KR20080082068A - Optical system of head mounted display - Google Patents

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KR20080082068A
KR20080082068A KR1020070022373A KR20070022373A KR20080082068A KR 20080082068 A KR20080082068 A KR 20080082068A KR 1020070022373 A KR1020070022373 A KR 1020070022373A KR 20070022373 A KR20070022373 A KR 20070022373A KR 20080082068 A KR20080082068 A KR 20080082068A
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최장호
김영주
김동균
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(주)드리맥스
(주)그린광학
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Abstract

An optical system of a head mounted display is provided to minimize optical aberration such as chromatic and spherical aberration by installing a display element, a hybrid lens, and an eyepiece. An optical system of a head mounted display includes a display unit(30), a hybrid lens(31), and an eyepiece(32). The hybrid lens disposed along the axis of image beams generated from the display unit guides the image beams to the eyepiece by refracting the image beams from the display unit. The eyepiece provided in front of the hybrid lens focuses the image beams from the hybrid lens to eyes of users. The eyepiece includes a glass lens with rotationally symmetric spherical input and output surfaces, and a plastic portion with a rotationally symmetric non-spherical surface in contact with the glass lens. Input and output surfaces of the eyepiece are implemented with a rotationally symmetric spherical surface.

Description

헤드마운트 디스플레이의 광학시스템{OPTICAL SYSTEM OF HEAD MOUNTED DISPLAY}OPTICAL SYSTEM OF HEAD MOUNTED DISPLAY}

도 1은 종래의 헤드마운트 디스플레이용 광학시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 구성도이고,1 is a configuration diagram schematically showing an example of a conventional optical system for a head mounted display,

도 2는 종래의 헤드마운트 디스플레이용 광학시스템의 다른 예를 개략적으로 도시한 구성도이며,2 is a schematic view showing another example of a conventional optical system for a head mounted display,

도 3은 본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이용 광학시스템의 제 1 실시예를 개략적으로 나타내는 평면도이며,3 is a plan view schematically showing a first embodiment of an optical system for a head mounted display according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 접안렌즈의 전방에 45도 반사판을 추가로 설치한 실시예를 나타낸단면도이며,4 is a cross-sectional view showing an embodiment in which a 45 degree reflector is further installed in front of the eyepiece according to the present invention;

도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 형태를 도시한 개략도이며,5 is a schematic view showing the form of a hybrid lens according to the first embodiment of the present invention,

도 6은 본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학 시스템의 제 2 실시예를 개략적으로 나타내는 평면도이며,6 is a plan view schematically showing a second embodiment of an optical system of a headmount display according to the present invention;

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 형태를 도시한 개략도이다.7 is a schematic diagram showing the form of a hybrid lens according to a second embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

30 : 디스플레이 소자 31 : 하이브리드 렌즈30 display element 31 hybrid lens

311 : 유리재질 입사면 312 : 유리재질 출사면311 glass entrance surface 312 glass exit surface

313 : 플라스틱 코팅 출사면 32 : 접안렌즈313: plastic coating exit surface 32: eyepiece

본 발명은 헤드마운트 디스플레이(HEAD MOUNTED DISPLAY, HMD)용 광학시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구면수차와 색수차를 동시에 보정할 수 있어 광학수차를 최소화할 수 있으며, 렌즈의 개수를 줄여 제작비용을 절감하고 보다 콤팩트한 경량의 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical system for a head mounted display (HMD), and more particularly, it is possible to simultaneously correct spherical aberration and chromatic aberration, thereby minimizing optical aberration, and reducing the number of lenses to reduce manufacturing costs. An optical system of a lighter, more compact and lightweight headmount display.

일반적으로 헤드마운트 디스플레이 장치는 1인치 이하의 초소형 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광을 빛의 굴절을 이용하는 투과광학계 또는 반사광학계를 이용하여 일정 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대 허상을 볼 수 있도록 하는 화상표시 장치이다.In general, the head mounted display device focuses the image light generated by the ultra-small display device of 1 inch or less by forming a virtual large screen at a distance using a transmission optical system or a reflection optical system using light refraction. It is an image display device that allows a user to view an enlarged virtual image.

