KR102366662B1 - 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈 - Google Patents

헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈 Download PDF

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aspherical lens
optical module
head mounted
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박만복
김성일
서준성
유환용
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(주)비젼에이드
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Abstract

본 발명의 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈은 광을 출력하는 마이크로 디스플레이; 상기 마이크로 디스플레이로부터 출력된 광을 수신하는 제1 비구면 렌즈; 상기 제1 비구면 렌즈를 투과한 광을 수신하는 제1 서브 프리즘 및 상기 제1 서브 프리즘으로부터 반사된 광을 수신하는 제2 서브 프리즘을 포함하는 프리즘; 및 상기 제2 서브 프리즘으로부터 수신한 광을 굴절시켜 사용자의 눈으로 전달하는 제2 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제1 서브 프리즘 및 상기 제2 서브 프리즘은 각각 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제2 비구면 렌즈에 대응되도록 배치되고, 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제1 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈을 기준으로 상부에 배치되고, 상기 제2 비구면 렌즈 및 상기 제2 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈과 일직선 상에 배치될 수 있다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈{OPTICAL MOCULE FOR HEAD MOUNTED DISPLAY}
본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 포함된 광학 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구현되는 이미지의 왜곡을 최소화하기 위한 광학 모듈에 관한 것이다.
최근, 가상 현실 또는 증강 현실을 구현할 수 있는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 해당 장치는 사용자의 머리에 마운트되어 사용자에게 디스플레이를 제공하는 헤드 마운티드 디스플레이(HMD) 장치로, 내부 광학계에 의해 이미지의 선명도, 퀄리티 및 왜곡 정도가 정해질 수 있다.
한편, 구현되는 이미지의 왜곡은 정확한 이미지 전달이 어려우며, 사용자에게 불편함을 줄 수 있다. 심하게는, 이미지 왜곡으로 인해 멀미가 유발되는 등, 사용자가 가상 현실 또는 증강 현실을 이용하기 어려울 수 있다. 이에, 이미지의 왜곡 정도와 함께 광학 모듈의 사이즈를 최소화할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈을 구현하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 과제는 왜곡을 보완할 수 있는 비구면 렌즈를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈은 광을 출력하는 마이크로 디스플레이; 상기 마이크로 디스플레이로부터 출력된 광을 수신하는 제1 비구면 렌즈; 상기 제1 비구면 렌즈를 투과한 광을 수신하는 제1 서브 프리즘 및 상기 제1 서브 프리즘으로부터 반사된 광을 수신하는 제2 서브 프리즘을 포함하는 프리즘; 및 상기 제2 서브 프리즘으로부터 수신한 광을 굴절시켜 사용자의 눈으로 전달하는 제2 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제1 서브 프리즘 및 상기 제2 서브 프리즘은 각각 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제2 비구면 렌즈에 대응되도록 배치되고, 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제1 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈을 기준으로 상부에 배치되고, 상기 제2 비구면 렌즈 및 상기 제2 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈과 일직선 상에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제2 비구면 렌즈는 상기 제1 비구면 렌즈의 편평한 면인 제1 면 및 상기 제2 비구면 렌즈의 편평한 면인 제2 면이 상기 프리즘의 일면과 평행하도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제1 비구면 렌즈와 상기 제1 서브 프리즘 사이의 최소 거리인 제1 거리는 상기 제2 비구면 렌즈와 상기 제2 서브 프리즘 사이의 최소 거리인 제2 거리보다 짧을 수 있다.
여기서, 상기 제2 비구면 렌즈 및 상기 제2 서브 프리즘 사이에 사분파장판(QWP: Quarter Wave Plate) 필름이 배치될 수 있다.
여기서, 상기 사분파장판 필름과 상기 제2 서브 프리즘 사이의 거리는 0.1mm일 수 있다.
