KR20020083738A - 착용형 디스플레이 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용형 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은, 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파시키는 도파로; 도파로면에 부착되어 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고, 이때 디스플레이 패널은 상기 도파로로 입사되는 신호가 도파로 내에서 전반사되도록 소정 각도로 경사진 도파로면에 부착됨을 특징으로 한다.

본 발명의 착용형 디스플레이 시스템에 의해, 구성요소를 줄이고 제작이 간편하여 그 구현에 비용과 시간을 절감할 수 있다.

Description

착용형 디스플레이 시스템{Wearable display system and process thereof}

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 시스템 및 그 공정에 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 전달 받을 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 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 다른 실시예이다.

도 7은 디스플레이 패널의 크기, 화면 크기 및 위치, 아이 릴리프(eye relief), FOV, 렌즈의 초점과 크기 등을 결정하기 위해 대응되는 확대 광학계의 기본 원리상의 변수들을 보이는 도면이다.

도 8a~도 8b는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 설계 조건을 설명하기 위한 도면들이다.

도 9는 본 발명의 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템의 일실시예를 보인 것이다.

도 10은 본 발명의 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템의 다른 실시예를 도시한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은, 상기 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파시키는 도파로; 상기 도파로면에 부착되어 상기 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고, 이때 상기 디스플레이 패널은 상기 도파로로 입사되는 신호가 도파로 내에서 전반사되도록 소정 각도로 경사진 도파로면에 부착됨을 특징으로 한다.

상기 디스플레이 신호 전파에 필요한 조명을 반사하여 조명광이 상기 디스플레이 패널 신호가 입사되는 각도로 상기 디스플레이 패널을 비추도록 한 반사판을 더 포함함이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한, 바이노큘라형의 착용형 디스플레이 시스템은,양측면에 디스플레이 패널을 부착하고, 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파시키는 도파로; 상기 도파로의 좌우측에 각각 부착되어 상기 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하는 확대경을 포함하고, 이때 상기 디스플레이 패널로부터 나오는 신호가 도파로 내에서 전반사되도록 상기 도파로의 양 측면을 소정 각도로 경사지게 형성함을 특징으로 한다.

상기 도파로 양측에서 디스플레이 신호 전파에 필요한 조명을 반사하여 조명광이 상기 디스플레이 패널 신호가 입사되는 각도로 상기 디스플레이 패널을 비추도록 하는 반사판을 더 포함함이 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)형과 모노큘라(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.

도 5는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 일실시예로서, 소정 방식으로 신호처리된 신호를 표시하는 디스플레이 패널(500)을 부착한 착용형 디스플레이 시스템은 도파로(510) 및 확대경(520)을 포함한다. 도파로(520)는 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파하며, 신호가 전파되는 방향인 도파로 측면을 신호가 도파로내에서 전반사 각도로 반사될 수 있도록 신호의 입사가 상기 전반사 각도와 동일하게 비스듬하게 깍아 그 경사면에 수직으로 디스플레이 신호가 입사되도록 형성된다. 이 측면 입사 신호는 도파로(510) 내에서 전반사 각도로 반사되면서 전파된다. 확대경(520)은 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하여 사용자의 눈에 신호의 상을 맺게 한다.

도 6은 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 다른 실시예로서, 도 5와 동일한 구성에 반사판(600)을 더 구비하고 있다. 반사판(600)을 이용하면, 도파로의 경사면에 입사되는 광의 광원인 조명광을 원하는 방향에 위치시킬 수 있다. 도 6과 같은 실시예의 경우, 측면에 위치한 조명광으로부터의 광이 반사판(600)에서 반사되어 도파로(520)의 경사면을 통해 전반사 각도로 입사될 수 있게 된다. 반사판을 이용하여 조명광원을 사용자의 측면에 위치시킬 수 있게 되면, 착용형 디스플레이 시스템을 구현시 조명광을 측면 다리에 부착한, 안경형태 시스템 구현이 가능해진다.

도 5(및 도 6)와 같은 착용형 디스플레이 시스템을 구성하기 위해서는 확대경(520)의 크기, 도파로(510)에서의 신호의 내부전반사 횟수, 도파로 길이 및 폭 등이 결정되어야 하며, 이를 위해서 확대 광학계의 기본원리가 적용된다.

도 7은 디스플레이 패널의 크기, 화면 크기 및 위치, 아이 릴리프(eye relief), FOV(Focus Of View), 렌즈의 초점과 크기 등을 결정하기 위해 대응되는 확대 광학계의 기본 원리상의 변수들을 보이는 도면이다. 도 5의 확대경(520)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(520) 까지의 신호의 경로와 대응되는 것이, 물체와 렌즈(600) 사이의 거리인 so이다. 여기서 so가 렌즈(600)의 초점거리 f 보다 작아야 물체(610)의 상을 볼 수 있게 된다. 이러한 광학 원리는 도 5에서, 입사후 도파로(510)를 이동하는 신호의 경로가 확대경(520)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 releif이고, L'는 눈에서 물체의 허상까지의 거리이고,는 시계(FOV)를 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

시계(field of view;FOV)는 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.

이와같이 확대렌즈를 설계하는데 필요한 변수들의 산출 공식에 따라 확대렌즈의 사양을 정할 수 있다.

도 8a~도 8b는 본 발명의 착용형 디스플레이 시스템의 설계 조건을 설명하기 위한 도면들이다.

도 8b를 설계하기 위한 조건에 있어, 먼저 입사각 θ가 전반사 임계각보다 커야하고 그때의 경사면()은 디스플레이 패널(500)의 크기 보다 커야 한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 n(도파로)는 도파로의 굴절률이다. 가령, 도파로의 굴절률이 1.49이면 전반사 임계각은 42.2도 이므로 입사각은 그 이상이어야 한다. 또한 디스플레이 패널의 세로 길이가 7.2mm라면, 도파로의 경사면은 디스플레이 패널의 크기 보다 크도록 정해져야 한다. 만일 디스플레이 패널의 화면 크기가 4:3인 경우 가로 길이보다 경사면이 길게 설계되고 이에 맞게 도파로의 두께 d 역시 결정된다. 도 8b는 이러한 본 발명의 도파로 경사면을 보인 도면으로 상술한 조건에 의해 도파로 경사면의 길이와 도파로의 두께 및 경사 각도를 결정할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템의 일실시예를 보인 것으로서, 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템은 도파로(900), 제1디스플레이 패널(910), 제2디스플레이 패널(920), 제1확대렌즈(930) 및 제2확대렌즈(940)를 포함한다. 도 9의 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템은 상술한 모노큘라형 착용형 디스플레이 시스템의 원리 및 설계 방식이 그대로 적용될 수 있으며 도 5의 모노큘라형 디스플레이 시스템을 두 개 결합함으로써 사용자의 양쪽 눈에 착용할 수 있다는 것을 특징으로 한다. 도파로(900)는 양측의 디스플레이 패널(910, 920)로부터 입사된 신호를 전파한다. 도파로 측면으로부터 입사된 신호가 도파로내에서 전반사 각도로 반사될 수 있도록 도파로 측면을 전반사 각도와 동일하게 비스듬하게 깍아 그 경사면에 수직으로 디스플레이 신호가 입사되도록 도파로가 형성된다. 이 측면 입사 신호들은 도파로(900) 내에서 전반사 각도로 반사되면서 각각 도파로 중심을 향해 전파된다. 제1디스플레이 패널(910)은 도파로의 좌측 경사면에 부착되어 도파로 안으로 소정 전반사 각도로서 신호를 입사시킨다. 제1확대렌즈(930)는 도파로(900) 내부에서 1회 이상 반사되면서 전파되어 도달한 신호를 확대하여 사용자의 왼쪽 눈에 비춘다. 제2디스플레이 패널(920)은 도파로의 우측 경사면에 부착되어 상기 소정 전반사 각도로서 도파로 안에 신호를 입사시킨다. 제2확대렌즈(940)는 도파로(900) 내부에서 1회 이상 반사되면서 전파되어 도달된 신호르 확대하여 사용자의 오른쪽 눈에 비춘다. 제1, 제2확대렌즈(930, 940)는 도 8에서 설명한 방식으로 기록된 홀로그램 렌즈이므로, 소정 각도(여기에서는 소정 전반사 각도와 동일한 각도)로서 입사된 신호를 기록시 기억된 방향으로 투과시켜 재생해낸다. 제1, 제2반사판(950, 960)은 각각 좌우측에 필요한 조명광의 빛을 반사하여 도파로(900)로 입사시킨다.

도 10은 본 발명의 바이노큘라형 착용형 디스플레이 시스템의 다른 실시예로서, 그 구성과 기능은 도 9의 시스템과 동일하나, 제1, 제2반사판(1010, 1020)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도파로(1000)의 양측에 구비된 제1, 제2반사판(1010, 1020)을 통해 각각 사용자의 좌우측의 소정 위치로부터 입사되는 조명광의 빛을 각각의 도파로 경사면에 대해 평행광으로서 입사시킬 수 있게 된다. 도 10과 같은 실시예의 경우, 측면에 위치한 조명광들로부터의 광이 각각 제1반사판(1010)과 제2반사판(1020)에서 반사되어 도파로(1000)의 경사면을 통해 전반사 각도로 입사될 수 있게 된다. 제1, 제2반사판을 이용하여 조명광원을 사용자의 측면에 위치시킬 수 있게 되면, 착용형 디스플레이 시스템을 구현시 조명광을 측면 다리에 부착한, 안경형태 시스템 구현이 가능해진다.

본 발명의 착용형 디스플레이 시스템에 의해, 신호가 도파로내에서 전반사 각도로 반사될 수 있도록 도파로 측면을 깍음으로써 전반사 입사에 필요한 다른 구성요소를 구비할 필요가 없게 되고, 반사판을 이용하여 조명광을 원하는 위치에 놓을 수 있게 된다.

Claims (4)

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

   상기 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파시키는 도파로;

   상기 도파로면에 부착되어 상기 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하여 보여주는 확대경을 포함하고,

   이때 상기 디스플레이 패널로부터 나오는 신호가 도파로 내에서 전반사되도록 상기 도파로의 측면을 소정 각도로 경사지게 형성함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 디스플레이 신호 전파에 필요한 조명을 반사하여 조명광이 상기 디스플레이 패널 신호가 입사되는 각도로 상기 디스플레이 패널을 비추도록 한 반사판을 더 포함함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템.
3. 바이노큘라형의 착용형 디스플레이 시스템에 있어서,

   양측면에 디스플레이 패널을 부착하고, 디스플레이 패널로부터 입사된 신호를 전파시키는 도파로; 및

   상기 도파로의 좌우측에 각각 부착되어 상기 도파로를 통해 전파되어 도달한 신호를 확대하는 확대경을 포함하고,

   이때 상기 디스플레이 패널로부터 나오는 신호가 도파로 내에서 전반사되도록 상기 도파로의 양 측면을 소정 각도로 경사지게 형성함을 특징으로 하는 착용형디스플레이 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   상기 도파로 양측에서 디스플레이 신호 전파에 필요한 조명을 반사하여 조명광이 상기 디스플레이 패널 신호가 입사되는 각도로 상기 디스플레이 패널을 비추도록 하는 반사판을 더 포함함을 특징으로 하는 착용형 디스플레이 시스템.