KR102129669B1 - Optical system of see-through head mounted display having total internal reflection element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a transmission type HMD optical system having a total reflection structure. More specifically, the present invention reduces the volume of the optical system to have an appearance design similar to that of ordinary sunglasses, and reduces the weight of the optical system to provide a comfortable fit for a user without burdening a large weight and provides images such as an internal reflection curved mirror. The present invention relates to a transmissive HMD optical system that provides an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by maximizing the optical means to enlarge the user's eye, and simplifying the assembly process, thereby reducing mass production costs.
Description
본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a transmission type HMD optical system having a total reflection structure. More specifically, the present invention reduces the volume of the optical system to have an appearance design similar to that of ordinary sunglasses, and reduces the weight of the optical system to provide a comfortable fit for a user without burdening a large weight and provides images such as an internal reflection curved mirror. The present invention relates to a transmissive HMD optical system that provides an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by maximizing the optical means to enlarge the user's eye, and simplifying the assembly process, thereby reducing mass production costs.
헤드마운트디스플레이(HMD)는 눈 앞의 지근거리에 배치되어 있는 고화질 초소형 디스플레이에서 발산하는 가상의 이미지를 광학시스템을 통해 확대하여 보는 장치를 말하며, HMD의 사방이 막혀 있어 이 광학시스템을 통해 제공되는 가상의 이미지만 보이는 경우는 밀폐형 HMD라 말하고, 사용자 눈 앞에 위치하는 광학시스템이 투명 혹은 반투명 윈도우로 구성되어 가상의 이미지뿐 아니라 사용자 전방의 HMD 외부 이미지도 동시에 겹쳐 보이도록 광학시스템이 구성된 경우는 투과형 HMD라 말한다.Head mount display (HMD) refers to a device that enlarges and views a virtual image emitted from a high-definition, ultra-small display placed at a close distance in front of the eyes through an optical system, and is provided through this optical system because HMD is blocked everywhere When only a virtual image is visible, it is called a closed HMD. If the optical system located in front of the user's eyes is composed of a transparent or translucent window, the optical system is configured to show the HMD external image in front of the user at the same time. Say HMD.
HMD 광학시스템은 사용자마다 두 눈의 동공간격이 모두 다르기 때문에 상업적으로 유용한 상품으로 인정받기 위해서는 사용자들의 동공간격이 다르더라도 양 눈에 동일한 이미지가 제공될 수 있는 범위가 필요한데 이를 출사동(Exit Pupil)이라고 정의하고 있으며, 출사동의 크기가 커질수록 더 많은 사용자가 이미지가 잘리는 불편 없이 편안하게 가상화면을 시청할 수 있지만 통상적인 광학시스템에서 이러한 편의성을 높이기 위해 출사동의 크기를 키우게 되면 사용자의 눈 전방에 위치한 광학시스템의 크기나 두께가 두꺼워져 사용성이 떨어지게 되므로 특히 외부사용이 주목적인 투과형 HMD 광학계의 경우 출사동 크기를 과도하게 작게 하거나 가상화면의 크기를 줄이는 방법으로 광학시스템의 부피와 무게를 줄이는 경향이 있어, 투과형 HMD 광학시스템에도 충분한 양의 정보가 제공될 수 있도록 적절한 가상화면 크기를 제공할 수 있으면서도 부피와 무게를 줄여 착용이 간편한 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 필요가 있다.Since HMD optical systems have different pupils with different pupils, they need a range in which the same image can be provided to both eyes, even if the pupils have different pupils in order to be recognized as a commercially useful product. It is defined as, and as the size of the exit pupil increases, more users can comfortably watch the virtual screen without the inconvenience of cutting the image, but in order to increase such convenience in a conventional optical system, if the size of the exit pupil is increased, it is located in front of the user's eyes. As the size or thickness of the optical system becomes thick, the usability decreases. Especially, in the case of the transmissive HMD optical system, which is mainly used for external use, there is a tendency to reduce the volume and weight of the optical system by excessively reducing the size of the exit pupil or reducing the size of the virtual screen. Therefore, it is necessary to provide a transparent HMD optical system that is easy to wear while reducing the volume and weight while providing an appropriate virtual screen size so that a sufficient amount of information can be provided to the transmissive HMD optical system.
한편, 투과형 HMD 광학시스템의 경우 부피와 무게를 줄이기 위하여 공기에서 보다 물질 내에서 굴절률이 커서 실제 화면크기보다 가상화면의 크기를 적게 하여 이송할 수 있다는 원리와 임계각 이상의 각도로 물질 내에서 진행하는 영상광은 물질 표면을 뚫고 나오지 못하는 물질 내 전반사(TIR, Total Internal Reflection) 원리를 이용하여 이미지를 분할하여 광가이드(Light guide) 내부로 이미지를 이송한 후 사용자의 눈 앞에서 공기 중으로 이미지를 출사시키기 위한 여러 기술들이 소개되고 있다. On the other hand, in the case of the transmissive HMD optical system, in order to reduce the volume and weight, the refractive index in the material is larger than in air, so the size of the virtual screen can be transferred less than the actual screen size and the image proceeding in the material at an angle greater than the critical angle. To transmit the image into the light guide by dividing the image using the principle of total internal reflection (TIR), the light cannot penetrate the surface of the substance and then emit the image into the air in front of the user's eyes Several techniques are being introduced.
종래의 See-through 광학계는 Half Mirror 방식을 이용하는데, 이 방식에서는 반투과 오목반사경에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 편광분리기가 대각으로 위치하고 있어, 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있고, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있었다.The conventional see-through optical system uses a half mirror method. In this method, the polarization separator is diagonally positioned in a space from the semi-transmissive concave reflector until the enlarged image reaches both sides, and thus the viewing angle, which is the purpose of a typical head-mount display. In order to enlarge (FOV) or eye box, there is a structural problem that the optical system must be proportionally enlarged, and in order to enlarge them, the size and weight of the entire instrument increases, so that the entire face when worn by the user There was a problem that it can easily feel fatigue because it becomes a pressure factor.
또한, 다른 종래의 종래의 See-through 광학계로서, PBS Prism 방식이 적용되고 있는데, 이 방식은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 Half Mirror 방식보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.In addition, as another conventional conventional see-through optical system, the PBS Prism method is applied. Since this method uses a medium having a large refractive index, such as plastic or glass, rather than air, the image transmission path is larger than the air. Since it can be transmitted at a small angle, it is possible to present a transmissive HMD Optic module that is less bulky than the Half Mirror method, but the image enlargement is limited, it is not possible to reduce the weight, but rather the weight is heavier, which may cause inconvenience to users. to be.
