KR100403079B1 - 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치는 영상 정보의 빛을 발생시키는 표시 소자와; 표시 소자에서 발광된 영상 정보의 빛이 일정 각도로 입사되도록 배치되었으며, 표시 소자에서의 영상 정보와 실제의 외부 환경을 같이 관찰할 수 있도록 전반사 영역과 투과 영역이 형성된 복합 자유 곡면 프리즘을 포함한다.

여기서, 복합 자유 곡면 프리즘은 자유 곡면 프리즘과; 자유 곡면 프리즘의 두께를 보정키 위하여 접합시킨 두께 보정용 프리즘과; 자유 곡면 프리즘과 두께 보정용 프리즘의 접합부에 일정 크기로 전반사 코팅이 되어 있는 전반사 코팅부를 포함하며 또한, 표시 소자는 액정 패널로 이루어진다.

이상에서와 같이 본 발명은 디스플레이되는 주변 영역을 보이도록 설계하여 디스플레이되는 영상과 실제의 외부 전경을 동시에 관찰함으로서 영상의 크기를 평소 경험에 의하여 알고 있는 물체와 비교 인식함으로서 대화면으로 느낄 수 있고, 또한 이중 구조의 자유 곡면 프리즘을 이용하여 액정 패널에서 발산하는 광을 손실 없이 사용할 수 있다.

Description

씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치{The apparatus of the see-through type head mounted display}

본 발명은 광학계의 디스플레이 분야에 관한 것으로서, 특히 디스플레이되는 주변 영역을 보이도록 설계하여 디스플레이되는 영상과 실제의 외부 전경을 동시에 관찰함으로서 영상의 크기를 평소 경험에 의하여 알고 있는 물체와 비교 인식함으로서 대화면으로 느낄 수 있고, 또한 이중 구조의 자유 곡면 프리즘을 이용하여 액정 패널에서 발산하는 광을 손실 없이 사용할 수 있는 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치에 관한 것이다.

최근, 디스플레이 소자의 소형화 추세에 따라 개인용 디스플레이 장치의 수요가 증가하고 있는데, 소형 화상 표시 소자에서 출력된 화상을 광학계를 이용하여 확대하고, 이에 따른 허상을 눈으로 보게 하면서 마치 일정한 거리에 대형의 스크린을 두고 화상을 보는 것과 동일한 효과를 주는 디스플레이 장치가 개발되고 있다.

이러한 장치는 대부분 머리에 안경과 같은 방법으로 착용하는 형태를 갖고 있기 때문에 머리 장착형 표시 장치(HMD:Head Mounted Display)라고 부른다.

제1도는 종래의 오목 거울이 사용된 머리 장착형 표시 장치를 나타낸 도면이다.

도1을 참조하면, 종래의 오목 거울이 사용된 머리 장착형 표시 장치는 화상 기록 매체로부터 재생된 화상을 표시하는 액정패널(100)과, 상기 액정 패널(100)의 후방에 배치되어 상기 액정 패널을 향하여 광을 출사시키는 배면 조명(110)과, 상기 액정 패널(100)을 통과하여 화상을 포함하는 광에서 그 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시켜 경로를 변경시키는 하프 거울(120)과, 반구형 형태로 형성되어 상기 하프 거울(120)에서 반사된 광을 평행광으로 변경시켜 상기 하프 거울의 방향으로 재반사시켜 상기 하프 거울에서 투과된 광이 사용자의 눈에 결상되도록 하는 반사형 오목거울(130)과, 사용자의 눈을 보호하는 보호창(140)을 포함한다.

여기서 상기 도1의 구성은 사용자의 한쪽 눈에 대응되어 영상을 전달하기 때문에 사용자의 두 눈에 대응되도록 하기 위해서는 두 개의 세트가 있어야 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 머리 장착형 표시 장치는 상기 배면 조명(110)에서 출사된 광이 상기 액정 패널(100)을 통과하면서 화상 정보가 포함되고, 상기 화상 정보를 포함하는 광은 상기 하프 거울(120)에서 1차 반사되어 상기 반사형 오목 거울(130)로 진행하고, 상기 반사형 오목 거울(130)에서 2차 반사되어 상기 하프 거울(120)로 진행한다.

이 때 상기 하프 거울(120)을 투과한 광이 사용자의 눈에 결상되어 사용자가 화상 정보를 감상할 수 있도록 한다.

