KR100597451B1 - Optical System For Biocular Head Mounted Display - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 관한 것으로서, 그 주요 구성은 단일의 디스플레이 소자와, 상기 디스플레이 소자부터 발산되는 영상광을 좌, 우 양안에 각기 전달하기 위한 회전대칭성 비구면 반사면을 가진 좌우 각각의 제 1 반사면과, 상기 제 1 반사면과 마주보고 상기 디스플레이 소자의 좌, 우 측면에 위치하는 회전대칭성 비구면 곡면을 가진 좌우 각각의 제 2 반사면과, 좌, 우 양안의 전면에 위치하며 상기 제 2 반사면으로부터 반사되는 영상광을 양안에 전달하기 위하여 두 개의 평면과 한 개의 회전대칭성 비구면 반사면을 가진 좌우 각각의 프리즘 렌즈와, 상기 프리즘 렌즈로부터 출사되는 영상광을 사용자의 동공에 포커싱하는 회전대칭성 비구면으로 이루어진 좌우 각각의 접안렌즈를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 의하여 헤드마운트 디스플레이의 구성요소 중 값비싼 부품인 디스플레이 소자를 하나만을 사용하므로 현저한 원가절감 효과가 기대되고, 또 회전대칭성 비구면 곡면만으로 헤드마운트 디스플레이의 광학계를 구성함으로써 각 렌즈의 성능검사 및 보정을 용이하게 하여 제품제작에 소요되는 비용과 시간을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수가 있다.The present invention relates to a single-plate binocular head mounted display optical system, the main configuration of which has a single display element, and a rotationally symmetric aspherical reflective surface for respectively transmitting left and right images of light emitted from the display element. On the front of the left and right eyes, respectively, the first and second reflection surfaces on the left and right sides, the first and second reflection surfaces facing the first reflection surface, and the rotationally symmetric aspherical surfaces positioned on the left and right sides of the display element. A user's pupil of each of the left and right prism lenses having two planes and one rotationally symmetric aspherical reflective surface, and the image light emitted from the prism lens to transmit the image light reflected from the second reflective surface to both eyes. Special eyepieces including left and right eyepieces each consisting of a rotationally symmetric aspherical surface focused on By using only one display element, which is an expensive component among the components of the head mounted display, a significant cost reduction effect is expected, and each lens is configured by configuring the optical system of the head mounted display using only the rotationally symmetric aspherical surface. It is possible to minimize the cost and time required to manufacture the product by facilitating the performance inspection and calibration of the product.
디스플레이 소자, 제 1 반사면, 제 2 반사면, 프리즘 렌즈, 접안렌즈Display element, first reflective surface, second reflective surface, prism lens, eyepiece
Description
도 1은 종래의 양판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional two-plate binocular head mounted display optical system,
도 2는 종래의 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이며,2 is a cross-sectional view schematically showing a conventional single plate binocular head mounted display optical system,
도 3은 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 단면도이며,3 is a cross-sectional view of a single plate binocular head mounted display optical system according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 좌우 양안용 프리즘 렌즈의 반사용 미러코팅을 나타낸 단면도이고,4 is a cross-sectional view showing a mirror coating for reflection of the left and right binocular prism lens according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 접안렌즈의 입사면에 대한 기울어진 각도를 도시하는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing an inclined angle with respect to the incident surface of the eyepiece according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
30 : 디스플레이 소자 31L : 우안용 제 1 반사면30
31R : 좌안용 제 1 반사면 32L : 우안용 제 2 반사면31R: 1st reflective surface for
32R : 좌안용 제 2 반사면 33L : 좌안용 프리즘 렌즈32R: 2nd reflection surface for
33R : 우안용 프리즘 렌즈 34L : 좌안용 접안렌즈33R: Right
34R : 우안용 접안렌즈34R: Eyepiece for Right Eye
본 발명은 단판양안식 헤드마운트 디스플레이(HEAD MOUNTED DISPLAY) 광학시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제품가격을 현저히 낮출 수 있고 제작과 성능검사가 용이하여 제품화를 위한 시간과 비용을 최소화할 수 있는 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a single plate binocular head mounted display optical system, and more particularly, a single plate that can significantly lower the product price, and can be easily manufactured and tested for performance, thereby minimizing time and cost for commercialization. A binocular headmount display optical system.
일반적으로 헤드마운트 디스플레이 장치는 눈과 매우 근접한 위치에서 발생하는 영상광을 정밀한 광학 장치를 이용하여 먼 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대된 허상을 볼 수 있도록 하는 화상 표시 장치로서, 두 개의 디스플레이 소자에서 양안에 각각의 독립적인 광경로를 형성하는 양판양안(BINOCULAR) 방식, 하나의 디스플레이 소자를 사용하여 양안에 각각 대칭의 광경로를 형성하는 단판양안(BIOCULAR) 방식 및 하나의 디스플레이 소자로부터 양안 중 하나의 안구에만 광경로를 제공하는 단판단안(MONOCULAR) 방식 등으로 나뉘는데 도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 양판양안 방식과 단판양안 방식 HMD의 광학시스템의 예를 보여주고 있다.In general, the head mounted display device focuses the video light generated at a position very close to the eye so that a virtual large screen can be composed at a long distance using a precise optical device so that the user can see the enlarged virtual image. An image display device comprising: a binocular (BINOCULAR) method for forming independent optical paths in both eyes in two display elements, and a single plate binocular for forming symmetrical optical paths in both eyes using one display element. ) And a single plate monocular (MONOCULAR) system that provides an optical path only to one eye of both eyes from one display element. FIG. 1 and FIG. 2 are two-sided binocular and single plate binocular HMD optical systems. An example is shown.
먼저, 도 1에 도시된 양판양안식 HMD는 좌, 우 양안에 대하여 각각 액정 패널에 광원을 제공하는 조명부(10)와, 화상을 표시하는 디스플레이 소자(11)와, 입 사면(121), 첫번째 반사면(122), 두번째 반사면(123), 출사면(122)을 모두 가지고 있는 회전 비대칭 자유곡면 프리즘 렌즈(12)을 포함하는 광학시스템으로 이루어지며, 위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(11)에서 생성된 영상광이 상기 입사면(121)을 통해 자유곡면 프리즘에 입사되고 임계각보다 적은 각도로 상기 첫번째 반사면(122)에 도달한 뒤 상기 첫번째 반사면(122)에서 전반사되며, 다시 반사 코팅이 되어있는 상기 두번째 반사면(123)에서 반사된 뒤 상기 첫번째 반사면과 면을 공유하는 상기 출사면(122)을 통해 프리즘 렌즈를 빠져 나와 사용자의 양안(13)에 결상되게 된다.First, the dual plate binocular HMD shown in FIG. 1 includes an
그러나, 상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 두 개의 디스플레이 소자 및 회전비대칭 자유곡면 프리즘 렌즈를 사용한 광학 시스템 방식은 일정한 범위 내에서 빛의 방향을 조절할 수 있는 자유곡면 프리즘 렌즈의 특성상 간단한 광경로 구축이 가능하여 HMD의 두께를 대폭 감소시킬 수 있고 넓은 시야각(FOV: FIELD OF VIEW) 확보가 가능한 것이 장점이나, 값비싼 2개의 디스플레이 소자를 필요로 하기 때문에 제품의 가격이 상승하여 경쟁력을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 상기 두 개의 디스플레이 소자와 각각의 디스플레이 소자를 위한 별도의 배선, 그리고 이에 부가되는 회로 및 부품으로 인해 무게가 무거워지는 단점이 있다. 또한 상기의 방식은 편심오차에 따른 왜곡을 줄이기 위하여 상기 프리즘 렌즈 내에 회전비대칭의 자유곡면을 최소 1개 이상 가지고 있기 때문에 회전대칭의 광학시스템에 비하여 가공이 상대적으로 매우 어려울 뿐 아니라 설계에 따라 제대로 제작이 되었는지에 대한 성능검사가 대단히 어렵고, 오차가 생길 경우 이의 원인 규명이 힘들어 제품 제작까지 많은 비용이 발생할 가능성이 매우 높아지는 문제점이 있었다.However, the optical system method using the two display elements and the rotationally asymmetric free-curved prism lens of the prior art having the above-described configuration has a simple optical path construction due to the characteristics of the free-curved prism lens that can adjust the direction of light within a certain range. It is possible to greatly reduce the thickness of the HMD and to secure a wide field of view (FOV), but it requires two expensive display elements, which not only increases the price of the product but also lowers the competitiveness. In addition, the two display elements and separate wiring for each display element, and a circuit and components added thereto have a disadvantage in that the weight becomes heavy. In addition, the above method has at least one rotationally asymmetric free surface in the prism lens in order to reduce distortion due to eccentric error, which is relatively difficult compared to the rotationally symmetric optical system, and properly manufactured according to design. It was very difficult to test the performance of this, and if an error occurred, it was difficult to identify the cause of the problem that the possibility of generating a lot of cost until the product was very high.
이러한 양판양안식 HMD의 문제점을 감안하여 도 2에 도시된 바와 같은 단판양안(BIOCULAR) 방식에 의한 HMD가 제안되었으며, 그 주요 구성은 영상을 제공하는 한 개의 디스플레이 소자(20)와, 상기 디스플레이 소자(20)의 한 점으로부터 일정한 각도로 발생한 영상광을 평행광으로 만들어주는 한 쌍의 콜리메이팅(collimating) 렌즈(21)와, 상기 평행광을 좌, 우 양안에 동일하게 분배하기 위하여 중앙의 교차하는 대각면에 반투과 미러 코팅면을 갖는 하나의 X 프리즘(22)과, 상기 X 프리즘(22)으로부터 분배된 영상광이 한 점에서 초점이 형성될 수 있도록 수렴하여 주는 좌, 우 각각 한 쌍의 포커싱(focusing) 렌즈(23L, 23R)와, 상기 포커싱 렌즈(23L, 23R)로부터 수렴된 영상광을 눈의 방향으로 각도를 바꾸어 주는 좌, 우 한 쌍의 평면 반사경(24L, 24R)과, 상기 영상광을 최종적으로 사용자의 안구(EL, ER)에 결상시키는 좌, 우 한 쌍의 접안렌즈(25L, 25R)로 이루어지며, 위와 같은 구성의 광학 시스템은 값비싼 디스플레이 소자를 한 개만 사용하고도 양안에 동일한 영상전달이 가능하므로 제품가격을 낮출 수 있고, 또 X 프리즘(22)과 평면 반사경(24L, 24R)을 이용하여 영상광을 45˚로 접기 때문에 편심이 발생하지 않아 왜곡 및 기타 수차 보정이 용이하며, 콜리메이팅 렌즈 및 접안렌즈를 구성함에 있어 회전대칭의 곡면만으로도 상을 결상시킬 수 있는 장점이 있다.In view of the problems of the two-plate binocular HMD, a HMD by a single plate binocular (BIOCULAR) method as shown in FIG. 2 has been proposed, and its main configuration includes one
그러나, 위의 기술은 디스플레이 소자(20)로부터 생성된 영상광이 X 프리즘(22)을 통과하여 양안에 분배되기까지 반투과 미러 코팅면을 두 번 통과해야 하므로 최초 광량의 25%만이 양안으로 전달되며 75%는 반사과정에서 유실되게 되므로 원 영상광의 자연색을 구현하기가 힘들어 지게 되고, 그에 따라 사용자의 안구에 적정한 밝기의 화상을 제공하기 위해서는 유실되는 광량의 크기를 감안하여 고휘도의 광원을 별도로 사용해야 하는 문제점이 있고, 또 X 프리즘은 사용자가 화상을 볼 때 X 프리즘의 중앙에 교차점이 선으로 나타날 수 있으므로 오차를 전혀 허용하지 않을 정도로 정밀하게 제작하지 않으면 안되기 때문에 제작기간 및 비용을 증가시키는 원인이 된다.However, the above technique requires passing through the transflective mirror coating surface twice before the image light generated from the
따라서, 본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 회전비대칭 자유곡면 프리즘 렌즈를 배제하고 평면 및 회전대칭의 곡면으로 이루어진 프리즘 렌즈를 적용함으로써 제작과 성능검사가 용이한 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, the object of which is to eliminate the rotationally asymmetric free-curved prism lens and to apply a prism lens consisting of a flat surface and a rotationally symmetric curved surface to facilitate the production and performance inspection To provide a single-plate binocular head mounted display optical system.
또한, 본 발명의 다른 목적은 일반적인 광분할방식인 반투과 미러 방식을 사용하지 않고도 단일의 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광을 양안으로 분배하기 위한 단판양안식 광학계 구성을 가능토록 함으로써 광량의 손실이 거의 없이 원 이미지의 광학특성을 그대로 유지할 수 있도록 하여 제품 원가를 현저히 절감시킬 수 있도록 하기 위한 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to enable a single-plate binocular optical system for distributing image light generated from a single display device to both eyes without using a transflective mirror method, which is a general light splitting method, and thus almost no loss of light. It is to provide a single-plate binocular head mounted display optical system to maintain the optical characteristics of the original image as it is, to significantly reduce the product cost.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단판양안식 광학시스템에 의해서도 양판양안식에서 제공하는 동등한 수준의 넓은 시야각(FIELD OF VIEW, FOV)과 충분한 아이릴리피(EYE RELIEF)를 확보할 수 있는 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is a single plate binocular head capable of securing an equivalent wide field of view (FOV) and sufficient EYE RELIEF provided by a single plate binocular optical system. The present invention provides a mount display optical system.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양안의 중심부에 수평으로 위치하며 사용자의 얼굴쪽으로 화상을 내보내기 위한 하나의 디스플레이 소자와, 상기 디스플레이 소자의 전면에 소정거리 이격되어 상기 디스플레이 소자의 중심축을 기준으로 좌우 대칭으로 배치되는 두 개의 제 1 반사면과, 상기 디스플레이 소자의 중심축을 기준으로 좌우 대칭으로 상기 디스플레이 소자의 좌우측에 배치되며 사용자의 얼굴 쪽으로 반사면을 갖는 두 개의 제 2 반사면과, 상기 디스플레이 소자의 중심축을 기준으로 좌우 대칭의 형상으로 좌우측 안구의 전면에 배치되는 두 개의 프리즘 렌즈와, 상기 프리즘 렌즈와 사용자의 안구 사이에 디스플레이 소자의 중심축을 기준으로 좌우 대칭인 형상으로 배치되는 두 개의 접안렌즈를 포함하여 이루어지는 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 있어서, 상기 제 1 반사면은 상기 디스플레이 소자로부터 발생한 영상광을 제 2 반사면에 전달하기 위하여 각각 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어지며, 상기 제 2 반사면은 상기 제 1 반사면에서 반사된 영상광을 좌우 프리즘 렌즈에 전달하기 위하여 각각 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어지며,In order to achieve the above object, the present invention is located horizontally in the center of both eyes and one display element for exporting the image toward the user's face, and a predetermined distance from the front of the display element relative to the central axis of the display element Two first reflective surfaces that are symmetrically disposed, two second reflective surfaces that are disposed on the left and right sides of the display element symmetrically with respect to the center axis of the display element, and have a reflective surface toward the face of the user, and the display Two prism lenses disposed in front of the left and right eyes in a symmetrical shape with respect to the central axis of the device, and two eyepieces arranged in a symmetrical shape with respect to the central axis of the display device between the prism lens and the user's eyeball. Single plate binocular with lens In the head mounted display optical system, the first reflecting surface comprises rotationally symmetrical aspheric concave mirror-shaped reflecting surfaces, respectively, to transmit the image light generated from the display element to the second reflecting surface, and the second reflecting surface. Is composed of a rotationally symmetric aspherical concave mirror-shaped reflecting surface for transmitting the image light reflected from the first reflecting surface to the left and right prism lens,
상기 프리즘 렌즈는 상기 제 2 반사면에서 반사된 영상광을 상기 좌우측 접안렌즈에 전달하기 위하여 각각 입사면, 첫번째 내부 반사면, 그리고 상기 첫번째 내부 반사면과 면을 공유하는 출사면은 평면이고, 두 번째 내부 반사면은 회전대칭의 비구면 오목곡면을 가지며, 상기 접안렌즈는 상기 프리즘 렌즈로부터 출사되는 영상광을 안구에 전달하기 위하여 입사면과 출사면 모두 회전대칭의 볼록 비구면 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.The prism lens has a plane of incidence, a first inner reflection plane, and an exit plane sharing a plane with the first inner reflection plane, respectively, in order to transfer the image light reflected from the second reflection plane to the left and right eyepieces, The second inner reflecting surface has a rotationally symmetric aspherical concave surface, and the eyepiece is characterized in that the incidence surface and the exit surface form a convex aspheric shape of rotation symmetry in order to transfer the image light emitted from the prism lens to the eye. .