따라서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 대한 니즈가 높아지고 있는 실정이다.Therefore, there is an increasing need for a transmissive HMD optical system that can solve these problems.
본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a user with a transmissive HMD optical system having a total reflection structure.
본 발명은 전술한 문제점 해소를 위해, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.In order to solve the above-described problem, the present invention aims to reduce the volume of the optical system to have an appearance design similar to that of ordinary sunglasses.
또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.In addition, the object of the present invention is to reduce the weight of the optical system so that the user has a means of providing a comfortable fit without a large weight burden.
또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하는데 그 목표가 있다.In addition, the object of the present invention is to provide an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by bringing the optical means for expanding an image such as an internal reflection curved mirror as close as possible to the user's eyeball.
또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a transmissive HMD optical system that simplifies the assembly process to lower mass production costs.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 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.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art from the following description. Will be understandable.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템은, 디스플레이 패널부; 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하여 전달하는 라이트가이드 프리즘; 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및 상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 오목 프리즘; 을 포함할 수 있다.A transmissive HMD optical system having a total reflection structure related to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, a display panel unit; A light guide prism that totally reflects and transmits image light generated from the display panel; A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And a concave prism that emits image light transmitted from the convex curved mirror in a user's eye direction. It may include.
또한, 상기 볼록 곡면경의 볼록면은 가상 이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고, 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있고, 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the convex surface of the convex curvature is half-mirror coated to reflect a part of the virtual image light inside and transmit a part of the external image light, and a λ/4 phase shift film is attached to the other plane of the convex surface. Can be.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘의 이미지 편광 반사면에는, 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, a PBS film may be attached to the image polarization reflective surface of the light guide prism to reflect only a specific polarization component of the transmitted image light.
또한, 상기 오목 프리즘의 오목 출사면의 곡률은, 상기 볼록 곡면경의 반사면의 곡률과 동심원을 이룰 수 있다.In addition, the curvature of the concave exit surface of the concave prism may be concentric with the curvature of the reflective surface of the convex curvature.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하도록 에어 갭을 포함할 수 있다.Further, between the light guide prism and the convex curved mirror, an air gap may be included to support total reflection of virtual image light from the total reflection surface of the light guide prism.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예와 관련된 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템은, 프론트 조명; 상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘; 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘; 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및 상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 오목 프리즘; 을 포함할 수 있다.On the other hand, the transmission type HMD optical system having a total reflection structure associated with another embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, front illumination; An illumination prism for incident the front illumination; A display panel that reflects the beam of the front light to form image light; A light guide prism for transmitting image light generated from the display panel in a method of polarizing reflection and total reflection; A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And a concave prism that emits image light transmitted from the convex curved mirror in a user's eye direction. It may include.
또한, 상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있고, 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the convex surface of the convex curved mirror is coated with a half mirror to reflect a part of the virtual image light internally and transmit a part of the external image light, and a λ/4 phase shift film is attached to the other plane of the convex surface. Can be.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, a PBS film in the same direction may be attached to the two image polarization reflecting surfaces of the light guide prism to reflect only a specific polarization component of the transmitted image light.
또한, 상기 오목 프리즘의 오목 출사면의 곡률은 상기 볼록 곡면경의 반사면의 곡률과 동심원을 이룰 수 있다.In addition, the curvature of the concave exit surface of the concave prism may be concentric with the curvature of the reflective surface of the convex curvature.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나도록 서포팅하는 에어 갭을 더 포함할 수 있다.Further, between the light guide prism and the convex curved mirror, an air gap for supporting total reflection of virtual image light on the total reflection surface of the light guide prism may be further included.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예와 관련된 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템은, 프론트 조명; 상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘; 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘; 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및 상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 프리즘; 및 상기 이미지 광과 관련된 상의 왜곡 없이 외부이미지를 투과시킬 수 있는 보상 렌즈;를 포함할 수 있다.On the other hand, the transmission type HMD optical system having a total reflection structure associated with another embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, front illumination; An illumination prism for incident the front illumination; A display panel that reflects the beam of the front light to form image light; A light guide prism for transmitting image light generated from the display panel in a method of polarizing reflection and total reflection; A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And a prism that emits image light transmitted from the convex curved mirror in the direction of the user's eyeball. And a compensation lens capable of transmitting an external image without distortion of an image associated with the image light.
또한, 상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있고, 상기 볼록면과 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the convex surface of the convex curved mirror is coated with a half mirror to reflect a part of the virtual image light inside and transmit a part of the external image light, and a λ/4 phase shift film is attached to the other surface of the convex surface. Can be.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, a PBS film in the same direction may be attached to the two image polarization reflecting surfaces of the light guide prism to reflect only a specific polarization component of the transmitted image light.
또한, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하는 에어 갭을 더 포함할 수 있다.In addition, between the light guide prism and the convex curved mirror, an air gap supporting total reflection of virtual image light on the total reflection surface of the light guide prism may be further included.
또한, 상기 보상 렌즈의 오목 곡면은, 투과되는 외부이미지 상의 왜곡을 없애기 위하여 상기 볼록 곡면경의 볼록면과 동일한 곡률을 형성할 수 있다In addition, the concave curved surface of the compensation lens may form the same curvature as the convex surface of the convex curved mirror in order to eliminate distortion on the transmitted external image.
본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.The present invention can provide a user with a transmissive HMD optical system having a total reflection structure.
본 발명은 전술한 문제점 해소를 위해, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 할 수 있다.In order to solve the above-described problem, the present invention can reduce the volume of the optical system to have an appearance design similar to that of general sunglasses.
또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 할 수 있다.In addition, the present invention can reduce the weight of the optical system so that the user has a means of providing a comfortable fit without a large weight burden.
또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by bringing an optical means for expanding an image such as an internal reflection curved mirror as close as possible to the user's eye.
또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a transmissive HMD optical system that simplifies the assembly process and lowers the mass production cost.
특히, 본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.In particular, the present invention can provide a user with a transmissive HMD optical system having a total reflection structure.
또한, 본 발명은 효율적인 이미지 전달 수단인 전반사 구조를 갖게 되어 두께가 얇아진 프리즘과, 사용자의 안구에 최대한 근접한 상태에서 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 내부반사 곡면경 수단을 보유함으로써, 대화각 가상이미지와 외부이미지를 동시에 볼 수 있으면서도, 부피와 무게를 줄여 응용분야를 크게 확장할 수 있도록 사용성을 높인 투과형 HMD 광학시스템 사용자에게 제공할 수 있다.In addition, the present invention has a total reflection structure, which is an efficient image transmission means, and has a thinner prism and an internal reflection curved mirror means capable of maximizing the size of the virtual screen in the state as close as possible to the user's eyeball. While simultaneously viewing the image and the external image, it can be provided to users of the transmission HMD optical system with improved usability to greatly expand the application field by reducing the volume and weight.
또한, 본 발명은 전반사 원리를 이용하여 광학 부품의 본딩 결합을 최소화하고 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a transmissive HMD optical system that minimizes the bonding and coupling of optical components by using the total reflection principle and simplifies the assembly process, thereby reducing mass production cost.
한편, 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.On the other hand, the effects that can be obtained in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and the other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. Will be able to.
도 1은 Half Mirror 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 PBS Prism 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명이 제안하는 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 입사각과 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 부피와 무게를 줄이기 위한 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 투과형 HMD 광학계를 위한 동심원 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 도 8에서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.1 is a view for explaining a conventional See-through optical system using a Half Mirror method.
2 is a view for explaining a conventional See-through optical system using a PBS Prism method.
Figure 3 shows an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure proposed by the present invention.
4 is a view for explaining the angle of incidence and refraction in relation to the present invention.
5 is a view for explaining the total reflection structure applied to the present invention.
6 is a view for explaining the total reflection structure for reducing the volume and weight according to the present invention.
7 is a view for explaining a concentric structure for a transmission type HMD optical system applied to the present invention.
8 shows an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure according to another embodiment of the present invention.
9 illustrates an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure according to another embodiment of the present invention described with reference to FIG. 8.
종래 기술 1
본 발명의 구체적인 기술적 특징을 설명하기에 앞서 종래기술에 대해 설명한다.Prior to describing the specific technical features of the present invention, the prior art will be described.
도 1은 Half Mirror 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a conventional See-through optical system using a Half Mirror method.
도 1에 도시된 안경형 디스플레이 장치는 한국특허 10-0928226에 게시되었으며, 영상광을 발산하는 디스플레이 소자(10)와, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기(11)와, 상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판(12)과, 상기 위상 지연판(12)을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 상기 위상 지연판(12)으로 보내주는 반투과 오목 반사경(13)과, 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널(14)을 포함하는 HMD 장치의 광학시스템으로 이루어진다.The spectacle-type display device shown in FIG. 1 was published in Korean patent 10-0928226, a
위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(10)에서 생성된 영상광은 상기 디스플레이 소자(10)에 45도 기울여 배치된 상기 편광분리기(11)에 의해 90도 방향으로 전체 영상광중 P파 혹은 S파 성질의 50% 빔만이 투과 또는 반사되어 상기 위상 지연판(12)에 도달하며, 상기 위상 지연판(12)에서 선편광된 영상광이 원편광으로 바뀌어 상기 반투과 오목반사경(13)에 도달한 후 반사되며 회전 방향이 반대인 원편광 상태가 되어 상기 위상지연판(12)과 상기 편광분리기(11)를 다시 통과하여 사용자의 눈에 도달함으로써 상기 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 가상 이미지를 볼 수 있으며, 구성요소에 시야를 방해하는 렌즈가 존재하지 않으므로 외부 이미지를 동시에 볼 수 있는 특징을 가진다.The image light generated by the
그러나 도 1을 통해 설명한 종래 기술은, 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 상기 편광분리기(11)이 대각으로 위치하고 있으므로 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있으며, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있다.However, in the prior art described with reference to FIG. 1, since the
종래기술 2
도 2는 PBS Prism 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a conventional See-through optical system using a PBS Prism method.
도 2에 도시된 그림은 PBS 프리즘을 이용한 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것으로서 미국특허 US2010290127로 게시되었으며, 영상광을 발산하는 디스플레이 소자(20)와, 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치되어 상기 디스플레이에서 나오는 광을 Optic 모듈 내부에 입사시키는 제 1 프리즘(21)과, 상기 제 1 프리즘(21)의 사면에 부착된 PBS(Polarizing Beam Splitter) 필름(211)과, 상기 PBS 필름 하면에 결합되어 일체화 된 제 2 프리즘(22)과, 상기 제 2프리즘에 접착제로 부착된 위상변위필름(221)과, 상기 위상변위필름(221) 하면에 결합되어 일체화 된 볼록 곡면경(23)을 포함하는 투과형 HMD 장치의 광학시스템으로 이루어진다.The picture shown in FIG. 2 relates to a transmissive HMD optical system using a PBS prism, published as US Patent US2010290127, a
위와 같은 구성에 의하여 디스플레이 소자(20)에서 발산된 영상광은 상기 제 1 프리즘을 통하여 Optic 모듈에 입사되며, 상기 제 1 프리즘(21)의 사면에 부착되어 특정 편광 빔만을 선택하여 투과시키는 PBS 필름(211)에 의해 편광성분을 얻은 후 상기 제 2 프리즘(22)에 전달되며, 상기 위상변위필름(221)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(23)의 하면에 코팅된 반사면(231)에서 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(221)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 통과 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 상기 최초 영상광이 통과한 PBS 필름을 통과하지 못하고 반사하여 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지가 제공된다. 또한, 결합된 상기 제 1프리즘(21)과 제 2 프리즘(22)을 통과하여 외부 이미지를 동시에 볼 수 있으므로 사용자는 증강현실을 체험할 수 있다.By the above-described configuration, the image light emitted from the
도 2를 통해 설명된 기술은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 상기 도 1에 제시된 기술보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.The technique described with reference to FIG. 2 uses a medium having a large refractive index, such as plastic or glass, rather than air, as the image transmission path, so that the enlarged image can be delivered at an angle less than that of air, which is less bulky than the technique presented in FIG. 1. Although it is possible to present a transmissive HMD Optic module, the disadvantage is that the enlargement of the image is limited, it is not possible to reduce the weight, but rather the weight is heavier, which may cause inconvenience to users.
