KR100277557B1 - 낮은 관성 모멘트와 낮은 무게 중심을 가진 저가, 저중량 헤드장착 허상 투영 디스플레이 - Google Patents

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충테 더블유. 첸
우지 에프론
아더 엔. 체스터
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글렌 에이치. 렌젠, 주니어
레이티언 캄파니
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Abstract

헤드장착 디스플레이 장치(10)는 저중량, 낮은 무게 중심, 및 머리 운동의 방위축과 고도축에 대한 낮은 관성 모멘트를 제공한다. 디스플레이 장치(10)는 사용자(22)의 눈(20)과 바이저(28)의 콤바이너 내측 표면(18a) 사이에 경사지게 배치된 빔 스플리터 미러(16)를 사용한다. 투영기(36)는 머리의 상하 운동의 수평축에 가까운 위치에 낮은 무게 중심을 갖도록 사용자의 측부에 장착된다. 상기 투영기(36)는 영상 광을 빔 스플리터 미러(16)를 향해 투영하도록 눈 높이에 빔 스플리터 미러(16)의 측부에 배치된 투영 폴딩 미러(30)와 함께 영상 소스(12)와 소형, 저중량의 중계 광학계 모듈(14)을 포함한다. 빔 스플리터 미러(16)는 상기 광을 통과시켜 사용자의 눈(20)을 향해 되반사시키기 위하여 상기 광을 콤바이너(18)의 내측면(18a)위로 반사시킨다. 다른 실시예는 중계 광학계 모듈에 굴절 렌즈들을 사용함으로써 색보정과 단색 장치만큼 가벼운 무게를 제공한다.

Description

낮은 관성 모멘트와 낮은 무게 중심을 가진 저가, 저중량 헤드장착 허상 투영 디스플레이
헤드기어에 장착되는 디스플레이들(HMD's : headgear-mounted displays)과 헬멧의 바이저를 부분적으로 사용하는 디스플레이들(즉, 헬멧 바이저 디스플레이, 혹은 HVD)을 포함하는 헤드에 장착되는(이하, '헤드장착'으로 약칭함) 영상 투영 디스플레이들은 동 기술 분야에서 이미 공지되어 있다. 이러한 헤드장착 디스플레이 시스템은 사용자에게, 예컨대 투영 헤드-업 디스플레이들(HUD's : heads-up displays)과 같이 패널에 장착되거나 원격 배치되는 디스플레이들을 능가하는 명백한 장점을 제공한다. 이러한 장점 중 하나는 HMD에 의해 제공되는 영상이 사용자와 함께 움직이며 사용자의 주변상 위에 중첩되어 있는 동안 관측될 수 있다는 것이다. 따라서, 예컨대 사용자의 시선이 기기 패널과 다른 방향으로 향해 있을 때도 사용자는 시각적으로 주어지는 중요한 정보를 관측할 수 있게 된다. 또 하나의 장점은 예컨대, 자동차의 상태 혹은 먼 시야에 있지 않은 다른 유사한 정보를 체크하기 위하여 사용자는 시각 초점을 주변의 먼 곳으로부터 기기 패널의 가까운 곳까지 연속적으로 이동시킬 필요가 없다는 것이다. HUD 형태의 디스플레이들은 상기한 바와 같은 장점을 갖는 반면, 이들은 예컨대, 비행기의 콤바이너 혹은 윈드스크린을 통해서만 관측될 수 있다. 시각 초점을 바꿀 필요가 없다는 점은, 예컨대 사용자가 먼 시야에 있는 물체들을 계속 관측하도록 하기 위해, 또한 눈의 피로를 감소시키기 위해 중요한 사항이다. 즉, 비행기 조종사가 비행기 윈드쉴드를 통해 먼 곳으로부터 비행기 기기 패널의 가까운 곳까지 연속적으로 시각 초점을 이동시켜야 하는 장시간의 장거리 비행은 심각한 눈의 피로를 유발할 수 있다. 이와 같은 환경에 처한 비행기 조종사들은 위험을 탐지하고 이에 대응하는 능력이 크게 떨어지는 것을 경험할 수 있다.
일반적으로, 종래의 HMD 시스템은 (1) 영상 소스; (2) 광 중계 모듈; 및 (3) 사용자가 외부를 볼 수 있고, 영상 소스에서 발생하여 광 중계 모듈에 의해 중계되는 영상이 투영되는 투영면(콤바이너)으로 이루어진다. 디스플레이 장치는 예컨대, 모자, 헤드기어, 마스크를 사용하여, 혹은 사용자가 착용하는 헬멧과 연결하여 사용자의 머리에 관해 고정될 수 있다.
종래의 헤드장착 디스플레이 시스템들은 헬멧의 바이저와 합체되거나 바이저 내측에 위치한 독립적인 스크린으로서 바이저로부터 분리된 콤바이너를 사용해 왔다. 이러한 설계의 택일성은 헬멧의 크기 및 무게의 증가, 무게 중심의 상승(즉, 헬멧의 위쪽이 무거워짐), 헤드 틸팅의 방위축 혹은 고도축 중 하나 또는 둘에 대한 관성 모멘트의 증가, 복잡성의 증가 및 비용의 증가를 가져 온다. 이러한 종래의 많은 헤드장착 디스플레이들은 빔 스플리터 형태의 온-액시스(on-axis) 투영 시스템의 사용으로 인한 광 효율의 저하, 오프-액시스(off-axis) 투영 시스템의 사용으로 인한 키스토닝(keystoning) 및 비대칭 수차들과 같은 오프-액시스 투영 수차들을 겪는다.
