KR19990048192A - Single Plate HMD - Google Patents
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Abstract
본 발명은, HMD에 있어서 단일의 광원으로 부터 입사되는 광성분을 편광시킨 후, 상기 편광된 광에 영상을 포함시키고 영상이 포함된 편광의 분할 벡터성분의 광을 각각 양안(兩眼)으로 집광되도록 하여, 단일의 액정 표시기를 사용하여 양안에 대한 영상을 형성하는 단판식 HMD에 관한 것으로서, 백라이트인 단일의 광원(1); 상기 광원(1)으로 부터 입사되는 광 중 도면상의 평면에 대해 공간으로 45°경사진 평광성분을 여파시키는 제 1 편광필터(2); 상기 편광성분을 이용하여 광영상을 형성하는 단일의 액정 표시기(3); 상기 제 1 편광필터(2)와 동일 편광축으로써 입사광을 여파시키는 제 2 편광필터(2'); 2개의 직교된 반사면을 갖되, 각각의 반사면에는 유전체 코팅을 하여 반사되는 편광성분이 상이하도록 한 프리즘(10); 상기 프리즘(10)에 의해 분리 반사되는 각각의 편광성분을 사용자의 시야로 경로변경시키는 2개의 전반사 거울(4); 및 상기 경로변경된 각각의 광성분을 집광시켜 확대된 허상을 형성하는 2개의 아이피스렌즈(5); 를 포함하여 구성되어, 이용되었던 두개의 액정 표시기 중 한개만 이용하도록 하여 장치의 비용을 절감시키는 것은 물론, 장치의 소형화 및 경량화에 의해 두부착용이 보다 편리하도록 한 경제적이며 실용적인 발명인 것이다.According to the present invention, after polarizing a light component incident from a single light source in the HMD, the polarized light includes an image and condenses the light of the divided vector component of the polarized light including the image in both eyes. And a single plate type HMD for forming an image for both eyes using a single liquid crystal display, the single light source 1 being a backlight; A first polarizing filter (2) for filtering out a flat light component inclined at 45 ° to a space with respect to a plane on the drawing among light incident from the light source (1); A single liquid crystal display (3) for forming an optical image using the polarization component; A second polarization filter (2 ') for filtering incident light by the same polarization axis as the first polarization filter (2); A prism 10 having two orthogonal reflecting surfaces, each reflecting surface having a dielectric coating so that the reflected polarization components are different; Two total reflection mirrors 4 for redirecting each polarization component separated and reflected by the prism 10 to a user's field of view; And two eyepiece lenses 5 for condensing the changed light components to form an enlarged virtual image; It is configured to include, to reduce the cost of the device by using only one of the two liquid crystal display that was used, as well as the economical and practical invention to make the wearing more convenient by the compact and lightweight device.
Description
본 발명은 단일의 액정 표시기(LCD)를 이용하는 두부 탑재형 디스플레이장치(HMD)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 단일의 광원으로 부터 입사되는 광성분을 편광시킨 후, 상기 편광된 광에 영상을 포함시키고 영상이 포함된 편광의 분할 벡터성분의 광을 각각 양안(兩眼)으로 집광되도록 하여, 단일의 액정 표시기를 사용하여 양안에 대한 영상을 형성함으로써 장치의 구성을 단순화하고 그 비용을 절감케 하는 단판식 HMD에 관한 것이다.The present invention relates to a head mounted display (HMD) using a single liquid crystal display (LCD), and more particularly, after polarizing the light component incident from a single light source, and then the image to the polarized light And the light of the divided vector component of the polarized light containing the image is condensed into the binocular, so that the image of the binocular is formed using a single liquid crystal display, simplifying the configuration of the device and reducing the cost. It is related with the single-plate type HMD.
