KR20010089170A - 헤드-장착 디스플레이 - Google Patents

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KR20010089170A
KR20010089170A KR1020017002223A KR20017002223A KR20010089170A KR 20010089170 A KR20010089170 A KR 20010089170A KR 1020017002223 A KR1020017002223 A KR 1020017002223A KR 20017002223 A KR20017002223 A KR 20017002223A KR 20010089170 A KR20010089170 A KR 20010089170A
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radiation
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KR1020017002223A
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오피윌럼쥐.
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 영상 디스플레이 장치 및 광학 시스템이 제공된 헤드-장착 디스플레이에 관한 것이다. 이 광학 시스템은 영상 디스플레이 장치에 의해 형성되는 영상을 헤드-장착 디스플레이의 오목 거울, 반투과 소자, 출구 퓨필을 통해 사용자의 망막상에 투영하기 위한 오목 거울 및 반투과 소자를 포함한다. 헤드-장착 디스플레이의 디스플레이된 영상의 해상도를 향상하기 위해, 제1 렌즈 수단은 영상 디스플레이 장치와 반투과 소자 사이에 배치된다.

Description

헤드-장착 디스플레이{Head-mounted display}
위에 설명된 유형의 장치는 일본 특허 출원 09090312A의 영문 요약서에 공지되어 있다. 이 문헌에 설명된 헤드-장착 디스플레이에서는, 영상이 액정 영상 디스플레이 패널에 의해 형성되며, 그 영상은 분리 거울 및 오목 거울을 포함하는 광학 시스템에 의해 헤드-장착 디스플레이의 출구 퓨필(exit pupil)에 투영된다. 사용중, 출구 퓨필은 헤드-장착 디스플레이의 사용자의 눈동자와 일치하여, 영상이 망막에 형성된다. 헤드-장착 디스플레이는 예를 들어 휴대용 정보 및 통신 시스템, 컴퓨터 게임 또는 컴퓨터 시뮬레이션과 관련된 TV 또는 비디오 영상들이나 화상들을 디스플레이하기 위해 사용자가 휴대할 수 있다.
공지된 헤드-장착 디스플레이는 예를 들어 0.5인치의 대각선 치수를 갖는 1024×786 화소의 고해상도를 갖는 영상 디스플레이 장치의 사용이 거의 이용될 수없도록 상대적으로 낮은 차단 컷오프 주파수의 광학 변조 전달 함수를 갖는다.
본 발명은 영상 디스플레이 장치와 광학 시스템을 포함하는 헤드-장착 디스플레이로서, 광학 시스템은 오목 거울과 반투과(semi-transmissive) 소자를 포함하며, 영상 디스플레이 장치에 의해 형성되는 영상을, 헤드-장착 디스플레이의 반투과 소자, 오목 거울, 반투과 소자, 출구 퓨필(exit pupil)을 순차적으로 거쳐 사용자의 망막상에 투영하기 위한 헤드-장착 디스플레이에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제1 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제2 실시예를 도시한 도면.
도 3은 고아학 변조 전달 함수를 나타내는 2개의 곡선을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제3 실시예를 도시한 도면.
도 5는 다른 헤드-장착 디스플레이들의 왜곡을 나타내는 2개의 곡선을 도시한 도면.
도 6은 처리되지 않은 유리에 대한 입사각의 함수로서, 각각, 반사, 투과, 흡수를 나타내는 3개의 곡선들을 도시한 도면.
도 7은 각도 의존 반사층을 갖는 유리에 대한 입사각의 함수로서, 각각, 반사, 투과, 흡수를 나타내는 3개의 곡선들을 도시한 도면.