여기서, 상기 제2 비구면 렌즈는 이미지 선명도를 개선하기 위해 미러 코팅을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 서브 프리즘은 상기 제2 서브 프리즘으로 광을 반사시키는 제1 반사면을 포함하고, 상기 제1 반사면은 편광 빔 스플리터(PBS: Polarizing Beam Splitter) 필름이 부착된 면일 수 있다
여기서, 상기 제2 서브 프리즘은 상기 제2 비구면 렌즈로 광을 반사시키는 제2 반사면을 포함하고, 상기 제2 반사면은 와이어 그리드 편광 필름(WGF: Wire Grid polarizer Film)이 부착된 면일 수 있다.
여기서, 옆면에서 봤을 때, 상기 제1 반사면 및 상기 제2 반사면은 상기 프리즘의 일면과 수직인 선을 기준으로 서로 대칭일 수 있다.
여기서, 상기 제1 반사면 및 상기 제3 반사면은 제1 각도를 이루도록 배치되고, 옆면에서 봤을 때, 상기 제1 비구면 렌즈의 길이가 a이고, 상기 제1 반사면의 길이가 L인 경우, 상기 제1 각도는
Figure 112021152286461-pat00001
보다 작거나 같도록 설계될 수 있다.
여기서, 상기 마이크로 디스플레이는 LCD, LCOS 또는 OLED일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 마이크로 디스플레이로부터 출력되는 광을 수신하는 비구면 렌즈를 포함하여, 구현되는 이미지의 왜곡을 최소화시키는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈이 제공될 수 있다.
도 1은 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈을 비교하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 본원 발명의 광학 모듈을 옆면에서 본 모습을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지를 비교하기 위한 도면이다.
도 5는 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡 정도를 비교하기 위한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 판례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 도는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
도 1은 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈을 비교하기 위한 도면이다. 도 1(a)는 종래의 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈을 나타내고, 도 1(b)는 본원 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈을 나타낸다.
도 1(a)을 참조하면, 종래의 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈은 마이크로 디스플레이(10), 프리즘(30) 및 비구면 렌즈(40)를 포함할 수 있다.
마이크로 디스플레이(10)에서 출력된 광이 프리즘(30)에 반사되고, 다시 비구면 렌즈(40)에 반사되어 헤드 마운티드 디스플레이의 사용자 눈을 향하게 된다.
그러나, 종래의 광학 모듈에 의해 구현되는 이미지는 가장자리로 갈수록 왜곡(distortion) 정도가 증가하여, 원하는 이미지를 구현하지 못하는 문제가 존재한다. 또한, 왜곡된 이미지는 사용자의 눈에 피로감을 주고, 멀미를 유발할 수 있어, 증강 현실 또는 가상 현실을 구현하는 장치에 적용하기에는 이와 같은 문제가 존재한다.
본원 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈을 제안한다.
도 1(b)를 참조하면, 본원 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈은 마이크로 디스플레이(10), 제1 비구면 렌즈(20), 프리즘(30) 및 제2 비구면 렌즈(40)를 포함할 수 있다. 본원 발명의 광학 모듈은 종래의 광학 모듈에 제1 비구면 렌즈(20)를 추가적으로 포함하여, 이미지 왜곡의 문제를 해결할 수 있다.
종래의 광학 모듈에 포함된 비구면 렌즈는 이미지 퀄리티를 향상시키기 위한 목적이었다. 그러나, 본원 발명의 광학 모듈은 이미지 퀄리티를 향상시키기 위한 제2 비구면 렌즈(40)와 함께 이미지의 왜곡을 보완하기 위한 제1 비구면 렌즈(20)를 포함할 수 있다. 따라서, 본원 발명의 광학 모듈은 높은 퀄리티의 이미지를 구현함과 동시에 거의 왜곡되지 않은 이미지를 구현할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 본원 발명의 광학 모듈을 옆면에서 본 모습을 도시한 도면이다.
도 2(a)는 옆면에서 일 실시예에 따른 본원 발명의 광학 모듈의 구성 요소를 나타내기 위한 도면이고, 도 2(b)는 옆면에서 일 실시예에 따른 본원 발명의 광학 모듈의 광 경로를 나타내기 위한 도면이다.
도 2(a)를 참조하면, 본원 발명의 헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈(100)은 마이크로 디스플레이(10), 커버 클라스(15), 제1 비구면 렌즈(20), 프리즘(31, 32, 33, 34), 제2 비구면 렌즈(40) 및 백라이트 유닛(50)을 포함할 수 있다.
마이크로 디스플레이(10)는 외부 광을 이용하여 화상을 생성하는 방식의 디스플레이일 수 있다. 구체적으로 백라이트 유닛(50)에 의해 출력된 광은 프리즘(31, 33)에 의해 마이크로 디스플레이(10)에 전달될 수 있다. 마이크로 디스플레이(10)는 백라이트 유닛(50)의 광을 이용하여 이미지를 구현할 수 있는 광을 출력할 수 있다. 이때, 마이크로 디스플레이(10)는 LCD, LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 또는 OLED일 수 있다.
마이크로 디스플레이(10)로부터 출력된 광은 커버 글라스(15)에 전달될 수 있다. 커버 글라스(15)는 투명한 재질로, 마이크로 디스플레이(10)로부터 출력된 광을 투과시킬 수 있다.
제1 비구면 렌즈(20)는 커버 글라스(15)를 투과한 광을 수신할 수 있다. 제1 비구면 렌즈(20)는 수신한 광을 프리즘(31)에 전달할 수 있다. 제1 비구면 렌즈(20)는 편평한 면인 제1 면과 곡률을 가진 면인 제1 곡면을 가질 수 있다. 제1 비구면 렌즈(20)는 제1 면이 프리즘(31)과 대향되고, 제1 곡면이 마이크로 디스플레이(10) 및 커버 글라스(15)와 대향되도록 배치될 수 있다.
본원 발명은 마이크로 디스플레이(10)와 프리즘(31) 사이에 제1 비구면 렌즈를 배치함으로써 구현되는 이미지의 왜곡 현상을 최소화할 수 있다. 구체적으로, 제1 비구면 렌즈는 렌즈를 통과하는 여러 광을 집광시켜 한 개의 초점을 형성할 수 있다.
프리즘(31, 32, 33, 34)은 복수의 서브 프리즘으로 나뉠 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 서브 프리즘(31)은 제1 비구면 렌즈(20)를 투과한 광을 수신할 수 있다. 또한, 제2 서브 프리즘(32)은 제1 서브 프리즘(31)에 의해 반사된 광을 수신할 수 있다.
또한, 제3 서브 프리즘(33)은 백라이트 유닛(50)으로부터 출력된 광을 수신할 수 있다. 또한, 제4 서브 프리즘(34)은 제2 비구면 렌즈(40)에 의해 굴절된 광을 수신하여 헤드 마운티드 디스플레이 사용자의 눈으로 전달할 수 있다.
프리즘(31, 32, 33, 34)은 제1 비구면 렌즈(20)의 제1 면과 평행한 일면(3)을 가질 수 있다. 상기 일면(3)은 제1 서브 프리즘(31) 및 제2 서브 프리즘(32)의 일면을 포함할 수 있다.
제1 서브 프리즘(31)은 제1 비구면 렌즈(20)를 투과한 광을 수신하므로, 제1 비구면 렌즈(20)에 대응되도록 배치될 수 있다. 제2 서브 프리즘(32)은 제2 비구면 렌즈(40)로 광을 반사시키므로, 제2 비구면 렌즈(40)에 대응되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 서브 프리즘(31) 및 제2 서브 프리즘(32)은 각각 제1 비구면 렌즈(20) 및 제2 비구면 렌즈(40)에 대응되도록 배치될 수 있다.
구체적으로, 제1 서브 프리즘(31)은 제1 비구면 렌즈(20)와 일직선 상에 배치되고, 제2 서브 프리즘(32)은 제2 비구면 렌즈(40)와 일직선 상에 배치될 수 있다. 이때, 옆면에서 볼 때 제1 서브 프리즘(31) 및 제1 비구면 렌즈(20)는 제2 서브 프리즘(32) 및 제2 비구면 렌즈(40)의 상부에 배치될 수 있다. 이는 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 사이즈를 축소시키기 위한 최적의 배치일 수 있다.
예를 들어, 제1 비구면 렌즈(20), 제2 비구면 렌즈(40), 제1 서브 프리즘(31) 및 제2 서브 프리즘(32)이 광 경로를 따라 모두 일직선 상에 배치된다면, 해당 광학 모듈을 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 한쪽으로 길이가 길어질 수 있다.
사용자의 머리에 마운트 되는 장치의 특성상, 장치의 길이가 한쪽으로 길어진다면, 사용자의 목에 부담이 갈 수 있고, 장치의 부피가 불필요하게 커져 휴대하기 불편할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 본원 발명의 광학 모듈은 광학 엘리먼트들을 일직선 상이 아닌 상하부로 배치하여 광 경로가 일 축으로 길어지지 않도록 하는 배치를 갖는다.
제1 서브 프리즘(31)은 제1 비구면 렌즈(20)에 의해 반사된 광을 수신하여 제2 서브 프리즘(32)으로 반사시키는 제1 반사면(1)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 반사면(1)에는 편광 빔 스플리터(PBS: Polarizing Beam Splitter) 필름(60)이 부착될 수 있다. 백라이트 유닛(50)으로부터 출력된 광은 편광 빔 스플리터 필름(60)에 의해 분리되어 제1 서브 프리즘(31) 및 제3 서브 프리즘(33)을 통해 마이크로 디스플레이(10)에 전달될 수 있다.
제1 서브 프리즘(31)의 제1 반사면(1)은 프리즘의 일면(3)과 제1 각도(θ)를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제1 각도는 제1 비구면 렌즈의 초점 거리, 마이크로 디스플레이(10)와 제1 서브 프리즘(31) 사이의 거리 등에 기초하여 정해질 수 있다. 또한, 상기 제1 각도는 옆면에서 봤을 때 제1 서브 프리즘(31)의 길이가 제1 비구면 렌즈의 길이보다 크거나 같도록 설계될 수 있다.
구체적으로, 옆면에서 봤을 때 제1 비구면 렌즈(20)의 길이가 a이고, 제1 반사면(1)의 길이가 L인 경우, 제1 각도는
Figure 112021152286461-pat00002
보다 작거나 같도록 설계될 수 있다.
또한, 광학 모듈의 사이즈를 최소화하기 위해, 옆면에서 본 제1 서브 프리즘(31)의 길이는 제1 비구면 렌즈(20)보다는 크지만, 마이크로 디스플레이(10)의 길이보다는 작도록 설정될 수 있다.
구체적으로, 옆면에서 봤을 때 제1 비구면 렌즈(20)의 길이가 a이고, 마이크로 디스플레이의 길이가 b이고, 제1 반사면(1)의 길이가 L인 경우, 제1 각도는
Figure 112021152286461-pat00003
보다 작거나 같고,
Figure 112021152286461-pat00004
보다는 크거나 같을 수 있다.
제2 서브 프리즘(32)은 제1 서브 프리즘(31)에 의해 반사된 광을 수신할 수 있다. 구체적으로, 제1 서브 프리즘(31)에 의해 반사된 광을 수신하고, 광을 다시 제2 비구면 렌즈(40)로 반사시킬 수 있다.
제2 서브 프리즘(32)은 제2 비구면 렌즈(40)로 광을 반사시키는 제2 반사면(2)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 반사면(2)에는 와이어 그리드 편광 필름(WGF: Wire Grid polarizer Film)이 부착될 수 있다. 제1 서브 프리즘(31)에 의해 반사된 광은 와이드 그리드 편광 필름(70)에 의해 편광되어 제2 비구면 렌즈(40)에 전달될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 서브 프리즘(32)은 제1 서브 프리즘(31)과 동일한 형태를 가지고, 대칭되게 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 서브 프리즘(31) 및 제2 서브 프리즘(32)은 옆에서 봤을 때 프리즘의 일면(3)에 수직인 수직선(4)을 기준으로 상하로 대칭되게 배열될 수 있다. 또한 구체적으로, 제1 서브 프리즘(31)의 제1 반사면(1) 및 제2 서브 프리즘(32)의 제2 반사면(2)은 옆에서 봤을 때, 상기 수직선(4)을 기준으로 서로 대칭일 수 있다.
제2 비구면 렌즈(40)는 제2 서브 프리즘(32)에 의해 반사된 광을 수신할 수 있다. 제2 비구면 렌즈(40)는 편평한 면인 제2 면과 곡률을 가진 면인 제2 곡면을 가질 수 있다. 제2 비구면 렌즈(40)는 제2 곡면이 제2 서브 프리즘(32)과 대향되도록 배치될 수 있다. 이때, 이미지의 선명도를 포함한 이미지의 퀄리티를 향상시키기 위해 제2 곡면에는 미러 코팅이 포함될 수 있다. 또한 이때, 제2 면은 프리즘의 일면(3)과 평행할 수 있다.
제2 비구면 렌즈(40)와 제2 서브 프리즘(32) 사이에 사분파장판(QWP: Quarter Wave Plate) 필름(80)이 배치될 수 있다. 제2 서브 프리즘(32)의 제2 반사면(2)에 부착된 와이드 그리드 편광 필름(70)에 의해 편광된 광은 사분파장판 필름(80)에 의해 다시 편광될 수 있다.
이때, 사분파장판 필름(80)은 제2 비구면 렌즈(40)에 부착될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 사분파장판 필름(80)과 제2 서브 프리즘(32) 사이에는 에어갭이 존재할 수 있다. 예를 들어, 사분파장판 필름(80)과 제2 서브 프리즘(32) 사이의 거리는 0.1mm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 서브 프리즘(31)과 제1 비구면 렌즈(20) 사이의 최소 거리인 제1 거리는 제2 서브 프리즘(32)과 제2 비구면 렌즈(40) 사이의 최소 거리인 제2 거리보다 짧을 수 있다. 제2 비구면 렌즈(40)와 제2 서브 프리즘(32) 사이에 에어갭과 편광 필름을 두어, 이미지 퀄리티를 향상시킬 수 있다. 상기 제2 거리는 제2 비구면 렌즈(40)의 초점 거리, 두께, 구현 이미지 및 편광 필름 등에 의해 정해질 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 마이크로 디스플레이(10)로부터 사용자의 눈까지의 광 경로를 알 수 있다. 광 경로는 제1 비구면 렌즈(20)의 광축을 지나는 광을 중심으로 설명한다.
마이크로 디스플레이(10)로부터 출력된 광은 커버 글라스(15)를 투과하여 제1 비구면 렌즈(20)에 도달할 수 있다. 제1 비구면 렌즈(20)는 수신한 광을 제1 서브 프리즘(31)으로 전달할 수 있다. 이때, 제1 비구면 렌즈(20)는 마이크로 디스플레이(10)와 제1 서브 프리즘(31) 사이에 비구면 렌즈가 존재하지 않았을 때보다, 집광 효율을 증가시킬 수 있다.
제1 서브 프리즘(31)은 수신한 광을 제1 반사면(1)에 의해 제2 서브 프리즘(32)으로 반사시킬 수 있다. 제2 서브 프리즘(32)은 수신한 광을 내부적으로 반사시킨 후, 다시 제2 반사면(2)을 통해 반사시켜 제2 비구면 렌즈(40)로 전달할 수 있다. 제2 비구면 렌즈(40)는 수신한 광을 굴절시켜 사용자의 눈으로 전달할 수 있다.
도 3 및 도 4는 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지를 비교하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 종래의 광학 모듈이 적용된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 의해 구현된 이미지를 나타낸 도면으로, 시야각(FOV)은 45도이고, 눈동자 거리(Eye Relief)는 15mm이다. 도 3(b)는 본원 발명의 광학 모듈이 적용된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 의해 구현된 이미지를 나타낸 도면으로, 시야각은 40도이고, 눈동자 거리는 20mm이다.
도 3(a)와 도 3(b)를 비교하면, 건물의 오른쪽 창틀을 기준으로, 도 3(a)는 창틀이 휘어진 반면, 도 3(b)의 창틀은 곧은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡이 종래 기술보다 훨씬 적은 것을 알 수 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 종래의 광학 모듈이 적용된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 의해 구현된 이미지를 나타낸 도면으로, 시야각은 45도이고, 눈동자 거리는 15mm이다. 도 4(c) 및 도 4(d)는 본원 발명의 광학 모듈이 적용된 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 의해 구현된 이미지를 나타낸 도면으로, 시야각은 40도이고, 눈동자 거리는 20mm이다.
도 4(a), 도 4(b), 도 4(c) 및 도 4(d)를 비교하면, 도 4(a) 및 도 4(b)는 이미지에 오목 일그러짐 현상(pincushion distortion)이 발생한 것을 알 수 있다. 반면, 도 4(c) 및 도 4(d)는 비교적 왜곡 현상이 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 종래의 광학 모듈과 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡 정도를 비교하기 위한 도면이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 종래의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡 정도를 나타낸 도면으로, 시야각은 45도이고, 눈동자 거리는 15mm이다. 도 5(c) 및 도 5(d)는 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡 정도를 나타낸 도면으로, 시야각은 40도이고, 눈동자 거리는 20mm이다.
센터 퓨필(center pupil)에서의 왜곡 정도를 나타내는 도 5(a) 및 도 5(c)를 비교하면, 도 5(a)는 그리드와 점 사이의 부정합 정도가 7.153%인 반면, 도 5(c)는 그리드와 점 사이의 부정합 정도가 1.608%임을 알 수 있다.
사이드 퓨필(side pupil)에서의 왜곡 정도를 나타내는 도 5(b) 및 도 5(d)를 비교하면, 도 5(b)는 그리드와 점 사이의 부정합 정도가 7.162%인 반면, 도 5(d)는 그리드와 점 사이의 부정합 정도가 1.608%임을 알 수 있다.
따라서, 종래의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지보다 본원 발명의 광학 모듈에 의해 구현된 이미지의 왜곡 정도가 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 헤드 마운티드 디스플레이(HMD: Head Mounted Display)용 광학 모듈에 있어서,
    광을 출력하는 마이크로 디스플레이;
    상기 광학 모듈에 의해 구현되는 이미지의 왜곡률을 감소시키고 상기 이미지의 해상도를 향상시키기 위해 상기 마이크로 디스플레이로부터 출력된 광을 수신하여 광들이 수렴하도록 수신한 광의 경로를 변경하는 제1 비구면 렌즈;
    상기 제1 비구면 렌즈를 투과한 광을 수신하는 제1 서브 프리즘 및 상기 제1 서브 프리즘으로부터 반사된 광을 수신하는 제2 서브 프리즘을 포함하는 프리즘; 및
    상기 제2 서브 프리즘으로부터 수신한 광을 굴절시켜 사용자의 눈으로 전달하는 제2 비구면 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 서브 프리즘 및 상기 제2 서브 프리즘은 각각 상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제2 비구면 렌즈에 대응되도록 배치되고,
    상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제1 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈을 기준으로 상부에 배치되고, 상기 제2 비구면 렌즈 및 상기 제2 서브 프리즘은 상기 사용자의 눈과 일직선 상에 배치되고,
    크기를 최소화하기 위해, 옆면에서 봤을 때, 상기 제1 서브 프리즘의 세로 길이는 상기 제1 비구면 렌즈의 세로 길이보다 크고 상기 마이크로 디스플레이의 세로 길이보다 작도록 설정된
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비구면 렌즈 및 상기 제2 비구면 렌즈는 상기 제1 비구면 렌즈의 편평한 면인 제1 면 및 상기 제2 비구면 렌즈의 편평한 면인 제2 면이 상기 프리즘의 일면과 평행하도록 배치되는
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 비구면 렌즈와 상기 제1 서브 프리즘 사이의 최소 거리인 제1 거리는 상기 제2 비구면 렌즈와 상기 제2 서브 프리즘 사이의 최소 거리인 제2 거리보다 짧은
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 비구면 렌즈 및 상기 제2 서브 프리즘 사이에 사분파장판(QWP: Quarter Wave Plate) 필름이 배치되는
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 사분파장판 필름과 상기 제2 서브 프리즘 사이의 거리는 0.1mm인
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 비구면 렌즈는 이미지 선명도를 개선하기 위해 미러 코팅을 포함하는
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 서브 프리즘은 상기 제2 서브 프리즘으로 광을 반사시키는 제1 반사면을 포함하고,
    상기 제1 반사면은 편광 빔 스플리터(PBS: Polarizing Beam Splitter) 필름이 부착된 면인
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 서브 프리즘은 상기 제2 비구면 렌즈로 광을 반사시키는 제2 반사면을 포함하고,
    상기 제2 반사면은 와이어 그리드 편광 필름(WGF: Wire Grid polarizer Film)이 부착된 면인
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    옆면에서 봤을 때, 상기 제1 반사면 및 상기 제2 반사면은 상기 프리즘의 일면과 수직인 선을 기준으로 서로 대칭인
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 반사면 및 상기 프리즘의 일면은 제1 각도를 이루도록 배치되고,
    옆면에서 봤을 때, 상기 제1 비구면 렌즈의 길이가 a이고, 상기 마이크로 디스플레이의 길이가 b이고, 상기 제1 반사면의 길이가 L인 경우,
    상기 제1 각도는 cos-1(a/L)보다 작거나 같고, cos-1(b/L)보다 크거나 같도록 설계된
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 디스플레이는 LCD, LCOS 또는 OLED인
    헤드 마운티드 디스플레이용 광학 모듈.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060119711A (ko) * 2004-03-08 2006-11-24 소니 가부시끼 가이샤 화상표시장치
US20090052047A1 (en) * 2006-02-14 2009-02-26 Lumus Ltd. Substrate-guided imaging lens
KR20190131509A (ko) * 2017-03-09 2019-11-26 아리조나 보드 오브 리전츠 온 비해프 오브 더 유니버시티 오브 아리조나 통합 이미징 및 도파관 프리즘을 구비한 헤드 장착 광 필드 디스플레이
KR20200023966A (ko) * 2018-08-27 2020-03-06 주식회사 파노비젼 전반사 구조를 갖는 투과형 hmd 광학시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060119711A (ko) * 2004-03-08 2006-11-24 소니 가부시끼 가이샤 화상표시장치
US20090052047A1 (en) * 2006-02-14 2009-02-26 Lumus Ltd. Substrate-guided imaging lens
KR20190131509A (ko) * 2017-03-09 2019-11-26 아리조나 보드 오브 리전츠 온 비해프 오브 더 유니버시티 오브 아리조나 통합 이미징 및 도파관 프리즘을 구비한 헤드 장착 광 필드 디스플레이
KR20200023966A (ko) * 2018-08-27 2020-03-06 주식회사 파노비젼 전반사 구조를 갖는 투과형 hmd 광학시스템

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