KR20020021111A - 헤드-장착형 디스플레이 - Google Patents

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KR20020021111A
KR20020021111A KR1020017015428A KR20017015428A KR20020021111A KR 20020021111 A KR20020021111 A KR 20020021111A KR 1020017015428 A KR1020017015428 A KR 1020017015428A KR 20017015428 A KR20017015428 A KR 20017015428A KR 20020021111 A KR20020021111 A KR 20020021111A
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요트.게.아. 롤페즈
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Abstract

본 발명은 이미지 디스플레이 장치(101)와 광학 시스템을 구비한 헤드-장착형 디스플레이에 관한 것이다. 광학 시스템은 제 1의 λ/4 플레이트(103), 렌즈 소자(107), 반-투과 미러(105), 제 2의 λ/4 플레이트(109) 및 편광-종속 미러(111)를 포함하고, 이미지 디스플레이 장치에 의해 형성될 이미지를 사용자의 망막 상에 투사하기 위한 입사면으로부터 이러한 순서로 배열된다.

Description

헤드-장착형 디스플레이{Head-mounted display}
상기 기술된 형태의 장치는 유럽 특허 출원 EP 0 718 645에 공지되어 있다. 상기 문서에 기술된 헤드-장착형 디스플레이에 있어서, 액정 이미지 디스플레이 패널에 의해 이미지가 형성되고, 이 이미지는 광학 시스템에 의해 헤드-장착형 디스플레이의 출구 동공(exit pupil)을 통해 사용자의 망막 상에 투사된다. 사용시, 출구 동공은 헤드-장착형 디스플레이의 사용자의 눈 동공(eye pupil)과 일치하여, 사용자의 망막 상에 이미자가 형성되도록 한다. 헤드-장착형 디스플레이는, 예를 들어, TV나 비디오 이미지들 또는 휴대용 정보 및 통신 시스템들, 컴퓨터 게임들 또는 컴퓨터 시뮬레이션들과 관련된 이미지들을 디스플레이 하기 위해, 사용자에 의해 착용될 수도 있다.
공지된 헤드-장착형 디스플레이에 있어서, 이미지 디스플레이 장치로부터 보아서, 광학 시스템은 제 1의 λ/4 플레이트, 반-투과 미러, 렌즈 소자 및 편광-종속 미러(polarization-dependent mirror)를 연속하여 포함한다. 부분적인 반사에 의해, 형성될 이미지의 방사를 렌즈 소자에 효과적으로 세 번 통과시키는 것이 달성된다. 또한, 광학 이미지화 에러들을 감소시키기 위해, 편광-종속 미러의 제 1 표면이 구부러질 수도 있다. 편광-종속 미러를 얻기 위해서, 이어서 편광-종속 층이 구부러진 표면 상에 제공된다.
공지된 헤드-장착형 디스플레이의 결점은 이미지를 관찰하는 사용자의 뷰잉 각도(viewing angle)가 제한된다는 것이다.
본 발명은, 이미지 디스플레이 장치와, 이미지 디스플레이 장치에 의해 형성될 이미지를 사용자의 망막 상에 투사하도록 광 빔들을 결합하기 위한, 반-투과 미러(semi-transmissive mirror), 렌즈 소자, 편광된 소자 및 λ/4 플레이트를 포함하는 광학 시스템을 구비한 헤드-장착형 디스플레이에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 광학 시스템의 일부분이 일체화된 헤드-장착형 디스플레이의 예를 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 이미지를 관찰하는 사용자에게 뷰잉 각도가 증가된 헤드-장착형 디스플레이를 제공하는 것이다. 이 목적은, 청구항 1에 한정된 것과 같이, 본 발명에 따른 장치에 의해 달성된다. 본 구성의 이점은 주로 반-투과 미러의 형상에 의해 배율(magnification)이 결정된다는 것이다. 또한, 구부러진 미러는 평평한 미러와 렌즈 소자의 공지된 결합으로 가능한 것보다 높은 배율 인자를 산출할 수도 있다. 또한, 반-투과 미러는 종래의 간단한 방식으로 제공될 수 있는 반-투과 층을 가질 수도 있다. 또다른 이점은, 편광-종속 미러를 제조하기 위해 편광-종속 층이 평평한 플레이트 상에 쉽게 제공될 수 있다는 것이다. 또다른 유리한 실시예들은 종속항들에서 한정된다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 특정 실시예는, 제 1의 λ/4 플레이트의 광학축이 제 2의 λ/4 플레이트의 광학축을 가로지르는 것을 특징으로 한다. 이것은 소색성 투과 억제(achromatic transmission suppression)를 야기시켜,이미지의 콘트라스트(contrast)가 향상되도록 한다. 이러한 대책은 원래 유럽 특허 출원 EP 0 803 756에 공지되어 있다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 편광-종속 미러가 선형으로 편광된 광 빔의 제 1 편광된 방향에 대해 투과성이고 선형으로 편광된 광 빔의 제 2 편광된 방향에 대해 반사성이며, 이 제 2 편광된 방향은 제 1 편광된 방향과 수직인 것을 특징으로 한다. 