KR100278696B1

KR100278696B1 - 단판식 hmd

Info

Publication number: KR100278696B1
Application number: KR1019970066813A
Authority: KR
Inventors: 이상재
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR19990048192A

Abstract

본 발명은, HMD에 있어서 단일의 광원으로 부터 입사되는 광성분을 편광시킨 후, 상기 편광된 광에 영상을 포함시키고 영상이 포함된 편광의 분할 벡터성분의 광을 각각 양안(兩眼)으로 집광되도록 하여, 단일의 액정 표시기를 사용하여 양안에 대한 영상을 형성하는 단판식 HMD 에 관한 것으로서, 백라이트인 단일의 광원(1); 상기 광원(1)으로 부터 입사되는 광 중 도면상의 평면에 대해 공간으로 45˚경사진 편광성분을 여파시키는 제 1 편광필터(2); 상기 편광성분을 이용하여 광영상을 형성하는 단일의 액정 표시기(3); 상기 제 1 편광필터(2)와 동일 편광축으로써 입사광을 여파시키는 제 2 편광필터(2'); 2개의 직교된 반사면을 갖되, 각각의 반사면에는 유전체 코팅을 하여 반사되는 편광성분이 상이하도록 한 프리즘(10); 상기 프리즘(10)에 의해 분리반사되는 각각의 편광성분을 사용자의 시야로 경로변경시키는 2개의 전반사 거울(4); 및 상기 경로변경된 각각의 광성분을 집광시켜 확대된 허상을 형성하는 2개의 아이피스렌즈(5); 를 포함하여 구성되어, 이용되었던 두개의 액정 표시기 중 한개만 이용하도록 하여 장치의 비용을 절감시키는 것은 물론, 장치의 소형화 및 경량화에 의해 두부착용이 보다 편리하도록 한 경제적이며 실용적인 발명인 것이다.

Description

단판식 HMD

본 발명은 단일의 액정 표시기(LCD)를 이용하는 두부 탑재형 디스플레이장치(HMD)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단일의 광원으로 부터 입사되는 광성분을 편광시킨 후, 상기 편광된 광에 영상을 포함시키고 영상이 포함된 편광의 분할 벡터성분의 광을 각각 양안(兩眼)으로 집광되도록 하여, 단일의 액정표시기를 사용하여 양안에 대한 영상을 형성함으로써 장치의 구성을 단순화하고 그 비용을 절감케 하는 단판식 HMD에 관한 것이다.

요즈음 전자업계에 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 확대집광시킨 것으로써, 그 원리가 매우 간단하며, 또한 이에 이용되는 광학계는 적절히 가변 배치됨으로써 보다 다양한 기능의 구현이 가능하게 된다.

종래의 HMD 는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일안(一眼)에 대해서, 빛을 방사하는 광원(back light)(1); 상기 제 1 편광필터(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 제 2편광필터(2'); 상기 제 2편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광을 전반사시켜 경로를 변경하는 전반사 거울(4); 및 상기 전반사된 광영상을 집광시키는 아이피스렌즈(5);를 포함하여 구성되어 있었으며, 도 1의 구성과 동일한 또 하나의 구성이 구비되어 양안에 대한 HMD가 구성되어 있었다.

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

이러한 편광축의 조절은, 액정 표시기의 광 입사면의 상단과 하단에 상호 직각을 이루는 방향으로 각각 미세한 골을 낸 실리콘 등의 기판사이에 액정을 배치시킨 후 전압의 양단인가여부에 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.

전술한 바와 같이, 상기 액정 표시기(3)의 전원인가 여부에 따라 편광방향이 제어되어 출력되는 광성분은, 상기 제 2편광필터(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 HMD 는 양안에 대해 동일한 구성 특히, 고가의 LCD를 각각 구비함으로써, 장치의 가격이 상승하여 제품경쟁력이 저하되며, 또한 광학계의 구조가 복잡하여 제작공정시간이 많이 소요되는 문제점이 있있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 단일의 LCD 를 이용함으로써 저가이면서, 그 구조가 단순한 단판식 HMD 를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

제1도는 종래의 HMD 의 구성 중 일안(一眼)에 대한 구성을 도시한 것이고,

제2도는 본 발명에 따른 단판식 HMD 의 구성도이고,

제3도는, 제2도의 주요 위치에서의 광 편광방향을 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원(back-light) 2, 2' : 편광필터

