어 있다. 이러한 광학 시스템은 3개의 서브모듈, 즉 하나의 홀로그래픽 콤바이너, 1개의 릴레이 그룹 및 1개의 음극선관(cathode ray tube : CRT)을 포함한다. CRT 상에 표시된 정보는 최초에 중간 화상을 형성하도록 릴레이 그룹에 의해 릴레이되고, 또한 콤바이너에 의해 관찰자의 정면의 적절한 위치로 릴레이된다. 이러한 광학 설계 형태는 하기의 장점을 갖는다. 즉, (1) 릴레이 그룹은 CRT의 사이즈를 작게 하는 것을 가능하게 한다. (2) 릴레이 그룹은 중첩 시야의 면적을 확대한다. (3) 콤바이너는 릴레이 그룹 내측의 아이 박스(eye box)[동공(pupil)]를 릴레이하고, 그러므로 릴레이 그룹의 사이즈가 작다.
그러나, 이러한 광학 시스템의 중요한 단점은 콤바이너와 관련된 큰 굴곡각도이다. 시선의 굴곡으로 인해서 콤바이너에 의해 도입된 수차(aberration)는 종종 화상품질 및 광학 시스템의 사이즈를 제한한다. 수차를 보상하고 감속시키기 위해서는 일반적으로 3개의 설계 단계, 즉 (1) 수차보상을 행하기 위해서는 릴레이 그룹의 광학 소자를 경사시키고 편심시키는 단계, (2) 수차평형을 위해 프리즘 및 원통형 렌즈와 같은 왜상 광학 소자를 사용하는 단계, (3) 콤바이너에 의해 도입된 수차를 최소로 하기 위해서 콤바이너의 굴곡각도를 감소시키는 단계가 취해진다. 불행하게도, 이러한 기술은 결과적으로 유호 시계를 보다 작게 하고, 중첩하는 시야를 보다 작게 한다.
허상 디스플레이 시스템 및 관련 기술에 관한 다른 특허로는 발명의 명칭이 디스플레이 시스템(Display System)인 우드(Wood)의 미국 특허 제4,669,810호와, 발명의 명칭이 자동차용 헤드업 디스플레이(Head-Up Display For Automobile)인 브라운(Brown) 등의 미국 특허 제4,740,780호와, 발명의 명칭이 광학 관찰 시스템(Optical Viewing System)인 죤슨(Johnson)의 미국 특허 제3,697,154호와, 발명의 명칭이 뒤틀림 교정 시스템(Distortion Correction System)인 스카피노(Scarpino) 등의 미국 특허 제3,723,805호와, 발명의 명칭이 디스플레이 시스템(Display Systems)인 엘리스(Ellis)의 미국 특허 제4,042,957호와, 발명의 명칭이 대형 날개 모의조정 장치(Ground-Based Flight Simulating Apparatus)인 번햄(Burnham)등의 미국 특허 제3,784,742호와, 발명의 명칭이 허상 디스플레이 장치(Virtual Image Display Apparatus)인 카프만(Kaufman)의 미국 특허 제4,294,515호와, 발명의 명칭이 훈련 시뮬레이터용 허상 시스템(Virtual Image System for Training Simulator)인 베치(Becht) 등의 미국 특허 제3,549,803호와, 발명의 명칭이 자동차 헤드업 디스플레이(Automotive Head-up Display)인 웨이러치(Weihrauch) 등의 미국 특허 제4,973,139호와 발명의 명칭이 자동차 헤드업 디스플레이 장치(On-vehicle head up display device)인 요시유키(Yoshiyuki)등의 유업 특허 출원 제229,876호가 있다.
종래의 허상 디스플레이 시스템의 단점을 극복하기 위해서, 본 발명은 종래의 시스템과 비교할 때 극소형이며 광시계를 가진 허상 디스플레이(VID) 광학 시스템을 제공한다. 종래 기술의 시스템과 비교할 때, 본 발명에 따라 구성된 광학 시스템은 화상 품질이 훨씬 양호하고 광학 구조가 간단하며, 매우 소형이며, 넓은 시계영역을 제공하고, 매우 큰 중첩한 시야를 갖고 있다. 또한, 본 발명은 사용된 광학소자가 간단해서 잠재적으로 매우 저렴하게 될 수 있다.
본 발명에 있어서, 1개의 오면 거울과, 적어도 하나의 렌즈를 구비한 1개의 굴절 서브 그룹을 포함한 릴레이 그룹은 매우 넓은 시계에 걸쳐 우수한 화상 품질을 제공한다. 또한, 본 발명의 광학 시스템은 매우 소형의 패키지에 적합하다. 보다 중요한 것은 간단한 릴레이 그룹을 이용함으로써 상당한 비용 절약이 실현될 수 있다는 것이다.
