KR20150116142A - 초점조절이 가능한 HMD(Head Mounted Display)용 광학계 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 HMD용 광학계에 관한 것으로,
HMD는 화면처리, 입출력신호처리 등 각종 전자신호를 제어하고 출력하는 디지털계와 디지털계에서 처리하여 디스플레이패널로 출력되는 가상화면을 착용자의 눈으로 보내주는 광학계로 나뉘며 이 광학계를 투명하게 하여 외부의 실제 현실화면까지 같이 착용자의 눈으로 보내줌으로 착용자로 하여금 증강현실을 느끼게 하는 장치이다.
종래 기술은 그 특징상 일정이상의 부피와 고정된 초점으로 착용자가 눈을 움직여줘야 하는 불편함과 초점이 정확하지 않아 3D화면 구현의 어려움을 가진다.
이러한 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 가장 큰 특징은 디스플레이패널과 디스플레이패널과 수렴 렌즈로 구성된 디스플레이부와 조절 프리즘과 발산 렌즈로 구성된 조절부와 결합기와 결상렌즈와 가이드로 구성되는 결합부로 나누어져 위치하도록 하여 종래 기술보다 적은 부피와 높은 디자인의 자유도와 착용자의 환경에 맞게 자유롭게 초점조절이 가능한 것과 선명하고 정확한 3D화면 구현이 가능한 것이다.

Description

초점조절이 가능한 HMD(Head Mounted Display)용 광학계 모듈 {FOCUS CONTROL OPTICAL SYSTEM MODULE FOR HEAD MOUNTED DISPLAY}

본 발명은 HMD(Head Mounted Display)에 들어가는 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디스플레이패널의 빛을 수렴시키는 렌즈와 렌즈에서 나온 빛의 방향을 조절하는 프리즘과 프리즘에서 나온 빛을 눈으로 보내주는 광학소자로 이루어진 광학계 모듈에 관한 것이다.

HMD는 화면처리, 입출력신호처리 등 각종 전자신호를 제어하고 출력하는 디지털계와 디지털계에서 처리하여 디스플레이패널로 출력되는 가상화면을 착용자의 눈으로 보내주는 광학계로 나뉘며 이 광학계를 투명하게 하여 외부의 실제 현실화면까지 같이 착용자의 눈으로 보내줌으로 착용자로 하여금 증강현실을 느끼게 하는 장치이다.

도5를 통해 종래의 HMD(Head Mounted Display)의 광학계에 대하여 설명한다.

외부의 빛을 받아들이는 윈도우렌즈(112)와; 외부의 빛에 45도 각도로 위치한 빔 스플리터(110)와; 빔 스플리터(110)에 의해 반사된 외부의 빛과 디스플레이 패널(118)에서 나온 가상화면의 빛을 합쳐주는 이미지포머(116)와; 디스플레이 패널에서 나온 가상화면의 빛이 지나오는 라이트파이프(124)와; 디스플레이 패널과 라이트소스(120)의 빛을 합쳐주는 근 이미지포머(128)와; 근 이미지포머(128)에 의해 합쳐진 빛을 반사시켜주는 근 빔 스플리터(122)로 구성되어있다.

디스플레이 패널은 액정을 이용한 LCOS(liquid crystal on silicon)와 유기소자를 이용한 OLEDoS(organic light emitting display on silicon)등이 있으며 LCOS의 경우 자체발광이 안되므로 라이트소스(120)를 필요로 한다.

디스플레이 패널과 라이트소스(120)의 빛이 근 이미지포머(128)에 의해 합쳐져 생기는 가상의 화면은 근 빔 스플리터(122)에 의해 반사되어 라이트파이프(124)를 지나 이미지포머(116)로 들어가고 빔 스플리터(110)에 의해 반사된 외부의 빛(현실 화면)과 합쳐지고 다시 빔 스플리터(110)에 의해 반사되어 사람의 눈(106)으로 들어온다.

외부의 빛(현실화면)과 디스플레이 패널의 빛(가상화면)이 이미지포머(116)에 의해 합쳐짐으로 가상화면과 현실화면이 합쳐진 증강현실 화면을 형성하여 눈으로 보냄으로 사람으로 하여금 가상의 화면과 현실의 화면을 모두 느끼게 한다.

