KR102310995B1

KR102310995B1 - 광학 장치

Info

Publication number: KR102310995B1
Application number: KR1020140182065A
Authority: KR
Inventors: 이상훈; 최용복
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2021-10-08
Also published as: KR20160073593A

Abstract

실시 예의 광학 장치는 광원과, 광원으로부터 방출되는 광을 투과시키는 제1 빔 분할부와, 제1 빔 분할부에서 투과된 광으로부터 가상 영상을 형성하는 광 패턴을 생성하고, 시선 축을 기준으로 제1 소정 각도만큼 기울어져 배치된 영상 생성부와, 영상 생성부에서 생성된 광 패턴에 해당하며 제1 빔 분할부에서 반사된 광을 소정 횟수만큼 전반사하는 전면 프리즘부 및 전면 프리즘부 내에서 시선 축을 기준으로 제2 소정 각도만큼 기울어져 배치되어 전반사된 광을 시선 축을 따라 반사하는 제2 빔 분할부를 포함한다.

Description

광학 장치{Optical apparatus}

실시 예는 광학 장치에 관한 것이다.

각종 전자 부품이나 광학 소자가 소형화됨에 따라, 광학 장치는 관측자에게 착용되는 등 다양한 형태로 이용되고 있다. 만일, 광학 장치가 관측자에게 안경 등의 형태로 착용될 경우, 관측자는 가상 영상을 관측자 자신 주변의 실상 영상과 함께 손쉽게 볼 수 있다.

이와 같이 광학 장치가 관측자에게 착용되어 관측자에게 가상 영상을 시연할 경우, 관측자의 편의성을 도모하기 위해 소형화 경량화가 선행되어야 하며, 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

실시 예는 소형화 및/또는 경량화된 광학 장치를 제공한다.

실시 예의 광학 장치는, 광원; 상기 광원으로부터 방출되는 광을 투과시키는 제1 빔 분할부; 상기 제1 빔 분할부에서 투과된 광으로부터 가상 영상을 형성하는 광 패턴을 생성하고, 시선 축을 기준으로 제1 소정 각도만큼 기울어져 배치된 영상 생성부; 상기 영상 생성부에서 생성된 상기 광 패턴에 해당하며 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 광을 소정 횟수만큼 전반사하는 전면 프리즘부; 및 상기 전면 프리즘부 내에서 상기 시선 축을 기준으로 제2 소정 각도만큼 기울어져 배치되어 상기 전반사된 광을 상기 시선 축을 따라 반사하는 제2 빔 분할부를 포함할 수 있다.

상기 광학 장치는 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 상기 광 패턴에 해당하는 상기 광이 상기 전면 프리즘부로 향하도록 포커싱하는 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 상기 렌즈는 상기 전면 프리즘부와 이격되어 배치될 수 있다.

상기 제1 빔 분할부는 상기 광원에서 방출된 p-분극된 광을 투과하고, 상기 영상 생성부에서 생성된 상기 광 패턴에 해당하며 s-분극된 광을 반사하는 편광 빔 분할부를 포함할 수 있다.

상기 제2 빔 분할부는 프레임; 및 상기 프레임 상에 코팅되어 상기 전반사된 광을 상기 시선 축을 따라 반사하는 코팅층을 포함할 수 있다.

상기 제2 빔 분할부는 상기 전반사된 광의 일부를 상기 시선 축을 따라 반사시키고, 상기 전반사된 광의 나머지를 투과시키는 미러를 포함할 수 있다. 상기 미러는 상기 전반사된 광의 40% 내지 80%를 반사시키고, 80% 내지 40%를 투과시킬 수 있다. 상기 미러의 곡률 반경은 62 ㎜일 수 있다.

상기 소정 횟수가 짝수일 때 상기 제1 소정 각도는 35° 내지 45°이고, 홀수일 때 상기 제1 소정 각도는 -45° 내지 -15°일 수 있다. 상기 소정 횟수의 최소값은 2일 수 있다.

상기 전면 프리즘부의 상면과 하면은 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 상기 광을 반사하는 반사 물질을 포함할 수 있다.

상기 전면 프리즘부는 상기 전면 프리즘부의 상면에 배치된 제1 반사층; 및 상기 전면 프리즘부의 하면에 배치된 제2 반사층을 포함하고, 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 광은 상기 제1 및 제2 반사층에서 전반사될 수 있다.

