KR102399901B1 - 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이 - Google Patents

광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기하광학적으로 수평 및 수직의 출사동 확장수단을 같는 투과형 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다. 이를 위해, 투과형 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 이미지광(301)을 생성하는 디스플레이 패널(30); 수직방향으로 배열된 복수의 프리즘을 포함하고, 프리즘으로 입사된 이미지광(301)을 일부 반사 및 일부 투과하여 복수개로 분할함으로써 수직방향으로 확장하여 수직확장 출사동(55)을 생성하는 수직 출사동 확장수단; 및 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되고, 입사된 이미지광(301)의 출사동을 수평방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(33);를 포함하고, 도파로(33)는, 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되어 전반사되는 사용자 대응면(331); 사용자 대응면(331)과 평행하게 마련된 도파내면(333); 및 도파로(33) 내에서 도파내면(333)에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 도파내면(333)과 경사각(θr)을 유지하는 분할경사면(332)을 포함하고, 그리고 도파로(33)의 도파입사면(36)은 이미지광(301)이 사용자 대응면(331)에서 전반사 되도록 헤드각(θi)을 유지하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이가 제공된다.

Description

광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이{See-through type head mounted display with optical eye-box expansion means}
본 발명은 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기하광학적으로 수평 및 수직의 출사동 확장수단을 같는 투과형 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.
일반적으로, 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display, HMD)는 사용자의 머리에 착용한 상태에서 영상을 디스플레이 하는 장치이다. 최근, 헤드 마운트 디스플레이를 사용하여 가상 현실 또는 증강 현실의 콘텐츠를 제공하는 기술이 증가하고 있다.
이러한 헤드 마운트 디스플레이에는 회절 도파관을 이용한 투과형 HMD 광학 시스템이 적용된다. 도 1은 종래의 출사동 확장 회절광학계의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회절 도광판(10)은 광가이드부(11)와, 광가이드부(11)의 일면 또는 타면 측에 마련되며 복수의 선형 미세격자 패턴을 갖는 복수의 회절 광학소자(12, 13, 14)를 구비할 수 있다. 회절 도광판(10)은 광원출력모듈(5)을 통해 출력된 광이 입력되어 광가이드부(11) 상에 안내되도록 하는 입력 회절 광학소자(12)와, 광가이드부(11)를 통해 입력 회절 광학소자(12)와 광학적으로 커플링되며 입력 회절 광학소자(12)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제1방향(도 1에서의 x축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어질 수 있도록 하는 중간 회절 광학소자(13) 및 광가이드부(11)를 통해 중간 회절 광학소자(13)와 광학적으로 커플링되며 중간 회절 광학소자(13)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제2방향(도 1에서의 y축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어진 채 광가이드부(11)로부터 출력되어 사용자(15)의 동공으로 향할 수 있도록 하는 출력 회절 광학소자(14)를 구비하고 있다.
이러한 종래의 회절광학계는 광원출력모듈(5)을 통해 출력된 광의 사용자(15)의 동공으로 도달하기 위한 주된 광경로는, 입력 회절 광학소자(12) - 중간 회절 광학소자(13) - 출력 회절 광학소자(14) - 사용자(15)의 동공 순이다. 최초의 입력 회절 광학소자(12)의 면적 대비 최종 출력 회절 광학소자(14)에서 출력되는 출력광의 면적이 수평(x축방향) 및 수직(y축 방향) 모두 훨씬 크기 때문에 수평 및 수직 출사동(eye-box) 확장이 이루어져 사용자는 보다 편하게 출력되는 영상광을 시청할 수 있는 특징을 가진다. 여기서 출사동이란 최대의 시야각으로 동일한 이미지광을 볼 수 있는 가장 넓은 면적 크기를 말하며, 출사동의 크기가 클수록 사용자(15)의 동공을 위치시킬 수 있는 범위가 커져 사용자는 사용 편의성을 높일 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 출사동 확장 회절광학계는 입력 회절 광학소자(12), 중간 회절 광학소자(13) 및 출력 회절 광학소자(14)가 광가이드부(11) 상에서 서로 분리되어 배치되며 영상광의 입력에서 출력까지 많은 내부전반사와 회절이 이루어지므로 광가이드(11) 표면과 각 회절 광학소자(12, 13, 14)가 매우 정밀하게 가공되지 않으면 영상에 이중상이 생기거나 선명하지 않은 상을 출력할 가능성이 매우 높아 양산성이 매우 떨어지는 단점이 있다.
또한, 회절의 물리적 특성상 원하는 각도의 회절 광량이 기하광학을 통한 반사광량보다 매우 적을 뿐 아니라, 총 3회의 회절반응을 통해 이미지 광이 출력되므로 광효율이 매우 떨어져 매우 강한 입사광을 사용해야 하는 단점을 추가로 가진다. 또한 회절이 여러 방향으로 이루어지므로 사용자(15)의 동공 방향뿐만 아니라 반대 방향으로도 출력광이 생기므로 외부에서 사용자가 보고 있는 화면을 동시에 볼 수 있어 보안에 문제가 생길 수도 있다.
1. 미국 특허 공개 제 20160231568 호, 2. 대한민국 특허 등록 제 10-2201723호, 3. 대한민국 특허 등록 제 10-977232호.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 광의 물질 내부 전반사를 통해 영상광을 접는 효과가 있는 도파로를 적용해 부피와 무게를 최소화하면서도 수평과 수직 방향의 출사동 확대수단을 동시에 갖는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은, 도파로 내 전반사 횟수를 최소화하여 반사 오차에 대한 민감도를 낮춤으로써, 플라스틱 사출 양산이 가능하도록 하고 제품의 단가를 낮추도록 할 수 있는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제 3 목적은, 도파로 내부에서 외부로 영상광의 출력수단을 광 손실이 많은 회절광학수단을 배제하고 기하광학적 반사면을 적용하여 광효율을 최대화함으로써 전력손실을 줄이고 밝은 화면을 제공할 수 있는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은, 도파로 내부로 입사되는 영상광을 기하광학적 방법으로 정밀 유도하고 사용자(15) 측으로 출력되는 광경로 이외의 경로를 차단함으로써 외부에서 사용자가 시청하는 영상을 볼 수 없도록 보안이 강화된 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 투과형 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 이미지광(301)을 생성하는 디스플레이 패널(30); 수직방향으로 배열된 복수의 프리즘을 포함하고, 프리즘으로 입사된 이미지광(301)을 일부 반사 및 일부 투과하여 복수개로 분할함으로써 수직방향으로 확장하여 수직확장 출사동(55)을 생성하는 수직 출사동 확장수단; 및 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되고, 입사된 이미지광(301)의 출사동을 수평방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(33);를 포함하고, 도파로(33)는, 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되어 전반사되는 사용자 대응면(331); 사용자 대응면(331)과 평행하게 마련된 도파내면(333); 및 도파로(33) 내에서 도파내면(333)에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 도파내면(333)과 경사각(θr)을 유지하는 분할경사면(332)을 포함하고, 그리고 도파로(33)의 도파입사면(36)은 이미지광(301)이 사용자 대응면(331)에서 전반사 되도록 헤드각(θi)을 유지하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이가 제공된다.
또한, 수직 출사동 확장수단은, 이미지광(301)이 입사되는 삼각프리즘(52); 평행사변형 형상이고, 삼각프리즘(52)의 상부 경사면(511a)에 접하도록 배치된 제 1 프리즘(51a); 및 평행사변형 형상이고, 삼각프리즘(52)의 하부 경사면(511b)에 접하도록 배치된 제 2 프리즘(51b);으로 구성된다.
또한, 상부 경사면(511a)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 더 구비되고, 하부 경사면(511b)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 더 구비된다.
또한, 제 1 프리즘(51a)의 최상부면에는, 입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512a); 및 위상변위필름(512a)의 배면에 구비되는 반사판(513a);이 더 구비된다.
또한, 제 2 프리즘(51b)의 최하부면에는, 입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512b); 및 위상변위필름(512b)의 배면에 구비되는 반사판(513b);이 더 구비된다.
또한, 분할경사면(332)은, 사용자 대응면(331)에서 전반사된 이미지광(301)을 부분 반사하여 사용자(15) 측으로 변경하도록 하는 부분 반사 코팅층을 더 갖는다.
또한, 수직 출사동 확장수단은 이미지광(301)을 수직방향을 따라 3개로 분할한다.
또한, 분할경사면(332)에서 반사된 광은 사용자(15) 측에서 포커싱되면서 제 2 수평출사동(H1)으로 확장되어 가상이미지(37)을 형성한다.
또한, 디스플레이 패널(30)과 수직 출사동 확장수단 사이에 구비되고, 디스플레이 패널(30)의 이미지광(301)을 평행광(44)으로 변환하는 입사광학모듈(31)을 더 포함한다.
또한, 입사광학모듈(31)은, 일단에 디스플레이 패널(30)이 고정되고, 일단으로부터 이격된 타단에 광학렌즈부(41)가 설치된 경통(42)이다.
또한, 경사각(θr)과 상기 헤드각(θi)은 하기 수학식을
(수학식)
Figure 112021143464391-pat00001
만족한다.
또한, 도파로(33)에서, 이미지광(301)의 시야각(θ0)과 헤드각(θi)은 하기 수학식을
(수학식)
Figure 112021143464391-pat00002
,(단, n은 상기 도파로(33)의 굴절율)
만족한다.
또한, 도파로(33)와 분할경사면(332)은 동일한 굴절률을 갖는 재질로 구성된다.
또한, 디스플레이 패널(30)은 LCD패널, OLED패널, OLEDos패널, LCOS패널 중 하나이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 광의 물질 내부 전반사를 통해 영상광을 접는 효과가 있는 도파로를 적용해 부피와 무게를 최소화 하면서도 수평과 수직 방향의 출사동 확대수단을 동시에 갖도록 하여, 글라스 형태의 증강현실 디바이스 구현에 있어 사용자들의 부담이 경감될 수 있다.
또한, 이미지광의 수직분할 프리즘 및 도파로 내부 반사 및 전반사 횟수를 최소화하여 반사 오차에 대한 민감도를 낮춤으로써, 플라스틱 사출 양산이 가능하고 제품의 단가를 크게 낮출 수 있는 경제성이 있다.
또한, 도파로 내부에서 외부로 영상광의 출력 수단을 광 손실이 많은 회절광학수단을 배제하고 기하광학적 반사면을 적용하여 광효율을 최대화함으로써 전력손실을 줄이고 밝은 화면을 제공할 수 있다.
또한, 도파로 내부로 입사되는 영상광을 기하광학적 방법으로 정밀 유도하고 사용자의 동공 반대방향으로 출력되는 광경로를 차단함으로써 외부에서 사용자가 시청하는 영상을 볼 수 없도록 보안이 강화되는 효과가 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 출사동 확장 회절광학계의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이의 사시도,
도 3은 도 2 중 입사광학모듈(31)의 단면도,
도 4는 도 2 중 수직분할 프리즘(32)의 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 수직분할 프리즘(32)의 광학적 동작 상태도,
도 6은 도 2에 도시된 투과형 헤드 마운트 디스플레이의 개략적인 평면도,
도 7은 도 2에 도시된 헤드 마운트 디스플레이의 도파로에서 도파입사면의 헤드각(θi)과 분할경사면(332)의 경사각(θr) 간의 관계를 나타내는 도면,
도 8은 도 2에 도시된 헤드 마운트 디스플레이의 도파로에서 도파입사면의 헤드각(θi)과 이미지 광의 시야각(θo)의 관계를 나타낸 도면,
도 9는 종래의 일반 반사면(71)에서 반사되어 사용자(15)에게 전달되는 광학적 과정을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 분할경사면(332)에서 반사되어 사용자(15)에게 전달되는 광학적 과정을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 대략 입사광학모듈(31), 수직분할 프리즘(32) 및 도파로(33)로 구성된다.
입사광학모듈(31)은 이미지광(301)을 평행광(44)으로 변환하며, 수직분할 프리즘(32)은 수직 출사동 확장수단으로써, 이미지광(301)을 일부 반사 및 일부 투과하여 3개로 분할함으로써 수직방향으로 확장한다.
도파로(33)는 수평 출사동 확장수단으로 가상이미지(37)를 사용자(15) 측으로 전달한다.
도 3은 도 2 중 입사광학모듈(31)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입사광학모듈(31)은 경통(42)으로 구성된다. 경통(42)의 일단에는 디스플레이 패널(30)이 구비되고, 디스플레이 패널(30)은 LCD패널, OLED패널, OLEDos패널, LCOS패널과 같은 미세 픽셀 구조를 갖는 마이크로 디스플레이가 된다.
광학렌즈부(41)는 경통의 타단에 구비되며, 이미지광(301)을 평행광(44)으로 변환한다. 이를 위해 광학렌즈부(41)는 볼록렌즈, 오목렌즈, 및 비구면렌즈 등의 조합으로 이루어진다.
도 3에 도시된 바와 같이 평행광(44)은 출사동(45) 위치에 도달한다. 출사동(eye-box)이란 최대의 시야각으로 동일한 이미지광을 볼 수 있는 가장 넓은 면적 크기를 말하며, 출사동의 크기가 클수록 사용자(15)의 동공을 위치시킬 수 있는 범위가 커져 사용자는 사용 편의성을 높일 수 있다. 통상적으로 출사동(45)의 크기는 광학렌즈부(41)의 직경이나 부피에 비례한다. 따라서, 출사동(45)을 확장하기 위해서는 안경처럼 착용하는 증강현실 디스플레이의 무게와 부피를 증가시켜야 하고, 이는 입사광학모듈(31)의 무게와 부피 증가로 이어진다. 따라서, 본 발명에서는 입사광학모듈(31)의 크기 증가없이 출사동(45)을 확장하는 기술사상을 제시한다.
도 4는 도 2 중 수직분할 프리즘(32)의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 수직분할 프리즘(32)의 광학적 동작 상태도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 수직 출사동 확장수단인 수직분할 프리즘(32)은 1개의 삼각프리즘(52)과 제 1, 2 프리즘(51a, 51b)으로 구성된다.
삼각프리즘(52)은 2개의 경사면(511a, 511b)을 대칭적으로 갖는 삼각 단면 형상이고, 2개의 경사면(511a, 511b)을 행해 평행한 이미지광(301)이 입사된다.
제 1 프리즘(51a)은 평행사변형의 단면 형상이고, 삼각프리즘(52)의 상부 경사면(511a)에 접하도록 배치된다. 상부 경사면(511a)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 구비된다. 그리고, 제 1 프리즘(51a)의 최상부면에는, 입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512a)과 위상변위필름(512a)의 배면에 구비되는 반사판(513a)이 구비된다.
제 2 프리즘(51b)은 평행사변형의 단면 형상이고, 삼각프리즘(52)의 하부 경사면(511b)에 접하도록 배치된다. 하부 경사면(511b)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 구비된다. 그리고, 제 2 프리즘(51b)의 최하부면에는, 입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512b)과 위상변위필름(512b)의 배면에 구비되는 반사판(513b)이 구비된다.
입사된 이미지광(301)에서 P파 또는 S파 중 하나는 상부경사면(511a)과 하부경사면(511b)을 각각 1차 투과하여 광축을 따라 진행하여 제 1 출사동(EP0)이 된다. 그리고, 다른 한 파(S파 또는 P파)는 상부경사면(511a)과 하부경사면(511b)에서 반사되어 위상변위필름(512)과 반사판(513)에 의해 편광 성분이 반대로 바뀌어 1차 투과한 편광빔과 동일한 편광 성분으로 수직분할 프리즘(32)로 부터 출력된다. 편광 반사에 의해 상부경사면(511a)과 하부경사면(511b)의 반사 및 반사판(513a, 513b) 반사로 되돌려진 이미지광(301)의 크기는 제 1 출사동(EP0) 보다 수직방향으로 더 큰 제 2 출사동(EP1)이 된다. 이는 수직분할 프리즘(32)의 상하부에서 동일한 반사 기전이 발생하여 수직방향의 출사동 확장이 가능한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수직분할 프리즘(32)의 중심 광축을 중심으로 입사하는 이미지광(301) 중 최외곽 시야각을 결정하는 제 1, 2 최외곽 광성분(3011, 3012)의 편광성분 중 하나는 제 1 초점(F0)에서 포커스를 형성한다. 그리고, 제 2 최외곽 광성분(3012)은 제 1 프리즘(51a)의 경사면(51a)에서 편광 반사로 반사되며 반대쪽 경사면에서 되돌려져 제 2 최외곽 광성분(3012)과 제 2 초점(F1)에서 다시 만나 동일한 시야각을 형성한다. 제 1 최외각 광성분(3011) 역시 동일한 구성과 동작을 한다. 종래의 1차 투과한 편광빔의 최대시야각을 볼 수 있는 지점이 제 1 초점(F0)인데 반해 본 발명에 의한 수직분할 프리즘(32)로 인해 제 3 초첨(F2)까지 수직방향 출사동(55)을 확대할 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 투과형 헤드 마운트 디스플레이의 개략적인 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도파로(33)는 사용자 대응면(331)과 도파내면(333)이 소정 폭으로 이격된 채 평행하게 배치되고, 도파헤드부(35)의 도파입사면(36)은 이미지광(301)이 사용자 대응면(331)에서 전반사 되도록 헤드각(θi)을 유지한다.
사용자 대응면(331)은 사용자(15) 측과 대면되도록 배치되며, 수직분할 프리즘(32)에서 출사되는 광이 입사되어 전반사 되는 구성을 갖는다.
분할경사면(332)은 도파로(33) 내에서 도파내면(333)에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 도파내면(333)과 경사각(θr)을 유지한다. 이러한 분할경사면(332)은 사용자 대응면(331)에서 전반사된 이미지광(301)을 부분 반사하여 사용자(15) 측으로 변경하도록 하는 부분 반사 코팅층을 갖는다. 특히 분할경사면(332)은 도파로(33)와 동일한 굴절률을 갖는 재질로 사출한다.
이로 인해 디스플레이 패널(30)에서 출력된 이미지광(301)은 입사광학모듈(31)을 통과하며 시야각이 형성되고, 수직분할 프리즘(32)을 통과하며 수직 방향의 출사동을 확장한 후 도파로(33)에 입사된다. 도파로(33)에 입사된 이미지광(301)은 도파로(33)의 사용자 대응면(331)에서 전반사한 후 제 1 수평 출사동(H0) 영역을 형성한다. 그리고, 분할경사면(332)에서 각각 반사되어 사용자(15)의 동공 전방에서 다시 제 2 수평 출사동(H1) 영역을 형성한다.
상기와 같은 구성에 의하여 제 1 수평 출사동(H0)을 벗어난 이미지광(301)은 편광 선택 반사 코팅되어 있는 다수의 분할경사면(332)을 통해 이미지광의 포커싱을역으로 활성화시키는 제 2 수평 출사동(H1)을 가지게 된다. 따라서, 이격된 거리에서도 전체 이미지 확인이 가능한 수평방향 출사동 영역을 확장할 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 헤드 마운트 디스플레이의 도파로에서 도파입사면의 헤드각(θi)과 분할경사면(332)의 경사각(θr) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 도파로(33)의 도파입사면(36)은 사용자 대응면(331)과 헤드각(θi)을 형성한다. 즉, 광학계를 통해 시준된 다발의 이미지 광선 군이 입사되는 도파로(33)의 도파입사면(36)은 입사된 다발의 이미지 광선군이 도파로(33)의 사용자 대응면(331)에서 모두 전반사 되도록 일정한 헤드각(θi)을 갖는다. 여기서, 다발의 이미지 광선군의 광축(LX)이 사용자(15)의 눈 방향으로 평행하게 출사하기 위해서는 헤드각(θi)과 분할경사면(332의 경사각(θr) 간에 다음 수학식 1과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure 112021143464391-pat00003
[수학식 1]의 관계를 이용하면, 도파로(33) 내에서 전반사 횟수를 1 ~ 2회로 제한할 수 있는 헤드각(θi)과 분할경사면(332의 경사각(θr)을 설정할 수 있게 된다. 이와 같이, 도파로(33) 내에서 전반사 횟수를 최소화 함으로써, 전반사 횟수가 많아짐으로써 발생하는 광학 수차의 증가를 최소화 할 수 있게 된다.
도 8은 도 2에 도시된 헤드 마운트 디스플레이의 도파로에서 도파입사면의 헤드각(θi)과 이미지 광의 시야각(θo)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 이미지 광(301)에 따른 가상 화면의 크기를 결정하는 시야각(Field of View : FoV)은 광학계에 의해 시준된 이미지 광(301)이 도파입사면(36)에 입사되는 시야각(θo)과 다음의 [수학식 2]와 같은 관계에 있다. 여기서, 이미지 광의 입사각(θo)은 도파입사면(36)에 수직한 축을 기준으로 기울어진 각도를 의미할 수 있다.
Figure 112021143464391-pat00004
그리고, 물질 내부에서 전반사가 가능한 임계각(θc)과 굴절률(n)은 [수학식 3]의 관계를 갖는다.
Figure 112021143464391-pat00005
그리고, 가상화면의 크기를 결정하는 시야각(θo)은 임계각(θc)을 형성할 수 있는 입사각보다 작아야 하며 수직 입사각 보다는 커야 하므로, 다음에 제시되는 입사각과의 관계식 사이에서 결정되어야 한다.
먼저, 도파입사면(36)으로 입사한 이미지 광은 도파로(33)의 내부에서 도파로(33)의 굴절률에 의해 굴절된다. 여기서, 이미지 광의 시야각(θo)과 도파로(33)의 굴절률(n)에 의해 굴절된 굴절각(θ1)은 [수학식 4]와 같은 관계가 있다.
Figure 112021143464391-pat00006
또한, 도파로(33)의 사용자 대응면(331)에서 전반사되는 이미지 광의 각도(θ2)는 헤드각(θi)과 [수학식 5]의 관계를 가지게 된다.
Figure 112021143464391-pat00007
(단, θc 〈 θ2 )
[수학식 5]는 다음의 [수학식 6] ~ [수학식 8]로 표현할 수 있다.
Figure 112021143464391-pat00008
Figure 112021143464391-pat00009
Figure 112021143464391-pat00010
따라서, [수학식 8]을 이용하면, 도파로(33) 내에 입사하여 전반사하고 분할경사면(332)에서 사용자(15)에게 전달되는 이미지의 크기를 결정하는 최대 시야각을 설정할 수 있다.
도 9는 종래의 일반 반사면(71)에서 반사되어 사용자(15)에게 전달되는 광학적 과정을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 분할경사면(332)에서 반사되어 사용자(15)에게 전달되는 광학적 과정을 도시한 도면이다.
도 9에서 도시된 바와 같이, 종래의 시스템에서 디스플레이 패널(30)에서 출력된 이미지광(301)은 입사광학모듈(31)을 통과하며 시야각이 형성되고, 초점(F)에서 교차하여 서로 발산하는 상태로 진행한다. 따라서, 일반반사면(71)에서 사용자(15)의 동공 쪽으로 포커싱되지 못하고 계속하여 발산한다. 이에 따라 사용자(15)는 동공에 이미지를 형성하는 광이 도달하지 못하여 전체 화면을 볼 수 없기 때문에 초점(F)까지 눈을 이동하여야만 전체 이미지를 볼 수 있으므로 매우 협소한 출사동을 가질 수 밖에 없으며, 눈의 위치가 입사 광학모듈(31)에서 멀어지면 멀어질수록 출사동은 좁아질 수 밖에 없다.
반면, 본 발명에 따른 도 10을 참조하면, 디스플레이 패널(30)에서 출력된 이미지광(301)은 입사광학모듈(31)을 통과하며 시야각이 형성되고, 도 9와 같이 제 2 초점(F1)에서 교차하여 서로 발산하는 상태로 진행한다. 그러나, 분할경사면(332)에서 이미 발산된 이미지 광을 역으로 활성화시키는 제 3 초점(F2)을 생성하기 때문에 입사광학모듈(31)으로부터 떨어진 거리에서도 전체 이미지 확인이 가능한 수평 방향 출사동 영역을 확장할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
5 : 광원출력모듈,
10 : 도광판,
11 : 광가이드부,
12 : 입력회절광학소자,
13 : 중간회절광학소자,
14 : 출력회절광학소자,
15 : 사용자,
30 : 디스플레이 패널,
31 : 입사광학모듈,
32 : 수직분할프리즘,
33 : 도파로,
35 : 도파헤드부,
36 : 도파입사면,
37 : 가상이미지,
41 : 광학렌즈부,
42 : 경통,
44 : 팽행광,
45 : 출사동,
51a : 제 1 프리즘,
51b : 제 2 프리즘,
52 : 삼각프리즘,
55 : 수직확장 출사동,
301 : 이미지광,
331 : 사용자 대응면,
332 : 분할경사면,
333 : 도파내면,
511a, 511b : 경사면, 위상변위필름,
512a, 512b : 위상변위필름,
513a, 513b : 반사판,
3011 : 제 1 최외곽 광성분,
3012 : 제 2 최외곽 광성분,
EP0 : 제 1 출사동,
EP1 : 제 2 출사동,
F0 : 제 1 초점,
F1 : 제 2 초점,
F2 : 제 3 초점,
H0 : 제 1 수평출사동,
H1 : 제 2 수평출사동,
θc : 전반사 임계각,
θi : 헤드각,
θo : 시야각,
θr : 경사각.

Claims (15)

  1. 투과형 헤드 마운트 디스플레이에 있어서,
    이미지광(301)을 생성하는 디스플레이 패널(30);
    수직방향으로 배열된 복수의 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘으로 입사된 상기 이미지광(301)을 일부 반사 및 일부 투과하여 복수개로 분할함으로써 수직방향으로 확장하여 수직확장 출사동(55)을 생성하는 수직 출사동 확장수단; 및
    상기 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되고, 상기 입사된 이미지광(301)의 출사동을 수평방향으로 확장하여 사용자(15) 측으로 출사시키는 도파로(33);를 포함하고,
    상기 도파로(33)는,
    상기 수직 출사동 확장수단에서 출사되는 광이 입사되어 전반사되는 사용자 대응면(331);
    상기 사용자 대응면(331)과 평행하게 마련된 도파내면(333); 및
    상기 도파로(33) 내에서 상기 도파내면(333)에 복수 개가 상호 이격되고 상호 평행하게 마련되며, 상기 도파내면(333)과 경사각(θr)을 유지하는 분할경사면(332)을 포함하고, 그리고
    상기 도파로(33)의 도파입사면(36)은 상기 이미지광(301)이 상기 사용자 대응면(331)에서 전반사 되도록 헤드각(θi)을 유지하며,
    상기 수직 출사동 확장수단은,
    상기 이미지광(301)이 입사되는 삼각프리즘(52);
    평행사변형 형상이고, 상기 삼각프리즘(52)의 상부 경사면(511a)에 접하도록 배치된 제 1 프리즘(51a); 및
    평행사변형 형상이고, 상기 삼각프리즘(52)의 하부 경사면(511b)에 접하도록 배치된 제 2 프리즘(51b);으로 구성되고,
    상기 제 1 프리즘(51a)의 최상부면에는,
    입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512a); 및
    상기 위상변위필름(512a)의 배면에 구비되는 반사판(513a);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 경사면(511a)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 경사면(511b)에는 편광필름 또는 편광 코팅층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘(51b)의 최하부면에는,
    입사된 광의 위상을 바꾸는 위상변위필름(512b); 및
    상기 위상변위필름(512b)의 배면에 구비되는 반사판(513b);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할경사면(332)은, 상기 사용자 대응면(331)에서 전반사된 이미지광(301)을 부분 반사하여 상기 사용자(15) 측으로 변경하도록 하는 부분 반사 코팅층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 출사동 확장수단은 상기 이미지광(301)을 수직방향을 따라 3개로 분할하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할경사면(332)에서 반사된 광은 상기 사용자(15) 측에서 포커싱되면서 제 2 수평출사동(H1)으로 확장되어 가상이미지(37)을 형성하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널(30)과 상기 수직 출사동 확장수단 사이에 구비되고, 상기 디스플레이 패널(30)의 상기 이미지광(301)을 평행광(44)으로 변환하는 입사광학모듈(31)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사광학모듈(31)은,
    일단에 상기 디스플레이 패널(30)이 고정되고, 상기 일단으로부터 이격된 타단에 광학렌즈부(41)가 설치된 경통(42)인 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사각(θr)과 상기 헤드각(θi)은 하기 수학식을
    (수학식)
    Figure 112021143464391-pat00011

    만족하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로(33)에서, 상기 이미지광(301)의 시야각(θ0)과 상기 헤드각(θi)은 하기 수학식을
    (수학식)
    Figure 112022032063697-pat00012
    , (단, n은 상기 도파로(33)의 굴절율)
    만족하는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로(33)와 상기 분할경사면(332)은 동일한 굴절률을 갖는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널(30)은 LCD패널, OLED패널, OLEDos패널, LCOS패널 중 하나인 것을 특징으로 하는 광학적 출사동 확장수단을 갖는 투과형 헤드 마운트 디스플레이.
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