KR100928226B1 - 헤드 마운트 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광 손실을 최소화하고 착용시의 피로감을 줄여 주며 마이크로 디스플레이 패널로부터 생성된 가상 영상뿐만 아니라 바깥의 주변 영상도 볼 수 있도록 하여 주변 위험 상황에 쉽게 대처할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 영상을 생성하는 마이크로 디스플레이 패널, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기, 상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판, 상기 위상 지연판을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 위상 지연판으로 보내주는 반투과 오목 반사경 및 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치에 의하여 달성된다.
헤드 마운트 디스플레이 장치(HMD, head mounted display), 위상 지연판, 편 광, 반투과 오목 반사경, 광 개폐 스위치 패널
Description
본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 영상을 생성하는 마이크로 디스플레이 패널, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기, 상기 편광분리기를 통과한 선편광을 원편광으로 변환시키거나 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판, 상기 위상 지연판을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 위상 지연판으로 보내주는 반투과 오목 반사경 및 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.
본 발명은 사용자가 머리 또는 얼굴에 착용한 상태에서 마이크로 디스플레이 패널에서 생성된 이미지를 볼 수 있는 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.
헤드 마운트 디스플레이(HMD: Head Mounted Display) 장치는 주로 가상 현실 감을 실현하기 위해 개발되었다. 양쪽 눈에 근접한 위치에 액정 등의 소형 디스플레이가 설치되어 시차를 이용한 입체 영상을 투영한다. 이용자의 머리를 향하고 있는 방향을 자이로 센서 등으로 검출, 움직임에 대응한 영상을 강조함으로써 3차원 공간에 있는 것 같은 체험이 가능하도록 한 것도 있다. 미국 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 인공 지능(AI) 연구자 민스키(Marvin Minskey)가 1963년에 개발한 것이 최초의 것으로 알려져 있다.
현재는 우주 개발, 원자로, 군사 기관 및 의료 기관에서 사용하기 위한 것과 업무용이나 게임용 등 각종 개발이 진행되고 있다.
도 1은 종래의 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.
조명(100)을 통과한 광은 주로 투과형 액정 디스플레이로 구성되는 마이크로 디스플레이 패널(110)을 통과한 후 영상 확대 광학 렌즈(120)에 의해 확대되어 사용자의 눈(130)에 영상이 맺히게 되어 있다.
종래의 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계 구성은 도 1과 같이 투과형 LCD 마이크로 디스플레이 패널과 영상 확대 광학 렌즈계가 일직선 상의 광축에 정렬되어 구성되어지며, 마이크로 디스플레이에서 만들어진 영상 이미지를 확대 광학계를 통해 확대되어 사용자의 눈으로 가상 이미지를 볼 수 있도록 되어 있다.
그러나, 종래의 헤드 마운트 디스플레이 장치는 마이크로 디스플레이 패널과 렌즈 광학계를 일직선상의 광축에 위치시킴으로써 시스템이 앞쪽으로 돌출되는 형태로 구성되기 때문에 무게 중심이 앞쪽에 있어 사용자가 이러한 구조의 헤드 마운트 디스플레이 장치를 사용하는 경우 얼굴 앞면에 상당한 압박감을 받게 되어 쉽게 피로감을 유발하게 된다.
또한 헤드 마운트 디스플레이 장치의 전방 주변을 볼 수 없고 가상 영상만을 보게 됨으로써 가상 영상에 지나치게 몰입하게 되어 정신적 장애가 유발될 수 있으며, 주변의 위험 상황에 빨리 대처할 수 없다.
예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이 장치를 착용하고 영화 감상을 하면서 걸어가는 경우에 차량이 접근해 오는지 등의 전방 또는 주변의 상황을 알 수 없게 되어 매우 위험할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계를 편광분리기, λ/4 위상 지연판과 광 개패(開閉) 스위치 패널이 결합된 반투과 비구면 반사경 렌즈로 구성함으로써 광 효율을 증가시키고 헤드 마운트 디스플레이 장치의 무게 중심을 사용자의 신체 쪽으로 최대한 위치시켜 헤드 마운트 디스플레이 장치의 장시간 사용에 따른 피로를 경감 수 있으며, 헤드 마운트 디스플레이 장치를 통해 마이크로 디스플레이의 가상 영상을 보면서 동시에 광 개폐 스위치 패널을 이용하여 헤드업 디스플레이 밖의 주변 영상도 함께 볼 수 있도록 함으로써 정신적 장애 유발 방지 및 주변의 위험 상황에 빨리 대처할 수 있도록 함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 영상을 생성하는 마이크로 디스플레이 패널, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기, 상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판, 상기 위상 지연판을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 위상 지연판으로 보내주는 반투과 오목 반사경 및 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널을 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치에 의하여 달성된다.