특히, 사람 머리의 구조에 관하여 헤드장착 디스플레이의 패키징 효과를 향상시키기 위하여, 중계 모듈의 광축을 콤바이너의 광축에 관하여 소정의 예각으로 고정함으로써 시스템의 전체 길이와 관성 모멘트를 감소시키려는 시도가 있어 왔다. 이러한 배열은 영상의 오프-액시스 투영으로 알려져 있다. 바이저는 사용자에 대한 반사를 위해 바이저 내측면으로 영상을 투영함으로써 콤바이너로서 사용될 수도 있으나, 오프-액시스 투영은 사용자에 의해 관측될 때 영상의 다양한 왜곡들을 일으킨다. 오프-액시스 휨각에 의해 발생하는 수차들 중에는 사용자에게 제공된 영상의 키스톤(keystone) 왜곡은 물론, 축방향의 이중 비점 수차 및 축방향 코마(coma)와 같은 비대칭 수차들이 있다.
오프-액시스 투영법을 사용하는 전형적인 헬멧 바이저 디스플레이 시스템의 일 예가 알. 제이. 위드링톤에게 1976년 2월 24일자로 허여된 미국 특허 제 3,940,204호에 개시되어 있다. 위드링톤의 특허는 콤바이너 유리로 사용되는 큰 오프-액시스 각도로 동작하는 오프-액시스 홀로그래픽 렌즈를 기술하고 있다. 오프-액시스 홀로 그래픽 렌즈에 내재된 수차들은 홀로그래픽 렌즈의 비점 수차 및 축방향 코마를 보상하기 위하여 렌즈가 수차를 나타내는 파면들을 갖도록 구성하고 광 중계 세트의 구성 요소들을 경사지게 하거나 중심에서 벗어나게 함으로써 최소화된다.
이러한 홀로그래픽 콤바이너는 제조하기 어려우며, 큰 휨각에 기인한 큰 비대칭 수차들은 사용 가능한 시야(FOV : field of view)를 제한한다. 수차에 대한 보정은 중계 광학계의 크기 및 복잡성을 증가시키고, 비용 및 유지 보수에 대한 주의를 증가시키며, 추가된 무게는 훨씬 더 작은 관성 모멘트를 가진 시스템을 선호하는 시스템 사용자에게 항상 만족스럽지 못하다. 또한, 이러한 형태의 시스템은 색수차를 나타낸다.
오프-액시스 투영에 내재된 영상 왜곡 문제를 보정하기 위한 홀로그래픽 렌즈 방식 및 복합 중계 렌즈 방식의 단점들을 인식하게 됨에 따라 콤바이너와 사용자의 눈 사이에 위치하도록 빔 스플리터를 합체시킴으로써 종래의 온-액시스 시스템을 개조하는 방식이 제안되어 왔다. 중계 모듈의 온-액시스 방향에 대한 빔 스플리터의 개량이 예컨대, 사진-광학 기기 기술자 협회지의 1989년판, 볼륨 1116, 페이지 19-29에 게재된 "헬멧 마운티드 비주얼 디스플레이"라는 제목의 논문에서 드로에슬러 및 로티어에 의해 제안되었다. 빔 스플리터는 콤바이너의 광축과 정렬된 중계 렌즈들의 광축을 유지하기 위하여 사용된다.
빔 스플리터를 구비한 시스템에서는 키스톤 왜곡이나 비대칭 수차들이 발생하지 않는다. HMD 수차들은 모든 축 대칭 광학 시스템과 유사하므로 보정하기가 매우 쉽다.
그러나, 빔 스플리터의 사용은 빔 스플리터와 콤바이너 사이에서 투영광의 50% 정도의 손실을 유발시키기 때문에 영상 투영 시스템의 전체 효율은 저하된다(즉, 25-30%의 범위). 결과적으로, 더 크고, 더 무거우며, 더 비싼 더 밝은 영상 소스를 사용해야 한다. 이러한 더 크고, 더 무거운 영상 소스는 시스템의 크기, 무게, 및 관성 모멘트를 모두 증가시키는 단점을 갖고 있다. 더욱기, 사용 가능한 시야는 콤바이너 및 빔 스플리터 하부의 물리적인 개방 면적에 의해 제한되므로, 시야를 확장하고 눈동자를 콤바이너에 더 가깝게 재배치하기 위해서는 콤바이너의 반경이 작아져야 하며, 이에 따라 시스템의 관성 모멘트가 증가하게 된다.
빔 스플리터를 구비한 종래의 헤드장착 디스플레이의 일 예가 씨. 엠. 핸슨등에게 1993년 4월 6일자로 허여된 미국 특허 제 5,200,827호에 개시되어 있다. 핸슨의 특허는 바이저/콤바이너, 혹은 독립적인 콤바이너 스크린을 구비한 바이저가 종래의 보병 헬멧에 부착되거나 이에 연결하여 사용될 수 있는 하나의 유닛을 이루도록 영상 소스 및 중계 광학계와 합체되는 헤드장착 디스플레이를 개시하고 있다. 핸슨 특허에 따른 헤드장착 디스플레이는 상기한 바와 같은 종래 헤드장착 디스플레이들과 관련된 크기, 중량, 무게 중심, 관성 모멘트 및 복합성의 제한 등에 관한 많은 문제를 갖고 있다.
공지된 빔 스플리터 형태의 HMD의 다른 예가 씨. 비. 스타벨리에게 1991년 3월 19일자로 허여된 미국 특허 제 5,000,544호에 개시되어 있다. 스타벨리 특허에 따르면, 콤바이너는 디스플레이 소스의 파장 대역에 있는 광을 반사하도록 조절된 광학 코팅을 요구한다. 사용자의 얼굴 정면에 영상 소스와 중계 광학계를 매달게 되면, 종래 스플리터 시스템들에서 나타나는 앞서 열거된 많은 단점들 외에, 무게 중심의 상승 및 바람직하지 않은 헬멧 무게 중심의 전방 이동이 유발된다.
