KR20150094891A - Optical system for Head Mount Display - Google Patents

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KR20150094891A
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optical system
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KR1020140015724A
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류재명
이기훈
경재현
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(주)그린광학
금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates particularly to an optical system for a head mount display capable of providing presence and immersion to a user by forming a virtual image at a pupil position and enlarging an image of a small-size display, and is to provide an optical system for a head mount display, wherein an aspheric prism form is embodied in which light emitted from a small-size display device such as an LCD or an LCoS is refracted on a first curved face with eccentricity, is reflected to an oblique plane and a second curved face, and is refracted on the oblique plane, to form a virtual image, thus it is possible to lower manufacturing costs and arrangement difficulty of a reflection face by using one reflecting mirror, it is possible to raise economic efficiency for processing costs since mirror face processing is performed only once, and it is possible to embody a small-sized, lightweight see-through-type head mount display and by processing and adhering to a proper compensator.

Description

헤드 마운트 디스플레이용 광학계{Optical system for Head Mount Display}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an optical system for a head mount display,

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 동공 위치에 허상을 만들어 소형 디스플레이의 영상을 확대시킴으로써 사용자에게 현장감과 몰입감을 줄 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a head-mounted display device, and more particularly, to an optical system for a head-mounted display capable of providing a user with a sense of presence and immersion by enlarging an image of a small display by creating a virtual image at a pupil position.

일반적으로 헤드 마운트 디스플레이 장치(Head Mount Display, HMD)는 눈과 매우 근접한 위치에서 발생하는 영상광을 정밀한 광학장치를 이용하여 먼 거리에 가상의 대형화면이 구성될 수 있도록 초점을 형성함으로써 사용자로 하여금 확대된 허상을 볼 수 있도록 하는 영상표시장치이다. HMD는 주위 환경은 볼 수 없고 디스플레이 소자에서 발산된 영상광만을 볼 수 있는 폐쇄식(See-close)과, 윈도우를 통해 주위 환경을 볼 수 있으면서도 디스플레이 소자에서 발산된 영상광 또한 볼 수 있는 투과식(See-through)으로 나뉜다.2. Description of the Related Art Generally, a head mount display (HMD) forms a focus so that a virtual large screen can be formed at a long distance using a precision optical device, So that an enlarged virtual image can be seen. The HMD is a closed type that can not see the surrounding environment but can only see the image light emitted from the display device and a transmissive display mode in which the surrounding light can be seen through the window, (See-through).

이러한 HMD는 개인이 안경처럼 착용하는 형태로 제공되기 때문에 경량이고 소형이며 고해상도를 제공해야 한다. 따라서 경량화, 소형화 및 고해상도를 위하여 HMD에 적용할 수 있는 다양한 광학계가 제안되어 왔다.These HMDs are lightweight, compact and provide high resolution because they are provided in a form that the individual wears like a pair of glasses. Therefore, a variety of optical systems applicable to the HMD have been proposed for weight reduction, miniaturization, and high resolution.

특히, 일반적인 회전 대칭성 광학계로 구성하면 렌즈와 소형 디스플레이가 광축에 대해 한 줄로 정렬되기 때문에 외부 풍경을 볼 수 있는 씨스루(See-through) 타입의 HMD의 구현이 원칙적으로 불가능하다. 따라서 회전 대칭이 아닌 편심된 광학계를 이용하여 HMD를 구현하고자 하는 시도가 있어왔다.In particular, since the lens and the small display are arranged in a line with respect to the optical axis, it is impossible in principle to implement a see-through type HMD capable of viewing an external scene. Therefore, there has been an attempt to implement an HMD using an eccentric optical system instead of rotational symmetry.

일례로, 일본 공개특허공보 제2003-241100호(2003. 08. 27. 공개)에는 편심이 있는 3개의 곡면을 갖는 프리즘(Prism) 형태로 구성한 편심광학계가 개시되어 있는데, 이러한 편심광학계는 광학 성능을 높이기 위해 보다 많은 광학면을 사용한다. 따라서 비구면 프리즘 경우에는 제작이 매우 까다로울 뿐만 아니라 광학 성능을 높이기 위해 보다 많은 광학면을 사용함으로써 광학부품의 제작 비용이 증가하고 광학부품들의 정렬에 많은 어려움이 있다.For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-241100 discloses an eccentric optical system in the form of a prism having three eccentric curved surfaces. This eccentric optical system has optical performance More optical surfaces are used. Therefore, in the case of an aspherical prism, it is difficult to fabricate the optical prism. In addition, since the number of optical surfaces is increased to increase the optical performance, the manufacturing cost of the optical component increases and the alignment of the optical components becomes difficult.

또한, 종래기술에 따르면 곡면을 시점면에 대해 기울여야 하므로 광학계 조립 자체가 상당히 어려워진다. 따라서 추가 광학부품이 생길수록 가공 비용 외에도 직접적인 조립 비용이 발생하며, 조립에 필요한 시간이 소요되어 생산 시간도 늘어나는 단점이 있다.Further, according to the related art, since the curved surface must be tilted with respect to the viewpoint surface, the optical system assembly itself becomes extremely difficult. Therefore, as additional optical parts are generated, direct assembly costs are incurred in addition to the processing cost, and it takes a long time to assemble to increase the production time.

