KR102257641B1 - 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템 - Google Patents

근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102257641B1
KR102257641B1 KR1020187030474A KR20187030474A KR102257641B1 KR 102257641 B1 KR102257641 B1 KR 102257641B1 KR 1020187030474 A KR1020187030474 A KR 1020187030474A KR 20187030474 A KR20187030474 A KR 20187030474A KR 102257641 B1 KR102257641 B1 KR 102257641B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lens
focal length
amplification module
optical
phase
Prior art date
Application number
KR1020187030474A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180133866A (ko
Inventor
강 리
웨이핑 탕
Original Assignee
쉔젠 들로들로 뉴 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 쉔젠 들로들로 뉴 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 filed Critical 쉔젠 들로들로 뉴 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Publication of KR20180133866A publication Critical patent/KR20180133866A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102257641B1 publication Critical patent/KR102257641B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/002—Magnifying glasses
    • G02B25/008—Magnifying glasses comprising two or more lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformation in the plane of the image
    • G06T3/0012—Context preserving transformation, e.g. by using an importance map
    • G06T3/0018—Fisheye, wide-angle transformation
    • G06T3/047—
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformation in the plane of the image
    • G06T3/40—Scaling the whole image or part thereof
    • G06T3/4053—Super resolution, i.e. output image resolution higher than sensor resolution
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements

Abstract

본 발명은 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템을 개시한다. 증폭 모듈은 차례로 배열된 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈 및 제2 위상 지연 플레이트를 포함하며, 제1 렌즈가 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈 및 제2 위상 지연 플레이트 중 어느 하나의 어느 한쪽에 더 설정된다. 제2 렌즈에서, 제2 위상 지연 플레이트에 인접한 광학 표면은 반투과형 광학 표면이다. 제2 렌즈의 제1 초점 거리(f2)는 조건: 1F≤f2≤2F를 충족시키며, 여기서 F는 광 증폭 모듈의 시스템 초점 거리이다. 광 증폭 효과에 영향을 주는 제1 초점 거리(f2)에 대한 파라미터 개선을 수행함으로써, 모듈은 작은 전체 두께를 유지하면서 큰 광 증폭 효과를 획득할 수 있으며, 가상현실 디바이스는 양호한 시야각, 큰 안구 운동 범위 및 고품질 이미징 효과, 따라서 양호한 사용자 경험을 실현할 수 있다.

Description

근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템
본 발명은 광학 장치, 구체적으로는 근거리 광 증폭 모듈(short-range optical amplification module), 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템에 관한 것이다.
기존의 광 증폭 모듈의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 배열된 반사 편광 플레이트(01), 제1 위상 지연 플레이트(02), 렌즈 유닛(03) 및 제2 위상 지연 플레이트(04)를 포함한다. 렌즈 유닛(03)에서, 제2 위상 지연 플레이트(04)에 인접한 광학 표면은 반투과형 광학 표면(transflective optical surface)이다. 사용 시에, 광학 이미지는 렌즈 유닛(03)에 의해 투과적으로 증폭되고, 이어서 반사 편광 플레이트(01)에 의해 반사되고, 렌즈 유닛(03)에 의해 다시 증폭되고, 마지막으로 반사 편광 플레이트(01)를 통해 사람의 눈에 들어간다. 더욱이, 광의 위상 지연에 영향을 주지 않는 다른 렌즈 유닛들이 반사 편광 플레이트(01), 제1 위상 지연 플레이트(02), 제2 렌즈(03) 및 제2 위상 지연 플레이트(04) 중 어느 하나의 어느 한쪽에 더 설정된다. 렌즈 유닛(03) 및 다른 렌즈 유닛들은 광학 이미지상의 증폭 효과에 영향을 주는 핵심 부품인 렌즈 조립체를 구성한다.
양호한 사용자 경험을 제공하기 위해, 넓은 시야각(field angle), 큰 아이박스(eyebox), 고품질 이미징 효과 및 소형의 초박형 구조 등을 제공하기 위한 지능형(intelligent) 가상현실(Virtual Reality(VR)) 웨어러블 디바이스가 요구된다. 전술한 목적들을 달성하기 위해서는, 광 증폭 모듈의 구조 내의 렌즈 조립체가 최적화되어야 한다. 그러나, 기존의 광 증폭 모듈의 구조는 최적화된 설계를 갖지 않으며, 따라서 전술한 목적들이 전체 범위에서 달성될 수 있는 것을 보장할 수 없는데, 즉 양호한 사용자 경험을 보장할 수 없다.
본 발명의 실시예들은 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템을 제공하여 종래 기술의 문제점을 해결한다.
제1 양태에서, 본 발명은 순차적으로 배열된 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈 및 제2 위상 지연 플레이트를 포함하는 근거리 광 증폭 모듈을 제공하며,
제1 렌즈가 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈 및 제2 위상 지연 플레이트 중 어느 하나의 어느 한쪽에 더 설정되고;
제2 렌즈에서, 제2 위상 지연 플레이트에 인접한 광학 표면은 반투과형 광학 표면이고;
제2 렌즈의 제1 초점 거리(focal length, f2)는 다음 조건: 1F≤f2≤2F를 충족시키고, 여기서 F는 근거리 광 증폭 모듈의 시스템 초점 거리이다.
제1 양태와 관련하여, 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드에서, 반투과형 광학 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리(fs4)는 다음 조건: 1.5F≤fs4≤5F을 충족시킨다.
제1 양태의 제2의 가능한 구현 모드와 관련하여, 제1 양태의 제2의 가능한 구현 모드에서, 반투과형 광학 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리(fs4)는 다음 조건: 1F≤fs4≤2F를 충족시킨다.
제1 양태와 관련하여, 제1 양태의 제3의 가능한 구현 모드에서, 제2 렌즈의 제1 초점 거리(f2)는 다음 조건: 1.5F≤f2≤2F를 충족시킨다.
제1 양태의 제3의 가능한 구현 모드와 관련하여, 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 제2 렌즈의 제1 초점 거리(f2)는 1.6F이다.
제1 양태와 관련하여 또는 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드 내지 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 제2 렌즈에서, 제1 렌즈에 인접한 광학 표면의 초점 거리(fs3)는 다음 조건: |fs3|≥2F를 충족시킨다.
제1 양태와 관련하여 또는 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드 내지 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 제1 렌즈의 초점 거리(f1)는 다음 조건: |f1|≥3F를 충족시킨다.
제1 양태와 관련하여 또는 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드 내지 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 근거리 광 증폭 모듈의 두께는 11-28mm이다.
제1 양태와 관련하여 또는 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드 내지 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 근거리 광 증폭 모듈의 눈동자 거리(eye relief)는 5-10mm이다.
제1 양태와 관련하여 또는 제1 양태의 제1의 가능한 구현 모드 내지 제1 양태의 제4의 가능한 구현 모드에서, 제2 렌즈 및 제1 렌즈를 통해 이미징에 참여하는 광이 통과하는 개구(D)는 다음 조건: 0.28F≤D≤0.45F를 충족시킨다.
제2 양태에서, 본 발명은 제1 양태의 근거리 광 증폭 모듈을 포함하는 근거리 광 증폭 안경을 제공하며, 근거리 광 증폭 안경은 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로(noncoaxially) 설정되는 디스플레이 스크린을 더 포함한다.