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

5 : 아이피스렌즈(Eye-piece Lens) 10 : 프리즘

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단판식 HMD 는, 입사되는 편광성분에 대해, 상기 편광성분을 구성하는 두개의 직각편광된 광성분으로 분리 반사시키는 프리즘; 광을 방사하는 조명수단; 상기 방사광의 입사경로와 상기 프리즘에 의한 반사경로로써 형성되는 가상의 평면에 대해, 상기 방사광을 편광여파시키는 편광축이 소정각도 경사지도록 형성된 제1의 편광여파수단; 상기 소정각도와 동일경사각으로 러빙되어, 인가되는 영상신호에 따라 상기 편광여파된 광의 편광축을 선택적으로 90˚회전시키는 화상표시수단; 상기 화상표시수단의 투광 중 특정 편광축의 광성분을 투과시켜 상기 프리즘으로 입사시키는 제2의 편광여파수단; 상기 프리즘에 의해 분리반사된 각각의 광성분을 경로 변경시키는 두개의 전반사수단; 및 상기 경로변경된 광성분을 각각 집광시키는 두개의 접안렌즈;를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 단판식 HMD 에서는, 단일의 조명수단으로 부터 방사된 광이 상기 제1의 편광필터를 통과함으로써, 상기 방사광의 입사경로와 이후 상기 프리즘에 의해 반사되는 광의 경로가 형성하는 가상의 평면에 대해 소정각도 경사진 편광축의 광성분만이 여파되게 되고, 상기 여파되는 광성분의 편광을 수용하여 해당 셀의 전원인가 여부에 따라 선택적으로 그 편광축을 90˚회전시키는 화상표시수단을 통과하게 된다. 상기 화상표시수단을 통과한 광성분은, 편광축의 회전여부에 따라 상기 제2의 편광필터를 선택적으로 통과한 후, 상기 프리즘에 입사되게 되는데, 상기 프리즘의 반사면은, 상기 입사되는 편광성분을 상기 가상평면에 직교하는 편광성분과 평면에 포함되는 편광성분으로 각각 분리반사하게 되고, 상기 분리반사된 광성분은 두개의 상기 전반사수단에 각각 입사되어 사용자의 시선으로 경로변경됨으로써 두개의 접안렌즈에 의해 각각 사용자의 시야에 확대허상을 형성하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 단판식 HMD의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 단판식 HMD의 일 실시예의 구성도로서, 백라이트인 단일의 광원(1); 상기 광원(1)으로 부터 입사되는 광 중 도면상의 평면에 대해 공간으로 45˚경사진 편광성분을 여파시키는 제 1편광필터(2); 상기 편광성분을 이용하여 종래에서와 같이 광영상을 형성하는 단일의 액정 표시기(3); 상기 제 1편광필터(2)와 동일 편광축으로써 입사광을 여파시키는 제 2편광필터(2'); 2개의 직교된 반사면을 갖되, 각각의 반사면에는 유전체 코팅을 하여 반사되는 편광성분이 상이하도록 한 프리즘(10); 상기 프리즘(10)에 의해 분리반사되는 각각의 편광성분을 사용자의 시야로 경로변경시키는 2개의 전반사 거울(4); 및 상기 경로변경된 각각의 광성분을 집광시켜 확대된 허상을 형성하는 2개의 아이피스렌즈(5);를 포함하여 구성되어 있으며, 도 3은 도 2 구성의 주요 위치에서의 광의 편광축을, 광의 진행경로에서 본 것으로서, 이하에서는 도 2의 광학계의 동작을, 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 단일의 광원(1)으로 부터 방사되는 광은, 도 3의 ㉠과 같이 진행방향에 수직되는 전(全)방향의 편광축을 갖게 되는데, 이 광은 상기 제 1편광필터(2)에 의해 도 2상의 평면(도 3의 VP)에 대해 공간으로 45˚경사진 편광성분만이 여파되어 투과되며 그 편광축은 도 3의 ㉡과 같게 된다. 상기 제 1편광필터(2)를 투과한 단일편광의 광성분(㉡)은, 전술한 바와 같은 방법에 의해 상기 제 1편광필터(2)와 동일한 각으로, 러빙(rubbing)제조된 상기 액정 표시기(3)로 입력되게 되는데, 상기 액정 표시기(3)는, 해당 셀의 광을 출력시키지 않을 경우에는 전원을 인가하지 않아 입력되는 광의 편광축을 90˚회전시켜 출력하고(도 3의 a), 해당 셀의 광을 출력시키고자 하는 경우에는 전원을 인가하여 편광축의 회전없이 그대로 출력(도 3의 b)시키게 된다.

