JP5842298B2 - Transmission head-mounted display optical system - Google Patents

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本発明は、透過型のヘッドマウントディスプレイ(HEAD MOUNTED DISPLAY、HMD)光学システムに関する。より詳しくは、外部活動中でも情報獲得を容易にすることができ、大きさと重さを顕著に減らすことができながらも大画面視聴が可能で、製造費用を節減して製品価格を顕著に下げることができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムに関する。   The present invention relates to a transmissive head-mounted display (HMD) optical system. More specifically, information acquisition can be facilitated even during external activities, large screen viewing is possible while significantly reducing the size and weight, reducing manufacturing costs and significantly reducing product prices. The present invention relates to a transmissive head-mounted display optical system that can perform the above-described operation.

一般的に、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)装置は、目と非常に近接した位置で発生する映像光を、精密な光学装置を利用して、遠くに仮想の大型画面が構成されるように焦点を形成することにより、使用者が拡大された虚像を見ることができるようにする画像表示装置であり、周囲の環境は見ることができずディスプレイ素子で発散した映像光のみを見ることができる閉鎖型HMD(See−close HMD)方式と、ウィンドウを介して周囲環境を見ることができながらディスプレイ素子で発散する映像光も見ることができる透過型HMD(See−through HMD)方式に分けられる。図1は、従来技術による透過型HMDの光学システムの例を示している。   In general, a head-mounted display (HMD) device focuses image light generated at a position very close to the eyes so that a virtual large screen can be formed far away using a precision optical device. It is an image display device that allows a user to see an enlarged virtual image by forming, and is a closed type that can not see the surrounding environment and can only see the image light emitted from the display element It can be divided into an HMD (See-close HMD) system and a transmissive HMD (See-through HMD) system that can see the ambient light through a window while also allowing the image light emitted from the display element to be seen. FIG. 1 shows an example of a transmissive HMD optical system according to the prior art.

まず、図1に示された透過型HMDは、韓国特許登録番号第10−0928226号で掲示されており、映像光を発散するディスプレイ素子10と、前記マイクロディスプレイパネルから出る光のうち特定の偏光のみを反射させる偏光分離器11と、前記偏光分離器で反射した線偏光を円偏光に変換させたり入射した円偏光を線偏光に変化させる位相遅延板12と、前記位相遅延板12を通過した円偏光した光を拡大して再び前記位相遅延板12に送る半透過凹反射鏡13と、周辺光を開閉できるように前記半透過凹反射鏡の外側面に付着した光開閉スィッチパネル14を含むHMD装置の光学システムからなる。   First, the transmissive HMD shown in FIG. 1 is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0926226, and a display element 10 that diverges image light and a specific polarized light out of the light emitted from the micro display panel. A polarization separator 11 that reflects only the light, a phase delay plate 12 that converts the linearly polarized light reflected by the polarization separator into circularly polarized light or changes the incident circularly polarized light into linearly polarized light, and the phase delay plate 12. A translucent concave reflecting mirror 13 for enlarging the circularly polarized light and sending it to the phase delay plate 12 again; and a light opening / closing switch panel 14 attached to the outer surface of the transflective concave reflecting mirror so that the ambient light can be opened and closed. It consists of the optical system of the HMD device.

上記のような構成によって前記ディスプレイ素子10で生成された映像光は、前記ディスプレイ素子10に45度傾いて配置された前記偏光分離器11によって90度方向に、全体の映像光のうちP波あるいはS波の性質の50%ビームのみが透過又は反射して前記位相遅延板12に到達し、前記位相遅延板12で線偏光した映像光が円偏光に変わって前記半透過凹反射鏡13に到達した後に反射し、回転方向が反対の円偏光状態になって前記位相遅延板12と前記偏光分離器11を再び通過して使用者の目に到達することにより、前記半透過凹反射鏡13で拡大された映像を使用者は視聴することができるようになる。   The image light generated by the display element 10 having the above-described configuration is converted into a P wave or 90% of the entire image light in the 90-degree direction by the polarization separator 11 disposed at an inclination of 45 degrees on the display element 10. Only the 50% beam having the S wave property is transmitted or reflected to reach the phase delay plate 12, and the image light linearly polarized by the phase delay plate 12 changes to circularly polarized light and reaches the transflective concave reflector 13. The semi-transparent concave reflecting mirror 13 is reflected by the circularly polarized state having the opposite rotation direction and passes through the phase delay plate 12 and the polarization separator 11 again to reach the user's eyes. The user can view the enlarged video.

