KR20130116548A - Optical system for see-through type head mounted display - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영상소자, 조명계, 다수개의 렌즈 및 3D 입체거울(StereoScope)을 이용하여 입체감 있는 고화질(Full HD)을 생생하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈 및 거울이 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시켜 영상과 외부물체를 모두 볼 수 있는 투과형(See-Through Type) 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical system for a transmissive head mounted display, and more particularly, to an optical system for a transmissive head mounted display, and more particularly to an image device, an illumination system, a plurality of lenses, and a 3D stereo mirror (StereoScope). Full HD can be realized vividly, and the see-through type head can see both the image and the external object by transmitting part of the light and reflecting part of the light. An optical system for a mount display.
일반적으로 헤드 마운트 디스플레이(Head Mounted Display : HMD이라 한다. 이하 같다)용 광학시스템은 눈과 매우 근접한 위치에서 발생하는 영상광을 정밀한 광학 장치를 이용하여 먼 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대된 허상을 볼 수 있도록 하는 영상 표시 장치이다. HMD용 광학시스템은 원래 군사용으로 사용되었으나, 컴퓨터 시스템의 고성능화 및 소형화가 비약적으로 진행되고 디스플레이소자의 비약적인 발전으로 인해 몸에 착용하는 컴퓨터(Wearable Compter) 개념이 제시되었고, 그에 따른 몸에 착용하는 모니터(Wearable Monitor)로써 HMD용 광학시스템의 필요성과 가능성이 연구되었다.In general, the optical system for a head mounted display (HMD, which is referred to as below) is used to precisely construct a large virtual screen at a long distance by using a precise optical device to generate an image light generated at a position very close to the eye. It is an image display device that allows a user to view an enlarged virtual image by forming a focus. The optical system for HMD was originally used for military use, but due to the rapid progress of high performance and miniaturization of computer system, and the rapid development of display devices, the concept of wearable computer was presented, and thus the monitor worn on the body As a wearable monitor, the necessity and possibility of the optical system for HMD were studied.
HMD용 광학시스템은 두 개의 디스플레이 소자에서 양안에 각각의 독립적인 광경로를 형성하는 양판 양안(Binocular)식, 하나의 디스플레이 소자를 사용하여 양안에 각각 대칭의 광경로를 형성하는 단판 양안식 및 하나의 디스플레이 소자로부터 양안 중 한쪽 눈에만 빛 경로를 제공하는 단판 단안(Monocular)식 등으로 나뉜다. The optical system for HMD is a binocular binocular that forms each independent optical path in both eyes in two display elements, and a single plate binocular that forms a symmetric optical path in both eyes using one display element. The display device is divided into a single plate monocular type that provides a light path to only one eye of both eyes.
기존의 양판 양안식을 사용하는 경우 값비싼 디스플레이 소자를 2개 사용해야 하므로 제품의 가격이 상승하여 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있었다. In the case of using a conventional two-sided binocular, there is a problem in that the cost of the product is increased because the two expensive display elements must be used.