일례로, 일본 공개특허공보 제2006-065234호(2006. 03. 09. 공개)에는 한 개의 광학부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 편심광학계와 그것을 이용한 광학시스템이 개시되어 있는데, 이는 한 개의 광학부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 광학계이긴 하지만 한 개의 부품 내에서 2번의 반사와 2번의 굴절이 발생하기 때문에, 굴절능의 변화를 가져오는 면이 총 3면(1면에서 중복으로 반사와 굴절이 있음)이어서 광학부품들을 정렬하는데 매우 어려운 문제점이 있다. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-065234 (published on Mar. 03, 2006) discloses an eccentric optical system for making a virtual image at a viewpoint using only one optical component and an optical system using the same. Although it is an optical system that makes a virtual image at the viewpoint using only a part, since two reflections and two reflections occur in one part, the plane that changes the refracting power is a total of three surfaces (reflection and refraction There is then a very difficult problem in aligning the optical components.

마찬가지로, 일본 공개특허공보 제2006-313365호(2006. 11. 16. 공개)의 영상표시장치에도 굴절능의 변화를 가져오는 면이 총 3면이나 있고, 1면에서 중복으로 반사와 굴절이 있어 광학부품의 제작 비용이 많이 소요되고, 광학부품들을 정렬하는데 어려움이 있다.
Likewise, the image display device of Japanese Laid-Open Patent Application No. 2006-313365 (published on November 16, 2006) has a total of three planes that change the refracting power, The manufacturing cost of the optical part is high, and it is difficult to align the optical parts.

일본 공개특허공보 제2003-241100호(2003. 08. 27. 공개)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-241100 (published on August 27, 2003) 일본 공개특허공보 제2006-065234호(2006. 03. 09. 공개)Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-065234 (published on March 03, 2006) 일본 공개특허공보 제2006-313365호(2006. 11. 16. 공개)Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2006-313365 (published on November 16, 2006)

따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광학성능을 높이기 위해 많은 광학면을 사용하지 않고 최소한의 반사거울만을 사용함으로써, 광학부품의 제작비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a head mount capable of lowering the manufacturing cost of an optical component and the difficulty of alignment of a reflective surface by using only a minimum of reflective mirrors without using a large number of optical surfaces, And an optical system for a display.

또한, 본 발명은 편심을 갖는 곡면을 적절히 배치하여 광학계의 크기를 최소화하고 경량화할 수 있는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an optical system for a head mount display capable of minimizing the size and weight of an optical system by appropriately disposing eccentric curved surfaces.

또한, 본 발명은 적절한 보상자(Compensator)를 가공하여 접합함으로써 씨스루 구현이 가능한 헤드 마운트 디스플레이용 광학계를 제공하는데 있다.
Further, the present invention is to provide an optical system for a head mount display which can realize a sealer by processing and bonding an appropriate compensator.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, LCD 또는 LCoS와 같은 소형 디스플레이 장치에서 발산된 빛이 편심이 있는 제1곡면에 굴절되고, 기울어진 평면과 제2곡면에 반사되며, 상기 기울어진 평면에서 굴절되어 허상을 만드는 비구면프리즘(Prism) 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, an optical system for a head mount display according to the present invention is an optical system for a head mount display, in which light emitted from a small display device such as an LCD or LCoS is refracted on a first curved surface having an eccentricity, And has an aspheric prism shape which is refracted in the inclined plane to make a virtual image.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display, HMD)를 착용한 사용자의 동공 면에 대해 x축을 중심으로 시계방향으로 θ d 만큼 기울어진 디스플레이소자에서 발산된 빛이 제1곡면에 굴절된 후, 상기 동공 면에 대해 x축을 중심으로 시계 방향으로 θ p 만큼 기울어진 측평면에서 반사하여 제2곡면에 입사하여 다시 반사되고, 상기 제2곡면에서 반사된 빛은 다시 상기 측평면에서 굴절되어 동공 근처에서 허상을 맺도록 2개의 곡면과 1개의 평면을 갖는 비구면프리즘(Prism) 형태인 것을 특징으로 한다. Further, a head mounted display optical system according to the present invention for achieving the above object, the head in a clockwise direction around the x axis for the pupil plane of a user wearing a mount display (Head Mount Display, HMD) inclined by θ d After the light emitted from the true display device is refracted on the first curved surface, the light is reflected on the side plane inclined clockwise by &thetas; p about the x-axis with respect to the pupil plane and is incident on the second curved surface, And the light reflected from the two curved surfaces is in the form of an aspheric prism having two curved surfaces and one flat surface so as to be refracted in the side planes and to form a virtual image near the pupil.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 제2곡면의 반대면에 상기 측평면과 동일한 각도로 기울어진 평면으로 제작한 보상자(Compensator)를 더 접합함으로써 씨스루 타입의 헤드 마운트 디스플레이를 구현할 수 있다.The optical system for a head mount display according to the present invention may further comprise a compensator formed on a plane opposite to the second curved plane and inclined at the same angle as the side plane, Can be implemented.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 제2곡면에 반투과 또는 편광 코팅(Coating)한 것을 특징으로 한다.The optical system for a head-mounted display according to the present invention is characterized in that the second curved surface is coated with a semi-transparent or polarizing coating.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 측평면에 반투과 또는 편광 코팅(Coating)함으로써, 광 효율을 높여 밝은 영상을 얻을 수 있다. In addition, the optical system for a head mount display according to the present invention can obtain a bright image by increasing the light efficiency by coating a semi-transparent or polarizing coating on the side plane.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 동공 면과 상기 디스플레이소자의 각도가 하기의 수학식6을 만족하는 것을 특징으로 한다.The optical system for a head-mounted display according to the present invention is characterized in that an angle between the pupil plane and the display element satisfies the following expression (6).

