KR102119761B1 - 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 및 이의 운용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 머리장착형 디스플레이 장치에서 여러 가지의 디스플레이 모드를 구현하는 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 외부의 영상신호를 공급받아 영상을 디스플레이하는 디스플레이 장치; 전방의 물체 측에 설치되어 전방 풍경으로부터 입사되는 광량을 조절하는 제2광량조절기; 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 디스플레이 영상을 굴절 및 확대시켜 투사하거나, 상기 제2광량조절기로부터 입사되는 전방 풍경의 영상을 받아들여 투사하거나, 상기 디스플레이 영상과 상기 전방 풍경의 영상 모두를 받아들여 투사하는 빔분리형 자유곡면 접합렌즈; 안점 위치 측에 설치되어 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈로부터 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 제1광량조절기; 및 사용자의 조작에 따른 모드변경신호에 따라 디스플레이 영상 관측모드, 전방풍경 관측모드 및 증강현실 관측모드 중에서 어느 하나의 모드를 설정 및 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 및 이의 운용방법{MULTI MODE HEAD-MOUNTED DISPLAY AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 하나의 머리장착형 디스플레이 장치에서 여러 가지의 디스플레이 모드를 구현하는 기술에 관한 것으로, 특히 하나의 머리장착형 디스플레이 장치에서 디스플레이 영상 관측모드, 전방 풍경 관측모드 및 증강현실 관측모드를 구현할 수 있도록 한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 및 이의 운용방법에 관한 것이다.

머리장착형 디스플레이 장치(HMD:Head-Mounted Display 혹은 Helmet- Mounted Display)는 사용자로 하여금 눈 앞 가까이에서 대형 영상을 감상할 수 있도록 하는 영상표시 장치로써 사용자는 안경처럼 머리에 쓰거나 헬멧에 장착하여 사용한다. 잘 알려진 바와 같이 HMD는 1968년 유타대학의 이반 서덜랜드(Ivan Sutherland) 박사에 의해 최초로 개발된 것으로, 초기에는 앞이 막혀 있어 디스플레이 장치로 송출된 영상이나 정보만 볼 수 있고 외부 풍경은 볼 수 없게 되어 있었다. 이를 감안하여, HMD를 장착하고 있는 사용자로 하여금 천장에 설치된 기구를 이용하여 방향을 감지할 수 있게 하였다.

HMD는 HUD(Head Up Display)와 광학적으로 유사한 구조를 갖지만 한쪽 눈으로만 볼 수 있는 단안방식이고 접안광학계 구조를 갖는 차이점이 있다. 그리고 HMD는 HUD에 비하여 크기가 작고 투사되는 영상 크기도 작지만 겉보기 화면의 크기는 HUD 보다 커 몰입감이 상대적으로 우수하다. 같은 모듈을 쌍으로 만든 양안용 HMD도 있으며, OHMD(Optical Head-Mounted Display)는 앞을 보면서 투사된 영상을 볼 수 있는 투과형(see-through) HMD로써 구글 글래스가 잘 알려진 대표적인 제품이다.

HMD의 기본 구조는 카메라 영상신호를 소형디스플레이(LCD, OLED, LCOS, DMD 등)에 전달하고 디스플레이된 영상을 접안 렌즈계를 통해 확대시키게 되어있다. 따라서 HMD 사용자(관측자)는 확대된 영상을 볼 수 있게 된다. HMD는 전방의 풍경을 관측할 수 있는지의 여부에 따라 광학적으로 투과형(see-through)과 폐쇄형(closed)으로 구분된다. 투과형은 군용 및 특수용도로 개발되어 최근에는 증강현실용으로 다양한 제품이 만들어지고 있으며, 폐쇄형은 게임 및 영화 감상용 등으로 사용되고 있다.

일반적으로, 소형 디스플레이 장치에 적용되는 접안 렌즈계는 무한광을 형성시켜야 하므로 대물렌즈 형태로 설계되나 운용 특성상 시야각이 크고 안점거리(눈동자 동공 위치)가 길게 설계되야 한다. 또한, 접안 렌즈계는 시야각이 크고 안점거리가 길수록 렌즈 구경이 증가하고 외곽으로 갈수록 왜곡이 증가하며 해상도가 저하되어 설계가 어려워지는 단점이 있다.

디스플레이 장치로써 주로 평판 디스플레이 장치가 사용되는데, 이는 반사형과 비반사형으로 구분되며, 반사형 액정패널(LCOS: Liquid Crystal on Silicon)이나 DMD(Digital Micro-mirror Display)와 같은 반사형 디스플레이 장치는 별도로 광원이 필요하고 광량이 비교적 높아 야외와 같이 조도가 높은 장소에서도 영상 시현성이 높은 편이다. 이에 비하여 LCD나 OLED 같은 비반사형 디스플레이 장치는 별도의 광원을 필요로 하지 않고 광원과 광학계가 일체형으로 제작되는데 비교적 광량이 낮은 단점이 있다. 비반사형 디스플레이 장치는 영상의 시현이 떨어져 운용환경에 따른 광량 손실을 고려하여 설계되어야 한다.

사용자가 폐쇄형 HMD를 이용하는 경우 밖으로 나가지 않고 밀폐된 실내에 위치한 상태에서 외부와 연결된 카메라를 통해 전방 풍경을 관측할 수 있다. 이와 같은 편리성으로 인하여 폐쇄형 HMD가 군용 및 특수 용도로 널리 보급되고 있는 실정에 있다.

종래의 LCD 모니터는 디스플레이 화면이 작아(예: 6~10 인치) 영상관측의 몰입도가 떨어지고, 관측거리가 멀어 관측되는 화면의 실제 배율이 1배 이하로 운용되는 문제점이 있다. 이에 비하여, HMD는 눈 바로 앞에서 영상을 1배 이상의 관측 배율로 디스플레이하므로 소형 디스플레이 장치를 이용하고도 2M 거리에서 40인치 이상의 대형 화면을 보는 효과를 얻을 수 있고 높은 몰입감과 현실감을 얻을 수 있는 효과가 있다.