빔 스플리터(110)는 그 특성상 45도로 입사하는 빛의 50%를 반사, 투과하여 두 가지 두 방향의 빛을 합성, 투과시키는데 사용되며 이 특성을 디스플레이 부분(104)과 시야 부분(102)으로 나누어 두 가지로 구성한 것이 종래기술의 핵심이다.

종래의 기술은 디스플레이부분(104)의 근 빔 스플리터(122)와 시야부분(102)의 빔 스플리터(110)로 전체 광학계의 부피가 증가하며 그 둘 사이를 이어주는 라이트파이프(124)도 성인남성의 엄지만한 부피를 차지한다.

이러한 구성은 항상 고정된 화면과 시야를 제공하며 실제 착용자의 눈을 움직여 화면과 초점을 확보해야한다.

또한 부피를 줄이기 위해 라이트파이프(124)의 길이를 줄임으로써 초점이 확보가 안되는 단점이 있고 이 단점을 극복하기 위해 눈에서 보통의 안경렌즈와의 거리보다 2배가량 떨어짐으로 착용 시 불편함과 조금만 흔들려도 크게 초점이 틀어지는 등 이동성에 문제가 있다.

또한 종래의 기술로 3D화면을 구성하기 위해선 가장 중요한 초점확보도 안될뿐더러 부피와 이동성 및 양쪽에 위치한 2개의 시야부분 빔 스플리터(122,110)로 미관상의 문제들이 있어 현실적으로 어렵다.

이에 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해서 일체형이던 종래의 광학계를 각 역할에 맞게 적절히 분리시켜 위치시킴으로 개별적으로 행동할 수 있는 모듈로 구성한 것이다.

디스플레이패널과 함께 위치하여 디스플레이패널의 영상을 수렴시켜주는 렌즈를 디스플레이부로 구성하고 디스플레이부에서 나온 영상을 착용자의 환경에 맞도록 굴절시켜주는 프리즘과 프리즘에서 나온 영상을 발산시켜 확대시켜주는 렌즈를 조절부로 구성하고 조절부에서 나온 영상을 외부의 현실화면과 함께 착용자의 동공으로 보내주는 광학소자와 최종적으로 착용자의 동공으로 향하는 영상을 착용자의 환경에 맞게 수렴 혹은 발산 시켜주는 렌즈를 결합부로 구성한 것이 특징이다.

본 발명의 가장 큰 특징은 기존의 일체형으로 구성된 광학계를 각 부분별로 분리, 모듈화 한 것이다.

외관상 특징은 기존제품보다 50%이상 광학계의 부피가 감소하고 나아가 전체 HMD의 부피를 감소시킨다. 또한 기존제품의 획일적인 디자인에서 벗어나 분리된 구성으로 보다 다양하고 자유로운 HMD 디자인이 가능해진다. 또한 감소한 부피와 더불어 광학계의 대부분이 외부로부터 가려질 수 있으므로 미관상의 이점이 있다.

무엇보다 가장 큰 특징은 기존제품에는 불가능했던 초점조절을 구현하여 양안 각각에 초점을 맞출 수 있기 때문에 착용자의 생김새나 환경에 맞춘 선명하고 정확한 3D화면을 구성할 수 있다. 이 특징을 이용하면 3D 증강현실 구현에 있어 가장 큰 걸림돌 이였던 양안 초점을 해결함으로써 세계적인 경쟁력을 갖춘 HMD제작이 가능하다.

다음으로 큰 특징은 광학계의 분리화로 각 부분이 떨어져 있어 보다 자유로운 배치가 가능한 점을 이용하여 다양한 얼굴형, 눈의 위치, 양안 거리 등을 착용자 환경에 맞춰 직접 조절할 수 있으므로 보다 대중적 보급이 용이하다.

도1은 본 발명의 기술이 적용된 편광거울형 광학계 모듈의 구상도이다.
도2는 본 발명의 기술이 적용된 회절소자형 광학계 모듈의 구상도이다.
도3은 본 발명의 기술이 적용된 내부전반사형 광학계 모듈의 구상도이다.
도4는 본 발명의 기술을 쌍으로 구성하여 양안에 사용하는 예를 나타낸 구상도이다.
도5은 종래 기술이 적용된 광학계에 대한 구상도를 발췌한 것이다.

