KR100265494B1 - A video displaying equipment mounted on head - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A head-mounted display is to reflect and split an image input under a single light source into light components vertically polarized to each other, thereby decreasing light loss and enhancing light efficiency two times or more. CONSTITUTION: A single light source(1) irradiates light. A prism(10) reflects and splits the irradiated light into two light components of P wave and S wave vertically polarized and facing to each other. The first and second displays(3) which are placed facing each other with respect to the prism and centered along the same line display an image. The first and second polarizing filters(2') polarize the displayed image. The first and second full-reflection mirrors(4) fully reflect the polarized light image at a full-reflection angle to change a progress path of the polarized light image. The first and second eye-piece lenses(5) focus the polarized light image.

Description

두부 장착형 디스플레이 장치Head mounted display device

본 발명은, 단일 광원(光原)하에 입사되는 화상을 프리즘을 통해 상호 직각 편광된 광성분으로 각각 반사분리되도록 한 두부 장착형 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단일 광원에 의해 입사되는 광신호를 프리즘의 반사면에서, 상호 직각 편광된 광성분으로 각각 반사분리하여 각각에 영상을 표시함으로써, 광원을 최대한 이용하는 것은 물론, 구조를 단순화하고 전력소모도 최소화되도록 한 두부 장착형 디스플레이 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a head mounted display device in which an image incident under a single light source is reflected and separated into light components polarized at right angles to each other through a prism, and more particularly, light incident by a single light source. The present invention relates to a head mounted display device in which signals are reflected and separated from each other by mutually polarized light components on a reflection surface of a prism to display an image on each of them, thereby maximizing the light source, simplifying the structure, and minimizing power consumption. .

요즈음 전자업계에 새로운 바람을 일으키고 있는, 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD : Head Mounted Display)는, 액정 표시기(LCD) 및 편광필터 등의 광학 소자를 이용하여, 제어가능한 화상신호를 렌즈 및 거울을 통해 확대집광시킨 것으로써, 그 원리가 매우 간단하며, 또한 이에 이용되는 광학계는 적절히 가변 배치됨으로써 보다 다양한 기능의 구현이 가능하게 된다.The Head Mounted Display (HMD), which is causing a new wind in the electronics industry these days, uses optical elements such as liquid crystal displays (LCDs) and polarizing filters to control image signals through lenses and mirrors. By expanding and condensing, the principle is very simple, and the optical system used therein can be implemented in a variety of functions by appropriately arranged in various ways.

종래의 두부 탑재형 디스플레이 장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 일안(一眼)에 대해서, 빛을 방사하는 광원(back light)(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 출력광중 지정된 방향의 편광 성분만을 여파시키는 제2편광필터(2'); 상기 제2편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광을 전반사시켜 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 두부 탑재형 디스플레이 장치를 구성하고 있었다.A conventional head mounted display device includes a back light 1 for emitting light with respect to a single eye, as shown in FIG. A first polarizing filter (2) for filtering only light components in a specific polarization direction, which is 50% of the emitted light; A liquid crystal display (3) for controlling the rotation of the polarization axis of the light component filtered by the first polarization filter (2) according to the input image signal; A second polarization filter (2 ') for filtering only polarization components in a specified direction among the output light of the liquid crystal display (3); A total reflection mirror (4) for totally reflecting the image displayed output light passing through the second polarization filter (2 ') to change a path; And an eyepiece lens 5 for condensing the totally reflected optical image; It was configured to include, and the same configuration as in Figure 1 was provided with a head mounted display device for both eyes.

상기와 같이 구성된 종래의 두부 탑재형 디스플레이 장치에 있어서, 상기 광원(1)으로 부터 방사된 빛이 상기 제1편광필터(2)를 통과함으로써 편광필터 방향의 편광성분만이 출력되고, 상기 출력된 단일편광의 광성분은, 상기 액정 표시기(3)에서, 표시할 영상신호에 따라 인가 또는 차단되는 셀전압에 의해 그 편광축이 변환없이 또는 회전하여 통과하게 된다.In the conventional head mounted display device configured as described above, light emitted from the light source 1 passes through the first polarization filter 2 so that only the polarization component in the direction of the polarization filter is output. In the liquid crystal display 3, the polarization axis of the single polarized light passes through the polarization axis without transformation or rotation by the cell voltage applied or blocked according to the video signal to be displayed.

이러한 편광축의 조절은 액정 표시기의 광 입사면의 상단과 하단에 상호 직각을 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 향하게 되므로, 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.The polarization axis is controlled by arranging the liquid crystal between substrates such as silicon, which are each minutely corrugated in the direction perpendicular to the top and bottom of the light incident surface of the liquid crystal display, and applying voltage across both ends. In the unapplied natural state, since the direction of the liquid crystal is gradually shifted along the direction of the formed valley, the light component passing through the upper end from the lower end or the lower end of the liquid crystal display is polarized in the direction before and after passing. While the rotations are polarized at right angles to each other, when the cells are energized, the liquid crystals disposed along the valleys are directed upward or downward irrespective of the direction of the valleys, so that there is no change in the polarization axis of the incident light. Therefore, the light components before and after passing through the liquid crystal are the same in the polarization direction. As such, it is possible by the voltage applied to control the light polarization axis.

전술한 바와 같이, 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.As described above, the light component in which the polarization direction is controlled and output according to whether the liquid crystal display 3 is a power source is output by the second polarization filter 2 ', and the light component in the same polarization direction is output, and mutually Orthogonal optical components are not output so that an optical image corresponding to the applied image signal is formed.

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.The optical image formed as described above is totally reflected by the user's eye through the total reflection mirror 4 and is incident on the eyepiece lens 5, and the light components incident on the eyepiece lens 5 are focused on both eyes of the user. As a result, the image is recognized by the user as an enlarged virtual image.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 두부 탑재형 디스플레이 장치는, 사용자의 양안에 대해 상기 구성이 각각 구현되어야 하므로, 구조가 복잡하고 제품가격이 높을 뿐만 아니라, 복수의 광원으로 부터 제공되는 광에서 단일 편광성분만을 각각 사용함으로써 이용되는 광의 효율이 전체에 대해 50% 정도이며, 영상을 위해 사용되는 상기 50%의 광성분도 상기 액정 표시기(3)는 물론, 상기 액정 표시기(3) 양단에 위치하는 편광필터(2,2')의 여파손실로 인해, 실제 이용되는 광의 효율은 현저히 낮아지게 되며, 이는 곧 광의 낭비로서, 백라이트(back light)의 광원에 공급되는 전력의 낭비를 가져오며, 낭비되는 광에 의한 광학계의 온도상승 등과 같은 문제점을 내포하고 있었다.However, the head mounted display device configured and operated as described above has to be implemented for each of the user's eyes, so that the structure is complicated and the product price is high, and a single light is provided from a plurality of light sources. The efficiency of the light used by using only the polarization components, respectively, is about 50% of the total, and the 50% of the light components used for the image are also polarized across the liquid crystal display 3 as well as the liquid crystal display 3. Due to the filter loss of the filters 2, 2 ', the efficiency of the light actually used is significantly lowered, which is a waste of light, which leads to waste of power supplied to the light source of the back light, which is wasted light. Problems such as the temperature rise of the optical system due to.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 장착된 것이로서, 단순화된 구조로써 광의 효율을 향상시키는 두부 장착형 디스플레이 장치를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a head mounted display device which is equipped to solve the above problems and improves light efficiency with a simplified structure.

도1은 종래의 두부 장착형 디스플레이 장치의 구성 중 일안(一眼)에 대한 구성을 도시한 것이고,FIG. 1 illustrates a configuration of a single lens of a conventional head mounted display device.

도2는 본 발명에 다른 두부 장착형 디스플레이 장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a head-mounted display device according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 광원(back-ligth) 2,2' : 편광 필터1: back-ligth 2,2 ': polarization filter

3 : 액정 표시기(Liquid Cristal Display) 4 : 전반사 거울3: Liquid Cristal Display 4: Total Reflection Mirror

5 : 아이피스렌즈(Eye-piece Lens) 10 : 프리즘5: Eye-piece Lens 10: Prism

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 두부 장착형 디스플레이 장치는, 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 광을 방사하는 단일(單一)의 조명수단; 상기 방사되는 광을, 상호 직각 편광된 두개의 광성분으로 분리 반사시키는 프리즘; 상기 분리반사된 각각의 광성분을 이용해 화상을 표시하는 제1 및 제2화상표시수단; 상기 화상표시된 광성분을 각각 편광여파시키는 제1 및 제2편광여파수단; 상기 편광여파된 각각의 광성분을 경로변경시키는 제1 및 제2전반사수단; 및 상기 경로변경된 광성분을 각각 집광시키는 제1 및 제2접안렌즈;를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.A head mounted display device according to the present invention for achieving the above object comprises: a head mounted display device (HMD) comprising: a single illumination means for emitting light; A prism for separately reflecting the emitted light into two light components polarized at right angles to each other; First and second image display means for displaying an image using each of the separated reflected light components; First and second polarized light filtering means for polarizing the optical components of the image displayed respectively; First and second total reflection means for rerouting each polarized light component; And first and second eyepieces for condensing the rerouted light components, respectively.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 두부 장착형 디스플레이 장치에서는, 단일의 상기 조명수단으로 부터 방사되는 광이 상기 프리즘으로 입사되게 되면, 입사된 광은 상기 프리즘상의 2개의 반사면에 각각 반사되어 상호 직각 편광된 두개의 광성분으로 분리되게 된다. 상기 반사분리된 각각의 광성분은 상기 제1 및 제2화상표시수단에 의해 화상이 실린 광으로 변화게 되고, 상기 화상표시된 각각의 광영상은 상기 제1 및 제2편광여파수단에 의해 영상표시되는 특정방향의 편광성분만이 여파된 후, 상기 제1 및 제2전반사수단에 의해 각각 사용자의 시선으로 경로변경되어, 상기 제1 및 제2접안렌즈에 의해 각각의 촛점상에 집광됨으로써, 사용자의 양 시야에 확대된 허상을 맺게 된다.In the head mounted display device according to the present invention configured as described above, when light emitted from the single illumination means is incident on the prism, the incident light is reflected on two reflective surfaces on the prism, and is perpendicular to each other. It is separated into two polarized light components. The respective light components separated by the reflection are changed to light loaded with the image by the first and second image display means, and each of the optical images displayed by the image is displayed by the first and second polarization filtering means. After only the specific polarization component in the specific direction is filtered, the path is changed to the user's eyes by the first and second total reflection means, respectively, and is focused on the respective focus by the first and second eyepieces. The result is an enlarged virtual image in both fields of view.

이하, 본 발명에 다른 두부 장착형 디스플레이 장치의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the head-mounted display device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도2는 본 발명에 다른 두부 장착형 디스플레이 장치의 일실시예의 구성도로서, 백라이트인 단일의 광원(1); 2개의 직교된 반사면을 갖되, 각각의 반사면에는 유전체 코팅을 하여 반사되는 편광성분이 상이하도록 한 프리즘(10); 상기 프리즘(10)으로 부터 반사되는 상이한 편광성분을 이용하여 종래에서와 같이 사용자의 시야에 영상을 형성하는 2개의 액정 표시기(3); 2개의 편광필터(2'); 2개의 전반사 거울(4); 및 2개의 아이피스렌즈(5); 를 포함하여 구성되어 있으며, 이하에서는 본 발명에 따른 두부 장착형 디스플레이 장치의 일실시예인 도2의 동작에 대해 상세히 설명한다.Fig. 2 is a structural diagram of an embodiment of a head mounted display device according to the present invention, which is a single light source 1 which is a backlight; A prism 10 having two orthogonal reflecting surfaces, each reflecting surface having a dielectric coating so that the reflected polarization components are different; Two liquid crystal displays (3) for forming an image in a user's field of view as in the prior art by using different polarization components reflected from the prism (10); Two polarizing filters 2 '; Two total reflection mirrors 4; And two eyepiece lenses 5; It is configured to include, hereinafter will be described in detail the operation of Figure 2 an embodiment of the head-mounted display device according to the present invention.

먼저, 상기 단일의 광원(1)으로 부터 방사되는 빛은 단일 편광으로 여파됨이 없이 상기 프리즘(10)상의 두개의 직교 반사면에 각각 입사되게 되는데, 상기 방사된 빛이 각각 입사되는 상기 프리즘(10)상의 두개의 반사면은 SiO 및 MgF2와 같은 유전체에 의해 코팅(coating)되되, 상기 반사면상에 코팅된 유전체의 적층수에 따라 입사되는 빛의 굴절율을 조정하여 각각의 반사면이 상이한 굴절율로 반사되도록 함으로써, 상기 프리즘(10)상의 2개의 직교반사면에서 각각 P파 및 S파로 양분되어, 입사된 광성분이 모두 반사분리되게 된다.First, light emitted from the single light source 1 is incident on two orthogonal reflection surfaces on the prism 10 without being filtered by a single polarized light. 10) The two reflective surfaces are coated with a dielectric such as SiO and MgF 2, and the refractive index of each incident light is adjusted by adjusting the refractive index of the incident light according to the number of stacked layers of the dielectric coated on the reflective surface. By reflecting in the two orthogonal reflecting surfaces on the prism 10 are divided into P waves and S waves, respectively, so that all incident light components are separated by reflection.

상기 프리즘(10)을 통과하여 각각의 반사면으로 부터 반사분리된 P파 및 S파의 광성분은, 종래에서와 같이 상기 액정 표시기(3)에 입사되어 영상을 갖는 광영상으로 변하게 되고, 상기 액정 표시기(3)로 부터 출력되는 각각의 광성분은, 상기 편광필터(2')에 의해 표시될 광영상만 각각 통과하게 되며, 상기 각각의 편광필터(2')로 부터 여파되는 광성분은, 각각의 상기 전반사 거울(4)을 통해 사용자의 시선 방향으로 각각 평행하도록 경로변경된 후, 상기 아이피스렌즈(5)에 의해 각각의 촛점으로 집광됨으로써, 사용자의 시야내에 10배 이상 확대된 허상으로 인식되게 되는 것이다.The light components of the P wave and the S wave which are separated from the respective reflecting surfaces through the prism 10 are incident on the liquid crystal display 3 as in the prior art and are converted into an optical image having an image. Each light component output from the liquid crystal display 3 passes through only an optical image to be displayed by the polarization filter 2 ', and the light component filtered from each polarization filter 2' After each of the total reflection mirror 4, the path is changed so as to be parallel to each other in the direction of the user's line of sight, and then focused by the eyepiece lens 5 to each focus, thereby recognizing as a virtual image magnified 10 times or more in the user's field of view It will be.

상기와 같이 구성되어 동작되는 본 발명에 따른 두부 장착형 디스플레이 장치는, 광원에서 제공되는 광을 50%씩 양분하여 양안(兩眼)에 대한 영상을 형성하기 위해 각각 이용함으로써, 제공되는 광을 이론적으로 100% 이용할 뿐만 아니라, 광원의 편광성분의 추출을 위해 사용하던 편광필터도 제거하여 이에 의한 광의 손실도 감소시킴으로써, 종래에 비해 광의 효율을 2배이상 향상시켰으며, 이에 따라 단일의 광원에 의해서도 종래보다 밝은 영상을 제공할 수가 있는 것은 물론 전력소모도 감소시켜 배터리에 의한 휴대를 가능하게 하고, 손실된 광에 의한 발열의 문제점도 개선하였으며, 또한 그 구조의 단순화로 재료 절감의 효과도 도모한 유용한 발명인 것이다.The head mounted display device according to the present invention configured and operated as described above uses light provided by the light source by dividing the light provided by the light source by 50% to form an image for both eyes. In addition to using 100%, the polarization filter used to extract the polarization component of the light source is also removed, thereby reducing the loss of light, thereby improving the efficiency of light by more than two times. Not only can it provide a brighter image, but it also reduces power consumption, making it possible to carry it with batteries, improving the problem of heat generation caused by lost light, and simplifying its structure, which is also useful for saving materials. It is an invention.

Claims (3)

(정정) 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 광을 방사하는 단일(單一)의 조명수단; 상기 방사되는 광을 직각 편광되어 상호 대향하는 두개의 광성분으로 분리 반사시키는 프리즘; 상기 분리 반사된 각각의 광성분을 이용해 화상을 표시하되, 상기 프리즘을 기준으로 서로 대향되게 위치하며, 동일 직선상에 중심이 놓이는 제1 및 제2화상 표시수단; 상기 화상표시된 광성분을 각각 편광 여파시키는 제1 및 제2편광여파수단; 상기 편광 여파된 각각의 광성분을 경로 변경시키는 제1 및 제2전반사수단; 및 상기 경로 변경된 광성분을 각각 집광시키는 제1 및 제2접안렌즈를 포함하여 구성되는 두부 장착형 디스플레이 장치.(Correction) A head mounted display device (HMD), comprising: a single illumination means for emitting light; A prism that separates and reflects the emitted light into two light components facing each other at right angles to each other; First and second image display means for displaying an image by using the separately reflected light components, the first and second image display means being positioned opposite to each other with respect to the prism and centered on the same straight line; First and second polarized light filtering means for polarizing the optical components of the image displayed respectively; First and second total reflection means for changing a path of each of the polarized light filters; And first and second eyepieces for condensing the rerouted light components, respectively. 제1항에 있어서, 상기 두개의 광성분은. 각각 P파 및 S파인 것을 특징으로 하는 두부 장착형 디스플레이 장치.The method of claim 1, wherein the two light components. A head mounted display device, characterized in that the P wave and S wave, respectively. 제1항에 있어서, 상기 프리즘의 반사면은, SiO 및 NgF2의 유전체로 코팅(coating)처리되는 것을 특징으로 하는 두부 장착형 디스플레이 장치.The head mounted display device according to claim 1, wherein the reflecting surface of the prism is coated with a dielectric of SiO and NgF 2 .
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