KR19990048194A - 씨-쓰루 기능의 hmd - Google Patents

Abstract

본 발명은, 편광여파되어 일정각도로 입사되는 영상표시된 광영상은 투명한 전반사 유리에 의해 전반사시켜 광의 손실을 없애고, 사용자의 조작에 의한 상기 전반사 유리 전방의 셔터 개방시에는, 입사되는 외부 광영상이 상기 전반사 유리를 통해 입사됨으로써 두부 탑재된 장치의 선명한 전방 시야를 상시 확보하도록 한 씨-쓰루 기능의 HMD에 관한 것으로서, 빛을 방사하는 광원(back light)(1); 상기 방사되는 빛 가운데 50%인, 특정 편광방향의 광성분만을 여파시키는 제1편광필터(2); 상기 제1편광필터(2)로부터 여파된 광성분의 편광축 회전여부를, 입력되는 화상신호에 따라 제어하는 액정 표시기(3); 상기 액정 표시기(3)의 출력광 중 지정된 방향의 편광성분만을 여파시키는 제2편광필터(2'); 브루스터 각으로 경사설치되어 입사되는 편광여파된 S파 광성분을 전반사시키는 전반사유리(40); 외부 광을 선택적으로 차단하는 LCD 셔터(100); 상기 개방된 LCD 셔터(100)로 부터 입사되는 광영상을 축소하는 오목렌즈(60); 및 상기 전반사유리(40)에 의해 반사 또는 투과된 광영상을 확대하는 아이피스렌즈(5);를 포함하여 구성되어, 영상 시청시에는 전력 소모를 절감케 하고 발열문제를 해결하면서도, 외부에서 입사되는 광의 손실없이 상을 맺게 하는 선명한 외부영상의 씨-쓰루 기능이 가능한 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.

Description

씨-쓰루(see-through)기능의 HMD

본 발명은 착용시에도 필요에 따라 사용자의 시야를 상시 확보하도록 하는 씨-쓰루 기능의 HMD에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)의 광학계에 있어서 편광여파되어 일정각도로 입사되는 영상표시된 광영상은 투명한 전반사 유리에 의해 전반사시켜 광의 손실을 없애고, 사용자의 조작에 의한 상기 전반사 유리 전방의 셔터 개방시에는, 입사되는 외부 광영상이 상기 전반사 유리를 통해 입사됨으로써 두부 탑재된 장치의 선명한 전방 시야를 상시 확보하도록 한 씨-쓰루 기능의 HMD에 관한 것이다.

요즈음 전자업계에 새로운 바람을 일으키고 있는, 두부 탑재형 디스플레이 장치(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 가변배치됨으로써 보다 다양한 기능의 구현이 가능한데, 사용자의 착용을 해제하지 않고서 외부 시야를 확보할 수 있도록 하는 씨-쓰루(see-through)기능이 대표적인 것이다.

현재 HMD 장치에 이용되고 있는 씨-쓰루 기능을 갖는 종래의 광학계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일안(一眼)에 대해서, 빛을 방사하는 광원(back light)(1), 상기 방사되는 빛 가운데 50%인, 특정 편광방향의 광성분만을 여파사키는 제1편광필터(2), 상기 제1편광필터(2)로부터 여파된 광성분의 편광축 회전여부를, 입력되는 화상신호에 따라 제어하는 액정 표시기(3), 상기 액정 표시기(3)의 출력광 중 지정된 방향의 편광성분만을 여파시키는 제2편광필터(2'), 상기 제2편광필터(2')를 통과하는, 영상표시된 출력광 중 50% 정도로 반사시켜 경로를 변경하는 반투명 거울(4), 상기 반사된 광영상을 반사집광시켜 사용자의 시야에 확대허상을 제공하는 오목거울(6), 및 상기 오목거울 (6)의 전방에 배치되어 상기 오목거울(6)이 거울기능을 유지하도록 외부 광을 선택적으로 차단하는 LCD 셔터(100)를 포함하여 구성되어 있었으며, 도 1의 구성과 동일한 또 하나의 구성이 병렬구비되어 양안에 대한 HMD 광학계를 구성하고 있었다.

상기와 같이 구성된 종래의 HMD에 있어서, 상기 광원(1)으로 부터 방사된 빛이 상기 제1편광필터(2)를 통과함으로써 편광필터방향의 편광성분만이 출력되고, 상기 출력된 단일편광의 광성분은, 상기 액정 표시기(3)에서, 표시할 영상신호에 따라 인가 또는 차단되는 셀전압에 의해 그 편광축이 변환없이 또는 회전하여 통과하게 된다.

상기 액정 표시기(3)의 셀전압 인가여부에 따라 편광방향이 제어되어 출력되는 광성분은, 상기 제2편광필터(2')에 의해 동일한 편광방향의 광성분은 출력되고, 상호 직각인 광성분은 출력되지 않아 인가된 영상신호에 상응하는 광영상이 형성되게 된다.

이와 같이 출력형성된 광영상은 상기 반투명 거울(4)에 의해 50% 정도가 반사되어, 상기 LCD 셔터(100)가 광을 차단한 상태에서 거울기능을 수행하는 상기 오목거울(6)로 입사되고, 상기 오목거울(6)은 입사되는 광을 다시 사용자의 시선으로 반사집광시켜 상기 반투명 거울(4)를 통해 사용자의 양안으로 외부 영상이 비쳐지게 됨으로써, 두부 착용된 상태를 해제하지 않고 외부 시야를 확보하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 종래의 HMD는 씨-쓰루 기능의 구현을 위해 영상표시된 광영상의 경로를 변경하는 수단으로서 반투명 거울을 사용함으로써, 영상표시된 광영상의 손실이 1차 경로 변경에 의해 50%, 오목거울에 의한 반사 후 상기 반투명 거울을 투과하면서 다시 50% 발생하게 되므로, 영상표시된 광영상의 실제 영상을 형성하는 광량은 액정 표시기에 의한 광영상 표시 후의 광량에 대해 약 25%정도 밖에 이용되지 않게 된다.

따라서, 사용자의 시야에 형성되는 영상은 어두울 수 밖에 없으며, 이를 보전하기 위해서는 백라이트를 더욱 밝게 하여야 하나, 이는 편광필터 등에 의한 또 다른 광손실량을 증가시켜 장치가 지나치게 발열하게 될 뿐만 아니라, 불필요한 전력소모를 증가시키게 되는 문제점이 있으며, 씨-쓰루 기능 상태에서도 사용자의 시야 전단에 위치한 반투명 거울에 의해 선명한 외부 시야를 확보하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 선명한 외부 영상은 물론, 영상표시된 광의 손실없이도 주변의 시야를 확보할 수 있도록 한 씨-쓰루 기능의 HMD를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 종래의 HMD의 일안(一眼)에 대한 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD의 바람직한 실시예의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원(back-light) 2, 2' : 제1및 제2편광 필터

3 : 액정 표시기(Liquid Cristal Display) 4 : 반투명 거울(half-mirror)

5 : 아이피스렌즈(Eye-piece Lends) 6 : 오목거울

40 : 전반사 유리 60 : 오목렌즈

100 : LCD 셔터(shutter)

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD는, 외부로 부터의 광영상을 입사/차단시키는 광 차폐수단, 상기 광 차폐수단을 통해 입사되는 외부 광영상을 축소시키는 오목렌즈, 상기 외부 광영상의 입사경로상에 위치하되, 상기 입사되는 외부 광영상과는 다른 경로로 편광여파되어 입사되는 화상 표시된 광성분을 전반사시켜 상기 외부 광영상의 입사경로로 경로변경시키는 투명의 전반사수단, 및 상기 입사경로상에 위치하여 입사되는 광성분을 확대시키는 볼록렌즈를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD에서는, 영상시청모드에서 편광여파되어 화상표시된 광성분이 투명의 전반사수단에 입사되게 되고, 입사된 광성분은 상기 전반사수단에 의해 반사 및 경로변경되어 상기 볼록렌즈에 의해 집광되어 확대된 허상의 영상을 형성하게 되며, 사용자가 외부 시야를 확보하고자 상기 광 차폐수단을 개방시켜 외부 광영상이 입사되도록 하면, 상기 입사되는 외부 광영상은, 상기 오목렌즈에 의해 상이 축소된 후, 상기 투명한 전반사수단을 투과하여 상기 볼록렌즈에 의해 다시 상이 확대됨으로써, 사용자는 확보된 시야를 통해 주변 상황을 볼 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD의 일 실시예의 구성도로서, 종래의 HMD 광학계의 구성도인 도 1과 동일한 기능을 수행하는 광원(1), 제1편광필터(2), 액정 표시기(3), 제2편광필터(2'), LCD 셔터(100), 그리고 브루스터각으로 경사설치되어 입사되는 편광여파된 S파 광성분을 전반사시키는 전반사 유리(40), 상기 개방된 LCD 셔터(100)로 부터 입사되는 광영상을 축소하는 오목렌즈(60) 및 상기 전반사 유리(40)에 의해 반사 또는 투과된 광영상을 확대하는 아이피스렌즈(5)를 포함하여 구성되되, 상기 편광필터(2, 2') 및 상기 액정 표시기(3)는 광영상 표시되는 출력광이 상기 전반사 유리(40)에 대해 S파 성분이 되도록 편광방향이 설정되게 된다.

상기와 같은 구성을 갖는 HMD 광학계에서는, 영상시청모드가 되면 종래에서와 같이, 상기 광원(1)으로부터 방사된 빛이 상기 제1편광필터(2)를 통과함으로써 편광여파된 방향의 광성분만이 출력되게 되고, 상기 출력된 단일편광의 광성분은 상기 액정 표시기(3)에서, 영상신호에 따른 셀전압의 인가여부에 의해 그 편광축이 선택적으로 90°회전하여 출력되게 된다. 상기 액정 표시기(3)로부터 출력된 광성분은 상기 제2편광필터(2')에 의해 동일한 편광방향의 광성분은 출력되는데, 이 때 출력되는 광의 편광축은, 상기 액정 표시기(3)및 편광필터(2, 2')의 배치조절에 의해, 상기 전반사 유리(40)에서의 입·반사광에 의한 가상평면에 수직인, 즉 S파 성분이 되게 된다. 상기 영상표시된 S파의 광성분이 상기 전반사 유리(40)에 브루스터 각(brewster angle : θ_p)으로 입사하게 되면, 모두 전반사되어 상기 아이피스렌즈(5)로 경로변경되어 촛점으로 집광되면서 사용자에게 확대된 영상을 제공하게 된다.

상기와 같이 제공되는 영상의 시청 도중, 수시로 주변 상황이나 외부의 움직임에 대해서 시각적으로 이를 감지하고 확인하기 위하여 사용자가 상기 LCD셔터(100)를 개방조작하게 되면, 상기 개방된 LCD 셔터(100)를 통해 외부로 부터 입사되는 광영상은, 먼저 상기 오목렌즈(60)에 의해 상이 축소되게 되고, 입사경로를 따라 상기 축소된 광영상이 투명한 상기 전반사 유리(40)로 입사되게 된다.

이와 같이 입사되는 외부 광영상은 상기 경사진 전반사 유리(40)에 대해 브루터스 각으로 입사되지 않으므로 모두 상기 전반사유리(40)를 투과하여 상기 아이피스렌즈(5)로 입사하게 되고, 상기 아이피스렌즈(5)는 상이 축소된 외부 광영상을 다시 확대하여 사용자의 시야에 상을 맺음으로써, 사용자는 선명한 주변상황의 영상을 시각적으로 인식하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 씨-쓰루 기능의 HMD는, 종래의 반투명의 반사유리를 이용한 씨-쓰루 기능의 광학계에 비해, 영상 시청시에는 영상표시된 광의 손실이 거의 없어 약 25%의 저전력 소모에 의한 광량에 의해서도 종래와 동일한 밝기의 영상을 얻을 수 있으므로 전력 소모를 절감케 하고 발열문제를 해결하였으며, 또한 씨-쓰루 상태에서도 외부에서 입사되는 광의 손실없이 모두 상을 맺게 되므로 종래에 비해 보다 선명한 외부 영상을 얻을 수 있는 매우 경제적이고 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 두부 탑재형 디스플레이 장치(HMD)에 있어서, 외부로 부터의 광영상을 입사/차단시키는 광 차폐수단, 상기 광 차폐수단을 통해 입사되는 외부 광영상을 축소시키는 오목렌즈, 상기 외부 광영상의 입사경로상에 위치하되, 상기 입사되는 외부 광영상과는 다른 경로로 편광여파되어 입사되는 화상표시된 광성분을 전반사시켜 상기 외부 광영상의 입사경로로 경로변경시키는 투명의 전반사수단, 및 상기 입사경로상에 위치하여 입사되는 광성분을 확대시키는 볼록렌즈를 포함하여 구성되는 씨-쓰루 기능의 HMD.
2. 제1항에 있어서, 상기 투명의 전반사수단은 상기 화상표시된 광성분에 대해 브루스터(Brewster)각이 되도록 경사위치한 전반사 유리인 것을 특징으로 하는 씨-쓰루 기능의 HMD.
3. 제2항에 있어서, 상기 경사위치 각은 입사되는 S파의 광을 전반사시키는 각인 것을 특징으로 하는 씨-쓰루 기능의 HMD.