이와 같은 편광-종속 미러의 예로서는, 예를 들어, 3M에 의해 공급되는 이중 휘도 개선 포일(Double Brightness Enhancement Foil)과 같은 반사 편광된 소자가 있다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 렌즈 소자가 평면-오목 렌즈 소자(plano-concave lens element)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 이와 같은 평면-오목 렌즈의 오목면은 제 2의 λ/4 플레이트 쪽으로 향해 있다. 반-투과 미러의 오목면은 이미지 디스플레이 장치의 확대된 허상 이미지(magnified virtual image)를 만든다. 또한, 평면-오목 렌즈의 사용은 헤드-장착형 디스플레이의 총 무게를 줄일 수 있도록 하며, 이는 사용자에게는 더 편안하다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 헤드-장착형 디스플레이가 제 1의 λ/4 플레이트, 렌즈 소자 및 반-투과 미러를 포함하는 일체화된 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 광학 소자에서 광학 성분들의 일체화는 제조시 헤드-장착형 디스플레이의 조립을 단순화시킨다. 제 2의 λ/4 플레이트와 편광-종속 미러는 또한 단일 광학 소자로 일체화될 수도 있다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 헤드-장착형 디스플레이가 비구면(aspherical surface)을 갖는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 비구면들을 갖는 광학 소자들의 사용은 코마(coma), 비점 수차(astigmatism) 및 필드 곡률(curvature of the field)과 같은 이미지화 에러들을 감소시킨다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 제 1 및 제 2의 λ/4 플레이트가 소색성인 것을 특징으로 한다. 이미지들에서의 컬러 에러들은 이와 같은 λ/4 플레이트들에 의해 감소된다.
본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 다른 실시예는, 제 2의 λ/4 플레이트와 편광-종속 미러가 구부러진 표면들을 갖는 것을 특징으로 한다. 선택적으로, 해상도가 향상될 수도 있거나 또는 배율이 증가될 수도 있다.
본 발명의 상기 및 다른 양상들은 이하 설명되는 실시예들로부터 명백해질 것이며, 이를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이(100)의 제 1 실시예를 도시한다. 도 1은 이미지 디스플레이 장치, 예를 들어, 조도 유닛(illuminationunit)(도시되지 않음)을 갖는 투과 액정 이미지 디스플레이 패널(101)과 광학 시스템을 포함하는 헤드-장착형 디스플레이의 일부분만을 도시한다. 이미지 디스플레이 패널(101)로부터 보아서, 광학 시스템은 제 1의 λ/4 플레이트(103), 평면-오목 렌즈(107), 평면-오목 렌즈(107)의 오목면에 제공되는 반-투과 미러(105), 제 2의 λ/4 플레이트(109) 및 편광-종속 미러(111)를 연속적으로 포함한다. 평면-오목 렌즈의 오목면은 제 2의 λ/4 플레이트 쪽으로 향해 있다. 반-투과 미러(105)는 평면-오목 렌즈(107)의 오목한 측에 제공된다. 편광-종속 미러(111)는, 예를 들어, 3M™에 의해 공급되는 것과 같은, 반사 편광된 이중 휘도 개선 필름(DBEF) 형태를 포함한다. 광학 시스템은 투과 액정 디스플레이 패널(101)에 의해 형성될 이미지를 사용자 눈의 망막 상에 투사한다. 도 1은 디스플레이 패널의 픽셀의 방사 경로를 도시한다. 헤드-장착형 디스플레이가 동작할 때, 액정 디스플레이 패널(101)에 의해 형성된 이미지의 방사는 제 1의 λ/4 플레이트(103) 상에 입사될 것이다. 이 제 1의 λ/4 플레이트(103)는 제 1 방향으로 편광된 방사를 환형으로 편광된 방사, 예를 들어, 렌즈 소자(107)를 통해 반-투과 미러(105) 상에 입사하는 오른쪽으로 회전하는(dextrorotatory) 편광된 방사로 변환한다. 반-투과 미러(105)는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사의 일부를 제 2의 λ/4 플레이트(109)로 통과시킨다. 제 2의 λ/4 플레이트(109)는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사를 제 2 방향으로 편광된 방사로 변환하며, 제 2 편광 방향은 제 1 편광 방향을 가로지른다. 제 2 방향으로 편광된 방사는 이어서 반사 폴라로이드(111) 상에 입사한다. 반사 폴라로이드(111)는 제 2 방향으로 편광된모든 방사를 제 2의 λ/4 플레이트(109) 쪽으로 다시 반사한다. 반사 폴라로이드(111)가 제 2 방향으로 편광된 모든 방사를 반사하기 때문에, 공지된 헤드-장착형 디스플레이의 경우와 같이, 편광자는 콘트라스트를 더 이상 향상할 필요가 없다. 제 2의 λ/4 플레이트(109)는 제 2 방향으로 편광된 방사를 오목한 반-투과 미러(105) 상에 입사하는 오른쪽을 회전하는 편광된 방사로 변환한다. 반-투과 미러(105)는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사의 일부를 제 2의 λ/4 플레이트(109)로 반사하고, 오른쪽으로 회전하는 편광을 왼쪽으로 회전하는 편광으로 변경한다. 왼쪽으로 회전하는 편광된 방사는, 왼쪽으로 회전하는 편광된 방사를 제 1 방향으로 편광된 방사로 변환하는 제 2의 λ/4 플레이트(109) 상에 다시 입사한다. 제 1 방향으로 편광된 방사는 이어서 반사 폴라로이드(111) 상에 다시 입사한다. 그러나, 반사 폴라로이드(111)는 제 1 방향으로 편광된 방사를 사용자의 눈(도시되지 않음)으로 통과시킨다. 제 1 및 제 2의 λ/4 플레이트 모두의 광학축은 제 1 편광 방향에 대해 45°각도로 연장한다.