제3 양태에서, 본 발명은 제1 양태의 근거리 광 증폭 모듈을 포함하는 근거리 광 증폭 헬멧을 제공하며, 근거리 광 증폭 헬멧은 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정되는 디스플레이 스크린을 더 포함한다.
제4 양태에서, 본 발명은 제2 양태의 안경 또는 제3 양태의 헬멧을 포함하는 근거리 광 증폭 가상현실 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예들에서는, 광 증폭 효과에 영향을 주는 제1 초점 거리(f2)를 개선하는 파라미터가 모듈로 하여금 작은 전체 두께를 유지하면서 큰 광 증폭 효과를 획득하는 것을 가능하게 하며, 따라서 가상현실 디바이스는 넓은 시야각, 큰 아이박스, 고품질 이미징 효과, 따라서 더 양호한 사용자 경험을 달성할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들 및 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들과 관련하여 이루어지는 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면들에서:
도 1은 종래 기술의 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 근거리 광 증폭 모듈의 MTF 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 왜곡 도면(distortion diagram)이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 시야 곡률 도면(field curvature diagram)이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 MTF 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 왜곡 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 시야 곡률 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 3에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 MTF 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 왜곡 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 시야 곡률 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예 4에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 MTF 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예 4에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 왜곡 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예 4에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 시야 곡률 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예 5에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예 5에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 MTF 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예 5에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 왜곡 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예 5에 따른 근거리 광 증폭 모듈의 시야 곡률 도면이다.
이 분야의 기술자가 본 발명의 해법들을 더 잘 이해할 수 있게 하기 위해, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 명확하게 그리고 충분히 설명될 것이다. 본 발명의 가르침으로부터, 상기 기술자는 추가적인 발명 활동을 적용하지 않고 본 발명의 가르침을 실현하기 위한 다른 실시예들을 발견할 수 있음이 분명하다. 이러한 실시예들도 본 발명의 범위에 속한다.
도 2, 6, 10, 14 및 18을 참조하면, 이들은 본 발명의 실시예들에 따른 근거리 광 증폭 모듈들의 구조도들이다. 근거리 광 증폭 모듈은 순차적으로 배열된 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈(20) 및 제2 위상 지연 플레이트를 포함하고, 제1 렌즈(10)가 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈(20) 및 제2 위상 지연 플레이트 중 어느 하나의 어느 한쪽에 더 설정되고; 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트 및 제2 위상 지연 플레이트는 도면들에 도시되지 않으며, 특히 도 1이 참조될 수 있다. 이러한 실시예들의 도면들에서는 제1 렌즈(10)가 제2 렌즈(20)의 좌측에 설정되지만, 실제 응용에서는 제1 렌즈(10)가 제2 렌즈(20)의 우측에 설정될 수도 있다는 점에 유의해야 하며, 이는 다시 설명되지 않을 것이다.
제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)는 시스템 초점 거리(F)가 15-35mm인 근거리 광 증폭 모듈의 광 증폭 효과에 영향을 주는 핵심 부품들이지만, 시스템 초점 거리(F)는 이러한 수치 범위로 제한되지 않으며, 예를 들어 8-30mm일 수도 있고; 더구나 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)는 서로 부착될 수 있거나, 그들 사이에 소정의 공간이 존재할 수 있다.
이러한 실시예들에서 정의되는 바와 같이, 제1 렌즈(10)의 좌측의 광학 표면은 제1 광학 표면(E1)이고, 제1 렌즈의 우측의 광학 표면은 제2 광학 표면(E2)이며; 제2 렌즈(20)의 좌측의 광학 표면은 제3 광학 표면(E3)이고, 제2 렌즈(20)의 우측의 광학 표면은 제4 광학 표면(E4)이다.
제2 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈(20), 제1 렌즈(10) 및 제1 위상 지연 플레이트를 연속적으로 통과한 후, 물체 측으로부터의 광학 이미지가 반사 편광 플레이트에 도달하고, 여기서 최초로 반사되며, 이어서 제1 위상 지연 플레이트를 통과한 후에 제4 광학 표면(E4)에 도달하고, 여기서 두 번째로 반사되고, 이어서 제1 위상 지연 플레이트 및 반사 편광 플레이트를 통과한 후에 사람의 눈에 도달한다. 따라서, 광학 이미지는 근거리 광 증폭 모듈에서 두 번 반사 및 증폭될 수 있으며, 따라서 광 증폭의 요구를 충족시킬 수 있다.
더구나, 이러한 실시예들에서는, 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)가 제공되며, 2개의 렌즈는 시스템 초점 거리에 기여하고, 서로에 대한 수차(aberration)를 균형화하고, 이미징 품질을 개선하도록 협력한다.
근거리 광 증폭 모듈이 지능형 가상현실 웨어러블 디바이스에 적용될 때 넓은 시야각, 큰 아이박스, 고품질 이미징 효과 및 소형의 초박형 구조를 실현하기 위해, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 다음 조건을 충족시켜야 한다.
F≤f2≤2F (1)
여기서, 입사광이 제3 광학 표면(E3)을 통과하고 제4 광학 표면(E4)에 의해 반사된 후에 측정되는 초점 거리는 제1 초점 거리(f2)로서 정의된다.
제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 시스템 광파워(optical power)의 주요 소스이다. 반사 표면-포함 광파워(reflection surface-containing optical power)가 너무 높으면, 예를 들어 시스템의 전체 광파워에 접근하면(f2<F), 수차를 보정하기가 너무 어려울 것이다. 반사 표면-포함 광파워가 너무 낮으면(f2>2F), 다른 렌즈들에 부담이 되는 광파워가 너무 높을 것이고, 수차를 보정하기 위해서는 렌즈들이 추가되어야 하며, 이는 광학 시스템의 소형 및 경량 설계에 불리하다.
조건 (1)은 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)의 특정 범위를 정의한다. 1.3-2.6 인치의 크기를 갖는 스크린이 광학 시스템에서 사용되며, 따라서 넓은 시야각이 획득될 수 있고, 이것은 높은 스크린 해상도를 허용할 수 있으며, 여기서 획득될 수 있는 시야각(V)은 90도-100도이고, 허용될 수 있는 스크린 해상도는 800*800-4000*4000이다.
제2 렌즈(20)에서, 제4 광학 표면(E4)의 반사 표면의 유효 초점 거리(fs4)는 다음 조건을 충족시킨다.
1.5F≤fs4≤5F (2)
이러한 실시예들에서, 입사광이 제4 광학 표면(E4)에 의해 반사된 후에 측정되는 초점 거리는 반사 표면의 유효 초점 거리(fs4)로서 정의된다.
제4 광학 표면(E4)의 반사 표면은 시스템 광파워의 주요 소스이다. 그의 광파워가 너무 높으면, 예를 들어 시스템의 전체 광파워에 접근하면(fs4<F), 수차를 보정하기가 너무 어려울 것이다. 더구나, 광학 표면은 너무 굽어져 보이고, 렌즈는 너무 두꺼울 수 있으며, 따라서 시스템의 두께의 증가를 유발할 수 있으며, 이는 가상현실 웨어러블 디바이스에 필요한 경량 및 초박형 설계에 불리하다. 반대로, 그의 광파워가 너무 낮으면(fs4>5F), 다른 렌즈들에 부담이 되는 광파워가 너무 높을 것이고, 수차를 보정하기 위해서는 추가적인 렌즈들이 추가되어야 하며, 이는 광학 시스템의 소형 및 경량 설계에 불리하다.