폐쇄형 HMD는 사용자가 계기를 조작하는데 불편함을 겪게 되고 단안형을 사용하는 경우 눈의 피로도가 심해져 오래 착용하지 못하게 되는 단점이 있다. 이에 비하여, 투과형 HMD의 경우 외부영상이 겹쳐 보이므로 증강현실 구현이 가능하지만 작업 시 혼동을 초래할 수 있어 사용이 제한 될 수 있다. 따라서 HMD가 작업용으로 사용되는 경우 작업자는 상황에 따라 HMD에 디스플레이되고 있는 영상으로부터 작업 정보를 획득하거나 기계 계기판으로부터 작업 정보를 획득할 필요가 있다.

이와 같은 이유로 인하여 종래 기술에 의한 작업자용 HMD는 주로 폐쇄형 또는 투과형의 한 가지 유형으로만 제작되었으며, 투과형 HMD의 경우 시야각이 좁고 영상 디스플레이 영역이 작게 제작된 제품이 대다수였다. 접안 렌즈계 제작에 여러 종류의 소형 디스플레이 장치를 적용할 수 있으나, 안경을 끼지 않은 나안 시야각에 맞추어 디스플레이 영역을 넓히기 위해서는 디스플레이 면적이 넓은 것이 유리하고 실내에서는 디스플레이 장치의 광량을 높일 필요가 없다. 따라서 접안 렌즈계는 LCD나 OLED를 적용하여 시계각이 크고 구경비(F수)가 낮은 구조로 제작하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 종래 기술에 의한 HMD는 투과형 또는 폐쇄형으로만 제조되어 하나의 HMD를 이용하여 카메라 등의 외부기기로부터 공급되는 영상과 전방의 풍경을 동시에 디스플레이하거나 이들 중에서 하나만 선택적으로 디스플레이할 수 없는 결함이 있다.

특허문헌 1 : 국내 공개특허공보 제10-2016-7014929호 특허문헌 2 : 국내 공개특허공보 제10-2014-7021859호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 머리장착형 디스플레이 장치에서 디스플레이 영상 관측모드, 전방 풍경 관측모드 및 증강현실 관측모드를 구현할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 외부의 조도를 감지하고 그 감지 결과에 따라 디스플레이 장치의 밝기나 광량조절기의 광량 조절 필름의 밝기를 조절하여 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상과 전방 풍경의 영상을 동시에 선명하게 볼 수 있도록 하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치는, 외부의 영상신호를 공급받아 영상을 디스플레이하는 디스플레이 장치; 전방의 물체 측에 설치되어 전방 풍경으로부터 입사되는 광량을 조절하는 제2광량조절기; 디스플레이 영상 관측모드에서 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 디스플레이 영상을 굴절 및 확대시켜 투사하고, 전방풍경 관측모드에서 상기 제2광량조절기로부터 입사되는 전방 풍경의 영상을 받아들여 투사하고, 증강현실 관측모드에서 상기 디스플레이 영상과 상기 전방 풍경의 영상 모두를 받아들여 투사하는 빔분리형 자유곡면 접합렌즈; 안점 위치 측에 설치되어 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈로부터 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 제1광량조절기; 사용자의 조작에 따른 모드변경신호와 각도감지신호, 주변의 밝기에 따른 조도감지신호를 출력하는 감지부; 및 상기 모드변경신호에 따라 상기 디스플레이 영상 관측모드, 전방풍경 관측모드 및 증강현실 관측모드 중에서 어느 하나의 모드를 설정한 후 설정된 모드에 따라 상기 디스플레이 장치 및 상기 제2광량조절기의 구동을 제어하여 해당 모드의 기능이 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용 방법은, 디스플레이 장치, 전방 풍경으로부터 입사되는 광량을 조절하는 제2광량조절기, 상기 디스플레이 장치에 디스플레이 되고 있는 디스플레이 영상 및 상기 전방 풍경의 영상 중에서 어느 하나 또는 둘 모두를 받아들여 안점 위치 방향으로 투사하는 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈에서 상기 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 제1광량조절기, 사용자의 조작에 따른 모드변경신호와 각도감지신호, 주변의 밝기에 따른 조도감지신호를 출력하는 감지부 및 상기 모드변경신호에 따라 상기 디스플레이 장치 및 상기 제2광량조절기의 구동을 제어하는 제어부를 준비하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 준비 단계; 상기 모드변경신호에 따라 현재 모드를 설정하는 동작모드 확인 단계; 상기 현재 모드가 디스플레이 영상 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 오프시키고 상기 디스플레이 장치를 온 시켜 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상이 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 디스플레이 영상 관측모드 수행단계; 상기 현재 모드가 전방풍경 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 디스플레이 장치를 오프시키고 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 온 시켜 상기 전방 풍경의 영상이 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 전방풍경 관측모드 수행단계; 및 상기 현재 모드가 증강현실 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 디스플레이 장치와 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 모두 온 시켜 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상과 상기 전방 풍경의 영상이 동시에 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 증강현실 관측모드 수행단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치는 디스플레이 영상 관측모드에서 사용자로 하여금 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상을 나안으로 감상할 수 있도록 하다가 사용자가 모드변경 회전 손잡이를 회전시켜 전방 풍경 관측모드를 설정하면 디스플레이 장치를 대기상태로 전환하고 전방 풍경을 나안으로 감상할 수 있게 함으로써, 사용자에게 다양한 디스플레이 서비스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 광량조절기와 디스플레이 장치의 밝기상태를 조절하여 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 영상 및 문자 정보들과 전방 풍경이 합성된 증강현실을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 외부의 밝기에 따라 광량조절기와 디스플레이 장치의 밝기 상태를 자동으로 조정함으로써 사용자로 하여금 머리장착형 디스플레이 장치를 벗거나 별도의 조작동작 없이 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 영상 및 문자 정보와 전방 풍경의 영상을 동시에 선명하게 관측할 수 있게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 빔분리형 자유곡면 접합렌즈의 성능을 보상하는 회절 광학 렌즈가 포함된 접안 렌즈계를 구현함으로써, 부피가 작고 가벼우면서 광시야각으로 외곽 영역까지 왜곡이 적고 해상도가 높으며 사이즈가 큰 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법에 대한 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 사시도.
도 3은 도 2의 종단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 블록도.
도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 영상 관측모드의 설명도.
도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 전방풍경 관측모드의 설명도.
도 5c는 본 발명의 실시예에 의한 증강현실 관측모드의 설명도.
도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 디스플레이 영상 관측모드의 광로 설명도.
도 6b는 본 발명의 실시예에 의한 전방풍경 관측모드의 광로 설명도.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 광량 조절 필름의 편광방향 설명도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법에 대한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 종단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 블록도이다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 설명도이다. 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법은, 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 준비 단계(S10), 동작모드 확인 단계(S20), 디스플레이 관측모드 수행 단계(S30), 전방풍경 관측모드 수행단계(S40) 및 증강현실 관측모드 수행단계(S50)를 포함한다.

멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 준비 단계(S10)에서는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)를 준비한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)는 하우징(110), 디스플레이 장치(120), 제1광량조절기(130), 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140), 제2광량조절기(150), 감지부(160), 제어부(170) 및 배터리 전원부(180)를 포함한다.

디스플레이 장치(120)는 하우징(110)상의 일측에 설치되어 외부의 카메라나 다른 영상기기 또는 라인을 통해 영상신호(VS)를 공급받아 해당 영상을 디스플레이한다. 디스플레이 장치(120)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며 다양한 종류의 평판형 디스플레이 장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치(120)로써 OLED(organic light emitting diode; 유기 발광 다이오드) 또는 LCD(liquid crystal display) 또는 LCoS(liquid crystal on silicon) 또는 DMD(digital micromirror display)가 사용될 수 있다. OLED는 원형 편광된 빛을 발산하고 LCD는 선형 편광된 빛을 발산한다. 본 발명의 실시예에서는 디스플레이 장치(120)로써 OLED를 사용한 것을 예로 하여 설명한다. 디스플레이 장치(120)의 사이즈 및 해상도는 특별하게 한정되지 않으나 본 발명의 실시예에서는 화소 크기가 15㎛ㅧ15㎛이고 800×600의 해상도를 갖는 것으로 하였다. 그리고 디스플레이 장치(120)는 사용자의 안점 위치를 기준으로 옆에 설치된 것으로 하였다.

제1광량조절기(130)는 안점 위치 측에 설치되며, 서로 면 결합된 제1윈도우(131), 제1광량 조절 필름(132) 및 제1회절광학 렌즈(133)로 구성된다. 제1광량 조절 필름(132)으로써 선형 편광필름을 사용할 수 있다. 제1윈도우(131)는 외부 환경으로부터 내부 부품을 보호하는 역할을 한다. 제1광량 조절 필름(132)은 제1윈도우(131)와 제1회절 광학 렌즈(133)의 사이에 광학 접착제로 접합되어 제2광량 조절 필름이 선형 편광필름일 경우에 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)로부터 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 역할을 한다. 제1회절광학 렌즈(133)는 빛의 회절 특성을 이용하여, 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제1자유곡면 렌즈(141)로부터 안점 위치로 투사되는 영상의 분해능을 높이고 왜곡을 보정하는 역할을 한다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)는 안점 위치를 기준으로 상하 방향으로만 대칭을 이루고 좌우 방향으로는 비대칭을 이루는 자유곡면을 갖는 제1자유곡면 렌즈(141)와 제2자유곡면 렌즈(142)가 광학접착제로 접합된 입방체의 구조를 갖는다. 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)는 프리즘 형태로 설계된 렌즈로 전반사를 이용하여 광경로를 증가시켜 작은 크기로도 유효초점 길이를 늘려 설계할 수 있다. 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)는 상기와 같은 자유곡면으로 이루어져 비구면 보다 상하, 좌우 각 방향으로 설계 자유도가 늘어나 수차 보정이 용이하다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 접합면인 제7자유곡면(L7)은 제1자유곡면 렌즈(141)를 통해 반사되어 입사되는 디스플레이 장치(120)의 빛을 눈으로 볼 수 있도록 안점 위치로 반사시키고, 제2광량조절기(150)를 통해 입사되는 전방 풍경의 영상은 반투과되도록 반사 및 투과 코팅된다. 또한, 제1자유곡면 렌즈(141)의 제6자유곡면(L6)은 디스플레이 장치(120)로부터 입사되는 빛이 전반사되어 제7자유곡면(L7)에 전달되도록 임계각으로 설계된다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 소재로써 특별하게 한정되지 않으나 DTM(Diamond Turning Machine) 장비를 사용한 가공이나 대량생산 및 사출 성형가공성이 용이하도록 폴리카보네이트(Polycarbonate), E48R, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)와 같은 플라스틱류를 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 PMMA를 사용하였으며, 이의 굴절률은 1.492이고 분산계수는 57.441이다.

제2광량조절기(150)는 전방의 물체 측에 설치되며, 서로 면 결합된 제2회절광학 렌즈(151), 제2광량 조절 필름(152) 및 제2윈도우(153)로 구성된다. 제2회절 광학 렌즈(151)는 제1회절 광학 렌즈(133)와 동일하게 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 수차를 보정하고 전방 풍경에 대한 분해능을 높이며, 왜곡을 보정하는 역할을 한다. 제2광량 조절 필름(152)은 제2회절 광학 렌즈(151)와 제2윈도우(153)의 사이에 광학 접착제로 접합되어 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)로 투사되는 광량을 조절하는 역할을 한다. 제2광량 조절 필름(152)으로써 선형 편광필름이나 액정형 필름인 SPD(suspended particle device) 또는 EC(electrochomic device)가 사용될 수 있다. 참고로, 제2광량조절기(150)로써 액정형 필름이 사용되는 경우 제1광량조절기(130)의 제1광량 조절 필름(132)은 필요하지 않다. 제2윈도우(153)는 외부 환경으로부터 내부 부품을 보호하는 역할을 한다.

