KR20010073072A - 머리-장착형 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 디스플레이 디바이스(201)와 광학 시스템이 공급된 머리-장착형 디스플레이에 관한 것이다. 상기 광학 시스템은 제 1 λ/4 플레이트(203), 반-투과성 거울(205), 렌즈(207), 제 2 λ/4 플레이트(209) 및 편광-의존성 거울(211)로 구성되며, 이는 상기 이미지 디스플레이 디바이스에 의해 형성되는 이미지를 사용자의 망막 위에 투영하기 위해, 입사(incident)면으로부터 상기 설명된 순서로 배열된다.
Description
위에 설명한 타입의 디바이스는 유럽 특허 출원 EP 0 803 756에 알려져 있다. 상기 공보에 설명된 머리-장착형 디스플레이에서, 이미지는 액정 디스플레이 패널(panel)에 의해 형성되며, 상기 이미지는 광학 시스템에 의해 상기 머리-장착형 디스플레이의 출사 동공(exit pupil)을 거쳐, 사용자의 망막 위로 투영(project)된다. 사용 중, 상기 출사 동공은 머리-장착형 디스플레이의 사용자의 눈 동공과 일치하는 것으로, 이미지가 망막 상에 형성되도록 해준다. 사용자는 예를 들어, TV 또는 비디오 이미지, 또는 휴대 가능한 정보 및 통신 시스템, 컴퓨터 게임 또는 컴퓨터 시뮬레이션과 관련된(associated with) 이미지를 디스플레이하기 위한 머리-장착형 디스플레이를 쓸 수 있다.
알려져 있는 머리-장착형 디스플레이에서, 광학 시스템은 이미지 디스플레이 디바이스에서 보았을 때, 편광-의존성 거울, 렌즈 소자, 제 1 λ/4 플레이트, 반-투과성 거울, 제 2 λ/4 플레이트 및 편광기를 연속하여 포함한다. 형성될 이미지의 방사선(radiation)이 상기 렌즈 소자를 세 번 효과적으로 통과하는 것은 상기 편광-의존성 반사에 의해 이루어진다. 게다가, 상기 편광-의존성 거울의 첫번째 표면은 광학 이미징(imaging) 에러를 줄이도록 구부러질(curved) 수도 있다. 편광-의존성 거울을 얻기 위해서, 편광-의존성 층이 상기 구부러진 표면 위로 공급된다.
그러한 구부러진 표면 상에 편광-의존성 박(foil)을 공급하는 것은 성가신 과정이 될 수도 있다.
본 발명은 이미지 디스플레이 디바이스와, 상기 이미지 디스플레이 디바이스에 의해 형성되는 이미지를 사용자의 망막 상에서 투영하도록 광 빔을 결합시키기(combine)위해, 반-투과성(semi-transmissive) 거울, 렌즈 소자(element), 편광-의존성(polarization-dependent) 거울 및 두 개의 λ/4 플레이트(plate)를 포함하는 광학 시스템이 제공된 머리-장착형(head-mounted) 디스플레이에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 첫번째 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따는 머리-장착형 디스플레이의 두번째 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 세번째 실시예를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 상대적으로 간단한 방식으로 제작될 수 있는 머리-장착형 디스플레이를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 디바이스는 상기 이미지 디스플레이 디바이스로부터 보았을 때, 제 1 λ/4 플레이트, 반-투과성 거울, 렌즈 소자, 제 2 λ/4 플레이트 및 편광-의존성 거울이 차례로 배치되는 것을 특징으로 한다. 상기 광학 소자들의 이러한 순서로 인해, 궁극적으로 이미지를 형성하는 방사선(radiation)이 상기 렌즈 소자를 세 번 통과하는 것 역시 이루어진다. 게다가, 상기 반-투과성 거울은 오목 거울로 형성될 수도 있다. 상기 구성의 장점은 상기 오목 거울이 종래의 간단한 방식으로 공급될 수 있는 반-투과성 층으로 코팅될 수도 있다는 점이다. 상기 편광-의존성 층은 간단한 방식으로 평(flat) 플레이트 위에 공급될 수도 있다. 상기 광학 소자의 이러한 배열은 비용-절감의 효과를지니는, 상기 머리-장착형 디스플레이의 제작을 간단하게 해준다. 상기 알려져 있는 디바이스와 비교했을 때 추가의 장점은 상기 알려져 있는 디바이스 내에서 첫번째 소자로서 배치되는 편광 소자가, 사용자 쪽에서 보았을 때, 본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이에 필요하지 않다는 점이다.