또한 기존의 HMD용 광학시스템은 차단형(See-Closed Type)이 대다수였는데, 차단형은 눈동자로부터 25㎜전후에서 착용자의 시각이 차단되어 암막 상태에서 영상을 보게 되므로, 장시간 착용시 눈의 피로도가 급증하는 등 인체에 다양한 부작용을 초래하는 문제점이 있었다. In addition, the existing HMD optical system was mostly a see-closed type, which is blocked by the wearer's vision around 25 mm from the pupil, so that the user can see the image in a blackout state, and thus eyes fatigue during long time wearing There was a problem that causes a variety of side effects, such as a surge in the human body.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 영상소자, 조명계, 다수개의 렌즈 및 3D 입체거울(StereoScope)을 이용하여 입체감 있는 고화질(Full HD)을 생생하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈 및 거울이 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시켜 영상과 외부물체를 모두 볼 수 있는 투과형(See-Through Type) 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above-described problems, the object of the present invention can vividly implement a three-dimensional high-definition (Full HD) by using an image device, an illumination system, a plurality of lenses and a 3D stereoscope (Virtual scope) Rather, it provides an optical system for a see-through type head mounted display in which a lens and a mirror transmit part of light and reflect part of it to see both an image and an external object.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단판 양안식 광학시스템에 의해서도 양판 양안식에서 제공하는 동등한 수준의 넓은 시야각(FIELD OF VIEW, FOV)과 충분한 아이릴리피(EYE RELIEF)를 확보할 수 있는 단판 양안식 헤드 마운트 디스플레이 광학시스템을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is a single plate binocular head capable of securing an equivalent wide field of view (FOV) and sufficient EYE RELIEF provided by a double plate binocular optical system. The present invention provides a mount display optical system.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템은, 영상(Image)을 구성하는 빛을 출사하는 디스플레이 소자; 상기 디스플레이 소자의 전방에 위치하여 상기 출사된 빛을 선평광된 빛으로 선택적으로 투과시켜 광량을 증가시키는 편광자(Polarizer); 상기 편광자의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 선평관된 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 반투과 거울(Half mirror); 상기 반투과 거울의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 투과된 빛의 전부를 반사시키는 전반사 곡면거울(Curved mirror); 및 상기 전반사 곡면거울 전면에 위치하여 상기 전반사된 빛이 선평광이면 원편광으로 변환시키거나 또는 상기 전반사된 빛이 원편광이면 선편광으로 변환시키는 위상 지연판;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical system for a transmissive head mounted display comprising: a display element for emitting light constituting an image; A polarizer positioned in front of the display element to selectively transmit the emitted light to the linearly-planned light to increase the amount of light; A half mirror positioned in front of the light propagation direction of the polarizer to transmit a portion of the linearly-viewed light and reflect a portion thereof; A total reflection curved mirror positioned in front of the light propagation direction of the transflective mirror to reflect all of the transmitted light; And a phase delay plate positioned in front of the total reflection curved mirror to convert circularly polarized light into circularly polarized light or to convert linearly polarized light into totally polarized light.
또한 상기 위상 지연판은 λ/4 위상 지연판(QWP : Quater Wavelength Plate)인 것이 바람직하다.In addition, the phase delay plate is preferably a λ / 4 phase delay plate (QWP: Quater Wavelength Plate).
또한 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템은, 상기 디스플레이 소자의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 출사된 빛을 모으는 집광 렌즈(Condensor lens);를 더 포함할 수 있다.The optical system for a transmissive head mounted display may further include a condensor lens positioned in front of the light traveling direction of the display element to collect the emitted light.
또한 상기 집광 렌즈는, 적어도 하나의 구면렌즈 또는 적어도 하나의 비구면렌즈 중 선택된 렌즈의 조합으로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the condensing lens is preferably composed of a combination of lenses selected from at least one spherical lens or at least one aspherical lens.
또한 상기 전반사 곡면거울은, 구면거울 또는 비구면거울로 구성되는 것이 바람직하다. In addition, the total reflection curved mirror is preferably composed of a spherical mirror or an aspheric mirror.
또한 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템은, 양쪽 눈동자 사이의 거리를 조절하는 조절수단;을 더 포함할 수 있다.The optical system for a transmissive head mounted display may further include adjusting means for adjusting a distance between both eyes.
또한 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템은, 외부물체를 보려고 할 때 상기 디스플레이 소자의 영상출사를 중단시키는 정지수단;을 더 포함할 수 있다.The optical system for a transmissive head mounted display may further include stop means for stopping the image output of the display element when the external object is to be viewed.
또한 상기 디스플레이 소자는, 반사형인 실리콘 액정 표시소자(Liquid Crystal on Silicon : LCoS), 디지털 광원 표시소자(Digital Light Processing : DLP), 광원이 결합된 마이크로 LCD 소자 또는 자체발광하는 마이크로 OLED 소자인것이 바람직하다.The display device may be a reflective liquid crystal on silicon (LCoS), a digital light processing device (DLP), a micro LCD device with a light source, or a micro OLED device that emits light. Do.