しかし前述の従来の技術は、ディスプレイ素子10から生成された映像光が前記偏光分離器11と前記半透過凹反射鏡13を通過し、各々50%の光量を損失して最初の光量の25%のみが両眼に伝達され、75%は反射過程で失うことになるため、元映像光の自然色を具現することが大変になり、これにより使用者の眼球に適正な明るさの画像を提供するためには、失われる光量の大きさを勘案して高輝度の光源を別途に使用しなければならない問題点がある。   However, according to the above-described conventional technique, the image light generated from the display element 10 passes through the polarization separator 11 and the semi-transmissive concave reflecting mirror 13 and loses 50% of the light amount, and 25% of the initial light amount. Since only 75% is transmitted to both eyes and 75% is lost in the reflection process, it becomes difficult to realize the natural color of the original image light, thereby providing an image with appropriate brightness to the user's eyeball. In order to achieve this, there is a problem that a high-intensity light source must be used separately in consideration of the amount of light lost.

また、前記半透過凹反射鏡13で拡大された映像が両眼に到達するまでの空間に前記偏光分離器11が対角に位置しているため、通常のヘッドマウントディスプレイの目的である視野角(FOV)又はアイボックス(Eye Box)を大きくするのに構造的な問題点を有しており、これらを拡大するためには器具全体の大きさと重さが増えるほかなく、使用者が着用した場合、顔全体への圧迫要因となって疲労感を感じやすくなる問題点がある。   Further, since the polarization separator 11 is located diagonally in a space until the image magnified by the semi-transmissive concave reflecting mirror 13 reaches both eyes, the viewing angle which is the purpose of a normal head mounted display (FOV) or eye box (Eye Box) has a structural problem to enlarge, in order to expand these, the size and weight of the entire device will increase, the user wears In this case, there is a problem that it becomes a factor of pressure on the entire face and it becomes easy to feel fatigue.

したがって、上記のような従来の問題点を解決するための本発明の目的は、ディスプレイ素子で発散する映像光の損失を最小化することにより、映像光と外部映像光を同時に鮮明に視聴できるようにして、歩行中でも電子メール及び情報収集等の活動をすることができて、より効率的な業務推進ができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention to solve the above-described conventional problems is to enable the image light and the external image light to be clearly and simultaneously viewed by minimizing the loss of the image light diverging from the display element. Thus, it is an object of the present invention to provide a transmissive head mounted display optical system that can perform activities such as e-mail and information collection while walking, and can promote more efficient business operations.

また、本発明の他の目的は、重さと大きさを顕著に減らすことができながらも、仮想画面の大きさを極大化して大画面視聴が可能な透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a transmissive head-mounted display optical system capable of viewing a large screen by maximizing the size of a virtual screen while significantly reducing the weight and size. It is in.

また、本発明のまた他の目的は、ウェッジプリズム使用による拡大方式を適用してレンズ加工を最少化することにより、製造費用を節減することができる透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a transmissive head-mounted display optical system that can reduce manufacturing costs by applying a magnification method using a wedge prism to minimize lens processing. is there.

上記の目的を達成するための本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子、前記ディスプレイ素子から発散する映像光を平行にするコリメーションレンズ、前記コリメーションレンズを通過して平行に整列した映像光が入射して水平方向に映像を拡大できるように第1拡大手段を備える第1ウェッジプリズム、前記第1ウェッジプリズムを通過して水平方向に拡大した映像光が入射して垂直方向に映像を拡大できるように第2拡大手段を備える第2ウェッジプリズム、及び前記第2ウェッジプリズムで反射して垂直方向に拡大した映像光と、前記第2ウェッジプリズムを透過して使用者に提供される外部映像が歪曲しないように前記第2ウェッジプリズムと逆の形状を有する第3ウェッジプリズム、を含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a transmissive head mounted display optical system according to the present invention includes a display element, a collimation lens that collimates image light emitted from the display element, and an image that passes through the collimation lens and is aligned in parallel. A first wedge prism provided with a first enlarging means so that light can enter and the image can be enlarged in the horizontal direction, and image light that has passed through the first wedge prism and expanded in the horizontal direction is incident to display an image in the vertical direction. A second wedge prism provided with a second magnifying means so that it can be magnified, image light reflected by the second wedge prism and magnified in the vertical direction, and an external provided to the user through the second wedge prism A third wedge prism having a shape opposite to that of the second wedge prism so as not to distort the image; And wherein the Mukoto.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第1ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する第1拡大手段は、内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする。   Also, the first enlargement means for enlarging the horizontal image provided in the first wedge prism of the transmissive head mounted display optical system according to the present invention forms a lattice structure therein to change the direction of the reflection angle to a desired direction. It is characterized by being a holographic optical element (HOE).

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第1ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する前記第1拡大手段は、反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子(DOE)であることを特徴とする。   Also, the first enlargement means for enlarging the horizontal image provided in the first wedge prism of the transmissive head mounted display optical system according to the present invention can change the direction of the reflection angle of the reflection surface to a desired direction. It is a diffractive optical element (DOE) having a sawtooth structure having an inclination angle.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第2ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第2拡大手段は、内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする。   In addition, the second enlarging means for enlarging the vertical image of the second wedge prism of the transmissive head mounted display optical system according to the present invention forms a lattice structure therein to change the direction of the reflection angle to a desired direction. It is characterized by being a holographic optical element (HOE).

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第2ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第2拡大手段は、反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子(DOE)であることを特徴とする。   In addition, the second enlarging means for enlarging the vertical image of the second wedge prism of the transmissive head mounted display optical system according to the present invention is inclined so that the reflection surface can change the direction of the reflection angle to a desired direction. It is a diffractive optical element (DOE) having a sawtooth structure having a corner.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第3ウェッジプリズムは、前記第2ウェッジプリズムの傾斜面が回折光学素子(DOE)の場合、第2ウェッジプリズムと逆の鋸歯形状を有する傾斜面を保有して使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供することを特徴とする。 The third wedge prism of the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention has an inclined sawtooth shape opposite to that of the second wedge prism when the inclined surface of the second wedge prism is a diffractive optical element (DOE). A feature of the present invention is to provide an optical system that has a surface and is compensated so that a user can view an external image without distortion.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、視野角(FOV)を拡大するために前記第1ウェッジプリズムと前記第2ウェッジプリズムの間に凸レンズをさらに備えることを特徴とする。   The transmissive head-mounted display optical system according to the present invention further includes a convex lens between the first wedge prism and the second wedge prism in order to enlarge a viewing angle (FOV).

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、前記第1ウェッジプリズムと前記第2ウェッジプリズムの傾斜角を同一にして、映像光の水平拡大と垂直拡大の比率を同一にすることにより映像歪曲を最小化することを特徴とする。   In the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention, the first wedge prism and the second wedge prism have the same inclination angle, and the ratio of horizontal expansion and vertical expansion of the image light is the same. It is characterized by minimizing distortion.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第1拡大手段は、前記反射面が100%反射コーティング面であることを特徴とする。   In the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention, the first magnifying means is characterized in that the reflective surface is a 100% reflective coating surface.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第2拡大手段は、前記反射面が50%ハーフ・ミラーコーティング面であることを特徴とする。   In the transmissive head mounted display optical system according to the present invention, the second magnifying means is characterized in that the reflecting surface is a 50% half mirror coating surface.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第1拡大手段は、反射型ホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする。   In the transmission head-mounted display optical system according to the present invention, the first enlargement means is a reflective holographic optical element (HOE).

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの前記第2拡大手段は、反射型ホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする。 In the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention, the second magnifying means is a reflective holographic optical element (HOE).

上述したように、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子で発散する映像光の損失を最小化することにより、映像光と外部映像光を同時に鮮明に視聴できるようにして、歩行中でも電子メール及び情報収集等の活動をすることができて、より効率的な業務推進ができる効果がある。   As described above, the transmissive head mounted display optical system according to the present invention minimizes the loss of image light diverging from the display element so that the image light and the external image light can be viewed simultaneously and clearly. In particular, activities such as e-mail and information gathering can be performed, which has the effect of promoting more efficient operations.

本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは重さと大きさを顕著に減らすことができながらも、仮想画面の大きさを極大化して大画面視聴が可能であるという長所がある。   The transmissive head-mounted display optical system according to the present invention has an advantage that a large screen can be viewed by maximizing the size of the virtual screen while significantly reducing the weight and size.

また、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ウェッジプリズム使用による拡大方式を適用してレンズ加工を最少化することにより、製造費用を節減することができる長所を追加で有する。   In addition, the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention has an additional advantage that manufacturing costs can be reduced by applying a magnification method using a wedge prism to minimize lens processing.