본 발명의 핵심적 특징Key features of the invention
전술한 종래의 See-through 광학계는 Half Mirror 방식을 이용하는데, 이 방식에서는 반투과 오목반사경에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 편광분리기가 대각으로 위치하고 있어, 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있고, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있었다.The above-described conventional See-through optical system uses a Half Mirror method, in which a polarization separator is diagonally positioned in a space from the semi-transmissive concave reflector until the enlarged image reaches both sides of the conventional head-mount display. In order to enlarge the objective viewing angle (FOV) or eye box (Eye Box), there is a structural problem that the optical system must be proportionally enlarged, and in order to enlarge them, the size and weight of the entire instrument increases, so that the face when worn by the user There was a problem that it was easy to feel fatigue because it became a pressure factor in the whole.
또한, 다른 종래의 종래의 See-through 광학계로서, PBS Prism 방식이 적용되고 있는데, 이 방식은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 Half Mirror 방식보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.In addition, as another conventional conventional see-through optical system, the PBS Prism method is applied. Since this method uses a medium having a large refractive index, such as plastic or glass, rather than air, the image transmission path is larger than the air. Since it can be transmitted at a small angle, it is possible to present a transmissive HMD Optic module that is less bulky than the Half Mirror method, but the image enlargement is limited, it is not possible to reduce the weight, but rather the weight is heavier, which may cause inconvenience to users. to be.
따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공함으로써, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention aims to reduce the volume of the optical system and have an appearance design similar to that of general sunglasses by providing a transmissive HMD optical system having a total reflection structure to a user.
또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.In addition, the object of the present invention is to reduce the weight of the optical system so that the user has a means of providing a comfortable fit without a large weight burden.
또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하는데 그 목표가 있다.In addition, the object of the present invention is to provide an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by bringing the optical means for expanding an image such as an internal reflection curved mirror as close as possible to the user's eyeball.
또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a transmissive HMD optical system that simplifies the assembly process to lower mass production costs.
본 발명이 제안하는 투과형 HMD 광학시스템과 관련하여, 대표적일 실시예들을 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.Regarding the transmission type HMD optical system proposed by the present invention, exemplary embodiments will be described below with reference to the drawings.
실시예 1 - OLED 투과형 HMD 광학시스템Example 1-OLED transmissive HMD optical system
도 3은 본 발명이 제안하는 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.Figure 3 shows an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure proposed by the present invention.
도 3을 참조하면, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 디스플레이 패널부(30), 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘(31)과, 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 이용하여 이미지를 되돌리는 볼록 곡면경(32), 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 오목 프리즘(33)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, a transmissive HMD optical system having a total reflection structure of the present invention for achieving the above technical problem is a
또한, 상기 볼록 곡면경(32)의 볼록면(322)은 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있으며, 다른 쪽 평면(321)에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(31)의 이미지 편광 반사면(311)에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, a PBS film may be attached to the image polarization
또한, 상기 오목 프리즘(33)의 오목 출사면(331)의 곡률은 외부 이미지를 선명하게 볼 수 있도록 상기 볼록 곡면경(32)의 반사면(322)의 곡률과 동심원을 이루어질 수 있다.In addition, the curvature of the
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(31)과 상기 볼록 곡면경(32) 사이는 상기 라이트가이드 프리즘(31)의 전반사면(311)에서 가상 이미지 광의 전반사가 원활히 일어나도록 에어 갭을 둘 수 있다.In addition, an air gap may be provided between the
위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(30)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 상기 전반사면(311)에서 전반사된 후 반대면(312)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사될 수 있다.The image light generated by the
이후, 볼록 곡면경(32)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(321)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(32)에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(32)의 곡면(322)에 코팅된 하프미러의 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(321)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 되며 상기 오목 프리즘(33)을 통해 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지와 동심원 광학 구조를 통과하는 외부이미지가 동시에 제공될 수 있다.Thereafter, the polarization direction of the beam is displaced by λ/4 by the
본 발명의 구조에 따른 효과를 더 구체적으로 설명하기 위해, 도 4 내지 도 7을 참조한다.To more specifically describe the effects of the structure of the present invention, refer to FIGS. 4 to 7.
먼저, 도 4는 본 발명과 관련하여, 입사각과 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.First, FIG. 4 is a view for explaining an incident angle and a refraction angle in relation to the present invention.
도 4를 참조하면, 굴절률이 다른 두 매질 사이를 빛이 통과할 때, 빛이 굴절되는 현상 및 상관관계가 설명된다.Referring to FIG. 4, when light passes between two media having different refractive indices, a phenomenon and correlation of light refraction are described.
도 4를 참조하면, 굴절률이 n1과 n2로 서로 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 광속이 다르므로 휘게 되는데, 그 휜 정도를 빛의 입사 평면 상에서 각도로 표시하면 θ1과 θ2가 되며 이때 스넬의 법칙은 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.Referring to FIG. 4, when two different media having refractive indices of n1 and n2 are in contact, the path of light passing through the media is curved because the light flux is different for each media, and the degree of 휜 is expressed as an angle on the plane of incidence of light. When it is θ1 and θ2, Snell's law is defined as in
수학식 1
n1 x sin θ1 = n2 x sin θ2n1 x sin θ1 = n2 x sin θ2
(n1, n2: 두 매질의 굴절률, θ1 : 입사각, θ2 : 굴절각) (n1, n2: refractive index of two media, θ1: incident angle, θ2: refractive angle)
다음으로, 도 5는 본 발명에 적용되는 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.Next, Figure 5 is a view for explaining the total reflection structure applied to the present invention.
도 5를 참조하면, 물질 내부에서 빛이 전반사에 의해 계속 진행되거나 표면을 뚫고 물질 외부로 배출되는 현상을 설명하고 있다.Referring to FIG. 5, the phenomenon in which light continues to proceed by total reflection inside the material or penetrates the surface and is discharged to the outside of the material is described.
도 5의 (a)를 참조하면, 임계각(Critical angle)이란 물질 내에서 빛이 투과되지 않고 내부 반사되어 계속 물질 내부로 진행하기 위한 최소의 필요각을 말하며 플라스틱이나 글라스의 경우 표면에 수직한 법선에 대하여 대략 42~43°이다. Referring to (a) of FIG. 5, a critical angle refers to a minimum angle required for light to be transmitted through the material and not to be transmitted through the material, and is a normal angle perpendicular to the surface in the case of plastic or glass. It is about 42 to 43°.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 것과 같이, 만약 입사각이 임계각보다 크다면, 물질의 표면에 부딪힌 빛은 표면 밖으로 투과되지 못하고 물질 내부 반사를 하게 되며 이를 전반사(TIR, Total internal reflection)라고 부른다. As shown in (a) and (b) of FIG. 5, if the incident angle is greater than the critical angle, the light hitting the surface of the material is not transmitted outside the surface and reflects inside the material, which is total internal reflection (TIR) ).
