KR100304622B1 - 두부 장착용 디스플레이용 광학계 - Google Patents

Abstract

디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계가 개시되어 있다.

이 HMD용 광학계는, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와; 양의 파우어를 가지며, 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와; 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와; 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

두부 장착용 디스플레이용 광학계

본 발명은 두부장착용 디스플레이용 광학계에 관한 것으로서, 상세하게는 대략 0.7 인치 이하의 소형 디스플레이소자에 의해 제공된 화상을 각배율이 대략 10배 이상이 되도록 고배율로 확대하여 시청할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이용 광학계에 관한 것이다.

일반적으로, 두부(頭部)장착용 디스플레이(Head Mounted Display 이하, HMD 라 칭함)는 액정표시소자(LCD) 등의 디스플레이소자를 이용하여 화상을 생성하고, 이 생성된 화상을 미러를 이용하여 대화면으로 확대하여 화상을 보는 장치로, 시청시 두부에 장착한 채로 사용한다.

도 1은 종래 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래의 HMD는 백라이트 광원(11)과, 이 백라이트 광원(11)에서 조사된 광을 선택적으로 투과시켜 화상을 생성하는 화상생성수단(15)과, 구면반사경(19)과, 상기 화상생성수단(15)을 투과한 광은 구면반사경(19) 쪽으로 반사시키고 구면반사경(19)에서 반사된 광은 시청자의 눈쪽으로 투과시키는 하프미러(17)를 포함하여 구성된다. 이와 같이, 구성된 HMD는 두부에 장착될 수 있도록 된 구조의 하우징(20)에 감싸여 설치되며, 구면반사경(19)에서 반사되어 하프미러(17)를 투과한 광은 윈도우(22)를 통해 사용자의 눈으로 향한다.

상기 백라이트 광원(11)은 형광등 등의 발광체인 램프(12)와, 이 램프(12)의 일면에 설치되어 램프(12)에서 조사된 광이 일방향으로 진행하도록 설치된 미러(13)로 구성된다. 상기 화상생성수단(15)은 이차원 배열 구조의 화소들로 구성되며 각 화소단위로 독립적으로 구동되는 투과형 액정표시소자(16)와, 이 액정표시소자(16)의 전,후에 설치된 한쌍의 폴라라이저(17a)(17b)로 구성된다. 이와 같이 구성된 종래의 HMD는 좌안용과 우안용으로 각각 이용되도록 도 1에 도시된 바와 같은 구성의 광학계를 한쌍 구비한다.

이 HMD의 배율은 상기 구면반사경(19)의 곡률반경에 의해 결정된다. 여기서, 구면반사경(19)의 초점거리(f')와 명시거리(=250mm)로 표현되는 수학식 1로 정의 되며, 이 각배율이 HMD의 확대성능을 나타내는 기준이 된다.

상기한 바와 같이, 구성된 종래의 HMD로는 각배율 10배 이상을 달성하기가 곤란하다. 즉, 상기 구면반사경의 초점에 상기 화상생성수단이 위치되는 구조을 가진다. 따라서, 각배율을 크게하기 위해서는 구면반사경의 곡률반경을 작게 해야 하므로, 초점거리가 구면반사경의 초점거리를 짧아져 상기 액정표시소자가 상기 하프미러쪽으로 가깝게 배치되어야 한다. 그러나, 액정표시소자가 하프미러 쪽으로 가깝게 배치되는 경우, 광로를 차단하는 등의 한계가 있기 때문에 10배 이상의 고배율로 확대하는 것이 어렵다. 또한, 2매의 액정표시소자를 이용함으로써, 고가라는 단점이 있다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 본 출원인은 대한민국 특허출원 제98-15530호(출원일:1998년 4월 30일, 발명의 명칭: 두부장착용 디스플레이장치)를 통하여 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 HMD를 제안한 바 있다.