이와 같이 상기 액정 표시기(3)에 의해 선택적으로 편광축이 회전되는 도 3의 ㉢과 같은 광성분은, 상기 제 1 편광필터(2)와 동일편광축으로써 입사광을 여파하는 상기 제 2편광필터(2')에 의해 출력의도된, 편광축이 미회전된 광성분(도 3의 b)만이 여파되어 상기 프리즘(10)상의 두개의 반사면에 각각 입사되게 된다.

한편, 상기 프리즘(10)상의 반사면은 SiO 및 MgF₂와 같은 유전체에 의해 코팅(coating)되되, 상기 반사면 상에 코팅된 유전체의 적층 수에 따라 입사되는 빛의 굴절율을 조정하여 각각의 반사면이 상이한 굴절율로 반사되도록 함으로써, 상기 프리즘(10)상의 2개의 반사면은, 상기 가상의 평면(VP)에 대해 수직편광인 S파와 가상의 평면(VP)에 포함되는 편광을 갖는 P파로 각각 반사분리되게 하는 특성을 갖는다.

상기 제 2편광필터(2')를 투과한 광성분의 편광축은, 입사광과 반사광에 의해 형성되는 가상의 평면(VP)에 대해 45˚경사져 있으므로, 상기 제 2편광필터(2')에 의해 여파된 광은 상기 프리즘(10)의 두 반사면으로 입사되면 각각 광에너지가 50%인 P파와 S파로 분리반사되어, 입사된 광에너지가 모두 광영상을 형성하기 위해 이용된다.

상기 프리즘(10)상의 두개의 반사면에서 각각 반사분리된 P파(㉤) 및 S파(㉥)의 광성분은, 상기 두개의 전반사 거울(4)을 통해 사용자의 시선 방향으로 각각 평행하도록 경로변경된 후, 상기 아이피스렌즈(5)에 의해 각각의 촛점으로 집광됨으로써, 사용자의 시야 내에 10배 이상 확대된 허상으로 인식되게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되어 동작되는 본 발명에 따른 단판식 HMD 는, 이용되었던 두개의 액정 표시기 중 한개만 이용하도록 하여 장치의 비용을 절감시키는 것은 물론, 장치의 소형화 및 경량화에 의해 두부착용이 보다 편리하도록 한 경제적이며 실용적인 발명인 것이다.

Claims

두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 광을 방사하는 조명수단; 상기 방사광을 편광여파시키는 편광축이 소정각도 경사지도록 형성된 제1 편광여파수단; 상기 소정각도와 동일경사각으로 러빙(rubbing)되어, 인가되는 영상신호에 따라 상기 제1 편광여파수단에 의해 편광여파된 광의 편광축을 선택적으로 90˚회전시키는 화상표시수단; 상기 화상표시수단의 투과광 중 특정 편광축의 광성분을 투과시키는 제2 편광여파수단; 2개의 직교된 반사면을 갖되 각 반사면에는 유전체 코팅을 달리하여, 상기 제2 편광여파수단을 통해 입사되는 편광성분을 직각 편광시켜 상호 대향하는 두 개의 광성분인 P파 및 S파로 분리 반사시키는 프리즘; 상기 프리즘에 의해 분리 반사된 상기 P파 및 S파 광성분을 각각 경로변경시키되 상기 프리즘을 기준으로 서로 대향되게 위치하며 동일 직선상에 그 중심이 놓이는 두개의 전반사수단; 및 상기 경로변경된 광성분을 각각 집광시키는 두개의 접안렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 단판식 HMD.
제1항에 있어서, 상기 소정각도는 45˚인 것을 특징으로 하는 단판식 HMD.
제1항에 있어서, 상기 프리즘의 반사면은, SiO 및 MgF₂의 유전체로 각각 코팅(coating)처리된 것을 특징으로 하는 단판식 HMD.