디스플레이패널(100)에서 나온 가상화면을 받아 내부 전반사 시킨 후 다음 광학계로 가상화면을 보내주는 화면 전달 렌즈(101)과; 화면 전달 렌즈(101)에서 보내준 가상화면을 받아 각도를 조절하여 가상화면을 반사시킴으로 초점을 조절하여 다음 광학계로 보내주는 조절 프리즘(200)과; 조절 프리즘(200)에서 보내준 가상화면을 반사시키고 외부로부터 오는 현실화면을 합쳐 착용자의 눈으로 보내주는 결합기(300)로 구성된다.

화면 전달 렌즈(101)는 디스플레이패널(100) 앞에 고정 위치하는 수렴렌즈로써 볼록렌즈, DOE(Diffraction Optical Element)패턴 렌즈, 자유곡면 프리즘 렌즈 등이 사용될 수 있으며, 디스플레이패널(100)에서 나온 가상화면을 수렴시킴으로 크기가 작은 디스플레이패널의 가상화면을 확대시키는 역할과 함께 조절 프리즘(200)의 크기에 맞추는 역할을 한다. 화면 전달 렌즈(101)에서 나온 가상화면은 항상 조절 프리즘(200)을 향하도록 그 위치를 고정한다.

조절 프리즘(200)은 작은 크기의 반사 프리즘으로 직각 프리즘, 펠린-브로카 프리즘, 펜타 프리즘 등이 사용될 수 있으며, 화면 전달 렌즈(101)에서 보내진 가상화면을 반사 프리즘의 특성으로 반사시켜 적절한 방향으로 향하도록 조절하는 역할을 한다. 조절 프리즘(200)은 그 위치는 고정하지만 각도를 착용 시 방향을 기준으로 앞뒤로 움직일 수 있어 나오는 가상화면의 방향을 조절 할 수 있다.

결합기(300)는 디스플레이패널(100)에서 나와 화면 전달 렌즈(101)와 조절 프리즘(200)을 거친 가상화면을 현실화면과 결합시켜 최종적으로 착용자의 눈으로 보내주는 역할을 하여 착용자로 하여금 현실화면 바탕에 가상화면의 띄워진 형태로 보이는 증강현실화면을 느낄 수 있도록 한다. 결합기(300)는 편광 곡면 거울(301)과; DOE(Diffraction Optical Element)패턴 곡면 렌즈(302)와; TIR(Total Internal Reflection) 자유 곡면 프리즘(303)의 3가지의 형태로 구분된다. 편광 곡면 거울(301)은 편광 소자와 곡면 유리가 결합되어 외부 현실화면의 빛은 일부분만 편광 되어(p-polarized) 투과하여 착용자의 눈으로 들어가고 디스플레이패널(100)에서 나온 가상화면은 브루스터 각(Brewster's angle)으로 입사되며 편광 반사되어(s-polarized) 착용자의 눈으로 들어간다. DOE패턴 곡면 렌즈(302)는 micro-meter 스케일로 회절소자가 패터닝 된 곡면 렌즈로 격자 사이사이로 외부의 현실화면의 빛이 들어와서 착용자의 눈으로 들어가고 회절소자에 의해 회절 된 가상화면이 합쳐져 착용자의 눈으로 들어간다. TIR 자유 곡면 프리즘(303)은 조절 프리즘(200)에서 나온 가상화면이 들어와 내부 전반사를 하여 마지막 반사에서 착용자의 눈으로 들어가고 외부의 현실화면의 빛은 그대로 프리즘을 투과하여 착용자의 눈으로 들어간다.

조절 프리즘(200)은 결합기(300)와 연결되어 함께 움직이며 이를 조절하여 착용자의 눈에 맞춘 초점이동이 가능하다.

전체 광학계 모듈은 크게 3가지 부분으로 나뉘며 이는 디스플레이부(110), 조절부(210), 결합부(310) 이며 각 부에 대하여 구체적인 설명을 한다. 각 부는 광학계 모듈이 사용될 HMD의 디자인과 디스플레이패널(100)의 성능에 따라 구체적인 수치는 변경 된다.