본 발명에 따른, 머리-장착형 디스플레이의 특수한 실시예는 제 1 λ/4 플레이트의 광학 축이 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축으로 교차하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이미지의 선명도(contrast)가 높아지도록 색지움 투과(achromatic transmission) 억제(suppression)가 얻어진다. 이 조치는 상기 인용한 유럽 특허 출원 EP 0 803 756으로부터 본래 알려져 있다.
본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 추가적 실시예는 상기 머리-장착형 디스플레이가 통합된(integrated) 광학 부분을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 광학 부분에는 반-투과성 거울, 렌즈 소자, 제 2 λ/4 플레이트 및 편광-의존성 거울 전체가 합쳐져 있다. 광학 부분 안의 광학 구성 요소의 통합으로 인해, 제작 중, 머리-장착형 디스플레이의 조립이 단순화된다.
본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 추가적 실시예는 상기 머리-장착형 디스플레이가 비구면의(aspherical) 표면을 지닌 광학 소자를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 한다. 비구면의 표면을 지닌 광학 소자의 사용으로, 코마(coma), 비점 수차(astigmatism)와 필드의 뒤틀림(curvature)이 줄여진다.
본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 추가적 실시예는 제 2 λ/4 플레이트와 편광-의존성 거울이 구부러진 표면을 가진다는 특징이 있다. 따라서, 상기제 2 λ/4 플레이트와 상기 편광-의존성 거울은 반-투과성 거울과 렌즈 소자와 함께, 광학 부분 안에 간단히 통합될 수 있다.
본 발명의 이러한, 그리고 다른 양상은 다음에 설명되는 실시예를 참조하여 분명하고 명료해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이(100)의 첫번째 실시예를 도시한다. 도 1은 이미지 디스플레이 디바이스, 예를 들면 일루미네이션(illumination) 유닛(도시되지 않음)을 가진 투과성 액정 이미지 디스플레이 패널(101)과 광학 시스템을 포함하는, 머리-장착형 디스플레이의 부분만을 도시한다. 이미지 디스플레이 패널(101)에서 보았을 때, 상기 광학 시스템은 제 1 λ/4 플레이트(103), 반-투과성의, 오목으로 됨이 바람직한 거울(105), 렌즈 소자(107), 제 2 λ/4 플레이트(109)와 편광-의존성 거울(111)을 연속하여 포함한다. 편광-의존성 거울(111)은 예를 들면,에서 공급하는 것과 같은, 밝기를두배로 강화하는 필름(Double Brightness Enhancement Film)(DEBF) 타입의 반사성(reflective) 폴라로이드를 포함한다. 상기 광학 시스템은 사용자의 망막 위로, 상기 투과성 액정 이미지 디스플레이 패널(101)에 의해 형성되는 이미지를 투영한다. 도 1은 상기 이미지 디스플레이 패널의 픽셀의 방사선 경로를 도시한다. 머리-장착형 디스플레이가 작동하고, 사용자가 썼을 때, 액정 이미지 디스플레이 패널(101)에 의해 형성된 이미지의 방사선은 제 1 λ/4 플레이트(103)로 입사할 것이다. 이 제 1 λ/4 플레이트(103)는 제 1 방향으로 편광된 상기 방사선을 원 편광된(circularly polarized) 방사선, 예를 들면, 반-투과성 거울(105)로 입사하는, 오른쪽으로 도는(dextrorotatory) 편광된 방사선으로 변환시킨다. 반-투과성 거울(105)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를 렌즈 소자(107)를 거쳐, 제 2 λ/4 플레이트(109)로 통과시킨다. 제 2 λ/4 플레이트(109)는 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선을 제 2 방향으로 편광된 방사선으로 변환시키며, 상기 제 2 편광 방향은 제 1 편광 방향과 교차한다. 제 2 방향으로 편광된 방사선은 이어서, 반사성 폴라로이드(111)로 입사한다. 상기 반사성 폴라로이드(111)는 제 2 방향으로 편광된 방사선 전부를 다시 제 2 λ/4 플레이트(109)로 반사시킨다. 상기 반사성 폴라로이드(111)가 제 2 방향으로 편광된 방사선 전부를 반사시키기 때문에, 상기 알려져 있는 머리-장착형 디스플레이에 사용된 바와 같이, 선명도를 높이기 위한 추가의 편광기가 필요하지 않다. 제 2 λ/4 플레이트(109)는 제 2 방향으로 편광된 방사선을, 상기 렌즈 소자(107)를 통과하여 오목한 반-투과성 거울(105)로 입사하는, 오른쪽으로 도는 편광된 방사선으로 변환시킨다. 상기 반-투과성 거울(105)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를 렌즈 소자(107)를 통과하여, 제 2 λ/4 플레이트(109)로 반사시키며, 오른쪽으로 도는 편광을 왼쪽으로 도는 편광으로 바꿔준다. 상기 왼쪽으로 도는 편광된 방사선은 왼쪽으로 도는 편광된 방사선을 제 1 방향으로 편광된 방사선으로 변환시키는 제 2 λ/4 플레이트(109)로 입사한다. 제 1 방향으로 편광된 방사선은 이어서 반사성 폴라로이드(111)로 다시 입사한다. 그러나, 상기 반사성 폴라로이드(111)는 이제 제 1 방향으로 편광된 상기 방사선을 사용자의 눈(도시되지 않음)으로 전달한다. 제 1 및 제 2 λ/4 플레이트 둘 다의 광학 축은 45°로 제 1 편광 방향 쪽으로 연장된다.
이미지의 선명도를 높이기 위한 투과(transmission)의 색지움 억제를 얻기 위해(to obtain an achromatic suppression of transmission), λ/4 플레이트(103, 109)는 제 1 λ/4 플레이트(103)의 광학 축이 제 2 λ/4(109)의 광학 축을 교차하는 방법으로 배열될 수도 있다. 제 1 및 제 2 λ/4 플레이트(103, 109)의 광학 축의 이 같은 배열은 본래, 상기 인용된 유럽 특허 출원 EP 0 803 756으로부터 알려져 있다. 제 1 λ/4 플레이트의 광학 축이 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축과 교차하는 방법으로 λ/4 플레이트가 배열되는 실시예는 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 광학 소자(201-211)의 배열이, 도 1에 도시된 바와 같은, 소자(101-111)의 배열과 비슷한 머리-장착형 디스플레이의 부분(200)을 도시한다. 그러나, 제 1 및 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축은 서로 교차하도록 위치된다. 머리-장착형 디스플레이가 작동되고, 사용자가 썼을 때, 액정 이미지 디스플레이 패널(201)에 의해 형성된 이미지 픽셀의 방사선은 제 1 λ/4 플레이트(203)로 입사할 것이다.제 1 λ/4 플레이트(203)의 광학 축과 제 1 편광 방향 사이의 각도는 예를 들면 +45°이다. 이 λ/4 플레이트(203)는 제 1 방향으로 편광된 방사선을 원(circularly) 편광된, 예를 들면 반-투과성 거울(205)로 입사하는 오른쪽으로 도는 편광된 방사선으로 변환시킨다. 반-투과성 거울(205)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를, 렌즈 소자(207)를 통과하여 제 2 λ/4 플레이트(209)로 통과시킨다. 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축은 제 1 편광 방향에 대해 -45°의 각도로 연장되며, 따라서 상기 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축은 제 1 λ/4 플레이트(203)의 광학 축과 교차한다. 제 2 λ/4 플레이트(209)는 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선을 제 1 방향으로 편광된 방사선으로 변환시킨다. 제 1 방향으로 편광된 방사선은 이어서 반사성 폴라로이드(211)로 입사한다. 상기 반사성 폴라로이드(211)는 제 1 방향으로 편광된 방사선 전부를 다시 제 2 λ/4 플레이트(209) 쪽으로 반사시킨다. 제 2 λ/4 플레이트(209)는 제 1 방향으로 편광된 상기 방사선을, 렌즈 소자(207)를 통과하여 오목의 반-투과성 거울(205) 위로 입사하는 오른쪽으로 도는 편광된 방사선으로 변환시킨다. 상기 반-투과성 거울(205)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를, 렌즈 소자(207)를 통과하여 제 2 λ/4 플레이트(209)로 다시 반사시키며, 오른쪽으로 도는 편광을 왼쪽으로 도는 편광으로 바꾼다. 제 2 λ/4 플레이트(209)는 상기 왼쪽으로 도는 편광된 방사선을, 제 1 편광 방향과 교차하는 제 2 방향으로 편광된 방사선으로 변환시킨다. 제 2 방향으로 편광된 방사선은 이어서 반사성 폴라로이드(211)로 다시 입사한다. 그렇지만, 상기 반사성 폴라로이드(211)는 이제 제 2 방향으로 편광된 상기 방사선을 사용자의 눈(도시되지 않음)으로 전달한다.