상기 전면 프리즘부는 상기 제2 빔 분할부를 기준으로 수평 방향으로 분할된 2개의 서브 프리즘부를 포함할 수 있다.

상기 제1 빔 분할부 또는 상기 영상 생성부 중 적어도 하나는 상기 전면 프리즘부와 이격되어 배치될 수 있다.

제2 소정 각도의 최소값은 62°일 수 있다.

상기 광원은 방출된 상기 광을 상기 제1 빔 분할부로 출사하는 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

실시 예에 따른 광학 장치는 관측자의 눈을 통해 보여지는 관측자 주변의 실상 영상(real-world environment image)의 왜곡이 방지될 수 있고, 가상 영상을 매우 높은 해상도 예를 들어 HD급 고화소로 그리고 개선된 광 효율로 관측자에게 보여줄 수 있고, 두께가 얇고 무게가 가벼워 관측자에게 장착되기 편할 수 있다.

도 1은 실시 예에 의한 광학 장치의 개념도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 렌즈의 포커싱 및 전반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 전면 프리즘부의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 제2 빔 분할부의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 5는 비교 례에 의한 광학 장치의 개략적인 사시도를 나타낸다.
도 6은 실시 에에 의한 HMD의 외관을 나타내는 도면이다.
도 7은 착용 가능한 컴퓨팅 장치의 외관을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.

도 1은 실시 예에 의한 광학 장치(100)의 개념도를 나타낸다.

도 1에 도시된 광학 장치(100)는 광원(110), 제1 빔 분할부(beam splitter)(120), 영상 생성부(또는, 디스플레이(display) 소자)(130), 전면 프리즘(prism)부(140), 제2 빔 분할부(150) 및 렌즈(160)를 포함할 수 있다.

광원(110)은 광(L1)을 방출하여 제1 빔 분할부(120)로 출사한다. 예를 들어, 광원(110)은 발광 다이오드 또는 레이져 다이오드 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 광원(110)의 종류에 국한되지 않는다.

제1 빔 분할부(120)는 광원(110)으로부터 방출되는 광(L1)을 투과시키며, 투과된 광(L2)은 영상 생성부(130)로 입사된다.

영상 생성부(130)는 제1 빔 분할부(120)에서 투과된 광(L2)으로부터 가상 영상(virtual image)을 형성하는 광 패턴을 생성하고, 시선 축(VA:Viewing Axis)(즉, x축 방향)을 기준으로 제1 소정 각도(θ1)만큼 기울어져 배치될 수 있다.

여기서, 가상 영상은 다양한 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가상 영상은 관측자(OB:OBserver)가 운전자일 경우, 운전에 필요한 주행 정보를 담을 수도 있고, 관측자(OB)가 학생일 경우 학습에 필요한 정보를 담을 수도 있다.

또한, 영상 생성부(130)는 로코스(LCOS:Liquid Crystal On Silicon), OLED(Organic Light Emitting Diode), DLP(Digital Light Projector)와 같은 마이크로 미러 디스플레이(micro-mirror display) 등일 수 있다.

또한, 영상 생성부(130)는 제1 빔 분할부(120)에서 투과된 광(L2)을 공간적으로 변조하여 광 패턴을 생성할 수 있다.

비록 도시되지는 않았지만, 영상 생성부(130)에 이웃하여 또는 인접하여 인쇄 회로 기판이 배치될 수도 있다. 인쇄 회로 기판은 영상 생성부(130)를 구동하기 위한 전자 회로(미도시) 및 영상 생성부(130)를 다른 구성 요소와 연결하기 위한 커넥터(connector)를 포함할 수 있다.

또한, 영상 생성부(130)에서 생성되는 광 패턴은 단채색일 수도 있고, 적녹청(RGB:Red Green Blue)과 같은 다채색일 수도 있다.

전술한 광원(110), 제1 빔 분할부(120) 또는 영상 생성부(130) 중 적어도 하나는 전면 프리즘부(140)와 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(110)과, 제1 빔 분할부(120)와, 영상 생성부(130) 각각은 전면 프리즘부(140)와 이격되어 배치될 수 있다.

영상 생성부(130)에서 생성된 광 패턴에 해당하는 광(L3)은 제1 빔 분할부(120)에서 반사되어 전면 프리즘부(140)로 출사될 수 있다.

전술한 제1 빔 분할부(120)는 편광 빔 분할부(PBS:Polarization Beam Splitter)를 포함할 수 있다. 이 경우, 편광 빔 분할부(120)는 광원(110)에서 방출된 p-분극된 광(L1)을 투과시킬 수 있다. 이때, 영상 생성부(130)는 p-분극된 광(L1)을 이용하여 가상 영상에 해당하는 광 패턴을 생성하고, 생성된 광 패턴의 p-분극을 s-분극으로 바꾼다. 이후, 편광 빔 분할부(120)는 영상 생성부(130)에서 생성된 광 패턴에 해당하는 s-분극된 광(L3)을 반사시킬 수 있다.

렌즈(160)는 제1 빔 분할부(120)에서 반사된 광 패턴에 해당하는 광(L4)이 전면 프리즘부(140)로 향하도록 포커싱(focusing)하는 역할을 한다. 실시 예에 의하면, 렌즈(160)는 비구면 렌즈일 수 있다. 또한, 렌즈(160)는 예를 들어, 콜리메이터 렌즈(collimator lens), 구면 렌즈 또는 확대 렌즈일 수 있으나, 실시 예는 렌즈(160)의 형상에 국한되지 않는다.

또한, 렌즈(160)는 전면 프리즘부(140)와 소정 거리(d)만큼 이격되어 배치될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 렌즈(160)의 포커싱 및 전반사를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1 빔 분할부(120)의 빔 분할 인터페이스(interface)(122)는 영상 생성부(130)에서 생성된 광 패턴에 해당하는 광(L3)을 반사시킨다. 빔 분할 인터페이스(122)에서 반사된 광(L4)은 렌즈(160)에서 포커싱되고, 포커싱된 광(L6)은 전면 프리즘부(140)로 입사된다. 이때, 렌즈(160)에서 포커싱된 광(L6)은 전면 프리즘부(140)의 광 입사면(140S1)에서 굴절된 후 입사될 수 있다.

경우에 따라, 렌즈(160)는 생략될 수도 있다.

한편, 전면 프리즘부(140)는 영상 생성부(130)에서 생성되어 제1 빔 분할부(120)에서 반사된 후 렌즈(160)를 통해 입사된 광 패턴에 해당하는 광(L5)을 소정 횟수만큼 반사시킬 수 있다.

만일, 전면 프리즘부(140)에서 광(L5)이 전반사되는 소정 횟수가 짝수일 때, 시선 축(VA)을 기준으로 하는 제1 소정 각도(θ1)는 35° 내지 45° 예를 들어 40°일 수 있다. 또는, 전면 프리즘부(140)에서 광(L5)이 전반사되는 소정 횟수가 홀수일 때 제1 소정 각도(θ1)는 -45° 내지 -15° 예를 들어 -40°일 수 있다. 여기서, 소정 횟수의 최소값은 2일 수 있으며, 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 광(L5)은 전면 프리즘부(140) 내에서 2회 전반사될 수 있다.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 전면 프리즘부(140) 내에서 광(L5)이 2회 전반사될 경우 제1 소정 각도(θ1)는 40°일 수 있으나, 실시 예는 전반사의 횟수나 제1 소정 각도(θ1)의 특정값에 국한되지 않는다.

또한, 다시 도 1을 참조하면, 전면 프리즘부(140)의 상면(140T)과 하면(140B)은 제1 빔 분할부(120)에서 반사되어 렌즈(160)를 통해 입사된 광(L5)을 반사하는 반사 물질을 포함할 수 있다. 또한, 전면 프리즘부(140)는 투명한 재질로 구현될 수 있으나, 실시 예는 전면 프리즘부(140)의 재질에 국한되지 않는다.

도 3은 도 1에 도시된 전면 프리즘부(140)의 일 실시 예(140A)에 의한 단면도를 나타낸다.

도 3에 예시된 바와 같이, 전면 프리즘부(140)는 제1 및 제2 반사층(142, 144)을 포함할 수 있다. 제1 반사층(142)은 전면 프리즘부(140)의 상면(140T) 안쪽에 배치되고, 제2 반사층(144)은 전면 프리즘부(140)의 하면(140B) 안쪽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 반사층(142, 144) 각각은 상면(140T)과 하면(140B)에 코팅된 코팅층일 수 있다.