요즈음 전자업계에 새로운 바람을 일으키고 있는, 두부 탑재형 디스플레이장치(HMD : Head Mounted Display)는, 액정 표시기(LCD) 및 편광필터 등의 광학 소자를 이용하여, 제어가능한 화상신호를 렌즈 및 거울을 통해 확대집광시킨 것으로써, 그 원리가 매우 간단하며, 또한 이에 이용되는 광학계는 적절히 가변 배치됨으로써 보다 다양한 기능의 구현이 가능하게 된다.Nowadays, the Head Mounted Display (HMD), which is creating a new wind in the electronics industry, uses optical elements such as liquid crystal displays (LCDs) and polarizing filters to control image signals through lenses and mirrors. By expanding and condensing, the principle is very simple, and the optical system used therein can be implemented in a variety of functions by appropriately arranged in various ways.
종래의 HMD는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일안(一眼)에 대해서, 빛을 방사하는 광원(back light)(1), 상기 제 1 편광필터(2)로 부터 여파된 광성분의 편광축 회전여부를, 입력되는 화상신호에 따라 제어하는 액정 표시기(3), 상기 액정 표시기(3)의 출력광 중 지정된 방향의 편광성분만을 여파시키는 제 2 편광필터(2'), 상기 제 2 편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광을 전반사시켜 경로를 변경하는 전반사 거울(4), 및 상기 전반사된 광영상을 집광시키는 아이피스렌즈(5), 를 포함하여 구성되어 있었으며, 도 1의 구성과 동일한 또 하나의 구성이 구비되어 양안에 대한 HMD가 구성되어 있었다.In the conventional HMD, as shown in FIG. 1, the polarization axis rotation of light components emitted from the back light 1 and the first polarization filter 2 that emit light with respect to a single eye is shown. A liquid crystal display 3 for controlling whether or not to be controlled according to an input image signal, a second polarization filter 2 'that filters only polarization components in a specified direction among the output light of the liquid crystal display 3, and the second polarization filter ( 2 '), a total reflection mirror 4 for changing the path by totally reflecting the image displayed output light, and an eyepiece lens 5 for condensing the totally reflected light image; Another configuration is identical to the HMD was configured for both eyes.
상기와 같이 구성된 종래의 HMD에 있어서, 상기 광원(1)으로 부터 방사된 빛이 상기 제 1 편광필터(2)를 통과함으로써 편광필터방향의 편광성분만이 출력되고, 상기 출력된 단일편광의 광성분은, 상기 액정 표시기(3)에서, 표시할 영상 신호에 따라 인가 또는 차단되는 셀전압에 의해 그 편광축이 변환없이 또는 회전하여 통과하게 된다.In the conventional HMD configured as described above, the light emitted from the light source 1 passes through the first polarization filter 2 so that only the polarization component in the polarization filter direction is output, and the output single polarized light is emitted. In the liquid crystal display 3, the polarization axis is passed without rotation or rotation by the cell voltage applied or blocked according to the video signal to be displayed.
이러한 편광축의 조절은, 액정 표시기의 광 입사면의 상단과 하단에 상호 직각을 이루는 방향으로 각각 미세한 골을 낸 실리콘 등의 기판사이에 액정을 배치시킨 후 전압의 양단인가여부에 의해 이루어지는데, 전압이 인가되지 않은 자연상태에서는 상기 형성된 골의 방향을 따라 점진적으로 액정의 방향이 틀어지면서 배열됨으로 인해, 액정 표시기의 상단에서 하단 또는 하단에서 상단을 통과하게 되는 광성분은 통과 전과 후의 방향에 있어서 편광방향이 회전하여 상호 직각 편광되게 되는 반면, 해당 셀에 전원을 가해주게 되면, 골을 따라 배치되었던 상기 액정들이 골의 방향과는 상관없이 위 또는 아래로 향하게 되므로, 입사된 광의 편광축에 변화가 생기지 않게 되고, 따라서 액정을 통과하기 전과 후의 광성분이 편광방향에 있어서는 동일하게 됨으로써, 전압인가에 의해 광의 편광축을 조절할 수 있게 된다.The polarization axis is controlled by arranging liquid crystals between substrates such as silicon, which are each finely corrugated in a direction perpendicular to the upper and lower ends of the light incident surface of the liquid crystal display, and then applying both ends of the voltage. In the unapplied natural state, since the direction of the liquid crystal is gradually arranged along the direction of the formed valley, the light component passing through the upper end from the lower end or the lower end of the liquid crystal display is polarized in the direction before and after passing. While the direction is rotated to be orthogonally polarized with each other, when the cell is powered, the liquid crystals disposed along the valley are directed up or down regardless of the valley direction, so that the polarization axis of incident light does not change. Therefore, the light components before and after passing through the liquid crystal are the same in the polarization direction. As such, it is possible by the voltage applied to control the light polarization axis.
전술한 바와 같이, 상기 액정 표시기(3)의 전원인가 여부에 따라 편광방향이 제어되어 출력되는 광성분은, 상기 제 2 편광필터(2')에 의해 동일한 편광방향의 광성분은 출력되고, 상호 직각인 광성분은 출력되지 않아 인가된 영상신호에 상응하는 광영상이 형성되게 된다.As described above, the light component in which the polarization direction is controlled and output according to whether the liquid crystal display 3 is a power source is output by the second polarization filter 2 ', and the light component in the same polarization direction is output, and mutually Orthogonal optical components are not output so that an optical image corresponding to the applied image signal is formed.
이와 같이 출력형성된 광영상은 상기 전반사 거울(4)을 통해, 사용자의 시선으로 전반사되어 상기 아이피스렌즈(5)로 입사되고, 상기 아이피스렌즈(5)로 입사된 광성분은 사용자의 양안으로 각각 집광되면서 확대된 허상으로 사용자에게 인식되게 된다.The optical image formed as described above is totally reflected by the user's eye through the total reflection mirror 4 and is incident on the eyepiece lens 5, and the light components incident on the eyepiece lens 5 are focused on both eyes of the user. As a result, the image is recognized by the user as an enlarged virtual image.
그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 HMD는 양안에 대해 동일한 구성 특히, 고가의 LCD를 각각 구비함으로써, 장치의 가격이 상승하여 제품경쟁력이 저하되며, 또한 광학계의 구조가 복잡하여 제작공정시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.However, the HMD configured and operated as described above has the same configuration for both eyes, in particular, an expensive LCD, so that the price of the device increases and the product competitiveness is lowered. There was a problem.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 단일의 LCD를 이용함으로써 저가이면서, 그 구조가 단순한 단판식 HMD를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a single plate type HMD that is low in cost and simple in structure by using a single LCD.
도 1은 종래의 HMD의 구성 중 일안(一眼)에 대한 구성을 도시한 것이고,1 illustrates a configuration of a single eye among the configurations of a conventional HMD,
도 2는 본 발명에 따른 단판식 HMD의 구성도이고,2 is a block diagram of a single plate HMD according to the present invention;
도 3은, 도 2의 주요 위치에서의 광 편광방향을 도시한 것이다.FIG. 3 shows the optical polarization direction at the main positions of FIG. 2.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 광원(back-light) 2, 2' : 편광필터1: Back-light 2, 2 ': polarization filter
3 : 액정 표시기(Liquid Cristal Display) 4 : 전반사 거울3: Liquid Cristal Display 4: Total Reflection Mirror
5 : 아이피스렌즈(Eye-piece Lens) 10 : 프리즘5: Eye-piece Lens 10: Prism
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단판식 HMD는, 입사되는 편광성분에 대해, 상기 편광성분을 구성하는 두개의 직각편광된 광성분으로 분리 반사시키는 프리즘, 광을 방사하는 조명수단, 상기 방사광의 입사경로와 상기 프리즘에 의한 반사경로로써 형성되는 가상의 평면에 대해, 상기 방사광을 편광여파시키는 편광축이 소정각도 경사지도록 형성된 제 1의 편광여파수단, 상기 소정각도와 동일경사각으로 러빙되어, 인가되는 영상신호에 따라 상기 편광여파된 광의 편광축을 선택적으로 90°회전시키는 화상표시수단, 상기 화상표시수단의 투과광 중 특정 편광축의 광성분을 투과시켜 상기 프리즘으로 입사시키는 제2의 편광여파수단, 상기 프리즘에 의해 분리반사된 각각의 광성분을 경로 변경시키는 두개의 전반사수단, 및 상기 경로변경된 광성분을 각각 집광시키는 두개의 접안렌즈를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.Single plate type HMD according to the present invention for achieving the above object, a prism for separating and reflecting the two polarized light components constituting the polarization component to the incident polarization component, lighting means for emitting light, the A first polarization filtering means formed so as to incline a predetermined angle with respect to an imaginary plane formed as an incident path of the emission light and a reflection path by the prism, and rubbing at the same inclination angle with the predetermined angle, Image display means for selectively rotating a polarization axis of the polarized light by 90 ° according to an applied image signal, second polarization filter means for transmitting an optical component of a specific polarization axis from the transmitted light of the image display means and entering the prism; Two total reflection means for rerouting each light component separated and reflected by the prism, and the rerouted means It is characterized by including two eyepieces for condensing light components, respectively.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 단판식 HMD에서는, 단일의 조명수단으로 부터 방사된 광이 상기 제1의 편광필터를 통과함으로써, 상기 방사광의 입사경로와 이후 상기 프리즘에 의해 반사되는 광의 경로가 형성하는 가상의 평면에 대해 소정각도 경사진 편광축의 광성분만이 여파되게 되고, 상기 여파되는 광성분의 편광을 수용하여 해당 셀의 전원인가 여부에 따라 선택적으로 그 편광축을 90°회전시키는 화상표시수단을 통과하게 된다. 상기 화상표시수단을 통과한 광성분은, 편광축의 회전여부에 따라 상기 제2의 편광필터를 선택적으로 통과한 후, 상기 프리즘에 입사되게 되는데, 상기 프리즘의 반사면은, 상기 입사되는 편광성분을 상기 가상평면에 직교하는 편광성분과 평면에 포함되는 편광성분으로 각각 분리반사하게 되고, 상기 분리반사된 광성분은 두개의 상기 전반사수단에 각각 입사되어 사용자의 시선으로 경로변경됨으로써 두개의 접안렌즈에 의해 각각 사용자의 시야에 확대허상을 형성하게 된다.In the single plate type HMD according to the present invention configured as described above, the light emitted from a single illumination means passes through the first polarizing filter, whereby the incident path of the emitted light and the path of the light reflected by the prism thereafter are Only the light component of the polarization axis inclined at a predetermined angle with respect to the imaginary plane to be formed is filtered, and the image display means for receiving the polarization of the light component to be filtered and selectively rotating the polarization axis by 90 ° depending on whether the cell is powered Will pass through. After passing through the second polarization filter selectively according to whether the polarization axis is rotated, the light component passing through the image display means is incident on the prism, and the reflective surface of the prism is configured to reflect the incident polarization component. The polarized light component orthogonal to the virtual plane and the polarized light component included in the plane are separately reflected, and the separated and reflected light components are respectively incident on the two total reflection means and are redirected to the user's line of sight so that the two eyepieces As a result, an enlarged image is formed in each user's view.
이하, 본 발명에 따른 단판식 HMD의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of a single-plate HMD according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 단판식 HMD의 일 실시예의 구성도로서, 백라이트인 단일의 광원(1), 상기 광원(1)으로 부터 입사되는 광 중 도면상의 평면에 대해 공간으로 45°경사진 편광성분을 여파시키는 제 1 편광필터(2), 상기 편광성분을 이용하여 종래에서와 같이 광영상을 형성하는 단일의 액정 표시기(3), 상기 제 1 편광필터(2)와 동일 편광축으로부터 입사광을 여파시키는 제 2 편광필터(2'), 2개의 직교된 반사면을 갖되, 각각의 반사면에는 유전체 코팅을 하여 반사되는 편광성분이 상이하도록 한 프리즘(10), 상기 프리즘(10)에 의해 분리반사되는 각각의 편광성분을 사용자의 시야로 경로변경시키는 2개의 전반사 거울(4), 및 상기 경로변경된 각각의 광성분을 집광시켜 확대된 허상을 형성하는 2개의 아이피스렌즈(5)를 포함하여 구성되어 있으며, 도 3은 도 2 구성의 주요 위치에서의 광의 편광축을, 광의 진행경로에서 본 것으로서, 이하에서는 도 2의 광학계의 동작을, 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.FIG. 2 is a configuration diagram of an embodiment of a single plate type HMD according to the present invention, in which a single light source 1 serving as a backlight is polarized at an angle of 45 ° to a space with respect to a plane on the drawing among light incident from the light source 1. A first polarization filter 2 for filtering components, a single liquid crystal display 3 for forming an optical image using the polarization component, and incident light from the same polarization axis as the first polarization filter 2 A second polarization filter 2 'having two orthogonal reflecting surfaces, each reflecting surface being separated by the prism 10 and the prism 10 having different polarization components reflected by a dielectric coating. Two total reflection mirrors 4 for redirecting each polarized component to a user's field of view, and two eyepiece lenses 5 for condensing each of the redirected light components to form an enlarged virtual image. 3 is shown in FIG. A light polarization axis in the castle main position, as viewed from the light traveling path, in the following also will be described in detail with reference to Figure 3. The operation of the optical system of Figure 2,.
먼저, 단일의 광원(1)으로 부터 반사되는 광은, 도 3의 ㉠과 같이 진행방향에 수직되는 전(全)방향의 편광축을 갖게 되는데, 이 광은 상기 제 1 편광필터(2)에 의해 도 2상의 평면(도 3의 VP)에 대해 공간으로 45°경사진 편광성분만이 여파되어 투과되며 그 편광축은 도 3의 ㉡과 같게 된다. 상기 제 1편광필터(2)를 투과한 단일편광의 광성분(㉡)은, 전술한 바와 같은 방법에 의해 상기 제 1 편광필터(2)와 동일한 각으로, 러빙(rubbing)제조된 상기 액정 표시기(3)로 입력되게 되는데, 상기 액정 표시기(3)는, 해당 셀의 광을 출력시키지 않을 경우에는 전원을 인가하지 않아 입력되는 광의 편광축을 90°회전시켜 출력하고(도 3의 a), 해당 셀의 광을 출력시키고자 하는 경우에는 전원을 인가하여 편광축의 회전없이 그대로 출력(도 3의 b)시키게 된다.First, the light reflected from the single light source 1 has a polarization axis in all directions perpendicular to the advancing direction as shown in FIG. 3, which is transmitted by the first polarization filter 2. Only the polarization component inclined at 45 ° to the space with respect to the plane of FIG. 2 (VP of FIG. 3) is filtered and transmitted, and the polarization axis is as shown in FIG. The liquid crystal display of which the light component of the single polarized light transmitted through the first polarizing filter 2 is manufactured by rubbing at the same angle as the first polarizing filter 2 by the method described above. When the light of the cell is not outputted, the liquid crystal display 3 does not apply power and rotates the polarization axis of the input light by 90 °, and outputs the light (a of FIG. 3). When the light of the cell is to be output, power is applied to output the light as it is without rotation of the polarization axis (b of FIG. 3).
이와 같이 상기 액정 표시기(3)에 의해 선택적으로 편광축이 회전되는 도 3의 ㉢과 같은 광성분은, 상기 제 1 편광필터(2)와 동일편광축으로써 입사광을 여파하는 상기 제 2 편광필터(2')에 의해 출력의도된, 편광축이 미회전된 광성분(도 3의 b)만이 여파되어 상기 프리즘(10)상의 두개의 반사면에 각각 입사되게 된다.Thus, the optical component as shown in FIG. 3 in which the polarization axis is selectively rotated by the liquid crystal display 3 is the second polarization filter 2 'which filters incident light by the same polarization axis as the first polarization filter 2. Only the light component (b of FIG. 3) in which the polarization axis is unrotated by the output is filtered so as to be incident on the two reflective surfaces on the prism 10, respectively.
한편, 상기 프리즘(10)상의 반사면은 SiO 및 MgF2와 같은 유전체에 의해 코팅(coating)되되, 상기 반사면 상에 코팅된 유전체의 적층 수에 따라 입사되는 빛의 굴절율을 조정하여 각각의 반사면이 상이한 굴절율로 반사되도록 함으로써, 상기 프리즘(10)상의 2개의 반사면은, 상기 가상의 평면(VP)에 대해 수직편광인 S파와 가상의 평면(VP)에 포함되는 편광을 갖는 P파로 각각 반사분리되게 하는 특성을 갖는다.On the other hand, the reflective surface on the prism 10 is coated with a dielectric such as SiO and MgF 2 , each of the half by adjusting the refractive index of the incident light according to the number of laminated layers of the dielectric coated on the reflective surface By allowing the slopes to be reflected at different refractive indices, the two reflecting surfaces on the prism 10 are each an S wave that is vertically polarized with respect to the imaginary plane VP and a P wave having polarization included in the imaginary plane VP. Has the property of causing reflection separation.
상기 제 2 편광필터(2')를 투과한 광성분의 편광축은, 입사광과 반사광에 의해 형성되는 가상의 평면(VP)에 대해 45°경사져 있으므로, 상기 제 2 편광필터(2')에 의해 여파된 광은 상기 프리즘(10)의 두 반사면으로 입사되면 각각 광에너지가 50%인 P파와 S파로 분리반사되어, 입사된 광에너지가 모두 광영상을 형성하기 위해 이용된다.Since the polarization axis of the light component transmitted through the second polarization filter 2 'is inclined 45 ° with respect to the imaginary plane VP formed by the incident light and the reflected light, the second polarization filter 2' is filtered. When the incident light enters the two reflecting surfaces of the prism 10, the reflected light is separately reflected into P waves and S waves having 50% of light energy, respectively, and the incident light energy is used to form an optical image.
상기 프리즘(10)상의 두개의 반사면에서 각각 반사분리된 P파(㉤) 및 S파(㉥)의 광성분은, 상기 두개의 전반사 거울(4)을 통해 사용자의 시선 방향으로 각각 평행하도록 경로변경된 후, 상기 아이피스렌즈(5)에 의해 각각의 촛점으로 집광됨으로써, 사용자의 시야 내에 10배 이상 확대된 허상으로 인식되게 되는 것이다.The light components of P-wave and S-wave, respectively reflected and separated from the two reflecting surfaces on the prism 10, are routed so as to be parallel to the user's gaze direction through the two total reflection mirrors 4, respectively. After the change, the eyepiece lens 5 is condensed at each focus, so that the image is recognized as a virtual image enlarged 10 times or more in the user's field of view.
상기와 같이 구성되어 동작되는 본 발명에 따른 단판식 HMD는, 이용되었던 두개의 액정 표시기 중 한개만 이용하도록 하여 장치의 비용을 절감시키는 것은 물론, 장치의 소형화 및 경량화에 의해 두부착용이 보다 편리하도록 한 경제적이며 실용적인 발명인 것이다.The single plate type HMD according to the present invention, which is constructed and operated as described above, uses only one of the two liquid crystal displays that have been used to reduce the cost of the device, and to make it more convenient to wear the head by reducing the size and weight of the device. It is an economic and practical invention.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| AMND | Amendment | ||
| B701 | Decision to grant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20031008 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |