KR100354671B1 - Optical System for Head Mount Display - Google Patents

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KR100354671B1
KR100354671B1 KR1020000006528A KR20000006528A KR100354671B1 KR 100354671 B1 KR100354671 B1 KR 100354671B1 KR 1020000006528 A KR1020000006528 A KR 1020000006528A KR 20000006528 A KR20000006528 A KR 20000006528A KR 100354671 B1 KR100354671 B1 KR 100354671B1
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Abstract

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 화상을 표시하는 반사형 액정스크린과; 반사형 액정스크린의 일측에 액정스크린의 화상면과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과; 광원의 전방에 배치되어 광원의 광선을 분산 굴절시키는 조명분산부와; 조명분산부로부터 출사되는 광선을 분리하여 반사형 액정스크린의 화상면에 반사시킬 수 있도록 조명분산부의 하부에 경사지게 배치되는 편광 분할기와; 액정스크린의 화상면 전방에 배치되어 화상을 소정각도로 굴절시키는 보정렌즈와; 편광 분할기의 전방에 배치되어 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와; 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 조명프리즘과 프리즘시트 및 편광분할시트와 편광자 등을 이용하여 발광 다이오드의 광선을 최대한 활용함으로써 광효율을 높여주는 효과를 가지며, 액정 스크린과 나란하게 배치된 발광 다이오드와, 프리즘을 이용하여 액정 스크린에 조명함으로써 조명부의 높이와 시스템 전체적인 높이가 줄어들어 장치의 소형화가 가능하다. 뿐만 아니라 액정 스크린의 화면에 보정렌즈를 설치하여 화상의 광선을 사전에 굴절시킴으로써 왜곡수차가 보정되어 접안렌즈의 구성과 두께를 간략하거나 상기 접안렌즈와 액정스크린의 간격을 조절할 수 있는 등, 시스템을 슬림화할 수 있는 장점을 갖는다.The present invention relates to a head mounted display system. The present invention provides a reflective liquid crystal display for displaying an image; A light source disposed on one side of the reflective liquid crystal screen so as to face the same direction as the image plane of the liquid crystal screen; An illumination dispersing unit disposed in front of the light source to disperse and refract light rays of the light source; A polarization splitter disposed to be inclined at a lower portion of the illumination scattering unit so as to separate the light rays emitted from the illumination scattering unit and reflect the light rays to the image surface of the reflective liquid crystal screen; A correction lens disposed in front of the image plane of the liquid crystal screen and refracting the image at a predetermined angle; An eyepiece disposed in front of the polarization splitter to enlarge an image of the liquid crystal screen; And a protective goggle disposed in front of the eyepiece. The present invention has the effect of enhancing the light efficiency by maximizing the light of the light emitting diode using an illumination prism, a prism sheet, a polarization splitting sheet, a polarizer, and the like, and using a light emitting diode arranged in parallel with a liquid crystal screen and a prism By illuminating the LCD screen, the height of the lighting unit and the overall height of the system can be reduced, thereby miniaturizing the device. In addition, by installing a correction lens on the screen of the liquid crystal screen to pre-refract the light rays of the image, distortion aberration is corrected, so that the configuration and thickness of the eyepiece can be simplified or the distance between the eyepiece and the liquid crystal screen can be adjusted. It has the advantage of being slim.

Description

헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템{Optical System for Head Mount Display}Optical System for Head Mount Display

본 발명은 두 눈에 근접하는 액정 스크린을 통하여 입체영상을 볼 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것으로, 특히, 화상의 해상도를 높여주면서 눈의 이동에 따른 왜곡현상을 최소화시킬 수 있음은 물론 장치를 크게하지 않고서도 화상의 크기를 확대시킬수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a head mounted display configured to view a stereoscopic image through a liquid crystal screen close to two eyes, and in particular, to increase the resolution of the image while minimizing distortion caused by the movement of the eyes as well as the device. An optical system for a head mounted display that can enlarge the size of an image without making it large.

잘 알려진 바와 같이 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display)는 내장된 액정 스크린과 얼굴의 움직임을 검출하는 각종 센서들을 통하여 착용자로 하여금 가상의 공간내에 있는 듯한 느낌을 줄 수 있도록 구성되는 장치이다.As is well known, a head mount display is a device configured to give a wearer a feeling of being in a virtual space through a built-in liquid crystal screen and various sensors for detecting a movement of a face.

이러한 헤드 마운트 디스플레이는 오락용 게임시, 현실감 있는 가상 공간을 제공할 뿐만 아니라 작업자의 선택에 따라 다양한 가상 환경을 임의로 설정 할 수 있도록 구성하여 건축 및 인테리어 등과 같은 여러 산업 분야에서 다양한 실시예를 사전에 적용해 볼 수 있도록 구성하였다. 특히, 최근에는 인체의 움직임을 감지할 수 있는 보디 슈트(body suit) 등과 같이 다양한 인터페이스와 헤드 마운트 디스플레이를 조합시킴으로써, 현실감과 생동감이 더욱 향상된 가상 현실 시스템(VR system)이 개발되어 사용되고 있다.The head mounted display not only provides a realistic virtual space for entertainment games, but also can be configured to arbitrarily set various virtual environments according to the operator's choice, so that various embodiments in various industries, such as architecture and interior, are preliminary. It is configured to be applied. In particular, in recent years, by combining a variety of interfaces and head-mounted display, such as a body suit that can detect the movement of the human body, a virtual reality system (VR system) has been developed and used to further improve the realism and liveliness.

한편, 이와 같은 헤드 마운트 디스플레이는 액정 스크린과 조명장치 및 렌즈 등으로 이루어진 광학 시스템이 제공된다. 이 광학 시스템은 액정 스크린에 화상을 나타나도록 하는 것으로, 구성요소의 배치구조에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 그 일례로서 도 1과 도 2에는 일반적으로 사용되는 광학 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 이를 살펴보면, 먼저 도 1의 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(1)의 후방으로 액정 스크린(1)의 광원이 되는 조명장치(2)가 배치되며, 액정 스크린(1)의 전방으로는 접안렌즈(3)가 배치되는 구성을 갖는다.On the other hand, such a head mounted display is provided with an optical system consisting of a liquid crystal screen, a lighting device and a lens. This optical system allows an image to appear on a liquid crystal screen, and can be configured in various ways depending on the arrangement of the components. As an example, generally used optical systems are schematically illustrated in FIGS. 1 and 2. Referring to this, first, in the optical system of FIG. 1, an illuminating device 2 serving as a light source of the liquid crystal screen 1 is disposed behind the liquid crystal screen 1 representing an image, and the eyepiece is located in front of the liquid crystal screen 1. (3) is arranged.

그리고 도 2의 광학 시스템은 하방을 향하도록 액정 스크린(1)을 수평으로 배치하고, 액정 스크린(1)의 수직하방에는 편광 분할기(Polarized Beam Splitter:4)를 대략 45°각도로 배치하며, 편광 분할기(4)의 후방으로는 액정 스크린(1)의 화상을 확대하여 반사시키는 오목반사거울(5)이 배치된 구성을 갖는다. 조명장치(2)는 도 1과 마찬가지로 액정 스크린(1)의 후방에 배치된다. 여기서, 상기 도 1과 도 2에서의 액정 스크린(1)은 투과형 액정으로서, 후방에 배치되는 조명장치(2)를 광원으로하여 화상을 나타내도록 구성된다.In the optical system of FIG. 2, the liquid crystal screen 1 is disposed horizontally to face downward, and the polarized beam splitter 4 is disposed at an angle of about 45 ° below the vertical direction of the liquid crystal screen 1. At the rear of the divider 4, a concave reflection mirror 5 for enlarging and reflecting the image of the liquid crystal screen 1 is arranged. The lighting device 2 is arranged behind the liquid crystal screen 1 as in FIG. 1. Here, the liquid crystal screen 1 in Figs. 1 and 2 is a transmissive liquid crystal, and is configured to display an image using the illuminating device 2 disposed behind as a light source.

그러나 이와 같은 구성을 갖는 종래의 광학 시스템은 그 구성이 간단하여 장치를 슬림화, 소형화 할 수 있다는 장점은 가지고 있으나, 상술한 바와 같이 고가인 투과형 액정 스크린(1)을 사용해야 하므로 제작비용이 상승되는 단점이 있었다. 또한, 상기 투과형 액정 스크린(1) 후면의 전반에 걸쳐 광원을 제공해야 하므로 광효율이 떨어지는 단점도 있었던 것이다. 특히, 도 2의 광학 시스템은 편광 분할기(4)를 사용하여 화상의 선명도를 높인다는 것에 있어서는 도 1의 광학 시스템보다 뛰어난 효과를 발휘하지만 오목반사거울(5)에 관람자 자신의 눈형상이 비추어져 보인다는 문제점이 있었다.However, the conventional optical system having such a configuration has the advantage that the configuration is simple and the device can be made slimmer and compact. However, as described above, an expensive transmissive liquid crystal screen 1 must be used. There was this. In addition, since the light source must be provided over the entire back surface of the transmissive liquid crystal screen 1, there was a disadvantage in that the light efficiency was lowered. In particular, the optical system of FIG. 2 has a superior effect than the optical system of FIG. 1 in using the polarization splitter 4 to increase the sharpness of the image, but the eye shape of the viewer is reflected on the concave reflection mirror 5. There seemed to be a problem.

도 3에는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른예가 도시되어 있다. 이에 따르면, 다른예의 광학 시스템은 액정 스크린(6)을 수직으로 배치하고, 액정 스크린(6)의 전방으로는 접안렌즈(7)를 배치하며, 액정스크린(6)과 접안렌즈(7)사이에는 상기 액정 스크린(6)을 향하여 대략 45°각도로 하향하는 편광 분할기(8)가 배치되는 구성을 갖는다. 여기서, 액정 스크린(6)은 반사형 액정으로서, 전방 상부에 배치되는 조명장치(9)의 빛을 편광 분할기(8)를 통하여 전달받아 화상을 나타내도록 구성된다.3 shows another example of an optical system for a head mounted display. According to this, the optical system of another example arranges the liquid crystal screen 6 vertically, the eyepiece 7 is disposed in front of the liquid crystal screen 6, and between the liquid crystal screen 6 and the eyepiece 7. The polarization splitter 8 is disposed at an angle of approximately 45 ° toward the liquid crystal screen 6. Here, the liquid crystal screen 6 is a reflection type liquid crystal, and is configured to receive an image of the illumination device 9 disposed on the front side through the polarization splitter 8.

