KR0181724B1 - 헤드/헬멧 탑재식 디스플레이를 위한 광 섬유 리본 초소형 디스플레이 - Google Patents

헤드/헬멧 탑재식 디스플레이를 위한 광 섬유 리본 초소형 디스플레이 Download PDF

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아쇽 시소디아
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스튜어트 아이. 무어
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Abstract

본 발명은 헬멧 탑재식 디스플레이 시스템을 위한 경량의 광 섬유 텔레비젼 초소형 디스플레이에 관한 것이다. 광 섬유(FO) 리본(64)와 같은 픽셀들의 1차원 어레이는 디스플레이의 첫 번째 차원을 생성하기 위해서 픽셀을 조사하는 입력광을 수신하는 입력단(62)를 갖는다. FO 리본의 출력단(64B)는 두 번째 차원을 생성하기 위해 관측자에 대하여 이동된다. 헬멧(66)에서, FO 리본은 클램프(68)에 의해 클램프되고, 두 번째 차원을 얻기 위해서 리본의 출력단이 이동되도록 구동기(70)에 의해 진동된다. FO 리본의 크기는 텔레비젼 전계 레이트와 같은 고유 공진 주파수를 제공하도록 선택되고, 구동기는 리본 공진 주파수로 클램프와 리본 출력단 사이에서 리본부(64A)를 진동시킨다. 클램프와 구동기는 매우 가벼우므로, 헬멧에 설치된 디스플레이 부품의 무게가 감소된다.

Description

헤드/헬멧 탑재식 디스플레이를 위한 광 섬유 리본 초소형 디스플레이
제1도는 종래의 헤드/헬멧 탑재식 디스플레이(HMD)의 개략도.
제2도는 본 발명을 실시하는 HMD를 나타낸 도면.
제3도는 제2도의 HMD에 대한 광 섬유 리본 클램프(Clamp)와 구동기를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
52 : 레이저 56 : 다각형 스캐너
58, 60 : 지연 미러 62 : 섬유 리본
64 : 광 디텍터 68 : 클램프
80 : 투사광 90 : 제어기
92 : 버퍼 104 : 카운터 메스 구동기
본 발명은 무게가 중요한 요소인 헤드/헬멧 탑재식 디스플레이들(head/helmet mounted displays, HMDS)에 관한 것이며, 특히 HMD들을 위한 개선된 경량의 광 섬유 리본 초소형 디스플레이에 관한 것이다.
텔레비젼과 같은 2차원 디스플레이는 화소 또는 픽셀의 행들과 열들을 갖는다. 플라잉 스폿 스캐너(flying spot scanner) 또는 광(유리 또는 플라스틱) 섬유의 리본과 같은 1차원 디스플레이는 단지 한 행의 픽셀들을 갖는다. 2차원은 관측자에 대해 상대적으로 1차원 디스플레이를 이동시킴으로서 생성된다. 이러한 이동은 보통 검류계 샤프트(shaft) 상의 미러를 회전시키거나 다각형 모양의 다면식 미러를 회전시킴으로써 달성된다.
제1도에 도시된 공지된 유형의 HMD에서, 빛은 음향 광 변조기를 사용하여 텔레비젼 비디오 레이트로 진폭 변조된다. 회전하는 다각형 모양의 다면식 미러는 한쌍의 중계 미러들을 경유하여 빛을 광 섬유(FO) 리본의 입력단에 주사한다. FO 리본의 출력단은 렌즈로부터의 한 초점 길이에 배치된다. 렌즈의 다른쪽으로 한 초점 길이에는 검류계의 샤프트 사에 탑재된 미러가 있다. 선택적으로, 회전하는 다각형 모양의 다면식 미러가 검류계 대신에 쓰일 수 있다. 빛은 이 미러에 의해 반사되고 다시 렌즈를 투과하여 배면 투사 스크린 상에 초점이 맞추어진다. 스크린의 높이는 이 미러의 각도에 대한 함수이다. 스트린 상의 텔레비젼 화상은 투사 광학계에 의해 다시 중계되고 부분 반사 차양판으로부터 반사되어 마지막으로 관측자의 눈에 도달한다.
이러한 HMD에서, 상기 렌즈 설계의 복잡도는 FO 리본을 빠져나가는 빛의 각도(f-수)에 의해 영향을 받는데, 원뿔각(cone angle)이 작을수록 f-수가 커지고 렌즈가 보다 더 간단해진다.
빛의 회절 한계가 최소의 원뿔각을 설정한다. 예를 들어, 중심-대-중심(center-to-center) 섬유 간격이 4미크론이며, 최소 원뿔각은 4.76°(f-수=F/6)이다. 그렇지 않으면, 각각의 섬유의 화상이 공간적으로 해상될 수 없다.
HMD는 더 큰 원뿔각(전형적으로 18.4°)을 필요로 한다. 이러한 요구에 부응하기 위해서, 스크린은 입사한 빛을 더 큰 원뿔각으로 산란시켜야만 한다. 불행히도, 스크린 내의 산란은 디스플레이 해상도와 대비도에 좋지 않은 영향을 미친다. 최적의 애플리케이션용으로 컬러가 요구된다. 이것은 렌즈의 복잡도와 무게를 더 증가시킨다.
경량의, 2차원 헤드/헬멧에 설치된 광 섬유 디스플레이가 기술된다. 상기 디스플레이는 입력단과 헬멧위에 설치된 출력단을 갖는 리본에 정렬된 유연한 광 전도체의 1차원 어레이를 구비한다. 양호하게는, 빛 전도체(light conductor)는 유리 또는 플라스틱 광 섬유이다. 상기 디스플레이는 2차원 디스플레이의 첫 번째 차원을 생성하기 위해 리본 입력단으로 광을 주입하기 위한 수단, 즉 리본의 픽셀 입력단의 열을 통하여 레이저 빔을 스케닝하기 위해 다각형 스캐너를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 디스플레이는 2차원 디스플레이의 두 번째 차원을 생성하기 위해 헬멧을 쓰고 있는 관측자에 대해 리본의 출력단를 이동시키기 위한 헬멧 위에 설치된 수단을 더 구비한다. 양호한 실시예에서, 출력단를 이동시키는 수단은 캔틸레버(cantilevered) 리본부를 생성하기 위해 출력단으로부터 간격을 둔 위치에서 리본을 클램프하기 위한 클램프 수단과, 리본의 출력단을 편향시키기 위해 캔틸레버 리본부를 진동시키기 위한 구동기 수단을 구비한다. 리본의 출력단은 텔레비젼 전계 레이트(field rate)로 이동되거나 진동된다.
디스플레이 구동기 수단은 그의 고유(natural) 공진 주파수에서 실질적으로 리본부를 진동시킨다. 리본 치수는 텔레비젼 전계 레이트에 공진 주파수가 일치하도록 선택된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징과 장점들은 도시된 도면과 함께 예시되는 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로 더 명확해질 것이다.
제2도는 본 발명을 실시하는 HMD를 도시한다. 비록 양호한 실시예가 헬멧 탑재식 디스플레이에 관해 설명되지만 대안의 실시예에서, 헤드 탑재식 디스플레이 소자는 단단한 헬멧 구조물(hard helmet structure)로 고정되고 지지될 필요없이, 대신 머리띠(head band) 또는 차양(visor) 구조물로 지지될 수 있다. 헬멧과 분리된 HMD 부품은 종래의 것이다. 그러므로, 입력되는 빛의 소오스는 레이저(52)인데, 레이저(52)의 출력은 음향 광 변조기(54)에 의해 진폭 변조된다. 상기 변조된 빛은 다각형 스캐너(56)과 중계 미러들(58과 60)에 의해 평탄한 FO 리본(64)의 입력단(62)으로 반사된다. 리본(64)는 전형적으로 수백에서 수천개의 유리 또는 플라스틱 광 섬유들을 포함한다. 스캐너(56)는 섬유 입력단의 일차원적 어레이에 걸쳐 레이저 빔을 주사하여 2차원 텔레비젼 디스플레이의 행 차원을 생성한다. 리본(64)은 시스템의 사용자에 의해 착용되는 헬멧(66)에 이른다. 전형적으로 리본은 헬멧에 도달하기 위해 15피트의 길이를 가질 수 있다.
