KR20010096886A - 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 눈에 근접하는 액정 스크린을 통하여 입체영상을 볼 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것이다.

본 발명은 광원과; 상기 광원의 광선을 확산시키는 반사판과; 상기 반사판으로부터 확산되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 상기 반사판의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 광원은 발광 다이오드이며, 상기 반사판은 왜곡수차를 보정하도록 비구면을 형성한 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는 반사형 액정을 사용함으로써, 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 발광다이오드와, 상기 발광 다이오드에서 발생되는 광선을 확산시키는 반사판을 구비함으로써 광효율을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템{Optical System for Head Mount Display}

본 발명은 두 눈에 근접하는 액정 스크린을 통하여 입체영상을 볼 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이에 관한 것으로, 특히, 제작단가를 낮출 수 있고 광원의 효율을 높여주어 착용자에게 최상의 화상을 제공할 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것이다.

이러한 헤드 마운트 디스플레이는 액정 스크린과 조명장치 및 렌즈 등으로 이루어진 광학 시스템을 갖추고 있다. 광학 시스템은 액정 스크린에 화상을 나타나도록 하는 것으로, 구성요소의 배치구조에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 그 일례로서 도 1과 도 2에는 일반적으로 사용되는 광학 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 이를 살펴보면, 먼저 도 1의 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(1)의 후방으로 액정 스크린(1)의 광원이 되는 조명장치(2)가 배치되며, 액정 스크린(1)의 전방으로는 접안렌즈(3)가 배치되는 구성을 갖는다.

그리고 도 2의 광학 시스템은 하방을 향하도록 액정 스크린(1)을 수평으로 배치하고, 액정 스크린(1)의 수직하방에는 편광 분할기(Polarized Beam Splitter:4)를 대략 45°각도로 배치하며, 편광 분할기(4)의 후방으로는 액정 스크린(1)의 화상을 확대하여 반사시키는 오목반사거울(5)이 배치된 구성을 갖는다. 조명장치(2)는 도 1과 마찬가지로 액정 스크린(1)의 후방에 배치된다. 여기서, 도 1과 도 2에서의 액정 스크린(1)은 투과형 액정으로서, 후방에 배치되는 조명장치(2)를 광원으로하여 화상을 나타내도록 구성된다.

그러나 이와 같은 구성을 갖는 종래의 광학 시스템은 그 구성이 간단하여 제작비가 저렴하다는 장점은 가지고 있으나, 대화면을 실현하기 위해서 접안렌즈(3)의 두께를 두껍게 해야하거나, 조명장치(2)와 편광 분할기(4)의 설치공간을 확보해야 하는 등의 단점이 있었다. 특히, 도 2의 광학 시스템은 편광 분할기(4)를 사용하여 화상의 선명도를 높인다는 것에 있어서는 도 1의 광학 시스템보다 뛰어난 효과를 발휘하지만 오목반사거울(5)에 착용자 자신의 눈 형상이 비쳐 보인다는 문제점이 있었다.

도 3에는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른예가 도시되어 있다. 이에 따르면, 다른예의 광학 시스템은 액정 스크린(1)을 대략 45°각도로 하향하도록 배치하고, 액정 스크린(1)의 후방으로는 조명장치(2)를 배치하며, 액정 스크린(1)의 전방으로는 자유곡면프리즘(6)을 배치한 구성을 갖는다. 액정 스크린(1)은 도 1과 도 2와 마찬가지로 투과형 액정으로서, 후방에 배치되는 조명장치(2)를 광원으로하여 화상을 나타내도록 구성되며, 자유곡면프리즘(6)의 입사면에 배치되도록 구성된다. 한편, 자유곡면프리즘(6)은 입사면(6a)과 반사면(6b) 그리고 출사면(6c)을 갖는 다면체로서, 입사면(6a)과 출사면(6c)은 오목면을 이루며, 반사면(6b)은 볼록면을 이룬다. 이러한 자유곡면프리즘(6)은 액정 스크린(1)의 화상을 확대하는 역할을 한다. 특히, 오목면인 입사면(6a)과 출사면(6c), 볼록면인 반사면(6b)을 통하여 액정 스크린(1)의 화상 광선을 여러번 반사시킴으로써 대화면을 실현시키도록 한다.