반대로, 만약 입사각이 임계각 보다 작다면, 빛은 물질 표면을 뚫고 굴절된 상태로 투과되어 계속 진행할 것이다. 대표적으로 빛의 전반사 현상을 이용하는 제품에는 광섬유와 광파이프가 있으며 빛의 전반사를 이용한 통로를 라이트가이드라 한다.Conversely, if the angle of incidence is less than the critical angle, light will penetrate the surface of the material and be transmitted in a refracted state to continue. Typically, products that use the total reflection phenomenon of light include optical fibers and optical pipes, and the passage using total reflection of light is called light guide.
또한, 도 6은 본 발명에 따른 부피와 무게를 줄이기 위한 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.In addition, Figure 6 is a view for explaining the total reflection structure for reducing the volume and weight according to the present invention.
도 6은 동일한 시야각을 만들기 위한 종래 기술의 투과형 HMD 광학시스템 구조와 본 발명에서 제시하는 전반사를 이용하여 부피와 무게를 줄이기 위한 투과형 HMD 광학시스템의 구조를 비교 설명한 그림이다.FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of a transmissive HMD optical system of the prior art for making the same viewing angle and the structure of a transmissive HMD optical system for reducing volume and weight by using total reflection suggested by the present invention.
도 6의 (a)에 제시된 종래의 투과형 HMD 광학시스템은 사용자의 안구에 동일한 시야각(가상화면 크기)을 제공하기 위하여 두께 t1을 줄일 수 있는 수단이 전혀 존재하지 않으며, 도 6의 (b)에 제시된 종래의 투과형 HMD 광학시스템의 경우, 상기 도 4에서 기술된 바와 같이 굴절률이 다른 매질 사이에 존재하는 굴절각도를 응용하여 두께 t1을 t2를 줄일 수단을 가지고 있으나 전반사를 이용하지 않기 때문에 45° 반사를 위한 빔의 폭 만큼의 물질 두께가 반드시 필요하다.In the conventional transmissive HMD optical system shown in FIG. 6(a), there is no means to reduce the thickness t1 in order to provide the same viewing angle (virtual screen size) to the user's eye, and in FIG. 6(b) In the case of the proposed conventional transmission type HMD optical system, as described in FIG. 4, it has a means to reduce the thickness t1 to t2 by applying the refractive angle existing between different refractive index media, but does not use total reflection. The material thickness as much as the width of the beam for is essential.
반면, 도 6의 (c)에 제시된 광학계 구조는 상기 도 5에 기술된 전반사 원리를 이용하기 때문에 반사 경사면의 각도를 시야각에 따라 최소한의 수준으로 낮출 수 있으므로 종래의 광학시스템에 비해 현저히 두께가 얇은(t3) 광학시스템을 제공할 수 있을 뿐 아니라 사용자의 안구와 상의 최종 확대를 위한 반사면까지의 거리를 최소화할 수 있어 시야각을 최대화 할 수 있게 된다.On the other hand, since the optical system structure shown in FIG. 6(c) uses the total reflection principle described in FIG. 5, the angle of the reflective inclined surface can be lowered to a minimum level according to the viewing angle, so the thickness is significantly thinner than that of the conventional optical system. (t3) In addition to providing an optical system, it is possible to maximize a viewing angle by minimizing the distance to the reflective surface for final magnification of the user's eyeball.
또한, 도 7은 본 발명에 적용되는 투과형 HMD 광학계를 위한 동심원 구조를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the concentric structure for the transmission type HMD optical system applied to the present invention.
도 7을 참조하면, 외부이미지를 인식하기 위한 투과형 HMD 광학시스템 수립을 위한 동심원 구조의 윈도우 원리와 본 발명에서 이 원리를 응용하여 라이트가이드 프리즘과 결합한 구조가 도시된다.Referring to FIG. 7, a window principle of a concentric circle structure for establishing a transmissive HMD optical system for recognizing an external image and a structure combined with a light guide prism by applying this principle in the present invention are shown.
도 7의 (a)에 도시된 일반적인 양의 파워를 가진 렌즈는 원거리에서 출발한 평행빔이 렌즈에 의해 포커싱 되므로 렌즈 바로 앞쪽에 위치한 정해진 초점 거리 이외의 빔은 상을 형성하지 못하지 때문에 외부 이미지를 볼 수 없다.In the lens having the general amount of power shown in FIG. 7(a), since a parallel beam starting from a long distance is focused by the lens, a beam other than a predetermined focal length located directly in front of the lens does not form an image, so an external image Can not see
그러나 도 7의 (b)에 제시된 동심원 구조의 곡률을 가진 윈도우는 외부 이미지가 출사면을 통과하며 다시 평행광으로 만들어지기 때문에 선명한 외부 이미지 인식이 가능하다.However, the window having the curvature of the concentric circle structure shown in FIG. 7B is able to recognize a clear external image because the external image passes through the emission surface and is made of parallel light again.
또한, 도 7의 (c)는 상기 도 7의 (b)에 제시된 동심원 구조의 윈도우를 변형하여 전반사를 이용한 라이트가이드 프리즘을 동심원 구조 윈도우 내부에 도입함으로써, 외부이미지와 가상이미지를 동시에 인식할 수 있도록 하여 사용자들이 증강현실을 이용할 수 있다.In addition, FIG. 7(c) can simultaneously recognize an external image and a virtual image by transforming the window of the concentric circle structure shown in FIG. 7(b) to introduce a light guide prism using total reflection inside the concentric circle structure window. This allows users to use augmented reality.
