KR101898056B1 - 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조가 간단하면서도 광 화각을 구현할 수 있는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계에 관한 것으로서, 영상신호를 화면에 표시하는 OLED디스플레이; 상기 OLED디스플레이 하단에 설치되며, 상하 한 쌍으로 구성된 빔 스플리터 프리즘; 상기 빔 스플리터 프리즘 하단에 설치되어 상기 빔 스플리터 프리즘을 통해 입사되는 상기 영상신호의 빛을 확대하여 반사시키는 비구면경; 상기 상하 한 쌍의 빔 스플리터 프리즘 사이에 위치하여, 상기 OLED디스플레이로부터 입사되는 빔을 상기 비구면경으로 투과시키고, 상기 비구면경에서 반사되는 빔은 사용자 방향으로 반사시키는 편광 반사 필름; 및 상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이에 위치하여, 상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이를 지나는 빔의 위상을 지연시키는 편광판;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계를 제공한다.

Description

시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계{Optical system for see through type head mounted display unit}

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 구조가 간단하면서도 광 화각을 구현할 수 있는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계에 관한 것이다.

헤드 마운트 디스플레이 장치는 시스루형(See through type)과 시클로즈형(See closed type)으로 구분되며, 시스루형은 주로 증강현실(Augmented Reality, AR)용으로, 시클로즈형은 주로 가상현실(Virtual Reality, VR)용으로 그 사용되고 있다. 헤드 마운트 디스플레이 장치의 중요한 특성 중 하나는 화각으로서, 화각이 클수록 큰 가상화면을 얻을 수 있으며, 40도 이상의 화각을 가져야 대화면으로 인식된다.

일반적인 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치는 그 구조가 간단한 반면에, 그 화각이 20도 내외로 가상화면의 크기가 작아서 몰입감이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 일반적인 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 단점을 극복하여 큰 화각을 구현하고자 하는 노력들이 있어 왔으며, 그 방법 중의 하나는 다수의 렌즈를 사용하는 광학계를 구성함으로써 화각을 크게 하는 것이다.

예로서, 도 1에 도시한 국내등록특허공보 제10-1598480호에 기재된 시스루형 헤드 마운트 표시장치의 광학계는 빔 스플리터 프리즘부(440)의 하단에 장착된 곡면경(444) 이외에 별도의 비구면 렌즈(450)를 마이크로 디스플레이(410)와 빔 스플리터 프리즘(440) 사이에 구비하여 광 화각을 구현하고 있다.

도 1에 도시한 종래기술에서 보이는 바와 같이, 화각을 크게 하기 위하여 2개 이상의 렌즈들로 구성된 비구면 렌즈(450)를 추가로 사용하는 광학계에서는 그 렌즈의 광축 조정이 광학 품질에 영향을 미치므로 광축을 고정밀도로 정렬해야 하며, 추가되는 비구면 렌즈 뿐만 아니라 비구면 렌즈를 빔 스플리터 프리즘에 지지하기 위한 기구부품이 추가로 필요하게 된다. 이렇게 추가된 비구면 렌즈 및 기구부품은 전체 헤드 마운트 표시장치의 구조를 복잡하게 하여 제조를 어렵게 만드는 원인이 되고, 장치의 전체적인 크기가 커지는 원인이 되어 상품으로서의 경쟁력을 떨어뜨리는 요인이 된다.

KR 10-1598480 B1 (2016.02.23) KR 10-1388980 B1 (2014.04.18)

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 구조가 간단하여 제작이 용이하고 작고 가벼우면서도 광 화각을 가지는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 구현이 가능한 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는, 영상신호를 화면에 표시하는 OLED디스플레이; 상기 OLED디스플레이 하단에 설치되며, 상하 한 쌍으로 구성된 빔 스플리터 프리즘; 상기 빔 스플리터 프리즘 하단에 설치되어 상기 빔 스플리터 프리즘을 통해 입사되는 상기 영상신호의 빛을 확대하여 반사시키는 비구면경; 상기 상하 한 쌍의 빔 스플리터 프리즘 사이에 위치하여, 상기 OLED디스플레이로부터 입사되는 빔을 상기 비구면경으로 투과시키고, 상기 비구면경에서 반사되는 빔은 사용자 방향으로 반사시키는 편광 반사 필름; 및 상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이에 위치하여, 상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이를 지나는 빔의 위상을 지연시키는 편광판;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는, 사용자의 시야 방향으로 상기 빔 스플리터 프리즘의 전면에 흡수형 편광 필름 또는 흡수형 편광 코팅이 된 윈도우를 더 구비함으로써, 외부에서 사용자의 눈에 도달하는 광량을 줄여 상기 OLED디스플레이가 제공하는 가상 화면의 대비를 향상시키도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계의 상기 비구면경은, 하기의 수학식 2에 따른 곡률을 갖는 것을 특징으로 한다.

<수학식 2>

전술한 바와 같이 본 발명은 구조가 단순하면서도 디스플레이의 사양 및 비구면경의 사양을 최적으로 조합하여 광화각의 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치용 광학계를 제공함으로써, 제작의 편이성을 확보하고, 무게와 크기를 최소화하여 다양한 형태의 경쟁력 있는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계의 단면도.

이하에서는 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계의 단면도로서, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는, 영상신호를 화면에 표시하는 OLED(Organic Light Emitting Diode)디스플레이(110)와, OLED디스플레이(110) 하단에 설치되며, 상하 한 쌍으로 구성된 빔 스플리터 프리즘(120)과, 빔 스플리터 프리즘 하단(120)에 설치되어 입사되는 영상신호의 빛을 확대하여 반사시키는 비구면경(130)과, 빔 스플리터 프리즘(120) 사이에 위치하여, OLED디스플레이(110)로부터 입사되는 빔을 비구면경(130)으로 투과시키고, 비구면경(130)에서 반사되는 빔은 사용자 방향으로 반사시키는 편광 반사 필름(140) 및 빔 스플리터 프리즘(120)과 비구면경(130) 사이에 위치하여, 빔 스플리터 프리즘(120)과 비구면경(130) 사이를 지나는 빔의 위상을 지연시키는 편광판(150)을 포함하여 구성된다.

한편, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계, 특히 빔 스플리터 프리즘(120)은 외부에 노출되는 사용자 시야 방향 전면이 보호커버에 의하여 보호된다. 이때, 사용자의 시야 방향으로 상기 빔 스플리터 프리즘의 전면 보호커버에 흡수형 편광 필름 또는 흡수형 편광 코팅이 된 윈도우를 더 구비함으로써, 외부에서 사용자의 눈에 도달하는 광량을 줄여 상기 OLED디스플레이가 제공하는 가상 화면의 대비를 향상시키도록 하는 것이 바람직하다.

OLED디스플레이(110)는 고해상도의 마이크로 박막 표시장치로서, 빔 스플리터 프리즘(120)의 상부에 사용자의 시선과 수직 방향으로 영상을 표시한다.

빔 스플리터 프리즘(120)은 사용자의 안면에 인접하는 위치에 설치되며 사용자는 상하 한 쌍의 프리즘과, 한 쌍의 프리즘 사이에 구비되는 편광 반사 필름(140)를 통해 외부 영상을 볼 수 있다. OLED디스플레이(110)의 영상은 상부프리즘, 편광 반사 필름(140), 하부프리즘, 편광판(150) 및 비구면경(130)을 순차적으로 통과한다. 영상신호의 빛의 일부는 편광 반사 필름(140)을 통과하며 일부는 전면부 방향으로 반사된다.

한편, 비구면경(130)에 도달한 영상은 반사되어 편광판(150)과 하부프리즘을 순차적으로 통과한 후 편광 반사 필름(140)에서 사용자의 안구(E) 방향으로 반사된다. 상술한 구조에 따라, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는 사용자에게 외부 영상과 OLED디스플레이(110) 영상을 동시에 제공한다.

비구면경(130)은 광 화각의 제공 및 수차보정을 위하여 사용된다. 연마로 제작하는 대부분의 렌즈는 특정 곡률을 갖는 구면형상으로 되어 있으나, 구면렌즈를 단일렌즈로 사용하는 경우에는 조절하지 못한 수차가 존재하며, 수차를 제어하기 위해서 여러 장의 렌즈를 조합해서 사용하여야 한다.

따라서 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계에서는 렌즈의 수량을 줄이고 무게를 줄이기 위해서 비구면경(130)을 구비한다. 비구면경을 사용함으로써 효과적으로 수차를 보정할 수 있다. 본 발명에 사용되는 비구면경(130)은 비구면방정식을 나타낸 하기의 수학식 1에 의하여 전체적인 형상의 곡률(C)이 정의된다.

하기의 수학식 1에 의하여 결정된 광학계의 상세 데이터를 하기의 표 1 및 표 2에 나타내었다. 하기의 표 1 및 표 2의 데이터에 따라 비구면경(130)이 구현된다. 비구면경(130)은 축대칭 형상으로 하기의 수학식 1에서 변수 Y에 따라 높이 Z가 변하게 된다.

본 발명에 따른 일 실시 예에서, 상기 수학식 1의 코닉상수(K)는 0보다 큰 타원면으로 K=0.094848를 사용할 수 있으며, 곡률(C)는 렌즈의 곡률반지름 R의 역수(C=1/R)이고, 비구면 계수인 A2, A3, A4, A5는 상수이다. 본 발명에 따른 일 실시 예에서는 하기의 표 2와 같이, A2, A3, A4, A5 등은 사용하지 않았다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는 디스플레이의 사양 및 비구면경의 사양을 최적으로 조합하여 구조가 단순하면서도 광 화각을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계는 제작의 편이성을 확보하고, 무게와 크기를 최소화하여 다양한 형태의 경쟁력 있는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

100: 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계
110: OLED디스플레이 120: 빔 스플리터 프리즘
130: 비구면경 140: 편광 반사 필름
150: 편광판 E: 사용자 안구

Claims (4)

1. 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치용 광학계에 있어서,
   영상신호를 화면에 표시하는 OLED(Organic Light Emitting Diode)디스플레이;
   상기 OLED디스플레이 하단에 설치되며, 상하 한 쌍으로 구성된 빔 스플리터 프리즘;
   상기 빔 스플리터 프리즘 하단에 설치되어 상기 빔 스플리터 프리즘을 통해 입사되는 상기 영상신호의 빛을 확대하여 반사시키도록 하기의 수학식 2에 따른 곡률을 갖는 비구면경;
   상기 상하 한 쌍의 빔 스플리터 프리즘 사이에 위치하여, 상기 OLED디스플레이로부터 입사되는 빔을 상기 비구면경으로 투과시키고, 상기 비구면경에서 반사되는 빔은 사용자 방향으로 반사시키는 편광 반사 필름;
   상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이에 위치하여, 상기 빔 스플리터 프리즘과 상기 비구면경 사이를 지나는 빔의 위상을 지연시키는 편광판; 및
   사용자의 시야 방향으로 상기 빔 스플리터 프리즘의 전면에 흡수형 편광 필름 또는 흡수형 편광 코팅되어, 외부에서 사용자의 눈에 도달하는 광량을 줄여 상기 OLED디스플레이가 제공하는 가상 화면의 대비를 향상시키는 윈도우;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시스루형 헤드 마운트 디스플레이 장치의 광학계.
   <수학식 2>
   

   
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