대안으로 발광 다이오드(LED) 어레이가 레이저(52), 변조기(54), 다각형 스캐너(56) 및 중계 미러 대신에 대체될 수 있다. 또 다른 대안은 마이크로 레이저 즉, 각 섬유마다 하나씩의, 채널 도파관 레이저들 또는 수직 방출 캐비티(cavity) 레이저들을 사용하는 것이다.
상기 디스플레이는 텔레비젼 디스플레이의 두 번째 차원을 생성하기 위해서 FO 리본(64)의 출력단(64B)를 이동시키기 위해 헬멧 상에 탑재된 수단을 더 구비한다. 본 발명에 따라, 더 구체적으로는 제3도에서 도시된 바와 같이, FO 리본(64)는 클램프(68)에 의해 FO 리본(64)의 출력단(64B)로부터 거리 L에서 클램프된다. 구동기(70)은 클램프968)과 리본 출력단(64B)에 사이의 위치에서 리본부(ribbon section, 64A)에 접속되고, 리본의 길이에 대략적으로 수직된 축(72)를 따라 리본부를 진동시킨다. 구동기는 상기 리본을 그의 고요 공진 주파수로 진동시키는데, FO 리본의 폭, 두께, 및 길이는 텔레비젼 전계 레이트와 같은 고유 공진 주파수를 제공하도록 선택된다. 클램프(68)과 구동기(70)은, FO 리본의 출력단을 이동시키기 위해 상기 기술된 종래의 HMD들에 사용된 다각형 모양의 다면식 미러, 스크린과 검류계 또는 미러를 대신한다.
FO 리본의 출력단(64B)으로부터 방출된 빛은 종래의 투사 광학계 어셈블리(80)을 통과하여 헬멧 디스플레이를 포함하는 광 결합기(82)에서 관측자의 눈으로 반사된다.
리본(64)의 폭 B와 두께 H는 캔틸레버식 FO 리본의 공진 주파수가 디스플레이의 텔레비젼 전계 레이트와 같아지도록 선택된다. 그러므로 미국의 표준 텔레비젼 전계 레이트를 채택한 애플리케이션에 바람직한 공진 주파수는 60Hz이고, 유럽과 일본에서 사용되는 표준 텔레비젼 전계 레이트를 채택한 애플리케이션을 위해서는 상기 공진 주파수가 50Hz가 되어야 할 것이다. FO 리본(64)의 캔틸레버 부(64A)는 빔으로 간주될 수 있다. 캔틸레버 빔의 공진 주파수 공식은 잘 공지되어 있다. 그것은 : 각 고유 주파수(Angular Natural Frequency)=a{(E*I)/(M*L4)}1/2여기서, E=영 율(Young's Modulus) I=빔 단면 영역 관성 모멘트, L=빔의 길이, M=빔의 단위 길이당 질량, A=진동 모드에 따른 계수, (기본 모드에 대해서, A=3.52), 유리에 대해서(영 율=6.7×106psi), L=106.68mm, B=20.00mm, H=1.00mm일 때 공진 주파수는 60Hz이다.