(수학식 6)(6)

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, θ p 는 상기 동공 면에서 x축을 중심으로 상기 측평면까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.Here ,? P is an angle measured in the clockwise direction from the pupil plane to the side plane around the x-axis.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 동공 면과 상기 디스플레이소자의 각도가 하기의 수학식7을 만족하는 것을 특징으로 한다.The optical system for a head-mounted display according to the present invention is characterized in that an angle between the pupil plane and the display element satisfies the following expression (7).

(수학식 7)(7)

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, θ d 는 상기 동공 면에서 x축을 중심으로 상기 디스플레이소자까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.Here ,? D is an angle measured in the clockwise direction from the pupil plane to the display device about the x-axis.

또한, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는, 상기 측평면과 상기 디스플레이소자의 각도 θ가 하기의 수학식8을 만족하는 것을 특징으로 한다.The optical system for a head-mounted display according to the present invention is characterized in that the angle ? Between the side plane and the display element satisfies the following expression (8).

(수학식 8)(8)

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 θ는 상기 측평면에서 x축을 중심으로 상기 디스플레이소자까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.
Where ? Is an angle measured clockwise to the display device about the x-axis in the side plane.

본 발명은 광학성능을 높이기 위해 많은 광학면을 사용하지 않고 최소한의 반사거울만을 사용함으로써, 광학부품의 제작비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of lowering the fabrication cost of optical components and the degree of difficulty of alignment of reflecting surfaces by using only a minimum of reflecting mirrors without using many optical surfaces in order to enhance optical performance.

또한, 본 발명은 편심을 갖는 곡면을 적절히 배치하여 광학계의 크기를 최소화하고 경량화할 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has the effect of minimizing the size of the optical system and reducing the weight by appropriately disposing curved surfaces having eccentricity.

또한, 본 발명은 경면 가공을 한 번만 하게 되므로, 가공 비용에 대한 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, since the mirror surface machining is performed only once, the present invention has an advantage that it is possible to increase the economical efficiency with respect to the machining cost.

또한, 본 발명은 적절한 보상자(Compensator)를 가공하여 접합함으로써 씨스루 구현이 가능하여, 증강현실과 같은 용도로도 사용이 가능한 장점이 있다.
In addition, the present invention is advantageous in that it can be used for the same purpose as an augmented reality because it is possible to implement a sealer by processing and bonding an appropriate compensator.

도 1은 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계를 구성하는 광학부품의 배치와 그에 따른 광로도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계의 광로도,
도 3은 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계의 성능을 나타낸 스팟다이어그램(Spot diagram).BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view showing an arrangement of optical components constituting an optical system for a head-mounted display according to the present invention,
2 is an optical path diagram of an optical system for a head-mounted display according to the present invention,
3 is a spot diagram showing the performance of an optical system for a head mount display according to the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the same configurations of the drawings denote the same reference numerals as possible whenever possible. Specific details are set forth in the following description, which is provided to provide a more thorough understanding of the present invention. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은 광학성능을 높이기 위해 보다 많은 광학면을 사용하여 광학부품의 제작 비용 및 정렬의 어려움이 있던 헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display, HMD)에 대하여 1장의 반사 거울만을 사용함으로써 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있으며, 경면 가공을 한 번만 하게 되어 가공 비용에 대한 경제성을 높일 수 있는 HMD용 광학계를 제공한다. The present invention uses only one reflection mirror for a head-mounted display (HMD), which uses more optical surfaces to improve the optical performance and has difficulty in manufacturing and aligning optical components, And an optical system for an HMD capable of increasing the economical efficiency of the machining cost by only one mirror surface machining.

본 발명은 동공 위치에 허상을 만들어 LCD 또는 LCoS와 같은 소형 디스플레이의 영상이 확대되게 하는 광학계로서, 사용자에게 현장감과 몰입감을 줄 수 있는 HMD에 대하여 편심을 갖는 곡면을 적절히 배치하여 구성함으로써 광학계의 크기를 최소화하고, 적절한 보상자(Compensator)를 가공하여 접합함으로써 씨스루 타입의 헤드 마운트 디스플레이의 구현을 가능케 하는 HMD용 광학계를 제공한다.
The present invention relates to an optical system for creating a virtual image at a pupil position and enlarging an image of a small display such as an LCD or an LCoS, wherein an eccentric curved surface is appropriately arranged with respect to an HMD capable of giving a user a sense of presence and immersion, And an appropriate compensator is machined and joined to provide an optical system for an HMD that enables the implementation of a seal-type head-mounted display.

