KR20020010810A - 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 분산시키는 조명프리즘과; 상기 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와; 상기 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하는 편광 분할기와; 상기 편광 분할기로부터 출사되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 가격이 저렴하고 고화소를 갖는 반사형 액정을 사용함으로써, 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 발광다이오드와, 이 발광 다이오드로부터 출광되는 광선을 확산시키고 집광시키는 조명프리즘과 다수의 시트들을 구비함으로써, 광효율을 높일 수 있는 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.

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 대략 오목면을 이루며, 반사면(6b)은 대략 볼록면을 이룬다. 이러한 자유곡면프리즘(6)은 액정 스크린(1)의 화상을 확대하는 역할을 한다. 특히, 입사면(6a)으로 유입되는 액정 스크린(1)의 화상 광선을 반사면(6b)과 출사면(6c)을 통하여 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, 고가(高價)인 투과형 액정 스크린(1)을 사용해야 하므로 제작비용이 상승되는 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: 조명부

22: 발광 다이오드 24: 조명프리즘

25: 반사시트 26: 확산시트

27: 프리즘 시트 28: 편광자

30: 편광 분할기 40: 자유곡면프리즘

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 헤드 마운트 디스플레이에 있어서, 광원과; 상기 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과; 상기 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와; 상기 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하는 편광 분할기와; 상기 편광 분할기로부터 출사되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과; 상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 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 나타내는고화소의 반사형 액정이며, 대략 45°각도로 하향 배치된다. 반사형 액정은 이미 공지된 것이므로 그에 대한 설명은 생략한다.

그리고 액정 스크린(10)의 상부에는 상기 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 조명부(20)가 배치된다. 조명부(20)는 크게 발광 다이오드(22)와 조명프리즘(24) 및 복수의 시트들로 구성된다. 이를 상세하게 살펴보면, 액정 스크린(10)의 수직 상방에는 R.G.B 발광 다이오드(Red Green Blue light emitting diode:22)가 액정 스크린(10)과 나란하게 배치되며, 발광 다이오드(22)의 전방으로는 조명프리즘(24)이 설치된다. R.G.B 발광 다이오드(22)는 상기 액정 스크린(10)에 광원을 제공하는 것이며, 조명프리즘(24)은 입사면(24a)을 통하여 유입되는 발광 다이오드(22)의 광선을 반사면(24b)와 출사면(24c)을 통하여 분산시키면서 굴절시키는 역할을 한다.

한편, 조명프리즘(24)의 반사면(24b)에는 상기 조명프리즘(24)을 그대로 투과하는 광선을 재(再)반사시켜 광선이 새는 것을 방지하는 반사시트(Reflector Sheet:25)가 배치되며, 조명프리즘(24)의 출사면(24c) 하부에는 조명프리즘(24)에 의해 굴절된 광선을 확산시키는 확산시트(Diffuser Sheet:26)와, 확산시트(26)을 통하여 재출사된 광선을 소정 각도내로 집광하는 프리즘 시트(Prism Sheet:27) 및 프리즘 시트(27)에서 출사되는 광선으로부터 직선편광을 얻는 편광자(Polarizer: 28)가 차례로 배치된다. 특히, 확산시트(26)는 조명프리즘(24)으로부터 출사되는 광선을 균일하게 확산하여 프리즘 시트(27)의 정면방향으로 전달하는 역할을 하며, 프리즘 시트(27)는 확산된 광선을 소정 각도내로 집광하여 액정 스크린(10)의 휘도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 반사시트(25)와 확산시트(26) 및 프리즘 시트(27)와 편광자(28)는 발광 다이오드(22)로부터 출광되는 광선을 최대한 활용하도록하여 광효율을 높여준다.

한편, 액정 스크린(10)의 전방에는 상기 액정 스크린(10)과 대략 35°각도를 이루며 하향하는 편광 분할기(30)가 배치된다. 이 편광 분할기(30)는 편광자(28)를 통하여 출사되는 직선편광속을 분리하여 액정 스크린(10)으로 반사시킨다. 편광분할기(30)는 이미 공지된 것이므로 그 구성과 기능에 대한 설명은 생략하기로 한다.

그리고 편광 분할기(30)의 전방으로는 액정 스크린(10)의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘(40)이 배치된다. 자유곡면프리즘(40)은 입사면(42)과 반사면(44) 그리고 출사면(46)을 갖는 다면체로서, 입사면(42)과 출사면(46)은 대략 오목면을 이루며, 반사면(44)은 대략 볼록면을 이룬다. 이러한 자유곡면프리즘(40)은 입사면(42)이 편광 분할기(30)의 전방에 위치되도록 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(22)에서 광선이 발생되면, 이 광선은 조명프리즘(24)을 통하여 직각으로 굴절되면서 분산되어 편광 분할기(30)로 조사된다. 이때, 조명프리즘(24)을 그대로 투과하여 직진되는 광선은 반사시트(25)에 의해 반사되어 편광 분할기(30)로조사되며, 조명프리즘(24)에 의해 직각으로 굴절된 광선은 확산시트(26)와 프리즘 시트(27)와 편광자(28)를 통하여 확산되고 집광되면서 그 밝기가 조절된다. 그리고 확산시트(26)와 프리즘 시트(27)와 편광자(28)를 통과한 광선은 다시 편광 분할기(30)를 통과하면서 분리되어 액정 스크린(10)에 조사되는 것이다. 이러한 상태에서 액정 스크린(10)은 상기 조명부(20)의 광선을 광원으로하여 화상을 나타낼 수 있는 것이다.

한편, 액정 스크린(10)의 화상은 편광 분할기(30)를 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 갖는 반사형 액정을 사용함으로써, 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 발광다이오드와, 이 발광 다이오드로부터 출광되는 광선을 확산시키고 집광시키는 조명프리즘과 다수의 시트들을 구비하여 광효율을 최대한 높여줌으로써, 작용자에게 보다 선명하고 깨끗한 화상을 제공할 수 있는 효과를 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 나타난각 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, 이 발광 다이오드로부터 출광되는 광선을 확산시키고 집광시키는 조명프리즘과 다수의 시트들을 구비함으로써, 광효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (3)

1. 헤드 마운트 디스플레이에 있어서,

   광원과;

   상기 광원의 광선을 분산시키는 조명프리즘과;

   상기 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 편광시키는 편광자와;

   상기 편광자로부터 출사되는 광선을 분리하는 편광 분할기와;

   상기 편광 분할기로부터 출사되는 광선에 의해 화상을 표시하는 반사형 액정 스크린과;

   상기 편광 분할기의 전방에 배치되어 상기 액정 스크린의 화상을 확대시키는 자유곡면프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드이며, 이 발광 다이오드는 상기 액정 스크린의 외측에 이 액정 스크린과 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 조명프리즘으로부터 출사되는 광선을 확산시키는 확산시트와, 상기 확산시트로부터 출사되는 광선을 소정 각도내로 집광시키는 프리즘 시트가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템.