KR101590825B1

KR101590825B1 - 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101590825B1
Application number: KR1020140115501A
Authority: KR
Inventors: 이중호; 박지형
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-02-02

Abstract

본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈는, 영상이 표시되는 디스플레이 부와 안구 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 양의 배율을 갖는 제1 렌즈부 및 상기 제1 렌즈부와 안구 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 음의 배율을 갖는 제2 렌즈부를 포함한다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 {Composite lens for Head Mounted Display and Device comprising the same}

본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 렌즈의 영상 왜곡을 감소시키며 보다 선명한 화질의 영상을 제공할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이에 관한 것이다.

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 및 경량화되면서 저가의 HMD가 상용화되어, 가상현실, 증강현실 등의 시각화 장치로서 고도의 몰입성을 제공하여 3D 영화감상 등의 용도로 사용되고 있다.

HMD의 소형화 및 경량화 기술의 핵심은 얼마나 작고 가볍게 내부의 구성요소를 집적시킬 수 있느냐이다. HMD는 디스플레이 장치와 이를 전달하는 광학 장치로 구성된다. HMD는 영상을 출력하는 디스플레이와 최근 고도의 해상도를 갖는 소형 디스플레이 기술의 발달로 HMD에 사용되는 디스플레이 장치는 상당한 소형화가 이루어졌다. 그러나, 광학 장치는 아직까지 그 구조가 복잡하고 부피가 매우 크다. 따라서, 고도의 몰입감을 제공하는 광시야각 HMD의 경우 부피가 매우 크다. 즉, HMD의 소형화를 위하여 광학 장치의 구조의 단순화 및 소형화가 필요한 상황이다.

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. 이때에 사출동공(exit pupil)의 크기로 상의 크기가 결정된다.

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 의존하면서 상의 품질이 떨어지고 육안의 위치에 따른 상의 변질도 심하다. 특히 구면 수차에 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.

이러한 문제를 해결하기 위해서 적절한 배율의 수차가 적은 렌즈를 사용하여야 한다. 그러나, 적절한 렌즈를 사용하더라도 렌즈에서 디스플레이까지의 거리를 좁힐 수 없게 되어 결과적으로 부피가 상당한 HMD가 구성될 수밖에 없다. 이는 걸이를 줄이기 위하여 고배율의 렌즈를 사용하는 경우, 다시 수차 왜곡이 심해지는 악순환이 반복되는 문제점이 있다.

일 예로, 특허문헌 1에서는 착용형 디스플레이 시스템을 개시하고 있으며, 이 경우 광경로를 반사판을 통하여 반사하여 육안으로부터 디스플레이 부까지의 거리를 단축시키고자 하였다. 그러나, 이 경우 전면 방향의 부피는 줄일 수 있으나, 육안 상단으로 확장되는 광학계의 부피가 증가하여 제품의 소형화에 저해가 되는 문제점이 있었다.

결국, 렌즈 거리를 충분히 줄여 소형 HMD 장치를 구현하면서, 동시에 수차 왜곡을 감소시킬 수 있는 광학 장치에 대한 계발이 필요하다.

KR

10-0449704

B1

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 HMD의 소형화 및 경량화를 구현하면서, 렌즈의 구면 수차에 의한 영상 왜곡을 감소시킬 수 있는 복합 렌즈 및 이를 포함하는 HMD 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, HMD 장치의 축간 거리(Inter Ocular Distance) 및 초점 거리를 세밀하게 조절할 수 있어, 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 과제들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈는, 영상이 표시되는 디스플레이 부와 안구 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 양의 배율을 갖는 제1 렌즈부 및 상기 제1 렌즈부와 디스플레이 부 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 음의 배율을 갖는 제2 렌즈부를 포함한다.

상기 제1 렌즈부에서 서로 마주하는 제1 렌즈면과 제2 렌즈면 및 제2 렌즈부에서 서로 마주하는 제3 렌즈면과 제4 렌즈면 중 하나 이상은 비구면 렌즈 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 안구 사이의 거리는 5 내지 10 mm일 수 있다.

상기 제1 렌즈부의 굴절률은 1.4 내지 1.6일 수 있다.