본 발명에 따르면, 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템은 영상소자, 조명계, 다수개의 렌즈 및 3D 입체거울(StereoScope)을 이용하여 입체감 있는 고화질(Full HD)을 생생하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈 및 거울이 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시켜 영상과 외부물체를 모두 볼 수 있는 투과형(See-Through Type)을 구현할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the optical system for a transmissive head mounted display can not only vividly realize full HD with high definition (Full HD) by using an image device, an illumination system, a plurality of lenses, and a 3D stereoscope, but also a lens and a mirror. Part of the light is transmitted and part is reflected to realize the see-through type that can see both the image and the external object.
본 발명에 따르면, 제품을 고해상도화 및 경량화할 수 있고 인간의 눈에 이상적인 영상을 구현할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to make the product high resolution and light weight, and to realize an ideal image for the human eye.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 분해능 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 왜곡수차(Distortion) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 비점수차(Astigmatic Field) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 광선수차(Ray Aberration) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성도이다.1 is a view showing an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a resolution characteristic of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating distortion characteristics of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing astigmatic field characteristics of the optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating Ray Aberration characteristics of the optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of an optical system for a transmissive head mounted display according to another embodiment of the present invention.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings in which: FIG. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.
또한, 명세서에 기재된 "부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the term "unit" described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only a case where the part is directly connected, but also a case where another system is connected in the middle.
HMD용 광학 시스템은 머리에 장착하여 사용되고 사용자의 눈에 영상을 제공하는 장치로, 가상 현실을 비롯하여 영상을 표시하기 위한 다양한 분야에서 이용되고 있다. HMD용 광학 시스템은 일반적으로는 고글 형상 혹은 대형의 안경의 프레임 형상으로 형성된다. The HMD optical system is a device mounted on the head and used to provide an image to a user's eyes, and is used in various fields for displaying an image including virtual reality. The optical system for the HMD is generally formed in the shape of goggles or a frame of large glasses.
본 발명에서는 사람의 눈에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 투과형(See-Through type)으로 좀더 복합적인 기능이 가능한 구조로 설계되었다. HMD용 광학 시스템은 경량화, 소형화, 고해상도를 만족하도록 구성되어야 하며, 이러한 필수조건을 만족시키기 위해서 가장 이상적으로는 사람 눈의 모형에 근접한 설계가 이루어져야 한다. 즉 색수차(Relative Field), 공간주파수 분해능(MTF), 왜곡수차(Distortion) 등이 만족할 만한 결과가 나와야 사람의 눈과 결합되어 최적의 영상을 전달할 수 있게 된다.In the present invention, it is designed as a structure capable of more complex functions in a see-through type that can minimize the effect on the human eye. The optical system for HMD should be designed to meet the weight, miniaturization, and high resolution, and in order to satisfy these requirements, the design should be ideally close to the model of the human eye. In other words, satisfactory results such as chromatic aberration (Relative Field), spatial frequency resolution (MTF), and distortion aberration (Distortion) can be combined with the human eye to deliver the optimal image.
또한 현재 스마트폰의 폭발적인 사용에 따라, 앞으로는 스마트폰과의 융합(Convergence) 장치로서 각광을 받을 것이며, 증강현실(Virtual Reality : VR)의 새로운 개념으로 제시되게 될 것이다. In addition, according to the explosive use of the current smartphone, it will be spotlighted as a convergence device with the smartphone, and will be presented as a new concept of augmented reality (VR).
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 투과형 HMD용 광학시스템(100)은 거울과 렌즈 등 광학계가 배치되는 케이스 본체와 상기 케이스 본체와 일체로 형성되어 머리에 장착가능하게 하는 케이스 다리로 구성된다.As shown in (a) of FIG. 1, the transmission-type HMD optical system 100 includes a case main body in which optical systems such as a mirror and a lens are disposed, and a case leg formed integrally with the case main body to be mounted on the head. do.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 투과형 HMD용 광학시스템(100)은 양쪽 눈(20) 사이의 거리를 조절하는 조절수단(180)을 더 포함할 수 있다. 즉 사람마다 눈(20) 사이의 거리가 다르므로 이를 조절하는 수단을 두어 보다 사용이 편리한 인체공학적(Ergonomic) 광학시스템이 되는 것이다. 또한 투과형 HMD용 광학시스템(100)은 사용자가 외부물체를 보고자 할 때 디스플레이 소자(110)의 영상출사를 중단시키는 정지수단(190)을 더 포함할 수 있다. 사용자가 투과형 HMD용 광학시스템(100)을 사용하다가 필요에 의해서 외부를 보고자 할 때에는 정지수단(190)을 사용하면 영상의 출사가 중단되고 외부를 볼 수 있게 된다.As shown in FIG. 1B, the optical system for transmission HMD 100 may further include adjusting means 180 for adjusting the distance between both
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템의 구성도이다. 2 is a block diagram of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투과형 HMD용 광학시스템(100)은 디스플레이 소자(110), 집광 렌즈(Condensor lens, 130), 편광자(Polarizer, 140), 반투과 거울(Half mirror, 150), 위상 지연판(160) 및 전반사 곡면거울(Curved mirror, 170)를 포함한다. Referring to FIG. 2, an optical system 100 for a transmissive HMD according to an embodiment of the present invention includes a
디스플레이 소자(110)는 영상(Image)을 구성하는 빛을 출사하는 역할을 한다. 디스플레이 소자(110)는 반사형인 실리콘 액정 표시소자(Liquid Crystal on Silicon : LCoS), 디지털 광원 표시소자(Digital Light Processing : DLP), 광원이 결합된 마이크로 LCD 소자 또는 자체발광하는 마이크로 OLED 소자로서, 크기가 1인치 이하인 것이 바람직하다. 한편, 마이크로 반사형인 실리콘 액정 표시소자, 디지털 광원 표시소자, 마이크로 LCD 소자는 자체 발광이 아니므로 외부에서 광원이 결합되어야 한다. 즉, 백라이트를 사용한 투과형 마이크로 LCD 패널 또는 프론트 라이트(Frontlight)를 사용한 반사형 마이크로 LCD 패널이 가능하다. 마이크로 OLED 패널은 자체 발광이 가능하기 때문에 별도의 광원이 필요 없으며 투과형 헤드 마운트 디스플레이 광학시스템(100)을 보다 간단하고 소형으로 구성할 수 있다.The
집광 렌즈(Condensor lens, 130)는 디스플레이 소자(115)의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 출사된 빛을 모으는 역할을 한다. 집광 렌즈(135)란 광원(빛샘)으로부터 어떤 입체각 내에 발산하는 광선속(빛다발)을 이보다 작은 입체각 내에 모아서 높은 조도를 얻기 위한 렌즈로서 결상 렌즈만큼 정밀도를 요하지 않고 집광하는 입체각은 가급적 큰 것이 바람직하다. 따라서 초점 거리에 비해서 구경이 크다. 집광 렌즈(130)는 적어도 하나의 구면렌즈 또는 적어도 하나의 비구면렌즈 중 선택된 렌즈의 조합으로 구성되는 것이 바람직하다. The
편광자(Polarizer, 140)는 집광 렌즈(Condensor lens, 130)는 전방에 위치하여 상기 집광된 빛을 선평광된 빛으로 선택적으로 투과시켜 광량을 증가시키는 역할을 하는 광학소자이다. 일반적으로 편광자(140)는 원하는 편광상태의 빛만을 투과시키고 다른 빛을 흡수하는 수자와 두 개의 직선편광으로 분리하는 소자로 나뉜다. 편광자(140)는 도선 격자형 편광자(Wire-Grid type Polarizer)인 것이 바람직하다. 도선 격자형 편광자는 Moxtek사의 제품일 수 있다. 도선 격자형 편광자를 사용하면 종래보다 3-4배 밝은 투과형 헤드 마운트 디스플레이 광학시스템(100)을 구성할 수 있다. 또한 이러한 구성은 시야각(FIELD OF VIEW, FOV)를 최대(50deg 이상)한 확보하는데 유리하다.Polarizer (140) is a condenser lens (Condensor lens, 130) is located in the front is an optical element that serves to increase the amount of light by selectively transmitting the focused light to the linearly flattened light. In general, the
또한, 도선 격자형 편광자는 PBS(Polarization Beam Splitter)에서 발생하였던 스큐각(skew angle)의 문제가 없어져 아주 높은 콘트라스트(Contrast : 대조비)를 얻을 수 있다. 도선 격자형 편광자는 종래부터 전파나 적외선 검파 등에 사용되어 왔으나, 파장이 짧은 가시광선 영역에서 사용할 수 있는 것이 투과형 HMD용 광학시스템(100)에 사용되게 된다. In addition, the wire lattice polarizer eliminates the problem of skew angle generated in the polarization beam splitter (PBS), thereby obtaining a very high contrast. Although the wire lattice polarizer has been conventionally used for radio waves, infrared detection, and the like, it can be used in the transmission type HMD optical system 100 that can be used in a short visible light region.
반투과 거울(150)은 집광 렌즈(130)의 빛 진행방향 전방에 위치하여 모아진 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 역할을 한다. 반투과 거울(150)은 디스플레이 소자(110)의 종류에 따라서는 PBS(Polarization Beam Splitter)도 사용이 가능하다. 반투과 거울(150)은 입사되는 빛의 50%가 투과(See-Through)되는 것이 바람직하다.The
위상 지연판(160)은 반사된 선편광을 원편광으로 변환시키거나 입사된 원편광을 선편광으로 변화시키는 역할을 한다. 위상 지연판(160)은 λ/4 위상 지연판(Quater Wavelength Plate : QWP)인 것이 바람직하다. λ/4 위상 지연판은 복굴절 현상을 이용하여 정상광선과 이상광선 사이의 상대적 위상차 (m은 정수)가 되도록 만든 광학소자이다. 90°의 위상 변화는 선편광을 원편광(또는 타원편광)으로, 원편광(또는 타원편광)을 선편광으로 만들 수 있지만, 선편광 방향이 두 주축 중 하나에 평행하면 어떤 종류의 위상 지연판(160)에서도 영향을 받지 않는다.The
물질의 비등방성을 이용하여 광이 입사할 때 위상 지연판(160)의 x-축 방향과 y-축 방향의 굴절률이 다른 것을 이용하면 위상차를 구할 수 있다. 위상 지연판(160)의 두께가 t, 파장이 λ, 결정의 광축 방향과 평행한 편광에 대한 굴절률이 , 결정의 광축 방향과 수직한 편광에 대한 굴절률이 이면 위상차는 다음과 같이 구할 수 있다.When the light is incident by using anisotropy of the material, the phase difference may be obtained by using different refractive indices in the x-axis direction and the y-axis direction of the
(m은 정수) (m is an integer)
여기서 가 될 때 그 위상 지연판(160)을 λ/4 위상 지연판이라 한다.here When the
전반사 곡면거울(170)은 반투과 거울(150)의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 투과된 빛의 전부를 반사시키는 역할을 한다. 전반사 곡면거울(170)은 구면거울 또는 비구면거울로 구성되는 것이 바람직하다. 전반사 곡면거울(170)은 입사되는 빛의 100%가 반사되는 것이 바람직하다.The total reflection curved
본 발명의 실시예에 따른 투과형 HMD용 광학시스템(100)의 작동 원리는 다음과 같다.The operating principle of the optical system for transmission HMD 100 according to the embodiment of the present invention is as follows.
먼저, 디스플레이 소자(110)에서 출사되는 영상(Image)을 구성하는 빛은 최적화된 집광 렌즈(130)로 모아져서, 위쪽 방향으로 진행한다. 이렇게 위쪽 방향으로 진행한 영상을 구성하는 빛은 편광자(145)를 거쳐 단일편광으로 바뀌게 된다. 이렇게 편광된 빛은 반투과 거울(155)에서 투과된 후 직진하여 진행방향 전방에 위치한 위상 지연판(165) 바람직하게는 λ/4 위상 지연판을 투과하여 선평광 또는 원평관된 빛으로 바뀌어서 전반사 곡면거울(175)으로 진행한다. 이 전반사 곡면거울(175)에서 다시 반사된 영상을 구성하는 빛은 반투과 거울(Half mirror, 155)로 되돌아 가서 윈도우(10)로 굴절되어 진행하여 사람의 눈(20)에 영상을 맺게 한다.First, the light constituting the image emitted from the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 분해능 특성을 나타내는 그래프이다. 분해능을 보다 구체적으로는 공간주파수 분해능(MTF, Modulation Transfer Field)이라고 하며, 사람의 눈이 빛의 분해를 수용할 수 있는 능력이다. 명암도(Contrast)는 눈에 근접해서는 60% 이상이며, FOV(Field Of View)의 가장자리에서는 0%이다. 일반적으로 시력이 1.0인 사람 눈의 분해능은 약 1.0acrminute이다. 따라서, 명시거리 250㎜에서 대략 6.88lp/㎜ 정도에 해당하는 흑백 막대로 구성된 표적을 구분해낼 수 있다.3 is a graph showing a resolution characteristic of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention. The resolution is more specifically called Modulation Transfer Field (MTF), which is the ability of the human eye to accept the decomposition of light. Contrast is more than 60% close to the eye and 0% at the edge of the field of view (FOV). In general, the resolution of a human eye with a visual acuity of 1.0 is about 1.0acrminute. Therefore, it is possible to distinguish a target composed of black and white bars corresponding to approximately 6.88 lp / mm at the specified distance of 250 mm.
최적을 초점에서 공간주파수 분해능(MTF, Modulation Transfer Field)은 100lp/㎜ 정도에서 약 20%이다.At focus, the spatial frequency resolution (MTF) is about 20% at around 100 lp / mm.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 왜곡수차(Distortion) 특성을 나타내는 그래프이다. 출사동(Exit Pupil : 개구조리개의 상공간에서의 상)의 직경이 8㎜일 때 최적화된 광학 시스템의 왜곡수차를 보여준다.4 is a graph illustrating distortion characteristics of an optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention. It shows the distortion aberration of the optimized optical system when the diameter of the exit pupil (image in the open space of the aperture) is 8 mm.
왜곡수차는 렌즈 수차의 일종으로 주어진 화면거리에 대하여 사진상에 지점부터의 거리에 의해 배율이 상이하게 되는 현상을 말한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 사람의 눈에 대한 빛의 입사각도가 2.85°, 5.68°, 8.49° 및 11.25°인 경우, 1.5% 이내로 설계되어 있음을 알 수 있다. Distortion aberration is a type of lens aberration, which is a phenomenon in which the magnification varies depending on a distance from a point on a photograph with respect to a given screen distance. As shown in FIG. 4, when the incident angles of light to the human eye are 2.85 °, 5.68 °, 8.49 °, and 11.25 °, it can be seen that they are designed within 1.5%.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 비점수차(Astigmatic Field) 특성을 나타내는 그래프이다. 출사동의 직경이 8 ㎜일 때 최적화된 광학 시스템의 비점수차를 보여준다. 5 is a graph showing astigmatic field characteristics of the optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention. The astigmatism of the optimized optical system is shown when the diameter of the exit pupil is 8 mm.
비점수차는 주축에서 떨어져 있는 물체의 상(像)이 완전한 점이 되지 않고 고리 모양 또는 방사상으로 흐릿해지는 현상을 말한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 사람의 눈에 대한 빛의 입사각도가 2.85°, 5.68°, 8.49° 및 11.25°인 경우, 비점수차가 0.05 ㎜이내로 설계되어 전체적으로 안정적임을 알 수 있다.Astigmatism refers to a phenomenon in which an image of an object distant from the main axis becomes a ring or radial blur without being a perfect point. As shown in FIG. 5, when the incident angles of light to the human eye are 2.85 °, 5.68 °, 8.49 °, and 11.25 °, it can be seen that the astigmatism is designed to be within 0.05 mm to be generally stable.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 광선수차(Ray Aberration) 특성을 나타내는 그래프이다. 출사동의 직경이 8 ㎜일 때 최적화된 광학 시스템의 광선수차를 보여준다. 6 is a graph illustrating Ray Aberration characteristics of the optical system for a transmissive head mounted display according to an embodiment of the present invention. The light aberration of the optimized optical system is shown when the diameter of the exit pupil is 8 mm.
광선수차는 파장에 의한 굴절률이 서로 다른 성질, 즉 분산에 의하여 일어나는 수차로 렌즈를 통하여 물체의 상이 맺어질 때 해당 물체로부터 나오는 빛깔에 따라 굴절률이 달라져 상이 생기는 위치와 배율 따위가 달라지는 현상을 말한다. Light aberration refers to a phenomenon in which the refractive index is different according to the wavelength, that is, the aberration caused by dispersion, and when the image of the object is formed through the lens, the refractive index is changed according to the color emitted from the object, and thus the position and magnification of the image are different.
도 6에 도시된 바와 같이, 광선수차가 9㎛이내로 설계되어 전체적으로 안정적임을 알 수 있다. 또한 네 가지 파장에 따른 광선수차도 큰 차이가 없어 안정적임을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that the light aberration is designed to be within 9 μm and is generally stable. In addition, it can be seen that the light aberration according to the four wavelengths is also stable because there is no big difference.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템의 구성도이다. 7 is a block diagram of an optical system for a transmissive head mounted display according to another embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 투과형 HMD용 광학시스템(100)은 디스플레이 소자(115), 편광자(Polarizer, 145), 반투과 거울(Half mirror, 155), 위상 지연판(165) 및 전반사 곡면거울(Curved mirror, 175)를 포함한다. 즉 도 2를 참조하여 설명한 투과형 HMD용 광학시스템(100)에서 집광 렌즈(130)가 제거된 구성이다. 위에서 설명한 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 해당 부분을 참고하면 되므로, 여기에서는 이에 대한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 7, an optical system 100 for a transmissive HMD includes a
본 발명의 다른 실시예에 따른 투과형 HMD용 광학시스템(100)의 작동 원리는 다음과 같은 점에서 차이가 있다.The operating principle of the transmission-type HMD optical system 100 according to another embodiment of the present invention is different in the following points.
먼저, 디스플레이 소자(110)에서 출사되는 영상(Image)을 구성하는 빛은 편광자(140)를 거쳐 단일편광으로 바뀌게 된다. 이렇게 편광된 빛은 반투과 거울(150)에서 투과된 후 직진하여 진행방향 전방에 위치한 위상 지연판(160) 바람직하게는 λ/4 위상 지연판을 투과하여 선평광 또는 원평관된 빛으로 바뀌어서 전반사 곡면거울(170)으로 진행한다. 편광된 빛은 전반사 곡면거울(170)에서 다시 전반사된 빛은 반투과 거울(Half mirror, 150)로 되돌아 가서 윈도우(10)로 굴절되어 진행하여 사람의 눈(20)에 영상을 맺게 한다.First, the light constituting the image emitted from the
전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It is to be understood that the foregoing description of the disclosure is for the purpose of illustration and that those skilled in the art will readily appreciate that other embodiments may be readily devised without departing from the spirit or essential characteristics of the disclosure will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 개시의 보호 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is to be understood that the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing description and that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalents thereof are included in the scope of the present invention .
100 : 투과형 HMD용 광학시스템 110, 115 : 디스플레이 소자
130 : 집광 렌즈 140, 145 : 편광자
150, 155 : 반투과 거울 160, 165 : 위상 지연판
170, 175 : 전반사 곡면거울 180 : 조절수단
190 : 정지수단100: optical system for
130:
150, 155:
170, 175: total reflection curved mirror 180: adjustment means
190: stop means
Claims (8)
영상(Image)을 구성하는 빛을 출사하는 디스플레이 소자;
상기 디스플레이 소자의 전방에 위치하여 상기 출사된 빛을 선평광된 빛으로 선택적으로 투과시켜 광량을 증가시키는 편광자(Polarizer);
상기 편광자의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 선평관된 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 반투과 거울(Half mirror);
상기 반투과 거울의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 투과된 빛의 전부를 반사시키는 전반사 곡면거울(Curved mirror); 및
상기 전반사 곡면거울 전면에 위치하여 상기 전반사된 빛이 선평광이면 원편광으로 변환시키거나 또는 상기 전반사된 빛이 원편광이면 선편광으로 변환시키는 위상 지연판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.In an optical system for a transmissive head mounted display,
A display device that emits light constituting an image;
A polarizer positioned in front of the display element to selectively transmit the emitted light to the linearly-planned light to increase the amount of light;
A half mirror positioned in front of the light propagation direction of the polarizer to transmit a portion of the linearly-viewed light and reflect a portion thereof;
A total reflection curved mirror positioned in front of the light propagation direction of the transflective mirror to reflect all of the transmitted light; And
Transmissive head-mounted display comprising a phase delay plate located in front of the total reflection curved mirror to convert the totally reflected light to linearly polarized light, or to convert the totally reflected light into circularly polarized light; Optical system.
상기 위상 지연판은 λ/4 위상 지연판(QWP : Quater Wavelength Plate)인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1,
And the phase retardation plate is a λ / 4 phase retardation plate (QWP: Quater Wavelength Plate).
상기 디스플레이 소자의 빛 진행방향 전방에 위치하여 상기 출사된 빛을 모으는 집광 렌즈(Condensor lens);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1,
And a condenser lens positioned in front of the light traveling direction of the display element to collect the emitted light.
적어도 하나의 구면렌즈 또는 적어도 하나의 비구면렌즈 중 선택된 렌즈의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 3, wherein the condensing lens
An optical system for a transmissive head mounted display, characterized in that it consists of a combination of lenses selected from at least one spherical lens or at least one aspherical lens.
구면거울 또는 비구면거울로 구성되는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1, wherein the total reflection curved mirror is
Optical system for a transmissive head-mounted display, characterized in that consisting of a spherical mirror or an aspheric mirror.
양쪽 눈동자 사이의 거리를 조절하는 조절수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1,
Adjusting means for adjusting the distance between both pupils; Transmissive head-mounted display optical system further comprising.
상기 디스플레이 소자의 영상출사를 중단시키는 정지수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1,
And a stop means for stopping image output of the display element.
반사형인 실리콘 액정 표시소자(Liquid Crystal on Silicon : LCoS), 디지털 광원 표시소자(Digital Light Processing : DLP), 광원이 결합된 마이크로 LCD 소자 또는 자체발광하는 마이크로 OLED 소자인 것을 특징으로 하는 투과형 헤드 마운트 디스플레이용 광학시스템.The method of claim 1, wherein the display element
Transmissive head mounted display, characterized in that it is a reflective liquid crystal on silicon (LCoS), digital light processing (DLP), a micro LCD device with a light source or a self-emitting micro OLED device Optical system.
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