KR102331938B1 - 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치 - Google Patents

볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광학 장치로서, 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계; 및 상기 광학계를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하는 디스플레이를 포함하되, 상기 광학계는, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터; 상기 디스플레이와 상기 빔 스플리터 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터를 향하여 볼록한 단일한 평볼록렌즈로서, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈; 및 상기 빔 스플리터를 기준으로 상기 볼록렌즈의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터 방향으로 반사시키는 오목미러를 포함하며, 상기 볼록렌즈는, 평평한 면이 상기 디스플레이로부터 1.0~1.5 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 13~15 ㎜ 이격되어 배치되며, 상기 볼록렌즈에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓힌 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 머리 착용형 디스플레이 장치로서, 사용자가 머리에 착용할 수 있는 HMD 프레임; 및 상기 HMD 프레임을 착용한 사용자에게 증강 현실 또는 혼합 현실을 제공하는 광학 장치를 포함하며, 상기 광학 장치는, 상기 HMD 프레임을 착용한 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계; 및 상기 광학계를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하는 디스플레이를 포함하되, 상기 광학계는, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터; 상기 디스플레이와 상기 빔 스플리터 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터를 향하여 볼록한 단일한 렌즈로서, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈; 및 상기 빔 스플리터를 기준으로 상기 볼록렌즈의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터 방향으로 반사시키는 오목미러를 포함하며, 상기 볼록렌즈는, 평평한 면이 상기 디스플레이로부터 1.0~1.5 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 13~15 ㎜ 이격되어 배치되며, 상기 볼록렌즈에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓힌 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치에 따르면, 디스플레이와 빔 스플리터 사이에서 영상 광의 광 경로상에 볼록렌즈를 배치하여, 디스플레이에서 출력되는 영상 광이 굴절되어 광학계로 입사되도록 설계를 최적화함으로써, 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓히고, 이를 통해 영상에 대한 몰입감을 증대시키고, 화면 활용의 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치{AN OPTICAL DEVICE WITH WIDER FIELD OF VIEW USING CONVEX LENS AND A HEAD MOUNTED DISPLAY APPARATUS HAVING THEREOF}
본 발명은 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치에 관한 것이다.
디지털 디바이스의 경량화 및 소형화 추세에 따라 다양한 웨어러블 디바이스(wearable device)들이 개발되고 있다. 이러한 웨어러블 디바이스의 일종인 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display)는 사용자가 머리에 착용하여 멀티미디어 컨텐츠 등을 제공받을 수 있는 각종 디바이스를 의미한다. 여기서 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)는 사용자의 신체에 착용 되어 사용자가 이동함에 따라서 다양한 환경에서 사용자에게 영상을 제공하게 된다. 이러한 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)는 투과(see-through)형과 밀폐(see-closed)형으로 구분되고 있으며, 투과형은 주로 증강 현실(Augmented Reality, AR)용으로 사용되고, 밀폐형은 주로 가상현실(Virtual Reality, VR)용으로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 안경 형태의 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 일반적인 밴드형태의 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에 각각 도시된 바와 같이, 일반적인 안경 형태 또는 밴드 형태의 헤드 마운티드 디스플레이는 사용자의 안면 또는 두부에 착용되어 투과되는 렌즈를 통해 실제 세계에 증강 현실(AR)의 영상 정보를 투영하여 사용자에게 제공하게 된다.
이와 같은 헤드 마운티드 디스플레이에서 증강 현실을 구현하기 위해, 복잡한 구조의 광학 장치가 사용되는데, 영상에 대한 몰입감을 증대시키기 위해서는 시야(Field of View; FOV)가 넓어져야 한다. 특히, 빔 스플리터를 이용하는 광학계에서 시야를 넓히기 위해서는 빔 스플리터의 면적을 넓게 만들어야 하고, 이에 따라 광학계의 크기가 커지고 무게도 무거워지게 된다. 그러나 헤드 마운티드 디스플레이는 머리에 착용해야 하므로 장치의 크기와 무게에 한계가 있고, 광학계의 크기에도 한계가 있어서 충분히 넓은 시야를 확보하기 어려운 문제가 있다.