디스플레이부(110)는 디스플레이패널(100)과 화면 전달 렌즈(101)로 구성되며 화면 전달 렌즈(101)는 디스플레이패널(100)과 약 10mm 가량 떨어져 있으며 디스플레이패널()에서 나온 빛과 수직을 이루도록 평행하게 위치한다. 디스플레이부(110)를 나오는 빛은 항상 조절부(210)의 조절 프리즘(200)을 향하도록 위치한다. 화면 전달 렌즈(101)는 비구면 처리를 하여 구면수차로 인한 가상화면의 왜곡을 방지한다. 또한 화면 전달 렌즈(101)는 조절 프리즘(200)의 크기에 맞도록 가상화면의 상을 5mm 정도로 수렴시키는 굴절능을 가지는 양볼록 렌즈, 프레넬 렌즈, DOE패턴 렌즈 등을 사용한다. 또한 화면 전달 렌즈(101)의 초점거리는 조절부(210)와의 거리보다 같거나 길게 하며 짧게 하여 조절부(210)의 조절 프리즘(200)에 입사하는 빛이 발산하지 않도록 설계한다. 이는 조절부(210)의 크기를 작게 하고 작은 각도로 쉽게 초점이 조절되도록 하며 화면 전달 렌즈(101)의 두께를 얇게 하기 위한 것이다.

조절부(210)는 디스플레이부(110)에서 나오는 빛을 받아 굴절시켜주는 조절 프리즘(200)과 조절 프리즘(200)에서 나오는 빛의 초점거리를 조절해주는 발산 렌즈(201)로 구성되며 조절 프리즘(200)은 빛의 파장별 굴절률이 적은 재료의 반사 프리즘을 사용하며 가장 간단한 형태로 PMMA(Poly methyl methacrylate)로 제작된 삼각프리즘이 사용될 수 있고 프리즘의 안쪽 모서리 혹은 면을 축으로 좌우 10도 이내의 각도로 조절 가능하다. 이때 조절 각도는 조절 프리즘(200)의 크기와 입사하는 가상화면의 상의 크기에 비례하며 보통 사람의 동공의 크기에 맞추는 것이 이상적이다. 발산 렌즈(201)는 조절 프리즘(200)을 거쳐 방향이 굴절된 빛을 결합부(310)와 동공(401)을 거쳤을 때 적절한 배율의 상이 되도록 하는 역할을 하며 음의 굴절능을 갖는 오목렌즈를 사용하며 비구면 처리를 하여 구면수차로 인한 왜곡을 방지한다. 발산 렌즈(201)는 조절 프리즘(200)과 연결되어있어 각도 조절 시 함께 움직이고 조절부(210)에서 나오는 최종적인 빛을 결합부(310)로 향하도록 한다.

결합부(310)는 조절부(210)에서 나오는 빛이 들어와 진행하는 가이드(304)와 가이드(304)를 통해 들어온 빛을 반사시켜주는 결합기(300)와 결합기(300)에서 반사되어 나온 빛의 초점거리를 마지막으로 조절해주는 결상 렌즈(305)로 구성되며 가이드(304)의 재료는 발산 렌즈(201)와 굴절률이 같게 하여 굴절이 없이 일정한 빛이 들어오도록 하고 외부로부터의 간섭을 막고 제품형태로 제작 시 일반적인 안경렌즈의 형태로 만들어주는 역할을 한다. 결합기(300)는 응용제품의 환경에 따라 여러 가지로 사용될 수 있으며 가장 간단한 형태의 편광 곡면 거울(301)은 가이드(304)내부에 위치하는 비축 소자(Off-axis elements)로 표면의 편광처리로 인해 브루스터 각(Brewster's angle)으로 입사하는 빛은 편광된 후(S-polarized) 반사시켜 결상 렌즈(305)로 향하도록 하고 외부로부터 수직으로 들어오는 외부의 빛은 편광된 후(P-polarized) 투과되어 결상 렌즈(305)로 향하므로 최종적으로 결상 렌즈(305)에는 가상화면의 빛과 현실화면의 빛이 모두 들어와 동공(401)으로 향한다. 가상화면의 상의 배율은 편광 곡면 거울(301)에 상거리에 의해 최종적으로 결정되며 기본적으로 착용자의 눈과의 거리를 25mm로 두고 동공과의 거리와 초점거리가 같도록 설계한다. 결상 렌즈(305)를 지난 빛은 동공에 들어가는 최종적인 상으로 증강현실화면이 된다. 결상부(310)또한 조절부(210)의 조절에 맞춰 각도를 조절해주어야 하므로 일반적으로 결상부(310)와 조절부(210)는 연결해서 동시에 조절되도록 한다.

3D입체화면을 구현하기 위해선 양안시차를 이용한 입체감(Stereoscopic 3D)을 이용하며 위와 같은 디스플레이부(110)와 조절부(210)와 결상부(310)를 쌍으로 구성한다. 예시로 설명하면 좌디스플레이부(110)의 빛이 하조절부(210)로 들어가 우결상부(311)를 지나 오른쪽 눈으로 들어가고 우디스플레이부(111)의 빛이 상조절부(211)로 들어가 좌결상부(310)를 지나 왼쪽 눈으로 들어가 시차를 가지는 두 가상화면으로 인해 착용자로 하여금 입체감을 느끼도록 한다. 이때 하조절부(210)와 우결상부(311)는 연결되고 상조절부(211)와 좌결상부(310)는 연결되어 착용자의 착용환경에 따라 왼쪽 눈과 오른쪽 눈 각각의 초점에 맞도록 개별적으로 조절이 가능하다.

100; 디스플레이 패널
101; 화면 전달 렌즈
200; 조절 프리즘
201; 발산 렌즈
301; 편광 곡면 거울
302; DOE패턴 곡면 렌즈
303; 자유 곡면 프리즘
305; 결상 렌즈

Claims (5)

1. HMD용 광학계 모듈에 있어서,
   디스플레이패널(100) 앞에 위치하여 디스플레이패널(100)의 영상을 수렴시키고 조절부로 향하게 하는 화면 전달 렌즈(101)와;
   디스플레이패널(100)과 화면 전달 렌즈(101)로 구성되는 디스플레이부(110)와;
   디스플레이부(110)에서 나온 영상을 받아 착용자의 환경에 맞게 직접 조절하도록 하는 조절 프리즘(200)과;
   조절 프리즘(200)에서 나온 영상을 발산시켜 확대시켜주는 발산 렌즈(201)와;
   조절 프리즘(200)과 발산 렌즈(201)로 구성되는 조절부(210)와;
   조절부(210)에서 나온 영상을 받아 결합기(300)로 향하도록 하는 가이드(304)와;
   가이드(304)를 통해 들어온 영상을 외부의 현실화면과 결합시켜 착용자의 동공으로 보내주는 역할을 하는 편광 곡면 거울(301)과; 같은 역할을 하는 DOE패턴 곡면 렌즈(301)와; 같은 역할을 하는 자유 곡면 프리즘(302)과;
   위에서 나온 현실화면과 디스플레이패널에서 나온 영상이 결합된 최종영상을 착용자의 환경에 맞게 마지막으로 조절하여 보내주는 결상 렌즈(305)와;
   편광 곡면 거울(301)과; DOE패턴 곡면 렌즈(301)와; 곡면 프리즘(302)과; 결상 렌즈(305)와; 가이드(304)로 구성되는 결합부(310)로 구성되는 HMD용 광학계 모듈.
   
2. 제 1항에 있어서;
   편광 곡면 거울(301)은 특정한 각도로 빛이 입사하면 편광시켜 편광된 빛과 투과된 빛으로 나뉘도록하는 표면처리가 된 곡면 유리를 특징으로 하는 HMD용 광학계 모듈.
3. 제 1항에 있어서;
   DOE패턴 곡면 렌즈(302)는 반도체 미세공정으로 표면처리를 하여 빛의 회절하는 성질을 이용하여 표면에 입사하는 빛을 보다 다양한 각도로 회절시키고 외부로 부터 들어오는 빛은 사이 사이의 간격으로 들어와 착용자로 하여는 반투명으로 느끼게 하는 구면 렌즈를 특징으로 하는 HMD용 광학계 모듈.
4. 제 1항에 있어서;
   자유 곡면 프리즘(303)은 매질에 따라 일정 입사각이 되면 완전히 반사하고 이 현상이 매질의 내부에서 일어나는 경우를 말하는 내부전반사를 이용하고 자유로운 곡면처리를 한 프리즘을 특징으로 하는 HMD용 광학계 모듈.
5. 제 1항에 있어서;
   영상을 착용자로 하여금 확대되어 느끼게 하고; 선명하고; 적은 각도로 큰 초점조절 효과를 내기위한; 초점거리를 위한 조절부(210)와 디스플레이부(110)의 특정 간격을 가지는 구성과;
   착용자로 하여금 왜곡되지 않고; 보다 밝은 영상과 외부의 현실화면의 투과율과; 가이드(304)의 두께를 두껍게 하지않는; 조절부(210)와 결합부(310)의 특정 각도를 가지는 구성을 특징으로 하는 HMD용 광학계 모듈.

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