KR102657863B1

KR102657863B1 - 허상 표시 장치

Info

Publication number: KR102657863B1
Application number: KR1020217030290A
Authority: KR
Inventors: 나오키 나카무라; 시오리 오스기; 시게노부 히라노; 야스오 가타노; 겐지 가메야마; 노리카즈 이가라시; 아이노 하세가와; 사토미 다나카; 마사히로 이토; 요시후미 스도; 스스무 몸마; 슌 오카자키; 오카자키
Original assignee: 가부시키가이샤 리코
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2024-04-15
Also published as: KR20210129164A; JP7400570B2; EP3942353A1; WO2020188487A1; US20220057640A1; JP2021119376A; CN113614610B; CN113614610A

Abstract

허상 표시 장치는 허상으로 표시될 화상을 표시하는 화상 표시 소자와, 상기 화상 표시 소자로부터 광을 전파하는 전파 광학계와, 상기 전파 광학계에 의해 전파된 광을 안내하는 도광 부재를 구비한다. 상기 도광 부재는 상기 전파 광학계로부터의 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재로 도입하는 광선 입사부와, 상기 도광 부재 내부에서 상기 화상 정보를 포함하는 광을 취출하는 화상 취출부와, 상기 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재의 외부로 출사하는 화상 출사부를 구비한다. 상기 전파 광학계는 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재를 구비한다.

Description

허상 표시 장치

본 발명은 허상 표시 장치에 관한 것이다.

최근에 허상 표시 장치로서 헤드 마운트 디스플레이(HMDs)가 널리 보급되고 있다. HMDs는 투과형과 비투과형으로 대별된다. 투과형은 정보 단말과 결합하여 사용되거나 AR(증강 현실)과 결합하여 사용되며 "스마트 글래스"라고 불리는 것이 주목받고 있다. 비투과형은 게임이나 가상 현실(VR)에 널리 사용되며 높은 몰입감으로 널리 사랑받고 있다.

허상 표시 장치의 한 장르로서, 허상로 표시되는 화상를 화상 표시 소자에 표시하는 허상 표시 장치는 전파 광학계에 의해 화상 표시 소자로부터 도광 부재로 화상 광을 전파하고, 도광 부재에 의해 전파된 화상 광을 안내하여 화상 광을 반사광으로서 관찰자를 향해 방출함으로써 확대된 허상가 관찰되도록 하는 것이 알려져 있다. 상기 스마트 글래스는 이러한 장르에 속하며 "도광형 허상 표시 장치"라고 한다.

허상 크기 측면에서 투과형은 정보 단말과 결합하거나 AR과 결합하여 사용되기 때문에 크기가 작고 휴대성이 좋은 것이 바람직하다. 한편, 비투과형은 게임이나 VR에서 사용되기 때문에 몰입감을 주는 넓은 시야각을 가질 수 있다. 몸체 크기나 두께 감소에 특화된 HMDs는 좁은 시야각을 갖는 경향이 있는 반면, 시야각이 넓은 디스플레이 영역을 갖는 HMDs는 몸체 크기나 두께가 증가하는 경향이 있다.

투과형도 얇은 두께 뿐만 아니라 넓은 시야각을 가질 필요가 있다. 이러한 요구 사항을 준수하는 공지된 방법에서는 특정 반사율의 코팅이 부여된 다중 미러를 도광 부재에 배치하고, 각 광선을 해당 광선의 입사각에 따라 반사 또는 투과에 할당하여 효과적으로 화상를 취출한다 (예를 들어 특허 문헌 1 참조).

또 다른 공지된 방법에서는 도광 부재의 한 측면에 미세 구조 및 갭 영역을 마련하고 이들에 의해 광선을 반사 및 전파하여 효과적으로 화상을 취출한다(예를 들어 특허 문헌 2 참조).

또 다른 공지된 방법에서는 대향 방식으로 연장되는 전반사부와, 경사진 방식으로 연장되는 다수의 제1 요소면 및 이 제1 요소면에 대하여 둔각을 이루도록 연장되는 다수의 제 2 요소면을 교대로 배치한 도광판을 조합하여 화상을 취출한다( 예를 들어 특허 문헌 3 참조).

상술한 각각의 방법에서는 콜리메이터 광학계에 의해 화상 표시 소자의 위치 정보를 각도 정보로 변환하여 도광 부재에 광을 도입한다. 콜리메이터 광학계가 화상 표시 소자에 대해 대략 텔레센트릭의 광학계인 경우, 콜리메이터 광학계의 광학 동공 위치는 도광 부재의 광선 입사부 근처에 있게 된다. 도광 부재에 입사된 광은 도광 부재의 수직 시야에 대응하는 방향으로 도광 부재내에서 광축에 대하여 발산하면서 전파되므로, 도광 부재내에 마련된 다수의 미러 또는 미세 구조에 의해 반사된 광은 관찰자의 눈에서 멀어지는 방향으로 출사되어 수직 시야를 거의 확보할 수 없게 된다.

이러한 이유로 콜리메이터 광학계를 비텔레센트릭으로 하여 광학 동공 위치를 확장함으로써 도광　부재의 수직 시야에 대응하는 방향으로 도광　부재내에서 광축에 대하여 광을 수렴시키고, 도광　부재내에 마련된 다수의 미러 또는 미세 구조에 의해 반사된 광을 관찰자의 눈을 향한 방향으로 출사하도록 한다. 그러나, 도 1에 구경(A1)으로 도시된 바와 같이, 광은 도광 부재의 수평 시야에 대응하는 방향으로 도광 부재의 좁은 영역을 통과하여야 하므로 "비네팅"으로 인한 광 손실이 문제로 된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 특허 문헌 4에는 화상 표시 소자를 조명하는 광을 제어함으로써 화상 표시 소자로부터 출사되는 광의 방향을 제어하여 광 이용 효율을 향상시키는 것이 기재되어 있다. 그러나 수평 및 수직 방향 전체에서 모든 픽셀에 관하여 광의 방향을 제어하는 것은 어렵다.

[선행 기술 문헌]

[특허 문헌]

(특허 문헌 1) JP-5698297-B

(특허 문헌 2) JP-5421285-B

(특허 문헌 3) JP-5703875-B

(특허 문헌 4) JP-2012-83458-A

본 발명의 목적은 광 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 도광형의 허상 표시 장치를 제공하는 것이다.

예시적인 실시형태는 허상으로서 표시될 화상을 표시하는 화상 표시 소자와, 화상 표시 소자로부터의 광을 전파하는 전파 광학계와, 전파 광학계에 의해 전파된 광을 안내하는 도광 부재를 포함하는 허상 표시 장치를 구비한다. 상기 도광 부재는 상기 전파 광학계로부터의 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재로 도입하는 광선 입사부와, 상기 도광 부재 내부로부터 상기 화상 정보를 포함하는 광을 취출하는 화상 취출부와, 상기 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재의 외부로 출사하는 화상 출사부를 구비한다. 상기 전파 광학계는 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재를 구비한다.

예시적인 실시형태는 허상으로서 표시될 화상을 표시하는 화상 표시 소자와, 화상 표시 소자에 표시된 화상을 조명하는 광원과, 화상 표시 소자로부터의 광을 전파하는 전파 광학계와, 전파 광학계에 의해 전파된 광을 안내하는 도광 부재를 포함하는, 허상 광학계가 구비된 허상을 표시하기 위한 허상 표시 장치를 구비한다. 상기 도광 부재는 전파 광학계로부터의 화상 정보를 포함하는 광을 도광 부재로 도입하는 광선 입사부와, 상기 도광 부재 내부로부터 상기 화상 정보를 포함하는 광을 취출하는 화상 취출부와, 상기 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재의 외부로 출사하는 화상 출사부를 구비한다. 상기 전파 광학계는 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재를 구비한다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따르면, 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재를 화상 표시 소자 이후의 전파 광학계에 삽입함으로써, 광 이용 효율을 더욱 높일 수 있는 도광형의 허상 표시 장치를 얻을 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 첨부된 도면은 명시적으로 언급하지 않는 한 축척에 맞게 그려진 것으로 간주되지 않는다. 또한, 동일하거나 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성 요소를 나타낸다.
[도면에 대한 간단한 설명]
도 1은 허상 표시 장치의 기본 구성의 단점을 설명하기 위한, 평면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 2는 상기 기본 구성의 단점을 설명하기 위한, 정면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 일 실시형태의 작용을 설명하기 위한, 평면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 3b는 본 실시형태의 작용을 설명하기 위한, 정면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 일 실시형태를 설명하기 위한, 평면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 5는 상기 일 실시형태를 정면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 다른 실시형태를 설명하기 위한, 평면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 실시형태를 정면 방향에서 바라본 광로도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시한 실시형태 중의 전파 광학계의 수치예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도광 부재의 화상 취출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도광 부재의 다른 예시적인 화상 취출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 수치예 2의 광학 배치도이다.
도 12a, 12b 및 12c는 상기 수치예 2의 횡수차 곡선을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 수치예 3의 광학 배치도이다.
도 14a, 14b 및 14c는 상기 수치예 3의 횡수차 곡선을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 수치예 4의 광학 배치도이다.
도 16a, 16b 및 16c는 상기 수치예 4의 횡수차 곡선을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 수치예 5의 광학 배치도이다.
도 18a, 18b 및 18c는 상기 수치예 5의 횡수차 곡선을 나타낸 도면이다.
도 19는 수치예 2 내지 수치예5의 횡수차 곡선을 계산한 위치를 나타낸 도면이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥에서 달리 명시되지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다.

도면에 예시된 실시예를 설명함에 있어서, 명확성을 위해 특정 용어가 사용된다. 그러나, 본 명세서의 개시는 이와 같이 선택된 특정 용어에 제한되는 것을 의도하지 않으며, 각각의 특정 요소는 유사한 기능을 갖고, 유사한 방식으로 작동하며, 유사한 결과를 얻을 수 모든 기술적 동등물을 포함함을 이해하여야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 허상 표시 장치는 화상 표시 소자, 전파 광학계 및 도광 부재를 포함한다.

"화상 표시 소자"는 관찰될 허상으로 표시되는 화상을 표시한다.

"전파 광학계"는 화상 표시 소자로부터 광을 전파한다.

"도광 부재"는 전파 광학계에 의해 전파된 광을 안내한다. 전파 광학계에 의해 전파되는 광은 화상 표시 소자에 표시된 화상의 화상 정보를 포함한다.

도광 부재는 "화상 정보를 포함하는 광"을 도광 부재에 도입하는 "광선 입사부", 도광 부재의 내부로부터 "화상 정보를 포함하는 광", 즉 "화상 광"을 취출하는 "화상 취출부"와, 화상 정보를 포함하는 광을 도광 부재의 외부로 출사하는 "화상 출사부"를 포함한다.

전파 광학계는 "광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재"를 포함한다. 이하, "광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재"를 "곡면 광학 부재"라고도 한다.

화상 표시 소자로는 널리 알려진 화상 표시 소자를 사용할 수 있다.

예를 들어, 발광 기능을 갖는 유기 EL 디스플레이(OLED), 또는 비발광으로 조명광에 의해 조명되는 액정 표시 장치 또는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)가 사용될 수 있지만, 화상 표시 소자는 이에 한정되지 않으며, 화상을 표시할 수 있는 한, 2 차원으로 구동되는 미세전자기계 시스템(MEMS)도 적용할 수 있다.

화상 표시 소자로부터 도광 부재로 광을 전파하는 "전파 광학계"는 이하에 예시된 바와 같이 각종 구성을 구비할 수 있다.

전파 광학계는 예를 들어 대략 평행 광을 도광 부재의 광선 입사부에 입사시킨다. 이와 같은 전파 광학계를 사용하면 파워가 없는 판상 부재가 도광 부재로서 사용될 때, 화상 출사부로부터 출사된 광으로 "관찰자의 눈 망막"의 한 지점에 화상이 형성됨으로써 관찰자는 양호한 허상을 볼 수 있다.

전파 광학계는 화상 표시 소자에 표시되는 화상의 중간 화상을 형성하는 화상 표시 소자 측의 중계 광학계와, 중간 화상의 도광 부재 측의 콜리메이터 광학계를 포함할 수 있다. 중계 광학계 및 콜리메이터 광학계 중 적어도 하나에 상기 "곡면 광학 부재"가 하나 이상 포함될 수 있다. 이러한 구성인 경우에도 전파 광학계는 대략 평행 광을 도광 부재의 광선 입사부에 입사시킬 수 있다.

고성능을 확보하는 동시에 전체 광학 길이의 일정 크기를 유지하면서 렌즈 직경을 작게 하려면 전파 광학계가 중간 화상을 형성하는 것이 효과적이고 중계 광학계의 직경을 상대적으로 작게 할 수 있다. 또한, 중계 광학계를 포함하는 구성은 기계적 또는 전기적 시스템 구성 등의 이유로 화상 표시 소자와 도광 부재 사이의 간격을 확보해야 하는 경우에도 대응할 수 있다.

중계 광학계, 광축에 대한 곡면 광학 부재, 콜리메이터 광학계는 화상 표시 소자 측으로부터 상기 순서대로 포함되고, 중계 광학계와 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상이 형성됨으로써 곡면 광학 부재의 면이 중간 화상에 가깝게 위치된다. 곡면 광학 부재가 중간 화상 근처에 위치하기 때문에 비회전 대칭으로 인한 구면 수차 또는 코마 수차를 작게 할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 전파 광학계는 중계 광학계에 의해 화상 표시 소자로부터의 광을 중간 화상으로 변환시키는 데에 사용되며, 이에 따라 화상 표시 소자는 관찰자의 머리 앞쪽 부근에서 귀쪽으로 멀어질 수 있고 스마트 글래스의 앞쪽 부분의 무게를 줄일 수 있어 스마트 글래스의 착용감을 향상시킬 수 있다. 또한 스마트 글래스의 끝 부분의 두께를 줄일 수 있어 관찰자의 시야가 방해되는 것을 줄일 수 있다.

전파 광학계는 또한 콜리메이터 광학계 및 상기 콜리메이터 광학계의 화상 표시 소자 측의 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재를 포함할 수 있다. 콜리메이터 광학계에 의해 평행된 광은 도광 부재의 광선 입사부에 입사된다.

콜리메이터 광학계는 "화상 표시 소자 측에서 비텔레센트릭"일 수 있고, 상술한 "중계 광학계 및 콜리메이터 광학계"가 사용되는 경우, 콜리메이터 광학계는 "중간 화상 측에서 비텔레센트릭"일 수 있다.

이와 같이, 콜리메이터 광학계의 화상 표시 소자 측 또는 콜리메이터 광학계의 중간 화상 측을 비텔레센트릭으로 할 수 있다. 따라서, "광학계의 동공 위치"까지의 거리가 길어지고, 도광 부재 내부에서 전파된 광이 화상 취출부에 부딪힐 때 효율적으로 눈에 입사되어 광각 허상을 표시할 수 있다.

또한, 전파 광학계에서의 배치 위치 및 개수에 관해서는, 이하에 예시하는 바와 같이 전파 광학계에 사용되는 "곡면 광학 부재"에 대하여도 다양한 경우가 가능하다.

즉, 곡면 광학 부재는 "중간 화상에 근접하게" 배치될 수 있다. 곡면 광학 부재는 화상 표시 소자에 근접하게 배치됨으로써 필드 렌즈와 같은 역할을 하여 비회전 대칭 곡면 형상으로 인한 수차 열화에 대한 영향을 줄일 수 있다.

전파 광학계가 "중간 화상을 형성"하는 경우, 곡면 광학 부재는 "중간 화상에 근접하게" 배치될 수 있다. 이와 같은 방식으로도 곡면 광학 부재는 필드 렌즈와 같은 역할을 할 수 있으며, 비회전 대칭 곡면 형상으로 인한 수차 열화에 대한 영향을 줄일 수 있다.

또한, 전파 광학계가 "중간 화상을 형성"하는 경우, 다수의 곡면 광학 부재가 중간 화상의 앞뒤 각각에 포함될 수 있다. 중간 화상의 앞쪽 및 뒤쪽 각각에 곡면 광학 부재를 배치함으로써, "각각 비회전 대칭인 각 곡면 형상"에서 발생하는 수차를 줄일 수 있다.

곡면 광학 부재의 "광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면"은 예를 들어 "환형 면" 또는 "원통형 면"일 수 있다.

허상 표시 장치는 전술한 곡면 광학 부재를 사용한다. 이들 곡면 광학 부재는 각각 "광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면"을 갖고 있기 때문에, 화상 표시 소자에 표시되는 화상의 "관찰 대상으로 되는 허상의 종횡비"는 상술한 곡면 형상의 비회전 대칭으로 인해 "화상 표시 소자에 표시되는 화상의 종횡비와는 다르다."

이 "종횡비의 차이"는 전파 광학계에 의해 결정되므로 "종횡비의 차이를 보정하는 보정 화상"을 화상 표시 소자에 입력함으로써 제거할 수 있다.

곡면 광학 부재는 각각 "허상의 수평 방향(관찰자로부터 볼 때 횡방향)에 대응하는 방향으로 양의 파워"를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 판형 도광 부재를 사용하는 경우, "허상의 수평 방향에 대응하는 방향의 파워를 양으로 함으로써 입사부의 얇은 부분에 "더 많은 광"을 도입할 수 있다. 따라서, 광 이용 효율을 높일 수 있고, 밝은 허상을 표시할 수 있는 허상 표시 장치를 실현할 수 있다.

또한, 허상 표시 장치에서는 전파 광학계의 "광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재(곡면 광학 부재)"가 허상의 수직 방향(상기 수평 방향과 직교하는 방향)에 대응하는 방향의 크기가 전술한 수평 방향에 대응하는 방향의 크기보다 큰 것이 바람직하다. 곡면 광학 부재의 "허상의 수직 방향에 대응하는 방향의 크기"를 "허상의 수평 방향에 대응하는 방향의 크기"보다 크게 함으로써 광 이용 효율을 높일 수 있고, 밝은 허상을 표시할 수 있는 허상 표시 장치를 실현할 수 있다.

또한, 허상 표시 장치에서 허상 광학계는 "허상으로 표시될 화상을 표시하는 화상 표시 소자, 화상 표시 소자에 표시되는 화상을 조명하는 광원, 도광 부재, 및 화상 표시 소자에 표시되고 상기 광원에 의해 조명되는 화상의 화상 정보를 상기 도광 부재에 입사시키는 전술한 각종 전파 광학계 중 임의의 것"을 포함할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. 각 실시예에서, 본 발명의 실시형태에 따른 허상 표시 장치는 "판형 도광 부재를 사용한 스마트 글래스"로 가정한다. 판형 도광 부재는 "판형 타입"의 공지된 임의의 도광 부재로 가정한다. 이하, 판형의 도광 부재를 "도광판"이라 한다.

도 1 및 도 2는 허상 표시 장치의 전파 광학계(200)가 전술한 것과 본질적으로 동일한 중계 광학계(250) 및 콜리메이터 광학계(280)를 포함하는 예를 나타낸다. 이 예에서는 전파 광학계(200)는 "곡면 광학 부재"를 포함하지 않는다. 따라서, 전파 광학계(200)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 허상 표시 장치의 실시형태의 전파 광학계와 상이하다. 상술한 곡면 광학 부재가 이와 같은 전파 광학계에 추가됨으로써, 본 발명의 실시형태의 전파 광학계 중 하나가 구성된다.

도 1 및 도 2는 종래의 허상 표시 장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1은 수평 방향의 허상 표시에 대응하는 화상 표시 소자(100)로부터의 화상 광의 광로도이다. 도 2는 수직 방향의 허상 표시에 대응하는 화상 표시 소자(100)로부터의 화상 광의 광로도이다. 도광 부재(300)의 광선 입사부는 "직사각형"이고, 이 직사각형 광선 입사부는 이하 "개구"라고 한다. 또한, 도광 부재(300)의 화상 출사부에서 출사되어 관찰자의 동공으로 입사되는 "허상으로 관찰되는 광선"에 대한 관찰자의 동공을 "개구 B"로 정의한다.

도 1에 있어서, 도광 부재(300)의 광선 입사 측의 개구(A1)는 안경 렌즈와 같은 도광 부재(300)를 구성하고, 정면에서 볼 때 안경 렌즈의 전후 방향의 개구를 나타낸다. 개구(A1)는 일반적으로 폭이 대략 2mm이다. 도 2에 도시된 도광 부재(300)의 광선 입사 측의 개구(A2)는 안경 렌즈의 수직 방향에 대응하는 도광 부재(300)의 개구를 나타낸다. 개구(A2)는 일반적으로 폭이 20mm 이상이다.

따라서,도 1의 개구(A1)와 도 2의 개구(A2)는 크게 다르다. 광학계가 중간 화상에 대하여 비텔레센트릭으로 이루어지고, 도광 부재(300)의 화상 출사 측의 개구(B)를 멀리 위치하게 한 후, 광을 도광 부재(300)에 입사하게 되면, 도광 부재(300)의 광선 입사부 부근에서 광이 수렴되지 않고, 따라서, 도광 부재(300)의 광선 입사 측의 좁은 개구(A1, A2)에서 광이 상당한 비네팅을 받게 되어 광 이용 효율이 저하되는 단점이 있다.

또한, 화상 표시 소자(100)로부터의 각 픽셀로부터 발사되는 광, 즉 화상 광은 일반적으로 등방적으로 발사되지만, 도 1에 도시된 중계 광학계(250) 및 콜리메이터 광학계(280)는 크기의 제한을 받아 화상 표시 소자(100)로부터 전부의 광을 도입할 수 없다. 이 때문에, 도 1의 좌측 부분에 하프 톤으로 표시된 바와 같이 충분한 광이 도입될 수 없어 광 이용 효율의 저하로 이어진다. 한편, 도 2에 도시된 개구(A2)의 경우, 도 1에 도시된 크기보다 약 10 배 큰 크기를 갖고 있어 도 1에 도시된 경우에 비해 더 많은 광이 도입될 수 있다.

실시예

도 3a 및 도 3b는 도 1 및 2에 도시된 예와 대조적인, 중간 화상 부근에 렌즈가 배치되고 이 렌즈가 비회전 대칭의 곡면 형상을 갖는 광학 부재를 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 설명하는 개념도이다. "비회전 대칭의 곡면 형상을 갖는 광학 부재"는 원통형 렌즈, 환형 렌즈 및 자유 곡면 렌즈를 포함하는, 광축에 대하여 축 대칭이 아닌 광학 부재를 의미한다. 중계 광학계(200)의 중간 화상(201) 근처에, 비회전 대칭의 곡면 형상을 갖는 광학 부재 (204)(이하, "곡면 광학 부재(204)"라 함)가 삽입된다. 중계 광학계(200)의 중간 화상 (201) 근처에 비회전 대칭의 곡면 형상을 갖는 광학 부재(204)(이하, "곡면 광학 부재 (204)"라 함)가 삽입된다. 이와 같이 포함된 곡면 광학 부재(204)에 의해, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 화상 표시 소자(100)의 최단부로부터 출사되는 광의 중간 화상(201)을 향하는 방향이 도1에 도시된 실시예와 비교하여 변경됨으로써, 광이 개구(A1)를 쉽게 통과하게 된다. 또한, 콜리메이터 광학계(280)의 주변으로 광이 통과하기 위해 필요한 화상 표시 소자(100)로부터의 광량이 도 1에 도시된 실시예에 비해 증가하여 광 이용 효율의 향상으로 이어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 화상 표시 소자(100)의 상단부에서 출사된 광은 발산하면서 전파 광학계(200)의 중계 광학계(이하, "중계 렌즈"라 함)(250)에 입사하고 이 중계 렌즈(250)의 작용으로 중간 화상(201)을 형성한 후, 콜리메이터 광학계(이하, "콜리메이터 렌즈"라 함) (280)에 의해 평행 광속으로 변환되어 개구(A1)로 입사한다.

일반적으로, 화상 표시 소자(100)의 각 픽셀로부터의 광은 도 1의 화상 표시 소자(100)의 상단부에서 연장되는 점선으로 도시된 바와 같이 등방적으로 방사된다. 그러나, 도 1에 예시된 예에서는 중계 렌즈(250) 및 콜리메이터 렌즈(280)의 크기가 제한되어 이와 같은 렌즈로는 화상 표시 소자(100)로부터 등방적으로 방사되는 광 "전부를 도입"하는 것이 불가능하다.

도 1에 도시된 화상 표시 소자(100)의 상단부에서 등방적으로 방사되는, 점선으로 표시된 광선 중, 중계 렌즈(250)의 좌측의 하프 톤으로 표시된 부분만이 전파 광학계(200)로 입사되고 개구(A1, B)를 통과할 수 있기 때문에 광 이용 효율이 저하된다. 도 2는 도광판이 안경 렌즈와 같이 사용되는 경우의 "정면에서 바라본 안경 렌즈의 수직 방향"에 해당한다.

도 1 및 도 2를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 화상 표시 소자(100)에서 출사되는 광의 범위가 개구(A1, A2, B)에 의해 제한될 때, 화상 표시 소자(100)에서 중계 광학계(250) 및 콜리메이터 광학계(280)로 전파되는 광의 방향은 하프 톤으로 표시된 바와 같이 화상 표시 소자(100)의 뒤쪽과 중간 화상(201)의 뒤쪽에서 상이하다. 따라서, 일반적으로 화상 표시 소자(100)의 상단부로부터 등방적으로 방사되는 점선 내의 광의 서로 다른 영역의 광을 사용하게 되고 각 영역의 광을 포함시키도록 화상 표시 소자(100)로부터 큰 각도로 광을 출사할 필요가 있어 광 이용 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 일 실시형태의 동작을 도시한 도면이다. 번잡해지는 것을 피하기 위해 혼동 가능성이 낮은 구성 요소는 동일한 참조 기호로 표시된다.

도 3a 및 도 3b에서는 전파 광학계(200)는 중계 렌즈(250) 및 콜리메이터 렌즈(280) 외에 곡면 광학 부재(204)를 포함한다.

도면에 도시된 바와 같이, 중계 렌즈(250)의 중간 화상(201) 부근에 "광축 방향에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상"을 갖는 곡면 광학 부재(204)가 삽입되고, 이에 따라 화상 표시 소자(100)의 최상단부로부터 중간 화상(201)을 향해 출사되는 광을 도 1 및 도 2의 각 단면에서 독립적으로 변경할 수 있다. 따라서, 화상 표시 소자(100)의 상단부로부터 출사되는 광의 방향을 도 1 및 도 2의 각 단면에서 동일한 방향으로 근접시킬 수 있고 도 1 및 도 2의 화상 표시 소자(100)의 상단부로부터 등방적으로 발사되는 점선 내의 광의 상이한 영역의 광을 이용함으로써 초래되는 광 이용 효율의 저하를 감소시킬 수 있다.

허상 표시 장치의 실시형태

이하, 본 발명의 허상 표시 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 각 실시형태는 기본적으로 화상 표시 소자, 전파 광학계 및 도광 부재를 포함한다. 상기 도광 부재는 전파 광학계로부터의 화상 정보를 포함하는 광을 도광 부재로 도입하는 광선 입사부와, 상기 도광 부재 내부로부터 상기 화상 정보를 포함하는 광을 취출하는 화상 취출부와, 상기 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재의 외부로 출사하는 화상 출사부를 구비한다. 상기 전파 광학계는 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 하나 이상의 광학 부재를 구비한다.

즉, 전술한 "중간 화상 형성"이 반드시 필요한 것은 아니다.

도 4 및 도 5는 중간 화상이 형성되지 않는 형태의 예이다.

도 4에서는 판형 도광 부재인 도광판(300)의 광선 입사부(301)의 개구의 좁은 쪽(개구 A1)이 도면에서 수직 방향을 향하고 있고, 도 5에서는 광선 입사부(301)의 개구의 넓은 쪽(개구 A2)이 도면에서 수직 방향을 향하고 있다.

도4 및 5에 도시된 바와 같이, 허상 표시 장치(1000)는 화상 표시 소자(100)로부터의 광을 전파 광학계(200)에 의해 대략 평행 광으로 변환하고, 광이 도광판 (300)에 입사한 후 관찰자의 동공(개구 B)으로 입사하게 한다.

전파 광학계(200)는 광축 방향에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 곡면 광학 부재(204)를 포함한다. 곡면 광학 부재(204)는 "화상 표시 소자(100)에 근접하게" 배치되고, 필드 렌즈와 같은 역할을 하며 비회전 대칭인 곡면 형상으로 인한 수차 열화의 영향을 감소시킨다.

판형 도광 부재인 도광판(300)은 전파 광학계(200)로부터 화상 정보를 획득하는 광선 입사부(301)와, "θ(세타)의 각도를 갖는 다수의 면"을 포함하는 화상 취출부(303)와, 화상 출사부(304)를 포함한다.

전파 광학계(200)에 의해 전파된 광은 광선 입사부(301)로부터 입사되어 도광판(300) 내부로 안내된다.

화상 정보를 포함하는 광은 화상 표시 소자(100)의 위치 정보가 각도 정보로 변환되도록 "콜리메이터 광학계"를 포함하는 전파 광학계(200)에 의해 변환되고, 변환된 각도 정보는 도광판(300)에 입력된다.

도 4 및 도 5는 화상 표시 소자(100)의 중심에서의 정보 광로를 나타낸다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 화상 정보를 포함하는 광은 전파 광학계(200)를 통해 도광판(300)의 광선 입사부(301)로부터 입사되어 도광판(300) 내부로 안내되고, θ (세타)의 쐐기형 부분의 각도를 갖는 화상 취출부(303)에 의해 반사되며, 화상 정보를 갖는 광으로서 화상 출사부(304)로부터 출사된다. 허상은 화상 출사부(304)를 통해 확인할 수 있다.

여기서, 화상 취출부(303)에 대하여 설명한다.

도 9에서는 도광판(300)의 측면에 다수의 화상 취출부(303)가 배치되어 있고, 도 10에서는 도광판(300) 내부에는 다수의 화상 취출부(303)가 배치된다. 도 9의 경우, 화상 취출부(303)는 경사부(303(a))와 평탄부(303(b))를 포함하고, 경사부(303(a))에 부딪힌 광은 화상 출사부(304)로부터 출사되며, 경사부(303(a)에 닿지 않는 광은 다음의 경사부(303(a))에 부딪힐 때까지 평탄부(303(b))를 통해 도광판(300) 내부를 전파하고, 경사부(303(a))에 부딪힌 후 화상 출사부(304)로부터 출사된다.

광 이용 효율을 높이기 위해, 경사부(303(a))에는 알루미늄 등의 반사 코팅이 부여되는 것이 바람직하다. 이와 같이 다수의 경사부(303(a))에 광이 닿도록 하여 아이박스를 확장할 수 있다.

도 10의 실시예에서는 화상 취출부(303)에 반사 및 투과 특성을 갖는 코팅이 부여된다. 도광판(300) 내부에서 전파되는 광은 화상 취출부(303)에서 분기되어 반사 및 투과되고, 반사된 광은 화상 출사부(304)로부터 출사되며, 투과된 광은 다음의 화상 취출부(303)에서 분기되어 반사 및 투과되고, 반사된 광은 화상 출사부(304)로부터 출사된다. 이와 같은 방식으로, 아이박스를 확장할 수 있다.

도 6 및 도 7은 허상 표시 장치 (1000)의 다른 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태에서는 중계 렌즈(250)가 전파 광학계(200)에 배치되고, 화상 표시 소자(100)로부터의 광은 일단 중간 화상(201)을 형성하게 된다. 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 곡면 광학 부재(204)는 중간 화상(201)의 앞쪽에 가깝게 배치된다.

중간 화상(201)을 형성한 광은 콜리메이터 렌즈(280)를 통해 도광판 (300)의 광선 입사부(301)로 입사되고, 도 4 내지 도 5의 경우와 같이 도광판(300) 내부로 안내되며 화상 출사부(304)로부터 관찰자의 동공을 향해 출사된다.

이하에서는 도 6 및 도 7에 도시된 실시예의 구체적인 예를 설명한다.

도 8은 화상 표시 소자(100)에서 전파 광학계(200) 및 도광판(300)을 통해 관찰자의 동공 및 망막까지 도달하는 데이터(면 번호, 곡률 반경, 면 간격, 재료, 굴절률)를 나타낸다.

전파 광학계(200)는 중계 광학계(250)와 콜리메이터 광학계(280)를 포함하고, 곡면 광학 부재(204)는 중계 광학계 (250)에 마련된다.

중계 렌즈(250) 는 화상 표시 소자(100) 측으로부터 순서대로 배열된 3 개의 렌즈와 곡면 광학 부재를 포함한다. 곡면 광학 부재(204)는 화상 쪽에 환형 면(면 번호 7)을 포함한다. 콜리메이터 렌즈(280)의 화상 표시 소자(100) 측에 있는 두 개의 렌즈는 접합 렌즈를 구성한다.

도광 부재(도광판)(300)의 데이터는 다음과 같다.

최소 두께 : 0.5 mm

길이 : 44 mm

폭 : 50 mm

입사부 : 2.3 mm×50 mm

θ(세타) = 30도

굴절률 (nd) = 1.53 (재질 : 플라스틱)

시야각 : 50도

아이박스 : 5mm 이상

아이릴리프 : 15mm 이상

"아이박스"는 허상으로서 확인 가능한 시야 폭이고, "아이릴리프"는 허상을 확인 가능한, 화상 출사부(304)로부터 안구(동공 : 개구 B)까지의 거리이다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 내용은 도면이 좌우 반전된 경우에도 유효하다. 또한, "하나의 도광 부재를 양쪽 눈으로 확인"하는 방식으로 구성할 수 있다. 또한, 하나의 도광 부재를 2 개로 분할하여 각각의 눈으로 확인하는 것도 가능하며, 도광 부재를 더욱 소형으로 하고 단안 방식도 가능하다.

광각 스마트 글래스를 얻으려고 하면 허상이 대화면으로 되고 허상의 휘도가 어두워지는 경향이 있다. 수평 방향의 허상 표시에 기여하는 광은 도광 부재의 얇은 부분을 향하는 방향으로 입사하여야 하는데, 이는 도광 부재의 광선 입사부에서의 광 "비네팅"으로 인한 광 이용 효율의 저하로 이어진다는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 각 실시형태에서는 광축 방향에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재가 광학계에 배치됨으로써 화상 표시 소자로부터 등방적으로 출사되는 광에 관하여 광 방향을 도광 부재의 두꺼운 부분 및 얇은 부분을 향하는 방향으로 제어할 수 있다. 따라서, 화상 표시 소자로부터의 광 발산 각을 과도하게 증가시키지 않고 도광 부재의 얇은 부분에 입사시키는 광의 방향을 제어할 수 있어 "광 이용 효율을 향상"시킬 수 있다.

광 이용 효율을 더욱 높이는 동시에 곡면 광학 부재(204)를 포함하는 전파 광학계의 직경을 더욱 줄이기 위해서는 다음의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

0.1 <TLA / TL <0.5

상기 식에서, TLA는 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상 면에서 도광 부재(300)에 가장 가까운 콜리메이터 렌즈(280) 면까지의 거리를 나타낸다. TL은 중계 렌즈(250)의 화상 표시 소자 (100) 쪽의 면으로부터 도광 부재(300)에 가장 가까운 콜리메이터 렌즈(280)의 면까지의 거리를 나타낸다. 상기 거리는 광축 상의 정해진 값이다.

TLA / TL의 값이 0.5 이상이면 비회전 대칭인 곡면 형상 면이 도광 부재(300)에서 너무 멀어지고, 비회전 대칭인 곡면 형상 면을 갖는 곡면 광학 부재(204)와 콜리메이터 렌즈(280)의 직경이 너무 크게 된다. LA / TL의 값이 0.1 이하이면 비회전 대칭인 곡면 형상 면이 도광 부재(300)에 너무 가까워서 효과가 작고 도광 부재(300)의 입사 범위가 너무 넓어지게 된다.

0.3<TLC / TLR <0.6

상기 식에서, TLC는 콜리메이터 렌즈(280)의 두께를 나타내고 TLR은 중계 렌즈(250)의 두께를 나타낸다. 상기 두께는 각각 광축 상의 정해진 값이다.

TLC / TLR의 값이 0.6 이상이면 콜리메이터 렌즈(280)가 두껍고, 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 곡면 광학 부재(204)와 콜리메이터 렌즈(280)의 직경이 너무 크게 된다. TLC / TLR의 값이 0.3 이하이면 콜리메이터 렌즈(280)가 너무 얇아서 콜리메이터 렌즈(280)의 각종 수차 보정이 어렵게 된다.

전파 광학계의 성능을 향상시키기 위해서는 다음과 같은 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

-0.5<Pos1/ Y <0.5

상기 식에서 Y는 화상 표시 소자(100)의 대각 방향의 크기를 나타낸다. Pos1은 중간 화상(201)의 위치를 기준으로 할 때 비회전 대칭인 곡면 형상 면의 위치를 나타내고, 비회전 대칭인 곡면 형상 면이 중간 화상(201)의 위치보다 화상 표시 소자(100)에 더 가까운 위치에 있으면 Pos1은 마이너스 값이 된다. 상기 위치는 광축 상의 정해진 값이다.

Pos1 / Y의 값이 0.5 이상 또는 -0.5 이하이면, 비회전 대칭인 곡면 형상 면과 중간 화상(201) 사이의 거리가 증가하여 비회전 대칭 구면 수차 또는 코마 수차의 발생을 방지하는 것이 어렵게 된다.

전파 광학계의 크기를 더욱 줄이기 위해서는 다음과 같은 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

-3.0 < β_relay < -1.0

상기 식에서, β_relay는 중계 렌즈(250)의 횡배율을 나타낸다.

화상 표시 소자(100)의 표시부를 크게 하면 이에 따라 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하는 전기 부품 및 기타 부품이 커져 소형화가 어렵게 된다. 그러나, 확대된 화각을 얻기 위해서는 중간 화상이 상대적으로 커야 하므로 중계 렌즈(250)의 횡배율이 상기 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

-0.5 < f_pmax / f_pmin < 0.5

상기 식에서, f_pmax는 곡면 광학 부재(204)의 양의 파워가 가장 강한 단면의 초점 거리를 나타내고, f_pmin은 곡면 광학 부재(204)의 양의 파워가 가장 약한 단면의 초점 거리를 나타낸다.

f _ pmax /f _ pmin의 값이 0.5 이상이면, 단면의 양쪽 모두가 양 또는 음의 초점 거리에 있고 단면 간의 초점 거리의 차이가 작아 비회전 대칭인 면을 배치한 효과가 적어 도광 부재(300) 및 콜리메이터 렌즈(280)의 소형화가 어렵게 된다. f_pmax / f_pmin의 값이 -0.5 이하이면, 가장 강한 양의 파워를 갖는 단면의 양의 파워가 약하여 도광 부재(300) 및 콜리메이터 렌즈(280)의 소형화가 어렵게 된다.

-0.5 < f_y / f_x < 0.5

상기 식에서, f_y는 화상 표시 소자 (100)의 장변 방향 단면에서의 곡면 광학 부재(204)의 초점 거리를 나타내고, f_x는 화상 표시 소자(100)의 단변 방향 단면에서의 곡면 광학 부재(204)의 초점 거리를 나타낸다.

f_y / f_x의 값이 0.5 이상이면 단면 양쪽 모두가 양 또는 음의 초점 거리에 있고 단면 간의 초점 거리의 차이가 작어 비회전 대칭인 면을 배치한 효과가 적어 도광 부재(300) 및 콜리메이터 렌즈(280)의 소형화가 어렵게 된다. f_y / f_x의 값이 -0.5 이하이면 장변 방향의 양의 파워가 약하여 도광 부재(300) 및 콜리메이터 렌즈(280)의 소형화가 불가능하게 된다.

전파 광학계의 전체 길이를 확보하면서 전파 광학계의 성능을 향상시키기 위해서는 중계 렌즈(250)와 콜리메이터 렌즈(280) 사이에 중간 화상(201)을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 중계 렌즈(250)는 화상 표시 소자(100) 측으로부터 중계 전방군과 중계 후방군을 순차로 포함하고, 중계 전방군과 중계 후방군 간의 간격은 중계 렌즈(250)중의 다른 광학 부재 간의 임의의 간격보다 큰 것이 바람직하다.

중계 전방군과 중계 후방군 사이에 적절한 간격을 확보함으로써 전파 광학계의 전체 길이를 확보하면서 각종 수차를 보정하는 것이 가능하다.

0.4 < TLRa / TLR < 0.7

상기 식에서 TLR은 중계 렌즈(250)의 두께를 나타내고, TLRa는 중계 전방군과 중계 후방군 간의 간격을 나타낸다. 두께와 간격은 광축 상의 정해진 값이다.

TLRa / TLR의 값이 0.7 이상이면 중계 전방군과 중계 후방군 간의 간격이 너무 크고 중계 전방군 또는 중계 후방군이 형성하는 공간이 너무 작아 각종 수차 보정이 어렵게 된다. TLRa / TLR의 값이 0.4 이하이면 중계 전방군과 중계 후방군 간의 간격이 너무 작아 전파 광학계(200)의 전체 길이를 확보하면서 중계 렌즈(250)의 각종 수차를 보정하는 것이 어렵게 된다.

0.4 < f_r / f_rf < 0.8

상기 식에서 f_r은 중계 군의 초점 거리를 나타내고, f_rf는 중계 전방군의 초점 거리를 나타낸다.

중계 전방군은 주로 중계 광학계(250)의 화상 형성 기능을 구비하는 것으로 적절한 파워 배치를 달성하는 것이 중요하다. f_r / f_rf 값이 0.8 이상이면 중계 전방군의 초점 거리가 너무 짧고 중계 전방군에서 발생하는 수차가 적절하게 보정되지 않아 전체 전파 광학계(200)의 각종 수차 보정이 어렵게 된다. f_r / f_rf의 값이 0.4 이하이면 중계 전방군의 초점 거리가 너무 길어 중계 렌즈(250)의 수차 보정이 어렵게 된다.

허상 표시 장치의 수치예

이하에서는 본 발명에 따른 허상 표시 장치의 실시예의 구체적인 수치예를 제시한다. 이하의 각 예에서, 화상 표시 소자(100)의 크기는 수직(X) 방향으로 2.97mm, 수평(Y) 방향으로 5.28mm, 대각 방향으로 6.06mm이다. 각각의 수치예에서, 제 1면 내지 제 13면은 중계 광학계(250)를 구성하고, 제 14면 및 제 15면은 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 곡면 광학 부재(204)를 구성한다. 제 16면 내지 제 21면은 콜리메이터 렌즈(280)를 구성하고, 평행된 편평면으로서의 제 22면 및 제 23면은 도광 부재(300)를 구성하며, 제 23면까지의 거리가 아이릴리프이다.

도 11,13,15 및 17에는 각 수치예의 개략적인 광학 배열이 예시되어 있다. 도12,14,16 및 18에는 각 수치예의 수차도가 예시되어 있다. 도 19는 수차의 측정 점을 나타낸다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 가로 방향으로 3 개의 측정 점 (a), (b), (c)이 있고 세로 방향으로 3 개의 측정 점 1, 2, 3이 있다. 각 수차도는 X, Y 방향에 있어서 3 개의 측정 점 (a), (b), (c) 각각에 대하여 3 개의 측정 점 1, 2, 3에서 수행된 측정 결과를 나타낸다.

수치예 2

도 11은 수치예 2 의 광학 배치를 나타내고, 도 12는 광학 장치의 수차도이다.

화각 : 수직(X) 17.4도, 수평 (Y) 38.3도, 대각 (E) 40.9도

허상 거리 : 0.6 m.

비구면 계수

조건 식

수치예 3

도 13은 수치예 3 의 광학 배치를 나타내고, 도 14는 광학 장치의 수차도이다.

화각 : 수직(X), 14.7도, 수평 (Y), 31.9도, 대각 (E), 34.5도

허상 거리 : 0.5m

비구면 계수

조건 식

수치예4

도 15는 수치예 4 의 광학 배치를 나타내고, 도 16은 광학 장치의 수차도이다.

화각 : 수직(X) 14.6도, 수평 (Y) 31.9도, 대각 (E) 35.0도

허상 거리 : 3 m

비구면 계수

조건 식

수치예5

도 17은 수치예 5 의 광학 배치를 나타내고, 도 18은 광학 장치의 수차도이다.

화각 : 수직(X) 17.7도, 수평 (Y) 33.9도, 대각 (E) 37.8도

허상 거리 : 1 m

비구면 계수

조건 식

각 수차도에서는 초점 거리가 17mm 인 이상적인 렌즈로 화상이 형성되었다고 가정하여 계산이 이루어진다. 각각의 수치예에서는 수차가 고레벨로 수정된다. 본 발명의 실시예로부터, 본 발명의 각 실시예와 같이 전파 광학계를 구성함으로써 30도 이상의 수평 시야각으로 매우 우수한 화상 성능이 확보됨을 알 수 있다.

상술한 예에서는 30도 이상의 광 시야각을 획득하고 광 이용 효율을 높일 수 있는 허상 표시 장치가 실현된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이와 같은 특정의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 상술한 설명에 특별한 제한이 없는 한, 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다.

비회전 대칭인 곡면 형상 면은 정해진 단면의 구면이 될 수도 있고, 설계의 자유도를 높이기 위해 비구면 또는 자유 곡면이 될 수도 있다.

상술한 실시예는 예시적인 것으로 본 발명을 제한하지 않는다. 따라서, 위의 가르침에 비추어 수많은 추가 수정 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 상이한 예시적인 실시예의 요소 및 / 또는 특징은 본 발명의 범위 내에서 서로 결합 및 / 또는 서로 대체될 수 있다.

본 특허 출원은 2019 년 3 월 20 일에 출원된 일본 특허 출원 2019-053317과, 2020 년 2 월 6 일에 일본 특허청에 출원된 2020-018516에 기초하여 우선권을 주장하며 그 전체 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

100 화상 표시요소
200 전파 광학계
201 중간 화상
204 곡면 광학 부재
300 도광판
301 광선 입사부
303 화상 취출부
304 화상 출사부

Claims

허상(virtual image) 표시 장치에 있어서,
허상으로 표시될 화상을 표시하도록 구성된 화상 표시 소자(100)와,
상기 화상 표시 소자(100)로부터의 광을 전파하도록 구성된 전파 광학계(200)와,
상기 전파 광학계(200)에 의해 전파된 상기 광을 안내하도록 구성된 도광 부재를 구비하고,
상기 도광 부재는,
상기 전파 광학계(200)로부터의 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재로 도입하는 광선 입사부(301)와,
상기 도광 부재 내부로부터 상기 화상 정보를 포함하는 광을 취출하는 화상 취출부(303)와,
상기 화상 정보를 포함하는 광을 상기 도광 부재의 외부로 출사하는 화상 출사부(304)를 구비하고,
상기 광선 입사부(301)는 제1 방향으로 폭(A1)을 갖고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 폭(A2)을 갖는 개구(aperture)를 포함하고, 상기 제1 방향으로의 상기 폭(A1)은 상기 제2 방향으로의 상기 폭(A2)보다 좁고,
상기 전파 광학계(200)는 광축에 대하여 비회전 대칭(non-rotationally symmetric)인 곡면 형상 - 상기 곡면은 상기 제1 방향으로 양의 파워를 가짐 - 을 각각 갖는 하나 이상의 굴절 렌즈를 구비하는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 평행 광이 상기 도광 부재의 상기 광선 입사부(301)에 입사하도록 하는 것인 허상 표시 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽에 상기 화상 표시 소자(100)에 표시된 상기 화상의 중간 화상(201)을 형성하는 중계 광학계와, 상기 중간 화상(201)의 상기 도광 부재를 향한 쪽에 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 광축에 대하여 비회전 대칭의 곡면 형상을 각각 갖는 상기 하나 이상의 굴절 렌즈는 상기 중계 광학계 및 콜리메이터 광학계 중 적어도 하나에 마련되는 것인 허상 표시 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 콜리메이터 광학계를 더 구비하고, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭의 곡면 형상을 각각 갖는 상기 하나 이상의 굴절 렌즈는 상기 콜리메이터 광학계의 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽에 배치되는 것인 허상 표시 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽에서 비텔레센트릭인 것인 허상 표시 장치.
제3항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)의 상기 콜리메이터 광학계는 상기 중간 화상(201)을 향한 쪽에서 비텔레센트릭인 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
0.1 < TLA / TL < 0.5
을 만족하며, 상기 식 중, TLA는 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 상기 곡면 형상의 면으로부터 상기 도광 부재에 가장 가까운 상기 콜리메이터 광학계의 면까지의 거리를 나타내고, TL은 상기 화상 표시 소자(100)에 가장 가까운 상기 중계 광학계의 면으로부터 상기 도광 부재에 가장 가까운 상기 콜리메이터 광학계의 상기 면까지의 거리를 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
0.3 < TLC / TLR < 0.6
을 만족하며, 상기 식 중, TLC는 상기 콜리메이터 광학계의 두께를 나타내고, TLR은 상기 중계 광학계의 두께를 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
-0.5 < Pos1 / Y < 0.5
을 만족하며, 상기 식 중, Y는 상기 화상 표시 소자(100)의 대각 방향의 크기를 나타내고, Pos1은 상기 중간 화상(201)의 위치를 기준으로 하였을 때 비회전 대칭인 상기 곡면 형상의 면의 위치를 나타내고, 비회전 대칭인 상기 곡면 형상의 상기 면이 상기 중간 화상(201)의 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽에 위치하는 경우는 Pos1이 마이너스 값으로 되는 것인 허상 표시 장치.
제9항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
-3.0 < β_relay < -1.0,
을 만족하며, 상기 식 중, β_relay는 상기 중계 광학계의 횡배율을 나타내는 것인 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
-0.5 < f_pmax / f_pmin < 0.5,
을 만족하며, 상기 식 중, f_pmax는 회전 비대칭(rotationally asymmetric)인 상기 곡면 형상의 양의 파워가 가장 강한 단면에서의 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 상기 곡면 형상을 갖는 상기 광학 부재의 초점 거리를 나타내고, f_pmin은 회전 비대칭인 상기 곡면 형상의 양의 파워가 가장 약한 단면에서의 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 상기 곡면 형상을 갖는 상기 광학 부재의 초점 거리를 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며, 아래의 조건식,
-0.5 < f_y / f_x < 0.5
을 만족하며, 상기 식 중, f_y는 상기 화상 표시 소자(100)의 장변 방향 단면에서의 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 상기 곡면 형상을 갖는 상기 광학 부재의 초점 거리를 나타내고, f_x는 상기 화상 표시 소자(100)의 단변 방향 단면에서의 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 상기 곡면 형상을 갖는 상기 광학 부재의 초점 거리를 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 중계 광학계, 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 갖는 광학 부재, 및 콜리메이터 광학계를 구비하고,
상기 전파 광학계(200)는 상기 중계 광학계와 상기 콜리메이터 광학계 사이에 중간 화상(201)을 포함하며,
상기 중계 광학계는 상기 화상 표시 소자(100)를 향한 쪽으로부터 순서대로 양의 파워를 갖는 중계 전방군과 중계 후방군을 구비하고, 상기 중계 전방군과 상기 중계 후방군 사이의 간격은 상기 중계 광학계에서 가장 큰 간격인 허상 표시 장치.
제13항에 있어서,
상기 허상 표시 장치는 아래의 조건식,
0.4 < TLRa / TLR < 0.7
을 만족하며, 상기 식 중, TLR은 상기 중계 광학계의 두께를 나타내고, TLRa는 상기 중계 전방군과 상기 중계 후방군 사이의 상기 간격을 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제13항에 있어서,
상기 허상 표시 장치는 아래의 조건식,
0.4 < f_r / f_rf < 0.8
을 만족하며, 상기 식 중, f_r은 중계 군의 초점 거리를 나타내고 f_rf는 상기 중계 전방군의 초점 거리를 나타내는 것인 허상 표시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전파 광학계(200)의 상기 광축에 대하여 비회전 대칭인 곡면 형상을 각각 갖는 상기 하나 이상의 굴절 렌즈는 상기 제2 방향으로 음의 파워를 각각 갖는 것인 허상 표시 장치.
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