이미지의 콘트라스트를 향상하기 위한 소색성 투과 억제를 얻기 위해서, λ/4 플레이트들(103, 109)은, 제 1의 λ/4 플레이트(103)의 광학축이 제 2의 λ/4 플레이트(109)의 광학축을 가로지르는 것과 같이 위치될 수도 있다. 제 1 및 제 2의 λ/4 플레이트(103, 109)의 광학축의 이러한 배열은 원래 유럽 특허 출원 EP 0 803 756에 공지되어 있다.
제 1의 λ/4 플레이트의 광학축이 제 2의 λ/4 플레이트의 광학축을 가로지르는 헤드-장착형 디스플레이 대신에, 대안적으로 소색성 제 1의 λ/4 플레이트 및소색성 제 2의 λ/4 플레이트가 사용될 수도 있으며, 그 광학축의 방향은 제 1 편광된 방향에 대해 +45°의 각도로 둘러싼다. 소색성 λ/4 플레이트들은, 예를 들어, "베른하르트 할레 나하. 게엠베하 운트 코(Bernhard Halle Nachf. GmbH & Co)"에 의해 공급되는 것이다.
예를 들어, 1인치의 직경과 3m의 표면 거리를 갖는 이미지 디스플레이 패널의 150배 배율은 평면-오목 렌즈의 오목면에 의해 얻어질 수 있으며, 이는 사용자에게 64°의 뷰잉 각도를 발생시킨다.
코마, 비점 수차 및 필드 곡률과 같은 이미지 에러들을 감소시키기 위해서, 헤드-장착형 디스플레이의 상기 기술된 실시예들에서 광학 소자들의 다수의 구부러진 표면들, 예를 들어, 반-투과 오목 미러(105)의 구부러진 표면들은 비구면적으로 형성되는 것이 바람직하다.
헤드-장착형 디스플레이의 조립을 더 간단히 하기 위해서, 예를 들어, 제 1의 λ/4 플레이트, 렌즈 소자 및 반-투과 미러와 같은 다수의 광학 소자들이 광학 소자에 일체화될 수도 있다.
도 2는, 예를 들어, 투과 액정 디스플레이 패널(201)과 같은 이미지 디스플레이 장치와 광학 시스템을 포함하는, 본 발명에 따른 헤드-장착형 디스플레이의 일부분(200)의 예를 도시한다. 광학 시스템은 일체화된 광학 성분(202), 제 2의 λ/4 플레이트(209) 및 편광-종속 미러(211)를 이러한 순서로 포함하며, 제 1의 λ/4 플레이트, 렌즈 소자(207) 및 반-투과 미러(205)가 광학 시스템의 광학축을 따라 일체화된다. 반-투과 미러(205)는, 제 1 렌즈 소자(207)의 오목면에 제공되는 반-투과 물질 층, 예를 들어, 알루미늄 층으로 구성된다. 제 1의 λ/4 플레이트(203)는, 예를 들어, 제 1 렌즈 소자(207)의 제 1 표면 상에 제공되는 λ/4 포일을 포함한다. 또한, 제 2의 λ/4 플레이트(209)와 편광-종속 미러(211)는, 예를 들어, DBEF형의 반사 폴라로이드를 λ/4 포일(209) 상에 제공함으로써, 제 2 일체화 광학 소자에 일체화될 수도 있다. 렌즈 소자(207)는 유리 또는 폴리메타메틸아크릴(PMMA, polymethamethylacrylate)로 이루어질 수도 있다. 헤드-장착형 디스플레이가 동작하고 사용자에 의해 착용되었을 때, 액정 이미지 디스플레이 패널(201)에 의해 형성된 이미지의 픽셀의 방사는 제 1의 λ/4 플레이트(202) 상에 입사할 것이다. 제 1의 λ/4 플레이트(203)의 광학축과 제 1 편광된 방향 사이의 각도는, 예를 들어, +45°이다. 제 1의 λ/4 플레이트(203)는 제 1 방향으로 편광된 방사를 환형으로 편광된 방사, 예를 들어, 렌즈 소자(207)를 통해 반-투과 미러(205) 상에 입사하는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사로 변환한다. 반-투과 미러(205)는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사의 일부를 λ/4 포일(209)로 통과시킨다. λ/4 포일(209)의 광학 축은 -45°의 각도로 제 1 편광된 방향으로 연장하며, 그에 따라 제 1의 λ/4 플레이트(203)의 광학축을 가로지른다. λ/4 포일(209)은 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사를 제 1 방향으로 편광된 방사로 변환한다. 제 1 방향으로 편광된 방사는 이어서 반사 폴라로이드(211) 상에 입사한다. 반사 폴라로이드(211)는 제 1 방향으로 편광된 모든 방사를 λ/4 포일(209)을 통해 반-투과 미러(205)로 다시 반사한다. λ/4 포일(209)은 제 1 방향으로 편광된 방사를 오목한 반-투과 미러(205) 상에 입사하는 오른쪽으로 회전하는 편광된 방사로 변환한다.반-투과 미러(205)는 오른쪽으로 편광된 방사의 일부를 λ/4 포일(209)로 다시 반사하여, 오른쪽으로 회전하는 편광을 왼쪽으로 회전하는 편광으로 변경한다. λ/4 포일(209)은 왼쪽으로 편광된 방사를 제 2 방향으로 편광된 방사로 변환하고, 이 제 2 방향은 제 1 편광 방향을 가로지른다. 제 2 방향으로 편광된 방사는 이어서 반사 폴라로이드(211) 상에 다시 입사한다. 그러나, 반사 폴라로이드(211)는 제 2 방향으로 편광된 방사를 사용자의 눈(도시되지 않음)으로 통과시킨다. 제 1의 λ/4 플레이트의 광학축이 제 2의 λ/4 플레이트의 광학축을 가로지르는 헤드 장학형 디스플레이 대신에, 대안적으로 소색성 제 1의 λ/4 플레이트와 소색성 제 2의 λ/4 플레이트가 이 예에서 사용될 수도 있으며, 그 광학축의 방향은 제 1 편광 방향에 대해 +45°의 각도로 둘러싼다.

Claims (10)

  1. - 이미지 디스플레이 장치, 및
    - 상기 이미지 디스플레이 장치에 의해 생성될 이미지를 사용자의 망막 상에 투사하도록 광 빔들을 결합하기 위한, 반-투과 미러(semi-transmissive mirror), 렌즈 소자, λ/4 플레이트 및 편광 광학 소자를 포함하는 광학 시스템을 구비한 헤드-장착형 디스플레이에 있어서,
    상기 광학 시스템은 제 2의 λ/4 플레이트를 포함하고, 상기 편광 광학 소자는 편광-종속 미러를 포함하고, 상기 이미지 디스플레이 장치로부터 보아서, 상기 제 1의 λ/4 플레이트, 상기 렌즈 소자, 상기 반-투과 미러, 상기 제 2의 λ/4 플레이트 및 상기 편광-종속 미러가 차례대로 배열되는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 λ/4 플레이트의 광학축은 상기 제 2의 λ/4 플레이트의 광학축을 가로지르는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광-종속 미러는 선형으로 편광된 광 빔의 제 1 편광 방향에 대해 투과성(transmissive)이고, 상기 선형으로 편광된 광 빔의 제 2 편광 방향에 대해 반사성(reflective)이며, 상기 제 2 편광 방향은 상기 제 1 편광 방향에 수직인 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레즈 소자는 평면-오목 렌즈 소자(plano-concave lens element)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 평면-오목 렌즈 소자의 오목면은 상기 제 2의 λ/4 플레이트 쪽으로 향해 있는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 λ/4 플레이트, 상기 렌즈 소자 및 상기 반-투과 미러를 포함하는 일체화된 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2의 λ/4 플레이트 및 상기 편광-종속 미러는 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    비구면 표면을 갖는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2의 λ/4 플레이트는 소색성(achromatic)인 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2의 λ/4 플레이트 및 상기 편광-종속 미러는 구부러진 표면들을 갖는 것을 특징으로 하는, 헤드-장착형 디스플레이.
KR1020017015428A 2000-03-31 2001-03-22 헤드-장착형 디스플레이 KR20020021111A (ko)

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