제2 렌즈(20)에서, 제3 광학 표면(E3)의 초점 거리(fs3)는 다음 조건을 충족시킨다.
|fs3|≥2F (3)
초점 거리(fs3)가 너무 짧으면, 이것은 제2 렌즈(20)가 너무 굽어질 수 있다는 것을 의미하며, 이는 수차 보정에 불리하다. 더구나, 제2 렌즈(20)가 너무 굽어지면, 이것은 광학 시스템의 두께를 증가시킬 수 있으며, 이는 가상현실 웨어러블 디바이스에 필요한 가볍고 얇은 설계에 불리하다.
제1 렌즈(10)의 초점 거리(f1)는 다음 조건을 충족시킨다.
|f1|≥3F (4)
초점 거리(f1)가 너무 짧으면(|f1|<3F), 이것은 제1 렌즈(10)가 너무 굽어질 것이고, 더 강한 수차가 전체 광학 시스템 내에 도입될 수 있다는 것을 의미한다. 더구나, 제1 렌즈(10)의 두께도 증가될 것이고, 이는 가상현실 웨어러블 디바이스에 필요한 가볍고 얇은 설계에 불리하다.
작고 매우 얇은 가상현실 웨어러블 디바이스를 달성하기 위해, 근거리 광 증폭 모듈의 두께는 11-28mm로서 설계되며, 이 두께는 그의 광축 방향을 따른 근거리 광 증폭 모듈의 양측 사이의 최대 거리이다.
가상현실 디바이스의 편안함 및 이미징 품질 양자를 고려하여, 근거리 광 증폭 모듈의 눈동자 거리는 5-10mm로서 설계되며, 눈동자 거리는 관찰자가 시야 내에서 이미지를 명확히 볼 수 있는 안구와 접안렌즈(eyepiece, 사람의 눈에 가장 가까운 광학 표면) 사이의 거리이다.
큰 아이박스 및 양호한 이미징 품질 양자를 획득하기 위해, 개구의 조정 가능 범위는 2.2F-3.5F로서 설계된다. 즉, 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통해 이미징에 참여하는 광이 통과하는 개구(D)는 다음 조건을 충족시킨다.
0.28F≤D≤0.45F (5)
조건 (5)에 대응하여, 획득된 아이박스(A)는 5-10mm이다.
더욱이, 조건 (1) 및 (2)의 수치 범위는 다음과 같이 더 양호하게 설정될 수 있다.
1.5F≤f2≤2F (1a)
1F≤fs4≤2F (2a)
이러한 실시예들에 따른 근거리 광 증폭 모듈은 첨부된 표들과 관련하여 아래에서 더 설명될 것이다.
각각의 실시예의 근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터 표에서, OBJ는 광학 시스템 내의 물체를 나타내고, IMA는 광학 시스템 내의 이미지를 나타내고, ST0는 광학 시스템 내의 조리개(diaphragm)를 나타내고, Thickness(두께)는 광학 표면 i와 광학 표면 i+1 사이의 거리를 나타내며, 여기서 i는 물체 측에서 시작되는 광학 표면들의 시퀀스 (i0)+l을 나타낸다. 광은 좌측의 제1 렌즈(10)로부터 우측의 제2 렌즈(20)로 진행하며, 미러(MIRROR)로서 열거된 재료(Glass, 유리)를 만날 때, 역방향을 향해 반사될 것이고, 제2 미러를 만날 때, 좌측에서 우측으로 다시 반사될 것이며, 최종적으로 이미지 표면에 도달할 것이다.
실시예 1
도 2에 도시된 바와 같이, 근거리 광 증폭 모듈에서, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 시스템 초점 거리(F)와 동일하게 설계된다, 여기서:
근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터들은 표 1에 표시된 바와 같다.
표면 타입 반경 두께 유리 직경 원뿔(Conic)
OBJ STANDARD 무한대(Infinity) -200 　 400 0
STO STANDARD 무한대 9 　 7 0
2 STANDARD 무한대 0.2 PMMA 24.685 0
3 STANDARD 무한대 2 H-ZF52A 24.89819 0
4 STANDARD 888 9.210156 　 26.6281 -33
5 STANDARD -55 2 H-QK1 38.26443 0
6 STANDARD -56 -2 MIRROR 40.54977 0.915605
7 STANDARD -55 -9.210156 　 40.02718 0
8 STANDARD 888 -2 H-ZF53A 39.72057 -33
9 STANDARD 무한대 -0.2 PMMA 39.69469 0
10 STANDARD 무한대 0 MIRROR 39.69181 0
11 STANDARD 무한대 0.2 PMMA 39.69181 0
12 STANDARD 무한대 2 H-ZF52A 39.68893 0
13 STANDARD 888 9.210156 　 39.66306 -33
14 STANDARD -55 2 H-QK1 39.77483 0
15 STANDARD -56 1 　 40.25757 0.915605
16 STANDARD 무한대 0.4 BK7 41.00791 0
IMA STANDARD 무한대 　 　 41.12973 0
표 1에서, 제1 행 OBJ는 물체 평면과 관련된 설계 파라미터들을 나타내고; 제2 행 ST0는 광학 시스템의 조리개를 나타내고, 그의 개구는 7mm이고; 제3 행은 광학 모듈 내의 반사 편광 플레이트 및 제1 위상 지연 플레이트로 구성되는 멤브레인을 나타내고, 그의 타입은 STANDARD(표준 평면)이고, 재료는 PMMA이고, 직경은 24.685mm이고, 비구면 계수(aspheric coefficient)는 0이며; 제4 행 및 제5 행은 각각 제1 렌즈(10)의 제1 광학 표면(E1) 및 제2 광학 표면(E2)에 대응하는 데이터를 나타내고, 제1 광학 표면(E1)의 곡률 반경은 무한대(infinite)이고, 제2 광학 표면(E2)의 곡률 반경은 888mm이고, 제1 렌즈(10)의 두께(즉, 제1 광학 표면(E1)과 제2 광학 표면(E2) 사이의 거리 및 제4 행 내의 두께 값)는 2mm이고, 재료는 H-ZF52A이며; 제6 행 및 제7 행은 각각 제2 렌즈(20)의 제3 광학 표면(E3) 및 제4 광학 표면(E4)에 대응하는 데이터를 나타내고, 제3 광학 표면(E3)의 곡률 반경은 -55mm이고, 제4 광학 표면(E4)의 곡률 반경은 -56mm이고, 제2 렌즈(20)의 두께(즉, 제3 광학 표면(E3)과 제4 광학 표면(E4) 사이의 거리 및 제6 행 내의 두께 값)는 2mm이고, 재료는 H-QK1이며; 제8 행 내지 제16 행은 여기서 다시 하나씩 설명되지 않을 수 있는 멤브레인, 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20) 사이의 광의 반사 및 투과에서의 관련 파라미터들을 나타내고; 제17 행은 디스플레이 스크린의 액정 층의 유리 멤브레인을 나타내고, 그 두께는 0.4mm이고, 재료는 BK7이며; 제18 행 IMA는 광의 최종 이미징을 나타낸다.