L, B와 H의 다른 조합들도 60Hz 공진을 발생할 것이다. L, B와 H에 대해 상기 주어진 예시값들은 유리 FO 리본과 HMD에 적당하다. 클램프로부터 구동기의 거리인, 제3도에 도시된 X의 크기는 임의의 거리일 수 있다. X가 짧아질수록, 더 많은 구동력이 요구된다. X에 대한 몇가지 예시적인 값과 댐핑 인수 Q가 20으로 가정된 경우의 구동력은 표 1에 도시되는데, 여기서 구동 위치는 리본부(64A)의 고정 단으로부터의 거리이며, 평균 변위는 구동 위치에서 리본에 수직인 변위이며, 구동력은 리본단을 +/- 6mm 이동시키기는데 필요한 힘이며, 전력(power)는 20의 댐핑 인수 Q에 대한 입력 전력이고, 최대 응력은 고정 단에서의 최대 응력이다.
FO 리본(64A)가 60Hz에서 공진되기 때문에, 구동기(70)의 크기는 매우 작을 수 있다. 그러나, 구동기(70)의 설계는, 매우 중요하다. 양호한 리본 구동 시스템은 반대의 편광으로 배치되고, 광 섬유 리본부(64A)의 최상부 및 최하부 표면들 사이에 끼워져 있는 얇은 압전 세라믹 슬라이스들(70A, 70B)를 포함한다. 위쪽 방향의 운동에 대해서, 최상부 압전 세라믹 슬라이스(70A)는 수축하고 최하부 압전 세라믹 슬라이스(70B)는 팽창한다. 아래쪽 방향의 운동에 대해서, 최상부 압전 세라믹 슬라이스(70A)는 팽창하고 최하부 압전 세라믹 슬라이스(70B)는 수축한다.
카운터가 동적으로 균형을 이루지 않는다면, 리본부(64A)의 상하 운동은 진동을 유발한다. 동적인 카운터 밸런싱(Dynamic counter balancing)은 FO 리본부의 질량 중심(74)의 이동과 반대 방향으로 동일한 질량체를 이동시키는 것으로 구성되어 있다. 진동을 완전히 제거하기 위해서, 질량체는 FO 리본부(64A) 질량 중심 원호와 동일한 원호로 이동되어야만 한다. 한 실시예에서, 이 동적 카운터 밸런싱은 질량 중심(74)의 이동과 반대 방향으로 변형되고 이동되도록 압전 세라믹을 형성함으로써 달성된다. 대안적으로, 카운터 질량체(98)가 피봇(100)에 대해 스윙 운동하기 위해 헬멧 상에 탑재될 수 있고, 리본부의 진동과 역상으로 카운터 질량체를 진동시키도록 구동되는 구동기(104)가 설치될 수 있다. 그래서, 카운터 질량체(98)은 구동기(104)에 의해 리본부(64A)의 질량 중심(74)의 이동과 같고 반대 방향으로 스윙하도록 구동된다. 카운터 질량체(98)의 질량은 캔틸레버 리본부(64A)의 질량과 같고, 피봇 아암(pivot arm)의 길이는 리본의 질량 중심(74)과 클램프(68) 사이의 거리와 같도록 선택된다. 카운터 질량체를 구동시키기 위한 한 가지 기술은 2개의 플레이트(plate) 사이에 서스펜드되어 있는 금속 카운터 질량체를 사용하여, 정전기적으로 또는 자기적으로 질량체를 끌어당기거나 반발하도록 상기 플레이트에 에너지를 가하는 것이다. 카운터 질량체(98)은 질량 중심(74)이 움직이는 원호와 거의 같은 크기의 원호(102)를 따라 움직인다.
리본의 크기 값들이 상기와 같은 예시값인 예시적인 애플리케이션에 있어서 캔틸레버 FO 리본부(64A)의 편향은 전형적으로 +/- 6mm이다. 편향의 피드백(서보) 제어는 광 트랜지스터와 같은 광 검출기(76)을 경유하여 감지된다. 광 검출기는 텔레비젼 디스플레이 영역을 약간 벗어나 배치된다.