다시 도 3으로 복귀하여, 도 4 내지 도 7에서 설명한 원리를 적용할 때, 디스플레이 소자(30)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 상기 전반사면(311)에서 전반사된 후 반대면(312)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사된다.Returning to FIG. 3 again, when applying the principle described in FIGS. 4 to 7, the image light generated by the
이후, 볼록 곡면경(32)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(321)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(32)에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(32)의 곡면(322)에 코팅된 하프미러의 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(321)을 다시 통과시킨다.Thereafter, the polarization direction of the beam is displaced by λ/4 by the
이때, 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 되며 상기 오목 프리즘(33)을 통해 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지와 동심원 광학 구조를 통과하는 외부이미지가 동시에 제공되는 것이다.At this time, since the phase shift is performed by λ/4 again, a displacement of λ/2 is finally made in the first PBS reflected image light to pass the PBS film instead of reflection, and the
따라서 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있게 된다.Accordingly, the present invention reduces the volume of the optical system to have an appearance design similar to that of ordinary sunglasses, and reduces the weight of the optical system to provide a comfortable fit for a user without burdening a large weight and enlarges an image such as an internal reflection curved mirror. It is possible to provide an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by bringing the means as close as possible to the user's eye, and to provide a transmissive HMD optical system that simplifies the assembly process and lowers production costs.
실시예 2 - LCOS 투과형 HMD 광학시스템Example 2-LCOS Transmission HMD Optical System
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.8 shows an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure according to another embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 본 발명의 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 또 다른 실시 예는, 프론트 조명을 갖는 LCOS 디스플레이를 이용한 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.Another embodiment of a transmissive HMD optical system having a total reflection structure of the present invention shown in FIG. 8 relates to a transmissive HMD optical system having a total reflection structure using an LCOS display with front illumination.
구체적으로 본 발명에 따른 실시예에서는, 프론트 조명(70), 상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘(71), 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지를 형성하는 디스플레이 패널(72), 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘(73)과, 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 이용하여 이미지를 되돌리는 볼록 곡면경(74), 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 오목 프리즘(75)을 포함할 수 있다.Specifically, in the embodiment according to the present invention, the
또한, 상기 볼록 곡면경(74)의 볼록면(742)은 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있으며, 다른 쪽 평면(741)에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(73)의 두 개의 이미지 편광 반사면(731 및 733)에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, PBS films of the same direction may be attached to the two image
또한, 상기 오목 프리즘(75)의 오목 출사면(751)의 곡률은 외부 이미지를 선명하게 볼 수 있도록 상기 볼록 곡면경(74)의 반사면(742)의 곡률과 동심원을 이룰 수 있다.In addition, the curvature of the
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(73)과 상기 볼록 곡면경(74) 사이는 상기 라이트가이드 프리즘(73)의 전반사면(732)에서 가상 이미지 광의 전반사가 원활히 일어나도록 에어 갭을 둘 수 있다.In addition, an air gap may be provided between the
위와 같은 구성에 의하여 상기 프론트 조명(70)에서 발산되어 상기 디스플레이 소자(72)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 첫번째 경사면(731)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분의 광이 반사된 후, 상기 전반사면(732)에서 내부 전반사된다.By the above configuration, the image light emitted from the
이후, 다시 반대 경사면(733)에 부착된 PBS 필름에 의해 다시 반사되며, 상기 볼록 곡면경(74)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(741)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(74)에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(74)의 곡면(742)에 코팅된 하프미러의 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(741)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 되며 상기 오목 프리즘(75)을 통해 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지와 동심원 광학 구조를 통과하는 외부이미지가 동시에 제공될 수 있다.Then, it is reflected again by the PBS film attached to the opposite
실시예 3 - LCOS 투과형 HMD 광학시스템Example 3-LCOS Transmission HMD Optical System
한편, 도 9는 도 8에서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.On the other hand, Figure 9 shows an example of a transmission type HMD optical system having a total reflection structure according to another embodiment of the present invention described in FIG.
도 9에 도시된 본 발명의 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 또 다른 실시 예는, 프론트 조명을 갖는 LCOS 디스플레이를 이용한 전반사 구조를 갖는 또 다른 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.Another embodiment of a transmissive HMD optical system having a total reflection structure of the present invention shown in FIG. 9 relates to another transmissive HMD optical system having a total reflection structure using an LCOS display with front illumination.
도 9에 도시된 실시예에서는, 프론트 조명(70), 상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘(71), 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지를 형성하는 디스플레이 패널(72), 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘(73)과, 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 이용하여 이미지를 되돌리는 볼록 곡면경(74), 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 프리즘(75), 상의 왜곡 없이 외부이미지를 투과시킬 수 있는 보상 렌즈(76)를 포함할 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 9, the
또한, 상기 볼록 곡면경(74)의 볼록면(742)은 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 하프 미러 코팅이 되어 있으며, 다른 쪽 평면(741)에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(73)의 두 개의 이미지 편광 반사면(731 및 733)에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착될 수 있다.In addition, PBS films of the same direction may be attached to the two image
또한, 상기 라이트가이드 프리즘(73)과 상기 볼록 곡면경(74) 사이는 상기 라이트가이드 프리즘(73)의 전반사면(732)에서 가상 이미지 광의 전반사가 원활히 일어나도록 에어 갭을 둘 수 있다.In addition, an air gap may be provided between the
또한, 상기 보상 렌즈(76)의 오목 곡면(761)은 투과되는 외부이미지 상의 왜곡을 없애기 위하여 상기 볼록 곡면경(74)의 볼록면(742)과 동일한 곡률을 형성할 수 있다.In addition, the concave
위와 같은 구성에 의하여 상기 프론트 조명(70)에서 발산되어 상기 디스플레이 소자(72)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 첫번째 경사면(731)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분의 광이 반사된 후, 상기 전반사면(732)에서 내부 전반사되고 다시 반대 경사면(733)에 부착된 PBS 필름에 의해 다시 반사되며, 상기 볼록 곡면경(74)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(741)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(74)에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(74)의 곡면(742)에 코팅된 하프미러의 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(741)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 되며 상기 오목 프리즘(75)을 통해 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지와 라이트가이드 광학구조 및 보상렌즈를 통과하는 외부이미지가 동시에 제공된다.By the above configuration, the image light emitted from the
본 발명에 따른 효과Effect according to the invention
전술한 본 발명에 따른 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템이 적용되는 경우, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 할 수 있다.When the transmissive HMD optical system having the total reflection structure according to the present invention is applied, the volume of the optical system can be reduced to have an appearance design similar to that of general sunglasses.
또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 할 수 있다.In addition, the present invention can reduce the weight of the optical system so that the user has a means of providing a comfortable fit without a large weight burden.
또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an efficient transmissive large-angle optical system means capable of maximizing the size of a virtual screen by bringing an optical means for expanding an image such as an internal reflection curved mirror as close as possible to the user's eye.
또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a transmissive HMD optical system that simplifies the assembly process and lowers the mass production cost.