근거리 광 증폭 모듈의 다른 대응하는 파라미터들은 표 2에 표시된 바와 같다.
스크린 크기 C (인치) 2.22
시야각 V (°) 90
시스템 초점 거리 F (mm) 29.16
반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리 fs4 1F
아이박스 (mm) 7
스크린 해상도 800*800
광학 시스템 두께 (mm) 23.8
눈동자 거리 (mm) 9
F# 개구 4
광학 외경 (mm) 40
시스템 왜곡 D 29.2
제2 렌즈의 제1 초점 거리 f2 1F
제1 렌즈의 초점 거리 f1 -35.4F
표 1에 표시된 바와 같은 관련 파라미터들을 설정함으로써, 표 2로부터, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 -35.4F(-1032.26mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 F(29.16mm)이고, 제2 렌즈(20)의 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 F(29.16mm)이고, 광학 시스템의 두께는 23.8mm로서 설계되는 것이 분명하며, 따라서 29.16mm의 시스템 초점 거리 및 90도의 시야각을 획득할 수 있고; 근거리 광 증폭 모듈의 정면에 설정된 개구를 4로서 설계함으로써, 즉 대응하는 조리개의 직경(D)을 7.29mm로서 설계함으로써, 이에 따라 7mm의 큰 아이박스가 획득될 수 있다.
더구나, 스크린 크기는 2.22 인치로서 설계되고, 눈동자 거리는 9mm로서 설계되며; 도 3의 MTF 도면과 관련하여, 이것은 각각의 시야에서 0.18보다 높은 평균 세로좌표(average ordinate)(변조 전달 함수, modulation transfer function)와 함께 가로좌표(abscissa)(밀리미터당 공간 주파수, spatial frequency per millimeter) 값을 획득할 수 있고, 따라서 근거리 광 증폭 모듈의 해상 능력(resolving power)이 800*800의 해상도를 지원할 수 있는 것이 획득될 수 있다.
더욱이, 도 4로부터, 이 실시예에서, 광학 이미징 왜곡 인자(optical imaging distortion factor)는 (-29.2%, 0)의 범위 내에서 제어되고, 도 5의 시야 곡률은 (-10mm, 10mm)의 범위 내에서 제어되는 것이 획득될 수 있다.
실시예 2
도 6에 도시된 바와 같이, 근거리 광 증폭 모듈에서, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 10.4F로서 설계되고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 1.5F로서 설계된다(F는 시스템 초점 거리임), 여기서:
근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터들은 표 3에 표시된 바와 같다.
표면 타입 반경 두께 유리 직경 원뿔
OBJ STANDARD 무한대 -200 476.7014 0
STO STANDARD 무한대 9 9 0
2 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 30.04656 0
3 STANDARD -134.133 5.996206 33.5536 0
4 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 47.00138 0
5 STANDARD -99 -4 MIRROR 48.08787 0
6 EVENASPH 무한대 -5.996206 48.07203 0
7 EVENASPH -134.133 -4 H-QK3L 47.88681 0
8 STANDARD 무한대 -0.2 PMMA 47.64044 0
9 STANDARD 무한대 0 MIRROR 47.61382 0
10 STANDARD 무한대 0.2 PMMA 47.61382 0
11 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 47.58719 0
12 EVENASPH -134.133 5.996206 47.33418 0
13 EVENASPH 무한대 4 H-QK3L 44.22057 0
14 STANDARD -99 0.6 43.82507 0
15 STANDARD 무한대 0.4 BK7 41.91615 0
IMA STANDARD 무한대 41.9188 0
이 실시예에서의 다른 관련 파라미터들의 설명을 위해, 실시예 1의 표 1이 참조될 수 있으며, 이는 여기서 다시 하나씩 설명되지 않을 것이다.
근거리 광 증폭 모듈의 다른 대응하는 파라미터들은 표 4에 표시된 바와 같다.
스크린 크기 C (인치) 2.3
시야각 V (°) 100
시스템 초점 거리 F (mm) 26.4
반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리 fs4 1.88F
아이박스 (mm) 9
스크린 해상도 2500*2500
광학 시스템 두께 (mm) 15
눈동자 거리 (mm) 9
F# 개구 2.9
광학 외경 (mm) 48
시스템 왜곡 D 33.4
제2 렌즈의 제1 초점 거리 f2 1.5F
제1 렌즈의 초점 거리 f1 10.4F
표 3에 표시된 바와 같은 관련 파라미터들에 의해, 표 4로부터, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 10.4F(274.56mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 초점 거리는 1.5F(39.6mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 1.88F(49.63mm)일 것이고, 광학 시스템의 두께는 15mm일 것이 분명하며, 따라서 26.4mm의 시스템 초점 거리 및 100도의 넓은 시야각을 획득할 수 있고; 근거리 광 증폭 모듈의 정면에 설정된 개구를 2.9로서 설계함으로써, 즉 대응하는 조리개의 직경(D)을 9.1mm로서 설계함으로써, 이에 따라 9mm의 큰 아이박스가 획득될 수 있다.
더구나, 스크린 크기는 2.3 인치로서 설계되고, 눈동자 거리는 9mm로서 설계되며; 도 7의 MTF 도면과 관련하여, 이것은 각각의 시야에서 0.18보다 높은 평균 세로좌표(변조 전달 함수)와 함께 가로좌표(밀리미터당 공간 주파수) 값을 획득할 수 있고, 따라서 근거리 광 증폭 모듈의 해상 능력이 2500*2500의 해상도를 지원할 수 있고; 더욱이 도 8의 왜곡 인자가 (-33.4%, 0)의 범위 내에서 제어되고, 도 9의 시야 곡률이 (-1mm, 1mm)의 범위 내에서 제어되는 것이 획득될 수 있다.
실시예 3
도 10에 도시된 바와 같이, 근거리 광 증폭 모듈에서, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 6.7F로서 설계되고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 1.6F로서 설계된다(F는 시스템 초점 거리임), 여기서:
근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터들은 표 5에 표시된 바와 같다.
표면 타입 반경 두께 유리 직경 원뿔
OBJ STANDARD 무한대 무한대 　 0 0
1 PARAXIAL - 0 　 8 -
STO STANDARD 무한대 9 　 8 0
3 STANDARD 무한대 0.3 BK7 29.41556 0
4 STANDARD 무한대 0 　 29.76683 0
5 STANDARD 무한대 3.5 PMMA 29.76683 0
6 EVENASPH -54.86904 3.419999 　 31.52462 -29.9693
7 EVENASPH -276.5358 3 PMMA 39.6142 0
8 STANDARD -63.86492 -3 MIRROR 40.10655 0
9 EVENASPH -276.5358 -3.419999 　 39.94254 0
10 EVENASPH -54.86904 -3.5 PMMA 37.59622 -29.9693
11 STANDARD 무한대 0 　 37.25802 0
12 STANDARD 무한대 -0.3 BK7 37.25802 0
13 STANDARD 무한대 0.3 MIRROR 37.13014 0
14 STANDARD 무한대 0 　 37.00227 0
15 STANDARD 무한대 3.5 PMMA 37.00227 0
16 EVENASPH -54.86904 3.419999 　 36.61711 -29.9693
17 EVENASPH -276.5358 3 PMMA 31.11965 0
18 STANDARD -63.86492 0.5 　 30.2068 0
19 STANDARD 무한대 0.4 BK7 27.05452 0
IMA STANDARD 무한대 　 　 26.73411 0
표 5에서, 제2 행은 근축(PARAXIAL) 설계를 나타내고; 제4 행은 광학 모듈 내의 반사 편광 플레이트 및 제1 위상 지연 플레이트로 구성되는 멤브레인과 관련된 파라미터들을 나타내고; 제6 행 및 제7 행은 제1 렌즈(10)와 관련된 파라미터들을 나타내고, 여기서 제1 렌즈(10)의 제2 광학 표면(E2)은 EVENASPH 비구면(aspheric surface)이고; 제8 행 및 제9 행은 제1 렌즈(20)와 관련된 파라미터들을 나타내고, 여기서 제2 렌즈(20)의 제3 광학 표면(E3)은 EVENASPH 비구면이다. 이 실시예에서의 다른 관련 파라미터들의 설명을 위해, 실시예 1을 참조할 수 있으며, 이는 다시 설명되지 않을 것이다.
