KR102080998B1 - 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 hmd 광학시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화하며, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.

Description

잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템 {(Optical system of see-through head mounted display having look forwarding implement of periscope manner}

본 발명은 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화하며, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.

헤드마운트디스플레이(HMD)는 눈 앞의 지근거리에 배치되어 있는 고화질 초소형 디스플레이에서 발산하는 가상의 이미지를 광학시스템을 통해 확대하여 보는 장치를 말하며, HMD의 사방이 막혀 있어 이 광학시스템을 통해 제공되는 가상의 이미지만 보이는 경우는 밀폐형 HMD라 말하고, 사용자 눈 앞에 위치하는 광학시스템이 투명 혹은 반투명 윈도우로 구성되어 가상의 이미지뿐 아니라 사용자 전방의 HMD 외부 이미지도 동시에 겹쳐 보이도록 광학시스템이 구성된 경우는 투과형 HMD라 말한다.

HMD 광학시스템은 사용자마다 두 눈의 동공간격이 모두 다르기 때문에 상업적으로 유용한 상품으로 인정받기 위해서는 사용자들의 동공간격이 다르더라도 양 눈에 동일한 이미지가 제공될 수 있는 범위가 필요한데 이를 출사동(Exit Pupil)이라고 정의하고 있으며, 출사동의 크기가 커질수록 더 많은 사용자가 이미지가 잘리는 불편 없이 편안하게 가상화면을 시청할 수 있지만 통상적인 광학시스템에서 이러한 편의성을 높이기 위해 출사동의 크기를 키우게 되면 사용자의 눈 전방에 위치한 광학시스템의 크기나 두께가 두꺼워져 사용성이 떨어지게 되므로 특히 외부사용이 주목적인 투과형 HMD 광학계의 경우 출사동 크기를 과도하게 작게 하거나 가상화면의 크기를 줄이는 방법으로 광학시스템의 부피와 무게를 줄이는 경향이 있어, 투과형 HMD 광학시스템에도 충분한 양의 정보가 제공될 수 있도록 적절한 가상화면 크기를 제공할 수 있으면서도 부피와 무게를 줄여 착용이 간편한 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 필요가 있다.

한편, 투과형 HMD 광학시스템의 경우 부피와 무게를 줄이기 위하여 공기에서 보다 물질 내에서 굴절률이 커서 실제 화면크기보다 가상화면의 크기를 적게 하여 이송할 수 있다는 원리와 임계각 이상의 각도로 물질 내에서 진행하는 영상광은 물질 표면을 뚫고 나오지 못하는 물질 내 전반사(TIR, Total Internal Reflection) 원리를 이용하여 이미지를 분할하여 광가이드(Light guide) 내부로 이미지를 이송한 후 사용자의 눈 앞에서 공기 중으로 이미지를 출사시키기 위한 여러 기술들이 소개되고 있다.

종래의 See-through 광학계는 Half Mirror 방식을 이용하는데, 이 방식에서는 반투과 오목반사경에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 편광분리기가 대각으로 위치하고 있어, 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있고, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있었다.

또한, 다른 종래의 종래의 See-through 광학계로서, PBS Prism 방식이 적용되고 있는데, 이 방식은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 Half Mirror 방식보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.

따라서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 투과형 HMD 광학시스템에 대한 니즈가 높아지고 있는 실정이다.

대한민국 특허청 출원번호 제10-2001-0051585호 대한민국 특허청 등록번호 제10-0839574호

본 발명은 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.

본 발명은 전술한 문제점 해소를 위해, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은, 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘; 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지 광의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및 외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있고, 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘의 이미지 편광 반사면에는, 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드의 첫 번째 반사면은 반사 코팅이 되어 있고, 두번째 반사면과 세번째 반사면은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용할 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하는 에어 갭을 더 구비할 수 있다.

한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예와 관련된 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은, 프론트 조명; 상기 프론트 조명의 빔을 입사시키는 조명 프리즘; 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘; 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지 광의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및 외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 볼록 곡면경의 볼록면은 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있고, 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는, 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드의 첫번째 반사면은 반사 코팅이 되어 있고, 두번째 반사면과 세번째 반사면은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용할 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는, 상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 지원하는 에어 갭을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 효율적인 이미지 전달 수단인 전반사 구조를 갖게 되어 두께가 얇아진 프리즘과, 사용자의 안구에 최대한 근접한 상태에서 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 내부반사 곡면경과 잠망경 방식의 외부이미지를 가이드하여 가상화면과 병합할 수 있는 수단을 보유함으로써, 대화각 가상이미지와 외부이미지를 동시에 볼 수 있으면서도, 부피와 무게를 줄여 응용분야를 크게 확장할 수 있도록 사용성을 높인 투과형 HMD 광학시스템 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화할 수 있다.

또한, 전반사 원리를 이용하여 광학 부품의 본딩 결합을 최소화하고 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 Half Mirror 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 PBS Prism 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명이 제안하는 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 입사각과 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 부피와 무게를 줄이기 위한 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 투과형 HMD 광학계를 위한 동심원 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.

종래 기술 1

본 발명의 구체적인 기술적 특징을 설명하기에 앞서 종래기술에 대해 설명한다.

도 1은 Half Mirror 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 안경형 디스플레이 장치는 한국특허 10-0928226에 게시되었으며, 영상광을 발산하는 디스플레이 소자(10)와, 상기 마이크로 디스플레이 패널에서 나오는 광 중 특정 편광만을 반사시키는 편광분리기(11)와, 상기 편광분리기에서 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 위상 지연판(12)과, 상기 위상 지연판(12)을 통과한 원편광된 광을 확대하여 다시 상기 위상 지연판(12)으로 보내주는 반투과 오목 반사경(13)과, 주변 광을 개폐할 수 있도록 상기 반투과 오목 반사경의 외측면에 부착된 광 개폐 스위치 패널(14)을 포함하는 HMD 장치의 광학시스템으로 이루어진다.

위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(10)에서 생성된 영상광은 상기 디스플레이 소자(10)에 45도 기울여 배치된 상기 편광분리기(11)에 의해 90도 방향으로 전체 영상광중 P파 혹은 S파 성질의 50% 빔만이 투과 또는 반사되어 상기 위상 지연판(12)에 도달하며, 상기 위상 지연판(12)에서 선편광된 영상광이 원편광으로 바뀌어 상기 반투과 오목반사경(13)에 도달한 후 반사되며 회전 방향이 반대인 원편광 상태가 되어 상기 위상지연판(12)과 상기 편광분리기(11)를 다시 통과하여 사용자의 눈에 도달함으로써 상기 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 가상 이미지를 볼 수 있으며, 구성요소에 시야를 방해하는 렌즈가 존재하지 않으므로 외부 이미지를 동시에 볼 수 있는 특징을 가진다.

그러나 도 1을 통해 설명한 종래 기술은, 반투과 오목반사경(13)에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 상기 편광분리기(11)이 대각으로 위치하고 있으므로 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있으며, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있다.

종래기술 2

도 2는 PBS Prism 방식을 이용하는 종래의 See-through 광학계를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 그림은 PBS 프리즘을 이용한 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것으로서 미국특허 US2010290127로 게시되었으며, 영상광을 발산하는 디스플레이 소자(20)와, 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치되어 상기 디스플레이에서 나오는 광을 Optic 모듈 내부에 입사시키는 제 1 프리즘(21)과, 상기 제 1 프리즘(21)의 사면에 부착된 PBS(Polarizing Beam Splitter) 필름(211)과, 상기 PBS 필름 하면에 결합되어 일체화 된 제 2 프리즘(22)과, 상기 제 2프리즘에 접착제로 부착된 위상변위필름(221)과, 상기 위상변위필름(221) 하면에 결합되어 일체화 된 볼록 곡면경(23)을 포함하는 투과형 HMD 장치의 광학시스템으로 이루어진다.

위와 같은 구성에 의하여 디스플레이 소자(20)에서 발산된 영상광은 상기 제 1 프리즘을 통하여 Optic 모듈에 입사되며, 상기 제 1 프리즘(21)의 사면에 부착되어 특정 편광 빔만을 선택하여 투과시키는 PBS 필름(211)에 의해 편광성분을 얻은 후 상기 제 2 프리즘(22)에 전달되며, 상기 위상변위필름(221)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4 만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경에 전달된 후, 상기 볼록곡면경(23)의 하면에 코팅된 반사면(231)에서 내부반사를 통해 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(221)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4 만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 통과 영상광에서 최종적으로 λ/2 만큼의 변위가 이루어져 상기 최초 영상광이 통과한 PBS 필름을 통과하지 못하고 반사하여 사용자의 안구 방향으로 확대된 가상이미지가 제공된다. 또한, 결합된 상기 제 1프리즘(21)과 제 2 프리즘(22)을 통과하여 외부 이미지를 동시에 볼 수 있으므로 사용자는 증강현실을 체험할 수 있다.

도 2를 통해 설명된 기술은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 상기 도 1에 제시된 기술보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.

본 발명의 핵심적 특징

전술한 종래의 See-through 광학계는 Half Mirror 방식을 이용하는데, 이 방식에서는 반투과 오목반사경에서 확대된 영상이 양 안에 도달하기까지의 공간에 편광분리기가 대각으로 위치하고 있어, 통상적인 헤드마운트 디스플레이의 목적인 시야각(FOV) 또는 아이 박스(Eye Box)를 크게 하기 위하여는 광학계가 비례적으로 커져야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있고, 이들을 확대하기 위해서는 기구 전체의 크기와 무게가 증가하여 사용자가 착용하였을 경우 얼굴 전체에 압박 요인이 되므로 쉽게 피로감을 느낄 수 있다는 문제점이 있었다.

또한, 다른 종래의 종래의 See-through 광학계로서, PBS Prism 방식이 적용되고 있는데, 이 방식은 이미지 전송통로를 공기가 아닌 플라스틱이나 유리와 같은 굴절률이 큰 매질을 이용하므로, 확대된 이미지를 공기보다 적은 각도로 전달할 수 있어 Half Mirror 방식보다 부피가 적은 투과형 HMD Optic 모듈을 제시할 수 있으나 이미지 확대가 제한적이며, 무게를 줄이지 못할 뿐 아니라 오히려 무게가 더 무거워져 사용자들의 불편을 초래할 가능성이 있는 것이 단점이다.

따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하는 수단을 갖도록 하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화하는데 그 목표가 있다.

또한, 본 발명은 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 제안하는 투과형 HMD 광학시스템과 관련하여, 대표적일 실시예들을 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

실시예 1 - OLED 투과형 HMD 광학시스템

도 3은 본 발명이 제안하는 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 디스플레이 패널부(30), 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘(31)과, 상기 라이트가이드 프리즘(31)에서 전달되는 이미지의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 이용하여 이미지를 되돌리는 볼록 곡면경(32), 외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 확대된 가상화면을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드(33)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 볼록 곡면경(32)의 볼록면(322)은 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있으며, 다른 쪽 평면(321)에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘(31)의 이미지 편광 반사면(311)에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드(33)의 첫번째 반사면(331)은 반사 코팅이 되어 있으며, 두번째 반사면(332)와 세번째 반사면(333)은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용할 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘(31)과 상기 볼록 곡면경(32) 사이는 상기 라이트가이드 프리즘(31)의 전반사면(311)에서 가상 이미지 광의 전반사가 원활히 일어나도록 에어 갭을 둘 수 있다.

전술한 본 발명의 구성에 의하여 디스플레이 소자(30)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 상기 전반사면(311)에서 전반사된 후 반대면(312)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되며, 상기 볼록 곡면경(32)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(321)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(32)에 전달된다.

이후, 볼록곡면경(32)의 곡면(322)의 내부 미러 반사를 통해 빔 손실 없이 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(321)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 된다.

따라서 라이트가이드 프리즘(31)을 통해 사용자의 안구 방향으로 유도되는 확대 가상이미지와 잠망경 구조의 상기 라이트가이드(33)를 통해 유도되는 외부이미지가 병합되어 사용자에게 동시에 제공될 수 있다.

본 발명의 구조에 따른 효과를 더 구체적으로 설명하기 위해, 도 4 내지 도 7을 참조한다.

먼저, 도 4는 본 발명과 관련하여, 입사각과 굴절각을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 굴절률이 다른 두 매질 사이를 빛이 통과할 때, 빛이 굴절되는 현상 및 상관관계가 설명된다.

도 4를 참조하면, 굴절률이 n1과 n2로 서로 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 광속이 다르므로 휘게 되는데, 그 휜 정도를 빛의 입사 평면 상에서 각도로 표시하면 θ1과 θ2가 되며 이때 스넬의 법칙은 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

수학식 1

n1 x sin θ1 = n2 x sin θ2

(n1, n2: 두 매질의 굴절률, θ1 : 입사각, θ2 : 굴절각)

다음으로, 도 5는 본 발명에 적용되는 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 물질 내부에서 빛이 전반사에 의해 계속 진행되거나 표면을 뚫고 물질 외부로 배출되는 현상을 설명하고 있다.

도 5의 (a)를 참조하면, 임계각(Critical angle)이란 물질 내에서 빛이 투과되지 않고 내부 반사되어 계속 물질 내부로 진행하기 위한 최소의 필요각을 말하며 플라스틱이나 글라스의 경우 표면에 수직한 법선에 대하여 대략 42~43°이다.

도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 것과 같이, 만약 입사각이 임계각보다 크다면, 물질의 표면에 부딪힌 빛은 표면 밖으로 투과되지 못하고 물질 내부 반사를 하게 되며 이를 전반사(TIR, Total internal reflection)라고 부른다.

반대로, 만약 입사각이 임계각 보다 작다면, 빛은 물질 표면을 뚫고 굴절된 상태로 투과되어 계속 진행할 것이다. 대표적으로 빛의 전반사 현상을 이용하는 제품에는 광섬유와 광파이프가 있으며 빛의 전반사를 이용한 통로를 라이트가이드라 한다.

또한, 도 6은 본 발명에 따른 부피와 무게를 줄이기 위한 전반사 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 동일한 시야각을 만들기 위한 종래 기술의 투과형 HMD 광학시스템 구조와 본 발명에서 제시하는 전반사를 이용하여 부피와 무게를 줄이기 위한 투과형 HMD 광학시스템의 구조를 비교 설명한 그림이다.

도 6의 (a)에 제시된 종래의 투과형 HMD 광학시스템은 사용자의 안구에 동일한 시야각(가상화면 크기)을 제공하기 위하여 두께 t1을 줄일 수 있는 수단이 전혀 존재하지 않으며, 도 6의 (b)에 제시된 종래의 투과형 HMD 광학시스템의 경우, 상기 도 4에서 기술된 바와 같이 굴절률이 다른 매질 사이에 존재하는 굴절각도를 응용하여 두께 t1을 t2를 줄일 수단을 가지고 있으나 전반사를 이용하지 않기 때문에 45° 반사를 위한 빔의 폭 만큼의 물질 두께가 반드시 필요하다.

반면, 도 6의 (c)에 제시된 광학계 구조는 상기 도 5에 기술된 전반사 원리를 이용하기 때문에 반사 경사면의 각도를 시야각에 따라 최소한의 수준으로 낮출 수 있으므로 종래의 광학시스템에 비해 현저히 두께가 얇은(t3) 광학시스템을 제공할 수 있을 뿐 아니라 사용자의 안구와 상의 최종 확대를 위한 반사면까지의 거리를 최소화할 수 있어 시야각을 최대화 할 수 있게 된다.

또한, 도 7은 본 발명에 적용되는 투과형 HMD 광학계를 위한 동심원 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 외부이미지를 인식하기 위한 투과형 HMD 광학시스템 수립을 위한 동심원 구조의 윈도우 원리와 본 발명에서 이 원리를 응용하여 라이트가이드 프리즘과 결합한 구조가 도시된다.

도 7의 (a)에 도시된 일반적인 양의 파워를 가진 렌즈는 원거리에서 출발한 평행빔이 렌즈에 의해 포커싱 되므로 렌즈 바로 앞쪽에 위치한 정해진 초점 거리 이외의 빔은 상을 형성하지 못하지 때문에 외부 이미지를 볼 수 없다.

그러나 도 7의 (b)에 제시된 동심원 구조의 곡률을 가진 윈도우는 외부 이미지가 출사면을 통과하며 다시 평행광으로 만들어지기 때문에 선명한 외부 이미지 인식이 가능하다.

또한, 도 7의 (c)는 상기 도 7의 (b)에 제시된 동심원 구조의 윈도우를 변형하여 전반사를 이용한 라이트가이드 프리즘을 동심원 구조 윈도우 내부에 도입함으로써, 외부이미지와 가상이미지를 동시에 인식할 수 있도록 하여 사용자들이 증강현실을 이용할 수 있다.

다시 도 3으로 복귀하여, 도 4 내지 도 7에서 설명한 원리를 적용할 때, 디스플레이 소자(30)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(31)에 입사하여 상기 전반사면(311)에서 전반사된 후 반대면(312)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되며, 상기 볼록 곡면경(32)의 평면에 부착된 상기 위상변위필름(321)에 의해 빔의 편광 방향이 λ/4만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경(32)에 전달된다.

이후, 볼록곡면경(32)의 곡면(322)의 내부 미러 반사를 통해 빔 손실 없이 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(321)을 다시 통과시키면 또 한번의 λ/4만큼 위상변위가 이루어지므로, 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 된다.

따라서 라이트가이드 프리즘(31)을 통해 사용자의 안구 방향으로 유도되는 확대 가상이미지와 잠망경 구조의 상기 라이트가이드(33)를 통해 유도되는 외부이미지가 병합되어 사용자에게 동시에 제공될 수 있다.

따라서 본 발명은 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 하고, 광학계의 무게를 줄여 사용자가 큰 무게 부담 없이 편하게 착용할 수 있는 착용감을 제공하며, 내부반사 곡면경과 같은 영상을 확대시키는 광학수단을 사용자의 안구에 최대한 근접시켜 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 효율적인 투과형 대화각 광학계 수단을 제공하고, 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화하며, 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 사용자에게 제공할 수 있게 된다.

실시예 2 - LCOS 투과형 HMD 광학시스템

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 일례를 도시한 것이다.

도 8에 도시된 본 발명의 전반사 구조를 갖는 투과형 HMD 광학시스템의 또 다른 실시 예는, 프론트 조명을 갖는 LCOS 디스플레이를 이용한 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명에 따른 다른 실시예는, 프론트 조명(80), 상기 프론트 조명을 입사시키는 조명 프리즘(81), 상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지를 형성하는 디스플레이 패널(82), 상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘(83)과, 상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 이용하여 이미지를 되돌리는 볼록 곡면경(84), 외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 확대된 가상화면을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드(85)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 볼록 곡면경(84)의 볼록면(842)은 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있으며, 다른 쪽 평면(841)에는 λ/4 위상변위필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘(83)의 두 개의 이미지 편광 반사면 (831 및 833)에는 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드(85)의 첫번째 반사면(851)은 반사 코팅이 되어 있으며, 두번째 반사면(852)와 세번째 반사면(853)은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용할 수 있다.

또한, 상기 라이트가이드 프리즘(83)과 상기 볼록 곡면경(84) 사이는 상기 라이트가이드 프리즘(83)의 전반사면(832)에서 가상 이미지 광의 전반사가 원활히 일어나도록 에어 갭을 둘 수 있다.

전술한 본 발명의 구성에 의하여 상기 프론트 조명(80)에서 발산되어 상기 디스플레이 소자(82)에서 생성된 이미지 광은 상기 라이트가이드 프리즘(81)에 입사하여 첫번째 경사면(831)에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분의 광이 반사된 후, 상기 전반사면(832)에서 내부 전반사된다.

또한, 다시 한번 반대 경사면(833)에 부착된 PBS 필름에 의해 반사되며, 상기 볼록곡면경(84)의 곡면(842)의 내부 미러 반사를 통해 빔 손실 없이 얻게 된 확대이미지를 다시 되돌려 상기 위상변위필름(841)을 다시 통과시키는 과정을 통해, 또 한번의 λ/4만큼 위상변위가 이루어지게 된다.

따라서 종합적으로 최초 PBS 반사 영상광에서 최종적으로 λ/2만큼의 변위가 이루어져 PBS 필름을 반사가 아닌 통과를 하게 되며, 상기 라이트가이드 프리즘(83)을 통해 사용자의 안구 방향으로 유도되는 확대 가상이미지와 잠망경 구조의 상기 라이트가이드(85)를 통해 유도되는 외부이미지가 병합되어 사용자에게 동시에 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 효과

전술한 본 발명에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템이 적용되는 경우, 광학계의 부피를 줄여 일반 선글라스와 유사한 외관 디자인을 갖도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 효율적인 이미지 전달 수단인 전반사 구조를 갖게 되어 두께가 얇아진 프리즘과, 사용자의 안구에 최대한 근접한 상태에서 가상화면의 크기를 극대화 시킬 수 있는 내부반사 곡면경과 잠망경 방식의 외부이미지를 가이드하여 가상화면과 병합할 수 있는 수단을 보유함으로써, 대화각 가상이미지와 외부이미지를 동시에 볼 수 있으면서도, 부피와 무게를 줄여 응용분야를 크게 확장할 수 있도록 사용성을 높인 투과형 HMD 광학시스템 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템은 가상화면의 밝기와 외부이미지의 밝기를 동시에 증가시켜 증강현실에서의 오브젝트 증강감을 극대화할 수 있다.

또한, 전반사 원리를 이용하여 광학 부품의 본딩 결합을 최소화하고 조립과정을 단순화하여 양산비용을 낮출 수 있는 투과형 HMD 광학시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 적용 범위

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (10)

1. 디스플레이 패널;
   상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘;
   상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지 광의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및
   외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드;를 포함하고,
   
   상기 볼록 곡면경의 볼록면은, 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있고,
   상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착되며,
   
   상기 라이트가이드 프리즘의 이미지 편광 반사면에는, 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착되고,
   
   상기 라이트가이드의 첫 번째 반사면은 반사 코팅이 되어 있고,
   두번째 반사면과 세번째 반사면은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용하며,
   
   상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는,
   상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 서포팅하는 에어 갭을 더 구비하고,
   
   상기 전반사면에서 전반사된 이미지 광은 상기 이미지 편광 반사면에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되고,
   
   상기 PBS 필름을 거친 이미지 광은 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름에 의해 편광 방향이 상기 λ/4만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경에 전달되며,
   
   상기 볼록 곡면경의 볼록면의 내부 미러 반사를 통해, 상기 볼록 곡면경에 전달된 이미지 광이 다시 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름을 통과됨으로써, 상기 λ/4만큼 편광 방향이 다시 한번 변위되고,
   
   상기 PBS 필름에 의한 최초의 반사 영상광과 비교할 때, 최종적으로 λ/2만큼의 편광 방향의 변위가 이루어진 상기 이미지 광이 상기 PBS 필름을 통과되며,
   
   상기 PBS 필름을 통과하는 상기 이미지 광에 의해, 상기 사용자의 안구 방향으로 유도되는 가상 이미지 및 상기 잠망경 방식 라이트가이드를 통해 유도되는 외부 이미지가 동시에 상기 사용자에 제공되는 것을 특징으로 하는 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 프론트 조명;
   상기 프론트 조명의 빔을 입사시키는 조명 프리즘;
   상기 프론트 조명의 빔을 반사시켜 이미지 광을 형성하는 디스플레이 패널;
   상기 디스플레이 패널에서 발생한 이미지 광을 편광반사 및 전반사하는 방법으로 전달하는 라이트가이드 프리즘;
   상기 라이트가이드 프리즘에서 전달되는 이미지 광의 편광방향을 변경시키고 확대 및 반사 수단을 거쳐 외부로 내보내는 볼록 곡면경; 및
   외부이미지를 가이딩하고 상기 볼록 곡면경에서 전달된 이미지 광을 사용자의 안구 방향으로 이미지를 출사시키는 잠망경 방식 라이트가이드;를 포함하고,
   
   상기 볼록 곡면경의 볼록면은 입사되는 가상이미지 광 전부를 내부 확대 반사하도록 미러 코팅이 되어 있고,
   상기 볼록면의 다른 쪽 평면에는 λ/4 위상변위필름이 부착되며,
   
   상기 라이트가이드 프리즘의 두 개의 이미지 편광 반사면에는, 전달되는 이미지 광의 특정 편광 성분만을 반사시킬 수 있도록 PBS 필름이 부착되고,
   
   상기 라이트가이드의 첫번째 반사면은 반사 코팅이 되어 있고,
   두번째 반사면과 세번째 반사면은 별도의 반사 수단 없이 내부 전반사를 이용하며,
   
   상기 라이트가이드 프리즘과 상기 볼록 곡면경 사이에는,
   상기 라이트가이드 프리즘의 전반사면에서 가상 이미지 광의 전반사가 일어나는 것을 지원하는 에어 갭을 더 포함하고,
   
   상기 전반사면에서 전반사된 이미지 광은 상기 이미지 편광 반사면에 부착된 PBS 필름에 의해 특정 편광 성분이 반사되고,
   
   상기 PBS 필름을 거친 이미지 광은 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름에 의해 편광 방향이 상기 λ/4만큼 변위되어 상기 볼록 곡면경에 전달되며,
   
   상기 볼록 곡면경의 볼록면의 내부 미러 반사를 통해, 상기 볼록 곡면경에 전달된 이미지 광이 다시 상기 볼록면의 다른 쪽 평면에 부착된 λ/4 위상변위필름을 통과됨으로써, 상기 λ/4만큼 편광 방향이 다시 한번 변위되고,
   
   상기 PBS 필름에 의한 최초의 반사 영상광과 비교할 때, 최종적으로 λ/2만큼의 편광 방향의 변위가 이루어진 상기 이미지 광이 상기 PBS 필름을 통과되며,
   
   상기 PBS 필름을 통과하는 상기 이미지 광에 의해, 상기 사용자의 안구 방향으로 유도되는 가상 이미지 및 상기 잠망경 방식 라이트가이드를 통해 유도되는 외부 이미지가 동시에 상기 사용자에 제공되는 것을 특징으로 하는 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 HMD 광학시스템.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

Images