감지부(160)는 조도센서(161), 리미트 스위치부(164) 및 각도감지 센서(165)를 포함한다. 조도센서(161)는 하우징(110) 상에서 디스플레이 장치(120)와 제2광량조절기(150)의 주변에 설치되고, 주변의 밝기를 감지하여 그에 따른 조도감지신호(BS)를 출력한다. 모드변경용 회전손잡이(162)는 사용자의 조작에 의해 제2광량조절기(150)의 외주면을 따라 회전한다. 모드변경 회전 손잡이(162)는 90도 이내의 각도에서만 회전되도록 일측 종단에 볼 플런저가 설치되어 있다. 제1자석(163a) 및 제2자석(163b)은 영구자석으로써 하우징(110) 상에서 제2광량조절기(150)의 외주면 주변에 설치되는데, 이들을 모드변경용 회전손잡이(162)의 회전경로 상에서 90도 각도 차이를 두고 어긋난 위치에 설치된다. 리미트 스위치부(164)는 하우징(110) 상에서 제2광량조절기(150)의 외주면 주변에 설치된 제1리미트 스위치(도면에 미표시)와 제2리미트 스위치(도면에 미표시)를 구비하여 이들의 출력신호를 근거로 모드변경신호를 출력한다. 이를 위해 상기 제1리미트 스위치와 제2리미트 스위치는 모드변경용 회전손잡이(162)의 회전경로 상에서 소정의 간격을 두고 일렬로 설치된다. 따라서 제1리미트 스위치는 모드변경용 회전손잡이(162)가 회전되지 않은 0도 상태에서 제1자석(163a)과 마주하는 곳에 위치하여 그 제1자석(163a)에 의해 온 상태가 되고, 그 이외의 위치에서는 오프 상태로 된다. 제2리미트 스위치는 모드변경용 회전손잡이(162)가 90도 회전된 상태에서 제2자석(163b)과 마주하는 곳에 위치하여 그 제2자석(163b)에 의해 온 상태가 되고, 그 이외의 위치에서는 오프 상태로 된다. 각도감지 센서(165)는 하우징(110) 상에서 제2광량조절기(150)의 외주면 주변에 설치되어 사용자에 의해 회전되는 모드변경용 회전손잡이(162)와 연동 회전되면서 제2광량조절기(150)의 회전각도를 감지하여 그에 따른 각도감지신호(AS)를 출력한다. 각도감지 센서(165)는 자이로 센서나 경사 센서 등으로 구현될 수 있다.

제어부(170)는 리미트 스위치부(164)의 출력신호에 따라 디스플레이 영상 관측모드 또는 전방풍경 관측모드 또는 증강현실 관측모드를 설정하여, 해당 모드의 기능이 수행되도록 제어하는 역할을 한다. 예를 들어, 제어부(170)는 각도감지 센서(165)로부터 공급되는 각도감지신호(AS)에 따라 제2광량 조절 필름(152)의 밝기를 제어하고, 조도센서(161)로부터 공급되는 조도감지신호(BS)에 따라 디스플레이 장치(120)와 제2광량 조절 필름(152)의 밝기를 제어한다.

배터리 전원부(180)는 배터리를 구비하여 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)의 각부에서 필요로 하는 전원전압(VDD)을 공급하는 역할을 한다.

동작모드 확인 단계(S20)에서는 제어부(170)가 리미트 스위치부(164)로부터 공급되는 제1,2리미트신호(LS1,LS2)를 근거로 사용자에 의해 설정되는 동작모드를 확인하는 단계이다.

사용자는 모드변경용 회전손잡이(162)를 이용하여 자신이 원하는 동작모드를 설정할 수 있다. 사용자가 모드변경용 회전손잡이(162)를 회전시키지 않으면 리미트 스위치부(106)의 제1리미트 스위치가 제1자석(163a)과 마주하는 곳에 위치하므로 그 제1자석(163a)에 의해 온 상태가 된다. 따라서 리미트 스위치부(106)는 제1리미트신호(LS1)를 '하이'로 출력한다. 사용자가 모드변경용 회전손잡이(162)를 오른쪽 눈 장착 위치에서 시계 방향으로 90도 회전시키면 리미트 스위치부(106)의 제2리미트 스위치가 제2자석(163b)과 마주하는 곳에 위치하므로 그 제2자석(163b)에 의해 온 상태가 된다. 따라서 리미트 스위치부(106)는 제2리미트신호(LS2)를 '하이'로 출력한다. 사용자가 모드변경용 회전손잡이(162)를 시계 방향으로 회전시키되, 90도 이하로 회전시키면 리미트 스위치부(106)의 제1,2리미트 스위치가 모두 오프된다. 따라서 리미트 스위치부(106)는 제2리미트신호(LS2)를 모두 '로우'로 출력한다.

사용자에 의해 모드변경용 회전손잡이(162)가 회전될 때 각도감지 센서(165)는 그 모드변경용 회전손잡이(162)와 연동 회전되면서 자신의 회전각도를 감지하여 그에 따른 각도감지신호(AS)를 출력한다.

따라서 동작모드 확인 단계(S20)에서 제어부(170)는 리미트 스위치부(106)로부터 제1리미트신호(LS1)가 '하이'로 공급되면 현재의 동작모드를 디스플레이 영상 관측모드로 설정하고, 제2리미트신호(LS2)가 '하이'로 공급되면 현재의 동작모드를 전방풍경 관측모드로 설정하고, 제1리미트신호(LS1)와 제2리미트신호(LS2)가 모두 '로우'로 공급되면 증강현실 관측모드로 설정한 후 후술하는 바와 같이 해당 모드의 기능을 수행한다.

디스플레이 영상 관측모드 수행단계(S30)는 디스플레이 장치(120)에 디스플레이되는 영상을 안점위치에 전달하는 모드이다. 이를 위해 제어부(170)가 제2광량조절기(150)의 제2광량 조절 필름(152)을 오프시키고, 디스플레이 장치(120)를 온 시킨다(S31). 따라서 디스플레이 영상 관측모드는 디스플레이 장치(120), 제1광량조절기(130) 및 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)에 의해 구현된다. 이때, 도 5a에서와 같이 디스플레이 장치(120)에 디스플레이되는 영상(이하, '디스플레이 영상'이라 칭함)이 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)에서 굴절 및 확대된 후 제1광량조절기(130)를 통해 안점 위치로 투사된다. 따라서 사용자는 안점 위치에서 확대된 영상을 나안으로 몰입도 있게 감상할 수 있게 된다.