従来の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed the conventional transmissive | pervious head mounted display optical system schematically. 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムを簡略に示した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a transmissive head mounted display optical system according to the present invention. FIG. 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムでの光の経路を3次元で図式した概路図である。FIG. 3 is a schematic diagram schematically illustrating a light path in a three-dimensional light path in the transmissive head mounted display optical system according to the present invention. 一般的なプリズム内での光の経路を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the path | route of the light in a general prism. 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の一実施例を示した断面図である。It is sectional drawing which showed one Example of the image horizontal expansion means installed in the inclined surface of the wedge prism by this invention. 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の一つである反射型ホログラフィック光学素子の作動原理を紹介した概念図である。It is the conceptual diagram which introduced the operation | movement principle of the reflection type holographic optical element which is one of the image horizontal expansion means installed in the inclined surface of the wedge prism by this invention. 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像水平拡大手段の他の一実施例である回折光学素子(DOE)を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the diffraction optical element (DOE) which is another Example of the image horizontal expansion means installed in the inclined surface of the wedge prism by this invention. 一般的なプリズム内での光の経路を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the path | route of the light in a general prism. 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像垂直拡大手段の一実施例を示した断面図である。It is sectional drawing which showed one Example of the image | video vertical expansion means installed in the inclined surface of the wedge prism by this invention. 本発明によるウェッジプリズムの傾斜面に設置された映像垂直拡大手段の他の一実施例を示した断面図である。It is sectional drawing which showed another Example of the image | video vertical expansion means installed in the inclined surface of the wedge prism by this invention. 本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイの光学システムの光経路で反射板を追加した構造の一実施例を示した図面である。4 is a view showing an embodiment of a structure in which a reflector is added in the optical path of the optical system of the transmissive head mounted display according to the present invention. 本発明による第1ウェッジプリズムと第2ウェッジプリズムの間の光経路に拡大レンズを追加した構造の他の一実施例を示した図面である。6 is a view showing another embodiment of a structure in which a magnifying lens is added to an optical path between a first wedge prism and a second wedge prism according to the present invention.

以下、本発明の好ましい実施例の詳細な説明が添付された図面を参照して説明する。図面のうち、同一の構成は可能な限りどこでも同一の符号を示していることに留意しなければならない。下記の説明で具体的な特定事項が示されているが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものである。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知技術あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that in the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible. Specific details are set forth in the following description, which is provided to aid in a more general understanding of the invention. In the description of the present invention, if it is determined that a specific description of a related known technique or configuration can unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

まず、図2は本発明によるウェッジプリズムを使用した透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムの構成及び配置についての実施例を概略的に示した図面で、図3は映像光の移動経路を3次元的に表示した概路図である。   First, FIG. 2 is a diagram schematically showing an embodiment of the configuration and arrangement of a transmissive head-mounted display optical system using a wedge prism according to the present invention. FIG. 3 shows a moving path of image light in three dimensions. It is the displayed outline map.

本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、図2と3に示されたように、ディスプレイ素子20と、コリメーションレンズ21と、第1ウェッジプリズム22と、第2ウェッジプリズム23及び第3ウェッジプリズム24を含んでなる。   The transmissive head-mounted display optical system according to the present invention includes a display element 20, a collimation lens 21, a first wedge prism 22, a second wedge prism 23, and a third wedge prism, as shown in FIGS. 24.

前記のような構成により、本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、ディスプレイ素子20で発散する映像光が前記ディスプレイ素子20と平行に光軸が一致するように位置したコリメーションレンズ21を介して平行光に変わった後、第1ウェッジプリズム22内部に入射して水平方向に平行に進行し、第1ウェッジプリズム22の傾斜面221に設置された水平方向拡大手段によって水平方向に映像の大きさが拡大された後、垂直下方に反射して前記第1ウェッジプリズム22から出射される。また第1ウェッジプリズム22の垂直下方に反射した映像光は、第1ウェッジプリズム22の下方に位置した前記第2ウェッジプリズム23に入射し、第2ウェッジプリズム23の傾斜面231に位置した垂直方向拡大手段によって垂直方向に映像の大きさが拡大された後、垂直前方に反射して、第2ウェッジプリズム23から出射されることにより、使用者は最初のディスプレイ素子の大きさより水平及び垂直方向に大きく拡大された映像を視聴することができるようになる。   With the configuration as described above, the transmissive head-mounted display optical system according to the present invention is configured to pass through the collimation lens 21 in which the image light diverging from the display element 20 is positioned in parallel with the display element 20 so that the optical axes thereof coincide with each other. After changing to parallel light, the light enters the first wedge prism 22 and travels in parallel in the horizontal direction, and the size of the image in the horizontal direction by the horizontal direction enlargement means installed on the inclined surface 221 of the first wedge prism 22. After being enlarged, the light is reflected vertically downward and emitted from the first wedge prism 22. Further, the image light reflected vertically below the first wedge prism 22 enters the second wedge prism 23 positioned below the first wedge prism 22, and the vertical direction positioned on the inclined surface 231 of the second wedge prism 23. After the image size is enlarged in the vertical direction by the magnifying means, the image is reflected vertically forward and emitted from the second wedge prism 23, so that the user can move in the horizontal and vertical directions from the size of the first display element. It will be possible to view a greatly enlarged video.