본 발명은 영상 투영 디스플레이에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 사용자에 의해 착용되는 헬멧 혹은 다른 헤드기어에 장착되는 영상 투영 디스플레이에 관한 것이다. 헤드기어는 사용자 눈의 정면에 위치하는 바이저(visor)를 구비하고 있다. 사용자가 먼 곳까지 볼 수 있도록 바이저는 투명할 수 있다. 이 경우, 디스플레이의 사용자는 투명한 바이저를 통해 먼 거리에 있는 물체를 볼 수 있다. 또한, 투사광은 바이저의 내측면으로부터 반사되어, 사용자에게 바이저를 통한 영상 위에 중첩된 무한대의 초점을 갖는 허상을 제공한다. 바이저가 투명하지 않은 경우, 사용자는 먼 곳에서 투사된 영상만을 볼 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 예컨대 컴퓨터 가상 현실 투영을 위해 사용된다. 이러한 형태의 디스플레이는 문화, 군사, 산업, 의학 등의 분야에 응용된다.
제1도는 본 발명에 따른 헤드장착 디스플레이를 위한 물리적 구성 요소들 및 광성 자취의 개략도이다.
제2도는 제1도의 디스플레이 시스템보다는 높은 수준으로 개발되었지만 여전히 불완전하게 개발된 디스플레이 시스템의 구성 요소들과 함께, 투사된 영상의 광선 자취를 포함하는, 본 발명에 따른 헤드장착 디스플레이 시스템과 바이저가 장착된 헬멧을 착용하고 있는 사용자의 측면도이다.
제3-5도는 각각, 제2도에 도시된 디스플레이 시스템의 일 실시예와 헬멧을 착용한 사용자의 측면도, 정면도 및 평면도이며, 제3도는 명백한 도시를 위해 일부가 절단되어 제거된 상태를 나타내고 있다.
제6도는 간단하고 더 가벼운 광 중계 시스템을 구비한 본 발명에 따른 헤드장착 디스플레이의 다른 실시예의 (제1도와 유사한)개략도이다.
제7도는 가상선으로 도시된, 사용자의 헬멧에 부착되는 투영기를 구비한 제6도에 개략적으로 도시된 본 발명의 실시예를 나타내는, 제2도의 측면도와 유사한 평면도이다.
제8도는 영상 소스(액정 광밸브형이 사용될 수 있음)를 비추기 위한 LED와 제2 영상 소스를 추가적으로 구비한, 제6도 및 제7도에 도시된 실시예와 유사한 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
제9, 9a, 및 9b는 굴절-회절 렌즈들을 사용하여 색수차를 보정하기 위해 제공된, 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 다양한 오프-액시스 및 온-액시스 빔 스플리터를 사용하는 종래의 영상 투영 디스플레이들의 하나 이상의 상기 결함들을 극복할 수 있는 헬멧장착 디스플레이를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 사용자에게 고품질 투영 허상을 제공하는 저가, 저중량, 낮은 관성 모멘트, 낮은 무게 중심의 헬멧장착 디스플레이 시스템을 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명은, 사용자에 의해 착용된 헤드기어상에 장착되며, 수직 방위축과 수평 고도축에 대한 낮은 관성 모멘트와 함께, 개선된 화질과 사용자의 머리 위에서 낮은 무게 중심을 가지는 영상 투영 디스플레이 시스템에 있어서, 사용자에게 투영되는 영상을 제공하기 위해 영상을 형성하는 광(light)을 제공하는 영상 소스; 상기 영상 소스로부터 상기 광을 수광하며 상기 광을 투영하기 위한 렌즈들을 구비한 중계 광학계 모듈; 상기 중계 광학계 모듈로부터 투영된 광을 수광하여 상기 광을 사용자의 눈으로부터 이격되게 반사시키도록 사용자의 눈의 정면에 배치된 빔 스플리터; 및 사용자의 눈과 상기 빔 스플리터의 정면에 배치되며 상기 빔 스플리터를 통해 사용자의 눈을 향해 반사되도록 상기 빔 스플리터로부터 반사된 광을 투영시키는 콤바이너를 포함하며, 상기 영상 소스 및 상기 중계 광학계 모듈의 적어도 일부는 사용자 머리의 일 측부를 향해, 그리고 사용자의 눈의 높이 아래에 배치되는 영상 디스플레이 시스템을 제공한다.
본 발명의 추가적인 목적들 및 장점들은 아래에 간단히 설명된 첨부된 도면들을 참조하여 이루어진 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
제1도를 참조하면, 투영 디스플레이 시스템(10)(헤드에 장착된 것으로 가정)이 개략적으로 도시되어 있으며, 디스플레이 시스템의 동작을 설명하기 위하여 광성 자취가 제공되어 있다. 제1도를 자세히 살펴보면, 상기 투영 디스플레이 시스템(10)은 영상 소스(12), 중계 광학계 모듈(14), 경사진 광대역 스펙트럼 빔 스플리터 미러(16), 및 대체적으로 둥근 투명 반사 콤바이너(18)를 포함한다. 콤바이너(18)의 내측면 구조는 완전한 구면 형태를 갖거나 개략적인 구면 형태를 가질 수 있다. 콤바이너(18)는 빔 스플리터 미러(16)로부터 내측면(18a)상으로 투영된 광을 상기 미러(16)를 통해 관측자(22)의 눈(20)으로 되반사한다. 관측자(22)의 눈(20)이 영상 소스(12)에 의해 제공된 영상을 어떻게 받는가를 도시하기 위하여, 부호 24로 참조되는 광선 자취 라인들이 제1도의 개략도에 나타나 있다. 일반적으로, 제1도로부터, 사용자(22)에 대한 영상 투영은 오프-액시스 투영에서 발생할 수 있는 키스토닝, 비대칭, 및 색수차들이 나타나지 않는 온-액시스 투영이라는 것을 알 수 있다.