한편, 본 발명과 관련된 선행기술로서, 공개특허 제10-2016-0032656호(발명의 명칭: 증강 현실을 위한 광학장치, 공개일자: 2016년 03월 24일) 등이 개시된 바 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 디스플레이와 빔 스플리터 사이에서 영상 광의 광 경로상에 볼록렌즈를 배치하여, 디스플레이에서 출력되는 영상 광이 굴절되어 광학계로 입사되도록 설계를 최적화함으로써, 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓히고, 이를 통해 영상에 대한 몰입감을 증대시키고, 화면 활용의 효율을 증가시킬 수 있는, 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치는,
광학 장치로서,
사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계; 및
상기 광학계를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하는 디스플레이를 포함하되,
상기 광학계는,
상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터;
상기 디스플레이와 상기 빔 스플리터 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터를 향하여 볼록한 단일한 평볼록렌즈로서, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈; 및
상기 빔 스플리터를 기준으로 상기 볼록렌즈의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터 방향으로 반사시키는 오목미러를 포함하며,
상기 볼록렌즈는,
평평한 면이 상기 디스플레이로부터 1.0~1.5 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 13~15 ㎜ 이격되어 배치되며,
상기 볼록렌즈에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓힌 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 볼록렌즈는,
평평한 면이 상기 디스플레이로부터 1.3 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 14 ㎜ 이격되어 배치되며, 가장 두꺼운 중심 두께가 4.4 ㎜일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 오목미러는,
오목한 중심이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 10.4 ㎜ 이격되어 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광학계는,
상기 실제 세계를 향하는 상기 광학계의 전면을 구성하는 전면 윈도우; 및
상기 사용자의 눈 방향을 향하는 상기 광학계의 후면을 구성하는 후면 윈도우를 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 빔 스플리터는,
상기 전면 윈도우와 후면 윈도우 사이에 45도 각도의 대각 방향으로 설치되며, 0.4 ㎜ 두께일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 후면 윈도우는,
상기 빔 스플리터의 중심에서 8 ㎜ 이격될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치는,
머리 착용형 디스플레이 장치로서,
사용자가 머리에 착용할 수 있는 HMD 프레임; 및
상기 HMD 프레임을 착용한 사용자에게 증강 현실 또는 혼합 현실을 제공하는 광학 장치를 포함하며,
상기 광학 장치는,
상기 HMD 프레임을 착용한 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계; 및
상기 광학계를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하는 디스플레이를 포함하되,
상기 광학계는,
상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터;
상기 디스플레이와 상기 빔 스플리터 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터를 향하여 볼록한 단일한 렌즈로서, 상기 디스플레이에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈; 및
상기 빔 스플리터를 기준으로 상기 볼록렌즈의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터 방향으로 반사시키는 오목미러를 포함하며,
상기 볼록렌즈는,
평평한 면이 상기 디스플레이로부터 1.0~1.5 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터의 중심으로부터 13~15 ㎜ 이격되어 배치되며,
상기 볼록렌즈에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓힌 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광학계는,
상기 실제 세계를 향하는 상기 광학계의 전면을 구성하는 전면 윈도우; 및
상기 사용자의 눈 방향을 향하는 상기 광학계의 후면을 구성하는 후면 윈도우를 더 포함하며,
상기 광학계는,
상기 후면 윈도우와 상기 사용자의 동공 사이의 거리가 23 ㎜가 되도록 상기 HMD 프레임에 배치될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치에 따르면, 디스플레이와 빔 스플리터 사이에서 영상 광의 광 경로상에 볼록렌즈를 배치하여, 디스플레이에서 출력되는 영상 광이 굴절되어 광학계로 입사되도록 설계를 최적화함으로써, 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓히고, 이를 통해 영상에 대한 몰입감을 증대시키고, 화면 활용의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 안경 형태의 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 일반적인 밴드형태의 헤드 마운티드 디스플레이(HMD)의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 기존의 빔 스플리터를 이용한 광학 장치를 통해 영상 광이 사용자의 눈에 전달되는 모습을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치의 세부적인 설계를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치의 FOV를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)는, 볼록렌즈(112)를 포함하는 광학계(110), 및 디스플레이(120)를 포함하여 구성될 수 있고, 볼록렌즈(112)에 의해 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓힐 수 있다.
즉, 광학 장치(100)에서는, 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계(110), 및 광학계(110)를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하는 디스플레이(120)를 포함하여 증강 현실을 구현할 수 있다. 광학계(110)에 포함된 빔 스플리터(111)는 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 반사해 사용자의 눈으로 영상 정보를 전달한다. 빔 스플리터(111)는 입사되는 광의 일부는 반사하고 일부는 투과하는 광학 소자인데, 도 3에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(111)는 실제 세계는 투과되어 보이도록 하면서, 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 투과 및/또는 반사하여 사용자의 눈으로 영상 정보를 전달할 수 있다. 따라서 사용자는 광학계(110)를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 빔 스플리터(111)에서 반사된 영상 정보가 결합한 증강 현실을 경험할 수 있게 된다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이(120)와 빔 스플리터(111) 사이에 영상 광의 광 경로상에 볼록렌즈(112)를 배치할 수 있다. 따라서 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광이 볼록렌즈(112)에 의해 굴절되어 빔 스플리터(111)로 입사되도록 함으로써, 시야(Field of View; FOV)를 넓히고, 이를 통해 영상에 대한 몰입감을 증대시키고 화면 활용의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 구성하는 각 구성요소에 대해 상세히 설명하도록 한다.
광학계(110)는, 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 구성이다. 이러한 광학계(110)는 빔 스플리터(111)를 포함하여 증강 현실을 구현할 수 있다.
디스플레이(120)는, 광학계(110)를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 최적화된 화면으로 제공될 수 있도록 영상 광을 출력할 수 있다. 이러한 디스플레이(120)는 후술하게 될 제어부(300)의 제어 하에, 각종 정보를 증강 현실 기반으로 사용자에게 제공하는 영상 정보를 출력할 수 있다. OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등 다양한 디스플레이 소자를 이용해 구현될 수 있다. 또한, 디스플레이(120)가 출력하는 영상 광은, 656.2725 ㎚ (red), 546.0740 ㎚ (green), 486.1327 ㎚ (blue)의 세 파장(wavelength)으로 구성될 수 있다.
이때, 디스플레이(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자 눈의 전방에 있는 광학계(110)의 상측에 위치할 수 있으나, 좌측이나 우측, 광학계(110)의 아래 등에 위치할 수도 있다.
도 4는 기존의 빔 스플리터를 이용한 광학 장치를 통해 영상 광이 사용자의 눈에 전달되는 모습을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터를 이용한 기존의 광학 장치는, 빔 스플리터가 디스플레이에서 출력된 영상 광을 반사하여 사용자의 눈으로 영상 정보를 전달하는 방식으로 증강 현실을 구현할 수 있다. 이때, 빔 스플리터를 기준으로 디스플레이의 반대편에 미러를 배치하여, 빔 스플리터를 투과한 영상 광을 반사시켜 사용자의 눈에 효과적으로 전달되도록 할 수 있다. 다만, 도 4에 도시된 바와 같은 기존의 방식에 따르면 FOV가 약 15도 정도로 매우 좁은 문제가 있고, 이를 넓히기 위해서는 디스플레이를 크게 하거나, 미러를 크게 만들어야 해서, 광학 장치의 크기와 무게가 늘어나게 되는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)는, 디스플레이(120)와 빔 스플리터(111) 사이에서 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 빔 스플리터(111)를 향하여 볼록한 단일한 평볼록렌즈로서, 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈(112)를 포함할 수 있다. 따라서 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광이 볼록렌즈(112)를 통해 굴절되어 빔 스플리터(111)에 전달됨으로써, 디스플레이(120)를 크게 하거나, 미러를 크게 만들지 않더라도 40도 이상으로 FOV를 넓힐 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)의 세부적인 설계를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)에서, 볼록렌즈(112)는, 평평한 면이 디스플레이(120)로부터 1.0~1.5 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 13~15 ㎜ 이격되어 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 볼록렌즈(112)는, 반경값(R=1/곡률값)이 16.42 ㎜일 수 있고, 평평한 면이 디스플레이(120)로부터 1.3 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 14 ㎜ 이격되어 배치되며, 가장 두꺼운 중심 두께가 4.4 ㎜일 수 있다. 이와 같은 볼록렌즈(112)는, 단일한 렌즈로서, 1개의 렌즈를 추가하여 시야를 넓힐 수 있으므로, 광학계(110)가 아주 무거워지지 않으면서 시야각을 키울 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)의 FOV를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)는, θ대각선은 40.485°, θ가로는 35.2°, θ세로는 20°로 설계될 수 있다. 일반적으로 FOV는 θ대각선을 의미하는데, 본 발명은 볼록렌즈(112)를 추가하고, 도 5에 도시된 바와 같은 세부적인 수치 설계를 통해, FOV를 40도 이상, 40.485도로 넓힐 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)의 광학계(110)는, 빔 스플리터(111), 볼록렌즈(112) 및 오목미러(113)를 포함하여 구성될 수 있으며, 전면 윈도우(114) 및 후면 윈도우(115)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 볼록렌즈(112)에 대해서는 전술하여 상세히 설명하였으므로 이하에서는, 도 3 및 도 5를 참조하여 광학계(110)의 나머지 세부적인 구성에 대해 상세히 설명하도록 한다.