이와 같은 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템에서는 디스플레이 소자가 안구의 초근거리에 위치하여 화상을 높은 배율로 확대해야 하므로 고성능의 광학계가 요구되며 굴절율이 큰 유리재질의 렌즈가 다수 개 필요하게 된다. 이와 같이 근거리에서 고배율을 얻기 위하여 유리렌즈가 2개 이상 사용될 경우에는, 렌즈를 통과하는 빛의 파장의 차이로 인하여 필연적으로 색수차가 발생하게 되는데 색수차를 보정하기 위한 방법으로는 유리렌즈의 재질을 달리하여 고굴절 성분과 저굴절 성분 의 유리재질을 적절히 혼용하여 사용함으로써 빛의 파장의 차이를 보상하여 주도록 하거나 렌즈 한 면의 곡률이 구면을 2개 이상 가지는 비구면 곡면을 적어도 1개 이상 가지는 방법이 이용된다.In such an optical system of the head mounted display, since the display element is located at the ultra-short distance of the eye and needs to magnify the image at a high magnification, a high performance optical system is required, and a plurality of glass lenses having a large refractive index are required. When two or more glass lenses are used in order to obtain high magnification at a short distance, chromatic aberration inevitably occurs due to the difference in wavelength of light passing through the lens. In order to compensate for the difference in wavelength of light by appropriately using a mixture of high and low refractive glass materials, a method having at least one aspherical curved surface having two or more spherical curvatures is used. .

도 1은 종래 기술에 따른 플뢰슬 아이피스(Ploessl Eyepiece)라 불리는 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈를 혼용한 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템 예를 보여주고 있다.FIG. 1 shows an example of an optical system of a head mounted display using a high refractive glass lens and a low refractive glass lens called a Ploessl Eyepiece according to the prior art.

도 1에 도시된 플뢰슬 아이피스는 화상을 제공하는 디스플레이 소자(2)와, 고굴절 유리렌즈(5)와 저굴절 유리렌즈(6)의 조합으로 이루어지는 하나의 제 1 광학부재(D1)와, 저굴절 유리렌즈(7)와 고굴절 유리렌즈(8)의 조합으로 이루어지는 또 하나의 제 2 광학부재(D2)로 이루어지며, 위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(2)에서 생성된 영상광이 상기 제 2 광학부재(D2)의 상기 고굴절 유리렌즈(8)를 통해 입사되어 상기 저굴절 유리렌즈(7)를 통해 출사된 후, 다시 상기 제 1 광학부재(D1)의 상기 저굴절 유리렌즈(6)를 통해 입사되고 상기 고굴절 유리렌즈(5)를 통해 출사되면 사용자의 안구(1) 위치에서 결상되게 되며, 사용자는 시야각(3)을 확보하고 상기 디스플레이 소자(2)의 확대허상을 시청할 수 있게 된다.The pleated eyepiece shown in FIG. 1 includes a display element 2 for providing an image, a first optical member D1 composed of a combination of a high refractive glass lens 5 and a low refractive glass lens 6, and The second optical member D2 is formed of a combination of the refractive glass lens 7 and the high refractive glass lens 8, and the image light generated by the display element 2 by the above configuration is 2 After being incident through the high refractive glass lens 8 of the optical member D2 and exiting through the low refractive glass lens 7, the low refractive glass lens 6 of the first optical member D1 is again present. When the light is incident through the high refractive glass lens 5 and is emitted through the high refractive glass lens 5, the image is formed at the position of the eyeball 1 of the user, and the user can secure the viewing angle 3 and view the enlarged image of the display element 2. .

그러나 상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈를 혼용한 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템 방식은 고굴절 렌즈와 저굴절 렌즈를 결합하여 하나의 광학부재로 구성하였다 하더라도 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈를 각각 별도로 가공해야 하므로 제조비용이 상승할 뿐 아니라, 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈 결합시 광축을 정확히 일치시켜야 하는 기술적인 어려움이 있고, 색수차 보정에 필수적으로 필요한 광학요소의 숫자를 줄이기가 힘들기 때문에 부피와 중량이 커질 수 밖에 없어 사용자에게 큰 불편을 줄 수 있다는 문제점이 있었다.However, the optical system method of the head mounted display which uses the high refractive glass lens and the low refractive glass lens of the prior art having the above-described structure is combined with the high refractive glass lens and the low refractive lens even though the optical lens system is composed of one optical member. As the low refractive glass lenses must be separately processed, manufacturing costs increase, and there is a technical difficulty to accurately match the optical axis when combining the high refractive glass lens and the low refractive glass lens, and the number of optical elements necessary for the correction of chromatic aberration is necessary. Since it is difficult to reduce the volume and weight will have to be large, there was a problem that can give a great inconvenience to the user.

이러한 종래의 헤드마운트 디스플레이용 광학시스템의 문제점을 감안하여 도 2에 도시된 바와 같은 자유곡면 프리즘을 광학부재로 채택한 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템이 제안되었으며, 그 주요 구성은 화상을 표시하는 디스플레이 소자(11)와, 입사면(121), 첫번째 반사면(122), 두번째 반사면(123), 출사면(122)을 모두 가지고 있는 회전 비대칭 자유곡면 프리즘 렌즈(12)를 포함하는 광학시스템으로 이루어지며, 위와 같은 구성에 의하여 상기 디스플레이 소자(11)에서 생성된 영상광은 상기 입사면(121)을 통해 자유곡면 프리즘에 입사된 후, 임계각보다 적은 각도로 상기 첫번째 반사면(122)에 도달하고, 상기 첫번째 반사면(122)에서 전반사되며, 다시 반사 코팅이 되어있는 상기 두번째 반사면(123)에서 반사된 뒤 상기 첫번째 반사면(122)과 면을 공유하는 상기 출사면(122)을 통해 프리즘 렌즈를 빠져 나와 사용자의 양안(13)에 결상되게 된다.In view of the problems of the conventional optical system for a head mounted display, an optical system of a head mounted display employing a free curved prism as shown in FIG. 2 as an optical member has been proposed. 11) and an optical system comprising a rotationally asymmetric free-curve prism lens 12 having all of an entrance face 121, a first reflection face 122, a second reflection face 123, and an exit face 122. The image light generated by the display element 11 by the above configuration is incident on the free-curved prism through the incident surface 121, and then reaches the first reflective surface 122 at an angle smaller than a critical angle. Totally reflected at the first reflective surface 122 and reflected from the second reflective surface 123 which is again coated with a reflective coating and then shares a surface with the first reflective surface 122. The prism lens exits through the exit surface 122 and is imaged on both eyes 13 of the user.

그러나 상기와 같은 구성을 갖는 종래 기술의 자유곡면 프리즘 렌즈를 사용한 광학 시스템 방식은 일정한 범위 내에서 빛의 방향을 조절할 수 있는 자유곡면 프리즘 렌즈의 특성상 간단한 광경로 구축이 가능하여 HMD의 두께를 대폭 감소시킬 수 있고 넓은 시야각(FOV: FIELD OF VIEW) 확보가 가능한 것이 장점이지만, 편심오차에 따른 왜곡을 줄이기 위하여 상기 프리즘 렌즈 내에 회전비대칭의 자유곡면을 최소 1개 이상 가지고 있기 때문에 회전대칭의 광학시스템에 비하여 광학 부품 가 공이 매우 힘들어 제품단가를 상승시키는 원인이 될 수 있을 뿐 아니라 상기 자유곡면 프리즘 렌즈의 세 면 중 두 면이 반사면이기 때문에 가공시 세 면의 접점의 각도가 약간만 틀어져도 영상광의 방향에 큰 영향을 미칠 수 있어 제품 또는 금형 제작시 매우 높은 수준의 정밀도가 요구되나, 세 면이 모두 곡면이기 때문에 기준점을 잡기가 대단히 어렵게 된다. 더욱이 회전비대칭의 자유곡면인 첫번째 반사면에서는 X, Y, Z축에 대하여 각각 다른 곡률변화를 가지고 있어 가공시 회전비대칭인 면과 다른 면의 교차점을 잡기가 매우 까다롭고, 설계에 따라 제대로 제작이 되었는지에 대한 성능검사를 위해서는 중심점을 통과하는 한 선의 곡률데이터만으로 검사가 가능한 회전대칭면과는 달리 면 전체를 스캔(SCAN) 하여 모든 좌표를 미세하게 분할하여 일일이 대조해야 하며, 오차가 생길 경우 이의 원인 규명 및 보정이 힘들어 제품 제작까지 많은 비용과 시행착오를 거쳐야 할 우려가 있다.However, the optical system using the free-form prism lens of the prior art having the above-described configuration enables the construction of a simple light path due to the characteristics of the free-curved prism lens that can adjust the light direction within a certain range, thereby greatly reducing the thickness of the HMD. Although it is possible to have a wide field of view (FOV) and to secure a wide field of view (FOV), in order to reduce distortion due to eccentric error, at least one free surface of rotation asymmetry is provided in the prism lens. Compared with this, the processing of the optical parts is very difficult, which may cause the product cost to rise, and since two of the three surfaces of the free-curved prism lens are reflective surfaces, the direction of the image light even when the contact angles of the three surfaces are slightly distorted during processing. Can have a big impact on the quality of the product or mold Density is required, but all three surfaces are curved, making reference points very difficult. In addition, the first reflective surface, which is a free surface of rotational asymmetry, has different curvature changes with respect to the X, Y, and Z axes, so it is very difficult to find the intersection of the rotational asymmetry and other surfaces during machining, and it is difficult to manufacture properly according to the design. Unlike the rotationally symmetrical surface, which can be inspected with only the curvature data of one line passing through the center point, the entire surface must be scanned and finely divided by all the coordinates. It is difficult to identify and calibrate the product, and there is a risk of going through a lot of cost and trial and error until the production of the product.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 하이브리드 렌즈를 채택하여 구면수차와 색수차를 동시에 보정할 수 있어 광학수차를 최소화하면서도 가공과 성능검사가 용이하여 제품개발 비용을 최소화한 헤드 마운트 디스플레이의 광학시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the conventional problems as described above, the object is to adopt a hybrid lens to correct spherical aberration and chromatic aberration at the same time, while minimizing optical aberration, easy processing and performance inspection The objective is to provide an optical system for a head mounted display with minimal product development costs.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템에 하이브리드 렌즈를 적용함으로써 렌즈의 개수를 줄여 제작원가를 현저히 저감시킬 수 있고 보다 콤팩트하며 경량의 헤드마운트 디스플레이를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to reduce the number of lenses by applying a hybrid lens to the optical system of the head mounted display to significantly reduce the manufacturing cost and to provide a more compact and lightweight head mounted display.

상기의 목적을 달성하기 위하여 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 광축을 따라 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광을 굴절시켜 인접설치되는 접안렌즈(32)로 유도되도록 하는 하이브리드 렌즈; 및 상기 하이브리드 렌즈의 전방에 배치되며 상기 하이브리드 렌즈로부터 출사된 영상광을 사용자의 안구에 포커싱하는 접안렌즈;로 이루어지고, 상기 하이브리드 렌즈는 영상광이 입사되는 입사면과 영상광이 출사되는 출사면이 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 유리렌즈와, 상기 유리렌즈의 어느 한 면에 부착되어 외기와 접촉되는 면이 회전대칭 비구면을 형상을 가지는 플라스틱 성형부로 이루어지며, 상기 접안렌즈의 입사면과 출사면은 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optical system of a head mounted display according to the invention comprises: a display element; A hybrid lens disposed at a predetermined distance along an optical axis of the image light generated by the display element and refracting the image light projected by the display element to guide the adjacent eyepiece 32 to be installed; And an eyepiece disposed in front of the hybrid lens and focusing the image light emitted from the hybrid lens on an eyeball of the user, wherein the hybrid lens has an incident surface on which the image light is incident and an exit surface on which the image light is emitted. All of them are made of a glass lens consisting of a spherical surface of rotation symmetry, and a plastic molded part having a shape of a rotationally symmetric aspheric surface attached to one surface of the glass lens and in contact with the outside air, and the entrance and exit surfaces of the eyepiece Are all characterized by consisting of a rotationally symmetrical spherical surface.

상기 디스플레이 소자(30)와 하이브리드 렌즈(31) 사이의 광경로상에 45˚ 경사를 가진 평면 반사면(33)을 추가로 배치한 것이 바람직하다.It is preferable to further arrange a planar reflective surface 33 having a 45 ° inclination on the optical path between the display element 30 and the hybrid lens 31.

상기의 목적을 달성하기 위하여 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템의 다른 양태는 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 광축을 따라 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광을 굴절시켜 인접설치되는 하이브리드 접안렌즈(32)로 유도되도록 하는 구면렌즈; 및 상기 구면렌즈의 전방에 배치되며 상기 구면렌즈로부터 출사된 영상광을 사용자의 안구에 포커싱하는 하이브리드 접안렌즈;로 이루어지고, 상기 구면렌즈의 입사면과 출사면은 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지며, 상기 하이브리드 접안렌즈는 영상광이 입사되는 입사면과 영상광이 출사되는 출사면이 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 유리렌즈와, 상기 유리렌즈의 어느 한 면에 부착되어 외기와 접촉되는 면이 회전대칭 비구면을 형상을 가지는 플라스틱 성형부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Another aspect of an optical system of a head mounted display according to the invention for achieving the above object is a display element; A spherical lens disposed to be spaced apart a predetermined distance along an optical axis of the image light generated by the display element, the spherical lens refracting the image light projected by the display element to be guided to the adjacent hybrid eyepiece 32; And a hybrid eyepiece disposed in front of the spherical lens and focusing the image light emitted from the spherical lens on the eyeball of the user. The incident surface and the exit surface of the spherical lens are both spherical surfaces of rotational symmetry. The hybrid eyepiece includes a glass lens having both an incident surface into which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted, and a surface attached to one surface of the glass lens to be in contact with outside air. It is characterized by consisting of a plastic molded part having a symmetric aspherical surface.

상기 디스플레이 소자(30)와 구면렌즈(31) 사이의 광경로상에 45˚ 경사를 가진 평면 반사면(33)을 추가로 배치한 것이 바람직하다.It is preferable to further arrange a planar reflective surface 33 having a 45 ° inclination on the optical path between the display element 30 and the spherical lens 31.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an optical system of a head mounted display according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이 광학시스템의 구성 및 배치에 대한 일실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.3 is a diagram schematically showing an embodiment of the configuration and arrangement of the head mounted display optical system according to the present invention.

본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 영상광을 발산하는 화상표시장치인 디스플레이 소자(30)와, 하이브리드 렌즈(31)와, 접안렌즈(32)로 이루어진다.As shown in FIG. 3, the optical system of the head mounted display according to the present invention includes a display element 30, a hybrid lens 31, and an eyepiece 32, which are image display devices for emitting image light.

상기 하이브리드 렌즈(31)는 상기 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 광축을 따라 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광을 굴절시켜 인접설치되는 접안렌즈(32)로 유도되도록 하는 것으로서, 구면의 유리렌즈와 상기 유리렌즈의 어느 한 면에 부착되는 플라스틱 성형부로 이루어진다.The hybrid lens 31 is arranged to be spaced apart a predetermined distance along the optical axis of the image light generated by the display element, to be guided to the eyepiece 32 is installed by refracting the image light projected from the display element, It consists of a spherical glass lens and a plastic molded part attached to one surface of the glass lens.

상기 유리렌즈는 영상광이 입사되는 입사면과 영상광이 출사되는 출사면이 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지고, 상기 플라스틱 성형부는 상기 유리렌즈에 접촉되는 면이 아닌 외기와 접촉되는 면이 회전대칭 비구면을 가지도록 상기 유리렌즈의 일면에 성형이 된다.The glass lens has both an incident surface into which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted, and a spherical surface having rotational symmetry. It is molded on one surface of the glass lens to have an aspherical surface.

따라서, 상기와 같은 유리렌즈와 플라스틱 성형부로 이루어지는 하이브리드 렌즈는 유리렌즈를 통과하여 고굴절된 영상광이 상기의 유리렌즈 내에서 빛의 각 성분의 파장의 차이로 인하여 발생한 색분리 현상을 플라스틱 성형부에서 상대적인 마이너스 파워의 속성을 이용하여 색수차를 보상하게 되며, 도 1의 렌즈에서와 같이 색수차 보정을 하기 위하여 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈와 같은 다수의 광학요소가 필요없게 되므로 결과적으로 부피와 중량이 현저하게 줄어 들게 되며, 또 가공면에서 볼 때에 회전대칭의 구면으로 이루어지는 유리렌즈와 회전대칭 비구면을 가지는 플라스틱 성형부는 모두 용이하게 가공 또는 성형할 수가 있으므로 전체적으로 하이브리드 렌즈를 용이하게 가공할 수가 있게 되어 종래의 도 1에서와 같은 렌즈에서와 같이 고굴절 유리렌즈와 저굴절 유리렌즈의 결합시 광축을 정확히 일치시켜야 할 필요가 없게 되고, 또 도 2에서와 같은 프리즘 렌즈에서와 같이 회전비대칭의 자유곡면을 형성하여야 하는 가공 상의 어려움도 해소할 수가 있다.Therefore, in the hybrid lens including the glass lens and the plastic molding as described above, the color separation phenomenon caused by the difference in the wavelength of each component of the light within the glass lens due to the high refractive image light passing through the glass lens is generated in the plastic molding portion. Chromatic aberration is compensated for by using the property of relative negative power, and as shown in the lens of FIG. 1, a large number of optical elements such as a high refractive glass lens and a low refractive glass lens are not required to correct the chromatic aberration. It is remarkably reduced, and in view of the processing surface, both the glass lens consisting of the rotationally symmetrical spherical surface and the plastic molding part having the rotationally symmetric aspherical surface can be easily processed or molded, so that the hybrid lens as a whole can be easily processed. In the same lens as in FIG. Likewise, when the high refractive glass lens and the low refractive glass lens are combined, the optical axis does not need to be exactly matched. Also, as in the prism lens as shown in FIG. have.

상기 하이브리드 렌즈(31)는 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광의 입사면과 출사면 중 적어도 한 면이 플라스틱 면으로 형성되며, 그 구체적인 예로서는 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 입사면에 유리렌즈를 위치시키고, 출사면쪽에 플라스틱 성형부가 위치되도록 하거나, 또는 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 입사면에 플 라스틱 성형부가 위치되도록 하고, 유리렌즈가 출사면쪽에 위치되도록 배치할 수도 있다.The hybrid lens 31 has at least one of the entrance and exit surfaces of the image light projected by the display element formed of a plastic surface. As a specific example, as shown in FIG. Position the glass lens on the incident surface, position the plastic molding on the exit surface, or position the plastic molding on the incident surface of the image light generated by the display element as shown in FIG. May be positioned so that it is located toward the exit surface.

상기 접안렌즈(32)는 상기 하이브리드 렌즈(31)를 통하여 전달되는 영상광을 사용자의 안구에 결상시키도록 하기 위한 것으로서, 영상광의 입사면과 출사면 모두 구면으로 이루어지도록 할 수가 있으므로 가공이 매우 용이하게 된다.The eyepiece 32 is intended to form an image light transmitted through the hybrid lens 31 to the eyeball of the user, so that both the incident surface and the exit surface of the image light can be made as a spherical surface is very easy to process. Done.

위와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 화상을 나타내는 디스플레이 소자(30)에서 발생한 영상광이 하이브리드 렌즈(31)의 유리재질의 구면의 입사면(311)을 통과하여 고굴절되어 유리렌즈의 구면의 출사면(312)을 통해 플라스틱 성형부에 입사하게 되고, 각종 수차 보상 과정을 거친 후 출사면(313)을 통해 접안렌즈(32)로 유도되면 상기 접안렌즈(32)에 의해 사용자의 안구에 효과적으로 결상되게 되며, 종래의 도 1과 같은 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템에 비해서 부피나 무게가 현저하게 줄어들게 되고, 또 도 1 및 2와 같은 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템에 비해서 가공이 매우 용이하게 된다.According to the optical system of the head mounted display according to the present invention having the above configuration, the image light generated from the display element 30 representing the image is highly refracted through the incident surface 311 of the glass sphere of the hybrid lens 31. After entering the plastic molding part through the exit surface 312 of the spherical surface of the glass lens, and after being subjected to various aberration compensation processes, the eyepiece 32 is led through the exit surface 313 by the eyepiece 32. It is effectively imaged on the eyes of the user, the volume and weight is significantly reduced compared to the conventional optical system of the head mounted display as shown in FIG. 1, and the processing is very much compared to the optical system of the head mounted display as shown in FIGS. It becomes easy.

도 5는 디스플레이 소자(30)와 하이브리드 렌즈(31) 사이의 광경로상에 45˚ 경사를 가진 평면 반사면(33)을 추가로 배치한 구성으로서, 45˚ 반사판(33)을 디스플레이 소자(30)와 하이브리드 렌즈(31) 사이의 광경로상에 위치시키게 되면, 전체적인 광학시스템의 부피를 줄일 수 있으면서도 디스플레이 소자(30)와 하이브리드 렌즈(31) 사이의 광 경로의 길이를 상기 반사판의 배치 이전의 시스템과 동일하게 할 수가 있으므로 광학계를 보다 콤팩트하게할 수가 있게 된다.FIG. 5 is a configuration in which a flat reflective surface 33 having a 45 ° inclination is further disposed on an optical path between the display element 30 and the hybrid lens 31, and the 45 ° reflector 33 is disposed on the display element 30. ) And the optical path between the hybrid lens 31 can reduce the volume of the overall optical system while reducing the length of the optical path between the display element 30 and the hybrid lens 31 before the placement of the reflector. Since the system can be the same as the system, the optical system can be made more compact.

도 6은 본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이 광학시스템에 대한 또 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.Figure 6 is a schematic representation of yet another embodiment of a headmount display optical system in accordance with the present invention.

상기 실시예에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 도 6에 도시된 바와 같이, 디스플레이 소자(60)와, 구면렌즈(61)와, 하이브리드 접안렌즈(62)로 이루어진다.As shown in FIG. 6, the optical system of the head mounted display according to the embodiment includes a display element 60, a spherical lens 61, and a hybrid eyepiece 62.

도 6에 도시된 바와 같은 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 도 3에 도시된 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템과 비교할 때, 사용자의 안구쪽에 접하는 접안렌즈를 하이브리드렌즈로 형성하고, 디스플레이 소자 쪽에 위치하는 렌즈를 단순히 구면렌즈로 배치토록 한 점에서 차이가 있다. As compared with the optical system of the head mounted display shown in FIG. 3, the optical system of the head mounted display as shown in FIG. 6 forms an eyepiece contacting the eyeball of the user with a hybrid lens, and the lens located on the display element side. There is a difference in that they are simply placed as spherical lenses.

위와 같은 구성으로 이루어지는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 화상을 나타내는 디스플레이 소자(30)에서 발생한 영상광이 구면렌즈(61) 통과하여 하이브리드 접안렌즈(62)에 유도된 뒤, 상기 하이브리드 접안렌즈(62)의 플라스틱 비구면 입사면(621)을 통해 입사하게 되면 상기 하이브리드 접안렌즈(62)의 플라스틱 성형부 내에서 상기 구면렌즈(61)를 통과하며 발생한 각종 수차의 보상과정을 거친 후 유리재질의 구면의 입사면(622)과 출사면(623)을 통과하여 사용자의 안구에 효과적으로 결상되게 된다.In the optical system of the head mounted display having the above-described configuration, the image light generated by the display element 30 representing the image passes through the spherical lens 61 and is guided to the hybrid eyepiece 62, and then the hybrid eyepiece 62. When the light enters through the plastic aspherical surface 621, the glass sphere of the hybrid eyepiece 62 passes through the spherical lens 61 and undergoes a compensation process for various aberrations. Passing through the surface 622 and the exit surface 623 is effectively imaged on the user's eye.

상기 하이브리드 접안렌즈(31)는 디스플레이 소자에서 투사된 영상광이 구면렌즈를 거쳐출사된 영상광의 입사면과 출사면 중 적어도 한 면이 플라스틱 면으로 형성되며, 그 구체적인 예로서는 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이 구면렌즈에서 출사된 영상광의 입사면에 플라스틱 성형부를 위치시키고, 출사면쪽에 유리렌즈가 위 치되도록 하거나, 또는 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이 구면렌즈에서 출사된 영상광의 입사면에 유리렌즈가 위치되도록 하고, 플라스틱 성형부가 출사면쪽에 위치되도록 배치할 수도 있다.In the hybrid eyepiece 31, at least one of an entrance surface and an exit surface of the image light projected from the display element through the spherical lens is formed of a plastic surface, and as a specific example, in FIG. As shown, the plastic molding is positioned on the incident surface of the image light emitted from the spherical lens, and the glass lens is positioned on the emission surface side, or the incident surface of the image light emitted from the spherical lens as shown in FIG. The glass lens may be positioned at the position, and the plastic molding may be disposed at the exit surface side.

상기의 설명에 의한 실시예는 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 않은 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Embodiments according to the above description can be variously changed and modified without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the examples, but should be defined by the claims.

본 발명에 따른 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템은 영상광을 발산하는 화상표시장치인 디스플레이 소자(30)와 하이브리드 렌즈(31)와 접안렌즈(32)로 이루어지는 구성에 의하여 구면수차와 색수차와 같은 광학수차를 최소화하면서도 가공이 용이하고, 또 부피와 무게도 현저하게 줄일 수가 있게 된다.The optical system of the head mounted display according to the present invention has an optical aberration such as spherical aberration and chromatic aberration by the configuration of the display element 30, the hybrid lens 31 and the eyepiece 32, which are image display devices that emit image light. It is easy to process and minimizes the volume and weight.

Claims (4)

디스플레이 소자;Display elements; 상기 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 광축을 따라 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광을 굴절시켜 인접설치되는 접안렌즈로 유도되도록 하는 하이브리드 렌즈; 및A hybrid lens disposed to be spaced apart a predetermined distance along an optical axis of the image light generated by the display element, and to refract the image light projected by the display element to guide the adjacent eyepiece; And 상기 하이브리드 렌즈의 전방에 배치되며 상기 하이브리드 렌즈로부터 출사된 영상광을 사용자의 안구에 포커싱하는 접안렌즈;로 이루어지고,An eyepiece disposed in front of the hybrid lens and focusing the image light emitted from the hybrid lens on an eye of a user; 상기 하이브리드 렌즈는 영상광이 입사되는 입사면과 영상광이 출사되는 출사면이 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 유리렌즈와, 상기 유리렌즈의 어느 한 면에 부착되어 외기와 접촉되는 면이 회전대칭 비구면을 형상을 가지는 플라스틱 성형부로 이루어지며,The hybrid lens includes a glass lens having both an incident surface into which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted, and a surface that is attached to one surface of the glass lens and is in contact with external air. It is made of a plastic molding having a shape, 상기 접안렌즈의 입사면과 출사면은 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템.And an entrance surface and an exit surface of the eyepiece are both rotationally symmetrical spherical surfaces. 제 1항에 있어, 디스플레이 소자와 하이브리드 렌즈 사이의 광경로상에 45˚ 경사를 가진 평면 반사면을 추가로 배치한 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템.The optical system of claim 1, further comprising a planar reflecting surface having an inclination of 45 DEG on an optical path between the display element and the hybrid lens. 디스플레이 소자; Display elements; 상기 디스플레이 소자에서 발생하는 영상광의 광축을 따라 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이 소자에서 투사되는 영상광을 굴절시켜 인접설치되는 하이브리드 접안렌즈로 유도되도록 하는 구면렌즈; 및A spherical lens disposed at a predetermined distance apart from the optical axis of the image light generated by the display element and refracting the image light projected by the display element to be guided to a hybrid eyepiece installed adjacent thereto; And 상기 구면렌즈의 전방에 배치되며 상기 구면렌즈로부터 출사된 영상광을 사용자의 안구에 포커싱하는 하이브리드 접안렌즈;로 이루어지고,And a hybrid eyepiece disposed in front of the spherical lens and focusing the image light emitted from the spherical lens on the eyeball of the user. 상기 구면렌즈의 입사면과 출사면은 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지며,Both the entrance surface and the exit surface of the spherical lens is made of a spherical surface of rotation symmetry, 상기 하이브리드 접안렌즈는 영상광이 입사되는 입사면과 영상광이 출사되는 출사면이 모두 회전대칭의 구면으로 이루어지는 유리렌즈와, 상기 유리렌즈의 어느 한 면에 부착되어 외기와 접촉되는 면이 회전대칭 비구면을 형상을 가지는 플라스틱 성형부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템.The hybrid eyepiece includes a glass lens having both an incident surface into which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted, and a surface that is attached to one surface of the glass lens and in contact with outside air. An optical system for a head mounted display, characterized in that it consists of a plastic molded part having an aspherical surface. 제1항에 있어, 디스플레이 소자와 구면렌즈 사이의 광경로상에 45˚ 경사를 가진 평면 반사면을 추가로 배치한 것을 특징으로 하는 헤드마운트 디스플레이의 광학시스템.The optical system of claim 1, further comprising a planar reflecting surface having a 45 degree inclination on an optical path between the display element and the spherical lens.
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KR101511010B1 (en) * 2015-01-28 2015-04-09 김진태 Correction lens device for viewing the very short distance
WO2019168333A1 (en) * 2018-02-28 2019-09-06 주식회사 브이알이지이노베이션 Integrated vr headset device

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