제1도를 더욱 상세히 살펴보면, 영상 소스(12)는 예컨대, 음극선관, 또는 반사 또는 투과 형태의 액정 디스플레이일 수 있으며, 제한이 없다. 영상 소스(12)의 필수 요소는 영상 소스가 투영을 위한 영상 광 소스이며, 빛의 투영, 투과, 혹은 반사를 통해 영상을 제공한다는 것이다. 따라서, 반사 형태의 액정 디스플레이가 본 디스플레이 시스템에서 사용되기에 특히 유리한데, 그 이유는 액정 디스플레이는 사용자(22)가 선택한 영상의 밝기 조건을 맞출 수 있도록 밝기가 쉽게 변하는 전구와 같은 다른 소스로부터 나온 빛을 반사시켜 영상을 제공하기 때문이다.
또한 중계 광학계 모듈(14)은 부호 14a 및 14b로 참조되는 2개의 렌즈 그룹을 구비하고 있다. 렌즈 그룹(14a)는 색보정 렌즈 세트를 구성하는 3개의 굴절 렌즈들을 포함하며, 렌즈 그룹(14b)는 색보정 렌스 세트를 유사하게 구성하는 3개의 굴절 렌즈들을 포함한다. 중계 광학계 모듈(14)의 색보정 렌즈들의 제조에 사용되는 재료로는, 예컨대 색수차 보정을 위한 크라운 유리 및 플린트 유리가 있다. 따라서, 제1도에 도시된 디스플레이 시스템은 영상 소스(12)에서 이루어질 수 있는 색분해능에 비해 사용자에게 우수한 영상 충실도를 제공함과 더불어, 광범위한 스펙트럼(색) 수용력을 갖고 있다. 색보정 렌즈 세트들을 사용함으로써, 사용자에게 제공되는 영상의 색 수차들이 제거된다.
이제 제2도를 참조하며, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 관측자(22)는 시스템(10)이 장착된 헬멧(26)을 착용하고 있다. 시스템(10)은, 헬멧(26)에 부착된 바이저(28)에 의해 콤바이너(18)가 제공된다는 것을 알 수 있도록, 제2도에 개략적으로 도시되어 있다. 즉, 콤바이너(18)는 바이저(28)의 일부로 정의된다. 바이저(28)는 사용자의 두 눈의 정면에 콤바이너 부분(18)을 제공할 수 있다. 또한, 시스템(10)은 경사진 투영 폴딩 미러(30)가 중계 광학계 모듈(14)과 광대역 빔 스플리터(16) 사이의 광선 자취 경로에 삽입되는 형태로, 헬멧(28)의 측부에 낮게 장착된다. 폴딩 미러(30)는 관측자(22)의 측부를 향해, 관측자의 눈(20) 아래에 배치된다.
결과적으로, 시스템의 중량, 혹은 상기 중량의 거의 전부는 관측자(22)의 눈(20)의 높이 아래에 양호하게 지지된다는 것을 알 수 있다. 제2도에 도시된 개략도에서, 사용자(22)에 대한 투영은 약간의 오프-액시스 투영 성분들을 포함하고 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 중계 광학계 모듈(14)의 축은 콤바이너(18)로부터 사용자의 눈까지의 광 투영의 축과 완전히 평행하지도, 수직하지도 않다. 결과적으로, 사용자(22)에 의해 감지되는 투영 영상의 약간의 키스토닝 혹은 비대칭 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 작은 오프-액시스 투영 성분들은 중계 광학계 모듈(14)의 제1(14a)혹은 제2(14b) 렌즈 그룹들 중 하나를 약간 경사지게 함으로써 쉽게 보상될 수 있다. 또한, 오프-액시스 효과의 보정은 렌즈 그룹들(14a, 14b) 중 하나를 중심에서 벗어나게 함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 작은 오프-액시스 보정은 빔 스플리터(16) 혹은 영상 소스(12)에 관해 중계 광학계 모듈을 경사지게 하거나 중심에서 벗어나게 함으로써 이루어질 수도 있다. 그러나, 보여지는 바와 같이, 본 발명의 투영 디스플레이 시스템의 구체적인 실시예에서는 실제적으로 그러한 오프-액시스 투영 효과들이 나타나지 않는다.
이제 제3-5도를 함께 참조하면, 더욱 완전히 개발된 투영 디스플레이 시스템(10)의 구체적인 실시예가 도시되어 있다. 본 발명의 실시예는 투명 콤바이너를 통해 외부의 자연 영상을 동시에 제공하는 영상 보강 디스플레이와 같은 특별한 용도를 갖고 있다. 본 실시예의 또 하나의 용도는 사용자의 눈을 보호하면서 사용자에게 영상 투영(예컨대, 외부 영상을 포함)을 제공하는 보안경/보안 디스플레이로서의 용도이다. 예컨대, 헬멧의 바이저(콤바이너)는 공격용 레이저 무기의 광으로부터, 그리고 핵 사고들로부터 사용자의 눈을 보호하기 위해 불투명할 수 있다. 본 특정 실시예는 사용자가, 필요한 경우, 투명 콤바이너(18)를 통해 야경(그 영상은 콤바이너(18)로부터의 투영으로서 제공된다)을 외부의 자연 영상과 결합할 수 있도록 해준다. 본 투영 디스플레이 시스템(10)은 한 쌍의 대향 측면 연장부들(32)을 구비한 헬멧(26)을 포함한다. 부호 34로 참조되는 한 쌍의 브라켓 부재들 중 우측 혹은 좌측 부재가 각각 헬멧(26)의 상기 측면 연장부들(32)의 각각으로부터 전방으로 연장되어 있다. 상기 한 쌍의 브라켓 부재들(34)의 각각의 상부에는 한 쌍의 투영기 하우징들(36)이 배치되어 있다. 또한, 상기 투영기 하우징들(36)은 제1도와 제2도에 도시된 영상 소스(12)와 중계 광학계 모듈(14)을 둘러싸고 있다. 이 경우, 영상 소스(12)는 영상 증배기(제3도에서 부호 12a로 참조됨)의 형태를 갖는다.