특히, 본 발명의 허상 디스플레이 광학 시스템은 조작자에 의해 관찰된 음극선관의 화상을 확대시킬 수 있도록 구성되어 있다. 본 시스템은 음극선관과 조작자 사이의 광로를 따라 배치된 콤바이너 및 카타디옵트릭(catadioptric) 릴레이 그룹을 구비하고 있다.
카타디옵트릭 릴레이 그룹은 전형적으로 오목면 거울 및 적어도 하나의 렌즈를 포함한다. 오목면 거울은 시스템에 정의 광배율(positive optical power)을 분배하여, 소형의 광학 시스템을 구성한다. 오목면 거울은 콤바이너에 의해서 발생된 비대칭 수차를 평형화시키도록 경사되고 및/또는 편심될 수 있다. 오목면 거울은 수차 평형을 이루게 하기 위해서 축대치의 표면 형상 또는 일반화된 표면 형상을 가질 수 있다. 오목면 거울 및 콤바이너는 릴레이 그룹의 굴절 형상에 의해 도입된 시계곡률을 평형화하도록 협력한다. 릴레이의 굴절 그룹은 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 경사되고 및/또는 편심된다.
본 발명의 각종 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련하여 취한 이하의 상세한 설명을 참조하면 보다 잘 이해될 수 있으며, 동일한 참조부호는 동일한 구조 소자를 가리킨다.
제1도는 본 발명의 원리에 따른 극소형 광시계의 허상 디스플레이 시스템의 개략도.
제2도는 제1도의 허상 디스플레이 시스템의 광학 부분의 측면도.
제3도는 제1도의 허상 디스플레이 시스템의 광학 부분의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 허상 디스플레이 시스템 11 : 콤바이너
12 : 카타디옵트릭 릴레이 그룹 13 : 오목면 거울
14 : 릴레이 렌즈 15 : 중간 화상 평면
20 : 음극 선관 21 : 조작자
22 : 조작자 눈 23 : 허상
본 발명은 상술한 단점을 극복하기 위한 것이다. 제 1 도는 본 발명의 원리에 따른 극소형 광시계의 허상 디스플레이 시스템(10)을 도시한 것이다. 제 2 도 및 제 3 도는 각기 제 1 도의 허상 디스플레이 시스템(10)의 광학 부분의 측면도 및 평면도이다. 허상 디스플레이 시스템(10)은, 조작자 눈(22)이 음극선관(20 : CRT)의 허상(23)을 볼 수 있도록 음극선관(20)과 조작자(21) 사이에 배치된다.
광학 시스템(10)은 콤바이너(11) 및 카타디옵트릭 릴레이 그룹(12)을 포함한 두 개의 서브 모듈을 포함한다. 릴레이 그룹(12)은 1개의 오목면 거울(13) 및 적어도 하나의 릴레이 렌즈(14)를 구비한 카타디옵트릭 시스템이다. CRT(20)상에 표시된 화상은 릴레이 렌즈(14)를 통해 통과하고, 다음에 중간 화상 평면(15)에 있어서 오목면 거울(13)에 의해 재화상화된다. 마지막으로, 콤바이너(11)는 조작자 눈(22)의 정면의 적절한 관찰 거리에서 화상을 릴레이한다. 카타디옵트릭 릴레이 그룹(12)의 설계 원리를 이하에 요약한다.
콤바이너(11)에서 발생한 비대칭 수차 및 뒤틀림은 주로 릴레이 그룹(12)의 오목면 거울(13)에 의해 보상된다. 전체적인 시스템(10)의 나머지 수차를 최소화하기 위해서, 오목면 거울(13)은 경사되고 및/또는 편심된다. 오목면 거울(13)의 정의 광배율은 전체적으로 시스템(10)을 매우 소형으로 한다. 오목면 거울(13)의 페츠발곡률(Petzval curvature)은 렐리이 렌즈(14)의 페츠발 곡률의 일부분을 평형화한다. 콤바이너(11) 및 오목면 거울(13)의 조합체는 릴레이 그룹(12)에 근접하게 아이 박스를 투사한다.
