KR100265493B1 - 편광 빔 분리기를 이용한 hmd - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광원으로 부터 방사되는 광을 다중코팅된 편광 빔 분리기에 수직입사시켜, 상기 수직입사되는 광을 구성하는 상호 직각편광된 두개의 광성분을 모두 어느 한 방향을 편광변환하여 출력하도록 하여, 광원에서 제공되는 광을 손실없이 전부 영상을 표시하는 데 사용되게 하는 편광 빔 분리기를, 이용한 HMD에 관한 것으로서, 빛을 방사하는 광원(back light)(1); 상기 방사되는 광을 특정 방향의 편광성분으로 모두 변환여파시키는 PBS(Polarized Beam Splitter) 처리된 편광 빔 분리기(20); 상기 편광 빔 분리기(20)로부터 여파된 광성분의 편광축 회전여부를, 입력되는 화상신호에 따라 제어하는 액정 표시기(3); 상기 액정 표시기(3)의 출력광 중 지정된 방향의 편광성분만을 여파시키는 제2편광필터(2'); 상기 제2편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광을 전반사시겨 경로를 변경하는 전반사 거울(4); 및 상기 전반사된 광영상을 집광시키는 아이피스렌즈(5); 를 포함하여 구성되어, 광원으로 부터 방사되는 광을 최대로 이용하여 광효율을 극대화함에 따라, 동일 영상밝기에 대해서 광원의 저전력 사용을 가능하게 하여 배터리에 의한 휴대를 가능하게 하였으며, 또한 광손실로 인한 장치과열현상을 제거하여 냉각장치 등이 불필요해짐으로 인해 장치의 소형화가 가능해지는 효과가 있는 것이다.

Description

편광 빔 분리기를 이용한 HMD

본 발명은, 광원으로 부터 방사되는 광을 최대한 이용할 수 있도록 한 편광 빔 분리기를 이용한 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)의 광학계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광원으로 부터 방사되는 광을 다중코팅된 편광 빔 분리기에 수직입사시켜, 상기 수직입사되는 광을 구성하는 상호 직각편광된 두개의 광성분을 모두 어느 한 방향으로 편광변환하여 출력하도록 하여, 광원에서 제공되는 광을 손실없이 전부 영상을 표시하는 데 편광 빔 분리기를 이용한 HMD에 관한 것이다.

요즈음 전자입계에 새로운 바람을 일으키고 있는, 두부 탑재형 디스플레이장치(HMD : Head Mounted Display)는, 액정 표시기(LCD) 및 편광필터 등의 광학소자를 이용하여, 제어가능한 화상신호를 렌즈 및 거울을 통해 확대집광시킨것으로서, 그 원리가 매우 간단하며, 또한 이에 이용되는 광학계는 적절히 가변 배치됨으로써 보다 다양한 기능의 구현이 가능하게 된다.

현재 HMD 장치에 이용되고 있는 종래의 광학계는, 도1에 도시된 바와 같이, 일안(一眼)에 대해서, 빛을 방사하는 광원(backlight)(1); 상기 방사되는 빛 가운데 50%인, 특정 편광방향의 광성분만을 여파시키는 제1편광필터(2); 상기 제1편광필터(2)로 부터 여파된 광성분의 편광축 회전여부를, 입력되는 화상신호에 따라 제어하는 액정 표시기(3); 상기 액정 표시기(3)의 출력광 중 지정된 방향의 편광성분만을 여파시키는 제2편광필터(2'); 상기 제2편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광을 전반사시겨 경로를 변경하는 전반사 거울(4); 및 상기 전반사된 광영상을 집광시키는 아이피스렌즈(5); 를 포함하여 구성되어 있었으며, 도1의 구성과 동일한 또 하나의 구성이 구비되어 양안에 대한 HMD 광학계를 구성하고 있었다.

상기와 같이 구성된 종래의 HMD 광학계에 있어서, 상기 광원(1)으로 부터 방사된 빛이 상기 제1편광필터(2)를 통과함으로써 편광필터방향의 편광성분만이 출력되고, 상기 출력된 단일편광 광성분은, 상기 액정 표시기(3)에서, 표시할 영상신호에 따라 인가 또는 차단되는 셀전압에 의해 그 편광축이 변환없이 또는 회전하여 통과하게 된다.

이러한 편광축의 조절은, 액정 표시기의 광 입사면의 상단과 하단에 상호직각을 이루는 방향으로 각각 미세한 골을 낸 실리콘 등의 기판사이에 액정을 배치시킨 후 전압의 양단 인가여부에 의해 이루어지는데, 전압이 인가되지 않은 자연상태에서는 상기 형성된 골의 방향을 따라 점진적으로 액정의 방향이 틀어지면서 배열됨으로 인해, 액정 표시기의 상단에서 하단 또는 하단에서 상단을 통과하게 되는 광성분은 통과 전과 후의 방향에 있어서 편광방향이 회전하여 상호 직각 편광되게 되는 반면, 해당 셀에 전원을 가해주게 되면, 골을 따라 배치되었던 상기 액정들이 골의 방향과는 상관없는 위 또는 아래로 향하게되므로, 입사된 광의 편광축에 변화가 생기지 않게 되고, 따라서 액정을 통과하기 전과 후의 광성분이 편광방향에 있어서는 동일하게 됨으로써, 전압인가에 의해 광의 편광축을 조절할 수 있게 된다.

상기 액정 표시기(3)의 전원인가 여부에 따라 편광방향이 제어되어 출력되는 광성분은, 상기 제2편광필터(2')에 의해 동일한 편광방향의 광성분은 출력되고, 상호 직각인 광성분은 출력되지 않아 인가된 영상신호에 상응하는 광영상이 형성되게 된다.

이와 같이 출력형성된 광영상은 상기 전반사 거울(4)을 통해, 사용자의 시선으로 전반사되어 상기 아이피스렌즈(5)로 입사되고, 상기 아이피스렌즈(5)로 입사된 광성분은 사용자의 양안으로 각각 집광되면서 확대된 허상으로 사용자에게 인식되게 된다.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 HMD광학계는, 상기 광원(1)에서 제공되는 백라이트 광 중, 상기 제1편광필터(2)에 의해 단일편광된 광만을 여과하여 영상을 표시하는 데 사용함으로서, 이후의 과정에서의 광손실을 차치하고서 이 과정에서의 여파에 의한 광손실이 50%를 넘어서게 되고, 이에 따라 밝은 영상을 제공하기 위해서는 상기 백라이트 광의 세기를 높여야 하는데, 이는 곧 전력의 소모를 증가시키고, 이 증가에 비례하여 광의 손실도 상승하게 되며, 이 광손실량은 열로 방출되어 장치가 과열화됨으로 인해 별도의 냉각 팬을 부착하여야 하는 등, 광사용의 비효율성에 따른 심각한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, HMD장치 내의 광원으로 부터 제공되는 광성분이 모두 광영상을 만드는 데 이용되도록 하는 편광 빔 분리기를 이용한 HMD를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도1은 종래의 HMD 광학계의 구성 중 일안(一眼)에 대한 구성을 도시한 것이고,

도2는 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD의 구성도이고,

도3은 도2외 편광 빔 분리기의 구조를 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원(back-light) 2,2' : 편광 필터

3 : 액정 표시기(Liquid Cristal Display) 4 : 전반사 거울

5 : 아이피스렌즈(Eye-piece Lens) 20 : 편광 빔 분리기

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD는, 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 광을 방사하는 조명수단; 상기 방사되는 광을 구성하는 상호 직각편광된 두개의 광성분을, 어느 한방향의 단일편광성분으로 변환시키는 편광변환수단; 상기 변환된 단일편광성분의 선택적 편광축 회전에 의해 회상을 표시하는 회상표시수단; 상기 화상표시된 광성분을 편광여파시키는 편광여파수단; 상기 편광여파된 광성분이 반사되어 경로변경되는 전반사수단; 및 상기 경로변경된 광성분을 집광시키는 접안렌즈; 를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD에서는, 상기 광원으로 부터 방사되는 광이 상기 편광변환수단으로 입사되어, 입사광을 이루고 있는 상호 직교편광된 두개의 광성분 중 어느 한 광성분의 편광방향이 90˚편광축 회전하여, 입사되는 광에너지가 모두 단일편광인 광성분으로 변환되고, 상기 변환된 단일편광성분은 상기 화상표시수단에 의해 화상이 실린 광으로 변하게 된다. 상기 화상표시된 광영상은 상기 편광여파수단에 의해 영상표시된 특정방향의 편광성분만이 여파된 후, 상기 전반사수단에 입사되어 사용자의 시선므로 경로변경되어 상기 접안렌즈에 의해 하나의 촛점상에 집광됨으로써, 사용자의 시야에 확대된 허상을 맺게 된다.

이하, 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 다른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD의 일 실시예의 구성도로서, 도1의 증래의 HMD 광학계의 구성에서, 제1편광필터(2) 대신 PBS(Polarized Beam Splitter) 처리된 편광 빔 분리기(20); 를 포함하여 구성되는 것 이외는 도1의 구성과 동일한 구성을 갖는다.

이하에서는 HMD 광학계의 동작에 대해, 편광 빔 분리기의 단면 구조인 도3을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 상기 광원(1)으로 부터 방사되는 광은 상기 편광 빔 분리기(20)에 수직입사되게 되는데, 상기 편광 빔 분리기(20)는, 도3에 도시된 바와 같이, 다수개의 평행사변형 단면을 갖는 사각셀들이 횡렬로 인접되어 연결되어 있으며, 상기 힁렬연결된 각 사각셀의 저면에는 교번적으로, 상기 편광 빔 분리기(20)를 투과하는 광성분의 위상을 90˚만큼 변이시켜 편광축을 90˚ 회전시키는 1/2파장판이 부착되어 있다.

상기와 같은 단면구조를 갖는 상기 편광 빔 분리기(20)에 수직입사된 광은, 입사경로한 반사경로에 의한 가상의 평면에 직각인 편광축을 갖는 S파 성분과 상기 가상 평면에 평행한 편광축을 갖는 P파 성분을 포함하고 있는데, P파 및 S파 성분을 갖는 입사광은 상기 편광 빔 분리기(20)의 각 사각셀의 연결경계면(AB)에 입사된다. 상기 사각셀의 기수 연결경계면(A)은 SiO 및 MgF₂의 유전체로 적절한 층으로 코팅되어, 상기 연결경계면(A)상에 입사된 광 가운데, P파 성분은 상기 경계면에서 진행방향으로 수직투과하여 상기 1/2파장판에 의해 S파 성분으로 변환되어 출력되고, 반면 S파 성분은 상기 경계면(A)으로 부터 반사 되어 이웃하는 경계면(B)으로 입사된 후 다시 반사되어 S파로서 출력된다.

상기 기수 경계면(A)에 각각 이웃하는 우수 경계면(B)은 상기 기수 경계면(A)과 상이하게 코팅되어 있어, 입사되티는 광 가운데 S파는 그대로 투과출력되고, P파는 반사되어 이웃하는 기수 경계면(A)으로 입사된 후 다시 반사되어 상기 1/2파장판에 의해 S파로 변환되어 출력됨므로서, 상기 편광 빔 분리기(20)에 입사된 광성분은 모두 S파 성분으로 변환되어, 광투과 및 반사에 의한 미미한 광손실을 고려하지 않으면 상기 광원(1)에 의한 광에너지가 모두 상기 액정 표시기(3)로 입사되게 되고, 이 광에너지는 종래에서와 같이, 상기 액정 표시기(3), 상기 제 2편광필터(2')를 거쳐 광영상화 되고, 이 광영상은 상기 전반사 거울(4) 및 아이피스렌즈(5)에 의해 사용자에게 확대영상을 제공하게 된다.

도2의 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD의 실시예는 종래와 동일한 구성에 적용한 것이지만, 도2의 실시예와는 달리 양안(兩眼)에 대해 단일의 광원과, 단일의 편광을 만들기 위한 편광필터를 하나로 사용하는 구성에 대해서도 상기 편광필터 대신에 편광 빔 분리기를 사용하여 동일한 작용이 이루어지게 할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 편광 빔 분리기를 이용한 HMD는, 광원으로 부터 방사되는 광을 최대로 이용하여 광효율을 극대화함에 따라, 동일 영상밝기에 대해서 광원의 저전력 사용을 가능하게 하고 따라서 배터리에 의한 휴대를 가능하게 하였으며, 또한 광손실로 인한 장치과열현상을 제거하여 냉각장치 등이 불필요해짐므로 인해 장치의 소형화가 가능해지는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. (정정) 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 광을 방사하는 조명수단; 상기 방사되는 광을 구성하는 상호 직각편광된 두개의 광성분을, 어느 한 방향인 단일편광성분으로 변환시키되, 다수개인 평행사면형 단면을 갖는 사각셀들이 횡렬로 인접되어 연결되어 있고, 상기 힁렬연결된 각 사각셀인 저면에는 교번적으로, 광성분의 위상을 90˚만큼 변이시켜 편광축을 90˚ 회전시키는 1/2파장판이 부착되어 있으며, 상기 사각셀의 기수 연결경계면의 양면은 Si0 및 MgF₂의 유전체로 각각 코팅되어 있고, 우수 연결경계면은 상기 기수 경계면과 상반되게 코팅되어 있는 편광변환수단; 상기 편광변환수단을 통해 변환된 단일편광성분인 선택적 편광축 회전에 의해 화상을 표시하는 화상표시수단; 상기 화상표시된 광성분을 편광여파시키는 편광여파수단; 상기 편광여파된 광성분이 반사되어 경로변경되는 전반사수단; 및 상기 경로변경된 광성분을 집광시키는 접안렌즈를 포함하여 구성되는 편광 빔 분리기를 이용한 HMD.
2. 제1항에 있어서, 상기 변환되는 단일 편광성분은 S파인 것을 특징으로 하는 편광 빔 분리기를 이용한 HMD.

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