KR102167753B1 - 다초점 광학계 및 이를 이용한 헤드마운트 디스플레이 - Google Patents

Abstract

다초점 광학계 및 이를 이용한 헤드마운트 디스플레이를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 크기 변화 없이도 안정적으로 다초점 영상을 생성하여 제공할 수 있는 광학계를 제공한다.

Description

다초점 광학계 및 이를 이용한 헤드마운트 디스플레이{Multiple Focus Optical System and Head Mounted Display Using Thereof}

본 발명은 다초점 광학계 및 이를 이용한 헤드마운트 디스플레이에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

헤드 마운트 디스플레이 장치와 같은 3차원 영상 디스플레이 장치는 3차원 영상을 생성하기 위한 다초점 광학계를 포함하고 있다. 다초점 광학계란 초점이 상이한 영상을 출력하는 장치로서, 종래의 다초점 광학계는 초점이 상이한 영상을 생성하기 위해, 영상 출력장치로부터 광학계까지의 거리를 변화시켰다. 즉, 하나의 영상 출력장치는 소정의 위치에 허상이 결상되는 광을 출력하였으며, 다른 하나의 영상 출력장치는 광학계까지의 거리를 변화시키기 위해 또다른 하나의 허상이 상이한 관찰거리에서 결상되도록, 미러 등의 추가적인 구성을 이용하여 광을 출력하고 있었다.

그러나 생성되는 복수의 영상 간에 결상 거리를 변화시키고자 하는 경우, 종래의 광학계는 영상 출력장치로부터 광학계까지의 거리를 조정을 하였기 때문에, 영상 출력장치의 위치 변화로 인한 구성상의 문제가 있다. 영상 출력장치의 위치가 변경되는 경우, 영상 출력장치를 포함하는 다초점 광학계의 크기가 변경될 수 있어 기구를 재설계해야 하는 문제를 포함하고 있다.

본 발명의 일 실시예는, 크기 변화 없이도 안정적으로 다초점 영상을 생성하여 제공할 수 있는 광학계를 제공하는 데 일 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 다초점 영상을 형성하는 광학장치에 있어서, 제1 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제1 영상 출력부와 제2 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제2 영상 출력부와 상기 제1 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제1 렌즈부와 상기 제1 렌즈부와 상이한 특성을 가지며, 상기 제2 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제2 렌즈부와 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부를 통과한 광 정보의 진행 경로를 일치시키는 제1 광 분배기와 상기 제1 광 분배기를 통과한 광 정보를 재반사시키는 광 반사부 및 상기 광 반사부로부터 반사된 광 정보가 하나의 초점을 형성하도록 하는 제2 광 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기는 상기 광학장치의 하우징 내에 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학장치의 하우징은 상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기를 모두 포함하는 일체형로 구현되거나, 상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기 중 일부만을 각각 포함하는 분리형으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 렌즈부 또는 상기 제2 렌즈부는 각 렌즈부가 출력하는 광의 진행경로 상에 배치되는 제1 또는 제3 렌즈 및 상기 제1 렌즈와 인접한 광학장치의 하우징의 일 면에 배치되는 제2 또는 제4 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학장치의 하우징은 상기 제1 렌즈와 인접한 일면에 기 설정된 곡률을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 렌즈부는 굴절되는 광 정보의 경로가 상기 제1 렌즈부에 의해 굴절되는 광의 경로와 상이하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 반사부는 상기 다초점 광학장치의 일측에 상기 제1 광 분배기를 통과한 각 광 정보가 하나의 초점을 형성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 다초점 광학장치는 단안(單眼)에서도 상기 다초점 영상을 볼 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 다초점 광학장치는 양안(兩眼)에서도 상기 다초점 영상을 볼 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 다초점 영상을 형성하는 광학장치에 있어서, 영상에 대응되는 광을 출력하는 제1 영상 출력부와 상기 영상에 대응되는 광을 출력하는 제2 영상 출력부와 상기 제1 영상 출력부가 출력하는 광을 굴절시키는 제1 렌즈부와 상기 제2 영상 출력부가 출력하는 광을 굴절시키는 제2 렌즈부와 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부 중 어느 하나를 통과한 광은 반사시키고, 나머지 하나를 통과한 광은 통과시키는 제1 광 분배기 및 상기 제1 광 분배기를 통과하거나 상기 제1 광 분배기로부터 반사된 광을 반사시키는 미러부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 다초점 광학장치와 상기 다초점 광학장치가 출력할 영상을 입력받는 영상 입력부와 상기 다초점 광학장치에 의해 생성된 다초점 영상을 디스플레이하는 디스플레이부와 각 구성이 동작할 수 있도록 하는 전원을 공급하는 전원부 및 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 제1 영상 및 제2 영상을 출력하는 과정과 상기 출력된 제1 영상이 제1 굴절률을 겪는 과정과 상기 출력된 제2 영상이 제2 굴절률을 겪는 과정과 상기 제1 굴절률을 겪은 제1 영상과 상기 제2 굴절률을 겪은 제2 영상이 하나의 영상으로 표시되는 과정을 포함하고, 상기 제1 영상과 제2 영상을 동일한 영상이고, 상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 서로 다른 굴절률인 것을 특징으로 하는 영상 표시 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 장치의 크기를 변화시키지 않고도 안정적으로 다초점 영상을 생성하여 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제8 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치에 의해 영상이 표시되는 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 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 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치의 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 영상 입력부(210), 영상 출력부(220), 광학계(230), 제어부(240) 및 전원부(250)를 포함한다.