전형적으로, 오목면 거울(13)은 수차 평형을 이루도록 축대칭적인 표면 형상을 갖도록 구성된다. 선택적으로, 오목면 거울(13)은 수차 평형을 이루도록 구성된 일반화된 표면 형상을 갖도록 형성한다.오목면 거울(13)은 화살표(16)로 도시한 바와 같이 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 경사되고 및/또는 편심될 수 있다. 오목면 거울(13) 및 콤바이너(11)는 릴레이 그룹(12)의 릴레이 렌즈(12)의 굴절 형상에 의해 도입된 시계곡률을 평형화하도록 협력한다. 릴레이 그룹(12)의 굴절 릴레이 렌즈(14)는 화살표(17)로 표시한 바와 같이 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 경사되고 및/또는 편심될 수 있다.
본 발명의 요지에 따라 구성된 허상 디스플레이 광학 시스템(10)은 양호한 화상 품질 및 간단한 광학 구조를 갖는 시스템으로 되며, 광시계 영역 및 매우 큰 중첩하는 시야를 가지며, 매우 소형이다. 본 발명의 시스템(10)은 또한 간단한 광학소자를 이용하여 비교적 저렴하다.
제 2 도 및 제 3 도는 각기 상술한 본 발명의 요지에 따라 구성된 설계예의 측면도 및 평면도이다. 표1은 광학 시스템(10)의 상세한 규정을 요약한 것이다. 광학 시스템(10)은 광시계 영역을 가지며, 매우 큰 중첩하는 시야를 가지며, 매우 소형이다.
제나이크 다항식은 원추표면으로부터 편위된 추가의 표면처짐을 나타낸다. 영이 아닌 제나이크 다항식의 항은 이하에 표시된다.
이 경우 y와 x는 각기 자오선 및 시상평면(meridional and sagittal planes)으로 된 광학면의 개구좌표이며, f(ρ)는 회절 광학 소자의 격자 위상방정식으로서, n번째 회절 링 경계는 ρ가 f(ρ)=n을 만족하는 위치에 배치되어 있고, ρ는 방사좌표 (+)반경은 오른쪽으로 향하는 중심을 갖고, (-)반경은 왼쪽으로 향하는 중심을 가지며, (+)두께는 오른쪽으로 향하는 것이고, (+)편심은 상방향이며, (+)경사는 도(degree) 단위의 반시계방향 기울어짐이고, 편심은 경사 이전에 수행되며, 원추 상수 -ε2=-(편심율)2이고, 치수는 인치단위로 주어지고, 기준파장=0.58765μm이며, 스펙트럼 범위=0.17μm이다.
이상 새롭고 개선된 극소형 광시계의 허상 디스플레이 시스템을 설명하였다. 상술한 실시예는 본 발명의 원리의 적용을 나타내는 다수의 특정 실시예중 몇몇만을 설명한 것이다. 명료하게, 본 발명이 영역을 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 많은 그리고 다른 구조가 용이하게 실현될 수 있다.

Claims (9)

  1. 조작자에 의해 관찰된 화상원의 화상을 확대하도록 구성된 허상 디스플레이 광학 시스템에 있어, 상기 화상원과 조작자 사이의 광로를 따라 배치된 콤바이너 및 카타디옵트릭 릴레이 그룹(a combiner and a catadioptric relay group)을 포함하며, 상기 카타디옵트릭 릴레이 그룹은 오목면 거울과 적어도 하나의 굴절 렌즈를 포함하며, 상기 오목면 거울은 시스템에 정의 광배율(postical power)을 분배하여, 소형의 광학시스템을 구성하며, 상기 오목면 거울은 콤바이너에 의해 발생된 비대칭 수차를 평형화하도록 경사되고 및 편심되어 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면 거울은 상기 콤바이너에 의해 발생된 비대칭 수차를 평형화하도록 경사져 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면 거울은 상기 콤바이너에 의해 발생된 비대칭 수차를 평형화하도록 편심되어 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면 거울은 수차 평형을 이루도록 축대칭의 표면 형상을 갖는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면 거울은 수차 평형을 이루도록 구성된 일반화된 표면 형상을 갖는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면 거울 및 콤바이너는 상기 릴레이 그룹의 굴절 렌즈에 의해 도입된 시계곡률을 평형화하도록 협력하는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 릴레이 그룹의 굴절 렌즈는 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 경사져 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 릴레이 그룹의 굴절 렌즈는 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 편심되어 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 릴레이 그룹의 굴절 렌즈는 나머지 비대칭 수차를 감소시키도록 경사되고 또한 편심되어 있는 허상 디스플레이 광학 시스템.
KR1019930005833A 1992-04-07 1993-04-07 극소형 광시계의 허상 디스플레이 광학 시스템 KR0128267B1 (ko)

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