한편, 이와 같은 구성을 이루어진 도 3의 광학 시스템은 구성요소들이 대략 수직으로 배열되는 구성을 가지므로 장치를 슬림화, 소형화 할 수 있다는 장점은 가지고 있으나, 상술한 바와 같이 투과형 액정 스크린(1)은 화질이 떨어지는 단점이 있었다. 특히, 상기 투과형 액정 스크린(1)의 후면 전반에 걸쳐 광원을 제공해야 하므로 광효율이 다소 떨어지는 단점도 있었던 것이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 가격이 저렴한 부품을 사용함으로써 제작단가를 낮출 수 있고, 광원의 효율을 높여주어 착용자에게 최상의 화상을 제공할 수 있도록 구성된 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2와 도 3은 종래의 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 다른예를 개략적으로 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 그 배치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 액정 스크린 20: 발광 다이오드

30: 반사판 40: 자유곡면프리즘

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입체영상을 보기 위한 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 광원과; 상기 광원의 광선을 확산시키는 반사판과; 상기 반사판으로부터 조사되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 상기 반사판의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광원은 발광 다이오드이며, 상기 반사판은 왜곡수차를 보정하도록 비구면을 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성 및 그 배치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 화상을 나타내는 액정 스크린(10)이 제공된다. 이 액정 스크린(10)은 전방에서 조사되는 광원에 의해 화상을 나타내는 고화소의 반사형 액정이며, 대략 45°각도로 하향 배치된다. 반사형 액정은 이미 공지된 것이므로 그에 대한 설명은 생략한다.

그리고 액정 스크린(10)의 일측에는 R.G.B 발광 다이오드(Red Green Blue light emitting diode:20)가 배치되며, 액정 스크린(10)의 전방에는 반사판(30)이 배치된다. R.G.B 발광 다이오드(20)는 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 역할을 하는 것이며, 반사판(30)은 발광 다이오드(20)에서 발생되는 광선을 반사시켜 액정 스크린(10)에 조사하는 역할을 한다. 특히, 반사판(30)은 발광 다이오드(20)에서 발생되는 광선을 액정스크린(10)의 전면에 골고루 조사하기 위해 상기 발광 다이오드(20)의 광선을 확산시킨다.

이러한 반사판(30)은 발광 다이오드(20)의 광선은 반사시키고, 액정 스크린(10)의 광선은 투과시키도록 상기 액정 스크린(10)에 대해 소정각도를 이루며 배치된다. 또한, 반사판(30)은 비구면으로하여 화상의 해상력을 높여주면서 화상이 일그러지는 왜곡수차를 보정하도록 하였다. 참고로, 비구면은 하나 이상의 면에 비구면을 형성한 것으로, 적은 면수로 필요한 수차보정 상태를 달성하기 위하여 사용된다.

한편, 본 발명은 자유곡면프리즘(40)을 구비한다. 이 자유곡면프리즘(40)은입사면(42)과 반사면(44)그리고 출사면(46)을 갖는 다면체로서, 입사면(42)과 출사면(46)은 오목면을 이루며, 반사면(44)은 볼록면을 이룬다. 이러한 자유곡면프리즘(40)은 입사면(42)이 반사판(30)의 하부에 배치되도록 수직하게 배치되며, 입사면(42)을 통하여 유입되는 액정 스크린(10)의 화상을 확대하는 역할을 한다. 특히, 오목면인 입사면(42)과 출사면(46), 볼록면인 반사면(44)을 통하여 액정 스크린(10)의 화상 광선을 여러번 반사시킴으로써 대화면을 실현시킬 수 있도록 화상을 크게 확대시킨다.

이와 같은 구성에 의해 상기 액정 스크린(10)에 신호가 가해진 상태에서 발광 다이오드(20)에서 광선이 발생되면, 이 광선은 반사판(30)을 통하여 소정 각도로 반사되어 액정 스크린(10)에 조사된다. 이때, 발광 다이오드(20)의 광선은 반사판(30)에 의해 반사됨과 동시에 확산되어 액정 스크린(10)의 전면에 걸쳐 골고루 조사된다. 이러한 상태에서 액정 스크린(10)은 상기 광선을 광원으로하여 화상을 나타낼 수 있는 것이다.

한편, 액정 스크린(10)의 화상은 반사판(30)을 투과하여 자유곡면프리즘(40)에 입사되며, 자유곡면프리즘(40)으로 입사된 화상의 광선은 입사면(42) 그리고 반사면(44)과, 출사면(46)에 의해 여러번 반사되면서 확대되며, 최종적으로 출사면(46)을 통하여 전방으로 출사되는 것이다. 이와 같은 상태에서 헤드 마운트 디스플레이 착용자는 자유곡면프리즘(40)의 출사면(46)을 통하여 확대된 대화면의 화상을 관람할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 광학 시스템은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는반사형 액정을 사용함으로써, 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 발광다이오드와, 상기 발광 다이오드에서 발생되는 광선을 확산시키는 반사판을 구비함으로써 광효율을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는 반사형 액정을 사용함으로써, 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 발광다이오드와, 상기 발광 다이오드에서 발생되는 광선을 확산시키는 반사판을 구비함으로써 광효율을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

Claims (3)

1. 헤드 마운트 디스플레이에 있어서,

   광원과;

   상기 광원의 광선을 확산시키는 반사판과;

   상기 반사판으로부터 조사되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과;

   상기 반사판의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반사판은 왜곡수차를 보정하도록 비구면을 형성한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.