상기 제1 렌즈부는 안구가 배치되는 방향으로 제1 렌즈면과 디스플레이 부 방향의 제2 렌즈면을 포함하고, 상기 제1 렌즈면의 반경은 25 내지 27 mm이고, 상기 제2 렌즈면의 반경은 6.5 내지 8.5 mm일 수 있다.

상기 제1 렌즈부는 안구가 배치되는 방향으로 제1 렌즈면과 디스플레이 부 방향의 제2 렌즈면을 포함하고, 상기 제1 렌즈면의 코닉 계수는 -21 내지 -19 이며, 상기 제2 렌즈면의 코닉 계수는 -4.0 내지 -2.0일 수 있다.

상기 제2 렌즈부의 굴절률은 1.5 내지 1.7일 수 있다.

상기 제2 렌즈부는 안구가 배치되는 방향으로 제3 렌즈면과 디스플레이 부 방향으로 제4 렌즈면을 포함하고, 상기 제3 렌즈면의 반경은 451 내지 453 mm이고, 상기 제4 렌즈면의 반경은 6.4 내지 8.4 mm일 수 있다.

상기 제2 렌즈부는 안구가 배치되는 방향으로 제3 렌즈면과 디스플레이 부 방향으로 제4 렌즈면을 포함하고, 상기 제3 렌즈면의 코닉 계수는 -7.0 내지 -5.0 이고, 상기 제4 렌즈면의 코닉 계수는 -5.0 내지 -3.0일 수 있다.

상기 제2 렌즈부는 안구가 배치되는 방향으로 제3 렌즈면과 디스플레이 부 방향으로 제4 렌즈면을 포함하고, 상기 제3 렌즈면 및 제4 렌즈면 중 하나 이상은 광 축을 중심으로 주변부의 굴절도가 크고 중심부에서는 완만한 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 렌즈부는 51 내지 53인 아베수를 갖는 플라스틱 렌즈일 수 있다.

상기 제2 렌즈부는 25 내지 27인 아베수를 갖는 플라스틱 렌즈일 수 있다.

상기 제2 렌즈부와 상기 디스플레이 부의 간격은 3.0 내지 9.0 mm일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치는, 상술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 복합 렌즈와 영상이 표시되는 디스플레이 부를 포함한다.

상기 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부 중 하나 이상을, 상기 디스플레이 부와 광축을 기준으로, 상하 방향, 좌우 방향 및 전후 방향 중 하나 이상의 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형화 및 경량화가 가능하면서도 고화질의 영상을 제공할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 왜곡이 거의 없는 몰입도가 높은 헤드 마운디트 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, HMD 장치의 축간 거리(Inter Ocular Distance) 및 초점 거리를 세밀하게 조절할 수 있으므로, 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 제1 렌즈부의 구성을 보다 구체적으로 설명하고 있는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서 제2 렌즈부의 구성을 보다 구체적으로 설명하고 있는 구성이다.

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.

이하, 도면들을 참조하여 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이 장치(1)의 외관을 나타내며, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 렌즈(20)의 구조를 보다 상세하게 나타내는 도면이다.

헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display, 이하 HMD) 장치란, 안경처럼 머리에 쓰고 영상을 볼 수 있는 영상표시 장치로서, 휴대하면서 대형 화면을 보거나 수술이나 진단에 사용되는 차세대 영상표시 장치이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, HMD 장치(1)는 사용자가 착용 가능한 프레임, 상기 프레임에 장착된 디스플레이 부(10) 및 상기 디스플레이 부(10)와 안구(30)에 배치된 복합 렌즈(20)를 포함한다.

상기 프레임에 의해 사용자가 HMD 장치를 착용하도록 형성되며, 상기 디스플레이 부(10)에서는 영상을 제공하고, 복합 렌즈(20)는 디스플레이 부(10)로부터 출력되는 영상을 사용자의 양쪽 눈 또는 한쪽 눈에 전달하는 역할을 한다.

상기 프레임은 사용자에게 착용 가능한(wearable) 프레임이다. 도 1의 실시예의 경우 안경 형태의 프레임이 사용되는 것을 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 헬멧 등 사용자에게 착용 가능한 다양한 프레임이 이에 적용될 수 있다.