또한, 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에서 좌우측 프리즘 렌즈의 첫번째 내부 반사면은, 상기 디스플레이 소자의 중심축을 기준으로 상기 중심축과 가장 가까운 점으로부터 상기 양쪽 접안렌즈의 상기 중심축 방향 끝점의 수직연장선이 상기 프리즘 렌즈의 첫번째 내부 반사면과 만나는 지점까지 적어도 일부분에는 바깥쪽으로 반사용 미러코팅을 하는 것이 바람직하다.Further, in the single-plate binocular head mounted display optical system according to the present invention, the first inner reflection surface of the left and right prism lenses is in the direction of the central axis of both eyepieces from the point closest to the central axis with respect to the central axis of the display element. Reflective mirror coating is preferably applied outwardly at least in part up to the point where the vertical extension of the end meets the first inner reflecting surface of the prism lens.
또한, 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에서 좌우측 접안렌즈의 입사면은 수평축을 기준으로 상기 디스플레이 소자의 중심축에서 가장 가까운 좌우측 끝부분이 안구 방향으로 α만큼 각각 기울어져 있으며, 상기 α는 0˚< α < 5˚ 를 이루는 것이 바람직하다.Further, in the single-plate binocular head mounted display optical system according to the present invention, the incidence planes of the left and right eyepieces are inclined by α in the eyeball direction closest to the central axis of the display element with respect to the horizontal axis. It is preferable that (alpha) makes 0 ( < ) <( 5).
또한, 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에서 상기 α는 2˚인 것이 더욱 바람직하다.
Further, in the single plate binocular head mounted display optical system according to the present invention, the α is more preferably 2 °.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a single plate binocular head mounted display optical system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 단일의 디스플레이 소자를 사용한 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 구성 및 배치에 대한 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다. 3 is a schematic view of an embodiment of the construction and arrangement of a single-plate binocular head mounted display optical system using a single display element in accordance with the present invention.
본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 도 3에 도 시된 바와 같이, 하나의 디스플레이 소자(30)와, 두 개의 제 1 반사면(31L, 31R)과, 두 개의 제 2 반사면(32L, 32R)과, 두 개의 프리즘 렌즈(33L, 33R)와, 두 개의 접안렌즈(34L, 34R)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 3, the single-plate binocular head mounted display optical system according to the present invention includes one
화상을 나타내는 상기 디스플레이 소자(30)는 좌우 양안의 중간 지점에 수평으로 위치하여 사용자의 얼굴쪽으로 화상을 내보내도록 한다.The