또한, 제1 및 제2 반사층(142, 144) 각각은 복수의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 이 경우, 제1 빔 분할부(120)에서 반사되어 전면 프리즘부(140)로 입사된 광(L5)은 제1 및 제2 반사층(142 ,144)에서 전반사될 수 있다.

도 1을 참조하면, 전면 프리즘부(140)는 제2 빔 분할부(150)를 기준으로 수평 방향(즉, 시선 축(VA) 방향에 수직한 y축 방향)으로 분할된 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2)를 포함할 수 있다. y축 방향으로 배열된 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2)는 동일한 형상을 가질 수 있다. 즉, 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2) 각각의 길이는 동일할 수 있고, 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2) 각각의 상면과 하면의 곡률 반경은 서로 동일할 수 있다.

이와 같이, 제2 빔 분할부(150)를 기준으로 전면 프리즘부(140)가 동일한 형상을 갖는 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2)로 분할될 경우, 관측자(OB)의 눈을 통해 보여지는 관측자(OB) 주변의 실상 영상(real-world environment image)의 왜곡이 방지될 수 있다.

또한, 2개의 서브 프리즘부(140-1, 140-2) 각각의 형상은 서로 다를 수도 있다.

한편, 제2 빔 분할부(150)는 전면 프리즘부(140) 내부에서 시선 축(VA)을 기준으로 제2 소정 각도(θ2)만큼 기울어져 배치될 수 있다. 이와 같이 기울어져 배치된 제2 빔 분할부(150)는 전면 프리즘부(140) 내부에서 전반사된 광(L7)을 시선 축(VA)을 따라 관측자(OB)를 향해 반사시킬 수 있다. 따라서, 관측자(OB)는 시선 축(VA)에서 반사된 광에 해당하는 가상 영상을 관측할 수 있다.

이때, 제2 소정 각도(θ2)는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, θ3은 제3 소정 각도로서,제2 빔 분할부(150)가 시선 축(VA)에 수직한 y축 방향의 수평면에 대해 기울어진 각도를 나타낸다.

예를 들어, 제2 빔 분할부(150)가 시선 축(VA)을 기준으로 기울어진 제2 소정 각도(θ2)의 최소값은 62°이고, 제3 소정 각도(θ3)의 최대값은 28°일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

만일, 제1 소정 각도(θ1)가 35°(또는, -45°)보다 작을 경우 영상 생성부(130)가 관측자(OB)의 안면에 가깝게 위치하여, 영상 생성부(130)에서 발생하는 열로 인해 문제가 야기될 수 있다.

또는, 제1 소정 각도(θ1)가 커질 경우 예를 들어, 45°(또는, -15°)보다 커질 경우 제3 소정 각도(θ3)가 증가하게 되어, 전면 프리즘부(140)에서 내부 전반사 횟수가 예를 들어 2회가 되기 위해 전면 프리즘부(140)의 y축 방향의 길이가 더 증가하거나 제2 빔 분할부(150)의 곡률 반경(R)이 더 작아져야 한다. 따라서, 소정 횟수가 짝수일 때 제1 소정 각도(θ1)는 35° 내지 45°이고, 홀수일 때 제1 소정 각도(θ1)는 -45° 내지 -15°일 수 있다.

실시 예에 의하면, 제3 소정 각도(θ3)의 최대값은 28°로서 일반적인 삼각 프리즘의 45°보다 더 작을 수 있어, 전면 프리즘부(140)에서 내부 전반사의 횟수를 2회로 하면서도 전면 프리즘부(140)의 길이를 길게 하지 않아도 된다.

예를 들어, 제1 소정 각도(θ1)가 일정할 경우, 제2 빔 분할부(150)의 곡률 반경(R)과 제3 소정 각도(θ3)는 비례할 수 있다. 또한, 제3 소정 각도(θ3)가 일정할 경우, 제2 빔 분할부(150)의 곡률 반경(R)은 전면 프리즘부(140)의 y축 방향의 길이에 비례하고 제1 소정 각도(θ1)에도 비례할 수 있다. 또한, 제3 빔 분할부(150)의 곡률 반경(R)이 일정할 경우, 제3 소정 각도(θ3)는 제1 소정 각도(θ1)에 비례하고 전면 프리즘부(140)의 y축 방향의 길이에도 비례할 수 있다.