제 1 λ/4 플레이트의 광학 축이 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축과 교차하는, 머리-장착형 디스플레이 대신에, 색지움(achromatic) 제 1 λ/4 플레이트와 색지움 제 2 λ/4 플레이트가 대안적으로, 광학 축의 방향이 제 1 편광 방향에 대해 +45°의 각도를 갖도록 한 채 사용될 수도 있다. 색지움 λ/4 플레이트는 예를 들면, "베른하르트 할레 나흐프. 게엠베하 운트 체오.(Bernhard Halle Nachf. GmbH & Co.)"에 의해 공급된다.
코마(coma), 비점 수차(astigmatism) 및 필드의 뒤틀림(curvature)과 같은 이미지 에러를 줄이기 위해, 머리-장착형 디스플레이의 상기 설명된 실시예의 광학 소자의 복수 개의 구부러진 표면, 예를 들면, 반-투과성 오목 거울(205)의 구부러진 표면은 비구면(aspherical) 형태로 주어지는 것이 바람직하다.
머리-장착된 디스플레이의 조립을 더 간단히 하기 위해, 복수 개의 광학 소자, 예를 들면, 반-투과성 거울, 렌즈 소자, 제 2 λ/4 플레이트와 편광-의존성 거울이 광학 부분 안에 통합될 수도 있다. 상기 λ/4 플레이트와 편광-의존성 거울 둘 다는 그 후 구부러질 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 머리-장착형 디스플레이의 부분(300)의 예를 도시하며, 이는 이미지 디스플레이 디바이스, 예를 들면, 투과성 액정 패널(301)과 광학 시스템으로 구성된다. 상기 광학 시스템은 제 1 λ/4 플레이트(303)와 통합된 광학 부분(302)을 포함하며, 상기 통합된 광학 부분(302)에는 상기 광학 시스템의 광학 축을 따라, 반-투과성 거울(305), 제 1 렌즈 소자(307), 제 2 λ/4 플레이트(309),제 2 렌즈 소자(310) 및 편광-의존성 거울(311)이 상기 순서로 통합되어 있다. 상기 반-투과성 거울(305)은 제 1 렌즈 소자(307)의 제 1 표면에 공급된 반-투과성 층에 의해 형성된다. 제 2 λ/4 플레이트(309)는 예를 들면, 제 1 렌즈 소자(307)의 제 2 표면 위에 공급된 λ/4 박(foil)을 포함한다. 더욱이, 제 2 렌즈 소자(310)의 제 1 표면은 상기 λ/4 박(309)과 인접해 있다. 편광-의존성 거울(311)은 예를 들면, 제 2 렌즈 소자의 제 2 표면 위에 타입 DBEF의 반사성 폴라로이드를 공급함으로써, 제 2 렌즈 소자(310)의 제 2 표면 위에 배열된다. 게다가, 제 1 및 제 2 렌즈 소자(307, 310) 둘 다는 유리 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)로 되어 있다. 머리-장착형 디스플레이가 작동하고, 사용자가 썼을 때, 액정 이미지 디스플레이 패널(301)에 의해 형성된 이미지 픽셀의 방사선은 제 1 λ/4 플레이트(303) 위로 입사할 것이다. 제 1 λ/4 플레이트(303)의 광학 축과 제 1 편광 방향 사이의 각도는 예를 들면, +45°이다. 제 1 λ/4 플레이트(303)는 제 1 방향으로 편광된 방사선을 원 편광된 방사선, 예를 들면, 반-투과성 거울(305)로 입사하는 오른쪽으로 도는 편광된 방사선으로 변환시킨다. 반-투과성 거울(305)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를 제 1 렌즈 소자(307)를 거쳐 λ/4 박(309)으로 통과시킨다. 상기 λ/4 박(309)의 광학 축은 제 1 편광 방향에 대해 -45°의 각도로 연장되며, 그리하여 제 1 λ/4 플레이트(303)의 광학 축과 교차한다. λ/4 박(309)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선을 제 1 방향으로 편광된 방사선으로 변환시킨다. 제 1 방향으로 편광된 방사선은 제 2 렌즈 소자(310)를 거쳐 통과하며, 이어서 상기 반사성폴라로이드(311)로 입사한다. 