특히, 본 발명은 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.In particular, the present invention can provide a user with a transmissive HMD optical system having a total reflection structure.
또한, 본 발명은 효율적인 이미지 전달 수단인 전반사 구조를 갖게 되어 두께가 얇아진 프리즘과, 사용자의 안구에 최대한 근접한 상태에서 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 내부반사 곡면경 수단을 보유함으로써, 대화각 가상이미지와 외부이미지를 동시에 볼 수 있으면서도, 부피와 무게를 줄여 응용분야를 크게 확장할 수 있도록 사용성을 높인 투과형 HMD 광학시스템 사용자에게 제공할 수 있다.In addition, the present invention has a total reflection structure, which is an efficient image transmission means, and has a thinner prism and an internal reflection curved mirror means capable of maximizing the size of the virtual screen in the state as close as possible to the user's eyeball. While simultaneously viewing the image and the external image, it can be provided to users of the transmission HMD optical system with improved usability to greatly expand the application field by reducing the volume and weight.
또한, 본 발명은 전반사 원리를 이용하여 광학 부품의 본딩 결합을 최소화하고 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a transmissive HMD optical system that minimizes the bonding and coupling of optical components by using the total reflection principle and simplifies the assembly process, thereby reducing mass production cost.
본 발명의 적용 범위Scope of application of the present invention
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시 예들에 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. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of preferred embodiments of the present invention disclosed as described above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, 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, those skilled in the art can use each of the configurations described in the above-described embodiments in a manner of combining with each other. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the embodiments presented herein, but rather to give the broadest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all respects and should be considered illustrative. The scope of the invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention. The invention is not intended to be limited to the embodiments presented herein, but rather to give the broadest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, in the claims, claims that do not have an explicit citation relationship may be combined to constitute an embodiment, or may be included as new claims by amendment after filing.
Claims (15)
디스플레이 패널부;
상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하여 전달하는 라이트가이드 프리즘;
상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및
상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 오목 프리즘; 을 포함하고,
상기 볼록 곡면경의 볼록면은 가상 이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고, 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 부분 반사 코팅이 되어 있고,
상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착되며,
상기 라이트가이드 프리즘의 이미지 편광 반사면에는,
전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착되고,
상기 오목 프리즘의 오목 출사면의 곡률은, 상기 볼록 곡면경의 반사면의 곡률과 동심원을 이루며,
상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하는 에어 갭을 더 포함하고,
상기 전반사면에서 전반사 된 이미지 광은 상기 편광 반사면의 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되며,
상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름에 의해, 상기 이미지 광의 편광 방향은 λ/4 만큼 변위되고,
상기 편광 방향이 λ/4 만큼 변위된 이미지 광의 상기 볼록면의 부분 반사 코팅에 의한 내부반사를 통해 얻게 된 확대된 이미지 광은 다시 λ/4 위상변위필름에 통과되어 편광 방향이 λ/4 만큼 위상이 재변위되며,
상기 재변위된 확대된 이미지 광은 상기 PBS 필름을 통과하고,
상기 통과한 이미지 광은 상기 오목 프리즘을 통해, 상기 사용자의 안구 방향으로 출사됨으로써, 상기 통과한 이미지 광에 의한 가상 이미지와 상기 투과형 HMD 광학시스템를 착용한 상기 사용자 주변의 외부 이미지가 상기 사용자에게 동시에 제공되며,
상기 에어 갭은,
상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름과 상기 볼록 곡면경의 볼록면 사이에는 존재하지 않고, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름 사이에만 존재하는 것을 특징으로 하는 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템.
In the transmission type HMD optical system,
A display panel unit;
A light guide prism that totally reflects and transmits image light generated from the display panel;
A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And
A concave prism that emits image light transmitted from the convex curved mirror in the direction of the user's eyeball; Including,
The convex surface of the convex curved mirror has a partial reflection coating to reflect a part of the virtual image light inside and enlarge, and transmit a part of the external image light,
A λ/4 phase shift film is attached to the other plane of the convex surface,
On the image polarization reflective surface of the light guide prism,
PBS film is attached to reflect only a specific polarization component of transmitted image light,
The curvature of the concave exit surface of the concave prism forms a concentric circle with the curvature of the reflective surface of the convex curvature,
Between the light guide prism and the convex curved mirror, an air gap further supporting total reflection of virtual image light on the total reflection surface of the light guide prism is further included.
The image light totally reflected from the total reflection surface is reflected by a specific polarization component by the PBS film on the polarization reflection surface,
By the λ/4 phase shift film attached to the other plane of the convex surface, the polarization direction of the image light is displaced by λ/4,
The enlarged image light obtained through internal reflection by the partial reflection coating of the convex surface of the image light whose polarization direction is displaced by λ/4 is passed through the λ/4 phase shifting film again, so that the polarization direction is phased by λ/4. Is re-displaced,
The re-displaced enlarged image light passes through the PBS film,
The passed image light is emitted through the concave prism in the direction of the user's eye, so that the virtual image by the passed image light and the external image around the user wearing the transmissive HMD optical system are simultaneously provided to the user And
The air gap,
It does not exist between the λ/4 phase shift film of the convex curved mirror and the convex surface of the convex curved mirror, but is present only between the light guide prism and the λ/4 phase shift film of the convex curved mirror. Transmission HMD optical system.
상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘;
상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널;
상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘;
상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및
상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 오목 프리즘; 을 포함하고,
상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 부분 반사 코팅이 되어 있고,
상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착되며,
상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착되고,
상기 오목 프리즘의 오목 출사면의 곡률은 상기 볼록 곡면경의 반사면의 곡률과 동심원을 이루며,
상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는,
상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나도록 서포팅하는 에어 갭을 더 포함하고,
상기 전반사면에서 전반사 된 이미지 광은 상기 편광 반사면의 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되며,
상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름에 의해, 상기 이미지 광의 편광 방향은 λ/4 만큼 변위되고,
상기 편광 방향이 λ/4 만큼 변위된 이미지 광의 상기 볼록면의 부분 반사 코팅에 의한 내부반사를 통해 얻게 된 확대된 이미지 광은 다시 λ/4 위상변위필름에 통과되어 편광 방향이 λ/4 만큼 위상이 재변위되며,
상기 재변위된 확대된 이미지 광은 상기 PBS 필름을 통과하고,
상기 통과한 이미지 광은 상기 오목 프리즘을 통해, 상기 사용자의 안구 방향으로 출사됨으로써, 상기 통과한 이미지 광에 의한 가상 이미지와 투과형 HMD 광학시스템를 착용한 상기 사용자 주변의 외부 이미지가 상기 사용자에게 동시에 제공되며,
상기 에어 갭은,
상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름과 상기 볼록 곡면경의 볼록면 사이에는 존재하지 않고, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름 사이에만 존재하는 것을 특징으로 하는 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템.
