KR101455714B1 - Head mounted display device and method for compensating image distortion thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이의 영상 왜곡 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 렌즈의 구면수차에 의한 영상 왜곡을 감소시키는 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이의 영상 왜곡 보정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a head-mounted display apparatus and an image distortion correction method thereof, and more particularly, to a head-mounted display apparatus and an image distortion correction method for reducing image distortion due to spherical aberration of a lens.
HMD(Head Mounted Display)는 가상현실, 증강현실을 제공하는 시각화 장치로 최근 급속히 부각되고 있다. 종전의 HMD는 군사용, 훈련용 등의 특수한 목적으로 활용되었으나 최근 디스플레이 기술의 발달로 소형화 경량화 되면서 저가의 HMD가 상용화 되고 있는 추세이다. 이러한 저가의 HMD는 최근까지 3D 영화감상 등의 용도로 주로 사용되었으나 고도의 몰입성을 제공할 수 있는 기술적 특성을 배가하여 가상현실, 증강현실의 시각화 장치로 활발한 연구개발이 진행되고 있다.HMD (Head Mounted Display) is rapidly emerging as a visualization device that provides virtual reality and augmented reality. Conventional HMDs have been used for military and training purposes. However, as the display technology has recently become smaller and lighter, low-priced HMDs are being commercialized. Although these low cost HMDs have been mainly used for 3D movie appreciation and the like, they have been actively researched and developed as visualization devices of virtual reality and augmented reality by doubling the technical characteristics that can provide a high degree of immersion.
HMD의 소형화 경량화 기술의 핵심은 얼마나 작고 가볍게 내부의 구성요소를 집적시킬 수 있느냐이다. 최근 고도의 해상도를 갖는 소형 디스플레이 기술의 발달로 HMD에 사용되는 LCD는 상당한 소형화가 이루어진 반면, 광학계의 구조는 아직까지도 그 구조가 복잡하고 부피가 크다. 이러한 이유로 현재까지 나온 HMD들 중에서 고도의 몰입감을 제공하는 광시야각 HMD들은 부피가 크다. 이러한 부피를 혁신적으로 줄이기 위해서는 광학구조를 단순화할 필요가 있다.The key to miniaturization and lightweighting of HMDs is how small and light can integrate internal components. Recently, with the development of small display technology with high resolution, the LCD used in the HMD has been considerably reduced in size, but the structure of the optical system is still complicated and bulky. For this reason, the wide viewing angle HMDs that provide a high degree of immersion among the HMDs to date are bulky. In order to innovatively reduce this volume, it is necessary to simplify the optical structure.
기존의 광학구조는 크게 결상 방식(pupil forming)방식과 비결상 방식(no pupil forming)으로 나뉜다. 결상 방식은 HMD 내의 광학계에서 상을 갖추어 육안으로 그 상을 투입하는 방식이다. 이 때에 사출동공(exit pupil)의 크기로 상의 크기가 결정된다. The conventional optical structure is divided into pupil forming method and no pupil forming method. The image forming system is a system in which an image is put in the optical system in the HMD and the image is put into the naked eye. At this time, the size of the image is determined by the size of the exit pupil.
반면, 비결상 방식은 간단한 구조의 볼록렌즈만을 가지고 허상을 통해 육안으로 전달하고 수정체의 굴절에 의해 망막에 결상을 이루는 방식이다. 이 방식은 상대적으로 구조가 간단하면서도 광각의 시야각을 구현할 수 있다. 그러나 이 방식은 단일 렌즈의 광학에 의존하므로 상의 품질이 떨어지고 육안의 위치에 따른 상의 변질도 심하다. 특히 구면수차에 의한 왜곡이 렌즈 외곽부근으로 갈수록 심해져 화상이 찌그러져 보이는 문제가 발생한다. 심할 경우 색수차(chromatic aberration)까지 동반하여 HMD로서 사용이 어려울 정도의 화질저하를 가져오기도 한다. On the other hand, the non-resolution method is a method in which only a convex lens having a simple structure is transmitted through the virtual image to the naked eye, and an image is formed on the retina by the refraction of the lens. This method can realize a wide viewing angle with a relatively simple structure. However, this method relies on the optics of a single lens, so the quality of the image is degraded and the image deteriorates depending on the position of the naked eye. Especially, the distortion due to the spherical aberration becomes worse as it goes closer to the outer periphery of the lens, so that the image looks distorted. In severe cases, chromatic aberration is accompanied by the degradation of image quality, which is difficult to use as an HMD.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 적절한 배율의 수차가 적은 렌즈를 사용하여야 한다. 그러나 적절한 렌즈를 사용하더라도 렌즈에서 디스플레이까지의 거리를 좁힐 수 없어 결과적으로 부피가 상당한 HMD가 구성될 수 밖에 없다. 이 거리를 줄이기 위해 고배율의 렌즈를 사용할 경우 또 다시 수차 왜곡이 심해지는 악순환이 반복되는 문제점이 있다.To solve this problem, a lens with a small aberration of appropriate magnification should be used. However, even with proper lenses, the distance from the lens to the display can not be reduced, resulting in a bulky HMD. When a high magnification lens is used to reduce the distance, there is a problem that a vicious circle in which the distortion of the aberration is further increased is repeated.
이에 따라, 렌즈 거리를 충분히 줄여 소형 HMD 장치를 구현하면서 동시에, 수차 왜곡이 감소될 수 있는 영상 왜곡 보정 방법이 요구된다.Accordingly, there is a demand for an image distortion correction method capable of reducing aberration distortion while sufficiently realizing a small HMD device by sufficiently reducing the lens distance.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 장치의 부피를 줄이면서 렌즈의 구면수차에 의한 영상 왜곡을 감소시키는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a head-mounted display device which reduces image distortion due to spherical aberration of a lens while reducing the volume of the apparatus.
본 발명의 다른 목적은 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 영상 왜곡 보정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for correcting image distortion of a head-mounted display device.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는, 영상을 표시하는 디스플레이부; 상기 디스플레이부에서 표시되는 영상을 확대하여 사용자의 안구 방향으로 굴절시키는 주 렌즈부; 및 상기 디스플레이부와 상기 주 렌즈부 사이에 형성되어 상기 영상의 왜곡을 보정하는 보정 렌즈부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a head-mounted display device including: a display unit for displaying an image; A main lens unit for magnifying an image displayed on the display unit and refracting the image in a direction of a user's eyeball; And a correction lens unit formed between the display unit and the main lens unit for correcting distortion of the image.
본 발명의 실시예에서, 상기 보정 렌즈부는 상기 디스플레이부에 부착되어 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the correction lens unit may be attached to the display unit.
본 발명의 실시예에서, 상기 디스플레이부에 부착되는 상기 보정 렌즈부의 일면은 상기 디스플레이의 부착면의 형상과 동일하게 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the one surface of the correction lens unit attached to the display unit may be formed to have the same shape as the attachment surface of the display.
본 발명의 실시예에서, 상기 보정 렌즈부는 오목 렌즈를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the correcting lens unit may include a concave lens.
본 발명의 실시예에서, 상기 오목 렌즈는 비구면 렌즈를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the concave lens may include an aspherical lens.
본 발명의 실시예에서, 상기 오목 렌즈는 중간에 뚫린 창(window)이 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the concave lens may be formed with an intermediate window.
본 발명의 실시예에서, 상기 보정 렌즈부는 상기 영상의 위치를 이동하기 위해, 상기 디스플레이부를 기준으로 상기 보정 렌즈부를 상하좌우 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the correction lens unit may further include a moving unit that moves the correction lens unit in the up, down, left, and right directions with reference to the display unit, in order to move the position of the image.
본 발명의 실시예에서, 상기 보정 렌즈부는 상기 영상의 초점거리를 조정하기 위해, 상기 디스플레이부를 기준으로 상기 보정 렌즈부를 전후 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the correction lens unit may further include a moving unit that moves the correction lens unit in the forward and backward directions with reference to the display unit, in order to adjust the focal length of the image.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 영상 왜곡 보정 방법은, 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 표시되는 영상을 보정 렌즈부에 의해 핀쿠션 왜곡하여 미리(pre) 보정하는 단계; 및 상기 핀쿠션 왜곡된 영상을 주 렌즈부에 의해 바렐 왜곡하여 안구 방향으로 굴절하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image distortion correction method for a head-mounted display device, ; And barrel-distorting the pincushion-distorted image by the main lens unit to refract in the eyeball direction.