반사성 폴라로이드(311)는 제 1방향으로 편광된 방사선 모두를 제 2 렌즈 소자(310)를 거쳐 λ/4 박(309) 쪽으로 다시 반사시킨다. λ/4 박(309)은 제 1 방향으로 편광된 방사선을, 상기 렌즈 소자(307)를 통과하여 오목의 반-투과성 거울(305)로 입사하는 오른쪽으로 도는 편광된 방사선으로 변환시킨다. 반-투과성거울(305)은 상기 오른쪽으로 도는 편광된 방사선의 일부를, 상기 렌즈 소자(307)를 거쳐 λ/4 박(309) 쪽으로 다시 반사시키며, 오른쪽으로 도는 편광을 왼쪽으로 도는 편광으로 바꿔준다. λ/4 박(309)은 상기 왼쪽으로 도는 편광된 방사선을 제 1 편광 방향과 교차하는 제 2 방향으로 편광된 방사선으로 변환시킨다. 제 2 방향으로 편광된 방사선은 이어서, 상기 제 2 렌즈 소자(310)를 거쳐 반사성 폴라로이드(311)로 다시 입사한다. 그렇지만, 이제 상기 반사성 폴라로이드(311)는 제 2 방향으로 편광된 상기 방사선을 사용자의 눈(도시되지 않음)으로 전달한다.
위에 설명한 머리-장착형 디스플레이의 실시예의 투과성 액정 이미지 디스플레이 패널 대신, 조합(associated) 일루미네이션 시스템을 가진 반사성 액정 이미지 디스플레이 패널이 대안적으로 사용될 수도 있다. 제 1 방향에 자신의 조준기(director)를 가지는, 선형 편광기(polarizer)와 조합된 음극선관(cathode ray tube) 또한 사용될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 비용 절감이 되고 선명도가 높은 머리-장착형 디스플레이의 간단한 제작에 이용된다.
Claims (5)
- 이미지 디스플레이 디바이스와,상기 이미지 디스플레이 디바이스에 의해 형성되는 이미지를 사용자의 망막 위에 투영(project)하도록 광 빔(light beam)을 결합(combine)시키기 위해 반-투과성(semi-transmissive) 거울, 렌즈 소자(element), 편광-의존성(polarization-dependent) 거울 및 두 개의 λ/4 플레이트(plate)로 구성되는, 광학 시스템이설치된 머리-장착형(head-mounted) 디스플레이로서,상기 이미지 디스플레이 디바이스에서 보았을 때, 상기 제 1 λ/4 플레이트, 상기 반-투과성 거울, 상기 렌즈 소자, 상기 제 2 λ/4 플레이트 및 상기 편광-의존성 거울은 차례로(one behind the other) 놓여지는 것을 특징으로 하는, 머리-장착형 디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 λ/4 플레이트의 광학 축은 상기 제 2 λ/4 플레이트의 광학 축에 교차(transverse)하는 것을 특징으로 하는, 머리-장착형 디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,상기 머리-장착형 디스플레이는 상기 반-투과성 거울, 상기 렌즈 소자, 상기 제 2 λ/4 플레이트 및 상기 편광-의존성 거울이 통합되어 있는통합된(integrated) 광학 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 머리-장착형 디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,상기 머리-장착형 디스플레이는 비구면(aspherical) 표면을 갖는 광학 소자를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는, 머리-장착형 디스플레이.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 λ/4 플레이트와 상기 편광-의존성 거울은 구부러진(curved) 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 머리-장착형 디스플레이.
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