この際、水平方向への映像拡大と垂直方向への映像拡大の比率を同一にして映像の歪曲を最小化するためには、前記第1ウェッジプリズム22と前記第2ウェッジプリズム23の傾斜角を同一にしなければならない。   At this time, in order to minimize the distortion of the image by making the ratio of the image enlargement in the horizontal direction and the image enlargement in the vertical direction the same, the inclination angles of the first wedge prism 22 and the second wedge prism 23 are set. Must be identical.

また、前記第2ウェッジプリズム23の後面に配置された前記第3ウェッジプリズム24は、前記第2ウェッジプリズム23の垂直方向拡大手段がホログラフィック光学素子(HOE)である場合は傾斜面を平面にし、前記第2ウェッジプリズム23の垂直方向拡大手段が回折光学素子(DOE)である場合は前記第2ウェッジプリズム23の回折光学素子と逆の鋸歯形状を保有して、使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供する。   Further, the third wedge prism 24 disposed on the rear surface of the second wedge prism 23 has an inclined surface when the vertical expanding means of the second wedge prism 23 is a holographic optical element (HOE). When the vertical magnifying means of the second wedge prism 23 is a diffractive optical element (DOE), it has a sawtooth shape opposite to that of the diffractive optical element of the second wedge prism 23, and the user distorts the external image. Provide a compensated optical system so that it can be seen without.

図4aは、前記第1ウェッジプリズム22の傾斜面に水平方向拡大手段を保有していない場合の一般的な映像光の進路を図式化した図面であり、図4aによれば、傾斜面の入射角θと反射角θ′は同一でなければならないため、入射映像光の幅dと反射映像光の幅d′は同一であるため拡大効果がない。   FIG. 4A is a schematic diagram of the path of a general image light when the inclined surface of the first wedge prism 22 does not have a horizontal expansion means. According to FIG. Since the angle θ and the reflection angle θ ′ must be the same, the width d of the incident video light and the width d ′ of the reflected video light are the same, so there is no expansion effect.

図4bは、前記第1ウェッジプリズム22の傾斜面221に水平方向拡大手段としてホログラフィック光学素子223を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図4bによれば、水平方向で傾斜面に入射した映像光は、前記ホログラフィック光学素子223の内部に、イメージ信号の波長に応じて回折する角度が決定されるようにあらかじめ入力されたパターン模様が含まれていて、すでに入力された垂直下方に映像光を反射させる。   FIG. 4 b is a diagram schematically showing the path of image light when the holographic optical element 223 is held as the horizontal expansion means on the inclined surface 221 of the first wedge prism 22, and according to FIG. The image light incident on the inclined surface in the horizontal direction includes a pattern pattern that is input in advance so that a diffraction angle is determined according to the wavelength of the image signal inside the holographic optical element 223. The image light is reflected vertically below the input.

前記ホログラフィック光学素子223に回折角度をあらかじめ入力するためには、図4cに示されたように、前記ホログラフィック光学素子の反対方向にレーザー入射ビーム(Object Beam)が水平に入射して、また他のレーザービーム(Reference Beam)は傾斜角を有して照射されれば、前記ホログラフィック光学素子の内部に回折角度があらかじめ入力されたパターン模様で刻まれる。このように入力を終えた後、入力に使用されたレーザービーム(Object Beam)と同一の波長帯域の映像光を、入力時に使用したレーザービーム(Reference Beam)と同一の角度で照射すれば、あらかじめ入力されたパターン模様によって、映像光は、前記レーザー入射ビーム(Object Beam)の反対方向に映像光を反射し、この時の映像光の光幅dは、d′に拡大されて反射する。このような理論及び試験は、学術的に検証されて多くの分野で応用されている。   In order to input a diffraction angle into the holographic optical element 223 in advance, as shown in FIG. 4c, a laser incident beam (Object Beam) is incident horizontally in the opposite direction of the holographic optical element. If the other laser beam (Reference Beam) is irradiated with an inclination angle, it is engraved with a pattern pattern in which a diffraction angle is input in advance in the holographic optical element. After completing the input in this way, if image light having the same wavelength band as the laser beam (Object Beam) used for input is irradiated at the same angle as the laser beam (Reference Beam) used at the time of input, The image light reflects the image light in the opposite direction of the laser incident beam (Object Beam) according to the input pattern, and the light width d of the image light at this time is enlarged to d ′ and reflected. Such theory and test have been scientifically verified and applied in many fields.

また、前記ホログラフィック光学素子は、色の3原色であるR、G、Bについて、各々のレーザーを利用してパターン模様を入力することができるため、色彩(Color)具現のためには、同一のホログラフィック光学素子にRGBレーザーを同時に照射することによりパターン模様を入力するか、RGB各々のパターン模様が入力されたホログラフィック光学素子を作った後に積層方式で傾斜面に付着することもできる。一般的に、前記ホログラフィック光学素子にはフォトポリマーが使用される。   In addition, the holographic optical element can input pattern patterns for each of R, G, and B, which are the three primary colors, using the same lasers. It is also possible to input a pattern pattern by simultaneously irradiating the holographic optical element with an RGB laser, or to make a holographic optical element in which each of the RGB pattern patterns is input and then attach the holographic optical element to the inclined surface by a lamination method. Generally, a photopolymer is used for the holographic optical element.

図4dは、前記第1ウェッジプリズムで22の傾斜面221に水平方向拡大手段として回折光学素子225を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図4dによれば、水平方向で傾斜面に入射した映像光dは、前記回折光学素子225の表面に突出した鋸歯模様の反射面によって垂直下方に映像光d′となって拡大した状態で反射する。この時、各鋸歯構造の間隔は可視光線の波長より大きくなければならないため、少なくとも10μmでなければならず、人の目の瞳の大きさを勘案すれば200μm以下である。最も理想的な鋸歯の間隔は、回折格子線を人間の目で認識が可能な限界が50μmであることを勘案すれば10〜50μmの間であり、深さは回折格子の間隔と傾斜面の角度、そして回折格子面の角度の関数によって決定する。前記回折光学素子225の外部面は、前記第2ウェッジプリズム23内部で反射する映像光が全て反射できるように100%反射ミラーコーティング処理する。   FIG. 4d is a diagram schematically showing the path of image light when the first wedge prism has a diffractive optical element 225 as a horizontal expansion means on the inclined surface 221 of 22 according to FIG. 4d. The image light d incident on the inclined surface in the horizontal direction is reflected in an enlarged state as the image light d ′ vertically downward by the sawtooth reflecting surface protruding on the surface of the diffractive optical element 225. At this time, since the interval between the sawtooth structures must be larger than the wavelength of visible light, it must be at least 10 μm, and is 200 μm or less in consideration of the size of the pupil of the human eye. The most ideal sawtooth spacing is between 10 and 50 μm, taking into account that the limit at which diffraction lines can be recognized by the human eye is 50 μm, and the depth is between the spacing of the diffraction grating and the sloped surface. It is determined by a function of the angle and the angle of the diffraction grating surface. The outer surface of the diffractive optical element 225 is 100% reflective mirror-coated so that all the image light reflected inside the second wedge prism 23 can be reflected.

図5aは、前記第2ウェッジプリズム23の傾斜面231に垂直方向拡大手段を保有していない場合の一般的な映像光の進路を図式化した図面であり、図5aによれば、傾斜面の入射角θと反射角θ’は同一でなければならないため、入射映像光の幅dと反射映像光の幅d′は同一で拡大効果がない。   FIG. 5a is a schematic diagram of the path of a general image light when the inclined surface 231 of the second wedge prism 23 does not have a vertical expansion means, and according to FIG. Since the incident angle θ and the reflection angle θ ′ must be the same, the width d of the incident video light and the width d ′ of the reflected video light are the same and there is no expansion effect.

図5bは、前記第2ウェッジプリズム23の傾斜面231に垂直方向拡大手段としてホログラフィック光学素子233を保有している場合映像光の進路を図式化した図面であり、図5bによれば、図4bで提示されたと同じ同一の原理によって、垂直方向で傾斜面に入射した映像光は、前記ホログラフィック光学素子233内部に、イメージ信号の波長に応じて回折する角度が決定されるようにあらかじめ入力されたパターン模様が含まれていて、すでに入力された水平前方に映像光を反射させる。   FIG. 5b is a diagram schematically showing the path of image light when the holographic optical element 233 is provided as the vertical magnifying means on the inclined surface 231 of the second wedge prism 23, and according to FIG. In accordance with the same principle as presented in 4b, the image light incident on the inclined surface in the vertical direction is input in advance into the holographic optical element 233 so that the angle at which it is diffracted according to the wavelength of the image signal is determined. The reflected pattern is included, and the image light is reflected in front of the input horizontal.

図5cは、前記第2ウェッジプリズム23の傾斜面231に水平方向拡大手段として回折光学素子235を保有している場合の映像光の進路を図式化した図面であり、図5cによれば、図4dで提示されたと同じ同一の原理によって、垂直方向で傾斜面に入射した映像光dは、前記回折光学素子235の表面に突出した鋸歯模様の反射面によって水平前方に映像光d′となって拡大した状態で反射する。前記回折光学素子235の外部面は、前記第2ウェッジプリズム23内部で反射する映像光と外部から透過する映像光がどちらも同時に見えるようにハーフ・ミラーコーティング処理する。   FIG. 5c is a diagram schematically showing the path of the image light when the inclined surface 231 of the second wedge prism 23 has a diffractive optical element 235 as horizontal expansion means, and according to FIG. According to the same principle as presented in 4d, the image light d incident on the inclined surface in the vertical direction becomes the image light d 'horizontally forward by the sawtooth reflecting surface protruding on the surface of the diffractive optical element 235. Reflects in an enlarged state. The outer surface of the diffractive optical element 235 is half-mirror coated so that both the image light reflected inside the second wedge prism 23 and the image light transmitted from the outside can be seen simultaneously.

図6は、図2に提示された本発明の透過型ヘッドマウントディスプレイシステムのうち、前記コリメーションレンズ21と前記第1ウェッジプリズム22の間に45度の反射板211を追加することにより、前記ディスプレイ素子20と前記コリメーションレンズ211を眼鏡フレーム内に入れることができる構造で配列が可能なようにした一実施例を示したものである。   FIG. 6 illustrates the display of the transmissive head-mounted display system shown in FIG. 2 by adding a 45-degree reflector 211 between the collimation lens 21 and the first wedge prism 22. An embodiment in which the element 20 and the collimation lens 211 can be arranged in a spectacle frame is shown.

前記のような構成により、前記ディスプレイ素子20で発散する映像光は、前記ディスプレイ素子と平行に光軸が一致するように位置した前記コリメーションレンズ21を介して平行光に変わった後、前記45度の反射板で90度回転して前記第1ウェッジプリズム22内部に入射し、図2によって前述したように、水平及び垂直方向の拡大手段によって使用者に拡大された映像が提供される。   With the above-described configuration, the image light diverging from the display element 20 is converted into parallel light through the collimation lens 21 positioned so as to coincide with the optical axis in parallel with the display element, and then the 45 degrees. Then, the image is rotated by 90 degrees and is incident on the inside of the first wedge prism 22, and as described above with reference to FIG. 2, an enlarged image is provided to the user by horizontal and vertical enlargement means.

図7は、図2に提示された本発明の透過型ヘッドマウントディスプレイシステムのうち、前記第1ウェッジプリズム22と前記第2ウェッジプリズム23の間に水平方向と垂直方向の映像を追加で拡大することができる手段であるパワーを有するレンズ25を追加することにより、視野角(FOV)をさらに大きくできるようにする一実施例を示したものである。   7 additionally enlarges horizontal and vertical images between the first wedge prism 22 and the second wedge prism 23 in the transmission head-mounted display system of the present invention presented in FIG. An embodiment in which the viewing angle (FOV) can be further increased by adding a lens 25 having power, which is a possible means, is shown.

上記のような構成からなる本発明による透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システムは、第1ウェッジプリズム22で提供する水平方向拡大手段と、第2ウェッジプリズム23で提供する垂直方向拡大手段を利用して映像を拡大することができるため、像の拡大のためのレンズ使用を最小化することができるだけでなく、薄い厚さにもかかわらず大画面を視聴することができるように映像を拡大することができる。またハーフミラーのように光の損失を強制する手段の使用を最大限抑制することにより、原画像とほとんど同等な水準の非常に明るくて鮮明な画像を提供することができる。   The transmissive head-mounted display optical system according to the present invention having the above-described configuration uses the horizontal direction enlargement means provided by the first wedge prism 22 and the vertical direction enlargement means provided by the second wedge prism 23 to display an image. Can not only minimize the use of lenses for image enlargement, but can also enlarge the image so that a large screen can be viewed despite its thin thickness . Further, by suppressing the use of a means for forcing light loss such as a half mirror to the maximum, it is possible to provide a very bright and clear image of a level almost equivalent to the original image.

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施例に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることは勿論である。それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等なもの等によって定められるべきものである。   On the other hand, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described. However, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be defined only by the embodiments described, but should be defined not only by the claims but also by the equivalents of the claims.

20:ディスプレイ素子
21:コリメーションレンズ
22:第1ウェッジプリズム
221: 第1ウェッジプリズムの傾斜面
23:第2ウェッジプリズム
231: 第2ウェッジプリズムの傾斜面
24:第3ウェッジプリズム
20: display element 21: collimation lens 22: first wedge prism 221: inclined surface 23 of the first wedge prism 23: second wedge prism 231: inclined surface 24 of the second wedge prism 24: third wedge prism

Claims (12)

