KR20030013640A - 씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이(HMD) 장치에 관한 것으로서, 특히 경사진 사각 기둥 형태의 광 투명성 프리즘 광학계(TBPO)를 사용하여, 액정 패널에서 발산되는 빛을 내부 전반사를 이용하여 효과적으로 사용자의 눈쪽으로 유도하고, 사용자의 전방에 확대된 허상이 맺어지도록 함으로써, 사용자는 투사된 영상 주변의 실제 사물의 크기와 투사된 영상의 크기를 동시에 비교할 수 있으므로 극장과 같은 대화면을 느낄 수 있다. 또한, 헤드부의 두께를 최소화할 수 있으므로, 상기 헤드부를 소형화/슬림화/경량화하여 HMD의 사용 도중에 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 경향을 최소화하므로 착용감을 개선할 수 있다.

Description

씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치{See-around type head mounted display device}

본 발명은 개인용 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 디스플레이되는 주변 영역을 보이게끔 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display ; HMD)를 설계하여 사용자가 씨어라운드(See-around) 효과를 느낄 수 있도록 하는 HMD 장치에 관한 것이다.

최근 디스플레이 소자의 소형화 추세에 따라 개인용 디스플레이 장치의 수요가 증가하고 있는데, 소형 화상 표시 소자에서 출력된 화상을 광학계를 이용하여 확대하고, 이에 따른 허상을 눈으로 보게 하면서 마치 일정한 거리에 대형의 스크린을 두고 화상을 보는 것과 동일한 효과를 주는 디스플레이 장치가 개발되고 있다.

이러한 장치는 대부분 머리에 안경과 같은 방법으로 착용하는 형태를 갖고 있기 때문에 헤드 마운티드 디스플레이(HMD) 장치라고 부른다.

도 1은 오목 거울을 사용하는 종래의 HMD의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 화상 기록 매체로부터 재생된 화상을 표시하는 액정 패널(LCD panel)(1)과, 상기 액정 패널(1)의 후방에 배치되어 상기 액정 패널(1)을 향하여 광을 출사시키는 배면 조명(2)과, 상기 액정 패널(1)을 통과하여 화상을 포함하는 광에서 그 일부는 투과시키고 나머지 일부는 반사시켜 경로를 변경시키는하프 미러(3)와, 반구형 형태로 형성되어 상기 하프 미러(3)에서 반사된 광을 평행광으로 변경시켜 상기 하프 미러(3)의 방향으로 재반사시켜 상기 하프 미러(3)에서 투과된 광이 사용자의 눈에 결상되도록 하는 반사형 오목 거울(spherical mirror)(4)을 포함한다.

이때, 상기 도 1의 구성은 사용자의 한쪽 눈에 대응되어 영상을 전달하기 때문에 사용자의 두 눈에 대응되도록 하기 위해서는 두 개의 세트(set)가 있어야 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 HMD는, 상기 배면 조명(2)에서 출사된 광이 액정 패널(1)을 통과하면서 화상 정보를 포함하고, 상기 화상 정보를 포함하는 광은 상기 하프 미러(3)에서 1차 반사되어 반사형 오목 거울(4)로 진행한다. 이때, 상기 반사형 오목 거울(4)로 입사된 빛은 다시 상기 반사형 오목 거울(4)에서 2차 반사되어 상기 하프 미러(3)로 진행한다. 그러면, 상기 하프 미러(3)를 투과한 광이 사용자의 눈에 결상되어 사용자가 화상 정보를 감상할 수 있도록 한다.

그러나, 상기와 같은 구성을 갖는 종래의 기술에서는 액정 패널(1)에서 출발한 광이 처음 상기 하프 미러(3)에서 약 50%가 감소된다. 또한, 오목 거울(4)에 의해 반사된 빛이 다시 하프 미러(3)를 지나갈 때 지나가는 광의 50%가 마찬가지로 소실된다.

따라서, 실제로 사용자의 눈에 입사되는 광은 전체의 25% 미만이다.

또한, 도 1과 같은 종래의 HMD로 영상을 감상하면 전방이 가려져 있으므로 마치 깜깜한 동굴에 영상이 떠 있는 듯한 느낌을 주며, 실제로 설계된 영상의 크기보다는 작게 느껴진다는 사용자의 불만이 높다.

또한, 도 1의 경우 광학계의 구조적인 이유로 인하여 광학계를 이루는 헤드부의 두께(depth, d₁)를 줄이는데 한계가 있으며, 이로 인해 헤드부의 무게 중심이 얼굴 전면에서부터 전방으로 떨어진 지점에 있게된다. 이는 HMD 사용도중 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 원인이 되므로 사용자에게 불편함을 준다.

또 다른 종래의 HMD로써, 직각 사각 기둥 프리즘(Right-angled Bar Prism Optics ; RBPO)(9)를 이용한 도 2와 같은 구조가 있다.

도 2의 구성은 액정 패널(8), 및 RBPO(9)로 되어 있다. 이때, 상기 RBPO(9)는 사각 기둥 형태의 프리즘으로써, 한쪽이 45도로 기울어져 있으며 경사면에는 전반사 코팅이 되어 있다. 또한 경사면에 마주보면서 아이피스 렌즈(eyepiece lens)(10)가 접합되어 있다.

따라서, 액정 패널(8)의 영상이 도 2에서처럼 RBPO(9)에 의하여 유도되어 사용자의 전방에 투상된 허상(11)이 보인다. 이때, 도 2에서와 같이 액정 패널(8)에 표시된 영상에서 발산된 광선 중에서 정상적인 광선(6)은 정상적으로 허상을 맺게 해주며, 이와 함께 액정 패널(8)에 표시된 영상에서 발산된 광선 중에서 일부(7)는 RBPO(9) 측면에 반사되어 다시 사용자의 눈쪽으로 유도되어 들어간다. 하지만 이들 비정상적인 광선(7)은 도 2에서와 같이 불필요한 2차 영상(허상)(12)을 맺어 사용시 혼란을 초래한다.

또한, 도 2와 같은 HMD의 광학계에서도 마찬가지로 광학계의 구조적인 이유로 인하여 헤드부의 두께(depth, d₂)를 줄임에 있어 한계를 가지고 있으며, 이는 무게 중심이 얼굴 전면에서부터 전방으로 떨어진 지점에 있게 된다. 이로 인해, HMD 사용도중 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 원인이 되므로 사용상의 불편함을 준다.

이와 같이 상기된 도 1, 도 2의 종래 HMD는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 도 1과 같은 종래 기술에서는 시야 전방이 가려져 있으므로 마치 깜깜한 동굴에 영상이 떠 있는 듯한 느낌을 주며 실제로 설계된 영상의 크기보다는 작게 느껴진다는 사용자의 불만이 높다.

둘째, 도 1과 같은 종래 기술에서는 반투과 미러(즉, 하프 미러)를 사용하는 광학계의 구조로 인해 액정 패널에서 출발한 광의 3/4 이상을 사용하지 못하므로 비효율적이다.

셋째, 도 2와 같은 종래 기술에서는 불필요한 측면 반사에 의한 의도되지 않은 2차 영상이 관측된다.

넷째, 기존 도 1, 도 2의 HMD는 광학계를 이루는 헤드부의 두께가 두꺼워서 무게 중심이 얼굴 표면에서 전방으로 이격되므로, 사용시 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 경향이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 디스플레이되는 주변 영역을 보이게끔 HMD를 설계하여 디스플레이되는 영상과 실제의 외부 전경을 동시에 관찰할 수 있도록 함으로써, 사용자는 영상의 크기를 평소 경험에 의해 알고 있는 물체와 비교 인식할 수 있으므로 대화면으로 느낄 수 있게 되는 씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 오목 거울을 사용한 HMD 장치의 구조를 보인 도면

도 2는 종래의 직각 사각 기둥 프리즘 광학계(RBPO)를 사용한 HMD 장치의 구조를 보인 도면

도 3은 본 발명에 따른 경사진 사각 기둥 프리즘 광학계(TBPO)를 사용한 HMD 장치의 구조를 보인 도면

도 4는 본 발명에 있어서 허상의 결상 및 주변 물체와의 비교 인식 원리를 설명하기 위한 도면

도 5는 본 발명에 있어서 TBPO의 구성 및 내부 전반사에 의한 광의 유도를 설명하기 위한 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

17 : 액정 패널18 : TBPO

19 : 주변 물체20 : 허상

21 : 아이피스 렌즈22 : 내부 전반사면

23 : 뒷면24 : 제 1 경사면

25 : 제 2 경사면26 : 경사진 사각 기둥 형태의 프리즘

27 : 공기 간격

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치는, 화상 기록 매체로부터 재생된 화상을 표시하는 디스플레이 패널와, 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치되어 상기 디스플레이 패널에서 발산되는 광을 내부 전반사를 이용하여 사용자의 눈쪽으로 유도하고, 사용자의 전방에 확대된 허상을 맺는 경사진 사각 기둥 프리즘 광학계(TBPO)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 TBPO는 상기 디스플레이 패널에서 발산되는 유효한 모든 광을 내부 전반사시키는 내부 전반사면과 상하로 각각 제 1, 제 2 경사면을 가진 사각 기둥 형태의 광 투명성 프리즘과, 상기 광 투명성 프리즘의 전반사면과 마주보면서 설치되어 사용자의 전방에 확대된 허상을 맺는 아이피스 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 광 투명성 프리즘의 상부에 위치한 제 2 경사면은 상기 디스플레이 패널에서 발산되는 유효한 모든 광이 내부 전반사면에서 내부 전반사가 일어나도록 경사각을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 광 투명성 프리즘의 하부에 위치한 제 1 경사면의 경사각은 확대된 영상에 왜곡이 일어나지 않도록 특정 각도로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 광 투명성 프리즘의 내부 전반사면과 아이피스 렌즈 사이에 공기 간격이 생기도록 상기 아이피스를 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 HMD의 광학계 구성을 보이고 있다.

도 3을 보면, 좌우측 눈에 각각 대응되는 경사진 사각 기둥 프리즘 광학계(Tilted Bar Prism Optics ; TBPO)(16), 영상 표시를 위한 마이크로 디스플레이 패널(예를 들면, LCD 패널, EL 패널 등), 신호 처리를 위한 신호 처리부(14)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기 마이크로 디스플레이 패널을 액정 패널(13,15)이라 칭한다. 그리고, 상기 TBPO(16)는 광투명성 재료 예를 들면, 유리나 투명성 프라스틱으로 형성된다.

즉, 좌우 눈에 대응되는 2개의 액정 패널(13,15)에 표시된 영상은 광이 지나갈 수 있는 투명 재료로 된 TBPO(16)에 의하여 유도되어 사용자의 좌우 눈에 각각 들어간다.

확대된 허상의 결상 원리 및 주변 물체와의 비교 인식 원리(see-around principle)는 도 4를 이용하여 다음과 같이 설명할 수 있다.

본 발명에 사용되는 TBPO(18)는 도 4에서와 같이 액정 패널(17)에서 발산되는 빛을 내부 전반사를 이용하여 효과적으로 사용자의 눈쪽으로 유도하며,TBPO(18)에 부착되어 있는 아이피스 렌즈(21)는 사용자의 전방에 확대된 허상이 맺어지도록 해준다.

상기 TBPO(18)의 재료는 광투명성 재료로 되어 있으므로, 사용자는 아이피스 렌즈(21)의 윗쪽으로 외부 전경을 관찰할 수 있다. 즉, 시선 (다)와 같이 TBPO(18)의 내부 전반사면(22)과 뒷면(23)을 관통하여 주변 물체(19)를 볼 수가 있다. 따라서, 사용자는 확대된 허상뿐만 아니라 평소 그 크기를 잘 알고 있는 주변 물체와의 비교 인식을 통하여 확대된 영상의 크기를 실감할 수가 있다. 이것을 씨어라운드(See-around) 효과라 한다.

본 발명에 있어서 TBPO(18)의 구성 및 내부 전반사(TIR)를 이용하여 광을 유도함으로써, 헤드부의 두께를 최소화하는 과정을 도 5를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

상기 TBPO(18)는 상하로 각각 제 1, 제 2 경사면(24,25)를 가진 사각 기둥 형태의 광 투명성 프리즘(26)과 아이피스 렌즈(21)로 구성되어 있다.

이때, 상기 광 투명성 프리즘(26)의 상부에 위치한 제 2 경사면(25)은 액정 패널(17)에서 발산되는 유효한 모든 광이 내부 전반사면(22)에서 성공적으로 내부 전반사가 일어나도록 경사각 W₂를 조절한다.

광선이 내부 전반사가 일어나기 위한 조건은 다음의 수학식 1과 같다.

상기된 수학식 1에서 n은 TBPO(18)의 굴절률이며, Ψ는 광선의 입사각이다.

또한, 확대된 영상에 왜곡이 일어나지 않게 하기 위해서는 제 1 경사면(24)의 경사각 W₁이 특정의 각도로 설정될 필요가 있다.

상기 특정 각도는 하기의 수학식 2와 같은 조건을 만족하도록 한다.

또한, 내부 전반사면(22) 전체에서 내부 전반사가 일어나도록 하기 위하여는 내부 전반사면(22) 왼쪽 부분이 공기층이 되어야 하며, 이를 위해 아이피스 렌즈(21)와 내부 전반사면(22) 사이에 공기 간격(27)이 생기도록 아이피스 렌즈(21)를 설치한다.

상기 TBPO의 구성에 있어서, 아이피스 렌즈(21)는 광축을 중심으로 굴절능이 축상 대칭을 이루도록 하여 설계 및 제작을 용이하게 하며, 영상의 확대 비율을 높이기 위하여 필요에 따라서는 제 2 경사면(25)에서도 마찬가지로 굴절능이 축상으로 대칭인 면으로 만들어 광학 수차를 줄여 성능을 높이는데 도움을 줄 수도 있다.

이와 같이 TBPO를 이용하여 액정 패널에서 발산하는 광의 손실이 없도록 하며, 내부 전반사(total internal reflection ; TIR)를 이용하여 불필요한 2차 영상을 제거한다. 또한, 내부 전반사를 이용함으로써, 광학계를 구성하는 헤드부의 전방 돌출 두께(depth)를 줄일 수 있다. 이로 인해, 헤드부의 무게 중심을 얼굴쪽으로 가능한 붙일 수 있으므로 착용도중 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 것을 방지한다. 즉, 본 발명에서는 TBPO를 이용하여 내부 전반사를 발생시켜 광선이 지나가는 길을 접음으로써(folding) 헤드부의 두께(d)를 최소화할 수 있다. 이로 인하여 헤드부의 무게 중심이 얼굴쪽으로 이동되므로, HMD 사용 도중에 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 경향을 최소화할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 씨어라운드 헤드 마운티드 디스플레이 장치에 의하면, TBPO는 액정 패널에서 발산되는 빛을 내부 전반사를 이용하여 효과적으로 사용자의 눈쪽으로 유도하며, 상기 TBPO에 부착된 아이피스 렌즈는 사용자의 전방에 확대된 허상이 맺어지도록 함으로써, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 투사된 영상 주변의 실제 사물의 크기와 투사된 영상의 크기를 동시에 비교함으로써, 사용자는 극장과 같은 대화면을 느낄 수 있다.

둘째, TBPO를 이용하여 헤드부의 두께(d)를 최소화함으로써, 상기 헤드부를 소형화/슬림화/경량화하여 HMD의 사용 도중에 헤드부가 아래쪽으로 흘러내리는 경향을 최소화하므로 착용감을 개선할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 화상 기록 매체로부터 재생된 화상을 표시하는 디스플레이 패널; 그리고

   상기 디스플레이 패널의 전면에 배치되어 상기 디스플레이 패널에서 발산되는 광을 내부 전반사를 이용하여 사용자의 눈쪽으로 유도하고, 사용자의 전방에 확대된 허상을 맺는 경사진 사각 기둥 프리즘 광학계(TBPO)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HMD 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 TBPO는

   상기 디스플레이 패널에서 발산되는 유효한 모든 광을 내부 전반사시키는 내부 전반사면과 상하로 각각 제 1, 제 2 경사면을 가진 사각 기둥 형태의 광 투명성 프리즘과,

   상기 광 투명성 프리즘의 전반사면과 마주보면서 설치되어 사용자의 전방에 확대된 허상을 맺는 아이피스 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 HMD 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 광 투명성 프리즘의 상부에 위치한 제 2 경사면은 다음의 식을 적용하여 상기 디스플레이 패널에서 발산되는 유효한 모든 광이 내부 전반사면에서 내부전반사가 일어나도록 경사각 W₂를 조절하는 것을 특징으로 하는 HMD 장치.

   여기서, n은 TBPO의 굴절률, Ψ는 광선의 입사각임.
4. 제 2 항에 있어서,

   확대된 영상에 왜곡이 일어나지 않도록 제 1 경사면의 경사각 W₁은 특정 각도로 설정되며, 상기 특정 각도는 하기의 식과 같은 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 HMD 장치.

   여기서, W₂는 제 2 경사면의 경사각.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 광 투명성 프리즘의 내부 전반사면과 아이피스 렌즈 사이에 공기 간격이 생기도록 상기 아이피스를 설치하는 것을 특징으로 하는 HMD 장치.