또한 광 검출기는 FO 리본 편향 위상과 함께 텔레비젼 비디오를 동기화하는데 사용된다. FO 리본 편향 대 시간 관계는 선형함수가 아니다. 결론적으로, 텔레비젼 비디오는 편향된 FO 리본의 위치에 따라 선정된 양만큼 선형 기준을 리드(lead)하거나 레그(lag)해야 한다. 이 리드와 레그는 쉽게 계산된다. 예를 들면, FO 리본 편향 대 시간은 팔로알토 휴스턴에 위치한 스완손 애널리시스 시스템즈의 상표인 ANSYS라는 유한 소자의 응력 및 인장 분석 컴퓨터 프로그램을 사용하여 계산될 수 있다. 1차 근사로써, 편향 대 시간 함수는 sin(wt)에 비례하는데, 여기서 w=2π 주파수이고 t=시간이다.
상기 리드 또는 레그의 실행은 라인 버퍼들에 텔레비젼 비디오의 몇 라인들을 저장함으로써 이루어진다. 라인 버퍼들로부터의 데이터 판독은 FO 리본 편향에 동기화되어야만 한다. 이에 따라, 제어기(90)은 다각형 스캐너(56)과 구동기(70)의 동작을 제어하도록 구성되고, 광 검출기(76)으로부터 광 검출기 감지 신호를 수신한다. 비디오 데이터를 비디오 데이터 소스(94)로부터 라인 버퍼(92)에 출력되는데, 상기 라인 버퍼는 제어기(90)에 의해 제어된다. 비디오 데이터는 각각의 섬유/픽셀의 입력단를 순차적으로 조사하기 위해 리본의 입력단을 가로질러 변조된 레이저 빔을 주사하도록 작동되는 다각형 스캐너와 함께 A-O 변조기(54)를 제어하여, 제1 비디오 라인, 즉, 텔레비젼 디스플레이의 제1차원을 생성한다. 주어진 텔레비젼 전계의 연속한 행들의 위치는 리본의 출력단(64B)의 이동에 의해 제어된다. 리본단의 최상 위치로부터 리본단의 최하 위치까지 각 리본단을 횡단할 때마다 텔레비젼 전계를 제공한다. 그런 다음 구동기는 반대 방향으로 역전되고, 리본단은 그 다음 전계의 디스플레이를 시작하기 위해서 리본단의 최하 위치에서 최상 위치까지 이동된다.
또한, 광 검출기는 외부 충격과 진동에 의해 야기되는 예상치 않은 FO 리본 편향을 감지하는데 사용된다. 다음번 텔레비젼 전계의 시작은 광 검출기(76)이 현재 디스플레이된 텔레비젼 전계의 끝단을 일찍 또는 늦게 감지하느냐에 따라 선행되거나 뒤쳐진다.
예시적인 애플리케이션에 요구되는 FO 리본 단으로부터 빛의 18.4°(F/1.5) 원뿔각을 얻기 위하여, 2가지의 방법이 사용될 수 있다. 높은 수치 구경(numerical aperture) FO 리본(NA=.33)이 사용될 수 있거나, 산란용 코팅(scattering coating)(종래의 스크린 상의 코팅과 유사한)이 FO 리본의 출력단에 페인트될 수 있다. 좀더 높은 개구수 FO 리본들(NA=.40)은 시판용으로 이용될 수 있다. 그러므로, 이와 같은 더 높은 수치 구경의 리본들의 사용은 선택적인 해결책이다. 코팅은 전형적으로 특수한 HMD가 광 섬유 구경 수치의 arc sine보다 더 큰 원뿔각이 필요한 경우에만 요구될 것이다.
평가된 본 발명에 따른 대략적인 무게 감소는 다음과 같다. 모든 무게들은 그램(grams) 단위이고 관측할 때마다(per eye) 산출된 것이다.
상술된 실시예는 본 발명의 원리를 나타낼 수 있는 가능한 특정의 실시예를 단순히 설명하는 것으로 이해된다. 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고 당해 분야의 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 원리에 따라 다른 장치들이 고안될 수 있다.