상기 두 개의 제 1 반사면(31L, 31R)은 디스플레이 소자(30)의 전면에 소정거리 이격되어 상기 디스플레이 소자(30)의 중심축을 기준으로 좌우 대칭으로 각각 1개씩 사용자의 얼굴과 반대방향으로 반사면을 갖도록 배치되며, 우측안구에 영상광을 전송하기 위한 우안용 제 1 반사면(31L)과, 좌측안구에 영상광을 전송하기 위한 좌안용 제 1 반사면(31R)으로 구성된다.The two first reflecting
상기 우안용 제 1 반사면(31L)은 상기 디스플레이 소자(30)으로부터 발생한 영상광을 후술하는 제 2 반사면(32L)에 전달하는 역할을 하며 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어지며, 상기 좌안용 제 1 반사면은(31R)은 상기 디스플레이 소자(30)으로부터 발생한 영상광을 후술하는 제 2 반사면(32R)에 전달하는 역할을 하며 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어진다.The first right reflecting
상기 두 개의 제 2 반사면(32L, 32R)은 상기 디스플레이 소자(30)의 중심축을 기준으로 좌우 대칭으로 상기 디스플레이 소자(30)의 좌우측에 각각 1개씩 사용자의 얼굴쪽으로 반사면을 갖도록 배치되며, 우측안구에 영상광을 전송하기 위한 우안용 제 2 반사면(32L)과, 좌측안구에 영상광을 전송하기 위한 좌안용 제 2 반사면(32R)으로 구성된다.The two
상기 우안용 제 2 반사면(32L)은 상기 우안용 제 1 반사면(31L)에서 전송받은 영상광을 후술하는 프리즘 렌즈(33R)에 전달하는 역할을 하며 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어지며, 상기 좌안용 제 2 반사면은(32R)은 상기 좌안용 제 1 반사면(31R)에서 전송받은 영상광을 후술하는 프리즘 렌즈(33L)에 전달하는 역할을 하며 회전대칭의 비구면 오목경 형상의 반사면으로 이루어진다.The right eye second reflecting
상기 두 개의 프리즘 렌즈(33L, 33R)는 상기 디스플레이 소자(30)의 중심축을 기준으로 좌우 대칭의 형상으로 각각 1개씩 좌우측 안구의 전면에 배치되며, 우측 안구에 영상광을 전송하기 위한 우안용 프리즘 렌즈(33R)와, 좌측 안구에 영상광을 전송하기 위한 좌안용 프리즘(33L)으로 이루어진다. The two
상기 우안용 프리즘 렌즈(33R)는 입사면(331R)과 첫번째 반사면(332R), 두번째 반사면(333R), 그리고 상기 첫번째 반사면(332R)과 면을 공유하는 출사면(332R)으로 구성되며, 상기 입사면(331R), 첫번째 반사면(332R), 출사면(332R)은 평면이고 두번째 반사면(333R)은 회전대칭의 비구면 곡면으로 이루어진다.The right
따라서, 상기 우안용 프리즘 렌즈(33R)에 영상광이 입사될 때에는 상기 제 2 반사면(32L)에서 전송된 영상광이 먼저 상기 우안용 프리즘 렌즈(33R)의 입사면(331R)을 통해 프리즘 렌즈(33R)의 내부로 입사되어 상기 첫번째 반사면(332R)으로 진행하게 되고, 상기 첫번째 반사면(332R)에 입사된 영상광은 빛이 투명한 물질 내에서 임계각 이상의 입사각을 가질 경우 면을 투과하지 않고 전반사하는 특성에 따라 전반사되어 다시 상기 두번째 반사면(333R)으로 입사되며, 상기 두번째 반사면(333R)에 입사된 영상광은 다시 상기 첫번째 반사면(332R)과 면을 공유하는 출사면 (332R)을 투과함으로써 상기 우안용 접안렌즈(34R)로 향한다. 마찬가지로, 상기 좌안용 프리즘 렌즈(33L)에 영상광이 입사될 때에는 상기 제 2 반사면(32R)에서 전송된 영상광이 먼저 상기 첫번째 반사면(332L)에서 전반사되며 상기 두번째 반사면(333L)에서 반사되어 다시 상기 첫번째 반사면(332L)과 면을 공유하는 출사면(332L)을 투과함으로써 상기 좌안용 접안렌즈(34L)로 향하게 된다.Therefore, when image light is incident on the right
이 때, 상기 좌우 프리즘 렌즈(33L, 33R)의 두번째 반사면(333L, 333R)들은 전술한 바와 같이 오목경 형태의 회전대칭 비구면 곡면으로서 바깥쪽이 반사코팅 되어 있고, 상기 출사면(332L, 332R)과 면을 공유하는 첫번째 반사면(332L, 332R)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 첫번째 반사면(332L, 332R)의 상기 디스플레이 소자(30)의 중심축과 가장 가까운 지점으로부터 양쪽 접안렌즈(34L, 34R)의 중심축쪽 끝점의 수직연장선이 상기 첫번째 반사면(332L, 332R)과 만나는 지점까지 바깥쪽으로 도 4에서 보는 바와 같이 반사용 미러코팅을 할 수도 있으며, 위와 같이 첫번째 반사면(332L, 332R)에 반사용 미러코팅을 형성하는 경우에는 일부 전반사 하지 않고 투과하는 빛을 전반사하는 빛과 동일한 경로로 유도토록 할 수가 있다.At this time, the second