상기 디스플레이 부(10)는 비디오 장치, TV, 컴퓨터와 같은 외부의 영상 출력 장치로부터 출력되는 영상을 표시한다. 사용자는 디스플레이 부(10)를 바라봄으로써 마치 일정한 거리에 대형의 스크린을 두고 영상을 보는 것과 효과를 누릴 수 있다.

디스플레이 부(10)는 2개의 디스플레이 소자가 양안에 광경로를 형성하도록 프레임에 배치될 수 있다. 도 1의 실시예의 경우 상기 디스플레이 부(10)의 각각의 디스플레이 소자가 독립적인 광경로를 형성하는 것을 도시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 하나의 디스플레이 소자로부터 양안에 각각 대칭의 다른 광경로를 형성하는 방식 또는 하나의 디스플레이 소자로부터 양안 중 하나의 안구에만 광경로를 제공하는 방식 등이 사용될 수도 있다.

상기 디스플레이 부(10)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.

실시예에 따라, 상기 디스플레이 부(10)는 투명 디스플레이일 수도 있다. 투명 디스플레이를 통해 상기 디스플레이 부(10)에 표시되는 컨텐츠 외에 육안으로 확인할 수 있는 배경 영상을 동시에 확인할 수 있다. 이는 증강현실(Augmented Reality) 또는 가상 현실(Virtual Reality) 기술을 사용하기 위하여 활용될 수 있다.

상기 복합 렌즈(20)는 상기 디스플레이 부(10)에서 출력된 영상을 안구 방향으로 굴절시킨다. 상기 복합 렌즈(20)는 안구 방향으로 배치된 양의 배율을 갖는 제1 렌즈부(21)와 디스플레이 방향으로 배치된 음의 배율을 갖는 제2 렌즈부(23)를 포함한다.

상기 제1 렌즈부(21)는 양의 배율을 갖고, 상기 디스플레이 부(10)에서 출력된 영상을 확대하여 안구 방향으로 굴절시킨다. 상기 제1 렌즈부(21)는 상기 HMD 장치(1) 내부의 초점거리를 단축시켜서 허상을 생성하는 역할을 한다. 제1 렌즈부(21)는 디스플레이 부(10) 및 제2 렌즈부(23)로부터 결상 거리 만큼 떨어져 위치한다.

도 2를 참조하면, 제1 렌즈부(21)는 디스플레이 부(10)와 안구(30)를 향하여 볼록한 면들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 렌즈부(21)의 안구 방향 면이 볼록한 형상의 제1 렌즈면(21a)이고, 디스플레이 부(10) 방향 면이 볼록한 형상의 제2 렌즈면(21b)이 될 수 있다.

상기 제1 렌즈부(21)는 1.4 내지 1.6의 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다.

안구로부터 렌즈까지의 거리인 사출동 거리(eye relief)(도 2에서 "a")는 5 내지 10 mm가 바람직하다. 5 mm 미만인 경우 속눈썹이 렌즈에 닿아 불편하고, 10 mm를 넘는 경우 기기의 크기가 커지게 되어 소형화가 어려워진다.

헤드 마운티드 디스플레이에서 100 도 이상의 시야각(filed of view)이(도 2에서 "2θ") 확보되면, 몰입감 높은 디스플레이를 제공할 수 있다.

사출동 거리가 길어질수록 렌즈의 크기도 대응하여 커지게 된다. 그러나, 사출동의 거리가 길어질수록 착용성이 좋아지므로, 사출동 거리(a)가 10 mm인 경우를 고려하였을 때, 100도 이상의 시약각을 확보하기 위한 렌즈의 크기는 다음과 같이 계산될 수 있다.

구체적으로, 사출동 거리가 10 mm이고, 렌즈의 구경이 24 mm인 경우, 시야각의 절반인 θ 는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

θ = atan (b/a) = atan (12 mm/ 10 mm) = 50.2 도

여기서, a는 사출동 거리이고, b는 렌즈 구경의 1/2 값이다. 이 경우 전체 시야각은 100.4도가 된다. 결국, 10 mm의 사출동 거리에 대하여, 100도 이상의 시야각을 확보하기 위해 렌즈 구경은 24 mm 이상이 되어야 한다.