영상 증배기(12a)는 대물 렌즈(12b)(제4도에 가장 잘 도시됨)와 영상 증배기 튜브(12c)를 포함한다. 영상 증배기 튜브(12c)는 야간 광경의 보강된 영상 황록 인광으로 제공하는 후방 영상면(12d)(제3도에 도시됨)을 포함한다. 관련 기술의 전문가들은 영상 증배기 튜브(12c)가 스펙트럼의 근적외선 영역에 있는 광에 응답하는 전자 광학 장치라는 것을 알 것이다. 상기 광은 사람의 눈에는 보이지 않지만, 별빛 때문에 밤 하늘에는 풍부하다. 따라서, 초기의 영상 증배기 장치들은 별빛 관측기로서 알려져 왔다. 따라서, 영상 증배기(12a)는 종래의 것이기 때문에 더 이상 설명되지 않을 것이다. 헬멧(26)의 바이저(28)는 사용자의 두 눈 각각의 정면에 배치된 한 쌍의 구형 혹은 개략적인 구형의 콤바이너 부분들(18)을 포함한다. 각각의 콤바이너 부분들(18)과 각각 대응하는 사용자의 눈들(20) 사이에 한 쌍의 빔 스플리터 미러들(16)이 각각 배치되어 있다. 상기 빔 스플리터 미러들(16)은, 투영기 하우징들(36)안에 배치되고 빔 스플리터 미러들(16)을 향해 안쪽으로, 그리고 약간 뒤쪽으로 경사져 있는 투영 폴딩 미러(30)로부터 측면으로 투영된 광을 수광하기 위하여 경사져 있다. 투영 폴딩 미러들(30)의 후방 경사는 단지 물리적인 배열의 편리성을 위한 것이며, 미러(30)와 빔 스플리터(16) 사이의 투영은 사용장에 대해 완전히 측면적일 수 있다. 따라서, 화살표들(24)로 표시된 바와 같이, 빔 스플리터 미러들(16)은 투영기 하우징들(36)로부터 투영된 영상 광을 수광하기 위하여 바깥쪽으로 경사져 있다.
제3도를 참조하며, 제2도에 도시된 투영기 시스템은 영상 소스(12a)와 중계 광학계 렌즈 그룹(14b) 사이에 제1 폴딩 미러(38)를 도입함으로써 더욱 소형화되어 있다. 중계 광학계의 제1 렌즈 그룹(14a)과 제2 렌즈 그룹(14b) 사이에는 제2 폴딩 미러(40)가 삽입되어 있다. 따라서, 영상 소스(12a)는 영상 광(화살표들, 24)을 후방으로 투영하도록 배치되며, 제1 폴딩 미러는 상기 영상 광을 제2 폴딩 미러를 향해 상방으로 향하게 하여, 결국 영상 광이 제2 폴딩 미러를 통해 전방으로 향하도록 한다. 즉, 제3도에 도시된 바와 같은 측면도에서, 투영기(36)는 C자형의 광 경로의 하변에 영상 소스(12a)가 위치하고 경로의 상변은 사용자(22)를 위해 눈 높이에 있도록 배치된다. 제2 렌즈 그룹(14b)은 대개 사용자(22)를 위해 눈 높이에 위치하기 때문에, 투영 폴딩 미러(30)는 대개 사용자의 눈 높이에, 그리고 약간 눈 바깥쪽으로 배치된다. 투영 폴링 미러들(30)을 상기 높이에 배치하면, 제2도의 개략도와 관련하여 설명된 바와 같은 빔 스플리터 미러 및 투영 폴딩 미러의 복합 경사 배치가 필요없게 된다. 영상 소스(12a), 제1 폴딩 미러(38), 및 제1 렌즈 그룹(14a)은 모두 사용자(22)의 눈 높이 아래에 위치하며, 따라서 투영기(36)는 여전히 낮은 무게 중심을 갖고 있다.
더욱이, 제3-5도에 도시된 디스플레이 시스템은 수직축에 대해 옆으로 머리를 돌리는 사용자(22)에 관하여, 그리고 수평축에 대한 머리의 상하 운동(즉, 고개를 끄떡이거나 고개를 드는 운동)에 관하여, 낮은 관성 모멘트를 제공한다. 본 디스플레이 시스템은 수직축에 대해 낮은 관성 모멘트를 갖는데, 그 이유는 투영기들(36)에 의해 사용되는 광학 시스템은 전술된 헤드장착 투영 디스플레이들에 필요한 것보다 적은 렌즈들을 구비하여 훨씬 간단하고 가벼워질 수 있기 때문이다. 투영 디스플레이 시스템(10)은 무게 중심이 낮기 때문에 사용자의 피로가 감소한다. 사용자는 헬멧 꼭데기가 무거우며 헬멧과 디스플레이가 옆으로 기우는 것을 방지하기 위해 목근육이 의식적으로 사용되어야 한다는 느낌을 갖지 않게 된다. 디스플레이 시스템의 투영기들(36)과 다른 구성 요소들의 균형점은 대개 사용자(22)의 눈 높이 아래에 있기 때문에 시스템의 무게만이 인식될 뿐, 머리 꼭데기가 무겁다는 느낌은 생기지 않는다. 시스템의 무게는 렌즈 시스템의 단순성과 중량 감소로 인해, 전술한 헤드장착 디스플레이 시스템들에 비해 현저히 감소된다.