도 1은 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계를 구성하는 광학부품의 배치와 그에 따른 광로도를 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 HMD를 착용한 사용자의 동공(Eye Pupil, Stop)에 대해 x축을 중심으로 시계방향으로 θ d 만큼 기울어진 디스플레이소자(Micro display)에서 발산된 빛이 첫 번째 곡면(1st curved surface)에 굴절된 후, 동공 면(Stop)에 대해 x축을 중심으로 시계 방향으로 θ p 만큼 기울어진 평면(Tilted flat surface)에서 반사하여 두 번째 곡면(2nd curved surface)에 입사하여 다시 반사된다. FIG. 1 is a view showing an arrangement of optical components constituting an optical system for a head-mounted display according to the present invention and optical pathways thereof, wherein an optical system for HMD according to the present invention includes a pupil (Eye Pupil, Stop) The light emitted from a display device inclined in the clockwise direction about the x-axis by ? D is refracted to the first curved surface, reflected by the plane (tilted flat surface) tilted by the orientation θ p incident to the second surface (2nd curved surface) and is reflected back.

두 번째 곡면(2nd curved surface)에서 반사된 빛은 다시 동공 면(Stop)에 대해 x축을 중심으로 시계방향으로 θ p 만큼 기울어진 평면(Tilted flat surface)에서 굴절되어 동공 근처에서 허상을 맺게 한다. 이로서 디스플레이소자(Micro display)의 영상이 확대되어 일정 거리만큼 떨어진 위치에서 대형 화면을 보는 듯한 효과를 갖게 한다. 그러므로 본 발명에 따른 HMD용 광학계의 주요 광학부품은 2개의 곡면과 1개의 평면인 총 3면으로 구성되며, 프리즘(Prism) 형태를 가진다(이하, 비구면 프리즘). 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 비구면프리즘을 통과한 디스플레이소자(Micro display)의 영상이 동공에서 허상(Virtual image)을 만들게 된다. Two refracted on the second surface (2nd curved surface) the light is again the pupil plane (Stop) x-axis in a clockwise direction around θ p plane (Tilted flat surface) slanted by about reflected at and entered into the virtual image in the vicinity of the pupil. In this case, the image of the display device is enlarged to have the effect of viewing a large screen at a position separated by a certain distance. Therefore, the main optical component of the optical system for the HMD according to the present invention is composed of three curved surfaces, namely, two curved surfaces and one plane, and has a prism shape (hereinafter referred to as an aspherical prism). As described above, in the HMD optical system according to the present invention, the image of the display device (micro display) passing through the aspherical prism forms a virtual image in the pupil.

이때, 두 번째 곡면(2nd curved surface)에 반투과 또는 편광 코팅(Coating)을 입히고, 두 번째 곡면(2nd curved surface)의 형상을 갖고, 다른 한 면이 기울어진 평면을 갖는 광학부품(이하, 보상자, Compensator)을 접합한다면 외부 영상도 동시에 볼 수 있게 된다.At this time, the second curved surface is coated with a semi-transmissive or polarizing coating, and an optical component having the shape of the second curved surface and the other surface having a tilted plane Now, if you attach a compensator, you can see the external image at the same time.

또한, 광 효율을 높여 밝은 영상을 얻기 위해 기울어진 평면(Tilted flat surface)과 두 번째 곡면(2nd curved surface)에 편광 코팅 또는 반투과 코팅 등을 적용할 수도 있다.
In addition, a polarized coating or a semi-transparent coating may be applied to a tilted flat surface and a second curved surface to obtain a bright image by increasing the light efficiency.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계의 광로도로서, 렌즈 부품의 배치와 그에 따른 광선의 진행을 나타낸 도면이다. 실제 제품에서는 디스플레이소자(150)에서 발산된 빛이 비구면프리즘을 거쳐 동공면에 들어가지만, 광학 설계 단계에서는 이와 반대로 동공 면을 조리개 면(110)으로 하고, 이 조리개 면(110)에서 광축에 대해 거의 평행한 광선을 보내서 디스플레이소자(150)에 빛이 모여 결상이 되도록 설계를 하기도 한다. 2 is an optical path diagram of an optical system for a head-mounted display according to an embodiment of the present invention, showing the arrangement of lens components and the progress of light rays accordingly. In the actual product, the light emitted from the display device 150 enters the pupil plane through the aspherical prism. In the optical design stage, on the contrary, the pupil plane is defined as the iris surface 110, It is also possible to design so that light is gathered on the display element 150 to form an image by transmitting almost parallel rays.

도 2를 참조하면, 조리개 면(110)에서 광축에 대해 입사되는 평행광선은 측평면(120)에서 굴절되어 제2곡면(130)에 입사되고 다시 반사된다. 제2곡면에서 반사된 빛은 다시 측평면(120)에 입사 및 반사되어 제1곡면(140)으로 입사되고, 제1곡면(140)에 입사되어 굴절된 빛은 디스플레이소자(150)에 결상된다. Referring to FIG. 2, the parallel rays incident on the optical axis at the diaphragm surface 110 are refracted at the side plane 120, incident on the second curved surface 130, and reflected again. The light reflected from the second curved surface is incident on and reflected by the side surface 120 again and is incident on the first curved surface 140. The refracted light incident on the first curved surface 140 is imaged on the display element 150 .

이때, 제2곡면(140)에 반투과 또는 편광 코팅을 입히고, 제2곡면(140)과 반대의 형상을 갖고, 다른 한 면이 기울어진 평면을 갖는 보상자(도1 참고)를 접합하면 외부 영상도 동시에 볼 수 있게 된다.
At this time, the second curved surface 140 is coated with a transflective or polarizing coating, and a compensator (see FIG. 1) having a shape opposite to the second curved surface 140 and having an inclined plane on the other surface is bonded, The image can be viewed at the same time.

도 3은 도 2의 실시예에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계의 성능을 나타낸 스팟다이어그램(Spot diagram)으로서, 본 발명에 따른 HMD용 광학계를 도 2와 같이 거꾸로 해석하여 디스플레이소자(150)에 상면이 있다고 가정하고, 스팟다이어그램을 본 것이다. 일반적으로 회전 대칭성 광학계는 종수차도 및 횡수차도 등으로 성능을 평가하지만, 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 회전 대칭성 광학계가 아니므로 스팟다이어그램으로 성능을 평가하는 것이 좋다. 도 3과 같은 정도에서는 별 문제없이 영상을 관찰할 수 있다.FIG. 3 is a spot diagram showing the performance of the optical system for the head-mounted display according to the embodiment of FIG. 2. The optical system for the HMD according to the present invention is inverted as shown in FIG. 2, Assume that you have a spot diagram. In general, the rotational symmetry optical system evaluates the performance by the longitudinal and lateral aberrations. However, since the HMD optical system according to the present invention is not a rotationally symmetric optical system, it is preferable to evaluate the performance with the spot diagram. As in FIG. 3, the image can be observed without any problem.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 스팟의 사각형 크기는 가로 0.2mm 세로 0.2mm이다. 이러한 스팟다이어그램은 기하광학적인 점퍼짐함수(Point spread function)이며, 한 점에 모여 있을수록 성능이 좋아짐을 의미한다. 광학계는 y축에 대해서만 대칭성이 있고, x축으로는 대칭성이 없으므로, 필드(Field)는 총 9개에 대해 계산을 했다. 도 3에서 중앙에 위치한 것이 제로필드(Zero-field)의 스팟다이어그램이다.As shown in Fig. 3, the square size of each spot is 0.2 mm in width and 0.2 mm in length. This spot diagram is a geometric optical point spread function, which means that the better the performance is, the closer together the point is. Since the optical system is symmetrical only on the y-axis and there is no symmetry on the x-axis, the field is calculated for a total of nine. A spot diagram of a zero-field is located at the center in FIG.

각 spot diagram의 DG는 각도를 의미하며, RMS는 각 spot의 rms spot size를 의미하며, 100%는 stop을 통과하는 모든 광선이 상면에 도달하는 최소 원의 크기를 의미한다.DG of each spot diagram means the angle, RMS means the spot size of each spot, and 100% means the minimum circle size at which all rays passing through the stop reach the upper surface.

본 발명의 상세한 설명에서 광학계의 정보를 나타내는 표와 광학계의 성능을 나타내는 도면은 디스플레이소자(150)에 결상되는 것을 기준으로 작성된 것이다.
In the detailed description of the present invention, the table showing the information of the optical system and the diagrams showing the performance of the optical system are created on the basis of the image formed on the display element 150.

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

상기의 표 1 및 표 2는 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 HMD용 광학계를 구성하는 각 광학부품들의 파라미터(Parameter)를 나타낸 것으로서, 각 렌즈의 곡률, 렌즈 두께, 렌즈 간 간격, 렌즈 소재 등의 정보를 나타낸다.The above Tables 1 and 2 show the parameters of the respective optical components constituting the optical system for HMD according to the present invention shown in Figs. 1 to 3, wherein the curvature, lens thickness, inter- Lens material and the like.

표 1은 본 발명에 따른 HMD용 광학계의 각 렌즈의 곡률, 렌즈 두께, 렌즈 간 간격, 렌즈 소재 등의 정보를 나타내고, 표 2는 각 면의 편심 정보를 의미한다. 표 1에서 Semi-Aperture는 각 면의 유효면적을 의미하는 것으로, Y는 유효면적의 가로 크기, X는 유효면적의 세로 크기, dec는 유효면적에 대한 조리개 면(110)의 중심에 대한 y축 방향 평행 이동량을 의미하며, 표 2에서 Y는 y축 방향의 평행 이동량, Z는 z축 방향의 평행이동량, α는 x축에 대한 회전량을 의미한다. 별도 표기가 없는 x축 방향의 평행 이동량과 y축 및 z축에 대한 회전량은 모두 0이다. x축 방향의 평행 이동량과 y축 및 z축에 대한 회전량이 모두 0이면 y축으로는 대칭성을 갖게 할 수 있으므로, 광학 설계 및 부품 가공, 정렬, 조립 등이 용이해 진다.Table 1 shows information on the curvature, lens thickness, inter-lens space, lens material, and the like of each lens of the HMD optical system according to the present invention, and Table 2 shows eccentricity information of each surface. In Table 1, Semi-Aperture refers to the effective area of each surface, where Y is the width of the effective area, X is the vertical size of the effective area, dec is the y- In Table 2, Y represents the parallel movement amount in the y-axis direction, Z represents the parallel movement amount in the z-axis direction, and? Represents the rotation amount with respect to the x-axis. The parallel movement amount in the x-axis direction and the rotation amount in the y-axis and the z-axis, both of which are not described separately, are all zero. If the amount of parallel movement in the x-axis direction and the amount of rotation in the y-axis and the z-axis are both 0, symmetry can be achieved in the y-axis, thereby facilitating optical design and component processing, alignment, and assembly.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 HMD용 광학계는 1개의 평면과 2개의 곡면, 총 3개의 면으로 구성되는 비구면프리즘 형태로서, 적어도 1개의 면을 평면으로 구성함으로써 제작 비용을 줄일 수 있으며, 씨스루 타입의 HMD 구현에도 매우 유리하다.As described above, the optical system for HMD according to the present invention is an aspherical prism type having one plane, two curved surfaces and three surfaces in total, and at least one plane can be formed as a flat surface, It is also very advantageous for the implementation of the Lu type HMD.

본 발명에 따른 HMD용 광학계와 같은 비구면프리즘의 경우, 면을 구성하는 곡면의 정점들과 조리개 면(110)의 중심이 z축 위에 있지 않다. 즉, 비구면프리즘을 구성하는 곡면들은 편심이 있는 곡면이므로 이를 제작하는 것은 일반 회전대칭성 렌즈에 비해 제작이 매우 어렵다. 따라서 적어도 한 개의 면을 평면으로 한다면 제작 난이도가 낮아지므로, 제작 비용을 많이 절감할 수 있다. In the case of the aspheric prism such as the HMD optical system according to the present invention, the vertexes of the curved surfaces constituting the surface and the center of the iris surface 110 are not on the z-axis. That is, since the curved surfaces constituting the aspherical prism are eccentric curved surfaces, it is very difficult to fabricate them as compared with a general rotational symmetric lens. Therefore, if at least one surface is made flat, the manufacturing difficulty is lowered, so that the manufacturing cost can be greatly reduced.

이때, 평면을 조리개 면(110)과 가장 가까운 면에 위치시키면 도시된 바와 같이 제2곡면(130)의 반대면에 측평면(120)과 동일한 평면으로 보상자를 제작하여 비구면프리즘과 접합하면 광학계의 외부를 볼 수 있다. 또한, 왜곡이 없는 자연스러운 영상을 보려면 조리개 면(110)에 가까운 면과 반대면이 모두 굴절능이 없고, 조리개 면(110)에 대해 같은 각도로 기울어진 평면으로 구성하는 것이 유리하다. 또한, 보상자를 제작할 때도 나머지 한 면이 평면이 되므로 이 역시 가공하기 용이해져 외부 시야 확보가 가능한 씨스루 타입의 HMD를 구현할 때도 제작 비용을 절감할 수 있다.
At this time, when a plane is positioned on the surface closest to the iris surface 110, a compensator is formed on the opposite surface of the second curved surface 130 in the same plane as the side surface 120 and is bonded to the aspherical prism, You can see the outside. In order to view a natural image without distortion, it is advantageous to construct a flat surface which is inclined at the same angle with respect to the diaphragm surface 110, without the refracting ability of the surface close to the diaphragm surface 110 and the opposite surface. Also, when the compensator is manufactured, the other surface is flat so that it is also easy to process, which can reduce manufacturing cost even when implementing a sealer type HMD capable of securing an external view.

한편, 본 발명에 따른 HMD용 광학계의 전장을 줄이고, 사용자의 편리함을 위해서 디스플레이소자(150)는 눈 위쪽으로 오게 하는 것이 좋다. 이 때문에 제2곡면(130)은 x축을 중심으로 반시계 방향으로 회전하고, 측평면(120)은 시계방향으로 기울어지는 것이 유리하다. Meanwhile, it is preferable to reduce the total length of the optical system for the HMD according to the present invention and to bring the display device 150 to the upper side of the eye for the convenience of the user. Therefore, it is advantageous that the second curved surface 130 rotates counterclockwise about the x-axis and the side plane 120 tilts clockwise.

이때, 측평면(120)의 회전량은 그 절대값이 작을수록 씨스루 타입에는 유리하나, 그렇게 되면 디스플레이소자(150)의 빛이 전달되기 어렵고, 전반사 조건을 만족하지 못하거나, 광학계의 부피가 커지는 문제점이 있다. 따라서 측평면(120)의 회전각 θ p 는 하기의 수학식1과 같은 범위에 있다면 적절한 광학계를 구성할 수 있다.
At this time, the smaller the absolute value of the rotation amount of the side plane 120 is, the more advantageous to the sheath type, but the light of the display element 150 is difficult to be transmitted, the total reflection condition is not satisfied, There is a problem of growing. Therefore, if the rotation angle [theta] p of the side plane 120 is in the range as shown in the following Equation 1, an appropriate optical system can be constructed.

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 수학식1에 따른 θ p 는 광학 설계 단계에서 직접적으로 주어지는 값이며, 예를 들면 표 2의 2번 또는 4번 면의 α값을 의미한다. Theta p according to Equation (1) is a value directly given in the optical design stage, for example, the alpha value of the second or fourth surface of Table 2.

또한, 디스플레이소자(150)는 90도에 가까울수록 광학계의 부피를 줄이는데 유리하지만, 실질적으로는 광학계의 전장이 0이 될 수는 없으므로, 어느 정도 각도로 기울어지는 것은 크게 문제되지 않는다. 광학계를 될 수 있으면 텔레센트릭(Telecentric)으로 구성하면 주변 광량비에 매우 유리하므로, 디스플레이소자(150)의 기울어짐 각 θ d 는 45도 근처의 값을 갖는 것이 유리하다. In addition, although the display element 150 is advantageous in reducing the volume of the optical system as the display element 150 is closer to 90 degrees, the overall length of the optical system can not be zero. It is advantageous that the inclination angle ? D of the display device 150 has a value close to 45 degrees, because it is very advantageous in the peripheral light amount ratio when the optical system can be made of telecentric.

따라서 디스플레이소자(150)의 기울어짐 각 θ d 는 하기의 수학식2와 같은 범위에 있다면 적절한 광학계를 구성할 수 있다.
Therefore, if the inclination angle [theta] d of the display element 150 is in the range as shown in the following Equation 2, an appropriate optical system can be constructed.

Figure pat00007
Figure pat00007

디스플레이소자(150)의 기울어짐 각 θ d 가 지나치게 크면 제1곡면(140)에서 광선의 굴절각이 커지므로, 수차 발생 및 제작 민감도 등의 문제가 발생하며, 반대로 이 값이 너무 작으면 제1곡면(140)의 굴절능이 작아져서 제2곡면(130)에 굴절능이 집중되어 제작 민감도가 높아진다.If the tilting angle ? D of the display device 150 is too large, the refraction angle of the light beam on the first curved surface 140 becomes large, which causes problems such as generation of aberration and sensitivity to fabrication. Conversely, The refractivity of the second curved surface 140 is reduced and the refractivity is concentrated on the second curved surface 130, thereby increasing the manufacturing sensitivity.

측평면(120)의 기울어짐 각 θ p 와 디스플레이소자(150)의 기울어짐 각 θ d 가 주어진다면 측평면(120)과 디스플레이소자(150)의 각도 차 θ는 θ=θ d -θ p 로 주어진다. 따라서 상기 수학식1과 수학식2에 따르면 θ의 범위는 5도 ~ 45도로 주어지나, 실질적으로는 이보다 작은 범위를 가져야 충분한 광학성능을 얻을 수 있다. 또한 수학식1 및 수학식2의 중앙값 근처에서 최적의 성능이 나오므로, θ의 범위는 단순 수식에 의한 범위가 아닌 광학 설계를 진행한 뒤에 이 값이 결정되어야만 하며, 하기의 수학식3과 같은 범위에 있다면 적절한 광학계를 구성할 수 있다.
Side angle of the plane 120, the inclination angle θ p and the display device 150, the inclination, if each θ d is a given side plane 120 and the display device 150 of the difference θ is θ = θ d - a θ p Given. Therefore, according to Equations (1) and (2), the range of ? Is given in the range of 5 to 45 degrees, but substantially smaller than this range, sufficient optical performance can be obtained. Since the optimal performance is obtained near the median values of the equations (1) and (2), the range of ? Should be determined after the optical design is performed, not by the range of the simple formula. An appropriate optical system can be constructed.

Figure pat00008
Figure pat00008

이때, 본 발명에 따른 HMD용 광학계에서 제2곡면(130)의 비구면 계수는 하기의 표3과 같고, 하기의 수학식4와 같이 xy-다항식으로 표현될 수 있다.
In this case, the aspherical surface coefficients of the second curved surface 130 in the optical system for HMD according to the present invention are as shown in Table 3 below and can be represented by xy-polynomials as shown in the following Equation (4).

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

또한, 본 발명에 따른 HMD용 광학계에서 제1곡면(140)의 비구면 계수는 하기의 표4 와 같고, 하기의 수학식5와 같이 xy-다항식으로 표현될 수 있다.
In the optical system for an HMD according to the present invention, the aspherical surface coefficients of the first curved surface 140 are as shown in Table 4 below and can be expressed by xy-polynomials as shown in the following equation (5).

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

본 발명에 따른 실시예에서 조리개 면(110)과 측평면(120)이 이루는 각 θ p 는 19.72도, 조리개 면(110)과 디스플레이소자(150)가 이루는 각 θ d 는 46.87도이다. 따라서 측평면(120)과 디스플레이소자(150)가 이루는 각 θ는 27.15도이므로, 상술한 수학식1 내지 수학식3을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
The angle θ p between the diaphragm surface 110 and the side surface 120 is 19.72 degrees and the angle θ d between the diaphragm surface 110 and the display device 150 is 46.87 degrees. Therefore, the angle [theta] formed by the side plane 120 and the display device 150 is 27.15 degrees, and it can be seen that the above-described equations (1) to (3) are all satisfied.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 헤드 마운트 디스플레이용 광학계는 1장의 반사 거울만을 사용함으로써 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있고, 경면 가공을 한 번만 하게 되어 가공 비용에 대한 경제성을 높일 수 있으며, 적절한 보상자를 가공하여 접합함으로써 씨스루 타입의 헤드 마운트 디스플레이를 소형 및 경량으로 구현할 수 있다. As described above, the optical system for a head mount display according to the present invention can reduce the manufacturing cost and the difficulty of alignment of the reflecting surface by using only one reflecting mirror, and it is possible to increase the economical efficiency of the machining cost by only one mirror- And a suitable compensator is machined and joined to realize a small and light weight head mounted display of a screw type.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

Claims (8)

LCD 또는 LCoS와 같은 소형 디스플레이 장치에서 발산된 빛이 편심이 있는 제1곡면에 굴절되고, 기울어진 평면과 제2곡면에 반사되며, 상기 기울어진 평면에서 굴절되어 허상을 만드는 비구면프리즘(Prism) 형태를 갖는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
In the case of a prism type prism which refracts light emitted from a small-sized display device such as an LCD or an LCoS to a first curved surface having eccentricity, is reflected on a tilted plane and a second curved surface, And an optical system for the head-mounted display.
헤드 마운트 디스플레이(Head Mount Display, HMD)를 착용한 사용자의 동공 면에 대해 x축을 중심으로 시계방향으로 θ d 만큼 기울어진 디스플레이소자에서 발산된 빛이 제1곡면에 굴절된 후, 상기 동공 면에 대해 x축을 중심으로 시계 방향으로 θ p 만큼 기울어진 측평면에서 반사하여 제2곡면에 입사하여 다시 반사되고, 상기 제2곡면에서 반사된 빛은 다시 상기 측평면에서 굴절되어 동공 근처에서 허상을 맺도록 2개의 곡면과 1개의 평면을 갖는 비구면프리즘(Prism) 형태의 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
A light emitted from a display device inclined clockwise by θ d with respect to a pupil plane of a user wearing a head mount display (HMD) is refracted on a first curved surface, Reflected on a side plane inclined clockwise by &thetas; p about the x-axis, incident on the second curved surface and reflected again, and the light reflected on the second curved surface is again refracted in the side plane, An optical system for a head mount display in the form of an aspherical prism having two curved surfaces and one flat surface.
제 2항에 있어서,
상기 제2곡면의 반대면에 상기 측평면과 동일한 각도로 기울어진 평면으로 제작한 보상자(Compensator)를 더 접합한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
3. The method of claim 2,
And a compensator formed on the opposite surface of the second curved surface to a plane inclined at the same angle as the side plane.
제 3항에 있어서,
상기 제2곡면에 반투과 또는 편광 코팅(Coating)한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
The method of claim 3,
And the second curved surface is coated with a semi-transparent or polarizing coating.
제 4항에 있어서,
상기 측평면에 반투과 또는 편광 코팅(Coating)한 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
5. The method of claim 4,
Wherein the optical system is semi-transparent or polarizing coated on the side plane.
제 1항에 있어서,
상기 동공 면과 상기 디스플레이소자의 각도가 하기의 수학식6을 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
(수학식 6)
Figure pat00013

여기서, θ p 는 상기 동공 면에서 x축을 중심으로 상기 측평면까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.
The method according to claim 1,
And an angle between the pupil plane and the display element satisfies the following expression (6): " (6) "
(6)
Figure pat00013

Here ,? P is an angle measured in the clockwise direction from the pupil plane to the side plane around the x-axis.
제 1항에 있어서,
상기 동공 면과 상기 디스플레이소자의 각도가 하기의 수학식7을 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
(수학식 7)
Figure pat00014

여기서, θ d 는 상기 동공 면에서 x축을 중심으로 상기 디스플레이소자까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.
The method according to claim 1,
Wherein an angle between the pupil plane and the display element satisfies the following expression (7): " (7) "
(7)
Figure pat00014

Here ,? D is an angle measured in the clockwise direction from the pupil plane to the display device about the x-axis.
제 1항에 있어서,
상기 측평면과 상기 디스플레이소자의 각도 θ가 하기의 수학식8을 만족하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이용 광학계.
(수학식 8)
Figure pat00015

여기서 θ는 상기 측평면에서 x축을 중심으로 상기 디스플레이소자까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.The method according to claim 1,
Wherein an angle ? Between the side plane and the display element satisfies the following expression (8).
(8)
Figure pat00015

Where ? Is an angle measured clockwise to the display device about the x-axis in the side plane.
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