이 경우, 렌즈 중심에서 12 mm 떨어진 렌즈면으로 들어오는 광선까지도 결상이 가능하도록 설계가 이루어져야 하며, 이를 위해 제1 렌즈부(21)의 굴절률은 1.4 내지 1.6이 되어야 하며, 바람직하게는 대략 1.5일 수 있다.

상기 제1 렌즈부(21)에서 제1 렌즈면(21a)의 기본 반경이 작은 경우, 즉 렌즈의 중심이 너무 튀어나오는 경우, 눈과 렌즈가 닿게 될 수 있다. 따라서, 제1 렌즈면(21a)의 기본 반경이 제2 렌즈면(21b)의 기본 반경보다 크게 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 렌즈면(21a)은 최소한으로 완만하게 형성되고, 소정의 굴절률을 확보하기 위하여 제2 렌즈면(21b)이 최대한 볼록하게 형성될 수 있다.

그리고, 제2 렌즈면(21b)으로 굴절률 및 시야각 확보를 위해, 제2 렌즈면(21b)의 기본 반경은 6.5 내지 8.5 mm 이고 (바람직하게는, 대략 7.5 mm이며), 이 경우, 제1 렌즈면(21a)의 기본 반경은 25 내지 27 mm (바람직하게는, 대략 26 mm) 가 될 수 있다.

특히, 안구 방향에 배치되는 제1 렌즈면(21a)은 많이 튀어나오지 않고 완만한 형상을 가질 수 있다.

제2 렌즈면(21b)의 기본 반경이 8.5 mm를 넘는 경우 제1 렌즈면(21a)의 기본 반경이 커지기 때문에 눈과의 간격이 좁아져 사용자에게 불편함을 줄 수 있고, 기본 반경이 6.5 mm보다 작은 경우 한 렌즈면의 굴절률이 지나치게 커지기 때문에 상의 왜곡 또는 구면 수차의 문제가 발생할 수 있다.

마찬가지로, 제1 렌즈면(21a)의 기본 반경이 25 mm 미만인 경우, 제1 렌즈면(21a)의 굴곡이 커져 사용자에게 불편함을 줄 수 있고, 27 mm 초과인 경우 원하는 굴절률을 달성하기 위하여 제2 렌즈면(21b)의 굴곡이 커지므로 상의 왜곡 또는 구면 수차의 문제가 발생할 수 있다.

또한, 제1 및 제2 렌즈면(21a, 21b)은 비구면 렌즈일 수 있으며, 보다 구체적으로 제1 렌즈면(21a)의 코닉 계수(k)는 -21 내지 -19일 수 있고, 바람직하게는 대략 -20.0이 될 수 있으며, 제2 렌즈면(21a)의 코닉 계수(k)는 -4.0 내지 -2.0 일 수 있고, 바람직하게는 -3.0이 될 수 있다.

구면 렌즈에서와 같이, 제1 렌즈면(21a)의 코닉 계수가 -21보다 작은 경우 너무 완만하여 제2 렌즈면(21a)의 굴곡이 커지게 되고, -19보다 큰 경우 굴곡이 커져 사용자에게 불편함을 줄 수 있다.

제1 렌즈부(21)는 광학 유리 또는 플라스틱 유리 등 다양한 유리가 적용될 수 있으나, 질량이 가볍고 빛의 산란을 최소화할 수 있는 플라스틱 유리로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 제1 렌즈부(21)의 아베수는 왜곡이 없는 선명한 화질을 제공하기 위하여 51 내지 53일 수 있다.

상기 디스플레이 부(10)로부터 나온 빛은 양의 굴절률을 갖는 제1 렌즈부(21)를 거치하면서 바렐 왜곡(Barrel Distortion)이라 불리는 왜곡이 발생하게 된다. 바렐 왜곡이란, 렌즈의 중앙부의 확대율과 렌즈 외측의 확대율 간의 차이로 인해 발생하는 찌그러짐 현상으로서, 볼록 렌즈에서 발생한다. 일반적으로 렌즈의 배율이 클수록 바렐 왜곡이 심해지며, 제1 렌즈부(21)는 짧은 초점거리를 이루기 위해 고배율의 렌즈를 사용하므로, 이러한 왜곡을 피하기가 어렵다.

도 3을 참조하면, 본원발명의 경우 제1 렌즈부(21)와 디스플레이 부(10) 사이에 제2 렌즈부(23)를 추가로 배치하며, 상기 제2 렌즈부(23)는 음의 배율을 갖는 렌즈 일 수 있다.

제2 렌즈부(23)를 통하여 나온 빛은 오목 렌즈를 통과하면서 핀쿠션 왜곡을 만들게 된다. 핀쿠션 왜곡은 바렐 왜곡과는 반대로 상의 중앙부로 찌그러져 들어간 형태의 왜곡으로, 오목렌즈에서 발생한다.

따라서, 제1 렌즈부(21)와 제2 렌즈부(23)의 배치는 왜곡을 상쇄하는 효과가 있다. 두 렌즈의 배율이 동일한 경우에는 이론적으로 왜곡이 완전히 상쇄되겠지만, 이러한 경우 초점 거리가 매우 길어지게 되어 소형화를 저해할 수 있다. 그러나, 실제로 왜곡 보정 배율이 상대적으로 작으므로 약간의 왜곡이 보정되는 수준이다. 그러나, 이 약간의 보정만으로도 상당한 수준의 성능 향상을 가져올 수 있다.

보통 제1 렌즈부(21)는 왜곡이 극심하지 않고, 외곽 부분에서 미약한 수준의 왜곡이 있을 뿐이다. 본원발명의 일 실시예에 따른 제2 렌즈부(23)는 가장자리의 굴곡이 보다 크게 형성되어, 가장자리의 왜곡을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 본원발명의 경우 왜곡이 완화된 상태의 영상을 제공할 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 렌즈부(23)는 디스플레이 부(10) 방향으로 배치되며, 영상의 왜곡을 보정할 수 있다. 제2 렌즈부(23)는 안구 방향으로 배치되는 제3 렌즈면(23a)과 디스플레이 부(10) 방향으로 배치되는 제4 렌즈면(23b), 양면이 모두 음의 배율을 가질 수 있고, 더욱 나아가 양면이 모두 비구면 형상 렌즈로 구성될 수 있다.

제1 렌즈부(21)로 들어오는 광선은 광축(X)으로부터 12 mm 떨어진 부위를 지나는 광선까지도 유효한 광선으로 사출 동공까지 진행되어야 한다. 즉 놓치지 않고 결상이 이루어져야 한다.

이를 위해서, 제2 렌즈부(23)의 제3 렌즈면(23a)의 광 축을 중심으로 주변부의 굴절도가 크고 중심부에서는 완만한 형상을 갖는 렌즈로 구성될 수 있다. 다시 말해, 중심부의 광선은 크게 굴절시키지 않아도 되므로 완만한 형상으로 제조하여 상의 왜곡이나 품질 저하를 최소화하고, 주변부는 광선을 최대한 끌어보아 결상시키도록 굴절이 많이 이루어지는 형상을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 렌즈부(23)는 디스플레이 부(10)의 최외곽 영역까지 보일 수 있도록 빛을 모으는 역할을 한다. 그래야만, 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 해상도가 좋아진다. 즉, 동일한 시야 범위 내에 최대한 많은 픽셀이 보일 수 있게 하여 우수한 화질을 보장할 수 있다.

따라서, 도 3을 참조하면, 광축(X)으로부터 간격 d만큼 떨어진, 2c의 길이를 갖는 디스플레이 부(10)의 최단부까지도 유효 결상 영역에 들어오도록 해야 한다.

구체적으로, 제2 렌즈부(23)의 화각의 2Φ 라고 하고, 제2 렌즈부(23)와 디스플레이 부(10)의 간격이 d인 경우, 디스플레이 부(10)의 화면이 표시되는 부분의 길이 2c가 제2 렌즈부(23)의 화각 2Φ의 범위 내에 있어야 한다. 바람직하게는, 도 3에서와 같이 디스플레이 부(10)의 단부가 화각 2Φ에 맞추어 배치될 수 있다.

즉, 디스플레이 부(10)의 단부 영역까지 광 경로 상에 유지되도록 하기 위해서는 상기 간격 d를 증가시키거나, 화각 2Φ를 늘려야 한다. 그러나, d 값은 디스플레이 장치의 전체 부피와 관련된 값으로서, 지나치게 커지는 경우 장치 전체의 부피를 증가시켜 소형화에 저해가 된다.

따라서, 간격(d)을 기 설정된 일정한 값, 일 예로 최소값으로 유지되어야 한다. 구체적으로, 여기서 제2 렌즈부(23)와 디스플레이 부(10)의 간격(d)은 3.0 mm 내지 9.0 mm가 될 수 있다. 제2 렌즈부(23)와 디스플레이 부(10)의 간격(d)이 지나치게 가까운 경우 렌즈의 굴절률이 매우 높은 렌즈를 사용하여야 하며 이는 왜곡 문제를 야기한다. 간격이 9.0 mm보다 큰 경우 장치의 크기가 커져 소형화에 저해가 될 수 있다.

간격(d)을 기 설정된 범위 내로 유지하면서, 화각 2Φ를 증대시키기 위하여 제2 렌즈부(23)의 굴절률은 1.5 내지 1.7의 값을 갖게 할 수 있다. 바람직하게는 제2 렌즈부(23)의 굴절률은 대략 1.6 일 수 있다.

즉, 제2 렌즈부(23)의 굴절률이 1.5 보다 작아지면 제2 렌즈부(23)와 디스플레이 부(10)의 간격이 증가되어 디스플레이 장치 전체의 부피가 커질 수 있다. 또한, 제2 렌즈부(23)의 굴절률이 1.5보다 작은 경우 주변부를 지나가는 광선을 충분히 굴절시키기 위하여 렌즈의 반경을 더욱 작게 하여 광선을 급격히 굴절시켜야 하므로, 품절 저하가 심하기 나타날 수 있다.

그리고, 제2 렌즈부(23)의 굴절률이 1.7을 넘는 경우 렌즈 주변부를 지나가는 광선의 굴절량이 너무 크게 되어 수차가 발생하거나 상의 왜곡이 과다하여 결상 품질을 떨어뜨릴 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 렌즈부(23)의 화각 확보 및 굴절률을 형성을 위하여, 제3 렌즈면(23a)은 기본 반경이 451 mm 내지 453 mm (바람직하게는 대략 452.0 mm) 일 수 있으며 , 제4 렌즈면(23b)의 기본 반경은 6.4 mm 내지 8.4 mm (바람직하게는 대략 7.4 mm) 가 될 수 있다.

또한, 렌즈의 구면 수차 및 왜곡 개선을 위하여 제2 렌즈부(23)의 제3 및 제4 렌즈면(23a, 23b)가 비구면 렌즈일 수 있으며, 제3 렌즈면(23a)의 코닉 계수는 -7.0 내지 -5.0 (바람직하게는 대략 -6.0)이고, 제4 렌즈면(23b)의 코닉 계수는 -5.0 내지 -3.0 (바람직하게는 대략 -4.0)일 수 있다.

또한, 제2 렌즈부(23)는 유리 렌즈 또는 플라스틱 렌즈를 사용할 수 있나, 플라스틱 렌즈를 사용하는 경우 렌즈의 질량을 최소화하면서 빛의 산란을 최소화하여 결상 품질을 보다 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 렌즈부(23)의 아베수는 25 내지 27인 플라스틱 렌즈로 제조될 수 있다.

도 1 내지 도 3에는 도시하지 않았으나, 상기 HMD 장치(1)는 제1 렌즈부(21) 및 제2 렌즈부(23) 중 하나 이상을 상기 디스플레이 부(10)와 광축(X)을 기준으로 상하 방향, 좌우 방향 및 전후 방향 중 하나 이상의 방향으로 이동시키는 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

위와 같은 이동부로 상기 제1 렌즈부(21) 및 제2 렌즈부(23)를 이동시켜 디스플레이 영상의 위치를 이동시키거나, 각 렌즈의 초점거리를 조정할 수 있다.

상기 제1 및 제2 렌즈부의 이동은 사용자의 조작 또는 자동으로 가능하다. 따라서, HMD 장치의 광학계의 축간 거리(Inter Ocular Distance) 및 초점 거리를 세밀하게 조절할 수 있으므로, 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 선명한 화질의 왜곡을 최소화하여 몰입도가 우수한 헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본원발명의 복합 렌즈는 경량의 플라스틱으로 제조되고, 렌즈와 안구의 사이의 거리 및 렌즈와 디스플레이 부 사이의 거리를 최적화하여 소형의 복합 렌즈 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.

그리고, HMD 장치의 축간 거리(Inter Ocular Distance) 및 초점 거리를 세밀하게 조절할 수 있으므로, 사용자에게 최적의 디스플레이 환경을 제공할 수 있다.

이상의 실시예들은 참조하여 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: HMD 장치
10: 디스플레이 부
20: 복합 렌즈
21: 제1 렌즈부
21a: 제1 렌즈면
21b: 제2 렌즈면
23: 제2 렌즈부
23a: 제3 렌즈면
23b: 제4 렌즈면
30: 안구

Claims

헤드 마운티드 디스플레이 장치용 복합 렌즈로서,
영상이 표시되는 디스플레이 부와 안구 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 양의 배율을 갖는 제1 렌즈부; 및
상기 제1 렌즈부에 의한 바렐 왜곡을 보정하도록 상기 제1 렌즈부와 상기 디스플레이 부 사이에 배치되며, 렌즈의 양면이 모두 음의 배율을 갖는 제2 렌즈부를 포함하되,
상기 제1 렌즈부는 안구를 향하는 제1 렌즈면 및 상기 디스플레이 부를 향하는 제2 렌즈면을 포함하고,
상기 제1 렌즈면의 반경은 상기 제2 렌즈면의 반경보다 크며,
상기 제2 렌즈부는 안구를 향하는 제3 렌즈면 및 상기 디스플레이 부를 향하는 제4 렌즈면을 포함하고,
상기 제3 렌즈면은, 중심부 및 상기 중심부와 비교하여 상기 제3 렌즈면의 광 축으로부터 더 멀리 위치하는 주변부를 포함하며, 상기 주변부의 굴절도는 상기 중심부의 굴절도에 비해 큰 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈면, 상기 제2 렌즈면, 상기 제3 렌즈면 및 상기 제4 렌즈면 중 하나 이상은 비구면 렌즈 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈부에서 안구 사이의 거리는 5 내지 10 mm 인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈부의 굴절률은 1.4 내지 1.6인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 렌즈면의 반경은 25 내지 27 mm이고,
상기 제2 렌즈면의 반경은 6.5 내지 8.5 mm인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 렌즈면의 코닉 계수는 -21 내지 -19 이며,
상기 제2 렌즈면의 코닉 계수는 -4.0 내지 -2.0인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 렌즈부의 굴절률은 1.5 내지 1.7인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 7 항에 있어서,
상기 제3 렌즈면의 반경은 451 내지 453 mm 이고,
상기 제4 렌즈면의 반경은 6.4 내지 8.4 mm인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 7 항에 있어서,
상기 제3 렌즈면의 코닉 계수는 -7.0 내지 -5.0이고,
상기 제4 렌즈면의 코닉 계수는 -5.0 내지 -3.0인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈부는 51 내지 53인 아베수를 갖는 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 11 항에 있어서,
상기 제2 렌즈부는 25 내지 27인 아베수를 갖는 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 렌즈부와 상기 디스플레이 부의 간격은 3.0 내지 9.0 mm인 것을 특징으로 하는 복합 렌즈.
제 1 항 내지 제 9 항 또는 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 복합 렌즈와 영상이 표시되는 디스플레이 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 제1 렌즈부 및 제2 렌즈부 중 하나 이상을,
상기 디스플레이 부와 광축을 기준으로, 상하 방향, 좌우 방향 및 전후 방향 중 하나 이상의 방향으로 이동시키는 이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.