Claims (14)

  1. 2차원 헤드/헬멧 탑재식 광 섬유 디스플레이(50)에 있어서, 입력단(62)와 출력단(64B)를 갖는 리본(64) 내에 배열된 유연성 광 전도체들(light conductors)의 1차원 어레이, 상기 2차원 디스플레이의 첫 번째 차원을 생성하기 위해서 상기 리본의 상기 입력단으로 빛을 주입하기 위한 광원(52), 캔틸레버(cantilevered) 리본부(64A)를 생성하기 위해 상기 출력단(64B)로부터 간격을 두고 배치된 위치에서 상기 리본(64)을 클램핑하기 위한 클램프(68), 및 상기 리본(64)의 상기 출력단을 편향시키기 위해 상기 캔틸레버 리본부를 진동시킴으로써, 관측자에 대해 상기 리본의 출력단를 이동시켜 상기 두 번째 디스플레이 차원을 생성하기 위한 구동기(70)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이는 텔레비젼 전계 레이트의 특성이 있고, 상기 구동기(70)은 상기 텔레비젼 전계 레이트로 상기 리본부(64A)를 진동시키는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캔틸레버 리본부(64A)는 고유(natural) 공진 주파수의 특성이 있고, 상기 구동기(70)은 실질적으로 상기 공진 주파수로 상기 리본부를 진동시키는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  4. 제3항에 있어서, 상기 리본부(64A)의 길이, 폭 및 두께의 크기는 상기 텔레비젼 전계 레이트와 공칭적으로 대등한 상기 고유 공진 주파수를 제공하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  5. 제1, 2 및 4항 중 한 항에 있어서, 상기 리본(64)의 상기 출력단(68B)의 상기 편향을 감지하기 위한 감지기(76)와, 상기 감지기에 응답하여 상기 광원(52)의 동작에 상기 편향을 동기화시키기 위해 상기 구동기(70)를 제어하기 위한 제어기(90)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  6. 제5항에 있어서, 상기 감지기(76)는 상기 리본(64)의 상기 출력단(68B)로부터 빛을 수신하도록 배치된 광 검출기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  7. 제1, 2, 4 및 6항 중 한 항에 있어서, 상기 광 전도체는 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광 섬유는 높은 구경 수치의 섬유(high numerical aperture fiber)인 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  9. 제1, 2, 4, 6 및 8항 중 한 항에 있어서, 상기 캔틸레버 리본부(64A)는 상기 리본부가 진동함에 따라 이동하는 질량 중심의 위치(74)에 특징이 있고, 상기 구동기(70)은 그것에 연관된 구동기 질량체를 가지고 있으며, 상기 구동기는 상기 리본의 상기 질량 중심 위치의 이동과 반대 방향으로 상기 구동기 질량체를 이동시킴으로써 진동을 감소시키도록 동작되는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  10. 제9항에 있어서, 상기 질량 중심 위치는 상기 리본부(64A)의 상기 진동 동안 원호를 따라 이동되며, 상기 구동기 질량체는 작동 중에 원호를 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  11. 제1, 2, 4, 6, 8 및 10항 중 한 항에 있어서, 스크린 산란용 코팅이 상기 리본의 상기 출력단(68B)에 도포된 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  12. 제1, 2, 4, 6, 8 및 10항 중 한 항에 있어서, 카운터 밸런싱 질량체(98)와, 진동을 감소시키기 위해 상기 캔틸레버 리본부(64A)의 진동 이동에 역상으로 상기 카운터 질량체를 진동시키기 위한 카운터 밸런스 구동기(104)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서, 상기 카운터 질량체(98)은 상기 리본부(64A)와 연관된 질량값과 실질적으로 같은 질량값을 가지며, 상기 카운터 질량체는 상기 캔틸레버 리본부의 질량 중심(74)의 진동 운동과 같고 방향이 반대인 운동으로 피봇점(100)에 대해서 스윙 운동하도록 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
  14. 제1, 2, 4, 6, 8, 10 및 13항 중 한 항에 있어서, 상기 클램프(68)과 상기 구동기(70)는 관측자가 착용하는 헬멧(62)에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 섬유 디스플레이.
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