제2광량 조절 필름(152)을 오프시키는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 예를 들어, 제2광량 조절 필름(152)이 선형 편광필름인 경우 제어부(170)는 제2광량 조절 필름(152)의 편광 방향이 제1광량 조절 필름(132)과 수직으로 되도록 제어하고 이에 의해 외부에서 제2광량 조절 필름(152)에 유입되는 빛이 차단(1/10000 이하 까지)된다. 다른 예로써, 제2광량 조절 필름(152)이 액정형 필름인 경우 제어부(170)는 제2광량 조절 필름(152)에 공급되는 전원을 차단하고 이에 의해 제2광량 조절 필름(152)은 빛을 차단하는 셔터 역할을 한다.

상기 디스플레이 영상의 전달 경로를 도 5a 및 도 6a를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면, 디스플레이 영상이 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제1자유곡면 렌즈(141)의 구면(L8)을 투과한 후 제6자유곡면(L6)에 입사된다. 이때, 제6자유곡면(L6)에서 임계각이 형성되어 그 제6자유곡면(L6)에 입사된 빛의 전반사가 이루어지고, 전반사된 빛이 반투과 코팅면인 제7자유곡면(L7)에서 반사된 후 출사면인 제6자유곡면(L6)과 제1광량조절기(130)를 통해 안점 위치로 투사된다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제6,7자유곡면(L6),(L7)은 광축의 상하 방향(지면의 수직 방향)으로만 대칭을 이루고 좌우 방향(지면의 상하 방향)으로는 비대칭을 이룬다. 제1자유곡면 렌즈(141)와 제2자유곡면 렌즈(142)를 프리즘 형태의 자유곡면으로 구성하면 광경로를 증가시킬 수 있으며, 구면과 비구면보다 설계 자유도가 높아 수차 보정이 용이하다. 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)에서는 모든 면을 자유곡면으로 구성하거나 구면 또는 평면과 자유곡면이 혼합된 형태로 구성하여 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제1자유곡면 렌즈(141)의 세 개의 면 중에서 두 개의 면(L6),(L7)은 자유곡면으로 구현하고, 나머지 하나의 면(L8)은 구면으로 구현하여, 세 개의 면이 모두 자유곡면으로 구현될 때에 비하여 가공이 용이하도록 하였다. 제2자유곡면 렌즈(142)는 제1자유곡면 렌즈(141)와 접합된 구조로 되어 있으며, 접합면인 제7자유곡면(L7)은 50:50의 반사 및 투과 코팅이 적용된다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제6,7자유곡면(L6),(L7)은 바이코닉 제르니케(biconic zernike) 함수로 구성된 다음의 [수학식 1]을 만족한다.

여기서, z는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 직선거리이고, x는 X축 방향으로 의 거리이고, cz는 X축 방향의 곡률(1/Rx)이고, Rx는 X축 방향의 곡률반경이고, y는 y축 방향으로의 거리이고, Cy는 y축 방향의 곡률(1/Ry)이고, Ry는 y축 방향의 곡률반경이고, kx는 X축 방향의 코닉 상수이고, ky는 y축 방향의 코닉 상수이고, α는 X축 방향의 비구면 계수이고, β는 y축 방향의 비구면 계수값이다.

제1자유곡면 렌즈(141)의 제6자유곡면(L6)은 디스플레이 영상을 제7자유곡면(L7)에 전반사시키는 면이고, 그 제7자유곡면(L7)에서 반사된 빛이 사용자의 눈으로 투사되므로 비반사나 반사 코팅 처리되는 것은 바람직하지 않다. 또한, 제6자유곡면(L6)에서 제7자유곡면(L7)으로 디스플레이 영상을 전반사시키기 위해서 빛의 진행 각도를 임계각인 42.09도 보다 크게 설계하였다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제7자유곡면(L7)은 디스플레이 영상 관측모드에서 제6자유곡면(L6)으로부터 입사되는 빛 중에서 일부를 반사시키고, 후술하는 전방풍경 관측모드 수행단계(S40)에서 제2광량조절기(150)를 통해 입사되는 빛 중에서 일부를 투과시키기 위해 반사 및 투과 코팅이 이루어져야 한다. 예를 들어, 제7자유곡면(L7)은 가시광 파장대역(400~700nm)에서 입사광의 약 50%가 반사되고, 50%는 투과되도록 다층의 유전물질로 코팅되는 것이 바람직하다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제1자유곡면 렌즈(141)만을 이용하여 영상의 분해능을 높이고 왜곡을 보정하는데 어려움이 있다. 이를 감안하여 사용된 것이 제1회절광학 렌즈(133)이다. 제1회절광학 렌즈(133)의 소재로써 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)와 동일하게 DTM(Diamond Turning Machine) 장비를 사용한 가공이나 대량생산 및 사출 성형가공성이 용이하도록 다양한 종류의 플라스틱류가 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 굴절률이 1.585이고 분산계수는 29.909인 폴리카보네이트가 사용되었다.

제1회절광학 렌즈(133)는 빛의 회절 특성을 이용한 것으로 렌즈 표면에 회절 패턴이 형성된다. 제1회절광학 렌즈(133)에는 비구면과 회절 패턴이 함께 형성된 키노폼(kinoform)의 형태가 적용되었으며, 이 키노폼의 형태는 비구면 식(Zasph)과 회절 식(Zdiff)의 합(Ztotal)으로 이루어지고, 다음의 [수학식 2], [수학식 3] 및 [수학식 4]를 만족한다.

여기서, Zasph는 비구면 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 직선거리이고, r은 광축에 수직인 방향으로의 거리이고, c는 곡률(1/R)이고, R은 렌즈의 곡률반경, k는 코닉 상수이고,

는 I번째의 비구면 계수값이다.

여기서, Zdiff는 회절면의 정점으로부터 광축 방향으로의 직선 거리이고, N0는 렌즈의 굴절률이고, Sj는 회전 계수값이고,

는 윤대(zone) 반경이고,

는 중심파장이다.

제1회절광학 렌즈(133)는 디스플레이 장치(120)에서 투사되는 빛이 난반사되어 내부 영상을 만들지 않도록 비반사(anti-reflection) 코팅된다. 이 비반사 코팅은 가시광 파장대역(400~700nm)에서의 투과율을 높이고 반사가 최소한으로 발생하도록 굴절률이 1.38인 MgF₂ 물질로 구현된다. 그리고 플라스틱 계열인 제1회절광학 렌즈(133)의 변형 일어나지 않도록 저온에서 코팅된다.

제1회절광학 렌즈(133)를 통과한 빛은 제1광량 조절 필름(132)과 제1윈도우(131)를 통해 안점 위치로 입사된다. 제1광량 조절 필름(132)은 선형 편광필름으로써 무 편광 및 원형 편광된 빛을 선형 편광된 빛으로 변환하는 역할을 한다. 이때, 제2광량 조절 필름(152)이 선형 편광필름일 경우 편광 방향을 조정하여 전방의 풍경 영상을 차단하거나 투과시킬 수 있다. 제2광량 조절 필름(152)은 선형 편광필름 또는 액정형 필름으로 구현될 수 있다. 액정형 필름은 전기 신호의 인가 여부에 따라 외부에서 유입되는 빛을 투과시키거나 차단하는 고분자 분산액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC) 방식과 전압의 레벨에 따라 밝기 정도가 변화되는 SPD(suspended particle device), EC(electrochromic device) 방식이 있다. 상기 액정형 필름은 전기신호가 인가되지 않는 상태에서 빛이 산란되어 불투명한 상태가 되며, 전원이 인가된 상태에서는 액정들이 전기장 방향으로 배열되어 빛을 투과시킨다. 사용자가 제2광량조절기(150)를 회전시키면 회전각에 따라 각 모드에 맞춰 리미트 스위치가 동작하고, 제2광량 조절 필름(152)이 액정형 필름일 경우 제어부(170)에 의해 그 제2광량 조절 필름(152)에 공급되는 전압의 레벨이 조정된다. 만약, 제2광량조절기(150)에 액정형 필름을 적용하면 제1광량조절기(130)에는 광량 조절 필름을 사용할 필요가 없다.

제1윈도우(131)의 재질은 특별하게 한정되지 않으나 경도가 좋고 화학적 부식에 내구성을 갖춘 사파이어나 가시광 파장대역(400~700nm)에서의 투과율을 높이고 화학적 부식, 기계적 및 열적 충격에 강한 MgF₂ 물질로 코팅된 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 제1윈도우(131)는 MgF₂ 물질로 단일막 코팅된 N-BK7 재질의 윈도우로 구현하였다.

눈이 위치하는 안점 위치(L1)는 특별하게 한정되지 않으나 본 발명의 실시예에서는 제1윈도우(131)의 최 외곽면(L2)으로부터 24mm 떨어진 위치로 설정하여 사용자로 하여금 안경을 착용하고도 관측하는데 불편함이 없도록 하였다.

본 발명의 실시예에서 적용된 디스플레이 장치(120)의 화소 크기는 특별하게 한정되지 않으나 15umㅧ 15um로 구현하였으며, 이에 따른 분해능(Nyquist Frequency) 33 lp/mm에서 20% 이상으로 구현하였다. 그리고 디스플레이 장치(120)의 왜곡은 4% 이내, 시계는 28도×21도(수평수직)로 구현하였다.

본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 영상 관측모드에 대한 광학계 데이터는 다음의 표 1과 같다.

제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향은 디스플레이 장치(120)가 사용자의 안점 위치(L1)를 기준으로 수평 방향으로 배치된 경우 OLED는 수직 또는 수평 어떤 방향으로 배치되어도 무방하지만, LCD인 경우에는 수평 방향으로 배치해야 한다.

도 7은 제1광량 조절 필름(132)과 제2광량 조절 필름(152)이 선형 편광필름인 경우 각 모드별 이들의 편광 상태를 나타낸 것이다. 즉, 제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향이 수직 형태일 때, 제2광량 조절 필름(152)의 편광 방향은 디스플레이 영상 관측모드에서 수직 방향으로 편광된 형태로 되고, 전방풍경 관측모드에서는 제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향과 동일하게 편광된 형태로 되고, 증강현실 관측모드에서는 제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향과 일정 각도로 편광된 형태가 된다. 다른 예로써, 제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향이 수직 방향으로 편광된 형태일 때, 제2광량 조절 필름(152)의 편광 방향은 디스플레이 영상 관측모드에서 수평 형태로 되고, 전방풍경 관측모드에서는 제1광량 조절 필름(132)의 편광 방향과 동일하게 편광된 형태로 되고, 증강현실 관측모드에서는 디스플레이 영상 관측모드에서의 편광 방향과 일정 각도로 편광된 형태가 된다.

전방풍경 관측모드 수행단계(S40)는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)의 전방 풍경을 안점 위치에 전달하는 모드이다. 제어부(170)는 디스플레이 장치(120)를 오프시키고, 제1,2광량 조절 필름(132),(152)을 온 시킨다(S41). 따라서 전방풍경 관측모드 수행단계(S40)는 제1광량조절기(130), 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140) 및 제2광량조절기(150)에 의해 구현된다. 이때, 도 5b에서와 같이 전방 풍경의 영상이 제2광량조절기(150), 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140) 및 제1광량조절기(130)를 통해 안점 위치로 투사된다. 이때, 제어부(170)는 조도센서(161)가 온 되어 그로부터 조도감지신호(BS)가 공급되면 그 조도감지신호(BS)에 따라 제2광량 조절 필름(152)을 제어하여 이들을 통해 투사되는 광량이 자동으로 조절된다(S42,S43). 따라서 사용자는 안점 위치에서 확대된 전방 풍경의 영상을 나안으로 몰입도 있게 감상할 수 있게 된다.

빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 제2자유곡면 렌즈(142)는 디스플레이 영상 관측모드에서 적용된 제1자유곡면 렌즈(141)를 기준으로 전방 풍경을 관측할 수 있도록 설계되었다. 전방 풍경 관측모드는 무초점 광학계로 구현되는데, 이를 위해 광학계의 굴절능이 0에 가깝고 배율이 1배로 설계되어야 한다.

제2회절 광학 렌즈(151)는 제1회절 광학 렌즈(133)와 동일하게 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)의 수차를 보정하고 전방 풍경에 대한 분해능을 높이며, 왜곡을 보정하기 위하여 상기 [수학식 2],[수학식 3] 및 [수학식 4]에 따라 설계되었다. 제2회절 광학 렌즈(151)의 굴절능을 제1회절 광학 렌즈(133)와 반대 방향으로 구성하여 성능을 향상시켰다. 또한 외부에서 유입되는 빛에 의해 내부 반사가 발생하지 않도록 제 1 회절 광학 렌즈(3)와 동일한 비반사 코팅을 적용하였다. 본 발명의 실시예에서 제2광량조절기(150)를 지나는 광학계의 성능은 눈의 분해능에 따라 3.44 cycle/mrad(1분)에서 MTF(Modulation Transfer Function)가 20% 이상이 되도록 설계하였으며, 왜곡은 2% 이내, 시계는 28도×21도(수평×수직)로 설계하였다.

본 발명의 실시예에 따른 전방 풍경 관측모드에 대한 광학계 데이터는 다음의 표 2와 같다.

본 발명의 실시예에 따른 제1자유곡면 렌즈(141)의 제6자유곡면(L6), 제2자유곡면 렌즈(142)의 제7,11자유곡면(L7),(L11)에 대한 비구면 계수와 제1회절 광학 렌즈(133)의 면(L5)와 제2회절 광학 렌즈(151)의 면(L12)에 대한 비구면 계수 및 회절 계수는 다음의 [표 3] 및 [표 4]와 같다.

증강현실 관측모드 수행단계(S50)는 디스플레이 장치(120)에 디스플레이되는 영상을 안점위치에 전달함과 동시에 전방 풍경을 안점 위치에 전달하는 모드이다. 제어부(170)는 디스플레이 장치(120)를 온 시킴과 아울러 제2광량 조절 필름(152)을 온 시킨다(S51). 따라서 증강현실 관측모드 수행단계(S50)는 디스플레이 장치(120), 제1,2광량조절기(130),(150) 및 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)에 의해 구현된다. 이때, 도 5c에서와 같이 디스플레이 장치(120)의 디스플레이 영상이 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140)에서 굴절 및 확대된 후 제1광량조절기(130)를 통해 안점 위치로 투사됨과 동시에, 전방 풍경의 영상이 제2광량조절기(150), 빔분리형 자유곡면 접합렌즈(140) 및 제1광량조절기(130)를 통해 안점 위치로 투사된다. 따라서 사용자는 안점 위치에서 상기 디스플레이 영상과 전방 풍경의 영상을 동시에 감상할 수 있게 된다. 이때, 제어부(170)는 조도센서(161)가 온 된 경우 그로부터 공급되는 조도감지신호(BS)에 따라 디스플레이 장치(120)의 밝기를 제어하여 이의 밝기가 자동으로 조정되고, 제2광량 조절 필름(152)을 제어하여 이들을 통해 투사되는 광량이 자동으로 조절된다(S52-S54). 조도센서(161)가 오프된 경우에는 사용자에 의해 제2광량 조절 필름(152)이 수동으로 제어된다.

하나의 선형 편광필름이 진동방향과 θ각을 이루고 수직 또는 수평 방향으로 선형 편광된 또 다른 선형 편광필름을 투과할 경우, 투과하는 빛의 세기에 대한 관계식은 다음의 [수학식 5]를 따른다.

여기서,

은 투과하는 빛의 세기이고,

는 입사하는 빛의 세기이며,

는 두 편광 필름이 이루는 사잇각이다.

따라서 제2광량 조절 필름(152)이 선형 편광필름일 경우 회전 각도가 커질수록 전방 풍경의 영상이 밝아진다. 또한, 제2광량 조절 필름(152)이 액정형 필름일 경우에 각도 감지센서(165)가 제2광량조절기(150)의 회전 각도를 인지하여 인지된 회전 각도에 따라 제2광량 조절 필름(152)에 공급되는 전압의 레벨을 조정한다.

본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)의 광학계의 유효초점거리는 23.95 mm 이고 모든 분석 및 수치 계산의 기준이 되는 주 파장은 587.6nm이며 486.1nm~656.3nm 영역까지 수차를 보정할 수 있다. 상면 크기는 Φ15mm(12ㅧ9mm)이며, F수는 6의 밝기를 가지게 된다.

상기 설명에서는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치(100)의 접안 렌즈계가 단안인 것을 예로 하여 설명하였으나, 양안으로 확장 설치가 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 110 : 하우징
120 : 디스플레이 장치 130 : 제1광량조절기
131 : 제1윈도우 132 : 제1광량 조절 필름
133 : 제1회절광학 렌즈 140 : 빔분리형 자유곡면 접합렌즈
141 : 제1자유곡면 렌즈 142 : 제2자유곡면 렌즈
150 : 제2광량조절기 151 : 제2회절광학 렌즈
152 : 제2광량 조절 필름 153 : 제2윈도우
160 : 감지부 161 : 조도센서
162 : 모드변경용 회전손잡이 163a : 제1자석
163b : 제2자석 164 : 리미트 스위치부
165 : 각도감지 센서 170 : 제어부 180 : 배터리 전원부

Claims (13)

1. 외부의 영상신호를 공급받아 영상을 디스플레이하는 디스플레이 장치;
   전방의 물체 측에 설치되어 전방 풍경으로부터 입사되는 광량을 조절하는 제2광량조절기;
   디스플레이 영상 관측모드에서 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 디스플레이 영상을 굴절 및 확대시켜 투사하고, 전방풍경 관측모드에서 상기 제2광량조절기로부터 입사되는 전방 풍경의 영상을 받아들여 투사하고, 증강현실 관측모드에서 상기 디스플레이 영상과 상기 전방 풍경의 영상 모두를 받아들여 투사하는 빔분리형 자유곡면 접합렌즈;
   안점 위치 측에 설치되어 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈로부터 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 제1광량조절기;
   사용자의 조작에 따른 모드변경신호와 각도감지신호, 주변의 밝기에 따른 조도감지신호를 출력하는 감지부; 및
   상기 모드변경신호에 따라 상기 디스플레이 영상 관측모드, 전방풍경 관측모드 및 증강현실 관측모드 중에서 어느 하나의 모드를 설정한 후 설정된 모드에 따라 상기 디스플레이 장치 및 상기 제1,2광량조절기의 구동을 제어하여 해당 모드의 기능이 수행되도록 하는 제어부;를 포함하되,
   상기 감지부는,
   상기 제2광량조절기의 외주면 주변에 설치되되, 모드변경용 회전손잡이의 회전경로를 기준으로 90도 각도 차이를 두고 설치된 제1자석 및 제2자석; 및
   상기 모드변경용 회전손잡이가 회전되지 않은 0도 상태에서 상기 제1자석과 마주하는 곳에 위치에 놓여 온 되는 제1리미트 스위치 및 상기 모드변경용 회전손잡이가 90도 회전된 상태에서 상기 제2자석과 마주하는 곳에 위치에 놓여 온 되는 제2리미트 스위치를 구비한 리미트 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제1,2광량조절기는
   광량 조절 필름을 각기 구비하되, 상기 광량 조절 필름은 선형 편광필름 및 액정형 필름 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 광량 조절 필름이 상기 선형 편광필름인 경우,
   상기 제어부는 상기 모드변경신호에 따라 상기 제1,2광량조절기에 각기 구비된 상기 선형 편광필름 간의 편광 방향의 차이가 90도가 되도록 편광을 제어하여, 상기 디스플레이 영상 관측모드가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 광량 조절 필름이 상기 선형 편광필름인 경우,
   상기 제어부는 상기 모드변경신호에 따라 상기 제1,2광량조절기에 각기 구비된 상기 선형 편광필름 간의 편광 방향의 차이가 0도가 되도록 편광을 제어하여, 상기 전방풍경 관측모드가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 광량 조절 필름이 상기 선형 편광필름인 경우,
   상기 제어부는 상기 모드변경신호에 따라 상기 제1,2광량조절기에 각기 구비된 상기 선형 편광필름 간의 편광 방향의 차이가 0도와 90도 사이가 되도록 편광을 제어하여, 상기 증강현실 관측모드가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 광량 조절 필름은
   회절 광학 렌즈와 윈도우의 사이에 광학 접착제로 접합된 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈는
   안점 위치를 기준으로 상하 방향으로만 대칭을 이루고 좌우 방향으로는 비대칭을 이루는 자유곡면을 갖는 제1자유곡면 렌즈와 제2자유곡면 렌즈가 서로 접합된 입방체의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
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9. 제1항에 있어서, 상기 감지부는
   상기 각도감지신호를 출력하는 경사센서 또는 자이로 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 조도감지신호에 따라 상기 디스플레이 장치의 광량과 상기 제2광량조절기를 통과하는 광량을 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치.
    
11. 디스플레이 장치와, 전방 풍경으로부터 입사되는 광량을 조절하는 제2광량조절기와, 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되고 있는 디스플레이 영상 및 상기 전방 풍경의 영상 중에서 어느 하나 또는 둘 모두를 받아들여 안점 위치 방향으로 투사하는 빔분리형 자유곡면 접합렌즈와, 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈에서 상기 안점 위치로 투사되는 광량을 조절하는 제1광량조절기와, 사용자의 조작에 따른 모드변경신호와 각도감지신호, 주변의 밝기에 따른 조도감지신호를 출력하며, 상기 제2광량조절기의 외주면 주변에 설치되되, 모드변경용 회전손잡이의 회전경로를 기준으로 90도 각도 차이를 두고 설치된 제1자석과 제2자석; 및 상기 모드변경용 회전손잡이가 회전되지 않은 0도 상태에서 상기 제1자석과 마주하는 곳에 위치에 놓여 온 되는 제1리미트 스위치 및 상기 모드변경용 회전손잡이가 90도 회전된 상태에서 상기 제2자석과 마주하는 곳에 위치에 놓여 온 되는 제2리미트 스위치를 구비한 리미트 스위치부를 포함하는 감지부와, 상기 모드변경신호에 따라 상기 디스플레이 장치 및 상기 제2광량조절기의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치 준비 단계;
    상기 모드변경신호에 따라 현재 모드를 설정하는 동작모드 확인 단계;
    상기 현재 모드가 디스플레이 영상 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 오프시키고 상기 디스플레이 장치를 온 시켜 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상이 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 디스플레이 영상 관측모드 수행단계;
    상기 현재 모드가 전방풍경 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 디스플레이 장치를 오프시키고 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 온 시켜 상기 전방 풍경의 영상이 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 전방풍경 관측모드 수행단계; 및
    상기 현재 모드가 증강현실 관측모드로 설정된 경우, 제어부가 상기 디스플레이 장치와 상기 제2광량조절기의 제2광량 조절 필름을 모두 온 시켜 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상과 상기 전방 풍경의 영상이 동시에 상기 빔분리형 자유곡면 접합렌즈 및 상기 제1광량조절기를 통해 상기 안점 위치로 투사되게 하는 증강현실 관측모드 수행단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 전방풍경 관측모드 수행단계는
    상기 제어부가 상기 조도감지신호에 따라 상기 제2광량 조절 필름을 제어하여 이들을 통해 투사되는 광량이 조절되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법.
    
13. 제11항에 있어서, 상기 증강현실 관측모드 수행단계는
    상기 제어부가 상기 조도감지신호에 따라 상기 디스플레이 장치에 디스플레이되는 영상의 밝기가 제어되고, 상기 제2광량 조절 필름을 제어하여 이들을 통해 투사되는 광량이 조절되는 단계; 및
    상기 조도감지신호가 입력되지 않을 때 상기 제2광량 조절 필름은 수동으로 제어되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 머리장착형 디스플레이 장치의 운용방법.
    

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