도 8은 0도의 입사각으로 각도 의존 반사층을 갖는 유리의 파장의 함수로서의 입사 방사선의 S 편광 성분의 반사, 투과, 흡수를 각각 나타내는 3개의 곡선을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 광학 변조 전달 함수를 개선하는 것이다. 이 목적을 위해, 본 발명에 따른 장치는 광학 시스템내의 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 시준하기 위해 영상 디스플레이 장치와 반투과 소자 사이에 배치되는 제1 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 제1 렌즈들이 영상 디스플레이 패널로부터 들어오는, 발생될 방사선을 시준하므로, 방사선은 왜곡이 감소되고 광학 변조 전달 함수의 차단 주파수가 증가되도록 광학 시스템의 광축을 따라 집중된다. 렌즈들을 배치하는 다른 이점은 영상들의 코너에서의 왜곡이 감소된다는 것이다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 특정 실시예는 제1 렌즈들은 볼록면과 실질적인 평면을 가지며, 볼록면은 반투과 소자에 대향하는 것을 특징으로 한다. 그와 같은 장치를 이용하여 광학 변조 전달 함수가 더 향상된다는 것이 분명해진다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 광학 시스템이 반투과 소자와 오목 거울 사이에 배치되는 λ/4 판을 포함하고, 반투과 소자는 제1 방향으로 편광되고 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 또한 제2 방향으로 편광되고 오목 거울 및 λ/4 판으로부터 나오는 방사선을 선택적으로 투과시키는 편광 의존 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 한다. λ/4 판 및 편광 의존 빔 스플리터를 사용함으로써, 배경 조명을 줄이고 영상 디스플레이 장치에 의해 발생된 방사선의 투과를 강화한다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 편광 의존 빔 스플리터는 제1 방향으로 편광되고 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 제2 방향으로 편광되고 오목 거울 및 상기 λ/4 판으로부터 나오는 방사선을 선택적으로 투과시키기 위해, 편광 빔 분할층을 갖는 빔 분할면에 의해 분할되는 2개의 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그와 같은 편광 빔 분할층은 예를 들어 H.A. Macleod에 의해 발행된 핸드북 "박막 광 필터(Thin Film Optical Filters)" 328페이지, 섹션 33으로부터 알 수 있다. 이 편광 빔 분할층은 예를 들어 고굴절율과 저굴절율을 교대로 갖는 광학 층들의 스택을 포함한다. 그와 같은 편광 의존 빔 스플리터를 사용함으로써, 영상 디스플레이 장치로부터 들어오는 방사선의 실질적으로 100%의 투과가 얻어진다. 다른 이점은 헤드-장착 디스플레이의 두께는 얇아지고 그 두께는 오목 거울과 출구 퓨필간의 간격에 의해 결정된다는 것이다. 헤드-장착 디스플레이에서 λ/4 판 및 편광 의존 빔 스플리터를 사용하는 것은 미국 특허 제5,771,124호에 그 자체로 공지되어 있다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 편광 의존 빔 스플리터는 제1 방향으로 편광되고 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 제2 방향으로 편광된 방사선을 선택적으로 투과시키기 위한 반투과 반사기 및 편광 의존 반사기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 두번째 유형의 편광 의존 빔 스플리터는 프리즘들을 포함하는 첫번째 유형의 상술한 헤드-장착 디스플레이의 중량과 비교해서 더 작은 중량을 갖는 헤드-장착 디스플레이의 구성을 제공하므로 유리하다. 영상 디스플레이 장치로부터 들어오는, 두번째 유형의 헤드-장착디스플레이의 방사선의 투과는 첫번째 유형의 헤드-장착 디스플레이의 대응하는 투과보다 더 낮은 8자 요인이다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 편광 의존 빔 스플리터는 제1 방향으로 편광되고 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 제2 방향으로 편광된 방사선을 선택적으로 투과시키기 위한 반투과 반사기 및 편광 의존 반사기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그와 같은 층은 광학적으로 조밀한 재료의 서브층(sub-layer)과 광학적으로 덜 조밀한 재료의 서브층을 포함하는 서브층들의 패킷을 포함하며, 서브층의 두께는 조사된 방사선의 파장의 절반과 동일하다.