빔 스플리터(111)는, 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시킬 수 있다. 빔 스플리터(111)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 0.4 ㎜ 두께일 수 있다. 또한, 빔 스플리터(111)는, 디스플레이(120) 및 볼록렌즈(112)를 마주 보는 면으로서 영상 광을 투과하는 제1면(111-1) 및 오목미러(113)를 마주 보는 면으로서 오목미러(113)에서 반사된 영상 광을 사용자의 눈 방향으로 반사하는 제2면(111-2)을 포함할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광은, 볼록렌즈(112)에서 굴절되어 빔 스플리터(111)의 제1면(111-1)으로 입사하여 오목미러(113)를 마주 보는 제2면(111-2)으로 투과되어 오목미러(113)에 입사되며, 오목미러(113)에서 반사된 영상 광은 제2면(111-2)으로 입사하여 사용자의 눈 방향으로 반사되게 된다. 이때, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 볼록렌즈(112)를 포함함으로써, 볼록렌즈(112)가 없는 도 4의 기존 방식에 비하여, 광축을 기준으로 하였을 때, 빔 스플리터(111)에서 반사되어 눈으로 들어오는 각도가 더 커지고, 이에 따라 FOV가 더 넓어져서 사용자의 눈으로 더 큰 영상 정보가 전달될 수 있다.
오목미러(113)는, 빔 스플리터(111)를 기준으로 볼록렌즈(112)의 반대편에 배치되며, 빔 스플리터(111) 방향을 향하여 오목한 형상으로, 빔 스플리터(111)를 투과한 영상 광을 빔 스플리터(111) 방향으로 반사시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 오목미러(113)는, 반경값이 59.47 ㎜일 수 있고, 오목한 중심이 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 10.4 ㎜ 이격되어 배치될 수 있다.
전면 윈도우(114)는 실제 세계를 향하는 광학계(110)의 전면을 구성할 수 있고, 후면 윈도우(115)는 사용자의 눈 방향을 향하는 광학계(110)의 후면을 구성할 수 있다. 전면 윈도우(114) 및 후면 윈도우(115)는 투명한 글라스 형태로, 각각 0.7 ㎜ 두께일 수 있다.
또한, 빔 스플리터(111)는, 전면 윈도우(114)와 후면 윈도우(115) 사이에 45도 각도의 대각 방향으로 설치될 수 있다. 후면 윈도우(115)는, 빔 스플리터(111)의 중심에서 8 ㎜ 이격될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 볼록렌즈(112)는, 평평한 면이 디스플레이(120)로부터 1.3 ㎜ 이격되고, 가장 두꺼운 중심 두께가 4.4 ㎜이며, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 빔 스플리터(111)의 제1면(111-1)의 중심으로부터 14 ㎜ 이격되어 배치될 수 있다. 빔 스플리터(111)는 볼록렌즈(112)와 오목거울 사이에 배치되는데, 빔 스플리터(111)의 제2면(111-2)과 오목거울의 가장 오목한 중심 사이의 거리는 10.4 ㎜일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10)의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10)는, 광학 장치(100)와 HMD 프레임(200)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제어부(300), GPS 모듈(400), 카메라(500), 전원 공급부(600), 스위치부(700) 및 통신부(800)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
광학 장치(100)에 대해서는 도 3 내지 도 6에서 상세히 설명한 바 있으므로, 이하에서는 광학 장치(100)에 대한 설명은 생략하고 나머지 구성요소에 대해 상세히 설명하도록 한다.
HMD 프레임(200)은, 사용자가 머리에 착용할 수 있는 머리 착용형 디스플레이 장치(10)의 프레임 구성이다. 이러한 HMD 프레임(200)은, 사용자가 머리에 착용한 상태에서 빛이 들어올 수 있는 프레임 구조를 갖는 헬멧(helmet) 형태 또는 고글(goggles) 형태로 구성될 수 있다. 여기서, HMD 프레임(200)이 헬멧 형태로 이루어지는 경우, 사용자의 머리에 착용되는 헬멧(미도시)과 헬멧의 전방에 배치되는 디스플레이(120) 프레임(미도시) 구조로 구성될 수 있다. 또한, HMD 프레임(200)이 고글 형태로 구성되는 경우, 사용자의 머리에 착용될 수 있는 밴드 프레임(미도시)과, 밴드 프레임에 체결 고정되는 고글 프레임(미도시) 구조로 구성될 수 있다.
한편, 광학계(110)는, 후면 윈도우(115)와 사용자의 동공 사이의 거리가 23 ㎜가 되도록 HMD 프레임(200)에 배치될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(111)의 중심에서 직선 방향으로 HMD 프레임(200)을 착용하는 사용자의 동공이 위치하도록 구성하면서 눈까지의 거리를 최적화함으로써, 빔 스플리터(111)에서 반사된 영상 광이 사용자의 동공에 선명하고 넓은 시야로 최적화되어 도달하도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10)는, 영상 정보를 생성하여 디스플레이(120)로 전송되도록 제어하는 제어부(300), HMD 프레임(200)에 장착되어 위치 정보를 제공하기 위한 GPS 모듈(400), HMD 프레임(200)에 장착되어 사용자의 시선 방향의 영상을 촬영하기 위한 카메라(500), 머리 착용형 디스플레이 장치(10)의 구동을 위한 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(600), 전원 공급부(600)의 온/오프를 위한 스위치부(700), 및 제어부(300)의 제어 하에 데이터 통신을 수행하는 통신부(800)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, GPS 모듈(400)은 사용자의 위치 정보를 제공하고, 카메라(500)는 사용자가 바라보는 시선의 실제 세계를 촬영할 수 있다. 제어부(300)는, GPS 모듈(400), 카메라(500), 그 외 각종 센서에서 수집한 정보에 기초하여, 사용자에게 제공할 영상 정보를 생성해 디스플레이(120)로 전송되도록 제어함으로써, 사용자가 증강 현실을 통해 외부 환경에 대한 추가 정보 등을 최적화된 화면으로 전달받도록 할 수 있다.
또한, 스위치부(700)는 전원 공급부(600)의 온/오프를 위한 스위치를 HMD 프레임(200)의 일 측에 설치하거나, 또는 HMD 프레임(200)과 유선으로 연결되는 별도의 디바이스에 형성될 수 있다. 한편, 통신부(800)는 인접하는 다른 머리 착용형 디스플레이 장치(10)의 통신부(800)와 연동하여 연결 접속되고, 위치 정보, 센싱 정보 등 각종 정보가 서로 공유될 수 있도록 데이터 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 통신부(800)는 인터넷 접속이 가능한 3G/4G/5G 및 LTE를 포함하는 다양한 무선 통신 방식이 적용되는 것으로 이해될 수 있다.
한편, 디스플레이(120)는, 사용자의 좌안을 위한 영상 광과 사용자의 우안을 위한 영상 광을 각각 출력하도록, 복수 개로 구성될 수 있다. 즉, 머리 착용형 디스플레이 장치(10)는, 볼록렌즈(112)를 포함하는 광학계(110)와 디스플레이(120)로 각각 구성된 2개의 광학 장치(100)를 포함해, 사용자의 좌안 및 우안을 위한 영상 광을 각각 출력 및 반사하여 사용자의 좌안과 우안에 각각 영상 정보를 전달하여 증강 현실을 구현할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(120)는, HMD 프레임(200)에서 사용자의 양안 위치의 상면에 2개가 위치할 수 있다. 실시예에 따라서는, 디스플레이(120)는 HMD 프레임(200)의 양 측면에 위치할 수도 있다.
또한, 디스플레이(120)는, HMD 프레임(200)에서 사용자의 좌안 및/또는 우안의 위쪽에 위치하여, 사용자의 좌안 및/또는 우안의 전방에 배치된 광학계(110) 방향으로, 위에서 아래 방향으로 영상 광을 출력하거나, HMD 프레임(200)에서 사용자의 좌안 및/또는 우안의 측면에 위치하여, 사용자의 좌안 및/또는 우안의 전방에 배치된 광학계(110) 방향으로, 측면에서 사용자의 코 방향으로 영상 광을 출력할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10)에서는, 사용자의 좌안 및/또는 우안 앞에서, 위에서 아래 방향으로, 디스플레이(120), 볼록렌즈(112) 및 광학계(110)가 순서대로 배치될 수 있다. 또는, 사용자의 좌안 앞에서는 좌측에서 우측 방향으로, 사용자의 우안 앞에서는 우측에서 좌측 방향으로, 디스플레이(120), 볼록렌즈(112) 및 광학계(110)가 순서대로 배치될 수 있다. 이와 같이, 머리 착용형 디스플레이 장치(10)의 최적화를 위해 광학 장치(100)를 구성하는 구성요소들은 적절한 방향으로 회전하여 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하고 있는 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100) 및 이를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10)에 따르면, 디스플레이(120)와 빔 스플리터(111) 사이에서 영상 광의 광 경로상에 볼록렌즈(112)를 배치하여, 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광이 굴절되어 광학계(110)로 입사되도록 설계를 최적화함으로써, 시야를 40도 이상으로 넓히고, 이를 통해 영상에 대한 몰입감을 증대시키고, 화면 활용의 효율을 증가시킬 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 본 발명에 따른 머리 착용형 디스플레이 장치
100: 본 발명에 따른 광학 장치
110: 광학계
111: 빔 스플리터
111-1: 제1면
111-2: 제2면
112: 볼록렌즈
113: 오목미러
114: 전면 윈도우
115: 후면 윈도우
120: 디스플레이
200: HMD 프레임
300: 제어부
400: GPS 모듈
500: 카메라
600: 전원 공급부
700: 스위치부
800: 통신부

Claims (8)

  1. 광학 장치(100)로서,
    사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계(110); 및
    상기 광학계(110)를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하되, 656.2725 ㎚, 546.0740 ㎚, 및 486.1327 ㎚의 세 파장(wavelength)으로 구성되는 영상 광을 출력하는 디스플레이(120)를 포함하되,
    상기 광학계(110)는,
    상기 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터(111);
    상기 디스플레이(120)와 상기 빔 스플리터(111) 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터(111)를 향하여 볼록한 단일한 평볼록렌즈로서, 상기 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈(112);
    상기 빔 스플리터(111)를 기준으로 상기 볼록렌즈(112)의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터(111) 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터(111)를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터(111) 방향으로 반사시키는 오목미러(113);
    상기 실제 세계를 향하는 상기 광학계(110)의 전면을 구성하는 전면 윈도우(114); 및
    상기 사용자의 눈 방향을 향하는 상기 광학계(110)의 후면을 구성하는 후면 윈도우(115)를 포함하며,
    상기 빔 스플리터(111)는,
    상기 전면 윈도우(114)와 후면 윈도우(115) 사이에 45도 각도의 대각 방향으로 설치되며, 0.4 ㎜ 두께이고,
    상기 볼록렌즈(112)는,
    반경값이 16.42 ㎜인 평볼록렌즈로, 평평한 면이 상기 디스플레이(120)로부터 1.3 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 14 ㎜ 이격되어 배치되며, 가장 두꺼운 중심 두께가 4.4 ㎜이고,
    상기 오목미러(113)는,
    반경값이 59.47 ㎜이고, 오목한 중심이 상기 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 10.4 ㎜ 이격되어 배치되며,
    상기 전면 윈도우(114) 및 후면 윈도우(115)는 투명한 글라스 형태로, 각각 0.7 ㎜ 두께이고,
    상기 후면 윈도우(115)는,
    상기 빔 스플리터(111)의 중심에서 8 ㎜ 이격되며,
    상기 볼록렌즈(112)에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓히되, 상기 시야의 대각선은 40.485°, 가로는 35.2°, 세로는 20°로 설계되는 것을 특징으로 하는, 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 머리 착용형 디스플레이 장치(10)로서,
    사용자가 머리에 착용할 수 있는 HMD 프레임(200); 및
    상기 HMD 프레임(200)을 착용한 사용자에게 증강 현실 또는 혼합 현실을 제공하는 광학 장치(100)를 포함하며,
    상기 광학 장치(100)는,
    상기 HMD 프레임(200)을 착용한 사용자의 눈의 전방에 배치되며, 사용자의 시야를 통한 실제 세계(real world)가 투과되어 보일 수 있도록 하는 광학계(110); 및
    상기 광학계(110)를 통해 투과되어 보이는 실제 세계와 함께 영상 정보가 사용자에게 제공될 수 있도록 영상 광을 출력하되, 656.2725 ㎚, 546.0740 ㎚, 및 486.1327 ㎚의 세 파장(wavelength)으로 구성되는 영상 광을 출력하는 디스플레이(120)를 포함하되,
    상기 광학계(110)는,
    상기 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 상기 사용자의 눈 방향으로 반사하고, 실제 세계의 광을 투과시키는 빔 스플리터(111);
    상기 디스플레이(120)와 상기 빔 스플리터(111) 사이에서 상기 영상 광의 광 경로상에 배치되며, 상기 빔 스플리터(111)를 향하여 볼록한 단일한 렌즈로서, 상기 디스플레이(120)에서 출력되는 영상 광을 굴절시키는 볼록렌즈(112);
    상기 빔 스플리터(111)를 기준으로 상기 볼록렌즈(112)의 반대편에 배치되며, 상기 빔 스플리터(111) 방향을 향하여 오목한 형상으로, 상기 빔 스플리터(111)를 투과한 영상 광을 상기 빔 스플리터(111) 방향으로 반사시키는 오목미러(113);
    상기 실제 세계를 향하는 상기 광학계(110)의 전면을 구성하는 전면 윈도우(114); 및
    상기 사용자의 눈 방향을 향하는 상기 광학계(110)의 후면을 구성하는 후면 윈도우(115)를 포함하며,
    상기 빔 스플리터(111)는,
    상기 전면 윈도우(114)와 후면 윈도우(115) 사이에 45도 각도의 대각 방향으로 설치되며, 0.4 ㎜ 두께이고,
    상기 볼록렌즈(112)는,
    반경값이 16.42 ㎜인 평볼록렌즈로, 평평한 면이 상기 디스플레이(120)로부터 1.3 ㎜ 이격되고, 볼록한 면의 가장 볼록한 부분이 상기 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 14 ㎜ 이격되어 배치되며, 가장 두꺼운 중심 두께가 4.4 ㎜이고,
    상기 오목미러(113)는,
    반경값이 59.47 ㎜이고, 오목한 중심이 상기 빔 스플리터(111)의 중심으로부터 10.4 ㎜ 이격되어 배치되며,
    상기 전면 윈도우(114) 및 후면 윈도우(115)는 투명한 글라스 형태로, 각각 0.7 ㎜ 두께이고,
    상기 후면 윈도우(115)는,
    상기 빔 스플리터(111)의 중심에서 8 ㎜ 이격되며,
    상기 광학계(110)는,
    상기 후면 윈도우(115)와 상기 사용자의 동공 사이의 거리가 23 ㎜가 되도록 상기 HMD 프레임(200)에 배치되며,
    상기 볼록렌즈(112)에 의해 상기 영상 광이 굴절되어 시야(Field of View; FOV)를 40도 이상으로 넓히되, 상기 시야의 대각선은 40.485°, 가로는 35.2°, 세로는 20°로 설계되는 것을 특징으로 하는, 볼록렌즈(112)를 이용해 시야를 넓힌 광학 장치(100)를 이용한 머리 착용형 디스플레이 장치(10).
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