상기 마이크로 디스플레이 패널은 LCD 패널 또는 OLED 패널이 바람직하며 OLED 패널은 편광분리기와 대향된 면에 부착되는 편광판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 위상 지연판은 λ/4 위상 지연판이 바람직하다.
상기 반투과 오목 반사경은 광학수차를 최소화하기 위해 비구면으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 반투과 오목 반사경은 전체가 투명한 재질로 오목 반사경을 만들고 그 내측면에 반투과막이 존재할 수 있다.
상기 반투과막은 금속 박막 또는 유전체 다층박막이 바람직하며 금속 박막은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 광 개폐 스위치 패널은 플렉서블 LCD 패널이 바람직하다.
상기 광 개폐 스위치 패널은 전면적으로 광을 개폐하거나 구역화되어 부분적으로 광을 개폐할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 헤드 마운트 디스플레이 장치는 편광분리기와 λ/4 위상 지연판을 사용함으로써 광 손실을 최소화하여 보다 밝은 화면을 볼 수 있으며, 또한 편광분리기, λ/4 위상 지연판, 반투과 오목 반사경 및 광 개패 스위치 패널을 사용하여 광학계를 구성함으로써 헤드 마운트 디스플레이 장치의 무게중심을 사용자의 몸쪽으로 이동시켜 착용시의 피로감을 줄일 수 있으며, 광 개폐 스위치 패널을 사용하 여 사용자가 헤드 마운트 디스플레이 장치 밖의 주변 영상도 함께 볼 수 있기 때문에 사용자 눈의 피로감을 줄이고 주변 위험 상황을 시각적으로 인지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
편광분리기(210)는 특정 편광만을 반사 또는 투과시키는 성질이 있다. 예를 들면, 광원(205)에서 나온 광 중 P 선편광(215)은 반사시키며, S 선편광은 투과시키는 특성을 갖고 있으며, λ/4 위상 지연판(220)은 선편광을 우(右)원편광 또는 좌(左)원편광의 원편광(225)으로 변환시키는 특성을 갖는다.
따라서, P 선편광(215)은 편광분리기(210)에서 반사되어 λ/4 위상 지연판(220)을 통과하면서 원편광(225)으로 변환되며, 변환된 원편광은 거울면(245)에서 반사되어 편광면의 회전 방향이 반대로 되는 원편광 상태를 유지하며 다시 λ/4 위상 지연판(220)을 통과한 후 처음의 P 선편광(215)과 90°위상 차이가 있는 S 선편광(235)으로 변환된다. 이렇게 변환된 S 선편광은 편광분리기(210)에서 반사되지 않고 투과하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이의 구성을 나타낸 것이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치는 영상을 생성해 보내주는 마이크로 디스플레이 패널(200), 편광분리기(210), 위상 지연판(220), 반투과 오목 반사경(240) 및 광 개폐 스위치 패널(250)로 구성된다.
마이크로 디스플레이 패널(200)은 1인치 크기 이하가 바람직하며, 고해상도 LCD(Liquid Crystal Display) 패널 또는 OLED(Organic Light Emitting Diode) 패널을 사용한다.
LCD 패널의 경우 패널의 양측면에 편광판이 부착되어 있어 별도의 편광판이 필요없으나, OLED 패널의 경우에는 OLED 패널과 편광분리기 사이에 편광판(도시하지 않음)을 포함하며 편광분리기(210)와 대향된 OLED 패널의 일측면에 부착하는 것이 바람직하다.
한편, LCD 패널은 자체 발광이 아니므로 외부에서 광원이 결합되어야 한다. 즉, 백라이트를 사용한 투과형 LCD 패널 또는 프론트라이트(frontlight)를 사용한 반사형 LCD 패널이 가능하다. OLED 패널은 자체 발광이 가능하기 때문에 별도의 광원이 필요 없으며 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계를 보다 간단하게, 소형 사이즈로 구성할 수 있다.
마이크로 디스플레이 패널(200)로부터 나온 광(영상) 중 P 선편광된 광은 편광분리기(210)에서 손실없이 반사되고 위상 지연판(220)을 통과한 후 원편광된 광으로 변환된다. 선편광을 원편광으로 변환시키기 위해서는 상기 위상 지연판(220)은 λ/4 위상 지연판이 바람직하다.
편광 분리기(210)는 마이크로 디스플레이 패널(200)로부터 나온 광의 진행 방향에 대해 소정 각도(대략 45°) 기울어지게 설치한다.
원편광된 광은 반투과 오목 반사경(240)에서 반사되어 다시 위상 지연판(220)을 통과 후 P 선편광과 90° 위상 차이가 있는 S 선편광된 광으로 변환되며, 이렇게 S 선편광된 광(영상)은 편광분리기(210)에서 반사 없이 통과하여 사람 눈으로 들어가 가상의 확대 영상을 형성하게 된다.
상기 반투과 오목 반사경(240)은 마이크로 디스플레이에서 생성된 광(영상)의 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는데, 반투과 오목 반사경(240)에서 반사되는 광은 확대된 가상의 영상을 만들며 확대 가상 영상의 광학 수차를 줄이기 위해 반사면을 비구면 형상으로 제작하는 것이 바람직하다.
수차에는 색수차(chromatic aberrations)와 단색수차(monochromatic aberrations)가 있으며, 단색수차에는 상을 불명확하게 하여 훼손시키는 구면수차, 코마(coma)와 비점수차(astigmatism)가 있다. 또한 상을 변형시키는 페쯔발 만곡수 차(Petzval field curvature)와 왜곡수차(distortion) 등이 있다.
이러한 수차를 최소화시키기 위한 반투과 오목 반사경(240)의 설계는 일반적으로 사용되는 광학 설계 프로그램을 이용할 수 있다.
또한 광 개폐 스위치 패널(250)을 통해서 들어오는 주변 광이 일부 투과할 수 있도록 반투과 오목 반사경은 반투과하는 성질을 가져야 한다.
이를 위해 상기 반투과 오목 반사경(240)은 투명한 플라스틱 또는 유리와 같은 투명한 물질로 오목 반사경(232)을 만들고 그 오목한 내측면에 반투과막(230)을 형성하여 만들 수 있다.
상기 반투과막(230)은 가시광선 영역의 광을 일부는 투과시키나 일부는 반사시키는 역할을 하며 금속박막, 유전체 다층박막, 금속과 유전체의 다층박막 또는 금속과 금속산화물의 다층박막 등으로 형성할 수 있다.
금속박막으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr) 등이 가능하면 진공증착, 스퍼터링 등의 박막 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
도체 속으로 광이 진행할 때 그 광(전자기파)의 세기는 다음과 같다(Lambert-Beer식).
여기서, I0는 도체의 표면에서의 광의 세기, I는 도체의 표면으로부터 거리 가 y인 지점에서의 광의 세기를 의미하며 ni는 허수굴절율, c는 광속, ω는 각진동수(angular frequency), α는 흡수계수(absorption coefficient) 또는 감쇠계수(attenuation coefficient)를 의미한다.
광이 1/α 거리를 이동한 후의 광의 세기는 대략 1/3로 작아지는데 이 거리를 침투깊이(penetration depth)라고 하며, 구리의 경우 100nm의 파장에서 약 0.6nm, 10000nm의 파장에서 약 6nm의 침투깊이를 가진다.
따라서, 상기 Lambert-Beer식(수학식1)을 고려하여 금속박막의 두께를 설계하면 원하는 투과율 내지 반사율을 얻을 수 있고, 입사된 광의 일부는 투과하고 일부는 반사하는 금속박막을 얻을 수 있다.
유전체 다층박막의 경우에도 금속막박과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 유전체 다층박막에는 MgF2, CeF3 등의 불화물, Al2O3, TiO2, SiO2, Ta2O5, ZrO2 등의 산화물 또는 ZnS, CdS 등의 황화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 다층박막일 수 있으며 상기 예는 일례에 불과하며 기타 다른 유전체 박막도 가능하다.
반투과 오목 반사경(240)의 바깥쪽 볼록한 면에는 마이크로 디스플레이에서 나오는 영상 외에도 주변 영상을 사용자의 눈으로 왜곡 없이 보기 위해 반투과 오목 반사경의 비구면 형상과 동일한 형상으로 광 개폐 스위치 패널(250)을 형성한다.
이 때, 반투과 오목 반사경(240)의 외측면(광 개페 스위치 패널이 부착되는 면)은 내측면의 형상과 동일하게 하여 반투과 오목 반사경(240)의 전체적인 두께가 각 위치에서 균일하게 유지되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 헤드 마운트 디스플레이 장치 밖의 광이 두께가 균일한 투명한 판을 통과하는 효과를 갖기 때문에 사람 눈으로 헤드 마운트 밖의 주변 영상을 왜곡 없이 마이크로 디스플레이 패널의 확대된 가상 이미지와 함께 볼 수 있게 된다.
광 개폐 스위치 패널(250)은 패널에 전기가 인가되는지 여부에 따라 광 개폐 스위치 패널을 통과하는 광을 차단 또는 투과되도록 하여 마이크로 디스플레이 영상뿐만 아니라 헤드 마운트 디스플레이 장치 밖의 주변 영상도 함께 볼 수 있게 한다.
상기 광 개폐 스위치 패널(250)은 LCD 패널이 바람직하며, 액티브 매트릭스 (active matrix) LCD 패널, 패시브 매트릭스(passive matrix) LCD 패널 모두 가능하다. 또한, 전면적으로 광을 개폐하거나 구역화되어 부분적으로 광을 개폐할 수 있도록 구성될 수 있다.
이렇게 함으로써 마이크로 디스플레이에서 구현된 영상만 몰입하여 봄으로써 발생하는 사용자의 눈의 피로감을 줄일 수 있으며 사용자에게 주변 사항의 갑작스런 변화를 시각적으로 보다 쉽게 인지할 수 있게 해준다.
광 개폐 스위치 패널(250)은 유연성 있는 소재를 사용하여 유연성 패널로 제작하여 비구면 오목 반사경의 바깥쪽에 밀착되게 함으로써 헤드 마운트 디스플레이 장치를 제작시 장치의 크기를 줄일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 개폐 스위치 패널(250)은 플라스틱 기판을 사용한 플렉서블(flexible) LCD 패널이 가능하며 광 개폐 기능만 수행하면 되므로 공정이 복잡 한 액티브 매트리스 LCD 패널보다는 패시브 매트릭스 LCD 패널이 바람직하다.
헤드 마운트 디스플레이 장치는 머리 또는 얼굴 부분에 착용하여 사용하게 된다.특히, 안경 형태로 착용하는 경우 헤드 마운트 디스플레이 장치의 무게로 인해 사용자가 장시간 사용하는 경우 얼굴 부위에 압박을 받아 통증 등을 유발할 수 있기 때문에 가능한 무게를 줄여야하며, 또한 무게 중심을 뒤쪽으로 가도록 설계 제작되어야 한다. 그렇게 하기 위해서는 유연성 있는 투과형 LCD 광 개폐 스위치 패널을 반사경에 밀착하여 제작한다.
도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 사용 예를 나타낸 것이다.
광 개폐 스위치 패널(250)의 일부 구역에 전기를 인가한 상태(또는 인가하지 않은 상태)에서는 마이크로 디스플레이에서 생성된 영상(300)과 외부 영상(310)을 동시에 볼 수 있도록 할 수 있다(도 4a)
또한, 주변 광이 통과할 수 없도록 광 개폐 스위치 패널(250)을 동작함으로써 마이크로 디스플레이에서 생성된 확대 가상 영상(300)만을 볼 수 있게 하거나(도 4b), 확대 가상 영상 이미지는 중단하고 바깥쪽 주변 영상(310)만을 볼 수 있게 할 수도 있다(도 4c)
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 헤드 마운트 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 작동 원리를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 사용 예를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 마이크로 디스플레이 패널 210 : 편광분리기
220 : 위상 지연판 230 : 반투과막
232 : 오목 반사경 240 : 반투과 오목 반사경
250 : 광 개폐 스위치 패널
Claims (10)
- 영상을 생성하는 마이크로 디스플레이 패널;상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기;상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판;전체가 투명한 재질로 구성된 오목 반사경과 상기 오목 반사경의 내측면에 금속박막 또는 유전체 다층박막 중 어느 하나로 구성되는 반투과막을 포함하되, 상기 위상 지연판을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 위상 지연판으로 보내주는 반투과 오목 반사경; 및상기 반투과 오목 반사경의 내측면의 형상과 동일하고, 상기 반투과 오목 반사경을 포함한 전체두께가 균일하게 구성하여 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널을 포함하되,상기 광 개폐 스위치 패널은 광을 전면적 또는 부분적으로 개폐할 수 있는 것인 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로 디스플레이 패널은 LCD 패널 또는 OLED 패널인 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제2항에 있어서,상기 OLED 패널은 편광분리기와 대향된 면에 부착되는 편광판을 더 포함하는 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,상기 위상 지연판은 λ/4 위상 지연판인 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,상기 반투과 오목 반사경은 광학수차를 최소화하기 위해 비구면으로 이루어지는 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 금속 박막은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어진 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,상기 광 개폐 스위치 패널은 플렉서블 LCD 패널인 헤드 마운트 디스플레이 장치.
- 제1항에 있어서,상기 광 개폐 스위치 패널은 전면적으로 광을 개폐하거나 구역화되어 부분적으로 광을 개폐할 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이 장치.
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