헤드-장착 디스플레이의 투과는 그와 같은 층을 사용함으로써 강화된다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 헤드-장착 디스플레이가 헤드-장착 디스플레이의 반투과 소자로부터 출구 퓨필까지의 방사선을 프리포커싱(prefocusing)하기 위해 반투과 소자 및 출구 퓨필 사이에 배치되는 제2 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 다른 실시예는, 헤드-장착 디스플레이가 적어도 비구면을 갖는 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 비구면(菲球面)들을 갖는 광학 소자들을 사용함으로써 필드의 코마(coma), 비점 수차, 곡률(curvature) 등의 촬상 에러들을 줄인다.
본 발명의 이들 또는 다른 양상들은 이하 설명된 실시예들을 참조하여 명료해질 것이다.
도 1은 헤드-장착 디스플레이(100)의 실시예를 도시하며, 이 헤드-장착 디스플레이는 예를 들어 조명 유닛(도시안됨)을 갖는 투과형 액정 영상 디스플레이 패널(110)인 영상 디스플레이 장치와, 오목 거울(130)을 포함하는 광학 시스템과, 예를 들어 분할 거울인 반투과 광학 소자(120)를 포함한다. 이 광학 시스템은 헤드-장착 디스플레이의 출구 퓨필(150)을 통해 투과형 액정 영상 디스플레이 패널(110)에 의해 형성되는 영상을 사용자의 눈의 망막상에 투영한다. 헤드-장착 디스플레이가 사용자에 의해 작동되고 휴대되는 경우, 액정 영상 디스플레이 패널(110)에 의해 형성된 영상의 방사선은 분할 거울(120)상에 입사될 것이다. 분할 거울(120)은 오목 거울(130)상에 방사선의 일부를 반사하며, 그 오목 거울은 이 방사선을 분할 거울(120), 윈도(140), 출구 퓨필(150)을 통해 사용자의 눈의 망막(도시 안됨)상에 시준한다. 출구 퓨필(150)을 통한 방사선은 사용자의 눈동자를 통과하고 망막(도시 안됨) 상에 영상을 형성한다. 지금까지, 도시된 헤드-장착 디스플레이는 공지된 헤드-장착 디스플레이에 대응한다. 그러나, 이 공지된 헤드-장착 디스플레이는 고해상도 액정 영상 디스플레이 패널로부터 들어오는 영상을 촬상하기에 거의 적절하지 않다.
예를 들어, 0.5인치의 영상 대각선을 갖는 1024×786 화소의 매트릭스인 고해상도의 액정 영상 디스플레이 패널을 사용하기 위해서, 헤드-장착 디스플레이는 예를 들어 차단 주파수가 mm당 50 사이클 또는 그 이상인 광학 변조 전달 함수를 갖는 광학 시스템을 필요로 한다. 본 특허 출원에서는, 차단 주파수는 광학 변조 전달 함수의 값이 30%에서의 영상 주파수를 의미하는 것으로 이해된다. 광학 변조 전달 함수를 향상시키기 위해, 본 발명에 따르면, 제1 렌즈(160)는 분할 거울(120)과 액정 영상 디스플레이 패널(110) 사이에 배치된다. 이 제1 렌즈(160)는 액정 영상 디스플레이 패널(110)로부터의 방사선을 광학 시스템의 광축을 따라 시준한다. 제1 렌즈(160)는 바람직하게 볼록면(161)과 실질으로 평면(162)을 갖는다. 더욱이, 제1 렌즈(160)의 볼록면(161)은 분할 거울(120)과 대향한다. 바람직하게, 헤드-장착 디스플레이는 나오는 방사선의 프리포커싱(prefocusing)을 보증하는, 파선으로 도시된 제2 렌즈(170)를 포함하며, 그 제2 렌즈(170)는 윈도(140)의 위치에 배치될 수 있다.
광 출력을 증가시키고 배경 조명을 줄이기 위해, 바람직하게는, 광학 시스템은 제1 방향으로 편광되고 액정 영상 디스플레이 패널에 의해 발생된 방사선을 선택적으로 통과시키는 λ/4 판 및 편광 의존 빔 스플리터를 포함한다. 편광 의존 빔 스플리터를 포함하는, 본 발명에 따른 이 헤드-장착 디스플레이의 제2 실시예는 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 액정 영상 디스플레이 패널(210), 제1 렌즈(260), 오목 거울(230), 편광 의존 빔 스플리터(220)을 포함하는 분할 입방체를 구성하는 두개의 프리즘(221,222), λ/4 판(219)을 포함하는, 본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제2 실시예(200)의 일례를 도시한다. 헤드-장착 디스플레이가 작동할는 경우, 영상의 제1 방향에서 선형으로 편광되고 액정 영상 디스플레이 패널(210)에 의해 형성된 방사선은 제1 렌즈(260)에 의해 시준되어 제1 프리즘(221)으로 들어간다. 바람직하게는, 제1 렌즈(260)는 볼록면(261)과 광학 평면(262)을 가진다. 볼록면(261)은 제1 프리즘(221)과 대향한다. 이 프리즘(221)의 제1 출구면(225)은 총 내부 반사에 의해 제1 방향으로 선형으로 편광된 방사선을 빔 분할면(223)상에 반사한다. 이 빔 분할면(223)은 편광 빔 분할층(224), 예를 들어 고저(高低) 굴절율을 교대로 갖는 광학 층들의 스택을 갖는다. 이 편광 빔 분할층(224)은 이전에 인용된 H.A. Macleod에 의해 발행된 핸드북 "박막 광 필터(Thin Film OpticalFilters)" 328페이지, 섹션 33에 공지되어 있다. 이 편광 빔 분할층(224)은 제1 방향으로 편광된 방사선을 제1 프리즘(221)의 제1 출구면(225)을 향해 반사한다. 그 결과, 반사된 제1 방향으로 편광된 방사선은 제1 프리즘(221)으로부터 나와서 λ/4 판(219)을 통과하여 오목 거울(230)에 이른다. λ/4 판(219)은 제1 방향으로 편광된 방사선을 원형 편광된 방사선, 예를 들어 좌선(左旋) 편광된 방사선으로 변환한다. 오목 거울(230)은 좌선 편광된 방사선을 λ판(219)을 거쳐 제1 프리즘(221)으로 반사한다. 오목 거울상의 반사중에, 좌선 편광된 방사선은 우선(右旋) 편광된 방사선으로 변경한다. 이어서, λ/4 판(219)은 우선 편광된 방사선을 제2 방향으로 편광된 방사선으로 변환하고, 편광의 제2 방향은 편광의 제2 방향에 가로지른다. 빔 분할면(223)상의 편광 빔 분할층(224)은 제2 방향으로 편광된 방사선을 제2 프리즘(222)에 보낸다. 이어서, 제2 방향으로 편광된 방사선은 제2 프리즘(222)의 제2 출구면(226)을 통해 출구 퓨필(250)에 이른다. 이 방법으로, 실질적으로 액정 영상 디스플레이 패널로부터 나오는 방사선의 100% 투과가 이런 유형의 헤드-장착 디스플레이에서 달성된다. 더 바람직하게는, 헤드-장착 디스플레이는 나오는 방사선의 프리포커싱을 보증하는 제2 렌즈(270)를 포함한다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제2 실시예의 광학 시스템내의 제1 렌즈(260)의 효과는 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 광학 변조 전달 함수를 나타내는 2개의 곡선 Ⅰ,Ⅱ를 도시한다. 관련된 그래프에서, 공간 주파수는 수평축상에 mm당 사이클로 그려지고 광학 변조 전달 함수의 값은 수직축상에 그려진다. 제1 곡선 Ⅰ는 도 2에 도시된 헤드-장착 디스플레이의 광학 시스템과 부분적으로 동일하지만 제1 렌즈(260)이 없는 광학 시스템의 제1 컴퓨터 시뮬레이션의 광학 변조 전달 함수를 나타낸다. 광학 변조 전달 함수의 차단 주파수가 mm당 약 12 사이클이라는 것이 제1 곡선으로부터 분명해진다. 제2 곡선 Ⅱ는 본 발명에 따른 제1 렌즈(260)를 갖는, 도 2에 도시된 바와 같은 헤드-장착 디스플레이의 제2 실시예의 광학 시스템의 제2 컴퓨터 시뮬레이션의 광학 변조 전달 함수를 나타낸다. 이 시스템의 광학 변조 전달 함수의 차단 주파수는 mm당 약 50 사이클이라는 것이 제2 곡선 Ⅱ으로부터 분명해진다. 본 발명에 따른 제1 렌즈(260)를 갖는 헤드-장착 디스플레이의 다른 이점은 출구 퓨필(250)내의 영상의 각도의 왜곡이 약 0.5% 감소한 반면, 도 2에 도시된 광학 시스템에 대한 이 왜곡은 제1 렌즈(260)가 없지만 약 2.5%이다. 또한, 이것은 상기 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 분명해진다. 도 5는 제1 및 제2 컴퓨터 시뮬레이션의 왜곡을 나타내는 제3 곡선 Ⅲ과 제4 곡선 Ⅳ을 도시한다. 제3 곡선 Ⅲ은 도 2에 도시된, 그렇지만 제1 렌즈(260)를 갖지 않는 헤드-장착 디스플레이의 광학 시스템과 부분적으로 동일한 광학 시스템의 제1 컴퓨터 시뮬레이션의 왜곡을 나타낸다. 제3 곡선 Ⅲ과 겨합된 그래프에서, 왜곡되지 않은 이상적인 프레임에 대한 촬상된 프레임의 왝곡은 수평축상에 퍼센트 단위로 그려져 있다. 영상의 중심으로부터의 간격은 수직축상에 그려져 있다. 제4 곡선 Ⅳ는 제1 렌즈(260)를 갖는, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 제2 실시예의 광학 시스템의 제2 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 왜곡을 나타낸다. 제4 곡선 Ⅳ과 관련된 그래프에서, 왜곡되지 않은 이상적인 프레임에 대한 촬상된 프레임의 왜곡은 수평축상에 1/10 퍼센트 단위로 그려져 있다. 영상의 중심으로부터의 간격은 수평축상에 그려져 있다.
본 발명에 따른 헤드-장착 디스플레이의 제3 실시예는 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 액정 영상 디스플레이 패널(410), 제1 렌즈(460), 오목 거울(430), 제1 분할 거울(425), 편광 의존 반사경(423), λ/4 판(419), 제2 렌즈(470)를 포함하는 헤드-장착 디스플레이의 제3 실시예(400)를 도시한다. 이 제3 실시예에서는, 편광 빔 스플리터는 제1 분할 거울(425)과 편광 의존 반사경(423)으로 구성된다. 제1 분할 거울(425)과 편광 의존 반사경(423)는 도 2에 도시된 바와 같은 광학 시스템의 2개의 프리즘(221,222) 사이의 빔 분할면(223)상에서 제1 프리즘(221)의 제1 출구면(225)과 편광 빔 분할층(224)에 각각 대체된다. 헤드-장착 디스플레이가 작동할 때, 액정 영상 디스플레이 패널(410)에 의해 형성된 영상의, 제1 방향으로 편광된 방사선은 광학 시스템의 제1 렌즈(460)에 의해 시준될 것이다. 바람직하게는, 제1 렌즈(460)는 볼록면(461)과 광학 평면(462)을 갖는다. 볼록면(461)은 분할 거울(425)에 대향한다. 분할 거울(425)은 편광 의존 반사경(423)을 향해 방사선의 커다란 부분을 반사한다. 편광 의존 반사경(423)은 예를 들어 3Mtm으로 공급된 바와 같은 DBEF(Double Brightness Enhancement Film)의 반사 폴라로이드를 포함한다. 반사 폴라로이드(423)는 반사 폴라로이드(423)의 디렉터(director)에 실질적으로 직각인 제1 방향으로 선형으로 편광된 방사선을, 분할 거울(425)과 λ/4 판(419)을 거쳐 오목 거울(430)에 반사한다. λ/4 판(419)은 선형으로 편광된 방사선을 원형 편광된 방사선, 예를 들어 좌선 원형 편광된 방사선으로 변환한다. 오목 거울(430)은 좌선 원형 편광된 방사선을 λ/4 판(419)을 통해 분할 거울(425)에 반사한다.오목 거울상에 반사하는 중에, 좌선 원형 편광된 방사선은 우선 원형 편광된 방사선으로 변경된다. λ/4 판(419)은 우선 원형 편광된 방사선을 제2 방향으로 편광된 방사선으로 변환하고, 편광의 제2 방향은 첫번째 시간의 λ/4 판(419)을 통과하는 방사선의 편광의 제1 방향에 가로지른다. 디렉터가 두번째 시간에 투과된 방사선의 편광의 제2 방향과 수직인, 반사 폴라로이드(423)는 이 방사선을 통과하여, 이 방사선은 헤드-장착 디스플레이의 광학 시스템의 제2 렌즈(470) 및 출구 퓨필(450)을 거쳐 사용자의 눈에 도달하고, 눈동자를 통해 사용자의 망막상에 영상을 형성한다. 제2 렌즈(470)는 나오는 방사선의 다른 프리포커싱을 보증한다. 분할 거울(425)과 반사 폴라로이드(423)를 포함하는 편광 빔 스플리터의 이점은 헤드-장착 디스플레이의 중량이 감소될 수 있다는 것이다. 이 중량의 이점은 프리즘(221,222)을 포함하는 편광 의존 빔 스플리터를 사용하여 헤드-장착 디스플레이에 대해 8자 요인의 광 손실에 의해 얻어진다는 것이 분명해진다. 이 광 손실은 액정 영상 디스플레이 패널의 조명 시스템에서 보상될 수 있다.
이 광 손실을 줄이는 한 방법은 분할 거울(425)상에서 각도 의존 반사층을 사용하는 것이다. 각도 의존 반사층은 큰 입사각의 최대 반사와 작은 입사각의 최소 반사에 최적인 서브 층(sub-layer)들의 패킷을 포함한다. 바람직하게는, 기판은 상대적으로 큰 굴절률, 예를 들어 스코트(Schott) 회사에 의해 공급된 바와 같은 유리판 BK-7을 갖는 재료를 포함한다.
도 6은 각도 의존 반사층을 갖지 않는 처리 않된 BK-7의 반사, 투과, 흡수의 각도 의존을 각각 도시한다. 도 6의 그래프는 S 편광 방사선에 대한 입사각의 함수로서, 반사, 투과, 흡수를 각각 나타내는 3개의 곡선(600,601,602)을 도시한다. 유리판에서 반사가 한번 발생하고 투과가 2번 발생하는, 도 4에 도시된 바와 같은 시스템에서의 방사선 투과의 효율은 0.12×0.96×0.96=0.11이다. 향상된 효율은 각도 의존 반사층이 유리판상에 제공될 때 얻어진다. 이 층은 광학적으로 조밀한 재료의 서브 층과 광학적으로 덜 조밀한 서브 층으로 교대로 포함하는 서브 층들의 패킷을 포함하며, 서브 층의 두께는 조사된 방사선의 파장의 절반과 같다. 그와 같은 층을 갖는 유리판의 반사, 투과, 흡수의 각도 의존은 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 예를 들어 7 서브 층들의 층 패킷이 제공된 BK-7 유리판의 각도 의존 반사를 도시하며, 그 층 패킷은 ZrO2인 제1 서브 층과 Ta2O5의 제2 서브 층을 교대로 포함한다. 서브 층들은 조사된 방사선의 파장의 절반의 두께를 가진다. 도 7의 그래프는 S 편광된 방사선에 대한 입사각의 함수로서의 각도 의존 반사층의 반사, 투과, 흡수를 각각 나타내는 3개의 곡선(700,701,702)을 도시한다. 유리판에서 반사가 한번 발생하고 투과가 두번 발생하는, 도 4에 도시된 바와 같은 이미 설명된 시스템에서의 방사선 투과 효율은 이제 0.12×0.96×0.96=0.11이다는 것이 곡선(700,701,702)으로부터 분명해진다. 더욱이, 상기 시스템의 효율은 파장에 좌우된다.
또한, 도 8은 파장의 함수로서 각도 의존 반사층의 반사, 투과, 흡수를 각각 나타내는 3개의 곡선을 도시한다. 효율이 최소 0.33×0.82×0.82=0.22이라는 것이 이 그래프로부터 분명해진다. 또 다른 각도 의존 반사층의 다른 예는 교대로 ZnS및 T2O2를 포함하는 서브 층들의 패킷이다.
또한 바람직하게는, 헤드-장착 디스플레이는 나오는 방사선의 프리포커싱을 보증하는 제2 렌즈(470)를 포함한다.
그와 같은 필드의 코마, 비점 수차, 곡률 등의 영상 에러들을 줄이기 위해, 헤드-장착 디스플레이의 상술한 실시예들에서의 광학 소자들의 복수의 곡면들은 바람직하게는 비구면, 예를 들어 제1 렌즈, 오목 거울, 제2 렌즈이다.
헤드-장착 디스플레이의 상술한 실시예들에서의 투과형 액정 영상 디스플레이 패널 대신에, 관련된 조명 시스템을 갖는 반사 액정 영상 디스플레이 패널을 사용하는 것이 선택적으로 가능하다. 디렉터가 제1 방향으로 향하는, 선형 편광자와 협력하는 음극선관도 또한 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 영상 디스플레이 장치와 광학 시스템을 포함하는 헤드-장착 디스플레이로서,
    상기 광학 시스템은 오목 거울과 반투과(semi-transmissive) 소자를 포함하며, 상기 영상 디스플레이 장치에 의해 형성되는 영상을, 상기 헤드-장착 디스플레이의 상기 반투과 소자, 상기 오목 거울, 상기 반투과 소자, 출구 퓨필(exit pupil)을 순차적으로 거쳐 사용자의 망막상에 투영하기 위한 상기 헤드-장착 디스플레이에 있어서,
    상기 광학 시스템내의 상기 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 시준하기 위해 상기 영상 디스플레이 장치와 상기 반투과 소자 사이에 배치되는 제1 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈들은 볼록면과 실질적인 평면을 가지며, 상기 볼록면은 상기 반투과 소자에 대향하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 반투과 소자와 상기 오목 거울 사이에 배치되는 λ/4 판을 포함하고,
    상기 반투과 소자는 제1 방향으로 편광되고 상기 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 또한 제2 방향으로 편광되고 상기 오목 거울 및 λ/4 판으로부터 나오는 방사선을 선택적으로 투과시키는 편광 의존 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 편광 의존 빔 스플리터는 상기 제1 방향으로 편광되고 상기 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 상기 제2 방향으로 편광되고 상기 오목 거울 및 상기 λ/4 판으로부터 나오는 방사선을 선택적으로 투과시키기 위해, 편광 빔 분할층을 갖는 빔 분할면에 의해 분할되는 2개의 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 편광 의존 빔 스플리터는 상기 제1 방향으로 편광되고 상기 영상 디스플레이 장치에 의해 발생되는 방사선을 반사시키고 상기 제2 방향으로 편광된 방사선을 선택적으로 투과시키기 위한 반투과 반사기 및 편광 의존 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반투과 반사기는 큰 입사각들에 대해서는 상대적으로 높은 반사를 가지며 작은 입사각들에 대해서는 상대적으로 낮은 반사를 갖는 각도 의존 반사층을 갖는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드-장착 디스플레이의 상기 반투과 소자로부터 상기 출구 퓨필까지의 방사선을 프리포커싱(prefocusing)하기 위해 상기 반투과 소자 및 상기 출구 퓨필 사이에 배치되는 제2 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 비구면을 갖는 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드-장착 디스플레이.
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