KR20020083737A

KR20020083737A - 착용형 디스플레이 시스템

Info

Publication number: KR20020083737A
Application number: KR1020010023341A
Authority: KR
Inventors: 송영란
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2002-11-04
Also published as: US20020171939A1; US6611385B2

Abstract

본 발명은 착용형 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은, 디스플레이 패널로부터 출력된 신호를 회절시키는 회절격자; 회절격자로부터 회절된 신호가 전파되는 도파로; 도파로로부터 전파된 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고, 이때 도파로는 두 개 이상의 기판이 결합된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 착용형 디스플레이 시스템에 의해, 그 구현을 위한 제작 시간과 노력을 덜 들이고 설계 사양에 맞게 광학 소자들의 정렬을 가능하게 할 수 있고 광학소자들이 독립적으로 만들어지므로 제작 비용과 시간이 절약된다.

Description

착용형 디스플레이 시스템{Wearable display system}

본 발명은 퍼스널 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안경이나 고글 형태의 확대 광학 장치를 통해 디스플레이 신호가 전파되어 사용자의 눈과 가까운 위치에서 디스플레이 이미지를 볼 수 있도록 한 착용형 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

군사용, 의료용 또는 개인적인 디스플레이 용도로 사용되는 광학적 디스플레이 시스템(일반적으로 헤드 마운티드 시스템(HMD; Head(helmet) Mounted System)이라고 알려진)은, 사용자가 안경이나 고글, 또는 헬멧 형태로 된 착용기를 통해 영상신호를 확대하여 볼 수 있도록 만들어진 것이다. 이러한 퍼스널 디스플레이 시스템을 통해 사용자는 이동하면서도 영상정보를 볼 수 있게 되었다.

도 1은 HMD 외관의 일례를 보인다. 여기서 HMD는 일반적인 안경 렌즈(100)와, 안경의 중심에 영상 구동부(110)가 부착된 형태로 되어 있다. 외관만을 고려했을 때 이와 같은 형태의 HMD는 그 부피가 매우 크고 무거우며 미려하지 못하다는 것을 알 수 있다. HMD의 부피와 무게는 그것을 구성하는 다수의 광학적 소자들로 인한 것이다.

도 2는 일반적인 HMD의 구성도로서, HMD는 영상 구동부(200), 디스플레이 패널(210) 및 광학계(220)를 포함한다. 영상 구동부(200)는 퍼스널 컴퓨터나 비디오(미도시)등 외부 소스로부터 들어온 영상 신호를 저장하고 입력된 영상신호가 LCD 패널등의 디스플레이 패널(210)에서 디스플레이되도록 신호 처리한다. 광학계(220)는 디스플레이 패널(210)에 디스플레이된 영상 신호를 사용자의 눈에 입사하여 적절한 크기로 확대하여 보여지게 한다. HMD의 구성 요소로는, 그 외관에 따라 착용을 위한 기구를 더 포함하거나 외부로부터 영상 신호 등을 전달 받기 위한 케이블등이 더 추가될 수 있다.

도 3은 도 2의 일반적인 HMD 구성 중 광학계(220)의 일반적인 구성을 도시한 것이다. 종래의 광학계는 콜리메이팅(collimating) 렌즈(300), X 프리즘(310), 포커싱(focusing) 렌즈(320), 반사경(fold mirror)(330) 및 접안렌즈(또는 확대경) (340)로 이루어진다. 콜리메이팅 렌즈(300)는 디스플레이 패널 등의 한 점으로부터 나오는 빛(영상신호)을 평행광으로 만들어 전파시킨다. X 프리즘(310)은 콜리메이팅 렌즈(300)로부터 입사된 빛의 각도를 좌우로 나누어 전파시킨다. 포커싱 렌즈(320)는 좌우 방향에 하나씩 놓여져 각각 X 프리즘(310)을 통과한 평행광을 포커싱시킨다. 반사경(330)은 포커싱 렌즈(320)로부터 포커싱된 빛의 방향이 사람의 눈을 향해 진행하도록 방향을 바꾼다. 접안렌즈(또는 확대경)(340)는 결국 디스플레이 패널로부터 나와 상술한 광학적 소자들을 통과한 작은 영상신호를 확대하여 사람의 눈에 보여지도록 하는 기능을 가진다. 이때 접안렌즈(340)를 통과하는 영상신호가 컬러 신호라면 접안렌즈(340)에는 색수차를 제거할 수 있는 렌즈가 사용되어져야 한다.

HMD라 일컬어지는 일반적인 착용형 디스플레이 시스템에 있어서, 광학계로서 구성되는 부분은 상술한 바와 같이 콜리메이팅 렌즈, X 프리즘, 포커싱 렌즈, 반사경 및 접안렌즈등의 광학적 소자들을 다수개 사용하므로 정밀함을 요하는 소자들의 성격에 비추어 그 구현에 어려움이 따르고 따라서 제작에 노력과 시간이 많이 필요하다. 또한 렌즈와 소자들 각각의 기능이 정밀하게 설계되었다 하더라도 함께 정렬시키는데 추가적인 어려움이 발생한다. 또 다른 종래의 광학계의 단점은, 다수의 광학 소자들로 인해 광학계의 부피가 커지고 무게가 무거워져 HMD로서 사람이 착용하기에 불편함이 따르고 제작 비용이 비싸다는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 최소한의 광학 소자를 사용하여 그 구현이 간단하고, 제작이 용이한 착용형 디스플레이 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 HMD 외관의 일례를 보인다.

도 2는 일반적인 HMD의 구성도이다.

도 3은 도 2의 일반적인 HMD 구성 중 광학계의 구성도를 도시한 것이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 외관을 보인 도면이다.

도 5는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 일실시예이다.

도 6은 디스플레이 패널의 크기, 화면 크기 및 위치, 아이 릴리프, FOV, 렌즈의 초점과 크기 등을 결정하기 위해 대응되는 확대 광학계의 기본 원리상의 변수들을 보이는 도면이다.

도 7은 도파로내에서 광선이 진행하는 거리를 설명하기 위한 도면이다

도 8a와 도 8b는 각각 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템 중 제1도파로상의 회절격자와 제2도파로 상의 확대경 제작 방법을 설명하기 위한 일실시예이다.

상기 과제를 해결하기 위한, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은, 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 신호를 회절시키는 회절격자; 상기 회절격자로부터 회절된 신호가 전파되는 도파로; 및 상기 도파로로부터 전파된 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고, 이때 상기 도파로는 두 개 이상의 기판이 결합된 것임을 특징으로 한다.

상기 회절격자와 상기 확대경은 상기 서로 다른 기판상에 형성됨이 바람직하다.

상기 신호는 상기 확대경에 도달하기까지 상기 도파로내에서 2회 이상 반사됨이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법은, 상기 디스플레이 패널로부터의 신호를 소정 전반사각도로 제1기판의 내부로 입사시키는 제1광학소자를 제1기판의 표면에 형성시키는 단계; 제2기판 내부를 통해 상기 전반사각도로 반사되어 전파된 신호를 출력하여 사용자의 눈에 상을 맺도록 하는 제2광학소자를제2기판 표면에 형성시키는 단계; 및 상기 제1기판과 상기 제2기판을 결합하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기 제1광학소자와 제2광학소자는 각각 회절격자나 확대경을 포함함이 바람직하다.

상기 제1광학소자와 제2광학소자는 각각 회절격자 및 확대경을 포함함이 바람직하다.

상기 제1광학소자는 상기 디스플레이 패널임이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 4a는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 정면도이고, 도 4b는 상면도이다. 여기서 착용형 디스플레이 시스템은 렌즈(400)와 디스플레이 패널(410)이 결합된 단순한 형태로서 보여지고 있다. 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템은 종래에 비해 회절격자와 확대경을 사용하여 부피가 작고 무게가 덜 나가는 경박단소한 모양을 가질 수 있다. 따라서 헬멧형과 같이 기존의 HMD처럼 부피가 크고 무게가 많이 나가는 디스플레이 시스템이 아닌, 안경처럼 단순하게 착용할 수 있는 디스플레이 시스템을 구현할 수 있다. 또한 본 발명은 모듈형태의 착용형 디스플레이 시스템을 제작하여 그 모듈을 기존의 안경등에 탈착 가능하게 부착해 사용할 수도 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 착용형 디스플레이 시스템은 여러가지 가능한 외관 중의 일례일 뿐이며, 이외에도 여러가지 형태의 경박단소한 착용형 디스플레이 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명의 착용형 디스플레이 시스템은 바이노큘라(binocular)형과모노큘라(monocular)형이 있으며, 바이노큘라형은 양 쪽 눈을 모두 이용하여 디스플레이 화상을 보도록 된 것이고, 모노큘라형은 한 쪽 눈 만을 이용하여 디스플레이 화상을 볼 수 있게 만든 것이다.

이하에서는 모노큘라형 디스플레이 시스템을 들어 본 발명을 설명한다.

도 5는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 일실시예로서, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널(500)을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은 회절격자(510), 도파로(520) 및 확대경(530)을 포함한다. 회절격자(510)는 디스플레이 패널(500)로부터 출력되어 나오는 신호를 도파로(520) 내에 소정 각도로 회절시킨다. 도파로(520)는 두 개 이상의 기판이 결합된 형태로 된 것으로서, 본 실시예에서는 제1기판(522)과 제2기판(524)이 결합된 형태를 보인다. 두 기판 사이의 공기층을 제거하기 위해 매칭 오일(matching oil)을 써서 각 기판 사이의 결합이 이뤄지도록 한다. 확대경(530)은 도파로(520)에서 전파된 신호를 확대하여 사용자의 눈에 보여지게 한다. 확대경(530)의 초점 거리는 회절 격자(510)로부터 도파로(520)를 경유하여 확대경(530)에 도달된 신호의 경로 보다 길어야 한다. 도 5의 실시예에서는 회절격자(510)와 확대경(530)이 각각 서로 분리된 기판 위에 부착된 것으로서 보여지고 있는데, 이 경우에 회절격자(510)와 확대경(530)은 각각 제1기판(522)과 제2기판(524)에 별도로 부착되거나 제작되며, 제1기판(522)과 제2기판(524)은 각각 회절격자(510)와 확대경(530)을 부착한 이후에 서로 결합되어진다. 이러한 구성은 하나의 도파로 상에서 회절격자와 확대경을 시퀀셜하게 제작할 때 생기는 어려움을 경감할 수 있게 한다. 제작의 어려움이란, 가령, 도 5의 예에서와 같이 도파로의 양 표면 상에 광학 소자들이 여러 가능한 조합으로 놓여지는 경우, 하나의 도파로 위에서 서로 광학적 제작 프로세스가 다른 회절격자와 확대경과 같은 광학소자들을 차례로 부착시키게 될 때 첫번째 광학 소자를 성공적으로 기판상에 부착시킨 후에라도 다음 광학소자를 부착시킬 때 실패하게 될 수 있는 경우를 말한다. 그러나 본 발명에서와 같이 별도의 도파로를 사용하여 독자적으로 소정 광학소자(들)를 부착시킨 후 그 도파로들을 결합시키면, 한쪽 면의 광학소자가 잘못 제작된 경우에도 다른 면의 광학 소자 제작에 아무 영향을 끼치지 않게되어 시간과 비용 및 노력을 아낄 수 있게 된다.

이하에서는 도 5의 구성을 가능하게 하는 광학 원리를 설명한다.

도 5와 같은 착용형 디스플레이 시스템을 구성하기 위해서는 회절격자(510)와 확대렌즈(530)의 크기, 도파로(520)에서의 신호의 내부전반사 횟수, 도파로 길이 및 폭 등이 결정되어야 하며, 이를 위해서 확대 광학계의 기본원리가 적용된다.

도 6은 디스플레이 패널의 크기, 화면 크기 및 위치, 아이 릴리프(eye relief), FOV(Field Of View), 렌즈의 초점과 크기 등을 결정하기 위해 대응되는 확대 광학계의 기본 원리상의 변수들을 보이는 도면이다. 도 5의 확대경(530)과 대응되는 렌즈(600)의 초점을 F라 하고, D를 렌즈 구경으로 한다. yo는 물체(610)의 크기를 나타내며 이 물체(610)는 도 5에서 디스플레이 패널(500)로 대응될 수 있다. 디스플레이 패널(500)로부터 확대경(530) 까지의 신호의 경로와 대응되는 것이, 물체와 렌즈(600) 사이의 거리인 so이다. 여기서 so가 렌즈(600)의 초점거리 f 보다 작아야 물체(610)의 상을 확대해서 볼 수 있게 된다. 이러한 광학 원리는 도 5에서, 입사후 도파로(520)를 이동하는 신호의 경로가 확대경(530)의 초점 거리 보다 짧게 되도록 설계되는데 반영될 것이다. yi는 물체(610)가 눈(620)에 의해 보여지는 허상의 크기이고, Ex는 눈(620)의 출사동(exit pupil)의 크기, le는 눈과 렌즈까지의 거리, 즉 eye relief이고, L'는 눈에서 물체의 허상까지의 거리이고,는 시계각(FOV)을 1/2로 곱한 각도이다.

상술한 광학 변수들을 이용하여 확대렌즈의 변수를 구하는 과정을 설명하면, 먼저 도 6에서 어떤 렌즈를 선택하여 정해진 물체를 어디에 두어야 확대된 상을 볼 것인가를 정하기 위해 물체의 크기 yo, 상의 크기 yi, 눈으로부터 보고자 하는 상의 거리 L', 아이 릴리프 le와 출사동 Ex가 먼저 정해져야 한다. 이들로부터 배율 M이 다음의 수학식 1과 같이 구해질 수 있다.

수학식 1로부터 렌즈(600)와 물체(610) 사이의 거리 so가 구해진다

so와 si를 이용하여 렌즈(600)의 초점거리 f를 다음의 수학식 3과 같이 구한다

시계각(field of view;FOV)은 다음의 수학식 4와 같이 구해진다.

렌즈 구경 D는 수학식 5와 같이 구해진다.

수학식 5는 출사동 중심에 들어가는 광선 신호에 대해서만 고려하였으므로, 실제의 렌즈 구경은 출사동의 크기를 고려해 다음과 같이 구해져야 한다.

본 발명에서는 물체와 상(화면)의 크기, 상의 거리가 정해지면 상기 도 6의 원리를 적용하여 정해진 변수에 따른 렌즈의 초점 및 크기, 도파로 길이와 두께 등이 설계될 수 있다.

도 7은 도파로내에서 광선이 진행하는 거리를 설명하기 위한 도면이다. 도파로내에서 진행하는 신호(빛)는 다음의 수학식 7과 같이 전반사각도로 반사되어야 한다.

여기서는 내부 전반사 임계각이고, n은 도파로의 굴절률, d는 도파로의 두께, so는 렌즈사이에서 신호가 이동한 이동거리이다. 상술한 광학 원리에 따라 회절격자 중심에서 확대경의 중심으로 입사되는 광선의 거리는 물체거리 so 보다 작아야 한다. 회절격자는 디스플레이 패널 크기와 거의 동일하다. 기판 내에서 h회 반사하는 경우 다음의 수학식 8이 성립된다.

도 7에서의 기판 내 신호의 거리는이다. 상술한 바와 같이, 도파로 내에 입사된 신호가 소정 횟수만큼 기판내에서 반사가 이뤄진 후 확대경에 도달할 수 있도록 확대경을 배치시킬 수 있다.

회절격자와 확대경이 부착되거나 새겨진 별개의 기판은 상술한 설계조건을 고려하여 서로 결합되며, 이때 두 기판이 결합되어 하나의 도파로 구실을 할 수 있도록 기판과 기판 사이에 매칭 오일이 사용된다. 본 발명과 같이 여러 광학 소자들을 각각 포함한 별도의 도파로를 상술한 광학 원리에 맞도록 맞춰가면서 정렬함으로써 설계사양에 보다 잘 맞는 향상된 성능의 디스플레이 시스템을 제공할 수 있게 된다.

도 8a와 도 8b는 각각 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템 중 제1도파로(522) 상의 회절격자와 제2도파로(524) 상의 확대경 제작 방법을 설명하기 위한 일실시예이다. 도 8a는 회절격자를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 예를들어 회절격자가 홀로그램형의 회절격자라면, 이를 제작하기 위해 프리즘(810)을 사용하여 기판 내에 신호가 소정의 전반사 각도로 입사되도록 한다. 기판(820)과 프리즘(810) 사이에 매칭 오일을 주입하여 신호가 기판과 프리즘 사이에서 굴절되지 않도록 한 후 신호가 소정 입사 조건에 맞게 입사되는지의 여부를 판단하기 위해 기판과 프리즘을 정렬한 후 프리즘을 떼고 그 위치에 포토폴리머(photopolymer)와 같은 감광 필름을 붙이고 다시 프리즘을 그 자리에 놓고 빛을 입사시키는 과정을 반복하여 감광 필름에 회절무늬를 만들며 이것이 회절격자(830)가 된다. 이렇게 서로 다른 각도의 물체파와 기준파가 포토폴리머 위에 입사되어 회절무늬가 기록되어진 회절격자에, 이후 이 회절 격자로 기록시의 기준파와 같은 각도의 신호가 입사되면 회절격자는 그 신호를 기록시의 물체파와 동일한 각도로 도파로내에 재생시킨다. 도 8b는 기판상에 확대경을 제작하는 방법을 보인 예로서, 도파로내에서 소정 각도로 전파되는 신호를 정해진 초점 거리에 맞추어 도파로 외부로 출력하도록 확대경을 제작하는 것이다. 먼저, 확대경이 놓여질 도파로 면의 대각선으로 마주한 도파로 면의 외부에 프리즘(840)을 위치시켜 도 8a에서의 물체파와 동일한 각도로 빛(또는 신호)을 도파로(850) 내부로 입사시킨다. 도파로 내에 입사된 신호는 도 8a의 물체파와 동일한 각도로 도파로 내에서 반사된다. 이 신호는 여기서 기준파로서 기능한다. 도파로 외부에 렌즈(860)를 놓고 그를 통해 입사된 빛이 도파로(850)를 통과해 소정 거리 밖의 사용자의 눈에 집약될 수 있도록 한다. 이 렌즈(860)로부터의 빛은 물체파로서 기능한다. 물체파가 도파로(850)를 통과하는 면에 확대경(870)이 놓여지게 된다. 홀로그램 렌즈를 사용해 확대경을 만드는 경우,렌즈(860)를 통과한 물체파와 프리즘(840)을 통과한 기준파를 확대경이 놓일 위치에 있는 소정 홀로그램 박막에 쪼임으로써 이후 기준파와 동일한 각도로 입사되는 신호에 대해서는 물체파와 동일한 각도로 출력하는 회절무늬가 새겨지고, 또한 상을 확대하는 기능을 더 포함한 확대렌즈가 도파로면에 제작되어진다. 홀로그램 방식으로 확대경을 도파로상에서 직접 제작하지 않더라도, 상술한 소정 각도의 도파로 내부를 통과하는 기준파가 입사될 때 상술한 물체파의 출력 경로를 따르는 확대렌즈를 별도로 만들어 도파로(850) 상에 부착할 수도 있다. 도 8a와 도 8b처럼 확대경(870)과 회절격자(820)가 한번 만들어지고 나면 이후에는 그러한 과정을 생략하고 같은 성능을 가진 확대경과 회절격자들을 대량 생산할 수 있게 된다. 그러한 광학소자들을 포함한 각각의 기판을 미리 정해진 설계 변수에 따라(또는 실험에 의해) 결합함으로써, 광학소자를 도파로상에 부착하거나 새길 때 하나의 도파로상에 시퀀셜하게 제작할 때 보다 훨씬 간단하고 쉽게 제작이 가능하게 되었다.

상술한 바와 같이, 별개의 기판상에 광학소자들이 부착된 착용형 디스플레이 시스템을 구현하여 제작의 단순함을 도모할 수 있고 한 번 만들어진 회절격자와 확대경에 영향을 주지 않고 설계된 광학 변수에 보다 가깝도록 회절 격자와 확대경의 정렬을 시도할 수 있게 된다.

Claims

소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템에 있어서,

상기 디스플레이 패널로부터 출력된 신호를 회절시키는 회절격자;

상기 회절격자로부터 회절된 신호가 전파되는 도파로;

상기 도파로로부터 전파된 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고,

이때 상기 도파로는 두 개 이상의 기판이 결합된 것임을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서,

상기 회절격자를 통해 입사된 신호는 상기 확대경에 도달하기 까지 상기 도파로내에서 2회 이상 반사됨을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템.
소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법에 있어서,

상기 디스플레이 패널로부터의 신호를 소정 전반사각도로 제1기판의 내부로 입사시키는 제1광학소자를 제1기판의 표면에 형성시키는 단계;

제2기판 내부를 통해 상기 전반사각도로 반사되어 전파된 신호를 출력하여 사용자의 눈에 상을 맺도록 하는 제2광학소자를 제2기판 표면에 형성시키는 단계;및

상기 제1기판과 상기 제2기판을 결합하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법.
제3항에 있어서,

상기 제1광학소자와 제2광학소자는 각각 회절격자나 확대경을 포함함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법.
제3항에 있어서,

상기 제1광학소자와 제2광학소자는 각각 회절격자 및 확대경을 포함함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법.
제3항에 있어서,

상기 제1광학소자는 상기 디스플레이 패널임을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템의 제작방법.