Front lighting;
An illumination prism for incident the front illumination;
A display panel that reflects the beam of the front light to form image light;
A light guide prism for transmitting image light generated from the display panel in a method of polarizing reflection and total reflection;
A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And
A concave prism that emits image light transmitted from the convex curved mirror in the direction of the user's eyeball; Including,
The convex surface of the convex curved mirror has a partial reflection coating to reflect a part of the virtual image light inside and enlarge and reflect a part of the external image light,
A λ/4 phase shift film is attached to the other plane of the convex surface,
PBS films of the same direction are attached to the two image polarization reflective surfaces of the light guide prism to reflect only a specific polarization component of the transmitted image light,
The curvature of the concave exit surface of the concave prism forms a concentric circle with the curvature of the reflective surface of the convex curvature,
Between the light guide prism and the convex curved mirror,
Further comprising an air gap supporting the total reflection of the virtual image light occurs in the total reflection surface of the light guide prism,
The image light totally reflected from the total reflection surface is reflected by a specific polarization component by the PBS film on the polarization reflection surface,
By the λ/4 phase shift film attached to the other plane of the convex surface, the polarization direction of the image light is displaced by λ/4,
The enlarged image light obtained through internal reflection by the partial reflection coating of the convex surface of the image light whose polarization direction is displaced by λ/4 is passed through the λ/4 phase shifting film again, so that the polarization direction is phased by λ/4. Is re-displaced,
The re-displaced enlarged image light passes through the PBS film,
The passed image light is emitted through the concave prism in the direction of the user's eye, so that the virtual image by the passed image light and the external image around the user wearing the transmissive HMD optical system are simultaneously provided to the user. ,
The air gap,
It does not exist between the λ/4 phase shift film of the convex curved mirror and the convex surface of the convex curved mirror, but is present only between the light guide prism and the λ/4 phase shift film of the convex curved mirror. Transmission HMD optical system.
상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘;
상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널;
상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘;
상기 라이트가이드 프리즘에서 전달된 이미지 광의 편광방향을 변경시키고, 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및
상기 볼록 곡면경으로부터 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 출사시키는 프리즘; 및
상기 이미지 광과 관련된 상의 왜곡 없이 외부이미지를 투과시킬 수 있는 보상 렌즈;를 포함하고,
상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 가상이미지 광의 일부를 내부 확대 반사하고 외부이미지 광의 일부를 투과시키도록 부분 반사 코팅이 되어 있고,
상기 볼록면과 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착되며,
상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 동일한 방향의 PBS 필름이 부착되고,
상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는,
상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하는 에어 갭을 더 포함하며,
상기 보상 렌즈의 오목 곡면은, 투과되는 외부이미지 상의 왜곡을 없애기 위하여 상기 볼록 곡면경의 볼록면과 동일한 곡률을 형성하며,
상기 전반사면에서 전반사 된 이미지 광은 상기 편광 반사면의 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되며,
상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름에 의해, 상기 이미지 광의 편광 방향은 λ/4 만큼 변위되고,
상기 편광 방향이 λ/4 만큼 변위된 이미지 광의 상기 볼록면의 부분 반사 코팅에 의한 내부반사를 통해 얻게 된 확대된 이미지 광은 다시 λ/4 위상변위필름에 통과되어 편광 방향이 λ/4 만큼 위상이 재변위되며,
상기 재변위된 확대된 이미지 광은 상기 PBS 필름을 통과하고,
상기 통과한 이미지 광은 오목 프리즘을 통해, 상기 사용자의 안구 방향으로 출사됨으로써, 상기 통과한 이미지 광에 의한 가상 이미지와 투과형 HMD 광학시스템를 착용한 상기 사용자 주변의 외부 이미지가 상기 사용자에게 동시에 제공되며,
상기 에어 갭은,
상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름과 상기 볼록 곡면경의 볼록면 사이에는 존재하지 않고, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경의 λ/4 위상변위필름 사이에만 존재하는 것을 특징으로 하는 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템.Front lighting;
An illumination prism for incident the front illumination;
A display panel that reflects the beam of the front light to form image light;
A light guide prism for transmitting image light generated from the display panel in a method of polarizing reflection and total reflection;
A convex curved mirror that changes the polarization direction of the image light transmitted from the light guide prism and sends it out through an enlargement and reflection means; And
A prism for emitting the image light transmitted from the convex curved mirror in the direction of the user's eyeball; And
It includes; a compensation lens capable of transmitting an external image without distortion of the image associated with the image light;
The convex surface of the convex curved mirror is partially coated with a reflection to enlarge a part of the virtual image light and transmit a part of the external image light,
A λ/4 phase shift film is attached to the other surface of the convex surface,
PBS films of the same direction are attached to the two image polarization reflective surfaces of the light guide prism to reflect only a specific polarization component of the transmitted image light,
Between the light guide prism and the convex curved mirror,
Further comprising an air gap supporting the total reflection of the virtual image light occurs in the total reflection surface of the light guide prism,
The concave curved surface of the compensation lens forms the same curvature as the convex surface of the convex curved mirror in order to eliminate distortion on the transmitted external image,
The image light totally reflected from the total reflection surface is reflected by a specific polarization component by the PBS film on the polarization reflection surface,
By the λ/4 phase shift film attached to the other plane of the convex surface, the polarization direction of the image light is displaced by λ/4,
The enlarged image light obtained through internal reflection by the partial reflection coating of the convex surface of the image light whose polarization direction is displaced by λ/4 is passed through the λ/4 phase shifting film again, so that the polarization direction is phased by λ/4. Is re-displaced,
The re-displaced enlarged image light passes through the PBS film,
The passed image light is emitted through the concave prism toward the eyeball of the user, whereby the virtual image by the passed image light and the external image around the user wearing the transmissive HMD optical system are simultaneously provided to the user,
The air gap,
It does not exist between the λ/4 phase shifting film of the convex curved mirror and the convex surface of the convex curved mirror, but is present only between the light guide prism and the λ/4 phase shifting film of the convex curved mirror. Transmission HMD optical system.
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