ディスプレイ素子、
前記ディスプレイ素子から発散する映像光を平行にするコリメーションレンズ、
前記コリメーションレンズを通過して平行に整列した映像光が入射して水平方向に映像を拡大できるように第1拡大手段を備える第1ウェッジプリズム、
前記第1ウェッジプリズムを通過して水平方向に拡大した映像光が入射して垂直方向に映像を拡大できるように第2拡大手段を備える第2ウェッジプリズム、及び
前記第2ウェッジプリズムと逆の形状を有し、第2のウェッジプリズムの後面に配置される第3ウェッジプリズム
を含み、
使用者が外部映像を歪曲なしに見ることができるように補償された光学系を提供することを特徴とする
透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
Display elements,
A collimation lens that collimates image light emanating from the display element;
A first wedge prism having a first enlarging means so that image light aligned in parallel through the collimation lens is incident and the image can be enlarged in the horizontal direction;
A second wedge prism provided with a second enlarging means so that the image light expanded in the horizontal direction through the first wedge prism can enter and the image can be expanded in the vertical direction; and
A third wedge prism having a shape opposite to that of the second wedge prism and disposed on the rear surface of the second wedge prism
Including
A transmissive head-mounted display optical system characterized by providing an optical system compensated so that a user can view an external image without distortion .
前記第1ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する第1拡大手段は、
内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The first enlarging means for enlarging the horizontal image provided in the first wedge prism,
The transmissive head mounted display optical system according to claim 1, wherein the holographic optical element (HOE) is capable of changing a reflection angle direction to a desired direction by forming a lattice structure therein.
前記第1ウェッジプリズムに備えられる水平方向映像を拡大する前記第1拡大手段は、
反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子(DOE)であることを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The first enlarging means for enlarging a horizontal image provided in the first wedge prism includes:
2. The transmissive head-mounted display optical according to claim 1, wherein the reflection surface is a diffractive optical element (DOE) having a sawtooth structure having an inclination angle so that the direction of the reflection angle can be changed to a desired direction. system.
前記第2ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第2拡大手段は、
内部に格子構造を形成して反射角の方向を望む方向に変えることができるホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The second magnifying means for magnifying the vertical image of the second wedge prism,
The transmissive head mounted display optical system according to claim 1, wherein the holographic optical element (HOE) is capable of changing a reflection angle direction to a desired direction by forming a lattice structure therein.
前記第2ウェッジプリズムの垂直方向映像を拡大する前記第2拡大手段は、
反射面が反射角の方向を望む方向に変えることができるように傾斜角を有する鋸歯構造の回折光学素子(DOE)であることを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The second magnifying means for magnifying the vertical image of the second wedge prism,
2. The transmissive head-mounted display optical according to claim 1, wherein the reflection surface is a diffractive optical element (DOE) having a sawtooth structure having an inclination angle so that the direction of the reflection angle can be changed to a desired direction. system.
前記第3ウェッジプリズムは、
前記第2ウェッジプリズムの傾斜面が回折光学素子(DOE)の場合、第2ウェッジプリズムと逆の鋸歯形状を有する傾斜面を保有することを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The third wedge prism is
If the inclined surface of the second wedge prisms of the diffractive optical element (DOE), characterized in that it possesses an inclined surface having a second wedge prism opposite sawtooth, transmission head mount according to claim 1 Display optical system.
視野角(FOV)を拡大するために前記第1ウェッジプリズムと前記第2ウェッジプリズムの間に凸レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。   The transmissive head mounted display optical system according to claim 1, further comprising a convex lens between the first wedge prism and the second wedge prism in order to enlarge a viewing angle (FOV). 前記第1ウェッジプリズムと前記第2ウェッジプリズムの傾斜角を同一にして、
映像光の水平拡大と垂直拡大の比率を同一にすることにより映像歪曲を最小化することを特徴とする、請求項1に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The inclination angles of the first wedge prism and the second wedge prism are the same,
2. The transmissive head-mounted display optical system according to claim 1, wherein image distortion is minimized by making the ratio of horizontal expansion and vertical expansion of the image light the same.
前記第1拡大手段は、
前記反射面が100%反射コーティング面であることを特徴とする、請求項3に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The first expansion means includes
The transmissive head-mounted display optical system according to claim 3, wherein the reflective surface is a 100% reflective coating surface.
前記第2拡大手段は、
前記反射面が50%ハーフ・ミラーコーティング面であることを特徴とする、請求項5に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The second expansion means includes
6. The transmissive head mounted display optical system according to claim 5, wherein the reflecting surface is a 50% half mirror coating surface.
前記第1拡大手段は、
反射型ホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする、請求項2に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The first expansion means includes
The transmissive head-mounted display optical system according to claim 2, which is a reflective holographic optical element (HOE).
前記第2拡大手段は、
反射型ホログラフィック光学素子(HOE)であることを特徴とする、請求項4に記載の透過型ヘッドマウントディスプレイ光学システム。
The second expansion means includes
5. The transmissive head mounted display optical system according to claim 4, wherein the transmissive head mounted display optical system is a reflective holographic optical element (HOE).
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