근거리 광 증폭 모듈 내의 광학 표면들의 개선된 설계 파라미터들은 표 6에 표시된 바와 같다.
표면 OBJ : STANDARD
표면 1 : PARAXIAL
초점 거리 : 2000
OPD 모드 : 1
표면 STO : STANDARD
표면 3 : STANDARD
표면 4 : STANDARD
표면 5 : STANDARD
표면 6 : EVENASPH
r 2 상의 계수(Coeff on r 2 ) : 0
r 4 상의 계수 : -1.7328621e-005
r 6 상의 계수 : 6.9557989e-008
r 8 상의 계수 : -1.5026388e-010
r 10 상의 계수 : 1.445203e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 7 : STANDARD
표면 8 : STANDARD
표면 9 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : 0
r 6 상의 계수 : 0
r 8 상의 계수 : 0
r 10 상의 계수 : 0
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 10 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : -1.7328621e-005
r 6 상의 계수 : 6.9557989e-008
r 8 상의 계수 : -1.5026388e-010
r 10 상의 계수 : 1.445203e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 11 : STANDARD
표면 12 : STANDARD
표면 13 : STANDARD
표면 14 : STANDARD
표면 15 : STANDARD
표면 16 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : -1.7328621e-005
r 6 상의 계수 : 6.9557989e-008
r 8 상의 계수 : -1.5026388e-010
r 10 상의 계수 : 1.445203e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 17 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : 0
r 6 상의 계수 : 0
r 8 상의 계수 : 0
r 10 상의 계수 : 0
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 18 : STANDARD
표면 19 : STANDARD
표면 IMA : STANDARD
표 6에서, 비구면 공식(aspheric surface formula)은 일반적으로 다음과 같이 표현된다.
Figure 112018115721112-pct00001
여기서, r은 렌즈 상의 점으로부터 광축까지의 거리이고, c는 곡면의 정점에 서의 곡률이고, K는 원뿔 상수이고, d, e, f, g, h, i, j는 다항식 계수들이다.
대응하는 계수들의 값을 각각 x 공식 (6)에 대입함으로써, 각 표면의 비구면 방정식이 획득될 것이다.
근거리 광 증폭 모듈의 다른 대응하는 파라미터들은 표 7에 표시된 바와 같다.
스크린 크기 C (인치) 1.49
시야각 V (°) 100
시스템 초점 거리 F (mm) 16.48
반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리 fs4 1.9F
아이박스 (mm) 8
스크린 해상도 2600*2600
광학 시스템 두께 (mm) 11.1
눈동자 거리 (mm) 9
F# 개구 2.1
광학 외경 (mm) 40
시스템 왜곡 D 32.8
제2 렌즈의 제1 초점 거리 f2 1.6F
제1 렌즈의 초점 거리 f1 6.7F
표 5 및 6에 표시된 바와 같은 관련 파라미터들을 설정함으로써, 표 7로부터, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 6.7F(110.42mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리는 1.6F(26.368mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 1.9F(94.297mm)일 것이고, 광학 시스템의 두께는 11.1mm일 것이 분명하며, 따라서 16.48mm의 시스템 초점 거리 및 100도의 넓은 시야각을 획득할 수 있고; 근거리 광 증폭 모듈의 정면에 설정된 개구를 2.1로서 설계함으로써, 즉 대응하는 조리개의 직경(D)을 8mm로서 설계함으로써, 이에 따라 8mm의 큰 아이박스가 획득될 수 있다.
더구나, 스크린 크기는 1.49 인치로서 설계되고, 눈동자 거리는 9mm로서 설계되며; 도 11의 MTF 도면과 관련하여, 이것은 각각의 시야에서 0.18보다 높은 평균 세로좌표(변조 전달 함수)와 함께 가로좌표(밀리미터당 공간 주파수) 값을 획득할 수 있고, 따라서 근거리 광 증폭 모듈의 해상 능력이 2600*2600의 높은 해상도를 지원할 수 있는 것이 획득될 수 있으며; 더욱이 도 12로부터, 이 실시예에서의 광학 이미징 왜곡 인자는 (-32.8%, 0%)의 범위 내에서 제어될 수 있고, 도 13의 시야 곡률은 (-0.5mm, 0.5mm)의 범위 내에서 제어될 수 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 4
도 14에 도시된 바와 같이, 근거리 광 증폭 모듈에서, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 8.2F로서 설계되고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 1.6F로서 설계된다(F는 시스템 초점 거리임), 여기서:
근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터들은 표 8에 표시된 바와 같다.
표면 타입 반경 두께 유리 직경 원뿔
OBJ STANDARD 무한대 -200 　 476.7014 0
STO STANDARD 무한대 9 　 9 0
2 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 30.04656 0
3 STANDARD -118.5728 7.181132 　 33.4005 0
4 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 49.01052 0
5 STANDARD -118.5728 -4 MIRROR 50.35067 0
6 EVENASPH 무한대 -7.181132 　 50.47811 0
7 EVENASPH -118.5728 -4 H-QK3L 51.94988 0
8 STANDARD 무한대 -0.2 PMMA 51.89456 0
9 STANDARD 무한대 0 MIRROR 51.88471 0
10 STANDARD 무한대 0.2 PMMA 51.88471 0
11 STANDARD 무한대 4 H-QK3L 51.87486 0
12 EVENASPH -118.5728 7.181132 　 51.81882 0
13 EVENASPH 무한대 4 H-QK3L 48.8141 0
14 STANDARD -118.5728 0.6 　 48.51562 0
15 STANDARD 무한대 0.4 BK7 46.9492 0
IMA STANDARD 무한대 　 　 46.95952 0
본 실시예의 표 8의 관련 파라미터들의 설명을 위해, 실시예 1 내지 실시예 3이 참조될 수 있으며, 이는 여기서 다시 하나씩 설명되지 않을 것이다.
근거리 광 증폭 모듈의 다른 대응하는 파라미터들은 표 9에 표시된 바와 같다.