도 2를 참조하면, 본 출원인에 의해 제안된 HMD는 광원(30)과, 이 광원(30)에서 조사된 광으로부터 화상을 생성하는 디스플레이소자(40)와, 상기 디스플레이소자(40)에서 조사된 화상을 일차로 결상시키는 결상렌즈유니트(51)와, 입사된 화상을 투과 및 반사시켜 분기시키는 제1 내지 제3광분기수단(61)(63)(65)과, 입사된 화상의 진행경로를 변환하는 제1 및 제2광경로변환수단(70)(80)과, 상기 디스플레이소자(40)에서 생성되고 상기 제1 및 제2광경로변환수단(70)(80)과 제2 및 제3광분기수단(63)(65)에 의해 그 진행경로가 두 방향으로 변화된 화상 각각이 맺히며 이 맺힌 화상을 사용자의 양눈 즉, 좌안(EL)과 우안(ER) 각각으로 반사시키는 제1 및 제2반사경(91)(95)을 포함하여 구성된다.

여기서, 수학식 1에 의해 계산된 각배율을 크게 하고 상기 제1광분기수단(61)의 설치공간을 확보하기 위하여 상기 결상렌즈유니트(51)에 의해 결상된 결상면이 상기 제1 및 제2반사경(91)(95)에 근접되게 위치되도록, 상기 제1광분기수단(61)과 상기 제1거울(71) 사이 및, 상기 제1광분기수단(61)과 상기 제3거울(81) 사이 각각의 광로 상에 필드렌즈(53)(54)를 더 구비한다.

상기 결상렌즈유니트(51)는 상기 디스플레이소자(40)와 상기 제1광분기수단(61) 사이의 광로 상에 배치되어 입사된 화상을 상기 제1 및 제2반사경(91)(95) 이전의 광경로 상에 1차로 결상시킨다. 상기한 바와 같이 구성된 HMD에 있어서, 디스플레이소자(40)에서 생성된 화상을 고배율로 확대시키기 위한 HMD용 광학계는 제1 및 제2반사경(91)(95), 결상렌즈유니트(51) 및, 필드렌즈(53)(54)를 포함한다.

하지만, 개시된 HMD는 광학요소 및, 이 광학요소들 사이의 광학적 배치에 그 특징이 있는 것으로, 상기한 광학계의 광학적 구성 및 수차특성을 감안한 설계를 고려하지 않았다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로서, 일 매의 소형 디스플레이소자를 이용하여 대화면을 구현할 수 있도록 된 구조의 두부 장착용 디스플레이용 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면.

도 2는 본 출원인에 의해 제안된 HMD의 광학적 배치를 보인 개략적인 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 HMD용 광학계의 광학적 배치를 보인 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100...결상면 101...출사동 103...윈도우

105...반사경 107...반투과미러 109...1차결상면

111...조리개 113...필드렌즈 120...결상렌즈유니트

121...양볼록렌즈 123...양오목렌즈 125...비구면렌즈

127...평볼록렌즈 131...편광빔스프리터

133...상면

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계에 있어서, 고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와; 양의 파우어를 가지며, 상기 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와; 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와; 상기 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 HMD를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 HMD용 광학계는 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 구성된 HMD에 채용된다. 이를 위하여, 본 발명의 HMD용 광학계 도 3에 도시된 바와 같이, 상면(133) 위치에 놓인 디스플레이소자(미도시)에서 조사된 화상을 일차로 결상시키는 결상렌즈유니트(120)와, 이 결상렌즈유니트(120)와 더불어 입사된 화상을 1차결상면(109)에 결상시키는 필드렌즈(113)와, 입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러(107)와, 반투과미러(107)에서 분기되어 입사된 화상이 맺히며 이 화상을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 위치인 제2결상면(101)에 결상시키는 반사경(105)을 포함하여 구성된다.

실질적으로 사용자의 좌안과 우안을 고려하여, 상기한 필드렌즈(113), 반투과미러(107) 및 반사경(105)은 한 쌍씩 구비되어야 한다. 하지만, 도 2의 제1광분기수단(61)에 의해 분기되어 제1필드렌즈(51), 제1반투과미러(도 2의 제2광분기수단(63)에 해당함) 및 제1반사경(91)을 경유하여 사용자의 좌안(EL)에 결상되는 광의 광로 길이와, 제1광분기수단(61)에 의해 분기되어 제2필드렌즈(53), 제2반투과미러(도 2의 제3광분기수단(65)에 해당함) 및 제2반사경(91)을 경유하여 사용자의 우안(ER)에 결상되는 광의 광로 길이가 같고, 두 광로 상에 배치된 광학요소들의 광학적 배치가 동일하므로, 설명의 편의를 위하여 도 3은 필드렌즈, 반투과미러 및 반사경 각각을 한 매씩 나타내었다.

상기한 바와 같이 구성된 HMD용 광학계는 디스플레이소자에서 제공된 작은 영상을 확대하여 보는 일종의 확대렌즈로서, 그 설계는 눈의 위치를 출사동(101)으로하고, 디스플레이소자의 위치를 상면(133)으로 하여 설계한다. 상기한 광학계의 설계 관점에서 본원발명의 HMD용 광학계의 구성 및 광학적 배치를 설명한다.

물상면(100)은 상기 출사동에 위치된 사용자의 눈을 통해 반사경(105)을 볼 때, 반사경(105)의 이면에 있는 것 처럼 보이는 허상이 맺히는 면으로, 이 면에 맺히는 허상의 크기가 사용자가 인지하는 화상의 크기가 된다.

상기 출사동에서 출발한 광은 윈도우 및 상기 반투과미러을 투과하여 상기 반사경(105)으로 진행한다. 여기서, 상기 출사동(101)과 윈도우(103) 사이의 거리(d₂) 즉, 아이릴리프(eye relief)는 사용자가 안경을 착용한 상태로 HMD를 장착할 수 있도록 충분한 거리의 확보가 필요로 한다. 이를 위하여 상기 아이릴리프를 대략 20mm이상 확보하였다.

상기 반사경(105)은 비구면 오목반사경으로 구성되어 왜곡수차가 0.6% 이하되도록 하였으며, 광로 길이를 길게하기 위하여 그 곡률반경을 대략 65mm 이상으로 크게 하였다. 상기 반사경(105)에서 반사되고, 반투과미러(107)에서 반사된 광은 상기 반투과미러(107)에 근접한 위치의 1차결상면(109)에 맺힌다. 상기한 바와 같이, 상기 반투과미러(107)에 근접되게 1차결상면(109)이 맺히도록 하고, 상기한 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)를 이용하여 상면(133)이 다른 곳에 위치되도록 함으로써, 상면(133)에 놓인 디스플레이소자가 1차결상면(109)에 위치되는 동일한 광학적 성능을 얻음과 아울러, 고배율 구현할 수 있다.

상기 1차결상면(109)을 지나 발산되는 광은 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)를 거쳐 반사형 화상생성수단을 이루는 편광빔스프리터(131)에서 반사된 후, 상면(133)에 결상된다. 여기서, 투과형 화상생성수단을 채용한 경우는 상기한 편광빔스프리터가 배제된다.

여기서, 상기 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)는 도 2에 개시된 제1광분기수단(61) 및 광로를 변환하는 복수의 거울들이 설치될 수 있는 공간이 확보되도록 설계되어야 하고, 1차결상면(109)의 광을 상기 상면(133)에 재결상시켜야 한다.

이를 위하여 상기 필드렌즈(113)는 양의 파우어를 가지며, 구면수차를 보정할 수 있도록 그 양면이 비구면으로 설계된다.

상기 결상렌즈유니트(120)는 한 쌍으로 구비되어 입사광을 집속시킴과 아울러 색수차를 보정할 수 있도록 된 양볼록렌즈(121), 양오목렌즈(123), 수차를 보정할 수 있도록 된 일매의 비구면렌즈(125) 및, 일매의 평볼록렌즈(127)를 포함한다.

상기 양볼록렌즈(121)는 예컨대, 굴절률 n₁₁= 1.620 이고, 아베수 ν₁₁= 60.3 인 크라운(crown)계열의 저굴절 저분산렌즈로 양의 파우어를 가지고, 상기 양오목렌즈(123)는 예컨대, 굴절률 n₁₂= 1.805 이고, 아베수 ν₁₂= 25.4 인 플린트(flint)계열의 고굴절 고분산렌즈로 강한 음의 파우어를 가진다. 따라서, 상기 양볼록렌즈(121) 및 양오목렌즈(123)를 투과한 광은 상기 양볼록렌즈(121)에 의해 입사광을 집속시키고, 양오목렌즈(123)의 강한 분산력으로 그 색수차가 보정된다. 상기 비구면렌즈(125)는 입사광에 포함된 구면수차등의 수차를 보정할 수 있도록 그 양면이 비구면으로 되어 있다. 상기 반사경(105), 필드렌즈(113) 및 결상렌즈유니트(120)의 비구면렌즈(125)의 비구면 계수는 상기 출사동(101)에서 출발한 광스폿의 직경이 대략 11mm 정도인 경우에도 상기 1차결상면(109) 및 상면(133)에 상이 정상적으로 결상되도록 결정된다.

여기서, 상기 1차결상면(109)과 상기 필드렌즈(113) 사이의 광로 상에는 잡광을 차단하기 위한 조리개(111)가 설치된 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 구성된 본 발명에 따른 광학계는 레트로포커스렌즈(retro-focus lens)이다. 이 레트로포커스렌즈는 상기 결상렌즈유니트(120), 필드렌즈(113) 및 반사경(105)에 의한 유효초점거리가 그 뒤초점거리 보다 작은 렌즈이다. 예컨대, 후술하는 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같은 설계 데이터를 갖는 경우, 유효초점거리가 대략 15.2mm이고, 뒷초점거리가 대략 21mm인 레트로포커스렌즈가 된다. 상기한 바와 같이 뒷초점거리를 설계함으로써, 반사형 디스플레이소자를 채용한 경우, 편광빔스프리터(또는 반투과미러)(131)의 설치 공간을 확보할 수 있다.

상기한 바와 같이 구비된 본 발명의 실시예에 따른 HMD용 광학계의 설계 및 광학적 배치 데이터의 일 예를 표 1 및 표 2에 나타내었다.

상기한 비구면렌즈들은 수학식 2로 표현되는 비구면 방정식 및 상기 표 2에 나타낸 비구면 계수에 따라 그 비구면의 곡률이 결정된다.

여기서, Z는 각 렌즈군의 광축으로부터 높이 h만큼 떨어진 위치에서의 렌즈 정점으로부터의 간격(sag)을 나타낸 값이고, c는 광축에서 렌즈의 곡률(곡률반경의 역수)이고, k는 코닉상수이고, 상수 A, B, C 및 D 각각은 각 렌즈의 비구면 계수를 나타낸다. 실질적으로 상기 코닉상수는 각 렌즈 별로 서로 다르지만, 상기 표 1 및 표 2에서는 렌즈의 정확한 설계를 위하여 코닉상수로 0.000 값을 설정한 경우를 나타낸 것이다.

	곡률반경[mm]	렌즈두께 또는 사이 간격[mm]	굴절률	아베수
물상면	R1= ∞	d1=-2000.0
출사동(2차결상면)	R2= ∞	d2= 21.0
윈도우	R3= ∞	d3= 1.0	n3= 1.516	ν3= 64.1
	R4= ∞	d4= 30.0
반사경	R5= -68.10(비구면 1)	d5= - 19.0
반투과거울	R6= ∞	d6= 15.0
1차결상면	R7= ∞	d7= 10.0
조리개	R8= ∞	d8= 62.0
필드렌즈	R9= 27.87(비구면 2)	d9= 4.0	n9= 1.492	ν9= 57.1
	R10=-353.14(비구면 3)	d10= 20.0
결상렌즈유니트	양볼록렌즈	R11= 22.51	d11= 7.2	n11= 1.620	ν11= 60.3
	양오목렌즈	R12= -30.90	d12= 1.5	n12= 1.805	ν12= 25.4
		R13= 21.45	d13= 0.3
	비구면렌즈	R14= 21.08(비구면 4)	d14= 4.0	n14= 1.492	ν14= 57.1
		R15= 181.93(비구면 5)	d15= 0.1
	평볼록렌즈	R16= 30.53	d16= 3.1	n16= 1.805	ν16= 25.4
		R17= ∞	d17= 11.5
편광빔스프리터	R18= ∞	d18= - 9.0
상면	R19= ∞	d19= 0.0

	비구면 계수
	A	B	C	D
비구면1	0.514838×10-6	-0.102077×10-8	0.288661×10-11	-0.251014×10-14
비구면2	0.154914×10-6	-0.100080×10-6	0.158783×10-8	-0.923718×10-11
비구면3	0.802451×10-5	-0.937513×10-7	0.141815×10-8	-0.871581×10-11
비구면4	0.803628×10-5	-0.638752×10-7	-0.171436×10-9	-0.624831×10-11
비구면5	0.225326×10-4	-0.245371×10-7	-0.649459×10-9	-0.491943×10-11

상기한 바와 같이, 구성된 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 아래의 효과가 있다.

첫째, 반사경을 비구면으로 하여 왜곡수차를 대략 0.6% 이내로 함으로써, 화면의 찌그러져 보이는 현상을 줄였다.

둘째, 광스폿의 직경 11mm 내의 전면적에 대해 성능이 확보됨으로써, 사용자의 동공 직경이 대략 2mm인 밝은 곳과, 동공 직경이 대략 8mm인 어두운 곳 모두에서 화면의 콘트라스트 특성을 유지할 수 있고, 눈동자의 미소 움직임에 의한 화질 노화를 방지할 수 있다.

셋째, 아이릴리프를 대략 20mm 이상 확보함으로써, 안경을 착용한 채로 시청할 수 있다.

넷째, 전체광학계를 레트로포커스렌즈로 하여 뒷초점거리를 확보함으로써, 디스플레이소자로 FLCD등의 반사형 디스플레이소자를 용이하게 채용할 수 있다.

Claims (3)

1. 디스플레이소자에서 생성된 화상을 광원에서 조사된 광에 의해 확대하여 결상시킴에 의해 영상을 제공할 수 있도록 된 두부장착용 디스플레이에 채용된 HMD용 광학계에 있어서,

   고굴절 고분산 재질로 되어 강한 음의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈와, 저굴절 저분산 재질로 되어 양의 파우어를 가지는 적어도 일매의 렌즈를 구비하여, 디스플레이소자에서 생성된 화상을 집속시키는 결상렌즈유니트와;

   양의 파우어를 가지며, 상기 결상렌즈유니트와 더불어 입사된 화상을 1차결상면에 결상시키는 필드렌즈와;

   입사광을 투과 또는 반사시켜 그 진행경로를 바꾸어주는 반투과미러와;

   상기 반투과미러에서 분기되어 입사된 광이 맺히며, 이 광을 사용자의 눈쪽으로 반사시켜 사용자의 눈의 동공으로 향하게 하는 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 결상렌즈유니트, 필드렌즈 및 반사경에 의한 유효초점거리가 그 뒷초점거리 보다 작은 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 반사경은 입사된 화상을 확대 반사시킬 수 있도록 된 오목반사경으로, 그 반사면이 비구면으로 된 것을 특징으로 하는 HMD용 광학계.