그러나, 상기의 구성을 갖는 종래의 기술에서는 상기 액정 패널(100)에서 출발한 광이 상기 하프 거울(120)에서 약 50%가 소실된다. 또한, 상기 오목 거울(130)에 의해 반사된 빛이 다시 상기 하프 거울(120)을 지나갈 때 지나가는 광의 50%가 마찬가지로 소실된다. 따라서, 실제로 사용자의 눈에 입사되는 광은 전체의 25%미만이 되는 단점이 있다.

또한, 종래의 머리 장착형 표시 장치로 영상을 감상하면 전방이 가려져 있음으로 마치 깜깜한 동굴에 영상이 떠 있는 듯한 느낌을 주며 실제로 설계된 영상의 크기보다는 작게 느껴진다는 사용자의 불만이 높다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 디스플레이되는 주변 영역을 보이도록 설계하여 디스플레이되는 영상과 실제의 외부 전경을 동시에 관찰함으로서 영상의 크기를 평소 경험에 의하여 알고 있는 물체와 비교인식함으로서 대화면으로 느낄 수 있고, 또한 이중 구조의 자유 곡면 프리즘을 이용하여 액정 패널에서 발산하는 광을 손실 없이 사용할 수 있는 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 종래의 오목 거울이 사용된 머리 장착형 표시 장치를 나타낸 도면.

제2도는 본 발명에 따른 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치의 일 실시예를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

200:복합 자유 곡면 프리즘 210:자유 곡면 프리즘

211:전반사 코팅부 220:두께 보정용 프리즘

230:표시 소자 240:투사된 영상

250:실제 사물

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치는 영상 정보의 빛을 발생시키는 표시 소자와;

상기 표시 소자에서 발광된 영상 정보의 빛이 일정 각도로 입사되도록 배치되었으며, 상기 표시 소자에서의 영상 정보와 실제의 외부 환경을 같이 관찰할 수 있도록 전반사 영역과 투과 영역이 형성된 복합 자유 곡면 프리즘을 포함하는 점을 그 특징으로 한다.

여기서, 상기 복합 자유 곡면 프리즘은 자유 곡면 프리즘과;상기 자유 곡면 프리즘의 두께를 보정키 위하여 접합시킨 두께 보정용 프리즘과;상기 자유 곡면 프리즘과 두께 보정용 프리즘의 접합부에 소정의 영역으로 전반사 코팅이 되어 있는 전반사 코팅부를 포함하는 점을 그 특징으로 한다.여기서, 상기 전반사 영역은 상기 자유 곡면 프리즘 및 두께 보정용 프리즘의 접합부에 소정의 영역이고, 상기 투과 영역은 상기 접합부에서 상기 소정의 영역 이외의 영역임을 그 특징으로 한다.

여기서, 상기 표시 소자는 액정 패널로 이루어진 점을 그 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도2를 참조하면, 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치는 자유 곡면프리즘(210)과, 상기 자유 곡면 프리즘의 두께를 보정키 위하여 상기 자유 곡면 프리즘에 접합시킨 두께 보정용 프리즘(220)과, 상기 자유 곡면 프리즘과 두께 보정용 프리즘의 접합부에 일정 크기로 전반사 코팅이 되어 있는 전반사 코팅부(211)를 갖는 복합 자유 곡면 프리즘(200)과; 영상을 표시하는 표시 소자(230)로 구성 된다.

상기 영상을 표시하는 표시소자(230)는 액정 표시 소자, 전자 발광 소자, 또는 전계 방츨형 표시 소자 등으로 만들 수 있다.

상기 복합 자유 곡면 프리즘(200)은 상기 표시 소자(230)에 표시된 영상을 확대하여 전방에 투사하여 대화면을 볼 수 있도록 한다.

상기 복합 자유 곡면 프리즘(200)은 상기 자유 곡면 프리즘(210)과 두께 보정용 프리즘(220)과 그 접합 부분의 가운데 일정 영역은 전반사 코팅이 되어 있는 전반사 코팅부(211)로 구성 되어 있으며 상기 전반사 코팅부(211)이외의 영역은 투과 영역으로 되어 있다. 따라서 상기 복합 자유 곡면 프리즘은 관찰자가 상기 전반사 코팅(211)된 영역에서의 투사된 영상(240)과 함께 주변의 실제 사물(250)도 상기 복합 구조 자유 곡면 프리즘의 투과 영역(자유 곡면 프리즘의 전반사 코팅이 되지 않은 영역)을 통하여 동시에 관찰할 수 있도록 씨-쓰루(see-through)기능을 갖게 된다.