스크린 크기 C (inch) 2.6
시야각 V (°) 100
시스템 초점 거리 F (mm) 29.5
반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리
fs4		 2F
아이박스 (mm) 9
스크린 해상도 4000*4000
광학 시스템 두께 (mm) 16.2
눈동자 거리 (mm) 9
F# 개구 3.2
광학 외경 (mm) 52
시스템 왜곡 D 33
제2 렌즈의 제1 초점 거리 f2 1.6F
제1 렌즈의 초점 거리 f1 8.2F
표 8에 표시된 바와 같은 관련 파라미터들을 설정함으로써, 표 9로부터, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 8.5F(241.9mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리는 1.6F(47.2mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 2F(59mm)일 것이고, 광학 시스템의 두께는 16.5mm일 것이 분명하며, 따라서 29.5mm의 시스템 초점 거리 및 100도의 넓은 시야각을 획득할 수 있고; 근거리 광 증폭 모듈의 정면에 설정된 개구를 3.2로서 설계함으로써, 즉 대응하는 조리개의 직경(D)을 9.2mm로서 설계함으로써, 이에 따라 9mm의 큰 아이박스가 획득될 수 있다.
더구나, 스크린 크기는 2.6 인치로서 설계되고, 눈동자 거리는 9mm로서 설계되며; 도 15의 MTF 도면과 관련하여, 이것은 각각의 시야에서 0.18보다 높은 평균 세로좌표(변조 전달 함수)와 함께 가로좌표(밀리미터당 공간 주파수) 값을 획득할 수 있고, 따라서 근거리 광 증폭 모듈의 해상 능력이 4000*4000의 해상도를 지원할 수 있는 것이 획득될 수 있으며; 더욱이 도 16으로부터, 왜곡 인자는 (-33%, 0)의 범위 내에서 제어될 수 있고, 도 17의 시야 곡률은 (-0.5mm, 0.5mm)의 범위 내에서 제어될 수 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 5
도 18에 도시된 바와 같이, 근거리 광 증폭 모듈에서, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 3.8F로서 설계되고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리(f2)는 2F로서 설계된다(F는 시스템 초점 거리임), 여기서:
근거리 광 증폭 모듈의 특정 설계 파라미터들은 표 10에 표시된 바와 같다.
표면 타입 반경 두께 유리 직경 원뿔
OBJ STANDARD 무한대 두께 　 0 0
1 PARAXIAL - 0 　 7.8 -
STO STANDARD 무한대 9 　 7.8 0
3 STANDARD 무한대 0.3 BK7 29.21646 0
4 STANDARD 무한대 0 　 29.56774 0
5 STANDARD 무한대 7 PMMA 29.56774 0
6 EVENASPH -34.11663 2.631247 　 33.25403 -12.66719
7 EVENASPH -69 2 BK7 38.47584 0
8 STANDARD -72 -2 MIRROR 40.43752 0
9 EVENASPH -69 -2.631247 　 40.10675 0
10 EVENASPH -34.11663 -7 PMMA 40.47701 -12.66719
11 STANDARD 무한대 0 　 40.1165 0
12 STANDARD 무한대 -0.3 BK7 40.1165 0
13 STANDARD 무한대 0.3 MIRROR 40.04031 0
14 STANDARD 무한대 0 　 39.96411 0
15 STANDARD 무한대 7 PMMA 39.96411 0
16 EVENASPH -34.11663 2.631247 　 39.54659 -12.66719
17 EVENASPH -69 2 BK7 33.05867 0
18 STANDARD -72 0.5 　 32.08565 0
19 STANDARD 무한대 0.4 BK7 29.67339 0
IMA STANDARD 무한대 　 　 29.41675 0
본 실시예의 표 10의 관련 파라미터들의 설명을 위해, 실시예 1 내지 실시예 3이 참조될 수 있으며, 이는 여기서 다시 하나씩 설명되지 않을 것이다.
근거리 광 증폭 모듈 내의 광학 표면들의 개선된 설계 파라미터들은 표 11에 표시된 바와 같다.
표면 OBJ : STANDARD
표면 1 : PARAXIAL
초점 거리 : 2000
OPD 모드 : 1
표면 STO : STANDARD
표면 3 : STANDARD
표면 4 : STANDARD
표면 5 : STANDARD
표면 6 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : -3.2267582e-005
r 6 상의 계수 : 9.7858135e-008
r 8 상의 계수 : -1.6661362e-010
r 10 상의 계수 : 1.2640734e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 7 : STANDARD
표면 8 : STANDARD
표면 9 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : 0
r 6 상의 계수 : 0
r 8 상의 계수 : 0
r 10 상의 계수 : 0
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 10 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : -3.2267582e-005
r 6 상의 계수 : 9.7858135e-008
r 8 상의 계수 : -1.6661362e-010
r 10 상의 계수 : 1.2640734e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 11 : STANDARD
표면 12 : STANDARD
표면 13 : STANDARD
표면 14 : STANDARD
표면 15 : STANDARD
표면 16 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : -3.2267582e-005
r 6 상의 계수 : 9.7858135e-008
r 8 상의 계수 : -1.6661362e-010
r 10 상의 계수 : 1.2640734e-013
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 17 : EVENASPH
r 2 상의 계수 : 0
r 4 상의 계수 : 0
r 6 상의 계수 : 0
r 8 상의 계수 : 0
r 10 상의 계수 : 0
r 12 상의 계수 : 0
r 14 상의 계수 : 0
r 16 상의 계수 : 0
표면 18 : STANDARD
표면 19 : STANDARD
표면 IMA : STANDARD
근거리 광 증폭 모듈의 다른 대응하는 파라미터들은 표 12에 표시된 바와 같다.
스크린 크기 C (인치) 1.66
시야각 V (°) 100
시스템 초점 거리 F (mm) 18
반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리 fs4 1.9F
아이박스 (mm) 8
스크린 해상도 2000*2000
광학 시스템 두께(mm) 12.8
눈동자 거리 (mm) 9
F# 개구 2.3
광학 외경 (mm) 40
시스템 왜곡 D 32.5
제2 렌즈의 제1 초점 거리 f2 2F
제1 렌즈의 초점 거리 f1 3.8F
표 10 및 11에 표시된 바와 같은 관련 파라미터들을 설정함으로써, 표 12로부터, 제1 렌즈(10)의 초점 거리는 3.8F(68.4mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 제1 초점 거리는 2F(36mm)일 것이고, 제2 렌즈(20)의 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 1.9F(34.2mm)일 것이고, 광학 시스템의 두께는 12.8mm일 것이 분명하며, 따라서 18mm의 시스템 초점 거리 및 100도의 넓은 시야각을 획득할 수 있고; 근거리 광 증폭 모듈의 정면에 설정된 개구를 2.3으로서 설계함으로써, 즉 대응하는 조리개의 직경(D)을 8mm로서 설계함으로써, 이에 따라 8mm의 큰 아이박스가 획득될 수 있다.
더구나, 스크린 크기는 1.66 인치로서 설계되고, 눈동자 거리는 9mm로서 설계되며; 도 19의 MTF 도면과 관련하여, 이것은 각각의 시야에서 0.18보다 높은 평균 세로좌표(변조 전달 함수)와 함께 가로좌표(밀리미터당 공간 주파수) 값을 획득할 수 있고, 따라서 근거리 광 증폭 모듈의 해상 능력이 2000*2000의 해상도를 지원할 수 있고, 도 20의 왜곡 인자는 (-32.5%, 0)의 범위 내에서 제어되고, 도 21의 시야 곡률은 (-0.5mm, 0.5mm)의 범위 내에서 제어되는 것이 획득될 수 있다.