이와 같은 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이의 영상 왜곡 보정 방법에 따르면, 단일 렌즈를 이용하여 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학계의 구면수차를 현저히 감소시킬 수 있다.According to such a head-mounted display device and its image distortion correction method, the spherical aberration of the optical system of the head-mounted display device can be remarkably reduced by using a single lens.
따라서, 렌즈의 구면수차에 의한 영상 왜곡을 감소시켜 양질의 영상을 제공하는 동시에 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 소형화 및 경량화가 가능하므로, 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, it is possible to reduce the image distortion due to the spherical aberration of the lens to provide a high-quality image, and at the same time to miniaturize and lighten the head-mounted display device, thereby improving the performance of the head-mounted display device.
나아가, 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 IOD(Inter Ocular Distance) 및 초점거리를 세밀하게 조정할 수 있으므로 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있다.Further, since the IOD (Inter Ocular Distance) and the focal distance of the head-mounted display device can be finely adjusted, it is possible to provide an optimal display environment to the user.
도 1은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학계 구조의 일 예이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학계 구조의 일 예이다.
도 4는 본 발명과 비교하기 위한 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 영상 왜곡을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 영상 왜곡의 보정을 개념적으로 도시한 도면이다.1 is a view showing an appearance of a head-mounted display device according to the present invention.
2 is an example of an optical system structure of a head-mounted display device according to an embodiment of the present invention.
3 is an example of an optical system structure of a head-mounted display device according to another embodiment of the present invention.
4 is a conceptual view illustrating image distortion in a conventional head-mounted display device for comparison with the present invention.
5 is a conceptual view illustrating correction of image distortion in a head-mounted display device according to the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.
이하, 도면들을 참조하여 헤드 마운티드 디스플레이 장치 및 이의 영상 왜곡 보정 방법의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of a head-mounted display device and an image distortion correction method thereof will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 외관을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학계 구조의 일 예이다.1 is a view showing an appearance of a head-mounted display device according to the present invention. 2 is an example of an optical system structure of a head-mounted display device according to an embodiment of the present invention.
헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display, 이하 HMD) 장치란, 안경처럼 머리에 쓰고 영상을 볼 수 있는 영상표시 장치로서, 휴대하면서 대형 화면을 보거나 수술이나 진단에 사용하는 차세대 영상표시 장치이다.A head mounted display (hereinafter referred to as "HMD") is a next-generation image display device which is used for viewing a large-sized screen or carrying out surgery or diagnosis while carrying it on the head.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 HMD 장치(1)는 영상의 왜곡을 보정하기 위한 보정 렌즈부(500)를 포함한다. 상기 보정 렌즈부(500)는 단일 렌즈로 구성되며, 영상을 표시하는 디스플레이부(100)에 밀착하여 형성되므로, 상기 HMD 장치(1)는 부피가 작고 가볍다. 그러나, 상기 HMD 장치(1)의 외관은 일 예에 불과하며 다양한 형태로 제공될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the
상기 HMD 장치(1)는 예를 들어, 비디오 장치, TV, 컴퓨터와 같은 외부의 영상 출력 장치로부터 입력되는 영상을 표시할 수 있고, 사용자는 상기 영상을 눈으로 보면서 마치 일정한 거리에 대형의 스크린을 두고 영상을 보는 것과 같은 효과를 누릴 수 있다.The
도 2를 참조하면, 상기 HMD 장치(1)의 광학계(10)는 디스플레이부(100), 주 렌즈부(300) 및 보정 렌즈부(500)를 포함한다. 상기 광학계(10, optical system)는 광학의 반사, 굴절 등의 현상을 이용하여 물체의 상을 만드는 장치이다.2, the
상기 디스플레이부(100)는 상기 HMD 장치(1) 내부의 영상 출력부(미도시)에서 출력하는 영상을 표시하거나 비디오 장치, TV 또는 컴퓨터 등과 같은 외부의 영상 출력 장치로부터 출력되는 영상을 표시한다. The
상기 디스플레이부(100)는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 프로젝터 디스플레이일 수도 있고, 셔터 글래스(shutter glass) 방식, 렌티큘라(Lenticular) 방식, 패러랙스 배리어(parallax barrier) 방식 등의 오토스테레오그래피(autostereography) 또는 홀로그램(hologram)을 이용한 3차원 디스플레이일 수도 있다. 또한, 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode), 유기발광소자(OLED; Organic Light Emitting Display), 발광중합체(LEP; Light Emitting Polymer), 전자발광소자(EL Element; Electro-Luminescence Element), 전계방출소자(FED; Field Emission Display), 또는 중합체발광소자(PLED; Polymer Light Emitting Display) 등이 적용될 수도 있다. The
실시예에 따라, 상기 디스플레이부(100)는 투명 디스플레이일 수 있다. 투명 디스플레이를 통해 상기 디스플레이부(100)에 표시되는 컨텐츠 외에 육안으로 확인할 수 있는 배경영상을 동시에 확인할 수 있다. 이는, 증강현실(Augmented Reality) 또는 가상현실(Virtual Reality) 기술을 사용하기 위하여 활용될 수 있다.According to an embodiment, the
상기 주 렌즈부(300)는 상기 디스플레이부(100)에서 출력된 영상을 확대하여 사용자의 안구 방향으로 굴절시킨다. 구체적으로, 상기 주 렌즈부(300)는 상기 HMD 장치(1) 내부의 초점거리를 단축시켜서 허상을 생성하는 역할을 한다. 상기 주 렌즈부(300)는 상기 디스플레이부(100) 및 상기 보정 렌즈부(500)로부터 결상거리 만큼 떨어져 위치한다.The
상기 주 렌즈부(300)는 상기 디스플레이부(100)를 향해 볼록한 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 주 렌즈부(300)의 재료로는 광학 유리가 사용될 수 있다. 광학 유리는 크라운 유리와 플린트 유리로 크게 구별되지만, 바륨, 인산, 플루오르 등을 함유한(굴절률이 큰 데 비하여 분해능이 작은) 것을 사용하여 수차가 작은 대구경인 렌즈도 제작할 수 있다. The
상기 보정 렌즈부(500)는 상기 디스플레이부(100)와 상기 주 렌즈부(300) 사이에 형성되어 상기 영상의 왜곡을 보정한다. 상기 보정 렌즈부(500)는 상기 디스플레이부(100)를 향해 오목한 오목 렌즈를 포함할 수 있다. The
상기 보정 렌즈부(500)가 포함하는 오목 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 비구면이란, 구면에서 약간 벗어난 곡면으로서 눈과 마찬가지로 중심부에서 주변부로 점진적으로 편평해지는 구조를 갖는다.The concave lens included in the
상기 보정 렌즈부(500)는 상기 디스플레이부(100)에 부착되어 형성될 수 있으며, 상기 디스플레이부(100)에 부착되는 상기 보정 렌즈부(500)의 일면은 상기 디스플레이부(100)의 부착면의 형상과 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 보정 렌즈부(500)는 상기 디스플레이부(100)에 더욱 밀착될 수 있다.The
상기 보정 렌즈부(500)와 상기 주 렌즈부(300)까지의 거리를 'L'이라고 정의한다면, 상기 'L'은 상기 주 렌즈부(300)의 초점거리보다 작도록 설계된다. 상기 'L'이 달라지면 전체 배율이 달라지게 되고, 또한 육안으로 감지되는 상의 초점이 흐리게 보일 수 있다. L 'is designed to be smaller than the focal length of the
즉, 상기 'L'은 상기 디스플레이부(100)의 상이 육안에 정확히 결상하도록 고정되어야 한다. 상기 'L'은 상기 주 렌즈부(300)의 배율에 따라 결정되는데 배율이 클수록 거리 상기 'L'은 작아진다. 상기 'L'은 작을수록 보다 콤팩트한 HMD 장치가 제작되므로 이를 최소화하는 설계가 필요하다. 그러나, 상기 'L'이 작아지게 되면 고배율의 상기 주 렌즈부(300)로 인해 영상의 왜곡이 발생하게 된다. 이러한 왜곡으로 인해 상기 'L'을 줄이는 데에는 한계가 있다. That is, the 'L' should be fixed so that the image of the
본 발명에 따른 상기 HMD 장치(1)에서 상기 보정 렌즈부(500)의 역할은 이러한 영상의 왜곡을 줄이는 것이다. 본 발명에서 상기 보정 렌즈부(500)와 상기 디스플레이부(100) 사이의 간격이 없도록 설계하는 이유는, 상기 디스플레이부(100)와 상기 주 렌즈부(300)까지의 거리를 최소화하여 상기 HMD 장치(1)의 부피를 줄이기 위함이다. 또한, 상기 보정 렌즈부(500)가 왜곡을 보정하는 영역을 상기 디스플레이부(100)의 외곽영역에 집중할 수 있다. The function of the
구체적으로, 만일 상기 보정 렌즈부(500)가 상기 디스플레이부(100)로부터 일정 거리로 떨어져 놓이게 되면, 상기 보정 렌즈부(500)에 의한 상의 변형이 영상 전체에 영향을 미친다. More specifically, if the
또한, 상기 보정 렌즈부(500)를 통해 보정하고자 하는 영역을 상기 디스플레이부(100)의 외곽영역으로 한정시키기 위해서는 상기 보정 렌즈부(500)의 렌즈형상이 구면이 아닌 특수한 형태의 비구면으로 구성되어야 하는데, 이러한 경우 설계가 복잡해지고 제조 가격이 상승할 수 있다. 따라서, 상기 보정 렌즈부(500)를 상기 디스플레이부(100)에 밀착하여 상기와 같은 문제를 해소하고 조립구조를 단순화 할 수 있다.In order to limit the area to be corrected through the
도 1 및 도 2에 도시하지는 않았으나, 상기 HMD 장치(1)는 상기 보정 렌즈부(500)를 상기 디스플레이부(100)를 기준으로 상하좌우 방향(X 방향, Z 방향)으로 이동시키거나 전후 방향(Y 방향)으로 이동시키는 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.1 and 2, the
상기 보정 렌즈부(500)를 상하좌우 방향으로 이동시키는 경우, 상기 디스플레이부(100)에 표시되는 영상의 위치를 이동할 수 있다. 또한, 상기 보정 렌즈부(500)를 전후 방향으로 이동시키는 경우, 상기 디스플레이부(100)에 표시되는 영상의 초점거리를 조정할 수 있다.When the
상기 보정 렌즈부(500)의 이동은 사용자의 조작 또는 자동으로 가능하다. 따라서, 상기 광학계(10)의 IOD(Inter Ocular Distance) 및 초점거리를 세밀하게 조절 가능하므로, 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있다.
The movement of the
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 광학계 구조의 일 예이다.3 is an example of an optical system structure of a head-mounted display device according to another embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 상기 HMD 장치(1)의 광학계(30)는 보정 렌즈부(700)의 형상을 제외하고, 도 2의 광학계(10)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 2의 광학계(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.The
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광학계(30)의 보정 렌즈부(700)는 상기 디스플레이부(100)와 상기 주 렌즈부(300) 사이에 형성되어 상기 영상의 왜곡을 보정한다. 상기 보정 렌즈부(700)는 상기 디스플레이부(100)를 향해 오목한 오목 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 보정 렌즈부(700)는 상기 디스플레이부(100)에 부착되어 형성될 수 있다.3, the
상기 보정 렌즈부(700)는 중간에 뚫린 창(window, 750)이 형성된다. 이러한 경우, 상기 보정 렌즈부(700)를 통하여 보정되는 영역은 상기 디스플레이부(100)의 외곽영역뿐이고, 상기 디스플레이부(100)의 중심 영역은 아무런 광학적 변화도 일으키지 않는다. 따라서, 상기 보정 렌즈부(700)의 형상 변경만으로, 영상의 보정 영역을 지정할 수 있고, 이에 따라 상기 광학계(30)의 설계를 간소화할 수 있다.
The
도 4는 본 발명과 비교하기 위한 종래의 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 영상 왜곡을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서 영상 왜곡의 보정을 개념적으로 도시한 도면이다.4 is a conceptual view illustrating image distortion in a conventional head-mounted display device for comparison with the present invention. FIG. 5 conceptually illustrates correction of image distortion in a head-mounted display device according to the present invention.
도 4를 참조하면, 영상의 왜곡을 보정하는 렌즈가 없는 경우의 영상 왜곡발생 과정을 도시한 것이다. 디스플레이부(200)로부터 나온 빛이 접안렌즈인 볼록 렌즈(400)를 거치면서 바렐 왜곡(Barrel Distortion)이라 불리는 왜곡이 발생하게 된다. 상기 바렐 왜곡이란, 렌즈 중앙부의 확대율과 렌즈 외측의 확대율 간의 차이로 인해 발생하는 찌그러짐 현상으로서, 볼록 렌즈에서 발생한다. 일반적으로 렌즈의 배율이 클수록 바렐 왜곡이 심해지며, HMD용 접안렌즈의 경우 짧은 초점거리를 이루기 위해 고배율의 렌즈를 사용하므로 이러한 왜곡이 심하게 발생하게 된다. Referring to FIG. 4, there is shown a process of generating image distortion when there is no lens for correcting image distortion. The light emitted from the
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 왜곡 보정렌즈를 포함하는 보정 렌즈부(500)가 삽입된 경우이다. 디스플레이부(100)로부터 나온 빛이 왜곡 보정렌즈(오목 렌즈)를 통과하면서 핀쿠션 왜곡을 만들게 된다. 핀쿠션 왜곡이란, 바렐 왜곡과 반대로 상의 중앙부로 찌그러져 들어간 형태의 왜곡으로서, 오목 렌즈에서 발생한다.Referring to FIG. 5, a
상기 핀쿠션 왜곡된 영상이 주 렌즈부(300)의 접안렌즈(볼록 렌즈)를 통과하면서 왜곡이 상쇄되는 효과를 가져온다. 두 렌즈의 배율이 동일할 경우에는 이론적으로 왜곡이 완전히 펴지게 되지만, 이러한 경우 초점거리가 매우 길어지게 되어 HMD 장치의 광학렌즈로서는 사용할 수 없다. 도면에서는 접안렌즈를 통과한 상이 완전히 왜곡보정이 된 것으로 표현되었으나 실제로는 왜곡 보정렌즈의 배율이 상대적으로 매우 작으므로 약간의 왜곡이 보정되는 수준이다. 그러나 이 약간 보정 만으로도 상당한 수준의 성능향상을 가져올 수 있다. The distortion is canceled as the pincushion-distorted image passes through the eyepiece (convex lens) of the
그 이유는, 보통 접안렌즈를 설계할 때 영상 왜곡이 극심한 경우는 없고 영상 외곽부근에 미약한 수준의 왜곡이 있는 것이 보통이다. 이러한 경우에 왜곡 보정렌즈를 삽입하게 되면 왜곡을 현저히 줄이는 효과를 가져오는 것이다. 또한, 왜곡 보정렌즈는 디스플레이 면이 굽어져 보이는 이른바 concavity 문제를 완화하기도 한다. 도 4의 경우와 같이, 접안렌즈만 사용하는 경우에는 디스플레이 가운데부분이 움푹 들어간 듯한 형태로 보이는 반면, 본 발명의 경우 왜곡 보정렌즈에 의해 영상이 비교적 평평하게 보이게 하는 효과를 가져온다. 이러한 효과들이 종합적으로 나타나게 되면 사용자는 렌즈의 왜곡이 완화된 상태로 영상을 볼 수 있게 된다. The reason is that when designing an eyepiece, there is no extreme case of image distortion, and there is usually a slight level of distortion near the edge of the image. In this case, when the distortion correcting lens is inserted, the distortion is remarkably reduced. The distortion correction lens also alleviates the so-called concavity problem in which the display surface is curved. In the case of using only the eyepiece lens, as shown in FIG. 4, the center portion of the display is recessed, whereas the present invention has the effect of making the image appear relatively flat by the distortion correcting lens. When these effects are displayed in a comprehensive manner, the user can see the image with the lens distortion being relaxed.
본 실시예에 따른 HMD 장치 및 이의 영상 왜곡 보정 방법에 따르면, 단일 렌즈를 이용하여 렌즈의 구면수차에 의한 영상 왜곡을 감소시켜 양질의 영상을 제공한다. 또한, 동시에 HMD 장치의 소형화 및 경량화가 가능하므로, HMD 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.According to the HMD device and the image distortion correction method of the present embodiment, a single lens is used to reduce image distortion due to the spherical aberration of the lens, thereby providing a high-quality image. Further, at the same time, since the HMD device can be made smaller and lighter, the performance of the HMD device can be improved.
나아가, HMD 장치의 IOD(Inter Ocular Distance) 및 초점거리를 세밀하게 조정할 수 있으므로 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있다.Further, since the IOD (Inter Ocular Distance) and the focal distance of the HMD device can be finely adjusted, it is possible to provide an optimal display environment to the user.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. You will understand.
1: HMD 장치 10, 30: 광학계
100: 디스플레이부 300: 주 렌즈부
500, 700: 보조 렌즈부 750: 창(window)1:
100: display unit 300: main lens unit
500, 700: auxiliary lens unit 750: window,
Claims (9)
상기 디스플레이부에서 표시되는 영상을 확대하여 사용자의 안구 방향으로 굴절시키는 주 렌즈부; 및
상기 디스플레이부와 상기 주 렌즈부 사이에 형성되어 상기 영상의 왜곡을 보정하는 보정 렌즈부를 포함하고,
상기 보정 렌즈부는 중간에 뚫린 창(window)이 형성된 오목 렌즈를 포함하는, 헤드 마운티드 디스플레이(HMD, Head Mounted Display) 장치.
A display unit for displaying an image;
A main lens unit for magnifying an image displayed on the display unit and refracting the image in a direction of a user's eyeball; And
And a correction lens unit formed between the display unit and the main lens unit to correct distortion of the image,
Wherein the correction lens unit includes a concave lens having an intermediate window formed therein.
상기 보정 렌즈부는 상기 디스플레이부에 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the correction lens unit is attached to the display unit.
상기 디스플레이부에 부착되는 상기 보정 렌즈부의 일면은 상기 디스플레이의 부착면의 형상과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the one surface of the correction lens unit attached to the display unit is formed to be the same as the shape of the attachment surface of the display.
상기 오목 렌즈는 비구면 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the concave lens comprises an aspherical lens.
상기 보정 렌즈부는 상기 영상의 위치를 이동하기 위해, 상기 디스플레이부를 기준으로 상기 보정 렌즈부를 상하좌우 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the correction lens unit further comprises a moving unit for moving the correction lens unit in the up, down, left, and right directions with respect to the display unit to move the position of the image.
상기 보정 렌즈부는 상기 영상의 초점거리를 조정하기 위해, 상기 디스플레이부를 기준으로 상기 보정 렌즈부를 전후 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the correction lens unit further comprises a moving unit that moves the correction lens unit in the forward and backward directions with reference to the display unit to adjust a focal length of the image.
상기 핀쿠션 왜곡된 영상을 주 렌즈부에 의해 바렐 왜곡하여 안구 방향으로 굴절하는 단계를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display) 장치의 영상 왜곡 보정 방법.A step of pincushion-distorting an outer region of an image displayed on the head-mounted display device by a correction lens unit including a concave lens having an intermediate window formed therein; And
Distorting the pincushion-distorted image by barrel-distorting the pincushion-distorted image by the main lens unit, and refracting the pincushion-distorted image in the eyeball direction.
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