영상 입력부(210)는 외부로부터 디스플레이하고자 하는 영상을 입력받는다. 영상 입력부(210)는 유선 또는 무선 통신을 수행할 수 있는 통신부로 구현되어, 유선 또는 무선 통신을 이용해 외부장치로부터 영상을 수신할 수 있다. 또는, 영상 입력부(210)는 USB 단자 등과 같은 물리적 연결수단으로 구현되어, 물리적인 연결수단을 이용해 외부장치로부터 영상을 수신할 수 있다.

영상 출력부(220)는 입력받은 영상을 출력한다. 영상 출력부(220)는 입력받은 영상에 대응되는 광을 출력함으로써, 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)의 사용자가 디스플레이부를 이용해 영상을 확인할 수 있도록 한다.

영상 출력부(220)는 헤드 마운트 디스플레이 장치 내 배치되어 입력받은 영상(에 대응되는 광)을 출력할 수 있는 구성이면 어떠한 구성으로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 영상 출력부(220)는 마이크로디스플레이(Microdisplay)와 같이, 작은 크기로 구현되면서 입력받은 영상(에 대응되는 광 정보)을 출력할 수 있는 구성으로 구현될 수 있다.

광학계(230)는 영상 출력부(220)로부터 출력된 광 정보를 수신하여, 결상거리가 상이한 복수의 허상(虛像)을 생성한다. 광학계(230)에 대한 구체적인 설명은 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.

제어부(240)는 각 구성(210, 220 및 260)의 동작을 제어한다. 제어부(240)는 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)의 사용자로부터 각 구성의 동작 제어신호(예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이 장치의 온. 오프 등)를 수신할 수 있으며, 이에 따라, 동작하도록 각 구성을 제어할 수 있다.

전원부(250)는 각 구성(210, 220 및 240)에 각 구성(210, 220 및 240)이 동작할 수 있도록 하는 전원을 제공한다.

헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 증강현실(AR: Augmented Reality) 영상 또는 혼합현실(MR: Mixed Reality) 영상을 생성하여 사용자에게 제공하는 장치로서, 복수의 영상 출력부(220)와 광학계(230)를 이용하여 사용자가 양안(兩眼)은 물론, 단안(單眼)으로도 3D 영상을 시청할 수 있도록 한다. 헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 복수의 영상 출력부(220)와 광학계를 이용하여 결상거리가 상이한 복수의 허상을 생성하기 때문에, 단안으로도 3D 영상을 시청할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계(230)는 제1 하우징(310)과 제2 하우징(370)을 포함하며, 제1 렌즈부(320), 제2 렌즈부(330), 제1 광 분배기(340), 제2 광 분배기(350), 광 반사부(360)를 포함한다. 제1 렌즈부(320), 제2 렌즈부(330), 제1 광 분배기(340), 제2 광 분배기(350) 및 광 반사부(360)는 광이 통과할 수 있는 재질로 구현된다.

제1 하우징(310)은 영상 출력부(220, 225)로부터 출력된 광 정보를 수신하고 병합하여 제2 하우징(370)으로 전달한다. 제1 하우징(310)은 제1 렌즈부(320), 제2 렌즈부(330) 및 제1 광 분배기(340)를 포함한다. 다만, 제1 하우징(310) 내 포함된 구성은 경우에 따라 달라질 수 있다.

제2 하우징(370)은 제1 하우징(310)으로부터 수신한 광 정보를 이용하여 실공간의 광정보와 결합한다. 제2 하우징은 제2 광 분배기(350) 및 광 반사부(360)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 하우징(370) 내 포함된 구성은 경우에 따라 달라질 수 있다.

제1 렌즈부(320)는 영상 출력부(220)가 출력하는 광 정보의 광축 진행 경로상에 배치되어, 영상 출력부(220)로부터 영상에 대응되는 광 정보를 수신하며, 수신한 광선(여기서, 광선은 광 정보를 의미함)을 굴절시킨다. 광 반사부(360)에서 반사된 광선이 기 설정된 초점(380)으로 모여 관찰자가 임의의 거리에 배치된 제1 허상(390)을 관찰할 수 있도록, 제1 렌즈부(320)는 광선을 굴절시킨다.

제1 렌즈부(320)는 제1 렌즈(324) 및 제2 렌즈(328)을 포함한다.

제1 렌즈(324)는 영상 출력부(220)로부터 수신한 광이 지향성을 갖도록 한다. 제1 렌즈(324)는 콜리메이터(Collimator)로 구현될 수 있으며, 영상 출력부(220)로부터 수신한 광을 평행광과 유사하게 형성할 수 있다. 이와 같이, 영상 출력부(220)가 출력하는 진행광의 경로(-z축 방향)상에 제1 렌즈(324)가 배치됨으로써, 영상 출력부(220)에서 출력된 광이 온전히 제1 하우징(310)안으로만 입사되도록 한다. 제1 렌즈(324)가 배치되지 않는 경우, 영상 출력부(220)는 광을 -yz 평면 상으로 방향성 없이 출력하기 때문에, 광이 제1 하우징(310)의 경계면과 외부로 조사될 수 있다. 광이 제1 하우징(310) 외부로 조사되는 경우, 제1 하우징(310)의 경계면에 입사된 광은 광학계(230) 내에서 설계와 다른 경로로 진행 또는 반사하여 이중상을 형성할 수 있어, 정확한 영상이 관찰자에게 전달되지 못할 수 있다. 또한, 광이 제1 하우징(310) 외부로 조사되는 경우, 제1 하우징(310)으로 입사되는 광량이 줄어 광 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 광학계(230)는 영상 출력부(220)가 출력하는 진행광의 경로 상에 제1 렌즈(324)를 배치함으로써, 전술한 문제를 해소한다.

제2 렌즈(328)는 제1 하우징(310)의 일면에 배치되어, 제1 렌즈(324)를 통과한 빛을 분산시킨다. 제2 렌즈(328)는 제1 렌즈(324)를 통과한 빛을 분산시키기 위해, 제1 하우징(310)의 일면, 특히, 제1 렌즈(324)와 인접한 제1 하우징(310)의 일 면에(+z축 상의 끝 일면) 배치된다. 제2 렌즈(328)는 오목렌즈로 구현될 수 있으며, 제1 렌즈(324)를 통과한 빛을 분산시킨다. 이에 따라, 제2 렌즈(328)를 통과한 빛이 추후 반사부(360)에서 반사됨으로써, 온전히 상으로 형성될 수 있다. 제1 렌즈(324)의 곡률과 제2 렌즈(328)의 곡률은 광 반사부(360)와 함께 형성하고자 하는 다초점의 깊이를 변화시킨다. 따라서 제1 렌즈(324)의 곡률과 제2 렌즈(328)의 곡률은 형성하고자 하는 다초점의 깊이에 따라 각각 설정된다.

제2 렌즈부(330)는 영상 출력부(225)가 출력하는 광 정보의 광축 진행경로 상에 배치되어, 영상 출력부(225)로부터 영상에 대응되는 광 정보를 수신하며, 수신한 광선을 굴절시킨다. 제2 렌즈부(330)도 제1 렌즈부(320)와 마찬가지로, 광 반사부(360)에서 반사된 광선이 기 설정된 초점(380)으로 모여 상을 형성할 수 있도록 광선을 굴절시킨다. 다만, 영상출력부(225)와 제2 렌즈부(330)는 영상출력부(220) 및 제1 렌즈부(320)와는 상이한 위치에 배치되어, 상이한 방향에서 광선을 제1 하우징(310)으로 입사사킨다.

제2 렌즈부(330)는 제1 렌즈부(320)와 상이한 특성을 갖는다. 예를 들어, 제2 렌즈부(330)는 제1 렌즈부(320)와 상이한 심도를 구비하거나, 상이한 화각을 구비함으로써, 제2 렌즈부(330)를 통과하는 광 정보의 거리나 각도를 제1 렌즈부(320)의 그것과 상이하게 한다. 이와 같은 제2 렌즈부(330)가 영상 출력부(225)가 출력하는 광 정보의 광축 진행경로 상에 배치됨으로써, 영상 출력부(225)는 영상 출력부(220)로부터 제1 광 분배기(340)까지의 거리와 동일한 거리 상에 배치될 수 있다. 즉, 종래의 기술과 같이, 영상 출력부(225)는 영상 출력부(220)와 거리상 차이를 두고 배치될 필요없이, 영상 출력부(220)와 동일한 거리 상에서 상이한 위치에 배치되더라도 제2 렌즈부(330)의 특성을 조절함으로써, 영상 출력부(220)에서 출력되어 생성되는 제1 허상과 결상거리가 상이한 제2 허상을 생성할 수 있다. 제2 렌즈부(330)를 배치함으로써, 영상 출력부(225)를 제1 하우징(310)과 근거리에 배치할 수 있어, 광학계(230)의 전체적인 크기를 줄일 수 있으며, 허상의 결상거리를 변화시키는데 영상 출력부(225)의 위치를 변경시킬 필요가 없어, 광학계(230)는 고정적인 크기로 안정적으로 다초점 영상을 생성할 수 있다.

영상 출력부(225)와 제2 렌즈부(330)는 제2 렌즈부(330)를 통과한 광선이 제1 광 분배기(340)에 의해 반사될 수 있는 방향에 배치될 수 있다. 도 3을 참조하면, 제2 렌즈부(330)를 통과한 광선이 제1 광 분배기(340)에 의해 반사되기 위해, 영상 출력부(225)와 제2 렌즈부(330)는 제1 광 분배기(340)를 기준으로 -y축 방향에 배치될 수 있다. 이에 따라, 영상 출력부(220)에서 출력되어 제1 렌즈부(320)를 거친 광선과 영상 출력부(225)에서 출력되어 제2 렌즈부(330)를 거친 광선은 제1 광 분배기(340)에 의해 동일한 방향으로 진행하며, 동일 초점(380)을 형성하나 상이한 거리에 복수의 허상(390, 395)을 생성할 수 있다.

제2 렌즈부(330)는 제3 렌즈(334) 및 제4 렌즈(338)을 포함한다.

제3 렌즈(334)는 제1 렌즈(324)와 유사하게, 영상 출력부(220)로부터 수신한 광이 지향성을 갖도록 한다. 다만, 제3 렌즈(334)는 제1 렌즈(324)와 상이한 특성을 구비할 수 있다.

제4 렌즈(338)는 제2 렌즈(328)과 유사하게, 제1 하우징(310)의 다른 일면에 배치되어, 제3 렌즈(334)를 통과한 광을 분산시킨다. 마찬가지로, 제3 렌즈(334)의 곡률과 제4 렌즈(338)의 곡률은 형성하고자 하는 다초점의 깊이에 따라 각각 설정된다.

제1 광 분배기(340)는 제1 렌즈부(320)를 통과한 광선은 통과시키고, 제2 렌즈부(330)를 통과한 광선은 반사시킨다. 제2 렌즈부(330)가 제1 광 분배기(340)를 기준으로 -y축 방향에 배치되는 경우, 제1 광 분배기(340)는 y축을 기준으로 약 135˚로 배치된다. 이에 따라, 제1 렌즈부(320)를 통과하여 -z축 방향으로 입사되는 광선은 제1 광 분배기(340)를 통과하며, 제2 렌즈부(330)를 통과하여 제1 광 분배기(340)를 기준으로 +y축 방향으로 입사되는 광선은 제1 광 분배기(340)를 통과하여 -z축 방향으로 진행한다. 이에 따라, 상이한 방향에서 제1 광 분배기(340)로 입사된 두 광선은 제1 광 분배기(340)에 의해 동일한 방향으로 진행하게 된다.

제2 광 분배기(350)는 제1 광 분배기(340)를 통과한 광선은 통과시키고, 광 반사부(360)에서 반사된 광선은 재반사시킨다. 제2 광 분배기(350)는 제1 광 분배기(340)와 동일한 방향(y축을 기준으로 약 135˚)으로 배치됨으로써, 광 반사부(360)에서 반사된 광선을 -y축 방향으로 반사시킨다. 각 영상 출력부(220, 225)에서 출력된 광 정보는 하나의 초점(380)을 형성한다. 다만, 각 광정보는 서로 상이한 렌즈부(320, 330)를 통과하기 때문에, 서로 상이한 결상거리를 갖는 두 허상(390, 395)를 형성한다. 이에 따라, 사용자는 단안으로도 결상거리가 상이한 두 허상(390, 395)를 시청할 수 있어, 눈의 피로도를 최소화하며 3D 영상을 시청할 수 있다.

광 반사부(360)는 제2 광 분배기(350)를 통과한 광 정보를 반사시킨다. 광 반사부(360)는 제2 광 분배기(350)를 통과한 광선을 제2 광 분배기(350) 방향(+z축 방향)으로 재 반사시킴으로써, 광학계(230)의 일측에 각 광정보가 하나의 초점(380)을 형성할 수 있도록 한다. 광 반사부(360)는 렌즈, 미러 등 반사면을 구비한 구성은 어떠한 것으로도 구현될 수 있다. 광 반사부(360)는 일정한 곡률을 구비할 수 있으며, 렌즈부(320, 330)에 의해 분산된 광이 기 설정된 초점으로 반사될 수 있도록 한다.

도 3에는, 광학계(230) 내에 영상 출력부(220, 225)와 렌즈부(220, 230)가 2개가 구비되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 광학계(230) 내에 추가 영상 출력부와 제2 렌즈부(330)와 동일하거나 상이한 곡률을 갖는 추가 렌즈부(미도시)가 추가로 배치될 수 있다. 제1 렌즈부(320)를 기준으로 영상 출력부(225)와 제2 렌즈부(230)에 대칭되는 위치(제1 렌즈부(320)로부터 +y축 방향)에 추가 영상 출력부(미도시)와 추가 렌즈부(미도시)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 영상 출력부(220, 225)와 광학계(230)에 의해 결상되는 허상(390, 395)에 추가적인 허상이 더 결상될 수 있다. 이 경우, 보다 생생한 3D 영상이 사용자에게 제공될 수 있다. 광학계(230) 내 추가 영상 출력부와 추가 렌즈부가 배치되는 경우, 제1 하우징(310) 내 추가적인 광 분배기(미도시)가 배치될 수 있다. 제1 광 분배기(340)는 -z축 방향과 -y축 방향으로 입사되는 광선은 통과시키기 때문에, 추가적인 광 분배기가 존재하지 않는 경우, 추가 렌즈부를 통과하여 입사되는 빛이 -z축 방향으로 반사될 수 없다. 이에 따라, 추가 렌즈부를 통과하여 입사되는 빛을 -z축 방향으로 반사시키기 위해, 추가 광 분배기(미도시)가 y축을 기준으로 약 45˚로 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계(230)는 제1 실시예에 따른 광학계(230)와 동일한 구성을 가지며, 제2 빔스플리터(350)를 제1 실시예에 따른 광학계(230)와 상이한 방향으로 배치한다.

제2 광 분배기(350)는 y축을 기준으로 약 45˚로 배치됨으로써, 광 반사부(360)에서 재반사된 광선이 +y축 방향으로 반사되도록 한다. 이에 따라, 광학계(230)는 광학계를 기준으로 오른쪽(+y축 방향)에 동일한 초점(380)을 형성하되, 왼쪽(-y축 방향)에 결상거리가 상이한 복수의 허상(390, 395)을 생성한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.

본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 광학계(230)는 제1 또는 제2 실시예에 따른 광학계(230)와 달리 광 반사부(360)를 포함하지 않는다. 다만, 제2 광 분배기(350)가 제1 광 분배기(340)를 통과한 빛을 통과시키지 않고 온전히 반사시킨다. 즉, 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 광학계(230) 내에 포함된 제2 광 분배기(350)는 마치, 미러와 같이 입사되는 빛을 온전히 반사시킨다. 이에 따라, 도 5에 도시된 제3 실시예에 따른 광학계(230)는 오른쪽(+y축 방향)에 동일한 초점(380)을 형성하되, 왼쪽(-y축 방향)에 결상거리가 상이한 복수의 허상(390, 395)을 생성하며, 도 6에 도시된 제4 실시예에 따른 광학계(230)는 왼쪽(-y축 방향)에 동일한 초점(380)을 형성하되, 오른쪽(+y축 방향)에 결상거리가 상이한 복수의 허상(390, 395)을 생성한다.

도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광학계의 구성도이고, 도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 광학계의 구성도이고, 도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 광학계의 구성도이며, 도 10은 본 발명의 제8 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.

본 발명의 제5 내지 8 실시예에 따른 광학계는 제1 하우징과 제2 하우징을 일체형으로 구현할 수 있다.

도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 광학계(230)는 렌즈부(320, 330)와 제1 광 분배기(340)를 포함하는 제1 하우징(310) 및 제2 광 분배기(350) 또는 제2 광 분배기(350)와 광 반사부(360)를 포함하는 제2 하우징(370)으로 하우징을 분리한 형태로 구현될 수 있다. 그러나 이처럼 구현되는 경우, 하우징의 경계면(345)이 발생하여, 광 효율이 다소 떨어질 우려가 존재한다. 이에 따라, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(710)을 제1 하우징 및 제2 하우징으로 분리하지 않고 일체형으로 형성함으로써, 경계면을 줄여 광 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이 장치에 의해 영상이 표시되는 방법을 도시한 순서도이다.

헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 제1 허상에 대응되는 광 정보 및 제2 허상에 대응되는 광 정보를 출력한다(S1110).

제1 허상에 대응되는 광 정보가 제1 렌즈부(320)를 통과한다(S1120). 제1 허상에 대응되는 광 정보는 제1 렌즈부(320)를 통과하며 제1 굴절력을 겪는다.

제2 허상에 대응되는 광 정보가 제2 렌즈부(330)를 통과한다(S1130). 제2 허상에 대응되는 광 정보는 제2 렌즈부(320)를 통과하며 제2 굴절력을 겪는다.

헤드 마운트 디스플레이 장치(100)는 제1 굴절력을 겪은 광 정보와 상기 제2 굴절력을 겪은 광 정보를 하나의 영상으로 표시한다(S1140).

도 11에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 11에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 11은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

한편, 도 11에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 헤드 마운트 디스플레이 장치
210: 영상 입력부
220: 영상 출력부
230: 광학계
240: 디스플레이부
250: 제어부
260: 전원부
310, 370, 710: 하우징
320, 330: 렌즈부
324, 328, 334, 338: 렌즈
340, 350: 광 분배기
360: 광 반사부
380, 385: 상

Claims (12)

1. 다초점 영상을 형성하는 광학장치에 있어서,
   제1 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제1 영상 출력부; 제2 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제2 영상 출력부; 상기 제1 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제1 렌즈부; 상기 제1 렌즈부와 상이한 특성을 가지며, 상기 제2 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제2 렌즈부; 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부를 통과한 광 정보의 진행 경로를 일치시키는 제1 광 분배기; 상기 제1 광 분배기를 통과한 광 정보를 재반사시키는 광 반사부; 및 상기 광 반사부로부터 반사된 광 정보가 하나의 초점을 형성하도록 하는 제2 광 분배기를 포함하되,
   상기 제1 렌즈부는 상기 광반사부에서 반사된 광 정보를 기 설정된 초점으로 모여 제1 결상거리에 제1 허상이 생성되도록 굴절시키고,
   상기 제2 렌즈부는 상기 영상 출력부 및 제1 렌즈부와 상이한 위치에 배치되고, 상기 영상 출력부로부터 광 정보를 수신하고, 상기 수신한 광 정보를 상기 제1 렌즈부와 동일한 초점으로 모여 제2 결상 거리에 제2 허상이 생성되도록 굴절시키는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기는,
   상기 광학장치의 하우징 내에 구현되는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광학장치의 하우징은,
   상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기를 모두 포함하는 일체형로 구현되거나, 상기 제1 광 분배기, 상기 광 반사부 및 상기 제2 광 분배기 중 일부만을 각각 포함하는 분리형으로 구현되는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부는 상기 영상 출력부로부터 수신한 광이 지향성을 갖도록 상기 영상 출력부가 출력하는 진행광의 경로 상에 배치되는 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈를 통과한 빛을 분산시키기 위해 상기 제1 렌즈와 인접한 제1 하우징의 일면에 배치되는 제2 렌즈를 포함하고,
   상기 제2 렌즈부는 상기 영상출력부로부터 수신한 광이 지향성을 갖도록 상기 영상 출력부가 출력하는 광정보의 광축 진행 경로 상에 배치되는 제3 렌즈; 및 상기 제3 렌즈를 통과한 광을 분산시키기 위해 상기 제1 하우징의 타면에 배치되는 제4 렌즈를 포함하되,
   상기 제1 렌즈부와 제2 렌즈부는 상기 제1 결상 거리와 제2 결상 거리가 상이하도록 서로 다른 심도 또는 화각을 구비하도록 하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 광학장치의 하우징은,
   상기 제1 렌즈와 인접한 일면에 기 설정된 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
6. 제1항에 있어서,
   제2 렌즈부는,
   굴절되는 광 정보의 경로가 상기 제1 렌즈부에 의해 굴절되는 광의 경로와 상이하도록 하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 광 반사부는,
   상기 다초점 광학장치의 일측에 상기 제1 광 분배기를 통과한 각 광 정보가 하나의 초점을 형성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 다초점 광학장치는,
   단안(單眼)에서 상기 다초점 영상을 볼 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 다초점 광학장치는,
   양안(兩眼)에서도 상기 다초점 영상을 볼 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
10. 다초점 영상을 형성하는 광학장치에 있어서,
    제1 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제1 영상 출력부; 제2 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 제2 영상 출력부; 상기 제1 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제1 렌즈부; 상기 제1 렌즈부와 상이한 특성을 가지며, 상기 제2 영상 출력부가 출력하는 광 정보를 굴절시키는 제2 렌즈부; 상기 제1 렌즈부 및 상기 제2 렌즈부를 통과한 광 정보의 진행 경로를 일치시키는 제1 광 분배기; 상기 제1 광 분배기를 통과한 광을 반사시키는 미러부를 포함하되,
    상기 제1 렌즈부는 상기 미러부에서 반사된 광 정보를 기 설정된 초점으로 모여 제1 결상거리에 제1 허상이 생성되도록 굴절시키고,
    상기 제2 렌즈부는 상기 영상 출력부 및 제1 렌즈부와 상이한 위치에 배치되고, 상기 영상 출력부로부터 광 정보를 수신하고, 상기 수신한 광 정보를 상기 제1 렌즈부와 동일한 초점으로 모여 제2 결상 거리에 제2 허상이 생성되도록 굴절시키는 것을 특징으로 하는 다초점 광학장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 다초점 광학장치;
    상기 다초점 광학장치가 출력할 영상을 입력받는 영상 입력부;
    각 구성이 동작할 수 있도록 하는 전원을 공급하는 전원부; 및
    각 구성의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이 장치.
12. 하나 이상의 영상 출력부와 광학계를 이용하여 다초점 영상을 생성하는 영상 표시 방법에 있어서,
    상기 영상 출력부를 통해 제1 허상에 대응되는 광 정보 및 제2 허상에 대응되는 광 정보를 출력하는 과정;
    상기 제1 허상에 대응되는 광 정보가 상기 광학계를 통과하면서 제1 굴절력을 겪는 과정;
    상기 제2 허상에 대응되는 광 정보가 상기 광학계를 통과하면서 제2 굴절력을 겪는 과정;
    상기 제1 굴절력을 겪은 광 정보와 상기 제2 굴절력을 겪은 광 정보가 하나의 영상으로 표시되는 과정을 포함하고,
    결상거리가 상이한 상기 제1 허상과 제2 허상을 동일한 광축에 배치된 영상이고, 상기 제1 굴절력과 제2 굴절력은 서로 다른 굴절력인 것을 특징으로 하는 영상 표시 방법.
    
    
    
    

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