따라서 사용자는 평소의 학습에 의하여 그 크기를 알고 있는 그러한 주변 사물(시계, 문 등)과 비교하여 투사된 영상의 크기를 느낄 수가 있다.

상기 표시 소자(230)에 표시된 영상에서 발산된 빛은 상기 복합 자유 곡면프리즘(200)의 두께 보정용 프리즘(220)에 입사되고 그 입사된 빛은 외부 공기와의 접촉면에서 내부 전반사되며 그 전반사된 빛이 상기 자유 곡면 프리즘의 접촉면에 전반사 코팅된 전반사 코팅부(211)에서 전반사되며 그 빛은 상기 두께 보정용 프리즘(220)에 투과되어 관찰자가 보게 된다.

상기 표시 소자(230)는 상기 두께 보정용 프리즘(220)에 빛이 전반사되기 위한 각도로 입사되도록 설치한다. 여기서 전반사란 빛이 굴절률이 높은 매질(여기서는 유리로서 약1.5)에서 굴절율이 낮은 매질(여기서는 공기 1.0)로 들어갈 때 어떤 입사각(약 42도) 이상에서부터는 그 경계면에서 빛이 모두 반사되는 현상을 말한다.

상기 전반사 코팅부(211)는 그 크기가 클수록 외부 관찰 영역이 줄어들게 되고 지나치게 작으면 영상 화면의 전체 크기가 보이지 않고 일부가 보이지 않게 되므로 화면 영역과 외부 관찰 영역을 함께 고려하여 그 크기를 설정한다.

만일 상기 자유 곡면 프리즘(210) 하나만으로 투과 영역을 통하여 외부를 관찰하면 상기 자유 곡면 프리즘(210)의 두께가 위치마다 다르므로 외부 전경이 정상적으로 보이지 않고 찌그러지거나 극단적으로는 뿌옇게 보인다.

상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 상기 자유 곡면 프리즘(210)의 외부 전경 쪽에 상기 두께 보정용 프리즘(220)을 접합하여 상기 복합 자유 곡면 프리즘(200)의 두께가 전체적으로 일정케 하면 관찰자가 외부 전경을 볼때 정상적으로 보이게 된다.

상기 복합 자유 곡면 프리즘(200)은 상기 표시 소자(230)에서 발산된 광의거의 모두가 복합 자유 곡면 프리즘에 의하여 관찰자의 눈으로 입사되므로 광 이용 효율이 약 4배 이상 향상된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치는 디스플레이되는 주변 영역을 보이도록 설계하여 디스플레이되는 영상과 실제의 외부 전경을 동시에 관찰함으로서 영상의 크기를 평소 경험에 의하여 알고 있는 물체와 비교 인식함으로서 대화면으로 느낄 수 있고, 또한 이중 구조의 자유 곡면 프리즘을 이용하여 액정 패널에서 발산하는 광을 손실 없이 사용할 수 있다.

Claims (3)

1. 영상 정보의 빛을 발생시키는 표시 소자와;

   상기 표시 소자에서 발광된 영상 정보의 빛이 일정 각도로 입사되도록 배치되며, 상기 표시 소자에서의 영상 정보와 실제의 외부 환경을 같이 관찰할 수 있도록 전반사 영역과 투과 영역이 형성된 것으로서, 자유 곡면 프리즘과, 상기 자유 곡면 프리즘의 두께를 보정키 위해 접합시킨 두께 보정용 프리즘과, 상기 자유 곡면 프리즘 및 두께 보정용 프리즘의 접합부에 소정의 영역으로 전반사 코팅이 되어 있는 전반사 코팅부가 구비된 복합 자유 곡면 프리즘이 포함되는 것을 특징으로 하는 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전반사 영역은 상기 자유 곡면 프리즘 및 두께 보정용 프리즘의 접합부에 소정의 영역임을 특징으로 하는 씨-쓰루 형 머리 장착용 표시 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 투과 영역은 상기 상기 자유 곡면 프리즘 및 두께 보정용 프리즘의 접합부에 소정의 영역을 제외한 영역임을 특징으로 하는 씨-쓰루 형 머미 장착용 표시장치.