한편, 본 발명에서의 프리즘 렌즈(33L, 33R)는 렌즈의 세 면 중 두 면이 평면이고 나머지 한 면은 회전대칭성 비구면 곡면으로 이루어져 있어 평면을 기준면으로 하며 접선의 각도와 길이만으로도 정확한 형상의 구성이 가능하게 되는데. 이와 같은 구성을 종래의 도 1에 도시된 프리즘 렌즈(12)와 비교하여 볼 때, 종래의 프리즘 렌즈(12)는 세 면이 모두 곡면이며 이 중 회전비대칭 자유곡면이 최소 1 개 이상 가지는 구성으로 되어 있어 제품 또는 금형 제작시 기준점을 잡기가 대단히 어려우며 특히, 회전비대칭의 자유곡면에서는 X, Y, Z축에 대하여 각각 다른 곡률변화를 가지고 있어 가공시 회전비대칭인 면과 다른 면의 교차점을 잡기가 매우 까다롭고, 설계에 따라 제대로 제작이 되었는지에 대한 성능검사를 위해서는 면 전체를 스캔(SCAN)하여 모든 좌표를 미세하게 분할하여 일일이 대조해야 하기 때문에 오차가 생길 경우 이의 원인 규명 및 보정이 힘들어 제품 제작까지 많은 비용과 시행착오를 거쳐야 할 우려가 있다는 문제점을 가지게 된다. On the other hand, the
그러나, 본 발명에 따른 상기 프리즘 렌즈(33L, 33R)는 평면인 두 면의 교차점과 교차각도를 이용하여 제품 또는 금형 제작시 기준점을 정확히 찾을 수 있을 뿐 아니라 중심점을 통과하는 한 선의 곡률데이터 값만을 서로 비교하는 것 만으로 성능검사가 가능해짐에 따라 제품 제작에 따른 수많은 시행착오를 생략할 수가 있는 다양한 효과를 얻을 수가 있다.However, the
본 발명의 마지막 광학 구성요소인 상기 두 개의 접안렌즈(34L, 34R)는 상기 디스플레이 소자(30)의 중심축을 기준으로 좌우 대칭의 형상으로 각각 1개씩 상기 프리즘 렌즈(33L, 33R)와 사용자의 안구 사이에 배치되며, 우측 안구에 영상광을 전송하기 위한 우안용 접안렌즈(34R)와, 좌측 안구에 영상광을 전송하기 위한 좌안용 접안렌즈(34L)으로 이루어진다.The two
상기 우안용 접안렌즈(34R)는 회전대칭 비구면 곡면의 입사면(341R)과 출사면(342R)으로 구성되며 상기 입사면(341R)을 통해 접안렌즈(34R)의 내부로 입사한 영상광은 상기 출사면(342R)을 소정의 각도로 통과하여 사용자의 동공에 초점을 형성하게 된다. 또한, 상기 좌안용 접안렌즈(34L)는 회전대칭 비구면 곡면의 입사면 (341L)과 출사면(342L)으로 구성되며 상기 입사면(341L)을 통해 접안렌즈(34L)의 내부로 입사한 영상광은 상기 출사면(342L)을 소정의 각도로 통과하여 사용자의 동공에 초점을 형성하게 된다. The
상기 접안렌즈의 입사면(341L, 341R)은 도 5에 도시된 바와 같이 영상광이 눈동자 정위치에 수렴할 수 있도록 접안렌즈의 수평축을 기준으로 좌우측 끝부분이 안구 방향으로 α 만큼 기울어져 있다. 상기 입사면을 α 만큼 기울이는 것은 편심오차를 보정하기 위한 것으로서 다음과 같은 범위 이내에서 각 반사경 및 상기 프리즘 렌즈(33L, 33R)의 비구면 계수 변화에 따라 변경하여 적용할 수 있다.As shown in FIG. 5, the incidence surfaces 341L and 341R of the eyepiece are inclined by α in the eyeball direction with respect to the horizontal axis of the eyepiece so that the image light can converge to the pupil position. Inclining the incident surface by α is for correcting the eccentricity error and may be changed and applied according to changes in the aspherical coefficients of the respective reflectors and the
0˚< α < 5˚ 0˚ < α < 5˚
이 때, 만약 α 값이 상기의 범위를 벗어나게 되면 양안 동공간 중심거리(IPD, INTERPULPILARY DISTANCE)가 늘어나거나 줄어들어 양안의 결상에 영향을 미치게 되기 때문에 반드시 범위 내에 포함되어야 하며, 이 중 각종 수차 대비 최적의 성능을 갖도록 하기 위해서는 α 값이 2˚로 하는 것이 바람직하다.At this time, if the α value is out of the above range, the intraocular pupillary distance (IPD, INPPULPILARY DISTANCE) is increased or decreased, which affects the formation of binocular vision. In order to have the performance of, it is preferable that the α value is 2 °.
위와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 디스플레이 소자로부터 투사된 영상광이 제 1 반사면, 제 2 반사면, 프리즘 렌즈 및 접안렌즈를 통해 좌우 양안의 동공에 수렴되는 좌우 대칭의 광경로를 형성하게 되며, 상기와 같은 광학시스템에는 종래의 단판양안식 광학시스템에서 채용되었던 하프미러와 같이 광손실을 강제하는 수단을 보유하고 있지 아니하므로 사용자의 동공에 원화상의 밝기와 거의 동등한 수준의 매우 밝고 선명한 화상을 제공할 수 있다. In the single plate binocular head mounted display optical system according to the present invention having the above configuration, the image light projected from the display element is converged to the pupils of the left and right eyes through the first reflecting surface, the second reflecting surface, the prism lens, and the eyepiece. Since the optical system as described above does not have a means for forcing optical loss like the half mirror used in the conventional single-plate binocular optical system, the brightness of the original image in the user's pupil is not included. It can provide a very bright and clear image at about the same level as.
또한, 바람직한 헤드마운트 디스플레이(HMD)의 시야각이 대각기준 30ㅀ이상, 아이릴리프가 20mm 이상임을 감안하면 본 발명의 광학시스템에서는 대각기준 37ㅀ의 시야각과, 21mm의 아이릴리프를 제공함으로써 넓은 시야각과 충분한 아이릴리프 확보가 가능해진다.In addition, considering that the preferred angle of view of the head mounted display (HMD) is greater than or equal to 30 mm diagonal and more than 20 mm in the eye relief, the optical system of the present invention provides a wide viewing angle of 37 mm and an eye relief of 21 mm. It is possible to secure sufficient irelief.
상기의 설명에 의한 실시예는 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 않은 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Embodiments according to the above description can be variously changed and modified without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the examples, but should be defined by the claims.
본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 양판양안식 HMD용 광학계에 보편적으로 사용되는 회전비대칭 자유곡면 프리즘 배제하고 평면 또는 회전대칭 곡면으로 이루어진 프리즘 렌즈를 적용함으로써 제품개발 및 제작에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있어 조기 제품실현의 가능성을 높일 수 있을 뿐 아니라 렌즈의 성능검사가 간편하여 측정과 보정을 용이하도록 하는 효과를 얻을 수가 있다.The single plate binocular head mounted display optical system according to the present invention is required for product development and production by applying a prism lens composed of a plane or a rotationally symmetric curved surface without the rotationally asymmetric free curved prism commonly used in the optical system for a two-plate binocular HMD. It can dramatically reduce time and cost, increasing the likelihood of early product realization, as well as simplifying the performance test of the lens, making it easy to measure and calibrate.
또한, 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 HMD의 구성요소 중 디스플레이 소자가 유일하게 값비싼 부품임을 감안할 때 일반적인 광분할 방식인 반투과 미러 방식을 사용하지 않고도 단일의 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광을 양안으로 분배하기 위한 단판양안식 광학계 구성이 가능해짐에 따라 광량의 손실이 거의 없이 원 이미지의 광학특성을 그대로 유지할 수 있도록 하여 제품 원가를 현저히 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, the single-plate binocular head mounted display optical system according to the present invention occurs in a single display device without using a transflective mirror method, which is a general light splitting method, considering that the display device is the only expensive component among the components of the HMD. As the single plate binocular optical system can be configured to distribute the image light to both eyes, it is possible to significantly reduce the cost of the product by maintaining the optical characteristics of the original image with little loss of light.
또한 본 발명에 따른 단판양안식 헤드마운트 디스플레이 광학시스템은 디스플레이 소자를 두 개를 사용하여 각각 독립적인 광경로를 구축하는 양판양안식 광학시스템에 비해 사용자의 동공거리 및 디스플레이 소자를 양안의 중심에 수평으로 위치시켜야 하는 제한을 추가로 가지고 있음에도 불구하고 양판양안식 광학시스템과 동등한 수준의 넓은 시야각과 충분한 아이릴리프를 제공하는 장점을 추가로 가진다.In addition, the single-plate binocular head mounted display optical system according to the present invention has a user's pupil distance and display element horizontal to the center of both eyes, compared to the two-plate binocular optical system that builds an independent optical path using two display elements, respectively. Despite the additional constraints of being placed in position, it has the added advantage of providing a wide viewing angle and sufficient irelief on the same level as a two-plate binocular optic system.
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