KR100477690B1 - 머리장착형 표시장치 - Google Patents

Abstract

소정 형상의 하우징에 마련되는 것으로, 머리에 장착한 상태로 화상을 볼 수 있도록 된 머리장착형 표시장치가 개시되어 있다.

이 개시된 장치는 화상을 생성 조사하는 화상형성수단과; 화상형성수단에 대향 배치되어, 입사된 화상의 진행 경로를 안내하는 프리즘과; 프리즘의 일부에 대향되게 배치되며, 입사된 화상을 집속시키는 프레넬렌즈;를 포함하여, 화상형성수단으로부터 제공된 화상을 시청할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

머리장착형 표시장치{Head mounted display}

본 발명은 머리에 장착한 상태에서 영상을 감상할 수 있는 머리장착형 표시장치에 관한 것으로서, 상세하게는 소형의 고해상도를 제공할 수 있도록 된 망막 직접 투영방식의 머리장착형 표시장치에 관한 것이다.

일반적으로, 머리장착형 표시장치는 안경, 헬멧 등의 형태로 되어 머리에 장착한 사람만이 영상을 감상할 수 있는 퍼스널 표시장치이다. 이 머리장착형 표시장치는 광학계의 구성 방식에 따라 확대경 방식, 중계렌즈 방식 및 망막 직접 투영방식이 있다.

확대경 방식은 확대된 허상을 감상할 수 있도록 된 방식으로, 매우 소형으로 허상인 대화면을 구현할 수 있다는 이점이 있는 반면, 눈이 쉽게 피로해지는 문제점이 있다. 중계렌즈 방식은 중계렌즈를 이용해 표시소자에 표시된 영상을 원거리에서 관찰하는 방식으로, 눈의 피로를 줄일 수 있다는 이점이 있으나, 헬멧 크기로 매우 크다는 단점이 있다. 망막 직접 투영방식은 표시소자에 표시된 영상을 망막에 직접 투영하는 방식으로, 눈의 피로를 줄일 수 있고 중계렌즈 방식에 비하여 그 크기를 소형화할 수 있다.

종래의 망막 직접 투영방식의 머리장착형 표시장치가 일본 공개특허공보 2002-202456호(공개일 : 2002년 7월 19일, 발명의 명칭 : 편심광학계)에 개시되어 있다.

도 1을 참조하면, 개시된 종래의 머리장착형 표시장치는 관찰자의 동공위치(1)와 화상표시소자(6) 사이에 마련된 편심광학계로서의 프리즘부재(7)를 포함한다. 이 프리즘부재(7)는 투과면인 제1면(3)과 입사된 화상을 반사시키는 제2면(4) 및 화상표시소자(6)에 대향되게 배치되어 입사된 화상을 제2면(4) 쪽으로 투과시키는 제3면(5)을 가진다. 이 제3면(5)은 비회전 대칭으로 비구면 형상을 가진다.

이와 같이 광학계를 구성함으로써, 동공위치(1)로부터 얼굴 옆으로 화상표시소자(6)를 배치하더라도 수차가 적고 큰 화상의 영상을 볼 수 있다는 이점이 있다.

한편, 이와 같이 구성된 광학계는 눈 앞의 공간이 크고, 장착시 사용자가 프리즘 부재의 비구면 형상에 의하여 정신적 압박을 느끼기 쉽다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 광학요소 및 광학적 배치를 변경하여 소형화 할 수 있음과 아울러, 눈 앞의 공간을 적게 하고, 장착시 사용자가 압박을 적게 받을 수 있도록 된 머리장착형 표시장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 화상을 생성 조사하는 화상형성수단과; 상기 화상형성수단에 대향 배치되어, 입사된 화상의 진행 경로를 안내하는 프리즘과; 상기 프리즘의 일부에 대향되게 배치되며, 입사된 화상을 집속시키는 프레넬렌즈;를 포함하여, 상기 화상형성수단으로부터 제공된 화상을 시청할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

여기서, 프리즘은, 상기 화상형성수단에 대향되게 배치되며 화상이 입사된 입사면과; 이 입사면을 통하여 입사된 화상을 반사시키는 반사면; 및, 상기 반사면과 마주하게 배치되는 것으로 입사각도에 따라 입사된 화상을 반사 또는 출사시키는 출반사면;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 머리장착형 표시장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 머리장착형 표시장치는 화상을 생성 조사하는 화상형성수단(10)과, 상기 화상형성수단(10)에 대향 배치되어 입사된 화상의 진행경로를 안내하는 프리즘(20) 및, 입사된 화상을 집속시켜 동공(40)을 통하여 안구(미도시)에 맺히도록 하는 프레넬렌즈(30)를 포함하여 구성된다.

상기 화상형성수단(10)은 화상을 생성 조사하기 위한 것으로, 평면광을 생성 조사하는 평면 백라이트(15)와, 상기 평면 백라이트(15) 전면에 배치되는 투과형 액정표시소자(11)를 포함한다.

상기 평면 백라이트(15)는 평면광을 생성 조사하는 광원으로, 평면 상에 유기 전계발광(electroluminescence; 이하, EL 이라 함) 물질 또는 무기 EL 물질로 만들어진 발광소자인 것이 바람직하다. 이 평면 백라이트(15)는 상기한 발광소자 이외에, 측면에 선형 라이트를 설치하고, 도광판(미도시)을 이용하여 평면광을 생성하는 백라이트를 채용하는 것도 가능하다.

상기 투과형 액정표시소자(11)는 상기 평면 백라이트(15)와 프리즘(20) 사이의 광로 상에 배치된다. 이 투과형 액정표시소자(11)는 화소 단위로 구동되어 입사된 평행광을 선택적으로 투과시킴으로써 화상을 형성한다. 이 투과형 액정표시소자 그 자체는 널리 알려져 있으므로, 그 자세한 설명은 생략한다.

한편, 다른 실시예에 따른 화상형성수단은 발광다이오드(LED)와 같이 스스로 발광할 수 있도록 된 자기발광형 표시소자(미도시)인 것이 바람직하다. 이 자기발광형 표시소자는 평면 상에 2차원 배열 구조를 가지는 발광다이오드 등의 발광소자 각각을 화소단위로 선택적으로 발광하여 화상을 형성한다. 이와 같이 화상형성수단으로 자기발광형 표시소자를 채용하는 경우는 별도의 백라이트가 불필요하므로 구성을 보다 단순화 할 수 있다.

상기 프리즘(20)은 상기 화상형성수단(10)과 상기 프레넬렌즈(30) 사이의 광경로 상에 배치되는 것으로, 상기 화상형성수단(10)에서 생성된 화상이 상기 프레넬렌즈(30)로 향하도록 화상의 진행경로를 안내한다.

여기서, 상기 프리즘(20)은 머리장착 표시장치를 머리에 장착하기 좋도록 함과 아울러, 안구(9)에 수직한 방향으로 화상이 입사되도록 하기 위하여, 입사된 화상을 적어도 3회 전반사시킬 수 있도록 구성된 것이 바람직하다. 이 프리즘(30)은 그 재질이 BK7 또는 이와 유사한 굴절률을 갖는 재질로 구성된다.

이를 위하여, 상기 프리즘(20)은 상기 화상형성수단(10)에 대향되게 배치된 입사면(21)과, 이 입사면(21)을 통하여 입사된 화상을 반사시키는 반사면(23) 및, 상기 반사면(23)과 마주하게 배치되는 것으로 입사각도에 따라 입사된 화상을 반사 또는 출사시키는 출반사면(25)을 포함한다.

즉, 상기 출반사면(25)은 임계각 프리즘의 기능을 하는 것으로, 상기 반사면(23)에서 반사된 화상이 임계각 보다 큰 각도로 입사되는 경우는 상기 반사면(23) 쪽으로 되반사시키고, 임계각 보다 작은 각도로 입사된 화상은 투사시켜 상기 프레넬렌즈(30) 쪽으로 향하도록 한다. 여기서, 상기 입사면(21) 통하여 입사되고 상기 반사면(23)에서 처음 반사된 화상은 상기 출반사면(25)에서 되반사되고, 이 출반사면(25)에서 입사된 후 상기 반사면(23)에서 다시 반사되어 상기 출반사면(25)으로 향하는 화상은 투과된다.

이러함 점과, 진행하는 화상의 광화각을 고려하여, 상기 반사면(23)과 출반사면 사이의 각도는 19°인 것이 바람직하다. 이와 같이, 반사면(23)과 출반사면 사이의 각도를 설정함으로써, 대략 30°의 광화각을 얻을 수 있다.

상기 프레넬렌즈(30)는 평판 상에 소정의 회절패턴이 형성된 구조로, 상기 회절패턴을 통하여 입사광을 집속시킨다. 이 프레넬렌즈는 입사된 화상의 색수차를 보정할 수 있도록 비구면 형상으로 된 것이 바람직하다.

여기서, 비구면 형상은 일반적인 비구면렌즈의 곡률 분포를 말하는 것으로, 이러한 비구면렌즈의 곡률분포를 프레넬 패턴으로 구성한 것이다. 이 프레넬 패턴의 형성은 주로 회전 절삭 가공으로 만들어지는 것으로, 그 자체는 널리 알려져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.

아울러, 상기 프레넬렌즈(30)는 동공(40)과의 간격을 짧게 할 수 있도록, 뒷초점거리가 15 mm인 것이 바람직하다. 또한, 플레넬렌즈(30)는 그 재질을 이루는 주성분이 폴리메틸메타아클릴레이트(PMMA) 또는 폴리카보네이트(PC)로 된 것이 바람직하다. 이와 같이, 프레넬렌즈(30)를 구비함으로써, 눈 앞에 위치된 광학계의 박층화를 꾀할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 머리장착형 표시장치의 동작을 살펴보기로 한다.

화상형성수단(10)에서 형성된 화상은 프리즘(20)의 입사면(21)을 통하여 프리즘 내로 입사되며, 반사면(23)에서 일차로 반사된다. 이 반사된 화상은 출반사면(25)에서 되반사되어 상기 반사면(23)으로 향하게 되며, 다시 입사된 화상은 일차 반사때와는 다른 각도로 상기 출반사면(25)으로 재차 반사된다. 이 반사된 화상은 상기 출반사면(25)의 임계각 보다 작은 각도를 가지며, 상기 출반사면(25)을 투과하여 상기 프레넬렌즈(30)로 향한다. 이 입사된 화상은 상기 프레넬렌즈(30)에 의해 집속되어 안구에 맺히게 된다.

즉, 머리장착형 표시장치를 장착한 사람은 프레넬렌즈(30), 프리즘(20)을 통하여, 이 상기 화상형성수단(10)에서 형성된 화상을 감상할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 머리장착형 표시장치를 머리에 장착한 상태를 보인 도면이다.

도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 광학요소를 착용자의 좌안과 우안 각각에 배치한 하우징(50)을 안경형태로 하여, 착용할 수 있다.

도면에서는 좌안과 우안에 마련된 광학계 각각의 화상형성수단(10)이 사람의 코 쪽에 위치되도록 구성된 예를 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 화상형성수단(10)을 그 반대쪽에 형성하는 구성도 가능하다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 머리장착형 표시장치는 출반사면이 평면을 이루는 프리즘과, 프레넬렌즈를 이용하여 공간배치를 효율화함으로써 사람의 눈과 프리즘 사이의 거리를 짧게 하여 초소형화 및 경량화가 가능하여 안경형태로 착용하기가 용이하다는 이점이 있다. 또한, 안경형태로 착용시 사용자가 정신적 압박을 적게 받도록 할 수 있다.

도 1은 종래의 머리장착형 표시장치의 광학적 배치를 보인 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 머리장착형 표시장치의 광학적 배치를 보인 도면.

도 3은 본 발명에 따른 머리장착형 표시장치를 머리에 장착한 상태를 보인 개략적인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...화상표시소자 20...프리즘

21...입사면 23...반사면

25...출반사면 30...프레넬렌즈

40...동공

Claims (7)

1. 화상을 생성 조사하는 화상형성수단과;

   상기 화상형성수단에 대향되게 배치되며 화상이 입사되는 입사면과, 이 입사면을 통하여 입사된 화상을 반사시키는 반사면 및, 상기 반사면과 마주하게 배치되는 것으로 입사각도에 따라 입사된 화상을 반사 또는 출사시키는 출반사면을 구비하여, 입사된 화상의 진행 경로를 안내하는 프리즘과;

   상기 프리즘의 출반사면에 대향되게 배치되며, 입사된 화상을 집속시키는 프레넬렌즈;를 포함하여, 상기 화상형성수단으로부터 제공된 화상을 시청할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 프레넬렌즈는,

   비구면 형상으로 되고, 그 뒷 초점거리가 15mm인 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레넬렌즈는,

   폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 또는 폴리카보네이트(PC)를 주성분으로 하는 재질로 된 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 프리즘은,

   상기 반사면과 출반사면 사이의 각도가 19°인 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.
6. 제1항, 제2항 또는 제5항에 있어서, 상기 화상형성수단은,

   평면광을 생성 조사하는 평면 백라이트와;

   상기 평면 백라이트 전면에 배치되는 것으로, 입사광을 화소단위로 선택적으로 투과시켜 화상을 형성하는 투과형 액정표시소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.
7. 제1항, 제2항 또는 제5항에 있어서, 상기 화상형성수단은,

   화소단위로 선택적으로 발광하여 화상을 형성하는 자기발광형 표시소자인 것을 특징으로 하는 머리장착형 표시장치.