KR101875293B1 - 허상 투영 디스플레이용 광학장치 - Google Patents

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KR101875293B1 KR1020160182593A KR20160182593A KR101875293B1 KR 101875293 B1 KR101875293 B1 KR 101875293B1 KR 1020160182593 A KR1020160182593 A KR 1020160182593A KR 20160182593 A KR20160182593 A KR 20160182593A KR 101875293 B1 KR101875293 B1 KR 101875293B1
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Abstract

본 발명은 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 허상 투영 디스플레이용 광학장치는 안구의 전방 일측에서 이미지를 제공하는 제1광학부; 및 안구의 전방 타측에서 이미지를 제공하는 제2광학부;를 포함하며, 상기 제1광학부와 제2광학부는 이미지를 표시하는 영상소자와, 상기 영상소자의 광 진행방향에 배치되어 이미지를 확대하는 확대렌즈 및 안구의 전방에 배치되어 안구 전방으로부터 제공되는 입사광은 투과하고 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지는 안구방향으로 반사하는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

허상 투영 디스플레이용 광학장치{OPTICAL DEVICE FOR VIRTUAL IMAGE PROJECTION DISPLAY}
본 발명은 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 전방 시야에 복수의 이미지를 허상으로 표시함으로써, 넓은 화각으로 다양한 정보를 동시에 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 관한 것이다.
스크린에 영상을 투사해서 보는 프로젝션(projection) 광학계는 영상을 투사하는 동안에는 투사된 영상을 스크린을 통해서 봐야하기 때문에 보는 사람의 활동 범위가 제한되는 단점이 있다.
이를 극복한 것이 허공에 허상을 투영하고 그 허상을 관찰자 눈의 망막에 결상할 수 있는 허상 투영 광학계이다. 이러한 허상 투영 광학계는 여러 사람이 같이 볼 수 없는 단점이 있으나, 개개인이 머리에 장착하여 영상을 보면서 공간을 이동할 수 있기 때문에 관찰자의 활동 범위에 제한이 없는 장점이 있다.
허상 투영 광학계는 구글 글래스(Google Glass)와 같은 시스루(see-through) 타입의 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display;HMD) 형태로 다양하게 개발되고 있다. 이러한 반사형 허상 투영광학계는 관찰자의 전방 환경에 대한 정보를 직접보면서 허상 투영광학계에 의한 정보도 같이 보고자 할 때 사용하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 영상을 제공하는 영상소자(11)와, 영상소자(11)에서 제공되는 영상을 확대하여 허상을 만드는 오목반사경(12)과, 상기 오목반사경(12)에서 확대된 영상을 사용자의 눈을 향해 반사시키는 반사면(13)으로 구성된다.
하지만, 이러한 종래의 구성에 따르면, 영상을 확대하고 허상을 만드는 오목반사경이 실버코팅 또는 알루미늄 코팅으로 구성하여 광선의 반사량을 높이도록 구성되어있으나, 사용자의 양쪽 눈 사이에 불투명한 반사경이 배치되어 시각적인 불편함을 유발하는 문제가 있다.
또한, 안구의 크기에 비해 반사면의 크기가 상대적으로 작아 이미지의 화각이 작기 때문에 다양한 정보를 동시에 제공할 수 없을 뿐만 아니라, 정보의 시인성이 떨어지는 문제가 있다.
특허문헌 1. 대한민국 등록특허 제10-1577919호 (2014.03.25.공개)
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 전방 시야에 복수의 이미지를 허상으로 표시함으로써, 넓은 화각으로 다양한 정보를 동시에 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.
또한, 복수의 이미지 사이에 이미지가 투영되지 않는 공간이 마련되도록 하고, 이러한 공간이 동공의 전방 정중앙에 위치하도록 함으로써, 사용자의 전방 시야가 이미지에 의해 가려지지 않도록 할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.
또한, 반사부의 반사면을 제외한 나머지 전체를 투명하게 구성함으로써, 사용자의 전방 시야에 노출되는 반사부에 따른 이질감을 최소화할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.
또한, 밝은 외부환경에서도 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 안구의 전방 일측에서 이미지를 제공하는 제1광학부; 및 안구의 전방 타측에서 이미지를 제공하는 제2광학부;를 포함하며, 상기 제1광학부와 제2광학부는 이미지를 표시하는 영상소자와, 상기 영상소자의 광 진행방향에 배치되어 이미지를 확대하는 확대렌즈 및 안구의 전방에 배치되어 안구 전방으로부터 제공되는 입사광은 투과하고 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지는 안구방향으로 반사하는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1광학부의 영상소자와 확대렌즈는 수평방향으로 배열되어 사용자의 안구와 귀 사이 영역에 배치되고, 상기 제2광학부의 영상소자와 확대렌즈는 수직방향으로 배열되어 사용자의 안구와 이마 사이 영역에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사부는 경사배치된 반사면을 포함하는 직육면체의 투명블록으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1광학부의 반사부와 제2광학부의 반사부는 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면 사이에는 이격 공간이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면은 영상소자로부터 제공되는 이미지의 광선들이 반사되어 사용자의 홍채 또는 동공 방향으로 수렴되도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면은 부분반사 코팅층으로 이루어져, 외부환경으로부터 입사되는 입사광을 일부 투과시키면서 영상소자로부터 제공되는 이미지 광선의 일부를 안구 방향으로 반사시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 사용자의 전방 시야에 복수의 이미지를 허상으로 표시함으로써, 넓은 화각으로 다양한 정보를 동시에 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.
또한, 복수의 이미지 사이에 이미지가 투영되지 않는 공간이 마련되도록 하고, 이러한 공간이 동공의 전방 정중앙에 위치하도록 함으로써, 사용자의 전방 시야가 이미지에 의해 가려지지 않도록 할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.
또한, 반사부의 반사면을 제외한 나머지 전체를 투명하게 구성함으로써, 사용자의 전방 시야에 노출되는 반사부에 따른 이질감을 최소화할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.
또한, 밝은 외부환경에서도 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있는 허상 투영 디스플레이용 광학장치가 제공된다.
도 1은 종래 반사형 허상 투영광학계의 개략 구성도,
도 2는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사용상태를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사시도,
도 4는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 분해사시도,
도 5는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 정면도,
도 6은 도 5의 A-A'선 단면도,
도 7은 도 5의 B-B'선 단면도,
도 8은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 따른 반사면의 경사각도를 설명하기 위한 개념도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중, 도 2는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사용상태를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 4에서 도시하는 바와 같은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치는 사용자의 머리에 장착할 수 있는 안경이나 고글과 같은 형태의 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display;HMD) 기구에 설치되어 사용자의 전방 시야에 허상 이미지를 투영하는 것으로서, 안구(E)의 전방 일측에 배치되어 제1이미지를 허상으로 투영하는 제1광학부(110) 및 안구(E)의 전방 타측에 배치되어 제2이미지를 허상으로 투영하는 제2광학부(120)를 포함하여 구성된다.
상기 제1광학부(110)는 안구(E)의 전방 일측에 제1이미지를 제공하는 것으로서, OLED, LCD, LCOS 등과 같이 화소의 활성화로 제1이미지를 표시할 수 있는 제1영상소자(111)와, 상기 제1영상소자(111)의 광 진행방향에 배치되어 제1이미지를 확대하는 제1확대렌즈(113) 및 안구(E)의 전방에 배치되어 안구(E)를 향해 입사되는 입사광은 투과하고 상기 제1영상소자(111)로부터 제공되는 제1이미지는 안구(E)방향으로 반사하는 제1반사부(114)를 포함하며, 상기 제1영상소자(111)와 제1확대렌즈(113) 및 제1반사부(114)는 수평방향으로 배열되고, 상기 제1영상소자(111)와 제1확대렌즈(113)는 사용자의 전방 시야에서 벗어나도록 사용자의 안구(E)와 귀 사이 영역에 배치되고, 상기 제1반사부(114)는 안구(E)의 전방 일측에 배치된다.
상기 제2광학부(120)는 안구(E)의 전방 타측에 제2이미지를 제공하는 것으로서, OLED, LCD, LCOS 등과 같이 화소의 활성화로 제2이미지를 표시할 수 있는 제2영상소자(121)와, 상기 제2영상소자(121)의 광 진행방향에 배치되어 제2이미지를 확대하는 제2확대렌즈(123) 및 안구(E)의 전방에 배치되어 안구(E)를 향해 입사되는 입사광은 투과하고 상기 제2영상소자(121)로부터 제공되는 제2이미지는 안구(E)방향으로 반사하는 제2반사부(124)를 포함하며, 상기 제2영상소자(121)와 제2확대렌즈(123) 및 제2반사부(124)는 수직방향으로 배열되고, 상기 제2영상소자(121)와 제2확대렌즈(123)는 사용자의 전방 시야에서 벗어나도록 사용자의 안구(E)와 이마 사이 영역에 배치되고, 상기 제2반사부(124)는 안구(E)의 전방 타측에 배치된다.
한편, 상기 제1광학부(110)와 제2광학부(120)는 필요에 따라 상기 제1영상소자(111)와 제1확대렌즈(113) 사이에 제1반사경(112)을 배치하거나, 상기 제2영상소자(121)와 제2확대렌즈(123) 사이에 제2반사경(122)을 배치하여, 일정 공간 내에서 광축을 연장함으로써 장치의 부피를 최소화할 수 있다.
상기 제1반사부(114)와 제2반사부(124)는 각각 경사배치된 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)을 포함하는 직육면체의 투명블록으로 이루어지고, 상기 제1반사부(114)와 제2반사부(124)는 서로 접합되어 일체로 형성됨으로써, 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)의 설정 각도가 임의로 변경되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 제1반사부(114)와 제2반사부(124)가 직육면체의 투명블록으로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 관찰자가 전방을 주시할 경우의 안구의 주시선이 지나가는 상기 투명블록의 앞뒤면의 영역이 서로 나란하게 배치되는 경우에는, 투명블록의 나머지 면은 다른 형태로 구성되어도 무방할 것이다.
일례로, 상기 제1반사부(114)와 제2반사부(124)는, PMMA(PolyMethyl MethAcrylate) 또는 광학유리 재질로 이루어지고, 일면이 경사면으로 이루어진 프리즘 형태로 구성된 한 쌍의 블록이 서로 접합되어 직육면체의 투명블록을 형성할 수 있으며, 상기 경사면에는 부분반사 코팅층을 형성하여 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 입사광은 일부 투과시키면서, 일측의 확대렌즈를 통해 입사되는 영상소자의 이미지 광선은 안구(E)를 향해 반사하는 제1반사면(114a) 또는 제2반사면(124a)을 형성할 수 있다. 일례로, 상기 부분반사 코팅층의 가시광선 영역에서의 반사율을 20%로 설정하면, 외부환경으로부터 안구를 향해 입사되는 입사광의 80%를 투과시킬 수 있고, 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지 광선의 20%를 안구 방향으로 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a) 사이에는 사용자의 전방 시야가 확보될 수 있도록 이격된 공간(D, 도 5 참조)이 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1광학부(110)에서 제공하는 제1이미지와 제2광학부(120)에서 제공하는 제2이미지 사이에 이미지가 투영되지 않는 영역이 마련되도록 하여, 제1이미지와 제2이미지가 사용자의 전방 시야의 중앙을 가리지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)의 반사 광축이 서로 나란하도록 배치하는 것도 가능하지만, 상기 제1광학부(110)의 반사면과 제2광학부(120)의 반사면은 영상소자로부터 제공되는 이미지의 광선들이 반사되어 사용자의 홍채(IRIS) 또는 동공 방향으로 수렴되도록 배치하는 것이 바람직하다. 이는 상기 제1광학부(110)의 제1영상소자(111)와 제2광학부(120)의 제2영상소자(121)로부터 제공되는 이미지의 중앙의 주광선(principal ray)이 각각의 제1반사면과 제2반사면에서 각각 사용자의 안구(E)를 향해 반사되는 것을 의미한다. 즉, 제1광학부(110)에서 제공되는 제1이미지와 제2광학부(120)에서 제공되는 제2이미지가 사용자의 홍채(IRIS) 또는 동공으로 수렴되면, 사용자의 망막에 제공되는 이미지의 광량이 증가하게 되므로, 보다 밝고 선명한 이미지를 제공할 수 있게 된다.
지금부터는 상술한 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
첨부도면 중, 도 5는 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치의 정면도이고, 도 6은 도 5의 A-A'선 단면도이고, 도 7은 도 5의 B-B'선 단면도이고, 도 8은 본 발명 허상 투영 디스플레이용 광학장치에 따른 반사면의 경사각도를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제1광학부(110)와 제2광학부(120)는 사용자 안구(E)의 전방 양측에 각각 배치되고, 사용자의 전방 시야 양측에 각각 이미지를 제공할 수 있다.
이때, 제1광학부(110)를 구성하는 제1영상소자(111)와 제1반사경(112)과 제1확대렌즈(113) 및 제1반사부(114)는 수평방향으로 배열되되, 상기 제1영상소자(111)와 제1반사경(112) 및 제1확대렌즈(113)는 사용자 안구(E)와 귀 사이 영역에 배치되므로 양쪽 안구(E)의 전방 시야에서 관찰되지 않도록 할 수 있으며, 투명블록 내부에 제1반사면(114a)를 가지는 상기 제1반사부(114)는 사용자 안구(E)의 전방 일측에 배치되어 부분반사 코팅층을 형성하고 있는 제1반사면(114a)에 의해서 제1반사부(114)의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 광은 투과하고, 상기 제1반사경(112) 및 제1확대렌즈(113)를 통해 확대되어 제1반사부(114)로 입사되는 제1영상소자(111)의 제1이미지는 안구(E)를 향해 반사시킨다.
또한, 제2광학부(120)를 구성하는 제2영상소자(121)와 제2반사경(122)과 제2확대렌즈(123) 및 제2반사부(124)는 수직방향으로 배열되되, 상기 제2영상소자(121)와 제2반사경(122) 및 제2확대렌즈(123)는 사용자 안구(E)와 이마 사이 영역에 배치되어 사용자의 전방 시야에서 관찰되지 않도록 할 수 있으며, 투명블록 내부에 제2반사면(124a)를 가지는 상기 제2반사부(124)는 사용자 안구(E)의 전방 타측에 배치되어 부분반사 코팅층을 형성하고 있는 제2반사면(124a)에 의해서 반사부(124)의 전방으로부터 안구(E)를 향해 입사되는 광은 투과하고, 상기 제2반사경(122) 및 제2확대렌즈(123)를 통해 확대되어 제2반사부(124)로 입사되는 제2영상소자(121)의 제2이미지는 안구(E)를 향해 반사시킨다.
따라서, 상기와 같은 제1광학부(110)와 제2광학부(120)에 의해 사용자의 전방 시야 양측으로 제1이미지와 제2이미지가 동시에 제공되므로, 종래에 비해 확대된 화각의 이미지를 통해 다양한 정보를 동시에 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 정보의 시인성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a) 사이를 통해 사용자의 전방 시야가 확보될 수 있도록, 상기 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a) 사이에는 이격된 공간(D)이 마련되고, 이러한 공간(D)은 동공의 전방 정중앙에 위치하게 된다. 즉, 사용자의 전방 시야에 중첩되는 제1이미지와 제2이미지의 사이에는 이미지가 투영되지 않는 투명한 공간이 형성된다. 따라서, 사용자가 빠른 속도로 진행하는 외부환경에서도 제1광학부(110)의 반사면과 제2광학부(120)의 반사면 사이의 이격된 공간(D)을 통해 전방 시야를 확보할 수 있게 된다.
