KR102413218B1 - 헤드 마운티드 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 관한 것으로, 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 복수의 화소를 포함하는 표시 패널, 및 상기 복수의 화소와 각각 중첩하는 복수의 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 복수의 렌즈의 초점 거리가 상이하다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이 장치{HEAD MOUNTED DISPLAY DEVICE}
본 개시는 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 관한 것이다.
헤드 마운티드 디스플레이 장치(Head Mounted Display, HMD)는 사용자의 머리에 장착되어 사용자에게 영상을 표시하는 장치로서, 최근 가상 현실(Virtual Reality, VR), 증강 현실(Augmented Reality, AR)을 제공하는 시각화 장치로 부각되고 있다.
헤드 마운티드 디스플레이 장치는 영상을 표시하는 표시 패널, 표시 패널과 사용자 사이에 위치하는 접안 렌즈(eyepiece lens)를 포함한다. 접안 렌즈는 표시 패널로부터 나오는 영상을 확대된 허상으로 보여주는 역할을 한다. 표시 패널은 복수의 화소, 복수의 화소 사이에 위치하는 차광 영역을 포함한다. 이때 접안 렌즈는 복수의 화소뿐만 아니라 차광 영역까지도 확대하여 나타냄으로써, 모기장과 같은 격자 무늬가 시인되는 스크린 도어 효과(Screen Door Effect)가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 접안 렌즈는 일반적으로 무겁고 커서 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 경량화 및 소형화가 어렵다는 문제점이 있다.
실시예들은 스크린 도어 효과가 발생하는 것을 방지하고, 경량화 및 소형화를 구현할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 복수의 화소를 포함하는 표시 패널, 및 상기 복수의 화소와 각각 중첩하는 복수의 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 복수의 렌즈의 초점 거리가 상이하다.
상기 복수의 렌즈는 사용자의 동공과의 거리가 가장 짧은 제1 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 상기 복수의 렌즈 중 가장 짧은 초점 거리를 가질 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 사용자의 동공과의 거리가 가장 긴 제2 렌즈를 더 포함하고, 상기 제2 렌즈는 상기 복수의 렌즈 중 가장 긴 초점 거리를 가질 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 위치하는 제3 렌즈를 더 포함하고, 상기 제3 렌즈의 초점 거리는
Figure 112017028531854-pat00001
(θ: 상기 사용자의 동공과 상기 제1 렌즈를 연결한 제1 연장선이 상기 사용자의 동공과 상기 제3 렌즈를 연결한 제3 연장선과 이루는 각, f1: 상기 제1 렌즈의 초점 거리, f2: 상기 제2 렌즈의 초점 거리, θmax: 상기 제1 연장선이 상기 사용자의 동공과 상기 제2 렌즈를 연결한 제2 연장선과 이루는 각)일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심부에 위치하고, 상기 제2 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 가장자리부에 위치할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이의 상기 중심부로부터 상기 가장자리부로 갈수록 렌즈의 초점 거리가 점차적으로 길어질 수 있다.
상기 복수의 화소는 제1 화소, 제2 화소 및 제3 화소를 포함하고, 상기 제1 화소로부터 나오는 광이 상기 제1 렌즈를 통과하고, 상기 제2 화소로부터 나오는 광이 상기 제2 렌즈를 통과하고, 상기 제3 화소로부터 나오는 광이 상기 제3 렌즈를 통과할 수 있다.
상기 제1 연장선은 상기 제1 화소를 지나가고, 상기 제2 연장선은 상기 제2 화소를 지나가고, 상기 제3 연장선은 상기 제3 화소를 지나가고, 상기 제1 연장선, 상기 제2 연장선 및 상기 제3 연장선이 한 지점에서 만날 수 있다.
상기 제1 연장선, 상기 제2 연장선 및 상기 제3 연장선이 만나는 지점에 상기 사용자의 동공이 위치할 수 있다.
상기 제3 렌즈의 중심부의 두께는 상기 제1 렌즈의 중심부의 두께보다 얇고, 상기 제2 렌즈의 중심부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 화소와 상기 제3 화소 사이의 거리는 상기 제1 렌즈와 상기 제3 렌즈 사이의 거리보다 멀고, 상기 제3 화소와 상기 제2 화소 사이의 거리는 상기 제3 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이의 거리보다 멀 수 있다.
상기 복수의 화소 중 인접한 두 화소 사이의 거리는 상기 복수의 렌즈 중 인접한 두 렌즈 사이의 거리보다 멀 수 있다.
상기 복수의 화소의 개수는 상기 복수의 렌즈의 개수와 동일할 수 있다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 복수의 화소를 포함하는 표시 패널, 상기 복수의 화소와 각각 중첩하는 복수의 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이, 및 상기 표시 패널과 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 위치하는 보정층을 포함한다.
상기 보정층의 두께는 위치에 따라 상이할 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 사용자의 동공과의 거리가 가장 짧은 제1 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 화소는 상기 제1 렌즈에 광을 공급하는 제1 화소를 포함하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제1 화소 사이에 위치하는 상기 보정층의 제1 부분이 가장 얇은 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 사용자의 동공과의 거리가 가장 긴 제2 렌즈를 더 포함하고, 상기 복수의 화소는 상기 제2 렌즈에 광을 공급하는 제2 화소를 포함하고, 상기 제2 렌즈와 상기 제2 화소 사이에 위치하는 상기 보정층의 제2 부분이 가장 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
상기 보정층의 두께는 상기 제1 부분으로부터 상기 제2 부분으로 갈수록 점차적으로 두꺼워질 수 있다.
상기 보정층의 두께는 상기 제1 부분으로부터 상기 제2 부분으로 갈수록 계단식으로 두꺼워질 수 있다.
상기 제1 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심부에 위치하고, 상기 제2 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 가장자리부에 위치할 수 있다.
상기 제1 화소와 상기 제1 렌즈를 연결한 제1 연장선과 상기 제2 화소와 상기 제2 렌즈를 연결하는 제2 연장선이 상기 사용자의 동공이 위치하는 지점에서 서로 만날 수 있다.
상기 제1 화소와 상기 제2 화소 사이의 거리는 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이의 거리보다 멀 수 있다.
상기 복수의 화소 중 인접한 두 화소 사이의 거리는 상기 복수의 렌즈 중 인접한 두 렌즈 사이의 거리보다 멀 수 있다.
상기 보정층은 주변보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 렌즈는 동일한 초점 거리를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면 접안 렌즈를 대신하여 마이크로 렌즈 어레이를 사용함으로써 스크린 도어 효과의 발생을 방지할 수 있고, 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 경량화 및 소형화시킬 수 있다.
또한, 위치에 따라 초점 거리를 보상함으로써 화면의 찌그러짐(Petzval field curvature)에 의한 화질 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 복수의 화소와 복수의 렌즈를 나타낸 평면도이다.
도 3은 비교예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 A-A선 상에서 위치에 따른 휘도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 하나의 화소와 하나의 렌즈를 나타낸 상면도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
도 9는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
도 10은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
도 11은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
먼저, 도 1 내지 도 7을 참조하여 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 복수의 화소와 복수의 렌즈를 나타낸 평면도이다. 도 3은 비교예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4는 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 도 5는 도 3 및 도 4의 A-A선 상에서 위치에 따른 휘도를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 가로축은 위치를 나타내고, 세로축은 휘도를 나타낸다. 도 6은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 하나의 화소와 하나의 렌즈를 나타낸 상면도이고, 도 7은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 표시 패널(100) 및 마이크로 렌즈 어레이(200)를 포함한다.
도시는 생략하였으나, 표시 패널(100) 및 마이크로 렌즈 어레이(200)는 케이스 내에 수납되고, 사용자의 머리에 장착되어 사용될 수 있다. 케이스는 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 안경 형상 또는 헬멧 형상 등으로 이루어질 수 있다.
표시 패널(100)은 화면을 표시할 수 있는 평면 패널로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 유기 발광 표시 패널(Organic Light Emitting Diode panel, OLED panel), 액정 표시 패널(Liquid Crystal Display panel, LCD panel) 등으로 이루어질 수 있다.
표시 패널(100)은 복수의 화소(110)를 포함한다. 복수의 화소(110)는 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있다. 도 1에는 표시 패널(100)이 세 개의 화소(110)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 도면을 간략히 표현한 것으로서 실제로는 표시 패널(100)은 더 많은 화소(110)를 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(200)는 필름 형태로 이루어져 표시 패널(100)에 부착되거나, 표시 패널(100) 위에 포토 및 식각 공정을 통해 별도의 층으로 형성될 수도 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈 어레이(200)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(200)는 복수의 렌즈(210)를 포함한다. 복수의 렌즈(210)는 일정한 간격을 가지고 배치될 수 있다. 렌즈(210)의 개수는 화소(110)의 대응한다. 도 1에는 3개의 화소(110)에 대응하는 3개의 렌즈(210)가 도시되어 있다. 표시 패널(100)이 약 1,000,000개의 화소(110)를 포함할 경우 마이크로 렌즈 어레이(200)는 약 1,000,000개의 렌즈(210)를 포함할 수 있다. 즉, 렌즈(210)의 개수는 화소(110)의 개수와 실질적으로 동일할 수 있다.
표시 패널(100)의 화소(110)로부터 나오는 광은 마이크로 렌즈 어레이(200)의 렌즈(210)를 통과하게 되며, 사용자의 동공(500)으로 전달된다. 마이크로 렌즈 어레이(200)의 각 렌즈(210)는 각 화소(110)를 확대된 허상(300)으로 나타내는 역할을 한다. 따라서, 표시 패널(100)이 표시하는 영상이 마이크로 렌즈 어레이(200)에 의해 확대되어 사용자의 동공(500)에는 허상(300)으로 보이게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 표시 패널(100)의 각각의 화소(110)와 마이크로 렌즈 어레이(200)의 각각의 렌즈(210)는 중첩한다. 하나의 화소(110)는 하나의 렌즈(210)와 중첩한다.
표시 패널(100)은 복수의 화소(110) 사이에 위치하는 차광 영역(120)을 포함한다. 차광 영역(120)에는 블랙 매트릭스 등과 같은 차광 부재가 형성되어 광이 통과하지 않는다.
표시 패널(100)의 복수의 화소(110)에 대응하여 하나 또는 두 개의 접안 렌즈가 형성되어 있는 비교예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 경우에는 복수의 화소(110)뿐만 아니라 차광 영역(120)까지 확대되어 도 3에 도시된 바와 같이 스크린 도어 효과가 발생하게 된다. 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 각각의 화소(110)에 대응하여 각각의 렌즈(210)가 위치하고 있으며, 각각의 렌즈(210)는 각각의 화소(110)를 확대하게 된다. 따라서, 차광 영역(120)은 확대되지 않으며, 이로 인해 도 4에 도시된 바와 같이 스크린 도어 효과가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하면, 위치가 0인 지점에서 비교예에서는 암부가 발생하는 반면에, 일 실시예에서는 암부가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 위치가 0인 지점은 인접한 두 화소 사이의 중심 부분을 나타낸다. 위치가 약 0.005, -0.005인 지점이 가장 밝은 부분으로서, 각 화소의 중심부를 나타낸다. 도 5의 그래프는 화소의 중심부에서의 휘도를 약 100%로 할 때, 나머지 지점에서의 휘도를 나타내고 있다. 비교예에서는 두 화소 사이의 중심 부분의 휘도가 약 28%이고, 일 실시예에서는 두 화소 사이의 중심 부분의 휘도가 약 90%이다. 즉, 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에서는 인접한 두 화소 사이에 차광 영역이 시인되는 것을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 화소(110)와 렌즈(210) 사이의 거리는 렌즈(210)의 초점 거리(FL)와 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있다. 또한, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 화소(110)는 렌즈(210)에 의해 모아지는 빛의 폭이 화소의 폭(PW)보다 작아지는 영역(FZ) 내에 위치할 수 있다. 화소(110) 해당 영역(FZ) 내에 위치할 때 스크린 도어 효과가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 화소(110)는 제1 화소(110a) 및 제2 화소(110b)를 포함할 수 있다. 복수의 렌즈(210)는 제1 렌즈(210a) 및 제2 렌즈(210b)를 포함할 수 있다. 제1 화소(110a)로부터 나오는 광은 제1 렌즈(210a)를 통과할 수 있고, 제2 화소(110b)로부터 나오는 광은 제2 렌즈(210b)를 통과할 수 있다.
제1 화소(110a), 제1 렌즈(210a) 및 사용자의 동공(500)은 제1 연장선(700a) 상에 위치할 수 있다. 제2 화소(110b), 제2 렌즈(210b) 및 사용자의 동공(500)은 제2 연장선(700b) 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 연장선(700a)과 제2 연장선(700b)은 한 지점에서 만난다. 제1 연장선(700a)과 제2 연장선(700b)이 만나는 지점에 사용자의 동공(500)이 위치하게 된다.
다음으로, 도 8을 참조하여 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 8에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 동일한 부분이 상당하므로, 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 표시 패널이 곡면 형상을 가진다는 점에서 앞선 실시예와 상이하며, 이하에서 더욱 설명한다.
도 8은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 표시 패널(도 1의 100) 및 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)를 포함한다. 표시 패널(도 1의 100)은 복수의 화소(110)를 포함하고, 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)는 복수의 렌즈(210)를 포함한다.
앞선 실시예에서 표시 패널은 평면 패널로 이루어지고, 본 실시예에서 표시 패널은 곡면 패널로 이루어질 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 화소(110)는 제1 화소(110a) 및 제2 화소(110b)를 포함할 수 있다. 앞선 실시예에서 제1 화소(110a) 및 제2 화소(110b)는 직선 상에 위치하고, 본 실시예에서 제1 화소(110a) 및 제2 화소(110b)는 곡선 상에 위치한다.
복수의 렌즈(210)는 제1 렌즈(210a) 및 제2 렌즈(210b)를 포함할 수 있다. 앞선 실시예에서 제1 렌즈(210a) 및 제2 렌즈(210b)는 직선 상에 위치하고, 본 실시예에서 제1 렌즈(210a) 및 제2 렌즈(210b)는 곡선 상에 위치하게 된다.
즉, 본 실시예에서는 복수의 화소(110)가 곡선 상에 위치하고, 복수의 렌즈(210)가 곡선 상에 위치한다.
제1 화소(110a)로부터 나오는 광은 제1 렌즈(210a)를 통과할 수 있고, 제2 화소(110b)로부터 나오는 광은 제2 렌즈(210b)를 통과할 수 있다.
제1 화소(110a), 제1 렌즈(210a) 및 사용자의 동공(500)은 제1 연장선(700a) 상에 위치할 수 있다. 제2 화소(110b), 제2 렌즈(210b) 및 사용자의 동공(500)은 제2 연장선(700b) 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 연장선(700a)과 제2 연장선(700b)은 한 지점에서 만난다. 제1 연장선(700a)과 제2 연장선(700b)이 만나는 지점에 사용자의 동공(500)이 위치하게 된다.
앞선 실시예에서 제1 화소(110a)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리는 제2 화소(110b)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리와 상이하다. 본 실시예에서는 제1 화소(110a)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리가 제2 화소(110b)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리와 동일할 수 있다.
또한, 앞선 실시예에서는 제1 렌즈(210a)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리는 제2 렌즈(210b)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리와 상이하다. 본 실시예에서는 제1 렌즈(210a)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리가 제2 렌즈(210b)와 사용자의 동공(500) 사이의 거리와 동일할 수 있다.
또한, 앞선 실시예에서는 제1 화소(110a)와 제1 렌즈(210a) 사이의 거리는 제2 화소(110b)와 제2 렌즈(210b) 사이의 거리와 상이하다. 본 실시예에서는 제1 화소(110a)와 제1 렌즈(210a) 사이의 거리가 제2 화소(110b)와 제2 렌즈(210b) 사이의 거리와 동일할 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하여 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 9에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 동일한 부분이 상당하므로, 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 복수의 렌즈의 초점 거리가 상이하다는 점에서 앞선 실시예와 상이하며, 이하에서 더욱 설명한다.
도 9는 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 표시 패널(도 1의 100) 및 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)를 포함한다. 표시 패널(도 1의 100)은 복수의 화소(110)를 포함하고, 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)는 복수의 렌즈(210)를 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 화소(110)는 제1 화소(110a), 제2 화소(110b) 및 제3 화소(110c)를 포함할 수 있다. 제1 화소(110a)는 표시 패널(도 1의 100)의 중심부에 위치할 수 있고, 제2 화소(110b)는 표시 패널(도 1의 100)의 가장자리부에 위치할 수 있다. 제3 화소(110c)는 제1 화소(110a)와 제2 화소(110b) 사이에 위치할 수 있다.
복수의 렌즈(210)는 제1 렌즈(210a), 제2 렌즈(210b) 및 제3 렌즈(210c)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(210a)는 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)의 중심부에 위치할 수 있고, 제2 렌즈(210b)는 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)의 가장자리부에 위치할 수 있다. 제3 렌즈(210c)는 제1 렌즈(210a)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치할 수 있다. 제1 화소(110a)로부터 나오는 광은 제1 렌즈(210a)를 통과할 수 있고, 제2 화소(110b)로부터 나오는 광은 제2 렌즈(210b)를 통과할 수 있으며, 제3 화소(110c)로부터 나오는 광은 제3 렌즈(210c)를 통과할 수 있다.
제1 화소(110a), 제1 렌즈(210a) 및 사용자의 동공(500)은 제1 연장선(700a) 상에 위치할 수 있다. 제2 화소(110b), 제2 렌즈(210b) 및 사용자의 동공(500)은 제2 연장선(700b) 상에 위치할 수 있다. 제3 화소(110c), 제3 렌즈(210c) 및 사용자의 동공(500)은 제3 연장선(700c) 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 연장선(700a), 제2 연장선(700b) 및 제3 연장선(700c)은 한 지점에서 만난다. 제1 연장선(700a), 제2 연장선(700b) 및 제3 연장선(700c)이 만나는 지점에 사용자의 동공(500)이 위치하게 된다.
이때, 제1 화소(110a)와 제3 화소(110c) 사이의 거리는 제1 렌즈(210a)와 제3 렌즈(210c) 사이의 거리보다 멀다. 또한, 제3 화소(110c)와 제2 화소(110b) 사이의 거리는 제3 렌즈(210c)와 제2 렌즈(210b) 사이의 거리보다 멀다. 즉, 복수의 화소(110) 중 인접한 두 화소(110) 사이의 거리는 복수의 렌즈(210) 중 인접한 두 렌즈(210) 사이의 거리보다 멀다.
제1 화소(110a)로부터 나오는 광이 제1 렌즈(210a)로 입사하는 방향은 제2 화소(110b)로부터 나오는 광이 제2 렌즈(210b)로 입사하는 방향과 상이할 수 있다. 또한, 제2 화소(110b)로부터 나오는 광이 제2 렌즈(210b)로 입사하는 방향은 제3 화소(110c)로부터 나오는 광이 제3 렌즈(210c)로 입사하는 방향과 상이할 수 있다.
이때, 복수의 렌즈(210)의 초점 거리가 동일하다면 각 화소(110)로부터 나오는 광이 각 렌즈(210)로 입사하는 방향과 렌즈(210)의 광축이 이루는 각에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라질 수 있다. 이에 따라 화면의 찌그러짐(Petzval field curvature)에 의한 화질 저하가 발생할 수 있다. 도 8에 도시된 실시예에서는 복수의 화소를 포함하는 표시 패널이 곡면 패널로 이루어지고, 복수의 렌즈가 곡선 상에 위치하도록 함으로써, 복수의 렌즈(210)의 초점 거리가 동일하더라도 초점이 맺히는 위치가 동일하게 할 수 있다. 본 실시예에서는 표시 패널이 평면 패널로 이루어지고, 복수의 렌즈가 직선 상에 위치하는 경우에 초점이 맺히는 위치가 동일하도록 하기 위해 복수의 렌즈(210)의 초점 거리를 조절한다. 즉, 본 실시예에서는 복수의 렌즈(210)의 초점 거리를 상이하게 함으로써, 화면의 찌그러짐(Petzval field curvature)에 의한 화질 저하를 방지할 수 있다.
복수의 렌즈(210) 중 제1 렌즈(210a)는 사용자의 동공(500)과의 거리가 가장 짧다. 제1 화소(110a)로부터 나오는 광이 제1 렌즈(210a)로 입사하는 방향은 제1 렌즈(210a)의 광축과 일치할 수 있다. 이때, 제1 렌즈(210a)는 복수의 렌즈(210) 중 가장 짧은 초점 거리를 가질 수 있다.
복수의 렌즈(210) 중 제2 렌즈(210b)는 사용자의 동공(500)과의 거리가 가장 길다. 제2 화소(110b)로부터 나오는 광이 제2 렌즈(210b)로 입사하는 방향과 제2 렌즈(210b)의 광축이 이루는 각이 상대적으로 가장 크다. 이때, 제2 렌즈(210b)는 복수의 렌즈(210) 중 가장 긴 초점 거리를 가질 수 있다.
제3 렌즈(210c)는 제1 렌즈(210a)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치하고 있다. 이때, 제3 렌즈(210c)의 초점 거리는 제1 렌즈(210a)의 초점 거리보다 길 수 있고, 제2 렌즈(210b)의 초점 거리보다 짧을 수 있다.
제3 렌즈(210c)의 초점 거리는 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017028531854-pat00002
θ는 제1 연장선(700a)이 제3 연장선(700c)과 이루는 각을 의미하고, f1은 제1 렌즈(210a)의 초점 거리를 의미하며, f2는 제2 렌즈(210b)의 초점 거리를 의미한다. θmax는 제1 연장선(700a) 제2 연장선(700b)과 이루는 각을 의미한다. 이때, f2는 f1보다 크다.
또한, f1과 f2는 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
[수학식 2]
Figure 112017028531854-pat00003
각 렌즈(210)의 초점 거리는 지름, 중심부의 두께 등에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 제3 렌즈(210c)의 중심부의 두께는 제1 렌즈(210a)의 중심부의 두께보다 얇고, 제2 렌즈(210b)의 중심부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
제1 렌즈(210a)와 제2 렌즈(210b) 사이에는 하나 이상의 렌즈(210)가 위치할 수 있다. 제1 렌즈(210a)로부터 제2 렌즈(210b)로 갈수록 렌즈(210)의 초점 거리는 점차적으로 길어질 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)의 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 렌즈(210)의 초점 거리는 점차적으로 길어질 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하여 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 10에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 동일한 부분이 상당하므로, 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 표시 패널과 마이크로 렌즈 어레이 사이에 보정층이 위치한다는 점에서 앞선 실시예와 상이하며, 이하에서 더욱 설명한다.
도 10은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 표시 패널(도 1의 100) 및 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)를 포함한다. 표시 패널(도 1의 100)은 복수의 화소(110)를 포함하고, 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)는 복수의 렌즈(210)를 포함한다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 10에 도시된 바와 같이, 보정층(400)을 더 포함한다. 보정층(400)은 복수의 화소(110)와 복수의 렌즈(210) 사이에 위치한다. 따라서 보정층(400)은 표시 패널(도 1의 100)과 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200) 사이에 위치하게 된다.
보정층(400)은 필름 형태로 이루어져 표시 패널(도 1의 100)이나 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)에 부착되거나, 표시 패널(도 1의 100) 위에 포토 및 식각 공정을 통해 별도의 층으로 형성될 수도 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 보정층(400)은 다양한 형상을 가질 수 있고, 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 보정층(400)은 주변보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
복수의 화소(110)는 제1 화소(110a), 제2 화소(110b) 및 제3 화소(110c)를 포함할 수 있다. 제1 화소(110a)는 표시 패널(도 1의 100)의 중심부에 위치할 수 있고, 제2 화소(110b)는 표시 패널(도 1의 100)의 가장자리부에 위치할 수 있다. 제3 화소(110c)는 제1 화소(110a)와 제2 화소(110b) 사이에 위치할 수 있다.
복수의 렌즈(210)는 제1 렌즈(210a), 제2 렌즈(210b) 및 제3 렌즈(210c)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(210a)는 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)의 중심부에 위치할 수 있고, 제2 렌즈(210b)는 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200)의 가장자리부에 위치할 수 있다. 제3 렌즈(210c)는 제1 렌즈(210a)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치할 수 있다. 제1 화소(110a)로부터 나오는 광은 제1 렌즈(210a)를 통과할 수 있고, 제2 화소(110b)로부터 나오는 광은 제2 렌즈(210b)를 통과할 수 있으며, 제3 화소(110c)로부터 나오는 광은 제3 렌즈(210c)를 통과할 수 있다.
제1 렌즈(210a), 제2 렌즈(210b) 및 제3 렌즈(210c)의 초점 거리는 동일할 수 있다.
제1 화소(110a), 제1 렌즈(210a) 및 사용자의 동공(500)은 제1 연장선(700a) 상에 위치할 수 있다. 제2 화소(110b), 제2 렌즈(210b) 및 사용자의 동공(500)은 제2 연장선(700b) 상에 위치할 수 있다. 제3 화소(110c), 제3 렌즈(210c) 및 사용자의 동공(500)은 제3 연장선(700c) 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 연장선(700a), 제2 연장선(700b) 및 제3 연장선(700c)은 한 지점에서 만난다. 제1 연장선(700a), 제2 연장선(700b) 및 제3 연장선(700c)이 만나는 지점에 사용자의 동공(500)이 위치하게 된다.
이때, 제1 화소(110a)와 제3 화소(110c) 사이의 거리는 제1 렌즈(210a)와 제3 렌즈(210c) 사이의 거리보다 멀다. 또한, 제3 화소(110c)와 제2 화소(110b) 사이의 거리는 제3 렌즈(210c)와 제2 렌즈(210b) 사이의 거리보다 멀다. 즉, 복수의 화소(110) 중 인접한 두 화소(110) 사이의 거리는 복수의 렌즈(210) 중 인접한 두 렌즈(210) 사이의 거리보다 멀다.
보정층(400)의 두께는 위치에 따라 상이할 수 있다.
복수의 렌즈(210) 중 제1 렌즈(210a)는 사용자의 동공(500)과의 거리가 가장 짧다. 제1 화소(110a)로부터 나오는 광이 제1 렌즈(210a)로 입사하는 방향은 제1 렌즈(210a)의 광축과 일치할 수 있다. 이때, 제1 화소(110a)와 제1 렌즈(210a) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제1 부분(400a)은 보정층(400) 중 가장 얇은 두께를 가질 수 있다.
복수의 렌즈(210) 중 제2 렌즈(210b)는 사용자의 동공(500)과의 거리가 가장 길다. 제2 화소(110b)로부터 나오는 광이 제2 렌즈(210b)로 입사하는 방향과 제2 렌즈(210b)의 광축이 이루는 각이 상대적으로 가장 크다. 이때, 제2 화소(110b)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제2 부분(400b)은 보정층(400) 중 가장 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
제3 렌즈(210c)는 제1 렌즈(210a)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치하고 있다. 이때, 제3 화소(110c)와 제3 렌즈(210c) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제3 부분(400c)의 두께는 제1 부분(400a)의 두께보다 두꺼울 수 있고, 제2 부분(400b)의 두께보다 얇을 수 있다.
보정층(400)은 제1 부분(400a)으로부터 제2 부분(400b)으로 갈수록 두께가 점차적으로 두꺼워지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 보정층(400)의 두께는 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 점차적으로 두꺼워질 수 있다.
다음으로, 도 11을 참조하여 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 11에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 도 10에 도시된 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치와 동일한 부분이 상당하므로, 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 보정층의 형상이 앞선 실시예와 상이하며, 이하에서 더욱 설명한다.
도 11은 일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치의 화소 및 렌즈와 사용자의 동공을 나타낸 상면도이다.
일 실시예에 의한 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 표시 패널(도 1의 100), 마이크로 렌즈 어레이(도 1의 200) 및 보정층(400)을 포함한다.
앞선 실시예에서 같이 보정층(400)의 두께는 위치에 따라 상이할 수 있다.
제1 화소(110a)와 제1 렌즈(210a) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제1 부분(400a)은 보정층(400) 중 가장 얇은 두께를 가질 수 있다. 제2 화소(110b)와 제2 렌즈(210b) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제2 부분(400b)은 보정층(400) 중 가장 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 제3 화소(110c)와 제3 렌즈(210c) 사이에 위치하는 보정층(400)의 제3 부분(400c)의 두께는 제1 부분(400a)의 두께보다 두꺼울 수 있고, 제2 부분(400b)의 두께보다 얇을 수 있다.
보정층(400)은 제1 부분(400a)으로부터 제2 부분(400b)으로 갈수록 두께가 계단식으로 두꺼워질 수 있다. 즉, 보정층(400)의 두께는 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 계단식으로 두꺼워질 수 있다.
도 11에서 보정층(400)의 두께는 3단계로 변하는 것으로 도시되어 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 보정층(400)의 두께는 더 많은 단계로 변할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 표시 패널
110: 화소
110a: 제1 화소
110b: 제2 화소
110c: 제3 화소
120: 차광 영역
200: 마이크로 렌즈 어레이
210: 렌즈
210a: 제1 렌즈
210b: 제2 렌즈
210c: 제3 렌즈
500: 사용자의 동공
700a: 제1 연장선
700b: 제2 연장선
700c: 제3 연장선

Claims (25)

  1. 복수의 화소를 포함하는 표시 패널, 및
    상기 복수의 화소와 각각 중첩하는 복수의 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 화소 중 인접한 두 화소 사이의 거리는 상기 복수의 렌즈 중 인접한 두 렌즈 사이의 거리보다 멀고,
    상기 복수의 렌즈의 초점 거리가 상이하고,
    상기 복수의 렌즈는,
    사용자의 동공과의 거리가 가장 짧은 제1 렌즈,
    사용자의 동공과의 거리가 가장 긴 제2 렌즈, 및
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 위치하는 제3 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 렌즈는 상기 복수의 렌즈 중 가장 짧은 초점 거리를 가지고,
    상기 제2 렌즈는 상기 복수의 렌즈 중 가장 긴 초점 거리를 가지고,
    상기 제3 렌즈의 초점 거리는
    Figure 112022028036300-pat00016

    (θ: 상기 사용자의 동공과 상기 제1 렌즈를 연결한 제1 연장선이 상기 사용자의 동공과 상기 제3 렌즈를 연결한 제3 연장선과 이루는 각, f1: 상기 제1 렌즈의 초점 거리, f2: 상기 제2 렌즈의 초점 거리, θmax: 상기 제1 연장선이 상기 사용자의 동공과 상기 제2 렌즈를 연결한 제2 연장선과 이루는 각)
    인 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심부에 위치하고, 상기 제2 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 가장자리부에 위치하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 상기 중심부로부터 상기 가장자리부로 갈수록 렌즈의 초점 거리가 점차적으로 길어지는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소는 제1 화소, 제2 화소 및 제3 화소를 포함하고,
    상기 제1 화소로부터 나오는 광이 상기 제1 렌즈를 통과하고,
    상기 제2 화소로부터 나오는 광이 상기 제2 렌즈를 통과하고,
    상기 제3 화소로부터 나오는 광이 상기 제3 렌즈를 통과하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 연장선은 상기 제1 화소를 지나가고,
    상기 제2 연장선은 상기 제2 화소를 지나가고,
    상기 제3 연장선은 상기 제3 화소를 지나가고,
    상기 제1 연장선, 상기 제2 연장선 및 상기 제3 연장선이 한 지점에서 만나는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 연장선, 상기 제2 연장선 및 상기 제3 연장선이 만나는 지점에 상기 사용자의 동공이 위치하는 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 중심부의 두께는 상기 제1 렌즈의 중심부의 두께보다 얇고, 상기 제2 렌즈의 중심부의 두께보다 두꺼운 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 화소와 상기 제3 화소 사이의 거리는 상기 제1 렌즈와 상기 제3 렌즈 사이의 거리보다 멀고,
    상기 제3 화소와 상기 제2 화소 사이의 거리는 상기 제3 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이의 거리보다 먼 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
  12. 삭제
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소의 개수는 상기 복수의 렌즈의 개수와 동일한 헤드 마운티드 디스플레이 장치.
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