더욱이, 반투과형 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리는 1.9F로서 설계되는 것으로 제한되지 않으며, 5F로서 설계될 수도 있으며; 광학 시스템의 두께 및 눈동자 거리는 각각 12.8mm 및 9mm로서 설계되는 것으로 제한되지 않고, 그들은 각각 28mm 및 10mm로서 설계될 수도 있다.
이 실시예에 따른 근거리 광 증폭 모듈에 기초하여, 본 발명은 전술한 실시예들에서의 근거리 광 증폭 모듈을 포함하는 한 쌍의 안경을 더 제공한다. 안경은 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정되는 스크린(30)을 더 포함한다. 도 2, 도 6, 도 10, 도 14 및 도 18의 스크린(30)은 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 설정되지만, 사용 시에, 스크린(30)은 특정 응용 요구들에 따라 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정될 수 있다.
이 실시예에 따른 근거리 광 증폭 모듈에 기초하여, 본 발명은 전술한 실시예들에서의 근거리 광 증폭 모듈을 포함하는 헬멧을 더 제공한다. 헬멧은 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정되는 스크린(30)을 더 포함한다. 도 2, 도 6, 도 10 및 도 14의 스크린(30)은 여기서는 표현의 편의를 위해 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 설정되지만, 사용 시에, 스크린(30)은 특정 응용 요구들에 따라 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 안경 및 헬멧에 기초하여, 본 발명은 전술한 실시예들에서의 안경 또는 헬멧을 포함하고 지능형 가상현실(Virtual Reality(VR)) 웨어러블 디바이스에서 사용되는 가상현실 시스템을 더 제공한다. 상기 가상현실 시스템은 근거리 광 증폭 모듈을 포함하는 한 쌍의 안경 또는 헬멧이 사용되는 것을 포함하며, 따라서 가상현실 시스템은 넓은 시야각, 큰 아이박스, 고품질 이미징 효과 및 소형의 초박형 구조 등을 가질 것이고, 따라서 양호한 사용자 경험을 제공할 수 있다. 구체적으로, 근거리 광 증폭 모듈의 실시예들이 참조될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "제1" 및 "제2"와 같은 서수 형용사들은 하나의 엔티티 또는 동작을 다른 엔티티 또는 동작과 구별하기 위해 사용될 뿐이고, 이러한 엔티티들 또는 동작들이 소정의 관계들을 가져야 하거나 주어진 시퀀스로 있어야 하는 것을 요구하거나 시사하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 용어 "포함한다(include, comprise)" 또는 이들의 임의의 변형들은 비배타적인 포함(nonexclusive inclusion)을 포함하는 것을 의도하며, 따라서 일련의 본질적인 인자들을 포함하는 것으로 일컬어지는 프로세스, 방법, 물체 또는 디바이스는 그러한 본질적인 인자들을 포함할 뿐만 아니라, 구체적으로 열거되지 않은 다른 본질적인 인자들 또는 그러한 프로세스, 방법, 물체 또는 디바이스에 내재하는 본질적인 인자들도 포함한다. 어떠한 다른 제한도 없는 경우, "...를 포함한다"라는 문장에 의해 정의되는 본질적인 인자는 추가적인 유사한 본질적인 인자들이 상기 본질적인 인자를 포함하는 프로세스, 방법, 물체 또는 디바이스에 존재할 수 있다는 것을 배제하지 않는다.
전술한 설명은 이 분야의 기술자가 본 발명을 이해하거나 구현할 수 있게 하기 위한 본 발명의 일부 특정 실시예들을 제시할 뿐이다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변경들은 이 분야의 기술자들에게 자명하다. 본 명세서에서 정의되는 일반 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시예들에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 제한되지 않으며; 대신, 본 발명은 본 명세서에서 개시되는 원리들 및 새로운 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다.

Claims (13)

  1. 근거리 광 증폭 모듈에 의해 증폭된 광을 받아들이는 눈측으로부터 입사광측으로 순차적으로 배열된 반사 편광 플레이트, 제1 위상 지연 플레이트, 제2 렌즈 및 제2 위상 지연 플레이트를 포함하여 상기 제2 위상 지연 플레이트측으로부터 입사하는 입사광을 증폭하는 근거리 광 증폭 모듈로서,
    제1 렌즈가 상기 반사 편광 플레이트, 상기 제1 위상 지연 플레이트, 상기 제2 렌즈 및 상기 제2 위상 지연 플레이트 중 어느 하나의 어느 한쪽에 더 설정되고;
    상기 제2 렌즈에서, 상기 제2 위상 지연 플레이트에 인접한 광학 표면은 반투과형 광학 표면이며;
    상기 제2 렌즈의 제1 초점 거리(f2)는 다음 조건: 1F≤f2≤2F를 충족시키고, 여기서, 상기 제2 위상 지연 플레이트를 통과하여 입사하는 광은 상기 제2 렌즈와 상기 제1 위상 지연 플레이트를 통과하고 상기 반사 편광 플레이트에 의해 반사되어 상기 제1 위상 지연 플레이트를 통과한 후, 상기 제2 렌즈에서의 상기 제1 위상 지연 플레이트에 인접한 광학 표면을 통과하고 상기 제2 렌즈에서의 상기 제2 위상 지연 플레이트에 인접한 상기 반투과형 광학 표면에 의해 반사되는데, 상기 제2 렌즈의 제1 초점 거리는 상기 반사 편광 플레이트에 의해 반사된 상기 광이 상기 제2 렌즈에서의 상기 제1 위상 지연 플레이트에 인접한 광학 표면을 통과하고 상기 제2 렌즈에서의 상기 제2 위상 지연 플레이트에 인접한 상기 반투과형 광학 표면에 의해 반사된 후에 측정되는 초점거리로서 상기 제2 렌즈의 상기 반투과형 광학 표면을 기준으로 하는 초점거리이며, F는 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈를 포함하는 상기 근거리 광 증폭 모듈의 시스템 초점 거리인, 근거리 광 증폭 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반투과형 광학 표면의 반사 표면의 유효 초점 거리(fs4)는 다음 조건: 1.5F≤fs4≤5F을 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반투과형 광학 표면의 상기 반사 표면의 상기 유효 초점 거리(fs4)는 다음 조건: 1F≤fs4≤2F를 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 상기 제1 초점 거리(f2)는 다음 조건: 1.5F≤f2≤2F를 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 상기 제1 초점 거리(f2)는 1.6F인, 근거리 광 증폭 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈에서, 상기 제1 렌즈에 인접한 상기 광학 표면의 초점 거리(fs3)는 다음 조건: |fs3|≥2F를 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 초점 거리(f1)는 다음 조건: |f1|≥3F를 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 근거리 광 증폭 모듈의 두께는 11-28mm인, 근거리 광 증폭 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 근거리 광 증폭 모듈의 눈동자 거리(eye relief)는 5-10mm인, 근거리 광 증폭 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 및 상기 제1 렌즈를 통해 이미징에 참여하는 광이 통과하는 개구(D)는 다음 조건: 0.28F≤D≤0.45F를 충족시키는, 근거리 광 증폭 모듈.