상기 제1광학부(110)의 제1반사부(114)와 제2광학부(120)의 제2반사부(124)는 각각 직육면체의 투명블록으로 이루어지고, 투명블록 내에 마련된 경사배치된 접합면이 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)을 구성하기 때문에, 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)의 설정 각도가 임의로 변경되는 것이 방지된다.
특히, 본 실시예에 따르면, 제1반사부(114)를 구성하는 투명블록과 제2반사부(124)를 구성하는 투명블록은 서로 접합되어 일체로 구성되므로, 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a)의 각도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 따라서, 외부로부터 인가되는 충격 등에 의해 제1반사면(114a)과 제2반사면(124a) 사이의 각도가 임의로 변경되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1광학부(110)의 제1반사면(114a)과 제2광학부(120)의 제2반사면(124a)은 제1영상소자(111) 및 제2영상소자(121)로부터 제공되는 이미지의 광선들이 반사되어 사용자의 홍채(IRIS) 또는 동공 방향으로 수렴되도록 소정각도로 기울어지는 형태로 배치하면, 망막으로 입사되는 제1이미지와 제2이미지의 광량이 증가하게 되므로, 밝은 환경에서도 밝고 선명한 이미지를 확보할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110:제1광학부, 111:제1영상소자, 112:제1반사경,
113:제1확대렌즈, 114:제1반사부, 114a:제1반사면,
120:제2광학부, 121:제2영상소자, 122:제2반사경,
123:제2확대렌즈, 124:제2반사부, 124a:제2반사면,
D:사이 공간, E:안구

Claims (7)

  1. 안구의 전방 일측에 배치되어 제1이미지를 사용자의 전방에 허상으로 투영하는 제1광학부; 및
    안구의 전방 타측에 배치되어 제2이미지를 사용자의 전방에 허상으로 투영하는 제2광학부;를 포함하며,
    상기 제1광학부와 제2광학부는 이미지를 표시하는 영상소자와, 상기 영상소자의 광 진행방향에 배치되어 이미지를 확대하는 확대렌즈 및, 안구의 전방에 배치되어 사용자의 전방에서 안구를 향해 입사되는 외부 물체로부터의 입사광은 투과하면서 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지 상을 안구방향으로 반사하여 상기 영상소자로부터 제공되는 이미지 상을 사용자의 전방에 허상으로 결상시켜 외부 물체와 겹쳐보이도록 하는 반사부를 포함하고,
    상기 제1광학부의 영상소자와 확대렌즈는 수평방향으로 배열되어 사용자의 안구와 귀 사이 영역에 배치되고,
    상기 제2광학부의 영상소자와 확대렌즈는 수직방향으로 배열되어 사용자의 안구와 이마 사이 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1광학부와 제2광학부의 서로 다른 경사각으로 경사배치된 두 반사면은 하나의 투명블록 내부에 배치되어 일체로 이루어지며,
    관찰자가 전방을 주시할 경우의 안구의 주시선이 지나가는 상기 투명블록의 앞뒤면의 영역은 서로 나란하게 배치된 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면 사이에는 사용자의 전방 시야를 확보하기 위한 이격 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면은 영상소자로부터 제공되는 이미지의 광선들이 반사되어 사용자의 홍채 또는 동공 방향으로 수렴되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제1광학부의 반사면과 제2광학부의 반사면은 부분반사 코팅층으로 이루어져, 외부환경으로부터 입사되는 입사광을 일부 투과시키면서 영상소자로부터 제공되는 이미지 광선의 일부를 안구 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 허상 투영 디스플레이용 광학장치.
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