한편, 도 3의 광학 시스템은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는 반사형 액정을 사용함으로써 제작비용이 감소되며 광효율이 좋아진다는 장점이 있었다. 그러나 조명장치(9)와 편광 분할기(8)의 설치공간을 확보해야하는 등 상대적으로 장치의 크기가 도 1과 도 2의 광학 시스템에 비해 커지는 단점이 있었다. 특히, 도 3의 광학 시스템의 접안렌즈는 2m의 거리에서 40인치의 화면을 보는 것과 같은 효과를 나타내기 위하여 두껍게 구성되는 바, 상대적으로 접안렌즈와 동공의 거리인 출사동거리(eye relief)가 짧아지고, 눈의 동공에 놓인 출사동경의 크기가 작아져 눈을 조금만 움직여도 주변부의 화상이 보이지 않게 되는 단점이 있었던 것이다.On the other hand, the optical system of Figure 3 has the advantage that the production cost is reduced and the light efficiency is improved by using a reflective liquid crystal having a low cost and a high pixel. However, there is a disadvantage that the size of the device is relatively larger than that of the optical system of FIGS. 1 and 2, such as the installation space of the lighting device 9 and the polarization splitter 8 must be secured. In particular, the eyepiece of the optical system of FIG. 3 is thickly configured to produce an effect such as viewing a 40-inch screen at a distance of 2m. The eye relief, which is a distance between the eyepiece and the pupil, is relatively high. The shortening, the size of the exit mirror placed in the pupil of the eye is small, there is a disadvantage that the image of the peripheral area is not visible even with a slight movement of the eye.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 눈의 이동에 따른 왜곡현상을 최소화시키고, 화상의 해상도를 높여주어 착용자에게 최상의 화상을 제공할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, the object of which is to minimize the distortion caused by the movement of the eyes, and to enhance the resolution of the image to provide the best image for the head-mounted display wearer To provide a system.

도 1은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,1 is a view schematically showing the configuration of a conventional optical system for a head mounted display,

도 2와 도 3은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른예를 개략적으로 나타내는 도면,2 and 3 schematically show another example of a conventional optical system for a head mounted display,

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 배치를 개략적으로 나타내는 도면,4 schematically shows the configuration and arrangement of an optical system for a head mounted display according to the invention,

도 5는 본 발명에 따른 광학 시스템의 조명분산부의 다른 실시예를 나타내는 도면,5 shows another embodiment of an illumination dispersing part of the optical system according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 광학 시스템의 보정렌즈의 다른 실시예를 나타내는 도면,6 shows another embodiment of a correcting lens of the optical system according to the present invention;

도 7은 본 발명의 광학 시스템이 헤드 마운트 디스플레이에 설치됨을 보여주는 헤드 마운트 디스플레이의 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view of a head mounted display showing that the optical system of the present invention is installed in a head mounted display.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣♣ Explanation of symbols for the main parts of the drawing ♣

10: 액정 스크린 20: 조명부10: liquid crystal screen 20: lighting unit

22: 발광 다이오드 30: 조명분산부22: light emitting diode 30: lighting dispersion unit

31: 조명프리즘 32: 반사시트31: Lighting prism 32: Reflective sheet

33: 제 1프리즘시트 34: 제 2프리즘시트33: first prism sheet 34: second prism sheet

35: 편광자 36: 제 1편광분할시트35: polarizer 36: first polarization split sheet

37: 제 2편광분할시트 40: 편광 분할기37: second polarization split sheet 40: polarization splitter

50: 접안렌즈 52: 볼록렌즈50: eyepiece 52: convex lens

54: 오목렌즈 60: 보호경54: concave lens 60: protective glasses

70: 볼록보정렌즈 72: 오목보정렌즈70: convex correction lens 72: concave correction lens

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입체영상을 보기 위한 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 화상을 표시하는 반사형 액정스크린과; 상기 반사형 액정스크린의 일측에 상기 액정스크린의 화상면과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과; 상기 광원의 전방에 배치되어 상기 광원의 광선을 분산 굴절시키는 조명분산부와; 상기 조명분산부로부터 출사되는 광선을 분리하여 상기 반사형 액정스크린의 화상면에 반사시킬 수 있도록 상기 조명분산부의 하부에 경사지게 배치되는 편광 분할기와; 상기 액정스크린의 화상면 전방에 배치되어 화상을 소정각도로 굴절시키는 보정렌즈와; 상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와; 상기 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a head mounted display for viewing a stereoscopic image, comprising: a reflective liquid crystal screen displaying an image; A light source disposed on one side of the reflective liquid crystal screen so as to face the same direction as the image plane of the liquid crystal screen; An illumination dispersing unit disposed in front of the light source to disperse and refract light rays of the light source; A polarization splitter disposed to be inclined at a lower portion of the illumination dispersing unit so as to separate light rays emitted from the illumination dispersing unit and reflect the light rays to the image surface of the reflective liquid crystal screen; A correction lens disposed in front of the image surface of the liquid crystal screen and refracting the image at a predetermined angle; An eyepiece disposed in front of the polarization splitter to enlarge an image of the liquid crystal screen; Characterized in that the protective glasses disposed in front of the eyepiece.

이하, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the optical system for head mounted display according to the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 그 배치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 광학 시스템의 조명분산부의 다른 실시예를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 광학 시스템의보정렌즈의 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(10)이 수직하게 배치된다. 이 액정 스크린(10)은 반사형 액정으로서, 전방에서 조사되는 조명을 광원으로하여 화상을 나타낸다.4 is a view schematically showing a configuration and arrangement of an optical system for a head mounted display according to the present invention, FIG. 5 is a view showing another embodiment of an illumination dispersing unit of the optical system according to the present invention, and FIG. Fig. 2 shows another embodiment of the correction lens of the optical system according to the invention. First, as shown in Fig. 4, in the optical system for head mounted display according to the present invention, the liquid crystal screen 10 representing an image is disposed vertically. This liquid crystal screen 10 is a reflection type liquid crystal and displays an image using the illumination irradiated from the front as a light source.

그리고 액정 스크린(10)의 상부에는 상기 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 조명부(20)와, 조명부(20)의 광선을 분산시키면서 굴절시키는 조명분산부(30)가 배치된다. 상세하게 살펴보면, 조명부(20)는 발광 다이오드(22)로서, 액정 스크린(10)의 수직 상방에서 상기 액정 스크린(10)의 화상면과 동일한 방향을 향하도록 배치되어 광원을 제공한다.In addition, an upper portion of the liquid crystal screen 10 includes an illumination unit 20 for providing a light source to the liquid crystal screen 10, and an illumination dispersion unit 30 that refracts while dispersing light rays of the illumination unit 20. In detail, the lighting unit 20 is a light emitting diode 22 and is disposed to face in the same direction as the image plane of the liquid crystal screen 10 above the liquid crystal screen 10 to provide a light source.

또한, 조명분산부(30)는 발광 다이오드(22)의 전방에 배치되어 발광 다이오드(22)으로부터 조사되는 광선을 분산시키면서 굴절시켜 액정 스크린(10)에 도달하도록 하는 것으로, 조명프리즘(31)을 갖는다. 조명프리즘(31)은 발광 다이오드(22)에서 조사되는 광선을 분산시키는 역할을 하는 것이며, 그 상면에 반사시트(32)가 배치된다. 반사시트(32)는 상기 조명프리즘(31)에 의해 굴절되지 않고 투과하는 광선을 재(再)반사시킨다. 그리고 조명프리즘(31)의 하부에는 조명프리즘(31)에 의해 굴절된 광선을 집광시키는 제 1프리즘시트(33) 및 제 2프리즘시트(34)와, 제 1프리즘시트(33)와 제 2프리즘시트(34)를 통하여 재출사된 광선을 편광시키는 편광자(35)가 차례로 배치된다. 여기서, 제 1프리즘시트(33)와 제 2프리즘시트(34)는 반사시트(32)에서 확산되어 나오는 빛을 대략, 70°각도로 집광시켜서 상기 액정스크린(10)에 조사하는 역할을 하며, 상기 편광자(35)는 후술하는 편광 분할기(40)의 편광 성능이 다소 떨어져 화상의 명암대비를 저하시키므로 편광분할기(40)에 앞서 설치되어 광선의 명암대비를 조절하는, 편광 분할기(40)의 보조적인 역할을 수행한다.In addition, the illumination dispersing unit 30 is disposed in front of the light emitting diode 22 to be refracted while reaching the liquid crystal screen 10 while dispersing the light rays emitted from the light emitting diode 22, thereby the illumination prism 31 Have The illumination prism 31 serves to disperse the light rays emitted from the light emitting diodes 22, and the reflective sheet 32 is disposed on the upper surface thereof. The reflective sheet 32 reflects back the light transmitted through the illumination prism 31 without being refracted. The first prism sheet 33 and the second prism sheet 34 for condensing the light beams refracted by the illumination prism 31 and the first prism sheet 33 and the second prism are disposed under the illumination prism 31. Polarizers 35 that polarize the light re-emitted through the sheet 34 are sequentially arranged. Here, the first prism sheet 33 and the second prism sheet 34 serves to condense the light diffused from the reflective sheet 32 at an angle of about 70 ° to irradiate the liquid crystal screen 10. The polarizer 35 is slightly lower in polarization performance of the polarization splitter 40 to be described later to reduce the contrast of the image is installed in advance of the polarization splitter 40 to adjust the contrast of the light beam, the polarization splitter 40 Play a role

한편, 도 5에는 조명분산부(30)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이에 따르면, 다른 실시예의 조명분산부(30)는 상술한 편광자(35)를 대신하여 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)이 배치됨을 알 수 있다. 이 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)는 상술한 편광자(35)와 같이 화상의 명암대비를 조절하는 역할을 수행함과 아울러 화상의 밝기도 조절하는 역할을 동시에 수행한다. 이는 상술한 편광자(35)는 제 1프리즘시트(33)과 제 2프리즘시트(34)을 통하여 재출사된 광선을 약, 40%정도만 투과시키는 반면, 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)는 상기 제 1프리즘시트(33)과 제 2프리즘시트(34)의 광선을 약, 60%까지 투과시키기 때문이다. 따라서, 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)는 화상의 콘트라스트 즉, 밝기를 조절하는 기능을 명암대비 조절기능과 동시에 갖출 수 있는 것이다.Meanwhile, FIG. 5 shows another embodiment of the illumination dispersing unit 30. Accordingly, it can be seen that the illumination dispersing unit 30 according to another embodiment may include the first polarization split sheet 36 and the second polarization split sheet 37 in place of the polarizer 35 described above. The first polarization splitting sheet 36 and the second polarization splitting sheet 37 adjust the contrast of the image as well as the brightness of the image at the same time as the polarizer 35 described above. . This is because the above-mentioned polarizer 35 transmits only about 40% of the light emitted again through the first prism sheet 33 and the second prism sheet 34, whereas the first polarization split sheet 36 and the second This is because the polarization split sheet 37 transmits about 60% of the light rays of the first prism sheet 33 and the second prism sheet 34. Therefore, the first polarization splitting sheet 36 and the second polarization splitting sheet 37 can be equipped with the function of adjusting the contrast, that is, the brightness of the image, together with the contrast adjustment function.

다시, 도 4를 보면, 액정 스크린(10)의 전방에는 상기 액정 스크린(10)으로 대략 45°각도로 하향하는 편광 분할기(40)가 배치된다. 이 편광 분할기(40)는 편광자(35)를 통하여 출사되는 직선편광속을 분리하여 액정 스크린(10)으로 반사시킨다. 그리고 편광 분할기(40)의 전방으로는 액정 스크린(10)의 화상을 확대시키는 접안렌즈(50)가 설치된다.Referring again to FIG. 4, in front of the liquid crystal screen 10, a polarization splitter 40 is disposed downwardly at an approximately 45 ° angle to the liquid crystal screen 10. The polarization splitter 40 separates the linearly polarized light emitted through the polarizer 35 and reflects it to the liquid crystal screen 10. And in front of the polarization splitter 40, an eyepiece 50 for enlarging an image of the liquid crystal screen 10 is provided.

접안렌즈(50)는 도 4에서 보는 바와 같이 색에 따라 각각 다른 지점에 상이 맺히는 색수차가 발생하지 않도록 볼록렌즈(52)와 오목렌즈(54)를 접합시킨 복합렌즈이다. 그리고 복합렌즈중 마지막렌즈는 비구면으로하여 화상의 해상력을 높여주면서 중심으로부터 멀어질수록 화상이 일그러지는 왜곡수차를 보정하도록 하였다. 특히, 고차비구면 계수를 사용하지 않고 원추상수만 사용하여 눈의 이동에 따른 왜곡수차를 최소화 하였다. 참고로, 비구면은 하나 이상의 면에 비구면을 형성한 것으로, 적은 면수로 필요한 수차보정 상태를 달성하기 위하여 사용된다. 이러한 접안렌즈(50)는 오목렌즈(54)가 착용자의 눈에, 볼록렌즈(52)가 액정 스크린(10)을 향하도록 배치되어 액정 스크린(10) 방향의 초점을 길게하는 역초점(retro-focus)형태를 취함으로써 편광 분할기(40)의 설치공간을 충분히 확보하도록 구성된다.The eyepiece 50 is a composite lens in which the convex lens 52 and the concave lens 54 are bonded to each other so that chromatic aberration, which forms an image at different points according to colors, does not occur as shown in FIG. 4. The last lens of the composite lens is an aspherical surface, which improves the resolution of the image while correcting the distortion aberration as the image gets farther from the center. In particular, only the conical constant is used without using higher order aspheric coefficients to minimize the distortion aberration caused by eye movement. For reference, an aspherical surface is formed on at least one surface, and is used to achieve a necessary aberration correction state with a small number of surfaces. The eyepiece 50 includes a concave lens 54 arranged in the wearer's eyes and a convex lens 52 facing the liquid crystal screen 10 to extend the focus in the liquid crystal screen 10 direction. It is configured to sufficiently secure the installation space of the polarization splitter 40 by taking the form).

이와 같은 구성을 갖는 접안렌즈(50)는 상기 액정 스크린(10)을 대략 2m의 거리에서 44inch의 화상을 보는 것은 같이 효과를 나타낸다. 특히, 이중복합렌즈인 접안렌즈(50)는 출사동거리(eye relief)를 길어지게 하고, 출사동경의 크기를 커지게하여 착용자가 눈을 움직여도 주변부의 화상이 정확히 보이도록 한다. 또한, 이중접합렌즈인 상기 접안렌즈(50)는 상기 렌즈를 비스듬히 통과하는 비축광선으로 인하여 화상의 가장자리의 밝기가 중심부에 비해 떨어지는 구경식(口經食: vignetting)이 거의 없도록 한다.In the eyepiece 50 having such a configuration, viewing the 44-inch image with the liquid crystal screen 10 at a distance of approximately 2 m has the same effect. In particular, the eyepiece 50, which is a double compound lens, lengthens the eye relief and increases the size of the exit pupil so that the image of the periphery can be seen accurately even if the wearer moves his eyes. In addition, the eyepiece 50, which is a bi-junction lens, has almost no vignetting that the brightness of the edge of the image is lower than that of the center due to the non-axis beam passing obliquely through the lens.

그리고 접안렌즈(50)의 전방으로는 보호경(60)을 배치하며, 이 보호경(60)은 접안렌즈(50)의 상부에서 반사되는 광선, 즉 상부의 조명부(20)로부터 새어나온 발광다이오드(22)의 광선이 착용자의 눈에 직접 비춰지는 것을 차단하여 눈부심 현상을 방지하는 역할을 한다. 특히, 보호경(60)은 액정 스크린(10)으로부터 방사되는 눈에 유해한 자외선과 강한 가시광선의 조절하며, 난반사를 바로잡아줌으로써 착용자로 하여금 부드럽고 선명한 화면을 볼 수 있으며, 눈의 피로를 덜어줄 수 있게 하는 역할을 한다. 이러한 보호경(60)은 편광필름과, 자외선 차단필름, PMMA 필름 등이 코팅되어 있음은 물론이다.The eyepiece 50 is disposed in front of the eyepiece 50, and the eyeglass 60 is a light beam reflected from an upper portion of the eyepiece 50, that is, a light emitting diode leaked from the upper lighting unit 20. The light beam of (22) is prevented from shining directly on the wearer's eyes to prevent glare. In particular, the protective glasses 60 controls the ultraviolet rays and strong visible light harmful to the eyes emitted from the liquid crystal screen 10, and by correcting the diffuse reflection allows the wearer to see a soft and clear screen, can reduce eye fatigue Play a role. The protective glasses 60 is coated with a polarizing film, a UV blocking film, a PMMA film, and the like.

한편, 도 4와 도 6에서 보는 바와 같이 액정 스크린(10)의 전방에는 화상면에 근접하도록 보정렌즈(70,72)가 배치된다. 이 보정렌즈(70,72)는 화상의 광선이 접안렌즈(50)로 입사되기전에 미리 소정각으로 굴절시켜줌으로써, 접안렌즈(50)를 통과한 화상의 광선이 광축으로부터 떨어지거나 가까워짐에 따라 발생하는 실패형 왜곡수차와, 통형 왜곡수차를 사전에 방지하도록 하였다. 이는 화상의 왜곡수차를 더욱 감소시켜 접안렌즈(50)의 두께를 얇게 할 수 있도록 하면서 복합렌즈인 접안렌즈(50)의 구성을 더욱 간단하게 할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 화상의 광선을 사전에 굴절시켜줌으로써, 접안렌즈(50)와 액정 스크린(10)의 간격을 좁힐 수 있게하여 시스템의 슬림화를 실현할 수 있도록 한다.Meanwhile, as shown in FIGS. 4 and 6, correction lenses 70 and 72 are disposed in front of the liquid crystal screen 10 to approach the image plane. The correction lenses 70 and 72 are refracted at a predetermined angle before the light beam of the image is incident on the eyepiece 50, so that the light of the image passing through the eyepiece 50 falls or approaches the optical axis. Failure type distortion aberration and cylindrical distortion aberration are prevented in advance. This makes it possible to further reduce the distortion aberration of the image to make the eyepiece 50 thinner, and to simplify the construction of the eyepiece 50, which is a composite lens. In addition, by refraction of the light rays of the image in advance, it is possible to narrow the gap between the eyepiece 50 and the liquid crystal screen 10 to realize a slimmer system.

여기서, 도 4는 볼록보정렌즈(70)를 이용하여 화상의 광선을 굴절시킴으로써, 화상의 광선이 광축으로부터 가까워짐에 따라 발생하는 통형 왜곡수차를 방지하도록 한 도면이며, 도 6은 오목보정렌즈(72)를 이용하여 화상의 광선을 굴절시킴으로써, 화상의 광선이 광축으로부터 떨어짐에 따라 발생하는 실패형 왜곡수차를 방지하도록 한 도면이다. 그리고 도시하지는 않았지만 비구면을 갖는 보정렌즈를 이용하여 통형 및 실패형 왜곡수차를 방지할 수도 있다. 한편, 접안렌즈(50)의 특성에 알맞게 볼록보정렌즈(70), 오목보정렌즈(72) 또는 비구면보정렌즈들중 어느 하나를 적절하게 선택하여 배치하도록 한다.Here, FIG. 4 is a view to prevent the cylindrical distortion aberration generated as the light rays of the image come closer to the optical axis by refracting the light rays of the image using the convex correction lens 70. FIG. By refracting the light rays of the image by using a), it is a view to prevent the failure-type distortion aberration that occurs when the light rays of the image fall from the optical axis. Although not shown, a cylindrical and failed distortion aberration can be prevented by using a correction lens having an aspherical surface. Meanwhile, any one of the convex correction lens 70, the concave correction lens 72 or the aspherical correction lens is appropriately selected and disposed according to the characteristics of the eyepiece 50.

한편, 이와 같은 구성에 의해 상기 액정 스크린(10)에 신호가 가해진 상태에서 발광 다이오드(22)에서 광선이 발생되면, 이 광선은 조명프리즘(31)을 통하여 직각으로 굴절되면서 분산되어 편광 분할기(40)로 조사된다. 이때, 조명프리즘(31)을 투과하여 직진되는 광선은 반사시트(32)에 의해 반사되어 편광 분할기(40)로 조사되며, 조명프리즘(31)에 의해 직각으로 굴절된 광선은 제 1프리즘시트(33)와 제2프리즘시트(34)와 편광자(35) 또는 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)를 통하여 집광되면서 그 명암과 밝기가 조절된다. 그리고 제 1프리즘시트(33)와 제 2프리즘시트(34)와 편광자(35) 또는 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)확산시트(25)를 통과한 광선은 다시 편광 분할기(40)를 통과하면서 분리되어 액정 스크린(10)에 반사되는 것이다.On the other hand, when the light is generated in the light emitting diodes 22 in the state that the signal is applied to the liquid crystal screen 10 by this configuration, the light is refracted at right angles through the illumination prism 31 to be dispersed and polarized light splitter 40 Is investigated. In this case, the light beams passing through the illumination prism 31 and going straight are reflected by the reflecting sheet 32 and irradiated to the polarization splitter 40, and the light rays refracted at right angles by the illumination prism 31 are first prism sheets ( 33) and the second prism sheet 34 and the polarizer 35 or the first polarization splitting sheet 36 and the second polarization splitting sheet 37 while condensing the brightness and brightness is adjusted. The light beams passing through the first prism sheet 33, the second prism sheet 34, the polarizer 35, or the first polarization split sheet 36 and the second polarization split sheet 37 and the diffusion sheet 25 are again It is separated while passing through the polarization splitter 40 and reflected on the liquid crystal screen 10.

그리고 이와 같은 광선을 광원으로하여 액정 스크린(10)은 화상을 나타내며, 헤드 마운트 디스플레이 착용자는 접안렌즈(50)를 통하여 상기 액정 스크린(10)의 화상을 관람할 수 있는 것이다. 이때, 액정 스크린(10)의 화상은 접안렌즈(50)에 의해 대략 2m의 거리에서 44inch의 화상을 보는 것은 같이 크게 확대된다. 특히, 이중접합렌즈인 접안렌즈(50)에 의해 출사동거리가 길어지고 출사동경이 커져 착용자가 보다 안정된 상태에서 액정 스크린(10)의 화상을 관람할 수 있도록 한다. 또한, 보정렌즈(70,72)에 의해 화상의 해상도가 높아지고 왜곡수차가 보정되는 등, 헤드 마운트 디스플레이 착용자는 보다 선명하고 또렷해진 화상을 볼 수 있는 것이다.The liquid crystal screen 10 displays the image using the light beam as a light source, and the head mounted display wearer can view the image of the liquid crystal screen 10 through the eyepiece 50. At this time, the image of the liquid crystal screen 10 is greatly enlarged by viewing the 44-inch image at a distance of approximately 2 m by the eyepiece 50. In particular, the exit pupil distance is increased and the exit pupil is enlarged by the eyepiece 50, which is a bi-junction lens, so that the wearer can view the image of the liquid crystal screen 10 in a more stable state. In addition, the wearer of the head mounted display can see a sharper and clearer image such as the resolution of the image is increased and the distortion aberration is corrected by the correction lenses 70 and 72.

한편, 도 7에서는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 광학 시스템이 헤드 마운트 디스플레이에 설치되는 것을 나타내고 있다. 이를 간략하게 살펴보면, 헤드 마운트 디스플레이의 하우징(80)에는 한쌍의 경통(82)이 설치된다(도 7에서는 어느 한쪽의 경통만을 절취하여 도시하였다.). 그리고 경통(82)에는 상술한 광학 시스템이 설치된다.7 shows that the optical system of the present invention having such a configuration is provided in the head mounted display. Briefly, the housing 80 of the head mounted display is provided with a pair of barrels 82 (only one of the barrels is cut out and shown in FIG. 7). The barrel 82 is provided with the above-described optical system.

즉, 경통(82)은 전방이 트인 제 1설치공간(84)과, 제 1설치공간(84)의 상부에 제 1설치공간(84)과 트이도록 형성되는 제 2설치공간(85)을 갖는다. 제 1설치공간(84)의 후방에는 화상을 나타내는 액정 스크린(10)이 설치되며, 액정 스크린(10)의 전면에는 보정렌즈(70)가 설치된다. 아울러 제 1설치공간(84)의 트인 전방에는 액정 스크린(10)의 화상을 확대시키는 접안렌즈(50)가 설치됨을 알 수 있다. 그리고 액정 스크린(10)과 접안렌즈(50)사이에는 편광 분할기(40)가 액정 스크린(10)으로 하향하도록 대략 45°각도를 이루며 설치된다.That is, the barrel 82 has a first installation space 84 having a front opening, and a second installation space 85 formed so as to open with the first installation space 84 above the first installation space 84. . A liquid crystal screen 10 for displaying an image is installed behind the first installation space 84, and a correction lens 70 is installed on the front surface of the liquid crystal screen 10. In addition, it can be seen that the eyepiece 50 for enlarging an image of the liquid crystal screen 10 is installed in front of the first installation space 84. In addition, a polarization splitter 40 is disposed at an angle of about 45 ° between the liquid crystal screen 10 and the eyepiece 50 so that the polarization splitter 40 moves downward toward the liquid crystal screen 10.

한편, 경통(82)의 제 2설치공간(85)에는 조명부(20)와 조명분산부(30)가 설치됨을 알 수 있다. 즉, 제 2설치공간(85)의 후방에는 액정 스크린(10)의 광원이 되는 조명부(20)의 발광 다이오드(22)가 상기 액정 스크린(10)과 나란하도록 설치되며, 발광 다이오드(22)의 전방으로는 발광 다이오드(22)의 광선을 직각으로 굴절시키는 조명분산부(30)의 조명프리즘(31)이 설치된다. 조명프리즘(31)의 상면에는 반사시트(24)가 배치되며, 조명프리즘(23)의 밑면으로는 제 1프리즘시트(33)와 제 2프리즘시트(34)와 편광자(35)가 차례로 설치된다. 여기서, 편광자(35)를 대신하여 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37)를 설치할 수도 있다. 한편, 접안렌즈(50) 전방의 하우징(80)에는 보호경(60)이 설치되며, 경통(82)의 후면에는 상기 액정 스크린(10)과 발광 다이오드(22)를 제어하는 인쇄회로기판(P)이 설치됨을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the lighting unit 20 and the lighting dispersion unit 30 are installed in the second installation space 85 of the barrel 82. That is, the light emitting diode 22 of the lighting unit 20, which is a light source of the liquid crystal screen 10, is installed to be parallel to the liquid crystal screen 10 at the rear of the second installation space 85. In the front, the illumination prism 31 of the illumination dispersion part 30 which refracts the light ray of the light emitting diode 22 at right angles is provided. The reflective sheet 24 is disposed on the top surface of the illumination prism 31, and the first prism sheet 33, the second prism sheet 34, and the polarizer 35 are sequentially installed on the bottom surface of the illumination prism 23. . Here, the first polarization split sheet 36 and the second polarization split sheet 37 may be provided in place of the polarizer 35. On the other hand, the protective lens 60 is installed in the housing 80 in front of the eyepiece 50, the printed circuit board (P) for controlling the liquid crystal screen 10 and the light emitting diode (22) on the rear surface of the barrel (82). You can see that) is installed.

이상에서와 같이 본 발명의 광학 시스템은 헤드 마운트 디스플레이의 하우징(80)에 배치되어 착용자에게 최상의 화상을 제공한다. 특히, 도면에서 볼 수 있듯이 조명부(20)가 액정 스크린(10)과 나란하게 배치되고, 그 높이가 낮게 구성되기 때문에 헤드 마운트 디스플레이의 전체적인 높이가 줄어듬을 알 수 있다. 이는 조명프리즘(31)과 제 1프리즘시트(33)와 제 2프리즘시트(34)와 편광자(35) 또는 편광자(35)를 대신하여 제 1편광분할시트(36)와 제 2편광분할시트(37) 등을 이용하여 발광 다이오드(22)의 광선을 최대한 활용함으로써 실현가능한 것이다. 또한, 액정 스크린(10)의 화면에 보정렌즈(70)를 설치함으로써 왜곡수차가 보정되어 시스템을 슬림화할 수 있는 장점도 갖는다.As described above, the optical system of the present invention is disposed in the housing 80 of the head mounted display to provide the best image to the wearer. In particular, as can be seen in the figure, since the lighting unit 20 is disposed in parallel with the liquid crystal screen 10 and its height is configured to be low, the overall height of the head mounted display is reduced. The first polarization split sheet 36 and the second polarization split sheet (instead of the illumination prism 31, the first prism sheet 33, the second prism sheet 34, the polarizer 35, or the polarizer 35) 37) and the like, the light emitting diode 22 can be utilized to the maximum. In addition, by providing the correction lens 70 on the screen of the liquid crystal screen 10, the distortion aberration is corrected has the advantage that the system can be made slim.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 조명프리즘과 반사시트와 프리즘시트 및 편광분할시트와 편광자 등을 이용하여 발광 다이오드의 광선을 최대한 활용함으로써 광효율을 높여주는 효과를 갖는다.As described above, the optical system for a head mounted display according to the present invention has the effect of increasing the light efficiency by utilizing the light of the light emitting diode to the maximum by using an illumination prism, a reflection sheet, a prism sheet, a polarization splitting sheet, and a polarizer.

또한, 액정 스크린과 나란하게 배치된 발광 다이오드와, 프리즘을 이용하여 액정 스크린에 조명함으로써 조명부의 높이와 시스템 전체적인 높이가 줄어들어 장치의 소형화가 가능하다.In addition, by illuminating the liquid crystal screen using a light emitting diode and a prism arranged in parallel with the liquid crystal screen, the height of the lighting unit and the overall height of the system are reduced, thereby miniaturizing the device.

또한, 비구면을 갖는 이중접합렌즈를 이용함으로써 화상의 해상도가 높아지고, 왜곡수차가 보정되어 착용자에게 보다 선명하고 또렷한 화상을 제공하는 효과를 갖는다.In addition, the use of the bi-junction lens having an aspherical surface, the resolution of the image is increased, the distortion aberration is corrected has the effect of providing a more sharp and clear image to the wearer.

또한, 액정 스크린의 화면에 보정렌즈를 설치하여 화상의 광선을 사전에 굴절시킴으로써 왜곡수차가 보정되어 접안렌즈의 구성과 두께를 간략하거나 상기 접안렌즈와 액정스크린의 간격을 조절할 수 있는 등, 시스템을 슬림화할 수 있는 장점을 갖는다.In addition, by installing a correction lens on the screen of the liquid crystal screen and refracting the rays of the image in advance, distortion aberration is corrected to simplify the configuration and thickness of the eyepiece or to adjust the distance between the eyepiece and the liquid crystal screen. It has the advantage of being slim.

Claims (7)

헤드 마운트 디스플레이에 있어서,In the head mounted display, 화상을 표시하는 반사형 액정스크린과;A reflective liquid crystal screen for displaying an image; 상기 반사형 액정스크린의 일측에 상기 액정스크린의 화상면과 같은 방향을 향하도록 배치되는 광원과;A light source disposed on one side of the reflective liquid crystal screen so as to face the same direction as the image plane of the liquid crystal screen; 상기 광원의 전방에 배치되어 상기 광원의 광선을 분산 굴절시키는 조명분산부와;An illumination dispersing unit disposed in front of the light source to disperse and refract light rays of the light source; 상기 조명분산부로부터 출사되는 광선을 분리하여 상기 반사형 액정스크린의 화상면에 반사시킬 수 있도록 상기 조명분산부의 하부에 경사지게 배치되는 편광 분할기와;A polarization splitter disposed to be inclined at a lower portion of the illumination dispersing unit so as to separate light rays emitted from the illumination dispersing unit and reflect the light rays to the image surface of the reflective liquid crystal screen; 상기 액정스크린의 화상면 전방에 배치되어 화상을 소정각도로 굴절시키는 보정렌즈와;A correction lens disposed in front of the image surface of the liquid crystal screen and refracting the image at a predetermined angle; 상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 접안렌즈와;An eyepiece disposed in front of the polarization splitter to enlarge an image of the liquid crystal screen; 상기 접안렌즈의 전방에 배치되는 보호경을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.And a protective goggle disposed in front of said eyepiece. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.The optical system of claim 1, wherein the light source is a light emitting diode. 제 1항에 있어서, 상기 조명분산부는 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과, 상기 조명프리즘에 의해 분산된 광선을 집광시키는 제 1프리즘시트 및 제 2프리즘시트와, 상기 제 1프리즘시트와 제 2프리즘시트를 통하여 재출사된 광선의 명암을 조절하도록 편광시키는 편광자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.The light emitting device of claim 1, wherein the illumination dispersing unit comprises: an illumination prism for dispersing light rays of the light source, a first prism sheet and a second prism sheet for condensing the light rays dispersed by the illumination prism, and the first prism sheet and the second prism sheet. An optical system for a head mounted display, characterized in that it comprises a polarizer for polarizing to adjust the contrast of the light re-emitted through the prism sheet. 제 1항에 있어서, 상기 조명분산부는 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과, 상기 조명프리즘에 의해 분산된 광선을 집광시키는 제 1프리즘시트 및 제 2프리즘시트와, 상기 제 1프리즘시트와 제 2프리즘시트를 통하여 재출사된 광선의 밝기를 조절하도록 편광시키는 제 1편광분할시트와 제 2편광분할시트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.The light emitting device of claim 1, wherein the illumination dispersing unit comprises: an illumination prism for dispersing light rays of the light source, a first prism sheet and a second prism sheet for condensing the light rays dispersed by the illumination prism, and the first prism sheet and the second prism sheet. An optical system for a head mounted display, characterized in that it comprises a first polarization splitting sheet and a second polarization splitting sheet to polarize so as to adjust the brightness of the light re-emitted through the prism sheet. 제 1항에 있어서, 상기 보정렌즈는 통형 왜곡수차를 방지하도록 볼록보정렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.The optical system for a head mounted display according to claim 1, wherein the correction lens is a convex correction lens to prevent cylindrical distortion aberration. 제 1항에 있어서, 상기 보정렌즈는 실패형 왜곡수차를 방지하도록 오목보정렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.The optical system for a head mounted display according to claim 1, wherein the correcting lens is a concave correcting lens to prevent a failure type distortion aberration. 제 1항에 있어서, 상기 접안렌즈는 색수차가 발생되지 않도록 오목렌즈와 볼록렌즈의 접합으로 이루어지며, 오목렌즈는 왜곡수차를 보정하도록 비구면을 형성한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.2. The optical system for a head mounted display according to claim 1, wherein the eyepiece is made by joining a concave lens and a convex lens so that chromatic aberration does not occur, and the concave lens is formed with an aspherical surface to correct distortion aberration.
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