  11. 근거리 광 증폭 안경으로서,
    제1항에 기재된 근거리 광 증폭 모듈; 및
    디스플레이 스크린
    을 포함하며, 상기 디스플레이 스크린은 상기 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정되는, 근거리 광 증폭 안경.
  12. 근거리 광 증폭 헬멧으로서,
    제1항에 기재된 근거리 광 증폭 모듈; 및
    디스플레이 스크린
    을 포함하며, 상기 디스플레이 스크린은 상기 근거리 광 증폭 모듈과 동축으로 또는 비동축으로 설정되는, 근거리 광 증폭 헬멧.
  13. 근거리 광 증폭 가상현실 시스템으로서,
    제11항에 기재된 안경 또는 제12항에 기재된 헬멧을 포함하는, 근거리 광 증폭 가상현실 시스템.
KR1020187030474A 2016-03-21 2016-03-21 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템 KR102257641B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2016/076936 WO2017161487A1 (zh) 2016-03-21 2016-03-21 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180133866A KR20180133866A (ko) 2018-12-17
KR102257641B1 true KR102257641B1 (ko) 2021-06-01

Family

ID=59900924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187030474A KR102257641B1 (ko) 2016-03-21 2016-03-21 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10120192B2 (ko)
EP (1) EP3249445B1 (ko)
JP (1) JP6377765B2 (ko)
KR (1) KR102257641B1 (ko)
ES (1) ES2883676T3 (ko)
PT (1) PT3249445T (ko)
WO (1) WO2017161487A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10185148B2 (en) * 2016-03-21 2019-01-22 Shenzhen Dlodlo New Technology Co., Ltd. Short-range optical amplification module, spectacles, helmet and VR system
US11619823B2 (en) * 2019-07-22 2023-04-04 3M Innovative Properties Company Optical system for displaying magnified virtual image
CN116027551A (zh) * 2021-10-26 2023-04-28 广州视源电子科技股份有限公司 一种短焦折叠光学系统以及虚拟现实显示设备
CN114280783B (zh) * 2021-12-22 2022-12-06 上海摩软通讯技术有限公司 光学模组及vr设备
WO2023153266A1 (ja) * 2022-02-09 2023-08-17 ソニーグループ株式会社 光学系及び表示装置
CN114942489A (zh) * 2022-07-26 2022-08-26 歌尔光学科技有限公司 一种光学模组以及头戴显示设备
CN116338959A (zh) * 2023-01-20 2023-06-27 诚瑞光学(常州)股份有限公司 光学系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007512581A (ja) * 2003-11-26 2007-05-17 ルール カンパニーズ， インコーポレイテッド 実世界シミュレーションのための改良型視準光学部材
CN105093555A (zh) 2015-07-13 2015-11-25 深圳多新哆技术有限责任公司 短距离光学放大模组及使用其的近眼显示光学模组

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3480875A (en) * 1965-12-06 1969-11-25 Ibm Laser scanning device having two lens systems with a common focal plane
JP3441188B2 (ja) * 1994-10-07 2003-08-25 オリンパス光学工業株式会社 光学系及び視覚表示装置
JP3411953B2 (ja) 1996-04-24 2003-06-03 シャープ株式会社 光学装置および該光学装置を用いた頭部搭載型ディスプレイ
US5975703A (en) * 1996-09-30 1999-11-02 Digital Optics International Image projection system
JP3387338B2 (ja) 1996-12-24 2003-03-17 三菱電機株式会社 接眼光学系、及び接眼映像表示装置
CN100409043C (zh) * 1997-12-16 2008-08-06 “尼奥匹克”俄罗斯联邦全国科技中心 偏振片和液晶显示元件
US6108131A (en) * 1998-05-14 2000-08-22 Moxtek Polarizer apparatus for producing a generally polarized beam of light
US6208463B1 (en) * 1998-05-14 2001-03-27 Moxtek Polarizer apparatus for producing a generally polarized beam of light
JP2000194068A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Seiko Epson Corp 照明光学系および投写型表示装置
US6075651A (en) 1999-01-28 2000-06-13 Kaiser Electro-Optics, Inc. Compact collimating apparatus
JP4419281B2 (ja) * 2000-06-13 2010-02-24 コニカミノルタホールディングス株式会社 接眼光学系
WO2005076869A2 (en) * 2004-02-04 2005-08-25 Displaytech, Inc. Compact electronic viewfinder
US8425041B2 (en) * 2008-12-01 2013-04-23 Reald Inc. Stereoscopic projection systems for employing spatial multiplexing at an intermediate image plane
CN102483520B (zh) * 2009-06-29 2014-05-28 瑞尔D股份有限公司 在中间像面使用空间复用的立体投影系统
JP5646440B2 (ja) * 2011-11-18 2014-12-24 昭和オプトロニクス株式会社 接眼レンズ
TWI518368B (zh) 2013-09-11 2016-01-21 財團法人工業技術研究院 虛像顯示裝置
CN204855955U (zh) 2015-07-13 2015-12-09 深圳多新哆技术有限责任公司 短距离光学放大模组及使用其的近眼显示光学模组
CN105676477B (zh) 2016-03-21 2018-08-14 深圳多哚新技术有限责任公司 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统
CN205562978U (zh) * 2016-03-21 2016-09-07 深圳多哚新技术有限责任公司 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007512581A (ja) * 2003-11-26 2007-05-17 ルール カンパニーズ， インコーポレイテッド 実世界シミュレーションのための改良型視準光学部材
CN105093555A (zh) 2015-07-13 2015-11-25 深圳多新哆技术有限责任公司 短距离光学放大模组及使用其的近眼显示光学模组

Also Published As

Publication number Publication date
JP6377765B2 (ja) 2018-08-22
PT3249445T (pt) 2021-08-06
WO2017161487A1 (zh) 2017-09-28
EP3249445A1 (en) 2017-11-29
US20180088332A1 (en) 2018-03-29
JP2018512602A (ja) 2018-05-17
ES2883676T3 (es) 2021-12-09
KR20180133866A (ko) 2018-12-17
EP3249445B1 (en) 2021-05-05
US10120192B2 (en) 2018-11-06
EP3249445A4 (en) 2017-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102257641B1 (ko) 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템
CN105676477B (zh) 短距离光学放大模组、眼镜、头盔及vr系统
KR102257640B1 (ko) 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 가상현실 시스템
KR102254565B1 (ko) 근거리 광 증폭 모듈, 안경, 헬멧 및 vr 시스템
CN213934432U (zh) 光学模组及vr设备
EP3809184A1 (en) Eyepiece optical system and head-mounted display
JP2021512356A (ja) 接眼レンズおよび表示装置
JP2008165225A (ja) Ｌｅｄ光源
US9229201B2 (en) Near infrared lens
US10324292B2 (en) Short range optical amplification module, spectacles, helmet and VR system
CN107436482B (zh) 转折式望远定焦镜头及摄像装置
CN213934403U (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置
US11269175B2 (en) Eyepiece optical system and device with large field-of-view angle and high image quality
WO2022141385A1 (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置
CN207216121U (zh) 一种大孔径广角长波红外定焦镜头
CN210243956U (zh) 一种目镜光学系统及头戴显示器
WO2022141382A1 (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置
WO2022141389A1 (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置
CN210376874U (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及设备
WO2022141387A1 (zh) 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置
WO2023160277A1 (zh) 定焦镜头

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant