KR102545681B1 - 헤드 마운티드 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 화상을 구현함으로써 착용자가 상기 화상을 시인할 수 있는 영역인 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 일정 수준으로 확보할 수 있고, 디스플레이 소스와 홀로그래픽 광학 소자 사이의 광 경로 상에 렌즈(결상 렌즈)를 배치시킴으로써 착용자의 시야각(Field Of View, FOV)을 확장할 수 있으며, 디스플레이 소스 및 렌즈의 위치를 조절함으로써, 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 일정 수준으로 확보하며 착용자의 시야각(Field Of View, FOV)을 확장할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이를 제공하는 것이다.

Description

헤드 마운티드 디스플레이{HEAD MOUNTED DISPLAY}
본 발명은 2019년 9월 30일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2019-0121202호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 헤드 마운티드 디스플레이에 관한 것으로, 구체적으로 착용자의 두부에 착용되어 화상을 전달하는 헤드 마운티드 디스플레이에 있어서, 디스플레이 소스에서 출력하는 광을 렌즈로 집광하고, 상기 착용자의 신체정보를 기로초 렌즈 또는 디스플레이 소스의 위치를 조절함으로써, 시야각을 확장시킬 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 장치에 대한 수요가 증가하고 있는데, 소형 화상 표시 소자에서 출력된 화상을 광학계를 이용하여 확대하고 이에 따른 허상을 눈으로 보게 하면서 마치 일정한 거리에 대형의 스크린을 두고 화상을 보는 것과 동일한 효과가 있는 디스플레이 장치가 개발되고 있다. 또한, 이러한 디스플레이 장치는 대부분 머리에 안경과 같은 방법으로 착용하는 형태를 갖고 있기 때문에 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display, HMD) 장치라고 불린다.
이러한 헤드 마운티드 디스플레이의 구현을 위한 광학계는 외부 광경(external view)를 보면서 화상이 구현되는 시스루(See- through) 방식과 외부를 볼 수 없는 시-클로즈드(See-closed) 방식이 있다. 이들 중에서 시스루 방식의 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 외부 광경과 디스플레이 화상을 동시에 볼 수 있기 때문에 헤드 마운티드 디스플레이를 착용하고 일상 생활을 하는데 지장이 없으며, IoT, 네비게이션 등 다양하게 적용할 수 있다.
시스루 방식의 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 디스플레이 소자와 디스플레이 소자에서 출력되는 표시광을 착용자의 눈까지 전달하기 위한 복수의 광학 부품을 포함하는 광학계로 구성될 수 있다. 헤드 마운티드 디스플레이 장치는 사람의 두부에 착용되어야 한다는 점에서 상기 장치에 사용되는 광학 부품은 무게 및 공간의 제약이 따를 수 있다. 이런 문제를 해결하고자 회절 광학 소자(Diffracted Optical Element: DOE) 또는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element: HOE)를 사용한 헤드 마운티드 디스플레이 장치가 연구되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 개시의 실시 예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 문서에 개시된 실시 예들이 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
헤드 마운티드 디스플레이에 회절 광학 소자를 사용하는 경우에 색 분리 효율이 낮아 이미지 크로스토크(crosstalk)가 발생되는 문제가 있고, 헤드 마운티드 디스플레이에 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자를 이용하는 경우에 광 가이드를 추가적으로 사용하면 광 손실이 커지는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 화상을 구현함으로써 착용자가 상기 화상을 시인할 수 있는 영역인 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 일정 수준으로 확보할 수 있고, 디스플레이 소스와 홀로그래픽 광학 소자 사이의 광 경로 상에 렌즈(결상 렌즈)를 배치시킴으로써 착용자의 시야각(Field Of View, FOV)을 확장할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이를 제공하는 것이다.
나아가 본 발명은 디스플레이 소스 및 렌즈의 위치를 조절함으로써, 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 일정 수준으로 확보하며 착용자의 시야각(Field Of View, FOV)을 확장할 수 있는 헤드 마운티드 디스플레이를 제공하는 것이다.
다만, 본 문서에 개시된 실시 예들이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 착용자의 두부에 착용되어 화상을 전달하는 헤드 마운티드 디스플레이에 있어서, 상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 화상 표시광을 출력하는 디스플레이 소스; 상기 화상 표시광을 집광하는 제1 렌즈; 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 제1 렌즈를 통과한 상기 화상 표시광을 착용자의 눈으로 지향시키는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE); 및 상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 컨트롤러;를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 컨트롤러는, 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 착용자의 신체정보를 획득하는 센서부; 상기 획득된 신체정보를 기초로 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 제어부; 및 상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 상기 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 위치를 미리 정해진 위치로 위치시키는 작동부;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 디스플레이 소스는 액정 디스플레이 패널 또는 유기 발광 다이오드 디스플레이 패널을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 홀로그래픽 광학 소자가 일면에 형성된 제2 렌즈를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 착용자의 눈측 면과 대향하는 면으로부터 외부광이 상기 제2 렌즈 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나 이상을 투과하여 상기 착용자의 눈으로 입사되는 것일 수 있다.,
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 디스플레이 소스, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 컨트롤러는 안경, 고글 및 헬멧 중 적어도 하나에 설치된 것일 수 있다.,
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 디스플레이 소스, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 컨트롤러는 상기 착용자의 양 눈에 각각 대응되도록 좌우 한 쌍이 제공되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈가 안경 다리의 내부에 배치되어 상기 디스플레이 소스로부터의 화면 표시광이 상기 홀로그래픽 광학 소자의 법선에 대하여 소정의 각도로 비스듬히 입사되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 렌즈는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 계산된 초점 거리를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 홀로그래픽 광학 소자는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 계산된 초점 거리가 기록되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 센서부는 안경테 내부에 위치하고, 상기 제어부 및 작동부는 안경 다리 내부에 위치하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 신체정보는 착용자의 눈의 위치, 착용자의 눈 사이의 거리 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제어부는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이는, 홀로그래픽 광학 소자 및 렌즈를 이용하고 디스플레이 소스 및 상기 렌즈의 위치를 조절함으로써, 일정 수준의 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 확보함과 동시에 구현된 화상의 시인이 가능한 시야각의 크기를 확장할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이는, 홀로그래픽 광학 소자를 이용함으로써 이미지 크로스토크를 줄이고 색 분리가 뚜렷한 화상을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이가 구현하는 시야각을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이가 구현하는 아이 모션 박스를 설명하는 도면이다.
도 4는 다양한 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 구성 소자의 물리적 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 홀로그래픽 광학 소자의 제작을 설명하는 일 예시이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 홀로그래픽 광학 소자의 제작을 설명하는 다른 예시이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명의 일 실시상태는 착용자의 두부에 착용되어 화상을 전달하는 헤드 마운티드 디스플레이에 있어서, 상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 화상 표시광을 출력하는 디스플레이 소스; 상기 화상 표시광을 집광하는 제1 렌즈; 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 제1 렌즈를 통과한 상기 화상 표시광을 착용자의 눈으로 지향시키는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE); 및 상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 컨트롤러;를 포함하는 헤드 마운티드 디스플레이를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이는, 홀로그래픽 광학 소자 및 렌즈를 이용하고 디스플레이 소스 및 상기 렌즈의 위치를 조절함으로써, 일정 수준의 아이 모션 박스(Eye Motion Box)를 확보함과 동시에 구현된 화상의 시인이 가능한 시야각의 크기를 확장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이의 개략도이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 디스플레이 소스(110), 제1 렌즈(120), 홀로그래픽 광학 소자(130) 및 컨트롤러(160)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 사람의 머리에 장착되며, 착용자의 눈(10)의 측방에 위치하는 디스플레이 소스(110)에 의해 화상 정보를 담은 화상 표시광이 출력되고, 출력된 화상 표시광은 제1 렌즈(120)와 홀로그래픽 광학 소자(130)에 의해 착용자의 눈으로 지향될 수 있다. 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 디스플레이 소스(110), 제1 렌즈(120), 홀로그래픽 광학 소자(130)를 통해 화상 정보를 담은 화상 표시광의 허상을 형성하고, 착용자는 상기 허상을 마치 일정한 거리에 스크린을 두고 화상을 보는 것과 동일하게 인식할 수 있다. 나아가, 상기 컨트롤러는 착용자의 시야각을 확장하기 위하여 상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈 중 적어도 하나의 위치를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 컨트롤러(160)는 디스플레이 소스(110) 및 상기 제1 렌즈(120) 중 적어도 하나의 위치를 조절할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 컨트롤러가 디스플레이 소스(110) 및 상기 제1 렌즈(120) 중 적어도 하나의 위치를 조절함으로써, 상기 홀로그래픽 광학 소자(130)와 상기 제1 렌즈(120)의 거리(L1) 및/또는 상기 제1 렌즈(120)와 상기 디스플레이 소스(110)의 거리(L2)를 조절하여 착용자에 따라 달라지는 신체정보를 기초로 시야각(Field of view)를 최대로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 착용자의 신체정보를 획득하는 센서부; 상기 획득된 신체정보를 기초로 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 제어부; 및 상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 상기 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 위치를 미리 정해진 위치로 위치시키는 작동부;를 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 홀로그래픽 광학 소자(130)와 상기 제1 렌즈(120)의 거리(L1) 및/또는 상기 제1 렌즈(120)와 상기 디스플레이 소스(110)의 거리(L2)를 조절하여 착용자에 따라 달라지는 신체정보를 기초로 시야각(Field of view)를 최대로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 센서부는 상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 착용자의 신체정보를 획득할 수 있다. 상술한 것과 샅이 상기 센서부가 전방에 위치함으로써, 상기 착용자의 신체정보를 정확하고 용이하게 측정할 수 있으며, 상기 신체정보를 획득하여 착용자에 따라 신체 조건에 맞게 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제어부는 상기 획득된 신체정보를 기초로 상기 제1 렌즈 및/또는 상기 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 상기 센서부에 의하여 획득된 신체정보를 분석하여 착용자의 시야각이 좁아지거나 넓어질 것으로 계산되는 경우 상기 제1 렌즈 및 상기 디스플레이 소스의 위치를 조절하여 상기 착용자의 시야각을 최대로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 작동부는 상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 상기 제1 렌즈 및/또는 디스플레이 소스의 위치를 미리 정해진 위치로 위치시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제어부에서 착용자의 신체정보에 따라 위치가 정해지면, 상기 동작부에 의하여 상기 제1 렌즈 및/또는 상기 디스플레이 소스의 위치를 이동시켜 상기 홀로그래픽 광학 소자(130)와 상기 제1 렌즈(120)의 거리(L1) 및/또는 상기 제1 렌즈(120)와 상기 디스플레이 소스(110)의 거리(L2)를 조절하고 이로 인하여 착용자에 따라 시야각(Field of view)를 최대로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 디스플레이 소스(110)는 화상 정보를 가진 전기적 신호를 입력 받고 상기 화상 정보에 대한 화상 표시광을 출력할 수 있다. 디스플레이 소스(110)는 화상을 표시할 수 있는 소형의 디스플레이 패널일 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 소스(110)는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD) 패널 또는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diodes, OLED)로 구성되는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제1 렌즈(120)는 디스플레이 소스로부터 방출되는 화상 표시광을 모으는 역할을 수행한다. 디스플레이 소스(110)와 제1 렌즈(120)의 배치는 디스플레이 소스(110)로부터 방출된 화상 표시광이 바로 제1 렌즈(120)를 향하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 제1 렌즈(120)를 통과한 화상 표시광을 헤드 마운티드 디스플레이(100)의 착용자의 눈(10)으로 지향시킬 수 있다. 즉, 제1 렌즈(120)를 통과한 화상 표시광은 홀로그래픽 광학 소자(130)의 법선에 대하여 소정의 각도로 입사하고 동일한 각도의 반사각이 아닌 다른 각도로 반사하여 착용자의 눈으로 향할 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(130)는 일정 각도로 입사해 오는 화상 표시광을 사전에 설계된 방향, 즉, 착용자의 눈이 있는 방향으로 회절시키도록 설계되는 반사형 홀로그래픽 광학 소자(130)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 안경의 형태로 구현될 수 있다. 일 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 착용자의 눈의 전방에 배치되는 안경 렌즈, 즉 제2 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 디스플레이 소스(110) 및 제1 렌즈(120)는 착용자의 눈(10)의 측방에 배치되도록 안경 다리(미도시) 내부에 형성될 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 제2 렌즈(150)의 일면에 막의 형태로 코팅될 수 있다. 홀로그래픽 광학 소자(130)는 제2 렌즈(150)의 착용자의 눈 측의 일면에 형성될 수 있거나 외부에서 방사된 광이 입사하는 제2 렌즈 (150)의 타면에 형성될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 안경 렌즈, 즉 제2 렌즈는 평면 형태로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 제2 렌즈는 곡면 형태를 가질 수도 있고, 안경테의 형태에 따라 좌우의 제2 렌즈(안경 렌즈) 한 쌍이 서로 나란하지 않는 광축을 가지도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)에서, 디스플레이 소스(110) 및 제1 렌즈(120)는 착용자의 눈(10)의 측방에 배치되도록 안경 다리(미도시) 내부에 형성될 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 제2 렌즈(150)의 일면에 형성될 수 있다. 이 경우, 디스플레이 소스(110)에서 방출된 화면 표시광은 렌즈를 통과하면서 모아지고 렌즈를 통과한 화면 표시광은 홀로그래픽 광학 소자(130)에 소정의 각도로 비스듬히 입사되어 착용자의 눈(10)으로 회절되어 입사될 수 있다. 따라서, 일 실시 예에 따른 안경의 형태를 갖는 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 일정한 정보를 담은 화상을 착용자의 눈(10)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 제2 렌즈(150) 상에 홀로그래픽 광학 소자(130)가 형성되므로, 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 상기 제2 렌즈(150)의 타면에서 입사하여 제2 렌즈(150) 및/또는 홀로그래픽 광학 소자(130)를 투과하는 외부광과 안경 다리에 형성된 디스플레이 소스(110)로부터 방출되어 홀로그래픽 광학 소자(130)에서 회절되는 화상 표시광을 동시에 착용자의 눈(10)으로 입사시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 착용자의 두 눈에 화상 정보를 전달하기 위하여 좌우 대칭으로 형성될 수 있다. 도시된 실시예는 착용자의 우안에 화상 표시광을 전달하도록 구성되어 있으나, 이에 한정되지 않고 착용자의 좌안에도 화상 표시광을 전달하도록 좌측 안경 다리 및 좌측 안경 렌즈(제2 렌즈)에 디스플레이 소스, 제1 렌즈, 홀로그래픽 광학 소자 및 컨트롤러가 더 구비될 수 있다. 또한, 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 안경 형태뿐만 아니라, 고글 또는 헬멧 형태로 구현될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이가 구현하는 시야각을 설명하는 도면이다. 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 디스플레이 소스(110)는 소형의 직사각형의 디스플레이 패널일 수 있으며, 화상 정보를 담은 화상 표시광을 상기 직사각형의 각각의 지점에서부터 방출할 수 있다. 도 2를 참조하면, 디스플레이 소스(110)로부터 방출된 화상 표시광은 제1 렌즈(120)를 통과하면서 화상에 대한 중간 상(111)을 형성할 수 있다. 상기 화상에 대한 중간 상(111)에서 방출된 광은 홀로그래픽 광학 소자(130)에 의해 회절되어 착용자의 눈(10)에 지향됨으로써, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 상기 중간 상에 대한 허상(112)을 형성할 수 있다. 홀로그랙 광학 소자(130) 및 제1 렌즈(120)에 의해 형성된 허상(112)은, 디스플레이 소스(110)로부터 방출된 화상 표시광에 담긴 화상 정보를 헤드 마운티드 디스플레이(100)를 장착한 착용자에게 디스플레이하게 된다.
이 때, 시야각(Field Of View, FOV)은 착용자의 눈 등에 의해 디스플레이 소스(110)의 각각의 지점에서 방출하는 화상 표시광으로 형성된 허상을 한 번에 관측될 수 있는 영역의 크기를 각(angle)으로 표현하여 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 렌즈(120)는 디스플레이 소스(110) 및 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이의 화상 표시광의 광 경로 상에 배치함으로써 화상 표시광의 중간 상(111)을 형성하므로, 디스플레이 소스(110)가 마치 중간 상(111)이 형성된 위치에서 화상 표시광을 방출하는 효과를 일으킬 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자에 의해 최종적으로 형성되는 허상에 대한 시야각이 확장될 수 있다. 보다 구체적으로, 다양한 실시 예에 따라 디스플레이 소스(110) 및 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이에 제1 렌즈가 삽입 배치되는 경우에 제1 렌즈가 없는 비교예에 비하여 시야각이 3배 이상 확장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이가 구현하는 아이 모션 박스를 설명하는 도면이다. 구체적으로 도 3은 디스플레이 소스(110)의 양단 및 중앙에서 각각 방출되는 화면 표시광이 착용자의 눈으로 입사되는 광 경로 및 각각의 광 경로에서 눈으로 입사되는 화면 표시광의 입사 가능 범위를 음영으로 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 디스플레이 소스(110)의 중앙에서 방출된 화면 표시광은 착용자의 눈의 시축에 대하여 나란한 입사 범위(음영으로 도시 됨)로 착용자의 눈에 입사되고, 디스플레이 소스(110)의 양단에서 방출된 화면 표시광은 착용자의 눈의 시축에 대하여 일정한 각도(예를 들어, 시야각의 반)로 좌우로 기울어진 방향과 나란한 소정의 입사 범위(음영으로 도시됨)로 입사될 수 있다. 이 경우, 디스플레이 소스(110)의 양단 및 중앙에서 방출된 화면 표시광의 입사 범위가 중첩되는 부분은 아이모션박스(Eye Motion Box, EMB)라고 할 수 있다.
본 명세서에서 아이모션박스(Eye Motion Box, EMB)는 구현된 화상을 시인할 수 있는 영역으로 정의될 수 있다. 즉, 헤드 마운티드 디스플레이를 이루는 광학계가 형성하는 아이모션박스 내에 착용자의 눈이 배치될 수 있어야 착용자가 헤드 마운티드 디스플레이를 통해 전달하고자 하는 화상을 올바르게 인식할 수 있다. 따라서, 일정 수준 이상의 아이모션박스가 확보되어야만, 착용자의 머리 및 눈 사이의 거리에 따라 달라질 수 있는 시축이 아이모션박스 내에 형성될 수 있고, 착용자의 시축이 아이모션박스 내에 형성되어야 헤드 마운티드 디스플레이를 통해 전달하고자 하는 화상의 구현이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)는, 제1 렌즈(120)를 디스플레이 소스(110) 및 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이에 배치함으로써 제1 렌즈만 없는 경우에 비하여 아이모션박스의 크기는 다소 감소하지만, 헤드 마운티드 디스플레이(100)가 화상을 제공하기 위한 일정 수준(예를 들어, 10mm × 10mm)의 이상의 아이모션박스를 확보할 수 있고 더불어 시야각을 확장할 수 있다.
도 4는 다양한 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 광학계의 물리적 구조를 설명하는 도면이다. 도 4는 도 1 내지 도 3 중 어느 하나에서 홀로그래픽 광학 소자(130)의 광학적 작용(예를 들어, 회절)에 의한 굽어진 광 경로를 펼쳐서 상기 광 경로가 디스플레이 소스, 제1 렌즈 및 착용자의 눈 또는 시축이 형성하는 직선과 동일 선상에 배열되도록 홀로그래픽 광학 소자(130)를 하나의 가상 렌즈(131)로 대체하여 도시한다. 홀로그래픽 광학 소자(130)를 하나의 가상 렌즈(131)로 대체한 도시된 구조에서, 디스플레이 소스(110)의 크기에 맞는 적당한 초점 거리를 갖는 제1 렌즈(120) 및 홀로그래픽 광학 소자(130)에 기록해야 하는 광학적 특성을 도출할 수 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 도 1 내지 도 3의 홀로그래픽 광학 소자(130)의 Off-axis 반사 구조를 펼쳐서 동일 직선 상에 디스플레이 소스(110), 렌즈(120) 및 착용자의 눈(10)이 위치한다고 가정하고 렌즈(120)의 초점 거리(FL2) 및 홀로그래픽 광학 소자(130)에 기록해야 하는 광학적 특성(예를 들어, 홀로그래픽 광학 소자의 초점 거리(FL1) 또는 홀로그래픽 광학 소자의 크기의 반(R1))을 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 디스플레이 소스(110)는 가로가 약 10mm이고, 세로가 약 7mm인 직사각형의 디스플레이 패널을 사용하는 것으로 가정하면, 시야각(FOV)은 하기 수학식 1로 도출된다.
[수학식 1]
Figure 112020093434133-pat00001
상기 FOV는 착용자의 눈을 통해 화상의 허상을 한번에 볼 수 있는 시야각이고, ER은 눈(10)과 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이의 직선 거리이고, R1은 홀로그래픽 광학 소자(130)의 크기의 반이다. 상기 수학식 1을 통해 R1을 얻을 수 있고, R1의 2배는 상기 FOV를 구현하기 위하여 기록되어야 할 홀로그래픽 광학 소자의 최소 크기가 된다.
[수학식 2]
Figure 112020093434133-pat00002
상기 수학식 2는 홀로그래픽 광학 소자(130)와 눈(10) 사이의 거리(ER)와 목표하는 시야각(FOV)을 통해 홀로그래픽 광학 소자(110)의 기록되어야 하는 최소 크기(R1의 2배 크기)를 도출할 수 있다.
도 4(a)에 도시된 광을 통해, 하기의 수학식 3을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020093434133-pat00003
여기서, L1은 제1 렌즈(120)와 가상 렌즈(131) 사이의 거리이고, L2는 제1 렌즈(120)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리이고, PD는 L1과 L2를 합한 가상 렌즈(131)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리이고, PS는 디스플레이 소스(110)의 가로 길이이다.
상기 수학식 3을 통해 제1 렌즈(120)와 가상 렌즈(131) 사이의 거리 및 제1 렌즈(120)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리가, L1=PD/{(1+PS)/2·R1}, L2 = PD-L1 로 각각 도출될 수 있다.
또한, FL1은 가상 렌즈(131)의 초점 거리이고, FL2는 제1 렌즈(120)의 초점 거리라고 했을 때, 렌즈 공식에 대입하면, 하기 수학식 4 및 5로 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020093434133-pat00004
[수학식 5]
Figure 112020093434133-pat00005
상기 수학식 4 및 5을 통해 홀로그래픽 광학 소자(130)에 기록해야 하는 초점 거리(FL1)와 디스플레이 소스(110)와 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이에 시야각의 확장을 위해 추가로 배치되는 제1 렌즈(120)의 초점 거리를 하기의 수학식 6 및 수학식 7 로 도출할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020093434133-pat00006
[수학식 7]
Figure 112020093434133-pat00007
본 발명의 일 실시 예에서, 하기의 표 1을 참조하면, 착용자의 눈(10)과 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이의 직선 거리(ER)는 21.0 mm로, L1과 L2를 합한 가상 렌즈(131)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리(PD)는 60.0 mm로, 디스플레이 소스(110)의 가로 길이(PS)는 10.0 mm로, 시야각(FOV)은 35.0 도로 지정한 조건에서 상기 수학식 1 내지 5를 통하여, 홀로그래픽 광학 소자의 최소 크기의 반(R1), 제1 렌즈(120)와 가상 렌즈(131) 사이의 거리(L1), 제1 렌즈(120)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리(L2), 홀로그래픽 광학 소자(130)에 기록해야 하는 초점 거리(FL1) 및 디스플레이 소스(110)와 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이에 시야각의 확장을 위해 추가로 배치되는 제1 렌즈(120)의 초점 거리(FL2)를 하기 표 1과 같이 도출할 수 있다. 상기 도출된 5개의 값으로 설정된 구성 소자들이 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되어 화상의 디스플레이가 구현될 수 있다.
즉, 홀로그래픽 광학 소자(130)에 기록해야 하는 초점 거리는 약 13 mm이고, 제1 렌즈(120)의 초점 거리는 약 11 mm이고, 제1 렌즈(120)와 홀로그래픽 광학 소자(130) 사이의 거리(L1)는 약 35 mm이고, 제1 렌즈(120)와 디스플레이 소스(110) 사이의 거리(L2)는 약 25 mm인 헤드 마운티드 디스플레이의 구현이 가능할 수 있다.
ER
(mm)		 FD
(mm)		 PS
(mm)		 FOV
(°)		 R1
(mm)		 L1
(mm)		 L2
(mm)		 FL1
(mm)		 FL2
(mm)
21.0 60.0 10.0 35.0 6.62 34.19 25.81 13.01 11.63
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이(100)는 안경의 형태로 구현될 수 있고, 디스플레이 소스(110) 및 제1 렌즈(120)는 착용자의 눈(10)의 측방에 배치되도록 안경 다리(미도시) 내부에 형성될 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 착용자의 눈(10)의 전방에 배치되는 안경 렌즈(제2 렌즈)(150)의 일면에 막의 형태로 코팅될 수 있다. 디스플레이 소스(110)로부터 화면 표시광은 홀로그래픽 광학 소자(130)의 법선 또는 착용자의 눈의 시축에 대하여 θ 각도를 가지고 입사되어 홀로그래픽 광학 소자(130)에 의해 회절되어 홀로그래픽 광학 소자(130)의 법선 또는 착용자의 눈의 시축과 나란하게 착용자의 눈에 입사될 수 있다. 예를 들어, 안경 내에 디스플레이 소스(110), 제1 렌즈(120) 및 홀로그래픽 광학 소자(130)가 포함되는 구조 상 상기 θ는 대략 50도일 수 있다. 또한, 렌즈(120)는, 초점 거리가 대략 10mm이고, 구경이 대략 10mm일 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학 소자(130)는 제2 렌즈 상에 형성될 수 있는 약 20 mm 내지 40mm 일 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 홀로그래픽 광학 소자의 제작을 설명하는 일 예시이다. 도 6은 일 실시 예에 따른 헤드 마운티드 디스플레이에 포함되는 홀로그래픽 광학 소자의 제작을 설명하는 다른 예시이다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 홀로그래픽 광학 소자(110)는 홀로그래픽 광학 소자의 법선에 대하여 소정의 각도로 입사한 광이 동일한 각도의 반사각이 아닌 다른 각도로 반사하는 회절 효율을 갖도록 제작될 수 있다. 구체적으로 홀로그래픽 광학 소자는 상기 법선에 대하여 50°로 입사한 광이 상기 법선에 대하여 0°로 반사하는 회절 효율을 갖도록 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 홀로그래픽 광학 소자(110)는 도 4에 대한 설명에서 상술한 수학식을 통해 도출되는 최소 크기를 갖도록 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 홀로그래픽 광학 소자(110)는 도 4에 대한 설명에서 상술한 수학식을 통해 도출되는 초점 거리(FL1)가 기록되도록 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 센서부는 컨트롤러 외부에 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 센서부가 안경 다리가 아닌 안경테에 위치할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 센서부가 컨트롤러 외부에 구비됨으로써, 상기 헤드 마운티드 디스플레이의 구조를 단순화 시키며 착용자의 신체정보를 정확하게 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 센서부는 안경테 내부에 위치할 수 있다. 구체적으로 상기 센서부는 상기 착용자의 눈의 전방에 배치된 안경테 내부에 위치하고 착용자의 눈을 향하여 위치될 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 센서부가 착용자의 눈의 전방에 위치한 안경테 내부에서 착용자의 눈을 향해 구비됨으로써, 착용자의 신체정보를 정확하게 측정 및/또는 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제어부 및/또는 작동부는 안경 다리 내부에 위치하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 착용자의 눈의 측방인 안경 다리 내부에 구비됨으로써, 상기 헤드 마운티드 디스플레이의 구조를 단순화하고 경량화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 신체정보는 착용자의 눈의 위치, 착용자의 눈 사이의 거리 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 센서부에 의하여 획득되는 상기 신체정보는 착용자의 눈의 위치, 착용자의 눈 사이의 거리 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있으며, 상기 착용자의 시야각을 확장시키기 위하여 필요한 정보에 해당하는 경우 모두 획득될 수 있다. 보다 구체적으로 착용자의 동공의 크기, 착용자의 조리개가 닫혀있는 상태, 착용자의 눈 주위의 골격에서 안구가 함몰된 깊이 등일 수 있다. 상술한 신체정보에 의하여 상기 홀로그래픽 광학 소자(130)와 상기 제1 렌즈(120)의 거리(L1) 및/또는 상기 제1 렌즈(120)와 상기 디스플레이 소스(110)의 거리(L2)를 조절하여 착용자에 따라 달라지는 신체정보를 기초로 시야각(Field of view)를 최대로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제어부는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 상기 착용자의 신체정보를 획득한 것을 기초로 상기 제1 렌즈 및 상기 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하고 상기 동작부에 의하여 상기 상기 제1 렌즈 및 상기 디스플레이 소스의 위치를 조절함으로써, 상기 홀로그래픽 광학 소자(130)와 상기 제1 렌즈(120)의 거리(L1) 및/또는 상기 제1 렌즈(120)와 상기 디스플레이 소스(110)의 거리(L2)를 조절하여 착용자에 따라 달라지는 신체정보를 기초로 시야각(Field of view)를 최대로 확보할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 다양한 실시 예에 따른 홀로그래픽 광학 소자(110)는 투명한 기판(133)(예: 유리, 플라스틱 또는 안경 렌즈)에 감광 물질(140)을 배치시키고, 소정의 각도를 가지고 상기 감광 물질의 전면 및 후면을 각각 조사하는 가간섭성(coherent)의 두 레이저 빔을 사용하여 상기 감광 물질에 간섭 패턴을 기록함으로써 제작될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 레이저 빔의 실루엣(음영으로 표시됨) 및 제2 레이저의 빔의 실루엣(음영으로 표시됨)이 감광 물질 상에 중첩하는 영역에 간섭 패턴이 형성되며, 상기 중첩하는 영역에 의해 홀로그래픽 광학 소자의 크기가 결정될 수 있다. 또한, 도 4와 관련하여 상술한 바와 같이 제1 렌즈(120)를 추가하는 경우 홀로그래픽 광학 소자(110)에 기록되어야 하는 초점 거리(FL1)를 계산하고, 제1 레이저 빔이 퍼지기 시작하는 일 지점과 감광 물질(140) 사이의 수직 거리를 계산된 초점 거리(FL1)로 설정함으로써 홀로그래픽 광학 소자에 초점 거리(FL1)를 기록할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 렌즈(120)를 추가하는 경우 계산된 초점 거리를 가지는 홀로그래픽 광학 소자를 기록하기 위해서, 제1 레이저는 감광 물질(140)의 일면과 상기 초점 거리만큼 수직으로 떨어진 일 지점에서 퍼지기 시작하는 원추형의 빔을 조사하게 된다. 이 때 제2 레이저는 감광 물질(140)의 타면에 원통형의 빔을 조사하게 된다. 감광 물질(140) 중에서 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 상호 작용에 의해 간섭 패턴이 형성되는 영역이 홀로그래픽 광학 소자가 될 수 있고 홀로그래픽 광학 소자의 크기를 결정하게 된다. 이 경우, 감광 물질(140)의 두께와 노광 시간을 다르게 기록함으로써 최대 회절 효율을 갖는 홀로그래픽 광학 소자가 제작될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 렌즈(120)를 추가하는 경우 계산된 초점 거리가 짧아서 짧은 초점 거리를 가지는 홀로그래픽 광학 소자를 기록해야 하는 경우, 제1 레이저는 감광 물질(140)의 일면과 상기 초점 거리만큼 수직으로 떨어진 일 지점에서 퍼지기 시작하는 원뿔 형태의 빔을 조사하되, 제2 레이저는 모이면서 진행하는 원추형의 빔을 감광 물질(140)의 타면에 조사하는 방법도 가능할 수 있다. 감광 물질(140) 중에서 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔의 상호 작용에 의해 간섭 패턴이 형성되는 영역이 홀로그래픽 광학 소자가 될 수 있고 홀로그래픽 광학 소자의 크기를 결정하게 된다. 이 경우, 감광 물질(140)의 두께와 노광 시간을 다르게 기록함으로써 최대 회절 효율을 갖는 홀로그래픽 광학 소자가 제작될 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 착용자의 눈
100: 헤드 마운티드 디스플레이
110: 디스플레이 소스
111: 중간 상
112: 허상
120: 제1 렌즈
130: 홀로그래픽 광학 소자
131: 가상 렌즈
140: 감광 물질
150: 제2 렌즈
160: 컨트롤러
161: 센서부
162: 제어부
163: 작동부

Claims (13)

  1. 착용자의 두부에 착용되어 화상을 전달하는 헤드 마운티드 디스플레이에 있어서,
    상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 화상 표시광을 출력하는 디스플레이 소스;
    상기 화상 표시광을 집광하는 제1 렌즈;
    상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 제1 렌즈를 통과한 상기 화상 표시광을 착용자의 눈으로 지향시키는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE); 및
    상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 착용자의 신체정보를 획득하는 센서부;
    상기 획득된 신체정보를 기초로 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 제어부; 및
    상기 착용자의 눈의 측방에 배치되고 상기 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 위치를 미리 정해진 위치로 위치시키는 작동부;를 포함하는 것이고,
    상기 신체정보는 착용자의 눈의 위치, 착용자의 눈 사이의 거리, 착용자의 동공의 크기, 착용자의 조리개가 닫혀있는 상태 및 착용자의 눈 주위의 골격에서 안구가 함몰된 깊이인 것인,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 소스는 액정 디스플레이 패널 또는 유기 발광 다이오드 디스플레이 패널을 포함하는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 착용자의 눈의 전방에 배치되고 상기 홀로그래픽 광학 소자가 일면에 형성된 제2 렌즈를 더 포함하는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 착용자의 눈측 면과 대향하는 면으로부터 외부광이 상기 제2 렌즈 및 홀로그래픽 광학 소자 중 어느 하나 이상을 투과하여 상기 착용자의 눈으로 입사되는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 디스플레이 소스, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 컨트롤러는 안경, 고글 및 헬멧 중 적어도 하나에 설치된,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디스플레이 소스, 상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 컨트롤러는 상기 착용자의 양 눈에 각각 대응되도록 좌우 한 쌍이 제공되는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 디스플레이 소스 및 상기 제1 렌즈가 안경 다리의 내부에 배치되어 상기 디스플레이 소스로부터의 화면 표시광이 상기 홀로그래픽 광학 소자의 법선에 대하여 소정의 각도로 비스듬히 입사되는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 계산된 초점 거리를 갖는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 광학 소자는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 계산된 초점 거리가 기록되어 있는,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 센서부는 안경테 내부에 위치하고,
    상기 제어부 및 작동부는 안경 다리 내부에 위치하는 것인,
    헤드 마운티드 디스플레이.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 착용자의 눈의 상기 화상에 대한 목표 시야각을 만족하도록 상기 제1 렌즈 및 디스플레이 소스의 미리 정해진 위치를 계산하는 것인,
    헤드 마운티드 디스플레이.
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