고개를 끄덕이거나 머리를 쳐드는 운동(즉, 수평축에 대해)에 관하여, 제3도의 측면도는 디스플레이 시스템(10)의 질량이 대부분 사용자(22)의 눈 높이 아래에 있으며, 유효 피벗축이 척추와 두개골 사이에 위치하는 아래턱의 높이 정도에 위치한다는 것을 나타내고 있다. 결과적으로, 수평축에 대한 머리 운동은, 투영기 하우징(36)이 낮은 관성 모멘트를 가지며 높은 관성 모멘트를 갖는 긴 레버 아암의 단부에서 원호 운동을 하지 않는 상태에서, 상기 투영기 하우징(36)에 가까운 하나의 축에 대해 투영 시스템(10)을 단순하게 회전시킨다. 이러한 형태의 긴 레버 아암과 높은 관성 모멘트는 사용자의 헬멧 꼭대기에 투영 장치를 배치하는 HMD에서 나타난다. 빔 스플리터(16)는 비교적 가벼운 부품이기 때문에 사용자의 눈의 정면에 빔 스플리터(16)를 배치하여도 수직축 또는 수평축에 대해 큰 관성 모멘트가 발생하지 않게 된다. 바이저(28)는 종래의 바이저와 거의 동일한 무게를 가지며, 따라서 본 디스플레이 시스템의 바이저(28)는 바이저를 구비한 표준 헬멧에 비해 사용자(22)가 겪는 관성 모멘트를 증가시키지 않는다.
제6도와 제7도는 제1도 및 제2도와 유사한 본 발명의 투영 디스플레이 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타내고 있는데, 제7도는 제2도에 도시된 측면도와 달리, 평면도를 제공한다. 제7도에서, 투영기 하우징은 디스플레이 시스템의 특징을 잘 나타내기 위하여 가상선으로 도시되어 있다. 이 실시예의 설명에 사용할 참조 부호들을 얻기 위하여, 구조 혹은 기능면에서 위에 기술된 것과 동일하거나 유사한 요소들은 위에 사용된 동일 부호에 프라임 부호(')를 붙여 참조된다. 제6도와 제7도에 도시된 다른 실시예는 더욱 가벼운 중량과, 수직 및 수평축에 대한 더욱 낮은 관성 모멘트를 제공한다.
제6도와 제7도는 중계 광학계 모듈(14)이 훨씬 단순화된 2 렌즈 그룹만을 포함하는 다른 실시예를 나타낸다. 즉, 제1도와 제2도의 제1 렌즈 그룹(14a)에 의해 수행되는 기능이 이제 부호 14a'로 참조되는 단일 렌즈에 의해 수행된다. 유사하게, 단일 렌즈(14b')는 제2 렌즈 그룹의 기능을 제공한다. 따라서, 제6도와 제7도에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는 색보정이 제공되지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러나 상기 다른 실시예는 단순화된 광학 시스템으로 인해 더 가벼운 중량, 수직 및 수평축에 대한 더 낮은 관성 모멘트, 및 더욱 감소된 비용 등의 장점들을 갖고 있다. 본 발명의 상기 다른 실시예는 사용자에게 완전한 색사의 영상을 투영할 필요가 없는 사례들에서 사용하기가 매우 적합하다. 이러한 사례들은 예컨대, 단색 영상 혹은 인광에 의한 황록 암시(night vision) 영상의 투영을 포함한다. 상기 실시예는 또한, 교육과 고객을 위한 저가의 가상 현실 영상 투영 시스템으로 사용될 수 있으며, 완전한 색분해능 없이도 사용자를 위한 컴퓨터 시뮬레이션이 충분히 가능하다. 이러한 디스플레이 시스템의 다른 용도를 위해 불투명한 바이저를 사용하여 콤바이너 표면들을 형성할 수 있으며, 조종사의 훈련용으로, 혹은 예컨대, 비행 시뮬레이션과 같은 고객 오락용으로 사용될 수 있다.
제8도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예의 설명에 사용될 참조 부호를 얻기 위하여, 구조 또는 기능면에서 위에 기술된 것과 동일하거나 유사한 요소들은 위에서 사용된 동일 부호에 이중 프라임 부호('')를 붙여 참조된다. 제8도를 참조하면, 투영 디스플레이(10'')는 영상 소스(12''), 중계 광학계 모듈(14''), 빔 스플리터(16''), 및 콤바이너(18'')를 포함한다. 상기 실시예에서, 영상 소스(12'')는 액정 광밸브형이다. 즉, 영상 소스는 빛을 반사한다. 영상 소스(12'')에 의해 제공된 영상을 위한 조명을 제공하기 위하여, 경사진 빔 스플리터 미러(42)가 제공된다. 영상 소스(12'')로부터 광성 자취의 옆으로, 집광 렌즈(46)의 초점 위치에 발광 다이오드(LED)(44)가 배치된다. LED(44)는 빔 스플리터 미러(42)를 통해 영상 소스(12'')위로 반사되는 빛을 제공한다. 영상 소스(12'')로부터, 빛(이 빛은 소스(12'')의 영상을 가짐)이 빔 스플리터(42)를 향해 되반사되어 이를 통과한다. 전술된 바와 같이, 영상 소스(12'')로부터 나온 빛은 중계 광학계 모듈(14'')을 통해 사용자(22'')에게 전달된다.
제8도에 도시된 실시예의 장점은 제2 영상 소스(48)가 LED(44)의 반대편에 제공될 수 있다는 것이다. 이 경우, 영상 소스(48)는 최초로 빔 스플리터(42)를 통과하는 LED(46)의 빛에 의해 조명될 수 있으며, 이 빛은 상기 광밸브형 영상 소스(48)로부터 반사되며 빔 스플리터(42)에 의해 라인들(24'')을 따르도록 반사된다. 영상 소스(48)는 광밸브형일 필요는 없다. 그러나 이 실시예는 센서 퓨전(sensor fusion)을 위해, 즉 센서들로부터 나오는 영상(예컨대, 심볼, 그림 표시, 문자 등)을 외부의 영상과 결합하기 위해 특히 유용하다는 것이 인식될 것이다. 사용자(22'')는 무한대의 초점을 가진 중첩된 영상들을 관측하게 되므로, 심볼, 그래픽 및 다른 문자들을 시각적으로 인식하기 위하여, 시각 초점을 외부로부터 이동시킬 필요가 없게 된다.
제9도는 매우 가벼운 무게, 낮은 무게 중심, 및 감소된 관성 모멘트를 가진 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타내고 있다. 이 실시예의 설명을 위해 사용할 첨조 부호를 얻기 위하여, 구조 혹은 기능면에서 위에 기술된 것과 동일하거나 유사한 요소들은 위에서 사용된 참조 부호에 삼중 프라임 부호(''')를 붙여 참조된다. 이 실시예는 (굴절성만 갖는 것보다는)굴절-회절성의 광학 요소들을 사용함으로써 중계 광학계 모듈(14''')의 중량과 관성 모멘트를 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다. 제9도에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 투영 디스플레이 시스템(10''')은 영상 소스(12'''), 중계 광학계 모듈(14'''), 투영 폴딩 미러(30'''), 빔 스플리터(16'''), 및 콤바이너(18''')를 포함한다. 그러나 중계 광학계 모듈(14''')은 단지 굴절성만을 갖는 것이 아니라 굴절-회절성을 함께 가진 렌즈들로 이루어진 2 렌즈 그룹들만을 포함한다. 즉, 중계 광학계 모듈(14''')은 영상 소스(12''')의 영상을 제2 굴절-회절 렌즈(52)로 전달하는 제1 굴절-회절 렌즈(50)를 포함한다.
제9a도와 제9b도는 상기 굴절-회절 렌즈들의 크게 학대된 절개도들을 제공한다. 제1 굴절-회절 렌즈(50)는 영상 소스(12''')에 면하는 굴절 곡면(54)을 구비한 렌즈를 포함한다. 상기 렌즈(50)는 또한, 반대편에 에칭된 혹은 단차가 형성된 회절면(56)을 포함한다. 유사하게, 제2 굴절-회절 렌즈(52)는 영상 소스(12''')에 면하는 굴절 곡면(58)을 구비한 렌즈를 포함한다. 상기 렌즈(52)는 또한, 반대편에 에칭된, 혹은 단차가 형성된 회절면(60)을 포함한다. 2 개의 렌즈들(50, 52)만을 필요로 하는 결과, 중계 광학계 모듈(14''')은 종래의 렌즈 그룹들에 비해 훨씬 더 가볍게 제작될 수 있다. 이 실시예는 제6도와 제7도에 도시된 실시예와 거의 동일한 중계 광학계 모듈의 중량 조건에서 투영 영상의 색보정이 가능하므로 우수한 색상 충실도를 제공할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명은 도시되고 설명되었으며, 본 발명의 특히 바람직한 실시예들을 참조함에 의해 한정되어 있지만, 그러한 참조는 본 발명에 대한 제한을 의미하는 것이 아니며, 어떠한 제한도 존재하지 않는다. 본 발명은 관련 기술 분야의 통상의 전문가들에 의해 다야한 수정, 변형, 및 형태와 기능면에서의 등가물 대체 등이 가능하다. 예컨대, 본 발명의 주 목적은 가볍고 무게 중심이 낮으며 가장 중요한 수직 및 수평축에 대한 관성 모멘트가 낮으면서도 양질의 영상 분해능을 제공하는 헤드장착 투영 디스플레이 시스템을 제공하는 것이다. 이를 위해, 투영 디스플레이 시스템의 일부 도는 모든 렌즈들과 다른 광학 요소들은 플라스틱으로 제작될 수 있다.
즉, 시스템에 필요한 렌즈들, 미러들, 및 빔 스플리터들은 무거운 종래의 유리보다 가벼운 플라스틱으로 제작될 수 있다. 플라스틱 렌즈들로 구성될 때에도, 본 발명은 오프-액시스 투영법을 사용하지 않고 빔 스플리터와 온-액시스 투영법을 사용하기 때문에 뛰어난 광학적 품질을 제공한다. 그러나 본 발명에 의해 얻어지는 영상의 밝기는 종래의 온-액시스 투영 시스템들보다 부분적으로 우수한데, 그 이유는 본 발명에서는 영상 소스와 관측자의 눈 사이에 배치되는 렌즈들, 미러들, 및 필터들의 수가 감소되기 때문이다. 따라서, 도시되고 기술된 본 발명의 바람직한 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 발명의 영역을 포괄하고 있지 않다. 결과적으로, 본 발명은 모든 면에서 등가물에 대한 충분한 인식을 제공하는 첨부된 청구항들의 사상과 영역에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.
내용 없음

Claims (3)

  1. 사용자의 머리에 착용되는 헤드기어상에 장착되며, 수직 방위축과 수평 고도축 모두에 대한 낮은 관성 모멘트와 함께, 개선된 화질과 사용자 머리 위에서 낮은 무게 중심을 갖는 영상 투영 디스플레이 시스템에 있어서,
    상기 사용자에게 투영될 영상을 제공하며, 상기 영상을 형성하기 위한 광을 제공하기 위한 영상 소스;
    상기 사용자의 눈의 정면에 배치되고, 중계 광학계 모듈로부터 투영된 광을 수광하며, 상기 광을 사용자의 눈으로부터 이격되게 반사시키기 위한 빔 스플리터;
    상기 사용자의 눈과 상기 빔 스플리터의 정면에 배치되며, 상기 빔 스플리터로부터 반사된 상기 광이 상기 빔 스플리터를 통해 상기 사용자의 눈을 향해 되반사되도록 투영되는 콤바이너;
    반사 광 밸브형 액정 디스플레이인 상기 영상 소스를 조명하기 위한 광원;
    상기 광원과 상기 영상 소스사이에 광학적으로 배치되며, 상기 광원으로부터의 광을 상기 영상 소스를 향해 반사시키도록 경사져 있고, 상기 영상 소스로부터 반사된 광을 통과시켜 상기 사용자에게 전달되는 제2 빔 스플리터; 및
    상기 영상 소스의 측면 및 상기 광원에 대향하여 배치되는 제2 영상 소스를 포함하되,
    상기 영상 소스는 사용자 머리의 일 측부과, 사용자의 눈 높이 아래에 배치되며, 상기 광원은 상기 영상 소스에 대해 측면에 배치되고, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 제2 영상 소스로부터의 광을 상기 사용자에게 반사시키는 영상 투영 디스플레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 제2 영상 소스를 조명하기 위한 상기 광원으로부터의 광을 상기 제2 영상 소스로 전달하는 영상 투영 디스플레이 시스템.
  3. 사용자의 머리에 착용되며, 사용자의 눈 정면에 배치되는 바이저를 구비한 헬멧상에 장착되는 영상 투영 디스플레이 시스템으로서, 상기 디스플레이 시스템은 개선된 화질을 가지며, 상기 디스플레이 시스템과 상기 헬멧은 모두 수직 방위축과 수평 고도축 모두에 대한 낮은 관성 모멘트와 함께 상기 사용자의 머리 위에서 낮은 무게 중심을 갖는 영상 투영 디스플레이 시스템에 있어서,
    상기 헬멧은 상기 사용자의 눈 높이 아래에 위치한 측면 돌출부를 포함하고, 상기 디스플레이 시스템은 상기 사용자의 측면으로 상기 헬멧의 상기 측면 돌출부에 장착되는 투영기 하우징을 포함하고, 상기 투영기 하우징 안에는 영상 소스와 중계 광학계 모둘이 수납되며;
    상기 영상 소스는 상기 눈 높이 아래에 배치되며 상기 사용자에게 투영될 영상을 형성하는 광을 제공하며;
    상기 중계 광학계 모둘은 상기 영상 소스로부터 상기 광을 수광하며 상기 광을 투영하기 위한 렌즈들을 구비하며;
    상기 바이저는 상기 사용자의 눈의 정면에 배치되는 콘바이너 부분을 정의하고, 상기 콤바이너 부분은 상기 사용자를 향해 후방으로 오목한 내측면을 구비하며;
    상기 디스플레이 시스템은 상기 바이저와 상기 사용자의 눈 사이에 배치되는 경사진 빔 스플리터를 포함하고, 상기 빔 스플리터는 상기 사용자의 측면으로 수광된 광을 상기 바이저의 상기 콤바이너 부분의 내측면을 향해 사용자로부터 전방으로 이격되게 반사시키도록 수직축에 대해 경사져 있고, 상기 콤바이너의 내측면은 상기 빔 스플리터를 통해 상기 광을 상기 사용자의 눈을 향해 되반사시켜 상기 사용자를 위한 허상을 형성하며;
    상기 중계 광학계 모듈은 측면에서 볼 때 대체로 C자형인 광 경로를 정의하고, 상기 영상 소스는 상기 사용자에 대하여 후방으로 향하는 상기 광을 제공하고, 상기 C자형 광 경로는 상기 사용자의 눈 높이 아래의 상기 영상 소스로부터 상기 눈 높이까지 연장되며;
    상기 투영기 하우징은 상기 영상 소스와 상기 중계 광학계 모둘의 제1 렌즈 사이에 광학적으로 배치된 제1 폴딩 미러를 포함하며;
    상기 제1 폴딩 미러는 일반적으로 눈 높이에 위치하여 상기 영상 소스로부터의 광을 상기 빔 스플리터까지 상기 빔 스플리터에 대한 상기 사용자의 측면으로 반사시키며;
    상기 중계 광학계 모듈은 제1 및 제2 렌즈를 포함하며, 상기 상기 제1과 제2 렌즈 사이에 광학적으로 배치되는 제2 폴딩 미러를 포함하며;
    상기 디스플레이 시스템은 제2 영상을 형성하는 광을 제공하는 제2 영상 소스, 및 상기 영상 소스로부터의 광과 상기 제2 영상 소스로부터의 광 모두를 상기 중계 광학계 모듈에 전달하도록 배치된 경사진 제2 빔 스플리터를 더 포함하며;
    상기 영상 소스는 발광 다이오드(LED)를 포함하며; 및
    상기 LED는 상기 영상 소스의 측부에 배치되고, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 LED로부터 나온 광을 상기 영상 소스를 향해 반사시키고 상기 영상 소스로부터 반사된 광을 상기 중계 광학계 모듈을 향해 전달하도록 상기 LED와 상기 영상 소스 사이에 광학적으로 배치되고, 상기 제2 영상 소스는 상기 LED의 반대편에 배치되며, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 LED로부터의 광을 상기 제2 영상 소스로 전달하며 상기 제2 영상 소스로부터 반사된 광을 상기 중계 광학계 모듈을 향해 반사시키도록 배치된 영상 투영 디스플레이 시스템.
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