전술한 제1 소정 각도(θ1), 제3 소정 각도(θ3), 제2 빔 분할부(150)의 곡률 반경(R) 및 전면 프리즘부(140)의 길이 간의 관계를 고려하여, 전면 프리즘부(140)의 길이나 두께를 조절하여, 광학 장치(100)의 소형화 및 경량화를 도모할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 제2 빔 분할부(150)의 일 실시 예(150A)에 의한 단면도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 제2 빔 분할부(150A)는 프레임(152) 및 코팅층(154, 156)을 포함할 수 있다. 코팅층(154, 156)은 프레임(152) 상에 코팅되어, 전반사된 광(L7)의 일부를 시선 축(VA)을 따라 반사(L8)시키고 광(L7)의 나머지를 투과(L9)시킬 수 있다.

또한, 제2 빔 분할부(150)는 미러(mirror)로 구현될 수 있다. 미러는 전반사된 광(L7)의 일부를 시선 축(VA)을 따라 반사시킬 수 있다. 이때, 미러에서 반사된 광(L8)은 관측자(OB)에게 가상 영상으로서 보여질 수 있다. 또한, 미러는 전반사된 광(L7)의 나머지를 투과시킬 수 있다.

또한, 미러(150)는 전반사된 광(L7)의 40% 내지 80%를 반사시키고, 80% 내지 40%를 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 전반사된 광(L7)의 일부인 60%가 미러(150)에서 반사되어 관측자(OB)가 볼 수 있도록 출사(L8)되고, 전반사된 광(L7)의 나머지인 40%가 미러(150)를 통해 투과(L9)될 수 있다. 또는, 전반사된 광(L7)의 일부인 50%가 미러(150)에서 반사되어 관측자(OB)가 볼 수 있도록 출사(L8)되고, 전반사된 광(L7)의 나머지인 50%가 미러(150)를 통해 투과(L9)될 수 있다.

또한, 미러(150)의 곡률 반경(R)은 62 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

전술한 제1 및 제2 빔 분할부(120, 150) 각각의 재질은 유리 또는 플라스틱 일 수 있으나, 실시 예는 이러한 재질에 국한되지 않는다.

비록 도시되지는 않았지만, 윈도우가 전면 프리즘부(140)에 인접하여 배치될 수 있다. 이 경우, 윈도우를 통해 실상 영상에 해당하는 광은 제2 빔 분할부(150)에서 투과되어, 가상 영상과 실상 영상의 조합이 관측자(OB)에게 보여질 수 있다.

예를 들어, 관측자(OB)에게 보여질 가상 영상의 시 거리는 0.5 미터(m) 내지 4 미터(m)일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 광학 장치(100)는 관측자(OB)가 원하는 위치에 가상 영상을 보여줄 수도 있다.

도 5는 비교 례에 의한 광학 장치의 개략적인 사시도를 나타낸다.

도 5에 도시된 비교 례에 의한 광학 장치는 광원(10), 제1 빔 분할부(20), 영상 생성부(30), 광 파이프(pipe)(40), 제2 빔 분할부(50) 및 렌즈(60)로 구성된다.

제1 빔 분할부(20)는 광원(10)에서 방출된 광을 투사하고, 영상 생성부(30)는 제1 빔 분할부(20)에서 투사된 광을 이용하여 가상 영상에 해당하는 광 패턴을 생성하고, 광 패턴에 해당하는 광을 제1 빔 분할부(20)로 출사한다. 이때, 영상 생성부(30)로부터 출사된 광은 제1 빔 분할부(20)에서 반사된 후 렌즈(60)를 통해 제2 빔 분할부(50)로 출사된다. 이후, 제2 빔 분할부(50)는 렌즈(60)를 통해 입사된 광을 투사하고, 제2 빔 분할부(50)에서 투사된 광은 광 파이프(40)의 반사면(42)에서 반사되어 가상 영상으로 형성되고, 가상 영상에 해당하는 광은 제2 빔 분할부(50)에서 시선 축(VA) 방향으로 반사되어, 관측자(OB)에게 가상 영상으로서 보여질 수 있다.

도 5의 경우, 광원(10), 제1 빔 분할부(20), 영상 생성부(30) 및 렌즈(60)는 광 파이프(40)와 서로 이격되지 않고 접하여 형성되거나 일체로 형성될 수 있다.

반면에, 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)의 광원(110), 제1 빔 분할부(120), 영상 생성부(130) 및 렌즈(160) 각각은 전면 프리즘부(140)와 이격되어 배치된다. 이와 같이, 광원(110), 제1 빔 분할부(120), 영상 생성부(130) 또는 렌즈(160) 중 적어도 하나가 전면 프리즘부(140)와 이격되어 배치될 경우, 가상 영상의 해상도를 조절할 수 있는 인자(factor)(예를 들어, 도 1에 도시된 'd')의 개수가 증가할 수 있다. 이로 인해, 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)에 의해 관측자(OB)에게 보여지는 가상 영상에 담겨진 예를 들어 글자의 크기를 도 5에 예시된 비교 례에 의한 광학 장치에 의해 관측자(OB)에게 보여지는 가상 영상에 담겨진 글자의 크기보다 더욱 작으면서도 선명하게 보여줄 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 광학 장치(100)의 해상도는 도 5에 도시된 비교 례에 의한 광학 장치의 해상도보다 더 높을 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 비교 례에 의한 광학 장치의 경우, 관측자(OB)와 영상 생성부(30)는 동일한 수평면 즉, yz 평면에 놓여진다. 즉, 영상 생성부(30)는 시선 축(VA)에 수직한 방향으로 배치된다.

반면에, 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)에서 영상 생성부(130)는 시선 축(VA)을 기준으로 제1 소정 각도(θ1)만큼 기울어져 배치된다. 이와 같이, 영상 생성부(130)가 제1 소정 각도(θ1)만큼 기울어져 배치될 경우, 도 5에 도시된 광학 장치에서 광 파이프(40)의 제1 두께(T1)보다 도 1에 도시된 광학 장치(100)에서 전면 프리즘부(140)의 제2 두께(T2)가 줄어들 수 있다. 이와 같이, 전면 프리즘부(140)의 제2 두께(T2)는 제1 두께(T1)보다 작으므로, 도 1에 도시된 광학 장치(100)는 작고 가벼워질 수 있다. 이와 같이, 제2 두께(T2)가 얇고 그 무게가 가벼워짐에 따라, 도 1에 도시된 광학 장치(100)를 장착한 관측자(OB)의 편의성이 향상될 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 비교 례에 의한 광학 장치의 경우, 렌즈(60)를 통과한 광은 제2 빔 분할부(50)를 1차적으로 투과한 후, 2차적으로 제2 빔 분할부(50)에서 반사되어 관측자(OB)에게 가상 영상으로서 보여지므로 광 손실이 많아질 수 있다.

반면에, 도 1에 도시된 광학 장치(100)의 경우, 제2 빔 분할부(50)에서 1차적으로 반사된 광이 관측자(OB)에게 가상 영상으로서 보여지므로, 도 5에 도시된 광학 장치와 비교해 볼 때, 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)의 광 효율을 2배로 증가될 수 있어, HD(High Definition)급 고화소의 가상 영상이 관측자(OB)에게 보여질 수 있다.

한편, 전술한 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 광학 장치(100)는 헤드 마운트 디스플레이(HMD:Head-Mounted Dispaly), 착용 가능한 컴퓨팅 장치 또는 헤드 업 디스플레이(HUD:Head Up Display) 등에 적용될 수 있다.

도 6은 실시 에에 의한 HMD(200)의 외관을 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 HMD(200)는 제1 및 제2 광학 장치(100A, 100B), 제1 및 제2 측부 프레임(202, 204), 제1 및 제2 연결 프레임(212, 214), 제1 및 제2 안경 프레임(222, 224) 및 브릿지(bridge) 프레임(230)을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 광학 장치(100A, 100B) 각각은 도 1에 도시된 광학 장치(100)에 해당한다. 따라서, 제1 광학 장치(100A)의 시선 축(VAR)은 도 1에 도시된 광학 장치(100)의 시선 축(VA)에 해당하고, 제2 광학 장치(100B)의 시선 축(VAL)은 도 1에 도시된 광학 장치(100)의 시선 축(VA)에 해당한다. 그러므로, 제1 및 제2 광학 장치(100A, 100B) 각각의 내부 구성은 도 1에 도시된 바와 같다.

도 6에 도시된 HMD(200)가 관측자(OB)에게 착용될 때, 좌측 시선 축(VAL)은 관측자(OB)의 좌측 동공(OBL)과 일치하고, 우측 시선 축(VAR)은 관측자(OB)의 우측 동공(OBR)과 일치한다.

브릿지 프레임(230)은 제1 및 제2 안경 프레임(222, 224)을 연결하는 역할을 하며, 관측자(OB)의 코에 의해 지지될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 측부 프레임(202, 204)은 제1 및 제2 안경 프레임(222, 224)에 각각 연결되며, 관측자(OB)의 귀에 의해 지지될 수 있다.

제1 및 제2 광학 장치(100A, 100B)는 제1 및 제2 연결 프레임(212, 214)에 의해 제1 및 제2 안경 프레임(222, 224)에 각각 부착될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 연결 프레임(212, 214)은 고정형일 수도 있고, 제1 및 제2 광학 장치(100A, 100B)를 수평 방향 즉, 시선 축(VAL, VAR)과 직교하는 방향으로 이동시킬 수 있도록 이동형일 수도 있다.

도 6에 도시된 HMD(200)의 구성은 일 례에 불과하며 다양한 형태로 HMD가 구현될수 있음은 물론이다.

도 7은 착용 가능한 컴퓨팅 장치(300)의 외관을 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 착용 가능한 컴퓨팅 장치(300)는 광학 장치(100C), 측부 프레임(3100, 컴퓨터(320), 터치 패드(330), 마이크로폰(microphone)(340) 및 감지부(350)를 포함할 수 있다.

도 7에 도시된 컴퓨팅 장치(300)에서 광학 장치(100C)는 도 1에 도시된 광학 장치(100)에 해당할 수 있다. 따라서, 관측자(OB)의 시선 축(VA)은 도 1에 도시된 광학 장치(100)의 시선 축(VA)에 해당한다. 도 7에 도시된 광학 장치(100C)의 내부 구성은 도 1에 예시된 광학 장치(100)와 동일할 수 있다.

컴퓨터(320)는 광학 장치(100C)의 영상 생성부(130)를 제어함으로써, 가상 영상이 생성되어 관측자(OB)에게 보여질 수 있도록 한다. 즉, 컴퓨터(320)는 영상 생성부(130)에서 생성할 가상 영상을 위한 데이터를 영상 생성부(130)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 컴퓨터(320)는 광학 장치(100C)의 영상 생성부(130)와 무선 또는 유선으로 통신하여 데이터를 주고 받을 수도 있다.

또한, 컴퓨터(320)는 무선 또는 유선으로 컴퓨팅 장치(300) 외부의 컴퓨터(미도시)나 다른 기기와 통신할 수도 있다.

컴퓨터(320)는 다양한 명령에 따라 가상 영상의 내용을 변경하거나 조절할 수 있다. 광학 장치(100C) 또는 그 장치(100C)의 영상 생성부(130)는 터치 패드(330), 마이크로폰(340) 및 센서(350)를 통해 관측자(OB)와 통신할 수도 있다. 예를 들어, 관측자(OB)는 터치 패드(330)를 조작하여 또는 마이크로폰(340)을 통해 음성으로 컴퓨터(320)에 명령을 내릴 수 있다. 또한, 감지부(350)는 가속도계(accelerometer) 또는 자이로 스코프(gyroscope)를 포함할 수 있으며, 도 7에 도시된 컴퓨팅 장치(300)의 움직임을 감지하고, 감지된 결과에 따라 컴퓨터(320)에 명령을 부여할 수도 있다.

전술한 도 7에 도시된 컴퓨팅 장치(300)는 도 1에 도시된 실시 예에 의한 광학 장치(100)가 적용되는 다른 례에 불과하며, 광학 장치(100C)는 다양한 형태로 컴퓨팅 장치(300)에 적용될 수 있음은 물론이다.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 100A, 100B, 100C: 광학 장치 110: 광원
120: 제1 빔 분할부 130: 영상 생성부
140, 140A: 전면 프리즘부 140S1: 전면 프리즘부의 광 입사면
140T: 전면 프리즘부의 상면 140B: 전면 프리즘부의 상면
140-1, 140-2: 서브 프리즘부 142, 144: 반사층
150, 150A: 제2 빔 분할부 152: 프레임
154, 156: 코팅층 160: 렌즈
200: 헤드 마운트 디스플레이 202, 204: 제1 및 제2 측부 프레임
212, 214: 제1 및 제2 연결 프레임 222, 224: 제1 및 제2 안경 프레임
230: 브릿지 프레임 300: 착용 가능한 컴퓨팅 장치
310: 측부 프레임 320: 컴퓨터
330: 터치 패드 340: 마이크로폰
350: 감지부

Claims

광원;
상기 광원으로부터 방출되는 광을 투과시키는 제1 빔 분할부;
상기 제1 빔 분할부에서 투과된 광으로부터 가상 영상을 형성하는 광 패턴을 생성하고, 시선 축을 기준으로 제1 소정 각도만큼 기울어져 배치된 영상 생성부;
상기 영상 생성부에서 생성된 상기 광 패턴에 해당하며 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 광을 소정 횟수만큼 전반사하는 전면 프리즘부; 및
상기 전면 프리즘부 내에서 상기 시선 축을 기준으로 제2 소정 각도만큼 기울어져 배치되어 상기 전반사된 광을 상기 시선 축을 따라 반사하는 제2 빔 분할부를 포함하고,
상기 제2 빔 분할부는 상기 시선 축에 수직한 방향을 따라 연장된 수평면에 대해 제3 소정 각도로 기울어지고,
상기 제1 소정 각도가 일정할 경우, 상기 제2 빔 분할부의 곡률 반경은 상기 제3 소정 각도에 비례하고,
상기 제2 빔 분할부는
상기 전반사된 광의 일부를 상기 시선 축을 따라 반사시키고, 상기 전반사된 광의 나머지를 투과시키는 미러를 포함하고,
상기 미러는 상기 전반사된 광의 40% 내지 80%를 반사시키고, 80% 내지 40%를 투과시키고,
상기 미러의 곡률 반경은 62 ㎜인 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 상기 광 패턴에 해당하는 상기 광이 상기 전면 프리즘부로 향하도록 포커싱하는 렌즈를 더 포함하는 광학 장치.
제2 항에 있어서, 상기 렌즈는 비구면 렌즈인 광학 장치.
제2 항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 전면 프리즘부와 이격되어 배치된 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 빔 분할부는
상기 광원에서 방출된 p-분극된 광을 투과하고, 상기 영상 생성부에서 생성된 상기 광 패턴에 해당하며 s-분극된 광을 반사하는 편광 빔 분할부를 포함하는 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제2 빔 분할부는
프레임;
상기 프레임 상에 코팅된 제1 코팅층; 및
상기 프레임의 아래에 코팅된 제2 코팅층을 포함하고,
상기 제2 빔 분할부는 상기 전반사된 광의 일부를 상기 시선 축을 따라 반사하고, 상기 전반사된 광의 나머지를 투과시키는 광학 장치.
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제1 항에 있어서, 상기 소정 횟수가 짝수일 때 상기 제1 소정 각도는 35° 내지 45°이고, 홀수일 때 상기 제1 소정 각도는 -45° 내지 -15°이고,
상기 소정 횟수의 최소값은 2이고,
상기 제2 소정 각도의 최소값은 62°이고,
상기 제3 소정 각도의 최대값은 28°인 광학 장치.
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제1 항에 있어서, 상기 전면 프리즘부의 상면과 하면은 상기 제1 빔 분할부에서 반사된 상기 광을 반사하는 반사 물질을 포함하는 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 전면 프리즘부는
상기 전면 프리즘부의 상면에 배치된 제1 반사층; 및
상기 전면 프리즘부의 하면에 배치된 제2 반사층을 포함하고,
상기 제1 빔 분할부에서 반사된 광은 상기 제1 및 제2 반사층에서 전반사되는 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 전면 프리즘부는 상기 제2 빔 분할부를 기준으로 수평 방향으로 분할된 2개의 서브 프리즘부를 포함하는 광학 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 빔 분할부 또는 상기 영상 생성부 중 적어도 하나는 상기 전면 프리즘부와 이격되어 배치된 광학 장치.
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