KR100271970B1 - 단일 반사형 화상원을 가진 헤드 장착 디스플레이 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

헤드 장착 디스플레이

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

보다 간단한 구성 및 저비용으로 고해상도의 화상원을 고속제어하는 헤드 장착 디스플레이를 제공하며, 특히 단일 반사식 화상원을 이용하는 헤드 장착 디스플레이를 제공한다.

다. 그 발명의 해결방법의 요지

헤드 장착 디스플레이에 있어서, 단일 반사형 화상원과, 화상원에 입사되는 광을 발생하는 조명장치와, 화상원과 조명장치 사이에서 조명장치로부터 발생되어 화상원에 입사되는 광을 통과시키며 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 프리즘부를 가진다.

라. 발명의 중요한 용도:

헤드 장착 디스플레이에 중요히 적용될 수 있다.

Description

단일 반사형 화상원을 가진 헤드 장착 디스플레이

본 발명은 광시스템에 관한 것이며, 특히 단일 디스플레이장치가 구성되는 헤드 장착 디스플레이(Head Mounted Display: 이하 HMD라 함)의 광시스템에 관한 것이다.

가상 현실 시스템(virtual reality system) 시장의 느린 성장은 높은 비용, 고도의 기술 및 이러한 시스템과 관련되는 HMD의 사이즈 한계와 복잡성 등에 기인한다. 이러한 HMD의 특성은 가상 현실 시스템을 특정 소영역의 시장으로 제한하여 왔으며, 청소년 및 성년 레크레이션 영역으로 넓게 확대되어 가는 것을 억제하여 왔다.

가상현실시스템에서 가장 중요한 거리감(depth perception)을 실현하기 위하여 HMD는 사용자의 양쪽 눈들 각각을 위한 독립적으로 분리된 두 개의 광 시스템과 관련된 비디오 디스플레이 한 쌍을 사용하거나 단일 디스플레이에서 발생된 영상을 두 개의 영상으로 분리한다. 두 개의 독립된 광시스템은 각각의 눈들에 오른쪽, 왼쪽 영상을 제공하여 거리감을 조장한다. 필수적으로 요구되는 영상 확대 및 색 분산(color dispersion) 및 수정은 통상 영상당 다수개의 굴절(refractive)렌즈의 어레이를 통해 처리된다. 이러한 어레이 각각은 통상 그것의 유효 초점 거리(effective focal length)의 두배에 해당하는 물리적인 길이를 갖는다.

상기한 바와 같은 HMD를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 헤드 장착 디스플레이의 개략적인 구조도이며, 독립적으로 분리된 한쌍의 비디오 디스플레이가 사용된 예를 도시하였다. HMD의 외관은 사용자의 머리부위에 장착이 가능한 형태로 디자인되며, 제어장치(도시되지 않음)와 각종 제어신호의 전송을 위한 케이블을 통해 연결된다. 도 1의 (a)는 HMD의 개략적인 평면도이며, 도 1의 (b)는 HMD의 옆면도이다. 조명장치 9는 HMD의 옆면 내부 구성되고, 액정판(liquid crystal plate) 10은 조명장치 9의 정면에 구성된다. 수차(aberration)보정렌즈 11a, 11b, 11c는 액정판 10의 정면에 구성된다. 오목하프미러(concave half mirror) 12와 액정판형 전자셔터(liquid crystal plate type electronic shutter) 13은 사용자의 눈동자 16 정면에 구성된다.

액정판 10은 영상신호에 의해 구동되고 영상은 액정판 10상에 디스플레이되며, 이때 조명장치 9로부터 방사된 백광(white light)은 액정판 10에 투과된다. 투과광은 렌즈 11a, 11b, 11c를 거쳐 오목하프미러 12에 반사되고, 각 눈동자 16에 입사된다. 도 1의 (a)에는 광경로(light path)의 일부분인 광선 14가 도시된다.

조명장치 9가 조명광을 턴오프하고, 전자셔터 13이 투과상태(transmission state)로 설정될 때, 외부영상이 투명, 또는 반투명 커버 3을 통해 전자셔터 13을 거쳐 각 눈동자 16으로 입사된다.

사용자는 전자셔터 13의 동작 및 조명장치 9와 액정판 10의 동작에 의해 액정판 10에 디스플레이되는 전자 영상을 보기도 하며, 외부영상을 보기도 한다.

한편 상기와 같이 두 개의 분리된 광 시스템으로 구성되는 HMD는 물리적 사이즈 및 무게가 많이 나가므로, 그것의 가격이 알맞다 하더라도, 오락적 용도로의 사용에는 어려움이 많았다. 따라서 상기 어려움을 해소하기 위한 단일 디스플레이로 구성되는 HMD를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 종래의 헤드 장착 디스플레이의 일 예에서 단일 투과형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 나타낸 도면이다. 종래 시스템에서 단일 디스플레이로부터 분리되는 좌우 영상으로의 영상분리시 통상적으로 두가지의 다른 방법을 사용하는 데 도 2는 그 중 X프리즘 빔스플리터(X-prism beam-splitter 또는 cube-type beam-splitter: 이하 빔스플리터라고도 칭함) 26을 가지는 시스템 20을 나타낸다.

시스템 20은 광축(optical axis) 21을 따라 영상을 발생하기 위해 통상적인 액정디스플레이 22 및 투사렌즈 24를 사용한다. X프리즘 빔스플리터 26은 단일 영상을 사용자의 두 눈을 위한 분리되는 좌우 영상으로 나누기 위해 상기 광축 21에 위치한다. 통상적인 X프리즘 빔스플리터 26은 각 조각의 한 면에 금속 또는 유전체의 코팅이 된 유리 프리즘의 4조각으로 구성된다. 이러한 4조각의 프리즘은 서로 X형태로 결합된다. X프리즘 빔스플리터 26은 액정디스플레이 22로부터의 영상을 나누어 두 분리된 영상 27a와 27b를 발생한다. 풀미러(full mirror) 28a, 28b는 분리된 영상 27a, 27b를 각각 반사하여 사용자의 두눈으로 각각 제공한다.

한편 상기한 바와 같은 도 1 및 도 2에 도시된 HMD에서 화상원으로 사용된 LCD는 조명장치에서 발생된 광이 LCD자체를 통과하는 투과형 화상원임에 반해, 최근들어 HMD의 화상원으로 고속제어 및 고해상도를 위해 통상 FLCD(Ferroelectric LCD)를 이용하는 반사형 화상원을 채용하는 경우가 늘고 있다.

도 3은 종래의 헤드 장착 디스플레이의 다른 예에서 두 개의 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 두 개의 조명장치에서 발생된 광은 광축 31a, 31b를 따라 하프미러 32a, 32b에서 각각 반사되어 반사형 화상원 30a, 30b로 각각 입사된다. 이후 통상 FLCD로 이루어진 반사형 화상원 30a, 30b에서 반사된 반사광은 하프미러 32a, 32b를 각각 통과하여 영상확대용렌즈(도시되지 않음) 등을 거친 다음 사용자의 두 눈으로 각각 입사된다.

상기와 같은 FLCD를 이용한 반사형 화상원을 사용하는 경우 고속제어 및 고해상도를 충족시킬 수 있지만 상기 FLCD는 통상적인 LCD에 비해 고가이므로 특히, 두 개의 FLCD를 이용하여 HMD를 구성함에 있어서 적지 않은 비용이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 보다 간단한 구성 및 저비용으로 고해상도의 화상원을 고속제어하는 헤드 장착 디스플레이를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 단일 반사식 화상원을 이용하는 헤드 장착 디스플레이를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 헤드 장착 디스플레이에 있어서, 단일 반사형 화상원과, 화상원에 입사되는 광을 발생하는 조명장치와, 화상원과 조명장치 사이에서 조명장치로부터 발생되어 화상원에 입사되는 광을 통과시키며 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 프리즘부를 가짐을 특징으로 한다.

도 1은 헤드 장착 디스플레이의 개략적인 구조도

도 2는 종래의 헤드 장착 디스플레이의 일 예에서 단일 투과형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 나타낸 도면

도 3은 종래의 헤드 장착 디스플레이의 다른 예에서 두 개의 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 나타낸 도면

도 4는 본 발명의 특징에 따른 헤드 장착 디스플레이의 단일 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 원리를 나타낸 도면

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 장착 디스플레이의 단일 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 나타낸 도면

도 6은 도 5의 광시스템 일 예의 개략적인 분리 사시도

도 7은 도 6 중 단일 반사형 화상원의 구조의 일 예를 나타낸 개략적인 내부구조 확대도

도 8은 도 6 중 단일 반사형 화상원의 입사광 및 반사광의 편광성을 설명하기 위한 사시도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 4는 본 발명의 특징에 따른 헤드 장착 디스플레이의 단일 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 원리를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 특징에 따른 광시스템은 단일 반사식 화상원 44와, 화상원 44에 입사되는 광을 발생하는 조명장치 40과, 화상원 44와 조명장치 40 사이에 제공되며 조명장치 44로부터 발생되어 화상원에 입사되는 광을 통과시키며 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 X프리즘 빔스플리터 42를 가짐을 볼 수 있다. 좌우방향으로 분리된 광은 각각 풀미러 46a, 46b에 의해 반사되어 사용자의 두눈으로 각각 입사된다. 한편 상기에서 빔스플리터 42와 반사형 화상원 44사이, 또는 빔스플리터 42와 풀미러 46a, 46b사이, 또는 풀미러 46a, 46b와 각각 대응되는 사용자의 두눈 사이에는 영상확대용이나 광보정용 렌즈가 구성될 수 있는데, 이러한 렌즈의 구성에 대한 도시 또는 설명은 본 발명의 요지와는 미약한 상관이 있으므로 생략하였다.

광시스템은 광축 41을 따라 광을 발생하기 위해 통상적인 조명장치 40을 사용한다. 조명장치 40에서 발생된 광은 광축 41 상에 있는 빔스플리터 42를 통과하여 마찬가지로 광축 41상에 위치하는 반사형 화상원 44로 입사된다. 반사형 화상원 44에서 반사된 광은 영상이 되며, 이는 광축 41을 따라 다시 X프리즘 빔스플리터 42에 들어가게 되고 X프리즘 빔스플리터 42에 의해 각각 광축 45a, 45b를 따라 좌우 영상으로 분리된다.

그런데 상기에서 조명장치 40에서 발생되어 빔스플리터 42에 입사된 광 중에서 빔스플리터 42를 투과하지 못하고, 빔스플리터 42의 프리즘면 42a, 42b에서 반사되어 좌우로 각각 반사되는 광(이하 직접광이라 칭함)이 일부 발생한다. 이러한 직접광은 풀미러 46a, 46b에서 반사되거나 사용자의 두눈으로 입사되거나, 산란된 광은 HMD 하우징 내벽에서 반사되어 사용자의 두눈으로 입사된다. 상기 직접광이 사용자의 두눈에 입사되는 것을 방지하기 위하여 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같은 편광판(polarizer) 48a, 48b 및 48c를 구성하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 장착 디스플레이의 단일 반사형 화상원으로 구성한 광시스템의 일 예를 나타낸 도면이며, 도 4와 마찬가지로 각종 렌즈부의 도시는 생략하였다. 도 5에 도시된 바와 같은 광시스템은 도 4에 도시된 바와 같은 광시스템과 유사한 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 그런데 빔스플리터 42의 광 입사면 또는 출사면에 다수개의 편광판 48a, 48b 및 48c가 구성됨을 볼 수 있다.

조명장치 40에서 발생된 광이 입사되는 빔스플리터 42의 입사면에 제공된 편광판 48c는 화상원 44에서 반사되어 빔스플리터 42의 프리즘면 42a, 42b에서 각각 반사되어 분리되는 광의 각 출사면에 제공되는 편광판 48a, 48b와 비교하여 볼 때 편광방향이 서로 직교하게 구성된다. 또한 반사형 화상원 44를 이루는 FLCD는 입사광 대 반사광의 편광성이 90°차이가 나게 구성된다.

따라서 조명장치 40에서 발생된 광이 편광판 48c를 통과하며 일방향 선형 편광되어 빔스플리터 42를 통과하여 반사형 화상원 44에 입사된다. 반사형 화상원 44에서 반사되는 광은 입사광과 90°위상차이가 나서 빔스플리터 42에 입사되어, 프리즘면 42a, 42b에서 반사되어 각각 (편광판 48a에 비해 편광성이 90°차이가 나는) 편광판 48a, 48b를 통과하게 된다. 한편 조명장치 40에서 발생되어 빔스플리터 42를 통과하지 못하고 프리즘면 42a, 42b에서 반사되는 광, 즉 집접광은 편광 방향이 다른 편광판 48a, 48b를 통과하지 못하고 차단된다. 상기에서 편광판 48a, 48b 및 48c는 빔스플리터 42의 광 입사면 또는 출사면에 근접하게 위치하여 빔스플리터 42를 감싸고 있는 듯한 형태로 구성될수록 상기한 직접광을 효과적으로 차단할 수 있다.

이하 상기한 편광판 48a, 48b, 58c 및 반사형 화상원 44의 편광성 등과 관련한 본 발명의 특징을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 6은 도 5의 광시스템 일 예의 개략적인 분리 사시도이다. 도시된 바와 같이 조명장치 40에서 발생된 광이 입사되는 빔스플리터 42의 입사면에 제공된 편광판 48c는 편광성이 수직방향(↕)이며, 화상원 44에서 반사되어 빔스플리터 42의 프리즘면 42a, 42b에서 각각 반사되어 분리되는 광의 각 출사면에 제공되는 편광판 48a, 48b는 편광성이 수평방향(↔)이다. 따라서 조명장치 40에서 발생되어 빔스플리터 42를 통과하지 못하고 프리즘면 42a, 42b에서 반사되는 광, 즉 집접광은 편광방향 수직방향임에 비해 편광판 48a, 48b는 수평방향의 평광성을 가지므로 직접광은 편광판 48a, 48b에서 차단된다.

한편, 조명장치 40에서 발생된 광이 편광판 48c를 통과하며 수직방향의 편광성을 가지며 빔스플리터 42를 통과하여 반사형 화상원 44에 입사된다. 반사형 화상원 44에서 반사되는 광은 입사광과 90°위상차이가 나서 수평방향의 편광이 되어 빔스플리터 42에 입사되는데 이를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 도 6 중 단일 반사형 화상원 44의 구조의 일 예를 나타낸 개략적인 내부구조 확대도이며, FLCD의 내부 층 구조를 개략적으로 나타내었다. FLCD는 통상 DRAM(Dynamic Random Access memory) ①상에 광학적 풀미러 ②를 형성하고, 외부 유리판 ⑥ 내면에 투명전극(optical transparent electrode 통상 indium tin oxide로 구성됨) ⑤와 배향층(alignment layer) ④를 형성하여, 배향층 ④와 풀미러 ②사이에 강유전성 액정(FLC) ③을 주입하여 구성된다. 상기한 구조의 FLCD는 입사광이 강유전성 액정 ③에 의해 90° 위상차가 나서 출사되게 구성된다.

도 8은 도 6 중 단일 반사형 화상원 즉 FLCD의 입사광 및 반사광의 편광성을 설명하기 위한 사시도이며, 이해의 용이를 위해 입사광과 반사면 B에서 반사되는 반사광을 수직선상으로 표시하였다. 수직편광인 입사광이 배향층 ④를 통해 액정 ③으로 입사되면, 액정의 분자구조에 의해 위상이 점차 변하게 되어 풀미러 ②의 반사면 B까지 1/4 편파된다. 이후 반사면 B에서 반사되어 배향층 ④를 통해 다시 출사되는 반사광은 다시 1/4 편파되므로, 입사광과 반사광 차이에는 총 90°위상차가 발생하게 된다.

상기 도 7, 도 8에 도시된 바와 같이 반사형 화상원 44의 입사광과 반사광사이에는 90°위상차가 나게 되므로, 도 6에 도시된 바와 같이 반사형 화상원 44에 입사된 수직편광은 수평편광이 되어 다시 빔스플리터 42에 입사되며, 프리즘면 42a, 42b에서 반사되어 각각 수평방향의 편광판 48a, 48b를 통과하게 된다.

상기한 바와 같은 구조로 본 발명의 특징에 따른 단일 반사형 화상원을 가진 헤드 장착 디스플레이가 구성될 수 있다.

한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 특히 본 발명의 일 실시예에서는 편광판 48c는 수직방향으로, 편광판 48a, 48b는 수평방향으로 편광성으로 가진 것으로 설명하였으나, 본 발명은 편광판 48c는 수평방향으로, 편광판 48a, 48b는 수직방향으로 편광성으로 가지며 그에 따라 반사형 화상원을 구성할 수도 있다. 또한 도면을 참조하면, 사용자의 두눈에서부터 조명장치 40, 빔스플리터 42, 화상원 44의 순서로 위치하도록 구성하였으나, 이외에도 화상원 44, 빔스플리터 42, 조명장치 40의 순서로 위치하도록 구성할 수도 있다.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구의 범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 헤드 장착 디스플레이에 있어서, 단일 반사형 화상원과, 화상원에 입사되는 광을 발생하는 조명장치와, 화상원과 조명장치 사이에서 조명장치로부터 발생되어 화상원에 입사되는 광을 통과시키며 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 프리즘부를 가짐으로, 보다 간단한 구성 및 저비용으로 고해상도의 화상원을 고속제어하는 헤드 장착 디스플레이를 제공하며, 특히 단일 반사식 화상원을 이용하는 헤드 장착 디스플레이를 제공한다.

Claims (4)

1. 헤드 장착 디스플레이에 있어서,

   단일 반사형 화상원과,

   상기 화상원에 입사되는 광을 발생하는 조명장치와,

   상기 화상원과 상기 조명장치 사이에 위치하며, 상기 조명장치로부터 발생되어 화상원에 입사되는 광을 통과시키며, 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 상기 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 프리즘부를 가짐을 특징으로 하는 디스플레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 프리즘부는 X프리즘 빔스플리터임을 특징으로 하는 디스플레이.
3. 헤드 장착 디스플레이에 있어서,

   제1방향 선형 편광의 입사광을 위상변환하여 제2방향 선형 편광으로 반사하는 단일 반사형 화상원과,

   상기 입사광을 발생하기 위한 조명장치와,

   상기 화상원과 상기 조명장치 사이에 위치하며, 상기 입사광을 통과시키며, 사용자의 두눈 각각에 제공되는 두 영상을 만들기 위해 상기 화상원에서 반사된 광을 좌우방향으로 분리하는 프리즘부와,

   상기 프리즘부의 상기 조명장치에서 발생된 광의 입사되는 위치에 제공되어 상기 발생 광을 상기 1방향으로 선형 편광시키는 제1편광판과,

   상기 프리즘부의 상기 화상원으로부터 반사되어 입사된 상기 제2방향 선형 편광을 좌우로 분리하여 출사하는 좌우 출사면에 각각 제공되며, 상기 제2방향 선형 편광을 통과시키기는 상기 제2방향의 제2, 제3편광판을 가짐을 특징으로 하는 디스플레이.
4. 제3항에 있어서, 상기 프리즘부는 X프리즘 빔스플리터임을 특징으로 하는 디스플레이.